JP3777394B2

JP3777394B2 - Semiconductor junction capacitance evaluation method and junction capacitance measuring apparatus

Info

Publication number: JP3777394B2
Application number: JP2001310782A
Authority: JP
Inventors: 隆喜多
Original assignee: New Industry Research Organization NIRO
Current assignee: New Industry Research Organization NIRO
Priority date: 2001-10-05
Filing date: 2001-10-05
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2021-10-05
Also published as: JP2003115514A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヘテロバイポーラトランジスタやＦＥＴ等の半導体デバイスに関するバンド構造の評価方法に係わり、特に変調分光法を用いて半導体の各接合界面における電解強度と接合容量を評価する方法、及びこの評価方法を用いた半導体の接合容量測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体デバイスの各接合界面における接合容量を評価する場合には、半導体デバイスに電極を作成して、この電極を用いて電気的に接合容量を計測していた。しかし、このような電極作製による評価方法は、一種の破壊評価であるため、生産プロセス上の検査方法には適していない。そこで、最近、光変調分光法という技術を用いて非破壊で半導体デバイスの各接合界面における接合容量を見積もる方法が提案されており（例えば、特開平７−９８２７２号公報等参照）、この方法を用いた接合容量測定装置も製品化され始めた。この光変調分光法とは、変調分光法の一種で、光で周期的に測定物質に変調を加えながら、この変調に伴う反射光又は吸収光の信号の変化分を測定する技術である。半導体デバイスに対する光変調は、光照射による光起電圧で半導体デバイスの内部電界を変調することであり、光変調分光法を採用することにより非破壊で半導体デバイスの電界変調を実現できるメリットがある。また、変調分光には反射分光と吸収分光とがあるが、このうち吸収分光は、物質を透過しないと測定できないため、バンドギャップの異なる半導体を接合したヘテロ構造の半導体デバイスの測定に使用するには適していない。このような観点から、光変調反射分光法すなわちフォトリフレクタンス法（以下、ＰＲ法という）が広く用いられている。米国ではこのＰＲ法を用いた半導体デバイス、特にヘテロバイポーラトランジスタの接合評価法が普及し、この評価法が世界的なスタンダードとなる可能性がある。
【０００３】
また、従来の半導体の評価方法において、フーリエ変換赤外分光光度計の赤外スペクトルに基づき半導体の薄膜膜質の均一性と不純物の存在を評価する方法が知られている（例えば、特開平６−１７４６３７号公報参照）。さらにまた、半導体薄膜からの反射光を測定することにより得られた空間干渉強度波形のデータをフーリエ変換して、変換後の反射スペクトルの最も低い周波数成分の中心線が反射率のゼロ点となるようにゼロ点補正を行った後に、補正後の反射スペクトルを逆フーリエ変換することで、空間干渉強度波形の原点にピークの存在しない望ましい反射スペクトルを得るようにした半導体薄膜の膜厚測定方法が知られている（例えば、特開２０００−２９２１２８号公報参照）。また、埋設界面を内蔵する半導体デバイスに赤外光を照射し、反射信号をフーリエ変換を用いて解析することで埋設界面の深さを測定する方法が知られている（例えば、特開平１１−２６０８７６号公報参照）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来のＰＲ法を用いた半導体デバイスの接合評価方法では、複雑な変調スペクトルをそのまま解析して、半導体の接合界面における電界強度を求める必要があるため、トレーニングされた特定の者でなければ正確な電界強度を求めることができないという問題があった。以下に、従来の半導体の接合界面における電界を求める方法について説明する。例えば、GaAs（ガリウムヒ素）のような単純なp-n接合の構造を持つ半導体では、図６に示されるように、バンドギャップ（GaAsの場合は約１．４ｅＶ）以上のエネルギー領域（図中のバンドギャップ相当位置よりも右側の領域）に振動的な信号変化が観測される。これは、フランツケルディッシュ振動と呼ばれるものであり、フォトリフレクタンス法により検出した反射光強度信号の変化率のスペクトル（以下、ＰＲスペクトルという）に特有の構造である。この振動のｎ番目のピーク値に対応した点ｎ１〜ｎ４を図７に示されるグラフ上にプロットして、これらの点ｎ１〜ｎ４に沿った直線Ｌ１０１の勾配を得る。
【０００５】
上記の直線Ｌ１０１の勾配に基づいてｎ番目のピーク値に対応した理論上の光のエネルギーＥ_ｎを求める。例えば、３番目のピーク値に対応した理論上の光のエネルギーＥ_３は、図に示される値となる。理論上の光のエネルギーＥ_１〜Ｅ_４は、下記の（１）式を満たしており、この（１）式と下記の（２）式より半導体の接合界面における電界Ｆの値を求めることができる。
【０００６】
【数１】

【０００７】
【数２】

【０００８】
しかし、図８に示されるヘテロバイポーラトランジスタのような複雑な多層構造からなる半導体デバイスに光を照射した場合には、図９に示されるように、半導体デバイスから返ってくる信号が単純ではないため、ＰＲスペクトルの解析をする際に、どのピーク値をどの接合界面の電界測定に用いればよいかという判断をすることが難しい。このため、ある接合界面から返ってきた信号のピーク値を他の接合界面における電界の測定に用いてしまうことがあるので、各接合界面における電界強度の測定精度が低くなってしまい、測定した電界強度を用いて各接合界面における接合容量を正確に評価することができないという問題があった。図９に示される各ＰＲスペクトルは、同じ構造を持つように設計されたヘテロバイポーラトランジスタから得られたフォトリフレクタンス信号（反射光強度の変化率を表す信号：以下、ＰＲ信号と略す）を並べたものであるにも拘わらず、多様な形状となっている。この事実は、スペクトル解析の困難性を予期させるものである。
【０００９】
また、特開平６−１７４６３７号公報等に示されるような従来の半導体の薄膜や埋設界面の評価方法では、半導体デバイスの各接合界面における電界強度や接合容量を評価することができないという問題があった。
【００１０】
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、ＰＲスペクトルに基づき半導体デバイスの各接合界面における電界強度を正確に測定することができるようにして、これらの電界強度に基づき各接合界面における接合容量を正確に評価することが可能な半導体の接合容量評価方法及び接合容量測定装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１の発明は、電界変調を加えた半導体に光を照射して、半導体からの反射光に基づき半導体の各接合界面における電界強度を測定する反射変調分光法を用いて半導体の各接合界面における接合容量を評価する方法であって、半導体からの反射光の波長を変化させながら、各波長に対応した反射光のエネルギー強度と反射光強度の変化率との対応データを検出する工程と、検出したデータの中で半導体のバンドギャップ以上のエネルギー領域に対応したデータをフーリエ変換することにより、検出したデータを複数の周波数帯域のデータに分離する工程と、分離した各帯域データのピーク値の周波数に基づき半導体の各接合界面における電界強度を算出する工程と、算出した電界強度に基づき半導体の各接合界面における接合容量を求める工程とを含むものである。
【００１２】
上記の方法により、検出したデータの中で半導体のバンドギャップ以上のエネルギー領域に対応したデータをフーリエ変換することにより、検出したデータを半導体の各接合界面から取得した異なる周波数帯域のデータに分離することができる。これにより、ある接合界面から取得したデータを他の接合界面における電界の測定に用いてしまうことを防ぐことができるので、半導体の各接合界面における電界強度を正確に算出することができ、従って、算出した電界強度に基づき各接合界面における接合容量を正確に算出することができる。
【００１３】
また、上記の反射変調分光法は、半導体に励起光を照射する方法により半導体の電界を変調させるフォトリフレクタンス法であることが望ましい。これにより、非接触で半導体の電界を変調させることができる。
【００１４】
また、請求項３の発明は、半導体の電界を変調させる電界変調手段と、電界変調手段により電界変調を加えられた半導体に光を照射する照射手段と、照射手段による照射光又はこの照射光に対する半導体からの反射光の中から特定の波長の分光を取り出す分光手段とを備え、分光手段により取り出す分光の波長を変化させながら、この波長の変化に伴う半導体からの反射光強度の変化率に基づき半導体の各接合界面における電界強度を測定し、これらの電界強度に基づき半導体の各接合界面における接合容量を測定する装置であって、分光手段により取り出される分光の波長の変化に伴う半導体からの反射光強度の変化率を検出する検出手段と、検出手段により検出されたデータの中で半導体のバンドギャップ以上のエネルギー領域に対応したデータをフーリエ変換することにより、検出されたデータを複数の周波数帯域のデータに分離する分離手段と、分離手段により分離された各帯域データのピーク値の周波数に基づき半導体の各接合界面における電界強度を算出する電界強度算出手段と、電界強度算出手段により算出された電界強度に基づき半導体の各接合界面における接合容量を算出する接合容量算出手段とを備えたものである。この構成においては、上記請求項１と同様な作用を得ることができる。
【００１５】
また、電界変調手段は、半導体に励起光を照射する方法により半導体の電界を変調させるものであることが望ましい。これにより、上記と同様な作用を得ることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態による半導体の接合容量評価方法を適用した接合容量測定装置について図面を参照して説明する。図１に本実施形態による接合容量測定装置の構成を示す。この接合容量測定装置（以下、測定装置と略す）１は、半導体デバイス４に対する照射光の光源となるタングステンランプ２（照射手段）と、このランプ２からの照射光を分光するためのモノクロメータ３（分光手段）と、４８８ｎｍの波長を持つアルゴンレーザ光（励起光）を出射するレーザ光源５と、レーザ光源５からのレーザ光の強度を減衰させるためのＮＤフィルタ６と、ＮＤフィルタ６を透過したレーザ光を変調させるためのチョッパ７とを有している。レーザ光源５、ＮＤフィルタ６及びチョッパ７は、請求項における電界変調手段に相当する。
【００１７】
また、上記の測定装置１は、モノクロメータ３からの分光に対する半導体デバイス４からの反射光の強度を検出するための光検出器８（検出手段）と、光検出器８で検出された反射光強度信号に基づいてレーザ光が照射されていない状態における反射光強度信号Ｒを求める平滑回路１０と、光検出器８で検出された反射光強度信号のうちのレーザ光照射による変化分の信号△Ｒを取り出すロックイン増幅器９とを持つ。さらにまた、測定装置１は、レーザ光照射による反射光強度の変化率△Ｒ／Ｒに基づいて半導体デバイス４の各接合界面における電界強度及び接合容量を測定するためのマイクロコンピュータ１１と、反射光強度信号Ｒの大きさが一定となるように光検出器８の信号検出感度にフィードバックをかけるためのフィードバック回路１２と、チョッパ７及びロックイン増幅器９に変調周期信号を与える制御回路１３とを有している。マイクロコンピュータ１１は、請求項における検出手段、分離手段、電界強度算出手段及び接合容量算出手段としても機能する。
【００１８】
次に、上記の測定装置１の動作について説明する。レーザ光源５から出射されたレーザ光は、ＮＤフィルタ６により減衰された上でチョッパ７によりパルス励起光Ｐ_２に変更されて、半導体デバイス４上に照射される。一方、タングステンランプ２から発せられた光は、モノクロメータ３により特定の波長の分光Ｐ_１とされ、半導体デバイス４上のパルス励起光Ｐ_２の照射箇所に照射される。モノクロメータ３により取り出される分光Ｐ_１の波長は、マイクロコンピュータ１１からの指示に基づいて順次変化していくため、半導体デバイス４上には順次異なる波長の分光Ｐ_１が照射される。光検出器８は、モノクロメータ３により選択された波長の分光Ｐ_１に対応した反射光強度信号を検出して、検出した信号をロックイン増幅器９と平滑回路１０とに出力する。
【００１９】
上記の平滑回路１０は、入力された反射光強度信号の直流成分、すなわち、パルス励起光Ｐ_２が照射されていない状態における反射光強度信号Ｒを取り出して、マイクロコンピュータ１１に出力する。また、ロックイン増幅器９は、パルス励起光Ｐ_２による反射光強度信号の変化分、すなわち、パルス励起光Ｐ_２が照射されている状態における反射光強度信号（Ｒ＋△Ｒ）からパルス励起光Ｐ_２が照射されていない状態における反射光強度信号Ｒを引いた差分値の信号△Ｒを取り出す。マイクロコンピュータ１１は、モノクロメータ３に指示を与えて半導体デバイス４上に照射する分光Ｐ_１の波長に変化を与えながら、平滑回路１０より送られた反射光強度信号Ｒとロックイン増幅器９より送られた差分値信号△Ｒとに基づいて、分光Ｐ_１の各波長における光のエネルギーと反射光強度信号の変化率△Ｒ／Ｒとの対応関係を表すスペクトルを測定する。このスペクトルは、上記図６に示される従来の測定装置で得られるスペクトルと同じものである。次に、マイクロコンピュータ１１は、このスペクトル上のデータの中でバンドギャップ以上のエネルギー領域に対応したデータをフーリエ変換することにより、この領域のデータを複数の周波数帯域のデータに分離し、分離した各帯域データのピーク値の周波数に基づき半導体の各接合界面における電界強度を算出する。そして、算出した電界強度に基づき半導体の各接合界面における接合容量を測定する。
【００２０】
図２に同じ構造を持つように設計された４つのヘテロバイポーラトランジスタのサンプルから得られた各ＰＲスペクトルを示す。図中の各ＰＲスペクトルＳ１〜Ｓ４は、異なる４つのサンプルから得られたそれぞれのフォトリフレクタンス信号（反射光強度の変化率（△Ｒ／Ｒ）に相当する信号：以下、ＰＲ信号と略す）を並べたものである。図に示されるように、各サンプルの半導体接合界面からのＰＲ信号は、フランツケルディッシュ振動として知られている振動的な成分を持つ。従来、ＰＲ信号に基づき半導体の各接合界面における接合容量を評価する場合には、ＰＲスペクトルを構成するＰＲ信号の信号源を区別することなく、ＰＲスペクトルに現れる強度変化を直接解析することにより半導体の各接合界面における電界強度を測定して、この電界強度に基づき各接合界面における接合容量を評価していた。従って、半導体のある接合界面から取得したＰＲ信号を他の接合界面における電界強度の測定に用いてしまう場合があるため、この電界強度に基づき半導体の各接合界面における接合容量を正確に評価することができなかった。
【００２１】
そこで、本測定装置１は、上記のＰＲ信号が持つ振動の周期性に着目して、ＰＲスペクトル上のデータをフーリエ変換することにより半導体の各接合界面からのＰＲ信号を分類する方法を採用する。フーリエ変換は信号を周波数領域に変換する手法であり、フーリエ変換を用いることにより異なる周波数成分を持つ信号を異なる信号として区別して表すことが可能になる。一般にトランジスタデバイスなどにおける半導体接合は多層構造であるため、これらのデバイスから取得したＰＲ信号の信号源となる接合界面を特定するのが困難とされていたが、ＰＲ信号のデータをフーリエ変換することによりＰＲ信号の信号源となる接合界面を区別することができる。従って、ＰＲスペクトルを構成するＰＲ信号を信号源となる接合界面の差異に基づき分類することができる。
【００２２】
次に、上記のＰＲ信号を分類する方法の具体的な原理について説明する。ＰＲ信号に現れるフランツケルディッシュ振動は、半導体のバンドギャップ以上のエネルギー領域においては近似的に以下のcos関数で表されるような振動となる。
【数３】

【００２３】
上記の（３）式から上記の振動の周期ｆは、以下の式で与えられる。
【数４】

【００２４】
上記の（４）式を用いてＰＲスペクトルを構成する各ＰＲ信号の信号源となる接合界面を区別することができる。具体的には、マイクロコンピュータ１１が検出したＰＲ信号の中で半導体のバンドギャップ以上のエネルギー領域に対応したＰＲ信号のデータをフーリエ変換することにより、複雑なフランツケルディッシュ振動を構成するＰＲ信号の信号源を周波数帯域で分離する。そして、分離した各周波数帯域におけるＰＲ信号のピーク値の周波数に基づき、半導体の各接合界面における電界を区別して測定する。このように、ＰＲ信号を信号源となる接合界面毎に分離し、それぞれの接合界面から取得したＰＲ信号のみに基づいてそれぞれの接合界面における電界を求めるようにしたことにより、半導体の各接合界面における電界を正確かつ簡便に求めることが可能となった。
【００２５】
図３に上記の方法でＰＲスペクトルに含まれるＰＲ信号のデータをフーリエ変換して得られた代表的なスペクトルを示す。図に示されるように、フーリエ変換後のスペクトルＳ５は明瞭に２つのピークＰＫ１、ＰＫ２を持つ。このことから、元のＰＲ信号には主に２種類のフランツケルディッシュ振動で表されるＰＲ信号が合成されていたことが明らかである。元のＰＲ信号は、ほぼ２つの周波数帯域のＰＲ信号に分離される。図中のＷ１内のＰＲ信号は、エミッタとベースの接合界面から取得したＰＲ信号を示し、Ｗ２内のＰＲ信号は、ベースとコレクタの接合界面から取得したＰＲ信号を示す。Ｗ１内のＰＲ信号のピークＰＫ１における周波数ｆを上記の（４）式に代入して求めた電界Ｆが、エミッタとベースの接合界面における電界であり、Ｗ２内のＰＲ信号のピークＰＫ２における周波数ｆを上記の（４）式に代入して求めた電界Ｆが、ベースとコレクタの接合界面における電界である。これらの電界の値に基づき各接合界面における接合容量を求めると、同じ半導体デバイスのサンプルについて電気的な特性から求めたエミッタ−ベース間容量及びコレクタ−ベース間容量に一致しており、非接触によってこれらの界面における接合容量を見積もることに成功している。
【００２６】
図４に図２中の各ＰＲスペクトルに含まれるＰＲ信号のデータをフーリエ変換して得られた４つのスペクトルを示す。Ｓ７、Ｓ８、Ｓ９、Ｓ１０は、それぞれ図２中のＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４に対応したスペクトルである。
【００２７】
次に、図５を参照して、上記の方法により求めた電界及び接合容量の値と従来の方法により求めた電界及び接合容量の値とを比較する。図中のＡ_１〜Ｆ_１は、同じ構造を持つように設計された６つのヘテロバイポーラトランジスタに対して従来の方法を用いて求めた特定の接合界面における電界及び接合容量の値を示し、Ａ_２〜Ｆ_２は、これらのトランジスタに対して上記のフーリエ変換を用いた方法により求めた特定の接合界面における電界及び接合容量の値を示す。図に示されるように、従来の方法により求めた電界及び接合容量では許容範囲から外れた値のものでも、上記のフーリエ変換を用いた方法により求めた電界及び接合容量では許容範囲内になるものＡ_２・Ｂ_２・Ｅ_２・Ｆ_２があり、逆に従来の方法では許容範囲内だったものでも、上記のフーリエ変換を用いた方法により求めた電界及び接合容量が許容範囲を外れるものＣ_２・Ｄ_２がある。なお、Ｃ_２・Ｄ_２は設計通りに作成されなかったヘテロバイポーラトランジスタについての測定値であり、許容範囲に入るはずのないものである。このことから、上記フーリエ変換を用いた方法により電界と接合容量の高い相関関係が得られ、電界測定により接合容量を正確に評価できることが分かる。
【００２８】
上述したように、本実施形態による測定装置１によれば、半導体デバイスからのＰＲ信号のデータの中で半導体のバンドギャップ以上のエネルギー領域のデータをフーリエ変換することにより、これらのＰＲ信号のデータを半導体の各接合界面等から取得した異なる周波数帯域のデータに分離するようにした。これにより、半導体の接合界面の電界に起因する振動的なデータと他の振動的なデータとを容易に区別することができ、また、半導体のある接合界面から取得したデータを他の接合界面における電界の測定に用いてしまうことを防ぐことができる。従って、半導体の各接合界面における電界強度を該当の接合界面から取得したデータのみに基づいて正確に測定して、これらの電界強度に基づき各接合界面における接合容量を正確に評価することができる。
【００２９】
本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、本実施形態では、半導体に励起光を照射するＰＲ法を採用した測定装置に本発明を適用した例を示したが、Electron-Beam Er(EBER)法等の他の反射変調分光法を採用した測定装置に本発明を適用してもよい。
【００３０】
【発明の効果】
以上のように請求項１又は請求項３の発明によれば、半導体からの反射光強度の変化率に関するデータの中で半導体のバンドギャップ以上のエネルギー領域のデータをフーリエ変換することにより、これらのデータを半導体の各接合界面等から取得した異なる周波数帯域のデータに分離するようにした。これにより、半導体の接合界面の電界に起因する振動的なデータと他の振動的なデータとを容易に区別することができ、また、半導体のある接合界面から取得したデータを他の接合界面における電界の測定に用いてしまうことを防ぐことができる。従って、半導体の各接合界面における電界強度を該当の接合界面から取得したデータのみに基づいて正確に測定し、測定した電界強度に基づき各接合界面における接合容量を正確に評価することができる。
【００３１】
また、請求項２又は請求項４の発明によれば、半導体に励起光を照射する方法により半導体の電界を変調させるフォトリフレクタンス法を使用することにより、非接触で半導体の電界を変調させることができる。これにより、半導体の接合容量を容易に評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による接合容量測定装置の構成図。
【図２】上記測定装置を用いて同じ構造を持つように設計された４つの半導体デバイスから取得したＰＲスペクトルを示す図。
【図３】上記測定装置によりＰＲスペクトルに含まれるＰＲ信号のデータをフーリエ変換して得られた代表的なスペクトルを示す図。
【図４】上記測定装置により図２中の各ＰＲスペクトルに含まれるＰＲ信号のデータをフーリエ変換して得られた４つのスペクトルを示す図。
【図５】上記測定装置によりフーリエ変換を用いて求めた電界及び接合容量の値と従来の方法により求めた電界及び接合容量の値とを示す図。
【図６】 GaAsのような単純なp-n接合の構造を持つ半導体から取得したフォトリフレクタンス信号のスペクトルを示す図。
【図７】従来の半導体の接合界面における電界の求め方を示す図。
【図８】ヘテロバイポーラトランジスタの構造を示す図。
【図９】同じ構造を持つように設計された複数のヘテロバイポーラトランジスタのサンプルから得られたフォトリフレクタンス信号を並べた図。
【符号の説明】
１接合容量測定装置
２タングステンランプ（照射手段）
３モノクロメータ（分光手段）
４半導体デバイス
５レーザ光源（電界変調手段）
７チョッパ（電界変調手段）
８光検出器（検出手段）
１１マイクロコンピュータ（検出手段、分離手段、電界強度算出手段、接合容量算出手段）
Ｐ_２パルス励起光（励起光）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a band structure evaluation method for semiconductor devices such as heterobipolar transistors and FETs, and in particular, a method for evaluating electrolytic strength and junction capacitance at each semiconductor junction interface using modulation spectroscopy, and this evaluation method. The present invention relates to a semiconductor junction capacitance measuring apparatus used.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, when evaluating the junction capacitance at each junction interface of a semiconductor device, an electrode is created in the semiconductor device, and the junction capacitance is electrically measured using this electrode. However, such an evaluation method based on electrode production is a kind of destructive evaluation and is not suitable for an inspection method in the production process. Therefore, recently, a method for estimating the junction capacitance at each junction interface of a semiconductor device using a technique called light modulation spectroscopy has been proposed (see, for example, JP-A-7-98272). The junction capacity measuring device used has also been commercialized. This light modulation spectroscopy is a type of modulation spectroscopy, and is a technique for measuring a change in a reflected light or absorbed light signal accompanying this modulation while periodically modulating a measurement substance with light. The light modulation on the semiconductor device is to modulate the internal electric field of the semiconductor device by the photovoltage generated by the light irradiation, and there is an advantage that the electric field modulation of the semiconductor device can be realized nondestructively by adopting the light modulation spectroscopy. Modulation spectroscopy includes reflection spectroscopy and absorption spectroscopy. Of these, absorption spectroscopy cannot be measured unless it passes through a substance. Therefore, it can be used to measure heterostructure semiconductor devices in which semiconductors with different band gaps are joined. Is not suitable. From this point of view, light modulation reflection spectroscopy, that is, photoreflectance method (hereinafter referred to as PR method) is widely used. In the United States, a semiconductor device using the PR method, particularly a heterobipolar transistor junction evaluation method is widespread, and this evaluation method may become a global standard.
[0003]
In addition, in a conventional semiconductor evaluation method, a method for evaluating the uniformity of the semiconductor thin film film quality and the presence of impurities based on the infrared spectrum of a Fourier transform infrared spectrophotometer is known (for example, see Japanese Patent Laid-Open No. Hei 6-1994). No. 174637). Furthermore, the spatial interference intensity waveform data obtained by measuring the reflected light from the semiconductor thin film is Fourier transformed, and the center line of the lowest frequency component of the converted reflection spectrum is the zero point of the reflectance. After the zero point correction is performed as described above, there is a method for measuring the thickness of a semiconductor thin film in which a desired reflection spectrum having no peak at the origin of the spatial interference intensity waveform is obtained by performing inverse Fourier transform on the corrected reflection spectrum. It is known (see, for example, JP 2000-292128 A). Further, a method is known in which a semiconductor device having a buried interface is irradiated with infrared light and the depth of the buried interface is measured by analyzing a reflected signal using Fourier transform (for example, Japanese Patent Laid-Open No. Hei 11- No. 260876).
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the semiconductor device junction evaluation method using the conventional PR method as described above, it is necessary to analyze the complex modulation spectrum as it is to obtain the electric field strength at the semiconductor junction interface. There is a problem that an accurate electric field strength cannot be obtained unless it is a person. Hereinafter, a method for obtaining an electric field at a junction interface of a conventional semiconductor will be described. For example, in a semiconductor having a simple pn junction structure such as GaAs (gallium arsenide), as shown in FIG. 6, an energy region (band in the figure) of a band gap (about 1.4 eV in the case of GaAs) or more. An oscillating signal change is observed in a region on the right side of the gap equivalent position. This is called Franz Keldisch oscillation, and is a structure peculiar to the spectrum of the change rate of the reflected light intensity signal detected by the photoreflectance method (hereinafter referred to as PR spectrum). Points n1 to n4 corresponding to the n-th peak value of this vibration are plotted on the graph shown in FIG. 7, and the gradient of the straight line L101 along these points n1 to n4 is obtained.
[0005]
Determining energy E _n of the optical theoretical corresponding to n-th peak value based on the slope of the straight line L101. For example, the theoretical light energy E ₃ corresponding to the third peak value is the value shown in the figure. The theoretical light energies E _{1 to} E ₄ satisfy the following equation (1), and the value of the electric field F at the junction interface of the semiconductor can be obtained from this equation (1) and the following equation (2). it can.
[0006]
[Expression 1]

[0007]
[Expression 2]

[0008]
However, when a semiconductor device having a complicated multilayer structure such as the heterobipolar transistor shown in FIG. 8 is irradiated with light, the signal returned from the semiconductor device is not simple as shown in FIG. When analyzing the PR spectrum, it is difficult to determine which peak value should be used for the electric field measurement of which junction interface. For this reason, the peak value of the signal returned from one bonding interface may be used for the measurement of the electric field at the other bonding interface, so that the measurement accuracy of the electric field strength at each bonding interface becomes low, and the measured electric field There was a problem that the bonding capacity at each bonding interface could not be accurately evaluated using the strength. Each PR spectrum shown in FIG. 9 includes a photoreflectance signal (a signal representing a rate of change in reflected light intensity: hereinafter, abbreviated as a PR signal) obtained from a heterobipolar transistor designed to have the same structure. Despite the fact that it is, it has various shapes. This fact anticipates the difficulty of spectral analysis.
[0009]
In addition, the conventional semiconductor thin film and embedded interface evaluation methods disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-174737 have a problem that the electric field strength and junction capacitance at each junction interface of a semiconductor device cannot be evaluated. It was.
[0010]
The present invention has been made to solve the above-described problems. Based on the PR spectrum, the electric field strength at each junction interface of the semiconductor device can be accurately measured, and based on these electric field strengths. It is an object of the present invention to provide a semiconductor junction capacitance evaluation method and a junction capacitance measuring apparatus capable of accurately evaluating the junction capacitance at each junction interface.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a first aspect of the present invention is a reflection modulation spectroscopy method for irradiating a semiconductor to which electric field modulation has been applied and measuring the electric field strength at each junction interface of the semiconductor based on the reflected light from the semiconductor. This is a method to evaluate the junction capacitance at each junction interface of the semiconductor, and the correspondence between the energy intensity of the reflected light corresponding to each wavelength and the rate of change of the reflected light intensity while changing the wavelength of the reflected light from the semiconductor. The process of detecting data and the process of separating the detected data into data of a plurality of frequency bands by performing Fourier transform on the data corresponding to the energy region above the band gap of the semiconductor in the detected data The step of calculating the electric field strength at each junction interface of the semiconductor based on the frequency of the peak value of each band data, and each junction boundary of the semiconductor based on the calculated electric field strength It is intended to include a step of determining a junction capacitance in.
[0012]
By the above method, the data corresponding to the energy region above the band gap of the semiconductor is Fourier transformed in the detected data to separate the detected data into data of different frequency bands acquired from each junction interface of the semiconductor. be able to. As a result, it is possible to prevent the data obtained from one junction interface from being used for the measurement of the electric field at the other junction interface, so that the electric field strength at each junction interface of the semiconductor can be accurately calculated. Based on the calculated electric field strength, the junction capacity at each junction interface can be accurately calculated.
[0013]
The reflection modulation spectroscopy is preferably a photoreflectance method in which the electric field of the semiconductor is modulated by a method of irradiating the semiconductor with excitation light. Thereby, the electric field of a semiconductor can be modulated in a non-contact manner.
[0014]
According to a third aspect of the present invention, there is provided an electric field modulating means for modulating an electric field of a semiconductor, an irradiating means for irradiating light to the semiconductor which has been subjected to electric field modulation by the electric field modulating means, light irradiated by the irradiating means or Spectroscopic means for extracting a spectrum of a specific wavelength from light reflected from the semiconductor, and changing the wavelength of the spectroscopic light extracted by the spectroscopic means, based on the rate of change in reflected light intensity from the semiconductor accompanying this change in wavelength. A device that measures the electric field strength at each semiconductor junction interface and measures the junction capacitance at each semiconductor junction interface based on these electric field strengths, and reflects from the semiconductor as the wavelength of the spectrum taken out by the spectroscopic means changes. The detection means for detecting the rate of change of the light intensity, and the data detected by the detection means correspond to the energy region above the semiconductor band gap. Separation means that separates the detected data into data of multiple frequency bands by Fourier transforming the data, and electric field strength at each junction interface of the semiconductor based on the frequency of the peak value of each band data separated by the separation means And a junction capacity calculation means for calculating a junction capacity at each junction interface of the semiconductor based on the electric field strength calculated by the field strength calculation means. In this configuration, the same effect as in the first aspect can be obtained.
[0015]
Moreover, it is desirable that the electric field modulation means modulates the electric field of the semiconductor by a method of irradiating the semiconductor with excitation light. Thereby, the same operation as described above can be obtained.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a junction capacitance measuring apparatus to which a semiconductor junction capacitance evaluation method according to an embodiment of the present invention is applied will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows the configuration of the junction capacitance measuring apparatus according to the present embodiment. This junction capacitance measuring device (hereinafter abbreviated as “measuring device”) 1 includes a tungsten lamp 2 (irradiating means) serving as a light source of irradiation light to the semiconductor device 4 and a monochromator 3 for splitting the irradiation light from the lamp 2. (Spectrometer), a laser light source 5 that emits argon laser light (excitation light) having a wavelength of 488 nm, an ND filter 6 for attenuating the intensity of the laser light from the laser light source 5, and the ND filter 6 are transmitted. And a chopper 7 for modulating the laser beam. The laser light source 5, the ND filter 6, and the chopper 7 correspond to the electric field modulation means in the claims.
[0017]
The measuring apparatus 1 includes a photodetector 8 (detection means) for detecting the intensity of reflected light from the semiconductor device 4 with respect to the spectrum from the monochromator 3, and reflected light detected by the photodetector 8. A smoothing circuit 10 for obtaining a reflected light intensity signal R in a state where the laser light is not irradiated based on the intensity signal, and a signal Δ corresponding to a change due to laser light irradiation in the reflected light intensity signal detected by the photodetector 8 And a lock-in amplifier 9 for extracting R. Furthermore, the measuring apparatus 1 includes a microcomputer 11 for measuring the electric field strength and the junction capacitance at each junction interface of the semiconductor device 4 based on the rate of change ΔR / R of the reflected light intensity due to laser light irradiation, and the reflected light. A feedback circuit 12 for feeding back the signal detection sensitivity of the photodetector 8 so that the magnitude of the intensity signal R is constant, and a control circuit 13 for supplying a modulation period signal to the chopper 7 and the lock-in amplifier 9 are provided. is doing. The microcomputer 11 also functions as detection means, separation means, electric field strength calculation means, and junction capacitance calculation means in the claims.
[0018]
Next, the operation of the measurement apparatus 1 will be described. The laser light emitted from the laser light source 5 is attenuated by the ND filter 6, changed to the pulse excitation light P ₂ by the chopper 7, and irradiated onto the semiconductor device 4. On the other hand, the light emitted from the tungsten lamp 2 is made into a spectroscopic P ₁ having a specific wavelength by the monochromator 3, and is irradiated to the irradiated portion of the pulse excitation light P ₂ on the semiconductor device 4. Since the wavelength of the spectrum P ₁ taken out by the monochromator 3 is sequentially changed based on an instruction from the microcomputer 11, the spectrum P ₁ having different wavelengths is sequentially irradiated onto the semiconductor device 4. The photodetector 8 detects the reflected light intensity signal corresponding to the spectrum P ₁ having the wavelength selected by the monochromator 3 and outputs the detected signal to the lock-in amplifier 9 and the smoothing circuit 10.
[0019]
The smoothing circuit 10 extracts the direct current component of the input reflected light intensity signal, that is, the reflected light intensity signal R in a state where the pulse excitation light P ₂ is not irradiated, and outputs it to the microcomputer 11. Further, the lock-in amplifier 9 changes the reflected light intensity signal due to the pulse excitation light P ₂ , that is, from the reflected light intensity signal (R + ΔR) in the state where the pulse excitation light P ₂ is irradiated. A signal ΔR of a difference value obtained by subtracting the reflected light intensity signal R in a state where ₂ is not irradiated is extracted. The microcomputer 11 sends the reflected light intensity signal R sent from the smoothing circuit 10 and the lock-in amplifier 9 while giving an instruction to the monochromator 3 to change the wavelength of the spectrum P ₁ irradiated onto the semiconductor device 4. Based on the obtained difference value signal ΔR, a spectrum representing the correspondence between the energy of light at each wavelength of the spectrum P _{1 and} the rate of change ΔR / R of the reflected light intensity signal is measured. This spectrum is the same as the spectrum obtained by the conventional measuring apparatus shown in FIG. Next, the microcomputer 11 separates the data in this region into data of a plurality of frequency bands by performing Fourier transform on the data corresponding to the energy region above the band gap in the data on the spectrum. The electric field strength at each junction interface of the semiconductor is calculated based on the frequency of the peak value of each band data. Then, the junction capacity at each junction interface of the semiconductor is measured based on the calculated electric field strength.
[0020]
FIG. 2 shows each PR spectrum obtained from a sample of four heterobipolar transistors designed to have the same structure. Each PR spectrum S1 to S4 in the figure is a photoreflectance signal obtained from four different samples (signal corresponding to the rate of change in reflected light intensity (ΔR / R): hereinafter abbreviated as PR signal). Are arranged. As shown in the figure, the PR signal from the semiconductor junction interface of each sample has an oscillating component known as Franz Keldisch oscillation. Conventionally, when the junction capacitance at each junction interface of a semiconductor is evaluated based on the PR signal, the semiconductor directly analyzes the intensity change appearing in the PR spectrum without distinguishing the signal source of the PR signal constituting the PR spectrum. The electric field strength at each bonding interface was measured, and the bonding capacity at each bonding interface was evaluated based on the electric field strength. Therefore, since the PR signal acquired from one semiconductor junction interface may be used to measure the electric field strength at another junction interface, the junction capacitance at each semiconductor junction interface must be accurately evaluated based on the electric field strength. I could not.
[0021]
Therefore, the measurement apparatus 1 pays attention to the periodicity of vibration of the PR signal and employs a method of classifying the PR signal from each junction interface of the semiconductor by Fourier transforming the data on the PR spectrum. . The Fourier transform is a method for transforming a signal into the frequency domain. By using the Fourier transform, signals having different frequency components can be distinguished and represented as different signals. In general, since semiconductor junctions in transistor devices and the like have a multilayer structure, it has been difficult to specify a junction interface that becomes a signal source of PR signals acquired from these devices. However, it is necessary to perform Fourier transform on PR signal data. Thus, it is possible to distinguish the junction interface that becomes the signal source of the PR signal. Therefore, the PR signals constituting the PR spectrum can be classified based on the difference in the junction interface serving as the signal source.
[0022]
Next, the specific principle of the method for classifying the PR signals will be described. The Franz Kelish oscillation that appears in the PR signal is approximately the oscillation represented by the following cos function in the energy region above the band gap of the semiconductor.
[Equation 3]

[0023]
From the above equation (3), the period f of the vibration is given by the following equation.
[Expression 4]

[0024]
Using the above equation (4), it is possible to distinguish the junction interface that becomes the signal source of each PR signal constituting the PR spectrum. Specifically, the PR signal data corresponding to the energy region of the semiconductor band gap or more among the PR signals detected by the microcomputer 11 is Fourier-transformed, so that Separate signal sources in frequency band. Then, based on the frequency of the peak value of the PR signal in each separated frequency band, the electric field at each junction interface of the semiconductor is distinguished and measured. As described above, the PR signal is separated for each junction interface serving as a signal source, and the electric field at each junction interface is obtained based only on the PR signal acquired from each junction interface. It has become possible to determine the electric field accurately and simply.
[0025]
FIG. 3 shows a representative spectrum obtained by Fourier transforming PR signal data included in the PR spectrum by the above method. As shown in the figure, the spectrum S5 after Fourier transform clearly has two peaks PK1 and PK2. From this, it is clear that PR signals represented mainly by two types of Franz Keldisch oscillations were synthesized with the original PR signal. The original PR signal is separated into PR signals of almost two frequency bands. The PR signal in W1 in the drawing indicates the PR signal acquired from the junction interface between the emitter and the base, and the PR signal in W2 indicates the PR signal acquired from the junction interface between the base and the collector. The electric field F obtained by substituting the frequency f at the peak PK1 of the PR signal in W1 into the above equation (4) is the electric field at the junction interface between the emitter and the base, and the frequency f at the peak PK2 of the PR signal in W2 Is the electric field at the junction interface between the base and the collector. When the junction capacitance at each junction interface is obtained based on the values of these electric fields, it corresponds to the emitter-base capacitance and the collector-base capacitance obtained from the electrical characteristics of the same semiconductor device sample. We have succeeded in estimating the junction capacity at these interfaces.
[0026]
FIG. 4 shows four spectra obtained by Fourier transforming the PR signal data included in each PR spectrum in FIG. S7, S8, S9, and S10 are spectra corresponding to S1, S2, S3, and S4 in FIG. 2, respectively.
[0027]
Next, referring to FIG. 5, the electric field and junction capacitance values obtained by the above method are compared with the electric field and junction capacitance values obtained by the conventional method. A _{1 to} F ₁ in the figure indicate electric field and junction capacitance values at a specific junction interface obtained by using a conventional method for six heterobipolar transistors designed to have the same structure. _{2 to} F ₂ indicate electric field and junction capacitance values at specific junction interfaces obtained by the above-described method using Fourier transform for these transistors. As shown in the figure, even when the electric field and junction capacitance obtained by the conventional method are out of the allowable range, the electric field and junction capacitance obtained by the above method using the Fourier transform are within the allowable range. There are A ₂ , B ₂ , E _2, and F ₂ , and conversely, even if the conventional method is within the allowable range, the electric field and the junction capacitance obtained by the method using the Fourier transform described above are out of the allowable range C there is a _₂ · _D _2. C ₂ · D ₂ are measured values of heterobipolar transistors that were not created as designed, and should not be within the allowable range. This shows that a high correlation between the electric field and the junction capacitance is obtained by the method using the Fourier transform, and the junction capacitance can be accurately evaluated by electric field measurement.
[0028]
As described above, according to the measuring apparatus 1 according to the present embodiment, the data of these PR signals is obtained by performing Fourier transform on the data of the energy region above the band gap of the semiconductor in the PR signal data from the semiconductor device. Are separated into data of different frequency bands acquired from each junction interface of the semiconductor. As a result, it is possible to easily distinguish vibration data resulting from the electric field at the semiconductor junction interface from other vibration data, and to obtain data obtained from a semiconductor junction interface at other junction interfaces. It can be prevented from being used for measurement of an electric field. Accordingly, it is possible to accurately measure the electric field strength at each junction interface of the semiconductor based only on the data acquired from the corresponding junction interface, and to accurately evaluate the junction capacitance at each junction interface based on these electric field strengths.
[0029]
The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications are possible. For example, in this embodiment, an example in which the present invention is applied to a measurement apparatus that employs the PR method for irradiating a semiconductor with excitation light has been described. However, other reflection modulation spectroscopy such as an Electron-Beam Er (EBER) method is used. You may apply this invention to the employ | adopted measuring apparatus.
[0030]
【The invention's effect】
As described above, according to the invention of claim 1 or claim 3, these data are obtained by performing Fourier transform on the data in the energy region above the band gap of the semiconductor in the data relating to the rate of change in the reflected light intensity from the semiconductor. The data was separated into data of different frequency bands acquired from each junction interface of the semiconductor. As a result, it is possible to easily distinguish vibration data resulting from the electric field at the semiconductor junction interface from other vibration data, and to obtain data obtained from a semiconductor junction interface at other junction interfaces. It can be prevented from being used for measurement of an electric field. Therefore, the electric field strength at each junction interface of the semiconductor can be accurately measured based only on the data acquired from the corresponding junction interface, and the junction capacitance at each junction interface can be accurately evaluated based on the measured electric field strength.
[0031]
According to the invention of claim 2 or claim 4, the semiconductor electric field is modulated in a non-contact manner by using a photoreflectance method that modulates the electric field of the semiconductor by a method of irradiating the semiconductor with excitation light. Can do. Thereby, the junction capacitance of the semiconductor can be easily evaluated.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a junction capacitance measuring device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing PR spectra obtained from four semiconductor devices designed to have the same structure using the measurement apparatus.
FIG. 3 is a diagram showing a representative spectrum obtained by Fourier transforming PR signal data included in the PR spectrum by the measuring apparatus.
4 is a diagram showing four spectra obtained by Fourier transforming the PR signal data included in each PR spectrum in FIG. 2 by the measurement apparatus. FIG.
FIG. 5 is a diagram showing electric field and junction capacitance values obtained by Fourier transform using the measurement apparatus and electric field and junction capacitance values obtained by a conventional method.
FIG. 6 shows a spectrum of a photoreflectance signal obtained from a semiconductor having a simple pn junction structure such as GaAs.
FIG. 7 is a view showing how to obtain an electric field at a junction interface of a conventional semiconductor.
FIG. 8 shows a structure of a heterobipolar transistor.
FIG. 9 is a diagram in which photoreflectance signals obtained from samples of a plurality of heterobipolar transistors designed to have the same structure are arranged.
[Explanation of symbols]
1 Junction capacity measuring device 2 Tungsten lamp (irradiation means)
3 Monochromator (spectral means)
4 Semiconductor device 5 Laser light source (electric field modulation means)
7 Chopper (electric field modulation means)
8 Photodetector (Detection means)
11 Microcomputer (detection means, separation means, electric field strength calculation means, junction capacity calculation means)
P ₂ pulse excitation light (excitation light)

Claims

Method of evaluating junction capacitance at each semiconductor junction interface using reflection modulation spectroscopy, which measures the electric field strength at each semiconductor junction interface based on light reflected from the semiconductor by irradiating the semiconductor with electric field modulation. Because
Detecting the correspondence data between the energy intensity of the reflected light corresponding to each wavelength and the rate of change of the reflected light intensity while changing the wavelength of the reflected light from the semiconductor;
Separating the detected data into data of a plurality of frequency bands by performing Fourier transform on the data corresponding to the energy region of the semiconductor band gap or more in the detected data;
Calculating the electric field strength at each junction interface of the semiconductor based on the frequency of the peak value of each separated band data;
And a step of obtaining a junction capacitance at each junction interface of the semiconductor based on the calculated electric field strength.

2. The semiconductor junction capacitance evaluation method according to claim 1, wherein the reflection modulation spectroscopy is a photoreflectance method in which an electric field of a semiconductor is modulated by a method of irradiating the semiconductor with excitation light.

Electric field modulation means for modulating the electric field of the semiconductor;
Irradiating means for irradiating light to the semiconductor subjected to electric field modulation by the electric field modulating means;
Spectroscopic means for taking out a spectrum of a specific wavelength from light irradiated by the irradiation means or reflected light from a semiconductor with respect to the irradiation light, and
While changing the wavelength of the spectrum taken out by the spectroscopic means, the electric field strength at each junction interface of the semiconductor is measured based on the rate of change of the reflected light intensity from the semiconductor accompanying the change in the wavelength, and based on the electric field strength of the semiconductor An apparatus for measuring the bonding capacity at each bonding interface,
Detecting means for detecting a rate of change in reflected light intensity from the semiconductor accompanying a change in wavelength of the spectrum extracted by the spectroscopic means;
Separating means for separating the detected data into data of a plurality of frequency bands by performing Fourier transform on the data corresponding to the energy region of the semiconductor band gap or more in the data detected by the detecting means;
Electric field strength calculating means for calculating electric field strength at each junction interface of the semiconductor based on the frequency of the peak value of each band data separated by the separating means;
A junction capacitance measuring device for a semiconductor comprising: a junction capacitance calculating means for calculating a junction capacitance at each junction interface of the semiconductor based on the electric field intensity calculated by the electric field intensity calculating means.

4. The junction capacitance measuring apparatus according to claim 3, wherein the electric field modulating means modulates the electric field of the semiconductor by a method of irradiating the semiconductor with excitation light.