(57)【要約】少数キャリア拡散長を、半導体ウェハ（８）の表面を、各々が異なる周波数（ｆ１，ｆ２）で変調された異なる波長を有する複数の光束からなるビーム（７）で照射することにより、迅速に、正確に、そして簡便に求める。異なる光束で誘起される表面光起電力は、異なる変調周波数（ｆ１，ｆ２）で表面光起電力信号をモニタすることにより同時に検出される。表面光起電力信号は周波数補正され、そして少数キャリア拡散長を算出するために使用される。
2004503100.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少数キャリア拡散長を求めることにより半導体試料を解析する方法であって、
各波長が異なる周波数で変調される複数の波長を含み、全ての波長に対して、かつ、光束の一次関数として表面光起電力を発生させるレベルで実質的に一定となる束の光で、半導体のある領域に同時に照射し、
前記光における前記複数の波長の各波長に対して、前記半導体中で発生する表面光起電力を同時に検出し、
前記表面光起電力の周波数依存性を補正して周波数補正された表面光起電力を生成し、および
周波数補正された表面光起電力で前記少数キャリア拡散長を算出する、
ことから成る方法。
【請求項２】
前記表面光起電力は前記半導体の照射された場所の付近に配置された電極により同時に検出される請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記表面光起電力の各々は、前記光の前記異なる変調周波数の各周波数で前記電極を通して検出される表面光起電力の振幅をモニタすることによりモニタされる請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記表面光起電力の位相を前記光の前記異なる変調周波数の各周波数でモニタすることからさらに成る請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記周波数依存性の補正は、少なくとも一つのモニタされた位相を使用して少なくとも一つの表面光起電力の振幅を調整することから成る請求項４に記載の方法。
【請求項６】
調整する前記位相及び前記振幅は同じ変調周波数でモニタされる請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記少数キャリア拡散長の算出は、前記周波数補正された表面光起電力を光透過深さの関数として解析することから成る請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記光透過深さは、
【数１】
2004503100.tif 000021
で与えられ、ＴＷはウェハ温度、λは光の波長である請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記少数キャリア拡散長Ｌを求めることは、さらに、各光透過深さに対して前記表面光起電力を
【数２】
2004503100.tif 000022
（式中
【数３】
2004503100.tif 000023
【数４】
2004503100.tif 000024
Ｓｂは裏面再結合速度、ｖ≡Ｄ／Ｌは少数キャリア拡散速度）で表される式に合わせ込むことから成る請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記少数キャリア拡散長は、式Ｌ＝（ｚ１−ｒ２１ｚ２）／（ｒ２１−１）（ここで、ｒ２１は前記透過深さｚ１及びｚ２に関する前記２つの表面光起電力の比率である）により求められる請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記表面光起電力の周波数依存性の補正が、前記表面光起電力を低周波数でリミットされる表面光起電力に計算し直すことから成る請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記表面光起電力の周波数依存性の補正が、前記表面光起電力を単一変調周波数に計算し直すことから成る請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記単一変調周波数は前記光の前記変調周波数の一つに対応する請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記光における個々の波長の各々は、前記半導体を透過して前記半導体の表面下の異なる透過深さまで達する請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
少数キャリア拡散長を求めることにより半導体試料を解析する方法であって、
複数の波長の各波長が異なる周波数で変調される複数の波長を含む光で、半導体のある領域を同時に照射し、および
前記光の前記複数の波長のうち少なくとも２つの波長により前記半導体中に生成される表面光起電力を同時に検出する、
ことから成る方法。
【請求項１６】
前記光における各波長の束を、前記束が全ての波長に対して、かつ、照射により生じる表面光起電力が前記束の一次関数となるレベルで実質的に一定となるまで調整することからさらに成る請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記検出された表面光起電力の周波数依存性を補正して、周波数補正された表面光起電力を生成することからさらに成る請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記周波数補正された表面光起電力で前記少数キャリア拡散長を算出することからさらに成る請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記少なくとも２つの表面光起電力が、前記半導体の照射された場所の付近に配置された電極により同時に検出される請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記検出された表面光起電力は、前記異なる変調周波数の各々で表面光起電力の前記振幅をモニタすることにより分離される請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記検出された表面光起電力の前記位相を前記異なる光変調周波数の各々でモニタすることからさらに成る請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記周波数依存性の補正は、前記検出された表面光起電力のうちの少なくとも一つのモニタされた位相を使用して前記検出された表面光起電力のうちの少なくとも一つの振幅を調整することから成る請求項１７に記載の方法。
【請求項２３】
前記位相及び前記振幅は同じ変調周波数でモニタされる請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記少数キャリア拡散長の算出は、前記検出された表面光起電力のうち少なくとも２つを光透過深さの関数として解析することから成る請求項１８に記載の方法。
【請求項２５】
前記光透過深さは、
【数５】
2004503100.tif 000025
で与えられ、ＴＷはウェハ温度、λは光の波長である請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記少数キャリア拡散長Ｌを求めることは、さらに各光透過深さに対して前記検出された表面光起電力を
【数６】
2004503100.tif 000026
（式中
【数７】
2004503100.tif 000027
【数８】
2004503100.tif 000028
Ｓｂは裏面再結合速度、ｖ≡Ｄ／Ｌは少数キャリア拡散速度）で表される式に合わせ込むことから成る請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記少数キャリア拡散長は、式Ｌ＝（ｚ１−ｒ２１ｚ２）／（ｒ２１−１）（ここで、ｒ２１は前記透過深さｚ１及びｚ２に関する２つの表面光起電力の比率である）により求められる請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
前記表面光起電力の周波数依存性の補正が、前記表面光起電力を低周波数でリミットされる表面光起電力に計算し直すことから成る請求項１７に記載の方法。
【請求項２９】
前記表面光起電力の周波数依存性の補正が、前記表面光起電力を単一変調周波数に関連する形に計算し直すことから成る請求項１７に記載の方法。
【請求項３０】
前記単一変調周波数は前記光の前記変調周波数の一つに対応する請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記光における波長の各々は、前記半導体中に過剰キャリアを発生させ、前記表面光起電力を誘起する請求項１５に記載の方法。
【請求項３２】
前記光における個々の波長の各々は、前記半導体を透過して前記半導体の表面下の異なる透過深さまで達する請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
半導体試料の少数キャリア拡散長を求める装置であって、
半導体試料を保持する並進可能な搭載部と、
異なる変調周波数で各波長の光が変調された複数の波長の光を同時に半導体試料上に向ける照射システムと、
前記異なる変調周波数で複数の表面光起電力を同時にモニタする検出システムと、
を備えた装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願は、米国特許法第１１９条（ｅ）項の（１）に基づき、２０００年６月２９日出願の仮出願出願番号６０／２１４，９８５の利益を主張する。
【０００２】
（発明の属する技術分野）
本発明は少数キャリア拡散長の決定に関し、詳細には、少数キャリア拡散長の迅速かつ正確な決定に関する。
（発明の背景）
半導体電子装置及び光電装置、そしてそれらの装置が組み込まれる集積回路の性能及び信頼性は、それらの装置を製造するために用いられる半導体の純度に依存して決まる。特に、製造及びプロセス工程中に半導体に取り込まれる可能性のある重金属（例えば、鉄、クロム及び他の金属）による汚染のレベルによっては、性能の劣化及び製造歩留まりの低下を招く。
【０００３】
半導体汚染を測る目安の一つは少数キャリア拡散長Ｌである。このパラメーターは、過剰な少数キャリアがその寿命の間に半導体中に拡散する有効距離である。少数キャリア拡散長の値は半導体材料の純度の指標として用いられる。Ｌは半導体の汚染濃度の目安となるが、これは重金属が再結合中心として作用し、少数キャリアの寿命を短くするためである。その結果、汚染濃度が高くなると、少数キャリア拡散長が短くなる。通常、シリコンウェハ内での拡散長は、不慮の事態により取り込まれることがあるウェハに悪影響を及ぼす恐れがある有害不純物の濃度を測定するために、超小型電子チップの製造過程の色々な段階で測定される。少数キャリア拡散長を頻繁にモニタすることにより、所与のプロセスまたは所与の器具がウェハを許容レベルを超えて汚染し始める時間を特定することができる。この段階で防止手段としのて処理設備の保守或いは薬品の交換を行うことにより、大きな製造損失を回避することができる。
【０００４】
拡散長を測定する一般的な技術には、表面光起電力を発生させるために半導体に光信号を当てる技術がある。表面光起電力は、入力光子のエネルギーが半導体のバンドギャップよりも大きく、そのようなエネルギーを有する光子が過剰キャリア（正孔及び電子）を発生させるときに現われる。光誘起、再結合及び拡散の結果、過剰キャリアの濃度プロファイルが半導体ウェハ表面の下に形成される。半導体表面付近の過剰キャリア濃度が大きくなると、表面空間電荷領域の電界が小さくなり、より大きな表面光起電力信号が発生する。
【０００５】
ある拡散長測定においては、光信号の強度変調により交流表面光起電力が発生し、それに伴って、半導体ウェハとにより形成されるキャパシタと半導体表面付近に配置された電極とに交流電気信号が発生する。続いて、交流電気信号は光変調周波数に調整されたロックイン増幅器を使用して測定され、表面光起電力が求められる。表面光起電力の測定を通して拡散長を求める装置は米国特許第５，０２５，１４５号及び５，６６３，６５７号に記載され、これら公報の内容全体が本発明の開示に含まれる。
【０００６】
通常、実用機器に用いられる拡散長測定技術は、半導体に対する複数の単色ビームを使用した一連の連続照射を使用するが、この際の各単色ビームは同一周波数で強度変調されるが、異なる波長を有する。異なる光波長はウェハ表面下の異なる深さに延びる領域に少数キャリアを発生させる。異なる波長から生成される該当する交流表面光起電力が連続して、すなわち、次々に測定され、その結果得られる表面光起電力Ｖ対励起深さｚ（すなわち、光透過深さ）のデータを使用して、少数キャリア拡散長が算出される。
【０００７】
米国材料試験協会（ＡＳＴＭ）は、連続測定された複数の表面光起電力信号を用いて拡散長を求める２つの方法を推奨している。例えばＡＳＴＭ　Ｆ３９１−９６を参照されたい。これらいずれの方法においても、拡散長の計算は表面の過剰少数キャリア濃度の定常状態式に基づいて行なわれ、低レベルの光変調及び半導体ウェハ厚に較べて短い少数キャリア拡散長に対して有効である。
【０００８】
この定常状態式は次のように表される。
【０００９】
【数９】
2004503100.tif 000003
ここで、Δｎ：過剰少数キャリア濃度；Ｌ：拡散長；ｚ：透過深さ；Φ：入射光子束；Ｒ：半導体の反射率；Ｄ：少数キャリア拡散定数で、Ｄ＝ｋＴ／ｑμ（ｋはボルツマン定数，Ｔは絶対温度，ｑは単位電荷，μは少数キャリア移動度）で表され；Ｓ：半導体正表面上の表面再結合速度；である。この式はＭｏｓｓのＪ．　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　ａｎｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ，　１，　１２６，（１９５５）に由来するものである。
【００１０】
ＡＳＴＭが推奨する方法の一つである一定マグニチュード法においては、光子束Φが測定され、各波長に対して同じ表面光起電力値を得るために調整される。この方法では、過剰少数キャリア濃度Δｎは光起電力が一定であるので一定であるとする。このようにして、拡散長はΔｎが一定のときに式（１）を用いて求められる。光透過深さｚの関数として光子束Φをプロットすると、拡散長は切片値、すなわち、Φ＝０のときのＬ＝−ｚｉｎｔとして求めることができる。一定マグニチュード法は例えば、ＧｏｏｄｍａｎのＪ．　Ａｐｐｌ．　Ｐｈｙｓ．　Ｖｏｌ．　３２，　ｐ．　２５５０，　１９６１及び米国特許第４，３３３，０５１号にさらに詳しく論じられている。
【００１１】
ＡＳＴＭが推奨する方法の第２の方法である一定線形光子束は、表面光起電力の測定にのみ依存する。この測定は、得られる表面光起電力が光子束に対する一次関数となるように低レベルの光強度で行なわれる。この条件の下では、表面光起電力は、少数キャリア濃度に正比例する。すなわち、Ｖ＝定数×Δｎで表され、この場合、定数は半導体不純物濃度及び表面電荷に依存するが、光子束には依存しない。この方法では、測定装置は、半導体に入射する有効光子束Φｅｆｆ＝Φ（１−Ｒ）が全波長、従って全透過深さｚに対して一定となるように製作される。短いＬ値に対しては、拡散長は透過深さｚの関数として、光起電力信号の逆数Φｅｆｆ／Ｖをプロットすることにより求められる。Φｅｆｆ／Ｖ＝０のときの切片値からＬ＝ｚｉｎｔを求めることができる。この方法は、米国特許第５，０２５，１４５号及び第５，１７７，３５１号、そして、Ｓｏｌｉｄ　Ｓｔａｔｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌ．　３５，　２７（１９９２）及びＳｅｍｉｃｏｎｄ．　Ｓｃｉ．　Ｔｅｃｈｎｏｌ．　７，　Ａ１８５（１９９２）にさらに詳しく論じられている。この方法を長い拡散長、すなわち、少数キャリア拡散長がウェハ厚を超える場合に適するように改良した方法が、Ｌａｇｏｗｓｋｉらによる米国特許第５，６６３，６５７号及びＡＳＴＭ　ｓｔｏｃｋ　＃　ＳＴＰ１３４０　ｐ．　１２５（１９９８）にも論じられている。
【００１２】
（発明の概要）
本発明は、現行の方法よりも速い、例えば少なくとも２倍速いスピードで少数キャリア拡散長Ｌを測定する表面光起電力（ＳＰＶ）装置及び方法を提供する。スピードの高速化は、複数の連続する表面光起電力の測定を、（全ての透過深さに対する）全ての表面光起電力信号の瞬時に同時に行われる１回の測定に置き換えることにより達成される。
【００１３】
本発明の装置は、少数キャリア拡散長を求めるために前のセクションに記載した一定線形光子束法を用いる。装置は、異なる波長の連続ビームではなく全波長群を含むビームで半導体ウェハを同時に照射する。ビームを構成する各成分、すなわち、波長群単位中の各単色波長は、同じ周波数ではなく異なる周波数（すなわち、λ１を周波数ｆ１で、λ２を周波数ｆ２で、など）で変調する。異なる波長の各々により生成されるすべてのＳＰＶ信号の振幅及び位相は、異なる周波数にそれぞれ調整されたロックイン増幅器の並列入力を使用して同時に測定される。例えば、光起電力の振幅Ｖｆ１及びその位相ψｆ１が周波数ｆ１で測定され、光起電力の振幅Ｖｆ２及びその位相ψｆ２が周波数ｆ２で測定される。一般に、単色波長の各々は、異なる中心波長及び線幅、約１５ｎｍ，１０ｎｍまたは５ｎｍに等しいかそれ以下の半値全幅（ＦＷＨＭ）を有する。
【００１４】
本発明の一態様は、少数キャリア拡散長を求めることにより半導体試料を解析する方法を特徴とする。この方法は、各波長が異なる周波数で変調される複数の波長を含み、全ての波長に対して、かつ、光束の一次関数として表面光起電力を発生させるレベルで実質的に一定となる束の光で、半導体のある領域に同時に照射し；光における複数の波長の各波長に対して、半導体中で生じる表面光起電力を同時に検出し；表面光起電力の周波数依存性を補正して周波数補正された表面光起電力を生成し；および、周波数補正された表面光起電力で少数キャリア拡散長を算出することから成る。
【００１５】
本発明の別の態様は、少数キャリア拡散長を求めることにより半導体試料を解析する方法を特徴とする。この方法は、複数の波長の各波長が異なる周波数で変調される複数の波長を含む光で、半導体のある領域を同時に照射し；および、光の複数の波長のうち少なくとも２つの波長により半導体中に生成される表面光起電力を同時に検出することから成る。この方法はさらに、光における各波長の束を、束が全ての波長に対して、かつ、照射により生じる表面光起電力が束の一次関数となるレベルで実質的に一定となるまで調整することから成る。この方法はまた、周波数補正された表面光起電力を発生させるために、検出された表面光起電力の周波数依存性を補正し、周波数補正された表面光起電力を用いて少数キャリア拡散長を算出することから成る。
【００１６】
これらの態様の実施形態は、以下の一つ以上を含んでもよい。表面光起電力は半導体の照射された場所の付近に配置された電極により同時に検出される。表面光起電力の各々は、光の異なる変調周波数の各周波数で電極を通して検出される表面光起電力の振幅をモニタすることによりモニタされる。この方法はさらに、表面光起電力の位相を光の異なる変調周波数の各周波数でモニタすることから成る。周波数依存性の補正は、少なくとも一つのモニタされた位相を使用して少なくとも一つの表面光起電力の振幅を調整することから成る。調整する位相及び振幅は同じ変調周波数でモニタされる。少数キャリア拡散長の算出は、周波数補正された表面光起電力を光透過深さの関数として解析することから成る。光透過深さは
【００１７】
【数１０】
2004503100.tif 000004
で与えられ、ＴＷはウェハ温度、λは光の波長である。少数キャリア拡散長Ｌを求めることは、さらに、各光透過深さに対して表面光起電力を
【００１８】
【数１１】
2004503100.tif 000005
（式中
【００１９】
【数１２】
2004503100.tif 000006
【００２０】
【数１３】
2004503100.tif 000007
Ｓｂは裏面再結合速度、ｖ≡Ｄ／Ｌは少数キャリア拡散速度）で表される式に合わせ込むことから成る。少数キャリア拡散長は、式Ｌ＝（ｚ１−ｒ２１ｚ２）／（ｒ２１−１）（ここで、ｒ２１は透過深さｚ１及びｚ２に関する２つの表面光起電力の比率である）により求められる。表面光起電力の周波数依存性の補正は、表面光起電力を低周波数でリミットされる表面光起電力に計算し直すことから成る。表面光起電力の周波数依存性の補正は、表面光起電力を単一変調周波数に計算し直すことから成る。単一変調周波数は光の変調周波数の一つに対応する。光における個々の波長の各々は、半導体を透過して半導体の表面下の異なる透過深さまで達する。
【００２１】
本発明の別の態様は、半導体試料の少数キャリア拡散長を求める装置を特徴とする。この装置は、半導体試料を保持する並進可能な搭載部と；異なる変調周波数で各波長の光が変調された複数の波長の光を同時に半導体試料上に向ける照射システムと；および、異なる変調周波数で複数の表面光起電力を同時にモニタする検出システム；とを備える。
【００２２】
この装置の別の態様は、半導体ウェハの表面光起電力を米国特許第５，６６３，６５７号に記載のように測定するＳＰＶプローブを含む。このプローブは、複数の（少なくとも２つの）波長を含む光ビームを入力させ、それを通過させて半導体ウェハ表面に到達させ、表面光起電力を発生させる。好適な実施形態においては、プローブは光ファイバ束の一端に接続される。第２の端部では、束は、異なる波長の変調光ビーム及びデトラッパーからの定常光ビームを受け取る一連のファイバケーブルに分かれる。
【００２３】
この装置の別の態様は、異なる周波数で光ビームの強度を変調させる多波長光源及び装置を備える照射システムを含む。好ましくは、光源を予め調整しておいて、全ての波長が同じ振幅の有効光子束、すなわち、φ０ｅｆｆ＝φ０（１−Ｒ）を有するようにする。さらに照射システムは、φ０ｅｆｆを変えることができ、表面光起電力が直接φ０ｅｆｆに正比例するＳＰＶ線形状態を創り出す。これらの２つの形態は、一定光子束線形ＳＰＶ法を用いて表面光起電力の測定値から少数キャリア拡散長を算出する際に重要となる。
【００２４】
本発明の利点は以下の一つ以上を含む。新規のＳＰＶ測定装置及び方法は、連続する測定間のウェハ表面状態の変化によって生じる、従来の方法に関連する誤差を無くす。例えば、従来の方法においては、異なる光透過深さ、すなわち、異なる光波長に対する連続するＳＰＶ測定間の時間遅延は、少数キャリア拡散長に誤差を生じさせる。従って、本発明の方法はより正確であり、実質的により短い時間でのより低い濃度の金属不純物の測定を可能とする。
【００２５】
本装置及び方法は、各ウェハの金属汚染分布パターンを生成して製造工程中に汚染源の器具及びプロセスを特定し易くすることにより、全半導体ウェハについての拡散長マッピングにおける速度と正確さも向上させる。従来の全半導体ウェハについての拡散長マッピングでは、測定は、最初に一つの波長に対して或る走査線（すなわち、回転しているウェハの場合のリング）に沿って行われ、続いて第２の波長に対して測定が行われていた。連続する第１及び第２のＳＰＶ測定間で通常６秒の遅延が生じることにより、ウェハの表面状態、すなわち、ウェハの動きにより生じる静電気、前工程の化学処理後の表面緩和、及び雰囲気の変化による吸着性または脱離性に変化が生じる。これらの変化はＳＰＶ信号値を変えてしまい、従って、拡散長測定に誤差を生じさせる。従来の方法により生じる全ウェハマッピングの誤差及びこの結果として生成されるパターンは、本発明では、全ての波長に対する表面光起電力の測定を正確に同時に行うことにより無くすことができる。
【００２６】
本明細書で使用する場合、表面光起電力という用語は照射中の表面空間電荷幅の減少及び暗闇におけるその回復に相当する。ＳＰＶ信号振幅は、長い表面空間電荷回復時間τＲの故に光変調周波数の上昇とともに小さくなる。この時間は有効少数キャリア寿命、従って、表面空間電荷領域下のウェハ中に定常濃度分布Δｎを形成するために必要な時間よりも１桁のオーダーで大きい。米国特許第５，９７７，７８８号に論じられているように、表面光起電力は次のように表すことができる。
【００２７】
【数１４】
2004503100.tif 000008
ここで、ωは角周波数、ω＝２πｆ、Ｖ０はｆが限りなくゼロに近いときの表面光起電力の振幅である。回復時間τＲはＳＰＶ信号位相シフトに関係し、ＮＡＫＨＭＡＮＳＯＮ著のＳｏｌｉｄ　Ｓｔａｔｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，　Ｖｏｌ．　１８　ｐ．　６１７（１９７５）に由来する良く知られた次の関係式で表される。
【００２８】
【数１５】
2004503100.tif 000009
ここで、Δψは角周波数ωで変調された光とＳＰＶ信号との間の位相シフトである。本発明の方法は、ＳＰＶ信号位相シフト、すなわちロックイン増幅器によりＳＰＶ信号振幅と同時に測定されるΔψｆ１，Δψｆ２，Δψｆ３，・・・・ΔψｆｋΔを使用する。
【００２９】
同じ周波数（好ましくは、最も低い光変調周波数ｆ１）に計算し直され、それぞれが光透過深さ、すなわち、ｚ１，ｚ２，・・・ｚｋ，に対応する補正された一群のＳＰＶ信号振幅、すなわち、Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，・・・，Ｖｋ，は、米国特許第５，６６３，６５７号で論じられている良く知られた定常状態ＳＰＶ方程式から少数キャリア拡散長を算出するために使用される。
【００３０】
（発明の方法の説明）
図１に、半導体ウェハ内における少数キャリア拡散長の自動測定装置１００のブロック図を示す。装置１００は半導体ウェハ（図示せず）を少数キャリア拡散長の測定中に保持するモーター駆動のウェハステージ１を含む。照射システム３は半導体ウェハを照らして表面光起電力（ＳＰＶ）を発生させる。ＳＰＶプローブ２は電気信号、すなわち、ＳＰＶを検出して信号モニタ４に送信する。次に、信号モニタ４が電気信号を中央演算処理装置（ＣＰＵ）５に送信し、ＣＰＵ５が信号モニタ４から受信した電気信号の値に基づいて少数キャリア拡散長を算出する。
【００３１】
図１及び２には、モーター駆動のウェハステージ１が真空吸着により半導体ウェハ８をウェハチャック９上に保持する様子が示される。ウェハステージ１は半導体ウェハ８をＳＰＶプローブ２の下に位置させ、ＣＰＵ５が双方向通信線Ａを通してウェハステージ１の動きを制御する。ウェハチャック９は少数キャリア拡散長の測定中の半導体ウェハ８の温度ＴＷを測定するための温度センサ（図示せず）を含む。温度センサはＴＷの値に比例する電気信号をＣＰＵ５に送信する。ＣＰＵ５はこの値を用いて、測定に使用される各波長毎に光透過深さｚの正確な値を計算する。この計算は次の経験式を用いて行なわれる。
【００３２】
【数１６】
2004503100.tif 000010
ここで、ｚ及びλはマイクロメーター単位、ＴＷはケルビン温度で表される。
動作中、ＣＰＵ５は電気信号を通信線Ｂを通してＳＰＶプローブ２に送信し、透明ＳＰＶピックアップ電極６がウェハ８の最上部表面上方の操作距離に達するまでプローブを下げる。通常、操作距離はウェハ表面上方約２５０μｍである。一般的に、操作距離は装置１００が長い拡散長または非常に低いレベルの汚染を測定可能なように調整される。例えば、操作距離は、電極−ウェハ間のキャパシタンスを十分に大きくして直径約６ｍｍのＳＰＶ電極が約１マイクロボルトの精度でミリボルト範囲の信号を検出できるように調整される。ＳＰＶ信号を生成するために、照射システム３は光ファイバ束１０により変調光ビーム７をＳＰＶプローブ２に供給する。変調光ビーム７はＳＰＶプローブ２に取り付けられた透明ＳＰＶピックアップ電極６を通過して半導体ウェハ８を照らす。照射システム３はＳＰＶプローブ２の反対側の端部で光ファイバ束１０から分岐する光ファイバケーブル１１，２０，２３を通して光ファイバ束１０に光を供給する。
【００３３】
光ファイバケーブル１１の光はアイリス１５（ＣＰＵ５に制御されてビーム強度を調整する）を通過するハロゲン光源１４を起点とする。光信号はアイリス１５を出て光ケーブル１３と、光振幅を周波数ｆ１（例えば、５１２Ｈｚ）で変調する光チョッパー１６とを通過して進む。続いて変調光は、光学ホイール１７の狭帯域透過フィルタ１２を通過して進み波長λ１（例えば、１．００４±０．００５μｍ）及び変調周波数ｆ１を有する第１の変調単色光ビームを生成し、さらにファイバケーブル１１を通過してファイバ束１０に入る。一般に、光信号の線幅は半値全幅（ＦＷＨＭ）で約５ｎｍが必要である。波長λ２及び変調周波数ｆ２を有する第２の変調単色光ビームが光ファイバケーブル２３を通してファイバ束１０に供給される。第２の変調単色光ビームは波長λ２で発光する発光ダイオード（ＬＥＤ）２１（例えば、波長０．７８μｍで発光するＧａＡｌＡｓダイオード）を起点とする。通常、光信号の波長は互いに重ならず半導体ウェハ８の異なる深さにまで透過することができるように選択される。ＬＥＤ２１からの光はケーブル２３に入射する前に、波長λ２を中心とした伝送を行なう狭帯域透過フィルタ２２を通過する。第２のビームは、ＬＥＤ電源２４からＬＥＤ２１に供給される電力を変調することにより周波数ｆ２、例えば５７２Ｈｚ、で変調される。変調周波数はＣＰＵ５が制御する。
【００３４】
第１及び第２の変調ビームに加えて、光ビーム７はデトラッパー１８からの無変調光ビームも含む。デトラッパー１８からの無変調光ビームは、例えば約１ｍｍ厚さの厚いシリコンフィルタ１９を通過して無変調光ビームを生成し、この無変調光ビームは、シリコンのような半導体ウェハの中で通常１ｍｍよりも薄い厚さの過剰キャリアを一様に発生させるために用いられる。デトラッパー１８からの無変調光ビームは光ファイバケーブル２０を通過して進み、光ファイバ束１０に入射する。無変調光成分は交流ＳＰＶ信号を発生させることはなく、代わりに、少数キャリアトラップをウェハの厚さに渡って一様に飽和させるために用いられる。少数キャリアトラップはチョクラルスキー法により成長させたインゴットから得られるｐ型シリコンウェハによく観察される。結果として、少数キャリアトラップは、それが飽和しないとすると、少数キャリア拡散長を相当短くし、従って金属汚染を信頼性良く求めることが難しくなる。
【００３５】
半導体ウェハに照射される光７の有効光子束は次の式で与えられる。
【００３６】
【数１７】
2004503100.tif 000011
ここで、ω：光変調角周波数，ω１＝２πｆ１，ω２＝２πｆ２；ψ０：変調光の位相；Φλｋ（ｋ＝１，２）：光子束振幅であり、下付文字１，２はλ１及びλ２の波長を有する光ビームを表す；ΦＤｅｔ：デトラッパーからの無変調光線の光子束、である。通常、光子束は、少数キャリア拡散長を求めるために一定線形光子束法を用いた場合に、ベアシリコンに対して一定の有効値を有するように予め設定される。
【００３７】
光子束Ｖφｅｆｆによりウェハ８と電極６との間に発生する表面光起電力は、式（５）を使用して次のように表される。
【００３８】
【数１８】
2004503100.tif 000012
ここで、Ｖλ１及びＶλ２は信号成分の振幅であり、ψ１及びψ２は信号位相を表す。電極６は電気ケーブル２８を通してＳＰＶ信号に比例する電気信号を高入力抵抗のプリアンプ２７に送信し、次に、このプリアンプ２７が増幅された電気信号を電気ケーブル２９を通して信号モニタ４（図１）のロックイン増幅器３０の２つの入力に送信する。ロックイン増幅器は良く知られており、交流電気信号の高精度の測定に頻繁に使用される。２入力ロックイン増幅器の一例として、ニュージャージー州プリンストン（Ｐｒｉｎｓｔｏｎ）所在のＥＧ＆Ｇインスツルメント社製の７２５６型　ＤＳＰ　ＬＯＣＫ−ＩＮ　ＡＭＰＬＩＦＩＥＲが挙げられる。ロックイン増幅器３０はチョッパー１６の変調周波数ｆ１に比例する基準信号２６と、ＬＥＤ電源２４がＬＥＤ２１を変調する変調周波数ｆ２に比例する基準信号２５とを受信する。変調周波数ｆ１及び変調周波数ｆ２を用いて、ロックイン増幅器はＳＰＶ信号の式（６）中の上記２つの振幅及び位相を測定するが、例えば、一方が光７のうちの周波数ｆ１で変調される波長λ１を有する部分から、もう一方が光７のうちの周波数ｆ２で変調される波長λ２を有する部分から生成される。ロックイン増幅器３０はＳＰＶ信号の両方の成分の振幅及び位相に比例する電気信号を電気線３１，３２を通してＣＰＵ５に送信する。
【００３９】
拡散長測定の初期段階では、短い方の波長のＳＰＶ信号、上記ケースではＶλ２に対応する振幅を、例えば約２．００のプリセット比率を有する光子束ψλ２の２つの値に対して測定することにより表面光起電力の線形性を確認し、調整する。線形領域では、測定されたＳＰＶ比率はおよそ光子束比率に等しい。実際、ＳＰＶ信号比率が理想の比率から所定の範囲内である場合、許容できる線形性が見られる。例えば、通常の線形性基準では、光子束比率が約２．００に設定されている場合、ＳＰＶ信号比率は約１．９７５以上であることが必要とされる。通常、観察される比率が理想の比率よりも低いと、光子束が多くなり過ぎる。その結果、光子束が多くなる度合いに比例せずにＳＰＶ信号が大きくなる。このように、線形性の調整工程が必要となる。線形性の調整工程には線形ＳＰＶ信号を得るための光子束の調整が含まれる。一般に、最も短い波長光により最大のＳＰＶ信号及び最大の非線形性が生じる。この結果、線形のＳＰＶ範囲を得るために最も短い波長信号Ｖλ２の光子束が調整される。線形ＳＰＶ基準が最も短い波長に対して満たされると、その基準は通常、同じ有効光子束を有する光線のより長い波長に対しても満たされる。その結果、より長い波長に対する線形性調整は必要ではなくなる。
【００４０】
上述した装置に対して、線形性調整工程は、線形性基準が満たされるまで、より短い波長光、すなわち、ＬＥＤ発光または光子束ψλ２の強度を調整する工程を含む。ＣＰＵ５は、ＬＥＤ電源２４を調整してＬＥＤ２１に供給される電圧の大きさを変えることによりＬＥＤ光子束を制御する。ＣＰＵ５は、そのメモリに保存したＬＥＤ供給電圧対ＬＥＤ出力強度参照表を用いることにより、電圧を調整する方法を決定する。ＣＰＵ５はアイリス１５を調整することにより波長λ１を有する光の光子束ψλ１の制御も行う。
【００４１】
図３，４には、少数キャリア拡散長を測定する他の好適な自動装置が示される。簡単にするため、図３，４は各装置の照射システムのみを示している。図３では、ハロゲン光源１１４からの光が２つの光ファイバケーブル１３６ａ，１３６ｂを通って２つの光チョッパ１１６，１３４に入射し、これらチョッパにより２つの光信号がそれぞれ異なる周波数ｆ１，ｆ２で変調される。チョッパ１１６，１３４からの変調光信号は、波長λ１及びλ２を中心とする別々の狭帯域透過フィルタ１３５，１１２、続いて光ケーブル１２３，１１１を通過して光ファイバ束１１０に入射する。図４では、発光ダイオード１３８が、変調周波数ｆ１を有する波長λ１の光を放出し、発光ダイオード１２１が、変調周波数ｆ２を有する波長λ２の光を放出する。各光信号は、光ファイバケーブル１１１，１２３を通って光ファイバ束１１０に入射する前に、狭帯域透過フィルタ１３９，１２２によりそれぞれフィルタリングされる。発光ダイオード１３８，１２１用の電源１２４，１３７はＣＰＵ（図示せず）により補正及び制御されて光子束を高精度に調整する。
【００４２】
（周波数差の補正）
少数キャリア拡散長は交流表面光起電力の振幅の光透過深さ依存性から算出される。図５に示すように、ＳＰＶ信号振幅は光変調周波数の増大とともに小さくなる傾向がある。例えば、変調周波数ｆ２で測定されたＶλ２｜ｆ＝ｆ２はＶ２＝Ｖλ２｜ｆ＝ｆ１よりも低い値となる（すなわち、周波数ｆ１で測定されるとした場合にＶλ２のとる値）。この結果、測定されたＳＰＶ振幅は、同じ変調周波数で記録されたＳＰＶ振幅にそれぞれ対応する補正振幅を得るために計算し直す必要がある。好ましくは振幅を、予め選択され、かつ、定常状態を満たす十分低い変調周波数で生じる新規の振幅に再補正する。通常、振幅は再補正して使用する最小の変調周波数で生じるこれらの値に合わせる。ＳＰＶ振幅は、ＳＰＶ振幅と同時に測定されるＳＰＶ信号の位相を使用することにより計算し直しされる。ＳＰＶ信号振幅を再補正する方法は２つある。
【００４３】
第１の周波数補正では、測定したＶλ２｜ｆ＝ｆ２の値（すなわち、周波数ｆ１で測定した場合にＶλ２が採る値）からＶ２の値を算出するようにする。続いて、共に同じ周波数ｆ１に対応するＶ２及びＶλ１の値を拡散長の計算に使用する。第２の周波数補正では、異なる波長を有する全てのＳＰＶ信号、すなわち、Ｖ０λ１，Ｖ０λ２，・・・・Ｖ０λに対して低変調周波数でＳＰＶ値を算出する。低周波数リミットは拡散長計算にも使用される。
【００４４】
（第１の周波数補正：）
通常、第１の周波数補正は、最も短い波長（浅い透過深さ）に対応するＳＰＶ値に対して行われるが、これは、長い波長（深い透過深さ）に対してはＳＰＶの周波数依存性が方程式（２），（３）で表されるものよりも複雑であるからである。例えば、図５に示すように、より高い周波数では、深い透過深さＳＰＶを有するビームにより誘起されるＳＰＶは、浅い透過深さＳＰＶを有するビームに対するＶの１／ｆ依存減少特性よりも大きな傾きで減少する。観測されるＶλ２値からＶ２を算出する手順では式（２）から得られる関係及び式（３）から算出されるτＲ値を使用する。τＲを算出するために必要となる式（３）の位相シフト値、Δψ２＝ψ２０−ψ２は、ロックイン増幅器により変調周波数ｆ２に対して測定される。ｆ２でのＶλ２からｆ１でのＶ２に補正する周波数補正公式は次のようになる。
【００４５】
【数１９】
2004503100.tif 000013
ここで、補正係数Ｃ２１は次の式で与えられる。
【００４６】
【数２０】
2004503100.tif 000014
例えば、波長λ１＝１．００４μｍ及び波長λ２＝０．７８０μｍと、これに該当する光変調周波数ｆ１＝５１２ＭＨｚ及びｆ２＝５７２Ｈｚをそれぞれ有する２つのビームを用いるＳＰＶ測定に対する周波数補正では、ＳＰＶ値がＶλ１＝２．０６３ｍＶ及びＶλ２＝２．７４１ｍＶとなった。より短い波長に対する位相シフト値はΔψ２＝−５９．５°であった。周波数補正の計算には一つの位相シフト値しか必要ではない。これは２つよりも多くの単色光ビームを用いる場合でも同じである。式（７ｂ）を使用して、Ｃ２１は約１．０２４６と算出される。Ｃ２１のこの値を式（７ａ）に代入すると、Ｖ２は約２．８０８ｍＶと算出される。Ｖλ１＝２．０６３ｍＶ及びＶ２＝２．８０８ｍＶという値は続いて、以下に記載する拡散長の計算に使用される。
【００４７】
（第２の周波数補正：）
ＳＰＶ信号は、低周波数でのリミット値、例えば、図５に示されるデータに対するＶ０λ１及びＶ０λ２を得るために計算し直しなおすこともでき、このＶ０λ１及びＶ０λ２は少数キャリア拡散長を計算するために使用することができる。低周波数でのリミット値を式（２）及び（３）から得るための補正公式は次のように表される。
【００４８】
【数２１】
2004503100.tif 000015
前に示された同じ例示データを使用して、Ｖ０λ１＝２．０６３ｘ１．１３１＝２．３３３ｍＶ（式（８ａ））及びＶ０λ２＝２．７４１ｘ１．１６１＝３．１８２ｍＶ（式（８ｂ））が得られる。
【００４９】
第１及び第２の周波数補正により、同様なＳＰＶ信号比率、すなわち、Ｖ２／Ｖλ１＝１．３６１及びＶ０λ２／Ｖ０λ１＝１．３６４が得られる。少数キャリア拡散長はＳＰＶ信号比率の値により求められるため、両方の周波数補正から事実上同じＬ値が得られることになる。一般的に、この２つの周波数補正の良好な一致は、周波数ｆ１が十分に低いので、より深い透過深さから得られるＳＰＶ値がＳＰＶ値の１／ｆ依存性減少から外れる形で強く影響されることはない、ということを意味している。周波数補正されたＳＰＶ信号の２つの比率が同じような値ではない場合、より深い透過深さを有する光ビームが変調周波数に対してほぼ１／ｆ依存性を有するＳＰＶ信号を生成するように変調周波数を調整する。
【００５０】
（少数キャリア拡散長（Ｌ）の計算）
（概略的な手順）
少数キャリア拡散長のおよその値は、Ｌが測定された半導体ウェハの厚さＴの約６０％よりも小さい場合、Ｌに対する近似関係式を使用して算出することができる。近似式は次のように表される。
【００５１】
【数２２】
2004503100.tif 000016
ここで、ｒはＳＰＶ信号比率、ｚｋは式（４）を使用して測定温度ＴＷで計算した光透過深さである。ＴＷ＝２８．４℃、λ１＝１．００４μｍ、λ２＝０．７８０μｍのとき、ｚ１＝１４４．９μｍ、ｚ２＝９．３μｍとなる。例示した第１の周波数補正から得られたＳＰＶ比率、Ｖ２／Ｖλ１＝１．３６１を使用すると、Ｌは約３６６μｍとなり、これはウェハの厚さの約５０％に相当する。例示した第２の周波数補正から得られたＳＰＶ比率、Ｖ０λ２／Ｖ０λ１＝１．３６４を使用すると、Ｌは約３６３μｍとなる。２つの周波数補正手順により１％未満の差を示すＬ値が得られる。
【００５２】
（正確な手順）
上述の近似手順に比べてより正確な手順は、ウェハ厚を考慮しており、かつ、米国特許第５，６６３，６５７号及びＬａｇｏｗｓｋｉらによる「少数キャリア拡散長及びそれに関連するパラメータを測定するための表面光起電力法（ＳＰＶ）の現状」と題する記事に論じられている方程式を解く過程を含む。このアプローチでは、異なる光透過深さｚに対して光子束が一定であるという条件の下で測定した表面光起電力信号が次の式で近似される。
【００５３】
【数２３】
2004503100.tif 000017
式中
【００５４】
【数２４】
2004503100.tif 000018
【００５５】
【数２５】
2004503100.tif 000019
Ｓｂは裏面再結合速度であり、ｖ≡Ｄ／Ｌは少数キャリア拡散速度である。高純度シリコンでは、Ｄは電子に対して３３ｃｍ２／ｓであり、正孔に対して１３ｃｍ２／ｓである。式（１０）〜（１２）からのＬの近似、すなわち、Ｌの計算は、最も良く近似するパラメータとされるＬに対する手順を繰り返すことにより行う。Ｌ値はＳｂ値に対して感度が高いため、操作者はベアシリコンウェハに適したＳｂ＝１０４ｃｍ／ｓというデフォルト値または裏面酸化されたシリコンウェハに適したＳｂ＝１０ｃｍ／ｓという低い値を使用することができる。２つのビームのみで行う一定光子束測定では、式（１０），（１１）は次式のようになる。
【００５６】
【数２６】
2004503100.tif 000020
測定したｒ値を使用して、拡散長Ｌは方程式（１３）を解くことにより求められる。解は繰り返し手順を使用すると簡便に得られる。この手順により求められた少数キャリア拡散長Ｌは、例示の第１及び第２の周波数補正手順に対して前に与えられた値を使用すると、４０４μｍ及び４０１μｍとなる。裏面再結合値としてＳｂ＝１００００ｃｍ／ｓを用いたが、これはこの測定に使用された酸化されていないベアシリコンウェハに対する通常の値である。
【００５７】
（酸化ウェハの測定）
ウェハ最上部表面に酸化膜があると、半導体に入射する有効光子束が変化する。酸化膜厚がわかっている場合、標準の薄膜反射率公式を使用して該当する補正を計算することができる。この手順は米国特許第５，６６３，６５７号に議論されている。酸化されたシリコンに対する拡散長は、ｒをｒ＊＝ｒ（φ１ｅｆｆ１／φ１ｅｆｆ２）で置き換えて算出される。ここで、φ１ｅｆｆ１及びφ１ｅｆｆ２は、波長λ１及びλ２に対する、薄膜反射率を考慮した有効光子束である。ｒの代わりにｒ＊を用いると、Ｌを、近似法を通して、すなわち式（９）を使用して、又は、高精度法から、すなわち式（１３）を使用して、算出することができる。
【００５８】
（測定手順）
図６に測定手順の模式図を示す。ステップ１００では、ユーザはウェハを特徴付ける特定のパラメータ、すなわち、ウェハ厚Ｔ、酸化膜厚ＴＯＸ、導電型を入力する必要がある。ステップ１１６では、ＬがＴ／２を超える場合のＬを算出するためにウェハ厚Ｔが必要とされる。ステップ１０２では、１００Åよりも厚い酸化膜に対する酸化膜厚が必要であり、全ての波長に対する有効光子束を算出するために使用される。ステップ１０４では、デトラッパーをオンにするかオフにするかを決めるために電気導電性、ｐ型またはｎ型が必要となる。電気導電性は、式（１３）からＬを算出する際にＤ値を選択するためにも使用される。ウェハパラメータを入力した後、測定手順が始まり、線形ＳＰＶ範囲を得るために光子束を装置により調整する（ステップ１０６）。通常、ステップ１０６はウェハの一つの場所（例えば、中央で）においてのみ行われる。ステップ１１０では、ウェハチャックの温度センサがウェハ上の温度を測定する。ステップ１１４では、ウェハ温度ＴＷを使用して、少数キャリア拡散長を求めるために使用される各波長λｋに対する光透過深さを算出する。ステップ１０８では、装置によって全波長に対するＳＰＶ信号振幅が同時に測定される。同時に、短波側の波長により生成されるＳＰＶ信号に対して位相シフトΔψｋが測定される。２つの波長のみを使用する場合は、位相シフトΔψ２が一つだけ測定される。ウェハマッピングでは、ＳＰＶ振幅及びΔψｋが「飛行中」の状態、すなわち、ウェハがＳＰＶプローブ下に移動中の状態で測定され、ＣＰＵに保存される。ウェハ上の各測定場所に対応するＳＰＶ振幅値はΔψｋ値を使用して光変調周波数の差に対して補正される（ステップ１１２）。最後に、補正されたＳＰＶ信号振幅比率とステップ１１４で算出された光透過深さを使用して、拡散長値がウェハ上の全ての測定場所に対してステップ１１６で算出される。
【００５９】
同時測定法により、直径２００ｍｍのウェハ上の６０００箇所に対して「飛行中」に収集されたデータのウェハ全点拡散長マップが２分３０秒で生成される。以前のＳＰＶ法によりこの密度のマップを生成するには、少なくとも６分を要するが、これは、波長λ１及びλ２に対して２つの連続する測定を行うためには２倍の測定時間が掛かるためと、２つの波長間の変更に際して平衡状態に落ち着く時間が余分に掛かるためである。
【００６０】
上述の装置及び方法を、２つの波長かつ１枚のシリコンウェハに対してのみ用いられる場合について記載してきたが、装置及び方法を拡張してもっと多くの波長を利用したり、或いは、他の半導体の少数キャリア拡散長を測定したりことができる。
他の実施形態が請求項に記載される範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】少数キャリア拡散長の測定装置のブロック図である。
【図２】図１の装置の模式図である。
【図３】図２の装置に使用される代替照射システムの模式図である。
【図４】図２の装置に使用される代替照射システムの模式図である。
【図５】表面光起電力信号（ＳＰＶ信号）を光変調の関数としてプロットしたグラフである。
【図６】少数キャリア拡散長を測定するための一連のステップを示すフロー図である。
【図１】
2004503100.tif 000029
【図２】
2004503100.tif 000030
【図３】
2004503100.tif 000031
【図４】
2004503100.tif 000032
【図５】
2004503100.tif 000033
【図６】
2004503100.tif 000034
【国際公開パンフレット】
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2004503100.tif 000036
2004503100.tif 000037
2004503100.tif 000038
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【国際調査報告】
2004503100.tif 000065