JPS628022B2 - - Google Patents

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JPS628022B2
JPS628022B2 JP56051793A JP5179381A JPS628022B2 JP S628022 B2 JPS628022 B2 JP S628022B2 JP 56051793 A JP56051793 A JP 56051793A JP 5179381 A JP5179381 A JP 5179381A JP S628022 B2 JPS628022 B2 JP S628022B2
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JP
Japan
Prior art keywords
sample
light beam
cathode ray
ray tube
light
Prior art date
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Expired
Application number
JP56051793A
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English (en)
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JPS56155543A (en
Inventor
Tadasuke Munakata
Kunihiro Yagi
Teruaki Motooka
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Publication date
Application filed by Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
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Granted legal-status Critical Current

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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10PGENERIC PROCESSES OR APPARATUS FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10P74/00Testing or measuring during manufacture or treatment of wafers, substrates or devices

Landscapes

  • Investigating Materials By The Use Of Optical Means Adapted For Particular Applications (AREA)
  • Testing Or Measuring Of Semiconductors Or The Like (AREA)
  • Testing Of Individual Semiconductor Devices (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は光起電力法を用いて、半導体の諸特性
を測定する装置に関する。
光起電力法自体は、半導体計測分野で古くから
用いられており、例えば、抵抗率を測定する4探
針法などに比べて、非接触測定法としての利点が
ある。第1図は従来周知の、光ビームを用いた半
導体試料の抵抗率分布を測定する方法の基本原理
を説明するための図である。
光ビーム1を2次元的な広がりを有する半導体
試料2の表面2′に照射すると、一般に、試料2
の表面2′で正孔3と電子4のキヤリヤ対が発生
し、このキヤリヤは、試料2の裏面2″に向つ
て、矢印3′,4′のように拡散してゆく。ところ
が、例えば、Siの場合によく知られているよう
に、電子4の易動度が、正孔3の易動度より大き
いため、裏面2″には、電子4が正孔3より多く
移動するから、半導体試料2の表面2′には、正
の電荷をもつ正孔3が多く残り、結局試料2の表
面2′は正に帯電する。この現象は、ドイツのの
ハー・デンバ(H.Dember)によつて1931年に報
告され、以来“デンバ効果”として知られてい
る。しかし、デンバ効果によつて生起される電
圧、即ち、デンバ電圧は、p−n接合に光を照射
した場合に発生する電圧に比して格段に小さいた
め、従来、利用されていなかつた。
本発明者等の考察によれば、n型のSiなどのウ
エハについて、次のような結果がえられる。
ΔVD=(b−1)/Sρ(0)eIαL /αL+1v/Sf+v (1) ここで、ΔVDはデンバ電圧を意味するが、
各々の信号の意味は下記の通りである。
b:電子の易動度/正孔の易動度 S:ウエハの面積 ρ(0):ウエハ表面の抵抗率 e:電子の電荷 I:光ビームの強さ(光子数/秒) α:光ビームの吸収係数 LP:少数キヤリヤの拡散長 VP:少数キヤリヤの拡散速度 Sf:ウエハ表面でのキヤリヤの再結合速度 式(1)から分るように、デンバ電圧は、多くの因
子に依存するが、抵抗率ρ(0)以外は一定とみ
なすことができれば、Kを定数として結果的に、 ΔVD=K・ρ(0) (2) となる。すなわち、光ビーム1を細く絞つて、そ
れにより接合のない半導体試料(ウエハ)2上を
走査し、その時の光起電力の分布を測定すれば、
これがデンバ電圧に等しくなるから、結局、試料
2の表面の抵抗率の分布を測定していることにな
る。
抵抗率の分布を知るためには、従来、シヨツト
キ接合が用いられていた。第2図にその基本原理
を示す。半導体試料2の裏面2″にオーミツク電
極6をつけ、表面に金属探針5を立て、この探針
5の近くを光ビーム1で照射する。よく知られて
いるように、シヨツトキ接合5′では光起電圧が
発生し、これは電圧計7で測定できる。通常、光
起電力の大きさは、金属探針5が対向している部
分の試料2の抵抗率に依存するから、電圧計7の
指示は、抵抗率に比例することになる。広いウエ
ハ表面2′に対しては、金属探針5を移動させれ
ばよいが、実用上困難であるので第3図に示すよ
うに、網状の電極8を試料2に圧着して、シヨツ
トキ接合8″を全面に形成する。このようにし
て、光ビーム1を試料2上で走査すると、表面
2′上での抵抗率の分布を知ることができる。
しかしながら第3図に示す従来の方法には、い
くつかの欠点がある。すなわち、第1にシヨツト
キ接合8″は、金属の圧着力、金属の表面の状態
(突起、酸化膜など)、半導体表面状態(酸化膜、
湿気、ゴミなど)に複雑に依存し、広い面に一様
な接合を作りにくいこと、第2に網状の電極8に
覆われる部分があり、試料2の全表面を光ビーム
1で照射できないこと、第3にオーミツク電板6
をつけることは、試料2に一種の損傷を与えるこ
とになり、完全な非破壊検査とはいえないこと、
などの欠点がある。
なお、第3図の方法と同じ原理で、一方の電極
に、第4図に示すように、Na2SO4などの電解液
13を用いてシヨツトキ接合を形成して試料2の
特性を測定した例が報告されている。しかしなが
ら、電解液13は透明電極として一般に使いにく
いものである上に、裏面2″にオーミツク電極6
をつけなければならないという不都合があること
も、前に述べた従来技術と同様である。なお、第
4図において、12は電極、14は電解液の槽の
側壁を示す。
このように、被測定試料に損傷を加えないで、
例えばSiウエハ面内の抵抗率分布を光起電圧を用
いて測定する方法は、従来全く知られていなか
た。
本発明の目的は、したがつて、半導体試料に全
く損傷を加えることなく、光起電力を用いて半導
体試料面内の諸特性の分布を測定することができ
る装置を提供することである。
上記目的を達成するために、本発明による装置
は、特性を測定しようとする半導体試料の両面に
間隔を置いて少くとも一方が透明な電極をつけ、
上記透明な電極を介して、パルス化された細い光
ビームで上記半導体試料表面を走査し、キヤパシ
タンス結合によつて両電極間に発生する光起電力
を測定し、半導体試料の特性の平面内分布を観測
するように構成したことを要旨とする。
本発明の一層有利な装置構成においては、電極
が両面とも透明であつて、半導体試料を透過する
光もまた検知し、透過光と光起電力とが同時に測
定される。
以下、本発明を図面にもとづいて詳細に記述す
る。
第5図は本発明による測定方法の原理を示す。
本発明によれば、光ビーム1を試料2上の任意の
場所に照射したとき、デンバ電圧を正しく測定す
ることができる。デンバ電圧は、既に述べたよう
に、試料2の表面2′と裏面2″との間に発生する
から、電極8,9を各面に間隔を置いて対向させ
ておく。光ビーム1をパルス化すると発生される
デンバ電圧もパルス化されるから、電極8,9
を、試料2から離しておいても、形成される浮遊
キヤパシタンス10,11によるキヤパシタンス
結合でデンバ電圧を検知することができる。
第6図に、第5図の状態の等価回路を示す。光
ビーム1の照射によつて発生する電圧源(試料)
2の上下にキヤパシタンス10,11があり、こ
れを介して電圧計7が接続されることになる。
第5図において、電極8は、例えば、ガラス面
にインジユウムを焼きつけることにより、透明な
電極を作ることができ、光ビーム1を、大きな吸
収なく、試料2上に導くことができる。なお、電
極9は電極8と同じように透明電極であつてもよ
いし、不透明電極であつてもよい。
結局、半導体試料2は、原理的には、電極8,
9の間に、電極8,9に直接接触せずに置かれる
から、この方法は、完全に非破壊方法となりうる
ことは明らかである。
第7図に本発明装置の一実施例を示す。本例で
は、光ビーム20の光源として、陰極線管17を
用いる。光ビーム20は、光学フイルタ18によ
り、適当な波長に揃えられ、光学レンズ19で収
束されて、半導体試料2上に照射される。光ビー
ム20の走査は、陰極線管17の中の電子線(図
には示されていない)を偏向走査させることでな
される。走査速度、走査範囲は、走査電源31か
らの電圧を適当に調整器32で調整して偏向コイ
ル16に電流変換されて供給される。同一走査信
号は、走査像表示用の陰極線管26,28の偏向
コイル27,29に供給されるが、特に、陰極線
管28にあつては、半導体試料2からの信号を加
算器30で偏向電流に重畳できるようにしてあ
る。つまり、陰極線管28の走査は、光源となる
陰極線管17の電子ビームと同期して走査され、
試料表面上に光電圧が生じない箇所では、陰極線
管28の電子ビームと同様な走査が陰極線管17
の画面上に行なわれる。試料表面上で光電圧が生
じる箇所では、その光電圧信号が、加算器で、走
査信号に加算されるため、加算された信号が偏向
コイル29に加えられ、電子ビームを、光電圧信
号に対応して偏向させる。従つて、画面上には試
料表面上の光電圧の変化を表わす、振幅変調され
た走査像がえられる。
第7図には、試料2が、二つの透明電極8,
8′ではさみこまれている状態を示す。その目的
は試料2を透過した光ビーム20′の強度、波長
分布を知ることにある。すなわち、光ダイオード
からなる検知器21により透過光20′を検知分
析し、増幅器22で増幅してやれば、よく知られ
た原理により、不純物濃度の情報をえることがで
きる。その結果、式(1)で示すデンバ電圧の関連因
子の中で、どれが最も効果が大きいのかの判定
が、一段と確実になり、相乗効果が大きい。たと
えば、透過光20′の強度に何の変化もないの
に、デンバ電圧が大きく変つたとすれば、それ
は、抵抗率ρ(0)に依るよりは、例えば表面再
結合速度Sfが急激に変化したと考えられる。
既に述べたように、本発明では、キヤパシタン
ス結合でデンバ電圧を測定するが、そのために、
光ビーム20はパルス化されている。パルス化
は、陰極線管17の電子線をパルス化することに
よつて行なわれるが、これは、パルス電源15で
陰極線管17の輝度変調を行うことでなされる。
このパルス電圧は、信号を同期検波するために用
いられる。すなわち、これは同期検波器25の参
照電圧として用いられる。このようにすることに
よつて、信号のSN比が格段に向上する。
増幅されて、同期検波された信号は、一つは、
表示用陰極線管26の電子ビーム強度の変調に用
いられる。電子ビームの走査は、陰極線管17の
電子ビーム走査と同期しているため、陰極線管2
6の画面上に輝度変調された走査像は、試料表面
上の光電圧分布を表わすことになる。これに対し
て、同期検波された信号は、表示用陰極線管28
の偏向コイルにも加えられ、上述のように、光電
圧信号に対応した振幅変調された走査像が得られ
る。輝度変調像は、光電圧分布の概略をつかむの
に便利ではあるが、定量的に把握することが困難
である。一方、振幅変調された走査像は、光電圧
を定量的に把握できるのに便利であり、本実施例
では、両者の走査像を併用するため、陰極線管2
6と28とを配置している。
第7図において、電極8,8′と試料2の間
に、スペーサ39,39′がそう入されている
が、これは、試料2を損傷せずに、電極8,8′
に近接しておくためのもので、マイカ、マイラ、
ポリエチレンなどの光透過性の絶縁膜を用いる。
厚さとしては、数10μm以下が適当である。
以上、第7図に基づいて、本発明の実施例を説
明したが、本発明において、光源としては、陰極
線管17に限定するものではなく、他の光源、例
えばレーザ、でもよく、光ビーム20の走査方法
として鏡も動かすなどの方式を用いてもよいとい
うことは言う迄もない。
また、応用例としては、抵抗率の分布測定にお
いての有効性のみについてふれたが、式(1)からも
明らかなように、他の特性についても測定可能だ
し、さらに、イオンインプランテーシヨンなどで
作つたp−n接合または同一導電型であつて異な
つた不純物濃度を有する領域からなる接合を有す
るウエハ、酸化膜、特にその中に固定電荷を含む
酸化膜を有するウエハ、さらには表面(もしくは
界面)準位を有するウエハについても本装置を適
用できることは明らかである。たとえば、p−n
接合の場合には、接合の一様性が表示管上に短時
間で表示されるから、そのウエハが固体回路素子
のプロセスに用いられるか否か簡単に判別でき、
工業的メリツトは大きい。
【図面の簡単な説明】
第1図は光ビームを用いた半導体試料の抵抗率
分布を測定する基本原理を示す図、第2図から第
4図までは従来の光ビームを用いた半導体試料の
特性測定装置の原理を示す図、第5図は本発明の
原理を示す図、第6図は第5図に対応する等価回
路図、第7図は本発明による半導体特性測定装置
の一実施例の態様を示すブロツク図である。 1,20,20′……光ビーム、2……半導体
試料、2′……表面、2″……裏面、3……正孔、
4……電子、5,12……探針、5,8″……シ
ヨツトキ接合、6……オーミツク電極、7……電
圧計、8,8′……透明電極、9……不透明電
極、10,11……浮遊キヤパシタンス、13…
…電解液、14……側壁、15……パルス電源、
16,27,29……偏向コイル、17,26,
28……陰極線管、18……光学フイルタ、19
……光学レンズ、20,21……光検知器、2
2,24……増幅器、23……スイツチ、25…
…同期検波器、30……加算器、31……走査電
源、32……調整器、39,39′……スペーサ
ー。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 パルス化され、かつ、収束された光ビームに
    よつて半導体試料の表面上を走査しながら照射す
    る光ビーム照射手段と、上記光ビームの照射によ
    つて上記試料の表裏面間に生じる光起電力をキヤ
    パシタンス結合によつて取り出すため上記試料の
    表側及び裏側に間隔を置いて配置された電極であ
    つて、これらの電極のうち少なくとも上記光ビー
    ムの照射側の電極が光透過性電極からなる上記電
    極と、上記電極によつて取り出された出力信号を
    上記光ビームのパルス化信号と比較・参照させる
    ことによつて上記光起電力の信号成分のみを取り
    出す同期検波回路と、上記同期検波回路からの出
    力の変化を観測するため上記信号成分を変調信号
    として入力する観測手段とを備えてなることを特
    徴とする半導体特性測定装置。 2 上記光ビーム照射手段が陰極線管と、輝度変
    調を行なうため上記陰極線管に接続されたパルス
    電源と、偏向を行なうため上記陰極線管の偏向コ
    イルに接続された走査電源と、収束を行なうため
    上記陰極線管と上記試料との間に配置された光学
    レンズとからなる特許請求の範囲第1項の半導体
    特性測定装置。 3 上記陰極線管と上記光学レンズとの間に上記
    光ビームの波長を揃えるための光学フイルタが付
    加されている特許請求の範囲第2項の半導体特性
    測定装置。 4 上記電極が光透過性の電気的絶縁板を介して
    上記試料上に配置している特許請求の範囲第1項
    の半導体特性測定装置。 5 上記観測手段が上記信号成分によつて輝度変
    調される陰極線管である特許請求の範囲第1項の
    半導体特性測定装置。 6 上記観測手段が上記信号成分によつて振幅変
    調される陰極線管である特許請求の範囲第1項の
    半導体特性測定装置。 7 パルス化され、かつ、収束された光ビームに
    よつて半導体試料の表面上を走査しながら照射す
    る光ビーム照射手段と、上記光ビームの照射によ
    つて上記試料の表裏面間に生じる光起電力をキヤ
    パシタンス結合によつて取り出すため上記試料の
    表側及び裏側に間隔を置いて配置された光透過性
    電極と、上記光ビームの照射によつて上記試料中
    を透過する光の強度を検出するため上記試料の裏
    側に配置された光検知手段と、上記電極によつて
    取り出された出力信号あるいは上記光検知手段か
    らの出力信号を上記光ビームのパルス化信号と比
    較・参照させることによつて上記光起電力の信号
    成分あるいは上記透過光の信号成分のみを取り出
    す同期検波回路と、上記同期検波回路からの出力
    の変化を観測するため上記信号成分を変調信号と
    して入力する観測手段とを備えてなることを特徴
    とする半導体特性測定装置。
JP5179381A 1981-04-08 1981-04-08 Measuring device for semiconductor characteristic Granted JPS56155543A (en)

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