JP3687509B2 - シリコン基板の品質評価方法及びその品質評価装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン基板の品質、即ちシリコン基板内に存在する不純物や欠陥等を定量的に評価する方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の評価方法として、化合物半導体である発光素子用エピタキシャルウェーハに励起光を照射し、このウェーハの活性層にキャリアが励起されることにより生ずるフォトルミネッセンス光を検出し、このフォトルミネッセンス光の強度の時間変化が一定値となるときのフォトルミネッセンス光の強度の変化速度から非発光ライフタイムを導出する発光素子用エピタキシャルウェーハの評価方法が開示されている（特開２０００−１０１１４５号）。
このように構成された発光素子用エピタキシャルウェーハの評価方法では、非発光ライフタイムが励起キャリア密度とは独立した物性値であるため、励起キャリア密度の大きな高輝度ＬＥＤに対しても、発光効率との良い相関関係が成立つ。この結果、励起キャリア密度に依存することなく、活性層における非発光ライフタイムを正確かつ容易に測定できるので、高い発光効率を有するエピタキシャルウェーハを確実に選別でき、エピタキシャルウェーハの製造歩留りを向上できるようになっている。
【０００３】
一方、ｐ型クラッド層及びｎ型クラッド層より小さいバンドギャップを有する半導体層がｐ型クラッド層及びｎ型クラッド層により挟まれ、ｐ型クラッド層とｎ型クラッド層の間に順方向のバイアス電圧を印加しながら半導体層にパルス光を照射することにより得られるフォトルミネッセンス光に基づいて、そのフォトルミネッセンス光の減衰時定数を測定する半導体装置の評価方法が開示されている（特開平１０−１３５２９１号）。この評価方法では、上記フォトルミネッセンス光の減衰時定数がその発光強度から、励起光を照射せずかつバイアス電圧を印加したときの発光強度を減算して算出される。
このように構成された半導体装置の評価方法は、ｐｎ接合を有する半導体装置、特にＬＥＤや化合物半導体レーザなどの発光素子に適し、励起光を照射したときのフォトルミネッセンス光の強度から、励起光を照射せずかつｐｎ接合に対して順方向にバイアス電圧を印加して半導体層のエネルギバンドの傾きの影響を低減した状態でのフォトルミネッセンス光の強度を減算することにより、発光素子のフォトルミネッセンス光の減衰時定数を求める。この結果、励起強度が変化してもエネルギバンドの傾きが殆ど変わらずかつフォトルミネッセンス光の減衰時定数がばらつかず、減衰時定数をより正確に測定することができるので、発光素子の検査工程の精度を向上でき、不良要因を早期に検出できるようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の特開２０００−１０１１４５号公報に示された発光素子用エピタキシャルウェーハの評価方法では、発光素子に用いられるエピタキシャルウェーハ（化合物半導体）のライフタイムは十分に小さいため（ナノ秒単位）、励起光の照射領域で発光していると考えられるけれども、ライフタイムの長い（マイクロ秒単位）間接遷移型のシリコン基板では、励起光を照射することによりシリコン基板内に励起されたキャリアの拡散を考慮しなければ、正確なライフタイムを測定できない不具合があった。
また、上記従来の特開平１０−１３５２９１号公報に示された半導体装置の評価方法では、測定対象が減衰時定数の短いダブルヘテロ構造を有する化合物半導体であるため、ｐｎ接合に対して順方向にバイアス電圧を印加して半導体層のエネルギバンドの傾きの影響を低減することにより、減衰時定数を比較的正確に求めることができるけれども、ライフタイムの長い間接遷移型のシリコン基板では、シリコン基板内に励起されたキャリアの拡散を考慮しなければ、正確に減衰時定数を測定できない問題点があった。
本発明の目的は、シリコン基板を破壊せずかつシリコン基板に接触せずに、ライフタイムの長いシリコン基板のライフタイムを定量的に求めることにより、シリコン基板内の不純物や欠陥等を正確に評価できる、シリコン基板の品質評価方法及びその品質評価装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、フォトルミネッセンス法による半導体基板のライフタイムの測定において、半導体基板としてポリッシュドシリコンウェーハのようにライフタイムの長い（数十μ秒〜数百μ秒）シリコン基板を用いると、通常用いられる励起光の断続周波数（数十Ｈｚ〜数百Ｈｚ）でもシリコン基板の発するフォトルミネッセンス光の減衰が励起光の断続に追従できず、励起光の断続周波数を低い周波数から高い周波数に次第に上げていくと、上記フォトルミネッセンス光が変動幅の大きい断続的な発光から変動幅の小さい発光に変化していくと考えた。このフォトルミネッセンス光の断続周波数依存性は各シリコン基板のフォトルミネッセンス光の減衰時定数の違いにより異なると予想した。換言すれば、フォトルミネッセンス光の断続的な発光から連続的な発光に変化する際の励起光の断続周波数の違いにより、フォトルミネッセンス光の減衰時定数を求めることが可能であることを見出した。そこで、フォトルミネッセンス光の過渡応答について考察し、フォトルミネッセンス光の減衰時定数からライフタイムを導出するという本発明をなすに至った。
【０００６】
請求項１に係る発明は、図１に示すように、励起光１３をシリコン基板１１の表面に断続的に照射し、励起光１３のシリコン基板１１への照射の断続時にシリコン基板１１が発するフォトルミネッセンス光１６の強度を電気信号に変換し、励起光１３の断続周波数を次第に増大させて上記電気信号に変換されたフォトルミネッセンス光１６の平均強度の変化からフォトルミネッセンス光１６の減衰時定数Ｔを求め、シリコン基板１１の品質評価の指標であるライフタイムτを式τ＝Ｔ／Ｃから算出し、式（１）のＣが０．４５〜０．５５の範囲内の所定値であるシリコン基板の品質評価方法である。
この請求項１に記載されたシリコン基板の品質評価方法では、シリコン基板１１を破壊せずかつシリコン基板１１に接触せずに、シリコン基板１１のライフタイムτを定量的に求めることができ、この求められたライフタイムτはシリコン基板１１内の不純物や欠陥を定量的に正確に表した値となる。またこの品質評価方法はライフタイムτの長いシリコン基板１１のライフタイムτを求めるのに好適である。
【０００７】
請求項２に係る発明は、図１に示すように、励起光１３をシリコン基板１１の表面に照射するレーザ装置１４と、レーザ装置とシリコン基板１１との間に設けられシリコン基板に照射される励起光１３を所定の周波数で断続させかつこの所定の周波数でパルス信号を発する第１チョッパ２１と、第１チョッパとシリコン基板１１との間に設けられ励起光１３を第１チョッパ２１より高い周波数でその周波数を変化させて断続可能な第２チョッパ２２と、励起光１３のシリコン基板１１への照射の断続時にシリコン基板の発するフォトルミネッセンス光１６が導入される分光器１７と、分光器に導入されたフォトルミネッセンス光１６の強度を電気信号に変換する光検出器１８と、光検出器により変換された電気信号と第１チョッパ２１の発したパルス信号とを取込んで増幅するロックイン増幅器１９と、ロックイン増幅器で増幅された電気信号及びパルス信号を読取るとともに第２チョッパ２２を制御して励起光１３の断続周波数を変更するコントローラ２３とを備えたシリコン基板の品質評価装置であって、コントローラ２３が第２チョッパ２２を制御して励起光１３の断続周波数を次第に増大させたときの上記電気信号に変換されたフォトルミネッセンス光１６の平均強度の変化からフォトルミネッセンス光１６の減衰時定数Ｔを求め、かつシリコン基板１１の評価基準であるライフタイムτを式τ＝Ｔ／Ｃから算出し、式（１）のＣが０．４５〜０．５５の範囲内の所定値であることを特徴とする。
この請求項２に記載されたシリコン基板の品質評価装置では、請求項１と同様に、シリコン基板１１を破壊せずかつシリコン基板１１に接触せずに、シリコン基板１１のライフタイムτを定量的に求めることができ、この求められたライフタイムτはシリコン基板１１内の不純物や欠陥を定量的に正確に表した値となる。またこの品質評価装置１２はライフタイムτの長いシリコン基板１１のライフタイムτを求めるのに好適である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１に示すように、シリコン基板１１の品質評価装置１２は励起光１３をシリコン基板１１の表面に照射するレーザ装置１４と、このレーザ装置とシリコン基板１１との間に設けられた第１チョッパ２１と、この第１チョッパとシリコン基板１１との間に設けられた第２チョッパ２２と、励起光１３のシリコン基板１１への照射が遮断されたときにシリコ ン基板１１の発するフォトルミネッセンス光１６が導入される分光器１７と、この分光器に導入されたフォトルミネッセンス光１６の強度を電気信号に変換する光検出器１８と、光検出器により変換された電気信号を取込んで増幅するロックイン増幅器１９と、ロックイン増幅器で増幅された電気信号を読取るコントローラ２３とを備える。シリコン基板１１としてはライフタイムτの長いポリッシュドシリコンウェーハやエピタキシャルウェーハ等が挙げられ、レーザ装置１４としてはアルゴンイオンレーザなどのガスレーザや、ＹＡＧなどの固体レーザや、ＡｌＧａＡｓなどの半導体レーザ等が挙げられる。
【０００９】
第１チョッパ２１は第１軸２１ａを中心に回転しかつ第１軸を中心とする同一円周上に複数の第１小孔２１ｂが形成された不透明な第１円板２１ｃと、第１軸に固着された第１従動ギヤ２１ｄと、第１従動ギヤに噛合する第１駆動ギヤ２１ｅと、第１駆動ギヤを駆動する第１モータ２１ｆとを有する。第１モータ２１ｆにより第１円板２１ｃを所定の回転速度で回転させ、シリコン基板１１に照射される励起光１３を第１円板２１ｃにより遮ったり或いは第１小孔２１ｂを通過させることにより、励起光１３を所定の周波数で断続可能に構成される。また第１チョッパ２１には上記断続してシリコン基板１１に照射される励起光１３の断続周波数と同一の周波数のパルス信号を発する発信器２１ｇが設けられる。なお、第１チョッパ２１による励起光１３の断続周波数は０．５〜１０Ｈｚ、好ましくは４〜６Ｈｚの範囲内の所定の周波数である。
【００１０】
第２チョッパ２２は第２軸２２ａを中心に回転しかつ第２軸を中心とする同一円周上に複数の第２小孔２２ｂが形成された不透明な第２円板２２ｃと、第２軸に固着された第２従動ギヤ２２ｄと、第２従動ギヤに噛合する第２駆動ギヤ２２ｅと、第２駆動ギヤを駆動する第２モータ２２ｆとを有する。また第２円板２２ｃは第１円板２１ｃより大径に形成され、第２小孔２２ｂの数は第１小孔２１ｂの数より多く形成される。第２モータ２２ｆにより第２円板２２ｃを回転速度を変えて回転させ、シリコン基板１１に照射される励起光１３を第２円板２２ｃにて遮ったり或いは第２小孔２２ｂを通過させることにより、励起光１３を第１チョッパ２１より高い周波数でかつその周波数を変化させて断続可能に構成される。なお、第２チョッパ２２による励起光１３の断続周波数は５０〜４０００Ｈｚの範囲で変化可能に構成される。第２チョッパ２２による励起光１３の断続周波数の変化範囲を５０〜４０００Ｈｚと第１チョッパ２１による励起光の断続周波数より高くしたのは、機械式チョッパでは４０００Ｈｚが上限だからである。但し、原理的には高周波チョッパを用いれば、より小さい減衰時定数を測定可能である。
【００１１】
また第２円板２２ｃの第２小孔２２ｂを通過した励起光１３は集光ミラー２４で反射してシリコン基板１１の表面に照射される。この集光ミラー２４としては凹面鏡や平面鏡などが用いられる。焦点距離が１３０ｍｍ程度の集光ミラー２４（凹面鏡）を用いた場合には、シリコン基板１１の励起領域のスポットサイズ（直径）は約０．５ｍｍとなり、焦点距離が無限大の集光ミラー２４（平面鏡）を用いた場合には、上記スポットサイズ（直径）は約１．５ｍｍとなる。
【００１２】
分光器１７は図示しないがシリコン基板１１が発したフォトルミネッセンス光１６を通過させる入口側スリットと、入口側スリットを通過したフォトルミネッセンス光１６を分光させるグレーティングと、グレーティングで分光されたフォトルミネッセンス光１６を通過させる出口側スリットとを有する。グレーティングは６００本／ｍｍのスリットを有することが好ましい。なお、シリコン基板１１が発したフォトルミネッセンス光１６は２枚の平行な石英レンズ２６，２７で集められた後に分光器１７に導入される。
【００１３】
ロックイン増幅器１９は光検出器１８により変換された電気信号とともに、第１チョッパ２１に設けられた発信器２１ｇが発したパルス信号も取込んで増幅するように構成される。またコントローラ２３の制御入力には上記ロックイン増幅器１９で増幅された電気信号及びパルス信号がそれぞれ入力され、コントローラ２３の制御出力はレーザ装置１４、第１モータ２１ｆ、第２モータ２２ｆ及び表示器２８（ディスプレイやモニタなど）に接続される。
【００１４】
このように構成された品質評価装置１２を用いてシリコン基板１１の品質を評価する方法を説明する。
先ずコントローラ２３はレーザ装置１４をオンした後に、第１モータ２１ｆを制御して第１円板２１ｃを所定の回転速度で回転させ、更に第２モータ２２ｆを制御して第２円板２２ｃを所定の回転速度で回転させ、励起光１３を断続的にシリコン基板１１の表面に照射する。励起光１３のシリコン基板１１への断続的な照射時であって、励起光１３のシリコン基板１１への照射が遮断されたときに、シリコン基板１１の発するフォトルミネッセンス光１６は２枚の石英レンズ２６，２７を通って分光器１７で分光される。この分光されたフォトルミネッセンス光１６の強度は光検出器１８にて電気信号に変換され、この電気信号はロックイン増幅器１９により発信器２１ｇの発するパルス信号とともに増幅されてコントローラ２３の制御入力に入力される。
【００１５】
次にコントローラ２３が第２モータ２２ｆを制御して第２円板２２ｃの回転速度を増大することにより、励起光１３の上記断続周波数を次第に増大させると、シリコン基板１１の発するフォトルミネッセンス光１６が励起光１３の断続周期に追従できずに、変動幅の大きい断続的な発光から変動幅の小さい発光に変化する。コントローラ２３はこのフォトルミネッセンス光１６の平均強度の変化（光検出器１８にて電気信号に変換され、ロックイン増幅器１９にて増幅され、更にコントローラ２３の制御入力に入力されたフォトルミネッセンス光１６の平均強度の変化）からフォトルミネッセンス光１６の減衰時定数Ｔを求める。更にコントローラ２３は上記減衰時定数Ｔから、シリコン基板１１の評価基準であるライフタイムτを式（１）
τ＝Ｔ／Ｃ ……（１）
から算出してその値を表示器２８に表示する。このようにして求められたライフタイムτはシリコン基板１１内の不純物や欠陥を定量的に正確に表した値となり、このシリコン基板１１の品質評価方法及び装置はポリッシュドシリコンウェーハなどのライフタイムτの長いシリコン基板１１のライフタイムτを求めるのに好適である。
【００１６】
なお、上記式（１）のＣは、励起光１３の断続によりシリコン基板１１から発せられるフォトルミネッセンス光１６の周波数応答を測定するとともにこの周波数応答の解析解を導出した後に、上記周波数応答の測定結果及び解析解のフィッティングにより減衰時定数Ｔを算出し、μ−ＰＣＤ（microwave photoconductive decay）法によりシリコン基板１１のライフタイムτを測定し、上記減衰時定数Ｔ及びライフタイムτの比較から求められる。また上記Ｃは（０．４５〜０．５５）の範囲内の所定値である。Ｃを（０．４５〜０．５５）の範囲内の所定値に限定したのは、Ｃは理論的には０．５であるけれども、上記フォトルミネッセンス光１６の周波数応答の測定時や、μ−ＰＣＤ法によるライフタイムτの測定時に発生する実験的なエラーによりずれるためである。
【００１７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、励起光をシリコン基板の表面に断続的に照射し、励起光のシリコン基板への照射の断続時にシリコン基板が発するフォトルミネッセンス光の強度を電気信号に変換し、励起光の断続周波数を次第に増大させて上記電気信号に変換されたフォトルミネッセンス光の平均強度の変化からフォトルミネッセンス光の減衰時定数Ｔを求め、更にシリコン基板の品質評価の指標であるライフタイムτを式τ＝Ｔ／Ｃから算出し、この式のＣが０．４５〜０．５５の範囲内の所定値であるので、シリコン基板を破壊せずかつシリコン基板に接触せずに、シリコン基板のライフタイムを定量的に求めることができるとともに、この求められたライフタイムはシリコン基板内の不純物や欠陥を定量的に正確に表した値となる。またこの品質評価方法はライフタイムの長いシリコン基板のライフタイムを求めるのに適する。
【００１８】
またレーザ装置及びシリコン基板間の第１チョッパがシリコン基板に照射される励起光を所定の周波数で断続させ、第１チョッパ及びシリコン基板間の第２チョッパが励起光を第１チョッパより高い可変周波数で断続させ、コントローラが第２チョッパを制御して励起光の断続周波数を次第に増大させたときの上記電気信号に変換されたフォトルミネッセンス光の平均強度の変化からフォトルミネッセンス光の減衰時定数Ｔを求め、かつシリコン基板の評価基準であるライフタイムτを式τ＝Ｔ／Ｃから算出し、この式のＣが０．４５〜０．５５の範囲内の所定値であれば、上記と同様にシリコン基板を破壊せずかつシリコン基板に接触せずに、シリコン基板のライフタイムを定量的に求めることができるとともに、この求められたライフタイムはシリコン基板内の不純物や欠陥を定量的に正確に表した値となる。更にこの品質評価装置はライフタイムの長いシリコン基板のライフタイムを求めるのに適する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明実施形態のシリコン基板の品質評価装置を示す構成図。
【符号の説明】
１１ シリコン基板
１２ 品質評価装置
１３ 励起光
１４ レーザ装置
１６ フォトルミネッセンス光
１７ 分光器
１８ 光検出器
１９ ロックイン増幅器
２１ 第１チョッパ
２２ 第２チョッパ
２３ コントローラ

Claims (2)

1. 励起光(13)をシリコン基板(11)の表面に断続的に照射し、
   前記励起光(13)の前記シリコン基板(11)への照射の断続時に前記シリコン基板が発するフォトルミネッセンス光(16)の強度を電気信号に変換し、
   前記励起光(13)の断続周波数を次第に増大させて前記電気信号に変換されたフォトルミネッセンス光(16)の平均強度の変化から前記フォトルミネッセンス光(16)の減衰時定数(T)を求め、
   前記シリコン基板(11)の品質評価の指標であるライフタイム(τ)を式（１）から算出し、
   前記式（１）のＣは０．４５〜０．５５の範囲内の所定値であるシリコン基板の品質評価方法。
   τ＝Ｔ／Ｃ ……（１）
2. 励起光(13)をシリコン基板(11)の表面に照射するレーザ装置(14)と、
   前記レーザ装置と前記シリコン基板(11)との間に設けられ前記シリコン基板に照射される励起光(13)を所定の周波数で断続させかつこの所定の周波数でパルス信号を発する第１チョッパ(21)と、
   前記第１チョッパと前記シリコン基板(11)との間に設けられ前記励起光(13)を前記第１チョッパ(21)より高い周波数でその周波数を変化させて断続可能な第２チョッパ(22)と、
   前記励起光(13)の前記シリコン基板(11)への照射の断続時に前記シリコン基板の発するフォトルミネッセンス光(16)が導入される分光器(17)と、
   前記分光器に導入された前記フォトルミネッセンス光(16)の強度を電気信号に変換する光検出器(18)と、
   前記光検出器により変換された電気信号と前記第１チョッパ(21)の発したパルス信号とを取込んで増幅するロックイン増幅器(19)と、
   前記ロックイン増幅器で増幅された前記電気信号及び前記パルス信号を読取るとともに前記第２チョッパ(22)を制御して前記励起光(13)の断続周波数を変更するコントローラ(23)と
   を備えたシリコン基板の品質評価装置であって、
   前記コントローラ(23)が前記第２チョッパ(22)を制御して前記励起光(13)の断続周波数を次第に増大させたときの前記電気信号に変換されたフォトルミネッセンス光(16)の平均強度の変化から前記フォトルミネッセンス光(16)の減衰時定数(T)を求め、かつ前記シリコン基板(11)の評価基準であるライフタイム(τ)を式（１）から算出し、
   前記式（１）のＣが０．４５〜０．５５の範囲内の所定値である
   ことを特徴とするシリコン基板の品質評価装置。
   τ＝Ｔ／Ｃ ……（１）

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