JPH03252152A - 半導体のイオン注入用量レベル評価方法及び装置 - Google Patents
半導体のイオン注入用量レベル評価方法及び装置Info
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
［０００１］
本発明の装置は、半導体標本のイオン注入用量レベルを
判定することを特徴とする特に本装置は、高い用量レベ
ルを有する標本を評価する目的に適する。 ［０００２］ 殆どの半導体製造技法には、１つまたはそれ以上のイオ
ン注入プロセスの段階が含まれる。高い歩留まりを維持
するために、イオン注入は正確に制御されなければなら
ない。標本中のイオン注入用量レベルを測定するための
種々の方法が開発されてきた。特に有利な１つの方法で
は、イオン注入用量レベルに関係する変調反射率信号を
測定することを基本としている。 ［０００３］ 変調反射率信号は、ポンプ・レーザーの焦点を合わせた
輝度変調ビームで半導体標本を周期的に励起することに
よって得られる。その後、周期的に励起されている領域
内にプローブ・ビームが標本の表面から反射される。変
調反射率信号をもたらすために、プローブ・ビームの反
射出力が測定される。その後、この測定値はイオン注入
用量レベルとの相関が取られる。 ［０００４］ 上記の方法によって、高解像度の無接触の技法が提供さ
れる。この技法は、両者共本発明出願者による１９８７
年１月１３日発効のアメリカ合衆国特許第４゜６３６．
０８８号、及び１９８９年８月８日発効のアメリカ合衆
国特許第４，８５４．７１０号に更に詳細に記述されて
いる。これらの特許に記述されているように、変調反射
率信号は半導体標本中の熱波及びプラズマ波の存在によ
って影響される。 ［０００５］ 後者の特許中に記述されている技法は、米国カリフォル
ニア州フレモン） （Ｆｒｅｍｏｎｔ、 Ｃａ１ｉｆｏ
ｒｎｉａ）のサーマ−ウェーブ社（Ｔｈｅｒｍａ−ｗａ
ｖｅ、 Ｉｎｃ、）によって製造され、サーマ・プロー
ブ（Ｔｈｅｒｍａ−Ｐｒｏｂｅ）の商標で売られている
装置と組合わされている。このサーマ・ウェーブ装置は
、総てのイオン注入プロセスを監視するために半導体産
業で広く使用されている。現在まで、この装置は１０１
４がら１０１５イオン／Ｃｍ２までの用量レベルを監視
することに限られている。幾つかの半導体１６
、 製造会社では、１０ イオ／／ｃｍ２という高いレベル
で使用している。 ［０００６］ するので、変調反射率信号を増すと高い用量レベルにお
いては発振する傾向になることである。変調反射率信号
がこの態様の変化を生じる原因は、高いレベルのイオン
注入によって結晶物質が非晶質のシリコンに転換するこ
とによる。非晶質のシリコンは、格子構造中の原子が１
０％以上変位した時に生じる。非晶質のシリコンは、格
子が著しく乱されたことによってＸ線回折パターンが全
く生じなくなることで特徴付けられる。 ［０００７］ 典型的に非晶質シリコン層は、破壊の程度の低いシリコ
ン上層の直下に生成される。破壊されたシリコンの層（
依然として結晶質である）が非晶質シリコン層の上にあ
る理由は、注入されるイオンの型に依存する。例えば、
ヒ素イオンの注入には比較的大きなエネルギーが必要で
ある。この注入エネルギーの幾分かは動的焼きなまし効
果を生じて標本の上部表面近傍の物質に転換され、それ
によって結晶質構造を再生成する。ホウ素注入では別な
事象が起こる。更に明確に言うとホウ素イオンは、高速
で注入され、非晶質のシリコンを生成するのに十分な量
で格子に作用を及ぼす程度に減速される前に、上層を全
く突き抜けてしまう。上記の何れの場合においても、高
い用量で注入を行うのは、破壊された結晶質シリコンの
上層とその下の非晶質のシリコンの中間層とを生成させ
るためである。 ［０００８］ 非晶質シリコン層が存在することの意味は、この層が光
学的放射を反射できる境界として作用することにある。 この反射により、干渉効果を増大させることによってこ
れが又変調反射率信号の反応に影響を与える。この理論
的説明は、量子非破壊評価語（Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｐ
ｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ Ｑｕａｎｔａｔｉｖｅ Ｎｏｎ
−ｄｅｓｔｒｕｃｔ−ｉｖｅ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ”
） １９８９年第８Ｂ巻の「半導体における高用量注入
の変調干渉効果と熱波監視（”Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ Ｉ
ｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｅｆｆｅｃｔｓ ａｎｄ Ｔ
ｈｅｒｍａｌ Ｗａｖｅ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ
Ｈｉｇｈ Ｄｏｓｅ Ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ ｉ
ｎ Ｓｅｍ１ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ” ） Ｊで本出願
者が初めて記述している。 ［０００９］ 上記の文献ではまた、非晶質シリコン層の厚さがイオン
注入のレベルとどのように関係するかについても記述さ
れている。更に詳しく言うと、イオン注入のレベルが高
い用量になるにつれて、非晶質シリコン層の厚さは増加
する。後者の文献にはまた、非晶質シリコン層の厚さが
増すにつれて、プローブ・ビームの増加する変調反射率
信号及び非変調反射率信号がどのように態様を変化させ
るかを示す計算方法も含まれている。「応用物理学会誌
（Ａｐｐｌ、 Ｐｈｙｓ、 ） １９８８年第Ａ４７
巻１４７−１５５ページのＳ・ワーム、Ｐ・アルパーン
、Ｄ・サビニヤツク、及びＲ−カコシュケ（Ｓ、 Ｗｕ
ｒｍ、 Ｐ、 Ａｌｐｅｒｎ、 Ｄ、 Ｓａｖｉｇｎｃ
、 Ｒ，Ｋａｋｏｓｃｈｋｅ）による論文、［非晶質シ
リコン層上の光学的変調反射の測定と残存欠陥の検出（
”Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ ０ｐｔｉｃａｌ Ｒｅｆｌｅｃ
ｔａｎｃｅ Ｍｅａ−ｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｎ Ａｍｏ
ｒｐｈｏｕｓ ５ｉｌｉｃｏｎ Ｌａｙｅｒｓ ａｎｄ
Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｒｅ５ｉｄｕａｌ Ｄｅ
ｆｅｃｔｓ”）Ｊをも参照されたい。］値を数学モデル
に関連して用いて、非晶質シリコン層を含めて未知の厚
さの総ての層について厚さを計算することができるみ非
晶質シリコン層の厚さが引き出されると校正技法によっ
て用量レベルが決定される。 ［００１２］ 本発明の装置の主要な構成要素は、上述のサーマ・プロ
ーブ装置の構成要素と類似であり、半導体中の熱波及び
プラズマ波の測定について論じている上記の引用特許の
中に記述されている。主だった差異は、本発明では、得
ることのできる測定値が新規なやり方で利用されて、今
まで開示若しくは企図されたことのない新しい結果をも
たらすという点である。 ［００１３］ 上で特定した特許に記述されているように、本発明の装
置は、半導体標本を励起するための輝度変調されたポン
プ・レーザーを含む。ポンプ・ビームとは異なる波長を
有するプローブ・ビームは、標本表面上の実質的な一致
点に対してポンプ・ビームと共に焦点合わせされる。第
１の光検出子によって、プローブ・ビームの変調反射出
力の測定が行われる。この変調反射出力は、輝度変調さ
れたポンプ・ビームと同位相の信号に基づいている。第
２の別個の測定は、プローブ・ビームの非変調反射出力
について行われる。以下に詳細に記述するように、この
第２の測定は、プローブ・ビームの変調反射出力の測定
を行った素子と同一の光検出子葉子を用いて行われる。 本発明により、第３の別個の反射率測定も行なわれる。 この第３の反射率信号はポンプ・ビームの非変調出力か
ら成る。この目的には別個の光検出子が用いられる。上
で託したように、これらの３つの測定値を用いて半導体
標本中のの用量レベルを評価することができる。 ［００１４］ 先行の技術のサーマ・プローブ装置では、ポンプ・ビー
ムとプローブ・ビームの両者の非変調出力が測定されて
いた。変調反射率信号を標準に一致させるために、これ
らの測定値が取られた。更に詳しく言うと、標本中のポ
ンプ・ビームとブロー、ブ・ビームの波長の吸収効果が
相殺されるように、ポンプ・ビームとプローブ・ビーム
の非変調反射出力を測定七て、プローブ・ビームの非変
調反射率信号を標準に一致させなければならない。先行
の技術のサーマ・プローブ装置の幾つかの機種では、半
導体標本中の対象領域をつきとめるためにポンプ・ビー
ムの非変調反射出力を用いている。この方法に゛ついて
は、１９８９年１月３日発効の本発明出願者によるアメ
リカ合衆国特許第４，７９５，２６０号の中に記述され
ており、本発明出願者の権利となっている。この先行の
技術においては、ポンプ・ビームとプローブ・ビームの
非変調反射出力を測定七利用する一方で、以下詳細に述
べるようにこれらの測定値を組み合わせてイオン注入レ
ベルに関する情報を引き出すべく利用することについて
の努力は一切為されていない。 ［００１５］ 第１図を見ると１、標本の表面反射率に基づいて半導体
中の用量レベルを測定すべく設計された装置１０が示さ
れている。装置１０には、４８８ｎｍ、３５ｍＷの出力
ビーム２２を有するポンプ・レーザー２０が含まれる。 ポンプ・レーザー２０の出力ビーム２２を変調するため
に、音・光変調器２４が備えられる。好ましい実施例に
おいては、この変調周波数は１乃至１０ＭＨｚ程度であ
る。 ［００１６］ 輝度変調されたビーム２２はビーム・エクスパンダ２６
と、ポンプ・レーザー空洞へのフィード・バックを阻止
するためのアイソレータ２８とを通過する。その後、ビ
ーム２２は以下で論じるスプリッタ３２を゛通過する。 便宜上、回転ミラー３４が示されている。 ［００１７］ その後、ビーム２２は１７４波長板光学回転子３０を通
過する。アルゴン放射光３４を反射するダイクロイック
ミラーが用いられて、ビーム２２は、アルゴン放射光３
４に対して透明な第２のダイクロイックミラーを通って
下向きに方向転換される。その後、ビーム２２は顕微鏡
対物レンズ４０によって約１０ｍＷの入射出力で半導体
標本上に焦点を結ぶ。自動焦点機構４４が用意されて直
径約１μｍのスポットサイズ解像度が維持される。輝度
変調されたポンプ・レーザーのビームがプラズマ波及び
熱波を発生して周期的に標本を励起するように作用する
。 ［００１８］ 標本は可動台の上にとどまる。上層台５０は、角度的θ
で回転し、下層の２つの台５２及び５４はそれぞれＸ及
びＹ方向に運動する。 ［００１９］ 本発明の装置１０は更にビーム６２を放射するためのプ
ローブ・レーザー６０を含む。プローブ・レーザー６０
は、６３３μｍ波長を発生する５ｍＷの出力を有する線
形に偏光されたヘリウム・ネオン・レーザーであること
が望ましい。ビーム６２は、ビーム・エクスパンダ２６
とスプリッタ素子６６とを通過する。その後、ビーム６
２は１／４波長板６８を通って、ダイクロイックミラー
３６によって標本表面に対して下向きに約３ｍＷの入射
出力で反射される。ポンプ・ビームとプローブ・ビーム
は、実質的に合致する形で標本の表面上に焦点を結び、
反射率信号を最小化する。 ［００２０３ 好ましい実施例においては、標本の観察に役立たせるた
めに視覚装置が備えられている。この視覚装置には、ス
プリッタ７４を通って、更にダイクロイックミラー３４
及び３６を通って回転ミラー７２によって標本に向けら
れる白色光源７０が含まれる。返りの光は、スプリッタ
７４によってカメラ７６に向けて方向転換される。 ［００２１］ 本発明により、標本４２のイオン注入用量レベルについ
ての情報を引き出すために３つの別個の反射率測定が行
われる。これら測定には、ポンプ・ビーム２２の非変調
反射出力と同時にプローブ・ビーム６２の変調及び非変
調反射出力を測定値が含まれる。これら測定値を得るた
めに利用される要素について以下に開示する。 ［００２２］ 第１図に示すように、反射されたプローブ・ビームは、
１／４波長板６８を通ってミラー３２によって方向転換
される。１／４波長板６８を通った第２の通路は、ビー
ムがスプリッタ６６に達した時、光検出子８０に向けて
上向きに方向転換されるように、ビームの偏光を９０’
−杯に回転させるべく機能する。光検出子８０に到達す
る前に、反射したプローブ・ビーム６２はスプリッタ８
２及び絶縁フィルター８４を通過する。絶縁フィルター
８４は、アルゴン・ポンプのあらゆる漂遊放射から光検
出子８０を遮蔽すべく設計されている。スプリッタ８２
はビームの小部分を拾い上げて自動焦点機構８６に向け
て方向転換させる。 ［００２３］ 光検出子８０はプローブ・ビームの反射出力を測定すべ
く設計されている。これは、プローブ・ビームが光検出
子８０の表面を確実に下から照射することによって達成
される。この方法によって、光検出子８０は、反射出力
の変調成分のみを測定七、標本表面上の熱レンズ効果若
しくは熱弾性変形によって生じるプローブ・ビームの直
径又は部分中のあらゆる微小な変動に対して無感応とな
る。光検出子８０は、表面に照射するビームの出力に比
例する電圧を発生すべく機能する。その後、この信号は
プロセッサ９０に供給される。プロセッサ９０に供給さ
れる電圧信号の直流成分によって、プローブ・ビームの
非変調反射出力が確定される。プロセッサ９０は変調器
２４に結合され、位相感知式同期装置を用いて１乃至１
０ＭＨｚの周波数で１Ｏ−７Ｘ （Ｈｚ）”’程まで小
さな変調反射出力の変化を測定できる。直ぐに分かるよ
うに、光検出子８０の出力は、プロセッサ９０がプロー
ブ・ビームの変調反射出力及び非変調反射出力の両者を
引き出すために用いられる。 ［００２４］ 第３の別個の反射率測定は、ポンプ・ビームの非変調反
射出力についての測定である。第１図に示すように、ポ
ンプ・ビームの反射出力２２は１／４波長板光学３０を
通ってダイクロイックミラー３４によって方向転換され
る。１／４波長板光学３０を通る第２の通路は、アイソ
レータ２８によってポンプ・ビームの反射出力の大部分
が装置から反射するように、ビームの偏光を９０°−杯
に回転させるべく機能する。反射したポンプ・ビームの
放射の小部分（約４％）を拾い上げるためにスプリッタ
３２が具えられる。このポンプ・ビームの放射は、ヘリ
ウム・ネオンの放射が検出器９６に到達する前に絶縁す
るためにフィルター９４を通過する。目に論じた理由に
よって、このポンプ・ビームは光検出子９６の表面を下
から照射すべく配置されている。光検出子９６からの出
力電圧はプロセッサ９０に供給され、この電圧の直流成
分は反射したポンプ・ビームの出力を引き出すために用
いられる。 ［００２５］ 好ましい実施例においては、ポンプ・ビームとプローブ
・ビームの入射出力を測定するための追加の２つの光検
出子とピックオフ（図なし）が具えられる。レーザーの
出力の変差に関する修正を行うためにこの入射出力の測
定が行なわれる［００２６］ ３つの測定された反射率信号を用いて、ピロセッサによ
って非晶質シリコン層の厚さを確定し、それによって次
いで標本中の用量レベルに関連付けることができる。こ
の数学的方法については、半導体標本４２の上層部の断
面を示す第２図を参照することによって最も良く理解で
きる。第２図に示されるように、半導体標本４２の上層
部には薄い酸化層１１０が含まれる。この酸化層の直下
には、破壊された結晶シリコンの層１１２がある。この
結晶シリコン層の直下には非晶質シリコン層１１４があ
る。標本の残りの部分は１１６として示される。 ［００２７］ 上に記したように、層１１０．１１２、及び１１４の各
々の厚さは未知である。しかし、周知のフレネルの方程
式を用いて、これらの各層の厚さに関する数学モデルを
開発することができる。この特定の方法に利用する方程
式について以下に説明する。 ［００２８］ Ｍ個の層の系のどの層についても、複合反射係数ρ・に
関する以下の再帰関係式を引き出すことができる。すな
わち、
判定することを特徴とする特に本装置は、高い用量レベ
ルを有する標本を評価する目的に適する。 ［０００２］ 殆どの半導体製造技法には、１つまたはそれ以上のイオ
ン注入プロセスの段階が含まれる。高い歩留まりを維持
するために、イオン注入は正確に制御されなければなら
ない。標本中のイオン注入用量レベルを測定するための
種々の方法が開発されてきた。特に有利な１つの方法で
は、イオン注入用量レベルに関係する変調反射率信号を
測定することを基本としている。 ［０００３］ 変調反射率信号は、ポンプ・レーザーの焦点を合わせた
輝度変調ビームで半導体標本を周期的に励起することに
よって得られる。その後、周期的に励起されている領域
内にプローブ・ビームが標本の表面から反射される。変
調反射率信号をもたらすために、プローブ・ビームの反
射出力が測定される。その後、この測定値はイオン注入
用量レベルとの相関が取られる。 ［０００４］ 上記の方法によって、高解像度の無接触の技法が提供さ
れる。この技法は、両者共本発明出願者による１９８７
年１月１３日発効のアメリカ合衆国特許第４゜６３６．
０８８号、及び１９８９年８月８日発効のアメリカ合衆
国特許第４，８５４．７１０号に更に詳細に記述されて
いる。これらの特許に記述されているように、変調反射
率信号は半導体標本中の熱波及びプラズマ波の存在によ
って影響される。 ［０００５］ 後者の特許中に記述されている技法は、米国カリフォル
ニア州フレモン） （Ｆｒｅｍｏｎｔ、 Ｃａ１ｉｆｏ
ｒｎｉａ）のサーマ−ウェーブ社（Ｔｈｅｒｍａ−ｗａ
ｖｅ、 Ｉｎｃ、）によって製造され、サーマ・プロー
ブ（Ｔｈｅｒｍａ−Ｐｒｏｂｅ）の商標で売られている
装置と組合わされている。このサーマ・ウェーブ装置は
、総てのイオン注入プロセスを監視するために半導体産
業で広く使用されている。現在まで、この装置は１０１
４がら１０１５イオン／Ｃｍ２までの用量レベルを監視
することに限られている。幾つかの半導体１６
、 製造会社では、１０ イオ／／ｃｍ２という高いレベル
で使用している。 ［０００６］ するので、変調反射率信号を増すと高い用量レベルにお
いては発振する傾向になることである。変調反射率信号
がこの態様の変化を生じる原因は、高いレベルのイオン
注入によって結晶物質が非晶質のシリコンに転換するこ
とによる。非晶質のシリコンは、格子構造中の原子が１
０％以上変位した時に生じる。非晶質のシリコンは、格
子が著しく乱されたことによってＸ線回折パターンが全
く生じなくなることで特徴付けられる。 ［０００７］ 典型的に非晶質シリコン層は、破壊の程度の低いシリコ
ン上層の直下に生成される。破壊されたシリコンの層（
依然として結晶質である）が非晶質シリコン層の上にあ
る理由は、注入されるイオンの型に依存する。例えば、
ヒ素イオンの注入には比較的大きなエネルギーが必要で
ある。この注入エネルギーの幾分かは動的焼きなまし効
果を生じて標本の上部表面近傍の物質に転換され、それ
によって結晶質構造を再生成する。ホウ素注入では別な
事象が起こる。更に明確に言うとホウ素イオンは、高速
で注入され、非晶質のシリコンを生成するのに十分な量
で格子に作用を及ぼす程度に減速される前に、上層を全
く突き抜けてしまう。上記の何れの場合においても、高
い用量で注入を行うのは、破壊された結晶質シリコンの
上層とその下の非晶質のシリコンの中間層とを生成させ
るためである。 ［０００８］ 非晶質シリコン層が存在することの意味は、この層が光
学的放射を反射できる境界として作用することにある。 この反射により、干渉効果を増大させることによってこ
れが又変調反射率信号の反応に影響を与える。この理論
的説明は、量子非破壊評価語（Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｐ
ｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ Ｑｕａｎｔａｔｉｖｅ Ｎｏｎ
−ｄｅｓｔｒｕｃｔ−ｉｖｅ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ”
） １９８９年第８Ｂ巻の「半導体における高用量注入
の変調干渉効果と熱波監視（”Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ Ｉ
ｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｅｆｆｅｃｔｓ ａｎｄ Ｔ
ｈｅｒｍａｌ Ｗａｖｅ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ
Ｈｉｇｈ Ｄｏｓｅ Ｉｍｐｌａｎｔａｔｉｏｎ ｉ
ｎ Ｓｅｍ１ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ” ） Ｊで本出願
者が初めて記述している。 ［０００９］ 上記の文献ではまた、非晶質シリコン層の厚さがイオン
注入のレベルとどのように関係するかについても記述さ
れている。更に詳しく言うと、イオン注入のレベルが高
い用量になるにつれて、非晶質シリコン層の厚さは増加
する。後者の文献にはまた、非晶質シリコン層の厚さが
増すにつれて、プローブ・ビームの増加する変調反射率
信号及び非変調反射率信号がどのように態様を変化させ
るかを示す計算方法も含まれている。「応用物理学会誌
（Ａｐｐｌ、 Ｐｈｙｓ、 ） １９８８年第Ａ４７
巻１４７−１５５ページのＳ・ワーム、Ｐ・アルパーン
、Ｄ・サビニヤツク、及びＲ−カコシュケ（Ｓ、 Ｗｕ
ｒｍ、 Ｐ、 Ａｌｐｅｒｎ、 Ｄ、 Ｓａｖｉｇｎｃ
、 Ｒ，Ｋａｋｏｓｃｈｋｅ）による論文、［非晶質シ
リコン層上の光学的変調反射の測定と残存欠陥の検出（
”Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ ０ｐｔｉｃａｌ Ｒｅｆｌｅｃ
ｔａｎｃｅ Ｍｅａ−ｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｎ Ａｍｏ
ｒｐｈｏｕｓ ５ｉｌｉｃｏｎ Ｌａｙｅｒｓ ａｎｄ
Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｒｅ５ｉｄｕａｌ Ｄｅ
ｆｅｃｔｓ”）Ｊをも参照されたい。］値を数学モデル
に関連して用いて、非晶質シリコン層を含めて未知の厚
さの総ての層について厚さを計算することができるみ非
晶質シリコン層の厚さが引き出されると校正技法によっ
て用量レベルが決定される。 ［００１２］ 本発明の装置の主要な構成要素は、上述のサーマ・プロ
ーブ装置の構成要素と類似であり、半導体中の熱波及び
プラズマ波の測定について論じている上記の引用特許の
中に記述されている。主だった差異は、本発明では、得
ることのできる測定値が新規なやり方で利用されて、今
まで開示若しくは企図されたことのない新しい結果をも
たらすという点である。 ［００１３］ 上で特定した特許に記述されているように、本発明の装
置は、半導体標本を励起するための輝度変調されたポン
プ・レーザーを含む。ポンプ・ビームとは異なる波長を
有するプローブ・ビームは、標本表面上の実質的な一致
点に対してポンプ・ビームと共に焦点合わせされる。第
１の光検出子によって、プローブ・ビームの変調反射出
力の測定が行われる。この変調反射出力は、輝度変調さ
れたポンプ・ビームと同位相の信号に基づいている。第
２の別個の測定は、プローブ・ビームの非変調反射出力
について行われる。以下に詳細に記述するように、この
第２の測定は、プローブ・ビームの変調反射出力の測定
を行った素子と同一の光検出子葉子を用いて行われる。 本発明により、第３の別個の反射率測定も行なわれる。 この第３の反射率信号はポンプ・ビームの非変調出力か
ら成る。この目的には別個の光検出子が用いられる。上
で託したように、これらの３つの測定値を用いて半導体
標本中のの用量レベルを評価することができる。 ［００１４］ 先行の技術のサーマ・プローブ装置では、ポンプ・ビー
ムとプローブ・ビームの両者の非変調出力が測定されて
いた。変調反射率信号を標準に一致させるために、これ
らの測定値が取られた。更に詳しく言うと、標本中のポ
ンプ・ビームとブロー、ブ・ビームの波長の吸収効果が
相殺されるように、ポンプ・ビームとプローブ・ビーム
の非変調反射出力を測定七て、プローブ・ビームの非変
調反射率信号を標準に一致させなければならない。先行
の技術のサーマ・プローブ装置の幾つかの機種では、半
導体標本中の対象領域をつきとめるためにポンプ・ビー
ムの非変調反射出力を用いている。この方法に゛ついて
は、１９８９年１月３日発効の本発明出願者によるアメ
リカ合衆国特許第４，７９５，２６０号の中に記述され
ており、本発明出願者の権利となっている。この先行の
技術においては、ポンプ・ビームとプローブ・ビームの
非変調反射出力を測定七利用する一方で、以下詳細に述
べるようにこれらの測定値を組み合わせてイオン注入レ
ベルに関する情報を引き出すべく利用することについて
の努力は一切為されていない。 ［００１５］ 第１図を見ると１、標本の表面反射率に基づいて半導体
中の用量レベルを測定すべく設計された装置１０が示さ
れている。装置１０には、４８８ｎｍ、３５ｍＷの出力
ビーム２２を有するポンプ・レーザー２０が含まれる。 ポンプ・レーザー２０の出力ビーム２２を変調するため
に、音・光変調器２４が備えられる。好ましい実施例に
おいては、この変調周波数は１乃至１０ＭＨｚ程度であ
る。 ［００１６］ 輝度変調されたビーム２２はビーム・エクスパンダ２６
と、ポンプ・レーザー空洞へのフィード・バックを阻止
するためのアイソレータ２８とを通過する。その後、ビ
ーム２２は以下で論じるスプリッタ３２を゛通過する。 便宜上、回転ミラー３４が示されている。 ［００１７］ その後、ビーム２２は１７４波長板光学回転子３０を通
過する。アルゴン放射光３４を反射するダイクロイック
ミラーが用いられて、ビーム２２は、アルゴン放射光３
４に対して透明な第２のダイクロイックミラーを通って
下向きに方向転換される。その後、ビーム２２は顕微鏡
対物レンズ４０によって約１０ｍＷの入射出力で半導体
標本上に焦点を結ぶ。自動焦点機構４４が用意されて直
径約１μｍのスポットサイズ解像度が維持される。輝度
変調されたポンプ・レーザーのビームがプラズマ波及び
熱波を発生して周期的に標本を励起するように作用する
。 ［００１８］ 標本は可動台の上にとどまる。上層台５０は、角度的θ
で回転し、下層の２つの台５２及び５４はそれぞれＸ及
びＹ方向に運動する。 ［００１９］ 本発明の装置１０は更にビーム６２を放射するためのプ
ローブ・レーザー６０を含む。プローブ・レーザー６０
は、６３３μｍ波長を発生する５ｍＷの出力を有する線
形に偏光されたヘリウム・ネオン・レーザーであること
が望ましい。ビーム６２は、ビーム・エクスパンダ２６
とスプリッタ素子６６とを通過する。その後、ビーム６
２は１／４波長板６８を通って、ダイクロイックミラー
３６によって標本表面に対して下向きに約３ｍＷの入射
出力で反射される。ポンプ・ビームとプローブ・ビーム
は、実質的に合致する形で標本の表面上に焦点を結び、
反射率信号を最小化する。 ［００２０３ 好ましい実施例においては、標本の観察に役立たせるた
めに視覚装置が備えられている。この視覚装置には、ス
プリッタ７４を通って、更にダイクロイックミラー３４
及び３６を通って回転ミラー７２によって標本に向けら
れる白色光源７０が含まれる。返りの光は、スプリッタ
７４によってカメラ７６に向けて方向転換される。 ［００２１］ 本発明により、標本４２のイオン注入用量レベルについ
ての情報を引き出すために３つの別個の反射率測定が行
われる。これら測定には、ポンプ・ビーム２２の非変調
反射出力と同時にプローブ・ビーム６２の変調及び非変
調反射出力を測定値が含まれる。これら測定値を得るた
めに利用される要素について以下に開示する。 ［００２２］ 第１図に示すように、反射されたプローブ・ビームは、
１／４波長板６８を通ってミラー３２によって方向転換
される。１／４波長板６８を通った第２の通路は、ビー
ムがスプリッタ６６に達した時、光検出子８０に向けて
上向きに方向転換されるように、ビームの偏光を９０’
−杯に回転させるべく機能する。光検出子８０に到達す
る前に、反射したプローブ・ビーム６２はスプリッタ８
２及び絶縁フィルター８４を通過する。絶縁フィルター
８４は、アルゴン・ポンプのあらゆる漂遊放射から光検
出子８０を遮蔽すべく設計されている。スプリッタ８２
はビームの小部分を拾い上げて自動焦点機構８６に向け
て方向転換させる。 ［００２３］ 光検出子８０はプローブ・ビームの反射出力を測定すべ
く設計されている。これは、プローブ・ビームが光検出
子８０の表面を確実に下から照射することによって達成
される。この方法によって、光検出子８０は、反射出力
の変調成分のみを測定七、標本表面上の熱レンズ効果若
しくは熱弾性変形によって生じるプローブ・ビームの直
径又は部分中のあらゆる微小な変動に対して無感応とな
る。光検出子８０は、表面に照射するビームの出力に比
例する電圧を発生すべく機能する。その後、この信号は
プロセッサ９０に供給される。プロセッサ９０に供給さ
れる電圧信号の直流成分によって、プローブ・ビームの
非変調反射出力が確定される。プロセッサ９０は変調器
２４に結合され、位相感知式同期装置を用いて１乃至１
０ＭＨｚの周波数で１Ｏ−７Ｘ （Ｈｚ）”’程まで小
さな変調反射出力の変化を測定できる。直ぐに分かるよ
うに、光検出子８０の出力は、プロセッサ９０がプロー
ブ・ビームの変調反射出力及び非変調反射出力の両者を
引き出すために用いられる。 ［００２４］ 第３の別個の反射率測定は、ポンプ・ビームの非変調反
射出力についての測定である。第１図に示すように、ポ
ンプ・ビームの反射出力２２は１／４波長板光学３０を
通ってダイクロイックミラー３４によって方向転換され
る。１／４波長板光学３０を通る第２の通路は、アイソ
レータ２８によってポンプ・ビームの反射出力の大部分
が装置から反射するように、ビームの偏光を９０°−杯
に回転させるべく機能する。反射したポンプ・ビームの
放射の小部分（約４％）を拾い上げるためにスプリッタ
３２が具えられる。このポンプ・ビームの放射は、ヘリ
ウム・ネオンの放射が検出器９６に到達する前に絶縁す
るためにフィルター９４を通過する。目に論じた理由に
よって、このポンプ・ビームは光検出子９６の表面を下
から照射すべく配置されている。光検出子９６からの出
力電圧はプロセッサ９０に供給され、この電圧の直流成
分は反射したポンプ・ビームの出力を引き出すために用
いられる。 ［００２５］ 好ましい実施例においては、ポンプ・ビームとプローブ
・ビームの入射出力を測定するための追加の２つの光検
出子とピックオフ（図なし）が具えられる。レーザーの
出力の変差に関する修正を行うためにこの入射出力の測
定が行なわれる［００２６］ ３つの測定された反射率信号を用いて、ピロセッサによ
って非晶質シリコン層の厚さを確定し、それによって次
いで標本中の用量レベルに関連付けることができる。こ
の数学的方法については、半導体標本４２の上層部の断
面を示す第２図を参照することによって最も良く理解で
きる。第２図に示されるように、半導体標本４２の上層
部には薄い酸化層１１０が含まれる。この酸化層の直下
には、破壊された結晶シリコンの層１１２がある。この
結晶シリコン層の直下には非晶質シリコン層１１４があ
る。標本の残りの部分は１１６として示される。 ［００２７］ 上に記したように、層１１０．１１２、及び１１４の各
々の厚さは未知である。しかし、周知のフレネルの方程
式を用いて、これらの各層の厚さに関する数学モデルを
開発することができる。この特定の方法に利用する方程
式について以下に説明する。 ［００２８］ Ｍ個の層の系のどの層についても、複合反射係数ρ・に
関する以下の再帰関係式を引き出すことができる。すな
わち、
【数１】
であり、
２Ｍ＋１
＝０の初期基礎条件でＯ≦ｎ＜Ｍ＋１の範囲で有効であ
る。方程式（１）において、ｒ は反射特性係数であり
、以下の式で定義される。すなわち、
る。方程式（１）において、ｒ は反射特性係数であり
、以下の式で定義される。すなわち、
【数２】
である。ここで、ｋ は光ベクトルで、
【数３】
であり、λはプローブ・ビームの波長、ｄ はｎ番目の
層の厚さである。Ｎ 及ｎ
１びＫｎは、それぞれ複合
反射係数の実数部と虚数部、である。反射率Ｒは単′純
にρ０の値の二乗である。 ［００２９］ 方程式（１）を微分し、熱波及びプラズマ波の効果が光
学的な規模で緩慢に変化すると仮定することによって、
標本の正面表面での複合反射係数の変調に関して次の表
現が得られる。すなわち、
層の厚さである。Ｎ 及ｎ
１びＫｎは、それぞれ複合
反射係数の実数部と虚数部、である。反射率Ｒは単′純
にρ０の値の二乗である。 ［００２９］ 方程式（１）を微分し、熱波及びプラズマ波の効果が光
学的な規模で緩慢に変化すると仮定することによって、
標本の正面表面での複合反射係数の変調に関して次の表
現が得られる。すなわち、
【数４】
である。
ここで、Ｗｎ
は再帰関係式を満足する光学的重み係数であり、次式、
すなわち、
すなわち、
【数５】
となり、Ｗ ＝Ｏの初期基礎条件でＯ≦ｎ＜Ｍの範囲で
有効で、ｄｏ＝ＯとＸ−〇 １＝−■を正式に設定する。方程式（２）の第１項によ
って、層の境界での光学的コントラストの変調が表現さ
れる。第２項は、あらゆる場所で物質の特性に階調度が
存在する周知の熱レンズ効果である。最後の項によって
、熱波又はプラズマ波の何れかによって層の厚さを変調
する効果が表現される。反射率の変調ΔＲは、Δρ０
の実数部を２倍することで得られる。 ［００３０］ 上記の方程式によって、少なくとも３つの別個の測定値
を得れば、３つの層の未知の厚さを解くことができる。 更に詳しく言うと、別個の測定値の各々は、層の種々の
厚さに対する一群の解を産み出す。３つの層の未知の厚
さに関する適切な解は、単純な最小２栗法で引き出され
る。上に記したように、非晶質シリコン層が計算されれ
ば、用量レベルが引き出される。 ［００３１］ 標本の実際の用量レベルは、校正の技法で引き出される
。実際には、１０１５２Ｘ１０ ．５Ｘ１０ 及び
５×１０１６イオン／ｃｍ２といった種々の既知の用量
レベルを有する試験用標本が製作される。上で述べた測
定値は試験用標本で取られる。これらの測定値は試験用
標本中に形成される非晶質シリコン層の厚さを計算する
ために用いられる。実際には、非晶質シリコン層の厚さ
は、大まかに（ｌｏｇ用量）１／２であることが分かっ
ている。 ［００３２］ 校正を完了した後、実際の標本の評価が可能となる。上
に記したように、実際の標本の反射率を測定七て、非晶
質シリコン層の厚さを計算する。この計算された非晶質
シリコン層の厚さを計算された試験用標本の層の厚さと
比較して、用量レベルを引き出すことができる。 ［００３３］ 上述の方法は、１０１４イオン／Ｃｍ２と１０１６イオ
ン／Ｃｍ２の間のヒ素及びリンの用量レベルを計算する
ために用いられた。実際には、非晶質シリコン層の生成
には不十分な１０１４イオン／ｃｍ２以下のの用量レベ
ル測定の精度の改善に用い得ることも分かっている。更
に詳しく言うと、用量レベルが約１０１３イオン／Ｃｍ
２に到達するにつれて、プローブ・ビームとポンプ・ビ
ームからの非変調反射率出力信号が用量への依存性を示
し始めることが分かつている。かくして、非晶化しきい
値より低い用量（すなわち、１０１４ヒ素イオン／Ｃｍ
２）では、注入されたイオンのエネルギーにのみに依存
する厚さを有し、かつ用量変化に対して校正できる光学
的特性を有する、破壊されたシリコンの層を仮定できる
。更に詳しく言うと、エネルギー一定のあらゆるイオン
注入プロセスに関して、イオン注入に起因する破壊層の
厚さはモデルにおいては確定しており、破壊層の光学的
特性は、結晶質シリコンと非晶質シリコンの光学的特性
によって拘束される値の範囲を超える用量と共に単調に
増加することが可能である。 ［００３４］ 実施例を参照しつつ本発明について記述したが、付随す
る請求項の範囲若しくは真髄を変更せずに種々の変更及
び改変を行うことが当業者にとっては可能であろう。例
えば、最近開発されたガリウム・ヒ素半導体のような非
シリコン式の半導体の注入用量レベルを決定するために
も本発明の方法を用いることができる。 ［００３５］
有効で、ｄｏ＝ＯとＸ−〇 １＝−■を正式に設定する。方程式（２）の第１項によ
って、層の境界での光学的コントラストの変調が表現さ
れる。第２項は、あらゆる場所で物質の特性に階調度が
存在する周知の熱レンズ効果である。最後の項によって
、熱波又はプラズマ波の何れかによって層の厚さを変調
する効果が表現される。反射率の変調ΔＲは、Δρ０
の実数部を２倍することで得られる。 ［００３０］ 上記の方程式によって、少なくとも３つの別個の測定値
を得れば、３つの層の未知の厚さを解くことができる。 更に詳しく言うと、別個の測定値の各々は、層の種々の
厚さに対する一群の解を産み出す。３つの層の未知の厚
さに関する適切な解は、単純な最小２栗法で引き出され
る。上に記したように、非晶質シリコン層が計算されれ
ば、用量レベルが引き出される。 ［００３１］ 標本の実際の用量レベルは、校正の技法で引き出される
。実際には、１０１５２Ｘ１０ ．５Ｘ１０ 及び
５×１０１６イオン／ｃｍ２といった種々の既知の用量
レベルを有する試験用標本が製作される。上で述べた測
定値は試験用標本で取られる。これらの測定値は試験用
標本中に形成される非晶質シリコン層の厚さを計算する
ために用いられる。実際には、非晶質シリコン層の厚さ
は、大まかに（ｌｏｇ用量）１／２であることが分かっ
ている。 ［００３２］ 校正を完了した後、実際の標本の評価が可能となる。上
に記したように、実際の標本の反射率を測定七て、非晶
質シリコン層の厚さを計算する。この計算された非晶質
シリコン層の厚さを計算された試験用標本の層の厚さと
比較して、用量レベルを引き出すことができる。 ［００３３］ 上述の方法は、１０１４イオン／Ｃｍ２と１０１６イオ
ン／Ｃｍ２の間のヒ素及びリンの用量レベルを計算する
ために用いられた。実際には、非晶質シリコン層の生成
には不十分な１０１４イオン／ｃｍ２以下のの用量レベ
ル測定の精度の改善に用い得ることも分かっている。更
に詳しく言うと、用量レベルが約１０１３イオン／Ｃｍ
２に到達するにつれて、プローブ・ビームとポンプ・ビ
ームからの非変調反射率出力信号が用量への依存性を示
し始めることが分かつている。かくして、非晶化しきい
値より低い用量（すなわち、１０１４ヒ素イオン／Ｃｍ
２）では、注入されたイオンのエネルギーにのみに依存
する厚さを有し、かつ用量変化に対して校正できる光学
的特性を有する、破壊されたシリコンの層を仮定できる
。更に詳しく言うと、エネルギー一定のあらゆるイオン
注入プロセスに関して、イオン注入に起因する破壊層の
厚さはモデルにおいては確定しており、破壊層の光学的
特性は、結晶質シリコンと非晶質シリコンの光学的特性
によって拘束される値の範囲を超える用量と共に単調に
増加することが可能である。 ［００３４］ 実施例を参照しつつ本発明について記述したが、付随す
る請求項の範囲若しくは真髄を変更せずに種々の変更及
び改変を行うことが当業者にとっては可能であろう。例
えば、最近開発されたガリウム・ヒ素半導体のような非
シリコン式の半導体の注入用量レベルを決定するために
も本発明の方法を用いることができる。 ［００３５］
【図１】
第１図は、本発明の構成図である。
【図２】
第２図は、半導体標本の概略断面図である。
２０ ポンプ・レーザー
２２ 出力ビーム
音・光変調器
ビーム・エクスパンダ
アイソレータ
１／４波長板光学回転子
スプリッタ
回転ミラー
ダイクロイックミラー
顕微鏡対物レンズ
標本
自動焦点機構
上層台
台
台
プローブ・レーザー
ビーム
スプリッタ素子
１／４波長板
白色光源
回転ミラー
スプリッタ
カメラ
光検出子
スプリッタ
絶縁フィルター
プロセッサ
フィルター
検出器
Ｏ酸化層
２ 破壊された結晶シリコンの層
非晶質シリコン層
標本の残りの部分
【図月
【図２】
Claims (10)
- 【請求項１】酸化表面被覆を有する半導体標本の注入用
量レベルを評価するための装置であって、 輝度変調放射ポンプ・ビームを発するための装置と、該
放射ポンプ・ビームと異なる波長を有する放射プローブ
・ビームを発するための装置と、 該ポンプ・ビームと該プローブ・ビームとを該半導体標
本表面上の実質的な一致点上に焦点合わせするための装
置と、 該プローブ・ビームの該輝度変調ポンプ・ビームと同位
相の変調反射出力を測定するための装置と、 該プローブ・ビームの非変調反射出力を測定するための
装置と、該反射ポンプ・ビームの非変調出力を測定する
ための装置と、該半導体標本中の注入用量レベルを評価
すべく該反射出力の測定値を処理するための装置 とから成る、評価装置。 - 【請求項２】前記処理装置が注入によって生成される物
質層の厚さを前記反射出力測定値を利用して計算し、該
物質層の厚さを前記用量レベルと相関させる、請求項１
記載の評価装置。 - 【請求項３】酸化表面被覆と、高い用量レベルによって
生成された内部非晶質物質とを有する半導体標本の注入
用量レベルを評価するための装置であって、 輝度変調放射ポンプ・ビームを発するための装置と、該
放射ポンプ・ビームと異なる波長を有する放射プローブ
・ビームを発するための装置と、 該ポンプ・ビームと該プローブ・ビームとを該半導体標
本表面上の実質的な一致点上に焦点合わせするための装
置と、 該プローブ・ビームの非変調反射出力と共に、該プロー
ブ・ビームの該輝度変調ポンプ・ビームと同位相の変調
反射出力をも測定する、該反射プローブ・ビームの出力
を測定するための第１の検出装置と、該反射ポンプ・ビ
ームの非変調出力を測定するための第２の検出装置と、
該非晶質物質層の厚さを引き出すべく該第１検出装置と
該第２検出装置とによって該反射出力の測定値を処理し
た後、該引き出された非晶質物質層の厚さを該半導体標
本中の用量レベルと相関させるための装置とから成る、
評価装置。 - 【請求項４】前記処理装置が、前記引き出された非晶質
物質層の厚さと、既知の注入用量レベルを有する他の半
導体標本の非晶質物質層の厚さとを比較する、請求項３
記載の評価装置。 - 【請求項５】前記半導体標本が結晶質シリコンで形成さ
れ、前記非晶質物質層が非晶質シリコンで形成される、
請求項３記載の評価装置。 - 【請求項６】 酸化表面被覆を有する半導体標本の注入
用量レベルを評価するための方法であって、 輝度変調放射ポンプ・ビームを発生し、 該放射ポンプ・ビームと異なる波長を有する放射プロー
ブ・ビームを発生し、該ポンプ・ビームと該プローブ・
ビームとを該半導体標本表面上の実質的な一致点上に焦
点合わせし、 該プローブ・ビームの該輝度変調ポンプ・ビームと同位
相の変調反射出力を測定し、 該プローブ・ビームの非変調反射出力を測定七、該反射
ポンプ・ビームの非変調出力を測定し、該半導体標本中
の注入用量レベルを評価すべく該反射出力の測定値を処
理する段階から成る、評価方法。 - 【請求項７】 注入によって生成される物質層の厚さの
計算を前記処理段階が含み、該物質層の厚さを用量レベ
ルと相関させる、請求項６記載の評価方法。 - 【請求項８】 酸化表面被覆と内部非晶質物質とを有す
る半導体標本の注入用量レベルを評価するための方法で
あって、輝度変調放射ポンプ・ビームを発生し、 該放射ポンプ・ビームと異なる波長を有する放射プロー
ブ・ビームを発生し、該ポンプ・ビームと該プローブ・
ビームとを該半導体標本表面上の実質的な一致点上に焦
点合わせし、 該プローブ・ビームの該輝度変調ポンプ・ビームと同位
相の変調反射出力を測定し、 該プローブ・ビームの非変調反射出力を測定し、該反射
ポンプ・ビームの非変調出力を測定し、該非晶質物質層
の厚さを引き出すべく該反射出力の測定値を処理した後
、該引き出された非晶質物質層の厚さを該半導体標本中
の用量レベルと相関させる段階から成る、評価方法。 - 【請求項９】前記引き出された非晶質物質層の厚さと既
知の注入用量レベルを有する他の半導体標本の非晶質物
質層の厚さとを比較する段階を更に含む、請求項８記載
の評価方法。 - 【請求項１０】前記半導体標本が結晶質シリコンで形成
され、前記非晶質物質層が非晶質シリコンで形成される
、請求項８記載の評価方法。
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