JP2007266258A

JP2007266258A - シリコンウェーハのｂｍｄ密度評価方法

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Publication number: JP2007266258A
Application number: JP2006088576A
Authority: JP
Inventors: Saibishi Kikuchi; 菜美子菊池
Original assignee: Covalent Materials Corp
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 2006-03-28
Filing date: 2006-03-28
Publication date: 2007-10-11

Abstract

【課題】Ｆｅ以外の再結合中心密度とＢＭＤ密度との相関関係に基づきＢＭＤ密度を算出することにより、簡便な方法で正確にＢＭＤ密度を評価できるシリコンウェーハのＢＭＤ密度評価方法を提供する。
【解決手段】シリコンウェーハのＢＭＤ（ＢｕｌｋＭｉｃｒｏＤｅｆｅｃｔｓ）密度評価方法であって、Ｆｅ以外の再結合中心密度とＢＭＤ密度との相関関係を決定するステップと、ＳＰＶ（ＳｕｒｆａｃｅＰｈｏｔｏｖｏｌｔａｇｅ）法によりシリコンウェーハのＦｅ以外の再結合中心密度を測定するステップと、測定されたＦｅ以外の再結合中心密度と、あらかじめ決定されたＦｅ以外の再結合中心密度とＢＭＤ密度との相関関係に基づき、シリコンウェーハのＢＭＤ密度を算出するステップを有することを特徴とするシリコンウェーハのＢＭＤ密度評価方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、シリコンウェーハのＢＭＤ（ＢｕｌｋＭｉｃｒｏＤｅｆｅｃｔｓ）密度評価方法に関し、特に、Ｆｅ以外の再結合中心密度とＢＭＤ密度との相関関係に基づきＢＭＤ密度を算出するシリコンウェーハのＢＭＤ密度評価方法に関する。

半導体集積回路等のデバイスを作成するためのウェーハとしては、主にＣＺ（チョコラルスキー）法によって、育成されたシリコン単結晶ウェーハ（以下、「シリコンウェーハ」ともいう）が用いられている。
そして、シリコンウェーハ上のデバイス特性を向上させる観点から、このシリコンウェーハ表面近傍を極力無欠陥化することが望ましい。なぜなら、欠陥の存在は、ジャンクションリークの増大や酸化膜耐圧の劣化、あるいはキャリアのライフタイムの減少などデバイス特性を劣化させる要因となるからである。
一方、ウェーハのバルクには、高密度の欠陥を形成することが通常望ましい。なぜなら、バルク中の欠陥によって、デバイス特性を劣化させる重金属汚染を捕獲（ゲッタリング）することが可能になるからである。

以上の要請から、ＣＺ法により作成されたシリコンウェーハをデバイス作成工程前に熱処理し、表面近傍を無欠陥層（ＤｅｎｕｄｅｄＺｏｎｅ）にし、かつ、バルク中に酸素析出物からなるＢＭＤを生成することにより高欠陥密度層を形成して重金属のゲッタリングサイトとすることが一般に行なわれている。この技術をイントリシックゲッタリング（ＩＧ）と呼ぶ。
一般に、イントリッシクゲッタリングの能力は、シリコンウェーハのＢＭＤ密度が高いほど高くなる。したがって、シリコンウェーハのＢＭＤ密度評価は、デバイス特性を向上、安定させる上で極めて重要である。

従来のＢＭＤ評価方法としては、エッチング法や赤外線トモグラフ法が知られている。エッチング法は、シリコンウェーハをへき開面に沿って分割し、断面をエッチングした後、顕微鏡などを用いて観察し、目視によりＢＭＤの数を数える方法である。また、赤外線トモグラフ法は、シリコンウェーハをへき開面に沿って分割した後、赤外線を投射し、ＢＭＤによる散乱光をへき開面からカウントする方法である。
また、特許文献１においては、所定濃度のＦｅを故意汚染した後、ＢＭＤに捕獲されず残留したＦｅ濃度を測定することによりＢＭＤ密度を評価する方法が開示されている。
さらに、特許文献２においては、ＳＰＶ法で測定された少数キャリア拡散長とＢＭＤ密度との相関関係に基づき、ＢＭＤ密度を評価する方法が開示されている。
特開２００３−２５７９８２号公報特開平８−６２１２２号公報

しかしながら、エッチング法においては、目視観察であるため、計測誤差が生じやすく、観察者における測定値のバラツキが大きいという問題があった。
また、エッチング法や赤外線トモグラフ法ではシリコンウェーハをへき開面に沿って分割してしまうので、ウェーハ面内のＢＭＤ分布を評価することが不可能に近いという問題があった。
そして、特許文献１のＢＭＤ密度評価方法は、Ｆｅの故意汚染やＦｅをＢＭＤに捕獲させるための高温の熱処理が要求させるなど評価工程が複雑化するという問題があった。
さらに、特許文献２の技術では、ウェーハバルク中のＦｅ濃度の影響による測定誤差が大きくなるという問題があった。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、Ｆｅ以外の再結合中心密度とＢＭＤ密度との相関関係に基づきＢＭＤ密度を算出することにより、簡便な方法で正確にＢＭＤ密度を評価できるシリコンウェーハのＢＭＤ密度評価方法を提供することにある。

本発明の一態様のシリコンウェーハのＢＭＤ密度評価方法は、
シリコンウェーハのＢＭＤ（ＢｕｌｋＭｉｃｒｏＤｅｆｅｃｔｓ）密度評価方法であって、
Ｆｅ以外の再結合中心密度とＢＭＤ密度との相関関係を決定するステップと、
ＳＰＶ（ＳｕｒｆａｃｅＰｈｏｔｏｖｏｌｔａｇｅ）法により前記シリコンウェーハのＦｅ以外の再結合中心密度を測定するステップと、
測定された前記Ｆｅ以外の再結合中心密度と、前記あらかじめ決定されたＦｅ以外の再結合中心密度とＢＭＤ密度との相関関係に基づき、前記シリコンウェーハのＢＭＤ密度を算出するステップとを有することを特徴とする。

ここで、前記シリコンウェーハのバルク中のＦｅ濃度が１Ｅ１１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であることが望ましい。

また、前記シリコンウェーハの抵抗率が５Ωｃｍ以上であることが望ましい。

さらに、前記Ｆｅ以外の再結合中心密度とＢＭＤ密度との相関関係を決定するステップにおいて、前記相関関係は、異なるＢＭＤ密度を有するシリコンウェーハについて、ＳＰＶ法によりＦｅ以外の再結合中心密度を測定し、かつ、赤外線トモグラフ法によりＢＭＤ密度が測定されることによって決定されることが望ましい。

本発明によれば、Ｆｅ以外の再結合中心密度とＢＭＤ密度との相関関係に基づきＢＭＤ密度を算出することにより、簡便な方法で正確にＢＭＤ密度を評価できるシリコンウェーハのＢＭＤ密度評価方法を提供することが可能になる。

まず、本発明で用いる一般的なＳＰＶ（ＳｕｒｆａｃｅＰｈｏｔｏｖｏｌｔａｇｅ）法の原理、およびこれを用いた一般的なＦｅ以外の再結合中心（ＯｔｈｅｒＲｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎＣｅｎｔｅｒ、以下「ＯＲＣ」ともいう）密度およびＦｅ濃度の測定方法について説明する。
ＳＰＶ法は、シリコンウェーハ表面へ光を照射することによって、シリコンウェーハ内部に生成した過剰少数キャリアが、ウェーハ表層部に存在する空乏層の電界によりウェーハ表面に移動し、その結果発生する表面光電圧を測定するものである。この表面光電圧を測定することによりウェーハの少数キャリア拡散長を求める。

このＳＰＶ法を用いた一般的なＯＲＣ密度およびＦｅ濃度の測定方法は以下のとおりである。
まず被測定対象となるシリコンウェーハに、光照射あるいは２００℃程度の加熱処理を施し、ＦｅやＯＲＣを活性化（励起）する。Ｆｅの場合の活性化とは、具体的にはＦｅとＢ（ボロン）の結合（Ｆｅ−Ｂ）を格子間ＦｅとＢに解離させることをいう。そして、活性化前後の少数キャリアの拡散長をＳＰＶ法により求め、その違いからＯＲＣ密度およびＦｅ濃度を以下の式（１）および式（２）により、それぞれ求める。

Ｎ_Ｒ＝Ｄ_ｎ／[Ｃ_Ｒ×（Ｐ−１）]×（Ｐ／Ｌ^２ _ｂｅｆ−１／Ｌ^２ _ａｆｔ）・・・（１）
Ｎ_Ｆｅ＝Ｄ_ｎ／（Ｃ_Ｆｅ−Ｃ_ＦｅＢ）×（１／Ｌ^２ _ａｆｔ−１／Ｌ^２ _ｂｅｆ）・・・（２）
但し、
Ｎ_Ｒ：ＯＲＣ密度（／ｃｍ^３）
Ｎ_Ｆｅ：Ｆｅ濃度（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）
Ｄｎ：電子の拡散係数
Ｃ_Ｒ：ＯＲＣの電子捕獲率
Ｃ_Ｆｅ：Ｆｅの電子捕獲率
Ｃ_ＦｅＢ：Ｆｅ−Ｂの電子捕獲率
Ｐ：Ｐ＝Ｃ_Ｆｅ／Ｃ_ＦｅＢ
Ｌ_ｂｅｆ：活性化前の拡散長（ｕｍ）
Ｌ_ａｆｔ：活性化後の拡散長（ｕｍ）

ここで、Ｄｎ、Ｃ_Ｒ、Ｐ値は、既知である。また、Ｄ_ｎ／（Ｃ_Ｆｅ−Ｃ_ＦｅＢ）の値についてもＤＬＴＳ（ＤｅｅｐＬｅｖｅｌＴｒａｎｓｉｅｎｔＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｒｙ）法から、経験値として、およそ、１．１Ｅ１６という値が得られている。したがって、ＳＰＶ法による活性化前の拡散長と活性化後の拡散長の測定結果から、ＯＲＣ密度とＦｅ濃度を算出することが可能となる。

次に、本発明に係るＢＭＤ密度測定方法についての実施の形態につき、添付図面に基づき説明する。

被測定対象となるシリコンウェーハの測定に先立ち、ＯＲＣ密度とＢＭＤ密度の相関関係（相関図）を決定する。
相関関係の決定にあたっては、まず、異なるＢＭＤ密度を有する複数のシリコンウェーハを用意する。これは、例えば、シリコンウェーハへのＩＧ熱処理条件を変えることによって作成する。すなわち、シリコンウェーハに、例えば、７８０℃、３時間の熱処理を施し、酸素析出核を発生させる。そして、例えば、その後、１０００℃、１〜１６時間の熱処理を行なうことにより、酸素析出核からＢＭＤを成長させ、異なるＢＭＤ密度を有する複数のシリコンウェーハを作成する。
次に、上述したＳＰＶ法を用いたＯＲＣ密度測定法を用いて、用意された異なるＢＭＤ密度を有する複数のシリコンウェーハについて、それぞれのＯＲＣ密度を測定する。
また、同じシリコンウェーハについて、ＢＭＤ密度を測定する。この際、用いられるＢＭＤ密度の測定方法は、従来用いられている方法であれば、いかなる方法を適用することも可能である。しかし、測定の精度および簡便性の観点から、特に赤外線トモグラフ法を用いることが望ましい。

図１は、赤外線トモグラフによりＢＭＤ密度を求めることによって作成されたＯＲＣ密度とＢＭＤ密度の相関関係の一例である。図から明らかなように、ＯＲＣ密度とＢＭＤ密度には正の相関が見られる。
ＯＲＣ密度は、シリコンウェーハにおけるＦｅ以外の不純物や結晶特性の影響を反映している。したがって、ここで確認されるＯＲＣ密度とＢＭＤ密度の間の正の相関は、ＢＭＤによるキャリアのトラップを反映していると考えられる。

ＯＲＣ密度とＢＭＤ密度の相関関係を決定した後に、被測定対象であるシリコンウェーハを準備する。
シリコンウェーハには例えば、ＣＺ法によるシリコン単結晶の育成段階でＢ（ボロン）がドープされ、シリコンウェーハ内部には所定の熱処理（ＩＧ）によりＢＭＤが形成される。Ｂ（ボロン）のドープ量は、例えば、２．８Ｅ１７〜１．３Ｅ１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３である。また、上記所定の熱処理は、例えば、シリコンウェーハを酸素雰囲気下で６００℃〜１０００℃の温度に４時間程度保持する酸素析出核を発生させるための第１段熱処理と、この第１段熱処理後に行われシリコンウェーハを酸素雰囲気下で９００℃〜１０００℃の温度に１６時間保持し、ＢＭＤを成長させる第２段熱処理とからなる。この熱処理により、シリコンウェーハ中に５Ｅ３／ｃｍ^３〜５Ｅ６／ｃｍ^３の密度のＢＭＤが形成される。

次に、シリコンウェーハ中のＯＲＣ密度を、ＳＰＶ法を用いて測定する。具体的には、先ずＢＭＤが形成されたシリコンウェーハに対して表面電荷処理を行う。この表面電荷処理は、例えば、先ずシリコンウェーハを０．５〜５０％のＨＦに１〜１０分間浸漬し、次に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なわれる。そして、表面電荷処理後、表面を安定させた状態でこのシリコンウェーハをＳＰＶ法によって測定することにより、活性化前の拡散長（Ｌ_ｂｅｆ）が求められる。なお、上記のようにシリコンウェーハに対して表面電荷処理を行うと、Ｂ（ボロン）をドープしたｐ型のシリコンウェーハ表面がプラスに帯電するため、シリコンウェーハの表面近傍に十分な空乏層や反転層を確保できるため、精度の高い測定が可能となる。

次に、シリコンウェーハ中のＦｅやＯＲＣの活性化処理を行う。この処理は、例えば、シリコンウェーハの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持つ単色光を断続的に照射するか、或いはシリコンウェーハを２００℃以上に５〜１５分間保持して０．１〜３．０℃／秒の降温速度で急冷することにより行なう。その後、このシリコンウェーハをＳＰＶ法によって測定することにより、活性化後の拡散長（Ｌ_ａｆｔ）が求められる。

そして、求められた活性化前の拡散長（Ｌ_ｂｅｆ）と活性化後の拡散長（Ｌ_ａｆｔ）を上記の式（１）に代入することにより、ＯＲＣ密度を算出する。そして、あらかじめ決定したＯＲＣ密度とＢＭＤ密度の相関関係から被測定対象であるシリコンウェーハのＢＭＤ密度が求められる。

本発明のＢＭＤ評価方法においては、Ｆｅの影響をそのままうける少数キャリア拡散長ではなく、Ｆｅを除外したＯＲＣを指標とするため、Ｆｅの存在によるＢＭＤ密度算出値への影響を低減することができる。
もっとも、上記の式（１）からも明らかなように、ＯＲＣ算出式には、Ｆｅの影響も含んだ拡散長Ｌ_ｂｅｆ、Ｌ_ａｆｔを使用しているため、完全にＦｅの影響をＯＲＣ密度から排除
することは困難である。そこで、発明者は、ＯＲＣ密度に与えるＦｅ濃度の影響を、明らかにするために、ＯＲＣ密度のＦｅ濃度依存性を算出した。具体的には、Ｆｅ濃度と、活性化後の拡散長（Ｌ_ａｆｔ）を変数として、上述の式（２）に代入して活性化前の拡散長（Ｌ_ｂｅｆ）を求める。そして、活性化後の拡散長（Ｌ_ａｆｔ）と活性化前の拡散長（Ｌ_ｂｅｆ）を上述の式（１）に代入してＯＲＣ密度を算出する。そして、ＯＲＣ密度とウェーハの活性化前の拡散長（Ｌ_ｂｅｆ）の関係を求めた。ここで、Ｆｅ濃度は、１Ｅ９〜１Ｅ１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３とした。

この結果を図２に示す。図から明らかなように、Ｆｅ濃度が１Ｅ１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上になると、Ｆｅ濃度の拡散長への影響が大きくなるため、その拡散長を使用して求めるＯＲＣ密度にも影響が生じてしまう。このように、Ｆｅ濃度が高いシリコンウェーハの場合には、ＯＲＣ密度算出に誤差が生じ、結果としてＢＭＤ密度の算出誤差も大きくなる。したがって、ＯＲＣ密度算出にＦｅ濃度の影響が現れず、ＢＭＤ密度算出精度が高くなるシリコンウェーハ、すなわち、バルク中のＦｅ濃度が１Ｅ１１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下のシリコンウェーハを用いることが望ましい。

さらに、本実施の形態のＢＭＤ密度測定方法を適用するシリコンウェーハは、ＳＰＶ測定の精度をあげる観点から、抵抗率が５Ωｃｍ以上であることが望ましい。

以上、本実施の形態により、従来の破壊測定にくらべ、非破壊で行なえるため簡便にＢＭＤ密度を評価することが可能となる。また、Ｆｅの故意汚染や、高温熱処理が不要な点においても簡便である。
さらに、Ｆｅの影響をそのままうける少数キャリア拡散長ではなく、Ｆｅを除外したＯＲＣを指標とするため、Ｆｅの存在によるＢＭＤ密度算出値への影響を低減することができ、正確な測定が可能となる。また、観察者における測定値のばらつきがない点でも正確性が確保できる。
そして、本測定方法は、非破壊で行なうことが可能なため、従来困難であったウェーハ全面の測定が可能となる。したがって、Ｍａｐ状にＯＲＣ密度を求めることが可能となり、シリコンウェーハ引き上げ、あるいは、熱処理工程などで生ずるＢＭＤの面内不均一性等の検証が可能となり、これらのシリコンウェーハ関連プロセスの改善、向上への寄与が期待できる。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。実施の形態の説明においては、ＢＭＤ評価方法等で、本発明の説明に直接必要としない部分等については記載を省略したが、必要とされるＢＭＤ評価方法等に関わる要素を適宜選択して用いることができる。

その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全てのＢＭＤ評価方法は、本発明の範囲に包含される。

赤外線トモグラフによりＢＭＤ密度を求めることによって作成されたＯＲＣ密度とＢＭＤ密度の相関関係の一例である。ＯＲＣ密度算出に対するＦｅ濃度の影響を示す図である。

Claims

シリコンウェーハのＢＭＤ（ＢｕｌｋＭｉｃｒｏＤｅｆｅｃｔｓ）密度評価方法であって、
Ｆｅ以外の再結合中心密度とＢＭＤ密度との相関関係を決定するステップと、
ＳＰＶ（ＳｕｒｆａｃｅＰｈｏｔｏｖｏｌｔａｇｅ）法により前記シリコンウェーハのＦｅ以外の再結合中心密度を測定するステップと、
測定された前記Ｆｅ以外の再結合中心密度と、前記あらかじめ決定されたＦｅ以外の再結合中心密度とＢＭＤ密度との相関関係に基づき、前記シリコンウェーハのＢＭＤ密度を算出するステップとを有することを特徴とするシリコンウェーハのＢＭＤ密度評価方法。
前記シリコンウェーハのバルク中のＦｅ濃度が１Ｅ１１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であることを特徴とする請求項１記載のシリコンウェーハのＢＭＤ密度評価方法。
前記シリコンウェーハの抵抗率が５Ωｃｍ以上であることを特徴とする請求項１または請求項２記載のシリコンウェーハのＢＭＤ密度評価方法。
前記Ｆｅ以外の再結合中心密度とＢＭＤ密度との相関関係を決定するステップにおいて、前記相関関係は、異なるＢＭＤ密度を有するシリコンウェーハについて、ＳＰＶ法によりＦｅ以外の再結合中心密度を測定し、かつ、赤外線トモグラフ法によりＢＭＤ密度を測定することによって決定されることを特徴とする請求項１ないし請求項３いずれかに記載のシリコンウェーハのＢＭＤ密度評価方法。