JP7000197B2 - 濃度測定方法及び濃度測定装置 - Google Patents

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Description

本発明の一側面は、測定対象物の不純物濃度を計測する濃度測定方法及び濃度測定装置に関する。
従来から、太陽電池等の測定対象物の特性評価を行うための装置が知られている（例えば、下記特許文献１参照）。この装置は、パルス状のポンプ光を測定対象物に照射するポンプ光源と、測定対象物にプローブ光を連続照射するプローブ光源と、測定対象物に照射されたプローブ光をリアルタイムで検出する光検出器と、光検出器から出力された信号を処理する信号処理部とによって構成されている。このような構成により、キャリア量の時間変化を計測することで、キャリアの発生消滅状況を測定することができる。
特開２０１６－１５７７８０号公報
上述したような従来の装置では、キャリア量の時間変化を計測することはできるが、不純物濃度が未知である測定対象物を対象にして正確な不純物濃度を計測することは困難である。
そこで、本発明の一側面は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、測定対象物における不純物濃度を精度良く測定することが可能な濃度測定方法及び濃度測定装置を提供することを課題とする。
本発明の一形態は、測定対象物の不純物濃度を計測する濃度測定方法であって、測定対象物に向けて、計測光と、既定周波数を含む変調信号で強度変調された刺激光とを照射する照射ステップと、測定対象物からの反射光あるいは透過光の強度を検出して検出信号を出力する出力ステップと、変調信号に対する検出信号の位相遅れを検出し、位相遅れが所定値となる周波数を求め、該周波数を基に測定対象物の不純物濃度を推定する推定ステップと、を備える。
あるいは、本発明の他の形態は、測定対象物の不純物濃度を計測する濃度測定装置であって、計測光を生成する第１の光源と、刺激光を生成する第２の光源と、既定周波数を含む変調信号で刺激光を強度変調する変調部と、測定対象物からの反射光あるいは透過光の強度を検出して検出信号を出力する光検出器と、計測光及び強度変調された刺激光を測定対象物に向けて導光し、測定対象物からの反射光あるいは透過光を光検出器に向けて導光する光学系と、変調信号に対する検出信号の位相遅れを検出し、位相遅れが所定値となる周波数を求め、該周波数を基に測定対象物の不純物濃度を推定する解析部と、を備える。
上記いずれかの形態によれば、計測光と既定周波数を含む変調信号で強度変調された刺激光とが測定対象物に照射され、測定対象物からの反射光あるいは透過光の強度が検出され、その結果出力された検出信号を基に測定対象物の不純物濃度が推定される。このとき、変調信号に対する検出信号の位相遅れを基に、位相遅れが所定値となる周波数が推定され、それを基に不純物濃度が推定されるので、不純物濃度が未知の場合であってもキャリアライフタイムに対応した不純物濃度を精度良く測定することができる。
上記一形態においては、推定ステップで、複数の既定周波数における複数の位相遅れを検出し、複数の既定周波数ごとの複数の位相遅れを基に、位相遅れが所定値となる周波数を求める、ことが好適である。上記他の形態においては、解析部が、複数の既定周波数における複数の位相遅れを検出し、複数の既定周波数ごとの複数の位相遅れを基に、位相遅れが所定値となる周波数を求める、ことが好適である。この場合、不純物濃度が未知の場合であっても、それに対応した所定値の位相遅れを生じさせる刺激光の周波数を設定することができる。その結果、不純物濃度が未知の場合であっても不純物濃度を精度良く測定することができる。
また、照射ステップでは、矩形波である変調信号によって強度変調された刺激光を照射する、ことも好適である。変調部は、矩形波である変調信号で刺激光を強度変調する、ことも好適である。かかる構成によれば、不純物濃度に対応した所定値の位相遅れを生じさせる刺激光の周波数を効率的に設定することができる。その結果、不純物濃度が未知の場合であっても不純物濃度を効率的に測定することができる。
さらに、照射ステップでは、複数の前記既定周波数毎の前記変調信号で強度変調された前記刺激光を照射し、出力ステップでは、刺激光毎に対応して検出信号を出力する、ことも好適である。変調部は、複数の前記既定周波数毎の前記変調信号で前記刺激光を強度変調し、光検出器は、刺激光毎に対応して検出信号を出力する、ことも好適である。この場合、不純物濃度が広範囲で変化する場合であっても、それに対応した所定値の位相遅れを生じさせる刺激光の周波数を設定することができる。その結果、不純物濃度が広範囲に変化する場合であっても不純物濃度を精度良く測定することができる。
また、検出信号の位相遅れが４５度となる周波数を推定する、ことも好適である。この場合、遮断周波数を特定することで不純物濃度をさらに精度良く測定することができる。
さらにまた、照射ステップでは、測定対象物を構成する半導体のバンドギャップエネルギーよりも高いエネルギーを有する刺激光を照射する、ことも好適である。第２の光源は、測定対象物を構成する半導体のバンドギャップエネルギーよりも高いエネルギーを有する刺激光を生成する、ことも好適である。かかる構成によれば、刺激光の照射よって測定対象物において効率的にキャリアを生成することができ、不純物濃度をより精度良く測定することができる。
また、上記一形態では、予め入力された不純物濃度の情報と、推定ステップにおいて推定された不純物濃度とを比較する比較ステップをさらに備える、ことも好適である。解析部は、予め入力された不純物濃度の情報と、推定した不純物濃度とを比較する、ことも好適である。かかる構成を採れば、測定対象物における不純物濃度が所望の濃度であるか否かを判定することができ、例えば、製造プロセス中のモニタリングを実現することができる。
さらに、推定ステップでは、推定した不純物濃度をマッピングして不純物濃度の分布を表す画像データを生成する、ことも好適である。解析部は、推定した不純物濃度をマッピングして不純物濃度の分布を表す画像データを生成する、ことも好適である。この場合、測定対象物における不純物濃度の分布を容易に計測することができ、半導体基板等の測定対象物を容易に解析することができる。
本発明の一側面によれば、測定対象物における不純物濃度を精度良く測定することができる。
実施形態にかかる濃度測定装置１の概略構成図である。 図１のコントローラ３７の機能構成を示すブロック図である。 ＤＵＴ１０における計測光及び刺激光の照射状態を計測光及び刺激光の光軸に対して垂直な方向から見た図である。 ＤＵＴ１０における計測光及び刺激光の照射状態を計測光及び刺激光の光軸に対して垂直な方向から見た図である。 濃度測定装置１によって生成される刺激光及び検出信号の時間変化の波形を示す図である。 図１のコントローラ３７に予め記憶されるデータによって表される周波数と位相遅れとの対応関係の一例を示すグラフである。
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
図１は、実施形態にかかる濃度測定装置１の概略構成図である。図１に示す濃度測定装置１は、半導体デバイス等の測定対象物である被検査デバイス（ＤＵＴ：Device Under Test）１０を対象に光計測を行うことによって、ＤＵＴ１０における不純物等の濃度を測定するための装置である。濃度測定装置１の測定対象としては、ベアウェーハ、一定のドーピング密度でエピタキシャル成長させた基板、ウェルあるいは拡散領域等を形成したウェーハ基板、トランジスタ等の回路素子が形成された半導体基板等が挙げられる。
この濃度測定装置１は、ＤＵＴ１０が配置されるステージ３と、ＤＵＴ１０に向けて光を照射および導光するとともにＤＵＴ１０からの反射光を導光する光照射／導光システム（光学系）５と、光照射／導光システム５を制御するとともにＤＵＴ１０からの反射光を検出および処理する制御システム７とによって構成されている。ステージ３は、ＤＵＴ１０を光照射／導光システム５に対向するように支持する支持部である。ステージ３は、ＤＵＴ１０を光照射／導光システム５に対して相対的に移動可能な移動機構を具備していてもよい。なお、図１においては、光の進行経路を一点鎖線で示し、制御用信号の伝達経路、検出信号及び処理データの伝達経路を実線の矢印で示している。
光照射／導光システム５は、光源（第１の光源）９ａ、光源（第２の光源）９ｂ、コリメータ１１ａ，１１ｂ、ダイクロイックミラー１３、偏光ビームスプリッタ１５、１／４波長板１７、ガルバノミラー１９、瞳投影レンズ２１、対物レンズ２３、光学フィルタ２５、及びコリメータ２７を含んでいる。
光源９ａは、ＤＵＴ１０における濃度に対応して変化する光学的特性の検出に適した波長及び強度の光を計測光（プローブ光）として生成して出射する。光源９ｂは、ＤＵＴ１０において一部吸収される波長成分を含む光を刺激光（ポンプ光）として生成して出射する。具体的には、光源９ｂは、ＤＵＴ１０を構成する基板の材料である半導体のバンドギャップエネルギーより高いエネルギーに対応した波長を含む刺激光を生成するように設定される。さらに、この光源９ｂは、外部からの電気信号を基に強度変調された刺激光を生成可能に構成される。なお、光源９ａ、光源９ｂは例えば半導体レーザ等のコヒーレント光源でよく、ＳＬＤ（Super Luminescent Diode）等のインコヒーレント光源でもよい。
コリメータ１１ａ，１１ｂは、それぞれ、光源９ａ，９ｂから出射された光をコリメートし、ダイクロイックミラー１３は、コリメータされた計測光及び刺激光を同軸上に合成して偏光ビームスプリッタ１５に向けて出力する。偏光ビームスプリッタ１５は、合成された計測光及び刺激光のうちの直線偏光成分を透過させ、１／４波長板１７は、偏光ビームスプリッタ１５を透過した計測光及び刺激光の偏光状態を変更して、計測光及び刺激光の偏光状態を円偏光に設定する。ガルバノミラー１９は、円偏光となった計測光及び刺激光をスキャンして出力し、瞳投影レンズ２１は、ガルバノミラー１９から出力された計測光及び刺激光の瞳を、ガルバノミラー１９から対物レンズ２３の瞳までリレーする。対物レンズ２３は、計測光及び刺激光をＤＵＴ１０上に集光する。このような構成により、合成された計測光及び刺激光をＤＵＴ１０上の所望の位置にスキャンして照射させることができる。また、ステージ３を移動させることにより、ガルバノミラー１９でカバーできない範囲を対象にして計測光及び刺激光をスキャン可能に構成されていてもよい。
また、上記構成の光照射／導光システム５においては、ＤＵＴ１０からの反射光を、計測光及び刺激光と同軸で１／４波長板１７まで導光することができ、１／４波長板１７によって反射光の偏光状態を円偏光から直線偏光に変更することができる。さらに、直線偏光にされた反射光は偏光ビームスプリッタ１５によって光学フィルタ２５及びコリメータ２７に向けて反射される。光学フィルタ２５は、反射光のうちの計測光と同一の波長成分のみをコリメータ２７に向けて透過させ、反射光のうちの刺激光と同一の波長成分を遮るように構成される。コリメータ２７は、反射光をコリメートし、その反射光を光ファイバ等を経由して制御システム７に向けて出力する。
制御システム７は、光検出器２９、アンプ３１、変調信号源（変調部）３３、ネットワークアナライザ３５（解析部）、コントローラ（解析部）３７、及びレーザスキャンコントローラ３９を含んでいる。
光検出器２９は、ＰＤ（Photodiode）、ＡＰＤ（Avalanche Photodiode）、光電子増倍管等の光検出素子であり、光照射／導光システム５によって導光された反射光を受けて、その反射光の強度を検出して検出信号を出力する。アンプ３１は、光検出器２９から出力された検出信号を増幅してネットワークアナライザ３５に出力する。変調信号源３３は、コントローラ３７によって設定された波形の電気信号（変調信号）を生成し、その電気信号を基に刺激光を強度変調させるように光源９ｂを制御する。具体的には、変調信号源３３は、設定された繰り返し周波数（既定周波数）の矩形波の電気信号を生成し、その電気信号を基に光源９ｂを制御する。また、変調信号源３３は、複数の繰り返し周波数の矩形波の電気信号を繰り返し生成する機能も有する。
ネットワークアナライザ３５は、アンプ３１から出力された検出信号と変調信号源３３で設定されている繰り返し周波数を基に、繰り返し周波数に対応した波長成分の検出信号を抽出及び検出する。具体的には、ネットワークアナライザ３５は、繰り返し周波数と同一周波数の検出信号と、その高調波の周波数の検出信号とを抽出する。さらに、ネットワークアナライザ３５は、強度変調された刺激光に対する各周波数の検出信号の位相遅れを、変調信号源３３によって生成されている電気信号を基準に検出する。そして、ネットワークアナライザ３５は、抽出した検出信号の各周波数の情報と、その検出信号を対象に検出した位相遅れの情報とを対応付けてコントローラ３７に入力する。このとき、ネットワークアナライザ３５は、コントローラ３７によって繰り返し設定された複数の繰り返し周波数の電気信号を対象に、検出信号を繰り返し抽出し、その検出信号を対象に位相遅れを検出してもよい。例えば、繰り返し周波数を基本周波数から１／１０倍、１０倍、…等に変更して位相遅れを検出してもよい。ここで、ネットワークアナライザ３５は、スペクトラムアナライザに変更されてもよいし、ロックインアンプに変更されてもよいし、デジタイザとＦＦＴアナライザを組み合わせた構成に変更されてもよい。
コントローラ３７は、制御システム７の動作を統括的に制御する装置であり、物理的には、プロセッサであるＣＰＵ（Central Processing Unit）と、記録媒体であるＲＡＭ（Random Access Memory）及びＲＯＭ（Read Only Memory）と、通信モジュールと、ディスプレイ、マウス、キーボード等の入出力デバイスとを含んだコンピュータ等の制御装置である。図２には、コントローラ３７の機能構成を示している。図２に示すように、コントローラ３７は、機能的な構成要素として、変調制御部４１、移動制御部４３、スキャン制御部４５、濃度推定部４７、及び出力部４９を含んで構成されている。
コントローラ３７の変調制御部４１は、刺激光を強度変調させるための電気信号の波形を設定する。具体的には、変調制御部４１は、電気信号の波形を、所定の繰り返し周波数の矩形波になるように設定する。この「所定の繰り返し周波数」は、想定されるＤＵＴ１０における不純物等の濃度に応じて予めコントローラ３７内に記憶された値の周波数であってもよいし、入出力デバイスを介して外部から入力された値の周波数であってもよい。また、変調制御部４１は、繰り返し周波数を予め記録あるいは入力された基本周波数から複数の周波数に繰り返し変更して、変更した繰り返し周波数で電気信号を設定可能とされていてもよい。
移動制御部４３及びスキャン制御部４５は、計測光及び刺激光をＤＵＴ１０上でスキャンするように、ステージ３及びガルバノミラー１９をそれぞれ制御する。このとき、移動制御部４３は、ＤＵＴ１０の各箇所を対象とした後述する濃度推定処理を行いながら計測光及び刺激光をスキャンするように制御する。
濃度推定部４７は、ネットワークアナライザ３５から出力された検出信号の各周波数ごとの位相遅れの情報を基に、ＤＵＴ１０の各箇所を対象として不純物等の濃度を推定する濃度推定処理を実行する（濃度推定処理の詳細は後述する）。出力部４９は、濃度推定部４７によって推定されたＤＵＴ１０の各箇所ごとの濃度の値を画像上にマッピングして不純物等の濃度の分布を示す出力画像を生成し、その出力画像の入出力デバイスに出力する。
上記構成の濃度測定装置１によって計測される現象について説明する。図３及び図４は、ＤＵＴ１０における計測光及び刺激光の照射状態を計測光及び刺激光の光軸に対して垂直な方向から見た図である。
光照射／導光システム５により、ＤＵＴ１０に対しバンドギャップエネルギーより高いエネルギーに対応した波長を含む刺激光が強度変調されつつ照射されると同時に、別の波長の計測光が一定の強度で照射される。このとき、刺激光によりＤＵＴ１０内にはキャリアが発生し、このキャリアは刺激光の強度が弱くなったタイミングでＤＵＴ１０内の不純物濃度および欠陥濃度に依存した速度で再結合により消滅する。
なお、ＤＵＴ１０内における屈折率及び透過率は、ＤＵＴ１０の基板内部のキャリア密度によって影響を受ける。この影響により、計測光が基板の表面あるいは基板の裏面において反射する際に、刺激光の変調状態に依存して変調される。計測光の変調の状態は、キャリアの再結合速度に応じて変化する。すなわち、基板内の濃度が高い領域では再結合が高速となり、濃度が低い領域では低速となる。その結果、計測光の反射によって生じる反射光において、再結合が高速の場合では振幅が大きくなる一方で、再結合が低速な場合では振幅が小さくなると同時に刺激光に対して位相が遅れる。
図３には、ＤＵＴ１０の基板の光照射／導光システム５側の表面に計測光及び刺激光の合成光Ｌ１を照射するように設定した場合を示している。この場合、刺激光は基板の表面付近に電子－正孔対を大量に生成する。ＤＵＴ１０が半導体基板の場合にはある程度の不純物濃度を有するため、この不純物濃度に応じて多数キャリア（ｎ型基板の場合は電子、ｐ型基板の場合は正孔）が一定量あり、少数キャリア（ｎ型基板の場合は正孔、ｐ型基板の場合は電子）も存在する。この状態で刺激光が入射すると、キャリアが入射領域に過剰に存在するために基板の屈折率が変化する。大気と基板との間の反射率Ｒは、大気中の屈折率を“１”、基板の屈折率をｎとすると、下記式；
Ｒ＝（（ｎ－１）／（ｎ＋１））２
で表されることが知られている。キャリアの生成および消滅により屈折率ｎが変化することに伴って反射率Ｒも変化し、反射光が変調されることになる。
一方、図４には、ＤＵＴ１０の基板の光照射／導光システム５に対して反対側の裏面に計測光及び刺激光の合成光Ｌ１を透過させて照射するように設定した場合を示している。この場合、図３の場合の反射面におけるキャリアの影響に加えて、光路中におけるキャリアの影響も受ける。具体的には、光路中のキャリアにより、屈折率の変化に加えて光の減衰の効果が生じるため、反射光においては両方の影響を受ける。過剰な少数キャリアは、多数キャリアの密度、すなわち基板の不純物濃度と、過剰な少数キャリアの密度との積に比例した速度で消滅する（より厳密には、過剰な少数キャリアは、過剰分と、多数キャリアの積に対する差分に比例した速度で減少する。）。その結果、刺激光が低下した際に、屈折率は基板の不純物濃度に比例した速度で元に戻る。ただし、この屈折率の変化は基板の屈折率そのものの大きさに比較してかなり小さい。
図３あるいは図４に示す場合の反射光を観察すると、反射光の強度は屈折率の変化にほぼ対応して変化し、刺激光の変化に対する反射光の変化の時定数は基板の不純物濃度に反比例する。
図５には、（ａ）部に濃度測定装置１によって照射される刺激光の時間変化の波形を示し、（ｂ）～（ｄ）部には、（ａ）部に示した波形の刺激光に対して濃度測定装置１によって検出される検出信号の時間変化の波形を示している。反射光の変化の時定数に比較して刺激光の繰り返しの周期Ｔ０がかなり大きい（繰り返し周波数が低い）場合には、（ｂ）部に示すように検出信号において観測される位相遅れの感度が低くなる。反射光の変化の時定数が刺激光の繰り返しの周期Ｔ０の半分程度（時定数が比較的大きくて位相遅れが９０度程度）場合には、（ｃ）部に示すように検出信号において位相遅れが振幅の変化に現れてくる。検出信号において位相遅れが振幅の変化に最も現れるのは、（ｄ）部に示すように、反射光の変化の時定数が刺激光の繰り返しの周期Ｔ０の１／４程度（位相遅れが４５度）の場合である。
本実施形態では、ＤＵＴ１０内の不純物等の濃度に応じて所定の位相遅れを生じる検出信号の周波数を特定することにより、その濃度を推定しようとするものである。ここで、矩形波には繰り返し周波数の成分に加えてその高調波の周波数成分も含まれるので効率的に濃度を推定することができる。さらに、ＤＵＴ１０内の濃度が不明の場合にも、繰り返し周波数を繰り返し変更して検出信号を検出することによってその濃度を推定することができる。
以下、濃度測定装置１における濃度推定処理を含む濃度測定手順の詳細を説明する。
まず、ＤＵＴ１０をステージ３上に載置する。なお、ＤＵＴ１０がベアウェーハ、エピタキシャル成長させた基板、ウェルあるいは拡散領域等を形成したウェーハ基板等の場合には、基板の表面側から計測光及び刺激光を照射可能なように載置し、ＤＵＴ１０が回路素子が形成された半導体基板の場合には、基板の裏面側から計測光及び刺激光を照射可能なように載置する。裏面側から照射する場合には必要に応じて裏面の研磨を行い、固浸レンズ（Solid Immersion Lens）を使用してもよい。
その後、光照射／導光システム５からＤＵＴ１０に向けて計測光及び刺激光を照射する。このとき、計測光と刺激光の光軸及び焦点深度は同一となるように予め設定され、光照射／導光システム５は色収差の十分小さい光学系とされている。この際、ＤＵＴ１０の表面あるいは裏面を計測光及び刺激光の光軸に対して垂直となるように角度調整がされ、計測光及び刺激光の焦点もＤＵＴ１０の計測面に合うように設定される。
さらに、コントローラ３７の制御により、刺激光が矩形波によって強度変調されるように制御される。この矩形波の繰り返し周波数は想定される不純物濃度に応じて予め設定され、不純物濃度が１０１５／ｃｍ３オーダーであれば１ｋＨｚ程度に設定される。そのほかの値の不純物濃度に対しては、想定される濃度に比例して繰り返し周波数が設定される。
次に、制御システム７の光検出器２９において、ＤＵＴ１０の計測面からの反射光が検出されて検出信号が生成され、その検出信号がアンプ３１によって増幅される。そして、制御システム７のネットワークアナライザ３５によって、検出信号から繰り返し周波数の成分及びその高調波の成分が抽出される。この際には、０Ｈｚのグランドノイズを避けるようにバンド幅が設定される。
加えて、制御システム７のネットワークアナライザ３５において、抽出した複数の周波数の検出信号の波形を対象に、刺激光の変調信号に対する位相遅れが検出される。さらに、ネットワークアナライザ３５からコントローラ３７に対して、抽出した検出信号の各周波数の情報と、その検出信号を対象に検出した位相遅れの情報とを対応付けた対応データが出力される。
上記の複数の周波数の検出信号の位相遅れの検出及びそれに関する対応データの出力は、繰り返し設定された複数の繰り返し周波数を対象に繰り返し行われてもよい。これにより、不純物等の濃度が不明の場合にも濃度を推定することができる。また、上記の複数の周波数の検出信号の位相遅れの検出及びそれに関する対応データの出力は、コントローラ３７の制御により、ＤＵＴ１０上の測定点をスキャンしながら繰り返し行われる。
その後、コントローラ３７により、ＤＵＴ１０上の複数の測定点に関する対応データを用いて、複数の測定点における不純物等の濃度が推定される（濃度推定処理）。すなわち、位相遅れが所定値となる周波数が推定され、その周波数を基にＤＵＴ１０上の測定点における不純物等の濃度が推定される。このとき、所定の位相遅れとなる周波数が推定できない場合にはさらに繰り返し周波数を変更して反射光の検出処理を繰り返してもよい。
より詳細には、複数の周波数の検出信号の位相遅れの値を基に位相遅れが４５度となる周波数を推定する。この周波数は遮断周波数と呼ばれ、このときの時定数τはこの周波数に対応する周期の１／（２π）倍となる。この時定数τがＤＵＴ１０の内部でのキャリアライフタイムに相当する。一般に、キャリアのライフタイムτは、Ｂを比例定数とし、ｐ０を多数キャリア濃度（＝不純物濃度）とし、ｎ０を少数キャリア濃度とし、Δｎを過剰キャリア濃度とすると、下記式；
τ＝１／｛Ｂ（ｎ０＋ｐ０＋Δｎ）｝～１／（Ｂ・ｐ０）
で表される。この性質を利用して、コントローラ３７は、位相遅れが４５度となる周波数からキャリアライフタイムτを計算し、上記式を逆算することによりキャリアライフタイムτから不純物濃度（＝ｐ０）を推定値として計算する。
ここで、複数の周波数の検出信号の位相遅れの値を基に位相遅れが４５度となる周波数を推定する際には、必ずしも位相遅れが４５度と一致する検出信号を抽出する必要はなく、生成された対応データを基にカーブフィッティング等の分析計算によって４５度の位相遅れとなる周波数を求めてもよい。この場合、コントローラ３７には予め周波数と位相遅れとの対応関係を示すデータが記憶され、検出信号の周波数と位相遅れの実測値との組み合わせが予め記憶された対応関係にフィッティングされることにより、位相遅れが４５度となる周波数が推定される。図６には、コントローラ３７に予め記憶されるデータによって表される周波数と位相遅れとの対応関係の一例を示している（横軸の周波数は遮断周波数を単位とする周波数である）。
最後に、コントローラ３７により、複数の測定点に関して推定された濃度の値が画像上にマッピングされてＤＵＴ１０上の濃度分布を示す出力画像のデータが生成される。そして、そのデータを基に出力画像が入出力デバイスに出力される。この出力画像によって、ＤＵＴ１０上での微細な濃度分布を、非接触、かつ、高ダイナミックレンジで観察することができる。例えば、不純物濃度の斑を容易に観察することができる。加えて、ＤＵＴ１０上での放熱特性の斑も同時に計測可能とされる。
以上説明した濃度測定装置１及びそれを用いた濃度測定方法によれば、計測光と既定周波数を含む変調信号によって強度変調された刺激光とがＤＵＴ１０に同時に照射され、ＤＵＴ１０からの反射光の強度が検出され、その結果出力された検出信号を基にＤＵＴ１０の不純物濃度が推定される。このとき、変調信号に対する検出信号の位相遅れを基に、位相遅れが所定値となる周波数が推定され、それを基に不純物濃度が推定されるので、不純物濃度が未知の場合であってもキャリアライフタイムに対応した不純物濃度を精度良く測定することができる。
また、本実施形態では、複数の既定周波数における複数の位相遅れを検出し、複数の既定周波数ごとの複数の位相遅れを基に、位相遅れが所定値となる周波数が推定されている。この場合、不純物濃度が未知の場合であっても、それに対応した所定値の位相遅れを生じさせる刺激光の周波数を設定することができる。その結果、不純物濃度が未知の場合であっても不純物濃度を精度良く測定することができる。
また、本実施形態では、検出信号の位相遅れが４５度となる周波数が推定されている。このようにすることで、遮断周波数を基に不純物濃度をさらに精度良く測定することができる。
さらに、本実施形態では、複数の既定周波数毎の変調信号で強度変調された刺激光を照射し、刺激光毎に対応して検出信号が生成されている。こうすることで、不純物濃度が広範囲で変化する場合であっても、それに対応した所定値の位相遅れを生じさせる刺激光の周波数を設定することができる。その結果、不純物濃度が広範囲に変化する場合であっても不純物濃度を精度良く測定することができる。
また、本実施形態では、矩形波によって強度変調された刺激光が用いられている。このような構成により、複数の周波数の検出信号における位相遅れを容易に取得することができる。その結果、不純物濃度に対応した所定値の位相遅れを生じさせる刺激光の周波数を効率的に設定することができるので、不純物濃度が未知の場合であっても不純物濃度を効率的に測定することができる。
さらに、本実施形態では、ＤＵＴ１０を構成する半導体のバンドギャップエネルギーよりも高いエネルギーを有する刺激光が用いられている。このような構成により、ＤＵＴ１０において効率的にキャリアを生成することができ、不純物濃度をより精度良く測定することができる。
以上、本発明の種々の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他のものに適用したものであってもよい。
上記実施形態における測定対象物であるＤＵＴ１０としては、ＬＳＩ等の半導体装置の製造過程において不純物を拡散させた半導体基板が選択されてもよい。このような半導体基板を対象にして濃度測定を実行する際には、ＤＵＴ１０の測定対象箇所である測定点は予めコントローラ３７において設定されており、その測定点をスキャンするように光照射／導光システム５が制御される。加えて、コントローラ３７には、予め入出力デバイスを介して想定される不純物濃度の情報が入力されている。そして、コントローラ３７は、測定点に関して推定した不純物濃度の数値と、予め入力された不純物濃度の情報とを比較し、その比較結果（例えば、所定誤差の範囲で一致しているか否かを判定した結果）を入出力デバイスに出力する。このような構成においては、半導体装置の製造過程において適切に拡散領域が生成されているか否かを判断することができる。
上記実施形態の光照射／導光システム５は、ＤＵＴ１０からの反射光を制御システム７に向けて導光可能に構成されていたが、計測光がＤＵＴ１０を透過することによって生じた透過光を制御システム７に向けて導光可能に構成されていてもよい。この場合、制御システム７において透過光を検出することによって生成された検出信号を基に濃度が推定される。
上記実施形態の光照射／導光システム５は、計測光と刺激光を合成するための要素として、ダイクロイックミラー１３の代わりにファイバカプラを備えてもよいし、複数コアのファイバを備えてもよい。
上記実施形態の光照射／導光システム５においては、偏光ビームスプリッタ１５をダイクロイックミラー１３と光源９ａとの間に配置してもよい。この場合は、ダイクロイックミラー１３が光学フィルタ２５の役割を有する。
上記実施形態の光照射／導光システム５においては、計測光と刺激光との間で光軸及び焦点を一致させるように構成されていたが、ＤＵＴ１０の測定点における刺激光のスポットが計測光のスポットを含むようになっていれば必ずしも焦点が一致していなくてもよい。また、複数コアのファイバが用いられている場合などには、計測光と刺激光との間で光軸がずれて設定されていてもよい。
また、上記実施形態において、光検出器２９が計測光にのみ感度を有するように構成されていれば、光学フィルタ２５は省略されていてもよい。
また、上記実施形態においては矩形波で強度変調された刺激光を用いて計測されていたが、正弦波等の他の波形の信号で強度変調された、複数の周波数毎に対応する複数の刺激光を用いてもよい。
１…濃度測定装置、５…光照射／導光システム（光学系）、７…制御システム、９ａ…光源（第１の光源）、９ｂ…光源（第２の光源）、２９…光検出器、３３…変調信号源（変調部）、３５…ネットワークアナライザ（解析部）、３７…コントローラ（解析部）。

Claims (16)

  1. 測定対象物の不純物濃度を計測する濃度測定方法であって、
    前記測定対象物に向けて、計測光と、既定周波数を含む変調信号で強度変調された刺激光とを照射する照射ステップと、
    前記測定対象物からの反射光あるいは透過光の強度を検出して検出信号を出力する出力ステップと、
    前記変調信号に対する前記検出信号の位相遅れを検出し、前記位相遅れが所定値となる周波数を求め、該周波数を基に前記測定対象物の不純物濃度を推定する推定ステップと、
    を備える濃度測定方法。
  2. 前記推定ステップでは、複数の前記既定周波数における複数の前記位相遅れを検出し、前記複数の既定周波数ごとの前記複数の位相遅れを基に、前記位相遅れが所定値となる周波数を求める、
    請求項１に記載の濃度測定方法。
  3. 前記照射ステップでは、矩形波である前記変調信号によって強度変調された前記刺激光を照射する、
    請求項１又は２に記載の濃度測定方法。
  4. 前記照射ステップでは、複数の前記既定周波数毎の前記変調信号で強度変調された前記刺激光を照射し、
    前記出力ステップでは、前記刺激光毎に対応して前記検出信号を出力する、
    請求項２に記載の濃度測定方法。
  5. 前記所定値は４５度である、
    請求項１～４のいずれか１項に記載の濃度測定方法。
  6. 前記照射ステップでは、前記測定対象物を構成する半導体のバンドギャップエネルギーよりも高いエネルギーを有する刺激光を照射する、
    請求項１～５のいずれか１項に記載の濃度測定方法。
  7. 予め入力された不純物濃度の情報と、前記推定ステップにおいて推定された前記不純物濃度とを比較する比較ステップをさらに備える、
    請求項１～６のいずれか１項に記載の濃度測定方法。
  8. 前記推定ステップでは、推定した前記不純物濃度をマッピングして不純物濃度の分布を表す画像データを生成する、
    請求項１～７のいずれか１項に記載の濃度測定方法。
  9. 測定対象物の不純物濃度を計測する濃度測定装置であって、
    計測光を生成する第１の光源と、
    刺激光を生成する第２の光源と、
    既定周波数を含む変調信号で前記刺激光を強度変調する変調部と、
    前記測定対象物からの反射光あるいは透過光の強度を検出して検出信号を出力する光検出器と、
    前記計測光及び強度変調された前記刺激光を前記測定対象物に向けて導光し、前記測定対象物からの反射光あるいは透過光を前記光検出器に向けて導光する光学系と、
    前記変調信号に対する前記検出信号の位相遅れを検出し、前記位相遅れが所定値となる周波数を求め、該周波数を基に前記測定対象物の不純物濃度を推定する解析部と、
    を備える濃度測定装置。
  10. 前記解析部は、複数の前記既定周波数における複数の前記位相遅れを検出し、前記複数の既定周波数ごとの前記複数の位相遅れを基に、前記位相遅れが所定値となる周波数を求める、
    請求項９に記載の濃度測定装置。
  11. 前記変調部は、矩形波である前記変調信号で前記刺激光を強度変調する、
    請求項９又は１０に記載の濃度測定装置。
  12. 前記変調部は、複数の前記既定周波数毎の前記変調信号で前記刺激光を強度変調し、
    前記光検出器は、前記刺激光毎に対応して前記検出信号を出力する、
    請求項１０に記載の濃度測定装置。
  13. 前記所定値は４５度である、
    請求項９～１２のいずれか１項に記載の濃度測定装置。
  14. 前記第２の光源は、前記測定対象物を構成する半導体のバンドギャップエネルギーよりも高いエネルギーを有する刺激光を生成する、
    請求項９～１３のいずれか１項に記載の濃度測定装置。
  15. 前記解析部は、予め入力された不純物濃度の情報と、推定した前記不純物濃度とを比較する、
    請求項９～１４のいずれか１項に記載の濃度測定装置。
  16. 前記解析部は、推定した前記不純物濃度をマッピングして不純物濃度の分布を表す画像データを生成する、
    請求項９～１５のいずれか１項に記載の濃度測定装置。
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