JP2007333640A - Apparatus and method for measuring semiconductor electrical characteristic - Google Patents

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Naoko Okamoto
直子 岡本
Yoshitake Shigeyama
吉偉 重山
Tatsushi Yamamoto
達志 山本
Shinzo Murakami
晋三 村上
Noriko Kakimoto
典子 柿本
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an apparatus for measuring semiconductor electrical characteristics that not only computes the lifetime and diffusion length of carriers but also measures electrical characteristics of semiconductors, such as the mobility of carriers, directly without requiring high time resolution and advanced arithmetic functions. <P>SOLUTION: The apparatus for measuring semiconductor electrical characteristics comprises an excitation light irradiation means for exciting carriers with excitation light on the obverse of a semiconductor sample, an electric field application means for applying an electric field to a region including the entire area irradiated with the excitation light such that the electric field is oriented in one direction in the region, an observation light irradiation means for irradiating the region including the entire area irradiated with the excitation light or the reverse of the semiconductor corresponding to the region with observation light, a light receiving means for receiving reflected light or transmitted light of the observation light reflected by or transmitted through the semiconductor, and a control means for controlling each means. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体の電気特性を非接触で評価するための半導体電気特性の測定装置と測定方法に関する。   The present invention relates to a semiconductor electrical property measurement apparatus and measurement method for non-contact evaluation of electrical properties of a semiconductor.

半導体ウエハおよび半導体薄膜などを利用する半導体デバイスにおいては、移動度、導電率などの半導体の電気的な特性がデバイスの特性を大きく左右する。特に多結晶シリコン膜(poly−Si膜)は、通常、石英やガラス等の基板上に非晶質シリコン膜(amorphous−Si膜)を成膜した後、ELA(Excimer Laser Annealing)法やSPC(Solid Phase Crystalization)法などの結晶化方法を用いて作成されるので、その面内で電気的特性のばらつきが大きく、TFT(Thin Film Transistor )などのデバイス特性の良否に大きな影響を与えている。また、最近はSOI(Silicon On Insulator)基板におけるシリコン厚も数10nm程度にまで薄膜化されており、膜厚に関する管理はなされているが、電気伝導度以外の膜の電気的特性に関する管理は一般になされていない。   In a semiconductor device using a semiconductor wafer, a semiconductor thin film, or the like, the electrical characteristics of the semiconductor such as mobility and conductivity greatly affect the characteristics of the device. In particular, a polycrystalline silicon film (poly-Si film) is usually formed by depositing an amorphous silicon film (amorphous-Si film) on a substrate such as quartz or glass, and then ELA (Excimer Laser Annealing) or SPC (SPC). Since it is created using a crystallization method such as Solid Phase Crystallization), there is a large variation in electrical characteristics within the surface, which greatly affects the quality of device characteristics such as TFTs (Thin Film Transistors). Recently, the silicon thickness of SOI (Silicon On Insulator) substrates has also been reduced to about several tens of nanometers, and management relating to film thickness has been made, but management relating to electrical characteristics of films other than electrical conductivity is generally used. Not done.

従来、このような半導体の電気的な特性は、4探針法や、TFTを作成してから検査パターン部分を用いてプローブ測定を行なうTEG(Test Element Group)測定などの接触方式により評価されていた。特に移動度の評価に関しては、TFTを作成してから測定しているため評価までに長期間を要し、かつ基板を傷つけたり汚染を生じて後の工程の歩留まりを低下させたりすることがあった。   Conventionally, the electrical characteristics of such a semiconductor have been evaluated by a contact method such as a four-probe method or a TEG (Test Element Group) measurement in which a probe measurement is performed using a test pattern portion after creating a TFT. It was. With regard to mobility evaluation in particular, it takes a long time to evaluate because TFTs are created and measured, and the substrate may be damaged or contaminated, resulting in a decrease in the yield of subsequent processes. It was.

一方、半導体のこのような電気特性を非接触で測定する方法がいくつか開発されている。その主なものとして、(1)μ−PCD(Photo Conductive Decay)法、(2)SPV(Surface Photo Voltage)法、(3)フリーキャリア吸収解析法などが挙げられる。   On the other hand, several methods for measuring such electrical characteristics of semiconductors in a non-contact manner have been developed. Main examples thereof include (1) μ-PCD (Photo Conductive Decay) method, (2) SPV (Surface Photo Voltage) method, and (3) Free carrier absorption analysis method.

(1)のμ−PCD法は、半導体に励起光を照射してその励起光により生じた過剰キャリアの寿命をマイクロ波照射による反射強度の時間変化を計測し、その減衰曲線から寿命を測定する方法である。例えば、数μm〜数10μmの厚さのSiエピウエハについて、差動方式を用いてキャリアの寿命の測定が行なわれている(非特許文献1)。しかし、この手法で測定できるのは再結合寿命であるため、結晶性や表面の重金属汚染に関する情報は得られるが、移動度などの電気的な特性を直接評価する方法ではない。   In the μ-PCD method of (1), a semiconductor is irradiated with excitation light, the lifetime of excess carriers generated by the excitation light is measured with respect to the time change of the reflection intensity due to microwave irradiation, and the lifetime is measured from the attenuation curve. Is the method. For example, for a Si epi-wafer having a thickness of several μm to several tens of μm, the carrier lifetime is measured using a differential method (Non-patent Document 1). However, since the recombination lifetime can be measured by this method, information on crystallinity and heavy metal contamination on the surface can be obtained, but it is not a method for directly evaluating electrical characteristics such as mobility.

(2)のSPV法は、複数の波長のパルス光を用いて半導体表面にキャリアを励起し、発生するキャリアの表面光起電力を測定し、波長と起電力の関係より拡散長を求める方法である。例えば、異なるフォトンエネルギーの単色放射線ビームを順次励起し、半導体の表面光電圧を測定し、拡散長を求める方法などがある(特許文献1)。この方法によれば、キャリアの寿命は拡散長を用いて求めることができる。しかし、この方法も、結晶性や表面の重金属汚染に関する情報は得られるが、移動度などの電気的な特性を直接評価する方法ではない。また、基板の電位を固定する必要があり、ガラスなどの絶縁物上に形成された半導体については測定できない。   The SPV method of (2) is a method in which carriers are excited on the semiconductor surface using pulsed light of a plurality of wavelengths, the surface photoelectromotive force of the generated carriers is measured, and the diffusion length is obtained from the relationship between the wavelength and the electromotive force. . For example, there is a method in which monochromatic radiation beams having different photon energies are sequentially excited, a surface photovoltage of a semiconductor is measured, and a diffusion length is obtained (Patent Document 1). According to this method, the lifetime of the carrier can be obtained using the diffusion length. However, this method can also obtain information on crystallinity and heavy metal contamination on the surface, but is not a method for directly evaluating electrical characteristics such as mobility. Further, it is necessary to fix the potential of the substrate, and a semiconductor formed on an insulator such as glass cannot be measured.

(3)のフリーキャリア吸収解析法は、赤外領域の光の波長を変化させて半導体に照射し、その反射率の波長依存性からキャリア密度、移動度などの電気的な特性を評価する方法である。たとえば、厚さ50nmのドープしたpoly−Si膜のキャリア移動度が測定されている(非特許文献2)。しかし、この方法は、赤外領域の光の波長を変化させて反射率を測定し、理論計算とのフィッティングを行なうため計算機の演算能力と時間が必要となる。このため評価に時間を要し、インラインの検査装置として用いるのは困難である。   The free carrier absorption analysis method (3) is a method of irradiating a semiconductor while changing the wavelength of light in the infrared region, and evaluating electrical characteristics such as carrier density and mobility from the wavelength dependence of the reflectance. It is. For example, the carrier mobility of a doped poly-Si film having a thickness of 50 nm has been measured (Non-Patent Document 2). However, this method requires the computing power and time of the computer to measure the reflectance by changing the wavelength of light in the infrared region and to perform fitting with theoretical calculation. For this reason, time is required for evaluation, and it is difficult to use as an in-line inspection apparatus.

この(3)の手法の問題点を解決するため、図15に示すように、フェムト秒可視光パルスレーザ21からの可視光パルスが、先ず、半透過ミラー28により2方向に分岐され、一方の可視光パルス21aは、時間遅延可動ミラー24を経て、テラヘルツパルス検出器26に入り、もう一方の可視光パルス21bは、テラヘルツパルス光源22からテラヘルツパルス光22aを放射させ、テラヘルツパルス光22aが測光光学系23aを介して半導体ウエハ25を透過して、透過パルス光25aがテラヘルツパルス検出器26へ入るようになっている装置が提案されている(特許文献2)。この装置では、フリーキャリア吸収解析法で波長を変化させる代わりに、ドルーデの理論を用いて、時系列のデータをフーリエ変換することで、移動度などの電気的特性を求める方法が開示されている。   In order to solve the problem of the method (3), as shown in FIG. 15, the visible light pulse from the femtosecond visible light pulse laser 21 is first branched in two directions by the semi-transmissive mirror 28. The visible light pulse 21a passes through the time delay movable mirror 24 and enters the terahertz pulse detector 26. The other visible light pulse 21b emits the terahertz pulse light 22a from the terahertz pulse light source 22, and the terahertz pulse light 22a is measured. An apparatus has been proposed in which the transmitted pulsed light 25a enters the terahertz pulse detector 26 through the semiconductor wafer 25 through the optical system 23a (Patent Document 2). This device discloses a method for obtaining electrical characteristics such as mobility by Fourier transforming time-series data using Drude's theory instead of changing the wavelength by free carrier absorption analysis. .

しかし、この装置においては、テラヘルツパルス光を半導体材料に照射し、電界強度の時系列の波形からドルーデの光吸収理論を用いて演算して、キャリア密度、移動度などの電気的特性に関する値を算出しているため、時間軸に対して高精度の測定を必要とする。そのため、時間分解能が高い測定装置とフーリエ変換を行なう演算機能が必要となっていた。
特開平02−119236号公報 特開2002−098634号公報 信学技報ED97−30、p.29−34(1997) Jpn.J.Appl.Phys.vol.38(1999)p.1892−1897
However, this device irradiates a semiconductor material with terahertz pulse light, calculates it from the time-series waveform of the electric field intensity using Drude's light absorption theory, and calculates values related to electrical characteristics such as carrier density and mobility. Since it is calculated, high-precision measurement is required with respect to the time axis. Therefore, a measurement device with high time resolution and a calculation function for performing Fourier transform are required.
Japanese Patent Laid-Open No. 02-119236 JP 2002-098634 A IEICE Technical Report ED97-30, p. 29-34 (1997) Jpn. J. et al. Appl. Phys. vol. 38 (1999) p. 1892-1897

本発明は、上述のような現状に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、単にキャリアの寿命や拡散長を求めるのではなく、直接的に半導体の電気特性を測定するものであって、しかも高度な時間分解能や高度な演算機能を必要としない半導体電気特性の測定装置と測定方法を提供することにある。特に、半導体のキャリア移動度や、キャリア移動度に関係する電気特性などの半導体電気特性の測定や確認に好適な測定装置と測定方法を提供する。   The present invention has been made in view of the current situation as described above, and its purpose is not to simply determine the lifetime or diffusion length of carriers, but to directly measure the electrical characteristics of semiconductors. Another object of the present invention is to provide a semiconductor electrical characteristic measuring apparatus and measuring method that do not require high time resolution and high calculation functions. In particular, a measurement apparatus and a measurement method suitable for measuring and confirming semiconductor electrical characteristics such as semiconductor carrier mobility and electrical characteristics related to carrier mobility are provided.

本発明の半導体電気特性の測定装置は、試料である半導体の表面に対して励起光によりキャリアを励起させるための励起光照射手段と、該励起光が照射された全範囲を含む領域に対して、その領域における電界の向きが一方向となるように電界を印加するための電界印加手段と、該励起光が照射された全範囲を含む領域、またはこの領域に相当する半導体の裏面に対して、観測光を照射するための観測光照射手段と、該観測光が該半導体により反射された反射光または透過された透過光を受光するための受光手段と、上記各手段を制御する制御手段と、を備えたことを特徴としている。   The semiconductor electrical property measuring apparatus according to the present invention includes an excitation light irradiating means for exciting carriers with excitation light to the surface of a semiconductor as a sample, and a region including the entire range irradiated with the excitation light. An electric field applying means for applying an electric field so that the direction of the electric field in the region is one direction, and a region including the entire range irradiated with the excitation light, or a semiconductor back surface corresponding to the region. Observation light irradiating means for irradiating observation light, light receiving means for receiving reflected light or transmitted light reflected by the semiconductor, and control means for controlling the above means It is characterized by having.

また、上記半導体電気特性の測定装置は、上記電界印加手段により電界が印加されている場合と印加されていない場合とにおいて、励起光照射後の観測光による反射光強度の分布または透過光強度の分布が変化し、その分布の変化を上記受光手段により検出することができる。   In addition, the semiconductor electrical property measuring apparatus has a distribution of reflected light intensity or transmitted light intensity of observation light after irradiation with excitation light when an electric field is applied by the electric field applying means and when it is not applied. The distribution changes, and the change in the distribution can be detected by the light receiving means.

また、上記半導体電気特性の測定装置は、上記電界印加手段により電界が印加されている場合と印加されていない場合とにおいて、励起光照射の前後における観測光による反射光強度または透過光強度の変化量分布が変化し、その変化量分布の変化を上記受光手段により検出することができる。   Further, the semiconductor electrical property measuring apparatus is characterized in that a change in reflected light intensity or transmitted light intensity due to observation light before and after excitation light irradiation is applied when an electric field is applied by the electric field applying means. The quantity distribution changes, and the change of the change quantity distribution can be detected by the light receiving means.

また、上記受光手段は、1次元ラインセンサ、2次元エリアセンサまたはポイントセンサのいずれかとすることができる。   Further, the light receiving means can be any one of a one-dimensional line sensor, a two-dimensional area sensor, or a point sensor.

また、上記半導体電気特性の測定装置は、さらに演算手段を備えており、かつその演算手段が直接的または間接的に上記受光手段と接続しているものとすることができる。また、上記半導体電気特性の測定装置は、さらに発振器を備えており、かつその発振器が上記電界印加手段と接続しているものとすることができる。   The semiconductor electrical property measuring apparatus may further include a calculation unit, and the calculation unit may be directly or indirectly connected to the light receiving unit. The semiconductor electrical property measuring apparatus may further include an oscillator, and the oscillator may be connected to the electric field applying means.

また、上記電界印加手段により印加される電界は、一定電界または高周波電界(高周波電界の場合、その周波数は100MHz〜10GHzの範囲内のもの)とすることができる。   The electric field applied by the electric field applying means can be a constant electric field or a high-frequency electric field (in the case of a high-frequency electric field, the frequency is in the range of 100 MHz to 10 GHz).

また、上記半導体電気特性の測定装置は、上記励起光照射手段、上記電界印加手段、上記観測光照射手段および上記受光手段からなる計測系に対して、試料である半導体を相対的に移動させる移動手段をさらに備えており、該半導体の表面の複数箇所を測定することができる。   The semiconductor electrical property measuring apparatus moves the semiconductor as a sample relative to a measurement system including the excitation light irradiation unit, the electric field application unit, the observation light irradiation unit, and the light reception unit. A means is further provided, and a plurality of locations on the surface of the semiconductor can be measured.

また、上記半導体電気特性の測定装置は、上記励起光照射手段と上記受光手段とが接続されており、上記励起光照射手段は、周期性を持って励起光を複数回照射するものであり、かつ上記受光手段は、該励起光の周期に同期して受光するものであるものとすることができる。   Further, the semiconductor electrical property measuring apparatus is connected to the excitation light irradiating means and the light receiving means, and the excitation light irradiating means irradiates excitation light multiple times with periodicity, In addition, the light receiving means can receive light in synchronization with the period of the excitation light.

また、本発明の半導体電気特性の測定方法は、試料である半導体の表面に対して観測光を照射するための観測光照射ステップと、該観測光が照射されている領域またはその領域に相当する半導体の裏面の領域内の特定の範囲に励起光を照射して、キャリアを励起させるための励起光照射ステップと、該観測光が該半導体により反射された反射光または透過された透過光を受光するための第1受光ステップと、該励起光が照射された全範囲を含む領域に対して、その領域における電界の向きが一方向となる電界を印加するための電界印加ステップと、該電界が印加された範囲における該観測光が、該半導体により反射された反射光または透過された透過光を受光するための第2受光ステップと、上記第1受光ステップと上記第2受光ステップとにおいて検出される反射光強度の分布範囲または透過光強度の分布範囲の変化を計算により求め、その結果に基づき電気特性を求めるための演算ステップと、を含むことを特徴としている。   Further, the semiconductor electrical property measurement method of the present invention corresponds to an observation light irradiation step for irradiating the surface of a semiconductor, which is a sample, with observation light, and a region irradiated with the observation light or the region thereof. Excitation light irradiation step for exciting a carrier by irradiating a specific range in the region of the backside of the semiconductor and receiving the reflected light or the transmitted transmitted light reflected by the semiconductor A first light receiving step for applying the electric field, an electric field applying step for applying an electric field in which the direction of the electric field is one direction to the region including the entire range irradiated with the excitation light, and A second light receiving step for receiving the reflected light reflected or transmitted by the semiconductor in the applied range, the first light receiving step, and the second light receiving step; Determined by calculating the change in the distribution range of the distribution range or transmitted light intensity of the reflected light intensity detected Oite, is characterized by comprising a calculating step for calculating the electrical characteristics based on the result, the.

上記電界印加ステップにおいて印加される電界は、一定電界または高周波電界とすることができる。   The electric field applied in the electric field applying step can be a constant electric field or a high frequency electric field.

また、上記測定方法は、上記第1受光ステップを省略し、かつ上記第2受光ステップにおいて受光手段として2次元エリアセンサを用いるとともに、上記演算ステップにおいて上記第2受光ステップで得られる反射光または透過光の2次元強度の分布範囲の変化を計算により求めることができる。   The measurement method omits the first light receiving step, uses a two-dimensional area sensor as the light receiving means in the second light receiving step, and reflects or transmits the reflected light or transmitted light obtained in the second light receiving step in the calculation step. A change in the distribution range of the two-dimensional intensity of light can be obtained by calculation.

また、本発明の半導体電気特性の確認方法は、上記の半導体電気特性の測定装置を用いて半導体電気特性を確認する方法であって、上記受光手段としてポイントセンサを用い、かつ試料である半導体の表面における反射光強度の分布範囲が適切な範囲にあるか否かを確認すること、または上記受光手段として1次元ラインセンサまたは2次元エリアセンサを用い、かつ試料である半導体の表面における一部の反射光強度の分布範囲が適切な範囲にあるか否かを確認することを特徴としている。   Also, the semiconductor electrical property confirmation method of the present invention is a method for confirming semiconductor electrical property using the semiconductor electrical property measurement apparatus described above, wherein a point sensor is used as the light receiving means, and a semiconductor as a sample is used. Confirming whether or not the distribution range of the reflected light intensity on the surface is in an appropriate range, or using a one-dimensional line sensor or a two-dimensional area sensor as the light receiving means, and a part of the surface of the semiconductor as a sample It is characterized by confirming whether or not the distribution range of the reflected light intensity is in an appropriate range.

さらに、本発明の半導体電気特性の測定方法は、上記の半導体電気特性の測定装置を用いて半導体電気特性を測定する方法であって、上記観測光照射手段により半導体の表面に観測光を照射させながら、上記電界印加手段により電界を印加させない状態において上記励起光照射手段により励起光を照射する場合と照射しない場合とにおける、上記観測光の反射光強度または透過光強度の変化量分布を上記受光手段により検出するステップと、上記電界印加手段により電界を印加させた状態において上記励起光照射手段により励起光を照射する場合と照射しない場合とにおける、上記観測光の反射光強度または透過光強度の変化量分布を上記受光手段により検出するステップと、これらの変化量分布を閾値処理してそれぞれの変化量分布範囲を求めるステップと、それらの変化量分布範囲の変化を求めることにより半導体電気特性(半導体のキャリア移動度)を求めるための演算ステップとを含むことを特徴としている。   Furthermore, the semiconductor electrical property measurement method of the present invention is a method for measuring semiconductor electrical properties using the above-mentioned semiconductor electrical property measurement apparatus, wherein the observation light irradiation means irradiates the surface of the semiconductor with observation light. However, the variation distribution of the reflected light intensity or the transmitted light intensity of the observation light in the case where the excitation light is irradiated by the excitation light irradiation means and the case where the excitation light irradiation is not performed in a state where no electric field is applied by the electric field application means. And the reflected light intensity or transmitted light intensity of the observation light in the case where the excitation light is irradiated by the excitation light irradiation means in the state where the electric field is applied by the electric field application means and in the case where the excitation light is not irradiated. The step of detecting the variation distribution by the light receiving means and the threshold processing of these variation distributions to determine the respective variation distribution ranges. And Mel step is characterized by including the calculation steps for obtaining the semiconductor electrical characteristics (semiconductor carrier mobility) by determining a change in their variation distribution range.

本発明の半導体電気特性の測定装置と測定方法によれば、単にキャリアの寿命や拡散長を求めるのではなく、直接的に半導体のキャリア移動度等の電気特性を測定することができ、高度な時間分解能や高度な演算機能を必要とすることもない。このため、各種半導体の製造工程におけるインライン検査装置、またはインライン検査方法として特に好適なものである。   According to the semiconductor electrical property measurement apparatus and measurement method of the present invention, it is possible to directly measure electrical properties such as carrier mobility of a semiconductor, rather than simply obtaining the lifetime and diffusion length of carriers, Neither time resolution nor advanced calculation functions are required. For this reason, it is particularly suitable as an in-line inspection apparatus or an in-line inspection method in various semiconductor manufacturing processes.

以下、実施の形態を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、以下の実施の形態の説明では、図面を用いて説明しているが、本願の図面において同一の参照符号や記号を付したものは、同一部分(内容)または相当部分(内容)を示している。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to embodiments, but the present invention is not limited thereto. In the following description of the embodiments, the description is made with reference to the drawings. In the drawings of the present application, the same reference numerals and symbols denote the same parts (contents) or corresponding parts (contents). ing.

<実施の形態1>
本発明の半導体電気特性の測定装置は、原則として励起光照射手段、電界印加手段、観測光照射手段、受光手段および制御手段により構成される。そして、励起光照射手段、電界印加手段、観測光照射手段および受光手段を、便宜上計測系と呼ぶものとする。以下、この半導体電気特性の測定装置を用いて、半導体の電気特性として半導体のキャリア移動度を測定する方法を、図1〜4に基づいて説明する。
<Embodiment 1>
The semiconductor electrical property measuring apparatus of the present invention is basically composed of excitation light irradiation means, electric field application means, observation light irradiation means, light reception means and control means. The excitation light irradiating means, the electric field applying means, the observation light irradiating means, and the light receiving means are referred to as a measurement system for convenience. Hereinafter, a method for measuring the carrier mobility of a semiconductor as the electrical characteristics of the semiconductor using the semiconductor electrical characteristics measurement apparatus will be described with reference to FIGS.

図1は、本発明の半導体電気特性の測定装置を用いて半導体の移動度の測定方法を実行するためのフローチャートを示しており、図2および図3は、本発明の半導体電気特性の測定装置の概略ブロック図を示し、また図4は、試料である半導体の表面に対して励起光を真円状に照射することにより励起された光励起キャリアの分布状態のイメージ図であって、(a)は電界を印加していない場合を示しており、(b)は電界を印加している場合を示している。   FIG. 1 shows a flowchart for executing a semiconductor mobility measurement method using the semiconductor electrical property measurement apparatus of the present invention. FIGS. 2 and 3 show the semiconductor electrical property measurement apparatus of the present invention. FIG. 4 is an image diagram of a distribution state of photoexcited carriers excited by irradiating the surface of a semiconductor, which is a sample, with excitation light in a perfect circle shape. The case where the electric field is not applied is shown, and (b) shows the case where the electric field is applied.

(試料となる半導体)
まず、電気特性である移動度を測定する試料となる半導体としては、ガラス基板やガラス基板にSiO2などの下地層を形成した基板1上に、膜厚数10nmの半導体薄膜2(例えば、poly−Si膜)を形成したものを用いることができる。しかし、測定の対象となる半導体材料としては、これのみに限られるものではなく、いかなる半導体材料をも対象としうることはいうまでもない。
(Semiconductor as sample)
First, as a semiconductor to be a sample for measuring mobility which is an electrical property, a semiconductor thin film 2 having a film thickness of several tens of nanometers (for example, poly) is formed on a glass substrate or a substrate 1 on which a base layer such as SiO 2 is formed on a glass substrate. -Si film) can be used. However, the semiconductor material to be measured is not limited to this, and it goes without saying that any semiconductor material can be targeted.

(観測光照射手段)
次いで、試料である上記半導体を、本発明の半導体電気特性の測定装置にセットし、観測光照射手段6により該半導体の表面(半導体薄膜2側)に対して観測光を照射する(ステップS1)。観測光照射手段6に含まれる光源としては、キャリアを励起させない波長範囲の光を発生する光源を採用する。その波長範囲は、試料となる半導体材料の種類により異なり、たとえば、半導体材料がSiの場合、波長が1.2μm以上の光を照射する光源を用いることが好ましい。前述のようにキャリアを励起させない波長領域であるためである。
(Observation light irradiation means)
Next, the semiconductor as a sample is set in the semiconductor electrical property measuring apparatus of the present invention, and the observation light irradiation means 6 irradiates the surface of the semiconductor (on the side of the semiconductor thin film 2) with observation light (step S1). . As the light source included in the observation light irradiation means 6, a light source that generates light in a wavelength range that does not excite carriers is employed. The wavelength range varies depending on the type of semiconductor material to be a sample. For example, when the semiconductor material is Si, it is preferable to use a light source that emits light having a wavelength of 1.2 μm or more. This is because the wavelength region does not excite carriers as described above.

また、このような観測光照射のビーム径としては、後述の励起光が照射される全範囲を含む領域を照射できれば特に限定されない。   Further, the beam diameter of such observation light irradiation is not particularly limited as long as it can irradiate a region including the entire range irradiated with excitation light described later.

また、観測光照射手段6の設置方向は、試料である半導体の半導体薄膜2の表面に対して垂直な方向よりも少し振れた方向、すなわち垂直線に対して30°以下の角度をなすように設置することが好ましい。試料である半導体から反射されてくる反射光を後述の受光手段7により受光し易くするためである。なお、プリズムなどの光学素子を用いて後述する励起光照射手段と同軸に設置することもできる。   In addition, the installation direction of the observation light irradiation means 6 is a direction slightly deviated from the direction perpendicular to the surface of the semiconductor thin film 2 of the sample, that is, an angle of 30 ° or less with respect to the vertical line. It is preferable to install. This is because the reflected light reflected from the sample semiconductor is easily received by the light receiving means 7 described later. In addition, it can also install coaxially with the excitation light irradiation means mentioned later using optical elements, such as a prism.

なお、観測光照射手段6は、後述のように、試料である半導体の裏面(基板1側)に対して観測光を照射できるように設置することも可能である。   Note that, as will be described later, the observation light irradiation means 6 can also be installed so that the observation light can be irradiated to the back surface (substrate 1 side) of the semiconductor that is the sample.

(励起光照射手段)
続いて、上記のように観測光が照射されている半導体表面に対して励起光照射手段3により励起光を照射する(ステップS2)。該励起光は、半導体薄膜2に対してキャリアを励起させる手段となるものである。したがって、励起光照射手段3に含まれる光源としては、半導体薄膜2の膜厚が数10nmのpoly−Si膜の場合には、該薄膜内で励起光のエネルギーがキャリアの生成に使われるようにエネルギーギャップに相当する波長よりも短い波長であって、かつ吸収率の高い(侵入長の短い)波長の光を発生するものを採用することが好ましい。この例として、たとえば400nm以下の波長の光を発生するN2レーザ(波長=337nm)やYAGレーザの3倍高調波(波長=355nm)などを挙げることができる。
(Excitation light irradiation means)
Subsequently, the excitation light is irradiated by the excitation light irradiation means 3 on the semiconductor surface irradiated with the observation light as described above (step S2). The excitation light serves as means for exciting carriers to the semiconductor thin film 2. Therefore, as a light source included in the excitation light irradiation means 3, when the semiconductor thin film 2 is a poly-Si film having a film thickness of several tens of nanometers, the energy of the excitation light is used to generate carriers in the thin film. It is preferable to employ one that generates light having a wavelength shorter than the wavelength corresponding to the energy gap and having a high absorptance (short penetration depth). Examples of this include an N 2 laser (wavelength = 337 nm) that generates light having a wavelength of 400 nm or less, a third harmonic of a YAG laser (wavelength = 355 nm), and the like.

また、このような励起光照射手段3による半導体薄膜2上での照射範囲31a(図4)は、たとえば、直径10μmから100μm程度のほぼ真円形になるように照射光学系を構成し、半導体薄膜2の表面で真円状になるように照射する。この励起光照射により、半導体薄膜2表面の真円状の領域にキャリアが励起される。ここで、上記励起光照射により励起された光励起キャリアは、励起光照射後自然拡散により半導体薄膜2の表面を概略2次元的に拡散するので、励起光照射によりキャリア数が変化する領域は励起光照射範囲31aよりも自然拡散分だけ広い範囲となる。   The irradiation range 31a (FIG. 4) on the semiconductor thin film 2 by the excitation light irradiation means 3 constitutes an irradiation optical system so as to have a substantially circular shape with a diameter of about 10 μm to 100 μm, for example. Irradiate to form a perfect circle on the surface of 2. By this excitation light irradiation, carriers are excited in a circular region on the surface of the semiconductor thin film 2. Here, since the photoexcited carriers excited by the excitation light irradiation diffuse the surface of the semiconductor thin film 2 approximately two-dimensionally by natural diffusion after the excitation light irradiation, the region where the number of carriers changes by the excitation light irradiation is the excitation light. The range is wider than the irradiation range 31a by the amount of natural diffusion.

なお、本実施の形態では、半導体薄膜2上の観測光が照射されている部分に励起光を照射する態様となっているが、これは便宜的なものであって、先に励起光を照射しておき、続いて光励起キャリアの寿命の範囲内のある一定時間後にその照射範囲を含む領域に観測光を照射する態様とすることもできる。   In this embodiment, the portion irradiated with the observation light on the semiconductor thin film 2 is irradiated with the excitation light. However, this is for convenience and the excitation light is irradiated first. In addition, it is possible to continuously irradiate the observation light to the region including the irradiation range after a certain time within the lifetime of the photoexcited carrier.

(受光手段−第1受光ステップ)
次いで、上記観測光が半導体薄膜2表面で反射されたその反射光を受光手段7により受光する(第1受光ステップ、ステップS3)。これにより、電界が印加されていない状態における反射光強度の分布を検出する。
(Light receiving means—first light receiving step)
Next, the reflected light reflected by the surface of the semiconductor thin film 2 is received by the light receiving means 7 (first light receiving step, step S3). Thereby, the distribution of reflected light intensity in a state where no electric field is applied is detected.

該半導体薄膜2のキャリア密度は、励起光照射により光励起キャリア分だけ増加する。該半導体薄膜2の誘電率はキャリア密度依存性があるためこのキャリア密度に応じて変化する。そして、このように該半導体薄膜2の誘電率εがキャリア密度に応じて変化することにより、該半導体薄膜2の屈折率nは、   The carrier density of the semiconductor thin film 2 is increased by the amount of photoexcited carriers by irradiation with excitation light. Since the dielectric constant of the semiconductor thin film 2 is dependent on carrier density, it changes according to the carrier density. And, as the dielectric constant ε of the semiconductor thin film 2 changes according to the carrier density in this way, the refractive index n of the semiconductor thin film 2 becomes

Figure 2007333640
Figure 2007333640

の関係により変化する。そして、これにより該半導体薄膜2に照射された観測光の反射光強度も変化する。 It depends on the relationship. As a result, the reflected light intensity of the observation light irradiated on the semiconductor thin film 2 also changes.

したがって、キャリア密度の空間的な分布状態に従って該半導体薄膜2に照射された観測光の反射光強度は変化することとなるので、観測光の反射光を受光手段で受光することにより反射光強度の分布を検出すれば、結局のところ、該半導体薄膜2のキャリア分布、すなわち、キャリア密度の分布状態を検出することができることとなる。   Therefore, since the reflected light intensity of the observation light irradiated on the semiconductor thin film 2 changes according to the spatial distribution state of the carrier density, the reflected light intensity of the reflected light is received by receiving the reflected light of the observation light with the light receiving means. If the distribution is detected, after all, the carrier distribution of the semiconductor thin film 2, that is, the carrier density distribution state can be detected.

このような受光手段7としては、たとえば1次元ラインセンサを用いることができ、このような1次元ラインセンサとしては、CCD(Charge Coupled Device)やCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)センサなどの受光素子を用いることができる。   As such a light receiving means 7, for example, a one-dimensional line sensor can be used. As such a one-dimensional line sensor, a light receiving element such as a CCD (Charge Coupled Device) or a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) sensor is used. Can be used.

なお、このような受光手段7の設置方向は、前記観測光照射手段6からの光が半導体薄膜2の表面で反射した反射光を受光できるように、半導体薄膜2の表面に対して垂直な方向よりも少し振れた方向であって観測光照射手段6の振れた向きとは逆の向きに、垂直線に対して30°以下の角度をなすように設置することが好ましい。なお、プリズムなどの光学素子を用いて前述の励起光照射手段と同軸に設置することもできる。   The light receiving means 7 is installed in a direction perpendicular to the surface of the semiconductor thin film 2 so that the reflected light reflected from the surface of the semiconductor thin film 2 can be received from the observation light irradiation means 6. It is preferable to install it so as to make an angle of 30 ° or less with respect to the vertical line in a direction slightly deviating from the direction in which the observation light irradiation means 6 oscillates. In addition, it can also install coaxially with the above-mentioned excitation light irradiation means using optical elements, such as a prism.

また、受光手段7である1次元ラインセンサは、図4に示したように励起光の照射範囲31aの中心を含み、かつ後述の電界の印加方向において各位置それぞれの反射光強度を検出し、その反射光強度の分布を検出できるように測定領域71aを有していることが好ましい。   The one-dimensional line sensor as the light receiving means 7 includes the center of the excitation light irradiation range 31a as shown in FIG. 4, and detects the reflected light intensity at each position in the electric field application direction described later. It is preferable to have a measurement region 71a so that the reflected light intensity distribution can be detected.

また、このような検出は、基本的には1回でよい。なお、ノイズ低減や誤差を少なくするべく、あるいは、強度の変化を読みやすくするための蓄積を行なうべく、ステップS3を複数回の検出を行なってもよい。   Further, such detection may basically be performed once. It should be noted that step S3 may be detected a plurality of times in order to reduce noise, reduce errors, or to accumulate for easy reading of intensity changes.

なお、図4(a)は、電界Eを印加していない場合(第1受光ステップ、ステップS3)の励起されたキャリアの分布状態のイメージ図であり、反射光強度として捉えた状態を示している。範囲33aは、反射光強度の分布がある閾値以上である範囲を示しており、その範囲のX軸方向の長さはX1、Y軸方向の長さはY1である。本実施の形態では、位置X0から位置X3までの測定領域71aを持つ1次元ラインセンサで測定するので、位置X0から位置X1Lまでと位置X1Rから位置X3までは上記の閾値未満の反射光強度が観察され、位置X1Lから位置X1Rまでは上記の閾値以上の反射光強度が観察されることになる(位置X1Lから位置X1Rまでの距離がX1である)。   4A is an image diagram of the distribution state of excited carriers when the electric field E is not applied (first light receiving step, step S3), and shows a state captured as reflected light intensity. . A range 33a indicates a range where the distribution of reflected light intensity is equal to or greater than a certain threshold. The length of the range in the X-axis direction is X1, and the length in the Y-axis direction is Y1. In the present embodiment, the measurement is performed by a one-dimensional line sensor having the measurement region 71a from the position X0 to the position X3. Therefore, the reflected light intensity less than the above threshold is from the position X0 to the position X1L and from the position X1R to the position X3. Observed, a reflected light intensity equal to or greater than the above threshold is observed from position X1L to position X1R (the distance from position X1L to position X1R is X1).

(電界印加手段)
続いて、該半導体薄膜2の表面であって、上記励起光照射手段3により光励起キャリアが励起されている全範囲を含む領域に対して、電界印加手段5を用いてその領域における電界の向きが一方向となるように単一周波数の電界を非接触で印加する(ステップS4)。該電界としては、高周波の電界が好ましく、発振器4から発振することができる。上記励起光照射手段3により励起光が半導体薄膜2の表面に照射されて発生した光励起キャリアは、励起光照射後自然拡散により半導体薄膜2の表面を概略2次元的に拡散するが、このような電界の印加により電界の方向に沿って電界駆動によるキャリアの移動も生じることとなる。
(Electric field applying means)
Subsequently, with respect to the region of the surface of the semiconductor thin film 2 that includes the entire range in which photoexcited carriers are excited by the excitation light irradiation unit 3, the direction of the electric field in the region is changed using the electric field applying unit 5. A single frequency electric field is applied in a non-contact manner so as to be in one direction (step S4). The electric field is preferably a high-frequency electric field and can oscillate from the oscillator 4. The photoexcited carriers generated by irradiating the surface of the semiconductor thin film 2 with the excitation light by the excitation light irradiating means 3 diffuses the surface of the semiconductor thin film 2 approximately two-dimensionally by natural diffusion after the excitation light irradiation. The application of the electric field also causes carrier movement by electric field driving along the direction of the electric field.

この電界駆動によるキャリアの最大移動量は、移動度、電界強度および周波数に依存する。高周波電界の周波数fは、キャリア寿命をτとすると1/(2τ)より高い周波数とする必要がある。たとえば、キャリア寿命が10ns程度で電界強度が1E5V/mの場合、周波数fは、100MHz以上、好ましくは数100MHz以上を用いる。また、周波数fの上限は移動度により決まり、たとえば移動度が100cm2/V・sの場合は、周波数fは、10GHz以下、好ましくは1GHz以下を用いる。このような範囲にない周波数の電磁波を用いると、たとえば周波数fが低い場合は、電界の変化が遅く、電界が極大になる前に光励起キャリアのキャリア寿命に達しキャリアの大半が再結合により消滅してしまい、電界で動くべき量との区別ができなくなり、キャリア移動度を見積もることができなくなる。一方、周波数fが高い場合は、電界の変化が速いので、キャリアの最大移動量が小さくなり受光手段の空間分解能を高くできないと移動量の差が得られにくくなる。なお、このような電磁波としては、解析の容易性の観点から単一周波数のものを採用することが好ましいが、これのみに限られるものではない。 The maximum amount of carrier movement by this electric field drive depends on mobility, electric field strength, and frequency. The frequency f of the high-frequency electric field needs to be higher than 1 / (2τ) where τ is the carrier lifetime. For example, when the carrier lifetime is about 10 ns and the electric field strength is 1E5 V / m, the frequency f is 100 MHz or more, preferably several hundred MHz or more. The upper limit of the frequency f is determined by the mobility. For example, when the mobility is 100 cm 2 / V · s, the frequency f is 10 GHz or less, preferably 1 GHz or less. When electromagnetic waves with a frequency not in such a range are used, for example, when the frequency f is low, the change in the electric field is slow, the carrier lifetime of the photoexcited carrier is reached before the electric field becomes maximum, and most of the carriers disappear due to recombination. Therefore, it becomes impossible to distinguish from the amount that should be moved by the electric field, and the carrier mobility cannot be estimated. On the other hand, when the frequency f is high, the change in the electric field is fast, so that the maximum movement amount of the carrier is small, and it is difficult to obtain a difference in the movement amount unless the spatial resolution of the light receiving means can be increased. In addition, although it is preferable to employ | adopt the thing of a single frequency as such electromagnetic waves from a viewpoint of the ease of analysis, it is not restricted only to this.

具体的な電界の印加方法としては、たとえばダイポールアンテナやホーンアンテナ等のアンテナにより非接触で印加することができる。非接触であるから半導体薄膜を傷つけたり破壊したりすることがない。アンテナの方向は、ダイポールアンテナの場合、アンテナの長軸方向が電界の方向となるため、電界を与えたい方向とアンテナの長軸方向を一致させて配置する。ホーンアンテナで開口面が矩形の場合、矩形の短軸方向が電界の方向になるため、電界を与えたい方向と矩形の短軸方向を一致させて配置する。半導体薄膜2とアンテナとの距離は、1方向に電界を印加するためには、できるだけ近づけたほうが望ましい。   As a specific method for applying an electric field, it can be applied in a non-contact manner by an antenna such as a dipole antenna or a horn antenna. Since it is non-contact, it does not damage or destroy the semiconductor thin film. In the case of a dipole antenna, the antenna has a long axis direction that is the direction of the electric field. When the opening surface of the horn antenna is rectangular, the short axis direction of the rectangle is the direction of the electric field. Therefore, the direction in which the electric field is to be applied and the short axis direction of the rectangle are aligned. The distance between the semiconductor thin film 2 and the antenna is preferably as close as possible in order to apply an electric field in one direction.

なお、このような電界の印加は、上記の通り発振器4により発振されるものであるので、この発振器4は通常、電界印加手段5に接続される。また必要に応じて発振器4と電界印加手段5との間にインピーダンスマッチングをとるための整合器を入れることもできる。   Since the application of such an electric field is oscillated by the oscillator 4 as described above, this oscillator 4 is usually connected to the electric field applying means 5. If necessary, a matching unit for impedance matching can be inserted between the oscillator 4 and the electric field applying means 5.

また、上記では、電界印加手段により印加される電界の例として高周波電界を例示して説明したが、印加される電界としてはこのように高周波電界に限定されることはなく一定電界を印加することもできることは言うまでもない。   In the above description, the high-frequency electric field is illustrated as an example of the electric field applied by the electric field applying unit. However, the applied electric field is not limited to the high-frequency electric field in this way, and a constant electric field is applied. Needless to say, you can.

(受光手段−第2受光ステップおよび演算ステップ)
続いて、このように電界を印加された半導体表面(半導体薄膜2側)において、上記観測光が反射されたその反射光を前記受光手段7により受光する(第2受光ステップ、ステップS5)。これにより、該半導体薄膜2のその表面(主面)における反射光強度の分布を検出することによって、電界が印加されている状態におけるキャリア密度の分布を検出する。このように前述の第1受光ステップ(ステップS3)と同様の考えにより、電界が印加された状態でのキャリア密度の空間的な分布状態を検出することができる。
(Light receiving means—second light receiving step and calculation step)
Subsequently, on the semiconductor surface (semiconductor thin film 2 side) to which the electric field is applied in this way, the reflected light obtained by reflecting the observation light is received by the light receiving means 7 (second light receiving step, step S5). Thereby, the distribution of the carrier density in a state where an electric field is applied is detected by detecting the distribution of the reflected light intensity on the surface (main surface) of the semiconductor thin film 2. Thus, based on the same idea as the first light receiving step (step S3) described above, it is possible to detect the spatial distribution state of the carrier density in a state where an electric field is applied.

すなわち、受光手段7として前記1次元ラインセンサを用いて、かつ該1次元ラインセンサを第1受光ステップ(ステップS3)で測定した方向と全く同じ方向に設置し、半導体薄膜2から反射してくる反射光を受光することにより、反射光強度の分布を検出し、キャリア密度の空間的な分布を検出する。   That is, the one-dimensional line sensor is used as the light receiving means 7, and the one-dimensional line sensor is installed in the same direction as that measured in the first light receiving step (step S3) and reflected from the semiconductor thin film 2. By receiving the reflected light, the distribution of the reflected light intensity is detected, and the spatial distribution of the carrier density is detected.

なお、図4(b)は、電界Eを印加している場合(第2受光ステップ、ステップS5)の励起されたキャリアの分布状態のイメージ図であり、反射光強度として捉えた状態を示している。範囲33bは、反射光強度がある閾値以上である範囲を示しており、その範囲のX軸方向の長さはX2、Y軸方向の長さはY2である。本実施の形態では、前述のように位置X0から位置X3までの測定領域71aを持つ1次元ラインセンサで測定するので、位置X0から位置X2Lまでと位置X2Rから位置X3までは上記の閾値未満の反射光強度が観察され、位置X2Lから位置X2Rまでは上記の閾値以上の反射光強度が観察されることになる(位置X2Lから位置X2Rまでの距離はX2である)。   FIG. 4B is an image diagram of a distribution state of excited carriers when the electric field E is applied (second light receiving step, step S5), and shows a state captured as reflected light intensity. . A range 33b indicates a range in which the reflected light intensity is equal to or greater than a certain threshold, and the length in the X-axis direction of the range is X2, and the length in the Y-axis direction is Y2. In the present embodiment, as described above, since the measurement is performed by the one-dimensional line sensor having the measurement region 71a from the position X0 to the position X3, the position X0 to the position X2L and the position X2R to the position X3 are less than the above threshold. The reflected light intensity is observed, and the reflected light intensity equal to or higher than the above threshold is observed from the position X2L to the position X2R (the distance from the position X2L to the position X2R is X2).

続いて、上記のようにして一連の測定が完了した後、電界の印加を停止するとともに励起光の照射を停止し、また観測光の照射も停止する(ステップS6)。なお、次の測定を連続的に行なうためにこれらの各停止動作は行なわなくても差し支えない。   Subsequently, after the series of measurements is completed as described above, the application of the electric field is stopped, the irradiation of the excitation light is stopped, and the irradiation of the observation light is also stopped (step S6). In order to continuously perform the next measurement, these stop operations may not be performed.

続いて、上記の第1受光ステップ(ステップS3)および第2受光ステップ(ステップS5)でそれぞれ検出された反射光強度の分布について、上記図4(a)(b)は単にイメージとして表わしたものであったが、これを実際に閾値処理等の演算処理を行ない、キャリア密度の変化および電界の印加によりある閾値以上の反射光強度の範囲を同定する(ステップS7)。すなわち、電界を印加していない場合(第1受光ステップ、ステップS3)の反射光強度がある閾値になった境目の位置(図4(a)におけるX1L、X1Rで表わされる位置)、および電界を印加した場合(第2受光ステップ、ステップS5)の反射光強度がある閾値になった境目の位置(図4(b)におけるX2L、X2Rで表わされる位置)をそれぞれ演算により実際に求める。このようにして反射光強度の分布がある閾値以上になった範囲(すなわち、反射光強度の分布範囲)は、たとえば図4(a)(b)に示したように位置としてはX1L、X1R、X2L、X2Rが求まり、さらにこの範囲のX軸方向の長さとしてはX1とX2が求まる。したがって、このような演算を簡易に行なえるように本願の測定装置は、演算手段9を備えていることが好ましく、この演算手段9は受光手段7に直接的または間接的に接続させることが好ましい。たとえば図3では、演算手段9は後述の制御手段8を介して間接的に受光手段7に接続されている。   Subsequently, with respect to the distribution of the reflected light intensity detected in the first light receiving step (step S3) and the second light receiving step (step S5), FIGS. 4 (a) and 4 (b) are merely represented as images. However, this is actually subjected to arithmetic processing such as threshold processing, and the range of reflected light intensity above a certain threshold is identified by changing the carrier density and applying an electric field (step S7). That is, when no electric field is applied (first light receiving step, step S3), the position of the boundary where the reflected light intensity reaches a certain threshold (positions represented by X1L and X1R in FIG. 4A), and the electric field When applied (second light receiving step, step S5), the positions of the boundaries (positions represented by X2L and X2R in FIG. 4B) where the reflected light intensity reaches a certain threshold are actually obtained by calculation. Thus, the range in which the reflected light intensity distribution is equal to or greater than a certain threshold (that is, the reflected light intensity distribution range) is, for example, as shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b), X1L, X1R, X2L and X2R are obtained, and further, X1 and X2 are obtained as the length of this range in the X-axis direction. Therefore, it is preferable that the measuring apparatus of the present application includes the calculation means 9 so that such calculation can be easily performed, and the calculation means 9 is preferably connected directly or indirectly to the light receiving means 7. . For example, in FIG. 3, the calculating means 9 is indirectly connected to the light receiving means 7 via the control means 8 described later.

次いで、上記のステップS7で求めた各反射光強度の分布(すなわち閾値処理した反射光強度の分布範囲)に基づいて、電界印加の有無による反射光強度の分布の変化(反射光強度の分布範囲の変化)ΔX(=X2−X1)を求める(ステップS8)。これにより、結果的に電界印加の有無による反射光強度がある閾値以上になった範囲(反射光強度の分布範囲)を受光手段7(および演算手段9)により検出できることとなる。すなわち、周波数および電界が一定の場合、電界印加時の反射光強度が閾値になった境目の位置は、主にキャリアの移動度の大小に応じて変化する。したがって、演算手段9を用いて電界印加の有無によるこの境目の位置の差(すなわち反射光強度の分布範囲の変化)を計算により求めると(演算ステップ)、この差は電界によるキャリア移動度に相当するので、結果的にキャリア移動度(すなわち半導体の電気特性)が求められることになる。   Next, based on the distribution of each reflected light intensity obtained in step S7 (that is, the distribution range of the reflected light intensity subjected to the threshold processing), the change in the distribution of the reflected light intensity depending on whether or not the electric field is applied (the distribution range of the reflected light intensity) Change) ΔX (= X2−X1) is obtained (step S8). As a result, the light receiving means 7 (and the calculating means 9) can detect the range (reflected light intensity distribution range) in which the reflected light intensity due to the presence or absence of electric field application exceeds a certain threshold value. That is, when the frequency and the electric field are constant, the position of the boundary where the intensity of the reflected light when the electric field is applied becomes a threshold value changes mainly depending on the magnitude of the carrier mobility. Therefore, when the calculation means 9 is used to calculate the difference in the position of this boundary (that is, the change in the distribution range of the reflected light intensity) depending on whether or not an electric field is applied (calculation step), this difference corresponds to the carrier mobility due to the electric field. Therefore, as a result, carrier mobility (that is, electrical characteristics of the semiconductor) is required.

すなわち、キャリアの速度をv、キャリア移動度をμ、電界をEとすると、
v=μE
と表される。電界を単一周波数の高周波電界とし、キャリアを電子とすると、キャリアは負の電荷をもっているので、上記の単一周波数で電界方向と逆の方向に力を受けて運動することになる。単一周波数の電界Eは、電界振幅をE0、周波数をf、時間をt、初期位相をφとおくと、
E=E0sin(2πft+φ)
と表され、これを用いるとキャリア速度vは、
v=μE0sin(2πft+φ)
と表される。
That is, when the carrier velocity is v, the carrier mobility is μ, and the electric field is E,
v = μE
It is expressed. If the electric field is a single-frequency high-frequency electric field and the carrier is an electron, the carrier has a negative charge, and therefore, it moves by receiving a force in the direction opposite to the electric field direction at the single frequency. A single-frequency electric field E has an electric field amplitude E 0 , a frequency f, a time t, and an initial phase φ.
E = E 0 sin (2πft + φ)
Using this, the carrier speed v is
v = μE 0 sin (2πft + φ)
It is expressed.

キャリアの変位量は、vを時間で積分すればよいので、その積分された変位量は移動度と電界の積に比例し、周波数に反比例する。従って、前記反射光強度の閾値の設定により前記ΔXの値は変化するが、電界と周波数と上記閾値が一定であれば、ΔXを測定すると結果的に半導体薄膜2のキャリア移動度を測定していることになる。   Since the carrier displacement may be obtained by integrating v with time, the integrated displacement is proportional to the product of the mobility and the electric field and inversely proportional to the frequency. Therefore, although the value of ΔX changes depending on the setting of the threshold value of the reflected light intensity, if the electric field, the frequency, and the threshold value are constant, measuring ΔX results in measuring the carrier mobility of the semiconductor thin film 2. Will be.

以上のようにして、電界印加手段により電界が印加されている場合と印加されていない場合とにおいて、反射光(または透過光)強度の分布が変化し、その分布の変化(分布範囲の変化量)を受光手段により検出する(より具体的には受光手段に接続されている演算手段により計算する)ことにより、結果的にキャリア移動度等の半導体電気特性を測定することができる。   As described above, the distribution of the reflected light (or transmitted light) intensity changes between when the electric field is applied by the electric field applying means and when it is not applied, and the change in the distribution (the amount of change in the distribution range). ) Is detected by the light receiving means (more specifically, calculation is performed by the arithmetic means connected to the light receiving means), and as a result, semiconductor electrical characteristics such as carrier mobility can be measured.

(制御手段)
上記の各ステップの電界印加、励起光/観測光照射、停止、検出等のタイミングや印加や照射の量・方向などは、制御手段8により統括的に制御される。したがって、制御手段8は、上記各手段に間接的または直接的に接続されることにより、上記各手段を制御するものである。
(Control means)
The timing of application of electric field, excitation light / observation light irradiation, stop, detection, and the amount and direction of application and irradiation in each step are controlled by the control unit 8 in a centralized manner. Therefore, the control means 8 controls each said means by being connected to each said means indirectly or directly.

このような制御手段8としては、例えば、スイッチング回路やコンピュータなどが使用できる。また、効率的な測定のためには、制御をシーケンス化することが望ましい。さらに、制御条件などが格納され測定結果が記録されるデータベースやメモリを付属させることが望ましい。   As such a control means 8, a switching circuit, a computer, etc. can be used, for example. It is also desirable to sequence the controls for efficient measurement. Furthermore, it is desirable to attach a database or memory for storing control conditions and recording measurement results.

(移動手段)
上記励起光照射手段、電界印加手段、観測光照射手段および受光手段からなる計測系に対して、試料である半導体を相対的に移動させる移動手段を備えることにより、半導体表面の複数箇所を測定するようにすることができる。これにより、半導体表面の移動度の分布をより簡易に測定することができ、amorphous−Si膜をELA法などで作成したpoly−Si膜のように、面内の特性に分布が生じやすい半導体の評価に有効な半導体キャリア移動度を測定する電気特性測定装置を構成することができる。したがって、上記測定装置は、必要に応じ、該計測系に対して試料である半導体を相対的に移動させる移動手段を備えたものとすることができる。
(transportation)
A plurality of locations on the semiconductor surface are measured by providing a moving means for moving the semiconductor as a sample relative to the measurement system comprising the excitation light irradiation means, the electric field application means, the observation light irradiation means, and the light receiving means. Can be. As a result, the mobility distribution on the semiconductor surface can be measured more easily, and an amorphous-Si film, such as a poly-Si film prepared by the ELA method or the like, can be easily distributed in in-plane characteristics. It is possible to configure an electrical property measuring apparatus that measures semiconductor carrier mobility effective for evaluation. Therefore, the measurement apparatus may include a moving unit that moves the semiconductor as a sample relative to the measurement system as necessary.

以上のようにして、上記の構成を有する半導体電気特性の測定装置を用いれば、半導体薄膜のキャリア移動度相当量を非接触で簡易に測定することができる。また、前記ΔXに関する閾値を所望の値に設定すれば、半導体の電気特性の良否判定処理を簡易に行なうこともできる。   As described above, when the semiconductor electrical property measuring apparatus having the above-described configuration is used, the carrier mobility equivalent amount of the semiconductor thin film can be easily measured without contact. Further, if the threshold value related to ΔX is set to a desired value, it is possible to easily perform the pass / fail judgment process of the electrical characteristics of the semiconductor.

なお、上記においては、キャリア密度が高いほど反射光強度が高くなる場合について説明し、このため反射光強度がある閾値以上になる場合に注目したが、観測光の波長や半導体材料の種類によっては、キャリア密度が高いほど反射光強度が低い特性を示す場合もある。このような場合においては、上述した反射光強度の大小関係は逆となり、ある閾値以下の範囲の反射光強度の分布範囲を検出することになる。   In the above, the case where the reflected light intensity becomes higher as the carrier density is higher is described. Therefore, attention is paid to the case where the reflected light intensity exceeds a certain threshold, but depending on the wavelength of the observation light and the type of the semiconductor material. In some cases, the higher the carrier density, the lower the reflected light intensity. In such a case, the above-described magnitude relationship of the reflected light intensity is reversed, and the distribution range of the reflected light intensity within a range below a certain threshold is detected.

またなお、上記においては半導体電気特性としてキャリア移動度を例にとり説明したが、本発明にいう半導体電気特性とはこのようなキャリア移動度のみに限られるものではなく、キャリア移動度に関係する各種の電気特性やそれ以外の電気特性が含まれる。   In the above description, the carrier mobility has been described as an example of the semiconductor electrical characteristics. However, the semiconductor electrical characteristics referred to in the present invention are not limited to such carrier mobility, and various types related to the carrier mobility. And other electrical characteristics are included.

<実施の形態2>
本実施の形態は、受光手段7として上記の実施の形態1における1次元ラインセンサに代えて、2次元エリアセンサを装備した場合の半導体キャリア移動度の測定装置によるキャリアの移動度の測定について、図5に基づいて説明する。
<Embodiment 2>
In the present embodiment, the measurement of the carrier mobility by the semiconductor carrier mobility measuring device when the light receiving means 7 is equipped with a two-dimensional area sensor instead of the one-dimensional line sensor in the first embodiment described above, This will be described with reference to FIG.

本実施の形態は、試料が試料面内で等方性を有する半導体などの場合において、上記実施の形態1における第1受光ステップ(ステップS3)の操作を行なわずに直接第2受光ステップ(ステップS5)の操作により2次元の測定(2次元強度の分布範囲の変化の計算)を行なうことを特徴としている。すなわち、第2受光ステップにより電界印加方向に平行な方向と垂直な方向での反射光強度の分布を検出するものであり、上記演算ステップ(ステップS8)においてこの2次元強度の分布範囲の変化を計算により求めるものである。   In the present embodiment, in the case where the sample is a semiconductor having isotropicity in the sample surface, the second light receiving step (step S3) is directly performed without performing the operation of the first light receiving step (step S3) in the first embodiment. Two-dimensional measurement (calculation of change in distribution range of two-dimensional intensity) is performed by the operation of S5). That is, the distribution of the reflected light intensity in a direction perpendicular to the direction parallel to the electric field application direction is detected by the second light receiving step, and the change in the distribution range of the two-dimensional intensity is detected in the calculation step (step S8). It is obtained by calculation.

なお、2次元エリアセンサとしても、CCDやCMOSなどの撮像素子を用いることができる。   An imaging element such as a CCD or CMOS can also be used as the two-dimensional area sensor.

まず図5(a)のように試料が等方性の半導体である場合、電界が印加されていない第1受光ステップ(ステップS3)の状態ではX1=Y1となる。すなわち、図5(a)は電界Eを印加していない場合(第1受光ステップ、ステップS3)の励起されたキャリアの分布状態のイメージ図であり、反射光強度として捉えた状態を示している。励起光照射手段により励起光を励起光照射範囲31aに照射した場合、範囲33aは、反射光強度がある閾値以上である範囲を示しており、その範囲のX軸方向の長さはX1、Y軸方向の長さはY1である。本実施の形態では、X軸方向(位置X0から位置X3まで)とY軸方向(位置Y0から位置Y3まで)で囲まれた測定領域71aを持つ2次元エリアセンサで測定するので、位置X0から位置X1Lまでと位置X1Rから位置X3までおよび位置Y0から位置Y1Lまでと位置Y1Rから位置Y3まで(すなわち範囲33a以外の部分)は上記の閾値未満の反射光強度が観察され、位置X1Lから位置X1Rまでおよび位置Y1Lから位置Y1Rまで(すなわち範囲33aの部分)は上記の閾値以上の反射光強度が観察されることになる(位置X1Lから位置X1Rまでの距離がX1であり、位置Y1Lから位置Y1Rまでの距離がY1である)。   First, as shown in FIG. 5A, when the sample is an isotropic semiconductor, X1 = Y1 in the state of the first light receiving step (step S3) in which no electric field is applied. That is, FIG. 5A is an image diagram of a distribution state of excited carriers when the electric field E is not applied (first light receiving step, step S3), and shows a state captured as reflected light intensity. When the excitation light irradiation means irradiates the excitation light irradiation range 31a with the excitation light irradiation means, the range 33a indicates a range where the reflected light intensity is equal to or greater than a certain threshold, and the length of the range in the X-axis direction is X1, Y The length in the axial direction is Y1. In the present embodiment, since the measurement is performed by the two-dimensional area sensor having the measurement region 71a surrounded by the X-axis direction (from the position X0 to the position X3) and the Y-axis direction (from the position Y0 to the position Y3), From the position X1L to the position X3, and from the position Y0 to the position Y1L and from the position Y1R to the position Y3 (that is, the portion other than the range 33a), the reflected light intensity less than the above threshold is observed, and from the position X1L to the position X1R. And from the position Y1L to the position Y1R (that is, the portion of the range 33a), the reflected light intensity equal to or higher than the above threshold value is observed (the distance from the position X1L to the position X1R is X1, and the position Y1L to the position Y1R) To Y1).

一方、図5(b)のように電界が印加されている第2受光ステップ(ステップS5)の状態では、電界印加の方向は一方向でありY軸方向には電界がかからないためY2=Y1となる。図5(b)は、電界Eを印加している場合(第2受光ステップ、ステップS5)の励起されたキャリアの分布状態のイメージ図であり、反射光強度として捉えた状態を示している。範囲33bは、反射光強度がある閾値以上である範囲を示しており、その範囲のX軸方向の長さはX2、Y軸方向の長さはY2である。本実施の形態では、上記のような測定領域71aを持つ2次元エリアセンサで測定するので、位置X0から位置X2Lまでと位置X2Rから位置X3までおよび位置Y0から位置Y2Lまでと位置Y2Rから位置Y3まで(すなわち範囲33b以外の部分)は上記の閾値未満の反射光強度が観察され、位置X2Lから位置X2Rまでおよび位置Y2Lから位置Y2Rまで(すなわち範囲33bの部分)は上記の閾値以上の反射光強度が観察されることになる(位置X2Lから位置X2Rまでの距離がX2であり、位置Y2Lから位置Y2Rまでの距離がY2である)。   On the other hand, in the state of the second light receiving step (step S5) in which an electric field is applied as shown in FIG. 5B, the electric field is applied in one direction and no electric field is applied in the Y-axis direction, so that Y2 = Y1. Become. FIG. 5B is an image diagram of a distribution state of excited carriers when the electric field E is applied (second light receiving step, step S5), and shows a state captured as reflected light intensity. A range 33b indicates a range in which the reflected light intensity is equal to or greater than a certain threshold, and the length in the X-axis direction of the range is X2, and the length in the Y-axis direction is Y2. In the present embodiment, since the measurement is performed by the two-dimensional area sensor having the measurement area 71a as described above, the position X0 to the position X2L, the position X2R to the position X3, the position Y0 to the position Y2L, and the position Y2R to the position Y3. Up to (that is, the portion other than the range 33b), the reflected light intensity less than the above threshold value is observed, and from the position X2L to the position X2R and from the position Y2L to the position Y2R (that is, the portion of the range 33b), the reflected light having the above threshold value or more. Intensity will be observed (the distance from position X2L to position X2R is X2, and the distance from position Y2L to position Y2R is Y2).

このため2次元エリアセンサによりX2とY2とを比較すれば、結局のところX2とX1とを比較することになる。したがって、このような場合には、第1受光ステップ(ステップS3)を行なわず、第2受光ステップ(ステップS5)のみを行なうことで電界印加前後のキャリア密度の変位範囲を求めることができる。従って、受光手段7として2次元エリアセンサを装備した半導体キャリア移動度の測定装置を用いることにより、試料面内で等方性を有する半導体試料の移動度を測定する場合に実施の形態1に比べてステップS3を省略して測定することができる。   For this reason, if X2 and Y2 are compared by a two-dimensional area sensor, after all, X2 and X1 are compared. Therefore, in such a case, the displacement range of the carrier density before and after the electric field application can be obtained by performing only the second light receiving step (step S5) without performing the first light receiving step (step S3). Therefore, by using a semiconductor carrier mobility measuring device equipped with a two-dimensional area sensor as the light receiving means 7, compared to the first embodiment, when measuring the mobility of a semiconductor sample having isotropic properties in the sample plane. Step S3 can be omitted for measurement.

これに対して、試料が試料面内のある方向に異方性をもつ半導体などの場合は、励起光のスポットが仮に真円であっても光励起されたキャリアの自然拡散の方向に違いが生じることから、電界が印加されていない第1受光ステップ(ステップS3)の状態においてもX1≠Y1となる場合がある。したがって、このような場合には、上記実施の形態1のように第1受光ステップ(ステップS3)と第2受光ステップ(ステップS5)の測定の結果を比較する、あるいは基準サンプルとの比較などを行なうのが望ましい。また、異方性の方向、あるいは、異方性の方向に対して垂直な方向に電界の印加の方向を合わせるのが望ましい。異方性の方向が不明なときは、ある測定点に対し電界の方向を試料面内で変化させて、それぞれの反射光強度がある閾値以上の範囲を比較することにより異方性の方向を検出することができる。   On the other hand, if the sample is a semiconductor having anisotropy in a certain direction within the sample surface, a difference occurs in the direction of natural diffusion of the photoexcited carriers even if the excitation light spot is a perfect circle. Therefore, there is a case where X1 ≠ Y1 even in the state of the first light receiving step (step S3) where no electric field is applied. Therefore, in such a case, as in the first embodiment, the measurement results of the first light receiving step (step S3) and the second light receiving step (step S5) are compared, or compared with the reference sample. It is desirable to do it. In addition, it is desirable to match the direction of application of the electric field with the anisotropic direction or the direction perpendicular to the anisotropic direction. When the direction of anisotropy is unknown, the direction of the electric field is changed in the sample plane with respect to a certain measurement point, and the direction of anisotropy is determined by comparing each reflected light intensity within a certain threshold range or more. Can be detected.

なお、上記においては、キャリア密度が高いほど反射光強度が高くなる場合について説明し、このため反射光強度がある閾値以上になる場合に注目したが、観測光の波長や半導体材料の種類によっては、キャリア密度が高いほど反射光強度が低い特性を示す場合もある。このような場合においては、上述した反射光強度の大小関係は逆となり、ある閾値以下の範囲の反射光強度を検出することになる。   In the above, the case where the reflected light intensity becomes higher as the carrier density is higher is described. Therefore, attention is paid to the case where the reflected light intensity exceeds a certain threshold, but depending on the wavelength of the observation light and the type of the semiconductor material. In some cases, the higher the carrier density, the lower the reflected light intensity. In such a case, the above-described magnitude relationship of the reflected light intensity is reversed, and the reflected light intensity within a certain threshold value is detected.

<実施の形態3>
上記の実施の形態1においては、ある1タイミングでの複数の位置の反射光強度の情報から演算される値を用いて測定を行なったが、本実施の形態は、ある1タイミングでの原則として単一の位置の反射光強度の情報を用いる、半導体の表面における反射光強度の分布範囲が適切な範囲にあるか否かを確認する半導体電気特性の確認方法について説明する。以下では、その一例として反射光強度の情報を用いる場合について記述する。
<Embodiment 3>
In the first embodiment, the measurement is performed using values calculated from the reflected light intensity information at a plurality of positions at a certain timing. However, in the present embodiment, as a principle at a certain timing, A semiconductor electrical property confirmation method for confirming whether or not the distribution range of the reflected light intensity on the surface of the semiconductor is in an appropriate range using the information on the reflected light intensity at a single position will be described. Below, the case where the information of reflected light intensity is used is described as an example.

すなわち本実施の形態は、図6(a)〜(d)に示すように、試料である半導体の表面に対して励起光が照射された照射点(励起光照射範囲31aの中心)から電界印加の方向でかつ一定距離の位置xy0において、励起光が照射されかつ電界が印加された後の一定時間後に反射光強度rを、位置xy0に測定領域71aを持つポイントセンサで測定し、反射光強度rが適切な強度範囲(Rmin(最小強度)からRmax(最大強度)の範囲)内にあるか否かのみを判別することを特徴としている。   That is, in this embodiment, as shown in FIGS. 6A to 6D, an electric field is applied from an irradiation point (center of the excitation light irradiation range 31a) where the excitation light is irradiated onto the surface of the semiconductor as a sample. The reflected light intensity r is measured with a point sensor having a measurement region 71a at the position xy0 after a predetermined time after the excitation light is applied and the electric field is applied at the position xy0 in the direction of It is characterized only by determining whether or not r is within an appropriate intensity range (range from Rmin (minimum intensity) to Rmax (maximum intensity)).

ここで、図6(a)(b)中の長さXl2およびYl2であらわされる36a、36bは、反射光強度がRmin以上の範囲を示しており、図6(c)(d)中の長さXu2およびYu2であらわされる36c、36dは、反射光強度がRmax以上の範囲を示している。そして、例えば、該測定点(位置xy0)が図6(b)および(c)の両者に該当すれば、該測定点(位置xy0)の反射光強度rは適切な強度範囲(RminからRmaxの範囲)内となり、適切な反射光強度を有すると評価することができる。なお、ポイントセンサとしては、半導体受光素子、光電子増倍管などの受光素子を用いることができる。   Here, 36a and 36b represented by lengths Xl2 and Yl2 in FIGS. 6 (a) and 6 (b) indicate ranges where the reflected light intensity is equal to or higher than Rmin, and are the lengths in FIGS. 6 (c) and 6 (d). 36c and 36d represented by the lengths Xu2 and Yu2 indicate a range in which the reflected light intensity is Rmax or more. For example, if the measurement point (position xy0) corresponds to both FIGS. 6B and 6C, the reflected light intensity r at the measurement point (position xy0) is within an appropriate intensity range (from Rmin to Rmax). It can be evaluated that it has an appropriate reflected light intensity. As the point sensor, a light receiving element such as a semiconductor light receiving element or a photomultiplier tube can be used.

以下、上記の確認方法を実行するステップを、図7を参照しながら説明する。図7(a)は反射光強度が適切な範囲内にない半導体サンプル(NGサンプル)を示し、図7(b)は反射光強度が適切な範囲内にある半導体サンプル(Goodサンプル)を示す。   Hereinafter, the steps of executing the above confirmation method will be described with reference to FIG. FIG. 7A shows a semiconductor sample (NG sample) whose reflected light intensity is not within an appropriate range, and FIG. 7B shows a semiconductor sample (Good sample) whose reflected light intensity is within an appropriate range.

まず、(i)観測光照射手段により観測光を照射させかつ電界印加手段により電界を一方向に印加させながら、試料である半導体の表面の照射点Aに対して励起光照射手段により励起光を照射する。   First, (i) while irradiating observation light by the observation light irradiation means and applying an electric field in one direction by the electric field application means, the excitation light is irradiated by the excitation light irradiation means to the irradiation point A on the surface of the semiconductor as a sample. Irradiate.

次に、(ii)一定時間後、その励起光の照射点Aに対して一定の距離にある測定点aにおいて、受光手段であるポイントセンサにより反射光強度を測定する。   Next, (ii) after a certain period of time, the reflected light intensity is measured by a point sensor as a light receiving means at a measurement point a at a certain distance from the irradiation point A of the excitation light.

続いて、(iii)励起光照射手段と受光手段等を含む計測系に対して、試料を相対的に移動させる(図示せず)。これにより、(iv)前記励起光照射手段は上記とは異なった照射点Bに対して励起光を照射するようにできる。   Subsequently, (iii) the sample is moved relative to the measurement system including the excitation light irradiation means and the light receiving means (not shown). Accordingly, (iv) the excitation light irradiating means can irradiate the irradiation point B different from the above with the excitation light.

一方、(v)測定点aの反射光強度は予め定めた適切な反射光強度の範囲37内にあるか否かを検査する(図示せず)。(vi)そして、この異なった励起光の照射点Bに対して一定の距離にある測定点bにおいても、上記と同様にして反射光強度を一定時間後に測定する。以後、このような照射と測定と移動と検査の操作を繰り返す。   On the other hand, (v) it is inspected whether or not the reflected light intensity at the measurement point a is within a predetermined range 37 of appropriate reflected light intensity (not shown). (Vi) Then, the reflected light intensity is measured after a certain time in the same manner as described above at the measurement point b that is at a certain distance from the irradiation point B of the different excitation light. Thereafter, such operations of irradiation, measurement, movement, and inspection are repeated.

このような操作を行なうことにより、試料である半導体の表面の各測定点における反射光強度の分布範囲が、適切な範囲内にあるか否かを確認することができる。なお、検査を行なう(v)は、(ii)終了後から(vi)に対応する検査の開始までに行なえばよい。   By performing such an operation, it is possible to confirm whether or not the distribution range of the reflected light intensity at each measurement point on the surface of the semiconductor that is the sample is within an appropriate range. Note that the inspection (v) may be performed after the completion of (ii) to the start of the inspection corresponding to (vi).

なお、このような操作に適する該装置の構成としては、励起光照射手段と受光手段とを、電界方向の一直線上に配置し、さらに、励起光照射手段、電界印加手段、観測光照射手段および受光手段からなる計測系を同期させて、試料である半導体とは相対的に走査させることにより、試料である半導体上を連続的に測定することができる。このような装置構成は、迅速な評価を求められるインライン検査には好適である。   As a configuration of the apparatus suitable for such an operation, the excitation light irradiation means and the light receiving means are arranged on a straight line in the electric field direction, and further, the excitation light irradiation means, the electric field application means, the observation light irradiation means, and By synchronizing the measurement system composed of the light receiving means and scanning the sample semiconductor relatively, it is possible to continuously measure the sample semiconductor. Such an apparatus configuration is suitable for in-line inspection that requires quick evaluation.

なお、電界印加手段は、走査により測定する領域内において一定の電界を印加することができるならば、励起光照射手段等と必ずしも同期させた試料に対する相対移動を行なう必要はなく、試料に同期させたり、あるいは間欠的に励起光照射手段等と同期させてもよい。   If the electric field applying means can apply a constant electric field within the region to be measured by scanning, it is not always necessary to perform relative movement with respect to the sample synchronized with the excitation light irradiating means, etc. Or may be intermittently synchronized with the excitation light irradiation means or the like.

こうしたインライン検査においては、受光手段としてポイントセンサではなく、2次元エリアセンサや1次元ラインセンサをポイントセンサ的に利用することもできる。すなわち、2次元エリアセンサや1次元ラインセンサを用いて、該センサで捕らえた反射光強度の情報(分布範囲)の一部のみを予め定めた適切な範囲内にあるか否かを確認することもできる。   In such an in-line inspection, a two-dimensional area sensor or a one-dimensional line sensor can be used as a point sensor instead of a point sensor as a light receiving means. That is, using a two-dimensional area sensor or a one-dimensional line sensor, it is confirmed whether only a part of the reflected light intensity information (distribution range) captured by the sensor is within a predetermined appropriate range. You can also.

このような態様について、例えば図8に示すように、励起光の照射点の軌跡38に平行な測定領域71aを持つ1次元ラインセンサを用いた場合を説明する。なお、図8において(i)は励起光照射前を示し、(ii)は励起光照射後を示している。また、楕円部は、適切な反射光強度の範囲37を示している。   For example, as shown in FIG. 8, a case where a one-dimensional line sensor having a measurement region 71a parallel to the locus 38 of the excitation light irradiation point is used will be described. In FIG. 8, (i) shows before excitation light irradiation, and (ii) shows after excitation light irradiation. Further, the ellipse indicates an appropriate reflected light intensity range 37.

まず励起光照射手段、観測光照射手段、電界印加手段を同期させて、これらを、1次元ラインセンサに同期する試料とは相対的に移動させる。照射点Aに対して一定の距離にある測定点aを測定すべきタイミングにおいては、1次元ラインセンサにおいて測定点aに対応する反射光強度の情報が確認に用いられ、一方照射点Bに対して一定の距離にある測定点bを測定すべきタイミングにおいては、同じく1次元ラインセンサにおいて測定点bに対応する反射光強度の情報が確認に用いられることになる。   First, the excitation light irradiation means, the observation light irradiation means, and the electric field application means are synchronized, and these are moved relative to the sample synchronized with the one-dimensional line sensor. At the timing at which the measurement point a at a certain distance from the irradiation point A is to be measured, the reflected light intensity information corresponding to the measurement point a is used for confirmation in the one-dimensional line sensor, while At the timing at which the measurement point b at a certain distance is to be measured, the information on the reflected light intensity corresponding to the measurement point b is also used for confirmation in the one-dimensional line sensor.

これにより、センサの同期移動が不要となるが、測定領域が広い場合は、センサに対する観測光照射手段からの光の角度や量が異なってくるので反射光強度に誤差を生じる可能性がある。このため、このような測定方法は比較的小さな試料向きである。   This eliminates the need for synchronous movement of the sensor. However, when the measurement area is wide, the angle and amount of light from the observation light irradiation means with respect to the sensor differ, which may cause an error in the reflected light intensity. For this reason, such a measuring method is suitable for a relatively small sample.

<実施の形態4>
本実施の形態は、上記の実施の形態1における励起光の照射範囲が真円状であったものに代えて、真円状以外の形状となる場合について説明する。
<Embodiment 4>
In the present embodiment, a case will be described in which the excitation light irradiation range in the first embodiment is a shape other than a perfect circle instead of a perfect circle.

すなわち、上記の各実施の形態では、試料である半導体の表面に対して励起光を真円状になるように照射したが、励起光の照射範囲31aの半導体表面上での形状は、例えば、楕円状あるいは図9に示すような細長い矩形状であっても良い。   That is, in each of the above-described embodiments, the surface of the semiconductor that is the sample is irradiated with excitation light so as to form a perfect circle, but the shape of the irradiation range 31a of the excitation light on the semiconductor surface is, for example, It may be oval or an elongated rectangular shape as shown in FIG.

図9(a)は電界Eを印加していない場合、(b)は電界Eを印加している場合をそれぞれ示している。また、33a、33bはそれぞれある閾値以上の反射光強度の分布範囲を表わしている。   9A shows the case where the electric field E is not applied, and FIG. 9B shows the case where the electric field E is applied. Reference numerals 33a and 33b each represent a distribution range of reflected light intensity exceeding a certain threshold value.

一方、励起光の照射範囲が楕円状の場合は、図4でX1≠Y1の場合であるが、楕円の長軸方向と短軸方向のアスペクト比(Y1/X1)を考慮することにより上記各実施の態様と同様の測定が可能となる。   On the other hand, when the irradiation range of the excitation light is elliptical, it is a case where X1 ≠ Y1 in FIG. 4, but each of the above-mentioned factors is considered by taking into account the aspect ratio (Y1 / X1) between the major axis direction and the minor axis direction of the ellipse. Measurement similar to the embodiment can be performed.

<実施の形態5>
本実施の形態は、上記の各実施の形態が受光の対象として反射光を扱っていたのに対して、受光の対象として透過光を扱う場合について説明する。
<Embodiment 5>
In the present embodiment, a case will be described in which each embodiment described above treats reflected light as a light reception target, whereas it treats transmitted light as a light reception target.

すなわち、上記の各実施の形態では、受光手段による受光の対象が反射光の場合であったが、半導体の種類等によっては反射光強度の変化量よりも透過光強度の変化量の方が大きくなる場合がある。このような場合においては、図10に示すように、試料である半導体の裏面(すなわち基板1側)から観測光が照射できるように観測光照射手段6を設置する一方、該半導体の表面(すなわち半導体薄膜2)側に励起光照射手段3、発振器4、電界印加手段5、受光手段7および制御手段8を設置するようにして半導体キャリア移動度を測定することができる半導体電気特性の測定装置を構成する。そして、このような装置構成とすることにより、透過光強度の分布を受光手段により受光し、ある閾値以上の透過光強度の分布範囲を測定し、これによりある閾値以上の透過光強度の分布範囲の変化を計算し、もって半導体のキャリア移動度(すなわち半導体電気特性)を測定することが可能である。   That is, in each of the above-described embodiments, the target of light reception by the light receiving means is reflected light. However, depending on the type of semiconductor, the amount of change in transmitted light intensity is larger than the amount of change in reflected light intensity. There is a case. In such a case, as shown in FIG. 10, while the observation light irradiation means 6 is installed so that the observation light can be irradiated from the back surface of the semiconductor that is the sample (that is, the substrate 1 side), the surface of the semiconductor (that is, the surface) A semiconductor electrical property measuring apparatus capable of measuring semiconductor carrier mobility by installing excitation light irradiation means 3, oscillator 4, electric field application means 5, light receiving means 7 and control means 8 on the semiconductor thin film 2) side. Constitute. And by setting it as such an apparatus structure, the distribution of transmitted light intensity is received by the light receiving means, the distribution range of transmitted light intensity above a certain threshold is measured, and thereby the distribution range of transmitted light intensity above a certain threshold Thus, it is possible to measure the carrier mobility (ie, semiconductor electrical characteristics) of the semiconductor.

なお、この場合、図10に示すように観測光照射手段6と受光手段7を半導体表面の垂直線方向に設置するとともに、励起光照射手段3はその垂直線から一定の角度、たとえば30°以下の角度をなすように設置することができる。この他、プリズム等を用いて励起光と観測光の軸を同軸にすることにより装置構成を小型化することもできる。また、電界印加手段5には、上記と同様の発振器4を備えることができ、また受光手段7には上記と同様の演算手段9を備えることもできる。   In this case, as shown in FIG. 10, the observation light irradiating means 6 and the light receiving means 7 are installed in the vertical direction of the semiconductor surface, and the excitation light irradiating means 3 is at a certain angle from the vertical line, for example, 30 ° or less. It can be installed to make an angle. In addition, the configuration of the apparatus can be reduced in size by using a prism or the like so that the axes of the excitation light and the observation light are coaxial. The electric field applying means 5 can be provided with the same oscillator 4 as described above, and the light receiving means 7 can be provided with the same calculating means 9 as described above.

<実施の形態6>
本実施の形態は、上記の各実施の形態において電界の印加を単一周波数の高周波電界を用いていたのに対して、一定電界を印加する場合について説明する。
<Embodiment 6>
In the present embodiment, a case where a constant electric field is applied will be described, whereas a high frequency electric field having a single frequency is used for applying an electric field in each of the above embodiments.

高周波電界の印加にはダイポールアンテナを用いたが、一定電界を印加する場合は試料である半導体薄膜上の測定点を挟んだ2箇所において、該半導体薄膜面から数μm〜数10μmのギャップをもたせるようにして電極を設ける。またあるいは、水銀プローブや金属電極を該半導体薄膜に密着させて設ける。このようにして、これらの電極により電界を印加する。   A dipole antenna was used for applying a high-frequency electric field. When a constant electric field was applied, a gap of several μm to several tens of μm was provided from the semiconductor thin film surface at two locations across the measurement point on the semiconductor thin film as a sample. Thus, an electrode is provided. Alternatively, a mercury probe or a metal electrode is provided in close contact with the semiconductor thin film. In this way, an electric field is applied by these electrodes.

そして一定電界を印加すると、キャリアの速度vは、前記同様キャリア移動度μと電界Eとを用いて、
v=μE
と表わすことができる。
When a constant electric field is applied, the carrier velocity v is calculated using the carrier mobility μ and the electric field E as described above.
v = μE
Can be expressed as

このため、電界Eは一定なので電界を大きくすればキャリアの速度vは電界に比例して大きくなる。したがって、一定時間経過後の移動距離も電界に比例して大きくなる。しかしながら、光励起キャリアには寿命があるため、移動できる時間がこのキャリア寿命により制限され、移動できる距離も制限される。   For this reason, since the electric field E is constant, if the electric field is increased, the carrier velocity v increases in proportion to the electric field. Therefore, the moving distance after a certain period of time also increases in proportion to the electric field. However, since photoexcited carriers have a lifetime, the time during which they can move is limited by this carrier lifetime, and the distance that they can move is also limited.

キャリア寿命は本実施の形態の手法によって評価が困難なため、他の手法(例えば、μ−PCD法)でキャリア寿命を計測し、上記の手法で移動距離を求めれば、移動度に相当する値を算出することができ、移動度評価や良否判定をすることができる。   Since it is difficult to evaluate the carrier life by the method of the present embodiment, if the carrier life is measured by another method (for example, μ-PCD method) and the moving distance is obtained by the above method, the value corresponding to the mobility is obtained. Can be calculated, and mobility evaluation and pass / fail judgment can be made.

なお、高周波電界の場合は、電界の方向が基準点に対し正方向と負方向の2つの向きを持つため、等方性の試料の場合は、光強度の変化範囲は励起光の照射点に対して両側均等になるが、一定電界の場合は電界の方向がある一方向であるので、光強度の変化範囲は照射点に対して通常両側均等にはならない。   In the case of a high frequency electric field, the direction of the electric field has two directions, a positive direction and a negative direction with respect to the reference point. Therefore, in the case of an isotropic sample, the change range of the light intensity is at the irradiation point of the excitation light. On the other hand, both sides are equal, but in the case of a constant electric field, since the direction of the electric field is one direction, the change range of the light intensity is not usually equal on both sides with respect to the irradiation point.

<実施の形態7>
上記の実施の形態1において、受光ステップ(第1受光ステップおよび第2受光ステップの両者)が励起光照射状態で行なわれていたのに対し、本実施の形態は、励起光照射状態と励起光非照射状態の両状態において受光ステップを行なうことにより半導体電気特性(半導体のキャリア移動度)を測定する方法である。励起光の照射前後における観測光による反射光強度または透過光強度が変化し、この反射光強度または透過光強度の変化量分布(上記の変化に起因する変化が特定の変化幅(すなわち変化量)となる領域)が更に電界の有無により変化する。この反射光強度または透過光強度の変化量分布の変化を受光手段により検出することを特徴とするものである。
<Embodiment 7>
In the first embodiment, the light receiving step (both the first light receiving step and the second light receiving step) is performed in the excitation light irradiation state, whereas in the present embodiment, the excitation light irradiation state and the excitation light are This is a method of measuring semiconductor electrical characteristics (semiconductor carrier mobility) by performing a light receiving step in both non-irradiation states. The reflected light intensity or transmitted light intensity due to the observation light before and after the excitation light irradiation changes, and the change distribution of the reflected light intensity or transmitted light intensity (the change caused by the above change is a specific change width (ie, change amount)). The region to be changed further depends on the presence or absence of an electric field. The light receiving means detects the change in the variation distribution of the reflected light intensity or the transmitted light intensity.

このような測定方法は、励起光の照射前後で観測光の反射光強度の変化量または透過光強度の変化量が非常に小さい場合に有効となるものである。すなわち、観測光を連続して照射し、かつ励起光を周期的に照射することによって、観測光の反射光強度または透過光強度を励起光の周期に同期させて受光手段で受光した信号をロックインアンプで計測することにより、反射光強度または透過光強度の励起光の周期性に依らない成分(DC成分)が除去され、励起光に同期する成分が増幅されるので、励起光による微小な反射光強度または透過光強度の変化量を検出できる。従って、これらの変化量の電界印加の有無による変化からキャリア移動度等の半導体の電気特性を測定するものである。以下、反射光の場合を例にとり説明するが、透過光においても利用できることは言うまでもない。   Such a measuring method is effective when the amount of change in reflected light intensity or the amount of transmitted light intensity of observation light is very small before and after irradiation with excitation light. That is, by continuously irradiating observation light and periodically irradiating excitation light, the reflected light intensity or transmitted light intensity of the observation light is synchronized with the excitation light period to lock the signal received by the light receiving means. By measuring with the in-amplifier, the component (DC component) that does not depend on the periodicity of the excitation light of reflected light intensity or transmitted light intensity is removed, and the component synchronized with the excitation light is amplified. The amount of change in reflected light intensity or transmitted light intensity can be detected. Therefore, the electrical characteristics of the semiconductor, such as carrier mobility, are measured from changes in the amount of change due to whether or not an electric field is applied. Hereinafter, the case of reflected light will be described as an example, but it goes without saying that it can also be used in transmitted light.

図11は、このような測定方法により半導体のキャリア移動度を測定するためのフローチャートを示しており、図12は、このような測定方法に適する本発明の半導体電気特性の測定装置の概略ブロック図を示し、また図13および図14は、図12の点線で囲んだ範囲の詳細を示した図である。   FIG. 11 shows a flowchart for measuring the carrier mobility of a semiconductor by such a measuring method, and FIG. 12 is a schematic block diagram of a semiconductor electrical property measuring apparatus of the present invention suitable for such a measuring method. FIG. 13 and FIG. 14 are diagrams showing details of a range surrounded by a dotted line in FIG.

なお、図11は、受光ステップの区別が分かりやすいように、図13に示した測定装置を用いる場合のフローチャートを示している。すなわち、励起光照射手段と受光手段とが接続されており、励起光照射手段3として周期性を持って励起光を複数回照射するパルスレーザ301を用い、かつこの励起光の周期に同期して励起光照射のON前(励起光非照射状態)とOFF前(励起光照射状態)とに受光できるように、受光手段7としてロックインアンプ701と受光センサ702とを内蔵させてある(すなわち、図13の測定装置は、励起光照射手段3と受光手段7とが接続され、パルスレーザ301から発信周波数同期信号がロックインアンプ701に送られる)。   FIG. 11 is a flowchart in the case of using the measuring apparatus shown in FIG. 13 so that the distinction between the light receiving steps can be easily understood. That is, the excitation light irradiating means and the light receiving means are connected, and the excitation light irradiating means 3 uses a pulse laser 301 that irradiates the excitation light multiple times with periodicity, and is synchronized with the period of the excitation light. A lock-in amplifier 701 and a light receiving sensor 702 are incorporated as the light receiving means 7 so that light can be received before the excitation light irradiation is turned on (excitation light non-irradiation state) and before the excitation light irradiation state (excitation light irradiation state) (that is, In the measuring apparatus of FIG. 13, the excitation light irradiation means 3 and the light receiving means 7 are connected, and a transmission frequency synchronization signal is sent from the pulse laser 301 to the lock-in amplifier 701.

なお、ここで用いるパルスレーザ301としては、例えば数10Hzから1kHz程度の周波数を持つパルスレーザが好ましい。また、ロックインアンプ701とは、同期検波器の一種であり、電圧計の一種に属するものである。   The pulse laser 301 used here is preferably a pulse laser having a frequency of about several tens of Hz to about 1 kHz, for example. The lock-in amplifier 701 is a kind of synchronous detector and belongs to a kind of voltmeter.

一方、励起光照射手段3によりパルス光を照射している間、すなわち励起光の照射(ON)、非照射(OFF)を周期的に行なう間、受光手段7により連続して受光を続けることもでき、このような場合には励起光の周期に応じた情報を演算ステップで後処理的に活用することができる。   On the other hand, while the pulsed light is irradiated by the excitation light irradiation means 3, that is, while the excitation light irradiation (ON) and non-irradiation (OFF) are periodically performed, the light reception means 7 may continue to receive light continuously. In such a case, information according to the period of the excitation light can be utilized in a post-process in the calculation step.

また、図14に示すように、周期性を持って励起光を複数回照射する励起光照射手段3として、連続状の励起光を照射できるもの(CW(連続発振)レーザ302)と励起光を遮断する光素子(光チョッパ303)を用い、発振器304から参照信号を発することにより、光チョッパ303の駆動と受光手段7(ロックインアンプ701および受光センサ702)の受光とを同期させて(すなわち励起光の周期に同期して受光させて)測定することもできる。すなわち、CWレーザ302により発せられる励起光と、該励起光が照射される試料との光路中に、数10Hzから1kHz程度の周波数で回転する光チョッパ303(スリット(切り込み)のある回転円盤)を置くことにより、該励起光をチョッピングする。これにより、試料に照射される励起光は周期的に照射(ON)と非照射(OFF)を繰り返し、受光ステップをこれに同期させることにより反射光強度の変化量を測定することができる。   Further, as shown in FIG. 14, as the excitation light irradiation means 3 that irradiates excitation light multiple times with periodicity, a device capable of irradiating continuous excitation light (CW (continuous oscillation) laser 302) and excitation light are used. By using the optical element (optical chopper 303) to be cut off and issuing a reference signal from the oscillator 304, the driving of the optical chopper 303 and the light reception of the light receiving means 7 (the lock-in amplifier 701 and the light receiving sensor 702) are synchronized (that is, It is also possible to measure (by receiving light in synchronization with the period of the excitation light). That is, an optical chopper 303 (rotating disk with slits) that rotates at a frequency of about several tens of Hz to 1 kHz in the optical path between the excitation light emitted by the CW laser 302 and the sample irradiated with the excitation light. By placing, the excitation light is chopped. Thereby, the excitation light irradiated to the sample is repeatedly irradiated (ON) and non-irradiated (OFF), and the amount of change in reflected light intensity can be measured by synchronizing the light receiving step with this.

このように本測定方法は、電界が印加されている状態と電界が印加されていない状態において、励起光を周期的に試料に照射し、その周期に同期して観測光による反射光を繰り返し受光手段により複数箇所受光し、各箇所の信号をロックインアンプで処理することにより、励起光の照射の有無による反射光強度の変化量を複数箇所で検出し、閾値処理により反射光強度の変化量分布範囲を求める。次いで、該電界印加の有無による反射光強度の変化量分布範囲の変化量を計算することにより半導体のキャリア移動度などの電気特性を測定するものである。以下、図11に基づいて説明する。   As described above, this measurement method irradiates the sample with excitation light periodically in a state where an electric field is applied and a state where no electric field is applied, and repeatedly receives reflected light from observation light in synchronization with the cycle. By receiving light at multiple locations by means, and processing the signal at each location with a lock-in amplifier, the amount of change in reflected light intensity due to the presence or absence of excitation light detection is detected at multiple locations, and the amount of change in reflected light intensity by threshold processing Obtain the distribution range. Next, electrical characteristics such as carrier mobility of the semiconductor are measured by calculating the amount of change in the distribution range of the amount of change in reflected light intensity depending on whether or not the electric field is applied. Hereinafter, a description will be given based on FIG.

まず、観測光照射手段6により試料である半導体(半導体薄膜2)の表面に観測光を照射する(ステップS11)。そして、この観測光が該半導体試料表面で反射されたその反射光を受光手段7により複数箇所の光量を受光し、該半導体試料による観測光の反射光強度を複数箇所で受光する(ステップS12)。すなわち、このステップにより電界非印加でかつ励起光非照射の状態の反射光強度が複数箇所で受光される。   First, the observation light irradiation means 6 irradiates the surface of the semiconductor (semiconductor thin film 2), which is a sample, with observation light (step S11). The reflected light reflected from the surface of the semiconductor sample is received by the light receiving means 7 at a plurality of locations, and the reflected light intensity of the observation light from the semiconductor sample is received at the plurality of locations (step S12). . That is, by this step, reflected light intensity in a state where no electric field is applied and excitation light is not irradiated is received at a plurality of locations.

次いで、上記のように観測光が照射されている半導体試料の表面に対して励起光照射手段3により励起光を照射する(ステップS13)。そして、この状態で受光手段7により該半導体試料による観測光の反射光強度を複数箇所で受光する(ステップS14)。すなわち、このステップにより電界非印加かつ励起光照射の状態の反射光強度が複数箇所で受光される。   Next, excitation light is irradiated by the excitation light irradiation means 3 on the surface of the semiconductor sample irradiated with the observation light as described above (step S13). In this state, the light receiving means 7 receives the reflected light intensity of the observation light from the semiconductor sample at a plurality of locations (step S14). That is, by this step, the reflected light intensity in a state where no electric field is applied and excitation light irradiation is received at a plurality of locations.

続いて、励起光の照射を停止する(ステップS15)。なお、以上のステップS12〜ステップS15の操作は、繰り返し行なう。その繰り返し数は、10〜10000程度であり信号のノイズ等に応じて選択されるが、時間的には少ないほうが好ましいことは言うまでもない。このようにこれらの操作を繰り返して行なうことにより、電界非印加の状態における励起光の照射有無による観測光の反射光強度を複数箇所で受光(観測光の反射光強度の変化量分布を受光手段により検出)することができる。   Subsequently, the irradiation of excitation light is stopped (step S15). The operations in steps S12 to S15 are repeated. The number of repetitions is about 10 to 10000, and is selected according to the noise of the signal. By repeating these operations in this manner, the reflected light intensity of the observation light depending on the presence or absence of excitation light irradiation with no electric field applied is received at a plurality of locations (the distribution of changes in the reflected light intensity of the observation light is received by the light receiving means). Can be detected).

以上の操作中に、たとえば、半導体試料から反射される反射光の受光信号を受光手段7に内蔵されているロックインアンプ701に入力するとともに、半導体試料に照射された励起光の周期の同期信号も入力して、出力信号を取得することにより反射光強度の変化量を検出しておき、閾値処理により反射光強度の変化量分布範囲を同定する(ステップS16)。   During the above operation, for example, the light reception signal of the reflected light reflected from the semiconductor sample is input to the lock-in amplifier 701 built in the light receiving means 7 and the synchronization signal of the period of the excitation light irradiated to the semiconductor sample is obtained. Is also input to detect the change amount of the reflected light intensity by acquiring the output signal, and the change amount distribution range of the reflected light intensity is identified by the threshold processing (step S16).

続いて、上記半導体試料(半導体薄膜2)の表面であって、上記励起光照射手段3により励起光が照射されていた範囲を少なくとも含むような領域に対して、電界印加手段5により該領域における電界の向きが一方向となるように電界を印加する(ステップS17)。次いで、観測光が該半導体試料表面で反射されたその反射光を受光手段7により受光し、該半導体試料による観測光の反射光強度を複数箇所で受光する(ステップS18)。すなわち、このステップにより電界印加状態でかつ励起光非照射の状態の反射光強度が複数箇所で受光される。   Subsequently, the electric field applying unit 5 applies a region on the surface of the semiconductor sample (semiconductor thin film 2) that includes at least the range irradiated with the excitation light by the excitation light irradiation unit 3. An electric field is applied so that the direction of the electric field is one direction (step S17). Next, the reflected light reflected by the surface of the semiconductor sample is received by the light receiving means 7, and the reflected light intensity of the observed light from the semiconductor sample is received at a plurality of locations (step S18). That is, the reflected light intensity in the electric field applied state and the excitation light non-irradiated state is received at a plurality of locations by this step.

次いで、上記のように観測光が照射されている半導体試料の表面に対して励起光照射手段3により励起光を照射する(ステップS19)。そして、この状態で受光手段7により該半導体試料による観測光の反射光強度を複数箇所で受光する(ステップS20)。すなわち、このステップにより電界印加状態でかつ励起光照射の状態の反射光強度が複数箇所で受光される。   Next, excitation light is irradiated by the excitation light irradiation means 3 on the surface of the semiconductor sample irradiated with the observation light as described above (step S19). In this state, the light receiving means 7 receives the reflected light intensity of the observation light from the semiconductor sample at a plurality of locations (step S20). That is, by this step, the reflected light intensity in the electric field application state and the excitation light irradiation state is received at a plurality of locations.

続いて、励起光の照射を停止する(ステップS21)。なお、以上のステップS18〜ステップS21の操作は、繰り返し行なう。その繰り返し数は、上記と同様で10〜10000程度であり信号の雑音等に応じて選択されるが、時間的には少ないほうが好ましいことは言うまでもない。このようにこれらの操作を繰り返して行なうことにより、電界印加状態における励起光の照射有無による観測光の反射光強度を複数箇所で受光(ある閾値以上の反射光強度の変化量分布を受光手段により検出)することができる。   Subsequently, the irradiation of excitation light is stopped (step S21). The operations in steps S18 to S21 are repeated. The number of repetitions is about 10 to 10000 as described above, and is selected according to the noise of the signal, but it goes without saying that it is preferable to reduce the number of repetitions. By repeating these operations in this way, the reflected light intensity of the observation light depending on the presence or absence of excitation light irradiation in an electric field applied state is received at a plurality of locations (the distribution of changes in the reflected light intensity exceeding a certain threshold is received by the light receiving means. Detection).

以上の操作中に、たとえば、半導体試料から反射される反射光の受光信号を受光手段7に内蔵されているロックインアンプ701に入力するとともに、半導体試料に照射された励起光の周期の同期信号も入力して、出力信号を取得することにより反射光強度の変化量を検出しておき、閾値処理により反射光強度の変化量分布範囲を同定する(ステップS22)。   During the above operation, for example, the light reception signal of the reflected light reflected from the semiconductor sample is input to the lock-in amplifier 701 built in the light receiving means 7 and the synchronization signal of the period of the excitation light irradiated to the semiconductor sample is obtained. Is also input to detect the change amount of the reflected light intensity by acquiring the output signal, and the change amount distribution range of the reflected light intensity is identified by threshold processing (step S22).

続いて、上記のように一連の測定が完了した後、電界の印加を停止するとともに観測光の照射も停止する(ステップS23)。   Subsequently, after the series of measurements is completed as described above, the application of the electric field is stopped and the irradiation of the observation light is also stopped (step S23).

次いで、上記のステップS16およびステップS22でそれぞれ得られた反射光強度の変化量分布範囲の変化量(差)について演算処理(計算)を行なうことにより、上記半導体試料のキャリア移動度を求めることができる(ステップS24(演算ステップ))。   Next, the carrier mobility of the semiconductor sample can be obtained by performing an arithmetic process (calculation) on the change amount (difference) in the change amount distribution range of the reflected light intensity obtained in step S16 and step S22, respectively. Yes (step S24 (calculation step)).

このように、該半導体試料に照射された観測光の反射光強度の変化量は、キャリア密度の空間的な分布状態に従って変化するので、観測光の反射光を受光手段で受光することにより反射光強度の変化量を複数箇所で検出すれば、結局のところ、該半導体試料の面内のキャリア分布、すなわち、キャリア密度の分布状態を検出することができ、これにより実施の形態1と同様にしてキャリア移動度を測定することができることとなる。   Thus, since the amount of change in the reflected light intensity of the observation light irradiated on the semiconductor sample changes according to the spatial distribution state of the carrier density, the reflected light is received by receiving the reflected light of the observation light with the light receiving means. If the amount of change in intensity is detected at a plurality of locations, the carrier distribution in the plane of the semiconductor sample, that is, the carrier density distribution state can be detected after all, and in the same manner as in the first embodiment. The carrier mobility can be measured.

以上要するに、上記の測定方法は、上記のような特定構造の半導体電気特性の測定装置を用いて半導体電気特性を測定する方法であって、観測光照射手段により半導体の表面に観測光を照射させながら、電界印加手段により電界を印加させない状態において励起光照射手段により励起光を照射する場合と照射しない場合とにおける、前記観測光の反射光強度(または透過光強度)の変化量分布を受光手段により検出するステップと、上記電界印加手段により電界を印加させた状態において上記励起光照射手段により励起光を照射する場合と照射しない場合とにおける、上記観測光の反射光強度(または透過光強度)の変化量分布を上記受光手段により検出するステップと、これらの変化量分布を閾値処理してそれぞれの変化量分布範囲を求めるステップと、それらの変化量分布範囲の変化を求めることにより半導体電気特性を求めるための演算ステップとを含むものである。   In short, the measurement method described above is a method for measuring semiconductor electrical characteristics using a semiconductor electrical property measurement device having a specific structure as described above, and irradiating the surface of the semiconductor with observation light by observation light irradiation means. However, the variation distribution of the reflected light intensity (or transmitted light intensity) of the observation light in the case where the excitation light irradiation means irradiates the excitation light and the case where the excitation light irradiation means does not irradiate in the state where no electric field is applied by the electric field application means. And the reflected light intensity (or transmitted light intensity) of the observation light in the case where the excitation light is irradiated by the excitation light irradiation means in the state where the electric field is applied by the electric field application means and in the case where the excitation light is not irradiated. Detecting the change distribution of the light by the light receiving means, and thresholding the change distributions to obtain respective change distribution ranges. A step, is intended to include a calculation step for obtaining a semiconductor electrical characteristics by determining the changes in their variation distribution range.

尚、上記に述べた微小信号を扱う手法は、例えば実施の形態1において電界のON、OFFでの反射光強度の変化量分布範囲の変化が小さい場合において、電界のON、OFFを周期的に行い、それに同期して受光手段により受光、演算等をおこなうことにより微小な反射光強度の変化量分布範囲を計測することも可能である。   Note that the above-described method for handling a minute signal is based on the fact that, for example, in the first embodiment, when the change in the variation distribution range of the reflected light intensity is small when the electric field is turned on and off, the electric field is turned on and off periodically. It is also possible to measure a minute variation distribution range of reflected light intensity by performing light reception, calculation, etc. by the light receiving means in synchronization with it.

なお、上記の実施の形態1から7では、測定用の半導体試料として数10nm程度の半導体の薄膜を対象としたが、本実施の形態の半導体電気特性の測定装置は数μmオーダーの厚膜やバルクの半導体基板やSOI基板に対しても適用できる。但し、その場合は、半導体部分または測定すべき部分の厚さや半導体材料に応じて、キャリアを励起するための光の波長は変わるので、目的に応じた励起光用光源を有する励起光照射手段を選択することが好ましい。また、電界印加手段においては、キャリアの寿命やキャリア移動度に応じて電界を印加するための電磁波の周波数や電界強度を選択することが好ましい。   In the above first to seventh embodiments, a semiconductor thin film of about several tens of nanometers is targeted as a semiconductor sample for measurement, but the semiconductor electrical property measuring apparatus of this embodiment is a thick film of several μm order, The present invention can also be applied to a bulk semiconductor substrate or an SOI substrate. However, in that case, the wavelength of the light for exciting the carriers varies depending on the thickness of the semiconductor portion or the portion to be measured and the semiconductor material. Therefore, an excitation light irradiation means having an excitation light source according to the purpose is required. It is preferable to select. Further, in the electric field applying means, it is preferable to select the frequency and electric field strength of the electromagnetic wave for applying the electric field according to the carrier lifetime and the carrier mobility.

なお、観測光照射手段に含まれる光源の波長は、半導体薄膜の厚さ、屈折率、照射角度、近傍の層構成などを考慮して、適度な反射が可能であるならば特に制限はなく、反射光強度の変化が大きくなるように選択するのが好ましい。さらに観測光としては、屈折率が観測光の波長で大きく異ならないように単波長や狭波長帯の光が望ましい。より具体的には、波長が1.2〜4.0μmの単波長の光を用いることが好ましい。   The wavelength of the light source included in the observation light irradiation means is not particularly limited as long as appropriate reflection is possible in consideration of the thickness of the semiconductor thin film, the refractive index, the irradiation angle, the nearby layer configuration, and the like. It is preferable to select such that the change in reflected light intensity is large. Further, as the observation light, light having a single wavelength or a narrow wavelength band is desirable so that the refractive index does not vary greatly with the wavelength of the observation light. More specifically, it is preferable to use single wavelength light having a wavelength of 1.2 to 4.0 μm.

また、今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。   The embodiments and examples disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

本発明の半導体電気特性の測定装置を用いて半導体電気特性(半導体キャリア移動度)の測定方法を実行するためのフローチャートである。It is a flowchart for performing the measuring method of a semiconductor electrical property (semiconductor carrier mobility) using the semiconductor electrical property measuring apparatus of this invention. 半導体電気特性の測定装置の概略ブロック図である。It is a schematic block diagram of the measuring apparatus of semiconductor electrical characteristics. 演算手段を設けた半導体電気特性の測定装置の概略ブロック図である。It is a schematic block diagram of the semiconductor electrical property measuring apparatus provided with a calculating means. 半導体表面に対して励起光を真円状に照射することにより励起されたキャリアの分布範囲のイメージ図であって、(a)は電界を印加していない場合を示しており、(b)は電界を印加している場合を示している。It is an image figure of the distribution range of the carrier excited by irradiating the semiconductor surface with excitation light in a perfect circle shape, (a) shows the case where no electric field is applied, (b) shows the electric field. The case where is applied is shown. 受光手段として2次元エリアセンサを用いる場合のキャリアの分布範囲のイメージ図であって、(a)は電界を印加していない場合を示しており、(b)は電界を印加している場合を示している。It is an image figure of the distribution range of the carrier in the case of using a two-dimensional area sensor as a light receiving means, (a) shows the case where an electric field is not applied, (b) shows the case where an electric field is applied. ing. 受光手段としてポイントセンサを用いる場合のキャリアの分布範囲のイメージ図であって、(a)はr<Rminの場合、(b)はRmin≦rの場合、(c)はr≦Rmaxの場合、(d)はRmax<rの場合、を各示している。It is an image diagram of a carrier distribution range when a point sensor is used as a light receiving means, where (a) is r <Rmin, (b) is Rmin ≦ r, (c) is r ≦ Rmax, d) shows the case where Rmax <r. 半導体の表面における反射光強度が適切な範囲にあるか否かを、受光手段としてポイントセンサを用いて確認する方法の概略図であって、(a)は反射光強度が適切な範囲内にない半導体サンプルを示し、(b)は反射光強度が適切な範囲内にある半導体サンプルを示す。It is the schematic of the method of confirming using the point sensor as a light-receiving means whether the reflected light intensity in the surface of a semiconductor exists in an appropriate range, Comprising: (a) is not in an appropriate range. A semiconductor sample is shown, (b) shows a semiconductor sample whose reflected light intensity is within an appropriate range. 半導体の表面における反射光強度が適切な範囲にあるか否かを、受光手段として1次元ラインセンサを用いて確認する方法の概略図である。It is the schematic of the method of confirming whether the reflected light intensity in the surface of a semiconductor exists in an appropriate range using a one-dimensional line sensor as a light-receiving means. 半導体表面に対して励起光を細長い矩形状に照射することにより励起されたキャリアの分布範囲のイメージ図であって、(a)は電界を印加していない場合を示しており、(b)は電界を印加している場合を示している。It is an image figure of the distribution range of the carrier excited by irradiating a semiconductor surface with excitation light in the shape of a long and narrow rectangle, (a) shows the case where an electric field is not applied, and (b) shows an electric field. The case where is applied is shown. 透過光を受光する場合の半導体電気特性の測定装置の概略ブロック図である。It is a schematic block diagram of the measurement apparatus of the semiconductor electrical property in the case of receiving transmitted light. 本発明の半導体電気特性の測定装置を用いて、励起光の照射前後で観測光の反射光強度の変化が非常に小さい場合の半導体電気特性(半導体キャリア移動度)の測定方法を実行するためのフローチャートである。To perform a method for measuring semiconductor electrical characteristics (semiconductor carrier mobility) when the change in reflected light intensity of observation light is very small before and after irradiation with excitation light, using the semiconductor electrical property measurement apparatus of the present invention It is a flowchart. 励起光照射手段と受光手段が接続されている半導体電気特性の測定装置の概略ブロック図である。It is a schematic block diagram of a semiconductor electrical property measuring apparatus to which excitation light irradiation means and light receiving means are connected. 上記装置における励起光照射手段と受光手段の詳細を示した概略ブロック図である。It is the schematic block diagram which showed the detail of the excitation light irradiation means in the said apparatus, and the light-receiving means. 上記装置における励起光照射手段と受光手段の詳細を示した別の概略ブロック図である。It is another schematic block diagram which showed the detail of the excitation light irradiation means in the said apparatus, and the light-receiving means. 従来の半導体電気特性の測定装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the conventional semiconductor electrical property measuring apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

1 基板、2 半導体薄膜、3 励起光照射手段、31a 励起光照射範囲、33a,33b 範囲、4 発振器、5 電界印加手段、6 観測光照射手段、7 受光手段、71a 測定領域、8 制御手段、9 演算手段、301 パルスレーザ、302 CWレーザ、303 光チョッパ、304 発振器、701 ロックインアンプ、702 受光センサ、21 フェムト秒可視光パルスレーザ、21a,21b 可視光パルス、22 テラヘルツパルス光源、22a テラヘルツパルス光、23a 測光光学系、24 時間遅延可動ミラー、25 半導体ウエハ、26 テラヘルツパルス検出器、28 半透過ミラー。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate, 2 Semiconductor thin film, 3 Excitation light irradiation means, 31a Excitation light irradiation range, 33a, 33b range, 4 Oscillator, 5 Electric field application means, 6 Observation light irradiation means, 7 Light reception means, 71a Measurement area, 8 Control means, 9 arithmetic means, 301 pulse laser, 302 CW laser, 303 optical chopper, 304 oscillator, 701 lock-in amplifier, 702 light receiving sensor, 21 femtosecond visible light pulse laser, 21a, 21b visible light pulse, 22 terahertz pulse light source, 22a terahertz Pulse light, 23a Photometric optical system, 24-hour delay movable mirror, 25 semiconductor wafer, 26 terahertz pulse detector, 28 semi-transmission mirror.

Claims (14)

試料である半導体の表面に対して励起光によりキャリアを励起させるための励起光照射手段と、
該励起光が照射された全範囲を含む領域に対して、その領域における電界の向きが一方向となるように電界を印加するための電界印加手段と、
該励起光が照射された全範囲を含む領域、またはこの領域に相当する半導体の裏面に対して、観測光を照射するための観測光照射手段と、
該観測光が該半導体により反射された反射光または透過された透過光を受光するための受光手段と、
前記各手段を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする、半導体電気特性の測定装置。
Excitation light irradiation means for exciting carriers with excitation light to the surface of a semiconductor that is a sample;
An electric field applying means for applying an electric field to a region including the entire range irradiated with the excitation light so that the direction of the electric field in the region is one direction;
Observation light irradiation means for irradiating observation light to a region including the entire range irradiated with the excitation light, or the back surface of the semiconductor corresponding to this region;
A light receiving means for receiving the reflected light transmitted by the semiconductor or the transmitted light transmitted by the semiconductor;
Control means for controlling each means;
A device for measuring semiconductor electrical characteristics, comprising:
前記電界印加手段により電界が印加されている場合と印加されていない場合とにおいて、励起光照射後の観測光による反射光強度の分布または透過光強度の分布が変化し、その分布の変化を前記受光手段により検出することを特徴とする、請求項1記載の半導体電気特性の測定装置。   In the case where an electric field is applied by the electric field applying means and in the case where an electric field is not applied, the reflected light intensity distribution or transmitted light intensity distribution by the observation light after excitation light irradiation changes, and the change in the distribution is 2. The semiconductor electrical property measuring apparatus according to claim 1, wherein the device is detected by a light receiving means. 前記電界印加手段により電界が印加されている場合と印加されていない場合とにおいて、励起光照射の前後における観測光による反射光強度または透過光強度の変化量分布が変化し、その変化量分布の変化を前記受光手段により検出することを特徴とする、請求項1記載の半導体電気特性の測定装置。   In the case where an electric field is applied by the electric field applying means and in the case where the electric field is not applied, the variation distribution of the reflected light intensity or transmitted light intensity due to the observation light before and after the excitation light irradiation changes, and the variation distribution 2. The semiconductor electrical property measuring apparatus according to claim 1, wherein the change is detected by the light receiving means. 前記受光手段は、1次元ラインセンサ、2次元エリアセンサまたはポイントセンサのいずれかであることを特徴とする、請求項1〜3のいずれかに記載の半導体電気特性の測定装置。   4. The semiconductor electrical property measuring apparatus according to claim 1, wherein the light receiving means is one of a one-dimensional line sensor, a two-dimensional area sensor, and a point sensor. 前記半導体電気特性の測定装置は、さらに演算手段を備えており、かつその演算手段が直接的または間接的に前記受光手段と接続していることを特徴とする、請求項1〜4のいずれかに記載の半導体電気特性の測定装置。   5. The semiconductor electrical property measuring apparatus further comprises a calculation means, and the calculation means is connected directly or indirectly to the light receiving means. The semiconductor electrical property measuring apparatus according to 1. 前記半導体電気特性の測定装置は、さらに発振器を備えており、かつその発振器が前記電界印加手段と接続していることを特徴とする、請求項1〜5のいずれかに記載の半導体電気特性の測定装置。   The semiconductor electrical property measuring apparatus according to claim 1, further comprising an oscillator, and the oscillator is connected to the electric field applying unit. measuring device. 前記電界印加手段により印加される電界は、一定電界または高周波電界であることを特徴とする、請求項1〜6のいずれかに記載の半導体電気特性の測定装置。   7. The semiconductor electrical property measuring apparatus according to claim 1, wherein the electric field applied by the electric field applying means is a constant electric field or a high-frequency electric field. 前記半導体電気特性の測定装置は、前記励起光照射手段、前記電界印加手段、前記観測光照射手段および前記受光手段からなる計測系に対して、試料である半導体を相対的に移動させる移動手段をさらに備えており、該半導体の表面の複数箇所を測定できることを特徴とする、請求項1〜7のいずれかに記載の半導体電気特性の測定装置。   The semiconductor electrical property measuring apparatus includes a moving unit that moves a semiconductor as a sample relative to a measurement system including the excitation light irradiation unit, the electric field application unit, the observation light irradiation unit, and the light receiving unit. The device for measuring semiconductor electrical characteristics according to claim 1, further comprising a plurality of locations on the surface of the semiconductor. 前記励起光照射手段と前記受光手段とが接続されており、前記励起光照射手段は、周期性を持って励起光を複数回照射するものであり、かつ前記受光手段は、該励起光の周期に同期して受光するものであることを特徴とする、請求項3記載の半導体電気特性の測定装置。   The excitation light irradiating means and the light receiving means are connected, the excitation light irradiating means irradiates excitation light multiple times with periodicity, and the light receiving means has a period of the excitation light. 4. The semiconductor electrical property measuring device according to claim 3, wherein the device receives light in synchronization with the signal. 試料である半導体の表面に対して観測光を照射するための観測光照射ステップと、
該観測光が照射されている領域またはその領域に相当する半導体の裏面の領域内の特定の範囲に励起光を照射して、キャリアを励起させるための励起光照射ステップと、
該観測光が該半導体により反射された反射光または透過された透過光を受光するための第1受光ステップと、
該励起光が照射された全範囲を含む領域に対して、その領域における電界の向きが一方向となる電界を印加するための電界印加ステップと、
該電界が印加された範囲における該観測光が、該半導体により反射された反射光または透過された透過光を受光するための第2受光ステップと、
前記第1受光ステップと前記第2受光ステップとにおいて検出される反射光強度の分布範囲または透過光強度の分布範囲の変化を計算により求め、その結果に基づき電気特性を求めるための演算ステップと、
を含むことを特徴とする、半導体電気特性の測定方法。
An observation light irradiation step for irradiating the surface of the semiconductor, which is a sample, with the observation light;
An excitation light irradiation step for exciting the carriers by irradiating excitation light to a specific area within the region irradiated with the observation light or the region of the back surface of the semiconductor corresponding to the region;
A first light receiving step for receiving the reflected light reflected by the semiconductor or the transmitted light transmitted by the semiconductor;
An electric field applying step for applying an electric field in which the direction of the electric field in the region is one direction to a region including the entire range irradiated with the excitation light;
A second light receiving step for receiving the reflected light reflected or transmitted by the semiconductor in the range where the electric field is applied;
A calculation step for obtaining a change in the distribution range of the reflected light intensity or the distribution range of the transmitted light intensity detected in the first light receiving step and the second light receiving step by calculation, and obtaining an electric characteristic based on the result;
A method for measuring semiconductor electrical characteristics, comprising:
前記電界印加ステップにおいて印加される電界は、一定電界または高周波電界であることを特徴とする、請求項10記載の半導体電気特性の測定方法。   11. The method for measuring semiconductor electrical characteristics according to claim 10, wherein the electric field applied in the electric field applying step is a constant electric field or a high-frequency electric field. 前記第1受光ステップを省略し、かつ前記第2受光ステップにおいて受光手段として2次元エリアセンサを用いるとともに、前記演算ステップにおいて前記第2受光ステップで得られる反射光または透過光の2次元強度の分布範囲の変化を計算により求めることを特徴とする、請求項10または11に記載の半導体電気特性の測定方法。   The first light receiving step is omitted, and a two-dimensional area sensor is used as the light receiving means in the second light receiving step, and the two-dimensional intensity distribution of reflected light or transmitted light obtained in the second light receiving step in the calculation step. 12. The method for measuring semiconductor electrical characteristics according to claim 10, wherein a change in the range is obtained by calculation. 請求項4記載の半導体電気特性の測定装置を用いて半導体電気特性を確認する方法であって、
前記受光手段としてポイントセンサを用い、かつ試料である半導体の表面における反射光強度の分布範囲が適切な範囲にあるか否かを確認すること、または
前記受光手段として1次元ラインセンサまたは2次元エリアセンサを用い、かつ試料である半導体の表面における一部の反射光強度の分布範囲が適切な範囲にあるか否かを確認すること、
を特徴とする、半導体電気特性の確認方法。
A method for confirming semiconductor electric characteristics using the semiconductor electric characteristic measuring apparatus according to claim 4, comprising:
A point sensor is used as the light receiving means, and it is confirmed whether or not the distribution range of reflected light intensity on the surface of the semiconductor as a sample is in an appropriate range, or a one-dimensional line sensor or a two-dimensional area as the light receiving means Using a sensor and confirming whether the distribution range of a part of the reflected light intensity on the surface of the sample semiconductor is within an appropriate range;
A method for confirming semiconductor electrical characteristics.
請求項9記載の半導体電気特性の測定装置を用いて半導体電気特性を測定する方法であって、
前記観測光照射手段により半導体の表面に観測光を照射させながら、前記電界印加手段により電界を印加させない状態において前記励起光照射手段により励起光を照射する場合と照射しない場合とにおける、前記観測光の反射光強度または透過光強度の変化量分布を前記受光手段により検出するステップと、
前記電界印加手段により電界を印加させた状態において前記励起光照射手段により励起光を照射する場合と照射しない場合とにおける、前記観測光の反射光強度または透過光強度の変化量分布を前記受光手段により検出するステップと、
これらの変化量分布を閾値処理してそれぞれの変化量分布範囲を求めるステップと、
それらの変化量分布範囲の変化を求めることにより半導体電気特性を求めるための演算ステップと、
を含むことを特徴とする、半導体電気特性の測定方法。
A method for measuring semiconductor electrical characteristics using the semiconductor electrical characteristics measuring device according to claim 9, comprising:
The observation light in the case where the excitation light is irradiated by the excitation light irradiation means and the irradiation is not performed in the state where the electric field is not applied by the electric field application means while the observation light irradiation means irradiates the surface of the semiconductor with the observation light. Detecting a variation distribution of reflected light intensity or transmitted light intensity by the light receiving means;
A variation distribution of the reflected light intensity or transmitted light intensity of the observation light when the excitation light is irradiated by the excitation light irradiating means and when the excitation light is not irradiated in a state where an electric field is applied by the electric field applying means. Detecting with
A step of thresholding these variation distributions to obtain respective variation distribution ranges;
A calculation step for obtaining semiconductor electrical characteristics by obtaining changes in the variation distribution range thereof,
A method for measuring semiconductor electrical characteristics, comprising:
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