(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウェーハに励起光を照射するパルス励起光照射手段と，上記パルス励起光照射手段により励起光が照射される半導体ウェーハの領域に検出用電磁波を放射する検出用電磁波放射手段と，半導体ウェーハにて反射された上記検出用電磁波の反射波を検出する検出手段とを具備し，上記反射波の上記パルス励起光照射前後のキャリア密度変化による反射率の変化に基づいて半導体ウェーハの少数キャリアのライフタイムを測定する少数キャリアのライフタイム測定装置において，
上記検出用電磁波放射手段により放射され上記半導体ウェーハに入射する上記検出用電磁波の電場ベクトルが入射面と平行になるように調整する偏波手段と，
上記検出用電磁波を，上記半導体ウェーハに対して，該半導体ウェーハに対するブリュースタ角を除くその近傍の角度で入射させる入射角調整手段とを具備してなることを特徴とする少数キャリアのライフタイム測定装置。
【請求項２】
上記検出用電磁波が赤外光である請求項１記載の少数キャリアのライフタイム測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，少数キャリアのライフタイム測定装置に係り，詳しくは半導体ウェーハの品質管理に用いられる，光伝導マイクロ波減衰法による少数キャリアのライフタイム測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の超ＬＳＩに代表される半導体デバイスの超精密化傾向に伴い，そこに使用される半導体ウェーハには，より厳しい品質管理が要求されるようになってきている。そこで，半導体ウェーハの結晶欠陥を評価する方法として，そのライフタイムの変動を測定評価する方法が一般に知られており，例えば特公昭６１−６０５７６号公報に開示された半導体ウェーハの少数キャリアのライフタイム測定装置（以下，従来技術という）等がある。
図５は上記従来技術に係る少数キャリアのライフタイム測定装置の一例Ａ０の概略構成を示す図である。図５に示す如く，ライフタイム測定装置Ａ０は，試料保持台兼搬送機構５１と，試料保持台兼搬送機構５１に支持される試料５２（半導体ウェーハ）の表面に光パルスを照射する光パルス発生器５３と，マイクロ波を発生させるガン発振器５４と，ガン発振器５４により発生されたマイクロ波を調整するインピーダンス整合器５５，Ｅ−Ｈチューナ５６，マジックＴ５８及び無反射終端５９と，上記マイクロ波を試料５２の表面に照射するための導波管６１と，上記試料５２により反射された反射マイクロ波を，上記導波管６１，上記マジックＴ５８，及びＥ−Ｈチューナ５７を介して検出する検波器６２と，該検波器６２により検出されたマイクロ波の変化を表示するシンクロスコープ６３とから構成されている。
以下，上記ライフタイム測定装置Ａ０の測定原理を説明する。
光パルス発生器５３から試料５２に対して照射された光パルスにより，試料５２に自由電子−正孔対であるキャリアが励起され，一時的にキャリア濃度が上昇する。その後，増加したキャリアは再結合により時間とともに次第に消滅し，キャリア濃度が低下する。このようなキャリア濃度の変化状態にある試料５２に対して導波管６１を介してマイクロ波が照射されると，キャリアに反射する反射マイクロ波の量は，キャリア濃度の増減に応じて変化する。即ち，反射マイクロ波の時間的変化は，発生したキャリアの時間的減衰波形と一致する。従って，ガン発振器５４により発生され導波管６１等を介して試料５２に照射されたマイクロ波の反射波を，再び導波管６１等を介して検波器６２により検出し，該反射マイクロ波の減衰波形を計測することにより，試料５２の物性を表す少数キャリアのライフタイムを測定することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一般に，キャリア濃度の高い（比抵抗の小さい）半導体試料ほど，パルス光照射によって変化するキャリア濃度の変化割合が小さくなるため，検出される反射マイクロ波の減衰波形の変化が小さくなる。従って，上記従来技術に係るライフタイム測定装置Ａ０では，キャリア濃度の高い（比抵抗の小さい）半導体試料を用いた場合には測定精度が劣化するという問題点があった。
また，高空間分解能で評価したい場合，検出用電磁波（上記従来技術ではマイクロ波を使用）の波長を小さくする必要がある。ところが，検出感度は概ね検出用電磁波の波長の二乗に比例するため，空間分解能を高めるほど検出感度が悪くなってしまう。従って，上記従来技術に係るライフタイム測定装置Ａ０では，検出用電磁波としてマイクロ波（波長：数ｍｍ〜数ｃｍ）に代わって，例えば赤外光（波長：１〜数十μｍ）を使用した場合，検出感度は極めて悪くなり測定精度の劣化や測定時間が長くなるという問題点もあった。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり，その目的とするところは，比抵抗の小さい半導体試料を対象とする測定や，短波長の検出用電磁波を用いた測定においても，高感度で測定を行うことが可能な少数キャリアのライフタイム測定装置を提供することである。
【０００４】
【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は，半導体ウェーハに励起光を照射するパルス励起光照射手段と，上記パルス励起光照射手段により励起光が照射される半導体ウェーハの領域に検出用電磁波を放射する検出用電磁波放射手段と，半導体ウェーハにて反射された上記検出用電磁波の反射波を検出する検出手段とを具備し，上記反射波の上記パルス励起光照射前後のキャリア密度変化による反射率の変化に基づいて半導体ウェーハの少数キャリアのライフタイムを測定する少数キャリアのライフタイム測定装置において，上記検出用電磁波放射手段により放射され上記半導体ウェーハに入射する上記検出用電磁波の電場ベクトルが入射面と平行になるように調整する偏波手段と，上記検出用電磁波を，上記半導体ウェーハに対して，該半導体ウェーハに対するブリュースタ角近傍の角度で入射させる入射角調整手段とを具備してなることを特徴とする少数キャリアのライフタイム測定装置（但し，入射角＝ブリュースタ角の場合を除く）として構成されている。
また，上記検出用電磁波として赤外光を用いれば，高分解能で且つ高感度の測定が可能となる。
【０００５】
【作用】
本発明に係る少数キャリアのライフタイム測定装置では，検出用電磁波放射手段から発せられた検出用電磁波は，偏波手段により電場ベクトルが入射面と平行になるように調整され（Ｐ偏光），更に入射角調整手段により入射角がブリュースタ角近傍の角度となるように調整され，半導体ウェーハの表面に照射される。また，パルス励起光照射手段により，上記半導体ウェーハの表面にパルス波が照射される。上記パルス励起光照射手段によりパルス光が照射されると，半導体ウェーハ内にキャリアが励起されるため，上記検出用電磁波の反射強度は瞬間的に上昇する。その後，キャリアの再結合による消滅のため，上記反射電磁波の反射強度は時間とともに低下し，やがて定常値に戻る。この反射電磁波の強度変化は検出手段により検出され，その強度減衰に基づいて半導体ウェーハの少数キャリアのライフタイムが測定される。ここで，図３（ブリュースタ角＝７４°の場合）に示すように，検出用電磁波をその電場ベクトルが入射面と平行になるように半導体ウェーハに対して入射させた場合には，上記入射角がブリュースタ角に近づくにつれ検出感度が高くなるため，本測定装置により垂直入射の場合に比べて高感度で測定することが可能となる。これにより，比抵抗の小さい半導体試料を対象とする測定や，短波長の検出用電磁波を用いた測定においても，高感度で測定を行うことが可能となる。また，上記検出用電磁波として赤外光を用いれば，高分解能で且つ高感度の測定が可能となる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下添付図面を参照して，本発明の実施の形態及び実施例につき説明し，本発明の理解に供する。尚，以下の実施の形態及び実施例は，本発明を具体化した一例であって，本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
ここに，図１は本発明の実施の形態に係るライフタイム測定装置Ａ１の概略構成を示す模式図，図２はパルス光の照射時刻暦と反射赤外光強度との関係を示すグラフ，図３はＰ偏光した検出用赤外光を半導体ウェーハ（ブリュースタ角＝７４°）に対して入射させた場合の，入射角と反射赤外光強度の変化率（ΔＩ／Ｉ）との関係を示すグラフ，図４はブリュースタ角θb の説明図である。
本実施の形態に係るライフタイム測定装置Ａ１は，図１に示すような概略構成を有する。
【０００７】
赤外半導体レーザ発振器１（検出用電磁波放射手段の一例）から発せられた赤外光１６（検出用電磁波の一例）は，光フィルタ３を通過してミラー４（入射角調整手段の一例）で反射され，波長板５（偏波手段の一例）により電場ベクトルが入射面と平行になるように調整され（Ｐ偏光），試料保持台１３上に設置された半導体ウェーハ１２の表面に入射角θで照射される。この入射角θは，上記ミラー４の角度をコンピュータ１０により変更することで調整される。半導体ウェーハ１２によって反射された反射赤外光は，ミラー６で反射され，レンズ７を介して光検出器（Ｇｅフォトダイオード）８（検出手段の一例）で受光される。上記光検出器８では，受光した赤外光の強度に応じた強度信号が出力される。光検出器８から出力された上記強度信号は増幅器９で増幅されて上記コンピュータ１０に取り込まれ，上記強度信号の時間変化が表示装置１１に出力される。また，パルス光源２（パルス励起光照射手段の一例）により発せられたパルス光１７は，図のように上記光フィルタ３で反射され，上記赤外光１６と同軸上を進んで上記半導体ウェーハ１２の表面に照射される。更に，上記半導体ウェーハ１２を設置する上記試料保持台１３はＸ−Ｙステージ１４上に搭載されており，その移動はステージドライバ１５を介して上記コンピュータ１０により制御される。これにより，半導体ウェーハ１２の所定位置の自動測定や全面の測定が可能である。尚，上記赤外半導体レーザ発振器１から発せられる赤外光１６の波長を１．５５μｍ，出力を２０ｍＷとし，上記パルス光源２により発せられるパルス光１７の波長を５２３ｎｍ，パルス幅１０ｎｍとする。また上記半導体ウェーハ１２の赤外光に対する屈折率を３．５とする。
上記赤外光１６の半導体ウェーハ１２への入射角θは，ブリュースタ角θb の近傍（ブリュースタ角と一致する場合を除く）に設定される。ブリュースタ角θb とは，屈折光線と反射光線とのなす角度が９０°になるときの光線の入射角（図４参照）をいい，次式のように屈折率ｎを用いて表される。
θb ＝ｔａｎ-1  ｎ
上記半導体ウェーハ１２は，屈折率ｎ＝３．５よりブリュースタ角θb ＝７４°となるため，上記入射角θは例えば７０°に設定される。
【０００８】
以下，ライフタイム測定装置Ａ１を以上のような構成とした理由について説明する。
図２に示すように，上記パルス光源２によりパルス光が照射されると，半導体ウェーハ１２内にキャリアが励起されるため，上記光検出器８で受光される反射赤外光の強度は瞬間的に定常値ＩからΔＩだけ上昇する。その後，キャリアの再結合による消滅のため，上記反射赤外光強度は時間とともに低下し，やがて定常値Ｉに戻る。この反射赤外光強度の減衰波形より半導体ウェーハ１２のライフタイムが算出される。この時，上記反射赤外光強度の定常値Ｉに対する上記変化量ΔＩの比で表される変化率（ΔＩ／Ｉ）が大きいほど，検出感度は高くなる。
上記ライフタイム測定装置Ａ１において，赤外光の半導体ウェーハ１２への入射角θを０〜９０°まで変化させたときの反射赤外光強度の変化率（ΔＩ／Ｉ）の変化を図３に示す。同図は，次のようなシミュレーションによって求められた。
空気中（比誘電率ε1 ＝１．０）から比誘電率（ε2 ）の半導体に，電場ベクトルが入射面と平行になるように調整された（Ｐ偏光）電磁波が入射角θi で入射したとき，電磁波の振幅反射率Ｒは次式で表される。
【数１】
0003648019.tif 000002
光励起によるキャリア密度変化による反射率変化Ｋは，
【数２】
0003648019.tif 000003
で計算される。
図３は，キャリア濃度２Ｅ１５／ｃｍ3 （比抵抗６．８Ωｃｍ）のＰ型シリコンに波長λ＝１．５μｍ（ｆ＝２Ｅ１４Ｈｚ）の赤外光を照射した場合の反射率変化（｜Ｋ｜2 ）を示した結果である。その他の物理定数は，μe ＝４．９６Ｅ１２，μh ＝１．０１Ｅ１３，ｍe ＝０．２６ｍ0 ，ｍh ＝０．３８ｍ0 （ｍ0 は電子の静止質量）とした。
【０００９】
図３より，反射赤外光強度の変化率（ΔＩ／Ｉ），即ち検出感度は，ブリュースタ角θb ＝７４°の近傍ほど高くなっており，その値は垂直入射（θ＝０°）の場合の１０倍以上を示している。また，同じ測定精度を得ようとすると，垂直入射の場合に比べて測定時間が１／１００程度に短縮できた。但し，入射角θがブリュースタ角θb と完全に一致する場合には，反射赤外光が０となるため測定不能となる。
以上のように，Ｐ偏光した赤外光を半導体ウェーハ１２に対してブリュースタ角θb の近傍の角度で入射させることにより，従来の垂直入射の場合に比べて検出感度を格段に高められることが明らかになった。
尚，入射角θをブリュースタ角θb に近づけると，検出感度が高まる反面，反射赤外光の強度自体は小さくなる（１／１０〜１／１００程度）が，上記の例では赤外半導体レーザ発振器１の出力を２０ｍＷとしているため，反射赤外光の強度は数十μＷ以上となり，光検出器８として用いているＧｅフォトダイオード（飽和値１００μＷ程度）により十分な検出感度が得られる。
以上説明したように，本実施の形態に係るライフタイム測定装置Ａ１では，検出用電磁波として用いられる赤外光が，その電場ベクトルが入射面と平行になるように半導体ウェーハに対して入射され，更にその入射角θが該半導体ウェーハに対するブリュースタ角近傍の角度に設定されるため，図３に示すように，垂直入射（θ＝０°）の場合の１０倍以上の高感度で測定することが可能となる。これにより，比抵抗の小さい半導体試料を対象とする測定や，短波長の検出用電磁波を用いた測定においても，高感度で測定を行うことが可能となる。
【００１０】
【実施例】
上記実施の形態では，検出用電磁波として赤外光を使用したが，電磁波の波長に応じた伝送路（導波管等の適用）を用いることで，マイクロ波，ミリ波，サブミリ波を用いることも容易である。但し，赤外光を使用する場合においては，半導体ウェーハ毎の比抵抗の違いに対する屈折率ｎの変化は小さいため，半導体ウェーハ毎に入射角θを調整する必要はないが，マイクロ波域では，半導体ウェーハ毎の比抵抗の違いに対する屈折率ｎの変化が大きいため，半導体ウェーハ毎に入射角θを調整する必要がある。
また，上記実施の形態では，パルス光照射による反射波の変化の検出において反射波の強度変化を検出する構成としたが，マイクロ波域では局発信号とのミキシング検波，光域では光干渉系を採用することにより反射波の位相変化を検出するように構成することも可能である。
【００１１】
【発明の効果】
本発明に係る少数キャリアのライフタイム測定装置は，半導体ウェーハに励起光を照射するパルス励起光照射手段と，上記パルス励起光照射手段により励起光が照射される半導体ウェーハの領域に検出用電磁波を放射する検出用電磁波放射手段と，半導体ウェーハにて反射された上記検出用電磁波の反射波を検出する検出手段とを具備し，上記反射波の上記パルス励起光照射前後のキャリア密度変化による反射率の変化に基づいて半導体ウェーハの少数キャリアのライフタイムを測定する少数キャリアのライフタイム測定装置において，上記検出用電磁波放射手段により放射され上記半導体ウェーハに入射する上記検出用電磁波の電場ベクトルが入射面と平行になるように調整する偏波手段と，上記検出用電磁波を，上記半導体ウェーハに対して，該半導体ウェーハに対するブリュースタ角近傍の角度で入射させる入射角調整手段とを具備してなることを特徴とする少数キャリアのライフタイム測定装置（但し，入射角＝ブリュースタ角の場合を除く）として構成されているため，図３（ブリュースタ角＝７４°の場合）に示すように，垂直入射の場合の１０倍以上の高感度で測定することが可能となる。これにより，比抵抗の小さい半導体ウェーハを対象とする測定や，短波長の検出用電磁波を用いた測定においても，高感度で測定を行うことが可能となる。
また，上記検出用電磁波として赤外光を用いれば，高分解能で且つ高感度の測定が可能となる。
【００１２】
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態に係るライフタイム測定装置Ａ１の概略構成を示す模式図。
【図２】  パルス光の照射時刻暦と反射赤外光強度との関係を示すグラフ。
【図３】  Ｐ偏光した検出用赤外光を半導体ウェーハ（ブリュースタ角＝７４°）に対して入射させた場合の，入射角と反射赤外光強度の変化率（ΔＩ／Ｉ）との関係を示すグラフ。
【図４】  ブリュースタ角θb の説明図。
【図５】  従来のライフタイム測定装置Ａ０の概略構成を示す模式図。
【符号の説明】
１…赤外半導体レーザ発振器（検出用電磁波放射手段の一例）
２…パルス光源（パルス励起光照射手段の一例）
４…ミラー（入射角調整手段の一例）
５…波長板（偏波手段の一例）
８…光検出器（検出手段の一例）
１２…半導体ウェーハ
１６…赤外光（検出用電磁波の一例）
１７…パルス光
【図１】
0003648019.tif 000004
【図２】
0003648019.tif 000005
【図３】
0003648019.tif 000006
【図４】
0003648019.tif 000007
【図５】
0003648019.tif 000008