JPH01500613A - 半導体材料又は半導体構造の電気的に活性な不純物を検査する方法及びその方法を実施するための測定構成 - Google Patents

Abstract

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Description

【発明の詳細な説明】 半導体材料又は半導体構造の電気的 に活性な不純物を検査する方法及び その方法を実施するための測定構成 発明の分野 本発明は半導体材料の電気的に活性な不純物（深い準位）を検査する方法及びそ の方法全実施するだめの測定構成に関する。

発明の背景 異物原子、結晶の自然発生的な欠陥又はその複合体等の電気的に活性な不純物は 、全て、半導体材料並びにそのような材料から製造される構造及びデバイスの電 気的特性及び光学的特性に重大な影響を与える可能性がちシ、従って、そのよう な不純物の検査：ｉ、半導体材料の研究と、マイクロエレクトロニクスの分野に おける能動素子の製造プロセスの品質管理の双方について不可欠な方法となって いる。

半導体材料を研究するため及び能動素子を制御するためには、電気的に活性な不 純物を検出する感度限界を少なくとも１０　ａｔｏｍｓ　７ｃｍ３とすべきであ る。

現在、このように高い感度は特定の１つのプロセスを測定することによってのみ 得ることができる。そのようなプロセスにおいては、試験すべき半導体に空間電 荷層が設けられるが、この層は、適切な金属層を蒸着する（すなわち、ショット キーダイオードを形成する）か、ｐ−ｎ接合部を形成するか、又はＭＯ３構造を 構成する等によシ実現可能である。逆バイアスの場合、空間電荷層は絶縁特性を 有し、すなわち、自由キャリアを含まない。電気的に活性な欠陥の中で空間電荷 層の範囲内にある部分は電気的に活性な状態となるか、又は中性の状態となるこ とができる。問題のプロセスにおいて、活性な欠陥は自由電荷キャリアで充満さ れ、それに続く熱放射回復プロセスが検査される。

このプロセスの公知の検査方法の１つでは、構造は電気的に短絡され、室温から 液体窒素の温度まで冷却され、この液体窒素の温度でサンプルに逆バイアスが印 加される。電気的に活性な欠陥は、不平衡熱状態に対応する自由電荷キャリアで 飽和されたままである。熱平衡に至る回復プロセスの時定数は、τｎ−１＝ｅｎ ＝Ｎｃσｖ　ｅｘｐ　（−ＥＴ／ｋＴ　）　（１）である。式中、 τ。は熱放射プロセスの時定数であシ、ｅｎは熱放射の確率であり、 Ｎｃは価電子帯における状態の密度であり、σは捕獲断面積であシ、 Ｖは熱ドリフト速度であり、 ＥＴは電気的に活性な欠陥の活性化エネルギー（単位：電子ゲルト）で、あシ、 ｋは？ルツマン定数であり、 Ｔはケルビン単位で表わされる温度である。

低温のとき、この時定数は数年の長さにもなシうる。サンプル温度の上昇につれ て時定数が指数関数に従って減少することば式（１）かられかシ、電気的に活性 な欠陥と関連する特性温度に達したときに、熱放射が起こる。そのような放射の 間に放出された自由電荷キャリアは、従来の電流測定によシ又はサンプルのキャ パシタンスの変化を検出することによシ検出可能である。対応する公知の実験方 法は次の通シであるニ ー熱シミュレート電流、すなわちＴＳＣはＲ，Ｈ，Ｂｕｂｅ「Ｐｈｏｔｏｅｌｅ ｃｔｒｏｎｉｃ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ａｎｄ　Ｄｅｖｉｃｅｓ　ＪＥｄ、　Ｓ 、　Ｌａｒａｃｈ　１００〜１３９ページ、１９６５年（Ｄ、　Ｖａｎ　Ｎｏ５ ｔａｒｄ　Ｃｏｍｐ、　）等に説明されている。

−熱シミュレートキャパシタンス、すなり　チＴＳＣａｐはＣａｒａｂｅｌｌｅ ｓ他：　５ｏｌｉｄ−Ｓｔ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　６゜１６７．１９６ ８年等に説明されている。

別の、広く採用されている熱放射プロセス検査方法は、過渡測定方式に代表され る。このような方式においては、試験すべきサンプルは所定の定温で逆バイアス されると共に、周期的に繰返される短い期間の中で短絡される。短絡期間中に、 欠陥は自由電荷キ°ヤリアで充満され、逆バイアスが再び成立する間に、式（１ ）によシ規定される特性時定数を有する熱放射回復プロセスが珊始される。

欠陥の充満はサンプルを短絡することによシミ気的に行なうことができるばかシ でなく、光学的励起によるか、あるいは電子ビーム゛又はその他の種類の電離放 射線によっても行なうことができる。しかしながら、励起は周期的に反復すべき である。

熱放射は試験すべきサンプルのキャパシタンス又は電流の過渡変化から検出可能 である。たとえば、Ｒ，Ｗｉｌｌｉａｍｓ、　Ｊ、Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、３７． ３４１１（１９６６年）を参照。

過渡状態の自動検出及び評価はＤｅｅｐ　ＬｅｖｅｌＴｒａｎｓｉｅｎｔ　５ｐ ｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ　（ＤＬＴＳ　）方式によシ解決されている。このような 方法は、たとえば、Ｍｉｌｌｅｒ他：　Ｒｖｅ、　ｏｓ　Ｓｃｉ、　Ｉｎｓｔｒ ｕｍ　４８　＊　２３７〜２３９ページ。

１９７７年又はハンガリー特許第１８１．１３６号に記載されている。ＤＬＴＳ は、自動的に実施することが可能であるため、最も広く採用される熱放射プロセ ス検査方法となりている。

ＤＬＴＳ方式の採用と関連して、測定の感度、精度及び条件に影響を及ぼす又は それらを制限するいくつかの要因がある。それらの制限要因を理解することは従 来の技術を正しく評価するためには避けられないと考えられるので、以下の説明 においては、それらの要因をさらに詳細に分析する。

過渡キャパシタンス測定に基づく方法では、試験すべきサンプルによシ表わされ るキャパシタンスは測定ブリッジに結合され、高周波信号によシ励起される。検 査された過渡キャパシタンスは、所定の位相を有するブリッジの高周波出力の一 成分により表わされる。このような測定の第１の制限は適用可能な周波数の上限 によシ形づくられる。サンプルの直列抵抗はぜ口より高いため、サンプルの測定 されたキャパシタンスと実際のキャパシタンスとの間には次の式が成り立つ： Ｃｍはキヤ・！シタンス計器によシ検出されるキヤ／４’シタンス値であシ。

Ｃｉはサンプルの実際のキヤ／ぐシタ／スであシ、Ｒｉはサンプルの直列抵抗で あり。

ωはキャパシタンス測定の周波数である。

日常実施する際には、１００オームを越える直列抵抗を有するサンプルもあシ、 測定周波数が約１ＭＨｚよシ高い場合には、そのようなサンプルのキャパシタン スの測定は不可能である。そのため、商用として使用されている計器のキャノ４ シタンスブリッジの動作周波数は１鼎シを越えない。しかしながら、実際には、 １００オームよシはるかに高い直列オーム抵抗をもつ半導体サンプルはいくつか 存在し、ＩＭｏｈｍという高い抵抗値が現われ為ことさえある。そのようなサン プルはＤＬＴＳ方式では測定不可能であるか、その方法で測定したとしても、測 定の感度は必要レベルよシかなり低下してしまう。

直列抵抗の存在が原因となる制限に加えて、サンプル中を流れる漏れ電流の分流 効果は、感度を低下させることによシ、もう１つの制限となる。半導体サンプル の表面は理想的なものではないので、逆バイアスされているとき、幾分かの量の 漏れ電流は常に存在する。上述のように高い感度が要求される場合、最大許容漏 れ電流を約１μＡとすべきである。この条件は容易には満足させることができな いので、これは、検査可能なサンプルの種類及び／又は最大感度に関して別の制 限となる。

これらの理由により、測定周波数の最大値は約１ＭＨｚを越えることができない が、これは、サンプルの励起と逆バイアスを交互に実行させる制御パルスの最大 周波数を制限する。測定周波数がＩ　ＭＨｚである場合、キャパシタンス計器つ 応答時間は少なくとも５μＳの長さであり、応答時間の３倍の時間が経過し終わ る前に、実際の測定が始まることは不可能である。測定周期の持続時間を励起パ ルスの持続時間と、その後のデッド周期とを組合せた持続時間としてごく短く設 定したとしても、繰返し周波数の最大値は約２５　ｋＨｚより高くはなりえない 。この理論上の上限は、実際に使用される繰返し周波数の中で最も高いものより 相当に高い（）・ンガリー特許第１８２、７７７号を参照）。

ＤＬＴＳ測定は一般に温度が変化するときに実施されることは当該技術において 良く知られている。温度が変化することは、測定時間が比較的長くなる（通常は ２０分から２時間と考えられる）のに加えて、温度変化の結果、試験すべきサン プルが熱処理され、欠陥の構造が再配列されることがあるために不利である。た とえば、ハンガリー特許第１８１．１３６号に開示されるような一定位相位置ロ ツクイン増幅器を伴なうＤＬＴＳ測定によれば、一定温度の周波数走査ＤＬＴＳ 測定を実施することができるが、達成しうる周波数範囲は、約２５　ｋＨｚであ るキャパシタンス測定の最大周波数によシ限定され、実際面を考慮すると、最低 周波数が０．２５Ｈｚを下回ることはありえない。

上限と下限がこのようなとき、周波数範囲は１０　の範囲を越えることができな い。

Ｇ、　Ｆｅｒｅｎｃｚｉの論文ｒ　Ｔｈｅ　Ｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎ　ｏｆｅｌ ｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ　ａｃｔｉｖｅ　ｉｍｐｕｒｉｔｉｅｓ　ｏｆ　ｓｅｍｉ ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｍａｔｅｒｉａｌｓ　ａｎｄ　５ｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　Ｊ　 （ＨｉｒａｄａｓｔｅｃｈｎｆｉｋａＸＸＸ〜Ｔ、１９８５年、１０．４５１〜 ４５４ページ）には、特定の不純物の種類に特性的な放射時定数に比例する極値 を有する深い準位スペクトルを提供することができる周波数走査ＤＬＴＳ測定が 記載されている。達成しうる最大周波数範囲が１０４〜１０５であシ且つ所定の 温度の場合、Ｅ＝０．２〜０．３ｅＶの活性化エネルギーの範囲内で低下する深 い準位を検出することが可能である。そのため、異なる温度で測定を繰返し実施 すれば、０．０５　ｅＶから０．７ｅＶの活性化エネルギーの実際に重要な意味 をもつ範囲を周波数走査方法によシカバーすることができる。対応する温度範囲 は、通常、２４０Ｋから３３０にである。０．０５から０．７ｅＶのエネルギー に対応するために、所定の１つの温度における周波数走査測定の範囲を向上ささ れる。実際には前述の制限があるため、このように広い範囲は実現不可能であっ た。そのため、深い準位スペクトル全体の検査には、サンプルの望ましくない熱 処理（アニーリング）と関連する欠点と結びつく測定温度の変化が必然的に必要 であった。

さらに別の制限特徴は、キャノＪ？シタンスＤＬＴＳ　測定の感度の相対的な性 質にある。そのような測定において、 であることは良く知られている。式中、ＮＴは深い準位濃度であシ、 ＮＤは浅い準位のドー・９ント濃度であり、ΔＣはキャパシタンス変化であシ、 Ｃ０はサンプルのキャパシタンスである。

実際に測定可能な最低のキャパシタンス変化は約２Ｘ１０−５ｐＦである（たと えば、／・ンガリー特許第１８２、７７７号を参照）。このことを考慮に入れる と、達成しうる最大感度は、 （ＮＴ／ＮＤ）の最小値＝２・１０−　’　（４）である。

ドーパントが通常の濃度の場合、この感度は１０１０ａｔｏｍｓ　７ｃｍ３の検 出限界レベルを表わす。しかしながら、ドー・（ントの濃度がそれよシ高い場合 、検出限界は低下するので、そのようなサンプルでは必要な感度を達成できない ことに留意すべきである。

先に引用したＧ、　Ｆｅｒｅｎｃｚｉの論文は、さらに、ＤＬＴＳ測定において 励起・ンルスの幅を変化させることによシ捕獲断面積を測定できることについて も言及している。そのような測定の精度は、約１〜２ｎｓである励起・にルスの 最小幅によシ制限され、この数値の場合、σ＝１０　の２を越える捕獲断面積を 測定することはできないが、測定すべき量大値はσ＝　１０’−１２ｃＷ１２で ある。

この限界は、キヤ・ぐシタンス測定の場合に試験すべきサンプルを渦離して、す なわち接地せずにブリッジに配置すべきであるという事実から引出すことができ る。測定は温度変化の下で実施されるので、実際に実現しうる測定構成は少なく とも３０αの長さの接続ケーブルを使用している。そのような長さのケーブルの 場合、１〜２ｎｓより短い励起パルスを印加することはできない。

以上の考えを要約すると、キャパシタンスＤＬＴＳ測定の実際に達成しうる最良 の・セラメータは次の通りであるということができるニ ーＮＴ≧１０１０１０ａｔｏ　７ｃｍ”に対応する最大感度ＮＴ／ＮＤ≧１０　 、 −　励起パルスの繰返し周波数の最大可１巨範囲は約１０　であシ、 −励起パルスの最小幅は１〜２　ｎｓであシ、−最高許容漏れ電流は１μＡ（最 大感度の場合）であシ。

−最高測定周波数は１λ（Ｈｚであシ、−　サンプルの最高直列抵抗は約１００ オームである。

マイクロ波吸収の非常；（小さな変化を、たとえばマイクロ波空胴において高い 精度で測定できることは当該技術では知られている。そのような測定は、たとえ ば、電子の常磁性共鳴の検査のために使用される（たとえば、Ｇ、　Ｆｅｈｅｒ 、　Ｂｅ１ｌ　Ｓｙｓｔｅｍ　ＴｅｃｈｎｉｃａｌＪｏｕｒｎａｌ　３６　、４ ４４〜４８４ペ一ジ＋１９５７年を参照）。

マイクロ波吸収測定によって、過渡現象をも検出することができる。時間の関数 としてマイクロ波吸収を変化させることによる少数電荷キャリアの寿命の測定は 、Ｊａｃｏｂ他ンてよＦ）　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＩＲＥ４ ８　Ｉ２２９〜２３３Ａ！−ジ、１９６０年に始めて記載された。

少数電荷キャリアの寿命測定中に、不平衡自由電荷キャリアの存在によるマイク ロ波吸収の変化が検出される。この方法は広く採用される技術となっている（た とえば、Ｒ，１，Ｄｅｓｉ他Ｒｅｖ、　Ｓｃｉ、　Ｉｎｓｔｒｕｍ。

５５．１３４３〜１３４７ページ、１９８４年）。

寿命測定中のみならず、マイクロ波吸収に基づくその他の種類の測定の間にも、 試験すべきサンプルは電気的接続のための接点を与えられない。電気的接点がな ければ、発生された不平衡キャリアは材料サンプル中の熱ドリフト速度に従って 離れていき、その数は再組合せプロセスに伴なって変化する。従って、サンプル における自由電荷キャリアの有無は再組合せプロセスに、よシ決定される。先に 引用した測定方法は、サンプル中の少数キャリアの寿命を検出することを目標と するが、熱放射の時定数を検出するには全く不適切である。

発明の目的 本発明の目的は、熱放射プロセスの検出が上述の従来の方法とは基本的に異なる 効果に基づいておシ且つ測定の性能を制限する要因がそれ程重要でない場合の半 導体材料及び半導体構造の電気的に活性な不純物を検査する方法及び測定構成を 提供することである。

発明の概要 本発明による方法は、空間”電荷の成立時に試験すべきサンプルの帯電した電気 的に活性な不純物の熱放射を検出し且つ測定するためにマイクロ波吸収を使用で きるという認識に直接基づいているが、このように使用するには、空間電荷を成 立させる電圧を供給するため及び完全に又は部分的に空乏状態となる深い準位を 周期的に充満するために、サンプルを形成する半導体接合部に対して電気的接続 を行なうことが要求される。適切な測定構成を選択することによシ、サンプルに 対する電気的接続部の存在が試験領域において、すなわち、マイクロ波空胴又は 導波管においてマイクロ波領域に重大な影響を与えることはありえない。

本発明によれば、半導体から取出された試験すべきサンプルの中に１つの接合部 を設ける過程と、サンプルをマイクロ波電界に挿入する過程と、接合部に逆バイ アスを印加することによシ接合部に空間電荷層を設ける過程と、空間電荷層の電 気的に活性な欠陥を充満する過程と、熱放射プロセスの間のサンプル中のマイク ロ波吸収の変化によって起こるマイクロ波電界の変化を測定することにより前記 充満する過程に続いて起こる熱平衡状態に達することを目指す熱放射プロセスを 検査する過程とから成る半導体材料又は半導体構造の電気的に活性な不純物を検 査する方法が提供されている。マイクロ波電界は。

少々くともマイクロ波吸収の過渡状態の検査中は存在しているべきである。

欠陥の充満はシングルショットによシ実行することができるが、多くの場合、こ の過程とその後の検査を周期的に繰返すのが好ましい。

その場合、少なくとも１０’の範囲を得るために繰返し周波数を変化させること ができ且つ／又は充満パルスの持続時間は変化され、充満パルスがＩ　ｎｓよシ 短い場合は、過渡応答を検査することができる。

繰返し周波数及び／又は充満パルスの偏を変化させることによシ、単一の温度で 実施可能である周波数走査測定を行なうことができる。

空間電荷領域を減少させる又は除去する電気的励起／ＩＦルスリードをサンプル に付着することによシ深い準位の充満が実行されるならば、最も好都合である。

そのような電気的パルスの代わシに、光により、電子ビームにより又はその他の 種類の放射線によシ深い準位を充満することもできる。

ある種の検査の場合、複数の異なる一定温度で測定が実施されるか又はサンプル の温度が連続的に変化されれば好ましいといえる。

試験すべき半導体は接合部が事前に形成されていても良いが、そうでない場合に は、測定のために必要な接合部をショットキー障壁、ＭＯＳコンデンサ又はｐ− ｎ接合部をサンプル中に形成することによシ設けることができる。

サンプルはマイクロ波共振器又はマイクロ波反射率計においてマイクロ波電界に さらされるのが好ましいＯ マイクロ波電界が充満過程の間にほぼ排除されると、過渡状態測定をよシ容易に 行なうことができる。

これは、充満パルスの時間だけマイクロ波電界をオフすることによるばかりでな く、感度の高いマイクロ波検出を妨害（オーバードライブ）することのない範囲 までマイクロ波周波数を離調することによっても達成することができる。

本発明によれば、半導体材料又は半導体構造の電気的に活性の不純物を検亘する ための測定構成も提供されているが、この構成においては、半導体のサンプルは １つの接合部を含み、サンプルには１対の電気的接点か設けられ、測定構成は、 接点に結合され、接合部内に空間電荷層を形成するため（（接合部に逆バイアス を印加するバイアス手段と、所定の１つ又は複数の周期の間に層の中の電気的に 活性な欠陥を充満する充満手段と、前記周期の終了後に接合部内の過渡変化を噴 出する過渡検出手段とを具備し、構成はマイクロ波発生器と、発生器に結合され 、マイクロ波電界を規定するマイクロ波手段とをさらに具備し、サンプルは一方 の接点が接地点に結合された状態でマイクロ波手段の電界内に配置され、過渡検 出手段は、接合部における変化によるマイクロ波吸収の過渡変化を検出するよう に配置されるマイクロ波検出器である。

好ましい実施例においては、バイアス手段及び充満手段は、周期的な充満パルス を発生し且つ〕ｅルスの期間中に接合部に逆バイアスを与える・ンルス発生器に よシ実現さ、れる。

別の好ましい実施例においては、伝送線が・ぐルス発生器をサンプルに接続スル 。

別の好ましい実施例ておいては、マイクロ波手段は空胴共掘器であり、サンプル は共振器内の電界が最大である位置に配置される。

別の実施例においては、マイクロ波手段はマイクロ波反射率計である。

サンプルの温度を変化させることができ、この目的のために、構成が内部にサン プル及びマイクロ波手段を配置できる温度制御手段を具備している場合も好まし い。

図面の説明 以下、添付の図面を参照して本発明をその好ましい実施例に関連して説明する。

図ｆ中二第１図は、本発明による測定構成の第１の実施例の全体概略図であシ： 第２図は、マイクロ波ブリッジを使用する構成の別の実施例のブロック線図であ り； 第３図は、構成の第３の実施例を示し；第４図は、第２図の構成により実施され た測定の結果から取出されたアレニウスのプロット曲線を示し； 第５図は、第３図の構成にょシ４っ０異なる温度で実施された等温周波数走査測 定の結果を示し：及び 第６図は、第５図の測定に対応するアレニウスのプロットを示す。

好ましい実施例の詳細な説明 本発明による方法を利用するためには、ショットキーダイオード又はｐ−ｎ接合 部又はＭＯ３構造等々のマイクロ波吸収の最大限の感度による時間分解検出を可 能にする実験構成が必要である。第１図は、そのよう支測定に使用可能である構 成を概略的に示す。

周波数及び振幅を安定化したマイクロ波発生器２１（クライストロン、ガン発振 器、　ＩＭＰＡＴＴダイオード、ＦＥＴ発振器等であることができる）は、サー キーレータ２２の第１のポートに接続される。サーキーレータ２２の次の許容さ れる出口ポートは、内部にサンプル２４が、好ましくは電界が最大となる位置に 配置されているマイクロ波共振器２３に接続する。サンプル２４は試験材料から 形成され、その内部に空間電荷領域を成立させることができる。サンプル２４は ２つの電気的接続部を有し、その一方は接地され、他方の接続部は、インピーダ ンス整合回路網を含むパルス転送線２５に接続される。転送うに配置されるべき である。空胴形の共振器では、この必要条件は、ワイヤ又は同軸ケーブルをマイ クロ波電界が消滅する「ノット」線に沿って配置することによシ達成可能である 。

マイクロ波周波数及び共≦器２３の結合を調整することにより、共搗器２３（サ ンプル２４及び転送線２５の一部を含む）Ｋよシ反射されるマイクロ波は最小と なる。この平頭は「臨界同調」と呼；ばれることが多い。反射率自体は、サーキ ュレータ２２の次のポートに結合されるマイクロ波検出器２７にょシ測定される 。マイクロ波検出器２７は任・意の適切な種類、たとえば結晶整流器、応答時間 の速いマイクロ波ショットキーダイオード等であることかできる。臨界同調され た共振器の場合、吸収の変化は限定された反射率を生じさせ、その値は吸収の変 化に比例する。

マイクロ波検出器２７の検出信号は選択的増＠器２８によシ増幅され、増・福さ れた信号は、そのような測定を実行するようにプログラムされるコンピュータ２ ９によシ評価される。コンピュータ２９は、直流バイアスパルスを伝送線２５を 介してサンプル２４に伝送するパルス発生器２６の動作を制御することができる 。

深い準位からのキャリアの放出は本発明により検査されるべき現象を形成するも のであるが、この放出は、まず、サンプル２４内の逆バイアスを減少させること によシ空間電荷１の幅を狭くする短い電気パルスの印加によシそれらの深い準位 を充満することによシ、周期的シてトリガされる。この充満ノ９ルスによシ、自 由キャリアは空間電荷層の内部に追込まれ、自由キャリアの一部は深い準位状態 Ｖてよシ捕獲される。この充満パルスの終了時に、捕獲されていたそれらの電荷 キャリアは、検査すべきトラップの特性を表わす放出速度で再び放出される。捕 獲と放出は共にサンプル中の自由キャリアの数、従って、マイクロ波損失、すな わち吸収を変化させる。第１図に示される測定構成においては、マイクロ波吸収 は検出器２７から時間の関数として得られる。

充満パルスに続くマイクロ波反射率の回復に関する時定数の逆値である放出速度 を測定するために、選択的増幅器２８は不可避であるバックグラウンドノイズに 関して検出信号を選択的に増幅し、それにより、感度向上を達成することができ るように構成される。

サングル２４のリードアウト接点は接地されるので、適正なインピーダンス整合 と短い伝送線を共に実現することができ、そのような構成は、１００ｐｓ程度に 短くすることができる狭い励起パルスの印加を可能にする。

マイクロ波吸収を測定する別の構成が第２図に示されているが、これはマイクロ 波ブリッジを使用する。マイクロ波回路は安定化されたマイクロ波発生器１と、 発生器１の出力端子に結合される絶縁体２と、村御入力端子に印加される制御ノ ４ルスに応答してマイクロ波信号の通過を遮断する制御スイッチ３と、スイッチ ３の出力端子に結合されるマイクロ波ブリッジとを具備する。ブリッジの第１の 分岐路は、減衰を調整自在である第１の減衰器４ａと、第１のポートが第１の減 衰器４１の出力端子に接続されているサーキュレータ５と、サーキーレータ５の 別のポートに接続される空胴共振器６とを具備し、第１の分岐路の端部はサーキ ーレータ５の第３のポート調整自在であシ、同様にスイッチ３の出力端子に結合 される第２の減衰器４６と、調整自在の移相手段７とを具備する。２本の分岐路 の２つの端部は共通に、マイクロ波検出器８に接続される。検出器８の出力端子 は増幅器９を介して位相感知増幅器１１の入力端子に結合される。自動周波数調 整回路１０は増幅器９の出力端子から発生器ｌにフィードバックされ、過渡測定 の時間中はそれを妨害しないためにこの回路の動作をオフすることができるか、 あるいは、この回路は測定される過渡状態よシはるかに長い応答時間を有するべ きである。

位相感知増幅器１１の出力端子は信号処理装置１５に接続され、信号処理装置１ ５は、測定から得られるデータを評価し且つ処理するコンピュータ１６に結合さ れる。

位相感知増幅器１１は／ぐルス発生器１４の出力端子に結合される同期入力端子 を含み、・ぐルス発生器１４は、別の・やルス発生器１３のトリガ入力端子と、 マイクロ波スイッチ３０制御入力端子とにそれぞれ結合される２つの出力端子を さらに有する。第２の・ぐルス発生器１３の出力端子は、空胴６の内部に配置さ れるサンプル１７に伝送ａ１２を介して接続される。伝送線１２と、サンプル１ ７と、空胴６とは第１図に示されるものと同じであることができる。

サンプル１７の一方の接続部は接地され且つ伝送線１２は発生器１３からサンプ ルへ直流バイアスを通過させることができることを述べておく価値はある。

伝送線は５０オームの特性インピーダンスを有するのが好ましい。

空胴１７は任意の適切な１類のもの、たとえば、Ｂｒｕｃｋ＠ｒ　Ａｎａｌｙｔ ｉｓｃｈｅ　Ｍｅｓｔｅｃｈｎｉｋ　ＧｍｂＨ社（西トイ１０００から１０００ ０であるべきである。共蚕器６に課すことができる別の必要条件はサンプルの内 部に電気的接続部を設けることが可能なこと、サンプルを光又は他の何らかの種 類の放射線によシ照射することが可能なこと、最後に、温度調整器に挿入可能で あるべきことにある。

第２の・ぐルス発生器１３はカナダの会社ＡＶＩ’−ＥＣＨ（オタワ）のＡＶＰ 　−ＡＶ型等の任意の適切な種類であることができる。このノＪ？ルス発生器は 調整自在の直流レベルに重畳される・ぐルスを発生することができるので、サン プルを形成するダイオード接合部に逆バイアスを印加し且つその接合部を周期的 に短絡する、すなわち頭方向バイアスするのに適する。

マイクロ波ブリッジはいくつかの市販されている種類により実現可能であるが、 以下の例では、動作周波数を９．６　ＧＨｚとして、Ｂｒｕｋｅｒ社の標準ブリ ッジを使用した。マイクロ波周波数は約Ｉ　ＧＨｚと１００ＧＨｚとの間の何ら かの適切な値に設定することができ、この値の選択は、主に、利用可能なブリッ ジの種類と、測定に課される必要条件とによって決まる。

振器６の共振帯域幅は、 ３ＱＬ として定義することができる。式中： 式（５）の分母の乗数３１は、帯域幅に応じた信号Ｄ９０％から１０％への降下 の定義に由来する。先に挙げた約１０００と１００００との間で変化する典型的 なＱＬ値の場合、過渡測定の独自の応答時間（吐、５ｎｓ以上であるτ。＝１／ Ｊｆとなる。過渡キヤ・ぐシタンス測定における対応する応答時間は５μｓ以上 であるので、熱放射（周波数は約１０　ＧＨｚ　）　りマイクロ波検出は最短熱 放射過渡状態の測定可能範囲を従来の方法と比べて少なくとも１０００倍に広げ ることになる。

測定構成のタイミングは第１のパルス発生器１４によシ制御される。この発生器 １４′ｆ′ｉ、サンプル１７に励起パルスを印加する第２の・母ルス発生器１３ に対してタイミング信号を供給する。発生器１４は、マイクロ波吸収の経時変化 を表わす検出信号を受信して、それらの信号を増偏し、・母ルス発生器１４から の制御・クルスによシ規定される所定の位相位置にフェーズロックされる増幅信 号の平均を提供する位相感知増幅器１１０位相位置を制御する。

マイクロ波ブリッジに印加されるマイクロ波信号１・ま、サンプルに結合される 励起・ぐルスの持続時間だけオフされ、対応するダートパルスはスイッチ３に対 してノクルス発生器１４によシ発生される。

位相感知増惺器１１の出力端子における平均化過渡信号Ｏ処理をいくつかの方法 で実行することができる。適切な実施例によれば、信号処理装Ｆ！ｔ１５は、マ イクロ波吸収の過渡状態を表わす入力信号をデジタル化し且つ平均化することが 可能な高速過渡状態記録装置であることができる。コンピュータ１６は過渡状態 記録装置の出力データを評価するために使用される。

マイクロ波吸収の過渡状態を検出する測定構成の別の実施例は第３図に示される 。構成は、先の実施例の場合と同様に内部にサングル（図示せず）が配置される 空胴３１に結合されるマイクロ波発生器３０を具備する。空胴３１におけるマイ クロ波吸収はマイクロ波検出器３２によシ検出され、す／プルは先の実施例の場 合と全く同様に・ぞルス発生器３３により制御される。前置増幅器３４は検出信 号を適切なレベルまで増幅し、す／７°ル及びホールド回路回路３５の出力端子 は、サンプルに印加される励起・卆ルスに対して所定の位相位置にあるときに平 均化が起こるようにノクルス発生器３３の化カッぞルスによシ同期されるロック イン増省器３６の入力端子に結合される。パルス発生器３３はサンプル及びホー ルド動作をも制御する。ロックイン増幅器３６の出力端子は、処理及び評価のた めのコンピュータ３７に結合される。サンプルが入っている空胴３１の温度は、 実際の温度をコンピュータに報告する温度制御装置３８によシ設走及び調整可能 である。

別の実施例しておいては、マイクロ波空胴３１の代わシにマイクロ波反射率計を 使用することができる。

サンプルは、発生器３０により励起される導波管の一端部に配置され、適切な大 きさの反射鏡はサンプルの背後に、所定の調整自在の間隔をおいて配置される。

構成は、サンプルからの反射マイクロ波と、反射鏡からの反射マイクロ波とが検 出器３２の場所で互いに完全にオフセントするように１ＪｌｊＩされる。

サンプル内で吸収が変化すると、補償の有効性は低下し、検出器３２はマイクロ 波レベルでその変化を検出する。

充満・９ルスの間は検出器に達するマイクロ波レベルがほぼ排除される場合も好 ましい。これは、マイクロ波経路を物理的に遮断するのではなく、発生器３０を 離調することにより達成可能である。その場合、第２図の実施例のスイッチ３を 省くことができ、発生器には適切な離調信号を印加すべきである。この機能の制 御がスイッチ３の制御と周一であることは自明である。

以下、本発明による方法を２つの実施例により図示説明する。

第２図に示される構成を使用した。９．６　ＧＨｚで動作する前述のＢｒｕｋｅ ｒ社のＸ帯域ブリッジによってマイクロ波ブリッジを実現した。空胴共亙器６（ −ｔ、イギリスの会社０ｘｆｏｒｄ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ製造の液体ヘリウム を循環させることができるフライオスタクトの内部に配置された。試験すべき半 導体サンプル１７を直径４−Ｈ＆の円筒形の水晶棒の上に置き、サンプルへの電 気的接点をそれぞれ直径２０μｍ、長さ２ｃｙの金ワイヤにより形成した。この 非常に短く且つ細い接続部は、空胴内で変形される負荷を最小にするために必要 であった。空胴６の外側では、・ンルス発生器１３への接続を５０オームの特性 インピーダンスをもつ短い同軸ケーブルを介して行なった。半導体サンプルの抵 抗は１０オームｍであシ、サンプル自体はリンをドーピングしたｎ形シリコン結 晶であった。

結晶は窒素雰囲気中で４００℃の温度で熱処理され、その後、３閣Ｘ　２＋ｍａ 　Ｘ　Ｏ，４１１１１のウニノーを結晶から切取った。直径０．８＋ｍの金の点 をウェハの片面に真空蒸着しだが、この金層はショットキーダイオードの第１の 電極を形成した。ウェハの他方の側のオーム接点はその面にインジウム合金を形 成することしでよシ実現された。熱処理の効果の下で、サンプル中に５・１０　 ”　ａｔ　ｏｍ／ｃｍ”の濃度で熱ドナーが発生した。熱放射の測定中、充満さ れた熱ドナーの＋／−）−）−遷移をマイクロ波吸収の変化を検出することによ シ検出した。

空胴６内のサンプルを５５．５に’から８０．４に’の温度範囲の中の７つの異 なる一定温度で測定した。

サンプルを一１０Ｖで逆バイアスし、且つ振幅９ｖ及び幅２０μｓのパルスによ シ周期的に励起した。、励起パルスの周期時間を、１秒から１０−５秒の間で連 続的に変化させた。励起・母ルスが再往する間は、マイク−波Ｏパワーをスイッ チ３によシオフした。検出器８によシ検出された過渡マイクロ波吸収の変化を信 号処理装置１５によって平均化した。この動作は、ハンガリー特許第１８２．７ ７７号に記載されるように制御され且つ同期されるロックイン増幅器により実行 された。

測定の結果を第４図に示すが、ここでＸにより示される点は、それぞれの温度に おける信号量大値と関連する周波数に対応する。図は、試験すべき深い準位の活 性化エネルギーを測定するために使用される周波数の関数としての信号最大値の 温度依存性のアレニウスのプロット・である。測定された活性化エネルギーはＥ Ｔ＝０．１１２　ｅＶであシ、この値は、熱ドナーの＋／−）＋−遷移に関して 従業のＤＬＴＳ方法によシ測定された値と完全に一致する（’Ｋｉｍｅｒｌｉｎ ｇ他ｒａｐｐｔ。

Ｐｈｙｓ、　Ｌｅｔｔｅｒｓ　３９　４１０〜４１２　’−ジ、１９８１年」を 参照）。

自由キャリア濃度が８×１０ｃＩＦ１　であシ、１刈０１１ｃＩｒ１−２のＡｕ をドーピングされたｎ形ＦＺＳｉウニ／Ｓのマイクロ波吸収過渡状態を検出する ために、第３図の測定構成を使用した。２　ｃｍ”の蒸着ショットキー金接点と 、はんだ付けＩｎオーム接点とを準備した。ウェハを２０μｍの金ワイヤによシ 、元来は日本のＬｅｏ−Ｇｉｋｋｅｎ　Ｃｏ、によシ製造されたものを変形した 少数キャリア寿命測定装置の温度制御自在段に取付けた。

ガンダイオード形のマイクロ波発生器３１を９．６ＧＨｚの周波数で使用し、反 射されるマイクロ波・ぐノーに対してアンテナとして機能する空胴３１は端部が 開いており、温度制御自在のウェハ段及び反射鏡をその上方に配置した。マイク ロ波検出器３２は結晶検出器であシ、マイクロ波前置増幅器３４は共に直流から １０　ＭＨｚまでの周波数応答を有していた。

サンプルを２０Ｖに逆バイアスし、持続時間が２０μｓで振幅は２０Ｖである多 数キャリア充満・母ルスを周期的に印加した。

増幅されたマイクロ波信号は、充満パルスに起因する摂動を排除するサンプル及 びホールド回路３５を介して、ロックイン増幅器ｚ６に供給された。

ＩＢＭ　ＰＣ制御装置、すなわちコンピュータ３７を介してシステム全体を制御 した。ロックイン増幅器３６及び関連する段は、ハンガリーの５５ｍ１ｔｒａｐ によシ製造された深い一準位の分光計ＤＬＳ　−８２Ｅの一部であった。サンプ ルを複数の異なる一定温度に保持し、周波数走査測定（たとえば、ｒ　Ｇ、　Ｆ ａｒｅｎｓｚｉ他、　Ｐｈｙｓ。

５ｔａｔ、　ｓｏｌ、　（ａ）＋　１９８６年、９４．に１１９Ｊに記載される ようなもの）を２　Ｈｚと２．５ｋＨｚとの間で実施した。その結果得られたス ペクトルを第５図に示す。

２　ｋＨｚにおいて負に向かうピークは測定システム（漂遊キャパシタンスを介 する充満・やルスの容量結合による）のアーティファクトである。

２４１に、２４５に、２５５Ｋ及び２６７にで測定された４つの正に向かうピー クは、　Ａｕアクセプタレベルからの自由キャリアの放出に°対応する。Ａｕア クセプタレベルの再充電による空間電荷層の幅の変化から発生する測定吸収信号 は、１０’電子のマイクロ波吸収に起因するマイクロ波吸収係数の変化に対応す る。

温度に従ったサンプルのキャパシタンスの変化が信号振幅に影響するキャパシタ ンスＤＬＴＳとは異なシ、マイクロ波吸収信号の振幅は温度とは無関係に一定の ままであることに注意しなければならない。

第５図の結果に対応するアレニウスのプロットを第６図に示す。測定された活性 化エネルギー０．５６ｅＶは従来の空間電荷分光分析データ（Ｄ、Ｖ、　Ｌａｎ ｇ他。

上述の実施例及び先の考慮事項に基づいて、過渡キャノクシタンスＤＬＴＳ測定 と比較した場合、マイクロ波信号の相当に高い測定周波数（キャノ９シタンス測 定信号のＩ　Ｋ（ｚ　Ｋ比べて１から１００　ＧＨｚ　）と、その結果としての 、少なくとも１０　程度の応答時間の短縮とは、測定可能な過渡状態の時間範囲 を相当に拡張したと確定することができる。サンゾルを励起するノ４ルスを実際 には一０１Ｈｚと１００　ＭＦｌｚとの間で連続的に変化させることができ、す なわち、時間範囲はキャａｅシタンスＤＬＴＳ測定の場合の１０　に対して約１ ０１０となっている。時間範囲がこのように広いと、周波数走査方法は室温で、 ｌから、７ｅＶの活性化エネルギーを検査することができる。前述の理由によっ て、励起・パルスの適用しうる最短のＭｆｔｌＯＯｐ３であり、この短いノｆル ス：仕、励起パルス、つ幅を変化させることにより捕獲断面積をσ”　１Ｏ−１ ２ｉｚ２まで測定することをも可能にする。この上限は実質的に最高の深す準位 断面積の測定には十分であシ、従って、そのような測定をサンプルの温度を変え ずに実施することもできる。

温度を変化させる必要をなくすこととより、測定を実施するために必要な時間が 短縮されるばかりでなく、装置り複雑さも軽減される。

マイクロ波吸収方法によシ検出可和な最小のａ度を、検出可能な最小の吸収変化 の値から決定することができる。Ｂｒｕｋｅｒ形測定システムの検出感度が得ら れる最高の感度を表わすと考えられるならば。

Ｂｒｕｋｅｒ　Ｃｏ、のＳＲＣ５ｅｒｉｅｓ　ＴｅｃｈｉｎｉｅａＩ　Ｍａｎｕ ａｌに記載されるデータに従って、検出可能な最小の電界変化は： （ΔＥｒ／　Ｒｏ　）　ｍｉ　ｎ＝１Ｏ−９（５）である。式中、 ΔＥｒは電界の変化であシ、 Ｅｏは空胴内部Ｄｉ界である。

導電率が高く及び／又は大形のサンプルの場合、（ＮＴ／ＮＤ）ｍｔｈ。＝　６ 　・１Ｏ−７（７）を大きくは変化させない）場合：・ては、（ＮＴ　）ｍ　１ 　ｎ−ｓ　・１０　””ｒ　ｉ８）であることば式（６）から計算できる。この 比較かられかるように、最も不都合な場合であっても、マイクロ波吸収・ン！］ 定はキヤ・ぐ７タンスＤＬＴＳ技術に匹敵スる感度を提供することができ（式（ ４）を参照）、他の場合には感度：ま著しく高くなＱ、さらに重要な点であるが 、検出Ｏ悶′直は自由電子の濃度とは無関係である。

最後：で、マイクロ波吸収方法により、自由電荷キャリアの濃度の変化が測定さ れるために、測定はサンプルの電気的・！ラメータの影響を受けないということ を述べておくべきである。従来のキヤ・ぐシメンス又は電流ＤＬＴ　Ｓ測定とは 異なり、サンプルの直列抵抗と、漏れ電流とは、いずれも、サンプル内で空間電 荷が成立できるようになるまで、測定の性能を制限することができない。

マイクロ波吸収を測定する２〜３の方法を示したが、そのような測定に関してそ の他のいくつかの方法も利用打釦であることを認識しなければならない。

そのような可能性の中で、ヘテロゲイン検出システムの適用については述べてお く価で直がある。そのようなシステムにおいては、第１のマイクロ波源とは所定 の値だけ異なる周波数を有する第２のマイクロ波源が導入される。検出器の代わ りに、反射されるマイクロ波の周波数ｆ１と付加源の周波数１２とを混合するミ クサを使用することができる。ミクサの出力は２つの周波数の和と差の双方を含 み、そのうちの成分子、　−ｆ２は適切な帯域部の中間周波数増幅器によシ選択 的に増幅される。この成分は、さらに、周期的捕獲及び放出プロセスによシ変調 さ九る。このような原理はマイクロ波信号受信及びその他の適用分野で広く採用 されている。本発明を、マイクロ波吸収が検出される方式に限定することはでき ない。

Ｆｉｇ、Ｉ Ｆｉｇ、３ ＡＲＲＨ−プロット 国際調査報告

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. １．前記サンプル中に１つの接合部を設ける過程と、前記接合部を逆バイアスす ることにより前記接合部に空間電荷層を設ける過程と、その電気的に活性な欠陥 を充満する過程と、前記充満する過程に続いて起こる熱平衡状態を目指す熱放出 プロセスを検出する過程とから成る半導体材料又は半導体構造の電気的に活性な 不純物を検査する方法において、少なくとも前記検査過程の間に、前記サンプル をマイクロ波電界に挿入する過程と、前記検査過程において、前記プロセスの間 の前記サンプル中のマイクロ波吸収の変化によって起こる前記電界の変化を測定 する過程とを特徴とする方法。
2. ２．前記充満過程及び検査過程を周期的に繰返す過程をさらに含む請求の範囲第 １項記載の方法。
3. ３．特定のサンプルの検査と関連して、少なくとも１０６の範囲をカバーするた めに前記繰返しの周波数を変化させる請求の範囲第２項記載の方法。
4. ４．特定のサンプルの検査と関連して、前記充満過程の持続時間を変化させ且つ 前記持続時間が１ｎｓより短い場合でも前記検査を実施する請求の範囲第２項又 は第３項記載の方法。
5. ５．前記検査は１つの温度で実施される請求の範囲第４項記載の方法。
6. ６．前記充満過程は、前記サンプルに電気的励起パルスリードを付加して前記空 間電荷領域を縮小又は排除することにより実行される請求の範囲第１項記載の方 法。
7. ７．前記充満過程は光により、電子ビームにより又は他の放射線により実行され る請求の範囲第１項記載の方法。
8. ８．前記検査は複数の異なる一定温度で実施される請求の範囲第１項記載の方法 。
9. ９．前記サンプルの温度を連続的に変化させる過程を含む請求の範囲第１項記載 の方法。
10. １０．前記接合部は前記サンプルにショットキー障壁、ＭＯＳコンデンサ又はｐ −ｎ接合部を形成することにより設けられる請求の範囲第１項記載の方法。
11. １１．前記サンプルはマイクロ波共振器又はマイクロ波反射率計の内部で前記マ イクロ波電界にさらされる請求の範囲第２項記載の方法。
12. １２．前記充満過程の間は前記マイクロ波電界をほぼ排除する過程をさらに含む 請求の範囲第１１項記載の方法。
13. １３．半導体材料又は半導体構造の電気的に活性な不純物を検査するための測定 構成であって、前記半導体のサンプル（１７，２４）は１つの接合部を含み、前 記サンプルには１対の電気的接点が設けられ、前記構成は、前記接点に結合され 且つ前記接合部内に空間電荷層を設けるために前記接合部を逆バイアスするバイ アス手段と、１回又は複数回の所定の周期の間に前記層の電気的に活性な欠陥を 充満する手段と、前記周期の終了後に前記接合部の過渡変化を検出する過渡検出 手段とを具備する測定構成において、マイクロ波発生器（１，２１，３０）と、 前記発生器に結合されて、マイクロ波電界を規定するマイクロ波手段（６，２３ ，３１）とを具備し、前記サンプルは一方の接点が接地点に結合された状態で前 記マイクロ波手段の電界内に配置され、前記過渡検出手段は、前記接合部におけ る前記変化によるマイクロ波吸収の過渡変化を検出するために配置されるマイク ロ波検出器（８，２７，３２）であることを特徴とする測定構成。
14. １４．前記バイアス手段及び充満手段は、周期的充満パルスを発生し且つ前記パ ルスの期間中に逆パイアス電圧を発生するパルス発生器（１３，２６，３３）で ある請求の範囲第１３項記載の測定構成。
15. １５．前記パルス発生器（２６）を前記サンプル（２４）に接続する伝送線（２ ５）を具備することを特徴とする請求の範囲第１４項記載の測定構成。
16. １６．前記マイクロ波手段は空胴共振器（６，２３，３１）であり且つ前記サン プル（１７，２４）は前記共振器内で電界が最大である位置に配置される請求の 範囲第１３項記載の測定構成。
17. １７．前記マイクロ波手段はマイクロ波反射率計である請求の範囲第１３項記載 の測定構成。
18. １８．前記サンプルの温度を所定の値に調整する温度制御手段（３８）をさらに 具備する請求の範囲第１３項記載の測定構成。