JP2005121379A - シリコン結晶中の窒素濃度定量化方法、シリコン結晶の評価方法、および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＣＺ法で作製されたシリコン結晶の窒素濃度を迅速かつ簡単に定量化する。
【解決手段】 ＣＺ法で作製されたシリコンインゴットから切り出された１の試料で、当該試料に含まれる第１〜第３の不純物窒素成分に対応する第１〜第３の赤外吸収線ピーク強度を、前記第１〜第３の不純物窒素成分のそれぞれの濃度に換算する第１〜第３の換算係数α１〜α３を求める。前記シリコンインゴットから切り出された任意のウエハについて、第１〜第３の赤外吸収線ピークＩ₁ 〜Ｉ₃ を測定する。測定した第１〜第３の赤外吸収線ピークと、あらかじめ求めた第１〜第３の換算係数を用いて、任意のウエハの全体の窒素濃度を算出する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、シリコン結晶中の窒素濃度の定量化に関し、特に、簡単な手法で任意のシリコン結晶中の窒素濃度を定量化する方法と、このような定量化方法を利用したシリコン結晶の評価方法および半導体装置の製造方法に関する。

シリコンデバイスが０．３５μｍルールの世代に、ウエハ表層の欠陥による不良が顕在化した。この欠陥の実体は、シリコン結晶成長中に原子空孔が凝集したボイド欠陥であることが判明している。ボイド欠陥は八面体構造をしており、サイズは一辺が約０．１μｍである。ウエハ表層にボイド欠陥が存在する限り、０．３５μｍ以降の微細化が達成できないという問題に直面し、表層ボイド欠陥フリーウエハが開発された。

そのひとつがアニールドウエハである。アニールドウエハとは、ＣＺウエハ（チョクラルスキ法で引き上げられたシリコンインゴットから切り出されたウエハ）を１１００〜１２００℃で１〜４時間アニールして、表層のボイド欠陥を消滅させたものである。

アニールドウエハを作製する前提として、ＣＺ法による結晶成長中に、不純物窒素をドーピングして欠陥制御が行われる。窒素ドーピングにより、ＣＺシリコン結晶成長中に発生するボイド欠陥のサイズが小さくなる。このようにボイド欠陥のサイズをあらかじめ低減したうえで高温アニール処理を行うと、ボイド欠陥が消滅しやすくなる。

さらに、窒素ドーピングは、結晶成長中およびその後のアニール中に、酸素析出を促進するという効果がある。酸素析出物は、重金属汚染原子のゲッタリング源となる。このように、窒素ドーピングはウエハの表面完全性（デバイス活性領域中にボイド欠陥が存在しないこと）を向上させるだけでなく、ゲッタリング効果を付加するという優れた働きを有する。

ただし、窒素濃度が高くなると、表層まで酸素析出が生じ、逆に表層部の酸素析出物によるデバイス動作不良が懸念される。そのため、最適な窒素濃度を有するアニールドウエハを用いる必要がある。しかし、ＣＺ法でシリコン（Ｓｉ）と窒素（Ｎ）を含む融液から結晶を引き上げる場合、融液中にドープする窒素量を制御しても、実際に作製された結晶の窒素濃度は、一般に設計値から大きくずれる。また、ＣＺ法では、冷却速度等の結晶化の条件によって吸光度が大きくばらつくので、試料によってピークプロファイルがばらつく。そこで、アニールドウエハの精確な窒素定量法が不可欠となる。

ＣＺシリコン中の窒素は、二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）を用いて定量することが可能である。しかし、ＳＩＭＳ法は測定に多大な時間を要し、測定装置の普及率も低いことから、簡便で精確な標準手法の開発が望まれていた。このような要求の中で、酸素や炭素の測定ですでに標準化されているフーリエ変換型赤外線吸収法（ＦＴ−ＩＲ法）を、窒素濃度の測定に適用する試みが提案されている。

フーリエ変換型赤外線吸収方法（ＦＴ−ＩＲ法）は、不純物によるピーク強度が濃度に比例することを利用して、ピーク強度の測定結果から不純物濃度を定量化する方法である。たとえば、酸素濃度の定量には、室温で波数１１０６ｃｍ^-1にピークを持つ吸収が利用される。吸収のピーク強度と、ＳＩＭＳや放射化分析で測定された酸素量の絶対値との間には比例関係がある。この比例関係を表わす係数を換算係数と呼ぶ。赤外吸収スペクトルから測定された１１０６ｃｍ^-1ピーク強度に換算係数を乗算すると、酸素濃度が得られる。

ところが、ＣＺ法で作製されたシリコンウエハ中の窒素の定量に、ＦＴ―ＩＲ法をそのまま利用することはできない。ＣＺ結晶中の不純物窒素は、図１に示すように複数の異なる組成を有し、それぞれの組成に応じた複数のピークを有するからである。

図１は、窒素を添加したＣＺシリコン結晶の赤外吸収差スペクトルの一例を示すグラフである。図中、波数がそれぞれ９６３ｃｍ^-1、９９６ｃｍ^-1、１０１８ｃｍ^-1、１０２６ｃｍ^-1において、Ａ〜Ｄの吸収ピークを有している。ピークＡは、ＮＮペア、ピークＢはＮＮＯ複合体、ピークＣはＮＮＯ₂ 複合体に帰属するものである。ピークＤは、ピークＢと同じＮＮＯに起因するが、Ｂとは異なる局所（振動）モードによって生じる吸収ピークである。ＮＮペア、ＮＮＯ複合体、ＮＮＯ₂ 複合体に含まれる窒素濃度を足し合わせると、ＳＩＭＳ法で測定される全体の窒素濃度となる。

ＳＩＭＳ法による測定から全体の窒素濃度は分かっても、ＮＮペア、ＮＮＯ複合体、ＮＮＯ₂ 複合体のそれぞれの濃度が分からないため、ピーク強度と濃度との関係は不明である。すなわち、赤外吸収差スペクトルからピーク強度は測定できても、換算係数がわからないので、ＣＺウエハ中の窒素を定量することができない。

これを解決するために、窒素添加ＣＺシリコン結晶に加熱処理を施して、結晶内欠陥反応を準熱平衡状態に到達させ、結晶内欠陥反応がそれ以上進行しない状態、すなわち、それぞれのピークでのＮＮペア、ＮＮＯ複合体、ＮＮＯ₂ 複合体の濃度がそれ以上変化しない状態にしたうえで、全体の窒素濃度を求める方法が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

熱平衡論によれば、準熱平衡状態においては、ＮＮペア、ＮＮＯ複合体、ＮＮＯ₂ 複合体の濃度は、全体の窒素濃度に比例する。換言すると、図１のＡ、Ｂ、Ｃのピーク強度は、全体の窒素濃度に比例する。したがって、準熱平衡状態におけるＡ，Ｂ、Ｃのいずれかのピーク強度と、ＳＩＭＳ法で測定した全体の窒素濃度との相関関係をあらかじめ求めておくことによって、ピークＡの強度とＮＮペアの濃度、ピークＢの強度とＮＮＯ複合体の濃度、ピークＣの強度とＮＮＯ₂ 複合体の関係を示す個別の換算係数が不明であっても、いずれかのピーク強度を観察するだけで、全体の窒素濃度を求めることができる。
特開２００３−１５２０４３号公報

しかし、上述した方法では、ピーク強度を測定するために、試料（あるいはパイロットウエハ）ごとに内部の欠陥反応関係を準熱平衡状態にする必要があり、その都度、試料を加熱しなければならない。この制約があるために、試料を加熱するための熱処理炉を保有していない機関では、上記方法を採用することはできない。

そこで本発明は、測定のたびに準熱平衡状態にするための加熱処理を行わなくても、簡単にシリコン結晶中の窒素濃度を定量化することのできる方法を提供することを目的とする。

また、このような窒素濃度定量化方法を利用したシリコン結晶の評価方法と、半導体装置製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の第１の側面では、シリコン結晶の窒素濃度定量化方法は、
（ａ）ＣＺ法で作製されたシリコンインゴットから切り出された１の試料で、当該試料に含まれる第１〜第３の不純物窒素成分に対応する第１〜第３の赤外吸収線ピーク強度を、前記第１〜第３の不純物窒素成分のそれぞれの濃度に換算する第１〜第３の換算係数を求めるステップと、
（ｂ）前記シリコンインゴットから切り出された任意のウエハについて、前記第１〜第３の赤外吸収線ピークを測定するステップと、
（ｃ）前記測定した第１〜第３の赤外吸収線ピークと、前記求めた第１〜第３の換算係数を用いて、前記任意のウエハの全体の窒素濃度を算出するステップと
を含む。

任意のウエハにおける赤外吸収線ピーク測定ステップは、熱処理を行うことなく室温で行われる。

本発明の第２の側面では、シリコン結晶の評価方法は、
（ａ）ＣＺ法で作製されたシリコンインゴットから切り出された１の試料で、当該試料に含まれる第１〜第３の不純物窒素成分に対応する第１〜第３の赤外吸収線ピーク強度を、前記第１〜第３の不純物窒素成分のそれぞれの濃度に換算する第１〜第３の換算係数を求めるステップと、
（ｂ）前記シリコンインゴットから切り出された任意のウエハで、熱処理を施すことなく前記第１〜第３の赤外吸収線ピークを測定するステップと、
（ｃ）前記測定した第１〜第３の赤外吸収線ピークと、前記あらかじめ求めた第１〜第３の換算係数を用いて、前記任意のウエハの全体の窒素濃度を算出するステップと、
（ｄ）算出された窒素濃度を、所定のしきい値と比較し、当該しきい値よりも小さい場合に、前記任意のウエハを合格判断するステップと
を含む。

本発明の第３の側面では、半導体装置の製造方法は、
（ａ）ＣＺ法で作製されたシリコンインゴットから切り出された１の試料で、当該試料に含まれる第１〜第３の不純物窒素成分に対応する第１〜第３の赤外吸収線ピーク強度を、前記第１〜第３の不純物窒素成分のそれぞれの濃度に換算する第１〜第３の換算係数を求めるステップと、
（ｂ）前記シリコンインゴットから切り出された複数のウエハからなる任意のロットの評価用ウエハで、前記第１〜第３の赤外吸収線ピークを測定するステップと、
（ｃ）前記測定した第１〜第３の赤外吸収線ピークと、前記あらかじめ求めた第１〜第３の換算係数を用いて、前記評価用ウエハの全体の窒素濃度を算出するステップと、
（ｄ）前記算出された窒素濃度を、所定のしきい値と比較して、当該所定のしきい値よりも小さい場合に、前記ロットで前記複数のウエハの各々に半導体素子を形成するプロセスに進むステップと
を含む。

上述したシリコン結晶の窒素濃度定量化方法によれば、異なる複数種類の不純物窒素成分を含むシリコン結晶の窒素濃度を、迅速に定量化することができる。

また、測定対象のウエハを毎回加熱処理する必要がなく、あらかじめ求めておいた換算係数と、測定対象のウエハで測定した赤外吸収線のピーク強度のみを用いて、簡単な計算で定量化することができる。

このような手法を利用することによって、シリコン結晶を迅速かつ正確に評価することが可能になる。

この結果、半導体製造ラインで、ロットを無駄にすることなく効率よく半導体素子形成プロセスに進むことができるので、生産性を向上することができる。

以下で、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

図２は、本発明の一実施形態に係るシリコン結晶内の窒素濃度換算係数の決定方法を示すフローチャートである。図２のフローを説明する前に、シリコン結晶内の窒素濃度と赤外吸収線ピークについての前提関係を説明する。

任意の温度において、ＣＺシリコン結晶中に含まれる全体の窒素濃度を［Ｎ］とし、ＮＮペア、ＮＮＯ複合体、ＮＮＯ₂ 複合体の濃度をそれぞれ［ＮＮ］、［ＮＮＯ］、［ＮＮＯ₂ ］とすると、式（１）の関係が得られる。

（数１）
［Ｎ］＝［ＮＮ］＋［ＮＮＯ］＋［ＮＮＯ₂ ］ （１）
図１におけるピークＡ、Ｂ、Ｃを、対応する濃度［ＮＮ］、［ＮＮＯ］、［ＮＮＯ₂ ］に換算する換算係数（未知数）を、それぞれα₉₆₃、α₉₉₆、α₁₀₁₈とする。同じくピークＡ、Ｂ、Ｃの吸収強度（ピーク強度）をＩ₉₆₃、Ｉ₉₉₆、Ｉ₁₀₁₈とする。ピークＤについては、ピークＢを生じさせるＮＮＯ複合体と同じ不純物窒素から、異なる振動モードで生じる吸収なので、ここではピークＢについてのみ考慮する。

上述したように、各不純物の濃度は、ピーク強度と換算係数との積で表わされる。したがって、式（１）は、換算係数αとピーク強度Ｉを用いて、式（２）のように書き改めることができる。

（数２）
［Ｎ］＝α₉₆₃×Ｉ₉₆₃ ＋ α₉₉₆×Ｉ₉₉₆ ＋ α₁₀₁₈×Ｉ₁₀₁₈ （２）
このうち、ピーク強度Ｉ₉₆₃ 、Ｉ₉₉₆ 、Ｉ₁₀₁₈は、赤外吸収差スペクトルから測定することができる。

これらを前提として、ステップＳ１０１で、未知数αを決定するために、ＣＺ法で作製された窒素添加ＣＺシリコンインゴットから切り出された複数のシリコンウエハの中から、一のウエハを試料として準備し、試料全体の窒素濃度［Ｎ］をあらかじめ求めておく。［Ｎ］を求める方法としては、先に述べたＳＩＭＳ法の他に、放射化分析を用いることができる。

次に、ステップＳ１０３で、２つの異なる条件で試料の吸収スペクトルを測定して、ピーク強度Ｉ₉₆₃、Ｉ₉₉₆、Ｉ₁₀₁₈のセットを２通り求める。２つの条件として、たとえば同じインゴットから切り出された２枚のウエハを用いて、それぞれで赤外吸収線ピーク強度を測定する。

次に、ステップＳ１０５で、フローティングゾーン（ＦＺ）法で作製されたＦＺウエハで第１の換算係数α₉₆₃を求める。３つの未知の換算係数αのうち、ＮＮペアの換算係数α₉₆₃については、ＦＺ法により結晶成長させたシリコン結晶を用いた実験から求めることができるからである。

ＦＺ法はＣＺ法と異なり、結晶成長中に酸素の混入がほとんどない。したがって、結晶全体の不純物窒素のほとんどすべてをＮＮペアとみなすことができる。ＦＺウエハの赤外吸収線スペクトルに現われるＮＮペアの吸収ピークと、ＳＩＭＳ法などで測定したＦＺウエハ全体の窒素濃度とから、α₉₆₃ を特定することができる。実験から求められたα₉₆₃ の値は、α₉₆₃ =１．８３×１０¹⁷である。この第１の換算係数α₉₆₃ は、結晶化の方法とは無関係に一律に決まる値なので、この値をＣＺ法で成長したシリコンウエハにも用いることができる。

この段階で、式（２）のパラメータのうち、全体の窒素濃度［Ｎ］と、第１〜第３のピーク強度Ｉ₉₆₃ 、Ｉ₉₉₆ 、Ｉ₁₀₁₈と、第１の換算係数α₉₆₃が分かっている。したがって、未知数は第２の換算係数α₉₉₆ と第３の換算係数α₁₀₁₈だけになる。第１〜第３のピーク強度Ｉ₉₆₃ 、Ｉ₉₉₆ 、Ｉ₁₀₁₈について２通りの値を測定しているので、式（２）について連立方程式が成立する。

ステップＳ１０７で、連立方程式を解いて、ＮＮＯ複合体のための第２の換算係数α₉₉₆と、ＮＮＯ₂ 複合体のための第３の換算係数α₁₀₁₈を決定する。

こうして決定したα₉₉₆、α₁₀₁₈と、先にＦＺ法による結晶から求めたα₉₆₃ とから、すべての換算係数が整う。

求めた換算係数α₉₆₃ 、α₉₉₆、α₁₀₁₈は、同じインゴットから切り出された任意のウエハの定量化に用いられる。また、式（２）は温度に依存せずに成立する関係式である。したがって、測定対象となる任意のウエハで、任意の温度で赤外吸収線ピーク強度を測定するだけで、換算係数を用いた単純計算により、各ウエハの窒素濃度を定量化することができる。換言すると、各ウエハを準熱平衡状態まで加熱処理することなく、室温で赤外吸収差スペクトルを測定してピーク強度Ｉ₉₆₃、Ｉ₉₉₆、Ｉ₁₀₁₈を求めるだけで、式（２）に基づいて、全体の窒素濃度［Ｎ］を容易に求めることができる。

図３は、図２の方法で決定した換算係数α₉₆₃ 、α₉₉₆、α₁₀₁₈を用いたシリコン結晶の評価方法を示すフローチャートである。

まず、ステップＳ２０１で、換算係数の決定で用いた試料と同じＣＺインゴットから切り出された複数のウエハから成るロットＡについて、パイロットウエハで所定の波数における第１〜第３のピーク強度Ｉ₉₆₃、Ｉ₉₉₆、Ｉ₁₀₁₈を測定する。実施形態において、評価対象となるＣＺウエハは、たとえば表面改質のためのアニール処理を施したアニールドウエハである。

次に、ステップＳ２０３で、ステップＳ２０１で測定されたピーク強度Ｉ₉₆₃、Ｉ₉₉₆、Ｉ₁₀₁₈と、あらかじめ決定された第１〜第３の換算係数α₉₆₃ 、α₉₉₆、α₁₀₁₈を用いて、式（２）からパイロットウエハ全体の窒素濃度［Ｎ］を算出する。

次に、ステップＳ２０５で、パイロットウエハの窒素濃度［Ｎ］が、所定のしきい値［Ｎth］未満（［Ｎ］＜［Ｎth］）かどうかを決定する。しきい値［Ｎth］はウエハ表層で酸素析出が生じ始める窒素濃度であり、たとえば１×１０¹⁵ｃｍ^-3に設定される。窒素濃度［Ｎ］がしきい値未満である場合は（Ｓ２０５でＹＥＳ）、ＣＺウエハ表層部において酸素析出を生じることなくボイド欠陥サイズが低減され、表層よりも深部でゲッタリングスポットが確保されていると考えられる。このような場合は、パイロットウエハを合格判定する。そして、ステップＳ２０７に進んで、ロットＡについて処理を進める。ロットＡの処理は、たとえば、表面活性領域への半導体素子の形成、あるいは半導体素子を含む集積回路の形成である。

パイロットウエハの窒素濃度［Ｎ］がしきい値［Ｎth］以上である場合は（Ｓ２０３でＮＯ）、ステップＳ２０９へ進み、算出された窒素濃度［Ｎ］としきい値［Ｎth］との差が、所定値δの範囲内（［Ｎ］−［Ｎth］≦δ）にあるかを判断する。差が所定値δを超える場合は（Ｓ２０９でＮＯ）、パイロットウエハを不合格とし、ステップＳ２１５でロットＡの処理を中止する。

窒素濃度としきい値との差が、所定値δ以下の場合は（Ｓ２０９でＹＥＳ）、ステップＳ２１１に進み、ロットＡの別のウエハを抜き取って、このウエハについて、再度窒素濃度［Ｎ］を算出する。窒素濃度の算出については、ステップＳ２０１、Ｓ２０３と同様に、赤外吸収差スペクトルからピーク強度を求め、あらかじめ決定された換算係数を用いて、式（２）から容易に求めることができる。

ステップＳ２１３で、新たに抜き取ったウエハの窒素濃度［Ｎ］が、しきい値［Ｎth］よりも小さいかどうかを判断し、しきい値よりも小さい場合は（Ｓ２１３でＹＥＳ）、ステップＳ２０７に進んでロットＡの処理を行う。窒素濃度がしきい値以上のときは（Ｓ２１３でＮＯ）、ステップＳ２１５に進んで、ロットＡの処理を中止する。

ステップＳ２０７でロットＡの処置が終了すると、同じインゴットから切り出されたウエハの別のロットＢについて、同じ評価処理を繰り返す。

この評価方法によれば、評価用のパイロットウエハごとに準熱平衡状態にするための加熱処理を行う必要がない。室温での赤外吸収線のピーク強度の測定と、簡単な計算式だけに基づいて、パイロットウエハの評価を迅速に行うことができる。パイロットウエハの窒素濃度としきい値との差が微妙な場合にも、別のウエハを抜き取って短時間で再検査することができるので、ロット全体を無駄にすることなく、生産性を向上できる。

次に、図４〜６を参照して、本発明の別の実施形態に係る換算係数の決定方法を説明する。この実施形態では、図２のステップＳ１０３における「２つの異なる条件」を、２つの異なる熱処理温度による準熱平衡状態での赤外吸収線のピーク強度の測定とする。

式（２）における２つの未知数α₉₉₆ とα₁₀₁₈を精度良く求めるには、ピーク強度Ｉ₉₆₃、Ｉ₉₉₆、Ｉ₁₀₁₈と全体の窒素濃度［Ｎ］との関係のばらつきを抑えることが必要である。そのための方法の一つは測定試料数を増やすことである。もう一つは、準熱平衡状態を利用することである。窒素と酸素の欠陥反応が準熱平衡状態に到達したとき、赤外吸収線のピーク強度Ｉ₉₆₃、Ｉ₉₉₆、Ｉ₁₀₁₈は、それぞれ全体の窒素濃度［Ｎ］に比例するようになる。このとき、式（３）の関係が成り立つ。

（数３）
Ｉ₉₆₃ =κ₁［Ｎ］
Ｉ₉₉₆ =κ₂［Ｎ］
Ｉ₁₀₁₈ =κ₃［Ｎ］ （３）
ここで、κ₁、κ₂、κ₃は、各ピーク強度と全体の窒素濃度［Ｎ］との関係を表わす比例係数である。式（３）を式（２）に代入すると、式（４）が導き出せる。

（数４）
［Ｎ］＝α₉₆₃×Ｉ₉₆₃ ＋ α₉₉₆×Ｉ₉₉₆ ＋ α₁₀₁₈×Ｉ₁₀₁₈
＝α₉₆₃×κ₁［Ｎ］＋ α₉₉₆×κ₂［Ｎ］＋ α₁₀₁₈×κ₃［Ｎ］ （４）
式（４）の両辺から［Ｎ］を消去すると、式（５）になる。

（数５）
１＝α₉₆₃×κ₁ ＋ α₉₉₆×κ₂ ＋ α₁₀₁₈×κ₃ （５）
これらを前提として、図４のフローチャートに示す換算計数の決定方法を説明する。まず、ステップＳ３０１において、ＣＺ法で作製されたインゴットからきり出された複数のウエハの中から、一のウエハを試料として準備し、全体の窒素濃度［Ｎ］を、ＳＩＭＳ法、放射化分析法などにより実測する。

次に、ステップＳ３０３において、第１の熱処理温度で試料を準熱平衡状態に到達させて赤外吸収線のピーク強度を測定し、各ピーク強度と全体の窒素濃度［Ｎ］との関係を表わす比例係数κ₁、κ₂、κ₃の第１のセットを求める。同様に、ステップＳ３０４で、第２の熱処理温度で試料を準熱平衡状態にして、赤外吸収線の各ピーク強度を測定し、比例係数、κ₁、κ₂、κ₃の第２のセットを求める。第１の熱処理温度は、たとえば６００℃、第２の熱処理温度は、たとえば６５０℃である。

図５は、６００℃で加熱処理を施したときの赤外吸収線のピーク強度と全体の窒素濃度の関係を示すグラフである。図６は、６５０℃で加熱処理を施したときの、赤外吸収線のピーク強度と全体の窒素濃度の関係を示すグラフである。これらのグラフから明らかなように、準熱平衡状態に到達した試料では、各ピークの強度と全体の窒素濃度はリニアな関係（比例関係）となる。

図５より、各ピークの傾きを求めると、
Ｉ₉₆₃ ＝１．３２×１０^-18［Ｎ］
Ｉ₉₉₆ ＝２．３５×１０^-18［Ｎ］
Ｉ₁₀₁₈ ＝１．５５×１０^-18［Ｎ］
という関係が成立し、｛κ₁、κ₂、κ₃｝の第１のセットが求まる。

同様に、図６から、各ピークの傾きを求めると、
Ｉ₉₆₃ ＝１．３０×１０^-18［Ｎ］
Ｉ₉₉₆ ＝２．１３×１０^-18［Ｎ］
Ｉ₁₀₁₈ ＝８．３１×１０^-19［Ｎ］
という関係が成立し、｛κ₁、κ₂、κ₃｝の第２のセットが求まる。

次に、ステップＳ３０５で、ＦＺ法で作製されたウエハを用いて実測に基づいて第１の換算係数α₉₆₃ を求める。上述したように、実験からα₉₆₃ =１．８３×１０¹⁷であることが分かっている。

この段階で、式（５）における第１の換算係数α₉₆₃ と、２通りの比例係数のセットが分かっているので、式（５）について、２つの未知数α₉₉₆ とα₁₀₁₈ を残して連立方程式が成立する。

ステップＳ３０７で連立方程式を解くことによって、第２および第３の換算係数α₉₉₆ とα₁₀₁₈ を決定する。決定された換算係数は、
α₉₉₆ ＝２．５４×１０¹⁷
α₁₀₁₈ ＝１．０４×１０¹⁷
である。

準熱平衡状態でのピーク強度と全体の窒素濃度との比例関係に基づいて決定した換算係数は、より信頼性が高い。このような換算係数を用いることによって、同じＣＺインゴットから切り出された任意のウエハについて、室温で赤外吸収差スペクトルのピーク強度を測定し、式（６）の単純な掛け算と足し算を行うだけで、全体の窒素濃度を容易かつ高精度に求めることができる。

（数６）
［Ｎ］＝（１．８３×１０¹⁷×Ｉ₉₆₃）＋（２．５４×１０¹⁷×Ｉ₉₉₆）
＋（１．０４×１０¹⁷×Ｉ₁₀₁₈） （６）
式（６）は、温度に関わらず、全てのウエハに適用可能である。この実施形態によれば、最初の試料で換算係数を決定する際に準熱平衡状態にするための熱処理を行うが、いったん換算係数が決定されると、それ以降の任意のウエハの評価において、もはや熱処理を行う必要はない。すなわち、任意のウエハにおいて、所定の波数での赤外吸収線ピークを測定し、あらかじめ求めた換算係数を用いて乗算と加算のみの簡単な計算で、ウエハ全体の窒素濃度を精度よく迅速に定量化できる。

図４の方法で決定した信頼性の高い換算係数を、図３のシリコン結晶の評価に適用した場合は、より正確にシリコン結晶の欠陥評価を行うことができる。この場合、図３のステップＳ２０５で窒素濃度がしきい値以上である場合に（Ｓ２０５でＮＯ）、ステップＳ２０９〜ステップＳ２１３を行うことなく、直接ステップＳ２１５へ進んで、そのロットの処理を中止してもよい。

また、実施形態では、窒素濃度の定量を、インゴットから切り出され表面改質処理がなされたアニールドウエハの評価を例にとって説明したが、本発明は、結晶成長中（as-grown）のＣＺシリコン中の不純物窒素濃度の定量にも適用可能である。

最後に、上記説明に関して、以下の付記を開示する。
（付記１） ＣＺ法で作製されたシリコンインゴットから切り出された１の試料で、当該試料に含まれる第１〜第３の不純物窒素成分に対応する第１〜第３の赤外吸収線ピーク強度を、前記第１〜第３の不純物窒素成分のそれぞれの濃度に換算する第１〜第３の換算係数を求めるステップと、
前記シリコンインゴットから切り出された任意のウエハについて、前記第１〜第３の赤外吸収線ピークを測定するステップと、
前記測定した第１〜第３の赤外吸収線ピークと、前記第１〜第３の換算係数を用いて、前記任意のウエハの全体の窒素濃度を算出するステップと
を含むシリコン結晶の窒素濃度定量化方法。
（付記２） 前記任意のウエハにおける赤外吸収線ピーク測定ステップは、熱処理を行うことなく室温で行われることを特徴とする付記１に記載のシリコン結晶の窒素濃度定量化方法。
（付記３） 前記第１〜第３の換算係数を求めるステップは、
前記試料の全体の窒素濃度［Ｎ］を実測し、
２つの異なる条件で、前記試料の第１〜第３の赤外吸収線ピーク強度を測定して、２組の第１〜第３のピーク強度を獲得し、
ＦＺ法で作製されたシリコンウエハで、前記第１の赤外吸収線ピーク強度を前記第１の不純物窒素成分の濃度に換算する第１の換算係数α１を求め、
前記試料の窒素濃度［Ｎ］、第１の換算係数α１、および２組の第１〜第３のピーク強度に基づいて、前記第２および第３の換算係数α２およびα３を決定する
ことを特徴とする付記１に記載のシリコン結晶の窒素濃度定量化方法。
（付記４） 前記２つの異なる条件は、２つの異なる温度による準熱平衡状態であることを特徴とする付記３に記載のシリコン結晶の窒素濃度定量化方法。
（付記５） 前記第１〜第３の不純物窒素成分は、それぞれＮＮペア、ＮＮＯ複合体、ＮＮＯ₂ 複合体であることを特徴とする付記１に記載のシリコン結晶の窒素濃度定量化方法。
（付記６） ＣＺ法で作製され第１〜第３の不純物窒素成分を含むシリコンインゴットから切り出された１の試料で、当該試料の全体の窒素濃度［Ｎ］を実測するステップと、
前記試料を第１の温度まで加熱し、準熱平衡状態で当該試料の第１〜第３の赤外吸収線ピーク強度を測定し、各ピーク強度と前記窒素濃度［Ｎ］との関係を表わす第１〜第３の比例係数の第１の組を求めるステップと、
前記試料を第２の温度まで加熱し、準熱平衡状態で当該試料の第１〜第３の赤外吸収線ピーク強度を測定し、各ピーク強度と前記窒素濃度［Ｎ］との関係を表わす第１〜第３の比例係数の第２の組を求めるステップと、
ＦＺ法で作製されたシリコンウエハで、前記第１の赤外吸収線ピーク強度を、前記第１の不純物窒素成分の濃度に換算する第１の換算係数α１を求めるステップと、
前記第１の換算係数α１と、前記２組の第１〜第３の比例係数に基づいて、前記第２および第３の赤外線吸収ピーク強度を前記第２および第３の不純物窒素成分の濃度に換算する第２および第３の換算係数α２、α３を決定するステップと、
前記シリコンインゴットから切り出された任意のウエハで、前記第１〜第３の赤外吸収線ピーク強度を測定し、前記第１〜第３の換算係数を用いて、当該任意のウエハの窒素濃度を算出するステップと
を含むことを特徴とするシリコン結晶の窒素濃度定量化方法。
（付記７） ＣＺ法で作製されたシリコンインゴットから切り出された１の試料で、当該試料に含まれる第１〜第３の不純物窒素成分に対応する第１〜第３の赤外吸収線ピーク強度を、前記第１〜第３の不純物窒素成分のそれぞれの濃度に換算する第１〜第３の換算係数を求めるステップと、
前記シリコンインゴットから切り出された任意のウエハで、熱処理を施すことなく前記第１〜第３の赤外吸収線ピークを測定するステップと、
前記測定した第１〜第３の赤外吸収線ピークと、前記あらかじめ求めた第１〜第３の換算係数を用いて、前記任意のウエハの全体の窒素濃度を算出するステップと、
前記算出された窒素濃度を、所定のしきい値と比較し、当該しきい値よりも小さい場合に、前記任意のウエハを合格判断するステップと
を含むシリコン結晶の評価方法。
（付記８） 前記任意のウエハで算出された窒素濃度が所定のしきい値よりも小さい場合は、前記任意のウエハの表層で、酸素析出を生じさせることなく、ボイド欠陥のサイズが十分に低減されていることを特徴とする付記７に記載のシリコン結晶の評価方法。
（付記９） ＣＺ法で作製されたシリコンインゴットから切り出された１の試料で、当該試料に含まれる第１〜第３の不純物窒素成分に対応する第１〜第３の赤外吸収線ピーク強度を、前記第１〜第３の不純物窒素成分のそれぞれの濃度に換算する第１〜第３の換算係数を求めるステップと、
前記シリコンインゴットから切り出された複数のウエハからなる任意のロットの評価用ウエハで、前記第１〜第３の赤外吸収線ピークを測定するステップと、
前記測定した第１〜第３の赤外吸収線ピークと、前記あらかじめ求めた第１〜第３の換算係数を用いて、前記評価用ウエハの全体の窒素濃度を算出するステップと、
前記算出された窒素濃度を、所定のしきい値と比較して、当該所定のしきい値よりも小さい場合に、前記ロットで前記複数のウエハの各々に半導体素子を形成するプロセスに進むステップと
を含む半導体装置の製造方法。
（付記１０） 前記評価用ウエハで算出された窒素濃度が所定のしきい値よりも小さい場合は、前記評価用ウエハの表層で、酸素析出を生じさせることなく、ボイド欠陥のサイズが十分に低減されているとみなし、
前記ロットの複数のウエハの各々について、表層の活性領域に前記半導体素子を形成することを特徴とする付記９に記載の半導体装置の製造方法。
ことを特徴とする付記７に記載のシリコン結晶の評価方法。

窒素添加ＣＺシリコン結晶の赤外吸収差スペクトルの一例を示す図である。 本発明の一実施形態に係るシリコン結晶内の窒素濃度換算係数の決定方法を示すフローチャートである。 図２の方法で決定した換算係数を用いるシリコン結晶の評価方法を示すフローチャートである。 本発明の別の実施形態に係るシリコン結晶内の窒素濃度換算係数の決定方法を示すフローチャートである。 第１の熱処理温度による準熱平衡状態での赤外吸収線ピークと全体の窒素濃度との関係を示すグラフである。 第２の熱処理温度による準熱平衡状態での赤外吸収線ピークと全体の窒素濃度との関係を示すグラフである。

Claims (5)

1. ＣＺ法で作製されたシリコンインゴットから切り出された１の試料で、当該試料に含まれる第１〜第３の不純物窒素成分に対応する第１〜第３の赤外吸収線ピーク強度を、前記第１〜第３の不純物窒素成分のそれぞれの濃度に換算する第１〜第３の換算係数を求めるステップと、
   前記シリコンインゴットから切り出された任意のウエハについて、前記第１〜第３の赤外吸収線ピークを測定するステップと、
   前記測定した第１〜第３の赤外吸収線ピークと、前記第１〜第３の換算係数を用いて、前記任意のウエハの全体の窒素濃度を算出するステップと
   を含むシリコン結晶の窒素濃度定量化方法。
2. 前記任意のウエハにおける赤外吸収線ピーク測定ステップは、熱処理を行うことなく室温で行われることを特徴とする請求項１に記載のシリコン結晶の窒素濃度定量化方法。
3. 前記第１〜第３の換算係数を求めるステップは、
   前記試料の全体の窒素濃度［Ｎ］を実測し、
   ２つの異なる条件で、前記試料の第１〜第３の赤外吸収線ピーク強度を測定して、２組の第１〜第３のピーク強度を獲得し、
   ＦＺ法で作製されたシリコンウエハで、前記第１の赤外吸収線ピーク強度を前記第１の不純物窒素成分の濃度に換算する第１の換算係数α１を求め、
   前記試料の窒素濃度［Ｎ］、第１の換算係数α１、および２組の第１〜第３のピーク強度に基づいて、前記第２および第３の換算係数α２およびα３を決定する
   ことを特徴とする請求項１に記載のシリコン結晶の窒素濃度定量化方法。
4. ＣＺ法で作製されたシリコンインゴットから切り出された１の試料で、当該試料に含まれる第１〜第３の不純物窒素成分に対応する第１〜第３の赤外吸収線ピーク強度を、前記第１〜第３の不純物窒素成分のそれぞれの濃度に換算する第１〜第３の換算係数を求めるステップと、
   前記シリコンインゴットから切り出された任意のウエハで、熱処理を施すことなく前記第１〜第３の赤外吸収線ピークを測定するステップと、
   前記測定した第１〜第３の赤外吸収線ピークと、前記あらかじめ求めた第１〜第３の換算係数を用いて、前記任意のウエハの全体の窒素濃度を算出するステップと、
   前記算出された窒素濃度を、所定のしきい値と比較し、当該しきい値よりも小さい場合に、前記任意のウエハを合格判断するステップと
   を含むシリコン結晶の評価方法。
5. ＣＺ法で作製されたシリコンインゴットから切り出された１の試料で、当該試料に含まれる第１〜第３の不純物窒素成分に対応する第１〜第３の赤外吸収線ピーク強度を、前記第１〜第３の不純物窒素成分のそれぞれの濃度に換算する第１〜第３の換算係数を求めるステップと、
   前記シリコンインゴットから切り出された複数のウエハからなる任意のロットの評価用ウエハで、前記第１〜第３の赤外吸収線ピークを測定するステップと、
   前記測定した第１〜第３の赤外吸収線ピークと、前記あらかじめ求めた第１〜第３の換算係数を用いて、前記評価用ウエハの全体の窒素濃度を算出するステップと、
   前記算出された窒素濃度を、所定のしきい値と比較して、当該所定のしきい値よりも小さい場合に、前記ロットで前記複数のウエハの各々に半導体素子を形成するプロセスに進むステップと
   を含む半導体装置の製造方法。
   

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