JP2002270657A

JP2002270657A - 半導体デバイス用基板内の有害金属分布状態評価方法

Info

Publication number: JP2002270657A
Application number: JP2001070886A
Authority: JP
Inventors: Shigeki Morizaki; 重喜森崎; Tadashi Nozaki; 正野崎
Original assignee: PYUAREKKUSU KK
Current assignee: PYUAREKKUSU KK
Priority date: 2001-03-13
Filing date: 2001-03-13
Publication date: 2002-09-20

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】半導体デバイス用基板の内部に熱処理で侵入す
る有害金属が、基板面の任意の形状の所望領域で、深さ
方向にどのような分布で捕獲されるかの評価が出来る測
定手法を提供する。【解決手段】該有害金属元素を放射性同位元素で標識し
て基板１内に侵入させ、表面からまた裏面から、該面に
平行な所定厚さの削り取りを繰り返して、削り取り前後
の面で露光したイメージングプレートから放射線画像を
読み出し、基板面の所望評価領域に対応する各画像の計
数区域１１の放射線計数値から、削り取りに相当する各
層並びに削り残りの層を表面側裏面側に２分した層に捕
獲された金属量を算出して、該評価領域の深さ方向の濃
度分布を求める評価法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体デバイスの
製造に際し、製品の特性不良に係る半導体デバイス用基
板や半導体製造プロセスの金属汚染の問題を検討する為
の評価手段に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスの製造にあたって、シリ
コンウェーハのような半導体基板のデバイスを形成する
活性領域がＦｅ，Ｎｉ，Ｃｕのような金属汚染を受ける
と、デバイスはｐｎ接合リーク電流増加・少数担体寿命
の劣化・酸化膜耐圧不良のような極めて有害な影響を受
ける。シリコンウェーハ中ではこのような金属は拡散係
数が大きく、加熱されるプロセスでシリコン内を動き、
冷却過程で結晶欠陥やひずみ層あるいは応力場等に捕獲
される。デバイスを構成するドーパント高濃度領域や界
面の近傍はこのような金属の捕獲サイトとなり得るの
で、上記のような害が起るのである。

【０００３】そこで、予めあるいは初期の製造プロセス
を利用して強い金属捕獲能力のある結晶欠陥やひずみ層
あるいは応力場をデバイス形成領域の外に作り、基板を
汚染した金属をデバイス領域から除くゲッタリングとい
う方法が使われている。しかしこのような機構は強すぎ
るとウェーハ形状その他に影響を与えて逆に悪い結果を
生じるので精密な制御が必要である。

【０００４】ゲッタリングは、捕獲サイトを基板の外部
通常裏面に形成するエクストリンシックゲッタリングと
基板内部に形成するイントリンシックゲッタリングに分
類される。上記のような捕獲サイトはデバイス領域に近
いことが望ましので、後者の効果が大きい。ＬＳＩを始
めとしてシリコンデバイスの大部分は酸素が内存するＣ
Ｚウェーハを使用するので、熱処理でデバイス形成領域
以外に、即ちウェーハ内部のみに酸素析出欠陥を形成さ
せる後者は通常極めて有効である。しかし、その効果は
出発材料であるＳｉ単結晶中の酸素の濃度や分布に左右
される。同様の強力なゲッタリング効果はｐ／ｐ⁺エピ
タクシャルウェーハでＦｅに対してみられる。

【０００５】ゲッタリングの効果は出発材料ウェーハの
性質やデバイス製造工程の熱履歴によって異なり、また
汚染金属の種類でも差を生じる。そこで予め金属元素ご
とに使用する基板について、デバイス製造工程をシミュ
レートした熱処理により侵入した該金属がどのように基
板の中で捕獲されるか、即ち該金属の挙動を評価してお
くことが望ましい。

【０００６】この評価に関する従来の方法は、挙動評価
対象の金属を所定量ウェーハ表面に故意汚染させ、所定
の温度と時間のスケジュールに従って熱処理を行って該
金属をウェーハ内に侵入させた後、デバイス形成面側お
よび裏面側から所定の深さまでエッチングを行い、この
エッチング液中の該金属を分析して、対応する表面に平
行な層に捕獲された該金属の平均濃度を定量し、これを
繰り返して該金属のウェーハ内の深さ方向の濃度プロフ
ァイルを求めるものである。このような繰返しのエッチ
ングはステップエッチングと呼ばれているが、具体的な
濃度プロファイルの求め方は、１９９４年「ぶんせき」
誌p.173に示されている。意匠登録第９５６６８４号の
容器を使い、適当な比率の硝酸フッ酸混酸でステップエ
ッチングを行って、エッチング液中の該金属をＩＣＰ質
量分析する方法が最も有効である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ＬＳＩデバイスの超微
細化とウェーハ直径の３００ｍｍ化は熱処理プロセスの
低温化を必要としている。しかしこの場合、上述のゲッ
タリング機能が低下するだけでなく、ゲッタされた有害
金属が逆に放出されデバイス形成領域を汚染することも
起り得る。このような挙動はウェーハ面の局部的な領域
例えばプロセス誘起欠陥を生じやすい領域等に起こる可
能性が高い。従って、局部的な領域における侵入金属の
深さ方向濃度分布を求める方法が必要である。

【０００８】さて、高度化した超ＬＳＩではデバイス形
成領域の有害金属の濃度は１０¹²原子／ｃｃ以下でなけ
ればならない。この領域が表面から１μｍまでの深さに
あると仮定すると、２００ｍｍ径のウェーハでこの層内
の該金属の量は３ｐｇ以下となる。ＩＣＰ質量分析であ
ればこの定量は可能な範囲に入るが、かかる高感度分析
の為の化学処理では、使用するクリーンルームや分析器
具、使用薬品等からの汚染に対して特別の管理が必要で
ある。従ってこの場合のステップエッチの操作は高度な
熟練を要する。局部的領域が対象の場合、その部分だけ
をエッチングする特別の容器が必要になるが、たとえそ
れにより所望領域のエッチング液が得られたとしても、
分析感度の点から清浄度管理が極めて難しくなる。

【０００９】この種の管理上の難点を解決する手法とし
て、侵入有害金属を放射性同位元素で標識し、同様のス
テップエッチ法を施し、エッチング液の放射能をシンチ
レータ計測する手法がある。しかし、局部的をステップ
エッチを試みようとすると測定上の感度の点で難しくな
る。

【００１０】いずれの場合も、特に局部的な領域におい
て、エッチング残りの深部の厚い部分の金属量を測定す
ることは容易でない。

【００１１】本発明は、半導体デバイス用基板内に侵入
する有害金属の挙動をステップエッチを利用して評価す
る方法において、特別の清浄環境や熟練を必要とせず、
かつ所望の任意の局部的領域に関し、深さ方向の該金属
濃度分布を深部を含めて求める手段を提供するものであ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明は、半導体デバイス用基板内の有害金属分布
状態を評価するにあたり、（Ａ）対象である有害金属元
素を放射性同位元素で標識したものを、評価対象基板の
内部に熱処理によって侵入させる、（Ｂ）こうして前記
有害金属元素を侵入させた該基板の両面の夫々を、該元
素の既知量を付着させた標準量片と共に、該基板の面の
測定区域よりも広い輝尽性蛍光体層を表面に有するイメ
ージングプレートの蛍光体面に対面させ、その後該基板
面の測定区域に到達した放射線と標準量片の放射線とを
該蛍光体層に記憶させるのに必要な時間露光させる、
（Ｃ）次いで、該基板の表側基板面及び裏側基板面の
各々から所望の深さまで基板面に平行な削り取りを施
し；該削り取り後の新たな面を前記有害金属元素の既
知量を付着させた標準量片と共に、前記と同様のイメー
ジングプレートの蛍光体面に対面させ、その後該基板面
の測定区域に到達した放射線と標準量片の放射線とを該
蛍光体層に記憶させるのに必要な時間露光させ；さら
に、及びの操作を少なくとも１回、好ましくは２〜
６回繰り返して各回の削り取りにより得られた複数の面
に対応する複数の露光イメージングプレートを得る、
（Ｄ）こうして得られた複数の露光イメージングプレー
トの蛍光体層が記憶した放射線量を画像として読み出
し、画像上の所望の計数区域に対する計数値を標準と決
めた計数条件の値に換算して、該放射線が該基板物質の
厚さにより特定関数で減衰するとして求めた減衰率と標
準量片の計数値を用い，基板深さ方向の所定範囲の層は
該金属が均一濃度で捕捉されていると仮定して上記換算
計数値に代数的処理を施し、所望の計数区域における深
さ方向の所定範囲の該金属量を算出する、の処理手順を
有してなる、半導体デバイス用基板内の有害金属分布状
態評価方法を提供するものである。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明を詳細に説明する。

【００１４】評価対象の半導体デバイス用基板として
は、シリコンウエーハが代表的で、ＳＯＩ（Silicon on
insulator）基板も含まれる。ガリウムヒ素のような化
合物半導体ウェーハも勿論対象となる。

【００１５】本発明が有効な評価対象シリコンウエーハ
としては、まずゲッタリング機能の能力を調べることを
目的として出発材料、例えばエクストリンシックゲッタ
リング用の裏面ポリシリコン膜ウェーハ（ＰＢＳ）、イ
ントリンシックゲッタリング用の高温水素アニールウェ
ーハ（ＨＩ）、エピタキシャルウェ−ハ（ＥＰ）等があ
る。次にプロセス誘起欠陥、即ちリアクティブイオンエ
ッチング（ＲＩＥ）或いはイオン注入等で生じた欠陥に
有害金属がどのように捕獲されるか、これらに対してウ
ェーハのゲッタリング機構が有効に働き有害金属が十分
ゲッタリングされるかどうかを調べるような、プロセス
を経た基板が対象になる。

【００１６】また基板内部に侵入する有害金属として
は、深い順位を作りかつ拡散係数の比較的大きいものが
主な対象で、シリコンではＣｕ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ａ
ｕ等が、そしてガリウムヒ素ではＦｅ、Ｃｕ等が挙げら
れる。このような元素はいずれも放射性同位元素（Ｒ
Ｉ）で標識が可能で、⁶⁴Ｃｕ、⁵⁷Ｎｉ、⁵⁹Ｆｅ、⁵⁷Ｃ
ｏ、 ¹⁹⁸Ａｕ等で標識できる。半導体プロセスではこれ
らが１０¹²atoms/ｃｍ²程度の量で基板を汚染する機会
が多く、これは後続の加熱プロセスで基板内部に侵入す
るので、加熱プロセスと基板のゲッタリング機能（工程
中でも変化）に応じて挙動が異なるが、本発明はどのよ
うな熱履歴やゲッタリング機構にも対応出来る。

【００１７】処理手順（Ａ）： −ＲＩ標識有害金属の評価対象基板への故意汚染− 本発明ではまずＲＩで標識した元素を準備する。例えば
⁶⁴Ｃｕ（以下⁶⁴Ｃｕと記載した場合は⁶⁴Ｃｕを標識した
Ｃｕを示すものとし、他のＲＩについても同様とする）
は日本アイソトープ協会から酢酸塩の水溶液として購入
可能で、⁵⁹Ｆｅ、⁵⁷Ｃｏ、¹⁹⁸Ａｕも塩化物等の水溶液
として同様に購入可能である。⁵⁷Ｎｉはサイクロトロン
による⁵⁶Ｆｅ（³Ｈｅ，２ｎ）⁵⁷Ｎｉの核反応主成分を
化学分離し、これで標識した⁵⁷Ｎｉ塩化物水溶液を作
る。

【００１８】評価対象の基板に対してＲＩ標識金属を侵
入させるには、上記のＲＩ標識液を原液としてこれを適
当な処理液に加え、基板をこの処理液に浸し、あるいは
基板面を接触させてＲＩ標識金属元素を基板の両面また
は片面に吸着（故意汚染）させる。例えば、⁶⁴Ｃｕ、
¹⁹⁸Ａｕはバッファードフッ酸を、⁵⁹Ｆｅ、⁵⁷ＮｉはＳ
Ｃ−１（アンモニア＋過酸化水素＋水）を処理液とする
と、デバイス形成面（以下表面という）側と裏側で若干
濃度は異なる場合が多いが、夫々おおむね均一な故意汚
染が出来上がる。原液の濃度と比放射能並びに原液の添
加量を調整して、所望の侵入量に必要な吸着量と評価の
為の測定に必要な放射能濃度が得られるようにする。原
液の比放射能は出来るだけ高い方が評価全体に要する時
間が短くなるので望ましい。

【００１９】測定手順（Ｂ）： −ラジオルミノグラフィによる故意汚染状態の確認− 基板面上のＲＩによる放射能強度分布は、既に核医学分
野等で確立されているラジオルミノグラフィを利用して
定量的に画像化出来る。これは片面に輝尽性蛍光体層が
設けられているイメージングプレート（ＩＰ）を利用す
るものである。該基板面に輝尽性蛍光体層を対面させ
る、即ちＲＩからの放射能に露光させると、該蛍光体は
輝尽性によって放射能エネルギーを蓄積し（潜像化）、
蓄積エネルギーは可視光で再励起されて、露光での放射
能量に比例した強度の輝尽発光を生じる。輝尽発光は寿
命が非常に短いので、可視光でＩＰの蛍光体面を走査す
れば、光電変換手段により蛍光体面の潜像が画像化出来
る。その為の読み出し装置が富士写真フィルム（株）か
ら市販されている。このような放射能強度分布評価法が
ラジオルミノグラフィ（ＲＬＧ）である。画像での放射
能強度の単位はＰＳＬが使われている。

【００２０】上記故意汚染基板を、同じＲＩ標識金属元
素の既知量が付着している標準量片と共にＩＰの蛍光体
面に対面させて露光する。両面汚染基板の場合は２枚の
ＩＰの蛍光体面でサンドイッチ状に挟んで露光する。標
準量片は表面側定量用と裏面側定量用の２個を用いる。
これらは１つの試料ウェーハに専属させ、後続すべての
ＩＰ露光で同様に使うと評価に際しての計算が簡便にな
る。露光時間は試料基板の画像が数千ＰＳＬ／ｃｍ²以
上出来れば数万ＰＳＬ／ｃｍ²程度になることを目標と
して決める。露光後にＩＰの画像を読出して（読出し画
像を以下ＲＬＧ像と呼ぶ）故意汚染の吸着がおおむね均
一であることを確認し、また標準量片のＰＳＬ値を使っ
て汚染金属の吸着濃度が所望の値であることを確認す
る。

【００２１】−ＲＩ標識有害金属の評価対象基板への侵
入処理− 故意汚染試料ウェーハは熱処理炉の石英ガラス炉芯管の
中で所望のプロセスに従って熱処理を行う。ウェーハの
ゲッタリング機能を評価する為のＲＩ標識金属の挙動評
価では、アルゴン雰囲気中で９００℃、３０分程度の熱
処理を行えばよい。プロセス誘起欠陥評価の目的では、
所望の雰囲気中で評価対象の温度スケジュ−ル或いは後
続する熱処理条件に従って、炉の温度スケジュールをプ
ログラムする。熱処理が終った後ウェーハ内部に侵入し
なかった基板面上の残存金属を洗浄によって除去する。
熱処理雰囲気中に酸素が僅かでも含まれていると特に⁵⁹
Ｆｅの侵入量は少なくなり、かなりの量が表面酸化膜に
捕獲される。従って、洗浄は濃いフッ酸を使って酸化膜
ごと溶解除去し、純水で十分リンスして乾燥する。

【００２２】測定手順（Ｃ）： −ステップエッチングとＲＬＧ画像作成− 本発明において基板内での侵入有害金属の挙動を評価を
することは、結局侵入した有害金属元素がどのように基
板内部に捕獲されたか、即ち基板内の侵入金属の分布を
定量的に明らかにすることである。本発明は基板深さ方
向のこの分布を基板の全面或いは特定の一部の領域につ
いて求める手法を提供するものである。この手段として
基板面に平行なエッチ面が得られるステップエッチング
法とＲＬＧが使われる。

【００２３】シリコンウエーハの場合、処理手順（Ｃ）
における削り取りを化学薬品によるエッチングで行うの
が望ましい。硝酸にフッ酸を添加したエッチング液の組
成を調整することによって削り取りの厚さを容易にコン
トロールすることができる。

【００２４】洗浄処理の終った試料ウェーハは精密天秤
で秤量した後、その表面と表面側用標準量片とにＩＰの
蛍光体面を対面させて露光を行う。この際、ウェーハと
ＩＰ外形との位置関係が一定となるよう、ウェーハのノ
ッチ或いはオリフラを利用した枠のような補助具を使っ
て露光する。露光が終った後のＩＰはＲＬＧ画像を読出
し（以下F-Et-0画像と呼ぶ）て、後記の解析に供する。

【００２５】露光を終えたウェーハは、ステップエッチ
ングの操作に入る。通常は表面側のエッチングから始め
る。この操作は引用した「ぶんせき」誌記載の手法に従
っており、一定量の硝酸とフッ酸の混合液が水平のウェ
ーハ上に保持される時、エッチング反応でＨＦ濃度が低
下し、混合比で決まるエッチング深さになるとエッチン
グが緩慢化する効果を利用する。本発明では、エッチン
グステップの繰り返しにあたって、エッチングが終わる
度にウェーハを容器から取り出してＩＰで露光を行うの
で、「ぶんせき」に示された容器は適せず、図１のよう
な容器を工夫して使った。

【００２６】このステップエッチ容器はフッ素樹脂製
で、試料ウェーハ１は皿２に収容され、弗素樹脂製Ｏリ
ング３とネジ締めできる外枠４と側壁環５を用いて、ウ
ェーハ上にエッチング液６を注ぎ入れた時Ｏリングと側
壁環から洩れないようにネジ締めが出来、かつウェーハ
を繰り返し出入れしてもこの液洩れが起こり難い構造に
してある。２００ｍｍウェーハ用容器ではエッチング面
は直径１８０ｍｍで、エッチング液は３０ｍＬ使用す
る。フッ酸（５０重量％）と硝酸（７０重量％）の容量
比が１：４０の時は５分間で１μｍ、１：２０の時は２
μｍ、１：７で５μｍのエッチングが可能である。エッ
チングを終えたウェーハは純水リンス・乾燥の後秤量し
てエッチング前との重量差とＳｉの比重からエッチング
厚みを計算、所望の厚みが得られたことを必要に応じて
確認することが出来る。市販の精密天秤による重量差法
で０．１μｍのエッチング厚みも確認出来、これに必要
な容量比は１：４００である。

【００２７】通常デバイスが形成される表層部の評価に
対しては、厚みは０．１μｍから１μｍの間で選べばよ
い。この表層部にプロセス誘起欠陥欠陥がある場合は局
所的にＲＩが高濃度になるので、その領域での深さ方向
濃度分布の評価は本発明の独壇場である。デバイスを形
成するこの表層部は本来は金属の捕獲が少ない筈で、本
発明の方法では検出限界以下になりがちである。この場
合の測定には実施例３に示す従来行ってきた手法との併
用が効果的なので、使用したエッチング液は一応正確に
例えば１５ｍＬを分取しておく。必要があればそのγ線
量を計測して標準量片のγ線計測値を用いてＲＩ量を求
める。

【００２８】エッチング後の面に対して、上記ウェーハ
位置決め用補助具を使い表面側用標準量片と共にＩＰ露
光を行う。露光が終った後のＩＰはＲＬＧ画像を読出し
（以下F-Et-1画像と呼ぶ）、後記の解析に供する。

【００２９】続いて表面から２層目、３層目と順に所望
の厚さのステップエッチを行う。手順は１層目と同じ
で、得られたＲＬＧ画像は順にF-Et-2画像、F-Et-3画像
とする。

【００３０】表面側のエッチングが終ると、裏面側で一
連のステップエッチを同様の手順で行う。裏面エッチン
グの前、及び各エッチングの後に、上記位置決め用補助
具を使って、ウェーハ裏面と裏面側用標準量片とに対し
ＩＰ露光を行い、得られたＲＬＧ画像は順にB-Et-0画
像、B-Et-1画像、B-Et-2画像としてゆく。

【００３１】最後の裏面エッチングの後のウェーハは、
例えば、上記位置決め用補助具を使って、２枚のＩＰに
よるサンドイッチ露光を行ってもよいが、この場合夫々
に対し表面側用及び裏面側用標準量片が同時に露光され
ることになる。ＲＬＧ画像は表面側をF-Et-E画像、裏面
側をB-Et-E画像と呼ぶことにする。

【００３２】総てのＩＰ露光で位置決め用補助具を使っ
ているので、局部的領域のＲＩ深さ方向分布を求めるに
際し、どのＲＬＧ画像でもその所望領域に対応する同一
場所同一形状の計数区域を設定することが出来る。通
常、表面側で１μｍ又は０．１μｍと５μｍのエッチン
グ、裏面側で１μｍと５μｍのエッチングを行うと、所
望の領域の深さ方向有害元素挙動に関し、必要な評価が
出来る場合が多い。

【００３３】処理手順（Ｄ）： −ＲＬＧ画像の解析データからのＲＩ分布の算出− 評価対象ウェーハのすべてのＩＰのＲＬＧ画像を比較観
察し、まずＲＩの深さ方向濃度分布を求めたい領域、即
ち各画像に共通する計数区域を決め、それらの区域のＰ
ＳＬ値を読み出す。これらＰＳＬ値のＩＰによる僅かな
感度差、露光開始時刻、露光時間等の測定条件の差を解
消して、標準として決めたＲＬＧ画像の測定条件に合わ
せる為、各ＲＬＧ画像ごとにＰＳＬ値に係数を乗じて夫
々の標準量片のＰＳＬ値が標準としたＲＬＧ画像の標準
量片のＰＳＬ値と一致するようにする。これらの換算Ｐ
ＳＬ値を使って以下のようにＲＩ分布の算出を行う。従
って、すべてのＲＬＧ画像で、標準量片の１ＰＳＬ当た
りのＲＩ標識金属量は同じであり、以下この算出値をｓ
と記載する。

【００３４】輝尽性蛍光体を感光させる放射線は主にβ
線であって、半導体基板中では急速に減衰する。β線は
連続スペクトルなので減衰曲線は厳密には指数関数で表
せないが、エネルギーの強い⁶⁴Ｃｕや⁵⁷Ｎｉでは、深さ
ｘの位置にあるＲＩが放出するβ線が基板面に到達する
率（減衰率：以下ｒ（ｘ）と記載する）は、式(1)：

【００３５】

【数１】ｙ＝ｅｘｐ（−ηｘ） (1) で表せる。Ｓｉウェーハで厚さが７２５μｍの場合、裏
面に付着させた⁶⁴Ｃｕ， ⁵⁷Ｎｉは表面への減衰率ｒ（７
２５）が実験で０．０１５，０．０４５であった。これ
らから各ＲＩの減衰係数ηの値を求めて以下の計算に使
用する。図２に示すウェーハの断面モデル図において、
深さｔ₁の面７と深さｔ₂の面８の間の×印の点を付した
層に含まれたＲＩが均一に分布していると仮定すると、
この層のすべてのＲＩからの基板面９に到達したβ線
（矢印で示す）の平均減衰率は数１の式のｘ＝ｔ₁から
ｘ＝ｔ₂までの定積分を（ｔ₂−ｔ₁）で除した値とな
る。以下これをｒ（ｔ₁，ｔ₂）と記載する。尚、本発明
での計算においては、すべての層について層内のＲＩが
均一に分布しているとの仮定を適用する。

【００３６】最初ｔμｍのステップエッチが行われたウ
ェーハの断面モデル図を図３に示す。エッチング前のF-
Et-0画像とエッチング後の面１０に対するF-Et-1画像と
の解析データから、エッチングされたｔμｍ層の所望の
計数区域１１のＲＩ標識金属量Ｑ_f1が算出出来る。即
ち、式(2)：

【００３７】

【数２】Ａ₀＝（Ｑ_f1／ｓ）×ｒ（０，ｔ）＋Ａ₁×ｒ（ｔ） (2) となり、この方程式を解いてＱ_f1を求めることが出来
る。ｕμｍのステップエッチを続けて、F-Et-2画像の計
数区域１１の計数値がＡ₂ＰＳＬとすると、この領域の
ｕμｍ層のＲＩ標識金属量Ｑ_f2は、同様に、式(3)：

【００３８】

【数３】Ａ₁＝（Ｑ_f2／ｓ）×ｒ（０，ｕ）＋Ａ₂×ｒ（ｕ） (3) の方程式を解いて求めることが出来る。同様の処理で以
降のステップエッチ層のＲＩ標識金属量を求めることが
出来る。

【００３９】裏面からのステップエッチに対してもB-Et
-0画像、B-Et-1画像、B-Et-2画像を使い、各層における
所望の計数区域１１のＲＩ標識金属量Ｑ_b1，Ｑ_b2を裏面
から順に同様の方程式でもって求めることが出来る。但
し、裏面側最終のエッチングでは、エッチング後のＲＬ
Ｇ画像としてサンドイッチ露光したB-Et-E画像を使うこ
とになる。

【００４０】最終エッチング後のウェーハの断面モデル
図を図４に示す。サンドイッチ露光によるF-Et-E画像、
B-Et-E画像はそれぞれ面１２と面１３にエッチング残り
基板の内部から到達したβ線によるものである。この基
板の領域１１の中間で、両面から等距離の位置に仮想面
１４を設け、表面側半分の層と裏面側半分の層のＲＩ標
識金属が夫々均一に分布していると仮定し、その量が夫
々Ｑ_F、Ｑ_Bであったとし、F-Et-E画像の計数区域１１の
計数値がＡ_FＰＳＬ、B-Et-E画像の計数区域１１の計数
値がＡ_BＰＳＬ、計数区域１１の厚みをＴμｍとする
と、式(4)及び式(5)：

【００４１】

【数４】Ａ_F＝（Ｑ_F／ｓ）×ｒ（０，Ｔ／２）＋（Ｑ_B／ｓ）×ｒ（Ｔ／２，Ｔ） (4)

【００４２】

【数５】Ａ_B＝（Ｑ_B／ｓ）×ｒ（０，Ｔ／２）＋（Ｑ_F／ｓ）×ｒ（Ｔ／２，Ｔ） (5) となる。この２元１次方程式を解いてＱ_F、Ｑ_Bが得られ
る。

【００４３】有害金属が半導体デバイス用基板内に侵入
する場合、本発明ではこのような手順で、基板の局部的
領域の深さ方向の該金属の濃度分布を基板深部を含めて
求めることが出来る。即ち、該金属の挙動を評価するこ
とが出来る。計数区域を全面にすることにより、エッチ
ング面全域での深さ方向の該金属の平均的濃度分布を求
めることが出来る。エッチングした層に関する限り、従
来行っていたエッチング液の放射能をシンチレータ計測
する方法で得られる濃度分布とよく一致する。 ⁶⁴Ｃｕや
⁵⁷Ｎｉのようにβ線エネルギーの強いものでは、減衰曲
線を指数関数とした本発明の計算で使われた仮定は有意
義であり、直接の放射能測定による評価法と同等の評価
を可能とした。

【００４４】β線のエネルギーの弱い⁵⁹Ｆｅ等では、Ｓ
ｉウェーハ中のβ線の減衰曲線が指数関数で表せない。
この場合は曲線をグラフ化して、必要な深さの減衰率を
求め、またある層の中のＲＩからの平均減衰率は層内の
ＲＩが均一であるとの仮定のもとに、定積分を図形から
求め、同様に計算処理すれば所望の金属量が得られる。

【００４５】所望の層の厚さの削り取りは、上記説明で
はステップエッチが使われたが、精密研磨によってもよ
い。シリコンウェーハでは標準的な鏡面研磨と同様の手
法で所望の削り取りが可能であるが、一旦研磨液に移っ
たＲＩが再び面内に擦込まれる危険があるので、研磨後
は毎回１０ｎｍ程度のエッチングを伴う洗浄を行ってか
らＩＰ露光する。

【００４６】

【実施例】半導体デバイス用基板としては、シリコンウ
ェーハを使用した。評価対象の有害金属としてはＣｕ，
Ｎｉを選び、標識するＲＩは夫々⁶⁴Ｃｕ，⁵⁷Ｎｉを選ん
だ。ＩＰ露光に際しては、ウェーハ面上の付着物及び標
準量片の付着物がＩＰを放射能汚染しないように夫々を
極薄のポリエチレンフィルムの袋に入れ、このフィルム
を介してＩＰの蛍光体面に密着させた。エッチング量が
５０μｍ程度と深くなってこの密着が不完全となって
も、評価結果を左右する程の空気層での減衰は無いの
で、この場合の隙間は無視してよい。以下本発明を実施
例によって説明する。

【００４７】［実施例１］本実施例は、デバイス製造工
程でイオン注入・アニール処理の後、特定領域にプロセ
ス誘起欠陥が生じている１５０ｍｍウェーハを用いた。
⁶⁴Ｃｕを７００℃，３０分の熱処理で侵入させ、その領
域の深さ方向でどのように分布するかの評価を行った。

【００４８】⁶⁴Ｃｕ故意汚染は、ステップエッチ容器と
同形状でかつ吸着専用の１５０ｍｍウェーハ用容器を使
い、バッファードフッ酸に⁶⁴Ｃｕを添加した液により、
ウェーハの裏面だけに吸着させた。ＩＰ露光でのＲＬＧ
画像で全面に均一にほぼ１０ ¹²原子／ｃｍ²の濃度で吸
着していることを確認した。

【００４９】上記の条件で熱処理した後、表面を（フッ
酸／過酸化水素）洗浄液で洗浄して、専用の１５０ｍｍ
ウェーハ用ステップエッチ容器により液量２０ｍＬで測
定手順（Ｃ）のとおりのステップエッチと秤量とＩＰ露
光を繰り返した。尚この測定ではすべてのエッチング液
から１０ｍＬを回収し、ウェル型のＮａＩシンチレータ
でγ線強度も測定した。ＩＰ露光は図５に示すように、
露光するウェーハ１が丁度はめ込める穴１５を中央部に
持ち、ＩＰ１６と同形状（２０ｃｍ×４０ｃｍ）のウェ
ーハと同じ厚さの枠板１７を補助具として、ＩＰをこの
板に正確に重ねて行う。穴１５にはウェーハのノッチ１
８に嵌まる突起１９があり、ＩＰ露光に際して常にウェ
ーハをこの穴にはめ込んで行えば、ウェーハとＩＰは同
じ位置関係でＲＬＧ画像が得られる。尚、枠板面には標
準量片（ここでは薄い濾紙を用いた）２０の表面がウェ
ーハ面と一致して固定される浅底の陥没部２１が設けら
れている。

【００５０】⁶⁴Ｃｕは半減期が１２．８時間であるが、
１０ＴＢｑ／ｇ以上の高比放射能のものが入手出来るの
で、当初の１０¹²原子／ｃｍ²の吸着は３０分以内の露
光時間で数千ＰＳＬ／ｃｍ²が得られる。表面側のステ
ップエッチは、０．１μｍ、５μｍの順で、裏面側は１
μｍ、５μｍの順で行った。最終エッチング後のサンド
イッチ露光に際しても、試料ウェーハを上記の枠板に入
れて行った。尚、この枠板の裏面には２１と同様の陥没
部が設けてあり、露光にあたって裏面側用標準量片もセ
ットする。ＩＰ露光で得られた各ＲＬＧ画像の対応する
計数区域のＰＳＬ値から、各層の捕獲量を求め、これか
ら分布の百分率を計算した。計数区域は、F-Et-0画像で
高濃度部分が欠陥発生部と考え、この部分を囲んで形成
した１０．６ｃｍ²の周辺部鎌状の不定形領域と、濃度
の低い径６ｃｍの円形部及び全面とした。各計数区域の
ＰＳＬ値を表１に、測定手順（Ｄ）の式(2)〜(5)に従っ
て算出した各層の捕獲量を表２に示す。

【００５１】

【表１】

【００５２】

【表２】表２から全面に侵入した⁶⁴Ｃｕが１．３×１０¹⁴原子
（９．８×１０¹¹原子／ｃｍ²）であることが分かり、
故意汚染した⁶⁴Ｃｕのほとんどがウェーハ内に侵入した
ことになる。この表から該ウェーハはイントリンシック
ゲッタリングを施したものであることが分かり、この機
構は表面層に近い部分が若干強めに作用している。しか
し、欠陥のある領域では侵入量の約１０％がデバイス形
成部に捕獲され、表面層に近いゲッタリング機構が十分
に働いていないことが分かる。

【００５３】欠陥のない計数区域でもデバイス形成領域
で若干の⁶⁴Ｃｕ捕獲が見られるが、恐らくドーパント高
濃度領域に捕獲されたものと推測され、デバイス特性に
影響はないと推定される。

【００５４】本発明の評価法の精度を検討する為、従来
のエッチング液の放射線計測による方法、即ちγ線をウ
ェル型ＮａＩシンチレータで計測する方法での結果を表
３に示す。エッチング残り部は粉砕して同じシンチレー
タで測定したものである。本発明による全面での分布と
ほぼ一致し、本発明は通常のこの種の評価に必要な計測
精度を有している。かつ局部的な領域の評価でも、ある
程度の計数区域面積があれば、一応満足出来る分布精度
が得られる。

【００５５】液のγ線計測による結果

【表３】

【００５６】［実施例２］本実施例では、イントリンシ
ックゲッタリングを施した２００ｍｍウェーハに対し、
反応性イオンエッチングでトレンチ構造を形成した試料
を用いた。エッチングプロセスでＮｉが汚染した場合後
続のアニール処理の際にどのようにゲッタリングされる
かを検討するため、⁵⁷Ｎｉを７００℃，６０分の熱処理
で侵入させ、ウェーハ面内の諸領域における深さ方向の
分布の評価を行った。

【００５７】故意汚染は、吸着専用の２００ｍｍウェー
ハ用容器を使い、７０℃のＳＣ−１液（アンモニアと過
酸化水素の水溶液）に⁵⁷Ｎｉを添加した液により、まず
ウェーハの表面に、続いて裏面に吸着させた。２枚のＩ
Ｐでサンドイッチ露光をした後、ＲＬＧ画像で両方の面
がほぼ均一に吸着していることを確認した。表面側は
１．２×１０¹²原子／ｃｍ²の濃度で、裏面側は３．４
×１０¹¹原子／ｃｍ²の濃度であった。

【００５８】上記の条件で熱処理した後、表面を（フッ
酸／過酸化水素）洗浄液で洗浄して、専用の２００ｍｍ
ウェーハ用ステップエッチ容器により液量３０ｍＬで実
施例１と同様にステップエッチと秤量とＩＰ露光を繰り
返した。ＩＰ露光は（２０ｃｍ×４０ｃｍ）が丁度嵌ま
り込む窪みをもつ矩形のケースを準備し、ＩＰをこのケ
ースに嵌め、図５のような枠板を補助具としてその中に
ウェーハを隙間なく嵌め込み、図５と同様にセットして
露光を行う。枠板の外形をＩＰケースの外形に一致させ
ておけば、すべての露光に関してウェーハとＩＰの位置
関係が同一のＲＬＧ画像が得られる。尚、枠板面には標
準量片用の陥没部を図５と同様に設けておく。サンドイ
ッチ露光をする場合は同形状のＩＰケースを利用すれば
満足な位置関係の両面のＲＬＧ画像が得られる。

【００５９】⁵⁷Ｎｉは小型のサイクロトロンでは高比放
射能のものは作り難いが、β線のエネルギーが大きいの
で、当初の１０¹²原子／ｃｍ²の吸着で1時間程度の露光
時間により数千ＰＳＬ／ｃｍ²を得ることはさほど難し
くはない。半減期が３６時間であるから必要に応じ露光
時間を長くすることもできる。トレンチの深さが５μｍ
なので表面側のステップエッチは、５μｍ、２０μｍの
順で、裏面側も５μｍ、２０μｍの順で行った。最終エ
ッチングはサンドイッチ露光である。ＩＰ露光で得られ
た各ＲＬＧ画像を比較したところ、熱処理後の表面の画
像即ちF-Et-0において、周辺幅約１ｃｍの外輪部と中心
から約３乃至６ｃｍの輪状部が濃度が高く、最初のステ
ップエッチ後のＲＬＧ画像F-Et-1の淡部パターンとよく
対応している。そこで計数区域は全面と外輪部と中央直
径３ｃｍの円形部分と輪状濃領域内の任意の個所（直径
１ｃｍの円形部分）とした。各ＲＬＧ画像の対応する計
数区域のＰＳＬ値から、各層の捕獲量を求め、これから
分布の百分率を計算した。

【００６０】各計数区域のＰＳＬ値を表４，５に、測定
手順（Ｄ）の式(2)〜(5)に従って算出した各層の捕獲量
を表６、７に示す。

【００６１】

【表４】

【００６２】

【表５】

【００６３】

【表６】

【００６４】

【表７】

【００６５】表６，７からは全面に吸着した⁵⁷Ｎｉの大
部分がウェーハ内に侵入したことが分る。局部的に高濃
度に⁵⁷Ｎｉが集ったトレンチ領域はインタリンシックゲ
ッタリング効果が輪状で利いていないことで説明出来
る。この領域では裏面側も濃度が高いことから、面方向
ではスワール状に内部の微小欠陥が分布し、その濃度の
低い部分がゲッタリングを弱めていることが分る。しか
もこのウェーハの微小欠陥のある層を表面側と裏面側に
２分すると表面側でゲッタリング作用が弱い。

【００６６】

【発明の効果】ＬＳＩデバイスプロセスが低温化するに
つれて、従来有効であったゲッタリング機能が十分に働
かなくなる恐れがあり、その為の対策を行うには侵入し
た有害金属が基板内でどのような分布で捕獲されるかの
評価が必要になっている。基板面全体に対して均一にゲ
ッタリング作用が及ぶとは限らず、特にプロセスの途中
ではデバイス形成領域にプロセス誘起欠陥やひずみ層あ
るいは応力場を局在的に生じるので、基板面内の任意の
形状の領域で深さ方向の捕獲された金属の分布が得られ
ることが望ましい。従来のステップエッチを利用する深
さ方向の金属分布を求める方法ではエッチングされた各
層での全面に亙る捕獲量が求まるだけであったが、本発
明では任意の形状の局部的領域で深さ方向の捕獲量分布
を求めることが出来る。

【００６７】また、従来のステップエッチ法では、エッ
チング残りの深部の厚い層に捕獲されている量を定量す
ることはかなり厄介であったが、本発明の方法では、任
意の形状の領域においてこの層を表面側と裏面側に２分
し、それらの層に捕獲されたＲＩが均一分布していると
の仮定のもとに各捕獲量を簡単に算出出来る利点があ
る。

【００６８】有害金属の熱処理による基板内部への拡散
挙動は共存する同程度の量の物質に著しく影響されるこ
とが多いので、基板内への侵入処理まではクリーンルー
ム内での特別に注意された清浄作業が必要であるが、本
発明ではステップエッチ以降通常の化学実験程度の清浄
度感覚で十分に目的が達せられ、この点がＲＩトレーサ
法の利点であり、高度の清浄処理技術が必要な微量分析
による手法よりもむしろ信頼性が高くなる。

【００６９】尚、ＩＰによる放射線計測はダイナミック
レンジが４桁以上あるので、侵入させたＲＩの放射能が
数万ＰＳＬ／ｃｍ²となるように高濃度で故意汚染して
おくと、各層におけるこれらＲＩの捕獲率が１％以下の
場合でも一応満足出来る精度で深さ方向分布を知ること
が出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】ステップエッチングを行うための容器の概念的
な縦断面図。

【図２】β線平均減衰率を求める為のウェーハの縦断面
図。

【図３】最初のステップエッチ後のウェーハ縦断面の説
明図。

【図４】最終のステップエッチ後のウェーハ縦断面の説
明図。

【図５】ＩＰ露光に際し、使用する枠板補助具の平面
図。

【符号の説明】

１試料ウェーハ２ステップエッチ容器のウェーハ皿３Ｏリング４ステップエッチ容器の外枠５ステップエッチ容器の側壁環６エッチング液７ β線平均減衰率を求める為の深さｔ₁面の位置８ β線平均減衰率を求める為の深さｔ₂面の位置９基板面１０最初のステップエッチ後の面１１基板面内の計数区域１２表面側最終エッチング後の面１３裏面側最終エッチング後の面１４最終エッチング面から等距離の仮想面１５ウェーハ位置決め用枠板のウェーハ用の穴１６イメージングプレート１７ウェーハ位置決め用枠板１８ウェーハのノッチ１９ノッチ用突起２０標準量片２１標準量片用陥没部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2G088 EE27 EE30 FF05 GG09 GG25 HH06 KK32 LL08 LL28 4M106 AA01 BA12 CB30 DH11 DH55 DH56 DJ18

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体デバイス用基板内の有害金属分布
状態を評価するにあたり、（Ａ）対象である有害金属元
素を放射性同位元素で標識したものを、評価対象基板の
内部に熱処理によって侵入させる、（Ｂ）こうして前記
有害金属元素を侵入させた該基板の両面の夫々を、該元
素の既知量を付着させた標準量片と共に、該基板の面の
測定区域よりも広い輝尽性蛍光体層を表面に有するイメ
ージングプレートの蛍光体面に対面させ、その後該基板
面の測定区域に到達した放射線と標準量片の放射線とを
該蛍光体層に記憶させるのに必要な時間露光させる、
（Ｃ）次いで、該基板の表側基板面及び裏側基板面の
各々から所望の深さまで基板面に平行な削り取りを施
し；該削り取り後の新たな面を前記有害金属元素の既
知量を付着させた標準量片と共に、前記と同様のイメー
ジングプレートの蛍光体面に対面させ、その後該基板面
の測定区域に到達した放射線と標準量片の放射線とを該
蛍光体層に記憶させるのに必要な時間露光させ；さら
に、及びの操作を少なくとも１回繰り返して各回の
削り取りにより得られた複数の面に対応する複数の露光
イメージングプレートを得る、（Ｄ）こうして得られた
複数の露光イメージングプレートの蛍光体層が記憶した
放射線量を画像として読み出し、画像上の所望の計数区
域に対する計数値を標準と決めた計数条件の値に換算し
て、該放射線が該基板物質の厚さにより特定関数で減衰
するとして求めた減衰率と標準量片の計数値を用い，基
板深さ方向の所定範囲の層は該金属が均一濃度で捕捉さ
れていると仮定して上記換算計数値に代数的処理を施
し、所望の計数区域における深さ方向の所定範囲の該金
属量を算出する、の処理手順を有してなる、半導体デバ
イス用基板内の有害金属分布状態評価方法。
【請求項２】評価対象基板のイメージングプレートに
対する位置関係がどのプレートの場合も一定になるよう
に補助具を用いて露光を行うことを特徴とする請求項１
に記載の評価方法。
【請求項３】所望の深さまで基板面に平行な削り取り
を施すにあたり、削り取りが化学薬品によるエッチング
で行われることを特徴とする請求項１に記載の評価方
法。