JPH07120698B2

JPH07120698B2 - 半導体評価方法及び装置

Info

Publication number: JPH07120698B2
Application number: JP63066878A
Authority: JP
Inventors: 道夫田島
Original assignee: 工業技術院長
Priority date: 1988-03-18
Filing date: 1988-03-18
Publication date: 1995-12-20
Anticipated expiration: 2010-12-20
Also published as: JPH01239863A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は半導体の評価方法及び装置に関し、特に、半導
体ウエハの深い準位に関する評価に好適な評価方法及び
装置に関する。

［従来の技術］高速論理ICとか光電子集積回路（OEIC）等、各種電子デ
バイスの作成にあたり、基板として使用される半導体ウ
エハをあらかじめ評価することは、その材料や作成すべ
きデバイス種の如何に拘らず、一般論としても重要であ
る。

そうした中にあっても、昨今特に、半導体に変りない
が、“半絶縁性”と区別的に呼ばれることもある砒化ガ
リウム（GaAs）ウエハを使用してのデバイス作成が活発
化してきたことに呼応し、当該GaAsウエハを高精度に評
価したいとの要請がなされ始めてきた。

そもそも、こうしたGaAs材料を電子デバイスの基板要素
として使用しようとする試みは、上記のようにこのGaAs
材料が半絶縁性を示すため、素子間分離が簡単になる
か、または全く不要になる等の理由や、寄生容量が極め
て小さくなるため、素子動作が高速化する等の理由に起
因するが、このような場合、評価の対象は、主として当
該GaAsウエハの深い準位の評価に関するものとなり、ま
た一般に、その評価の対象とすべき重要な幾何的領域
は、ウエハ表面からせいぜい数μｍ、厚くても数十μｍ
程度の深さ範囲までとなる。

と言うのも、GaAsの持つ半絶縁性という特徴は、ウエハ
中のEL2と呼ばれる微小固有欠陥や、Cr不純物等の深い
準位が、浅い準位を形成する残留不純物を補償すること
により得られており、また、実際にデバイス特性を左右
するのは、余程特殊なデバイスでない限り、そうしたデ
バイスが構築される活性領域、つまりはウエハ表面から
数μｍ、厚くてもたかだか数十μｍ程度の深さ範囲だけ
だからである。

もちろん、GaAsウエハを成長、作成する過程において、
当該結晶成長軸方向及びウエハ面内方向に深い準位が均
一に分布するような製法が仮に開発されたとすれば、特
には深い準位の評価をウエハごとに、そしてその二次元
濃度分布をまで、評価する必要はなくなるかも知れな
い。ウエハ上のどこか一ケ所の評価でウエハの全体や、
少なくとも同一ロット内の他のウエハをも代表できるか
も知れない。

が、現状の技術では、そうした分布は極めて不均一であ
り、実際にもGaAsウエハ上に構築された電子デバイスの
特性にかなりばらつきを生み、結局は素子の歩留まりを
低下させるのみならず、高信頼性、高性能化を図る上で
の大きな障害となっていた。

こうしたことから、この種の分野では、既述のように、
GaAsウエハの結晶内における深い準位の評価、特にウエ
ハ面内に沿う深い準位の二次元濃度分布を正確に得たい
との要求が強くなされるに至ったのである。

もっとも、GaAsに限らず、代表的にはシリコン等、他の
半導体材料にてもその深い準位に関し、評価をなすこと
は、その上に作成されるデバイスの特性向上のため等、
必要なことではあるが、上記のように、特にGaAsに関し
ては、当該GaAs基板が単なるデバイス活性領域の支持基
板として物理的に機能するだけではなく、その半絶縁性
特性自体がデバイス構造中にてデバイス動作上も有効に
利用されなければならない宿命にあるため、これと深い
因果関係にある深い準位の測定がほとんど必須の要求と
もされているのである。

こうしたことから、以下においてもGaAsに例を採り、説
明を続けるが、上記のような要請に対し、従来、開発さ
れていた評価方法としては、代表的に、光吸収法，
抵抗率法，低温フォト・ルミネッセンス法，の三つが
知られている。そこで以下、これらに関し、個々に説明
する。

光吸収法：この方法は、ウエハに光を透過させることにより、深い
準位による吸収量を測定するもので、GaAsウエハに対し
ては吸収効率の良い赤外領域の光が用いられ（そのため
赤外吸収法とも呼ばれる）、GaAsウエハを透過した赤外
光を分光分析することにより、吸収スペクトルから深い
準位の種類を判別するという原理である。

したがって、もう少し詳しく言うと、判別した特定の種
類の深い準位の吸収ピーク強度（吸収量）から当該特定
種の深い準位の濃度が分かるので、光を絞り込んでスポ
ット状にし、ウエハ表面を二次元走査しながら各部ごと
における濃度を求めれば、当該深い準位に関するウエハ
面内の二次元濃度分布が得られる。

抵抗率法：この方法は、深い準位の濃度と抵抗率との間に相関関係
があることを利用して、ウエハの抵抗率分布により、深
い準位の二次元濃度分布を得んとするものである。

低温フォト・ルミネッセンス法：この方法は、後に記すように、種々の理由により、少な
くとも原理上、従来の評価方法の中にあっても上記二つ
の方法，よりは優れた方法であり、また、本発明が
結局は直接の改良の対象ともする方法なので、図面を用
いて説明する。

まず第７図は、低温環境下に置かれているかいないかは
別として、フォト・ルミネッセンス過程の発生するメカ
ニズム自体を説明している。

本図はGaAsのエネルギ・バンド構造を模式的に示してお
り、価電子帯１と伝導帯２の間の禁制帯３中には、深い
準位４と浅い準位５が例示されている。

こうした材料に禁制帯３の幅よりも大きな光子エネルギ
を持つ光が照射されると、価電子帯１から伝導帯２に亘
る太目の矢印12で示したように、帯間吸収過程で過剰な
電子−正孔対が生成され、これによって伝導帯２中に叩
き上げられた電子の中、一部は矢印６によって示される
捕獲過程で浅い準位５に、また他の一部は同様に矢印９
によって示される捕獲過程で深い準位４に捕えられる。

これらの電子が矢印7,10で示されるように、価電子帯２
中の正孔と再結合する過程で光を発生する事象が一般に
フォト・ルミネッセンスと呼ばれ、このフォト・ルミネ
ッセンスにより発生した光を分光分析すると、当該フォ
ト・ルミネッセンス光の発光の原因となった準位の種類
が特定でき、かつまた、その強度解析により、各特定し
た準位の濃度を知ることができる。

ただし、実際のフォト・ルミネッセンスでは、禁制帯幅
エネルギよりもやや小さな光子エネルギ領域に、第７図
中の矢印７で示される過程による浅い準位の存在に基づ
く発光の外、励起子発光、帯間遷移発光等、“禁制帯
端”フォト・ルミネッセンスと総称される発光現象が認
められるが、本書では上記浅い準位５の存在に基づく発
光過程をして、これら“禁制帯端”フォト・ルミネッセ
ンスを代表させる。そのようにしても、本書の議論にお
いて一般性を失うことはない。

しかるに、従来、この原理を利用しようとするには、第
８図示のような装置系を必須としていた。

簡単に説明すると、評価対象であるGaAsウエハ21は、液
体ヘリウムを充填したクライオスタット22内に浸漬さ
れ、低温と言うより極低温にまで、冷却される。

この冷却状態下において、ウエハ21の表面領域は、レー
ザ光源23′の発する平行レーザ・ビーム23を絞り込みレ
ンズ系24により適当な径にまで絞ったスポット光によ
り、図示されていない適当なる光学的ないし機械的な二
次元走査機構を介し、走査され、当該走査中、そのとき
どきのウエハ21の各特定部位からのフォト・ルミネッセ
ンス光は、集光レンズ系25を介し、分光器26に取込ま
れ、所定の波長領域に関する光強度はさらに検出器27に
て検出される。

したがって、一走査単位を終了すると、ウエハ21の深い
準位に関する二次元濃度分布を得ることができる。

このような第８図示の装置系により、集積回路作成用と
して現在、普通に市販されている無添加GaAsウエハを評
価した結果の一例が第９図に示されている。

本図中、1.4eV以下の光子エネルギ軸領域は発光強度を
二十倍（20x）にして示してあるが、光子エネルギ0.66e
Vの所にピークを持つ相当に広いスペクトル幅の発光帯
がEL2と呼ばれるGaAs結晶の微小固有欠陥による深い準
位からのフォト・ルミネッセンス光で、先に第７図中の
矢印10にて示された発光過程の結果に相当する。

対して、1.49eVの所にピークを持つ発光帯は禁制帯端発
光であって、残留炭素不純物による浅いアクセプタ準位
からのフォト・ルミネッセンス光である。第７図中の矢
印７にて示された発光過程がこれに対応する。

［発明が解決しようとする課題］最初に述べた光吸収法ないし赤外吸収法は、室温で比
較的簡単な装置系により、“非破壊”、“非接触”で簡
便に深い準位の評価が行なえるという点では優れてお
り、上記において例に挙げたように、GaAsウエハ等、か
なり薄い基板自体に対する直接の評価でない限り、従
来、最も良く採用されていた手法ではあった。

しかし、上記のように、“薄い基板でない限り”という
限定条件が付くことから理解されるように、この方法で
は、光ないし赤外線を透過させる評価対象材料に十分な
厚味がないと、評価に十分な程、検出感度を挙げること
はできなかった。

例えば、実際のGaAsデバイス用ウエハ中の深い準位は１
×10¹⁶cm^-3程度の濃度範囲にあり、これを昨今の要求に
応じ、±２×10¹⁴cm^-3程度の精度でこの手法によりウエ
ハ面内の濃度変動を測定しようとすると、厚さ約5mm程
度で、かつ両面研磨されたウエハを用意する必要があ
る。

一方、通常、デバイス作成用として供給されるGaAsウエ
ハの厚味は、厚くても、500μｍ程度しかなく、しかも
片面研磨しかされてはいないから、明らかなように、こ
の光吸収法は、こうした基板自体に対して直接には適用
できないものである。

換言すれば、この光吸収法は、幾ら同種の材料とは言
え、評価のためだけに通常の基板厚の約十倍からそれ以
上にも及ぶ厚味の評価専用試料を要求し、それでなくと
も高価なGaAsウエハのような場合、これはコスト的に大
変な出費となる外、労力上も大きな手間となる。重大な
欠点と言わざるを得ない。

加えて、先にも少し述べたが、例えGaAsウエハ自体の厚
味は、薄いとは言え、500μｍ程度あったにしても、実
際にその上に作成されるデバイスの特性に影響を与える
深い準位は、当該デバイスの活性層として働く、ウエハ
表面からたかだか数μｍ程度の深さ領域中に存在するも
のだけなのに、この光吸収法では、光透過経路の全長
（ウエハの全厚味）に沿う平均値的な情報しか得られな
い点でも問題がある。

つまり、現状の結晶成長技術においては、ウエハの厚味
方向の特性変動も無視し得ないことが多く、したがって
ウエハ表面から僅かな深さ領域の重要な部分の特性が、
残りの厚味部分の影響により平均化されてしまうと、実
際に必要なデータに対し、大きな誤差を生んでしまうの
である。

こうしたことから、この吸収法は、何等かの改善策を開
発しない限り、将来的に見ても、特にGaAsウエハの評
価、それも能動領域ないし活性領域における正確な評価
を求めるためには不適当である。

これに対し、既述した第二の手法である抵抗率法は、
当該抵抗率がデバイス特性と直接の対応関係にあるこ
と、測定領域をデバイスの活性領域と同程度の大きさに
まで小さくし得ること等から、実用的なウエハ均一性の
評価方法としては広く利用されている。

しかし、この手法でも、測定のために電極付けをした専
用試料を要すること、深い準位の直接的な測定は不可能
なこと、という二大欠点がある。

つまり、デバイス作成用のGaAsウエハの抵抗率は、一般
に10⁷〜10⁸ _Ω・cmに達するので、古くから知られている
四探針法等、探針（プルーブ）を単にウエハに接触させ
れば良いだけの手法は採用することができず、良好なオ
ーミック接触を得るためには、ウエハ上に測定専用の電
極をしっかりと作らねばならないのである。

そのためにまた、ウエハ全体の抵抗率分布をデバイスと
同程度の寸法の二次元空間分解能で測定したいとする場
合には、個々には当該デバイス寸法と同程度の微小面積
の電極を二次元マトリックス状に多数個、パターン化し
なければならず、大変な手間と費用を要するし、このよ
うに電極パターンを形成してしまったウエハは、当然の
ことながら、最早、デバイスの作成に用いることはでき
なくなってしまう。

換言すれば、この方法では、現実にデバイスが搭載され
るウエハ個々の評価は原則として不能であり、この点で
は先の光吸収法のように、“非破壊”、“非接触”を一
つの特徴とする評価方法に有利性を譲り、あえて言うな
ら、この方法はいわゆる“破壊方法”であって、望まし
くない。

さらに、この抵抗率法では深い準位の種類をまで、判別
することはできないし、抵抗率と深い準位との対応関係
も単純ではないため、得られた抵抗率分布から直接に深
い準位の濃度分布を定量的に得ることもできない。

これらに対して、従来提案されていた低温フォト・ルミ
ネッセンス法は、先に第７〜９図を用いて説明したよ
うに、照射光を絞り込むことにより、ウエハ面上の微小
領域の評価が行なえ、深さ方向にもデバイス作成用活性
領域に対応した極めて浅い領域での一応の評価が行なえ
る点で、非破壊、非接触法である特徴も併せ考えると、
それら従来例の中では最も優れた方法と呼んでも差支え
ない。

しかし、あくまでそれも、原理に即しての机上の議論で
あり、現実的には、誰にも、そしていつでも、安価、簡
易に採用し得る手法という訳ではなかった。

第９図示の特性例を見ても分かるように、深い準位の発
光帯は禁制帯端発光に比し、その強度が数十分の一から
百分の一程度と極めて小さく、特に当該第９図示の特性
例は測定光学系における感度の波長依存性を補正した結
果であるので、補正前の状態ではさらにその比が大きく
なり、深い準位の発光強度は禁制帯端発光強度の一万分
の一以下にもなり得る。

実際上、このように微小強度な深い準位からのフォトル
ミネッセンス・スペクトル測定において、第９図示のよ
うな特性例を掲げ得る機関は、世界中を探しても十数カ
所に限られて来る。

よしんば、第９図示のような特性を取り得る機関であっ
たにしても、試料によってはては定量測定が非常に困難
になる場合もある。

と言うのも、上記を逆に言えば、この低温フォト・ルミ
ネッセンス法では、浅い準位からの禁制帯端発光が深い
準位からのそれに比し、相対的にはかなり大きな強度で
表れることになるが、一方で第７図示の原理図に明らか
なように、光照射によって励起された電子を奪い合うと
いう点で、この浅い準位５からの発光過程７と深い準位
４からの発光過程10とは互いに競合する関係にある。

そのため、目的とする深い準位からの発光強度は、単に
当該深い準位の濃度によってのみ、独立に変化するだけ
でなく、競合する浅い準位からの発光強度によっても影
響される関係にあり、したがって、このように深い準位
からの発光強度に影響を及ぼす浅い準位からの発光強度
が上記のように相対的にかなり高いレベルにあれば、当
然、その影響の程度も相乗的に大きくなってしまうので
ある。

しかも、浅い準位からの発光強度のウエハ面内分布は一
般に十倍程度以上、変化するので、結局の所、深い準位
からの発光強度分布は実際と相違し、同じ試料を仮に光
吸収法で試しに評価して見ると、その結果が全く一致
しなくなる。

こうしたことから、従来の低温フォト・ルミネッセンス
法のみで深い準位の濃度分布を評価することは、実は非
常に危険なことが分かる。

もっとも、従来からもこの点の指摘はなされていて、改
良手法として、選択励起低温フォト・ルミネッセンス法
とも呼ぶべき手法が提案されていた。

これは照射光として、第７図の原理図中、浅い準位５は
励起できないが深い準位４は励起できるような光を用い
るもので、このようにすれば、少なくとも原理上は浅い
準位の存在による競合関係を無くすことができ、定量的
な評価を可能にする筈である。

しかしこの手法は、もともとの低温フォト・ルミネッセ
ンス法におけるように、帯間吸収遷移により照射光を吸
収するというメカニズムがないため、照射光はウエハを
通過してしまう。その結果、結局は上記の光吸収法と
同様に、ウエハの厚さ方向全長に沿う平均値的な情報を
検出するに留まり、ウエハ表面のデバイス活性層部分で
のみの局所的な検出は不可能である。

このように、原理的には最も優れていると考えられる低
温フォト・ルミネッセンス法やその改変例でさえ、その
原理上、改良を要するに加え、何よりも、極低温環境を
必須とするという点で実用性に乏しかった。

先に述べたように、今の所、第９図示のような特性を一
応の精度を持って抽出し得る機関は数える程しかない
が、仮に例えば、検出系の超高感度化が果たされる等し
て、測定ノウハウ上は問題のない状況になり、装置さえ
手に入れれば、誰にでもそうした評価が可能になるよう
な時期が到来しても、液体ヘリウム自体が極めて高価で
あるとか、その取扱いには熟練を要する等、むしろ現実
面に即した単純な事情の方は、何等、変わらないのでは
と思われる。

こうした観点からすると、また、昨今のデバイス作成用
GaAsウエハ等には直径が50mm以上に及ぶものがあるが、
こうした大口径ウエハをこの低温フォト・ルミネッセン
ス法により評価しようとした場合、通常、この種の極低
温測定技術に利用可能なように市販されているクライオ
スタット22（第７図）を用いることができず、専用の大
型なものを作らればならないこと等も大きな欠点と言え
る。そのための出費、労力が嵩む外、測定手順上も、真
空排気、予冷等に多くの時間を費やさねばならない。事
実、現状では一日に一枚のウエハ評価がやっとの有様で
ある。

さらに、クライオスタット内にウエハを入れた状態でウ
エハ面にレーザ・ビームを照射、走査し、各部位からの
フォト・ルミネッセンス光を検出するには、大掛かりな
試料移動装置とかレーザ・ビーム走査装置を必要とし、
測定装置構成が極めて複雑化するばかりか、第８図中の
レンズ系24,25等は、クライオスタット22の存在の故、
機械的な意味でもウエハ21に余り近付けることができな
いから、これらレンズ系に動作距離の短い高倍率レンズ
を使用することができず、したがって空間分解能を数十
μｍより小さくすることは極めて困難であった。

本発明はこうした従来の実情に鑑み、既に述べた理由に
より、現状では最もニーズの高いGaAsウエハはもとよ
り、一般的に展開して半導体ウエハの深い準位に関する
評価方法として、既述した従来例の中でもその測定原理
に関する限り、最も優れていると考えられた低温フォト
・ルミネッセンス法をさらに改良し、原理上を、また実
用レベルにおいても、共に十分に満足の行くように、精
度や分解能等、評価に関する基本的な要素は何等劣化さ
せることなく、測定に係る手順や装置系を十分に簡易化
し得る、新たなる評価方法、評価装置を提供せんとする
ものである。

［課題を解決するための手段］本発明者は、上記の目的意識の下、まずもって従来の低
温フォト・ルミネッセンス法に係る常識的な事項に疑問
を持った。常識的な事項とは、端的に言って、評価対象
ウエハを極低温にまで冷却するということである。

そもそも、従来においては、物理学的に完全に解明され
た訳ではないが、フォト・ルミネッセンスによる発光強
度は、ただ単に、温度上昇と共に減少するとされてい
た。

これはつまり、先に挙げた第７図中に併示のように、浅
い準位５や深い準位４に捕えられた電子に関しては、そ
れらが過程7,10に従い、発光再結合する前に、仮想線の
矢印8,11で示されるように、伝導帯２に対し、熱的に励
起されて放出されるメカニズムも存在し、この割り合い
は、高温になる程、高くなるとの理由による。

確かに、従来においても、浅い準位５からのフォト・ル
ミネッセンスに限っては詳細な報告があり、例えば室温
においては、液体ヘリウム浸漬時の10^-4倍から10^-6倍に
まで、発光強度が低下するとされていた。

こうしたこともあって、従来においては、第７図に示さ
れているフォト・ルミネッセンス法の原理を実際に適用
するには、評価対象試料を冷やせば冷やすい程良いとい
う思想がいつの間にか定着し、結局はてっとり早く、液
体ヘリウム浸漬による極低温にまで、冷やしていたので
ある。

しかし、上記の実情を良く考えると、実は、浅い準位に
関してのフォト・ルミネッセンス光についてのみ、しか
もその絶対強度に関してのみ、報告がなされているに過
ぎないのであって、後は、直感的な問題として、深い準
位に関しても同様のことが言えるだろうとの認識か、ま
たはそうした認識すら持たず、極低温までの冷却処理が
常識化されていた節がある。

もっとも、絶対強度において考えるだけなら、深い準位
からのフォト・ルミネッセンス光に関しても、当然、温
度上昇と共にその発光強度が低下するという理屈は誤り
でない。

しかし、このように絶対強度についてのみ考察するだけ
なら、これは将来的に超高感度な検出器が開発されれ
ば、それで解決される問題となる。

が、事実はそれ程に単純ではなく、特に従来の低温フォ
ト・ルミネッセンス法につき、先にその欠点を綿々と記
したように、こうしたフォト・ルミネッセンス法を採用
する限り、浅い準位に起因するフォト・ルミネッセンス
光が、目的の深い準位によるフォト・ルミネッセンス現
象に影響を及ぼすという機能が厳に存在する以上、単に
検出器感度の向上だけでは片付けられない問題が依然と
して残る。

本発明者は、まずもって上記従来の常識を打破し、単に
各準位の存在に基づくフォト・ルミネッセンス発光強度
の絶対値的な見方からだけではなく、浅い準位からのフ
ォト・ルミネッセンス光その他、他の擾乱光の強度との
相対的な関係として、目的の深い準位からのフォト・ル
ミネッセンス光強度を捉え得ないかとの発想を得た。

仮に、こうしたフォト・ルミネッセンス光強度を相対的
な問題として捉えた結果、浅い準位からのフォト・ルミ
ネッセンス光強度に対し、深い準位からのフォト・ルミ
ネッセンス光が、その絶対値においては低下することが
あっても、相対比としては向上する条件があれば、その
条件に従う限り、後は逆に、高感度検出器の援用で処理
し得ることになる。繰返すが、従来、こうした事実に気
付いての明確な意識を持った報告はない。

してみるに、本発明者による上記発想は、先にフォト・
ルミネッセンス法の原理として示した第７図の見方を変
えるに至った。

既述のように、評価対象試料を高温にする程、フォト・
ルミネッセンス光の発光強度が低下する原因は、第７図
中の過程8,11で示されるように、各準位5,4に捕獲され
た電子が熱励起される割り合いが多くなるということに
あった。

これに鑑みるに、この熱励起に要する熱的エネルギは、
絶対温度Ｔにボルツマン定数ｋを掛けた値kTで表される
が、実は上記の熱的放出の割り合いは、その準位エネル
ギがどれ位であるかによって決定される。

と言うことは、浅い準位５に関しては、熱エネルギkTが
高温ではその準位エネルギに近くなるか、あるいはそれ
より大きな値となるため、熱的放出の割り合いは非常に
大きくなって、フォト・ルミネッセンス光強度は極めて
低下する。

ところが一方、深い準位４では、ある程度高温になって
も、未だその準位エネルギの方が熱的エネルギより十分
に大きい状態となり得、熱的放出に起因するフォト・ル
ミネッセンス光強度の低下の割り合いは少ないことにな
る。

こうした知見は、本発明者における実験、実証を経、さ
らに以下のような結論を引き出した。

すなわち、浅い準位の存在に代表される禁制帯端フォト
・ルミネッセンス光強度が、従来におけるように液体ヘ
リウム温度にまで冷却した場合には、目的とする深い準
位からのフォト・ルミネッセンス光強度に比し、相当に
大きく、支配的となるに対し、もっと高い温度、結局は
意図的な冷却装置も加熱装置も要すことのない点で最も
望ましい室温では、むしろ深い準位からのフォト・ルミ
ネッセンス光を支配的にすることができる。

一方、浅い準位からのフォト・ルミネッセンス光強度も
深い準位からのフォト・ルミネッセンス光強度も、共に
絶対値において低下すると言っても、将来的に大いなる
期待が持て、また現状でも得られる高感度検出系をすれ
ば、目的とする深い準位からのフォト・ルミネッセンス
光の強度低下の程度は許容可能な範囲内にあること、つ
まり十分に検出可能なことも確かめられた。

こうしたことから、結局、本発明は従来の常識を打破
し、評価対象半導体の温度環境として、室温を提案す
る。そして、このように室温環境下に置いた評価対象試
料の表面に、当該試料の価電子帯と伝導帯間での帯間吸
収遷移を起こし得る光を照射し、これに基づいて当該試
料からフィード・バックされるフォト・ルミネッセンス
光を解析せんとする。

そして、試料全体に関しての二次元的な評価を求めるた
めには、試料の方を機械的に走査するか、照射光の方を
光学的に走査するか、あるいはまた双方を走査するかし
て、いずれにしても試料に対し、相対的に光を面内二次
元走査する。

もちろん、本発明による評価原理自体は、すでに第７図
に即して述べた所と何等、変わりはなく、したがって評
価試料表面上の所定の一点または数点のみにおける評価
でも良いし、評価試料の材質についても、GaAsが昨今の
市場要求からして最適ではあるが、他の半導体材料であ
っても何等、差支えない。

［作用および効果］本発明においては、評価対象試料を室温環境においてい
る。

したがって、先にも述べたように、液体ヘリウム中に浸
漬させていた従来例においては禁制帯端フォト・ルミネ
ッセンスが支配的であったものを、その程度を少なくと
も低下させ、望ましくは逆に、評価対象の深い準位から
のフォト・ルミネッセンスが支配的になるような条件を
作ることができる。

換言すれば、こうした室温においては、既述のように、
深い準位に基づく発光過程と競合関係にある浅い準位か
らの発光遷移確率が大いに低減される結果、当該深い準
位に基づくフォト・ルミネッセンス光の強度は悪影響を
受け難くなって、実質的に深い準位の濃度に比例し得る
ようになる。

さらに別な言い方をすると、フォト・ルミネッセンス光
スペクトルにおいて、浅い準位の発光帯は禁制帯エネル
ギよりやや小さな範囲内に集中し、そのため室温環境下
では当該発光帯の半値幅が広くなり、各発光体が重なり
合う結果、これら浅い準位の各々に関しての種別の特定
は不可能となるが、目的とする深い準位に基づく発光帯
は、もともと低温環境下においても半値幅が広く、各種
の深い準位が禁制帯内の広いエネルギ領域に分布してい
るので、室温測定で半値幅が広くなると言っても、特に
種類の同定に迷うことがない。この事実もまた、本発明
の有利性を助けている。

なお、本発明による室温フォト・ルミネッセンス法で
も、照射光の試料内への侵入深さや励起された電子の拡
散距離は、共に低温フォト・ルミネッセンス法における
と同様、要すれば数μｍ以下に保ち得ることはもちろ
ん、それだけではなく、装置系として見た場合、寸法的
に各種の制約条件を生んでいたクライオスタットが不要
となるため、要すれば照射光を１μｍ程度以下にまで絞
り込むことさえ、可能となる。これは当然、必要に応
じ、数μｍ程度の極めて高い空間分解能をも得られるこ
とを意味する。

結局、本発明は、従来の低温フォト・ルミネッセンス法
における長所はそのままに、測定原理上、また実用性の
観点から、問題と考えられる諸点を全て合理的に解決す
ることに成功したもので、本発明によるこの種の技術分
野に与える衝撃は、本願出願手続きに続いて行なわれる
予定の新聞発表、学会発表等においても、極めて大なる
ものと予想される。念のため、本発明の効果群をまとめ
れば次のようである。

GaAsウエハ中のEL2準位、Cr準位等、昨今注目され
ている深い準位の濃度分布測定を、その種類の明確なる
弁別を伴いながら、液体ヘリウム等の意図的な冷却媒体
を要さず、簡単な装置系で安価に室温で、かつ非破壊、
非接触で、ウエハ状態のまま、要すれば数μｍ程度とい
う高い空間分解能をもって高精度に測定できる。

したがって、本方法を半導体ウエハの品質管理に応
用した場合、出荷前に任意のウエハを気軽に選び出し、
デバイス特性に直接の影響を与える当該ウエハの表面領
域の深い準位の濃度分布を短時間で得る等もできるの
で、この種のウエハの製造業者にとっても、また利用者
にとっても、大いなる福音となる。

任意抽出したウエハは、非破壊検査、非接触検査の
ため、また極低温環境に晒す等の厳しい熱サイクルの影
響も受けはしないため、要すれば出荷製品中に戻すこと
もできる。

と言うことはまた、ウエハが何等かのデバイス・プ
ロセスに入った後も、任意のステップで何度でも深い準
位の評価を行なうことができ、したがって各プロセス・
ステップを経たことによる深い準位の挙動の変化等、よ
り高度な評価体制にも寄与することができる。

また、成長させたインゴットの側面を少し加工して
研磨面とし、ここに本発明方法を適用すると、インゴッ
トのまま、結晶成長軸方向の濃度分布を調べることも可
能となる。もちろん、用語の定義上、こうした場合に
は、当該研磨面部分が本発明で言う評価対象試料の表面
部分となり、インゴットの成長軸方向は当該表面部分の
二次元方向の一方向に整合する。

［実施例］第１図は本発明の半導体評価方法の一実施例に用いた装
置の概略構成を示している。深い準位に関し評価を受け
るべき評価対象ウエハ31は、公知既存の構成に従ったＸ
−Ｙステージ38上に載置され、当然、意図的な冷却も加
熱も行なわれない、測定周囲環境そのままと言う意味で
の室温に置かれている。

ウエハ31における帯間吸収遷移によりフォト・ルミネッ
センス光を導出すべき照射光は、この実施例の場合、適
当なるレーザ光源32からのレーザ光33であり、収束レン
ズ系34により、所望のスポット径に絞られてウエハ31に
照射される。

ウエハ31がＸ−Ｙステージ38上に載置されているのは、
必要に応じ、相対的にレーザ光33をウエハ表面において
一次元ないし二次元走査するためであり、したがって、
この目的が果たされる限り、図示構成に代え、レーザ光
33の方を光学的に偏向処理する等により、走査しても良
いし、レーザ光33もウエハ31も、共に走査するようにし
ても良い。もちろん、ウエハ31の特定の一ケ所ないし数
カ所のみの評価で良いのなら、位置決め用を除き、連続
的な走査系は不要になる。

すでに第７図に即して詳細に説明したので、本項では本
発明が利用するフォト・ルミネッセンスの原理自体につ
いては、その再度の説明を控えるが、レーザー光33の照
射により、ウエハ31の方から発せられたフォト・ルミネ
ッセンス光は、集光レンズ35、分光器36、検出器37から
成る評価手段ないしフォト・ルミネッセンス分光装置39
にて捕えられ、解析される。

すでに述べたように、この評価手段としての分光装置39
には、当然、高感度なものが望ましいが、これに適当な
るものとしては、本出願人がすでに特願昭61−212141号
にて開示した構成に基づくものがある。

もちろん、これは限定的ではなく、他に適当なものがあ
れば援用して差支えない。むしろ、すでに作用の項にお
いて述べたように、絶対値的な問題よりも、目的とする
深い準位の存在に基づくフォト・ルミネッセンス光と、
評価に対し、言わば邪魔になる禁制帯端フォト・ルミネ
ッセンス光の相対的な強度比の問題において、本発明の
場合、従来の極低温環境下におけるよりも有利な条件を
得ることに成功しているので、ある程度高感度に設計さ
れている分光装置系であれば、十分、有意に利用可能で
ある。

以下では、本発明をさらに具体的な例に即し、説明す
る。

評価対象ウエハ31は、通常市販されているGaAs高速集積
回路作成用の無添加半絶縁性ウエハである。

レーザ光33には波長647nmのKrレーザを用い、収束レン
ズ系34により、ウエハ31の表面におけるスポット径を約
100μｍに絞った。

ウエハ表面上における当該レーザ光33の光強度は、余り
に強い光でウエハを照射したがために当該ウエハの特性
劣化が生じないよう、約5mWに留めた。

分光装置として、先に挙げた特許出願に係る発明に即し
構成した分光装置39を用い、ウエハ31からのフォト・ル
ミネッセンス光を捕えたが、それに際し、波長分解能を
波長１μｍ以下では5nm、それ以上では40nmに設定し、
さらに光強度の検出器37としては、波長1.7μｍ以下で
はGe検出器を、それ以上ではPbS検出器を用いた。

こうした測定の結果、第２図示のように、室温環境とい
う意図的な条件下で世界で始めて、見事なフォト・ルミ
ネッセンス・スペクトルを得ることに成功した。

そしてこの第２図中、光子エネルギ軸上で、1.42eVの所
にピークを持つのは禁制帯端発光であり、0.65eVの所に
ピークを持つ発光帯はEL2準位に起因することも判明し
た。

すなわち、この0.65eVの所にピークを持つ発光帯は、ス
ペクトル形状から解析されるエネルギ準位が約0.75eV
で、無添加半絶縁性GaAsウエハ中に支配的に存在するこ
とが知られている。EL2と呼ばれる深い準位の準位エネ
ルギに一致し、また、従来の低温フォト・ルミネッセン
ス法を利用した同一試料の液体ヘリウムへの浸漬状態で
の測定において、このEL2の発光帯と正確に同定される
0.66eVの発光帯が観測され、温度上昇と共に室温の0.65
eV発光帯に至るまで、ほぼ同一形状で発光帯が追跡され
たのである。

さらに後述のように、試しに同一試料を既述の光吸収法
で測定してみた結果も、ウエハ面内のEL2準位の濃度分
布と0.65eV発光帯の強度分布とが定量的に良く一致し
た。

第３図は、先の実験例と同一の条件で、Crを添加した半
絶縁性GaAsウエハを評価対象ウエハ31とし、得られた測
定結果を示している。

このウエハでは禁制帯端発光は検出されなかったが、光
子エネルギ軸上、0.82eVの所にピークを持つ発光帯が観
測された。

この発光帯は、既述した従来法である低温フォト・ルミ
ネッセンス法、光吸収法による結果との比較、また発光
強度のCr濃度依存性により、同ウエハで支配的な準位で
あるCr準位からのフォト・ルミネッセンスと同定され
た。

上記の第２図と第３図とを比較すれば明らかなように、
本発明によると、むしろ室温条件を限定しているが故
に、得られたフォト・ルミネッセンス・スペクトル特性
から、EL2準位であるかCr準位であるか等、深い準位の
種類も明確に弁別することができている。

次に、二次元評価の特殊な場合ないし簡便な場合とし
て、所定の一次元方向に沿い、深い準位に関するウエハ
面内での濃度分布を調べる応用の一例として、無添加半
絶縁性GaAs結晶の電気的な特性を均一化する手法として
知られている、長時間熱処理の効果を調べたので、その
結果を第４図に挙げ、説明する。

第４図（Ａ）は950℃で８時間の熱処理を行なう前のウ
エハに対し、また、第４図（Ｂ）はそうした熱処理後の
ウエハに対し、それぞれ本発明を適用し、深い準位のフ
ォト・ルミネッセンス光強度を各ウエハの中心位置から
径方向に測定した結果を示していて、各部位におけるフ
ォト・ルミネッセンス・スペクトルは第２図示と同様で
ある。

本測定は、第１図示の装置により、分光器36の波長を0.
65eVの発光帯に合せ、ビーム径を100μｍに絞ったレー
ザ・ビーム33をウエハ31の一直径方向に100μｍステッ
プで順次、一次元走査し、各部位におけるフォト・ルミ
ネッセンス光強度を求める手順でなしたもので、各サン
プル点ごとの測定時間は移動時間を含め、約１秒とし
た。

この結果から見ると、第４図（Ａ）に示されているよう
に、熱処理前のウエハ周辺部では強度変動が非常に大き
く、EL2準位が不均一に分布していることが分かる。こ
れはまた、光吸収法、抵抗率法、低温フォト・ルミネッ
センス法により得られる測定結果とも良く一致してい
る。

一方、第４図（Ｂ）の熱処理後の強度分布を見ると、比
較的に平坦な強度分布となっており、EL2準位の濃度分
布が均一化されていることが分かる。実際にもこのよう
な熱処理を加えたウエハに対し、デバイスを作成した場
合、そのウエハ面内でのデバイス特性は良く均一化され
ている。

こうしたことから逆に、本発明による室温フォト・ルミ
ネッセンス法は、上記のような応用により、ウエハの電
気的特性の均一性評価にも良く応え得ることが証明され
る。もちろん、上記は簡単化のため、一次元走査とした
のであって、後述の実施例にも示されるように、当然、
必要に応じての二次元走査が可能であるし、ビーム径、
走査ステップ等も任意設計的な問題である。

次に、深い準位EL2のフォト・ルミネッセンス光強度と
当該深い準位の濃度との関係を調べるため、無添加半絶
縁性GaAsインゴット中、異なる位置から切り出した三枚
のウエハに対し、それぞれ本発明による室温フォト・ル
ミネッセンス法と、従来の光吸収法とを共に適用して、
それらにより得られた結果の相関関係を求めた。

ここで、光吸収法による測定には直径3mmの光ビーム
を、また本発明の室温フォト・ルミネッセンス法のため
には直径100μｍの光ビームを利用した。

その結果は第５図に示されているが、直径3mmの光ビー
ムによる光吸収測定における強度変動範囲はエラー・バ
ー表記で示し、その平均値が黒丸でプロットされてい
る。

しかるに、本第５図は、フォト・ルミネッセンス光強度
と光吸収係数との間には単純な比例関係が成立すること
を示し、したがって、本発明の室温フォト・ルミネッセ
ンス法により、深い準位の定量的な分析も十分に可能で
あることが証明された。

最後に、ウエハ面内での深い準位の二次元分布を調べた
実験例の結果も第６図に示す、この測定では、無添加半絶縁性GaAsウエハに対し、第１
図示の装置を用い、Ｘ−Ｙステージ38を操作することに
より、直径1mmのレーザ・ビーム33をウエハ31の面上で1
mmステップでＸ−Ｙ二次元走査し、このウエハの支配的
な深い準位であるEL2準位からのフォト・ルミネッセン
ス光強度を測定した。測定に要した時間は全体で約一時
間と、従来法を採用した場合に比し、極めて短い。

こうした測定の結果、強度の弱い所は薄い階調で、強い
所は濃い階調で示すという原則に従い、適宜、各サンプ
ル領域の濃度に対する塗り模様を変えたが、第６図に示
される通り、ウエハの結晶面方位が（100）であること
に対応し、EL2準位が４回対称に分布しているという興
味深い現象が捕えられた。

ところで、本項において評価対象半導体として主として
取り上げた、普通に市販されているこの種の無添加半絶
縁性gaAsウエハに関しては、EL2準位以外の深い準位か
らのフォト・ルミネッセンス光が生ずることはほとんど
ない。したがって、こうしたウエハに関する限り、深い
準位の種類をまで、同定する必要もまた、ほとんどな
い。そこで、このような場合には当然、スペクトル測定
は不要となるので、専らフォト・ルミネッセンス光強度
の効率的な検出に重きを置き、第１図示装置中の分光器
36を省略し、代わりに適当なる光学フィルタ等を挿入し
て、例えば0.65eVバンド光を効率良く検出するようにし
た方が得策である。

ただし、分光器36を省略したからと言って、本発明の要
旨構成中に言うように、波長に鑑みて光強度を測定して
いることに変りはないので注意を要する。当該0.65eVバ
ンド光に対応する波長は、目的の深い準位EL2からのフ
ォト・ルミネッセンス光を同定するからである。

もちろん、本発明による以上の方法原理、装置構成から
して、GaAs以外の各種半導体に対しても本発明が有効利
用できることは明らかである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の室温フォト・ルミネッセンス法に用い
る装置構成例の概略構成図，第２図は本発明を適用して得られた無添加半絶縁性GaAs
ウエハからのフォト・ルミネッセンス・スペクトルを示
す特性図，第３図は本発明を適用して得られたCr添加半絶縁性GaAs
ウエハからのフォト・ルミネッセンス・スペクトルを示
す特性図，第４図は通常の熱処理効果を本発明を利用して確認した
結果得られた、熱処理前と処理後の無添加半絶縁性GaAs
ウエハの径方向に沿うEL2準位のフォト・ルミネッセン
ス強度分布を示す特性図，第５図は無添加半絶縁性GaAsウエハのEL2準位のフォト
・ルミネッセンス強度と光吸収係数との関係を示す特性
図，第６図は無添加半絶縁性GaAsウエハのEL2準位のフォト
・ルミネッセンス強度の二次元濃度分布を示す説明図，第７図はフォト・ルミネッセンス法自体の原理を示す説
明図，第８図は従来の低温フォト・ルミネッセンス法において
採用される装置の概略構成図，第９図は評価対象試料の温度環境条件として液体ヘリウ
ム温度を限定してなす従来の低温フォト・ルミネッセン
ス法により得られた無添加半絶縁性GaAsウエハからのフ
ォト・ルミネッセンス・スペクトルを示す特性図，である。図中、31は評価対象半導体、32はレーザ光源、33はレー
ザ・ビーム、34は収束レンズ系、35は集光レンズ系、36
は分光器、37は光強度検出器、38はＸ−Ｙステージ、39
は評価手段ないし分光装置、である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】深い準位に関して評価を行なうべき半導体
試料を室温環境下に置き；該室温環境下に置いた状態のまま、上記半導体試料にそ
の価電子帯と伝導帯間での帯間吸収遷移を起こし得る光
を照射し；該光照射に基づき、該半導体試料から得られたフォト・
ルミネッセンス光の波長情報、強度情報から、該半導体
試料の上記深い準位に関する評価を行なうこと；を特徴とする半導体評価方法。
【請求項２】半導体試料の価電子帯と伝導帯間での帯間
吸収遷移を起こし得る光は、該半導体試料表面を走査す
るように与え、もって該半導体試料の深い準位の二次元
的な濃度分布を得ること；を特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の半導体評価
方法。
【請求項３】深い準位に関して評価を行なうべき半導体
試料を室温環境下に保持する手段と；該室温環境下に置いた状態のまま、上記半導体試料にそ
の価電子帯と伝導帯間での帯間吸収遷移を起こし得る光
を照射する手段と；該光照射に基づき、該半導体試料から得られたフォト・
ルミネッセンス光の波長情報、強度情報から、該半導体
試料の上記深い準位に関する評価を行なう手段と；を有して成る半導体評価装置。
【請求項４】半導体試料に照射される光を、該半導体表
面に関し、相対的に二次元走査する手段をさらに有する
こと；を特徴とする特許請求の範囲第３項に記載の半導体評価
装置。
【請求項５】深い準位に関し評価を行なう手段は、フォ
ト・ルミネッセンス光の波長に関する分光器と特定波長
に関する強度検出器を有すること；を特徴とする特許請求の範囲第３項または第４項に記載
の半導体評価装置。