JP2001527290A

JP2001527290A - 半導体装置内のドーパント材料の深さプロファイル特性を決定するための装置および方法

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Publication number: JP2001527290A
Application number: JP2000525917A
Authority: JP
Inventors: キャンピオン，アラン; メイ，チャールズ; ホセイン，ティム・ズィ
Original assignee: Advanced Micro Devices Inc
Current assignee: Advanced Micro Devices Inc
Priority date: 1997-12-19
Filing date: 1998-06-03
Publication date: 2001-12-25
Also published as: KR20010032343A; EP1040516A1; US6151119A; WO1999033101A1

Abstract

(57)【要約】半導体装置内のドーパント材料の深さプロファイルおよび／または１つ以上の深さプロファイル特性を決定するための装置および方法は、２つ以上の照射波長で装置を照射することのできる光源と、半導体装置から散乱光を受取り半導体装置内のドーパント材料の存在に起因する１つ以上のラマンスペクトル線に対する強度特性を決定する検出器とを含む。次に、ラマンスペクトル線の強度特性を、各照射波長ごとの既知のサンプルから測定されるプロファイル定数を用いて深さプロファイルまたは深さプロファイル特性を決定するために、用いることができる。この装置および方法は、非侵襲的で、比較的速くかつ非破壊的であるため、ライン内で使用可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の分野】

この発明は、一般的には半導体装置に向けられ、より特定的には、半導体装置
のある領域におけるドーパント材料の深さプロファイルまたは１つ以上の深さプ
ロファイル特性を決定するための方法および装置に向けられる。

【０００２】

【発明の背景】

現在の半導体技術は、典型的には、たとえば装置の基板または基板の上に形成
される層を含む、半導体装置のさまざまな部分にドーパント材料を取入れること
を伴う。半導体装置の典型的な一例は、金属酸化膜半導体（ＭＯＳ）トランジス
タである。典型的なＭＯＳ半導体装置の主な要素が、図１に示される。装置は一
般的に、半導体基板１０１を含み、その上にゲート電極１０３が配置される。ゲ
ート電極１０３は導体として働き、典型的には、所望の濃度のドーパント材料を
備える多結晶シリコンで形成される。

【０００３】ソース／ドレイン領域１０５は、半導体基板１０１中にゲート電極１０３に近
接して形成される。一般的に、ソース／ドレイン領域１０５は、ドーパント材料
を基板に注入することによって形成される。ドーパント注入に続いて、典型的に
、基板をアニールしてドーパント材料を基板１０１により深く打込みかつソース
／ドレイン領域１０５をより均一にドープする。各ソース／ドレイン領域１０５
の厚さは一般的に、ドーパント濃度とアニールの量との関数である。

【０００４】チャネル領域１０７は、半導体基板１０１中のゲート電極１０３の真下に形成
され、ソース／ドレイン領域１０５を分離する。チャネルは典型的に、ソース／
ドレイン領域１０５とは反対の型のドーパント材料で低濃度にドープされる。ゲ
ート電極１０３は一般的に、絶縁層１０９、たとえばＳｉＯ₂などの酸化膜によって半導体基板１０１から分離される。

【０００５】通常用いられる基板材料の１つはシリコンである。シリコンに用いられるドー
パント材料は大抵、たとえばホウ素、窒素、砒素およびリンを含むＩＩＩ族元素
またはＶ族元素等の電子ドナーまたはアクセプタ（または、代わりに、正孔アク
セプタまたはドナー）である。特定の半導体装置の動作上のパラメータは大抵の
場合、少なくとも部分的に、ドーパント材料の濃度および深さプロファイルに依
存する。場合によっては、ドーパント濃度の変動の許される許容差はとても狭い
ことがある。それゆえ、半導体装置内のドーパント濃度およびプロファイルを決
定するための方法が望まれる。

【０００６】ゲート電極、ソース／ドレイン領域またはチャネル領域などの半導体装置の領
域内のドーパント材料の濃度およびプロファイルの決定は、いくつかの方法で可
能である。ある方法は、ドーパント材料の存在、またはイオン注入などの方法に
よってドーパント材料を半導体に取入れることによって生じる損傷の特徴となる
べき、半導体装置の領域内の特定の電気的特性を測定するステップを含む。しか
しながら、これらの電気的特性測定技術の多くは、ドーパント材料の濃度の決定
に限られる。半導体のドーパントのプロファイルを決定するために用いられる技
術は典型的に、破壊的かつ侵襲的である。たとえば、深さプロファイル測定技術
は、ドープされた領域の電気的特性を測定することと、ドープされた領域の一部
分を除去することと、領域の電気的特性を再測定することとを含むであろう。領
域の深さプロファイルを提供するために除去されるドープされた領域が増えてい
くので、測定値は典型的に、間隔をもって得られる。

【０００７】ドーパント材料の濃度、特に深さプロファイルを決定するための別の従来の方
法は、２次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）である。この方法は、半導体領域の表
面にイオンビームで衝撃を加えこれによって半導体表面から材料を射出させるス
テップを伴う。射出された材料の質量を質量分析計で測定し、半導体装置の組成
を決定する。射出された材料をある時間観察することによってドーパント濃度の
プロファイルを得ることができる。この方法もまた侵襲的でかつ破壊的である。

【０００８】非侵襲的な方法の１つは、原子深さプロファイリング（ＮＤＰ）であって、こ
れは、半導体装置に原子炉などのソースからのエネルギを持った中性子によって
衝撃を加える必要がある。中性子は半導体装置に衝撃を加えて、中性子がホウ素
などのドーパント材料に遭遇したとき、測定可能な粒子を射出させる。しかしな
がら、この方法はエネルギを持った中性子のソースを必要とするために、これを
製造ラインで用いることはできない。

【０００９】

【発明の概要】

一般的に、この発明は、半導体領域内のドーパントの濃度および深さプロファ
イルを非侵襲的かつ非破壊的に決定するための方法および装置に関する。そのよ
うな方法および装置を製造ラインに組込んで、半導体装置の領域内のドーパント
材料の濃度、深さプロファイル、および／または１つ以上の深さプロファイル特
性を迅速かつ非破壊的に決定することができる。この情報を用いて、製造プロセ
スのパラメータを調整し、装置仕様からのずれを直すことが可能である。

【００１０】この発明のある実施例は、半導体装置の領域内のドーパント材料の少なくとも
１つの深さプロファイル特性を決定する方法である。この方法は、１つ以上の照
射波長の各々の光で領域を照射して散乱光を生成するステップを含む。１つ以上
の照射波長の各々について領域内のドーパント材料の存在に起因する１つ以上の
スペクトル線に対する散乱光の強度特性が測定される。ドーパント材料の少なく
とも１つの深さプロファイル特性は、強度特性および照射波長を用いて決定され
る。

【００１１】この発明の別の実施例は、半導体装置の領域内のドーパント材料の深さプロフ
ァイルを決定する方法である。この方法は、２つ以上の照射波長の光で領域を照
射するステップと、２つ以上の照射波長の各々について、関連するラマンスペク
トルの少なくとも一部を得るステップとを含む。各ラマンスペクトルごとに、領
域内のドーパント材料の存在に起因する１つ以上のスペクトル線の強度特性が測
定される。各ラマンスペクトルに対する強度特性とそれぞれの照射波長とを用い
て、領域内のドーパント材料の深さプロファイルが決定される。

【００１２】さらなる実施例は、複数の半導体装置の少なくとも１つの深さプロファイル特
性をライン内で決定する方法であって、これは、１組のドーパントパラメータを
用いて１つ以上の半導体装置の目標領域をドーパント材料でドープするステップ
を含む。少なくとも１つの試験半導体装置が１つ以上の半導体装置の中から選ば
れる。試験半導体装置の目標領域は少なくとも１つの照射波長の光で照射され散
乱光を生成する。少なくとも１つの照射波長の各々について、半導体装置のドー
パント材料の存在に起因する１つ以上のスペクトル線に対する散乱光の強度特性
が測定される。次に、ドーパント材料の少なくとも１つの深さプロファイル特性
が強度特性および照射波長を用いて決定される。

【００１３】この発明のさらに別の実施例は、半導体装置の製造のための装置である。この
装置は、１組のドーピングパラメータに基づいてドーパント材料で半導体装置の
領域をドープするためのドーピング装置と、１つ以上のドープされた半導体装置
の目標領域内のドーパント材料の少なくとも１つの深さプロファイル特性を決定
するライン内装置とを含む。

【００１４】別の実施例は、半導体装置のドーパント材料の深さプロファイルを決定する装
置である。この装置は、２つ以上の照射波長の光を生成することができる光源を
含む。この装置はまた、光源によって照射された半導体装置から散乱される光の
強度を測定する検出器を有する。検出器は、各照射波長での１つ以上のスペクト
ル線に対する散乱光の強度を測定する。加えて、この装置は、測定された強度か
ら深さプロファイルを決定するプロセッサを含む。

【００１５】この発明の上記概要は、この発明の各例示される実施例またはあらゆる実現化
例を記載するものではない。以下の図面および詳細な説明がこれらの実施例をよ
り特定的に例証する。

【００１６】この発明は、添付の図面に関連してこの発明のさまざまな実施例の以下の詳細
な説明を考慮することによりさらに完全に理解されるであろう。この発明はさま
ざまな変形および代替形に従うが、その具体例は、図面の例によって示され、以
下に詳細に記載される。しかしながら、この発明を記載される特定の実施例に制
限するものではないことが理解される。反対に、前掲の特許請求の範囲によって
規定されるようなこの発明の精神および範囲内にあるすべての変形、等価、代替
を含むことが意図される。

【００１７】

【さまざまな実施例の詳細な説明】

この発明は、ドープされた領域を有する（ＭＯＳ、ＣＭＯＳ、およびＢｉＣＭ
ＯＳトランジスタなどの）多くの異なった型の半導体装置に適用可能であると考
えられる。この発明はそれに限られるものではないが、この発明のさまざまな局
面を以下の例を説明することによって、理解することができる。

【００１８】この発明は、ラマン分光法を用いる、基板の目標領域内のドーパント材料の濃
度、深さプロファイルおよび／または１つ以上の深さプロファイル特性の決定に
向けられる。目標領域は、たとえば、基板、多結晶シリコンゲート層、絶縁層な
どを含む、ドープされた半導体装置のいかなる層であってもよい。「深さプロフ
ァイル」という用語は、半導体装置上の参照点（典型的に、層または基板の上面
）からの距離の関数としてドーパント材料の濃度を表わすためにここでは用いら
れる。「深さプロファイル特性」という用語はたとえば、ピークドーパント濃度
の位置および／または分布の幅特性（たとえば、標準偏差）を含む、材料中のド
ーパントの分布を表わす特性を示すために用いられる。

【００１９】図２は、この発明の実施例に従う深さプロファイリング装置１０を例示する。
深さプロファイリング装置１０は一般に、ラマン分光法を用いて、半導体装置１
６の目標領域１４におけるドーパント材料の深さプロファイル、１つ以上の深さ
プロファイル特性、および／または濃度を得る。半導体装置は典型的には、製造
過程にある装置であるが、この発明はそれに限られるものではない。

【００２０】深さプロファイリング装置１０は、半導体装置１６の目標領域１４を照射光１
８で照射する光源１２を含む。検出器２０は、半導体装置１６からの散乱光２２
を受取り、散乱光に応答して信号を生成する。典型的には光源制御システム２４
が設けられて、波長および／または光源１２の動作を制御する。典型的には検出
システム２６が設けられて、検出器２０からの信号２１を受取り、たとえば、検
出器２０によって受取られる光の波長の範囲を制限することによって検出器２０
を光学的に制御する。

【００２１】光源１２は典型的には、２つ以上の照射波長の光を供給することができる。光
源１２は、各々が単色光（たとえば、単一の波長または狭帯域の波長を有する光
）を供給する１つ以上のサブユニットを含んでもよい。ある実施例では、光源１
２は、単色光を放射しかつ１つ以上の周波数に調整できる単一のレーザを含み、
これによりレーザは２つ以上の波長の光を供給することが可能となる。別の実施
例では、光源１２は、２つ以上のレーザを含み、その各々が異なった照射波長の
光を供給する。この発明は、上記の例示的な光源に制限されないことが理解され
る。これらの光源からラマンスペクトルを得るための他の光源および方法もまた
使用可能である。

【００２２】検出器２０は、半導体装置１６の目標領域１４から散乱される光２２を受取る
ために用いられる。好適な検出器の例は、光電子増倍管、光ダイオードまたはＣ
ＣＤ（電荷結合素子装置）アレイを含む。好適な検出器の例としては、ＦＴラマ
ン検出器、マルチチャネル検出器を備える分光写真器、およびレーザ光源に用い
られる狭帯域光学フィルタを含む検出器、が含まれる。

【００２３】別の例として、検出器２０は、任意の所与の時間に検出器で受取られる光の波
長を制御するモノクロメータを含んでもよい。モノクロメータは典型的には、波
長に従って光を分散させる回折格子またはプリズムを含む。光は次に、狭いスリ
ットを有する壁に向けられる。特定の波長を有する光のみがスリットを通過する
。スリットを移動させることによって、または格子またはプリズムの位置を変え
ることによって、スリットを通過する光の波長を変えることができる。この移動
は、手動でまたは機械的に行なうことができる。多くの場合、移動はコンピュー
タによって制御される。このようにして、モノクロメータは、特定の範囲の波長
を走査しラマンスペクトルを得ることができる。この発明の他の実施例では、ド
ーパント材料の深さプロファイル、１つ以上の深さプロファイル特性、および／
または濃度を決定するために、ラマンスペクトルの小さい部分のみが必要とされ
る場合には特に、モノクロメータは、光のある波長のみが検出されるようにする
。モノクロメータは、関心のある波長のみが狭いスリットを通過するようにモノ
クロメータに指示するコンピュータなどの装置によって、制御されてもよい。散
乱光を検出する他の検出器および方法は、公知であり、分光情報を得るために使
用可能である。

【００２４】散乱光２２のラマンスペクトルは、照射される目標領域１４の特性によって変
動する。ラマン散乱の現象を例示するために、例示的なエネルギレベル図（図３
）および例示的なラマンスペクトル（図４）を参照する。図３および図４はどち
らも例として提供され、特定の目標領域の照射を例示するものではない。

【００２５】ラマンスペクトルは典型的に、（半導体装置１６の目標領域１４などの）サン
プルを光で照射し次に、サンプルから散乱される（すなわち吸収されてから再放
射される）光を検出することによって得られる。散乱光のほとんどは、レイリー
散乱によるもので、これは照射光と同じ波長を有する光の放射をもたらす。レイ
リー散乱は、サンプルによる光の弾性散乱として考えられ、図３の経路３０に図
示されるとおり、照射光の吸収および、同じ波長を有する散乱光のその後の放射
として表すことができる（しかし特定の理論はこの発明に必要はない）。

【００２６】一方、ラマン散乱は非弾性散乱プロセスである。この散乱プロセスは、図３の
経路３２および３４によって表わされるとおり、照射光が吸収され電子を励起さ
れた状態に誘導し（「仮想状態」と呼ばれることがある）、続いて、電子が同じ
接地電子状態だが異なった振動エネルギ状態に戻ると、散乱光を放射するものと
して考えられる。このようにして散乱された光（以下「ラマン散乱光」）は、初
めの振動状態（たとえばｎ＝１）と最終的な振動状態（たとえばｎ＝０または２
）との間のエネルギ差に対応する量だけ、エネルギが照射光とは異なる。ラマン
散乱光の波長ｌは、以下の関係に従って、光のエネルギＥに反比例して変動する
。

【００２７】Ｅ＝ｈｃ／ｌ（１）式中、ｈはプランクの定数であって、ｃは光の速度である。したがって、ラマ
ン散乱光の波長は、照射光の波長とは異なる。

【００２８】波長のある範囲に渡って散乱光の強度を測定することによって、ラマンスペク
トルを得ることができる。例示のラマンスペクトル３８を図４に示す。より典型
的には、スペクトル特徴は照射波長について対称的に間隔をおかれているので、
スペクトルの半分のみが用いられる。さらに、スペクトルの長波長側での特徴は
典型的に、短波長側での特徴よりも強い。この例示のラマンスペクトルでは、ｎ ₀ は照射光の周波数であって、ｎ₁は、ある振動状態から別の振動状態へ（たとえ
ば、図３のｎ＝０からｎ＝１の振動状態）電子を励起する光の周波数である。こ
の周波数ｎ₁は、以下の式によって、２つの振動状態の間のエネルギ差に関連付けられる。

【００２９】Ｅ＝ｈｎ（２）式中、Ｅは２つの状態の間のエネルギの差であり、ｈはプランクの定数である
。

【００３０】典型的には、大きいスペクトル線４０はｎ₀で見出される。このスペクトル線はレイリー散乱の結果生じる。さらにずっと小さいスペクトル線４２、４４は、
ｎ₀−ｎ₁（ストークス線）およびｎ₀＋ｎ₁（非ストークス線）で見出される。こ
れらがラマンスペクトル線である。ほとんどのラマンスペクトルにおいて、サン
プルでの異なった振動モード（たとえば、分子振動または格子振動）に対応する
多くのスペクトル線がある。ラマンスペクトル線は、スペクトル線（たとえばｎ ₀ −ｎ₁）と照射光（ｎ₀）との間の周波数の差（典型的には波数ｃｍ^-1で測定される）によってしばしば識別される。

【００３１】ラマンスペクトルの有用性は、振動周波数（すなわちスペクトル線）が照射対
象の原子構造に依存することから生じる。ゆえに、原子構造の特定の部分にかか
わるラマンスペクトル線を観察することによって、その構造のまわりの環境に関
する情報と、特に、その環境における変化に関する情報とを監視することができ
る。

【００３２】半導体装置のドーパント材料の検討に関し、半導体材料中のドーパント材料の
存在に起因するラマンスペクトル特徴が観察可能である。たとえば、材料のフォ
ノン周波数に対応する、６２０ｃｍ^-1近くのラマン線は、シリコン基板へのボロ
ンドーピングに関連付けられる。典型的には、ドーパント濃度が大きくなると、
６２０ｃｍ^-1ラマン線の強度は増大する。

【００３３】図６は、半導体装置の目標領域内のドーパント材料の濃度を決定するためのあ
る例示的なプロセスを例示する。このプロセスは、散乱光の１つ以上の強度特性
を測定するステップを含む。各強度特性は、ドーパント材料の存在に起因するラ
マン線（すなわち、波長範囲）に関連付けられる。図６の例示のプロセスに従っ
て、ドーパント材料の既知量またはドーパント材料の既知の平均濃度を有する一
連のサンプルが得られる。ブロック６００に示すとおり、既知のサンプルの各々
について、半導体装置内のドーパント材料の存在に起因する特定のラマン線の強
度特性を測定する。強度特性は、ドーパント材料の量またはドーパント材料の平
均濃度を示す。ラマン線の強度特性を測定するための例示の方法が以下に提供さ
れる。

【００３４】ブロック６０２に示すとおり、測定された強度特性を用いて、相関曲線を生成
する。たとえば、線形または非線形最小二乗分析または他の曲線の当てはめ技術
などの方法を含むさまざまな周知の技術を用いてこれを行なってもよい。

【００３５】ブロック６０４に示すとおり、相関曲線と未知のサンプルでのラマン線の測定
された強度とを用いて、未知のサンプルでのドーパント材料の濃度を決定するこ
とができる。典型的には、未知のサンプルからのラマンスペクトル線の強度特性
の測定は、既知のサンプルを照射するのに用いられた照射光と同じ波長を有する
照射光を用いて行なわれる。加えて、相関曲線を生成するために用いられたサン
プルの物理的特性（たとえば、基板または層の型およびドーパント材料の型）は
典型的には、未知のサンプルの物理的特性と同様である。サンプルによって散乱
される光の強度は、そこから光が散乱される材料と照射光の波長との両方に依存
する。

【００３６】散乱光強度の波長依存性は、少なくとも部分的には材料の屈折率および吸収係
数の波長依存性によるものである。光源からの光の強度の波長依存性の別の原因
は、さまざまな波長での光源の放射強度における差である。さらに、検出器はま
た典型的に、いくつかの波長に対して他のものよりも応答しやすい。

【００３７】測定値のこの波長依存性が、異なった照射波長での同じスペクトル線の測定値
間の比較を困難にする可能性がある。しかしながら、ドーパントの存在から比較
的独立している別のスペクトル線を用いて、ドーパント依存のスペクトル線に対
して正規化された強度を得ることもまた可能であろう。たとえば、シリコンフォ
ノンスペクトル線は約５３０ｃｍ^-1で見出される。この特定のスペクトル線の強
度は、シリコン基板のボロン濃度から実質的に独立しているので、異なった波長
で得られるスペクトルを、２つの異なった波長での５３０ｃｍ^-1スペクトル線の
強度の比を用いて、正規化することができる。この正規化プロセスは、光源強度
などの信号強度における機器の波長依存性の多くおよび検出器の波長依存性を克
服し得る。

【００３８】前述のとおり、ラマンスペクトル線の多くの異なった強度特性をこの発明で用
いることができる。例示的な強度特性を、図７に例示されるラマンスペクトル線
を参照して説明する。好適な強度特性の一例は、高さ７００のラマンスペクトル
線である。別の好適な強度特性は、ラマンスペクトル線の任意の周波数（たとえ
ば７０４）での散乱光の相対強度である。任意に、第２の周波数または周波数範
囲（たとえば７１０と７１２の間）での光の強度を、比較的スペクトル特徴を欠
くラマンスペクトルの一部において測定して基準線測定値を得てもよい。

【００３９】好適な強度特性のさらなる例は、ラマンスペクトル線より下の面積であって、
これは２つの点の間の線の強度を積分することによって計算することができる。
測定値間に整合性がある限り、多くの異なった方法でこれらの点を選ぶことがで
きる。たとえば、これらの点は、ラマンスペクトル線の下部の点（たとえば、７
０６および７０８）に対応してもよい。いくつかの実施例では、たとえば、ラマ
ンスペクトル線のない（たとえば、７１０と７１２の間）ラマンスペクトルの領
域を用いてラマンスペクトルに対する基準線を決定することによってこれらの点
を選ぶことができる。次に、たとえば、ラマンスペクトル線が基準線と交わる点
として点の組を選ぶことができる。たとえば、ラマンスペクトル線の半分の高さ
の点（たとえば７１４および７１６）として点の他の組を選ぶことができる。次
に、強度をこれらの点の間で積分して線より下の面積を求め、これを、たとえば
、もしドーパント濃度がわかっていれば相関曲線を形成するために、または、先
に測定された相関曲線を用いてドーパント濃度を決定するために用いることがで
きる。

【００４０】照射光ビームがサンプルの表面に向けられるときに散乱される光の強度はまた
、光が領域を貫通する深さｚの関数である。この発明のある実施例によると、強
度の貫通深さへの依存性は、半導体装置内のドーパント材料の深さプロファイル
または１つ以上の深さプロファイル特性を決定するために用いられる。

【００４１】散乱光の強度を以下の関係によって表わしてもよい。

【００４２】

【数２】

【００４３】式中、ｌは照射光の波長であり、ｌ′はラマン散乱光の波長であり、Ｔはサン
プルまたはサンプルの興味ある領域の厚さである。Ａ（ｌ，ｌ′）は、光源によ
って供給される光の相対強度および検出器の相対的検出能力などの要素を含む、
ラマン分光計の構成に依存する因子である。Ｂ（ｌ）ｅ^-4pk(l)z/lはサンプルに
よる光の吸収を表わし、式中、ｋ（ｌ）は吸収係数であり、Ｂ（ｌ）はスケーリ
ング因子である。Ｂ（ｌ′）ｅ^-4pk(l')z/lは、サンプルから出て行くときのラマン散乱光の吸収を表わし、式中、ｋ（ｌ′）は吸収係数であり、Ｂ（ｌ′）は
スケーリング因子である。

【００４４】Ｃ（ｚ）はサンプル中のドーパントの深さプロファイルである。典型的に、こ
の深さプロファイルは数式によって表わされる。たとえば、深さプロファイルを
以下のとおりガウス分布として表わすことができる。

【００４５】

【数３】

【００４６】式中、Ｃ、ａおよびｚ₀は分布のパラメータである。ガウス分布において、Ｃは照射光によって調べられる一般的な領域内のドーパントの濃度に対応し、ａは
ドーパント分布の特性幅（たとえば標準偏差）であり、ｚ₀はドーパントのピーク濃度の位置である。これらのパラメータを決定することによって深さプロファ
イルが得られる。

【００４７】いくつかの実施例では、完全なプロファイルの代わりに、深さプロファイルの
１つ以上の特性を決定すれば十分であることがある。そのような特性は、たとえ
ば、ピーク濃度の位置、たとえばガウス分布におけるｘ₀、または、濃度分布の特性幅（たとえば標準偏差）、たとえば、ガウス分布におけるａを含む。

【００４８】また、他の分布を用いてドーパント材料の深さプロファイルをモデリングして
もよい。これらのモデルは１つ以上のパラメータを含んでもよく、そのいくつか
は分布の特徴を示し得る。ドーピング材料の複数注入などの場合、または深さプ
ロファイルのより精度の高いモデルを生成するために、ガウス分布よりも多くの
パラメータを含むモデルを用いてもよい。

【００４９】ｌとｌ′とは周波数が比較的近い（したがってＢ（ｌ）≒Ｂ（ｌ′）およびｋ
（ｌ）≒ｋ（ｌ′））ので、式（３）は以下のように近似可能である。

【００５０】

【数４】

【００５１】この関係をデータ処理を簡素化するために用いてもよい。式（３）および（４
）と同様の関係を他の強度特性のために決定することができる。

【００５２】散乱光の強度は、式（３）および（４）によると、深さおよび波長に依存する
関数の積の積分である。波長依存の関数の値（たとえば、Ａ（ｌ）、Ｂ（ｌ）、
Ｂ（ｌ′）、ｋ（ｌ）およびｋ（ｌ′））を、以下に述べるとおり、各照射波長
ごとに得てもよい。これらの波長依存の値を「プロファイル定数」と呼ぶ。これ
らのプロファイル定数はしばしば、以下に記載するとおり、各照射波長および材
料の種類ごとに決定される。

【００５３】深さプロファイルパラメータは、標準の計算技術および先に決定されたプロフ
ァイル定数を用いて、測定された強度特性から決定可能である。そのような計算
技術は、たとえば、強度特性データを受取るプロセッサが行い得る周知の数値的
技術を含む。これらの数値的技術は、たとえば、線形または非線形最小二乗概算
および数値積分方法を含む。１つ以上のドーパントプロファイルパラメータを、
他の技術によって概算し、深さプロファイルの計算または他のパラメータに組込
むことにより、計算の複雑性および／または所望の量を決定するのに必要なデー
タの量を減らすことができる。たとえば、ドーパント濃度またはピーク位置を、
ドーパント注入パラメータに基づいて概算してもよい。

【００５４】図８は、半導体装置の目標領域内のドーパント材料の深さプロファイルを決定
するための例示のプロセスを示す。最初に、ブロック８００に示すとおり、プロ
ファイル定数を２つ以上の照射波長で決定する。照射波長の数は、典型的には以
下に述べるとおり、光学定数ｋ（ｌ）の値の範囲を考慮して、選択される。

【００５５】プロファイル定数は、たとえば、ドーパント材料の１つ以上の既知のサンプル
を２つ以上の照射波長で照射し、各波長でのドーパント材料に起因する１つ以上
のラマン線の強度特性を測定し、相関曲線を生成することによって決定可能であ
る。図６に関して上述されるものと同様の方法でこれを行なってもよい。プロフ
ァイル定数Ａ（ｌ，ｌ′）、Ｂ（ｌ）およびＢ（ｌ′）は、たとえば、相関曲線
にパラメータを合せることから決定されてもよい。

【００５６】光学定数ｋ（ｌ）およびｋ（ｌ′）は、標準の分光学的楕円偏光法測定値によ
って決定されてもよい。楕円偏光法は、材料の屈折率ｎおよび吸収係数ｋの両方
を測定する周知の技術である。

【００５７】典型的には、式（３）および（４）の波長従属項の測定は、用いられる異なっ
た材料の各々について行なわれる。吸収係数ｋ（ｌ）は材料に依存する。しかし
ながら、類似の化学構造を有する材料のいくつかについては、これらの項は比較
的等しいことがある。

【００５８】深さプロファイルを決定するために必要とされる異なった照射波長の数は、吸
収係数ｋ（ｌ）の値の範囲に部分的に依存し、かつ、ドーパント分布のモデルに
用いられるパラメータの数にも依存する可能性がある。典型的に、１／ｋ（ｌ）
は、光の６３％が吸収されたところの深さとして考えることができる。光の約８
６．５％が約２／ｋ（ｌ）の深さで吸収されていた。したがって、項ｋ（ｌ）を
、特定の波長の光がサンプルを貫通し得る深さに対する基準として用いることが
できる。ｋ（ｌ）の比較的大きい値は、サンプルを奥まで貫通することのできな
い光を示し、したがって、ラマンスペクトル線は装置の照射された表面近くのド
ーパント材料に起因するものであろう。ｋ（ｌ）の比較的小さい値は、その特定
の波長の光がサンプルを奥まで貫通できることを示し、サンプルのより深い領域
におけるドーパント材料の濃度についての情報を与える。

【００５９】典型的には、ラマンスペクトルを得るために選ばれた波長は、ｋ（ｌ）値の範
囲を反映すべきである。好ましくは、光の波長の少なくとも１つは、実質的にド
ーパントが貫通すると概算される限界の２分の１以上のｋ（ｌ）値を有する。光
の他の波長は、ｋ（ｌ）値の範囲がドーパントの期待される深さに及ぶように選
ばれる。

【００６０】他の実施例では、光の波長は、光源の入手可能性および便宜性に基づいて選ば
れる。たとえば、波長のいくつかまたはすべてが単一のレーザ源から得られるよ
うにするために、波長を選んでもよい。深さプロファイルおよび／または深さプ
ロファイル特性を決定するために可視、近赤外および紫外光を用いてもよい。

【００６１】図８に戻ると、ブロック８０２は、半導体装置の目標領域での適切なラマン線
（すなわち、ドーパント材料に起因するラマン線）の強度特性の決定を表わす。
これは、目標領域を２つ以上の照射波長で照射するステップと適切なラマン線の
強度特性を測定するステップとを典型的に含む。

【００６２】ブロック８０４に示すとおり、目標領域の適切なラマン線のプロファイル定数
および強度特性を決定した後、目標領域の深さプロファイルが決定される。深さ
プロファイルは、たとえば、データとしてプロファイル定数および適切な強度特
性を用いて式（３）または（４）における強度の関係から決定されてもよい。

【００６３】別の実施例では、１つ以上の深さプロファイルパラメータは、注入パラメータ
からドーパントのピーク濃度の位置または濃度を概算するなどの他の方法によっ
て決定される。深さプロファイルまたは他の深さプロファイルパラメータは次に
、図８に例示される流れに従って決定されてもよい。

【００６４】さらに別の実施例では、１つ以上の深さプロファイル特性を決定するか、また
は特性がしきい値の範囲内にあるか、それより上にあるかもしくはそれより下に
あることを少なくとも確認すれば十分であることがある。１つ以上の照射波長で
の測定値を用いてこれを達成してもよい。たとえば、ドーパント分布の幅特性は
、単一の照射波長とドーパントのピーク位置および濃度の概算値とを用いるたっ
た１回の測定で決定できるであろう。

【００６５】図２に戻って、半導体装置におけるドーパント材料の深さプロファイルおよび
／または深さプロファイル特性を決定するためのある例示のシステムを示す。こ
の実施例に従って、半導体装置１４はラマン分光装置を含む深さプロファイラ１
０に運ばれる。半導体装置１４は、１つの照射波長を有する光１８で照射される
。検出器２０は、特定の波長または半導体装置におけるドーパント材料の存在に
起因するスペクトル線に対応する波長の範囲にわたる散乱光２２の強度特性を測
定する。

【００６６】このプロセスは、１つ以上の異なった照射波長で繰返される。次に、強度測定
値は、プロセッサ（図示せず）に与えられ、これは強度測定値を直接用いるかま
たは、ラマン線にわたる積分された強度など、他の強度特性を計算する。測定さ
れたまたは計算された強度特性と合わせて、先に決定されたプロファイル定数（
たとえば、Ａ（ｌ）、Ｂ（ｌ）、Ｂ（ｌ′）、ｋ（ｌ）およびｋ（ｌ′））を用
いて、プロセッサは、半導体装置の興味ある領域におけるドーパント材料の深さ
プロファイル、１つ以上の深さプロファイル特性および／または濃度を決定する
。

【００６７】次に図５を参照すると、ラマン分光装置を用いる深さプロファイリング装置５
０２を組込む例示の半導体製造ラインが示される。同様の製造ラインを用いて半
導体装置のいかなる層におけるドーパント材料の深さプロファイルまたは深さプ
ロファイル特性もまた決定可能であることが理解される。

【００６８】深さプロファイリング装置５０２は、製造ライン５００内のドーピング装置５
０４より下流に位置する。ドーピング装置５０４は、半導体装置のある領域をド
ーパント材料でドープする。たとえば、拡散ドーピングまたはイオン注入などの
周知の技術を用いてこれを行なってもよい。任意に、半導体装置をアニールして
、ドーパント材料をドープされた領域のさらに奥に打込み、かつ／またはより均
一に領域をドープする。典型的には特定の組のパラメータ、たとえば、温度、ド
ーパント濃度、ドーパント速度およびアニール温度が、ドーパント深さプロファ
イル、ドーパントの１つ以上の深さプロファイル特性、および／または濃度を少
なくとも部分的に決定する。

【００６９】半導体装置が一旦ドープされると、装置は製造ライン５００に沿って続く。ド
ープされた半導体装置の少なくとも１つが、深さプロファイリング装置５０２を
用いて試験するために定期的に選ばれる。他の半導体装置は、他の処理システム
５０６へと続いていってもよい。試験する半導体装置を無作為に選ぶこともでき
るし、または一定の間隔（たとえば５つに１つの装置）で選んでもよいし、また
はすべての装置を試験してもよい。

【００７０】試験されるべき半導体装置は、深さプロファイリング装置５０２に運ばれ、半
導体装置の深さプロファイルまたは１つ以上の深さプロファイル特性が、たとえ
ば、上記の方法によって決定される。深さプロファイルまたは１つ以上の深さプ
ロファイル特性は、品質管理のために記録されてもよい。試験された半導体装置
の深さプロファイルまたは１つ以上の深さプロファイル特性が、あるしきい値か
ら外れたときに、ユーザまたは装置に警告を発する任意の警報装置が設けられて
もよい。

【００７１】いくつかの実施例では、決定された深さプロファイルまたは１つ以上の深さプ
ロファイル特性はプロセッサ５０８に与えられ、これは深さプロファイルまたは
１つ以上の深さプロファイル特性を所望の深さプロファイルまたは深さプロファ
イル特性と比較し、もし決定された深さプロファイルまたは深さプロファイル特
性がしきい値量分、外れていれば、プロセッサ５０８はドーピング装置５０４に
命令を与えてドーピングパラメータを変更する。これによってドーパント材料の
適切な深さプロファイルを維持するためのフィードバックループができる。

【００７２】典型的に、ラマン分光法によって深さプロファイルまたは深さプロファイル特
性を決定するには数秒または数分しかかからない。これは、製造ライン５００が
所望のドーパント深さプロファイルからのずれに素早く応答することを可能にす
る。これによって、変化する状況に対してドーパントパラメータを絶えず更新す
るができ、かつまた過剰な数の不適当なまたは欠陥のある装置を生産することな
しに、装置が故障したときにこれを判断する方法を提供する。さらに、ラマン分
光法を用いて深さプロファイルを決定する方法は、完全に非侵襲的であるので、
テストされた半導体装置を処理ライン５００およびその後の処理装置５０６に戻
すことができる。

【００７３】この発明は、上記の特定の例に制限されるものではなく、添付のクレームに公
正に述べられるこの発明のあらゆる局面を含むことが理解される。この発明が適
用可能であろうさまざまな変形、等価の方法および多くの構造は、この明細書を
考察すると、この発明が向けられる当業者には容易に明らかとなる。クレームは
、そのような変形および装置を含むものと意図される。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のＭＯＳトランジスタの断面図である。

【図２】この発明のある実施例による例示の深さプロファイリング装置の
概略図である。

【図３】レイリーおよびラマン散乱のしくみを例示するエネルギレベルの
図である。

【図４】期待されるレイリーおよびラマン散乱線を例示する図である。

【図５】この発明の別の実施例による製造ライン内の例示の深さプロファ
イリング装置の概略図である。

【図６】この発明のある実施例によるドーパント材料の濃度を決定するた
めの例示のプロセスを例示するフローチャートである。

【図７】例示のラマンスペクトル線の図である。

【図８】この発明の別の実施例によるドーパント材料の深さプロファイル
を決定するための例示のプロセスを例示するフローチャートである。

【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書

【提出日】平成１１年１２月１７日（１９９９．１２．１７）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【数１】式中、Ｉは強度特性であり、λは強度特性に対応する照射波長であり、λ′は
ドーパント材料に起因するスペクトル線の波長であり、Ａ（λ，λ′）、Ｂ（λ
）およびＢ（λ′）は照射波長およびスペクトル線波長に依存するプロファイル
定数であり、Ｔは半導体装置の領域の厚さであり、ｋ（λ）は照射波長の領域の
吸収係数であり、ｋ（λ′）はスペクトル線波長の吸収係数であり、ｚは領域の
深さであり、Ｃ（ｚ）は深さプロファイルである、請求項１に記載の方法。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者キャンピオン，アランアメリカ合衆国、78746 テキサス州、オースティン、ウェストレイク・ドライブ、 1887 (72)発明者メイ，チャールズアメリカ合衆国、78739 テキサス州、オースティン、エイムズ・レーン、10503 (72)発明者ホセイン，ティム・ズィアメリカ合衆国、78739 テキサス州、オースティン、サビン・ヒル・レーン、 11117 Ｆターム(参考） 2G043 AA03 CA07 EA03 GA08 GB21 HA07 JA03 JA04 KA02 KA05 KA07 LA01 LA02 LA03 4M106 AA01 BA05 BA20 CB02 DH01 DH24 DH32 DJ18 DJ20

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体装置の領域内のドーパント材料の少なくとも１つの深
さプロファイル特性を決定するための方法であって、散乱光を生成するために１つ以上の照射波長の各々の光で領域を照射するステ
ップと１つ以上の照射波長の各々について、ドーパント材料に起因する少なくとも１
つのスペクトル線に対する散乱光の強度特性を決定するステップと各強度特性および各照射波長を用いてドーパント材料の少なくとも１つの深さ
プロファイル特性を決定するステップとを含む、方法。
【請求項２】少なくとも１つの深さ特性は、ドーパント材料のピーク濃度
の位置、ドーパント材料の分布の幅特性、またはそれらの組合せである、請求項
１に記載の方法。
【請求項３】ドーパント材料の決定された少なくとも１つの深さプロファ
イル特性と決定された濃度とを用いてドーパント材料の深さプロファイルを決定
するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】領域はレーザからの光によって照射される、請求項１に記載
の方法。
【請求項５】領域は可視光によって照射される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】強度特性を決定するステップは、スペクトル線の少なくとも
一部にわたる散乱光の強度を積分するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】半導体装置はシリコンを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】ドーパント材料はホウ素、砒素、リンまたは窒素を含む、請
求項１に記載の方法。
【請求項９】半導体装置は基板を含み、ドーパントを含む半導体装置の領
域は基板の一部を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】半導体装置は基板を含み、ドーパントを含む半導体装置の
領域は基板の少なくとも一部にわたって形成されるドープされた層を含む、請求
項１に記載の方法。
【請求項１１】半導体装置の領域内のドーパント材料の深さプロファイル
を決定するための方法であって、散乱光を生成するために２つ以上の照射波長の各々の光で領域を照射するステ
ップと２つ以上の照射波長の各々について、ドーパント材料に起因する少なくとも１
つのスペクトル線に対する散乱光の強度特性を決定するステップと各強度特性および各照射波長を用いてドーパント材料の深さプロファイルを決
定するステップとを含む、方法。
【請求項１２】深さプロファイルを決定するステップは、各照射波長ごとに、半導体装置と同様の試験半導体装置から光の吸収係数を得
るステップと強度特性、照射波長および吸収係数の各々を用いて深さプロファイルを決定す
るステップとを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】各吸収係数は、半導体装置と同じドーパント材料を備える
同様の半導体装置に対して得られる、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】各吸収係数は楕円偏光法によって決定される、請求項１２
に記載の方法。
【請求項１５】各強度特性と対応する波長との間の関係は、以下の式によ
って定義され、【数１】式中、Ｉは強度特性の特定の１つであり、ｌは特定の強度特性に対応する特定
の照射波長であり、ｌ′はドーパント材料に起因するスペクトル線の波長であり
、Ａ（ｌ，ｌ′）、Ｂ（ｌ）およびＢ（ｌ′）は特定の照射波長およびスペクト
ル線波長に依存するプロファイル定数であり、Ｔは半導体装置の領域の厚さであ
り、ｋ（ｌ）は特定の照射波長の領域の吸収係数であり、ｋ（ｌ′）はスペクト
ル線波長の吸収係数であり、ｚは領域の深さであり、Ｃ（ｚ）は深さプロファイ
ルである、請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】半導体装置の領域内のドーパント材料の深さプロファイル
を決定するための方法であって、２つ以上の照射波長の光で領域を照射するステップと２つ以上の照射波長の各々について、関連付けられたラマンスペクトル線の少
なくとも一部を得るステップと、各ラマンスペクトルごとに、ドーパント材料に起因する１つ以上のスペクトル
線の強度特性を決定するステップと領域内のドーパント材料の深さプロファイルを決定するために各強度特性およ
びそれぞれの照射波長を用いるステップとを含む、方法。
【請求項１７】複数の半導体装置に対する少なくとも１つの深さプロファ
イル特性をライン内で決定するための方法であって、１組のドーパントパラメータを用いて各半導体装置の目標領域をドーパント材
料でドープするステップと半導体装置から少なくとも１つの試験半導体装置を選ぶステップと散乱光を生成するために少なくとも１つの照射波長の光で試験半導体装置の目
標領域を照射するステップと少なくとも１つの照射波長の各々について、ドーパント材料に起因する１つ以
上のスペクトル線に対する散乱光の強度特性を決定するステップと、強度特性および少なくとも１つの照射波長を用いてドーパント材料の少なくと
も１つの深さプロファイル特性を決定するステップとを含む、方法。
【請求項１８】少なくとも１つの深さプロファイル特性は、ドーパント材
料のピーク濃度の位置、ドーパント材料の濃度分布の幅特性、またはそれらの組
合せである、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】前記方法は、半導体装置のその後に製造される１つでの所
望の深さプロファイルを得るために試験半導体装置の深さプロファイルに基づい
てドーパントパラメータを変えるステップをさらに含む、請求項１７に記載の方
法。
【請求項２０】半導体装置の製造のための装置であって、半導体装置の領域をドーパント材料でドープするためのドーピング装置とドープされた半導体装置の１つ以上の目標領域内のドーパント材料の少なくと
も１つの深さプロファイル特性を決定するライン内装置とを含む、装置。
【請求項２１】ライン内装置は、ドーピング装置に信号を与えて、１つ以
上のドープされた半導体装置の少なくとも１つの決定された深さプロファイル特
性に基づいて１組のドーピングパラメータを調整する、請求項２０に記載の装置
。
【請求項２２】ライン内装置はラマン分光計である、請求項２０に記載の
装置。
【請求項２３】ライン内深さプロファイリング装置は、１つ以上の照射波
長の光で目標領域を照射し、かつ１つ以上の照射波長の各々でのドーパント材料
の存在に起因する１つ以上のスペクトル線に対する散乱光の強度特性を測定する
ことによって、１つ以上のドープされた半導体装置の少なくとも１つの深さプロ
ファイル特性を決定する、請求項２０に記載の装置。
【請求項２４】半導体装置内のドーパント材料の深さプロファイルを決定
するための装置であって、２つ以上の照射波長の光を生成することのできる光源と、光源によって照射される半導体装置から散乱される光の強度を測定するための
検出器とを含み、検出器は、各照射波長での１つ以上のスペクトル線に対する光
の強度を測定し、さらに、測定された強度から深さプロファイルを決定するためのプロセッサを含む、装
置。