イオン注入ドーズ量を測定するための方法及び装置
材料内のイオン注入ドーズ量を測定するための方法及び装置は、(ｉ)材料の注入面による反射スペクトルを測定する工程、ここで注入面は注入面から材料内のある深さまでの材料層及びこの材料層の下の脆弱層を形成するためにイオン注入プロセスにかけられている、(ii)反射スペクトル強度値を注入面への入射光のそれぞれの波長の関数として格納する工程、及び(iii)入射光の少なくとも２つの波長における少なくとも２つの対応する反射スペクトル強度値の比較に基づいてイオン注入プロセス中に用いられたイオン注入ドーズ量を計算する工程を含む。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は２００９年５月２８日に出願された、名称を「イオン注入ドーズ量を測定するための方法及び装置(Methods and Apparatus For Measuring Ion Implant Dose)」とする、米国特許出願第１２/４７３８９６号の優先権を主張する。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、半導体材料のような、材料内のイオン注入ドーズ量の測定に関する。
【背景技術】
【０００３】
材料内の実イオン注入ドーズ量を知ることは様々な製品の製造において、例えば、プロセス変動を検査するため、歩留を向上させるため、製品品質をモニタするため、等に有益であり得る。イオン注入ドーズ量を測定できる能力は、絶縁体上半導体(ＳＯＩ)構造の開発におけるような、新しい製品及びシステムの設計においても有益であり得る。
【０００４】
ＳＯＩ構造の作成方法は、特許文献１に開示されるような、イオン注入法を含む。そのような工程は、(ｉ)ボンディング面を形成するためにシリコンウエハ表面を水素イオン注入にさらす工程、(ii)ウエハのボンディング面をガラス基板に接触させる工程、(iii)ウエハとガラス基板の間の接合形成を容易にするためにウエハ及びガラス基板に圧力、温度及び電圧をかける工程、(iv)基板を常温まで冷却する工程、及び(ｖ)ガラス基板及びシリコンの薄層をシリコンウエハから分離する工程を含む。
【０００５】
そのようなＳＯＩ構造を開発及び／製造するためには、ドナー半導体(例えばシリコン)ウエハの実イオン注入量を測定できることが望ましい。イオン注入ドーズ量の指標を得るための多くの既存の手法がある。例えば、二次イオン質量分光法(ＳＩＭＳ)は、試料表面を集束一次イオンビームでスパッタし、はじき出された二次イオンを集めて解析することによって固体表面及び薄膜の組成を解析するための、材料科学及び表面科学において用いられる手法である。そのような二次イオンは、表面の元素、同位体または分子の組成を決定するために質量分光計を用いて測定される。ＳＩＭＳは、少なくとも、破壊試験であり、また試料の小面積しか測定しないから、完全に適切な手法ではない。
【０００６】
別の手法には、イオン注入装置内部で用いられる、その場ドーズ量モニタがある。そのようなその場ドーズ量モニタも、注入されたと推定される平均イオンドーズ量しか提供しないから、適切ではない。しかも、その場ドーズ量モニタは試料内の実ドーズ量を測定または計算せず、また試料面内の注入ドーズ量のいかなる非一様性またはその他の変動も検出することができない。既存のイオン注入装置製造業者により、単波長または狭波長範囲の反射率測定に基づく測定／マッピングツールが開発されている。そのようなシステムが特許文献２に説明されているが、このシステムではイオン注入前にベースライン測定が必要であり、これは望ましくない。また別の手法では、比抵抗測定に基づいてドーズ量情報を抽出するために４点プローブが用いられる。しかし、測定は、大きく変動し得る、材料の比抵抗によって影響され、またこのプロセスでは試料をプローブに接触させる必要があるという事実によって破壊測定であると見なされる。
【０００７】
集積回路を作成するための半導体プロセス中のイオン注入後ドーパントプロファイルの測定のための光照射によるキャリア発生／検出(Carrier Illumination)法がいくつか提案されている、しかしこれらの手法では、キャリアを発生させるために(単波長の)パルスレーザ照射が用いられ、反射率を測定するためには別のプローブビームが用いられる。したがって、ほとんどの場合、そのような手法では注入ドーズ量の変動と注入エネルギーの変動を弁別できない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第７１７６５２８号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００５/０１１２８５３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上で論じた理由のため、イオン注入ドーズ量を測定するための上述した手法及びプロセスのいずれも、例えばＳＯＩ構造の製造の文脈において、満足できるものではなかった。すなわち、イオン注入ドーズ量を測定するための新規な方法及び装置が技術上必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
材料内のイオン注入ドーズ量を測定するための方法及び装置は、
材料の注入面による反射スペクトルを測定する工程、
注入面は注入面から材料内のある深さまでの材料層及びこの材料層の下の脆弱層を形成するためにイオン注入プロセスにかけられている、
反射スペクトル強度値を注入面の入射光のそれぞれの波長の関数として格納する工程、
入射光の少なくとも２つの波長における少なくとも２つの対応する反射スペクトル強度値の比較に基づいてイオン注入プロセス中に用いられたイオン注入ドーズ量を計算する工程、及び
計算されたイオン注入ドーズ量をユーザ視認可能媒体上に表示する工程、
を含む。
【００１１】
イオン注入プロセス中に用いられたイオン注入ドーズ量を計算する工程には、反射スペクトルの少なくとも１つの極大強度値と少なくとも１つの極小強度値の間の極大極小差を決定する工程を含めることができる。反射スペクトルの極大強度値及び極小強度値は、検出のための入射光の材料層下の脆弱層への到達、反射及び材料からの出射を可能にするに十分に材料が透明であるそれぞれの波長において選ぶことができる。
【００１２】
イオン注入プロセス中に用いられたイオン注入ドーズ量を計算する工程には、イオン注入ドーズ量に実質的に影響されない反射スペクトル強度値で極大極小差を割ることによって規格化極大極小差を計算する工程を含めることができる。本明細書で後に論じられるように、規格化極大極小差の計算を実行できる多くの方法がある。
【００１３】
次いで、規格化極大極小差の関数としてイオン注入ドーズ量を計算することができる。これは、イオン注入ドーズ量と規格化極大極小差の間の関係を確立することによって達成することができる。そのような関係は線形または非線形になり得るが、単調であることが好ましい。単調な関係を確立する工程には既知のイオン注入ドーズ量を付随して測定された、規格化極大極小差を用いて較正する工程を含めることができる。
【００１４】
本発明の方法及び装置はさらに、
反射スペクトルを測定する工程、反射スペクトルの強度値を格納する工程及び材料のイオン注入面内の複数の場所についてイオン注入ドーズ量を計算する工程を反復する工程、及び
材料のイオン注入面内の、ドーズ量の変動を含む、計算されたイオン注入ドーズ量をユーザ視認可能媒体上に表示する工程、
を含むことができる。
【００１５】
その他の態様、特徴、利点、等は、当業者には、添付図面とともに本明細書の説明を読めば明らかになるであろう。
【００１６】
本明細書に開示される様々な特徴を説明する目的のため、現在好ましい形態が図面に示されるが、図示される構成及び手段に本発明が限定されないことは当然である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本明細書に開示される１つないしさらに多くの実施形態にしたがう、材料試料のイオン注入ドーズ量を測定するための装置を示すブロック図である。
【図２】図２は、図１の装置における測定の下の材料の対象とすることができる、絶縁体上半導体製品の作成に有用な中間構造を示すブロック図である。
【図３Ａ】図３Ａは、注入イオンを含んでいる材料試料及び含んでいない材料試料の屈折率と入射光波長の間の関係を示す。
【図３Ｂ】図３Ｂは、注入イオンを含んでいる材料試料及び含んでいない材料試料の吸収と入射光波長の間の関係を示す。
【図４】図４は図１の装置の給光コンポーネント及び受光コンポーネントのさらに詳細な線描図である。
【図５】図５は、図１の装置を用いる測定の下にある半導体材料の、測定された反射スペクトルを示すグラフである。
【図６】図６は測定下の半導体材料の反射スペクトルの１つないしさらに多くの領域と半導体材料のイオン注入ドーズ量の間の関係を示すグラフである。
【図７】図７は図１の装置を用いた実験結果を示すグラフである。
【図８】図８は、本明細書に開示される１つないしさらに多くの実施形態にしたがう、材料試料のイオン注入ドーズ量を測定するための別の装置を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
同様の参照数字が同様の要素を指す、図面を参照すれば、本明細書に開示される１つないしさらに多くの実施形態にしたがうイオン注入ドーズ量測定装置１００が図１に示されている。装置１００は、シリコンウエハのような半導体ウエハとすることができる、材料試料片１２０のイオン注入ドーズ量を測定するためにはたらく。装置１００は、光源１０２，分光計１０４及びコンピュータシステム１０６を備える。入射光が光源１０２から試料１２０に、ある長さの光ファイバ材料１０８のような、適切な構造を用いて送られ、反射光が、別の長さの光ファイバ材料１１０のような、別の構造を用いて集められて分光計１０４に送られる。コンピュータシステム１０６は、集められて分光計１０４に送られた反射光に基づいて試料のイオン注入ドーズ量を計算するために実装された、コンピュータ実行可能コードを走らせることができるプロセッサを備える。計算されたイオン注入ドーズ量は、コンピュータスクリーン、プリントアウト、等のような、コンピュータシステム１０６内の表示手段を用いて、装置１００のユーザに提供することができる。
【００１９】
装置１００のさらなる詳細を論じる前に、試料１２０が見いだされ得る例示的文脈及び試料１２０に施されているであろういくつかの処理に関する議論が初めに与えられる。議論の目的のため、本明細書に説明される方法及び装置はＳＯＩ構造の開発及び／または製造の文脈にあるとすることができる。ＳＯＩ構造には、例えば、有機発光ダイオード(ＯＬＥＤ)ディスプレイ及び液晶ディスプレイ(ＬＣＤ)を含むディスプレイ用途、集積回路、光起電力デバイス、等のための、薄膜トランジスタ(ＴＦＴ)の作成に関して適する用途がある。
【００２０】
今のところ、ＳＯＩ構造に最も普通に用いられる半導体材料はシリコンである。そのような構造は文献において絶縁体上シリコンと称され、略語「ＳＯＩ」がそのような構造にあてられている。ＳＯＩ技術は、高性能薄膜トランジスタ、太陽電池及び、アクティブマトリックスディスプレイのような、ディスプレイにとって、益々重要になっている。ＳＯＩ構造は絶縁体材料上の実質的に単結晶のシリコンの薄層を有することができる。
【００２１】
本明細書におけるＳＯＩ構造への言及は本明細書に説明される実施形態の説明を容易にするためになされ、絶対に、特許請求の範囲を限定することは目的とされておらず、またそのように解されるべきではない。略語ＳＯＩは、本明細書において、全般的に、ガラス上半導体(ＳＯＧ)構造、絶縁体上シリコン(ＳＯＩ)及びガラス上シリコン(ＳｉＯＧ)を含むがこれらには限定されない、絶縁体上半導体構造を指して用いられ、ガラス-セラミック上半導体構造も包含する。本明細書に用いられるように、ＳＯＩは半導体上半導体構造も包含することができる。
【００２２】
図２を参照すれば、ＳＯＩデバイスの生産、または開発に、ドナー半導体ウエハ１２０を用いることができる。本明細書に論じられる実施形態の文脈において、ドナー半導体ウエハ１２０は、イオン注入ドーズ量の計算が求められる、試料材料とすることができる。しかし、この場合も、半導体である試料材料は例示に過ぎず、本明細書に説明される注入ドーズ量測定装置１００及び／またはその他の方法及び装置は他の材料に関してはたらくことができる。
【００２３】
ドナー半導体ウエハ１２０は、別の半導体材料、ガラスまたはガラス-セラミックの基板(図示せず)のような、絶縁体基板への接合形成に適する比較的平坦で一様な注入面を形成するため、例えば、研磨、洗浄、等によって、作成することができる。議論の目的のため、半導体ウエハ１２０は実質的に単結晶のＳｉウエハとすることができるが、III-Ｖ族、II-IV族、II-IV-Ｖ族等の半導体のような、他のいずれか適する半導体を用いることもできる。そのような半導体の例に、シリコン(Ｓｉ)、ゲルマニウムドープシリコン(ＳｉＧｅ)、炭化シリコン(ＳｉＣ)、ゲルマニウム(Ｇｅ)、ヒ化ガリウム(ＧａＡａ)、ＧａＰ及びＩｎＰがある。
【００２４】
ドナー半導体ウエハ１２０の注入面１２１に１つないしさらに多くのイオン注入プロセスを施して注入面１２１の下に脆弱領域を形成することによって、剥離層１２２が形成される。本発明の実施形態は剥離層１２２を形成するためのいずれの特定の方法にも限定されないが、適する一方法では、ドナー半導体ウエハ１２０内の剥離層１２２の形成を少なくとも開始するために、ドナー半導体ウエハ１２０の注入面１２１に水素イオン注入プロセスを施し得ると規定される。注入エネルギーは、約３００〜５００ｎｍのような、剥離層１２２の総厚を達成するために従来の手法を用いて調節することができるが、他の妥当な厚さも本発明の範囲内にある。例として、水素イオン注入を用いることができるが、ホウ素＋水素、ヘリウム＋水素または、剥離について文献で知られている、その他のイオンのような、他のイオンまたは複数のイオンを用いることができる。この場合も、剥離層の形成に適する、その他のいずれかの既知の手法または今後開発される手法を用いることができる。
【００２５】
注入されるイオン種の性質にかかわらず、剥離層１２２へのイオン注入の効果は、結晶格子内の原子の、それぞれの正規の位置からの変位である。格子内の原子にイオンが当たると、原子は所定の位置から押し出され、フレンケル対と呼ばれる空孔と格子間原子の、一次欠陥が形成される。イオン注入が室温近くで行われると、一次欠陥の成分は移動して、空孔クラスター、等のような、多くのタイプの二次欠陥を形成する。これらのタイプの欠陥のほとんどは電気的に活性であって、半導体格子内で多数キャリアに対するトラップとしてはたらく。
【００２６】
したがって、得られるドナー半導体ウエハ１２０の構造は、イオン注入面から材料内のある深さまで拡がる材料層(剥離層１２２)及びこの材料層の下の脆弱層１２３である。脆弱層１２３の形成に用いられるイオン注入ドーズ量は比較的高く、後のドーピング法に用いられるドーズ量よりかなり高くすることができる。したがって、脆弱層１２３は半導体(例えばシリコン)と水素の混合層として表すことができる。また、脆弱層１２３は、例えばシリコンへの水素の大量ドーズが実施された状況に特有の、いくつかのタイプの欠陥も含む。例えば、そのような欠陥には、水素充満気泡、水素プレートレット及び水素化空孔クラスターを含めることができる。
【００２７】
一例の(上述したドナー半導体ウエハのような)材料１２０の構造に関する上記バックグラウンドにしたがい、本発明の方法及び(装置１００のような)装置は、材料１２０の脆弱層１２３を生じさせたイオン注入ドーズ量及び材料１２０のその他の付随構造特性を測定するためにはたらく。
【００２８】
図３Ａ及び３Ｂを参照すれば、イオン注入された半導体(本例ではシリコン)ウエハ１２０は、脆弱層１２３において(ウエハ１２０の無イオン注入領域に比較して)屈折率の有意な変化を示し、これは光源１０２によって注入面１２１に入射する光の少なくともいくらかの反射を生じさせると考えられる。本明細書の特許請求の範囲に制限されずに、屈折率のそのような差が、分光反射測定法を用いてイオン注入ドーズ量を計算できる能力をもたらす、肝心な特性であると考えられる。図３Ａは、半導体材料１２０の無イオン注入領域３００と注入イオンを含む弱化層１２３の領域３０２の、屈折率(Ｙ軸(標準単位))と入射光の波長(Ｘ軸(単位：μｍ))の間の仮の関係を示す。図３Ａのグラフに示される値は、結晶シリコンウエハ及びアモルフォスシリコンウエハについての既知の文献から導出した。図３Ｂは、無イオン注入半導体材料３０４と注入イオンを含む半導体材料３０６の、吸収係数(Ｙ軸(単位；１/ｃｍ))と入射光の波長(Ｘ軸(単位：μｍ))の間の仮の関係を示す、関連グラフである。この場合も、図３Ｂのグラフに示される値は、結晶シリコンウエハ及び非晶質シリコンウエハについての既知の文献から導出した。実際には、イオン注入された半導体ウエハ１２０に対する実値は図３Ａ及び３Ｂに示される値と異なり得る。しかし、実際上、脆弱層１２３は３０２及び３０６に比較的近い屈折率及び反射係数を有すると想定される。実際上、剥離層１２２は３００及び３０４に近い値を有すると想定される。本発明の方法及び装置は、実験及び／またはシミュレーションにより、有用な結果を提示し、よって上記想定は正しいと認められる。
【００２９】
４５０ｎｍより長波長のような、ある波長範囲内において、(脆弱層１２３のような)イオン注入された半導体材料１２０の屈折率は、単結晶材料とすることができる、半導体材料１２０の無イオン注入領域に対する屈折率より高い。しかし、本発明の方法及び装置は剥離層１２２に比較して脆弱層の屈折率にいくらかの差がある(高いかまたは低い)ことしか必要ではないと考えられる。とりわけ、(１)脆弱層１２３と剥離層１２２の間で屈折率にいくらかの差を示す、及び(２)十分に透明である、のいずれの規準も満たし、したがって解析に適し得る波長範囲は、約６００ｎｍから８５０ｎｍであり得る。そのような波長範囲において、シリコン半導体材料は、(１)光源１０２からの光の剥離層１２２の透過を可能にするに十分透明であり、(２)脆弱層１２３と剥離層１２２の間で屈折率に、反射に必要な干渉を生じさせる(よってイオンドーズ量を測定できる能力を得る)に十分な差を有する。図３Ａに示されるように、(脆弱層１２３と剥離層１２２の間の)屈折率差は３００〜４５０ｎｍの範囲で一層大きくなるが、そのような波長においてシリコン半導体材料は極めて強い吸収を示すから、そのような波長は解析に用いることができないと考えられる。すなわち、プローブによる検出には不十分な光が、試料１２０に入り込み、反射されて戻って、試料１２０から出射することになるであろう。屈折率差及び透過率が十分であれば、測定には、例えば赤外範囲の、別の波長が一層適し得る。
【００３０】
特許請求の範囲を限定する目的は無しに、イオン注入ドーズ量の測定に適する環境をつくる半導体ウエハ１２０の特徴は脆弱層１２３における、それより上及び下の他の材料と比較した、屈折率変化であると想定した。しかし、イオン注入種自体が屈折率に変化を生じさせ、よって十分な光反射をもたらす特徴を生じさせるかまたはそのような特徴に寄与するという、別の可能性がある。
【００３１】
図４を参照すれば、光源１０２からの入射光,Ｉ０及び試料１２０からの反射光,Ｉｒは、上述した長さの光ファイバ１０８，１１０を基本的に実装する、光ファイバプローブを用いて送り、受け取ることができる。いくらかの光,Ｉｔが脆弱層１２３を通過し、反射されない。
【００３２】
分光計１０４が(材料１２０の注入面１２１の特定の領域からの)反射光を受け取り、これを処理する。光源１２０からの光は実質的に白色光であり、したがって複数の波長を含むから、図５に示されるような、反射スペクトルがそのような領域において確立される。コンピュータシステム１０６のコンピュータ読出可能メモリが、入射光,Ｉ０のそれぞれの波長の関数として反射スペクトルの強度値を格納するためにはたらく。コンピュータシステム１０６内のプロセッサがコンピュータ読出可能メモリに接続され、コンピュータ実行可能コードを実行し、よって、格納された反射スペクトルに基づいてイオン注入プロセス中に用いられたイオン注入ドーズ量がプロセッサにより計算される。
【００３３】
さらに詳しくは、イオン注入ドーズ量は、入射光の少なくとも２つの波長における少なくとも２つの対応する反射スペクトルの強度値の比較に基づいて計算される。反射率(Ｙ軸(任意単位))対波長(Ｘ軸(単位：ｎｍ))を示す図５を参照すれば、反射スペクトルの２つの強度値は反射スペクトルのそれぞれの極大値及び極小値である。反射スペクトルの極大強度値３１０は約７００ｎｍの入射光波長で生じ、反射スペクトルの極小強度値３１２は数学的差(減算)の形態をとることができ、それらの間に極大極小差値を生じさせる。とりわけ、極大強度値及び極小強度値が見られる波長は剥離層１２２の厚さに依存するであろう。したがって、所望であれば、極大強度値を示す波長と極小強度値を示す波長の間の計算された差を用いて、剥離層１２２の厚さを推定することができる。
【００３４】
とりわけ、反射スペクトルの極大強度値及び極小強度値は、入射光の脆弱層１２３への到達及び反射による光ファイバへの戻りが可能になるに十分に材料１２０が入射光,Ｉ０に対して透明である、それぞれの波長において選ばれる。上である程度詳述したように、また例としてのみ、シリコンのような、半導体材料１２０に対するそのような波長は、約５００ｎｍと約１０００ｎｍの間、さらに詳しくは約６００ｎｍと約８５０ｎｍの間、さらに一層詳しくは約６５０ｎｍと約８００ｎｍの間から選ぶことができる。当業者には、その内で極大強度値及び極小強度値の選択に有用な範囲がウエハ１２０の材料のタイプ、ウエハ１２０の透明性、イオン注入パラメータ、等に依存することが、本開示から理解されるであろう。
【００３５】
イオン注入プロセス中に用いられたイオン注入ドーズ量の計算には規格化極大極小差の計算も含めることができる。規格化プロセスはコンピュータシステム１０６によって実行することができ、光源１０２の非理想特性によって生じる誤差を相殺するために用いることができる。
【００３６】
規格化極大極小差は多くの様々な手法を用いて計算することができる。一方法は、極大極小差をイオン注入ドーズ量によって実質的に影響されない反射スペクトルの強度値で割ることである。例えば、イオン注入ドーズ量によって実質的に影響されない反射スペクトルの強度値は、反射スペクトルの極大強度値３１０及び極小強度値３１２が選ばれるそれぞれの波長のいずれよりも短い波長で生じ得る。例として、材料が図５に示されるスペクトルを有する(シリコンのような)半導体である場合、イオン注入ドーズ量によって実質的に影響されない反射スペクトルの強度値は、約１００ｎｍと５００ｎｍの間、さらに詳しくは約２５０ｎｍと４００ｎｍの間、さらに一層詳しくは約３２５ｎｍと３７５ｎｍの間にあり得る。一般に、イオン注入ドーズ量によって実質的に影響されない反射スペクトルの強度値は、(光が脆弱層１２３に到達しないであろうから)剥離層１２２における吸収が強い、いずれかの波長で生じ得る。反射スペクトルの近くで選ばれる波長は(光源の変動がより密に一致するであろうから)規格化にさらに適していると考えられるが、半導体材料１２０は波長が長くなるほど一層透明になるであろう。
【００３７】
いくつかの状況において、上記の規格化極大極小差を計算する手法ではそれほど正確ではない結果が生じ得る。実際、いくつかの場合、反射率測定は半導体ウエハ１２０の表面１２１と光ファイバプローブ１０８，１１０の間の小さな距離変動に鋭敏であり得る。測定誤差が生じ難くなり得る、規格化極大極小差を計算する別の手法は、(ｉ)イオン注入ドーズ量によって実質的に影響されない(例えば波長３５０ｎｍにおける)反射スペクトルの強度値及び極大極小差信号値を、それぞれを表面１２１と光ファイバプローブ１０８，１１０の間の距離の関数として得て、(ii)スキャン中に３５０ｎｍにおける反射スペクトルの強度値を用いて距離を(前工程に基づいて)推定し、(iii)スキャン中に測定された極大極小差を推定された距離及び第１の工程から得られた経験的関数に基づいて補正することである。
【００３８】
規格化極大極小差を計算するまた別の手法は、(ｉ)極大強度値３１０及び極小強度値３１２がとられる波長範囲において、またはさらに広い範囲で、信号強度を平均し(例えば、図５のスペクトルの場合、約６００〜８００ｎｍの間の全ての値の平均をとり)、(ii)極大極小差を計算された平均で割ることである。
【００３９】
イオン注入ドーズ量は規格化極大極小差の関数として計算することができる。この計算は、イオン注入ドーズ量と規格化極大極小差の間の関係を確立することによって、数学的に(したがってコンピュータシステム１０６によって)行うことができる。そのような関係は線形または非線形であるが、単調であることが好ましい。これは、(１枚ないしさらに多くのウエハ１２０に注入している担当者によって指定される)既知のイオン注入ドーズ量を、付随して測定された、規格化極大極小差を用いて較正することによって達成できる。試料１２０の数が増えるにつれて、また与えられた試料１２０の測定値数も増えるにつれて、較正が向上する。一手法は、それぞれのウエハ１２０上の様々な領域の極大極小差(規格化極大極小差であればさらに良い)の平均をとり、そのような平均値を較正に用いることである。次いで、(１つないしさらに多くの)既知のイオン注入ドーズ量と極大極小差(または規格化極大極小差)の間で単調関数を容易に確立することができる。反射測定の極大極小差(Ｙ軸(任意単位))対公称ドーズ量(Ｘ軸(単位；１０１６Ｈ２/ｃｍ２))を示す図６に示されるように、Ｙ軸に沿う極大極小差(または規格化極大極小差)とＸ軸に沿う公称ドーズ量(単位：１０１６Ｈ２/ｃｍ２)の間には強い相関関係がある。エラーバーのそれぞれは、実験中の多くの試料１２０のそれぞれで測定された全ての値の標準偏差を示す。
【００４０】
プロセスの上記工程が実行され、よって極大極小差(または規格化極大極小差)と公称ドーズ量の間の関係が得られてしまうと、上述した、反射スペクトルを測定する工程、反射スペクトルの強度値を格納する工程、及び材料１２０の面内の複数の場所についてイオン注入ドーズ量を計算する工程を用いて、未知の試料１２０の測定を実施することができる。材料のイオン注入面内で計算されたイオン注入ドーズ量は、その変動も含めて、ユーザ視認可能媒体上に表示することができる。
【００４１】
図７を参照すれば、上述した手法と同様の態様で水素イオンが注入されたシリコン半導体ウエハを用いて実験を実施した。シリコン半導体ウエハの直径は３００ｍｍであり、上述し、図１に示した、装置と同様の装置を用いてシリコン半導体ウエハをスキャンした。図示されるドーズ量マップは、Ｙ軸及びＸ軸のそれぞれに沿う、ｍｍ単位の距離を含む。図示される、測定されたドーズ量の色／グレイスケールは、ウエハ最下部における約４×１０１６Ｈ２/ｃｍ２からウエハ最上部における約４×１０１６Ｈ２/ｃｍ２までの範囲にわたり、その間に多くの変動がある。
【００４２】
図８を参照すれば、別の実施形態にしたがうイオン注入ドーズ量測定装置１００Ａも、試料半導体ウエハ１２０のイオン注入ドーズ量を測定するためにはたらくことができる。同様に、装置１００Ａの参照数字が付された要素は図１に関して上述したようにはたらくことができる。光ファイバを用いる図１の装置１００と異なり、装置１００Ａは、ウエハ１２０に入射光を供給し、ウエハ１２０から光を受け取るための、自由空間光学系１０８Ａ，１１０Ａを備える。ウエハ１２０に対して光源１０２及び分光計１０４を移動させるか(この場合、適切な光焦点を維持することが課題になり得る)、または静止している光源１０２及び分光計１０４に対してウエハ１２０を移動させることによって、ウエハ１２０の様々な領域を測定することができる。この実施形態において、自由空間光学系１０８Ａ，１１０Ａは、分光計１０４による反射光の適切な測定が達成されるような角度をなして配置される。別の実施形態において、自由空間光学系１０８Ａ，１１０Ａは、ビームスプリッタ及び／または追加の集束レンズを必要とする、別の横方向配置をとることができる。他の多くの点において、装置１００Ａの動作は図１の装置１００の動作と実質的に同じである。
【００４３】
実施形態を特定の特徴を挙げて本明細書で説明したが、そのような実施形態がそれぞれの原理及び用途の例示でしかないことは当然である。したがって、添付される特許請求の範囲を逸脱することなく、数多くの改変が例示実施形態になされ得ること及び別の構成が案出され得ることは当然である。
【符号の説明】
【００４４】
１００，１００Ａ イオン注入ドーズ量測定装置
１０２ 光源
１０４ 分光計
１０６ コンピュータシステム
１０８，１１０ 光ファイバ
１０８Ａ、１１０Ａ 自由空間光学系
１２０ 材料試料(ウエハ)
１２１ 注入面
１２２ 剥離層
１２３ 脆弱層
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は２００９年５月２８日に出願された、名称を「イオン注入ドーズ量を測定するための方法及び装置(Methods and Apparatus For Measuring Ion Implant Dose)」とする、米国特許出願第１２/４７３８９６号の優先権を主張する。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、半導体材料のような、材料内のイオン注入ドーズ量の測定に関する。
【背景技術】
【０００３】
材料内の実イオン注入ドーズ量を知ることは様々な製品の製造において、例えば、プロセス変動を検査するため、歩留を向上させるため、製品品質をモニタするため、等に有益であり得る。イオン注入ドーズ量を測定できる能力は、絶縁体上半導体(ＳＯＩ)構造の開発におけるような、新しい製品及びシステムの設計においても有益であり得る。
【０００４】
ＳＯＩ構造の作成方法は、特許文献１に開示されるような、イオン注入法を含む。そのような工程は、(ｉ)ボンディング面を形成するためにシリコンウエハ表面を水素イオン注入にさらす工程、(ii)ウエハのボンディング面をガラス基板に接触させる工程、(iii)ウエハとガラス基板の間の接合形成を容易にするためにウエハ及びガラス基板に圧力、温度及び電圧をかける工程、(iv)基板を常温まで冷却する工程、及び(ｖ)ガラス基板及びシリコンの薄層をシリコンウエハから分離する工程を含む。
【０００５】
そのようなＳＯＩ構造を開発及び／製造するためには、ドナー半導体(例えばシリコン)ウエハの実イオン注入量を測定できることが望ましい。イオン注入ドーズ量の指標を得るための多くの既存の手法がある。例えば、二次イオン質量分光法(ＳＩＭＳ)は、試料表面を集束一次イオンビームでスパッタし、はじき出された二次イオンを集めて解析することによって固体表面及び薄膜の組成を解析するための、材料科学及び表面科学において用いられる手法である。そのような二次イオンは、表面の元素、同位体または分子の組成を決定するために質量分光計を用いて測定される。ＳＩＭＳは、少なくとも、破壊試験であり、また試料の小面積しか測定しないから、完全に適切な手法ではない。
【０００６】
別の手法には、イオン注入装置内部で用いられる、その場ドーズ量モニタがある。そのようなその場ドーズ量モニタも、注入されたと推定される平均イオンドーズ量しか提供しないから、適切ではない。しかも、その場ドーズ量モニタは試料内の実ドーズ量を測定または計算せず、また試料面内の注入ドーズ量のいかなる非一様性またはその他の変動も検出することができない。既存のイオン注入装置製造業者により、単波長または狭波長範囲の反射率測定に基づく測定／マッピングツールが開発されている。そのようなシステムが特許文献２に説明されているが、このシステムではイオン注入前にベースライン測定が必要であり、これは望ましくない。また別の手法では、比抵抗測定に基づいてドーズ量情報を抽出するために４点プローブが用いられる。しかし、測定は、大きく変動し得る、材料の比抵抗によって影響され、またこのプロセスでは試料をプローブに接触させる必要があるという事実によって破壊測定であると見なされる。
【０００７】
集積回路を作成するための半導体プロセス中のイオン注入後ドーパントプロファイルの測定のための光照射によるキャリア発生／検出(Carrier Illumination)法がいくつか提案されている、しかしこれらの手法では、キャリアを発生させるために(単波長の)パルスレーザ照射が用いられ、反射率を測定するためには別のプローブビームが用いられる。したがって、ほとんどの場合、そのような手法では注入ドーズ量の変動と注入エネルギーの変動を弁別できない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第７１７６５２８号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００５/０１１２８５３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上で論じた理由のため、イオン注入ドーズ量を測定するための上述した手法及びプロセスのいずれも、例えばＳＯＩ構造の製造の文脈において、満足できるものではなかった。すなわち、イオン注入ドーズ量を測定するための新規な方法及び装置が技術上必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
材料内のイオン注入ドーズ量を測定するための方法及び装置は、
材料の注入面による反射スペクトルを測定する工程、
注入面は注入面から材料内のある深さまでの材料層及びこの材料層の下の脆弱層を形成するためにイオン注入プロセスにかけられている、
反射スペクトル強度値を注入面の入射光のそれぞれの波長の関数として格納する工程、
入射光の少なくとも２つの波長における少なくとも２つの対応する反射スペクトル強度値の比較に基づいてイオン注入プロセス中に用いられたイオン注入ドーズ量を計算する工程、及び
計算されたイオン注入ドーズ量をユーザ視認可能媒体上に表示する工程、
を含む。
【００１１】
イオン注入プロセス中に用いられたイオン注入ドーズ量を計算する工程には、反射スペクトルの少なくとも１つの極大強度値と少なくとも１つの極小強度値の間の極大極小差を決定する工程を含めることができる。反射スペクトルの極大強度値及び極小強度値は、検出のための入射光の材料層下の脆弱層への到達、反射及び材料からの出射を可能にするに十分に材料が透明であるそれぞれの波長において選ぶことができる。
【００１２】
イオン注入プロセス中に用いられたイオン注入ドーズ量を計算する工程には、イオン注入ドーズ量に実質的に影響されない反射スペクトル強度値で極大極小差を割ることによって規格化極大極小差を計算する工程を含めることができる。本明細書で後に論じられるように、規格化極大極小差の計算を実行できる多くの方法がある。
【００１３】
次いで、規格化極大極小差の関数としてイオン注入ドーズ量を計算することができる。これは、イオン注入ドーズ量と規格化極大極小差の間の関係を確立することによって達成することができる。そのような関係は線形または非線形になり得るが、単調であることが好ましい。単調な関係を確立する工程には既知のイオン注入ドーズ量を付随して測定された、規格化極大極小差を用いて較正する工程を含めることができる。
【００１４】
本発明の方法及び装置はさらに、
反射スペクトルを測定する工程、反射スペクトルの強度値を格納する工程及び材料のイオン注入面内の複数の場所についてイオン注入ドーズ量を計算する工程を反復する工程、及び
材料のイオン注入面内の、ドーズ量の変動を含む、計算されたイオン注入ドーズ量をユーザ視認可能媒体上に表示する工程、
を含むことができる。
【００１５】
その他の態様、特徴、利点、等は、当業者には、添付図面とともに本明細書の説明を読めば明らかになるであろう。
【００１６】
本明細書に開示される様々な特徴を説明する目的のため、現在好ましい形態が図面に示されるが、図示される構成及び手段に本発明が限定されないことは当然である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本明細書に開示される１つないしさらに多くの実施形態にしたがう、材料試料のイオン注入ドーズ量を測定するための装置を示すブロック図である。
【図２】図２は、図１の装置における測定の下の材料の対象とすることができる、絶縁体上半導体製品の作成に有用な中間構造を示すブロック図である。
【図３Ａ】図３Ａは、注入イオンを含んでいる材料試料及び含んでいない材料試料の屈折率と入射光波長の間の関係を示す。
【図３Ｂ】図３Ｂは、注入イオンを含んでいる材料試料及び含んでいない材料試料の吸収と入射光波長の間の関係を示す。
【図４】図４は図１の装置の給光コンポーネント及び受光コンポーネントのさらに詳細な線描図である。
【図５】図５は、図１の装置を用いる測定の下にある半導体材料の、測定された反射スペクトルを示すグラフである。
【図６】図６は測定下の半導体材料の反射スペクトルの１つないしさらに多くの領域と半導体材料のイオン注入ドーズ量の間の関係を示すグラフである。
【図７】図７は図１の装置を用いた実験結果を示すグラフである。
【図８】図８は、本明細書に開示される１つないしさらに多くの実施形態にしたがう、材料試料のイオン注入ドーズ量を測定するための別の装置を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
同様の参照数字が同様の要素を指す、図面を参照すれば、本明細書に開示される１つないしさらに多くの実施形態にしたがうイオン注入ドーズ量測定装置１００が図１に示されている。装置１００は、シリコンウエハのような半導体ウエハとすることができる、材料試料片１２０のイオン注入ドーズ量を測定するためにはたらく。装置１００は、光源１０２，分光計１０４及びコンピュータシステム１０６を備える。入射光が光源１０２から試料１２０に、ある長さの光ファイバ材料１０８のような、適切な構造を用いて送られ、反射光が、別の長さの光ファイバ材料１１０のような、別の構造を用いて集められて分光計１０４に送られる。コンピュータシステム１０６は、集められて分光計１０４に送られた反射光に基づいて試料のイオン注入ドーズ量を計算するために実装された、コンピュータ実行可能コードを走らせることができるプロセッサを備える。計算されたイオン注入ドーズ量は、コンピュータスクリーン、プリントアウト、等のような、コンピュータシステム１０６内の表示手段を用いて、装置１００のユーザに提供することができる。
【００１９】
装置１００のさらなる詳細を論じる前に、試料１２０が見いだされ得る例示的文脈及び試料１２０に施されているであろういくつかの処理に関する議論が初めに与えられる。議論の目的のため、本明細書に説明される方法及び装置はＳＯＩ構造の開発及び／または製造の文脈にあるとすることができる。ＳＯＩ構造には、例えば、有機発光ダイオード(ＯＬＥＤ)ディスプレイ及び液晶ディスプレイ(ＬＣＤ)を含むディスプレイ用途、集積回路、光起電力デバイス、等のための、薄膜トランジスタ(ＴＦＴ)の作成に関して適する用途がある。
【００２０】
今のところ、ＳＯＩ構造に最も普通に用いられる半導体材料はシリコンである。そのような構造は文献において絶縁体上シリコンと称され、略語「ＳＯＩ」がそのような構造にあてられている。ＳＯＩ技術は、高性能薄膜トランジスタ、太陽電池及び、アクティブマトリックスディスプレイのような、ディスプレイにとって、益々重要になっている。ＳＯＩ構造は絶縁体材料上の実質的に単結晶のシリコンの薄層を有することができる。
【００２１】
本明細書におけるＳＯＩ構造への言及は本明細書に説明される実施形態の説明を容易にするためになされ、絶対に、特許請求の範囲を限定することは目的とされておらず、またそのように解されるべきではない。略語ＳＯＩは、本明細書において、全般的に、ガラス上半導体(ＳＯＧ)構造、絶縁体上シリコン(ＳＯＩ)及びガラス上シリコン(ＳｉＯＧ)を含むがこれらには限定されない、絶縁体上半導体構造を指して用いられ、ガラス-セラミック上半導体構造も包含する。本明細書に用いられるように、ＳＯＩは半導体上半導体構造も包含することができる。
【００２２】
図２を参照すれば、ＳＯＩデバイスの生産、または開発に、ドナー半導体ウエハ１２０を用いることができる。本明細書に論じられる実施形態の文脈において、ドナー半導体ウエハ１２０は、イオン注入ドーズ量の計算が求められる、試料材料とすることができる。しかし、この場合も、半導体である試料材料は例示に過ぎず、本明細書に説明される注入ドーズ量測定装置１００及び／またはその他の方法及び装置は他の材料に関してはたらくことができる。
【００２３】
ドナー半導体ウエハ１２０は、別の半導体材料、ガラスまたはガラス-セラミックの基板(図示せず)のような、絶縁体基板への接合形成に適する比較的平坦で一様な注入面を形成するため、例えば、研磨、洗浄、等によって、作成することができる。議論の目的のため、半導体ウエハ１２０は実質的に単結晶のＳｉウエハとすることができるが、III-Ｖ族、II-IV族、II-IV-Ｖ族等の半導体のような、他のいずれか適する半導体を用いることもできる。そのような半導体の例に、シリコン(Ｓｉ)、ゲルマニウムドープシリコン(ＳｉＧｅ)、炭化シリコン(ＳｉＣ)、ゲルマニウム(Ｇｅ)、ヒ化ガリウム(ＧａＡａ)、ＧａＰ及びＩｎＰがある。
【００２４】
ドナー半導体ウエハ１２０の注入面１２１に１つないしさらに多くのイオン注入プロセスを施して注入面１２１の下に脆弱領域を形成することによって、剥離層１２２が形成される。本発明の実施形態は剥離層１２２を形成するためのいずれの特定の方法にも限定されないが、適する一方法では、ドナー半導体ウエハ１２０内の剥離層１２２の形成を少なくとも開始するために、ドナー半導体ウエハ１２０の注入面１２１に水素イオン注入プロセスを施し得ると規定される。注入エネルギーは、約３００〜５００ｎｍのような、剥離層１２２の総厚を達成するために従来の手法を用いて調節することができるが、他の妥当な厚さも本発明の範囲内にある。例として、水素イオン注入を用いることができるが、ホウ素＋水素、ヘリウム＋水素または、剥離について文献で知られている、その他のイオンのような、他のイオンまたは複数のイオンを用いることができる。この場合も、剥離層の形成に適する、その他のいずれかの既知の手法または今後開発される手法を用いることができる。
【００２５】
注入されるイオン種の性質にかかわらず、剥離層１２２へのイオン注入の効果は、結晶格子内の原子の、それぞれの正規の位置からの変位である。格子内の原子にイオンが当たると、原子は所定の位置から押し出され、フレンケル対と呼ばれる空孔と格子間原子の、一次欠陥が形成される。イオン注入が室温近くで行われると、一次欠陥の成分は移動して、空孔クラスター、等のような、多くのタイプの二次欠陥を形成する。これらのタイプの欠陥のほとんどは電気的に活性であって、半導体格子内で多数キャリアに対するトラップとしてはたらく。
【００２６】
したがって、得られるドナー半導体ウエハ１２０の構造は、イオン注入面から材料内のある深さまで拡がる材料層(剥離層１２２)及びこの材料層の下の脆弱層１２３である。脆弱層１２３の形成に用いられるイオン注入ドーズ量は比較的高く、後のドーピング法に用いられるドーズ量よりかなり高くすることができる。したがって、脆弱層１２３は半導体(例えばシリコン)と水素の混合層として表すことができる。また、脆弱層１２３は、例えばシリコンへの水素の大量ドーズが実施された状況に特有の、いくつかのタイプの欠陥も含む。例えば、そのような欠陥には、水素充満気泡、水素プレートレット及び水素化空孔クラスターを含めることができる。
【００２７】
一例の(上述したドナー半導体ウエハのような)材料１２０の構造に関する上記バックグラウンドにしたがい、本発明の方法及び(装置１００のような)装置は、材料１２０の脆弱層１２３を生じさせたイオン注入ドーズ量及び材料１２０のその他の付随構造特性を測定するためにはたらく。
【００２８】
図３Ａ及び３Ｂを参照すれば、イオン注入された半導体(本例ではシリコン)ウエハ１２０は、脆弱層１２３において(ウエハ１２０の無イオン注入領域に比較して)屈折率の有意な変化を示し、これは光源１０２によって注入面１２１に入射する光の少なくともいくらかの反射を生じさせると考えられる。本明細書の特許請求の範囲に制限されずに、屈折率のそのような差が、分光反射測定法を用いてイオン注入ドーズ量を計算できる能力をもたらす、肝心な特性であると考えられる。図３Ａは、半導体材料１２０の無イオン注入領域３００と注入イオンを含む弱化層１２３の領域３０２の、屈折率(Ｙ軸(標準単位))と入射光の波長(Ｘ軸(単位：μｍ))の間の仮の関係を示す。図３Ａのグラフに示される値は、結晶シリコンウエハ及びアモルフォスシリコンウエハについての既知の文献から導出した。図３Ｂは、無イオン注入半導体材料３０４と注入イオンを含む半導体材料３０６の、吸収係数(Ｙ軸(単位；１/ｃｍ))と入射光の波長(Ｘ軸(単位：μｍ))の間の仮の関係を示す、関連グラフである。この場合も、図３Ｂのグラフに示される値は、結晶シリコンウエハ及び非晶質シリコンウエハについての既知の文献から導出した。実際には、イオン注入された半導体ウエハ１２０に対する実値は図３Ａ及び３Ｂに示される値と異なり得る。しかし、実際上、脆弱層１２３は３０２及び３０６に比較的近い屈折率及び反射係数を有すると想定される。実際上、剥離層１２２は３００及び３０４に近い値を有すると想定される。本発明の方法及び装置は、実験及び／またはシミュレーションにより、有用な結果を提示し、よって上記想定は正しいと認められる。
【００２９】
４５０ｎｍより長波長のような、ある波長範囲内において、(脆弱層１２３のような)イオン注入された半導体材料１２０の屈折率は、単結晶材料とすることができる、半導体材料１２０の無イオン注入領域に対する屈折率より高い。しかし、本発明の方法及び装置は剥離層１２２に比較して脆弱層の屈折率にいくらかの差がある(高いかまたは低い)ことしか必要ではないと考えられる。とりわけ、(１)脆弱層１２３と剥離層１２２の間で屈折率にいくらかの差を示す、及び(２)十分に透明である、のいずれの規準も満たし、したがって解析に適し得る波長範囲は、約６００ｎｍから８５０ｎｍであり得る。そのような波長範囲において、シリコン半導体材料は、(１)光源１０２からの光の剥離層１２２の透過を可能にするに十分透明であり、(２)脆弱層１２３と剥離層１２２の間で屈折率に、反射に必要な干渉を生じさせる(よってイオンドーズ量を測定できる能力を得る)に十分な差を有する。図３Ａに示されるように、(脆弱層１２３と剥離層１２２の間の)屈折率差は３００〜４５０ｎｍの範囲で一層大きくなるが、そのような波長においてシリコン半導体材料は極めて強い吸収を示すから、そのような波長は解析に用いることができないと考えられる。すなわち、プローブによる検出には不十分な光が、試料１２０に入り込み、反射されて戻って、試料１２０から出射することになるであろう。屈折率差及び透過率が十分であれば、測定には、例えば赤外範囲の、別の波長が一層適し得る。
【００３０】
特許請求の範囲を限定する目的は無しに、イオン注入ドーズ量の測定に適する環境をつくる半導体ウエハ１２０の特徴は脆弱層１２３における、それより上及び下の他の材料と比較した、屈折率変化であると想定した。しかし、イオン注入種自体が屈折率に変化を生じさせ、よって十分な光反射をもたらす特徴を生じさせるかまたはそのような特徴に寄与するという、別の可能性がある。
【００３１】
図４を参照すれば、光源１０２からの入射光,Ｉ０及び試料１２０からの反射光,Ｉｒは、上述した長さの光ファイバ１０８，１１０を基本的に実装する、光ファイバプローブを用いて送り、受け取ることができる。いくらかの光,Ｉｔが脆弱層１２３を通過し、反射されない。
【００３２】
分光計１０４が(材料１２０の注入面１２１の特定の領域からの)反射光を受け取り、これを処理する。光源１２０からの光は実質的に白色光であり、したがって複数の波長を含むから、図５に示されるような、反射スペクトルがそのような領域において確立される。コンピュータシステム１０６のコンピュータ読出可能メモリが、入射光,Ｉ０のそれぞれの波長の関数として反射スペクトルの強度値を格納するためにはたらく。コンピュータシステム１０６内のプロセッサがコンピュータ読出可能メモリに接続され、コンピュータ実行可能コードを実行し、よって、格納された反射スペクトルに基づいてイオン注入プロセス中に用いられたイオン注入ドーズ量がプロセッサにより計算される。
【００３３】
さらに詳しくは、イオン注入ドーズ量は、入射光の少なくとも２つの波長における少なくとも２つの対応する反射スペクトルの強度値の比較に基づいて計算される。反射率(Ｙ軸(任意単位))対波長(Ｘ軸(単位：ｎｍ))を示す図５を参照すれば、反射スペクトルの２つの強度値は反射スペクトルのそれぞれの極大値及び極小値である。反射スペクトルの極大強度値３１０は約７００ｎｍの入射光波長で生じ、反射スペクトルの極小強度値３１２は数学的差(減算)の形態をとることができ、それらの間に極大極小差値を生じさせる。とりわけ、極大強度値及び極小強度値が見られる波長は剥離層１２２の厚さに依存するであろう。したがって、所望であれば、極大強度値を示す波長と極小強度値を示す波長の間の計算された差を用いて、剥離層１２２の厚さを推定することができる。
【００３４】
とりわけ、反射スペクトルの極大強度値及び極小強度値は、入射光の脆弱層１２３への到達及び反射による光ファイバへの戻りが可能になるに十分に材料１２０が入射光,Ｉ０に対して透明である、それぞれの波長において選ばれる。上である程度詳述したように、また例としてのみ、シリコンのような、半導体材料１２０に対するそのような波長は、約５００ｎｍと約１０００ｎｍの間、さらに詳しくは約６００ｎｍと約８５０ｎｍの間、さらに一層詳しくは約６５０ｎｍと約８００ｎｍの間から選ぶことができる。当業者には、その内で極大強度値及び極小強度値の選択に有用な範囲がウエハ１２０の材料のタイプ、ウエハ１２０の透明性、イオン注入パラメータ、等に依存することが、本開示から理解されるであろう。
【００３５】
イオン注入プロセス中に用いられたイオン注入ドーズ量の計算には規格化極大極小差の計算も含めることができる。規格化プロセスはコンピュータシステム１０６によって実行することができ、光源１０２の非理想特性によって生じる誤差を相殺するために用いることができる。
【００３６】
規格化極大極小差は多くの様々な手法を用いて計算することができる。一方法は、極大極小差をイオン注入ドーズ量によって実質的に影響されない反射スペクトルの強度値で割ることである。例えば、イオン注入ドーズ量によって実質的に影響されない反射スペクトルの強度値は、反射スペクトルの極大強度値３１０及び極小強度値３１２が選ばれるそれぞれの波長のいずれよりも短い波長で生じ得る。例として、材料が図５に示されるスペクトルを有する(シリコンのような)半導体である場合、イオン注入ドーズ量によって実質的に影響されない反射スペクトルの強度値は、約１００ｎｍと５００ｎｍの間、さらに詳しくは約２５０ｎｍと４００ｎｍの間、さらに一層詳しくは約３２５ｎｍと３７５ｎｍの間にあり得る。一般に、イオン注入ドーズ量によって実質的に影響されない反射スペクトルの強度値は、(光が脆弱層１２３に到達しないであろうから)剥離層１２２における吸収が強い、いずれかの波長で生じ得る。反射スペクトルの近くで選ばれる波長は(光源の変動がより密に一致するであろうから)規格化にさらに適していると考えられるが、半導体材料１２０は波長が長くなるほど一層透明になるであろう。
【００３７】
いくつかの状況において、上記の規格化極大極小差を計算する手法ではそれほど正確ではない結果が生じ得る。実際、いくつかの場合、反射率測定は半導体ウエハ１２０の表面１２１と光ファイバプローブ１０８，１１０の間の小さな距離変動に鋭敏であり得る。測定誤差が生じ難くなり得る、規格化極大極小差を計算する別の手法は、(ｉ)イオン注入ドーズ量によって実質的に影響されない(例えば波長３５０ｎｍにおける)反射スペクトルの強度値及び極大極小差信号値を、それぞれを表面１２１と光ファイバプローブ１０８，１１０の間の距離の関数として得て、(ii)スキャン中に３５０ｎｍにおける反射スペクトルの強度値を用いて距離を(前工程に基づいて)推定し、(iii)スキャン中に測定された極大極小差を推定された距離及び第１の工程から得られた経験的関数に基づいて補正することである。
【００３８】
規格化極大極小差を計算するまた別の手法は、(ｉ)極大強度値３１０及び極小強度値３１２がとられる波長範囲において、またはさらに広い範囲で、信号強度を平均し(例えば、図５のスペクトルの場合、約６００〜８００ｎｍの間の全ての値の平均をとり)、(ii)極大極小差を計算された平均で割ることである。
【００３９】
イオン注入ドーズ量は規格化極大極小差の関数として計算することができる。この計算は、イオン注入ドーズ量と規格化極大極小差の間の関係を確立することによって、数学的に(したがってコンピュータシステム１０６によって)行うことができる。そのような関係は線形または非線形であるが、単調であることが好ましい。これは、(１枚ないしさらに多くのウエハ１２０に注入している担当者によって指定される)既知のイオン注入ドーズ量を、付随して測定された、規格化極大極小差を用いて較正することによって達成できる。試料１２０の数が増えるにつれて、また与えられた試料１２０の測定値数も増えるにつれて、較正が向上する。一手法は、それぞれのウエハ１２０上の様々な領域の極大極小差(規格化極大極小差であればさらに良い)の平均をとり、そのような平均値を較正に用いることである。次いで、(１つないしさらに多くの)既知のイオン注入ドーズ量と極大極小差(または規格化極大極小差)の間で単調関数を容易に確立することができる。反射測定の極大極小差(Ｙ軸(任意単位))対公称ドーズ量(Ｘ軸(単位；１０１６Ｈ２/ｃｍ２))を示す図６に示されるように、Ｙ軸に沿う極大極小差(または規格化極大極小差)とＸ軸に沿う公称ドーズ量(単位：１０１６Ｈ２/ｃｍ２)の間には強い相関関係がある。エラーバーのそれぞれは、実験中の多くの試料１２０のそれぞれで測定された全ての値の標準偏差を示す。
【００４０】
プロセスの上記工程が実行され、よって極大極小差(または規格化極大極小差)と公称ドーズ量の間の関係が得られてしまうと、上述した、反射スペクトルを測定する工程、反射スペクトルの強度値を格納する工程、及び材料１２０の面内の複数の場所についてイオン注入ドーズ量を計算する工程を用いて、未知の試料１２０の測定を実施することができる。材料のイオン注入面内で計算されたイオン注入ドーズ量は、その変動も含めて、ユーザ視認可能媒体上に表示することができる。
【００４１】
図７を参照すれば、上述した手法と同様の態様で水素イオンが注入されたシリコン半導体ウエハを用いて実験を実施した。シリコン半導体ウエハの直径は３００ｍｍであり、上述し、図１に示した、装置と同様の装置を用いてシリコン半導体ウエハをスキャンした。図示されるドーズ量マップは、Ｙ軸及びＸ軸のそれぞれに沿う、ｍｍ単位の距離を含む。図示される、測定されたドーズ量の色／グレイスケールは、ウエハ最下部における約４×１０１６Ｈ２/ｃｍ２からウエハ最上部における約４×１０１６Ｈ２/ｃｍ２までの範囲にわたり、その間に多くの変動がある。
【００４２】
図８を参照すれば、別の実施形態にしたがうイオン注入ドーズ量測定装置１００Ａも、試料半導体ウエハ１２０のイオン注入ドーズ量を測定するためにはたらくことができる。同様に、装置１００Ａの参照数字が付された要素は図１に関して上述したようにはたらくことができる。光ファイバを用いる図１の装置１００と異なり、装置１００Ａは、ウエハ１２０に入射光を供給し、ウエハ１２０から光を受け取るための、自由空間光学系１０８Ａ，１１０Ａを備える。ウエハ１２０に対して光源１０２及び分光計１０４を移動させるか(この場合、適切な光焦点を維持することが課題になり得る)、または静止している光源１０２及び分光計１０４に対してウエハ１２０を移動させることによって、ウエハ１２０の様々な領域を測定することができる。この実施形態において、自由空間光学系１０８Ａ，１１０Ａは、分光計１０４による反射光の適切な測定が達成されるような角度をなして配置される。別の実施形態において、自由空間光学系１０８Ａ，１１０Ａは、ビームスプリッタ及び／または追加の集束レンズを必要とする、別の横方向配置をとることができる。他の多くの点において、装置１００Ａの動作は図１の装置１００の動作と実質的に同じである。
【００４３】
実施形態を特定の特徴を挙げて本明細書で説明したが、そのような実施形態がそれぞれの原理及び用途の例示でしかないことは当然である。したがって、添付される特許請求の範囲を逸脱することなく、数多くの改変が例示実施形態になされ得ること及び別の構成が案出され得ることは当然である。
【符号の説明】
【００４４】
１００，１００Ａ イオン注入ドーズ量測定装置
１０２ 光源
１０４ 分光計
１０６ コンピュータシステム
１０８，１１０ 光ファイバ
１０８Ａ、１１０Ａ 自由空間光学系
１２０ 材料試料(ウエハ)
１２１ 注入面
１２２ 剥離層
１２３ 脆弱層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体材料内のイオン注入ドーズ量を測定する方法において、
前記半導体材料の注入面による反射スペクトルを測定する工程であって、前記注入面は前記注入面から前記半導体材料内のある深さまでの半導体層及び前記半導体層の下の脆弱層を形成するためにイオン注入プロセスにかけられている工程、
前記反射スペクトルの強度値を前記注入面への入射光のそれぞれの波長の関数として格納する工程、
前記入射光の少なくとも２つの波長における前記反射スペクトルの少なくとも２つの対応する強度値の比較に基づいて前記イオン注入プロセス中に用いられたイオン注入ドーズ量を計算する工程、及び
前記計算されたイオン注入ドーズ量をユーザ視認可能媒体上に表示する工程、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記イオン注入プロセス中に用いられたイオン注入ドーズ量を計算する前記工程が、
前記反射スペクトルの少なくとも１つの極大強度値と前記反射スペクトルの少なくとも１つの極小強度値の間の極大極小差を決定する工程、
を含み、
前記反射スペクトルの前記極大強度値及び前記極小強度値が、前記入射光の前記半導体層の下の前記脆弱層への到達、反射及び前記半導体材料からの出射を可能にするに十分に前記入射光に対して前記半導体材料が透明であるそれぞれの波長において選ばれ、
前記反射スペクトルの前記極大強度値及び前記極小強度値のそれぞれが、約５００ｎｍから約１０００ｎｍの間、約６００ｎｍから約８５０ｎｍの間、または約６５０ｎｍから約８００ｎｍの間にある、
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記イオン注入プロセス中に用いられたイオン注入ドーズ量を計算する前記工程が、
前記イオン注入ドーズ量によって実質的に影響を受けない前記反射スペクトルの強度値で前記極大極小差を割ることによって規格化極大極小差を計算する工程、及び
既知のイオン注入ドーズ量を付随して測定された前記規格化極大極小差で較正することによって、前記イオン注入ドーズ量と前記規格化極大極小差の間に単調関係を確立する工程、
を含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記イオン注入ドーズ量によって実質的に影響を受けない前記反射スペクトルの前記強度値が、
(ａ)前記反射スペクトルの前記極大強度値及び前記極小強度値が選ばれる前記それぞれの波長のいずれよりも短い波長において決定される、
(ｂ)前記反射スペクトルの前記極大強度値及び前記極小強度値のいずれも含む波長範囲内の複数の値の平均値として計算される、または
(ｃ)約１００ｎｍから約５００ｎｍの間、約２５０ｎｍから約５００ｎｍの間、または約３２５ｎｍから約３７５ｎｍの間にある、
の内の１つであることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記半導体材料の前記注入面内の複数の場所について、前記反射スペクトルを測定する前記工程、前記反射スペクトルの強度値を格納する前記工程及び前記イオン注入ドーズ量を計算する前記工程を反復する工程、及び
前記半導体材料の前記注入面内の前記計算されたイオン注入ドーズ量を、その変動を含めて、ユーザ視認可能媒体上に表示する工程、
をさらに含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
装置において、
半導体材料の注入面による反射スペクトルを測定するための分光計であって、前記注入面は前記注入面から前記半導体材料内のある深さまでの半導体層及び前記半導体層の下の脆弱層を形成するためにイオン注入プロセスにかけられている、分光計、
前記反射スペクトルの強度値を前記注入面への入射光のそれぞれの波長の関数として格納するためにはたらくコンピュータ読出可能メモリ、
前記コンピュータ読出可能メモリに接続されたプロセッサであって、前記入射光の少なくとも２つの波長における前記反射スペクトルの少なくとも２つの対応する強度値の比較に基づいて前記イオン注入プロセス中に用いられたイオン注入ドーズ量を計算する工程を含む作業を当該プロセッサに実行させるコンピュータ実行可能コードを実行するためにはたらく、プロセッサ、及び
前記計算されたイオン注入ドーズ量をユーザ視認可能媒体上に表示するための手段、
を備えることを特徴とする装置。
【請求項７】
前記コンピュータ実行可能コードがさらに、
前記反射スペクトルの少なくとも１つの極大強度値と前記反射スペクトルの少なくとも１つの極小強度値の間の極大極小差を決定する工程であって、前記反射スペクトルの前記極大強度値及び前記極小強度値は前記入射光の前記半導体層の下の前記脆弱層への到達を可能にするに十分に前記半導体材料が前記入射光に対して透明であるそれぞれの波長において選ばれる工程、
前記イオン注入ドーズ量によって実質的に影響を受けない前記反射スペクトルの強度値で前記極大極小差を割ることによって規格化極大極小差を計算する工程、及び
前記イオン注入ドーズ量を前記規格化極大極小差の関数として計算する工程、
を含む、作業を前記プロセッサに実行させることを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記コンピュータ実行可能コードが前記イオン注入ドーズ量と前記規格化極大極小差の間の単調関係を含む、及び
前記単調関係が既知のイオン注入ドーズ量の付随して測定された前記規格化極大極小差によるあらかじめ決定された較正を含む、
の内の少なくとも１つを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記分光計、前記コンピュータ読出可能メモリ、前記プロセッサ及び前記コンピュータ実行可能コードが、前記半導体材料の前記注入面内の複数の場所について、前記反射スペクトルの測定、前記反射スペクトルの強度値の格納、前記イオン注入ドーズ量の計算及び前記計算されたイオン注入ドーズ量の、その変動を含む、表示を反復するために協働することを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項１】
半導体材料内のイオン注入ドーズ量を測定する方法において、
前記半導体材料の注入面による反射スペクトルを測定する工程であって、前記注入面は前記注入面から前記半導体材料内のある深さまでの半導体層及び前記半導体層の下の脆弱層を形成するためにイオン注入プロセスにかけられている工程、
前記反射スペクトルの強度値を前記注入面への入射光のそれぞれの波長の関数として格納する工程、
前記入射光の少なくとも２つの波長における前記反射スペクトルの少なくとも２つの対応する強度値の比較に基づいて前記イオン注入プロセス中に用いられたイオン注入ドーズ量を計算する工程、及び
前記計算されたイオン注入ドーズ量をユーザ視認可能媒体上に表示する工程、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記イオン注入プロセス中に用いられたイオン注入ドーズ量を計算する前記工程が、
前記反射スペクトルの少なくとも１つの極大強度値と前記反射スペクトルの少なくとも１つの極小強度値の間の極大極小差を決定する工程、
を含み、
前記反射スペクトルの前記極大強度値及び前記極小強度値が、前記入射光の前記半導体層の下の前記脆弱層への到達、反射及び前記半導体材料からの出射を可能にするに十分に前記入射光に対して前記半導体材料が透明であるそれぞれの波長において選ばれ、
前記反射スペクトルの前記極大強度値及び前記極小強度値のそれぞれが、約５００ｎｍから約１０００ｎｍの間、約６００ｎｍから約８５０ｎｍの間、または約６５０ｎｍから約８００ｎｍの間にある、
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記イオン注入プロセス中に用いられたイオン注入ドーズ量を計算する前記工程が、
前記イオン注入ドーズ量によって実質的に影響を受けない前記反射スペクトルの強度値で前記極大極小差を割ることによって規格化極大極小差を計算する工程、及び
既知のイオン注入ドーズ量を付随して測定された前記規格化極大極小差で較正することによって、前記イオン注入ドーズ量と前記規格化極大極小差の間に単調関係を確立する工程、
を含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記イオン注入ドーズ量によって実質的に影響を受けない前記反射スペクトルの前記強度値が、
(ａ)前記反射スペクトルの前記極大強度値及び前記極小強度値が選ばれる前記それぞれの波長のいずれよりも短い波長において決定される、
(ｂ)前記反射スペクトルの前記極大強度値及び前記極小強度値のいずれも含む波長範囲内の複数の値の平均値として計算される、または
(ｃ)約１００ｎｍから約５００ｎｍの間、約２５０ｎｍから約５００ｎｍの間、または約３２５ｎｍから約３７５ｎｍの間にある、
の内の１つであることを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記半導体材料の前記注入面内の複数の場所について、前記反射スペクトルを測定する前記工程、前記反射スペクトルの強度値を格納する前記工程及び前記イオン注入ドーズ量を計算する前記工程を反復する工程、及び
前記半導体材料の前記注入面内の前記計算されたイオン注入ドーズ量を、その変動を含めて、ユーザ視認可能媒体上に表示する工程、
をさらに含むことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
装置において、
半導体材料の注入面による反射スペクトルを測定するための分光計であって、前記注入面は前記注入面から前記半導体材料内のある深さまでの半導体層及び前記半導体層の下の脆弱層を形成するためにイオン注入プロセスにかけられている、分光計、
前記反射スペクトルの強度値を前記注入面への入射光のそれぞれの波長の関数として格納するためにはたらくコンピュータ読出可能メモリ、
前記コンピュータ読出可能メモリに接続されたプロセッサであって、前記入射光の少なくとも２つの波長における前記反射スペクトルの少なくとも２つの対応する強度値の比較に基づいて前記イオン注入プロセス中に用いられたイオン注入ドーズ量を計算する工程を含む作業を当該プロセッサに実行させるコンピュータ実行可能コードを実行するためにはたらく、プロセッサ、及び
前記計算されたイオン注入ドーズ量をユーザ視認可能媒体上に表示するための手段、
を備えることを特徴とする装置。
【請求項７】
前記コンピュータ実行可能コードがさらに、
前記反射スペクトルの少なくとも１つの極大強度値と前記反射スペクトルの少なくとも１つの極小強度値の間の極大極小差を決定する工程であって、前記反射スペクトルの前記極大強度値及び前記極小強度値は前記入射光の前記半導体層の下の前記脆弱層への到達を可能にするに十分に前記半導体材料が前記入射光に対して透明であるそれぞれの波長において選ばれる工程、
前記イオン注入ドーズ量によって実質的に影響を受けない前記反射スペクトルの強度値で前記極大極小差を割ることによって規格化極大極小差を計算する工程、及び
前記イオン注入ドーズ量を前記規格化極大極小差の関数として計算する工程、
を含む、作業を前記プロセッサに実行させることを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記コンピュータ実行可能コードが前記イオン注入ドーズ量と前記規格化極大極小差の間の単調関係を含む、及び
前記単調関係が既知のイオン注入ドーズ量の付随して測定された前記規格化極大極小差によるあらかじめ決定された較正を含む、
の内の少なくとも１つを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記分光計、前記コンピュータ読出可能メモリ、前記プロセッサ及び前記コンピュータ実行可能コードが、前記半導体材料の前記注入面内の複数の場所について、前記反射スペクトルの測定、前記反射スペクトルの強度値の格納、前記イオン注入ドーズ量の計算及び前記計算されたイオン注入ドーズ量の、その変動を含む、表示を反復するために協働することを特徴とする請求項６に記載の装置。
【図１】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公表番号】特表２０１２−５２８３３４（Ｐ２０１２−５２８３３４Ａ）
【公表日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５１３２３２（Ｐ２０１２−５１３２３２）
【出願日】平成２２年５月２７日（２０１０．５．２７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０３６２７８
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／１３８６４６
【国際公開日】平成２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【出願人】（３９７０６８２７４）コーニング インコーポレイテッド (1,222)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月２７日（２０１０．５．２７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０３６２７８
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／１３８６４６
【国際公開日】平成２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【出願人】（３９７０６８２７４）コーニング インコーポレイテッド (1,222)
【Ｆターム（参考）】
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