JP2001500976A - 半導体材料の中に注入されたイオンの濃度を測定するための改善された方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 材料の中に注入されたイオンの濃度を決定する方法及び装置が記載されている。方法は、（１）レーザから放出される単一のパルスから少なくとも２つの励起レーザサブパルス及びプローブパルスを発生する段階と、（２）上記材料の領域を、該領域において時間依存性の応答を開始するために少なくとも２つの励起レーザサブパルスを重ね合わせることによって形成された格子パターンによって照射する段階と、（３）少なくとも１つの時間依存性の信号光線を発生するためにプローブパルスを上記領域から回折させる段階と、（４）信号波形を発生するために少なくとも１つの時間依存性信号光線を検出する段階と、（５）上記材料の中に注入されたイオンの濃度を決定するために上記信号波形を処理する段階とを含む。

Description

【発明の詳細な説明】 半導体材料の中に注入されたイオンの濃度を測定するための 改善された方法及び装置 背景 本発明は、半導体材料の中に注入されたイオンの濃度を測定する方法及び装置 に関する。 殆どのマイクロエレクトロニクスデバイス（例えばマイクロプロセッサ）は、 単結晶シリコンウェーハの上に成長又は蒸着された一連の絶縁性（例えば酸化） の膜又は導電性（例えば金属及びポリシリコン）の膜を含む。シリコンウェーハ 及びポリシリコン膜は共に、特定の導電性を表わすために製造中にイオンを注入 される。例えば、シリコンは、「ｐ」型又は「ｎ」型半導体として機能する領域 を形成するようイオン注入される。注入後、シリコン及びポリシリコンは共に、 典型的には注入工程によって生ずる格子欠陥を治すため、高温でアニールされる 。 シリコン及びポリシリコンの導電性は、注入イオンの３つの特性、即ち：（１ ）原子組成；（２）注入エネルギー；及び（３）イオン濃度又は投与量によって 強く影響を受ける。シリコンの伝導性は特に注入イオンの濃度に依存する。例え ば、シリコンウェーハには典型的には、１０¹²乃至１０¹⁶ｃｍ³の濃度の範囲の ヒ素、アルゴン、リン、酸素又はホウ素のイオンが注入される。これらのイオン は典型的には数ｋｅＶ乃至数千ｋｅＶの範囲のエネルギーで注入される。 完全なマイクロエレクトロニクスデバイスの性能は、シリコンウェーハ及びそ の上層のポリシリコン膜の電気的特性に大きく依存し、従ってこれらの材料に注 入されるイオンの性質は製造中に注意深く監視される。シート電気抵抗率と称さ れる１つの性質は、４点探針と称される電気試験器具によって試料の表面に触れ ることに よって測定される。１つの探針から他の探針へ流れる電流は材料の抵抗性に依存 する。抵抗性は、順番に、注入イオンの濃度に反比例して変化する。 イオン濃度はまた、シリコンの中のフォトサーマル応答及び電子−正孔プラズ マの両方を励起及び検出する非接触光学方法を使用して監視されうる。この測定 を行うために、第１のレーザ光線はシリコンを照射し、電子−正孔プラズマ及び フォトサーマル応答のいずれか又は両方を発生するために部分的に吸収される。 これらの応答は試料の表面の反射率を変化させ、第２のレーザ光線によって測定 される。これは試料によって部分的に反射され、次に注入イオンの濃度を推定す るために分析される。 ４点探針及び光学反射率を測定する器具は、注入イオンの濃度を決定するため にマイクロエレクトロニクス産業において広く使用されているが、共に欠点を有 する。４点探針は試料に接触せねばならず、従って破壊的である。即ち、これら の器具は「監視用」ウェーハ又は機能するデバイスを有さない「製品」ウェーハ の領域のみを測定しうる。更に、４点探針はアニールされたウェーハのみを測定 しうる。光学反射率器具は、制限された範囲の測定を有し、しばしば解釈が困難 な信号を発生する。従ってこれらの器具は注入イオンの実際の濃度を測定するよ りもむしろ、主に試料がイオンによってイオン注入されたか否かを決定するため に使用される。 概要 本願に記載される方法及び装置は、４波混合（ＦＷＭ）と称される非接触レー ザベースド技術によって半導体材料の中に注入されたイオンの濃度を測定する。 本願では、ＦＷＭは単一のレーザによって行われる。これは、上述の２レーザシ ステムでは測定することが困難又は不可能であった試料の測定を可能とする。 ＦＷＭは２つのレーザ光線によって半導体材料の中の光学応答を始動する。試 料によって強く吸収される波長を有するこれらの光線 は、格子パターンを形成するために試料の表面において時間的及び空間的に重ね 合わされる。各レーザ光線は、典型的には１ナノ秒以下の持続時間を有するパル スを含む。パターンの吸収は、試料の屈折率に時間依存性の変化を生じさせ、振 幅が急速に増加し数ナノ秒で崩壊する応答を引き起こす。第３のレーザ光線は格 子パターンを照射し、第４の信号光線を形成するために回折される。信号光線の 振幅は半導体材料の中に注入されるイオンの濃度に依存する。この濃度は次に分 析され、マイクロエレクトロニクスデバイスを形成するために使用される製造工 程を制御するために使用されうる。 １つの面では、本発明は材料の中に注入されたイオンの濃度を決定する。これ を行うための方法は、（１）レーザから放出された単一のパルスから少なくとも ２つの励起レーザサブパルス及び１つのプローブパルスを発生する段階と；（２ ）重なり合う少なくとも２つの励起レーザサブパルスによって形成される格子パ ターンを有する材料の領域を、この領域の中で時間依存性応答を開始するために 照射する段階と；（３）少なくとも１つの時間依存性信号光線を発生するために プローブレーザパルスを上記領域から回折させる段階と；（４）信号波形を発生 するために少なくとも１つの時間依存性信号光線を検出する段階と；（５）材料 の中に注入されたイオンの濃度を決定するために信号波形を処理する段階とを含 む。 他の面では、方法は、単一のレーザパルスを発生し、次に少なくとも２つの励 起サブパルス及び少なくとも１つのプローブパルスを形成するために回折マスク を通してレーザパルスを通過させる段階を含む。半導体の中に注入されたイオン の濃度を測定するため、励起サブパルス及びプローブパルスは共に、上述のよう に試料を照射する。ここで、単一のパルスは、励起サブパルス及びプローブパル スの両方として機能しうる（即ち自己回折）。 いくつかの実施例では、上述の処理段階は、信号波形の特性（例えば振幅）を 決定し、次に試料の中に注入されたイオンの濃度を決 定する段階を含む。処理段階は、信号波形の特性をデータベース、例えば以前に 測定された信号波形の特性と注入イオンの濃度の特性とを相関させるデータベー スと比較する段階を含みうる。他の実施例では、処理段階は、材料の中に注入さ れたイオンの濃度を決定するために数学的アルゴリズムによって振幅を分析する 段階を含む。処理段階はまた、データセットを発生するために信号波形をディジ タル化し、次にデータセットから値を選択することによってある時点における信 号波形の振幅を決定する段階を含みうる。更なる実施例では、処理段階は、信号 波形のプロットによって覆われる面積を決定し、次にこの面積を上述のデータベ ースと同様のデータベースと比較する段階を含む。 上述の方法及び装置は、異なるタイプの宿主試料の中に注入されたイオンの濃 度を決定する。これらの試料は、シリコンを含む膜（例えばポリシリコン）、シ リコンウェーハ、及びヒ化ガリウム、ヒ化アルミニウムガリウム、ゲルマニウム 及びその派生物及び類似物を含む膜及びウェーハを含む。測定されうる他の試料 は、セラミック材料、金属、及びイオン注入されうる他の材料を含む。材料の中 に注入されるイオンは、典型的には、ヒ素、アルゴン、ホウ素、酸素及びリンの 原子を含む群から選択される原子のイオンである。 本発明の方法は、（１）励起レーザパルス及びプローブレーザパルスを発生す るためのレーザと、（２）上記励起レーザパルスを少なくとも２つの励起サブパ ルスヘ分解し、次に上記材料の領域を、該領域において時間依存性の応答を開始 するために少なくとも２つの励起サブパルスを重ね合わせることによって形成さ れた格子パターンによって照射するための第１の光線送出システムと、（３）時 間依存性の信号ビームを発生するために上記プローブパルスを上記領域から回折 させるよう上記プローブパルスを上記試料へ送出するための第２の光線送出シス テムと、（４）信号波形を発生するために上記時間依存性信号光線を検出する光 検出器と、（５）上記材 料の中に注入されたイオンの濃度を決定するために上記信号波形を処理するため のプロセッサとを含む装置によって実行される。 典型的な実施例では、第１の光線送出システムは、励起レーザパルスを少なく とも２つのサブパルスヘ分離する回折マスク（例えば位相マスク又は振幅マスク ）を含む。プロセッサは、典型的には信号波形の振幅を分析し、次に材料の中に 注入されたイオンの濃度を決定するためにこの振幅とデータベースとを比較する コンピュータである。或いは、コンピュータは信号波形によって覆われた面積を 決定し、次に材料の中に注入されたイオンの濃度を決定するためにこの面積とデ ータベースとを比較する。典型的な実施例では、励起サブパルス及びプローブパ ルスは領域の中で時間的に重ね合わされ、光検出器は１ＭＨｚ以下の帯域幅を有 する。 本発明の方法を実行する他の装置は、単一のレーザと、レーザパルスを少なく とも２つの励起サブパルス及び１つのプローブパルスに分離する回折マスクを含 む光線送出システムとを含む。システムはまた、試料の上の２つの励起サブパル ス及び１つのプローブパルスを合焦し重ね合わせるレンズを含む。本実施例では 、サブパルスは領域の中で時間依存性応答を開始する格子パターンを形成し、プ ローブパルスは時間依存性信号光線を発生するために領域から回折される。 上述の方法及び装置は、注入イオンの濃度を測定するための従来の技術と比較 したときに多くの利点を有する。概して、ＦＷＭは、半導体基板及び薄膜の両方 に注入されたイオンの濃度を決定するための正確且つ定量的な方法である。方法 は完全に光学的であり、非接触であり、非破壊的であり、従って、監視用試料よ りもむしろ実際のデバイス（即ち製品試料）の中で使用される半導体材料を測定 しうる。この情報は次に、製造者がこれらの材料を含むマイクロエレクトロニク スデバイスの歩留まり及び性能特性の両方を改善するために使用されうる。更に 、ＦＷＭ測定を行うための単一レーザ装 置は、非常に高い信号雑音比を有する信号波形を発生し、装置は測定の大きなダ イナミックレンジを有する。この装置は、低いエネルギー及び濃度でホウ素イオ ンによって注入されたシリコンウェーハといった過去においては２つのレーザを 使用する装置といった従来の器具では測定が困難であった試料を正確に測定する 。更に、この器具は小型で、容易に自動化され、非常に少ない光学要素を有し、 比較的安価に製造される。注入イオンの濃度はこのようにして測定されうるため 、波形の時間依存性を決定する必要がない。この信号振幅は、典型的には安価で 市販されている簡単な光学構成要素及び電気構成要素（例えば低帯域光検出器及 びアナログ・ディジタル変換器）によって測定されうる。 他の利点は、位相マスクは励起レーザビーム及びプローブレーザビームの整列 を簡単にし、また通常はＦＷＭ実験に必要とされる追加的なレンズ及びビームス プリッタといった追加的なビーム送出光学要素を不要とする。励起サブパルス及 びプローブパルスの両方を形成するために位相マスクが入射レーザパルスを回折 する実施例では、必要とされる光学要素の数は更に減少される。 上述の装置を使用した測定は、迅速に（典型的にはわずか数秒で）、（典型的 には約５０ミクロン以下のスポットサイズを有するプローブ光線を使用して）高 い空間分解能で行われる。従って、試料の小さな特徴、例えばマイクロエレクト ロニクスデバイスの小さなスケールの試験サイト、又はウェーハの縁の近傍の領 域は、容易に測定されうる。更に、上述の装置は、マイクロエレクトロニクスデ バイス製造設備の中で使用されうる操作性がよく、小型で、取り扱いが容易な器 具の中に組み入れられ得る。器具は例えば製造工具に取り付けられ、イオン注入 プロセスの元の場所における測定を行うために使用されうる。 更なる利点は、以下の詳細な説明及び請求項から明らかとなろう。 図面の簡単な説明 図１は、ＦＷＭ方法を概略的に示す図であり、 図２は、単一レーザ光学系を使用するＦＷＭの間に測定された信号のグラフを 示す図であり、 図３Ａ及び３Ｂは、３ｋｅＶ及び５ｋｅＶの異なるホウ素イオンの濃度で注入 された１組のシリコンウェーハから測定された、信号波形振幅（単位はｍＶ）対 イオン注入濃度のグラフを示す図であり、 図４は、ＦＷＭを使用して試料の中に注入されたイオン濃度を測定するための 単一レーザ光学系を概略的に示す図であり、 図５は２つの励起サブパルス及び１つのプローブパルスを形成するために回折 された単一レーザ光線を示す図である。 詳細な説明 ＦＷＭを使用してイオン注入濃度を測定する方法 図１を参照するに、試料１０（例えばシリコンウェーハ）の中に注入されたイ オンの濃度は、４波混合（ＦＷＭ）と称される光学レーザベースド技術によって 測定される。本出願人は、ここに参照として組み入れられる、MEASUREMENT OF M ATERIAL PROPERTIES WITH OPTICALLY INDUCED PHONONS(米国特許第5,633,711号) ;SIMPLIFIED DEVICE AND METHOD FOR TIME-RESOLVED OPTICAL MEASUREMENTS(米 国特許出願第08/377,310号；95/1/24出願)；METHOD AND DEVICE FOR MEASURING FILM THICKNESS(米国特許出願第08/783,046号；96/6/15出願)；IMPROVED METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING MATERIAL PROPERTIES USING TRANSIENT GRATIN G SPECTROSCOPY(米国特許出願第08/885,555号；97/6/30出願);及びMETHOD AND A PPARATUS FOR MEASURING THE CONCENTRATION OF IONS IMPLANTED IN SEMICONDUC TOR MATERIALS（米国特許出願第08/885,786号；97/6/30出願）に記載される衝撃 刺激散乱(ISS)及び衝撃刺激熱散乱(ISTS)と称される関連するレーザベースド技 術を使用して説明する。 ＦＷＭでは、レーザ（図示せず）からの角度θだけ離間された１対の光学励起 サブパルス１２’，１２”は試料の表面上の領域で時間的及び空間的に重ね合わ される。重ね合わされるサブパルス１２’，１２”の間の干渉は、交互の「明」 領域１７（強め合う干渉）及び「暗」領域１９（弱め合う干渉）を含む空間的に 変化する「格子」パターン１５を形成する。試料１０は格子パターン１５の明領 域１７では放射線を吸収するが、暗領域１９では吸収しない。吸収された放射線 は、試料１０の中に注入されたイオンの濃度に依存する振幅によって特徴付けら れる時間依存性の応答を開始する。この応答は、励起サブパルス１２’，１２” を発生するレーザと同一のレーザによって発生されるプローブパルス２０によっ て格子パターン１５の近傍の領域を照射することによって測定される。プローブ パルス２０は、サンプルの表面上でこれらのサブパルスによって時間的及び空間 的に重ね合わされる。これは、試料を照射する前は、励起サブパルスによって進 行された距離と単一レーザ源を離れた後のプローブパルスによって進行された距 離とは略同等であることを意味する。これらの３つのパルスがこのように重ね合 わされる場合、プローブパルスは、部分的に反射されて反射されたビーム２０” を形成し、部分的に回折されて＋１及び−１の回折次数である１対の信号光線２ ５’，２５”を形成する。信号光線２５’，２５”のうちの１つ又は両方は、信 号波形を発生するために光検出器（図示せず）によって検出される。次に信号波 形の振幅は、注入イオンの濃度を決定するために分析される。 励起サブパルス１２’，１２”は典型的には、０．３乃至０．７ナノ秒（即ち ０．３乃至０．７×１０^-9秒）の持続期間と、１パルス当たり約２マイクロジュ ールのエネルギーと、試料によって部分的に吸収される波長とを有する。シリコ ンでは、波長は典型的には可視分光領域（例えば５３２ｎｍ）の中にある。同一 のレーザによって発生されるため、プローブパルスは励起サブパルスと同一の 波長及び持続時間を有する。プローブパルスのエネルギーは典型的には０．２５ 乃至１．０マイクロジュールである。 ＦＷＭは、励起放射線が試料のバンドギャップ以上のエネルギー（シリコンの 場合、このエネルギーは、９００ｎｍの光学波長に対応する約１．１ｅＶのエネ ルギーである）を有する場合に試料の中に応答を発生する。どの定理にも束縛さ れないため、この場合、ＦＷＭの中の励起パターンは格子パターンの明領域にお いて励起状態の電荷キャリア（例えば電子−正孔対）を発生するが、格子パター ンの暗領域では発生しない。電荷キャリアの密度は、試料の中に注入されたイオ ンの濃度に依存する。いったん発生されると、電荷キャリアは限られた寿命を有 し、数ナノ秒のオーダの時定数で再結合する。この期間に亘り、明領域における 試料の屈折率は、暗領域における屈折率に対して一時的に変化される。これは、 屈折率の空間的な周期的変化（即ち位相格子）を引き起こし、これにより電荷キ ャリアの寿命に亘って試料の上に衝突するプローブ放射線は回折される。回折効 率は電荷キャリアが形成された直後に最も高く、従ってブローブパルスは略ゼロ の時間遅延（即ち励起サブパルスとプローブパルスとは時間的に重なり合ってい る）で試料の上に衝突するよう配置される。注入イオンのより高い濃度は、より 多くの数の励起電荷キャリアを生じさせ、従って、格子パターンの明領域と暗領 域との間の屈折率の差をより大きくする。これは、順番に、位相格子の回折効率 及び回折されたプローブ光線の強度を共に増加させる。 図２は、ＦＷＭに亘ってホウ素注入されたシリコンウェーハから測定された信 号波形３０を示す図である。膜は、約２０ｋｅＶのエネルギーで、平均濃度が約 ０．５×１０¹⁴ｃｍ^-3のホウ素イオンによって注入される。測定は、５３２ｎｍ の波長と、約０．５ナノ秒の持続時間と、１サブパルス当たり約２．０マイクロ ジュールのエネルギーとを有する励起サブパルスによって行われる。サブパルス は、Ｎｄ：ＹＡＧレーザからの基本出力の周波数を２倍にし、位相マスクを通し てこの出力を通過させることによって発生される（図４を参照して更に詳述され る）。プローブパルスは同一のレーザによって発生され、１パルス当たり約０． ５マイクロジュールのエネルギーを有する。励起及びプローブパルスによって進 行された光路の長さは略同一である。信号波形は、組み合わせたときに約１ＧＨ ｚの帯域幅を有する光検出器及びアナログ・ディジタル変換器を使用して測定さ れる。 データから明らかであるように、非対称の形状を有するスパイクを形成するよ う信号波形３０は強度が急速に上昇し、次に減少する。スパイクの半値全幅（Ｆ ＷＨＭ）は励起及びプローブパルスの持続時間に略等しい（約０．５ｎｓ）。図 中約５７５ｍＶとして示される信号波形の振幅は、シリコン試料の中に注入され たイオン濃度（この場合０．５×１０¹⁴ｃｍ^-3）に依存する。信号波形はまた、 光検出器の電子的「リンギング」による振動性構成要素３２を含む。この実験で は比較的高帯域幅（１ＧＨｚ）の検出システムで測定が行われたが、波形３０の 振幅は、はるかに簡単なシステム、例えば１ＭＨｚ以下の帯域幅を有する光検出 器及びアナログ・ディジタル変換器によって抽出されうる。 図３Ａ及び３Ｂは、信号波形がいかにして注入イオンの濃度と共に変化するか を示す図である。これらの実験では、電子的な応答は、１．５乃至３．０×１０¹⁵ ｃｍ^-3の範囲のホウ素イオンが注入された１組の直径１００ｍｍのシリコンウ ェーハから測定される。図３Ａ及び３Ｂの対する注入エネルギーは夫々３ｋｅＶ 及び５ｋｅＶである。データはＦＷＭ及び上述の同じ単一レーザ器具を使用して 各ウェーハの中央点から測定された。データは、信号波形振幅が、注入エネルギ ーの夫々に対して注入イオンの濃度と系統的に増加することを示す。イオン濃度 に対する信号波形振幅の同様の依存性は、１乃至１０００ｋｅＶの範囲のエネル ギー及び１．０×１０¹²乃至 １．０×１０¹⁶ｃｍ^-3の範囲の濃度でシリコンウェーハに注入されたホウ素、ヒ 素、酸素及びリンのイオンについて観察された。典型的には、１．０×１０¹²ｃ ｍ^-3の濃度でイオン注入されたシリコンウェーハは数百ｍＶの信号レベルを表わ し、一方１．０×１０¹⁶ｃｍ^-3の濃度でイオン注入されたウェーハは約１０００ ｍＶの信号レベルを有する。 典型的な実施例では、図３Ａ及び３Ｂに示されるデータと同様のデータは、１ つ以上の特性（例えば濃度）によって系統的に変化する１組の試料から測定され 、コンピュータ上のデータベースに記憶される。信号振幅の濃度に対する依存性 は、注入種、温度、電流及び入射イオン光線に対するウェーハの向きといった処 理条件に依存する。従って、典型的には各処理条件に対して、夫々が図３Ａ及び ３Ｂに示されるデータセットと同様のデータセットを含む別個のデータベースが 生成される。これを行うために、データは、４点探針といった電気的試験器具に よって濃度が確認されうる注入イオンの系統的に変化する濃度を有する１組の試 験試料から測定されうる。実際の測定の間、信号波形の振幅は上述のＦＷＭによ って測定され、次に適当なデータベースの中の値と比較される。これは、実際の 製造工程の間の試料の中に注入されたイオンの濃度を決定する。 ＦＷＭを使用して注入特性を決定するための装置 図４は、ＦＷＭを使用してイオン注入された試料１０の特性を測定するための 光学系５０を示す図である。光学系５０は、上述の光学的特性を有するパルス４ ９を発生する例えばNd:YAGレーザといった単一のレーザ５２を含む。いったん発 生されると、パルス４９は、プローブパルス２０を形成するためのパルス４９の 小さな部分（例えば典型的には５乃至１５％）を反射し、励起パルス１２を形成 するためにパルス４９の残りの部分を通過させるビームスプリッタ５１を照射す る。励起パルス１２は次にミラ−５３を照射し、このミ ラー５３によって反射され、第１のコリメータレンズ６０を通過し、次にパルス エネルギーを調整するために使用されるニュートラルフィルタ６１を通過する。 パルスは次に円柱レンズ６４によって位相マスク６２上に合焦される。位相マス ク６２は、夫々が試料１０上に異なる格子パターン１５を発生することが可能な 一連のパターン６６を含む。試料上に所望の格子パターンを生成するために適当 なパターンが選択される。位相マスク６２上の適当なパターン６６を選択した後 、励起パルス１２は選択されたパターン６６によって決定される角度θで発散す る２つのサブパルス１２’，１２”へ回折される。発散するサブパルス１２’， １２”は、第１の結像レンズ７０によって集められ、格子パターン１５を形成す るために試料１０の表面上に合焦され重ね合わされる。第１の結像レンズ７０は 、格子パターン１５が位相マスク６２上のパターン６６の周期数の半分の周期数 を有するよう配置される。異なる格子パターンは、新しいパターンが入射励起パ ルス１２によって照射されるよう位相マスク６２を単に並進させることによって 形成されうる。 プローブパルス２０はコリメータレンズ６０の前に分割され、従ってその光路 の長さに亘って空間的に発散し、それによりパルス２０が試料の上のより小さな スポットに合焦されることを可能にすることに注目されたい。パルス２０の部分 ２０’は、ビームスプリッタ６５によって反射され、データ捕捉システムをトリ ガするための電気的パルスを発生するためにトリガ光検出器６７によって検出さ れる。ビームスプリッタ６５を通過するプローブパルス２０の部分は１対のミラ −２１ａ，２１ｂによって反射され、次にイオン注入された試料１０を測定する ために第２の球面レンズ７１によって格子パターン１５上に合焦される。ミラー ２１ａ，２１ｂの間の間隔は、励起サブパルス（１２’及び１２”）とプローブ パルス２０との間の光路の長さが略等しいよう調整される。これはこれらのパル スを時間的に重ね合わせ、それにより（プローブパルスのゼロ 遅延において生ずる）最大信号振幅が測定されることを確実にする。 いったん照射されると、試料は信号光線２５’を形成するためにプローブパル ス２０の一部を回折する。光線絞り８０は、プローブパルス２０”の反射された 部分を阻止する。第２の結像レンズ７６は信号光線２５’を集め、これを高速（ 例えば１ＧＨｚ）光検出器８２の中へ合焦する。これは光誘導電気信号を発生し 、この信号は次に、ディジタル信号を生成するためにアナログ・ディジタル変換 器８３を通過され、このディジタル信号は、試料の中に注入されたイオンの濃度 を決定するための分析アルゴリズムによってプログラムされたコンピュータ８４ によって分析される。分析アルゴリズムは、コンピュータのＲＡＭメモリの中に 実行可能な形状でロードされているコンピュータ読取り可能な媒体の中に記憶さ れる。 試料の上に合焦された励起サブパルス１２’，１２”及びプローブパルス２０ の空間的なディメンションは、信号波形の振幅を最大化するよう選択される。励 起サブパルスは、略１５０ミクロンの長軸及び約２５ミクロンの短軸を有する楕 円状の格子パターンを形成するよう、典型的には重ね合わされる。格子パターン の中の明領域と暗領域との間の距離は典型的には５乃至１５ミクロンである。プ ローブパルスは典型的には格子パターンの中に完全に横たわる円形スポットへ合 焦される。例えば、プローブパルスは２５ミクロン以下の直径を有する円形スポ ットへ合焦されうる。 他の実施例 他の実施例は、上述の方法及び装置の範囲を逸脱しない。例えば、（１）上述 の形態とは異なるレンズ形態を有し；（２）位相マスクの代わりに振幅マスクを 使用し；（３）位相マスクの代わりにビームスプリッタを使用する光学系といっ た、異なる光学系が使用されうる。図５は、単一のレーザ光線からサブパルス１ ２’，１２”及びプローブパルス１３の両方を発生するための光学的形態８５で ある。この場合、レーザ（図示せず）からの単一のパルス１２は、上 述のように位相マスク６２上のパターン６６を照射する。パターンは、パルス１ ２の大部分（例えば８５％）が励起サブパルス１２’，１２”を形成するために ＋／−１の次数へ回折されるよう選択される。＋２（又は−２）の次数へ回折さ れた入射パルス１２の部分はプローブパルス１３を形成する。励起サブパルス１ ２’，１２”及びプローブパルス１３は単レンズ（例えば図４のレンズ７０）に よって集められ、次にイオン注入濃度を測定するために上述のように試料の中へ 合焦される。更なる他の実施例では、レンズを通してブローブパルスを試料へ向 けて反射させるために、図５に示される光学系の中にミラーが挿入されうる。 IMPROVED METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING MATERIAL PROPERTIES USING TRANSIENT GRATING SPECTROSCOPY(米国特許出願第08/885,555号；97/6/30出願) に記載される他の光学系では、ＦＷＭ配置の中で試料を励起するために２つでは なく３つのサブパルスが使用される。この光学系では、３つのサブパルスは、試 料上で結像される前に、線形に等間隔（即ち中央光線、右光線、左光線）に配置 される。レンズによって合焦されたとき、中央光線は光線送出系の中央光学軸を 下向きに伝搬し、一方右光線及び左光線は同じ角度であるが中央光線に関して反 対側で同一のスポットに向けて収束する。試料の中で電荷キャリアを励起する格 子パターンを形成するよう、光線は試料の上で重ね合わされる。 概して、ＩＳＳ，ＩＳＴＳ又はＦＷＭを実行するための全ての光学系は、上述 の方法で注入イオンの濃度を測定するのに適している。同様に、上述のNd:YAGレ ーザの代わりに、適当な光学的特性を有する適当なレーザが使用されうる。 他の実施例では、ＦＷＭ測定は、上述の単一のレーザの代わりに２つの同期さ れたレーザを使用して実行されうる。同期されたレーザの夫々は短い（例えば０ ．５ｎｓ）の光学パルスを発生し、一方のパルスは励起パルスを表わし、他方の パルスはプローブパルスを 表わす。上述のように、結果として得られる２つのレーザ光線は、パルスが試料 の表面上で時間的に重なり合わされるよう方向付けられる。 更なる他の実施例では、光学系は、励起電荷キャリアの崩壊時定数を測定する ために、夫々のプローブパルスが他のプローブパルスに対して時間的に遅延され ている多数のプローブパルスを使用する。例えば、光学的は、ゼロ時間遅延で試 料を照射するために第１のプローブパルスを使用し、次に数ナノ秒後に試料を照 射するために、機械的に遅延された第２のパルスを使用する。第１のパルスは所 与の振幅を有する信号を発生し、第２の遅い方のパルスはより低い振幅を有する 信号を発生する。振幅の変化は、時定数によって特徴付けられ得る崩壊過程（例 えば指数関数形崩壊過程）を表わす。コンピュータは、２つのプローブパルスに よって発生された２つの信号波形を分析し、電荷キャリアの崩壊時定数を決定す る。崩壊時定数とイオンが試料の中へ注入されたときのエネルギーとの間には相 関があることが分かったため、コンピュータは次に、できれば一方から他方への 並進を実行するために経験的に引き出されたデータの記憶されたテーブルを使用 して、注入エネルギーを決定するために崩壊時定数を使用する。 更なる他の実施例では、親特許出願(米国特許出願第08/885,786号)に記載され るように、即ち２つの別個のレーザを使用して信号波形が測定される。波形の崩 壊時定数は、イオンが注入されたエネルギーを決定するために、上述のようにコ ンピュータによって計算され処理されうる。 更なる他の実施例では、装置は、試料が高温を受けたときにシリコン試料の上 に成長される薄い酸化膜（即ちＳｉＯ₂）の厚さを更に測定するよう変更されう る。例えば、コンピュータは標準的なエリプソメータ又は反射率計において反射 された光線が分析されるのと同様に反射されたプローブ光線（図４中２０”）を 分析しうる。 この分析は、イオン注入濃度及び酸化膜厚の同時決定を可能にする。他の実施例 では、異なる波長（例えば５３２ｎｍ及び１０６４ｎｍ）を有する１組の励起サ ブパルスが発生され、測定されている試料の中に格子パターンを同時に発生する ために使用される。その場合、回折された信号光線の強度は注入イオンの種を決 定するために分析されうる。他の実施例では、装置は、試料の中で位相格子（例 えば励起電荷キャリア）及び表面リプル（例えば熱処理）を生ずる物理的処理を 同時に測定しうるよう変更されうる。例えば、試料の中に表面リプルを派生する 熱処理は、測定の間に使用される位相マスクパターン（従って抗しパターンの空 間的周期数）によって変化する時間依存性及び回折効率を有する。これに対して 、例えば電荷キャリアの寿命といった非拡散処理の時間依存性は、位相マスク及 び格子パターンと独立である。従って、これらの処理は、異なる位相マスクパタ ーンにおいて多数の試料を測定することによって別個に決定されうる。更なる他 の実施例では、光学系は、電荷キャリアの寿命に対して長い持続時間（例えば数 マイクロ秒）を有するパルスを発生するプローブレーザを含みうる。これにより 、測定は、異なる持続時間及びピーク強度を有するプローブパルスによって同時 に実行されうる。更なる他の実施例では、回折されたプローブパルスの分極は、 酸化膜厚及び注入種といった試料のある特性を決定するために分析されうる。 また、注入イオンの濃度を決定するために信号波形を処理するための他の実施 例がある。例えば、信号波形はこれをプロットし、プロットされた曲線の下側の 面積を決定することによって処理されうる。この面積はイオン濃度を決定するた めにデータベース中の値と比較される。他の実施例では、信号波形はその振幅を 決定するための関数に当てはめられ、次に上述のように処理される。更なる他の 実施例では、電荷キャリア系の運動モデリングに基づいたアルゴリズムといった 数学的なアルゴリズムは、注入イオンの濃度と信号波 形の振幅とを関連させるために展開されうる。係るアルゴリズムは、イオン濃度 を決定するためのデータベースの必要性を無くす。 更なる他の実施例では、試料の中のイオンの濃度を決定するためにＦＷＭ配置 の中でパルス化されていない（即ち連続波の励起及びプローブ光線である）レー ザ光線が使用される。この場合、回折された信号光線の振幅はイオン濃度と相関 する。信号光線は、例えば従来技術で既知の標準的な検出技術、例えばロックイ ン検出を使用して検出されうる。 更なる他の実施例は以下の請求項の範囲を逸脱しない。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＣＡ，ＪＰ，Ｋ Ｒ (72)発明者 フックス，マーティン アメリカ合衆国，マサチューセッツ 01569，アクスブリッジ，ソフィア・ドラ イヴ 11

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 材料の中に注入されたイオンの濃度を決定する方法であって、 レーザから放出される単一のパルスから少なくとも２つの励起レーザサブパル ス及び１つのプローブパルスを発生する段階と、 材料の領域において時間依存性の応答を開始するよう、少なくとも２つの励起 レーザサブパルスを重ね合わせることによって形成される格子パターンによって 該材料の領域を照射する段階と、 少なくとも１つの時間依存性信号光線を発生するためにプローブレーザパルス を上記領域から回折させる段階と、 信号波形を発生するために少なくとも１つの時間依存性信号光線を検出する段 階と、 上記材料の中に注入されたイオンの濃度を決定するために上記信号波形を処理 する段階とを含む方法。 ２． 上記処理段階は、上記信号波形の特性を決定し、次に上記試料の中に注入 されたイオンの濃度を決定するために該特性を分析する段階を含む、請求項１記 載の方法。 ３． 上記特性は、上記信号波形の振幅である、請求項２記載の方法。 ４． 上記処理段階は、上記信号波形の特性をデータベースと比較する段階を更 に含む、請求項２記載の方法。 ５． 上記比較段階は、上記材料の中に注入されたイオンの濃度を決定するため に、上記信号波形の特性を以前に測定された信号波形の特性を材料の中に注入さ れたイオンの濃度と相関させるデータベースと比較する段階を含む、請求項４記 載の方法。 ６． 上記信号波形の特性は振幅である、請求項５記載の方法。 ７． 上記処理段階は、上記材料の中に注入されたイオンの濃度を決定するため に上記特性を数学的なアルゴリズムによって分析する段階を更に有する、請求項 １記載の方法。 ８． 上記処理段階は、データセットを発生するために上記信号波形をディジタ ル化し、次に該データセットから値を選択することによってある時点における信 号波形の振幅を決定する段階を含む、請求項１記載の方法。 ９． 上記処理段階は、上記信号波形のプロットによって覆われた面積を決定す る段階を含む、請求項１記載の方法。 １０． 上記処理段階は、上記領域をデータベースと比較する段階を更に有する 、請求項９記載の方法。 １１． 上記比較段階は、上記材料の中に注入されたイオンの濃度を決定するた めに、上記面積を、上記面積と材料の中に注入されたイオンの濃度とを相関させ るデータベースと比較する段階を更に有する、請求項１０記載の方法。 １２． 上記材料はシリコンを含む、請求項１記載の方法。 １３． 上記材料はポリシリコン膜である、請求項１２記載の方法。 １４． 上記材料はシリコンウェーハである、請求項１２記載の方法。 １５． 上記材料の中に注入されるイオンは、ヒ素、アルゴン、ホウ素、酸素及 びリンの原子を含む群から選択される原子のイオンである、請求項１記載の方法 。 １６． 材料の中に注入されたイオンの濃度を決定する方法であって、 単一のレーザパルスを発生する段階と、 少なくとも２つの励起サブパルス及び少なくとも１つのプローブパルスを形成 するために上記レーザパルスを回折マスクを通して通過させる段階と、 上記材料の領域を、該領域において時間依存性の応答を開始するために少なく とも２つの励起レーザサブパルスを重ね合わせることによって形成された格子パ ターンによって照射する段階と、 少なくとも１つの時間依存性の信号光線を発生するために、上記レーザパルス を上記領域から回折させる段階と、 信号波形を発生するために、少なくとも１つの時間依存性信号光線を検出する 段階と、 上記材料の中に注入されたイオンの濃度を決定するために上記信号波形を処理 する段階とを有する方法。 １７． 上記処理段階は、上記信号波形の特性を決定し、次に上記試料の中に注 入されたイオンの濃度を決定するために上記特性を処理する段階と含む、請求項 １記載の方法。 １８． 上記特性は上記信号波形の振幅である、請求項１７記載の方法。 １９． 上記処理段階は、上記信号波形の特性をデータベースと比 較する段階を更に有する、請求項１７記載の方法。 ２０． 上記比較段階は、上記材料の中に注入されたイオンの濃度を決定するた めに、上記信号波形の特性を以前に測定された信号波形の特性を材料の中に注入 されたイオンの濃度と相関させるデータベースと比較する段階を含む、請求項１ ９記載の方法。 ２１． 半導体材料の中に注入されたイオンの濃度を決定するための装置であっ て、 励起レーザパルス及びプローブレーザパルスを発生するためのレーザと、 上記励起レーザパルスを少なくとも２つの励起サブパルスへ分解し、次に上記 材料の領域を、該領域において時間依存性の応答を開始するために少なくとも２ つの励起サブパルスを重ね合わせることによって形成された格子パターンによっ て照射するための第１の光線送出システムと、 時間依存性の信号ビームを発生するために上記プローブパルスを上記領域から 回折させるよう上記プローブパルスを上記試料へ送出するための第２の光線送出 システムと、 信号波形を発生するために上記時間依存性信号光線を検出する光検出器と、 上記材料の中に注入されたイオンの濃度を決定するために上記信号波形を処理 するためのプロセッサとを含む装置。 ２２． 上記第１の光線送出システムは、上記励起レーザパルスを少なくとも２ つのサブパルスへ分解する回折マスクを含む、請求項２１記載の装置。 ２３． 上記回折マスクは、位相マスク又は振幅マスクである、請 求項２１記載の装置。 ２４． 上記プロセッサは、上記信号波形の振幅を分析し、上記材料の中に注入 されたイオンの濃度を決定するために上記振幅をデータベースと比較するコンピ ュータである、請求項２１記載の装置。 ２５． 上記プロセッサは、上記信号波形によって覆われた面積を決定し、上記 材料の中に注入されたイオンの濃度を決定するために上記面積をデータベースと 比較するコンピュータである、請求項２１記載の装置。 ２６． 上記励起サブパルス及びプローブパルスは上記領域において時間的に重 ね合わされる、請求項２１記載の装置。 ２７． 上記光検出器は、１ＭＨｚ以下の帯域幅を有する、請求項２１記載の装 置。 ２８． 半導体材料の中に注入されたイオンの濃度を決定するための装置であっ て、 レーザパルスを発生するためのレーザと、 上記レーザパルスを少なくとも２つの励起サブパルス及びプローブパルスへ分 解する回折マスク、並びに、上記励起サブパルスが上記領域において時間依存性 の応答を開始する格子パターンを形成し、上記プローブパルスが時間依存性の信 号光線を発生するよう上記領域から回折させるよう、上記試料上に少なくとも２ つの励起サブパルス及びプローブパルスを合焦し重ね合わせるレンズを含む、光 線送出システムと、 信号波形を発生するために上記時間依存性の信号光線を検出するための光検出 器と、 上記材料の中に注入されたイオンの濃度を決定するために信号波形を処理する ためのプロセッサとを有する装置。 ２９． 上記回折マスクは、位相マスク又は振幅マスクである、請求項２８記載 の装置。 ３０． 上記プロセッサは、上記プロセッサは、上記信号波形の振幅を分析し、 上記材料の中に注入されたイオンの濃度を決定するために上記振幅をデータベー スと比較するコンピュータである、請求項２８記載の装置。