JPS6334975B2 - - Google Patents
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- JPS6334975B2 JPS6334975B2 JP1701281A JP1701281A JPS6334975B2 JP S6334975 B2 JPS6334975 B2 JP S6334975B2 JP 1701281 A JP1701281 A JP 1701281A JP 1701281 A JP1701281 A JP 1701281A JP S6334975 B2 JPS6334975 B2 JP S6334975B2
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/21—Polarisation-affecting properties
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/21—Polarisation-affecting properties
- G01N21/211—Ellipsometry
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
- G01R31/26—Testing of individual semiconductor devices
- G01R31/265—Contactless testing
- G01R31/2656—Contactless testing using non-ionising electromagnetic radiation, e.g. optical radiation
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- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
本発明はキヤリア分布測定方法に関し詳しく
は、ウエハ中の深さ方向におけるキヤリア分布
を、非接触かつ非破壊で測定する方法に関する。
は、ウエハ中の深さ方向におけるキヤリア分布
を、非接触かつ非破壊で測定する方法に関する。
半導体装置において、シリコンウエハ中の深さ
方向におけるキヤリア分布は、特性に大きな影響
を与えるので、シリコンウエハ中のキヤリア分布
を正確に測定することは、極めて重要である。
方向におけるキヤリア分布は、特性に大きな影響
を与えるので、シリコンウエハ中のキヤリア分布
を正確に測定することは、極めて重要である。
従来、深さ方向におけるキヤリア分布の測定は
シリコンウエハを表面から一定量をエツチし、ホ
ール係数測定など適当な手段によつてキヤリア量
を定量するという操作を、くり返し行なうという
方法が用いられた。
シリコンウエハを表面から一定量をエツチし、ホ
ール係数測定など適当な手段によつてキヤリア量
を定量するという操作を、くり返し行なうという
方法が用いられた。
しかし、エツチングと定量をくり返して行な
う、上記従来の方法は、極めて煩雑であるばかり
でなく測定に用いたウエハは、エツチングによつ
て破壊されてしまうため、半導体デバイスの製造
に供することはできず、廃棄する他なかつた。
う、上記従来の方法は、極めて煩雑であるばかり
でなく測定に用いたウエハは、エツチングによつ
て破壊されてしまうため、半導体デバイスの製造
に供することはできず、廃棄する他なかつた。
本発明の目的は、上記従来の問題を解決し、ウ
エハ中のキヤリア分布を、極めて容易に、かつ、
非破壊で測定することのできる方法を提供するこ
とである。
エハ中のキヤリア分布を、極めて容易に、かつ、
非破壊で測定することのできる方法を提供するこ
とである。
上記目的を達成するため、本発明は直線偏光し
た赤外線をウエハ表面に入射し、ウエハ表面から
得られる反射光の偏光状態を測定することによ
り、ウエハ内の深さ方向におけるキヤリア分布を
求めるものである。
た赤外線をウエハ表面に入射し、ウエハ表面から
得られる反射光の偏光状態を測定することによ
り、ウエハ内の深さ方向におけるキヤリア分布を
求めるものである。
以下、本発明を詳細に説明する。
第１図は、シリコンウエハにおけるキヤリア分
布の典形的なプロフアイルを模式的に示した図で
ある。
布の典形的なプロフアイルを模式的に示した図で
ある。
表面からの深さが０からｄまでの範囲では、キ
ヤリア濃度はほぼ一定値Ｎとなり、ｄより深い位
置においては、ウエハ自体の持つ濃度N0となる。
通常、ｄを接合深さとよぶ。
ヤリア濃度はほぼ一定値Ｎとなり、ｄより深い位
置においては、ウエハ自体の持つ濃度N0となる。
通常、ｄを接合深さとよぶ。
このようなウエハの表面に、単色直線偏光を入
射角θで入射させた場合の入射光電場および反射
光電場を、第２図に示すように、それぞれEs、
EpおよびE′s，E′pとする。ここで、添字ｓおよび
ｐは、それぞれｓ偏光成分およびｐ偏光成分を示
すものとする（第２図参照）。
射角θで入射させた場合の入射光電場および反射
光電場を、第２図に示すように、それぞれEs、
EpおよびE′s，E′pとする。ここで、添字ｓおよび
ｐは、それぞれｓ偏光成分およびｐ偏光成分を示
すものとする（第２図参照）。
上記入射光および反射光電場成分の間には、式
(1)で表わされる関係が成立する。
(1)で表わされる関係が成立する。
ただし、rsei〓s：ｓ偏光の反射振幅、
rpei〓p：ｐ偏光の反射振幅、
である。
式(1)において、上記rs、rp、φsおよびφpは、偏
光が入射した物質の誘電率ε（ω）（ωは入射光の
角振動数）と入射角θによつて定まるから、これ
らの量は、上記物質の有する性質を誘電率を介し
て反映する。
光が入射した物質の誘電率ε（ω）（ωは入射光の
角振動数）と入射角θによつて定まるから、これ
らの量は、上記物質の有する性質を誘電率を介し
て反映する。
所望物質の表面に単色直線偏光を入射し、得ら
れる反射光の偏光の変化状態（一般に惰円偏光）
を測定すると式(2)によつて定義される量Δ、ψが
求められる。
れる反射光の偏光の変化状態（一般に惰円偏光）
を測定すると式(2)によつて定義される量Δ、ψが
求められる。
tanψ＝rp／rs、Δ＝φp−φs (2)
このような測定法を、一般にエリプソメトリ
ー、使用される測定器をエリプソメータと称して
いるが、エリプソメトリーによつてΔ、ψを測定
すれば、式(1)および(2)から、上記物質の誘電率ε
（ω）を知ることができる。
ー、使用される測定器をエリプソメータと称して
いるが、エリプソメトリーによつてΔ、ψを測定
すれば、式(1)および(2)から、上記物質の誘電率ε
（ω）を知ることができる。
ところで、誘電率ε（ω）は、式(3)に示すよう
に、二つの部分からなつている。
に、二つの部分からなつている。
ε（ω）＝εb（ω）＋εf（ω） (3)
式(3)において、上記εb（ω）はバンド間遷移に
対応し、キヤリアとはほとんど無関係であるが、
εf（ω）はキヤリアの量もしくは濃度と強い関連
を有している。
対応し、キヤリアとはほとんど無関係であるが、
εf（ω）はキヤリアの量もしくは濃度と強い関連
を有している。
従つて、キヤリア分布を求めるためには、εf
（ω）を求める必要があるが、可視光および紫外
領域では、εb（ω）≫εf（ω）であるため、可視光
および紫外領域は不適当である。しかし、赤外領
域においては、εb（ω）が著るしく小さくなつて、
εf（ω）≫εb（ω）となり、εb（ω）は実用上無視
することができるので、本発明においては、キヤ
リアに関する情報を多く得ることのできる赤外光
を入射光として用いることが好ましい。
（ω）を求める必要があるが、可視光および紫外
領域では、εb（ω）≫εf（ω）であるため、可視光
および紫外領域は不適当である。しかし、赤外領
域においては、εb（ω）が著るしく小さくなつて、
εf（ω）≫εb（ω）となり、εb（ω）は実用上無視
することができるので、本発明においては、キヤ
リアに関する情報を多く得ることのできる赤外光
を入射光として用いることが好ましい。
キヤリア分布をＮ（Ｚ）とするとεf（ω）は式(4)
によつて与えられる。
によつて与えられる。
εf（ω）＝ε∞−4πN（Ｚ）e2／m*ω2・１／１＋ｉ／
ωτ(4) ここで、ε∞：物質定数 m*：キヤリアの有効質量 τ：キヤリアの緩和時間 ω：入射光の角振動数 ｅ：電子電荷 したがつて、キヤリア分布Ｎ（Ｚ）が与えられ
れば式(4)からεf（ω）が定まり、Δ、ψを求める
ことができる。反対に、Δ、ψを測定して、Ｎ
（Ｚ）を求める場合、１回の測定によつて１対の
Δ、ψを測定しただけでは、Ｎ（Ｚ）を求めるの
は困難である。
ωτ(4) ここで、ε∞：物質定数 m*：キヤリアの有効質量 τ：キヤリアの緩和時間 ω：入射光の角振動数 ｅ：電子電荷 したがつて、キヤリア分布Ｎ（Ｚ）が与えられ
れば式(4)からεf（ω）が定まり、Δ、ψを求める
ことができる。反対に、Δ、ψを測定して、Ｎ
（Ｚ）を求める場合、１回の測定によつて１対の
Δ、ψを測定しただけでは、Ｎ（Ｚ）を求めるの
は困難である。
そこで、ωあるいは入射角θの適当な範囲内に
おけるΔおよびψを測定して、（Δ、ψ）曲線を
作製し、これをキヤリア分布Ｎ（Ｚ）と対応させ
る。
おけるΔおよびψを測定して、（Δ、ψ）曲線を
作製し、これをキヤリア分布Ｎ（Ｚ）と対応させ
る。
すなわち、第３図は、キヤリアが第１図に示す
ようなプロフアイルで分布し、濃度Ｎが５×1019
cm-3、接合深さｄが、それぞれ０、0.1、0.5、５
および10μｍであるシリコンウエハのΔ−ψ曲線
を、計算によつて求めた結果を示す。これらのΔ
−ψ曲線は、赤外線の入射角を70゜に固定し、入
射した赤外線の波長λ（λ＝2πc／ω、ｃ：光速）
を５〜20μｍの範囲で順次変えた場合のΔとψの
変化を求めて作成した。
ようなプロフアイルで分布し、濃度Ｎが５×1019
cm-3、接合深さｄが、それぞれ０、0.1、0.5、５
および10μｍであるシリコンウエハのΔ−ψ曲線
を、計算によつて求めた結果を示す。これらのΔ
−ψ曲線は、赤外線の入射角を70゜に固定し、入
射した赤外線の波長λ（λ＝2πc／ω、ｃ：光速）
を５〜20μｍの範囲で順次変えた場合のΔとψの
変化を求めて作成した。
各曲線の両端部には、それぞれλ＝5μｍおよ
びλ＝20μｍと書かれてあるが、これは、各曲線
の端部が、それぞれλが5μｍおよび20μｍである
ときの、Δとψの値を表わす。したがつて、各曲
線は、λを5μｍから20μｍに変えて行つた際にお
ける、Δとψの変化を表わす。
びλ＝20μｍと書かれてあるが、これは、各曲線
の端部が、それぞれλが5μｍおよび20μｍである
ときの、Δとψの値を表わす。したがつて、各曲
線は、λを5μｍから20μｍに変えて行つた際にお
ける、Δとψの変化を表わす。
たとえば、第３図の曲線Ａは、第１図に示した
キヤリア分布のプロフアイルを有し、接合深さｄ
が0.5μｍ、キヤリア濃度Ｎが５×1019cm-3である
シリコンウエハーに、直線偏光された、赤外線を
波長λを5μｍから20μｍへ順次変えて入射した場
合のΔとψの変化を示し、同様に曲線Ｂは、接合
深さｄを0.1μｍとした場合の、入射波長λが5μｍ
から20μｍの範囲内におけるΔとψの値を示す。
同様に、第４図は、同じＮで接合深さｄが、それ
ぞれ０、0.1、0.5、１および5μｍの場合につい
て、入射波長は10.6μｍに固定して、入射角θを
60〜80゜の範囲で変えてΔとψを求めた結果を示
す。
キヤリア分布のプロフアイルを有し、接合深さｄ
が0.5μｍ、キヤリア濃度Ｎが５×1019cm-3である
シリコンウエハーに、直線偏光された、赤外線を
波長λを5μｍから20μｍへ順次変えて入射した場
合のΔとψの変化を示し、同様に曲線Ｂは、接合
深さｄを0.1μｍとした場合の、入射波長λが5μｍ
から20μｍの範囲内におけるΔとψの値を示す。
同様に、第４図は、同じＮで接合深さｄが、それ
ぞれ０、0.1、0.5、１および5μｍの場合につい
て、入射波長は10.6μｍに固定して、入射角θを
60〜80゜の範囲で変えてΔとψを求めた結果を示
す。
入射角θを振る方法により、キヤリア分布を定
めた例を以下に示す。まずθを62゜から80゜まで2゜
間隔で変えて、各角度で（Δ、ψ）を測定した。
測定結果は、第５図に記号＋で示してある。次に
キヤリア分布として第１図に示すモデルを仮定
し、２個のパラメータＮ（キヤリア濃度）および
ｄ（接合深さ）をコンピユータ、フイツテイング
により決めた。その結果、Ｎ＝1.01×1019cm-3、
ｄ＝1.01μｍなる値が得られ、このとき（Δ、ψ）
曲線は第５図ａの様になつた。以上により定めら
れたキヤリア分布を第６図直線ｂに示す。第６図
において、記号Ｏは、従来の上記エツチング一定
量法によつて求めたキヤリア分布を示すが、両者
はよく一致しており、本発明によつてキヤリア分
布が精度よく測定できることが確認された。
めた例を以下に示す。まずθを62゜から80゜まで2゜
間隔で変えて、各角度で（Δ、ψ）を測定した。
測定結果は、第５図に記号＋で示してある。次に
キヤリア分布として第１図に示すモデルを仮定
し、２個のパラメータＮ（キヤリア濃度）および
ｄ（接合深さ）をコンピユータ、フイツテイング
により決めた。その結果、Ｎ＝1.01×1019cm-3、
ｄ＝1.01μｍなる値が得られ、このとき（Δ、ψ）
曲線は第５図ａの様になつた。以上により定めら
れたキヤリア分布を第６図直線ｂに示す。第６図
において、記号Ｏは、従来の上記エツチング一定
量法によつて求めたキヤリア分布を示すが、両者
はよく一致しており、本発明によつてキヤリア分
布が精度よく測定できることが確認された。
本発明は、種々の態様で実施することができる
が、第７図はその一例を示す模式図である。
が、第７図はその一例を示す模式図である。
たとえばタングステンランプや黒体炉などから
なる赤外光源１から発する光ビームは、分光器２
によつて単色光化された後、赤外偏光子３を通つ
て直線偏光にされ、シリコンウエハ４の表面に入
射する。
なる赤外光源１から発する光ビームは、分光器２
によつて単色光化された後、赤外偏光子３を通つ
て直線偏光にされ、シリコンウエハ４の表面に入
射する。
上記シリコンウエハ４の表面からの反射光は、
回転検光子５を通り、赤外検出器７によつて検出
される。
回転検光子５を通り、赤外検出器７によつて検出
される。
上記分光器２の波長（λ）設定は、ミニコンピ
ユータ９からインターフエース８を介して行なわ
れ、また、検出器７の検出々力およびロータリー
エンコーダ６からの角度信号は、インターフエー
ス８を介して、上記ミニコンピユータ９に送られ
る。
ユータ９からインターフエース８を介して行なわ
れ、また、検出器７の検出々力およびロータリー
エンコーダ６からの角度信号は、インターフエー
ス８を介して、上記ミニコンピユータ９に送られ
る。
得られた分光エリプソデータ（Δ（λ）、ψ
（λ））の取扱いは上記ミニコンピユータ９によつ
て行なわれ、得られたデータは、大型コンピユー
タ１０によつて処理されて、キヤリア分布が決定
される。大型コンピユータ１０による処理は、直
結された会話型装置で行なつてもよいし、バツチ
処理によつて行つてもよいことはいうまでもな
い。
（λ））の取扱いは上記ミニコンピユータ９によつ
て行なわれ、得られたデータは、大型コンピユー
タ１０によつて処理されて、キヤリア分布が決定
される。大型コンピユータ１０による処理は、直
結された会話型装置で行なつてもよいし、バツチ
処理によつて行つてもよいことはいうまでもな
い。
第８図は、本発明による測定法の他の態様を示
し、入射角を任意に変えて、エリプソデータを測
定する場合を示す。
し、入射角を任意に変えて、エリプソデータを測
定する場合を示す。
第８図において、たとえばCO2レーザや半動体
レーザなどからなる赤外レーザ１１から発したレ
ーザビームは、回転偏光子１２を通つてシリコン
ウエハ４に入射する。入射角θはミニコンピユー
タ９の指令によつて動く回転ステージ１３によ
り、所望の値に設定される。
レーザなどからなる赤外レーザ１１から発したレ
ーザビームは、回転偏光子１２を通つてシリコン
ウエハ４に入射する。入射角θはミニコンピユー
タ９の指令によつて動く回転ステージ１３によ
り、所望の値に設定される。
検光子５および赤外線検出器７はアーム（図示
せず）上にあり、上記回転ステージ１３と連動す
る。
せず）上にあり、上記回転ステージ１３と連動す
る。
検出器７からの検出々力は、ロータリーエンコ
ーダ１４からの角度信号とともに、インターフエ
ース８を介してミニコンピユータ９へ送られる。
ーダ１４からの角度信号とともに、インターフエ
ース８を介してミニコンピユータ９へ送られる。
エリプソデータ（Δ（θ）、ψ（θ））の取得およ
びその処理は、上記と同じでよいことはいうまで
もない。
びその処理は、上記と同じでよいことはいうまで
もない。
上記説明から明らかなように、本発明によれ
ば、ウエハ中のキヤリアの深さ方向分布を非接触
かつ非破懐で測定することができ、しかも測定操
作も極めて容易であつて、産業上得られる利益は
極めて大きい。なお、上記説明は基板としてシリ
コンウエハを用いた場合について説明したが、シ
リコン以外の各種半導体にも同様に適用できるこ
とはいうまでもない。
ば、ウエハ中のキヤリアの深さ方向分布を非接触
かつ非破懐で測定することができ、しかも測定操
作も極めて容易であつて、産業上得られる利益は
極めて大きい。なお、上記説明は基板としてシリ
コンウエハを用いた場合について説明したが、シ
リコン以外の各種半導体にも同様に適用できるこ
とはいうまでもない。
第１図はウエハ中のキヤリア分布のプロフアイ
ルを示す模式図、第２図は入射光電場成分および
反射光電場成分を示す図、第３図および第４図は
それぞれ、波長および入射角を変えて得られた
（Δ、ψ）理論曲線を示す図、第５図はΔ、ψの
実測値とシユミレーシヨンに得た曲線の対比を示
す図、第６図は本発明および従来方法によつて得
られたキヤリア分布のプロフアイルを比較した
図、第７図および第８図は本発明の異なる態様を
示す図である。 １……赤外光源、２……分光器、３……偏光
子、４……シリコンウエハ、５……回転検光子、
６，１４……ロータリエンコーダ、７……検出
器、８……インタフエース、９……ミニコンピユ
ータ、１０……大型コンピユータ、１１……赤外
レーザ、１２……回転偏光子、１３……回転ステ
ージ。
ルを示す模式図、第２図は入射光電場成分および
反射光電場成分を示す図、第３図および第４図は
それぞれ、波長および入射角を変えて得られた
（Δ、ψ）理論曲線を示す図、第５図はΔ、ψの
実測値とシユミレーシヨンに得た曲線の対比を示
す図、第６図は本発明および従来方法によつて得
られたキヤリア分布のプロフアイルを比較した
図、第７図および第８図は本発明の異なる態様を
示す図である。 １……赤外光源、２……分光器、３……偏光
子、４……シリコンウエハ、５……回転検光子、
６，１４……ロータリエンコーダ、７……検出
器、８……インタフエース、９……ミニコンピユ
ータ、１０……大型コンピユータ、１１……赤外
レーザ、１２……回転偏光子、１３……回転ステ
ージ。
Claims (1)
- １ 半導体ウエハの表面に直線偏光された赤外光
を、少なくとも該赤外光の波長もしくは入射角を
変えて入射し、上記半導体ウエハの表面からの反
射光の偏光の変化を測定して、上記赤外光の反射
光のエリプソデータを求め、該エリプソデータか
ら求めた上記半導体ウエハ表面の誘電率と所定の
関係を有する上記半導体ウエハ内におけるキヤリ
アの深さ方向の分布を、上記赤外光の入射光の角
振動数もしくは入射角の所望範囲内における、上
記エリプソデータの変化から求めることを特徴と
するキヤリア分布測定方法。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1701281A JPS57132039A (en) | 1981-02-09 | 1981-02-09 | Method for measuring carrier distribution |
| US06/344,975 US4472633A (en) | 1981-02-09 | 1982-02-02 | Method and apparatus of measuring carrier distribution |
| EP19820300614 EP0059039B1 (en) | 1981-02-09 | 1982-02-08 | Method of measuring carrier distribution |
| DE8282300614T DE3272961D1 (en) | 1981-02-09 | 1982-02-08 | Method of measuring carrier distribution |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1701281A JPS57132039A (en) | 1981-02-09 | 1981-02-09 | Method for measuring carrier distribution |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS57132039A JPS57132039A (en) | 1982-08-16 |
| JPS6334975B2 true JPS6334975B2 (ja) | 1988-07-13 |
Family
ID=11932080
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1701281A Granted JPS57132039A (en) | 1981-02-09 | 1981-02-09 | Method for measuring carrier distribution |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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- 1982-02-08 EP EP19820300614 patent/EP0059039B1/en not_active Expired
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0892440A1 (en) | 1997-07-18 | 1999-01-20 | Hitachi Europe Limited | Controllable conduction device |
Also Published As
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| US4472633A (en) | 1984-09-18 |
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| EP0059039B1 (en) | 1986-09-03 |
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