JPS6318250A - 半導体結晶中の不純物評価方法及びその装置 - 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】 「産業上の利用分野」 本発明は、半導体結晶中の不純物を評価する方法とその
装置に関するものであって、更に詳言すれば、半導体結
晶中の深い不純物準位から浅い不純物準位までの広範な
種類の不純物について、その種類、量、分布状態、バン
ド構造に於けるエネルギー位置、結晶格子内での配置等
を評価することのできる発明である。

「従来の技術」 周知のように、高性能な集積回路を得るための半導体結
晶には高い純度が要求され、それに伴って半導体結晶中
の不純物を評価する手段が多く開発されている。

この手段として従来広く行われているのは１例えば、 ａ、光電導度法、特開昭５９−９６７４３号、ｂ、熱刺
激容量法。

Ｃ１光容量法、特開昭５９−１４３３３９号、ｄ、熱刺
激電流法、 ｅ、ディープレベル　トランジェント　スペクトロスコ
ピイ法（ＤＬＴＳ法）、 ｆ、放射化分析法（＼ＡＡ法）、 ｇ、フレームレス原子吸光分析法（ＦＡＡＳ法）。

特開昭６０−２３００４１号、 ｈ１局在格子振動モードによる赤外吸収法（ＬＶｈ法）
、特開昭６０−２５４４４号、 ｉ、スパークイオン質量分析法（ＳＳＭＳ法）。

、ｊ、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ法）、ｋ、イオ
ンマイクロアナライザー法（ＩＭＡ法）、１、Ｘ線マイ
クロアナライザー法（ＸＭＡ法）、ｍ、ラザフォード後
方散乱法（ＲＢＳ法）、ｎ１粒子線励起Ｘ線検出法（Ｐ
ＩＸＥ法）、０、フォトルミネッセンス法（ＰＬ法）、
等である。

「発明が解決しようとする問題点」 しかしながら、これ等の各手段には一長一短が有り、全
般にわたって優れた方法と云うのは存在せず、以下の如
き問題点があった。

例えば、上記したａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅの各手段は、電極
、プローブ等を介して試料に接触させなければならない
ので、試料の状態を変えてしまう虞れがある。

上記したｆ、ｇ、ｉ、ｊ、に、ｍ、ｎの各手段は、削切
、エツチング等を行う破壊性のものであって、試料をそ
のままの状態で維持することができない。

上記したａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｇ、ｈ、ｉ、ｊ、ｋ、１
、ｍ、ｎの各手段は、不純物が単位体積中に約１０１ｓ
（！ｌ−”以上台まれていなければ分析できない点で分
析感度が低く、全ての試料に対して対応することができ
ない。

上記したａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈ、ｉ、ｊ、に
、ｌの各手段では、例えば電極を装着する場合に成る程
度の大きさを必要とする点で、この操作が不可能となる
ような大きさの試料に対しては有効に目的を達成し得な
い。

上記したｅ、ｆ、ｇ、ｍ、ｏ、の各手段では、分析対象
となる不純物が限定され、全ての試料に対して対応する
ことができない。

上記したａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈ、ｎ、０、の
各手段では、含有する不純物の総量は判明するものの空
間分解能の低い点で問題が残っている。

上記したｉ、ｊ、ｋ、の各手段では、含有する不純物の
相対量を判定することはできても、絶対量が不明であっ
て、定量分析が確立していない。

そして、上記したす、ｄ、ｆ、ｇ、ｈ、ｉ、ｊ、ｋ、■
、ｍ、ｎの各手段では、含有する不純物の種類、量等は
判明するものの、現実に結晶内での分布状態やバンド構
造に於けるエネルギー位置が明らかにされない。

結晶中の不純物を、外部的な加工をすることなく感度良
く、より廉価に検出することが、光・電子集積回路、超
々大規模集積回路等の高機能素子の開発及び生産に不可
欠なものとなっているのであるが、上記した従来の半導
体結晶中の不純物を評価する手段では、上記要請に充分
対応できるものがなかったのである。

本発明は、上述した従来の問題点、欠点、不都合を解消
するべく開発された半導体結晶中の不純物を評価する方
法とその装置であって、半導体結晶中の深゛い不純物準
位から浅い不純物準位までの広範な種類の不純物につい
て、その種類、量、分布状態、バンド構造に於けるエネ
ルギー位置、結晶格子内での配置等を総合的に評価する
ことのできるようにすることを目的とする。

ｒ問題を解決するための手段及び作用」以下、本発明の
構成を、本発明の実施例を示す図面に基づいて説明する
。

本発明の半導体結晶中の不純物を評価する方法では、先
ず、液体ヘリウム温度から室温までの温度範囲で、半導
体結晶である試料１に対して、この結晶である試料１の
バンド・ギャップ・エネルギーよりも充分高いエネルギ
ーのレーザーを照射する。

エネルギーを吸収した電子系は、しばしば中間段階を経
て励起状態からエネルギーの低い状態へ遷移することに
よって光を放出することは知られており（ストークスの
法則）、上記の場合、レイリー光よりも約２０　ｍｅＶ
低エネルギー側に局所振動モードによる不純物固有のラ
マン散乱光が放出され、またバンド・ギャップ・エネル
ギーよりも約２０〜４０　ｍｅＶ低エネルギー側にフォ
トルミネッセンス光が放出されることになる。

そして、この放出されたラマン散乱光とフォトルミネッ
センス光とを、同時に測定することにより、試料１結晶
中の不純物の種類、量、分布状態、バンド構造に於ける
エネルギー位置、結晶格子内での配置等を評価するので
ある。

即ち、放出されたこれ等ラマン散乱光とフォトルミネッ
センス光とは、試料１結晶中の不純物の電子状態を反映
するものであって、その不純物固有の性質であるから、
上記したラマン散乱光とフォトルミネッセンス光の波形
を解析することにより不純物の種類等を分析することが
できる。

即ち、不純物から放出されるラマン散乱光とフォトルミ
ネッセンス光は、この不純物特有の波形として解析する
ことができるので、この不純物の種類、量、バンド構造
に於けるエネルギー位置、結晶格子内での配置が、深い
不純物準位から浅い不純物準位まで広範に分析でき、更
には、試料１全体を後述する如＜ｗｔ察することによっ
て、不純物の分布状態を解析できることになる。

フォトルミネッセンス光では、アクセプター不純物中心
の解析になるが、アクセプターのイオン化エネルギーを
Ｅ＾とすると、 Ｅ＝ＥＧｒ−Ｅ＾　＋１／２４ａＴ 逼ａ；ボルツマン定数 Ｔ；絶対温度 で表されるエネルギーに対応する光が観測できる。

但し、一つの不純物に対し、複数の光が放出されるので
、複数のスペクトルの温度依存性を観測し、且つそれ等
を系統的に評価する必要がある。

一方１局所振動モードに伴って観測されるラマン散乱光
に於いては、不純物によるエネルギー差を利用して微細
構造を評価するためには、低温での観測が有利であり、
従って、液体ヘリウム温度から室温までの温度範囲が必
要となる。

このようにして達成する観測は、試料１のごく一部に於
けるスポット的なものであるから、試料１全体の観測の
ためには、波長による試料１の吸収係数の違いを利用し
てレーザー光の波長を変えて、試料１内部に対するレー
ザー光の到達距離である深さ方向（Ｘ方向）を制御し、
また、Ｙ方向、Ｚ方向については、レーザー光をスポッ
ト移動させることにより、これ等の制御移動によって得
られた観測データを総合して、不純物の空間分布につい
ての総合的な評価を行うことになる。

また、上記した方法を実現するための装置は。

試料１となる半導体結晶が収納され、液体ヘリウム温度
から室温までの温度制御が可能な冷却装置２と、励起光
源制御系４に接続され、冷却装置２内の試料１結晶に照
射されるレーザー光ｇ５と、結晶１から放出されるフォ
トルミネッセンス光とラマン散乱光とを受光する分光器
８と、前記したレーザー光源５からの試料１に対する入
射スポットを二次元的に移動させるべく、前記した冷却
装置２を移動制御するＹ−Ｚ駆動系３と、冷却装置２と
温度情報を交換し、前記した励起光源制御系４と励起光
源情報を交換し、前記した分光器８と波長駆動系１１を
介して波長情報を交換し、更にＹ−２駆動系と位置情報
を交換する計算機９とから構成されている。

励起光源制御系４は、レーザー光源５の強度及び波長を
制御するものであって、その波長の違いに伴う試料１の
吸収係数の差を利用して試料１の不純物の深さ方向のプ
ロファイルを得ることになる。

また、同様に、ｙ−ｚ駆動系３を介して冷却装置２を移
動させることにより、試料１に対するレーザー光の入射
スポット位置を二次元的に移動させ、試料１全域の情報
を得ることになる。レーザー光源５と試料１との間、及
び試料１と分光器８との間には所定の光学系６．７が配
置されていて。

これ等のｒｍ　ｒをずらすことは光学的に困雅であって
手間のかかるものになるので、試料１自体を二次元移動
させなければならない。

更には、前述したように、冷却装置２内の温度を前記温
度範囲で制御することにより、広範囲にわたるデーター
を、放出されるラマン散乱光或いはフォトルミネッセン
ス光から得ることができよう。

このような本発明の手段、構成によって、半導体結晶で
ある試料１中の不純物を非破壊的に、高感度（１０１４
ａｎ−’）、高空間分解能（１−３μｍ）の高さを利用
した三次元プロファイルを不純物別に得ることが可能と
なる。

「実施例」 以下に、本発明の一実施例を＋　ＧａＡｓ半４体に関し
て説明する。

ＧａＡｓのバンド・ギャップ・エネルギーは、１．５１
８９ｅＶであるから、これよりも充分高いエネルギーの
レーザー光源５、例えば、２．４１０　ｅＶであるアル
ゴンイオンレーザ−、１，９６０ｅＶであるヘリラムネ
汁ンレーザーを照射することにより、前述したようなラ
マン散乱光、フォトルミネッセンス光が放出されること
になる。

前記温度範囲で任意に制御さ九る冷却装置２内で、試料
１は、±０．０５°にの精度で充分に温度制御される。

この際、冷却装置２全体は、前述したように、計算機９
と位置情報を交換して作動するＹ−Ｚ駆動系３を介して
二次元的に移動制御される。

試料１から放出される信号光であるラマン散乱光とフォ
トルミネッセンス光とは、光学系６によって位置補正さ
れ強度補正された後、分光器８しこ入る。

ここでの信号光は、ラマン波長ブロックとフォトルミネ
ッセンス波長ブロックとに分かれるため、その両者の間
に無信号領域 ＥＬ−０，１ｅＶ−ＥｌｅＶ （ＥＬ；　　励起光源用レーザーのエネルギー）が存す
る。

ラマン散乱光の信号領域は、約 ＥＬ　−ＥＬ　−０，１ｅＶ　　及び ＥＬ　−ＥＬ　＋　０．１ｅＶ 程度であり、フォトルミネッセンス光の信号領域は、約 Ｅｌ　　〜Ｅ！　　　１．ＯｅＶ 程度である。

そして、ラマン散乱光の波長駆動は、フォトルミネッセ
ンス光の波長駆動に比して１７１０程度の速度であるこ
とが望ましく、従って、上記した無信号領域に於いては
、この間の速度を極力速くした方が測定時間の短縮を図
れることになり、この無信号領域を除いてスキャンする
べく、分光器８と計算機９との間に位置する波長駆動系
１１が機能するものである。

さて、本発明を実施して具体的な不純物のデーターを観
察してみると、例えば、　Ｚｎ不純物、Ｃ不純物に対し
て、基本的な（ｅ、Ａ’）発光により、Ｅ　（Ｚｎ）　
＝　１．４８８８ｅＶ Ｅ　（Ｃ）＝１．４９３５ｅＶ のフォトルミネッセンス光が対応する。この場合の波長
精度は、０．１　Ａ’程度あれば充分である。

また、局所振動モードに伴うラマン散乱光は、レイリー
光から 八Ｅ　（Ｚｎ）　＝　２１　、７ｍｇＶΔＥ　（Ｃ）　
＝　１８．４ｍｅＶ のシフトとして観測される。

尚、計算機９は、冷却装置２と接続されて内部の試料１
の温度を制御し、励起光源制御系４と接続されてレーザ
ー光＠５の波長を制御し、分光器８と波長駆動系１１を
介して接続されてラマン散乱光とフォトルミネッセンス
光の波長情報を制御し、この分光器８と直接接続されて
信号光の強度信号を制御し、ｙ−ｚ駆動系と接続されて
冷却装置２内の試料１に対するレーザー光ｇ５のスポッ
ト照射位置を制御するが、更には、ディスプレイ１ｏ、
解析ソフト１２、データーバンク１３、プリンター１４
等に接続されて、観測評価を直ちに判明し得るようにし
ている。

「効果」 本発明は１以上説明したような構成となっており、作用
する。

従って、半導体結晶である試料内の不純物から放出され
るフォトルミネッセンス光とラマン散乱光とを同時に観
測することによって、半導体結晶中の深い不純物準位か
ら浅い不純物準位までの広範な種類の不純物について、
その種類、量、分布状態、バンド構造に於けるエネルギ
ー位置、結晶格子内での配置等を正確、旦つ確実に、し
かも迅速に観察評価することができる。

即ち電極、プローブ等を介して試料に接触させる必要が
ないので、試料の状態を変えてしまう虞れがなく、削切
、エツチング等を行う破壊性のものではないために、試
料をそのままの状態で維持することが可能であり、不純
物が単位体積中に約１０”（！１１−’程度含まれてい
るだけで分析できる点で分析感度が高く、全ての試料に
対して対応することができ、試料の大きさは光学系で絞
り込んだレーザー光のスポットサイズで足り、あらゆる
種類の不純物を分析対象にし、含有する不純物の総量を
明らかにすると共に空間分解能にも優れ、含有する不純
物の相対量と絶対量を判定することができ、更には含有
する不純物の現実に結晶内での分布状態やバンド構造に
於けるエネルギー位置を明らかにすることができる。

また上記した手段を実現するための本発明の装置は、極
めて簡単な構成であり、従って結晶中の不純物を、結晶
に対して外部的な加工をすることなく、感度良く、より
廉価に検出することができるので、光電子集積回路、超
々大規模集積回路等の高機能素子の開発及び生産に多大
の貢献をすることことが期待できる等、多くの優れた作
用効果を奏する画期的な発明である。

【図面の簡単な説明】

図面は１本発明の構成を示す説明図である。 符号の説明 １：試料、２；冷却装置、３；Ｙ−Ｚ駆動系、４；励起
光源制御系、５；レーザー光源、６．７；光学系、８；
分光器、９；計算機。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）、液体ヘリウム温度から室温までの温度範囲で、
   半導体結晶に対して、該結晶のバンド・ギャップ・エネ
   ルギーよりも充分高いエネルギーのレーザーを照射して
   、前記結晶から放出されるフォトルミネッセンス光とラ
   マン散乱光とを、同時測定することにより、前記結晶中
   の不純物の種類、量、分布状態、バンド構造に於けるエ
   ネルギー位置、結晶格子内での配置等を評価することを
   特徴とする半導体結晶中の不純物評価方法。
2. （２）、試料となる半導体結晶が収納され、液体ヘリウ
   ム温度から室温までの温度制御が可能な冷却装置と、励
   起光源制御系に接続され、前記冷却装置内の結晶に照射
   されるレーザー光源と、前記結晶から放出されるフォト
   ルミネッセンス光とラマン散乱光とを受光する分光器と
   、前記レーザー光源からの試料に対する入射スポットを
   二次元的に移動させるべく前記冷却装置を移動制御する
   Ｙ−Ｚ駆動系と、前記冷却装置と温度情報を交換し、前
   記励起光源制御系と励起光源情報を交換し、前記分光器
   と波長情報を交換し、更に前記Ｙ−Ｚ駆動系と位置情報
   を交換する計算機とから成る半導体結晶中の不純物評価
   装置。