半導體基片品質評價的方法和裝置的制作方法

專利名稱：半導體基片品質評價的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種方法和裝置，用于以像外延晶片或這類硅基片為代表的半導體基片的品質評價，也就是說，用于定量地評價半導體基片中存在的雜質、缺陷等。
到目前為止，像此類評價方法，已經公開了一種用于光發射器件的外延晶片評價方法，該方法是用一種激發光照射用于化合物半導體光發射器件的外延晶片，檢測在該晶片中由載流子激發產生的光致發光，當光致發光強度變化的速度成為一個固定值時(日本特許公開No.2000-101,145)從光致發光強度的變化速度導出非輻射壽命。
在以這種方式組成的用于光發射器件的外延晶片評價的一種方法中，由于非輻射壽命是不依賴于受激發載流子密度的物理參數值，發光系數與具有高激發載流子密度的高亮度LED保持好的相關性。結果，由于可能準確方便地測量活性層中非輻射壽命，而不依賴于受激載流子密度，就可能確實選擇一個有高發光系數的外延晶片并提高制作外延晶片的成品率。
還公布了一種評價半導體器件的方法，該方法是，在正方向上，在p型覆蓋層和n型覆蓋層之間加一個偏轉電壓，在用脈沖光照射半導體層得到光致發光的基礎上，測量光致發光的衰減時間常數，該半導體層比p型覆蓋層和n型覆蓋層帶隙小，且放置在p型覆蓋層和n型覆蓋層之間(日本特開平No.Hei 10-135,291(1986/135,291)。這種評價方法通過從所說的光致發光強度中減去不用激發光照射加偏轉電壓時獲得的發光強度計算出光致發光的衰減時間常數。
以這種方式組成的半導體評價方法適用于帶pn結的半導體器件，特別是像LED，化合物半導體激光器等光發射器件，通過從用激發光照射時光致發光強度中減去不受激發光照射，在正方向上對pn結加一個偏轉電壓，因半導體層能帶傾斜影響而減小了的光致發光強度，得到光發射器件的光致發光強度的衰減時間常數。結果，由于即使是在激發光強度變化時，能帶的傾斜和衰減時間常數也變化很小，而且衰減時間常數可以測得更準確，就可能從準確性上改進光發射器件的檢測，并易于檢測缺陷的成因。
另一方面，公開了半導體表面壽命評價的一種方法，在半導體基片的主表面上形成半導體薄膜層，在半導體薄膜層附近由于能量比被檢測半導體帶隙大的激發光而產生電子-空穴對，電子-空穴對復合產生有特定波長的光的強度，該方法從這個光的強度評價半導體層或它附近區域的壽命。(日本特開平No.Hei 8-139,146(1996/139,146))。在這種壽命評價方法中，由電子-空穴對復合發射的有特定波長的光為帶邊緣復合，而且產生電子-空穴對的深度的區域可以通過選擇所說的激發光的波長有選擇地改變。而且它的半導體基片使用一個電阻(電阻系數)0.1Ωcm或更小的晶體，使得載流子的擴散長度相對短，而且，帶邊緣復合的強度更強。
在以這種方式構成的半導體表面壽命評價方法中，由于產生電子-空穴對的深度的區域可以通過選擇激發光的波長來有選擇地改變，就可能有選擇地只評價半導體薄層的壽命或是評價半導體薄層和半導體基片兩者的壽命。
可是，所說的在日本特許公開No.2000-101,145中公開的用于光發射器件外延晶片的現有評價方法有一個不足之處，盡管光發射器件被認為，由于在用于光發射器件的納秒級的外延晶片(化合物半導體)中壽命足夠短，在激發光照射的區域發光，在像間接帶隙硅基片或此類微秒級長壽命半導體基片中，不考慮激發光照射半導體晶片而在其中激發的載流子的擴散就不能準確地測量壽命。
所說的在日本特開平No.Hei 10-135,291(1998/135,291)中現有的半導體器件評價方法有一個難題，由于測量對象是具有短衰減時間常數雙異質結構的化合物半導體，盡管衰減時間常數，能通過在正方向上對pn結加一個偏轉電壓、并由此減少半導體能帶傾斜的影響，來相對準確地獲得，在像間接帶隙硅片或此類長壽命的半導體基片中，不考慮半導體基片中激發的載流子的擴散，就不能準確地測量衰減時間常數。
另外，在所說的日本特開平No.Hei 8-139,146(1996/139,146)中公布的半導體表面壽命評價方法中，有一個不足之處，即使是改變激發光的波長，產生電子-穴空對的深度區域也不能控制。
那就是說，在用激發光照射的半導體薄層中產生的電子-空穴對有有限的壽命，它們有時擴散和復合，并由此在激發光所照射的區域之外發光。結果，即使是改變激發光的波長，只有被激發光照射的區域未必發光，產生電子-空穴對的深度區域不能控制。
本發明的一個目的是提供一種半導體基片品質評價的方法和裝置，該方法和裝置不損傷、不接觸半導體基片，通過定量得到長壽命半導體基片壽命，準確地評價半導體基片中的雜質和缺陷等。本發明的另一個目的是提供一種半導體基片品質評價的方法，不損傷、不接觸半導體基片，得到與薄膜層或塊狀基片壽命正相關的光致發光強度，并能準確地評價薄膜層或塊狀基片中的雜質和缺陷等。
發明者認為，像拋光硅基片這種幾十到幾百微秒級長壽命半導體基片，通過光致發光方法用于半導體基片壽命測量時，即使是一種平常所用的幾十到幾百赫茲斬光頻率，從半導體基片發射的光致發光的衰減也跟不上激發光的斬光，而且，當激發光的斬光頻率從低頻到高頻逐漸增加時，所說的光致發光從大波動范圍的斷續性發光變化為小波動范圍的發光。發明者預計，對光致發光斬光頻率的依賴，隨每個半導體基片的光致發光衰減時間常數而變化。換句話說，發明者已經發現，當光致發光從斷續性發光變化為連續發光時，以激發光的斬光頻率變化為基礎，可能獲得光致發光的衰減時間常數。由此，發明者考慮了光致發光的瞬態響應并得到本發明的從光致發光的時間常數導出壽命。
本發明的第一個方面是，半導體基片品質評價的一種方法，用一種激發光斷續性地照射半導體基片的表面，當用激發光斷續性地照射半導體基片時，半導體基片發射的光致發光強度轉變為一種電信號，通過逐漸增加激發光的斬光頻率，從轉變為電信號的光致發光平均強度的變化得到光致發光的衰減時間常數T，并且從表達式“τ＝T/C”計算出表征半導體基片品質評價的壽命τ，其中C是一個常數。
根據本發明的第一個方面，這種半導體基片品質評價方法能不損傷不接觸半導體基片定量地得到半導體基片的壽命τ，并且得到的壽命是準確定量地表征半導體基片中雜質、缺陷等的一個值。而且這種品質評價方法適合于得到長壽命半導體基片的壽命τ。
根據本發明的第二個方面，本發明是用于半導體基片品質評價的一種裝置，包括一個激光器件，用于用激發光照射半導體基片的表面。
放置在激光器件和半導體基片之間的第一個斬光器，用來以特定頻率遮擋照射半導體基片的激發光，放置在第一斬光器和半導體基片之間的第二斬光器，能以比第一斬光器高的變化頻率遮擋激發光。
一個單色儀，當用激發光斷續性地照射半導體基片時，半導體基片發射的光致發光進入這個單色儀，一個光檢測器，用于把進入單色儀的光致發光強度轉變為電信號，一個鎖定(同步)放大器，用于吸收和放大光檢測器轉變的電信號和由第一斬光器產生的脈沖信號，以及一個控制器，用于讀取同步放大器放大的電信號和脈沖信號，并通過控制第二斬光器改變激發光的斬光頻率，其中通過控制第二斬光器逐漸增加激發光的斬光頻率時，從轉變為電信號的光致發光平均強度的變化，該裝置可以得到光致發光的衰減時間常數T，并從表達式(1)計算出表征半導體基片品質的壽命τ。
τ＝T/C(1)其中C為常數。
和本發明的第一個方面一樣，根據本發明的第二個方面，用于半導體基片品質評價的這種方法可以不損傷、不接觸半導體基片，定量地得到半導體基片的壽命，而且得到的壽命τ是定量準確地表征半導體基片中雜質和缺陷的一個值。而且，該品質評價裝置適用于獲得長壽命半導體基片11的壽命τ。
當激光或此類相干激發光入射到半導體基片表面時，激發光穿透到一定深度，這個深度由與激發光波長相關的一個吸收系數決定。這個吸收系數是由半導體材料特定的一個值，在由波長為488nm的氬激光器發射的激發光輸入到由單晶硅組成的一個外延晶片這種情況下，吸收系數的數量級是1000cm-1(kayser凱塞)，透射深度約為1μm。在用激發光照射半導體基片時，如果沒有其他復合中心，由該激發光激發的一個電子和一個空穴就會在導帶和價帶之間復合，形成一個帶邊緣復合，而且如果有一個不輻射的中心，激發的載流子就在不輻射的中心復合，形成弱的帶邊緣復合。
例如，當波長為488nm的氬激光入射到一個p/p+外延晶片的外延層(厚度為5μm)表面時，由于它的透射深度為1μm，該激發光在外延層中厚度為5μm之內停下來。可是，由于載流子在外延層中有一個有限的壽命，載流子出現擴散，而且載流子擴散到塊狀基片一側。結果，當晶片的壽命短時，載流子就很難透射到塊狀基片，而且當晶片的壽命長時，載流子就容易透射到塊狀基片。
另一方面，在用光致發光法只評價外延層的情況下，需要區分塊狀基片(bulk substrate)和外延層的不同。當用激發光照射塊狀基片表面時，在塊狀基片厚度的方向上，幾乎從整個面發射光致發光，而當用激發光照射p/p+外延晶片的外延層表面時，由于載流子擴散，光致發光不僅包括外延層(p)發射的光而且還包括從塊狀基片(p+)發射的。由此，考慮到載流子的擴散，發明者找到一種方法，用于把從塊狀基片發射的光和從外延層發射的光分開，并獲得了本發明。
根據本發明的第三個方面，本發明是半導體基片品質評價方法的改進，這種改進是用激發光斷續性地照射由包括塊狀基片和沉積在塊狀基片上的薄膜層的半導體基片的表面，使當用激發光斷續性地照射半導體基片時，半導體基片發射光致發光，并且測量光致發光的強度。
它的組成的特征在于通過解擴散方程，得到當用激發光照射薄膜層時在薄膜層中產生的載流子的穩態擴散分布，導出表達式(2)，用于從載流子的穩態擴散分布得到光致發光強度的信號數據[PL]，用入射強度不同的兩種激發光照射半導體基片表面，測量兩種光致發光強度的信號數據，以及用一個特定值乘兩種光致發光強度信號數據中強度較小的一個，然后從強度大的信號數據中減去強度小的信號數據，并由此通過消去表達式(2)中的第一項得到包括從薄膜層中發射的更多光的信號數據，或是通過消去表達式(2)中的第二項得到包括從塊狀基片中發射的更多光的信號數據。[PL]CBr=pτ[1-(1-pbpτbτ)e-dDτ]I]]>+τ3/22D[1-(1-τbτ)e-2dDτ]I2......(2)]]>其中，[PL]是光致發光強度的信號數據，C是常數，Br是復合輻射系數，p是薄膜層中載流子密度，pb是塊狀基片中載流子密度，τ是薄膜層中載流子的壽命，τb是塊狀基片中載流子的壽命，D是載流子擴散系數，d是薄膜層的厚度，以及I是激發光的入射強度。
根據本發明的第三個方面，這種用于半導體基片品質評價的方法，可以通過從表達式(2)中消去第一項而估算與薄膜層的光致發光強度正相關的薄膜層的壽命τ，而不損傷、不接觸半導體基片，而且薄膜層的光致發光強度成為準確表征薄膜層中雜質和缺陷的一個值。而且這種方法可以通過消去式(2)的第二項估算而與塊狀基片的光致發光強度正相關的塊狀基片的壽命，而且塊狀基片的光致發光強度成為準確表征塊狀基片中雜質和缺陷的一個值。另外，這種品質評價方法適合于外延晶片外延層或塊狀基片的品質評價。
圖1是本發明第一個實施例的一種半導體基片品質評價裝置的構造圖。
圖2是本發明第二個實施例的一種半導體基片品質評價裝置的構造圖。
圖3是激發光的入射強度為40mW時，光致發光強度[PL](high)的信號數據圖。
圖4是激發光的入射強度為8mW時，光致發光強度[PL](low)的信號數據圖。
圖5是用[PL](high)減去k[PL](low)計算出的光致發光強度的信號數據差別圖。
圖6是通過獲得復合壽命τ彼此不同的晶片的衰減時間常數T，圖示出復合壽命τ和衰減時間常數T之間的關系。
下面參考


本發明的第一個實施例。
如圖1所示，半導體基片11品質評價裝置12包括一個用激發光13照射半導體基片11表面的激光器件14，放置在激光器件14和半導體基片11之間的第一個斬光器21，放置在第一個斬光器21和半導體基片11之間的第二個斬光器22，當照射到半導體基片11上的激發光13被遮住時，由半導體基片11發射的光致發光16進入一個單色儀17，用來把進入單色儀的光致發光16的強度轉變為電信號的光檢測器18，用于吸收和放大由光電檢測器轉變的電信號的一個同步放大器19，以及用于讀取由同步放大器放大的電信號的控制器23。對于半導體基片11，有長壽命τ的一種拋光硅基片，帶有在鏡式硅基片表面生成的硅單晶外延薄膜的外延晶片，等等，激發器件14有像氬激光器或此類氣體激光器，像YAG或此類固體激光器，以及像AlGaAs或此類半導體激光器。
第一個斬光器21包括一個能繞第一軸21a轉動的第一個斬光圓盤21c和在以第一個軸為中心的一個圓的圓周上形成的許多小孔21b，安裝在第一個軸上的第一個驅動齒輪21d，與第一個驅動齒輪嚙合的第一驅動齒輪21e，以及用于驅動第一個驅動齒輪的第一個馬達21f。激發光13能通過由第一個馬達21f以一特定轉速轉動第一圓盤21c，并用第一個圓盤21c關閉照射到半導體基片11上的激發光13來斬光，或是讓激發光通過小孔21b。而且第一斬光器21有一個振蕩器21g，用于產生與激發光13的斬光頻率相同頻率、斷續性地照射到半導體基片11上的脈沖信號。由斬光器21確定的激發光13的斬光頻率是在0.5～10Hz范圍內的一個特定值，優選為4～6Hz。
第二個斬光器22包括一個能繞第二個軸22a轉動的斬光圓盤22c和在以第二個軸為中心的一個圓的圓周上形成的許多小孔22b，安裝在第二個軸上的第二個驅動齒輪22d，與第二個驅動齒輪嚙合的第二個驅動齒輪22e，以及用于驅動第二個驅動齒輪的第二個馬達22f。而且，第二個圓盤22c的直徑比第一個圓盤21c做得大，第二個小孔22b比第一個小孔21b做得數量更多。激發光13通過由第二個馬達22f以變化的轉速以比第一斬光器21高的變動頻率轉動第二個圓盤22c，并由第二個圓盤22c關閉照射到半導體基片上的激發光束斬光，或是讓激發光通過小孔22b。由斬光器22確定的激發光13的斬光頻率在50～4000Hz范圍內變化。它之所以比由第一斬光器確定的激發光的斬光頻率高，是因為4000Hz的頻率是機械斬光的上限。然而，用一個高頻斬光器測得一個較小的衰減時間常數，這在原理上是可能的。
通過第二個圓盤22c第二小孔22b的激發光13被收集鏡24反射并照射到半導體基片11表面。收集鏡24可以是凹面鏡、平面鏡或諸如此類。在用焦距為130mm的凹面鏡作收集鏡的情況下，半導體基片11的激發區域的光點大小(直徑)約為0.5mm，在用焦距為無窮大的平面鏡作收集鏡24的情況下，所說的光點大小(直徑)約為1.5mm。
單色儀17有一個使由半導體基片11發射的光致發光16通過的入射狹縫，一個使得由入射狹縫通過的光致發光16分解為單色成分的光柵，還有一個使由光柵分解的光致發光通過的出射狹縫，盡管它們都沒有圖示出來。光柵優選為600個狹縫/mm。由半導體基片11發射的光致發光16由相互平行的兩個石英透鏡26和27聚焦，然后再進入單色儀17。
同步放大器19吸收和放大由光檢測器18轉換的電信號和由放在斬光器21中的振蕩器21g產生的脈沖信號。控制器23的控制輸入有被所說的同步放大器19放大的電信號和脈沖信號輸入，控制器23的控制輸出連接到激光器件14，第一馬達21f和第二馬達22f，還連接到像顯示器、監視器等顯示器件28上。
說明一種方法，用這種方式組成的品質評價裝置12評價半導體基片11的品質。
首先，控制器23接通激光器件14，然后以特定轉速控制第一馬達21f轉動第一圓盤21c，再以特定轉速控制第二馬達22f轉動第二圓盤22c，并且用激發光13斷續性地照射半導體基片11的表面。當半導體基片11被激發光13斷續性地照射而且激發光13對半導體基片11的照射被遮閉時，由半導體基片11發射的光致發光16通過兩個石英透鏡26和27，被單色儀17分解。所分解的光致發光16的強度由光檢測器18轉變為一種電信號，該電信號和由振蕩器21g產生的脈沖信號一起由同步放大器19放大并輸入到控制器23的控制輸入。
下一步，當控制器23通過控制第二馬達22f逐漸增加第二圓盤22c的轉速而逐漸增加所說的激發光13的斬光頻率，半導體基片11發射的光致發光16跟不上激發光13的斬光頻率，從大波動范圍的斷續性發光變為小波動范圍的發光。從光致發光16的平均強度的變化，也就是由光檢測器18轉變為電信號、被同步放大器19放大并輸入到控制器23的控制輸入端的光致發光16的平均強度的變化，控制器23即獲得光致發光16的衰減時間常數T。接著，控制器23從該衰減時間常數T用表達式(1)計算出表征半導體基片11的壽命τ；τ＝T/C……(1)，并在顯示器件28上顯示出它的值。以這種方式獲得的壽命τ是定量準確地表征半導體基片11中雜質和缺陷的一個值，這種半導體基片11的品質評價方法和裝置適用于像拋光硅基片或這類長壽命τ的半導體基片11的壽命。
上面表達式(1)中的C是這樣獲得的通過激發光13的斬光而測量半導體基片11發射的光致發光16的頻率響應，并導出該頻率響應的一個分析解，然后，通過把頻率響應的測量結果和分析解擬合計算出衰減時間常數T，用μ-PCD(微波光電導衰減)方法測量半導體基片11的壽命τ，并把該衰減時間常數T與壽命τ相比。上面的C在0.45～0.55范圍內是一個特定值。在0.45～0.55范圍內，C之所以限定為一個特定值是因為理論上C應是0.5，但由于在測量光致發光16的頻率響應或是用μ-PCD法測量壽命τ時出現的實驗誤差使得C有偏差。
圖2示意了本發明第二個實施例。圖2中與圖1相同的符號示意的是與圖1中相同的組件。
在此實施例中，半導體基片51是在塊狀基片51a表面沉積了外延層51b的外延晶片。品質評價裝置52用于這個外延晶片51的品質評價。該品質評價裝置包括一個用激發光53照射晶片51表面的激發器件14，一個放置在激光器件和晶片51之間的第一斬光器21，當用激發光53斷續性地照射晶片51時，晶片51發射的光致發光56進入一個單色儀17，用來把進入該單色儀的光致發光56的強度轉變為電信號的光檢測器18，一個用于吸收和放大由光檢測器轉變的電信號的同步放大器19，以及一個讀取由同步放大器放大的電信號的控制器23。也就是說，本實施例的品質評價裝置52與第一個實施例的品質評價裝置是用同一方法制成的，只是前者沒有后者所帶的第二個斬光器。
激光器件14可以是像氬激光器或此類氣體激光器，YAG或此類固體激光器和AlGaAs或此類半導體激光器，這些激光器能改變入射強度(光子數)。除外延晶片外，該實施例的評價方法也可用于帶一個DZ(denuded zone剝蝕區)的拋光晶片(PW)。在所說的帶一個DZ拋光晶片中，該DZ與外延層相對應。而且由第一斬光器21確定的激發光53的斬光頻率是在80-100Hz范圍內的一個特定值，優選為90Hz。
說明一種方法，用這種方式構成的品質評價裝置評價外延晶片51的品質。
首先，這種方法通過解擴散方程，獲得了光激發光53照射時，在薄膜51b中產生的載流子的穩態擴散分布，為了從所說的載流子的穩態擴散分布得到信號數據[PL]，導出了表達式(2)。[PL]CBr=pτ[1-(1-pbpτbτ)e-dDτ]I]]>+τ3/22D[1-(1-τbτ)e-2dDτ]I2......(2)]]>其中，[PL]是光致發光強度的信號數據，C是常數，Br是復合輻射系數，p是外延層中載流子的密度，pb是塊狀基片中載流子的密度，τ是外延層中載流子的壽命，τb是塊狀基片中載流子的壽命，D是載流子的擴散系數，d是外延層的厚度，I是激發光的入射強度。
上面表達式(2)的光致發光強度的信號數據[PL]包括正比于入射強度(光子數)I的第一項和正比于入射強度(光子數)I的平方的第二項。所說的第一項和第二項中分別都包括從外延層和塊狀基片中發射的光，比較這幾項之間的大小，發現從外延層發射的光比從塊狀基片發射的光弱，而且在表達式的第二項中從外延層發出的光與從塊狀基片中發出的光有可比較的差別。因此，盡管實驗中測得的光致發光強度的信號數據是外延層發射的光和塊狀基片中發射的光的和，上式(2)中的第一項可以這樣消除，用入射強度不同的兩種激發光照射外延晶片的表面，測量兩種光致發光強度信號數據，用一個特征值乘以在所說的兩種光致發光強度信號數據中強度小的信號數據，然后，從強度大的信號數據中減去強度小的信號數據。
實際上，控制器23控制激光器件14，用有特定入射強度I(high)的激發光照射外延晶片。此時，控制器23控制第一馬達21f以特定轉速轉動第一圓盤21c，用激發光53斷續性地照射晶片51。當用激發光斷續性地照射晶片51并且照射到晶片51上的激發光關閉時，由晶片51發射的光致發光56通過兩個石英透鏡26和27被單色儀17分解，由光檢測器18轉變為電信號，并且被同步放大器與振蕩器21g發出的脈沖信號一起放大。放大了的光致發光強度的信號數據[PL](high)經過控制器23用一張圖顯示在顯示器件28上。
控制器23控制激光器件14用一種弱入射強度(low)的激發光照射外延晶片，使該入射強度I(high)＝kI(low)。假設此時第一圓盤的轉速與上面描述的相同。在這種狀態下，用與上面描述相同的方式，光致發光強度的信號數據[PL](low)用一張圖顯示在顯示器件上。
另外，這種方法用k乘該[PL](low)并從[PL](high)中減去k[PL](low)而獲得Δ[PL]。也就是說，這種方法從表達式(2)計算出“Δ[PL]＝[PL](high)-k[PL](low)”。這樣，表達式(2)的第一項被消去了，就可以獲得包括從外延層51b發射的更大量光的信號數據圖。結果就可以不損傷、不接觸外延晶片51而估計與外延層51b的光致發光強度正相關的外延層的壽命τ，并且，外延層的光致發光強度成為能準確表征外延層中雜質和缺陷的一個值。
理論上，當外延層厚度變厚時，該光致發光強度的信號數據Δ[PL]圖成為從外延層發射的更大量光的觀察結果。例如，假設外延層的厚度和電阻分別為5μm和10Ωcm，塊狀基片的電阻為0.01Ωcm，外延層和塊狀基片的壽命分別為30微秒和0.01微秒，45％的Δ[PL]作為從外延層的光發射。
還可得到用入射強度不同的兩種激發光照射半導體基片的表面，測得所說的兩種光致發光強度的信號數據，用一個特定值乘兩種光致發光強度信號數據中強度較小的信號數據，然后從強度較大的信號數據中減去強度較小的信號數據，并由此消去表達式(2)的第二項，得到包括從塊狀基片發射的更多光的信號數據。這樣，就可能得到與半導體基片的塊狀基片的壽命正相關的光致發光強度，而且這成為一個準確表征塊狀基片中雜質和缺陷的值。而且這種品質評價方法適合于外延晶片的塊狀基片的品質評價。[實施例]下面，詳細說明本發明的實施例。<實施例1>
該實施例用圖2所示的評價裝置52對一種p/p+延晶片51的光致發光強度的信號數據[PL]圖進行了測量。激光器件14用入射強度不同的40mW和8mW兩種激發光照射晶片51的表面。圖3和圖4示意了此時光致發光強度的信號數據[PL](high)和[PL](low)。圖3示意了入射強度為40mW時的情況，圖4示意了入射強度為8mW時的情況。光致發光強度的信號數據之間的差Δ[PL]([PL](high)-[PL](low))畫成圖并在圖5中示意。
正如從圖3和圖4中明顯可以看出的，來自塊狀基片51a的光致發光56盡管可以看到同心圓形狀的圖形(條紋)，在圖5中上述同心圓形狀的圖形消失了，而得到一張均勻的圖。這張圖預期是包括更大量來自外延層51b的光致發光的一張圖。在圖5上部橫向延伸的條形圖是由于激發光53的波動而產生的。<實施例2>
如圖1所示，該實施例用評價裝置12對一種拋光晶片11的光致發光強度的信號數據[PL]進行了測量。激光器件14用波長為488nm、入射強度8mW、照射光斑直徑0.6mm的激發光13照射所述的晶片11的表面，該激發光被第一斬光器21和第二斬光器22斬光。這時，由第一斬光器確定的激發光13的斬光頻率設定為常數5Hz。這樣做是為了把這個斬光信號輸入到同步放大器19中，并且把它用作參考信號。由第二斬光器22確定的激發光13的斬光頻率做成能夠在50～4000Hz范圍內變化。
另一方面，在用μ-PCD法測得的、復合壽命τ分別為740微秒，330微秒，30微秒和16微秒的四種晶片(樣品A，B，C，D)用作拋光晶片11。該實施例根據斬光頻率由控制器23得到衰減時間常數T。結果，樣品A的衰減時間常數T為340微秒，樣品B的衰減時間常數T為150微秒，樣品C的衰減時間常數T為13微秒，以及樣品D的衰減時間常數T為6.5微秒。結果表示在圖6中。
正如在圖6中明顯可以看出的，已經得出衰減時間常數T正比于壽命τ，也就是說，通過測量衰減時間常數T并把這個衰減時間常數的值換為表達式(1)中的T，就可能計算出壽命τ。
如上所述，由于本發明用激發光斷續性地照射半導體基片表面，把當用激發光斷續性地照射半導體基片時半導體基片發射的光致發光強度轉變為電信號，隨著激發光斬光頻率逐漸增大，從轉變為電信號的光致發光平均強度的變化得到光致發光的衰減時間常數T，并從表達式“τ＝T/C”計算出作為半導體基片品質評價標志的壽命τ，可能定量地得到半導體基片的壽命而不損傷不接觸半導體基片，而且所得的壽命成為定量準確表征半導體基片中雜質和缺陷的一個值。
而且，該品質評價方法適用于長壽命半導體基片的壽命獲得。
在激光器件14和半導體基片之間的第一斬光器由以一特定頻率遮住用來照射半導體基片的激發光的情況下，在第一斬光器和半導體基片之間的第二斬光器遮住比第一斬光器高的變化頻率激發光，在通過控制第二斬光器逐漸增加斬光頻率時，控制器從轉變為電信號的光致發光平均強度的變化得到光致發光的衰減時間常數T。并計算作為半導體基片評價標準的壽命τ，可以定量地得到半導體基片的壽命而不損傷、不接觸該半導體基片，而且得到的壽命成為定量準確表征半導體基片中雜質和缺陷的一個值。而且這種品質評價方法適用于長壽命半導體基片壽命的獲得。
而且，由于本發明通過解擴散方程得到當用激發光照射一個薄膜時，其中產生的載流子的穩態擴散分布，為了從該載流子的穩態擴散分布得到光致發光強度的信號數據導出表達式(2)，通過用不同入射強度的兩種激發光照射半導體基片的表面測得兩種光致發光強度的信號數據，用一個特定值乘兩種發光強度的信號數據中強度較小的信號數據，然后從強度較大的信號數據中減去強度較小的信號數據，并由此通過消去表達式(2)的第一項得到包括從薄膜層中發射的更大量光的信號數據，或者通過消去表達式(2)的第二項得到從塊狀基片發射的包括更大量光的信號數據，可以得到與薄膜層或是塊狀基片的壽命正相關的薄膜層或塊狀基片的光致發光強度，而不損傷、不接觸半導體基片，而且得到的光致發光強度成為準確表征薄膜層或塊狀基片中雜質和缺陷的一個值。
而且，這種品質評價方法適用于外延層或外延晶片的塊狀基片的品質評價。
另外，與需要把半導體基片對晶片的電阻系數限制在0.1Ωcm或更小從而相對減小載流子的擴散深度，并且使帶邊緣復合強度更大的一種現有半導體表面壽命的評價方法相比，本發明的半導體基片品質評價方法不僅可以用于電阻系數為0.1Ωcm或更小的晶片，而且可以用于電阻系數大于0.1Ωcm的半導體基片。
權利要求
1.一種半導體基片品質評價方法，包括如下步驟用一種激發光斷續性地照射該半導體基片的表面，當用所說的激發光斷續性地照射所述半導體基片時，所述半導體基片的光致發光強度轉變為一種電信號，通過逐漸增加該激發光的斬光頻率，從轉變為所述的電信號的光致發光平均強度的變化得到光致發光的衰減時間常數，以及從表達式(1)計算出表征所述的半導體基片品質評價的壽命τ＝T/C…………(1)其中τ是壽命，T是光致發光的衰減時間常數，C是一個常數。
2.根據權利要求1的半導體基片品質評價方法，其中；表達式(1)中的C是在0.45-0.55范圍內的一個特定值。
3.一種半導體基片品質評價裝置，包括用激發光照射半導體基片表面的一種激光器件，放置在所述激光器件和所述半導體基片之間的第一個斬光器，以特定頻率遮擋照射到半導體基片上的激發光并以所述特定頻率發出一個脈沖信號，放置在所述第一斬光器和所述半導體基片之間的第二斬光器，能夠以比所述第一斬光器高的變化頻率遮擋所述激發光，一個單色儀，當用該激發光斷續性地照射所述半導體基片時，半導體基片發射的光致發光進入該單色儀，一個光檢測器，用于把進入所述單色儀的光致發光強度轉變為一種電信號，一個同步放大器，用于把由所述光檢測器轉變的電信號和由所述第一斬光器產生的脈沖信號吸收并放大，以及一個控制器，用于讀取被所述同步放大器放大了的電信號和脈沖信號，而且通過控制所述第二斬光器改變所述的激發光的斬光頻率，其中；當所述控制器通過控制所述第二斬光器逐漸增大激發光的斬光頻率時，所述的裝置從轉變為所述電信號的所述光致發光平均強度的變化而得到該光致發光的衰減時間常數，并從表達式(1)計算出表征該半導體基片評價的壽命τ＝T/C…………(1)基中τ是壽命，T是光致發光的衰減時間常數，C是一個常數。
4.根據權利要求3的半導體基片品質評價裝置，其中；表達式(1)中的C是在0.45-0.55范圍內的一個特定值。
5.一種半導體基片品質評價的方法，用激發光斷續性地照射半導體基片的表面，該半導體基片是由一個塊狀基片和在所述塊狀基片上沉積的一個薄膜層組成的，當用所述激發光斷續性地照射該半導體基片時，使該半導體基片發射光致發光，并測量該光致發光的強度，該方法包括如下步驟通過解擴散方程得到當用所述激發光照射所述薄膜層時，在所述薄膜層中產生載流子的穩態擴散分布，從所述載流子的穩態擴散分布導出得到光致發光強度的信號數據的表達式(2)，用入射強度不同的兩種激發光照射所述的半導體襯底表面，來測量兩種光致發光強度的信號數據，以及用一個特定值乘所述兩種光致發光強度的信號數據中強度較小的一個，然后從強度較大的信號數據中減去強度較小的信號數據，并由此通過消去所述表達式(2)的第一項得到包括從薄膜層中發射的更大量光的信號數據，或者通過消去所述表達式(2)的第二項得到包括從塊狀基片中發射的更大量光的信號數據[PL]CBr=pτ[1-(1-pbpτbτ)e-dDτ]I]]>+τ3/22D[1-(1-τbτ)e-2dDτI2......(2)]]>其中[PL]是光致發光強度的信號數據，C是常數，Br是復合輻射系數，p是薄膜層中載流子的密度，Pb是塊狀基片中載流子的密度，τ是薄膜層中載流子的壽命，τb是塊狀基片中載流子的壽命，D是載流子擴散系數，d是薄膜層的厚度，以及I是激發光的入射強度。
6.根據權利要求5的半導體基片品質評價方法，其中；所述薄膜層是一個外延層或一個剝蝕區。
全文摘要
在激光器件和半導體基片之間的第一個斬光器以一特定頻率遮擋激發光,在第一斬光器和半導體基片之間的第二個斬光器以比第一斬光器高的變化頻率遮擋激發光。當用激發光斷續性地照射半導體基片時,通過控制第二個斬光器逐漸增加激發光的斬光頻率時,控制器從光致發光平均強度的變化得到光致發光的衰減時間常數T,通過“τ=T/C”計算出半導體基片的壽命τ,其中C是一個常數。通過定量地得到長壽命半導體基片的壽命準確地評價半導體基片中的雜質和缺陷等。
文檔編號G01N21/64GK1344020SQ0111209
公開日2002年4月10日 申請日期2001年3月30日 優先權日2000年9月8日
發明者長谷川健, 伊藤輝三, 白木弘幸 申請人:三菱硅材料株式會社