(57)【要約】【課題】本発明は、単にキャリアの寿命や拡散長を求めるのではなく、直接的に半導体のキャリアの移動度等の電気特性を測定するものであって、高度な時間分解能や高度な演算機能を必要としない半導体電気特性の測定装置を提供することを目的とする。【解決手段】本発明の半導体電気特性の測定装置は、試料である半導体の表面に対して励起光によりキャリアを励起させるための励起光照射手段と、該励起光が照射された全範囲を含む領域に対して、その領域における電界の向きが一方向となるように電界を印加するための電界印加手段と、該励起光が照射された全範囲を含む領域、またはこの領域に相当する半導体の裏面に対して、観測光を照射するための観測光照射手段と、該観測光が該半導体により反射された反射光または透過された透過光を受光するための受光手段と、前記各手段を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料である半導体の表面に対して励起光によりキャリアを励起させるための励起光照射手段と、
該励起光が照射された全範囲を含む領域に対して、その領域における電界の向きが一方向となるように電界を印加するための電界印加手段と、
該励起光が照射された全範囲を含む領域、またはこの領域に相当する半導体の裏面に対して、観測光を照射するための観測光照射手段と、
該観測光が該半導体により反射された反射光または透過された透過光を受光するための受光手段と、
前記各手段を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする、半導体電気特性の測定装置。
【請求項２】
前記電界印加手段により電界が印加されている場合と印加されていない場合とにおいて、励起光照射後の観測光による反射光強度の分布または透過光強度の分布が変化し、その分布の変化を前記受光手段により検出することを特徴とする、請求項１記載の半導体電気特性の測定装置。
【請求項３】
前記電界印加手段により電界が印加されている場合と印加されていない場合とにおいて、励起光照射の前後における観測光による反射光強度または透過光強度の変化量分布が変化し、その変化量分布の変化を前記受光手段により検出することを特徴とする、請求項１記載の半導体電気特性の測定装置。
【請求項４】
前記受光手段は、１次元ラインセンサ、２次元エリアセンサまたはポイントセンサのいずれかであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の半導体電気特性の測定装置。
【請求項５】
前記半導体電気特性の測定装置は、さらに演算手段を備えており、かつその演算手段が直接的または間接的に前記受光手段と接続していることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の半導体電気特性の測定装置。
【請求項６】
前記半導体電気特性の測定装置は、さらに発振器を備えており、かつその発振器が前記電界印加手段と接続していることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の半導体電気特性の測定装置。
【請求項７】
前記電界印加手段により印加される電界は、一定電界または高周波電界であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の半導体電気特性の測定装置。
【請求項８】
前記半導体電気特性の測定装置は、前記励起光照射手段、前記電界印加手段、前記観測光照射手段および前記受光手段からなる計測系に対して、試料である半導体を相対的に移動させる移動手段をさらに備えており、該半導体の表面の複数箇所を測定できることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の半導体電気特性の測定装置。
【請求項９】
前記励起光照射手段と前記受光手段とが接続されており、前記励起光照射手段は、周期性を持って励起光を複数回照射するものであり、かつ前記受光手段は、該励起光の周期に同期して受光するものであることを特徴とする、請求項３記載の半導体電気特性の測定装置。
【請求項１０】
試料である半導体の表面に対して観測光を照射するための観測光照射ステップと、
該観測光が照射されている領域またはその領域に相当する半導体の裏面の領域内の特定の範囲に励起光を照射して、キャリアを励起させるための励起光照射ステップと、
該観測光が該半導体により反射された反射光または透過された透過光を受光するための第１受光ステップと、
該励起光が照射された全範囲を含む領域に対して、その領域における電界の向きが一方向となる電界を印加するための電界印加ステップと、
該電界が印加された範囲における該観測光が、該半導体により反射された反射光または透過された透過光を受光するための第２受光ステップと、
前記第１受光ステップと前記第２受光ステップとにおいて検出される反射光強度の分布範囲または透過光強度の分布範囲の変化を計算により求め、その結果に基づき電気特性を求めるための演算ステップと、
を含むことを特徴とする、半導体電気特性の測定方法。
【請求項１１】
前記電界印加ステップにおいて印加される電界は、一定電界または高周波電界であることを特徴とする、請求項１０記載の半導体電気特性の測定方法。
【請求項１２】
前記第１受光ステップを省略し、かつ前記第２受光ステップにおいて受光手段として２次元エリアセンサを用いるとともに、前記演算ステップにおいて前記第２受光ステップで得られる反射光または透過光の２次元強度の分布範囲の変化を計算により求めることを特徴とする、請求項１０または１１に記載の半導体電気特性の測定方法。
【請求項１３】
請求項４記載の半導体電気特性の測定装置を用いて半導体電気特性を確認する方法であって、
前記受光手段としてポイントセンサを用い、かつ試料である半導体の表面における反射光強度の分布範囲が適切な範囲にあるか否かを確認すること、または
前記受光手段として１次元ラインセンサまたは２次元エリアセンサを用い、かつ試料である半導体の表面における一部の反射光強度の分布範囲が適切な範囲にあるか否かを確認すること、
を特徴とする、半導体電気特性の確認方法。
【請求項１４】
請求項９記載の半導体電気特性の測定装置を用いて半導体電気特性を測定する方法であって、
前記観測光照射手段により半導体の表面に観測光を照射させながら、前記電界印加手段により電界を印加させない状態において前記励起光照射手段により励起光を照射する場合と照射しない場合とにおける、前記観測光の反射光強度または透過光強度の変化量分布を前記受光手段により検出するステップと、
前記電界印加手段により電界を印加させた状態において前記励起光照射手段により励起光を照射する場合と照射しない場合とにおける、前記観測光の反射光強度または透過光強度の変化量分布を前記受光手段により検出するステップと、
これらの変化量分布を閾値処理してそれぞれの変化量分布範囲を求めるステップと、
それらの変化量分布範囲の変化を求めることにより半導体電気特性を求めるための演算ステップと、
を含むことを特徴とする、半導体電気特性の測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体の電気特性を非接触で評価するための半導体電気特性の測定装置と測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体ウエハおよび半導体薄膜などを利用する半導体デバイスにおいては、移動度、導電率などの半導体の電気的な特性がデバイスの特性を大きく左右する。特に多結晶シリコン膜（ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜）は、通常、石英やガラス等の基板上に非晶質シリコン膜（ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−Ｓｉ膜）を成膜した後、ＥＬＡ（Ｅｘｃｉｍｅｒ  Ｌａｓｅｒ  Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）法やＳＰＣ（Ｓｏｌｉｄ  Ｐｈａｓｅ  Ｃｒｙｓｔａｌｉｚａｔｉｏｎ）法などの結晶化方法を用いて作成されるので、その面内で電気的特性のばらつきが大きく、ＴＦＴ（Ｔｈｉｎ  Ｆｉｌｍ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ ）などのデバイス特性の良否に大きな影響を与えている。また、最近はＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板におけるシリコン厚も数１０ｎｍ程度にまで薄膜化されており、膜厚に関する管理はなされているが、電気伝導度以外の膜の電気的特性に関する管理は一般になされていない。
【０００３】
従来、このような半導体の電気的な特性は、４探針法や、ＴＦＴを作成してから検査パターン部分を用いてプローブ測定を行なうＴＥＧ（Ｔｅｓｔ  Ｅｌｅｍｅｎｔ  Ｇｒｏｕｐ）測定などの接触方式により評価されていた。特に移動度の評価に関しては、ＴＦＴを作成してから測定しているため評価までに長期間を要し、かつ基板を傷つけたり汚染を生じて後の工程の歩留まりを低下させたりすることがあった。
【０００４】
一方、半導体のこのような電気特性を非接触で測定する方法がいくつか開発されている。その主なものとして、（１）μ−ＰＣＤ（Ｐｈｏｔｏ  Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ｄｅｃａｙ）法、（２）ＳＰＶ（Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｈｏｔｏ  Ｖｏｌｔａｇｅ）法、（３）フリーキャリア吸収解析法などが挙げられる。
【０００５】
（１）のμ−ＰＣＤ法は、半導体に励起光を照射してその励起光により生じた過剰キャリアの寿命をマイクロ波照射による反射強度の時間変化を計測し、その減衰曲線から寿命を測定する方法である。例えば、数μｍ〜数１０μｍの厚さのＳｉエピウエハについて、差動方式を用いてキャリアの寿命の測定が行なわれている（非特許文献１）。しかし、この手法で測定できるのは再結合寿命であるため、結晶性や表面の重金属汚染に関する情報は得られるが、移動度などの電気的な特性を直接評価する方法ではない。
【０００６】
（２）のＳＰＶ法は、複数の波長のパルス光を用いて半導体表面にキャリアを励起し、発生するキャリアの表面光起電力を測定し、波長と起電力の関係より拡散長を求める方法である。例えば、異なるフォトンエネルギーの単色放射線ビームを順次励起し、半導体の表面光電圧を測定し、拡散長を求める方法などがある（特許文献１）。この方法によれば、キャリアの寿命は拡散長を用いて求めることができる。しかし、この方法も、結晶性や表面の重金属汚染に関する情報は得られるが、移動度などの電気的な特性を直接評価する方法ではない。また、基板の電位を固定する必要があり、ガラスなどの絶縁物上に形成された半導体については測定できない。
【０００７】
（３）のフリーキャリア吸収解析法は、赤外領域の光の波長を変化させて半導体に照射し、その反射率の波長依存性からキャリア密度、移動度などの電気的な特性を評価する方法である。たとえば、厚さ５０ｎｍのドープしたｐｏｌｙ−Ｓｉ膜のキャリア移動度が測定されている（非特許文献２）。しかし、この方法は、赤外領域の光の波長を変化させて反射率を測定し、理論計算とのフィッティングを行なうため計算機の演算能力と時間が必要となる。このため評価に時間を要し、インラインの検査装置として用いるのは困難である。
【０００８】
この（３）の手法の問題点を解決するため、図１５に示すように、フェムト秒可視光パルスレーザ２１からの可視光パルスが、先ず、半透過ミラー２８により２方向に分岐され、一方の可視光パルス２１ａは、時間遅延可動ミラー２４を経て、テラヘルツパルス検出器２６に入り、もう一方の可視光パルス２１ｂは、テラヘルツパルス光源２２からテラヘルツパルス光２２ａを放射させ、テラヘルツパルス光２２ａが測光光学系２３ａを介して半導体ウエハ２５を透過して、透過パルス光２５ａがテラヘルツパルス検出器２６へ入るようになっている装置が提案されている（特許文献２）。この装置では、フリーキャリア吸収解析法で波長を変化させる代わりに、ドルーデの理論を用いて、時系列のデータをフーリエ変換することで、移動度などの電気的特性を求める方法が開示されている。
【０００９】
しかし、この装置においては、テラヘルツパルス光を半導体材料に照射し、電界強度の時系列の波形からドルーデの光吸収理論を用いて演算して、キャリア密度、移動度などの電気的特性に関する値を算出しているため、時間軸に対して高精度の測定を必要とする。そのため、時間分解能が高い測定装置とフーリエ変換を行なう演算機能が必要となっていた。
【特許文献１】特開平０２−１１９２３６号公報
【特許文献２】特開２００２−０９８６３４号公報
【非特許文献１】信学技報ＥＤ９７−３０、ｐ．２９−３４（１９９７）
【非特許文献２】Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．ｖｏｌ．３８（１９９９）ｐ．１８９２−１８９７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上述のような現状に鑑みなされたものであって、その目的とするところは、単にキャリアの寿命や拡散長を求めるのではなく、直接的に半導体の電気特性を測定するものであって、しかも高度な時間分解能や高度な演算機能を必要としない半導体電気特性の測定装置と測定方法を提供することにある。特に、半導体のキャリア移動度や、キャリア移動度に関係する電気特性などの半導体電気特性の測定や確認に好適な測定装置と測定方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の半導体電気特性の測定装置は、試料である半導体の表面に対して励起光によりキャリアを励起させるための励起光照射手段と、該励起光が照射された全範囲を含む領域に対して、その領域における電界の向きが一方向となるように電界を印加するための電界印加手段と、該励起光が照射された全範囲を含む領域、またはこの領域に相当する半導体の裏面に対して、観測光を照射するための観測光照射手段と、該観測光が該半導体により反射された反射光または透過された透過光を受光するための受光手段と、上記各手段を制御する制御手段と、を備えたことを特徴としている。
【００１２】
また、上記半導体電気特性の測定装置は、上記電界印加手段により電界が印加されている場合と印加されていない場合とにおいて、励起光照射後の観測光による反射光強度の分布または透過光強度の分布が変化し、その分布の変化を上記受光手段により検出することができる。
【００１３】
また、上記半導体電気特性の測定装置は、上記電界印加手段により電界が印加されている場合と印加されていない場合とにおいて、励起光照射の前後における観測光による反射光強度または透過光強度の変化量分布が変化し、その変化量分布の変化を上記受光手段により検出することができる。
【００１４】
また、上記受光手段は、１次元ラインセンサ、２次元エリアセンサまたはポイントセンサのいずれかとすることができる。
【００１５】
また、上記半導体電気特性の測定装置は、さらに演算手段を備えており、かつその演算手段が直接的または間接的に上記受光手段と接続しているものとすることができる。また、上記半導体電気特性の測定装置は、さらに発振器を備えており、かつその発振器が上記電界印加手段と接続しているものとすることができる。
【００１６】
また、上記電界印加手段により印加される電界は、一定電界または高周波電界（高周波電界の場合、その周波数は１００ＭＨｚ〜１０ＧＨｚの範囲内のもの）とすることができる。
【００１７】
また、上記半導体電気特性の測定装置は、上記励起光照射手段、上記電界印加手段、上記観測光照射手段および上記受光手段からなる計測系に対して、試料である半導体を相対的に移動させる移動手段をさらに備えており、該半導体の表面の複数箇所を測定することができる。
【００１８】
また、上記半導体電気特性の測定装置は、上記励起光照射手段と上記受光手段とが接続されており、上記励起光照射手段は、周期性を持って励起光を複数回照射するものであり、かつ上記受光手段は、該励起光の周期に同期して受光するものであるものとすることができる。
【００１９】
また、本発明の半導体電気特性の測定方法は、試料である半導体の表面に対して観測光を照射するための観測光照射ステップと、該観測光が照射されている領域またはその領域に相当する半導体の裏面の領域内の特定の範囲に励起光を照射して、キャリアを励起させるための励起光照射ステップと、該観測光が該半導体により反射された反射光または透過された透過光を受光するための第１受光ステップと、該励起光が照射された全範囲を含む領域に対して、その領域における電界の向きが一方向となる電界を印加するための電界印加ステップと、該電界が印加された範囲における該観測光が、該半導体により反射された反射光または透過された透過光を受光するための第２受光ステップと、上記第１受光ステップと上記第２受光ステップとにおいて検出される反射光強度の分布範囲または透過光強度の分布範囲の変化を計算により求め、その結果に基づき電気特性を求めるための演算ステップと、を含むことを特徴としている。
【００２０】
上記電界印加ステップにおいて印加される電界は、一定電界または高周波電界とすることができる。
【００２１】
また、上記測定方法は、上記第１受光ステップを省略し、かつ上記第２受光ステップにおいて受光手段として２次元エリアセンサを用いるとともに、上記演算ステップにおいて上記第２受光ステップで得られる反射光または透過光の２次元強度の分布範囲の変化を計算により求めることができる。
【００２２】
また、本発明の半導体電気特性の確認方法は、上記の半導体電気特性の測定装置を用いて半導体電気特性を確認する方法であって、上記受光手段としてポイントセンサを用い、かつ試料である半導体の表面における反射光強度の分布範囲が適切な範囲にあるか否かを確認すること、または上記受光手段として１次元ラインセンサまたは２次元エリアセンサを用い、かつ試料である半導体の表面における一部の反射光強度の分布範囲が適切な範囲にあるか否かを確認することを特徴としている。
【００２３】
さらに、本発明の半導体電気特性の測定方法は、上記の半導体電気特性の測定装置を用いて半導体電気特性を測定する方法であって、上記観測光照射手段により半導体の表面に観測光を照射させながら、上記電界印加手段により電界を印加させない状態において上記励起光照射手段により励起光を照射する場合と照射しない場合とにおける、上記観測光の反射光強度または透過光強度の変化量分布を上記受光手段により検出するステップと、上記電界印加手段により電界を印加させた状態において上記励起光照射手段により励起光を照射する場合と照射しない場合とにおける、上記観測光の反射光強度または透過光強度の変化量分布を上記受光手段により検出するステップと、これらの変化量分布を閾値処理してそれぞれの変化量分布範囲を求めるステップと、それらの変化量分布範囲の変化を求めることにより半導体電気特性（半導体のキャリア移動度）を求めるための演算ステップとを含むことを特徴としている。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の半導体電気特性の測定装置と測定方法によれば、単にキャリアの寿命や拡散長を求めるのではなく、直接的に半導体のキャリア移動度等の電気特性を測定することができ、高度な時間分解能や高度な演算機能を必要とすることもない。このため、各種半導体の製造工程におけるインライン検査装置、またはインライン検査方法として特に好適なものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、実施の形態を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。なお、以下の実施の形態の説明では、図面を用いて説明しているが、本願の図面において同一の参照符号や記号を付したものは、同一部分（内容）または相当部分（内容）を示している。
【００２６】
＜実施の形態１＞
本発明の半導体電気特性の測定装置は、原則として励起光照射手段、電界印加手段、観測光照射手段、受光手段および制御手段により構成される。そして、励起光照射手段、電界印加手段、観測光照射手段および受光手段を、便宜上計測系と呼ぶものとする。以下、この半導体電気特性の測定装置を用いて、半導体の電気特性として半導体のキャリア移動度を測定する方法を、図１〜４に基づいて説明する。
【００２７】
図１は、本発明の半導体電気特性の測定装置を用いて半導体の移動度の測定方法を実行するためのフローチャートを示しており、図２および図３は、本発明の半導体電気特性の測定装置の概略ブロック図を示し、また図４は、試料である半導体の表面に対して励起光を真円状に照射することにより励起された光励起キャリアの分布状態のイメージ図であって、（ａ）は電界を印加していない場合を示しており、（ｂ）は電界を印加している場合を示している。
【００２８】
（試料となる半導体）
まず、電気特性である移動度を測定する試料となる半導体としては、ガラス基板やガラス基板にＳｉＯ2などの下地層を形成した基板１上に、膜厚数１０ｎｍの半導体薄膜２（例えば、ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜）を形成したものを用いることができる。しかし、測定の対象となる半導体材料としては、これのみに限られるものではなく、いかなる半導体材料をも対象としうることはいうまでもない。
【００２９】
（観測光照射手段）
次いで、試料である上記半導体を、本発明の半導体電気特性の測定装置にセットし、観測光照射手段６により該半導体の表面（半導体薄膜２側）に対して観測光を照射する（ステップＳ１）。観測光照射手段６に含まれる光源としては、キャリアを励起させない波長範囲の光を発生する光源を採用する。その波長範囲は、試料となる半導体材料の種類により異なり、たとえば、半導体材料がＳｉの場合、波長が１．２μｍ以上の光を照射する光源を用いることが好ましい。前述のようにキャリアを励起させない波長領域であるためである。
【００３０】
また、このような観測光照射のビーム径としては、後述の励起光が照射される全範囲を含む領域を照射できれば特に限定されない。
【００３１】
また、観測光照射手段６の設置方向は、試料である半導体の半導体薄膜２の表面に対して垂直な方向よりも少し振れた方向、すなわち垂直線に対して３０°以下の角度をなすように設置することが好ましい。試料である半導体から反射されてくる反射光を後述の受光手段７により受光し易くするためである。なお、プリズムなどの光学素子を用いて後述する励起光照射手段と同軸に設置することもできる。
【００３２】
なお、観測光照射手段６は、後述のように、試料である半導体の裏面（基板１側）に対して観測光を照射できるように設置することも可能である。
【００３３】
（励起光照射手段）
続いて、上記のように観測光が照射されている半導体表面に対して励起光照射手段３により励起光を照射する（ステップＳ２）。該励起光は、半導体薄膜２に対してキャリアを励起させる手段となるものである。したがって、励起光照射手段３に含まれる光源としては、半導体薄膜２の膜厚が数１０ｎｍのｐｏｌｙ−Ｓｉ膜の場合には、該薄膜内で励起光のエネルギーがキャリアの生成に使われるようにエネルギーギャップに相当する波長よりも短い波長であって、かつ吸収率の高い（侵入長の短い）波長の光を発生するものを採用することが好ましい。この例として、たとえば４００ｎｍ以下の波長の光を発生するＮ2レーザ（波長＝３３７ｎｍ）やＹＡＧレーザの３倍高調波（波長＝３５５ｎｍ）などを挙げることができる。
【００３４】
また、このような励起光照射手段３による半導体薄膜２上での照射範囲３１ａ（図４）は、たとえば、直径１０μｍから１００μｍ程度のほぼ真円形になるように照射光学系を構成し、半導体薄膜２の表面で真円状になるように照射する。この励起光照射により、半導体薄膜２表面の真円状の領域にキャリアが励起される。ここで、上記励起光照射により励起された光励起キャリアは、励起光照射後自然拡散により半導体薄膜２の表面を概略２次元的に拡散するので、励起光照射によりキャリア数が変化する領域は励起光照射範囲３１ａよりも自然拡散分だけ広い範囲となる。
【００３５】
なお、本実施の形態では、半導体薄膜２上の観測光が照射されている部分に励起光を照射する態様となっているが、これは便宜的なものであって、先に励起光を照射しておき、続いて光励起キャリアの寿命の範囲内のある一定時間後にその照射範囲を含む領域に観測光を照射する態様とすることもできる。
【００３６】
（受光手段−第１受光ステップ）
次いで、上記観測光が半導体薄膜２表面で反射されたその反射光を受光手段７により受光する（第１受光ステップ、ステップＳ３）。これにより、電界が印加されていない状態における反射光強度の分布を検出する。
【００３７】
該半導体薄膜２のキャリア密度は、励起光照射により光励起キャリア分だけ増加する。該半導体薄膜２の誘電率はキャリア密度依存性があるためこのキャリア密度に応じて変化する。そして、このように該半導体薄膜２の誘電率εがキャリア密度に応じて変化することにより、該半導体薄膜２の屈折率ｎは、
【００３８】
【数１】
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【００３９】
の関係により変化する。そして、これにより該半導体薄膜２に照射された観測光の反射光強度も変化する。
【００４０】
したがって、キャリア密度の空間的な分布状態に従って該半導体薄膜２に照射された観測光の反射光強度は変化することとなるので、観測光の反射光を受光手段で受光することにより反射光強度の分布を検出すれば、結局のところ、該半導体薄膜２のキャリア分布、すなわち、キャリア密度の分布状態を検出することができることとなる。
【００４１】
このような受光手段７としては、たとえば１次元ラインセンサを用いることができ、このような１次元ラインセンサとしては、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）やＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）センサなどの受光素子を用いることができる。
【００４２】
なお、このような受光手段７の設置方向は、前記観測光照射手段６からの光が半導体薄膜２の表面で反射した反射光を受光できるように、半導体薄膜２の表面に対して垂直な方向よりも少し振れた方向であって観測光照射手段６の振れた向きとは逆の向きに、垂直線に対して３０°以下の角度をなすように設置することが好ましい。なお、プリズムなどの光学素子を用いて前述の励起光照射手段と同軸に設置することもできる。
【００４３】
また、受光手段７である１次元ラインセンサは、図４に示したように励起光の照射範囲３１ａの中心を含み、かつ後述の電界の印加方向において各位置それぞれの反射光強度を検出し、その反射光強度の分布を検出できるように測定領域７１ａを有していることが好ましい。
【００４４】
また、このような検出は、基本的には１回でよい。なお、ノイズ低減や誤差を少なくするべく、あるいは、強度の変化を読みやすくするための蓄積を行なうべく、ステップＳ３を複数回の検出を行なってもよい。
【００４５】
なお、図４（ａ）は、電界Ｅを印加していない場合（第１受光ステップ、ステップＳ３）の励起されたキャリアの分布状態のイメージ図であり、反射光強度として捉えた状態を示している。範囲３３ａは、反射光強度の分布がある閾値以上である範囲を示しており、その範囲のＸ軸方向の長さはＸ１、Ｙ軸方向の長さはＹ１である。本実施の形態では、位置Ｘ０から位置Ｘ３までの測定領域７１ａを持つ１次元ラインセンサで測定するので、位置Ｘ０から位置Ｘ１Ｌまでと位置Ｘ１Ｒから位置Ｘ３までは上記の閾値未満の反射光強度が観察され、位置Ｘ１Ｌから位置Ｘ１Ｒまでは上記の閾値以上の反射光強度が観察されることになる（位置Ｘ１Ｌから位置Ｘ１Ｒまでの距離がＸ１である）。
【００４６】
（電界印加手段）
続いて、該半導体薄膜２の表面であって、上記励起光照射手段３により光励起キャリアが励起されている全範囲を含む領域に対して、電界印加手段５を用いてその領域における電界の向きが一方向となるように単一周波数の電界を非接触で印加する（ステップＳ４）。該電界としては、高周波の電界が好ましく、発振器４から発振することができる。上記励起光照射手段３により励起光が半導体薄膜２の表面に照射されて発生した光励起キャリアは、励起光照射後自然拡散により半導体薄膜２の表面を概略２次元的に拡散するが、このような電界の印加により電界の方向に沿って電界駆動によるキャリアの移動も生じることとなる。
【００４７】
この電界駆動によるキャリアの最大移動量は、移動度、電界強度および周波数に依存する。高周波電界の周波数ｆは、キャリア寿命をτとすると１／（２τ）より高い周波数とする必要がある。たとえば、キャリア寿命が１０ｎｓ程度で電界強度が１Ｅ５Ｖ／ｍの場合、周波数ｆは、１００ＭＨｚ以上、好ましくは数１００ＭＨｚ以上を用いる。また、周波数ｆの上限は移動度により決まり、たとえば移動度が１００ｃｍ2／Ｖ・ｓの場合は、周波数ｆは、１０ＧＨｚ以下、好ましくは１ＧＨｚ以下を用いる。このような範囲にない周波数の電磁波を用いると、たとえば周波数ｆが低い場合は、電界の変化が遅く、電界が極大になる前に光励起キャリアのキャリア寿命に達しキャリアの大半が再結合により消滅してしまい、電界で動くべき量との区別ができなくなり、キャリア移動度を見積もることができなくなる。一方、周波数ｆが高い場合は、電界の変化が速いので、キャリアの最大移動量が小さくなり受光手段の空間分解能を高くできないと移動量の差が得られにくくなる。なお、このような電磁波としては、解析の容易性の観点から単一周波数のものを採用することが好ましいが、これのみに限られるものではない。
【００４８】
具体的な電界の印加方法としては、たとえばダイポールアンテナやホーンアンテナ等のアンテナにより非接触で印加することができる。非接触であるから半導体薄膜を傷つけたり破壊したりすることがない。アンテナの方向は、ダイポールアンテナの場合、アンテナの長軸方向が電界の方向となるため、電界を与えたい方向とアンテナの長軸方向を一致させて配置する。ホーンアンテナで開口面が矩形の場合、矩形の短軸方向が電界の方向になるため、電界を与えたい方向と矩形の短軸方向を一致させて配置する。半導体薄膜２とアンテナとの距離は、１方向に電界を印加するためには、できるだけ近づけたほうが望ましい。
【００４９】
なお、このような電界の印加は、上記の通り発振器４により発振されるものであるので、この発振器４は通常、電界印加手段５に接続される。また必要に応じて発振器４と電界印加手段５との間にインピーダンスマッチングをとるための整合器を入れることもできる。
【００５０】
また、上記では、電界印加手段により印加される電界の例として高周波電界を例示して説明したが、印加される電界としてはこのように高周波電界に限定されることはなく一定電界を印加することもできることは言うまでもない。
【００５１】
（受光手段−第２受光ステップおよび演算ステップ）
続いて、このように電界を印加された半導体表面（半導体薄膜２側）において、上記観測光が反射されたその反射光を前記受光手段７により受光する（第２受光ステップ、ステップＳ５）。これにより、該半導体薄膜２のその表面（主面）における反射光強度の分布を検出することによって、電界が印加されている状態におけるキャリア密度の分布を検出する。このように前述の第１受光ステップ（ステップＳ３）と同様の考えにより、電界が印加された状態でのキャリア密度の空間的な分布状態を検出することができる。
【００５２】
すなわち、受光手段７として前記１次元ラインセンサを用いて、かつ該１次元ラインセンサを第１受光ステップ（ステップＳ３）で測定した方向と全く同じ方向に設置し、半導体薄膜２から反射してくる反射光を受光することにより、反射光強度の分布を検出し、キャリア密度の空間的な分布を検出する。
【００５３】
なお、図４（ｂ）は、電界Ｅを印加している場合（第２受光ステップ、ステップＳ５）の励起されたキャリアの分布状態のイメージ図であり、反射光強度として捉えた状態を示している。範囲３３ｂは、反射光強度がある閾値以上である範囲を示しており、その範囲のＸ軸方向の長さはＸ２、Ｙ軸方向の長さはＹ２である。本実施の形態では、前述のように位置Ｘ０から位置Ｘ３までの測定領域７１ａを持つ１次元ラインセンサで測定するので、位置Ｘ０から位置Ｘ２Ｌまでと位置Ｘ２Ｒから位置Ｘ３までは上記の閾値未満の反射光強度が観察され、位置Ｘ２Ｌから位置Ｘ２Ｒまでは上記の閾値以上の反射光強度が観察されることになる（位置Ｘ２Ｌから位置Ｘ２Ｒまでの距離はＸ２である）。
【００５４】
続いて、上記のようにして一連の測定が完了した後、電界の印加を停止するとともに励起光の照射を停止し、また観測光の照射も停止する（ステップＳ６）。なお、次の測定を連続的に行なうためにこれらの各停止動作は行なわなくても差し支えない。
【００５５】
続いて、上記の第１受光ステップ（ステップＳ３）および第２受光ステップ（ステップＳ５）でそれぞれ検出された反射光強度の分布について、上記図４（ａ）（ｂ）は単にイメージとして表わしたものであったが、これを実際に閾値処理等の演算処理を行ない、キャリア密度の変化および電界の印加によりある閾値以上の反射光強度の範囲を同定する（ステップＳ７）。すなわち、電界を印加していない場合（第１受光ステップ、ステップＳ３）の反射光強度がある閾値になった境目の位置（図４（ａ）におけるＸ１Ｌ、Ｘ１Ｒで表わされる位置）、および電界を印加した場合（第２受光ステップ、ステップＳ５）の反射光強度がある閾値になった境目の位置（図４（ｂ）におけるＸ２Ｌ、Ｘ２Ｒで表わされる位置）をそれぞれ演算により実際に求める。このようにして反射光強度の分布がある閾値以上になった範囲（すなわち、反射光強度の分布範囲）は、たとえば図４（ａ）（ｂ）に示したように位置としてはＸ１Ｌ、Ｘ１Ｒ、Ｘ２Ｌ、Ｘ２Ｒが求まり、さらにこの範囲のＸ軸方向の長さとしてはＸ１とＸ２が求まる。したがって、このような演算を簡易に行なえるように本願の測定装置は、演算手段９を備えていることが好ましく、この演算手段９は受光手段７に直接的または間接的に接続させることが好ましい。たとえば図３では、演算手段９は後述の制御手段８を介して間接的に受光手段７に接続されている。
【００５６】
次いで、上記のステップＳ７で求めた各反射光強度の分布（すなわち閾値処理した反射光強度の分布範囲）に基づいて、電界印加の有無による反射光強度の分布の変化（反射光強度の分布範囲の変化）ΔＸ（＝Ｘ２−Ｘ１）を求める（ステップＳ８）。これにより、結果的に電界印加の有無による反射光強度がある閾値以上になった範囲（反射光強度の分布範囲）を受光手段７（および演算手段９）により検出できることとなる。すなわち、周波数および電界が一定の場合、電界印加時の反射光強度が閾値になった境目の位置は、主にキャリアの移動度の大小に応じて変化する。したがって、演算手段９を用いて電界印加の有無によるこの境目の位置の差（すなわち反射光強度の分布範囲の変化）を計算により求めると（演算ステップ）、この差は電界によるキャリア移動度に相当するので、結果的にキャリア移動度（すなわち半導体の電気特性）が求められることになる。
【００５７】
すなわち、キャリアの速度をｖ、キャリア移動度をμ、電界をＥとすると、
ｖ＝μＥ
と表される。電界を単一周波数の高周波電界とし、キャリアを電子とすると、キャリアは負の電荷をもっているので、上記の単一周波数で電界方向と逆の方向に力を受けて運動することになる。単一周波数の電界Ｅは、電界振幅をＥ0、周波数をｆ、時間をｔ、初期位相をφとおくと、
Ｅ＝Ｅ0ｓｉｎ（２πｆｔ＋φ）
と表され、これを用いるとキャリア速度ｖは、
ｖ＝μＥ0ｓｉｎ（２πｆｔ＋φ）
と表される。
【００５８】
キャリアの変位量は、ｖを時間で積分すればよいので、その積分された変位量は移動度と電界の積に比例し、周波数に反比例する。従って、前記反射光強度の閾値の設定により前記ΔＸの値は変化するが、電界と周波数と上記閾値が一定であれば、ΔＸを測定すると結果的に半導体薄膜２のキャリア移動度を測定していることになる。
【００５９】
以上のようにして、電界印加手段により電界が印加されている場合と印加されていない場合とにおいて、反射光（または透過光）強度の分布が変化し、その分布の変化（分布範囲の変化量）を受光手段により検出する（より具体的には受光手段に接続されている演算手段により計算する）ことにより、結果的にキャリア移動度等の半導体電気特性を測定することができる。
【００６０】
（制御手段）
上記の各ステップの電界印加、励起光／観測光照射、停止、検出等のタイミングや印加や照射の量・方向などは、制御手段８により統括的に制御される。したがって、制御手段８は、上記各手段に間接的または直接的に接続されることにより、上記各手段を制御するものである。
【００６１】
このような制御手段８としては、例えば、スイッチング回路やコンピュータなどが使用できる。また、効率的な測定のためには、制御をシーケンス化することが望ましい。さらに、制御条件などが格納され測定結果が記録されるデータベースやメモリを付属させることが望ましい。
【００６２】
（移動手段）
上記励起光照射手段、電界印加手段、観測光照射手段および受光手段からなる計測系に対して、試料である半導体を相対的に移動させる移動手段を備えることにより、半導体表面の複数箇所を測定するようにすることができる。これにより、半導体表面の移動度の分布をより簡易に測定することができ、ａｍｏｒｐｈｏｕｓ−Ｓｉ膜をＥＬＡ法などで作成したｐｏｌｙ−Ｓｉ膜のように、面内の特性に分布が生じやすい半導体の評価に有効な半導体キャリア移動度を測定する電気特性測定装置を構成することができる。したがって、上記測定装置は、必要に応じ、該計測系に対して試料である半導体を相対的に移動させる移動手段を備えたものとすることができる。
【００６３】
以上のようにして、上記の構成を有する半導体電気特性の測定装置を用いれば、半導体薄膜のキャリア移動度相当量を非接触で簡易に測定することができる。また、前記ΔＸに関する閾値を所望の値に設定すれば、半導体の電気特性の良否判定処理を簡易に行なうこともできる。
【００６４】
なお、上記においては、キャリア密度が高いほど反射光強度が高くなる場合について説明し、このため反射光強度がある閾値以上になる場合に注目したが、観測光の波長や半導体材料の種類によっては、キャリア密度が高いほど反射光強度が低い特性を示す場合もある。このような場合においては、上述した反射光強度の大小関係は逆となり、ある閾値以下の範囲の反射光強度の分布範囲を検出することになる。
【００６５】
またなお、上記においては半導体電気特性としてキャリア移動度を例にとり説明したが、本発明にいう半導体電気特性とはこのようなキャリア移動度のみに限られるものではなく、キャリア移動度に関係する各種の電気特性やそれ以外の電気特性が含まれる。
【００６６】
＜実施の形態２＞
本実施の形態は、受光手段７として上記の実施の形態１における１次元ラインセンサに代えて、２次元エリアセンサを装備した場合の半導体キャリア移動度の測定装置によるキャリアの移動度の測定について、図５に基づいて説明する。
【００６７】
本実施の形態は、試料が試料面内で等方性を有する半導体などの場合において、上記実施の形態１における第１受光ステップ（ステップＳ３）の操作を行なわずに直接第２受光ステップ（ステップＳ５）の操作により２次元の測定（２次元強度の分布範囲の変化の計算）を行なうことを特徴としている。すなわち、第２受光ステップにより電界印加方向に平行な方向と垂直な方向での反射光強度の分布を検出するものであり、上記演算ステップ（ステップＳ８）においてこの２次元強度の分布範囲の変化を計算により求めるものである。
【００６８】
なお、２次元エリアセンサとしても、ＣＣＤやＣＭＯＳなどの撮像素子を用いることができる。
【００６９】
まず図５（ａ）のように試料が等方性の半導体である場合、電界が印加されていない第１受光ステップ（ステップＳ３）の状態ではＸ１＝Ｙ１となる。すなわち、図５（ａ）は電界Ｅを印加していない場合（第１受光ステップ、ステップＳ３）の励起されたキャリアの分布状態のイメージ図であり、反射光強度として捉えた状態を示している。励起光照射手段により励起光を励起光照射範囲３１ａに照射した場合、範囲３３ａは、反射光強度がある閾値以上である範囲を示しており、その範囲のＸ軸方向の長さはＸ１、Ｙ軸方向の長さはＹ１である。本実施の形態では、Ｘ軸方向（位置Ｘ０から位置Ｘ３まで）とＹ軸方向（位置Ｙ０から位置Ｙ３まで）で囲まれた測定領域７１ａを持つ２次元エリアセンサで測定するので、位置Ｘ０から位置Ｘ１Ｌまでと位置Ｘ１Ｒから位置Ｘ３までおよび位置Ｙ０から位置Ｙ１Ｌまでと位置Ｙ１Ｒから位置Ｙ３まで（すなわち範囲３３ａ以外の部分）は上記の閾値未満の反射光強度が観察され、位置Ｘ１Ｌから位置Ｘ１Ｒまでおよび位置Ｙ１Ｌから位置Ｙ１Ｒまで（すなわち範囲３３ａの部分）は上記の閾値以上の反射光強度が観察されることになる（位置Ｘ１Ｌから位置Ｘ１Ｒまでの距離がＸ１であり、位置Ｙ１Ｌから位置Ｙ１Ｒまでの距離がＹ１である）。
【００７０】
一方、図５（ｂ）のように電界が印加されている第２受光ステップ（ステップＳ５）の状態では、電界印加の方向は一方向でありＹ軸方向には電界がかからないためＹ２＝Ｙ１となる。図５（ｂ）は、電界Ｅを印加している場合（第２受光ステップ、ステップＳ５）の励起されたキャリアの分布状態のイメージ図であり、反射光強度として捉えた状態を示している。範囲３３ｂは、反射光強度がある閾値以上である範囲を示しており、その範囲のＸ軸方向の長さはＸ２、Ｙ軸方向の長さはＹ２である。本実施の形態では、上記のような測定領域７１ａを持つ２次元エリアセンサで測定するので、位置Ｘ０から位置Ｘ２Ｌまでと位置Ｘ２Ｒから位置Ｘ３までおよび位置Ｙ０から位置Ｙ２Ｌまでと位置Ｙ２Ｒから位置Ｙ３まで（すなわち範囲３３ｂ以外の部分）は上記の閾値未満の反射光強度が観察され、位置Ｘ２Ｌから位置Ｘ２Ｒまでおよび位置Ｙ２Ｌから位置Ｙ２Ｒまで（すなわち範囲３３ｂの部分）は上記の閾値以上の反射光強度が観察されることになる（位置Ｘ２Ｌから位置Ｘ２Ｒまでの距離がＸ２であり、位置Ｙ２Ｌから位置Ｙ２Ｒまでの距離がＹ２である）。
【００７１】
このため２次元エリアセンサによりＸ２とＹ２とを比較すれば、結局のところＸ２とＸ１とを比較することになる。したがって、このような場合には、第１受光ステップ（ステップＳ３）を行なわず、第２受光ステップ（ステップＳ５）のみを行なうことで電界印加前後のキャリア密度の変位範囲を求めることができる。従って、受光手段７として２次元エリアセンサを装備した半導体キャリア移動度の測定装置を用いることにより、試料面内で等方性を有する半導体試料の移動度を測定する場合に実施の形態１に比べてステップＳ３を省略して測定することができる。
【００７２】
これに対して、試料が試料面内のある方向に異方性をもつ半導体などの場合は、励起光のスポットが仮に真円であっても光励起されたキャリアの自然拡散の方向に違いが生じることから、電界が印加されていない第１受光ステップ（ステップＳ３）の状態においてもＸ１≠Ｙ１となる場合がある。したがって、このような場合には、上記実施の形態１のように第１受光ステップ（ステップＳ３）と第２受光ステップ（ステップＳ５）の測定の結果を比較する、あるいは基準サンプルとの比較などを行なうのが望ましい。また、異方性の方向、あるいは、異方性の方向に対して垂直な方向に電界の印加の方向を合わせるのが望ましい。異方性の方向が不明なときは、ある測定点に対し電界の方向を試料面内で変化させて、それぞれの反射光強度がある閾値以上の範囲を比較することにより異方性の方向を検出することができる。
【００７３】
なお、上記においては、キャリア密度が高いほど反射光強度が高くなる場合について説明し、このため反射光強度がある閾値以上になる場合に注目したが、観測光の波長や半導体材料の種類によっては、キャリア密度が高いほど反射光強度が低い特性を示す場合もある。このような場合においては、上述した反射光強度の大小関係は逆となり、ある閾値以下の範囲の反射光強度を検出することになる。
【００７４】
＜実施の形態３＞
上記の実施の形態１においては、ある１タイミングでの複数の位置の反射光強度の情報から演算される値を用いて測定を行なったが、本実施の形態は、ある１タイミングでの原則として単一の位置の反射光強度の情報を用いる、半導体の表面における反射光強度の分布範囲が適切な範囲にあるか否かを確認する半導体電気特性の確認方法について説明する。以下では、その一例として反射光強度の情報を用いる場合について記述する。
【００７５】
すなわち本実施の形態は、図６（ａ）〜（ｄ）に示すように、試料である半導体の表面に対して励起光が照射された照射点（励起光照射範囲３１ａの中心）から電界印加の方向でかつ一定距離の位置ｘｙ０において、励起光が照射されかつ電界が印加された後の一定時間後に反射光強度ｒを、位置ｘｙ０に測定領域７１ａを持つポイントセンサで測定し、反射光強度ｒが適切な強度範囲（Ｒｍｉｎ（最小強度）からＲｍａｘ（最大強度）の範囲）内にあるか否かのみを判別することを特徴としている。
【００７６】
ここで、図６（ａ）（ｂ）中の長さＸｌ２およびＹｌ２であらわされる３６ａ、３６ｂは、反射光強度がＲｍｉｎ以上の範囲を示しており、図６（ｃ）（ｄ）中の長さＸｕ２およびＹｕ２であらわされる３６ｃ、３６ｄは、反射光強度がＲｍａｘ以上の範囲を示している。そして、例えば、該測定点（位置ｘｙ０）が図６（ｂ）および（ｃ）の両者に該当すれば、該測定点（位置ｘｙ０）の反射光強度ｒは適切な強度範囲（ＲｍｉｎからＲｍａｘの範囲）内となり、適切な反射光強度を有すると評価することができる。なお、ポイントセンサとしては、半導体受光素子、光電子増倍管などの受光素子を用いることができる。
【００７７】
以下、上記の確認方法を実行するステップを、図７を参照しながら説明する。図７（ａ）は反射光強度が適切な範囲内にない半導体サンプル（ＮＧサンプル）を示し、図７（ｂ）は反射光強度が適切な範囲内にある半導体サンプル（Ｇｏｏｄサンプル）を示す。
【００７８】
まず、（ｉ）観測光照射手段により観測光を照射させかつ電界印加手段により電界を一方向に印加させながら、試料である半導体の表面の照射点Ａに対して励起光照射手段により励起光を照射する。
【００７９】
次に、（ｉｉ）一定時間後、その励起光の照射点Ａに対して一定の距離にある測定点ａにおいて、受光手段であるポイントセンサにより反射光強度を測定する。
【００８０】
続いて、（ｉｉｉ）励起光照射手段と受光手段等を含む計測系に対して、試料を相対的に移動させる（図示せず）。これにより、（ｉｖ）前記励起光照射手段は上記とは異なった照射点Ｂに対して励起光を照射するようにできる。
【００８１】
一方、（ｖ）測定点ａの反射光強度は予め定めた適切な反射光強度の範囲３７内にあるか否かを検査する（図示せず）。（ｖｉ）そして、この異なった励起光の照射点Ｂに対して一定の距離にある測定点ｂにおいても、上記と同様にして反射光強度を一定時間後に測定する。以後、このような照射と測定と移動と検査の操作を繰り返す。
【００８２】
このような操作を行なうことにより、試料である半導体の表面の各測定点における反射光強度の分布範囲が、適切な範囲内にあるか否かを確認することができる。なお、検査を行なう（ｖ）は、（ｉｉ）終了後から（ｖｉ）に対応する検査の開始までに行なえばよい。
【００８３】
なお、このような操作に適する該装置の構成としては、励起光照射手段と受光手段とを、電界方向の一直線上に配置し、さらに、励起光照射手段、電界印加手段、観測光照射手段および受光手段からなる計測系を同期させて、試料である半導体とは相対的に走査させることにより、試料である半導体上を連続的に測定することができる。このような装置構成は、迅速な評価を求められるインライン検査には好適である。
【００８４】
なお、電界印加手段は、走査により測定する領域内において一定の電界を印加することができるならば、励起光照射手段等と必ずしも同期させた試料に対する相対移動を行なう必要はなく、試料に同期させたり、あるいは間欠的に励起光照射手段等と同期させてもよい。
【００８５】
こうしたインライン検査においては、受光手段としてポイントセンサではなく、２次元エリアセンサや１次元ラインセンサをポイントセンサ的に利用することもできる。すなわち、２次元エリアセンサや１次元ラインセンサを用いて、該センサで捕らえた反射光強度の情報（分布範囲）の一部のみを予め定めた適切な範囲内にあるか否かを確認することもできる。
【００８６】
このような態様について、例えば図８に示すように、励起光の照射点の軌跡３８に平行な測定領域７１ａを持つ１次元ラインセンサを用いた場合を説明する。なお、図８において（ｉ）は励起光照射前を示し、（ｉｉ）は励起光照射後を示している。また、楕円部は、適切な反射光強度の範囲３７を示している。
【００８７】
まず励起光照射手段、観測光照射手段、電界印加手段を同期させて、これらを、１次元ラインセンサに同期する試料とは相対的に移動させる。照射点Ａに対して一定の距離にある測定点ａを測定すべきタイミングにおいては、１次元ラインセンサにおいて測定点ａに対応する反射光強度の情報が確認に用いられ、一方照射点Ｂに対して一定の距離にある測定点ｂを測定すべきタイミングにおいては、同じく１次元ラインセンサにおいて測定点ｂに対応する反射光強度の情報が確認に用いられることになる。
【００８８】
これにより、センサの同期移動が不要となるが、測定領域が広い場合は、センサに対する観測光照射手段からの光の角度や量が異なってくるので反射光強度に誤差を生じる可能性がある。このため、このような測定方法は比較的小さな試料向きである。
【００８９】
＜実施の形態４＞
本実施の形態は、上記の実施の形態１における励起光の照射範囲が真円状であったものに代えて、真円状以外の形状となる場合について説明する。
【００９０】
すなわち、上記の各実施の形態では、試料である半導体の表面に対して励起光を真円状になるように照射したが、励起光の照射範囲３１ａの半導体表面上での形状は、例えば、楕円状あるいは図９に示すような細長い矩形状であっても良い。
【００９１】
図９（ａ）は電界Ｅを印加していない場合、（ｂ）は電界Ｅを印加している場合をそれぞれ示している。また、３３ａ、３３ｂはそれぞれある閾値以上の反射光強度の分布範囲を表わしている。
【００９２】
一方、励起光の照射範囲が楕円状の場合は、図４でＸ１≠Ｙ１の場合であるが、楕円の長軸方向と短軸方向のアスペクト比（Ｙ１／Ｘ１）を考慮することにより上記各実施の態様と同様の測定が可能となる。
【００９３】
＜実施の形態５＞
本実施の形態は、上記の各実施の形態が受光の対象として反射光を扱っていたのに対して、受光の対象として透過光を扱う場合について説明する。
【００９４】
すなわち、上記の各実施の形態では、受光手段による受光の対象が反射光の場合であったが、半導体の種類等によっては反射光強度の変化量よりも透過光強度の変化量の方が大きくなる場合がある。このような場合においては、図１０に示すように、試料である半導体の裏面（すなわち基板１側）から観測光が照射できるように観測光照射手段６を設置する一方、該半導体の表面（すなわち半導体薄膜２）側に励起光照射手段３、発振器４、電界印加手段５、受光手段７および制御手段８を設置するようにして半導体キャリア移動度を測定することができる半導体電気特性の測定装置を構成する。そして、このような装置構成とすることにより、透過光強度の分布を受光手段により受光し、ある閾値以上の透過光強度の分布範囲を測定し、これによりある閾値以上の透過光強度の分布範囲の変化を計算し、もって半導体のキャリア移動度（すなわち半導体電気特性）を測定することが可能である。
【００９５】
なお、この場合、図１０に示すように観測光照射手段６と受光手段７を半導体表面の垂直線方向に設置するとともに、励起光照射手段３はその垂直線から一定の角度、たとえば３０°以下の角度をなすように設置することができる。この他、プリズム等を用いて励起光と観測光の軸を同軸にすることにより装置構成を小型化することもできる。また、電界印加手段５には、上記と同様の発振器４を備えることができ、また受光手段７には上記と同様の演算手段９を備えることもできる。
【００９６】
＜実施の形態６＞
本実施の形態は、上記の各実施の形態において電界の印加を単一周波数の高周波電界を用いていたのに対して、一定電界を印加する場合について説明する。
【００９７】
高周波電界の印加にはダイポールアンテナを用いたが、一定電界を印加する場合は試料である半導体薄膜上の測定点を挟んだ２箇所において、該半導体薄膜面から数μｍ〜数１０μｍのギャップをもたせるようにして電極を設ける。またあるいは、水銀プローブや金属電極を該半導体薄膜に密着させて設ける。このようにして、これらの電極により電界を印加する。
【００９８】
そして一定電界を印加すると、キャリアの速度ｖは、前記同様キャリア移動度μと電界Ｅとを用いて、
ｖ＝μＥ
と表わすことができる。
【００９９】
このため、電界Ｅは一定なので電界を大きくすればキャリアの速度ｖは電界に比例して大きくなる。したがって、一定時間経過後の移動距離も電界に比例して大きくなる。しかしながら、光励起キャリアには寿命があるため、移動できる時間がこのキャリア寿命により制限され、移動できる距離も制限される。
【０１００】
キャリア寿命は本実施の形態の手法によって評価が困難なため、他の手法（例えば、μ−ＰＣＤ法）でキャリア寿命を計測し、上記の手法で移動距離を求めれば、移動度に相当する値を算出することができ、移動度評価や良否判定をすることができる。
【０１０１】
なお、高周波電界の場合は、電界の方向が基準点に対し正方向と負方向の２つの向きを持つため、等方性の試料の場合は、光強度の変化範囲は励起光の照射点に対して両側均等になるが、一定電界の場合は電界の方向がある一方向であるので、光強度の変化範囲は照射点に対して通常両側均等にはならない。
【０１０２】
＜実施の形態７＞
上記の実施の形態１において、受光ステップ（第１受光ステップおよび第２受光ステップの両者）が励起光照射状態で行なわれていたのに対し、本実施の形態は、励起光照射状態と励起光非照射状態の両状態において受光ステップを行なうことにより半導体電気特性（半導体のキャリア移動度）を測定する方法である。励起光の照射前後における観測光による反射光強度または透過光強度が変化し、この反射光強度または透過光強度の変化量分布（上記の変化に起因する変化が特定の変化幅（すなわち変化量）となる領域）が更に電界の有無により変化する。この反射光強度または透過光強度の変化量分布の変化を受光手段により検出することを特徴とするものである。
【０１０３】
このような測定方法は、励起光の照射前後で観測光の反射光強度の変化量または透過光強度の変化量が非常に小さい場合に有効となるものである。すなわち、観測光を連続して照射し、かつ励起光を周期的に照射することによって、観測光の反射光強度または透過光強度を励起光の周期に同期させて受光手段で受光した信号をロックインアンプで計測することにより、反射光強度または透過光強度の励起光の周期性に依らない成分（ＤＣ成分）が除去され、励起光に同期する成分が増幅されるので、励起光による微小な反射光強度または透過光強度の変化量を検出できる。従って、これらの変化量の電界印加の有無による変化からキャリア移動度等の半導体の電気特性を測定するものである。以下、反射光の場合を例にとり説明するが、透過光においても利用できることは言うまでもない。
【０１０４】
図１１は、このような測定方法により半導体のキャリア移動度を測定するためのフローチャートを示しており、図１２は、このような測定方法に適する本発明の半導体電気特性の測定装置の概略ブロック図を示し、また図１３および図１４は、図１２の点線で囲んだ範囲の詳細を示した図である。
【０１０５】
なお、図１１は、受光ステップの区別が分かりやすいように、図１３に示した測定装置を用いる場合のフローチャートを示している。すなわち、励起光照射手段と受光手段とが接続されており、励起光照射手段３として周期性を持って励起光を複数回照射するパルスレーザ３０１を用い、かつこの励起光の周期に同期して励起光照射のＯＮ前（励起光非照射状態）とＯＦＦ前（励起光照射状態）とに受光できるように、受光手段７としてロックインアンプ７０１と受光センサ７０２とを内蔵させてある（すなわち、図１３の測定装置は、励起光照射手段３と受光手段７とが接続され、パルスレーザ３０１から発信周波数同期信号がロックインアンプ７０１に送られる）。
【０１０６】
なお、ここで用いるパルスレーザ３０１としては、例えば数１０Ｈｚから１ｋＨｚ程度の周波数を持つパルスレーザが好ましい。また、ロックインアンプ７０１とは、同期検波器の一種であり、電圧計の一種に属するものである。
【０１０７】
一方、励起光照射手段３によりパルス光を照射している間、すなわち励起光の照射（ＯＮ）、非照射（ＯＦＦ）を周期的に行なう間、受光手段７により連続して受光を続けることもでき、このような場合には励起光の周期に応じた情報を演算ステップで後処理的に活用することができる。
【０１０８】
また、図１４に示すように、周期性を持って励起光を複数回照射する励起光照射手段３として、連続状の励起光を照射できるもの（ＣＷ（連続発振）レーザ３０２）と励起光を遮断する光素子（光チョッパ３０３）を用い、発振器３０４から参照信号を発することにより、光チョッパ３０３の駆動と受光手段７（ロックインアンプ７０１および受光センサ７０２）の受光とを同期させて（すなわち励起光の周期に同期して受光させて）測定することもできる。すなわち、ＣＷレーザ３０２により発せられる励起光と、該励起光が照射される試料との光路中に、数１０Ｈｚから１ｋＨｚ程度の周波数で回転する光チョッパ３０３（スリット（切り込み）のある回転円盤）を置くことにより、該励起光をチョッピングする。これにより、試料に照射される励起光は周期的に照射（ＯＮ）と非照射（ＯＦＦ）を繰り返し、受光ステップをこれに同期させることにより反射光強度の変化量を測定することができる。
【０１０９】
このように本測定方法は、電界が印加されている状態と電界が印加されていない状態において、励起光を周期的に試料に照射し、その周期に同期して観測光による反射光を繰り返し受光手段により複数箇所受光し、各箇所の信号をロックインアンプで処理することにより、励起光の照射の有無による反射光強度の変化量を複数箇所で検出し、閾値処理により反射光強度の変化量分布範囲を求める。次いで、該電界印加の有無による反射光強度の変化量分布範囲の変化量を計算することにより半導体のキャリア移動度などの電気特性を測定するものである。以下、図１１に基づいて説明する。
【０１１０】
まず、観測光照射手段６により試料である半導体（半導体薄膜２）の表面に観測光を照射する（ステップＳ１１）。そして、この観測光が該半導体試料表面で反射されたその反射光を受光手段７により複数箇所の光量を受光し、該半導体試料による観測光の反射光強度を複数箇所で受光する（ステップＳ１２）。すなわち、このステップにより電界非印加でかつ励起光非照射の状態の反射光強度が複数箇所で受光される。
【０１１１】
次いで、上記のように観測光が照射されている半導体試料の表面に対して励起光照射手段３により励起光を照射する（ステップＳ１３）。そして、この状態で受光手段７により該半導体試料による観測光の反射光強度を複数箇所で受光する（ステップＳ１４）。すなわち、このステップにより電界非印加かつ励起光照射の状態の反射光強度が複数箇所で受光される。
【０１１２】
続いて、励起光の照射を停止する（ステップＳ１５）。なお、以上のステップＳ１２〜ステップＳ１５の操作は、繰り返し行なう。その繰り返し数は、１０〜１００００程度であり信号のノイズ等に応じて選択されるが、時間的には少ないほうが好ましいことは言うまでもない。このようにこれらの操作を繰り返して行なうことにより、電界非印加の状態における励起光の照射有無による観測光の反射光強度を複数箇所で受光（観測光の反射光強度の変化量分布を受光手段により検出）することができる。
【０１１３】
以上の操作中に、たとえば、半導体試料から反射される反射光の受光信号を受光手段７に内蔵されているロックインアンプ７０１に入力するとともに、半導体試料に照射された励起光の周期の同期信号も入力して、出力信号を取得することにより反射光強度の変化量を検出しておき、閾値処理により反射光強度の変化量分布範囲を同定する（ステップＳ１６）。
【０１１４】
続いて、上記半導体試料（半導体薄膜２）の表面であって、上記励起光照射手段３により励起光が照射されていた範囲を少なくとも含むような領域に対して、電界印加手段５により該領域における電界の向きが一方向となるように電界を印加する（ステップＳ１７）。次いで、観測光が該半導体試料表面で反射されたその反射光を受光手段７により受光し、該半導体試料による観測光の反射光強度を複数箇所で受光する（ステップＳ１８）。すなわち、このステップにより電界印加状態でかつ励起光非照射の状態の反射光強度が複数箇所で受光される。
【０１１５】
次いで、上記のように観測光が照射されている半導体試料の表面に対して励起光照射手段３により励起光を照射する（ステップＳ１９）。そして、この状態で受光手段７により該半導体試料による観測光の反射光強度を複数箇所で受光する（ステップＳ２０）。すなわち、このステップにより電界印加状態でかつ励起光照射の状態の反射光強度が複数箇所で受光される。
【０１１６】
続いて、励起光の照射を停止する（ステップＳ２１）。なお、以上のステップＳ１８〜ステップＳ２１の操作は、繰り返し行なう。その繰り返し数は、上記と同様で１０〜１００００程度であり信号の雑音等に応じて選択されるが、時間的には少ないほうが好ましいことは言うまでもない。このようにこれらの操作を繰り返して行なうことにより、電界印加状態における励起光の照射有無による観測光の反射光強度を複数箇所で受光（ある閾値以上の反射光強度の変化量分布を受光手段により検出）することができる。
【０１１７】
以上の操作中に、たとえば、半導体試料から反射される反射光の受光信号を受光手段７に内蔵されているロックインアンプ７０１に入力するとともに、半導体試料に照射された励起光の周期の同期信号も入力して、出力信号を取得することにより反射光強度の変化量を検出しておき、閾値処理により反射光強度の変化量分布範囲を同定する（ステップＳ２２）。
【０１１８】
続いて、上記のように一連の測定が完了した後、電界の印加を停止するとともに観測光の照射も停止する（ステップＳ２３）。
【０１１９】
次いで、上記のステップＳ１６およびステップＳ２２でそれぞれ得られた反射光強度の変化量分布範囲の変化量（差）について演算処理（計算）を行なうことにより、上記半導体試料のキャリア移動度を求めることができる（ステップＳ２４（演算ステップ））。
【０１２０】
このように、該半導体試料に照射された観測光の反射光強度の変化量は、キャリア密度の空間的な分布状態に従って変化するので、観測光の反射光を受光手段で受光することにより反射光強度の変化量を複数箇所で検出すれば、結局のところ、該半導体試料の面内のキャリア分布、すなわち、キャリア密度の分布状態を検出することができ、これにより実施の形態１と同様にしてキャリア移動度を測定することができることとなる。
【０１２１】
以上要するに、上記の測定方法は、上記のような特定構造の半導体電気特性の測定装置を用いて半導体電気特性を測定する方法であって、観測光照射手段により半導体の表面に観測光を照射させながら、電界印加手段により電界を印加させない状態において励起光照射手段により励起光を照射する場合と照射しない場合とにおける、前記観測光の反射光強度（または透過光強度）の変化量分布を受光手段により検出するステップと、上記電界印加手段により電界を印加させた状態において上記励起光照射手段により励起光を照射する場合と照射しない場合とにおける、上記観測光の反射光強度（または透過光強度）の変化量分布を上記受光手段により検出するステップと、これらの変化量分布を閾値処理してそれぞれの変化量分布範囲を求めるステップと、それらの変化量分布範囲の変化を求めることにより半導体電気特性を求めるための演算ステップとを含むものである。
【０１２２】
尚、上記に述べた微小信号を扱う手法は、例えば実施の形態１において電界のＯＮ、ＯＦＦでの反射光強度の変化量分布範囲の変化が小さい場合において、電界のＯＮ、ＯＦＦを周期的に行い、それに同期して受光手段により受光、演算等をおこなうことにより微小な反射光強度の変化量分布範囲を計測することも可能である。
【０１２３】
なお、上記の実施の形態１から７では、測定用の半導体試料として数１０ｎｍ程度の半導体の薄膜を対象としたが、本実施の形態の半導体電気特性の測定装置は数μｍオーダーの厚膜やバルクの半導体基板やＳＯＩ基板に対しても適用できる。但し、その場合は、半導体部分または測定すべき部分の厚さや半導体材料に応じて、キャリアを励起するための光の波長は変わるので、目的に応じた励起光用光源を有する励起光照射手段を選択することが好ましい。また、電界印加手段においては、キャリアの寿命やキャリア移動度に応じて電界を印加するための電磁波の周波数や電界強度を選択することが好ましい。
【０１２４】
なお、観測光照射手段に含まれる光源の波長は、半導体薄膜の厚さ、屈折率、照射角度、近傍の層構成などを考慮して、適度な反射が可能であるならば特に制限はなく、反射光強度の変化が大きくなるように選択するのが好ましい。さらに観測光としては、屈折率が観測光の波長で大きく異ならないように単波長や狭波長帯の光が望ましい。より具体的には、波長が１．２〜４．０μｍの単波長の光を用いることが好ましい。
【０１２５】
また、今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【０１２６】
【図１】本発明の半導体電気特性の測定装置を用いて半導体電気特性（半導体キャリア移動度）の測定方法を実行するためのフローチャートである。
【図２】半導体電気特性の測定装置の概略ブロック図である。
【図３】演算手段を設けた半導体電気特性の測定装置の概略ブロック図である。
【図４】半導体表面に対して励起光を真円状に照射することにより励起されたキャリアの分布範囲のイメージ図であって、（ａ）は電界を印加していない場合を示しており、（ｂ）は電界を印加している場合を示している。
【図５】受光手段として２次元エリアセンサを用いる場合のキャリアの分布範囲のイメージ図であって、（ａ）は電界を印加していない場合を示しており、（ｂ）は電界を印加している場合を示している。
【図６】受光手段としてポイントセンサを用いる場合のキャリアの分布範囲のイメージ図であって、（ａ）はｒ＜Ｒｍｉｎの場合、（ｂ）はＲｍｉｎ≦ｒの場合、（ｃ）はｒ≦Ｒｍａｘの場合、（ｄ）はＲｍａｘ＜ｒの場合、を各示している。
【図７】半導体の表面における反射光強度が適切な範囲にあるか否かを、受光手段としてポイントセンサを用いて確認する方法の概略図であって、（ａ）は反射光強度が適切な範囲内にない半導体サンプルを示し、（ｂ）は反射光強度が適切な範囲内にある半導体サンプルを示す。
【図８】半導体の表面における反射光強度が適切な範囲にあるか否かを、受光手段として１次元ラインセンサを用いて確認する方法の概略図である。
【図９】半導体表面に対して励起光を細長い矩形状に照射することにより励起されたキャリアの分布範囲のイメージ図であって、（ａ）は電界を印加していない場合を示しており、（ｂ）は電界を印加している場合を示している。
【図１０】透過光を受光する場合の半導体電気特性の測定装置の概略ブロック図である。
【図１１】本発明の半導体電気特性の測定装置を用いて、励起光の照射前後で観測光の反射光強度の変化が非常に小さい場合の半導体電気特性（半導体キャリア移動度）の測定方法を実行するためのフローチャートである。
【図１２】励起光照射手段と受光手段が接続されている半導体電気特性の測定装置の概略ブロック図である。
【図１３】上記装置における励起光照射手段と受光手段の詳細を示した概略ブロック図である。
【図１４】上記装置における励起光照射手段と受光手段の詳細を示した別の概略ブロック図である。
【図１５】従来の半導体電気特性の測定装置の概略構成図である。
【符号の説明】
【０１２７】
１  基板、２  半導体薄膜、３  励起光照射手段、３１ａ  励起光照射範囲、３３ａ，３３ｂ  範囲、４  発振器、５  電界印加手段、６  観測光照射手段、７  受光手段、７１ａ  測定領域、８  制御手段、９  演算手段、３０１  パルスレーザ、３０２  ＣＷレーザ、３０３  光チョッパ、３０４  発振器、７０１  ロックインアンプ、７０２  受光センサ、２１  フェムト秒可視光パルスレーザ、２１ａ，２１ｂ  可視光パルス、２２  テラヘルツパルス光源、２２ａ  テラヘルツパルス光、２３ａ  測光光学系、２４  時間遅延可動ミラー、２５  半導体ウエハ、２６  テラヘルツパルス検出器、２８  半透過ミラー。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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