JPH0732182B2 - エピタキシヤル膜の評価方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明はシリコン結晶中、特にシリコン基板上にエピタ
キシャル成長させた膜中の微量不純物の定性分析および
定量分析を行う方法に関する。

そして本発明はシリコン系ガスの純度を評価するのに特
に好適な方法を提供するものである。

従来の技術 シリコン系ガスの純度を測定する方法としては、GC、I
R、GC−MS、原子吸光、化学分析等ガスを直接分析する
所謂直接法と称されるべき方法があるが、それとは別
に、シリコン系ガスから一旦単結晶薄膜を制作し、その
電気的性質から該単結晶の純度を測定し、その純度の数
値から間接的に、その原料であるシリコン系ガスの純度
を評価する方法も知られている。

かかる電気的方法には、 1.ガスの直接分析では遠く及ばない超微量分析が可能で
ある。

2.ガスのドーパントをＰ、Ｎの二タイプに分けて総量で
測定することが可能である。

3.半導体製造工程の一部を利用しているので、製品に直
結した判断が可能である。

等の数々の利点がある。

しかして、単結晶をエピタキシャル成長させる方法とし
ては、一般にCVD法が用いられるが、かかる単結晶薄膜
の電気的性質を測定する方法としては、Ｖ（電圧）、Ｉ
（電流）を測定する探針法と、Ｖ（電圧）、Ｃ（容量）
を測定するＣ−Ｖ法がある。

電気的に測定した単結晶薄膜の純度とは、薄膜中の活性
な成分量の表示であり、一般にかかる活性な成分はドー
パントと称される。かかるドーパントは、電気伝導のタ
イプにより、Ｐ型とＮ型に分類される。そして、このど
ちらかのうち、優勢なドーパントが単結晶薄膜の電気伝
導タイプを決定する。

単結晶薄膜中のドーパントの量は、例えば、探針法で
は、Ｖ〜Ｉ特性から算出される比抵抗値（Ωcm）により
ただちに算出される。

そこで、一般に、単結晶薄膜の電気伝導タイプと比抵抗
値をもって、そのまま、原料である電気的なシリコン系
ガスの純度表示としている。

上述の如き電気的評価方法には、種々の有利な点がある
が、原料として用いたシリコン系ガスの純度評価を目的
とする場合には、電気的に不活性なドーパントが検出出
来ないことは、大きな欠点である。

従来、バルクの結晶中の微量不純物（即ち、シリコン結
晶1cc中に10¹⁴コ以下のオーダーで含まれる不純物）を
検知する方法として、結晶のフォトルミネッセンスを利
用する光学的な方法は既に提案されている。かかる光学
的方法は、対象サンプル中の不純物を非破壊的に極めて
感度よく検知出来るものであり、半導体特性に大きな影
響を有する不純物である燐と硼素に関しては、シリコン
結晶1cc当たり、10¹¹程度しか含有されていない場合で
あっても、容易に検出出来るとされているのである。

発明が解決しようとする問題点 近年、半導体技術の非常な進歩に伴い、デバイスの高集
積化がますます進むと同時に、この主原料たるシリコン
系ガスの純度についても、超高純度が要求され、ガスの
精製技術もますます進歩へしている。

かかる状況にあって、シリコン系のガスを使用する半導
体製造プロセスを的確に制御するためにシリコン系ガス
中のドーパント不純物の測定法に関し、その精度等に付
いての要求は、従来の化学的分析法の検出限界を遥かに
越えたものとなっている。

フォトルミネッセンス法を用いて、シリコンエピタキシ
ャル膜中の不純物を定性若しくは定量しようという試み
は既になされている。

しかしながら、かかる方法は、シリコンエピタキシャル
膜の比抵抗が基板と同程度あるいはこれより低い場合は
有効であるが、我々の検討したところによると、エピタ
キシャル成長を高純度のシリコン系ガスを用いて行って
得られた比抵抗の高い膜（数100Ωcm以上）の場合は適
用出来ないのである。けだし、恐らく、基板中の不純物
に起因するフォトルミネッセンス信号が観測されこのた
めエピタキシャル膜からの信号を分別して観測すること
は困難であるからである。

通常、シリコン結晶のフォトルミネッセンス測定の光源
としては、波長5145Åのアルゴン（Ar）レーザが用いら
れる。しかして、シリコン結晶中に到達する該レーザ光
線の深さは、波長と吸収係数の関係より計算すると、数
ミクロン程度である。従って、エピタキシャル膜の膜厚
を少なくとも10ミクロン以上とすれば、基板の影響は受
けないものと推察されるが、実際に我々が検討したとこ
ろによると、膜厚をその10倍以上としても、基板〜の信
号が大きく、エピタキシャル膜の評価は出来ないのであ
る。すなわち、この方法そのままでは、超高純度シリコ
ン系ガスの評価は出来ないのである。

問題点を解決するための手段 本発明者は、前記問題点を解決するためになされたもの
でその要旨とするところは、 シリコンエピタキシャル膜中の不純物を評価する方法で
あって、シリコンウェハーを基板として用い、シリコン
系ガスにより該基板上にエピタキシャル膜を成長せし
め、しかる後該基板のみをエッチングにより除去し、残
存した該エピタキシャル膜層についてフォトルミネッセ
ンス分析を行うことを特徴とするシリコンエピタキシャ
ル膜の評価方法、である。

以下、本発明を詳細に説明する。

シリコン系ウェハーの上に超高純度のモノシラン、ジシ
ラン等のシリコン系のガスを流し該基板上にエピタキシ
ャル膜を成長させる工程自体はそれ自身公知の方法を採
用すれば良い。

本発明で使用するエピタキシャル膜の厚みは、フォトル
ミネッセンスの測定原理上、レーザ光線の吸収に充分な
厚さ、即ち数ミクロンあればよいのであるが、実際に
は、少ないとも一連の測定操作に耐えうる程度の物理的
・機械的強度を有することが望ましい。しかしながら、
膜厚が必要以上に厚すぎると、エピタキシャル膜中の欠
陥発生の確率が高くなるのみならず、該膜が単結晶にな
らず多結晶化して仕舞う恐れがある。したがって、好ま
しい膜厚の範囲は、20μ〜500μ、特に好ましくは、100
μ〜200μ程度である。

つぎに、上記厚みのエピタキシャル膜を形成した後、基
板のみをエッチングにより除去する。

この際、基板が実質上完全に除去されたか否かを確認す
ることが好ましい。例えば、現在一般的に使用されてい
る超高純度モノシランガスから制作した単結晶薄膜の電
気伝導タイプは一般にＮ型てある。そこで、Ｐ型の基板
を使用し、エピタキシャル膜を作成した場合は、基板を
化学的にエッチングしていく際に、その基板面（エピタ
キシャル膜の裏面）の電気伝導タイプがＰ若しくはＮの
いずれであるかを注意深く判別しながらエッチングを継
続していき、これがＰからＮ型に変化した時点で基板が
完全に除去されたと判断してよいのである。

しかしながら、本発明において、Ｐ型基板を使用するこ
とは、必ずはも必須要件ではなく、要は、基板のエッチ
ングによる除去が充分行われていればよいのであるか
ら、例えば、エッチング速度とエッチング時間の関係を
予め把握しておき、このデータをもとに基板が実質的に
除去されるに充分な時間エッチングすればよいのであ
る。

以上のごとくして、基板を実質的に完全に除去し去った
エピタキシャル層のみについて、フォトルミネッセンス
観察を適用することにより、膜中の微量不純物を正確に
分析出来るのである。すなわち、成膜に用いた原料ガス
たる超高純度シリコン系ガス中の不純物の評価を容易に
行うことが出来るである。なお、この場合、該ガス中の
不純物の絶対量の定量が出来るものではないが、ガスの
使用目的から充分目的を達することの出来る評価が得ら
れるのである。

実施例１ Ｐ型30Ωcmの比抵抗を示すシリコンウェハー（厚さ300
μ）を基板とし、この上に超高純度モノシランガスを用
いて1030℃で10時間エピタキシャル成長させた。該膜の
膜厚は200μであった。尚、このエピタキシャル膜の表
面は鏡面であった。

このサンプルの表面にレジストを塗布し、エッチング液
に対する保護膜とした。しかる後、フッ硝酸液に浸漬す
ることにより、裏面の基板部分をエッチング除去した。
裏面の伝導型タイプがＰかＮを判別後、Ｎ型になってい
ることを見出し、基板が完全に除去されたことを確認し
た。その後、表面のレジストを除去し全体の洗浄操作行
った。

このサンプルを液体ヘリウム温度において、エピタキシ
ャル膜表面からアルゴンレーザ400mwを照射してフォト
ルミネッセンスを観察した。

この結果、シリコン特有のピークのみが観測され、この
他の不純物成分、例えば、硼素、燐、アルミニウム、砒
素等については、全く検出されなかった。

実施例２ 実施例１と同様を行い、５時間エピタキシャル成長させ
た。同様の方法により基板の除去操作を行い、フォトル
ミネッセンスを観察したが、不純物のピークは全く検出
されなかった。

実施例３ 実施例１と同様の方法で、Ｎ型10Ωcm（厚さ300μ）の
ウェハーを基板として用いてエピタキシャル成長させ
た。この基板を、フッ硝酸により400μエッチングする
に充分な時間をかけて除去した。このサンプルのエピタ
キシャル表面からレーザ光を照射しフォトルミネッセン
スを観測した結果、不純物のピークは全く観測されない
ことか確認された。

比較例１ Ｐ型30Ωcmの比抵抗を示すシリコンウェハー（厚さ300
μ）を基板とし、この上に超高純度モノシランガスを用
いて1030℃で１時間エピタキシャル成長させた。該膜の
膜厚は25μであった。尚、このエピタキシャル膜の表面
は鏡面であった。

このサンプルをそのまま用いて、液体ヘリウム温度で、
エピタキシャル膜表面より波長400mwのアルゴンレーザ
光を照射してフォトルミネッセンスを観測した。

実験結果は、硼素の大きなピークが観測され、硼素とシ
リコンのルミネッセンス強度の比から見量線を用いて算
出した硼素の濃度は1.80×10¹⁴コ／cm³であった。ま
た、同分析から、燐は検出されなかった。なお、本分析
装置の硼素、燐に対する検出限界は、１×10¹¹コ／cm³
である。以上のデータから換算した比抵抗値はＰ型35Ω
cmである。

一方、該エピタキシャル膜を四探針法で測定した比抵抗
値はＮ型1023Ωcmであった。

比較例２ 実施例３で作成した基板をエッチング除去する前のサン
プルに付、エピタキシャル表面より、レーザ光を照射
し、フォトルミネッセンスを観察した。その結果、シリ
コン固有のピークの他に、燐と硼素の大きなピークが観
測された。このシリコンと燐または硼素のフォトルミネ
ッセンス強度の比から、検量線を用いることにより算出
したシリコン結晶中の燐の濃度は５×10¹⁴コ／cm³であ
り、また硼素の濃度は３×10¹³コ／cm³であった。この
不純物濃度は、基板に用いたウェハーの情報を反映した
ものであると考えられたので、基板のみのフォトルミネ
ッセンスを観察したところ、前述の不純物のピークと略
同じ不純物のパターンが得られることが確認された。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】シリコンエピタキシャル膜中の不純物を評
   価する方法であって、シリコンウェハーを基板として用
   い、シリコン系ガスにより該基板上にエピタキシャル膜
   を成長せしめ、しかる後該基板のみをエッチングにより
   除去し、残存した該エピタキシャル膜層についてフォト
   ルミネッセンス分析を行うことを特徴とするシリコンエ
   ピタキシャル膜の評価方法。