(57)【要約】【課題】高い測定精度及び測定再現性を成し得る半導体評価装置及び半導体評価方法を提供する。【解決手段】半導体ウェハ中に光キャリアを励起するための変調されたポンプ光を出力するポンプレーザと、プローブ光を半導体ウェハへ照射するプローブレーザと、半導体ウェハにより反射されたプローブ光を検出する検出器とを有する。【選択図】      図２
2004311580.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウェハ中に光キャリアを励起するための変調されたポンプ光を出力するポンプレーザと、
プローブ光を前記半導体ウェハへ照射するプローブレーザと、
前記半導体ウェハにより反射された前記プローブ光を検出する検出器
とを有することを特徴とする半導体評価装置。
【請求項２】
前記半導体ウェハにより反射された前記プローブ光を、前記ポンプ光の変調周波数で同期増幅するロックインアンプを更に有することを特徴とする請求項１記載の半導体評価装置。
【請求項３】
前記半導体ウェハとは異なる他の半導体ウェハ中に光キャリアを励起するための予備ポンプ光を前記他の半導体ウェハへ照射する予備レーザを更に有することを特徴とする請求項１又は２記載の半導体評価装置。
【請求項４】
前記プローブ光の光路上に配置された、前記半導体ウェハの表面と同等な反射率を有する反射体を更に有することを特徴とする請求項１又は２記載の半導体評価装置。
【請求項５】
半導体ウェハの表面に介在する固定電荷を少なくする段階と、
前記半導体ウェハにイオンを注入する段階と、
プローブ光及び前記半導体ウェハ中に光キャリアを励起するための変調されたポンプ光を前記半導体ウェハへ照射しながら、前記半導体ウェハにより反射された前記プローブ光の強度を測定する段階
とを有することを特徴とする半導体評価方法。
【請求項６】
前記半導体ウェハの表面に介在する固定電荷を少なくする段階は、前記半導体ウェハ内の結晶欠陥を水素原子で終端させる処理であることを特徴とする請求項５記載の半導体評価方法。
【請求項７】
前記半導体ウェハの表面に介在する固定電荷を少なくする段階は、前記半導体ウェハの表面を希フッ酸溶液にさらす処理であることを特徴とする請求項５記載の半導体評価方法。
【請求項８】
前記固定電荷を少なくする段階の後、前記半導体ウェハにイオンを注入する段階の前に、前記半導体ウェハの表面に絶縁膜を形成する段階を更に有することを特徴とする請求項５乃至７の何れか１項記載の半導体評価方法。
【請求項９】
機械走査型のイオン注入装置が有するホイールの回転軸に対して実質的に平行な方向から、前記ホイール上に載置された半導体ウェハにイオンを注入する段階と、
プローブ光及び前記半導体ウェハ中に光キャリアを励起するための変調されたポンプ光を前記半導体ウェハへ照射しながら、前記半導体ウェハにより反射された前記プローブ光の強度を測定する段階
とを有することを特徴とする半導体評価方法。
【請求項１０】
前記イオン注入装置の構造上、前記回転軸に対して実質的に平行な方向からイオンを注入することができない場合、前記構造が許す限り前記回転軸とイオンを注入する方向との成す角を小さくすることを特徴とする請求項９記載の半導体評価方法。
【請求項１１】
半導体ウェハ中に光キャリアを励起するための変調されたポンプ光を前記半導体ウェハへ照射する段階と、
プローブ光を前記半導体ウェハへ照射する段階と、
前記ポンプ光を３秒間以上前記半導体ウェハへ照射した後に、前記ポンプ光及びプローブ光を前記半導体ウェハへ照射しながら、前記半導体ウェハにより反射された前記プローブ光の強度を測定する段階
とを有することを特徴とする半導体評価方法。
【請求項１２】
半導体ウェハ中に光キャリアを励起するための変調されたポンプ光を前記半導体ウェハへ照射する段階と、
プローブ光を前記半導体ウェハへ照射する段階と、
前記ポンプ光及びプローブ光を前記半導体ウェハへ照射しながら、前記半導体ウェハにより反射された前記プローブ光の強度を測定する段階と、
前記プローブ光を前記半導体ウェハへ照射していない時に、前記半導体ウェハにより反射された前記プローブ光と同じ光路上に、前記半導体ウェハにより反射された前記プローブ光と同等な光を発生させる段階
とを有することを特徴とする半導体評価方法。
【請求項１３】
前記半導体ウェハにより反射された前記プローブ光と同じ光路上に、前記半導体ウェハにより反射された前記プローブ光と同等な光を発生させる段階は、前記半導体ウェハの表面と同等な反射率を有する反射体に前記プローブ光を照射する段階であることを特徴とする請求項１２記載の半導体評価方法。
【請求項１４】
半導体ウェハ中に光キャリアを励起するための変調されたポンプ光を前記半導体ウェハへ照射する段階と、
プローブ光を前記半導体ウェハへ照射する段階と、
前記ポンプ光及びプローブ光を前記半導体ウェハへ照射しながら、前記半導体ウェハにより反射された前記プローブ光の強度を測定する段階と、
前記半導体ウェハにイオンを注入した後から前記半導体ウェハにより反射された前記プローブ光の強度を測定するまでの第１の経過時間に対する前記半導体ウェハにより反射された前記プローブ光の強度の変化を示す第１の関数形を求める段階と、
前記半導体ウェハにより反射された前記プローブ光の強度、前記第１の経過時間、及び前記第１の関数形を用いて、前記半導体ウェハにイオンを注入した直後の前記半導体ウェハにより反射された前記プローブ光の強度を求める段階
とを有することを特徴とする半導体評価方法。
【請求項１５】
前記プローブ光を前記半導体ウェハへ照射し始めてから前記半導体ウェハにより反射された前記プローブ光の強度を測定するまでの第２の経過時間に対する前記半導体ウェハにより反射された前記プローブ光の強度の変化を示す第２の関数形を求める段階と、
前記第２の関数形から、前記プローブ光を前記半導体ウェハへ照射し始めた直後の前記半導体ウェハにより反射された前記プローブ光の強度を求める段階とを更に有し、
前記半導体ウェハにイオンを注入した直後の前記半導体ウェハにより反射された前記プローブ光の強度を求める段階は、前記プローブ光を前記半導体ウェハへ照射し始めた直後の前記半導体ウェハにより反射された前記プローブ光の強度、前記第１の経過時間、及び前記第１の関数形を用いて、実施することを特徴とする請求項１４記載の半導体評価方法。
【請求項１６】
前記第１の関数形は、前記第１の経過時間の対数を含む複数の項を足し合わせることにより表されることを特徴とする請求項１４記載の半導体評価方法。
【請求項１７】
前記第２の関数形は、前記第２の経過時間の対数を含む複数の項を足し合わせることにより表されることを特徴とする請求項１５記載の半導体評価方法。
【請求項１８】
半導体ウェハにイオンを注入する段階と、
プローブ光及び前記半導体ウェハ中に光キャリアを励起するための変調されたポンプ光を前記半導体ウェハへ照射しながら、前記半導体ウェハにより反射された前記プローブ光の強度を測定する段階と、
前記半導体ウェハにより反射された前記プローブ光の強度のうち、前記ポンプ光の変調周波数の２倍の周波数の成分を選択的に取り出す段階と、
前記ポンプ光の変調周波数の２倍の周波数の成分と基準変調との位相ずれを測定する段階と、
前記位相ずれに基づいて、前記半導体ウェハの最表面がアモルファス化しているか否かを判断する段階
とを有することを特徴とする半導体評価方法。
【請求項１９】
半導体ウェハにイオンを注入する段階と、
プローブ光及び前記半導体ウェハ中に光キャリアを励起するための変調されたポンプ光を前記半導体ウェハへ照射しながら、前記半導体ウェハにより反射された前記プローブ光の強度を測定する段階と、
前記半導体ウェハにより反射された前記プローブ光の強度の前記ウェハ面内での分布を測定する段階と、
前記半導体ウェハにより反射された前記プローブ光の強度の前記ウェハ面内での分布に基づいて、前記半導体ウェハの最表面がアモルファス化しているか否かを判断する段階
とを有することを特徴とする半導体評価方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体評価装置及び半導体評価方法に係り、特に、イオン注入処理を含む半導体基板の処理により生じる半導体基板内の結晶欠陥を介して半導体基板の処理を評価する半導体評価装置及び半導体評価方法に係る。
【０００２】
【従来の技術】
半導体ウェハ上に集積回路を形成する一連の製造工程には、通常、電荷をおびた原子或いは分子を半導体ウェハ中に打ち込むイオン注入工程が含まれる。イオン注入に伴い、注入イオンと半導体ウェハ中の結晶格子とが衝突し、半導体ウェハ内に格子間原子や原子空孔などの点欠陥が発生する。イオン注入前後の結晶状態の変化から、半導体ウェハの様々な特性を評価する従来技術が知られている（例えば、特許文献１、２参照。）。
【０００３】
この従来技術では、半導体のバンドギャップエネルギ幅と同等或いはこれよりも大きなエネルギを持つポンプ光を半導体ウェハに照射する。半導体ウェハに吸収されるポンプ光の光子は、一対の正孔及び電子からなる光キャリアを生成する。光キャリアが再結合するまでの過程を半導体ウェハにおいて反射したプローブ光を介して読み取る。光キャリアを含む過剰キャリアの再結合までの過程は、半導体ウェハの結晶状態に依存するため、半導体ウェハ中に注入された不純物のドーズ量、プリアモルファス領域の深さ、アニール処理後の接合深さを読み出すことができる。
【０００４】
【特許文献１】
米国特許第６０４９２２０号明細書
【０００５】
【特許文献２】
米国特許第６３２３９５１Ｂ１号明細書
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ポンプ光を照射した後、過剰キャリアは一定の時定数をもって再結合する。しかし、ポンプ光の照射によって半導体ウェハ中の点欠陥は動いたり消滅したりする。よって、この点欠陥の空間分布や密度分布が測定中に変化してしまい、過剰キャリアの再結合過程に影響を与える。その結果、測定時間に応じて反射プローブ光の強度が変化して、半導体特性を正確に測定することが困難となる。特に、半導体ウェハ中に光キャリアを励起するポンプ光の変調周波数が、ｋＨｚオーダである場合は、この問題が顕著である。
【０００７】
また、半導体ウェハ表面にケミカルオキサイド等の固定電荷の多い膜が介在する場合、反射ポンプ光の強度や位相には、固定電荷の多い膜によって数１０％のばらつきが生じてしまう。
【０００８】
本発明はこのような従来技術の問題点を解決するために成されたものであり、その目的は、高い測定精度及び測定再現性を成し得る半導体評価装置及び半導体評価方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の第１の特徴は、半導体ウェハ中に光キャリアを励起するための変調されたポンプ光を出力するポンプレーザと、プローブ光を半導体ウェハへ照射するプローブレーザと、半導体ウェハにより反射されたプローブ光を検出する検出器とを有する半導体評価装置であることを要旨とする。
【００１０】
本発明の第２の特徴は、半導体ウェハの表面に介在する固定電荷を少なくする段階と、半導体ウェハにイオンを注入する段階と、プローブ光及び半導体ウェハ中に光キャリアを励起するための変調されたポンプ光を半導体ウェハへ照射しながら、半導体ウェハにより反射されたプローブ光の強度を測定する段階とを有する半導体評価方法であることを要旨とする。
【００１１】
本発明の第３の特徴は、機械走査型のイオン注入装置が有するホイールの回転軸に対して実質的に平行な方向から、ホイール上に載置された半導体ウェハにイオンを注入する段階と、プローブ光及び半導体ウェハ中に光キャリアを励起するための変調されたポンプ光を半導体ウェハへ照射しながら、半導体ウェハにより反射されたプローブ光の強度を測定する段階とを有する半導体評価方法であることを要旨とする。
【００１２】
本発明の第４の特徴は、半導体ウェハ中に光キャリアを励起するための変調されたポンプ光を半導体ウェハへ照射する段階と、プローブ光を半導体ウェハへ照射する段階と、ポンプ光を３秒間以上半導体ウェハへ照射した後に、ポンプ光及びプローブ光を半導体ウェハへ照射しながら、半導体ウェハにより反射されたプローブ光の強度を測定する段階とを有する半導体評価方法であることを要旨とする。
【００１３】
本発明の第５の特徴は、半導体ウェハ中に光キャリアを励起するための変調されたポンプ光を半導体ウェハへ照射する段階と、プローブ光を半導体ウェハへ照射する段階と、ポンプ光及びプローブ光を半導体ウェハへ照射しながら、半導体ウェハにより反射されたプローブ光の強度を測定する段階と、プローブ光を半導体ウェハへ照射していない時に、半導体ウェハにより反射されたプローブ光と同じ光路上に、半導体ウェハにより反射されたプローブ光と同等な光を発生させる段階とを有する半導体評価方法であることを要旨とする。
【００１４】
本発明の第６の特徴は、半導体ウェハ中に光キャリアを励起するための変調されたポンプ光を半導体ウェハへ照射する段階と、プローブ光を半導体ウェハへ照射する段階と、ポンプ光及びプローブ光を半導体ウェハへ照射しながら、半導体ウェハにより反射されたプローブ光の強度を測定する段階と、半導体ウェハにイオンを注入した後から半導体ウェハにより反射されたプローブ光の強度を測定するまでの第１の経過時間に対する半導体ウェハにより反射されたプローブ光の強度の変化を示す第１の関数形を求める段階と、半導体ウェハにより反射されたプローブ光の強度、第１の経過時間、及び第１の関数形を用いて、半導体ウェハにイオンを注入した直後の半導体ウェハにより反射されたプローブ光の強度を求める段階とを有する半導体評価方法であることを要旨とする。
【００１５】
本発明の第７の特徴は、半導体ウェハにイオンを注入する段階と、プローブ光及び半導体ウェハ中に光キャリアを励起するための変調されたポンプ光を半導体ウェハへ照射しながら、半導体ウェハにより反射されたプローブ光の強度を測定する段階と、半導体ウェハにより反射されたプローブ光の強度のうち、ポンプ光の変調周波数の２倍の周波数の成分を選択的に取り出す段階と、ポンプ光の変調周波数の２倍の周波数の成分と基準変調との位相ずれを測定する段階と、位相ずれに基づいて、半導体ウェハの最表面がアモルファス化しているか否かを判断する段階とを有する半導体評価方法であることを要旨とする。
【００１６】
本発明の第８の特徴は、半導体ウェハにイオンを注入する段階と、プローブ光及び半導体ウェハ中に光キャリアを励起するための変調されたポンプ光を半導体ウェハへ照射しながら、半導体ウェハにより反射されたプローブ光の強度を測定する段階と、半導体ウェハにより反射されたプローブ光の強度のウェハ面内での分布を測定する段階と、半導体ウェハにより反射されたプローブ光の強度のウェハ面内での分布に基づいて、半導体ウェハの最表面がアモルファス化しているか否かを判断する段階とを有する半導体評価方法であることを要旨とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面の記載において同一あるいは類似の部分には同一あるいは類似な符号を付している。
【００１８】
図１に示すように、本発明の実施の形態に係るイオン注入装置は、複数枚の半導体ウェハ（以後、「ウェハ」と略す）１が載置されるホイール４と、ウェハ１に注入するイオンを生成するイオン源３とを有する。ホイール４は、回転軸５に沿って回転する底が平坦な鍋状の形状をなしている。鍋の側壁となるホイール４の外周部分は、図１の断面図上では、回転軸５に垂直な面に対して一定の角度αをもって傾斜している。ウェハ１は、ホイール４の傾斜した外周部分に沿って複数枚載置されている。イオン源３から射出されたイオンは、均一な速度及び方向性を有するイオンビーム２としてウェハ１に打ち込まれる。図１に示すイオン注入装置は、ウェハ１が載置されたホイール４を回転させることで多数のウェハ１全体に均一にイオンを注入する機械走査（メカニカルスキャン）型の装置である。
【００１９】
イオンビーム２とホイール４の回転軸５は実質的に平行である。ここで、「実質的に平行」には、イオンビーム２とホイール４の回転軸５とが平行である場合と、イオンビーム２とホイール４の回転軸５とがなす角度が２．５度以下である場合とが含まれる。なお、角度αは、イオンビーム２の加速エネルギ、ウェハ１の結晶面、イオン種、チャネリング条件などに基づいて定められる。
【００２０】
図１に示したイオン注入装置によりイオン注入処理が施されたウェハ１は、図２に示す半導体評価装置により、ドーズ量、イオン注入深さ、プレアモルファス層の厚さ、接合深さ、結晶欠陥密度等のウェハ１の様々特性が評価される。半導体評価装置は、図１に示した複数枚のウェハ１のうちの１枚のウェハ１が載置されるステージ１０と、ウェハ１に照射されるポンプ光２５を生成するポンプレーザ１１と、ウェハ１に照射されるプローブ光２６を生成するプローブレーザ１２と、ウェハ１の表面及びその内部で反射されるポンプ光（以後、「反射ポンプ光」という）２７を吸収し、ウェハ１の表面及びその内部で反射されるプローブ光（以後、「反射プローブ光」という）２８を透過させるフィルタ１６と、フィルタ１６を透過した反射プローブ光２８を検出する検出器１３と、ポンプ光２５及びプローブ光２６を同軸上に配置させる為にプローブ光２６を反射させる第１のハーフミラー１４と、反射プローブ光２８を検出器１３へ導く為に反射プローブ光２８を反射させる第２のハーフミラー１５と、ポンプ光２５及びプローブ光２６をウェハ１表面にて結像させる対物レンズ１７と、ステージ１０、ポンプレーザ１１、プローブレーザ１２、フィルタ１６、検出器１３、第１及び第２のハーフミラー１４、１５、及び対物レンズ１７を収納したチャンバ１８と、チャンバ１８の一部に取り付けられたロードポート１９と、ポンプレーザ１１に接続されたポンプレーザ用電源２０と、ポンプレーザ用電源２０及び検出器１３に接続されたロックインアンプ２１と、ロックインアンプ２１に接続された計算機（ＰＣ）２２とを有する。
【００２１】
ポンプレーザ１１から射出されたポンプ光２５は、第１及び第２のハーフミラー１４、１５及び対物レンズ１７を通過してウェハ１上に照射される。ポンプレーザ１１は、ポンプ光２５の強度に一定周期で変調をかける。プローブレーザ１２から射出されたプローブ光２６の一部は、第１のハーフミラー１４により反射され、対物レンズ１７を通過してウェハ１上に照射される。プローブレーザ１２は、一定の強度を有するプローブ光２６を生成し、プローブ光２６の強度に変調をかけない。反射ポンプ光２７の一部は、第２のハーフミラー１５により反射され、フィルタ１６に吸収される。反射プローブ光２８の一部は、第２のハーフミラー１５により反射され、フィルタ１６を通過し、検出器１３で検出される。検出器１３は、反射プローブ光２８を電気信号（シグナル）に変換してロックインアンプ２１に送信する。検出器１３の出力となるシグナルの強度は、反射プローブ光２８の強度に対応する。
【００２２】
ポンプレーザ用電源２０は、ポンプレーザ１１の動作に必要な電力及びポンプ光２５の強度の変調周期を示す変調周波数をポンプレーザ１１へ供給する。ロックインアンプ２１は、検出器１３から供給されるシグナルをポンプレーザ用電源２０から供給されるポンプ光２５の強度の変調周波数で同期増幅（ロックイン増幅）して、その出力を計算機２２に送信する。計算機２２は、ロックイン増幅されたシグナルの強度を補正してイオン注入直後のシグナルの強度を求める。チャンバ１８は、光学測定に不要な光ノイズを遮断する。ロードポート１９は、測定対象のウェハ１をチャンバ１８に搬入及び搬出する際に使用される。
【００２３】
図３に示すように、ポンプ光２５及びプローブ光２６は、ステージ１０上に載置されたウェハ１の照射領域３０に照射される。ポンプレーザ１１、プローブレーザ１２、フィルタ１６、検出器１３、第１及び第２のハーフミラー１４、１５、及び対物レンズ１７は、チャンバ１８に対して固定されている。ステージ１０は、ポンプ光２５及びプローブ光２６の光軸に垂直な面内において互いに直行するｘ−ｙ方向にそれぞれ移動可能である。ステージ１０を移動させることで、ステージ１０の任意の領域を照射領域３０とすることが出来る。
【００２４】
次に、図４乃至図６を参照して、図２及び図３に示した半導体評価装置の測定原理について説明する。図４に示すように、例えば、ポンプ光２５として、変調周波数が２ｋＨｚであって波長λ１が８３０ｎｍのレーザ光をウェハ１の表面４１に照射する。また、プローブ光２６として、強度変調がなく波長λ２が９８０ｎｍのレーザ光をウェハ１の表面４１に照射する。ポンプ光２５は、約１．５ｅＶの光子エネルギを持ち、プローブ光２６は、約１．２６ｅＶの光子エネルギを持ち、いずれも単結晶シリコン（Ｓｉ）のバンドギャップエネルギ幅（１．１２ｅＶ）よりも大きい。ポンプ光２５は、単結晶シリコン（Ｓｉ）からなるウェハ１中を１４μｍ通過すると、その強度が１／ｅ倍（約０．３７倍）になる。一方、ポンプ光２５より光子エネルギの小さいプローブ光２６は、ウェハ１の中を６５μｍ通過すると、その強度が１／ｅ倍になる。通常、プローブ光２６は、ウェハ１の表面４１からイオン注入領域４０を１μｍの深さまで進んでも、その強度は１．５％しか減衰しない。一方、ポンプ光２５は、ウェハ１の表面４１からイオン注入領域４０を１μｍの深さまで進むと、その強度は７％減衰し、減衰したポンプ光２５はウェハ１に吸収される。上述したように、ポンプ光２５の光子エネルギは、シリコンのバンドギャップエネルギより大きいため、ウェハ１に吸収されるポンプ光２５は、ウェハ１中に１対の電子・正孔から成る過剰キャリアを励起する。以後、ポンプ光２５によりウェハ１内に励起される過剰キャリアを「光キャリア」と呼ぶ。このように、ウェハ１を構成する半導体材料のバンドギャップ幅と同等或いはバンドギャップ幅よりも大きな光子エネルギを持つポンプ光２５をウェハ１に照射する。ウェハ１が吸収するポンプ光２５は、ウェハ１中に光キャリアを励起する。
【００２５】
イオン注入によって結晶構造が損傷を受けたり改質しているイオン注入領域４０では、結晶性が悪い。よって、光キャリアを含むウェハ１中の過剰キャリアが消滅するまでの時間（ライフタイム）は比較的短く、過剰キャリアは直ぐに再結合してしまう。一方、イオン注入領域４０よりも深い注入イオンが届かない領域では、結晶性が良い。よって、過剰キャリアのライフタイムは比較的長く、過剰キャリアの密度は高い。したがって、ポンプ光２５の照射により、過剰キャリアの分布がイオン注入領域４０と非注入領域４３との境界面４２を境に急激に変化する。光学的には境界面４２を境に光の屈折率が急激に変化することになり、屈折率の変化率が極大になる領域で、プローブ光２６の反射率が局所的に増大する。したがって、ウェハ１に照射されるプローブ光２６は、ウェハ１の表面４１及び境界面４２においてそれぞれ反射される。即ち、反射プローブ光２８には、ウェハ１の表面４１における「第１の反射光」、イオン注入領域４０との境界面４２における「第２の反射光」が含まれる。
【００２６】
第１の反射光と第２の反射光とは互いに干渉し合う。よって、反射プローブ光２８は、ポンプ光２５の位相に対してずれた位相を持つ。反射プローブ光２８は、第２のハーフミラー１５により検出器１３へその向きを変えられ、検出器１３によりシグナルに変換される。
【００２７】
シグナルの強度は、イオン注入によって生じる結晶欠陥の密度分布、注入イオンの密度分布によって異なる。この現象を利用して、例えばイオン注入のドーズ量とシグナルとの関係を求め、シグナルをイオン注入のドーズ量に焼き直す。このようにして、注入イオンのドーズ量、イオン注入の深さ、プレアモルファス層の厚さ、熱処理後のｐｎ接合の深さ、結晶欠陥密度等のウェハ１の特性が評価することが出来る。このように、ポンプ光２５により誘起される光キャリアの再結合までの過程を、反射プローブ光２８を介して読み出す。光キャリアの再結合までの過程は、ウェハ１中の結晶状態に依存したものであるため、ウェハ１中に導入された不純物、アモルファス領域の深さ、接合深さなどの情報を読み出すことができる。
【００２８】
ウェハ１の内部にある境界面４２で反射する第２の反射光の強度は、ウェハ１の表面４１で反射する第１の反射光の強度に比べて小さい。ポンプ光２５を一定の強度で照射し続けた場合、ウェハ１の表面４１で反射する第１の反射光及び境界面４２で反射する第２の反射光も一定の強度を保つが、ウェハ１の境界面４２で反射する第２の反射光の変化を測定することはほとんど不可能である。
【００２９】
そこで、図５に示すようにウェハ１に照射されるポンプ光２５の強度に、時間的に一定な直流成分の他に時間的に変化する変調成分を加える。すると、過剰キャリアの生成も時間を追って変化する。反射プローブ光２８の強度は、ポンプ光２５の変調周期と同じ周期をもって変化し、過剰キャリアの発生状況に応じた位相を有する。ポンプ光２５の変調周期に同期した反射プローブ光２８の変化をロックイン増幅して読み取ることによって、光キャリアの発生状況に起因するシグナルを、その他の反射プローブ光２８の成分から区別して抽出することが可能になる。
【００３０】
図６を参照して、断面積Ａを有するｐ型単結晶シリコンから成る半導体電流路５０において発生した過剰キャリア５１ａ、５１ｂ、５２ａ、５２ｂの挙動を説明する。半導体電流路５０の両端に電圧Ｖを印加した場合の電子による電流密度Ｊｎ（ｘ）は、（１）式により表される。（１）式において、ｑは電子の電荷量、μｎは電子のホール係数、Ｎｐは半導体電流路５０の伝導帯中の電子密度、Ｅは電場（Ｅ＝∂Ｖ／∂ｘ）、Ｄｎは電子の拡散係数をそれぞれ示す。
【００３１】
Ｊｎ（ｘ）＝ｑμｎＮｐＥ＋ｑＤｎ  （∂Ｎｐ／∂ｘ）            ・・・（１）
単位体積（Ａｄｘ）当りの電子密度の時間変化は（２）式により表される。（２）式において、Ｇｎは正孔５１ａ、５１ｂ及び電子５２ａ、５２ｂの生成率、Ｒｎは正孔５１ａ、５１ｂ及び電子５２ａ、５２ｂの再結合率をそれぞれ示す。
【００３２】
【数１】
2004311580.tif 000003
今、電場が存在しない場合（Ｅ＝０）、（１）式の右辺の第１項が無視できる。（１）式の右辺を（２）式の右辺の第１項に代入することにより、（３）式が得られる。（３）式において、Ｎｐ０はポンプ光２５が照射されていないときの電子密度、τｎはｐ型単結晶シリコンにおける電子５２ａ、５２ｂのライフタイムをそれぞれ示す。
【００３３】
【数２】
2004311580.tif 000004
ここで、電子密度が角周波数ωで変化している場合、（３）式は、（４）式に変形することが出来る。
【００３４】
【数３】
2004311580.tif 000005
電子５２ａ、５２ｂのライフタイムτｎは約１．０μｓであり、ライフタイムτｎの逆数は、１／τｎ  ＝１ＭＨｚとなる。ポンプ光２５の変調周波数ω／２πが２ｋＨｚである場合、ライフタイムτｎの逆数は、ポンプ光２５の変調周波数に比べて充分大きくなる。したがって、（４）式において右辺の第３項目の寄与はほとんどなく、過剰キャリアの空間分布は時間的に変化しない定常状態の分布になる。一方、ポンプ光２５の変調周波数が、１ＭＨｚ程度である場合、（４）式の右辺の３項目及び４項目は、過剰キャリアの空間分布を決めるのに同等の寄与をすることになり、過剰キャリアの空間分布は時間的に変化することになる。
【００３５】
以後、ポンプ光２５の変調周波数ω／２πを、電子５２ａ、５２ｂのライフタイムτｎに対して無視できる程に小さく設定する方法を第１の半導体評価方法といい、ポンプ光２５の変調周波数ω／２πを、電子５２ａ、５２ｂのライフタイムτｎに対して同程度に設定する方法を第２の半導体評価方法という。本発明の実施の形態は、主として第１の半導体測定評価方法について適用することが望ましい。しかし、第１の半導体評価方法に限定されるものではなく、第２の半導体評価方法についても適用することが出来る場合がある。
【００３６】
図７を参照して、図２に示した計算機２２について説明する。計算機２２は、図２のロックインアンプ２１から供給されるシグナルを補正する機能を備えた演算部６０と、演算部６０に接続された第１の関数形データベース６１、検出信号記憶部６２及びプログラム記憶部６３とを少なくとも有する。
【００３７】
演算部６０は、通常のコンピュータシステムの中央処理装置（ＣＰＵ）の一部を構成する。なお、図示は省略するが、演算部６０には、シグナルを補正する為のコンピュータ読み取り可能なプログラム、及び演算部６０が処理するデータを一時的に記憶する主記憶装置が接続されている。第１の関数形データベース６１、検出信号記憶部６２及びプログラム記憶部６３は、それぞれ、半導体ＲＯＭ、半導体ＲＡＭ等の半導体メモリ装置、磁気ディスク装置、磁気ドラム装置、磁気テープ装置などの補助記憶装置で構成してもよく、ＣＰＵの内部の主記憶装置の一部で構成しても構わない。演算部６０は、入出力制御部６４を介して操作者からのデータや命令などの入力を受け付ける入力装置６５、及び補正後のシグナルを出力する出力装置６６に接続されている。入力装置６５は、バーコード入力装置、キーボード、マウス、ライトペン又はフレキシブルディスク装置から構成されている。出力装置６６は、ディスプレイ装置やプリンタ装置から構成されている。
【００３８】
第１の関数形データベース６１は、イオン注入後の経過時間に対するシグナルの強度の変化を示す第１の関数形を記憶する。第１の関数形については図８を参照して後述する。検出信号記憶部６２は、図２のロックインアンプ２１から送信されたシグナル、ポンプ光２５の照射開始から反射プローブ光２８の強度を測定するまでの経過時間、及びイオン注入後から反射プローブ光２８の強度を測定するまでの経過時間に関する情報を記憶する。プログラム記憶部６３は、演算部６０で実行される各処理のプログラム命令を記憶する。演算部６０は、検出信号記憶部６２に記憶された情報を下に第１の関数形データベース６１に記憶された第１の関数形を用いて、イオン注入直後のシグナルの強度を求める。
【００３９】
第１の関数形データベース６１に記憶されている第１の関数形ｆ１は、一般的に図８に示すようなプロファイルを有する。横軸はイオン注入後からの経過時間を示し、縦軸はシグナルの強度を示す。シグナルの強度は、イオン注入後から時間の経過と共に減少する。具体的には、シグナルの強度は、イオン注入直後、比較的急激に減少するが、イオン注入後の経過時間が長くなると安定する。図８に示した第１の関数形ｆ１は、第１の関数形データベース６１に記憶されている第１の関数形の一例を示したものであり、第１の関数形のプロファイルは、イオン注入条件或いはポンプ光２５及びプローブ光２６の照射時間によって変化する。シグナルＳｇａ１は、時刻ｔ１において測定された実測値である。シグナルＳｇａ０は、演算部６０が補正したイオン注入直後のシグナルの予測値である。
【００４０】
第１の関数形ｆ１は、イオン注入後からの経過時間の対数を含む複数の項を足し合わせることで（５）式のように表わされる。（５）式において、ｆ０、Ｃ１、Ｃ２、Ｃｋ、τ１、τ２、τｋは、それぞれ補正係数を示す。図２に示す半導体評価装置を用いて、イオン注入後からの複数の経過時間においてシグナルを測定することで、各補正係数が求められる。イオン注入条件或いはポンプ光２５及びプローブ光２６の照射時間などによって、第１の関数形ｆ１の各補正係数は変化する。なお、関数形ｆ１は、通常、（５）式右辺の第１項乃至第３項だけを用いて十分に表わすことができ、第４項は必要に応じて追加すればよい。
【００４１】
2004311580.tif 000006
次に、本発明の実施の形態に係る半導体ウェハの処理及び評価の手順を図９乃至図１１を参照して説明する。
【００４２】
（イ）先ず、図９のＳ１０段階において、ウェハ１に対してイオン注入処理を施す前に前処理工程を実施する。前処理工程については、図１０を参照して後述する。
【００４３】
（ロ）次に、Ｓ２０段階において、図１に示した機械走査型のイオン注入装置を用いて、ウェハ１に対してイオンを注入する。被検査工程の一例としてイオン注入工程を実施する際、イオン注入の条件に応じてイオン注入角度を適切に選択して、ホイール４の回転軸５に対して実質的に平行な方向のイオンビーム２を注入する。
【００４４】
（ハ）最後に、Ｓ３０段階において、被検査工程（Ｓ２０）に関するウェハ１の特性を評価する検査工程を実施する。検査工程には、図２に示した半導体評価装置の光学系を用いて、シグナルを測定する過程（Ｓ３０ａ）と、測定したシグナルを計算機２２を用いて補正する過程（Ｓ３０ｂ）とが含まれる。シグナルを測定する過程（Ｓ３０ａ）については、図１１を参照して後述する。シグナルを計算機２２を用いて補正する過程（Ｓ３０ｂ）については、図１２を参照して後述する。
【００４５】
図１０に示すように、図９の前処理工程（Ｓ１０）には、ウェハ１の最表面に介在する固定電荷を少なくする処理（Ｓ１００）が含まれる。固定電荷には、ケミカルオキサイドが含まれる。固定電荷を少なくする処理（Ｓ１００）は、例えば、ウェハ１の表面に対する希フッ酸溶液によるウェット処理、またはウェハ１内の結晶欠陥を水素（Ｈ）原子で終端させる処理である。具体的には、ウェハ１の表面を希フッ酸溶液にさらすことで、ウェハ１の最表層に介在する固定電荷が多い膜を除去する。また、ウェハ１内の結晶欠陥を水素原子で終端させるには、水素雰囲気中でウェハ１を高温に放置すれば、ウェハ１の表面を含むイオンが注入されるべき領域に存在する結晶欠陥を、水素原子でターミネートすることが出来る。
【００４６】
（シグナルを測定する過程）
ここで、図９のＳ３０ａで示したシグナルを測定する過程について、図１１のＳ３００〜Ｓ３０３段階により説明する。
【００４７】
（Ａ）先ずＳ３００段階において、ウェハ１を図２のロードポート１９からチャンバ１８内に搬入する。
【００４８】
（Ｂ）次にＳ３０１段階において、ステージ１０上にウェハ１を載置する。
【００４９】
（Ｃ）次にＳ３０２段階において、ポンプレーザ１１及びプローブレーザ１２を駆動して、ウェハ１表面の所望の領域にポンプ光２５及びプローブ光２６を照射する。
【００５０】
（Ｄ）最後にＳ３０３段階において、ポンプ光２５を３秒間以上照射した後、ウェハ１表面にポンプ光２５及びプローブ光２６を照射しながら、検出器１３及びロックインアンプ２１を用いて反射プローブ光の強度を測定する。
【００５１】
（シグナルを補正する過程）
次に、図９のＳ３０ｂに示すシグナルを補正する過程について、Ｓ３８０段階及びＳ３８１段階を用いて説明する。
【００５２】
（ａ）Ｓ３８０段階において、予め、図８に示した第１の関数形ｆ１を求める。具体的には、イオン注入後から複数の経過時間において図２に示す半導体評価装置を用いてシグナルを測定する。複数のシグナルの測定値に対して（５）式に示す第１の関数形ｆ１をフィッティングすることで、（５）式の各補正係数を求める。そして、求めた第１の関数形ｆ１を、第１の関数形データベース６１内に記憶する。
【００５３】
（ｂ）Ｓ３８１段階において、図８のシグナルＳｇａ１の強度、イオン注入後からの時刻ｔ１までの経過時間及び第１の関数形ｆ１を用いて、イオン注入直後のシグナルＳｇａ０の強度を求める。
【００５４】
上述した図１０の前処理工程（Ｓ１００）を実施することにより、ウェハ１の表面を固定電荷の少ない状態にして図９の検査工程（Ｓ３０）を実施することが出来る。したがって、関連する技術においてはウェハ１の最表面に固定電荷が介在することで数１０％の測定誤差が生じていたが、この固定電荷を少なくすることで、反射プローブ光２８の強度や位相を正確に測定することが出来、ウェハ１の結晶状態を精度良く読み出すことが出来る。また、イオン注入工程（Ｓ２０）の後、検査工程（Ｓ３０）の前にウェハ１の最表面層を剥離する必要がなくなる。特に、半導体装置に使用されるｐｎ接合の深さが比較的浅い場合には、半導体装置の特性を損なうことがなくなる。このように、固定電荷を少なくする処理（Ｓ１００）を施すことで、固定電荷が反射プローブ光２８の測定に及ぼす影響、ウェハ１の表面に誘起された光キャリアの再結合過程への影響を抑えることができる。例えば、固定電荷がウェハ１中のポンプ光２５、プローブ光２６或いは反射プローブ光２８を吸収することが抑制される。また、イオン注入工程（Ｓ２０）の前に固定電荷を少なくする処理（Ｓ１００）を施すことにより、イオン注入工程（Ｓ２０）の後に固定電荷を少なくする処理（Ｓ１００）を行った場合に失ってしまうイオン注入の情報をも読み出すことが出来る。したがって、ウェハ１の極最表層の情報を失うことなく、また、固定電荷によって変化させられることなく、半導体特性を高精度に評価することが可能になる。
【００５５】
図２に示した半導体評価装置は、注入イオンのドーズ量やプロファイルだけではなく、ウェハ１中の微小欠陥に対しても同等な感度を有する。ウェハ１中の微少欠陥の分布は室温でも変化することが知られている。したがって、注入イオンのドーズ量のウェハ１面内での均一性が１％で管理されていても、微少欠陥のウェハ１面内でのばらつきが大きい場合、シグナルの強度が数％に大きくなってしまう。
【００５６】
上述したイオン注入工程（Ｓ２０）において、イオン注入の条件に応じてイオン注入角度を適切に選択することによって、図１のホイール４を回転させながらウェハ１にイオン注入する際に、ウェハ１面内で均一な密度の微少欠陥が生成される。よって、ウェハ１面内でのシグナルのばらつきを低減することが出来る。即ち、ウェハ１中の微少欠陥等に起因するウェハ面内でのシグナルのバラツキを低減することが可能になり、高精度な半導体特性評価が可能となる。また、イオン注入におけるチャネリング等の影響の少ない注入角度を選択することにより、ウェハ１面内でのシグナルのバラツキを低減することが出来る。例えば、リン（Ｐ）イオンを、加速エネルギ５００ｋｅＶで注入する場合、ホイール４の回転軸５とイオンビーム２との角度が平行になる前後２．５度以内であれば、シグナルのウェハ１の面内均一性がドーズ量換算で１％以内に収まる。
【００５７】
イオン注入の加速エネルギが比較的大きい場合、注入イオンのチャネリング現象及び注入イオンと格子原子との相互作用の影響が大きく、シグナルの面内均一性は低い。一方、イオン注入の加速エネルギが比較的小さい場合、シグナルの面内均一性は高い。本発明の実施の形態に係るイオン注入方法を用いることにより、イオン注入の加速エネルギが比較的大きい場合であっても、シグナルの面内均一性を高めることが出来る。
【００５８】
上述したシグナル測定（Ｓ３０ａ）において、シグナルを測定する前にポンプ光２５を３秒間以上照射することで、イオン注入によって発生した点欠陥の動き、すなわち、原子空孔や格子間原子が消滅、生成する反応を熱力学的な準定常状態にすることが出来る。この熱平衡状態においてシグナルを測定することで、過剰キャリアが再結合するまでの時間（ライフタイムτ）のばらつきが低減し、シグナルのばらつきが低減する。例えば、ポンプレーザ１１のレーザパワーが８０ｍＷ、ポンプ光２５の変調周波数が２ｋＨｚである場合、シグナルの測定までの待ち時間を０．３秒から３秒にすることで、シグナルの測定値の再現性を示す標準偏差を最大１／５にまで低減することが出来る。
【００５９】
上述したシグナル補正（Ｓ３０ｂ）によれば、シグナルを測定した時のイオン注入後からの経過時間に依らず、イオン注入直後の反射プローブ光２８のシグナル強度を計算することが出来る。
【００６０】
（シグナル測定過程の第１の変形例）
図１３及び図１４（ａ）乃至（ｄ）を参照して、図９のシグナル測定過程（Ｓ３０ａ）の第１の変形例を示す。また、Ｎ個のウェハを連続的に測定する場合について説明する。第１の変形例において、シグナル測定過程（Ｓ３０ａ）は、Ｓ３３０〜Ｓ３３９段階を具備する。
【００６１】
（ａ）先ずＳ３３０段階において、第ｎのウェハとしてｎ＝１（第１のウェハ）を選択する。ｎは、１〜Ｎの自然数である。
【００６２】
（ｂ）Ｓ３３１段階において、第１のウェハについて測定準備を行う。測定準備には、第１のウェハのチャンバ１８内への搬入作業、ポンプ光２５及びプローブ光２６の入射光学系及び反射ポンプ光２７及び反射プローブ光２８の反射光学系の調整作業が含まれる。
【００６３】
（ｃ）Ｓ３３１段階に並行して、図２の反射プローブ光２８と同じ光路上に、反射プローブ光２８と同等な光を発生させる（Ｓ３３２段階）。具体的には、第１のウェハの表面と同等な反射率を有する反射体を、プローブ光２６の光路上に配置して、反射体にプローブ光２６を照射する。例えば、図１４（ａ）に示すように、ステージ１０上に反射体の一例としてダミーサンプル３２を載置し、ｘ−ｙ方向にステージ１０を移動することで、ダミーサンプル３２上に照射領域３０を配置する。なお、ダミーサンプル３２を配置するステージ１０上の位置は、第１のウェハが載置されるウェハ位置３１とは異なる。
【００６４】
（ｄ）Ｓ３３１段階の後に、Ｓ３３３段階において、図１４（ｂ）に示すように、ステージ１０上のウェハ位置３１に第１のウェハ１を載置する。このとき、照射領域３０は、ダミーサンプル３２及び第１のウェハ１の何れからも外れてしまっても構わない。
【００６５】
（ｅ）Ｓ３３４段階において、図１４（ｃ）に示すように、第１のウェハ１表面の所望の領域にポンプ光２５及びプローブ光２６を照射する。
【００６６】
（ｆ）Ｓ３３５段階において、第１のウェハ１表面にポンプ光２５及びプローブ光２６を照射しながら、検出器１３及びロックインアンプ２１を用いて反射プローブ光２８の強度を測定する。
【００６７】
（ｇ）Ｓ３３６段階において、図１４（ｄ）に示すように、ステージ１０上から第１のウェハ１を外す。その後、第１のウェハ１は、ロードポート１９を介してチャンバ１８の外へ搬出される（Ｓ３３７）。
【００６８】
（ｈ）Ｓ３３８段階において、ｎがＮであるか否かを判断する。１回目のサイクルでは、Ｓ３３０段階においてｎ＝１を設定している為（Ｓ３３８においてＮｏ）、Ｓ３３９段階において、ｎに１加え、新たにｎ＝２を定義する（Ｓ３３９）。Ｓ３３１及びＳ３３２段階に戻り、第２のウェハについて、上述したＳ３３１〜Ｓ３３７段階を実施する。このように、第１乃至第ＮのウェハについてＳ３３１〜Ｓ３３９段階のループを繰り返し実施する。
【００６９】
上記の方法によれば、第ｎのウェハ１にプローブ光２６を照射していない非測定時にも、反射光学系に測定時と同様な光を入射させておくことが出来る。したがって、反射光学系が熱膨張したり、検出器１３の検出感度が受光時と非受光時に変化する場合でも、反射光学系がずれることなく、時間的に安定したシグナル測定が可能になり、測定値の再現性が向上する。例えば、１時間以上前から非測定状態であった後に連続して複数のシグナル測定を実施した場合、最初の測定値とその後の測定値との間の測定誤差を解消することが出来る。半導体評価装置が直前まで測定状態だったか、非測定状態だったかによらず、安定したシグナル測定が可能になる。反射光学系には、第ｎのウェハ１から検出器１３までの間の反射プローブ光２８の光路上に配置された対物レンズ１７、第２のハーフミラー１５及びフィルタ１６が含まれる。また、ダミーサンプル３２は、測定対象となる第ｎのウェハ１と同様な結晶構造を有し、同様な表面処理が施されている。
【００７０】
なお、ステージ１０上にダミーサンプル３２を載置することが容易でない場合、入射した光を鏡面反射する面を有するミラーを図２の半導体評価装置の光学系の途中に挿入しても構わない。或いは、ミラー及び光学波面再生素子を利用して、反射光学系に光を入射させても構わない。また、Ｓ３３２段階は、第ｎのウェハ１についての反射プローブ光の測定（Ｓ３３５）の後３分以内に開始し、第ｎ＋１のウェハへのプローブ光２６の照射（Ｓ３３４）前３分以内まで実施することが望ましい。更に、Ｓ３３２段階において、ダミーサンプル３２にプローブ光２６のみならずポンプ光２５を照射しても構わない。測定準備段階（Ｓ３３１）において、反射光学系にシグナル測定時と同様な光を入射させておくことが出来る。また更に、第１の変形例に係るシグナル測定方法は、前述した第１の半導体評価方法のみならず、第２の半導体評価方法についても適用可能である。
【００７１】
（シグナル測定過程の第２の変形例）
図１５及び図１６を参照して、図９のシグナル測定過程（Ｓ３０ａ）の第２の変形例を示す。
【００７２】
この第２の変形例においては、図１５に示すような、ポンプ光２５を第１のウェハ２３へ照射するポンプレーザ１１と、プローブ光２６を第１のウェハ２３へ照射するプローブレーザ１２と、反射プローブ光２８を検出する検出器１３と、第１のウェハ２３とは異なる他の半導体ウェハ（第２のウェハ２４）中に光キャリアを励起する光子エネルギを有する予備ポンプ光２９を第２のウェハ２４へ照射する予備レーザ６と、第１及び第２のハーフミラー１４、１５と、フィルタ１６と、対物レンズ１７と、チャンバ１８と、ロードポート１９と、ポンプレーザ用電源２０と、ロックインアンプ２１と、計算機２２とを有する半導体評価装置を用いる。
【００７３】
第１及び第２のウェハ２３、２４は、同じステージ１０上に載置されている。第１のウェハ２３に対してシグナル測定を行っている間に、予備レーザ６を用いて第２のウェハ２４に予備ポンプ光２９を照射することが出来る。ステージ１０を移動することにより、第１のウェハ２３に対するシグナル測定が終了した直後に、第２のウェハ２４に対してシグナル測定を実施することが出来る。即ち、第２のウェハ２４に対してシグナルを測定する直前まで予備ポンプ光２９を３秒間以上照射することができる。したがって、イオン注入によって発生した点欠陥の動き、すなわち、原子空孔や格子間原子が消滅、生成する反応を熱力学的な準定常状態にすることが出来る。この熱平衡状態においてシグナルを測定することで、過剰キャリアが再結合するまでの時間（ライフタイムτ）のばらつきが低減し、シグナルのばらつきが低減する。第１のウェハ２３に対するシグナル測定が終了した直後に、第２のウェハ２４に対するシグナル測定を開始できる為、複数のウェハを連続して処理する場合に、ウェハの処理効率が向上する。
【００７４】
次に、図１６を参照して、図１５に示した半導体評価装置を用いたシグナル測定（Ｓ３０ａ）の方法について説明する。また、Ｎ個のウェハを連続的に測定する場合について説明する。第２の変形例において、図９のシグナル測定（Ｓ３０ａ）は、Ｓ３６０〜Ｓ３７１段階を有する。
【００７５】
（Ａ）先ずＳ３６０段階において、第ｎのウェハとしてｎ＝１（第１のウェハ）を選択する。ｎは、１〜Ｎの自然数である。
【００７６】
（Ｂ）Ｓ３６１段階において、第１のウェハ２３をロードポート１９を介してチャンバ１８内に搬入する。Ｓ３６２段階において、第１のウェハ２３をステージ１０上に載置する。
【００７７】
（Ｃ）Ｓ３６３段階において、第１のウェハ２３表面の所望の領域にポンプ光２５及びプローブ光２６を照射する。Ｓ３６４段階において、第１のウェハ２３表面にポンプ光２５及びプローブ光２６を照射しながら、検出器１３及びロックインアンプ２１を用いて反射プローブ光２８の強度を測定する。
【００７８】
（Ｄ）Ｓ３６３及びＳ３６４段階と並行して、Ｓ３６５〜Ｓ３６７段階を実施する。Ｓ３６５段階において、ロードポート１９を介して第２のウェハ２４をチャンバ１８内に搬入する。Ｓ３６６段階において、第２のウェハ２４をステージ１０上に載置する。Ｓ３６７段階において、第２のウェハ２４表面の所望の領域に予備ポンプ光２９を照射する。
【００７９】
（Ｅ）Ｓ３６４段階が終了した後、Ｓ３７０段階において、ｎがＮであるか否かを判断する。１回目のサイクルでは、Ｓ３６０段階においてｎ＝１を設定している為（Ｓ３７０においてＮｏ）、Ｓ３７１段階において、ｎに１加え、新たにｎ＝２を定義する。Ｓ３６３段階に戻り、第２のウェハ２４について、上述したＳ３６３及びＳ３６４段階を実施する。また同時にＳ３６５段階に戻り、第２のウェハ２４に並行して、第３のウェハについて、上述したＳ３６５〜Ｓ３６７段階を実施する。このように、第１乃至第ＮのウェハについてＳ３６３〜Ｓ３６７段階のループを繰り返し実施する。
【００８０】
（Ｆ）なお、Ｓ３６４段階が終了した後、第ｎのウェハは、ステージ１０上から外される（Ｓ３６８）。その後、第ｎのウェハは、ロードポート１９を介してチャンバ１８の外へ搬出される（Ｓ３６９）。
【００８１】
以上説明したように、第ｎのウェハに対してシグナル測定を行っている間に、予備レーザ６を用いて第ｎ＋１のウェハに予備ポンプ光２９を照射することにより、第ｎのウェハに対するシグナル測定が終了した直後に、第ｎ＋１のウェハに対してシグナル測定を実施することが出来る。したがって、複数のウェハを連続して処理する場合に、ウェハの処理効率が向上する。また、第ｎ＋１のウェハに対してシグナルを測定する直前まで予備ポンプ光２９を３秒間以上照射することができる。したがって、シグナルを測定する時に、イオン注入によって発生した点欠陥の動き、すなわち、原子空孔や格子間原子が消滅、生成する反応を熱力学的な準定常状態にすることが出来る。
【００８２】
（前処理工程の変形例）
図１７を参照して、図９の前処理工程（Ｓ１０）の変形例について説明する。前処理工程の変形例において、前処理工程（Ｓ１０）は、Ｓ１００及びＳ１１０段階を具備する。
【００８３】
（ａ）Ｓ１００段階において、ウェハ１の最表面に介在する固定電荷を少なくする処理を実施する。固定電荷には、ケミカルオキサイドが含まれる。固定電荷を少なくする処理（Ｓ１００）は、例えば、ウェハ１の表面に対する希フッ酸溶液によるウェット処理、またはウェハ１内の結晶欠陥を水素（Ｈ）原子でターミネートする処理である。具体的には、ウェハ１の表面を希フッ酸溶液にさらすことで、ウェハ１の最表層に介在する固定電荷が多い膜を除去する。また、ウェハ１内の結晶欠陥を水素原子でターミネートするには、水素雰囲気中でウェハ１を高温に放置すればよい。ウェハ１の表面を含むイオンが注入されるべき領域に存在する結晶欠陥を、水素原子でターミネートすることが出来る。このように、Ｓ１００段階は、図１０に示したそれと同一である。
【００８４】
（ｂ）Ｓ１１０段階において、ウェハ１に対してその表面を覆う処理を施す。具体的には、ウェハ１の表面に絶縁膜を形成する。絶縁膜には、熱処理によりウェハ１表面を含む上部に形成される熱酸化膜、及び化学的気相成長（ＣＶＤ）法などを用いてウェハ１表面に堆積される酸化膜、窒化膜或いは酸窒化膜が含まれる。
【００８５】
以上説明したように、第３の変形例に係るイオン注入用前処理方法によれば、図１０に示した前処理工程（Ｓ１０）を実施した場合と同様な作用効果を奏する。また、Ｓ１１０段階を実施することにより、絶縁膜によりウェハ１表面を保護することが出来、ウェハ１の表面を固定電荷の少ない状態に長時間保持することが可能である。
【００８６】
（シグナル補正過程の変形例）
図１８乃至図２０を参照して、図９のシグナル補正過程（Ｓ３０ｂ）の変形例を示す。
【００８７】
この変形例においては、図１８に示すように、図２のロックインアンプ２１から供給されるシグナルの強度を補正する機能を備えた演算部６０と、演算部６０に接続された第１の関数形データベース６１、検出信号記憶部６２及びプログラム記憶部６３と、入出力制御部６４と、入力装置６５と、出力装置６６とを有する計算機２２を用いる。演算部６０は、第２の関数形フィッティング部６７と、ＱＣ値計算部６８とを有する。
【００８８】
第２の関数形フィッティング部６７は、検出信号記憶部６２に記憶されている、反射プローブ光２８の強度及びプローブ光２６の照射開始から反射プローブ光２８の強度を測定するまでの経過時間から、第２の関数形ｆ２を求める。第２の関数形ｆ２は、プローブ光２６を照射し始めてからの経過時間に対する反射プローブ光２８の強度の変化を示す。第２の関数形ｆ２については図１９を参照して後述する。
【００８９】
ＱＣ値計算部６８は、プローブ光２６を照射し始めた直後の反射プローブ光２８の強度、イオン注入後から反射プローブ光２８の強度を測定するまでの経過時間、及び第１の関数形ｆ１を用いて、イオン注入直後の反射プローブ光２８の強度を求める。
【００９０】
第２の関数形フィッティング部６７により求められた第２の関数形ｆ２は、一般的に図１９に示すようなプロファイルを有する。横軸はイオン注入後からの経過時間を示し、縦軸はシグナルの強度を示す。第２の関数形ｆ２は、シグナルＳｇａ１を含む丸印で示した複数の点を繋げたプロファイルを有する。丸印で示した複数の点は、プローブ光２６を照射し始めた時刻ｔ０から複数の時刻ｔ０．５、ｔ１、・・・において測定したシグナルの実測値である。このように、シグナルの強度は、第１の関数形ｆ１に示すようにイオン注入後からの経過時間によって減少するだけでなく、更に、第２の関数形ｆ２に示すようにプローブ光２６の照射により第１の関数形ｆ１よりも急激に減少する。
【００９１】
シグナルＳｇａ１は、時刻ｔ０から時刻ｔ１までの一定期間、プローブ光２６を照射した後に測定したものである。すなわち、第１の関数形ｆ１は、一定期間のプローブ光２６照射後のシグナル強度とイオン注入後の経過時間との関係を示している。したがって、図１９に示すように、プローブ光２６を照射した直後のシグナル強度とイオン注入後の経過時間との関係を示す、新たな第１の関数形ｆ１’が存在する。新たな第１の関数形ｆ１’と第１の関数形ｆ１とでは、イオン注入直後のシグナル強度が異なる。したがって、イオン注入直後であり、且つプローブ光２６照射開始直後におけるシグナルＳｇｂ０の強度を求める必要がある。なぜなら、第２の関数形ｆ２が示すように、シグナル強度は、プローブ光２６の照射時間に応じて第１の関数形ｆ１よりも急激に減少するからである。なお、第１の関数形ｆ１及び新たな第１の関数形ｆ１’は、第１の関数形データベース６１に記憶されている。
【００９２】
第２の関数形ｆ２は、プローブ光２６照射開始後からの経過時間の対数を含む複数の項を足し合わせて、（６）式のように表わすことができる。（６）式において、Ａ０、Ｄ１、Ｄ２、Ｄｋ、τｖ１、τｖ２、τｖｋは、それぞれ補正係数を示し、ｔ０は、プローブ光２６を照射し始めた時刻を示す。図２に示す半導体評価装置を用いて、プローブ光２６照射開始後から複数の経過時間においてシグナルを測定することで、各補正係数が求められる。イオン注入条件或いはプローブ光２６の照射時間などによって、第２の関数形ｆ２の各補正係数は変化する。なお、第２の関数形ｆ２は、通常、（６）式右辺の第１項乃至第３項だけを用いて十分に表わすことができ、第４項は必要に応じて追加される。
【００９３】
2004311580.tif 000007
図２０に示すように、図１８の計算機を用いて行うシグナル補正過程（図９のＳ３０ｂ）は、Ｓ３９０〜Ｓ３９３段階を備える。
【００９４】
（ａ）Ｓ３９０段階において、予め、図１９に示した新たな第１の関数形ｆ１’を求める。具体的には、イオン注入後から複数の経過時間において図２に示す半導体評価装置を用いてシグナルを測定する。複数のシグナルの測定値に対して（５）式に示す第１の関数形ｆ１をフィッティングすることで、（５）式の各補正係数を求める。求められた第１の関数形ｆ１の各補正係数は、第１の関数形データベース６１に記憶される。そして、第１の関数形データベース６１に記憶されている第１の関数形ｆ１の中からシグナルの測定値に対して最適なものを選択する。
【００９５】
（ｂ）Ｓ３９１段階において、第２の関数形フィッティング部６７は、反射プローブ光２８の強度及びプローブ光２６の照射開始から反射プローブ光２８の強度を測定するまでの経過時間から、第２の関数形ｆ２を求める。具体的には、プローブ光２６を照射し始めた時刻ｔ０から複数の時刻ｔ０．５、ｔ１、・・・においてシグナルを測定する。複数のシグナルの測定値に対して（６）式に示した第２の関数形ｆ２をフィッティングして、（６）式の各補正係数を求める。例えば、図１９においてシグナルＳｇａ１を含む複数の丸印の測定点に対して、第２の関数形ｆ２をフィッティングする。
【００９６】
（ｃ）Ｓ３９２段階において、ＱＣ値計算部６８は、第２の関数形ｆ２から、プローブ光２６の照射開始直後の反射プローブ光２８の強度を求める。例えば、図１９において、第２の関数形ｆ２を用いて、時刻ｔ０におけるシグナルＳｇｂ１の強度を計算する。
【００９７】
（ｄ）Ｓ３９３段階において、ＱＣ値計算部６８は、プローブ光２６の照射開始直後の反射プローブ光２８の強度、イオン注入後から反射プローブ光２８の強度を測定するまでの経過時間、及び新たな第１の関数形ｆ１’を用いて、イオン注入直後の反射プローブ光２８の強度を求める。例えば、図１９において、時刻ｔ０におけるシグナルＳｇｂ１の強度及び新たな第１の関数形ｆ１’を用いて、イオン注入直後であり、且つプローブ光２６照射開始直後におけるシグナルＳｇｂ０の強度を求める。
【００９８】
上述したように、シグナル強度の経時変化には、イオン注入終了後からの経過時間に依存する成分と、シグナル測定を行っている時間、即ちプローブ光２６を照射している時間に依存する成分とがある。上述したシグナル補正（Ｓ３０ｂ）によれば、イオン注入後からシグナルを測定するまでの経過時間に依らず、イオン注入直後の反射プローブ光２８のシグナル強度を計算することが出来る。また、プローブ光を一定時間照射した後にシグナルを測定した場合でも、イオン注入直後であり、且つプローブ光２６照射開始直後におけるシグナルＳｇｂ０の強度を求めることが出来る。したがって、例えば、図１１のＳ３０３段階でポンプ光２５を３秒以上照射した後にシグナルを測定した場合でも、図１２に示したシグナル補正（Ｓ３８０、Ｓ３８１）に比して高い精度でシグナルの初期値を計算することが出来る。したがって、プローブ光２６を照射し始めた時刻での半導体の様々な特性を、迅速、且つ正確に求めることが出来る。また、例えばプローブレーザ１２の特性劣化などによるシグナル強度の変化を補正することができ、信頼性の高い測定値を得ることができる。
【００９９】
特に、シグナル測定値が、ウェハ１内の原子空孔の密度の変化、原子空孔のクラスタリング密度によって経時変化している場合に、精度良く半導体の特性を評価することが出来る。
【０１００】
（イオン注入工程の第１の実施例）
図１に示したイオンビーム２の加速エネルギの高低に応じた、図９に示したイオン注入工程（Ｓ２０）の実施例を以下に示す。まず、イオン注入工程の第１の実施例においては、イオンビーム２の加速エネルギが比較的高い場合について説明する。
【０１０１】
図１に示したイオン注入装置は、イオンビーム２のビーム軸及びホイール４の回転軸５の２つの軸によってウェハ１の表面に対するイオン注入の角度を決め、また、ホイール４を回転させることで、ホイール４上に配置された複数のウェハ１に均一にイオンを注入するバッチ式イオン注入機である。
【０１０２】
図１に示したイオン注入装置を用いて、リン（Ｐ）イオンを５００ｋｅＶの加速エネルギにてイオン注入する（Ｓ２０）。イオン注入処理後のウェハ１に対して、図２に示した半導体評価装置を用いて反射プローブ光２８を測定する（Ｓ３０ａ）。この場合、イオンビーム２がホイール４の回転軸５に対して実質的に平行であれば、シグナル測定過程（Ｓ３０ａ）においてシグナル強度のウェハ１面内でのバラツキが軽減される。このため、ウェハ１面内での測定バラツキが軽減される。ウェハ１面内バラツキが抑えられることで、ウェハ１の測定位置によるバラツキがなくなり、測定再現性が向上する。
【０１０３】
図２１に示すように、イオンビーム２のホイール４の回転軸５に対する角度が、＋２度、平行（０度）及び−２度である場合、シグナル強度のウェハ１面内での標準偏差（ドーズ換算）が小さくなり、面内バラツキが抑えられる。しかし、イオンビーム２のホイール４の回転軸５に対する角度が−５度である場合、標準偏差が大きくなり、面内バラツキを抑えることができない。このように、イオンビーム２とホイール４の回転軸５とが平行である場合、或いはイオンビーム２とホイール４の回転軸５とがなす角度が２．５度以下である場合において、シグナル強度のウェハ１面内でのバラツキが軽減される。なお、イオン注入時に８ｎｍ程度の酸化膜がウェハ１の表面に形成されている。
【０１０４】
なお、高加速でイオン注入する時の加速エネルギはイオン種により異なる。ここでは、リン（Ｐ）イオンについて説明したが、これに限定されるものではなく、その他のイオン種についても適用可能である。また、イオン注入時に１０ｎｍ程度の酸化膜がウェハ１の表面に形成されているか否かに係らず、イオンビーム２と回転軸５が実質的に平行であれば、優れた面内均一性が得られる。
【０１０５】
また、イオン注入工程（Ｓ２０）において、イオンビーム２とウェハ１のなす角度を、その角度の偏差が一番少なくなるように選択しても構わない。このことにより、上記と同様にして、反射プローブ光２８の強度のウェハ１面内でのバラツキを抑え、再現性の良い測定が可能になる。
【０１０６】
（イオン注入工程の第２の実施例）
次に、イオン注入工程の第２の実施例においては、イオンビーム２の加速エネルギが比較的低い場合について説明する。
【０１０７】
図１に示したイオン注入装置を用いて、ホウ素（Ｂ）イオンを３ｋｅＶの加速エネルギにてイオン注入する（Ｓ２０）。なお、イオン注入前に、ウェハ１の表面に形成されている自然酸化膜を希フッ酸で剥離しておく。イオン注入処理後のウェハ１に対して、図２に示した半導体評価装置を用いて反射プローブ光２８を測定する（Ｓ３０ａ）。この場合、イオンビーム２がホイール４の回転軸５に対して実質的に平行であれば、シグナル測定過程（Ｓ３０ａ）においてシグナル強度のウェハ１面内でのバラツキが軽減される。
【０１０８】
イオンの加速エネルギが低い場合、イオンビーム２の中のイオンの方向性がばらつく。したがって、ホイール４上のウェハ１を機械的に走査するときに、ウェハ１面内でホイール４の内周に近い側と外周に近い側で、照射されるイオンビーム２の形状がばらつく。また、イオン注入の加速エネルギが低加速になると、イオンのチャネリングの臨界角が広くなる。よって、イオンビーム２とホイール４の回転軸５が平行である時のイオンビーム２とウェハ１表面の成す角度がチャネリングの臨界角度に近くなる。そのため、ウェハ１表面とイオンビーム２との成す角度のウェハ１面内での偏差が一番小さいところで、チャネリングの違いが顕著になり最小値をとらない。そこで、ウェハ１表面とイオンビームとの成す角度の偏差の増加が少ない方向に沿って、チルト角が２度大きくなる方向にずらす。このように、イオンビーム２とホイール４の回転軸５が平行（０度）であることが望ましいが、平行から若干ずれた角度でより高い面内均一性で測定が可能になる。面内均一性が上がることで、再現性の良い測定が可能になる。
【０１０９】
図２２に示すように、イオンビーム２とホイール４の回転軸５との角度が平行である場合或いは−２度である場合に比して、イオンビーム２とホイール４の回転軸５との角度が＋２度である場合の方が、シグナル強度のウェハ１面内での標準偏差（ドーズ換算）が小さくなり、面内バラツキが抑えられる。
【０１１０】
なお、図１に示したイオン注入装置を用いて低加速の加速エネルギにてイオン注入する場合、イオンビーム２とウェハ１表面のなす角度の偏差が小さくなるイオン注入角度を選ぶことが望ましい。しかし、チャネリングの臨界角度近傍にこの偏差が来る場合は、チルト角を数度大きくすることで、シグナル強度のウェハ１面内バラツキを抑え、再現性の良い測定が可能になる。
【０１１１】
（イオン注入工程の第３の実施例）
次に、イオン注入工程の第３の実施例においては、イオンビーム２の加速エネルギが中程度である場合について説明する。
【０１１２】
図１に示したイオン注入装置を用いて、ホウ素（Ｂ）イオンを３０ｋｅＶの加速エネルギにてイオン注入する（Ｓ２０）。なお、イオン注入前に、ウェハ１の表面に形成されている自然酸化膜を希フッ酸で剥離しておく。イオン注入処理後のウェハ１に対して、図２に示した半導体評価装置を用いて反射プローブ光２８を測定する（Ｓ３０ａ）。この場合、イオンビーム２がホイール４の回転軸５に対して実質的に平行であれば、シグナル強度のウェハ１面内でのバラツキが軽減される。しかし同時に、イオン注入時にイオンビーム２がウェハ１の表面にあたる位置が少しずれることによって、ウェハ１面内でのシグナル強度の不均一性が起こる。したがって、イオンビーム２がホイール４の回転軸５に対して実質的に平行であってもシグナル強度のウェハ１面内でのバラツキが軽減されない。
【０１１３】
そこで、加速エネルギが中加速の場合、ホイール４の回転軸５とイオンビーム２を平行にしていても起こってくる、円周方向の角度のバラツキを低減する、例えば、チルト角が５度、ツイスト角が１５度となるイオン注入角度を選択する。このことにより、ウェハ１面内の均一性を向上することが可能になり、シグナル強度の面内バラツキを抑え、再現性の良い測定が可能になる。
【０１１４】
ホイール４の回転軸５とウェハ１とのなす角度が５度の場合、チルト角及びツイスト角は、図２３に示すような条件を満たすことが望ましい。即ち、円周方向の角度のバラツキを低減するイオン注入条件は、チルト角が５度であり、ツイスト角が２５５乃至２７０度である。なお、チルト角が５度、ツイスト角が１８０度において、イオンビーム２とホイール４の回転軸５とが平行になる。
【０１１５】
次に、膜厚８ｎｍの自然酸化膜が形成されているウェハ１に対してホウ素（Ｂ）イオンを３０ｋｅＶの加速エネルギにてイオン注入する場合について説明する。この場合、イオンビーム２とウェハ１表面とのなす角度のバラツキは、酸化膜があることでウェハ１の特性に大きな影響を及ぼさない。しかし、イオンビーム２がウェハ１表面にあたる位置が少しずれることによって起こってくるウェハ１面内での不均一性は起こる。
【０１１６】
そこで、イオンビーム２のバラツキが少なくなるように、イオンビーム２のベクトルと空間分布を考慮して、イオン注入角度を選択することで、ウェハ１面内の均一性を向上することが可能になる。例えば、図２４に示すように、イオンビーム２とウェハ１表面とのなす角度を＋４度に設定する。このことにより、ウェハ１面内の均一性を向上することが可能になり、シグナル強度の面内バラツキを抑え、再現性の良い測定が可能になる。
【０１１７】
（アモルファス化の判断方法の第１の実施例）
従来、イオン注入後のウェハの最表面がアモルファス化したか否かは、ラザフォード後方散乱（Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ  Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：ＲＢＳ）等の測定を行うか、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いてウェハを観察することで、判断してきた。現在、ＲＢＳ及びＴＥＭを用いてインラインにて特性評価（ＱＣ）を行うことは難しく、アモルファス化の観察技術に習熟したオペレータが、自己の経験及び知識に基づいて判断していた。また、ＴＥＭ観察用のサンプルを作成するには、長い時間がかかってしまう。したがって、アモルファス層の形成状況を測定するには数日の期間を要していた。
【０１１８】
図１に示したイオン注入装置を用いて、ウェハ１表面に砒素（Ａｓ）イオンを３０ｋｅＶの加速エネルギにてイオン注入する（Ｓ２０）。イオン注入処理後のウェハ１に対して、図２に示した半導体評価装置を用いて、プローブ光２６及び２ｋＨｚで変調したポンプ光２５をそれぞれ照射し、反射プローブ光２８を測定する（Ｓ３０ａ）。ここでは特に、図２５に示すように、反射プローブ光２８のうち、ポンプ光２５の変調周波数の２倍の周波数の成分（以下、「２倍周波数成分θ２」と呼ぶ）を選択的に取り出す。
【０１１９】
２倍周波数成分θ２と基準変調Ｆｓとの位相ずれＤｆをモニターし、位相ずれＤｆに基づいてウェハ１最表面がアモルファス化しているか否かを客観的に判断する。実際には、アモルファス化と２倍周波数成分θ２の検量線を予め作成する。この検量線を用いて、ドーズに対するアモルファス化の度合いを測ることが可能になる。
【０１２０】
例えば、図２６（ａ）に示すように、注入イオンのドーズ量が比較的少ない場合、位相ずれＤｆは小さく、アモルファス層は形成されていない。これに対して、注入イオンのドーズ量が比較的多い場合、位相ずれＤｆは大きく、アモルファス層が形成されている。したがって、位相ずれＤｆが小さい第１の領域７１と位相ずれＤｆが大きい第２の領域７２との間に検量線を作成することで、アモルファス層の形成の有無を判断することが可能となる。なお、図２６（ｂ）に示すように、反射プローブ光２８のうち、ホンプ光２５の変調周波数と同期している成分の位相ずれは、注入イオンのドーズ量に係らず生じない。
【０１２１】
以上説明したように、注入イオンのドーズ量をインラインに配置された図２に示すＱＣ装置を用いて測定することにより、イオン注入（Ｓ２０）時にウェハ１最表面にアモルファス層が形成されているか否かを判断することができる。このことによって、製品開発の現場で、アモルファス層が形成される時の注入イオンのドーズ量を迅速に知ることが出来、早期の製品開発に寄与する。また、イオン注入装置のドーズ量や電流量の揺らぎによって、アモルファス層の形成が不十分になるなどの不良が起こった際にも、アモルファス化しているかどうかを迅速に測定することができ、製品不良の管理を迅速化することに役立つ。
【０１２２】
なお、図２７に示すように、ウェハ１面内を、高濃度にイオンを注入した領域７３ａ、・・・と低濃度にイオンを注入した領域７４ａ、・・・とに段階的に区分けする。このウェハ１面内の各領域７３ａ、・・・、７４ａ、・・・について２倍周波数成分θ２を測定する。２倍周波数成分θ２の値とアモルファスになるときのシグナル強度の相関をあらかじめ取っておくことで、２倍周波数成分θ２の値からアモルファス化するドーズ量を検出することができる。このように、一枚のウェハ１を用いて、アモルファス化するドーズ量を検出することが可能になる。なお、ウェハ１面内のドーズ量の分布は、一義的である必要はない。段階的に区分けする場合に限らず、連続的にドーズをウェハ１面内で変化させても構わない。
【０１２３】
（アモルファス化の判断方法の第２の実施例）
注入イオンのドーズ量を変えながら、図１に示したバッチ式イオン注入装置を用いてＢＦ２イオン、Ａｓイオン及びＧｅイオンを注入する。そして、図２に示した半導体評価装置を用いてシグナル強度のウェハ１面内分布を測定する。ウェハ１面内分布のトレンドがかわるところで、アモルファス化が起こることを検出することができる。このことにより、アモルファス化の有無を、反射プローブ光２８の強度の面内分布の変化の様子から判断することが出来、事前に検量線等を作成する必要がなくなる。
【０１２４】
シグナル強度のウェハ１の面内分布には、２次元の分布及び１次元の分布が含まれる。例えば、図２８に示すように、ウェハ１中心を通る幾つかの方向７５ａ〜７５ｄに沿ってシグナル強度を測定、つまり、ラインスキャンする。ウェハ１中心を通る幾つかの方向７５ａ〜７５ｄに沿った、シグナル強度分布の傾向を観察する。シグナル強度分布の傾向をイオン注入のドーズ量を変えて観察し、シグナル強度分布の傾向が変化したところを境にして、ウェハ１内でアモルファス化が生じていることが検出できる。したがって、事前に検量線を引く必要がなくなる。
【０１２５】
なお、アモルファス化する時のドーズ量は、イオン注入時のウェハ１の温度に依存する。したがって、アモルファス化の判断方法の第１及び第２の実施例において、アモルファス化する時のドーズ量をウェハ１の温度ごとに予め測定しておくことで、イオン注入時のウェハ１の温度を間接的に測ることが可能になる。イオン注入機の冷却機構などに不具合が生じた場合の特性評価（ＱＣ）等に活用できる。
【０１２６】
また、アモルファス化する時のドーズ量は、イオン注入時のイオンビーム２の電流量に依存する。したがって、アモルファス化の判断方法の第１及び第２の実施例において、アモルファス化する時のドーズ量をイオンビーム２の電流量ごとに予め測定しておくことで、イオン注入時のイオンビーム２のビーム電流の違いを検出することが可能になる。
【０１２７】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は、実施の形態及びその一部の変形例及び実施例によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【０１２８】
図１に示したイオン注入装置を用いたイオン注入方法において、ホイール４の回転軸５を基底状態からホイール４の回転面に対して水平方向には動かさずにイオン注入を実施する。ホイール４の機械的なぶれを低減することが出来、微小欠陥のウェハ面内均一性が向上する。シグナル強度のウェハ１面内均一性が向上する。
【０１２９】
図２又は図１５に示す半導体評価装置は、半導体デバイスの製造ライン上に配置することで、イオン注入工程を含む被検査工程のインラインモニターとして使用することが出来る。
【０１３０】
また、図９において、イオン注入工程（Ｓ２０）の後、検査工程（Ｓ３０）の前に、アニール工程を実施しても構わない。この場合、図２又は図１５に示す半導体評価装置は、アニール処理後のｐｎ接合深さを評価することが出来る。
【０１３１】
図９に示すイオン注入工程（Ｓ２０）は、検査工程（Ｓ３０）に対する被検査工程の一例である。本発明の実施の形態における被検査工程は、イオン注入工程（Ｓ２０）に限定されず、半導体膜或いは金属膜の成膜工程であっても構わない。この場合、図２又は図１５に示す半導体評価装置は、半導体膜或いは金属膜の膜厚を評価することが出来る。
【０１３２】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ限定されるものである。
【０１３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、高い測定精度及び測定再現性を成し得る半導体評価装置及び半導体評価方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るイオン注入装置を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る半導体評価装置を示す断面図である。
【図３】図２に示したステージ１０とポンプ光２５及びプローブ光２６の照射領域３０との関係を示す斜視図である。
【図４】図２に示した半導体評価装置における、ポンプ光２５及びプローブ光２６のウェハ１への照射部分を拡大した断面図である。
【図５】ポンプ光２５及び反射プローブ光２８の強度変調の様子を示すグラフである。
【図６】ｐ型単結晶シリコンから成る半導体電流路５０における過剰キャリアの挙動を説明する為の模式図である。
【図７】図２に示した計算機２２を示すブロック図である。
【図８】図７の第１の関数形データベース６１に記憶されている第１の関数形ｆ１の一例を示すグラフである。
【図９】本発明の実施の形態に係る半導体ウェハの処理手順の全体の流れを示すフローチャートである。
【図１０】図９に示した前処理工程（Ｓ１０）の構成を示すフローチャートである。
【図１１】図９に示したシグナル測定過程（Ｓ３０ａ）の構成を示すフローチャートである。
【図１２】図９に示したシグナル補正過程（Ｓ３０ｂ）の構成を示すフローチャートである。
【図１３】本発明の実施の形態のシグナル測定過程（Ｓ３０ａ）の第１の変形例を示すフローチャートである。
【図１４】図１４（ａ）乃至図１４（ｄ）は、図１３に示したシグナル測定過程におけるステージ１０とポンプ光２５及びプローブ光２６の照射領域３０との関係を示す斜視図である。
【図１５】本発明の実施の形態のシグナル測定過程（Ｓ３０ａ）の第２の変形例に用いる半導体評価装置を示す断面図である。
【図１６】図１５に示した半導体評価装置を用いた半導体評価方法を示すフローチャートである。
【図１７】本発明の実施の形態の前処理工程（Ｓ１０）の変形例を示すフローチャートである。
【図１８】本発明の実施の形態のシグナル補正過程の変形例に用いる計算機２２を示すブロック図である。
【図１９】図１８に示した第１の関数形データベース６１に記憶されている第１の関数形ｆ１及び新たな第１の関数形ｆ１’の一例及び第２の関数形フィッティング部６７によって求められた第２の関数形ｆ２の一例を示すグラフである。
【図２０】図１８に示した計算機２２を用いて行うシグナル補正過程（Ｓ３０ｂ）を示すフローチャートである。
【図２１】イオン注入工程の第１の実施例におけるイオンビーム２のホイール４の回転軸５に対する角度条件とシグナルの面内均一性との関係を示す表である。
【図２２】イオン注入工程の第２の実施例におけるイオンビーム２のホイール４の回転軸５に対する角度条件とシグナルの面内均一性との関係を示す表である。
【図２３】イオン注入工程の第３の実施例におけるチルト角及びツイスト角とシグナルの面内均一性との関係を示す表である。
【図２４】イオン注入工程の第３の実施例におけるイオンビーム２のホイール４の回転軸５に対する角度条件とシグナルの面内均一性との関係を示す表である。
【図２５】アモルファス化の判断方法の第１の実施例におけるポンプ光２５、ポンプ光２５の変調周波数の２倍の周波数の成分θ２及び基準変調Ｆｓの相互関係を示すグラフである。
【図２６】図２６（ａ）は、図２５の位相ずれＤｆと注入イオンのドーズ量との関係を示すグラフである。図２６（ｂ）は、反射プローブ光２８のうちホンプ光２５の変調周波数と同期している成分の位相ずれと注入イオンのドーズ量との関係を示すグラフである。
【図２７】ウェハ１面内を、高濃度にイオンを注入した領域７３ａ、・・・と低濃度にイオンを注入した領域７４ａ、・・・とに段階的に区分けする様子を説明する為の平面図である。
【図２８】アモルファス化の判断方法の第２の実施例における、ウェハ１中心を通る幾つかの方向７５ａ〜７５ｄに沿ってシグナル強度を測定する方法を説明する為の平面図である。
【符号の説明】
１    ウェハ
２    イオンビーム
３    イオン源
４    ホイール
５    回転軸
６    予備レーザ
１０    ステージ
１１    ポンプレーザ
１２    プローブレーザ
１３    検出器
１４    第１のハーフミラー
１５    第２のハーフミラー
１６    フィルタ
１７    対物レンズ
１８    チャンバ
１９    ロードポート
２０    ポンプレーザ用電源
２１    ロックインアンプ
２２    計算機（ＰＣ）
２３    第１のウェハ
２４    第２のウェハ
２５    ポンプ光
２６    プローブ光
２７    反射ポンプ光
２８    反射プローブ光
２９    予備反射ポンプ光
３０    照射領域
３１    ウェハ位置
３２    ダミーサンプル
４０    イオン注入領域
４３    非注入領域
５０    半導体電流路
６０    演算部
６１    第１の関数形データベース
６２    検出信号記憶部
６３    プログラム記憶部
６４    入出力制御部
６５    入力装置
６６    出力装置
６７    第２の関数形フィッティング部
６８    ＱＣ値計算部
θ２    ２倍周波数成分
Ｆｓ    基準変調
Ｄｆ    位相ずれ
【図１】
2004311580.tif 000008
【図２】
2004311580.tif 000009
【図３】
2004311580.tif 000010
【図４】
2004311580.tif 000011
【図５】
2004311580.tif 000012
【図６】
2004311580.tif 000013
【図７】
2004311580.tif 000014
【図８】
2004311580.tif 000015
【図９】
2004311580.tif 000016
【図１０】
2004311580.tif 000017
【図１１】
2004311580.tif 000018
【図１２】
2004311580.tif 000019
【図１３】
2004311580.tif 000020
【図１４】
2004311580.tif 000021
【図１５】
2004311580.tif 000022
【図１６】
2004311580.tif 000023
【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【手続補正書】
【提出日】平成15年12月22日(2003.12.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウェハ中に光キャリアを励起するための変調されたポンプ光を出力するポンプレーザと、
プローブ光を前記半導体ウェハへ照射するプローブレーザと、
前記半導体ウェハにより反射された前記プローブ光を検出する検出器
とを有することを特徴とする半導体評価装置。
【請求項２】
半導体ウェハの表面に介在する固定電荷を少なくする段階と、
前記半導体ウェハにイオンを注入する段階と、
プローブ光及び前記半導体ウェハ中に光キャリアを励起するための変調されたポンプ光を前記半導体ウェハへ照射しながら、前記半導体ウェハにより反射された前記プローブ光の強度を測定する段階
とを有することを特徴とする半導体評価方法。
【請求項３】
機械走査型のイオン注入装置が有するホイールの回転軸に対して実質的に平行な方向から、前記ホイール上に載置された半導体ウェハにイオンを注入する段階と、
プローブ光及び前記半導体ウェハ中に光キャリアを励起するための変調されたポンプ光を前記半導体ウェハへ照射しながら、前記半導体ウェハにより反射された前記プローブ光の強度を測定する段階
とを有することを特徴とする半導体評価方法。
【請求項４】
半導体ウェハ中に光キャリアを励起するための変調されたポンプ光を前記半導体ウェハへ照射する段階と、
プローブ光を前記半導体ウェハへ照射する段階と、
前記ポンプ光を３秒間以上前記半導体ウェハへ照射した後に、前記ポンプ光及びプローブ光を前記半導体ウェハへ照射しながら、前記半導体ウェハにより反射された前記プローブ光の強度を測定する段階
とを有することを特徴とする半導体評価方法。
【請求項５】
半導体ウェハ中に光キャリアを励起するための変調されたポンプ光を前記半導体ウェハへ照射する段階と、
プローブ光を前記半導体ウェハへ照射する段階と、
前記ポンプ光及びプローブ光を前記半導体ウェハへ照射しながら、前記半導体ウェハにより反射された前記プローブ光の強度を測定する段階と、
前記プローブ光を前記半導体ウェハへ照射していない時に、前記半導体ウェハにより反射された前記プローブ光と同じ光路上に、前記半導体ウェハにより反射された前記プローブ光と同等な光を発生させる段階
とを有することを特徴とする半導体評価方法。