JPH10125753A

JPH10125753A - 半導体のキャリア濃度測定方法、半導体デバイス製造方法及び半導体ウエハ

Info

Publication number: JPH10125753A
Application number: JP9227470A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Nakano; 浩之中野; Kenji Taniguchi; 研二谷口
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1996-09-02
Filing date: 1997-08-07
Publication date: 1998-05-15
Also published as: EP0827192A3; US6153444A; EP0827192A2

Abstract

(57)【要約】【課題】エリプソメトリ法に改良を加えることによ
り、非接触非破壊で、半導体層のキャリア濃度と膜厚を
同時に測定できるようにする。【解決手段】エリプソメトリ法装置１の光源４から
は、半導体の自由キャリアによる光吸収が起きるような
周波数領域の光（例えば、赤外光）が出射され、偏光板
５を通してキャリアドープド半導体層９に照射される。
この反射光は偏光板７を通して受光器６で受光される。
エリプソメトリ法装置１によって反射振幅比tanΨとそ
の位相Δを求める。キャリア濃度Ｎcと膜厚ｄを仮定し
て所定の関係式から計算によってΨとΔを算出し、Ψ及
びΔの測定値と計算値の誤差が小さくなるようにカーブ
フィッティングさせる。この誤差が許容範囲になったと
きの仮定値Ｎ_Cと膜厚ｄを半導体のキャリア濃度Ｎ_Cと膜
厚ｄの測定値とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体のキャリア
濃度測定方法、半導体デバイス製造方法及び半導体ウエ
ハに関する。特に、半導体デバイス製造プロセスにおけ
る検査技術、特に不純物を添加した半導体能動層のキャ
リア濃度及びその膜厚あるいはキャリア濃度プロファイ
ルを測定するための技術に関する。さらに、当該測定方
法を用いて検査された半導体ウエハに関する。

【０００２】

【従来の技術】

（従来のキャリア濃度プロファイル測定方法）半導体デ
バイス製作における重要なデバイス評価試験の一つは、
キャリア濃度プロファイルの測定である。一般に、半導
体中のキャリア濃度プロファイル測定には、接合の容量
−電圧（Ｃ−Ｖ）特性を利用した測定が行なわれてい
る。このＣ−Ｖ法は、ｐｎ接合、ショットキー接合、Ｍ
ＯＳ構造などを有するサンプルを作製し、容量計のテス
トシグナルに直流バイアス電圧を加えることによって空
乏層の厚さ（＝測定領域の接合からの深さ）を制御し、
そのときの容量値の変化からキャリア濃度プロファイル
を求める方法である。

【０００３】しかしながら、Ｃ−Ｖ法では、キャリア濃
度プロファイルの測定は破壊試験となるので、製品を製
造する実際の半導体デバイス製造ラインにおいて同一ロ
ット等で、評価試験用のサンプル・ウエハを製品とは別
に製作し、別途製作されたサンプル・ウエハを用いてキ
ャリア濃度プロファイルを測定する必要がある。あるい
は、製品となる半導体デバイスを製造するウエハの一部
を分割し、その断片を測定のため犠牲にして評価を行な
う場合もある。

【０００４】このような破壊検査では、実際に製品とな
って出荷される半導体デバイスそのものの検査を行なう
ことができないので、個体ばらつきやプロセスによる分
布に影響されることになり、正確な評価ができないとい
う問題がある。また、別途評価試験用のサンプル・ウエ
ハを作製したり、製造ラインから抜取ったウエハを分割
して試験用に用いたりする必要があり、測定の準備に手
間と時間が掛かるという問題がある。

【０００５】また、場合によっては、測定を行なわない
場合もあるが、その場合には製品の半導体デバイスの信
頼性に問題が生じる恐れがある。

【０００６】キャリア濃度プロファイルを知る方法とし
ては、上記Ｃ−Ｖ法以外にも、ホール効果を利用してキ
ャリア濃度の深さ方向プロファイルを評価するホール測
定、不純物プロファイルを測定しキャリア濃度プロファ
イルに変換するＳＩＭＳ（二次イオン質量分析）法など
がある。しかし、これらの方法も、いずれもサンプルの
破壊を伴う評価方法であるため、Ｃ−Ｖ法と同じく、上
記のような問題点を有している。

【０００７】（膜厚測定法としてのエリプソメトリ法）
一方、半導体デバイス製造工程においては、非接触によ
る膜厚測定法としてエリプソメトリ法（偏光解析法）が
よく用いられている。この方法は、物質表面に形成され
た薄膜層の複数の臨界面から反射する偏光の入射面に平
行な振動成分の反射率（Ｒ^S）と、これに垂直な振動成
分の反射率（Ｒ^P）の反射振幅比及びその位相差を測定
し、膜厚と屈折率を求める方法である。エリプソメトリ
法では、膜厚を知ることはできるが、キャリア濃度を知
ることはできない。また、通常の可視光を用いたエリプ
ソメトリ法では、半導体基板上に形成された酸化膜やヘ
テロエピタキシャル層など屈折率の異なる物質の膜厚測
定には適用できるが、半絶縁性ＧａＡｓ基板上にエピタ
キシャル成長したｎ型不純物を含有するＧａＡｓ層など
のホモエピタキシャル層では、膜厚を測定することがで
きない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は叙上の技術的
背景に鑑みてなされたものであり、その目的とするとこ
ろは、非接触非破壊で半導体のキャリア濃度を測定する
ための方法を提供することにあり、特に、従来薄膜層の
膜厚測定法として用いられていたエリプソメトリ法に改
良を加えることにより、膜厚測定ばかりでなく、キャリ
ア濃度及びキャリア濃度プロファイルを求めることがで
きるようにし、非接触非破壊で半導体のキャリア濃度及
びキャリア濃度プロファイルを評価できるようにするこ
とにある。

【０００９】本発明の別な目的は、本発明による半導体
のキャリア濃度測定方法を用いて信頼性の高い半導体デ
バイスを製造することができる半導体デバイス製造方法
を提供することにある。

【００１０】

【発明の開示】請求項１に記載の半導体のキャリア濃度
測定方法は、測定対象とする半導体中の自由キャリアに
よる光吸収が発生する周波数帯、もしくは当該周波数帯
を少なくとも一部に含む周波数帯の光を用いた光学的測
定手段により反射振幅比及びその位相、もしくは当該反
射振幅比及び位相に代わる測定結果を取得し、当該反射
振幅比及び位相もしくはそれに代わる測定結果に基づい
て半導体のキャリア濃度を求めることを特徴としてい
る。

【００１１】ここで、キャリアはｐ型であってもｎ型で
あってもよい。また、反射振幅比及びその位相に代わる
測定結果とは、複素振幅反射率比はもちろん、反射振幅
比及び位相から導かれる物理量、反射振幅比及び位相を
求めることができる物理量なども含む。

【００１２】請求項２に記載の実施態様は、請求項１記
載の半導体のキャリア濃度測定方法において、半導体の
キャリア濃度を求めるために、当該半導体の屈折率及び
吸収係数と、キャリア濃度とを結ぶ関係式を用いること
を特徴としている。

【００１３】請求項１及び２の方法によれば、半導体の
キャリア濃度を非接触非破壊で測定することができる。
つまり、自由キャリアによる光吸収が発生する周波数
帯、もしくは当該周波数帯を少なくとも一部に含む周波
数帯の光を用いれば、半導体中の自由キャリアの量によ
り光の吸収され方が変わるので、この影響を光学的測定
手段によって検出し、その結果を解析することにより半
導体のキャリア濃度を非接触非破壊で測定することが可
能になる。

【００１４】請求項３に記載の実施態様は、請求項１又
は２記載の半導体のキャリア濃度測定方法において、前
記光学的測定手段がエリプソメトリ法であることを特徴
としている。

【００１５】エリプソメトリ法によれば、半導体の膜厚
を測定することができるので、キャリア濃度と膜厚を非
接触非破壊で同時に測定することが可能になる。

【００１６】請求項４に記載の実施態様は、請求項１〜
３記載の半導体のキャリア濃度測定方法において、前記
半導体が多層構造を有する場合において、前記反射振幅
比及び位相もしくはそれに代わる測定結果に基づいて、
半導体各層のキャリア濃度をそれぞれ求めるようにした
ことを特徴としている。

【００１７】半導体がキャリア濃度の異なる多層構造を
有している場合にも、各層毎に順次解析することによ
り、各層のキャリア濃度と膜厚を求めることができる。

【００１８】請求項５に記載の実施態様は、請求項１〜
３記載の半導体のキャリア濃度測定方法において、前記
反射振幅比及び位相もしくはそれに代わる測定結果に基
づいて、半導体の厚さ方向におけるキャリア濃度の分布
を求めるようにしたことを特徴としている。

【００１９】半導体内部でキャリア濃度が変化している
場合には、その半導体を深さ方向に区分して多層構造と
みなすことにより、キャリア濃度の深さ方向での分布を
求めることができる。

【００２０】請求項６に記載の実施態様は、請求項１〜
５記載の半導体のキャリア濃度測定方法において、測定
により求めた反射振幅比及び位相もしくはそれに代わる
測定結果と、任意のキャリア濃度及び膜厚を仮定して計
算により求めた反射振幅比及び位相もしくはそれに代わ
る測定結果との誤差を許容限度内に納め、そのときに仮
定したキャリア濃度及び膜厚をそれぞれの測定値とする
ことを特徴としている。

【００２１】この方法によれば、関係式を解いてキャリ
ア濃度及び膜厚（あるいは、キャリア濃度プロファイ
ル）を求めるよりも、短時間で、しかも容易にキャリア
濃度及び膜厚（あるいは、キャリア濃度プロファイル）
を求めることができ、測定所要時間を大幅に短縮するこ
とができる。

【００２２】請求項７に記載の半導体デバイス製造方法
は、請求項１〜６に記載の半導体のキャリア濃度測定方
法を用いて、半導体能動層形成のためのプロセス制御を
行なうことを特徴としている。

【００２３】本発明のキャリア濃度測定方法を半導体デ
バイス製造工程で実施することにより工程内検査とする
ことができ、全てのウエハについて検査を実施すること
ができるので、プロセスコントロールを正確、精密にす
ることができ、また、能動層形成不良のウエハを確実に
取り除くことができる。また、短時間で検査結果を得る
ことができるので、半導体デバイス製造工程におけるス
ループットを向上させることができる。

【００２４】請求項８に記載の半導体ウエハは、請求項
１〜６に記載の半導体のキャリア濃度測定方法を用いて
検査され、かつ、その結果を用いて性能保証されている
ことを特徴としている。

【００２５】このようにして性能保証された半導体ウエ
ハは、別個のウエハによる特性値を用いて破壊検査によ
り保証されたウエハに比べると、はるかに信頼性の高い
ものとなる。

【００２６】

【発明の実施の形態】

（エリプソメトリ法装置の構成）以下、エリプソメトリ
法を用いた本発明によるキャリア濃度測定方法を実施す
るための構成及び原理を図面に従って説明する。図１は
本発明にかかるキャリア濃度測定に用いるエリプソメト
リ法装置１の構成を示す概略図である。測定対象基板２
を載置するプロセス装置３の上方には、ＦＴ−ＩＲ（フ
ーリエ変換−赤外線）スペクトロメータ１０が配設され
ており、ＦＴ−ＩＲスペクトロメータ１０はＳｉＣラン
プ等の光源４とマイケルソン干渉計１１とからなってい
る。光源４から出射された光（赤外光）Ｌ１は、マイケ
ルソン干渉計１１を通過した後、偏光板５及びモジュレ
ータ１２を通って測定対象基板２の表面に斜めに入射す
る。また、測定対象基板２で反射された光を受光する方
向には、ＨｇＣｄＴｅ光検出器等の受光器６が配置さ
れ、受光器６の前面には偏光板（検光板）７が設置され
ている。偏光板５，７は、測定対象基板２の種類に応じ
て偏光軸が光軸回りの適切な方向を向くように調整され
る。このエリプソメトリ法装置１は、ＳｉＣランプのよ
うな光源４の後にマイケルソン干渉計１１を備えてお
り、フーリエ変換処理によりスペクトルを求めて分光す
るようになっている。赤外領域では、可視領域で行われ
ているような分光ができないため、このような構成によ
って赤外分光エリプソメトリを行えるようにしている。
なお、測定対象基板２は、たとえば半絶縁性ＧａＡｓ基
板の上にｎ型ＧａＡｓエピタキシャル層（能動層など）
を形成したものや、Ｓｉ基板の上にｎ型又はｐ型Ｓｉ層
（能動体など）を形成したものである。

【００２７】（エリプソメトリ法の原理）図２は上記エ
リプソメトリ法装置１により、半導体基板８上に形成さ
れたキャリアドープド半導体層９の測定を行なっている
様子を示す説明図である。光源４から出射して偏光板５
で直線偏光させられた入射光（コリメート光）Ｌ１は、
測定対象基板２の上のキャリアドープド半導体層９の表
面に入射角φ₁で入射し、その一部はキャリアドープド
半導体層９の表面で反射して反射光Ｌ２（楕円偏光）と
なり、残りの一部はキャリアドープド半導体層９（膜厚
ｄ）を透過してキャリアドープド半導体層９と半導体基
板８との界面に入射する（屈折角φ₂）。キャリアドー
プド半導体層９と半導体基板８との界面に入射した透過
光Ｌ３の一部は、当該界面で反射してキャリアドープド
半導体層９と空気との界面を通って反射光Ｌ４となり、
残りの一部はさらに半導体基板８に入射して透過光Ｌ５
となる（屈折角φ₃）。ここで、空気の複素屈折率をｎ₁
^*＝ｎ₁＝１（ｎ₁は屈折率）で表わし、キャリアドープ
ド半導体層９の複素屈折率をｎ₂ ^*＝ｎ₂−ｉｋ₂（ｎ₂は
屈折率、ｋ₂は吸収係数）で表わし、半導体基板８の複
素屈折率をｎ₃ ^*＝ｎ₃−ｉｋ₃（ｎ₃は屈折率、ｋ₃は吸収
係数）で表わしている。キャリアドープド半導体層９の
表面で反射された反射光Ｌ２と、半導体基板８とキャリ
アドープド半導体層９との界面で反射された反射光Ｌ４
は、偏光板７を通って受光器６に受光される。なお、実
際には、１次の反射光Ｌ２，Ｌ４以外にも、キャリアド
ープド半導体層９の表裏両面で複数回反射した多重反射
光も存在し、これらの多重反射光も受光器６で受光され
る。しかし、繁雑を避けるため、図２（後述の図５、図
６も同様）では、キャリアドープド半導体層９の表裏い
ずれかの面で１回反射した１次の反射光Ｌ２，Ｌ４のみ
を示している。後述の（４）〜（６）式や（１５）〜
（１６）式は、多重反射光も考慮した結果であるが、説
明を簡単にするため、これらの式に至る途中の説明や計
算では多重反射光について言及していない。従って、厳
密には、以下の説明に表われる反射光Ｌ２はＬ４には、
多重反射の成分も含まれている。

【００２８】図２に示すように、入射面に平行で光軸と
垂直に交わる軸（Ｐ軸）方向の偏光成分（以下、この偏
光成分をＰ波という）の電界ベクトルをＥpとし、Ｐ軸
及び光軸に垂直な軸（Ｓ軸）方向の偏光成分（以下、こ
の偏光成分をＳ波という）の電界ベクトルをＥsとし、
入射光及び反射光の区別についてはそれぞれ上付きの添
字ｉ、ｒ１、ｒ２で示すことにすると、キャリアドープ
ド半導体層９の表面において反射したＰ波及びＳ波の各
フレネル反射係数Ｒ^P、Ｒ^Sは、次の(1)式で与えられ
る。Ｒ^P＝Ｅp^r／Ｅpⁱ Ｒ^S＝Ｅs^r／Ｅsⁱ …(1) 但し、Ｅp^rはキャリアドープド半導体層９の表面で反射
した反射光Ｌ２及びキャリアドープド半導体層９と半導
体基板８の界面で反射した反射光Ｌ４のＰ波の電界ベク
トル、Ｅs^rはキャリアドープド半導体層９の表面で反射
した反射光Ｌ２及びキャリアドープド半導体層９と半導
体基板８の界面で反射した反射光Ｌ４のＳ波の電界ベク
トルであって、Ｅp^r＝Ｅp^r1＋Ｅp^r2 Ｅs^r＝Ｅs^r1＋Ｅs^r2 …(2) である。

【００２９】エリプソメトリ法では、一般に、測定結果
として複素振幅反射率比ρの大きさ（＝反射振幅比）ta
nΨやその位相Δが得られるが、いま対象としているキ
ャリアドープド半導体層９の表面における反射時のＰ波
とＳ波の複素振幅反射率比ρは、Ｒ^PとＲ^Sの比で与えら
れる。すなわち、(1)式を用いれば、 ρ＝Ｒ^P／Ｒ^S＝（Ｅp^r・Ｅsⁱ）／（Ｅpⁱ・Ｅs^r） …(3) と表わすことができる。

【００３０】ここで、空気層とキャリアドープド半導体
層９の界面における入射光Ｌ１、透過光Ｌ３、反射光Ｌ
２，Ｌ４に関する境界条件、および、キャリアドープド
半導体層９と半導体基板８の界面における透過光Ｌ３，
Ｌ５、反射光Ｌ４に関する境界条件を考えると、キャリ
アドープド半導体層９の表面における反射時のＰ波とＳ
波の複素振幅反射率比ρは、測定に使用されている光の
波長をλとすると、次の(4)式のようになる。

【００３１】

【数１】

【００３２】また、キャリアドープド半導体層９の表面
における入射角φ₁、屈折角φ₂及び屈折率ｎ₁，ｎ₂との
間には、スネルの法則ｎ₁・sinφ₁＝ｎ₂・sinφ₂ (7) の関係がある。

【００３３】エリプソメトリ法装置１によれば、使用光
波長λ（あるいは、測定に使用する光の角周波数ω、波
数など）の関数として複素振幅反射率比ρの大きさtan
Ψと位相Δを得ることができるので、エリプソメトリ法
装置１による測定の結果、複素振幅反射率比比ρを、 ρ≡tanΨ・exp（ｉΔ） …(8) として得ることができる。

【００３４】従って、エリプソメトリ法を用いた光学的
測定により上記ΨとΔの値を測定することによって複素
振幅反射率比ρを得ることができれば、原理的には、
(4)〜(7)式を連立方程式として解くことによって(4)〜
(7)式中の未知数を求めることができる。具体的にいう
と、複素屈折率ｎ₁ ^*、ｎ₃ ^*が既知であれば［いまの場
合、ｎ₁ ^*は空気層の複素屈折率であるから、ｎ₁ ^*＝１と
することができ、半導体基板８の複素屈折率ｎ₃ ^*も後述
の高周波領域における比誘電率ε_optを用いて、ｎ₃ ^*＝
√（ε_opt）とすることができる。］、未知数は実質的
にキャリアドープド半導体層９の屈折率ｎ₂、吸収係数
ｋ₂、膜厚ｄとなり、エリプソメトリ法によりΨ及びΔ
を測定することによって、これらの未知数ｎ₂、ｋ₂、ｄ
を求めることができる。

【００３５】ここまでは、従来より知られている一般的
なエリプソメトリ法（偏光解析法）であって、半導体薄
膜層などの膜厚測定法として用いられている。

【００３６】（本発明による改良されたエリプソメトリ
法）本発明は、従来のエリプソメトリ法に改良を加えた
ものであって、キャリアドープド半導体層９の自由キャ
リアによって光が吸収されると、キャリア濃度の違いに
よって複素屈折率に差が生じることを利用してキャリア
濃度を求めることができるようにしたものである。この
原理を以下に説明する。

【００３７】キャリアドープド半導体層９中に自由キャ
リアが存在すると、自由キャリアによって光吸収が起き
るため、キャリアドープド半導体層９の複素屈折率ｎ₂ ^*
は自由キャリアのキャリア濃度Ｎ_Cによって変化し、次
の(9)式又は(10)式で表わされる。この(9)式又は(10)式
は、一般に用いられる自由キャリアによる光の吸収を表
わす式である。

【００３８】

【数２】

【００３９】(9)〜(11)式で用いた記号は次のとおりで
ある。ｎ₂ ^*：キャリアドープド半導体層の複素屈折率 ω ：測定に使用する光の角周波数 ω_P：プラズマ角周波数Ｎ_C：キャリア濃度 γ_pl：プラズマ共鳴の制動定数 ε_opt：測定に用いる光の周波数に比べて非常に高い
周波数領域における半導体の比誘電率 ε₀：真空中の誘電率ｍ^*：キャリアの有効質量（実効質量）ｅ：電荷素量

【００４０】(9)〜(11)式に用いられているキャリアの
有効質量ｍ^*や比誘電率ε_optなどの値は、測定対象基板
２に用いられている半導体材料の種類に応じて既存の文
献やデータに記載されているものを用いることができ
る。従って、上記(9)式［もしくは(10)式］及び(11)式
はキャリアドープド半導体層９の複素屈折率ｎ₂ ^*とキャ
リア濃度Ｎ_C及び制動定数γ_plとの関係を示している。
言い換えると、これらの式を用いれば、エリプソメトリ
法における未知数をｎ₂、ｋ₂、ｄからＮ_C、γ_pl、ｄに
変換することができる。よって、ある波長領域の光を用
いてエリプソメトリ法装置１により求めたΨ及びΔの値
を用いて、(4)〜(8)式、(9)式［又は(10)式］及び(11)
式を満足するようなキャリア濃度Ｎ_C、膜厚ｄ、制動定
数γ_plの値を見つければ、その結果、エリプソメトリ法
によりキャリアドープド半導体層９のキャリア濃度Ｎ_C
と膜厚ｄとを同時に測定できることになる。

【００４１】しかしながら、１つの波長で測定を行なっ
た場合には、独立な式の数に比べて未知数の数の方が多
くなり、未知数を求めることができないので、測定波長
領域において複数点測定（分光エリプソメトリ法）する
必要がある。また、実際には、(4)〜(8)式、(9)式［又
は(10)式］及び(11)式を連立方程式とみなしてキャリア
濃度Ｎ_C、膜厚ｄ、制動定数γ_plの値を求めることは非
常に困難である。

【００４２】従って、キャリアドープド半導体層９のキ
ャリア濃度Ｎ_C及び膜厚ｄを求める場合には、エリプソ
メトリ法により複数波長によりΨ及びΔを数点測定し、
Ψ及びΔの波長依存性に対して最小二乗法、最急降下法
などのカーブフィッティングによりキャリア濃度Ｎ_C、
膜厚ｄ、制動定数γ_plを求める方法が好ましい。

【００４３】カーブフィッティング法は、Ψ、Δの測定
値Ψm、Δmから求めた複素振幅反射率比 ρm（ω）＝tan［Ψm（ω）］・exp［ｉΔm（ω）］ …(12) を、光の角周波数ωの関数として求め、キャリアドープ
ド半導体層９のキャリア濃度Ｎ_C、膜厚ｄ、制動定数γ
_plの適当な値を選んで上記(4)式等により計算で求めた
複素振幅反射率比 ρc（ω）＝tan［Ψc（ω）］・exp［ｉΔc（ω）］ …(13) を求め、最小二乗法や最急降下法などの過程において、
誤差評価関数として複素振幅反射率比ρmとρcの実数
部、虚数部に対してそれぞれ残差平方和を取り、誤差評
価関数により評価される誤差が許容値以下になった場合
にはカーブフィッティングが成功したと判定し、そのと
きのキャリア濃度Ｎ_C、膜厚ｄ、制動定数γ_plの各値を
測定値とするものである。

【００４４】また、複素振幅反射率比ρでなく、ΨとΔ
の測定値（Ψm、Δm）と計算値（Ψc、Δc）を用いて残
差平方和をとるカーブフィッティング法も可能である。
ただし、この場合には、tanΨの大きさにより重み付け
を調節する必要がある。また、Ψ、Δの測定の基礎にな
る受光器６の光強度を用いてカーブフィッティングを行
なうことも可能である。

【００４５】図３はカーブフィッティング法の例を示
す。図３の上半部では、エリプソメトリ法により測定さ
れたΨmの波数依存性をドットで示し、適当に与えたキ
ャリア濃度Ｎ_C、膜厚ｄ、制動定数γ_plの各値から計算
したΨcの波数依存性を実曲線で示している。また、図
３の下半部では、エリプソメトリ法により測定されたΔ
mの波数依存性をドットで示し、このΔcは波数が約２０
００ｃｍ^-1で１８０゜から−１８０゜に飛んでおり、一
方、計算で求めたΔcに飛びの生じている波数を破線で
示している。カーブフィッティング法は、直感的にいう
と、測定値Ψm、Δmの曲線（図３のドット）あるいは測
定値ρmの複素平面と、キャリア濃度Ｎ_C、膜厚ｄ、制動
定数γ_plの適当な値を過程した時の計算値Ψc、Δcの曲
線（図３の実曲線）あるいは計算値ρcの複素平面がほ
ぼ一致した場合、そのときのキャリア濃度Ｎ_C、膜厚
ｄ、制動定数γ_plの値を測定値として採用するものであ
る。

【００４６】例えば、Ｃ−Ｖ法でキャリア濃度Ｎ_C＝６.
２×１０¹⁸ｃｍ^-3、膜厚ｄ＝３８０ｎｍという測定値の
得られているキャリアドープド半導体層９（エピタキシ
ャル層）に対して、エリプソメトリ法により得たΨ及び
Δを用いてカーブフィッティング法によりキャリア濃度
Ｎ_Cと膜厚ｄを求めたところ、Ｎ_C＝６.３×１０¹⁸ｃｍ
^-3、膜厚ｄ＝３７０ｎｍという良好な結果を非接触非破
壊で得ることができた。

【００４７】（カーブフィッティング法の処理フロー）
図４はΨとΔを誤差評価関数としてコンピュータにより
カーブフィッティング法を実行するための処理手順を示
すフロー図である。この処理は、測定値Ψm、Δmに対
し、キャリア濃度Ｎ_C、膜厚ｄ、制動定数γ_plをフィッ
ティングパラメータとして求めた計算値Ψc、Δcの差を
最小にするようにフィッティングパラメータを変化させ
ることによりキャリア濃度Ｎ_C、膜厚ｄ、制動定数γ_pl
の値を求めるものである。

【００４８】すなわち、処理がスタートすると、メモリ
の処理済みデータ等を消去して初期化し（Ｓ１１）、エ
リプソメトリ法により測定されたΨm、Δmの値をメモリ
に読み込む（Ｓ１２）。ついで、任意に選択したフィッ
ティングパラメータ（キャリア濃度Ｎ_C、膜厚ｄ、制動
定数γ_pl）の初期値が入力されると、所定の計算フロー
（図示せず）に従ってフィッティングパラメータの値か
ら計算値Ψc、Δcを計算し、測定値Ψm、Δmと計算値Ψ
c、Δcとのフィッティングエラーの初期値を計算（誤差
評価）する（Ｓ１３）。この後、フィッティングゴール
（誤差の許容値）が設定されると（Ｓ１４）、測定値Ψ
m、Δm、計算値Ψc、Δc、フィッティングゴール等の値
をディスプレイ装置に表示する（Ｓ１５）。

【００４９】ついで、フィッティングパラメータの各値
Ｎ_C、ｄ、γ_plを微小量増加もしくは減少させて（Ｓ１
６）再度フィッティングエラーを計算する（Ｓ１７）。
そして、再計算する前後のフィッティングエラーを比較
し、測定値Ψm、Δmに対して、より誤差の少ない計算値
Ψc、Δcが得られたか否かを判定する（Ｓ１８）。

【００５０】再計算前よりも近い値が得られた場合に
は、フィッティングパラメータをステップＳ１６と同じ
方向に変化させ（Ｓ１９）、逆に、計算値Ψc、Δcが再
計算前よりも測定値Ψm、Δmから遠くなった場合には、
フィッティングパラメータをステップＳ１６と逆方向に
変化させ（Ｓ２０）、予め設定されている終了条件を満
たしているか（つまり、誤差評価関数が所定の許容値以
下になっているか等）を判定し（Ｓ２１）、終了条件を
満たしていれば、そのときのキャリア濃度Ｎ_C、膜厚
ｄ、制動定数γ_plなどの値を測定結果としてディスプレ
イ装置に表示して（Ｓ２２）処理を終了する。

【００５１】終了条件を満たさない場合には、ステップ
Ｓ１６に戻って再度フィッティングパラメータを増減
し、終了条件を満たすまでＳ１９〜Ｓ２１のステップを
繰り返す。

【００５２】従来のエリプソメトリ法では、使用する光
の波長に対しては特に考慮されておらず、一般に可視光
が用いられていた。キャリアドープド半導体層９の自由
キャリアによる吸収のない周波数での測定では、図５
（ｂ）に示すように、キャリアドープド半導体層９の表
面に入射した光Ｌ１はキャリアドープド半導体層９の表
面で反射されるだけで、キャリアドープド半導体層９と
半導体基板８の界面では反射、屈折、吸収も生じない。
そのため、半導体中の自由キャリアの量によって測定が
影響を受けない。

【００５３】これに対し、エリプソメトリ法に用いる光
として、キャリアドープド半導体層９の自由キャリアに
よる吸収の起きるような周波数領域の光を用いれば、半
導体中の自由キャリアの量によって光の吸収のされ方
（吸収される光の周波数帯や吸収係数ｋ₂）が変化す
る。これはキャリアドープド半導体層９の屈折率ｎ₂が
キャリア濃度Ｎ_Cによって変化することに相当する。従
って、自由キャリアによる吸収の起きる波長領域の光を
測定光として用いることにより、図５（ａ）に示すよう
に、キャリアドープド半導体層９の表面での反射光Ｌ２
と、キャリアドープド半導体層９と半導体基板８の界面
からの反射光Ｌ４が受光器６で計測され（図５（ａ）
（ｂ）では省略しているが、前記のように多重反射光も
受光器６で受光される。）、キャリアドープド半導体層
９のキャリア濃度Ｎ_Cによって受光器６で計測される反
射光の量が変化する。よって、測定光として自由キャリ
アによる光吸収の起きる周波数領域の光を用いてエリプ
ソメトリ法による測定を行ない、上記のような評価方法
を実行することにより、キャリアドープド半導体層９の
キャリア濃度Ｎ_Cと膜厚ｄを同時に測定できるようにな
る。

【００５４】さらに、エリプソメトリ法では、測定用光
として、半絶縁性ＧａＡｓ基板やＳｉ基板などの半導体
基板８と、ｎ型ＧａＡｓエピタキシャル層やｎ型又はｐ
型Ｓｉ層などのキャリアドープド半導体層９とで複素屈
折率ｎ₂ ^*に差を生じる波長の光を用いれば、ホモエピタ
キシャル層の場合にもキャリアドープド半導体層９の膜
厚を測定することができる。例えば、半絶縁性ＧａＡｓ
基板の上に形成されたｎ型ＧａＡｓ層の場合には、５〜
１０μｍ程度の波長を有する赤外光を用いた赤外分光エ
リプソメトリ法で測定することにより、ホモエピタキシ
ャル層であるｎ型ＧａＡｓ基板の膜厚測定が可能にな
る。

【００５５】また、従来の方法では、検査の準備から結
果を得るまでに１時間以上と長時間を要していたが、本
発明の方法によれば、エリプソメトリ法による測定及び
カーブフィッティングによるキャリア濃度Ｎ_Cと膜厚ｄ
のコンピュータによる計算は数秒で行なえるので、数分
で検査結果を得ることができ、検査に必要な時間を大幅
に短縮できる。

【００５６】（エリプソメトリ法に用いる光の波長等に
ついて）自由キャリアによる光吸収は、プラズマ角周波
数ω_Pに相当する波長を含み、その前後で起こる。従っ
て、エリプソメトリ法による測定に用いる光の波長は光
吸収の起きる領域の全体もしくは一部を含む必要があ
り、(11)式のプラズマ角周波数の値が目安となる。すな
わち、キャリアの有効質量ｍ^*や比誘電率ε_optなどの値
は、測定対象基板２に用いられている半導体材料の種類
に応じて既存の文献やデータに記載されているものを用
いることができるので、キャリア濃度Ｎ_Cとして適当な
値を仮定することにより、(11)式のプラズマ角周波数ω
_Pを求めることができる。こうして求めたプラズマ角周
波数ω_Pは光の波長λ_P＝（２πｃ／ωP）［但し、ｃは
真空中における光の速度］に換算することができる。エ
リプソメトリ法による測定に用いる光の波長は、この波
長λ_Pを含む波長領域、あるいは近傍の領域に選択する
のが望ましい。また、比誘電率ε_optは、プラズマ角周
波数ω_Pに比べて十分高い周波数領域のものを用いるの
が望ましい。

【００５７】例えばキャリアとしてｎ型ＧａＡｓ層の電
子を仮定した場合、有効質量ｍ^*＝０.０６７ｍ₀［但
し、ｍ₀は電子の静止質量］、比誘電率ε_opt＝１０.９
程度の値がよく用いられる。よって、キャリア濃度Ｎ_C
＝１０¹⁸ｃｍ^-3と推定すると、(11)式よりプラズマ角周
波数ω_Pを計算することができるが、このプラズマ角周
波数ω_Pに相当する光の波長λ_Pは、約２８.５μｍ（波
数１／λ_Pで表わすと、約３５０ｃｍ^-1）となる。

【００５８】なお、ε_optは非常に高い周波数領域、す
なわちキャリアが電界の変化に十分に追従できない程度
の高周波数領域における比誘電率であるので、この値は
キャリア濃度Ｎ_Cによらずほぼ一定であるとみなすこと
ができる。また、半導体基板８の複素屈折率ｎ₃ ^*も(9)
式と同様な式で表わすことができ、半導体基板８では光
の吸収を無視することができるので、半導体基板８の複
素屈折率は前記のようにｎ₃ ^*＝√（ε_opt）とすること
ができる。

【００５９】（フォノンを考慮した補正）ＧａＡｓ以外
の半導体材料の場合や測定に用いる光の波長領域が違う
場合などには、キャリアドープド半導体層９や半導体基
板８などの部分で他の吸収機構による吸収、例えばＬＯ
フォノンやＴＯフォノンによる吸収が影響する場合があ
る。その場合には、各複素屈折率の定義式に、その吸収
機構の影響を表わす補正項を含める必要がある。

【００６０】例えば、ＬＯフォノンやＴＯフォノンによ
る吸収機構を考慮する場合には、キャリアドープド半導
体層９の複素屈折率ｎ₂ ^*として、(9)式に替えて次の(1
4)式あるいは(15)式などで定義されるｎ₂ ^*を用いる必要
がある。なお、ω_LO、ω_TOは、それぞれＬＯフォノン、
ＴＯフォノンの角周波数、γ_phはフォノンによる共鳴の
制動定数、ω₊、ω_-はプラズモンとフォノンが結合した
モードの角周波数、Γ₊、Γ_-はそれぞれの結合モードの
制動定数である。

【００６１】

【数３】

【００６２】

【数４】

【００６３】（キャリアドープド半導体層が多層膜の場
合）図６は半導体基板８の上にキャリアドープド半導体
層９₁〜９_Mが多層膜として形成されている場合を示して
いる。このような多層膜に対して本発明によるエリプソ
メトリ法を用いる場合には、各キャリアドープド半導体
層９₁〜９_M間の界面での反射（図６では省略している
が、多重反射を含む）を計算し、表面に入射した入射光
が表面で反射される反射光全体について計算する必要が
ある。

【００６４】図６に示すように、複素屈折率ベクトルｎ
₀ ^*の半導体基板８の上に複素屈折率ｎ_q ^*、膜厚ｄ_q（ｑ
＝１，２，…，Ｍ）のＭ層のキャリドープド半導体層９
₁，９2，…が順次積層されているとする。いま、半導体
基板８の上にｑ−１層のキャリアドープド半導体層
９₁，９₂，…，９_q-1が形成されている場合に、その上
の複素屈折率ｎ_q ^*のキャリアドープド半導体層９_qから
光が入射したときの複素振幅反射率比をρ_q,0とする。
この複素屈折率ｎ_q ^*（膜厚ｄ_q）のキャリアドープド半
導体層９_qの上に、さらに複素屈折率ｎ_q+1 ^*のキャリア
ドープド半導体層９_q+1を重ね、上方から光を入射した
ときの複素振幅反射率比ρ_q+1,0は、次の(17)式で表わ
される漸化式で与えられる。ただし、φ_qはｑ番目のキ
ャリアドープド半導体層９^qにおける屈折角である。

【００６５】

【数５】

【００６６】空気と最上層のキャリアドープド半導体層
９_Mの界面、各キャリアドープド半導体層９₁，９₂，
…，９_M間の界面及びキャリアドープド半導体層９₁と半
導体基板８の界面について、上記漸化式(17)で反射を考
え、最終Ｍ層積層されたキャリアドープド半導体層
９₁，９₂，…，９_Mの複素振幅反射率比ρ_q,0（ｑ＝１，
…，Ｍ）は、この漸化式(17)で与えられ、１層のキャリ
アドープド半導体層９の場合について説明したのと同様
にして、この値について測定値と計算値を比較して誤差
を最小にするようにカーブフィッティングを行なう。こ
の結果、図７に示すように、各キャリアドープド半導体
層９_qのキャリア濃度Ｎ_C,qを求めることができる。

【００６７】この方法も既にエリプソメトリ法として行
なわれている方法であるが、これを自由キャリア吸収の
波長領域で行なうことで、キャリア濃度の違いによる複
素屈折率の差を知り、多層膜における各キャリアドープ
ド半導体層９_qの膜厚ｄ_qとキャリア濃度Ｎ_C,qを求める
ことができる。

【００６８】従って、本発明のキャリア濃度測定方法に
よれば、異種材料や不純物添加量が異なる複数のキャリ
アドープド半導体層において、非接触非破壊で、各キャ
リアドープド半導体層のキャリア濃度と膜厚とを同時に
測定することが可能になる。

【００６９】（キャリア濃度プロファイルの測定）図８
に示すように、半導体基板８の上に、膜厚方向において
キャリア濃度の分布を有するキャリアドープド半導体層
９が形成されている場合を考える。例えば、イオン注入
や拡散により形成した能動層がキャリア濃度Ｎ_Cの分布
を有する場合がある。このような場合には、キャリアド
ープド半導体層９を適当な膜厚、例えば一定膜厚Δｄの
複数の層に分割し、分割された各層に対して多層膜の場
合と同様に取り扱うことにより、仮想的に分割された各
層のキャリア濃度を知ることができるので、キャリアド
ープド半導体層９の深さ方向の位置とキャリア濃度Ｎ_C
を知ることができ、図８に示すような膜厚方向（深さ方
向）に沿ってのキャリア濃度プロファイルを求めること
ができる。

【００７０】従って、本発明のキャリア濃度測定方法に
よれば、例えばＧａＡｓ基板にＳｉイオン等をイオン注
入したり拡散させたりすることにより形成された半導体
能動層などにおいて、非接触非破壊で、能動層などのキ
ャリア濃度プロファイルと膜厚を同時に測定することが
可能になる。

【００７１】（半導体デバイスの製造方法）図９は本発
明のキャリア濃度測定方法を含む半導体デバイス製造工
程を簡略に示すフロー図である。図９に示すように、半
導体デバイスの製造工程が開始（Ｓ３１）すると、ウエ
ハ（半導体基板８）等の材料受け入れ検査（Ｓ３２）の
後、半導体基板８に結晶成長やイオン注入によって能動
層を形成（Ｓ３３）する。この能動層形成工程の後、工
程内（in-situ）検査として本発明のキャリア濃度測定
方法により能動層検査を行なう（Ｓ３４）。すなわち、
能動層の膜厚、キャリア濃度もしくはキャリア濃度プロ
ファイルを非接触非破壊で工程内検査し、所定の能動層
が形成されているか否かを検査する。この検査に合格す
れば、他の必要な構造を形成し、さらに、表面に電極を
形成し（Ｓ３５）、その上から絶縁層を形成する（Ｓ３
６）。ついで、ウエハをダイシングカットして得た半導
体チップをパッケージに実装してボンディングワイヤ等
による配線を施して（Ｓ３７）半導体デバイスを製作し
た後、半導体デバイスの特性検査（Ｓ３８）を実施して
半導体デバイスの製造工程を終了する（Ｓ３９）。

【００７２】従来のキャリア濃度測定方法では、破壊検
査となるため、別途検査用のウエハを作製していたが、
本発明のキャリア濃度測定方法では、非接触非破壊であ
るため、工程内検査とすることができ、全てのウエハに
ついて検査を実施することができ、プロセスコントロー
ルを正確、精密にすることができる。従って、本発明の
方法によれば、検査用のウエハが不要になる。

【００７３】また、本発明の方法によれば、数分で検査
結果を得ることができ、半導体デバイス製造工程におけ
るスループットを向上させることができる。さらに、従
来の方法では、ロット当たり１枚のウエハで検査してい
たが、本発明の方法では、全てのウエハについて個別に
検査することができるので、能動層形成不良のウエハを
確実に取り除くことができる。

【００７４】さらに、検査しない場合と比べても、実際
に半導体デバイスを作製するウエハについて個別に検査
できるので、能動層形成不良ウエハを確実に取り除ける
と共に不良の早期発見が容易になる。

【００７５】また、ＳｉＯ₂やＳｉＮｘなど測定光の周
波数領域でその光の一部が透過するような膜が評価しよ
うとする能動層の上部に形成されていても、その膜の情
報を予め与え、その存在を定義した形で本発明の測定方
法を行なうことで、能動層の評価が可能になる。これ
は、例えばイオン注入の活性化アニールで用いた膜や、
膜を通したイオン注入などを行ない、その膜を剥がさず
に次の工程に進む場合があるので、この時の検査方法と
して唯一可能な検査方法となり、非常に有効な手段とな
る。

【００７６】（半導体ウエハの保証）また、製造された
半導体ウエハのキャリア濃度プロファイル（あるいは、
キャリア濃度と厚さ）を本発明のキャリア濃度測定方法
を利用して測定し、この測定結果をもとに、製品仕様と
比較出荷検査を行なう。検査の結果、基準に合格してい
ると判断すると、その半導体ウエハには、性能保証を行
なう。具体的には、その半導体ウエハに性能保証書等を
付して保証表示を行なう。このようにして保証された半
導体ウエハは、別個のウエハによる特性値を用いて破壊
検査により保証されたウエハに比べると、はるかに信頼
性の高いものとなる。

【００７７】半導体ウエハは、デバイス動作に関連する
領域（不純物が添加されキャリアが存在する領域、能動
領域）をウエハメーカー側で作製し出荷する場合があ
る。これまでは、このウエハのでき上がりの状態を保証
するため、例えば同じロットで作製したウエハを犠牲に
して破壊試験による評価を行なって出荷していた。この
場合、ユーザー（ウエハ購入者）が実際に使用するウエ
ハと保証に使われるウエハが異なるために絶対的に保証
できるものではない。これに対し、本発明のキャリア濃
度測定方法を利用した検査によれば、実際にユーザーが
使用するウエハのキャリア濃度プロファイル（あるい
は、キャリア濃度と厚さ）を測定することができるた
め、高い信頼性をもって保証することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態にかかるエリプソメトリ法
装置の構成を示す概略図である。

【図２】同上のエリプソメトリ法の原理を説明するため
の図である。

【図３】Ψ及びΔの測定値の一例を示す図である。

【図４】カーブフィッティング法の処理フローを示すフ
ロー図である。

【図５】（ａ）は本発明の原理を説明する図、（ｂ）は
比較例を示す図である。

【図６】多層膜構成のキャリアドープド半導体層の場合
を示す図である。

【図７】上記キャリアドープド半導体層とその各層のキ
ャリア濃度を示す図である。

【図８】キャリアドープド半導体層とそのキャリア濃度
の分布（プロファイル）を示す図である。

【図９】本発明にかかる半導体デバイスの製造方法を示
す概略フロー図である。

【符号の説明】

１エリプソメトリ法装置４光源５偏光板６受光器７偏光板（検光板）８半導体基板９キャリアドープド半導体層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】測定対象とする半導体中の自由キャリア
による光吸収が発生する周波数帯、もしくは当該周波数
帯を少なくとも一部に含む周波数帯の光を用いた光学的
測定手段により反射振幅比及びその位相、もしくは当該
反射振幅比及び位相に代わる測定結果を取得し、当該反
射振幅比及び位相もしくはそれに代わる測定結果に基づ
いて半導体のキャリア濃度を求めることを特徴とする半
導体のキャリア濃度測定方法。
【請求項２】半導体のキャリア濃度を求めるために、
当該半導体の屈折率及び吸収係数と、キャリア濃度とを
結ぶ関係式を用いることを特徴とする、請求項１に記載
の半導体のキャリア濃度測定方法。
【請求項３】前記光学的測定手段は、エリプソメトリ
法であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の半
導体のキャリア濃度測定方法。
【請求項４】前記半導体が多層構造を有する場合にお
いて、前記反射振幅比及び位相もしくはそれに代わる測
定結果に基づいて、半導体各層のキャリア濃度をそれぞ
れ求めるようにしたことを特徴とする、請求項１〜３に
記載の半導体のキャリア濃度測定方法。
【請求項５】前記反射振幅比及び位相もしくはそれに
代わる測定結果に基づいて、半導体の厚さ方向における
キャリア濃度の分布を求めるようにしたことを特徴とす
る、請求項１〜３に記載の半導体のキャリア濃度測定方
法。
【請求項６】測定により求めた反射振幅比及び位相も
しくはそれに代わる測定結果と、任意のキャリア濃度及
び膜厚を仮定して計算により求めた反射振幅比及び位相
もしくはそれに代わる測定結果との誤差を許容限度内に
納め、そのときに仮定したキャリア濃度及び膜厚をそれ
ぞれの測定値とすることを特徴とする、請求項１〜５に
記載の半導体のキャリア濃度測定方法。
【請求項７】請求項１〜６に記載の半導体のキャリア
濃度測定方法を用いて、半導体能動層形成のためのプロ
セス制御を行なうことを特徴とする半導体デバイス製造
方法。
【請求項８】請求項１〜６に記載の半導体のキャリア
濃度測定方法を用いて検査され、かつ、その結果を用い
て性能保証されていることを特徴とする半導体ウエハ。