JPS59141238A - キヤリア寿命測定装置 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は、半導体内の少数キャリア（電流専体）“寿命
を、光電圧の周波数特性から非接触、非破壊５で測定す
るキャリア寿命測定装置の改良に関する−〔従来技術〕 本発明者等は、先に、半導体内の少数キャリア。

寿命を、光電圧の周波数特性の曲折点から非破壊。

的に測定するキャリア寿命測定装置を提案した　１０（
特願昭５７−８７９４４号）。この提案装置においては
・。

例えばＩｐ−ｎ接合を有するｐ−８ｉウエハに対し、Ｓ
ｌ・のバンドギャップ付近でかつ電子−正孔対生成可・
能な比較的長波長の光をパルス化して照射して交・流状
の光電圧を発生させ、この光電圧Ｖ、ｈを透明１ｊ電極
による容量結合を介して検出することにより、。

試料ウェハに電極を形成することを不要とした。。

非破壊測定を可能としている。

試料ウェハの光照射位置におけるキャリアの寿命時間τ
は、光電圧の周波数特性を測定し、この２・）周波数特
性に現われるキャリア寿命による曲折点゛の周波数ｆｏ
からτ−１／（２πｆｏ）として求められる。゛充電圧
Ｖｐｌ＋は、接合の遮断周波数ｆ。より低い周波。

数では一定値となるが、　ｆｃを越える周波数ｆに対。

しては（−１に比例して変化し、さらにｆｏを越える５
周波数に対しては（−７２に比例して変化する。従っ″
て、第１図＋ａｌに示すように、光電圧Ｖｐｈの周波数
。

特性を両対数座標で表示したとき、特性曲線が４５゜度
の傾斜から５６度の傾斜に変化するときの周波数゛がｆ
ｏとして求められる。　　　　　　　　　　　１０しか
しながら、上記した提案装置には、なお、・次のような
問題点が残っていた。即ち、４５度→５６・度の曲折点
はｐ−ｎ接合などの場合には多く観察さ・れる特性であ
るが９例えば酸化膜の付いたｎ型Ｓｉ・やアルカリ表面
処理したｎ型Ｓｉなどでは、界面率１５位あるいは表面
準位の時定数の影響が現われると・とがよく観察され、
このような場合の光電圧の周・波数特性は、第１図ｉｂ
ｌに示すように、もはやｆ：＞ｆｃ・で４５度の傾斜角
で減少する曲線になるとは限らず。

また、新たな曲折点の出現も観察されることがあ２゜る
。従って、このような試料についてｆｏを求める。

ことは難しく、キャリア寿命τを周波数特性の曲゛折点
から測定することが不可能であるという問題。

がある。さらに、電極間容量や光電圧検出器の入。

カインピーダンスなどの変化も光電圧の周波数依存性に
影響を与えることから、観察された曲折点が真に少数キ
ャリア寿命によるものであるか否かを。

別法で確認する必要があり、このため、光電圧の周波数
特性の曲折点からだけでは、測定結果の信。

軸性に欠けるという問題もある。　　　　　　　　１）
）〔発明の目的〕 本発明の目的は、試料における界面準位や測定・系に含
まれる回路定数変化による周波数特性への・影響を除去
して少数キャリア寿命による変化のみ・を検出可能とす
るキャリア寿命測定装置を提供す１）ることにある。

〔発明の概要〕

本発明の特徴は２表面近傍に電位障壁を有する・半導体
試料に光が照射されたときにこの半導体試・料における
光吸収係数を極めて小さくし得る波長２０・　３　・ の第１の光ビームと光吸収係数を極めて大きくシ。

得る波長の第２の光ビームとをそれぞれパルス化゛して
交互に半導体試料の同一場所に照射し、これ。

らの光ビームによって半導体試料に発生する第１゜及び
第２の光電圧を容量結合によって検出し、検５出された
光電圧の振幅から、第１の振幅変化量と゛第２の振幅変
化量との比を求めることで半導体試゛料における少数キ
ャリア寿命を算出する構成とす。

ることにある。

表面近傍に電位障壁を有する半導体試料に光をＩＯ照射
すると光起電力効果により半導体内に光電流。

が流れ、試料の両端には光電圧が発生する。光を・周波
数ｆでパルス化すると光電流も光電圧も交流・状となる
。従って、試料表面に対して透明電極か・らなる電気容
量を設置することにより、試料表面１）に対して非接触
で、光電圧を交流電圧計などで測。

定できることになる。このような測定系の基本的。

な電気的等価回路を第２図に示す。第２図ｆａｔは表。

面単位の影響がない場合、（ｂ）は表面準位の影響が。

ある場合である。　　　　　　　　　　　　　　　２゜
・　４　・ 第２図から測定される電圧Ｖｏは ＶＯ＝ｚ・Ｉｐｈ（１）。

で表わされる。ここで＋　１９ｈは光電流、２は次式。

からなるインピーダンスである。　　　　　　　′ここ
でｒ　ｊ＝４．　Ｚｏは交流電圧計の入力インピー。

ダンス、ｚ、は半導体試料の接合インピーダンス、。

Ｃｍは透明電極からなる結合用コンデンサである。１゜
（１）式から、ｖｏの周波数特性は、２の周波数依存性
・とＩｐｈの周波数依存性によって決まる。ところで・
。

Ｉｐｈの周波数特性は次式で表わされる。

ここで、ｅは単位電荷、Φは単位面積かつ単位時。

間当りの光子数、θは反射係数、αは吸収係数、。

Ｓは光スポットの面積である。また、Ｌは、キヤ。

リア拡散長をＬＯとすると９次のような周波数位。

存性を持つパラメータである。　　　　　　　　２゜こ
こに＋　”０−μＦであり、Ｄはキャリアの拡散係゛数
、τはキャリア寿命である。

ところで、（３）式において、αが小さくαＬ（１の′
場合はＩｐｈ　ｔｘＬとなり、（４）式から■、１．は
、ｒ）ｔｘで゛はｆの増大と共に減少する。そこで減少
し始める。

条件２πｆτ−１となる周波数ｆ＝ｆｏ＝１／２πτが
わかれば°。

逆に少数キャリア寿命τを求めることができ　　１０一
方、Ｚは、ｐ−ｎ接合素子や表面が強反転状態・となっ
ている場合２通常９次のように接合抵抗Ｒｊ・と接合容
量Ｃｊを並列接続したインピーダンスであ・るＺｊ（ω
）に近似できる。

結局、この場合には光電圧Ｖ、ｈは ■・、−・Φ（１−θ）ＱＲｊ　（１＋　（２ｉｆＣ４
Ｒ・）′）−柘＋（２７ｒｆｆ）”）↓　（６）゛で与
えられることになる。一般にτ（Ｃｊ　Ｒｊである２０
ので、　Ｖ、ｈの周波数特性は１周波数を上昇させる。

に伴ってｆ＜１／（２πＣｊ　Ｒｊ　）では一定値とな
り、　　　ｆ＞１／（２πＣｊ　Ｒｉ　）ではＶｐｈ　
（Ｘ：　ｆ−となり、さらにｆ　＞　Ｌ／（２πτ）と
なるとＶｐｈｏｃｆ　！　Ｊなることがわかる。従・て
、。

ｐ−ｎ接合や強攻転層を表面に持つ半導体試料の場５合
には、光電圧Ｖ、ｈの周波数特性に現われる（−１゜依
存性からｆ−４依存性に移る点の周波数として　。

ｆｏ＝１／（２πτ）を求めることができた。

しかし、ｐ型Ｓ１に酸化膜を形成した場合などに。

よく観察されることであるが、界面あるいは表面１ｔ１
に弱反転層あるいは単なる空乏層が存在し、しか・も界
面準位あるいは表面準位が多数存在する場合・は、２は
（５）式のようにはならない。即ち、この場・合は１表
面率位による等測的な抵抗Ｒｓｓとコンデ・ンサＣ８８
を直列に接続したインピーダンスＺｓｓが１１第２図ｆ
ｂｌに示すように、ｚｌに並列にはいることになる。こ
のため、もはや第１図ｆｂｌに示すようにｆ）ｆｃとな
ってもω−１依存性は生ぜず、ｆ−１依存性・からｆ−
４依存性に移る時の周波数として定義する・ことはでき
なくなる。　　　　　　　　　　　　２））・　７　・ そこで、原点に立ち戻ってみると、２πｆ、τ−１と。

なる条件は光電流の周波数特性に現われるもので。

あって、２の周波数特性には無関係であることが。

わかる。従って、（１）式からもわかるように、何ら。

かの方法で光電流の周波数特性のみを測定できれ５ば、
２の周波数特性に現われる表面準位の影響を′除去でき
１問題点を解決できることになる。　　゛ここで、光電
流Ｉｐｈに注目すると、吸収係数α。

を大きくしてＣＬＴ−＞＞　１とすると、（３）式より
、■曲＝ＩＫ’（一定）となり１周波数に依らないこと
がわかる。′Ｏ従って、この場合の光電圧Ｖ′ｒ）ｈは
次式で与えられ・ることになる。

Ｖｐｈ　＝　Ｚ−ＩＫ　　　　　　　　　　　　　　　
ｆ７１一方、αが小さくαＬ（１のときの光電圧をｖ、
ｈ　、　＋５光電流を斤りとすると次式が成り立つ。

Ｖｐｈ　＝　Ｚ−Ｉｐｈ　　　　　　　　　　　　（８
１従って、（８）式と（力式の比をとれば１次のように
、・光電流■Ｊｈの周波数特性が得られることになる。

２゜・　８　・ ■ｎ−■５ｈ／Ｖツｈ＝（ＩＡＫ）・Ｉｐｈ　　　　　
　（９１。

この結果から、αＬ（１となるようなαの小さい波。

長λ２と、αＬ）１となるようなαの大きい波長λ１゛
の２つの光源による光電圧の比を求めることによ５って
光電流の周波数特性のみが測定できることに。

なり、従って＋ｐ”接合に限らず、各種の光電圧。

を発生する半導体試料について、少数キャリア寿。

命測定の適用が可能となる。

〔発明の実施例〕ｌ）） 以下９本発明の一実施例を第３図により説明す。

る。第３図において、１は吸収係数αの大きい波・長λ
１で発振するレーザ、２は吸収係数αの小さい・波長λ
２で発振するレーザである。１３はレーザ電源・であり
、スイッチＳｌをＡ側またはＢ側に切替える１５ことに
より、レーザ１あるいは２を選択できる。。

３及び４は光変調器であり、同期検波増幅器１２の。

参照波信号を人力信号として受けて、それぞれ波。

長λ１及びλ２の光を、参照波信号の周波数ｆでチ。

ヨッピングする。なお、レーザ１，２としてレー２゜ザ
・ダイオードあるいは発光ダイオード（ＬＥＤ）’を用
いれば、駆動電流を直接変調することができ；光変調器
３，４が不要となる上に小型化が可能と。

なる。５はミラーである。６はダイクロイック　。

（ｄｉｃｈｒｏｉｃ　、　　２色性）ミラーで、波長面
の光は透過５し、波長λ２の光は反射する。これらによ
り、ミラ。

−５で反射してきた波長面の光と、光変調器４か゛らの
波長λ２の光とが、ダイクロイック・ミラー６“を出た
後は光路が一致するように調整される。試。

料１０は、電極を兼ねた金属試料台１１上に載置され１
（）る。試料１０の」−に、１００μｍ以下の間隔をあ
けて、・下地に透明電極９を付けたガラス平板８を設置
す・る。そして、試料１０にはレンズ７を介して波長が
・λ】またはλ２の光が集光される。発生した光電圧・
は同期検波増幅器１２で検出され、対数増幅器１４で３
対数変換された後、　Ａ、／Ｄ変換器１５でディジタル
化。

される。一方、同期検波増幅器１２の参照波信号の。

周波数ｆはＦＶ（周波数・電圧）変換器１６で電圧に。

変換された後、対数増幅器１７で対数変換され、さ。

らにＡ、／Ｄ変換器１８でディジタル化される。そし２
１１て、メモリ１９と２０に周波数情報として記憶され
る二ところで、Ａ／Ｄ変換器１５のディジタル出力信号
。

は、スイッチＳ１と連動するスイッチＳ２によって゛切
替えられてメモリ１９あるいは２０に記憶される。“即
ち、ＳｌとＳ２がＡ側に接続されているときは波５長石
に対するデータがメモリ１９に記憶され、Ｂ側に接続さ
れたときは波長λ２に対するデータがメモ゛す２０に記
憶される。従って、メモＩＪ　１９．’　２０にはＬｏ
ｇＶ、ｈとＬｏｇｆの値がディジタル信号として記憶゛
されることになる。そして、波長λ１及びλ２での１０
測定が終了した後、メモＩＪ　１．９．２０から記憶内
容を・読出し、信号処理回路２Ｊでλ１に対するＬｏｇ
　Ｖｐｈと・λ２に対するＬｏｇ　Ｖｐｈの差が演算さ
れ、Ｄ／Ａ変換器２２でアナログ化された信号が表示装
置２４のＹ軸に・入力される。一方、　Ｌｏｇｆの情報
をもつディジタル）信号がＤ／Ａ変換器２３でアナログ
化された後２表。

示装置２４のＸ軸に入力される。このようにして、。

表示装置２４には、Ｘ軸にＬｏｇｆをとり、Ｙ軸に　。

ＬＯｇＩｐｈに比例する値をとった特性が表示されるこ
・とになる。この表示から、　ｆＯを読みとることによ
２（）・　Ｊ】　・ す、τ−１／（２πｆｏ）より少数キャリア寿命τが求
め゛られることになる。

第４図に実測例を示す。試料はｎ型のＳｌで　。

５ｍｍＸ５ｍｍＸ５６ｍｍの大きさである。光は５　ｍ
ｍ　Ｘ５６ｍｍの面の１つに入射している。吸収係数α
の小さい５波長の光としてλ２＝１．１５μｍで発振す
るＨｅ”Ｎｅレー′ザ光を、吸収係数αの大きい波長の
光としては　。

λ］　＝０．６３３　ｐｍのＨｅ−ＮｅＬ／−ザ光を用
いた。第４図。

における黒丸印が波長λ２のときの結果である。こ。

の黒丸印の結果のみを用いたのでは、遮断周波数１０を
越えた場合でもｆＩ依存性が生ぜず、どこが少・数キャ
リア寿命を与える屈折点であるか全く不明・である。そ
こで２石＝０．６３３μｍの光で測定した結果・である
、白丸印で示された曲線をも用い、λ２＝１．．１５・
μｍでの結果との比をとり、最大値で規格化した１５結
果がＸ印で示した曲線である。これより２周波。

数ｆが５７０　Ｈｚ以下では平坦な特性であるが、５７
０Ｈｚを越ええ領域−ｒｌ；μｍ”ｉｃ比例い傾斜、た
特性、。

あることがわかる。この特性は正に光電流の周波。

数特性を示すもので、これから＋　ｆｏ　＝　５７０　
Ｈｚであり２０・　１２・ 従って少数キャリア寿命τは２８０μｓという値が得。

られる。

〔発明の効果〕

以上説明したように２本発明によれば、光電圧。

の周波数特性に含まれる光電流の周波数特性を、５界面
準位や表面準位の影響を受けずに測定できる゛ことから
、光電流の周波数特性に現われる屈折点。

の周波数から少数キャリア寿命の絶対値を＋　ｐ”。

接合や酸化膜付きのｐ型Ｓ１というような光電圧発。

生の種類に関係なく測定でき、また、結合容量Ｃｍ１０
などの試料設置に伴う変動の影響等も除かれるこ・とに
なるので信頼性の高い測定ができる上に、非・接触、非
破壊の測定であるという極めて顕著な効。

果が得られる。

４、図面の簡単な説明　　　　　　　　　　　　１５第
１図は光電圧の周波数特性を説明する図でｆａｌ・は表
面準位の影響がない場合、（ｂ）は影響がある場・合、
第２図は光電圧測定時の等価回路図でｔａｌは表・面準
位の影響がない場合、（ｂ）は影響がある場合、・第３
図は本発明の一実施例構成図、第４図はアル２０カリ処
理したｎ型Ｓ１試料での第３図による実測例“を示す図
である。

符号の説明 ｊ、２・・・レーザ　　　　３，４・・・光変調器５・
・・ミ　ラー　　　　　　　　　６・・・ダイクロイッ
ク・ミラー８　・ガラス平板　　　　９・・・透明電極
１０・・試料　　　　　　　１１・・・金属試料台１２
・・同期検波増幅器　　１３・・・レーザ電源１４、１
７・・・対数増幅器　　１５．１８・・Ａ／Ｄ変換器　
。

１６・・・ＦＶ（周波数・電圧）変換器　　　　　　　
　１０１９、２０・・・メモリ２１・・・信号処理回路
　　　・２２、２３・・・Ｄ／Ａ変換器　２４・・・表
示装置５ 代理人弁理士　中村純之助　　・ ０ テ　１　図 （α） ｏｇｆ （ｂ） ｏｇ　ｆ 矛　ｔ　図 （Ｑ） （ｂ） ９

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 表面近傍に電位障壁を有する半導体試料を載置５する試
   料台と、上記半導体試料に光が照射された゛時上記半導
   体試料における光吸収係数を極めて小。 さくし得る長波長の第１の光ビームを発生する第。 １の光源及び上記光吸収係数を極めて大きくし得。 る短波長の第２の光ビームを発生する第２の光源１０と
   、これらの光ビームをそれぞれパルス化する手・段と、
   パルス化された光ビームを交互に上記半導体試料の同一
   場所に照射する手段と、光ビーム照゛射によって上記半
   導体試料に発生する第１及び第・２の光電圧を容量結合
   によって検出する手段と、１）検出された第１及び第２
   の光電圧の振幅から第１・の振幅値と第２の振幅値との
   比を求めることによ・って上記半導体試料の元ビーム照
   射位置における・少数キャリア寿命時間を算出する信号
   処理手段と・を備えてなることを特徴とするキャリア寿
   命測定２′］装置。