JP3121938B2 - 半導体ウエハの少数キャリアのライフタイム測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体ウエハの少数キャ
リアのライフタイム測定装置に係り，詳しくは半導体ウ
エハの品質管理に用いられる半導体ウエハの少数キャリ
アのライフタイム測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来例】近年の超ＬＳＩに代表される半導体デバイス
の超精密化傾向に伴い，そこに使用される半導体ウエハ
はより厳しい品質管理が要求されるようになった。この
管理のためには半導体ウエハの汚染や損傷のおそれのな
い非接触式の評価方法が望ましく，その一例としてマイ
クロ波による半導体特性測定方法が公知である（特公昭
６１−６０５７６）。図８は従来の半導体特性測定装置
の一例Ａ０における概略回路構成を示す模式図，図９は
半導体特性測定装置Ａ０による測定結果を示すグラフで
ある。図８に示す如く，従来の半導体特性測定装置Ａ０
は，試料保持台兼搬送機構１７と，試料保持台兼搬送機
構１７に支持搬送された試料７（半導体ウエハ）の表面
に光パルスを照射する光パルス発生器９と，試料７の表
面に放射するマイクロ波を発生させるガン発振器１と，
ガン発振器１から放射されるマイクロ波を調整するイン
ピーダンス整合器４１，Ｅ−Ｈチューナ４２，４４，マ
ジックＴ３及び無反射終端４３からなる調整機構４６
と，調整機構４６で調整されたマイクロ波を試料７の表
面に放射する導波管１１と，試料７の表面で反射された
マイクロ波を導波管１１及び調整機構４６を再び経過さ
せて検出する検波器４５と，検波器４５により検出され
たマイクロ波の変化を表示するシンクロスコープ１３と
から構成されている。

【０００３】以下，測定原理を説明する。試料７には光
パルス発生器９から照射された光パルスにより自由電子
−正孔対であるキャリアが励起される。このキャリアは
試料７の熱平衡状態でのキャリア濃度よりも過剰なもの
であり，キャリア濃度を上昇させる。そして，光の照射
が中断される光パルスと光パルスとの間に過剰なキャリ
アが再結合して次第に消滅し，キャリア濃度を低下させ
る。このようなキャリア濃度の変化は少数キャリア側に
おいて著しく，その変化により試料７の電気伝導度（比
抵抗）を変化させるため，試料７に入射されたマイクロ
波はレベル変化等を生じる。変化を生じたマイクロ波は
反射波となって導波管１１及び調整機構４６を通り検波
器４５に伝達される。ここで検出されたマイクロ波の反
射波はシンクロスコープ１３により減衰曲線として表示
される。この減衰曲線から試料７の少数キャリアのライ
フタイムを測定することができる。試料７である半導体
ウエハの少数キャリアのライフタイム測定においては，
精度向上や測定時間の短縮を目的として，ウエハ厚やウ
エハ振動の影響を受けずに測定する必要がある。即ち，
マイクロ波の放射端である導波管１１の開口端６と試料
７との間隔ｄに依存しない測定が望まれる。図９は上記
測定装置Ａ０を用いて，試料７であるシリコンの単結晶
ウエハ（Ｐ及びＮ型）の少数キャリアのライフタイムτ
を，導波管１１の開口端６と試料７との間隔ｄとの関係
において測定した結果である。図中，間隔ｄを変化させ
ても測定結果に殆ど影響がないことがわかる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記したような従来の
測定装置Ａ０では，導波管１１の開口端６と試料７との
間隔ｄに依存しない測定を行うために，調整機構４６の
Ｅ−Ｈチューナを２個用いて開口端６を有する導波管１
１からの不要反射を除去したり，試料７の比抵抗に依存
して変化する試料７からのマイクロ波の反射量を調整す
るなどの操作が必要となる場合がある。しかし，上記操
作で対応可能なもの以外に，開口端６と試料７との間で
の多重反射波や，試料７を通過したマイクロ波の支持台
１７による反射波が存在し，その量は試料７の比抵抗に
依存して変化する。したがって，図６に示されたような
２倍程度の比抵抗範囲では従来の測定装置Ａ０でも対応
可能であるが，広範囲の比抵抗をもつ半導体ウエハに対
しては開口端６と試料７との間隔ｄによらず一定の測定
結果を得ることが困難である。

【０００５】即ち，測定対象となる半導体ウエハの比抵
抗は，通常１〜１００Ωcmと広範囲であるので，半導体
ウエハからのマイクロ波振幅反射率は０．５〜１．０と
広範囲になる。光を照射した時に半導体ウエハに発生す
るキャリアにより変化するマイクロ波反射率は通常非常
に小さいので，ライフタイムを求める信号を高精度に捕
らえるために半導体ウエハに照射するマイクロ波電力は
通常数十ｍＷ以上とする必要がある。一方，検波器４５
への入力パワーは検波器４５に用いられる検波ダイード
が２乗特性を有する約０．１ｍＷ以下としないと，検波
ダイオードの非線形な効果のためライフタイム測定値に
誤差を生じる。上記従来の測定装置Ａ０のマイクロ波回
路構成では，広範囲な比抵抗を有する半導体ウエハに対
して上記検波ダイオード入力電力範囲を満足させること
は困難であった。また，半導体ウエハ固有のライフタイ
ムを高精度に測定するためには，照射する光量を少なく
し，発生させる少数キャリアを元来存在する多数キャリ
アに比べ十分少なくする必要がある。そのため半導体ウ
エハでのマイクロ波反射率変化は小さくなり，検波器４
５で得られるライフタイム測定信号は小さくなった。従
来装置Ａ０では，約１Ωcm以下の低比抵抗をもつ半導体
ウエハに対する測定は困難であった。本発明は，このよ
うな従来の技術における課題を解決するために，半導体
ウエハの少数キャリアのライフタイム測定装置を改良
し，広範囲の比抵抗を有する半導体ウエハに対して該ウ
エハとマイクロ波の放射端との間隔の影響を受けること
なく高精度に少数キャリアのライフタイムを測定できる
半導体ウエハの少数キャリアのライフタイム測定装置を
提供することを目的とするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に第１の発明は，半導体ウエハに励起光を照射する照射
手段と，上記半導体ウエハにマイクロ波を放射する放射
手段と，上記放射手段により放射されたマイクロ波の反
射波又は透過波を検出する検出手段と，上記検出手段に
より検出されるマイクロ波の変化に対応する上記半導体
ウエハの少数キャリアのライフタイムを測定する測定手
段とを備えた半導体ウエハの少数キャリアのライフタイ
ム測定装置において，上記放射手段により放射されたマ
イクロ波を二分割する分波手段と，上記分波手段により
二分割された一方のマイクロ波を上記半導体ウエハの上
記照射手段による励起光の照射部分に導く第１の導波手
段と，他方のマイクロ波を上記半導体ウエハの上記照射
手段による励起光の非照射部分に導きかつ上記第１の導
波手段とはマイクロ波の往復で半波長又は半波長と波長
の整数倍との和だけ異なる実効長を有する第２の導波手
段と，上記第１，第２の導波手段にそれぞれ入射される
マイクロ波の反射波又は透過波同士を干渉させる干渉手
段とを設け，上記干渉手段により干渉させたマイクロ波
の反射波又は透過波の変化を上記検出手段により検出し
てなることを特徴とする半導体ウエハの少数キャリアの
ライフタイム測定装置として構成される。更には，上記
検出手段を２つ設け，上記第１，第２の導波手段にそれ
ぞれ入射されるマイクロ波の反射波又は透過波の上記各
検出手段により検出される変化信号同士を比較する比較
手段が上記干渉手段である半導体ウエハの少数キャリア
のライフタイム測定装置である。

【０００７】また，第２の発明は，半導体ウエハに励起
光を照射する照射手段と，上記半導体ウエハにマイクロ
波を放射する放射手段と，上記放射手段により放射され
たマイクロ波の反射波又は透過波を検出する検出手段
と，上記検出手段により検出されるマイクロ波の変化に
対応する上記半導体ウエハの少数キャリアのライフタイ
ムを測定する測定手段とを備えた半導体ウエハの少数キ
ャリアのライフタイム測定装置において，上記放射手段
により放射されたマイクロ波を二分割すると共に，該二
分割されたマイクロ波の反射波又は透過波同士を電磁気
的に干渉させる分波干渉手段と，上記分波干渉手段によ
り二分割されたマイクロ波を同一実効長で導波する一対
の導波手段とを設け，上記一対の導波手段によりそれぞ
れ導波されたマイクロ波の上記半導体ウエハ上の放射部
分のいずれか一方に，上記照射手段により励起光を照射
した時の上記分波干渉手段により干渉させたマイクロ波
の反射波又は透過波の変化を上記検出手段により検出し
てなることを特徴とする半導体ウエハの少数キャリアの
ライフタイム測定装置として構成される。更には，上記
分波干渉手段と上記検出手段との間に，上記分波干渉手
段により干渉させたマイクロ波の反射波又は透過波の変
化を増幅する増幅手段を設けてなることを特徴とする半
導体ウエハの少数キャリアのライフタイム測定装置であ
る。更には，上記一対の導波手段のいずれか一方に当該
導波手段と同一形状の開口部を有する金属薄板を挿入す
ることにより上記両導波手段の実効長を一致させてなる
ことを特徴とする半導体ウエハの少数キャリアのライフ
タイム測定装置。更には，上記一対の導波手段のそれぞ
れに上記照射手段を設けると共に各照射手段により照射
される励起光の波長を互いに異ならせ，両照射手段を切
り替えて照射してなることを特徴とする半導体ウエハの
少数キャリアのライフタイム測定装置である。

【０００８】

【作用】第１の発明によれば，放射手段により放射され
たマイクロ波が分波手段により二分割される。上記分波
手段により二分割された一方のマイクロ波が，第１の導
波手段により半導体ウエハの照射手段による励起光の照
射部分に導かれてレベル変化を生じる。又，他方のマイ
クロ波が，上記第１の導波手段とはマイクロ波の往復で
半波長又は半波長と波長の整数倍との和だけ異なる実効
長を有する第２の導波手段により上記半導体ウエハの照
射手段による励起光の非照射部分に導かれるが，ここで
はレベル変化は生じない。そして，上記第１，第２の導
波手段に入射されるマイクロ波の反射波又は透過波同士
が干渉手段により干渉させられる。この干渉により，上
記励起光の照射によってレベル変化を生じたマイクロ波
の反射波又は透過波以外の不要な波は消滅除去される。
上記不要な波はマイクロ波の放射端と上記半導体ウエハ
との間での多重反射波や該半導体ウエハを通過したマイ
クロ波の支持台による反射波などであり，その量は半導
体ウエハの比抵抗や該ウエハとマイクロ波の放射端との
間隔に依存して変化するものである。そして，上記励起
光の照射によってレベル変化を生じたマイクロ波の反射
波又は透過波の変化分のみが検出手段により検出され
る。この変化分は上記半導体ウエハの少数キャリアのラ
イフタイムに対応するものであり，これを測定手段によ
り測定することにより上記半導体ウエハの少数キャリア
のライフタイムが求まる。その結果，広範囲の比抵抗を
有する半導体ウエハに対して該ウエハとマイクロ波の放
射端との間隔の影響を受けることなく高精度に少数キャ
リアのライフタイムを測定することができる。更に，上
記検出手段を２つ設け，上記第１，第２の導波手段にそ
れぞれ入射されるマイクロ波の反射波又は透過波が上記
各検出手段により検出される。そして，上記干渉手段に
代わる比較手段により，上記各検出手段による検出信号
が比較され，上記干渉手段による場合と同様の効果が得
られる。

【０００９】また，第２の発明によれば，放射手段によ
り放射されたマイクロ波を二分割すると共に，該二分割
されたマイクロ波の反射波又は透過波同士を電磁気的に
干渉させる分波干渉手段と，上記分波干渉手段により二
分割されたマイクロ波を同一実効長で導波する一対の導
波手段とが設けられる。そして，上記一対の導波手段に
よりそれぞれ導波されたマイクロ波の半導体ウエハ上の
放射部分のいずれか一方に照射手段により励起光を照射
すれば，この照射を受けた部分に放射されたマイクロ波
のみにレベル変化を生じる。この時，上記一対の導波手
段に入射されるマイクロ波の反射波は透過波同士を上記
分波干渉手段により電磁気的に干渉させることによっ
て，上記励起光の照射によりレベル変化を生じたマイク
ロ波の反射波又は透過波以外の不要な波は除去される。
即ち，第２の発明では，上記一対の導波手段は同一実効
長を有するため，それぞれの導波手段を経由して上記分
波干渉手段に入射されるマイクロ波の反射波又は透過波
は同一位相のものとなり，それぞれのレベルに応じた電
界を生じる。これらの電界の作用方向が全く逆方向とな
る出力側から取り出した出力波は，上記励起光の照射に
よるマイクロ波のレベル変化のみに比例したものとなる
ことから，上記不要な波を除去することができる。その
結果，上記第１の発明と同様，広範囲の比抵抗を有する
半導体ウエハに対して該ウエハとマイクロ波の放射端と
の間隔の影響を受けることなく高精度に少数キャリアの
ライフタイムを測定することができる。更に，上記分波
干渉手段と検出手段との間に，上記分波干渉手段により
干渉させたマイクロ波の反射波又は透過波の変化に対応
する上記出力波を増幅する増幅手段が設けられる。その
結果，微小な出力波の検出精度を向上させて，少数キャ
リアのライフタイムの測定精度を一層向上させることが
できる。更に，上記一対の導波手段のいずれか一方に，
当該導波手段と同一形状の開口部を有する金属薄板を挿
入することにより，上記導波手段の実効長が一致させら
れる。その結果，装置の加工精度があまり要求されずそ
の簡素化を図ることができる。更に，上記一対の導波手
段のそれぞれに上記照射手段を設けると共に，各照射手
段により照射される励起光の波長を互いに異ならせ，両
照射手段を切り替えて照射が行われる。その結果，励起
光の波長の異なるデータを用いて半導体ウエハの少数キ
ャリアのライフタイムを半導体ウエハ表面で生じる再結
合現象と分離して測定する時に照射手段を移動又は交換
する必要がなくなり，高速測定が可能となる。

【００１０】

【実施例】以下，添付図面を参照して本発明を具体化し
た実施例につき説明し，本発明の理解に供する。尚，以
下の実施例は，本発明を具体化した一例であって，本発
明の技術的範囲を限定する性格のものではない。ここ
に，図１は第１の発明の第１の実施例に係る半導体特性
測定装置Ａ１の概略回路構成を示す模式図，図２は第１
の発明の第２の実施例に係る半導体特性測定装置Ａ２の
概略回路構成を示す模式図及び部分拡大図，図３は第１
の発明の第３の実施例に係る半導体特性測定装置Ａ３の
概略回路構成を示す模式図，図４は半導体特性測定装置
Ａ２をストリップ線路に実装した場合を示す模式的斜視
図，図５は第２の発明の第１の実施例に係る半導体特性
測定装置Ａ４の概略回路構成を示す模式図，図６は半導
体特性測定装置Ａ４の主要構成部分の詳細図（ａ）〜
（ｄ），図７は第２の発明の第２の実施例に係る半導体
特性測定装置Ａ５のアンテナ廻りを示す模式図である。

【００１１】図１に示す如く，第１の発明の第１の実施
例に係る半導体特性測定装置Ａ１は，主として支持台１
７と，支持台１７に支持された試料７（半導体ウエハ）
の表面にレーザパルス光を照射するレーザ９（照射手段
に相当）と，試料７の表面に放射するマイクロ波を発生
させるマイクロ波発生器１（放射手段に相当）と，マイ
クロ波発生器１により放射されたマイクロ波を二分割す
る分波器２（分波手段に相当）と，分波器２により二分
割された一方のマイクロ波を試料７のレーザパルス光の
照射部分に導く第１伝送線路１１ａ（第１の導波手段に
相当）と，他方のマイクロ波を試料７のレーザパルス光
の非照射部分に導く第２伝送線路１１ｂ（第２の導波手
段に相当）と，第２伝送線路の長さを変える線路長可変
機構１４と，第１，第２伝送線路にそれぞれ入射される
マイクロ波の反射波同士を干渉させる機能（干渉手段に
相当）及びこの干渉波の変化を検出する機能（検出手段
に相当）を有するミキサ８と，ミキサ８による検出信号
を処理する波形処理回路１２（測定手段に相当）と，波
形処理回路１２の出力である試料７の少数キャリアのラ
イフタイムを表示するライフタイム表示装置１３とから
構成されている。線路長可変機構１４はマイクロ波の進
行方向を変えるサーキュレータ４とサーキュレータ４に
より進行方向を変えて入射されたマイクロ波を任意の位
置で反射させる短絡板５とからなり，短絡板５により第
２伝送線路を往復するマイクロ波の実効長が調整され
る。又，第１伝送線路１１ａ中には小孔が設けられてお
り，レーザ９により発生させたレーザパルス光はこの小
孔を通して第１伝送線路１１ａから試料７の表面に照射
される。上記半導体特性測定装置Ａ１の基本的な測定原
理は従来例と同様であり，既述のとおりであるので，そ
の説明は省略する。

【００１２】以下，この装置Ａ１の作動手順について説
明する。まず，測定準備時について説明する。この時に
は，レーザ９によるレーザパルス光を照射しない状態で
分波器２により二分割したマイクロ波をマジックＴ３を
介してそれぞれ第１，第２伝送線路１１ａ，１１ｂへ導
き，各線路の開放端６ａ，６ｂより試料７に放射する。
試料７の表面で反射されたマイクロ波はそれぞれ対応す
る伝送線路に再び入射（即ち，放射された伝送線路に入
射）し，ミキサ８に導かれる。ミキサ８に導かれたマイ
クロ波をここで互いに干渉させる。この時，線路長可変
機構１４により，第１，第２伝送線路１１ａ，１１ｂ内
をそれぞれ往復するマイクロ波の実効長（往復通路長）
を両線路間で半波長だけ異なったものとする。レーザパ
ルス光の未照射状態では，第１，第２伝送線路１１ａ，
１１ｂを経由してミキサ８内にそれぞれ導かれたマイク
ロ波はレベルが同一であり，かつ互いに半波長だけ異な
るものである。従って，ミキサ８内での干渉の結果，完
全に消滅除去される。次に，測定時について説明する。
この時にはレーザ９によるレーザパルス光を第１伝送線
路１１ａ途中に設けられた小孔を通して第１伝送線路１
１ａから試料７の表面に局部的に照射する。そして，上
記測定準備時と同様に二分割されたマイクロ波をそれぞ
れ第１，第２伝送線路１１ａ，１１ｂを介して放射す
る。試料７での反射波はそれぞれ再び第１，第２伝送線
路１１ａ，１１ｂを経由してミキサ８に導かれここで干
渉する。この時，レーザパルス光の照射状態にある第１
伝送線路１１ａ側と非照射状態にある第２伝送線路１１
ｂ側とでは，それぞれを経由して導かれたマイクロ波の
レベルは異なる。従って，ミキサ８内で干渉させても消
滅することはない。ここで，第１，第２伝送線路１１
ａ，１１ｂからの不要反射や，両線路１１ａ，１１ｂの
開口端６ａ，６ｂと試料７との間の多重反射波などの不
要な反射波は，いずれも両線路１１ａ，１１ｂに同量だ
け伝送されるため，上記測定準備時のマイクロ波の反射
波と同様にミキサ８内で消滅除去される。但し，試料７
を透過したマイクロ波の支持台１７での反射波について
は上記のように消滅除去できない。即ち，レーザパルス
光の照射部分についてはキャリアが励起されて試料７の
表面が金属に近い状態となるため，放射されたマイクロ
波は殆どこの表面で反射されて支持台１７迄到達しな
い。従って，この部分での支持台１７からの反射波は無
視できる。一方，レーザパルス光の非照射部分について
は支持台１７による反射波が存在する。このため，ミキ
サ８内には上記測定時の試料１７の表面での反射波と同
様のレベル変化を生じた反射波とレベル変化を生じてい
ないが位相がマイクロ波の半波長だけずれた反射波とに
加えて，支持台１７からレベル変化を生じていないが位
相が前記半波長から更に試料の厚みの約２倍だけずれた
反射波が重畳される。しかし，この部分での支持台１７
からの反射波はレベル変化を生じないため，レーザパル
ス光の照射部分からのレベル変化を生じた反射波を消滅
させるおそれはない。又，位相のずれによる影響も実際
には無視し得る程度のものである。従って，このような
支持台１７からの反射波による影響は無視できる。

【００１３】このようにレーザパルス光を試料７の表面
に照射した時に，第１伝送線路１１ａのみに生じる反射
波の変化分の信号（ライフタイムを正確に測定するため
に必要な信号）を高いＳ／Ｎ比で検出することができ
る。その結果，広範囲の比抵抗を有する半導体ウエハに
対して高精度に半導体ウエハの少数キャリアのライフタ
イムを測定できる。又，上記測定に際してはその精度を
向上させるため，第１，第２伝送線路１１ａ，１１ｂの
開口端６ａ，６ｂを試料７のキャリア濃度が同等と考え
られる程度に近接させる必要がある。これにより，開口
端６ａ，６ｂ間でマイクロ波が互いに他方に入射する所
謂クロストークが問題となる場合には，開口端６ａ，６
ｂ間に電磁波遮蔽用の金属性薄板或いは電波吸収体を設
ければ良い。次に，図２〜図４を参照して本発明の他の
実施例に係る測定装置Ａ２〜Ａ４について説明する。上
記第１の実施例の測定装置Ａ１では伝送線路として２本
の伝送線路を用いた場合の回路構成を記載したが，伝送
線路として同軸線路１１ａ，１１ｂを用いても同様に構
成できる。図２に同軸線路を用いた例である第２の実施
例の測定装置Ａ２を示す。即ち，開口端６ａ，６ｂをロ
ッドアンテナ或いはループアンテナとした同軸線路を近
接させて配置する。アンテナからの不要反射やアンテナ
と試料７との間の多重反射波などを除去できるように，
両者の線路長の差（分波器２とサーキュレータ４ａ，４
ｂとの間の線路）を調整する。但し，同軸線路の場合
は，測定装置Ａ１におけるようなマジックＴ３を使用し
ない回路構成とし，又線路長可変機構１４の代わりに一
方の線路をループさせて他方と異なったマイクロ波の実
効長を得る構成とする。この測定装置Ａ２によれば，マ
イクロ波の往復通路である伝送線路がより細いものとな
り，回路全体を小型化することができる。又，上記第
１，第２の装置はいずれもマイクロ波回路上にて不要な
反射波を消滅除去するために２つの回路を設け，その回
路長をマイクロ波の半波長分だけ異なるようにしたもの
である。

【００１４】これに対し，第３の実施例の測定装置Ａ３
は図３に示す如く，２つのマイクロ波回路長とは無関係
に２つの回路にそれぞれ検波器８ａ，８ｂを設けるもの
である。即ち，検波器８ａ，８ｂにより検波された２つ
のマイクロ波電力信号のレベルが同じとなるように両信
号を増幅器２２ａ，２２ｂにより調整した後，差動増幅
器２３により不要な電力をキャンセルする。そして，レ
ーザパルス光による試料７からの反射波信号の変化のみ
を抽出する。この時，第１，第２の伝送線路の開口端６
ａ，６ｂからの不要反射や，試料７からの反射波や，開
口端６ａ，６ｂと試料７との間の多重反射波や，試料７
を通過したマイクロ波の支持台１７からの反射波による
信号電力はいずれもキャンセルされる。このように，レ
ーザパルス光を試料７の表面に照射したときに，一方の
伝送線路のみに生じる反射波の変化分の信号（ライフタ
イムを正確に測定するために必要な信号）を高いＳ／Ｎ
比で検出できる。その結果，上記測定装置Ａ１，Ａ２と
同様に広範囲の比抵抗をもつ半導体ウエハに対しても高
精度で半導体ウエハのキャリアのライフタイムを測定で
きる。図４にはマイクロ波回路をストリップ線路に実装
した第２の実施例に係る測定装置Ａ２を示す。回路は図
２に示したものと等価である。ストリップ線路により構
成することにより，導波管や伝送線路による回路に比べ
て格段に装置の小型化が達成できる。さらに，従来例に
あるＥ−Ｈチューナなどによる調整作業を伴わないので
保守性が高まる。また，調整不要により回路系を従来の
導波管や伝送線路だけでなく図３，図４に示すような同
軸線路やストリップ線路に拡張でき，装置の小型化が達
成できる。尚，上記各装置Ａ１〜Ａ３では２つの伝送線
路間の長さを各線路内を往復するマイクロ波の実効長で
半波長だけ変えているが，実使用に際しては半波長と半
長の整数倍との和だけ変えても何ら支障はない。尚，上
記各装置Ａ１〜Ａ３では第２の伝送線路側で上記実効長
を変えているが，実使用に際しては第１の伝送線路側を
変えても何ら支障はない。

【００１５】引き続いて，第２の発明について述べる。
図５に示す如く，第２の発明の第１の実施例に係る半導
体特性測定装置Ａ４は，主として支持台１７′と，支持
台１７′に支持された試料７′（半導体ウエハ）の表面
にレーザパルス光を照射するレーザ９ａ′（照射手段に
相当）と，試料７′の表面に放射するマイクロ波を発生
させるマイクロ波発生器１′（放射手段に相当）と，マ
イクロ波発生器１′により放射されたマイクロ波を二分
割すると共に二分割されたマイクロ波の反射波同士を電
磁気的に干渉させるマジックＴ３′（分波干渉手段に相
当）と，マジックＴ３′により二分割されたマイクロ波
を同一実効長で導波する一対の伝送線路１１ａ′，１１
ｂ′（一対の導波手段に相当）と，伝送線路１１ａ′，
１１ｂ′によりそれぞれ導波されたマイクロ波の試料
７′上の放射部分の内，伝送線路１１ａ′側にレーザ９
ａ′によりレーザパルス光を照射した時のマジックＴ
３′により干渉させたマイクロ波の変化に対応する出力
波を増幅するアンプ１０′（増幅手段に相当）と，アン
プ１０′により増幅した出力波を検出するミキサ８′
（検波手段に相当）と，ミキサ８′による検出信号を処
理する波形処理回路１２′（測定手段に相当）と，波形
処理回路１２′の出力である試料７′の少数キャリアの
ライフタイムを表示するライフタイム表示装置１３′と
から構成されている。この装置Ａ４では前記装置Ａ１に
おける分波器２の代わりに基準信号を発生させるサーキ
ュレータ２′を設けている。また，伝送線路１１ａ′，
１１ｂ′の開口側にはアンテナ６′が設けられている。
上記半導体特性測定装置Ａ４の基本的な測定原理も従来
例と同様である。

【００１６】以下，図５及び図６（ａ）〜（ｄ）を参照
してこの装置Ａ４の作動手順について説明する。まず，
測定準備時について説明する。この時には，レーザ９
ａ′によるレーザパルス光を照射しない状態で，マイク
ロ波発生器１′により発生させたマイクロ波を図６
（ａ）に示すようなサーキュレータ２′の開口に導
く。サーキュレータ２′の開口から図６（ｂ）に示す
ようなマジックＴ３′のＨ分岐出力開口へ入力する。
マジックＴ３′の開口に入力したマイクロ波を，マジ
ックＴ３′内で二分割する。マジックＴ３′の２個のＨ
面Ｔ分岐開口，からそれぞれ取り出したマイクロ波
を一対の伝送線路１１ａ′，１１ｂ′へ導き，図６
（ｃ）に示すようなアンテナ６′より試料７′に放射す
る。試料７′での反射波はそれぞれ再び伝送回路１１
ａ′，１１ｂ′を経由し，マジックＴ３′に再び導かれ
る。マジックＴ３′に導かれたマイクロ波をここで電磁
気的に干渉させる。即ち，この装置Ａ４では，一対の伝
送線路１１ａ′，１１ｂ′は同一実効長を有するため，
それぞれの伝送線路１１ａ′，１１ｂ′を経由してマジ
ックＴ３′に入射されるマイクロ波の反射波は同一位相
のものとなり，それぞれのレベルに応じた電界を生じ
る。マジックＴ３′のＥ分岐出力開口からみた電界の
作用方向は互いに逆方向であり，このＥ分岐出力開口
よりマイクロ波の両放射波の合成波（出力波）を取り出
す。ここで，伝送線路１１ａ′，１１ｂ′の実効長を等
しくするために，伝送線路１１ｂ′内に図６（ｄ）に示
すような伝送線路１１ｂ′と同一形状の開口部を有する
金属薄板１４′を挿入し，加工誤差による両伝送線路の
実効長の差を調整する。金属薄板１４′は種々の厚みの
ものを用意しておき，適当なものを選択挿入して上記差
を正確に調整することにより上記両反射波の位相差をゼ
ロとする。そうすると，マジックＴ３′内での干渉結
果，両反射波は完全に消滅除去される。即ち，マジック
Ｔ３′のＥ分岐出力開口より取り出された出力波の出
力電力がゼロとなる。

【００１７】次に測定時について説明する。この時に
は，レーザ９ａ′によるレーザパルス光をアンテナ６′
の伝送線路１１ａ′側に設けられた小孔を通してアンテ
ナ６′から試料７′の表面に局部的に照射する。そし
て，上記測定準備時と同様に二分割されたマイクロ波を
それぞれ一対の伝送線路１１ａ′，１１ｂ′を介して放
射する。試料７′での放射波はそれぞれ再び伝送線路１
１ａ′，１１ｂ′を経由してマジックＴ３′に導かれこ
こで干渉する。この時，レーザパルス光の照射状態にあ
る伝送線路１１ａ′と非照射状態にある伝送線路１１
ｂ′とでは，それぞれ経由して導かれたマイクロ波のレ
ベルは異なる。従って，マジックＴ３′内で干渉させて
も消滅することはない。即ち，試料７′のレーザパルス
光の照射部分に生じたキャリアによりマイクロ波反射率
が変化するため，マジックＴ３′のＥ分岐出力開口に
はバランスが崩れて光励起によるキャリア変化に応じた
出力波の信号が生じる。この信号はアンプ１０′で増幅
され，ＲＦ信号としてミキサ８′のＲＦ端子に入力す
る。また，マジックＴ３′のＨ分岐出力開口には，ア
ンテナ６′からの反射波の和が常に生じる。これはサー
キュレータ２′の開口からを介してミキサ８′のＬ
Ｏ端子にＬＯ信号として入力する。ミキサ８′内でＲ
Ｆ信号とＬＯ信号とを重ね合わせることにより，ミキサ
８′の出力にはレーザパルス光で励起したキャリアに
よって変化したマイクロ波振幅が観測される。ミキサ
８′の出力信号は波形処理回路１２に取り込まれる。そ
のデータを処理して，ライフタイム表示装置１３′に結
果を表示する。ここで，伝送線路１１ａ′，１１ｂ′か
らの不要反射波，アンテナ６′と試料７′との間の多重
反射波，支持台１７′での反射波などの不要な反射波は
前記装置Ａ１と同様の理由により完全消滅もしくは無視
しうるものとなる。このように，この装置Ａ４によって
もレーザパルス光を試料７′の表面に照射した時に，伝
送線路１１ａ′のみに生じる反射波の変化分の信号を高
いＳ／Ｎ比で検出することができ，広範囲の比抵抗を有
する半導体ウエハに対して高精度に半導体ウエハの少数
キャリアのライフタイムを測定できる。その結果，これ
まで測定が困難であった１Ωcm以下の低比抵抗の試料7
′の少数キャリアのライフタイムをも測定できる。更
に，伝送線路１１ｂ′に伝送線路１１ｂ′と同一形状の
開口部を有する金属薄板１４′を挿入することにより一
対の伝送線路１１ａ′，１１ｂ′の実効長を一致させる
ため，装置の加工精度があまり要求されず，その簡素化
を図ることができる。

【００１８】次に，図７を参照して第２の発明の第２の
実施例に係る装置Ａ５について説明する。励起光の波長
が異なると，この励起光が半導体ウエハを浸透する深さ
が変わるので，発生するキャリアの深さ方向の分布が異
なることが知られている。このため，励起光の波長の異
なるデータを用いれば，ウエハ・バルクのライフタイム
とウエハ表面での再結合寿命とが分離できるなどの利点
がある。上記装置Ａ４はレーザ９ａ′が１個であったの
で，機械的にレーザ９ａ′をアンテナ６′の伝送線路１
１ａ′側に設けた小孔上部まで移動するか，又は交換し
て測定していた。この装置Ａ５では，図７に示すように
アンテナ６′の両側（伝送線路１１ａ′側及び１１ｂ′
側）に互いに波長の異なるレーザパルス光を発生するレ
ーザ９ａ′，９ｂ′をそれぞれ設置する。このアンテナ
６′廻り以外は前述の装置Ａ４と同様の構成である。そ
して，この装置Ａ５のレーザ９ａ′，９ｂ′を切り替え
て試料７′にレーザパルス光を照射することにより，レ
ーザ自体の交換又は移動をすることなくデータを採取で
きる。従って，試料７′の各測定点でのライフタイムを
高速測定できる。ただし，アンテナ６′からのマイクロ
波放射位置は２箇所あり，この間に若干の距離があるの
で，データ収集後，データとマイクロ波放射位置との対
応付けを別途行い，その補正を行う必要がある。尚，上
記装置Ａ４ではレーザ９ａ′をアンテナ６′の伝送線路
１１ａ′側に設けたが実使用に際してはレーザ９ａ′を
アンテナ６′の伝送線路１１ｂ′側に設けても何ら支障
はない。尚，上記装置Ａ４では伝送線路１１ｂ′中に金
属薄板１４′を挿入して実効長を調整したが，実使用に
際しては伝送線路１１ａ′中に金属薄板１４′を挿入し
ても何ら支障はない。尚，上記各装置Ａ１〜Ａ５ではい
ずれもマイクロ波の反射波を用いて試料７（７′）の少
数キャリアのライフタイム測定を行っているが，実使用
に際してはマイクロ波の透過波を用いても何ら支障はな
い。

【００１９】

【発明の効果】第１，第２の発明に係る半導体ウエハの
少数キャリアのライフタイム測定装置は，上記したよう
に構成されているため，励起光を半導体ウエハの表面に
照射したときに，この照射により生じるマイクロ波の反
射波又は透過波の変化信号を高いＳ／Ｎで検出すること
ができる。この変化信号は半導体ウエハの少数キャリア
のライフタイムの変化に対応するものである。その結
果，広範囲の比抵抗を有する半導体ウエハに対して該ウ
エハとマイクロ波の放射端との間隔の影響を受けること
なく高精度に半導体ウエハの少数キャリアのライフタイ
ムを測定することができる。また，第２の発明では分波
干渉手段により得られるマイクロ波の反射波又は透過波
に対応する出力波の信号が増幅されるので，広範囲の比
抵抗を有する半導体ウエハに対してより高精度なライフ
タイム測定を行うことが可能になる。その結果，これま
で測定が困難であった１Ωcm以下の低比抵抗の半導体ウ
エハの少数キャリアのライフタイムをも測定できる。更
に, 導波手段の実効長の調整を簡単に行えるため，装置
の加工精度があまり要求されずその簡素化を図ることが
できる。更に，導波手段にそれぞれ波長の異なる励起光
を照射する照射手段を設けることにより，励起光の波長
の異なるデータを採取して半導体ウエハの少数キャリア
のライフタイムを半導体ウエハ表面で生じる再結合現象
と分離して測定する時に，照射手段を移動又は交換する
必要がないため，高速測定が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 第１の発明の第１の実施例に係る半導体特性
測定装置Ａ１の概略回路構成を示す模式図。

【図２】 第１の発明の第２の実施例に係る半導体特性
測定装置Ａ２の概略回路構成を示す模式図及び部分拡大
図。

【図３】 第１の発明の第３の実施例に係る半導体特性
測定装置Ａ３の概略回路構成を示す模式図。

【図４】 半導体特性測定装置Ａ２をストリップ線路に
実装した場合を示す模式的斜視図。

【図５】 第２の発明の第１の実施例に係る半導体特性
測定装置Ａ４の概略回路構成を示す模式図。

【図６】 半導体特性測定装置Ａ４の主要構成部分の詳
細図（ａ）〜（ｄ）。

【図７】 第２の発明の第２の実施例に係る半導体特性
測定装置Ａ５のアンテナ廻りを示す模式図。

【図８】 従来の半導体特性測定装置の一例Ａ０におけ
る概略回路構成を示す模式図。

【図９】 半導体特性測定装置Ａ０による測定結果を示
すグラフ。

【符号の説明】

Ａ１，Ａ２，Ａ３…半導体特性測定装置 １…マイクロ波発生器（放射手段に相当） ２…分波器（分波手段に相当） ７…試料（半導体ウエハに相当） ８…ミキサ（干渉手段及び検出手段に相当） ９…レーザ（照射手段に相当） １１ａ…第１伝送線路（第１の導波手段に相当） １１ｂ…第２伝送線路（第２の導波手段に相当） １２…波形処理回路（測定手段に相当） Ａ４，Ａ５…半導体特性測定装置 １′…マイクロ波発生器（放射手段に相当） ３′…マジックＴ（分波干渉手段に相当） ７′…試料（半導体ウエハに相当） ８′…ミキサ（検出手段に相当） ９ａ′，９ｂ′…レーザ（照射手段に相当） １０′…アンプ（増幅手段に相当） １１ａ′，１１ｂ′…伝送線路（導波手段に相当） １２′…波形処理回路（測定手段に相当） １４′…金属薄板

フロントページの続き (72)発明者 橋爪 英久 兵庫県三木市志染町青山４−５−９ (72)発明者 尾嶋 太 兵庫県神戸市垂水区神陵台２丁目３−28 −303号室 (56)参考文献 特開 昭54−116176（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 22/00 - 22/04 H01L 21/66

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体ウエハに励起光を照射する照射手
   段と，上記半導体ウエハにマイクロ波を放射する放射手
   段と，上記放射手段により放射されたマイクロ波の反射
   波又は透過波を検出する検出手段と，上記検出手段によ
   り検出されるマイクロ波の変化に対応する上記半導体ウ
   エハの少数キャリアのライフタイムを測定する測定手段
   とを備えた半導体ウエハの少数キャリアのライフタイム
   測定装置において，上記放射手段により放射されたマイ
   クロ波を二分割する分波手段と，上記分波手段により二
   分割された一方のマイクロ波を上記半導体ウエハの上記
   照射手段による励起光の照射部分に導く第１の導波手段
   と，他方のマイクロ波を上記半導体ウエハの上記照射手
   段による励起光の非照射部分に導きかつ上記第１の導波
   手段とはマイクロ波の往復で半波長又は半波長と波長の
   整数倍との和だけ異なる実効長を有する第２の導波手段
   と，上記第１，第２の導波手段にそれぞれ入射されるマ
   イクロ波の反射波又は透過波同士を干渉させる干渉手段
   とを設け，上記干渉手段により干渉させたマイクロ波の
   反射波又は透過波の変化を上記検出手段により検出して
   なることを特徴とする半導体ウエハの少数キャリアのラ
   イフタイム測定装置。
2. 【請求項２】 上記検出手段を２つ設け，上記第１，第
   ２の導波手段にそれぞれ入射されるマイクロ波の反射波
   又は透過波の上記各検出手段により検出される変化信号
   同士を比較する比較手段が上記干渉手段である請求項１
   記載の半導体ウエハの少数キャリアのライフタイム測定
   装置。
3. 【請求項３】 半導体ウエハに励起光を照射する照射手
   段と，上記半導体ウエハにマイクロ波を放射する放射手
   段と，上記放射手段により放射されたマイクロ波の反射
   波又は透過波を検出する検出手段と，上記検出手段によ
   り検出されるマイクロ波の変化に対応する上記半導体ウ
   エハの少数キャリアのライフタイムを測定する測定手段
   とを備えた半導体ウエハの少数キャリアのライフタイム
   測定装置において，上記放射手段により放射されたマイ
   クロ波を二分割すると共に，該二分割されたマイクロ波
   の反射波又は透過波同士を電磁気的に干渉させる分波干
   渉手段と，上記分波干渉手段により二分割されたマイク
   ロ波を同一実効長で導波する一対の導波手段とを設け，
   上記一対の導波手段によりそれぞれ導波されたマイクロ
   波の上記半導体ウエハ上の放射部分のいずれか一方に，
   上記照射手段により励起光を照射した時の上記分波干渉
   手段により干渉させたマイクロ波の反射波又は透過波の
   変化を上記検出手段により検出してなることを特徴とす
   る半導体ウエハの少数キャリアのライフタイム測定装
   置。
4. 【請求項４】 上記分波干渉手段と上記検出手段との間
   に，上記分波干渉手段により干渉させたマイクロ波の反
   射波又は透過波の変化を増幅する増幅手段を設けてなる
   ことを特徴とする請求項３記載の半導体ウエハの少数キ
   ャリアのライフタイム測定装置。
5. 【請求項５】 上記一対の導波手段のいずれか一方に当
   該導波手段と同一形状の開口部を有する金属薄板を挿入
   することにより上記両導波手段の実効長を一致させてな
   ることを特徴とする請求項３又は４記載の半導体ウエハ
   の少数キャリアのライフタイム測定装置。
6. 【請求項６】 上記一対の導波手段のそれぞれに上記照
   射手段を設けると共に各照射手段により照射される励起
   光の波長を互いに異ならせ，両照射手段を切り替えて照
   射してなることを特徴とする請求項３，４又は５記載の
   半導体ウエハの少数キャリアのライフタイム測定装置。