JP2008533742A - 半導体ウェハ計測の装置および方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、欠陥の検出を向上させる熱処理デバイスおよび方法を組み込む、本明細書中に開示された計測の方法および関連する装置の使用に関する。特に、一局面において、本発明は、格子間欠陥移動の加速が達成され、一方で空乏欠陥を実質的に変更の無いままにするような半導体ウェハの熱的な処理の方法に関する。該方法は、処理時間の間に、処理温度までウェハを加熱するステップと、ウェハを運搬することによって、ウェハの表面が、ヘッドアセンブリの表面光起電力電極に対して実質的に平行になるステップと、１つの波長を有しかつ１つの強度を有する光にウェハの少なくとも一部分を露出するステップと、表面光起電力電極を用いて、変調された光度に応答してウェハの該表面において誘導された光起電力を検出するステップと、ウェハの表面で誘導された光起電力からウェハの電気的特性を計算するステップとを包含する、方法。

Description

本発明は、製造の間の半導体ウェハの試験に関し、特に、集積回路の製造の間の半導体ウェハの、実時間のインラインの試験に関する。

複雑な集積回路（ＩＣ）の製造の過程におけるシリコンウェハに対して、厳格に従われる順序で、数多くの個々の作業、または工程のステップが行われる。そのような作業のそれぞれは、要求される電気的な特性を示す集積回路を生産するような全体的な製造工程を保証するために、正確に制御されなくてはならない。

非常に費用のかかるＩＣ製造の全体工程の完了後にしか、個々の作業の失敗が検出されないことが多い。高度ＩＣ製造の工程の非常に高い費用のために、そのような失敗は、集積回路の製造者にとっては、財務上の手痛い損失となる。従って、製造工程における、エラー発生直後におけるエラーの検出は、誤動作を招くこととなるデバイス製造の無用な継続を防止し得、故に、そのようなエラーから生じる財務上の損失を、実質的に低減し得る。

半導体デバイスの製造における工程監視は、半導体デバイスが製造されるシリコンウェハの、特定の物質的および／または化学的性質に発生する変化についての検査に依存する。これらの変化は、シリコンウェハが受け、かつウェハの電気的特性における変化によって反映される、様々な工程のステップを経て進むことによって起こり得る。従って、ＩＣ製造の過程におけるシリコンウェハの選択された電気的特性を監視することによって、製造工程に渡って、効果的な制御が達成され得る。

部分的に処理されたウェハに行われた測定に基づいてでは、完成した集積回路の全ての電気的特性が、予測され得るわけではない。しかし、ＩＣ製造の過程におけるシリコンウェハ（基板）の表面の状態の調査に基づいて、特性のほとんどは、直接的または間接的に予測され得る。シリコン面の電気的な状態は、ＩＣ製造の間に適用された個々の工程のステップの結果に、非常に影響を受ける。故に、基板面の電気的特性の測定は、個々の工程のステップの結果の監視が達成され得る、効果的なツールとなり得る。

ウェハ面の電気的な特性の決定は、通常はウェハ面との物理的な接触、または固定されたウェハの上への接触しないプローブの配置を必要とする。後者の場合においては、光学的な信号または高電界が、半導体の表面および表面の近くの領域における電子の平衡分布を変えるために用いられる。通常は、平衡からの逸脱の度合いは、半導体の表面領域、表面に近い領域、およびバルクのうちの１つ以上の変化によって励振される。ウェハの全体的な面の、より完全な像を取得するために、表面上の様々な点におけるいくつかの測定が、なされ得る。そのような処置は、「マッピング」として公知であり、測定デバイスが次の位置に移動する前に、それぞれの位置において測定を行う。この処置において、基板は、通常は継続的な動きの中において留まっておらず、その結果として、リアルタイムでのインラインの工程監視におけるそのような方法の使用に対する適用性は、制限される。

部分的に、本発明は、現在利用可能な機器の感度を向上させる、マルチモードの電気光学的な計測システムに関する。改良点は、広範な工程空間に渡る、非接触、リアルタイム、およびインラインでの測定の組み合わせを含む。特に、現存の計測システムに加えられ得る、低温度の熱処理が記述される。この熱処理は、測定が始まる前に、格子間欠陥の移動を速めるが、該工程は、工程技師が関心を有する空乏欠陥は除去しない。

さらに、低温での熱処理は、複数のウェハに適用されるときには、特別な利点を有する。熱の照射のために、各ウェハにおける格子間欠陥は、おおよそ同一のレベルまで安定化される。熱処理の適用は、各ウェハが、格子間の変化のせいで非対称の個々の容量性の測定値を示すことを防止する。従って、開示された低温技術をウェハの群に用いることによって、個々の測定値の相関的な比較が可能になる。加熱の工程から生じる、標準化された格子間欠陥のベースラインに依存して、この比較は実行可能である。

本明細書中に開示の全般的な計測の技術は、様々な波長を有するオーバーバンドギャップ光（ｏｖｅｒ−ｂａｎｄ−ｇａｐ−ｌｉｇｈｔ）の吸収から生成される、変調されたフォトキャリアの容量性の測定に依存し、デバイス製造の工程の異なる段階で、（３００ｍｍの直径までの）シリコンウェハと相互作用する。従って、本明細書中に開示された装置および技術は、エピタキシャル層のドーピング、イオン注入、急速熱処理（ＲＴＰ）および微量金属の異物監視に適用可能であり、それらに限定されない。

高周波数のチョップされた光と単一の結晶シリコンとの相互作用は、表面電位の変調を介して論理的に処理されてきた。低レベルの強力な光は、半導体の電気的または光学的な性質を変えることなく、電子穴を介して表面電位を僅かに変化させる。表面電位が、電荷キャリアの表面を激滅させるのに十分な場合には、ドーピング密度の正確な計算が、一律のドーピングプロファイルのために作られ得る。結晶の深さ（磨かれた裏面を含む）を通じて他の物理的な状態に関連した電荷電位は、フォトキャリアのドリフトおよび拡散を介して変化し得、次いで測定可能な表面電位の変調を引き起こす。動的なフォトキャリアの平衡は、通常は安定した状態まで低減され、同等な電気回路で容易に分析され得、静電容量および導電率を、半導体の物理的な量、例えばドーピング密度、キャリア寿命および欠陥密度に関連させるために用いられ得る。

本発明の第１の局面は、イオン注入された半導体ウェハの欠陥を測定する方法に関する。該方法は、処理時間の間に、処理温度まで該ウェハを加熱するステップと、該ウェハを運搬することによって、該ウェハの表面が、ヘッドアセンブリの表面光起電力電極に対して実質的に平行になるステップと、１つの波長と１つの強度を有する光に該ウェハの少なくとも一部を露出するステップと、該表面光起電力電極を用いて、変調された光度に応答して該ウェハの該表面で誘導された光起電力を検出するステップと、該ウェハの該表面で誘導された該光起電力から該ウェハの電気的特性を計算するステップとを含む。第１の局面のバリエーションにおいて、以下のステップも、つまりは１つの周波数での光度を変調するステップと、フッ化水素をウェハに適用するステップと、ウェハにコロナまたは薬品を適用することによって達成され得る、ウェハの表面に逆転層を誘電するステップと、基準と照らし合わせて電気的特性を比較するステップとが、含まれ得る。第１の局面における１つ以上のステップは、繰り返され得る。加えて、光度変調周波数は、０．１〜１００ｋＨｚで変化し得、電気的特性は、正味のキャリア濃度を含み得、特定の式によって決定され得る。

第２の局面において、イオン注入された半導体ウェハにおける欠陥を測定するための装置が、提供される。該装置は、格子間欠陥移動が安定するように特定の時間の間に特定の温度まで各ウェハを加熱するように適合された加熱素子と、表面光起電力電極を備えているヘッドアセンブリと、半導体処理の間に、該ウェハの表面が、該ヘッドアセンブリの該表面光起電力電極と実質的に平行になるように該ウェハを運搬するためのコンベヤーと、１つの波長を有しかつ１つの強度を有する光を生成する光源であって、該光源は、複数の周波数で変調される、光源と、該表面光起電力を用いて、該光に応答して該ウェハの表面で誘導された光起電力を検出する検出器と、該ウェハの表面で誘導された起電力から、該ウェハの電気的特性を計算するための該検出器と電気的に通信するプロセッサとを含む。第２の局面のバリエーションにおいて、該装置は、さらに以下のアイテム、つまりはウェハ上の酸化物層を成長させるための、急速熱炉などの育成器と、ウェハにフッ化水素洗浄を適用するための洗浄器と、コロナとを備え得る。加えて、ウェハの電気的特性を計算するプロセッサは、少なくとも基準と照らし合わせて電気的特性を比較することによって計算を行い得、電気的特性は、特定の式によって決定される正味のキャリア濃度であり得る。

第３の局面において、半導体の工程の間に、イオン注入された半導体ウェハの損傷を測定する方法が、提供される。該方法は、該半導体ウェハ上に酸化物層を成長させるステップと、該ウェハ上にイオン注入を行うステップであって、Ｔ_１およびＰ_１の選択が、実質的に格子間欠陥移動を安定化させるように、時間Ｐ_１の間に温度Ｔ_１まで該ウェハを加熱する、ステップと、該半導体処理の間に、該ウェハの表面が、ヘッドアセンブリの表面光起電力電極に実質的に平行になるように、該ウェハを運搬するステップと、１つの波長と１つの強度を有する光に該ウェハの少なくとも一部を露出し、光度は、１つの周波数で変調されるステップと、表面光起電力を用いて、変調された該光に応答して該ウェハの表面で誘導された光起電力を検出するステップと、該ウェハの該表面で誘導された該光起電力から該ウェハの電気的特性を計算するステップと、複数の光度変調周波数のためにステップｄ〜ｆを繰り返すステップとを含む。第３の局面のバリエーションにおいて、電気的特性は、正味のキャリア濃度を含み得、これは、特定の式によって決定され得る。

本発明はまた、半導体の工程の間に、イオン注入された半導体ウェハに対する損傷を測定する装置に関する。一実施形態において、該装置は、表面光起電力電極を含むヘッドアセンブリと、半導体処理の間に、ウェハの表面が、ヘッドアセンブリの表面光起電力電極と実質的に平行になるようにウェハを運搬するためのコンベヤーと、１つの波長と１つの強度を有する光を生成する光源とを含む。光の強さは、１つの周波数で変調され、変調周波数は変えられる。該装置はまた、光の変調周波数の変化に応答してウェハの表面で誘導された光起電力を検出する検出器と、光度変調周波数のそれぞれにおいて、ウェハの表面で誘導された起電力から、ウェハの電気的特性を計算するための検出器と電気的に通信するプロセッサとを含む。ウェハの温度を変調させるための熱源もまた、本明細書中に提供された教示に従って、含まれ得る。

本発明は、特に添付の特許請求の範囲において明らかにされる。本発明の上記およびさらなる利点は、添付の図面と関連した以下の記述を参照することによって、より良好に理解され得る。

本発明の実施形態は、以下の詳細な説明によって、より完全に理解され、図面と関連させながら読まれるべきである。この記述において、同じ数字は、本発明の様々な実施形態内の同様の素子を指す。この詳細な説明において、主張される発明は、実施形態に関して説明される。しかし、本明細書中に記述された実施形態が、単に例示的であり、本発明の精神および範囲から逸脱することなく変更がなされ得ることを、当業者は、容易に認識する。

半導体処理に関連した高額の費用を考慮すると、ウェハの処理の前およびその間に、欠陥のあるウェハを除去するのに役立つ技術およびデバイスは、価値が高い。特に、ウェハの電気的な特性を介して非破壊的に欠陥品を検出する能力は、価値があり、これは、そのようなアプローチが、現存する製造システムに容易に一体化されるからである。

本明細書中に開示される装置および技術は、個々のウェハのレベルにおいて、半導体の欠陥品の検出に対する非破壊的なアプローチを用いる。本発明の一局面は、ウェハの熱処理を用いるが、これは、特定の階級の欠陥品に対しての制御を行うためである。しかし、この特定の熱処理の改良を考慮するに先立ち、容量測定の例示的な形式を支持する、関連した仮定および関係の概要を調べることが有用である。

様々な電気的特性評価を行うのに適当な一装置は、米国特許第４，５４４，８８７号に開示された、表面光起電力（ＳＰＶ）と称する、半導体材料の表面で光誘導性の電圧を測定する方法を用いる。この方法において、光線が、半導体材料の試験片における表面の区域に向けられ、表面における電位の光誘導性の変化が、測定される。照明する光線の波長は、試験されている半導体材料のエネルギーギャップに対応する光の波長よりも短くなるように選択される。光線の強度は、変調されるが、光の強度と変調の周波数の両方は、誘導された光起電力の結果として生じるＡＣ成分が、光の強度に正比例し、かつ変調の周波数に逆比例するように選択される。

これらの状況の下に測定されたときには、表面光起電力（ＳＰＶ）のＡＣ成分は、δＶ_ｓで示され、半導体の空間電荷の静電容量、Ｃ_ｓｃの逆数に比例する。試験片の表面が一律に照明されるときには、表面光起電力（ＳＰＶ）と空間電荷の静電容量との関係は、光の変調の十分に高い周波数において、

の関係によって与えられる。ここでは、φは、入射の光子束であり、Ｒは、半導体の試験片の反射係数であり、ｆは、光が変調される周波数であり、ｑは、電気素量である。定数Ｋは、光の強度の方形波変調に対しては４に等しく、正弦波変調に対しては２πに等しい。

上に参照された特許において、センサーの面積は、少なくとも半導体ウェハと同一の大きさであり、試験片の全面積は、一律に照明される、一律の構成のみが考慮される。半導体の試験片面の一部分のみがセンサーと結合される場合、すなわちセンサーがウェハよりも小さく、その区域で一律に照明される半導体面がセンサーと結合される場合には、表面起電力、δＶ_ｓは、測定された信号、δＶ_ｍから次の関数に従って決定され得る。

ここで、Ｒｅ（δＶ_ｓ）およびＩｍ（δＶ_ｓ）は、電圧の実数および虚数の成分であり、ωは、光の変調の角周波数であり、Ｃ_ｐは、センサーとウェハとの間の静電容量であり、Ｃ_ＬおよびＲ_Ｌは、それぞれが電気的検出システムの入力静電容量および入力抵抗である。

虚数の成分の符号から、導電率の種類が決定され得る。測定が、ｐ型の材料に対して較正された場合には、虚数の成分の符号は、材料がｎ型の場合には変化する。

上の関係を用いて、空乏層の幅Ｗ_ｄは、以下の等式によって与えられる。

ここで、φ（１−Ｒ）は、半導体に吸収された光の強度であり、ｑは、電気素量であり、ε_ｓは、半導体の誘電率である。

空間電荷の静電容量Ｃ_ｓｃに加えて、表面光起電力の測定は、以下の関係を用いて、表面電荷密度Ｑ_ｓｓ、ドーピング濃度Ｎ_ｓｃ、および表面再結合寿命τである。空間電荷の静電容量Ｃ_ｓｃは、以下の関係に従って、半導体の空乏層の幅Ｗ_ｄの逆数に比例する。

ここで、ε_ｓは、半導体の誘電率である。空間電荷の密度Ｑ_ｓｃは、次いで以下の等式によって記述される。

ここで、ｑは、電気素量であり、空間電荷領域における正味のドーピング濃度Ｎ_ｓｃ、は、ｎ型の材料で正であり、ｐ型の材料で負である。加えて、表面の電荷密度Ｑ_ｓｃは、

の式によって与えられるので、表面電荷密度は、空間電荷密度から容易に決定される。

さらに、ウェハの表面に逆転層が作成され得た場合には、逆転状況の下の空乏層の幅Ｗ_ｄは、正味のドーピング濃度Ｎ_ｓｃに関連しており、以下の関係に従っている。

ここで、ｋＴは、熱エネルギーであり、ｎ_ｉは、半導体の中の自由キャリアの真性濃度である。半導体面におけるそのような逆転層を形成するいくつかの方法が、以下に開示される。

加えて、表面再結合率もまた、ＳＰＶから決定され得る。表面τにおける少数キャリアの再結合寿命は、以下の式によって与えられ得る。

一般に、ＡＣ光起電力信号は、以下のように表され得る。

ここで、Ｉ_ｅｈは、正孔の生成率であり、ＧおよびＣは、システムの全導電率および静電容量であり、ωは、光の変調周波数であり、τ_ｓは、近接面の領域におけるキャリアの寿命である。正孔の生成率は、以下の式によって与えられる。

ここで、Φは、光子束であり、Ｒおよびαは、反射係数および吸収係数であり、Ｌは、キャリアの拡散距離であり、Ｗ_ｄは、空乏層の幅である。高欠陥密度の状況である、
αＷ_ｄ＜＜１およびαＬ＜＜１は、

となる。

拡散距離の

において、Ｄは、拡散係数であり、Ｎ_Ｄは、欠陥／再結合のセンターの数であり、ｆ（Ｅ）は、電荷キャリアの関数であり、ｆ（Ｅ）は、一般のエネルギー散乱メカニズムに依存し、ｍは、電荷キャリアの有効質量であり、ｋは、ボルツマン定数である。

最後の２つの式を組み合わせると、

となり、

は、有効欠陥密度を表す。

最後に、イオン注入されたシリコンウェハの場合には、特に注入される状態において、キャリアの寿命は、注入損傷に逆比例することが分る。非常に低い照射量が注入された場合において、自由キャリア濃度は、低減される。大量の照射量の注入の適用で、増加した結晶の損傷は、自由キャリア濃度ではなくフォトキャリアの寿命によって支配された光起電力を与える。一部の場合において、キャリアの寿命は、測定されたＳＰＶ信号における支配的な要素である。ウェハがアニールされた後に、代入されるサイト注入された（ｓｉｔｅ ｉｍｐｌａｎｔｅｄ）ドーパントは、ＳＰＶから導かれる正味のキャリア濃度Ｎ_ｓｃ、に寄与する。注入されるｐ型またはｎ型のウェハに対して、電荷された欠陥密度は、注入照射量／注入エネルギーの基準である。注入された／アニールされたシリコンウェハに対して、測定された量は、ドーピング濃度を与え、注入された照射量／エネルギーと直接的に相互に関係する。

上に紹介された概観は、半導体ウェハ検出分析に対する１つのアプローチを記述する。当該分野に公知の他の方法および関係は、所定の半導体ウェハの中の欠陥品を検出するために用いられ得る。特定の装置および方法を記述する追加的な詳細は、以下にさらに具体的に記述される。しかし、包括的な装置およびデバイスの実施形態の記述に先立って、本明細書中に開示の本発明の全ての局面において組み込まれ得る熱処置の処理を紹介するのが有益である。

半導体製造の工程、例えばイオン注入は、高レベルの結晶欠陥を導き、この結晶欠陥はフォト生成された正孔の組に対して再結合センターとして機能する。この欠陥密度は、フォトキャリア寿命を減少させることによって表面光起電力に影響を及ぼす。欠陥の数および種類が、注入された半導体材料で作られた電子デバイスの機能性を制限するので、製造業者は、様々な欠陥の検出に関心がある。

単一の結晶性シリコンの注入は、複数種の放射性の欠陥を生み出す。それらの一部は、室温で安定しており、それらの除去には高温アニーリング（５００〜１０００℃）が要求される。室温での最も安定した欠陥の種類は、二重空位（ｄｉ−ｖａｃａｎｃｙ）、すなわち２つの最も近くに隣接する空位から成る複合体である。これらの欠陥に加えて他のいくつかの種類の安定した空位ベースの複合体の分布は、「注入シグネチャ（ｉｍｐｌａｎｔ ｓｉｇｎａｔｕｒｅ）」として考えられ得、インプランター均一性性能を監視するために用いられ得る。

室温における単一結晶シリコンに存在する他の注入後の欠陥は、不安定である。注入後の欠陥は、例えばウェハ表面などの、安定化または消滅する「シンク（ｓｉｎｋ）」に到達するまで、移動し、構成および分布を変化させ得る。これらの欠陥の存在は、注入されたシリコンウェハの測定に関するあらゆる損傷を、室温で不安定なものにする。これらの種類の欠陥のほとんどが、２００℃より下の温度でアニールされ得る。室温で最も一般的な不安定な欠陥は、単一および二重の自己格子間（二重格子間）、およびドーピング不純物を有するそれらの複合体である。単一の自己格子間は、おおよそ室温でアニールされることを示す証拠がいくつかある。シリコンの二重格子間は、室温で、単一の格子間とほとんど同じくらいの移動性を有し、約１７０℃でアニールされる。２つの主だった格子間不純物の複合体である、正に充電されたＳｉ−Ｐ６および中性のＳｉ−Ａ５は、それぞれ１２０℃および１６０℃でアニールされる。第１の欠陥複合体は、通常はホウ素注入と関連付けられ、第２の欠陥複合体は、リンと関連付けられる。

熱処理のパラメータ、例えば注入されたウェハを安定させるのに要求される温度および時間は、特定の注入の状況に依存し、これには、注入の種、照射量およびエネルギー、ならびに注入温度を含む。加熱／アニーリングによる温度は、所定の欠陥および欠陥の複合体の移動に対する作動エネルギーの関数である。従って、注入の種の型が、これらの複合体の型を決定するのである。アニーリングの時間は、欠陥作動エネルギーおよびオン欠陥密度の両方に依存し、故に、それは、上記全ての注入状況の関数であり、注入照射量が主だった要素である。加熱時間が注入の種に依存することは、明白である。イオンが大きいほど、イオン毎の弾性散乱イベントの数がより多くなり、かつ置換された原子の総数もより多くなる。注入エネルギーの効果は、小さくなるが、それでも１つの要素である。一部のエネルギー値まで、弾性散乱は、成長し、支配する。この閾値エネルギーを越えると、非弾性の散乱が普及し、欠陥の数に大きな成長はない。

図１Ａは、３つの異なる注入の種の減衰の調査を示す。移動性を有する欠陥移動を分析するために、一次レート方程式、

を書くことができ、ここでは、ｎは、１つの型の欠陥の濃度であり、Ｅ_Ａは、これらの欠点の移動の作動エネルギーであり、Ｔは、温度であり、Ａは、前指数の周波数要素である。式を統合させ、ｔ／ｔ_０＞＞１とすると、

が得られる。この公式に測定データを適合させると、異なる注入の種に対する作動エネルギー特性が、計算される。格子間移動によるエラーは、熱の前処置によって制御され得る。

２つのタイプの結晶欠陥は、半導体の計測者にとって特に興味のあるものであり、それらは、空位欠陥および格子間欠陥である。空位欠陥は、占有されるべき結晶格子の位置のうちの１つから原子を欠いている場合に発生する。対照的に、原子が、結晶内の非格子の位置に追放された場合に、格子間欠陥が起こる。

注入関連の格子間は、室温では安定していない。結果的に、熱による測定前の処置が、開発された。半導体材料を規定の時間である期間Ｐ_１の間、規定の温度Ｔ_１で加熱することは、反応する原子をウェハ表面に沿って「シンクス（ｓｉｎｋｓ）」まで速めることによって、格子間を安定させる。この前もっての処置は、新たに注入されたウェハの不安定性を除去し、正確で反復可能な測定が収集されることを可能にする。

出願者は、半導体の欠陥の計測に関連して、低温の熱による測定前の処置は、空位をアニールすることなく、格子間欠陥の移動を速めることを発見した。格子間欠陥は、関心のある主だった注入の作用であるので、この発見は、半導体産業において重要である。

従って、本発明の一局面は、半導体の光起電力測定を開始する前に、格子間移動を安定させるために一定時間に熱を加えることに関する。この概略的な考えは、現存する半導体の計測の技術を用いて使用され得る。一実施形態において、処置の工程のための加熱時間Ｐ_１は、約３分〜約１５分の範囲であり得る。同様に、表面光起電力測定に先立った半導体ウェハまたはウェハ部分の加熱のための温度範囲Ｔ_１は、約７０℃〜約１８０℃の範囲である。しかし、追加的な加熱時間および加熱温度は、本発明の一般的な範囲内にある実験を過度に行うことなく決定され得る。熱の前処置の工程の一部として、ウェハの実質的に一律な加熱を維持することも望ましい。従って、一実施形態において、ウェハの表面温度の変動は、約２％またはそれ以下が望ましい。

加えて、様々な加熱素子、例えばホットゾーン、対流加熱器、ＲＯＳＴ、オーブン、ホットプレート、ファブステーション（ｆａｂ ｓｔａｔｉｏｎ）、および熱エネルギーの他のソースが、制限なく、測定に先立ってウェハを加熱するために用いられ得る。一実施形態において、加熱ステーションは、半導体製造または計測の便宜上、インラインの測定システムに組み入れられる。別の実施形態において、局所的な加熱が、レーザーまたは集束光学デバイスを用いて行われる。局所的な加熱の実施形態は、部分的にウェハが加熱されることを可能にする。次いで、局所的な区域を測定することによって、本発明の熱処置の方法は、ウェハを全体的に加熱することなく用いられ得る。

さらに、ウェハのセットに対して熱の前処理の工程を一貫して行うことによって、欠陥の変動が、異なるウェハの間で制御され得る。これは、加熱の工程が、各ウェハにおける格子間移動のレベルを一律に安定させるために起こる。結果的に、他の欠陥の作用、すなわち、空位のみが、最終的な測定に影響を及ぼす。熱の前処理の利点の例が、図１Ａと図１Ｂとを比較することによって理解され得る。

図１Ｂは、最近注入されたウェハに対する特性減衰および数日間に渡る結果として生じる定常状態を示す。動的な電荷が日付ごとに記入されている。図１Ｂにおいて示される減衰レベルは、格子間移動の漸進的な変化を示す。そういうことで、図１Ｂにおける結果は、開示された熱の前処理を用いない、通常の減衰を示す。

対照的に、図１Ｃは、図１Ｂと同一の尺度で記入されているが、非常に異なった結果を示している。図１Ｃは、各測定の前に１５０℃の熱の前処理を行った、半導体ウェハの毎日の繰り返し性の測定値を図示する図を示す。開示された方法の利点は、標準偏差０．２％によって実質的にゼロの減衰が示されているので、明らかである。

本明細書中に開示の低温の加熱処理は、高温アニーリングとは関連していない。高温アニーリングは、本明細書中に開示の範囲よりも数倍高い温度で行われる。さらに、開示された前処理の方法は、格子間移動を安定させるために用いられるのに対して、高温アニールは、結晶格子を再構築するため、および欠陥を除去するか、またはドーパントの位置を変えるために用いられる。従って、設計された低温のアプローチは、ウェハの測定を向上させるが、高温アニーリングは、半導体結晶を永久的に変化させるためにのみ用いられる。そのようなものとして、高温アニーリングは、イオン注入に続く欠陥測定の段階では、用いられ得ない。

異なる種が、異なる減衰速度を示し、故に異なるエネルギーを示した。最大の性能が取得されたのは、以下のパラメータ、つまりは、基板のタイプ：酸化物で厚さ３０Ａ、低照射量の熱の前処理に対するコロナの適用、注入チャック温度、ビーム電流、および傾斜角度が、制御されたときである。これらのパラメータの制御は、３シグマの制御限界に対して、注入工程の制御を１％またはそれ以上にすることを可能にした。

異なる種が、異なる減衰速度を示し、故に異なる活性化エネルギーを示した。これは、次いで、用いられた実際の前測定の安定温度に影響を及ぼした。概ね、約１５０℃のより高温が、より高い損傷の注入に対して用いられ、約１３０℃の温度が、より低い損傷の注入に用いられる。非常に深い注入は、約１８０℃のより高温を要求する。本明細書中に開示の測定技術は、反復が可能であるので、代替的なアプローチは、一次レートの式を用いて減衰を正確にモデル化し、ソフトウェアのアルゴリズムを介して測定を補正することである。

簡潔な概観において、図１Ｄを参照すると、誘導された表面光起電力を用いる製造の間の、半導体の実時間に対するインラインの電気特性の、そのような装置１０の実施形態は、センサーヘッドアセンブリ１４、サポート電子機器１８、およびウェハ運搬デバイス２２を含む。動作において、ウェハ運搬デバイス２２、例えばコンベヤーベルト、ロボットアーム、ウェハチャックまたは同様なデバイスは、ウェハ２８および２８’を、製造工程を通して移動させ、一実施形態において、センサーヘッドアセンブリ１４の下に移動させる。

図２を参照すると、センサーヘッドアセンブリ１４は、電動ステージ４０上のブラケット３６に取り付けられたプローブヘッド３２を含む。電動ステージ４０は、プローブヘッド３２を垂直方向（矢印ｚ）に移動させ、ウェハ２８に関して０．２μｍ内の精度でプローブヘッド３２の垂直位置を調整する。機械的なステージ４０は、プローブアーム４４に装着される。

プローブヘッド３２の長手軸Ｌ−Ｌ’は、プローブアーム４４の傾きを手動（セットスクリュー４６を用いて）または機械的（例えば、圧電アクチュエータ４８を用いて）に、ウェハ２８の面に直交するように調整され得る。ウェハ２８に関するプローブヘッド３２の垂直位置は、以下に詳細に記述される容量位置感知電極からのフィードバック信号によって制御される。

簡潔には、３つの容量位置感知電極は、センサーの周囲に位置する。これらの電極のそれぞれとウェハとの間の静電容量を測定するために、７０ｋＨｚで１Ｖの信号が、これらの電極のそれぞれに接続された、それぞれの１０キロオームの抵抗器を介して印加される。これらの抵抗器を通って流れるＡＣ電流は、前置増幅器およびロックイン増幅器を用いて測定される。ロックイン信号は、コンピュータによってさらに処理され、運動制御基板に供給され、該運動制御基板は、次いで垂直（ｚ軸）電動ステージを用いてウェハ面から所定の距離にプローブを配置する。

図３を参照すると、プローブヘッド３２は、センサー取付アセンブリ５０を含み、該センサー取付アセンブリは、複数の柔軟なコネクタ６０によって前置増幅器基板５８に接続されたセンサー５４に対する支持を提供する。発光ダイオード（ＬＥＤ）６４によって発光された光は、ビームスプリッタ７２を通過する前に、レンズ６８によって平行にされる。

ＬＥＤ６４は、ＬＥＤドライバ基板７４上に取り付けられ、該ＬＥＤドライバ基板は、コンピュータ１６０によって決定された強度レベルで、参照フォトダイオード７８（前置増幅器７９を介して）からの信号に応答して、ＬＥＤ６４の強度を制御する。ＬＥＤ６４からの光は、ビームスプリッタ７２によって部分的に反射されることによって、参照フォトダイオード７８に到達する。ビームスプリッタ７２を通過する光は、センサー取付アセンブリ５０の通過および試験中のウェハ２８上への衝突に先立って、回路基板８６における開口部８０および８２と前置増幅器基板５８とをそれぞれ通過する。

ウェハ２８によって反射された光は、ビームスプリッタ７２によって測定フォトダイオード９２に反射される前に、直前に記述されたように光路にそって戻っていく。ウェハ２８によって反射された光Φ_Ｒは、プローブヘッド３２の下を通過するウェハのエッジを検出し、測定をトリガするように用いられる。反射光はまた、次の関係に従って、ウェハ２８に吸収された光を測定するために用いられる。

上式では、Φ_０は、入射光であり、ウェハ２８を交替するアルミニウムミラーから反射される光を測定することによって決定され得る。このようにして、ウェハ２８の反射係数は、決定され得る。上の実施形態は、ビームスプリッタによる光の分割を記述するが、光ファイバーを用いて光が分割される他の実施形態が、可能である。

図１を再び参照すると、ＬＥＤ６４は、支持電極１８からの信号によって制御され、プローブヘッド３２は、該支持電極に信号を戻す。支持電極１８は、オシレータ１００を含み、該オシレータは、ＬＥＤ６２によって参照信号として用いられる４０ｋＨｚの変調制御信号１０４を供給し、ＬＥＤ６４を動かすＬＥＤドライバ６３を制御する。オシレータ１００はまた、ロックイン増幅器１１２に参照信号１０８を提供する。プローブヘッド３２の表面光起電力センサーおよび測定フォトダイオード９２からの（前置増幅器９３を通る）出力信号１１６は、マルチプレクサ１２０への入力信号であり、該マルチプレクサは、それぞれの信号を交互にロックイン増幅器１１２の入力に接続する。ロックイン増幅器１１２は、入力信号を復調し、復調された信号を別のマルチプレクサ１５０に供給する。マルチプレクサ１５０は、ロックイン増幅器１１２および１４０からの２つの入力信号の間で切り替わり、該増幅器をデータ収集（ＤＡＱ）基板１５６に接続する。該データ収集基板１５６は、次いで入力信号をデジタル化し、コンピュータ１６０におけるさらなる処理で利用可能なようにする。代替的な実施形態において、マルチプレクサ１５０は、データ収集基板１５６の一部である。

図４は、センサーヘッド３２のセンサープレートを示す、底面斜視図である。複数の電極が、固定式の絶縁基板２００上に形成される。一実施形態において、直径１０ｍｍの融合された水晶ディスクが用いられる。中央表面光起電力電極２０４は、ウェハ２８からの信号を検出する。中央表面光起電力電極２０４は、部分的に透過的であり、故に、ＬＥＤまたはレーザー６４からの光をウェハ２８に到達させることを可能にする。基板周辺に位置する他の３つの電極２０８は、ウェハ２８の上のセンサーヘッド３２の位置を感知するため、かつウェハ２８の表面に関するセンサーの平行度を測定するための両方に用いられる。全ての電極２０４および２０８は、シャドーマスクを介するインジウムスズ酸化物フィルムの沈着によって形成される。

同様に、複数の電極２１２は、柔軟なコネクタ６０を介してセンサーを前置増幅器回路基板５８に接続するのだが、電極２０４および２０８に対向する基板２００の表面に形成される。基板２００の側壁にある薄い導電性電極２１８もまた、第１の表面上の電極２０４および２０８を第２の表面上のそれぞれの電極２１２に接続するが、シャドーマスクを用いて沈着される。この沈着は、基板を介するバイア（ｖｉａｓ）の使用を避け、これによって０．２μｍよりも良好なセンサーの平坦度を保持する。前面電極２０４および２０８と側面電極２１８との両方は、センサーの平坦度を維持するためにスピニングによって形成された、ポリイミドのような薄い絶縁コーティングによって保護され得る。

電極２０８は、ウェハ２８の上のセンサーの位置を容量的に感知するために用いられる。図１を再び参照すると、ウェハ２８からの距離を測定するための７０ｋＨｚの入力信号１２４は、オシレータ１２８によって位置電極２０８に供給される。同一の信号は、ロックイン増幅器１４０に対する参照信号１３２としても供給される。３つの位置感知電極２０８のそれぞれからの位置信号１４６は、入力信号として前置増幅器１４９を介してマルチプレクサ１４８に供給される。マルチプレクサ１４８は、次いでこれらの信号のそれぞれの間を切り替わりながら、それぞれを代わるがわるにロックイン増幅器１４０に接続する。ロックイン増幅器１１２および１４０からの復調された出力信号は、マルチプレクサ１５０への入力信号であり、該マルチプレクサは、ＣＰＵ１６４を含むコンピュータ１６０の中に配置されたデータ収集基板１５６に、交互に各信号を接続する。その上に、代替的実施形態において、マルチプレクサ１５０は、データ収集基板１５６の一部である。

位置信号１４６は、ＣＰＵ１６４によって、センサー５４とウェハ２８との間の（較正によって確立されコンピュータに格納された）所望の距離に対応する参照値と比較される。これら２つの値の差は、所望の値からのセンサー−ウェハ間の距離の偏差に相当し、電動ステージ４０を用いてウェハ２８からの所定の距離でプローブヘッド３２を配置する、運動制御基板１７０に供給される。

動作において、継続的に動いているウェハ２８のエッジが、ＬＥＤまたはレーザー６４からの強度変調光のビームを横切るときに、反射光の強度が増し、これによってフォトダイオード９２からの信号を増加させる。この反射光の測定は、反復され、新たな値は、以前の値と比較される。一連の値の差が減少して５％より下になり、全体的な光のビームがウェハの平坦部分内であることを示すまで、光度の測定は反復される。

この偏差の減少は、表面光起電力電極２０４によるＳＰＶ信号の収集をトリガし、位置電極２０８による静電容量信号の収集へと続く。異なる電極（２０８）からの静電容量信号が、５％より大きく異なる場合には、ＳＰＶ信号は、格納されるが、再計算はされない。全ての測定のシーケンスが反復され、最終的には、異なる位置電極（２０８）からの静電容量が、電極がウェハ２８のエッジの近くにはないということを示す５％の限界内になる。この時点での３つの位置決め電極２０８からの静電容量の平均は、ＳＰＶ信号の以前の全ての信号を再び計算するために用いられる。

ＳＰＶ測定のサイクルは、反復され、光度、ＳＰＶ信号および位置電極の静電容量を連続して測定し、最終的には、３つの位置決め電極（２０８）からの静電容量が、５％より大きく異なるようになり、ウェハ２８の反対側のエッジの接近を示す。この地点にウェハ２８が到達した後に、ＳＰＶ測定が、以前に測定された静電容量の値を用いてなされる。各サイクルにおけるそれぞれの値（反射光、ＳＰＶ信号、静電容量）の測定は、１０ｍｓｅｃの間に反復され、ＣＰＵ１６４によって平均される。

一実施形態において、ウェハ２８は、絶縁材料でコートされ、接地されたチャック（コンベヤーベルト、ロボットアーム、または他の同様なデバイス）１７８上に置かれ、該チャックは、ウェハ２８を下、上などに運ぶように用いられ、その結果としてプローブヘッド３２のセンサーの表面とウェハの表面とが平行になる。あるいは、運搬デバイスは、ＤＣ電圧によって偏向され得る。一実施形態において、ＤＣ偏向電圧は、−１０００〜１０００ボルトの間になるように選択される。図１Ｄは、ウェハ２８をプローブアセンブリ１４の下に動かすための、接地および絶縁されたチャック２２の使用を例示するが、チャックを接地せず、センサー５４によって提供された電極のみを用いて全ての必要な測定を提供することが、可能である。図５を参照すると、ＳＰＶ信号は、以前に記述されたように、前置増幅器の回路基板５８に位置する演算増幅器２５０の入力端子に接続された、中央表面光起電力電極２０４によって受け取られる。演算増幅器２５０の他の入力端子は、グランドおよび１つ以上の抵抗器を介して演算増幅器２５０の他の出力端子に接続されている。チャックによって供給され、以前にバック静電容量性接触であったものは、ここではセンサー周辺に位置する３つの位置決め電極２０８によって提供され、ＳＰＶ測定の間は、前置増幅器の回路基板５８に位置する静電容量（電流測定）前置増幅器の入力端子ではなく、グランド２５２に接続される。

静電容量を測定するために、電極２０８は、グランド２５２と前置増幅器の回路基板５８上に位置する静電容量前置増幅器の入力との間を交互に切り替えられる。この配列は、あらゆるタイプのウェハ支持物との非接触測定を可能にする。従って、ウェハ支持物は、接地される必要がなく、絶縁材料から作られ得る。

上に論じられたように、表面ドーピング濃度の測定は、ウェハ面における逆転層の形成を必要とする。一実施形態において、コロナ発電機を用いてウェハ２８を充電し、表面光起電力測定をウェハ２８上で実質的に行うことによって、これは達成される。特に、ウェハ２８は、コロナ発電機で第１に逆転層に充電される。ｎ型のウェハは、負の表面電荷を要求し、ｐ型のウェハは、正の表面電荷を要求する。一実施形態において、コロナ発電機は、単一の金属先端部、例えばタングステンを含み、ウェハ２８の５ｍｍ上に位置し、２〜３秒の間に３．５ｋＶに偏向される。充電の後に、ウェハ２８は、プローブアセンブリ１４の下に動かされ、測定が行われる。測定の後に、ウェハ２８は、中性電荷のコロナ発電機の下に動かされるか、または中性の放電モードにおいて動作する元来のコロナ発電機に戻されるが、これは、ウェハを放電するためである。

金属先端部またはワイヤを有する単純なコロナ発電機は、ウェハ面の制御された充電を可能としない。充電の制御は、重要であるが、それは、ウェハ２８面における逆転層を誘導するための最低の電荷が要求されている一方で、過充電は、ウェハ面を損傷し得、さらにウェハ面に形成された絶縁コーティングの電気的破壊を引き起こし得る。ウェハ２８を過充電させることを避けるために、図６Ａおよび図６Ｂに開示された、閉ループ制御コロナ充電配列（ｃｌｏｓｅｄ ｌｏｏｐ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｃｏｒｏｎａ ｃｈａｒｇｉｎｇ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）は、ウェハの表面に沈着した電荷を制御し、それによって表面の損傷を防止する。

図６Ａを参照すると、接地され、絶縁されたチャック２２上のウェハ２８は、ウェハ２８の約１０ｍｍ上に位置するイオン化されたエアソース２６０の下に動かされる。メッシュでステンレス鋼の参照電極２６４は、ウェハ２８から約０．５ｍｍから１ｍｍの距離に置かれる。参照電極２６４の電位Ｖ_ｅｌとユーザー定義およびコンピュータ生成の参照電圧２６８Ｖ_ｒｅｆとの差Ｖ_ｄｉｆｆは差動電圧と呼ばれ、増幅され、その極性は、コロナ制御モジュール２７０内で逆転される。この電圧Ｖ_ｃｏｒｒは、イオン化されたエアソース２６０に印加される。従って、コロナ制御モジュール２７０によってイオン化されたエアソース２６０に印加される電位の極性、Ｖ_ｃｏｒｒは、差動電圧の極性の反対であり、次式によって与えられる。
Ｖ_ｃｏｒｒ＝Ｖ_ｒｅｆ−Ｖ_ｅｌ
充電の工程の間のコロナ充電の制御は、リアルタイムの制御を可能にするだけでなく、単純な電気回路網が用いられることを可能にする。イオン化されたエアソース２６０と参照電極２６４とウェハ２８との間のイオンの存在は、回路網における等価インピーダンスを低下させ、１０^９〜１０^１０オームの入力インピーダンスを有する増幅器が（制御モジュール２７０において）用いられることを可能にする。ウェハ面の電位が、充電中ではなく、コロナをオフにした後においては、この入力インピーダンスは、以前のアプローチ（通常は、１０^１３〜１０^１５オーム）において利用された増幅器におけるものよりも、大きさが数オーダー低い。

図６Ｂを参照すると、ウェハ２８は、参照電圧２６８をゼロに設定する、すなわち接地することによって放電され得る。あるいは、別個のコロナユニットがウェハの充電と放電とに用いられる場合には、放電コロナの参照電圧は、永久的にグランドに接地され得る。

図７を参照すると、表面の逆転層を誘導する代替的なアプローチは、高電圧でセンサーを偏向することである。そのようなアプローチは、センサーの中央電極２０４および位置決め電極２０８に、ポリイミドなどの絶縁フィルム２３０の形成を必要とする。図８は、電圧の偏向によってウェハ２８の表面における逆転層を誘電する、この代替的なアプローチを図示する。図８は、ＡＣ表面光起電力を測定するための前置増幅器と、直前に記述されたポリイミドコーティング２３０を有するセンサーとともに用いられる、偏向高電圧ソースへの接続部とを含む。センサー５４の絶縁コーティング２３０は、充分に高い電圧（５００〜１０００Ｖ）の印加を可能にすることによって、製造で用いられる一般的なウェハにおける表面の逆転層を誘電する。固定式のセンサー電極２０４が半導体表面のエアギャップによって分離されている配列は、電極面の高い程度の平坦度を要求する。そのような高ＤＣ電圧が用いられるときには、あらゆるエッジまたは表面の粗度は、局所的な電界を増加させ、エアのイオン化を向上させ、電気的な破壊をもたらす。従って、電極と検出電子機器との間の電気的な接続部は、表面の平坦度に最小の影響を有するように構成される。従って、側面接続部２１８の使用は、センサーにおいてバイア穴を形成する必要性をなくし、センサーの高い平坦度を維持する。ウェハ２８（点線で表示）の空間電荷領域における電流は、ＬＥＤ６４によるウェハ２８の照明によって生成され、等価の電流源Ｊ_ｈとして図示される。ウェハ２８の表面におけるキャリア再結合を表す等価抵抗器Ｒ_Ｒおよび、空間電荷静電容量を表す等価キャパシタＣ_ＳＣもまた、図示される。Ｃ_Ｇは、ウェハ２８とチャック２２との間の静電容量を表し、一方で、Ｃ_Ｐは、センサー電極２０４とウェハ２８との間の静電容量を表す。コンピュータ制御が可能な高電圧３００は、１０Ｍオームの抵抗器Ｒ_ＨＶを介してセンサー電極２０４に印加される。センサー電極２０４はまた、高電圧キャパシタＣ_ＨＶを介して演算増幅器２５０（先述）の入力に接続される。静電容量Ｃ_ＯＡ（これも点線で表示）は、演算増幅器２５０の入力静電容量を表す。Ｃ_ＨＶは、Ｃ_ＯＡの約１０倍になるように選択され、その結果として、ＩＭ（δＶ_ｓ）およびＲｅ（δＶ_ｓ）の計算に用いられるＣ_Ｌは、Ｃ_ＯＡに近くなる。同様に、ＩＭ（δＶ_ｓ）およびＲｅ（δＶ_ｓ）の計算に用いられるＲ_Ｌは、Ｒ_ＨＶに近くなる。

記述された、逆転層を形成するための方法に加えて、ウェハ２８の表面における逆転層はまた、化学処理を用いて形成され得る。このアプローチは、ｐ型のシリコンウェハに特に有用である。ＨＦは、正の表面電荷を導入するので、ＨＦ処理は、ｐ型のシリコンウェハの表面において負の逆転層を生成する。一実施形態において、試験されるシリコンウェハは、液体または蒸気の形態にあるフッ化水素酸および水の混合物（１：１０００ ＨＦ：Ｈ_２Ｏ）にさらされる。ウェハは、次いでプローブアセンブリ１４の下に置かれる。多くの工程において、ＨＦ処理は、既に製造シーケンスの一部であり、その結果として、プローブアセンブリ１４は、ＨＦ処理の位置に後に置かれるだけでよい。

別の実施形態において、ＳＰＶは、図１０に図示されるフローチャートに示されるように、注入された状態（アニーリングの前）のシリコンウェハのパラメータおよび注入された／アニールされた（アニーリングの後）シリコンウェハのパラメータの電気的特性を測定するために用いられる。ＳＰＶは、注入された状態の場合において結晶格子の損傷を測定し、アニールされた注入状態において、自由キャリア濃度を測定する。注入の照射量／エネルギーにおけるパーセントの変化に対するＳＰＶにおける相対的なパーセント変化の比によって決定された注入照射量の感度は、０．５〜３．０の範囲で、高密度測定マップに沿って、イオン注入の均一性の向上した分析を提供する。

例示的な一実施形態において、監視工程４００の一部として、イオン注入を経験したか、またはイオンを注入されるシリコンウェハが提示される。イオン注入は、任意の一般的な種である、ホウ素（Ｂ）、燐（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、フッ素（Ｆ）、アルゴン（Ａｒ）、インジウム（Ｉｎ）または二フッ化ホウ素（ＢＦ_２）などを用いて、ドーパント４０２で基板をドーピングすることによって行われ得る。ドーピングは超低エネルギーイオン、例えば１０ｋｅＶを用いて行われ得る。イオン注入の後に、ウェハは、通常はイオン注入の照射量／エネルギーの範囲を有する。実施例を用いると、低照射量は、０．１Ｅ１１〜５Ｅ１２イオン／ｃｍ^２であり得、高照射量は、５Ｅ１２〜２Ｅ１５イオン／ｃｍ^２の範囲であり得、低エネルギーは、０．１ｋｅＶ〜２０ｋｅＶの範囲であり得、高エネルギーは、２０ｋｅＶ〜１０ＭｅＶの範囲であり得る。ウェハは、注入された状態（アニーリングの前）として監視され得るか、またはウェハは、監視の工程を経験する前に、アニールされ得ることによって、自由キャリア濃度を測定する。

例示的な実施形態において、注入された状態のウェハを測定するときに、ウェハが随意的なイオン注入４０２を経験した後に、随意的なフッ化水素洗浄４１４および４１６が、ウェハに適用され、酸化物を除去し得る。例えば、随意的なフッ化水素洗浄は、低エネルギー／低照射量が存在する場合に適用され得る。あるいは、ウェハが、低エネルギー／高照射量または高エネルギー／低照射量として特徴付けられるときには、フッ化水素洗浄は、イオン注入の前に酸化物がウェハに適用された場合に、適用され得る。上述の例示的な実施形態にあるように、ウェハがプローブアセンブリ１４の下に動かされ、測定が４２２で適用される前に、コロナは、次いで随意的に４１８および４２０で適用され得る。例示的な一実施形態によれば、ウェハが、低照射量／低エネルギーとして特徴付けられる場合に、コロナは、適用される。コロナの適用は、表面再結合の時間の計算を可能にし、コロナが何も基板に適用されない場合には、少数および過半数の寿命が、計算され得る。随意的なコロナの適用の後に、ウェハは、プローブアセンブリ１４の下に動かされ、結晶格子４２２などの損傷を査定するために測定が行われる。注入された状態のウェハの電気的特性は、一般的なウェハ損傷の公知の基準に対して取られた測定を比較することによって特徴付けられ得る。

ウェハが、代替的にアニーリングの後に測定される場合には、随意的なイオン注入の４０２の後に、ウェハは、例えば４１２での急速熱工程（ＲＴＰ）または炉アニーリングなど任意の標準的なアニーリング工程で、４１２でアニールされる。アニーリングの後に、随意的なフッ化水素洗浄が、ウェハ４１４’および４１６’に適用され得る。例示的な一実施形態において、随意的なフッ化水素洗浄の適用後、逆転層は、ウェハ４２６の表面に作成され得る。実施例として、逆転層は、適当な極性のコロナを適用するか、または上述のように化学処理を適用することによって作成され得る。逆転層の随意的な作成の後に、ウェハは、プローブアセンブリ１４の下に動かされ、４２２で測定が行われる。

注入された状態の（アニーリングの前）シリコンウェハのパラメータおよび注入された／アニールされた（アニーリングの後）シリコンウェハのパラメータの電気的特性を測定するためにＳＰＶを用いる方法の代替的な実施形態において、薄い熱酸化物層は、種がステップ４０２で注入される前にウェハ上で成長する。酸化物層は、急速熱工程ＲＴＦにおいてウェハ上で成長され得る。実施例として、厚さは、２０〜８０オングストロームの間であり得、ウェハ上の安定した表面電荷を保証するために較正される。

さらに別の代替的な実施形態において、イオン注入の損傷（すなわち、アニーリングの前）に関連付けられた、低くて変化する電極穴の寿命は、標準的なＳＰＶ分析によって取得された結果に影響を及ぼす。注入された状態（すなわちアニーリングの前）のウェハを測定するときに、注入で損傷したシリコンウェハに対する最適な周波数は、光が変調される周波数を変化させることによって計算され得る。加えて、照射のために用いられる光の波長は、注入状態の幅広いスペクトラムを供給するために最適化され得る。従って、ドーパントの不純物の測定を最適化するために、光の波長、光度および光度の変調周波数を変化させることが可能である。例えば、光の波長は、特に所与のスペクトラム、例えば赤外線または紫外線のスペクトラムの範囲に入るように選択され得る。

この実施形態において、光度の変調の周波数は、周波数の所与の範囲をスイープし、一方で、ウェハは、プローブヘッドの下にある。注入で損傷した基板、例えばシリコンに対する変調の最適な周波数は、選択された最大の光度および光の周波数で変調の周波数をスイープすることによって計算され得る。公知の照射量および損傷の測定を用いるウェハは、試験される基板に対する較正基準として用いられる。

実施例として、変調の周波数は、所与の最大の光度および光の波長に対して０．１〜１００ｋＨｚをスイープし得る。ＳＰＶ測定が行われ、規定されたエネルギー、ビーム電流および傾斜角に露出された、公知のイオン抽出された基板と比較される。従って、システムは、正確に較正され、測定された等高線図をウェハに生成することによって、標準的な統計的方法を用いて工業的な注入工程を制御する。

上述のように、プローブヘッドは、測定の間に、ウェハ面に容量的に結合される。ウェハへのプローブヘッドの容量的な結合は、空乏領域の静電容量または充電された欠陥静電容量によって支配されるのではなく、分析の周波数ロールを制限する。

この方法および装置を用いて、ＳＰＶ信号の虚数部は、任意の所与の周波数に対して測定され得る。図１１は、イオン注入される分析とともに通常用いられる、基板の等価回路モデル５００を示す。ＳＰＶ電圧５０２は、ウェハの表面で測定され、ウェハの様々な電気的特性が計算されることを可能にする。フォト電流源５１４は、上述されたように所与の周波数範囲に渡ってスイープされる。準中性領域（Ｇ_０）５０４のコンダクタンス、準中性領域（Ｃ_０）５０６の静電容量、空間電荷領域（Ｃ_１）５０８における再結合静電容量、注入で損傷した領域５１０における再結合静電容量（Ｃ_ｄ）、空間電荷領域（Ｇ_１）５１２における再結合導電率、ウェハ酸化物の静電容量（Ｃ_ｉ）５１６および注入欠陥領域５１８における直列抵抗（Ｒ_ｓ）が、計算され得る。さらに、信号の虚数部を光変調周波数の関数として測定することによって、ウェハ関連の静電容量に起因するロールオフ周波数における最大が、計算され得る。

図１２は、注入されたシリコンに対する通常のスイープ周波数プロット６００を示す。曲線は、２つの異なる注入状態である、少し注入された状態６０４および多量に注入された状態６０２、ならびに基準６０６に対する曲線を示す。実施例として、軽い損傷の照射量の注入曲線６０４は、５Ｅ１２イオン／ｃｍ^２でウェハに注入されたホウ素などの種を表し得る。高い損傷で注入された曲線６０２は、５Ｅ１３イオン／ｃｍ^２で注入された砒素などの種を表し得る。曲線は、ＳＰＶ６０８の軸に対してシフトアップしたりシフトダウンしたりするが、それは、所与の変調周波数スイープ６１０に対して記入された種の型、用いられた光の波長、および変調された光の最大強度に依存する。従って、光の照射量注入６１２、多量の照射量注入６１８、基準６１４は、注入の種における違い、光の最大強度および光の波長が起因して、ＳＰＶの軸を上げ得る。ＳＰＶ測定の実数部は、実際の光度の計算を可能にし、虚数部は、位相偏移を測定するために用いられる。

ロールオフ周波数（ω）ならびに曲線６０２および６０４の傾斜（α）は、較正点として用いられ得る。パラメータの組み合わせは、図１３に示されるように、マルチポイントの曲線上の注入パラメータに対する較正曲線を確立するために用いられ得る。図１３は、注入された状態のシリコンに対する周波数スイープ曲線からの実験較正曲線を示す。

周波数スイープ分析の１つの利点は、注入されたシリコンに関連した低寿命は、周波数の全ての範囲に渡って測定され得るということである。一般的に、５ｋｅＶより少ない極浅の注入に対して、低波長（例えば、０．４μｍの波長）の紫外線光は、最も高い信号ＳＰＶを与える。５ｋｅＶ（例えば、０．３７５μｍの波長）よりも大きなエネルギーの注入に対して、青色光は、より効果的である。概して、光源が強いほど、注入されたウェハを伴うＳＰＶ信号は、より高くなる。より長い波長の光は、大きなイオン損傷から非晶質面シリコンに対する計測を可能にする。加えて、レーザーダイオードと関連している光度までは、向上した信号を提供する。

加えて、本装置は、密封されたチャンバ環境、例えば減圧チャンバ、化学反応ガスに対するチャンバ、または不活性な環境に対するチャンバにおける使用に、特に適合が可能である。プローブアセンブリ１４の全体は、密封されたチャンバ内に配置され得、圧力取付部を介して密封されたチャンバの壁を通過する、電子機器への接続部を有する。あるいは、プローブアセンブリは、密封されたチャンバの壁に取り付けられ得、その結果として、センサーが、チャンバ内に配置されるが、プローブアセンブリの残りの部分は、密封されたチャンバの外側に配置される。

ＡＣ−ＳＰＶ方法を用いる工程監視方法体系へのアプローチは、特定のパラメータ自体の値ではなく、ウェハからウェハへの測定されたパラメータの変化を決定することを強調する。通常は、ウェハの背面の電気的なパラメータに関する測定は、正面と交替しない限り、可能ではなく、回路の測定を完了するためには、該表面は接触されなくてはならない。故に、ウェハの背面に行われる測定は、通常は工程監視においては用いられない。非接触のＡＣ−ＳＰＶ測定は、正面のみならずウェハの背面の表面特性の測定によって、工程監視を可能にする。先述のように、プローブヘッドは、ウェハの下、ウェハの上、またはその他にインストールされ得、その結果として、ウェハ運搬システムが、ウェハをどのようにプローブヘッドに運搬するかに依存して、センサーの表面は、ウェハの背面と平行になる。加えて、２つのプローブヘッドが用いられ得、ウェハのそれぞれの側に１つを用い、ウェハの正面および背面の同時の特性評価を行う。鏡面仕上げの特色をなす正面の表面電荷の、測定に関するそのようなアプローチ比較の例示が、図９に示される。測定は、湿式クリーニング処理を同時に受けた、２つの、半分になった１００ｍｍでｐ型の同一の（１００）シリコンウェハで行われた。クリーニング工程の様々な段階で、表面電荷は、半分のシリコンウェハの正面（磨かれた面）およびもう半分の背面（磨かれていない面）で測定された。図９に示される結果は、正面および背面での表面電荷の同一の挙動を示す。

エピタキシャルなシリコンおよびイオン注入されたシリコンの測定に加えて、開示された装置および方法は、絶縁体（ＳＯＩ）材料、歪んだシリコンフィルム、Ｓｉ−Ｇｅフィルム（Ｓｉ−Ｇｅ）および金属異物のシリコンの測定に用いられ得る。例えば、ＳＰＶは、ＳＯＩ材料におけるインターフェース電荷を測定するために用いられ得る。

好適な実施形態を示してきたが、当業者は、主張される発明の範囲および精神の範囲内にある、多くの変更が可能であることを認識されたい。従って、添付の請求項の範囲によって示されたものによってのみ、本発明を限定するように意図される。

図１Ａは、本発明の例示的な実施形態に従った、減衰実験を表す図である。 図１Ｂは、測定に先立った熱処理を受けなかった半導体ウェハに対する、一連の日々繰り返される測定を表す図である。 図１Ｃは、本発明の例示的な実施形態に従った、測定に先立った熱処理を受けた半導体ウェハに対する、一連の日々繰り返される測定を表す図である。 図１Ｄは、製造の間の、半導体の実時間でインラインの電気的特性に対する、装置の実施形態のブロック図である。 図２は、ウェハ移送システムの上に位置する、図１の装置のプローブアセンブリの実施形態の斜視図である。 図３は、図２のプローブアセンブリの、上面が透視画法の切欠図である。 図４は、図３のプローブアセンブリのセンサープレートの実施形態の底面斜視図である。 図５は、ウェハ面の前面の結合を用いる表面起電力の測定のための、電気回路の実施形態の模式図である。 図６Ａは、ウェハを変化させ、ウェハ面において逆転層を生成するために用いられるコロナ制御回路のブロック図を表す。 図６Ｂは、ウェハを放電するために用いられる、図６Ａのコロナ制御回路のブロック図を表す。 図７は、センサー充電および高電圧偏向で用いられる、ポリイミドコーティングを有する図４のコートされたセンサープレートの実施形態の底面が透視画法の切欠図である。 図８は、センサー電極を用いるウェハの高電圧偏向に対して用いられる、前置増幅器回路の実施形態の模式図である。 図９は、クリーニングされているシリコンウェハの、表面および背面の電荷の測定のグラフである。 図１０は、本発明の例示的な実施形態に従った、注入された状態（アニーリングの前）のウェハのパラメータを監視するためのシステムのステップ、および注入された／アニールされた（アニーリングの後）のウェハのパラメータのステップを示す流れ図である。 図１１は、イオン注入されたシリコンにおける測定されたＡＣ−ＳＰＶの等価回路の配線略図である。 図１２は、本発明の実施形態を用いる、注入された状態のシリコンに対する、例示的なロールオフ周波数スイープ曲線の例である。 図１３は、本発明の教示に従った、注入された状態のシリコンに対する周波数スイープ曲線から得られた、較正曲線の例である。

Claims (22)

1. イオン注入された半導体ウェハにおいて欠陥を測定する方法であって、該方法は、
   ａ）処理時間の間に、処理温度まで該ウェハを加熱するステップと、
   ｂ）該ウェハを運搬することによって、該ウェハの表面が、ヘッドアセンブリの表面光起電力電極に対して実質的に平行になるステップと、
   ｃ）１つの波長を有しかつ１つの強度を有する光に該ウェハの少なくとも一部分を露出するステップと、
   ｄ）該表面光起電力電極を用いて、変調された光度に応答して該ウェハの該表面において誘導された光起電力を検出するステップと、
   ｅ）該ウェハの該表面で誘導された該光起電力から該ウェハの電気的特性を計算するステップと
   を包含する、方法。
2. ｆ）周波数において前記光度を変調するステップをさらに包含する、請求項１に記載の方法。
3. 前記光度の変調周波数は、０．１〜１００ｋＨｚに変化する、請求項１に記載の方法。
4. フッ化水素洗浄を前記ウェハに適用するステップをさらに包含する、請求項１に記載の方法。
5. 前記ウェハの前記表面に逆転層を誘電するステップをさらに包含する、請求項１に記載の方法。
6. 前記ウェハの前記表面に逆転層を誘電するステップは、該ウェハにコロナを適用することによって達成される、請求項５に記載の方法。
7. 前記ウェハの前記表面に逆転層を誘電するステップは、該ウェハに化学処理を適用することによって達成される、請求項５に記載の方法。
8. 前記ウェハの電気的特性を計算するステップは、電気的特性を基準と比較することを包含する、請求項１に記載の方法。
9. 前記電気的特性は、正味のキャリア濃度を含む、請求項１に記載の方法。
10. 前記正味のキャリア濃度は、
    

    

    に等しく、ここで、ｋは、ボルツマン定数であり、Ｔは、ケルビン温度であり、ｑは、電気素量であり、Ｗ_ｄは、空乏層の幅であり、Ｎ^＊ _Ｄは、有効欠陥密度である、請求項９に記載の方法。
11. 複数の光度変調周波数に対してステップｂ〜ｆを繰り返すステップをさらに包含する、請求項２に記載の方法。
12. イオン注入された半導体ウェハにおける欠陥を測定する装置であって、該装置は、
    格子間欠陥移動が安定するように特定の時間の間に特定の温度まで各ウェハを加熱するように適合された加熱素子と、
    表面光起電力電極を備えているヘッドアセンブリと、
    半導体処理の間に、該ウェハの表面が、該ヘッドアセンブリの該表面光起電力電極と実質的に平行であるように該ウェハを運搬するコンベヤーと、
    １つの波長を有しかつ１つの強度を有する光を生成する光源であって、該光源は、複数の周波数で変調される、光源と、
    該表面光起電力電極を用いて、該光に応答して該ウェハの該表面において誘導された光起電力を検出する検出器と、
    該ウェハの該表面において該誘導された起電力から、該ウェハの電気的特性を計算するための該検出器と電気的に通信するプロセッサと
    を備えている、装置。
13. 前記ウェハ上の酸化物層を成長させる育成器をさらに備えている、請求項１２に記載の装置。
14. 前記育成器は、急速熱炉を備えている、請求項１３に記載の装置。
15. 前記ウェハにフッ化水素洗浄を適用するための洗浄器をさらに備えている、請求項１２に記載の装置。
16. コロナをさらに備えている、請求項１２に記載の装置。
17. 前記プロセッサは、少なくとも電気的特性を基準と比較することによって、前記ウェハの電気的特性を計算する、請求項１２に記載の装置。
18. 前記電気的特性は、正味のキャリア濃度を含む、請求項１２に記載の装置。
19. 前記正味のキャリア濃度は、
    

    

    に等しく、ここで、ｋは、ボルツマン定数であり、Ｔは、ケルビン温度であり、ｑは、電気素量であり、Ｗ_ｄは、空乏層の幅であり、Ｎ^＊ _Ｄは、有効欠陥密度である、請求項１８に記載の装置。
20. 半導体処理の間にイオン注入された半導体ウェハの損傷を測定する方法であって、該方法は、
    ａ）該半導体ウェハ上に酸化物層を成長させるステップと、
    ｂ）該ウェハ上にイオン注入を行うステップであって、時間Ｔ_１および温度Ｐ_１の選択が、実質的に格子間欠陥移動を安定化させるように、該時間Ｐ_１の間に該温度Ｔ_１まで該ウェハを加熱する、ステップと、
    ｃ）該半導体処理の間、該ウェハの表面が、ヘッドアセンブリの表面光起電力電極に実質的に平行であるように、該ウェハを運搬するステップと、
    ｄ）１つの波長を有しかつ１つの強度を有する光に該ウェハの少なくとも一部分を露出し、該光度は、周波数において変調されるステップと、
    ｅ）該表面光起電力を用いて、該光に応答して該ウェハの該表面において誘導された光起電力を検出するステップと、
    ｆ）該ウェハの該表面において誘導された該光起電力から該ウェハの電気的特性を計算するステップと、
    ｇ）複数の光度変調周波数のためにステップｄ〜ｆを繰り返すステップと
    を包含する、方法。
21. 前記電気的特性は、正味のキャリア濃度を含む、請求項２０に記載の方法。
22. 前記正味のキャリア濃度は、
    

    

    に等しく、ここで、ｋは、ボルツマン定数であり、Ｔは、ケルビン温度であり、ｑは、電気素量であり、Ｗ_ｄは、空乏層の幅であり、Ｎ^＊ _Ｄは、有効欠陥密度である、請求項２０に記載の方法。

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