JPH075122A - 半導体ウエハの少数キャリアのライフタイム測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 半導体ウエハ又は／及びその支持台の平面度
のいかんに拘わらず常に高精度測定を実現し得る半導体
ウエハの少数キャリアのライフタイム測定装置を提供す
ること。 【構成】 試料１にレーザパルス光を照射するレーザ２
と，マイクロ波を発生させるマイクロ波発振器３と，マ
イクロ波を二分割するマジックＴ５と，二分割した一方
のマイクロ波を試料１の光照射部分に導く導波管６ａ
と，他方のマイクロ波を試料１の非照射部分に導く導波
管６ｂと，両導波管６ａ，６ｂにそれぞれ入射されるマ
イクロ波の反射波の干渉波を検出するミキサ９と、レー
ザ２によりレーザパルス光を照射しない時にミキサ９に
より検出される上記干渉波が少くなるようにマイクロ波
の周波数調整を行うマイクロ波周波数調整器１０′を設
ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，半導体ウエハの少数キ
ャリアのライフタイム測定装置に係り，詳しくは半導体
ウエハの品質管理に用いられる半導体ウエハの少数キャ
リアのライフタイム測定装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年の超ＬＳＩに代表される半導体デバ
イスの超精密化傾向に伴い，そこに使用される半導体ウ
エハはより厳しい品質管理が要求されるようになった。
この管理のためには半導体ウエハの汚染や損傷の恐れの
ない非接触式の評価方法が望ましく，その一例としてマ
イクロ波による半導体ウエハの少数キャリアのライフタ
イム測定装置が公知である（特公昭６１−６０５７６
号）。図４は従来の半導体ウエハの少数キャリアのライ
フタイム測定装置の一例Ａ０１における概略回路構成を
示す模式図である。図４に示す如く従来の半導体ウエハ
の少数キャリアのライフタイム測定装置Ａ０１は，試料
保持台兼搬送機構５１と，試料保持台兼搬送機構５１に
支持搬送される試料５２（半導体ウエハ）の表面に光パ
ルスを照射する光パルス発生器５３と，試料５２の表面
に放射するマイクロ波を発生させるガン発振器５４と，
ガン発振器５４から放射されるマイクロ波を調整するイ
ンピーダンス整合器５５，Ｅ−Ｈチューナ５６，５７，
マジックＴ５８及び無反射終端５９からなる調整機構６
０と，調整機構６０で調整されたマイクロ波を導波管６
１及び調整機構６０を再び経過させて検出する検波器６
２と，検波器６２により検出されたマイクロ波の変化を
表示するシンクロスコープ６３とから構成されている。
以下，測定原理を説明する。試料５２に光パルス発生器
５３から照射された光パルスにより自由電子−正孔対で
あるキャリアが励起される。このキャリアは試料５２の
熱平衡状態でのキャリア濃度よりも過剰なものであり，
キャリア濃度を上昇させる。そして，光の照射が中断さ
れる光パルスと光パルスとの間に過剰なキャリアが再結
合してしだいに消滅し，キャリア濃度を低下させる。こ
のようなキャリア濃度の変化は少数キャリア側において
著しく，その変化により試料５２の電気伝導度（比抵
抗）を変化させる。このため，試料５２に入射されたマ
イクロ波はレベル変化などを生じる。変化を生じたマイ
クロ波は反射波となって導波管６１及び調整機構６０を
通り検波器６２に伝達される。ここで検出されたマイク
ロ波の反射波はシンクロスコープ６３により減衰曲線と
して表示される。この減衰曲線から試料５２の物性を表
す少数キャリアのライフタイムを測定することができ
る。

【０００３】しかし，装置Ａ０１の導波管６１の開口端
と試料５２との間での多重反射波などの不要な反射波が
存在し，その量は試料５２の比抵抗に依存して変化す
る。従って，上記装置Ａ０１では広範囲な比抵抗を有す
る半導体ウエハの少数キャリアのライフタイムを測定す
ることが困難である。このため，本発明者らは，上記不
要な反射波を除去するべく以下のような装置Ａ０２を開
発した（特願平４−１２１８３８号）。図５はこの従来
装置Ａ０２を示すものであって，前述の装置Ａ０１にお
ける導波管６１を２分割すると共に（６１ａ，６１
ｂ），ガン発振器５４により放射されたマイクロ波をマ
ジックＴ５８′により二分割する。この二分割されたマ
イクロ波を上記二分割された導波管６１ａ，６１ｂを介
して試料５２にそれぞれ放射し，ここでの反射光を再び
導波管６１ａ，６１ｂを経由させてマジックＴ５８′に
導き，ここで干渉させる。導波管６１ａ側にはレーザ５
３によりレーザパルス光を照射する。この時のマジック
Ｔ５８′により干渉させたマイクロ波の変化に対応する
出力ＲＦをアンプ６５により増幅して検波器６２に入力
する。一方，ガン発振器５４により発生したマイクロ波
の一部を分波器６７により取り出して基準信号ＬＯとし
て検波器６２に入力し，ここで出力ＲＦと混合検波す
る。検波器６２からの出力信号ＩＦは波形処理回路６６
により処理され，ライフタイム表示装置６３′により表
示される。又，導波管６１ａ，６１ｂの開口側にはアン
テナ６４ａ，６４ｂがそれぞれ設けられている。この従
来装置Ａ０２では，上記二分割された導波管６１ａ，６
１ｂ内を通過させたマイクロ波の反射波は導波管６１
ａ，６１ｂの実効長を等しくすることにより同位相のも
のとなる。ただし，励起光の照射側のみにレベル変化を
生じている為，導波管６１ａ，６１ｂをそれぞれ経由し
てきたマイクロ波の反射波同士を干渉させることにより
マイクロ波の反射波のレベル変化のみが検出されること
になる。このようにして，不要な波を除去することによ
り，半導体ウエハの比抵抗が広範囲なものであっても少
数キャリアのライフタイムを正確に測定することができ
た。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記したような従来の
測定装置Ａ０２では，半導体ウエハ５２や支持台５１の
平面度が充分に出ていない場合においては，マイクロ波
回路にアンバランスが生じることがある。即ち，２個の
アンテナ６４ａ，６４ｂと半導体ウエハ５２との間隔が
異なる場合，マジックＴ５８′で反射波同士を干渉させ
る際に，位相差を生じる。この為，励起光の照射がない
場合でも干渉波の電力が完全にゼロとはならず，アンプ
６５や検波器６２などのマイクロ波回路部品が飽和する
ほどの電力を生じる場合があった。しかし，このように
マイクロ波回路部品を飽和させて使用すると，信号レベ
ルが低減したり，部品を故障させる原因となりやすい。
又，一枚の半導体ウエハ内のライフタイム分布を調べる
場合には，半導体ウエハを機械的に移動させて測定する
ので，半導体ウエハ５２や支持台５１の平面度が充分で
ない場合には，ライフタイム分布測定結果に影響を及ぼ
すおそれもあった。本発明は，このような従来の技術に
おける課題を解決する為に，半導体ウエハの少数キャリ
アのライフタイム測定装置を改良し，半導体ウエハ又は
／及びその支持台の平面度のいかんに拘わらず常に高精
度測定を行うことができる半導体ウエハの少数キャリア
のライフタイム測定装置を提供することを目的とするも
のである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する為に
本発明は，半導体ウエハに励起光を照射する照射手段
と，上記照射手段により励起光が断続的に照射される上
記半導体ウエハに放射するマイクロ波を発生させるマイ
クロ波発生手段と，上記マイクロ波発生手段により発生
したマイクロ波を二分割するマイロ波分割手段と，上記
マイクロ波分割手段により二分割した一方のマイクロ波
を上記半導体ウエハの上記励起光の照射部分に導く第１
の導波手段と，他方のマイクロ波を上記半導体ウエハの
上記励起光の非照射部分に導く第２の導波手段と，上記
第１，第２の導波手段にそれぞれ入射されるマイクロ波
の反射波又は透過波同士の干渉波を検出する検波手段と
を具備し，上記検波手段により検出された上記干渉波の
変化に基づいて上記半導体ウエハの少数キャリアのライ
フタイムを測定する装置において，上記第２の導波手段
を上記第１の導波手段とはマイクロ波の片道で略半波長
の整数倍だけ異なる実効長を有するものとすると共に，
上記照射手段により励起光を照射しない時に，上記検波
手段により検出される上記干渉波が少くなるように上記
マイクロ波発生手段により発生する上記マイクロ波の周
波数を調整するマイクロ波周波数調整手段を設けてなる
ことを特徴とする半導体ウエハの少数キャリアのライフ
タイム測定装置として構成されている。

【０００６】

【作用】本発明によれば，半導体ウエハに励起光が照射
手段により照射される。上記照射手段により励起光が断
続的に照射される上記半導体ウエハに放射するマイクロ
波がマイクロ波発生手段により発生させられる。上記マ
イクロ波発生手段により発生させられたマイクロ波がマ
イクロ波分割手段により二分割される。上記マイクロ波
分割手段により二分割された一方のマイクロ波が，上記
半導体ウエハの上記励起光の照射部分に第１の導波手段
により導かれる。他方のマイクロ波が上記半導体ウエハ
の上記励起光の非照射部分に第２の導波手段により導か
れる。上記第１，第２の導波手段にそれぞれ入射される
マイクロ波の反射波又は透過波同士の干渉波が検波手段
により検出される。上記検波手段により検出された上記
干渉波の変化に基づいて上記半導体ウエハの少数キャリ
アのライフタイムが測定される。この際，上記第２の導
波手段が上記第１の導波手段とはマイクロ波の片道で略
半波長の整数倍だけ異なる実効長を有するものとされる
と共に，上記照射手段により励起光が照射されない時
に，上記検波手段により検出される上記干渉波が少くな
るように上記マイクロ波発生手段により発生させられる
上記マイクロ波の周波数がマイクロ波周波数調整手段に
より調整される。このように，マイクロ波の波長を変え
て第１，第２の導波手段間の実効長差を調整することに
より，半導体ウエハ又は／及びその支持台の平面度の誤
差に起因する反射波又は透過波同士の干渉波の位相差を
吸収させることができる。その結果，半導体ウエハ又は
／及びその支持台の平面度のいかんに拘わらず常に高精
度測定を実現し得る半導体ウエハの少数キャリアのライ
フタイム測定装置を得ることができる。

【０００７】

【実施例】以下，添付図面を参照して本発明を具体化し
た実施例につき説明し，本発明の理解に供する。尚，以
下の実施例は本発明の具体化した一例であって本発明の
技術的範囲を限定する性格のものではない。ここに，図
１は本発明の一実施例に係る半導体ウエハの少数キャリ
アのライフタイム測定装置Ａ１の概略回路構成を示す模
式図，図２はマイクロ波発振周波数の制御特性を示す説
明図，図３は本発明の他の実施例に係る半導体ウエハの
少数キャリアのライフタイム測定装置Ａ２の概略回路構
成を示す模式図である。図１に示す如く，本実施例に係
る半導体ウエハの少数キャリアのライフタイム測定装置
Ａ１は，主として試料１（半導体ウエハ）の表面にレー
ザパルス光を照射するレーザ２（照射手段に相当）と，
レーザ２によりレーザパルス光が断続的に照射される試
料１に放射するマイクロ波を発生させるマイクロ波発振
器３（マイクロ波発生手段に相当）と，マイクロ波発振
器３により発生したマイクロ波を二分割するマジックＴ
５（マイクロ波分割手段に相当）と，マジックＴ５によ
り二分割した一方のマイクロ波を試料１のレーザパルス
光の照射部分に導く導波管６ａ（第１の導波手段に相
当）と，他方のマイクロ波を試料１のレーザパルス光の
非照射部分に導く導波管６ｂ（第２の導波手段に相当）
と，両導波管６ａ，６ｂにそれぞれ入射されるマイクロ
波の反射波又は透過波同士の干渉波を検出するミキサ９
（検波手段に相当）とを具備し，ミキサ９により検出さ
れた干渉波の変化に基づいて試料１の少数キャリアのラ
イフタイムを測定する点で従来例（従来装置Ａ０２）と
同様である。しかし，本実施例では，導波管６ｂを導波
管６ａとはマイクロ波の片道で略半波長の整数倍だけ異
なる電気長（実効長）を有するものとすると共に，レー
ザ２によりレーザパルス光を照射しない時に，ミキサ９
により検出される干渉波が少くなるようにマイクロ波発
振器３により発生するマイクロ波の周波数を調整するマ
イクロ波周波数調整器１０′（マイクロ波周波数調整手
段に相当）を設けている点で従来例と異なる。

【０００８】以下，この装置Ａ１の動作について略述す
る。まず，マイクロ波発振器３により，レーザパルス光
が照射される試料１の表面に放射するマイクロ波を発振
する。マイクロ波発振器３より発振したマイクロ波は分
波器４により，一部をローカル信号（ＬＯ）として用い
る。残りの部分は，マジックＴ５に伝送され，そのＨ面
Ｔ分岐により二分割される。二分割されたマイクロ波
は，２つの導波管６ａ，６ｂを介してアンテナ７ａ，７
ｂにそれぞれ伝送される。ここで導波管６ａ，６ｂの長
さ（マジックＴ５とアンテナ７ａ，７ｂまでの電気長）
を等しくせず，マイクロ波の片道で略半波長のＮ倍（Ｎ
は１以上の整数）の電気長差（＝Ｌ１＋Ｌ２）を設けて
いる。アンテナ７ａ，７ｂは試料１の上方に配置され，
マイクロ波を試料１の測定領域に送信し，試料１で反射
した反射波を同一のアンテナにて受信する。試料１の表
面からの２つの反射波は，再びマジックＴ５に伝送さ
れ，ここで干渉させられる。通常は，二つの反射波は，
同振幅で且つ同位相であるので，相殺されてゼロ出力と
なり，アンプ８を経由してミキサ９のＲＦ端子へ入力さ
れる。レーザパルス光を照射していない時は，このＲＦ
信号の振幅はゼロである。ここで，ローカル信号ＬＯは
移相器１２を介してミキサ９に伝送され，ＲＦ信号と混
合検波される。ミキサ９の出力波信号ＩＦにより，ＲＦ
信号の振幅の時間変化を測定し，演算器１０でライフタ
イムの値を求め，表示器１１により表示する。次に，レ
ーザ２によりレーザパルス光を照射する。照射直後の試
料１の表面には，レーザパルス光により励起した過剰キ
ャリアが発生し，表面の比抵抗が低下する。その為，試
料１表面のマイクロ波反射率が高まり，マイクロ波の反
射量が増える。この時は，二つのアンテナ７ａ，７ｂか
らのマイクロ波の反射波がマジックＴ５にて相殺されず
に，その変化量がアンプ８により増幅されて，ミキサ９
に入力される。そして，ローカル信号ＬＯと混合検波さ
れる。ここで，移相器１２を用いて，ミキサ９の出力ピ
ーク電圧が最大になるように調整し，ミキサ９で得られ
たＩＦ信号を演算器１０に伝送する。

【０００９】ここで，試料１自体又は支持台１３の平面
度の誤差により試料１が反り返っている場合を考える。
二つのアンテナ７ａ，７ｂの各先端部と試料１との間隔
が異なる場合が生じる。試料１の表面からの２つの反射
波は，それぞれマジックＴ５に伝送されてそのＥ面Ｔ分
岐回路により干渉させられる時に，二つの反射波はその
位相差がゼロではなくなる。この場合には，反射波が完
全に相殺されずにマジックＴ５の出力電力が発生する。
この電力（オフセット電力）がアンプ８を経由し，ミキ
サ９のＲＦ端子に入力される。このままでは，従来例と
同様の問題が発生する為に，本発明では，マジックＴ５
の出口側に方向性結合器１４を設けてオフセット電力を
取り出し，更に検波器１５を設けてこの取り出されたオ
フセット電力の内のレーザパルス光照射前の値を測定す
る。この値をゼロに近づける為にマイクロ波周波数調整
器１０′を用いてマイクロ波発振器３の発振周波数を変
化させる。このマイクロ波周波数調整器１０′は図に示
す如く演算器１０と一体のものとしても，さらには個別
に設けてもよい。このようにして，マイクロ波の波長を
変化させることにより上記電気長差（Ｌ１＋Ｌ２）を調
整して，マジックＴ５に伝送されるマイクロ波の反射波
の位相差をゼロに近づけるように調整することができ
る。このゼロ調整により，試料１または支持台１３の平
面度の誤差を吸収させることができる。このことは，平
面度が充分に出ていない試料１も測定が可能となり，ま
た支持台１３の要求製作精度を緩和することができるこ
とを意味する。また，アンプ８やミキサ９などのマイク
ロ波回路部品を飽和させて使用することがなくなるた
め，これらの部品の故障を防止することができる。更
に，試料１を移動させてライフタイム分布を測定する場
合でも，試料１又は支持台１３の平面度の誤差を吸収し
て同一のＳ／Ｎ比での測定とすることができる。図２は
マイクロ波の発振周波数を変化させた時のオフセット電
力の変化をプロットしたものである。即ち，二つのアン
テナ７ａ，７ｂの各先端部と試料１との間隔のずれ量を
μｍ単位で横軸に取り，縦軸には，各ずれ量に対してオ
フセット電力がゼロとなるような基準の発振周波数（２
４ＧＨｚ）からの周波数偏移量をＭＨｚ単位で示してい
る。導波管６ａ，６ｂ間の電気長差（Ｌ１＋Ｌ２）を半
波長の１倍，２倍，３倍とした場合をそれぞれプロット
した。図より，ずれ量と変位量とはほぼ線形な比例関係
にあることがわかる。この関係を用いて最大ずれ量と発
振器の電気同調範囲とから半波長のＮ倍のＮを適当に選
択する。

【００１０】ところで，マイクロ波発振周波数の制御に
必要な情報として，発振周波数を増加させるのか減少さ
せるのかの区別と，周波数の変化量とがある。上記装置
Ａ１では，複数の測定データを基にこれらの情報を間接
的に入手できるが，さらにこれらの情報を直接入手する
為にミキサ９を２つ設けることが考えられる。その実施
例（装置Ａ２）を以下に説明する。図３に示す如く，マ
イクロ波発振器３より発振したマイクロ波は分波器４に
よりその一部をローカル信号ＬＯとして用いる。ローカ
ル信号ＬＯをさらに方向性結合器１６などにより二分割
する。二分割されたローカル信号ＬＯはそれぞれミキサ
９ａ，９ｂのＬＯ端子に入力される。残りのマイクロ波
はマジックＴ５に伝送され，ここでさらに二分割され
る。この二分割されたマイクロ波はアンテナ７ａ，７ｂ
に導波管６ａ，６ｂを介してそれぞれ伝送される。アン
テナ７ａ，７ｂは試料１の上方に配置される，マイクロ
波を試料１の測定領域に送信し，試料１で反射した反射
波を同一のアンテナ７ａ，７ｂにて受信する。試料１表
面からの二つの反射波は再びマジックＴ５に伝送され，
ここで干渉させられる。二つの反射波の干渉波はアンプ
８を経由するが，途中方向性結合器１７などにより二分
割され，それぞれミキサ９ａ，９ｂのＲＦ端子に入力さ
れる。上記ローカル信号ＬＯの経路中には移相器１２
ａ，１２ｂが設けられ，ローカル信号ＬＯの経路の電気
長が微調整される。このローカル信号ＬＯと上記ＲＦ信
号とがミキサ９ａ，９ｂにより混合検波される。ここ
で，ミキサ９ａは前述した装置Ａ１のミキサ９と同じく
ライフタイム測定に利用するものである。一方，ミキサ
９ｂは，試料１や支持台１３の傾きとその方向を検出す
るものである。手順としては，基準のマイクロ波周波数
にて反射体（試料１や支持第１３）を傾けた時に，ミキ
サ９ｂのＩＦ出力が正負ともに最大の出力となるように
移相器１２ｂを調整する。試料１或いは支持台１３の左
右の傾きはミキサ９ｂのＩＦ出力の正負によって判別す
ることができる。又，傾き量がミキサ９ｂの出力量とし
て認識される。このように，装置Ａ２によれば，マイク
ロ波発振周波数の制御に必要な情報を直接入手すること
ができるため，測定時間を装置Ａ１よりも短縮すること
ができる。その他の点については装置Ａ１と同様であ
る。その結果，半導体ウエハ又は／及びその支持台の平
面度のいかんに拘わらず常に高精度測定を実現し得る半
導体ウエハの少数キャリアのライフタイム測定装置を得
ることができた。尚，上記二つの実施例装置Ａ１，Ａ２
においてはいずれもマイクロ波の反射波を用いた測定と
しているが，実使用に際してはマイクロ波の透過波を利
用しても何ら支障はない。尚，上記二つの実施例装置Ａ
１，Ａ２共，半導体ウエハの測定範囲が広い点では，従
来例（装置Ａ０２）と同様である。

【００１１】

【発明の効果】本発明に係る半導体ウエハの少数キャリ
アのライフタイム測定装置は上記したように構成されて
いる為，マイクロ波の波長を変化させて第１，第２の導
波手段間の実効長差を調整することにより，半導体ウエ
ハ又は／及びその支持台の平面度の誤差に起因する反射
波又は透過波同士の位相差を吸収させることができる。
これにより，平面度が充分に出ていない半導体ウエハの
測定が可能となる。又，半導体ウエハのライフタイム分
布を同一のＳ／Ｎ比で測定できる。更に，半導体ウエハ
を載せる支持台の平面度の要求製作精度を緩和できる。
又，アンプやミキサなどのマイクロ波回路部品の故障を
防止することができる。その結果，半導体ウエハ又は／
及びその支持台の平面度のいかんに拘わらず常に高精度
測定を実現し得る半導体ウエハの少数キャリアのライフ
タイム測定装置を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例に係る半導体ウエハの少数
キャリアのライフタイム測定装置Ａ１の概略回路構成を
示す模式図。

【図２】 マイクロ波発振周波数の制御特性を示す説明
図。

【図３】 本発明の他の実施例に係る半導体ウエハの少
数キャリアのライフタイム測定装置Ａ２の概略回路構成
を示す模式図。

【図４】 従来の半導体ウエハの少数キャリアのライフ
タイム測定装置の一例Ａ０１の概略回路構成を示す模式
図。

【図５】 従来の半導体ウエハの少数キャリアのライフ
タイム測定装置の他の例Ａ０２の概略回路構成を示す模
式図。

【符号の説明】

Ａ１，Ａ２…半導体ウエハの少数キャリアのライフタイ
ム測定装置 １…試料（半導体ウエハ） ２…レーザ（照射手段に相当） ３…マイクロ波発振器（マイクロ波発生手段に相当） ５…マジックＴ（マイクロ波分割手段に相当） ６ａ，６ｂ…導波管（第１，第２の導波手段に相当） ９…ミキサ（検波手段に相当） １０′…マイクロ波周波数調整器（マイクロ波周波数調
整手段に相当）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体ウエハに励起光を照射する照射手
   段と，上記照射手段により励起光が断続的に照射される
   上記半導体ウエハに放射するマイクロ波を発生させるマ
   イクロ波発生手段と，上記マイクロ波発生手段により発
   生したマイクロ波を二分割するマイロ波分割手段と，上
   記マイクロ波分割手段により二分割した一方のマイクロ
   波を上記半導体ウエハの上記励起光の照射部分に導く第
   １の導波手段と，他方のマイクロ波を上記半導体ウエハ
   の上記励起光の非照射部分に導く第２の導波手段と，上
   記第１，第２の導波手段にそれぞれ入射されるマイクロ
   波の反射波又は透過波同士の干渉波を検出する検波手段
   とを具備し，上記検波手段により検出された上記干渉波
   の変化に基づいて上記半導体ウエハの少数キャリアのラ
   イフタイムを測定する装置において，上記第２の導波手
   段を上記第１の導波手段とはマイクロ波の片道で略半波
   長の整数倍だけ異なる実効長を有するものとすると共
   に，上記照射手段により励起光を照射しない時に，上記
   検波手段により検出される上記干渉波が少くなるように
   上記マイクロ波発生手段により発生する上記マイクロ波
   の周波数を調整するマイクロ波周波数調整手段を設けて
   なることを特徴とする半導体ウエハの少数キャリアのラ
   イフタイム測定装置。