JPH02216844A - 半導体の光電特性測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、半導体の微小領域での光電特性を測定する方
法に関する。

（従来の技術） 半導体の光電特性を測定する方法として、■直流光導電
率の減衰特性を測定する方法（ＪＩＳ　Ｈ２ＢＯ３，１
９７ｇ）、■μｍ波導電減衰法、■表面光起電力を容量
接合によって非接触で測定する方法、０表面光起電力法
などが知られている。このうち、本発明と関連の深い前
記■及び■の方法について以下に説明する。

前記■の方法は、まず、シリコン半導体の表面に正又は
負の電荷が取込まれた酸化膜を形成して該半導体表面に
強反転層を形成する。この時、半導体がｐ型の場合には
フッ酸と硝酸の混合液で処理して酸化膜中に正電荷を取
込み、ｎ型の場合にはアンモニアと過酸化水素水の混合
液で処理して酸化膜中に負電荷を取込む。つづいて、半
導体表面に周波数２ｋＨｚの断続パルス光（レーザ光）
を照射して暗時及び明暗の電位変化を半導体表面から２
０〜３０μｍのギツプを介して配置した透明電極を用い
て大気の容量を介して計測する。電位変化は、光電変換
によって半導体内部で発生した少数キャリアが拡散及び
ドリフトによって反転層が形成された表面に集まり、表
面電位が変化することによって生じる。

前記■の表面光起電力法は、基本的には前述した■の方
法と同様で、直流バイアス光の照射によって発生する半
導体の表面起電力を測定し、バイアスを加えた場合と加
えない場合とでの光電圧の照射光の波長依存性からキャ
リアの拡散長などを求めるものである。

しかしながら、前記■の方法では光電変換によって発生
する電位変化の市内領域は半導体表面に集まった少数キ
ャリアの領域（面積）に対応し、大雑把には半導体に酸
化膜を通して照射されるレーザ光のスポットサイズのオ
ーダである。つまり、充電変換特性を求める際の面内分
解能は前記レーザ光のスポットサイズにほぼ支配される
ため、原理的にはレーザ光の波長（数１００　ｎｍ）以
下にすることができない。

また、前記■の方法は前記■の方法と同様、レーザ光の
波長以下の面分解能を得ることができない。

このようなことから、高い面分解能でのＣＪ定が可能な
方法として光電流（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ＢｅａｌＩｎｄ
ｕｃｅｄ　Ｃｕｒｒｅｎｔ　　；　ＥＢＩＣ）を計測す
るＳＥＭ法が知られている。この方法は、ｐｎジャンク
ション又はダイオード接合が形成された電位障壁をもつ
半導体の表面に真空中で電子線を照射し、励起された電
流（ＥＢＩＣ）を計ｎ１する方法で、光電効果とは異な
るが、過剰な少数キャリアの発生から電流の発生までの
過程は光電効果と非常に近い関係にある。しかしながら
、かかる方法によって期待できる面分解能は電子線の半
導体内部での散乱による広がりに支配されるため、現状
ではシリコンのような軽元素の場合、０．３μｍ程度で
ある。しがも、前記方法では被試験体は電子線が注入さ
れ易い低抵抗のものである必要があり、例えば半絶縁性
のＧａ　Ａｓウェハや表面に酸化膜が形成されたシリコ
ンウェハなどへの適用は困難となる。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたも
ので、光の波長以下の面分解能で半導体の光電特性を測
定し得る方法を提供しようとするものである。

［発明の構成コ （課題を解決するための手段） 本発明は、半導体表面の少なくとも一部に光を照射する
と共に、該半導体の光照射部に近接して配置され、前記
光のビーム径より小さい径を有する電極により前記光照
射時に半導体表面から発生した光電圧又は光電流を測定
することを特徴とする半導体の光電特性測定方法である
。

上記光が照射される半導体表面は電解質液が存在するか
、もしくは酸化膜が形成された状態となっている。かか
る光としては、半導体表面に少数キャリアを帯間遷移さ
せることが可能なエネルギーを持つものを使用すること
が必要で、例えばレーザ光、遠紫外光、キセノンランプ
、ハロゲンランプを光源ど七た発光光、ＬＥＤからの発
光光等を挙げることができる。

上記電極は、前記光のビーム径より小さい径を有するが
、具体的にはＩｕｍ以下とすることが望ましい。かかる
電極は、例えばタングステン、白金等の金属を針状に加
工した後、その先端を機械研磨もしくは電解研磨し、更
にイオンミリングによって先端直径を１μｍ以下とする
ことにより簡単に作製することが可能である。

上記電極と前記半導体の光照射部との距離は、光電圧又
は光電流の測定性能に大きく影響し、電極先端と半導体
表面の距離が短い程、測定性能は向上する。このため、
電極はその先端が半導体表面に対して５μｍ以下、より
好ましくは１μｍ以下となるように近接して配置するこ
とが望ましい。

（作用） 本発明の作用を第２図を参照して説明する。

第２図に示すように例えば酸化膜１によって表面に電位
障壁を有する半導体（例えばｐ型半導体ン２の表面に少
数キャリア（例えば電子）を帯間遷移させることが可能
なエネルギーをもっ光３を照射すると、半導体２内では
少数キャリア（電子）４が熱平衡時よりも過剰に生成さ
れ、それらは拡散及び表面でのドリフト電界によって表
面に集まる。このため１、表面電位が変化し、この変化
量（光電位）は空気中の大気の容量を介して＝１測する
ことかできる。同第２図のように半導体ｌの光照射領域
５に欠陥又は不純物など、何等かの原因による再結合準
位（又はトラップ準位）６が存在する場合においては、
等電圧１３１７で示したように光照射領域５表面の非常
に微小な領域で表面光電圧が不均一となる。従来技術で
述べたように照射光のビーム径よりも大きな電極では、
前記微小領域での光電圧の変化が電極検出部内の僅かな
領域での変化となってしまうため、その検出が非常に困
難となる。本発明では、同第２図に示すように光３のビ
ーム径より小さい径を有する微細径の電極８を前記半導
体２表面の酸化膜ｌに近接し、かつ移動させながら対応
する半導体２表面の光電位を、例えば前記電極８及び前
記半導体２裏面の電極層９に接続された高感度電圧計ｌ
Ｏでｎ１定するため、たとえ半導体の微小な領域での光
電圧の変化であっても感度よく計測することが可能とな
る。

また、欠陥や不純物のように少数キャリアを捕獲する再
結合中心の他に、浅い準位の欠陥や不純物は半導体表面
の障壁高さを変化させるため、光電変換特性に影響を与
える。本発明では、かかる再結合中心をたとえその大き
さがｎ−オーダーであっても容易に検出することが可能
となる。更に、光電圧は障壁が存在する場合に発生する
ため、バイアス電圧を制御しながら光電圧又は光電流を
計測することによって、非常に微小な領域での半導体の
表面状態を識別することが可能となる。この場合のバイ
アス電圧の制御は、例えば電解質溶液を半導体表面に接
触させ、電気化学的な方法によって容易に行なうことが
できる。その他、光電圧や光電流の入射光スペクトルを
測定し、これらの立ち上がる光子エネルギーから非常に
微小な半導体領域のバンドギャップを決定することも可
能である。更にまた、同一の微小領域で光電圧と光電流
を求める両者の比から、測定部での空乏層容量を算出し
たり、表面光電力法を併用して直流バイアス光から少数
キャリアのライフタイムを計測することが可能である。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明する
。

第１図は、本実施例の光電特性測定に用いる装置を示す
概略図であり、図中の１１は脚部１２を有する防振台で
ある。この防振台ｌｌ上には、支持部材１３が固定され
ており、かつ該支持部材１３には圧電素子を駆動源とす
る３次元微動機構１４が挿着されている。この３次元微
動機構１４の先端側には、先端部（長さ３０ｎｎ＋）を
残して絶縁された直径５０ｎｍ。

長さ１μｍの白金製の針１５が挿着されている。前記３
次元微動機構１４の後端側には、マイクロメータ１６が
連結されている。また、図中の１７は図示しないパルス
ジェネレータによってレーザ光を発振する半導体レーザ
であり、この半導体レーザＩ７の光路上には集光レンズ
１８が配置されている。なお、前記３次元微動機構１４
を支持する支持部材１３には前記白金製の針１５の電位
を前記半導体レーザ７からのレーザ光の照射パルスと同
期して高感度で計測するためのロックインアンプ１９が
接続されている。

次に、前述した第１図に示す装置を参照してＳ１ホトダ
イオードアレイビジコンの欠陥検出を詳細に説明する。

まず、ＳＩホトダイオードアレイビジコンを用意する。

このビジコン２１は、同第１図に示すように比抵抗１０
Ωｃ１のｎ型シリコン基板２２と、この基板２２の表面
領域にホトダイオードを形成するために設けられたｐ型
頭域２３と、前記基板２２上に被覆されたＳ　ｉ　Ｏ２
８２４と、前記基板２２の裏面に形成されたｎ＋層２５
とから構成されている。

次いで、前記ホトダイオードアレイビジコン２１を接地
されている銅板２６に載せて真空チャックし、このビジ
コン２１を白金製の針１５に対向して配置した後、マイ
クロメータＩを動作させると共に３次元微動機構１４を
圧電素子により駆動して該微動機構１４先端側の白金製
の針１５の先端を前記ビジコン２１のｐ型頭域２３から
５０ｎｓ離れた位置に移動させた。

つづいて、図示しないパルスジェネレータにより半導体
レーザ１７を駆動し、定格出力１０ｍ　Ａ、発振波Ｑ８
３３ｒｖのレーザ光を１■Ｓのパルス幅で５０ｉｓの周
期で繰返し発振させ、集光レンズ１８で集光してスポッ
トサイズＩμｍに絞ったレーザ光２７を前記ビジコン２
１のｐ型頭域２３に１■Ｓ照射した。照射開始から０．
９　ｍｓ後に白金製の針１５の電圧を支持部材１３等を
介して接続されたロックインアンプ１９により計測する
と共に、暗電圧との差を求めた。ひきつづき、微動機構
１４により針１５を１０ｎａ移動させ、同様に光電圧と
暗電圧の差を求めた。以上の操作を８１基板２２に形成
された一つのｐ型頭域２３（直径２μｍ）全体に亙って
求めることによって、第３図に示す光電圧分布を得るこ
とができた。

第３図から明らかなように、本実施例の方法によれば非
常に細かな分解能で光電圧の分布を検出できることがわ
かる。

［発明の効果］ 以上詳述した如く、本発明によれば光の波長以下の面分
解能で半導体の光電特性を測定でき、ひいては半導体内
部の欠陥、不純物に起因する再結合準位、トラップ準位
の非破壊的な測定などに適用できる等顕著な効果を有す
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例で使用した光電特性測定装置を
示す概略図、第２図は本発明の原理を示す説明図、第３
図は本実施例でのＳｌホトダイオードアレイビジコンの
ｐ型頭域の光電圧分布を示す特性図である。 ｌ・・・酸化膜、２・・・半導体、３・・・光、４・・
・少数キャリア、６・・・再結合準位、８・・・針、１
１・・・防振台、１３・・・支持部材、１４・・・３次
元微動機構、Ｉ５・・・白金製の針、１Ｂ・・・マイク
ロメータ、１７・・・半導体レーザ、１９・・・ロック
インアンプ、２１・・・Ｓ１ホトダイオードアレイビジ
コン、２２・・・Ｓ１基板、２３・・・ｐ型頭域、２７
・・・レーザ光。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 半導体表面の少なくとも一部に光を照射すると共に、該
   半導体の光照射部に近接して配置され前記光のビーム径
   より小さい径を有する電極により前記光照射時に半導体
   表面から発生した光電圧又は光電流を測定することを特
   徴とする半導体の光電特性測定方法。