JPH07130810A - キャリヤライフタイム測定法及びその装置 - Google Patents

キャリヤライフタイム測定法及びその装置

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JPH07130810A
JPH07130810A JP27806193A JP27806193A JPH07130810A JP H07130810 A JPH07130810 A JP H07130810A JP 27806193 A JP27806193 A JP 27806193A JP 27806193 A JP27806193 A JP 27806193A JP H07130810 A JPH07130810 A JP H07130810A
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JP
Japan
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light source
carriers
carrier lifetime
minority carrier
carrier
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JP27806193A
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English (en)
Inventor
Tsuyoshi Uematsu
強志 上松
Mitsunori Ketsusako
光紀 蕨迫
Hiroyuki Otsuka
寛之 大塚
Yasushi Nagata
寧 永田
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【構成】 励起光源5をYAGレーザを用いた連続光源
とし、それからの励起光6をシャッタ7、レンズ8を通
してSiの半導体基板15に対し、該半導体基板の過剰
少数キャリヤ寿命より長い時間照射して、ほぼ均一な過
剰少数キャリヤ分布を発生させ、次に、シャッタ7によ
り、前記半導体基板15の少数キャリヤ寿命より短い時
間で励起光6を遮断し、この間の少数キャリヤ濃度の変
動を、マイクロ波を用いた光生成キャリヤ減衰測定装置
で測定する。 【効果】 半導体基板の少数キャリヤ寿命が正確に測定
できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体材料の品質管理
及びデバイスプロセス品質管理に用いられるキャリヤラ
イフタイム測定法及びその装置に関する。
【0002】
【従来の技術】Si半導体などのウェハの品質を管理す
るために、従来からいくつかの手法が用いられている。
この中で、光により過剰少数キャリヤを発生させ、この
過剰少数キャリヤの減衰時間からウェハの少数キャリヤ
寿命を測定する方法は、簡便、非接触であり数百ミクロ
ンの薄いウェハの測定にも適していることから、広く用
いられている。従来は、これらの測定の光源としてはフ
ラッシュランプやパルスレーザが用いられている。これ
は、発光時間が過剰少数キャリヤの寿命より十分に短い
光源を用いることにより、励起光量の時間変化とは無関
係に過剰少数キャリヤ寿命を測定できるためである。こ
れらの方法については、「ジャーナル オブ アプライ
ド フィジックス、第30巻、第7号、1959年」に
掲載の「マイクロウェーブ テクニックス イン メジ
ュアメント オブ ライフタイムイン ゲルマニウム
(Microwave Techniques in Measurement of Lifetime
in Germanium)」や、「フィジカル レビュー レター
ズ、第57巻、第2号、1986年」に掲載の「アンユ
ージュアリ ロー サーフェイス リコンビネーション
ヴェロシティ オン シリコン アンド ゲルマニウ
ム サーフェイス(Unusually Low Surface-Recombinat
ion Velocity on Silicon and Germanium Surface)」
の中に述べられている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では、少
数キャリヤ寿命が励起光量によらず一定である場合は問
題はないが、少数キャリヤ寿命が励起光量や過剰少数キ
ャリヤ濃度に依存する場合は、1パルスの励起光のエネ
ルギーを毎回一定に保つ必要がある。また、短時間で励
起を行うため、励起直後の半導体基板内での過剰少数キ
ャリヤの分布が一様でなく、励起後の過剰少数キャリヤ
の減衰と半導体基板内でのキャリヤの再分布とが同時に
進行する。このため、過剰少数キャリヤの減衰のみの信
号を取り出すことは困難である。
【0004】本発明の目的は、均一なキャリヤ分布状態
での過剰少数キャリヤ減衰の測定を可能とするキャリヤ
ライフタイム測定法とその装置を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明では、励起光源と
してフラッシュランプやパルスレーザなどの短時間しか
発光しない光源を用いる代わりに、連続光源を励起光源
として用い、これにより、少数キャリヤ寿命測定時の半
導体基板内でのキャリヤ分布をなるべく均一にして、少
数キャリヤの再分布による信号の変化を最小限に抑える
ことにより、上記課題を解決している。
【0006】
【作用】本発明の原理と作用を図1から図4を用いて説
明する。励起光源としてフラッシュランプやパルスレー
ザなどの短時間しか発光しない光源を用いると、図2に
示すように、時間t1からt2まで励起光が照射されると
き、過剰少数キャリヤ濃度はt1からt2まで次第に増加
する。このため、時間t2で励起光の照射が無くなった
時の過剰少数キャリヤ濃度が最大となるが、この値は、
励起光の1パルスの全エネルギー、該半導体基板の過剰
少数キャリヤ寿命、及び該半導体基板表面の少数キャリ
ヤ再結合速度等の関数となる。そこで、時間t2におい
て常に一定の過剰少数キャリヤ濃度を得るためには、励
起光の強度やパルス幅を正確に再現する必要がある。ま
た、図3に示すように、励起光強度が時間とともに変化
する場合は、半導体基板15内の過剰少数キャリヤ濃度
が時間t2で最大とならず、また、時間t1とt2の間で
も、図4に示すように、励起を開始した時間t1の直後
では半導体基板15内の深さ方向のキャリヤ分布が曲線
17のようになり、時間t2又はその後になってようや
く曲線18のようなほぼ一様な分布になる。このよう
に、短時間しか発光しない光源を用いると、各時間での
過剰少数キャリヤ濃度分布が大きく変動するため、少数
キャリヤ寿命を測定する時点の過剰少数キャリヤ濃度を
毎回一定に保つことは困難である。
【0007】本発明では、上記の方法に代えて、図1に
示すように連続光源を励起光源として時間t0からt2
で励起光を照射することにより、照射時間を半導体基板
15の少数キャリヤ寿命より十分に長くすることができ
る。この結果、時間t2において図4の曲線18に示す
ような過剰少数キャリヤ分布を得ることができる。ま
た、連続的に励起しているため、励起光の強度を任意の
値に一定に保つことにより、過剰少数キャリヤ濃度を任
意の値に設定することができる。さらに、この連続光を
時間t2で瞬時に遮断することにより、既知の過剰少数
キャリヤ濃度分布をもつ状態から過剰少数キャリヤの減
衰を始めることができる。このため、図1の時間t2
のキャリヤの減衰速度は、t2での既知の過剰少数キャ
リヤ濃度をもつ半導体基板15の過剰少数キャリヤ寿命
を正確に反映する。
【0008】
【実施例】(実施例1)図5を用いて本発明の一実施例
を説明する。
【0009】本実施例では、励起光源5にはYAGレー
ザを用い、Siの半導体基板15に対して該半導体基板
15の過剰少数キャリヤ寿命の約1μs〜1000μs
より長い時間励起光6をレンズ8を通して照射して、ほ
ぼ均一な過剰少数キャリヤ分布を発生させた。次に、A
Oモジュレータを用いたシャッタ7により、前記半導体
基板15の少数キャリヤ寿命の約1μs〜1000μs
より短い時間で励起光6を遮断した。これにより、該半
導体基板15内の過剰少数キャリヤの生成が中断され、
過剰少数キャリヤ濃度はキャリヤ再結合によって減少を
始める。この間の少数キャリヤ濃度の変動を、マイクロ
波発生装置10、導波管9、マイクロ波検出器13及び
オシロスコープ14で構成される光生成キャリヤ減衰測
定装置を用いて測定した。これにより、ほぼ均一なキャ
リヤ分布をもつ状態からの過剰少数キャリヤ濃度の減衰
を観測することができた。言い換えると、従来の方法で
は、図4に示した過剰少数キャリヤ濃度分布が曲線17
から曲線18へ変動しつつ過剰少数キャリヤ濃度が減少
する状態しか観測できなかったものが、本発明の方法で
は、過剰少数キャリヤ濃度分布が曲線18の状態からの
過剰少数キャリヤ濃度の減少過程の観測が可能になり、
少数キャリヤ寿命を正確に測定することができた。ま
た、励起光強度を変化させることにより定常状態での過
剰少数キャリヤ濃度を所望の値に設定することができる
ため、種々の過剰少数キャリヤ濃度での少数キャリヤ寿
命を正確に測定することができるようになった。
【0010】(実施例2)図6を用いて本発明の他の実
施例を説明する。
【0011】本実施例では、過剰少数キャリヤ濃度の検
出を抵抗検出器16を用いて行った。検出部以外は前記
実施例1と同じである。Siの半導体基板15が十分に
厚い場合には、表面再結合速度の影響が小さくなるた
め、該基板に当てた2本の電極間に定電流を流し、該電
極間の電圧の変化を測定することにより抵抗変化を検出
した。また、Siの半導体基板15の厚みが比較的小さ
い場合は、インダクティブカップリング法を用いた非接
触測定を行った。
【0012】これまでの実施例の説明では、Siの半導
体基板の過剰少数キャリヤ寿命の測定について述べた
が、GaAs、AlGaAs、a−Si、Ge、In
P、CIS、CdS、CdTeなどの種々の半導体でも
同様のことが言えるのは言うまでもない。また、これら
の半導体においては、励起光源の波長を、その光源のそ
れらの半導体内での吸収係数と基板厚の逆数がほぼ同じ
かそれより小さい吸収係数をもつようにすることによ
り、基板内の過剰少数キャリヤ寿命を正確に測定するこ
とができる。この理由を以下に説明する。いま、励起光
強度をIi、基板裏面に到達する励起光強度をIb、基板
の吸収係数をα、基板厚をtとすると、IiとIbの関係
は、次式のようになる。
【0013】
【数1】Ib=Ii×exp(−α・t) そこで、
【0014】
【数2】α≦(1/t) とすることにより、基板裏面においても基板表面での励
起光強度の1/2.7以上の光強度で励起されることに
なる。これにより、励起光照射時の過剰少数キャリヤ濃
度分布は、少なくとも基板表面と裏面とで2.7倍以上
の差が生じることはなく、励起されたキャリヤの拡散を
考えると、基板内での過剰少数キャリヤの分布はほぼ一
様になる。
【0015】前記基板表面での表面再結合速度の影響を
調べたい場合は、該基板の表面近傍のみで励起光が吸収
されるように、励起光波長を該波長における吸収係数が
基板厚の逆数の7倍以上になるように選択する必要があ
る。これは、上記と同様の関係式を用いて説明すること
ができ、
【0016】
【数3】α・t≧7 とすることにより、基板裏面では基板表面での励起光強
度の1/1000以下の光強度でしか励起されなくな
る。これによって、基板表面での過剰少数キャリヤ濃度
が非常に高くなるため、表面再結合速度に敏感な測定が
可能になる。また、これらの波長を併せて用いることに
よって、それぞれの波長で測定した結果を基に表面再結
合速度と少数キヤリヤ寿命を分離することも可能であ
る。
【0017】励起光源には、単一波長をもつレーザだけ
でなく、ブロード発光のレーザや、ハロゲンランプ、キ
セノンランプ等の連続波長をもつ光源などを励起光源に
用いてもよい。また、フィルタや分光器とこれらの光源
を組み合わせて用いてもよいことは言うまでもない。さ
らに、シャッタ7には、EO変調器、メカニカルシャッ
タ、液晶シャッタ等を用いてもよいことは言うまでもな
い。また、励起光の照射を停止する方法として、シャッ
タを用いるのではなく励起光の発光自体を停止してもよ
い。この方法としては、該励起光源に供給されている電
力の供給を停止したり、電圧や電流を一定値以下に下げ
る等の方法がある。
【0018】
【発明の効果】本発明によれば、半導体材料の少数キャ
リヤライフタイムの測定において、高精度での少数キャ
リヤ寿命の測定が可能となり、また、任意の過剰少数キ
ャリヤ濃度での少数キャリヤ寿命の測定が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理を説明する第1の概念図である。
【図2】本発明の原理を説明する第2の概念図である。
【図3】本発明の原理を説明する第3の概念図である。
【図4】本発明の原理を説明する第4の概念図である。
【図5】本発明の第1の実施例の装置の構成図である。
【図6】本発明の第2の実施例の装置の構成図である。
【符号の説明】
5…励起光源 6…励起光 7…シャッタ 8…レンズ 9…導波管 10…マイクロ波発生
装置 13…マイクロ波検出器 14…オシロスコープ 15…半導体基板 16…抵抗検出器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 永田 寧 茨城県日立市大みか町七丁目1番1号 株 式会社日立製作所日立研究所内

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体材料の少数キャリヤライフタイムの
    測定において、連続光源とシャッタの組み合わせ、又は
    発光停止機能をもった連続光源を励起光源に用いること
    を特徴とするキャリヤライフタイム測定法。
  2. 【請求項2】請求項1に記載のキャリヤライフタイム測
    定法において、連続光源が、被測定物内での該連続光源
    の吸収係数が被測定物の厚みの逆数と同程度かそれより
    も小さいものであることを特徴とするキャリヤライフタ
    イム測定法。
  3. 【請求項3】請求項1に記載のキャリヤライフタイム測
    定法において、連続光源が、被測定物内での該連続光源
    の吸収係数が被測定物の厚みの逆数の7倍と同程度かそ
    れよりも大きいものであることを特徴とするキャリヤラ
    イフタイム測定法。
  4. 【請求項4】請求項1ないし3のいずれか1項に記載の
    キャリヤライフタイム測定法において、キャリヤ数検出
    装置としてマイクロ波発生装置及びマイクロ波検出器を
    用いたことを特徴とするキャリヤライフタイム測定法。
  5. 【請求項5】請求項1ないし3のいずれか1項に記載の
    キャリヤライフタイム測定法において、キャリヤ数検出
    装置としてインダクティブカップリング法による装置を
    用いたことを特徴とするキャリヤライフタイム測定法。
  6. 【請求項6】請求項1ないし5のいずれか1項に記載の
    キャリヤライフタイム測定法を用いたことを特徴とする
    キャリヤライフタイム測定装置。
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