JPH03276658A - 不純物濃度測定装置 - 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、半導体基板上にエピタキシャル成長した半導
体薄膜の評価技術に係わり、特に不純物をドープした化
合物半導体に対して光学的手段により不純物濃度の非破
壊測定を行う不純初濃度測定装置に関する。

（従来の技術） 近年、光通信及び光情報処理分野での化合物半導体デバ
イス（半導体レーザ、フォトダイオード等）の需要の急
速な増大に伴い、ＭＯＣＶＤ法（有機金属を用いた気相
成長法）等のエピタキシャル技術による化合物半導体デ
バイス用ウェハの量産化が進められている。また、電子
デバイスにおいても、その高速化を可能にするＧａＡｓ
やＩｎＰ等の化合物半導体が用いられるようになり、今
後さらにこれらの化合物半導体デバイス用ウェハの量産
化が進められることは必至である。

こうした大量のウェハの品質を迅速に評価できる簡便な
評価方法及び装置の必要性は日増しに増大している。ま
た、化合物半導体デバイスの研究・開発においても、化
合物半導体薄膜を成長したウェハに対して、無傷のまま
同時に多種類の評価を行うことが望ましいが、そのため
には非破壊の測定技術が必須となる。

特に、化合物半導体中薄膜にドープされた不純物（ドナ
ー、アクセプタ等）の濃度は、光デバイスや電子デバイ
スの特性（発光効率、動作速度等）を決定する重要な因
子である。この不純物濃度を高精度で制御し、面内分布
の少ない均質なウェハを再現性良く製造することは重要
である。そのためには、成長した薄膜の不純物濃度及び
その面内分布を常時モニタできる評価技術が必要であり
、ウェハの量産化が進むほど、より簡便で高速の評伍技
術が要求される。

従来、不純物準位（ドナー又はアクセプタ）を含む化合
物半導体中の不純物濃度を評価する方法としては、ホー
ル測定による方法が知られている。しかしながら、この
方法では、ウェノ＼を数ミリ角に切り、その上に電極を
形成して電圧をかける必要があるため、大量のウェハを
エピタキシャル成長したその場で逐一評価したり、大面
積のウェハ内での面内分布を調べたりすることは困難で
ある。しかも、この方法は破壊測定であるため、大面積
のウェハ上に光デバイス及び電子デバイスを集積化する
必要のある場合には適用できない。

（発明が解決しようとする課題） このように従来、化合物半導体デバイス用ウェハ（特に
、ウェハ上に成長した化合物半導体薄膜）にドープされ
た不純物（ドナー又はアクセプタ）の濃度を測定するに
は、ウェハの一部又は全部を破壊しなければならないた
め、測定方法が複雑になると同時に、全てのウェハの全
ての部分を評価することは実質的に不可能であるという
問題があった。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目
的とするところは、化合物半導体薄膜の不純物濃度を、
非破壊で高速且つ簡便に測定することのできる不純物濃
度測定装置を提供することにある。

［発明の目的］ （課題を解決するための手段） 本発明の骨子は、直接遷移型の化合物半導体にパルスレ
ーザ光を照射した際に該化合物半導体から発する蛍光の
減衰時間が不純物濃度及び結晶性に依存して変化し、さ
らに蛍光の強度が不純物濃度及び蛍光の減衰時間に依存
して変化することを利用し、蛍光の強度及びその減衰時
間を測定することにより、パルスレーザ光を照射した点
の不純物濃度を求めることにある。

即ち本発明は、直接遷移型の半導体（一般には化合物半
導体）からなる試料の不純物濃度を非破壊で測定する不
純物濃度測定装置において、試料に対して該試料の票制
帯幅よりも大きな光子エネルギーを有するパルスレーザ
光を照射する光源と、この光源からのパルスレーザ光の
照射により前記試料が発する蛍光を透過し、且つパルス
レーザ光を遮断するフィルタと、このフィルタを通して
得られる試料からの蛍光を検出する光検出器と、この光
検出器の検出出力に基づいて蛍光の強度及び減衰時間を
測定する手段と、該手段により測定された蛍光の強度及
び減衰時間の比に基づいて試料の不純物濃度を求める手
段とを設けるようにしたものである。

さらに本発明は、直接遷移型の半導体（一般には化合物
半導体）からなる試料を固定するホルダーと、このホル
ダーに固定された試料に対し該試料の禁制帯幅よりも大
きな光子エネルギーを有するパルスレーザ光を照射する
光源と、この光源からのパルスレーザ光の照射により試
料が発する蛍光を透過し、且つパルスレーザ光を遮断す
るフィルタと、このフィルタを通して得られる試料から
の蛍光を検出する光検出器と、この光検出器による試料
からの蛍光の集光効率を一定に保ったままホルダーを移
動させる手段とを具備してなる不純物濃度測定装置であ
って、パルスレーザ光を一定の強度で試料に照射し、こ
のとき生じる蛍光の強度及び減衰時間の比を測定するこ
とにより、試料の不純物濃度分布を求めるようにしたも
のである。

（作用） 本発明によれば、化合物半導体デバイス用ウェハ面上（
化合物半導体薄膜）の任意の点における不純物濃度を、
蛍光の強度及びその減衰時間の比と不純物濃度との関係
から求めることかできる。即ち、蛍光の強度が不純物濃
度及び蛍光の減衰時間に依存することから、蛍光の強度
と減衰時間が判れば不純物濃度を求めることができる。

具体的には、蛍光の強度及び減衰時間の比と不純物濃度
との関係を予め求めておけば、蛍光の強度及び減衰時間
の比を測定することにより化合物半導体デバイス用ウェ
ハ面上の任意の点の不純物濃度を得ることが可能となる
。しかも、光学的手段であるため、非破壊且つ非接触の
測定が可能であり、簡便な装置で大量のウェハの不純物
濃度及びその面内分布を短時間のうちに評価することが
できる。

（実施例） まず、実施例を説明する前に、本発明の基本原理につい
て説明する。

第６図に示すように、禁制帯幅ＥＧのｐ型化合物半導体
に光子エネルギーε（ε＞ＥＣ）の光層パルスを照射す
ると、価電子帯又は不純物（アクセプタ）準位の電子の
一部は伝導帯に励起され、同時に価電子帯又は不純物準
位には正孔か生成される。この励起キャリアの一部は発
光再結合により蛍光を生じる。そして、残りは、格子欠
陥等の非発光再結合中心に捕らえられ、発光に寄与する
ことなく格子等にエネルギーを与えて再結合する。

こうして、励起されたキャリア（電子と正孔）は、時間
と共に再結合過程によって減少していく。励起キャリア
（少数キャリア）濃度ｎが多数キャリア（正孔）Ｓ度ｐ
に比べて十分に小さい場合には、キャリア濃度の時間変
化は次式のように表わされる。

■ ここで、τＲは発光寿命であり、多数キャリア濃度のみ
に依存する。また、τＮＲは非発光寿命であり、試料の
結晶性に大きく依存する。

一方、蛍光の減衰時間τ、Ｌはキャリア寿命τに等しい
。第８図（ａ）はこの減衰時間τＰＬを多数キャリア濃
度ｐの異なる試料についてプロットしたものである。図
のようにｐ−τＰＬのプロットには大きなばらつきが見
られ、蛍光寿命τ、Ｌの測定だけからでは、不純物濃度
は特定できない。このバラツキの原因は、測定試料内或
いは測定試料間の発光効率のばらつきによると考えられ
る。

ところで、蛍光強度ＩＰＬは、その取り出し効率が一定
である場合には発光効率ηに比例するものと考えられる
。また、発光効率ηはキャリア寿命τと蛍光寿命τ３の
比として、η−τ／τ８のように表わさせることがら、
の関係が成り立つ。この発光寿命τ３は前に述べたよう
に多数キャリア濃度のみに依存するから、蛍光の減衰時
間τＰＬと蛍光強度Ｉ　ＰＬとの比（τＰＬ／　Ｉ　Ｐ
Ｌ）を多数キャリア濃度ｐに対してプロットすれば、バ
ラツキの少ない滑らかな曲線上に乗ると期待される。

発光効率η（ｏｃ蛍光強度１ｐ、ｔ）及びτ４．／Ｉ　
ＰＩの測定例を第８図（ｂ）　（ｃ）に示す。第８図（
ｂ）に示す如く蛍光強度ＩＰＬは蛍光の減衰時間τＰＬ
と同じようにばらつくために、蛍光強度ＩＰＬの測定だ
けからでは、不純物濃度は特定できない。しかし、蛍光
の減衰時間τ２．と蛍光強度ＩＰＬとの比（τＰＬ／　
Ｉ　ＰＬ）と多数キャリア濃度ｐとの関係は、第８図（
Ｃ）に示す如くばらつきもなく、１本の曲線上に乗るこ
とになる。従って、τＰＬ／　Ｉ　ＰＬを濃度ｐに対し
てプロットした校正曲線を求めておけば、被測定試料の
τ、。

／Ｉ、１、より、この試料の不純物濃度ｐを正確に求め
ることができる。

なお、本方法では、試料間のτ３の比のみしか判らない
が、既に他の方法（ホール測定法等）で多数キャリア濃
度の判っている試料をこの方法で測定して、それを標準
試料とすればよい。

また、τ、ＬとＩ　ＰＬを測定した例として、文献（“
新しいウェハ評価技術とＧａＡｓ／ＧａＡｌＡｓ結晶へ
の応用“、信学技報ＣＰＭ８９−１０．　ｐ、５７　（
１９８９））がある。しかしながら、この文献ではτＰ
シ／ＩＰＬのプロットを行っていないために、不純物濃
度を求めるまでには至っていない。

以上の説明ではｐ型化合物半導体を例としたが、第７図
に示したｎ型化合物半導体の場合でも、上の議論で価電
子帯と伝導体又は不純物準位（ドナー）の間の遷移を考
え、多数キャリアを電子に、少数キャリアを正孔に置き
換えれば全く同様の方法が適用できる。また、上記方法
は化合物半導体に限るものではなく、直接遷移型の半導
体であれば適用することが可能である。

以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。

第１図及び第２図はそれぞれ本発明の第１の実施例に係
わる不純物測定装置の概略構成を説明するためのもので
、第１図は全体構成図、第２図は部分構成図である。図
中１は超短パルスレーザ光を発生する光源であり、この
光源１からのパルスレーザ光は試料２に照射される。試
料２は試料ホルダー３に保持され、試料ホルダー３はＸ
Ｙステージ４に固定されている。

ここで、光源１は発振波長６５０ｎｓの利得スイッチ半
導体レーザからなり、そのパルス幅は２０ｐｓ、繰り返
し周波数は可変（ＩＭＨｚ　〜ＩＧｔｌｚ　）とした。

試料２は、炭素ドープされたＧａＡｓ／　Ｇ　ａ　Ａ　
Ｉ　Ａ　ｓのダブルへテロ構造のウェハであり、第３図
に示す如く形成されている。なお、図中３１はｐ　−Ｇ
　ａ　Ａ　Ｉ　Ａ　ｓ層、３２はｐＧａＡｓ層（発光層
）、３３はｎ−ＧａＡｌＡｓ層、３４はｎ−ＧａＡｓ基
板である。試料ホルダー３は、光源１からのレーザ光が
試料２の面上に結ぶスポットと後述するレンズ５との間
の相対的な位置関係が変わらないように、試料２を固定
するためのものである。また、ＸＹステージ４は、光源
１からのレーザ光のスポットとレンズ５との間の位置関
係を不変に保ったまま、試料２の面上の任意の点にレー
ザ光のスポットを移動させるためのものである。

レーザ光の照射により試料２で発生した蛍光は、レンズ
５により集束されフィルタ６を通して光検出器７に入射
される。そして、光検出器７の検出出力かデータ処理装
置８に供給されるものとなっている。ここで、フィルタ
６はレーザ光（λ−６５０ｎｍ　）の光を遮断し、ｐ型
ＧａＡｓからの蛍光（λ−８００〜９５０　ｎｍ）を透
過するものである。光検出器７は、試料２からの蛍光の
強度及びその減衰時間を測定するためのものであり、こ
こではＳｉのＰＩＮフォトダイオードにロックインアン
プをつないだものである。データ処理装置８は、蛍光の
強度ＩＰＬと減衰時間τＰＬの測定データを基に不純物
濃度を求めるためのものである。

このような構成であれば、レーザ光源１から試料２にパ
ルスレーザ光を照射すると、試料２から蛍光が発せられ
る。この蛍光はレンズ５により集束され、フィルタ６を
通して光検出器７にて検出される。ここで、フィルタ６
によりパルスレーザ光は遮断されるため、光検出器７で
は蛍光のみが検出されることになる。光検出器７の検出
出力から、データ処理装置８では蛍光の強度ＩＰＬと減
衰時間τ、Ｌが測定される。そして、これらの測定デー
タを基にτＰＬ／ＩＰＬが求められる。τＰＬ／ＩＰＬ
が判明すれば、予め構成した多数キャリア濃度ｐとτＰ
Ｌ／ＩＰＬとの関係から、多数キャリア濃度が求められ
ることになる。つまり、試料の不純物濃度が測定される
ことになる。また、ＸＹステージ４を移動しながら上記
測定を行い、τＰＬ／　Ｉ　ＰＬの特性曲線をプロット
することにより、不純物濃度分布を測定することも可能
となる。

かくして本実施例によれば、光学的な手段により試料面
上の任意の点の不純物濃度の測定を非破壊で測定するこ
とが可能となる。しかも、測定系の走査及びデータ処理
を自動化することにより、高速且つ簡便な測定か可能と
なり、大量のウェハの評価に威力を発揮する。

次に、本発明の第２の実施例について説明する。

装置構成は前記第１図と全く同様であるが、試料２とし
ては第４図に示すようなＩｎＰ（２μｍ　０．９μｍ）
、Ｉ　ｎＧａＡｓ　Ｐ　（λｇ−１，３μｍ）　、　　
Ｉ　ｎＧａＡｓ　Ｐ　（λｇ　−１，５５μｍ　）の積
層構造のものを用いた。ここで、４〕はｐＩｎＰ層、４
２はｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層、４３はｐ−ＩｎＧａＡｓＰ
層（発光層）、４４はｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層、４５はｎ
−ＩｎＰ基板である。これら各層のバンドギャップは第
５図に示す如くなっている。超短パルス光源１としては
、ＩｎＧａＡｓＰ半導体レーザ（λ−１，５μｍ）の利
得スイッチにより発生した超短パルスを用いている。

この実施例で特徴的なことは、レーザ光源１からの光が
ＩｎＧａＡＩＰ　（λｇ　−１，５５μｍ　）の層４３
でのみ吸収されることにある。このとき発生する蛍光を
光検出器７としてｌ　ｎＧａＡｓのＡＰＤを用いて検出
し、前述した実施例と同様の測定とデータ解析を行えば
、上記の層における不純物濃度を知ることができる。

また、この実施例において超短パルス光源１としてモー
ド同期ＹＡＧレーザ（λ−１．０６μｍ）を用いた場合
には、第４図のＩｎＧａＡｓＰ（２ｇ−１，３μｍ）層
４２とＩ　ｎＧａＡｓ　Ｐ（λｇ−１，５μｍ）層４３
の両方を励起することにより、この２つの層からの蛍光
が検出される。これら２つの層からの蛍光を、光検出器
７において分光器を用いて分離して測定すれば、各々の
層からの蛍光の強度と減衰時間のデータを基にして各々
の層における不純物濃度を求めることができる。

なお、本発明は上述した各実施例に限定されるものでは
ない。例えば、前記超短パルスレーザ光源としては、モ
ード励起ＹＡＧレーザをＳＨＧ　（ＫＴＰ等）で波長変
換した第２高調波（λ−５３２ｎｍ）や、モード同期Ｙ
ＡＧレーザをポンプ光とするシンクロナスポンプ色素レ
ーザ（色素：Ｒ２Ｏ）等でもよい。また、光検出器とし
てはＳ１光電面を用いたストリークカメラでもよい。

また、測定対象物としての試料はＧａＡｓやＩｎＧａＡ
ｓＰに限るものではなく、ＩｎＰ。

ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡＩＰ等の化合物半導体を用い
ることができ、さらには直接遷移型の半導体であればよ
い。そして、測定対象物となる試料の禁制帯幅Ｅ６より
も大きな光子エネルギーを持つ超短パルスレーザ光を励
起光として用いればよい。光検出器についても、試料か
ら発する蛍光の波長域で高感度且つ高速応答するものを
選べばよい。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で
、種々変形して実施することができる。

［発明の効果コ 以上詳述したように本発明によれば、不純物をドーピン
グした化合物半導体薄膜にパルスレーザ光を照射した際
に該化合物半導体から発する蛍光の強度及びその減衰時
間を測定し、これらの比の不純物濃度依存性を元にして
、パルスレーザ光を照射した点における不純物濃度を求
めるようにしているので、化合物半導体薄膜の不純物濃
度を、非破壊で高速且つ簡便に測定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図はそれぞれ本発明の第１の実施例に係
わる不純物濃度測定装置の概略構成を説明するためのも
ので、第１図は全体構成図、第２図は部分構成図、第３
図は上記実施例に用いた試料構造を示す断面図、第４図
は本発明の第２の実施例に用いた試料構造を示す断面図
、第５図は第４図の試料のエネルギーバンド構造を示す
模式図、第６図乃至第８図はそれぞれ本発明の基本原理
を説明するためのもので、第６図はｐ型不純物をドープ
した化合物半導体における蛍光の発光原理を示す模式図
、第７図はｎ型不純物をドープした化合物半導体におけ
る蛍光の発光原理を示す模式図、第８図は蛍光の強度、
減衰時間及びこれらの比のと不純物濃度との関係を示す
特性図である。 １・・・超短パルスレーザ光源、 ２・・・試料、 ３・・・試料ホルダー ４・・・ＸＹステージ、 ５・・・レンズ、 ６・・・フィルタ、 ７・・・光検出器、 ８・・・データ処理装置。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）直接遷移型の半導体からなる試料に対し該試料の
   禁制帯幅よりも大きな光子エネルギーを有するパルスレ
   ーザ光を照射する光源と、この光源からのパルスレーザ
   光の照射により前記試料が発する蛍光を透過し、且つパ
   ルスレーザ光を遮断するフィルタと、このフィルタを通
   して得られる前記試料からの蛍光を検出する光検出器と
   、この光検出器の検出出力に基づいて前記蛍光の強度及
   び減衰時間を測定する手段と、該手段により測定された
   蛍光の強度及び減衰時間の比に基づいて前記試料の不純
   物濃度を求める手段とを具備してなることを特徴とする
   不純物濃度測定装置。
2. （２）直接遷移型の半導体からなる試料を固定するホル
   ダーと、このホルダーに固定された試料に対し該試料の
   禁制帯幅よりも大きな光子エネルギーを有するパルスレ
   ーザ光を照射する光源と、この光源からのパルスレーザ
   光の照射により前記試料が発する蛍光を透過し、且つパ
   ルスレーザ光を遮断するフィルタと、このフィルタを通
   して得られる前記試料からの蛍光を検出する光検出器と
   、この光検出器による前記試料からの蛍光の集光効率を
   一定に保ったまま前記ホルダーを移動させる手段とを具
   備してなり、前記パルスレーザ光を一定の強度で前記試
   料に照射し、このとき生じる蛍光の強度及び減衰時間の
   比を測定することにより、前記試料の不純物濃度分布を
   求めることを特徴とする不純物濃度測定装置。