(57)【要約】 【課題】    多結晶シリコンの反射率を測定することにより、注入されたイオンにより非晶質となった半導体領域の深さ方向の結晶化率を精度良く非破壊で測定する方法を提供する。【解決手段】  半導体の深さ方向の結晶化率の分布を複数の異なる結晶化率の層からなる構造と見なして、実際に測定した反射率スペクトラムと同一のスペクトラムを有する計算によって求めた反射率スペクトラムに対応する複数の結晶化率の積層構造を特定する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン注入後の半導体基体またはイオン注入後の半導体基体を熱処理した被測定半導体基体の反射率を、紫外から赤外領域までの波長を有する光を用いて反射率スペクトラムを測定する工程と、
結晶化率の異なる複数の層から構成される半導体基体の反射率スペクトラムを、上記結晶化率及び各層の膜厚とを変化させて、計算し、それぞれの結晶化率及び各層の膜厚に対応した反射率スペクトラムとして記憶する工程と、
上記測定された被測定半導体基体の反射率スペクトラムに一致する上記記憶された反射率スペクトラムを検出する工程と、
上記検出された反射率スペクトラムに対応する結晶化率および各層の膜厚とを、上記被測定半導体基体の深さ方向の結晶化率の分布と特定する工程とからなる結晶化率の測定方法。
【請求項２】
上記計算は、光干渉効果を考慮に入れた上でフレネル係数法を用いた計算により、複数の層からなる積層構造を有すると仮定した半導体基体の光反射率スペクトラムを求めることを特徴とする請求項１記載の結晶化率の測定方法。
【請求項３】
イオン注入後の半導体基体またはイオン注入後の半導体基体を熱処理した被測定半導体基体の反射率を、紫外から赤外領域までの波長を有する光を用いて反射率スペクトラムを測定する手段と、
結晶化率の異なる複数の層から構成される半導体基体の反射率スペクトラムを、上記結晶化率及び各層の膜厚とを変化させて、計算し、それぞれの結晶化率及び各層の膜厚に対応した反射率スペクトラムとして記憶する計算記憶手段と、
上記測定された被測定半導体基体の反射率スペクトラムに一致する上記記憶された反射率スペクトラムを検出する手段とを有し、
上記検出された反射率スペクトラムに対応する結晶化率および各層の膜厚とを用いて、上記被測定半導体基体の深さ方向の結晶化率の分布を測定する結晶化率の測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、結晶化された半導体領域にイオンを注入された半導体基体の深さ方向の結晶化率のプロファイル（厚さ方向の結晶化率の分布）を測定することに関する。また、そのような半導体基体を熱処理して結晶化を回復した場合の厚さ方向の結晶化率の改善度を測定することに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体プロセスにおいて不純物を注入する方法の１つとして、イオン注入法が行われている。これは高エネルギーのイオンを半導体基板に打ち込むことによって半導体表面の化学、物理的な組成及び電気的特性を任意に変化させる方法である。
【０００３】
イオン注入法では注入直後にはイオン衝撃による注入損傷領域と呼ばれる非晶質領域が形成される。この非晶質領域の存在は電気伝導率の低下を招き、デバイスの電気特性に大きな影響を与える。
【０００４】
イオンの注入により形成された非晶質領域は熱処理を施すことにより、形成された非晶質領域の一部領域もしくは全領域が再結晶化する。再結晶化による構造の再構成時に、注入された不純物原子がシリコン結晶格子に入り込むことによりキャリア生成が行われる。したがって、イオンの注入により形成された非晶質領域及び熱処理後の注入損傷領域の結晶化率及び厚さを知ることは、生成されたキャリアの密度を知る目安ともなり、デバイス作製においては非常に重要なことである。
【０００５】
当該非晶質領域は透過型電子顕微鏡（Transmission Electron Microscopy: TEM）の断面写真を用いることにより有無及びその厚さの測定が可能である。しかしながら、ＴＥＭは破壊測定であり、実用試料に用いることは不可能であること、また装置自体が高価であるという問題がある。
【０００６】
一方、半導体結晶におけるイオン注入量を測定するのに、イオン注入量に応じて変化する結晶性変化を仲立ちとして、反射率の変化からイオン注入量を測定する技術が知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００７】
【特許文献１】特開平５−２１５６６号公報
【０００８】
この特許文献１記載の方法によれば、イオン注入量が微量であっても測定感度を上げるために、反射率を測定する光はＵＶ光を使用しているが、この方法では本件発明の目的とする２００nmの深さまでの結晶化率の結晶化率の測定には使用できないという問題があった。この特許文献にはせいぜい２０nm程度の深さにおいてイオン注入量を測定するということが目的であって、２００nmまでの半導体の深さ方向の結晶化率を測定するという技術思想の開示はなく、特にまた課題解決としても認識されていなかったもので、そのため光吸収が大きい紫外領域の光を使用したものと思われる。この領域の波長の光では表面から２０nmの深さまでの結晶化率しか測定できないものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、かかる問題を解決し、精度良く物質のイオンの注入深さ及び試料の深さ方向の結晶化率のプロファイルを測定する方法を提供することである。特に半導体表面から少なくとも200nmの深さ、さらに望ましくは500nmの深さまでの結晶化率を測定する方法および装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１に係る発明では、イオン注入後の半導体基体またはイオン注入後の半導体基体を熱処理した被測定半導体基体の反射率を、紫外から赤外領域までの波長を有する光を用いて反射率スペクトラムを測定する工程と、結晶化率の異なる複数の層から構成される半導体基体の反射率スペクトラムを、上記結晶化率及び各層の膜厚とを変化させて、計算し、それぞれの結晶化率及び各層の膜厚に対応した反射率スペクトラムとして記憶する工程と、上記測定された被測定半導体基体の反射率スペクトラムに一致する上記記憶された反射率スペクトラムを検出する工程と、上記検出された反射率スペクトラムに対応する結晶化率および各層の膜厚とを、上記被測定半導体基体の深さ方向の結晶化率の分布と特定する工程とからなる結晶化率の測定方法を特徴とする。
【００１１】
請求項２に係る発明では、上記計算は、光干渉効果を考慮に入れた上でフレネル係数法を用いた計算により、複数の層からなる積層構造を有すると仮定した半導体基体の光反射率スペクトラムを求めることを特徴とする請求項１記載の結晶化率の測定方法であることを特徴とする。
【００１２】
請求項３に係る発明では、イオン注入後の半導体基体またはイオン注入後の半導体基体を熱処理した被測定半導体基体の反射率を、紫外から赤外領域までの波長を有する光を用いて反射率スペクトラムを測定する手段と、結晶化率の異なる複数の層から構成される半導体基体の反射率スペクトラムを、上記結晶化率及び各層の膜厚とを変化させて、計算し、それぞれの結晶化率及び各層の膜厚に対応した反射率スペクトラムとして記憶する計算記憶手段と、上記測定された被測定半導体基体の反射率スペクトラムに一致する上記記憶された反射率スペクトラムを検出する手段とを有し、上記検出された反射率スペクトラムに対応する結晶化率および各層の膜厚とを用いて、上記被測定半導体基体の深さ方向の結晶化率の分布を測定する結晶化率の測定装置であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、イオン注入された半導体基体の深さ方向の結晶化率のプロファイルを精度良く求めることができる。また、イオン注入された半導体基体を熱処理したときの再結晶化の改善程度を精度良く求めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
次に図1に示すフローチャートを用いて本発明の実施形態を説明する。
【００１５】
はじめに半導体基体にイオン注入法などによりイオンを注入した試料、もしくは既にイオンを注入した半導体基体に熱処理を施した試料の反射率スペクトラムを測定する。反射率スペクトラムの測定には一般に使用されている分光光度計などを用いればよい。
【００１６】
次に測定した半導体基体を複数の層からなる積層構造であると仮定し、コンピュータによる計算により光反射率スペクトラムを算出する。この際、各層の結晶化率と膜厚を変化させ、光干渉効果を考慮に入れたフレネル係数法により光反射率スペクトラムを計算する。この計算値を実測値の光反射率スペクトラムに一致させるように各層の結晶化率と膜厚を入力する。尚、以下の説明で光反射率（スペクトラム）または反射率（スペクトラム）という用語が使用される場合があるが、全く同じ意味で使用している。
【００１７】
以下に、図面を用いて本発明の実施例を説明する。
【実施例】
【００１８】
屈折率と消光係数は、物質が異なればもちろん異なるが、同一物質においてもイオン注入等などによって結晶化率が変化するとそれに伴って大きく変化する。すなわち、同じ物質であっても結晶化率が異なると反射率も大きく異なる。例として単結晶シリコンの表面200 nmの領域の結晶化率が0-1までのときの本発明にて使用した計算により求めた反射率スペクトルを図２に示す。２００nmの深さまでの反射も考慮して、ここで使用する光は波長２５０nmから８００nm、すなわち紫外領域から赤外領域までを含む光である。この計算値は本発明で用いた計算法により計算したものである。結晶化率の違いにより反射率が大きく変化することがわかる。このことより本発明の計算方法は結晶化率を求めるのに好適なものといえる。
【００１９】
結晶化率の異なる複数の層からなる多層構造の場合、同一物質であってもその構造が異なる場合は光反射率も大きく異なる。図３、図４に示す２つの構造の試料の光反射率を計算した結果が図５である。本発明で使用した計算方法により、膜構造が変化した場合の光反射率の変化を認めることができる。
【００２０】
半導体基体として単結晶シリコンを用い、注入する元素としてリンをイオン注入法により加速電圧70keV、ドーズ量×1015 cm-2注入した試料の反射率スペクトラムを図６に示す。
【００２１】
測定により求められた反射率スペクトラムに計算により求められた反射率スペクトラムが一致するように、複数の異なる結晶化率の層からなる積層構造の試料と仮定して各層の膜厚と結晶化率を変化させる。一致したときの各層の膜厚と結晶化率の値からサンプルの構造が求まる。図６の注入後のサンプルの構造は図７のようになっていることがわかった。以上のことから、本発明のイオン注入された半導体基体の深さ方向の結晶化率のプロファイルの測定方法は好適であるといえる。
【００２２】
半導体基体として単結晶シリコンを用い、注入する元素としてリンをイオン注入法により加速電圧70keV、ドーズ量×1015 cm-2注入した試料に対し、熱処理を施した後の反射率スペクトラムを図８に示す。
【００２３】
測定により求められた反射率スペクトラムに計算により求められた反射率スペクトラムが一致するように、複数の異なる結晶化率の層からなる積層構造の試料と仮定して各層の膜厚と結晶化率を変化させる。一致したときの各層の膜厚と結晶化率の値からサンプルの構造が求まる。図８の熱処理後のサンプルの構造は図９のようになっていることがわかった。熱処理により結晶・非晶質混合領域が10nm減少したことがわかる。以上のことから、本発明のイオン注入された半導体基体の深さ方向の結晶化率のプロファイルの測定方法は好適であるといえる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明に係るフローチャートを示す。
【図２】単結晶シリコン上の200nm厚のシリコンの結晶化率を変えたときの光反射利スペクトルの計算値である。
【図３】実験に用いた試料構造を示す。
【図４】実験に用いた試料構造を示す。
【図５】図３および図４に示す試料構造を本発明に係わる計算によって求めたそれぞれの反射率スペクトラムを示す。
【図６】実際にイオン注入を行った試料の反射率スペクトラムとその試料の計算から求めた反射率スペクトラムを示す。
【図７】図６に示された反射率スペクトラムの解析から決定された試料構造を示す。
【図８】実際にイオン注入を行った試料に対し、熱処理を施した後の反射率スペクトラムとその試料の計算から求めた反射率スペクトラムを示す。
【図９】図８に示された反射率スペクトラムの解析から決定された試料構造を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【手続補正書】
【提出日】平成19年7月10日(2007.7.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図７】
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【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図９】
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