JPS59184539A

JPS59184539A - 半導体結晶の転位密度測定方法

Info

Publication number: JPS59184539A
Application number: JP58056832A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Morita; 正彦森田; Shiro Sato; 史郎佐藤
Original assignee: Nippon Hoso Kyokai NHK; Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Japan Broadcasting Corp
Priority date: 1983-04-02
Filing date: 1983-04-02
Publication date: 1984-10-19
Also published as: JPH033946B2

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】本発明は半導体結晶、例えばｓ＋　　、ＧＬＡｓ　、　
ＧａＰなどの結晶中に存在する転位密度の測定方法に関
し、特に１歩留り良くデバイスを作製するために、結晶
を破壊することなく、迅速に、かつ容易に転位密度を測
定しようとするものである。

現在作製されている半導体単結晶には多くの転位が含ま
れており１例えばＱ、単結晶は、１０２〜１０５０ｍ／
ｃｍ３程度の転位（線状欠陥）を含んでいることが知ら
れている。

これら転位の存在は、結晶中にトラップ準位を作り、キ
ャリアーの易動度を低下させたり、あるいは発光ダイオ
ードやレーザーダイオードの発光特性や寿命を劣化する
などデバイス特性に悪影響を及ぼす。

また、一般に、転位密度はウェーハ毎に異なり、ウェー
ハ面内においても不均一な分布をとることが多い。

従来、結晶中の転位密度は電気的に測定することができ
ないので、次の方法がとられていた。

（１）エッチピット法この方法は、溶液反応を利用したもので、半導体結晶ご
とに、適当な腐食液、例えばＧ、Ａ　、単結晶に対して
は硫酸Ｈ！Ｓ０４と過酸化水素（Ｈρ、）の混合水溶液
を用い、この溶液に結晶を浸して、転位が結晶表面に交
わった個所を溶解させてくぼみ（エッチピット）を作り
、これを光学顕微鏡などを用いて計数する。

この方法は、結晶表面にくぼみを作るので、測定した結
晶をそのままデバイスの作製に用いることかできないと
いう欠点を有している。さらに、腐食液の成分が結晶中
に侵入する恐れも大きく、特に分子線エビタクシ−（Ｍ
ＢＥ）で作製された超薄膜結晶についての１１１１定に
は適用することができない。

（２）エッチヒロック法この方法では、（１）に述べた方法と異なり、転位か結
晶表面に交った個所が隆起するように腐食したり熱処理
を行う。

例えば、転位が交わった個所と熱化学反応を起して特殊
な醇化物を生成する物質を結晶表面に塗布しておき、熱
処理を施して酸化物を生成させる。次に、転位のない表
面部分にある物質を溶解して転位が表面と交わった個所
に酸化物の隆起を残し、これを（１）と同様に光学顕微
鏡などを用いて計数する。

この方法も、長時間にわたって結晶を高温で熱処理する
必要がある場合も生じ、結晶の微細構造が損傷されると
いう欠点を有している。

（３）デフレーション法転位が存在している個所には、一般に応力が働いており
、不純物原子をこのような結晶中に高温で拡散させると
、不純物原子は転位の近傍に集まりやすい。母体結晶が
可視光に対して透明であって、不純物原子が可視領域に
吸収をもつならば、可視光によりこのような結晶を照射
し、光学顕微鏡を用いて観察すると、転位のところが色
づいて見える。この方法を用いると、転位の立体配置を
観察することが可能である。

しかし、この方法も、高温で熱処理を行うので、破壊検
査の一種である。

（４）Ｘ線回折顕微法一般に完全結晶では多重反射が起こるので、Ｘ線の回折
強度は弱い。しかし、結晶中に転位があると、多重反射
による散乱が生じないので、このような結晶からのｘ１
回折強度は、強くなる。従って、Ｘ線フィルム、乾板あ
るいはＸ線に感度をもつテレビカメラなどを用いること
によって転位を撮像することができる。

しかし、Ｘ線回折顕微法は、シリコン結晶では広く用い
られているが、Ｇ、Ａ、のような半導体は別に比べてＸ
線に対する吸収係数が１０倍程度大きいので、撮像に長
時間を要する。また、強力なＸ線を用いて短時間に撮像
を行うこともできるが、装置が極めて高価なものとなる
。したがって、従来、（Ａ、に対しては、欠点はあるも
のの、エッチピット法による評価が主として行われてい
た。

そこで、本発明の目的は、かかる欠点を解決して半導体
結晶中の転位密度を、結晶を破壊することなく、迅速か
つ容易に測定しようとするものである。

かかる目的を達成するために、本発明は、断続光を半導
体結晶についての試料に照射して、試料に断続的に熱を
生ぜしめ、試料に接する気体を膨張、収縮させて音響波
を発生させ、音響波を検出する光音響分光装置を用い、
転位密度が既知の半導体結晶についての複数個の標準試
料を用意し、複数個の標準試料についての音響信号を光
音響分光装置により測定し、転位密度と音響信号との関
係を示す特性曲線を求め、転位密度が未知の試料につい
ての音響信号を光音響分光装置により測定し、その測定
された音響信号に対する転位密度を特性曲線から読み取
ることにより、未知試料についての転位密度を測定する
ことを特徴とするものである。

以下に図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図に本発明測定方法に用いる光音響分光法の測定装
置の一例を示す。ここで、１はキセノンアークランプで
あり、この光をモノクロメータ−（分光器）２を通して
単一色化する。その単色光出力をメカニカル光チヨツパ
−３により数１０Ｈｚの断続光となし、この断続光を、
ビームスプリッタ−４により２分割し、その一方をプリ
ズム５を通して試料照射光６となし光音ｔｌＩ！（ＰＡ
）セルフ中の半導体結晶試料に照射する。一方、断続光
の約１０％をビームスプリッタ−４によって分割し、そ
の分割光を参照光８として周波数依存性がない物質、例
えばすすを入れた参照用光音１！　（ＰＡ）セル８に入
射させる。参照セル９を用いるのは、入射光強度が波長
によって異なるので、後述するように、入射光強度で音
響信号を規格化することにより、入射光強度に依存しな
い信号出力を得るためである。

ＰＡセルフおよび８からの各音響信号ｌＯおよび１１を
光ナヨッパ−３から得た同期信号１２と共に、それぞれ
、同期整波増幅器１３および１４に供給して帯域幅を絞
って位相検波を行い、整波出力１５および１６をそれぞ
れ得る。次いで、除算器１７において、未知試料に対す
る整流出力１５を参照光整流出力１６で除算し、規格化
された音響出力を取り出し、この規格化された音響出力
を記録計１８により記録する。

第２図に、上述した光音響セルフまたは８の内部構造の
一例を示す。ここで、２１はパイレックスガラス容器で
あり、この容器２１には研磨したステンレス基板２２を
収容し、その基板２２上には、熱伝導性グリース２３を
介して、十分に化学研磨された半導体結晶、例えばＯＡ
、単結晶を試料２４としてはりつける。２５はしんちゅ
う製の試断ホルダである。この容器２１の上方には石英
窓２６を固着し、試料２４上に容器２１の内壁と石英窓
２８とで限界される空間にはガス、例えば３０を封入し
ておく。更に、マイクロホン２７を収容したアルミニウ
ム酸の気密容器２日を容器２１と隣接して配置し、上述
の空間と、マイクロホン２７の収容されている気密空間
とを音響ガイド２９を介して連通させる。

ここで、第１図示のプリズム５からの断続単色光が石英
窓２６を介して試料２４に入射すると、この試料２４が
断続的に加熱され、従って断続的に熱が発生して、試料
２４に接するガス３０が繰返し膨張・収縮して音響波が
発生する。この音響波は音響ガイド２９を通して気密容
器２８中に内蔵されているマイクロホンにより検出され
る。

このような光音響分光装置を用いて、転移密度の予めわ
かっている種々のＧ、Ａ　、単結晶について音響信号を
測定した結果、第３図および第４図に示すように転移密
度と音響信号との間に相関関係のあることが確認された
。第３図は、Ｇ、Ａ　、単結晶の４個の標準試料Ａ、Ａ
Ｂ、Ｂ、Ｃについて、大きさと厚みをそろえ、これらの
試料の転位密度（エッチビット密度）をエッチビット法
により測定してその値［ｃｍ−”］　を横軸にとり、縦
軸には、これらの試料に半透明波長１５００ｎｍ（約０
．８２ｅＶ　；・印）と１４７０ｎｍ（約０．８４ｅＶ
　；○印）の断続単色光（断続周波数３３Ｈｚ）を照射
して音響信号強度を測定し、試料Ａを基準にして（音響
信号強度を１とする）規格化、すなわち他の試料との音
響信号強度の比をプロットし、各点を点線で結んだもの
である。ここで照射光として１５００ｎｍと１４７０ｎ
ｍを用いたのは、このエネルギー領域に不純物もしくは
空孔などの欠陥に起因すると考えられる吸収体があるか
らである。この図から明らかなように、転位密度が１０
３／ｃＩ１１２〜１０５／ｃ１１２の範囲では、音響信
号（点線）は転位密度と共に約４割も減少する。

次に第３図の場合と同じ試料に不透明波長（８４０ｎｍ
）の断続光（３３ｆ（ｚ）を照射して得た結果を第４図
に示す。第３図と異なり、８４０ｎｍの光に対して音響
信号強度は転位密度と共に増大し、変化の割合はきわめ
て少ない。

この結果は定性的に次のように解釈することができる。

バンドギャップより大きなエネルギーの光でＧ−３中結
晶を照射したとき、Ｇ占　は〜０．８５ｅＶおよび１．
４１ｅＶの蛍光を発生するが、これらの蛍光量子効率の
総和をηとし、吸収係数をα、反射率をＲとすれば、音
響信号強度は、不透明波長では（１−Ｒ）　（１−η）
に比例し、半透明波長では（１−Ｒ）α（１−η）に比
例することが知られている。このうち、Ｒは試料を変え
ても変化しない。さらにまた、第４図によれば不透明波
長における信号の転移密度依存性はきわめてわずかであ
るから、ηは転位密度にほとんど依存しない。それゆえ
、半透明波長における転移密度依存性の音響信号の変化
は吸収係数αに依存するものであり、αの変化はバンド
間に存在する不純物レベルによる光の吸収が転移密度の
増加につれて減少したためと理解される。転移の箇所で
は不純物や点欠陥が補捉され、補捉された不純物は不純
物準位の形式に寄与しなくなると考えられる。

このように５あらかじめ音響信号■と転位密度との関係
を示す特性曲線を得ておけば、標準試料と大きさおよび
厚みが同じ未知試料について音響信号を測定し、前述し
た試料Ａの音響信号との比をとることにより、転位密度
を簡単にかつ非破壊で知ることができる。また、」−述
したごとく比をとらず各試料についての音響信号の強度
と転位密度との関係を示す特性曲線を得て、この曲線を
用いて未知試料の転位密度を測定することも可能である
。

なお、試料の大きさと厚みを揃えたのは実験の都合によ
るものであり、必ずしも揃える必要はない。

以上述べたことから明らかなように、本発明によれば、（１）転位密度を結晶を破壊することなく簡、単な光音
響分光装置を用いて測定することができる。

（２）１個の結晶についての測定時間は１０分以内であ
り、エッチピット法などに比べて迅速な測定が可能であ
る。

（３）照射光を走査して広い面積をもつ試料につき、試
料上の各点の音響信号を測定しておけば、広い面積をも
つ試料の転位密度の測定も可能である。

（４）本発明測定方法は、Ｇ、Ａ、の他にも０２など他
の半導体結晶の転位密度の測定のみならず、広く絶縁体
結晶の転位密度の測定にも有効に適用することができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明測定方法で用いる光音響分光装置の一例
を示すブロック線図、第２図はその光音響セルの具体例
を示す断面図、第３図および第４図は転位密度と規格化
光音響信号強度との関係を示す特性曲線図である。１・・・キセノンアークランプ、２・・・モノクロメータ−１３・・・メカニカルチョッパー、４・・・ビームスプリッタ−１５・・・プリズム、８・・・試料照射光、７・・・光音響（、ＰＡ）セル、８・・・参照光、８・・・参照用光音＠　（ＰＡ）セル、１０・・・音響
信号、１１・・・参照光音響信号、１２・・・同期信号、１３．１４・・・同期整流増幅器、１５．１８・・・整流出力、１７・・・除算器、１８・・・記録計、２１・・・パイレックスガラス容器、２２・・・ステンレス基板、２３・・・熱伝導性グリース、２４・・・試料、２５・・・しんちゅう製試料ホルダ、２６・・・石英窓、２７・・・マイクロホン、２８・・・アルミニウム製気密容器、２９・・・音響ガイド、３０・・・ガス。特許出願人　日本放送協会

Claims

【特許請求の範囲】ｌ）断続光を半導体結晶についての試料に照射して、前
記試料に断続的に熱を生ぜしめ、前記試料に接する気体
を膨張、収縮させて音響波を発生させ、前記音響波、を
検出する光音響分光装置を用い、転位密度が既知の半導
体結晶についての複数個の標準試料を用意し、該複数個
の標準試料についての音響信号を前記光音響分光装置に
より測定し、前記転位密度と前記音響信号との関係を示
す特性曲線を求め、転位密度が未知の試料についての音
響信号を前記光音響分光装置により測定し、その測定さ
れた音響信号に対する転位密度を前記特性曲線から読み
取ることにより、当該未知試料についての転位密度を測
定することを特徴とする半導体結晶の転位密度測定方法
。２、特許請求の範囲第１項記載の方法において。前記複数個の標準試料のうちの１個に対する他のｇ準試
料の音響信号の比を算出して前記特性曲線を求めること
を特徴とする半導体結晶の転位密度測定方法。３）特許請求の範囲第１項または第２項のいずれかの項
に記載の方法において、前記断続光の波長を、前記試料
として用いる半導体結晶の吸収帯の波長に設定すること
を特徴とする半導体結晶の転位密度測定方法。