KR100525580B1

KR100525580B1 - 반도체 물질들 내에 주입된 이온들의 농도 판별 방법 및 장치

Info

Publication number: KR100525580B1
Application number: KR10-1999-7001641A
Authority: KR
Inventors: 마쎄우 제이. 베네트; 존 에이. 로져스; 마틴 퍼츠스
Original assignee: 코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
Priority date: 1997-06-30
Filing date: 1998-06-19
Publication date: 2005-11-03
Also published as: WO1999000640A1; US6118533A; EP0922198A1; KR20000068383A; EP0922198A4; JP2001500269A; US6052185A

Abstract

물질 내에 주입된 이온들의 농도를 판별하는 방법 및 장치가 기술된다. 이 방법은 (1) 적어도 2개의 여기 레이저 서브-펄스를 발생하기 위해 회절 마스크(예를 들어, 위상 또는 진폭 마스크)를 통해 여기 펄스를 통과시키는 단계; (2) 물질의 한 영역에서 시간-의존형 반응(예를 들어, 굴절률의 변화)을 개시하기 위해, 2개의 여기 레이저 서브-펄스를 시간적 및 공간적으로 중첩함으로써 형성된 "격자(grating)" 패턴으로 상기 영역을 조사하는 단계; (3) 시간-의존형 신호 빔을 발생하기 위해 적어도 상기 시간-의존형 반응만큼의 기간을 갖는 프로브 레이저 펄스를 상기 영역에서 회절시키는 단계; (4) 신호 파형을 발생하기 위해 상기 시간-의존형 신호 빔을 검출하는 단계; 및 (5) 물질 내에 주입된 이온들의 농도를 판별하기 위해 상기 신호 파형을 처리하는 단계를 포함한다.

Description

반도체 물질들 내에 주입된 이온들의 농도 판별 방법 및 장치{Method and device for measuring the concentration of ions implanted in semiconductor materials}

본 발명은 반도체 물질들 내에 주입된 이온들의 농도 측정에 관한 것이다.

대부분의 전자 장치들(예를 들어, 마이크로프로세서들)은 일련의 산화물, 금속, 및 반도체 기판상에서 성장 또는 침착된 반도체 막들을 포함한다. 반도체 기판은 통상적으로 단결정 실리콘 웨이퍼이고, 반도체 막은 통상적으로 실리콘의 작은 결정 영역들을 포함하는 무정형 "폴리실리콘" 물질이다. 실리콘 웨이퍼들 및 폴리실리콘 막들 모두에는, 이들이 특정 전기 전도도를 나타내도록, 제조 중에 고에너지 이온들이 주입된다. 주입된 이온들은 실리콘이 "p" 또는 "n" 타입이 되게 한다. 주입 후, 실리콘 및 폴리실리콘 모두 주입 공정으로 유발된 임의의 격자 손상을 고치기 위해 고온 하에 어닐링된다.

실리콘 및 폴리실리콘의 전기 전도도는 주입된 이온들의 3가지 특성: 즉, (1) 원자 구조; (2) 주입 에너지; 및 (3) 이온 농도 또는 주입량(dose)에 의해 영향을 받는다. 실리콘의 전기 전도도는 주입된 이온들의 농도에 특히 의존한다. 예를 들면, 실리콘 웨이퍼들에는 통상적으로 이들의 반도체 특성들을 개선하기 위해 10¹⁰-10¹⁶cm^-3 농도의 범위에 있는 비소, 아르곤, 인, 산소 또는 붕소 이온들이 주입된다. 폴리실리콘 막들에는 전기 전도체들로서 작용하도록 더 큰 농도들로(대개 10²⁰cm^-3의 정도) 유사한 이온들이 주입된다.

완성된 마이크로 전자 장치의 성능은 실리콘 웨이퍼 및 위에 놓인 폴리실리콘 막들의 전기적 특성들에 결정적으로 의존하며, 따라서, 이들 물질들 내에 주입된 이온들은 제조하는 중에 신중히 모니터링된다. 전기적 시트 저항(sheet resistance)이라 칭하는 하나의 특성은 4-포인트 프로브라 칭하는 전기 시험 기구와 시료의 표면을 접촉함으로써 측정된다. 한 프로브에서 다른 프로브로 흐르는 전류는 물질의 저항에 의존한다. 저항은 주입된 이온들의 농도와 역으로 가변한다.

이온 농도는 시료 내의 전자-홀 플라즈마를 여기(excite) 및 검출하는 비접촉 광학적 방법을 사용하여 모니터링될 수도 있다. 플라즈마의 반응은 주입된 이온들로부터 유발된 반도체 격자 내의 임의의 손상에 의한 영향을 받는다. 이러한 측정에서, 제1 레이저 빔은 반도체 물질을 조사하고, 전자-홀 플라즈마를 발생하기 위해 부분적으로 흡수된다. 플라즈마는 시료 표면의 반사력을 변경하고, 따라서 제2 레이저 빔으로 측정될 수 있다. 반사된 빔은 시료에 의해 부분적으로 반사되고, 주입된 이온들의 특성들을 추정하도록 분석된다.

마이크로전자 업계 전반에 사용되고 있지만, 4-포인트 프로브 및 반사력을 측정하는 기구 모두는 단점을 갖는다. 4-포인트 프로브는 시료와 필연적으로 접촉하며, 따라서 파괴적이다. 이는 이들 기구들이 기능적 장치들이 없는 "제품(product)" 웨이퍼들의 영역들 또는 "모니터" 웨이퍼들을 측정할 수 있을 뿐임을 의미한다. 반사력을 측정함으로써 전자-홀 플라즈마들을 모니터하는 기구들은 그 용도가 제한되고, 해석하기 곤란한 신호들을 발생한다: 이들 기구들은 이온 주입되었는지 여부를 측정하기 위해 주입된 이온들의 실제 농도보다 시료가 주로 사용된다.

도 1은 ISSN 방법의 개략도.

도 2는, 실리콘 웨이퍼 상에 침착된 2-미크론의 이온-주입된 폴리실리콘 막으로부터 측정된 전자적 반응을 특징으로 하는 시간-의존형 신호 파형의 그래프.

도 3A-3B는, ISSN에 의해 측정된 신호 파형의 진폭(mV), 및 100-mm 직경의 실리콘 웨이퍼 상에 침착된 2-미크론 폴리실리콘 막으로부터 4-포인트 프로브로 측정된 시트 저항(표준화된 단위들) 각각에 대한 2차원의 49-포인트 윤곽선 맵들의 그래프들.

도 3C-3D는, 49-포인트 매에서 각각의 지점에 대해 플로팅된, 도 3A-3B로부터 진폭(mV), 및 시트 저항(표준화된 단위들) 값들 각각의 그래프들.

도 4A-4C는, 각각 50, 80 및 110KeV에서 이온 주입된 한 세트의 이온-주입된 실리콘 웨이퍼들로부터 측정된 이온 주입 농도의 로그값 대 신호 파형 진폭(mV)의 그래프들.

도 5A 및 5B는, 각각 110 및 160KeV에서 이온 주입된 실리콘 웨이퍼들로부터 측정된 이온 주입 농도의 로그값 대 신호 파형 진폭(mV)의 그래프들.

도 5C 및 5D는, 각각 110 및 160KeV로 이온 주입된 실리콘 웨이퍼들로부터 측정된 이온 주입 농도의 로그값 대 음향 주파수(MHz)의 그래프들.

도 6은, 각각 10¹⁶(하단) 및 5 x 10¹⁶(상단) 비소 이온 cm^-3이 주입된 실리콘 웨이퍼들로부터 측정된 음향적 반응을 특징으로 하는 시간-의존형 신호 파형들의 그래프.

도 7은 시료 내에 주입된 이온들의 농도를 ISS를 이용하여 측정하는 광학 시스템의 개략도.

본 명세서에 기술된 방법 및 장치는, 반도체 물질 내에 주입된 이온들의 농도를 충격 자극 스캐터링(Impulsive Stimulated Scattering; ISS)이라 칭하는 비접촉 레이저-기반 기술로 측정한다. ISS는 2개의 상이한 유형의 반응: 즉, (1) 본 명세서에서 "전자적" 반응이라 칭하는, 시료의 광학적 특성들에서 시간-의존형 변화들(즉, 복소 굴절률), 및 (2) 본 명세서에서 "음향적" 반응이라 칭하는 시간-의존형 음향 포논들(phonons)을 개시 및 측정하며, 이들 반응들 모두는 주입된 이온들의 농도에 의존한다. 이들 반응들 중의 하나 또는 양자 모두의 측정 여부는 ISS 동안 사용된 레이저들의 특성들 및 시료에 의존한다. 예를 들면, 실리콘을 함유하는 이온-주입된 시료들은 통상적으로 ISS 동안 복사 흡수 후 전자적 반응을 나타낸다. 이 경우에, 광학적 흡수는 시료의 굴절률에서 시간-의존형 변화를 발생함으로써, 진폭이 신속히 증가한 다음, 지수적 시상수(exponential time constant)에 따라 감쇄하는 반응을 유발한다. 반응의 감쇄 상수 및 진폭 모두는 주입된 이온들의 농도에 의존한다. ISS에 사용된 광학적 파장이 매우 강하게 흡수되는 경우(예를 들어, 시료 표면의 수백 nm 이내), 이온-주입된 반도체의 격자를 통해 전파하는 코히어런트 음향적 포논들(coherent acoustic phonons)을 포함하는 음향적 반응이 유발된다. 이 경우에, 이 반응은 주입된 이온들의 농도에 의존하는 주파수의 진동들을 나타낸다.

ISS는 전자적 반응 및 음향적 반응 중의 하나 또는 양자 모두를 특징으로 하는 신호 파형을 발생한다. 이어서, 신호 파형의 특성들은 주입된 이온들의 농도를 판별하기 위해 분석된다. 그 다음, 이 농도가 분석되고, 마이크로전자 장치들을 제조하는데 사용되는 제조 공정들을 제어하기 위해 사용된다.

한 양상에서, 본 발명은 물질 내에 주입된 이온들의 농도를 판별하는 방법을 제공한다. 이 방법은 (1) 적어도 2개의 여기 레이저 서브-펄스를 발생하기 위해 회절 마스크(예를 들어, 위상 마스크)를 통해 여기 펄스를 통과시키는 단계; (2) 물질의 한 영역에서 시간-의존형 반응(예를 들어, 굴절률의 변화)을 개시하기 위해, 2개의 여기 레이저 서브-펄스를 시간적 및 공간적으로 중첩함으로써 형성된 "격자(grating)" 패턴으로 상기 영역을 조사하는 단계; (3) 시간-의존형 신호 빔을 발생하기 위해 적어도 상기 시간-의존형 반응만큼의 기간을 갖는 프로브 레이저 펄스를 상기 영역에서 회절시키는 단계; (4) 신호 파형을 발생하기 위해 상기 시간-의존형 신호 빔을 검출하는 단계, 및 (5) 물질 내에 주입된 이온들의 농도를 판별하기 위해 상기 신호 파형을 처리하는 단계를 포함한다.

실시예들에서, 처리 단계는 신호 파형을 수학 함수와 비교하고, 이어서, 한 시점에서 신호 파형의 진폭을 판별하기 위해 상기 수학 함수의 진폭을 판별하는 단계를 포함한다. 수학 함수는 예를 들면 신호 파형에 맞게 사용된 함수일 수 있다. 경우에 따라, 수학 함수는 지수 함수, 예를 들면 S₀(t₀)[Ae^-(t+t0)/τ] 또는 그 도함수(derivative)를 포함하며, 여기서, A는 진폭이고, τ는 감쇄 상수이며, t는 시간이고, S₀은 t=t₀에서 시작하는 단위 계단 함수이다. 일단 진폭이 판별되면, 처리 단계는 상기 진폭을, 앞서 측정된 신호 파형들의 진폭들을 대표 물질들 내에 주입된 이온들의 농도와 상관시키는 데이터베이스 값들과 비교하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이러한 비교는 물질 내에 주입된 이온들의 농도를 판별한다. 대안으로, 분석 단계는 물질 내에 주입된 이온들의 농도를 판별하기 위해, 1차-원리 계산(first principle calculation) 등의 수학적 알고리즘으로 진폭을 분석하는 단계를 포함한다. 예를 들면, 1차-원리 계산은 이온 주입 농도를 판별하기 위해 시료의 반응의 동력학(kinetics)을 모델링하는 것을 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 처리 단계는 데이터 세트를 발생하기 위해 신호 파형을 디지털화하는 단계, 및 이어서 데이터 세트로부터 하나의 값을 선택함으로써 한 시점에서 신호 파형의 진폭을 판별하는 단계를 포함한다. 또 다른 실시예들에서, 처리 단계는 시간의 함수로서 신호 파형을 플로팅(plot)하는 단계, 플로트의 하부 영역을 계산하는 단계, 및 이 값을 주입된 이온들의 농도를 판별하는 데이터베이스의 하나의 값과 비교하는 단계를 포함할 수 있다.

통상적인 응용들에서, 시료는 실리콘-함유 물질(예를 들면 폴리실리콘 막 또는 실리콘 웨이퍼)이다. 측정 가능한 기타 물질들로는 비소화 갈륨, 비소화 알루미늄, 게르마늄 및 그의 유도체들(derivatives) 및 상사체들(analogs)을 함유하는 막들 및 웨이퍼들을 들 수 있다. 측정 가능한 기타 시료들로는 세라믹 물질들, 금속들 및 이온들이 주입될 수 있는 임의의 기타 물질을 포함한다. 이들 물질들 내에 주입될 수 있는 이온들로는 비소, 아르곤, 붕소, 산소 및 인 원자들의 이온들을 들 수 있다.

다른 양상에서, 본 발명은 실리콘 또는 폴리실리콘 시료 내에 주입된 이온들의 농도를 판별하는 방법을 제공한다. 이 방법은 1) 적어도 2개의 여기 레이저 서브-펄스를 발생하는 단계; 2) 물질의 한 영역에서 시간-의존형의 감쇄되는 비진동 반응을 개시하기 위해, 적어도 2개의 여기 레이저 서브-펄스를 중첩함으로써 형성된 격자 패턴으로 상기 영역을 조사하는 단계; 3) 시간-의존형 신호 빔을 발생하기 위해 적어도 상기 시간-의존형 반응만큼의 기간을 갖는 프로브 레이저 펄스를 상기 영역에서 회절시키는 단계; 4) 신호 파형을 발생하기 위해 시간-의존형 신호 빔을 검출하는 단계; 및 5) 실리콘 또는 폴리실리콘 시료 내에 주입된 이온들의 농도를 판별하기 위해 신호 파형을 처리하는 단계를 포함한다.

상기 방법은, (1) 여기 레이저 펄스를 발생하기 위한 여기 레이저; (2) 여기 레이저 펄스를 적어도 2개의 서브-펄스로 분리하고, 이 서브-펄스들을 물질의 한 영역에서 중첩하여 격자 패턴을 형성하기 위한 회절 마스크를 포함하는 빔-전달 시스템; (3) 시간-의존형 반응의 기간을 초과하는 프로브 레이저 펄스를 발생하고, 시간-의존형 신호 빔을 발생하기 위해 상기 영역에서 회절하도록 배향된 프로브 레이저; (4) 신호 파형을 발생하기 위해 상기 시간-의존형 신호 빔을 검출하는 광검출기; 및 (5) 상기 물질 내에 주입된 이온들의 농도를 판별하기 위해 상기한 바와 같이 신호 파형을 처리하는 처리기(예를 들어, 컴퓨터)를 포함하는 장치에 의해 수행된다.

예를 들면, 회절 마스크는, 공간적으로 가변하는 불투명한 막대들(bars) 또는 투명한 홈들(grooves)의 패턴을 포함하는 위상 또는 진폭 마스크일 수 있다.

상기 방법 및 장치는 주입된 이온들의 농도를 측정하는 종래 기술들과 비교할 때 많은 장점을 갖는다. 일반적으로, ISS는, 반도체 기판들 및 박막들 모두에 주입된 이온들의 농도를 판별하기 위한 정확한 정량적 방법이다. 이 방법은 전부-광학적이고, 비접촉적이고, 비파괴적이며, 따라서 모니터 시료들이 아니라 실제 장치들(즉, 생산 시료)에 사용된 반도체 물질들을 측정할 수 있다. 그 다음, 이러한 정보는 이들 물질들을 포함하는 마이크로전자 장치들의 수율 및 성능 특성들 모두를 개선하기 위해 제조업자들이 이용할 수 있다.

ISS 측정들을 위한 장치는 소형이고, 용이하게 자동화되며, 매우 큰 신호 대 잡음비를 갖는 신호 파형들을 수집한다. 특히, 회절 마스크들 및 특히 위상 마스크들은 여기 레이저 빔 및 프로브 레이저 빔의 정렬을 단순화하고, 격자 패턴이 신속하고 용이한 방식으로 변화되게 한다. 이러한 장치는 신속하고 용이하게 선택될 특정 물질에 대한 신호 파형 진폭을 최대화하는 격자 패턴을 형성한다. 위상 마스크는 또한, ISS 측정들을 위해 통상적으로 요구되는 추가의 렌즈들 및 빔분할기들 등의 추가의 빔-전달 광학들에 대한 필요성을 제거한다. 마찬가지로, 시간-의존형 반응을 초과하는 기간을 갖는 프로브 펄스의 사용은 사용자가 1회의 레이저 발사로 전체 신호 파형들을 수집(그 다음, 평균화)할 수 있게 한다. 이는 양질의 데이터를 측정하기 위해 요구되는 시간을 현저히 감소시키고, 더욱이, 여기 펄스들에 비해 프로브 펄스를 지연시키기 위한 수학적 지연 라인 등의 추가의 데이터-수집 광학들에 대한 필요성을 제거한다.

상기 장치에 의한 측정들은, 신속하게(통상적으로 단지 수초 정도만 요함) 높은 공간 해상도로(통상적으로 약 25미크론 이하의 스폿 크기를 갖는 프로브 빔을 사용함) 이루어진다. 따라서, 마이크로전자 장치의 소규모 시험 부위(site) 또는 웨이퍼의 가장자리 주변 영역과 같은 시료의 작은 부분들(features)이 용이하게 측정될 수 있다. 그러나 상기 장치는, 마이크로전자 장치 제조 설비에 사용될 수 있는 편리하고, 소형이며, 사용하기 용이한 기구에 통합될 수 있다. 예를 들면, 이 기구는 생산 도구에 부착될 수 있고, 이온-주입 공정의 원위치 측정들(in situ measurement)을 위해 사용될 수 있다.

또 다른 장점들은 다음의 상세한 설명 및 특허 청구들의 범위로부터 명백해질 것이다.

상세한 설명

ISS에 의해 이온 주입 농도를 측정하는 방법

도 1을 참조하면, 시료(10; 예를 들어, 실리콘)에 주입된 이온들의 농도는 충격 자극 스캐터링(ISS)이라 칭하는 광학적 레이저-기반 기술(11)로 측정된다. 출원인들은 다른 물질의 특성들을 측정하기 위해 ISTS라 칭하는 관련 레이저-기반 기술의 사용을, 광학적으로 유도된 포논들에 따른 물질의 특성들의 측정(MEASUREMENT OF MATERIAL PROPERTIES WITH OPTICALLY INDUCED PHONONS)(미합중국 특허 제5,633,711호); 시간-결정된 광학적 측정을 위해 단순화된 장치 및 방법(SIMPLIFIED DEVICE AND METHOD FOR TIME-RESOLVED OPTICAL MEASUREMENTS)(1995년 1월 24일자로 출원된 미합중국 특허 출원 제08/377,310호); 막두께를 측정하는 방법 및 장치(METHOD AND DEVICE FOR MEASURING FILM THICKNESS)(1996년 7월 15일자로 출원된 미합중국 특허 출원 제08/783,046호); 및 일시적 격자 분광학을 사용하여 물질의 특성들을 측정하는 개선된 방법 및 장치(IMPROVED METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING MATERIAL PROPERTIES USING TRANSIENT GRATING SPECTROSCOPY)(1997년 6월 30일자로 출원된 미합중국 특허 출원 제08/855,555호)에 기재하였다. 이들 특허 문헌들을 본 명세서에 참고 문헌들로서 인용한다.

ISS에서, 각도(θ)로 분리된 여기 레이저(도면에 도시되지 않음)로부터 한 쌍의 광학적 펄스(12', 12")는 시료의 표면상의 영역(15)에서 시간 및 공간에 맞게 중첩된다. 광학적 펄스(12', 12")는 통상적으로 0.3 내지 0.7 나노초(즉, 0.3 및 0.7 x 10^-9초)의 기간, 약 5μJ/펄스의 에너지, 및 시료에 의해 흡수되는 파장을 가지며; 실리콘에 대해, 파장은 가시 영역 또는 적외선 분광 영역에 있다. 중첩된 펄스들(12', 12") 간의 간섭은 "밝은"(건설적 간섭) 영역(17) 및 "어두운"(파괴적 간섭) 영역(19)을 교대로 포함하는 공간적으로 변화하는 "격자" 패턴(15)을 형성한다. 광선은 격자 패턴의 밝은 영역(17)에서 시료(10)에 의해 흡수되지만, 어두운 영역(19)에서는 그렇지 못하다. 흡수된 광선은 시료(10)에 주입된 이온들의 농도에 의존하는 특성을 갖는 시간-의존형 음향적 반응 및 전자적 반응 모두를 개시한다. 이들 반응들은 프로브 펄스(20)에 따라 격자 패턴(15) 주변 영역을 조사함으로써 전체적으로 측정된다. 프로브 펄스(20)는 전자적 반응 및 음향적 반응 모두보다 더 킨 기간(통상적으로 수백 마이크로 초) 및 수백 mW의 피크력을 갖고; 프로브 펄스의 파장은 통상적으로 가시 영역 또는 적외선 분광 영역에 있다. 프로브 펄스는 부분적으로 반사되어 반사된 빔(20')을 형성하고, 부분적으로 회절되어 +1 및 -1 회절된 차수의 한 벌의 신호 빔(25', 25")을 형성한다. 신호 빔들(25', 25") 중의 하나 또는 모두는 신호 파형을 발생하기 위해 광검출기(도면에 도시되지 않음)로 검출된다. 이어서, 신호 파형은 주입된 이온들의 농도를 측정하기 위해 분석된다.

시료의 반응이 전자적인지, 또는 음향적인지 또는 그 둘에 해당하는지 여부는 격자 패턴(15)의 밝은 영역에서 광선이 시료에 의해 얼마나 강력하게 흡수되는지에 부분적으로 의존한다. 예를 들면, 실리콘은 900nm 근처의 밴드 갭을 갖고: 따라서, 밴드 갭을 초과하는 에너지를 갖는 광선(예를 들어, 가시 광선)이 밴드 갭 미만의 에너지를 갖는 광선(예를 들어, 1μ에서 광선)보다 더 짧은 경로 길이에 걸쳐 흡수된다. 전자적 반응은 통상적으로 여기 광선이 밴드 갭을 초과하거나 또는 약간 작은 에너지를 가질 때 초래된다. 어떠한 이론에 결부되지 않더라도, 이러한 경우에, ISS는 격자 패턴의 밝은 영역에서 여기 상태 전하 캐리어들(예를 들어, 전자-홀 쌍)을 발생하지만, 어두운 영역에서는 그렇지 못한 것이 명백하다. 전하 캐리어의 밀도는 시료 내에 주입된 이온들의 농도에 의존한다. 일단 발생되면, 전하 캐리어는 제한된 수명을 갖고, 수 나노초의 치수로 일정한 시간에 조합된다. 이러한 기간 동안, 밝은 영역에서 시료의 굴절률은 어두운 영역에서 굴절률에 비교하여 일시적으로 변화된다. 이는 전하 캐리어의 수명 동안 프로브 광선을 회절시키는 굴절률(즉, 위상 격자)에서 공간적으로 주기적 변화를 초래한다. 주입된 이온들의 농도 증가는 여기된 전하 캐리어의 수를 증가시키고, 결과적으로, 격자 패턴의 밝은 영역과 어두운 영역 간의 굴절률의 차이를 증가시킬 것이다. 이는 회절된 프로브 빔의 세기 및 ISS 신호 파형의 진폭을 증가시킨다.

이러한 설명을 입증하기 위해, 데이터를 각각 상이한 회절 공간 주파수를 갖는 많은 상이한 회절 패턴으로 수집하였다. 이들 데이터들을 기재하는 감쇄 시간 상수는 신호 파형이 확산 공정(예컨대, 열 확산)으로 인한 것이 아님을 나타내는 격자 패턴에 대해 전혀 의존하지 않음을 보였다.

음향적 반응은 ISTS에 의해 발생된 광선-유도된 가열로 기인한다. 이러한 기술은 광학적으로 유도된 포논에 따른 물질의 특성들의 측정(MEASUREMENT OF MATERIAL PROPERTIES WITH OPTICALLY INDUCED PHONONS)(미합중국 특허 제5,633,711호); 시간-결정된 광학적 측정을 위해 단순화된 장치 및 방법(SIMPLIFIED DEVICE AND METHOD FOR TIME-RESOLVED OPTICAL MEASUREMENTS)(1995년 1월 24일자로 출원된 미합중국 특허 출원 제08/377,310호); 및 막두께를 측정하는 방법 및 장치(METHOD AND DEVICE FOR MEASURING FILM THICKNESS)(1996년 7월 15일자로 출원된 미합중국 특허 출원 제08/783,046호)에 기재되어 있다. 간단히 말해, ISTS 동안 여기 광선은 단기간의 여기 펄스 동안 격자 패턴의 밝은 영역에서 시료에 의해 흡수된다. 이어서, 이들 영역들은 격자 패턴의 공간적 특성과 일치하는 배향 및 파장을 갖는 반대-전파 음향 파형을 개시하기 위해 신속한 열적 팽창을 수행한다. 음향 파동은 시료의 음향 특성(즉, 밀도 및 세로와 가로의 안전한 속도) 및 이들의 파장들에 의해 측정된 주파수에서 진동된다. 주입된 이온들의 농도는 호스트 격자의 강성을 증가시키고, 따라서 이들의 특성들에 영향을 미친다. 측정하는 동안, ISTS-여기된 음향 파동의 음향 주파수는 주입된 이온들의 농도를 판별하기 위해 측정된다. 이러한 경우에, 음향적 반응은 여기 광선이 시료에서 비교적 짧은 경로(예 수백 nm)에 걸쳐 강력하게 흡수될 때 최상이다. 실리콘 및 폴리실리콘에 대해, 이는 여기 광선이 통상적으로 스펙트럼의 가시 광선부 또는 자외선부의 파장을 가짐을 의미한다.

도 2 및 5는 전자적 반응(도 2) 및 음향적 반응(도 5) 각각을 특징으로 하는 신호 파형(도 2에서 30; 도 5에서 31 및 32)을 나타낸다. 도 2에서 데이터는 100-mm 실리콘 웨이퍼 상에 침착된 2-μ 폴리실리콘으로부터 측정하였다. 약 10²⁰cm^-3의 평균 농도의 비소 이온들을 막에 주입한 후, 폴리실리콘에 대한 임의의 손상을 치유하도록 어닐링시켰다. 측정은 1.064μ, 약 0.5ns의 기간 및 Nd:YAG 레이저로부터 약 3.5μJ/펄스의 에너지를 갖는 여기 펄스로 이루어졌다. 여기 펄스는 위상 마스크를 통해 단일 여기 레이저 빔을 통과시킴으로써 발생되었다. 프로브 레이저는 860nm의 파장, 200μs의 펄스 기간 및 200mW의 피크력을 갖는다. 이들 데이터들로부터 분명한 바와 같이, 신호 파형은 뚜렷한 감쇄 성분을 갖지만 진동 성분은 갖지 않는, 전자적 반응을 나타낸다. 파형은 20ns에서 약 40mV의 값으로부터 60ns에서 약 10mV의 값으로 감쇄된다. 이러한 감쇄는 S₀(t₀)[Ae^-(t+t0)/τ] 형태를 갖는 단일 지수에 적절한 함수와 정확히 부합되고, 여기서, A는 부합의 진폭(mV 단위)이고, τ는 감쇄 상수(ns 단위)이다. S₀은 t=t₀에서 시작하는 단위 계단 함수이다. 신호 파형(30)에 대한 부합은 이러한 함수가 신호 파형과 가장 잘 정합될 때까지 맞춤 함수(32)의 파라미터들(즉, S₀, A, t₀ 및 τ)을 반복적으로 조절하는 종래의 맞춤 알고리즘에 따라 발생되었다. 이어서, 진폭 값(A)은 맞춤 함수로부터 측정되고, 이온 주입 농도를 측정하기 위해 추가로 분석된다.

도 3A는 주입된 이온들의 농도가 어떻게 폴리실리콘 막을 가로질러 변화하는지를 보여준다. 이 도면에 대한 데이터는 표준 광선 패턴에 분포된 49개의 별개의 지점에서 신호 파형의 진폭을 판별함으로써 측정하였다. 데이터들은 상기 기구를 사용하여 얻었다. 지점들은 웨이퍼 중심의 제1 지점, 제1 고리에서 지점 2-8, 제2 고리에서 지점 9-25, 및 제3 고리에서 지점 26-49인 3개의 동일 간격의 동심 고리에 포함되어 있다. 시료 상의 각 지점에서 신호 파형으로부터 측정된 진폭(A)은 선형 보간 알고리즘을 사용하는 윤곽선 포맷으로 플로팅된다. 시간 상수(τ)는 각각의 신호 파형에 대해 거의 동일하였다.

도 3A에 나타낸 바와 같이, 신호 파형의 진폭은 폴리실리콘 시료의 표면을 가로질러 원활하고 계통적으로 변화하며; 그 변화는 많으며, 또한 고도로 반복적이다. 신호 파형 진폭은 폴리실리콘 막의 하단 중심부 근처에서 최대이고(x=0mm, y=-50mm), 웨이퍼의 하단부로부터 상단부에 이르기까지 계통적으로 감소한다. 도 3C는 상이한 포맷의 동일한 데이터를 보여주고, 단, 도 3A에서 측정된 신호 파형의 진폭은 49-포인트 윤곽선 맵에서의 지점들의 함수로서 플로팅되었다. 각각의 지점은 도면에서 정사각형으로 나타내었다. 이들 데이터들은 40-50mV 범위의 진폭을 내는 비교적 큰 이온 주입 농도를 갖는 영역 및 5-15mV 범위의 진폭을 내는 비교적 적은 이온 주입 농도를 갖는 영역을 갖는 맵에서 상이한 지점들에 대한 데이터의 원활하고 계통적인 변화를 나타낸다. 비교적 큰 진폭 및 작은 진폭의 영역들은 각각 약 10²¹cm^-3 및 10¹⁹cm^-3의 농도에 대응한다.

동일한 폴리실리콘 막이 ISS 파형의 진폭이 사실상 폴리실리콘에 주입된 이온들의 농도를 나타내는 것을 검증하기 위해 4-포인트 프로브로 측정되었다. 상기한 바와 같이, 4-포인트 프로브는 주입된 이온들의 농도와 역으로 연관된 잘 알려진 특성인 전기적 시트 저항을 측정한다. 도 3B는 도 3A에 사용된 것과 유사한 동심 고리 패턴에서 측정된 표준화된 역 시트 저항의 49-포인트 윤곽선 맵을 보여준다. 마찬가지로, 도 3D는 도 3C와 마찬가지로 한 지점씩의 포맷으로 플로팅된다. ISS와 4-포인트 프로브 데이터들이 상당히 잘 상관됨을 나타내는 이들 도면들을 비교하면, 모두 폴리실리콘 시료의 하단 중심부 근처에서 최소화되고 시료의 상단 중심부 쪽으로 감소되는 주입된 이온들의 분포를 보여준다. 도 3C 및 3D를 비교하면 ISS 데이터가 일반적으로 4-포인트 프로브 데이터보다 더 큰 신호 대 잡음비를 가짐을 보여준다. 도 3A 및 3B의 윤곽선들 간의 불일치는 2회의 실험이 폴리실리콘 시료 상에서 약간 상이한 지점들을 측정하고 오류를 초래할 수 있는 상이한 유형의 인자들(예를 들어, 불순물들, 표면 품질, 기판 효과들)에 영향을 받기 쉽기 때문에 존재한다.

도 2 및 도 3A-3B에 나타낸 것과 유사한 데이터는 어닐링되지 않은 유사한 2-μ 폴리실리콘 막으로부터 측정되었다. 상기한 바와 같이, 데이터는 고도로 반복적이고, 단일-지수 함수에 부합될 수 있는 전자적 반응을 특징으로 한다. 어닐링된 막에 대해 위에 나타낸 바와 같이, 어닐링되지 않은 막에 대한 데이터는 웨이퍼를 가로질러 원활하고 계통적으로 변화하고, 주입된 이온들의 농도에 의존하였다.

별개의 실험 세트에서, 전자적 반응은 상이한 에너지에서 아르곤 이온들이 주입된 한 벌의 100mm 직경의 실리콘 웨이퍼로부터 측정하였다. 도 4A-4C는 측정된 신호 파형 진폭이 10¹²-10¹⁶cm^-3 범위의 농도를 갖는 3가지 상이한 실리콘 웨이퍼에 대한 이온 주입 농도의 함수로서 플로팅됨을 보여준다. 이들 시료 각각에 대한 주입 에너지는 50-110KeV 범위였다. 데이터는 ISS를 사용하여 각각의 웨이퍼의 중심점으로부터 측정하고, 동일한 기구가 폴리실리콘 시료를 측정하기 위해 사용되었다.

각각의 시료로부터 측정한 신호 파형들은 폴리실리콘 시료들로부터 측정한 것과 유사한 전자적 반응을 나타내었다. 이러한 경우에, 신호 진폭은 신호 파형 아래 놓인 영역을 산출함으로써 측정하였다. 도 4A-4C 각각은 신호 파형 진폭이 주입 에너지들 각각에 대한 주입된 이온들의 농도의 로그값에 따라 계통적으로 증 가함을 보여준다. 주입 농도의 로그값에 대한 진폭의 의존도는 기본적으로 각각의 주입 에너지에 대해 1차이다.

도 4A-4C에 나타낸 것과 같은 데이터는 데이터베이스에 저장될 수 있고, 이후에 실제 제조 공정 중에 시료 내에 주입된 이온들의 농도를 정량적으로 측정하도록 액세스된다. 특정 실시예에서, 주입된 이온들의 조직적으로 변화하는 농도를 갖는 한 벌의 시험 시료로부터 데이터(즉, 신호 파형 진폭 대 이온 주입 농도)는 4-포인트 프로브 등의 전기적 시험 기구에 의해 발생되고 검증된다. 이어서, 이들 데이터들은 컴퓨터상의 데이터베이스에 저장된다. ISS 측정이 제조하는 중에 실제 제품 시료 상에서 이루어질 때, 신호 파형의 진폭은 상기한 바와 같이 데이터를 부합시킴으로써 측정한다. 이어서, 생성된 진폭은 주입된 이온들의 농도를 정량적으로 측정하기 위해 데이터베이스의 값들과 비교된다.

도 5A 및 5B는 ISS 신호 진폭이 비교적 큰 에너지의 낮은 농도의 주입 공정(즉, 10¹² 이온/cm³ 미만 및 110 및 160eV의 주입 에너지)에 대해 이온 주입 농도에 따라 어떻게 변화하는지를 보여준다. 이들 도면들에 나타낸 데이터는 도 4A-4C에 나타낸 것과 일치하고, 증가하는 농도에 따라 ISS 신호 진폭이 증가함을 나타낸다.

ISS는 주입된 이온들의 농도를 상관시키는 도 2B에 나타낸 바와 같이 음향적 반응을 측정할 수도 있다. 도 6은 10¹⁴ 및 5 x 10 ¹⁴ cm^-3 각각의 농도로 비소 이온들이 주입된 상이한 8인치 실리콘 웨이퍼로부터 측정한 2개의 실리콘 파형(31, 32)을 보여준다. 모든 신호 파형은 진동하는 음향적 반응을 보여준다. 이들 도면들에 나타낸 신호 파형은 ISS 및 532 nm의 파장, 0.2ns의 펄스 기간 및 약 5μJ/펄스의 에너지를 갖는 여기 펄스를 사용하여 측정하였다. 프로브 펄스는 514 nm의 파장, 200μs의 펄스 기간, 및 100mW의 피크력을 가졌다. 도 5를 검사하면, 5 x 10¹⁴cm^-3으로 주입된 시료로부터 측정된 신호 파형(32)이 최초의 5ns 동안 지수 감쇄를 특징으로 하는 전자적 반응 및 약 70ns의 시간에 걸쳐 진동하고 감쇄되는 음향적 반응을 포함하는 것을 나타낸다. 시료로부터 측정된 음향적 반응에 대한 진동의 주파수는 약 550.5MHz이다. 10¹⁶ 이온이 주입된 시료로부터 측정된 신호 파형(31)은 유사한 음향적 반응을 포함하지만 비교적 약한 전자적 반응을 포함한다. 이러한 시료로부터 측정된 음향적 반응에 대한 진동의 주파수는 약 550MHz이다. 보다 큰 주파수의 차이는 여기 패턴이 보다 큰 음향 주파수를 여기시키도록 조절될 때 기대된다.

도 5C 및 5D는 일정한 결과가 큰 에너지 및 낮은 농도로 이온들이 주입된 실리콘 웨이퍼로부터 측정되었음을 나타낸다. 이러한 경우에, 음향 주파수는 10¹⁰ 이온/cm^-3으로 주입된 100KeV 및 160KeV 시료 모두에 대해 약 592MHz인 것으로 측정되었다. 이러한 음향 주파수는 110KeV 및 10¹²cm^-3으로 이온들이 주입된 시료에 대해 약 584MHz로 감소되고, 160KeV 및 10¹²cm^-3으로 이온들이 주입된 시료에 대해 약 588MHz로 감소된다.

상기한 바와 같이, 이온 농도에 대한 전자적 반응 및 음향적 반응 모두의 의존도는 데이터베이스를 발생하기 위한 뚜렷한 시험 시료 세트를 사용하여 검정할 수 있다. 주파수와 이온 주입 농도 간의 관계가 일단 측정되면, 실제 제품 웨이퍼로부터 측정은 이온 주입 농도를 측정하기 위해 데이터베이스와 비교될 수 있다.ISS를 사용하여 이온 주입 특성들을 판별하는 장치

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도 7은 ISS를 사용하여 이온-주입된 시료(10)의 특성을 측정하는 광학 시스템(50)을 보여준다. 이들 측정들에 적절한 유사한 시스템은 시간-분해된 광학적 측정을 위해 단순화된 장치 및 방법(SIMPLIFIED DEVICE AND METHOD FOR TIME-RESOLVED OPTICAL MEASUREMENTS)(1995년 1월 24일자로 출원된 미합중국 특허 출원 제08/377,310호); 및 일시적 격자 분광학을 사용하여 물질의 특성들을 측정하는 개선된 방법 및 장치(IMPROVED METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING MATERIAL PROPERTIES USING TRANSIENT GRATING SPECTROSCOPY)(1997년 6월 30일자로 출원된 미합중국 특허 출원 제08/855,555호)에 기재되어 있다.

이 시스템(50)은 음향적 반응 및 전자적 반응을 나타내는 여기 레이저(52), 및 이들 반응들을 측정하는 프로브 레이저(54)를 포함한다. 여기 레이저 및 프로브 레이저의 광학적 특성은 상기 도 1과 관련하여 기재되어 있다. 예를 들면, 여기 레이저는 기본적인 또는 조화 파장에서 작용하는 Nd:YAG 레이저 또는 유사한 레이저일 수 있다. 프로브 레이저는 변조된 다이오드 레이저일 수 있다. 여기 레이저 및 프로브 레이저 모두는 100-1000Hz의 범위에서 통상적인 정합된 반복 속도로 운행된다.

여기 레이저(52)는 제1 시준 렌즈(60)로 시준되고, 이어서 원통형 렌즈(64)를 갖는 위상 마스크(62) 상에 집속되는 펄스(12)를 발생한다. 펄스(12)의 일부는 유리 커버 슬립(65)에 의해 반사되고, 데이터-획득 시스템(도면에 도시하지 않음)을 시동시키는 전기 펄스를 발생하는 저속 광검출기(67)에 의해 검출된다. 위상 마스크(62)는 각각 시료(10)에 대한 상이한 격자 패턴(15)을 발생하는 일련의 패턴(66)을 포함한다. 위상 마스크(62) 상에 패턴(66)을 충돌시킨 후, 여기 펄스(56)는 패턴(66)에 의해 측정된 각도(θ)로 발산되는 2개의 서브-펄스(12', 12")로 회절된다. 보다 큰 치수로 회절된 빔은 통상적으로 빔 블록(도면에 도시하지 않음)에 의해 밖으로 여과된다. 발산하는 서브-펄스(12', 12")는, 격자 패턴(15)을 형성하기 위해 시료(10)의 표면(49) 상으로 이들을 집속 및 중첩하는 제1 영상 렌즈 쌍(70)에 의해 수집된다. 제1 영상 렌즈(70)는 격자 패턴(15)이 위상 마스크(62) 상의 패턴(66)과 동일한 주기를 갖도록 배치된다. 상이한 격자 패턴은 새로운 패턴이 입사된 여기 펄스(12)에 따라 조사되도록 위상 마스크(62)를 해독함으로써 간단히 형성될 수 있다.

프로브 레이저(54)는 제2 시준 렌즈(55)로 시준되고, 이어서 이온 주입된 시료(10)의 전자적 반응 및 음향적 반응을 측정하기 위해 제2 구형 렌즈(71)에 의해 격자 패턴(15) 상에 집속되는 프로브 펄스(20)를 발생한다. 상기한 바와 같이, 전자적 반응 또는 음향적 반응(또는 모두)은 신호 빔(25)을 형성하기 위해 프로브 펄스(20)의 일부를 회절시킨다. 빔-스톱(81)은 프로브 빔(20)의 반사된 부분을 봉쇄한다. 제2 영상 렌즈(76)는 신호 빔(74)을 수집하고 이를 고속(예를 들어, 1GHz) 광검출기(80)에 집속한다. 이는 시료 내에 주입된 이온들의 농도를 측정하기 위해 컴퓨터(도면에 도시하지 않음)로 이후에 분석되는 광선-유도된 전기 신호를 발생한다.

시료 상에 집속된 여기 서브-펄스(12', 12") 및 프로브 펄스(20)의 공간 치수는 신호 파형의 진폭을 최대화하도록 선택된다. 여기 서브-펄스들은 통상적으로 타원형 격자 패턴을 형성하도록 중첩되고, 타원의 장축과 단축은 각각 150μ과 25μ이다. 패턴의 밝은 영역과 어두운 영역 간의 거리는 통상적으로 5 내지 15μ이다. 펄스 프로브는 통상적으로 격자 패턴 내에 완전하게 놓인 스폿에 집속된다. 예를 들면, 프로브 펄스는 25μ 미만의 직경을 갖는 원형 스폿에 집속될 수 있다.이온 주입된 물질들

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상기 방법 및 장치는 상이한 유형의 호스트 시료 내에 주입된 이온들의 농도를 측정할 수 있다. 이들 시료들은 실리콘 함유(예를 들어, 폴리실리콘)막, 실리콘 웨이퍼, 및 비소화 갈륨, 비소화 갈륨 알루미늄, 갈륨 및 이들의 유도체 및 상사체를 포함하는 막 및 웨이퍼 등의 반도체 물질을 포함한다. 측정될 수 있는 기타 시료로는 세라믹 물질, 금속, 및 이온들이 주입될 수 있는 임의의 기타 물질을 들 수 있다.

측정될 수 있는 주입된 이온들로는 비소, 아르곤, 붕소, 산소, 인, 및 호스트 물질의 전기적 특성을 변경시킬 수 있는 임의의 기타 이온을 들 수 있다.기타 실시예들

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기타 실시예들은 상기 방법 및 장치의 범위에 속한다. 예를 들면, 상기한 바의 상이한 렌즈 배율, 위상 마스크 대신에 진폭 마스크 또는 위상 마스크 대신에 빔분할기 포함하는 것 등의 상이한 광학 시스템이 사용될 수 있다.

다른 광학 시스템에서, 일시적 격자 분광학을 사용하여 물질의 특성들을 측정하는 개선된 방법 및 장치(IMPROVED METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING MATERIAL PROPERTIES USING TRANSIENT GRATING SPECTROSCOPY)(1997년 6월 30일자로 출원된 미합중국 특허 출원 제08/855,555호)에는 ISS를 통해 시료를 여기시키기 위해 2개보다는 3개의 서브-펄스들이 사용되는 것이 개시되어 있다. 이 특허 출원에서, 3개의 서브-펄스들은 시료 상에 영상화되기 전에 선형으로(즉, 중심, 우측, 및 좌측 빔) 일정한 간격을 두고 위치한다. 렌즈에 의해 집속될 때, 중심 빔은 빔-전달 시스템의 중심 광학 축 아래로 전파되는 한편, 우측 및 좌측 빔은 동일한 각도로 동일한 스폿 쪽이지만 중심 빔의 반대 측으로 수렴한다. 빔들은 시료 상에 중첩되어 시료의 전자적 반응 또는 음향적 반응을 여기시키는 일시적인 격자를 형성한다.

일반적으로, ISS 또는 ISTS를 수행하기 위한 광학 시스템이 적절하다. 마찬가지로, 적절한 광학적 특성을 갖는 여기 레이저 및 프로브 레이저가 상기 레이저들 대신에 사용될 수 있다.

다른 실시예에서, 신호 파형은 이를 플로팅하고, 이어서 그 플로트 아래 놓인 영역을 측정함으로써 처리된다. 이어서, 이러한 영역은 이온 농도를 측정하기 위해 데이터베이스 값들과 비교된다. 다른 실시예에서, 신호 파형은 비교적 "빠른" 시간 상수 및 비교적 "느린" 시간 상수를 포함하는 이중-지수 함수 등의 상기한 것보다 더 복잡한 함수에 부합된다. 이러한 경우에, 빠르거나 느린 시간 상수는 주입된 이온들의 농도를 측정하도록 분석될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 전하 캐리어 시스템의 동력학적 모델링에 기초한 알고리즘 등의 수학적 알고리즘은 신호 파형에 포함된 주파수 또는 진폭에 주입된 이온들의 농도를 관련시키도록 개발될 수 있다. 이러한 알고리즘은 이온 농도를 판별하기 위한 데이터베이스에 대한 필요성을 제거할 수 있다.

또 다른 실시예들이 다음 특허청구범위에 속한다.

Claims

물질 내에 주입된 이온들의 농도를 판별하기 위한 방법에 있어서:

적어도 2개의 여기 레이저 서브-펄스들을 발생하기 위해 회절 마스크를 통해 여기 펄스를 통과시키는 단계;

상기 물질의 한 영역에서 시간-의존형 반응을 개시하기 위해, 적어도 2개의 여기 레이저 서브-펄스들을 중첩함으로써 형성된 격자 패턴으로 상기 영역을 조사하는 단계;

적어도 하나의 시간-의존형 신호 빔을 발생하기 위해, 적어도 상기 시간-의존형 반응만큼의 기간을 갖는 프로브 레이저 펄스를 상기 영역에서 회절(diffract off the region)시키는 단계;

신호 파형을 발생하기 위해 적어도 하나의 시간-의존형 신호 빔을 검출하는 단계; 및

상기 물질 내에 주입된 이온들의 농도를 판별하기 위해 상기 신호 파형을 처리하는 단계를 포함하는, 이온 농도 판별 방법.
제1항에 있어서, 상기 처리 단계는,

상기 신호 파형을, 상기 신호 파형을 나타내는 수학 함수와 비교하는 단계; 및

한 시점에서의 상기 신호 파형의 진폭을 판별하기 위해 상기 수학 함수의 진폭을 판별하는 단계를 포함하는, 이온 농도 판별 방법.
제2항에 있어서,

상기 수학 함수는 지수 함수(exponential function)를 포함하는, 이온 농도 판별 방법.
제3항에 있어서,

상기 지수 함수는 S₀(t₀)[Ae^-(t+t0)/τ] 또는 그 도함수이고, 여기서, A는 진폭이고, τ는 감쇄 상수이며, t는 시간이고, S₀은 t=t₀에서 시작하는 단위 계단 함수인, 이온 농도 판별 방법.
제1항에 있어서,

상기 처리 단계는 물질 내에 주입된 이온들의 농도를 판별하기 위해, 앞서 측정된 신호 파형들의 진폭들을 상기 물질들 내에 주입된 이온들의 농도들과 상관시키는 데이터베이스와 상기 신호 파형의 진폭을 비교하는 단계를 더 포함하는, 이온 농도 판별 방법.
제1항에 있어서,

상기 처리 단계는 상기 물질 내에 주입된 이온들의 농도를 판별하기 위해 수학적 알고리즘으로 상기 진폭을 분석하는 단계를 더 포함하는, 이온 농도 판별 방법.
제1항에 있어서,

상기 처리 단계는, 데이터 세트를 발생하기 위해 상기 신호 파형을 디지털화하는 단계 및 이어서 상기 데이터 세트로부터 하나의 값을 선택함으로써 한 시점에서 상기 신호 파형의 진폭을 판별하는 단계를 포함하는, 이온 농도 판별 방법.
제1항에 있어서,

상기 처리 단계는 상기 신호 파형의 플로트(plot)에 의해 점유되는(covered) 면적을 판별하는 단계를 포함하는, 이온 농도 판별 방법.
제8항에 있어서,

상기 처리 단계는 물질 내에 주입된 이온들의 농도를 판별하기 위해, 상기 물질 내에 주입된 이온들의 농도와 상기 면적을 상관시키는 데이터베이스와 상기 면적을 비교하는 단계를 더 포함하는, 이온 농도 판별 방법.
제1항에 있어서,

상기 프로브 레이저 펄스는 상기 격자 패턴 상에 시준 및 집속되는, 이온 농도 판별 방법.
제10항에 있어서,

상기 레이저 펄스는 상기 시간-의존형 반응의 기간을 초과하는 기간을 갖는, 이온 농도 판별 방법.
제1항에 있어서,

상기 회절 마스크는 위상 또는 진폭 마스크인, 이온 농도 판별 방법.
제1항에 있어서,

상기 물질은 실리콘을 포함하는, 이온 농도 판별 방법.
제13항에 있어서,

상기 물질은 폴리실리콘 막인, 이온 농도 판별 방법.
제13항에 있어서, 상기 물질은 실리콘 웨이퍼인, 이온 농도 판별 방법.
제1항에 있어서,

상기 물질 내에 주입된 이온은 비소, 아르곤, 붕소 및 인(phosphorus) 원자들로 구성된 군으로부터 선택된 원자들의 이온인, 이온 농도 판별 방법.
제1항에 있어서,

상기 처리 단계는, 주파수를 판별하기 위해 신호 파형을 처리하는 단계 및 시료 내에 주입된 이온들의 농도를 판별하기 위해 주파수를 분석하는 단계를 더 포함하는, 이온 농도 판별 방법.
실리콘 또는 폴리실리콘 시료 내에 주입된 이온 농도를 판별하기 위한 방법에 있어서:

적어도 2개의 여기 레이저 서브-펄스를 발생하는 단계;

상기 물질의 한 영역에서 시간-의존형의 감쇄되는 비진동 반응을 개시하기 위해, 상기 적어도 2개의 여기 레이저 서브-펄스를 중첩함으로써 형성된 격자 패턴으로 상기 영역을 조사하는 단계;

시간-의존형 신호 빔을 발생하기 위해, 적어도 상기 시간-의존형 반응만큼의 기간을 갖는 프로브 레이저 펄스를 상기 영역에서 회절시키는 단계;

신호 파형을 발생하기 위해 상기 시간-의존형 신호 빔을 검출하는 단계; 및

실리콘 또는 폴리실리콘 시료 내에 주입된 이온들의 농도를 판별하기 위해, 상기 신호 파형을 처리하는 단계를 포함하는, 이온 농도 판별 방법.
반도체 물질 내에 주입된 이온 농도를 판별하는 장치에 있어서:

여기 레이저 펄스를 발생하기 위한 여기 레이저;

상기 여기 레이저 펄스를 적어도 2개의 서브-펄스로 분리하고, 이어서 상기 물질의 한 영역에서 시간-의존형 반응을 개시하기 위해 상기 적어도 2개의 서브-펄스를 중첩함으로써 형성된 격자 패턴으로 상기 영역을 조사하기 위한 위상 마스크를 포함하는 빔 전달 시스템;

프로브 레이저 펄스를 발생하기 위한 프로브 레이저로서, 상기 프로브 레이저 펄스는 시간-의존형 신호 빔을 발생하기 위해 상기 영역에서 회절하도록, 적어도 상기 시간-의존형 반응만큼의 기간 및 배향을 갖는, 상기 프로브 레이저;

신호 파형을 발생하기 위해 상기 시간-의존형 신호 빔을 검출하기 위한 광검출기; 및

상기 물질 내에 주입된 이온들의 농도를 판별하기 위해 상기 신호 파형을 처리하는 처리기를 포함하는, 이온 농도 판별 장치.
제19항에 있어서,

상기 회절 마스크는 위상 마스크 또는 진폭 마스크인, 이온 농도 판별 장치.
제19항에 있어서,

상기 처리기는 상기 신호 파형을 수학 함수와 비교하고, 상기 수학 함수의 진폭을 판별함으로써 한 시점에서의 상기 신호 파형의 진폭을 판별하는 컴퓨터인, 이온 농도 판별 장치.
제19항에 있어서,

상기 처리기는 상기 신호 파형의 진폭을 분석하고, 상기 물질 내에 주입된 이온들의 농도를 판별하기 위해 상기 진폭을 데이터베이스와 비교하는 컴퓨터인, 이온 농도 판별 장치.
제19항에 있어서,

상기 처리기는 상기 신호 파형에 의해 점유된 면적을 판별하고, 상기 물질 내에 주입된 이온들의 농도를 판별하기 위해 상기 면적을 데이터베이스와 비교하는 컴퓨터인, 이온 농도 판별 장치.