JPH0364943A - 半導体結晶評価方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体結晶にレーザ光あるいは分光された白
色光を照射して、その結晶より放射される光を分光測定
することによりｍ半導体結晶の特性を評価する方法に関
し、特にＧａＡｓ結晶基板上にエピタキシャル（以下エ
ビと略称する）成長法によって集積回路の基本素子であ
るヘテロバイポーラトランジスタ（以下ＨＢＴと略称す
る）の結晶膜を形成する際にエビ膜の特性を非破壊で効
率的に再現性良く評価する方法に関するものである。

〔従来の技術〕

ＨＢ’ｌ’は、結晶基板表面にヘテロ接合のコレクタ。

ベース、エミツタ層をエビ成長して製造するのが一般的
である。したがってトランジスタの性能は、エビ膜各層
の結晶の特性に大きく依存する。

例えば、ＨＢＴの電流増幅率は工□ツタ層からベース層
を経由してコレクタ層に到達する電子の量とベース層か
ら二定ツタ層に注入される正孔の量の差に起因する。こ
の場合、各層の構造が決筐ると、エミッタからベース層
での電子、正孔の再結合速度が速くなる、すなわち寿命
が短かくなることが主な増幅率低下要因となる。この寿
命は両層の結晶の品質によシ大きく変動する。そして各
層の結晶の品質は結晶戒長時の成長条件のゆらぎ。

結晶保持条件の差等により不均一がもたらされる。

ところで、結晶響性・品質平均−□起因するトランジス
タの性能変動を克服する方法として、従来は、実際にト
ランジスタ製作を行おうとするエビ膜ウェハの一部ある
いはそのエビ膜ウェハと特性・品質がほぼ同等とみなし
たエビ膜つエノ・に特性評価用の素子を形成して電気特
性を調べ、電子。

正孔の再結合する度合等を予測しこれをもとにエビ膜の
特性・品質がトランジスタ製作に適したものであるかど
うか判定する方法がとられてきた。

〔発明が解決しよりとする課題〕

しかし、この従来の方法は、１）破壊検査であるため実
際のトランジスタ製作に用いるエビ膜領域を直接評価で
きず信頼性に乏しい、２）評価用素子形成のプロセスが
いるため、煩雑でかつ評価終了までの１サイクルに長時
間を要する、３）電子、正孔の再結合速度すなわち寿命
を直接評価できず、エビ膜の特性・品質と評価用素子の
形成プロセスの素子電気特性への影響をかならずしも切
分けられ麿い、４）エミッタとベース及びコレクタ各層
別の情報の切分けが悪い、という問題点があった。

本発明は、上記問題点を解決するために、光学測定装置
を用いてＨ，ＢＴｊ１作に用いるエビ膜の特性・品質を
直接、非破壊でかつ短時間に評価、すなわち実現される
トランジスタの特性とくに電流増幅率の値を予測できる
半導体結晶評価方法を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この目的を達成するため、本発明は、半導体結晶にレー
ザ光あるいは分光された白色光を照射し、その半導体結
晶より放射される光を分光測定して、該半導体結晶の特
性を評価する際に、Ｉ’ＩＢＴ用エビ膜のエミッタある
いはベースあるいはコレクタ層よシ放射されるバンド端
、６るいはバンド端近傍の波長に相当する発光の寿命あ
るいはその発光の時間積分強度をトランジスタの電流増
幅率の評価項目として用いることを特徴とするものであ
る。

〔作用〕

本発明にかいては、　ＨＢＴの結晶膜を形成する際に、
そのエビ膜の各層から放射される光つまｂルミネッセン
ス光の寿命あるいはその時間積分強度を測定することに
より、エビ層の各層で励起された電子と正孔の再結合速
度・寿命の試料による不均一をそれぞれ直接的にあるい
は間接的に評価できるとともに、それらの測定値からト
ランジスタの特性（電流増幅率）を予測することができ
る。

〔実施例〕

以下に、本発Ｆ１４によるＨＢＴ用エビ膜の評価法につ
いて図面を参照して説明する。

本実施例において、測定は第１図に示す構成の光学測定
装置を用いて行う。この測定装置は、第１図に示すより
匝、レーザ光源１より励起光２を試料室３に保持した試
料に照射し、この時試料から発するルミネッセンス光４
を分光器または光学フィルタ５によ多波長選択したのち
、その強度の時間分解変化あるいは積分強度を検知器６
によシ測定するものとなっている。

このとき、被測定試料がＡｌｇ、３０ｍＡｍ／Ａｌ□、
１２，４０ｍＡｍ１０ａＡ・（エミツタ層／ベース層／
コレクタ層）へテロエビ膜の場合、第２図に示すよりに
、波長域０．６５〜０．８３μｍに各層からの発光がそ
れぞれ波長領域が異なってあられれる。０．６７μｍの
発光はエミツタ層からのバンド端近傍発光（同図のＩ）
、０．７５〜０．８２μｍのブロードな発光は短波長側
がかもにベース層からの発光（同図のＩ）と長波長側が
かもにコレクタ低抵抗層からの発光（同図のｌ）、０．
８２μｍはコレクタ高抵抗層からのバンド端発光（同図
の■）である、したがって、結晶の特性・品質不均一が
予想される注目する層の発光波長に分光器または光学フ
ィルタ５をあわせ、ルミネッセンスの時間分解変化ある
いは積分強度を測定することによって各層で励起された
電子と正孔の再結合速度・寿命の試料による不均一をそ
れぞれ直接的にｂるいは間接的に評価でき、さらにそれ
らの測定値からトランジスタの特性を予測することがで
きる。

第３図に電流増幅率評価に対する際の測定条件選択のフ
ローチャート例を示す。このフローチャートに基づき選
択した条件下でのルミネッセンス評価の実施例を以下に
示す。

実施例１ 上記ＨＢＴ素子構造で、ベースとの界面近傍エミツタ層
の結晶特性・品質のウェハ間平均−が大きい場合のルミ
ネッセンスの時間分解変化から求めた寿命不均一とトラ
ンジスタの電流増幅率不均一の相関を第４図に示す。ウ
ェハ間では多少の構造不均一があると思われるにかかわ
らず、両者の間には明確な直線関係が存在している。す
なわち、本発明を用いればＨＢＴ集積回路用エビ膜の特
性・品質すなわち電子あるいは正孔の再結合速度・寿命
を非破壊で直接的に短時間で評価でき、これをもとにし
てＨＢＴ集積回路の電流増幅率を予想し、要求される増
幅率（例えば５０以上）に相当するエビ膜ウェハを合格
と判定・選別できる。

実施例２ 上記実施例１と同じＨＢＴ素子構造でベースとの界面近
傍エミッタの結晶特性・品質のウェハ内不均−が大きい
場合の寿命を反映するルミネッセンス積分強度（前に述
べたよりに間接的に寿命を反映する）とトランジスタの
電流増幅率ウェハ内不均−の相関を第５図に示す。この
場合もほぼ直線関係が存在し、直線からのばらつきは±
１５ｅＩＩ以内に納まっている。すなわち実施例１と同
様な電流増幅率予想がルミネッセンス積分強度からウェ
ハ内で可能となる。

実施例３ 一般に、上記光学測定は試料を液体窒素あるいは液体ヘ
リウムで冷却して熱雑音を抑制して行危う。第２図及び
第５図に示したスペクトル、ルミネッセンス強度は液体
窒素で冷却したものであるが、本発明で着目している発
光のうち例えばエミツタ層からの発光は第４図で示すよ
りな室温付近で寿命測定しても識別可能な信号強度が得
られる。

したがって、測定対象・条件によっては正確さを多少犠
牲にすれば、ＨＢＴ集積回路用エビ膜に対し予想される
増幅率を室温付近で簡便にまた非破壊性もよく（冷却に
よる歪、汚染の影響もなく）評価できることになる。

実施例４ ８６図は、第５図でのエミッタ発光強度が同等の場合の
バラツキを調べるために○印で囲った部分Ｉに相当する
ウェハ内位置について、波長可変レーザを用いて主にＡ
ｌＧｍＡｍベースを選択励起したときの液体窒素温度で
の発光の積分強度と電流増幅率の関係を示したものであ
る。電流増幅率が増加するにつれて、発光強度が増加し
ている。従って％＊５図のバラツキの主因の一つはＡｌ
ＧａＡｓベースの品質であることがわかる。第５図の関
係に第６図の関係を加えるとより正確に電流増幅率が７
オトルミネツセンス（ｐｔ、）法で予測できることにな
る。女か、電流増幅率の劣化要因が主としてベースに存
在する場合にはベース選択励起のみのルミネッセンスデ
ータで電流増幅率が概略予測できる。

実施例５ 本発明の方法は上記実施例にあげたＡｘａａＡｓ／Ｇａ
Ａａ系ＨＢＴのみに限定されるものではまく、発光する
半導体材料から構成されるＨＢＴであれば基本的に適用
できる。第７図はＩｎＡＩＡ■／Ｉ　ｎＧａＡｓからの
発光強度の関係を示したものである。

両者にはＡｌＧａムｓ／ＧａＡ■ＨＢＴの場合と同じよ
りに一次に近い関係が存在する。したがって、ＩｎＡｌ
Ａｓ／ＩｎＧａＡｍ系１１ＢＴにかいても電流増幅率を
ルミネッセンス発光で予測できることが分る。

また、Ｉｍｐ／１ｎＱＢ人−系ＨＢＴにかいても、電流
増幅率とエミッタからの発光強度の間に第７図と同様な
一次に近い関係を得ている。

〔発明の効果〕

以上説明したよりに本発明によれば、半導体結晶から放
射されるルミネッセンス光を分光測定してその結晶の特
性を評価する際に、ＨＢＴ用エビ膜の各層よシ放射され
るバンド端あるいはバンド端近傍の波長に相当する発光
の寿命あるいはその発光の時間積分強度をトランジスタ
の電流増幅率の評価項目として用いることによシ、従来
の特性評価用素子形成によるものに比べて、エビ膜の特
性を非破壊で、しかも効率的に再現性良く評価すること
ができる効果がある。

第１図は本発明の方法にかいて用いる光学測定装置の構
成図、第２図はこの光学測定装置を用いて液体窒素温度
下で測定したＨＢＴ用ＡＩ□、３ＧｍＡｓ／Ａｌ（０，
１２ＧａＡ１／　ＧａＡｍ　（エミッタ層／ヘース廣／
コレクタ層）へテロエピ膜の代表的なルミネッセンスス
ペクトルを示す図、第３図は本発明の実施例に供する電
流増幅率評価に対する測定条件選択の７０−チャート、
第４図は本実施例における３つのへテロエピ膜のエミツ
タ層からの発光の室温付近での寿命とそのエピ膜上に形
威したＡｌＧｍＡｓ／ＧａＡａＨＢＴ素子の電流増幅率
との対応関係を示す図、第５図は同じく本実施例におけ
るＡｌＧｍＡｍ／Ｇ　ａ　Ａ−へテロエピ膜上に形威し
九ＨＢＴ素子の電との比較関係を示す図、１１Ｅ７図は
同じく本実施例にかけるＩｎＡＩＡ畠／ＩｎＧａＡｓヘ
テロエピ膜のエミツタ層からの発光のウエノ・内での規
格化した積分強度とそのエビ膜ウェハ上に形成したＨＢ
Ｔ素子の電流増幅率との対応する位置での比較関係を示
す図である。

１・・・・レーザ光源、２・・・・励起光、３・・・・
試１［，４・・・・ルミネッセンス光、５・・・・分光
器または光学フィルタ、６・・・・検知器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 半導体結晶にレーザ光あるいは分光された白色光を照射
   し、その半導体結晶より放射される光を分光測定するこ
   とにより、該半導体結晶の特性を評価する方法において
   、ヘテロバイポーラトランジスタ用エピタキシャル膜の
   エミッタあるいはベースあるいはコレクタ層より放射さ
   れるバンド端、あるいはバンド端近傍の波長に相当する
   発光の寿命あるいはその発光の時間積分強度を前記トラ
   ンジスタの電流増幅率の評価項目として用いることを特
   徴とする半導体結晶評価方法。