JPS63312649A - 半導体中の不純物準位およびキャリヤ寿命同時測定方法 - Google Patents
半導体中の不純物準位およびキャリヤ寿命同時測定方法Info
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- JPS63312649A JPS63312649A JP14797687A JP14797687A JPS63312649A JP S63312649 A JPS63312649 A JP S63312649A JP 14797687 A JP14797687 A JP 14797687A JP 14797687 A JP14797687 A JP 14797687A JP S63312649 A JPS63312649 A JP S63312649A
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Landscapes
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
（産業上の利用分野）
半導体ウェハーおよび半導体デバイス製造分野における
不純物の分析による工程管理、特に発光および電子デバ
イス製造における添加不純物の発光及び電気特性に及ぼ
す効果の測定に関するものである。
不純物の分析による工程管理、特に発光および電子デバ
イス製造における添加不純物の発光及び電気特性に及ぼ
す効果の測定に関するものである。
（従来の技術）
半導体ウェハーの作製等における品質管理項目としてキ
ャリヤの濃度や寿命および不純物濃度の測定等がある。
ャリヤの濃度や寿命および不純物濃度の測定等がある。
半導体内のキャリヤ濃度および寿命は不純物の種類や濃
度によって大きく変化する事が知られており、特に高集
積度半導体デバイス用基板作製では各ｉ不純物の面内分
布とその同一場所でのキャリヤ濃度、すなわち添加不純
物の濃度と種類およびキャリヤ寿命測定が重要となる。
度によって大きく変化する事が知られており、特に高集
積度半導体デバイス用基板作製では各ｉ不純物の面内分
布とその同一場所でのキャリヤ濃度、すなわち添加不純
物の濃度と種類およびキャリヤ寿命測定が重要となる。
従来の方法では、不純物の同定および濃度測定とキャリ
ヤ寿命測定は別々の測定装置を用いて行っている。つま
り、半導体中に存在する不純物の同定及び定量はＤ Ｌ
Ｔ Ｓ （Ｄｅｅｐ １ｅａｖｅ ｔｒａｎｓｉｅｎ
ｔｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）およびフォトルミネッセ
ンス測定によって行われている。また、半導体内のキャ
リヤ寿命は光伝導率減衰法や過渡容量測定から求められ
て′いる。従って半導体面内における不純物分布とキャ
リヤ寿命分布とが一致しにくり、かつ同一場所でのキャ
リヤ寿命と不純物との関係を直接同時に測定できないと
言う大きな欠点がある。さらにＤＬＴＳ法、光伝導率減
衰法等は測定を行う為に金属電極等をもうける必要があ
る接触・破壊的測定法である為、リアルタイムで作業を
行うライン工程管理用測定法としては不向きである。し
かも、高抵抗の半導体の場合測定用のオーミック電極を
もうけにくいので測定ができない事が多い。
ヤ寿命測定は別々の測定装置を用いて行っている。つま
り、半導体中に存在する不純物の同定及び定量はＤ Ｌ
Ｔ Ｓ （Ｄｅｅｐ １ｅａｖｅ ｔｒａｎｓｉｅｎ
ｔｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）およびフォトルミネッセ
ンス測定によって行われている。また、半導体内のキャ
リヤ寿命は光伝導率減衰法や過渡容量測定から求められ
て′いる。従って半導体面内における不純物分布とキャ
リヤ寿命分布とが一致しにくり、かつ同一場所でのキャ
リヤ寿命と不純物との関係を直接同時に測定できないと
言う大きな欠点がある。さらにＤＬＴＳ法、光伝導率減
衰法等は測定を行う為に金属電極等をもうける必要があ
る接触・破壊的測定法である為、リアルタイムで作業を
行うライン工程管理用測定法としては不向きである。し
かも、高抵抗の半導体の場合測定用のオーミック電極を
もうけにくいので測定ができない事が多い。
一方、フォトルミネッセンス法には非接触、非破壊で不
純物分布を測定できるという利点はあるが、通常のシス
テムではキャリヤ寿命測定はできない。
純物分布を測定できるという利点はあるが、通常のシス
テムではキャリヤ寿命測定はできない。
（発明が解決しようとする問題点）
本発明の第一の目的は半導体ウェハーおよびデバイス作
製研究およびライン工程において問題となる不純物の分
布とキャリヤ寿命分布の不一致および測定時間の長時間
化等を解決することである。
製研究およびライン工程において問題となる不純物の分
布とキャリヤ寿命分布の不一致および測定時間の長時間
化等を解決することである。
すなわち、本発明は半導体中の不純物の同定および定量
とキャリヤ寿命測定を試料の同一位置で同時にかつ非接
触非破壊で測定できる測定法を提供する事である。
とキャリヤ寿命測定を試料の同一位置で同時にかつ非接
触非破壊で測定できる測定法を提供する事である。
さらに本発明の第二の目的は従来困難であった特に高抵
抗の半導体におけるキャリヤ寿命の測定を可能ならしめ
ることである。
抗の半導体におけるキャリヤ寿命の測定を可能ならしめ
ることである。
（問題点を解決するための手段）
すなわち本発明は、試料表面にパルス光と連続光を重畳
して照射し蛍光を発生させ、この蛍光のスペクトル分布
と、各波長でのフォトルミネッセンス過渡応答部分を検
出することを特徴とする半導体中の不純物準位およびキ
ャリヤ寿命の同時測定方法である。
して照射し蛍光を発生させ、この蛍光のスペクトル分布
と、各波長でのフォトルミネッセンス過渡応答部分を検
出することを特徴とする半導体中の不純物準位およびキ
ャリヤ寿命の同時測定方法である。
この方法に使用する本発明の装置は、パルス光と連続光
の励起光光源と、これらの光源から発生する光を集光し
試料保持部に設置した試料表面に重畳して導く照射光光
学系と、試料表面から放射される蛍光を集光する放射光
集光光学系と、集光された蛍光を分光する分光器と、分
光された蛍光の定常的な強度を検出する光強度測定装置
と、分光された蛍光の過渡的な強度変化を検出する高速
光検出器と、これら光強度測定装置と、高速光検出器の
動作を制御し、これらの出力信号を処理し解析するシス
テム制御およびデータ処理系とからなる。
の励起光光源と、これらの光源から発生する光を集光し
試料保持部に設置した試料表面に重畳して導く照射光光
学系と、試料表面から放射される蛍光を集光する放射光
集光光学系と、集光された蛍光を分光する分光器と、分
光された蛍光の定常的な強度を検出する光強度測定装置
と、分光された蛍光の過渡的な強度変化を検出する高速
光検出器と、これら光強度測定装置と、高速光検出器の
動作を制御し、これらの出力信号を処理し解析するシス
テム制御およびデータ処理系とからなる。
以下、本発明を図面に基づき説明する。
本装置は第１図に示すように、励起光光源１、照射光光
学系２、試料保持部３、放射光集光光学系４、分光器５
、光電子増倍管６、高速光検出器７とシステム制御およ
びデータ処理用コンピューター８から構成される。
学系２、試料保持部３、放射光集光光学系４、分光器５
、光電子増倍管６、高速光検出器７とシステム制御およ
びデータ処理用コンピューター８から構成される。
第１図において、励起光光源には好ましくは、光強度が
強くかつ位相が一定である連続発振レーザー１ａとパル
スレーザ−１ｂを使用するのが良い。
強くかつ位相が一定である連続発振レーザー１ａとパル
スレーザ−１ｂを使用するのが良い。
連続発振レーザー１ａは、バイアス用として、さらに、
高抵抗試料では光励起によるキャリヤ濃度増加用として
、また、パルスレーザ−は、フォトルミネッセンスのパ
ルス発生源として使用する。励起光は照射光光学系２で
集光されビーム径を絞り込む。例えば入射光のビーム径
を１００ｐ以下に絞る事によって不純物の面内分布を清
書に測定する事ができる。集光されたレーザー光は試料
保持部３の試料に照射され、試料から出る放射光は集光
光学系４で効率的に集光された後、分光器５に導入され
る。導入された光は、分光器５内で分光された後、ハー
フミラ−で２分され、一方は光電子増倍管６へ、また他
方は高速光検出器７へ導かれる。それぞれで検出された
信号はコンピューター８へ送られデータ処理される。ま
た、このコンピューターはレーザー光強度、パルス光発
振周期、試料温度および測定長波制御といった実験条件
の制御にも使用される。
高抵抗試料では光励起によるキャリヤ濃度増加用として
、また、パルスレーザ−は、フォトルミネッセンスのパ
ルス発生源として使用する。励起光は照射光光学系２で
集光されビーム径を絞り込む。例えば入射光のビーム径
を１００ｐ以下に絞る事によって不純物の面内分布を清
書に測定する事ができる。集光されたレーザー光は試料
保持部３の試料に照射され、試料から出る放射光は集光
光学系４で効率的に集光された後、分光器５に導入され
る。導入された光は、分光器５内で分光された後、ハー
フミラ−で２分され、一方は光電子増倍管６へ、また他
方は高速光検出器７へ導かれる。それぞれで検出された
信号はコンピューター８へ送られデータ処理される。ま
た、このコンピューターはレーザー光強度、パルス光発
振周期、試料温度および測定長波制御といった実験条件
の制御にも使用される。
第２図はレーザー光強度とフォトルミネッセンス強度の
時間依存性を示し、レーザー光発振パターン（ａ）に対
応して観測される分光後の光入射によって観測される光
電子増倍管がらの信号（ｂ）を示す。この図かられかる
様に、この信号はパルス光周期に対応する過渡応答部分
と定常部分とからなる。この過渡応答部分は一般に非常
に短く光電子増倍管の応答速度よりも速い時間領域にあ
るのでその測定は難しい。また第２図の（ｃ）は（ｂ）
中のフォトルミネッセンス過渡応答部を高速光検出器（
例、ストリークカメラ）で測定した結果を示す。
時間依存性を示し、レーザー光発振パターン（ａ）に対
応して観測される分光後の光入射によって観測される光
電子増倍管がらの信号（ｂ）を示す。この図かられかる
様に、この信号はパルス光周期に対応する過渡応答部分
と定常部分とからなる。この過渡応答部分は一般に非常
に短く光電子増倍管の応答速度よりも速い時間領域にあ
るのでその測定は難しい。また第２図の（ｃ）は（ｂ）
中のフォトルミネッセンス過渡応答部を高速光検出器（
例、ストリークカメラ）で測定した結果を示す。
通常のフォトルミネッセンススペクトル作成には、各波
長で観測されるスペクトルの定常値部分（第２図（ｂ）
のＤＣ成分に対応）を用いる。またキャリヤ寿命はフォ
トルミネッセンスの減衰曲線（過渡応答部分）をバンド
間発光再結合過程、深い準位を介した再結合過程、およ
びオージェ再結合過程を考慮して次の様に解析される。
長で観測されるスペクトルの定常値部分（第２図（ｂ）
のＤＣ成分に対応）を用いる。またキャリヤ寿命はフォ
トルミネッセンスの減衰曲線（過渡応答部分）をバンド
間発光再結合過程、深い準位を介した再結合過程、およ
びオージェ再結合過程を考慮して次の様に解析される。
一般に発光再結合は、光励起の逆過程であり、その再結
合レート（単位時間；単位体積当たりの再結合キャリヤ
数）は伝導電子密度ｎと正孔密度ｐに比例する。例えば
、いま対象としている半導体がｐ型である場合、そのレ
ート方程式は、−１１Ｑに次式で表される。
合レート（単位時間；単位体積当たりの再結合キャリヤ
数）は伝導電子密度ｎと正孔密度ｐに比例する。例えば
、いま対象としている半導体がｐ型である場合、そのレ
ート方程式は、−１１Ｑに次式で表される。
ｄΔｎ
−＝ｇ（ｔ）−ＡΔｎ−ＢΔｎ２−ＣΔｎ３（１）ｔ
但し、
ｇ（ｔ） ： 発生キャリヤ密度
この式を基本式として、励起パルスから求めた発生キャ
リヤ密度ｇ（ｔ）を上式に代入し、パラメーターＡ、Ｂ
、Ｃに適当な数値を与えて数値積分して得られる理論ル
ミネッセンス波形と、実測ルミネッセンス波形とが一致
する様にＡ、Ｂ、Ｃの値を求め、これらの値から各過程
でのキャリヤ寿命を求める。従って、有効キャリヤ寿命
τは、τ τＢ τＤ τ
。
リヤ密度ｇ（ｔ）を上式に代入し、パラメーターＡ、Ｂ
、Ｃに適当な数値を与えて数値積分して得られる理論ル
ミネッセンス波形と、実測ルミネッセンス波形とが一致
する様にＡ、Ｂ、Ｃの値を求め、これらの値から各過程
でのキャリヤ寿命を求める。従って、有効キャリヤ寿命
τは、τ τＢ τＤ τ
。
と表されるので、先に求めたて１、τ３、τ。を求める
とただちに（ｎ）式からτが求められる。
とただちに（ｎ）式からτが求められる。
なお、本発明方法では各過程でのキャリヤ寿命が求めら
れるので、再結合過程での各過程の競合の程度が明確に
理解できるという利点と、各不純物準位でのτ。が測定
できるので、各不純物準位が寿命に及ぼす影響を明確に
理解できるという大きな利点がある。
れるので、再結合過程での各過程の競合の程度が明確に
理解できるという利点と、各不純物準位でのτ。が測定
できるので、各不純物準位が寿命に及ぼす影響を明確に
理解できるという大きな利点がある。
（実施例）
本装置を用いてＩｎＧａＡｓ Ｐ ／ Ｉｎ Ｐ （基
板）とＣｄＴｅ／石英ガラス試料について測定したフォ
トルミネッセンススペクトルとキャリヤ寿命の測定結果
を示す。
板）とＣｄＴｅ／石英ガラス試料について測定したフォ
トルミネッセンススペクトルとキャリヤ寿命の測定結果
を示す。
ＩｎＧａＡｓ Ｐ ／ Ｉｎ Ｐ試料について測定した
フォトルミネッセンススペクトルを第３図の（ａ）に、
また、フォトルミネッセンス過渡応答波形を第３図の（
ｂ）に示す、第３図（ａ）において１．０１６ｅＶで鋭
いフォトルミネッセンスピークが認められ、この発光ピ
ーク位置は本試料の組成から予想されるエネルギーギャ
ップ１．０２０ｅ Ｖ （５，５Ｋ）と非常に良い一致
を示し、また、このスペクトルは本試料を他のフォトル
ミネッセンス測定装置で測定した結果とも良い一致を示
した。さらに、キャリヤ寿命は第３図（ｂ）に示される
過渡応答波形を解析して求めた結果約Ｉｏｎｓであった
。第４図はＣｄＴｅ／石英ガラス試料について測定した
フォトルミネッセンススペクトルである。１．５６０ｅ
ＶＯ所に観測される鋭いピークはＣｄＴｅのエネルギー
ギヤ・ノブに一致していた。
フォトルミネッセンススペクトルを第３図の（ａ）に、
また、フォトルミネッセンス過渡応答波形を第３図の（
ｂ）に示す、第３図（ａ）において１．０１６ｅＶで鋭
いフォトルミネッセンスピークが認められ、この発光ピ
ーク位置は本試料の組成から予想されるエネルギーギャ
ップ１．０２０ｅ Ｖ （５，５Ｋ）と非常に良い一致
を示し、また、このスペクトルは本試料を他のフォトル
ミネッセンス測定装置で測定した結果とも良い一致を示
した。さらに、キャリヤ寿命は第３図（ｂ）に示される
過渡応答波形を解析して求めた結果約Ｉｏｎｓであった
。第４図はＣｄＴｅ／石英ガラス試料について測定した
フォトルミネッセンススペクトルである。１．５６０ｅ
ＶＯ所に観測される鋭いピークはＣｄＴｅのエネルギー
ギヤ・ノブに一致していた。
また、１．４２近傍の中広のピークは半導体中に存在す
る不純物および粒界によるものである。
る不純物および粒界によるものである。
（発明の効果）
本発明を用いると今まで別々に行っていたフォトルミネ
ッセンスとキャリヤ寿命の測定を同時に、しかも、試料
の同一位置で測定できる従来にない効果が得られ、この
効果は、さらに産業上、例えば半導体の品質管理工程等
において次の様な有用な効果をもたらすものである。
ッセンスとキャリヤ寿命の測定を同時に、しかも、試料
の同一位置で測定できる従来にない効果が得られ、この
効果は、さらに産業上、例えば半導体の品質管理工程等
において次の様な有用な効果をもたらすものである。
（１）２つの測定を１つの測定に減らしたので、管理工
程を減少することができる。
程を減少することができる。
（２） これに伴い測定時間を短縮できる。
（３）品質低下環の原因をただちに知る事ができる。
（４）キャリヤ寿命に及ぼす不純物の影響をすぐに知る
事ができる。
事ができる。
第１図は、本発明によるシステム構成図、第２図は、本
発明によるレーザー光強度（ａ）およびフォトルミネッ
センス強度（ｂ）、（ｃ）の時間依存性を示す図、 第３図は、ＩｎＧａＡｓ Ｐ ／ Ｉｎ Ｐのフォトル
ミネッセンススペクトル（ａ）とフォトルミネッセンス
の過渡応答波形（ｂ）を示す図、 第４図は、ＣｄＴｅのフォトルミネッセンススペクトル
を示す図である。 １・・・励起光光源 ｌａ・・・連ａ発振レーザー １ｂ・・・パルスレーザ
−２・・・照射光光学系 ３・・・試料保持部４
・・・放射光集光光学系 ５・・・分光器６・・・光
電子増倍管 ７・・・高速光検出器８・・・シス
テム制御・データ処理用コンピューター特許出廓人川崎
製鉄株式会社 第１図 システム８１（沖・テ°＝り処理用フシヒーーター第２
図 時間 時間 時間 第３図 濯ｌｎｍ１ 第４図 彼 長（ｎｍ）
発明によるレーザー光強度（ａ）およびフォトルミネッ
センス強度（ｂ）、（ｃ）の時間依存性を示す図、 第３図は、ＩｎＧａＡｓ Ｐ ／ Ｉｎ Ｐのフォトル
ミネッセンススペクトル（ａ）とフォトルミネッセンス
の過渡応答波形（ｂ）を示す図、 第４図は、ＣｄＴｅのフォトルミネッセンススペクトル
を示す図である。 １・・・励起光光源 ｌａ・・・連ａ発振レーザー １ｂ・・・パルスレーザ
−２・・・照射光光学系 ３・・・試料保持部４
・・・放射光集光光学系 ５・・・分光器６・・・光
電子増倍管 ７・・・高速光検出器８・・・シス
テム制御・データ処理用コンピューター特許出廓人川崎
製鉄株式会社 第１図 システム８１（沖・テ°＝り処理用フシヒーーター第２
図 時間 時間 時間 第３図 濯ｌｎｍ１ 第４図 彼 長（ｎｍ）
Claims (2)
- （１）試料表面にパルス光と連続光を重畳して照射し蛍
光を発生させ、この蛍光のスペクトル分布と、各波長で
のフォトルミネッセンス過渡応答部分を検出して解析す
ることを特徴とする半導体中の不純物準位およびキャリ
ヤ寿命同時測定方法。 - （２）パルス光と連続光の励起光光源と、この光源から
発生する光を集光し試料保持部に設置した試料表面に重
畳して導く照射光光学系と、試料表面から放射される蛍
光を集光する放射光集光光学系と、集光された蛍光を分
光する分光器と、分光された蛍光の定常的な強度を検出
する光強度測定装置と、分光された蛍光の過渡的な強度
変化を検出する高速光検出器と、これら光強度測定装置
と高速光検出器の動作を制御し、これらの出力信号を処
理し解析するシステム制御およびデータ処理系とからな
る、半導体中の不純物準位およびキャリヤ寿命同時測定
装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14797687A JPS63312649A (ja) | 1987-06-16 | 1987-06-16 | 半導体中の不純物準位およびキャリヤ寿命同時測定方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14797687A JPS63312649A (ja) | 1987-06-16 | 1987-06-16 | 半導体中の不純物準位およびキャリヤ寿命同時測定方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63312649A true JPS63312649A (ja) | 1988-12-21 |
Family
ID=15442355
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP14797687A Pending JPS63312649A (ja) | 1987-06-16 | 1987-06-16 | 半導体中の不純物準位およびキャリヤ寿命同時測定方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS63312649A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH02268256A (ja) * | 1989-04-07 | 1990-11-01 | Hamamatsu Photonics Kk | 半導体試料の螢光特性検査装置 |
| JPH02268254A (ja) * | 1989-04-07 | 1990-11-01 | Hamamatsu Photonics Kk | 螢光特性検査装置 |
| JPH07226564A (ja) * | 1994-02-14 | 1995-08-22 | Mitsubishi Electric Corp | 半導体レーザ装置およびその評価方法 |
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