JP2007027288A - 半導体キャリア寿命測定用装置,半導体キャリア寿命測定方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 測定波からその強度に応じた電流信号を生成するマイクロ波検出器8と,その生成信号から測定波の強度変化を表す電流信号を生成するCR回路9と,その生成信号の電流値に応じた量の電荷をコンデンサ10bに蓄積することにより,そのコンデンサ10bにより生じる電圧信号(CR回路9の生成信号の積分信号)を生成し,半導体2における励起キャリアの寿命測定用信号として出力する電荷増幅回路10とを具備する。
【選択図】図1
Description
ここで,キャリア濃度の高い低抵抗の半導体や低抵抗基板を有するエピタキシャルウェハ,或いは非常にライフタイムが短い半導体材料では,光励起による反射マイクロ波の変化が小さいため,その観測波形から感度よく(正確に)ライフタイムを算出するためには,観測波形の信号対ノイズ比(S/N比)を高める必要がある。このため,従来,反射マイクロ波のS/N比を高めるために,前記励起光の強度を高めることによって反射マイクロ波の信号強度(変化の大きさ)を高めることや,反射マイクロ波の信号を加算平均化処理することによってノイズ低減を図る等のS/N比向上対策がとられていた。
また,特許文献2には,ライフタイム測定において,マイクロ波強度の検出値の変化の最大値により半導体の特性を評価する手法について示されている。
一方,マイクロ波強度変化の最大値やその変化が最大となる時間を測定する従来のライフタイム測定において,上記のような非常に短い時間帯に生じるマイクロ波の変化をも捉えてライフタイム測定を行うためには,信号処理系において,マイクロ波強度を少なくともその変化の時間帯の10分の1程度以下の周期で検出できる高い時間分解能(サンプリング周期)を備えるとともに,そのような高周波数帯域を含む広帯域に対応したマイクロ波検出手段やA/D変換手段が必要となる。
しかしながら,広帯域の信号(ライフタイムが短く変化が速い信号からライフタイムが長く変化速度が遅い信号まで)に対応したマイクロ波検出手段やA/D変換手段を用いた測定では,周波数帯域の広さ故に必然的にノイズ(熱雑音,増幅器発生ノイズ等)が大きくなり,測定精度が悪化するという問題点があった。例えば,信号の立ち上がりから立ち下がりまでのパルス幅が10ns程度である場合,100MHz程度の周波数帯域に対応した信号検出器及びアンプが必要となる。
また,ノイズ低減のためにマイクロ波信号を加算平均化処理する場合,測定時間が長くなり測定効率を悪化させるという問題点があった。
さらに,時間分解能の高いA/D変換手段を用いる場合,そのような機器は一般に高価であるため装置の高コスト化を招くという問題点もあった。
従って,本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり,その目的とするところは,パルス光により励起された半導体に照射した電磁波の反射波若しくは透過波(測定波)に基づいて半導体のキャリア寿命測定を行う場合に,励起キャリアのライフタイムが短い半導体を測定する際にも,測定時間の増大や高コスト化をもたらすことなく高精度で測定できる半導体キャリア寿命測定用装置及び半導体キャリア寿命測定方法を提供することにある。
パルス光により励起された半導体において,結晶中や表面,界面での再結合が遅い場合には,励起キャリアが多く発生している状態が長く続くため,パルス光照射による前記測定波強度の変化量は大きく,変化している時間が長い。一方,再結合が早い場合には,励起キャリアの発生量は少なく,発生している時間帯も短いため,パルス光照射による前記測定波強度の変化量は小さく,変化している時間も短い。従って,前記測定波の強度変化信号を積分した信号は,前記測定波の変化量と変化している時間との両方が反映された信号となり,励起キャリアのライフタイムを高感度(高分解能)で表す指標となる。
しかも,前記積分信号においては,前記測定波の強度変化検出の際に生じる一時的なノイズの影響は小さくなるため,高精度で励起キャリアのライフタイムを測定することができる。
さらに,ノイズ低減のための加算平均化処理を行ったり,前記測定波の強度のピーク値(最大値)やその変化が最大となる時間を検出するための高い時間分解能を備えたA/D変換手段を設ける必要がなく,測定時間の増大や装置の高コスト化をもたらすこともない。
この場合,前記測定波からその強度に応じた電流信号を生成する検波手段と,その検波手段の生成信号にハイパスフィルタ処理を施すことにより前記測定波の強度変化を表す電流信号を生成するハイパスフィルタ手段とを備えた前記電磁波強度変化検出手段とすることが考えられる。
また,前記信号積分手段としては,前記電磁波強度変化検出手段の出力信号の電流をコンデンサに蓄積し,そのコンデンサにより生じる電圧信号を前記積分信号とするものが考えられる。
以上のような構成により,高い時間分可能を備えたA/D変換手段を要しないアナログ系のごくシンプルな装置(回路)構成によって,励起キャリアのライフタイムを高感度かつ高精度で表す前記積分信号,即ち,励起キャリアの寿命測定用信号を生成することができる。
即ち,パルス光により励起された半導体に照射した電磁波の反射波若しくは透過波である測定波に基づいてその半導体における励起キャリアの寿命を測定する半導体キャリア寿命測定方法であって,前記測定波に基づいてその強度変化を表す信号を生成する電磁波強度変化検出手段により得られる信号からその積分信号を検出し,その積分信号に基づいて前記半導体における励起キャリアの寿命測定を行う方法である。
これにより,前記積分信号(前記励起キャリアの寿命測定用信号)は,前述したように励起キャリアのライフタイムを高感度かつ高精度で表す信号となるので,これをA/D変換して処理する等により,高感度かつ高精度で半導体における励起キャリアの寿命測定が可能となる。
さらにこの場合,前記半導体が複数回の前記パルス光の照射により励起される間における前記積分信号を検出し,その積分信号に基づいて前記半導体における励起キャリアの寿命測定を行えばなお好適である。
これにより,前記積分信号は,複数回の励起分についてさらに積算されるため,前記測定光の微小な変化についてもより高感度で測定することができる。
また,前記測定波の強度変化を表す電流信号を生成し,その生成信号の電流による電荷量の検出信号を前記積分信号とする構成を採用すれば,ごくシンプルな構成の測定用装置を具現することができる。
ここに,図1は本発明の実施形態に係る半導体キャリア寿命測定用装置Xの概略構成図,図2は半導体キャリア寿命測定用装置Xにより出力される測定用信号及び従来の測定装置により出力される測定用信号のトレンドグラフの一例,図3は半導体キャリア寿命測定用装置Xにおいて複数回のパルス光照射を行った際に得られる測定用信号のトレンドグラフの模式図である。
まず,図1を用いてキャリア測定用装置Xの構成について説明する。
図1に示すように,キャリア測定用装置Xは,パルスレーザ1,電磁波発振器3,サーキュレータ4,導波管5,E−Hチューナ6,導波管アンテナ7,マイクロ波検出器8,ハイパスフィルタ回路9及び電荷増幅回路10を備えている。
前記導波管アンテナ7は,その先端開口部が試料2に近接配置され,E−Hチューナ6を経由してくるマイクロ波(電磁波)を,シリコンウェハ等の半導体である試料2へ導くとともに,その試料2に反射したマイクロ波を再びE−Hチューナ6に導く導波管である。
前記パルスレーザ1は,試料2に励起用パルス光を照射する光源であり,その出射パルス光は,微小開口(不図示)から導波管アンテナ7内に入り,これを通過して試料2に照射される。このパルスレーザ1は,例えば,波長523nm,パルス幅10ns程度のパルス光を出力するものである。
前記電磁波発振器3は,パルス光により励起された試料2に照射する電磁波であるマイクロ波を出力するものである。例えば,周波数10GHzのガンダイオード等を採用することができる。
そして,試料2に反射したマイクロ波(以下,測定波という)は,今度は導波管アンテナ7→E−Hチューナ6→導波管5と経由してサーキュレータ4に到達し,さらに,このサーキュレータ4によりマイクロ波検出器8に伝送される。
前記マイクロ波検出器8は,前記測定波を入力し,その測定波の強度に応じた電流信号,即ち,測定波の強度に応じた電流値を示す電気信号を生成して出力する(電流信号に変換する)検波器(検波手段の一例)である。
このマイクロ波検出器8としては,例えば,ショットキーバリアダイオードを用いることができる。ここで,このショットキーバリアダイオードの接点にかかるマイクロ波の電圧をVmとすると,その接点を流れる電流iは,次の(1)式で近似できる。
i≒aVm+bVm2 …(1)
ここで,a,bは,ショットキーバリアダイオードの特性定数である。また,このショットキーバリアダイオードによる検波信号(電流信号)の電流I(直流電流)は,次の(2)式で近似できる。
I≒bVm2 …(2)
この検波電流Iは,入力された前記測定波の強度(パワー)にほぼ比例する。
この電荷増幅回路10(チャージアンプ)は,オペアンプ10aと,その負帰還ラインに設けられるコンデンサ10bと,そのコンデンサ10bと並列接続された抵抗素子10cとを備えた回路である。
前記ハイパスフィルタ回路9(電磁波強度変化検出手段の一例)からの電流信号がこの電荷増幅回路10に入力されることにより,その電流値Iに応じた量の電荷がコンデンサ10bに蓄積され,このコンデンサ10bにより生じる電圧信号がその出力端に生成される。
ここで,コンデンサ10bの容量をCfとすると,電荷増幅回路10の出力電圧Voは,次の(3)式により表される。
Vo=∫Idt/Cf …(3)
ここで,電荷増幅回路10におけるコンデンサ10bの容量は,測定対象とする試料2の種類や励起に用いるパルス光の強度等によもるが,例えば2pF程度とすることが考えられる。
このように,電荷増幅回路10により,前記ハイパスフィルタ回路9の生成信号からその積分信号(電圧Vo)が生成される(信号積分手段の一例)。本キャリア測定用装置Xでは,この積分信号が,試料2(半導体)における励起キャリアの寿命測定用信号(以下,測定用信号という)として出力される。この測定用信号(積分信号)は,前記測定波の変化量と変化している時間との両方が反映された信号となり,その電圧レベルが励起キャリアのライフタイムを高感度かつ高精度で表す指標となる。また,そのような高感度かつ高精度の指標となる測定用信号の出力装置を,ごくシンプルなアナログ系回路を主とした回路構成によって実現できる。
なお,抵抗素子10cは,パルス光照射が繰り返された場合に,コンデンサ10bへの電荷の蓄積が飽和すること,即ち,積分信号が飽和することを防止する放電用の抵抗素子である。例えば,1GΩ程度の抵抗素子を用いる。
図2に示すように,従来の測定装置では,広帯域測定が必要となるために測定信号(電圧Vo’)のS/N比が低い。
一方,キャリア測定用装置Xにおける測定信号(電圧Vo)は,前記マイクロ波検出器8による検出電流の変化の積分信号であるため,広帯域測定が不要となり,従来に比べてS/N比が極めて高いことがわかる。
さらに,キャリア測定用装置Xにおける測定信号(積分信号)のレベル(電圧Vo)は,前記マイクロ波検出器8の検出電流の変化の大きさ及びその変化の継続時間の両方が反映されるものであるため,前記測定波強度の変化に対するVoの変化が大きく,励起キャリアのライフタイムを高感度で表す指標となることがわかる。
このようにして得られる測定信号の電圧Voを,A/D変換器を通じて計算機等の信号処理装置に取り込んで処理することにより,半導体試料の結晶性を高感度で評価することができる。
この場合に用いるA/D変換器の時間分解能(サンプリング周期)は,例えば,幅10ns程度のパルス波形に対し,A/D変換器の時間分解能は100ns程度で十分である。
図3に示す例は,試料2(半導体)が4回(複数回)のパルス光の照射により励起される間における前記測定用信号(積分信号,電圧Vo)を検出し,その測定用信号の電圧Voを表す。この測定用信号をA/D変換器を通じて計算機等の処理装置に取り込み,その信号レベルに基づいて試料2における励起キャリアの寿命測定を行えば,測定用信号のレベルは,複数回の励起分についてさらに積算されたものとなるため,前記測定光の微小な変化についてもより高感度で測定することができる。
また,その測定波の強度変化の信号からその積分信号を生成する手段として,前記電荷増幅回路10(チャージアンプ)を用いる例を示したが,同様の積分信号を生成できるものであれば,他の装置構成であってもかまわない。
1…パルスレーザ
2…試料(半導体)
3…電磁波発振器
4…サーキュレータ
5…導波管
6…E−Hチューナ
7…導波管アンテナ
8…マイクロ波検出器
9…ハイパスフィルタ回路
10…電荷増幅回路
Claims (5)
- パルス光により励起された半導体に照射した電磁波の反射波若しくは透過波である測定波に基づいて,前記半導体における励起キャリアの寿命測定用信号を出力する半導体キャリア寿命測定用装置であって,
前記測定波に基づいてその強度変化を表す信号を生成する電磁波強度変化検出手段と,
前記電磁波強度変化検出手段の生成信号からその積分信号を生成して前記半導体における励起キャリアの寿命測定用信号として出力する信号積分手段と,
を具備してなることを特徴とする半導体キャリア寿命測定用装置。 - 前記電磁波強度変化検出手段が,前記測定波の強度変化を表す電流信号を生成し,
前記信号積分手段が,前記電磁波強度変化検出手段の生成信号の電流による電荷量の検出信号を前記積分信号として出力するものである請求項1に記載の半導体キャリア寿命測定用装置。 - 前記信号積分手段が,前記電磁波強度変化検出手段の出力信号の電流をコンデンサに蓄積し,該コンデンサにより生じる電圧信号を前記積分信号とするものである請求項2に記載の半導体キャリア寿命測定用装置。
- パルス光により励起された半導体に照射した電磁波の反射波若しくは透過波である測定波に基づいて前記半導体における励起キャリアの寿命を測定する半導体キャリア寿命測定方法であって,
前記測定波に基づいてその強度変化を表す信号を生成する電磁波強度変化検出手段により得られる信号からその積分信号を検出し,該積分信号に基づいて前記半導体における励起キャリアの寿命測定を行うことを特徴とする半導体キャリア寿命測定方法。 - 前記半導体が複数回の前記パルス光の照射により励起される間における前記積分信号を検出し,該積分信号に基づいて前記半導体における励起キャリアの寿命測定を行うものである請求項4に記載の半導体キャリア寿命測定方法。
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