JP5363011B2 - イオン注入量測定装置 - Google Patents
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Description
本発明は，表層にイオン注入がなされた半導体におけるイオン注入量の測定を行うイオン注入量測定装置に関するものである。
半導体デバイスの製造過程において，デバイス表層部の導電の型（Ｐ型／ｎ型）や抵抗率等の特性を所望の特性にするために半導体表層へのイオン注入が行われる。
一般に，イオン注入は，半導体に対する不純物となる元素をイオン化し，生成された不純物イオンを加速器により電気的に加速して半導体表面に打ち込むことにより行われる。イオン注入により，半導体表層において化学的変化や構造的変化（結晶の破壊等）が生じる。以下，イオン注入による半導体表層の化学的変化や構造的変化をダメージと称する。通常，半導体表層におけるイオン注入量の増加に応じて半導体のダメージが大きくなる。
そして，イオン注入がなされた半導体（以下，イオン注入物という）において，その表層部におけるイオン注入量（即ち，ダメージの程度）が半導体特性（製品特性）に大きく影響する。そのため，イオン注入物におけるイオン注入量を測定することは，半導体デバイスの品質管理上，非常に重要である。
従来，イオン注入物に対し熱処理を加えず非接触でイオン注入量を測定する法として，特許文献１に示される測定手法（以下，サーマルウェーブ法という）がある。前記サーマルウェーブ法は，イオン注入物の表面に検出用のレーザ光（検出光）を照射し，その測定部に他の励起用のレーザ光（励起光）を照射することによって生じる前記検出光の反射光の変化を測定する手法である。
半導体（イオン注入物）は，そのバンドキャップ以上のエネルギーを有する光（励起光）が照射されると，その照射部においてフリーキャリアとして振る舞う光励起キャリアが発生し，その光励起キャリアの発生及び再結合による消滅に応じて光反射率が変化する。また，半導体における前記光励起キャリアの発生及び消滅の状況，即ち，光反射率の変化は，半導体表層における前記ダメージの程度と相関があり，そのダメージの程度はイオン注入量と相関がある。前記サーマルウェーブ法は，半導体表層の光反射率の変化を光学的に測定することにより，間接的にイオン注入量を測定する手法である。
特開昭６１−２２３５４３号公報
一般に，イオン注入は，半導体に対する不純物となる元素をイオン化し，生成された不純物イオンを加速器により電気的に加速して半導体表面に打ち込むことにより行われる。イオン注入により，半導体表層において化学的変化や構造的変化（結晶の破壊等）が生じる。以下，イオン注入による半導体表層の化学的変化や構造的変化をダメージと称する。通常，半導体表層におけるイオン注入量の増加に応じて半導体のダメージが大きくなる。
そして，イオン注入がなされた半導体（以下，イオン注入物という）において，その表層部におけるイオン注入量（即ち，ダメージの程度）が半導体特性（製品特性）に大きく影響する。そのため，イオン注入物におけるイオン注入量を測定することは，半導体デバイスの品質管理上，非常に重要である。
従来，イオン注入物に対し熱処理を加えず非接触でイオン注入量を測定する法として，特許文献１に示される測定手法（以下，サーマルウェーブ法という）がある。前記サーマルウェーブ法は，イオン注入物の表面に検出用のレーザ光（検出光）を照射し，その測定部に他の励起用のレーザ光（励起光）を照射することによって生じる前記検出光の反射光の変化を測定する手法である。
半導体（イオン注入物）は，そのバンドキャップ以上のエネルギーを有する光（励起光）が照射されると，その照射部においてフリーキャリアとして振る舞う光励起キャリアが発生し，その光励起キャリアの発生及び再結合による消滅に応じて光反射率が変化する。また，半導体における前記光励起キャリアの発生及び消滅の状況，即ち，光反射率の変化は，半導体表層における前記ダメージの程度と相関があり，そのダメージの程度はイオン注入量と相関がある。前記サーマルウェーブ法は，半導体表層の光反射率の変化を光学的に測定することにより，間接的にイオン注入量を測定する手法である。
しかしながら，フリーキャリアとして振る舞う前記光励起キャリアは，その運動が光（前記検出光）の振動周波数に対して追従し難いため，励起光照射による半導体表面の光反射率の変化（前記検出光の反射光の変化）は極めて小さい。そのため，前記サーマルウェーブ法において十分な測定感度を得るためには，パワー密度の高い励起光をイオン注入物の測定部に照射する必要がある。例えば，数十［ｍＷ］のレーザ光を数十［μｍ］以下のスポット径に集光してイオン抽出物に照射する程のパワー密度で励起光を照射する必要がある。そのようにパワー密度の高い励起光がイオン注入物に照射されると，そのイオン注入物（製品）に新たなダメージが生じ得るという問題点があった。
さらに，前記サーマルウェーブ法において，励起光の照射スポットが微小である場合，その照射スポット内における検出光の位置ずれが測定精度に大きく影響する。従って，前記サーマルウェーブ法において，パワー密度を高めるために励起光が微小な照射スポットに集光された場合，励起光及び検出光それぞれの光路について数μｍオーダーの高い位置決め精度が要求される。そのような高度な位置決め精度を実現する機構は，調整の難しさやコストアップにつながるという問題点があった。
従って，本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり，その目的とするところは，表層にイオン注入がなされた半導体におけるイオン注入量を，その半導体にダメージを与えることなく，かつ，比較的簡易な構成によって高い精度で測定できるイオン注入量測定装置を提供することにある。
さらに，前記サーマルウェーブ法において，励起光の照射スポットが微小である場合，その照射スポット内における検出光の位置ずれが測定精度に大きく影響する。従って，前記サーマルウェーブ法において，パワー密度を高めるために励起光が微小な照射スポットに集光された場合，励起光及び検出光それぞれの光路について数μｍオーダーの高い位置決め精度が要求される。そのような高度な位置決め精度を実現する機構は，調整の難しさやコストアップにつながるという問題点があった。
従って，本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり，その目的とするところは，表層にイオン注入がなされた半導体におけるイオン注入量を，その半導体にダメージを与えることなく，かつ，比較的簡易な構成によって高い精度で測定できるイオン注入量測定装置を提供することにある。
上記目的を達成するために本発明は，表層にイオン注入がなされた半導体（以下，イオン注入物という）におけるイオン注入量の測定を行うイオン注入量測定装置に係る発明であり，その装置は，次の（１）〜（５）に示される各構成要素を備えている。
（１）前記イオン注入物の測定部に対しマイクロ波を照射する電磁波照射手段。
（２）前記イオン注入物に対する浸透長がそのイオン注入物の表層におけるイオン注入深さよりも短く，かつ前記イオン注入物のバンドキャップ以上のエネルギーを有する励起光を前記測定部に照射する励起光照射手段。
（３）前記励起光の照射により変化する，前記イオン注入物からの前記マイクロ波の反射波の強度を検出する電磁波強度検出手段。
（４）前記電磁波強度検出手段による検出強度に基づいて前記測定部における光励起キャリアの寿命の指標値を検出する光励起キャリア寿命指標値検出手段。
（５）前記光励起キャリアの寿命の指標値と前記イオン注入量との対応関係が予め設定された指標値・イオン注入量対応情報と前記光励起キャリア寿命指標値検出手段の検出値とに基づいて前記イオン注入物におけるイオン注入量を導出するイオン注入量導出手段。
ここで，前記指標値・イオン注入量対応情報は，測定対象である前記イオン注入物と同じ条件でイオン注入がなされ，イオン注入量が既知の校正用半導体を当該イオン注入量測定装置によって予め測定することにより得られる情報である。
なお，前記半導体の典型例はシリコンウェーハである。
（１）前記イオン注入物の測定部に対しマイクロ波を照射する電磁波照射手段。
（２）前記イオン注入物に対する浸透長がそのイオン注入物の表層におけるイオン注入深さよりも短く，かつ前記イオン注入物のバンドキャップ以上のエネルギーを有する励起光を前記測定部に照射する励起光照射手段。
（３）前記励起光の照射により変化する，前記イオン注入物からの前記マイクロ波の反射波の強度を検出する電磁波強度検出手段。
（４）前記電磁波強度検出手段による検出強度に基づいて前記測定部における光励起キャリアの寿命の指標値を検出する光励起キャリア寿命指標値検出手段。
（５）前記光励起キャリアの寿命の指標値と前記イオン注入量との対応関係が予め設定された指標値・イオン注入量対応情報と前記光励起キャリア寿命指標値検出手段の検出値とに基づいて前記イオン注入物におけるイオン注入量を導出するイオン注入量導出手段。
ここで，前記指標値・イオン注入量対応情報は，測定対象である前記イオン注入物と同じ条件でイオン注入がなされ，イオン注入量が既知の校正用半導体を当該イオン注入量測定装置によって予め測定することにより得られる情報である。
なお，前記半導体の典型例はシリコンウェーハである。
以下，本発明における測定原理について説明する。
前述したように，半導体における前記励起光の照射部では，光励起キャリアが発生し，その光励起キャリアの寿命（ライフタイム）は，前記ダメージの程度と高い相関がある。即ち，半導体において，前記ダメージの程度が大きいほど，前記光励起キャリアの寿命は短くなる。
また，前記光励起キャリアは，フリーキャリアの吸収効果によりマイクロ波との相互作用が極めて強いため，半導体に照射されたマイクロ波の反射波（以下，反射マイクロ波という）の強度は，半導体内における光励起キャリアの寿命と高い相関がある。例えば，前記光励起キャリアの寿命が短いほど，前記励起光の照射により変化する前記反射マイクロ波の強度のピーク値が小さくなり，また，前記反射マイクロ波の強度がピーク値から所定レベルまで減衰するのに要する時間が短くなる。
従って，前記励起光の照射により変化する前記反射マイクロ波の強度から，前記光励起キャリアの寿命の指標値を導出でき，その指標値は，前記イオン注入物における前記ダメージの程度を表す指標となる。
さらに，前述したように，前記イオン注入物において，その表層におけるイオン注入量と前記ダメージの程度との間に高い相関があるため，前記光励起キャリアの寿命の指標値から前記イオン注入量を推定（算出）できる。しかも前記反射マイクロ波の強度の検出（測定）は，非破壊かつ非接触で，また，簡易にかつごく短時間で行うことができる。例えば，前記反射マイクロ波による測定は，前記サーマルウェーブ法のように，複数の光の光路を数μｍオーダーの高い精度で位置決めするような手間を必要としない。
前述したように，半導体における前記励起光の照射部では，光励起キャリアが発生し，その光励起キャリアの寿命（ライフタイム）は，前記ダメージの程度と高い相関がある。即ち，半導体において，前記ダメージの程度が大きいほど，前記光励起キャリアの寿命は短くなる。
また，前記光励起キャリアは，フリーキャリアの吸収効果によりマイクロ波との相互作用が極めて強いため，半導体に照射されたマイクロ波の反射波（以下，反射マイクロ波という）の強度は，半導体内における光励起キャリアの寿命と高い相関がある。例えば，前記光励起キャリアの寿命が短いほど，前記励起光の照射により変化する前記反射マイクロ波の強度のピーク値が小さくなり，また，前記反射マイクロ波の強度がピーク値から所定レベルまで減衰するのに要する時間が短くなる。
従って，前記励起光の照射により変化する前記反射マイクロ波の強度から，前記光励起キャリアの寿命の指標値を導出でき，その指標値は，前記イオン注入物における前記ダメージの程度を表す指標となる。
さらに，前述したように，前記イオン注入物において，その表層におけるイオン注入量と前記ダメージの程度との間に高い相関があるため，前記光励起キャリアの寿命の指標値から前記イオン注入量を推定（算出）できる。しかも前記反射マイクロ波の強度の検出（測定）は，非破壊かつ非接触で，また，簡易にかつごく短時間で行うことができる。例えば，前記反射マイクロ波による測定は，前記サーマルウェーブ法のように，複数の光の光路を数μｍオーダーの高い精度で位置決めするような手間を必要としない。
しかしながら，マイクロ波は，その波長が数ミリ以上と長いため，半導体表層のごく浅い部分（例えば，深さ１μｍ以下の層）であるイオン注入層にのみ選択的に照射させることができない。そのため，前記イオン注入物が，その表面からイオン注入深さよりも深い部分に渡る範囲において励起されると，前記反射マイクロ波の強度は，前記イオン注入物におけるイオン注入層以外の層の状態の影響を大きく受け，十分な測定感度及び測定精度が確保されない。
一方，本発明においては，前記励起光の前記イオン注入物に対する浸透長が，そのイオン注入物の表層におけるイオン注入深さよりも短い。これにより，前記イオン注入物表層におけるイオン注入深さの範囲内において主として光励起キャリアが発生し，その光励起キャリアが前記反射マイクロ波の強度変化に影響を与える。従って，前記反射マイクロ波の強度変化に基づく前記光励起キャリアの寿命の指標値は，主としてイオン注入層における前記ダメージの程度を表すＳ／Ｎ比の高い指標となり，その指標値から前記イオン注入量を推定（算出）することにより，高感度かつ高精度で前記イオン注入量を測定できる。
なお，イオン注入深さは，イオン注入において注入されるイオンが到達する平均的な深さであり，ＳＩＭＳ（２次イオン質量分析）等により測定することができる。また，光の浸透長は，光が物体内に入射（浸透）することによりその光の強度が元の強度に対して１／ｅ倍になるまでの物体内での進行距離であり，エリプソメータ等により測定することができる。
一方，本発明においては，前記励起光の前記イオン注入物に対する浸透長が，そのイオン注入物の表層におけるイオン注入深さよりも短い。これにより，前記イオン注入物表層におけるイオン注入深さの範囲内において主として光励起キャリアが発生し，その光励起キャリアが前記反射マイクロ波の強度変化に影響を与える。従って，前記反射マイクロ波の強度変化に基づく前記光励起キャリアの寿命の指標値は，主としてイオン注入層における前記ダメージの程度を表すＳ／Ｎ比の高い指標となり，その指標値から前記イオン注入量を推定（算出）することにより，高感度かつ高精度で前記イオン注入量を測定できる。
なお，イオン注入深さは，イオン注入において注入されるイオンが到達する平均的な深さであり，ＳＩＭＳ（２次イオン質量分析）等により測定することができる。また，光の浸透長は，光が物体内に入射（浸透）することによりその光の強度が元の強度に対して１／ｅ倍になるまでの物体内での進行距離であり，エリプソメータ等により測定することができる。
また，本発明に係るイオン注入量測定装置が，次の（６）及び（７）に示される要件を充足することが考えられる。
（６）前記励起光照射手段が，前記イオン注入物に対する浸透長が前記イオン注入物の表層におけるイオン注入深さよりも短く，かつ前記イオン注入物のバンドキャップ以上のエネルギーを有する励起光を，予め定められた周期で強度変調して前記測定部に照射するものであること。
（７）前記光励起キャリア寿命指標値検出手段が，前記電磁波強度検出手段による検出強度の信号から前記励起光の強度変調に同期した周波数成分の信号の振幅を前記光励起キャリアの寿命の指標値として検出するものであること。
これにより，例えば電源ノイズ（約５０Ｈｚ或いは約６０Ｈｚのノイズ）等の不要なノイズ成分を除去して測定できる。
なお，前記励起光照射手段が，前記（６）及び（７）に示される要件に代えて，次の（６’）及び（７’）に示される要件を充足することも考えられる。
（６’）前記励起光照射手段が，前記イオン注入物に対する浸透長が前記イオン注入物の表層におけるイオン注入深さよりも短く，かつ前記イオン注入物のバンドキャップ以上のエネルギーを有するパルス状の励起光を前記測定部に照射するものであること。
（７’）前記光励起キャリア発生指標値検出手段が，前記パルス状の励起光の照射に応じて変化する前記電磁波強度検出手段の検出強度のピーク値を前記光励起キャリアの寿命の指標値として検出するものであること。
このような構成によっても，前記光励起キャリアの寿命の指標値を得ることができる。
（６）前記励起光照射手段が，前記イオン注入物に対する浸透長が前記イオン注入物の表層におけるイオン注入深さよりも短く，かつ前記イオン注入物のバンドキャップ以上のエネルギーを有する励起光を，予め定められた周期で強度変調して前記測定部に照射するものであること。
（７）前記光励起キャリア寿命指標値検出手段が，前記電磁波強度検出手段による検出強度の信号から前記励起光の強度変調に同期した周波数成分の信号の振幅を前記光励起キャリアの寿命の指標値として検出するものであること。
これにより，例えば電源ノイズ（約５０Ｈｚ或いは約６０Ｈｚのノイズ）等の不要なノイズ成分を除去して測定できる。
なお，前記励起光照射手段が，前記（６）及び（７）に示される要件に代えて，次の（６’）及び（７’）に示される要件を充足することも考えられる。
（６’）前記励起光照射手段が，前記イオン注入物に対する浸透長が前記イオン注入物の表層におけるイオン注入深さよりも短く，かつ前記イオン注入物のバンドキャップ以上のエネルギーを有するパルス状の励起光を前記測定部に照射するものであること。
（７’）前記光励起キャリア発生指標値検出手段が，前記パルス状の励起光の照射に応じて変化する前記電磁波強度検出手段の検出強度のピーク値を前記光励起キャリアの寿命の指標値として検出するものであること。
このような構成によっても，前記光励起キャリアの寿命の指標値を得ることができる。
ところで，励起光の照射が開始された半導体内では，光励起キャリアの発生と再結合による消滅とが同時に進行し，励起光の照射が継続されると，やがて光励起キャリアの発生速度と消滅速度とが均衡した定常状態となる。このため，励起光が照射されたときの前記反射マイクロ波の強度変化の大きさも，励起光の照射継続時間の長さに応じて大きくなるが，前記定常状態に近づくにつれて飽和状態となる。従って，前記励起光の照射継続時間が短すぎると十分な測定感度が得られず，また，前記励起光の照射時間を必要以上に長くしても，測定感度の向上は見込めず，測定時間が長くなるというデメリットのみが顕在化する。
そこで，本発明に係るイオン注入物測定装置において，前記励起光照射手段が，前記励起光を，少なくとも１回当たり５ナノ秒間以上継続して前記測定部に照射することが望ましい。これにより，十分な測定感度を得つつ，測定時間を必要最小限に抑えることができる。なお，後述するように，前記励起光の１回当たりの継続照射時間は１００［ｎｓ］もあれば十分であり，それ以上の時間としても照射時間の延長による測定感度の向上はほとんど期待できない。
そこで，本発明に係るイオン注入物測定装置において，前記励起光照射手段が，前記励起光を，少なくとも１回当たり５ナノ秒間以上継続して前記測定部に照射することが望ましい。これにより，十分な測定感度を得つつ，測定時間を必要最小限に抑えることができる。なお，後述するように，前記励起光の１回当たりの継続照射時間は１００［ｎｓ］もあれば十分であり，それ以上の時間としても照射時間の延長による測定感度の向上はほとんど期待できない。
また，本発明に係るイオン注入量測定装置が，次の（８）に示される構成要素を備えることが考えられる。
（８）一端が前記測定部に近接配置され前記マイクロ波の伝播経路を形成する導波管アンテナ。
この場合，前記電磁波照射手段が，前記導波管アンテナの前記測定部に近接配置される端部を通じて前記マイクロ波を前記測定部に放射する。
さらに，前記電磁波強度検出手段が，前記導波管アンテナの前記測定部に近接配置される端部で捕捉された前記マイクロ波の反射波の強度を検出する。
これにより，前記測定部に対する前記マイクロ波の放出部及びその反射波（前記反射マイクロ波）の捕捉部を前記測定部に近接させることができ，前記マイクロ波が，効率的に照射及び捕捉される。
さらに，前記励起光照射手段が，前記マイクロ波の伝送経路を形成する導波管の管壁に形成された孔及び前記導波管アンテナの前記測定部に対向して配置される端部を通じて前記励起光を前記測定部に照射することが考えられる。
これにより，前記導波管アンテナの端部を前記測定部に近接させても，前記励起光を前記測定部に照射することができる。
（８）一端が前記測定部に近接配置され前記マイクロ波の伝播経路を形成する導波管アンテナ。
この場合，前記電磁波照射手段が，前記導波管アンテナの前記測定部に近接配置される端部を通じて前記マイクロ波を前記測定部に放射する。
さらに，前記電磁波強度検出手段が，前記導波管アンテナの前記測定部に近接配置される端部で捕捉された前記マイクロ波の反射波の強度を検出する。
これにより，前記測定部に対する前記マイクロ波の放出部及びその反射波（前記反射マイクロ波）の捕捉部を前記測定部に近接させることができ，前記マイクロ波が，効率的に照射及び捕捉される。
さらに，前記励起光照射手段が，前記マイクロ波の伝送経路を形成する導波管の管壁に形成された孔及び前記導波管アンテナの前記測定部に対向して配置される端部を通じて前記励起光を前記測定部に照射することが考えられる。
これにより，前記導波管アンテナの端部を前記測定部に近接させても，前記励起光を前記測定部に照射することができる。
また，前記イオン注入物における前記ダメージの程度は，イオン注入量が同じであっても，注入されたイオンの種類，イオン注入時のイオン加速エネルギー，イオン注入角度及びイオン注入時の半導体の表面荒さ（表面の加工状態）等の条件（イオン注入条件）の違いに応じて異なる。このため，前記光励起キャリアの寿命と前記イオン注入量との対応関係も，前記イオン注入条件により異なる。
そこで，本発明に係るイオン注入量測定装置が，次の（９）及び（１０）に示される各構成要素を備えれば好適である。
（９）所定の情報入力手段を通じて得られる入力情報に従って，注入されたイオンの種類，イオン注入時のイオン加速エネルギー，イオン注入角度，前記半導体の種類及びイオン注入時の前記半導体の表面の加工状態のうちの１つ以上の条件を含むイオン注入条件を特定するイオン注入条件特定手段。
（１０）所定の記憶手段に予め記憶された複数の前記指標値・イオン注入量対応情報の候補の中から，前記イオン注入条件特定手段により特定された前記イオン注入条件に対応するものを，前記イオン注入量導出手段により用いられる前記指標値・イオン注入量対応情報として選択する指標値・イオン注入量対応情報選択手段。
ここで，複数の前記指標値・イオン注入量対応情報の候補は，それぞれ異なる前記イオン注入条件でイオン注入がなされてイオン注入量が既知である校正用半導体を，当該イオン注入量測定装置によって予め測定することにより得られる情報である。
上記構成を備えたイオン注入量測定装置は，イオン注入の条件が異なる様々な種類の前記イオン注入物のイオン注入量を，高精度で測定することができる。
なお，本発明は，以上に示したイオン注入量測定装置を用いて，表層にイオン注入がなされた半導体（前記イオン注入物）におけるイオン注入量の測定を行うイオン注入量測定方法として捉えることもできる。
そこで，本発明に係るイオン注入量測定装置が，次の（９）及び（１０）に示される各構成要素を備えれば好適である。
（９）所定の情報入力手段を通じて得られる入力情報に従って，注入されたイオンの種類，イオン注入時のイオン加速エネルギー，イオン注入角度，前記半導体の種類及びイオン注入時の前記半導体の表面の加工状態のうちの１つ以上の条件を含むイオン注入条件を特定するイオン注入条件特定手段。
（１０）所定の記憶手段に予め記憶された複数の前記指標値・イオン注入量対応情報の候補の中から，前記イオン注入条件特定手段により特定された前記イオン注入条件に対応するものを，前記イオン注入量導出手段により用いられる前記指標値・イオン注入量対応情報として選択する指標値・イオン注入量対応情報選択手段。
ここで，複数の前記指標値・イオン注入量対応情報の候補は，それぞれ異なる前記イオン注入条件でイオン注入がなされてイオン注入量が既知である校正用半導体を，当該イオン注入量測定装置によって予め測定することにより得られる情報である。
上記構成を備えたイオン注入量測定装置は，イオン注入の条件が異なる様々な種類の前記イオン注入物のイオン注入量を，高精度で測定することができる。
なお，本発明は，以上に示したイオン注入量測定装置を用いて，表層にイオン注入がなされた半導体（前記イオン注入物）におけるイオン注入量の測定を行うイオン注入量測定方法として捉えることもできる。
本発明によれば，表層にイオンが注入されたシリコンウェーハ等の半導体からなるイオン注入物におけるイオン注入量を，その半導体にダメージを与えることなく，かつ，比較的簡易な構成によって高い精度で測定できる。
以下添付図面を参照しながら，本発明の実施の形態について説明し，本発明の理解に供する。尚，以下の実施の形態は，本発明を具体化した一例であって，本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
ここに，図１は本発明の第１実施形態に係るイオン注入量測定装置Ｘ１の概略構成図，図２はイオン注入量測定装置Ｘ１による測定手順の一例を表すフローチャート，図３はイオン注入量測定装置Ｘ１における励起光及び反射マイクロ波の各強度の変化を表す図，図４はイオン注入物におけるイオン注入量とイオン注入量測定装置Ｘ１により検出される反射マイクロ波の強度信号の振幅との関係を表すグラフ，図５はイオン注入物に励起光が照射されたときのイオン注入物内における光励起キャリアの数の変化を表すグラフ，図６は励起光が照射されたイオン注入物内に生じる光励起キャリアの数の深さ方向の分布を表すグラフ，図７は励起光が照射されたイオン注入物における光励起キャリアのライフタイムと最大発生数との関係を表すグラフ，図８は本発明の第２実施形態に係るイオン注入量測定装置Ｘ２の概略構成図である。
ここに，図１は本発明の第１実施形態に係るイオン注入量測定装置Ｘ１の概略構成図，図２はイオン注入量測定装置Ｘ１による測定手順の一例を表すフローチャート，図３はイオン注入量測定装置Ｘ１における励起光及び反射マイクロ波の各強度の変化を表す図，図４はイオン注入物におけるイオン注入量とイオン注入量測定装置Ｘ１により検出される反射マイクロ波の強度信号の振幅との関係を表すグラフ，図５はイオン注入物に励起光が照射されたときのイオン注入物内における光励起キャリアの数の変化を表すグラフ，図６は励起光が照射されたイオン注入物内に生じる光励起キャリアの数の深さ方向の分布を表すグラフ，図７は励起光が照射されたイオン注入物における光励起キャリアのライフタイムと最大発生数との関係を表すグラフ，図８は本発明の第２実施形態に係るイオン注入量測定装置Ｘ２の概略構成図である。
［第１実施形態］
まず，図１に示す概略構成図を参照しつつ，本発明の第１実施形態に係るイオン注入量測定装置Ｘ１について説明する。
イオン注入量測定装置Ｘ１は，表層にイオン注入がなされた半導体であるイオン注入物６（以下，試料６という）におけるイオン注入量を測定する装置である。ここで，前記試料６（イオン注入物）としては，例えば，厚み０．８〜１．０［ｍｍ］程度のシリコンウェーハ基板の表層に，ボロン（ホウ素），リン又は砒素等のイオンが注入されたもの等である。一般に，イオン注入深さは，１０［ｎｍ］乃至１［μｍ］程度である。
なお，イオン注入深さは，注入されるイオンの種類，イオン注入時のイオン加速エネルギー，イオン注入角度及び前記試料６を構成する半導体の種類が主な要因となって定まる物理量であり，ＳＩＭＳ（２次イオン質量分析）等により求めることができる。品質検査のためのイオン注入量の測定においては，上記主な要因が既知の試料６について測定がなされるので，例えば，検査対象と同種の試料をＳＩＭＳにより測定しておくことにより，比較的小さな誤差範囲内で前記試料６のイオン注入深さを予め知ることができる。
まず，図１に示す概略構成図を参照しつつ，本発明の第１実施形態に係るイオン注入量測定装置Ｘ１について説明する。
イオン注入量測定装置Ｘ１は，表層にイオン注入がなされた半導体であるイオン注入物６（以下，試料６という）におけるイオン注入量を測定する装置である。ここで，前記試料６（イオン注入物）としては，例えば，厚み０．８〜１．０［ｍｍ］程度のシリコンウェーハ基板の表層に，ボロン（ホウ素），リン又は砒素等のイオンが注入されたもの等である。一般に，イオン注入深さは，１０［ｎｍ］乃至１［μｍ］程度である。
なお，イオン注入深さは，注入されるイオンの種類，イオン注入時のイオン加速エネルギー，イオン注入角度及び前記試料６を構成する半導体の種類が主な要因となって定まる物理量であり，ＳＩＭＳ（２次イオン質量分析）等により求めることができる。品質検査のためのイオン注入量の測定においては，上記主な要因が既知の試料６について測定がなされるので，例えば，検査対象と同種の試料をＳＩＭＳにより測定しておくことにより，比較的小さな誤差範囲内で前記試料６のイオン注入深さを予め知ることができる。
イオン注入量測定装置Ｘ１は，前記試料６の測定部に励起光とマイクロ波（電磁波）とを照射するとともに，前記試料６からの前記マイクロ波の反射波（反射マイクロ波）の強度を検出する機能を備える。さらに，イオン注入量測定装置Ｘ１は，前記励起光の照射により変化する前記反射マイクロ波の強度に基づいて前記試料６におけるイオン注入量を測定（算出）する機能も備える。
図１に示されるように，イオン注入量測定装置Ｘ１は，マイクロ波発振器１，カプラ１ａ（分波器），サーキュレータ２，導波管３，Ｅ−Ｈチューナ４，導波管アンテナ５，試料ステージ７，ミラー８，ミキサ１０，増幅器１１，励起レーザ光源１２，発振器１３，変調器１４，ロックインアンプ１５及び計算機１６，ステージ制御装置１７等を備えている。
図１に示されるように，イオン注入量測定装置Ｘ１は，マイクロ波発振器１，カプラ１ａ（分波器），サーキュレータ２，導波管３，Ｅ−Ｈチューナ４，導波管アンテナ５，試料ステージ７，ミラー８，ミキサ１０，増幅器１１，励起レーザ光源１２，発振器１３，変調器１４，ロックインアンプ１５及び計算機１６，ステージ制御装置１７等を備えている。
励起レーザ光源１２は，前記試料６に照射する励起光を出力する光源である。この励起レーザ光源１２は，前記試料６に対する浸透長がその試料６の表層におけるイオン注入深さよりも短くなる波長のビーム光（励起光）を出力する。
なお，前記励起光の浸透長は，前記励起光の波長λ及び前記試料６を構成する半導体の種類が主な要因となって定まる物理量であり，エリプソメータ等により測定することができる。品質検査のためのイオン注入量の測定においては，半導体の種類が既知の試料６について測定がなされるので，例えば，検査対象と同種の試料に対する前記励起光の浸透長をエリプソメータにより測定しておくことにより，比較的小さな誤差範囲内で前記試料６に対する前記励起光の浸透長を予め知ることができる。
例えば，前記試料６が，１［μｍ］の深さでイオン注入がなされたシリコンウェーハである場合，前記励起レーザ光源１２の出力光（励起光）の波長λが，３４０［ｎｍ］〜４００［ｎｍ］程度であることが考えられる。これにより，前記励起光の前記試料６に対する浸透長は，１００［ｎｍ］以下となる。なお，シリコンに対する波長３４９［ｎｍ］の励起光の浸透長は約１０［ｎｍ］である。
なお，波長λが３４０［ｎｍ］よりも短い励起光を採用することは，測定装置に汎用的でない（高価な）紫外光用の光学機器を採用することが必要となる点で好適とはいえない。
また，前記励起レーザ光源１２の出力光（励起光）は，前記試料６のバンドキャップ以上のエネルギーを有する。ここで，前記励起光が前記試料６のバンドキャップ以上のエネルギーを有することは，前記試料６の導電率を変化させるために必要な条件である。
なお，前記励起光の浸透長は，前記励起光の波長λ及び前記試料６を構成する半導体の種類が主な要因となって定まる物理量であり，エリプソメータ等により測定することができる。品質検査のためのイオン注入量の測定においては，半導体の種類が既知の試料６について測定がなされるので，例えば，検査対象と同種の試料に対する前記励起光の浸透長をエリプソメータにより測定しておくことにより，比較的小さな誤差範囲内で前記試料６に対する前記励起光の浸透長を予め知ることができる。
例えば，前記試料６が，１［μｍ］の深さでイオン注入がなされたシリコンウェーハである場合，前記励起レーザ光源１２の出力光（励起光）の波長λが，３４０［ｎｍ］〜４００［ｎｍ］程度であることが考えられる。これにより，前記励起光の前記試料６に対する浸透長は，１００［ｎｍ］以下となる。なお，シリコンに対する波長３４９［ｎｍ］の励起光の浸透長は約１０［ｎｍ］である。
なお，波長λが３４０［ｎｍ］よりも短い励起光を採用することは，測定装置に汎用的でない（高価な）紫外光用の光学機器を採用することが必要となる点で好適とはいえない。
また，前記励起レーザ光源１２の出力光（励起光）は，前記試料６のバンドキャップ以上のエネルギーを有する。ここで，前記励起光が前記試料６のバンドキャップ以上のエネルギーを有することは，前記試料６の導電率を変化させるために必要な条件である。
前記励起レーザ光源１２から出射された励起光は，音響光学変調器やチョッパにより構成される励起光強度変調手段である変調器１４によって一定の周波数の強度変調が施される。この強度変調の周波数は，前記発振器１３から出力される一定周波数（例えば，１ｋＨｚ〜数ＭＨｚ程度）の同期信号に同期するよう調節される。さらに，前記発振器１３の同期信号（即ち，前記変調器１４による強度変調に同期した信号）は，前記ロックインアンプ１５にも伝送される。
また，前記変調器１４によって強度変調が施された励起光は，前記ミラー８により前記試料６の方向に反射（偏向）される。前記ミラー８により反射された前記励起光は，前記第１マイクロ波Ｏｐ１の伝送経路を形成する前記導波管３の管壁に設けられた微小孔３ａを通過し，前記導波管アンテナ５の前記試料６に対向して近接する端部（開口部）を通じて前記試料６の表面の一部（以下，測定部という）に照射される。これにより，前記試料６における前記測定部において光励起キャリアが発生する。
なお，前記励起レーザ光源１２，前記変調器１４及び前記ミラー８が，励起光を前記試料６の測定部に照射する励起光照射手段の一例である。
また，前記励起光を集光して前記試料６へ導く光学機器（ミラー及びレンズ等）が，前記イオン注入量測定装置Ｘ１に設けられることも考えられる。
また，前記変調器１４によって強度変調が施された励起光は，前記ミラー８により前記試料６の方向に反射（偏向）される。前記ミラー８により反射された前記励起光は，前記第１マイクロ波Ｏｐ１の伝送経路を形成する前記導波管３の管壁に設けられた微小孔３ａを通過し，前記導波管アンテナ５の前記試料６に対向して近接する端部（開口部）を通じて前記試料６の表面の一部（以下，測定部という）に照射される。これにより，前記試料６における前記測定部において光励起キャリアが発生する。
なお，前記励起レーザ光源１２，前記変調器１４及び前記ミラー８が，励起光を前記試料６の測定部に照射する励起光照射手段の一例である。
また，前記励起光を集光して前記試料６へ導く光学機器（ミラー及びレンズ等）が，前記イオン注入量測定装置Ｘ１に設けられることも考えられる。
前記マイクロ波発振器１は，励起光により励起された前記試料６の測定部に照射されるマイクロ波（電磁波）を出力するものである。このマイクロ波発振器１には，例えば，周波数２６ＧＨｚのガンダイオード等が採用される。
前記カプラ１ａは，前記マイクロ波発振器１から出力されたマイクロ波を２分岐する分波器であり，分岐後の一方の出力波（以下，第１マイクロ波Ｏｐ１という）は前記サーキュレータ２側へ伝送され，他方の出力波（以下，第２マイクロ波Ｏｐ２という）は前記ミキサ１０側へ伝送される。
前記サーキュレータ２は，前記第１マイクロ波Ｏｐ１を前記Ｅ−Ｈチューナ４側へ伝送するとともに，前記Ｅ−Ｈチューナ４側から伝送されてくる前記試料６に対する反射マイクロ波を前記ミキサ１０側へ伝送する。
前記Ｅ−Ｈチューナ４は，前記第１マイクロ波Ｏｐ１の伝送経路（前記導波管３及び前記導波管アンテナ５）のインピーダンス整合を行うものである。
前記カプラ１ａは，前記マイクロ波発振器１から出力されたマイクロ波を２分岐する分波器であり，分岐後の一方の出力波（以下，第１マイクロ波Ｏｐ１という）は前記サーキュレータ２側へ伝送され，他方の出力波（以下，第２マイクロ波Ｏｐ２という）は前記ミキサ１０側へ伝送される。
前記サーキュレータ２は，前記第１マイクロ波Ｏｐ１を前記Ｅ−Ｈチューナ４側へ伝送するとともに，前記Ｅ−Ｈチューナ４側から伝送されてくる前記試料６に対する反射マイクロ波を前記ミキサ１０側へ伝送する。
前記Ｅ−Ｈチューナ４は，前記第１マイクロ波Ｏｐ１の伝送経路（前記導波管３及び前記導波管アンテナ５）のインピーダンス整合を行うものである。
前記導波管アンテナ５は，その一方の端部（開口部）が前記試料６の測定部に対向して近接配置され，前記第１マイクロ波Ｏｐ１の伝播経路を形成するものである。
前記マイクロ波発振器１から出射され，前記カプラ１ａにより２分岐された一方の前記第１マイクロ波Ｏｐ１は，前記サーキュレータ２により前記導波管３の中を伝播し，さらにその導波管３と連通する前記導波管アンテナ５の中を伝播し，その導波管アンテナ５の端部の開口から，前記励起光により励起された前記試料６の測定部に照射（放射）される。
なお，前記マイクロ波発振器１，前記サーキュレータ２，前記導波管３及び導波管アンテナ５が，前記試料６の測定部に前記第１マイクロ波Ｏｐ１（電磁波）を照射する電磁波照射手段の一例である。
また，前記導波管アンテナ５は，前記試料６の測定部に対向して配置される端部により前記試料６の測定部に反射した前記反射マイクロ波を捕捉し，それを前記サーキュレータ２側へ伝送する機能も果たす。
前記マイクロ波発振器１から出射され，前記カプラ１ａにより２分岐された一方の前記第１マイクロ波Ｏｐ１は，前記サーキュレータ２により前記導波管３の中を伝播し，さらにその導波管３と連通する前記導波管アンテナ５の中を伝播し，その導波管アンテナ５の端部の開口から，前記励起光により励起された前記試料６の測定部に照射（放射）される。
なお，前記マイクロ波発振器１，前記サーキュレータ２，前記導波管３及び導波管アンテナ５が，前記試料６の測定部に前記第１マイクロ波Ｏｐ１（電磁波）を照射する電磁波照射手段の一例である。
また，前記導波管アンテナ５は，前記試料６の測定部に対向して配置される端部により前記試料６の測定部に反射した前記反射マイクロ波を捕捉し，それを前記サーキュレータ２側へ伝送する機能も果たす。
前記導波管アンテナ５により捕捉された前記反射マイクロ波は，前記導波管３を経て前記サーキュレータ２に到達し，さらに，そのサーキュレータ２により前記ミキサ１０に伝送される。
前記ミキサ１０は，前記反射マイクロ波と前記カプラ１ａから伝送される前記第２マイクロ波Ｏｐ２とを入力し，前記励起光の照射により変化する前記反射マイクロ波の強度を検出する電磁波強度検出手段の一例である。前記ミキサ１０による前記反射マイクロ波の強度の検出信号（電気信号）は，前記増幅器１１により増幅されて前記ロックインアンプ１５に取り込まれる。
前記ミキサ１０は，前記反射マイクロ波と前記カプラ１ａから伝送される前記第２マイクロ波Ｏｐ２とを入力し，前記励起光の照射により変化する前記反射マイクロ波の強度を検出する電磁波強度検出手段の一例である。前記ミキサ１０による前記反射マイクロ波の強度の検出信号（電気信号）は，前記増幅器１１により増幅されて前記ロックインアンプ１５に取り込まれる。
前記ロックインアンプ１５（変調周期成分抽出手段の一例）は，前記発振器１３から得た同期信号（励起光の強度変調に同期した信号）に基いて，前記ミキサ１０の検出信号（反射マイクロ波の強度信号）から，前記励起光の強度変調に同期した信号成分の振幅（変化幅）を検出し，その振幅値を前記計算機１６へ伝送する。
図３は，当該イオン注入量測定装置Ｘ１における前記励起光及び前記反射マイクロ波の各強度の変化を模式的に表した図である。
図３に示すように，前記試料６に照射される励起光が，一定周波数での強度変調が施されている場合，前記ミキサ１０により検出される前記反射マイクロ波の強度も，前記励起光の強度変調に同期して（同じ周波数で）変化する。
例えば，前記励起光の強度変調周波数が１ＭＨｚ程度である場合に，１０Ｈｚ程度の測定周波数帯域（即ち，概ね１ＭＨｚ±５Ｈｚの帯域）で前記反射マイクロ波の強度の変化幅（励起光の強度変調に同期した周波数成分の信号の振幅ΔＩ）を測定できる。これにより，例えば電源ノイズ（約５０Ｈｚ或いは約６０Ｈｚのノイズ）等の不要なノイズ成分を除去して測定できる。
ここで，強度変調された前記励起光の１回当たりの継続照射時間は，後述するように，十分なＳ／Ｎ比を確保するために５［ｎｓ］以上であることが望ましい。
なお，図３には，方形波状に強度変調を行った励起光の例を示しているが，正弦波状に強度変調を行った前記励起光を前記試料６に照射することも考えられる。
図３は，当該イオン注入量測定装置Ｘ１における前記励起光及び前記反射マイクロ波の各強度の変化を模式的に表した図である。
図３に示すように，前記試料６に照射される励起光が，一定周波数での強度変調が施されている場合，前記ミキサ１０により検出される前記反射マイクロ波の強度も，前記励起光の強度変調に同期して（同じ周波数で）変化する。
例えば，前記励起光の強度変調周波数が１ＭＨｚ程度である場合に，１０Ｈｚ程度の測定周波数帯域（即ち，概ね１ＭＨｚ±５Ｈｚの帯域）で前記反射マイクロ波の強度の変化幅（励起光の強度変調に同期した周波数成分の信号の振幅ΔＩ）を測定できる。これにより，例えば電源ノイズ（約５０Ｈｚ或いは約６０Ｈｚのノイズ）等の不要なノイズ成分を除去して測定できる。
ここで，強度変調された前記励起光の１回当たりの継続照射時間は，後述するように，十分なＳ／Ｎ比を確保するために５［ｎｓ］以上であることが望ましい。
なお，図３には，方形波状に強度変調を行った励起光の例を示しているが，正弦波状に強度変調を行った前記励起光を前記試料６に照射することも考えられる。
前記計算機１６は，ＣＰＵ，記憶部，入出力信号のインターフェース等を備え，前記ＣＰＵが所定のプログラムを実行することにより，前記ロックインアンプ１５の出力信号の取り込み処理や，前記マイクロ波発振器１，前記励起レーザ光源１２，前記発振器１３，前記変調器１４及び前記ステージ制御装置１７等の制御を行う。
前記ロックインアンプ１５の出力信号は，前記計算機１６に取り込まれ，前記計算機１６が備える記憶部に記憶される。
前記試料ステージ７は，例えばＸ−Ｙステージ等により構成され，前記導波管アンテナ５に対する前記試料６の二次元方向の位置決めを行うものである。この試料ステージ７により，前記試料６における測定部（前記励起光及び前記第１マイクロ波Ｏｐ１の照射位置）の位置決めがなされる。
また，前記ステージ制御装置１７は，前記計算機１６からの制御指令に従って，前記試料ステージ７の動きを制御する装置である。
前記ロックインアンプ１５の出力信号は，前記計算機１６に取り込まれ，前記計算機１６が備える記憶部に記憶される。
前記試料ステージ７は，例えばＸ−Ｙステージ等により構成され，前記導波管アンテナ５に対する前記試料６の二次元方向の位置決めを行うものである。この試料ステージ７により，前記試料６における測定部（前記励起光及び前記第１マイクロ波Ｏｐ１の照射位置）の位置決めがなされる。
また，前記ステージ制御装置１７は，前記計算機１６からの制御指令に従って，前記試料ステージ７の動きを制御する装置である。
次に，図５〜図７を参照しつつ，イオン注入量測定装置Ｘ１による測定の基礎となる物理現象について説明する。
図５は，表層にイオン注入がなされたシリコンからなるイオン注入物の表面に，波長λ：３４９［ｎｍ］のパルス状の励起光（レーザ光）が照射された場合における前記イオン注入物内に生じる光励起キャリアの数［個］の時間変化を表すグラフである。波長λが３４９［ｎｍ］である励起光の前記イオン注入物（シリコン）に対する浸透長（１／α）は１０［ｎｍ］である。なお，図５のグラフにおける横軸は時間，縦軸は前記光励起キャリアの数を表す。また，図５〜図７における光励起キャリアの数は，前記励起光の光軸（中心線）を中心とする単位面積（１ｃｍ2）に存在する光励起キャリアの数のことを意味する。
ここで，光励起キャリアの数は，前記イオン注入物における熱の拡散係数Ｄが０．１［ｃｍ／ｓ2］，光励起キャリアの表面再結合速度Ｓが１０００［ｃｍ／ｓ］，イオン注入深さが１［μｍ］であるとしたときのシミュレーション結果である。前記拡散係数Ｄ，前記表面再結合速度Ｓ及び前記イオン注入深さの各値は，イオン注入がなされた一般的なシリコンウェーハにおいて通常想定される数値の代表値である。
図５には，前記励起光のパルス幅ＰＷが１［ｎｓ］である場合のグラフｇ１１，ｇ１２と，同２０［ｎｓ］である場合のグラフｇ１３，ｇ１４とが示されている。
また，グラフｇ１１，ｇ１３は，光励起キャリアのライフタイムτが１［ｎｓ］である同一の前記イオン注入物についてのシミュレーション結果であり，グラフｇ１２，ｇ１４は，光励起キャリアのライフタイムτが２［ｎｓ］である同一の前記イオン注入物についてのシミュレーション結果である。なお，実際のイオン注入物においては，その表層における前記ダメージの程度に応じてライフタイムτが定まる。
図５は，表層にイオン注入がなされたシリコンからなるイオン注入物の表面に，波長λ：３４９［ｎｍ］のパルス状の励起光（レーザ光）が照射された場合における前記イオン注入物内に生じる光励起キャリアの数［個］の時間変化を表すグラフである。波長λが３４９［ｎｍ］である励起光の前記イオン注入物（シリコン）に対する浸透長（１／α）は１０［ｎｍ］である。なお，図５のグラフにおける横軸は時間，縦軸は前記光励起キャリアの数を表す。また，図５〜図７における光励起キャリアの数は，前記励起光の光軸（中心線）を中心とする単位面積（１ｃｍ2）に存在する光励起キャリアの数のことを意味する。
ここで，光励起キャリアの数は，前記イオン注入物における熱の拡散係数Ｄが０．１［ｃｍ／ｓ2］，光励起キャリアの表面再結合速度Ｓが１０００［ｃｍ／ｓ］，イオン注入深さが１［μｍ］であるとしたときのシミュレーション結果である。前記拡散係数Ｄ，前記表面再結合速度Ｓ及び前記イオン注入深さの各値は，イオン注入がなされた一般的なシリコンウェーハにおいて通常想定される数値の代表値である。
図５には，前記励起光のパルス幅ＰＷが１［ｎｓ］である場合のグラフｇ１１，ｇ１２と，同２０［ｎｓ］である場合のグラフｇ１３，ｇ１４とが示されている。
また，グラフｇ１１，ｇ１３は，光励起キャリアのライフタイムτが１［ｎｓ］である同一の前記イオン注入物についてのシミュレーション結果であり，グラフｇ１２，ｇ１４は，光励起キャリアのライフタイムτが２［ｎｓ］である同一の前記イオン注入物についてのシミュレーション結果である。なお，実際のイオン注入物においては，その表層における前記ダメージの程度に応じてライフタイムτが定まる。
また，図７は，表層にイオン注入がなされたシリコンからなるイオン注入物における光励起キャリアのライフタイムτ（即ち，前記ダメージの程度）と，そのイオン注入物の表面に波長：３４９［ｎｍ］の励起光（レーザ光）が照射されたときの前記イオン注入物内に生じる光励起キャリアの最大数（時間の経過とともに変化する数のピーク値）［個］との関係を表すグラフである。なお，図７のグラフにおける横軸は光励起キャリアのライフタイムτ，縦軸は前記光励起キャリアの最大数を表す。波長λが３４９［ｎｍ］である励起光の前記イオン注入物（シリコン）に対する浸透長（１／α）は１０［ｎｍ］である。
ここで，光励起キャリアの最大数は，図５の場合と同様に，前記イオン注入物における熱の拡散係数Ｄが０．１［ｃｍ／ｓ2］，光励起キャリアの表面再結合速度Ｓが１０００［ｃｍ／ｓ］，イオン注入深さが１［μｍ］であるとしたときのシミュレーション結果である。
図７には，前記励起光の照射時間（パルス幅ＰＷ）がそれぞれ１［ｎｓ］，５［ｎｓ］，１０［ｎｓ］，２０［ｎｓ］及び１００［ｎｓ］であるときのシミュレーション結果を表すグラフｇ３１〜ｇ３５が示されている。
ここで，光励起キャリアの最大数は，図５の場合と同様に，前記イオン注入物における熱の拡散係数Ｄが０．１［ｃｍ／ｓ2］，光励起キャリアの表面再結合速度Ｓが１０００［ｃｍ／ｓ］，イオン注入深さが１［μｍ］であるとしたときのシミュレーション結果である。
図７には，前記励起光の照射時間（パルス幅ＰＷ）がそれぞれ１［ｎｓ］，５［ｎｓ］，１０［ｎｓ］，２０［ｎｓ］及び１００［ｎｓ］であるときのシミュレーション結果を表すグラフｇ３１〜ｇ３５が示されている。
前述したように，前記イオン注入物（半導体）における前記励起光の照射部では，光励起キャリアが発生し，その光励起キャリアのライフタイムτ（寿命）は，前記ダメージの程度と高い相関がある。即ち，前記イオン注入物において，前記ダメージの程度が大きいほど，前記光励起キャリアのライフタイムτは短くなる。
さらに，図５に示されるグラフｇ１３，ｇ１４，及び図７に示されるグラフｇ３２〜ｇ３５から，前記イオン注入物における光励起キャリアのライフタイムτの違い，即ち，前記イオン注入物における前記ダメージの程度の違いが，光励起キャリアの発生量の違いとして表れることがわかる。
そして，前記励起光が照射された前記イオン注入物における光励起キャリアの発生量の違いは，前記励起光の照射に応じた前記反射マイクロ波の強度変化の大きさ（例えば，図３における振幅ΔＩ）の違いとして表れる。即ち，前記励起光の照射に応じた前記反射マイクロ波の強度変化の大きさ（例えば，図３における振幅ΔＩ）が，前記光励起キャリアの寿命（ライフタイムτ）の指標値となり，その指標値は，前記イオン注入物における前記ダメージの程度を表す。
さらに，前述したように，前記イオン注入物において，その表層におけるイオン注入量と前記ダメージの程度との間に高い相関があるため，前記光励起キャリアのライフタイムτの指標値（例えば，図３における振幅ΔＩ）から前記イオン注入量を推定（算出）できる。しかも前記反射マイクロ波の強度の検出（測定）は，非破壊かつ非接触で，また，簡易にかつごく短時間で行うことができる。
さらに，図５に示されるグラフｇ１３，ｇ１４，及び図７に示されるグラフｇ３２〜ｇ３５から，前記イオン注入物における光励起キャリアのライフタイムτの違い，即ち，前記イオン注入物における前記ダメージの程度の違いが，光励起キャリアの発生量の違いとして表れることがわかる。
そして，前記励起光が照射された前記イオン注入物における光励起キャリアの発生量の違いは，前記励起光の照射に応じた前記反射マイクロ波の強度変化の大きさ（例えば，図３における振幅ΔＩ）の違いとして表れる。即ち，前記励起光の照射に応じた前記反射マイクロ波の強度変化の大きさ（例えば，図３における振幅ΔＩ）が，前記光励起キャリアの寿命（ライフタイムτ）の指標値となり，その指標値は，前記イオン注入物における前記ダメージの程度を表す。
さらに，前述したように，前記イオン注入物において，その表層におけるイオン注入量と前記ダメージの程度との間に高い相関があるため，前記光励起キャリアのライフタイムτの指標値（例えば，図３における振幅ΔＩ）から前記イオン注入量を推定（算出）できる。しかも前記反射マイクロ波の強度の検出（測定）は，非破壊かつ非接触で，また，簡易にかつごく短時間で行うことができる。
また，励起光の照射が開始された前記イオン注入物内では，光励起キャリアの発生と再結合による消滅とが同時に進行する。そして，図５のグラフｇ１３，ｇ１４に示されるように，励起光の照射が継続されると，やがて光励起キャリアの発生速度と消滅速度とが均衡した定常状態（光励起キャリアの数がほぼ一定に保持される状態）となる。そのため，このようなイオン注入物に照射されたマイクロ波の反射波（前記反射マイクロ波）の強度変化も，励起光の照射継続時間の長さに応じて大きくなるが，前記定常状態に近づくにつれて飽和状態となる。
従って，前記励起光の照射継続時間が短すぎると十分な測定感度が得られず，また，前記励起光の照射時間を必要以上に長くしても，測定感度の向上は見込めず，測定時間が長くなるというデメリットのみが顕在化する。例えば，図５に示されるグラフｇ１１，ｇ１２のように，前記励起光の１回当たりの照射継続時間（即ち，パルス幅ＰＷ）が１［ｎｓ］である場合，光励起キャリアのライフタイムτが大きく異なる２種類の前記イオン注入物において，光励起キャリアの数の差が小さく，十分な測定感度が得られない。
一方，図５のグラフｇ１３，ｇ１４，及び図７のグラフｇ３１〜ｇ３５から，前記励起光の１回当たりの照射継続時間（即ち，パルス幅ＰＷ）を５［ｎｓ］以上とすれば，光励起キャリアのライフタイムτが異なる複数種類の前記イオン注入物を区別できるだけの光励起キャリアの数の差が生じ，十分な測定感度を確保できることがわかる。また，図５から，前記励起光の１回当たりの照射継続時間は，１００［ｎｓ］を超えると光励起キャリアの発生数が飽和するため１００［ｎｓ］もあれば十分であある。実用上は，前記励起光の１回当たりの照射継続時間を５［ｎｓ］乃至１［μｓ］程度にすることが考えられる。
従って，前記励起光の照射継続時間が短すぎると十分な測定感度が得られず，また，前記励起光の照射時間を必要以上に長くしても，測定感度の向上は見込めず，測定時間が長くなるというデメリットのみが顕在化する。例えば，図５に示されるグラフｇ１１，ｇ１２のように，前記励起光の１回当たりの照射継続時間（即ち，パルス幅ＰＷ）が１［ｎｓ］である場合，光励起キャリアのライフタイムτが大きく異なる２種類の前記イオン注入物において，光励起キャリアの数の差が小さく，十分な測定感度が得られない。
一方，図５のグラフｇ１３，ｇ１４，及び図７のグラフｇ３１〜ｇ３５から，前記励起光の１回当たりの照射継続時間（即ち，パルス幅ＰＷ）を５［ｎｓ］以上とすれば，光励起キャリアのライフタイムτが異なる複数種類の前記イオン注入物を区別できるだけの光励起キャリアの数の差が生じ，十分な測定感度を確保できることがわかる。また，図５から，前記励起光の１回当たりの照射継続時間は，１００［ｎｓ］を超えると光励起キャリアの発生数が飽和するため１００［ｎｓ］もあれば十分であある。実用上は，前記励起光の１回当たりの照射継続時間を５［ｎｓ］乃至１［μｓ］程度にすることが考えられる。
また，図６は，表層にイオン注入がなされたシリコンからなるイオン注入物の表面に，波長：３４９［ｎｍ］の励起光（レーザ光）が照射されて前記定常状態に至った状態における前記イオン注入物内に生じている光励起キャリアの数［個］の深さ方向の分布を表すグラフである。なお，図６のグラフにおける横軸は前記イオン注入物の表面からの深さ，縦軸は前記光励起キャリアの数（単位深さ当たりの数）を表す。波長λが３４９［ｎｍ］である励起光の前記イオン注入物（シリコン）に対する浸透長（１／α）は１０［ｎｍ］である。
ここで，光励起キャリアの数は，図５の場合と同様に，前記イオン注入物における熱の拡散係数Ｄが０．１［ｃｍ／ｓ2］，光励起キャリアの表面再結合速度Ｓが１０００［ｃｍ／ｓ］，イオン注入深さが１［μｍ］であるとしたときのシミュレーション結果である。
図６には，光励起キャリアのライフタイムτがそれぞれ１［ｎｓ］，２［ｎｓ］，５［ｎｓ］及び１０［ｎｓ］である前記イオン注入物についてのシミュレーション結果を表すグラフｇ２１〜ｇ２４が示されている。
ここで，光励起キャリアの数は，図５の場合と同様に，前記イオン注入物における熱の拡散係数Ｄが０．１［ｃｍ／ｓ2］，光励起キャリアの表面再結合速度Ｓが１０００［ｃｍ／ｓ］，イオン注入深さが１［μｍ］であるとしたときのシミュレーション結果である。
図６には，光励起キャリアのライフタイムτがそれぞれ１［ｎｓ］，２［ｎｓ］，５［ｎｓ］及び１０［ｎｓ］である前記イオン注入物についてのシミュレーション結果を表すグラフｇ２１〜ｇ２４が示されている。
また，前記励起光の前記イオン注入物に対する浸透長（１／α：ここでは，１０［ｎｍ］）が，そのイオン注入物の表層におけるイオン注入深さ（ここでは，１［μｍ］）よりも短い場合，図６に示されるように，前記イオン注入物の表層におけるイオン注入深さの範囲内において主として光励起キャリアが発生し，その光励起キャリアが前記反射マイクロ波の強度変化に影響を与える。
従って，前記反射マイクロ波の強度変化に基づく前記光励起キャリアのライフタイムτの指標値は，主としてイオン注入層（表面から１［μｍ］の深さまでの層）における前記ダメージの程度を表すＳ／Ｎ比の高い指標となる。その結果，その指標値から前記イオン注入量を推定（算出）することにより，高感度かつ高精度で前記イオン注入量を測定できる。
なお，図６において，前記励起光の浸透長（１０［ｎｍ］）よりも深い位置まで前記光励起キャリアが発生しているのは，前記励起光によりその浸透長以内の深さの位置から拡散した熱によって光励起キャリアが発生するためである。
図６に示されるグラフから，前記励起光の浸透長（１０［ｎｍ］）が，イオン注入深さ（１［μｍ］）の１００分の１程度であれば，イオン注入深さよりも深い位置での光励起キャリアの発生はほとんど生じないことがわかる。
なお，図５〜図７に示されるデータは，光励起キャリアの数と時間，深さ及びライフタイムとの相対的な関係を表すデータとして有意義なものであるが，図５〜図７に示される光励起キャリアの数の絶対値そのものは，状況により変わり得る値である。
従って，前記反射マイクロ波の強度変化に基づく前記光励起キャリアのライフタイムτの指標値は，主としてイオン注入層（表面から１［μｍ］の深さまでの層）における前記ダメージの程度を表すＳ／Ｎ比の高い指標となる。その結果，その指標値から前記イオン注入量を推定（算出）することにより，高感度かつ高精度で前記イオン注入量を測定できる。
なお，図６において，前記励起光の浸透長（１０［ｎｍ］）よりも深い位置まで前記光励起キャリアが発生しているのは，前記励起光によりその浸透長以内の深さの位置から拡散した熱によって光励起キャリアが発生するためである。
図６に示されるグラフから，前記励起光の浸透長（１０［ｎｍ］）が，イオン注入深さ（１［μｍ］）の１００分の１程度であれば，イオン注入深さよりも深い位置での光励起キャリアの発生はほとんど生じないことがわかる。
なお，図５〜図７に示されるデータは，光励起キャリアの数と時間，深さ及びライフタイムとの相対的な関係を表すデータとして有意義なものであるが，図５〜図７に示される光励起キャリアの数の絶対値そのものは，状況により変わり得る値である。
次に，図２に示されるフローチャートを参照しつつ，イオン注入量測定装置Ｘ１による前記試料６のイオン注入量の測定手順について説明する。以下，ステップＳ１，Ｓ２，…は処理手順（ステップ）の識別符号を表す。また，前記計算機１６が実行する処理は，計算機１６のＣＰＵ（プロセッサ）が所定のプログラムを実行することにより実現される。
まず，前記計算機１６は，前記ステージ制御装置１７を通じて前記試料ステージ７の動きを制御することにより，前記試料６の測定位置（励起光の照射位置）を設定（位置決め）する（Ｓ１，位置決め手順）。
次に，前記計算機１６は，前記マイクロ波発振器１を動作させ，前記試料６にマイクロ波を照射させる（Ｓ２，電磁波照射手順）。
次に，前記計算機１６は，前記励起レーザ光源１２，前記発振器１３及び前記変調器１４を動作させることにより，前記励起光を前記変調器１４により所定周期で強度変調し，強度変調後の励起光を前記試料６の測定部に照射させる（Ｓ３）。同時に，前記計算機１６は，前記ロックインアンプ１５の検出信号（前記ミキサ１０で検出された反射マイクロ波の強度信号から，励起光の強度変調に同期した周波数成分の信号）を取り込み，その信号の振幅ΔＩ（図３参照）を検出して記憶部に記憶させる（Ｓ３，励起光強度変調手順，励起光照射手順，電磁波強度検出手順及び変調周期成分抽出手順）。なお，このステップＳ３で得られる前記振幅ΔＩは，前記試料６における光励起キャリアのライフタイムτの指標値の一例である。
次に，前記計算機１６は，予め定められた測定部（測定位置）全てについて，前記振幅ΔＩの検出（測定）が終了したか否かを判別する（Ｓ４）。
まず，前記計算機１６は，前記ステージ制御装置１７を通じて前記試料ステージ７の動きを制御することにより，前記試料６の測定位置（励起光の照射位置）を設定（位置決め）する（Ｓ１，位置決め手順）。
次に，前記計算機１６は，前記マイクロ波発振器１を動作させ，前記試料６にマイクロ波を照射させる（Ｓ２，電磁波照射手順）。
次に，前記計算機１６は，前記励起レーザ光源１２，前記発振器１３及び前記変調器１４を動作させることにより，前記励起光を前記変調器１４により所定周期で強度変調し，強度変調後の励起光を前記試料６の測定部に照射させる（Ｓ３）。同時に，前記計算機１６は，前記ロックインアンプ１５の検出信号（前記ミキサ１０で検出された反射マイクロ波の強度信号から，励起光の強度変調に同期した周波数成分の信号）を取り込み，その信号の振幅ΔＩ（図３参照）を検出して記憶部に記憶させる（Ｓ３，励起光強度変調手順，励起光照射手順，電磁波強度検出手順及び変調周期成分抽出手順）。なお，このステップＳ３で得られる前記振幅ΔＩは，前記試料６における光励起キャリアのライフタイムτの指標値の一例である。
次に，前記計算機１６は，予め定められた測定部（測定位置）全てについて，前記振幅ΔＩの検出（測定）が終了したか否かを判別する（Ｓ４）。
以降，前記計算機１６は，全ての測定部についての測定が終了したと判別するまで，前述したステップＳ１〜Ｓ４の処理を繰り返す。
そして，前記計算機１６は，全ての測定部についての測定（前記振幅ΔＩの検出）が終了したと判別した場合，得られた前記振幅ΔＩに基づいて，前記試料６におけるイオン注入量を算出し，その算出結果を前記計算機１６の記憶部に記録するとともに，所定の外部装置（例えば，表示装置等）に出力し（Ｓ５：イオン注入量導出手順），測定処理を終了させる。
このステップＳ５において，前記計算機１６は，前記振幅ΔＩ（光励起キャリアの寿命の指標値）とイオン注入量との対応関係が予め設定された情報（以下，指標値・イオン注入量対応情報という）と，ステップＳ３で得られた前記振幅ΔＩの検出値とに基づいて，前記試料６におけるイオン注入量を導出する。
そして，前記計算機１６は，全ての測定部についての測定（前記振幅ΔＩの検出）が終了したと判別した場合，得られた前記振幅ΔＩに基づいて，前記試料６におけるイオン注入量を算出し，その算出結果を前記計算機１６の記憶部に記録するとともに，所定の外部装置（例えば，表示装置等）に出力し（Ｓ５：イオン注入量導出手順），測定処理を終了させる。
このステップＳ５において，前記計算機１６は，前記振幅ΔＩ（光励起キャリアの寿命の指標値）とイオン注入量との対応関係が予め設定された情報（以下，指標値・イオン注入量対応情報という）と，ステップＳ３で得られた前記振幅ΔＩの検出値とに基づいて，前記試料６におけるイオン注入量を導出する。
図４は，イオン注入量が既知の校正用試料を前記イオン注入量測定装置Ｘ１により測定した場合におけるイオン注入量と前記ステップＳ３において検出される前記反射マイクロ波の強度信号の振幅（図３におけるΔＩ）との関係を表すグラフである。ここで，注入イオンはボロン（ホウ素）イオンである。なお，図４における横軸は，試料の投影面積１［ｃｍ2］当たりのイオンの数を表し，縦軸は前記振幅ΔＩに相当する電位［ｍＶ］を表す。
図５に示されるように，前記試料６におけるイオン注入量が多いほど，前記ダメージの程度が大きく光励起キャリアのライフタイムτが短くなるため，イオン注入量の増加に対して前記振幅ΔＩが単調減少する。
そこで，前記イオン注入量測定装置Ｘ１によりイオン注入量が既知の校正用試料を予め測定することにより，前記振幅ΔＩとイオン注入量との対応情報を得ておく。そして，そのようにして得られた情報を，前記指標値・イオン注入量対応情報として予め前記計算機１６の記憶部に記憶させておく。
一般に，シリコンデバイスにおけるイオン注入量の管理は，実際のイオン注入量が目標注入量（例えば，図４におけるＰｏ）に対して±１０％の許容範囲内に収まっていることが合格基準となる。図４から，前記イオン注入量測定装置Ｘ１によれば，十分に実用的な感度でイオン注入量を測定できることがわかる。
図５に示されるように，前記試料６におけるイオン注入量が多いほど，前記ダメージの程度が大きく光励起キャリアのライフタイムτが短くなるため，イオン注入量の増加に対して前記振幅ΔＩが単調減少する。
そこで，前記イオン注入量測定装置Ｘ１によりイオン注入量が既知の校正用試料を予め測定することにより，前記振幅ΔＩとイオン注入量との対応情報を得ておく。そして，そのようにして得られた情報を，前記指標値・イオン注入量対応情報として予め前記計算機１６の記憶部に記憶させておく。
一般に，シリコンデバイスにおけるイオン注入量の管理は，実際のイオン注入量が目標注入量（例えば，図４におけるＰｏ）に対して±１０％の許容範囲内に収まっていることが合格基準となる。図４から，前記イオン注入量測定装置Ｘ１によれば，十分に実用的な感度でイオン注入量を測定できることがわかる。
［第２実施形態］
次に，本発明の第２実施形態に係るイオン注入量測定装置Ｘ２について説明する。
前記イオン注入量測定装置Ｘ２は，前記イオン注入量測定装置Ｘ１の変形例であり，装置構成の大部分及びイオン注入量の基本的な測定原理は前記イオン注入量測定装置Ｘ１のそれと同じである。
以下，図８に示される概略構成図を参照しつつ，前記イオン注入量測定装置Ｘ２における前記イオン注入量測定装置Ｘ１と異なる部分についてのみ説明する。なお，図８において，前記イオン注入量測定装置Ｘ２の構成要素のうち，図１に示される前記イオン注入量測定装置Ｘ１の構成要素と同じものについては，それと同じ符号が付されている。
前記イオン注入量測定装置Ｘ２における前記イオン注入量測定装置Ｘ１と異なる点は，前記励起レーザ光源１２及び前記変調器１４に替えて励起パルスレーザ光源１２’が設けられている点と，前記ロックインアンプ１５に替えて信号処理装置１５’が設けられている点と，前記発振器１３が除かれている点との３点である。
次に，本発明の第２実施形態に係るイオン注入量測定装置Ｘ２について説明する。
前記イオン注入量測定装置Ｘ２は，前記イオン注入量測定装置Ｘ１の変形例であり，装置構成の大部分及びイオン注入量の基本的な測定原理は前記イオン注入量測定装置Ｘ１のそれと同じである。
以下，図８に示される概略構成図を参照しつつ，前記イオン注入量測定装置Ｘ２における前記イオン注入量測定装置Ｘ１と異なる部分についてのみ説明する。なお，図８において，前記イオン注入量測定装置Ｘ２の構成要素のうち，図１に示される前記イオン注入量測定装置Ｘ１の構成要素と同じものについては，それと同じ符号が付されている。
前記イオン注入量測定装置Ｘ２における前記イオン注入量測定装置Ｘ１と異なる点は，前記励起レーザ光源１２及び前記変調器１４に替えて励起パルスレーザ光源１２’が設けられている点と，前記ロックインアンプ１５に替えて信号処理装置１５’が設けられている点と，前記発振器１３が除かれている点との３点である。
前記励起パルスレーザ光源１２’は，前記試料６（イオン注入物）に対する浸透長がその試料６の表層におけるイオン注入深さよりも短く，かつその試料６のバンドキャップ以上のエネルギーを有するパルス状のレーザ光（励起光）を出力する光源である。この励起パルスレーザ光源１２’は，前記計算機１６からのパルス出力指令に応じて励起光（パルス光）を出射する。なお，前記パルス出力指令は，励起光の出力開始時点を表す励起開始信号として前記信号処理装置１５’へも同時に伝送される。
また，前記励起パルスレーザ光原１２’から出射された励起光は，前記ミラー８により反射され，前記微小孔３ａ及び前記導波管アンテナ５の端部の開口を通じて前記試料６の測定部に照射される。このような励起光の照射は，図２に示された測定手順におけるステップＳ３において行われる。
例えば，前記試料６が，１［μｍ］の深さでイオン注入がなされたシリコンウェーハである場合，前記励起パルスレーザ光源１２’の出力光（励起光）の波長λが，３４９［ｎｍ］であることが考えられる。これにより，前記励起光の前記試料６に対する浸透長は１０［ｎｍ］となる。
また，前記励起パルスレーザ光原１２’から出射された励起光は，前記ミラー８により反射され，前記微小孔３ａ及び前記導波管アンテナ５の端部の開口を通じて前記試料６の測定部に照射される。このような励起光の照射は，図２に示された測定手順におけるステップＳ３において行われる。
例えば，前記試料６が，１［μｍ］の深さでイオン注入がなされたシリコンウェーハである場合，前記励起パルスレーザ光源１２’の出力光（励起光）の波長λが，３４９［ｎｍ］であることが考えられる。これにより，前記励起光の前記試料６に対する浸透長は１０［ｎｍ］となる。
また，前記信号処理装置１５’は，パルス状の前記励起光の照射に応じて変化する前記反射マイクロ波の強度（前記ミキサ１０の検出値）のピーク値を検出し，そのピーク値を前記計算機１６に出力する装置である。この信号処理装置１５’は，前記パルス出力指令（即ち，前記励起開始信号）に応じて，予め定められた時間内における前記反射マイクロ波の強度信号のピーク値Ｉｐを検出する。このようなピーク値Ｉｐの検出は，図２に示された測定手順におけるステップＳ３において行われる。
図５に示されたグラフからわかるように，光励起キャリアのライフタイムτが短いほど，光励起キャリアの発生量が少ないため，それに応じて前記反射マイクロ波の強度のピーク値Ｉｐも小さくなる。このように，光励起キャリアのライフタイムτと前記反射マイクロ波の強度のピーク値Ｉｐとに正の相関があることから，前記反射マイクロ波の強度のピーク値Ｉｐ（前記信号処理装置１５’の検出値）は，光励起キャリアのライフタイムτ（寿命）の指標値の一例となる。
図５に示されたグラフからわかるように，光励起キャリアのライフタイムτが短いほど，光励起キャリアの発生量が少ないため，それに応じて前記反射マイクロ波の強度のピーク値Ｉｐも小さくなる。このように，光励起キャリアのライフタイムτと前記反射マイクロ波の強度のピーク値Ｉｐとに正の相関があることから，前記反射マイクロ波の強度のピーク値Ｉｐ（前記信号処理装置１５’の検出値）は，光励起キャリアのライフタイムτ（寿命）の指標値の一例となる。
また，前記イオン注入量測定装置Ｘ２における前記計算機１６の記憶部には，前記反射マイクロ波の強度のピーク値Ｉｐ（ライフタイムτの指標値）とイオン注入量との対応関係が設定された前記指標値・イオン注入量対応情報が予め記憶されている。この指標値・イオン注入量対応情報も，図４のグラフが表す対応関係と同様の関係を表す情報となる。また，この指標値・イオン注入量対応情報も，前記イオン注入量測定装置Ｘ１の場合と同様に，当該イオン注入量測定装置Ｘ２によりイオン注入量が既知の校正用試料を予め測定することによって得られる情報である。
そして，前記イオン注入量測定装置Ｘ２における前記計算機１６は，その記憶部に記憶されている前記指標値・イオン注入量対応情報と，前記反射マイクロ波の強度のピーク値Ｉｐ（ライフタイムτの指標値の検出値）とに基づいて，前記試料６におけるイオン注入量を導出する。このようなイオン注入量算出処理は，図２に示された測定手順におけるステップＳ５において行われる。
当該イオン注入量測定装置Ｘ２は，前記イオン注入量測定装置Ｘ１に比べ，電源ノイズ等の影響を受けやすいものの，その他の面では，前記イオン注入量測定装置Ｘ１と同様の作用及び効果を奏する。
そして，前記イオン注入量測定装置Ｘ２における前記計算機１６は，その記憶部に記憶されている前記指標値・イオン注入量対応情報と，前記反射マイクロ波の強度のピーク値Ｉｐ（ライフタイムτの指標値の検出値）とに基づいて，前記試料６におけるイオン注入量を導出する。このようなイオン注入量算出処理は，図２に示された測定手順におけるステップＳ５において行われる。
当該イオン注入量測定装置Ｘ２は，前記イオン注入量測定装置Ｘ１に比べ，電源ノイズ等の影響を受けやすいものの，その他の面では，前記イオン注入量測定装置Ｘ１と同様の作用及び効果を奏する。
ところで，前記信号処理装置１５’が，前記反射マイクロ波の強度信号におけるピークが生じてから所定レベルに減衰するまでの時間（減衰時間），即ち，光励起キャリアのライフタイムτそのものを検出することも考えられる。
しかしながら，パルス状の励起光（例えば，パルス幅１０ｎｓ）を照射した場合，前記反射マイクロ波の強度変化の時定数は１μｓ以下となる場合がある。こそのような反射マイクロ波の強度変化を監視するためには，前記ミキサ１０及びその検出信号を取り込む機器は，１０ＭＨｚ以上の測定周波数帯域での測定が必要となる。
一方，前記イオン注入量測定装置Ｘ１，Ｘ２では，前述したように，例えば１０Ｈｚ程度の測定周波数帯域での測定が可能である。
一般に，ノイズは，測定周波数帯域の平方根に比例するので，イオン注入量測定装置Ｘ１，Ｘ２によれば，パルス状の励起光を用いる場合に比べ，Ｓ／Ｎ比を１０００倍以上（（１０×１０6／１０）1/2以上）に高めることができる。
しかしながら，パルス状の励起光（例えば，パルス幅１０ｎｓ）を照射した場合，前記反射マイクロ波の強度変化の時定数は１μｓ以下となる場合がある。こそのような反射マイクロ波の強度変化を監視するためには，前記ミキサ１０及びその検出信号を取り込む機器は，１０ＭＨｚ以上の測定周波数帯域での測定が必要となる。
一方，前記イオン注入量測定装置Ｘ１，Ｘ２では，前述したように，例えば１０Ｈｚ程度の測定周波数帯域での測定が可能である。
一般に，ノイズは，測定周波数帯域の平方根に比例するので，イオン注入量測定装置Ｘ１，Ｘ２によれば，パルス状の励起光を用いる場合に比べ，Ｓ／Ｎ比を１０００倍以上（（１０×１０6／１０）1/2以上）に高めることができる。
また，前記試料６における前記ダメージの程度は，イオン注入量が同じであっても，注入されたイオンの種類，イオン注入時のイオン加速エネルギー，前記試料６の表面に対するイオン注入角度（イオンの打ち込み角度）及びイオン注入時の半導体の表面荒さ（表面の加工状態）等のイオン注入条件の違いに応じて異なる。
そのため，前記イオン注入条件が異なれば，図５に示されるようなイオン注入量と光励起キャリアのライフタイムτの指標値（前記振幅ΔＩ又は前記ピーク値Ｉｐ）との対応関係も異なる。
そこで，前記イオン注入量測定装置Ｘ１，Ｘ２における前記計算機１６が，次の２つの機能を備えていれば好適である。
その１つ目の機能は，前記計算機１６が，所定の情報入力装置を備え，その情報入力装置を通じて得られる入力情報に従って前記イオン注入条件を特定するイオン注入条件特定機能である。ここで，前記イオン注入条件は，測定対象とする前記試料６における注入されたイオンの種類，イオン注入時のイオン加速エネルギー，イオン注入角度，前記半導体の種類及びイオン注入時の前記半導体の表面の加工状態（表面荒さ等）のうちの１つ以上の条件を含む。
また，２つ目の機能は，前記計算機１６の記憶部等の記憶手段に予め記憶された複数の前記指標値・イオン注入量対応情報の候補の中から，前記イオン注入条件特定機能により特定された前記イオン注入条件に対応するものを選択する指標値・イオン注入量対応情報選択機能である。この機能により選択された情報は，前述したステップＳ５のイオン注入量算出手順で用いられる前記指標値・イオン注入量対応情報となる。
ここで，複数の前記指標値・イオン注入量対応情報の候補は，それぞれ異なる前記イオン注入条件でイオン注入がなされてイオン注入量が既知である校正用半導体を，前記イオン注入量測定装置Ｘ１，Ｘ２によって予め測定することにより得られる情報である。
また，前記入力情報は，例えば，前記イオン注入条件そのものを表す情報や，前記計算機１６が備える情報表示装置に表示された前記イオン注入条件の選択メニュー画面における選択項目を指定する情報等である。
上記構成を備えたイオン注入量測定装置Ｘ１，Ｘ２は，イオン注入の条件が異なる様々な種類の試料６のイオン注入量を，高精度で測定することができる。
そのため，前記イオン注入条件が異なれば，図５に示されるようなイオン注入量と光励起キャリアのライフタイムτの指標値（前記振幅ΔＩ又は前記ピーク値Ｉｐ）との対応関係も異なる。
そこで，前記イオン注入量測定装置Ｘ１，Ｘ２における前記計算機１６が，次の２つの機能を備えていれば好適である。
その１つ目の機能は，前記計算機１６が，所定の情報入力装置を備え，その情報入力装置を通じて得られる入力情報に従って前記イオン注入条件を特定するイオン注入条件特定機能である。ここで，前記イオン注入条件は，測定対象とする前記試料６における注入されたイオンの種類，イオン注入時のイオン加速エネルギー，イオン注入角度，前記半導体の種類及びイオン注入時の前記半導体の表面の加工状態（表面荒さ等）のうちの１つ以上の条件を含む。
また，２つ目の機能は，前記計算機１６の記憶部等の記憶手段に予め記憶された複数の前記指標値・イオン注入量対応情報の候補の中から，前記イオン注入条件特定機能により特定された前記イオン注入条件に対応するものを選択する指標値・イオン注入量対応情報選択機能である。この機能により選択された情報は，前述したステップＳ５のイオン注入量算出手順で用いられる前記指標値・イオン注入量対応情報となる。
ここで，複数の前記指標値・イオン注入量対応情報の候補は，それぞれ異なる前記イオン注入条件でイオン注入がなされてイオン注入量が既知である校正用半導体を，前記イオン注入量測定装置Ｘ１，Ｘ２によって予め測定することにより得られる情報である。
また，前記入力情報は，例えば，前記イオン注入条件そのものを表す情報や，前記計算機１６が備える情報表示装置に表示された前記イオン注入条件の選択メニュー画面における選択項目を指定する情報等である。
上記構成を備えたイオン注入量測定装置Ｘ１，Ｘ２は，イオン注入の条件が異なる様々な種類の試料６のイオン注入量を，高精度で測定することができる。
表層にイオン注入がなされた半導体におけるイオン注入量の測定を行うイオン注入量測定装置に利用可能である。
Ｘ１，Ｘ２：イオン注入量測定装置
１ ：マイクロ波発振器
２ ：サーキュレータ
３ ：導波管
３ａ：微小孔
４ ：Ｅ−Ｈチューナ
５ ：導波管アンテナ
６ ：イオン注入物（試料）
７ ：試料ステージ
８ ：ミラー
１０：ミキサ
１１：増幅器
１２：励起レーザ光源
１２’：励起パルスレーザ光源
１３：発振器
１４：変調器
１５：ロックインアンプ
１５’：信号処理装置
１６：計算機
１７：ステージ制御装置
Ｓ１，Ｓ２，・・：処理手順（ステップ）
１ ：マイクロ波発振器
２ ：サーキュレータ
３ ：導波管
３ａ：微小孔
４ ：Ｅ−Ｈチューナ
５ ：導波管アンテナ
６ ：イオン注入物（試料）
７ ：試料ステージ
８ ：ミラー
１０：ミキサ
１１：増幅器
１２：励起レーザ光源
１２’：励起パルスレーザ光源
１３：発振器
１４：変調器
１５：ロックインアンプ
１５’：信号処理装置
１６：計算機
１７：ステージ制御装置
Ｓ１，Ｓ２，・・：処理手順（ステップ）
Claims (7)
- 表層にイオン注入がなされた半導体であるイオン注入物におけるイオン注入量の測定を行うイオン注入量測定装置であって，
前記イオン注入物の測定部に対しマイクロ波を照射する電磁波照射手段と，
前記イオン注入物に対する浸透長が該イオン注入物の表層におけるイオン注入深さよりも短く，かつ前記イオン注入物のバンドキャップ以上のエネルギーを有する励起光を前記測定部に照射する励起光照射手段と，
前記励起光の照射により変化する，前記イオン注入物からの前記マイクロ波の反射波の強度を検出する電磁波強度検出手段と，
前記電磁波強度検出手段による検出強度に基づいて前記測定部における光励起キャリアの寿命の指標値を検出する光励起キャリア寿命指標値検出手段と，
前記光励起キャリアの寿命の指標値と前記イオン注入量との対応関係が予め設定された指標値・イオン注入量対応情報と前記光励起キャリア寿命指標値検出手段の検出値とに基づいて前記イオン注入物におけるイオン注入量を導出するイオン注入量導出手段と，
を具備してなることを特徴とするイオン注入量測定装置。 - 前記励起光照射手段が，前記イオン注入物に対する浸透長が前記イオン注入物の表層におけるイオン注入深さよりも短く，かつ前記イオン注入物のバンドキャップ以上のエネルギーを有する励起光を，予め定められた周期で強度変調して前記測定部に照射するものであり，
前記光励起キャリア寿命指標値検出手段が，前記電磁波強度検出手段による検出強度の信号から前記励起光の強度変調に同期した周波数成分の信号の振幅を前記光励起キャリアの寿命の指標値として検出するものである請求項１に記載のイオン注入量測定装置。 - 前記励起光照射手段が，前記イオン注入物に対する浸透長が前記イオン注入物の表層におけるイオン注入深さよりも短く，かつ前記イオン注入物のバンドキャップ以上のエネルギーを有するパルス状の励起光を前記測定部に照射するものであり，
前記光励起キャリア発生指標値検出手段が，前記パルス状の励起光の照射に応じて変化する前記電磁波強度検出手段の検出強度のピーク値を前記光励起キャリアの寿命の指標値として検出するものである請求項１に記載のイオン注入量測定装置。 - 前記励起光照射手段が，前記励起光を，少なくとも１回当たり５ナノ秒間以上継続して前記測定部に照射してなる請求項１〜３のいずれかに記載のイオン注入量測定装置。
- 一端が前記測定部に対向して配置され前記マイクロ波の伝播経路を形成する導波管アンテナを具備し，
前記電磁波照射手段が，前記導波管アンテナの前記測定部に対向して配置される端部を通じて前記マイクロ波を前記測定部に放射し，
前記電磁波強度検出手段が，前記導波管アンテナの前記測定部に対向して配置される端部で捕捉された前記マイクロ波の反射波の強度を検出してなる請求項１〜４のいずれかに記載のイオン注入量測定装置。 - 前記励起光照射手段が，前記マイクロ波の伝送経路を形成する導波管の管壁に形成された孔及び前記導波管アンテナの前記測定部に対向して配置される端部を通じて前記励起光を前記測定部に照射してなる請求項５に記載のイオン注入量測定装置。
- 所定の情報入力手段を通じて得られる入力情報に従って，注入されたイオンの種類，イオン注入時のイオン加速エネルギー，イオン注入角度，前記半導体の種類及びイオン注入時の前記半導体の表面の加工状態のうちの１つ以上の条件を含むイオン注入条件を特定するイオン注入条件特定手段と，
所定の記憶手段に予め記憶された複数の前記指標値・イオン注入量対応情報の候補の中から，前記イオン注入条件特定手段により特定された前記イオン注入条件に対応するものを，前記イオン注入量導出手段により用いられる前記指標値・イオン注入量対応情報として選択する指標値・イオン注入量対応情報選択手段と，
を具備してなる請求項１〜６のいずれかに記載のイオン注入量測定装置。
Priority Applications (1)
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| JP2008054628A JP5363011B2 (ja) | 2008-03-05 | 2008-03-05 | イオン注入量測定装置 |
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