JP2000252338A - 半導体の評価方法および評価装置 - Google Patents
半導体の評価方法および評価装置Info
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- JP2000252338A JP2000252338A JP5712599A JP5712599A JP2000252338A JP 2000252338 A JP2000252338 A JP 2000252338A JP 5712599 A JP5712599 A JP 5712599A JP 5712599 A JP5712599 A JP 5712599A JP 2000252338 A JP2000252338 A JP 2000252338A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】半導体試料中の欠陥や不純物などの深さ分布を
求める。 【構成】半導体試料に可視光などの電磁波を照射し、試
料からの発光または散乱光、光電流などのシグナルを検
出する測定において、照射する電磁波の波長を変化させ
ることによって、この光の試料への浸入深さを変化さ
せ、試料からのシグナルの変化分を測定する。
求める。 【構成】半導体試料に可視光などの電磁波を照射し、試
料からの発光または散乱光、光電流などのシグナルを検
出する測定において、照射する電磁波の波長を変化させ
ることによって、この光の試料への浸入深さを変化さ
せ、試料からのシグナルの変化分を測定する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は半導体試料に可視光など
の電磁波を照射し、試料からの発光または散乱光、光電
流などのシグナルを検出する半導体の評価方法および評
価装置に関する。
の電磁波を照射し、試料からの発光または散乱光、光電
流などのシグナルを検出する半導体の評価方法および評
価装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来から、半導体試料中の欠陥や不純物
などを調べるために、一定波長の電磁波を照射し、試料
からの発光または散乱光、光電流などのシグナルを検出
する方法が知られている。また、試料に照射する電磁波
の波長を選びながら測定することで、欠陥や不純物によ
る深い準位を活性化エネルギー別に分けて励起する場合
もあった（例えば、特開昭６１−８９６４４、特許番号
第２５７４７９０号）。
などを調べるために、一定波長の電磁波を照射し、試料
からの発光または散乱光、光電流などのシグナルを検出
する方法が知られている。また、試料に照射する電磁波
の波長を選びながら測定することで、欠陥や不純物によ
る深い準位を活性化エネルギー別に分けて励起する場合
もあった（例えば、特開昭６１−８９６４４、特許番号
第２５７４７９０号）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
方法では、試料の特定の深さからの情報を得ることが容
易ではなかった。例えば、従来は、深さ方向分布を得る
ために、図６（ａ）のように試料表面をエッチングしな
がら測定したり、図６（ｂ）のように試料を傾けながら
測定する等の方法を用いていた。
方法では、試料の特定の深さからの情報を得ることが容
易ではなかった。例えば、従来は、深さ方向分布を得る
ために、図６（ａ）のように試料表面をエッチングしな
がら測定したり、図６（ｂ）のように試料を傾けながら
測定する等の方法を用いていた。
【０００４】試料表面をエッチングしながら測定する方
法では、試料を破壊してしまうという問題がある。ま
た、この方法により得られるシグナルは、削った表面か
ら光の浸入深さまでの全体からの応答シグナルであり、
特定の深さだけの情報を得ることは原理的に難しい。
法では、試料を破壊してしまうという問題がある。ま
た、この方法により得られるシグナルは、削った表面か
ら光の浸入深さまでの全体からの応答シグナルであり、
特定の深さだけの情報を得ることは原理的に難しい。
【０００５】試料を傾けながら測定する場合には、深さ
方向だけでなく横方向にも光の透過する領域が変わって
しまうため、深さ方向の変化だけを測定することはでき
ない。また、この場合も表面から光の浸入深さまで光が
透過するため、シグナルはこの領域全体からのものとな
り、特定の深さからのシグナルを分離することができな
いという問題がある。
方向だけでなく横方向にも光の透過する領域が変わって
しまうため、深さ方向の変化だけを測定することはでき
ない。また、この場合も表面から光の浸入深さまで光が
透過するため、シグナルはこの領域全体からのものとな
り、特定の深さからのシグナルを分離することができな
いという問題がある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体評価方法
及び半導体評価装置は、半導体試料に電磁波を照射し、
前記半導体試料からの発光または散乱光のシグナルを検
出する半導体評価方法において、前記電磁波の波長を第
１の波長と前記第１の波長と異なる第２の波長の間で周
波数ωで振動させ、前記半導体試料からの所定波長の前
記シグナルの前記周波数ωで振動する成分を、前記電磁
波の波長を連続的に変えながら検出することによって、
前記半導体試料中の欠陥もしくは不純物の深さ方向の分
布を求めることを特徴とする。
及び半導体評価装置は、半導体試料に電磁波を照射し、
前記半導体試料からの発光または散乱光のシグナルを検
出する半導体評価方法において、前記電磁波の波長を第
１の波長と前記第１の波長と異なる第２の波長の間で周
波数ωで振動させ、前記半導体試料からの所定波長の前
記シグナルの前記周波数ωで振動する成分を、前記電磁
波の波長を連続的に変えながら検出することによって、
前記半導体試料中の欠陥もしくは不純物の深さ方向の分
布を求めることを特徴とする。
【０００７】光を半導体試料に照射すると、半導体中に
侵入する光の照射光強度Ｉは、表面での強度Ｉ0に対し
て、Ｉ＝Ｉ0exp(−αd)となる。ここで、αは波長λで
のその試料物質の吸収係数であり、ｄは表面からの深さ
である。吸収係数αは、物質固有の値を取り、波長に依
存する。図２は、Ｓｉの吸収係数αの波長依存性をあら
わしたグラフである。このように半導体においては、バ
ンドギャップ以上の光に対しては、広範囲にわたり、波
長が短くなるとともに吸収係数が大きくなる。波長λで
の吸収係数α、波長λ＋Δλでの吸収係数をα＋Δαと
すると、表面からの深さｄにおけるそれぞれの波長での
光強度の差は、ΔＩ＝Ｉ0{exp(−αd) −exp(−(α+Δ
α)d)}であらわされる。ここで、ΔＩはｄに対して極大
値を持ち、図３のように、深さｄλで最大となる。した
がって、特定の波長λの照射光をΔλだけ変調して照射
した時の光強度の変化分ΔＩに応答して得られるシグナ
ルの変化分ΔＳは、深さｄλ近傍からのシグナルに相当
する。波長λをΔλだけ変調させながら連続的にスキャ
ンしてある応答シグナルＳの変化分ΔＳを測定し、それ
ぞれの波長に対応するｄλを横軸にしてΔＳをプロット
すれば、応答シグナルΔＳに対応する物理量の深さ方向
の分布を求めることができる。ここで、波長λの照射光
に対する半導体試料の応答シグナルＳとして欠陥や不純
物のフォトルミネッセンスに注目するなら、それらの固
有の発光波長（λdet）での光強度の変化ΔＳを測定す
ることによって、対応する欠陥や不純物の深さ方向の分
布を求めることができる。また、照射する光の変調分Δ
λの大きさによって深さ方向の分解能がきまるので、分
解能の高い精密な測定が可能となる。
侵入する光の照射光強度Ｉは、表面での強度Ｉ0に対し
て、Ｉ＝Ｉ0exp(−αd)となる。ここで、αは波長λで
のその試料物質の吸収係数であり、ｄは表面からの深さ
である。吸収係数αは、物質固有の値を取り、波長に依
存する。図２は、Ｓｉの吸収係数αの波長依存性をあら
わしたグラフである。このように半導体においては、バ
ンドギャップ以上の光に対しては、広範囲にわたり、波
長が短くなるとともに吸収係数が大きくなる。波長λで
の吸収係数α、波長λ＋Δλでの吸収係数をα＋Δαと
すると、表面からの深さｄにおけるそれぞれの波長での
光強度の差は、ΔＩ＝Ｉ0{exp(−αd) −exp(−(α+Δ
α)d)}であらわされる。ここで、ΔＩはｄに対して極大
値を持ち、図３のように、深さｄλで最大となる。した
がって、特定の波長λの照射光をΔλだけ変調して照射
した時の光強度の変化分ΔＩに応答して得られるシグナ
ルの変化分ΔＳは、深さｄλ近傍からのシグナルに相当
する。波長λをΔλだけ変調させながら連続的にスキャ
ンしてある応答シグナルＳの変化分ΔＳを測定し、それ
ぞれの波長に対応するｄλを横軸にしてΔＳをプロット
すれば、応答シグナルΔＳに対応する物理量の深さ方向
の分布を求めることができる。ここで、波長λの照射光
に対する半導体試料の応答シグナルＳとして欠陥や不純
物のフォトルミネッセンスに注目するなら、それらの固
有の発光波長（λdet）での光強度の変化ΔＳを測定す
ることによって、対応する欠陥や不純物の深さ方向の分
布を求めることができる。また、照射する光の変調分Δ
λの大きさによって深さ方向の分解能がきまるので、分
解能の高い精密な測定が可能となる。
【０００８】
【発明の実施の形態】図１は、本発明をフォトルミネッ
センス（PL）測定に適用した第１の実施例である。本第
１の実施例は、連続光源１、連続光源１からの光を分光
するための連続光分光器２、分光された光を波長λと波
長λ＋Δλの間で振動させるための石英板５、入射光の
強度を測定するための入射光強度検出器８、試料を冷却
するためのクライオスタット９、測定対象である半導体
試料１０、試料からの発光（PL光）を分光するためのＰ
Ｌ光分光器１２、PL光を検出するためのＰＬ光検出器１
３、検出されたシグナルを増幅するためのロックインア
ンプ１４、最終的にシグナルを取り込み、解析するため
のパソコン１５によって構成されている。
センス（PL）測定に適用した第１の実施例である。本第
１の実施例は、連続光源１、連続光源１からの光を分光
するための連続光分光器２、分光された光を波長λと波
長λ＋Δλの間で振動させるための石英板５、入射光の
強度を測定するための入射光強度検出器８、試料を冷却
するためのクライオスタット９、測定対象である半導体
試料１０、試料からの発光（PL光）を分光するためのＰ
Ｌ光分光器１２、PL光を検出するためのＰＬ光検出器１
３、検出されたシグナルを増幅するためのロックインア
ンプ１４、最終的にシグナルを取り込み、解析するため
のパソコン１５によって構成されている。
【０００９】次に、第１の実施例の動作について説明す
る。図１において、連続光源１からの光は連続光分光器
２によって単色光に分光され、クライオスタット９内で
冷却された試料１０に照射される。連続光分光器２の出
口スリットの直前の光路には回転運動可能ならしめた石
英板５がある。この石英板５を周波数ωで振動させる
と、光が石英板５を通過する時の進路が屈折によって変
化し、連続光分光器２から出てくる光は波長λと波長λ
＋Δλの間で周波数ωで振動する。一方、試料１０に入
射される光の一部をハーフミラー７によって入射光強度
検出器８に導き、入射光の強度I0を測定してパソコンに
取り込む。光の入射によって試料内に電子と正孔が励起
され、その再結合によって試料からはPL光が出てくる
が、このPL光は試料の結晶性、不純物、欠陥によって特
徴的なスペクトルを示し、それぞれの欠陥や不純物に固
有の発光ラインが現れる。そこで、測定したい欠陥や不
純物に対応する発光ラインの波長にＰＬ光分光器１２で
分光する光の波長を固定し、入射光の波長を波長λと波
長λ＋Δλの間で周波数ωで変調しながらスイープし、
それぞれの波長に対するＰＬ光分光器１２で分光した光
の強度をＰＬ光検出器１３で電気信号として検出する。
検出した電気信号の周波数ωで振動する成分ΔＳをロッ
クインアンプ１４で増幅した後にデータ処理装置（例え
ば、パーソナルコンピューター）１５に取り込む。デー
タを取り込んだ後に、光源の波長依存性を補正するため
に、それぞれの波長でのΔＳを入射光強度I0で除算す
る。また、あらかじめ試料の吸収係数αのデータ（例え
ばＳiの場合を図２に示す）から、ΔＩ＝I0 {exp(−α
d) −exp(−(α+Δα)d)} を計算して、それぞれの波長
でのΔＳが最大となる深さdλを求めておく。最終的
に、データはdλを横軸として、ΔＳ／I0を縦軸にプロ
ットすることによって、この発光ラインに対応する欠陥
または不純物の深さ方向の分布が得られる。
る。図１において、連続光源１からの光は連続光分光器
２によって単色光に分光され、クライオスタット９内で
冷却された試料１０に照射される。連続光分光器２の出
口スリットの直前の光路には回転運動可能ならしめた石
英板５がある。この石英板５を周波数ωで振動させる
と、光が石英板５を通過する時の進路が屈折によって変
化し、連続光分光器２から出てくる光は波長λと波長λ
＋Δλの間で周波数ωで振動する。一方、試料１０に入
射される光の一部をハーフミラー７によって入射光強度
検出器８に導き、入射光の強度I0を測定してパソコンに
取り込む。光の入射によって試料内に電子と正孔が励起
され、その再結合によって試料からはPL光が出てくる
が、このPL光は試料の結晶性、不純物、欠陥によって特
徴的なスペクトルを示し、それぞれの欠陥や不純物に固
有の発光ラインが現れる。そこで、測定したい欠陥や不
純物に対応する発光ラインの波長にＰＬ光分光器１２で
分光する光の波長を固定し、入射光の波長を波長λと波
長λ＋Δλの間で周波数ωで変調しながらスイープし、
それぞれの波長に対するＰＬ光分光器１２で分光した光
の強度をＰＬ光検出器１３で電気信号として検出する。
検出した電気信号の周波数ωで振動する成分ΔＳをロッ
クインアンプ１４で増幅した後にデータ処理装置（例え
ば、パーソナルコンピューター）１５に取り込む。デー
タを取り込んだ後に、光源の波長依存性を補正するため
に、それぞれの波長でのΔＳを入射光強度I0で除算す
る。また、あらかじめ試料の吸収係数αのデータ（例え
ばＳiの場合を図２に示す）から、ΔＩ＝I0 {exp(−α
d) −exp(−(α+Δα)d)} を計算して、それぞれの波長
でのΔＳが最大となる深さdλを求めておく。最終的
に、データはdλを横軸として、ΔＳ／I0を縦軸にプロ
ットすることによって、この発光ラインに対応する欠陥
または不純物の深さ方向の分布が得られる。
【００１０】本願発明の第２の実施例として、第１の実
施例においてPL光を検出する代わりに散乱光を検出すれ
ば、光を散乱する欠陥の深さ方向の分布を求めることが
できる。この時、連続光分光器２とＰＬ光分光器１２は
同じ波長で同調させてスキャンする。
施例においてPL光を検出する代わりに散乱光を検出すれ
ば、光を散乱する欠陥の深さ方向の分布を求めることが
できる。この時、連続光分光器２とＰＬ光分光器１２は
同じ波長で同調させてスキャンする。
【００１１】本願発明の第３の実施例を図４に示す。こ
の実施例では本発明を光電流測定に適用している。光に
よって試料中で励起されたキャリアにより試料に流れる
電流を測定するが、その電流値は試料中の不純物や欠陥
によって変化する。したがって、試料１０に電極１６を
付けて電流計１７と接続し、入射光の波長を振動させな
がらスキャンして、電流の変化分を測定することによっ
て、不純物や欠陥の深さ方向の分布を得ることができ
る。また、図４では石英板を振動させる代わりに回折格
子３をωで振動させて波長を変調させている。
の実施例では本発明を光電流測定に適用している。光に
よって試料中で励起されたキャリアにより試料に流れる
電流を測定するが、その電流値は試料中の不純物や欠陥
によって変化する。したがって、試料１０に電極１６を
付けて電流計１７と接続し、入射光の波長を振動させな
がらスキャンして、電流の変化分を測定することによっ
て、不純物や欠陥の深さ方向の分布を得ることができ
る。また、図４では石英板を振動させる代わりに回折格
子３をωで振動させて波長を変調させている。
【００１２】本願発明の第４の実施例を図５に示す。こ
の実施例では本発明をMOＳ構造の試料のC−V測定に適用
している。光によって半導体試料中にキャリアが生成し
た時の容量変化から不純物や欠陥の情報を知ることがで
きる。したがって、ＭＯＳ構造試料１８の基板と透明電
極１９の間をＣ−Ｖメータ２０に接続し、波長を振動さ
せながら光の波長をスキャンさせた時の容量の変化分を
測定することによって、不純物や欠陥の深さ方向の分布
を知ることができる。
の実施例では本発明をMOＳ構造の試料のC−V測定に適用
している。光によって半導体試料中にキャリアが生成し
た時の容量変化から不純物や欠陥の情報を知ることがで
きる。したがって、ＭＯＳ構造試料１８の基板と透明電
極１９の間をＣ−Ｖメータ２０に接続し、波長を振動さ
せながら光の波長をスキャンさせた時の容量の変化分を
測定することによって、不純物や欠陥の深さ方向の分布
を知ることができる。
【００１３】
【発明の効果】半導体試料中の欠陥もしくは不純物の深
さ方向の連続的な分布を非破壊的に精密に測定すること
ができる。
さ方向の連続的な分布を非破壊的に精密に測定すること
ができる。
【図１】本発明の第１の実施例を示す半導体評価装置
【図２】Ｓｉに光を照射した場合の光の波長と吸収係数
の関係図
の関係図
【図３】（ａ）半導体試料表面からの深さとΔＳの関係
図（ｂ）入射光の波長と試料への進入深さの関係図
図（ｂ）入射光の波長と試料への進入深さの関係図
【図４】本発明の第３の実施例を示す半導体評価装置
【図５】本発明の第４の実施例を示す半導体評価装置
【図６】半導体試料中の欠陥や不純物などの深さ分布を
求めるための従来の方法（ａ）エッチングしながら測定
する方法（ｂ）入射角度を変えながら測定する方法
求めるための従来の方法（ａ）エッチングしながら測定
する方法（ｂ）入射角度を変えながら測定する方法
１．連続光源 ２．連続光分光器 ３．回折格子 ４．ミラー ５．石英板 ６．入射光 ７．ハーフミラー ８．入射光強度検出器 ９．クライオスタット １０．試料 １１．ＰＬ光 １２．ＰＬ光分光器 １３．ＰＬ光検出器 １４．ロックインアンプ １５．データ処理装置 １６．電極 １７．電流計 １８．ＭＯＳ構造試料 １９．透明電極 ２０．Ｃ−Ｖメータ
Claims (5)
- 【請求項１】半導体試料に電磁波を照射し、前記半導体
試料からの発光または散乱光のシグナルを検出する半導
体評価方法において、前記電磁波の波長を第１の波長と
前記第１の波長と異なる第２の波長の間で周波数ωで振
動させ、前記半導体試料からの所定波長の前記シグナル
の前記周波数ωで振動する成分を、前記電磁波の波長を
連続的に変えながら検出することによって、前記半導体
試料中の欠陥もしくは不純物の深さ方向の分布を求める
ことを特徴とする半導体評価方法。 - 【請求項２】半導体試料に電磁波を照射する手段と、前
記半導体試料からの発光または散乱光のシグナルを検出
する手段と、前記電磁波の波長を第１の波長と前記第１
の波長と異なる第２の波長の間で周波数ωで振動させる
手段と、前記半導体試料からの所定波長の前記シグナル
の前記周波数ωで振動する成分を、前記電磁波の波長を
連続的に変えながら検出する手段とを有して、前記半導
体試料中の欠陥もしくは不純物の深さ方向の分布を求め
ることを特徴とする半導体評価装置。 - 【請求項３】半導体試料に電磁波を照射し、前記半導体
試料からの光電流のシグナルを検出する半導体評価方法
において、前記電磁波の波長を第１の波長と前記第１の
波長と異なる第２の波長の間で周波数ωで振動させ、前
記半導体試料からの光電流の前記シグナルの前記周波数
ωで振動する成分を、前記電磁波の波長を連続的に変え
ながら検出することによって、前記半導体試料中の欠陥
もしくは不純物の深さ方向の分布を求めることを特徴と
する半導体評価方法。 - 【請求項４】半導体試料に電磁波を照射する手段と、前
記半導体試料からの光電流のシグナルを検出する手段
と、前記電磁波の波長を第１の波長と前記第１の波長と
異なる第２の波長の間で周波数ωで振動させ、前記半導
体試料からの光電流の前記シグナルの前記周波数ωで振
動する成分を、前記電磁波の波長を連続的に変えながら
検出する手段とを有し、前記半導体試料中の欠陥もしく
は不純物の深さ方向の分布を求めることを特徴とする半
導体評価装置。 - 【請求項５】半導体試料に第１の波長と前記第１の波長
と異なる第２の波長の間で、周波数ωで変調した電磁波
を照射し、前記半導体試料からのシグナルの前記周波数
ωで振動する成分を検出する工程と、前記電磁波の波長
を連続的に変化させ、前記電磁波の吸収係数と前記波長
の関係を示すデータを用い、前記照射した電磁波の波長
の変調に伴う前記半導体試料中での光強度の変化分が極
大となる試料中の深さと波長の関係を求める工程を有
し、前記電磁波の応答を深さ方向の分解能を持って求め
ることを特徴とする半導体評価方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5712599A JP2000252338A (ja) | 1999-03-04 | 1999-03-04 | 半導体の評価方法および評価装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5712599A JP2000252338A (ja) | 1999-03-04 | 1999-03-04 | 半導体の評価方法および評価装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000252338A true JP2000252338A (ja) | 2000-09-14 |
Family
ID=13046853
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5712599A Pending JP2000252338A (ja) | 1999-03-04 | 1999-03-04 | 半導体の評価方法および評価装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000252338A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9209096B2 (en) | 2010-07-30 | 2015-12-08 | First Solar, Inc | Photoluminescence measurement |
| JP2018038184A (ja) * | 2016-08-31 | 2018-03-08 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 | 太陽電池の評価方法及び評価装置並びに太陽電池の評価用プログラム |
| CN114527143A (zh) * | 2022-04-22 | 2022-05-24 | 浙江大学杭州国际科创中心 | 无损检测半导体缺陷演变方法、系统及装置 |
-
1999
- 1999-03-04 JP JP5712599A patent/JP2000252338A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US9209096B2 (en) | 2010-07-30 | 2015-12-08 | First Solar, Inc | Photoluminescence measurement |
| JP2018038184A (ja) * | 2016-08-31 | 2018-03-08 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 | 太陽電池の評価方法及び評価装置並びに太陽電池の評価用プログラム |
| CN114527143A (zh) * | 2022-04-22 | 2022-05-24 | 浙江大学杭州国际科创中心 | 无损检测半导体缺陷演变方法、系统及装置 |
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20020730 |