JPS618649A - 光学測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕 本発明は、半導体結晶の微小優域に光を照射して励起し
たフォトルミネッセンスの観測により、半導体結晶中の
微小領域における不純物や欠陥等を評価する顕微フォト
ルミネッセンス法を用いた光学測定装置に関するもので
ある。

〔従来技術〕

各種の電子デバイスに広く使用されているＳｉ、ＧａＡ
ｓ、　ＧａＰ等の半導体結晶中に存在する不純物や欠陥
は、デバイス特性に大きな影響を与える。

最近では、デバイスの高集積化・高品質化が進み、素材
結晶中の微小領域の不純物や欠陥の分布状態が問題とな
ってきている。特に、超ＬＳＩ用ＣＺ−９ｉ（回転引き
上げＳｉ）結晶中の酸素析出物や高速ＩＣ用半絶縁性Ｇ
ａＡｓ結晶中のアンチサイト欠陥などのように、深い準
位を形成する微小欠陥のウェーハ面内不均一分布が重要
視されている。このような深い準位を形成する微小欠陥
の不均一分布を調べるには、高感度で微小領域の測定が
原理的に可能であるフォトルミネッセンス法がきわめて
有力であり、このフォトルミネッセンス法についてはこ
れまでにいくつかの報告例があるが、以下に示すような
欠点のために十分な評価が行なわれていなかった。

従来、上述のフォトルミネッセンス法による微小領域の
フォトルミネッセンス観測を行なう際に用いられていた
顕微測定光学系の概略構成例を第１図および第２図に示
す。

第１図に示す光学系は通常の光学顕微鏡を用いて励起光
の照射およびフォトルミネッセンス光の集光を行なう方
式のものである。この励起光としては、半導体試料の禁
制帯幅よりも大きいエネルギーをもつ高い輝度の光が必
要であることから、例えばＡｒレーザー光またはＨｅ−
Ｎｅレーザー光などが用いられている。すなわち、試料
１の上方に設置された顕微鏡２の側方からレーザー光３
を入射させ、このレーザー光３を半透鏡４に゛よって顕
微られ、液体窒素または液体ヘリウム温度に冷却されて
いる。

さて、試料１の表面のレーザー光３で照射されたところ
から発せられるフォトルミネッセンス先達するので、こ
の反射光をフォトルミｋ　ツセンス光から分離するフィ
ルター８が必要となる。

このような従来方式では、レーザー光照射および試料観
察に関しては問題はないが、フォトルミネッセンス集光
に関し、通常仕様の対物レンズを使用している点で問題
がある。すなわち、通常の対物レンズは可視光領域で使
用することを念頭に、波長４００〜８００ｎｍの範囲で
色収差等の収差を補正するように設計されているので、
８００ｎｍ以上の波長領域では収差が急激に増大すると
ともに、レンズ材質やコーテイング材質の関係で透過特
性も著しく悪くなってしまう。したがって、１７ｚｍ以
上の波長となるＧａＡｓおよびＧａＰ中の深い準位やＳ
ｌのフォトルミネッセンスの測定は行なえなくなってし
まう。また、波長の短かい領域においても、微弱なフォ
トルミネッセンス光に対して数桁ＧａＰにおける禁制帯
幅付近の光エネルギーの強ト）フォトルミネッセンスに
対してはきわめて有効セあり、冷却容器内にセットした
試料面上にレーることによって非常に高い空間的分解能
のフ十トでは全く無力であった。

これに対し、第２図に示す光学系による方式では、励起
用レーザー光学系とフォトルミネッセンス集光系を分離
することによって上述の欠点を除去している６すなわち
、試料１の表面の上方に二系統の光学系を配置し、レー
ザー光３の照射には通常の対物レンズ５を用い、フォト
ルミネッセンス光の集光には長い波長領域の測定をも可
能にする石英レンズ光学系１０（あるいは球面反射鏡光
学系）を用いている。ところが、一般にフォトルミネッ
センス光は微弱であるので、その集光系１０をレーザー
照射系５に優先して考える必要があることから、レーザ
ー照射系５は第２図に示すようにフォトルミネッセンス
集光光路を防げないように側方に設置しなければならな
くなり、対物レンズ５から試料１までの距離（動作距離
）は長くなる。　したがって、この対物レンズ５として
高倍率の対物レンズは使用できず、レーザー光の絞り込
みは甘くなる。この方式によるこれまでの報告例では、
試料を冷却容器内に入れた場合に、最小ビーム径はたか
だか５０７１ｍ程度にしかならない。また、試料表面観
察も斜め入射のためにぼけた像になってしまうという欠
点があった。

このように、顕微フォトルミネッセンス法は原理的には
極微小領域の不純物や欠陥の高感度評価が可能であるが
、実際には従来の手法を使用する限り、長波長領域のフ
ォトルミネッセンスを示す深い準位などの評価には適用
できず、大きな問題とされていた。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、上述した従来の顕微フォトルミネッセ
ンス法による光学測定装置の欠点を除去し、試料を高倍
率で顕微鏡観察可能にすると同時に、励起用レーザー光
を極微小領域に照射し、試料から発せられたフォトルミ
ネッセンスに対して広い波長領域にわたって分光分析を
行なうことができるようにした光学測定装置を提供する
ことにある。

〔発明の要点〕

すなわち、本発明の光学測定装置においては。

試料表面の極微小領域に励起レーザー光を照射して発生
させたフォトルミネッセンスのうちで試料を透過した成
分を試料の裏面より効率良く集光することを特徴とする
ものである。

〔実　施　例〕

以下に、図面を参照して、本発明の詳細な説明する。第
３図は本発明の一実施例を示し、試料１に励起用レーザ
ー光を照射する部分については、前述の第１図に示した
従来例と同様な構成の光学系を使用するものとする。す
なわち、試料ｌ上に設置された顕微鏡２の側方から励起
用レーザー光３を入射させ、このレーザ光３を半透鏡４
によって顕微鏡光路２内の下方に導き、さらに対物レン
ズ５によって絞り込み、試料ｌの表面に照射する。同時
に、接眼レンズ６によって試料１の表面を高倍率で観察
する。このとき、試料１の照射さス光の半分は、レーザ
ー光照射と同じ側の試料１の表面から放射され、その残
りは試料ｌ内を下方に伝播してその裏面から放射される
。

また、■　測定対象としている試料ｌは電子デバイス作
製用のウェー／＼が主であり、その厚さは数１００ルｍ
程度の薄い試料であること、 ■　特に測定で着目したいフォトルミネッセンスは深い
準位からのものであっ て、禁制帯幅エネルギーよりもはるか に小さいエネルギーの光であること、 以上の理由により、試料１内の伝播中でのフォトルミネ
ッセンス光の吸収は少なく、実際上はとんど無視できる
。したがって、本図に示すように広い波長領域に対応で
きる石英レンズのような集光レンズ系１０（あるいは反
射鏡型集光系）を試料１゜の裏面側に設置することによ
って、レーザー光３の照射点より発せられるフォトルミ
ネッセンス光を高効率で集光し、フィルター８を通して
分光器８に導くことができる。

一般に、禁制帯幅エネルギーよりも大きいエネめて大き
く吸収され、その透過光強度は１／１０００から１　／
　１００００に減少する。したがって、従来の第１図お
よび第２図に示した従来方式で問題となった励起用レー
ザー光のフォトルミネッセンス加半絶縁性引き上げＧａ
Ａｓウェーハを第３図の試料１として用いた場合に、こ
のウェーハの転位線近傍のフォトルミネッセンス光の光
強度変化の状態を転位線からの距１１１ｍ（単位、ｐＬ
ｍ）で示したものである。この試料ｌは液体ヘリウム温
度に冷却し、第３図に示す配置状態で試料１を紙面に垂
直な方向に移動させてフォトルミネッセンス強度の一次
元分布の変化を分光器８により測定した。また、対物レ
ンズ５としては長動作距離の５倍のレンズを用い、波長
５１４．５　ｎｍのＡｔレーザー光３を直径２０ｐ、ｍ
まで絞り込むことができた。上述のＧａＡｓ結晶のフォ
トルミネッセンス・スペクトルは、残留炭素不純物によ
る１、４１３．ｅＶ　（８３２ｎｍ　）の発光帯と、Ｅ
Ｌ２と呼ばれる深い準位に起因すると考えられる０、６
５ｅＶ　（１，８ルｍ）の発光帯とから成っている。

１．４！３ｅＶの発光帯の強度分布は、第４図の波形ａ
り報告されている結果と一致する。

一方、０．８５ｅＶの発光帯に対しては、高い空間的分
解能で測定した例はこれまでに報告がなかったが、第３
図示の本発明装置によれば上述のように励起レーザー光
３を直径２０ｇ、ｍに絞り込んで測定することができる
ので、その結果、第４図の波形すに示すように、少くと
もこのＧａＡｓウェーハの試料に関する限り０．８５ｅ
Ｖの発光帯の強度は転位によって影響を受けないことが
明らかとなった。

以上の測定結果は予備的実験によるものであ視光から５
ｇｍ程度までの広い波長領域の極微小領域のフォトルミ
ネッセンス分析が可能になると期待される。

〔効果〕

以上から明らかなように、本発明の光学測定装置を用い
ることにより、各種デバイス作製に用いられるＳｉ、　
ＧａＡｓ、　ＧａＰのウェーハのフォトルミネッセンス
を広い波長領域にわたって数ＩＬｆｆｌ程度の高い空間
的分解能で測定することが可能とな　　。

る。これは、従来の手法では全く行なえなかったもので
ある。

さらに１本発明装置によれば、フォトルミネッ　　１セ
ンス測定において有害である励起用レーザー光の混入を
極めて少なくすることができるという格別の効果も有し
ている。

また、本発明の光学測定装置を用いた顕微フォトルミネ
ッセンス法は、半導体結晶中の転位や微小析出物などと
深い準位との関連性を調べて行く上できわめて有用とな
るばかりでなく、結晶内での微小欠陥や不純物の微視的
な不均一分布がデバイス特性に及ぼす影響の検討、さら
には高集積度デバイス中での微細素子の不良部分の解明
などにおいて大きく貢献するものと思われる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はそれぞれ従来の光学測定装置によ
る顕微フォトルミネッセンス法の原理を示す内部構成図 第３図は本発明光学装置による顕微フォトルミ本ツセン
ス法の原理を示す内部構成図、第４図はＧａＡｓ結晶の
転位線近傍の１．４９ｅＶ発光帯ＢよびＯ，Ｅ１５ｅＶ
１５ｅＶ強度分布をそれぞれ示す持主曲線図である。 １・・・試料、 ２・・・光学顕微鏡、 ３・・・励起用レーザー、 ４・・・半透鏡、 ５・・・対物レンズ、 ６・・・接眼レンズ、 −７・・・反射鏡、 ８・・・フィルター、 ９・・・分光器、 １０・・・集光レンズ。 第１図 第２図 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 各種の電子デバイスに使用されている半導体ウェーハの
   フォトルミネッセンス分析を行なう際に、通常の顕微鏡
   光学系を用いて前記ウェーハの表面観察を行ないながら
   前記フォトルミネッセンス分析をすべき前記ウェーハの
   場所を狙って励起用レーザー光を前記場所の極微小領域
   に絞り込んで照射し、該照射した点から発せられて当該
   ウェーハ内を伝播して該ウェーハの裏面に出射したフォ
   トルミネッセンス光を該ウェーハの裏面に配置した集光
   光学系により集光して分光器に導くことにより、前記励
   起用レーザー光と前記フォトルミネッセンス光を完全に
   分離させて広範囲の波長領域にわたる極微小領域のフォ
   トルミネッセンス分析を行なうようにしたことを特徴と
   する光学測定装置。