(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光をパルス信号でパルス幅が１００μｓ以下の矩形波パルス光に変調し、このパルス光を半導体結晶の表面に照射し、発生する表面光電圧を容量結合により検知し、この表面光電圧の減衰時間をもとに前記半導体結晶の表面の結晶特性を評価することを特徴とする表面光電圧による半導体表面評価方法。
【請求項２】
前記レーザ光の光の透過長が前記半導体結晶中の少数担体の拡散長より短いことを特徴とする請求項１に記載の表面光電圧による半導体表面評価方法。
【請求項３】
前記レーザ光は波長が４８８ｎｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載の表面光電圧による半導体表面評価方法。
【請求項４】
前記表面光電圧は、２枚の電極を前記半導体結晶の上方に、空隙を介し又は絶縁膜を介して配置し、前記半導体結晶に遠い方の電極を接地し、近い方の電極から光電圧を取り出すことによって容量結合により検知することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の表面光電圧による半導体表面評価方法。
【請求項５】
前記電極は透明電極であり、この透明電極を介して前記パルス光を前記半導体結晶に入射することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の表面光電圧による半導体表面評価方法。
【請求項６】
半導体結晶の表面の結晶特性を評価する装置において、レーザ光を出射する光源と、前記レーザ光をパルス信号でパルス幅が１００μｓ以下の矩形波パルス光に変調し、このパルス光を前記半導体結晶の表面に照射するパルス光照射手段と、半導体結晶で発生する表面光電圧を容量結合により検知する表面光電圧検知手段と、この表面光電圧の減衰時間をもとに前記半導体結晶の表面の結晶特性を評価する手段と、を有することを特徴とする表面光電圧による半導体表面評価装置。
【請求項７】
前記レーザ光は、光の透過長が半導体結晶中の少数担体の拡散長より短いものであることを特徴とする請求項６に記載の表面光電圧による半導体表面評価装置。
【請求項８】
前記レーザ光は波長が４８８ｎｍであることを特徴とする請求項６又は７に記載の表面光電圧による半導体表面評価装置。
【請求項９】
前記表面光電圧検知手段は、前記半導体結晶の上方に空隙を介し又は絶縁膜を介して配置された２枚の電極を有し、前記半導体結晶に近い方の電極から光電圧を取り出し、遠い方の電極は接地することを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１項に記載の表面光電圧による半導体表面評価装置。
【請求項１０】
前記電極は透明電極であり、この透明電極を介して前記パルス光を前記半導体結晶に入射することを特徴とする請求項６乃至９のいずれか１項に記載の表面光電圧による半導体表面評価装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はシリコン基板上に半導体素子を作り込む半導体素子製造分野において、素子製造工程が適正であるか否か、換言すれば、製造工程が所望の仕様を満たしているか否かを検査するための表面光電圧による半導体表面評価方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近時、高性能の半導体素子は所謂プレーナ型の構造を有し、半導体表面とその上に形成された酸化膜が素子性能を左右することが多い。一例を上げると、大規模集積回路（ＬＳＩ）等に広く使われているＭＯＳ（金属・酸化膜・半導体）トランジスタでは、半導体表面（酸化膜と半導体との界面及び結晶表面から内部に向かって数μｍ程度の深さ迄の範囲を意味する）の特性がトランジスタの性能に大きな影響を与えることは広く知られている。また、最近テレビカメラ等の撮像素子として広く利用されている電荷結合素子においては、半導体表面の特性が、光で励起された所謂光担体（過剰担体）の輸送効率に直接影響を及ぼす。
【０００３】
具体的には、半導体と酸化膜の界面に存在する界面トラップ及び半導体表面近傍の結晶の不完全性が半導体表面の特性を決定している。即ち、界面トラップが多いと、例えば、半導体表面付近の光担体は界面トラップを介して再結合し、消滅する。このことは、電荷結合素子にあっては、光担体が輸送途中で失われることを意味し、撮像素子の特性が著しく劣化する。電荷結合素子の場合は、半導体表面にいわゆる表面電位（図１参照）が発生し、光担体はその表面電位で形成される電位の井戸、即ち表面電位に見合って形成される空乏層に保存されるが、表面特性が悪いと光担体の量は保存される間もなく減少してしまう。ＭＯＳトランジスタにおいては、ソースとドレインとの間の電流が流れにくくなる。なお、一般に界面トラップの多少は界面トラップ密度Ｄｉｔの高低（大小）で表す。
【０００４】
前述の如く、界面トラップ密度Ｄｉｔの高低は、プレーナ型の多くの素子においては、素子性能を左右するという意味で極めて重要である。この界面トラップ密度Ｄｉｔは、半導体表面の研磨状態に依存するのは当然として、酸化膜の形成工程にも極めて敏感に依存する。例えば、乾式酸化法で酸化膜を形成した場合は界面トラップ密度Ｄｉｔは極めて高くなるのに対して、湿式酸化法では桁違いに界面トラップ密度Ｄｉｔが低くなる。
【０００５】
界面トラップの発生は、酸素が半導体原子と結合する状態に依存するため、酸化膜の厚さにも依存する。近年、素子の微細化に伴い、相似則に応じて酸化膜も次第に薄くなっているが、酸化膜厚の変化は当然界面トラップの発生にも影響を与える。自然酸化膜は大気中の汚染物質を含むことから、異物混入の観点からも、界面トラップが増える。酸化膜形成当初に界面トラップ密度Ｄｉｔが低くても、半導体素子製造工程で広く利用されている気体プラズマに半導体基盤（ウエハ）が曝されると、放射線損傷等の理由で、界面トラップ密度Ｄｉｔが著しく増大する。
【０００６】
このように、素子製造工程において界面トラップが増大する原因が多数存在しており、界面トラップの増減は極めて流動的である。半導体表面の結晶性についても類似の懸念が付きまとう。つまり、各種工程で薄い酸化膜を介して不純物が結晶表面に到達することがあれば、当然結晶の表面特性は劣化の方向に変化する。従って、素子製造工程の完全性を保証するためには、素子製造工程途上で表面特性を検査することが望ましいことは明かである。
【０００７】
実際、界面トラップ密度Ｄｉｔの大小及び表面特性を検査する方法が実用化されており、半導体製造素子工程の評価に用いられている。現在、界面トラップの評価を主目的に、半導体製造工程で使用されている代表的な２種類の方法を以下に説明する。
【０００８】
（１）Ｃ−Ｖ（容量−電圧）法
界面トラップ密度を測定する標準的な方法としてＣ−Ｖ（容量−電圧）法が早くから実用化されている。この方法はＭＯＳトランジスタのゲート電極部と同じ構成を用いて界面トラップ密度Ｄｉｔを測定するもので、ゲート電圧を変化させながらゲート電極と半導体層との間の電気容量（キャパシタンス；Ｃ）を高周波電圧と準静的電圧の二者で測定し、容量（Ｃ）のゲート電圧（Ｖ）依存性から界面トラップ密度Ｄｉｔを決定するものである。界面トラップは光担体をトラップ（捕獲）するので、界面において一種の電気容量を形成する。この電気容量と界面トラップ密度Ｄｉｔの関係は理論的に決定されているので、理論と実験との対応から界面トラップ密度Ｄｉｔを決定できる。
【０００９】
この方法は界面トラップ密度Ｄｉｔを正確に決定できるが、測定を実行するためには酸化膜上に金属電極を形成する必要がある。このように、素子製造工程途上の半導体基盤（ウエハ）を工程から抜出してＣ−Ｖ（容量−電圧）測定を行えば、そのウエハには素子製造には不要な金属電極が付加されるから、同じウエハを再び製造工程に戻すことはできない。即ち、この方法は基本的に破壊検査法であり、製造工程途上のウエハの全数検査は不可能である。
【００１０】
近時、金属電極を酸化膜上に形成せず、空隙を介して電極を酸化膜に対向させる非接触型のＣ−Ｖ法が提案されている。この方法は、ウエハ上に金属電極を形成しないという点では非破壊検査であるが、Ｃ−Ｖ法を使用する限り、酸化膜に強い直流電場が印加されることになる。このことは、酸化膜中の電荷を強制的に移動させることを意味しており、工程から取出したウエハの状態を変化させることになる。しかし、イオン等が半導体表面に到達すれば、界面トラップの状態が変わり、従来のＣ−Ｖ法は、計測過程において、界面の状態を変化させてしまう危険性がある。従って、非接触型のＣ−Ｖ法は、本質的に破壊検査である。
【００１１】
また、半導体表面の特性は界面トラップのみで決まるわけではなく、素子特性は、空乏層の結晶性によっても極めて重要な影響を受ける。ところが、Ｃ−Ｖ法によっては空乏層の結晶の完全性については何の情報も得られない。これもＣ−Ｖ法の欠点となる。
【００１２】
（２）μ波光導電減衰法
界面トラップ密度Ｄｉｔの評価法として最近μ（マイクロ）波光導電減衰法が利用されている。元来この方法は半導体結晶中の少数担体寿命時間を測定するために開発された。寿命時間には幾つかの定義があるが、結晶表面の影響を受けていない結晶内部の寿命を一般にバルク寿命時間又は体積寿命時間と呼び、単に少数担体寿命時間といえば、この体積寿命時間を意味する。
【００１３】
ウエハ等に光を照射して光担体（過剰担体）を発生させ、この光担体の消滅過程をμ波の反射によって検知する。光担体の発生により、ウエハの導電率は局所的に増大するが、μ波の反射はウエハの導電率に依存している。従って、μ波の反射の大小は光担体の存在量を表すことになる。μ波の反射強度の時間変化を測定し、反射強度が１／ｅ（ｅは自然対数の底を示す）に減少する時間を光導電減衰時間と定義するが、慣習的にはこれを実効少数担体寿命時間と呼ぶことが多い。
【００１４】
この方法でウエハの（実効）少数担体寿命時間を評価し、測定する過程で、副次的な現象として、ウエハ表面（酸化膜が存在する場合は界面も含む）の影響を強く受けることが知見された。即ち、この方法で体積寿命時間を測定できるのは限られた場合であり、一般には界面トラップ等の影響を強く受けて、測定される光導電減衰時間には体積寿命時間の他に、表面における少数担体寿命時間（これは体積寿命時間に対して表面寿命時間と定義されている）の影響を強く受ける。即ち、表面で光担体が急激に消滅する影響と、逆に、表面で光担体が長く保存される効果が混入してくる。従って、ウエハの表面状態に依存して、体積寿命時間以上に光導電減衰時間が長くなることもあるし、体積寿命時間よりも遙かに短い光導電減衰時間が観測されることもある。
【００１５】
このように、μ波光導電減衰法が表面の影響を強く受けることを利用して、特別な場合にこの方法を界面トラップ密度Ｄｉｔの評価に用いることがある。実際、プラズマ等による照射損傷により界面トラップ密度Ｄｉｔが増えると、μ波光導電減衰時間が短くなる。この現象は少数担体の表面寿命時間が著しく減少した結果生じるものであるが、同じ現象は、界面トラップ密度Ｄｉｔの増大だけでなく、空乏層における結晶に欠陥が増えても表出する。即ち、μ波光導電減衰法によりＣ−Ｖ法よりも広範な情報を得ることができる。
【００１６】
μ波光導電減衰法は金属電極等を酸化膜に接触させることがないので、測定は完全に非接触・非破壊である。従って、μ波光導電減衰法で半導体表面を評価する場合は、既に述べたＣ−Ｖ法と異なり、素子製造工程から抜出したウエハの状態を変化させることなく検査が可能であり、必要に応じて検査後のウエハを製造工程に戻すことも不可能ではない。
【００１７】
しかし、観測される光導電減衰時間又は実効少数担体寿命時間は、当然、ウエハ中の少数担体寿命時間（体積寿命時間）の影響を強く受ける。従って、一般に光導電減衰時間が長い場合、その原因が結晶表面（表面寿命時間）にあるのか、又はウエハ内部の体積寿命時間にあるのかを区別できない。光導電減衰時間が短い場合も同様に判断できない。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように、Ｃ−Ｖ法で界面トラップ密度Ｄｉｔを評価しようとすると、外部から酸化膜に強い電場を印加するので界面状態が乱されてしまい、Ｃ−Ｖ法適用以前の界面トラップ密度Ｄｉｔの情報が失われてしまう危険性がある。この危険性を回避するためには、測定段階で界面に大きな電場変化を与えないことが必要である。
【００１９】
また、Ｃ−Ｖ法では空乏層の結晶性を評価できないが、実際に素子特性に影響を与えるのは界面を含む表面層（空乏層）の特性である。従って、空乏層の状態を含めた評価方法が必要となる。
【００２０】
μ波光導電減衰法により結晶（ウエハ）表面を評価する方法は、簡便であるが、前述の如く、ウエハ内部の体積寿命時間の効果を分離しない限り、正確に表面を評価することはできない。
【００２１】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、簡便で正確に結晶表面を評価できる表面光電圧による半導体表面評価方法及び装置を提供することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る表面光電圧による半導体表面評価方法は、レーザ光をパルス信号でパルス幅が１００μｓ以下の矩形波パルス光に変調し、このパルス光を半導体結晶の表面に照射し、発生する表面光電圧を容量結合により検知し、この表面光電圧の減衰時間をもとに前記半導体結晶の表面の結晶特性を評価することを特徴とする。
【００２３】
この場合に、前記レーザ光は、光の透過長が前記半導体結晶中の少数担体の拡散長より短いことが好ましい。
【００２４】
また、この表面光電圧による半導体表面評価方法において、前記レーザ光は波長が４８８ｎｍであることが好ましい。更に、前記表面光電圧は、２枚の電極を前記半導体結晶の上方に、空隙を介し又は絶縁膜を介して配置し、前記半導体結晶に遠い方の電極を接地し、近い方の電極から光電圧を取り出すことによって容量結合により検知することができる。この場合に、前記電極を透明電極とし、この透明電極を介して前記パルス光を前記半導体結晶に入射することができる。
【００２５】
本発明に係る表面光電圧による半導体表面評価装置は、半導体結晶の表面の結晶特性を評価する装置において、レーザ光を出射する光源と、前記レーザ光をパルス信号でパルス幅が１００μｓ以下の矩形波パルス光に変調し、このパルス光を前記半導体結晶の表面に照射するパルス光照射手段と、半導体結晶で発生する表面光電圧を容量結合により検知する表面光電圧検知手段と、この表面光電圧の減衰時間をもとに前記半導体結晶の表面の結晶特性を評価する手段と、を有することを特徴とする。
【００２６】
この表面光電圧による半導体表面評価装置において、前記レーザ光は波長が４８８ｎｍであることが好ましい。また、前記表面光電圧検知手段は、前記半導体結晶の上方に空隙を介し又は絶縁膜を介して配置された２枚の電極を有するように構成でき、この場合に、前記半導体結晶に近い方の電極から光電圧を取り出し、遠い方の電極は接地する。前記電極を透明電極とし、この透明電極を介して前記パルス光を前記半導体結晶に入射することができる。
【００２７】
本発明においては、光の透過長が、例えば、評価対象の半導体結晶中の少数担体の拡散長よりも十分に短く、また結晶表面に形成される空乏層と同程度か又はそれ以下であるレーザ光を矩形波パルス光に変調した後、このパルス光を半導体結晶に照射するから、半導体結晶の表面から表面光電圧が発生し、これを検知することにより、半導体結晶の表面の結晶特性を非破壊で検知することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について添付の図面を参照して具体的に説明する。なお、本明細書において、半導体結晶の例としてｐ型シリコンを使用して説明するが、これは理解を容易にするためであり、本発明はｐ型シリコンへの適用に限定されないことは勿論である。
【００２９】
先ず、本発明の原理について説明する。本発明は表面光電圧により半導体表面を評価する。本発明では酸化膜又は界面に外部から電圧を印加することなく、半導体表面に特定波長の光を照射したときに半導体ウエハ表面で発生する微弱な電圧を検知する。この発電電圧は光照射により半導体表面で発生するので、一般に「表面光電圧」と呼ばれているが、発電電圧の大きさは、後に再び触れるように、１ｍＶかそれ以下であり、Ｃ−Ｖ法で印加される１Ｖかそれ以上の値に比べると三桁も小さく、界面の状態に対する表面光電圧の影響は無視できる。
【００３０】
表面光電圧自体は１９５０年代の米国の学者らによって発見されたが、現象が複雑なため、当時は殆ど解明されず、その発生機構が明らかにされたのは１９７０年以降である。報告されている研究結果によれば、表面光電圧はウエハ等の表面に形成される酸化膜中に存在する酸化膜電荷が原因で発生する。この酸化膜電荷はウエハ表面に電場を形成するが、表面光電圧の結果的な原因はウエハ表面に形成された電場である。従って、光をウエハに照射して光担体を発生させても、ウエハ表面に電場が存在しなければ表面光電圧は発生しない。これは、μ波光導電減衰法が酸化膜電荷（表面電場）の有無によらずにμ波反射信号を得ることができるのと大きな違いである。即ち、μ波光導電減衰法は表面電場（酸化膜電荷）が零でも信号を得ることができるが、表面光電圧は全く発生しない。
【００３１】
上述した表面光電圧の発生機構から分かるように、表面光電圧は表面独特の現象であり、ウエハを照射する光の波長が後に示す一定条件を満たす限り、μ波光導電減衰法と異なり、ウエハ内部の情報が混入することはない。従って、表面光電圧を利用して界面トラップ密度Ｄｉｔを評価する場合は、後述するように、体積寿命時間で妨害をうけるμ波光導電減衰法の欠点を除去できる。
【００３２】
次に、界面トラップ密度Ｄｉｔと表面光電圧との関係について説明する。図１は酸化膜電荷による表面電位の発生を説明する図である。酸化膜電荷によってウエハ表面には表面電位が発生し、電場が形成される。換言すれば、ウエハ表面には、図１に示すように、空乏層（空間電荷層）が形成される。
【００３３】
熱処理をしていない半導体ウエハの表面には自然酸化膜があり、熱処理をしたウエハには熱酸化膜が存在する。何れの場合も酸化膜には酸化膜電荷が存在する。この電荷は多くの場合、ｐ型ウエハにあっては正であり、ｎ型ウエハの場合は負である。従って、多くの場合、ウエハ表面には表面電位が発生し、酸化膜電荷に見合って多数担体が枯渇している空乏層が存在する。例えば、ＬＳＩ製造に使われる抵抗率０．１Ωｍのｐ型シリコンウエハの場合、熱酸化膜を形成すると酸化膜中には１ｍＣ／ｍ2を超える正電荷（固定酸化膜電荷）が自然的に発生し、約１μｍ幅の空乏層が形成される。これをアルゴンレーザ光で照射すると、光の透過長は空乏層幅とほぼ等しいから、光担体は殆ど空乏層内で発生する。その結果、光担体のうちの少数担体（この場合は負電荷を有する電子）は、正の酸化膜電荷に吸収されるようにして、殆ど全て空乏層内部に留まる。逆に、光担体の内の多数担体（今の場合は正電荷を有する正孔）が正の酸化膜電荷に反発されて空乏層外に排斥される。
【００３４】
少数担体が空乏層の内部に入り込むことは、とりもなおさず表面光電圧の発生を意味する。何故ならば、少数担体が空乏層に浸入することにより、正の酸化膜電荷の効果が打ち消され、図１でφｓで示す表面電位が少しだけ低下することになり、これが外部回路によって表面光電圧として観測されるからである。ところが、表面光電圧を検知する筈の電極は電気的に絶縁物である酸化膜に隔てられてウエハ表面には接触できない。従って、表面光電圧は酸化膜を介して容量結合で測定されることになる。
【００３５】
空乏層の内部には表面電位（換言すれば、酸化膜電荷の量）に応じて多数担体（今の場合は正電荷である正孔）が殆どない。そのため、空乏層に入り込んだ少数担体（光担体の少数担体部分）は再結合する相手がいないので、長く生き延びる。つまり、一度発生した表面光電圧はなかなか減少しない。
【００３６】
ところが、界面トラップ密度Ｄｉｔが高いと少数担体は界面トラップを介して熱的に発生する正孔と容易に再結合して消滅する。その結果、表面光電圧は速やかに減少する。従って、表面光電圧の減衰時間を測定することにより、界面トラップ密度Ｄｉｔの評価が可能となる。
【００３７】
次に、空乏層特性と表面光電圧との関係について説明する。空乏層に吸引された（少数）光担体は界面トラップを介して消滅するだけではなく、他にも再結合過程が存在する。その一つが空乏層の結晶欠陥を介して再結合である。即ち、空乏層に金属原子等の異物又は結晶欠陥が存在すると、再結合中心が形成され、そこを介して過剰担体はウエハ内部の正孔と結合して消滅する。このように、表面光電圧の減衰時間は半導体表面の状態を反映することになる。
【００３８】
従って、表面光電圧の減衰時間が長ければ長い程、ウエハ表面の結晶性は完全に近いということができる。
【００３９】
上記原理に従って本発明が構成されており、以下、本発明の実施例について図２を参照して具体的に説明する。図２は表面光電圧による半導体表面評価装置を示す図である。接地された金属ステージ１上に、試料ウエハ２が配置されており、この試料ウエハ２上にマイラシート３と、透明電極４と、ガラス板５と、透明電極６との積層体が配置されている。最上層の透明電極６は接地されている。この積層体の上方には、レンズ７と、ＮＤフィルタ８と、ミラー９とが、試料ウエハ２の表面に垂直の光学軸上に位置するように配置されており、このミラー９の反射光軸上に、ＡＯＭ（音響光学変調器）１１とＡｒレーザ光源１０とが配置されている。レーザ光源１０は例えば波長４８８ｎｍのアルゴンレーザ光を出射する。ＡＯＭ１１はこのアルゴンレーザ光をパルス発生器１３からのパルスに同期して変調することにより、例えば、パルス幅が１００μｓ以下のパルスを得る。従って、アルゴンレーザ光源１０から発信されたレーザ光は、ＡＯＭ１１を介し、ミラー９にて反射した後、その光軸を試料ウエハ２の表面に垂直の方向に変更し、更にＮＤフィルタ８及びレンズ７を介して収束した後、透明電極６，ガラス板５，透明電極４及びマイラシート３を介して、試料ウエハ２に照射される。
【００４０】
このパルス光の入射により試料ウエハ２の表面にて発生する表面光電圧は、絶縁性のマイラシート３を介して試料ウエハ２に対向する下層の透明電極４にて検出され、この表面光電圧は、透明電極４からプリアンプ１５に入力され、増幅された後、オシロスコープ１４に入力される。一方、オシロスコープ１４にはパルス発生器１３からパルス信号が入力される。このパルス発生器１３の出力パルスはＡＯＭドライバ１２にも入力され、ドライバ１２によりＡＯＭ１１が駆動される。
【００４１】
次に、本実施例の動作について説明する。パルス発生器１３は所定のパルス信号をＡＯＭドライバ１２に出力し、ＡＯＭ１１はレーザ光源１０からのレーザ光を前記パルス信号で変調し、パルス幅が１００μｓ以下の所定の矩形波パルスを得る。この矩形波パルスは、ミラー９により反射し、ＮＤフィルタ８により適当な光量に減衰し、レンズ７により収束し、試料ウエハ２の表面に入射する。
【００４２】
パルス光の照射により、試料ウエハ２の表面にて光電圧が生起され、直ちに減衰する。図３はこの表面光電圧の発生及び減衰を示す電圧波形図（オシロスコープ輝線の出力図）である。図３の表面光電圧減衰特性は、電圧信号波形をデジタル信号に変換した後に記憶し、記憶された波形をプリンタに出力して得られたものである。この電圧波形はパルス幅１００μｓのパルス光を照射した場合に、パルスの立ち上がりで試料ウエハの表面に光電圧が発生し、光パルスの立ち下がりでその光電圧が減衰していくところが示されている。なお、この図３に示すような電圧波形において、電圧が最大値の１／ｅになる時間を表面光電圧減衰時間と定義する。
【００４３】
この表面光電圧は透明電極４により検出された後、プリアンプ１５に入力され、プリアンプ１５にて例えば１００倍に増幅された後、オシロスコープ１４に表示される。なお、パルス発生器１３のパルス信号もオシロスコープ１４に入力されており、オシロスコープ１４にはパルス信号と光電圧とが同時に表示されるようになっている。
【００４４】
前述のごとく、表面光電圧の減衰時間は半導体表面の状態を反映する。従って、表面光電圧の減衰時間が長ければ長い程、ウエハ表面の結晶性は完全に近い。そこで、オシロスコープ１４に表示された光電圧の減衰時間をもとに、試料ウエハ２の表面の状態、即ち結晶性を評価することができる。
【００４５】
光電圧を励起するためには光照射によって半導体中に光担体を励起することが必要である。しかも、このとき、光担体の発生領域は半導体表面付近でないといけない。このことを数式を使って表現すると次のようになる。
【００４６】
αＬn＞＞１    ・・・・（１）
【００４７】
上記式でαは光の吸収係数であり、半導体の種類と光の波長で決まる。Ｌnは少数担体（この場合は電子）の拡散長である。１／αは長さの単位を有し、これをＬα（＝１／α）とすれば、それは半導体中での光の透過長を意味する。式（１）を書き直すと
Ｌn＞＞Ｌα ・・・・（２）
となる。即ち、光の透過長は少数担体拡散長よりも充分短いことが必要であるが、ｐ型シリコン結晶の場合、Ｌｎが数μｍ以下の特別な場合を除き、青色光、例えばアルゴンレーザ光（波長は４８８ｎｍ）がこの条件を満たしている。
【００４８】
式（１）又は（２）で示した条件は、光担体発生を表面領域に限定するものであるが、これにより光担体は体積寿命時間の影響を受けなくなる。これは、光の透過長が拡散長より充分小さい場合には、光は拡散長の長短を識別できないことから明らかである。従って、短波長光を使用する限り、表面光電圧の減衰時間はμ波光導電減衰法と異なり、体積寿命時間の影響を受けることがない。
【００４９】
次に、光担体を発生するために光を照射する時間について述べる。Ｃ−Ｖ法で良く知られているように、半導体表面の空乏層内の電荷密度は早い電圧変化には応答しない。即ち、約１０ｋＨｚ程度以上の早い電圧変化では空乏層内部の電荷は外に漏れ出ることはない。従って、光を照射する時間が１００μｓ程度以下であれば、空乏層に入り込んだ少数担体は空乏層の外に出ることなく、空乏層の内部で正孔と再結合する。
【００５０】
よって、光を照射する光パルスの持続時間幅は約１００μｓ程度以下であることが望ましい。逆に、パルス幅が１００μｓを超えると、空乏層内部の電荷がウエハ表面から内部に向かって漏れだして、ついにはウエハ裏面に達し、ウエハ裏面の空乏層に入り込むことになる。その結果、ウエハ裏面の効果が混入し、解析が難しくなる。
【００５１】
表面光電圧の測定は容量結合で行わうことができる。従って、表面光電圧検知電極を空隙を介してウエハ上に配置してもよく、原理的に、表面光電圧測定は非接触測定が可能である。
【００５２】
しかし、空隙を介して電極をウエハ上に配置しようとすると、装置が高価になる。装置コストを低減するためには、検知電極を薄い高分子絶縁膜などを介して酸化膜に接触させてもよい。一般に、高分子絶縁膜の接触で酸化膜が破壊されることはないから、清浄な環境のもとで高分子絶縁膜などを介して酸化膜に接触させても良い。一般に、高分子絶縁膜の接触で酸化膜が破壊されることはないから、清浄な環境のものとで高分子絶縁膜を酸化膜に接触させても、破壊測定になることはない。
【００５３】
表面光電圧を検知する電極は光に対して透明であるか、又は、金属網のように、部分的に光を透過させるものであることが必要である。そうでないと、ウエハに光を照射できなくなる。ウエハ裏面をできるだけ広い面積で金属又は導電性材料の台に接触させ、金属又は導電性の台は電気的に接地する必要がある。また、光を裏面から照射する場合には、透明電極を用いてウエハ裏面から光をウエハに照射してもよい。
【００５４】
表面光電圧信号は光電力が２０μＷ程度の場合、１ｍＶ程度以下であるが、この電圧信号を広域増幅器で１００倍程度に増幅し、増幅器の出力を広帯域オシロスコープに導入する。例えば、１００μｓ後に光照射を停止すると、一度立ち上がった表面光電圧は急激に減少する。
【００５５】
表面光電圧減衰時間は、空乏層に入り込んだ光担体のうちの少数担体がいかに長く空乏層内で生き延びるかを示している。逆にいえば、表面光電圧減衰時間は光担体が再結合で消滅する時間である。この光担体の消滅とは、実効的に電荷が中和される状態も含むものである。少数担体の再結合は界面トラップ密度Ｄｉｔの高低及び空乏層内の結晶欠陥に依存することは既に述べたが、ウエハ内部から空乏層内に浸入してくる多数担体（正孔）の量にも依存する。
【００５６】
なお、１９５０年代には表面光電圧減衰時間がウエハの体積寿命時間を与えるのではないかと予想されたことがあった（E.O.Johson 1957:Journal of Applied Physics, volume 28, Number 11 pp.1349-1353）。しかし、表面光電圧の減衰時間は一般に励起光の波長に依存しているので、波長が明記されていない実験の解釈はできない。しかも、波長が短くない場合はμ波光導電減衰法の場合と同じで、表面寿命時間と体積寿命時間を並列的に測定していることになるので、正確な体積寿命時間は得られない。従って、図３に示す表面光電圧減衰特性の解釈は、上記文献の解釈とは異なり、本発明者等の研究成果に基づく新規なものであり、また本発明者らの理論により、本発明は優れた効果を奏するものである。
【００５７】
なお、パルス光の発生方法は上記方法以外に種々の方法がある。例えば、半導体レーザ及び発光ダイオードの駆動を矩波短パルス電流で行うことによりパルス光を発生させることができる。又は、ハロゲンランプ等の光源から適当なフィルタで短波長光を選択し、機械的なシャッタを使って、短パルス光を形成してもよい。
【００５８】
【発明の効果】
本発明によれば、空乏層と界面で定義される半導体結晶表面の状態を、結晶内部の担体寿命時間に邪魔されることなく、簡便に評価できる。本発明は酸化膜を有するウエハに金属電極を直接接触させることなく実施可能であるから、非破壊検査であり、ウエハの全数検査も可能である。
【００５９】
また、本発明によれば、表面電位、ひいては酸化膜電荷の存在と、その符号を検知することができる。即ち、表面電位が正、即ち、酸化膜電荷が正の場合は表面光電圧は負の方向に出現し、酸化膜電荷の符号が負の場合には、表面光電圧の符号は正となることから、電荷及び表面電位の符号を決定できる。従って、μ波光導電減衰法によってウエハの寿命時間を測定しようとする場合、減衰時間の長短が表面電位の影響によるものか否かを分離して把握することができる。その結果、μ波光導電減衰法による測定結果の正しい解釈が可能になる。
【００６０】
特に、シリコン結晶の場合は、ｐ型にあっては正の酸化膜電荷が、ｎ型の場合は負の酸化膜電荷が事実上表面光電圧の発生に寄与する。従って、表面光電圧の符号から、ウエハの導電性（ｐ又はｎ）を判定することができる。しかも、実時間測定が可能であり、即時に結果の判定が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】表面光電圧の発生機構を説明するためのエネルギレベルダイヤグラムである。
【図２】本発明の実施例に係る半導体表面評価装置を示す図である。
【図３】本発明の実施例方法にて検出された光電圧波形を示すものであって、オシロスコープ輝線の出力図であり、パルス光によって励起された表面光電圧の減衰特性を示す。
【符号の説明】
１：金属ステージ
２：試料ウエハ
３：マイラシート
４，６：透明電極
５：ガラス板
１０：Ａｒレーザ光源
１４：オシロスコープ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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