少数キャリアライフタイム(LT)：測定原理と応用例

キャリアライフタイムとは

半導体に外部エネルギー(光・熱)を与えると、過剰キャリアを生成し非平衡状態になります。外部エネルギーが無くなると、生成した過剰キャリアは再結合により消滅していきます。

過剰キャリアのうち、多数キャリアの再結合速度は早い一方、少数キャリアは再結合までの時間が比較的長いことが知られています。

下図は、生成した少数キャリア量の時間依存性を示したグラフです。

少数キャリアはエネルギーが高く不安定な為、時間経過と共に再結合します。

キャリアライフタイムは不純物や欠陥準位により短くなる為、半導体結晶の汚染を調べるために用いられています。

ライフタイム測定法

少数キャリアライフの測定は主に

• μ-PCD法(マイクロ波光導電減衰法)
• SPV(表面光起電力法)

によって行われます。

μ-PCD法

半導体結晶にレーザーを照射すると過剰キャリア(多数キャリア・少数キャリア)が生成します。

キャリア濃度が高いほど、マイクロ波の反射率が増加するため、Siウェーハにマイクロ波を照射し、その反射強度を測定することで、キャリア濃度推移を測定することができます。これがμ-PCD法の原理です。

時間の経過とともに、過剰キャリアが再結合し、マイクロ波の反射率が低下します。マイクロ波の反射強度が1/eとなるまでの時間がキャリアライフタイムτです。

SPV

SPVでは、半導体に光を照射した際の表面電位変化量を検出することで、キャリアの拡散長を測定することが出来ます。原理の詳細は以下の通りです。

応用例

ライフタイム測定はウェーハの汚染検出や、結晶欠陥の検出に用いられています。

熱処理によるSiウェーハの汚染

ライフタイム測定はウェーハの汚染検出に用いられます。下図は縦型炉で熱処理を行ったSiウェーハのライフタイムです。

縦型の熱処理炉では、ウェーハを縦に積み重ねるボートを用いて熱処理を行うため、ウェーハの外周部はボートと直接接触します。(関連：アニール工程とは)

ボートに汚染金属が付着していた場合、熱処理によってSiウェーハに拡散し、接触部とその周辺を汚染します。LT測定により、外周部のLTが大幅低下していることが確認できています。

Siウェーハのスリップ検出

Siウェーハは結晶成長やプロセス熱処理の熱応力により、(111)面をすべり面としたスリップ転位が生じます。

転移とその周囲はSi結晶の完全性が乱れることから、ダングリングボンドが露出し、界面準位を生じます。界面準位は少数キャリアのトラップとなることから、LTが低下します。

この例では、(111)面に相当する洗浄のスリップ転位を明確に観察することが出来ています。