JPH0727945B2 - 半導体結晶中の深い準位密度分布の評価方法 - Google Patents

半導体結晶中の深い準位密度分布の評価方法

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JPH0727945B2
JPH0727945B2 JP3274545A JP27454591A JPH0727945B2 JP H0727945 B2 JPH0727945 B2 JP H0727945B2 JP 3274545 A JP3274545 A JP 3274545A JP 27454591 A JP27454591 A JP 27454591A JP H0727945 B2 JPH0727945 B2 JP H0727945B2
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deep level
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    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/6489—Photoluminescence of semiconductors

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、半導体結晶中の深い
準位密度分布の評価方法に関し、さらに詳しくは、半導
体ウェーハにおける半導体結晶中での深い準位( Deep L
evel )のウェーハ面内相対濃度分布の評価方法の改良に
関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、半導体ウェーハにおける半導
体結晶中での深い準位についての研究にフォトルミネッ
センス法が応用されている。半導体結晶のフォトルミネ
ッセンス(PL)測定は、液体窒素温度、液体ヘリウム温度
といった低温での測定が主流であり、シリコン結晶に関
しては低温測定のみ可能であった。しかし、この低温測
定では複雑な発光機構に基づく多数のDeep Level発光準
位及びドーパント準位が現われ、解析が困難であった。
【０００３】しかし、近年田島によってフォトルミネッ
センス（PL) 測定の高感度化技術が開発され〔M. Tajim
a, Jpn. J. Appl. Phys. 27,L1323-L1326(1988) 〕、従
来困難であった室温でのDeep Level PL スペクトルの観
察、及びPL強度のウェーハ面内マッピング測定が高感度
かつ容易に行なえるようになった。この室温PL測定で得
られるPLスペクトルは、一般に図２に示されるように、
波長λD にPL強度 ID をもつ一つのDeep level発光及び
波長λB にPL強度IB をもつ一つのバンド端発光からな
り、その発光機構は低温測定の場合に比べてきわめて単
純化されている。このため、半絶縁性（107 〜109 Ωc
m）のＧａＡｓ結晶中のＥＬ２と呼ばれるDeep Levelに
ついては、Deep Level PL 強度 ID と Deep Level 濃度
ND との間に強い濃度相関があることが示された〔M. T
ajima, Appl. Phys. Lett. 53, 959-961(1988)〕。つま
り、この場合は近似的に ID ∝ ND の関係がなりたっ
ていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところが、室温の Dee
p Level PL 強度 ID は必ずしも Deep Level 濃度 ND
に比例せず、一般的には ID は Deep Level 濃度 ND と
キャリアライフタイムτとの積に近似的に比例し ID ∝ ND τ と表されることがわかっている。田島によって示された
ＧａＡｓ中のDeepLevel（EL2)の結果は ID ∝ ND τ
の式において、τ≒一定 とみなし得る場合と考えられ
る。しかし、半導体中の Deep Level 一般については、
τ≒一定 とならない場合が多数存在する。例えば、Ｓ
ｉ結晶中のサーマルドナーに関連したDeepLevel PL(P-l
ine)やＳｉ結晶中の酸素析出に関連した DeepLevel PL
(D1-line)では、τ≒一定 とはみなせず、 ID と ND
の比例関係が認められない場合がしばしば存在してい
た。従って、半導体ウェーハ面内の ID を測定し、マッ
ピングしてもそれは DeepLevel 濃度 ND の分布とは必
ずしも対応しないものとなっていた。
【０００５】本発明は、上記の点を解決しようとするも
ので、その目的は、半導体ウェーハにおける半導体結晶
中での深い準位（Deep Level) のウェーハ面内相対濃度
分布を得ることができる方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る半導体結晶中の深い準位密度分布の評
価方法は、半導体ウェーハにおける DeepLevel PL 強
度(ID ) のウェーハ面内マッピング(MD ),バンド端 PL
強度(IB ) のウェーハ面内マッピング(MB ) を得た後
に、前者の PL 強度(ID ) のウェーハ面内マッピング(M
D ) を、後者のPL強度(IB ) のウェーハ面内マッピング
(MB ) のν乗で除して、 Deep Level 濃度(ND ) の相対
値のウェーハ面内分布(MN ) を求め、この Deep Level
濃度相対値のウェーハ面内分布(MN ) によって Deep Le
vel の相対濃度分布を評価するようにしたものである。
【０００７】すなわち、この発明は、室温フォトルミネ
ッセンス (PL) 法を用い、レーザ光源からの励起レーザ
光により、被評価対象の半導体ウェーハ面をＸ・Ｙ方向
にスキャニングして、当該半導体ウェーハにおける De
ep Level PL 強度(ID ) のウェーハ面内マッピング
(MD ),バンド端 PL 強度(IB ) のウェーハ面内マッピン
グ(MB ) を測定する過程と、前記 PL 強度(ID ) のウェ
ーハ面内マッピング(MD )を、前記 PL 強度(IB ) のウ
ェーハ面内マッピング(MB ) のν乗（ν値は PL 強度(I
B ) における励起レーザ光のパワー依存性を実験的に確
認して得た値）で除して、 Deep Level 濃度(ND ) の相
対値のウェーハ面内分布(MN) を求める過程とを、少な
くとも含み、当該 Deep Level 濃度相対値のウェーハ面
内分布(MN )により、 Deep Level 相対濃度分布を評価
することを特徴とする半導体結晶中の深い準位密度分布
の評価方法である。
【０００８】
【作用】半導体ウェーハにおける Deep Level PL強度(I
D ) のウェーハ面内マッピング(MD ) と、バンド端PL強
度(IB ) のウェーハ面内マッピング(MB ）とを測定し、
MD を MB のν乗で除し、これがDeep Level 濃度 ND
の相対値面内マップ MN に比例する。すなわち、下記
〔数１〕と置くことにより MN は、例えば、チョクラル
スキー（ＣＺ）法Ｓｉ単結晶中の酸素析出に誘起された
Deep Level欠陥（D1-line 欠陥）のウェーハ面内相対濃
度分布を与える。一般に、酸素析出誘起のD1-line 欠陥
濃度は、酸素析出量（Δ〔Ｏi 〕）と強い相関関係をも
ち近似的に比例関係にあるため、 MN は酸素析出量のウ
ェーハ面内分布をよく反映する。
【０００９】
【数１】
【００１０】
【実施例】以下，この発明に係る半導体結晶中における
深い準位密度分布の評価方法について詳細に説明する。
【００１１】先にも述べたように、半導体ウェーハにお
けるフォトルミネッセンス (PL) を用いた Deep Level
PL強度(ID ) およびバンド端 PL 強度(IB ) について
は、室温でのフォトルミネッセンス (PL) のスペクトル
を観察して得られ、この室温PL法では、レーザ光源から
の励起レーザ光の照射で、Ｘ・Ｙステージ上で作動され
る被評価対象の半導体ウェーハ面をスキャニングして、
これらの各PL強度(ID ),(IB ) のウェーハ面内マッピン
グ(MD ),(MB ) をそれぞれに得ることができる。
【００１２】しかして、この場合，前記 Deep Level P
L は、 Deep Level を介しての室温におけるキャリアの
発光再結合であって、その強度(ID ) については、必ず
しもDeep Level濃度(ND ) に比例せず、一般に、強度(I
D ) は、濃度(ND ) とキャリアライフタイム (τ)の積
に比例 ［ ID ∝ ND τ］ ‥‥ (1) するものとされ、一方，前記バンド端PLは、伝導帯・価
電子帯間での励起キャリアの再結合であって、その強度
(IB)については、キャリアライフタイム (τ)のｎ乗
（ｎは一般に 1〜2 の値）に比例 ［ IB ∝τn ］ ‥‥ (2) するものとされる。
【００１３】しかして、この場合，目的とするところ
の，半導体結晶中での深い準位密度分布を評価するため
に、実際上，必要となるのは、 Deep Level 濃度 ND の
ウェーハ面内分布(MN ) である。そこで、この実施例方
法においては、前記比例式(1) から、 ND ∝ ID / τ を、また、前記比例式(2) から下記〔数２〕を求める。
【００１４】
【数２】
【００１５】従って、こゝでは、 ND は〔数３〕のよう
に表わされ、 Deep Level 濃度 ND のウェーハ面内マッ
ピング(MN ) は〔数４〕として表わすことができる。
【００１６】
【数３】
【００１７】
【数４】
【００１８】なお、ν値（一般に 0.5〜1 の値）につい
ては、バンド端 PL 強度(IB ) におけるレーザ光源のパ
ワー依存性を実験的に確認して求めることができる。
【００１９】すなわち、この実施例方法では、Deep Lev
el PL 強度(ID ) のウェーハ面内マッピング(MD ) を、
バンド端 PL 強度(IB ) のウェーハ面内マッピング
(MB ) のν乗（ν値は、PL強度(IB ) における励起レー
ザ光のパワー依存性を実験的に求めることにより得た値
で、一般的には 0.5〜1.0 の値）によって下記〔数５〕
のように割り算することにより、Deep Level濃度相対値
のウェーハ面内分布(MN )を求め、当該Deep Level濃度
相対値のウェーハ面内分布(MN ) から、Deep Level相対
濃度分布を評価するものであり、このようにして、結果
的には、被評価対象の半導体ウェーハにおける Deep Le
vel 濃度相対値のウェーハ面内分布を非接触，非破壊に
よって簡単かつ容易に評価，推定し得るのである。
【００２０】
【数５】
【００２１】図１は、この発明の評価方法を具体的に実
施するための評価装置の構成例を示す概要ブロック図で
ある。
【００２２】同図１の装置構成において、符号１１は
Ｘ，Ｙの両方向に制御駆動可能にされるＸ・Ｙステー
ジ、１２はＸ・Ｙステージ１１上に載置保持された試料
としての半導体ウェーハである。また、１３は半導体ウ
ェーハ１２に励起レーザ光１４を照射するレーザ光源、
１５は半導体ウェーハ１２からのフォトルミネッセンス
光１６を分光する分光器、１７は分光器１５による PL
信号の検出器、１８は PL信号を増幅するアンプ、１９
は動作制御および演算などに用いるコンピュータであ
る。
【００２３】上記評価装置においては、分光器１５の波
長とアンプ１８からのPL 信号強度とにより、先にも述
べたように、図２に示す波長λD における Deep Level
PL強度(ID ) および波長λB におけるバンド端 PL 強
度(IB ) についての PL スペクトルが得られる。
【００２４】そこで、今，前記分光器１５を波長λD に
固定すると共に、Deep Level PL 強度(ID ) をＸ・Ｙス
テージ１１の座標(X,Y) の関数として、当該Ｘ・Ｙステ
ージ１１，ひいては、試料である半導体ウェーハ１２を
制御駆動させるときは、レーザ光源１３からの励起レー
ザ光１４によりウェーハ１２面が自動的にスキャニング
されて、Deep Level PL 強度(ID ) のウェーハ面内マッ
ピング(MD ) が得られるもので、このマッピングデータ
(MD ) をコンピュータ１９に記憶セットさせておく。次
に今度は、当該分光器１５を波長λB に固定して、同様
に操作することによりバンド端 PL 強度(IB ) のウェー
ハ面内マッピング(MB) を得られるもので、このマッピ
ングデータ(MB ) についてもコンピュータ１９に記憶セ
ットさせておく。
【００２５】続いて、前記コンピュータ１９において
は、これらのセットデータ(MD ) とセットデータ(MB )
間の演算，こゝでは、下記〔数６〕を実行し、その結果
をDeepLevel 濃度相対値のウェーハ面内マッピング
(MN ) として得ることができ、このマッピングデータ(M
N ) についてもコンピュータ１９に記憶セットさせる。
【００２６】
【数６】
【００２７】〔数６〕におけるν値については、バンド
端 PL 強度(IB ) がレーザ光源１３からの励起レーザ光
１４のパワー(P) の 1.5乗に比例［ IB ∝ P1.5 ］する
ような弱励起条件の場合,(ν＝1)とし、また、当該
(IB ) がレーザパワー(P) の 2乗に比例［ IB ∝ P2 ］
するような強励起条件の場合,(ν＝0.5)とすればよく、
さらに、弱励起と強励起との中間的な励起条件の場合に
は、これらの 0.5〜1 の値を経験的に設定すればよい。
従って、このようにして得たセットデータ(MN ) は、前
記強度(ID ) の PL に係る Deep Level の相対的濃度分
布を与えることになる。
【００２８】次に、この発明の評価方法を具体的に適用
した各別の実施例について詳細に述べる。
【００２９】実施例１ 図３は、チョクラルスキー（ＣＺ）法−Ｓｉ単結晶を 4
50℃で24時間熱処理した場合における半導体ウェーハで
の室温 PL 法による PL スペクトルである。この図３の
PL スペクトルにおいて、波長 1.1μm 付近でのピーク
が、バンド端発光であって、その PL 強度が(IB ) であ
り、また、波長 1.6μm 付近でのピークが、 Deep Leve
l の PL （P-lineと同等）であって、その PL 強度が(I
D )である。
【００３０】測定に供した半導体ウェーハは４″φ、レ
ーザビーム径は１mmφとした。しかして、前記バンド端
PL 強度(IB ) のウェーハ面内マッピング(MB ) は、図
４(a),(b) に示されている通りであり、また同様に、前
記 Deep Level PL 強度(ID ) のウェーハ面内マッピン
グ(MD ) は、図４(c),(d) に示されている通りである。
【００３１】本測定では、バンド端 PL 強度(IB ) は、
レーザパワー(P) の 2乗に比例しており、強励起条件で
ある。マッピング(MB ) は、キャリアライフタイム
(τ) の面内不均一に起因する分布を示し、このライフ
タイム分布は、Deep Level PL 強度(ID ∝ ND τ) の分
布(MD ) にも影響している。一方，Deep Level PL 強度
(ID ∝ ND τ) をバンド端 PL 強度(IB ∝τ2 ) の1/2
乗で割ったものゝ分布(MN ∝ MD /MB 1/2 ) は、図４
(e),(f) に示されている通り、 P-line の欠陥濃度
(ND ) の相対値の分布を与え、キャリアライフタイム
(τ) の面内不均一の効果が除去されている。
【００３２】実施例２ 図５は、ＣＺ法−Ｓｉ単結晶を(800℃,4時間− N2 雰囲
気＋1000℃, 16時間−O2 雰囲気）の２段階熱処理によ
って酸素析出させた場合における試料ウェーハでの室温
PL 法による PL スペクトルである。この図５の PL ス
ペクトルにおいては、波長 1.1μm 付近をピークとした
バンド端発光と、波長 1.6μm 付近をピークとした酸素
析出に起因する Deep Level欠陥の発光（D1−line）と
が観察される。
【００３３】レーザビーム径を100 μｍφとし、100 μ
ｍステップでレーザビームを走査してPL強度分布を求め
た。１点での測定時間は0.03〜0.5 秒である。こゝで、
図６(f) のＸ線トポグラフに示されているように、成長
軸方向へ 5mm相当分の微細分布を調べると、前記バンド
端 PL 強度(IB ) と Deep Level PL強度(ID ) との各ウ
ェーハ面内マップは、図６(d),(c) に示されているよう
に実測される。そして、この場合にも、バンド端 PL 強
度(IB ) は、ほゞレーザパワー(P) の 2乗に比例してお
り、強励起条件である。従って、このときのDeep Level
濃度の相対分布は、(MD /M B 1/2 ) のように表わされ
る。図６(e) は、(MD /MB 1/2 ) のコンピュータによる
計算値の分布を示し、酸素析出量Δ[Oi]（曲線(a) と
(b) との差）の分布に大変よく対応する。すなわち，こ
れは、図６(e) での(MD /MB 1/2 ) の計算値の分布が、
酸素析出に起因する Deep Level 欠陥濃度の相対分布で
あることを強く支持する。
【００３４】実施例３ 図７，および図８は、前記実施例２の場合と全く同様
に、酸素析出させたＣＺ法−Ｓｉ単結晶について、成長
軸方向へ 5mm相当の同一区間分での室温PL 法による PL
スペクトル強度分布を評価した結果であり、図７(a),
(b),および(c) が、熱処理直後での熱酸化膜付きの状態
におけるそれぞれの各強度(IB ),(ID ) ，および(ID /I
B 1/2 ) の測定結果，図８(a),(b),および(c) が、同上
熱酸化膜除去後の状態での(IB ),(ID ) ，および(ID /I
B 1/2 )の測定結果である。
【００３５】これらの図７，図８での各(b) を比較して
明らかなように、 Deep Level 欠陥の発光（D1−line）
強度(ID ) の分布は、試料ウェーハの表面状態によって
大きく異なるもので、一般に、 Deep Level 濃度の分布
にはならないことが判る。
【００３６】また、こゝでも、バンド端 PL 強度(IB )
は、ほゞレーザパワー(P) の 2乗に比例するので、(ID
/I B 1/2 ) の分布が（D1−line）欠陥の相対濃度分布と
なる筈であり、図７，図８での各(c) を比較して判るよ
うに、この(ID /IB 1/2 ) の分布については、試料ウェ
ーハの表面状態とか、強度(ID ) の分布が異なるのにも
拘らず、ほゞ同様である。すなわち，これは、（ ID /I
B 1/2 ) の分布がバルク結晶の Deep Level (D1-line）
濃度を表わすことの帰結であると言える。
【００３７】
【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
方法によれば、半導体ウェーハにおける半導体結晶中で
の深い準位（Deep Level）のウェーハ面内相対濃度分布
を、キャリアライフタイムがウェーハ面内で変化する半
導体について求めることができる。また、その測定の際
にレーザビーム径は、例えば100 μｍφのように非常に
小さくでき、そのビームの走査においても、例えばステ
ップ幅を100 μｍのように非常に細かくとることがで
き、しかも ID と IB は同一測定点での測定値であるた
め、得られるウェーハ面内相対濃度は、その位置との関
係において非常に緻密で精度の高いものとなる。また、
ID ， IB を求めるのに要する時間が１点につき0.01〜
１秒と短いため、半導体結晶中での深い準位のウェーハ
面内相対濃度分布を非常に短い測定時間でしかも高感度
に求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の評価方法を具体的に実施するための評
価装置の構成例を示す概要ブロック図である。
【図２】同上評価装置における室温 PL 法を用いて得た
半導体ウェーハでの波長λD のDeep Level PL 強度
(ID ) および波長λB のバンド端 PL 強度(IB ) の PL
スペクトルを示すグラフである。
【図３】本発明の実施例１においてＣＺ法Ｓｉ単結晶を
450 ℃で24時間熱した場合のウェーハでの室温 PL 法に
よる PL スペクトルを示すグラフである。
【図４】(a) は実施例１の半導体ウェーハでの室温PL法
によるバンド端PL強度(IB ) を測定し、マッピングして
得られた三次元のマップ(MB ) の一部断面を伴った斜視
図である。(b) は(a) のマップ(MB ) の IB の強度分布
を白黒の濃淡で示した平面図である。(c) は実施例１の
半導体ウェーハでの室温 PL 法による Deep Level PL
強度(ID ) を測定し、マッピングして得られた三次元の
マップ(MD ) の一部断面を伴った斜視図である。(d) は
(c) のマップ(MD ) の ID の強度分布を白黒の濃淡で示
した平面図である。(e) は上記 (a), (b) での IB と
(c), (d) での ID とから、各測定点でのID /IB 1/2 を
計算しその値をマッピングして得られた三次元のマップ
（ MN ∝MD /MB 1/2 ）の一部断面を伴った斜視図であ
る。(f) は(e) のマップ(MN ) の ID /IB 1/2 の値の分
布を白黒の濃淡で示した平面図である。
【図５】本発明の実施例２においてＣＺ法Ｓｉ単結晶を
２段熱処理によって酸素析出させた場合の室温PLスペク
トルを示すグラフである。
【図６】(a) 及び(b) は実施例２の熱処理前後での成長
軸方向の〔Ｏi 〕の顕微鏡的な微細分布を示すグラフで
ある。(c) は成長軸方向の Deep Level PL強度(ID ) の
分布を示すグラフである。(d) は成長軸方向のバンド端
PL強度(IB ) の分布を示すグラフである。(e) は成長軸
方向の上記 ID と IB より算出した ID /IB 1/2 の値の
分布を示すグラフである。(f) は酸素析出後のＸ−線ト
ポグラフである。
【図７】(a),(b),(c) は熱処理直後での熱酸化膜付きの
状態におけるそれぞれの各強度(IB ),(ID ) の分布およ
び(ID /IB 1/2 ) の分布を示すグラフである。
【図８】(a),(b),(c) は同上熱酸化膜除去後の状態での
各強度(IB ),(ID ) の分布および(ID /IB 1/2 )の分布
を示すグラフである。
【符号の説明】
１１ Ｘ・Ｙステージ １２ 半導体ウェーハ １３ レーザ光源 １４ 励起レーザ光 １５ 分光器 １６ フォトルミネッセンス光 １７ PL 信号の検出器 １８ アンプ １９ コンピュータ

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 室温フォトルミネッセンス (PL) 法を用
    い、レーザ光源からの励起レーザ光により、被評価対象
    の半導体ウェーハ面をＸ・Ｙ方向にスキャニングして、
    当該半導体ウェーハにおけるDeep Level起因のフォトル
    ミネッセンス強度（Deep Level PL 強度）(ID ) のウェ
    ーハ面内マッピング(MD ),バンド端PL強度(IB ) のウェ
    ーハ面内マッピング(MB ) を測定する過程と、 前記 PL 強度(ID ) のウェーハ面内マッピング(MD )
    を、前記 PL 強度(IB )のウェーハ面内マッピング(MB )
    のν乗（ν値は PL 強度(IB )における励起レーザ光の
    パワー依存性を実験的に求めることによって決めた値）
    で除して DeepLevel 濃度(ND ) の相対値ウェーハ面内
    分布(MN ) を求める過程とを少なくとも含み、 当該 Deep Level 濃度(ND ) のウェーハ面内相対分布(M
    N ) によりDeep Level相対濃度分布を評価することを特
    徴とする半導体結晶中の深い準位密度分布の評価方法。
JP3274545A 1991-09-26 1991-09-26 半導体結晶中の深い準位密度分布の評価方法 Expired - Lifetime JPH0727945B2 (ja)

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