JP2946879B2 - Method for measuring carrier lifetime of semiconductor wafer - Google Patents

Method for measuring carrier lifetime of semiconductor wafer

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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は半導体ウェーハに於ける
キャリアのライフタイム測定方法に関し、特にマイクロ
波を用いた光導電減衰法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for measuring a carrier lifetime in a semiconductor wafer, and more particularly to a photoconductive decay method using microwaves.

【0002】[0002]

【従来の技術】図3は従来の半導体ウェーハのライフタ
イム測定方法を示す概略図である。一般にライフタイム
の測定は熱平衡状態の半導体ウェーハに光励起により過
剰キャリアを注入し、過剰キャリア濃度の変化をコンダ
クタンスの変化としてとらえ、マイクロ波の透過量或い
は反射量の時間的変化を検出することにより行われる。
2. Description of the Related Art FIG. 3 is a schematic view showing a conventional method for measuring the lifetime of a semiconductor wafer. Generally, the lifetime is measured by injecting excess carriers into the semiconductor wafer in a thermal equilibrium state by photoexcitation, treating the change in excess carrier concentration as a change in conductance, and detecting the temporal change in the amount of microwave transmission or reflection. Will be

【0003】図3を用いて詳細に説明すると、ガンダイ
オード7から発生したマイクロ波はサーキュレータ6を
介して導波管5を経て、測定ステージ13に設置した半
導体ウェーハ1に定常的に照射され、その反射波はサー
キュレータ6を介して検出器9に到達している。次に半
導体ウェーハ1の表面にパルス駆動のレーザダイオード
8を光源として局所的にレーザ光を注入する。レーザ光
の波長は例えばシリコンの場合904nm程度を用い、
半導体表面近傍の深さ30μm程度の領域に過剰キャリ
アを励起する。尚、半導体ウェーハ1の表面には表面再
結合速度を抑制するため熱酸化膜を形成している。過剰
キャリアは時間経過とともにバルク或いは表面へ拡散
し、不純物,結晶欠陥,表面準位等による再結合中心を
媒介として再結合して消滅し、キャリア濃度は熱平衡状
態に近づく。半導体ウェーハ1から反射しているマイク
ロ波の出力がコンダクタンスに依存することを利用し
て、マイクロ波の反射出力の変化を検出することにより
光励起直後からの過剰キャリア濃度の変化をとらえて実
効的なライフタイムを求めている。具体的にはマイクロ
波の反射出力Rの減衰過程は基本的に R=(RMAX −R0 )exp(−t/tr )+R0 MAX :光励起直後の反射出力のピーク値,R0 :光励
起前の反射出力の定常値、t:経過時間 で表わされ、 R=(RMAX −R0 )/e+R0 となる時間、つまりt=tr をライフタイムと定義して
いる。このマイクロ波の反射出力は検出器9てに電気信
号に変換された後アンプ10にて増幅され、CPU11
にてデータ処理される。
[0003] Referring to FIG.
Microwaves generated from the Aether 7 pass through the circulator 6
Via the waveguide 5 through the half-mounted on the measurement stage 13
The conductor wafer 1 is constantly irradiated, and the reflected wave is
The light reaches the detector 9 via the curator 6. Next half
Pulsed laser diode on the surface of the conductor wafer 1
Laser light is locally injected using 8 as a light source. Laser light
Is about 904 nm for silicon, for example.
Excess carry in the area of about 30μm depth near the semiconductor surface
Excites Incidentally, the surface of the semiconductor wafer 1 is
A thermal oxide film is formed to suppress the bonding speed. excess
Carriers diffuse to bulk or surface over time
And recombination centers due to impurities, crystal defects, surface levels, etc.
Disappears by recombination as a mediator, carrier concentration is in thermal equilibrium
Approach the state. Microphone reflecting from semiconductor wafer 1
Utilizing the fact that the output of the wave depends on the conductance
By detecting changes in the reflected power of microwaves,
The change in excess carrier concentration immediately after photoexcitation
Seeking an effective lifetime. Specifically, micro
The attenuation process of the wave reflection output R is basically R = (RMAX-R0) Exp (-t / tr) + R0  RMAX: Peak value of reflection output immediately after light excitation, R0: Koen
Steady-state value of the reflection output before occurrence, represented by t: elapsed time, R = (RMAX-R0) / E + R0  Time, that is, t = trIs defined as the lifetime
I have. The reflected output of the microwave is transmitted to the detector 9 as an electric signal.
After being converted into a signal, the signal is amplified by the amplifier 10 and the CPU 11
The data is processed by.

【0004】一般に上述したライフタイム測定方法は、
半導体装置工程に於ける重金属汚染評価等に用いられて
いる。
[0004] In general, the above-described lifetime measurement method includes:
It is used for heavy metal contamination evaluation in semiconductor device processes.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この従
来の半導体ウェーハに於けるキャリアのライフタイム測
定方法では、半導体表面近傍に過剰キャリアを励起する
ため、光照射後、特に初期時に光照射面側の表面再結合
の影響を強く受けやすく、例えば半導体表面に自然酸化
膜或いは熱酸化膜が形成された状態で測定を行うとバル
クのライフタイムと実効的に求めたライフタイムとで相
関がとれない場合が生じるという問題があった。
However, in this conventional method for measuring the lifetime of carriers in a semiconductor wafer, excess carriers are excited near the semiconductor surface. It is easily affected by surface recombination.For example, when measurement is performed with a natural oxide film or thermal oxide film formed on the semiconductor surface, there is no correlation between the lifetime of the bulk and the lifetime obtained effectively. There was a problem that occurs.

【0006】例えば、自然酸化膜が形成された状態で測
定すると、シリコンの場合1012cm-2程度の界面準位
が存在し、表面再結合速度が著しく速く実効的に求めた
ライフタイムはバルクのライフタイムよりはるかに短い
値となり、バルクの再結合中心濃度が異なるウェーハの
間で比較した場合でも見かけ上ライフタイムに有意差が
生じにくく、重金属等の汚染評価は不可能であった。そ
こで表面再結合速度を抑制するために熱酸化膜を形成す
ることが一般的に行われているが熱酸化膜を形成した状
態で測定すると、熱酸化膜中の電荷の変化や熱酸化膜と
半導体基板との界面の状態等の変化を受け易すく、バル
クのライフタイムに影響を与えない不純物によっても見
かけ上ライフタイムが変化することや、熱酸化膜を形成
する時の熱処理条件等に依存することなどが有り、重金
属等の汚染評価を行う上で障害となることがあった。
For example, when measurement is performed in a state where a natural oxide film is formed, in the case of silicon, an interface state of about 10 12 cm −2 is present, and the surface recombination speed is extremely high. Is much shorter than the lifetime, and even when compared between wafers having different bulk recombination center concentrations, an apparently significant difference in lifetime is unlikely to occur, making it impossible to evaluate contamination of heavy metals and the like. Therefore, it is common practice to form a thermal oxide film to suppress the surface recombination rate.However, when the measurement is performed with the thermal oxide film formed, the change in the charge in the thermal oxide film and the thermal oxide film It is susceptible to changes in the state of the interface with the semiconductor substrate, etc., depending on impurities that do not affect the bulk lifetime, apparently changing the lifetime, and depending on the heat treatment conditions when forming the thermal oxide film In some cases, which sometimes hinders the evaluation of contamination of heavy metals and the like.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明の半導体ウェーハ
に於けるキャリアのライフタイム測定方法は、半導体ウ
ェーハをフッ化水素散雰囲気中に置き、熱酸化膜等をエ
ッチング除去し、且つ自然酸化膜の成長を抑制する工程
と過剰キャリアを励起する工程とを有する。
According to the method of measuring the lifetime of a carrier in a semiconductor wafer according to the present invention, the semiconductor wafer is placed in a hydrogen fluoride diffusion atmosphere, a thermal oxide film or the like is removed by etching, and a natural oxide film is removed. And a step of exciting excess carriers.

【0008】[0008]

【実施例】次に本発明について図面を参照して説明す
る。図1は本発明の第1の実施例を示すブロック図であ
る。まずシリコンウェーハ1をサファイヤガラス3とS
iC4により構成された反応チャンバー内に設置する。
尚、シリコンウェーハ1の表面状態として自然酸化膜,
熱酸化膜,CVD酸化膜,CVD窒化膜などの場合適用
が可能である。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Next, the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of the present invention. First, a silicon wafer 1 is sapphire glass 3 and S
It is installed in a reaction chamber constituted by iC4.
The surface state of the silicon wafer 1 is a natural oxide film,
The present invention is applicable to a thermal oxide film, a CVD oxide film, a CVD nitride film, and the like.

【0009】次にシリコンウェーハ1の設置された反応
チャンバー内に蒸気状フッ化水素酸(以下HF蒸気と略
す)2を充満させる。HF蒸気2は例えばHFを沸点以
上に加熱し不活性ガスにより運搬する。このHF蒸気2
によりシリコンウェーハ1の表面に形成された酸化膜或
いは窒化膜をエッチング除去し、シリコンウェーハ1の
表面に自然酸化膜が形成されない状態を維持する。
Next, the reaction chamber in which the silicon wafer 1 is installed is filled with vaporous hydrofluoric acid (hereinafter abbreviated as HF vapor) 2. The HF vapor 2 heats HF to, for example, a boiling point or higher and transports the HF by an inert gas. This HF vapor 2
By this, the oxide film or the nitride film formed on the surface of the silicon wafer 1 is removed by etching, and the state where the natural oxide film is not formed on the surface of the silicon wafer 1 is maintained.

【0010】以下は従来例と同様で、先ずガンダイオー
ド7よりサーキュレータ6,導波管5を介してサファイ
ヤガラス3を通してマイクロ波がシリコンウェーハ1に
定常的に照射されている。又シリコンウェーハ1からの
反射波は導波管5,サーキュレータ6を介して検出器9
に到達し、電気信号に変換される。この電気信号はアン
プ10で増幅され、必要時にCPU11にてデータ処理
される。
The following is the same as in the conventional example. First, the silicon wafer 1 is constantly irradiated with microwaves from the gun diode 7 through the circulator 6 and the waveguide 5 through the sapphire glass 3. The reflected wave from the silicon wafer 1 is transmitted through a waveguide 5 and a circulator 6 to a detector 9.
And is converted into an electric signal. This electric signal is amplified by the amplifier 10 and processed by the CPU 11 when necessary.

【0011】次にシリコンウェーハ1の表面にパルス駆
動のレーザダイオード8を光源として局所的にレーザ光
を照射し、シリコンウェーハ1の表面近傍すなわち表面
から約30μmの領域に過剰キャリアを励起する。励起
された過剰キャリアは拡散し、再結合中心を媒介として
消滅していく。過剰キャリアの濃度の変化をコンダクタ
ンスの変化としてシリコンウェーハ1からのマイクロ波
の反射出力の変化を検出する。つまり反射出力の変化を
電気信号に変換した後アンプ10で増幅しCPU11で
処理することにより実効的なライフタイムを求める。
Next, the surface of the silicon wafer 1 is locally irradiated with laser light using a pulse-driven laser diode 8 as a light source, thereby exciting excess carriers in the vicinity of the surface of the silicon wafer 1, that is, in a region of about 30 μm from the surface. Excited excess carriers diffuse and disappear via the recombination centers. A change in the reflected output of microwaves from the silicon wafer 1 is detected by using a change in the concentration of excess carriers as a change in conductance. That is, the change in the reflected output is converted into an electric signal, then amplified by the amplifier 10 and processed by the CPU 11 to obtain an effective lifetime.

【0012】本実施例に於いてはシリコンウェーハ1の
表面の酸化膜等をエッチング除去し、且つ自然酸化膜が
成長することを抑制し、シリコン結晶が露出した状態で
光励起を行っているので界面準位或いは表面電荷の発生
を防ぐことができ、従来例での問題点であった熱酸化膜
中の電荷の変化や熱酸化膜と半導体基板との界面の状態
の変化の影響を受けることが一切なく、バルク中の再結
合中心濃度に依存したライフタイムを得ることができる
という利点を有する。
In this embodiment, the oxide film and the like on the surface of the silicon wafer 1 are removed by etching, the growth of a natural oxide film is suppressed, and photoexcitation is performed in a state where the silicon crystal is exposed. This prevents the generation of levels or surface charges, and is affected by changes in the charge in the thermal oxide film and changes in the state of the interface between the thermal oxide film and the semiconductor substrate, which were problems in the conventional example. There is no advantage that a lifetime depending on the concentration of recombination centers in the bulk can be obtained.

【0013】図2は本発明の第2の実施例を示す要部断
面図である。第1の実施例と異なる点は、エッチング材
として水溶液状のHF12を用いている点である。本実
施例によれば、半導体表面がより安定した状態を得られ
ること、エッチング速度の制御が広い範囲で可能である
ことや、場合によりNH3 を混合し、シリコンウェーハ
表面をエッチングしながらライフタイムを測定すること
が可能で、深さ方向の情報も得られるという利点を有す
る。又、測定装置も簡略な構造で構成することが可能で
あるという利点も有する。
FIG. 2 is a sectional view showing a main part of a second embodiment of the present invention. The difference from the first embodiment is that HF12 in the form of an aqueous solution is used as an etching material. According to the present embodiment, a more stable state of the semiconductor surface can be obtained, the control of the etching rate can be performed in a wide range, and, if necessary, NH 3 may be mixed to etch the silicon wafer surface while the lifetime is increased. Can be measured, and information in the depth direction can be obtained. Also, there is an advantage that the measuring device can be configured with a simple structure.

【0014】[0014]

【発明の効果】以上説明したように本発明は半導体ウェ
ーハをフッ化水素酸中に置き表面に形成された熱酸化膜
等をエッチング除去するとともに、自然酸化膜の成長を
抑制しているので、界面準位及び表面電荷の発生を防ぐ
ことができる。ゆえに、この状態で光励起を行っている
ので表面再結合の影響を受けることがなくバルク中の再
結合中心濃度に依存したライフタイムを得ることができ
るという効果を有する。
As described above, according to the present invention, the semiconductor wafer is placed in hydrofluoric acid to remove the thermal oxide film and the like formed on the surface by etching and to suppress the growth of the natural oxide film. Generation of interface states and surface charges can be prevented. Therefore, since photoexcitation is performed in this state, there is an effect that a lifetime depending on the concentration of the recombination center in the bulk can be obtained without being affected by surface recombination.

【0015】具体的に図4に本発明による効果を示す。
バルクのライフタイムを全て共通の半導体ウェーハを用
いているにもかかわらず、従来例では熱酸化膜形成時に
界面準位が変化すると得られるライフタイムには影響が
出ている。尚、自然酸化膜のみでは更にライフタイムの
低下が著しい。それに対し本実施例によれば表面状態の
影響を受けずに一定のライフタイムを得ることができて
いる。
FIG. 4 specifically shows the effect of the present invention.
In spite of the fact that a common semiconductor wafer is used for all of the bulk lifetimes, in the conventional example, if the interface state changes during the formation of the thermal oxide film, the obtained lifetime is affected. In addition, the life time is remarkably further reduced only by the natural oxide film. In contrast, according to the present embodiment, a constant lifetime can be obtained without being affected by the surface condition.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1の実施例を示すブロック図。FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の第2の実施例を示す要部断面図。FIG. 2 is a sectional view of a main part showing a second embodiment of the present invention.

【図3】従来の実施例を示すブロック図。FIG. 3 is a block diagram showing a conventional example.

【図4】本発明による効果を示すグラフ。FIG. 4 is a graph showing the effect of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 シリコンウェーハ 2 HF蒸気 3 サファイヤガラス 4 SiC 5 導波管 6 サーキュレータ 7 ガンダイオード 8 レーザダイオード 9 検出器 10 アンプ 11 CPU 12 HF水溶液 13 測定ステージ Reference Signs List 1 silicon wafer 2 HF vapor 3 sapphire glass 4 SiC 5 waveguide 6 circulator 7 gun diode 8 laser diode 9 detector 10 amplifier 11 CPU 12 HF aqueous solution 13 measurement stage

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 熱平衡状態の半導体ウェーハの表面近傍
に光励起により過剰キャリアを注入し、過剰キャリア濃
度の減衰過程をコンダクタンスの変化としてとらえて、
マイクロ波の透過量或いは反射量の時間的変化を検出す
る半導体ウェーハのキャリアのライフタイム測定方法に
於いて、半導体ウェーハをフッ化水素酸化雰囲気中に置
いた状態で光励起を行いライフタイムを測定することを
特徴とする半導体ウェーハのキャリアのライフタイム測
定方法。
1. Excessive carriers are injected by photoexcitation near the surface of a semiconductor wafer in a thermal equilibrium state, and a process of decay of excess carrier concentration is taken as a change in conductance.
In the method of measuring the lifetime of a carrier of a semiconductor wafer, which detects a temporal change in the amount of transmission or reflection of microwaves, the lifetime is measured by photoexcitation while the semiconductor wafer is placed in a hydrogen fluoride oxidizing atmosphere. A method for measuring a carrier lifetime of a semiconductor wafer.
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