JPH0493043A - 半導体中の深い不純物準位の測定方法及びその装置 - 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】 発明の目的 （産業上の利用分野） この発明は、半導体ウェーハの品質及び半導体デバイス
製造工程の清浄度を評価するために半導体自体に非接触
・非破壊て測定を行なう半導体中の深い不純物準位の測
定方法及びその装置に関する。

（従来の技術） 従来より半導体結晶中の深い不純物７％（位を計測する
技術としてＤＬ丁Ｓ　（Ｄｅｅｐ　Ｌｅｖｅｌ　Ｔｒａ
ｎｓｉｅｎｔＳｐｅｃｔｒｓｃｏｐｙ）法か一般に知ら
れている。この手法は、その発案者による発表（Ｄ＼１
．Ｌａｎｇ、　ＪへＩＩＩＩＰｈｙｓ、、ｖｏｌ、４５
．　ｎｏ、７．　ｐｐ、３０２３−３０３２．１９７４
）後、多くの当業省によりいくつかの改良、拡張か行な
われているが、基本的に試料」−に電極の形成を必要と
している。このような従来のＤＬＴＳ法を実施する装置
として代表的なものは、ＩＩ　ｅ　ｗ　Ｉ　ｅ　ｔ、　
ｔＰａｃｋｅｒｄネ１，１．Ｂｌｏ−１１ａｄネ」なと
から製品として市販されているか、これらはいずれもり
、Ｖ、Ｌａｎｇにｊ；る技法をその基礎としている。

また、深い不純物準位を発生させる不純物を４測する他
の技術としては、化学分４１ｒ、ｓ＋Ｍｓ分析等により
直接深い不純物準位を形成する原子種を４測する手法も
ある。

方、半導体中の不純物ぶ位を形成する不純物の影響を受
りるパラメータである少数キャリアライフタイムを計測
するという方法も知られている。この少紗ギヤリアライ
フタイムの３１測については非接触ル１測法か見出され
ており（例えは、Ｒ，Ｄ、ＷｅｓＬｂｒｏｏｋ、　　ｅ
ｔｌ、、”ＬＩＦＥＴＩＭＥ　　ＦへＣＴＯ口Ｓ　　Ｉ
ＮＳ　Ｉ　Ｌ　Ｉ　ＣＯＮ　”ΔＳＴＭ、　Ｉ’Ａ、　
１９８０．１ａｓｅｒ／Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ法ては１ｌ
ｌａｃｏｂｓ、　ａｎｄ　Ｆ、Ａ、Ｂｒａｎｄ、　ＪΔ
ｐｐ１．　Ｐｈｙｓ。

ｖｏｌ、３０．　ｎｏ、７　ｐｐ１０５４−１０６０．
１９５９等）、数社から製品化され市販されているかこ
れらで不純物準位原子種を特定することはできない。

（発明が解決しようとする課題） 上述したように従来のＤ　Ｌ　Ｔ　Ｓ法においては、電
極の形成を必須とすることから木質的に非破壊・非接触
とはならず、加えて、電極形成のプロセスの質か計測結
果に外乱として影響を及はしていた。また、」−述した
他の化学分ａｌ’ｉ、ｓＩＭｓ分析等の分析手法も破壊
検査であるという問題点かあった。更に、ＤＬＴＳ法に
おいては、試料を（１夕化窒素なとて冷却することか実
用−Ｌ必須てあり、これに伴い装置に真空系の４１４造
を必要とするため、ＡＡ罫描造の単純化か困ｉｆｆであ
ると共に被測定試料の形状にも制約かあった。

方、半導体ウェー八に対して非接触て測定てきるパラメ
ータは形状寸法、比抵抗、少数キャリアライフタイム等
に限られている。ところか、上述したように少数キャリ
アライフタイムの４測を応用した技法１装置ては非Ｕｇ
；、壊泪測てはあるものの、深い不純物４１（位それ自
体を求めるに至っていない。

ところて、現在の半導体ウェーハの品質に対する要求は
極めて高度になっており、デバイスを形成する基板その
ものそれ自体を評価することなくしては真の評価は困難
な水準になっている。また同様に、半導体デバイスの製
造工程管理も不〈（（物凸染防止の観点から極めて厳し
くノよっており、簡易、迅速な評価方法の出現か待たれ
ていた。

この発明は」−述のＪ：うな事情から成されたものであ
り、この発明の目的は、深い不純物準位を非接触・非破
壊で定量的に４測することかできる半導体中の深い不純
物４１１−位の測定方法及びその装置を提供することに
ある。

発明の構成 （課題を解決するための手段） この発明は、半導体ウェーハの品質を評価するために半
導体自体にジ「接触・非破壊て測定を行ｔよう半導体中
の深い不純物準位の測定方法及びその装置に関するもの
てあり、この発明の上記目的は、被測定半導体試料に非
接触　非破壊で励起またＬｊ汀人して生成しノこ少砂キ
ャリアの量の経時変化に対応する信号を、前記？ＩＪｉ
、測定半導体試料の温度を変化させてその温度ことに非
接触で複数検出し、その検出信号に対してＤ　Ｌ　Ｔ　
Ｓ法におりる計算処理を施して不純物２！１位を決定す
ることによって達成される。また、被測足手ふ体訊粗を
保持するステージと、前記ステージの温度を制御可能／
よ温度制御手段と、前記被測定半導体試料に非接触・非
破壊で少数キャリアを励起または注入するビーム源と、
前記被測定半導体試料中に生成した少数キャリアの量の
経時変化に対応する信号を非接触て取り出すプローブ源
及び検出手段と、複数の前記温度て検出された前記信号
の対ｔ＋６刻波形を抽出・保持する変換　記憶手段と、
前記ステージの温度、ヒーム源、プローブ源及び検出手
段を同期制御する制御手段と、前記変換　記憶手段に記
憶された前記信号データに対してデータ処理を行なう処
理手段とを具に１１することによって達成される。

（作用） この発明にあっては、少数キャリアライフタイム計測方
法にＪ：る測定により得た検出信号に対してＤＬＴＳ法
における計痺処理を施して不純物４＜（位を決定するこ
とにより、非接触　非破壊て定量的に深い不純物準位を
４測することかてきる。

（実施例） 以下、図面に基づいてこの発明の実施例について前線に
説明する。

第１図は、この発明の半導体中の深い不純物準位の測定
装置の　実施例におりる構成図である。

同図において、この装置は、被測定試料１を保持し、か
つ温度か可変である石英板ステージ２と、石英板ステー
ジ２の温度を可変とするためのヒータ１０と、ヒータ１
０の温度を制御する温度制御部ＩＩと、被測定試料１中
に非接触で少数ギヤリアを生成させるレーヅタイオ−１
−３と、レーサタイオ−１・３を駆動するためのパルス
ジェネレータ４と、３つ以上の腕か接続された受動導波
管であるサキュレータ５と、マイクロ波を発生ずるため
のカン発振器６と、カン発振器６の駆動制御を行なう発
振器駆動部７と、被測定試料１て反則したマイクロ波の
検出を行なうマイクロ波検出器８と、マイクロ波検出器
８により検出されたマイクロ波をブラウン管に表示する
オシロスコープ９と、発振器駆動部７と温度制御部１１
を同期制御するためにそれらに制御信号を与え、またパ
ルスシェネレタ４とオシロスコープ９にトリカを与え、
更にオシロスコープ９からの波形データを人力して信号
処理を行なうコンヒーり一タ１２と、コンビ；Ｊ−夕１
２におりる信号処理結果等を表示するＣＲＴ＋３とて構
成される。尚、コンピュータ１２には、波形ブタをイ８
号値対時刻形式で読み出ず訓測部と、複数の測定温度で
の信号値対時刻波形を保持する記憶部を含んている。

また、ヒータｌＯは７Ｒ度を室温から２５０°Ｃまて制
御てき、石英板ステージ２は被測定試料１との電気的絶
縁と純度維持のためのものである。レサダイオート３は
波長９１０ｎｍのものを使用し、サーキュレータ５、ガ
ン発振器６及びマイクロ波検出器８からなる検出プロー
ブはマイクロ波を発生・検出する。

以上の装置構成において以下に示す処理手順により目的
とする深い不純物準位か得られる。ずノよりち、信号波
形データは任意の温度範囲におりる複数の温度で逐次取
得し、コンビコータ１２内の記１、旧３１畳２保持する
。このときの信号取得条件は、被測定訳＊ＡＩの？ｍ＋
度のみを変更し、少数キャリアを生成させる条件及υ・
被測定位置ｔ２との条件は同を１１１［持する。信号の
サンプリング条件は後述する解析８］算処理に支障をき
たさない範囲で変更可能である。このようにして得られ
た複数の温度に対応する各々の信号波形に対し、少哉六
ヤリア励起開始時点を基準時刻とした任意の時刻ｔｌ、
Ｌ２を定め、（１）式に基づいて各？ｍｔ度Ｔでの信号
波形の時刻Ｌｌ、ｔ２における信号値Ｓ（Ｔ、Ｌ）の差
分△Ｓ（Ｔ）を求める。

△５（Ｔ）−Ｓ（Ｔ，Ｉｌ＋）−Ｓ（Ｔ，ｔ２）　　　
　　　　・　・・　・・・（１）更に、この△Ｓ　（Ｔ
）か最大となる温度Ｔｍ並ひにｔｌ　、　ｔ２から定義
される値Ｗを　（２）式に基づいて求める。

Ｗ　＝　Ｉｎ　（１，１／Ｌ２）／　（１，１−１，２
）　　　　　　・−−−（２）以上の処理手順を異なる
仕［株］の時刻１．１．１２について賄・り返し、複数
のＴｍ及Ｑ・Ｗの組み合わピを求める。このようにして
得られた複像のＴｍ及びＷのまＨみ合わせにより　Ｉｎ
（Ｗ／「ｍ２）対（１／　Ｔ　Ｉｎ　）の相関を求め（
いわゆる］］′−レニウスブロツ１を行ノ１い）、その
傾きから不純物準位（エネルギー値）を決’；Ｊｌする
。この４痺手順は、原侶−弓として少数−■やリアの再
結合　消滅過に、１７に対応する信号を使用する、げ、
】を除いて、　Ｄ、Ｖ、Ｌａｎｇにより確立されている
従来の容量ＤＬＴＳ法において行なわれている泪Ｍ７手
順と同一である。たたし、−に述したノコ法においては
解析の対象どｌ（（る４３号か少数キャリアの再結合・
消滅過程てあり、言１算手順か同一であっても従来のＤ
ＬＴＳ法か空乏層中での深い不純物り１（位からの少数
キャリアの放出・生成過程の侶渇を解４１１しているこ
ととはそのメカニズムにおいて完全に異なる。

月下、実際に；ｉｌｌｌ１．ｌＩを行］Ｊった請訓結果
を示す。

被測定試着１としてＧＪ、ポワンに加えて各々す１−リ
ウム、クロム、鉄、コハル１〜．ニッケル、銅タングス
テン、金を不純物として４．２１晶育成［１４に添加し
たｐタイプ単結晶シリコンウェーハと金属不純物を添加
していｌｌいｐタイツ冒）１結晶シリコンウ上−ハとし
た。尚、測定技術検器のために結晶育成時に上記不純物
を添加しである他は通常の山版晶と同し片面鏡面ボリッ
シ：ＪＩ・ウェーハであり、特殊ノＪ加工、処理ノ１と
は１１なっていない。第２図幻、被測定ウェーへの不純
物添加滑と比抵抗を表の一部として示１−図である。

測定はマイクロ波のインピータンスカップリングの応答
特性かほぼ直線状に／Ｊるように装置各部の調整を行な
い、更に出力侶−号波形のビークイ１１１か５Ｏｆ１ｍ
Ｖから１５００ｍＶ（７）範囲に入るようにレーサタイ
オーＦ　３の出力を調整した上°（、被測定試料１の温
度を５０°Ｃから２０６°［；まで４°Ｃ刻みて出力信
号タ４時刻波形を測定した。ここで設定した温度条イ！
Ｉは使用した機器の波形記憶容量の制約に起因した設定
であり、より高い測定（Ｍ頼性を得るため６二は装置か
可能な限り広い温度範囲と細かい刻み幅で測定ずへぎも
のである。

第３図　（八）及び（ｌｌ）は、このようにして測定し
たに、−ｉ果の出力信号対時間波形の一例を示す図であ
り、同図（Ａ）か不純物を添加しでいないもの、同しＩ
（Ｉｔ）か不純物としてニッケルを添加したものを示し
ている。同図　（八）及び（Ｂ）において番：１複数の
温度の波形か記録さねてｊ５す、１本の波形か１つの測
定温度に対応している。この、Ｊ：うにして７１１ｋ）
」（力缶−弓波形に対し、　１．２−ＬＩＸ２　と設定
した複数のＩ［、ｌＩＩｔ１．ｔ２の組み合わせについ
での出力伝号の差分を各温度についてとったものを第４
図　（八）及び（］））に示す。同様に、同図（Ａ）か
不純物を添加していｌ’７いもの、同図（８）か不純物
としてニッケルを添加したものを示している。同図にお
いて、１木の線か１つのｔｌ、Ｌ２の組み合わせ、ずな
わらＷに夕・１応する。同図　（Ａ）及び（１））から
Ｊｊｐ解できるように、金属不純物を添加した試料の結
果のみに温度列信号差分値の波形にピークか認められる
。

これらの結果より更にＷ値対ピーク温度Ｔｍの組み合わ
せを求め、　Ｉｎ　（Ｗ／Ｔｍ２）対（１０００／　１
’　ｍ　）の対応をプロットする。第５図は、種々の不
純物にヌ・Ｉしてブ【］ツトシた結果を示す図である。

同図において、各相関を示す直線の勾配か各試料におり
る深い不純物〈（１位のエネル代−に対応している。

尚、この発明において！：］、非接触て少数キャリアを
励起・生成し、非接触で少数式やリアの再結合・消滅過
４ｙに対応する信号を経時的にマＬＩること、更に、そ
のＪ：うにして得たイハ号波形に対し−Ｃ前述の解析処
理を行／Ｊうことか基本である。

ところで、少数キャリ）′のＩｍ＋起は被測定半導体試
才」ハント式やラフ゛、ずなわらケルマニウムてあれは
約０　、６０　ｅ　Ｖ、シリコンであれは約１．ｌｅＶ
、ガリウム砒素であれは約１．４７ｃＶより高いエネル
Ａ−を持つ電磁波であれは可能であり、特別にその電６
茸波の訂ｍ件様を規定するものではない。また、電イ、
陽電子、荷電粒子／Ｊとのビーｌ＼により直接少ｐキャ
リアを汀大してもよいか、たたし実用土、電子、陽電子
、荷７ｉｉλ☆ＴノＪとのヒームを使用するには試料を
真空中に設定する必要か生ずるの−（装置の経済・Ｉｌ
４．操作＋４１か低下−４−る。更に、電磁波において
も必要以」−に短波長のものを利用すると、試λ゛」表
面起因のノイズの増加、Ｍ料温度の一１ｙ１＋、ヒーム
オ、矛路中の空気の−ｒオン化等を招きデータの信頼’
＋：＋：か低１するのて、波長ｔＪハンＦ　＝Ｔヤ・ノ
フのエネル大−を上限とし、下限はけいぜい２．５ｅＶ
４？度とするのか実用的である。

また、少数キャリア再結合過程の信号を非接触て取り出
すには試料の誘電率の変化を検出−・）−る方法か一般
的である。したかって、前述のマイクロ波インピータン
スカッフリングの他にも、フプ・ラブ−の法則を利用し
た話導電７ＨＭの検出、電１．’ｇ波の透過率または反
射率の測定等−によっても利用可能な信号を得ることか
できる。ただし、この発明の原理上、試料の温度を制御
−う−る試料保持ステージか必要であることから、マイ
クロ波を含む電磁波のインピータンスカンブリングある
いは反射率測定以外の手法を用いるには試λ′」保持ス
テージの構造か複４１１ｔとならざるを得す、装置の紅
済刊、操作刊の低−１−は免れない。

発明の効果 以上のようにこの発明の半導体中の深い不純物’＜ｊｐ
位の測定方法及びそのＡＡ置によれは、−１１接触少数
キヤリアライフタイム測定装置の測定系・信号処理系の
イ１様をイ」加・拡張し、更に、異１４る技法であるＤ
ＬＴＳ法と同様のデータ処理手続を応用−・）−ること
により、非接触・非破壊て半導体基板中の深い不純物ｇ
Ｊ＋位をハ１測することを実現している。

このに：＾果、試料への電極形成などのプロセスに１；
）ヨ響されることなく真に被測定半導体試料に存在して
いる不純物！１イ位を簡便かつ短時間に求めることかで
き、更にｉｌｌ被測定試λ′４そのものを実際のデバイ
ス製作に使用てきるという従来の深い不純物１１（（◇
測定技術では木質的に不可能であった要求を実現してい
る。

加えて、この発明では必すしも液化窒素〕Ｊとて９Ｊ（
旧を冷却しなくても不純物準位を求めることか可能であ
るため、試料形状への制約及び試ね保持部の構造に関す
る制約か従来技術に比較して著しく少ない。これにより
装置構造の一！１を純化による経済性の向上かもたらさ
れ、従来技術では対応に極めて複Ａ１１［な装置構造を
必要としたマツピング機能への対応などが容易に可能と
なった。

更に、この発明ては、も′を来のＤＬＴＳ法と異なり試
料中に空乏層を形成するととを必要とじ）Ｊいので、従
来のＤ　Ｌ　Ｔ　Ｓ法では得られない深さの不純物準位
を得ることも可能である。

の対応をブロワ１〜した図 １１（Ｗ／’Ｉ’ｍ勺　苅（＋０００／Ｔｍ）である。

・被測定試料、２・・石英板ステ レーザタイオーｌ・、４・・・パルスシエネ５・・・サ
ーキコレータ、６・・カン発振器、器駆動部、８・・マ
イクロ波検出器、９コープ、１０・・ヒータ、１１・・
温度制御部、ヒュータ、１３・・・ＣＲＴ。

シ、３・・・ レータ、 ７・・・発振 オシロス １２・・・ニフン

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の半導体中の深い不純物準位の測定装
Ｇ５の一実施例におりる構成図、第２図は被測定ウェー
ハの不純物添加量と比抵抗及び測定結果を表として示す
図、第３図　（Ａ）及び（ｆｌ）はそれぞれ不純物を添
加し７ｊい場合と添加した場合の出力信号対時刻波形を
示す図、第４図　（員及び（Ｉｌ）　ＬＳＩそれぞれ不
純物を添加しない場合と添加した場合の温度対ＤＬ丁Ｓ
信号を示す図、第５図は１１１１頭人代理人 安　　形　　１ｉ、ＩＩ 褒警セｐ諭 ＠聾禦Ｉ］！

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．被測定半導体試料に非接触・非破壊で励起または注
   入して生成した少数キャリアの量の経時変化に対応する
   信号を、前記被測定半導体試料の温度を変化させてその
   温度ごとに非接触で複数検出し、その検出信号に対して
   ＤＬＴＳ法における計算処理を施して不純物準位を決定
   するようにしたことを特徴とする半導体中の深い不純物
   準位の測定方法。 ２　前記ＤＬＴＳ法における計算処理は、前記検出信号
   に対し、少数キャリア励起開始時点を基準時刻とした任
   意の時刻ｔ１，ｔ２を定め、式△Ｓ（Ｔ）＝Ｓ（Ｔ，ｔ
   １）−Ｓ（Ｔ，ｔ２）に基づいて各温度Ｔでの信号波形
   の時刻ｔ１，ｔ２における信号値の差分△Ｓ（Ｔ）を求
   め、差分△Ｓ（Ｔ）が最大となる温度Ｔｍ並びにｔ１，
   ｔ２から定義される値Ｗを式Ｗ＝１ｎ（ｔ１／ｔ２）／
   （ｔ１−ｔ２）に基づいて求め、以上の処理手順を異な
   る任意の時刻ｔ１，ｔ２について繰り返し、複数のＴｍ
   及びＷの組み合わせを求め、得られた複数のＴｍ及びＷ
   の組み合わせにより１ｎ（Ｗ／Ｔｍ＾２）対（１／Ｔｍ
   ）の相関を求め、その傾きから不純物準位を決定すると
   いう処理である請求項１に記載の半導体中の深い不純物
   準位の測定方法。 ３　被測定半導体試料を保持するステージと、前記ステ
   ージの温度を制御可能な温度制御手段と、前記被測定半
   導体試料に非接触・非破壊で少数キャリアを励起または
   注入するビーム源と、前記被測定半導体試料中に生成し
   た少数キャリアの量の経時変化に対応する信号を非接触
   で取り出すプローブ源及び検出手段と、複数の前記温度
   で検出された前記信号の対時刻波形を抽出・保持する変
   換・記憶手段と、前記ステージの温度，ビーム源，プロ
   ーブ源及び検出手段を同期制御する制御手段と、前記変
   換・記憶手段に記憶された前記信号データに対してデー
   タ処理を行なう処理手段とを具備するようにしたことを
   特徴とする半導体中の深い不純物準位の測定装置。