JPH0318340B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は半導体製造技術の分野に関し、更に特
定すると製造過程中に実施されるイオン注入量測
定技術の分野に関する。

（従来の技術） イオン注入法とは高エネルギイオンの打ち込み
によつてウエハ近表面の化学及び物理的な組成を
変化させる、一般的な半導体製造工程の一つであ
る。このイオン打ち込みによつて半導体の結晶格
子は損傷を受ける。普通、イオンビーム径（５
mm）はウエハのサイズ（75−250mm）に比べて小
さい。従つて、ウエハに対してイオンビームを走
査することによつてイオン注入量の変動をなく
し、それを可及的に均一にすることが必要であ
る。不適切な走査、ウエハの帯電またはビームの
不安定性等を含む多くの要因によつて、ウエハ表
面でイオン注入量が変動し不均一となる。イオン
注入量のこのような変動すなわち不均一性によつ
て、当然、製造された半導体装置の電気的性質に
ばらつきが生じる。即ち、イオン注入量の不均一
性はその品質に直接の影響を及ぼすものである。
従つて、イオン注入量を推定する技術、またある
場合は注入量の不均一性を推定する技術が開発さ
れてきた。

このような既知の測定技術の一つとして、直接
シート抵抗を測定するものがある。この方法で
は、ウエハは、格子損傷を取り除き注入されたイ
オンを活性化するための高温アニール（焼きなま
し）の工程を経る。その後、同一線上の４点プロ
ーブをウエハ表面に電気的に接触させ、そのうち
の２プローブ間に電流を流すことが行われる。そ
して他の２プローブ間にわたつて電圧が測定さ
れ、抵抗値が検出される。

他の方法では、ウエハ中を伝播する熱波を利用
している。この方法では、レーザーエネルギの高
調波パルスが半導体表面上に直接導入され、ウエ
ハ中を伝播する熱波列が形成される。ウエハの表
面温度は、このような波がイオン注入による損傷
を有する表面下を拡散していくあいだに変化す
る。ウエハの表面温度は２次レーザビームの反射
をモニタして検出され、このようにしてイオン注
入量に関する信号が得られる。

イオン注入量の間接的な測定方法として、光学
的線量測定と呼ばれるものがある。この方法で
は、ホトレジスト層で被覆されたガラスウエハが
注入装置内でテスト片として用いられる。このテ
スト片は強い注入を受けると、ホトレジスト層を
黒化させる。その結果、ホトレジスト層を通過し
た平行光線の透過量は、イオン注入量によつて影
響を受けることになり、これによつて注入量が測
定される。

（発明の要約） 本発明の目的は、イオン注入された半導体結晶
のイオン注入量を直接測定する非接触型的にかつ
非破壊的に直接測定することができる、斬新にし
て有用性の高い測定方法を提供するものである。

本発明の他の目的は、半導体ウエハの製造過程
中アニール工程に先立つてイオン注入量を決定
し、これによつて製造工程を完了する前にイオン
注入工程における欠陥を検出することが出来る測
定技術を提供することである。

本発明の更に他の目的は、品質をモニタしイオ
ン注入量の変化を即時にフイードバツクすること
によつて半導体製造プロセスにおけるオートメー
シヨンに理想的に適するようにした測定技術を提
供することである。

本発明の更に他の目的は、シリコン、ゲルマニ
ウム、ヒ化ガリウムおよびリン化インジユウムを
含むいかなる結晶体および半導体物質に対して適
用可能なイオン注入量測定方法を提供することで
ある。

本発明の更に他の目的は、イオン注入された半
導体結晶表面に直射されるコヒーレント光エネル
ギ源を用い、半導体結晶構造から反射される上記
光エネルギの第３高調波強度を検出し測定する、
イオン注入量測定技術を提供することである。

（実施例） 第１図は、本発明の方法の１実施例を具現する
ための装置を示し、第２図は第１図に示した装置
によつて得られた真空中および空気中でのイオン
注入量強度の測定結果を示す図である。また第３
図は予め規定されたイオン注入量境界を有するテ
ストウエハを示し、第４図は第１図に示した装置
によつて第３図に示したテストウエハを測定した
時の測定マツプを示するものである。

第１図に示す実施例装置において、１０はＱ−
スイツチNd：YAGレーザであり、基本波長が
1.06μで4nsのパルスを10Hzの繰り返し数で発生す
る。レーザ１０によつて得られるパルスエネルギ
ビームは偏光子１２と平行光学系１４を通過す
る。平行化されたビームは２色性ミラー１８に直
射されここで半導体ウエハ３０の表面上に反射さ
れる。ウエハ３０は一般にＸ−Ｙ可動固定台４０
上におかれており、半導体結晶３０の表面上にわ
たつて多重サンプリング測定が可能なようにされ
ている。ビームを走査させかつ半導体ウエハを固
定することによつて、異なつた装置の配置になす
ことが可能である。

ビームエネルギのパルスが半導体結晶３０上に
衝突すると、半導体３０の非直線性光学的性質の
ために基本波長の高調波の反射が生じる。すなわ
ち、基本波長の第２高調波が発生する。しかしな
がら、例えば一般にシリコンのような対称中心を
持つ結晶から放射される第２高調波は、表面から
数個の原子層からのものに限られることが知られ
ている。一方、発明者等は第３高調波が、基本波
長の吸収長あるいは第３高調波の吸収長に相当す
る結晶表面からの深さにおいて発生することを発
見した。半導体結晶表面から約10nｍである吸収
長に相当するプローブ深さは、イオン注入によつ
て正常に変化した材料の堆積に相当する。イオン
注入過程で生じた格子損傷は純粋の結晶構造に比
べて第３高調波の強度に影響を及ぼす。従つて、
イオン注入量における変動すなわち不均一性は、
半導体結晶３０の表面からのこのような第３高調
波の放射における計測された変動となつて現われ
る。

第１図に示した実施例中に示される２色性ミラ
ーは、基本波長を反射し第３高調波を透過するも
のが選択されている。半導体結晶３０から放射さ
れた第３高調波は、２色性ミラー１８、フイルタ
ー２０および偏光子２２を透過してセンサ２４に
達する。この場合、センサ２４は光電子増倍管で
あつて、センサ２４に入射する基本周波数の第３
高調波の強度に相当した電気出力信号を発生す
る。光電子増倍管センサ２４の出力は、市販され
ている積分／平均器２６に供給される。この発明
を導いた実験に使用された積分／平均器は、ニユ
ージヤージ州プリンストンのイージーアンドジ
ー・プリンストン・アプライド・リサーチ社
（EG＆Gprinceton Applied Research）製の信号
処理システムモデル400である。

積分／平均器２６の機能は、光電子増倍管セン
サ２４の出力パスルを分析し、該センサにおける
第３高調波の相対強度を示す出力を供給するもの
である。

半導体結晶３０の表面と、２色性ミラー１８の
半導体に向つてビームが反射される点との間の
“Ｌ”で示される距離は、これら２点間の媒体が
空気であるとき、考慮されるべき重要点となる。
真空中では、この距離“Ｌ”は任意である。しか
しながら、空気中では、空気によつて第３高調波
が発生し、２色性ミラー１８と半導体３０間の経
路において発生する正弦的性質の強度変化が散乱
によつて生じる。“Ｌ”が空気中で発生した第３
高調波のコヒーレンス長の偶数倍に等しいとき、
真空媒体を用いた測定にほぼ一致する測定結果が
得られることを発見した。

上述した測定方法を実施することによつて空気
を媒体として用いることが出来ると言う事実は、
この測定方法をオートメーシヨン工程に極めて適
したものとしている。

第２図のグラフは、イオン注入量が図示された
範囲内にある種々のサンプルに対して上述の装置
を用いて行われた比較測定の結果を示している。
連続線１０１は真空媒体中での種々のサンプルの
測定結果を示す。破線１０３は、ミラー１８とサ
ンプル表面間が第３高調波（Lcoh）のほぼ0.4コ
ヒーレンス長であるときの同じサンプルの空気媒
体中での測定結果を示す。１点鎖線１０５は、ミ
ラー１８とサンプル表面間の距離“Ｌ”が2Lcoh
である上述の装置によつて測定された同じサンプ
ルの結果を示している。

第２図から、“Ｌ”値としてLcohの偶数倍のも
のを用いることによつて、空気中で装置を使用し
た結果が真空中での結果にほとんど同じとなるこ
とが分かる。

第３図は、P⁺イオンを50KEVで注入すると言
う際立つたイオン注入が実行されたときのサンプ
ルウエハの３個の領域を示している。領域“Ａ”
では注入量は３×10¹³cm^-2であり、一方領域
“Ｂ”では1.8×10¹³cm^-2、領域“Ｃ”では5.6×
10¹³cm^-2である。

第４図は、境界領域A′、B′およびC′を定義す
るために、測定された第３高調波の相対強度の範
囲を利用して、第３図に示したサンプルの測定マ
ツプを示すものである。

上述の装置はパルスのサンプリングのために偏
光子１２および検光子２２を用いたものとして示
されているが、半導体ウエハ３０を回転移動させ
ることによつて、センサ２４に反射される第３高
調波の検出値に変化が生じる。従つて、ビームに
円偏光性を与え、方向性による変化を打ち消すた
めに、第１図に点線１６で示される1/4波長板を
用いることが望ましい。

本発明では、レーザ源１０からのパルスエネル
ギの強度は、約40ｍＪのパルスエネルギを持つよ
うに選択されている。このエネルギは、イオン注
入によつてアモルフアス化されたシリコン結晶の
アニールしきい値より十分に小さく、しかしなが
ら同時にセンサ２４によつて簡単に検出しうる第
３高調波を結晶表面で発生するのに十分な大きさ
である。この発明を少し変更することによつて柔
軟性が生じる。例えば、半導体結晶における有効
な測定のためのプローブ深さは、基礎の光照射に
おける波長を選択することによつて制御すること
が出来る。一方、平均エネルギをアニールのしき
い値以下に保持する一方、大電力のパルスが供給
されるので、比較的短いパルス幅が望まれる。更
に、分析時間を短縮するためには高いパルス繰り
返し数が望ましい。

多くの修正および変更がこの発明の新規な概念
の範囲からはずれる事無く、実施される。従つ
て、特許請求の範囲によつて、本発明の真の精神
および範囲中に含まれるすべての修正および変更
がカバーされることは、いうまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明方法の１実施例を具現するた
めの装置を示す部ブロツク図、第２図は第１図に
示した装置によつて得られる真空中および空気中
でのイオン注入量強度の測定結果を示す図、第３
図は予め規定されたイオン注入量境界を有するテ
ストウエフアを示す図、第４図は第３図に示した
テストウエフアの第１図に示す装置による測定結
果を示す地図である。 １０：レーザ、１８：２色性ミラー、２４：光
電子増倍管センサ、２６：積分／平均器、３０：
半導体結晶。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 予め決定された基礎波長を有するコヒーレン
   ト光エネルギビームの発生源を準備する過程と、 予め決定されたパルス幅及びパルス繰り返し数
   を有する光エネルギパルスを供給するために上記
   コヒーレント光エネルギビームをパルス化する過
   程と、 半導体結晶の一定領域上に上記パルス化された
   コヒーレント光エネルギビームを直射する過程
   と、 上記半導体結晶の一定領域から反射された上記
   基本波長の第３高調波を検出する過程と、 上記半導体結晶から反射された上記第３高調波
   エネルギの強度を測定する過程と、 上記半導体結晶から反射された第３高調波エネ
   ルギの測定された強度にもとづいて、イオン注入
   量を決定する過程と、 からなる半導体結晶におけるイオン注入量測定方
   法。 ２ 上記直射過程は、上記ビーム源と上記半導体
   結晶間に位置し、上記基礎波長を半導体結晶方向
   に反射させかつ上記基本波長の第３高調波を透過
   するように配置された２色性ミラーを準備する過
   程を含んでいることを特徴とする、特許請求の範
   囲第１項に記載の半導体結晶におけるイオン注入
   量測定方法。 ３ 上記検出過程は、光エネルギを検出する手段
   を準備する過程を含み、上記２色性ミラーは上記
   検出手段に対して基礎波長の第３高調波のみを透
   過するように上記検出手段と半導体結晶間に準備
   されかつ配置されることを特徴とする、特許請求
   の範囲第２項に記載の半導体結晶におけるイオン
   注入量測定装置。 ４ 上記直射過程は、上記コヒーレント光エネル
   ギビームを半導体結晶表面に対して垂直な入射角
   で直射することによつて実行される事を特徴とす
   る、特許請求の範囲第３項に記載の半導体結晶に
   おけるイオン注入量測定方法。 ５ 上記検出手段は、上記半導体結晶から半導体
   結晶表面に対して垂直方向に反射された上記基本
   波長の第３高調波を受光するように準備されてい
   ることを特徴とする、特許請求の範囲第４項に記
   載の半導体結晶におけるイオン注入量測定方法。 ６ 直射手段と半導体結晶表面間の媒体が空気で
   あり、かつ２色性ミラーは半導体結晶表面からの
   距離が空気中での第３高調波のコヒーレンス長の
   偶数倍に等しい距離となるように準備されている
   ことを特徴とする、特許請求の範囲第５項に記載
   の半導体結晶におけるイオン注入量測定方法。