JPH067564B2 - ウェーハ表面の半導体特性測定方法 - Google Patents
ウェーハ表面の半導体特性測定方法Info
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- JPH067564B2 JPH067564B2 JP63224279A JP22427988A JPH067564B2 JP H067564 B2 JPH067564 B2 JP H067564B2 JP 63224279 A JP63224279 A JP 63224279A JP 22427988 A JP22427988 A JP 22427988A JP H067564 B2 JPH067564 B2 JP H067564B2
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
- G01R31/28—Testing of electronic circuits, e.g. by signal tracer
- G01R31/302—Contactless testing
- G01R31/308—Contactless testing using non-ionising electromagnetic radiation, e.g. optical radiation
Description
【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は、Ｓｉ等のウェーハのライフタイムや再結合速
度等を非接触状態で測定しうるウェーハ表面の半導体特
性測定方法に関する。
度等を非接触状態で測定しうるウェーハ表面の半導体特
性測定方法に関する。
「従来の技術」 従来、ＬＳＩ用Ｓｉ等の半導体ウェーハの非接触測定に
よる少数キャリアのライフタイム測定には、特公昭６１
−６０５７６号公報に示される光伝導減衰法が一般に用
いられている。
よる少数キャリアのライフタイム測定には、特公昭６１
−６０５７６号公報に示される光伝導減衰法が一般に用
いられている。
この方法は、導波管を用いてウェーハの表面にマイクロ
波を照射するとともに、このマイクロ波の入射で生じた
少数キャリアの拡散領域内に光パルスを照射して過剰少
数キャリアを注入し、さらに半導体表面から反射される
変調マイクロ波を前記導波管で受信することにより、過
剰少数キャリアが多数キャリアと結合して減少していく
過程を測定し、その減衰曲線から少数キャリアのライフ
タイムを算出するものである。
波を照射するとともに、このマイクロ波の入射で生じた
少数キャリアの拡散領域内に光パルスを照射して過剰少
数キャリアを注入し、さらに半導体表面から反射される
変調マイクロ波を前記導波管で受信することにより、過
剰少数キャリアが多数キャリアと結合して減少していく
過程を測定し、その減衰曲線から少数キャリアのライフ
タイムを算出するものである。
一般に、実際に計測されるライフタイムτeffは、式
（１）のように定義されている。
（１）のように定義されている。
τｂはウェーハの結晶の完全性によって大部分決まるバ
ルクライフタイムであり、τｓは、加工損傷、表面の結
晶欠陥、ウェーハ表面の悪影響などウェーハ表面の状態
により決まる表面ライフタイムである。
ルクライフタイムであり、τｓは、加工損傷、表面の結
晶欠陥、ウェーハ表面の悪影響などウェーハ表面の状態
により決まる表面ライフタイムである。
表面ライフタイムτｓは、表面再結合速度Ｓと反比例す
る。表面再結合速度Ｓが大きくなると、励起された少数
キャリアが拡散して表面で再結合する割合が多くなり、
計測されるライフタイムτeffが小さくなって、しばし
ば測定不能となる。
る。表面再結合速度Ｓが大きくなると、励起された少数
キャリアが拡散して表面で再結合する割合が多くなり、
計測されるライフタイムτeffが小さくなって、しばし
ば測定不能となる。
このため、ライフタイムτeffを測定してウェーハ状半
導体の結晶の特性を評価するには、表面再結合速度Ｓを
減少させることが必要である。半導体ウェーハでは、励
起された少数キャリアが拡散して表面で再結合すること
が多くなるので、Ｎ型半導体の表面再結合速度Ｓを減少
させるには、特公昭５８−５７９０７に開示されている
ように、Ｎ型半導体の表面に塩化すずのような陽イオン
を侵入させる正電荷膜処理が行なわれている。この方法
では、陽イオンが励起させられた電子（多数キャリア）
と結合するため、正孔（少数キャリア）の再結合が抑え
られ、表面再結合速度Ｓが低くなる。また、Ｐ型半導体
の表面に薄い酸化物フィルムを形成して陰イオンを侵入
させる負電荷処理方法も一部で行なわれている。この方
法では、陰イオンが励起させられた正孔（多数キャリ
ア）と結合するため、電子（少数キャリア）の再結合が
抑えられ、表面再結合速度Ｓが低くなる。しかし、いず
れの方法も、測定に供した試料は再使用することができ
ない欠点を有する。
導体の結晶の特性を評価するには、表面再結合速度Ｓを
減少させることが必要である。半導体ウェーハでは、励
起された少数キャリアが拡散して表面で再結合すること
が多くなるので、Ｎ型半導体の表面再結合速度Ｓを減少
させるには、特公昭５８−５７９０７に開示されている
ように、Ｎ型半導体の表面に塩化すずのような陽イオン
を侵入させる正電荷膜処理が行なわれている。この方法
では、陽イオンが励起させられた電子（多数キャリア）
と結合するため、正孔（少数キャリア）の再結合が抑え
られ、表面再結合速度Ｓが低くなる。また、Ｐ型半導体
の表面に薄い酸化物フィルムを形成して陰イオンを侵入
させる負電荷処理方法も一部で行なわれている。この方
法では、陰イオンが励起させられた正孔（多数キャリ
ア）と結合するため、電子（少数キャリア）の再結合が
抑えられ、表面再結合速度Ｓが低くなる。しかし、いず
れの方法も、測定に供した試料は再使用することができ
ない欠点を有する。
そこで、実際の使用に供せられるウェーハのバルクライ
フタイムと表面再結合速度とを非接触で測定する技術と
して、特公昭６２−５３９４４号公報には、パルス光源
によりウェーハに光を照射した後、実測したライフタイ
ムからコンピュータ解析によって、バルクライフタイム
τｂと、表面再結合速度Ｓとを算出する方法が提案され
ている。
フタイムと表面再結合速度とを非接触で測定する技術と
して、特公昭６２−５３９４４号公報には、パルス光源
によりウェーハに光を照射した後、実測したライフタイ
ムからコンピュータ解析によって、バルクライフタイム
τｂと、表面再結合速度Ｓとを算出する方法が提案され
ている。
この方法について説明すると、光の照射後、少数キャリ
アの減衰していく過程で、キャリアの濃度分布は式
（２）で表わされる。
アの減衰していく過程で、キャリアの濃度分布は式
（２）で表わされる。
Ｄは試料により決まる拡散定数、△ｐは少数キャリアの
濃度、ｘはウェーハの光の当てられた表面からの深さ、
ｔは光パルスの照射の始めからの時間である。式（２）
の境界条件は式（３）、（４）で示される。
濃度、ｘはウェーハの光の当てられた表面からの深さ、
ｔは光パルスの照射の始めからの時間である。式（２）
の境界条件は式（３）、（４）で示される。
ｗはウェーハの厚さである。これらの式を変形し、測定
したライフタイムτeffを代入することによって、表面
再結合速度Ｓと、バルクライフタイムτｂとを別個に計
算する。
したライフタイムτeffを代入することによって、表面
再結合速度Ｓと、バルクライフタイムτｂとを別個に計
算する。
「発明が解決しようとする課題」 ところで、従来一般に、実効ライフタイムおよび表面再
結合速度の測定は、１枚のウェーハに対し１点、多くと
も数ｍｍ間隔の各格子点で行われるに過ぎなかった。こ
のため、実効ライフタイムおよび表面再結合速度の測定
の分解能を高める努力は胎どなされていないのが現状で
あり、上記従来の測定方法の分解能は２ｍｍ程度に過ぎ
なかった。
結合速度の測定は、１枚のウェーハに対し１点、多くと
も数ｍｍ間隔の各格子点で行われるに過ぎなかった。こ
のため、実効ライフタイムおよび表面再結合速度の測定
の分解能を高める努力は胎どなされていないのが現状で
あり、上記従来の測定方法の分解能は２ｍｍ程度に過ぎ
なかった。
本発明者らは上記事情に鑑み、ウェーハの実効ライフタ
イムおよび表面再結合速度の分布を従来法よりも格段に
高密度で調べることを目的とし、まず測定法の分解能を
向上する研究を行い、その結果、マイクロ波および照射
パルス光の集束度をともに高めることにより、分解能を
１００μｍのオーダーにまで高めることができることを
見いだした（その実験については後述する）。
イムおよび表面再結合速度の分布を従来法よりも格段に
高密度で調べることを目的とし、まず測定法の分解能を
向上する研究を行い、その結果、マイクロ波および照射
パルス光の集束度をともに高めることにより、分解能を
１００μｍのオーダーにまで高めることができることを
見いだした（その実験については後述する）。
一方、電算処理によりτｂとＳを分離する方法では、個
々の測定点において複雑な解析処理を要するため、ウェ
ーハ全面に亙って多点観測するにはかなりの時間がかか
り、オンライン測定でウェーハ評価を行なうことは困難
であるという欠点を有していた。また最近では、半導体
デバイスがウェーハのごく浅い領域、すなわちウェーハ
表面から数μｍの範囲で構築されるようになっている。
このため、このような表層領域での半導体特性のオンラ
イン評価が必要となってきている。例えば、１Ｍビット
のＣＭＯＳ型ダイナミックＲＡＭでは、接合深さは０．
２μｍであり、表面から２，３μｍの浅い領域の半導体
特性を測定すれば十分であり、深い領域の特性測定は不
適当でさえある。
々の測定点において複雑な解析処理を要するため、ウェ
ーハ全面に亙って多点観測するにはかなりの時間がかか
り、オンライン測定でウェーハ評価を行なうことは困難
であるという欠点を有していた。また最近では、半導体
デバイスがウェーハのごく浅い領域、すなわちウェーハ
表面から数μｍの範囲で構築されるようになっている。
このため、このような表層領域での半導体特性のオンラ
イン評価が必要となってきている。例えば、１Ｍビット
のＣＭＯＳ型ダイナミックＲＡＭでは、接合深さは０．
２μｍであり、表面から２，３μｍの浅い領域の半導体
特性を測定すれば十分であり、深い領域の特性測定は不
適当でさえある。
「課題を解決するための手段」 本発明の請求項１に係る測定方法は、半導体ウェーハの
裏面に、マイクロ波を集束して照射し、その反射マイク
ロ波を検出器で受信しつつ、レーザー光発生器によりレ
ーザー光パルスを発生させ、このレーザー光パルスを光
学系により前記マイクロ波の集束径よりも小さい径に集
束して、前記マイクロ波照射位置と対応するウェーハ表
面に照射し、ウェーハ内部で少数キャリアを励起させ、
前記マイクロ波受信信号から前記少数キャリアの増減に
基づくウェーハの導電率変調を検出することにより、前
記少数キャリアの実効ライフタイムおよび／または再結
合速度を測定した後、前記レーザー光照射位置およびマ
イクロ波照射位置を、半導体ウェーハに沿って、レーザ
ー光の集束径および少数キャリアの拡散距離の和で決ま
る一定間隔毎に移動し、前記測定を繰り返すことによ
り、半導体ウェーハの全面に亙る実効ライフタイムおよ
び／または再結合速度の面内分布を得ることを特徴とす
る。
裏面に、マイクロ波を集束して照射し、その反射マイク
ロ波を検出器で受信しつつ、レーザー光発生器によりレ
ーザー光パルスを発生させ、このレーザー光パルスを光
学系により前記マイクロ波の集束径よりも小さい径に集
束して、前記マイクロ波照射位置と対応するウェーハ表
面に照射し、ウェーハ内部で少数キャリアを励起させ、
前記マイクロ波受信信号から前記少数キャリアの増減に
基づくウェーハの導電率変調を検出することにより、前
記少数キャリアの実効ライフタイムおよび／または再結
合速度を測定した後、前記レーザー光照射位置およびマ
イクロ波照射位置を、半導体ウェーハに沿って、レーザ
ー光の集束径および少数キャリアの拡散距離の和で決ま
る一定間隔毎に移動し、前記測定を繰り返すことによ
り、半導体ウェーハの全面に亙る実効ライフタイムおよ
び／または再結合速度の面内分布を得ることを特徴とす
る。
また、本発明の請求項２の測定方法は、前記レーザー光
発生器としてＨｅ−Ｎｅレーザー光発生器を使用するこ
とにより、前記ウェーハの表面から３μｍ以内で集中的
に少数キャリアを励起させ、表面再結合速度の面内分布
のみを得ることを特徴とする。
発生器としてＨｅ−Ｎｅレーザー光発生器を使用するこ
とにより、前記ウェーハの表面から３μｍ以内で集中的
に少数キャリアを励起させ、表面再結合速度の面内分布
のみを得ることを特徴とする。
さらに、本発明の請求項３の測定方法は、前記光学系と
して光ファイバーを使用し、この光ファイバーによりレ
ーザー光パルスを集光してウェーハに照射することを特
徴とする。
して光ファイバーを使用し、この光ファイバーによりレ
ーザー光パルスを集光してウェーハに照射することを特
徴とする。
「作用」 本発明の請求項１に係る測定方法によれば、マイクロ波
を集束するとともに、レーザー光パルスを光学系により
マイクロ波の集束径よりも小径に集束し、ウェーハの裏
と表にそれぞれ照射するから、各測定点における分解能
を集束光の直径および少数キャリアの拡散距離の合計程
度にまで高めることができるうえ、レーザー光およびマ
イクロ波の照射位置を、半導体ウェーハに沿って、レー
ザー光集束径および少数キャリア拡散距離の合計で決ま
る一定間隔毎に移動しつつ、測定を繰り返すことによ
り、半導体ウェーハの全面に亙る実効ライフタイムおよ
び／または再結合速度の面内分布を得ることができ、従
来法では検出不可能な微細な損傷等も確実に検出可能で
ある。
を集束するとともに、レーザー光パルスを光学系により
マイクロ波の集束径よりも小径に集束し、ウェーハの裏
と表にそれぞれ照射するから、各測定点における分解能
を集束光の直径および少数キャリアの拡散距離の合計程
度にまで高めることができるうえ、レーザー光およびマ
イクロ波の照射位置を、半導体ウェーハに沿って、レー
ザー光集束径および少数キャリア拡散距離の合計で決ま
る一定間隔毎に移動しつつ、測定を繰り返すことによ
り、半導体ウェーハの全面に亙る実効ライフタイムおよ
び／または再結合速度の面内分布を得ることができ、従
来法では検出不可能な微細な損傷等も確実に検出可能で
ある。
一方、本発明の請求項２の方法によれば、Ｈｅ−Ｎｅレ
ーザー光を使用することにより、レーザー光の侵入深さ
を抑制し、ウェーハ表面から２〜３μｍの深さまでの領
域にのみ少数キャリアを発生させる。これにより、ウェ
ーハからの反射マイクロ波はバルクライフタイムの影響
を受けず、表面再結合速度の影響のみ受けたものとなる
から、反射マイクロ波の信号に対し、バルクライフタイ
ム計算を含まない単純な計算処理を施すだけで、半導体
ウェーハの表層に構築される素子の特性に多大な影響を
与える表面再結合速度を直接測定することが可能であ
る。また、マイクロ波およびレーザー光の双方を集束し
てウェーハに照射することにより、さらに高分解能かつ
多点高速測定が可能であり、ウェーハ表面のマッピング
を行うことが容易で、半導体デバイス製造工程中のオン
ライン観察によりウエーハ表面の微細な損傷等が検出で
きる。
ーザー光を使用することにより、レーザー光の侵入深さ
を抑制し、ウェーハ表面から２〜３μｍの深さまでの領
域にのみ少数キャリアを発生させる。これにより、ウェ
ーハからの反射マイクロ波はバルクライフタイムの影響
を受けず、表面再結合速度の影響のみ受けたものとなる
から、反射マイクロ波の信号に対し、バルクライフタイ
ム計算を含まない単純な計算処理を施すだけで、半導体
ウェーハの表層に構築される素子の特性に多大な影響を
与える表面再結合速度を直接測定することが可能であ
る。また、マイクロ波およびレーザー光の双方を集束し
てウェーハに照射することにより、さらに高分解能かつ
多点高速測定が可能であり、ウェーハ表面のマッピング
を行うことが容易で、半導体デバイス製造工程中のオン
ライン観察によりウエーハ表面の微細な損傷等が検出で
きる。
さらに、本願発明の請求項３に係る測定方法では、光フ
ァイバーを介してレーザー光を照射するため、光照射位
置の変更が容易で、高速多点測定が行いやすいという利
点が得られる。
ァイバーを介してレーザー光を照射するため、光照射位
置の変更が容易で、高速多点測定が行いやすいという利
点が得られる。
「実施例」 第１図は本発明に係わるウェーハ表面の半導体特性測定
方法の一実施例に使用した装置を示す構成図である。
方法の一実施例に使用した装置を示す構成図である。
図中符号１は、光チョッパ２を備えたレーザ光発生器で
あり、キャリア注入用としては、周波数２００Ｈｚでデ
ューティー比１に変調された波長６３３nmのＨｅ−Ｎｅ
レーザ光（パルス幅５ms）発生器を用い、また表面再結
合速度Ｓの値を少数キャリアの減衰曲線から分離評価す
るための光源としては、パルス幅２００ns、波長９０４
nmのレーザ光をコア径５０μmφのファイバーを通して
照射する半導体レーザ光発生器を用いた。
あり、キャリア注入用としては、周波数２００Ｈｚでデ
ューティー比１に変調された波長６３３nmのＨｅ−Ｎｅ
レーザ光（パルス幅５ms）発生器を用い、また表面再結
合速度Ｓの値を少数キャリアの減衰曲線から分離評価す
るための光源としては、パルス幅２００ns、波長９０４
nmのレーザ光をコア径５０μmφのファイバーを通して
照射する半導体レーザ光発生器を用いた。
符号３は１０ＧＨzのマイクロ波発生器であり、発生さ
れたマイクロ波はサーキュレータ４およびリッジ導波管
５（第２図参照）を介して１ｍｍ幅に集束され、Ｓｉウ
エーハ６のレーザ照射点の裏側に照射される。反射した
マイクロ波は再びサーキュレータ４を通って検出器７に
導入され、検出器７からの信号は増幅器８を介してデジ
タル処理器９に入力されてここで結果が解析される。
れたマイクロ波はサーキュレータ４およびリッジ導波管
５（第２図参照）を介して１ｍｍ幅に集束され、Ｓｉウ
エーハ６のレーザ照射点の裏側に照射される。反射した
マイクロ波は再びサーキュレータ４を通って検出器７に
導入され、検出器７からの信号は増幅器８を介してデジ
タル処理器９に入力されてここで結果が解析される。
一方、Ｓｉウェーハ６は移動ステージ１０上に載置さ
れ、ステージ駆動器１１により１００μｍ単位で水平移
動されるとともに、ウェーハ位置情報はデジタル処理器
９に入力されるようになっている。
れ、ステージ駆動器１１により１００μｍ単位で水平移
動されるとともに、ウェーハ位置情報はデジタル処理器
９に入力されるようになっている。
（実施例１） 上記装置を用いて、５０μmφの光ファイバーで集光し
た９０４nmのレーザ光パルスをＳiウェーハ表面に照射
し、反射マイクロ波の出力信号を計測した。第３図はこ
の出力信号をｔ＝０の値で規格化した減衰曲線を示して
いる。変数Ｘは、光ファイバーの先端とＳiウェーハと
の距離であり、Ｘが大きくなると光束のビーム径は広が
り、ウェーハの単位面積当たりの入射フォトン数、ひい
てはキャリアの注入濃度が減少すると考えられる。
た９０４nmのレーザ光パルスをＳiウェーハ表面に照射
し、反射マイクロ波の出力信号を計測した。第３図はこ
の出力信号をｔ＝０の値で規格化した減衰曲線を示して
いる。変数Ｘは、光ファイバーの先端とＳiウェーハと
の距離であり、Ｘが大きくなると光束のビーム径は広が
り、ウェーハの単位面積当たりの入射フォトン数、ひい
てはキャリアの注入濃度が減少すると考えられる。
グラフ中、τ１はそれぞれの減衰曲線の尾部から求め
た、一次モードライフタイムである。Ｘの値に拘わらず
τ１の値は略一定であるが、減衰曲線の初期部分はＸの
値によって変化しており、この部分からは前記τｂとＳ
の分離評価技術を用いた表面再結合速度Ｓの算出ができ
ない。
た、一次モードライフタイムである。Ｘの値に拘わらず
τ１の値は略一定であるが、減衰曲線の初期部分はＸの
値によって変化しており、この部分からは前記τｂとＳ
の分離評価技術を用いた表面再結合速度Ｓの算出ができ
ない。
次に第４図は、第３図の各減衰曲線を、それぞれのピー
ク値で規格化し、ピークを示す時間をｔ＝０としてプロ
ットしたもので、Ｘ＝１．５，２．５，３．５mmの３本
の減衰曲線が一致することがわかる。第３図でＸ＝４．
５mmの場合には、Ｓおよびτbの分離評価方法を用いて
τbとＳを個々に算出できるが、Ｘが３．５mmより小さ
い場合には、減衰曲線が上に凸のグラフとなり、実効ラ
イフタイムτeffは大きくなる。
ク値で規格化し、ピークを示す時間をｔ＝０としてプロ
ットしたもので、Ｘ＝１．５，２．５，３．５mmの３本
の減衰曲線が一致することがわかる。第３図でＸ＝４．
５mmの場合には、Ｓおよびτbの分離評価方法を用いて
τbとＳを個々に算出できるが、Ｘが３．５mmより小さ
い場合には、減衰曲線が上に凸のグラフとなり、実効ラ
イフタイムτeffは大きくなる。
第５図は、ファイバー先端とウェーハの距離をＸ＝０で
固定し、レーザ光出力を変化させた場合の出力信号をｔ
＝０の値で規格化した減衰曲線を示している。図中、減
衰曲線の最大値をパラメータとして減衰曲線が示されて
いるが、最大出力電圧が１９．６mVになると信号が小さ
くなり、Ｓ／Ｎ比が悪くなることがわかる。半導体レー
ザダイオードの出力を大きくしてキャリア注入濃度を増
すと、信号のピークは光パルスが切れた後の数μｓで観
測され、第３図のＸ≦２．５mmの場合の減衰曲線と同じ
ような形になる。さらに、減衰曲線の尾部から求めた一
次モードライフタイムτ１はキャリア注入濃度に依存し
なくなり、１１〜１３μｓとなっている。第３図の場合
と同様に、注入濃度が大きい場合にはＳとτｂとの分離
評価技術によりＳを求めることはできない。
固定し、レーザ光出力を変化させた場合の出力信号をｔ
＝０の値で規格化した減衰曲線を示している。図中、減
衰曲線の最大値をパラメータとして減衰曲線が示されて
いるが、最大出力電圧が１９．６mVになると信号が小さ
くなり、Ｓ／Ｎ比が悪くなることがわかる。半導体レー
ザダイオードの出力を大きくしてキャリア注入濃度を増
すと、信号のピークは光パルスが切れた後の数μｓで観
測され、第３図のＸ≦２．５mmの場合の減衰曲線と同じ
ような形になる。さらに、減衰曲線の尾部から求めた一
次モードライフタイムτ１はキャリア注入濃度に依存し
なくなり、１１〜１３μｓとなっている。第３図の場合
と同様に、注入濃度が大きい場合にはＳとτｂとの分離
評価技術によりＳを求めることはできない。
次に第６図は、第５図の各注入濃度の減衰曲線を信号の
ピーク値で規格化し、ピークを示す時間をｔ＝０として
表示した減衰曲線を示し、３種の注入濃度の減衰曲線
が、第４図のＸを変化させた場合と同様に、略一致する
ことがわかる。キャリア注入濃度を適切に設定した場合
には、光パルスを半導体レーザダイオードから直接照射
した場合（〜２mmφ）の減衰曲線と、５０μｍφの光フ
ァイバーから照射した場合の減衰曲線とが略同一にな
る。
ピーク値で規格化し、ピークを示す時間をｔ＝０として
表示した減衰曲線を示し、３種の注入濃度の減衰曲線
が、第４図のＸを変化させた場合と同様に、略一致する
ことがわかる。キャリア注入濃度を適切に設定した場合
には、光パルスを半導体レーザダイオードから直接照射
した場合（〜２mmφ）の減衰曲線と、５０μｍφの光フ
ァイバーから照射した場合の減衰曲線とが略同一にな
る。
光ファイバーを用いた場合の減衰曲線に対してＳとτb
の分離評価を行なった結果、τ１＝１０．７１μs、Ｓ
＝３４８cm／ｓが得られ、ファイバーを使用しない場合
にはτ１＝９．７９μs、Ｓ＝３１４cm／ｓとなり、両
者も略一致した。
の分離評価を行なった結果、τ１＝１０．７１μs、Ｓ
＝３４８cm／ｓが得られ、ファイバーを使用しない場合
にはτ１＝９．７９μs、Ｓ＝３１４cm／ｓとなり、両
者も略一致した。
以上の結果から、レーザ光の強度を適切に設定すること
により、レーザ光照射に光ファイバーを用いた場合に
も、τbとＳとの分離評価が可能であることがわかっ
た。
により、レーザ光照射に光ファイバーを用いた場合に
も、τbとＳとの分離評価が可能であることがわかっ
た。
（実施例２） 次に、ＬＳＩの製造プロセスで多く用いられるイオン注
入による接合形成が良好であるか否かの評価を、第１図
の装置を用いたＳの測定によって試みた。
入による接合形成が良好であるか否かの評価を、第１図
の装置を用いたＳの測定によって試みた。
Ｓiウェーハに５００Åの酸化膜を形成し、その半面に
Ｐ＋イオンを1013cm-2の濃度で注入した後、1000℃×６
０分の熱処理を施した。次に、このウェーハを第１図の
装置にセットし、半導体レーザによりＳとτｂの分離評
価技術を用いてＳを測定するとともに、それぞれの位置
でのτ１を計測した。なお、装置の半導体レーザダイオ
ードには光ファイバーを接続せず、直接ダイオードから
ウェーハに照射した。第７図はその結果を示すグラフで
ある。これからわかるようにイオン注入領域ではＳの値
が小さくなり、良好なｎ＋−ｎ−ｎ＋のhigh−low接合
が形成されたことが示されている。イオン注入領域と未
注入領域の境界部分では、Ｓが両領域の中間値を示して
おり、この中心のＳがそれぞれの領域のＳと一致するま
での距離は±１mmであった。半導体レーザ光のビーム径
は２mmφであり、マイクロ波は１mm幅のリッジ導波管に
より集束して放出していることから、面分解能はマイク
ロ波の集束度で決定されていることがわかる。
Ｐ＋イオンを1013cm-2の濃度で注入した後、1000℃×６
０分の熱処理を施した。次に、このウェーハを第１図の
装置にセットし、半導体レーザによりＳとτｂの分離評
価技術を用いてＳを測定するとともに、それぞれの位置
でのτ１を計測した。なお、装置の半導体レーザダイオ
ードには光ファイバーを接続せず、直接ダイオードから
ウェーハに照射した。第７図はその結果を示すグラフで
ある。これからわかるようにイオン注入領域ではＳの値
が小さくなり、良好なｎ＋−ｎ−ｎ＋のhigh−low接合
が形成されたことが示されている。イオン注入領域と未
注入領域の境界部分では、Ｓが両領域の中間値を示して
おり、この中心のＳがそれぞれの領域のＳと一致するま
での距離は±１mmであった。半導体レーザ光のビーム径
は２mmφであり、マイクロ波は１mm幅のリッジ導波管に
より集束して放出していることから、面分解能はマイク
ロ波の集束度で決定されていることがわかる。
一方、τ１はＳの関数として表現でき、Ｓとは逆の相関
を示している。試みにτ１を集束しないマイクロ波系で
測定した場合、半導体レーザダイオードとＳiウェーハ
との距離を大きく、すなわち半導体レーザ光ビームの照
射面積を大きくすると、τ１の値は、イオン入領域〜境
界〜未注入領域で明瞭な差が見られなくなり、分解能が
低下することが確認できた。
を示している。試みにτ１を集束しないマイクロ波系で
測定した場合、半導体レーザダイオードとＳiウェーハ
との距離を大きく、すなわち半導体レーザ光ビームの照
射面積を大きくすると、τ１の値は、イオン入領域〜境
界〜未注入領域で明瞭な差が見られなくなり、分解能が
低下することが確認できた。
一方、第８図はＰ＋イオン注入を行なった。Siウェーハ
に、２mmφのＨe−Ｎeレーザパルス光ビームを照射し、
集束マイクロ波系の出力電圧をプロットした結果であ
る。イオン注入した時点では、イオン注入領域の信号強
度が表注入領域よりも小さく、Ｈe−Ｎeレーザ光で励起
されたキャリアはイオン注入領域の損傷層で再結合し、
減少したことを示している。
に、２mmφのＨe−Ｎeレーザパルス光ビームを照射し、
集束マイクロ波系の出力電圧をプロットした結果であ
る。イオン注入した時点では、イオン注入領域の信号強
度が表注入領域よりも小さく、Ｈe−Ｎeレーザ光で励起
されたキャリアはイオン注入領域の損傷層で再結合し、
減少したことを示している。
一方、１０００℃×６０分の熱処理後では、ｎ＋−ｎ−
ｎ＋のhigh−low接合の形成によって表面再結合速度Ｓ
が非イオン注入領域に比して極めて小さくなっており、
第７図の場合と同様に特性の良いhigh−low接合が形成
されている。
ｎ＋のhigh−low接合の形成によって表面再結合速度Ｓ
が非イオン注入領域に比して極めて小さくなっており、
第７図の場合と同様に特性の良いhigh−low接合が形成
されている。
（実施例３） 次に、Ｓiウェーハの搬送時に表面に導入されると思わ
れる損傷の影響を評価するため、この種の損傷に相当す
るスクラッチをウェーハ表面に形成し、このスクラッチ
がＳに及ぼす影響を測定した。
れる損傷の影響を評価するため、この種の損傷に相当す
るスクラッチをウェーハ表面に形成し、このスクラッチ
がＳに及ぼす影響を測定した。
第９図は、ウェーハ表面に間隔を変えて２本のスクラッ
チを平行に形成し、このスクラッチと直交する方向に走
査しつつウェーハのＳeffを測定した結果である。な
お、図中Ｓｏはスクラッチの無いウェーハでのＳの範囲
を示す。
チを平行に形成し、このスクラッチと直交する方向に走
査しつつウェーハのＳeffを測定した結果である。な
お、図中Ｓｏはスクラッチの無いウェーハでのＳの範囲
を示す。
２本のスクラッチの間隔が５００μmの時には、Ｓeffの
値がスクラッチの中間でＳｏの値まで下がるとともに、
スクラッチの部分ではＳｏに比して極めて大きな値を示
し、スクラッチの形成がＳを大きくする欠陥の導入を伴
うことを示唆している。
値がスクラッチの中間でＳｏの値まで下がるとともに、
スクラッチの部分ではＳｏに比して極めて大きな値を示
し、スクラッチの形成がＳを大きくする欠陥の導入を伴
うことを示唆している。
一方、スクラッチの間隔が４００，３００μmになる
と、スクラッチの無い中間付近でもＳeffはＳｏまで下
がらず、２００μm以下では逆にスクラッチの中間で最
大値を示した。このウェーハのライフタイムを測定した
結果、少数キャリアの拡散距離（Ｌ）は２００〜２２０
μmであった。レーザ光ビームの径を５０μmとすると、
Ｓeffに影響を及ぼさないスクラッチの間隔は（４００
〜４４０）＋５０μmとなり、第９図の結果とも符合す
る。
と、スクラッチの無い中間付近でもＳeffはＳｏまで下
がらず、２００μm以下では逆にスクラッチの中間で最
大値を示した。このウェーハのライフタイムを測定した
結果、少数キャリアの拡散距離（Ｌ）は２００〜２２０
μmであった。レーザ光ビームの径を５０μmとすると、
Ｓeffに影響を及ぼさないスクラッチの間隔は（４００
〜４４０）＋５０μmとなり、第９図の結果とも符合す
る。
次に第１０図は、スクラッチの中間でのＳeffの値を、S
iウエーハ表面からファイバーまでの距離Ｘを種々変化
させて求めた結果を示している。Ｘ＝０でかつスクラッ
チの間隔が２００，３００，４００μmの場合、スクラ
ッチ中間点でのＳeffはＳｏ＝５００cm／ｓより大きく
観測され、５００μmではＳｏの値になる。これは第９
図の結果から理解できる。
iウエーハ表面からファイバーまでの距離Ｘを種々変化
させて求めた結果を示している。Ｘ＝０でかつスクラッ
チの間隔が２００，３００，４００μmの場合、スクラ
ッチ中間点でのＳeffはＳｏ＝５００cm／ｓより大きく
観測され、５００μmではＳｏの値になる。これは第９
図の結果から理解できる。
一方、Ｘの値を０．５，１．０，１．５mmと大きくする
と、スクラッチ中間点でのＳeffはスクラッチ間隔との
依存性を弱め、曲線の傾きが小さくなる。例えば、Ｘ＝
１．５mmの場合にＳeffをＳoと同じ値まで下げるには、
スクラッチ間隔が１３００μm必要となる。これらの結
果から光ファイバーから照射される光線は円錘状に広が
っていることがわかる。
と、スクラッチ中間点でのＳeffはスクラッチ間隔との
依存性を弱め、曲線の傾きが小さくなる。例えば、Ｘ＝
１．５mmの場合にＳeffをＳoと同じ値まで下げるには、
スクラッチ間隔が１３００μm必要となる。これらの結
果から光ファイバーから照射される光線は円錘状に広が
っていることがわかる。
次に、第１図に示した装置を使用し、波長９０４nmの半
導体レーザと、６３３nmのＨe−Ｎeレーザの２種類を使
用して測定を行なった。
導体レーザと、６３３nmのＨe−Ｎeレーザの２種類を使
用して測定を行なった。
９０４nm光はSiウェーハ表面から約７０μm、６３３nm
光は２〜３μmが侵入深さであり、注入した少数キャリ
アは、指数関数的に減少する形でそれぞれ７０μm、３
μmの深さに分布していることが示唆される。このよう
な注入直後の分布状態からキャリアは拡散していくた
め、キャリア分布が浅いＨe−Ｎeレーザ光照射の方が、
キャリア分布が浅い半導体レーザより、表面付近でのキ
ャリア再結合の影響を受けやすく、鋭敏である。このた
め、９０４nmの半導体レーザ光ビーム照射によるＳの測
定には、高性能の電子計算機を用いても減衰曲線を求め
てから算出するため、一点の測定に５〜６ｓ程度の時間
が必要であるのに対し、Ｈe−Ｎeレーザを用いた場合は
表面再結合速度Ｓに直接し、集束マイクロ波系の出力電
圧の測定のみでよいから、測定時間が例えば１秒以下に
短縮されてＸＹステージの移動速度で律速され、連続ス
キャンも可能となる。
光は２〜３μmが侵入深さであり、注入した少数キャリ
アは、指数関数的に減少する形でそれぞれ７０μm、３
μmの深さに分布していることが示唆される。このよう
な注入直後の分布状態からキャリアは拡散していくた
め、キャリア分布が浅いＨe−Ｎeレーザ光照射の方が、
キャリア分布が浅い半導体レーザより、表面付近でのキ
ャリア再結合の影響を受けやすく、鋭敏である。このた
め、９０４nmの半導体レーザ光ビーム照射によるＳの測
定には、高性能の電子計算機を用いても減衰曲線を求め
てから算出するため、一点の測定に５〜６ｓ程度の時間
が必要であるのに対し、Ｈe−Ｎeレーザを用いた場合は
表面再結合速度Ｓに直接し、集束マイクロ波系の出力電
圧の測定のみでよいから、測定時間が例えば１秒以下に
短縮されてＸＹステージの移動速度で律速され、連続ス
キャンも可能となる。
次に第１１図は、間隔が５mmの２本のキズをつけたSiウ
ェーハ表面において、半導体レーザパルス光ビーム（５
０μmφファイバー付き）を用いてＳを５００μmピッチ
でマッピングした結果を示す。また、第１２図はＨe−
Ｎeレーザパルス光ビーム（２mmφ）を用いて第１１図
と同様に集束マイクロ波系の出力電圧をマッピングした
結果を示している。第１１図におけるＳの値は、ビーム
径が小さいためにスクラッチの部分で鋭く立ち上がって
大きな値を示しているが、第１２図のＨe−Ｎeレーザ光
照射による場合は、スクラッチ部分での信号低下があま
り鋭くない。これは、Ｈe−Ｎeレーザ光照射の場合はビ
ーム径が大きいため、信号の変化が緩和されたものと考
えられる。
ェーハ表面において、半導体レーザパルス光ビーム（５
０μmφファイバー付き）を用いてＳを５００μmピッチ
でマッピングした結果を示す。また、第１２図はＨe−
Ｎeレーザパルス光ビーム（２mmφ）を用いて第１１図
と同様に集束マイクロ波系の出力電圧をマッピングした
結果を示している。第１１図におけるＳの値は、ビーム
径が小さいためにスクラッチの部分で鋭く立ち上がって
大きな値を示しているが、第１２図のＨe−Ｎeレーザ光
照射による場合は、スクラッチ部分での信号低下があま
り鋭くない。これは、Ｈe−Ｎeレーザ光照射の場合はビ
ーム径が大きいため、信号の変化が緩和されたものと考
えられる。
さらに第１３図は、表面に傷を付けたＳiウェーハにつ
いて、半導体レーザ光ビーム（波長９０４μm）を５０
μmφをファイバーで集光して５００μmピッチで照射
し、表面再結合速度Ｓを測定した結果を示す。また、第
１４図は同じ試料について、Ｈe−Ｎeレーザ光ビーム
（波長６３３μm）を光学系で集光して２０μmピッチで
照射し、マイクロ波の出力電圧値をそれぞれマッピング
した結果を示している。これらの結果より、Ｈe−Ｎe光
ビームを集光すれば、半導体レーザ光を集光して用いた
場合よりもＳの影響を受け易いから、より高感度で短時
間にＳiウェーハのキズの評価ができることが明らかで
ある。
いて、半導体レーザ光ビーム（波長９０４μm）を５０
μmφをファイバーで集光して５００μmピッチで照射
し、表面再結合速度Ｓを測定した結果を示す。また、第
１４図は同じ試料について、Ｈe−Ｎeレーザ光ビーム
（波長６３３μm）を光学系で集光して２０μmピッチで
照射し、マイクロ波の出力電圧値をそれぞれマッピング
した結果を示している。これらの結果より、Ｈe−Ｎe光
ビームを集光すれば、半導体レーザ光を集光して用いた
場合よりもＳの影響を受け易いから、より高感度で短時
間にＳiウェーハのキズの評価ができることが明らかで
ある。
「発明の効果」 以上説明したように、本発明に係るウェーハ表面の半導
体特性測定方法によれば、マイクロ波を集束するととも
に、レーザー光パルスを光学系によりマイクロ波の集束
径よりも小径に集束し、ウェーハの裏と表にそれぞれ照
射するから、各測定点における実効ライフタイムおよび
／または再結合速度の分解能を集束光の直径および少数
キャリアの拡散距離の合計程度にまで高めることができ
る。また、レーザー光照射位置およびマイクロ波照射位
置を、半導体ウェーハに沿って、前記集束光の直径およ
び少数キャリアの拡散距離の和で決まる一定間隔を空け
て移動させ、前記測定を繰り返すことにより、半導体ウ
ェーハの全面に亙る実効ライフタイムおよび／または再
結合速度の面内分布を得ることができ、従来法では検出
不可能な微細な損傷等も確実に検出可能である。
体特性測定方法によれば、マイクロ波を集束するととも
に、レーザー光パルスを光学系によりマイクロ波の集束
径よりも小径に集束し、ウェーハの裏と表にそれぞれ照
射するから、各測定点における実効ライフタイムおよび
／または再結合速度の分解能を集束光の直径および少数
キャリアの拡散距離の合計程度にまで高めることができ
る。また、レーザー光照射位置およびマイクロ波照射位
置を、半導体ウェーハに沿って、前記集束光の直径およ
び少数キャリアの拡散距離の和で決まる一定間隔を空け
て移動させ、前記測定を繰り返すことにより、半導体ウ
ェーハの全面に亙る実効ライフタイムおよび／または再
結合速度の面内分布を得ることができ、従来法では検出
不可能な微細な損傷等も確実に検出可能である。
一方、本発明の請求項２の方法によれば、Ｈｅ−Ｎｅレ
ーザー光を照射することにより、レーザー光の侵入深さ
を抑制し、ウェーハ表面から２〜３μmの深さまでの領
域にのみ少数キャリアを発生させることが可能である。
これにより、ウェーハからの反射マイクロ波はバルクラ
イフタイムの影響を受けず、表面再結合速度の影響のみ
受けたものとなるから、この反射マイクロ波の信号に対
し、バルクライフタイムの計算を含まない単純な計算処
理を施すだけで、半導体ウェーハの表層に構築される素
子の特性に多大な影響を与える表面再結合速度を直接測
定することが可能となるうえ、マイクロ波およびレーザ
ー光の双方を集束してウェーハに照射することにより、
さらに高分解能かつ多点高速測定が可能であり、ウェー
ハ表面のマッピングを行うことが容易で、半導体デバイ
ス製造工程中のオンライン観察によりウェーハ表面の微
細な損傷等が検出できる。
ーザー光を照射することにより、レーザー光の侵入深さ
を抑制し、ウェーハ表面から２〜３μmの深さまでの領
域にのみ少数キャリアを発生させることが可能である。
これにより、ウェーハからの反射マイクロ波はバルクラ
イフタイムの影響を受けず、表面再結合速度の影響のみ
受けたものとなるから、この反射マイクロ波の信号に対
し、バルクライフタイムの計算を含まない単純な計算処
理を施すだけで、半導体ウェーハの表層に構築される素
子の特性に多大な影響を与える表面再結合速度を直接測
定することが可能となるうえ、マイクロ波およびレーザ
ー光の双方を集束してウェーハに照射することにより、
さらに高分解能かつ多点高速測定が可能であり、ウェー
ハ表面のマッピングを行うことが容易で、半導体デバイ
ス製造工程中のオンライン観察によりウェーハ表面の微
細な損傷等が検出できる。
さらに、本願発明の請求項３に係る測定方法では、光フ
ァイバーを介してレーザー光を照射するため、光照射位
置の変更が容易で、高速多点測定が行いやすいという利
点が得られる。
ァイバーを介してレーザー光を照射するため、光照射位
置の変更が容易で、高速多点測定が行いやすいという利
点が得られる。
第１図は、本発明の一実施例に使用される測定装置を示
す構成図、第２図は同装置の導波管を示す斜視図、第３
図ないし第１４図は本発明の実施例の結果を示すグラフ
である。 １…レーザ光発生器、 ２…光チョッパ、 ３…マイクロ波発生器、４…サーキュレータ、 ５…リッジ導波管、 ６…Ｓiウェーハ、 ７…検出器、 ９…デジタル処理器、 １０…移動ステージ、 １１…ステージ駆動器。
す構成図、第２図は同装置の導波管を示す斜視図、第３
図ないし第１４図は本発明の実施例の結果を示すグラフ
である。 １…レーザ光発生器、 ２…光チョッパ、 ３…マイクロ波発生器、４…サーキュレータ、 ５…リッジ導波管、 ６…Ｓiウェーハ、 ７…検出器、 ９…デジタル処理器、 １０…移動ステージ、 １１…ステージ駆動器。
Claims (3)
- 【請求項１】半導体ウェーハの裏面に、マイクロ波を集
束して照射し、その反射マイクロ波を検出器で受信しつ
つ、 レーザー光発生器によりレーザー光パルスを発生させ、 このレーザー光パルスを光学系により前記マイクロ波の
集束径よりも小さい径に集束して、前記マイクロ波照射
位置と対応するウェーハ表面に照射し、ウェーハ内部で
少数キャリアを励起させ、 前記マイクロ波受信信号から前記少数キャリアの増減に
基づくウェーハの導電率変調を検出することにより、前
記少数キャリアの実効ライフタイムおよび／または再結
合速度を測定した後、 前記レーザー光照射位置およびマイクロ波照射位置を、
半導体ウェーハに沿って、レーザー光の集束径および少
数キャリアの拡散距離の和で決まる一定間隔毎に移動
し、前記測定を繰り返すことにより、半導体ウェーハの
全面に亙る実効ライフタイムおよび／または再結合速度
の面内分布を得ることを特徴とするウェーハ表面の半導
体特性測定方法。 - 【請求項２】前記レーザー光発生器としてＨｅ−Ｎｅレ
ーザー光発生器を使用することにより、前記ウェーハの
表面から３μｍ以内で集中的に少数キャリアを励起さ
せ、表面再結合速度の面内分布のみを得ることを特徴と
する請求項１記載のウェーハ表面の半導体特性測定方
法。 - 【請求項３】前記光学系として光ファイバーを使用し、
この光ファイバーによりレーザー光パルスを集光してウ
ェーハに照射することを特徴とする請求項１または２記
載のウェーハ表面の半導体特性測定方法。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63224279A JPH067564B2 (ja) | 1988-09-07 | 1988-09-07 | ウェーハ表面の半導体特性測定方法 |
| US07/322,390 US4949034A (en) | 1988-09-07 | 1989-03-13 | Method for contactless evaluation of characteristics of semiconductor wafers and devices |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63224279A JPH067564B2 (ja) | 1988-09-07 | 1988-09-07 | ウェーハ表面の半導体特性測定方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0272646A JPH0272646A (ja) | 1990-03-12 |
| JPH067564B2 true JPH067564B2 (ja) | 1994-01-26 |
Family
ID=16811283
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63224279A Expired - Lifetime JPH067564B2 (ja) | 1988-09-07 | 1988-09-07 | ウェーハ表面の半導体特性測定方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4949034A (ja) |
| JP (1) | JPH067564B2 (ja) |
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| US5138255A (en) * | 1989-03-20 | 1992-08-11 | Semitex Co., Ltd. | Method and apparatus for measuring lifetime of semiconductor material including waveguide tuning means |
| FR2647223B1 (fr) * | 1989-05-22 | 1991-08-30 | Europ Propulsion | Dispositif de mesure de caracteristique electromagnetique d'un materiau a tres haute temperature |
| JP2889307B2 (ja) * | 1990-03-26 | 1999-05-10 | 株式会社東芝 | ▲ｉｖ▼族半導体のキャリアライフタイム測定法 |
| JPH0770578B2 (ja) * | 1990-03-27 | 1995-07-31 | 大日本スクリーン製造株式会社 | 半導体基板の表面状態評価方法およびその装置 |
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| JPH07105427B2 (ja) * | 1992-10-19 | 1995-11-13 | 学校法人幾徳学園 | 半導体材料のライフタイム評価方法とその装置 |
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-
1989
- 1989-03-13 US US07/322,390 patent/US4949034A/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US4949034A (en) | 1990-08-14 |
| JPH0272646A (ja) | 1990-03-12 |
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