TW447062B - Optical method for the characterization of the electrical properties of semiconductors and insulating films - Google Patents

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447 062 A7 五、發明說明（） 相互參考的相關專利申請窭： 本專利申請案係共同審查美國專利申請案，S.N. 08/519，666 ’西兀一九九五年八月—'十五日由Humphrey J.Maris提出申請，名稱爲”用於交換材料特徵描述之超快 速光學技術”之接續案’其所揭示之全部於此倂入作爲參考 〇 發明領域： . 本發明一般係有關於利用電磁輻射來記述樣品特徵的 一種方法和設備，且尤其有關用來測定離子植入半導體和 藉由其它方法摻雜的半導體之至少一種電氣特性，及沉積 於半導體材料上薄膜的電氣特性之系統^ 發明之背景： 目前在半導體工業中，對監測沉積於半導體表面上的 絕緣層中電荷的存在有極大的興趣，如此之電荷可能指示 在這些層中可能影響半導體元件性能的摻雜原子或陷阱。_ 用於在絕緣層中測量電荷之現有技術包括以下。 第一個技術爲電容-電壓輪廓，於其中與樣品緊密接觸 電極的電容被測量爲外加偏壓，且可能地係頻率，的函數 ，有關的參考文獻爲S.M.Sze，”半導體元件物理”，New York : John Wiley and Sons，1969，此外 A.S.Grove，”半 導體元件物理與技術”，New York : John Wiley and Sons， 1967，這方法的變化中，少量的液態水銀可能經由利用少 許毛細管被放置與樣品接觸。 這技術的缺點爲必須具有一個和樣品接觸的電極。 3 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） (諳先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝· 11 -----訂--I------ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 447062 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（） .. .:Μ.;:.和:、 第二個已知方法應用一種表面光電壓技術，在這技術 中，電壓藉由電極而被加至樣品的表面，且樣品被低強度 光源照射，例如強度在低頻下，例如一萬赫茲，被調變的 發光二極體。 這技術的缺點爲要不是需要接觸電極就是電極將沉積 .電荷於樣品表面上。 另外一種方法被已知爲深能階暫態頻譜儀(DLTS)，在 這技術中，溫度被緩慢地增加且電荷累進地從它們的陷阱 位置被釋放，電容中產生的變化被測量來推論電荷陷阱中 心的密度。 然而這技術也需要被製造於樣品的電性接觸。 此外沒有技術適合來硏究樣品的非常小區域，因爲降 低所探測的區域降低了靈敏度。 在半導體工業中’某些材料，如矽、鍺和砷化鎵，經 常地被摻雜摻雜原子以便改變它們電氣或機械的特性，這 些摻雜原子可能用離子佈植或從固體、液體或氣體源用擴 散被引進，伴隨如此之雜質引進而來係爲一些數量的晶格 破壞，其特性根據它們被引進的方法而定，因爲這種原因 ，多種的離子通常地被使用，包括硼、磷、鎵、鍺、氟、 矽、Bll、BF2、銻、銦、砷和氫，離子佈植的情況中，這 些離子被加速至可能如幾千電子伏特之低或如好幾億電 伏特之高的能量，然後被指向於材料的表面，在進入材料 後，離子因和材料的原子碰撞而損失能量，這些碰撞造成 材料的破壞，如原子從它們一般晶格位置的位移，因爲十 4 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐〉 <請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) ^ i I ] 1 ---訂------I I - 447062

五、發明說明（ 分商的離子劑量’部份的材料可能變成非晶系而非結晶系 ’由於發生破壞（也和陷阱位置產生有關）和，即使沒有破 壞產生，由於離子本身的引進，材料因此被修改。對擴散 的原子，試片，如基板，中的晶體破壞可能發生爲擴散原 子從試片原子的晶格位置上取代它們，破壞的程度視試片 和擴散原子的大小、擴散源種類（固體、液體、氣體）源中 擴散原子的密度和用來將它們驅入基板中熱處理、的細節而 定’也有可能沒有任何的晶體破壞(例如假使擴散原子和試 片的晶格常數比起來很小）’在這種情況下，擴散原子可以 佔據試片中的空隙位置，且因此可能改變試片局部的電學 和光學特性。 - 材料變化一般發生於表面層或區域，其深度可以對低 能量離子從少於一百埃至幾微米變化(例如當高能量離子被 使用時），對植入晶種’劑量，即每材料表面單位區域所引 進離子的量，藉由控制離子束電流和離子束被導向至材料 的時間可以在寬鬆的範圍內被變化，對擴散的情況，劑量 可以變化熱循環或源密度被控制，現在在半導體工業中， 爲不同的目的，植入劑量如每平方公分ιο1()個離子之低和 如每平方公分1〇18個離子之高被使用，材料破壞和離子的 引進都造成離子被引進表面周圍中材料電性的變化，一些 對晶體結構的破壤可以藉由材料的熱退火被移除。 在半導體晶片製造中，離子佈植或擴散可能被使用於 許多製程的步驟，典型地，植入被限制於事先決定的區域 ，即植入被圖樣化，相同地，藉由用如二氧化矽或氮化矽 t紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公楚）

------------ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁J 訂· -線· 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 447062 A7 B7 五、發明說明（） 之無法穿透、熱阻性層爲阻擋區域，擴散的原子可以被加 入圖樣中，能夠監視劑量和確定正確的區域已經被植入或 藉由擴散被摻雜是很重要的，既然這些區域可能非常小， 對一測量技術而言，具有非常高的空間解析度是很重要的 ，此外當測量的過程中，爲避免非故意的污染試片，非接 觸測量方法被使用爲所需求的。 許多不同的技術已被使用或計劃來評估離子.植入的材 料，包括拉塞福背向散射(Rutherford back-scattering)、雷 曼頻譜儀(Raman Spectroscopy)和片電阻測量，這些技術的 一些也已被使用記述外在原子藉由擴散已被引進的樣品特 徵。 - 已經被使用來將離子植入特性化的另一種方法利用一 種百分之一百強度用調變頻率ω調變過被指向於半導體表 面的雷射光束，如Opsal等人所描述，”用來評量半導體中 表面和基板特性的方法和設備”，美國專利號碼4,854,710 ，被吸收於試片中的光產生電子電洞電漿和靠近試片的表 面之激烈地振盪的熱波，電漿和熱波都在頻率ω下振動， 這些被迫的電漿和熱振動引起試片光反射率的些微振動， 其可以利用轉向至調變過雷射光相同點上之探測雷射光的 方法被測量，由反射探測光束強度所引起的在頻率0下些 微振動部分的振幅和大小強烈的和ω有關，且也可以被在 半導體中離子植入和相關破壞的出現影響，因此這振動部 分的測量可以被用作爲陷阱或離子植入監測。 在這點上也可以參考J.Opsal ，”用來評量半導體中離 6 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之沒意事項再填寫本頁) --!| 訂·! _!線. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 447062 ΚΙ ____Β7__ 五、發明說明（） ------------\;〕装--- (請先閱璜背面之注意事項再填寫本頁) 子植入程度的方法和設備”，美國專利號碼5,074,669，在 這技術中，反射探測光數的未調變部分和在頻率ω下調變 的部分都被測量和被分析，上面所有描述的技術中，激光 束的調變頻率典型地在一千萬赫茲之下。 光學-聲學位移測量(PAD)也已經被顯示對離子植入 劑量很靈敏，如 S. Sumie 等人，Jap· L AppL Phys_ 35, 3575 (1992)和 S. Sumie 等人，Jap. J. Appl. Phys·，76，5681 (I994)所述，在這些實驗中，聲學位移在的八萬七千赫茲 的頻率下爲週期性的，這些測量被設計使得因材料中所激 發的電子和電洞而產生之光反射的變化不被偵測到。 .線· 上面所述的光學方法一般使用週期性調變過的連續波 激光束來激發材料，調變頻率典型地在一千萬赫茲之下的 範圍中，然而這調變頻率的範圍可能不利地影響測量系統 的靈敏度和將摻雜原子或破壞分布輪廓化的能力，且也可 能造成系統對表面效應靈敏化。 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 材料的熱和電特性也已經被使用光學脈波之方法硏究 過，短光脈波(脈波寬度十億分之一秒或更少）已經被使用 來加熱半導體介電基板上的金屬膜，時間延遲探測光束(脈 波寬度也是十億分之一秒或更少)被使用來測量金屬膜光學 反射的變化，且從這個變化，膜藉由熱傳導進入基板而冷 卻的速率也可以被決定，在這點上也可以參考Young等人 ，在玻璃中時間刻度爲十億分之一秒之熱流的聲子散射， 由 A. C. Anderson 和 J‘ P· Wolfe (Springer，Berlin，1986)所 編著的凝結材料V中，第四十九頁，及Stoner等人，鑽石 7 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 4 47 062 A7 B7 五、發明說明（） 和幾種金屬間Kapitza傳導的測量，Phys. Rev. Lett, 68, I563 (I992)，及Stoner和Moris，在克氏溫度五十至三百 度下固體間的Kapitza傳導和熱流，Phys. Rev. B48, 16373 (1993)。 短光脈波已經被使用來激發半導體中的電子和電洞， 且因所激發載子而產生之光反射率的變化已經被用短探測 光脈波測量，在這點上也可以參考Auston等人，.半導體的 千億分之一秒分光鏡，Solid State Electronics 21，147 (1978)，及mci等人，固態電漿中超快速現象的物理， Solid State Electronics 21，151 (1978)，這成果通常地已經 被指向達到了解電子和電洞如何釋放和擴散，而非試片特 性化的方法。 在標題爲”在藍寶石上矽中載子的存活時間對離子植入 量” ，F. E. Doany 等人，Appl. Phys. Lett. 50(8)，23 February 1987 (頁數460至462)的論文中，報告有關藍寶 石基板上厚度爲零點五微米的矽膜傳導的硏究被完成，作 者應用在一千萬赫茲的速率下產生的七百億分之一秒脈波 ，激脈波被說明在一千赫茲的頻率下被擷取，且探測光束 被從激光束獲得，在時間範圍內反射率的變化被從光偵測 器獲得，在這實驗中，因爲藍寶石的寬能隙，所激發的載 子不可以進入基板，且因此可以被限制在矽膜，因此電子 和電洞被幾乎均勻地分布於矽膜的厚度中，且這假設被這 些作者使用於資料的分析中，必須說明的是所激發自由載 子的存活時間受到〇+離子植入量的影響且在〇+離子植入 δ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -^裝--------訂---------線' 經濟邨智慧財產局員工消費合作社印製 -n I I I I n ϋ I I I I I 1 I n I I I - 本紙張尺度適用令國國家標準（CNS)A4規格（2i0 X 297公釐〉 447062 B7 五、發明說明（） 量超過每平方公分3xl014個時，缺乏載子生存時間的相依 度，很重要要注意到的是在這個方法中所產生的熱無法快 速的散逸且試片的溫度可能變得很高。 在美國專利4,710,030所描述的非破壞性超音波技術 ’ 一非常高頻率音脈波用超快速雷射脈波的方法被產生和 偵測，音脈波被使用來探測介面，在這技術中所使用的超 音波頻率典型地少於一千億赫茲，且在典型材料中符合的 音波長較幾百埃爲長，在這技術中所產生的高頻率超音波 脈波可以視做和同相縱向的聲波聲子爲同義的.。 更詳細的，Tauc等人教導一個系統，其中暫態光學響 應由激脈波所產生且在試片中入射的機械.波(應力脈波)所 造成，Tauc等人描述具有1(Τ14秒至1〇_1()秒脈波寬度之激 及探測光束的使用，這些光束可能照射試片表面上同樣的 位置，或探測光束的照射點可能相對於激光數的照射點被 位移，在一實施例中，被測量的膜可以被轉換成和激及探 測光束有關，探測光束可以被試片入射或反射，由Tauc等 人教導的一個方法中，激光束具有至少一個波長用來非破 壞性地在試片中產生一個應力波，探測光束被導向至試片 來截斷應力脈波，且這方法更藉由在探測光束截斷應力脈 波之後測量探測光束的強度偵測由應力脈波所引起的光學 常數變化。 在一實施例中，鏡子和角立方體間的距離被變化來變 化試片上激光束和探測光束照射間的延遲，在另一個實施 例中，一光學聲學非主動膜利用由光學聲學主動介質所組 9 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝-----訂------I--線. 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 447062 ^ A7 ·.： B7 五、發明說明（) \ 成的覆蓋膜，如碲化砷，被硏究，再一個實施例中，從邊 界上應力脈波的反射係數的測量，及測量値和理論値的比 較，膜和基板間的鏈結品質可以被決定。

Tauc等人的方法和設備並不侷限於簡單的膜，而是可 以被延伸至獲得有關超晶格、多層薄膜結構和其他非同質 膜中層厚度和介面的資訊，Tauc等人也提供激和探測光束 在試片區域上掃描，小至一微米一微米的掃描，且畫出所 反射或所入射的探測光束強度的變化。. 發明目的： -本發明的第一個目的爲提供一種用於半導體之非結構 破壞的評估改進方法，其經由使用至少·一短光脈衝激發半 導體中的電子和電洞，及一光學探測光來測量爲時間的函 數之半導體的光學常數的結果變化。 本發明的另一個目的爲以微米或次微米的空間解析度 ，非破壞性的測量在試片中的電荷。 本發明的再一個目的爲提供一非破壞性、非接觸的方 法來決定在半導體材料的小區域中摻雜量、陷阱密度和少 數載子存活時間。 發明槪要 本發明教導一種方法和一個系統來將離子植入和其他 材料特性化，經由激發將被硏究的材料之短激光脈波的利 用，及在激脈波應用後短時間光探測光來檢視材料，材料 光學常數中時間相依的變化，其可能藉由，舉例來說，反 射率或極化的變化被處理，被測量和引進化學晶種的至少 10 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） (諳先閱讀背面之沒意事項再填寫本頁) 裝--------訂--------線· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 447 062 Α7 Β7 五、發明說明（） 一特點有關，舉例來說，反射率的變化可以和植入化學晶 種的密度及/或化學晶種被植入的能量有關’本發明的一個 實施例中，一暫態柵可以被建立在試片的表面上用來提供 試片中電子和電洞的非均勻分布。 根據本發明的方法和設備，其可以結合緊接因至少一 激脈波的應用由試片光學常數時間相依變化引起的一個或 多個效應的測量被應用：（a)反射強度的變化；（b>入射強度 的變化；（c)反射和/或入射光極化態的變化；（d)反射和/ 或入射光相位的變化；（e)反射和/或入射光方向的變化， 及(f)試片表面和偵測器間光路徑長度的變化。 根據本發明的一實施例，前面所述及其他的問題被克 服且本發明的目的藉由一方法和系統被實現，其中激光脈 波被吸收於試片的一區域中將被硏究，在激光束應用之後 ，探測光脈波被使用來測量爲時間的函數之光學反射率△ R(t)的變化，方法的變化中，響應ΔΙΙ(1：)被測量爲（1)應用至 試片表面的電場，和/或(2)激光束的強度，和/或(3)可能爲 連續或脈波化的另外照明源(如連續頻譜的雷射光源）的強 度，和/或(4)溫度的函數。 由激光脈波所激發之載子的數目及空間分布可能由於 下列的製程隨時間變化。 在第一個製程中，由激光脈波所激發之載子的數目及 空間分布藉由擴散遠離或朝向試片的表面而隨時間變化， 這擴散的速率強烈地被植入量或其他破壞所影響，且較少 程度地被試片中摻雜原子的密度影響。 11 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ----I--訂 *!!-線 _ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4 47 06 2 A7 _____B7_____ 五、發明說明（） 在第二値製程中，在試片中電場的影響下’由激光脈 波所激發之載子的數目及空間分布漂移，如此的場可能由 ，舉例來說，試片中帶電的陷阱所引起，也可能由帶電主 動摻雜離子的濃度梯度所引起，因爲電荷嵌入表面或配置 於半導體表面上的材料（如氧化物中）中的出現，電場也可 能產生於靠近半導體表面，在這樣的情況中’在半導體中 電場的大小及梯度和同一個半導體中的摻雜濃度有關。 在第三個製程中，由激光脈波所激發之載子的數目及 空間分布係與復合有關，載子的復合速率被試片中復合中 心的分布和密度所控制，在植入製程的過程中，這些中心 可能 於植入過程中被產生，或可能和故意和非故意所 引進試片材料的摻雜原子有關，舉例來說，藉由其他非離 子植入的方法來摻雜。 △ R(t)的測量，結合一適當的分析，被顯示非常有用 於決定表面電荷、摻雜濃度(s)，陷阱密度和少數載子存活 時間。 外在加至試片的電場產生載子分布時間相依的變化， 這變化的分析可以給予更多有關將被決定量的資訊，電場 可以用下列的一種或多種方法而施加。 在第二翻'芳法中，半透明的電極被沉積於試片的上端 電極具有至少聚焦過激和探測光束尺寸的區域》 在第二個方法中，半透明的電極被提供緊緊地接觸試 片的表面。 在第三個方法中，具有錐狀尖端的電極被佔有大約靠 12 (請先閱讀背面之注t事項再填寫本頁) ..:數-----！ i 訂·!--線. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用t國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 447062 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 B7 五、發明說明（） 近試片的表面爲了感應絕緣層表面上已知量的電荷。 激光強度的變化改變試片中所激發載子的數目，對激 光束的每一強度，光反射率⑴的暫態變化具有不同的 作用形式，舉例來說，對兩個不同的激強度Ιι和12，反射 率相對地所測量到的變化爲⑴和⑴，因此ARi⑴ 對⑴的比率和所考慮的特別時間t有關，即ARKt)和 △ R2⑴不滿足的△RKt^cARXt)關係，c爲和時間無關的常 數，因此經由這種照射之以強度爲函數的ΔΚ⑴的測量， 或波長，或波長分布可以更有益的將試片特性化。 在激脈波應用之前，試片溫度的變化更改出現的載子 數目，且也將改變載子被捕捉的速率，-因此藉由這樣試片 溫度的變化，AR(t)被更改，因此對時間的函數做測量或 在一特定的溫度下做所有的測量可能有益的，這技術使得 測量可以在狀況下被執行使得結果對極感興趣的一特定性 質最爲靈敏(舉例來說，表面電荷、摻雜濃度、陷阱密度或 少數載子存活時間）。 藉由所測量資料和從參考試片資料的比較或藉由和模 擬的比較，試片參數被決定，模擬被執行計算因爲激脈波 所注入之電子和電洞的暫時現象而爲時間函數之試片光學 性質中的變化。 M_示之簡軍說明 本發明前面提出和其他特點變得更明顯，在確定本發 明的詳細說明中，當配合附圖閱讀時，其中： 第一 A圖爲第一個百前適合用來實現本發明的超快速 13 氏張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格(210 X 297公餐Ί ' ! ί [ ¾---------訂-------線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 447062 A7 B7 五、發明說明（） 光學系統之較佳實施例的方塊圖，明確而言，係一平行間 接的光束實施例； 第一 A’圖更詳細地說明第一A圖的部分； 第一 B圖爲第二個目前適合用來實現本發明的超快速 光學系統之較佳實施例的方塊圖，明確而言，係一垂直激 .勵間接的探測實施例； 第一 C圖爲第三個目前適合用來實現本發明的超快速 光學系統之較佳實施例的方塊圖，明確而言，係一單一波 長、垂直激勵、間接探測，結合橢圓儀的實施例； 第一 D圖爲第四個目前適合用來實現本發明的超快速 光學系統之較佳實施例的方塊圖，明確而言，係一雙波長 、垂直激勵 '間接探測，結合橢圓儀的實施例； 第一E圖爲第五個目前適合用來實現本發明的超快速 光學系統之較佳實施例的方塊圖，明確而言，係一雙波長 、垂直入射激勵和探測，結合橢圓儀的實施例； 第一 F圖說明本發明暫態閘實施例的操作，其中激脈 波被分割及在試片的表面被加強性和破壞性干渉； 第二圖說明激光脈波的一連串脈波； 第三A圖說明另一實施例，其中一個或多個光纖被安 置來傳送激光束和/或探測光束且用來將反射探測光束運送 離開； 第三B圖說明截面積已經被減少用來傳遞一光脈波至 試片的小表面區域之光纖透鏡的終端； 第四圖爲具有離子植入區域的半導體晶片部分的放大 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閲讀背面之沒意事項再填寫本頁) 、裝 -----—訂- - -- ----- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 447 0 6 2 B7____ 五、發明說明（） ，非按照比例，剖面圖； 第五圖說明在測試下用來便該激/入射光束和試片表面 交會位置之X-Y平台置放機構； 第六A圖爲一圖說明每一個具有不同植入密度的四個 半導體試片在3Χ1〇_1<)秒內反射率的變化； ]第六B圖爲一圖說明對第六A圖的四個試片在3.5 XI〇-9秒內反射率的變化； 1 第七A至七E圖爲放大，非按照比例，剖面圖’顯示 藉由激光束在時間帶電載子的產生(第七A圖）’在時間 tl帶電載子的擴散(第七B圖）’和在時間t2和t；3探測光束 的應用； — 第七F圖爲相關於第七A至七E圖中所顯示順序的時 序圖，其中每一探測光束在時間t〇具有不同的激光束； 第八A圖爲顯示沉積於半導體基板上的半透明電極之 半導體試片的剖面圖； 第八B圖爲顯示和試片接觸的外加電極之半導體試片 的截面視圖； 第九圖說明一群一連串激脈波和相關的探測光束之時 序； 第十A圖爲一圖說明對以矽和磷植入的晶片在十億分 之一秒內反射率的變化，在降低因植入過程所造成的破壞 之熱回火之前及之後； 第十B圖爲一圖說明對每一個植入相同劑量硼原子但 植入能量不同的三個矽晶片在3Χ10·1()秒內反射率的變化； 15 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ί請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) .裝—--訂---! I I--線_ 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 447062 ___B7____ 五、發明說明（） 第十C圖爲一圖說明對每一個有二氧化矽覆蓋層且植 入相同劑量硼原子但植入能量不同的三個矽晶片在3Xl(Tie 秒內反射率的變化；和. 第十D圖爲一圖說明對以矽和磷植入的晶片在十億分 之一秒內反射率的變化，在降低因植入過程所造成的破壞 之熱回火之前及之後，其中所硏究的晶片和第十A圖中的 —樣，但是激和探測光束被減少一大約二的因子.：其中 在第六A圖、第六B圖和第十A、至十D圖中，畫在 垂直軸方向的爲反射率，其單位使得最大的變化爲一單位 〇 發明之詳細說明 - 根據本發明的教導，光脈波被轉向至一試片上，且部 分地被試片中的電載子所吸收，然後其轉換他們的能量給 組成試片的材料，結合能量的轉換很小，試片中光響應的 局部暫態變化，即明瞭對光輻射的脈波至少有一個暫態和 可測量響應，測量到的暫態一個或多個響應可以包括探測 脈波反射部分強度之至少一個調變過的變化AR測量，探 測脈波入射部分強度的變化ΔΤ，反射探測脈波極化的變化 ΔΡ，反射探測脈波光相位的變化A P，及探測脈波反射角 的變化ΔΘ，其中的每一個可以被考慮成探測脈波入射或 反射部分的特性變化，對激脈波試片的暫態響應主要地和 所激發的電載子傳遞它們的能量至試片的其他部分的速率 、電場，也和組成試片的材料厚度和熱傳導度有關的速率 下衰減。 16 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注§項再填寫本頁}

447062 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（） 於本發明之教導的目前較佳實施例中，被反射探測光 束的光反射率AR⑴變化之時間依存性係最感興趣的’在這 實施例中，光反射率變化之時間依存性和大小藉由外來晶 種的分布和它們被植入試片的過程而被決定。 換言之，從一系列測試試片的測量’已經被發明者發 現反射率變化，在零至一千兆秒的時間範圍內’對離 子佈値量的程度特別地靈敏，應該被注意的是觀、測到的反 射率變化典型地在1〇_3至10·5的範圍內.。 現在參考第一 Α圖和第一 Α’圖，共同地參考如第一A 圖之下，用來說明設備1〇〇目前的較佳實施例適合用來實 現本發明，這實施例被參考爲一種平行/間接的實施例。 這實施例包括一光/熱源ΠΟ，其操作如可變高密度照 明器，且其提供照明給一攝影機124和在電腦控制下用做 溫度依存測量的一試片熱源，一種可替代的加熱方法利用 在試片平臺122中所使用的一電阻性加熱器，光加熱器的 一個優點爲它使得在不同溫度下快速順序的測量或在一穩 定的溫度下變成可能。 攝影機124提供一顯示的影像給操作者，且幫助測量 系統的建立，爲這個目的，適當的圖案辨別軟體也可以被 使用，因此減少或消除和操作者間的關連，BS5爲一寬頻 帶光束分光器，其轉向影像和一部份的雷射光至攝影機 124，攝影機124和處理器101可以被用來自動地放置激和 探測光束於測量位置上。

試片平臺122(第五圖中也可見到的）較佳地爲高度（Z 17 - - - --------Λ *-------^-------11 J-)yi (請先閱讀背面之沒意事項再填窝本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

V 44 7 0 6 2 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ____B7_ 五、發明說明（） 軸）、位置(X軸和Y軸)及可選擇性地傾斜卜）可以調整的 多角度自由平臺’且允許監視相關激和探測光束的試片部 份受控位置，z軸被用來垂直地將試片移動至激和探測光 束的聚焦範圍內’ X軸和γ軸將試片平行地移動至對焦平 面，傾斜軸調整平臺122的方向對探測光束來建立所需的 入射角，這經由如上所述之位置靈敏偵測器PSD1和信號 處理器101被達成。 在可替代的實施例中，光探針可被.移動相對於靜止的 、可傾斜的平臺122’(未顯示），這對掃描大物件(如直徑三 百毫米的晶圓，或機械結構等)而言特別地重要，在這實施 例中，激光束、探測光束和影像信號可以經由多條光纖或 一束光纖被傳送至可移動的探針或從可移動的探針送來。 激探測光束分光器126將入射雷射光束脈波分光(較佳 地脈波寬度爲兆分支一秒或更短)成激和探測.光束，且包括 轉向未分光光束的極性的可轉向半波平板(WP1)，WP1被 結合極化的光束分光器PBS1使用來造成激和探測功率間 持續可見的分離，對一特定的試片，這分離可藉由馬達的 方法被電腦控制來達到最佳的信號對雜訊比，適當的分離 和如試片的平坦度和反射率之因素有關，在電腦的控制下 ，藉由具有機械化基座旋轉WP1，調整可以被達成。 第一個聲學光學調制器(ΑΟΜ1)在大約十萬赫茲的頻率 下截止激脈波，第二個聲學光學調制器(ΑΟΜ2)在不同於激 調制器ΑΟΜ1些微値的頻率下截止探測脈波，在第一 Α圖 中所說明的系統，AOM2的使用爲可選擇性的，可選擇性 18 氏張尺度適用中國國家標ί (CNS)A4規格（210 X 297公釐） * -~嫌 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 襄 ------訂 -------線— A7 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 447 062 __B7_.___ 五、發明說明（） 地，AOM群可以被和一個共用時脈源同步，及更可以被和 產生激和探測光束的雷射光之脈波重複率(PRR)同步，電光 調制器可以選擇性地被使用來取代AOM1或AOM2 ^ 空間濾波器128被使用來對可能因顯示如向後反射器 129的機械延遲線動作而變化的一輸入探測光束而在它的 輸出維持一穩定不變探測光束輪廓、直徑和傳播方向，空 間濾波器128包括一對光圏A1和A2和一對鏡片.L4和L5 ，空間濾波器可替換的實施例爲納入如.先前所述的光纖， 假如從機械延遲線來的探測光束輪廓並不變化的很明顯， 當向後反射器129被移動時，空間濾波器128可以被省略 〇 - WP2爲第二個可調整的半波平板，其及PBS2和結合 光束分光器126的WP1/PSB1功用相同，通過光束分光器 PSB1的部分光束照射在一光束區域，光束分光器BS2被 使用來轉向探測光束的一小部份至參考偵測器D2上’ D2 的輸出被放大且傳送通過低通濾波器來給予一和入射探測 光束平均強度成比例的電信號LF2。 在通過BS2之後，探測光束藉由鏡片L2被聚焦於試 片上，在從試片反射之後，光束被平行化且在通過極化器 132之後被入射於光偵測器D1上’從D1的輸出’兩個電 信號被獲得，藉由將D1放大過的輸出經過一低通濾波器 來給予一和入射探測光束平均強度成比例的電信號’第一 個信號LF1被獲得，藉由將EH放大過的輸出經過一通過 AOM1所使用的調變頻率的高通濾波器，第二個信號HF1 19 ^ · 1Λ n H ϋ ϋ I -i-rej« n ϋ I n i n tm a i. yY - - I n n n n [ I n n n ϋ ·1 1 n I aw§ n I I— I (請先閲請背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 447062 A7 ______B7__ 五、發明說明（） 被獲得。 對兩條光路上固定損失，在容忍度被定出之後，低頻 信號LF1和LF2可以被使用來決定試片的反射率，信號 LF2和偵測器D4的平均(dc)輸出給予一種激和探測光束強 度的測量’這些信號被提供給電腦，舉例來說信號處理器 101，其依次控制機械化的半波平面WP1和WP2，對在一 反射率下顯出的試片，電腦被程式來調整這些半波平面以 便給予所需的全部光功率和激/探測比率,。 線性極化器.132被利用來阻擋散射激光偏極化，且來 透過探測光束，分光器BS1被使用來轉向一小部份的激光 束和選擇性地一小部份的探測光束於第一個位置.靈敏偵測 器(PSD1)上，其配合處理器1〇1和試片平台122的移動被 使用來自動對焦，PSD1結合處理器101和電腦控制的平台 122(傾斜和Z軸)被應用來自動地將激和探測.光赛聚焦在試 片上，達到所需的對焦狀況。 通常偵測器D1可以被使用在反射儀、橢圓儀和本發 明的暫態光實施例，然而對每一應用，最後的信號處理並 不同，，對暫態光測量，信號的直流部分被抑制，如減去參 考光束輸入D2或它的部分，假使需要的話，來消去D1未 調變的部分，或電性濾波D1的輸出以便抑制非調變的頻 率，信號的少數調變部分然後被放大和儲存，對橢圓儀， 沒有少數調變部分，在旋轉補償器(見底下第一 B圖的討論 )的每一旋轉時間內，相當全部的信號被取樣許多次，且結 果波形被分析來產生橢圓儀參數，對反射儀，因試片造成 20

尺度適用中國國"家標準^CNS)A4規格（210 X 297公H ί,襄— (請先閲讀背面之注f項再填寫本頁) 訂. -·線. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 r- 447 0 6 2 a/ ___B7____ 五、發明說明（） 的全部未調變探測光束強度的變化藉由使用D1和D2輸出 信號(D2測量和入射探測光強度成比例的信號)被決定，相 同地另外的反射儀資料可以藉由使用偵測器D3和D4被從 激光束獲得，從任一個或兩個光束來之反射儀資料的分析 可以被使用來將試片特性化，兩個光束的使用對增進解析 度和對解決關聯方程式解中的任何不確定性很有用。 第三個分光器BS3被使用來轉向一小部份激光束於偵 測器D4上，其測量和入射激光束強度成比例的信號，第 三個分光器BS4被安置以便於轉向一小部份激光束於偵測 器D3上，其測量和反射激光束強度成比例的信號。 第一 B圖說明設備102的一垂直激光束、傾斜探測光 束實施例，如第一 A圖所標號的構成單元功用相同，除了 下面所指示的不同，在第一 B圖中，上面所述的旋轉補償 器132被提供，實現爲機械化可旋轉基座上.的線性四分之 —波平板且其形成系統橢圓儀模態的一部份，平板被在， 舉例來說，幾十個赫茲至連續第變化照射於試片上探測光 束的光相位的速率下在探測光束中旋轉，反射光通過分析 器134且強度被測量，及在每依次旋轉的時間內，傳送到 處理器101許多次，根據橢圓儀方法已知的形式，信號被 分析來決定試片的特性(透明的或半透明的），這允許(脈波 化)探測光束被使用來執行橢圓儀測量9 利用一脈波化雷射，橢圓儀測量被執行，其在一般狀 況下爲有缺點的，既然脈波化雷射頻寬比通常應用於橢圓 儀測量的連續波雷射形式頻寬大的多。 21 {請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ----訂---------線· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -^1 *1 n n n n n n n n , 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） u 447062 B7 五、發明說明（） 橢圓儀測量性能在實行底下所述方法的某幾個實施例 是極爲有用的，其中需要決定沉積於基板上模層的反射係 數。 假如暫態光學測量已經被實行，旋轉補償器132被轉 向使得探測光束垂直於激光束被線性地極化，分析器134 可以被實現成爲固定的極化器且也形成系統的一部份橢圓 測試儀模態，當系統被用來作爲暫態光學測量時.，分析器 134被轉向來阻擋激光束。 分析器134可以被實現成爲固定的極化器且也形成系 統的一部份橢圓測試儀模態，當系統被使用於橢圓模態中 ，分析器134被轉向以便阻擋相對於探測光束入射及反射 平面四十五度角極化的光。 第一B圖中的實施例中更包含一個兩色鏡(DM2)，其 在靠近激波長的窄頻寬附近爲高度反射性，而對其它的波 長大多爲可穿透的。 應該被注意到的是在第一 B圖中，BS4被移動結合 BS3來取樣激光束，且用來轉向一部份激光束至D3和至 第二個PSD(PSD2)，PSD2(激PSD)結合處理器101、電腦 控制的平臺122(傾斜及Z軸)及PSD1(探測PSD)被應用來 自動地對焦激和探測光束於試片之上來達到所需的聚焦狀 態，此外鏡片組L1被應用爲激光束、影像和光學加熱對 焦目鏡，當可選擇的鏡片組L6被使用來對焦從BS5至攝 影機124上的取樣光。 現在參考用來說明設備104的一實施例之第一 C圖， 22 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝--------訂-----！ — .線· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS>A4規格（210 X 297公釐） 五、發明說明（ λ/ A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 特別單一的波長、垂直激光束、傾斜探測光束、聯合的橢 圓測試儀實施例，如先前一般，只有這些先前未被描述的 組成單元將會在以下被描述。 遮光器1和遮光器2爲電腦控制的遮光器，且允許系 統在橢圓測試儀模態下使用氦-氖(He-Ne)雷射136，取代脈 波化的探測光束，對暫態光學測量，遮光器1打開而遮光 器2關閉，對橢圓測試儀測量，遮光器1關閉而遮光器2 打開，氦氖雷射Π6爲低功率連續波雷射，且對一些膜而 言，已經被發現產生更佳的橢圓測試儀測量表現。 第一 D圖爲第一 C圖中說明的系統的雙重波長實施例 1D，在這個實施例中，光束分光器126-被諧波分光器、光 學諧波產生器產生一個或多個未分光入射雷射光束的入射 光學諧波所取代，這以鏡片組L7、L8和適合用來從入射 雷射光束產生第二諧波非線性化的光學材料被完成，激光 束被顯示藉由兩色鏡片(DM1 138a)傳至A0M1，同時探測 光束被反射至向後反射器，相反的情況也可能，較短的波 長可能被傳播但較長的波長可能被反射，反之亦然，在最 簡單的情況之下，激光束爲探測光束的第二諧波(即激光束 具有探測光束一半的波長）。 應該被注意到的是在這個實施例中，A0M2可以被省 略及爲了減少到達偵測器D1的光量，作爲替代的彩色濾 光器F1可以被使用在偵測器D1之前，F1爲對探測光束和 氣氖雷射波長具有高度透光性但對激光束具有非常低透光 性的濾光器。 23 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ----1 訂---------線· 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210x297公釐） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ^ 447062 A7 _____B7_ 五、發明說明（） 最後第一 E圖說明垂直入射、雙波長、結合橢圓測試 儀實施例’在第一 E圖中’探測光束照射於PBS2上 且沿著PBS2所通過的方向被極化，在探測光束通過WP3 、四分之一波長平面及從試片反射之後’探測光束回到 PBS2，其沿著被高度反射的方向被極化，且然後被轉向至 .偵測器區塊130中的偵測器DO ’ D0測量反射的探測光束 強度。 ， 更完整的細節，WP3造成進入.平面極化的探測光束變 成圓形極化，從試片反射時極化的習慣被顛倒，且在反射 之後出現於WP3上，探測光束垂直於其原始的極化被線性 地極化，BS4反射一小部份的反射激光束於自動聚焦偵測 器AFD上。 DM3，兩色鏡，結合探測光束、照明器和激光束於共 用軸上，DM3對探測波長而言爲高度反射性.的，且在大多 數的其它波長下實質上爲可穿透的。 D1，反射的氦氖雷射136偵測器，只被使用作爲橢圓 測試測量。 應該被注意到的是當和第一 C圖及第一 D圖比較第一 E圖時’遮光器1被重新安置以便在諧波分光器138之前 截斷入射雷射光束。 依攄前面的敘述，測量設備的這些目前較隹實施例的 所選擇的一個提供給試片的特性，其中較短光脈波(探測光 束）被轉向至試片表面的區域，且然後第二個光脈波(激光 束)在一較晚的時間被轉向至同一個或鄰近的區域，顯示於 24 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公楚） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) ，裝--------訂- -------線· 447062 A7 _,_B7___ 五、發明說明（） 第一 A圖至第一E圖中所有說明的實施例中之向後反射器 129可以被應用來提供所需激和探測光束短暫的分離。 設備1〇〇、102、104、106和108，如前所述，能夠測 量（1)探測光束反射率的暫態變化，配合適當的修改，設備 可以使用來測量，（2)穿透探測光束強度的變化ΔΤ，（3)反 射的探測光束極化的變化ΔΡ，（4)反射的探測光束光學相位 的變化Δφ，及/或(5)探測光束反射角度的變化ΔΘ」這些量 可以全部地被考慮爲試片的暫態反應，，其因激脈波而產生 ，這些測量可以和緊接的一個或數個被一齊完成：（a)量 (1)-(5)任何的測量只列出爲激或探測光束入射角度的函數 ，（b)量（1)-(5)任何的測量爲激及/或探測光束超過一個波長 的函數，(c)經由激及/或探測光束的入射及反射平均強度的 測量之光反射率的測量，（d)根據反射，激及/或探測光束平 均相位變化的測量；及/或(e)入射及反射的激及/或探測光 束之平均極化和光相位的測量，量(c)、（d)和（e)可以被考 慮爲試片對激光束的平均或統計反應。 五個實施例100、102、104、106和108 ’如前所述， 共同具有一連串激脈波被產生和被轉向於試片表面上的特 點，每一激脈波以橫越區域平滑地變化強度來照亮試片的 相同區域，以由 PhilUon 等人(D.W. Phillion，D.J. Kuizenga 和 A.E. Siegman，Appl. Phys. Lett. 27,85 (1975))所描述的感 應暫態柵欄法完成的暫態光學響應測量也在本發明的範圍 內，爲感應暫態的柵攔，每一激脈波以光束分光器或光束 分光器群被分成爲兩個或更多個單元，這些單元然後通過 25 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注i項再填寫本頁) iji — 訂·!---. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 147062 A7 __B7___ 五、發明說明（） 分別的光路徑且然後所有的被轉向至試片表面的相同區域 上，假如不同的單元以不同的角度被轉向表面上，將會在 區域之中的一些地方，不同的單元加強性的干涉，及一些 地方，干涉爲破壞性的，因此激光的總強度將會於試片表 面變化，在只有兩個單元1和1’出現的情況下，如第一 F .圖中所顯示的，強度將會於試片表面週期性的變化，強度 的週期，即最大強度的連續點之間的距離，由激.光的波長 和被入射於表面上激光的不同單元的角.度被決定，然後結 構中所吸收的光量將會於表面週期性的變化，且由激光所 產生的電子和電洞數目將會於表面週期性的變化，因此因 電子和電洞介入所造成的試片光學特性之暫態變化也將會 於試片表面週期性的變化，這試片光學特性之暫態變化的 變動等於與試片表面一致的暫態繞射柵欄產生，當探測光 2被入射於由激光束所激發的區域上時，探測光的部份4 將會被繞射'，即探測光的部份將會在一個方向或一群方向 被反射，遠離會反射的反射方向3，這繞射探測光強度的 量測，以偵測器D1依照激和探測光束的應用間時間延遲t 的函數的方法，提供一可供選擇的方法做爲試片中所激發 載子所產生的暫態光學響應之定性。 應用於第一 A圖至第一E圖的系統10(M〇8之典型的 光脈波特性如下，激脈波具有大約每脈波零點零零一至一 百奈焦耳的能量，大約每脈波零點零一兆秒至一百兆秒的 週期，及兩百奈米至四千奈米範圍的波長，脈波重覆率 (PBR)在一百赫茲至五十億赫茲的範圍及，如第二圖中所顯 26 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (諳先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) '裝------1—訂-------—-線. 447 062 A7 B7 五、發明說明（） 示，激脈波序列強度可能依據脈波重覆率在一赫茲至一億 赫茲下被調變，激脈波被對焦來在直徑大約十微米至二十 微米的範圍的試片表面上形成一個焦點，雖然較小的焦點 尺寸，因此造成較小的側面解析度，也可以被應用。 參考第三A圖，傳送激脈波、或探測脈波、或激和探 .測脈波兩者通過光纖44也在本發明教導的範疇中.，可替換 性地，第二個輸入光纖46可以被提供，藉此激脈波被傳送 通過光纖44且探測脈波被傳送通過光纖46 ’另一光纖48 也可以被應用來接收反射的探測脈波及傳送相同的至光偵 測器34，對這個實施例而言，光纖(群）的端點被附加和由 支撐平臺5〇所支撐，支撐平臺50較佳地經由構件52被連 至制動器54，如線性制動器或兩個自由度位置機械裝置， 在這個方法下，測量過程之可靠度與重覆性被改進，在其 中在試片表面上對焦過的激、探測、或激和探測光束的大 小和位置和方向上或雷射輸出光束輪廓之次要的變化、或 可以被使用來影饗延遲tD有關任何機械平臺移動之探測光 束輪廓的變化無關，較佳地，探測光束傳遞光纖的端點和 反射探測光束傳遞光纖的端點間的角方向使得從試片表面 的反射探測光束光的聚集最佳化，使用一個或多個鏡片組 緊接著光纖或光纖簇也在這發明的範疇中，爲了從光纖對 焦輸出光束於試片表面上，或爲了收集反射探測光且轉向 它進入第三A圖的光纖48中。 第三B圖顯示一實施例，其中激和/或探測光束傳遞光 纖44a之終端部份44b的直徑被減少，如藉由延伸光纖， 27 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ..裝--------訂---------線. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用令國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 447062 A7 B7 五、發明說明（） 以便提供直徑少於光學聚焦正常範圍的對焦點44c，當結 合第三A圖的實施例，這使得激及/或探測脈波可以被重覆 地傳遞至試片表面非常小的區域(即具有直徑小於一微米的 點），忽略任何探測光束光學路徑長度中所發生的變化。 第九圖說明激脈波(P1)的應用和隨後的探測脈波(P2) .的應用之間各式各樣的時間延遲(tD)，對分布從tl至tMAX 的時間。 . 因爲已經描述一些目前較佳用來獲得試片測量之設備 的實施例，緊接下來的描述將會把焦點放在這設備於離子 植入和其它試片類型的使用。 第一次注意到的是應用電腦模擬來計算試片光反射率 ARsim⑴的變化本發明的範疇內，當它被以試片每單位區 域之單位能量的激脈波照亮時，模擬也可以對激和探測光 束的統計反射係數給予一個値，系統測量在反射探測脈波 功率被決定之暫態變化△Ppbe-ren，舉例來說，藉由第一 C 圖中光二極體D1，它也從入射和反射光束中功率的比率測 量激和探測光束的統計反射係數，入射探測功率藉由第一 C圖中光二極體D2被測量，反射探測功率藉由D1被測量 ，入射激功率藉由D4被測量，及反射激功率藉由D3被測 量。 連結這樣的光學反射率的暫態變化模擬結果至實際系 統測量，方便知道：（a)激和探測光束的功率，（b)這些光束 的強度輪廓，及(c)試片表面上它們的重疊。 假設第一激光束被入射於區域Apump之上且在這區域 28 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) ..... 乂....裝--------訂---------線-' 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 447062 A7 _______B7_ 五'發明說明（） 之中激強度爲一致的，如此對每一作用的激脈波，每一單 位區域所吸收的激能量爲 P, pump-inc 0-~Rr,

.A ⑴ pump 其中f爲激脈波序列的重覆率，且Rpump爲激光束的反 射係數。 因此每一探測光脈波的光反射率變化將會爲： 1-Λ 'pump (2) 且反射探測光束的功率變化將會爲： A jo _ p a n /t\ ^pump-mc ~ ^pump) probe-ref \ —^pr^be^mc^^sim v ). (3) (锖先閱讀背面之生意事項再填寫本頁) pump 在一個實際的系統中，試片的照度事實上並不會產生 入射激光束一致的強度，此外探測光的強度也將會隨著試 片表面上的位置變化，爲計算這些變化，的方 程式被修改來改作： Ppump-inc 0及/ =p 1 probe-'mc x pump - (4) active 裝--------訂- -------線· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 (5) purnp- tctive

其中有效區域Aeffeetive藉由關係式被定義· if)dA\lpmb^J?)dA 其中^«(0和ktJF)相對地爲試片表面上探測和激 光束的強度’一可考慮AeffeetiVe爲探測和激光束重暨的有 效區域。 類似的表示法可以被推導用作光傳輸的變化^7(〇、 光相位的變化ΔΡ(0、極化的變化△ P⑴和探測光反射角度 的變化△ /5(t)。 29 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） '447 06 2 A7 B7 五、發明說明（） 緊接的量可以藉由系統被測量：△Pprobwen、Ppbe-inc Ppump丨nc、I^pump、Rprobe， 電腦模擬給予、Rpump 和R_be預測的値，因此模擬和系統測量間緊接的比較可 以被完成來決定試片的特性。 (1) 模擬和測量的反射係數Rpump的比較。 (2) 模擬和測量的反射係數Rpn)be的比較。 (3) 在反射探測光的功率中模擬和測量的暫·態變化^ PP_wefl的比較。 爲完成模擬和測量變化的比較，從前面方程式(4)可見 必須要知道的Aeffeetive値，這可以藉由一個或多個緊接的 方法被完成。 - (a) 第一個方法直接地測量在試片表面之上激和探測光 束的強度變化，即/__(?)和和位置的函數，且使 用這些測量的結果來計算Aeffeetive，這可能達成但是需要非 常仔細的測量，其在工業界中可能很困難來達成。 (b) 第二個方法對系統S上區域Aeffeetive已知的試片測 量暫態響應A Pprobe-refi ，這方法然後測量系統s’上區域 Aeffe(；tive將被決定的相同試片的響應，兩個系統 上響應的比率給予兩個系統有效區域比率的倒數，這可以 是有效的方法，因爲系統S可以被選擇爲特別建立的系統 ，其中由激和探測光束所照亮的區域比被需要快速測量能 力的儀器來得大，對這系統既然區域大，測量試片表面之 上激和探測光束的強度變化比較簡單，即和 爲位置的函數’甚至輸入模擬反射率變化 30 本紙張尺度適用中國國家標準<CNS)A4規格（210 X 297公爱) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝----- -訂---------線. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 447062 A7 —______B7__ 五、發明說明（） 的計算的量未知下，這方法爲有效的。 (C)第三個方法對其中所有的量已知的試片測量暫態響 應△Ppmbe.refl，其輸入試片模擬反射率變化△RsimOO的計算 中，當它以試片每單位區域之單位能量的激脈波被照亮時 ，然後藉由測量暫態響應△PpMhW和從方程式4所預期 .響應的比較，有效區域Aeffeetive被決定。 用來連結對光反射率暫態變化和其它光暫態·反應的模 擬結果之方法的上述詳細說明爲合適的，只有在假如由激 脈波所感應的光特性變化直接地和脈波的強度成正比時， 假如響應不和激脈波的強度成正比，必須要用方法(a)。 相當重要的是遍佈測量一連串過程中有效區域Aeffective 爲穩定的，爲保證這樣，如第一 A圖至第一 E圖所顯示的 設備結合用來自動地對焦激和探測光束於試片表面上的機 構以便在每次測量的時間內達到兩光束的可再生強度變化 ，自動聚焦系統提供一機械裝置用來維持系統在先前所決 定的狀態下，其中試片表面上光束的尺寸和相對位置對有 效暫態響應測量爲適當的。 應該被注意到的是對光暫態響應的振幅被使用來關於 試片推斷出定量上的結論之任何應用，如先前所述的校準 方案爲測量系統一重要特點。 用來比較電腦模擬結果和系統測量的方法之前面敘述 假設在測量系統中幾個偵測器被校準，應該被仔細考慮的 是這樣的系統將會使用操作在線性區域中的偵測器使得每 一偵測器的輸出電壓v和入射光功率P成正比，對每一偵 31 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (锖先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝------ --訂----1 線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 447062 A7 _____B7_ 五、發明說明（） 測器而言，因此有一個常數G使得V=GP，前面描述假設 常數G對每一和所有的偵測器爲已知的，在這資訊無法得 到的丨青况下’有關測里Pprobe-inc、Ppump-inc和△ Pprobe-refl 之 每一單獨偵測器的單獨校準因素可以被和Aeff«tive及f結合 成單一全部系統的校準常數C，因此依據校準常數C，方 程式4可以被表示如： ^ ^probe^rcfl =CVprobc^„c/^Rsim (1 - Rpump) (6) 其中爲從用來測量反射探測光(Dl)功率變 化之偵測器的輸出電壓，Vpump.in。爲從用來測量入射激光 (D4)之偵測器的輸出電壓，及Vpr()be_ine爲從用來測量入射 探測光(D2)之偵測器的輸出電壓，因此足夠決定常數C， 這可以藉由緊接的兩個方法的任一個被完成。 (a) 第一個方法對所有量爲已知的試片測量暫態響應△ V—…fl，其輸入輸入試片模擬反射率變化AUt)的計算 中，當它以試片每單位區域之單位能量的激脈波被照亮時 ，再來方法測量 Vpr〇be，inc 手口 Vpump，inc ’ 然後藉由測量或從電 腦模擬其中之一決定Rpump，方法然後發現常數C的値使得 方程式6被滿足。 (b) 第二個方法對控片測量暫態響應AVpn)be_refl，當它 以試片每單位區域之單位能量的激脈波被照亮時，其暫態 光學響應AR⑴已經利用先前已經被校準的系統被測量， 舉例來說，藉由上面所述的一個或多個方法，方法然後測 里 Vpr〇be-inc 手口 VpUnip-inc， 藉由測量決定 Rpump ’ 且然後發現 常數c的値使得緊接的方程式被滿足： 32 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事#再填寫本頁) - H ϋ I ϋ J* l· 一-SJ* ^ ^ ^ ^ Μ· _ MM I ^ ^ ^ ^ I 1 ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ f . 447062 B7

五 發明說明（） ^prab^^fl = CVproU-^^y,mmp-«c〇· ~ Rp»mp) (7) 對這兩個方法而言’在執行測量△Vpmbe之前需要建立 自動對焦狀態，既然C和Aeffeetive的値有關。 第六A圖至第六B圖的曲線說明從四個硼植入晶片(命 名爲B1-B4)所獲得的資料，每一曲線畫出光反射率變化Δ

R(t)和時間的函數，在激脈波已經在試片中被吸收(第七A 圖ή第七F圖中的t。）’對每一晶片植入能量爲四萬電子伏 特，且植入量如表—中所示° TART.H1 SAMPLE 存 n〇SF, ( cm·^ B1 0 B2 5xl010 B3 5χ10π B4 5χ1012 第四圖說明試片30，由如矽所組成的半導體材料，具 .有位於表面30a的植入範圍，植入範圍被由植入原子和陷 阱所組成，集合顯示如31，除了其它因素之外’植入範圍 的深度爲植入離子質量、可能包括覆蓋層之試片材料的結 晶特性和植入能量的函數15 ' 第六A圖至第六B圖的曲線呈現顯示半導體材料恢復 率的資料，在激發之後，以增加植入量和增加植入能量單 調地增加，最大反射率的變化發生於第一個幾兆秒之中， 在激脈波應用之後。 較佳的程序來獲得未知測試試片的植入量最精確的估 計如下，第一對一些植入水準在包含測試試片植入水準範 菌內（SP li^cm·2和5X101()cm·2間)的已知測試試片的AR(t) 資料被取出，這參考資料可能被儲存在資料儲存元件中， 第二不同已知試片間的差補被執行來對中間植入量獲得△ 33 f靖先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 1:- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ^紙張尺度適用t國固家標準（CNS)A4規格（2i0 X 297公釐） ^ 447062 A7 ____B7_;__ — 五、發明說明（） R(t)的估計曲線，第三差補抽線和從未知試片獲得的曲線 間的比較被完成來決定未知試片釣植入量。 (請先閱讀背面之注意事項再填冩本頁) 應該被注意到的是不需要測量⑴對畤間函數的整 個曲線，在合適所選擇時間之某些預先決定的數目（例如3) 可以立刻地測量AR(t)，且根據由所選擇特間所獲得的結 果執行分析，只由例子，且參考第六B圖，可能只需要在 五十、一百和一百五十兆秒的時間決定⑴，或在五十 、二百五十和五百兆秒的時間，且從所測量到的點差補△ R(t)曲線彤狀。 包括砷、鍺、矽、二氟化硼、氫和磷的一群其它植入 種類的資料也已經被獲得，一般來說，△狄⑴曲線形式定 量上和第六Α圖至第六Β圖所顯示對硼釣結果相似。 由例子，第十A圓中上方AR⑴曲線說明以矽和磷離 子所植入矽試片30的表面30 a所獲得的資料，植入量爲 1014cnT2且植入能量爲三萬電子伏特，較卞方的兩個曲線 說明對相同的試片在攝氏九百五十度回火三十分鐘所得到 的結果，這些測量顯示發明可以被使用當作測試來確定植 入破壞的回火已經被達成。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 第十B圖說明本發明的觀點，其中植入能量從AR(t) 的測量可以被決定，對在1012cm·2密度下植入硼離子之三 片矽晶片的測量被顯示，試片在如圖所指示的三十、五十 和一百萬電子伏特的離子能量下被植入，應該被注意到的 是這三個資料組每一已經獨立地被縮小使得反射率最大的 變化被正規化來具有單位大小。 34 本紙張尺度適用尹画國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 447062 A7 ___B7____ 五、發明說明（） 第十C圖說明本發明的觀點，其中植入量可以經由一 顯注地不吸收激或探測光束的覆蓋層被決定，對在l〇12cm_' 2密度下植入硼離子之三片矽晶片的測量被顯示，試片在如 圖所指示的三十、五十和一百萬電子伏特的離子能量下被 植入，每一矽試片被鍍上一層介電材料，特別地爲二氧化 .矽，具有大約二百二十埃名義上的厚度，明顯地根據本發 明教導的測量系統有能力經由覆蓋層或不強烈吸收所關注 波長的材料層特性植入量(即在目前的例子中波長在七百至 八百奈米的範圍中）° 第十A圖顯示具有在大約七百五十奈米範圍波長的激 和探測光束所獲得的結果，第十D圖說明經由使用波長大 約四百奈米的激和探測光束從相同晶圓所獲得的資料，在 這波長範圍，光吸收相當的大’靠近表面層中光的高度吸 收形成一應力’其造成將在結構中開展的一機械波，當這 波從表面傳播離開時’它產生晶圓光性質局部的改變’在 機械波暫時出現，探測光脈波接受部分反射，機械波所反 射部分探測光脈波和在晶圓表面所反射部分探測光間的干 涉引起第十D圖中可以見到的AR⑴振盪，在熱回火的晶 圓中，在靠近晶圓表面的植入區域中之光吸收不是如此之 大，因此較弱的機械波被產生且⑴振盪較小，因此振 盪強度的決定提供其它的方法來評估靠近晶圓表面的離子 植入層之狀況。 對給定的植入原子和能量，⑴結果可能某些程度 上被其他幾個參數影響，這些可能包括當植入過程中每單 35 本紙張尺度適用尹國國家標準（CNS)A4規格（210 Χ 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝--------訂---------線. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印數 447062 A7 --—___I_B7___ 五、發明說明（） 位面積的光雩流，半導體材料的摻雜（若有的話），表面處 理的其他特點’和用作測量雷射脈波的強度，假如這種情 況發生的話，已知的試片也要被和未知的試片一樣或用相 同的方法準備和/或特性化是需要的。 參考第七A至七E圖，相信觀察到的現象可以如以下 被了解’如第七A圖中所示，激光束的部分在植入區域中 被吸收且剩餘的部分被吸收於試片30中，在試片中的吸收 長度(d)和波長有關，對波長在七百至七;百五十奈米的波長 範圍，對矽試片，吸收長度典型地爲七毫米，激光束的吸 收造成帶電載子的產生，換言之在吸收長度距離內電子(e-) 和電洞(e+)被產生，自由電子和電洞影響半導體試片的光學 ”常數”且造成反射率的-化。 在離子佈値的晶片中，在或靠近表面30a的帶電載子 會快速復合，第七B圖顯示帶電載子擴散進入試片的植入 區域和周圍未佈植區域，激發載子被移除的速率被由表面 復合的速率配合半導體材料中電子和電洞的擴散係數決定 ，植入區域之中，因爲陷阱位置上復合和捕捉造成之帶電 載子移除將會和發生於非佈植半導體材料之帶電載子移除 有顯著的不同。 因此不同於參考前述F. E. Doany等人的報告，其中硏 究的半導體材料薄膜，帶電載子必須擴散，在它們可以和 靠近材料表面植入離子和陷阱反應之前。 第七C圖說明在時間12到達的第一個探測脈波，舉例 來說一百億分之一秒，在激脈波(t。)到達之後，且照在已植 36 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 1 I ---,裝-------—訂------！·線· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本纸張尺度適用1ί7國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 447062 A7 B7 五、發明說明（） 入的區域，第七D圖也說明在時間t2到達的第一個探測脈 波，但照在未植入的區域，這種情況下，很明顯的已植入 和未植入區域的光學特性將會不同，且對探測光束，最後 試片光反射率的變化也將會不同，第七E圖說明在時間t3 到達的第一個探測脈波，舉例來說五十億分之一秒，在激 脈波(to)到達之後，且照在已植入的區域，比較第七C圖和 第七E圖，可以看出在激脈波吸收後經過之多出，的一百億 分之一秒，更少的帶電載子將會留在植入的區域之中，帶 電載子數目的減少造成相關，且可測量的試片光學常數的 變化，舉例來說，對探測脈波試片3〇反射率時間相關的變 化。 本發明發現上述的機制來測量因爲在時間範圍內光學 常數變化造成的反射率、極化、相位等變化，且將這種變 化和植入劑量、植入能量、摻雜晶種種類、在試片區域之 中有無植入化學晶種、植入相關破壞的程度和有關於化學 晶種引進試片中的其他效應相關。 第九圖很淸楚的看出激和探測脈波可以成對的被外加 ，即對每一激光束，單一的探測光束被外加至試片來測量 反射率的變化，舉例來說，對一連串的激脈波，其中的每 —個被限制在tQ的時間被外加，相關的探測脈波在不同的 時間延遲(tD)t!、t2、t3和tmax被外加，激脈波間的距離(例 如1/75MHZ或13.3奈秒)保證前面探測脈波所造成的光學 效應已經變得很小，在下一個激脈波外加之前。 本發明的另一個觀點爲外加單一的激脈波’緊接著兩 37 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -----------,裝--- (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂· -線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ^ 447 06 2 A7 ___ B7 五、發明說明（） 個或更多個探測脈波，本發明的另一個觀點爲外加一個或 多個的激脈波，且一個連續波或實質上爲連續波的探測脈 波。 從第九圖應該也很明顯看出本發明在非常短的時間週 期內能夠把已植入和已擴散的區域特性化，即且假設三個 探測光束被使用和被使用來外插⑴曲線的最後反射率 測量，全部的測量過程可以被在大約四十奈秒結凍，或在 75MHz的速率下所需來產生三個連續激脈波(和相關探測 脈波)的時間，然而以便補償探測和激光脈波的變動，在一 較長的時間週期內，一連串的測量較佳地被執行且然後平 均來改進信號對雜訊比。 - 本發明的一個觀點爲在測量的時間週期內變化激和/或 探測脈波的波長，且使用其他非七百至七百五十奈米範圍 內的波長，波長的變化也可能相當地減少資料獲取時間， 相同地減少表面30a的點尺寸應該也可以減少測量時間。 本發明的一個觀點爲在第一個頻率(A)下產生一連串的 激脈波和在第二個頻率(f2)下產生一連串的探測脈波，其中 f2不等於，在這個情況下，信號平均器可以在等於f!- f2 的速率下被觸發。 此外本發明所教導的適合其他不爲矽之一群不同型態 的試片材料，包括，並不限制，鍺、三五族合金材料(例如 砷化鎵、砷化鋁鎵)和二六族合金材料，本發明所教導的也 不限制只能使用上面已經被敘述的特定化學晶種，另外根 據本發明教導的系統也很適合用來測量化學晶種已經從固 38 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格(210 X 297公釐〉 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -广裝 ----訂---------線· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 相 ^ 447062 五、發明說明（ 、液相和氣相源被擴散進入的試片’且其中試片物理破 壞的量可以被忽略。 本發明的再一個觀點爲激和/或探測脈波光束的波長可 以被選擇或調整至已經被引進試片中化學晶種的能量程度 或被調整至試片本身的能量傳遞，因此加強了靈敏度和減 低測量對表面效應的感應。 本發明的又一個實施例，且假設具有適當反應時間的 光偵測器爲可得到的，探測脈波可以被消除，使用來測量 光學常數變化的光偵測器，在激脈波本身的時間內量測。 應該很明白的本發明所教導的克服較早提及之光學測 量系統存在的問題，舉例來說，本發明的測量系統操作在 時間剖面’而非在頻率剖面，藉由在非常短的時間刻度內 檢視試片’只有暫態效應被考慮，甚至在一連串激脈波， 帶電載子背景平衡數目可能被產生下，本發明的系統只有 檢視由最近激脈波引起的暫態變化，且並非特別地在乎背 景平衡數目的動力。 此外Tauc等人的聲學技術，舉例來說，可以被應用爲 根據本發明系統的附屬物，舉例來說，聲學技術可以被應 用來量測植入區域的深度，同時本發明的測量技術可以被 應用來決定已植入晶種的密度。 藉由另一個例子，第十D圖中上方ΔΚ_⑴曲線說明矽 和硼離子植入矽試片30的表面30a所獲得的資料，劑量爲 每平方公分個及植入能量爲三萬電子伏特，下面兩個 曲線顯示同樣的試片經過攝氏九百五十度三十分鐘回火後 39 ------------广裝 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製

•^T-eJ« I- n ϋ I n I J n ϋ n n ϋ I ϋ I « n I I ϋ 1 n n n n - - - I 私紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 x 297公釐） A7 右 447062 ___________ B7__ 五、發明說明（） 所得到的資料，這些測量利用波長四百奈米的光脈波被完 成，如前面所述的，在這短波長，光在靠近表面的層被強 烈地吸收且應力在這個區域中出現，這應力展開伸張脈波 進入晶圓的內部，這張力造成矽光學性質局部的變化，當 探測光束通過含有張力脈波的區域，它會部分地被反射， 探測光這反射部分和矽晶圓表面所反射的探測光部分間得 干涉引起光反射率的振盪，這在第十D圖中可以見到，這 些振盪的大小及頻率可以被使用爲離子.密度的探測和破壞 已經被回火的程度° 更應該被了解到的是在非常短的時間刻度內測量被完 成，典型地少於一奈秒，因爲這非常短的時間刻度，激光 脈波所注入的載子在試片的表面區域移動，那兒表面電場 和表面摻雜具有重要的影響力，較長時間的測量不能夠給 予可以經由本發明利用所獲得的這種型態之資訊。 可利用本發明教導優點的幾個應用例子，現在將提出 〇 有興趣的一個例子爲PN接面已經藉由摻雜被形成的 半導體試片，舉例來說，經由擴散或植入，在這種情況中 介面區域的電場大小和方向和試片中電性活躍摻雜原子的 詳細分布有關，由光激脈波從介面的周圍所注入之電載子 的行爲受到摻雜原子分布和在可計算的方式下它相關電場 的限制，從介面適當的模型，注入載子暫時的行爲和這些 載子於試片光學反射率上的效應，當它們在電場中移動， 可以被計算，相同地試片中摻雜原子濃度和分布可以被由 40 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (詩先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 V V___/ - I I I I I 1 I - / - II - - I 1. I - - - --- - - - II - - - - !! - - - - - 1. k 447062 A7 B7 五、發明說明（） 某些參數項表示，舉例來說，介面每一邊上的摻雜原子濃 度、介面的金屬皆面的寬度和半導體的介電係數，且這些 係數在模型中可以被調整來獲得和一適當的時間週期內所 測量光學反射率資料最吻合的模擬結果，在這方法下，PN 接面藉由本發明的超快速光學系統可以被特性化，。 有興趣的其他例子爲可能由於植入過程所造成的帶電 陷阱’已植入的試片含有原有植入破壞和具有表面電荷， 在這樣試片中將兆秒反射率變化模型化，且然後爲了使它符 合測量而調整模型的參數’必須算入計算試片之中表面電 場的試片參數’如電摻雜濃度、雙極性擴散和電子及電洞 的復合率。 ^ 有興趣的另外例子爲具有可忽略植入破壞的試片，舉 例來說’它可能已經被回火，或它還沒有被摻雜，或它已 經被植入以外其他的方法摻雜，但是具有含有可能未知電 荷濃度的表面氧化層，在這種情況下，試片中的雙極性擴 散速率將本質上類似非植入材料，且由激脈波所注入光載 子的行爲將會被因爲帶電表面氧化層所造成的電場控制， 電場也將和半導體中可能未知的摻雜濃度有關，既然考慮 所有追樣的因子來計算試片中的電場爲可能的，且計算在 這電場中光注入載子的移動也爲可能的，藉由調整這樣試 片模型中適當的參數爲了獲得符合兆秒暫態反射率測量來 測量摻雜濃度和表面氧化層電荷爲可能的。 用來計算半導體之中因爲摻雜原子梯度和表面電荷造 成之電場的方法爲習知技術，在這點上參考S. M. Sze，” 41 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 广.裝 ---- 訂 - ------線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ^紙張尺度ϋ + ® S練準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 447 062 A7 _ B7 五、發明說明（） 半導體元件物理”，New York : John Wiley and Sons，1969 和A. S. Grove，”半導體元件物理及技術”，NewYodc: John Wiley and Sons，1967 〇 有興趣的再一個例子爲可能具有很少或沒有破壞的半 導體試片，但是它可能含有摻雜原子和可能其他的雜質， 然而其並非可以考慮成摻雜原子，因爲它們引進半導體材 料中所謂深能階陷阱，半導體也可能具有如先前情況一樣 的表面電荷，其造成一電場，深能階陷.阱對復合激脈波所 注入的光載子提供一機制，復合發生的速率可以由少數載 子存活時間或可替換地由表面復合速率被特性化，因此藉 由做事片反射率兆秒暫態衰減測量及將這結果和注射載子 的數目和分布關聯在一起，少數載子存活時間或表面復合 速率可以被決定，此外既然這些參數和半導體晶圓中的雜 .質數量有關，測量到的存活時間或復合速率可能和雜質濃 度有關。 上面所列出的所有例子可以被電場、光照射或試片溫 度變化影響，根據本發明的觀點，爲一個或多個這些參數 的函數所完成的測量允許試片特性更廣泛的測量，例如表 面電荷、摻雜原子濃度、陷阱密度和少數載子存活時間， 在一個觀點，因此本發明所教導的使得半導體材料中帶電 載子相關的特性（如載子存活時間、遷移率等）可以被決定 〇 外加外加電場至試片也是本發明所教導的觀點之一， 外加電場後來造成載子分布的時間相關變化，這變化的分 42 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝！--訂-! ί線， 經濟部智慧財產局員Η消費合作杜印製 V------------------------- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（） 折可以給予更多有關將被決定量的資訊，電場可能藉由一 個或多個緊接的方法被外加。 參考第八A圖，在第一個方法中’半透明電極33a被 沉積於試片的上端，電極33a具有至少所聚焦激和探測光 束尺寸的區域，在這個實施例中半導體試片可能包括可能 或不可能包栝帶電載子之一氧化層或其他介電層31b。 在第二個方法中，半透明電極33a被提供靠，近接觸試 片的表面，但實際上並非被製造於試片，上，舉例來說，電 極被製造於其他(透明）的基板上，然後被和試片的表面接 Λΐη〇 觸。 參考第八Β圖，在第三個方法中-，錐狀尖端的電極 33b被支撐靠近接觸試片的表面，爲了在絕緣層表面上感 應已知量的電荷。 當一外加電場被使用時，對實行測量之幾個不同的程 序也在本發明的範疇中，這包括，但並非需要被限制，緊 接著的。 (1) 對激和探測間固定時間延遲時間t，AR⑴被測量， 當外加電場在一適合的範圍內被變化。 (2) 對固定延遲時間t ’ AR⑴被測量，當外加電場被由 在固定平均値E〇附近一微量ΔΕ調變，因此AR⑴/dE的導 函數被測量。 (3) 對兩個不同的外加電場E1和E2，AR(t)被測量爲時 間t的函數。 根據前面所揭示的技術，其他的測量系統對熟知此項 43 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS>A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

A7 B7 五、發明說明（） 技藝之人爲顯而易見的。 激光束強度的變化改變試片中所激發的載子數目，對 每一激光束強度，光學反射率暫態的變化⑴可以具有 不同的函數形式，舉例來說，對兩個不同的激強度I!和12 ，反射率所測量的變化相對地爲ΔΑ⑴和^仏⑴，然後△ .I⑴和Δί12(ί)的比率和所考慮的特定時間t有關，即△ R,⑴和ΔΙ12(ί)並不符合⑴的關係式、，其中c 爲和時間無關的常數，因此，透過以這.樣照射的強度或波 長或波長分布爲函數的⑴測量更特性化一試片爲有優 點的。 在激脈波外加之前，試片溫度的變化更改載子出現數 目，且也將變化載子被捕捉的速率，因此⑴被藉由這 樣試片溫度中的變化修正，因此在某種情況下，以溫度的 函數來實行測量爲可能的，或在一特定的溫度下完成所有 的測量，這技術使得測量可在某種情況下測量可以被完成 使得結果可以對最感興趣的特定特性(舉例來說表面電荷、 摻雜濃度、陷阱電荷或少數載子存活時間)極靈敏。 本發明的在一個實施例’激和探測脈波被轉向至試片 表面上不同的位置，這可以藉由透過不同光纖外加每一組 脈波而被完成，如第三Α圖中所說明的，可能地利用第三 B圖中減少尖端直徑的實施例’激脈波的吸收造成半導體 材料中帶電載子的產生，如前面所述的，藉由這樣轉向激 和探測脈波，本發明的系統可以被使用來測量平行試片表 面方向的帶電載子之移動特性’如遷移率’在測量的時間 44 <請先間讀背面之注意事項再填寫本頁) .裝--------訂---------線. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -n n ff I ϋ I ί I *1 f - 本紙張尺度適用令國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公愛） 447062 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 五、發明說明（） 內，電場可以被外加，，和/或溫度可以被變化，和/或試片 可以被暴露在光照下，如前所述的。 再根據本發明所教導的，一包含緊接著步驟的方法被 敘述用來特性化試片，第一步提供由一群參考試片所獲得 的已儲存資料的資料庫，對每一群參考試片的資料對每一 .試片的半導體材料部份中激光脈波的吸收反應被產生及測 量藉由緊接激光脈波的吸收，探測光脈波被外加T些時間t 所顯示光學常數的變化，接下來的步驟提供一將被特性化 的半導體材料試片，緊接著爲在將被特性化的半導體材料 部份中吸收激光脈波用來在半導體材料中產生帶電載子， 下一個步驟測量藉由緊接激光脈波的吸收，探測光脈波被 外加一些時間t所顯示發生於光學常數的變化，這方法然 後執行所測量的變化和已儲存的資料比較且根據幾乎配合 將被特性化的半導體材料試片中所觀察到的測量變化之具 有已儲存資料的參考試片將光學測量所測量的變化和表面 電荷、摻雜濃度、陷阱電荷或少數載子存活時間中至少一 個結合的步驟。 本發明所教導的用來在靠近試片表面的區域中產生試 片光學常數η和k至少一個暫態時間依存變化及可能地表 面移動之設備和方法的文章中已經被敘述，這些變化造成 光反射率AR⑴變化，入射或反射光相位的偏移5 p(t)，反 射光極化態的變化，和入射或反射光方向的變化，這些變 化也和探測光入射角度和極化有關，除了別的之外，試片 對光反應的測量變化和陷阱的分布和靠近試片表面或晶體 45 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS>A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) "裝 I I--訂-----線. -n I n ti n I n i n - ^ 447062 A7 B7 五、發明說明（) 內部的外來原子晶種有關，所測量的變化至少和晶種濃度 、晶種形式、植入能量、位置之中引進晶種區域的有無、 植入相關破壞的有無和電場的有無其中之一有關。 因此參考其較佳實施例，本發明已經被特別地顯示和 敘述，應該了解的是那些熟知此項技藝之人可以在不偏離 本發明的範疇和精神內改變其中的形式或細節。 -----------,>N.、裝--------訂---------線-or (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 46 本紙張尺度適用中國國家標準<CNS)A4規格（210 X 297公釐）

Claims (1)

1. 447062 A8 B8 C8 D8 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 六、申請專利範圍 1. 一種將試片特性化的方法，組成的步驟包含： 提供一種半導體材料； 外加一電場至半導體材料； 吸收一激光脈波在一部份的半導體材料之中，及在激 光脈波吸收後緊接的某個時點t，測量施加之探測光脈波 所示之光學常數的變化；和 將光學常數所測量的變化至少和表面電荷、摻雜濃度 、陷阱密度或少數載子存活時間其中之一結合。 2. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中外加一電 場的步驟包括從沉積覆蓋半導體材料表面的電極外加一電 場的步驟。 3. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中外加一電 場的步驟包括從沉積在半導體材料表面之上的電極外加一 電場的步驟。 4. 一種將試片特性化的方法，組成的步驟包含： 提供一種半導體材料； 維持半導體材料在一預先決定的溫度； 吸收一激光脈波在一部份的半導體材料中，及在激光 脈波吸收後緊接的某個時點t，測量施加之探測光脈波所 示之光學常數的變化；和 將光學常數所測量的變化至少和表面電荷、摻雜濃度 、陷阱密度或少數載子存活時間其中之一結合。 5. —種將試片特性化的方法，組成的步驟包含： 提供一種半導體材料； 1 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） --- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ^=0 •衾-

   447062 as Bo C8 D8 六、申請專利範圍 外加一個脈波化或固定的照射至半導體材料； (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 吸收一激光脈波在一部份的半導體材料中，及在激光 脈波吸收後緊接的某個時點t，測量施加之探測光脈波所 示之光學常數的變化；和 將光學常數所測量的變化至少和表面電荷、摻雜濃度 、陷阱密度或少數載子存活時間其中之一結合。 6. —種將試片特性化的方法，組成的步驟包含： 提供一種半導體材料； 吸收一激光脈波在一部份的半導體材料中，其中脈波 具有不同的強度，且測量藉由在激光脈波吸收後，探測光 脈波緊接外加一些時間t所示光學常數的變化；.和 將光學常數所測量的變化至少和表面電荷、摻雜濃度 、陷阱密度或少數載子存活時間其中之一結合。 7. —種將試片特性化的方法，組成的步驟包含： 提供一種半導體材料； 將電場和深層陷阱中至少一個對半導體材料之中帶電 載子移動的影響模型化； 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 吸收一激光脈波在一部份的半導體材料中來在半導體 材料之中產生帶電載子； 測量藉由在激光脈波吸收後，探測光脈波緊接外加一 些時間t所示光學常數的變化； 將所測量的變化和模型所預測的變化比較； 重複模型直到模型所預測的變化符合所測量的變化； 本紙張尺度適用巾國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 447062 as __g 六、申請專利範圍 將光學常數所測量的變化至少和表面電荷、摻雜濃度 、陷阱密度或少數載子存活時間其中之一結合。 -----------.1 r ^ —— C請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 8. —種將試片特性化的方法，組成的步驟包括： 提供從一群參考試片所獲得的已儲存的資料，對一群 參考試片中的每一個被產生的資料由吸收一激光脈波在每 一半導體材料的一部份中及測量藉由在激光脈波吸收後， 探測光脈波緊接外加一些時間t所示光學常數的變化而得 ， 提供一種將被特性化的半導體材料試片； .吸收一激光脈波在一部份將被特性化的半導體材料中 來在半導體材料之中產生帶電載子； 測量藉由在激光脈波吸收後，探測光脈波緊接外加一 些時間t所示光學常數的發生之變化； 將所測量的變化和已儲存的資料比較；和 .線一 將光學常數所測量的變化至少和表面電荷、摻雜濃度 、陷阱密度或少數載子存活時間其中之一結合，和具有已 儲存資料的參考試片相符合，其幾乎大部分和將被特性化 的半導體材料試片中所觀察到之所測量的變化吻合。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 9. 一種將試片特性化的方法，組成的步驟包含： 提供一種半導體材料； 吸收一激光脈波在半導體材料第一個位置上來在半導 體材料之中產生帶電載子； . 測量藉由在單一激光脈波吸收後，單一探測光脈波緊 接外加一些時間t所示光學常數的變化，探測光脈波被加 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） v 447 06 2 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 韻 C8 DS 六、申請專利範圍 至半導體材料第二個位置上；和 將光學常數所測量的變化和半導體材料中帶電載子的 移動結合。 10.—種將試片特性化的方法，組成的步驟包含： 提供一種半導體材料； 外加一電場至半導體材料至少一個表面上，‘ 吸收一激光脈波在半導體材料第一個位置上來在半導 體材料之中產生帶電載子； 測量至少一個光反射率AR⑴變化，入射或反射光相 位的偏移<5 P(t)，反射光極化態的變化，或入射或反射光 方向的變化，藉由在單一激光脈波吸收後，單一探測光脈 波緊接外加一些時間t所示光學常數的變化，探測光脈波 被加至半導體材料第一個或第二個位置其中之一上；和 將反射率、相位、極化態或方向至少其中之一所測量 的變化和至少一個電荷遷移率、半導體材料之表面電荷、 摻雜濃度、陷阱密度或少數載子存活時間其中之一結合。 Π.如申請專利範圍第10項所述的方法，其中外加一 電場的步驟包括從沉積覆蓋半導體材料表面的電極外加一 電場的步驟。 12.如申請專利範圍第10項所述的方法，其中外加一 電場的步驟包括從沉積於半導體材料表面之上的電極外加 一電場的步驟。 Π.—種將試片特性化的方法，組成的步驟包含： 提供一種含有PN接面的半導體材料； 4 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝 訂. -線一 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 447062 § 六、申請專利範圍 將電場於半導體材料之中帶電載子的移動的至少一個 效應和帶電載子於半導體材料光學響應的至少一個效應模 型化； 吸收一激光脈波在半導體材料第一個位置上來在半導 體材料之中產生帶電載子； 測量半導體材料光學響應的至少一個變化，包括至少 一個光反射率AR⑴變化，入射或反射光相位的偏移5 p(t) ，反射光極化態的變化，或入射或反射光方向的變化，藉 由在單一激光脈波吸收後，單一探測光脈波緊接外加一些 時間t所示光學常數的變化，探測光脈波被加至半導體材 料第一個或第二個位置其中之一上； 將反射率、相位、極化態或方向之至少一個所測量的 變化和模型所預測的變化比較； 重複模型直到模型所預測的變化符合所測量的變化； 和 結合光學響應中所測量的變化至少和一個PN接面的 特性。 14.如申請專利範圍第B項所述的方法，其中至少一 個PN接面的特性爲具有電性活躍摻雜原子。 15·如申請專利範圍第13項所述的方法，其中至少一 個PN接面的特性爲摻雜原子分布。 16.如申請專利範圍第13項所述的方法，其中至少一 個PN接面的特性爲摻雜原子濃度。 Π.如申請專利範圍第13項所述的方法，其中至少一 5 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) LSJ· 線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 fe 447062 六、申請專利範圍 個PN接面的特性爲PN接面金屬接面的寬度。 18. 如申請專利範圍第13項所述的方法，其中至少一 個PN接面的特性爲半導體材料的介電係數。 19. 如申請專利範圍第13項所述的方法’其中電場效 應模型模型化的步驟緣於半導體材料之中的摻雜原子分布 20. 如申請專利範圍第13項所述的方法’其中電場效 應模型模型化的步驟緣於半導體材料之中的帶電陷阱^ 21. 如申請專利範圍第13項所述的方法，其中電場效 應模型模型化的步驟緣於沉積覆蓋於半導體材料表面之表 面氧化層中的電荷。 22. 如申請專利範圍第13項所述的方法，其中擴散速 率和帶電載子結合速率的至少一個效應另一模型模型化 步驟。 23. 如申請專利範圍第13項所述的方法，其中結合光 學響應所測量變化的步驟包括和少數載子存活時間或表面 復合速率至少一個相關之測量變化的步驟，及少數載子存 活時間或表面復合速率和半導體材料之中摻雜原子濃度或 陷阱濃度有關的另一步驟。 24. 如申請專利範圍第13項所述的方法，其中吸收和 測量每一的步驟包括同時外加外加電場至半導體材料的一 步驟。 25. 如申請專利範圍第13項所述的方法，其中吸收和 測量每一的步驟包括同時外加照射至半導體材料的一步驟 6 -----1llll(lr --- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂- -線 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS>A4規格（210 X 297公釐） 447 062 as __D8 六、申請專利範圍 ο 26. 如申請專利範圍第13項所述的方法，其中吸收和 測量每一的步驟包括同時變化半導體材料溫度的一步驟。 27. —種將試片特性化的方法，組成的步驟包含： 提供一半導體材料； 外加電場至半導體材料； 吸收一激光脈波在一部份的半導體材料中及測量藉由 在激光脈波吸收後，探測光脈波緊接外加一些時間t所示 光學常數的變化；和 結合光學常數所測量的變化至少和電荷多寡、摻雜原 子濃度、陷阱密度或試片的帶電載子特性其中之一；其中 外加電場的步驟包括在區域値的範圍內改變外加電場 的大小之一的一個步驟，用預先決定的値調變外加電場的 大小，或外加不同次數、兩個或多個不同大小電場。 28. 如申請專利範圍第27項所述的方法，其中外加一 電場的步驟包括從沉積覆蓋半導體材料表面的電極外加一 電場的步驟。 29. 如申請專利範圍第27項所述的方法，其中外加一 電場的步驟包括從沉積在半導體材料表面之上的電極外加 一電場的步驟。 30. —種將試片特性化的方法，組成的步驟包含： 提供一由半導體材料組成的試片； 外加一群激光脈波至試片表面區域上使建設性和破獲 性干涉產生，因此因爲一群激光脈波的吸收而造成在該試 7 本紙張尺度適用中國國家標準<CNS)A4規格（210 X 297公釐） -------------t 裝--- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂· --線. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 > 447062 as _§_ 六、申請專利範圍 片中帶電載子密度的變化 吸收一激光脈波在一部份的半導體材料中及測量藉由 在激光脈波吸收後，探測光脈波緊接外加一些時間t所示 光學常數的變化；和 結合光學常數所測量的變化至少和電荷多寡、摻雜原 子濃度、陷阱密度或試片的帶電載子特性其中之一。 31. 如申請專利範圍第30項所述的方法，其中吸收和 測量每一的步驟包括同時外加外加電場至半導體材料的一 步驟。 32. 如申請專利範圍第30項所述的方法，其中吸收和 測量每一的步驟包括同時外加照射至半導體材料的一步驟 〇 33·如申請專利範圍第3〇項所述的方法，其中吸收和 測量每一的步驟包括同時變化半導體材料溫度的一步驟。 34.—種將試片特性化的系統，包含： 一試片平台用來支撐，當測量時； 一由半導體材料組成的試片； 第一個光源用來外加一群激光脈波至試片表面上的區 域； 第二個光源用來外加一群探測光脈波至試片表面上相 同或不同的區域； 機構用來修改試片之溫度、照射狀況或帶電狀況中至 少〜個，當測量時；和 至少一個偵測器和一資料處理器用來測量藉由在激光 8 -------------L裝— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂- 線一 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 六、申請專利範圍 -------------r-·"^--- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 脈波吸收後，探測光脈波緊接外加一些時間t所示試片光 學常數的變化，及用以結合光學常數所測量的變化至少和 電荷多寡、摻雜原子濃度、陷阱密度或試片的帶電載子特 性其中之一。 35·如申請專利範圍第34項所述的系統，.其中該第一 個光源***作以便於同時地提供一群激光脈波至試片區域 上使建設性和破獲性干涉產生，因此因爲一群激光脈波的 吸收而造成在試片中帶電載子密度的變化。 36. 如申請專利範圍第34項所述的系統，其中相同或 不同的資料處理器***作來將電場於半導體材料中帶電載 子移動至少一個效應和帶電載子於半導體材料光學響應至 少一個效應模型化。 37. 如申請專利範圍第34項所述的系統，其中該偵測 器和資料處理器***作來測量半導體材料光學響應的至少 --線一 一個變化，包括至少一個光反射率△ R⑴變化，入射或反 射光相位的偏移<5 P(t)，反射光極化態的變化，或入射或 反射光方向的變化，藉由在單一激光脈波吸收後’單一探 經濟部智慧財產局員Η消費合作社印製 測光脈波緊接外加一些時間t所示光學常數的變化’探測 光脈波被加至半導體材料第一個或第二個位置其中之一上 〇 38. 如申請專利範圍第34項所述的系統’其中半導體 材料包含PN接面，且其中相同或不同的資料處理器*** ，作來將電場於半導體材料中帶電載子移動至少一個效應和 帶電載子於半導體材料光學響應至少一個效應模型化’該 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ，447062 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 偵測器和資料處理器***作來測量半導體材料光學響應的 至少一個變化，包括至少一個光反射率AR⑴變化，入射 或反射光相位的偏移5 p(t)，反射光極化態的變化，或入 .射或反射光方向的變化，藉由在單一激光脈波吸收後，單 一探測光脈波緊接外加一些時間t所示光學常數的變化， 探測光脈波被加至半導體材料第一個或第二個位置其中之 一上，且其中該資料處理器更***作來將反射率、相位、 極化態或方向之至少一個所測量的變化和模型所預測的變 化做比較，重複模型直到模型所預測的變化符合所測量的 變化，結合光學響應中所測量的變化至少和一個PN接面 的特性。 39.如申請專利範圍第38項所述的系統，其中至少一 個PN接面的特性爲具有電性活躍摻雜原子、摻雜原子分 布、摻雜原子濃度、PN接面金屬接面寬度；或半導體材料 的介電係數。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 40·如申請專利範圍第34項所述的系統，其中該資料 處理器更***作來將因爲半導體材料中摻雜原子分布造成 之電場的至少一個效應、因爲半導體材料中帶電陷阱造成 之電場的效應、因爲被沉積覆蓋在半導體材料表面上表面 氧化層中電荷造成之電場的效應及擴散速率和帶電載子復 合速率至少一個的效應模型化。 41.如申請專利範圍第34項所述的系統，其中該資料 處理器將所測量的變化和少數載子存活時間或表面復合速 率的至少一個做結合，及後來將少數載子存活時間或表面 10 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 447062 A8 B8 C8 D8 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 六、申請專利範圍 復合速率和半導體材料中摻雜原子濃度或陷阱濃度做關聯 ------------.，氣--------訂---------線I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）