JPH0770578B2 - 半導体基板の表面状態評価方法およびその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は半導体基板の表面状態評価方法とその装置に
関するもので、特に、光によって電子−正孔対を発生さ
せるとともに、それらの電磁波吸収などを測定すること
によって基板の表面状態を評価する技術に関する。

〔従来の技術〕

周知のように、集積回路などを製造するにあたっては、
半導体基板の主面に対して不純物イオンの注入や拡散、
それに種々の膜構造の形成やそのパターニングなどが行
われる。そして、これらの処理が正確に行われたか否か
を評価するプロセス、つまり半導体基板の表面状態の評
価プロセスが、集積回路の製造ラインでは重要な位置を
占めている。

このような表面状態の評価技術のうち、電磁的かつ非接
触の評価技術が特開昭61−220348号公報に記載されてい
る。この技術においては半導体基板に光を照射して電子
−正孔対を発生させる。このようにして発生した電子と
正孔とは過剰キャリアであり、基板表面付近に分布した
再結合中心などによって再結合するが、過剰キャリアの
ライフタイムより長い時間が経過した後には、光励起に
よる発生と再結合による消滅との量的な差を反映した定
常状態となる。そして、上記技術ではこの定常状態にお
いて基板にマイクロ波を照射する。光照射を行なわない
場合でも熱平衡状態のキャリアがマイクロ波に応答して
その吸収や２次電磁波の放射など（以下、「吸収」と総
称する）を生じさせるが、光照射を行なうとそれによっ
て生成された過剰キャリアよりもマイクロ波吸収などを
生じさせるために、マイクロ波に対する基板の応答が量
的に変化することになる。つまり、基板によるマイクロ
波吸収変化量はその時点における過剰キャリアの総数を
反映した値となる。このため、上記従来技術では、マイ
クロ波吸収変化量の相補的な関係にある反射変化量を測
定する。これによって過剰キャリアの再結合速度ないし
は再結合中心の濃度を間接的に測定していることにな
り、基板表面部分におけるイオンドーズ量などを知るこ
とができる。このような評価方法は、一般に、「（定常
状態における）反射マイクロ波法」と呼ばれる。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、このような評価方法では、基板の表面状態を
表面上の各部位ごとに評価する目的で、マイクロ波発生
器やその検出器などの測定機器に対して基板を相対的に
移動させ、その表面を順次にスキャンする。このとき、
測定機器と基板表面との間の距離は微妙に変化するた
め、マイクロ波発生器側から見たマイクロ波出力インピ
ーダンスなどの測定条件がスキャン位置ごとに変わって
しまう。また、上記測定原理は基板表面が連続的に広が
っているとの仮定の下で考えているが、実際には基板の
端部に近づくと基板のエッジやオリエンテーションフラ
ットなどの形状に依存するズレが測定結果に現れること
もある。

このように、測定機器と基板との幾何学的位置関係に応
じて測定条件が変化し、それによって測定データに誤差
が生ずることになるという事情があるため、このような
誤差の影響を防止することによって表面状態評価の精度
をさらに向上させることが望まれている。

〔発明の目的〕

この発明は従来技術における上述の課題の解決を意図し
ており、定常状態における反射マイクロ波法またはこれ
と同様の原理を有するマイクロ波透過量測定法におい
て、測定機器と基板との幾何学的位置関係などの測定条
件が変化しても高精度の表面状態評価が可能であるよう
な評価方法と装置とを提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明の第１の構成にかかる方法では、（ａ） 半導
体基板における電子−正孔対の生成臨界エネルギーより
も小さなエネルギーを有する電磁波を前記基板の表面に
照射しつつ、前記生成臨界エネルギーよりも大きなエネ
ルギーを有する第１の光を前記表面に照射し、前記表面
からの前記電磁波の反射レベルまたは前記基板の裏面へ
の透過レベルを検出して第１のレベルデータを得るステ
ップと、（ｂ） 前記電磁波を前記表面に照射しつつ、
前記生成臨界エネルギーよりも大きなエネルギーを有
し、かつ前記第１の光とは異なる波長を持った第２の光
を前記表面に照射して、前記表面からの前記電磁波の反
射レベルまたは前記基板の裏面への透過レベルを検出
し、それによって第２のレベルデータを得るステップと
を実行する。

そして、前記第１と第２のレベルデータを所定の差分型
関数に代入し、それによって得られた関数値に基づいて
前記基板の表面状態を評価する。試行関数に代入してそ
の関数値の分布を求める。

また、差分型関数の決定にあたっては、少なくともその
表面の一部分が一様な表面状態となっている半導体テス
ト基板を準備するとともに、差分型関数として任意の試
行関数を仮定する。

そして、前記テスト基板のスキャンを行ないつつ当該テ
スト基板に対してステップ（ａ）および（ｂ）に相当す
るステップを実行し、それによって各スキャン位置につ
いての第１と第２のレベルデータを得るとともに、この
ようにして得られた第１と第２のレベルデータを各スキ
ャン位置ごとに前記試行関数に代入してその関数値の分
布を求める。

その後、前記関数値の分布幅が所定の許容分布幅以下と
なているか否かを判定し、前記分布の分布幅が前記許容
分布幅より大きいときには前記試行関数の関数形を変え
て上記のステップを繰返す。そして分布幅が前記許容分
布幅以下となる試行関数が見出されると、それを前記差
分型関数として採用する。

また、この発明の装置は、（ａ） 半導体基板における
電子−正孔対の生成臨界エネルギーよりも小さなエネル
ギーを有する電磁波を前記基板の表面に向けて照射する
電磁波照射手段と、（ｂ） 前記生成臨界エネルギーよ
りも大きなエネルギーを有する第１の光を発生する第１
の光源と、（ｃ） 前記生成臨界エネルギーよりも大き
なエネルギーを有し、かつ前記第１の光とは異なる波長
を持った第２の光を発生する第２の光源と、（ｄ） 前
記第１と第２の光を相互に切換えて前記表面に入射させ
る入射光切換手段とを備えている。

さらに、前記表面からの前記電磁波の反射レベルまたは
前記基板の裏面への透過レベルを検出し、それによって
電磁波検出信号を発生する電磁波検出手段と、（ｆ）
前記第１の光が前記表面に入射している期間と前記第２
の光が前記表面に入射している期間とのそれぞれにおい
て前記電磁波検出信号のレベルを取込み、それらのレベ
ルに応じて第１と第２のレベルデータを発生するレベル
データ発生手段とを有しており、（ｇ） 前記第１と第
２のレベルデータを所定の差分化関数に代入し、前記基
板の表面状態を評価するための情報として前記差分型関
数の関数値を出力する差分演算手段とを備えることによ
って上記方法を実行可能とされている。

〔作用〕

この発明の第１の方法では、測定機器と基板との幾何学
的位置関係が一定でないなどに起因する誤差が第１と第
２のレベルデータの中に共通に含まれることになる。こ
のため、それらを差分型関数に代入すれば、その誤差は
相殺される。

なお、この発明における「反射」とは直線反射のみなら
ず、基板からの２次電磁波の放射などをも含む用語であ
る。また、「差分型関数」とは、２つの変数の直接的な
差のみならず、その累乗の差や対数の差（つまり等価的
に２変数の比）を求める関数形など、各変数を同一の形
式で変換した後にそれらの差をとる関数全般を含む用語
である。

〔実施例〕

＜A.装置構成と概略動作＞ 第１図はこの発明の一実施例である表面状態評価装置１
のブロック図である。この装置１は半導体ウェーハ２の
表面状態を評価するための構成を有しており、このウェ
ーハ２はウェーハステージ３上に保持されている。ウェ
ーハステージ３は、ウェーハステージ駆動機構４によっ
てＸ−Y2次元平面内で間欠送りされるようになってい
る。

ウェーハ２の主面に対向する位置には、マイクロ波発振
器５とマイクロ波検出器６とが並列的に配置されてい
る。このうち発振器５は、ガンダイオードで発生させた
９〜10GHzのマイクロ波を導波管によってウェーハ２の
近傍まで導き、ウェーハ２の主面に向けて放射させる構
成となっている。また検出器６は、ウェーハ２で反射し
たマイクロ波のレベルを検波ダイオードによって検出す
る。後述する光励起によってウェーハ２の表面部分には
過剰キャリアが生成されるが、ウェーハ２に入射したマ
イクロ波の一部はこれらの過剰キャリアによって吸収さ
れるため、反射マイクロ波のレベルは過剰キャリアの数
を反映した値を持つ。

上記の光励起を行うために、この装置１は、２つの光源
を備えている。そのうちのひとつは発光ダイオード（LE
D）11であり、このLED11はLED点灯回路12からの繰返し
パルス信号PWを入力することによって、波長λ_１＝950n
m,パルス幅5msの繰返しパルス光（第１パルス光）L₁を
発生する。この第１パルス光L₁はダイクロイックミラー
10に向けて放射される。

一方、第２の光源はHe−Neレーザ発振器７であり、この
発振器７は波長λ_２＝633nmのレーザ光L₀₂を生成する。
He−Neレーザ発振器７は連続発振型のレーザ光源である
ため、その出力L₀₂を繰返しパルス光へと変換する目的
でチョッパ８が設けられている。このチョッパ８は、ス
リット配列を有する遮光円板8aをモータ8bでθ方向に等
速回転させ、それらのスリット配列でレーザ光L₀₂を周
期的に切出すことにより、パルス幅5msの第２パルス光L
₂を生成する。なお、この切出しタイミングは発光部と
受光部とを有するフォトセンサ8cによって検出され、タ
イミング参照信号TP₂が得られる。

第２パルス光L₂の進行経路の近傍には遮光性のシャッタ
９が設けられている。図示しないシャッタ駆動機構によ
ってこのシャッタ９が破線位置へ移動したときにはこの
第２パルス光L₂の進行が妨げられ、実線位置に戻ったと
きには第２パルス光L₂はダイクロイックミラー10へと到
達する。

ダイクロイックミラー10は短波長光を反射し、長波長光
を透過するミラー面を有している。また、LED点灯回路1
2からの繰返しパルス信号PWは、シャッタ９が破線位置
にあるときのみ発生するようになっている。このため、
ダイクロイックミラー10からウェーハ２へ向けて入射す
るパルス光Ｌは、シャッタ９が実線位置にあるときには
Ｌ＝L₂であり、シャッタ９が破線位置にあるときにはＬ
＝L₁である。すなわち、シャッタ９とダイクロイックミ
ラー10とを含む構成によって、ウェーハ２への入射光切
換手段が形成されている。そして、パルス光Ｌはマイク
ロ波発振器５とマイクロ波検出器６との間の空間を通っ
て、ウェーハ２の主面にほぼ直角に入射する。

マイクロ波検出器６の検出出力Ｖはロックインアンプ13
へ与えられるようになっている。ロックインアンプ13に
は、フォトセンサ8cからのタイミング参照信号TP₂のほ
か、LED点灯回路12からのタイミング参照信号TP₁が与え
られている。このパルスタイミング信号TP₁はLED11へ出
力される繰返しパルス信号PWと実質的に同一のタイミン
グ信号である。そして、ウェーハ２への入射パルス光Ｌ
が第１パルス光L₁であるときには第１のタイミング参照
信号TP₁がロックインアンプ13内の動作タイミング制御
に用いられ、入射パルス光Ｌが第２パルス光L₂であると
きには第２のタイミング参照信号TP₂が用いられる。

ロックインアンプ13は、このような動作タイミング制御
を受けつつ、マイクロ波検出出力Ｖを位相検波・平滑化
しつつ増幅する。Ｌ＝L₁であるときのロックインアンプ
の出力V₁と、Ｌ＝L₂であるときの出力V₂とは、時系列的
にメインコンピュータ14へ取込まれる。メインコンピュ
ータ14はCPU15およびメモリ16を有しており、これらの
信号V₁,V₂に基づいて後述する演算を行う。そして、そ
の演算結果はメモリ16にストアされるか、または入出力
装置17に与えられて、ディスプレイの表示やハードコピ
ーでのプリントアウトがなされる。

メインコンピュータ14はまた、信号C₁,WSCによってロッ
クインアンプ13やウェーハステージコントローラ18の制
御をも行う。ウェーハステージコントローラ18はこの信
号WSCに応答してウェーハステージ駆動機構４にその駆
動パワーWSPを供給する。また、ウェーハステージコン
トローラ18からメインコンピュータ14へは、ステージ駆
動状態検知信号C₂がフィードバックされる。

上述したパルス光L₁,L₂の相互切換えや信号V₁,V₂の生成
などはウェーハ２がステージ３によって間欠送りされる
ごとに実行される。すなわち、第２図に示すようにウェ
ーハ２の主面2a上にマトリクス状の格子点P_ij（ｉ＝〜
m,j＝１〜ｎ）を想定し、各格子点P_ijに順次にパルス光
Ｌが入射するようにステージ３を間欠送りするととも
に、各格子点P_ijにおいて信号V₁,V₂の生成とそれに基づ
く演算を行う。このため、最終的に得られるデータは、
各格子点P_ijに対応した離散的２次元マッピングの形式
となっている。

＜B.表面状態評価原理＞ 表面状態評価装置１の動作をさらに詳細に説明する前
に、この装置１における表面状態評価原理について述べ
ておく。なお、以下では、便宜上、ウェーハ２はシリコ
ンウェーハであるとし、その主面2aから低ドーズ量のイ
オン注入が行われている場合を考える。

周知のように、シリコン単結晶では、その価電子帯と伝
導帯との間のエネルギーギャップE_gが、室温（300K）付
近において約1.1［eV］となっている。そして、フォト
ンエネルギーに換算するとこのギャップE_gは約1120nmの
波長に相当するため、この波長よりも短い波長の光をウ
ェーハに入射させることにより、その表面付近を中心に
して電子−正孔対を生成させることができる。そして、
これらの電子−正孔対は主として結晶表面付近の格子欠
陥や損傷部、それに不純物原子などの再結合中心（局在
準位）を介して再結合し、フォノンを発生して消滅す
る。したがって、光励起による過剰キャリアの生成量と
再結合による消滅量との差に応じた数だけの過剰キャリ
アがウェーハ中に存在していることになる。また、過剰
キャリアの再結合速度は、再結合中心の濃度に応じて変
化するため、過剰キャリアの数はウェーハ２の表面付近
における再結合中心濃度を反映する。

一方、上記エネルギーギャップ（すなわち電子−正孔対
の生成臨界エネルギー）E_gよりも小さなエネルギーを持
つ電磁波をウェーハ２へ入射させると、その電磁波はウ
ェーハ２中のキャリアによって吸収される。そして、そ
の吸収量はキャリアの総数に比例するが、キャリアの総
数は、ウェーハ２の温度に応じて熱励起されているキャ
リアの数と、上記光励起による過剰キャリアの数との総
和である。さらにウェーハ２における上記電磁波の反射
量は、その入射量から吸収量などの散逸量を差し引いた
ものとなるため、電磁波（具体的にはマイクロ波）の光
照射による反射レベルの変化もまた、過剰キャリアの総
数を反映したものとなる。

以上の事実から、ウェーハ２における電磁波の反射レベ
ル変化分を検出することによってウェーハ２の表面付近
における過剰キャリアの再結合速度ないしは再結合中心
の濃度を間接的に測定可能であることがわかる。ここで
考えている例では再結合中心濃度がイオン注入における
ドーズ量に関係するため、電磁波の反射レベルの測定に
よってイオン注入されたウェーハ２の表面状態を評価で
きることになる。

ところで、ウェーハ２への光の浸透深さはその波長Ｌに
よって異なり、長波長の光ほど深くまで浸透する。この
状況を理論的に示すために、ウェーハ２の断面を模式的
に示した第3A図を参照する。ただし、この第3A図におい
てＷはウェーハ２の厚さである。

まず、ウェーハ２の主面2aから深さｚの位置にある単位
体積の領域20を考える。ウェーハ２の側部エッジから離
れたエリアではその対称性からキャリアの移動は深さ方
向のみにおいて生ずると仮定できるため、ｚ方向の１次
元モデルに従って以下の解析を行うことができる。

時間変数ｔを定義すると、領域20内の過剰キャリア数Δ
ｐ（z,t）についての連続の方程式は、 （∂／∂ｔ）Δｐ（z,t） ＝−Δｐ（z,t）／τ_ｂ＋ Ｄ（∂²/∂z²）Δｐ（z,t） ＋Ｇ・exp（−αｚ） …（１） ただし、 τ_b:バルクの再結合ライフタイム、 D:キャリアの拡散定数、 α：照射光の吸収係数、 G:キャリアの生成速度、 であり、キャリアの生成速度Ｇは、 Ｇ＝ｑα（１−R_S）I₀ …（２） q:量子収率、 R_S:シリコンウェーハの光反射率、 I₀:照射光の照度、 で与えられる。（１）式の右辺第１項は再結合による過
剰キャリアの消滅を示し、また第２項はキャリアの拡散
を示す。そして、第３項は光励起による生成に相当す
る。

ウェーハ２に照射する光が連続光であるか、または少数
キャリアのライフタイムよりも十分に長いパルス幅を持
つパルス光である場合には、光照射開始からある程度の
時間の後に系は定常状態となる。この定常状態において
はΔｐ（z,t）が時間に依存しなくなるため、（１）式
の左辺をゼロとおくとともに、Δｐ（z,t）をΔｐ
（ｚ）と書くことにより、 Ｄ（d²/dz²）Δｐ（ｚ） −Δｐ（ｚ）／τ_ｂ＋Ｇ・exp（−αｚ） ＝０ …（３） が得られる。

（３）式の一般解は、 Δｐ（ｚ）＝K₁・exp（−z/l_D） ＋K₂・exp（z/l_D） ＋Ｃ・exp（−αｚ） …（４） ただし、 Ｃ≡G/［Ｄ（α^２−1/lD²）］ …（５） l_D≡（Ｄτ_ｂ）^1/2 …（６） である。l_Dはキャリアの拡散長に相当する。

そして、（４）式の一般解に境界条件： Ｄ［（d/dz）Δｐ（ｚ）］_ｚ＝０ ＝S₀Δｐ（０） …（７） −Ｄ［（d/dz）Δｐ（ｚ）］_ｚ＝Ｗ ＝S_WΔＰ（Ｗ） …（８） S₀:光照射を受ける主面2aでの表面再結合速度、 S_W:裏側の主面2bでの表面再結合速度、 を課すことによって定数K₁,K₂の値が定まる。その結果
は、 K₁＝−CK_a/K₀ …（９） K₂＝CK_b/K₀ …（10） K_a≡（S₀＋M₁）（S_W＋M₂）E₁₊ −（S₀−M₂）（S_W−M₁）E_2- …（11） K_b≡（S₀＋M₁）（S_W−M₂）E_1- −（S₀＋M₂）（S_W−M₁）E_2- …（12） K₀≡（S₀＋M₂）（S_W−M₂）E₁₊ −（S₀＋M₂）（S_W−M₂）E_1- …（13） M₁≡αＤ …（14） M₂≡D/l_D …（15） E₁₊≡（E_1-）^-1≡exp（W/l_D） …（16） E_2-≡exp（−αＷ） …（17）となる。そして、単位体
積あたりの平均過剰キャリア数ΔＰは によって与えられる。

上側主面2aにイオン注入がなされているときには、その
主面付近での表面再結合速度S₀などがドーズ量によって
変化する。したがって、過剰キャリア数ΔＰもそれに応
じて変化し、それが電磁波吸収量や反射量の変化として
とらえられる。

一方、第１図の装置１ではウェーハ２を測定機器に対し
て相対的に移動させるため、マイクロ波発振器５とウェ
ーハ２との相対距離などが微妙に変動し、この被測定系
としてのウェーハ２のインピーダンスも変動する。ま
た、マイクロ波検出器６における検出条件も変動する。
このため、光非照射時からのマイクロ波反射変化量をＲ
としたとき、過剰キャリア数ΔＰと反射変化量Ｒとの関
係は、測定機器とウェーハ２との幾何学的位置関係など
の誤差要素を概念的にパラメータａで表現すると、 Ｒ＝Ｆ（ΔP,a） …（19） のように書くことができる。ただし、関数Ｆの具体的な
形がどのようなものであるかはここでは特定する必要は
なく、量ＲがΔＰのほかにパラメータａにも依存すると
いう性質を示すために関数Ｆを導入している。

従来技術においてはパラメータａによる誤差を除去せず
に反射変化量Ｒからウェーハ２の表面状態を評価してお
り、それによって既述したような問題が生じているが、
この発明では以下の原理によってパラメータａの影響を
除去する。

まず、過剰キャリア数ΔＰは（４）〜（18）式で示した
ように種々の定数値を含んでいるが、それらのうち、
α,q,R_Sなどの定数は照射光の波長λに依存するという
性質を持っている。特に吸収係数αは波長依存性が大き
い（第3B図参照）。このため、過剰キャリア数ΔＰは照
射光の波長λに依存することになり、その状況を表現す
る目的で、以下では、ΔＰ（λ）と書く。すると、（1
9）式は、 Ｒ（λ）＝Ｆ（ΔＰ（λ）,a） …（20） となる。ただし、Ｒ（λ）は波長λの照射光に対するマ
イクロ波反射変化量である。

そして、互いに異なる２つの波長をλ₁,λ_２とすると、
ウェーハ２の主面2aでのそれぞれの照度をI₀₁,I₀₂とし
たとき、波長λ_１の光を照射しつつ測定を行った場合の
反射変化量Ｒ（λ_１）と波長λ_２の場合の反射変化量Ｒ
（λ_２）とのそれぞれの規格化差分ΔR_N（λ₁,λ_２）
は、 ΔR_N（λ₁,λ_２） ＝Ｒ（λ_１）/I₀₁−Ｒ（λ_２）/I₀₂ ＝Ｆ（ΔＰ（λ_１）,a）/I₀₁ −Ｆ（ΔＰ（λ_２）,a）/I₀₂ …（21） となる。

ここで、関数ｆを次のように定義する。

ｆ（λ_１）≡Ｆ（ΔＰ（λ_１）,0）/I₀₁ …（22a） ｆ（λ_２）≡Ｆ（ΔＰ（λ_２）,0）/I₀₂ …（22b） すると、 Ｆ（ΔＰ（λ_１）,a） ＝I₀₁f（λ_１）＋I₀₁T（λ₁,a） …（23a） Ｆ（ΔＰ（λ_２）,a） ＝I₀₂f（λ_２）＋I₀₂T（λ₂,a） …（23b） のように書くことができる。そして、（23a），（23b）
式を（21）式に代入すると、 ΔR_N（λ₁,λ_２）＝Δｆ＋ΔＴ …（24） Δｆ≡ｆ（λ_１）−ｆ（λ_２） …（25） ΔＴ≡Ｔ（λ₁,a）−Ｔ（λ₂,a） …（26） であり、（22a），（22b），（23a），（23b）式より、 Ｔ（λ₁,0）＝Ｔ（λ₂,0）＝０ …（27） が得られる。

（24）式において、ΔｆとΔＴとの大小関係を厳密に評
価するためには、状況に応じてさらに理論的な解析を進
める必要がある。しかしながら、ここでは、 Δｆ≫ΔＴ …（28） つまり、（24）式の右辺第２項は第１項に対して無視で
きると仮定する、もし、この仮定が正しければ、規格化
差分ΔR_Nは誤差パラメータａに実質的に存在しないこと
になる。この仮定が正しいかどうかは、テストウェーハ
を用いて規格化差分ΔR_Nを求め、それが従来よりも正確
な評価結果を与えるか否かを調査することによって確認
できる。その測定例については後述するが、上記仮定が
妥当であることが既に確認されている。上記規格化差分
ΔR_Nを、DN−SRMI（Difference of Normalized S−Rela
ted Microwave Intensity）と呼ぶことができる。

定性的に言えば、波長が異なると光の浸透深さが変わる
ために、波長λ₁,λ_２のそれぞれの光に対するマイクロ
波反射変化量は互いに異なったものとなるが、幾何学的
配置の変動に伴う反射量変化は各波長にほぼ共通である
ため、上記のような差分演算によってそれらをキャンセ
ルさせることができる、ということになる。

なお、第１図の装置１で用いている波長λ_１＝950nm,λ
_２＝633nmが電子−正孔生成臨界エネルギー以上のエネ
ルギーに対応していることは明らかである。また、これ
らの光をパルス光として照射する際のパルス幅5msは、
通常のシリコン基板表面におけるキャリアのライフタイ
ム（２〜3ms以下）よりも十分に大きい。

＜C.詳細動作＞ 以上の準備のもとで、第１図に示した装置１の使用手順
と詳細動作とを説明する。この動作シーケンスは第４図
に示されている。

まず第４図のステップS1では、ウェーハステージ３に向
けてLED11からの光（λ_１＝950nm）を照射し、ステージ
上のウェーハ保持予定位置）における光の照度I₀₁を測
定する。この測定は照度計などを用いて行う。次にLED1
1を消灯し、He−Neレーザ発振器７からのレーザ光（λ
_２＝633nm）をステージ３に向けて入射させ、やはりそ
の照度I₀₂を測定する。これらの照度I₀₁,I₀₂の値は入出
力装置17を介してメインコンピュータ14内に記憶させて
おく。その後、He−Neレーザ発振器７はいったんOFFと
される。

ステップS2では、評価対象となるウェーハ２をステージ
３にセットする。そして、スタートスイッチ（図示せ
ず）の操作が行われると、ウェーハステージ３は２次元
的に間欠送りされるとともに、マイクロ波発振器５から
ウェーハ２に向けてマイクロ波が放射される。そして、
この間欠送りにおける各停止位置においてまず第１パル
ス光L₁がウェーハ２へ照射されるとともに、マイクロ波
発振器５での反射マイクロ波検出信号Ｖがロックインア
ンプ13に取込まれ、そのピーク値または実効値を検知す
ることにより、データ出力値V₁が得られる。

この動作における波形図が第5A図に示されており、この
第5A図では信号Ｖのピーク値をV₁として取込んでいる。
このようなロックインアンプ13を用いることによって、
データ値V₁を得るにあたってのS/Nが向上する。また、
データV₁の取込みが終るとLED11が消灯し、シャッタ９
が実線位置に後退してパルス光L₂がウェーハ２へ照射さ
れる。そして、マイクロ波検出器６の出力信号Ｖがロッ
クインアンプ13に取込まれ、そのピーク値または実効値
V₂がメインコンピュータ14に与えられる（第5B図）。そ
の後、シャッタ９はいったん破線位置へ進出する。

この動作はステージ３が間欠送りされる毎に繰返され
る。このため、ウェーハ２の主面2aについてスキャンが
完了したときには、第２図の格子点P_ij（ｉ＝１〜m,j＝
１〜ｎ）のそれぞれにおいて、データV₁,V₂のペアが得
られることになる（第４図のステップS3）。なお、ロッ
クインアンプ13において、光非照射期間における反射レ
ベルを基準とした位相検波・平滑化を行なわせることに
より、データV₁,V₂は、光非照射期間を基準としたマイ
クロ波反射変化量を表現するデータとなる。

CPU15は各格子点P_ijにおけるデータ値V₁,V₂に基づい
て、これらの格子点のそれぞれにおける規格化差分： ΔV_N＝V₁/I₀₁−V₂/I₀₂ …（29） を計算する（ステップS4）。データ値V₁,V₂が（21）式
におけるマイクロ波反射変化量Ｒ（λ_１）,R（λ₂₎を表
現していることから、この規格化差分ΔV_Nは（21）式中
の規格化差分ΔR_Nに対応している。そして、この規格化
差分ΔV_Nを各格子点P_ijに対応させてプロットし、その
値の大きさや分布状況から、イオンドーズ量などのウェ
ーハ表面状態を評価することができる。なお、イオン注
入前の各ウェーハの状態にあまり差がないときには、マ
イクロ波反射変化量ではなく反射量自身の規格化差分を
求めてもよい。この場合、規格化差分の値は（21）式の
ものからずれていることになるがそのずれは差をとる際
にキャンセルされ、あまり影響はない。

ΔV_Nの値とドーズ量との対応関係はあらかじめ実験的ま
たはシミュレーションによって求めておくことができ
る。第６図はｐ−Siの（100）面に対してB⁺イオンを100
KeVで注入した際のドーズ量と規格化差分ΔV_Nとの関係
を実験的に求めたグラフである。このグラフからわかる
ように、10¹¹個/cm^-2以下のドーズ量に対しては規格化
差分ΔV_Nがそのドーズ量に敏感となり、規格化差分ΔV_N
からドーズ量を正確に推定できることを示している。

＜D.実測データおよび数値計算結果＞ 第７図は、第１図の装置１によってテストウェーハにつ
いての規格化差分ΔV_Nを求めた結果を示すグラフであ
る。ただし、このテストウェーハはその（111）面を主
面としてその上に500Åのシリコン酸化膜を形成し、さ
らに１×10¹²cm^-2の密度でP⁺イオンを100KeVで第８図に
示す右半領域21のみにイオン注入した後、ウェーハ全体
をアニールして得られたものである。従って、右半領域
21（Ｘ＞０の領域）は、左半領域22よりも小さな表面再
結合速度を有している。そして、第７図は第８図の走査
線23に沿った測定データを示してある。第７図の実線は
実施例装置１で得られた規格差分ΔV_Nを任意スケールで
示してあり、破線は第２パルス光L₂に対応するデータV₂
の規格化値V_N2（＝V₂/I₀₂）を示している。

この第７図からわかるように、V_N2,ΔV_Nのいずれにおい
ても、イオン注入領域21と非イオン注入領域22との表面
再結合速度の差を反映したステップ的変化を示してはい
るが、V_N2のグラフは領域21,22のそれぞれにおいてベー
スラインにかなりの傾きが生じている。特に、Ｘ＝＋20
mmと−20mmとのそれぞれのレベルが相互に逆転するほど
ベースラインの傾きが大きい。

これに対して、実施例の装置１によって求めた規格化差
分ΔV_Nはそのベースラインがほぼフラットである。した
がって、領域21ではドーズ量がゼロであり、領域22にお
いては均一かつ有限のドーズ密度を有するという状況を
正確に表現しており、既述した仮定（28）式が妥当であ
ったことを裏付けるとともに、この装置１は優れた測定
精度を持つことがわかる。

第９図は、波長λ₁,λ_２の光を用いた場合のそれぞれの
過剰キャリアの数ΔＰ（λ_１），ΔＰ（λ_２）の規格化
差分： ΔP_dif ＝ΔＰ（λ_１）/I₀₁−ΔＰ（λ_２）/I₀₂ …（30） が主面2aにおける表面再結合速度S₀に対してどのように
依存するかを数値計算によって求めたグラフである。た
だし、ΔＰ（λ_１），ΔＰ（λ_２）の計算式としては
（４）〜（18）式を使用している。このグラフからわか
るように、表面結合速度S₀が10〜10³cm/secの範囲にお
いてはS₀の変化に対してΔP_difが敏感に変化することが
わかる。そして、S₀の値はイオンドーズ量などに応じた
値を持ち、ΔP_difの値は（21）式ないしは（29）式で示
されるマイクロ波反射レベルの規格化差分に対応してい
ることから、この実施例の装置１では10＜S₀＜10³cm/se
cの範囲においてイオンドーズ量を精密に評価できるこ
とがわかる。この事実については第６図の実測データと
も符合している。そして、実際のウェーハ２においては
S₀が10³cm/secを越えることは希であるため、この装置
１の実用性が高いことが理解される。

次に、この発明において使用する光の波長について考察
する。第10図は波長λ_１を950nmとしたときに、波長λ
_２の値によってS₀とΔP_difとの関係がどのように変化す
るかを示すグラフである。このグラフもまた、（４）〜
（18）式と（30）式とを用いた数値計算によって得られ
ている。この第10図からもわかるように波長λ_２の値と
して本実施例で用いた波長630nm（He−Neレーザ）より
も短波長を用いたとしても検出可能範囲はほとんど広が
らないため、コストという点から考えてもHe−Neレーザ
で十分であることがわかる。

第11図は波長λ_１を1060nm（YAGレーザ）に固定した場
合について、第10図と同様の数値計算を行った結果を示
している。第11図を第10図と比較するとわかるように、
YAGレーザを用いた場合には、波長λ_１＝950nmのLEDよ
りも検出可能範囲が狭くなってしまう。このため、波長
λ₁,λ_２の差を大きくとってそれぞれの光の浸透深さの
差を単純に大きくすればそれだけ良好な結果が得られる
というものではなく、この実施例装置１におけるλ_１＝
950nm,λ_２＝633nmという選択は実用上最適のものとな
っていることがわかる。

＜E.差分型関数の選択＞ 既述したように、波長λ₁,λ_２に対するマイクロ波検出
レベルV₁,V₂が得られたとき、それらの規格化差分を求
めることによってウェーハ２の表面状態を正確に評価で
きる。しかしながら、一般的には、上記規格化差分以外
の量を求めることによってもウェーハ２の表面状態を評
価可能である。すなわち、規格化されたマイクロ波検出
レベルV_Nを変数とする所定の変換関数をＨ（V_N）とした
とき、それらにV_N1＝V₁/I₀₁,V_N2＝V₂/I₀₂を代入したも
のの差： ΔＨ＝Ｈ（V_N1）−Ｈ（V_N2） …（31） によって表面状態の評価を行ってもよい。（29）式で定
義した規格化差分ΔV_Nは、恒等変換： Ｈ（V_N）＝V_N …（32） の場合に対応する。

変換関数Ｈ（V_N）の例としては、（32）式以外のほか、
たとえば、V_Nの累乗や累乗根、V_Nの多項式などがある。
また Ｈ（V_N）＝logV_N …（33） のように対数関数を用いる場合には、 ΔＨ＝logV_N1−logV_N2 ＝log（V_N1/V_N2） …（34） となるため、実質的にV_N1をV_N2で除算する演算となる。

このように差分型関数としては種々のものがあるが、状
況に応じて最も適切なものを選択するには第12図に示す
プロセスを以下のように実行すればよい。

まず、ステップS10において第４図のステップS1と同様
の照度測定を行う。次のステップS11ではテストウェー
ハをステージ３にセットするが、このテストウェーハと
しては、その主面の少なくとも一部において一様な表面
状態を持つもの（たとえばイオンを均一にドープしたも
の）を使用する。その後のステップS12,S13は第４図の
ステップS3,S4と同様であり、それによって各スキャン
位置での規格化レベルV_N1,V_N2を求める。

次にあらかじめ選択されたひとつの差分型関数： Δｈ＝ｈ（V_N1）−ｈ（V_N2） …（35） を試行関数として、その関数に各スキャン位置でのV_N1,
V_N2を代入し、それをスキャン位置ごとにプロットする
（ステップS14）。このプロット結果がたとえば第13図
の破線のようなものであったとすると、次のステップS1
5においてはそのベースラインの変動幅d₁を求め、それ
を所定の許容誤差値と比較する。そしてこの変動幅d₁が
許容誤差より大きいときには差分型関数Δｈに含まれる
変換関数ｈの関数形を変えて新たな試行関数とし（ステ
ップS16）、それを用いつつステップS14,S15を繰返す。

新たに用いた試行関数についてのプロット結果がたとえ
ば第13図に実線で示すようなものであり、その変動幅d₂
が許容誤差以内のものであるときには、その試行関数を
差分型関数Ｈとして採用する（ステップS17）。すなわ
ち、このプロセスでは、各スキャン位置における関数値
分布幅が所定の分布幅よりも小さいものを見出してそれ
を差分型関数Ｈとして採用していることになる。この分
布幅としては、上記の例以外に分散などの統計量を用い
てもよい。

このようにして決定された関数形はメインコンピュータ
14にセットされ、実際に評価対象となるウェーハ２につ
いては、この関数を用いつつ第４図のプロセスを実行す
る。このようにすれば、評価対象の半導体材料や測定機
器の種類に応じて適切な差分型関数を選択できる。実施
例で使用した（29）式もこのような観点から選択されて
いる。

＜F.変形例および応用例＞ （１） 互いに異なる波長を持った３以上の光を照射し
てマイクロ波反射レベルをそれぞれ検出し、それらの相
互の差分をとることにより、ウェーハの表面状態を評価
してもよい。第3B図に示すように、各波長によって光の
浸透深さが異なるため、このようにすれば、主面2aから
の深さが異なる各領域の状態を評価できる。

（２） ウェーハに照射する光はパルス光ではなく連続
光であってもよい。ただし、光照射によるウェーハの温
度上昇を防止するためにはパルス光であることが望まし
い。また、第１の波長λ_１としては900〜1050nmの範囲
内のものが望ましく、第２の波長λ_２としては400〜700
nm範囲内のものが望ましい。最適値は上記実施例で示し
たように、λ_１＝950nm,λ_１＝633nmである。

（３） 光源としてはレーザのような単一波長のものを
用いず、白色光源とフィルタとを組合わせてもよい。フ
ィルタとしては干渉フィルタや分光器などが使用でき
る。

（４） この発明は、キャリアの表面再結合速度に影響
を与えるようなすべての状況に対して、半導体基板の表
面状態を評価可能である。その主なものは以下の通りで
ある。

（ａ） 不純物イオンの注入，拡散，ゲッタリング等の
評価。

（ｂ） 基板表面の結晶性や格子欠陥の評価。

（ｃ） 基板上に形成されたSiO₂,Si₂N₃などの絶縁膜、
フォトレジスト膜その他の膜と基板との界面状態の評
価。

（ｄ） 基板の表面のエッチング状態の評価。

（５） この発明における「半導体基板」とは、基板自
身のみならず、主面上に種々の膜形成や加工処理がなさ
れているものをも含む用語である。第１の光と第２の光
とを交互に発生させることが望ましいが、一方によって
基板各部のスキャンを行った後に他方の光でスキャンを
行ってもよい。

（６） 基板へマイクロ波を照射したとき、その一部は
基板の裏面へと透過する。また、基板内で生じた２次電
磁波の一部分も裏面側へと放射される。このため、基板
の裏面側にマイクロ波検出器を配置し、マイクロ波の透
過レベル（２次電磁波を含む。）を検出することによっ
てもこの発明は実施できる。この場合には、ステージ３
として、透過電磁波を通過させる窓を有するものや、当
該透過波の反射率や吸収率が小さい材質を使用したもの
などを使用する。透過波のレベルが表面状態や光の波長
によって変化する原理は、反射測定の場合と同様であ
る。

〔発明の効果〕

以上説明したように、請求項１記載の方法によれば、測
定機器と基板との幾何学的位置関係などの測定条件が変
化しても、第１と第２のレベルデータを差分型関数に代
入することにより、そのような変化に起因する誤差を相
殺して、表面状態の評価を高精度で行うことができる。

また、請求項２記載の方法では、差分型関数として適切
な関数形を選択できるため上記効果がさらに高まる。

さらに、請求項３記載の装置は、上記各方法の実施に適
した厚生を有しており、この装置を用いることによって
上記効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の一実施例である半導体基板の表面
状態評価装置を示すブロック図、 第２図は、半導体ウェーハ上のスキャン位置を示す図、 第3A図は、ウェーハの模式的断面図、 第3B図は、入射光の波長に対する吸収係数および浸透深
さの依存性を示すグラフ、 第４図は、実施例装置の動作を示すフローチャート、 第5A図および第5B図は、マイクロ波反射レベルの検出動
作を示すタイミング図、 第６図は、ウェーハへのイオンドーズ量と規格化差分値
との関係を示すグラフ、 第７図は、テストウェーハについての測定結果を示すグ
ラフ、 第８図は、第７図の測定に用いられたテストウェーハの
平面図、 第９図から第11図は、光入射側主面における表面再結合
速度と過剰キャリア数の差との関係を示すグラフ、 第12図は、差分型関数の選択プロセスを示すフローチャ
ート、 第13図は、差分型関数の選択プロセスにおけるプロット
結果を示すグラフである。 １……表面状態評価装置、２……シリコンウェーハ、 ５……マイクロ波発振器、６……マイクロ波検出器、 L₁……第１のパルス光、L₂……第２のパルス光、 ΔV_N……規格化差分

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体基板の表面状態を評価する方法であ
   って、 （ａ） 半導体基板における電子−正孔対の生成臨界エ
   ネルギーよりも小さなエネルギーを有する電磁波を前記
   基板の表面に照射しつつ、前記生成臨界エネルギーより
   も大きなエネルギーを有する第１の光を前記表面に照射
   し、前記表面からの前記電磁波の反射レベルまたは前記
   基板の裏面への透過レベルを検出して第１のレベルデー
   タを得るステップと、 （ｂ） 前記電磁波を前記表面に照射しつつ、前記生成
   臨界エネルギーよりも大きなエネルギーを有し、かつ前
   記第１の光とは異なる波長を持った第２の光を前記表面
   に照射して、前記表面からの前記電磁波の反射レベルま
   たは前記基板の裏面への透過レベルを検出し、それによ
   って第２のレベルデータを得るステップと、 （ｃ） 前記第１と第２のレベルデータを所定の差分型
   関数に代入し、それによって得られた関数値に基づいて
   前記基板の表面状態を評価することを特徴とする、半導
   体基板の表面状態評価方法。
2. 【請求項２】請求項１記載の方法であって、実際に表面
   状態を評価すべき半導体基板についてステップ（ａ）か
   ら（ｃ）を実行する前に行うステップとして、 （ｄ） 少なくともその表面の一部分が一様な表面状態
   となっている半導体テスト基板を準備するステップと、 （ｅ） 差分型関数として任意の試行関数を仮定するス
   テップと、 （ｆ） 前記テスト基板のスキャンを行ないつつ当該テ
   スト基板に対してステップ（ａ）および（ｂ）に相当す
   るステップを実行し、それによって各スキャン位置につ
   いての第１と第２のレベルデータを得るステップと、 （ｇ） ステップ（ｆ）で得られた前記第１と第２のレ
   ベルデータを前記スキャン位置ごとに前記試行関数に代
   入してその関数値の分布を求めるステップと、 （ｈ） 前記関数値の分布幅が所定の許容分布幅以下と
   なっているか否かを判定し、前記分布幅が前記許容分布
   幅より大きいときには前記試行関数の関数形を変えてス
   テップ（ｆ）および（ｇ）を繰返すステップと、 （ｉ） ステップ（ｈ）を通じて前記分布幅が前記許容
   分布幅以下となる試行関数を見出し、当該試行関数を前
   記差分型関数として採用するステップとを備え、 実際に評価を行うべき半導体基板についてステップ
   （ａ）から（ｃ）を実行する際には、ステップ（ｉ）で
   採用された前記差分型関数が利用される、半導体基板の
   表面状態評価方法。
3. 【請求項３】半導体基板の表面状態を評価するための装
   置であって、 （ａ） 半導体基板における電子−正孔対の生成臨界エ
   ネルギーよりも小さなエネルギーを有する電磁波を前記
   基板の表面に向けて照射する電磁波照射手段と、 （ｂ） 前記生成臨界エネルギーよりも大きなエネルギ
   ーを有する第１の光を発生する第１の光源と、 （ｃ） 前記生成臨界エネルギーよりも大きなエネルギ
   ーを有し、かつ前記第１の光とは異なる波長を持った第
   ２の光を発生する第２の光源と、 （ｄ） 前記第１と第２の光を相互に切換えて前記表面
   に入射させる入射光切換手段と、 （ｅ） 前記表面からの前記電磁波の反射レベルまたは
   前記基板の裏面への透過レベルを検出し、それによって
   電磁波検出信号を発生する電磁波検出手段と、 （ｆ） 前記第１の光が前記表面に入射している期間と
   前記第２の光が前記表面に入射している期間とのそれぞ
   れにおいて前記電磁波検出信号のレベルを取込み、それ
   らのレベルに応じて第１と第２のレベルデータを発生す
   るレベルデータ発生手段と、 （ｇ） 前記第１と第２のレベルデータを所定の差分型
   関数に代入し、前記基板の表面状態を評価するための情
   報として前記差分型関数の関数値を出力する演算手段と
   を備えることを特徴とする、半導体基板の表面状態評価
   装置。