JPH0697248A - ライフタイム測定装置及びこれを用いた測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高出力の連続波長光の光源を用い、これを短
波長カットフィルターまたはバンドパスフィルターと組
合わせて、半導体単結晶の高ライフタイム化、計測信号
の微弱化を克服し、ライフタイムを高精度に測定する。 【構成】 高出力の連続波長光を放出し得る光源１８を
備えている。この光源１８は、半導体試料１６に対し接
離する方向に移動自在に配置されている。光源１８の前
面には短波長カットフィルターまたはバンドパスフィル
ター１９が配置され、バンドギャップ・エネルギー相当
の波長光が効率よく内部キャリアを励起し、短波長成分
は除去される。また、その前面にＮＤ（Neutral Densit
y)フィルター２１が着脱自在に配置される。ＮＤフィル
ター２１の透過率で半導体試料１６面での光強度を粗調
整し、光源１８と半導体試料１６表面との間の距離によ
り半導体試料１６面での光強度を微調整する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、連続波長光を放射し得
る光源を用いたバルクライフタイム測定装置及びこれを
用いた測定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】直流法によるバルクライフタイム測定装
置では、角棒状半導体試料の表面をラッピング等で粗く
し、その長手方向一端に抵抗を接続した直列回路に定電
圧を供給し、半導体試料の一方の側面に光源からのパル
ス光を照射し、該抵抗の端子間電圧の波形の立ち下がり
部分から、ライフタイムτを測定し、次式［数１］によ
りバルクライフタイムτ_B を求めていた。

【０００３】

【数１】 １／τ＝１／τ_B ＋π² Ｄ｛（１／ａ² ）＋（１／ｂ² ）＋（１／ｃ² ）｝ Ｄ：少数キャリアの拡散定数 ａ，ｂ，ｃ：角棒状半導体試料の互いに直交する３辺の
長さ

【０００４】バルクライフタイムを正確に測定するに
は、ASTM (F28-75) 又はJIS(H0604-1965) の規格に基づ
き弱励起条件を満たすことにより、光照射による励起キ
ャリアの過剰注入を防ぎ、かつ、ライフタイム測定用信
号波形に対する電界効果の影響が無視できる程度に、半
導体試料に印加する電圧を小さくしなければならないた
め、計測信号が微弱になる。さらに、最近の半導体単結
晶の高純度化に伴う高ライフタイム化により、比較的大
きなサイズ、例えば２０ｍｍ×２０ｍｍ×１００ｍｍの
半導体試料を用いる必要があるので、試料の長さに対す
る断面積が増大して試料両端間の電気抵抗が減少し、こ
のため、計測信号は益々微弱化する傾向にある。従来法
の１つとして、上記光源として、連続波長光を放射する
キセノンランプを用いる方法があった。一方、非接触に
よる半導体ウェーハの再結合ライフタイム測定法とし
て、光源にＧａＡｓ系のレーザーや発光ダイオードを用
いて、半導体試料中のキャリアを励起し、このキャリア
濃度を種々の検出方式で検出する方法が知られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記のようにライフタ
イム測定におけるキャリア励起光源として、図５の発光
強度をもつキセノンランプのような連続波長光を用いる
場合、これを直接半導体試料に照射すると、半導体試料
内部に入ることができない短波長光成分により半導体試
料表面部で過剰にキャリアが発生し、その結果ライフタ
イム測定における光導電減衰曲線が本来の指数関数減衰
曲線から外れ、バルクライフタイム測定値が不正確とな
る。この問題を解決するために、測定試料がＳｉのとき
は、ランプの短波長成分をカットするためにＳｉフィル
ターを透過させ、この透過光を光源とすることが望まし
いとされている（JIS H0604-1965）。しかし、Ｓｉフィ
ルターを透過させると、結晶表面において上記した悪影
響を引き起こす短波長光成分をカットすると同時に結晶
内部のキャリア励起に寄与する波長光成分の透過率が１
０％程度となってしまう。従って、Ｓｉフィルターを使
うと、その透過率が低いのでキャリアの励起効率が著し
く低下し、微弱なライフタイム信号の測定には不利にな
るという問題があった。

【０００６】また、キセノンランプは放電発光するた
め、点灯・消灯の際に、半導体試料や電圧波形測定回路
に電気ノイズや機械的振動を与える欠点がある。更にキ
セノンランプは非常に強い可視光成分を含むため、測定
時に周囲に洩れる光により測定者の視神経に悪影響を与
え、頭痛や視力傷害を与える危険性がある。

【０００７】一方、半導体レーザーや発光ダイオードを
光源とする装置は高価になり、しかも半導体レーザーや
発光ダイオードを用いる方法では、使用するダイオード
は１個だけであり、ＡＳＴＭやＪＩＳの規格に基づく大
型試料を用いたバルクライフタイム測定には利用できな
いという問題があった。

【０００８】本発明は上記の点を解決しようとするもの
で、その第１の目的は、最近の半導体単結晶の高純度化
に伴う高ライフタイム化とそれに伴う計測信号の微弱化
を克服し、ライフタイムを正確に測定できる測定装置及
び測定方法を提供することである。

【０００９】また、本発明の第２の目的は、放電発光す
る光源を用いた場合にも、そのような光源の点灯、消灯
の際に半導体試料や電圧波形測定回路に電気ノイズや機
械的振動を与えることのない測定装置及び測定方法を提
供することである。

【００１０】また、第３の目的は、半導体試料に照射す
る強度の強い可視光成分が周囲に洩れず、測定者の健康
を害することのない測定装置及び測定方法を提供するこ
とである。

【００１１】更に第４の目的は、半導体試料内部のキャ
リアの励起に有効な波長を用いることができ、効率的な
内部キャリア励起を可能にし、また、光源の構成が簡単
で装置が高価にならず、装置のメンテナンスが楽に行え
る測定装置及び測定方法を提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段及びその作用】本発明の請
求項１に記載の直流法によるバルクライフタイムの測定
装置は、図１の直流定電圧電源２２の出力電圧を、半導
体試料１６と抵抗Ｒ１〜Ｒ４との直列接続回路に印加し
た状態で、光源１８から放射された光パルスを半導体試
料面に照射し、該抵抗Ｒ１〜Ｒ４の端子間電圧波形を測
定し、該波形の立ち下がり部分に基づいて該半導体試料
のバルクライフタイムを測定する直流法によるバルクラ
イフタイム測定装置において、該光源１８は連続波長光
を放射し得るものであり、該光源１８と半導体試料１６
面との間に、キャリア励起に寄与する波長光成分のうち
半導体試料内部にまで入る波長光成分（即ち半導体試料
のバンドギャップ・エネルギーに相当する波長光）をほ
とんど透過させ、該試料表面で悪影響を発生させる短波
長光成分を透過させない短波長カットフィルターまたは
バンドパスフィルター１９を配置したことを特徴とす
る。

【００１３】本発明の請求項２に記載のライフタイム測
定装置は、図４の光源１８より光パルスを半導体試料１
６面に照射し、光パルスにより過剰キャリアを発生さ
せ、その再結合によるキャリア濃度の減衰状態をこれに
比例する物理量（図４においては、反射マイクロ波７２
の強度変化）として非接触で検出する検出手段により求
め、これにより該半導体試料１６のキャリアライフタイ
ムを測定する非接触ライフタイム測定装置において、該
光源１８は連続波長光を放射し得るものであり、該光源
１８と半導体試料１６面との間に、キャリア励起に寄与
する波長光成分のうち半導体試料内部にまで入る波長光
成分をほとんど透過させ、該試料表面で悪影響を発生さ
せる短波長光成分を透過させない短波長カットフィルタ
ーまたはバンドパスフィルター１９を配置したことを特
徴とする。

【００１４】本発明の請求項８に記載のライフタイム測
定方法は、上記ライフタイム測定装置を用い、前記ＮＤ
フィルター２１の透過率で前記半導体試料１６面での光
強度を粗調整し、前記光源１８と前記半導体試料１６表
面との間隔により前記半導体試料１６面での光強度を微
調整することを特徴とする。

【００１５】次に、本発明に係る直流法によるライフタ
イム測定装置を、実施例図面を参照して説明する。ま
ず、直流法によるバルクタイム測定装置は、図１及び図
２に示すように、直流定電圧電源２２の出力電圧を、半
導体試料１６と抵抗Ｒ１〜Ｒ４のいずれかとの直列接続
回路に印加した状態で、キセノンストロボランプ光源１
８から放射された光パルスを半導体試料１６の面に照射
し、抵抗Ｒ１〜Ｒ４のうち選択されたものの端子間電圧
波形を測定し、該波形の立ち下がり部分に基づいて、半
導体試料１６のバルクライフタイムを測定する。

【００１６】本発明の特徴は、光源１８としてキセノン
ストロボランプのような連続波長光を用い、該光源１８
と半導体試料１６面との間に、キャリア励起に寄与する
波長光成分のうち半導体試料内部にまで入る波長光成分
をほとんど透過させ、該試料表面で悪影響を発生させる
短波長光成分を透過させない短波長カットフィルターま
たはバンドパスフィルター１９を配置したことにある。

【００１７】本発明に用いる短波長カットフィルターと
しては、８５０〜１０００ｎｍ範囲のいずれのカットオ
フ波長であっても良いが、８５０ｎｍ未満では結晶表面
における悪影響が大きくなり８６０ｎｍ以上でその影響
が小さくなる。また、９９０ｎｍ以下の波長をカットす
る短波長カットフィルターを用いることにより上記悪影
響をほとんど無視できるのでこの波長でカットオフする
ことが望ましい。このような短波長カットフィルターの
透過率の波長依存性を図６（ａ）に示す。図６（ａ）
は、９８０ｎｍ未満の短波長光成分に対しては透過率は
ほぼゼロであり、１０００ｎｍ以上の長波長光成分に対
する透過率が約９５％である短波長カットフィルターの
場合を示している。本発明においては、上記短波長カッ
トフィルターの代わりに図６（ｂ）の透過率特性に示さ
れるバンドパスフィルターを用いても同様な効果が得ら
れる。短波長光成分をカットオフすることは、上記短波
長カットフィルターと同様である。短波長光成分により
半導体試料表面において過剰なキャリアが発生し、該試
料内部のライフタイム測定に影響を与える。短波長光成
分をカットオフすることにより、かかる悪影響は排除さ
れる。また、本バンドパスフィルターは、キャリア励起
に寄与しない波長光成分、すなわち１２００ｎｍ以上、
をもカットオフし、同時に該試料内部におけるキャリア
励起に有効な１０００〜１２００ｎｍの波長光成分を残
している。

【００１８】また、図３は、キセノンストロボランプで
パルス光（放電発光）を発生させた場合に半導体試料や
周辺計測回路に電気ノイズや機械的振動が発生するのを
防止するために、光源と半導体試料との間に光導波路５
２を介在させ、ノイズや振動の発生源となる光源部とラ
イフタイム信号計測部とを引き離してある。光源１８か
ら光導波路５２に光を導き、光導波路５２の放射端５５
から半導体試料１６への光照射を行うようにしてある。
光導波路５２としては、コアとクラッドで形成された光
ファイバーを束ねて形成されたものが可撓性があるため
好適に用いられる。光ファイバーを束ねて形成された光
導波路を用いると、光源１８と半導体試料１６に光を放
射させる放射端５５の配置に自由度があり好ましい。ま
た、図３の装置では、光源１８は電磁シールドケース５
１内に収納され、光導波路５２に光が導入される前に短
波長カットフィルターまたはバンドパスフィルター１
９、電磁シールド透明板２０、ＮＤフィルター２１を透
過させるようになっている。

【００１９】短波長カットフィルターまたはバンドパス
フィルター１９は、図６（ａ）あるいは図６（ｂ）に示
すように半導体試料１６の内部にまで入らない短波長光
成分を透過させず、半導体試料１６の内部にまで入る長
波長光成分を透過させる（透過率約９５％）。従って、
内部キャリアの励起効率はフィルターを用いない場合と
同様に高くなる。また、短波長光成分は半導体試料１６
表面部において過剰なキャリア発生を引き起こすので、
短波長光成分をカットオフすることにより、バルクライ
フタイム測定精度の向上も期待できる。

【００２０】以上のことから、Ｓｉフィルターを用いる
場合に比べて、一桁程度強い信号を得ることが可能とな
り、データの信頼性が高くなり、ライフタイム測定の高
感度化・高精度化が可能になる。

【００２１】本発明の図１に示す一態様においては、光
源１８は半導体試料１６に対し接離する方向に移動自在
に配置され、光源１８の前面にはＮＤフィルター２１が
着脱自在に配置される。本発明においては、光源１８と
して連続波長光を放射し得るものを用いる。このような
光源１８としては、キセノンストロボランプや放電発光
管が用いられる。キセノンストロボランプの発光スペク
トルを図５に示す。図５から明らかなように９９０ｎｍ
より長波長側にも発光ピークが見られ、この長波長側発
光成分が内部キャリア励起に有効に働く。

【００２２】図１の装置において、光源１８としてキセ
ノンストロボランプ及び短波長カットフィルター１９を
用いて点灯・消灯を行った場合における、半導体試料内
キャリア濃度変化に対応する抵抗（Ｒ１〜Ｒ４）の端子
間電圧変化は、図７に示すようにノイズが小さく、きれ
いな指数関数減衰曲線となる。一方、フィルターとして
Ｓｉフィルターを用いた場合、図８に示すように、抵抗
端子間電圧変化つまりライフタイム信号強度が小さく、
かつノイズの大きい信号となる。

【００２３】本発明においては、半導体試料１６の結晶
内部でキャリアが効率的に光励起される一方、短波長光
成分がカットされているためキャリアの表面再結合効果
による悪影響が少ないので、キセノンストロボランプ点
滅後の減衰信号には半導体試料１６のバルク情報が正し
く反映され、バルクライフタイム測定値がより適正にな
る。図１の半導体試料１６に対する励起光強度は、ASTM
(F28-75) 又はJIS (H0604-1965)に規定された励起条件
ΔＶ／Ｖ₀ ≦０．０１〔Ｖ₀ は半導体試料１６の端子間
電圧、ΔＶ（図７）は光パルス照射によるＶ₀ の変化
分〕を満たす必要がある。

【００２４】また、本発明装置の一態様にあっては、透
明基板上に透明導電膜が被着された電磁シールド透明板
２０が配置されている。この構成の場合、上記電気ノイ
ズを低減できるので、より正確にバルクライフタイムを
測定することが可能となる。

【００２５】本発明によれば、上記の直流法によるバル
クライフタイム測定装置の他に、非接触法ライフタイム
測定装置が提供される。直流法によるバルクライフタイ
ム測定法では半導体試料１６に電圧測定のための回路が
接続されるが、非接触法ライフタイム測定装置において
は、半導体試料内の励起キャリア濃度を、非接触で検出
する方式が採用される。このような非接触検出方式とし
ては、マイクロ波の透過を利用する方法、マイクロ波の
反射を利用する方法、容量プローブ法、同軸ケーブル
法、ストリップ線路法、相加渦電流法等が適用される。

【００２６】図４にマイクロ波の反射を利用する方法の
概略構成を示す。図４において、ステージ７０上にウェ
ーハ状の半導体試料１６を載置し、キセノンストロボラ
ンプのような連続波長光を放射し得る光源１８から放射
された光を短波長カットフィルターまたはバンドパスフ
ィルター１９を透過させ、短波長光成分をカットオフし
て、これを半導体試料１６に照射する。このとき、光照
射系は図３の直流法の場合と全く同様に、光源１８、短
波長カットフィルター１９、着脱可能なＮＤフィルター
２１、電磁シールド透明板２０を収納した電磁シールド
ケース５１と光導波路５２より構成されている。これに
よって、バンドギャップ波長光による効率的なバルクキ
ャリア励起が、光源起因のノイズを伴うことなく実現で
きる。一方、半導体試料１６にマイクロ波を照射し（７
１は入射マイクロ波を示す）、反射マイクロ波７２をマ
イクロ波検出器６４にて検出し、検出信号はデジタルオ
シロスコープ６５に供給されて、ライフタイムの信号波
形が測定される。このように、非接触の測定法により、
図７と同様の指数関数減衰曲線が得られる。

【００２７】この非接触法ライフタイム測定装置におい
ては、上記直流法によるバルクライフタイム測定装置の
場合と同様に、 光源が、半導体試料に対し接離する
方向に移動自在に配置し、前記光源の前面に短波長カッ
トフィルターまたはバンドパスフィルターを、更にＮＤ
フィルターを着脱自在に配置する構成、 光源として
キセノン放電管や放電発光光源が使用できること、
光源の前面に、透明基板上に透明導電膜が被着された電
磁シールド透明板を配置する構成、 光源が発光体と
該発光体から放射される光線を伝播させる光導波路とで
形成され、光が光導波路の放射端から半導体試料へ照射
される構成、 以上の構成のいずれか１つ以上を備え
た装置を用い、前記ＮＤフィルターの透過率で前記半導
体試料面での光強度を粗調整し、前記光源あるいは光導
波路の放射端と前記半導体試料表面との間隔により前記
半導体試料面での光強度を微調整する構成、といった構
成がいずれも適用可能であり、これらの構成より生じる
作用も、上記直流法によるバルクライフタイム測定装置
で説明したのと同様である。

【００２８】

【実施例】以下、図面に基づいて本発明の実施例を説明
する。 （１）第１実施例 図２は、第１実施例の直流法によるバルクライフタイム
測定装置の試料・光源部斜視図である。

【００２９】ベースプレート１０上には、クランプ装置
１２Ａとクランプ装置１２Ｂとが互いに対向配置されて
いる。クランプ装置１２Ａ，１２Ｂからは、クランプ軸
１４Ａ，１４Ｂが互いに向合って突出している。クラン
プ軸１４Ａ，１４Ｂは、軸方向へ移動自在となってお
り、これらの間に半導体試料１６が挟持されている。ま
た、半導体試料１６の側面側には光源１８が配置されて
いる。光源１８は、ベースプレート１０上に形成された
長孔１０ａに案内されて、半導体試料１６と接離する方
向に移動自在となっている。この光源位置の移動は、手
動であっても自動であってもよい。

【００３０】半導体試料１６の光照射面での光強度は、
半導体試料１６に印加する端子間電圧Ｖ₀ 及び半導体試
料１６に光パルスを照射したときの半導体試料１６の端
子間電圧の立ち上がりΔＶに応じて、ΔＶ／Ｖ₀ ≦０．
０１なるＡＳＴＭ規格に基づいて調節する必要がある。

【００３１】そこで、図１に示されるように透過率が異
なる複数のＮＤフィルター２１を用意しておき、適当な
透過率のＮＤフィルター２１を選定して、光源１８の前
面側に着脱自在に取付け、半導体試料１６の照射面での
光強度を粗調整する。次に、光源１８を半導体試料１６
と互いに接離する方向へ移動させて、半導体試料１６の
側面における光強度を微調整する。光源１８の移動範囲
は、半導体試料１６の光照射面から例えば、５〜５００
ｍｍである。

【００３２】バルクライフタイムをより正確に測定する
ために、本実施例では、光源１８を点灯・消灯する際に
半導体試料１６やアンプ３２等の周辺回路にノイズが発
生しないように、光源の前面に電磁シールド透明板２０
が配置されている。電磁シールド透明板２０は、ガラス
板上に透明な導電性薄膜を被着したものである。また、
半導体試料１６内の効率的なバルクキャリア励起を行う
バンドギャップ波長光成分を得るために、９９０ｎｍ未
満の短波長光成分をカットする短波長カットフィルター
またはバンドパスフィルター１９が光源１８の直前に配
置されている。

【００３３】半導体試料１６の長手方向両端面はそれぞ
れ、リード線を介して、連動する切換スイッチＳＷ１及
びＳＷ２のコモン端子Ｃ１及びＣ２に接続されている。
切換スイッチＳＷ１の選択端子Ｂ１及び切換スイッチＳ
Ｗ２の選択端子Ａ２は、共通に直流定電圧電源２２の出
力の正極端子に接続されている。直流定電圧電源２２の
出力の負極端子は、切換スイッチＳＷ３のコモン端子Ｃ
３に接続され、切換スイッチＳＷ３の選択端子Ｄ１〜Ｄ
４にはそれぞれ、抵抗Ｒ１〜Ｒ４の一端が接続されてい
る。抵抗Ｒ１〜Ｒ４の他端は、共通に切換スイッチＳＷ
１の選択端子Ａ１及び切換スイッチＳＷ２の選択端子Ｂ
２に接続されている。また、半導体試料１６の長手方向
両端面には、リード線を介してデジタルボルトメータ２
４が接続されている。半導体試料１６の両端面での接続
は、周知の方法でオーミックコンタクトになっている。

【００３４】半導体試料１６の両端面は、光源１８から
の光が当らないように遮光されている。

【００３５】図１の状態で、半導体試料１６の端子間電
圧をデジタルボルトメータ２４で測定し、切換スイッチ
ＳＷ１及びＳＷ２を連動して切り換えて、半導体試料１
６に印加する電圧の極性を逆にし、半導体試料１６の端
子間電圧をデジダルボルトメータ２４で測定する。両測
定電圧が一致していることを確認した後、すなわち、半
導体試料１６の長手方向両端面での接続がオーミックコ
ンタクトであることを確認した後、切換スイッチＳＷ３
を切り換えて、抵抗Ｒ１〜Ｒ４のうち、半導体試料１６
の端子間抵抗の２０倍以上のものを選択する。直流定電
圧電源２２の出力電圧は、半導体試料１６の端子間の電
界効果がキャリア再結合のライフタイムに影響しないよ
うに、ASTM (F28-75) 又はJIS (H0604-1965)の規格に従
って設定する。この状態で、パルス発生器２６からＳＷ
４、光源ドライバ２８を介し、光源１８に周期的なパル
ス電圧を供給して、光源１８からパルス光を放射させ、
これを、短波長カットフィルターまたはバンドパスフィ
ルター１９によって短波長成分を除去したうえで半導体
試料１６の側面に当てる。

【００３６】例えば半導体試料１６がシリコン単結晶の
場合、バンドギャップ・エネルギーはＥｇ＝１．１２ｅ
Ｖであり、これは波長１１０７ｎｍに相当する。ここで
は９９０ｎｍ未満の短波長光成分を透過させない短波長
カットフィルター１９を用い、内部キャリア励起に有効
な波長光成分を半導体試料に照射させる。

【００３７】抵抗Ｒ１〜Ｒ４のうち、切換スイッチＳＷ
３で選択された抵抗の端子間電圧は、ＤＣカットフィル
ター３０に供給され、そのＤＣ成分がカットされた後、
アンプ３２で増幅され、パルス発生器２６からのトリガ
パルスとともにデジタルオシロスコープ３４に供給され
て、デジタル波形が測定される。この波形は、コンピュ
ータ３６に供給される。このような処理が周期的に例え
ば１０００回繰り返され、コンピュータ３６は、トリガ
後の各時点（位相）における電圧の平均値を求めて、平
均波形を表示装置３８に表示させる。

【００３８】図７は、このようにして表示装置３８に表
示された典型的な減衰信号波形である。試験条件は次の
通りである。

【００３９】半導体試料１６：ＣＺ法で育成された抵抗
率１６ΩｃｍのＮ型シリコン単結晶 ２０ｍｍ×２０ｍｍ×８０ｍｍ 半導体試料１６に直列接続した抵抗Ｒ：１ｋΩ 初期の試料端子間電圧Ｖ₀ ：０．３Ｖ 光パルス照射による試料端子間電圧の立ち上がり（図
４）ΔＶ：１．５ｍＶ 信号積算回数：１０００回

【００４０】本発明による図７の結果では、ノイズが小
さく、きれいな指数関数のライフタイム信号が得られて
いる。これに対して、短波長カットフィルターのかわり
に従来のＡＳＴＭ（F28-75）で指定されるＳｉフィルタ
ーを用いた場合は、図８に示されたごとく、強度が小さ
くかつノイズの大きな信号となってしまう。

【００４１】コンピュータ３６はまた、ライフタイム信
号波形の立ち下がり部分について、縦軸を対数目盛りで
表した波形を取得し、その直線部分の傾きを−１／τと
おいて、ライフタイムτを求め、前記式［数１］に基づ
いてバルクライフタイムτ_Bを求め、表示装置３８に表
示させる。

【００４２】（２）第２実施例 図３に第２実施例における試料・光源部を示す。光源と
してキセノンストロボランプを用いる点は第１実施例と
同一であるが、光源１８と半導体試料１６との間に光フ
ァイバーを集束して形成されたフレキシブルな光導波路
５２を介在させた点が異なる。図３において、光源１８
としてのキセノンストロボランプは、電磁シールドケー
ス５１中に収容され、光源１８から放射された光は短波
長カットフィルター１９、電磁シールド透明板２０、Ｎ
Ｄフィルター２１を通過した後、光導波路５２に入り、
光導波路５２を伝播して放射端５５より放射される。図
３において、５３は光導波路支持台、５４は光導波路保
持具、５５は光導波路の放射端である。

【００４３】この第２実施例の装置にあっては、光源１
８が測定装置の検出手段・計測回路等から離れているた
めに、光源１８としてキセノンストロボランプのように
放電発光による点灯・消灯が行われた場合にあっても、
電気ノイズ、機械的振動が伝わらず、より正確な測定値
が得られる。また、光源１８は電磁シールドケース５１
内に収容されており、なおかつ短波長カットフィルター
によって可視光成分が除去されているため、測定者が光
源１８の光に眩惑されたり、視力傷害を受けたりするこ
とがない。

【００４４】（３）第３実施例 本実施例では、ウェーハ状の半導体試料１６のライフタ
イムを測定するのに好都合な非接触式のライフタイム測
定装置の例を示す。ステージ７０の上にウェーハ状の半
導体試料１６が載置されている。キセノンストロボラン
プのような連続波長光光源１８から出射された光ビーム
７３は、短波長カットフィルターまたはバンドパスフィ
ルター１９を透過した後、光導波路５２を通じてウェー
ハ状の半導体試料１６に照射され、半導体試料１６に励
起キャリアを発生させる。この半導体試料１６にマイク
ロ波を照射してその反射マイクロ波強度より非接触で励
起キャリア濃度の変化量相対値を計測するものである。
ガンダイオード６１、直流電源６２、サーキュレーター
６３により入射マイクロ波７１が生成される。反射マイ
クロ波７２は、サーキュレーター６３に入り、マイクロ
波検出器６４で検出され、検出信号はデジタルオシロス
コープ６５に供給されてデジタル波形が測定される。こ
の波形は、コンピュータ６６に供給される。このような
処理が周期的に例えば１０００回繰り返され、コンピュ
ータ６６は、キセノンストロボランプ点滅後の各時点
（位相）における出力電圧の平均値を求めて、平均波形
を表示装置６７に表示させる。コンピュータ６６は、ま
た、この平均波形の立ち下がり部分について、縦軸を対
数目盛りで表した波形を取得し、これより減衰信号の時
定数（ライフタイム）を求める。

【００４５】図９に出力電圧の対数の時間的変化を、キ
セノンストロボランプと短波長カットフィルターを組合
わせて測定した本発明の第３実施例の場合（図９中ａ）
と、より一般的な８３０ｎｍのレーザーダイオード光を
光源として測定した場合（図９中ｂ）とについて対比さ
せて示す。図９より８３０ｎｍのレーザー光を用いた場
合（ｂ）は、初期に曲線的に減衰するいわゆる表面効果
が大きく表れているのに対し、本発明の場合（ａ）は初
期の部分が直線に近く、表面効果が著しく低減されてい
ることがわかる。

【００４６】このように、本発明の第３実施例の非接触
ライフタイム測定では、従来法のＬＥＤやレーザーダイ
オードを光源とした非接触測定よりも、表面再結合効果
が小さく、より効果的にバルクのライフタイム特性を評
価することができる。

【００４７】

【発明の効果】請求項１に記載の発明では、連続波長光
源と半導体試料面との間に短波長カットフィルターまた
はバンドパスフィルターを配置したために、半導体試料
内部のキャリア励起に寄与する波長光成分を照射するこ
とができ、短波長光によって生じる過剰な表面再結合効
果の発生を防止することができる。また、本発明におけ
る短波長カットフィルターまたはバンドパスフィルター
は内部キャリア励起に寄与する波長光の透過率が非常に
高いため、半導体試料内部のキャリア励起効率が大き
く、これにより、計測信号の微弱化を克服し、ライフタ
イムを高精度に測定することができる。また、本発明の
光源は連続波長光を放出し得るものであり、しかもバン
ドギャップ・エネルギー相当の１．０６μｍ波長のＹＡ
Ｇレーザー等に比べると市場で安価に入手でき、光源の
構成が簡単で、装置のメンテナンスが容易であるという
利点がある。請求項２に記載の発明では、キャリア濃度
変化に比例する物理量を非接触で検出する検出手段を用
いる装置に、連続波長光を放射し得る光源と、短波長カ
ットフィルターまたはバンドパスフィルターを配置させ
たために、非接触式ライフタイム測定装置においても、
上記請求項１に述べたのと同様の効果を得ることができ
る。請求項３に記載の発明では、光源を半導体試料に対
し接離する方向に移動自在に配置し、光源の前面にＮＤ
フィルターを着脱自在に配置したために、光源と半導体
試料間の距離、及びＮＤフィルターの光透過率の大小に
より、半導体試料への照射光の強度を調整することが可
能になる。請求項４に記載の発明では、光源がキセノン
ストロボランプまたは放電発光管であるために、半導体
結晶内部のキャリア励起に寄与する波長光成分を有する
強い連続波長光を得ることができる。請求項５に記載の
発明では、光源前面に電磁シールド透明板を配置してい
るために、光源からの電気ノイズを低減でき、より高精
度にライフタイムを測定することが可能になる。請求項
６に記載の発明では、光源からの光を光導波路で半導体
試料面に導くため、電気ノイズや機械的振動を与える光
源を測定装置の検出手段・計測回路等から離すことがで
き、結果的に、より高精度なライフタイム測定を可能に
する。請求項７に記載の発明では、キャリア濃度変化を
検出する方式がマイクロ波の透過を利用する方法、マイ
クロ波の反射を利用する方法、容量プローブ法、同軸ケ
ーブル法、ストリップ線路法、または相加渦電流法であ
るため、上述の連続波長光源と短波長カットフィルター
を用いたライフタイム計測が非接触で可能になる。請求
項８に記載の発明では、ＮＤフィルターの透過率、及び
光源と半導体試料表面との間隔により、半導体試料面で
の光強度を粗調整及び微調整でき、容易にキャリア励起
強度の条件設定を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る第１実施例の、直流法によるバル
クライフタイム測定装置の回路構成図である。

【図２】前記バルクライフタイム測定装置の試料・光源
部斜視図である。

【図３】光源と半導体試料との間に光導波路を介した直
流法測定装置の実施例を示す試料・光源部斜視図であ
る。

【図４】非接触式のライフタイム測定装置の一実施例を
示す構成図である。

【図５】キセノンストロボランプの発光スペクトルを示
すグラフである。

【図６】（ａ）は９９０ｎｍ未満の短波長光成分をカッ
トする短波長カットフィルターの透過率曲線を示すグラ
フであり、（ｂ）は９９０ｎｍ未満と１２００ｎｍ以上
の波長光成分をカットするバンドパスフィルターの透過
率曲線を示すグラフである。

【図７】図１，図２の装置により得られたライフタイム
信号波形図である。

【図８】キセノンストロボランプの光をＳｉ−フィルタ
ーを透過させて測定した場合のライフタイム信号波形図
である。

【図９】図４の非接触法の装置により得られた出力信号
の対数的変化を示し、図中ａはキセノンストロボランプ
の光源と短波長カットフィルターを組合わせて測定した
本発明の第３実施例の場合を示し、図中ｂは光源として
より一般的な８３０ｎｍのレーザーダイオード光源を用
いて測定した場合を示す。

【符号の説明】

１０，１０Ａ，１０Ｄ ベースプレート １２Ａ，１２Ｂ クランプ装置 １４Ａ，１４Ｂ クランプ軸 １６ 半導体試料 １８ 光源 １９ 短波長カットフィルターまたはバンドパスフィル
ター ２０ 電磁シールド透明板 ２１ ＮＤフィルター ２２ 直流定電圧電源 ２４ デジタルボルトメーター ２６ パルス発生器 ２８ 光源ドライバ ３０ ＤＣカットフィルター ３２ アンプ ３４ デジタルオシロスコープ ３６ コンピュータ ３８ 表示装置 ＳＷ１〜ＳＷ３ 切換スイッチ Ｃ１〜Ｃ３ コモン端子 Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２，Ｄ１〜Ｄ４ 選択端子 Ｒ１〜Ｒ４ 抵抗 ５１ 電磁シールドケース ５２ 光導波路 ５３ 光導波路保持台 ５４ 光導波路保持具 ５５ 放射端 ６１ ガンダイオード ６２ 直流電源 ６３ サーキュレーター ６４ マイクロ波検出器 ６５ デジタルオシロスコープ ６６ コンピュータ ６７ 表示装置 ７０ ウェーハステージ ７１ 入射マイクロ波 ７２ 反射マイクロ波 ７３ 光ビーム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 竹中 卓夫 群馬県安中市磯部２丁目13番１号 信越半 導体株式会社半導体磯部研究所内

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直流定電圧電源の出力電圧を、半導体試
   料と抵抗との直列接続回路に印加した状態で、光源から
   放射された光パルスを半導体試料面に照射し、該抵抗の
   端子間電圧波形を測定し、該波形の立ち下がり部分に基
   づいて該半導体試料のバルクライフタイムを測定する直
   流法によるバルクライフタイム測定装置において、該光
   源は連続波長光を放射し得るものであり、該光源と半導
   体試料面との間に、８５０〜１０００ｎｍのいずれかの
   波長以上の波長光成分をほとんど透過させる短波長カッ
   トフィルターまたは８５０〜１２００ｎｍ範囲の波長光
   成分を透過させるバンドパスフィルターを配置したこと
   を特徴とする直流法によるバルクライフタイム測定装
   置。
2. 【請求項２】 光源より光パルスを半導体試料面に照射
   し、光パルスにより過剰キャリアを発生させ、その再結
   合によるキャリア濃度の減衰状態をこれに比例する物理
   量として、非接触で検出する検出手段により求め、これ
   により該半導体試料のキャリアライフタイムを測定する
   非接触ライフタイム測定装置において、該光源は連続波
   長光を放射し得るものであり、該光源と半導体試料面と
   の間に、８５０〜１０００ｎｍのいずれかの波長以上の
   波長光成分をほとんど透過させる短波長カットフィルタ
   ーまたは８５０〜１２００ｎｍ範囲の波長光成分を透過
   させるバンドパスフィルターを配置したことを特徴とす
   るライフタイム測定装置。
3. 【請求項３】 前記フィルターは、透過率が７０％以上
   であることを特徴とする請求項１または２記載のライフ
   タイム測定装置。
4. 【請求項４】 前記光源は、前記半導体試料に対し接離
   する方向に移動自在に配置され、前記光源の前面にはＮ
   Ｄ（Neutral Density)フィルターが着脱自在に配置され
   ることを特徴とする請求項１または２記載のライフタイ
   ム測定装置。
5. 【請求項５】 光源がキセノンストロボランプまたは放
   電発光管であることを特徴とする請求項１〜４のいずれ
   か１つに記載のライフタイム測定装置。
6. 【請求項６】 前記光源の前面には、透明基板上に透明
   導電膜が被着された電磁シールド透明板が配置されてい
   ることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載
   のライフタイム測定装置。
7. 【請求項７】 光源と半導体試料との間に光導波路を介
   在させ、光源から光導波路に光を導き、光導波路の放射
   端から半導体試料への光の照射を行う請求項１〜６のい
   ずれか１つに記載のライフタイム測定装置。
8. 【請求項８】 請求項２におけるキャリア濃度変化を検
   出する方式が、マイクロ波の透過を利用する方法、マイ
   クロ波の反射を利用する方法、容量プローブ法、同軸ケ
   ーブル法、ストリップ線路法、または相加渦電流法であ
   るライフタイム測定装置。
9. 【請求項９】 請求項１〜８のいずれか１つに記載のラ
   イフタイム測定装置を用い、前記ＮＤフィルターの透過
   率で前記半導体試料面での光強度を粗調整し、前記光源
   と前記半導体試料表面との間隔により前記半導体試料面
   での光強度を微調整することを特徴とするバルクライフ
   タイム測定方法。