JP3836987B2 - 半導体評価装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体評価装置に関し、詳細には、半導体デバイスの微細構造やその欠陥を高分解能で測定して評価する半導体評価装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスは、デバイス内部に絶縁破壊や電気的リーク等による微少な欠陥が存在すると、半導体デバイスの信頼性を低下させる。
【０００３】
例えば、半導体デバイスに電界を印加して動作させた場合、半導体デバイスに欠陥があると、当該欠陥からの発光現象、ホットエレクトロン及びラッチアップ等による発光現象が起こることがある。このホットエレクトロンは、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field Effect Transistor ）の絶縁膜に損傷を与え、その電気特性を劣化させるという問題がある。また、ＣＭＯＳ素子においてラッチアップ現象が発生すると、電源端子から接点端子まで電流が流れっぱなしになり、その電気特性を劣化させるという問題がある。
【０００４】
このような半導体デバイスの欠陥は、デバイスに用いられている絶縁膜の厚さや表面の平坦性、不純物による汚染及びストレス等による内部構造の変化等様々な原因によって引き起こされる。
【０００５】
そのため、半導体デバイスの欠陥場所を高分解能で検出し、欠陥の原因を明らかにすることにより、半導体デバイスの信頼性を向上させるための設計方針の変更や半導体デバイスの作製方法の改良を行うことができる。
【０００６】
そして、半導体デバイスのどのような場所で動作時に発光現象が起きるかを解明することは、半導体デバイスの特性や信頼性を評価するために、大変重要な要因である。また、半導体デバイスの欠陥とその原因を解明するためにも、有効な手段となる。
【０００７】
そこで、従来、上記発光現象を、半導体デバイスを動作させ、デバイス中に発生した光をマイクロスコープで集光した後、モノクロメーターで分光、あるいは、フィルタを用いて分光し、光電子増倍管やＣＣＤ（Charge Coupled Device ）等の受光素子で光量を測定することにより観測している。
【０００８】
ところが、半導体デバイスのサイズがハーフミクロン、さらにサブハーフミクロンと縮小されていく中で、実寸寸法デバイスでの直接観察による評価が困難となってきており、従来、多くの場合、マクロな電気特性に基づくコンピュータシミュレーション等の手法により、発光現象を推定している。
【０００９】
また、従来、ｐ−ｎ接合に走査電子顕微鏡を用いて電子線を照射し、ｐ−ｎ接合間に流れる電子励起電流（ＥＢＩＣ）を用いて発光現象を観測することが行われている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の発光現象の観測方法を用いて半導体デバイスの評価を行うと、近年の集積化の進んでいる半導体デバイスを適切に評価することができないという問題があった。
【００１１】
すなわち、近年、半導体デバイスは、集積度の向上に伴って、その配線の最小線幅の微細化が進んでおり、例えば、１６Ｍビットのメモリでは、最小線幅が、０．５μｍ程度、さらに、最近、１Ｇビットのメモリが出現しており、このような１Ｇビットのメモリでは、０．１μｍ程度である。したがって、ホットキャリアやラッチアップによる発光現象を検出して、半導体デバイスを評価するためには、０．１μｍ以下の微少領域での観測測定が必要となる。
【００１２】
ところが、従来のコンヴェンショナルな光学系を用いたマイクロスコープで観測する手法では、原理的に光の回折限界以下の領域の測定は不可能であり、その分解能は、せいぜい約１μｍ程度である（ＩＥＥＥ Transactions on electron devices Ｖｏｌ．３７，Ｎｏ．９ １９９０，２０８０ページ参照）。
【００１３】
また、走査電子顕微鏡を用いた方法は、ｐ−ｎ接合の接合位置を直接測定することはできるが、試料に対するコンタミネーションの問題や走査電子顕微鏡の性能面での限界により、その分解能が約１μｍ程度である。
【００１４】
したがって、上記従来の発光現象の観測方法は、高密度化が進む半導体デバイスの評価に用いるには、分解能的に不十分であり、より一層微少領域での高分解能な測定方法が要求されている。
【００１５】
そこで、従来、近接場光学顕微鏡を用いた半導体材料の評価方法及びその装置が提案されている（特開平９−８２７７１号公報参照）。この半導体材料の評価方法及びその装置は、試料台上の試料である半導体材料に通電し、当該通電された半導体材料から発生する近視野光を検出するもので、試料から発生する近視野光を捕捉するプローブと、このプローブを試料表面に対して垂直方向に振動させる加振機構と、プローブの振動の振幅または周波数の変化を検出して試料表面との間隙を制御する変位検出機構と、プローブで捕捉した光をプローブの振動に合わせて分割して検出する光検出システムを有している。
【００１６】
ところが、実際の発光現象は全ての発光成分が散乱されるため、この公報記載の従来の方法では、発光現象の近接場成分のみを検出することができず、適切に半導体デバイスの評価を行うことができないという問題があった。
【００１７】
そこで、請求項１記載の発明は、載置テーブルに載置された半導体デバイスに近接して配設され先端が所定の光波長以下の大きさに形成されるとともに当該先端に微小開口の形成されたプローブと半導体デバイスとの相対位置を変化させつつ、半導体デバイスとプローブとの近接場相互作用により半導体デバイスに電子正孔対を発生させ、該電子正孔対が半導体デバイス中を流れる光励起電流の変化を検出して、半導体デバイスの評価を行うことにより、半導体デバイスのｐ−ｎ接合位置及び少数キャリアの拡散長等を高分解能で測定し、半導体デバイスの評価をより正確に行うことのできる半導体評価装置を提供することを目的としている。
【００１８】
請求項２記載の発明は、プローブを当該プローブの共振周波数で水平方向に振動させ、当該振動されるプローブの振動を検出して、当該検出結果に基づいてプローブと半導体デバイスとの間の位置制御を行うことにより、プローブと半導体デバイスとの距離をより精密に制御するとともに、プローブの共振周波数のみで振動させて、半導体デバイスのｐ−ｎ接合位置及び少数キャリアの拡散長等をより一層高分解能で、かつ、簡単な構成で測定し、半導体デバイスの評価をより一層正確に、かつ、安価に行うことのできる半導体評価装置を提供することを目的としている。
【００１９】
請求項３記載の発明は、光励起電流の変化を検出するとともに、半導体デバイスとプローブとの近接場相互作用による発光現象の変化をプローブで検出して半導体デバイスの評価を行うことにより、半導体デバイスのｐ−ｎ接合位置及び少数キャリアの拡散長等を測定するとともに、半導体デバイスの欠陥位置及び欠陥分布を高分解能で測定して、半導体デバイスの評価をより正確に行うことのできる半導体評価装置を提供することを目的としている。
【００２０】
請求項４記載の発明は、半導体デバイスのｐ−ｎ接合間に逆バイアス電圧を印加して、半導体デバイスの空乏層の幅を変化させるとともに、当該逆バイアス電圧を変化させながら半導体デバイスの評価を行うことにより、半導体デバイスのｐ−ｎ接合位置及び少数キャリアの拡散長等をより一層高分解能で測定し、半導体デバイスの評価をより一層正確に行うことのできる半導体評価装置を提供することを目的としている。
【００２１】
請求項５記載の発明は、プローブに導入する光の波長を変化させて、半導体デバイスへの近接場光の侵入深さの変化に応じて電子正孔対を局所的に発生させ、該電子正孔対が半導体デバイス中を流れる光励起電流の変化を検出して半導体デバイスの評価を行うことにより、半導体デバイスの異なった深さのｐ−ｎ接合位置及び少数キャリアの拡散長等をより一層高分解能に測定し、半導体デバイスの評価をより一層正確に行うことのできる半導体評価装置を提供することを目的としている。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明の半導体評価装置は、半導体デバイスの欠陥を近接場相互作用を利用して検出して、前記半導体デバイスの評価を行う半導体評価装置であって、前記半導体デバイスを載置する載置テーブルと、前記載置テーブルに載置されている前記半導体デバイスに近接して配設され先端が所定の光波長以下の大きさに形成されるとともに当該先端部に微小開口の形成されたプローブと、前記プローブと前記半導体デバイスとの相対位置を制御する位置制御手段と、前記プローブに前記所定波長の光を導入する光導入手段と、を備え、前記位置制御手段により前記半導体デバイスと前記プローブとの相対位置を変化させつつ、前記プローブに前記光導入手段から前記光を導入して、前記半導体デバイスと前記プローブとの近接場相互作用により前記半導体デバイスに電子正孔対を発生させ、該電子正孔対が前記半導体デバイス中を流れる光励起電流の変化を検出して、前記半導体デバイスの評価を行うことにより、上記目的を達成している。
【００２３】
上記構成によれば、載置テーブルに載置された半導体デバイスに近接して配設され先端が所定の光波長以下の大きさに形成されるとともに当該先端に微小開口の形成されたプローブと半導体デバイスとの相対位置を変化させつつ、半導体デバイスとプローブとの近接場相互作用により半導体デバイスに電子正孔対を発生させ、該電子正孔対が前記半導体デバイス中を流れる光励起電流の変化を検出して、半導体デバイスの評価を行うので、半導体デバイスのｐ−ｎ接合位置及び少数キャリアの拡散長等を高分解能で測定することができ、半導体デバイスの評価をより正確に行うことができる。
【００２４】
この場合、例えば、請求項２に記載するように、前記半導体評価装置は、前記プローブを当該プローブの共振周波数で水平方向に振動させる加振手段と、前記加振手段により振動される前記プローブの振動を検出する振動検出手段と、をさらに備え、前記位置制御手段が、前記振動検出手段の検出結果に基づいて前記プローブと前記半導体デバイスとの間の距離を前記プローブの微小開口径の長さ以下の距離に位置制御するものであってもよい。
【００２５】
上記構成によれば、プローブを当該プローブの共振周波数で水平方向に振動させ、当該振動されるプローブの振動を検出して、当該検出結果に基づいてプローブと半導体デバイスとの間の位置制御を行うので、プローブと半導体デバイスとの距離をより精密に制御することができるとともに、プローブの共振周波数のみで振動させて、半導体デバイスのｐ−ｎ接合位置及び少数キャリアの拡散長等をより一層高分解能で、かつ、簡単な構成で測定することができ、半導体デバイスの評価をより一層正確に、かつ、安価に行うことができる。
【００２６】
また、例えば、請求項３に記載するように、前記半導体評価装置は、前記光励起電流の変化を検出するとともに、前記半導体デバイスと前記プローブとの近接場相互作用による発光現象の変化を、前記プローブで検出して前記半導体デバイスの評価を行うものであってもよい。
【００２７】
上記構成によれば、光励起電流の変化を検出するとともに、半導体デバイスとプローブとの近接場相互作用による発光現象の変化をプローブで検出して半導体デバイスの評価を行うので、半導体デバイスのｐ−ｎ接合位置及び少数キャリアの拡散長等を測定することができるとともに、半導体デバイスの欠陥位置及び欠陥分布を高分解能で測定することができ、半導体デバイスの評価をより正確に行うことができる。
【００２８】
さらに、例えば、請求項４に記載するように、前記半導体評価装置は、前記半導体デバイスに所定のバイアス電圧を印加する電圧印加手段をさらに備え、当該電圧印加手段により、前記半導体デバイスのｐ−ｎ接合間に逆バイアス電圧を印加して、前記半導体デバイスの空乏層の幅を変化させるとともに、当該逆バイアス電圧を変化させながら前記半導体デバイスの評価を行うものであってもよい。
【００２９】
上記構成によれば、半導体デバイスのｐ−ｎ接合間に逆バイアス電圧を印加して、半導体デバイスの空乏層の幅を変化させるとともに、当該逆バイアス電圧を変化させながら半導体デバイスの評価を行うので、半導体デバイスのｐ−ｎ接合位置及び少数キャリアの拡散長等をより一層高分解能で測定することができ、半導体デバイスの評価をより一層正確に行うことができる。
【００３０】
また、例えば、請求項５に記載するように、前記半導体評価装置は、前記光導入手段から前記プローブに導入する前記光の波長を変化させて、前記半導体デバイスへの近接場光の侵入深さを変化させ、当該半導体デバイスへの近接場光の侵入深さの変化に応じて電子正孔対を局所的に発生させ、該電子正孔対が前記半導体デバイス中を流れる光励起電流の変化を検出して前記半導体デバイスの評価を行うものであってもよい。
【００３１】
上記構成によれば、プローブに導入する光の波長を変化させて、半導体デバイスへの近接場光の侵入深さの変化に応じて電子正孔対を局所的に発生させ、該電子正孔対が半導体デバイス中を流れる光励起電流の変化を検出して半導体デバイスの評価を行うので、半導体デバイスの異なった深さのｐ−ｎ接合位置及び少数キャリアの拡散長等をより一層高分解能に測定することができ、半導体デバイスの評価をより一層正確に行うことができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に述べる実施の形態は、本発明の好適な実施の形態であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。
【００３３】
図１は、本発明の半導体評価装置の一実施の形態を示す図であり、図１は、本発明の半導体評価装置の一実施の形態を適用した半導体評価装置１の概略構成図である。
【００３４】
図１において、半導体評価装置１は、ＰＺＴステージ２、プローブ３、加振機構４、フィードバック回路５、レーザーダイオード（ＬＤ）６、フォトダイオード（ＰＤ）７、パーソナルコンピュータ８、半導体レーザ９、チョッパー１０、反射鏡１１、ロック・イン・アンプ１２及びバイアス回路１３等を備えており、ＰＺＴステージ２上に試料１４である評価対象の半導体デバイスが設置される。
【００３５】
上記ＰＺＴステージ（載置テーブル）２上に載置された試料１４には、バイアス回路（電圧印加手段）１３からバイアス電圧が印加され、試料１４とプローブ３との位置制御をパーソナルコンピュータ８が行う。すなわち、パーソナルコンピュータ８は、Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向にＰＺＴステージ２を移動させて、ＰＺＴステージ２上の試料１４とプローブ３との位置制御を行い、位置制御手段として機能している。
【００３６】
このプローブ３には、レーザーダイオード６からレーザー光が照射され、その反射光をフォトダイオード７で受光する。フォトダイオード７は、検出結果をフィードバック回路５を介してパーソナルコンピュータ８に出力している。パーソナルコンピュータ８は、ＰＺＴステージ２の位置制御を行って、ロックイン検出することにより、プローブ３の高さ方向のフィードバック信号を得て、プローブ３と試料１４との位置制御を行う。
【００３７】
すなわち、加振機構（加振手段）４は、プローブ３に水平方向の振動を付与するものであり、例えば、ＰＺＴ等が使用されている。加振機構４は、プローブ３の共振周波数でプローブ３を水平方向に振動させる機能を有しており、このプローブ３の共振周波数は、数ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ程度である。加振機構４でプローブ３をプローブ３の共振周波数で振動させてプローブ３と試料１４を接近させると、プローブ３と試料１４との間に横方向（水平方向）の剪断応力（シェアフォース）が働き、プローブ３の振幅が小さくなる。このプローブ３の振幅をレーザーダイオード６とフォトダイオード７によりモニターして、パーソナルコンピュータ８によりＰＺＴステージ２の高さ方向（Ｚ方向）の調整を行って、プローブ３と試料１４との距離を正確に制御する。上記レーザーダイオード６、フォトダイオード７及びフィードバック回路５は、振動検出手段として機能している。
【００３８】
そして、この高さ方向の情報を２次元的にプロットすることにより、試料１４の２次元高さ分布（Ｚ方向分布）の情報を得ることができる。また、レーザダイオード６からレーザー光をプローブ３に照射し、その反射回折光をフォトダイオード７で検出して、ロック・イン・アンプ１２を用いてロックインさせることにより、プローブ３の高さ方向のフィードバック信号を得ることができる。
【００３９】
上記プローブ３の一方側端部には、半導体レーザ９から出射されたレーザー光がチョッパー１０及び反射鏡１１を介して入射され、プローブ３は、レーザー光が入射されると、他方側端部（先端部）に形成された微小開口部にエバネッセント場が生じて、試料１４に照射することができる（応用物理 第６５巻 第１号（１９９６）２ページ参照）。
【００４０】
すなわち、プローブ３は、先端部が入射される光の波長以下の大きさに形成されているとともに、当該先端部に光の波長よりも充分に小さい曲率半径に設定された微小開口を有し、他端側からレーザー光が入射されることにより、先端部の微小開口からエバネッセント場が発生する。
【００４１】
このようなプローブ３は、先端と反対側の端部からレーザー光が入射されると、先端部の微小開口部にエバネッセント場が発生し、試料１４に照射することができる。そして、測定時には、同時に上記剪断応力をモニターしているため、試料１４の形状に対応した光の分布が測定可能であり、また、この部分にモノクロメーターを接続することにより、各波長に対応した試料１４からの発光分布、すなわち、欠陥等の所在位置及ぶ分布を測定することができる。
【００４２】
上記プローブ３の微小開口の形成された先端部を試料１４に近接させて微小開口からエバネッセント場を発生させることにより、試料１４の表面の形状や光学的特性を測定することができるが、この場合の分解能は、プローブ３の先端の微小開口径とプローブ３と試料１４との距離によって決定され、通常の光学顕微鏡のように光の回折限界の影響を受けることがなく、試料１４の微小領域からの発光のみを選択的に取り出すことができる。そして、試料１４の微小発光部分にプローブ３を近接させると、プローブ３と試料１４の発光部分の近距離相互作用（近接相互作用）により当該発光部分の強度、寿命がプローブ３の影響を受けて変化する。この近接相互作用は、試料１４から離れると、その距離の３乗に反比例して減少し、プローブ３と試料１４表面との間の距離が近接している場合にのみ存在する成分である。そして、プローブ３には、測定対象の発光部分以外からの発光の成分がプローブ３に入らないような遮蔽構造が必要である。すなわち、発光部分以外からの発光の成分は、雑音となるため、信号成分のＳＮ比を向上させる上で、プローブ３には、充分な遮蔽構造が必要である。
【００４３】
上記のような作用を行うプローブ３は、例えば、石英ファイバをフッ酸混液で化学エッチングして先鋭化した後、金属コーティングして先端に微小開口を設けることにより、あるいは、シリコンを原子間力顕微鏡用のカンチレバーの根本部分にフォトダイオードの受光構造をくくりつけることにより、あるいは、シリコンの異方性エッチングにより微小開口を空けることにより、形成されている。
【００４４】
そして、プローブ３は、上記遮蔽構造を充分に取るために、例えば、厚さ１００〜２００ｎｍ程度の金属膜（例えば、金、銀、アルミニウム、ニッケル等）がコーティングされている。また、プローブ３の先端部の微小開口は、プローブ３を斜めに回転させながら金属を蒸着させたり、有機薄膜をコーティングした後、適当なエッチング液でウェットエッチングすることにより形成することができる。
【００４５】
プローブ３の先端には、上述のように、伝搬光成分を遮断するための金属膜がコーティングされて、数十ｎｍの微小開口が形成されているため、伝搬光成分を除去した近接場光成分のみを検出することができる。
【００４６】
そして、試料１４は、上記プローブ３から近接場光が照射されると、特に、試料１４のｐ−ｎ接合付近で近接場光が照射されると、Ｓｉの価電子帯の電子がバンドギャップを飛び越えて、電子正孔対が発生する。半導体評価装置１は、この電子正孔対が試料１４中を拡散して流れる光励起電流の変化を検出して、パーソナルコンピュータ８により試料１４、すなわち、半導体デバイスの評価を行う。
【００４７】
すなわち、半導体評価装置１は、パーソナルコンピュータ８がロック・イン・アンプ１２のロックインに基づいてチョッパー１０を制御して、半導体レーザ９から出射されるレーザー光をプローブ３の振動と共振させた状態に変調し、当該変調したレーザー光を反射鏡１１を介してプローブ３に導入する。半導体評価装置１は、この変調されたレーザー光により、プローブ３にエバネッセント場を発生させるとともに、プローブ３を加振機構４により振動させる。この状態で、パーソナルコンピュータ８が、上述のように、ロック・イン・アンプ１２のロックイン及びフィードバック回路５のロックインのフィードバック信号に基づいてＰＺＴステージ２の位置制御を行って、試料１４とプローブ３の位置制御を行うとともに、フィードバック回路５の検出結果に基づいて、試料１４中を流れる光励起電流を測定して、試料１４、すなわち、半導体デバイスの評価を行う。
【００４８】
また、半導体評価装置１は、試料１４から発生している光をプローブ３で捕獲して、図示しないモノクロメータで検出し、この検出結果から発光分布すなわち欠陥等の所在位置及び分布を測定する。
【００４９】
次に、本実施の形態の作用を説明する。半導体評価装置１は、ＰＺＴステージ２上に半導体デバイスである試料１４が載置され、この試料１４にロック・イン・アンプ１２を介してバイアス電圧を印加する。そして、半導体評価装置１は、パーソナルコンピュータ８によりＰＺＴステージ２をＸＹＺの３方向に位置調整して、ＰＺＴステージ２上の試料１４とプローブ３との粗い位置調整を予め行った後、加振機構４によりプローブ３に水平方向であってプローブ３の共振周波数で振動させ、そのときのプローブ３の振幅をレーザーダイオード６からプローブ３に照射したレーザー光をフォトダイオード７で受光することにより、検出する。そして、この加振機構４によりプローブ３に付与する振動は、上述のようにプローブ３の共振周波数の振動である。
【００５０】
パーソナルコンピュータ８は、ＰＺＴステージ２を介して試料１４をプローブ３方向に移動させて、試料１４をプローブ３に接近させる。すなわち、プローブ３に、共振周波数の振動が付与されつつ試料１４に接近されると、プローブ３と試料１４との間に横方向の剪断応力が働いて、プローブ３の振幅が小さくなる。このプローブ３の振幅をレーザーダイオード６からプローブ３に照射したレーザー光の反射回折光をフォトダイオード７で検出することにより検出し、フィードバック回路５からのロックイン検出信号により、プローブ３の高さ方向（Ｚ方向）のフィードバック信号を取得して、試料１４の位置制御を行う。
【００５１】
この状態で、パーソナルコンピュータ８は、半導体レーザ９からレーザー光を出射させるとともに、チョッパー１０を制御して上記共振周波数の振動に同期させて半導体レーザ９から出射されたレーザー光を変調し、この変調したレーザー光をプローブ３に入射させる。
【００５２】
プローブ３は、レーザー光が入射されると、プローブ３の先端の微小開口から近接場光が漏れ出て試料１４に照射する。試料１４は、近接場光が照射されると、Ｓｉの価電子帯の電子がバンドギャップを飛び越えて電子正孔対が発生し、この電子正孔対が半導体の試料１４中を拡散して、光励起電流として検出される。
【００５３】
例えば、ｐ領域で発生した電子（少数キャリア）は、空亡層に到達する前に多数キャリアと結合して死滅するが、空亡層及びｎ領域に到達したわずかな電子は、空亡層及びｎ領域では再結合確率が小さいため、そのまま電流として検出される。特に、空亡層内ではキャリアの再結合が少ないため、空亡層に到達した電子は、全て電流として検出される。したがって、電流強度が一番強い部分が接合位置に一致する。
【００５４】
また、半導体評価装置１は、試料１４に逆バイアス電圧を印加して、試料１４の評価を行う。すなわち、試料１４のｐ−ｎ接合に逆バイアスを印加すると、空亡層が広がるため、得られる近接場励起電流の信号半値幅が増大する。このとき、近接場励起電流の信号値の半値幅をΔＷ（Ｅ）、ドーピングした不純物濃度をＮｄ、空亡層の幅をＤ（Ｅ）とすると、次式が成り立つ。
【００５５】
Ｄ（Ｅ）−Ｄ（０）＝（１／Ｎｄ）1/2 ・Ｃ・（ΔＷ（Ｅ）−ΔＷ（０））・・・（１）
ただし、Ｃは、比例定数であり、Ｅは、バイアス電圧である。
【００５６】
上記（１）式の傾きを求めることにより、試料１４の不純物濃度を測定することができる。
【００５７】
さらに、半導体評価装置１は、励起波長を変化させて、すなわち、プローブ３に入射させる半導体レーザ９のレーザー光の波長を変化させて、試料１４の評価を行う。すなわち、励起波長を変化させると、プローブ３の微小開口から試料１４にカップリングした近接場光の試料１４内へのしみ出し深さが変化し、励起波長を短くするほど、しみ出し深さが小さくなる。例えば、Ｓｉ基板に対しては、アルゴンレーザーの５１５ｎｍの光では、６８５ｎｍ、４１５ｎｍの光では、２８０ｎｍ、３５１ｎｍの光では、１０ｎｍ程度と変化する。したがって、励起光であるプローブ３に導入するレーザー光の波長を変化させることにより、試料１４の異なった深さの情報を得ることができる。
【００５８】
また、半導体評価装置１は、プローブ３からエバネッセント場を照射させたときに試料１４から発生する光を検出して、試料１４の評価を行う。すなわち、半導体評価装置１は、プローブ３からエバネッセント場を照射したときに試料１４から発生する光をプローブ３で捕獲して、図示しないモノクロメータで検出し、この検出結果から各波長に対応した発光分布、すなわち、試料１４の欠陥等の所在位置及び分布を測定する。
【００５９】
このように、本実施の形態の半導体評価装置１は、載置テーブルであるＰＺＴステージ２に載置された半導体デバイスである試料１４に近接して配設され先端が所定の光波長以下の大きさに形成されるとともに当該先端に微小開口の形成されたプローブ３と試料１４との相対位置を変化させつつ、試料１４とプローブ３との近接場相互作用により試料１４に少数キャリアを励起させ、当該光励起電流の変化を検出して、試料１４の評価を行っている。
【００６０】
したがって、試料１４のｐ−ｎ接合位置及び少数キャリアの拡散長等を高分解能で測定することができ、試料１４である半導体デバイスの評価をより正確に行うことができる。
【００６１】
また、半導体評価装置１は、プローブ３を当該プローブの共振周波数で水平方向に振動させ、当該振動されるプローブ３の振動を検出して、当該検出結果に基づいてプローブ３と試料１４の間の位置制御を行っている。
【００６２】
したがって、プローブ３と試料１４との距離をより精密に制御することができるとともに、プローブ３の共振周波数のみで振動させて、試料１４のｐ−ｎ接合位置及び少数キャリアの拡散長等をより一層高分解能で、かつ、簡単な構成で測定することができ、半導体デバイスである試料１４の評価をより一層正確に、かつ、安価に行うことができる。
【００６３】
さらに、半導体評価装置１は、光励起電流の変化を検出するとともに、試料１４とプローブ３との近接場相互作用による発光現象の変化をプローブ３で検出して試料１４の評価を行っている。
【００６４】
したがって、試料１４のｐ−ｎ接合位置及び少数キャリアの拡散長等を測定することができるとともに、試料１４の欠陥位置及び欠陥分布を高分解能で測定することができ、半導体デバイスである試料１４の評価をより正確に行うことができる。
【００６５】
また、半導体評価装置１は、試料１４のｐ−ｎ接合間に逆バイアス電圧を印加して、試料１４の空乏層の幅を変化させるとともに、当該逆バイアス電圧を変化させながら試料１４の評価を行っている。
【００６６】
したがって、試料１４のｐ−ｎ接合位置及び少数キャリアの拡散長等をより一層高分解能で測定することができ、半導体デバイスである試料１４の評価をより一層正確に行うことができる。
【００６７】
さらに、半導体評価装置１は、プローブ３に導入する光の波長を変化させて、試料１４への近接場光の侵入深さの変化に応じて少数キャリアを局所的に励起し、当該励起電流の変化を検出して試料１４の評価を行っている。
【００６８】
したがって、試料１４の異なった深さのｐ−ｎ接合位置及び少数キャリアの拡散長等をより一層高分解能に測定することができ、半導体デバイスである試料１４の評価をより一層正確に行うことができる。
【００６９】
以上、本発明者によってなされた発明を好適な実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記のものに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【００７０】
【発明の効果】
請求項１記載の発明の半導体評価装置によれば、載置テーブルに載置された半導体デバイスに近接して配設され先端が所定の光波長以下の大きさに形成されるとともに当該先端に微小開口の形成されたプローブと半導体デバイスとの相対位置を変化させつつ、半導体デバイスとプローブとの近接場相互作用により半導体デバイスに電子正孔対を発生させ、該電子正孔対が前記半導体デバイス中を流れる光励起電流の変化を検出して、半導体デバイスの評価を行うので、半導体デバイスのｐ−ｎ接合位置及び少数キャリアの拡散長等を高分解能で測定することができ、半導体デバイスの評価をより正確に行うことができる。
【００７１】
請求項２記載の発明の半導体評価装置によれば、プローブを当該プローブの共振周波数で水平方向に振動させ、当該振動されるプローブの振動を検出して、当該検出結果に基づいてプローブと半導体デバイスとの間の位置制御を行うので、プローブと半導体デバイスとの距離をより精密に制御することができるとともに、プローブの共振周波数のみで振動させて、半導体デバイスのｐ−ｎ接合位置及び少数キャリアの拡散長等をより一層高分解能で、かつ、簡単な構成で測定することができ、半導体デバイスの評価をより一層正確に、かつ、安価に行うことができる。
【００７２】
請求項３記載の発明の半導体評価装置によれば、光励起電流の変化を検出するとともに、半導体デバイスとプローブとの近接場相互作用による発光現象の変化をプローブで検出して半導体デバイスの評価を行うので、半導体デバイスのｐ−ｎ接合位置及び少数キャリアの拡散長等を測定することができるとともに、半導体デバイスの欠陥位置及び欠陥分布を高分解能で測定することができ、半導体デバイスの評価をより正確に行うことができる。
【００７３】
請求項４記載の発明の半導体評価装置によれば、半導体デバイスのｐ−ｎ接合間に逆バイアス電圧を印加して、半導体デバイスの空乏層の幅を変化させるとともに、当該逆バイアス電圧を変化させながら半導体デバイスの評価を行うので、半導体デバイスのｐ−ｎ接合位置及び少数キャリアの拡散長等をより一層高分解能で測定することができ、半導体デバイスの評価をより一層正確に行うことができる。
【００７４】
請求項５記載の発明の半導体評価装置によれば、プローブに導入する光の波長を変化させて、半導体デバイスへの近接場光の侵入深さの変化に応じて電子正孔対を局所的に発生させ、該電子正孔対が半導体デバイス中を流れる光励起電流の変化を検出して半導体デバイスの評価を行うので、半導体デバイスの異なった深さのｐ−ｎ接合位置及び少数キャリアの拡散長等をより一層高分解能に測定することができ、半導体デバイスの評価をより一層正確に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体評価装置の一実施の形態を適用した半導体評価装置の概略構成図。
【符号の説明】
１ 半導体評価装置
２ ＰＺＴステージ
３ プローブ
４ 加振機構
５ フィードバック回路
６ レーザーダイオード
７ フォトダイオード
８ パーソナルコンピュータ
９ 半導体レーザ
１０ チョッパー
１１ 反射鏡
１２ ロック・イン・アンプ
１３ バイアス回路
１４ 試料
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体評価装置に関し、詳細には、半導体デバイスの微細構造やその欠陥を高分解能で測定して評価する半導体評価装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスは、デバイス内部に絶縁破壊や電気的リーク等による微少な欠陥が存在すると、半導体デバイスの信頼性を低下させる。
【０００３】
例えば、半導体デバイスに電界を印加して動作させた場合、半導体デバイスに欠陥があると、当該欠陥からの発光現象、ホットエレクトロン及びラッチアップ等による発光現象が起こることがある。このホットエレクトロンは、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field Effect Transistor ）の絶縁膜に損傷を与え、その電気特性を劣化させるという問題がある。また、ＣＭＯＳ素子においてラッチアップ現象が発生すると、電源端子から接点端子まで電流が流れっぱなしになり、その電気特性を劣化させるという問題がある。
【０００４】
このような半導体デバイスの欠陥は、デバイスに用いられている絶縁膜の厚さや表面の平坦性、不純物による汚染及びストレス等による内部構造の変化等様々な原因によって引き起こされる。
【０００５】
そのため、半導体デバイスの欠陥場所を高分解能で検出し、欠陥の原因を明らかにすることにより、半導体デバイスの信頼性を向上させるための設計方針の変更や半導体デバイスの作製方法の改良を行うことができる。
【０００６】
そして、半導体デバイスのどのような場所で動作時に発光現象が起きるかを解明することは、半導体デバイスの特性や信頼性を評価するために、大変重要な要因である。また、半導体デバイスの欠陥とその原因を解明するためにも、有効な手段となる。
【０００７】
そこで、従来、上記発光現象を、半導体デバイスを動作させ、デバイス中に発生した光をマイクロスコープで集光した後、モノクロメーターで分光、あるいは、フィルタを用いて分光し、光電子増倍管やＣＣＤ（Charge Coupled Device ）等の受光素子で光量を測定することにより観測している。
【０００８】
ところが、半導体デバイスのサイズがハーフミクロン、さらにサブハーフミクロンと縮小されていく中で、実寸寸法デバイスでの直接観察による評価が困難となってきており、従来、多くの場合、マクロな電気特性に基づくコンピュータシミュレーション等の手法により、発光現象を推定している。
【０００９】
また、従来、ｐ−ｎ接合に走査電子顕微鏡を用いて電子線を照射し、ｐ−ｎ接合間に流れる電子励起電流（ＥＢＩＣ）を用いて発光現象を観測することが行われている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の発光現象の観測方法を用いて半導体デバイスの評価を行うと、近年の集積化の進んでいる半導体デバイスを適切に評価することができないという問題があった。
【００１１】
すなわち、近年、半導体デバイスは、集積度の向上に伴って、その配線の最小線幅の微細化が進んでおり、例えば、１６Ｍビットのメモリでは、最小線幅が、０．５μｍ程度、さらに、最近、１Ｇビットのメモリが出現しており、このような１Ｇビットのメモリでは、０．１μｍ程度である。したがって、ホットキャリアやラッチアップによる発光現象を検出して、半導体デバイスを評価するためには、０．１μｍ以下の微少領域での観測測定が必要となる。
【００１２】
ところが、従来のコンヴェンショナルな光学系を用いたマイクロスコープで観測する手法では、原理的に光の回折限界以下の領域の測定は不可能であり、その分解能は、せいぜい約１μｍ程度である（ＩＥＥＥ Transactions on electron devices Ｖｏｌ．３７，Ｎｏ．９ １９９０，２０８０ページ参照）。
【００１３】
また、走査電子顕微鏡を用いた方法は、ｐ−ｎ接合の接合位置を直接測定することはできるが、試料に対するコンタミネーションの問題や走査電子顕微鏡の性能面での限界により、その分解能が約１μｍ程度である。
【００１４】
したがって、上記従来の発光現象の観測方法は、高密度化が進む半導体デバイスの評価に用いるには、分解能的に不十分であり、より一層微少領域での高分解能な測定方法が要求されている。
【００１５】
そこで、従来、近接場光学顕微鏡を用いた半導体材料の評価方法及びその装置が提案されている（特開平９−８２７７１号公報参照）。この半導体材料の評価方法及びその装置は、試料台上の試料である半導体材料に通電し、当該通電された半導体材料から発生する近視野光を検出するもので、試料から発生する近視野光を捕捉するプローブと、このプローブを試料表面に対して垂直方向に振動させる加振機構と、プローブの振動の振幅または周波数の変化を検出して試料表面との間隙を制御する変位検出機構と、プローブで捕捉した光をプローブの振動に合わせて分割して検出する光検出システムを有している。
【００１６】
ところが、実際の発光現象は全ての発光成分が散乱されるため、この公報記載の従来の方法では、発光現象の近接場成分のみを検出することができず、適切に半導体デバイスの評価を行うことができないという問題があった。
【００１７】
そこで、請求項１記載の発明は、載置テーブルに載置された半導体デバイスに近接して配設され先端が所定の光波長以下の大きさに形成されるとともに当該先端に微小開口の形成されたプローブと半導体デバイスとの相対位置を変化させつつ、半導体デバイスとプローブとの近接場相互作用により半導体デバイスに電子正孔対を発生させ、該電子正孔対が半導体デバイス中を流れる光励起電流の変化を検出して、半導体デバイスの評価を行うことにより、半導体デバイスのｐ−ｎ接合位置及び少数キャリアの拡散長等を高分解能で測定し、半導体デバイスの評価をより正確に行うことのできる半導体評価装置を提供することを目的としている。
【００１８】
請求項２記載の発明は、プローブを当該プローブの共振周波数で水平方向に振動させ、当該振動されるプローブの振動を検出して、当該検出結果に基づいてプローブと半導体デバイスとの間の位置制御を行うことにより、プローブと半導体デバイスとの距離をより精密に制御するとともに、プローブの共振周波数のみで振動させて、半導体デバイスのｐ−ｎ接合位置及び少数キャリアの拡散長等をより一層高分解能で、かつ、簡単な構成で測定し、半導体デバイスの評価をより一層正確に、かつ、安価に行うことのできる半導体評価装置を提供することを目的としている。
【００１９】
請求項３記載の発明は、光励起電流の変化を検出するとともに、半導体デバイスとプローブとの近接場相互作用による発光現象の変化をプローブで検出して半導体デバイスの評価を行うことにより、半導体デバイスのｐ−ｎ接合位置及び少数キャリアの拡散長等を測定するとともに、半導体デバイスの欠陥位置及び欠陥分布を高分解能で測定して、半導体デバイスの評価をより正確に行うことのできる半導体評価装置を提供することを目的としている。
【００２０】
請求項４記載の発明は、半導体デバイスのｐ−ｎ接合間に逆バイアス電圧を印加して、半導体デバイスの空乏層の幅を変化させるとともに、当該逆バイアス電圧を変化させながら半導体デバイスの評価を行うことにより、半導体デバイスのｐ−ｎ接合位置及び少数キャリアの拡散長等をより一層高分解能で測定し、半導体デバイスの評価をより一層正確に行うことのできる半導体評価装置を提供することを目的としている。
【００２１】
請求項５記載の発明は、プローブに導入する光の波長を変化させて、半導体デバイスへの近接場光の侵入深さの変化に応じて電子正孔対を局所的に発生させ、該電子正孔対が半導体デバイス中を流れる光励起電流の変化を検出して半導体デバイスの評価を行うことにより、半導体デバイスの異なった深さのｐ−ｎ接合位置及び少数キャリアの拡散長等をより一層高分解能に測定し、半導体デバイスの評価をより一層正確に行うことのできる半導体評価装置を提供することを目的としている。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明の半導体評価装置は、半導体デバイスの欠陥を近接場相互作用を利用して検出して、前記半導体デバイスの評価を行う半導体評価装置であって、前記半導体デバイスを載置する載置テーブルと、前記載置テーブルに載置されている前記半導体デバイスに近接して配設され先端が所定の光波長以下の大きさに形成されるとともに当該先端部に微小開口の形成されたプローブと、前記プローブと前記半導体デバイスとの相対位置を制御する位置制御手段と、前記プローブに前記所定波長の光を導入する光導入手段と、を備え、前記位置制御手段により前記半導体デバイスと前記プローブとの相対位置を変化させつつ、前記プローブに前記光導入手段から前記光を導入して、前記半導体デバイスと前記プローブとの近接場相互作用により前記半導体デバイスに電子正孔対を発生させ、該電子正孔対が前記半導体デバイス中を流れる光励起電流の変化を検出して、前記半導体デバイスの評価を行うことにより、上記目的を達成している。
【００２３】
上記構成によれば、載置テーブルに載置された半導体デバイスに近接して配設され先端が所定の光波長以下の大きさに形成されるとともに当該先端に微小開口の形成されたプローブと半導体デバイスとの相対位置を変化させつつ、半導体デバイスとプローブとの近接場相互作用により半導体デバイスに電子正孔対を発生させ、該電子正孔対が前記半導体デバイス中を流れる光励起電流の変化を検出して、半導体デバイスの評価を行うので、半導体デバイスのｐ−ｎ接合位置及び少数キャリアの拡散長等を高分解能で測定することができ、半導体デバイスの評価をより正確に行うことができる。
【００２４】
この場合、例えば、請求項２に記載するように、前記半導体評価装置は、前記プローブを当該プローブの共振周波数で水平方向に振動させる加振手段と、前記加振手段により振動される前記プローブの振動を検出する振動検出手段と、をさらに備え、前記位置制御手段が、前記振動検出手段の検出結果に基づいて前記プローブと前記半導体デバイスとの間の距離を前記プローブの微小開口径の長さ以下の距離に位置制御するものであってもよい。
【００２５】
上記構成によれば、プローブを当該プローブの共振周波数で水平方向に振動させ、当該振動されるプローブの振動を検出して、当該検出結果に基づいてプローブと半導体デバイスとの間の位置制御を行うので、プローブと半導体デバイスとの距離をより精密に制御することができるとともに、プローブの共振周波数のみで振動させて、半導体デバイスのｐ−ｎ接合位置及び少数キャリアの拡散長等をより一層高分解能で、かつ、簡単な構成で測定することができ、半導体デバイスの評価をより一層正確に、かつ、安価に行うことができる。
【００２６】
また、例えば、請求項３に記載するように、前記半導体評価装置は、前記光励起電流の変化を検出するとともに、前記半導体デバイスと前記プローブとの近接場相互作用による発光現象の変化を、前記プローブで検出して前記半導体デバイスの評価を行うものであってもよい。
【００２７】
上記構成によれば、光励起電流の変化を検出するとともに、半導体デバイスとプローブとの近接場相互作用による発光現象の変化をプローブで検出して半導体デバイスの評価を行うので、半導体デバイスのｐ−ｎ接合位置及び少数キャリアの拡散長等を測定することができるとともに、半導体デバイスの欠陥位置及び欠陥分布を高分解能で測定することができ、半導体デバイスの評価をより正確に行うことができる。
【００２８】
さらに、例えば、請求項４に記載するように、前記半導体評価装置は、前記半導体デバイスに所定のバイアス電圧を印加する電圧印加手段をさらに備え、当該電圧印加手段により、前記半導体デバイスのｐ−ｎ接合間に逆バイアス電圧を印加して、前記半導体デバイスの空乏層の幅を変化させるとともに、当該逆バイアス電圧を変化させながら前記半導体デバイスの評価を行うものであってもよい。
【００２９】
上記構成によれば、半導体デバイスのｐ−ｎ接合間に逆バイアス電圧を印加して、半導体デバイスの空乏層の幅を変化させるとともに、当該逆バイアス電圧を変化させながら半導体デバイスの評価を行うので、半導体デバイスのｐ−ｎ接合位置及び少数キャリアの拡散長等をより一層高分解能で測定することができ、半導体デバイスの評価をより一層正確に行うことができる。
【００３０】
また、例えば、請求項５に記載するように、前記半導体評価装置は、前記光導入手段から前記プローブに導入する前記光の波長を変化させて、前記半導体デバイスへの近接場光の侵入深さを変化させ、当該半導体デバイスへの近接場光の侵入深さの変化に応じて電子正孔対を局所的に発生させ、該電子正孔対が前記半導体デバイス中を流れる光励起電流の変化を検出して前記半導体デバイスの評価を行うものであってもよい。
【００３１】
上記構成によれば、プローブに導入する光の波長を変化させて、半導体デバイスへの近接場光の侵入深さの変化に応じて電子正孔対を局所的に発生させ、該電子正孔対が半導体デバイス中を流れる光励起電流の変化を検出して半導体デバイスの評価を行うので、半導体デバイスの異なった深さのｐ−ｎ接合位置及び少数キャリアの拡散長等をより一層高分解能に測定することができ、半導体デバイスの評価をより一層正確に行うことができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に述べる実施の形態は、本発明の好適な実施の形態であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。
【００３３】
図１は、本発明の半導体評価装置の一実施の形態を示す図であり、図１は、本発明の半導体評価装置の一実施の形態を適用した半導体評価装置１の概略構成図である。
【００３４】
図１において、半導体評価装置１は、ＰＺＴステージ２、プローブ３、加振機構４、フィードバック回路５、レーザーダイオード（ＬＤ）６、フォトダイオード（ＰＤ）７、パーソナルコンピュータ８、半導体レーザ９、チョッパー１０、反射鏡１１、ロック・イン・アンプ１２及びバイアス回路１３等を備えており、ＰＺＴステージ２上に試料１４である評価対象の半導体デバイスが設置される。
【００３５】
上記ＰＺＴステージ（載置テーブル）２上に載置された試料１４には、バイアス回路（電圧印加手段）１３からバイアス電圧が印加され、試料１４とプローブ３との位置制御をパーソナルコンピュータ８が行う。すなわち、パーソナルコンピュータ８は、Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向にＰＺＴステージ２を移動させて、ＰＺＴステージ２上の試料１４とプローブ３との位置制御を行い、位置制御手段として機能している。
【００３６】
このプローブ３には、レーザーダイオード６からレーザー光が照射され、その反射光をフォトダイオード７で受光する。フォトダイオード７は、検出結果をフィードバック回路５を介してパーソナルコンピュータ８に出力している。パーソナルコンピュータ８は、ＰＺＴステージ２の位置制御を行って、ロックイン検出することにより、プローブ３の高さ方向のフィードバック信号を得て、プローブ３と試料１４との位置制御を行う。
【００３７】
すなわち、加振機構（加振手段）４は、プローブ３に水平方向の振動を付与するものであり、例えば、ＰＺＴ等が使用されている。加振機構４は、プローブ３の共振周波数でプローブ３を水平方向に振動させる機能を有しており、このプローブ３の共振周波数は、数ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ程度である。加振機構４でプローブ３をプローブ３の共振周波数で振動させてプローブ３と試料１４を接近させると、プローブ３と試料１４との間に横方向（水平方向）の剪断応力（シェアフォース）が働き、プローブ３の振幅が小さくなる。このプローブ３の振幅をレーザーダイオード６とフォトダイオード７によりモニターして、パーソナルコンピュータ８によりＰＺＴステージ２の高さ方向（Ｚ方向）の調整を行って、プローブ３と試料１４との距離を正確に制御する。上記レーザーダイオード６、フォトダイオード７及びフィードバック回路５は、振動検出手段として機能している。
【００３８】
そして、この高さ方向の情報を２次元的にプロットすることにより、試料１４の２次元高さ分布（Ｚ方向分布）の情報を得ることができる。また、レーザダイオード６からレーザー光をプローブ３に照射し、その反射回折光をフォトダイオード７で検出して、ロック・イン・アンプ１２を用いてロックインさせることにより、プローブ３の高さ方向のフィードバック信号を得ることができる。
【００３９】
上記プローブ３の一方側端部には、半導体レーザ９から出射されたレーザー光がチョッパー１０及び反射鏡１１を介して入射され、プローブ３は、レーザー光が入射されると、他方側端部（先端部）に形成された微小開口部にエバネッセント場が生じて、試料１４に照射することができる（応用物理 第６５巻 第１号（１９９６）２ページ参照）。
【００４０】
すなわち、プローブ３は、先端部が入射される光の波長以下の大きさに形成されているとともに、当該先端部に光の波長よりも充分に小さい曲率半径に設定された微小開口を有し、他端側からレーザー光が入射されることにより、先端部の微小開口からエバネッセント場が発生する。
【００４１】
このようなプローブ３は、先端と反対側の端部からレーザー光が入射されると、先端部の微小開口部にエバネッセント場が発生し、試料１４に照射することができる。そして、測定時には、同時に上記剪断応力をモニターしているため、試料１４の形状に対応した光の分布が測定可能であり、また、この部分にモノクロメーターを接続することにより、各波長に対応した試料１４からの発光分布、すなわち、欠陥等の所在位置及ぶ分布を測定することができる。
【００４２】
上記プローブ３の微小開口の形成された先端部を試料１４に近接させて微小開口からエバネッセント場を発生させることにより、試料１４の表面の形状や光学的特性を測定することができるが、この場合の分解能は、プローブ３の先端の微小開口径とプローブ３と試料１４との距離によって決定され、通常の光学顕微鏡のように光の回折限界の影響を受けることがなく、試料１４の微小領域からの発光のみを選択的に取り出すことができる。そして、試料１４の微小発光部分にプローブ３を近接させると、プローブ３と試料１４の発光部分の近距離相互作用（近接相互作用）により当該発光部分の強度、寿命がプローブ３の影響を受けて変化する。この近接相互作用は、試料１４から離れると、その距離の３乗に反比例して減少し、プローブ３と試料１４表面との間の距離が近接している場合にのみ存在する成分である。そして、プローブ３には、測定対象の発光部分以外からの発光の成分がプローブ３に入らないような遮蔽構造が必要である。すなわち、発光部分以外からの発光の成分は、雑音となるため、信号成分のＳＮ比を向上させる上で、プローブ３には、充分な遮蔽構造が必要である。
【００４３】
上記のような作用を行うプローブ３は、例えば、石英ファイバをフッ酸混液で化学エッチングして先鋭化した後、金属コーティングして先端に微小開口を設けることにより、あるいは、シリコンを原子間力顕微鏡用のカンチレバーの根本部分にフォトダイオードの受光構造をくくりつけることにより、あるいは、シリコンの異方性エッチングにより微小開口を空けることにより、形成されている。
【００４４】
そして、プローブ３は、上記遮蔽構造を充分に取るために、例えば、厚さ１００〜２００ｎｍ程度の金属膜（例えば、金、銀、アルミニウム、ニッケル等）がコーティングされている。また、プローブ３の先端部の微小開口は、プローブ３を斜めに回転させながら金属を蒸着させたり、有機薄膜をコーティングした後、適当なエッチング液でウェットエッチングすることにより形成することができる。
【００４５】
プローブ３の先端には、上述のように、伝搬光成分を遮断するための金属膜がコーティングされて、数十ｎｍの微小開口が形成されているため、伝搬光成分を除去した近接場光成分のみを検出することができる。
【００４６】
そして、試料１４は、上記プローブ３から近接場光が照射されると、特に、試料１４のｐ−ｎ接合付近で近接場光が照射されると、Ｓｉの価電子帯の電子がバンドギャップを飛び越えて、電子正孔対が発生する。半導体評価装置１は、この電子正孔対が試料１４中を拡散して流れる光励起電流の変化を検出して、パーソナルコンピュータ８により試料１４、すなわち、半導体デバイスの評価を行う。
【００４７】
すなわち、半導体評価装置１は、パーソナルコンピュータ８がロック・イン・アンプ１２のロックインに基づいてチョッパー１０を制御して、半導体レーザ９から出射されるレーザー光をプローブ３の振動と共振させた状態に変調し、当該変調したレーザー光を反射鏡１１を介してプローブ３に導入する。半導体評価装置１は、この変調されたレーザー光により、プローブ３にエバネッセント場を発生させるとともに、プローブ３を加振機構４により振動させる。この状態で、パーソナルコンピュータ８が、上述のように、ロック・イン・アンプ１２のロックイン及びフィードバック回路５のロックインのフィードバック信号に基づいてＰＺＴステージ２の位置制御を行って、試料１４とプローブ３の位置制御を行うとともに、フィードバック回路５の検出結果に基づいて、試料１４中を流れる光励起電流を測定して、試料１４、すなわち、半導体デバイスの評価を行う。
【００４８】
また、半導体評価装置１は、試料１４から発生している光をプローブ３で捕獲して、図示しないモノクロメータで検出し、この検出結果から発光分布すなわち欠陥等の所在位置及び分布を測定する。
【００４９】
次に、本実施の形態の作用を説明する。半導体評価装置１は、ＰＺＴステージ２上に半導体デバイスである試料１４が載置され、この試料１４にロック・イン・アンプ１２を介してバイアス電圧を印加する。そして、半導体評価装置１は、パーソナルコンピュータ８によりＰＺＴステージ２をＸＹＺの３方向に位置調整して、ＰＺＴステージ２上の試料１４とプローブ３との粗い位置調整を予め行った後、加振機構４によりプローブ３に水平方向であってプローブ３の共振周波数で振動させ、そのときのプローブ３の振幅をレーザーダイオード６からプローブ３に照射したレーザー光をフォトダイオード７で受光することにより、検出する。そして、この加振機構４によりプローブ３に付与する振動は、上述のようにプローブ３の共振周波数の振動である。
【００５０】
パーソナルコンピュータ８は、ＰＺＴステージ２を介して試料１４をプローブ３方向に移動させて、試料１４をプローブ３に接近させる。すなわち、プローブ３に、共振周波数の振動が付与されつつ試料１４に接近されると、プローブ３と試料１４との間に横方向の剪断応力が働いて、プローブ３の振幅が小さくなる。このプローブ３の振幅をレーザーダイオード６からプローブ３に照射したレーザー光の反射回折光をフォトダイオード７で検出することにより検出し、フィードバック回路５からのロックイン検出信号により、プローブ３の高さ方向（Ｚ方向）のフィードバック信号を取得して、試料１４の位置制御を行う。
【００５１】
この状態で、パーソナルコンピュータ８は、半導体レーザ９からレーザー光を出射させるとともに、チョッパー１０を制御して上記共振周波数の振動に同期させて半導体レーザ９から出射されたレーザー光を変調し、この変調したレーザー光をプローブ３に入射させる。
【００５２】
プローブ３は、レーザー光が入射されると、プローブ３の先端の微小開口から近接場光が漏れ出て試料１４に照射する。試料１４は、近接場光が照射されると、Ｓｉの価電子帯の電子がバンドギャップを飛び越えて電子正孔対が発生し、この電子正孔対が半導体の試料１４中を拡散して、光励起電流として検出される。
【００５３】
例えば、ｐ領域で発生した電子（少数キャリア）は、空亡層に到達する前に多数キャリアと結合して死滅するが、空亡層及びｎ領域に到達したわずかな電子は、空亡層及びｎ領域では再結合確率が小さいため、そのまま電流として検出される。特に、空亡層内ではキャリアの再結合が少ないため、空亡層に到達した電子は、全て電流として検出される。したがって、電流強度が一番強い部分が接合位置に一致する。
【００５４】
また、半導体評価装置１は、試料１４に逆バイアス電圧を印加して、試料１４の評価を行う。すなわち、試料１４のｐ−ｎ接合に逆バイアスを印加すると、空亡層が広がるため、得られる近接場励起電流の信号半値幅が増大する。このとき、近接場励起電流の信号値の半値幅をΔＷ（Ｅ）、ドーピングした不純物濃度をＮｄ、空亡層の幅をＤ（Ｅ）とすると、次式が成り立つ。
【００５５】
Ｄ（Ｅ）−Ｄ（０）＝（１／Ｎｄ）1/2 ・Ｃ・（ΔＷ（Ｅ）−ΔＷ（０））・・・（１）
ただし、Ｃは、比例定数であり、Ｅは、バイアス電圧である。
【００５６】
上記（１）式の傾きを求めることにより、試料１４の不純物濃度を測定することができる。
【００５７】
さらに、半導体評価装置１は、励起波長を変化させて、すなわち、プローブ３に入射させる半導体レーザ９のレーザー光の波長を変化させて、試料１４の評価を行う。すなわち、励起波長を変化させると、プローブ３の微小開口から試料１４にカップリングした近接場光の試料１４内へのしみ出し深さが変化し、励起波長を短くするほど、しみ出し深さが小さくなる。例えば、Ｓｉ基板に対しては、アルゴンレーザーの５１５ｎｍの光では、６８５ｎｍ、４１５ｎｍの光では、２８０ｎｍ、３５１ｎｍの光では、１０ｎｍ程度と変化する。したがって、励起光であるプローブ３に導入するレーザー光の波長を変化させることにより、試料１４の異なった深さの情報を得ることができる。
【００５８】
また、半導体評価装置１は、プローブ３からエバネッセント場を照射させたときに試料１４から発生する光を検出して、試料１４の評価を行う。すなわち、半導体評価装置１は、プローブ３からエバネッセント場を照射したときに試料１４から発生する光をプローブ３で捕獲して、図示しないモノクロメータで検出し、この検出結果から各波長に対応した発光分布、すなわち、試料１４の欠陥等の所在位置及び分布を測定する。
【００５９】
このように、本実施の形態の半導体評価装置１は、載置テーブルであるＰＺＴステージ２に載置された半導体デバイスである試料１４に近接して配設され先端が所定の光波長以下の大きさに形成されるとともに当該先端に微小開口の形成されたプローブ３と試料１４との相対位置を変化させつつ、試料１４とプローブ３との近接場相互作用により試料１４に少数キャリアを励起させ、当該光励起電流の変化を検出して、試料１４の評価を行っている。
【００６０】
したがって、試料１４のｐ−ｎ接合位置及び少数キャリアの拡散長等を高分解能で測定することができ、試料１４である半導体デバイスの評価をより正確に行うことができる。
【００６１】
また、半導体評価装置１は、プローブ３を当該プローブの共振周波数で水平方向に振動させ、当該振動されるプローブ３の振動を検出して、当該検出結果に基づいてプローブ３と試料１４の間の位置制御を行っている。
【００６２】
したがって、プローブ３と試料１４との距離をより精密に制御することができるとともに、プローブ３の共振周波数のみで振動させて、試料１４のｐ−ｎ接合位置及び少数キャリアの拡散長等をより一層高分解能で、かつ、簡単な構成で測定することができ、半導体デバイスである試料１４の評価をより一層正確に、かつ、安価に行うことができる。
【００６３】
さらに、半導体評価装置１は、光励起電流の変化を検出するとともに、試料１４とプローブ３との近接場相互作用による発光現象の変化をプローブ３で検出して試料１４の評価を行っている。
【００６４】
したがって、試料１４のｐ−ｎ接合位置及び少数キャリアの拡散長等を測定することができるとともに、試料１４の欠陥位置及び欠陥分布を高分解能で測定することができ、半導体デバイスである試料１４の評価をより正確に行うことができる。
【００６５】
また、半導体評価装置１は、試料１４のｐ−ｎ接合間に逆バイアス電圧を印加して、試料１４の空乏層の幅を変化させるとともに、当該逆バイアス電圧を変化させながら試料１４の評価を行っている。
【００６６】
したがって、試料１４のｐ−ｎ接合位置及び少数キャリアの拡散長等をより一層高分解能で測定することができ、半導体デバイスである試料１４の評価をより一層正確に行うことができる。
【００６７】
さらに、半導体評価装置１は、プローブ３に導入する光の波長を変化させて、試料１４への近接場光の侵入深さの変化に応じて少数キャリアを局所的に励起し、当該励起電流の変化を検出して試料１４の評価を行っている。
【００６８】
したがって、試料１４の異なった深さのｐ−ｎ接合位置及び少数キャリアの拡散長等をより一層高分解能に測定することができ、半導体デバイスである試料１４の評価をより一層正確に行うことができる。
【００６９】
以上、本発明者によってなされた発明を好適な実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記のものに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【００７０】
【発明の効果】
請求項１記載の発明の半導体評価装置によれば、載置テーブルに載置された半導体デバイスに近接して配設され先端が所定の光波長以下の大きさに形成されるとともに当該先端に微小開口の形成されたプローブと半導体デバイスとの相対位置を変化させつつ、半導体デバイスとプローブとの近接場相互作用により半導体デバイスに電子正孔対を発生させ、該電子正孔対が前記半導体デバイス中を流れる光励起電流の変化を検出して、半導体デバイスの評価を行うので、半導体デバイスのｐ−ｎ接合位置及び少数キャリアの拡散長等を高分解能で測定することができ、半導体デバイスの評価をより正確に行うことができる。
【００７１】
請求項２記載の発明の半導体評価装置によれば、プローブを当該プローブの共振周波数で水平方向に振動させ、当該振動されるプローブの振動を検出して、当該検出結果に基づいてプローブと半導体デバイスとの間の位置制御を行うので、プローブと半導体デバイスとの距離をより精密に制御することができるとともに、プローブの共振周波数のみで振動させて、半導体デバイスのｐ−ｎ接合位置及び少数キャリアの拡散長等をより一層高分解能で、かつ、簡単な構成で測定することができ、半導体デバイスの評価をより一層正確に、かつ、安価に行うことができる。
【００７２】
請求項３記載の発明の半導体評価装置によれば、光励起電流の変化を検出するとともに、半導体デバイスとプローブとの近接場相互作用による発光現象の変化をプローブで検出して半導体デバイスの評価を行うので、半導体デバイスのｐ−ｎ接合位置及び少数キャリアの拡散長等を測定することができるとともに、半導体デバイスの欠陥位置及び欠陥分布を高分解能で測定することができ、半導体デバイスの評価をより正確に行うことができる。
【００７３】
請求項４記載の発明の半導体評価装置によれば、半導体デバイスのｐ−ｎ接合間に逆バイアス電圧を印加して、半導体デバイスの空乏層の幅を変化させるとともに、当該逆バイアス電圧を変化させながら半導体デバイスの評価を行うので、半導体デバイスのｐ−ｎ接合位置及び少数キャリアの拡散長等をより一層高分解能で測定することができ、半導体デバイスの評価をより一層正確に行うことができる。
【００７４】
請求項５記載の発明の半導体評価装置によれば、プローブに導入する光の波長を変化させて、半導体デバイスへの近接場光の侵入深さの変化に応じて電子正孔対を局所的に発生させ、該電子正孔対が半導体デバイス中を流れる光励起電流の変化を検出して半導体デバイスの評価を行うので、半導体デバイスの異なった深さのｐ−ｎ接合位置及び少数キャリアの拡散長等をより一層高分解能に測定することができ、半導体デバイスの評価をより一層正確に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体評価装置の一実施の形態を適用した半導体評価装置の概略構成図。
【符号の説明】
１ 半導体評価装置
２ ＰＺＴステージ
３ プローブ
４ 加振機構
５ フィードバック回路
６ レーザーダイオード
７ フォトダイオード
８ パーソナルコンピュータ
９ 半導体レーザ
１０ チョッパー
１１ 反射鏡
１２ ロック・イン・アンプ
１３ バイアス回路
１４ 試料
Claims (5)
- 半導体デバイスの欠陥を近接場相互作用を利用して検出して、前記半導体デバイスの評価を行う半導体評価装置であって、前記半導体デバイスを載置する載置テーブルと、前記載置テーブルに載置されている前記半導体デバイスに近接して配設され先端が所定の光波長以下の大きさに形成されるとともに当該先端部に微小開口の形成されたプローブと、前記プローブと前記半導体デバイスとの相対位置を制御する位置制御手段と、前記プローブに前記所定波長の光を導入する光導入手段と、を備え、前記位置制御手段により前記半導体デバイスと前記プローブとの相対位置を変化させつつ、前記プローブに前記光導入手段から前記光を導入して、前記半導体デバイスと前記プローブとの近接場相互作用により前記半導体デバイスに電子正孔対を発生させ、該電子正孔対が前記半導体デバイス中を流れる光励起電流の変化を検出して、前記半導体デバイスの評価を行うことを特徴とする半導体評価装置。
- 前記半導体評価装置は、前記プローブを当該プローブの共振周波数で水平方向に振動させる加振手段と、前記加振手段により振動される前記プローブの振動を検出する振動検出手段と、をさらに備え、前記位置制御手段が、前記振動検出手段の検出結果に基づいて前記プローブと前記半導体デバイスとの間の距離を前記プローブの微小開口径の長さ以下の距離に位置制御することを特徴とする請求項１記載の半導体評価装置。
- 前記半導体評価装置は、前記光励起電流の変化を検出するとともに、前記半導体デバイスと前記プローブとの近接場相互作用による発光現象の変化を、前記プローブで検出して前記半導体デバイスの評価を行うことを特徴とする請求項１または請求項２記載の半導体評価装置。
- 前記半導体評価装置は、前記半導体デバイスに所定のバイアス電圧を印加する電圧印加手段をさらに備え、当該電圧印加手段により、前記半導体デバイスのｐ−ｎ接合間に逆バイアス電圧を印加して、前記半導体デバイスの空乏層の幅を変化させるとともに、当該逆バイアス電圧を変化させながら前記半導体デバイスの評価を行うことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の半導体評価装置。
- 前記半導体評価装置は、前記光導入手段から前記プローブに導入する前記光の波長を変化させて、前記半導体デバイスへの近接場光の侵入深さを変化させ、当該半導体デバイスへの近接場光の侵入深さの変化に応じて電子正孔対を局所的に発生させ、該電子正孔対が前記半導体デバイス中を流れる光励起電流の変化を検出して前記半導体デバイスの評価を行うことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の半導体評価装置。
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