JP2005019445A - シリコンウエハの評価方法および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】非破壊的方法であり、迅速、確実にシリコンウエハ中の窒素濃度を把握できるシリコンウエハの評価方法および、迅速、確実にシリコンウエハ中の窒素濃度を把握して、歩留まりよく半導体装置を生産することができる半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】熱処理した評価対象シリコンウエハにシリコンのバンドギャップよりも大きい光子エネルギーを有するレーザ光を照射し、評価対象シリコンウエハから発せられるシリコンのフォトルミネッセンス光の特定の波長における強度から、評価対象シリコンウエハ中の窒素濃度を求める。
【選択図】 なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコンウエハ中の窒素濃度を求める技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコンウエハに半導体集積回路を形成する工程において、半導体集積回路の動作領域に存在する結晶欠陥は、リーク電流が増大する、電圧印加時に酸化膜が破壊する等、半導体集積回路の正常動作を妨げる原因となり得る。半導体集積回路の微細化にともない、より微小な欠陥が正常動作を妨げる欠陥として顕在化してきた。最近の０．３５μｍデザインルールの下では、それ以前のデザインルールでは問題にならなかった約０．１μｍサイズのボイド欠陥問題が顕在化した。
【０００３】
このため、半導体集積回路を形成する以前にシリコンウエハに熱処理を施してボイド欠陥を消滅させたアニールドウエハが考案された。ボイド欠陥はシリコン結晶成長中に原子空孔の凝集によって形成されるが、結晶成長中に窒素を添加すると、ボイド欠陥のサイズが減少し、その後の熱処理によってボイド欠陥が効率よく消滅する。この結果、アニールドウエハには窒素が添加された状態となっている。
【０００４】
ところで、シリコン中の窒素は酸素の析出を促進する働きも有する。シリコン中の酸素析出物は、デバイス動作領域の重金属汚染原子を捕獲するというゲッタリング作用を持つという利点を有する。しかし酸素析出物がデバイス動作領域に存在すると酸化膜耐圧低下やリーク電流の増大というデバイスの動作不良をもたらす不利益もある。このことから、シリコン中の窒素を精度よく定量して制御する必要がある。
【０００５】
シリコン中の窒素の定量法には二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ法）が知られている。しかしながら、ＳＩＭＳ法は高精度に定量できるが、測定に約２日間要すること、破壊検査であるなどの問題点を有している。また、ＳＩＭＳ法では、アニールドウエハにおける窒素濃度が測定しにくい。図１はＳＩＭＳ法で測定したアニールドウエハにおける窒素濃度の深さ方向分布である。加熱処理中に窒素が偏析しており、ＳＩＭＳ法では、窒素濃度がスパイク状に検出されるため、精確に定量することが不可能である。
【０００６】
一方、本発明者らは、赤外吸収法による窒素の定量技術を見出している。この方法を図２を用いて説明する。図２は、窒素添加と無添加のシリコン結晶（ウエハ）の赤外吸収差スペクトルである。９６３ｃｍ^−１，９９６ｃｍ^−１，１０１８ｃｍ^−１にピークをもつ吸収はそれぞれ格子間窒素ペア（以下Ｎ−Ｎと記載する）、Ｎ−Ｎと１個の格子間酸素とからなる複合体（以下ＮＮＯと記載する）、Ｎ−Ｎと２個の格子間酸素からなる複合体（以下ＮＮＯ_２と記載する）に起因する。１０２６ｃｍ^−１にピークを持つ吸収もＮＮＯに属し、９９６ｃｍ^−１とは異なる局在モードに起因する。
【０００７】
しかしながら、図２に示した窒素に起因する４つの吸収は、加熱の最高温度が８００℃で加熱時間が約５時間での範囲内であれば、加熱温度に対して可逆的に変化し、そのような加熱条件下では、図２の４つの吸収の強度が窒素濃度に比例するが、温度が９００℃以上、特に１１００℃以上になると、図２で示した４つの吸収が全て消失してしまい、その後温度を低下させても、可逆的に変化することはないことが見出された。図３に、ａｓ−ｇｒｏｗｎ窒素添加シリコン結晶に１１００℃の加熱処理を施した際の、窒素無添加シリコンウエハとの赤外吸収差スペクトルの変化を示す。加熱開始後、約３０分で全ての吸収が消失した。
【０００８】
アニールドウエハの典型的な熱処理条件は、アルゴン、水素、窒素等の不活性な雰囲気下で、かつ、加熱温度が１１００℃以上で加熱時間が１〜４時間である。したがって、図３に示すように、窒素の赤外吸収はすべて消失しており、赤外吸収法を用いてアニールドウエハの窒素濃度を定量することは不可能である。
【０００９】
さらに、ウエハ中の不純物等の測定方法としては、フォトルミネッセンス光を測定する技術が知られているが（たとえば、特許文献１〜３参照。）、このフォトルミネッセンス光による測定に関して、窒素を対象とした測定例がない。
【００１０】
上記のように、現状では、熱処理したシリコンウエハ中の窒素濃度を定量する適切な方法が見出されていない。
【００１１】
【特許文献１】
特開平９−１６７７９１号公報（特許請求の範囲）
【００１２】
【特許文献２】
特開平９−２２９８６０号公報（特許請求の範囲）
【００１３】
【特許文献３】
特開２００２−１４８１９１号公報（特許請求の範囲）
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の問題を解決し、シリコンウエハ中の窒素濃度を定量する新規な方法を提供することを目的としている。本発明のさらに他の目的および利点は、以下の説明から明らかになるであろう。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様によれば、熱処理した評価対象シリコンウエハにシリコンのバンドギャップよりも大きい光子エネルギーを有するレーザ光を照射し、評価対象シリコンウエハから発せられるシリコンのフォトルミネッセンス光の特定の波長における強度から、評価対象シリコンウエハ中の窒素濃度を求める、シリコンウエハの評価方法が提供される。本発明に係る評価方法は、非破壊的方法であり、迅速、確実にシリコンウエハ中の窒素濃度を把握できる。熱処理したシリコンウエハであっても使用可能である。
【００１６】
既知の窒素濃度のシリコンウエハにシリコンのバンドギャップよりも大きい光子エネルギーを有するレーザ光を照射し、当該既知の窒素濃度のシリコンウエハから発せられるシリコンのフォトルミネッセンス光の特定の波長における強度と当該窒素濃度との相関関係を測定する工程と、前記熱処理した評価対象シリコンウエハのフォトルミネッセンス光の強度を測定し、前記相関関係から、前記熱処理した評価対象シリコンウエハ中の窒素濃度を求める工程とを備えること、評価対象シリコンウエハが、１１００℃以上で、かつ、１時間以上の加熱処理が施されたものであることや、既知の窒素濃度のシリコンウエハの加熱処理条件と評価対象シリコンウエハの加熱処理条件とが実質的に同一であること、とりわけ、既知の窒素濃度のシリコンウエハが評価対象シリコンウエハと同一の条件で形成された熱酸化膜を有することが好ましい。
【００１７】
本発明の他の一態様によれば、上記評価方法を採用した半導体装置の製造方法が提供される。本評価方法を半導体の製造法に取り入れることにより、破壊検査によりシリコンウエハを無駄にすることなく、迅速、確実にシリコンウエハ中の窒素濃度を把握して、歩留まりよく半導体装置を生産することができる。窒素濃度が１×１０^１３〜４×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３の範囲内にあるシリコンウエハを使用して半導体装置を製造する場合に本発明を適用することが好ましい。具体的な方法としては、熱処理した評価対象シリコンウエハの窒素濃度が所定範囲内にある場合、評価対象シリコンウエハと同一のシリコンインゴットから切り出された他のシリコンウエハについて、窒素濃度が所定範囲内にあるとして扱うことが合理的である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図、実施例等を使用して説明する。なお、これらの図、実施例等および説明は本発明を例示するものであり、本発明の範囲を制限するものではない。本発明の趣旨に合致する限り他の実施の形態も本発明の範疇に属し得ることは言うまでもない。
【００１９】
本発明に係るシリコンウエハの評価方法によれば、評価対象シリコンウエハにシリコンのバンドギャップよりも大きい光子エネルギーを有するレーザ光を照射し、当該評価対象シリコンウエハから発せられるシリコンのフォトルミネッセンス光の特定の波長における強度から、当該評価対象シリコンウエハ中の窒素濃度を求める。
【００２０】
フォトルミネッセンス光とは、シリコン中の電子と正孔が再結合するときに発せられる光を指し、通常フォトルミネッセンス法では、フォトルミネッセンス光を測定して不純物や欠陥状態を評価するが、シリコン中に過剰な電子と正孔を発生させるためには、シリコンにエネルギーを与える必要がある。半導体の場合、そのエネルギー基準値はバンドギャップになる。従って、フォトルミネッセンス光を得るためには、シリコンのバンドギャップより大きいエネルギーを持つ光を照射することが必要となる。
【００２１】
半導体装置の生産等でのシリコンウエハの処理中における窒素濃度の測定の時期は、シリコンのフォトルミネッセンス光の特定の波長における強度測定が可能である限り任意に定めることができる。評価対象シリコンウエハは熱処理したものであることが好ましい。
【００２２】
シリコンバンドギャップよりも大きい光子エネルギーの光を励起源に用いてシリコン半導体に光を照射し吸収させると、非平衡の電子・正孔が生じる。それらはいくつかの準安定状態を経由し、さらに再結合することによって初めの熱平衡状態にもどる。この過程で発光性再結合により放出された光がシリコンによるフォトルミネッセンスである。
【００２３】
図４はシリコンウエハ（結晶）の典型的なフォトルミネッセンススペクトルである。矢印で示した発光は、バンド端発光と呼ばれ、伝導帯の自由電子と価電子帯の自由正孔の再結合過程における発光である。図４から理解されるように、バンド端発光の強度と窒素濃度の間に負相関の関係があることが判明した。
【００２４】
その詳細を調べるために、検出光の波長をバンド端発光（波長１１５０ｎｍ）に固定して発光強度の面内分布を調査した。図５は、アニールドウエハのバンド端発光強度の面内分布をヒストグラムとして示したものである。図５から明らかなようにバンド端発光強度は実質的に正規分布に従う。
【００２５】
図６は、図５において正規分布に従う成分のみを抽出してその平均値を縦軸にとり、既知の窒素濃度を横軸にしてプロットした結果である。図６から明らかなように、バンド端発光強度の平均値と窒素濃度には直線関係があることが分かった。
【００２６】
図６において、バンド端発光強度の平均値Ｉと窒素濃度［Ｎ］（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）とは
Ｉ＝−４．３×１０^−１６・［Ｎ］＋３．６・・・（１）
によって関係付けられる。
【００２７】
これにより、シリコンのフォトルミネッセンス光の特定の波長における強度から、当該評価対象シリコンウエハ中の窒素濃度を求めることが可能であることが判明した。この特定の波長は、バンド端発光のピーク値であることが好ましいが、他の波長であっても、窒素濃度測定の目的には使用可能であろうと思われる。
【００２８】
特に、上記（１）の式を使用する場合のように、既知の窒素濃度のシリコンウエハから発せられるシリコンのフォトルミネッセンス光の特定の波長における強度と当該窒素濃度との相関関係を用いて、評価対象シリコンウエハ中の窒素濃度を求める方法が実際的である。なお、本発明の趣旨に合致する限り、上記（１）以外の関係を使用することは一向に差し支えない。
【００２９】
本方法は、非破壊的方法であり、迅速、確実にシリコンウエハ中の窒素濃度を把握できる。また、評価対象シリコンウエハが熱処理したものであっても使用可能である点に大きな特徴を有する。
【００３０】
フォトルミネッセンス光を使用してシリコンウエハの窒素を正確に測定する技術は、従来のフォトルミネッセンス光を使用したシリコンウエハの評価方法では全く見落とされていた観点であり、さらに、熱処理したシリコンウエハについても適用できる技術が存在し得ることは全く予想外の結果であった。
【００３１】
なお、本発明において、「熱処理したシリコンウエハ」がどの程度熱処理したものを指すかについては特に制限はないが、赤外吸収法による窒素の定量技術が適用しがたくなる８００℃を超える温度の熱処理の場合に本発明を適用することが好ましい。赤外吸収法による窒素の吸収が消失する９００℃以上、特に１１００℃以上の場合に本発明を適用することがより好ましい。熱処理時間は、１時間以上であることが好ましい。なお、通常、アニールドシリコンウエハと呼ばれるものを「熱処理したシリコンウエハ」と考えることができる。
【００３２】
本発明に係る、シリコンのバンドギャップよりも大きい光子エネルギーを有するレーザ光としては、特に制限はない。たとえば、５１２ｎｍを挙げることができる。
【００３３】
シリコンのフォトルミネッセンス光の特定の波長における強度は、ウエハに照射するレーザ光の強度に依存する。一般的には、レーザ光の強度の増大に伴い励起される電子と正孔の密度が増加するためバンド端発光は強くなる。図７にバンド端発光強度の励起光強度依存性を示す。励起光強度の増大にともないバンド端発光強度は直線的に増加するが、励起光強度がある値を超えると非線形な振る舞いを示す。このため、既知の窒素濃度から未知の窒素濃度を評価する場合には、励起光強度を同一にすることが好ましい。
【００３４】
また、バンド端発光強度は検出器の特性、特に検出感度にも依存する。したがって、たとえば（１）式で示したバンド端発光強度の平均値と窒素濃度を求めることから始まり、それを利用して窒素濃度が未知なシリコンウエハのバンド端発光強度から窒素濃度を求めるまでに至る過程において、測定条件を統一することが好ましい。
【００３５】
さらに、バンド端発光強度は試料の表面状態に強く依存する。フォトルミネッセンス測定を実施するシリコンウエハを、たとえばフッ化水素酸に浸し（自然）酸化膜を除去すると、表面再結合のため発光強度が低下し、ウエハ表面以外の内部状態に起因するバンド端発光を観測することができない。したがって測定ウエハ表面に酸化膜を形成する必要がある。酸化膜は熱酸化法で形成することが望ましい。ところが酸化膜／シリコン界面にも酸化の過程で生じるシリコンダングリングボンドが発生し、それに起因してバンド端発光が低下する。低温酸化ほどシリコンダングリングボンドは増大する。図８は酸化温度の逆数を横軸にとり、バンド端発光強度をプロットした結果である。酸化温度の低下に伴いバンド端発光強度が減少しており、酸化温度によるシリコンダングリングボンド密度変化を明確に表している。
【００３６】
これらの事実より、既知の窒素濃度のシリコンウエハが評価対象シリコンウエハと実質的に同一の製造条件で形成されたものであること、なかんずく同一の条件で形成された熱酸化膜を有することが重要であることが理解される。なお、上記二つのシリコンウエハの製造条件が完全に同一でない場合には、同一の既知の窒素濃度のシリコンウエハを上記二つの製造条件で作製し、そのシリコンのフォトルミネッセンス光の特定の波長における強度が同一になるかどうかで、実質的に同一の製造条件であるか否かを容易に確認することができる。
【００３７】
本評価方法を半導体の製造法に取り入れることにより、破壊検査によりシリコンウエハを無駄にすることなく、迅速、確実にシリコンウエハ中の窒素濃度を把握して、歩留まりよく半導体装置を生産することができる。この場合の窒素濃度の管理範囲は、実情に応じて適宜定めることができる。１×１０^１３〜４×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３であることが好ましい。この範囲より低いとボイド欠陥のサイズの減少効果が小さく、この範囲より高いと酸化膜耐圧低下やリーク電流の増大というデバイスの動作不良をもたらす。
【００３８】
なお、より具体的には、ダイシング前の評価対象ウエハの一部についての窒素濃度が所定範囲内にある場合、そのウエハー全体の窒素濃度が所定範囲内にあるとして扱ったり、評価対象シリコンウエハの窒素濃度が所定範囲内にある場合、当該評価対象シリコンウエハと同一のシリコンインゴットから切り出された他のシリコンウエハについて、窒素濃度が所定範囲内にあるとして扱ったりして、半導体装置を製造するようにすると、より迅速で合理的に製造を行うことができる。
【００３９】
【実施例】
次に本発明の実施例を詳述する。
【００４０】
［実施例１］
窒素濃度が未知なる窒素添加アニールドウエハを準備した。図６で示したバンド端発光強度の平均値と窒素濃度との関係を求めたときと同一条件下、このウエハのフォトルミネッセンス光を測定した。その結果、バンド端発光強度の平均値が２．８となった。式（１）を用いて窒素濃度を計算したところ、ウエハに含まれる窒素濃度は１．９×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３であることが判明した。
【００４１】
なお、上記に開示した内容から、下記の付記に示した発明が導き出せる。
【００４２】
（付記１） 熱処理した評価対象シリコンウエハにシリコンのバンドギャップよりも大きい光子エネルギーを有するレーザ光を照射し、当該評価対象シリコンウエハから発せられるシリコンのフォトルミネッセンス光の特定の波長における強度から、当該評価対象シリコンウエハ中の窒素濃度を求める、シリコンウエハの評価方法。
【００４３】
（付記２） 既知の窒素濃度のシリコンウエハにシリコンのバンドギャップよりも大きい光子エネルギーを有するレーザ光を照射し、当該既知の窒素濃度のシリコンウエハから発せられるシリコンのフォトルミネッセンス光の特定の波長における強度と当該窒素濃度との相関関係を測定する工程と、
前記熱処理した評価対象シリコンウエハのフォトルミネッセンス光の強度を測定し、前記相関関係から、前記熱処理した評価対象シリコンウエハ中の窒素濃度を求める工程とを備える
付記１に記載のシリコンウエハの評価方法。
【００４４】
（付記３） 前記評価対象シリコンウエハが、１１００℃以上で、かつ、１時間以上の加熱処理が施されたものである、付記１または２に記載のシリコンウエハの評価方法。
【００４５】
（付記４） 前記既知の窒素濃度のシリコンウエハの加熱処理条件と前記評価対象シリコンウエハの加熱処理条件とが実質的に同一である、付記１〜３のいずれかに記載のシリコンウエハの評価方法。
【００４６】
（付記５） 前記既知の窒素濃度のシリコンウエハが前記評価対象シリコンウエハと同一の条件で形成された熱酸化膜を有する、付記１〜４のいずれかに記載のシリコンウエハの評価方法。
【００４７】
（付記６） 窒素濃度が所定範囲内にあるシリコンウエハを使用して半導体装置を製造する半導体装置の製造方法において、
熱処理した評価対象シリコンウエハ中の窒素濃度を測定するに際し、当該評価対象シリコンウエハにシリコンのバンドギャップよりも大きい光子エネルギーを有するレーザ光を照射し、当該評価対象シリコンウエハから発せられるシリコンのフォトルミネッセンス光の特定の波長における強度から、窒素濃度を求める、半導体装置の製造方法。
【００４８】
（付記７） 窒素濃度が１×１０^１３〜４×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３の範囲内にあるシリコンウエハを使用して半導体装置を製造する半導体装置の製造方法において、
熱処理した評価対象シリコンウエハ中の窒素濃度を測定するに際し、当該評価対象シリコンウエハにシリコンのバンドギャップよりも大きい光子エネルギーを有するレーザ光を照射し、当該評価対象シリコンウエハから発せられるシリコンのフォトルミネッセンス光の特定の波長における強度から、窒素濃度を求める、半導体装置の製造方法。
【００４９】
（付記８） 既知の窒素濃度のシリコンウエハにシリコンのバンドギャップよりも大きい光子エネルギーを有するレーザ光を照射し、当該既知の窒素濃度のシリコンウエハから発せられるシリコンのフォトルミネッセンス光の特定の波長における強度と当該窒素濃度との相関関係を用いて、熱処理した評価対象シリコンウエハ中の窒素濃度を求める、付記６または７に記載の半導体装置の製造方法。
【００５０】
（付記９） 前記評価対象シリコンウエハが、１１００℃以上で、かつ、１時間以上の加熱処理が施されたものである、付記６〜８のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【００５１】
（付記１０） 前記既知の窒素濃度のシリコンウエハの製造条件と前記評価対象シリコンウエハの製造条件とが実質的に同一である、付記６〜９のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【００５２】
（付記１１） 前記既知の窒素濃度のシリコンウエハが前記評価対象シリコンウエハと同一の条件で形成された熱酸化膜を有する、付記６〜１０のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【００５３】
（付記１２） 熱処理した評価対象シリコンウエハの窒素濃度が所定範囲内にある場合、当該評価対象シリコンウエハと同一のシリコンインゴットから切り出された他のシリコンウエハについて、窒素濃度が所定範囲内にあるとして扱い、これを使用して半導体装置を製造する、付記６〜１１に記載の半導体装置の製造方法。
【００５４】
【発明の効果】
本発明に係る評価方法は、非破壊的方法であり、迅速、確実にシリコンウエハ中の窒素濃度を把握できる。熱処理したシリコンウエハであっても使用可能である。本評価方法を半導体の製造法に取り入れることにより、破壊検査によりシリコンウエハを無駄にすることなく、迅速、確実にシリコンウエハ中の窒素濃度を把握して、歩留まりよく半導体装置を生産することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＳＩＭＳ法で観測したアニールドウエハにおける窒素濃度の深さ方向分布図である。
【図２】窒素添加と無添加のシリコン結晶の赤外吸収差スペクトル図である。
【図３】ａｓ−ｇｒｏｗｎ窒素添加シリコン結晶に１１００℃の加熱処理を施した際の窒素無添加シリコンウエハとの赤外吸収差スペクトルの変化を示す図である。
【図４】窒素添加アニールドウエハのフォトルミネッセンススペクトルである。
【図５】バンド端発光強度のヒストグラムである。
【図６】窒素添加アニールドウエハにおけるバンド端発光強度の平均値と窒素濃度の関係を示すグラフである。
【図７】バンド端発光強度の励起光強度依存性を示すグラフである。
【図８】バンド端発光強度の酸化温度依存性を示すグラフである。

Claims (5)

1. 熱処理した評価対象シリコンウエハにシリコンのバンドギャップよりも大きい光子エネルギーを有するレーザ光を照射し、当該評価対象シリコンウエハから発せられるシリコンのフォトルミネッセンス光の特定の波長における強度から、当該評価対象シリコンウエハ中の窒素濃度を求める、シリコンウエハの評価方法。
2. 既知の窒素濃度のシリコンウエハにシリコンのバンドギャップよりも大きい光子エネルギーを有するレーザ光を照射し、当該既知の窒素濃度のシリコンウエハから発せられるシリコンのフォトルミネッセンス光の特定の波長における強度と当該窒素濃度との相関関係を測定する工程と、
   前記熱処理した評価対象シリコンウエハのフォトルミネッセンス光の強度を測定し、前記相関関係から、前記熱処理した評価対象シリコンウエハ中の窒素濃度を求める工程とを備える
   請求項１に記載のシリコンウエハの評価方法。
3. 前記評価対象シリコンウエハが、１１００℃以上で、かつ、１時間以上の加熱処理が施されたものである、請求項１または２に記載のシリコンウエハの評価方法。
4. 既知の窒素濃度のシリコンウエハの加熱処理条件と前記評価対象シリコンウエハの加熱処理条件とが実質的に同一である、請求項１〜３のいずれかに記載のシリコンウエハの評価方法。
5. 窒素濃度が１×１０^１３〜４×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３の範囲内にあるシリコンウエハを使用して半導体装置を製造する半導体装置の製造方法において、
   熱処理した評価対象シリコンウエハ中の窒素濃度を測定するに際し、当該評価対象シリコンウエハにシリコンのバンドギャップよりも大きい光子エネルギーを有するレーザ光を照射し、当該評価対象シリコンウエハから発せられるシリコンのフォトルミネッセンス光の特定の波長における強度から、窒素濃度を求める、半導体装置の製造方法。

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