JP3685356B2

JP3685356B2 - シリコンウエハのドーパント濃度測定方法

Info

Publication number: JP3685356B2
Application number: JP31155397A
Authority: JP
Inventors: 広幸斉藤
Original assignee: 東芝セラミックス株式会社
Priority date: 1997-10-29
Filing date: 1997-10-29
Publication date: 2005-08-17
Anticipated expiration: 2017-10-29
Also published as: JPH11135586A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ＣＺシリコンウエハのドーパント濃度を非接触で測定する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＣＺシリコンウエハのドーパント濃度は、４探針法を用いて測定している。
【０００３】
４探針法では、４本の針を１直線上に並べてウエハに接触させ、外側の２本の針から直流電流を流し、内側の２本の針の間に生じる電位差を測定する。そして、得られた電位差から抵抗率を算出し、アーヴィンカーブに従ってドーパント濃度を求める。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
４探針法では、４本の針をウエハ表面に接触させるため、表面に傷が付き易い難点があった。
【０００５】
また、針の先端部とウエハの表面との接触状態によって、測定値にばらつきが出易い欠点もあった。複数回測定して平均をとっても良いが、その場合には、それだけ傷が付く可能性が増大する。
【０００６】
このような４探針法の問題点に鑑み、本発明は、シリコンウエハに非接触でドーパント濃度を求めることができるドーパント濃度測定方法を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本願発明は、ドーパントを含む厚さｄのサンプルシリコンウエハと、実質的に同じ厚さｄでドーパントを含まないリファレンスシリコンウエハとの赤外線差吸光度Ａを測定し、式α_e＝Ａ／ｌｏｇｅ／ｄ、（ｌｏｇｅ＝０．４３４３）によってキャリア吸収係数α_e（ｃｍ^-1）を算出し、キャリア吸収係数α_e（ｃｍ^-1）に関する分散理論の式
【０００８】
【数１】
と、ドーパント濃度Ｎと抵抗率Ｒの関係を与えるアーヴィンカーブ（Ｉｒｖｉｎｃｕｒｖｅ）に基づいて、ドーパント濃度Ｎ（ｃｍ^-3）を求めるシリコンウエハのドーパント濃度測定方法を要旨としている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明のシリコンウエハのドーパント濃度測定方法は、ドーパントを含む厚さｄのサンプルシリコンウエハと、実質的に同じ厚さｄでドーパントを含まないリファレンスシリコンウエハとの赤外線差吸光度Ａを測定し、式α_e＝Ａ／ｌｏｇｅ／ｄ、（ｌｏｇｅ＝０．４３４３）によってキャリア吸収係数α_e（ｃｍ^-1）を算出し、このキャリア吸収係数α_e（ｃｍ^-1）に関する式（以下、本明細書では、この式を分散理論の式と称する）
【００１０】
【数１】
と、ドーパント濃度Ｎと抵抗率Ｒの関係を与えるアーヴィンカーブ（Ｉｒｖｉｎｃｕｒｖｅ）に基づいて、ドーパント濃度Ｎ（ｃｍ^-3）を求めるものである。
【００１１】
予め、キャリア吸収係数α_e（ｃｍ^-1）に関する前記分散理論の式とアーヴィンカーブ（Ｉｒｖｉｎｃｕｒｖｅ）に基づいて、吸収係数α_e（ｃｍ^-1）対抵抗率Ｒ（Ωｃｍ）の換算表（表１、表４）、または、吸収係数α_e（ｃｍ^-1）対ドーパント濃度Ｎ（ｃｍ^-3）の換算表を作成しておき、この換算表を利用してドーパント濃度Ｎ（ｃｍ^-3）を求めることができる。
【００１２】
前記換算表（表１、表４）をグラフ化しておき、このグラフを利用してドーパント濃度Ｎ（ｃｍ^-3）を求めることも可能である。
【００１３】
本発明方法では、例えば、波数が６５０／ｃｍにおける赤外線差吸光度Ａを測定することができる。
【００１４】
本発明方法では、抵抗率が０．１〜１６Ωｃｍのボロンドープウエハのドーパント濃度を測定することができる。
【００１５】
本発明方法では、抵抗率が０．１〜１．６Ωｃｍのリンドープウエハのドーパント濃度を測定することができる。これらの範囲をはずれると、赤外線吸光度の値とドーパント濃度との相関が少なくなり、測定誤差など種々の要因から１対１対応が正確にできなくなる。
【００１６】
【実施例】
アーヴィンカーブ（Ｉｒｖｉｎｃｕｒｖｅ）は、ＡＳＴＭＦ７２３−８１にも規定されており、「抵抗率Ｒ」と「ドーパント濃度（キャリア濃度）Ｎ」の関係を与えるものである。一般に、アーヴィンカーブは、表及びグラフとして利用されるが、そのグラフを図１に示す。
【００１７】
また、古典的分散理論によれば、「キャリア吸収係数α_e」、「キャリア濃度（ドーパント濃度）Ｎ」、及び、「電気伝導度δ₀（＝１／Ｒ）」の間には、次の数式１の関係がある。
【００１８】
【数１】
数式１において、κ、ｍ^*、ε₀、ｃは定数であり、移動度μは数式μ＝１／（Ｎ・ｅ・δ₀）により、「ドーパント濃度Ｎ」と「電気伝導度δ₀」から求められる。
【００１９】
従って、「赤外線差吸光度Ａ」を測定し、式α_e＝Ａ／ｌｏｇｅ／ｄ、（ｌｏｇｅ＝０．４３４３）によって「キャリア吸収係数α_e」を算出することによって、非接触で「抵抗率Ｒ」、すなわち「ドーパント濃度（キャリア濃度）Ｎ」を求めることが可能である。
【００２０】
その際、予め、「抵抗率Ｒ」の値をいろいろと振って（アーヴィンカーブに従って「ドーパント濃度Ｎ」も変わる）、「抵抗率Ｒ」対「キャリア吸収係数α_e」の対応表を作っておくと良い。
【００２１】
表１は、ボロンドープの場合の「抵抗率Ｒ」対「キャリア吸収係数α_e」の対応表である。ただし、真空誘電率ε₀＝８．８５４×１０^-12Ｓ⁴Ａ²／ｍ³ｋｇ、Ｓｉの比誘電率ε＝１１．６８、電子の電荷ｅ＝１．６０２×１０^-19ＳＡ、キャリアの有効質量ｍ^*＝１．７８×１０^-31ｋｇとした。
【００２２】
また、表４は、リンドープの場合の「抵抗率Ｒ」対「キャリア吸収係数α_e」の対応表である。ただし、真空誘電率ε₀＝８．８５４１８×１０^-12Ｓ⁴Ａ²／ｍ³ｋｇ、Ｓｉの比誘電率ε＝１１．６８、電子の電荷ｅ＝１．６０２１９×１０^-19ＳＡ、キャリアの有効質量ｍ^*＝２．６４２×１０^-31ｋｇとした。
【００２３】
表１及び表４からも分るように、キャリアによる赤外吸収は、ドーパント濃度が高くなるほど強くなる。また、低波数ほど、強くなる。
【００２４】
表１及び表４は、グラフ化しておくと便利である。
【００２５】
また、表１及び表４の替わりに、「ドーパント濃度Ｎ」の値をいろいろと振って（アーヴィンカーブに従って「抵抗率Ｒ」も変わる）、「ドーパント濃度Ｎ」対「キャリア吸収係数α_e」の対応表又はグラフを作成しておいても良い。
【００２６】
測定対象のウエハの厚さは、例えば６００μｍ〜２ｍｍ程度とする。
【００２７】
波数は、フリーキャリア以外の赤外吸収が比較的小さい６５０ｃｍ^-1を用いることができる。
【００２８】
図２に示すように、６５０ｃｍ^-1近傍では、シリコンの格子振動の影響、炭素の影響を少なくできる。ただし、その場合には、炭素や他の不純物（存在する場合）のレベルをレファレンスとサンプルとで同じにしなければならない。また、厚さの差による誤差の影響も大きくでるので、注意を要する。
【００２９】
もちろん、波数は６５０ｃｍ^-1以外でも良い。
【００３０】
実施例１
抵抗率の異なる３種類のボロンドープシリコンウエハ（サンプル１〜３、厚さ２ｍｍ）と、ノンドープのレファレンスシリコンウエハ（厚さ２ｍｍ）を用意し、赤外分光器により垂直入射赤外吸収測定を行い、６５０ｃｍ^-1の吸収係数を求めた。
【００３１】
サンプル１〜３の差吸光度の実測値、吸収係数の算出値、及び、その算出値から表１に基づいて求めたドーパント濃度を表２に示す。また、図２〜図４には、サンプル１〜３の赤外吸収スペクトルを示す。
【００３２】
一方、４探針抵抗率測定法によりサンプル１〜３の抵抗率を測定し、アーヴィンカーブからドーパント濃度を求めた。その結果を表３に示す。
【００３３】
そして、吸収係数から調べたドーパント濃度と、抵抗率の実測値から求めたドーパント濃度の相関を求めた。図５は、その相関図である。Ｒ²＝０．９９で非常に良い相関が得られた。
【００３４】
実施例２
抵抗率の異なる４種類のリンドープシリコンウエハ（サンプル４〜７、厚さ２ｍｍ）と、ノンドープのレファレンスシリコンウエハ（厚さ２ｍｍ）を用意し、赤外分光器により、波数６５０ｃｍ^-1の吸収係数を求めた。
【００３５】
サンプル４〜７の差吸光度の実測値、吸収係数の算出値、及び、その算出値から表４に基づいて求めたドーパント濃度を表５に示す。また、図５には、測定した赤外吸収スペクトルを示す。
【００３６】
一方、４探針抵抗率測定法によりサンプル４〜７の抵抗率を測定し、アーヴィンカーブからドーパント濃度を求めた。その結果を表６に示す。
【００３７】
そして、吸収係数から求めたドーパント濃度と、抵抗率の実測値から求めたドーパント濃度の相関を調べた。図５は、その相関図である。Ｒ²＝０．９９で非常に良い相関が得られた。
【００３８】
抵抗率の実測値から求めたドーパント濃度は、吸収係数から求めたドーパント濃度の約０．０６３倍＋３×１０¹⁵倍の値となっている。従って、両者を自由に換算することが可能である。
【００３９】
【表１】

【００４０】
【表２】

【００４１】
【表３】

【００４２】
【表４】

【００４３】
【表５】

【００４４】
【表６】

【００４５】
【発明の効果】
本発明のシリコンウエハのドーパント濃度測定方法によれば、シリコンウエハに非接触でドーパント濃度を求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】アーヴィンカーブを示すグラフ。
【図２】波数と吸収係数の関係を示すグラフ。
【図３】実施例１におけるサンプル１の赤外吸収スペクトルを示すグラフ。
【図４】実施例１におけるサンプル２の赤外吸収スペクトルを示すグラフ。
【図５】実施例１におけるサンプル３の赤外吸収スペクトルを示すグラフ。
【図６】実施例１における吸収係数より求めたドーパント濃度と抵抗率より求めたドーパント濃度の相関図。
【図７】実施例２におけるサンプル４〜７の赤外吸収スペクトルを示すグラフ。
【図８】実施例２における吸収係数より求めたドーパント濃度と抵抗率より求めたドーパント濃度の相関図。

Claims

ドーパントを含む厚さｄのサンプルシリコンウエハと、実質的に同じ厚さｄでドーパントを含まないリファレンスシリコンウエハとの赤外線差吸光度Ａを測定し、式α_e＝Ａ／（ｄ・ｌｏｇｅ）、（ｌｏｇｅ＝０．４３４３）によってキャリア吸収係数α_e（ｃｍ^-1）を算出し、そのキャリア吸収係数αe （ｃｍ^-1）に関する式

と、ドーパント濃度Ｎと抵抗率Ｒの関係を与えるアーヴィンカーブ（Ｉｒｖｉｎｃｕｒｖｅ）に基づいて、ドーパント濃度Ｎ（ｃｍ^-3）を求めるシリコンウエハのドーパント濃度測定方法。
予め、キャリア吸収係数αe （ｃｍ^-1）に関する前記分散理論の式とアーヴィンカーブ（Ｉｒｖｉｎｃｕｒｖｅ）に基づいて、吸収係数α_e（ｃｍ^-1）対抵抗率Ｒ（Ωｃｍ）の換算表（表１、表４）、または、吸収係数α_e（ｃｍ^-1）対ドーパント濃度Ｎ（ｃｍ^-3）の換算表を作成しておき、この換算表を利用してドーパント濃度Ｎ（ｃｍ^-3）を求めることを特徴とする請求項１に記載のシリコンウエハのドーパント濃度測定方法。
波数が６５０／ｃｍにおける赤外線差吸光度Ａを測定することを特徴とする請求項１又は２に記載のシリコンウエハのドーパント濃度測定方法。
抵抗率が０．１〜１６Ωｃｍのボロンドープウエハのドーパント濃度を測定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のシリコンウエハのドーパント濃度測定方法。
抵抗率が０．１〜１．６Ωｃｍのリンドープウエハのドーパント濃度を測定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のシリコンウエハのドーパント濃度測定方法。