JP2004219371A

JP2004219371A - 半導体多層膜の分光計測方法および分光計測装置

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Publication number: JP2004219371A
Application number: JP2003009515A
Authority: JP
Inventors: Hideo Takeuchi; 日出雄竹内; Yoshitsugu Yamamoto; 佳嗣山本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-01-17
Filing date: 2003-01-17
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2023-01-17
Also published as: US20050099623A1; US7038768B2; JP4031712B2

Abstract

【課題】エピタキシャルウェハーの内部電場強度，膜厚およびバンドギャップエネルギーの評価を簡便に行えるようにする。
【解決手段】半導体多層膜の分光計測において、半導体多層膜の試料に励起光を照射し、試料からの発光を分光器を通過させて検出し、分光器を掃引して、検出された発光強度をフォトンエネルギーの関数として記録する。また、白色光を前記の分光器に入射し、分光器から出射された光を前記の試料に入射し、外部変調光を前記の試料に照射した状態で、分光器を掃引して、試料からの反射光を検出し、検出された反射スペクトルをフォトンエネルギーの関数として記録する。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多層膜構造からなるエピタキシャルウェハーの品質評価／管理に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子の原材料として用いられる多層膜構造からなるエピタキシャルウェハーの品質評価／管理は、不良品数の低減および製造コストの削減において欠かすことができない。これまで主たる対象となってきたエピタキシャルウェハーの品質評価項目は、膜厚および組成である。これらの項目のうち膜厚評価に対しては、電磁波の干渉を応用した赤外線干渉法、Ｘ線干渉法、または、入射光と反射光との間での偏光度が変化することを応用した偏光解析法（エリプソメトリー）といった手法が用いられてきた。一方、エピタキシャルウェハーを構成する各層の組成は、励起光（例えばレーザー光）を照射した際に発生する発光（ホトルミネッセンス）を分光測定すること（ＰＬ分光法）によって求められるバンドギャップエネルギーを介して評価されてきた（たとえば、非特許文献１参照）。
【０００３】
エピタキシャルウェハーの特性には、膜厚および組成以外の項目も数多くあり、例えば内部電場強度が挙げられる。内部電場強度は、エピタキシャルウェハーのドーピング濃度や表面／多層膜界面の状態に依存していることが知られている。さらに最近の研究で、ヘテロ接合バイポーラトランジスタの電流増幅率との間に相関があることが報告されている。それゆえ近年では、内部電場強度がエピタキシャルウェハーの品質評価項目として重要視されている。
【０００４】
この内部電場強度は、一般に光変調反射分光法（Ｐｈｏｔｏｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ（ＰＲ）分光法）という測定技術を用いて評価される。このＰＲ分光法とは、ポンプ光と呼ばれる外部変調光（例えばレーザー光）を試料に照射することによって引き起こされた反射率変化ΔＲ／Ｒを、プローブ光（検出光）と呼ばれる光を通して測定する分光技術である。ＰＲ分光法では、反射率変化ΔＲ／Ｒがプローブ光の波長またはフォトンエネルギーの関数として記録される。内部電場を有する試料では、この反射率変化ΔＲ／Ｒがフランツ・ケルディッシュ（Ｆｒａｎｚ−Ｋｅｌｄｙｓｈ）振動と呼ばれる振動プロファイルを示す（たとえば、非特許文献２参照）。この振動プロファイルの周期は、内部電場の強度によって決定される。従って、フランツ・ケルディッシュ振動の周期を解析することにより、内部電場強度を調べることができる。また、試料からの発光を、分光器を用いずにその積分強度のみを検出する技術が特許文献１に記載されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−５１８５６号公報
【非特許文献１】
尾関雅志、「半導体評価技術」、第７章、河東田隆編著、産業図書（１９８９）
【非特許文献２】
”Ｆｒａｎｚ−Ｋｅｌｄｙｓｈｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎｓｉｎｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ”，Ｈ．ＳｈｅｎａｎｄＭ．Ｄｕｔｔａ，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ，ｖｏｌ．７８，ｐｐ．２１５１−２１７６（１９９５）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
エピタキシャルウェハーの品質評価項目である膜厚、バンドギャップエネルギーおよび内部電場は、従来は、互いに異なる方法で評価されてきた。そのためこれら３種類のエピタキシャルウェハーの品質項目を全て評価する際に、かなりの時間と手間が費やされている。それだけでなく、それぞれの測定方法に個別対応した装置を導入しなければならないため、多大な経費を要する。このことは、厳格な品質管理を行うことに対する妨げとなっている。
【０００７】
この発明の目的は、半導体多層膜の内部電場強度，膜厚およびバンドギャップエネルギーの評価を簡便に行えるようにすることである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体多層膜の分光計測装置において、励起光源は、発光スペクトル測定時に、試料を励起する励起光を発生し、反射スペクトル測定時には試料への外部変調光を発生し、また、白色光源は、反射スペクトル測定のためのプローブ光を発生する。分光器は、発光スペクトル測定時に前記の試料からの発光を分光し、反射スペクトル測定時に白色光源からのプローブ光を分光して試料に入射する。第１検出器は、発光スペクトル測定時に前記の分光器から出射された光を検出し電気信号に変換する。第２検出器は、反射スペクトル測定時に励起光源により外部変調光が照射され前記の分光器により分光されたプローブ光が入射された前記の試料からの反射光を検出し電気信号に変換する。光軸切り替え部材は、発光スペクトル測定時に前記の分光器からの光を第１検出器の方に導き、反射スペクトル測定時に白色光源からの光を前記の分光器の方に導く。制御器は、反射スペクトル測定時に前記の光軸切り替え部材に白色光源からの光を前記の分光器の方に導かせて、第１検出器により検出された電気信号を収集し、発光スペクトル測定時に前記の光軸切り替え部材に前記の分光器からの光を第１検出器の方に導かせて、第２検出器により検出された電気信号を収集する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１０】
エピタキシャルウェハーの品質評価項目である膜厚、バンドギャップエネルギーおよび内部電場は、従来は、互いに異なる方法で評価されてきたが、非破壊で同時かつ精密を簡便に行えるようにすることが望ましい。この問題を解決するためには、１つの測定方法から得られたデータで２つ以上の品質項目を評価できる手法／原理の開発、および、２つ以上の評価方法を行うことが可能な装置の開発が必要であると考えられる。
【００１１】
そこでまず、内部電場評価に用いられる光変調反射（ＰＲ）分光法とバンドギャップエネルギー評価に用いられる発光（ＰＬ）分光法とに着目する。これらはいずれも分光技術に属する方法であるので、お互いに共通の装置が存在する。従って、従来用いられてきた光変調反射（ＰＲ）分光計測装置または発光（ＰＬ）分光計測装置に改良を加えることで、ＰＲスペクトルとＰＬスペクトルとを単一の装置で評価できる可能性がある。
【００１２】
次に、膜厚評価方法に着目する。従来の膜厚評価法には、多層膜構造に起因する干渉効果を受けたスペクトル形状を解析することによって行なわれるものが多い。特に反射／透過スペクトルの形状は干渉効果に敏感であることが知られており、赤外線干渉法は、これを膜厚評価に応用したものである。ところで内部電場評価に用いられるＰＲ分光法も反射分光法の一種であるから、これを内部電場だけでなく膜厚評価に応用できると考えられる。ところがこれまで多層膜による干渉効果を受けたＰＲスペクトルの形状解析方法が明らかになっておらず、膜厚評価への応用は行なわれてこなかった。
【００１３】
そこで、本発明では、エピタキシャルウェハーの内部電場強度，膜厚およびバンドギャップエネルギーの評価を簡便に行えるようにするために、ＰＲスペクトルからエピタキシャル層の内部電場強度と膜厚とを同時に評価する分光計測方法を提案する。具体的には、この方法では、半導体多層膜のフランツ・ケルディシュ（ＦＫ）振動から内部電場強度と膜厚とを同時に評価する。さらに、この分光計測方法に基づいて精密な評価を行うためのＰＲスペクトルとＰＬスペクトルとの両方を測定できる分光計測装置を提供する。ＰＲスペクトルから内部電場強度と膜厚とを評価する分光計測法では、バンドギャップエネルギーをパラメータとして用いる必要がある。以下で述べるように、この分光計測装置は、同一の分光器を使用する。そのためＰＲスペクトル上のバンドギャップエネルギーとＰＬスペクトル上でのバンドギャップエネルギーとの間に、原理的に相対誤差が生じない。従ってこの装置は、ＰＲ分光法に基づいた膜厚評価を精密に行ううえでも非常に有効である。
【００１４】
まず、半導体多層膜のフランツ・ケルディシュ振動から内部電場強度と膜厚とを同時に評価する方法を説明する。図１は、Ｎ層の多層膜からなる半導体多層膜構造からの反射光を模式的に示している。図において、Ａ_０は入射光であり、Ａ_ｎ（ｎ≠０）は、ｎ番目の層Ｌ_ｎと（ｎ＋１）番目の層Ｌ_ｎ＋１との間で形成される界面からの反射光である。このような多層膜構造全体の複素振幅反射率ｒは、次式（１）で表される。
【数式３】

ここでｒ_０とＲ_０（≡｜ｒ_０｜^２）は、それぞれ、表面での複素振幅反射率およびエネルギー反射率であり、ｒ_{ｎ，ｎ＋１}は、Ｌ_ｎ／Ｌ_ｎ＋１界面の複素振幅反射率であり、Ｃ_ｎは、透過率に関係した比例定数である。式（１）のδ_ｎは、位相遅れと呼ばれる量であり、次式で与えられる。
【数式４】

ここでｋ_ｊとｄ_ｊは、ｊ番目の層における光の波数および膜厚である。またθ_ｊはｊ番目の層における屈折角であり、試料に対する入射光の角度と既知である試料の屈折率とから計算できる。
【００１５】
半導体多層膜構造全体のエネルギー反射率Ｒは、複素振幅反射率の絶対値の２乗｜ｒ｜^２で与えられる。
【数式５】

ここで、｜ｒ｜^２＝ｒ・ｒ^＊（ｒ^＊はｒの複素共役）の関係を用いた。さらに、多層膜表面での複素振幅反射率が界面での複素振幅反射率より十分大きいと仮定した。可視光域の場合、一般にｒ_０を実数とみなすことができる。このことを利用すると、Ｌ_ｎ／Ｌ_ｎ＋１界面での変調反射率ΔＲ_ｎは次式で表される。
【数式６】

ここで、Δｒ_{ｎ，ｎ＋１}は、（ｎ＋１）番目の層における誘電関数の変調成分δε^ＰＲ _ｎ＋１に比例する。すなわち、
【数式７】

δ_ｎ→０の極限、すなわち表面以外に全く膜が存在しないバルク結晶に相当する場合、式（４）は、セラフィンらによって導かれた次のＰＲ信号の式（６）に従わなければならない。
【数式８】

式（６）は、比例係数Ｂ_ｎの実部と虚部がそれぞれセラフィン係数αとβに相当することを示している。可視光領域では、一般に、αはβより圧倒的に大きい。そのためＢ_ｎも、実数として近似できる。結果として式（４）は、以下の式で表される。
【数式９】

光変調反射測定の場合、δε^ＰＲ _ｎは、ポンプ光照射によって引き起こされるΔＦに由来し、ポンプ光照射下での誘電関数ε^ｏｎと暗中での誘電関数ε^ｏｆｆとの差によって与えられる。すなわち、
【数式１０】

【数式１１】

ここでＷ_ｎとΔＷ_ｎは空乏層の厚さと、ポンプ光照射によって生成されたキャリアによる空乏層厚の変化であり、ε_ｎ（ｈω／２π、Ｆ_ｎ）は、電場Ｆ_ｎによって摂動を受けた誘電関数である。ここに、（ｈ／２π）はプランク定数であり、（ｈω／２π）はフォトンエネルギーである。Ｆ_ｎ ^ｏｎ（ｚ）とＦ_ｎ ^ｏｆｆ（ｚ）とは、ポンプ光照射下での電場強度とポンプ光が照射されていない状態での電場強度であり、それぞれ次式（９ａ）と（９ｂ）で与えられる。
【数式１２】

【数式１３】

ここでＦ_ｏ，ｎは、ポンプ光が照射されていない状態での界面電場強度である。
【００１６】
これらの式よりＷ_ｎとΔＷ_ｎがＦ_ｏ，ｎとΔＦ_ｎの間で、以下の関係にあることは明らかである。
【数式１４】

ここで、ΔＦ_ｎ＜＜Ｆ_ｏ，ｎかつｋ_ｎΔＷ_ｎ＜＜１と仮定すると、式（８ａ）は次のように表すことができる。
【数式１５】

【数式１６】

さらに、Φ_ｎ（ｚ＋ΔＷ_ｎ）−Φ_ｎ（ｚ）＝（ｄΦ_ｎ（ｚ）／ｄｚ） ΔＷ_ｎと近似して、（ΔＷ_ｎ）^２より高次の項を無視することにより、δε^ＰＲ _ｎは、以下のように表される。
【数式１７】

ここに、Ｍ_０特異点におけるΔε（ｈω／２π，Ｆ）は、次のように表される。
【数式１８】

【数式１９】

式（１３ａ）におけるｇ（−η）およびｆ（−η）はそれぞれ電気光学関数と呼ばれる関数であり、バンドギャップエネルギーより高エネルギー領域におけるそれらの漸近解は、次式で表される。
【数式２０】

【数式２１】

ここで、電気光学関数に対する電子／正孔の有限寿命の効果を無視できると仮定した。
【００１７】
これらの漸近解を用いることによりΔＲ_ｎ（ｈω／２π）すなわちフランツ・ケルディシュ（ＦＫ）振動の形状は、以下の式で表される。
【数式２２】

ここでＥ_{０，ｎ＋１}は、（ｎ＋１）番目の層のバンドギャップエネルギーである。また（ｈ／２π）Θ_ｎ＋１は、電気光学エネルギーと呼ばれる物理量であり、次式で表される。
【数式２３】

ここでｅとμ_ｎ＋１は、それぞれ素電荷および電子・正孔換算質量である。
【００１８】
図２は、Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ（膜厚ｄｎｍ）／ＧａＡｓヘテロ接合構造の膜について実験的に得られたフランツ・ケルディシュ振動のスペクトル（実線）と、式（１５）を用いて数値計算によって得られたフランツ・ケルディシュ振動のスペクトル（破線）とを、２つの膜厚ｄの試料について示す。フランツ・ケルディシュ振動は規格化されて示される。ここで「×５」は縦軸の目盛りを５倍にしたデータを意味する。実線と破線とを比較すると、数々の近似・仮定を行っているにもかかわらず、数値計算によって得られたフランツ・ケルディシュ振動の位相と、実験的に得られたフランツ・ケルディシュ振動の位相とは、ほぼ一致している。そのため、フランツ・ケルディシュ振動が極大・極小となるときのフォトンエネルギーは、式（１５）が極大・極小をとる際のフォトンエネルギーと一致すると考えられる。式（１５）においてバンドギャップエネルギーＥ_０，ｎからｍ番目のフランツ・ケルディシュ振動の極値のフォトンエネルギーは、次式（１７）に従う。
【数式２４】

式（１７）に従ってフランツ・ケルディシュ振動の極値をプロットすれば、プロットの形状は直線に従う。そしてその直線の傾きは電気光学エネルギー（ｈ／２π）Θ_ｎ＋１を与え、この値から式（１６）を用いて電場強度Ｆ_{０，ｎ＋１}を計算することができる。一方、縦軸との切片は、位相の遅れδ_ｎを与える。このプロットを各界面からのフランツ・ケルディシュ振動に対して行い、位相遅れδ_ｎを求める。δ_ｎの定義（式（２））より、得られたδ_ｎとδ_ｎ−１との差が次式に従う。
【数式２５】

この式よりｎ番目の層厚ｄ_ｎを知ることができる。こうして、フランツ・ケルディシュ振動から半導体多層膜の内部電場強度と膜厚とを同時に評価できる。
【００１９】
なお従来技術では、フランツ・ケルディシュ振動の極値のプロットによって傾きから電場強度を得られることが知られていた。しかし縦軸との切片に関しては，その物理的背景が不明であった。本発明で提案するプロットは、縦軸との切片から位相遅れが分かり、それを手がかりに膜厚が得られるという点に特徴がある。
【００２０】
次に、図３と図４とに、この原理を用いてＰＲ／ＰＬスペクトルを測定する分光計測装置を示す。図３は、その光学測定系の部分を模式的に示し、図４は、光学測定系により検出されたＰＲ信号およびＰＬ信号を処理する信号処理系を示す。図３に示す分光計測装置は、光軸切り替えミラー１４により、光路を切り替えることにより、ＰＲスペクトルまたはＰＬスペクトルを測定する。なお、いずれの場合も、光学測定系により得られた測定信号は図４の信号処理系で処理される。
【００２１】
測定装置内における光学系において、白色光源１は、プローブ光の光源であり、例えば、ランプなどが用いられる。ＰＲスペクトル測定時には、光軸切り替えミラー１４は、白色光源１からの光を分光器３の方に反射する。集光レンズ２は、プローブ光を生成するために、ランプ光を分光器３に集光する。分光器３は、ランプ光を単色化し、反射率Ｒと変調反射率ΔＲとを検出するためのプローブ光を生成する。集光レンズ４は、分光器３で生成されたプローブ光を試料５の表面に集光する。
【００２２】
また、励起光源９は、例えば、レーザーなどであり、ＰＲスペクトル測定時には、外部変調光を生成するための光源である。励起光源パワー安定器１０は、励起光源のパワーを安定化させる。励起光源用フィルター１１は、励起光の強度を調整するためのフィルター、例えばニュートラルデンシティー・フィルターである。変調器１２は、励起光を連続光から周期的な断続光に変換する装置、例えば光学チョッパーである。集光レンズ１３は、試料表面のプローブ光が照射されている領域に外部変調光を集光する。
【００２３】
励起光源（例えばレーザー光）９は、ＰＬスペクトル測定時には、試料の励起光（ＰＲスペクトル測定用の外部変調光）としての役割を果たす。分光器３は、ランプ光源１の光を反射率Ｒと変調反射率ΔＲとを検出するためのプローブ光として用いるために単色化する役割を担っている。また、分光器３は、ＰＬスペクトル測定時には、試料からの発光を分光するのに用いられる。
【００２４】
集光レンズ６は、試料５から反射されたプローブ光をＰＲ測定用検出器８に集光する。ロングパスフィルター７は、試料５から散乱された外部変調光を取り除く。ＰＲ測定用検出器８は、例えばフォトダイオードなどであり、試料５からの反射光信号を電気的信号に変換する。
【００２５】
一方、ＰＬスペクトル測定時には、励起光源９は、試料５の励起光としての役割を果たす。破線で示される試料５からの発光は、集光レンズ４を分光器３に集光する。分光器３は、試料５からの発光を分光する。集光レンズ２は、分光器３からの発光スペクトルを検出器１５に送る。この際、光軸切り替えミラー１４は、分光器３からの発光スペクトルをそのまま検出器１５に通す。
【００２６】
図４は、図３の測定系で検出器によって検出された信号の処理系を模式的に示す。この検出信号処理系において、電流／電圧変換器２１は、検出器８または１５からの電流信号を電圧信号に変換する。バンドパスフィルター２２は、電圧信号に含まれる交流成分（ΔＲ信号に相当）と直流成分（Ｒ信号）とに分離するための周波数フィルターである。直流電圧計２３は、直流成分を計測するための機器である。ロックインアンプ２４は、交流成分を位相検出（ロックイン検出）するための機器であり、参照周波数は、光学測定系の変調器１２より送られる。ポンプ光が断続光となっている場合はロックインアンプ２４で、連続光となっている場合は直流電圧計２３で、発光用検出器１５から得られる信号を測定する。コンピューター２５は、前述の各計測機器の制御および全ての信号の収集、信号間の演算を行う。ここで、コンピューター２５は、分光器３を掃引し、直流電圧計２３またはロックインアンプ２４からの入力信号を記録する。たとえば、光変調反射スペクトルの場合、検出器１５の信号を基に反射率変化ΔＲ／Ｒをフォトンエネルギー（ｈω／２π）の関数として計算し記録する。これにより、スペクトル測定時に反射率変化ΔＲ／Ｒをフォトンエネルギー（ｈω／２π）の関数として記録できる。これを基に、前述の半導体多層膜のフランツ・ケルディシュ振動を導出しプロットをすることにより、フランツ・ケルディシュ振動から内部電場強度と膜厚とを同時に評価する。
【００２７】
次にこの分光計測装置を用いた測定手順を示す。
（１）エピタキシャルウェハー（試料５）のＰＬスペクトルを測定するために、光軸切り替え用ミラー１４を切り替えて、試料５からの発光が発光用検出器１５に入るようにする。なおＰＬスペクトル測定の際、白色光源１は不要であるため、切っておくのが望ましい。
（２）試料５に励起光（例えばレーザー光）を照射する。この励起光は、変調器１２で断続光にしても、変調器１２を通さずに連続光にしても良い。ただし試料５からの発光が極度に弱い場合はＳ／Ｎ比を向上させる必要があるので、変調器１２で断続光にして、試料５からの発光を断続光の位相に同調させたロックインアンプ２４で検出したほうがよい。この場合、ロックインアンプ２４の位相を断続光に合わせる手続きは、以下の手続きで行なわれる。まず試料５で散乱された励起光を、集光レンズ４で分光器３に集光する。そして分光器３を通過した光を発光用検出器１５で検出し、検出された信号に対してロックンアンプ２４の位相を合わせる。
（３）レンズ４を用いて試料５からの発光を、分光器３のスリットに照射する。
（４）分光器３から出射された光を、集光レンズ２を用いて発光用検出器１５に集光し、光学的信号を電気的信号が検出される。
（５）ポンプ光が断続光となっている場合はロックインアンプ２４で、連続光となっている場合は直流電圧計２３で、発光用検出器１５から得られる信号を測定する。
（６）分光器３を掃引し、発光強度を波長λまたはフォトンエネルギー（ｈω／２π）の関数として記録して、図５のような発光スペクトルを得る。
（７）観測された発光スペクトルのピークより、バンドギャップエネルギーを求める。ピークの位置は、各層のバンドギャップエネルギーに相当する。
【００２８】
（８）引き続いてエピタキシャルウェハーのＰＲスペクトルを測定するために、光軸切り替え用ミラー１４を切り替え、白色光源（例えばランプ）１の光が分光器３に入る状態にする。この状態で分光器３から出射される光がプローブ光である。
（９）励起光源９からの外部変調光（例えばレーザー光）を試料５に照射する。
（１０）ロングパスフィルター７を外し、試料５上で散乱された外部変調光がＰＲ信号用検出器８に入る状態にする。この状態で検出された信号を参照信号とし、ロックインアンプ２４の位相をこれに合わせる。
（１１）ロングパスフィルター７を挿入し、ＰＲ信号用検出器に外部変調光が入らないようにする。
（１２）分光器３を掃引し、ＰＲ信号用検出器８でプローブ光を検出する。
（１３）検出された信号を、バンドパスフィルター２２を通して、反射率Ｒに相当する直流成分と変調反射率ΔＲに相当する交流成分とに分ける。
（１４）上記直流成分および交流成分を、それぞれ直流電圧計２３とロックインアンプ２４とで測定する。
（１５）コンピューター２５上でΔＲ／Ｒを計算し、ＰＲ信号を得る。
（１６）前述の（１２）〜（１５）の手順を繰り返し、ＰＲスペクトルΔＲ／Ｒを、波長λまたはフォトンエネルギー（ｈω／２π）の関数として記録する。
【００２９】
（１７）ＰＲスペクトルに現れるフランツ・ケルディシュ振動パターンの極値に対して、図６のようにＥ_０からより高エネルギー側の順に番号付けを行う。図６に示される指数（ｍ＝１，２，３，…）は、反射率強度（ＰＲ）のフランツ・ケルディシュ振動の極値の指数であり、矢印は、バンドギャップエネルギーＥ_０の位置を示す。なお、図６において、指数６以降については縦軸の目盛りを５倍にして表示している。
（１８）得られた極値を、式（１７）に従ってプロットする。図７の例に示されるように、ξは指数ｍに比例している。
（１９）式（１７）で（ｈ／２π）Θ_ｎとδ_ｎとをパラメータとしたフィッティングを行う。
（２０）得られた（ｈ／２π）Θ_ｎから式（１６）を用いて電場強度を求め、δ_ｎから式（１８）を用いて膜厚を求める。
【００３０】
【発明の効果】
半導体多層膜の内部電場、バンドギャップエネルギー及び膜厚を１つの装置で測定できる。
また、半導体多層膜についてＰＲスペクトルとＰＬスペクトルの両方を同時に測定して、内部電場、バンドギャップエネルギー及び膜厚を非破壊で決定できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】Ｎ層の膜から構成される半導体多層膜における反射光の模式的に示す図
【図２】Ａｌ_０．３Ｇａ_０．７Ａｓ（膜厚ｄｎｍ）／ＧａＡｓヘテロ接合構造のフランツ・ケルディシュ振動のグラフ
【図３】ＰＬ／ＰＲ測定装置の光学測定系の図
【図４】ＰＬ／ＰＲ測定装置の検出信号処理系の図
【図５】図３の光学測定系を用いて観測される典型的なＰＬスペクトルのグラフ
【図６】図３の光学測定系を用いて観測される典型的なＰＲスペクトルのグラフ
【図７】式（１７）に従ってフランツ・ケルディシュ振動の極値のエネルギーを、その指数の関数としてプロットしたグラフ
【符号の説明】
１白色光源、３分光器、５試料、８ＰＲ測定用検出器、９励起光源、１４光軸切り替えミラー、１５検出器、２１電流／電圧変換器、２２バンドパスフィルター、２３直流電圧計、２４ロックインアンプ、２５コンピューター。

Claims

発光スペクトル測定時に半導体多層膜の試料を励起する励起光を発生し、反射スペクトル測定時に前記の試料への外部変調光を発生する励起光源と、
反射スペクトル測定のためのプローブ光を発生する白色光源と、
発光スペクトル測定時に前記の試料からの発光を分光し、反射スペクトル測定時に白色光源からのプローブ光を分光して試料に入射する分光器と、
発光スペクトル測定時に前記の分光器から出射された光を検出し電気信号に変換する第１検出器と、
反射スペクトル測定時に励起光源により外部変調光が照射され前記の分光器により分光されたプローブ光が入射された前記の試料からの反射光を検出し電気信号に変換する第２検出器と、
発光スペクトル測定時に前記の分光器からの光を第１検出器の方に導き、反射スペクトル測定時に白色光源からの光を前記の分光器の方に導く光軸切り替え部材と、
反射スペクトル測定時に前記の光軸切り替え部材に白色光源からの光を前記の分光器の方に導かせて、第１検出器により検出された電気信号を収集し、発光スペクトル測定時に前記の光軸切り替え部材に前記の分光器からの光を第１検出器の方に導かせて、第２検出器により検出された電気信号を収集する制御器と
を備える半導体多層膜の分光計測装置。
前記の制御器は、さらに、第２検出器からの電気信号を基に変調反射率のフォトンエネルギー依存性を計算し記録することを特徴とする請求項１に記載された分光計測装置。
前記の励起光源は、周期的な断続光に変換する変調器を備え、さらに、断続光の位相に合わせて前記の第１または第２の検出器からの電気信号を増幅するロックインアンプを備えることを特徴とする請求項１または２に記載された分光計測装置。
半導体多層膜の試料に励起光を照射し、試料からの発光を分光器を通過させて検出し、分光器を掃引して、検出された発光強度をフォトンエネルギーの関数として記録し、
白色光を前記の分光器に入射し、分光器から出射された単色光を前記の試料に入射し、外部変調光を前記の試料に照射した状態で、分光器を掃引して、試料からの反射光を検出し、
検出された反射スペクトルをフォトンエネルギーの関数として記録する
半導体多層膜の分光計測方法。
さらに、
検出された反射スペクトルより、反射率変化のフォトンエネルギー依存性を計算し、その振動パターンの極値から次式
【数式１】

（ここで、Ｅ_ｍは振動パターンのｍ番目の極値のエネルギーであり、Ｅ_０，ｎは半導体多層膜のｎ番目の層のバンドギャップエネルギーであり、Ｆ_ｎはｎ番目の層の電界強度であり、ｅは素電荷であり、μ_ｎはｎ番目の層の電子・正孔換算質量であり、δ_ｎは次式
【数式２】

で与えられる量であり、ここでｋ_ｊとｄ_ｊはｊ番目の層における光の波数および膜厚であり、θ_ｊはｊ番目の層における屈折角である）により電場強度Ｆと膜厚ｄを求めることを特徴とする請求項４に記載された分光計測方法。