(57)【要約】【課題】本発明は、製造ライン中での測定を可能とし、従来のような事前の前処理や拡散係数の仮定を必要とせず、キャリア寿命をより精度よく測定し得る半導体キャリア寿命測定装置および該方法を提供する。【解決手段】本発明の半導体キャリア寿命測定装置Ａでは、マイクロ波光導電減衰法が利用されており、半導体の被測定試料Ｘが第１表面再結合速度状態である場合において、光照射部１によって互いに波長の異なる少なくとも２種類の光が被測定試料Ｘに照射されるとともに測定波入出力部２によって測定波が被測定試料Ｘに照射されて検出部３で検出された反射波または透過波の時間的な相対変化の第１差が求められ、前記第１差と同様に、第２表面再結合速度状態での第２差が求められ、これら第１および第２差に基づいて被測定試料Ｘのキャリア寿命が求められる。【選択図】図３
2011082312.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長が互いに異なる少なくとも２種類の光を測定対象の半導体に照射する光照射部と、
前記測定対象の半導体に所定の測定波を照射する測定波照射部と、
前記測定対象の半導体で反射された前記測定波の反射波または前記測定対象の半導体を透過した前記測定波の透過波を検出する検出部と、
前記測定対象の半導体が第１表面再結合速度状態である場合において、前記光照射部によって前記少なくとも２種類の光が前記測定対象の半導体に照射されるとともに前記測定波照射部によって前記測定波が前記測定対象の半導体に照射されて前記検出部で検出された前記反射波または前記透過波の時間的な相対変化の第１差と、前記測定対象の半導体が前記第１表面再結合速度状態と異なる第２表面再結合速度状態である場合において、前記光照射部によって前記少なくとも２種類の光が前記測定対象の半導体に照射されるとともに前記測定波照射部によって前記測定波が前記測定対象の半導体に照射されて前記検出部で検出された前記反射波または前記透過波の時間的な相対変化の第２差とに基づいて前記測定対象の半導体におけるキャリア寿命を求める演算部とを備えること
を特徴とする半導体キャリア寿命測定装置。
【請求項２】
前記少なくとも２種類の光は、赤外線領域の波長を持つ第１光および紫外線領域の波長を持つ第２光であること
を特徴とする請求項１に記載の半導体キャリア寿命測定装置。
【請求項３】
前記少なくとも２種類の光は、赤外線領域の波長を持つ第１光および可視光領域の波長を持つ第３光であること
を特徴とする請求項１に記載の半導体キャリア寿命測定装置。
【請求項４】
前記第１表面再結合速度状態から前記第２表面再結合速度状態へ前記測定対象の半導体を変化させる表面再結合速度状態変更部をさらに備えること
を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の半導体キャリア寿命測定装置。
【請求項５】
前記表面再結合速度変更部は、前記測定波照射部によって測定波が照射される半導体の測定波照射領域にコロナ放電を付与するコロナ放電付与部であること
を特徴とする請求項４に記載の半導体キャリア寿命測定装置。
【請求項６】
前記測定対象の半導体は、前記第１表面再結合速度状態として自然酸化膜が付与された状態であること
を特徴とする請求項４または請求項５に記載の半導体キャリア寿命測定装置。
【請求項７】
前記測定対象の半導体に発電用の光を照射する発電光照射部をさらに備えること
を特徴とする請求項１ないし請求項６の何れか１項に記載の半導体キャリア寿命測定装置。
【請求項８】
波長が互いに異なる少なくとも２種類の光を測定対象の半導体に照射する光照射工程と、
前記測定対象の半導体に所定の測定波を照射する測定波照射工程と、
前記測定対象の半導体で反射された前記測定波の反射波または前記測定対象の半導体を透過した前記測定波の透過波を検出する検出工程と、
前記測定対象の半導体が第１表面再結合速度状態である場合において、前記光照射工程によって前記少なくとも２種類の光が前記測定対象の半導体に照射されるとともに前記測定波照射工程によって前記測定波が前記測定対象の半導体に照射されて前記検出工程で検出された前記反射波または前記透過波の時間的な相対変化の第１差と、前記測定対象の半導体が前記第１表面再結合速度状態と異なる第２表面再結合速度状態である場合において、前記光照射工程によって前記少なくとも２種類の光が前記測定対象の半導体に照射されるとともに前記測定波照射工程によって前記測定波が前記測定対象の半導体に照射されて前記検出工程で検出された前記反射波または前記透過波の時間的な相対変化の第２差とに基づいて前記測定対象の半導体におけるキャリア寿命を求める演算工程とを備えること
を特徴とする半導体キャリア寿命測定方法。
【請求項９】
前記演算工程は、前記第１差と前記第２差とに基づいて、前記測定対象の半導体における拡散係数と表面再結合速度との比を求めて前記測定対象の半導体におけるキャリア寿命を求めること
を特徴とする請求項８に記載の半導体キャリア寿命測定方法。
【請求項１０】
測定対象の半導体が第１表面再結合速度状態である場合において、所定の測定波を前記測定対象の半導体に照射しながら、波長が互いに異なる少なくとも２種類の光を照射することによって、前記測定対象の半導体で反射された前記測定波の反射波または前記測定対象の半導体を透過した前記測定波の透過波の時間的な相対変化の第１差を測定する第１差測定工程と、
前記測定対象の半導体における表面再結合速度をＳとし、拡散係数をＤとする場合に、前記第１差測定工程によって測定された第１差に基づいて第１表面再結合速度状態でのＳ／Ｄを求める第１Ｓ／Ｄ演算工程と、
前記第１Ｓ／Ｄ演算工程で求めた第１表面再結合速度状態でのＳ／Ｄに基づいて拡散係数Ｄを求める拡散係数演算工程と、
前記第１表面再結合速度状態から前記第１表面再結合速度状態と異なる第２表面再結合速度状態へ前記測定対象の半導体を変化させる表面再結合速度状態変更工程と、
前記測定対象の半導体が第２表面再結合速度状態である場合において、前記測定波を前記測定対象の半導体に照射しながら、前記波長が互いに異なる少なくとも２種類の光を照射することによって、前記測定対象の半導体で反射された前記測定波の反射波または前記測定対象の半導体を透過した前記測定波の透過波の時間的な相対変化の第２差を測定する第２差測定工程と、
前記第２差測定工程によって測定された第２差に基づいて第２表面再結合速度状態でのＳ／Ｄを求める第２Ｓ／Ｄ演算工程と、
前記第２Ｓ／Ｄ演算工程で求めた第２表面再結合速度状態でのＳ／Ｄに基づいて表面再結合速度Ｓを求める表面再結合速度演算工程と、
前記表面再結合速度演算工程で求められた表面再結合速度Ｓに基づいて前記測定対象の半導体におけるキャリア寿命を求める寿命演算工程とを備えること
を特徴とする半導体キャリア寿命測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体におけるキャリア寿命を測定する半導体キャリア寿命測定装置および半導体キャリア寿命測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年のエレクトロニクスの発展により、様々な分野に半導体製品が活用されている。半導体製品は、一般に、半導体ウェハから製造されるため、半導体製品の高性能化には、半導体ウェハの品質管理が重要である。半導体ウェハの品質を評価する指標の１つとして、半導体におけるキャリアの寿命（ライフタイム）がある。特に、近年、クリーンなエネルギ源として太陽電池（ＰＶ）が注目されている。この太陽電池では、光照射によって発生したキャリア（電子と正孔（ホール））が途中で再結合することなく電極まで到達することが、高い光電変換効率を達成するために重要である。このため、ＰＶ用半導体ウェハにおいてもキャリア寿命を評価することが必要である。このキャリア寿命の評価によって、要求される仕様（スペック）に達しないＰＶ用半導体ウェハを製造工程で選別することによって、太陽電池の歩留まりが向上し、その結果、低コスト化も達成することができる。
【０００３】
このキャリア寿命を測定する方法の１つとしてマイクロ波光導電減衰法（μ−ＰＣＤ法）が知られている。このマイクロ波光導電減衰法は、測定対象である半導体（半導体試料、被測定試料）に光を照射することによって過剰キャリアを生成し、この過剰キャリアが前記半導体試料の物性によって決まるキャリア寿命で再結合して消滅する過程を、マイクロ波の反射率の時間変化または透過率の時間変化によって検出する方法である。過剰キャリアの生成は、半導体の導電率を増加させるため、光励起によって過剰キャリアの生成された半導体の部位（部分、領域）に照射されたマイクロ波は、その反射率または透過率が過剰キャリアの密度に対応して変化する。このマイクロ波光導電減衰法は、この現象を利用することによってキャリア寿命を測定するものである。
【０００４】
半導体ウェハの表面には、一般に、結晶性不整が存在し、これによってキャリアが半導体表面で再結合するいわゆる表面再結合が生じる。このため、キャリア寿命の測定結果には、半導体ウェハ内部の再結合によるキャリア寿命（バルクのキャリア寿命）だけでなく、この表面再結合によるキャリア寿命（表面のキャリア寿命）も含まれる。前記半導体ウェハの品質管理には、バルクのキャリア寿命が重要であり、表面再結合によるキャリア寿命は、測定誤差となる。このため、通常、半導体試料が測定前に熱処理され、半導体試料表面に酸化膜が形成されることで、前記表面再結合の発生が抑制されたり、半導体試料が測定前に例えばヨウ素を含有する溶液に浸漬されることで、表面再結合の原因となるいわゆるダングリングボンド等が不動態化（パッシベーション）されたり等する。このような事前の前処理は、手間と時間を要し、また熱処理によって半導体ウェハの性能劣化や薬液の浸漬によって半導体ウェハの汚染を生じさせてしまう。このため、より簡易に半導体ウェハにおけるバルクのキャリア寿命を測定する方法が望まれており、例えば、特許文献１や特許文献２に開示の技術や非特許文献１に開示の技術がある。
【０００５】
この特許文献１に開示の担体寿命測定方法は、熱平衡状態の半導体基板の表面近傍に光励起により過剰キャリアを注入し、過剰キャリア濃度の減衰過程をコンダクタンスの変化としてとらえてマイクロ波の反射量の時間的変化を検出して測定する光励起法による担体寿命測定方法であって、担体寿命の測定に先立って、半導体基板の表面に絶縁膜を設け、その上に電荷層を形成させ、前記半導体基板に設けた絶縁膜表面に正または負の電荷を堆積させ前記電荷層を形成させるのにコロナ放電を利用するものである。
【０００６】
この特許文献１に開示の担体寿命測定方法では、前記絶縁層の下のコロナ放電により生成される電荷層は、放電し易いため、半導体キャリアの寿命測定中に表面再結合が生じてしまい、この結果、精度のよい半導体キャリアの寿命測定が難しい。
【０００７】
そのため、特許文献２に開示の半導体キャリアの寿命測定装置は、半導体にパルス光を照射したときに、半導体に照射した所定の測定波の反射あるいは透過波の変化を測定することにより前記半導体のキャリアの寿命を測定する半導体キャリアの寿命測定装置であって、前記測定波を前記半導体の表面へ導く導波管と、前記導波管の前記半導体に近接する部分またはその近傍に設けられ、少なくとも前記測定波の反射波あるいは透過波の変化の測定中に所定の電圧が印加されてコロナ放電する第１の電極とを具備している。
【０００８】
また、非特許文献１に開示の寿命測定方法では、波長が異なって浸透長の異なる少なくとも２種類のパルス光が半導体に照射され、これによって半導体内に光励起キャリアが生成され、その後に、光励起キャリアが再結合することによって減少する反射波あるいは透過波の時間的な相対変化とその差が検出される。この非特許文献１に開示の寿命測定方法によれば、ウェハ表面の表面再結合速度にかかわらず、表面でのキャリア消滅とバルクでのキャリア消滅とを解析的に分けることができ、この結果、バルクのキャリア寿命を抽出可能であると非特許文献１に示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平０７−２４０４５０号公報
【特許文献２】特開２００４−００６７５６号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】J.Appl.Phys.Vol.69,(9),6495(1991)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、前記特許文献２に開示の半導体キャリアの測定装置は、加熱酸化膜形成等の事前の前処理工程を行う必要がない点や、半導体の測定波照射部分における帯電状態を測定中に維持する点等で有利であるが、測定中の放電によって帯電状態が変化すると測定誤差を生じてしまう。また、このため、帯電状態を安定させるための時間を要し、製造工程中に、すなわち製造ラインでキャリア寿命を測定して半導体ウェハを選別するために、前記特許文献２に開示の半導体キャリアの測定装置は、向いていない。これらのため、前記特許文献２に開示の半導体キャリアの測定装置には、改良の余地がある。
【００１２】
また、表面再結合速度をＳとし、拡散係数をＤとする場合に、前記非特許文献１に開示の寿命測定方法の測定結果から得られる値は、Ｓ／Ｄであり、この非特許文献１に開示の寿命測定方法は、Ｄ＝３０ｃｍ２／ｓと仮定することによって表面再結合速度Ｓを求め、そして、キャリア寿命を求めている。しかしながら、電子および正孔のキャリア濃度をそれぞれｎおよびｐとし、電子および正孔の拡散係数をそれぞれＤｎおよびＤｐとする場合に、実際の拡散係数は、（ｎ＋ｐ）／（ｎ／Ｄｐ＋ｐ／Ｄｎ）で与えられ、キャリア濃度や伝導型に依存し、定数ではない。さらに、事前に前処理を実施しない場合等のように表面再結合速度Ｓが比較的大きい場合には、測定される（観察される）キャリア寿命は、バルクのキャリア寿命に比べて小さく、かつその変化も小さくなり、測定誤差が大きくなってしまう。
【００１３】
本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、その目的は、製造ライン中でもキャリア寿命の測定を可能とし、従来のような事前の前処理を施すことなく、拡散係数の値を仮定することなく、キャリア寿命を従来に較べてより精度よく測定することができる半導体キャリア寿命測定装置および半導体キャリア寿命測定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者は、種々検討した結果、上記目的は、以下の本発明により達成されることを見出した。すなわち、本発明の一態様にかかる半導体キャリア寿命測定装置は、波長が互いに異なる少なくとも２種類の光を測定対象の半導体に照射する光照射部と、前記測定対象の半導体に所定の測定波を照射する測定波照射部と、前記測定対象の半導体で反射された前記測定波の反射波または前記測定対象の半導体を透過した前記測定波の透過波を検出する検出部と、前記測定対象の半導体が第１表面再結合速度状態である場合において、前記光照射部によって前記少なくとも２種類の光が前記測定対象の半導体に照射されるとともに前記測定波照射部によって前記測定波が前記測定対象の半導体に照射されて前記検出部で検出された前記反射波または前記透過波の時間的な相対変化の第１差と、前記測定対象の半導体が前記第１表面再結合速度状態と異なる第２表面再結合速度状態である場合において、前記光照射部によって前記少なくとも２種類の光が前記測定対象の半導体に照射されるとともに前記測定波照射部によって前記測定波が前記測定対象の半導体に照射されて前記検出部で検出された前記反射波または前記透過波の時間的な相対変化の第２差とに基づいて前記測定対象の半導体におけるキャリア寿命を求める演算部とを備えることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の他の一態様にかかる半導体キャリア寿命測定方法は、波長が互いに異なる少なくとも２種類の光を測定対象の半導体に照射する光照射工程と、前記測定対象の半導体に所定の測定波を照射する測定波照射工程と、前記測定対象の半導体で反射された前記測定波の反射波または前記測定対象の半導体を透過した前記測定波の透過波を検出する検出工程と、前記測定対象の半導体が第１表面再結合速度状態である場合において、前記光照射工程によって前記少なくとも２種類の光が前記測定対象の半導体に照射されるとともに前記測定波照射工程によって前記測定波が前記測定対象の半導体に照射されて前記検出工程で検出された前記反射波または前記透過波の時間的な相対変化の第１差と、前記測定対象の半導体が前記第１表面再結合速度状態と異なる第２表面再結合速度状態である場合において、前記光照射工程によって前記少なくとも２種類の光が前記測定対象の半導体に照射されるとともに前記測定波照射工程によって前記測定波が前記測定対象の半導体に照射されて前記検出工程で検出された前記反射波または前記透過波の時間的な相対変化の第２差とに基づいて前記測定対象の半導体におけるキャリア寿命を求める演算工程とを備えることを特徴とする。また、他の一態様では、上述の半導体キャリア寿命測定方法において、好ましくは、測定対象の半導体が第１および第２表面再結合速度状態の２つの状態での検出結果に基づいてキャリア寿命を求めるべく、前記演算工程は、前記第１差と前記第２差とに基づいて、前記測定対象の半導体における拡散係数と表面再結合速度との比を求めて前記測定対象の半導体におけるキャリア寿命を求めることである。
【００１６】
そして、本発明の他の一態様にかかる半導体キャリア寿命測定方法は、測定対象の半導体が第１表面再結合速度状態である場合において、所定の測定波を前記測定対象の半導体に照射しながら、波長が互いに異なる少なくとも２種類の光を照射することによって、前記測定対象の半導体で反射された前記測定波の反射波または前記測定対象の半導体を透過した前記測定波の透過波の時間的な相対変化の第１差を測定する第１差測定工程と、前記測定対象の半導体における表面再結合速度をＳとし、拡散係数をＤとする場合に、前記第１差測定工程によって測定された第１差に基づいて第１表面再結合速度状態でのＳ／Ｄを求める第１Ｓ／Ｄ演算工程と、前記第１Ｓ／Ｄ演算工程で求めた第１表面再結合速度状態でのＳ／Ｄに基づいて拡散係数Ｄを求める拡散係数演算工程と、前記第１表面再結合速度状態から前記第１表面再結合速度状態と異なる第２表面再結合速度状態へ前記測定対象の半導体を変化させる表面再結合速度状態変更工程と、前記測定対象の半導体が第２表面再結合速度状態である場合において、前記測定波を前記測定対象の半導体に照射しながら前記波長が互いに異なる少なくとも２種類の光を照射することによって、前記測定対象の半導体で反射された前記測定波の反射波または前記測定対象の半導体を透過した前記測定波の透過波の時間的な相対変化の第２差を測定する第２差測定工程と、前記第２差測定工程によって測定された第２差に基づいて第２表面再結合速度状態でのＳ／Ｄを求める第２Ｓ／Ｄ演算工程と、前記第２Ｓ／Ｄ演算工程で求めた第２表面再結合速度状態でのＳ／Ｄに基づいて表面再結合速度Ｓを求める表面再結合速度演算工程と、前記表面再結合速度演算工程で求められた表面再結合速度Ｓに基づいて前記測定対象の半導体におけるキャリア寿命を求める寿命演算工程とを備えることを特徴とする。
【００１７】
このような構成の半導体キャリア寿命測定装置および半導体キャリア寿命測定方法では、測定対象の半導体が第１表面再結合速度状態である場合において、少なくとも２種類の光が測定対象の半導体に照射されるとともに測定波が測定対象の半導体に照射されてその反射波またはその透過波の時間的な相対変化の第１差が求められ、測定対象の半導体が第１表面再結合速度状態と異なる第２表面再結合速度状態である場合において、少なくとも２種類の光が測定対象の半導体に照射されるとともに測定波が測定対象の半導体に照射されてその反射波またはその透過波の時間的な相対変化の第２差が求められ、そして、これら第１差および第２差に基づいて測定対象の半導体におけるキャリア寿命が求められる。
【００１８】
したがって、このような構成の半導体キャリア寿命測定装置および半導体キャリア寿命測定方法は、このように第１差および第２差が求められればよいので、製造ライン中でキャリア寿命を測定することが可能であり、また、従来のような事前の前処理を行う必要がなく、キャリア寿命を従来に較べてより精度よく測定することができる。そして、このように第１差および第２差が求められればよいので、測定対象の半導体における拡散係数の値を仮定する必要がなく、キャリア寿命を従来に較べてより精度よく測定することができる。
【００１９】
また、他の一態様では、上述の半導体キャリア寿命測定装置において、前記少なくとも２種類の光の波長差が大きいほど好ましいことから、前記少なくとも２種類の光は、赤外線領域の波長を持つ第１光および紫外線領域の波長を持つ第２光であることが好ましく、あるいは、前記少なくとも２種類の光は、赤外線領域の波長を持つ第１光および可視光領域の波長を持つ第３光であることが好ましい。
【００２０】
半導体に光を照射した場合にこの光（入射光）は、前記半導体内へ浸透するが、その浸透長は、入射光の波長に依存する。この構成によれば、前記少なくとも２種類の光の波長差が大きいので、それらの浸透長差も大きくなり、その結果、前記少なくとも２種類の光のそれぞれによる測定波の反射波または測定波の透過波に含まれる、表面再結合による影響の割合を大きく異ならせることが可能となる。したがって、この構成によれば、キャリア寿命を従来に較べてより精度よく測定することができる。
【００２１】
ここで、浸透長とは、光が照射される表面から、その光の光強度が入射強度の１／ｅとなる地点までの距離（深さ）であり、通常、光の波長が長いほど浸透長も長くなる（大きくなる、深くなる）。
【００２２】
また、他の一態様では、これら上述の半導体キャリア寿命測定装置において、前記第１表面再結合速度状態から前記第２表面再結合速度状態へ前記測定対象の半導体を変化させる表面再結合速度状態変更部をさらに備えることを特徴とする。
【００２３】
この構成によれば、表面再結合速度状態変更部によって測定対象の半導体における表面再結合速度状態をその第１状態から第２状態へ変更することが可能となる。
【００２４】
また、他の一態様では、上述の半導体キャリア寿命測定装置において、前記表面再結合速度変更部は、前記測定波照射部によって測定波が照射される半導体の測定波照射領域にコロナ放電を付与するコロナ放電付与部であることを特徴とする。
【００２５】
この構成によれば、コロナ放電によって第２再結合速度状態を実現することができる。そして、コロナ放電によって第２表面再結合速度状態を実現するため、コロナ放電の付与を終了することで測定対象の半導体における物理化学的な性状を元に戻すことができる。
【００２６】
また、他の一態様では、これら上述の半導体キャリア寿命測定装置において、前記測定対象の半導体は、前記第１表面再結合速度状態として自然酸化膜が付与された状態であることを特徴とする。
【００２７】
半導体ウェハは、使用前に、通常、その汚れ等の汚染を除去する洗浄処理を通して自然酸化膜がその表面に生成された状態となる。この構成によれば、この洗浄処理によって露出された自然酸化膜が第１表面再結合速度状態とされるので、第１表面再結合速度状態を実現する処理をこの洗浄処理と兼用することができ、工数を削減することが可能となる。
【００２８】
また、他の一態様では、これら上述の半導体キャリア寿命測定装置において、前記測定対象の半導体に発電用の光を照射する発電光照射部をさらに備えることを特徴とする。
【００２９】
この構成によれば、発電光照射部を備えるので、発電すべく光を照射されている状態での前記測定対象の半導体の実特性をより精度よく測定することができる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明にかかる半導体キャリア寿命測定装置および半導体キャリア寿命測定方法は、製造ライン中でもキャリア寿命の測定を可能とし、また、従来のような事前の前処理を施すことなく、拡散係数の値を仮定することなく、キャリア寿命を従来に較べてより精度よく測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】互いに波長の異なる２個の各光について、測定波の反射波における相対出力の時間変化の表面再結合依存性を示す図である。
【図２】互いに波長の異なる２個の各光における測定波の反射波の相対出力差の時間変化を示す図である。
【図３】実施形態の半導体キャリア寿命測定装置の構成を示す図である。
【図４】実施形態の半導体キャリア寿命測定装置の動作の一例を示すフローチャートである。
【図５】拡散係数を求める場合における半導体キャリア寿命測定装置の動作を示すフローチャートである。
【図６】解析例での、互いに波長の異なる２個の各光について、反射測定波の相対出力の時間変化を示す図である。
【図７】解析例での、互いに波長の異なる２個の各光における反射測定波の相対出力差の時間変化を示す図である。
【図８】Ｓ／Ｄ＝４０００の場合における拡散係数とバルクのキャリア寿命との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明にかかる実施の一形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、適宜、その説明を省略する。また、本明細書において、総称する場合には添え字を省略した参照符号で示し、個別の構成を指す場合には添え字を付した参照符号で示す。
【００３３】
まず、本実施形態にかかるキャリア寿命測定装置における測定原理について説明する。図１は、互いに波長の異なる２個の各光について、測定波の反射波における相対出力の時間変化の表面再結合依存性を示す図である。図１の横軸は、各光の照射が終了した時点を原点とするμｓ（マイクロ秒）単位で表す経過時間であり、その縦軸は、相対出力（測定波の反射波相対強度）である。図１には、波長９０４ｎｍの赤外光（太線）および波長３４９ｎｍの紫外光（細線）のそれぞれについて、表面再結合速度Ｓが２０（実線）、１００（破線）、１０００（一点鎖線）および１００００（二点鎖線）の各場合について測定波の反射波における相対出力の時間変化がそれぞれ示されている。ここで、δは後述の式４で定義されるものである。図２は、互いに波長の異なる２個の各光における測定波の反射波の相対出力差の時間変化を示す図である。図２の横軸は、図１の横軸と同様であり、その縦軸は、各光における測定波の反射波の相対出力差δである。表面再結合速度Ｓが２０（実線）、１００（破線）、１０００（一点鎖線）および１００００（二点鎖線）の各場合について、互いに波長の異なる２個の各光における測定波の反射波の相対出力差の時間変化が示されている。
【００３４】
マイクロ波光導電減衰法では、測定波の反射波における強度（相対出力）は、光照射の終了により過剰キャリアの減少により、図１に示すように、時間経過に従って順次に減少する。そして、そのプロファイルは、図１に示すように、測定対象の半導体に照射される光の波長に依存し、さらに、表面再結合速度Ｓに依存している。特に、表面再結合速度Ｓが１０００や１００００である場合では、各光の場合ともに、比較的大きく変化している。
【００３５】
このような測定結果について、マイクロ波光導電減衰法による測定で実際に観測されるキャリア寿命をτ１とし、バルクのキャリア寿命をτｂとし、拡散係数をＤとする場合に、式１が成り立つ。
１／τ１＝１／τｂ＋α２×Ｄ      ・・・（１）
ここで、αは、αを定義付ける特性方程式２の最低次の解として与えられる。なお、ｄは、光が照射される領域における半導体の厚みである。
（α×Ｄ／Ｓ）＝ｃｏｔ（α×ｄ／２）      ・・・（２）
【００３６】
そこで、表面再結合速度状態が異なる場合には、第１表面再結合速度状態において、測定で実際に観測されるキャリア寿命をτ１１とし、この場合におけるαをα１とし、この第１表面再結合速度状態と異なる第２表面再結合速度状態において、測定で実際に観測されるキャリア寿命をτ１２とし、この場合におけるαをα２とする場合に、式１ａ、式１ｂが成り立つ。
１／τ１１＝１／τｂ＋α１２×Ｄ      ・・・（１ａ）
１／τ１２＝１／τｂ＋α２２×Ｄ      ・・・（１ｂ）
【００３７】
したがって、この２個の式１ａ、式１ｂから拡散係数Ｄを消去することによって、式３が得られ、拡散係数Ｄに依存することなく、バルクのキャリア寿命τｂが求められる。
τｂ＝（α１２−α２２）／（α１２／τ１２−α２２／τ１１）      ・・・（３）
【００３８】
このような測定原理によって、本実施形態にかかるキャリア寿命測定装置は、τ１１、τ１２、α１およびα２を求めることでバルクのキャリア寿命τｂを求めることができる。
【００３９】
ここで、前記τ１１、τ１２は、測定で実際に観測される値であり、一方、これらα１およびα２は、式２によって与えられる値である。式２によれば、半導体の厚みｄは、測定可能であるから、Ｄ／Ｓを求めることによって、α１およびα２が求められる。ところで、このＤ／Ｓの逆数であるＳ／Ｄは、各光における測定波の反射波の時間的な相対変化の差δと相関関係にある値であり、この時間的な相対変化の差δに基づいてＳ／Ｄを求めることが可能である。なお、その詳細は、式４等を用いて後述するように、２波長の励起測定により、Ｓ／Ｄが評価される。そして、この時間的な相対変化の差δは、図２に示すように、表面再結合速度に依存するが、時間経過に従って略一定値となる。したがって、この時間的な相対変化の差δを求めることによって、これらα１およびα２も求めることが可能である。
【００４０】
また、半導体の評価において、バルクのキャリア寿命τｂ以外に、表面でのキャリア寿命を示す表面再結合速度Ｓの評価も重要である。このＳは、（Ｓ／Ｄ）にＤをかけることで求めることができる。
【００４１】
次に、より具体的に、本実施形態にかかるキャリア寿命測定装置について説明する。図３は、実施形態の半導体キャリア寿命測定装置の構成を示す図である。図３（Ａ）は、全体構成を示す図であり、図３（Ｂ）は、導波管アンテナ先端部を示す部分拡大図である。
【００４２】
本実施形態の半導体キャリア寿命測定装置Ａは、例えば、図３（Ａ）に示すように、光照射部１と、測定波入出力部２と、検出部３と、制御部４と、放電部５とを備えて構成される。
【００４３】
光照射部１は、測定対象の例えばシリコンウェハ等の半導体ウェハ（被測定試料）Ｘに、互いに浸透長を異ならせるために、互いに波長の異なる少なくとも２種類の光を放射するための装置である。本実施形態の半導体キャリア寿命測定装置Ａでは、光照射部１は、図３（Ａ）に示すように、互いに異なる２種類の光を放射するように構成されており、より具体的には、制御部４の制御に従って第１波長の第１光を発光する第１光源部１１−１と、第１光源部１１−１から射出された第１光を被測定試料Ｘへ向けてその光路を約９０度曲げる第１ミラー１２−１と、制御部４の制御に従って第２光源部１１−２から射出された第２光を被測定試料Ｘへ向けてその光路を約９０度曲げる第２ミラー１２−２とを備えて構成される。
【００４４】
第１および第２光源部１１−１、１１−２は、例えばランプと波長フィルタとを備えた光源装置等であってもよいが、本実施形態では、比較的大きな出力が得られる、レーザ光を発光するレーザ光源装置を備えて構成される。第１光と第２光は、単色光であって、より大きな浸透長差（より広い間隔で浸透長差）が生じるように、その波長差がより大きいこと（より広い間隔であること）が好ましく、例えば、第１光源部１１−１は、赤外線領域における所定波長のレーザ光、すなわち、赤外線レーザ光を発光する装置であり、第２光源部１１−２は、紫外線領域における所定波長のレーザ光、すなわち、紫外線レーザ光を発光する装置である。なお、第２光源部１１−２は、可視光領域における所定波長のレーザ光、すなわち、可視光レーザ光を発光する装置であってもよい。第１および第２光源部１１−１、１１−２の各波長は、例えば、被測定試料Ｘの種類に応じて適宜に選択される。例えば、被測定試料Ｘがシリコンウェハである場合では、前記観点に加えて光励起の効率化や光源１１の低コスト化の観点から、第１および第２光源部１１−１、１１−２の各波長は、９０４ｎｍと３４９ｎｍとの組合せ、あるいは、９０４ｎｍと５２３ｎｍとの組合せが好ましい。第１および第２光は、被測定試料に光を照射することによって光励起によるキャリア（電子と正孔（ホール））を被測定試料に生じさせ、半導体キャリア寿命測定装置Ａは、この生じたキャリアの寿命（キャリア寿命）を測定する装置であるから、第１および第２光は、点灯状態からステップ状に消灯状態に移行するものが好ましく、本実施形態では、例えばパルス光、より具体的にはパルスレーザ光である。
【００４５】
第１および第２ミラー１２−１、１２−２は、第２ミラー１２−２が第１光を透過するように構成され、第１ミラー１２−１によって光路を曲げられた第１光が第２ミラー１２−２を介して被測定試料に到達するように配置されてもよいが、本実施形態では、例えば、第１ミラー１２−１によって光路を曲げられた第１光の第１光路と第２ミラー１２−２によって光路を曲げられた第２光の第２光路とが被測定試料Ｘの光照射面（光照射領域）で交差してＶ字形状となるように、配置される。
【００４６】
測定波入出力部２は、被測定試料Ｘの光照射面に所定の測定波を入射するとともに、被測定試料Ｘで所定の相互作用を受けた測定波を射出するための装置であり、測定波照射部の一例に相当する。本実施形態の半導体キャリア寿命測定装置Ａでは、測定波入出力部２は、図３（Ａ）に示すように、測定波生成部２１と、導波管アンテナ２２と、Ｅ−Ｈチューナ２３と、導波管２４と、サーキュレータ２５とを備えて構成される。
【００４７】
測定波生成部２１は、制御部４の制御に従って前記所定の測定波を生成する装置である。本実施形態の半導体キャリア寿命測定装置Ａでは、キャリアの生成消滅過程で生じる半導体の導電率変化を測定波の強度変化で取り出すため、前記所定の測定波は、電磁波であればよいが、本実施形態では、マイクロ波であり、測定波生成部２１は、マイクロ波を生成するマイクロ波発振器を備えて構成される。測定波生成部２１は、サーキュレータ２５の１個の端子に接続され、測定波生成部２１から放射された測定波は、サーキュレータ２５に入射される。
【００４８】
サーキュレータ２５は、３つ以上の端子（ポート）を持ち、非可逆的に、一の端子の入力をサイクリックに他の端子へ出力するものであり、本実施形態では、３個の第１ないし第３端子を備え、第１端子に入射された測定波を第２端子へ射出し、第２端子に入射された測定波を第３端子へ射出する光学素子である。サーキュレータ２５の第１端子は、測定波生成部２１に接続され、その第２端子は、導波管２４に接続され、そして、その第３端子は、測定波検出部３１に接続される。
【００４９】
導波管２４は、測定波を導く伝播路を形成する部材であり、その一方端部にサーキュレータ２５の第２端子が接続され、その他方端部に導波管アンテナ２２が接続される。本実施形態では、測定波がマイクロ波であることから、導波管２４は、マイクロ波導波管である。
【００５０】
導波管アンテナ２２は、導波管２４を伝播して来た測定波を被測定試料へ放射するとともに、被測定試料と相互作用を受けた測定波を受信して導波管２４へ導くアンテナである。導波管アンテナ２２は、被測定試料の法線方向に沿って配設されており、一方端部が導波管２４に接続され、他方端部に開口部２２ａを備えている。この開口部２２ａは、測定波を被測定試料へ放射するとともに、被測定試料と相互作用を受けた測定波を受信するための開口である。そして、導波管アンテナ２２の一方端部には、光照射部１から放射された第１および第２光を導波管アンテナ２２内に案内するための開口部２２ｂを備えている。本実施形態では、測定波がマイクロ波であることから、導波管アンテナ２２は、マイクロ波アンテナである。
【００５１】
Ｅ−Ｈチューナ２３は、サーキュレータ２５と導波管アンテナ２２との間における導波管２４に介設され、被測定試料で相互作用を受けた測定波を測定波検出部３１でより良好に検出することができるように、測定波の磁界と電界とを調整する装置である。
【００５２】
検出部３は、被測定試料で相互作用を受けた測定波を検出する装置であり、例えば、被測定試料Ｘで相互作用を受けた測定波の強度を検出する測定波検出部３１を備えて構成される。本実施形態では、測定波がマイクロ波であることから、測定波検出部３１は、マイクロ波検出器を備えて構成される。
【００５３】
制御部４は、半導体キャリア寿命測定装置Ａの全体制御を司る装置であり、例えば、マクロプロセッサやメモリ等を備えるマイクロコンピュータを備えて構成される。そして、制御部４は、測定波検出部３１で検出した、被測定試料Ｘで相互作用を受けた測定波の強度に基づいてキャリア寿命を演算する演算部４１を備えている。この演算部４１には、例えば、測定波検出部３１で検出した測定波の反射波（反射測定波）の強度に基づいてキャリア寿命を演算するキャリア寿命演算プログラムを実行することにより、機能的に、第１状態演算部４１１と、第２状態演算部４１２と、寿命演算部４１３と、拡散係数記憶部４１４と、δ−Ｓ／Ｄテーブル記憶部４１５とを備えている。
【００５４】
第１状態演算部４１１は、被測定試料Ｘが第１表面再結合速度状態である場合において、光照射部１によって第１および第２光が被測定試料Ｘに照射されるとともに測定波入出力部２によって測定波が被測定試料Ｘに照射されて検出部３で検出された測定波の反射波における時間的な相対変化の第１差を求めるものである。より具体的には、第１状態演算部４１１は、本実施形態では、前記時間的な相対変化の第１差を求め、この求めた第１差に基づいて第１表面再結合速度状態でのＳ／Ｄを求め、そして、この求めた第１表面再結合速度状態でのＳ／Ｄに基づいて拡散係数Ｄを求めるものである。この求めた拡散係数Ｄは、次に同種の被測定試料Ｘを測定する場合に用いるために、拡散係数記憶部４１４に記憶される。
【００５５】
第２状態演算部４１２は、被測定試料Ｘが第１表面再結合速度状態とは異なる第２表面再結合速度状態である場合において、光照射部１によって第１および第２光が被測定試料Ｘに照射されるとともに測定波入出力部２によって測定波が被測定試料Ｘに照射されて検出部３で検出された測定波の反射波における時間的な相対変化の第２差を求めるものである。より具体的には、第２状態演算部４１２は、本実施形態では、前記時間的な相対変化の第２差を求め、この求めた第２差に基づいて第２表面再結合速度状態でのＳ／Ｄを求め、そして、この求めた第２表面再結合速度状態でのＳ／Ｄおよび第１状態演算部４１１で求めた拡散係数Ｄに基づいて、表面再結合速度Ｓを求めるものである。
【００５６】
寿命演算部４１３は、第２状態演算部４１２で求めた表面再結合速度Ｓに基づいてバルクのキャリア寿命τｂを求めるものである。
【００５７】
拡散係数記憶部４１４は、第１状態演算部４１２で求めた拡散係数Ｄを記憶するものである。
【００５８】
δ−Ｓ／Ｄテーブル記憶部４１５は、δ−Ｓ／Ｄテーブルを記憶するものである。δ−Ｓ／Ｄテーブルは、δ値とＳ／Ｄ値との対応関係を示すいわゆるルックアップテーブルであり、例えばシミュレーション等によって予め求められ作成される。前記時間的な相対変化の差δは、式４で示すように、測定波検出部３１で検出された、第２光（短波長光）の照射による反射測定波強度に対する第１光（長波長光）の照射による反射測定波強度の自然対数値である。
δ＝ｌｎ（（第１光（長波長光）反射測定波強度）／（第２光（短波長光）反射測定波強度））      ・・・（４）
【００５９】
放電部５は、制御部４の制御に従って被測定試料Ｘの表面再結合速度を第１表面再結合速度状態から第２表面再結合速度状態へ変化させるための装置であって、被測定試料Ｘの表面を少なくとも２以上の異なる表面再結合速度状態にするための装置であり、表面再結合速度変更部の一例に相当する。放電部５は、本実施形態では、例えば、コロナ放電を発生させ、測定波入出力部２によって測定波が照射される被測定試料Ｘの測定波照射領域（光照射領域）にこのコロナ放電を付与するコロナ放電発生装置であり、コロナ放電付与部の一例に相当する。放電部５は、例えば、図３（Ａ）に示すように、導波管アンテナ２２の開口部２２ａの付近に、高電圧を印加することによってコロナ放電する第１電極である第１コロナワイヤ５１と、測定波が照射される被測定試料Ｘの測定波照射領域に対向する被測定試料Ｘの裏面（裏面領域）の付近に、高電圧を印加することによってコロナ放電する第２電極である第２コロナワイヤ５２と、前記高電圧を第１および第２コロナワイヤ５１、５２のそれぞれに供給するべく、前記高電圧を発生する電源部５３と、第２コロナワイヤ５２を前記裏面領域の付近に取り付ける取り付け部材５４とを備えて構成される。
【００６０】
第１および第２コロナワイヤ５１、５２は、例えば、線径０．１ｍｍのタングステンワイヤ等である。図３（Ｂ）において、導波管アンテナ２２は、例えば角型管であり、その開口部２２ａの対向する２つの面それぞれの一部が切り欠かれ、この切り欠かれた部分それぞれに所定の絶縁体５１ａが設けられている。そして、第１コロナワイヤ５１は、これら対向する２つの前記絶縁体５１ａに渡らせて前記開口部２２ａの中央を横断するように取り付けられている（図３（Ｂ）には、絶縁体５１ａの一方のみが図示されている）。また、第１コロナワイヤ５１は、接続線５１ｂによって電源部５３に接続されており、これによって第１コロナワイヤ５１と導波管アンテナ２２とが絶縁される。第２コロナワイヤ５２も同様に絶縁されて取り付け部材５４に取り付けられている。また、第１コロナワイヤ５１と第２コロナワイヤ５２との間に被測定試料Ｘを配置するために、被測定試料Ｘを支持する図略の支持部材が設けられている。このように構成することによって、被測定試料Ｘに近接するように設けられた第１および第２コロナワイヤ５１、５２の電極に、電源部５３によって所定の電圧を印加することで発生したコロナ放電が被測定試料Ｘに付与される。
【００６１】
このような構成の半導体キャリア寿命測定装置Ａは、例えば、次のように動作することによって半導体のバルクのキャリア寿命τｂを測定する。図４は、実施形態の半導体キャリア寿命測定装置の動作の一例を示すフローチャートである。図５は、拡散係数を求める場合における半導体キャリア寿命測定装置の動作を示すフローチャートである。図６は、解析例での、互いに波長の異なる２個の各光について、反射測定波の相対出力の時間変化を示す図である。図６の横軸は、マイクロ秒単位で表す経過時間であり、その縦軸は、相対出力（測定波の反射波相対強度）である。赤外線領域の波長の光を照射した場合における反射測定波の強度が太線（ＹＡ１（ＩＲ））で示され、紫外線領域の波長の光を照射した場合における反射測定波の強度が太線（ＹＡ１（ＵＲ））で示されている。図７は、解析例での、互いに波長の異なる２個の各光における反射測定波の相対出力差の時間変化を示す図である。図７の横軸は、図６の横軸と同様であり、その縦軸は、各光における測定波の反射波の相対出力差δである。図８は、Ｓ／Ｄ＝４０００の場合における拡散係数とバルクのキャリア寿命との関係を示す図である。図８の横軸は、ｃｍ／ｓ２単位で表す拡散係数Ｄであり、その縦軸は、ｓ（秒）単位で表すバルクのキャリア寿命τｂである。
【００６２】
図４において、まず、測定したい半導体ウェハの表面の汚れや表面ダメージ等が、事前に例えばいわゆるケミカルエッチング等によって落とされ（洗浄処理）、自然酸化膜が付与された状態とされる（Ｓ１１）。この自然酸化膜が付与された状態が第１表面再結合速度状態とされる。そして、この洗浄処理後の半導体ウェハが被測定試料Ｘとして前記支持部材に配置され、第１コロナワイヤ５１と第２コロナワイヤ５２との間に挟まれる所定の測定位置にセットされる。
【００６３】
続いて、被測定試料Ｘが第１表面再結合速度状態である場合におけるＳ／Ｄが求められ、この求めたＳ／Ｄに基づいて拡散係数Ｄが求められる（Ｓ１２）。
【００６４】
より具体的には、制御部４の制御に従って測定波入出力部２によって測定波が被測定試料Ｘの測定波照射領域（光照射領域）に照射され、被測定試料Ｘで反射した測定波が検出部３で検出され、この検出結果が検出部３から制御部４へ出力される。さらにより具体的には、制御部４の制御に従って測定波生成部２１は、測定波を生成し、この生成された測定波は、サーキュレータ２５の第１端子に入射される。第１端子から入射した測定波は、サーキュレータ２５の第２端子から射出され、導波管２４に入射され、導波管２４内を伝播する。この導波管２４内を伝播する測定波は、途中に設けられたＥ−Ｈチューナ２３を経由して電界や磁界が調整され、被測定試料Ｘの測定波照射領域を照射するべく、導波管アンテナ２２の開口部２２ａから前記測定波照射領域に向けて放射される。そして、被測定試料Ｘで反射した測定波（反射測定波）は、導波管アンテナ２２の開口部２２ａから入射され、導波管アンテナ２２で受信される。この反射測定波は、Ｅ−Ｈチューナ２３を経由して導波管２４内を伝播し、サーキュレータ２５の第２端子に入射される。この第２端子から入射した反射測定波は、サーキュレータ２５の第３端子から射出され、検出部３に入射され、検出部３の測定波検出部３１でその強度が検出される。この検出した反射測定波の強度は、検出部３の測定波検出部３１から制御部４の演算部４１へ出力される。
【００６５】
一方、制御部４の制御に従って光照射部１によって第１および第２光が時分割で被測定試料Ｘの光照射領域（測定波照射領域）に照射される。さらにより具体的には、まず第１に、制御部４の制御に従って第１光源部１１−１は、パルスレーザ光の第１光を射出し、この射出された第１光は、第１ミラー１２−１で光路が屈曲され、導波管アンテナ２２の開口部２２ｂに入射され、導波管アンテナ２２内を伝播し、被測定試料Ｘの光照射領域を照射するべく、導波管アンテナ２２の開口部２２ａから前記光照射領域に向けて射出される。また、続いて第２に、制御部４の制御に従って第２光源部１１−２は、パルスレーザ光の第２光を射出し、この射出された第２光は、第２ミラー１２−２で光路が屈曲され、導波管アンテナ２２の開口部２２ｂに入射され、導波管アンテナ２２内を伝播し、被測定試料Ｘの光照射領域を照射するべく、導波管アンテナ２２の開口部２２ａから前記光照射領域に向けて射出される。なお、第１光および第２光の照射順は、上述と逆であってもよい。
【００６６】
これによって第１光を被測定試料Ｘに照射している場合に測定波を被測定試料Ｘに照射していれば、第１光による反射測定波の強度変化が測定波検出部３１を介して演算部４１に取り込まれ、また、第２光を被測定試料Ｘに照射している場合に測定波を被測定試料Ｘに照射していれば、第２光による反射測定波の強度変化が測定波検出部３１を介して演算部４１に取り込まれる。通常では、図５に示すように、測定波が被測定試料Ｘに照射され（Ｓ２１）、測定波を被測定試料Ｘに照射しながらパルスレーザ光の第１光（または第２光）を照射することによって、パルスレーザ光の第１光（または第２光）の照射直後（消灯直後）における反射測定波の強度変化が測定され（Ｓ２２）、また、測定波を被測定試料Ｘに照射しながらパルスレーザ光の第２光（または第１光）を照射することによって、パルスレーザ光の第２光（または第１光）の照射直後（消灯直後）における反射測定波の強度変化が測定される（Ｓ２３）。そして、第１および第２光の波長が互いに異なることで、被測定試料Ｘに対するそれらの浸透長も互いに異なり、この結果、浸透長が互いに異なる第１および第２光の照射による各反射測定波の強度がそれぞれ得られる。
【００６７】
例えば、図６に示すように、反射測定波の強度は、時間の経過とともに減少し、やがて、キャリアが熱平衡状態となって略一定となる。そして、この反射測定波強度の減少過程において、減少率（減少速度、単位時間あたりの減少量）は、初期では比較的大きく、時間の経過とともに小さくなる。また、第１光の赤外線レーザ光（ＩＲ）による反射測定波の時間的な強度変化は、第２光の紫外線レーザ光（ＵＶ）による反射測定波の時間的な強度変化よりも小さい。そして、図７に示すように、各時刻における、第１光の赤外線レーザ光（ＩＲ）による反射測定波の強度と第２光の紫外線レーザ光（ＵＶ）による反射測定波の強度との差δは、時間の経過とともに減少し、やがて略一定となっている。なお、図６および図７は、被測定試料Ｘがフッ酸洗浄した後の半導体ウェハである場合における解析例であり、表面再結合速度Ｓが９０００ｃｍ／ｓであって、バルクのキャリア寿命τｂが７９μｓである。
【００６８】
続いて、演算部４１の第１状態演算部４１１は、測定波検出部３１の出力に基づいてδ値を求め、このδ値が上述のように略一定となった値を求め、そして、δ−Ｓ／Ｄテーブル記憶部４１５のδ−Ｓ／Ｄテーブルを参照することによって、このδ値が略一定となった値に対応するＳ／Ｄを求める（Ｓ２４）。
【００６９】
続いて、演算部４１の第１状態演算部４１１は、この求めたＳ／Ｄを式２に用いることによって、第１表面再結合状態におけるα１を求める（Ｓ２５）。
【００７０】
続いて、演算部４１の第１状態演算部４１１は、式１を変形した式５で被測定試料Ｘにおける拡散係数に対するバルクのキャリア寿命τｂを評価することによって、拡散係数Ｄを求め、この求めた拡散係数Ｄを拡散係数記憶部４１４に記憶する（Ｓ２６）。この処理において、式５のαは、α１である。
τｂ＝１／（（１／τ１）−α２×Ｄ）      ・・・（５）
【００７１】
バルクのキャリア寿命τｂが例えば１００μｓ、好ましくは１０００μｓ（＝１ｍｓ）等のように、比較的大きい値である場合には、拡散係数Ｄは、式５のピーク値に一致した値となる。
【００７２】
例えば、Ｓ／Ｄ＝４０００であり、測定結果τ１＝４μｓである場合には、式５によるバルクのキャリア寿命τｂは、拡散係数Ｄを、ピークを含むような所定の範囲、例えば０から３０までの範囲で振って計算すると、図８に示すグラフとなり、式５によるバルクのキャリア寿命τｂは、一点でピークを持つ。このピークでの値（図８の例では約１５．６）が拡散係数Ｄとなる。
【００７３】
このような各処理によって、被測定試料Ｘが第１表面再結合速度状態である場合におけるＳ／Ｄが求められ、この求めたＳ／Ｄに基づいて拡散係数Ｄが求められる。
【００７４】
図４に戻って、続いて、この得られた拡散係数Ｄ（図８の例では約１５．６）に基づいて被測定試料Ｘの表面処理が行われる（Ｓ１３）。この表面処理は、好ましくは、例えば、コロナ放電処理、酸化処理、シリコンナイトライド、アモルファスシリコンおよびアルミナ膜を成膜することによるパッシベーション処理等が挙げられる。本実施形態では、測定に必要な時間だけ一時的に表面処理を行うことができて測定後に元の性状に戻ることができることから、被測定試料Ｘの表面処理として、コロナ放電処理が採用される。より具田的には、制御部４の制御に従って電源部５３は、第１および第２コロナワイヤ５１、５２に互いに異なる極性の高電圧を印加する。これによって第１および第２コロナワイヤ５１、５２のそれぞれからコロナ放電が被測定試料Ｘの両主面に与えられ、表面処理が為される。
【００７５】
続いて、被測定試料Ｘが第２表面再結合速度状態である場合におけるＳ／Ｄが求められ、この求めたＳ／Ｄに基づいて表面再結合速度Ｓが求められる（Ｓ１４）。
【００７６】
より具体的には、電源部５３によって第１および第２コロナワイヤ５１、５２に高電圧を印加しながら、図５を用いて上述した処理Ｓ２１ないし処理Ｓ２３の各処理と同様の処理によって、第１光による反射測定波の強度変化が測定波検出部３１によって検出され、また、第２光による反射測定波の強度変化が測定波検出部３１によって検出され、これら各反射測定波の強度変化が演算部４１に取り込まれる。
【００７７】
続いて、図５を用いて上述した処理Ｓ２４と同様の処理によって、演算部４１の第２状態演算部４１２は、測定波検出部３１の出力に基づいてδ値を求め、このδ値が略一定となった値を求め、そして、δ−Ｓ／Ｄテーブル記憶部４１５のδ−Ｓ／Ｄテーブルを参照することによって、このδ値が略一定となった値に対応するＳ／Ｄを求める。
【００７８】
続いて、演算部４１の第１状態演算部４１２は、この求めたＳ／Ｄに上述で求めた拡散係数Ｄを乗じることによって表面再結合速度Ｓを求める。
【００７９】
このような各処理によって、被測定試料Ｘが第２表面再結合速度状態である場合におけるＳ／Ｄが求められ、この求めたＳ／Ｄに基づいて表面再結合速度Ｓが求められる。
【００８０】
続いて、演算部４１の寿命演算部４１３は、この求めた表面再結合速度Ｓに基づき式１および式２を用いることによってバルクのキャリア寿命τｂを求める（Ｓ１５）。
【００８１】
そして、半導体キャリア寿命測定装置Ａは、例えば表示装置や印刷装置等の図略の出力装置に、この求めたバルクのキャリア寿命τｂを出力する。
【００８２】
なお、２回目以降の測定では、拡散係数記憶部４１４に記憶されている拡散係数Ｄを用いることで、処理Ｓ１１および処理Ｓ１２を省略し、処理Ｓ１３から測定が開始されてもよい。
【００８３】
このように本実施形態の半導体キャリア寿命測定装置Ａは、第１表面再結合速度状態での反射測定波の時間的な相対変化の第１差と第２表面再結合速度状態での反射測定波の時間的な相対変化の第２差が求められればよいので、製造ライン中でキャリア寿命を測定することが可能であり、また、従来のような事前の前処理を行う必要がなく、キャリア寿命を従来に較べてより精度よく測定することができる。そして、このように第１差および第２差が求められればよいので、測定対象の半導体における拡散係数の値を仮定する必要がなく、キャリア寿命を従来に較べてより精度よく測定することができる。
【００８４】
一般に、半導体に光を照射した場合にこの光（入射光）は、前記半導体内へ浸透するが、その浸透長は、入射光の波長に依存する。本実施形態の半導体キャリア寿命測定装置Ａでは、被測定試料Ｘの半導体に照射する光として、赤外線領域の波長を持つ第１光および紫外線領域の波長を持つ第２光、あるいは、赤外線領域の波長を持つ第１光および可視光領域の波長を持つ第３光が用いられている。このため、これら各光の波長差が大きいので、それらの浸透長差も大きくなり、その結果、これら各光のそれぞれによる反射測定波に含まれる、表面再結合による影響の割合を大きく異ならせることが可能となる。したがって、本実施形態の半導体キャリア寿命測定装置Ａは、キャリア寿命を従来に較べてより精度よく測定することができる。
【００８５】
また、本実施形態の半導体キャリア寿命測定装置Ａでは、被測定試料Ｘの表面再結合速度状態を第１表面再結合速度状態から第２表面再結合速度状態へ変化させる表面再結合速度状態変更部の一例として、被測定試料Ｘの測定波照射領域にコロナ放電を付与する放電部５を備えている。このため、本実施形態の半導体キャリア寿命測定装置Ａは、被表面再結合速度状態変更部の一例としての放電部５によって被測定試料Ｘにおける表面再結合速度状態をその第１状態から第２状態へ変更することが可能となり、そして、コロナ放電によって第２再結合速度状態を実現することができる。また、コロナ放電によって第２表面再結合速度状態を実現するため、コロナ放電の付与を終了することで被測定試料Ｘにおける物理化学的な性状を元に戻すことができる。
【００８６】
半導体ウェハは、使用前に、通常、その汚れ等の汚染を除去する洗浄処理を通して自然酸化膜がその表面に生成された状態となる。本実施形態の半導体キャリア寿命測定装置Ａでは、この洗浄処理によって露出された自然酸化膜が第１表面再結合速度状態とされるので、第１表面再結合速度状態を実現する処理をこの洗浄処理と兼用することができ、工数を削減することが可能となる。
【００８７】
次に、本実施形態の半導体キャリア寿命測定装置Ａにおける測定誤差について検討する。
【００８８】
前記時間的な相対変化の差δは、Ｓ／Ｄの比を求めるものであり、拡散係数Ｄが未知の状態では、表面再結合速度Ｓが決まらず、バルクのキャリア寿命τｂも決まらないことになる。特に、例えばケミカルエッチング程度の洗浄処理で、いわゆる表面処理を施さない半導体ウェハでは、一般に、測定（観測）される表面再結合速度Ｓは、約１００００ｃｍ／ｓであり、このため、バルクのライフタイムτｂは、数マイクロ秒程度である。したがって、この場合では、拡散係数Ｄが正確に求まったとしても、１次モードライフタイムτの見積もりには、０．０１％の精度が要求され、現実的ではない。さらに、半導体の同じインゴットにおいてもそこから分離されたウェハごとに拡散係数Ｄが異なることが予想される。
【００８９】
一方、本実施形態の半導体キャリア寿命測定装置Ａでは、洗浄処理により自然酸化膜の状態で被測定試料Ｘを測定することでまず拡散係数Ｄを求め、その後、表面再結合速度Ｓを小さくする表面処理（コロナ放電）を行い、そして、この状態で、再び被測定試料Ｘを測定している。このような測定における１次モードライフタイムτの測定精度（真値からのずれ；％）は、表１ないし表３の通りであり、例えば、バルクのライフタイムτｂを１０％程度の精度で求めるためには、１次モードライフタイムの測定精度が１％程度であればよい。なお、表１は、１次モードライフタイムの測定精度が±１０％である場合であり、表２は、１次モードライフタイムの測定精度が±１％である場合であり、表３は、１次モードライフタイムの測定精度が±０．１％である場合である。
【００９０】
【表１】
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【００９１】
【表２】
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【００９２】
【表３】
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【００９３】
なお、上述の実施形態において、発電すべく光を照射されている状態での太陽電池用半導体ウェハ（ＰＶ用半導体ウェハ）の実特性をより精度よく測定するために、半導体キャリア寿命測定装置Ａは、図３に破線で示すように、被測定試料Ｘに発電用の光を照射する発電光照射部６をさらに備えて構成されてもよい。発電光照射部６は、例えば、制御部４の制御に従って予め設定された所定の分光分布を持つ発電用の光（バイアス光）を放射する第３光源部６１と、第３光源部６１で放射されたバイアス光を被測定試料Ｘの前記光照射領域（測定波照射領域）に向けて導光する例えば光ファイバ等の導光部材６２とを備えて構成され、第３光源部６１で放射されたバイアス光が導光部材６２を介して被測定試料Ｘの前記光照射領域に照射される。これによって被測定試料ＸとしてのＰＶ用半導体ウェハは、発電用の光によってバイアスされる。前記所定の分光分布は、測定したいＰＶ用半導体ウェハの光励起キャリア等に応じて適宜に決定される。太陽光でのＰＶ用半導体ウェハのキャリア寿命をより精度よく測定する観点から、第３光源部６１は、太陽光と同じ分光スペクトルおよび放射照度を模した光を照明する照明装置であってよい。また、第３光源部６１は、上記観点から、１ＳＵＮに相当する光であることが好ましく、擬似太陽光スペクトルを持つ光であることがより好ましい。バルクのキャリア寿命τｂの測定では、発電光照射部６によって被測定試料Ｘをバイアス光で照射しながら、上述の各処理が実行される。このような発電光照射部６をさらに備えることによって、半導体キャリア寿命測定装置Ａは、発電すべく光を照射されている状態でのＰＶ用半導体ウェハの実特性をより精度よく測定することが可能となる。そして、ＰＶ用半導体ウェハは、比抵抗が比較的広範囲にばらついているとともに、実際の発電特性を評価する場合に、このようにＰＶ用半導体ウェハが光照射されるため、この光照射された状態における拡散係数が必要となり、ＰＶ用半導体ウェハの拡散係数を見積もることは、困難であるが、本実施形態の半導体キャリア寿命測定装置Ａは、上述のように動作するので、バルクのキャリア寿命τｂを従来に較べてより精度よく測定することができる。
【００９４】
また、上述の実施形態では、検出部３は、被測定試料Ｘに照射した測定波の反射波を検出したが、被測定試料Ｘに照射した測定波の透過波を検出するように構成されてもよい。例えば、測定波が照射される被測定試料Ｘの測定波照射領域に対向する被測定試料の裏面（裏面領域）の付近に、第２コロナワイヤ５２と干渉しないように、測定波の透過波を導波する導波管が設けられ、この導波管によって測定波の透過波を検出部３の測定波検出部３１へ導き、測定波の透過波の強度を検出するように、検出部３が構成される。このような構成によっても、半導体キャリア寿命測定装置Ａは、測定波の反射波を測定する場合と同様な各処理によって、バルクのキャリア寿命τｂを測定することができる。
【００９５】
本発明を表現するために、上述において図面を参照しながら実施形態を通して本発明を適切且つ十分に説明したが、当業者であれば上述の実施形態を変更および／または改良することは容易に為し得ることであると認識すべきである。したがって、当業者が実施する変更形態または改良形態が、請求の範囲に記載された請求項の権利範囲を離脱するレベルのものでない限り、当該変更形態または当該改良形態は、当該請求項の権利範囲に包括されると解釈される。
【符号の説明】
【００９６】
Ａ  半導体キャリア寿命測定装置
Ｘ  被測定試料
１  照射部
２  測定波入出力部
３  検出部
４  制御部
５  放電部
６  発電光照射部
１１−１  第１光源
１１−２  第２光源
２１  測定波生成部
３１  測定波検出部
４１  演算部
５１  第１コロナワイヤ
５２  第２コロナワイヤ
５３  電源部
６１  第３光源部
４１１  第１状態演算部
４１２  第２状態演算部
４１３  寿命演算部
４１４  拡散係数記憶部
４１５  δ−Ｓ／Ｄテーブル記憶部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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