JP2007053123A - シリコンウェーハ表面の安定化判定方法およびシリコンウェーハの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シリコンウェーハ中の少数キャリア拡散長をＳＰＶ法により測定する際に、表面処理を施したウェーハ表面が安定化したか否かを判定する手段を提供する。
【解決手段】表面処理を施したシリコンウェーハ表面の安定化判定方法。表面処理を施したシリコンウェーハについて、表面光電圧法により少数キャリアの拡散長を少なくとも２種類のタイムコンスタントにおいて測定し、測定した拡散長の比の少なくとも１つが目標値に達したか否かで、前記シリコンウェーハ表面が安定化したか否かを判定する。
【選択図】なし

Description

本発明は、表面光電圧法によりシリコンウェーハ中の少数キャリア拡散長を測定する際に、表面処理を施したシリコンウェーハ表面が安定化したか否かを判定する方法、および、前記方法を使用するシリコンウェーハの製造方法に関する。

シリコンウェーハ（以下ウェーハともいう）中に結晶欠陥が存在したり、ウェーハが金属不純物で汚染されていると、製品のデバイス特性に悪影響を及ぼす。そのため、それらを簡易的に評価するために、ウェーハ中の少数キャリアの拡散長や再結合ライフタイム等の電気特性を測定することが提案されている。

これらの電気特性評価のうち、表面光電圧（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｈｏｔｏ−Ｖｏｌｔａｇｅ：ＳＰＶ）法による拡散長の評価は、Ｆｅなどの深い準位を作る汚染金属による汚染の評価等に広く用いられている（特許文献１参照）。このＳＰＶ法は測定時間が短い上に、ウェーハと非接触かつ非破壊で測定することができる優れた測定方法である。
特開平６−６９３０１号公報

ｐ型シリコンウェーハが汚染金属によって汚染されていると、ウェーハ中のドーパントと汚染金属が静電力で結合する。例えばボロンがドープされたウェーハに汚染金属として鉄が含まれていると、Ｆｅ−Ｂペアが形成される。このようなシリコンウェーハ中の少数キャリア拡散長をＳＰＶ法によって測定する方法の概要は、以下の通りである。

まずシリコンウェーハに対して表面処理（表面電荷処理）を行う。表面処理は、例えば、シリコンウェーハをＨＦに所定時間浸漬することによって行われる。この表面処理により、ｐ型シリコンウェーハ表面はプラスに帯電し、シリコンウェーハ表面近傍に空乏層や反転層が形成される。

次に、シリコンウェーハ表面を光照射等により活性化させる。これにより、ドーパントと汚染金属とが静電力によって結合したペア（例えばＦｅ−Ｂペア）が解離する。解離した汚染金属は、前述の表面処理により形成された空乏層等の電界によってウェーハ表面に移動する。この際に発生する表面光電圧を測定することにより、少数キャリア拡散長を求めることができる。汚染金属が含まれていると少数キャリアの拡散長が短くなるので、少数キャリア拡散長を測定することにより、汚染金属の有無やその濃度を求めることができる。

しかし、上記表面処理直後のウェーハ表面は安定していないため、表面処理直後に拡散長を測定すると、正しい測定値を得ることができない。しかし、ウェーハ表面が安定したか否かを判定する手段は今まで知られていなかったため、表面処理後、どの程度の期間ウェーハを放置すれば、信頼性の高い測定ができるか判断することは困難であった。

かかる状況下、本発明は、シリコンウェーハ中の少数キャリア拡散長をＳＰＶ法により測定する際に、表面処理を施したウェーハ表面が安定化したか否かを判定する手段を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討を重ねた結果、以下の知見を得た。
ＳＰＶ法によって少数キャリア拡散長を測定する際には、ＳＰＶ装置においてステッピングモーターのタイムコンスタントを設定して測定を行う。本発明者の検討の結果、表面処理直後には、短いタイムコンスタントにおける測定値は長いタイムコンスタントにおける測定値よりも小さいが、時間の経過に伴い両測定値は近づいていくとともに、各測定値の変動も小さくなることが判明した。本発明者は、以上の知見に基づき、少なくとも２種類のタイムコンスタントにおいて少数キャリア拡散長の測定を行い、測定した拡散長の比をとり、この比の少なくとも１つが目標値に達したか否かで、シリコンウェーハ表面が安定化したか否かを判定することができることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、上記目的を達成する手段は、以下の通りである。
［１］表面処理を施したシリコンウェーハ表面の安定化判定方法であって、
表面処理を施したシリコンウェーハについて、表面光電圧法（以下、「ＳＰＶ法」ともいう）により少数キャリアの拡散長を少なくとも２種類のタイムコンスタントにおいて測定し、測定した拡散長の比の少なくとも１つが目標値に達したか否かで、前記シリコンウェーハ表面が安定化したか否かを判定することを特徴とするシリコンウェーハ表面の安定化判定方法。
［２］前記シリコンウェーハがホウ素をドープしたシリコンウェーハである［１］に記載のシリコンウェーハ表面の安定化判定方法。
［３］前記表面処理は、ＨＦ処理である［１］または［２］に記載のシリコンウェーハ表面の安定化判定方法。
［４］前記拡散長の測定は、２種類のタイムコンスタントにおいて行われ、かつ、一方のタイムコンスタント（以下、「短タイムコンスタント」という）は他方（以下、「長タイムコンスタント」という）の５分の１以下である［１］〜［３］のいずれかに記載のシリコンウェーハ表面の安定化判定方法。
［５］前記目標値は、長コンスタントにおける測定値に対する短コンスタントにおける測定値の比として、９５〜１０５％の範囲である［４］に記載のシリコンウェーハ表面の安定化判定方法。
［６］ 前記短タイムコンスタントは２ｍｓｅｃ以上であり、前記長コンスタントは２００ｍｓｅｃ以下である［４］または［５］に記載のシリコンウェーハ表面の安定化判定方法。
［７］前記短タイムコンスタントは２０ｍｓｅｃであり、前記長コンスタントは１００ｍｓｅｃである［６］に記載のシリコンウェーハ表面の安定化判定方法。
［８］表面処理を施したシリコンウェーハについて、表面光電圧法により少数キャリアの拡散長を測定して、少数キャリア拡散長から求められる汚染金属濃度が目標値以下のシリコンウェーハを選択する工程を含むシリコンウェーハの製造方法であって、
前記拡散長の測定を、［１］〜［７］のいずれかに記載の方法により、シリコンウェーハ表面が安定化したことを確認したシリコンウェーハについて行うことを特徴とするシリコンウェーハの製造方法。
［９］前記シリコンウェーハがホウ素をドープしたシリコンウェーハである［８］に記載のシリコンウェーハの製造方法。
[１０] 前記汚染金属は鉄である[８]または[９]に記載のシリコンウェーハの製造方法。

本発明によれば、ＳＰＶ法によってシリコンウェーハ中の少数キャリアの拡散長を測定する際に、表面処理後にウェーハ表面が安定化したか否かを容易に判定することができ、これにより、ウェーハ中の少数キャリア拡散長を正確に測定することができる。

以下、本発明について更に詳細に説明する。

本発明は、
表面処理を施したシリコンウェーハ表面の安定化判定方法であって、
表面処理を施したシリコンウェーハについて、表面光電圧法により少数キャリアの拡散長を少なくとも２種類のタイムコンスタントにおいて測定し、測定した拡散長の比の少なくとも１つが目標値に達したか否かで、前記シリコンウェーハ表面が安定化したか否かを判定することを特徴とするシリコンウェーハ表面の安定化判定方法
に関する。

前記シリコンウェーハは、ｐ型シリコンウェーハであることができ、具体的には、ホウ素、ガリウム、好ましくはホウ素をドープしたシリコンウェーハであることができる。ドープ量は、例えば４×１０¹³〜３×１０¹⁸ａｔｍｓ／ｃｍ³であることができる。シリコンウェーハの抵抗は、例えば０．０３〜３００Ω・ｃｍであることができる。このようなシリコンウェーハは、公知の方法で製造することができる。また、前記少数キャリアは、ｐ型ウェーハの場合は電子、ｎ型ウェーハの場合は正孔である。ウェーハ中に含まれる汚染金属は、例えば鉄、ニッケル、銅であることができるが、少数キャリア拡散長から汚染の程度を評価するためには、本発明の方法は、鉄を汚染金属として含むウェーハに適用することが好ましい。

上記シリコンウェーハに施す表面処理としては、ＨＦ処理、熱酸化処理を挙げることができる。ＨＦ処理は、例えば、シリコンウェーハをＨＦ（例えば０．５〜５０％ＨＦ）に、例えば１〜１０分間浸漬し、次いで、このシリコンウェーハを純水で洗浄した後にスピン乾燥することにより行うことができる。この表面処理により、ｐ型シリコンウェーハ表面がプラスに帯電するため、シリコンウェーハ表面近傍に空乏層または反転層を形成することができる。また、熱酸化処理は、公知の方法で行うことができる。

本発明では、上記表面処理を施したシリコンウェーハについて、表面光電圧法により少数キャリアの拡散長を、少なくとも２種類のタイムコンスタントにおいて測定し、測定した拡散長の比の少なくとも１つが目標値に達したか否かで、シリコンウェーハ表面が安定化したか否かを判定する。
ｐ型シリコンウェーハ中では、静電力により、汚染金属−ドーパントペア（例えばＦｅ−Ｂペア）が形成される。ＳＰＶ法による拡散長の測定では、前述の表面処理後、光照射や加熱処理によってウェーハ表面を活性化（解離処理）する。解離処理は、例えば、シリコンウェーハ表面にシリコンウェーハの禁制帯エネルギー１．１ｅＶ以上のエネルギーをもつ単色光を断続的に照射するか、または、シリコンウェーハを２００℃以上の雰囲気中に５〜１５分間程度保持した後、例えば０．１〜３．０℃／秒の降温速度で急冷することによって行うことができる。この解離処理により、汚染金属−ドーパントペアが解離し、解離した汚染金属は、表面処理によって形成された空乏層等の電界によってウェーハ表面へ移動する。この際に発生する表面光電圧から、少数キャリア拡散長を求めることができる。
ＳＰＶ法による拡散長の測定には、公知のＳＰＶ装置、例えば、Ｓｔｒａｔｅｇｉｃ Ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃｓ社製のＳＰＶ−Ｓｔａｔｉｏｎ−１０２０を用いることができる。拡散長の測定は、面内数点で行うことが、測定の信頼性を高める上では好ましい。

例えば、２種類のタイムコンスタントにおいて拡散長を測定する場合には、２種類のタイムコンスタントにおける拡散長の比が目的値に達したか否かで、シリコンウェーハ表面が安定化したか否かを判定することができる。また、３種類のタイムコンスタント（以下、タイムコンスタント１、２、３という）において拡散長を測定する場合には、タイムコンスタント１と２との比、タイムコンスタント１と３との比、またはタイムコンスタント２と３との比の少なくとも１つが、目標値に達したか否かで、シリコンウェーハ表面が安定化したか否かを判定することができる。簡便な判定のためには、２種類のタイムコンスタントにおいて拡散長を測定することが好ましく、また、測定の信頼性を高めるためには、３種類以上のタイムコンスタントにおいて拡散長を測定することが好ましい。

拡散長を測定するタイムコンスタントは、以下の点を考慮して決定することが好ましい。
（１）表面処理直後の拡散長の測定値にある程度の違いがあることが、拡散長の比からウェーハ表面が安定化したか否かを判定する上では好ましい。
（２）タイムコンスタントが過度に短すぎると、測定の信頼性が低下するおそれがある。
（３）タイムコンスタントが過度に長すぎると、測定時間が長くなり実用性に劣るおそれがある。

以上の点を考慮すると、２種類のタイムコンスタントにおいて拡散長を測定する場合には、一方のタイムコンスタント（短コンスタント）が他方のタイムコンスタント（長タイムコンスタント）の５分の１以下であることが好ましい。更に、短タイムコンスタントが長コンスタントの５分の１〜１０分の１であることがより好ましい。具体的には、前記短タイムコンスタントは、例えば２ｍｓｅｃ以上、好ましくは５〜２０ｍｓｅｃの範囲とすることができ、前記長コンスタントは、２００ｍｓｅｃ以下、好ましくは１００〜２００ｍｓｅｃの範囲とすることができる。より具体的には、例えば、短タイムコンスタントは２０ｍｓｅｃ、長タイムコンスタントは１００ｍｓｅｃであることができる。３種類以上のタイムコンスタントにおいて測定を行う場合にも、前述の点を考慮して測定を行うタイムコンスタントを設定することが好ましい。

本発明では、前述のように、ＳＰＶ法により少数キャリアの拡散長を、少なくとも２種類のタイムコンスタントにおいて測定し、測定した拡散長の比の少なくとも１つが目標値に達したか否かで、シリコンウェーハ表面が安定化したか否かを判定する。目標値は、表面処理後、複数のタイムコンスタントにおける測定値の差が時間の経過とともに小さくなり、かつ各測定値の経時変化が十分小さくなったことを目安にして、シリコンウェーハの物性、所望の品質等を考慮して設定することができる。
通常のＳＰＶ装置には、光解離前後の少数キャリアの拡散長からウェーハ中のＦｅ濃度を算出する機能が組み込まれている。前述のように、表面処理直後のウェーハ表面は不安定なので、測定される拡散長は経時的に変化する。この状態で、装置に組み込まれたＦｅ濃度算出機能によりＦｅ濃度を算出すると、エラー表示（エラーとは、通常は光解離前の拡散長が長いはずであるところ、光解離後の拡散長が長くなる逆転現象をいう）が多発する。このエラー表示回数が実用上許容できる程度に少なくなったことにより、表面状態が安定化したことを確認することができる。よって、信頼性の高い測定を行うためには、この結果に基づき、上記目標値を決定することが好ましい。前記目標値は、例えば、前述の長コンスタントにおける測定値に対する短コンスタントにおける測定値の比として、９５％以上、好ましくは９５〜１０５％とすることができる。
本発明によれば、以上の方法により、表面処理後にシリコンウェーハ表面が安定化したか否かを容易に判定することができる。

更に、本発明は、
表面処理を施したシリコンウェーハについて、表面光電圧法により少数キャリアの拡散長を測定して、少数キャリア拡散長から求められる汚染金属濃度が目標値以下のシリコンウェーハを選択する工程を含むシリコンウェーハの製造方法であって、
前記拡散長の測定を、本発明のシリコンウェーハ表面の安定化判定方法により、シリコンウェーハ表面が安定化したことを確認したシリコンウェーハについて行うことを特徴とするシリコンウェーハの製造方法
に関する。
先に説明したように、本発明のシリコンウェーハ表面の安定化判定方法によれば、ＨＦ処理等の表面処理後、シリコンウェーハ表面が安定化したか否かを容易に判定することができる。そして、本発明のシリコンウェーハの製造方法では、上記方法により表面が安定化したことが確認されたシリコンウェーハについて、ＳＰＶ法による拡散長の測定を行うため、信頼性の高いデータを得ることができる。ＳＰＶ法によって測定された拡散長から、汚染金属濃度を求める方法としては、公知の方法を用いることができる。具体的には、特開平６−６９３０１号公報、特開平８−６４６５０号公報、特開２００５−６４０６４号公報等に記載の方法を用いることができる。こうして、シリコンウェーハ中の汚染金属（例えば鉄）の濃度を求め、汚染金属濃度が目標値以下のシリコンウェーハを選択することにより、金属による汚染の少ない高品質なシリコンウェーハを得ることができる。なお、汚染金属濃度の目標値は、ウェーハの用途等に応じてウェーハに求められる物性を考慮して設定することができる。

以下、本発明を実施例に基づき更に説明する。但し、本発明は実施例に示す態様に限定されるものではない。

（例１）
基板抵抗の異なる２種類のホウ素をドープしたｐ型シリコンウェーハ（基板抵抗１０Ω・ｃｍ、２０Ω・ｃｍ）に対し、ＨＦ処理を行った。各ウェーハについて、ＨＦ処理後、タイムコンスタント（ＴＣ）２０ｍｓｅｃ、１００ｍｓｅｃで、面内９点ずつ鉄の拡散長を所定間隔毎に測定した。基板抵抗１０Ω・ｃｍのウェーハでの測定値を表１に、基板抵抗２０Ω・ｃｍでの測定値を表２に示す。表１、２に示した拡散長は、面内９点での測定値の平均である。

表１、２に示すように、測定を行った２種類のウェーハにおいて、ＨＦ処理後しばらくは、ＴＣ＝１００ｍｓｅｃ．とＴＣ＝２０ｍｓｅｃ．では拡散長が異なり、ＴＣ＝２０ｍｓｅｃ．の方が短かった。しかし、時間が経つと共に、ＴＣ＝１００ｍｓｅｃ．での拡散長とＴＣ＝２０ｍｓｅｃ．での拡散長の差は小さくなるとともに、拡散長の経時間変化も少なくなった。ＴＣ＝１００ｍｓｅｃ．での拡散長に対するＴＣ＝２０ｍｓｅｃ．の拡散長の比が９５％以上であれば、ＴＣ＝１００ｍｓｅｃ．での拡散長とＴＣ＝２０ｍｓｅｃ．での拡散長の差も拡散長の経時変化も十分小さくなっている。よって、この場合には、目標値を９５％として、ＴＣ＝１００ｍｓｅｃ．での拡散長に対するＴＣ＝２０ｍｓｅｃ．の拡散長の比が９５％に達したか否かで、ウェーハ表面が安定化されたか否かを判定することができる。

（例２）
ホウ素をドープしたｐ型シリコンウェーハ（基板抵抗１０Ω・ｃｍ）を２枚用意し、例１と同様の測定を行った。ＴＣ＝１００ｍｓｅｃ．の拡散長に対するＴＣ＝２０ｍｓｅｃ．の拡散長の比が９５％以上（９５．７％、９５．５％）になった時に、ＴＣ＝１００ｍｓｅｃ．における光解離前後の拡散長からシリコンウェーハ中のＦｅ濃度を算出し得られたマッピングデータを図１に示す。その後、ウェーハを１０日間放置して再度ＨＦ処理を行い、例１と同様の測定を行った。ＴＣ＝１００ｍｓｅｃ．の拡散長に対するＴＣ＝２０ｍｓｅｃ．の拡散長の比が９５％未満（９４．２％，９４．３％）の時点で、再び、ＴＣ＝１００ｍｓｅｃ．における光解離前後の拡散長からシリコンウェーハ中のＦｅ濃度を算出し得られたマッピングデータを図２に示す。

図１に比べて図２は、Ｆｅ濃度が表示されない部分が多い。このことから、ＴＣ＝１００ｍｓｅｃ．の拡散長に対するＴＣ＝２０ｍｓｅｃ．の拡散長の比が９５％未満では、ウェーハ表面が安定化していないため、ウェーハ中のＦｅ濃度を正確に測定できないことがわかる。これにより、本測定に使用したウェーハにおいては、ＴＣ＝１００ｍｓｅｃ．の拡散長に対するＴＣ＝２０ｍｓｅｃ．の拡散長の比が９５％以上になれば、ウェーハ表面が安定化されたと判定できることが確認された。

本発明によれば、シリコンウェーハ中の汚染金属濃度を高い信頼性をもって測定することができる。

ＴＣ＝１００ｍｓｅｃ．の拡散長に対するＴＣ＝２０ｍｓｅｃ．の拡散長の比が９５％以上（９５．７％、９５．５％）になった時に、ＴＣ＝１００ｍｓｅｃ．における光解離前後の拡散長からＦｅ濃度を算出し得られたマッピングデータを示す。 ＴＣ＝１００ｍｓｅｃ．の拡散長に対するＴＣ＝２０ｍｓｅｃ．の拡散長の比が９５％未満（９４．２％，９４．３％）の時点で、ＴＣ＝１００ｍｓｅｃ．における光解離前後の拡散長からＦｅ濃度を算出し得られたマッピングデータを示す。

Claims (10)

1. 表面処理を施したシリコンウェーハ表面の安定化判定方法であって、
   表面処理を施したシリコンウェーハについて、表面光電圧法により少数キャリアの拡散長を少なくとも２種類のタイムコンスタントにおいて測定し、測定した拡散長の比の少なくとも１つが目標値に達したか否かで、前記シリコンウェーハ表面が安定化したか否かを判定することを特徴とするシリコンウェーハ表面の安定化判定方法。
2. 前記シリコンウェーハがホウ素をドープしたシリコンウェーハである請求項１に記載のシリコンウェーハ表面の安定化判定方法。
3. 前記表面処理は、ＨＦ処理である請求項１または２に記載のシリコンウェーハ表面の安定化判定方法。
4. 前記拡散長の測定は、２種類のタイムコンスタントにおいて行われ、かつ、一方のタイムコンスタント（以下、「短タイムコンスタント」という）は他方（以下、「長タイムコンスタント」という）の５分の１以下である請求項１〜３のいずれか１項に記載のシリコンウェーハ表面の安定化判定方法。
5. 前記目標値は、長コンスタントにおける測定値に対する短コンスタントにおける測定値の比として、９５〜１０５％の範囲である請求項４に記載のシリコンウェーハ表面の安定化判定方法。
6. 前記短タイムコンスタントは２ｍｓｅｃ以上であり、前記長コンスタントは２００ｍｓｅｃ以下である請求項４または５に記載のシリコンウェーハ表面の安定化判定方法。
7. 前記短タイムコンスタントは２０ｍｓｅｃであり、前記長コンスタントは１００ｍｓｅｃである請求項６に記載のシリコンウェーハ表面の安定化判定方法。
8. 表面処理を施したシリコンウェーハについて、表面光電圧法により少数キャリアの拡散長を測定して、少数キャリア拡散長から求められる汚染金属濃度が目標値以下のシリコンウェーハを選択する工程を含むシリコンウェーハの製造方法であって、
   前記拡散長の測定を、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法により、シリコンウェーハ表面が安定化したことを確認したシリコンウェーハについて行うことを特徴とするシリコンウェーハの製造方法。
9. 前記シリコンウェーハがホウ素をドープしたシリコンウェーハである請求項８に記載のシリコンウェーハの製造方法。
10. 前記汚染金属は鉄である請求項８または９に記載のシリコンウェーハの製造方法。