(57)【要約】【課題】  半導体デバイスのキャリア濃度および応力を分光学的に求める方法を提供すること。【解決手段】  被検試料の被検部位における発光スペクトルの半値幅およびピーク位置を得、予め被検試料と同じ組成比率を有する複数の異なるキャリア濃度の標準試料で決定した発光スペクトルの半値幅とキャリア濃度との関係に基づいて、被検試料の発光スペクトルの半値幅から被検試料のキャリア濃度を算出し、予め被検試料と同じ組成比率を有する複数の異なるキャリア濃度の標準試料で決定した発光スペクトルのピーク位置とキャリア濃度との関係から、被検試料のキャリア濃度での標準試料の発光スペクトルのピーク位置を算出し、算出した標準試料の発光スペクトルのピーク位置と測定した被検試料の発光スペクトルのピーク位置との差分値（ピーク位置移動量）を決定し、ピーク位置移動量と被検試料の応力感度係数とから被検部位に働く応力を算出する、応力測定方法。【選択図】  図１
2005233733.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検試料に働く応力を決定するための装置であって、
被検試料の被検部位において発光スペクトルを測定するためのスペクトル測定部と、
記憶部と、
演算部と、
出力部とを含み、
前記記憶部は、予め前記被検試料の被検部位と同じ組成比率を有する複数のキャリア濃度の異なる標準試料を用いて求めた発光スペクトルの半値幅とキャリア濃度との関係を表すアルゴリズムを含むデータと、予め前記被検試料の被検部位と同じ組成比率を有する複数のキャリア濃度の異なる標準試料について、発光スペクトルのピーク位置とキャリア濃度との関係を表すアルゴリズムを含むデータと、前記被検試料の応力感度係数のデータとを格納しており、
前記演算部は、
前記被検試料の被検部位において測定した発光スペクトルから、当該発光スペクトルの半値幅およびピーク位置を算出するステップと、
前記標準試料の発光スペクトルの半値幅とキャリア濃度との関係を表すアルゴリズムに基づいて、前記被検試料の発光スペクトルの半値幅から、当該被検試料の被検部位におけるキャリア濃度を算出するステップと、
前記標準試料の発光スペクトルのピーク位置とキャリア濃度との関係を表すアルゴリズムに基づいて、前記被検試料のキャリア濃度における、前記標準試料の発光スペクトルのピーク位置を算出するステップと、
前記算出した前記標準試料の発光スペクトルのピーク位置と、前記測定した前記被検試料の発光スペクトルのピーク位置との差分値を求めることによって、当該被検試料の発光スペクトルの応力によるピーク位置移動量を得るステップと、
前記ピーク位置移動量と、前記被検試料の応力感度係数とから、式：
Δν＝Πσ
（Δν：被検試料の被検部位の発光スペクトルのピーク位置移動量、Π：応力感度係数、σ：被検試料の被検部位に働く応力）
に基づいて、前記被検試料の前記被検部位に働く応力を算出するステップとを包含する演算処理を行い、
前記出力部は、前記算出された応力値を出力する、装置。
【請求項２】
前記出力部はさらに、前記被検試料の前記算出されたキャリア濃度を出力する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
被検試料の被検部位におけるキャリア濃度を決定するための装置であって、
被検試料の被検部位において発光スペクトルを測定するためのスペクトル測定部と、
記憶部と、
演算部と、
出力部とを含み、
前記記憶部は、予め前記被検試料の被検部位と同じ組成比率を有する複数の異なるキャリア濃度の標準試料を用いて求めた発光スペクトルの半値幅とキャリア濃度との関係を表すアルゴリズムを含むデータを格納しており、
前記演算部は、
前記被検試料の被検部位において測定した発光スペクトルから、当該発光スペクトルの半値幅を算出するステップと、
前記標準試料の発光スペクトルの半値幅とキャリア濃度との関係を表すアルゴリズムに基づいて、前記被検試料の発光スペクトルの半値幅における前記標準試料のキャリア濃度を算出するステップとを含む演算処理を行い、
前記出力部は、前記算出したキャリア濃度を出力する、装置。
【請求項４】
前記被検試料は、半導体デバイスである、請求項１〜３のいずれかに記載の装置。
【請求項５】
前記発光スペクトルは、電子線、イオン、またはγ線から可視光まで波長範囲の任意の電磁波を試料に照射することによって得られたものである、請求項１〜３のいずれかに記載の装置。
【請求項６】
被検試料に働く応力を決定するためのコンピュータプログラムであって、
被検試料の被検部位において測定した発光スペクトルから、当該発光スペクトルの半値幅およびピーク位置を決定するステップ、
予め前記被検試料の被検部位と同じ組成比率を有する複数のキャリア濃度の異なる標準試料を用いて求めた発光スペクトルの半値幅とキャリア濃度との関係を表すアルゴリズムに基づいて、前記被検試料の発光スペクトルの半値幅から、当該被検試料の被検部位におけるキャリア濃度を算出するステップ、
予め前記被検試料の被検部位と同じ組成比率を有する複数のキャリア濃度の異なる標準試料を用いて求めた、発光スペクトルのピーク位置とキャリア濃度との関係を表すアルゴリズムに基づいて、前記被検試料のキャリア濃度における前記標準試料の発光スペクトルのピーク位置を算出するステップ、
前記算出した前記標準試料の発光スペクトルのピーク位置と、前記測定した前記被検試料の発光スペクトルのピーク位置との差分値を求めることによって、当該被検試料の発光スペクトルの応力によるピーク位置移動量を得るステップ、および
前記ピーク位置移動量と、前記被検試料の応力感度係数とから、式：
Δν＝Πσ
（Δν：被検試料の被検部位の発光スペクトルのピーク位置移動量、Π：応力感度係数、σ：被検試料の被検部位に働く応力）
に基づいて、前記被検試料の前記被検部位に働く応力を算出するステップを含む処理をコンピュータに行わせるための、プログラム。
【請求項７】
被検試料のキャリア濃度を決定するためのコンピュータプログラムであって、
被検試料の被検部位において測定した発光スペクトルから、当該発光スペクトルの半値幅を決定するステップ、および
予め前記被検試料の被検部位と同じ組成比率を有する標準試料について求めた、発光スペクトルの半値幅とキャリア濃度との関係を表すアルゴリズムに基づいて、前記被検試料の発光スペクトルの半値幅から、当該被検試料のキャリア濃度を算出するステップを含む処理をコンピュータに行わせるための、プログラム。
【請求項８】
前記被検試料は、半導体デバイスである、請求項６または７に記載のプログラム。
【請求項９】
前記発光スペクトルは、電子線、イオン、またはγ線から可視光まで波長範囲の任意の電磁波を試料に照射することによって得られたものである、請求項６または７に記載のプログラム。
【請求項１０】
被検試料に働く応力を決定する方法であって、
被検試料の被検部位において、発光スペクトルを測定し、当該スペクトルの半値幅およびピーク位置を得る工程、
予め前記被検試料の被検部位と同じ組成比率を有する複数の異なるキャリア濃度を有する標準試料を用いて決定した発光スペクトルの半値幅とキャリア濃度との関係に基づいて、前記被検試料の発光スペクトルの半値幅から、当該被検試料の被検部位におけるキャリア濃度を算出する工程、
予め前記被検試料の被検部位と同じ組成比率を有する複数の異なるキャリア濃度を有する標準試料を用いて決定した発光スペクトルのピーク位置とキャリア濃度との関係に基づいて、前記被検試料のキャリア濃度における前記標準試料の発光スペクトルのピーク位置を算出する工程、
前記算出した前記標準試料の発光スペクトルのピーク位置と、前記測定した前記被検試料の発光スペクトルのピーク位置との差分値を求めることによって、当該被検試料の発光スペクトルの応力によるピーク位置移動量を決定する工程、および
前記ピーク位置移動量と、前記被検試料の応力感度係数とから、前記被検試料の前記被検部位に働く応力を算出する工程を包含する、方法。
【請求項１１】
前記標準試料の発光スペクトルの半値幅とキャリア濃度との関係は、前記被検試料の被検部位と同じ組成比率を有するキャリア濃度既知の複数の異なるキャリア濃度を有する複数の標準試料の発光スペクトルを測定し、当該標準試料の発光スペクトルの半値幅とキャリア濃度との関係を導出することによって求められる、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記標準試料の発光スペクトルのピーク位置とキャリア濃度との関係を表すアルゴリズムは、前記被検試料の被検部位と同じ組成比率を有するキャリア濃度既知の複数の異なるキャリア濃度を有する複数の標準試料の発光スペクトルを測定し、当該標準試料の発光スペクトルのピーク位置とキャリア濃度との関係を導出することによって求められる、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記応力を算出する工程において、当該応力の算出のために、式：
Δν＝Πσ
（Δν：被検試料の被検部位の発光スペクトルのピーク位置移動量、Π：応力感度係数、σ：被検試料の被検部位に働く応力）
を用いる、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
被検試料のキャリア濃度を決定する方法であって、
被検試料の被検部位において、発光スペクトルを測定し、当該発光スペクトルの半値幅を得る工程、および
予め前記被検試料の被検部位と同じ組成比率を有する複数のキャリア濃度の異なる標準試料について求めた、発光スペクトルの半値幅とキャリア濃度との関係に基づいて、前記被検試料の発光スペクトルの半値幅から、当該被検試料の被検部位におけるキャリア濃度を算出する工程、
を包含する、方法。
【請求項１５】
前記標準試料の発光スペクトルの半値幅とキャリア濃度との関係は、前記被検試料の被検部位と同じ組成比率を有するキャリア濃度既知の複数の異なるキャリア濃度を有する複数の標準試料の発光スペクトルを測定し、当該標準試料の発光スペクトルの半値幅とキャリア濃度との関係を導出することによって求められる、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体デバイスの発光分光分析による応力測定法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、精密デバイス、微細デバイス等の作製過程等において部材に生じるひずみは、デバイス自体の特性、信頼性などに影響を及ぼす。例えば、微細ＬＳＩなどでは、製作プロセスの途中で形成される各種薄膜のパターン周辺で応力の集中が起こる。特に、内部応力の大きいシリサイドを用いた配線や、ＬＯＣＯＳ（Ｌｏｃａｌ  ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｓｉｌｉｃｏｎ）構造、トレンチ構造のような厚い酸化膜を埋め込む構造の素子分離膜の周辺には、大きな応力集中が起こりやすい。例えば、ＬＯＣＯＳ境界やトレンチの付近で、Ｓｉ基板中に発生する応力の値は、１００ＭＰａ以上にもなる。このような大きな応力のために、素子領域にひずみや転位が起こり、デバイスの特性が劣化したり、信頼性が低下したりする。このような問題を回避するためには、局所的な応力分布をも考慮したデバイス設計を行う必要がある。応力を測る技術として、現在、ラマン発光分析または発光分光分析などの分光分析が利用されている（非特許文献１を参照）。
【０００３】
フォトルミネセンス法やカソードルミネセンス法をはじめとした発光分光分析法による物質の応力測定は、物質に応力が加わると発光スペクトルのピーク位置がシフトするというピエゾスペクトロスコピック（ＰＳ）効果を利用して行われる。一般的に、発光スペクトルのピーク位置は、圧縮応力下では高エネルギー側に、引張り応力下では低エネルギー側にシフトする。応力（σ）による物質のひずみと発光スペクトルのピークシフト量（Δν）の関係は、応力が数ＧＰａ程度までの範囲で、直線近似（Δν＝Πσ：Πは応力感度係数）できることが知られている（非特許文献２を参照）。
【０００４】
半導体材料では、応力のみならずキャリア濃度および組成の変化によっても、材料の発光スペクトルのピーク位置は変化する。したがって、半導体デバイスの発光スペクトルのピークシフト量からその材料に働く応力を見積もる場合、その半導体材料のキャリア濃度および組成も考慮しなければならない。
【０００５】
非特許文献３には、発光スペクトルのピーク位置、半値幅、およびピーク強度を用いて、ＧａＡｓのＭＥＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）のキャリア濃度と応力とを導出し得ることが示唆されている。しかしながら、非特許文献３には、具体的な導出方法は開示されていない。
【非特許文献１】伊藤忠、外２名、「ラマン分光法によるＬＳＩの局所応力の解析」、豊田中央研究所Ｒ＆Ｄレビュー、１９９４年１２月、Ｖｏｌ．２９、Ｎｏ．４，ｐ．４３−５２
【非特許文献２】末長宏之、「セラミックと金属の複合材料における強化機構の解析」、京都工芸繊維大学平成１１年度修士論文
【非特許文献３】Ｍ．Ｙｏｓｈｉｋａｗａ、外２名、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏｌ．８４，Ｎｏ．３，１  Ａｕｇｕｓｔ  １９９８，ｐ．１６９３−１６９６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、本発明の第一の目的は、半導体材料または半導体デバイスのキャリア濃度およびそれらに働く応力を、分光学的手法を用いて求める方法を具体的に提供することである。
【０００７】
さらに、非特許文献３では、半導体デバイスに働く応力とそのキャリア濃度とを求めるのに、発光スペクトルのピーク位置、半値幅、およびピーク強度の３つを用いることが教示されているが、発光スペクトルのピーク強度は応力の種類（圧縮か引っ張りか）および／またはキャリア濃度の違いによって大きく変化しやすいこともまた教示されている。したがって、ピーク強度に基づいて求めた半導体デバイスの応力またはキャリア濃度では、正確性および信頼性に欠けるという問題があった。
【０００８】
したがって、本発明の第二の目的は、半導体デバイスまたは半導体材料のキャリア濃度、および半導体デバイスまたは半導体材料に働く応力を、分光学的手法によって正確に、そして信頼性をもって求めるための方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明では、スペクトルのピーク強度は用いずに、発光スペクトルのピーク位置と半値幅のみから、被検試料のキャリア濃度と被検部位に働く応力とを求める。本発明の方法は、発光スペクトルの「半値幅」が応力によって変化しないという、本発明者らが経験的に見いだした知見に基づいている。
【００１０】
本発明は、１つの局面において、被検試料に働く応力を決定するための装置を提供する。この装置は、被検試料の被検部位において発光スペクトルを測定するためのスペクトル測定部と、記憶部と、演算部と、出力部とを備えている。
【００１１】
上記記憶部は、予め上記被検試料の被検部位と同じ組成比率を有する複数のキャリア濃度の異なる標準試料を用いて求めた発光スペクトルの半値幅とキャリア濃度との関係を表すアルゴリズムを含むデータと、予め上記被検試料の被検部位と同じ組成比率を有する複数のキャリア濃度の異なる標準試料について、発光スペクトルのピーク位置とキャリア濃度との関係を表すアルゴリズムを含むデータと、上記被検試料の応力感度係数のデータとを格納している。上記演算部は、上記被検試料の被検部位において測定した発光スペクトルから、当該発光スペクトルの半値幅およびピーク位置を算出するステップと、上記標準試料の発光スペクトルの半値幅とキャリア濃度との関係を表すアルゴリズムに基づいて、上記被検試料の発光スペクトルの半値幅から、当該被検試料の被検部位におけるキャリア濃度を算出するステップと、上記標準試料の発光スペクトルのピーク位置とキャリア濃度との関係を表すアルゴリズムに基づいて、上記被検試料のキャリア濃度における、上記標準試料の発光スペクトルのピーク位置を算出するステップと、上記算出した上記標準試料の発光スペクトルのピーク位置と、上記測定した上記被検試料の発光スペクトルのピーク位置との差分値を求めることによって、当該被検試料の発光スペクトルの応力によるピーク位置移動量を得るステップと、上記ピーク位置移動量と、上記被検試料の応力感度係数とから、式：
【００１２】
Δν＝Πσ
（Δν：被検試料の被検部位の発光スペクトルのピーク位置移動量、Π：応力感度係数、σ：被検試料の被検部位に働く応力）に基づいて、上記被検試料の上記被検部位に働く応力を算出するステップとを包含する演算処理を行う。そして、上記出力部は、上記算出された応力値を出力する。
【００１３】
本発明の応力決定装置の好ましい実施形態では、上記出力部はさらに、上記被検試料の上記算出されたキャリア濃度を出力する。
【００１４】
本発明はまた、別の局面において、被検試料のキャリア濃度を決定するための装置を提供する。この装置は、被検試料の被検部位において発光スペクトルを測定するためのスペクトル測定部と、記憶部と、演算部と、出力部とを備えている。
【００１５】
上記記憶部は、予め上記被検試料の被検部位と同じ組成比率を有する複数の異なるキャリア濃度の標準試料を用いて求めた発光スペクトルの半値幅とキャリア濃度との関係を表すアルゴリズムを含むデータを格納している。上記演算部は、上記被検試料の被検部位において測定した発光スペクトルから、当該発光スペクトルの半値幅を算出するステップと、上記標準試料の発光スペクトルの半値幅とキャリア濃度との関係を表すアルゴリズムに基づいて、上記被検試料の発光スペクトルの半値幅における上記標準試料のキャリア濃度を算出するステップとを含む演算処理を行う。上記出力部は、上記算出したキャリア濃度を出力する。
【００１６】
本発明の応力決定装置またはキャリア濃度決定装置の好ましい実施形態では、上記被検試料は、半導体デバイスである。
【００１７】
本発明の応力決定装置またはキャリア濃度決定装置の好ましい実施形態では、上記発光スペクトルは、電子線、イオン、またはγ線から可視光まで波長範囲の任意の電磁波を試料に照射することによって得られたものである。
【００１８】
本発明は、さらに別の局面において、被検試料に働く応力を決定するためのコンピュータプログラムを提供する。
【００１９】
本発明の被検試料に働く応力を決定するためのコンピュータプログラムは、被検試料の被検部位において測定した発光スペクトルから、当該発光スペクトルの半値幅およびピーク位置を決定するステップ、予め上記被検試料の被検部位と同じ組成比率を有する複数のキャリア濃度の異なる標準試料を用いて求めた発光スペクトルの半値幅とキャリア濃度との関係を表すアルゴリズムに基づいて、上記被検試料の発光スペクトルの半値幅から、当該被検試料の被検部位におけるキャリア濃度を算出するステップ、予め上記被検試料と同じ組成比率を有する複数のキャリア濃度の異なる標準試料を用いて求めた、発光スペクトルのピーク位置とキャリア濃度との関係を表すアルゴリズムに基づいて、上記被検試料のキャリア濃度における上記標準試料の発光スペクトルのピーク位置を算出するステップ、上記算出した上記標準試料の発光スペクトルのピーク位置と、上記測定した上記被検試料の発光スペクトルのピーク位置との差分値を求めることによって、当該被検試料の発光スペクトルの応力によるピーク位置移動量を得るステップ、および上記ピーク位置移動量と、上記被検試料の応力感度係数とから、式：
Δν＝Πσ
（Δν：被検試料の被検部位の発光スペクトルのピーク位置移動量、Π：応力感度係数、σ：被検試料の被検部位に働く応力）に基づいて、上記被検試料に働く応力を算出するステップを含む処理をコンピュータに行わせる。
【００２０】
本発明は、さらに別の局面において、被検試料のキャリア濃度を決定するためのコンピュータプログラムを提供する。
【００２１】
本発明の被検試料のキャリア濃度を決定するためのコンピュータプログラムは、被検試料の被検部位において測定した発光スペクトルから、当該発光スペクトルの半値幅を決定するステップ、および予め上記被検試料の被検部位と同じ組成比率を有する標準試料について求めた、発光スペクトルの半値幅とキャリア濃度との関係を表すアルゴリズムに基づいて、上記被検試料の発光スペクトルの半値幅から、当該被検試料の被検部位におけるキャリア濃度を算出するステップを含む処理をコンピュータに行わせる。
【００２２】
本発明の被検試料に働く応力を決定するためのプログラムまたはキャリア濃度を決定するためのプログラムの好ましい実施形態では、上記被検試料は、半導体デバイスである。
【００２３】
本発明の被検試料に働く応力を決定するためのプログラムまたはキャリア濃度を決定するためのプログラムの好ましい実施形態では、上記発光スペクトルは、電子線、イオン、またはγ線から可視光まで波長範囲の任意の電磁波を試料に照射することによって得られたものである。
【００２４】
本発明はまた、別の局面において、被検試料に働く応力を決定する方法を提供する。この方法は、被検試料の被検部位において、発光スペクトルを測定し、当該スペクトルの半値幅およびピーク位置を得る工程、予め上記被検試料の被検部位と同じ組成比率を有する複数の異なるキャリア濃度を有する標準試料を用いて決定した発光スペクトルの半値幅とキャリア濃度との関係に基づいて、上記被検試料の発光スペクトルの半値幅から、当該被検試料の被検部位におけるキャリア濃度を算出する工程、予め上記被検試料の被検部位と同じ組成比率を有する複数の異なるキャリア濃度を有する標準試料を用いて決定した発光スペクトルのピーク位置とキャリア濃度との関係に基づいて、上記被検試料のキャリア濃度における上記標準試料の発光スペクトルのピーク位置を算出する工程、上記算出した上記標準試料の発光スペクトルのピーク位置と、上記測定した上記被検試料の発光スペクトルのピーク位置との差分値を求めることによって、当該被検試料の発光スペクトルの応力によるピーク位置移動量を決定する工程、および上記ピーク位置移動量と、上記被検試料の応力感度係数とから、上記被検試料の上記被検部位に働く応力を算出する工程を包含する。
【００２５】
本発明の被検試料に働く応力を決定するための方法の好ましい実施形態では、上記標準試料の発光スペクトルの半値幅とキャリア濃度との関係は、上記被検試料の被検部位と同じ組成比率を有するキャリア濃度既知の複数の異なるキャリア濃度を有する複数の標準試料の発光スペクトルを測定し、当該標準試料の発光スペクトルの半値幅とキャリア濃度との関係を導出することによって求められる。
【００２６】
本発明の被検試料に働く応力を決定するための方法の好ましい実施形態では、上記標準試料の発光スペクトルのピーク位置とキャリア濃度との関係を表すアルゴリズムは、上記被検試料の被検部位と同じ組成比率を有するキャリア濃度既知の複数の異なるキャリア濃度を有する複数の標準試料の発光スペクトルを測定し、当該標準試料の発光スペクトルのピーク位置とキャリア濃度との関係を導出することによって求められる。
【００２７】
本発明の被検試料に働く応力を決定するための方法の好ましい実施形態では、上記応力を算出する工程において、当該応力の算出のために、式：
Δν＝Πσ
（Δν：被検試料の被検部位の発光スペクトルのピーク位置移動量、Π：応力感度係数、σ：被検試料の被検部位に働く応力）
を用いる。
【００２８】
本発明は、さらに別の局面において、被検試料のキャリア濃度を決定する方法を提供する。この方法は、被検試料の被検部位において、発光スペクトルを測定し、当該発光スペクトルの半値幅を得る工程、および予め上記被検試料の被検部位と同じ組成比率を有する複数のキャリア濃度の異なる標準試料について求めた、発光スペクトルの半値幅とキャリア濃度との関係に基づいて、上記被検試料の発光スペクトルの半値幅から、当該被検試料の被検部位におけるキャリア濃度を算出する工程を包含する。
【００２９】
本発明の被検試料のキャリア濃度を決定する方法の好ましい実施形態では、上記標準試料の発光スペクトルの半値幅とキャリア濃度との関係は、上記被検試料の被検部位と同じ組成比率を有するキャリア濃度既知の複数の異なるキャリア濃度を有する複数の標準試料の発光スペクトルを測定し、当該標準試料の発光スペクトルの半値幅とキャリア濃度との関係を導出することによって求められる。
【００３０】
（用語の説明）
本明細書において使用される用語「標準試料」は、被検試料の半導体材料と同一の組成を有する半導体材料からなる参照試料であって、応力ゼロの状態を仮定し得るような均質に構成された試料を意味する。標準試料のキャリア濃度は、被検試料のキャリア濃度と異なり得る。代表的な標準試料の例としては、例えば、被検試料と同一の組成を有するウエハなどが挙げられる。なお、標準試料の大きさ、形状、厚さなどは、必ずしも被検試料と一致している必要はない。
【００３１】
本明細書において使用される用語「被検試料」は、本発明の方法による応力測定およびキャリア濃度測定の対象となる半導体材料または半導体デバイスを意味する。「被検部位」は、被検試料における応力（または組成もしくはキャリア濃度など）を測定する対象となる部位をいい、例えば、半導体デバイスにおける、薄膜、あるいは基板などにおける任意の部位が被検部位になり得る。
【００３２】
本明細書において使用される用語「キャリア濃度」は、当該分野で使用する通常の意味で使用され、半導体材料内で電気伝導に寄与する電子や正孔の単位体積辺りの濃度のことを意味する。本明細書の実施例においては、半導体デバイス内に不純物（Ｓｉ、Ｚｎなど）をドープすることによって生じたキャリア濃度がこれに該当する。
【発明の効果】
【００３３】
本発明により、半導体材料または半導体デバイスの応力の分光学的手法による測定が具体的に（または定量的に）実現される。
【００３４】
さらに、本発明により、発光スペクトルのピーク位置と半値幅のみからキャリア濃度と応力によるピーク位置移動量を簡易かつ高精度に分離して評価することが可能となる。
【００３５】
本発明は、半導体デバイスの製造プロセスにおける良質な結晶成長、および良質なデバイス作製のための分析・評価手法として非常に有用である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００３７】
（実施の形態１）
（被検試料のキャリア濃度および応力を決定する方法）
図１は、本発明の方法により被検試料の発光スペクトルから、被検試料のキャリア濃度およびピーク位置移動量ならびに被検試料の被検部位に働く応力を求める手順を示すフロー図である。以下、図１を参照しながら、被検試料のキャリア濃度測定および被検部位における応力測定の手順について説明する。
【００３８】
まず、被検試料を用意するところからスタートする。本実施の形態ではキャリア濃度未知の２元素系化合物半導体材料（以下、２元素系被検試料と呼ぶ）の被検部位における発光スペクトルからキャリア濃度と応力によるピーク位置移動量を求める。
【００３９】
ステップＳ１において、被検試料の被検部位における元素組成を決定するが、ＧａＡｓやＧａＮといった２元素系の化合物半導体は、特に単結晶の場合、２つの元素が１：１の組成において安定に存在する。したがって、被検部位での組成比率は、１：１と仮定できる。
【００４０】
次いで、ステップＳ２において、上記２元素系被検試料の被検部位と同一組成のキャリア濃度の異なる複数の化合物半導体標準試料を用意し、これらの標準試料の発光スペクトルを測定し、半値幅ｗstdおよびピーク位置νstdを決定する。ここで、キャリア濃度は、当業者により適宜好適な範囲を選択し得るが、例えば、０〜１．０×１０19ａｔｏｍ／ｃｍ3の範囲で異なるものを用意する。標準試料のキャリア濃度は、例えば、四探針法、Ｃ−Ｖ(ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ−ｖｏｌｔａｇｅ）法、走査型プローブ顕微鏡法、分光学的手法などを用いて求めることができる。走査型プローブ顕微鏡法としては、走査型キャパシタンス顕微鏡（ＳＣＭ）、走査型拡がり抵抗顕微鏡（ＳＳＲＭ）などが好ましい。特に、ＳＳＲＭは、キャリア濃度の定量性が優れているので好ましい。また、分光学的手法としては、カソードルミネセンス分光法、フォトルミネセンス分光法、ラマン分光法などが使用され得る。その他、キャリア濃度を直接求める方法ではないが、キャリアを発生させるために半導体に故意に添加された不純物の濃度を高精度で求める手法として、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）を使用し得る。
次いで、ステップＳ３およびステップＳ４において、上記標準試料の発光スペクトルから、ピーク位置νstdと半値幅ｗstdのキャリア濃度ｃに対する依存性を表す式１：
νstd＝ｆ（ｃ）
および、式２：
ｗstd＝ｇ（ｃ）
を求める。ここで、ｆ（ｃ）とｇ（ｃ）とはキャリア濃度ｃに関する関数である。なお、ステップＳ３およびステップＳ４はどちらを先に行ってもよい。
【００４１】
次に、ステップＳ５において、２元素系被検試料の被検部位における発光スペクトルを測定して、そのピーク位置νeと半値幅ｗeを求める。次いで、ステップＳ６において、発光スペクトルの半値幅は応力によって変化せず、キャリア濃度のみに依存して変化することを利用して、求めた半値幅ｗeを式２のｗstdに適用する。その結果、化合物半導体材料の被検部位におけるキャリア濃度ｃeが求まる。
【００４２】
次に、ステップＳ７において、求めたｃeを式１に当てはめることによって、応力ゼロでキャリア濃度ｃeにおける発光スペクトルのピーク位置ν0が算出される。このように求めたν0の値を、ステップＳ８において、上記２元素系被検試料について求めた発光スペクトルνeの値から減じることによって、上記２元素系被検試料の被検部位での応力による発光スペクトルのピーク位置移動量Δνeを求めることができる。
【００４３】
発光スペクトルは応力値に比例したピーク位置のシフトを生じ、式３：
Δν＝Πσ
の関係が成り立つことが知られている（前出）。ここで、Δνは応力によるピーク位置移動量、σは試料に加わる応力、Πは試料の応力感度係数を表す。
【００４４】
よって、ステップＳ９において、上記２元素系被検試料と同一組成を有するキャリア濃度ｃeの化合物半導体の応力感度係数Πが既知であれば、上記で求めたΔνeの値を、応力感度係数Πで除算することによって、２元素系被検試料の被検部位に働く応力値σを求めることができる。以上で、被検試料の被検部位における応力測定が終了する。
【００４５】
なお、被検試料の応力感度係数は、本出願人による同時係属中の特願２００４−４２０６８の明細書に記載された応力測定方法によって求めることができる。具体的には、圧子（例えば、ビッカース圧子）などを被検試料と同一組成を有する標準試料（例えば、平坦な面を有するウエハなど）の平面に押しつけることによって形成した亀裂を有する当該標準試料において、当該亀裂の先端付近の応力分布σと、当該亀裂先端付近で求めた当該標準試料の発光スペクトルまたはラマンスペクトルから得られるスペクトルのピーク位置の応力によるシフト量Δνとを求め、それら間の関係を分析することによって、応力感度係数Πを導出する。ここで、上記亀裂先端の応力分布は、下記式：
【数１】
2005233733.tif 000003
で近似することができる（但し、σ：亀裂の先端から当該亀裂の中心線の延長線上を当該亀裂先端前方への微小距離ｒの位置に働く応力、Ｋ：臨界応力拡大係数）。また、応力拡大係数Ｋは、下記式：
【数２】
2005233733.tif 000004
（ｘ：試料の亀裂の先端から当該亀裂の中心線上を当該亀裂の内部に向かう方向への距離、２ｕ：距離ｘでの開口変位量、Ｅ’：平面ひずみヤング率）から求められる（但し、Ｅ’は、下記式：
【数３】
2005233733.tif 000005
（Ｅ：ヤング率、ν：ポアソン比）で表される）。ヤング率Ｅおよびポアソン比νは物質に固有の値である。上記のように表される応力分布σと、測定したスペクトルのピークシフト量Δνとの関係から、応力感度係数Πを求めることができる。
【００４６】
上記応力感度係数測定方法は、微小な被検対象物の応力感度係数を求める場合、または薄膜などの被覆膜の応力感度係数を求める場合に、特に有用である。
【００４７】
また、応力感度係数は、４点曲げ法のような公知の他の方法によっても測定し得る。４点曲げ法は、特に、被検対象物が４点曲げ装置のジグに固定できる程度の大きさを有する場合に有効である。
【００４８】
（被検試料のキャリア濃度および応力を決定するための装置およびプログラム）
本発明は、別の局面において、上記方法を実施するための装置およびそのような装置に搭載される（またはそれと共に使用される）コンピュータに被検試料のキャリア濃度決定または応力決定のための演算処理を行わせるためのプログラムもまた、提供する。図２は、そのようなキャリア濃度および応力を決定するための装置の全体構成を示すブロック図である。
【００４９】
図２において、本発明の一実施形態に係る装置２０は、試料載台（試料を置くところ）、試料に照射する各種プローブ源、試料から生じる発光を分光するための分光器、分光された光を検出するための検出器等（不図示）から構成されるスペクトル測定部２１と、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ハードディスク、ＦＤ、またはＭＯディスクなどから構成される記憶部２２と、ＣＰＵなどから構成される演算部２３と、キーボード、またはＦＤのような外部記憶装置などから構成される入力部２４と、端子のような出力手段、または液晶ディスプレイなどの表示手段などから構成される出力部２５とを備えている。
【００５０】
図２の装置２０において、スペクトル測定部２１は、被検試料または標準試料のスペクトル測定部位における発光スペクトルを測定し、結果を記憶部２２または演算部２３に出力する。記憶部２２は、スペクトル測定部２１で測定されたスペクトルのデータ、入力部２４から入力されるデータ（例えば、νstd＝ｆ（ｃ）およびｗstd＝ｇ（ｃ）の関係式など）、または演算部２３での演算処理の結果などを格納する。演算部２３は、演算処理に必要なアルゴリズムまたは演算処理を実行するためのプログラムなどを備えており、スペクトル測定部２１で測定した被検試料または標準試料のスペクトルに関するデータ、または記憶部２２に予め格納されている被検試料または標準試料のスペクトルに関するデータなどを取得して、上記アルゴリズムまたはプログラムに従って、被検試料のキャリア濃度または被検部位に働く応力の算出を行い、結果を記憶部２２に記録するか、または出力部２５に対して出力する。なお、演算部２３を構成するＣＰＵは、装置２０の各部を含む全体を制御する制御部（不図示）の役割も果たす。端子、液晶ディスプレイまたは表示モニタなどで構成される出力部２５は、演算部２３または記憶部２２からのデータまたは演算結果を、ＣＰＵの制御に基づいて外部に出力するか、または表示する。
【００５１】
一方、図３は、図２に示す装置２０の演算部２３の行う演算処理を示すフローチャートである。以下、図３を参照してステップ毎に説明する。
【００５２】
図３に示す演算部２３の行う処理は、ユーザによる演算処理開始キーを押すなどの動作によって、入力部２４から開始信号を演算部２３に伝達することなどによって開始される。まず、ステップＳ１１において、スペクトル測定部２１で測定した被検試料の被検部位における発光スペクトルをスペクトル測定部２１から直接か、または記憶部２２から取得し、そのスペクトルから半値幅およびピーク位置を、市販のピークフィッティングプログラムなどを用いて決定する。次いで、ステップＳ１２において、記憶部２２に予め記憶させておいた標準試料の半値幅ｗstdとキャリア濃度との関係（ｗstd＝ｇ（ｃ））を取得し、その関係式に基づいて、上記で求めた被検試料の半値幅に対応するキャリア濃度を算出する。
【００５３】
次いで、ステップＳ１３において、同様に、記憶部２２に予め記憶させておいた標準試料のピーク位置νstdとキャリア濃度との関係（νstd＝ｆ（ｃ））を取得し、その関係式に基づいて、上記で求めた被検試料のキャリア濃度に対応するピーク位置を算出する。
【００５４】
次いで、ステップＳ１４において、ステップＳ１１で求めた被検試料のスペクトルのピーク位置と、ステップＳ１３において求めた標準試料のスペクトルのピーク位置との差分値を求めることにより、被検試料の被検部位において働く応力によるピーク位置移動量Δνを算出する。
【００５５】
次いで、ステップＳ１５において、記憶部２２に予め記憶させておいた被検試料の応力感度係数Πを取得し、上記で求めた被検試料の被検部位におけるピーク位置移動量Δνとともに、式：Δν＝Πσに当てはめることにより、応力σを算出した後、処理を終了する。
【００５６】
このようにして、本発明の一実施形態に係る装置２０により、被検部位における発光スペクトルの半値幅は被検部位に働く応力に依存しないことを利用して、半値幅およびピーク位置のみから被検試料のキャリア濃度および被検部位に働く応力を求めることができる。なお、図３のステップＳ１１は、演算部２３において行うかわりに、予めスペクトル測定部２１において行ってもよい。
【００５７】
本発明を適用し得る２元素系の化合物半導体としては、ＩＩＩ−Ｖ族元素からなるＡｌＮ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＩＩ−ＶＩ族元素からなるＺｎＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＨｇＳが、さらにはＩＶ−ＶＩ族元素からなるＳｎＴｅ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、ＰｂＴｅ、などが挙げられる。
【００５８】
また、被検試料または標準試料の発光スペクトルは、試料に電子線、イオン、若しくはγ線からＸ線、紫外線、さらに可視光までの波長範囲の電磁波を照射し、試料から発せられる光を分光器で検出することによって得ることができる。
【００５９】
（実施の形態２）
本実施の形態では、応力未知、キャリア濃度未知、組成未知の３元素以上からなる化合物半導体材料の被検部位における発光スペクトルからキャリア濃度と応力によるピーク位置移動量を求める。手順は、図１に示したものと同様であるため、以下、図１を参照して説明する。３元素以上になると製造環境の違い等によって組成変化が生じ、そのため発光スペクトルのピーク波長や半値幅も変化することから、はじめに被検部位での組成を求めておく必要がある。
【００６０】
まず、ステップＳ１において、応力未知、キャリア濃度未知、組成未知の３つ以上の元素からなる化合物半導体材料（以下、「多元素系被検試料」と呼ぶ）の被検部位での組成を、波長分散型Ｘ線マイクロアナライザ法（ＷＤＳ法）、波長分散型Ｘ線マイクロアナライザ法、または波長分散型蛍光Ｘ線法などの分析方法を用いて決定する。
【００６１】
次いで、ステップＳ２において、上記多元素系被検試料の被検部位の組成と同一の組成を有する複数のキャリア濃度の異なる化合物半導体標準試料を用意し、これらの標準試料の発光スペクトルを測定する。ここで、キャリア濃度は、当業者により適宜好適な範囲を選択し得るが、例えば、０〜１．０×１０19ａｔｏｍ／ｃｍ3の範囲で異なるものを用意する。標準試料のキャリア濃度は、実施の形態１において記載したように求めることができる。
【００６２】
次いで、ステップＳ３およびステップＳ４において、ピーク位置νstdと半値幅ｗstdのキャリア濃度依存性を表す関係式（上記式１および式２を参照）を求める。
【００６３】
次に、ステップＳ５において、上記多元素系被検試料の被検部位での発光スペクトルを測定して、そのピーク位置νeと半値幅ｗeを求める。化合物半導体材料の組成が一定である限り、発光スペクトルの半値幅は応力によって変化せず、キャリア濃度のみに依存して変化すると仮定してよい。よって、求めた多元素系被検試料の被検部位での発光スペクトルの半値幅ｗeを式２のｗstdに適用することができ、それにより、ステップＳ６において、化合物半導体材料の被検部位でのキャリア濃度ｃeを求めることができる。
【００６４】
次に、ステップＳ７において、求めたｃeを式１に当てはめることによって、応力ゼロ、キャリア濃度ｃeにおける上記組成を有する多元素系被検試料の発光スペクトルのピーク位置ν0を算出することができる。次いで、ステップＳ８において、このν0を、多元素系被検試料の被検部位での発光スペクトルνeから減じることによって、多元素系被検試料の被検部位での応力による発光スペクトルのピーク移動量Δνeを求めることができる。
【００６５】
ここで、キャリア濃度ｃeで上記多元素系被検試料と同一組成の化合物半導体の応力感度係数Πが既知であれば、ステップＳ９において、Δνeをその応力感度係数Πで除算することによって、上記多元素系被検試料の被検部位に働く応力値σを求めることができる。
【００６６】
なお、被検試料の応力感度係数は、上記実施の形態１で説明した方法と同様の方法で求めることができる。
【００６７】
また、被検対象物が、例えば、半導体ウエハ上に一様に形成した薄膜のように、各部位での組成が一様であり、さらにキャリア濃度も一様であるような場合には、たとえ応力感度係数が未知であっても、その被検対象物の各被検部位間での「相対的な」応力の大きさの評価を、本発明によって、従来よりも正確に行うことが可能である。
【００６８】
本発明が適用し得る３元素以上からなる化合物半導体としては、３元素系ではＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＰ、ＡｌＩｎＡｓ、ＡｌＧａＮ、ＨｇＣｄＴｅ、ＰｂＳｎＴｅ、ＰｂＳｎＴｅなどが、また４元素系ではＡｌＧａＡｓＳｂ、ＧａＩｎＰＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＩｎＰＡｓＳｂなどが挙げられる。その他５元素系や６元素系の化合物半導体にも適用可能である。
【００６９】
また、被検試料または標準試料の発光スペクトルは、試料に電子線、イオン、またはγ線からＸ線、紫外線、さらに可視光までのエネルギー領域における電磁波を照射し、試料から発せられる光を分光器で検出することによって得ることができる。
【００７０】
本発明は、さらに別の局面において、３元素以上からなる化合物半導体についても、実施の形態１で説明したものと同様のキャリア濃度測定装置および応力測定装置、ならびにそれらに搭載され得るコンピュータプログラムを提供する。その説明は、実施の形態１において説明したものと実質的に同じであるため、ここでは説明を省略する。
【００７１】
以上、上記の実施の形態１および２では、化合物半導体材料を用いて本発明を説明したが、本発明の適用範囲はこれらに限定されず、単体半導体材料（例えば、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）など）のキャリア濃度および応力測定に対しても、本発明を適用し得る。
【００７２】
また、本発明は、半導体デバイスにおける基板、熱酸化膜、薄膜などのあらゆる部位の応力測定およびキャリア濃度測定に適用し得る。半導体デバイスには、光半導体デバイス（例えば、半導体で構成される受光デバイス、発光デバイス、両者を含むデバイスなど。代表的には、半導体レーザー、アバランシェフォトダイオード、フォトトランジスタなどを含む。）、電子デバイス（例えば、トランジスタなど）、およびその他の半導体デバイスが含まれる。
【００７３】
以下に、より具体的に、本発明を適用し得る半導体デバイスの代表的な例を挙げるが、本発明の適用範囲はこれらに限定されない。本発明は、以下のような半導体デバイスの応力、キャリア濃度分析に適用され得る：
【００７４】
・ＭＯＳ電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）の不純物拡散層の解析、応力解析
・発光ダイオード、半導体レーザー
特に、ダブルへテロ構造の各層におけるキャリア濃度の分布、応力の分布評価
・可変容量ダイオード、アバランシェホトダイオード、ツェナーホトダイオード、トンネルダイオード、バックワードダイオード、ホトダイオード、ＰＩＮホトダイオード、ショットキーホトダイオード、太陽電池、インパットダイオード、バリットダイオード、ガンダイオード等のＰＮ接合近傍の応力、キャリア濃度分析
・サイリスタ（電力制御用ＰＮ接合デバイス）
特に、ホトサイリスタ、ＭＯＳサイリスタ、逆阻止サイリスタ、逆導通サイリスタ、２方向サイリスタ、等のＰＮ接合近傍の応力、キャリア濃度分析
・ＧａＮ系窒化物半導体のキャリア濃度、応力評価
例えば、サファイア基板上に成長させたＧａＮ基板の評価。
【００７５】
以下、実施例により、本発明をより具体的に説明するが、これらは例示にすぎず、本発明の範囲はこれらに限定されない。
【実施例１】
【００７６】
本実施例では、半導体赤色レーザーの電流ブロック層における応力測定を行った。
【００７７】
図４は、本実施例で用いた半導体赤色レーザーの断面模式図を示す。図４に示す半導体赤色レーザーの断面は、上面側から順にｐ−コンタクト層１、ｎ−ＧａＡｓ電流ブロック層２、ｐ−クラッド層３、活性層４、ｎ−クラッド層５、および基板６から構成されている。図４中のＡおよびＢで示した部位を含む電流ブロック層は、２元素系のｎ−ＧａＡｓで構成されている。ｎ−ＧａＡｓは２元素系であるので、成膜環境等の違いによる組成変化はほとんどなく、２つの元素が１：１の組成において安定に存在する。
【００７８】
まず、標準試料として、キャリア濃度が０〜５．６６×１０18ａｔｏｍ／ｃｍ3の範囲にあり、それぞれ異なるキャリア濃度を有するｎ−ＧａＡｓウエハを７枚用意した。これらのそれぞれに、４８８ｎｍのＡｒイオンレーザー光を照射し、発光スペクトルを測定し、スペクトルのピーク位置および半値幅と、キャリア濃度との関係を求めた。結果を、それぞれ図５および図６に示す。示されるように、標準試料のピーク位置および半値幅は、キャリア濃度に依存して変化し、その濃度依存性は、それぞれ、式４：
νstd＝（１．０５×１０-20）ｃ  ＋  １．４２
および式５：
ｗstd＝（８．３２×１０-21）ｃ  ＋  ７．０４×１０-2
で近似することができた。
【００７９】
次に、上記半導体赤色レーザーの被検部位での発光スペクトルを求めた。ここでは、例として、図４の２つの部位（Ａ点およびＢ点）に、４８８ｎｍのＡｒイオンレーザー光を照射して、試料からの発光スペクトルを測定した。Ａ点およびＢ点の発光スペクトルを、それぞれ図７Ａおよび図７Ｂに示す。これら２つの発光スペクトルをガウス関数でカーブフィッティングして、Ａ点での発光スペクトルのピーク位置１．４５７５ｅＶと半値幅０．１００８ｅＶを、Ｂ点での発光スペクトルのピーク位置１．４６４７ｅＶと半値幅０．１０８５ｅＶを得た。なお、カーブフィッティングに使用し得る関数としては、上記のガウス関数の他に、ローレンツ関数、偽Ｖｏｉｇｔ関数などを使用し得る。
【００８０】
得られたＡ点およびＢ点での発光スペクトルの半値幅を、式５のｗstdに代入すると、それぞれＡ点およびＢ点におけるキャリア濃度３．６６３６×１０18ａｔｏｍ／ｃｍ3および４．５８０２×１０18ａｔｏｍ／ｃｍ3が得られる。得られたキャリア濃度を式４のｃに代入することにより、キャリア濃度３．６６×１０18ａｔｏｍ／ｃｍ3および４．５８×１０18ａｔｏｍ／ｃｍ3での、応力ゼロ状態におけるｎ−ＧａＡｓの発光スペクトルのピーク位置が、それぞれ１．４５８６ｅＶおよび１．４６８３ｅＶとして算出される。このようにして算出されたゼロ応力状態でのピーク位置を、応力下でＡ点およびＢ点で測定した発光スペクトルから求められるピーク位置から減じることによって、Ａ点およびＢ点における応力起因の発光スペクトルのピーク位置のシフト量が、それぞれ−０．００１１ｅＶおよび−０．００３６ｅＶとして求められる。
【００８１】
ここで、キャリア濃度３．６６×１０18ａｔｏｍ／ｃｍ3でのｎ−ＧａＡｓにおける応力感度係数は、−０．０３６５ｅＶ／ＧＰａであり、式３から、この値でＡ点における応力起因の発光ピーク位置のシフト量−０．００１１ｅＶを割ることによってＡ点に働く引張り応力３０．６ＭＰａが求まる。また、同様にキャリア濃度４．５８×１０18ａｔｏｍ／ｃｍ3でのｎ−ＧａＡｓの応力感度係数は、−０．０３３８ｅＶ／ＧＰａであり、Ｂ点に働く引張り応力は、１０６ＭＰａとなる。
【実施例２】
【００８２】
図８は、本実施例で使用した半導体赤外レーザーの断面構造を示す。図８の半導体赤外レーザーの断面は、上面側から順に、pコンタクト層１１、埋め込み層１２、電流ブロック層１３、活性層１４、およびn層１５から構成されている。被検部位のＡ点を含む埋め込み層１２は、３元素系のｐ−ＡｌxＧａ1-xＡｓで構成されている。
【００８３】
図１のフロー図に示す手順に従って、まず、被検試料について、ＷＤＳ法によって被検部位であるＡ点における組成ｘ＝０．５５を求めた。
【００８４】
次に、求めた組成ｘ＝０．５５において、応力がゼロでキャリア濃度が異なるｐ−Ａｌ0.55Ｇａ0.45Ａｓのエピタキシャル成長膜を、ＭＯＣＶＤ法によって作成し、これらを標準試料とした。それらの標準試料に電子線を照射して、当該試料からの発光スペクトルを測定し、ピーク位置および半値幅のキャリア濃度依存性を求めた。結果を、図９および図１０に示す。図９および図１０に示すグラフは、それぞれ式６：
νstd＝（１．１８×１０-19）ｃ＋１．７５
および式７：
ｗstd＝（１．７５×１０-20）ｃ＋０．１４５
で近似することができる。
【００８５】
次いで、被検試料において、Ａ点に電子線を照射して発光スペクトルを測定し、そのピーク位置２．０７８６ｅＶおよび半値幅０．１９５０ｅＶを得た。Ａ点での発光スペクトルの半値幅０．１９５０ｅＶを、式７のｗstdに代入することにより、Ａ点におけるキャリア濃度２．８４×１０18ａｔｏｍ／ｃｍ3が求まる。求めたキャリア濃度を、式６のｃに代入することにより、キャリア濃度２．８４×１０18ａｔｏｍ／ｃｍ3での応力ゼロ状態におけるｐ−Ａｌ0.55Ｇａ0.45Ａｓの発光スペクトルのピーク位置として、２．０８２９ｅＶを得る。このゼロ応力状態でのピーク位置を、Ａ点で測定した発光スペクトルのピーク位置２．０７８６ｅＶから減じることによって、Ａ点における応力起因の発光ピーク位置のシフト量として、−０．００４３ｅＶを得た。
【００８６】
ここで、キャリア濃度２．８４×１０18ａｔｏｍ／ｃｍ3でのｐ−Ａｌ0.55Ｇａ0.45Ａｓにおける応力感度係数は、−０．０３１１ｅＶ／ＧＰａであり、式３に基づいて、この値でＡ点における応力起因の発光ピーク位置のシフト量−０．００４３ｅＶを割ることによって、Ａ点に働く引張り応力１３６ＭＰａが得られる。
【実施例３】
【００８７】
図１１は、本実施例で用いたＧａＡｓウエハ上にエピタキシャル成長させたｐ−（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ薄膜の概略上面図である。被検部位であるＡ点、Ｂ点、Ｃ点、およびＤ点でのキャリア濃度、および応力によるピーク位置移動量を、図１に示す手順に従って求めた。結果を、表１に示す。
【表１】
2005233733.tif 000006
【００８８】
以下、上記測定の詳細について説明する。
【００８９】
まず、蛍光Ｘ線分析を行ったところ、被検試料の４点（Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤ）において、全て同一組成ｘ＝０．６、ｙ＝０．５であることがわかった。
【００９０】
次いで、求めた組成ｘ＝０．６、ｙ＝０．５において、応力がゼロでキャリア濃度が異なるｐ−（Ａｌ0.6Ｇａ0.4）0.5Ｉｎ0.5Ｐのエピタキシャル成長膜をＭＯＣＶＤ法によって作成し、これらを標準試料とした。図１２および図１３は、それらの標準試料にＸ線を照射して試料からの発光スペクトルを測定して、ピーク位置および半値幅のキャリア濃度依存性を求めた結果を示す。図１２および図１３のグラフは、それぞれ、式８：
νstd＝（２．６４×１０-21）ｃ＋２．３４
および式９：
ｗstd＝（−７．２８×１０-40）ｃ2−（４．４４×１０-22）ｃ＋０．１４５
の関係式に近似することができる。
【００９１】
次に、被検試料において、Ａ点、Ｂ点、Ｃ点、およびＤ点にＸ線を照射して、発光スペクトルを測定し、それぞれのピーク位置および半値幅を求めた。次に、求めた半値幅を式９のｗstdに代入して、Ａ点、Ｂ点、Ｃ点、およびＤ点におけるキャリア濃度を求めた。こうして求めたキャリア濃度を式８のｃに代入することにより、各キャリア濃度における応力ゼロ状態でのｐ−（Ａｌ0.6Ｇａ0.4）0.5Ｉｎ0.5Ｐの発光スペクトルのピーク波長が求まる。この応力ゼロ状態での各ピーク位置を、Ａ点、Ｂ点、Ｃ点、およびＤ点で測定した発光スペクトルのピーク位置から減じることによって、各点における応力起因の発光ピーク波長のシフト量が求まる。
【００９２】
各点の組成は全て同じで、また表１に示すように各点におけるキャリア濃度はほぼ同じ値であるので、各点における応力感度係数もまた、ほぼ同じ値になると考えられる。よって、各点の応力起因の発光ピークのシフト量の違いから、各点に働く応力の違いを相対的に見積もることができる。一般的に発光スペクトルのピーク位置は、圧縮応力下では高エネルギー側に、引張り応力下では低エネルギー側にシフトする。表１の応力によるピーク位置移動量を見ると、各点には全て圧縮の応力が働いていることがわかる。また、特にＤ点において最も大きい圧縮応力が働いている。このようにして、被検対象物としての薄膜の各領域に働く相対的な応力の比較を従来よりも正確に行うことができる。また、所望であれば、被検試料の応力感度係数を求め、あるいは被検試料の応力感度係数が既知であればその値を用いて、各被検部位における絶対的な応力を算出することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００９３】
本発明は、半導体デバイスのキャリア濃度と応力とを、分光学的手法によって比較的簡便でかつ高精度で求めることが可能であるため、良質な結晶成長・デバイス作製のための分析・評価方法等として、非常に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】本発明の被検試料のキャリア濃度および応力を求める方法の一実施形態に係る手順を示すフロー図
【図２】本発明の被検試料のキャリア濃度または応力を求めるための装置の一実施形態の全体構成を表すブロック図
【図３】本発明の被検試料のキャリア濃度または応力を求めるための装置の演算部２３が行う処理を示すフロー図
【図４】実施例１で用いた２成分系ｎ−ＧａＡｓ電流ブロック層を有する半導体赤色レーザーの断面模式図
【図５】２成分系化合物半導体材料ｎ−ＧａＡｓの標準試料に、４８８ｎｍのＡｒイオンレーザー光を照射することによって測定した発光スペクトルのピーク位置と、キャリア濃度との関係を示すグラフ
【図６】２成分系化合物半導体材料ｎ−ＧａＡｓの標準試料に、４８８ｎｍのＡｒイオンレーザー光を照射することによって測定した発光スペクトルの半値幅とキャリア濃度との関係を示すグラフ
【図７】（Ａ）図４の半導体赤色レーザーのｎ−ＧａＡｓ電流ブロック層のＡ点における発光スペクトルを示す図；（Ｂ）図４の半導体赤色レーザーのｎ−ＧａＡｓ電流ブロック層のＢ点における発光スペクトルを示す図
【図８】実施例２で用いた３元素系のｐ−ＡｌxＧａ1-xＡｓで構成されている埋め込み層を含む半導体赤外レーザーの断面模式図
【図９】実施例２において用いたキャリア濃度の異なる複数の標準試料の発光スペクトルのピーク位置とキャリア濃度との関係を示す図
【図１０】実施例２において用いたキャリア濃度の異なる複数の標準試料の発光スペクトルの半値幅とキャリア濃度との関係を示す図
【図１１】実施例３で用いたｐ−（ＡｌxＧａ1-x）yＩｎ1-yＰ薄膜の概略上面図
【図１２】実施例３で用いたキャリア濃度の異なる標準試料の発光スペクトルのピーク位置とキャリア濃度との関係を示す図
【図１３】実施例３で用いたキャリア濃度の異なる標準試料の発光スペクトルの半値幅とキャリア濃度との関係を示す図
【符号の説明】
【００９５】
２  ｎ−ＧａＡｓ電流ブロック層
１２  ｐ−ＡｌxＧａ1-xＡｓ埋め込み層
２０  本発明のキャリア濃度および応力を決定するための装置
２１  スペクトル測定部
２２  記憶部
２３  ＣＰＵ（演算部）
２４  入力部
２５  出力部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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