DE19882660B4

DE19882660B4 - Optisches Verfahren für die Kennzeichnung der elektrischen Eigenschaften von Halbleitern und Isolierfilmen

Info

Publication number: DE19882660B4
Application number: DE19882660T
Authority: DE
Inventors: Humphrey J. Barrington Maris
Original assignee: Brown University Research Foundation Inc
Current assignee: Brown University Research Foundation Inc
Priority date: 1997-09-05
Filing date: 1998-07-13
Publication date: 2009-01-29
Anticipated expiration: 2018-07-14
Also published as: WO1999013318A1; TW447062B; DE19882660T1

Abstract

Verfahren zum Kennzeichnen einer Probe, das die folgenden Schritte umfaßt:
Vorsehen eines Halbleitermaterials;
Anlegen eines elektrischen Feldes an das Halbleitermaterial;
Absorbieren eines Pumplichtimpulses in einem Abschnitt des Halbleitermaterials und Messen einer Änderung der optischen Konstanten, die durch einen Abtastlichtimpuls angegeben wird, der zu einer Zeit t nach der Absorption des Pumplichtimpulses angelegt wird; und
Zuordnen einer gemessenen Änderung der optischen Konstanten an eine Oberflächenladung und/oder eine Dotierstoffkonzentration und/oder eine Einfangstellendichte und/oder eine Minoritätsträgerlebensdauer.

Description

QUERVERWEIS AUF EINE VERWANDTE PATENTANMELDUNG:
Diese Patentanmeldung ist eine Teilfortführung der gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung mit der lfd. Nr. 08/519.666, eingereicht am 25.8.95, mit dem Titel "Ultrafast Optical Technique for the Characterization of Altered Materials" von Humphrey J. Mars, deren gesamte Offenbarung hiermit durch Literaturhinweis eingefügt ist.
GEBIET DER ERFINDUNG:
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kennzeichnen einer Probe unter Verwendung elektromagnetischer Strahlung und insbesondere auf ein System zum Bestimmen wenigstens einer elektrischen Eigenschaft ionenimplantierter Halbleiter und mittels anderer Verfahren dotierter Halbleiter sowie der elektrischen Eigenschaften von auf Halbleitermaterial abgelagerten Filmen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG:
Derzeit besteht in der Halbleiterindustrie ein großes Interesse an der Überwachung des Vorhandenseins von Ladungen in Isolierschichten, die auf Halbleiteroberflächen aufgebracht sind. Solche Ladungen können auf eine Verunreinigung oder auf Defekte in diesen Schichten hinweisen, die die Leistungsfähigkeit der Halbleitervorrichtungen nachteilig beeinflussen können.
Derzeitige Techniken zum Messen der Ladung in Isolierschichten umfassen die folgenden.
Eine erste Technik ist eine Kapazität/Spannungs-Profilerzeugung, bei der die Kapazität einer Elektrode, die mit einer Probe in engem Kontakt ist, als Funktion einer angelegten Vorspannung und möglicherweise der Frequenz gemessen wird. Referenzen hierzu sind S.M. Sze, "Physics of Semiconductor Devices", New York: John Wiley and Sons, 1969, und außerdem A.S. Grove " Physics and Technology of Semiconductor Devices", New York: John Wiley and Sons, 1967. In einer Abwandlung dieses Verfahrens kann durch die Verwendung einer kleinen Kapillare eine geringe Menge flüssigen Quecksilbers mit der Probe in Kontakt gebracht werden.
Ein Nachteil dieser Technik ist, daß es notwendig ist, eine Elektrode mit der Probe in Kontakt zu bringen.
Ein zweiter bekannter Lösungsversuch verwendet eine Oberflächenphotospannungstechnik. In dieser Technik wird an die Oberfläche der Probe mittels einer Elektrode eine Spannung angelegt, wobei die Probe mit einer Lichtquelle geringer Intensität wie etwa einer lichtemittierenden Diode, deren Intensität mit niedriger Frequenz, beispielsweise 10 kHz, moduliert wird, beleuchtet wird.
Ein Nachteil dieser Technik ist, daß entweder eine Kontaktelektrode erforderlich ist oder alternativ eine Elektrode erforderlich ist, die Ladung auf der Oberfläche der Probe ablagern kann.
Ein weiterer Lösungsversuch ist als "Deep Level Transient Spectroscopy" (DLTS) bekannt. In dieser Technik wird die Temperatur langsam durchlaufen und die Ladungen werden progressiv aus ihren Einfangstellen gelöst. Die sich ergebende Kapazitätsänderung wird gemessen, um auf die Dichte von Ladungseinfangzentren zu schließen.
Auch diese Technik erfordert jedoch, daß ein elektrischer Kontakt mit der Probe hergestellt wird.
Weiterhin ist keine der Techniken für die Untersuchung sehr kleiner Gebiete einer Probe gut geeignet, weil die Empfindlichkeit mit einer Abnahme des abgetasteten Gebiets abnimmt.
In der Halbleiterindustrie werden bestimmte Materialien wie etwa Silicium, Germanium und Galliumarsenid häufig mit Fremdatomen dotiert, um deren elektrische oder mechanische Eigenschaften zu ändern. Diese Fremdatome können mittels einer Ionenimplantation oder mittels einer Eindiffundierung aus einer Festkörper-, Flüssigkeits- oder Gasquelle eingeleitet werden. Mit der Einleitung solcher Fremdatome ist ein Grad kristalliner Zerstörung verbunden, deren Eigenschaften vom Verfahren abhängen, mit dem jene eingeleitet werden. Hierzu werden im allgemeinen viele verschiedene Ionen einschließlich B, P, Ga, Ge, F, Si, Bll, BF₂, Sb, In, As und Wasserstoff verwendet. Im Fall der Implantation werden diese Ionen auf eine Energie beschleunigt, die entweder nur einige wenige keV oder aber mehrere hundert keV beträgt, und dann auf die Oberfläche des Materials gerichtet. Nach dem Eintritt in das Material verliert ein Ion Energie durch Kollisionen mit Atomen des Materials. Diese Kollisionen haben eine Beschädigung des Materials wie etwa Verschiebungen von Atomen aus ihren normalen kristallinen Positionen zur Folge. Für ausreichend hohe Ionendosen können Teile des Materials statt kristallin amorph werden. Das Material wird somit als Folge der Beschädigung (die auch als Erzeugung von Defektstellen bezeichnet wird) und als Folge der Einleitung der Ionen selbst, selbst wenn keine Beschädigung auftritt, modifiziert. Für eindiffundierte Spezies kann eine Kristallbeschädigung in der Probe wie etwa in einem Substrat auftreten, da die diffundierenden Atome Probenatome aus ihren Gitterstellen verschieben. Das Ausmaß der Beschädigung hängt von der Größe der Probe und von den diffundierenden Atomen, von der Art der Diffusionsquelle (fest, flüssig, gasförmig), von der Konzentration der Diffusionsspezies in der Quelle und von den Einzelheiten des thermischen Prozesses, der verwendet wird, um sie in das Substrat zu treiben, ab. Es ist außerdem möglich, daß keine Kristallbeschädigung auftritt (z. B. dann, wenn die diffundierenden Atome im Vergleich zu der Gitterkonstante der Probe klein sind). In diesen Fällen können diffundierende Atome Stellen in Gitterzwischenräumen in der Probe einnehmen, so daß sie die lokalen elektronischen und optischen Eigenschaften der Probe ändern können.
Die Materialmodifikation tritt im allgemeinen in einer Oberflächenschicht oder in einem Bereich auf, dessen Tiefe sich von weniger als 100 Å für niederenergetische Ionen bis zu mehreren Mikrometern (z. B. dann, wenn hochenergetische Ionen verwendet werden), ändern kann. Die Dosierung, d. h. die Anzahl der pro Einheitsfläche der Oberfläche des Materials eingeleiteten Ionen, kann für implantierte Spezies über einen weiten Bereich geändert werden, indem der Ionenstrahlstrom und die Zeit, während der der Ionenstrahl auf das Material gerichtet wird, gesteuert werden. Im Fall der Eindiffundierung kann die Dosierung durch Ändern des thermischen Zyklus oder der Quellenkonzentration gesteuert werden. Derzeit werden in der Halbleiterindustrie niedrige Implantationsdosen von 10¹⁰ Ionen pro cm² und hohe Implantationsdosen von 10¹⁸ Ionen pro cm² für unterschiedliche Zwecke verwendet. Sowohl die Materialbeschädigung als auch die Einleitung der Ionen hat eine Änderung der elektrischen Eigenschaften des Materials in der Umgebung der Oberfläche, in die die Ionen eingeleitet werden, zur Folge. Einige der Beschädigungen der kristallinen Struktur können durch thermisches Glühen des Materials beseitigt werden.
Bei der Fertigung von Halbleiterchips kann die Ionenimplantation oder die Eindiffundierung auf einer Anzahl von Stufen des Prozesses verwendet werden. Typischerweise ist eine Implantation auf vorgegebene Bereiche eingeschränkt, d. h. die Implantation wird bemustert. Ebenso können in ein Muster eindiffundierte Spezies hinzugefügt werden, indem Gebiete mit einer undurchdringbaren, wärmebeständigen Schicht wie etwa SiO₂ oder Nitrid maskiert werden. Es ist wichtig, daß die Dosierung überwacht werden kann und daß bestätigt wird, daß die richtigen Gebiete implantiert oder durch Eindiffundierung dotiert worden sind. Da diese Gebiete sehr klein sein können, ist es wichtig, daß eine Meßtechnik eine sehr hohe räumliche Auflösung besitzt. Außerdem ist es wünschenswert und für die Vermeidung einer unbeabsichtigten Verunreinigung der Probe während der Messung notwendig, daß ein kontaktloses Meßverfahren verwendet wird.
Für die Bewertung ionenimplantierter Materialien sind mehrere verschiedene Techniken verwendet oder vorgeschlagen worden, einschließlich der Rutherford-Rückstreuung, der Raman-Spektroskopie und der Schichtwiderstand-Messungen. Einige dieser Techniken sind auch verwendet worden, um Proben zu kennzeichnen, in die Fremdatome durch Eindiffundierung eingeleitet worden sind.
Eine nochmals weitere Technik, die verwendet worden ist, um Ionenimplantationen zu kennzeichnen, verwendet einen zu 100% intensitätsmodulierten Laserstrahl mit einer Modulationsfrequenz ω, der auf eine Halbleiteroberfläche gerichtet wird, wie beschrieben wird von Opsal u. a. "Method and Apparatus For Evaluating Surface and Subsurface Features in a Semiconductor" US-Patent Nr. 4.854.710 . Das Licht, das in der Probe absorbiert wird, erzeugt ein Elektronen-Loch-Plasma und außerdem eine stark gedämpfte thermische Welle in der Nähe der Oberfläche der Probe. Sowohl das Plasma als auch die thermische Welle oszillieren mit der Frequenz ω. Diese erzwungenen Plasmaoszillationen und thermischen Oszillationen geben Anlaß zu kleinen Oszillationen des optischen Reflexionsvermögens der Probe, das mittels eines Abtastlasers gemessen werden kann, der auf denselben Lichtfleck wie der modulierte Laser gerichtet wird. Die Amplitude und die Phase der kleinen Oszillationskomponente mit der Frequenz ω, die in der Intensität des reflektierten Abtaststrahls entsteht, hängen stark von ω ab und können außerdem durch das Vorhandensein von Ionenimplantationen und verwandten Beschädigungen im Halbleiter beeinflußt werden. Somit kann eine Messung dieser Oszillationskomponente zur Überwachung eines Defekts oder einer Ionenimplantation verwendet werden.
In diesem Zusammenhang kann auch auf J. Opsal, "Method and Apparatus For Evaluating Ion Implant Levels in Semiconductors", US-Patent Nr. 5.074.669 verwiesen werden. In dieser Technik werden sowohl die nicht modulierte Komponente des reflektierten Abtaststrahls als auch die mit der Frequenz ω modulierte Komponente gemessen und analysiert. In sämtlichen obenbeschriebenen Techniken liegt die Modulationsfrequenz des Pumpstrahls typischerweise unterhalb von 10 MHz.
Außerdem ist von photoakustischen Verschiebungsmessungen (PAD) gezeigt worden, daß sie gegenüber einer Ionenimplantationsdosierung empfindlich sind, wie beschrieben wird von S. Sumie u. a., Jap. J. Appl. Phys. 35, 3575 (1992) und von S. Sumie u. a., J. Appl. Phys. 76, 5681 (1994). In diesen Experimenten ist die akustische Verschiebung periodisch mit einer Frequenz von 87 kHz. Die Messung ist so ausgelegt, daß Änderungen des optischen Reflexionsvermögens aufgrund der Elektronen und Löcher, die im Material erregt werden, nicht erfaßt werden.
Die obenerwähnten optischen Verfahren verwenden im allgemeinen periodisch modulierte Dauerstrich-Pumpstrahlen, um das Material zu erregen. Die Frequenz der Modulation liegt typischerweise im Bereich unterhalb von 10 MHz. Dieser Bereich der Modulationsfrequenzen kann jedoch die Empfindlichkeit des Meßsystems und die Fähigkeit einer "Profilerzeugung" der Fremdatome oder der Beschädigungsverteilung nachteilig beeinflussen und außerdem bewirken, daß das System gegenüber Oberflächeneffekten empfindlich ist.
Die thermischen und elektrischen Eigenschaften von Materialien sind auch unter Verwendung von Lichtimpulstechniken untersucht worden. Es sind kurze Lichtimpulse (Dauer 100 ps oder weniger) verwendet worden, um einen Metallfilm auf einem dielektrischen Halbleitersubstrat zu erwärmen. Ein zeitverzögerter Abtastimpuls (Dauer ebenfalls 100 ps oder weniger) wird verwendet, um die Ände rung des optischen Reflexionsvermögens des Metallfilms zu messen, wobei anhand dieser Änderung die Rate bestimmt werden kann, mit der sich der Film aufgrund der Wärmeleitung in das Substrat abkühlt. In diesem Zusammenhang wird verwiesen auf Young u. a., "Heat Flow in Glasses an a Picosecond Timescale in Phonon Scattering in Scattered Matter V", herausgegeben von A.C. Anderson und J.P. Wolfe (Springer, Berlin 1986), S. 49; auf Stoner u. a., "Measurements of the Kapitza Conductance between Diamond and Several Metals", Phys. Rev. Lett. 68, 1563 (1992); und auf Stoner und Mars, "Kapitza Conductance and Heat Flow Between Solids at Temperatures from 50 to 300 K", Phys. Rev. B48, 16373 (1993).
Es sind kurze Lichtimpulse verwendet worden, um Elektronen und Löcher im Halbleitern zu erregen, wobei die Änderung des optischen Reflexionsvermögens, die als Ergebnis der erregten Träger auftritt, mit einem kurzen Abtastlichtimpuls gemessen worden ist. In diesem Zusammenhang kann verwiesen werden auf Auston u. a., "Picosecond Ellipsometry of Transient Electron-Hole Plasmas in Germanium", Phys. Rev. Lett. 32, 1120 (1974); auf Auston u. a., "Picosecond Spectroscopy of Semiconductors", Solid State Electronics 21, 147 (1978); und auf Elci u. a., "Physics of Ultrafast Phenomena in Solid State Plasmas", Solid State Electronics 21, 151 (1978). Diese Arbeit zielte im allgemeinen eher darauf, ein Verständnis zu erzielen, wie die Elektronen und Löcher relaxieren und diffundieren, und weniger auf ein Mittel zur Probenkennzeichnung.
In einer Arbeit mit dem Titel "Carrier Lifetime Versus Ion-Implatation Dose in Silicon an Sapphire", F.E. Doany u. a., Appl. Phys. Lett. 50(8), 23. Februar 1987 (S. 460–462) wird von Untersuchungen berichtet, die an einem Siliciumfilm mit einer Dicke von 0,5 Mikrometer auf einem Saphir-Substrat ausgeführt wurden. Die Autoren verwendeten 70 fs-Impulse, die mit einer 100 MHz-Rate erzeugt wurden, wobei die Pumpimpulse mit einer 1 kHz-Rate zerhackt wurden und die Abtastimpulse aus den Pumpimpulsen erhalten wurden. Eine Änderung des Reflexionsvermögens über die Zeit wurde aus einem Photodetektor erhalten. In diesem Experiment konnten die erregten Träger wegen des großen Bandabstandes von Saphir nicht in das Substrat eintreten, weshalb sie auf den Siliciumfilm eingeschränkt waren. Folglich wurden die Elektronen und Löcher angenähert gleichmäßig über die gesamte Dicke des Siliciumfilms verteilt, wobei diese Annahme in der Analyse der Daten von diesen Autoren gemacht wurde. Es wurde gezeigt, daß die Lebensdauer der erregten freien Träger durch die Implantationsdosis von O⁺-Ionen beeinflußt wurde und das eine Abhängigkeit der Trägerlebensdauer oberhalb einer O⁺-Implantationsdosis von 3 × 10¹⁴ cm^–2 fehlt. Es ist wichtig anzumerken, daß in diesem Lösungsversuch die erzeugte Wärme nicht ohne weiteres abfließen kann und daß die Temperatur der Probe hoch werden kann.
In einer nicht zerstörenden Ultraschalltechnik, die in dem US-Patent 4.710.030 (Tauc u. a.) beschrieben ist, wird ein Schallimpuls sehr hoher Frequenz erzeugt und mittels eines ultraschnellen Laserimpulses erfaßt. Der Schallimpuls wird dazu verwendet, eine Grenzfläche abzutasten. Die Ultraschallfrequenzen, die in dieser Technik verwendet werden, sind typischerweise niedriger als 1 THz, wobei die entsprechenden Schallwellenlängen in typischen Materialien größer als mehrere 100 Å sind. Es ist äquivalent, die in dieser Technik erzeugten Hochfrequenz-Ultraschallimpulse als kohärente longitudinale akustische Phononen zu bezeichnen.
Genauer lehren Tauc u. a. ein System, in dem die transiente optische Antwort aus mechanischen Wellen (Span nungsimpulsen) entsteht, die durch einen Pumpimpuls erzeugt werden und sich in der Probe ausbreiten. Tauc u. a. beschreiben die Verwendung von Pump- und Abtaststrahlen mit Dauern von 0,01 bis 100 ps. Diese Strahlen können auf dieselbe Stelle auf einer Probenoberfläche auftreffen, alternativ kann der Auftreffpunkt des Abtaststrahls in bezug auf den Auftreffpunkt des Pumpstrahls verschoben sein. In einer Ausführungsform kann der gemessene Film in bezug auf die Pump- und Abtaststrahlen einer Translation unterworfen werden. Der Abtaststrahl kann durch die Probe durchgelassen oder von dieser reflektiert werden. In einem von Tauc u. a. gelehrten Verfahren besitzt der Pumpimpuls wenigstens eine Wellenlänge für die nicht zerstörende Erzeugung eines Beanspruchungsimpulses in der Probe. Der Abtastimpuls wird durch die Probe geführt, um den Beanspruchungsimpuls abzufangen, ferner erfaßt das Verfahren eine Änderung der optischen Konstanten, die durch den Beanspruchungsimpuls induziert wird, indem die Intensität des Abtaststrahls gemessen wird, nachdem er den Beanspruchungsimpuls abgefangen hat.
In einer Ausführungsform wird ein Abstand zwischen einem Spiegel und einem Kubus geändert, um die Verzögerung zwischen dem Auftreffen des Pumpstrahls und des Abtaststrahls auf der Probe zu ändern. In einer weiteren Ausführungsform wird ein opto-akustisch inaktiver Film untersucht, indem ein darüberliegender Film verwendet wird, der ein opto-aktustisch aktives Medium wie etwa Arsen-Tellurid enthält. In einer weiteren Ausführungsform kann die Qualität der Haftung zwischen einem Film und dem Substrat anhand einer Messung des Reflexionskoeffizienten des Beanspruchungsimpulses an der Grenze und durch Vergleichen des gemessenen Wertes mit einem theoretischen Wert bestimmt werden.
Die Verfahren und Vorrichtungen von Tauc u. a. sind nicht auf einfache Filme eingeschränkt, sondern können auf die Gewinnung von Informationen über Schichtdicken und Grenzflächen in Supergittern, Mehrschicht-Dünnfilmstrukturen und anderen inhomogenen Filmen erweitert werden. Tauc u. a. sehen außerdem vor, die Pump- und Abtaststrahlen über ein Gebiet der Probe, das Abmessungen von 1 μm mal 1 μm hat, zu führen und die Intensitätsänderung des reflektierten oder durchgelassenen Abtaststrahls aufzutragen.
Die US 5303032 offenbart einen ersten Pumpimpuls, einen zweiten Pumpimpuls und einen Abtastimpuls, der gleichzeitig angelegt ist, um ein Brechungsindexgitter in einem Medium zu formen. Der Abtastimpuls wird gleichzeitig mit den Pumpimpulsen verwendet.
Die US 5379109 lehrt, daß der Laserausgangsstahl eines Lasers auf den gleichen Teil einer Probe geführt wird, der auch von einem Licht illuminiert wird. Der Ausgangsstahl des Lasers und das Licht illuminieren die Probe gleichzeitig.
Die US 4710030 beschreibt ein System mit einem gepulsten Pumpstrahl und einem kontinuierlichen Abtaststrahl.
Die US 5255070 beschreibt ein System mit einem gepulsten Strahl aus einer Pumpquelle und einem weiteren Strahl, der auf konstante Ausgabe geregelt wird.
AUFGABEN DER ERFINDUNG:
Es ist eine erste Aufgabe dieser Erfindung, ein verbessertes Verfahren für die nicht zerstörende Bewertung von Halbleitern durch die Verwendung wenigstens eines kurzen Lichtimpulses für die Erregung von Elektronen und Löchern im Halbleiter sowie ein optisches Abtastmittel zum Messen der sich ergebenden Änderung der optischen Konstanten des Halbleiters als Funktion der Zeit zu schaffen.
Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, die Ladung mit einer räumlichen Auflösung im Mikrometer- oder Submikrometerbereich in einer Probe nicht zerstörend zu messen.
Es ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, ein nicht zerstörendes kontaktloses Verfahren zu schaffen, um die Dotierstoffkonzentration, die Einfangstellendichte und die Minoritätsträgerlebensdauern in einem kleinen Gebiet eines Halbleitermaterials zu bestimmen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG:
Diese Erfindung lehrt ein Verfahren und ein System zum Kennzeichnen ionenimplantierter oder anderer Materialien durch die Verwendung eines kurzen Pumplichtimpulses, um das zu untersuchende Material zu erregen, sowie eines optischen Abtastmittels, um das Material kurze Zeit nach dem Anlegen des Pumpimpulses zu untersuchen. Eine zeitabhängige Änderung der optischen Konstanten des Materials, die sich in einer Änderung beispielsweise des Reflexionsvermögens oder der Polarisation manifestieren kann, wird gemessen und wird wenigstens einer Eigenschaft einer eingeleiteten chemischen Spezies zugeordnet. Beispielsweise kann eine Änderung des Reflexionsvermögens der Dichte einer implantierten chemischen Spezies und/oder einer Energie, mit der die chemische Spezies implantiert wurde, zugeordnet werden. In einer Ausführungsform dieser Erfindung kann ein transientes Gitter an der Oberfläche der Probe gebildet werden, um eine ungleichmäßige Verteilung von Elektronen und Löchern in der Probe zu schaffen.
Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß dieser Erfindung können in Verbindung mit einer Messung einer oder mehrerer der folgenden Wirkungen verwendet werden, die aus einer zeitabhängigen Änderung der optischen Konstanten der Probe aufgrund des Anlegens wenigstens eines Pumpimpulses entstehen: (a) eine Änderung der reflektierten Intensität; (b) eine Änderung der durchgelassenen Intensität; (c) eine Änderung eines Polarisationszustandes des reflektierten und/oder des durchgelassenen Lichts; (d) eine Änderung der optischen Phase des reflektierten und/oder des durchgelassenen Lichts; (e) eine Änderung der Richtung des reflektierten und/oder des durchgelassenen Lichts; und (f) eine Änderung der optischen Weglänge zwischen der Probenoberfläche und einem Detektor.
Gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung werden die obenbeschriebenen und weitere Probleme beseitigt und werden die Aufgaben der Erfindung gelöst durch ein Verfahren und ein System, bei denen ein Pumplichtimpuls in einem zu untersuchenden Gebiet einer Probe absorbiert wird. Ein Abtastlichtimpuls wird verwendet, um die Ände rung des optischen Reflexionsvermögens ΔR(t) als Funktion der Zeit t nach der Anwendung des Pumpimpulses zu messen. In Abwandlungen des Verfahrens wird die Antwort ΔR(t) als Funktion (1) eines an die Oberfläche der Probe angelegten elektrischen Feldes und/oder (2) der Intensität des Pumplichtstrahls und/oder (3) der Intensität einer weiteren Beleuchtungsquelle (wie etwa einer Laserquelle mit kontinuierlichem Spektrum), die kontinuierlich oder gepulst sein kann, und/oder (4) der Temperatur gemessen.
Die Anzahl und die räumliche Verteilung der Träger, die durch den Pumplichtimpuls erregt werden, ändert sich mit der Zeit als Ergebnis der folgenden Prozesse.
In einem ersten Prozeß ändern sich die Anzahl und die räumliche Verteilung der durch den Pumplichtimpuls erregten Träger mit der Zeit durch Diffusion aus der oder in die Oberfläche der Probe. Die Rate dieser Diffusion wird stark durch einen Implantationsbetrag oder eine andere Beschädigung beeinflußt und in geringerem Maß durch die Dichte der Störstellen in der Probe beeinflußt.
In einem zweiten Prozeß verschieben sich die Anzahl und die räumliche Verteilung der durch den Pumplichtimpuls erregten Träger unter dem Einfluß der elektrischen Felder in der Probe. Derartige Felder können beispielsweise aus elektrisch geladenen Defekten in der Probe und außerdem aus Gradienten in der Konzentration der elektrisch aktiven Dotierstoffionen entstehen. Elektrische Felder können auch in der Nähe der Oberfläche einer Halbleiterprobe aufgrund des Vorhandenseins elektrischer Ladungen, die in die Oberfläche oder in ein auf der Oberfläche des Halbleiters angeordnetes Material (wie etwa ein Oxid) eingebettet sind, entstehen. In einem solchen Fall hängen die Größe und der Gradient des elektrischen Feldes im Halbleiter auch von der Dotierstoffkonzentration im Halblei ter ab.
In einem dritten Prozeß hängen die Anzahl und die räumliche Verteilung der durch den Pumplichtimpuls erregten Träger von der Rekombination ab. Die Rekombinationsrate der Träger wird durch die Dichte und die Verteilung von Rekombinationszentren in der Probe beherrscht. Diese Zentren können während des Implantationsprozesses erzeugt worden sein oder können Störstellen zugeordnet werden, die absichtlich oder unabsichtlich in das Probenmaterial eingeleitet wurden, indem beispielsweise durch andere Mittel als durch Implantation dotiert wird.
Eine Messung ΔR(t) in Kombination mit einer geeigneten Analyse erweist sich als nützlich für die Bestimmung der Oberflächenladung, der Dotierstoffkonzentration(en), der Einfangstellendichte und der Minoritätsträgerlebensdauern.
Ein von außen an die Probe angelegtes elektrisches Feld führt zu einer Änderung der Zeitabhängigkeit der Trägerverteilung. Eine Analyse dieser Änderung kann weitere Informationen über die Größen, die bestimmt werden sollen, liefern. Das elektrische Feld kann durch eines oder mehrere der folgenden Verfahren angelegt werden.
In einem ersten Verfahren wird auf die Oberseite der Probe eine halbdurchlässige Elektrode aufgebracht, wobei die Elektrode ein Gebiet besitzt, dessen Größe wenigstens derjenigen der fokussierten Pump- und Abtaststrahlen ist.
In einem zweiten Verfahren wird eine halbdurchlässige Elektrode in engem Kontakt mit der Oberfläche der Probe vorgesehen.
In einem dritten Verfahren wird eine Elektrode mit einer konisch zulaufenden Spitze in großer Nähe zu der Oberfläche der Probe gehalten, um in die Oberfläche einer Isolierschicht eine bekannte Ladungsmenge zu induzieren.
Eine Änderung der Intensität des Pumpstrahls ändert die Anzahl der in der Probe erregten Träger. Für jede Intensität des Pumpstrahls hat die transiente Änderung des optischen Reflexionsvermögens ΔR(t) eine andere funktionale Form. Beispielsweise sind für zwei unterschiedliche Pumpintensitäten I1 und I2 die gemessenen Änderungen des Reflexionsvermögens ΔR₁(t) bzw. ΔR₂(t). Dann hängt das Verhältnis von ΔR₁(t) zu ΔR₂(t) von der besonderen Zeit t ab, die betrachtet wird, d. h. ΔR₁(t) und ΔR₂(t) erfüllen nicht die Beziehung ΔR₁(t) = c × ΔR₂(t), wobei c eine zeitunabhängige Konstante ist. Somit kann es vorteilhaft sein, eine Probe durch Messen von ΔR(t) als Funktion der Intensität oder der Wellenlänge oder der Wellenlängenverteilung einer solchen Beleuchtung weiter zu kennzeichnen.
Eine Änderung der Temperatur der Probe modifiziert die Anzahl der vor dem Anlegen des Pumpimpulses vorhandenen Träger und ändert außerdem die Rate, mit der die Träger eingefangen werden. Folglich wird ΔR(t) durch eine solche Änderung der Probentemperatur modifiziert. Somit könnte es vorteilhaft sein, Messungen als Funktion der Temperatur auszuführen oder sämtliche Messungen bei einer spezifizierten Temperatur auszuführen. Diese Technik ermöglicht, daß Messungen unter Bedingungen gemacht werden, derart, daß die Ergebnisse gegenüber einem besonderen Attribut von größtem Interesse (beispielsweise Oberflächenladung, Dotierstoffkonzentration, Einfangstellendichte oder Minoritätsträgerlebensdauer) am empfindlichsten sind.
Die Probenparameter werden durch Vergleich der gemessenen Daten mit Daten aus Referenzproben oder durch Vergleich mit Simulationen bestimmt. Die Simulationen werden unter Berücksichtigung der Änderung der optischen Eigenschaften der Probe als Funktion der Zeit aufgrund des zeitlichen Verhaltens der Elektronen und Löcher, die durch die Pumpimpulse injiziert werden, ausgeführt.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG:
Die oben angegebenen und weiteren Merkmale der Erfindung werden deutlicher in der folgenden genauen Beschreibung der Erfindung, wenn diese in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung gelesen wird, worin:
1A ein Blockschaltplan einer ersten, derzeit bevorzugten Ausführungsform eines ultraschnellen optischen Systems ist, das für die Verwendung bei der Ausführung dieser Erfindung geeignet ist, genauer einer Ausführungsform mit parallelen, schrägen Strahlen;
1A' einen Abschnitt von 1A genauer zeigt;
1B ein Blockschaltplan einer zweiten Ausführungsform eines ultraschnellen optischen Systems ist, das für die Verwendung bei der Ausführung dieser Erfindung geeignet ist, genauer einer Ausführungsform mit normalem Pumpstrahl und schrägem Abtaststrahl;
1C ein Blockschaltplan einer dritten Ausführungsform eines ultraschnellen optischen Systems ist, das für die Verwendung bei der Ausführung dieser Erfindung geeignet ist, genauer einer Ausführungsform mit einer einzelner Wellenlänge, normalem Pumpstrahl, schrägem Abtaststrahl und kombiniertem Ellipsometer;
1D ein Blockschaltplan einer vierten Ausführungsform eines ultraschnellen optischen Systems ist, das für die Verwendung bei der Ausführung dieser Erfindung geeignet ist, genauer einer Ausführungsform mit doppelter Wellenlänge, normalem Pumpstrahl, schrägem Abtaststrahl und kombiniertem Ellipsometer;
1E ein Blockschaltplan einer fünften Ausführungsform eines ultraschnellen optischen Systems ist, das für die Verwendung bei der Ausführung dieser Erfindung geeignet ist, genauer einer Ausführungsform mit doppelter Wellenlänge, normal auftreffendem Pump- und Abtaststrahl und kombiniertem Ellipsometer;
1F die Funktionsweise einer Ausführungsform mit transientem Gitter dieser Erfindung veranschaulicht, wobei der Pumpimpuls unterteilt wird und konstruktiv und destruktiv an der Oberfläche der Probe interferiert;
2 einen Impulszug eines Pumpstrahlimpulses mit aufgeprägter darüberliegender niederfrequenter Intensitätsmodulation;
3A eine weitere Ausführungsform veranschaulicht, in der eine oder mehrere Lichtleitfasern angeordnet sind, um den Pumpstrahl und/oder den Abtaststrahl anzulegen und den reflektierten Abtaststrahl abzuleiten;
3B ein Anschlußende einer Faseroptik veranschaulicht, deren Querschnittsfläche reduziert worden ist, um einen optischen Impuls an ein kleines Oberflächengebiet der Probe zu liefern;
4 eine nicht maßstabsgetreue vergrößerte Querschnittsansicht eines Abschnitts eines Halbleiterwafers ist, der ein ionenimplantiertes Gebiet besitzt;
5 den x-y-Bühnenpositionierungsmechanismus für die Änderung einer Stelle zeigt, an der die Pump-/Abtaststrahlen die Oberfläche der getesteten Probe schneiden;
6A ein Graph ist, der eine Änderung des Reflexionsvermögens über 300 Pikosekunden für vier Halbleiterproben, wovon jede unterschiedliche Implantationsdichten besitzt, veranschaulicht;
6B ein Graph ist, der die Änderung des Reflexionsvermögens über 3500 Pikosekunden für die vier Proben von 6A veranschaulicht;
7A–7E nicht maßstabsgetreue vergrößerte Querschnittsansichten sind, die die Erzeugung von Ladungsträgern durch den Pumpstrahl zur Zeit t₀ (7A), die Diffusion der Ladungsträger zur Zeit t₁ (7B) und die Anwendung der Abtaststrahlen zu Zeiten t₂ und t₃ zeigen;
7F ein Zeitablaufplan ist, der die in den 7A–7E gezeigte Folge in Beziehung setzt, wobei jeder Abtastimpuls bei t₀ einen unterschiedlichen Pumpimpuls besitzt;
8A eine Querschnittsansicht einer Halbleiterprobe ist, die eine lichtdurchlässige Elektrode zeigt, die auf die Probe aufgebracht ist;
8B eine Querschnittsansicht einer Halbleiterprobe ist, die eine externe Elektrode zeigt, die mit der Probe in Kontakt ist;
9 eine zeitliche Folge mehrerer aufeinanderfolgender Pumpimpulse und entsprechender Abtastimpulse veranschaulicht;
10A ein Graph ist, der eine Änderung des Reflexions vermögens über 100 Pikosekunden für Wafer zeigt, die mit Si- und P-Ionen implantiert sind, vor und nach einem thermischen Glühen, um die durch den Implantationsprozeß hervorgerufene Beschädigung zu verringern;
10B ein Graph ist, der eine Änderung des Reflexionsvermögens über 300 Pikosekunden für drei Siliciumwafer veranschaulicht, wovon jeder mit der gleichen Dosis Boratome, jedoch mit unterschiedlichen Implantationsenergien implantiert ist;
10C ein Graph ist, der eine Änderung des Reflexionsvermögens über 300 Pikosekunden für drei Siliciumwafer veranschaulicht, wovon jedem Siliciumdioxid überlagert ist und jeder mit der gleichen Dosis Boratome, jedoch mit unterschiedlichen Implantationsenergien, implantiert ist; und
10D ein Graph ist, der eine Änderung des Reflexionsvermögens über 100 Pikosekunden für Wafer veranschaulicht, die mit Si- und P-Ionen implantiert sind, vor und nach einem thermischen Glühen, um die durch den Implantationsprozeß verursachte Beschädigung zu verringern, wobei die untersuchten Wafer die gleichen wie in 10A sind, jedoch die Wellenlängen der Pump- und Abtaststrahlen um einen Faktor von ungefähr zwei reduziert sind; wobei in den 6A, 6B und 10A–10D die in der vertikalen Richtung aufgetragene Größe das Reflexionsvermögen auf einer Skala ist, derart, daß die maximale Änderung eine Einheit ist.
GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG:
Gemäß der Lehre dieser Erfindung wird ein Lichtimpuls auf eine Probe gerichtet und durch elektronische Träger in der Probe teilweise absorbiert, die anschließend ihre Energie an die Materialien der Probe übertragen. Mit der Energieübertragung ist eine kleine, lokale transiente Änderung der optischen Antwort der Probe verbunden. Das heißt, es manifestiert sich wenigstens eine transiente und meßbare Antwort der Probe auf den Pumpimpuls der optischen Strahlung. Eine oder mehrere gemessene transiente Antworten können eine Messung einer modulierten Änderung ΔR der Intensität eines reflektierten Anteils eines Abtastimpulses und/oder eine Änderung ΔT der Intensität des durchgelassenen Anteils des Abtastimpulses und/oder eine Änderung ΔP der Polarisation des reflektierten Abtastimpulses und/oder eine Änderung Δϕ der optischen Phase des reflektierten Abtastimpulses und/oder eine Änderung des Reflexionswinkels Δδ des Abtastimpulses umfassen, wobei jede dieser Änderungen als Änderung einer Eigenschaft eines reflektierten oder durchgelassenen Anteils des Abtastimpulses angesehen werden kann. Die transiente Antwort der Probe auf den Pumpimpuls fällt mit einer Rate ab, die hauptsächlich von den Raten abhängt, mit denen die erregten elektronischen Träger ihre Energie im elektrischen Feld an den Rest der Probe übertragen, und außerdem von den Wärmeleitzahlen und Dicken der Materialien, die die Probe enthält.
In einer derzeit bevorzugten Ausführungsform der Lehre dieser Erfindung ist die Zeitabhängigkeit der Änderung des optischen Reflexionsvermögens ΔR(t) des reflektierten Abtaststrahls von höchstem Interesse. In dieser Ausführungsform werden die Größe und die Zeitabhängigkeit der Änderung des optischen Reflexionsvermögens durch die Verteilung fremder Spezies und durch den oder die Prozesse, durch die sie in eine Probe eingeleitet werden, bestimmt.
Das bedeutet, daß aus Messungen an einer Reihe von Prüf proben vom Erfinder festgestellt worden ist, daß die Änderung ΔR(t) des Reflexionsvermögens für Zeiten im Bereich von 0 bis 1000 ps besonders empfindlich gegenüber dem Pegel der Ionenimplantationsdosis ist. Es sollte angemerkt werden, daß die beobachtete Änderung des Reflexionsvermögens typischerweise im Bereich von 10^–3 bis 10^–5 liegt.
Nun wird auf 1A und 1A', die im folgenden gemeinsam mit 1A bezeichnet werden, Bezug genommen, um eine derzeit bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung 100 zu veranschaulichen, die für die Ausführung dieser Erfindung geeignet ist. Diese Ausführungsform wird als parallele, schräge Ausführungform bezeichnet.
Diese Ausführungsform umfaßt eine Licht-/Wärmequelle 120, die als veränderliche, hochdichte Beleuchtungseinrichtung dient und eine Beleuchtung für eine Videokamera 124 sowie eine Probenwärmequelle für temperaturabhängige Messungen unter einer Computersteuerung schafft. Ein alternatives Heizverfahren verwendet eine Widerstandsheizeinrichtung, die in eine Probenbühne 122 eingebettet ist. Ein Vorteil der optischen Heizeinrichtung ist, daß sie schnelle aufeinanderfolgende Messungen bei unterschiedlichen Temperaturen oder bei einer stabilisierten Temperatur ermöglicht.
Die Videokamera 124 schafft ein angezeigtes Bild für eine Bedienungsperson und erleichtert das Einrichten des Meßsystems. Hierzu kann eine geeignete Mustererkennungs-Software verwendet werden, um die Beteiligung der Bedienungsperson zu minimieren oder zu beseitigen. BS5 ist ein Breitband-Strahlteiler, der Bildinformationen und eine geringe Menge von Laserlicht zur Videokamera 124 lenkt. Die Kamera 124 und der Prozessor 101 können verwendet werden, um die Pump- und Abtaststrahlen automatisch an einem Meßort zu positionieren.
Die Probenbühne 122 (siehe auch 5) ist vorzugsweise eine Bühne mit mehreren Freiheitsgraden, die in bezug auf die Höhe (z-Achse), die Position (x- und y-Achsen) und optional die Neigung (ϕ) einstellbar ist und eine motorgesteuerte Positionierung eines Teils der Probe relativ zu Pump- und Abtaststrahlen zuläßt. Die z-Achse wird verwendet, um für die Probe eine vertikale Translation in den Brennpunktbereich des Pump- und des Abtaststrahls auszuführen, während die x- und y-Achsen eine Translation der Probe parallel zur Trennebene bewirken und die Neigungsachsen die Orientierung der Bühne 122 einstellen, um einen gewünschten Auftreffwinkel des Abtaststrahls herzustellen. Dies wird über einen positionsempfindlichen Detektor PSD1 und einen Signalprozessor 101 erzielt, wie im folgenden beschrieben wird.
In einer alternativen Ausführungsform kann der optische Kopf in bezug auf eine stationäre, neigbare Bühne 122' (nicht gezeigt) bewegt werden. Dies ist besonders wichtig zum Abtasten großer Objekte (wie etwa Wafer mit einem Durchmesser von 300 mm oder mechanische Strukturen usw.). In dieser Ausführungsform können der Pumpstrahl, der Abtaststrahl und das Videosignal über Lichtleitfasern oder Faserbündel an den translationsfähigen Kopf angelegt oder von diesem abgegeben werden.
Der Pump/Abtast-Strahlteiler 126 teilt einen auftreffenden Laserstrahl-Impuls (vorzugsweise mit einer Dauer eine Pikosekunde oder weniger) in Pump- und Abtaststrahlen und enthält ein drehbares Halbwellenlängenplättchen (WP1), das die Polarisation des ungeteilten Strahls dreht. WP1 wird in Kombination mit dem Polarisationsstrahlteiler PBS1 verwendet, um eine ununterbrochene, veränderliche Teilung zwischen der Pump- und der Abtastleistung auszu führen. Diese Teilung kann durch den Computer mittels eines Motors gesteuert werden, um einen optimalen Rauschabstand für eine besondere Probe zu erzielen. Die geeignete Teilung hängt von Faktoren wie etwa dem Reflexionsvermögen und der Rauheit der Probe ab. Die Einstellung erfolgt durch einen motorisierten drehbaren Träger von WP1 unter einer Computersteuerung.
Ein erster akusto-optischer Modulator (AOM1) zerhackt den Pumpstrahl mit einer Frequenz von ungefähr 1 MHz. Ein zweiter akusto-optischer Modulator (AOM2) zerhackt den Abtaststrahl mit einer Frequenz, die sich um einen geringen Betrag von derjenigen des Pumpmodulators AOM1 unterscheidet. Die Verwendung von AOM2 ist in dem in 1A gezeigten System optional. Optional können die AOMs auf eine gemeinsame Taktquelle und ferner auf die Impulswiederholrate (PRR) des Lasers synchronisiert werden, der die Pump- und Abtaststrahlen erzeugt. Optional kann ein elektro-optischer Modulator anstelle der akusto-optischen Modulatoren AOM1 oder AOM2 verwendet werden.
Ein räumliches Filter 128 wird verwendet, um an seinem Ausgang ein im wesentlichen invariantes Abtaststrahl-Profil, einen im wesentlichen invarianten Abtaststrahl-Durchmesser und eine im wesentlichen invariante Abtaststrahl-Ausbreitungsrichtung für einen eingehenden Abtaststrahl beizubehalten, der sich aufgrund der Wirkung der mechanischen Verzögerungsleitung, die als Retroreflektor 129 dargestellt ist, ändern kann. Das räumliche Filter 128 enthält ein Paar Blenden A1 und A2 sowie ein Paar Linsen L4 und L5. Eine alternative Ausführungsform des räumlichen Filters enthält eine Lichtleitfaser, wie oben beschrieben worden ist. Falls sich das Profil des von der mechanischen Verzögerungsleitung ankommenden Abtaststrahls bei einer Bewegung des Retroreflektors 129 nicht merklich ändert, kann das räumliche Filter 128 weggelas sen werden.
WP2 ist ein zweites einstellbares Halbwellenplättchen, das zusammen mit PBS2 in ähnlicher Weise wie die WP1/PBS1-Kombination des Strahlteilers 126 arbeitet. Der durch den Strahlteiler PBS1 laufende Teil des Strahls trifft auf einen Strahlblockierer auf. Der Strahlteiler BS2 wird verwendet, um einen geringen Anteil des Abtaststrahls auf den Referenzdetektor D2 zu lenken. Der Ausgang von D2 wird verstärkt und durch ein Tiefpaßfilter geschickt, um ein elektrisches Signal LF2 zu erhalten, das zur mittleren Intensität des auftreffenden Abtaststrahls proportional ist.
Der Abtaststrahl wird nach dem Durchgang durch BS2 auf die Probe durch eine Linse L2 fokussiert. Nachdem der von der Probe reflektierte Strahl parallelgerichtet und durch den Polarisierer 132 gegangen ist, trifft er auf den Photodetektor D1 auf. Aus dem Ausgang von D1 werden zwei elektrische Signale abgeleitet. Das erste Signal RF1 wird erhalten, nachdem der verstärkte Ausgang von D1 durch ein Tiefpaßfilter gegangen ist, um ein zur mittleren Intensität des auftreffenden Abtaststrahls proportionales elektrisches Signal zu ergeben. Das zweite Signal HF1 wird erhalten, nachdem der verstärkte Ausgang von D1 durch ein Hochpaßfilter gegangen ist, das die für AOM1 verwendete Modulationsfrequenz durchläßt.
Die niederfrequenten Signale LF1 und LF2 können verwendet werden, um das Reflexionsvermögen der Probe zu bestimmen, nachdem feste Verluste in beiden optischen Wegen zugelassen worden sind. Das Signal LF2 und der mittlere Ausgang (Gleichstromausgang) des Detektors D4 ergeben ein Maß für die Intensität der Pump- und Abtaststrahlen. Diese Signale werden an einen Computer, beispielsweise den Signalprozessor 101, geliefert, der seinerseits die motor betätigten Wellenlängenplättchen WP1 und WP2 steuert. Der Computer ist so programmiert, daß er diese Wellenlängenplättchen einstellt, damit sich die gewünschte gesamte optische Leistung und das gewünschte Pump-/Abtast-Verhältnis für eine ein besonderes Reflexionsvermögen zeigende Probe ergeben.
Der lineare Polarisierer 132 wird verwendet, um eine gestreute Pumplichtpolarisation zu blockieren und den Abtaststrahl durchzulassen. Der Strahlteiler BS1 wird verwendet, um einen kleinen Teil des Pumpstrahls und optional einen kleinen Teil des Abtaststrahls auf einen ersten positionsempfindlichen Detektor (PSD1) zu lenken, der in Verbindung mit dem Prozessor 101 und Bewegungen der Probenbühne 122 für die Autofokussierung verwendet wird. Der PSD1 wird in Kombination mit dem Prozessor 101 und der computergesteuerten Bühne 122 (Neigung und z-Achse) verwendet, um die Pump- und Abtaststrahlen automatisch auf die Probe zu fokussieren, um eine gewünschte Fokussierungsbedingung zu erzielen.
Der Detektor D1 kann sowohl für die Reflektometrie als auch für die Ellipsometrie und transiente optische Ausführungsformen dieser Erfindung verwendet werden. Die sich ergebende Signalverarbeitung ist jedoch für jede Anwendung unterschiedlich. Für transiente optische Messungen wird die Gleichstromkomponente des Signals unterdrückt, etwa durch Subtrahieren eines Referenzstrahleingangs D2 oder je nach Bedarf eines Teils desselben, um den unmodulierten Teil von D1 zu beseitigen, oder durch elektrisches Filtern des Ausgangs von D1, um Frequenzen, die von der Modulationsfrequenz verschieden ist, zu unterdrücken. Der geringe modulierte Teil des Signals wird anschließend verstärkt und gespeichert. Für die Ellipsometrie ist kein kleiner modulierter Teil vorhanden, statt dessen wird das gesamte Signal während jeder Drehung des Rotationskompensators (siehe die folgende Diskussion von 1B) mehrfach abgetastet, wobei die sich ergebende Signalform analysiert wird, um die ellipsometrischen Parameter zu liefern. Für die Reflektometrie wird die Änderung der Intensität des gesamten nicht modulierten Abtaststrahls, die durch die Probe bedingt ist, unter Verwendung der D1- und D2-Ausgangssignale bestimmt (D2 mißt ein zur Intensität des auftreffenden Abtaststrahls proportionales Signal). Ebenso können weitere Reflektometrie-Daten aus dem Pumpstrahl unter Verwendung der Detektoren D3 und D4 erhalten werden. Die Analyse der Reflektometrie-Daten entweder aus einem oder aus beiden Strahlen kann verwendet werden, um die Probe zu kennzeichnen. Die Verwendung zweier Strahlen ist nützlich, um die Auflösung zu verbessern und um irgendwelche Mehrdeutigkeiten der Lösung der relevanten Gleichungen zu beseitigen.
Ein dritter Strahlteiler BS3 wird verwendet, um einen kleinen Anteil des Pumpstrahls auf den Detektor D4 zu lenken, der ein zur auftreffenden Pumpstrahlintensität proportionales Signal mißt. Ein vierter Strahlteiler BS4 ist so positioniert, daß er einen geringen Anteil des Pumpstrahls auf den Detektor D3 lenkt, der ein zur reflektierten Pumpstrahlintensität proportionales Signal mißt.
1B veranschaulicht eine Ausführungsform der Vorrichtung 102 mit normalem Pumpstrahl und schrägem Abtaststrahl. Die in 1A erwähnten Komponenten arbeiten in ähnlicher Weise, soweit im folgenden nichts anderes angegeben wird. In 1B ist der obenerwähnte Proportionskompensator 132 vorgesehen, der als lineares Viertelwellenlängenplättchen auf einem motorbetriebenen, drehbaren Träger ausgeführt ist und einen Teil eines Ellipsometers des Systems bildet. Die Platte wird im Abtaststrahl mit einer Rate von beispielsweise einigen zehn Hz gedreht, um die optische Phase des auf die Probe auftreffenden Abtaststrahls kontinuierlich zu ändern. Das reflektierte Licht verläuft durch einen Analysator 134, wobei die Intensität während jeder Drehung mehrfach gemessen und an den Prozessor 101 übertragen wird. Die Signale werden in Übereinstimmung mit bekannten Typen von Ellipsometrie-Verfahren analysiert, um die Eigenschaften der Probe (lichtdurchlässige oder halbdurchlässige Filme) zu bestimmen. Dies ermöglicht die Verwendung des (gepulsten) Abtaststrahls, um die Ellipsometrie-Messungen auszuführen.
Die Ellipsometrie-Messungen werden unter Verwendung eines gepulsten Lasers ausgeführt, der unter normalen Bedingungen nachteilig ist, da die Bandbreite des gepulsten Lasers viel größer als diejenige eines Dauerstrichlasers eines für Ellipsometrie-Messungen normalerweise verwendeten Typs ist.
Die Fähigkeit zu Ellipsometrie-Messungen ist nützlich bei der Ausführung bestimmter der im folgenden beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens, bei dem erforderlich ist, den Brechungsindex einer auf einem Substrat angeordneten Filmschicht zu bestimmen.
Falls transiente optische Messungen ausgeführt werden, wird der rotierende Kompensator 132 in der Weise orientiert, daß der Abtaststrahl senkrecht zum Pumpstrahl linear polarisiert wird. Der Analysator 134 kann als fester Polarisator ausgeführt sein und bildet ebenfalls einen Abschnitt des Ellipsometers des Systems. Wenn das System für transiente optische Messungen verwendet wird, wird der Polarisator 134 so orientiert, daß er den Pumpstrahl blockiert.
Der Analysator 134 kann als fester Polarisator ausgeführt sein und bildet außerdem einen Teil des Ellipsometers des Systems. Wenn der Polarisator 134 in der Ellipsometer-Betriebsart verwendet wird, wird er so orientiert, daß er Licht, das unter einen Winkel von 45° in bezug auf die Ebene des auftreffenden und des reflektierten Abtaststrahls polarisiert ist, blockiert.
Die Ausführungsform von 1B enthält ferner einen dichroitischen Spiegel (DM2), der für Licht in einem schmalen Band in der Nähe der Pumpwellenlänge hochgradig reflektierend ist und für andere Wellenlängen im wesentlichen durchlässig ist.
Es sollte angemerkt werden, daß in 1B der Strahlteiler BS4 bewegt wird, um den Pumpstrahl in Verbindung mit BS3 abzutasten und um einen Teil des Pumpstrahls zu D3 und zu einem zweiten PSD (PSD2) zu lenken. PSD2 (Pump-PSD) wird in Kombination mit dem Prozessor 101, der computergesteuerten Bühne 122 (Neigung und z-Achse) und PSD1 (Abtast-PSD) verwendet, um die Pump- und Abtaststrahlen automatisch auf die Probe zu fokussieren, um einen gewünschten Fokussierungszustand zu erreichen. Außerdem wird eine Linse L1 als Fokussierungsobjektiv für einen Pumpstrahl, einen Videostrahl und einen optischen Heizstrahl verwendet, während eine optionale Linse L6 verwendet wird, um das abgetastete Licht von BS5 auf die Videokamera 124 zu fokussieren.
Nun wird auf 1C Bezug genommen, um eine Ausführungsform einer Vorrichtung 104 zu veranschaulichen, die genauer eine Ausführungsform eines kombinierten Ellipsometers mit einzelner Wellenlänge, normalem Pumpstrahl und schrägem Abtaststrahl ist. Wie oben werden im folgenden nur jene Elemente beschrieben, die vorher nicht bereits beschrieben worden sind.
Ein Verschluß 1 und ein Verschluß 2 sind computergesteuerte Verschlüsse und ermöglichen, daß das System in der Ellipsometer-Betriebsart anstelle des gepulsten Abtaststrahls ein He-Ne-Laser 136 verwendet. Für transiente Messungen ist der Verschluß 1 geöffnet und ist der Verschluß 2 geschlossen. Für Ellipsometer-Messungen ist der Verschluß 1 geschlossen und ist der Verschluß 2 geöffnet. Der He-Ne-Laser 136 ist ein Niedrigleistungs-Dauerstrichlaser, von dem sich gezeigt hat, daß er für einige Filme eine bessere Ellipsometer-Leistung liefert.
1D ist eine Doppelwellenlängen-Ausführungsform 1D des in 1C gezeigten Systems. In dieser Ausführungsform ist der Strahlteiler 126 durch einen harmonischen Teiler und einen optischen harmonischen Generator, der eine oder mehrere optische Harmonische des auftreffenden, ungeteilten Laserstrahls erzeugt, ersetzt. Dies wird erzielt durch Linsen L7, L8 und ein nichtlineares optisches Material (DX), das für die Erzeugung der zweiten Harmonischen aus dem auftreffenden Laserstrahl geeignet ist. Der Pumpstrahl ist so gezeigt, daß er von dem dichroitischen Spiegel (DM1 138a) zum AOM1 durchgelassen wird, während der Abtaststrahl zum Retroreflektor reflektiert wird. Die umgekehrte Situation ist ebenfalls möglich. Die kürzere Wellenlänge kann durchgelassen werden, während die längere Wellenlänge reflektiert werden kann, oder umgekehrt. Im einfachsten Fall ist der Pumpstrahl die zweite Harmonische des Abtaststrahls (d. h. der Pumpstrahl besitzt die halbe Wellenlänge des Abtaststrahls).
Es sollte angemerkt werden, daß in dieser Ausführungsform der AOM2 beseitigt werden kann und statt dessen ein Farbfilter F1 vor dem Detektor D1 verwendet werden kann, um die Länge des den Detektor D1 erreichenden Lichts zu verringern. F1 ist ein Filter mit hohen Durchlaßgrad für den Abtaststrahl und die He-Ne-Wellenlängen, jedoch mit sehr niedrigem Durchlaßgrad für die Pumpwellenlänge.
Schließlich zeigt 1E eine Ausführungsform 108 eines kombinierten Ellipsometers mit normal auftreffender doppelter Wellenlänge. In 1E trifft der Abtaststrahl auf den PBS2 auf und wird in der Richtung, die vom PBS2 durchgelassen wird, polarisiert. Nachdem der Abtaststrahl durch WP3 und ein Viertelwellenlängenplättchen gegangen ist und von der Probe reflektiert worden ist, kehrt er in einem Zustand, in dem er in der Richtung, die stark reflektiert wird, polarisiert ist, zum PBS2 zurück und wird dann auf einen Detektor D0 im Detektorblock 130 gelenkt. D0 mißt die reflektierte Abtaststrahlintensität.
Genauer bewirkt WP3, daß der ankommende planar polarisierte Abtaststrahl zirkulär polarisiert wird. Die Orientierung der Polarisation wird bei der Reflexion von der Probe umgekehrt, wobei der Abtaststrahl ausgehend von WP3 nach der Reflexion senkrecht zu seiner ursprünglichen Polarisation linear polarisiert ist. BS4 reflektiert einen kleinen Anteil des reflektierten Abtaststrahls auf einen Autofokussierungsdetektor AFD.
DM3, ein dichroitischer Spiegel, kombiniert den Abtaststrahl auf eine gemeinsame Achse mit der Beleuchtungseinrichtung und dem Pumpstrahl. DM3 ist für die Abtastwellenlänge hochgradig reflektierend und für die meisten anderen Wellenlängen im wesentlichen durchlässig.
D1, ein Detektor für den reflektierten Strahl des He-Ne-Lasers 136, wird nur für ellipsometrische Messungen verwendet.
Es sollte angemerkt werden, daß im Vergleich der 1E mit den 1C und 1D der Verschluß 1 umgeordnet ist, um den auftreffenden Laserstrahl vor dem harmonischen Teiler 138 abzufangen.
Auf der Grundlage der vorangehenden Beschreibungen erzielt eine ausgewählte dieser derzeit bevorzugten Ausführungsformen von Meßvorrichtungen die Kennzeichnung von Proben, wobei ein kurzer optischer Impuls (der Pumpstrahl) auf einen Bereich auf der Oberfläche der Probe gelenkt wird und dann ein zweiter Lichtimpuls (der Abtaststrahl) zu einer späteren Zeit auf denselben Bereich oder einen benachbarten Bereich gelenkt wird. Der Retroreflektor 129, der in sämtlichen dargestellten Ausführungsformen der 1A–1E gezeigt ist, kann verwendet werden, um eine gewünschte zeitliche Trennung der Pump- und Abtaststrahlen zu schaffen.
Die Vorrichtungen 100, 102, 104, 106 und 108 können, wie oben beschrieben, (1) die transiente Änderung des Reflexionsvermögens des Abtaststrahls messen. Mit geeigneten Abwandlungen kann die Vorrichtung dazu verwendet werden und/oder (2) die Änderung ΔT der Intensität des durchgelassenen Abtaststrahls zu messen und/oder (3) die Änderung ΔP der Polarisation des reflektierten Abtaststrahls zu messen und/oder (4) die Änderung Δϕ der optischen Phase des reflektierten Abtaststrahls zu messen und/oder (5) die Änderung des Reflexionswinkels Δδ des Abtaststrahls zu messen. Diese Größen können alle als transiente Antworten der Probe, die durch die Pumpimpulse induziert werden, angesehen werden. Diese Messungen können mit einer oder mehreren der folgenden gemeinsam ausgeführt werden: (a) Messungen irgendeiner oder aller Größen (1)–(5), die eben aufgelistet worden sind, als Funktion des Auftreffwinkels des Pump- oder Abtastlichts; (b) Messungen irgendeiner der Größen (1)–(5) als Funktion von mehr als einer Wellenlänge für das Pumplicht und/oder das Abtastlicht; (c) Messungen des optischen Reflexionsvermögens durch Messungen der auftreffenden und der reflektierten mittleren Intensität der Pump- und/oder Abtaststrahlen; (d) Messungen der mittleren Phasenänderung der Pump- und/oder Abtaststrahlen bei Reflexion; und/oder (e) Messungen der mittleren Polarisation und der optischen Phase des auftreffenden und des reflektierten Pump- und/oder Abtaststrahls. Die Größen (c), (d) und (e) können als mittlere oder statische Antworten der Probe auf den Pumpstrahl angesehen werden.
Die fünf Ausführungsformen 100, 102, 104, 106 und 108 wie oben beschrieben besitzen das gemeinsame Merkmal, daß eine Folge von Pumpimpulsen erzeugt wird und auf die Oberfläche der Probe gelenkt wird. Jeder Pumpimpuls beleuchtet dasselbe Gebiet der Probe mit einer Intensität, die sich über dem Gebiet gleichmäßig ändert. Es liegt auch innerhalb des Umfangs dieser Erfindung, Messungen der transienten optischen Antwort mittels des Verfahrens mit induziertem transienten Gitter auszuführen, das von Phillion u. a. (D.W. Phillion, D.J. Kuizenga und A.E. Siegman, Appl. Phys. Lett. 27, 85 (1975)) beschrieben ist. Um ein transientes Gitter zu induzieren, wird jeder Pumpimpuls mittels eines Strahlteilers oder mehrerer Strahlteiler in zwei oder mehr Komponenten unterteilt, wobei diese Komponenten anschließend durch getrennte optische Wege laufen und dann alle auf dasselbe Gebiet der Oberfläche der Probe gelenkt werden. Falls die verschiedenen Komponenten unter verschiedenen Winkeln auf die Oberfläche gelenkt werden, gibt es Stellen innerhalb des Gebiets, an denen die verschiedenen Komponenten konstruktiv interferieren, und Stellen, an denen sie destruktiv interferieren. Somit ändert sich die Gesamtintensität des Pumplichts über die Probenoberfläche. In dem Fall, in dem nur zwei Komponenten 1 und 1' vorhanden sind, wie in 1F gezeigt ist, ändert sich die Inten sität periodisch über die Probenoberfläche. Die Periodizität der Intensität, d. h. der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Punkten maximaler Intensität, ist durch die Wellenlänge des Pumplichts und durch die Winkel, unter denen die verschiedenen Komponenten des Pumplichts auf die Oberfläche auftreffen, bestimmt. Dann ändert sich der Betrag des in der Struktur absorbierten Lichts periodisch über die Oberfläche, wobei sich die Anzahl der Elektronen und Löcher, die durch das Pumplicht erzeugt werden, über die Oberfläche periodisch ändert. Folglich ändern sich auch die transienten Änderungen der optischen Eigenschaften der Probe, die sich aus der Einleitung der Elektronen und Löcher ergeben, periodisch über die Oberfläche der Probe. Diese Änderung der transienten Änderungen der optischen Eigenschaften der Probe ist mit der Erzeugung eines transienten Beugungsgitters, das mit der Probenoberfläche übereinstimmt, äquivalent. Wenn auf das durch den Pumpstrahl erregte Gebiet Abtastlicht 2 auftrifft, wird ein Teil 4 des Abtastlichts gebeugt, d. h. ein Teil des Abtastlichts wird in einer oder mehreren Richtungen weg aus der Richtung 3 der Spiegelreflexion reflektiert. Die Messung der Intensität dieses gebeugten Abtastlichts mittels des Detektors D1 als Funktion der Zeitverzögerung t zwischen dem Anlegen der Pump- und Abtaststrahlen schafft ein alternatives Verfahren für die Kennzeichnung der transienten optischen Antwort, die durch die in der Probe erregten Träger erzeugt wird.
Typische Eigenschaften der in den Systemen 100–108 der 1A–1E verwendeten Lichtimpulse sind die folgenden. Der Pumpimpuls besitzt eine Energie von ungefähr 0,001 bis 100 nJ pro Impuls, eine Dauer von ungefähr 0,01 bis 100 ps pro Impuls und eine Wellenlänge im Bereich von 200 bis 4000 nm. Die Impulswiederholrate (PRR) liegt im Bereich von 100 Hz bis 5 GHz, wobei der Pumpimpulszug, wie in 2 gezeigt ist, in Abhängigkeit von der PRR mit einer Rate von 1 Hz bis 100 MHz intensitätsmoduliert werden kann. Der Pumpimpuls wird fokussiert, um auf der Probenoberfläche einen Lichtfleck mit einem Durchmesser im Bereich von ungefähr 10 Mikrometern bis 20 Mikrometer zu bilden, obwohl kleinere Lichtfleckgrößen und daher kleinere seitliche Auflösungen ebenfalls verwendet werden können.
Wie in 3A gezeigt ist, liegt es ebenfalls innerhalb des Umfangs der Lehre dieser Erfindung, den Pumpimpuls oder den Abtastimpuls oder sowohl den Pumpimpuls als auch den Abtastimpuls durch eine Lichtleitfaser 44 zu liefern. Alternativ kann eine zweite Eingangsfaser 46 vorgesehen sein, wobei der Pumpimpuls durch die Faser 44 geliefert wird und der Abtastimpuls durch die Faser 46 geliefert wird. Es kann eine weitere Faser 48 verwendet werden, um den reflektierten Abtastimpuls zu empfangen und diesen an den Photodetektor 34 zu liefern. Für diese Ausführungsform sind die Enden der Lichtleitfaser(n) an einer Haltebühne 50 befestigt und an dieser unterstützt. Die Haltebühne 50 ist vorzugsweise über ein Element 52 mit einem Aktuator 54 wie etwa einem linearen Aktuator oder einem Positionierungsmechanismus mit zwei Freiheitsgraden gekoppelt.
Auf diese Weise wird die Zuverlässigkeit und die Wiederholbarkeit des Meßzyklus verbessert, weil die Größe und die Position der fokussierten Pump-, Abtast- oder Pump- und Abtaststrahlen auf der Probenoberfläche von geringen Änderungen der Richtung oder des Profils der Laserausgangsstrahlen oder von Änderungen des Profils des Abtaststrahls bei der Bewegung irgendeiner mechanischen Bühne, die verwendet werden kann, um die Verzögerung t_D auszuführen, unabhängig sind. Vorzugsweise ist die Winkelorientierung zwischen dem Ende der Abtaststrahl-Lieferfaser und dem Ende der Faser für den reflektierten Abtaststrahl derart, daß die Sammlung des reflektierten Abtaststrahllichts von der Probenoberfläche optimiert wird. Es liegt außerdem innerhalb des Umfangs dieser Erfindung, nach der oder den Fasern eine oder mehrere Linsen zu verwenden, um die Ausgangsstrahlen von den Fasern auf der Probenoberfläche zu fokussieren oder um das reflektierte Abtastlicht zu sammeln und auf die Faser 48 von 3A zu lenken.
3B zeigt eine Ausführungsform, bei der ein Endabschnitt 44b einer Pump- und/oder Abtaststrahl-Anlegefaser 44a einen verringerten Durchmesser besitzt, etwa durch Dehnen der Faser, um so einen fokussierten Lichtfleck 44c zu schaffen, dessen Durchmesser kleiner als die normale Fläche der optischen Fokussierung ist. Wenn sie mit der Ausführungsform von 3A gekoppelt ist, können der Pump- und/oder der Abtastimpuls wiederholt an ein sehr kleines Gebiet der Probenoberfläche unabhängig von irgendwelchen Änderungen, die auf der optischen Weglänge des Abtaststrahls auftreten, angelegt werden (z. B. als Lichtfleck mit einem Durchmesser ≤ 1 Mikrometer).
9 zeigt verschiedene Zeitverzögerungen (t_D) zwischen dem Anlegen eines Pumpimpulses (P1) und dem nachfolgenden Anlegen eines Abtastimpulses (P2) für Zeiten im Bereich von t₁ bis t_MAX.
Nachdem bisher eine Anzahl von derzeit bevorzugten Ausführungsformen der Vorrichtung für die Gewinnung von Messungen einer Probe beschrieben worden sind, wird die folgende Beschreibung auf die Verwendung dieser Vorrichtung mit ionenimplantierten Proben oder Proben anderen Typs konzentriert.
Zunächst wird angemerkt, daß es innerhalb des Umfangs dieser Erfindung liegt, Computersimulationen zu verwen den, um die Änderung des optischen Reflexionsvermögens ΔR_sim(t) der Probe zu berechnen, wenn sie mit einem Pumpimpuls mit Einheitsenergie pro Einheitsgebiet der Probe beleuchtet wird. Die Simulation kann auch einen Wert für den statischen Reflexionskoeffizienten der Pump- und Abtaststrahlen ergeben. Das System mißt die transiente Änderung ΔP_Abtast-refl der Leistung des reflektierten Abtastimpulses, die beispielsweise durch die Photodiode D1 in 1C bestimmt wird. Es mißt außerdem die statischen Reflexionskoeffizienten der Pump- und Abtaststrahlen aus dem Verhältnis der Leistung der auftreffenden und reflektierten Strahlen. Die auftreffende Abtastleistung wird durch die Photodiode D2 in 1C gemessen, während die reflektierte Abtastleistung durch D1 gemessen wird, die auftreffende Pumpleistung durch D4 gemessen wird und die reflektierte Pumpleistung durch D3 gemessen wird.
Um diese Simulationsergebnisse für die transiente Änderung des optischen Reflexionsvermögens mit der tatsächlichen Systemmessung in Beziehung zu setzen, ist es vorteilhaft, (a) die Leistung der Pump- und Abtaststrahlen; (b) die Intensitätsprofile dieser Strahlen; und (c) ihre Überlappung auf der Probenoberfläche zu kennen.
Zunächst wird angenommen, daß der Pumpstrahl auf ein Gebiet A_Pump auftrifft und daß innerhalb dieses Gebiets die Pumpintensität gleichmäßig ist. Dann ist die pro Einheitsgebiet absorbierte Pumpenergie für jeden angelegten Pumpimpuls gleich
wobei f die Wiederholrate des Pumpimpulszugs ist und R_Pump der Reflexionskoeffizient für den Pumpstrahl ist.
Somit ist die Änderung des optischen Reflexionsvermögens jedes Abtastlichtimpulses gleich
während die Änderung der Leistung des reflektierten Abtaststrahls gegeben ist durch
In einem praktischen System erzeugt die Beleuchtung der Probe tatsächlich keine gleichmäßige Intensität des auftreffenden Pumpstrahls. Darüber hinaus ändert sich die Intensität des Abtastlichts auch mit der Position auf der Probenoberfläche. Um diese Änderungen zu berücksichtigen, wird die Gleichung für ΔP_Abtast-refl folgendermaßen modifiziert:
wobei die effektive Fläche A_effektiv durch die folgende Beziehung definiert ist:
wobei I_Abtast-auftr(r) und I_Pump-auftr(r) die Intensitäten der Abtast- bzw. Pumpstrahlen auf der Oberfläche der Probe sind. Die Größe A_effektiv kann als effektives Überlappungsgebiet der Pump- und Abtaststrahlen angesehen werden.
Analoge Ausdrücke können für die Änderung des optischen Durchlaßgrades ΔT(t), die Änderung der optischen Phase Δϕ(t), die Änderung der Polarisation ΔP(t) und die Änderung Δβ(t) des Reflexionswinkels des Abtastlichts abgeleitet werden.
Die folgenden Größen können durch das System gemessen werden: ΔP_Abtast-refl, P_Abtast-auftr, P_Pump-auftr, R_Pump, R_Abtast. Eine Computersimulation ergibt Vorhersagewerte für ΔR_sim(t), R_Pump und R_Abtast. Somit können die folgenden Vergleiche zwischen der Simulation und den Systemmessungen vorgenommen werden, um die Eigenschaften der Probe zu bestimmen.

(1) Ein Vergleich des simulierten und des gemessenen Reflexionskoeffizienten R_Pump.
(2) Ein Vergleich zwischen dem simulierten und dem gemessenen Reflexionskoeffizienten R_Abtast.
(3) Ein Vergleich zwischen der simulierten und der gemessenen transienten Änderung ΔP_Abtast-refl der Leistung des reflektierten Abtastlichts.

Aus der obigen Gleichung (4) geht hervor, daß es für einen Vergleich der simulierten und der gemessenen Änderungen notwendig ist, den Wert von A_effektiv zu kennen. Dies kann durch eines oder mehrere der folgenden Verfahren erzielt werden.

(a) Ein erstes Verfahren mißt direkt die Intensitätsänderungen der Pump- und Abtaststrahlen über der Oberfläche der Probe, d. h. I_Abtast-auftr(r →) und I_Pump-auftr(r →) als Funktion der Position, und verwendet die Ergebnisse dieser Messungen, um A_effektiv zu berechnen. Dies kann ausgeführt werden, erfordert jedoch sehr sorgfältige Messungen, die in einer industriellen Umgebung schwer zu erhalten sein könnten.
(b) Ein zweites Verfahren mißt die transiente Antwort ΔP_Abtast-refl für eine Probe in einem System S, für das das Gebiet A_effektiv bekannt ist. Dieses Verfahren mißt dann die Antwort ΔP_Abtast-refl derselben Probe im System S', für die A_effektiv bestimmt werden soll. Das Verhältnis der Antworten in den beiden Systemen ergibt den Kehrwert des Verhältnisses der effektiven Gebiete für die beiden Systeme. Dies kann ein wirksames Verfahren sein, weil das System S als speziell konstruiertes System gewählt werden kann, in dem die durch die Pump- und Abtaststrahlen beleuchteten Gebiete größer sind, als es für ein Instrument mit schneller Meßfähigkeit wünschenswert wäre. Da die Gebiete für dieses System groß sind, können die Intensitätsänderungen der Pump- und Abtaststrahlen über die Oberfläche der Probe, d. h. I_Abtast-auftr(r →) und I_Pump-auftr(r →) als Funktion der Position einfacher gemessen werden. Dieses Verfahren ist selbst dann wirksam, wenn die Größen, die in die Berechnung der simulierten Änderung des Reflexionsvermögens ΔR_sim(t) eingehen, nicht bekannt sind.
(c) Ein drittes Verfahren mißt die transiente Antwort ΔP_Abtast-refl für eine Probe, in der sämtliche Größen bekannt sind, die in die Berechnung der simulierten Änderung des Reflexionsvermögens ΔR_sim(t) der Probe eingehen, wenn sie mit einem Pumpimpuls mit Einheitsenergie pro Einheitsgebiet der Probe beleuchtet wird. Dann wird durch Vergleich der gemessenen transienten Antwort ΔP_Abtast-refl mit der aus Gleichung (4) vorhergesagten Antwort das effektive Gebiet A_effektiv bestimmt.

Die obige genaue Beschreibung von Verfahren, die Simulationsergebnisse für die transiente Änderung des optischen Reflexionsvermögens und andere transiente optische Antworten in Beziehung setzen, ist nur anwendbar, falls die Änderungen der optischen Eigenschaften, die durch den Pumpimpuls induziert werden, zur Intensität dieses Impulses direkt proportional sind. Falls die Antworten nicht zur Intensität des Pumpimpulses proportional sind, ist es notwendig, das Verfahren (a) zu verwenden.
Es ist wichtig, daß das effektive Gebiet A_effektiv im gesamten Verlauf einer Folge von Messungen stabil ist. Um dies sicherzustellen, enthalten die in den 1A–1E gezeigten Vorrichtungen Einrichtungen zum automatischen Fokussieren der Pump- und Abtaststrahlen auf der Oberfläche der Probe, um so eine reproduzierbare Intensitätsänderung der beiden Strahlen während jeder Messung zu erhalten. Das automatische Fokussierungssystem schafft einen Mechanismus, der das System in einem im voraus bestimmten Zustand hält, in dem die Größe und die relativen Positionen der Strahlen auf der Probenoberfläche für effektive Messungen der transienten Antwort geeignet sind.
Es sollte angemerkt werden, daß für irgendeine Anwendung, in der die Amplitude einer optischen transienten Antwort verwendet wird, um quantitative Schlüsse auf eine Probe zu ziehen, ein Kalibrierungsschema wie oben beschrieben ein wichtiges Merkmal des Meßsystems ist.
Die vorangehende Beschreibung des Verfahrens für den Vergleich der Computersimulationsergebnisse mit den Systemmessungen nimmt an, daß die mehreren Detektoren im Meßsystem kalibriert sind. Ein solches System sollte Detektoren verwenden, die im linearen Bereich arbeiten, so daß die Ausgangsspannung V jedes Detektors zur auftreffenden optischen Leistung P proportional ist. Für jeden Detektor gibt es daher eine Konstante G, derart, das V = GP. Die vorangehende Beschreibung nimmt an, daß die Konstante G für jeden Detektor bekannt ist. Falls diese Informationen nicht verfügbar sind, können die einzelnen Kalibrierungsfaktoren, die jedem der einzelnen Detektoren, die P_Abtast-auftr, P_Pump-auftr und ΔP_Abtast-refl messen, mit A_effektiv und f zu einer einzigen Gesamtsystem-Kalibrierungskonstante C kombiniert werden. Daher könnte Gleichung (4) anhand eines Kalibrierungsfaktors C folgendermaßen ausgedrückt werden: ΔVAbtast-refl = = C VAbtast-auftr ΔRsim(t) VPump-auftr(1-RPump) (6)wobei ΔV_Abtast-refl die Ausgangsspannung des Detektors ist, der für die Messung der Änderung der Leistung des reflektierten Abtastlichts verwendet wird (D1), V_Pump-auftr die Ausgangsspannung des Detektors ist, der für die Messung des auftreffenden Pumplichts verwendet wird (D4), und V_Abtast-auftr die Ausgangsspannung des Detektors ist, der für die Messung des auftreffenden Abtastlichts verwendet wird (D2). Somit ist es ausreichend, die Konstante C zu bestimmen. Dies kann durch eines der beiden folgenden Verfahren erzielt werden.

(a) Ein erstes Verfahren mißt die transiente Antwort ΔV_Abtast-refl für eine Probe, in der sämtliche Größen bekannt sind, die in die Berechnung der simulierten Änderung des Reflexionsvermögens ΔR_sim(t) der Probe eingehen, wenn sie mit einem Pumpimpuls mit Einheitsenergie pro Einheitsgebiet der Probe beleuchtet wird. Dann mißt das Verfahren V_Abtast-auftr und V_Pump-auftr und bestimmt R_Pump entweder durch Messung oder aus der Computersimulation. Das Verfahren ermittelt dann den Wert der Konstante C, derart, daß Gleichung (6) erfüllt ist.
(b) Ein zweites Verfahren mißt die transiente Antwort ΔV_Abtast-refl für eine Referenzprobe, für die die transiente optische Antwort ΔR(t) unter Verwendung eines im voraus kalibrierten Systems beispielsweise mit einem oder mehreren der obenbeschriebenen Verfahren gemessen worden ist, wenn die Probe mit einem Pumpimpuls mit Einheits energie pro Einheitsgebiet der Probe beleuchtet wird. Das Verfahren mißt dann V_Abtast-auftr und V_Pump-auftr, bestimmt R_Pump durch Messung und ermittelt dann den Wert der Konstante C, derart, daß die folgende Gleichung erfüllt ist: ΔVAbtast-refl = = C VAbtast-auftr ΔR(t) VPump-auftr (1 – RPump) (7)

Für diese beiden Verfahren ist es wünschenswert, die Autofokussierungsbedingungen vor der Ausführung der Messungen von ΔV_Abtast-refl herzustellen, da C vom Wert von A_effektiv abhängt.
Die Graphen der 6A–6B zeigen Daten, die aus vier mit Bor implantierten Wafern (mit B1–B4 bezeichnet) erhalten wurden. In jedem Graphen ist die Änderung ΔR(t) des optischen Reflexionsvermögens als Funktion der Zeit, nachdem der Pumpimpuls in der Probe absorbiert worden ist (t₀ in den 7A und 7F), aufgetragen. Die Implantationsenergie betrug für jeden Wafer 40 keV, wobei die Dosierungen in Tabelle 1 gezeigt sind. Tabelle 1

PROBENNUMMER DOSIERUNG (cm^–2)

B1 0

B2 5 × 10¹⁰

B3 5 × 10¹¹

B4 5 × 10¹²
4 zeigt die Probe 30, die ein Halbleitermaterial wie etwa Silicium enthält und einen Implantationsbereich besitzt, der unter der Oberfläche 30a liegt. Der Implantationsbereich enthält implantierte Atome und Störstel len, die gemeinsam mit 31 bezeichnet sind. Die Tiefe des Implantationsbereichs ist neben anderen Faktoren eine Funktion der Masse des implantierten Ions, der kristallinen Eigenschaft des Probenmaterials, das darüberliegende Schichten enthalten kann, und der Implantationsenergie.
Die Graphen der 6A und 6B zeigen Daten, die angeben, daß die Wiederherstellungsrate des Halbleitermaterials nach der Erregung mit zunehmender Dosierung und zunehmender Implantationsenergie monoton ansteigt. Die größte Änderung des Reflexionsvermögens tritt innerhalb der ersten wenigen Pikosekunden nach Anwendung des Pumpimpulses auf.
Eine bevorzugte Prozedur für die Erhaltung der genauesten Schätzung der Implantationsdosierung für eine unbekannte Testprobe ist die folgende. Zunächst werden für irgendeine Anzahl bekannter Testproben ΔR(t)-Daten für Implantationspegel in einem Bereich, der den Dosierungspegel der Testprobe umfaßt, z. B. zwischen 10¹⁰ cm^–2 und 5 × 10¹⁰ cm^–2, aufgenommen. Diese Referenzdaten können in einer Datenspeichervorrichtung gespeichert werden. Dann wird eine Interpolation zwischen den verschiedenen bekannten Proben ausgeführt, um geschätzte Kurven von ΔR(t) für dazwischenliegende Implantationsdosen zu finden. Drittens wird ein Vergleich zwischen den interpolierten Kurven und der oder den Kurven ausgeführt, die aus einer unbekannten Probe erhalten werden, um die Implantationsdosis der unbekannten Probe zu bestimmen.
Es sollte angemerkt werden, daß es nicht erforderlich ist, die gesamte Kurve von ΔR(t) als Funktion der Zeit zu messen. Statt dessen kann ΔR(t) für eine bestimmte Anzahl (z. B. drei) geeignet gewählter Zeitpunkte gemessen werden, wobei die Analyse anhand der zu den gewählten Zeitpunkten erhaltenen Ergebnisse ausgeführt wird. Ledig lich beispielhaft und mit Bezug auf 6B könnte es wünschenswert sein, ΔR(t) nur zu Zeitpunkten von 50, 100 und 150 ps oder zu Zeitpunkten von 50, 250 und 500 ps zu bestimmen und die ΔR(t)-Kurvenform aus den Meßpunkten zu interpolieren. Es sind auch Daten für eine Anzahl anderer Implantationsspezies einschließlich As, Ge, Si, BF₂, H und P erhalten worden. Im allgemeinen sind die Formen der Kurven von ΔR(t) den Ergebnissen für Bor, die in den 6A–6B gezeigt sind, qualitativ ähnlich.
Beispielsweise zeigen die oberen ΔR(t)-Kurven in 10A Daten, die mit Si- und P-Ionen, die in die Oberfläche 30a einer Siliciumprobe 30 implantiert wurden, erhalten worden. Die Dosis betrug 10¹⁴ cm^–2 und die Implantationsenergie betrug 30 keV. Die beiden unteren Kurven zeigen Daten, die für dieselben Proben nach einem Glühen bei 950°C für 30 Minuten entnommen wurden. Diese Messungen zeigen, daß die Erfindung als Test verwendet werden kann, um zu bestätigen, daß das Glühen einer Implantationsbeschädigung ausgeführt worden ist.
10B zeigt einen Aspekt der Erfindung, wobei die Implantationsenergie aus der Messung von ΔR(t) bestimmt werden kann. Es sind Messungen für drei Siliciumwafer gezeigt, die mit B-Ionen mit einer Dichte von 10¹² cm^–2 implantiert wurden. Die Proben wurden mit Ionenenergien von 30, 50 und 100 keV wie in der Figur angegeben implantiert. Es sollte angemerkt werden, daß diese drei Datensätze jeweils unabhängig skaliert wurden, so daß die maximale Änderung des Reflexionsvermögens auf Einheitsgröße normiert ist.
10C zeigt einen Aspekt der Erfindung, wobei die Implantationsdosis durch eine darüberliegende Schicht bestimmt werden kann, die die Pump- oder Abtaststrahlen nicht erheblich absorbiert. Es sind Messungen für drei Siliciumwafer gezeigt, die mit B-Ionen mit einer Dichte von 10¹² cm^–2 implantiert wurden. Die Proben wurden mit Ionenenergien von 30, 50 und 100 keV implantiert, wie in der Figur angegeben ist. Jede Siliciumprobe wurde mit einer Schicht aus einem dielektrischen Material, insbesondere SiO₂, mit einer Nenndicke von ungefähr 220 Å, beschichtet. Es ist offensichtlich, daß das Meßsystem gemäß der Lehre dieser Erfindung die Implantationsdosis durch einen darüberliegenden Film oder eine darüberliegende Schicht aus einem Material, das die Wellenlänge(n) von Interesse (z. B. eine Wellenlänge im Bereich von 700 bis 800 nm im vorliegenden Beispiel) nicht stark absorbiert, kennzeichnen kann.
10A zeigt Ergebnisse, die mit dem Pump- und dem Abtastlicht erhalten wurden, das eine Wellenlänge in einem Bereich in der Umgebung von 750 nm hat. 10D zeigt Daten, die aus denselben Wafern bei Verwendung von Pump- und Abtastlicht mit einer Wellenlänge um 400 nm erhalten wurden. In diesem Wellenlängenbereich ist die optische Absorption erheblich größer. Die hohe Absorption von Licht in der Schicht in der Nähe der Oberfläche bildet eine Beanspruchung, die eine mechanische Welle hervorruft, die in die Struktur eingeleitet wird. Wenn sich diese Welle ausbreitet und sich von der Oberfläche entfernt, erzeugt sie eine lokale Modifikation der optischen Eigenschaften des Wafers. Der Abtastlichtimpuls unterliegt einer Teilreflexion am momentanen Ort der mechanischen Welle. Die Interferenz zwischen dem Teil des Abtastlichtimpulses, der an der mechanischen Welle reflektiert wird, und dem Teil des Abtastlichts, das an der Oberfläche des Wafers reflektiert wird, gibt Anlaß zu Oszillationen ΔR(t), was in 10 (D) zu sehen ist. In den geglühten Wafern ist die optische Absorption im Implantationsbereich in der Nähe der Waferoberfläche nicht groß. Folglich wird eine schwächere mechanische Welle erzeugt und sind die Oszillationen von ΔR(t) kleiner. Somit ergibt die Bestimmung der Stärke der Oszillationen ein weiteres Mittel, um den Zustand der ionenimplantierten Schicht in der Nähe der Oberfläche des Wafers zu bewerten.
Es ist möglich, daß die Ergebnisse für ΔR(t) für eine gegebene Implantationsdosis und eine gegebene Implantationsenergie in gewissem Ausmaß durch mehrere andere Parameter beeinflußt werden. Diese können den Strahlstrom pro Einheitsfläche während des Implantationsprozesses, die Dotierung des Halbleitermaterials (falls vorhanden), andere Merkmale der Oberflächenvorbereitung und die Intensität der Laserimpulse, die für die Messung verwendet werden, umfassen. Falls dies der Fall ist, ist es wünschenswert, daß die bekannten Proben ebenfalls in der gleichen oder in ähnlicher Weise wie die unbekannten Proben vorbereitet und/oder gekennzeichnet werden.
Nun wird auf die 7A–7E Bezug genommen, wobei angenommen wird, daß die beobachteten Wirkungen folgendermaßen verstanden werden können. Wie in 7A gezeigt ist, wird ein Anteil des Pumpimpulses im Implantationsbereich absorbiert, während der Rest in der Probe 30 absorbiert wird. Die Absorptionslänge (d) der Probe hängt von der Wellenlänge ab. Für den Wellenlängenbereich von 700 nm bis 750 nm beträgt die Absorptionslänge für eine Siliciumprobe typischerweise 7 Mikrometer. Die Absorption des Pumpimpulses hat die Erzeugung von Ladungsträgern zur Folge, d. h. es werden auf der gesamten Absorptionsstrecke Elektronen (e^–) und Löcher (e⁺) erzeugt. Die freien Elektronen und Löcher beeinflussen die optischen "Konstanten" der Halbleiterprobe und haben eine Änderung des Reflexionsvermögens zur Folge.
In einer ionenimplantierten Probe erfolgt eine schnelle Rekombination der Ladungsträger an oder in der Nähe der Oberfläche 30a. 7B zeigt die Diffusion der Ladungsträger in dem Implantationsbereich und in dem umgebenden Bereich ohne Implantation der Probe. Die Rate, mit der die erregten Träger entfernt werden, wird durch die Rate der Oberflächenrekombination zusammen mit den Diffusionskoeffizienten von Elektronen und Löchern im Halbleitermaterial bestimmt. Innerhalb des Implantationsbereichs unterscheidet sich die Entfernung der Ladungsträger aufgrund der Rekombination und des Einfangs an Störstellen erheblich von dem, was im Halbleitermaterial ohne Implantation geschieht.
Daher und im Gegensatz zu dem obenerwähnten Bericht von F.E. Doany u. a., in dem ein Dünnfilm aus einem Halbleitermaterial untersucht wurde, müssen die Ladungsträger diffundieren, bevor sie mit den implantierten Ionen und Störstellen in der Nähe der Materialoberfläche in Wechselwirkung treten können.
7C zeigt einem ersten Abtastimpuls, der zum Zeitpunkt t₂ ankommt, beispielsweise 10 Pikosekunden nach der Ankunft des Pumpimpulses (t₀), und auf den Implantationsbereich auftrifft. 7D zeigt ebenfalls den ersten Abtastimpuls, der zum Zeitpunkt t₂ ankommt, der jedoch im Bereich ohne Implantation auftrifft. In diesem Fall ist klar, daß die optischen Eigenschaften der Bereiche mit und ohne Implantation unterschiedlich sind und daß die sich ergebende Änderung des optischen Reflexionsvermögens der Probe gegenüber dem Abtaststrahl ebenfalls unterschiedlich ist. 7E zeigt einen zweiten Abtastimpuls, der zum Zeitpunkt t₃, beispielsweise 20 Pikosekunden nach der Ankunft des Pumpimpulses (t₀), ankommt und auf den Implantationsbereich auftrifft. Der Vergleich der 7C und 7E ergibt, daß während der weiteren 10 Pikosekunden, die seit der Absorption des Pumpimpulses verstreichen, die wenigeren Ladungsträger innerhalb des Implantationsbereichs bleiben. Die Verringerung der Anzahl der Ladungsträger hat eine entsprechende und meßbare Änderung der optischen Konstanten der Probe und beispielsweise eine zeitabhängige Änderung des Reflexionsvermögens der Probe 30 gegenüber dem Abtaststrahl zur Folge.
Diese Erfindung nutzt die obenbeschriebenen Mechanismen, um eine Änderung der Reflexion, der Polarisation, der Phase usw. aufgrund einer Änderung optischer Konstanten über die Zeit hinweg zu messen und um diese Änderung mit einer Implantationsdosierung und/oder der Implantationsenergie und/oder der Dotierstoff-Spezies und/oder dem Vorhandensein oder Fehlen implantierter chemischer Spezies innerhalb eines Bereichs einer Probe, dem Pegel der mit der Implantation in Beziehung stehenden Beschädigung und anderen Effekten, die mit der Einleitung einer chemischen Spezies in eine Probe in Beziehung stehen, zu korrelieren.
9 verdeutlicht, daß die Pump- und Abtastimpulse paarweise angelegt werden können. Das heißt, daß für jeden Pumpimpuls an die Probe ein einzelner Abtastimpuls angelegt wird, um die Änderung des Reflexionsvermögens zu messen. Beispielsweise wird für eine Reihe von Pumpimpulsen, wovon jeder so definiert ist, daß er zum Zeitpunkt t₀ angelegt wird, ein entsprechender Abtastimpuls mit unterschiedlichen Zeitverzögerungen (t_D) von t₁, t₂, t₃ und t_max angelegt. Der Abstand zwischen Pumpimpulsen (z. B. 1/75 MHz oder 13,3 Nanosekunden) stellt sicher, daß die optischen Wirkungen, die sich aus dem vorhergehenden Pumpimpuls ergeben, vor dem Anlegen des nächsten Pumpimpulses klein geworden sind.
Es liegt ebenfalls innerhalb des Umfangs dieser Erfindung, einen einzelnen Pumpimpuls, gefolgt von zwei oder mehr Abtastimpulsen, anzulegen. Ebenfalls innerhalb des Umfangs dieser Erfindung liegt, einen oder mehr Pumpimpulse und einen dauerstrichartigen oder im wesentlichen dauerstrichartigen Abtaststrahl anzulegen.
Aus 9 geht hervor, daß diese Erfindung eine Kennzeichnung eines implantierten oder diffundierten Bereichs in einer sehr kurzen Zeitperiode ermöglicht. Das heißt, und unter der Annahme, daß drei Abtastimpulse verwendet werden und daß die resultierenden Reflexionsvermögen-Messungen für die Interpolation der ΔR(t)-Kurve verwendet werden, ein gesamter Meßzyklus in ungefähr 40 Nanosekunden oder der Zeit, die für die Erzeugung dreier aufeinanderfolgender Pumpimpulse (und entsprechender Abtastimpulse) mit einer Rate von 75 MHz erforderlich ist, erschlossen werden kann. Um jedoch Änderungen der optischen Abtast- und Pumpimpulse zu kompensieren, werden vorzugsweise Meßreihen über eine längere Zeitperiode vorgenommen und dann gemittelt, um den Rauschabstand zu verbessern.
Es liegt innerhalb des Umfangs dieser Erfindung, die Wellenlänge der Pump- und/oder Abtastimpulse während eines Meßzyklus zu ändern und andere Wellenlängen als jene im Bereich von 700 nm bis 750 nm zu verwenden. Eine Änderung von λ kann die Datenerfassungszeit ebenfalls erheblich verringern. In ähnlicher Weise sollte eine Verringerung der Lichtfleckgröße auf der Oberfläche 30a die Meßzeit verringern.
Es liegt auch innerhalb des Umfangs dieser Erfindung, eine Folge von Pumpimpulsen mit einer ersten Frequenz (f₁) und eine Folge von Abtastimpulsen mit einer zweiten Frequenz (f₂), wobei f₂ ≠ f₁ ist, zu erzeugen. In diesem Fall kann ein Signalmittler mit einer Rate, die gleich f₁–f₂ ist, getriggert werden.
Weiterhin ist die Lehre dieser Erfindung auf eine Anzahl unterschiedlicher Typen von Probenmaterialien, die von Si verschieden sind und Ge, Legierungsmaterialien der Gruppe III–V (z. B. GaAs, GaAlAs) und Legierungsmaterialien der Gruppe II–VI umfassen, anwendbar, ohne jedoch darauf eingeschränkt zu sein. Die Lehre dieser Erfindung ist außerdem nicht auf die Verwendung lediglich der spezifischen chemischen Spezies, die oben beschrieben worden sind, eingeschränkt. Ferner ist das Meßsystem gemäß der Lehre dieser Erfindung auch gut für Meßproben geeignet, in die chemische Spezies von einer Festkörper-, Flüssigkeits- oder Gasquelle diffundiert worden sind und bei der ein Ausmaß der physikalischen Beschädigung der Probe vernachlässigbar sein könnte.
In nochmals weiteren Ausführungsformen dieser Erfindung kann die Wellenlänge der Pump- und/oder Abtastimpuls-Strahlen für einen Energiepegel der chemischen Spezies, die in die Probe eingeleitet worden ist, gewählt oder auf diesen abgestimmt werden oder sie kann auf einen Energieübergang der Probe selbst abgestimmt werden, wodurch die Empfindlichkeit und die Desensibilisierung der Messung gegenüber Oberflächeneffekten verbessert wird. In nochmals weiteren Ausführungsformen dieser Erfindung und unter der Annahme, daß ein Photodetektor mit einer angemessenen Ansprechzeit verfügbar ist, kann der Abtastimpuls weggelassen werden und kann der Photodetektor verwendet werden, um eine Änderung der optischen Konstanten der Probe zu messen, die während des Pumpimpulses selbst auftritt.
Es sollte klar sein, daß die Lehre dieser Erfindung die Probleme beseitigt, die den optischen Meßsystemen, auf die weiter oben Bezug genommen wurde, inhärent sind. Beispielsweise arbeitet das Meßsystem dieser Erfindung in der Zeitdomäne und nicht in der Frequenzdomäne. Durch Untersuchen der Probe über sehr kurze Zeitskalen werden nur transiente Wirkungen betrachtet. Obwohl eine Hintergrund-Gleichgewichtspopulation von Ladungsträgern über eine Reihe von Pumpimpulsen erzeugt werden kann, untersucht das System dieser Erfindung nur die transiente Wirkung, die durch den jüngsten Pumpimpuls induziert wird, und ist nicht speziell von der Dynamik der Hintergrund-Gleichgewichtspopulation betroffen.
Ferner können die akustischen Techniken beispielsweise von Tauc u. a. als Ergänzung zum Meßsystem gemäß dieser Erfindung verwendet werden. Beispielsweise kann die akustische Technik verwendet werden, um die Tiefe eines Implantationsbereichs zu messen, während die Meßtechnik dieser Erfindung verwendet werden kann, um die Dichte der Implantationsspezies zu bestimmen.
In einem weiteren Beispiel veranschaulichen die oberen ΔR(t)-Kurven in 10D Daten, die mit Si- und P-Ionen erhalten wurden, die in die Quelle 30a einer Siliciumprobe 30 implantiert wurden. Die Dosis betrug 10¹⁴ cm^–2, während die Implantationsenergie 30 keV betrug. Die beiden unteren Kurven zeigen Daten, die für dieselben Proben nach dem Glühen bei 950°C für 30 Minuten entnommen wurden. Diese Messungen wurden unter Verwendung von Pump- und Abtast-Lichtimpulsen mit einer Wellenlänge von 400 nm ausgeführt. Wie oben beschrieben worden ist, wird das Licht bei dieser kurzen Wellenlänge in einer Schicht in der Nähe der Oberfläche stark absorbiert, wobei in diesem Bereich eine Beanspruchung aufgebaut wird. Diese Beanspruchung leitet einen Beanspruchungsimpuls in das Innere des Wafers. Diese Beanspruchung bewirkt eine lokale Änderung der optischen Eigenschaften von Silicium. Wenn sich der Abtastlichtimpuls durch den Bereich bewegt, der den Beanspruchungsimpuls enthält, wird er teilweise reflektiert. Die Interferenz zwischen dieser reflektier ten Komponente des Abtastlichts und dem Anteil des Abtastlichts, der von der Oberfläche des Siliciumwafers reflektiert wird, ergibt einen Anstieg der Oszillationen des optischen Reflexionsvermögens, wie aus 10D ersichtlich ist. Die Größe und außerdem die Frequenz dieser Oszillationen können als Abtastung der Ionendichte und des Ausmaßes, in dem die Beschädigung geglüht worden ist, verwendet werden.
Es sollte ferner wahrgenommen werden, daß, während die Wellenlänge der Pumpstrahlung für die Erzeugung von Elektronen und Löchern in der Halbleiterprobe geeignet sein sollte, die Wellenlänge der Abtaststrahlung nicht in dieser Weise eingeschränkt ist.
Ein wichtiger Aspekt dieser Erfindung ist, daß Messungen in einer sehr kurzen Zeitskala erfolgen, die typischerweise kleiner als eine Nanosekunde ist. Aufgrund dieser sehr kurzen Zeitskala bewegen sich die durch den Pumplichtimpuls injizierten Träger in den Oberflächenbereich der Probe, wo das elektrische Oberflächenfeld und die Oberflächendotierung eine große Wirkung haben. Messungen über längere Zeitskalen könnten den Typ von Informationen, die durch die Verwendung der vorliegenden Erfindung erhalten werden können, nicht angeben.
Nun werden mehrere Beispiele für Anwendungen angegeben, auf die die Lehre dieser Erfindung vorteilhaft angewendet werden kann.
Eine nützliche Anwendung bildet eine Halbleiterprobe, in der ein p-n-Übergang durch Dotierung, beispielsweise mittels Diffusion oder Implantation, gebildet worden ist. In diesem Fall hängen die Größe und die Richtung des elektrischen Feldes in dem Bereich des Übergangs von der genauen Verteilung der elektrisch aktiven Fremdatome in der Probe ab. Das Verhalten der durch einen optischen Pumpimpuls injizierten elektrischen Träger in der Umgebung des Übergangs unterliegt in berechenbarer Weise der Dotierstoffverteilung und des zugeordneten elektrischen Feldes. Aus einem geeigneten Modell des Übergangs können das zeitliche Verhalten der injizierten Träger und die Wirkungen dieser Träger auf das optische Reflexionsvermögen der Probe, wenn sie sich im elektrischen Feld bewegen, berechnet werden. In ähnlicher Weise können die Dotierstoffkonzentration und die Dotierstoffverteilung in der Probe durch bestimmte Parameter, beispielsweise der Dotierstoffkonzentration beiderseits des Übergangs, der metallurgischen Breite des Übergangs und der absoluten Dielektrizitätskonstante des Halbleiters, dargestellt werden, wobei diese Parameter innerhalb des Modells eingestellt werden können, um eine Simulation mit der besten Übereinstimmung mit den Daten des gemessenen optischen Reflexionsvermögens über eine geeignete Zeitperiode zu erhalten. In dieser Weise kann der p-n-Übergang durch das ultraschnelle optische System dieser Erfindung gekennzeichnet werden.
Eine weitere nützliche Anwendung ist eine implantierte Probe, die eine Restimplantationsbeschädigung enthält und eine Oberflächenladung besitzt, die möglicherweise das Ergebnis elektrisch geladener Störstellen ist, die durch den Implantationsprozeß verursacht sind. Für eine Modellierung der Pikosekunden-Änderung des Reflexionsvermögens in einer solchen Probe und für die anschließende Einstellung der Parameter des Modells, um sie mit einer Messung in Übereinstimmung zu bringen, ist es notwendig, Probenparameter aufzunehmen, die das elektrische Feld der Oberfläche in der Probe sowie die elektrische Dotierstoffkonzentration, die ambipolare Diffusion sowie die Rekombinationsraten für Elektronen und Löcher berücksichtigen.
Eine weitere nützliche Anwendung ist eine Probe, die eine vernachlässigbare Implantationsbeschädigung besitzt, beispielsweise könnte sie geglüht oder nicht dotiert worden sein oder durch ein anderes Mittel als die Implantation dotiert worden sein, die jedoch ein Oberflächenoxid besitzt, das eine Konzentration elektrischer Ladungen enthält, die unbekannt sein kann. In diesem Fall wird die ambipolare Diffusionsrate in der Probe im wesentlichen gleich derjenigen im Material ohne Implantation sein, wobei das Verhalten der Phototräger, die durch den Pumpimpuls injiziert werden, durch das elektrische Feld aufgrund der elektrisch geladenen Oberflächenoxidschicht dominiert wird. Das elektrische Feld hängt außerdem von der Dotierstoffkonzentration im Halbleiter ab, die unbekannt sein kann. Da es möglich ist, das elektrische Feld in der Probe unter Berücksichtigung all dieser Faktoren zu berechnen und da es möglich ist, die Bewegung der photoinjizierten Träger in diesem Feld zu berechnen, ist es möglich, die Dotierstoffkonzentration und die Oberflächenoxidladung durch Einstellen geeigneter Parameter in einem Modell einer solchen Probe, um eine Übereinstimmung mit der Messung eines transienten Pikosekunden-Reflexionsvermögens zu erhalten, zu messen.
Verfahren zum Berechnen der elektrischen Felder in einem Halbleiter, die durch Dotierstoffgradienten und Oberflächenladungen bedingt sind, sind in der Technik wohlbekannt. Literaturstellen hierfür sind S.M. Sze, "Physics of Semiconductor Devices", New York: John Wiley and Sons, 1969, und außerdem A.S. Grove "Physics and Technology of Semiconductor Devices", New York: John Wiley and Sons, 1967.
Eine weitere nützliche Anwendung ist eine Halbleiterprobe, die eine geringe oder keine Beschädigung besitzen kann, die jedoch Dotierstoffe und möglicherweise andere Fremdatome enthalten kann, die jedoch nicht als Dotierstoffe angesehen werden, weil sie sogenannte Tiefpegel-Einfangstellen in das Halbleitermaterial einführen. Der Halbleiter kann wie im vorhergehenden Fall auch elektrische Oberflächenladungen besitzen, die Anlaß für ein elektrisches Feld geben. Die Tiefpegel-Einfangstellen schaffen einen Mechanismus, damit die durch den Pumpimpuls injizierten Phototräger rekombinieren. Die Rate, mit der die Rekombination erfolgt, kann durch die Minoritätsträger-Lebensdauer oder alternativ durch eine Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit gekennzeichnet werden. Durch Ausführen einer Messung des transienten Pikosekunden-Abfalls des Reflexionsvermögens der Probe und durch Herstellen einer Beziehung zwischen ihr und der Population und der Verteilung der injizierten Träger kann die Minoritätsträgerlebensdauer oder die Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit bestimmt werden. Da ferner diese Parameter von der Menge der Fremdatome in einem Halbleiterwafer anhängen, kann die gemessene Lebensdauer oder die gemessene Rekombinationsgeschwindigkeit mit einer Fremdatomkonzentration in Beziehung gesetzt werden.
Alle oben aufgelisteten Beispiele können durch ein angelegtes elektrisches Feld, durch optische Beleuchtung oder durch eine Änderung der Temperatur der Probe beeinflußt werden. Gemäß einem Aspekt dieser Erfindung ermöglichen Messungen, die als Funktion eines oder mehrerer dieser Parameter ausgeführt werden, eine verständlichere Messung der Probeneigenschaften, z. B. der Oberflächenladung, der Dotierstoffkonzentration, der Einfangstellendichte und der Minoritätsträgerlebensdauer. In einem Aspekt ermöglicht daher die Lehre dieser Erfindung, eine auf die Ladungsträger bezogene Eigenschaft eines Halbleitermaterials (wie etwa die Träger-Lebensdauer, die Träger-Mobilität usw.) zu bestimmen.
Es liegt auch innerhalb des Umfangs der Lehre dieser Erfindung, ein externes elektrisches Feld an die Probe anzulegen, das wiederum zu einer Änderung der Zeitabhängigkeit der Trägerverteilung führt. Eine Analyse dieser Änderung kann weitere Informationen über die zu bestimmenden Größen liefern. Das elektrische Feld kann durch eines oder mehrere der folgenden Verfahren angelegt werden.
Wie in 8A gezeigt ist, wird in einem ersten Verfahren eine halbdurchlässige Elektrode 33a auf die Oberseite der Probe aufgebracht, wobei die Elektrode 33a einen Bereich besitzt, der wenigstens die Größe der fokussierten Pump- und Abtaststrahlen besitzt. In dieser Ausführungsform kann die Halbleiterprobe ein Oxid oder eine andere dielektrische Schicht 31b enthalten, die Ladungsträger enthalten oder nicht enthalten kann.
In einem zweiten Verfahren wird die halbdurchlässige Elektrode 33a in engem Kontakt mit der Oberfläche der Probe vorgesehen, sie wird jedoch nicht wirklich auf der Probe hergestellt. Beispielsweise wird die Elektrode auf einem weiteren (durchlässigen) Substrat hergestellt und dann mit der Oberfläche der Probe in Kontakt gebracht.
Wie in 8B gezeigt ist, wird in einem dritten Verfahren eine Elektrode 32b mit einer konischen Spitze in großer Nähe zu der Oberfläche der Probe gehalten, um eine bekannte Ladungsmenge auf die Oberfläche einer Isolierschicht zu induzieren.
Wenn ein extern angelegtes elektrisches Feld verwendet wird, liegen mehrere verschiedene Prozeduren für die Ausführung der Messungen innerhalb des Umfangs dieser Erfindung. Diese umfassen die folgenden Prozeduren, ohne jedoch notwendig darauf eingeschränkt zu sein.

(1) ΔR(t) wird für eine feste Zeitverzögerung t zwischen dem Pumpstrahl und dem Abtaststrahl gemessen, während das angelegte Feld über einem geeigneten Bereich geändert wird.
(2) ΔR(t) wird für eine feste Verzögerungszeit t gemessen, während das angelegte elektrische Feld um einen kleinen Betrag ΔE um einen konstanten Mittelwert E₀ moduliert wird. Somit wird die Ableitung dΔR(t)/dE gemessen.
(3) ΔR(t) wird als Funktion der Zeit für zwei unterschiedliche angelegte elektrische Felder E₁ und E₂ gemessen.

Andere Meßschemata könnten dem Fachmann anhand der obigen offenbarten Techniken deutlich werden.
Eine Änderung der Intensität des Pumpstrahls ändert die Anzahl der in der Probe erregten Träger. Für jede Intensität des Pumpstrahls kann die transiente Änderung des optischen Reflexionsvermögens ΔR(t) eine andere funktionale Form besitzen. Beispielsweise sind für zwei verschiedene Pumpintensitäten I₁ und I₂ die gemessenen Änderungen des Reflexionsvermögens durch ΔR₁(t) bzw. ΔR₂(t) gegeben. Dann hängt das Verhältnis von ΔR₁(t) zu ΔR₂(t) vom besonderen Zeitpunkt t, der betrachtet wird, ab, d. h. ΔR₁(t) und ΔR₂(t) erfüllen nicht die Beziehung ΔR₁(t) = c ΔR₂(t), wobei c zeitunabhängige Konstante ist. Somit kann es vorteilhaft sein, eine Probe ferner durch die Messung von ΔR(t) als eine Funktion der Intensität oder der Wellenlänge oder der Wellenlängenverteilung einer solchen Beleuchtung zu kennzeichnen.
Eine Änderung der Temperatur der Probe modifiziert die Anzahl der vor dem Anlegen des Pumpimpulses vorhandenen Träger und ändert außerdem die Rate, mit der die Träger eingefangen werden. Folglich wird ΔR(t) durch eine solche Änderung der Probentemperatur modifiziert. Somit ist es unter bestimmten Bedingungen möglich, Messungen als Funktion der Temperatur auszuführen oder sämtliche Messungen bei einer spezifischen Temperatur auszuführen. Diese Technik ermöglicht die Ausführung von Messungen unter Bedingungen, derart, daß die Ergebnisse für ein besonderes Attribut von größtem Interesse (z. B. Oberflächenladung, Dotierstoffkonzentration, Einfangstellendichte oder Minoritätsträgerlebensdauer) am empfindlichsten sind.
In einer weiteren Ausführungsform dieser Erfindung werden die Pump- und Abtastimpulse auf unterschiedliche Stellen auf der Oberfläche der Probe gerichtet. Dies kann durch Anlegen jeder Gruppe von Impulsen durch verschiedene Lichtleitfasern, wie in 3A veranschaulicht, möglicherweise unter Verwendung der Ausführungsform von 3B mit reduziertem Spitzendurchmesser, erzielt werden. Die Absorption der Pumpimpulse führt zur Erzeugung von Ladungsträgern im Halbleitermaterial, wie oben beschrieben worden ist. Indem die Pump- und Abtastimpulse in dieser Weise geführt werden, kann das System dieser Erfindung verwendet werden, um Eigenschaften der Bewegung, etwa der Mobilität, der Ladungsträger in einer Richtung parallel zur Oberfläche der Probe zu messen. Während der Messung kann ein elektrisches Feld angelegt werden und/oder kann die Temperatur geändert werden und/oder kann die Probe einer Beleuchtung ausgesetzt werden, wie oben beschrieben worden ist.
Ferner wird in Übereinstimmung mit den Lehren dieser Erfindung ein Verfahren zum Kennzeichnen einer Probe beschrieben, das die folgenden Schritte enthält. Ein erster Schritt sieht eine Datenbank gespeicherter Daten vor, die aus mehreren Referenzproben erhalten wurden. Die Daten für jede der mehreren Referenzproben werden als Antwort auf die Absorption eines Pumplichtimpulses in einem Abschnitt des Halbleitermaterials jeder Probe und als Antwort auf die Messung einer Änderung der optischen Konstanten, die durch einen zum Zeitpunkt t nach der Absorption des Pumplichtimpulses angelegten Abtastlichtimpuls angegeben wird, erzeugt. Ein nächster Schritt sieht eine zu kennzeichnende Halbleitermaterial-Probe vor, gefolgt von einem Schritt des Absorbierens des Pumplichtimpulses in einem Abschnitt des zu kennzeichnenden Halbleitermaterials, um in dem Halbleitermaterial Ladungsträger zu erzeugen. Ein nächster Schritt mißt Änderungen, die bei den optischen Konstanten auftreten und durch die Abtastlichtimpulse angegeben werden, die zu einer Zeit t nach der Absorption der Pumplichtimpulse angelegt werden. Dieses Verfahren führt dann einen Schritt des Vergleichens der gemessenen Änderungen mit den gespeicherten Daten und des Zuordnens der gemessenen Änderungen der optischen Konstanten an die Oberflächenladung und/oder die Dotierstoffkonzentration und/oder die Einfangstellendichte und/oder die Minoritätsträgerlebensdauer mit einer Referenzprobe, die gespeicherte Daten besitzt, die an die gemessenen Änderungen, die bei der zu kennzeichnenden Halbleitermaterial-Probe beobachtet wurden, am besten angepaßt sind, aus.
Die Lehre dieser Erfindung ist somit in Verbindung mit Vorrichtungen und Verfahren beschrieben worden, mit denen wenigstens eine transiente zeitabhängige Änderung der optischen Konstanten n und κ einer Probe in einem Bereich in der Nähe der Oberfläche der Probe und möglicherweise eine transiente zeitabhängige Änderung einer Verschiebung der Oberfläche induziert wird. Diese Änderungen führen zu einer Änderung ΔR(t) des optischen Reflexionsvermögens, einer Verschiebung δϕ(t) der Phase des reflektierten oder des durchgelassenen Lichts, zu einer Änderung des Polarisationszustandes des reflektierten Lichts und zu einer Änderung der Richtung des reflektierten oder durchgelassenen Lichts. Diese Änderungen hängen außerdem von der Polarisation und vom Auftreffwinkel des Abtastlichts ab. Die gemessenen Änderungen in der Antwort der Probe auf das Licht hängen u. a. von der Verteilung der Störstellen und der Fremdatom-Spezies in der Nähe der Probenoberfläche und im Volumen ab. Den gemessenen Änderungen wird eine Spezies-Konzentration und/oder ein Speziestyp und/oder die Implantationsenergie und/oder das Vorhandensein oder Fehlen eines Bereichs innerhalb der Stelle, in den Spezies eingeleitet werden, und/oder das Vorhandensein oder Fehlen einer mit der Implantation in Beziehung stehenden Beschädigung und/oder das Vorhandensein oder Fehlen eines elektrischen Feldes zugeordnet.
Obwohl daher die Erfindung mit Bezug auf ihre bevorzugten Ausführungsformen gezeigt und beschrieben worden ist, können die Fachleute selbstverständlich Änderungen an der Form und an Einzelheiten vornehmen, ohne vom Umfang der Erfindung und vom Erfindungsgedanken abzuweichen.

Claims

Verfahren zum Kennzeichnen einer Probe, das die folgenden Schritte umfaßt: Vorsehen eines Halbleitermaterials; Anlegen eines elektrischen Feldes an das Halbleitermaterial; Absorbieren eines Pumplichtimpulses in einem Abschnitt des Halbleitermaterials und Messen einer Änderung der optischen Konstanten, die durch einen Abtastlichtimpuls angegeben wird, der zu einer Zeit t nach der Absorption des Pumplichtimpulses angelegt wird; und Zuordnen einer gemessenen Änderung der optischen Konstanten an eine Oberflächenladung und/oder eine Dotierstoffkonzentration und/oder eine Einfangstellendichte und/oder eine Minoritätsträgerlebensdauer.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Anlegens eines elektrischen Feldes einen Schritt des Anlegens des elektrischen Feldes von einer über einer Oberfläche des Halbleitermaterials angeordneten Elektrode umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Anlegens eines elektrischen Feldes einen Schritt des Anlegens des elektrischen Feldes von einer auf einer Oberfläche des Halbleitermaterials angeordneten Elektrode umfaßt.
Verfahren zum Kennzeichnen einer Probe, das die folgenden Schritte umfaßt: Vorsehen eines Halbleitermaterials; Halten des Halbleitermaterials auf einer vorgegebenen Temperatur; Absorbieren eines Pumplichtimpulses in einem Abschnitt des Halbleitermaterials und Messen einer Änderung der optischen Konstanten, die durch einen Abtastlichtimpuls angegeben wird, der zu einer Zeit t nach der Absorption des Pumplichtimpulses angelegt wird; und Zuordnen einer gemessenen Änderung der optischen Konstanten an eine Oberflächenladung und/oder eine Dotierstoffkonzentration und/oder eine Einfangstellendichte und/oder eine Minoritätsträgerlebensdauer.
Verfahren zum Kennzeichnen einer Probe, das die folgenden Schritte umfaßt: Vorsehen eines Halbleitermaterials; Anlegen entweder einer gepulsten oder einer konstanten Beleuchtung an das Halbleitermaterial für die Erregung von Elektronen und Löchern in der Probe; Absorbieren eines Pumplichtimpulses in einem Abschnitt des Halbleitermaterials und Messen einer Änderung der optischen Konstanten, die durch einen Abtastlichtimpuls angegeben wird, der zu einer Zeit t nach der Absorption des Pumplichtimpulses angelegt wird; und Zuordnen einer gemessenen Änderung der optischen Kostanten an eine Oberflächenladung und/oder eine Dotierstoffkonzentration und/oder eine Einfangstellendichte und/oder eine Minoritätsträgerlebensdauer.
Verfahren zum Kennzeichnen einer Probe, das die folgenden Schritte umfaßt: Vorsehen eines Halbleitermaterials; Absorbieren von Pumplichtimpulsen in einem Abschnitt des Halbleitermaterials für die Erregung von Elektronen und Löchern in der Probe, wobei die Impulse unterschiedliche Intensitäten besitzen, und Messen von Änderungen, die bei optischen Konstanten auftreten und die von Abtastlichtimpulsen angegeben werden, die zu einer Zeit t nach der Absorption der Pumplichtimpulse angelegt werden; und Zuordnen von gemessenen Änderungen der optischen Konstanten an eine Oberflächenladung und/oder eine Dotierstoffkonzentration und/oder eine Einfangstellendichte und/oder eine Minoritätsträgerlebensdauer.
Verfahren zum Kennzeichnen einer Probe, das die folgenden Schritte umfaßt: Vorsehen eines Halbleitermaterials; Modellieren einer Wirkung eines elektrischen Feldes und/oder von Tiefpegel-Einfangstellen auf die Ladungsträgerbewegung im Halbleitermaterial; Absorbieren von Pumplichtimpulsen in einen Abschnitt des Halbleitermaterials, um im Halbleitermaterial Ladungsträger zu erzeugen; Messen von Änderungen, die bei optischen Konstanten auftreten und durch Abtastlichtimpulse angegeben werden, die zu einer Zeit t nach der Absorption der Pumplichtimpulse angelegt werden; Vergleichen der gemessenen Änderungen mit durch das Modell vorhergesagten Änderungen; Iterieren des Modells, bis die durch das Modell vorhergesagten Änderungen mit den gemessenen Änderungen übereinstimmen; und Zuordnen gemessener Änderungen der optischen Konstanten an eine Oberflächenladung und/oder eine Dotierstoffkonzentration und/oder eine Einfangstellendichte und/oder eine Minoritätsträgerlebensdauer in Übereinstimmung mit dem iterierten Modell.
Verfahren zum Kennzeichnen einer Probe, das die folgenden Schritte umfaßt: Vorsehen gespeicherter Daten, die aus mehreren Referenzproben erhalten werden und für jede der mehreren Referenzproben als Antwort auf die Absorption von Pumplichtimpulsen in einem Abschnitt des Halbleitermaterials jeder Probe erzeugt werden, und Messen einer Änderung der optischen Konstanten, die durch Abtastlichtimpulse angegeben wird, die zu einer Zeit t nach der Absorption der Pumplichtimpulse angelegt werden; Vorsehen einer zu kennzeichnenden Halbleitermaterialprobe; Absorbieren von Pumplichtimpulsen in einem Abschnitt des zu kennzeichnenden Halbleitermaterials, um Ladungsträger im Halbleitermaterial zu erzeugen; Messen von Änderungen, die bei optischen Kostanten auftreten und durch Abtastlichtimpulse angegeben werden, die zu einer Zeit t nach der Absorption der Pumplichtimpulse angelegt werden; Vergleichen der gemessenen Änderungen mit den gespeicherten Daten; und Zuordnen von gemessenen Änderungen der optischen Konstanten an eine Oberflächenladung und/oder eine Dotierstoffkonzentration und/oder eine Einfangstellendichte und/oder eine Minoritätsträgerlebensdauer in Übereinstimmung mit einer Referenzprobe mit gespeicherten Daten, die mit den gemessenen Änderungen, die in der zu kennzeichnenden Halbleitermaterialprobe beobachtet werden, am besten übereinstimmen.
Verfahren zum Kennzeichnen einer Probe, das die folgenden Schritte umfaßt: Vorsehen eines Halbleitermaterials; Absorbieren von Pumplichtimpulsen an einer ersten Stelle auf einem Halbleitermaterial, um Ladungsträger im Halbleitermaterial zu erzeugen; Messen einer Änderung optischer Konstanten, die durch Abtastlichtimpulse angegeben wird, wovon einzelne zu einer Zeit t nach der Absorption eines einzelnen der Pumplichtimpulse angelegt werden, wobei die Abtastlichtimpulse an eine zweite Stelle auf dem Halbleitermaterial angelegt werden; und Zuordnen einer gemessenen Änderung der optischen Konstanten an eine Bewegung der Ladungsträger im Halbleitermaterial.
Verfahren zum Kennzeichnen einer Probe, das die folgenden Schritte umfaßt: Vorsehen eines Halbleitermaterials; Anlegen eines elektrischen Feldes an wenigstens eine Oberfläche des Halbleitermaterials; Absorbieren von Pumplichtimpulsen an einer ersten Stelle auf dem Halbleitermaterial, um Ladungsträger im Halbleitermaterial zu erzeugen; Messen einer Änderung ΔR(t) eines optischen Reflexionsvermögens und/oder einer Verschiebung δϕ(t) einer Phase des reflektierten oder des durchgelassenen Lichts und/oder einer Änderung eines Polarisationszustandes des reflektierten Lichts und/oder einer Änderung der Richtung des reflektierten oder des durchgelassenen Lichts, die durch Abtastlichtimpulse angegeben werden, wovon einzelne zu einer Zeit t nach der Absorption eines einzelnen der Pumplichtimpulse angelegt werden, wobei die Abtastlichtimpulse entweder an die erste Stelle oder an eine zweite Stelle des Halbleitermaterials angelegt werden; und Zuordnen einer gemessenen Änderung des Reflexionsvermögens und/oder der Phase und/oder des Polarisationszustandes und/oder der Richtung an eine Ladungsbeweglichkeit und/oder eine Oberflächenladung und/oder eine Dotierstoffkonzentration und/oder eine Einfangstellendichte und/oder eine Minoritätsträgerlebensdauer des Halbleitermaterials.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Schritt des Anlegens eines elektrischen Feldes einen Schritt des Anlegens des elektrischen Feldes von einer über einer Oberfläche des Halbleitermaterials angeordneten Elektrode umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Schritt des Anlegens eines elektrischen Feldes einen Schritt des Anlegens des elektrischen Feldes von einer auf einer Oberfläche des Halbleitermaterials angeordneten Elektrode umfaßt.
Verfahren zum Kennzeichnen einer Probe, das die folgenden Schritte umfaßt: Vorsehen eines Halbleitermaterials, das einen p-n-Übergang enthält; Modellieren einer Wirkung eines elektrischen Feldes auf die Ladungsträgerbewegung im Halbleitermaterial und einer Wirkung der Ladungsträger auf wenigstens eine optische Antwort des Halbleitermaterials; Absorbieren von Pumplichtimpulsen an einer ersten Stelle des Halbleitermaterials, um Ladungsträger im Halbleitermaterial zu erzeugen; Messen wenigstens einer Änderung der optischen Antwort des Halbleitermaterials einschließlich einer Änderung von ΔR(t) eines optischen Reflexionsvermögens und/oder einer Verschiebung δϕ(t) einer Phase des reflektierten oder des durchgelassenen Lichts und/oder einer Änderung eines Polarisationszustandes des reflektierten Lichts und/oder einer Änderung der Richtung des reflektierten oder des durchgelassenen Lichts, die durch Abtastlichtimpulse angegeben werden, wovon einzelne zu einer Zeit t nach der Absorption eines einzelnen der Pumplichtimpulse angelegt werden, wobei die Abtastlichtimpulse an eine erste Stelle oder an eine zweite Stelle des Halbleitermaterials angelegt werden; Vergleichen der gemessenen Änderung des Reflexionsvermögens und/oder der Phase und/oder des Polarisationszustandes und/oder der Richtung mit durch das Modell vorhergesagten Änderungen; Iterieren des Modells, bis die durch das Modell vorhergesagten Änderungen mit den gemessenen Änderungen übereinstimmen; und Zuordnen gemessener Änderungen der optischen Antwort an wenigstens eine Eigenschaft des p-n-Übergangs.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die wenigstens eine Eigenschaft des p-n-Übergangs das Vorhandensein elektrisch aktiver Fremdatome ist.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die wenigstens eine Eigenschaft des p-n-Übergangs eine Dotierstoffverteilung ist.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die wenigstens eine Eigenschaft des p-n-Übergangs eine Dotierstoffkonzentration ist.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die wenigstens eine Eigenschaft des p-n-Übergangs eine metallurgische Breite des p-n-Übergangs ist.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die wenigstens eine Eigenschaft des p-n-Übergangs eine absolute Dielektrizitätskonstante des Halbleitermaterials ist.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem der Schritt des Modellierens eine Wirkung eines elektrischen Feldes aufgrund einer Dotierstoffverteilung im Halbleitermaterial modelliert.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem der Schritt des Modellierens eine Wirkung eines elektrischen Feldes aufgrund elektrisch geladener Störstellen im Halbleitermaterial modelliert.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem der Schritt des Modellierens eine Wirkung eines elektrischen Feldes aufgrund von Ladungen in einer Oberflächenoxidschicht, die über einer Oberfläche des Halbleitermaterials angeordnet ist, modelliert.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem der Schritt des Modellierens ferner eine Wirkung einer Diffusionsrate und/oder einer Ladungsträger-Rekombinationsrate modelliert.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem der Schritt des Zuordnens gemessener Änderungen der optischen Antwort einen Schritt des Zuordnens der gemessenen Änderung an eine Minoritätsträgerlebensdauer und/oder eine Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit und ferner einen Schritt des Herstellens einer Beziehung zwischen der Minoritätsträgerlebensdauer oder der Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit und einer Fremdatomkonzentration oder Störstellenkonzentration im Halbleitermaterial umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die Schritte des Absorbierens und Messens jeweils einen Schritt des gleichzeitigen Anlegens eines externen elektrischen Feldes an das Halbleitermaterial enthalten.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die Schritte des Absorbierens und Messens jeweils einen Schritt des gleichzeitigen Beaufschlagens des Halbleitermaterials mit einer Beleuchtung umfassen.
Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die Schritte des Absorbierens und Messens jeweils einen Schritt des gleichzeitigen Änderns der Temperatur des Halbleitermaterials umfassen.
Verfahren zum Kennzeichnen einer Probe, das die folgenden Schritte umfaßt: Vorsehen eines Halbleitermaterials; Anlegen eines elektrischen Feldes an das Halbleitermaterial; Absorbieren eines Pumplichtimpulses in einem Abschnitt des Halbleitermaterials und Messen einer Änderung optischer Konstanten, die durch einen Abtastlichtimpuls angegeben wird, der zu einer Zeit t nach der Absorption des Pumplichtimpulses angelegt wird; und Zuordnen einer gemessenen Änderung der optischen Konstanten an die Dotierstoffkonzentration und/oder die Einfangstellendichte und/oder eine mit dem Ladungsträgern in Beziehung stehende Eigenschaft des Halbleitermaterials, wobei der Schritt des Anlegens eines elektrischen Feldes einen Schritt des Änderns der Größe des angelegten elektrischen Feldes über einen Wertebereich; des Modulierens der Größe des angelegten elektrischen Feldes um einen vorgegebenen Wert oder des Anlegens zweier oder mehrerer elektrischer Felder unterschiedlicher Größe zu unterschiedlichen Zeiten umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 27, bei dem der Schritt des Anlegens eines elektrischen Feldes ferner einen Schritt des Anlegens des elektrischen Feldes von einer über einer Oberfläche des Halbleitermaterials angeordneten Elektrode umfaßt.
Verfahren nach Anspruch 27, bei dem der Schritt des Anlegens eines elektrischen Feldes ferner einen Schritt des Anlegens des elektrischen Feldes von einer auf einer Oberfläche des Halbleitermaterials angeordneten Elektrode umfaßt.
Verfahren zum Kennzeichnen einer Probe, das die folgenden Schritte umfaßt: Vorsehen einer Probe, die ein Halbleitermaterial enthält; Anlegen mehrerer Pumplichtimpulse an ein Gebiet auf der Oberfläche der Probe für die Erzeugung von einer konstruktive und einer destruktive Interferenz in Intensität, wodurch eine Änderung einer Dichte der Ladungsträger in der Probe aufgrund der Absorption der mehreren Pumplichtimpulse verursacht wird; Messen einer Änderung optischer Konstanten, die durch einen Abtastlichtimpuls angegeben wird, der an das Gebiet zu einer Zeit t nach der Absorption des Pumplichtimpulses angelegt wird; und Zuordnen einer gemessenen Änderung der optischen Konstanten an eine Ladungsgröße und/oder eine Dotierstoffkonzentration und/oder eine Einfangstellendichte und/oder eine Ladungsträgereigenschaft der Probe.
Verfahren nach Anspruch 30, bei dem die Schritte des Anlegens und Messens jeweils einen Schritt des gleichzeitigen Anlegens eines externen elektrischen Feldes an das Halbleitermaterial umfassen.
Verfahren nach Anspruch 30, bei dem die Schritte des Anlegens und Messens jeweils einen Schritt des gleichzeitigen Beaufschlagens des Halbleitermaterials mit einer Beleuchtung umfassen.
Verfahren nach Anspruch 30, bei dem die Schritte des Anlegens und Messens jeweils einen Schritt des gleichzeitigen Änderns einer Temperatur des Halbleitermaterials umfassen.
System zum Kennzeichnen einer Probe, das umfaßt: eine Probenbühne, die während einer Messung eine ein Halbleitermaterial enthaltende Probe unterstützt; eine erste Lichtquelle zum Anlegen mehrerer Pumplichtimpulse an ein Gebiet auf der Oberfläche der Probe; eine zweite Lichtquelle zum Anlegen mehrerer Abtastlichtimpulse an dasselbe oder ein anderes Gebiet der Oberfläche der Probe; eine Einrichtung zum Modifizieren der Temperatur und/oder des Beleuchtungszustandes und/oder des Ladungszustandes der Probe während der Messung; und wenigstens einen Detektor und einen Datenprozessor zum Messen einer Änderung optischer Konstanten der Probe, die durch die Abtastlichtimpulse angegeben wird, die an die Probe zu einer Zeit t nach der Absorption der Pumplichtimpulse angelegt werden, und zum Zuordnen einer gemessenen Änderung der optischen Konstanten an eine Ladungsgröße und/oder eine Dotierstoffkonzentration und/oder eine Einfangstellendichte und/oder eine Ladungsträgereigenschaft der Probe.
System nach Anspruch 34, wobei die erste Lichtquelle so betrieben wird, daß sie gleichzeitig mehrere Pumplichtimpulse für das Gebiet der Probe schafft, so daß sich eine konstruktive und eine destruktive Interferenz ergeben, wodurch eine Änderung einer Dichte der Ladungsträger in der Probe aufgrund der Absorption der mehreren Pumplichtimpulse verursacht wird.
System nach Anspruch 34, wobei derselbe oder ein anderer Datenprozessor so betrieben wird, daß er eine Wirkung eines elektrischen Feldes auf die Ladungsträgerbewegung im Halbleitermaterial und/oder eine Wirkung der Ladungsträger auf wenigstens eine optische Antwort des Halbleitermaterials modelliert.
System nach Anspruch 34, wobei der Detektor und der Datenprozessor so betrieben werden, daß sie wenigstens eine Änderung einer optischen Antwort des Halbleitermaterials einschließlich einer Änderung ΔR(t) eines optischen Reflexionsvermögens und/oder einer Verschiebung δϕ(t) einer Phase des reflektierten oder des durchgelassenen Lichts und/oder einer Änderung eines Polarisationszustandes des reflektierten Lichts und/oder einer Änderung der Richtung des reflektierten oder des durchgelassenen Lichts, die durch Abtastlichtimpulse angegeben werden, wovon einzelne zu einer Zeit t nach der Absorption eines einzelnen der Pumplichtimpulse angelegt werden, messen, wobei die Abtastlichtimpulse entweder an der ersten Stelle oder an einer zweiten Stelle des Halbleitermaterials angelegt werden.
System nach Anspruch 34, wobei das Halbleitermaterial einen p-n-Übergang enthält und wobei derselbe oder ein anderer Datenprozessor so betrieben wird, daß er eine Wirkung eines elektrischen Feldes auf eine Ladungsträgerbewegung im Halbleitermaterial und/oder eine Wirkung der Ladungsträger auf wenigstens eine optische Antwort des Halbleitermaterials modelliert, wobei der Detektor und der Datenprozessor so betrieben werden, daß sie wenigstens eine Änderung in einer optischen Antwort des Halbleitermaterials einschließlich einer Änderung ΔR(t) eines optischen Reflexionsvermögens und/oder einer Verschiebung δϕ(t) einer Phase des reflektierten oder des durchgelassenen Lichts und/oder einer Änderung eines Polarisationszustandes des reflektierten Lichts und/oder einer Änderung der Richtung des reflektierten oder des durchgelassenen Lichts, die durch Abtastlichtimpulse angegeben werden, wovon einzelne zu einer Zeit t nach der Absorption eines einzelnen der Pumplichtimpulse angelegt werden, messen, wobei die Abtastlichtimpulse an der ersten Stelle oder an einer zweiten Stelle des Halbleitermaterials angelegt werden; und wobei der Datenprozessor ferner so betrieben wird, daß er die gemessene Änderung des Reflexionsvermögens und/oder der Phase und/oder des Polarisationszustandes und/oder der Richtung mit durch das Modell vorhergesagten Änderungen vergleicht und das Modell solange iteriert, bis die durch das Modell vorhergesagten Änderungen mit den gemessenen Änderungen übereinstimmen, und gemessene Änderungen der optischen Antwort an wenigstens eine Eigenschaft des p-n-Übergangs zuordnet.
System nach Anspruch 38, wobei die wenigstens eine Eigenschaft des p-n-Übergangs das Vorhandensein elektrisch aktiver Fremdatome und/oder eine Dotierstoffverteilung; und/oder eine Dotierstoffkonzentration; und/oder eine metallurgische Breite des p-n-Übergangs; und/oder eine absolute Dielektrizitätskonstante des Halbleitermaterials ist.
System nach Anspruch 34, wobei der Datenprozessor ferner so betrieben wird, daß er eine Wirkung eines elektrischen Feldes aufgrund einer Dotierstoffverteilung im Halbleitermaterial und/oder eine Wirkung eines elektrischen Feldes aufgrund elektrisch geladener Störstellen im Halbleitermaterial; und/oder eine Wirkung eines elektrischen Feldes aufgrund von Ladungen in einer Oberflächenoxidschicht, die über einer Oberfläche des Halbleitermaterials angeordnet ist; und/oder eine Wirkung einer Diffusionsrate und/oder einer Ladungsträger-Rekombinationsrate modelliert.
System nach Anspruch 34, wobei der Datenprozessor die gemessene Ladung an eine Minoritätsträgerlebensdauer und/oder eine Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit zuordnet und anschließend eine Beziehung zwischen der Minoritätsträgerlebensdauer oder der Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit und der Fremdatomkonzentration oder der Störstellenkonzentration im Halbleitermaterial herstellt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Pumplichtimpuls eine Dauer zwischen 0,01 und 100 pikosekunde hat.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Abtastlichtimpuls eine Dauer zwischen 0,01 und 100 pikosekunde hat.
Verfahren nach Anspruch 34, wobei der Pumplichtimpuls eine Dauer zwischen 0,01 und 100 pikosekunde hat.