JP2974689B2 - 半導体層の電子的不均質性の非破壊検出方法 - Google Patents

半導体層の電子的不均質性の非破壊検出方法

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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、強度変調レーザービームで半導体層を照
射することによって誘起された異なる波長のレーザービ
ームの変調された光反射率を測定することにより半導体
層の電子的不均質性を非破壊的に検出する方法に関する
ものである。
〔従来の技術〕
半導体デバイス構造の小型化を進めるにつれて半導体
層の非破壊分析の必要性が高まり、それに対する要求も
高度なものとなった。半導体構造の製作に際して個々の
工程段の監視に対しては、例えば結晶性の半導体層中の
欠陥あるいはイオン注入によって生じた欠陥、即ち電子
的不不均質性、換言すれば半導体結晶中のバンドレベル
の乱れ、を検出する光学測定法を採用することができ
る。
半導体層の電子的不均質性の検出に変調された光反射
率の効果を利用する光学測定法(MOR技術)は、文献
「アプライド・フィジクス・レターズ(Appl.Phys.Lett
ers)」78〔6〕1985、584−586頁、同書47〔5〕198
5、498−500頁、「ジャーナル・オブ・アプライド・フ
ィジクス(J.Appl.Phys.)」61〔1〕1987、240−248頁
およびミュンヘン工業大学、物理学科E−13のウルム
(St.Wurm)の学位論文(1988年4月)に記載され、又
市販の測定器(米国サーマ・ウェーブ社(Therma Wave
Inc.)の“Therma Probe 200")に採用されている。
第1図ないし第3図を参照して変調された光反射率の
測定原理を説明する。
第1図は測定試料1の変調光反射率を検出する装置の
構成を示す。測定試料1の励起にはAr+イオン・レーザ
ー10がポンプ・レーザーとして使用される。試料を照射
するAr+イオン・レーザービームの波長は出力5mWのとき
488nmである。音響光学変調器9を使用して所定の変調
周波数1MHzをもって強度変調が行われる。ビーム拡張器
8と顕微鏡対物レンズ7によってAr+イオン・レーザー
ビームが測定試料1上に、焦点を結ぶ。HeNeレーザー2
は出力2ないし3mWにおいて波長632.8nmの測定レーザー
ビームを供給する。このHeNeレーザービームは一連の光
学部品であるビーム拡張器3、偏光ビーム分割器4およ
びλ/4小板5を通過し、半透明鏡6によって変調された
Ar+イオン・レーザービームと平行に顕微鏡対物レンズ
7に導かれ、このレーザー光ビームと共焦に測定試料1
に当たる。試料1から逆反射されたHeNeレーザービーム
は再びλ/4小板5を通過し、偏光ビーム分割器4によっ
て干渉フィルタ11を通して光電池12に向けられ、ここで
測定信号が検出される。基準周波数としてAr+イオン・
レーザービームの変調周波数を使用するロック・イン増
幅器13の出力電圧は、周波数1MHzで周期的に変調された
HeNeレーザー光に対する試料反射率の振幅を与える。変
調された光反射率MORは任意単位で示され、試料反射率
の変化ΔRに比例する。このΔRは試料をポンプ・レー
ザーで励起したときに生ずる反射率Rとポンプ・レーザ
ーによる励起無しに生ずる正規の反射率R0の差(ΔR=
R−R0)である。
第2図の曲線14は、イオン注入されたシリコン層の変
調された反射率を測定する際HeNeレーザービームに対す
る変調された光反射率MORとイオン注入量Dの関係を示
す。曲線15は文献に示されている理論的モデルにおいて
得られた情況に再現したものである。
第3図の曲線16は、非晶質シリコン層においてHeNeレ
ーザービームに対する変調された反射率MORと層の厚さ
dの関係を示す。種々の厚さの試験試料はシリコン結晶
(100−材料)にSi+イオンを注入することによって作ら
れた。その際注入量Dは1×1015イオン/cm2を一定と
し、注入エネルギーを変化させた。ここでも曲線17は理
論的モデルによるものである。
上記の方法により変調反射率を測定することによって
半導体層のイオン注入量を決定することは、約1010cm-2
から1013cm-2の間の低い注入量範囲に対して好適であ
る。ソース・ドレン・イオン注入のように1015cm-2以上
の高い注入量範囲では半導体表面に非晶質の層が形成さ
れ、その厚さは注入量と注入エネルギーの双方に関係す
る。この場合光特性の異なる層系列となるから、異なる
層で反射された測定レーザービームの干渉効果に基づき
測定信号と注入量Dとの間の一義的な対応は不可能とな
る。測定信号Rは注入された半導体層の厚さd従って注
入イオン・エネルギーに関係し、第3図に示すように振
動的な経過を示す。約1013cm-2から1014cm-2までの中間
注入量範囲では、イオン注入の調節を接触針による層抵
抗測定によって行うことができる。高い注入量範囲に対
しては精確な測定値を与える代用測定法は存在しない。
残留欠陥例えば結晶性半導体層の結晶欠陥の決定に上
記の方法を利用する場合にも測定信号が半導体層内の欠
陥の深さに関係するから、測定信号の大きさと欠陥密度
との一義的な対応は不可能である。
〔発明が解決しようとする課題〕
この発明の目的は、電子的不均質性の密度、即ち結晶
性の半導体中の欠陥の程度を精確に決定することができ
る半導体層の電子的不均質性の非破壊検出法を提供する
ことである。この方法は特に高い注入量領域(1015cm-2
以上)においてのイオン注入の調節に適したものである
ことが必要である。
〔課題を解決するための手段〕
この目的は冒頭に挙げた方法において、200ないし345
nmの波長範囲のレーザー光線の変調された光反射率を電
子的不均質性の密度の尺度として測定することによって
達成される。
〔作用効果〕
波長が632.8nmのHeNeレーザービームは吸収係数が低
いことにより半導体材料に対する侵入深さが大きく例え
ばシリコンでは約2000nmに達するのに対して、波長が20
0ないし345nmのレーザービームを使用する場合には広く
使用されている半導体材料例えばシリコン、ゲルマニウ
ム、ガリウム−ヒ素、ガリウム−アンチモンおよびイン
ジウム−リンが強い吸収能を示すことから半導体層への
測定レーザービームの侵入深さが著しく低下する(例え
ばシリコンで約10nm)。半導体層の種々の深さから反射
された測定レーザービーム間の干渉は公知の方法と異な
り発生しないから、測定信号と電子的不均質性密度との
間の一義的な対応が確保される。従ってこの発明の方法
によって半導体層内に存在する電子的不均質性を、この
不均質性によって影響を受けた半導体層表面区域におい
ての測定によって検出することができる。
位置分解性の測定、即ち半導体表面を点状に走査して
各測定点について分離した測定値を得るようにする測
定、を実施する際には、反射されるレーザービームが半
導体層表面に直径が1μmの測定斑点を作るように集束
される。
この発明の種々の実施態様とその展開は特許請求の範
囲の請求項3以下に示され、又実施例の説明によって明
らかにされる。
〔実施例〕
この発明による方法の実施には第1図の測定構成が使
用される。測定には次のパラメータが採用される。
ポンプ・レーザー:Ar+イオン・レーザー、波長488nm、
出力5mW 測定レーザー:HeCdレーザー、波長325nm、出力8mW、測
定点の直径1μm、侵入深さ10nm 試 料:イオン注入されたシリコン層、注入量1015cm-2
以上 第4図は、HeCdレーザービームに対する変調された光
反射率MORの測定値とイオン注入されたシリコン層の厚
さdの間に予期される関係を示す。この曲線は文献に発
表されている公知の理論方程式から計算したものであっ
て、注入シリコン層としてSi+イオンの注入によって形
成されたシリコン基板上の非晶質シリコン層が使用され
ている。HeCdレーザービームに対してはシリコンとイオ
ン注入シリコン層での高い吸収係数に基づき20nm以上の
厚さでは干渉効果は予想されない。非晶質シリコン層の
厚さdと変調反射率Rの間の相互関係は、測定信号とイ
オン注入量又はイオン注入エネルギーの間に一義的な対
応が可能であることを示している。上記の方法は慣行の
イオン注入量の全域において又特に構造化された半導体
ウエハに対して有効である。1μm程度の測定点の場合
この発明の方法は位置分解能を示す測定に使用すること
ができる。
この発明の方法は特徴的な電子不均質性を含む総ての
半導体層の分析に利用される。
この発明は半導体層のイオン注入量の測定と並んで結
晶性の半導体層内の残留欠陥、即ちアニール処理後もな
お残留する欠陥の検出に対する応用を包含するものであ
る。
【図面の簡単な説明】
第1図は試料の変調された反射率を決定する測定構成の
ブロック接続図、第2図はイオン注入シリコン層の変調
された光反射率MORとイオン注入量Dの関係の測定結果
と理論計算結果、第3図は非晶質シリコン層の厚さdと
変調された光反射率MORの関係の測定結果と理論計算結
果、第4図はHeCdレーザービームに対する変調された光
反射率とイオン注入されたシリコン層の厚さdとの予想
される関係を示す。 1……試料 2……HeNeレーザー 3……ビーム拡張器 4……ビーム分割器 10……Ar+イオン・レーザー 9……音響光学変調器 8……ビーム拡張器 7……顕微鏡対物レンズ 11……干渉フィルタ 12……光電池
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 21/66

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】強度変調レーザービームで半導体層を照射
    することによって誘起された異なる波長のレーザービー
    ムの変調された光反射率を測定することにより半導体層
    の電子的不均質性を非破壊的に検出する方法において、
    200ないし345nmの範囲内の波長のレーザービームの変調
    された光反射率が電子的不均質密度の尺度として測定さ
    れることを特徴とする半導体層の電子的不均質性の非破
    壊検出方法。
  2. 【請求項2】位置分解能の測定を実施するため反射され
    るレーザービームが、半導体層表面に直径が1μmの測
    定斑点を作るように集束されることを特徴とする請求項
    1記載の方法。
  3. 【請求項3】半導体層へのイオン注入量の決定に利用さ
    れることを特徴とする請求項1又は2記載の方法。
  4. 【請求項4】シリコン層への注入量の決定に利用される
    ことを特徴とする請求項3記載の方法。
  5. 【請求項5】結晶性半導体層の残留欠陥の決定に利用さ
    れることを特徴とする請求項1又は2記載の方法。
  6. 【請求項6】結晶性シリコン層の残留欠陥の決定に利用
    されることを特徴とする請求項5記載の方法。
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