JPH0540087A - 半導体中の元素濃度の測定および制御方法 - Google Patents

半導体中の元素濃度の測定および制御方法

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JPH0540087A
JPH0540087A JP19945791A JP19945791A JPH0540087A JP H0540087 A JPH0540087 A JP H0540087A JP 19945791 A JP19945791 A JP 19945791A JP 19945791 A JP19945791 A JP 19945791A JP H0540087 A JPH0540087 A JP H0540087A
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JP
Japan
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thin film
composition
semiconductor
profile
impurity concentration
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JP19945791A
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Hiroshi Fujioka
洋 藤岡
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Fujitsu Ltd
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Fujitsu Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 半導体中の元素濃度プロファイルの測定方法
に関し、短時間で測定し、さらに薄膜成長を in situで
制御することを目的とする。 【構成】 エリプソメトリによって、半導体の光学情報
を測定し、あらかじめ蓄積した光学情報/組成データの
データベースに参照して、元素濃度プロファイルに変換
し、これによって不純物濃度プロファイルを求めるよう
に構成し、また薄膜を成長中の二成分系半導体の組成プ
ロファイルを刻々求めて、これを成長条件にフィードバ
ックさせるように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体中の元素濃度プロ
ファイルの測定方法、さらに特定すれば半導体の不純物
濃度プロファイルの測定方法、および二成分系薄膜半導
体の薄膜の濃度プロファイルを成長中に刻々測定し、こ
れに基づいて薄膜成長を制御する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、Si 基板上に成長させる二成分系
薄膜たとえばSi1-X GeX 薄膜の組成プロファイルの測定
は、成長させて、プロセス反応装置から取出した後、た
とえば二次イオン質量スペクトル分析(SIMS)によって
行っていた。しかし薄膜を成長させた後の測定であるた
め、成長中に薄膜組成プロファイルを制御することは不
可能であった。
【0003】また、半導体中に拡散させた不純物の濃度
プロファイルの測定は、たとえば二次イオン質量スペク
トル分析(SIMS)やストリッピング抵抗(SR)などの破
壊試験か、または非破壊的な方法として、プロセスシュ
ミレータによって不純物の濃度プロファイルを推定する
ことも行われたが、現実の拡散工程は必ずしも所定のと
おりに熱処理条件を実現させることができない。そのた
めシュミレータに入力する条件が現実の条件と相違し
て、シュミレータから得られる濃度プロファイルが試料
の実際の濃度プロファイルと一致しない欠点があった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、非破
壊的な方法によって、半導体中の元素濃度プロファイ
ル、特に半導体中の不純物濃度プロファイルの測定、お
よび二成分系半導体薄膜の組成プロファイルの測定を行
い、さらに、二成分系半導体薄膜の成長条件を insitu
で制御する方法を提供することである。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記課題は、(a)可視
光分光エリプソメトリまたは赤外線エリプソメトリによ
って、基板上に成長中の二成分系薄膜を含む半導体の光
学情報Δ,Ψを刻々測定し、(b)この光学情報を、直
前に測定した時までの集積薄膜の深さ組成情報(組成プ
ロファイル)と、組成と光学定数(複素屈折率nまたは
複素誘電率ε)の関係を示すデータベースに参照し、単
位薄膜層の組成と膜厚をパラメータにコンピュータフィ
ッティングすることにより、単位薄膜層の組成データお
よび膜厚データを得、(c)これを蓄積して薄膜全体の
深さと組成の関係を求めて測定時までの組成プロファイ
ルを刻々得、(d)この組成プロファイルを、設計の組
成プロファイルにフィッティングさせてその差を求め、
薄膜成長条件にフィードバックさせて薄膜成長を刻々制
御することを特徴とする半導体の二成分系薄膜の成長制
御方法、および
【0006】(a)赤外線エリプソメトリによって、拡
散させた不純物を含む半導体の光学情報を測定し、
(b)他方、プロセスシュミレータに、仮定の不純物拡
散条件をパラメータとして入力して、仮定の不純物濃度
プロファイルを計算し、(c)仮定の不純物濃度プロフ
ァイルを赤外線エリプソメトリの光学情報に変換し、
(d)プロセスシュミレータによる光学情報を、測定に
よる光学情報に一致するまで、プロセスシュミレータに
入力する不純物拡散条件を変更してフィッティングさ
せ、(e)これらの値が一致したときの不純物拡散条件
によって得られるプロセスシュミレータの不純物濃度プ
ロファイルを、求める半導体の不純物濃度プロファイル
と見做すことを特徴とする、半導体の不純物濃度プロフ
ァイルの測定方法によって解決することができる。
【0007】
【作用】エリプソメトリは、偏光が既知の入射角で物体
の表面に入射すると、入射偏光と反射偏光との間の光学
的状態の変化を測定する。近年、このような光学情報Δ
およびΨをコンピュータで処理することによって、エリ
プソメトリの応用は著しく発達した。
【0008】エリプソメトリの特徴は、極めて薄い膜厚
を測定することができる。そして、インタフェロメトリ
や反射スペクトロメトリで測定できない程度の薄膜で
も、光学情報ΔおよびΨを測定することができる。Δお
よびΨは次式で表される。 Δ=δS −δP (式中、δS およびδP は(入射面に垂直および平行な
光の成分の反射による位相差) tan Ψ =(Rp /Rs ) /(Ep /Es ) (式中、Rp およびRs は入射面に平行および垂直な反
射偏光の電場成分、Ep およびEs は入射面に平行およ
び垂直な入射偏光の電場成分)
【0009】Δは、入射面に平行な偏光成分と、垂直な
偏光成分との間の位相差が、反射によって変化する量で
あり、Ψは、 tanΨが反射による偏光の振幅比の変化を
表す量である。これらをコンピュータ処理することによ
って、対応する複素屈折率n(または複素誘電率ε)と
膜厚dに変換することができる。
【0010】本発明の方法は、偏光測定とコンピュータ
処理を組合せたエリプソメトリを応用して、半導体中の
元素濃度プロファイルを測定する。さらに、二成分系薄
膜半導体の成長中に、その組成プロファイルを in situ
で測定し、これを薄膜成長条件にフィードバックさせて
制御し、これによって所定の組成プロファイルを形成す
ることができる。
【0011】本発明の方法は、極めて薄い単位薄膜層に
ついて、濃度を測定できるので、濃度が傾斜した薄膜の
成長制御もできる。勿論、超格子の作製の制御もでき
る。なお、混晶の作製の制御にも応用することができ
る。
【0012】特に、赤外線エリプソメトリによって、拡
散させた不純物のプロファイルを測定する場合、エリプ
ソメトリの測定直前に、Si 基板の表面の自然酸化膜を
酸洗浄して除去することが、測定の精度が高いので好ま
しい。最後に、赤外線エリプソメトリにおいても、偏光
を分光して使用する方が測定精度が高いので好ましい。
【0013】
【実施例】実施例1 図1は、本発明の半導体の二成分系薄膜の組成プロファ
イルを制御しながら成長させる方法のブロック図であ
る。二成分系薄膜半導体は、常法によって表1
【0014】
【表1】
【0015】に示す条件で、Si 基板上にSi1-X GeX
膜を化学気相成長させながら、可視光分光エリプソメト
リによって、光学情報としてΔ,Ψを測定した。この光
学情報を、直前回に測定した時までの集積薄膜の深さ組
成情報(組成プロファイル)と、組成と光学定数(複素
屈折率nまたは複素誘電率ε)の関係を示すベータベー
スに参照し、単位薄膜層の組成Xと膜厚dをパラメータ
にコンピュータフィッティングすることにより、直前回
と今回の測定の間に成長した膜厚dと組成Xを求めた。
【0016】図2は、異なる組成のSi1-X GeX の誘電率
の波長依存を示す。特定の波長をとれば、誘電率がSi
1-X GeX の組成、すなわちGe 濃度に対応している。組
成が、深さ方向に均質であり、その組成がそれぞれ異な
る多数のSi1-X GeX をあらかじめ測定して、誘電率εと
Ge 濃度Xの関係をデータベースとして使用した。
【0017】さきに求めた単位膜層の膜厚および組成を
蓄積して薄膜全体の深さと濃度の関係を求めて、測定時
までの組成プロファイルを得、これを設計の組成プロフ
ァイルにフィッティングさせて、相違する場合には、薄
膜成長条件の反応ガス流量、圧力および温度の少なくと
も1つにフィードバックさせた。図3は、こうして得ら
れたGe 濃度プロファイルを設計のプロファイルに比較
したグラフである。ほぼ設計値と一致する結果を示す。
【0018】実施例2 可視光分光エリプソメトリの代りに、赤外線エリプソメ
トリにより、光学情報としてΔおよびΨを使用して、G
e 濃度と屈折率の関係に基づいて、組成プロファイルを
求めたことの他は、例1と同様に実験した。赤外線エリ
プソメトリの場合は、赤外線に対してSi1-X GeX が透明
であるので、複素屈折率の消衰係数がゼロとなり、分光
エリプソメトリを使わなくとも、波長固定で、組成プロ
ファイルと膜厚がわかる。
【0019】表2
【表2】
【0020】は、赤外域における、Si とGe のそれぞ
れの屈折率nを示す。Si1-X GeX の屈折率nは、これら
の値の中間の値をとるが、Xとnの関係はあらかじめ単
一組成膜を測定し、これをデータベースとして使用し
た。その結果、実施例1と同様に、二次イオン質量スペ
クトル分析による組成プロファイルとほぼ同様な組成プ
ロファイルを得ることができた。
【0021】図4は、本発明の半導体の不純物濃度プロ
ファイル測定方法のブロック図である。測定した半導体
は、B濃度1×1015/cm3 のp型Si の (111)ウェハ
に、 33keVでAs+ を5×1013/cm2 注入し、N2 気流中
で 950℃, 30秒間赤外線加熱して、As+ を拡散させた。
エリプソメトリ測定直前にウェハは1%HFで表面の自然
酸化膜を除去した。
【0022】波長0.8〜2μmの赤外線エリプソメトリ
を行い、光学情報としてΔおよびΨを測定した。図4に
示すように、プロセスシュミレータを使用し、初期値と
して、上記の拡散条件の 950℃, 30秒間を入力し、これ
によって得られた不純物プロファイルをデータベースを
参照して、光学情報に変換して、測定光学情報とフィッ
ティングさせた。これらの値が一致しない場合は、シュ
ミレータに入力する条件を初期値より偏らせて、再び上
記操作を繰返し、シュミレータの光学情報とエリプソメ
トリの測定による光学情報が一致したときに、この光学
情報ΔとΨを、膜面からの深さと不純物濃度に変換し
た。本発明による不純物濃度プロファイルは、破壊試験
の二次イオン質量スペクトル分析とほぼ近似する値を示
した。
【0023】
【発明の効果】本発明によれば、試料半導体を破壊する
ことなく、不純物プロファイルを、極く短時間で、簡単
にモニタすることが可能となり、不純物拡散工程におけ
る制御性、ひいては半導体素子の歩留りを大幅に向上す
ることができる。また本発明によれば破壊試験の手間を
省いて、薄膜成長中にヘテロ接合素子の組成プロファイ
ルを in situで測定し、その情報をフィードバックさせ
て、組成プロファイルを高精度で制御する。これによっ
てヘテロバイポーラトランジスタなどの高速素子を容易
に作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によって、薄膜成長中のヘテロ接合素子
の組成プロファイルを制御するブロック図である。
【図2】異なる組成Si1-X GeX の誘電率の波長依存を示
すグラフである。
【図3】本発明によって作製した薄膜の組成プロファイ
ルを設計値と比較して示すグラフである。
【図4】本発明によって、不純物を拡散させた半導体の
不純物濃度プロファイルを求めるブロック図である。
【図5】本発明によって測定した不純物濃度プロファイ
ルを、従来のシュミレータによる値と比較して示すグラ
フである。
【符号の説明】
I…Si II…Si0.78 Ge0.22 III …Si0.61 Ge0.39 IV…Ge A…本発明によって成長させた二成分薄膜の組成プロフ
ァイル B…設計組成プロファイル a…本発明によって測定した不純物濃度プロファイル b…二次イオン質量スペクトル分析による不純物濃度プ
ロファイル c…シュミレータのみによって測定した不純物濃度プロ
ファイル

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 (a)可視光分光エリプソメトリまたは
    赤外線エリプソメトリによって、基板上に成長中の二成
    分系薄膜を含む半導体の光学情報Δ,Ψを刻々測定し、 (b)この光学情報を、直前に測定した時までの集積薄
    膜の深さ組成情報と、組成と光学定数(複素屈折率nま
    たは複素誘電率ε)の関係を示すデータベースに参照
    し、単位薄膜層の組成と膜厚をパラメータにコンピュー
    タフィッティングすることにより、単位薄膜層の組成デ
    ータおよび膜厚データを得、 (c)これを蓄積して薄膜全体の深さと組成の関係を求
    めて測定時までの組成プロファイルを刻々得、 (d)この組成プロファイルを、設計の組成プロファイ
    ルにフィッティングさせてその差を求め、薄膜成長条件
    にフィードバックさせて薄膜成長を刻々制御することを
    特徴とする半導体の二成分系薄膜成長の制御方法。
  2. 【請求項2】 可視光分光エリプソメトリにおいて、光
    学情報Δ,Ψおよび波長を、膜厚および組成に変換する
    請求項1に記載の方法。
  3. 【請求項3】 二成分系薄膜が、Si 基板上に成長中の
    Si1-X GeX 薄膜である請求項1記載の方法。
  4. 【請求項4】 (a)赤外線エリプソメトリによって、
    拡散させた不純物を含む半導体の光学情報を測定し、 (b)他方、半導体装置の製造条件を与えることによっ
    て不純物濃度プロファイルを計算できるプロセスシュミ
    レータに、仮定の不純物拡散条件をパラメータとして入
    力して、仮定の不純物濃度プロファイルを計算し、 (c)仮定の不純物濃度プロファイルをもった試料を赤
    外エリプソメトリで測定した場合に得られると予測され
    る光学情報Δ,Ψを不純物濃度と複素屈折率の関係を蓄
    積したデータベースを参照して計算し、 (d)プロセスシュミレータによる光学情報を、測定に
    よる光学情報に一致するまで、プロセスシュミレータに
    入力する不純物拡散条件を変更してフィッティングさ
    せ、 (e)これらの値が一致したときの不純物拡散条件によ
    って得られるプロセスシュミレータの不純物濃度プロフ
    ァイルを、求める半導体の不純物濃度プロファイルと見
    做すことを特徴とする、 半導体の不純物濃度プロファイルの測定方法。
  5. 【請求項5】 不純物拡散条件が、温度および時間であ
    る請求項4に記載の方法。
  6. 【請求項6】 プロセスシュミレータに、パラメータの
    初期値として、不純物濃度プロファイルを求めるべき半
    導体の不純物を拡散させる温度および時間を入力する請
    求項4に記載の方法。
JP19945791A 1991-08-08 1991-08-08 半導体中の元素濃度の測定および制御方法 Withdrawn JPH0540087A (ja)

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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002076083A (ja) * 2000-06-16 2002-03-15 Matsushita Electric Ind Co Ltd 構造評価方法,半導体装置の製造方法及び記録媒体
JP2006093633A (ja) * 2004-09-27 2006-04-06 Horiba Ltd 製膜条件特定方法、製膜方法、及び膜体製造方法
JP2008122402A (ja) * 2007-12-21 2008-05-29 Sharp Corp 微細物評価装置
JP2010085330A (ja) * 2008-10-01 2010-04-15 Toyota Motor Corp 量子構造の評価方法、量子構造の製造方法、及び量子構造
CN115963100A (zh) * 2021-10-13 2023-04-14 长鑫存储技术有限公司 材料中元素浓度的检测方法

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