JP2014207369A

JP2014207369A - ウェーハ中不純物の評価方法およびｎ型シリコンウェーハの検査方法

Info

Publication number: JP2014207369A
Application number: JP2013084885A
Authority: JP
Inventors: 康水澤; Yasushi Mizusawa
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2013-04-15
Filing date: 2013-04-15
Publication date: 2014-10-30

Abstract

【課題】ｎ型シリコンウェーハ中に存在するＴｉ以外の金属不純物を評価できる方法及びその評価方法を用いたｎ型シリコンウェーハの検査方法を提供する。【解決手段】ｎ型シリコンウェーハ中の金属不純物による深い準位の濃度をＤＬＴＳ法によって評価する金属不純物の評価方法であって、前記ＤＬＴＳ法による評価において、温度を変化させながら静電容量の変化を測定して、該静電容量の変化がピークを示すピーク温度が２８０Ｋ、１９０Ｋ、１２０Ｋ及び８５Ｋとなる金属不純物による深い準位の濃度を評価する。２８０Ｋ、１９０Ｋ、１２０Ｋ及び８５Ｋとなる金属不純物をＮｂとして、ウェーハ中に存在するＮｂを評価する。【選択図】図１

Description

本発明は、ｎ型シリコンウェーハ中の金属不純物による深い準位の濃度をＤＬＴＳ（ＤｅｅｐＬｅｖｅｌＴｒａｎｓｉｅｎｔＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）法によって評価する方法およびｎ型シリコンウェーハを検査する方法に関する。

シリコンウェーハ中に存在する金属不純物は、再結合中心の深い準位をつくり、特に金属不純物がウェーハ表面あるいは表層に存在するとデバイス特性に悪影響を及ぼすと考えられている。特にｎ型シリコンウェーハを使用する場合が多い撮像素子用デバイスでは微量金属不純物による汚染でも暗電流不良を引き起こすことがある。

これらウェーハ中の金属不純物を評価する方法はいくつかある。具体的にはウェーハライフタイム測定、ＤＬＴＳ法、ＩＣＰ−ＭＳ化学分析がよく用いられる。

ウェーハライフタイム測定はマイクロ波を照射しシリコンウェーハ中にキャリアを発生させたときのキャリアの減衰率から金属不純物を評価する。しかしこの手法では、不純物汚染の有無は判定できるが、その種類と濃度を正確に得ることが難しい。加えて、ウェーハライフタイムはライフタイム低下に起因しない金属不純物を評価することができない。

ＩＣＰ−ＭＳ化学分析法は多元素の不純物分析は可能であるが、検出感度はウェーハライフタイム測定等、他の電気測定には及ばない。さらに、ウェーハ面内の詳細な分布を得ることは難しい。

ＤＬＴＳ法は電極形成、測定に時間を要するものの、デバイス活性領域であるウェーハ表層の金属不純物の評価が可能である。そして、従来、このＤＬＴＳ法を用いてｎ型シリコンウェーハ中の金属不純物を評価する方法の提案がある（例えば特許文献１参照）。特許文献１の方法では、ｎ型シリコンウェーハに対してＤＬＴＳ法を適用し、そのＤＬＴＳ法においてピーク温度が１７０Ｋとなる深い準位がＴｉ（金属不純物）による深い準位であるとして、そのＴｉによる深い準位の濃度を評価している。

特開２０１０−１０３１４４号公報

しかしながら、ｎ型シリコンウェーハ中に存在する可能性のある金属不純物はＴｉ以外もあり、ピーク温度が１７０ＫとなるＴｉの濃度を評価しただけでは、ｎ型シリコンウェーハ中の金属不純物の評価としては不十分である。その不十分な評価を経てデバイスを作製すると、ウェーハ中のＴｉ以外の金属不純物によりデバイス特性が悪化し、これによりデバイス作製の歩留まりが低下してしまうおそれがある。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、ｎ型シリコンウェーハ中に存在するＴｉ以外の金属不純物を評価できる方法及びその評価方法を用いたｎ型シリコンウェーハの検査方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明のウェーハ中不純物の評価方法は、ｎ型シリコンウェーハ中の金属不純物による深い準位の濃度をＤＬＴＳ法によって評価するウェーハ中不純物の評価方法であって、
前記ＤＬＴＳ法による評価において、温度を変化させながら静電容量の変化を測定して、該静電容量の変化がピークを示すピーク温度が２８０Ｋ、１９０Ｋ、１２０Ｋ及び８５Ｋとなる金属不純物による深い準位の濃度を評価することを特徴とする。

上記のように、デバイスを作製したときのデバイス特性を悪化させる要因となり得る金属不純物の存在が懸念されていたが、本発明者らは、ＤＬＴＳ法による評価において、温度を変化させながら静電容量の変化を測定して、該静電容量の変化がピークを示すピーク温度が２８０Ｋ、１９０Ｋ、１２０Ｋ及び８５Ｋとなる位置に特定の金属不純物による深い準位が存在することを発見した。本発明で２８０Ｋ、１９０Ｋ、１２０Ｋ及び８５Ｋとなる深い準位の濃度（ＤｅｅｐＬｅｖｅｌ濃度）を評価することで、ｎ型シリコンウェーハ中のその特定の金属不純物の混入量を評価することができる。その結果、ｎ型シリコンウェーハにおいて、デバイス特性の悪化による歩留まりの低下を抑制できる。

このとき、前記ピーク温度が２８０Ｋ、１９０Ｋ、１２０Ｋ及び８５Ｋとなる金属不純物をＮｂとすることができる。すなわち、本発明者らが研究を行ったところ、ピーク温度が２８０Ｋ、１９０Ｋ、１２０Ｋ及び８５Ｋときのピーク強度とｎ型シリコンウェーハにドープしたＮｂの量との間に相関関係があることがわかった。Ｎｂはシリコンウェーハやデバイス作製時に汚染として混入する可能性があり、例えばこれらの製造装置の構成部品等からの汚染混入が考えられる。

また、本発明のｎ型シリコンウェーハの検査方法は、本発明のウェーハ中不純物の評価方法により、ｎ型シリコンウェーハ中の金属不純物による深い準位の濃度を評価し、その評価結果に基づいて良品のウェーハを選別することを特徴とする。

このように、本発明の検査方法によって良品のウェーハを選別することによって、デバイス特性の悪化による歩留まりの低下を改善することが可能なｎ型シリコンウェーハを得ることができる。すなわちＤＬＴＳ法によるウェーハの品質管理によりデバイス不良率の少ない製品の製造、出荷が可能となる。

本発明のウェーハ中不純物の評価方法及びｎ型シリコンウェーハの検査方法によれば、デバイスを作製したときのデバイス特性を悪化させる要因となり得るＴｉ以外の金属不純物、すなわちＮｂによる深い準位の濃度を評価するこができる。そして、例えばシリコンエピタキシャル工程やデバイス作製工程後にＤＬＴＳ測定（本発明のウェーハ中不純物の評価方法）を行い、デバイス特性に重大な影響を引き起こすと言えるＮｂ汚染濃度を管理し、一定以上の汚染濃度が発生した場合には次工程に投入しないことで、デバイス作製の歩留まりが著しく向上する。

Ｎｂの表面濃度が１Ｅ１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２の場合における測定温度とＤＬＴＳ信号強度との関係を示すグラフである。Ｎｂの表面濃度が２Ｅ１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２の場合における測定温度とＤＬＴＳ信号強度との関係を示すグラフである。Ｎｂドープ量とＤＬＴＳ信号強度との関係を示すグラフである。

以下では、本発明の実施の形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。従来より、シリコンウェーハ中の金属不純物を評価する方法としてＤＬＴＳ法が知られている。しかしながら、ｎ型シリコンウェーハの表層の金属不純物の評価に関し、同定できていない金属不純物元素が多数ある。

また、一方で、現在、単結晶シリコンウェーハを用いたＣＣＤ／ＣＩＳ構造の撮像素子用電子デバイスにおいて、暗電流による動作不良が大きな問題になっている。その原因の多くは、シリコンウェーハを製造する製造装置（例えば、ＣＺ法によりウェーハを製造するＣＺ引上げ装置や、エピタキシャルウェーハを製造するエピタキシャル成長装置（気相成長装置）など）起因の金属不純物がシリコンウェーハ中に取り込まれることにより発生する。これら製造装置は耐腐食性を考慮してステンレス鋼が広く使用されており、その構成元素は主にＦｅである。しかし、微量にＮｂが添加されていることが多い。

このＮｂがシリコンウェーハ中に思いがけず導入された場合、検査工程でＮｂを検出する方法は非常に限られる。例えば、全溶解化学分析法では大きな体積が必要であり、前述したようにウェーハライフタイム測定では金属不純物汚染の有無はわかるが定量や定性評価は難しい。また全反射蛍光Ｘ線分析では、ウェーハ表面に付着した成分しか検出できない。ＳＩＭＳ分析では検出下限が高く、微量汚染の場合対応できない。

そこで、本発明者はＤＬＴＳ法に着目し、また、ＤＬＴＳ法において同定できておらず、デバイス特性を悪化させる金属不純物として特にＮｂに着目した。そして、そのような金属不純物とＤＬＴＳ法により検出される信号強度（ＤｅｅｐＬｅｖｅｌ濃度）との関係について調整を行った。

なお、ここでＤＬＴＳ法による測定について説明する。ＤＬＴＳ測定の測定原理は、評価対象のウェーハ上にショットキー接合あるいはｐ−ｎ接合を形成する。そして、形成したショットキー接合あるいはｐ−ｎ接合に逆バイアス電圧を印加し、接合部に生じる空乏層を広げ、周期的なパルスの導入で変化する空乏層の静電容量変化（ΔＣ）を巧妙に測定し、そのΔＣの温度依存性から深い準位に関する情報を得るものである。具体的にはシリコンの場合、３００Ｋ以下の低温領域を掃引し、ピークが形成されれば、そのピークはある深い準位の存在を示す。その際、ピーク温度から大まかに深い準位のエネルギーが判明し、ピーク高さ（ΔＣ）が理論的に深い準位の密度を示す。

本発明者は、上記調査を行うにあたって、ｎ型シリコンウェーハ中に、ドープ量を変えてＮｂをドープして意図的に汚染した試料を複数作製した。ここではＮｂのドープ量が異なる２種の試料を作製した。そして、該汚染したｎ型シリコンウェーハについてＤＬＴＳ法による測定を行った。

より具体的には以下の通りである。本発明者は、抵抗率１０Ω・ｃｍ、ＣＺ法により製造されたｎ型単結晶シリコンウェーハを準備した。準備したウェーハの表面にＮｂ汚染を行ってから１０００℃で１時間の熱処理を施し、ウェーハ内へＮｂを拡散させた後、ウェーハ表層についてＤＬＴＳ法の温度スキャン測定を行った。このときの測定条件は、空乏層を形成するための逆バイアス電圧を５Ｖ、空乏層にキャリアを捕獲するためのパルス電圧を１Ｖ、パルス幅を２０μｓｅｃ、パルス周期を１００μｓｅｃ、測定周波数（レートウィンドウ）を２５０Ｈｚとした。パルスの高さは、逆バイアス電圧（５Ｖ）−パルス電圧（１Ｖ）＝４Ｖである。

なお、上記のようにウェーハ表面にＮｂ汚染を行った際、全反射蛍光Ｘ線分析を行い、ウェーハ表面におけるＮｂ汚染濃度についても調査した。全反射蛍光Ｘ線分析の結果、２種の試料におけるＮｂの表面濃度はそれぞれ、１Ｅ１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２（汚染濃度が大ということがある）、２Ｅ１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２（汚染濃度が小ということがある）であった。

またＤＬＴＳ法の測定結果（測定温度とＤＬＴＳ信号強度の関係）を図１、図２に示す。図１は汚染濃度が大の試料の測定結果を示しており、図２は汚染濃度が小の試料の測定結果を示している。

図１、図２の測定結果のいずれも測定温度が２８０Ｋ、１９０Ｋ、１２０Ｋ及び８５Ｋの位置でピークが検出された。これらピークは後述するようにＮｂに起因したピークであり、図１、図２では、８５Ｋのピークを「Ｎｂ−１」とし、１２０Ｋのピークを「Ｎｂ−２」とし、１９０Ｋのピークを「Ｎｂ−３」とし、２８０Ｋのピークを「Ｎｂ−４」としている。図１の測定結果における各ピークでのＤＬＴＳ信号強度は、高温側から４．８Ｅ１２ｃｍ^−３、１．９Ｅ１２ｃｍ^−３、１．７Ｅ１２ｃｍ^−３、２Ｅ１１ｃｍ^−３であった。図２の測定結果における各ピークでのＤＬＴＳ信号強度は、高温側から３．４Ｅ１１ｃｍ^−３、１．７Ｅ１１ｃｍ^−３、１．４Ｅ１１ｃｍ^−３、１．６Ｅ１１ｃｍ^−３であった。

そして、このときのＮｂドープ量（ここでは全反射蛍光Ｘ線分析におけるＮｂの表面濃度を基準とする）と図１、図２の各ピーク「Ｎｂ−１」〜「Ｎｂ−４」のＤＬＴＳ信号強度との関係を図３に示す。図３において、表面濃度が２Ｅ１３ｃｍ^−２の位置にプロットされた点（以下、左側の点ということがある）は図２のＤＬＴＳ信号強度の点を示し、表面濃度が１Ｅ１４ｃｍ^−２の位置にプロットされた点（以下、右側の点ということがある）は図１のＤＬＴＳ信号強度の点を示している。なお、左側の点のうちの「Ｎｂ−１」の点と「Ｎｂ−３」の点は重なって見た目上１つの点となっているが、実際は、１．６Ｅ１１ｃｍ^−３の位置に「Ｎｂ−１」の点があり、１．７Ｅ１１ｃｍ^−３の位置に「Ｎｂ−３」の点がある。また、図３には、左側の各点「Ｎｂ−１」〜「Ｎｂ−４」におけるＤＬＴＳ信号強度を合計した点Ｎｂ−Ｔｏｔａｌ１と、右側の各ピーク「Ｎｂ−１」〜「Ｎｂ−４」の点におけるＤＬＴＳ信号強度を合計した点Ｎｂ−Ｔｏｔａｌ２とを図示している。

左側の点と右側の点とでピーク温度が同じ点同士を比較すると、どのピーク温度の点も、Ｎｂの表面濃度が大きい右側の点のほうが、表面濃度が小さい左側の点よりもＤＬＴＳ信号強度が大きくなっている。すなわち、右側の「Ｎｂ−１」の点のほうが左側の「Ｎｂ−１」の点よりも大きい。また、右側の「Ｎｂ−２」の点のほうが左側の「Ｎｂ−２」の点よりも大きい。また、右側の「Ｎｂ−３」の点のほうが左側の「Ｎｂ−３」の点よりも大きい。また、右側の「Ｎｂ−４」の点のほうが左側の「Ｎｂ−４」の点よりも大きい。そして、合計の点についても、右側の点Ｎｂ−Ｔｏｔａｌ２のほうが左側の点Ｎｂ−Ｔｏｔａｌ１よりも大きくなっている。

このことから、Ｎｂのドープ量と各ピーク「Ｎｂ−１」〜「Ｎｂ−４」のＤＬＴＳ信号強度との間には相関関係があるといえる。すなわち、Ｎｂの表面濃度の増加、つまりＮｂのドープ量の増加に伴い、２８０Ｋ、１９０Ｋ、１２０Ｋ及び８５Ｋにおいて検出されるＤＬＴＳ信号強度が大きくなる。以上より、ＤＬＴＳ法により２８０Ｋ、１９０Ｋ、１２０Ｋ及び８５Ｋにてピーク温度を示す金属不純物（ｎ型シリコンウェーハ中の金属不純物）がＮｂであることを本発明者は確認することができた。

また、ＤＬＴＳの周波数掃引測定法により、各ピーク温度（２８０Ｋ、１９０Ｋ、１２０Ｋ、８５Ｋ）でのＮｂのエネルギー準位を調べたところ、２８０Ｋでのエネルギー準位はＥｃ−０．６１ｅＶ、１９０Ｋでのエネルギー準位はＥｃ−０．２１ｅＶ、１２０Ｋでのエネルギー準位はＥｃ−０．１３ｅＶ、８５Ｋでのエネルギー準位はＥｃ−０．１５ｅＶとなった。つまり、ｎ型シリコンウェーハ中において、Ｎｂは、Ｅｃ−０．６１ｅＶ、−０．２１ｅＶ、−０．１３ｅＶ、−０．１５ｅＶというバンドギャップ内に深い準位を形成することが判明できた。なお、Ｅｃは、伝導帯と禁止帯の境界のエネルギー準位である。

ｎ型シリコンウェーハ中にＮｂが混入すると、その混入量によっては、そのウェーハから製造されたデバイス（例えば撮像素子用のデバイス）の歩留りが低下すると考えられる。ここで、下記表１に、２８０Ｋ、１９０Ｋ、１２０Ｋ及び８５ＫでのＤＬＴＳ信号強度と、デバイス歩留りとの関係を示す。なお、表１の関係は実際に実験をして得られたものでなく、予想である。表１中の「Ｄ．Ｌ.」は、ＤＬＴＳ信号強度の検出下限を示す。

表１のパターン３のように、２８０Ｋ、１９０Ｋ、１２０Ｋ及び８５ＫでのＤＬＴＳ信号強度が小さいウェーハを用いてデバイスを製造すると、デバイス歩留りは良好（○）（例えば歩留りがおおむね１００％）であると予想される。これに対して、パターン２のように、パターン３に比べて、２８０Ｋ、１９０Ｋ、１２０Ｋ及び８５ＫでのＤＬＴＳ信号強度が大きいウェーハを用いると、デバイス歩留りは低下（△）（例えば歩留りは９０％程度に低下）してしまうと予想される。パターン１のように、ＤＬＴＳ信号強度がさらに大きいウェーハを用いると、デバイス歩留りはさらに低下（×）（例えば歩留りは８０％程度に低下）してしまうと予想される。

このように、２８０Ｋ、１９０Ｋ、１２０Ｋ及び８５ＫでのＤＬＴＳ信号強度が大きくなるにつれて、デバイス歩留りは低下していくと予想される。そこで、表１のようなＤＬＴＳ信号強度とデバイス歩留りとの関係を実測により予め調べておく。具体的には、Ｎｂのドープ量を変えた試料を用意し、該試料についてＤＬＴＳ法による測定を行ってＤＬＴＳ信号強度を得るとともに、同様の試料（同様のＮｂのドープ量の試料）を用いてデバイスを製造して歩留りを調べる。このとき、表１の関係が得られたと仮定する。そして、例えば、デバイス歩留まりが○となるパターン３の各ＤＬＴＳ信号強度の合計をウェーハの良否を選別する閾値とする。そして、検査対象のｎ型シリコンウェーハに対してＤＬＴＳ法を適用し、このとき２８０Ｋ、１９０Ｋ、１２０Ｋ及び８５Ｋにおいて検出されるＤＬＴＳ信号強度の合計が先に設定した閾値より小さい場合に、該ｎ型シリコンウェーハを良品として選別し、選別したウェーハを用いてデバイスを製造する。言い換えると、２８０Ｋ、１９０Ｋ、１２０Ｋ及び８５Ｋにおいて検出されるＤＬＴＳ信号強度の合計が閾値を超えるウェーハは不良品として選別し、デバイス製造には用いないようにする。これによって、デバイスの歩留り低下を抑制することができる。

なお、２８０Ｋ、１９０Ｋ、１２０Ｋ、８５ＫごとにＤＬＴＳ信号強度の閾値を個別に設定して、ウェーハの選別を行っても良い。具体的には表１の例で説明すると、パターン３の各ＤＬＴＳ信号強度をそれぞれウェーハの良否を選別する閾値と考える。そして、ウェーハの検査において、２８０ＫのＤＬＴＳ信号強度が３Ｅ１１ｃｍ^−３未満となり、かつ、１９０ＫのＤＬＴＳ信号強度が１Ｅ１１ｃｍ^−３未満となり、かつ、１２０ＫのＤＬＴＳ信号強度が１Ｅ１１ｃｍ^−３未満となり、かつ、８５ＫのＤＬＴＳ信号強度が検出下限（Ｄ．Ｌ.）を示したウェーハを、デバイス製造に用いるウェーハとして選別する一方で、各ピーク温度のＤＬＴＳ信号強度が１つでも個別に設定した閾値を超えたウェーハはデバイス製造には用いないようにする。

以上説明したように、本発明者らは、ＤＬＴＳ法を用いたｎ型シリコンウェーハの評価方法であり、ピーク温度が２８０Ｋ、１９０Ｋ、１２０Ｋ及び８５Ｋとなる金属不純物のＤｅｅｐＬｅｖｅｌ濃度を評価することにより本発明を完成させた。

本発明においては、ＤＬＴＳ法における測定条件（２８０Ｋ、１９０Ｋ、１２０Ｋ及び８５Ｋのピーク温度における金属不純物によるＤｅｅｐＬｅｖｅｌ濃度を評価すること）に特徴があるのであり、その他のＤＬＴＳ法の具体的な手順、測定条件等は、例えば従来法と同様のものとすることができる。

さらには、このような本発明の評価方法によって、例えばシリコンエピタキシャル工程等において、ウェーハ中の上記金属不純物（Ｎｂ）によるＤｅｅｐＬｅｖｅｌ濃度の評価を行い、該評価結果に基づいてウェーハを検査して、良品であるか等の判定をして選別を行えば、デバイス特性の悪化により歩留まりが低下することのないｎ型シリコンウェーハを提供することができる。判定基準、選別基準等は、例えば規格や顧客の要望する品質によって適宜決定することができる。

したがって、このような本発明の評価方法、検査方法を用いることによって、優れた品質のシリコンウェーハを選別することができ、これを例えば撮像素子用として用いれば、撮像素子を歩留り良く製造することができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。例えば、本発明の評価方法及び検査方法は、どの段階のｎ型シリコンウェーハに対しても適用でき、具体的には、エピタキシャル成長する前のウェーハの段階で本発明を適用しても良いし、エピタキシャルウェーハの段階で本発明を適用しても良い。

Claims

ｎ型シリコンウェーハ中の金属不純物による深い準位の濃度をＤＬＴＳ法によって評価するウェーハ中不純物の評価方法であって、
前記ＤＬＴＳ法による評価において、温度を変化させながら静電容量の変化を測定して、該静電容量の変化がピークを示すピーク温度が２８０Ｋ、１９０Ｋ、１２０Ｋ及び８５Ｋとなる金属不純物による深い準位の濃度を評価することを特徴とするウェーハ中不純物の評価方法。
前記ピーク温度が２８０Ｋ、１９０Ｋ、１２０Ｋ及び８５Ｋとなる金属不純物をＮｂとすることを特徴とする請求項１に記載のウェーハ中不純物の評価方法。
請求項１又は２に記載のウェーハ中不純物の評価方法により、ｎ型シリコンウェーハ中の金属不純物による深い準位の濃度を評価し、その評価結果に基づいて良品のウェーハを選別することを特徴とするｎ型シリコンウェーハの検査方法。