JP5706776B2

JP5706776B2 - 半導体基板の評価方法

Info

Publication number: JP5706776B2
Application number: JP2011160226A
Authority: JP
Inventors: 聡始篠原; 一哉花岡; 英樹津屋
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 2011-07-21
Filing date: 2011-07-21
Publication date: 2015-04-22
Anticipated expiration: 2031-07-21
Also published as: JP2013026461A

Description

技術分野は、半導体基板の評価方法に関する。

層構造のシリコン基板の評価方法として、μ−ＰＣＤ（Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ−ＰｈｏｔｏＣｏｎｄｕｃｔｉｖｅＤｅｃａｙ）法により得られた過剰キャリア密度の時間変化（減衰曲線）から、シリコン基板中の少数キャリアのライフタイム（バルクライフタイムともいう）を測定する手法が知られている（特許文献１参照）。

また、μ−ＰＣＤ法で厚さのみが異なる２種類の半導体基板を測定し、それぞれの一次モードのライフタイムを得て、表面再結合速度およびバルクライフタイムを分離評価する方法が知られている（非特許文献１参照）。

バルクライフタイムは、半導体のエネルギーギャップ中の欠陥準位の大小を示す指標の一つである。エネルギー中の特に深い位置に欠陥準位が存在すると、キャリアは欠陥準位を介して再結合（消滅）してしまう。バルクライフタイムはキャリアが生成されてから欠陥準位を介して再結合によって消滅するまでの時間（寿命）の目安である。欠陥準位が多いほど再結合の頻度が増加するため、バルクライフタイムは減少する。

また、μ−ＰＣＤ法は、半導体基板等の試料を非破壊かつ非接触で測定することができるため、バルクライフタイム測定法として有効な手法である。以下にその原理を説明する。

試料の表面にレーザとマイクロ波（μ波ともいう）を同時に照射する。レーザ照射によって試料中に過剰キャリアが生成される。そして、レーザ照射を止めるとエネルギーギャップ中の欠陥準位を介した再結合により、一定時間後に熱平衡状態のキャリア密度に戻る。ここで、キャリア密度とμ波の反射率との相関を利用し、反射されたマイクロ波を検波することで、減衰中のキャリア密度の時間変化を追うことができる。

特開昭５９−５５０１３号公報

宇佐美晶、徳田豊著、「半導体デバイス工程評価技術ライフタイム、ＤＬＴＳ評価と中心として」、株式会社リアライズ社、平成２年９月１１日、ｐ．１２１−１２９

しかし、μ−ＰＣＤ法で２種類の半導体基板を測定する評価方法では、測定に用いる半導体基板と、該半導体基板に対して厚さのみが異なり、他は同じパラメータの半導体基板と、を用意しなければならない。

さらに、試料固有のバルクライフタイムであるが、半導体基板間のばらつきが懸念されるため、同一のインゴットから切り離した試料を用いることが好ましいがこのための準備は煩雑である。

そこで、本発明の一態様は、表面再結合速度およびバルクライフタイムを分離評価する方法を提供することを目的の一とする。

本発明の一態様は、バルクライフタイムτ_ｂを備え、一方の表面の表面再結合速度Ｓ_０、他方の表面の表面再結合速度Ｓ_０である第１の半導体基板と、バルクライフタイムτ_ｂを備え、一方の表面の表面再結合速度Ｓ_０、他方の表面の表面再結合速度Ｓ_１である第２の半導体基板と、バルクライフタイムτ_ｂを備え、一方の表面の表面再結合速度Ｓ_１、他方の表面の表面再結合速度Ｓ_１である第３の半導体基板と、に対して、それぞれの一次モードのライフタイムτ_１１、τ_２１、τ_３１を測定し、第１の半導体基板および第３の半導体基板に対して一次モードのライフタイムτ_１１、τ_３１および下記数式（１）を用いて、表面再結合速度Ｓ_０とバルクライフタイムτ_ｂの関係および表面再結合速度Ｓ_１とバルクライフタイムτ_ｂの関係から第１の相関曲線および第２の相関曲線を求め、第２の半導体基板に対して下記数式（２）、数式（３）、第１の相関曲線および第２の相関曲線を用いて、一次モードのライフタイムτ_２１とバルクライフタイムτ_ｂの関係から第３の相関曲線を求め、第３の相関曲線に、得られた一次モードのライフタイムτ_２１を代入し、バルクライフタイムτ_ｂを求め、第１の相関曲線および第２の相関曲線に、得られたバルクライフタイムτ_ｂを代入し、表面再結合速度Ｓ_０および表面再結合速度Ｓ_１を求める半導体基板の評価方法である。

（ただし、数式（１）中、Ｓ_Ｌ（Ｌは、０または１）は表面再結合速度［ｃｍ／ｓｅｃ］、Ｄは少数キャリア拡散定数［ｃｍ^２／ｓｅｃ］、τ_ｎ１（ｎは、１または３）は一次モードのライフタイム［μｓｅｃ］、τ_ｂはバルクライフタイム［μｓｅｃ］、Ｗは半導体基板の厚さ［ｍｍ］をそれぞれ表す。）

（ただし、数式（２）および数式（３）中、τ_２１は一次モードのライフタイム［μｓｅｃ］、τ_ｂはバルクライフタイム［μｓｅｃ］、Ｋ_２１は第２の半導体基板の１番目の固有モードの波数［ｃｍ^−１］、Ｄは少数キャリア拡散定数［ｃｍ^２／ｓｅｃ］、Ｗは半導体基板の厚さ［ｍｍ］をそれぞれ表す。ここで、Ｓ_Ｍ０≡Ｓ_０／Ｄ、Ｓ_Ｍ１≡Ｓ_１／Ｄと表し、Ｓ_０およびＳ_１は表面再結合速度［ｃｍ／ｓｅｃ］を表す。）

また、本発明の他の一態様は、上記第１の半導体基板の片面のみに表面処理を施して上記第２の半導体基板を、上記第２の半導体基板の表面再結合速度Ｓ_０の表面のみに表面処理を施して上記第３の半導体基板を作製してもよい。

また、本発明の他の一態様は、第１の半導体基板、第２の半導体基板および第３の半導体基板は、シリコン基板を用いてもよい。

また、本発明の他の一態様は、一次モードのライフタイムτ_１１、τ_２１、τ_３１は、μ−ＰＣＤ法を用いて測定してもよい。

本発明の一態様は、３種類の半導体基板を用いて上記方法で評価することにより、表面再結合速度Ｓ_０、表面再結合速度Ｓ_１およびバルクライフタイムτ_ｂを簡便に求めることができる。

また、本発明の他の一態様は、一次モードのライフタイムに関しては、入射フォトン数の依存がなく、信頼性の高い評価を行うことができる。

半導体基板の評価方法の一例を説明する図。半導体基板の評価方法の一例を説明する図。半導体基板の評価方法の一例を説明する図。半導体基板の一例を示す図。半導体基板の作製方法の一例を示す図。減衰曲線の一例を示す図。ＳＯＩ基板の作製方法を示す図。

本発明の実施の形態について、図面を用いて以下に説明する。但し、本発明は以下の説明に限定されず、本発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなく、その形態および詳細を様々に変更しうることは当業者であれば容易に理解される。したがって、本発明は以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に説明する本発明の構成において、同じものを指す符号は異なる図面間で共通して用いる。

（実施の形態１）
本実施の形態では、半導体基板の評価方法の一例について説明する。評価は、次の工程Ａ乃至工程Ｅによって行われる。

＜工程Ａ＞
バルクライフタイムτ_ｂを備え、一方の表面の表面再結合速度Ｓ_０、他方の表面の表面再結合速度Ｓ_０である第１の半導体基板と、バルクライフタイムτ_ｂを備え、一方の表面の表面再結合速度Ｓ_０、他方の表面の表面再結合速度Ｓ_１である第２の半導体基板と、バルクライフタイムτ_ｂを備え、一方の表面の表面再結合速度Ｓ_１、他方の表面の表面再結合速度Ｓ_１である第３の半導体基板の３種類を用意する。

上記３種類の半導体基板の一方の表面の表面再結合速度、他方の表面の表面再結合速度以外の条件は全て同じものとする。

本実施の形態では、半導体基板の各パラメータを表面再結合速度Ｓ_０は１００ｃｍ／ｓｅｃ、表面再結合速度Ｓ_１は１０００ｃｍ／ｓｅｃ、バルクライフタイムτ_ｂは１０００μｓｅｃ、少数キャリア拡散定数Ｄは３０ｃｍ^２／ｓｅｃ、半導体基板の厚さＷは２ｍｍと仮定する。

図４は、工程Ａで用いる半導体基板である。図４（Ａ）は、第１の半導体基板、図４（Ｂ）は、第２の半導体基板、図４（Ｃ）は、第３の半導体基板をそれぞれ示している。

実験により３種類の半導体基板のライフタイムを測定する。第１乃至第３の半導体基板に対し、それぞれの一次モードのライフタイムτ_１１、τ_２１、τ_３１を測定する。本実施の形態では、μ−ＰＣＤ法によって、一次モードのライフタイムτ_１１、τ_２１、τ_３１を測定し、一次モードのライフタイムτ_１１が５２６．８μｓｅｃ、一次モードのライフタイムτ_２１が３１６．７μｓｅｃ、一次モードのライフタイムτ_３１が１８３．０μｓｅｃであった。

ここで、必ずしも上記の条件を満たす３種類の半導体基板を同時に用意する必要はなく、まず、第１の半導体基板を調整した後に一次モードのライフタイムτ_１１を取得、その後、第１の半導体基板の片面のみに表面再結合速度Ｓ_０から表面再結合速度Ｓ_１に改質する表面処理を施して第２の半導体基板とし、一次モードのライフタイムτ_２１を取得、さらに第２の半導体基板の表面再結合速度Ｓ_０の表面のみに表面再結合速度Ｓ_０から表面再結合速度Ｓ_１に改質する表面処理を施して第３の半導体基板とし、一次モードのライフタイムτ_３１を取得する方法がある。

以下に、本実施の形態において半導体基板を調整した方法を図５を用いて説明する。

２つの第１の半導体基板をお互いの表面再結合速度がＳ_０である表面の一方が重なるように貼り合わせ（図５（Ａ））、貼り合わせた２つの第１の半導体基板の表面をフッ酸で処理して貼り合わされていない第１の半導体基板の表面の表面再結合速度をＳ_１とする（図５（Ｂ））。

その後、フッ酸で処理された半導体基板を剥離することにより、第２の半導体基板を得ることができる（図５（Ｃ））。

また、第１の半導体基板の表面再結合速度がＳ_０である表面の一方のみをフッ酸で処理して第２の半導体基板を得えてよい。

さらに、第２の半導体基板の表面をフッ酸で処理することで半導体基板の両面の表面再結合速度がＳ_１となり、第３の半導体基板を得ることができる（図５（Ｄ））。

上記方法は、３種類の半導体基板を同時に用意する必要はないため、半導体基板間のばらつきがなく、信頼性の高い評価を行うことができる。

半導体基板として、本実施の形態では、シリコン基板を用いたがこれに限られることはない。シリコンゲルマニウム基板または炭化シリコン基板などの化合物半導体基板を用いてもよい。なお、単結晶半導体または多結晶半導体などを用いることができる。

また、図６は半導体基板中心における少数キャリアの減衰曲線を示している。図６の横軸は時間［μｓｅｃ］、縦軸は過剰キャリア密度［ａ．ｕ．］、図中の曲線は上から順に１．５×１０^１３ｃｍ^−２、１．０×１０^１３ｃｍ^−２、５．０×１０^１２ｃｍ^−２、２．０×１０^１２ｃｍ^−２、１．１×１０^１２ｃｍ^−２、４．５×１０^１１ｃｍ^−２のフォトンが入射されているときの減衰曲線を示している。

本測定法では、減衰曲線から一次モードライフタイムのみの情報を得る。一次モードライフタイムは原理的に入射フォトン数に依存しない。よって、可能な限り入射フォトン数を多くするとＳＮ比（ＳｉｇｎａｌｔｏＮｏｉｓｅｒａｔｉｏ）が向上するため、信頼性の高い評価を行うことができる。

＜工程Ｂ＞
第１の半導体基板および第３の半導体基板に関しては、第１および第３の半導体基板の両面の表面再結合速度が等しいため、工程Ａで得られた一次モードのライフタイムτ_１１、τ_３１および次の数式（１）を用いて、表面再結合速度Ｓ_０とバルクライフタイムτ_ｂの関係および表面再結合速度Ｓ_１とバルクライフタイムτ_ｂの関係を得ることができる。

表面再結合速度Ｓ_０とバルクライフタイムτ_ｂの関係、表面再結合速度Ｓ_１とバルクライフタイムτ_ｂの関係から図１に示すように第１の相関曲線および第２の相関曲線を求めることができる。図１の横軸はバルクライフタイムτ_ｂ［μｓｅｃ］、縦軸は表面再結合速度Ｓ_Ｌ［ｃｍ／ｓｅｃ］、太線は第１の相関曲線、細線は第２の相関曲線をそれぞれ表す。

＜工程Ｃ＞
第２の半導体基板に対して次の数式（２）、数式（３）、第１の相関曲線および第２の相関曲線を用いて、一次モードのライフタイムτ_２１とバルクライフタイムτ_ｂの関係から第３の相関曲線を求めることができる。

（ただし、数式（２）および数式（３）中、τ_２１は一次モードのライフタイム［μｓｅｃ］、τ_ｂはバルクライフタイム［μｓｅｃ］、Ｋ_２１は第２の半導体基板の１番目の固有モードの波数［ｃｍ^−１］、Ｄは少数キャリア拡散定数［ｃｍ^２／ｓｅｃ］、Ｗは半導体基板の厚さ［ｍｍ］をそれぞれ表す。ここでＳ_Ｍ０≡Ｓ_０／Ｄ、Ｓ_Ｍ１≡Ｓ_１／Ｄと表し、Ｓ_０およびＳ_１は表面再結合速度［ｃｍ／ｓｅｃ］を表す。）

一次モードのライフタイムτ_２１とバルクライフタイムτ_ｂの関係から図２に示すように第３の相関曲線を求めることができる。図２の横軸はバルクライフタイムτ_ｂ［μｓｅｃ］、第１の縦軸は表面再結合速度Ｓ_Ｌ［ｃｍ／ｓｅｃ］、第２の縦軸は一次モードのライフタイムτ_２１［μｓｅｃ］、太線は第１の相関曲線、細線は第２の相関曲線、太一点鎖線は第３の相関曲線をそれぞれ表す。

＜工程Ｄ＞
一次モードのライフタイムτ_２１を第３の相関曲線に代入し、バルクライフタイムτ_ｂを得ることができる。本実施の形態では、得られたバルクライフタイムτ_ｂは１０００μｓｅｃであり、仮定した半導体基板のバルクライフタイムτ_ｂと同様の値であった。

＜工程Ｅ＞
図３に示すように得られたバルクライフタイムτ_ｂを第１の相関曲線および第２の相関曲線に代入し、表面再結合速度Ｓ_０、表面再結合速度Ｓ_１を得ることができる。本実施の形態では、得られた表面再結合速度Ｓ_０は１００ｃｍ／ｓｅｃ、表面再結合速度Ｓ_１は１０００ｃｍ／ｓｅｃであり、仮定した半導体基板の表面再結合速度Ｓ_０および表面再結合速度Ｓ_１と同様の値であった。

本実施の形態では、仮定した半導体基板から得た一次モードのライフタイムτ_１１、τ_２１、τ_３１を用いて表面再結合速度Ｓ_０、表面再結合速度Ｓ_１およびバルクライフタイムτ_ｂの値を求めたが、表面再結合速度Ｓ_０、表面再結合速度Ｓ_１およびバルクライフタイムτ_ｂの値が未知であっても、３種類の半導体基板を用いることで、表面再結合速度Ｓ_０とバルクライフタイムτ_ｂの関係式（第１の相関曲線）、表面再結合速度Ｓ_１とバルクライフタイムτ_ｂの関係式（第２の相関曲線）、表面再結合速度Ｓ_０と表面再結合速度Ｓ_１とバルクライフタイムτ_ｂの関係式（第３の相関曲線）の３つ関係式の連立方程式を解くことによって表面再結合速度Ｓ_０、表面再結合速度Ｓ_１およびバルクライフタイムτ_ｂの値を求めることができる。

本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。

（実施の形態２）
本実施の形態では、実施の形態１の方法により評価した半導体基板を用い、ＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を作製する方法を示す。

まず、半導体基板１０１を準備する（図７（Ａ））。半導体基板１０１は、実施の形態１の方法で評価されたものを用いる。

次いで、半導体基板１０１にイオン照射１０３をし、所定の深さに損傷領域１０５を形成する（図７（Ｂ））。

損傷領域１０５は、電界で加速されたイオン（イオンビーム）１０３を半導体基板１０１に照射し、半導体基板１０１の表面から所定の深さにイオン１０３を導入することで、形成することができる。

イオン１０３の照射は、水素、不活性元素（例えばヘリウム）またはハロゲン（例えばフッ素）等のイオンを用い、イオンドーピング法またはイオン注入法により行うことができる。

なお、上記の「イオンドーピング法」とは、原料ガスから生成されるイオン化したガスを質量分離せず、そのまま電界で加速して対象物に照射し、イオン化したガスの元素を対象物に含ませる方式を指す。また、上記の「イオン注入法」とは、原料ガスをプラズマ化し、このプラズマに含まれるイオン種を引き出し、質量分離をして、所定の質量を有するイオン種を加速して、イオンビームとして、対象物に注入する方法である。

次に、支持基板１０７を準備する（図７（Ｃ））。

支持基板１０７は、ガラス、プラスチック、セラミック、石英、サファイアなどの絶縁体でなる基板、シリコンなどの半導体でなる基板、金属やステンレスなどの導電体でなる基板を用いることができる。

次いで、半導体基板１０１と支持基板１０７とを、絶縁層１０９を介して貼り合わせる（図７（Ｄ））。貼り合わせは、半導体基板１０１の損傷領域１０５が形成された側を貼り合わせ面（接合面ともいう）として行う。

絶縁層１０９は、２つの基板を貼り合わせるための接合層として機能するものであり、半導体基板１０１上に形成してもよく、支持基板１０７上に形成してもよい。半導体基板１０１上に絶縁層１０９を形成する場合、上記イオン１０３の照射の前に絶縁層１０９を形成してもよい。

絶縁層１０９は、ＣＶＤ法により、酸化物または窒化物等を、単層または積層させて形成すればよい。具体的な材料としては、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコン、または窒化酸化シリコン等が挙げられる。

なお、本明細書中において、酸化窒化シリコンなどの「酸化窒化物」とは、その組成として、窒素よりも酸素の含有量が多いものを示す。

なお、本明細書中において、窒化酸化シリコンなどの「窒化酸化物」とは、その組成として、酸素よりも窒素の含有量が多いものを示す。

ここで、含有量の比較は、ラザフォード後方散乱法および水素前方散乱法の測定結果に基づいて行うこととする。

また、貼り合わせを行う前に、２つの基板の貼り合わせ面に洗浄やプラズマ処理などの表面処理を行ってもよい。表面処理を行うことで、親水性または清浄性が向上し、貼り合わせの際の接合強度を向上させることができる。なお、表面処理は、２つの基板の少なくとも一方に行えばよい。また、絶縁層１０９が形成されている基板に表面処理を行う場合は、絶縁層１０９の表面に対して行う。

次に、加熱処理を行い、損傷領域１０５において半導体基板１０１を分離（分断ともいう）する（図７（Ｅ））。該分離により、支持基板１０７上に、絶縁層１０９と、半導体基板１０１の一部からなる半導体層１１１とを順に設けることができる。すなわち、支持基板１０７上に、半導体基板１０１の一部からなる半導体層１１１を転載することができる。

なお、加熱処理は、３００℃以上、かつ、支持基板１０７の歪み点未満の温度で行えばよい。

このようにして、ＳＯＩ基板１１３を作製することができる。

なお、ＳＯＩ基板とは、支持基板上に絶縁層を介して半導体層が設けられたものの総称であり、シリコン層を有する基板に限定されない。

そして、このＳＯＩ基板を用いて、トランジスタまたはダイオード等の半導体装置を作製することができる。

１０１半導体基板
１０３イオン照射
１０５損傷領域
１０７支持基板
１０９絶縁層
１１１半導体層
１１３ＳＯＩ基板

Claims

バルクライフタイムτ_ｂを備え、一方の表面の表面再結合速度Ｓ_０、他方の表面の表面再結合速度Ｓ_０である第１の半導体基板と、
バルクライフタイムτ_ｂを備え、一方の表面の表面再結合速度Ｓ_０、他方の表面の表面再結合速度Ｓ_１である第２の半導体基板と、
バルクライフタイムτ_ｂを備え、一方の表面の表面再結合速度Ｓ_１、他方の表面の表面再結合速度Ｓ_１である第３の半導体基板と、
に対して、それぞれの一次モードのライフタイムτ_１１、τ_２１、τ_３１を測定し、
前記第１の半導体基板および前記第３の半導体基板に対して前記一次モードのライフタイムτ_１１、τ_３１および下記数式（１）を用いて、前記表面再結合速度Ｓ_０と前記バルクライフタイムτ_ｂの関係および前記表面再結合速度Ｓ_１と前記バルクライフタイムτ_ｂの関係から第１の相関曲線および第２の相関曲線を求め、
前記第２の半導体基板に対して下記数式（２）、数式（３）、前記第１の相関曲線および前記第２の相関曲線を用いて、前記一次モードのライフタイムτ_２１と前記バルクライフタイムτ_ｂの関係から第３の相関曲線を求め、
前記第３の相関曲線に、得られた前記一次モードのライフタイムτ_２１を代入し、前記バルクライフタイムτ_ｂ求め、
前記第１の相関曲線および前記第２の相関曲線に、得られた前記バルクライフタイムτ_ｂを代入し、前記表面再結合速度Ｓ_０および前記表面再結合速度Ｓ_１を求める半導体基板の評価方法。

（ただし、数式（１）中、Ｓ_Ｌ（Ｌは、０または１）は表面再結合速度［ｃｍ／ｓｅｃ］、Ｄは少数キャリア拡散定数［ｃｍ^２／ｓｅｃ］、τ_ｎ１（ｎは、１または３）は一次モードのライフタイム［μｓｅｃ］、τ_ｂはバルクライフタイム［μｓｅｃ］、Ｗは半導体基板の厚さ［ｍｍ］をそれぞれ表す。）

（ただし、数式（２）および数式（３）中、τ_２１は一次モードのライフタイム［μｓｅｃ］、τ_ｂはバルクライフタイム［μｓｅｃ］、Ｋ_２１は第２の半導体基板の１番目の固有モードの波数［ｃｍ^−１］、Ｄは少数キャリア拡散定数［ｃｍ^２／ｓｅｃ］、Ｗは半導体基板の厚さ［ｍｍ］をそれぞれ表す。ここで、Ｓ_Ｍ０≡Ｓ_０／Ｄ、Ｓ_Ｍ１≡Ｓ_１／Ｄと表し、Ｓ_０およびＳ_１は表面再結合速度［ｃｍ／ｓｅｃ］を表す。）
前記第２の半導体基板が前記第１の半導体基板の片面のみに表面処理を施して作製され、
前記第３の半導体基板が前記第２の半導体基板の表面再結合速度Ｓ_０の表面のみに表面処理を施して作製される、請求項１に記載の半導体基板の評価方法。
前記第１の半導体基板、前記第２の半導体基板および前記第３の半導体基板は、シリコン基板である請求項１または請求項２に記載の半導体基板の評価方法。
前記一次モードのライフタイムτ_１１、τ_２１、τ_３１は、μ−ＰＣＤ法を用いて測定する請求項１乃至請求項３に記載の半導体基板の評価方法。