JP2015185811A - Evaluation method of semiconductor substrate - Google Patents

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大槻 剛
Takeshi Otsuki
剛 大槻
竹野 博
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博 竹野
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an evaluation method of a semiconductor substrate capable of evaluating a state of a crystal defect of a semiconductor substrate even when there is no characteristic light emission.SOLUTION: The evaluation method of a semiconductor substrate having a crystal defect to which a defect recovery heat treatment is applied for recovering the crystal defect includes steps of: measuring intensity of band end light emission of the semiconductor substrate by using a luminescence method; and evaluating a degree of recovery of crystallinity of the semiconductor substrate on the basis of a result of the measurement.

Description

本発明は、半導体基板の評価方法に関する。   The present invention relates to a method for evaluating a semiconductor substrate.

LSI高性能化のために微細化が進められ、ゲート長が短くなってきている。ゲート長が短くなったため、ソース・ドレイン領域の拡散深さを浅くする必要が生じている。たとえば、ゲート長が30nm程度のデバイス(トランジスタ)であれば、ソース・ドレイン部の拡散深さは15nm程度となり、非常に浅い拡散が必要となる。   Miniaturization has been advanced for higher performance of LSI, and the gate length has been shortened. Since the gate length is shortened, it is necessary to reduce the diffusion depth of the source / drain regions. For example, in the case of a device (transistor) having a gate length of about 30 nm, the diffusion depth of the source / drain portion is about 15 nm, and very shallow diffusion is required.

従来、このような拡散層形成には、イオン注入が用いられ、たとえばBやBF ++を0.2〜0.5keVという非常に低加速で注入する方法が用いられる。しかしイオン注入された原子はこのままでは抵抗を下げることができない。またイオン注入された領域ではシリコン基板中に格子間シリコンや原子空孔などの点欠陥が生じる。 Conventionally, ion implantation is used to form such a diffusion layer. For example, a method of implanting B + or BF 2 ++ at a very low acceleration of 0.2 to 0.5 keV is used. However, the resistance of the ion-implanted atoms cannot be lowered as it is. In the ion-implanted region, point defects such as interstitial silicon and atomic vacancies are generated in the silicon substrate.

このため、イオン注入後には、原子の活性化(抵抗を下げる)と欠陥回復のためにアニールを行うが、このアニールにより、イオン注入された原子は拡散し不純物分布が広がってしまう。さらにアニールだけでなくイオン注入により生じた点欠陥により不純物拡散が増速する現象も知られている。   For this reason, after ion implantation, annealing is performed to activate the atoms (reduce the resistance) and recover defects, but this annealing diffuses the implanted ions and expands the impurity distribution. Furthermore, a phenomenon is known in which impurity diffusion is accelerated not only by annealing but also by point defects caused by ion implantation.

以上に述べた拡散の広がりを考慮しても、深さ15nm以下で、イオン注入用マスク直下横方向で10nm以下の浅いpn接合を形成できるようにするために、非常に短時間で高エネルギーを照射するアニール方法が検討され、採用されている(例えば、特許文献1参照)。   Even in consideration of the diffusion spread described above, in order to be able to form a shallow pn junction having a depth of 15 nm or less and a width of 10 nm or less in the lateral direction directly under the ion implantation mask, high energy can be applied in a very short time. An annealing method for irradiation has been studied and adopted (for example, see Patent Document 1).

このアニール方法としては、キセノン等の希ガスを封入したフラッシュランプを使用したアニール等が挙げられる。このランプは数十J/cm以上の高エネルギーを0.1〜100ミリ秒のパルス光として照射する方法である。このためイオン注入により形成した不純物分布をほとんど変化させずに活性化させることが可能である。 Examples of the annealing method include annealing using a flash lamp in which a rare gas such as xenon is sealed. This lamp irradiates high energy of several tens of J / cm 2 or more as pulsed light of 0.1 to 100 milliseconds. Therefore, it is possible to activate the impurity distribution formed by ion implantation with almost no change.

しかしながら、この高エネルギーを用いるがゆえに、シリコン基板中の熱応力が大きくなりシリコン基板の割れやスリップといったダメージが生じることが考えられ、実際にこれに対する検討がされている。   However, since this high energy is used, it is considered that the thermal stress in the silicon substrate increases and damage such as cracking or slipping of the silicon substrate occurs, and this is actually being studied.

例えば、特許文献2には、半導体基板中にダメージを招かずに、浅い不純物拡散領域を形成するために、半導体基板に対してアクセプタまたはドナーとなる物質と、半導体基板に対してアクセプタまたはドナーにならない物質とを有する物質を半導体基板に注入することが記載されている。   For example, in Patent Document 2, in order to form a shallow impurity diffusion region without causing damage in a semiconductor substrate, a substance that becomes an acceptor or a donor with respect to the semiconductor substrate and an acceptor or a donor with respect to the semiconductor substrate are disclosed. It is described that a substance having a substance that does not have to be implanted into a semiconductor substrate.

上述のように、半導体基板にイオン注入等をすることによって発生した結晶欠陥は、熱処理によって回復する。このとき、結晶欠陥の回復状態は、例えばルミネッセンス法を用いて評価されている。ルミネッセンス法としては、電子線を使用したカソードルミネッセンスやレーザー光を用いたフォトルミネッセンス法等を挙げることができる。これらはいずれも電子線やレーザー光を用いてキャリアを励起し、このキャリアがフォノンとしてエネルギーを消失する過程を発光として捉えるものであり、完全結晶からのわずかなずれ(欠陥)に対して非常に高感度である。エネルギー消失過程においてバンド内に準位が存在すると、このエネルギー準位に応じた発光を得ることが出来、欠陥の存在を高感度に検出することが出来る。   As described above, crystal defects generated by ion implantation or the like in the semiconductor substrate are recovered by heat treatment. At this time, the recovery state of the crystal defects is evaluated using, for example, a luminescence method. Examples of the luminescence method include cathodoluminescence using an electron beam and photoluminescence method using a laser beam. Both of these excite carriers using an electron beam or laser light, and capture the process in which these carriers lose their energy as phonons as light emission. High sensitivity. If a level exists in the band during the energy disappearance process, light emission corresponding to the energy level can be obtained, and the presence of a defect can be detected with high sensitivity.

特開2005−347704号公報JP 2005-347704 A 特開2009−027027号公報JP 2009-027027 A

しかしながら、前述のようにイオン注入技術及びアニール技術の向上により、導入される欠陥密度が小さくなり、従来のようなルミネッセンス法を用いて得られる結晶欠陥に起因する発光線(特性発光)を観察する方法では、半導体基板の結晶欠陥の状態を評価することが困難になってきた。   However, as described above, the defect density to be introduced is reduced by improving the ion implantation technique and the annealing technique, and light emission lines (characteristic light emission) caused by crystal defects obtained by using a conventional luminescence method are observed. With the method, it has become difficult to evaluate the state of crystal defects in the semiconductor substrate.

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、特性発光がなくとも半導体基板の結晶欠陥の状態を評価することができる半導体基板の評価方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a semiconductor substrate evaluation method capable of evaluating the state of crystal defects in a semiconductor substrate without characteristic light emission.

上記目的を達成するために、本発明では、結晶欠陥を有する半導体基板に対して前記結晶欠陥を回復するための欠陥回復熱処理を施した半導体基板の評価方法であって、
ルミネッセンス法を用いて、前記半導体基板のバンド端発光の強度を測定する工程と、
該測定の結果に基づいて、前記半導体基板の結晶性の回復度合いを評価する工程と
を有することを特徴とする半導体基板の評価方法を提供する。
In order to achieve the above object, the present invention provides a method for evaluating a semiconductor substrate that has been subjected to a defect recovery heat treatment for recovering the crystal defect with respect to a semiconductor substrate having a crystal defect,
A step of measuring the intensity of the band edge emission of the semiconductor substrate using a luminescence method;
And a step of evaluating the degree of crystallinity recovery of the semiconductor substrate based on the result of the measurement.

このような半導体基板の評価方法であれば、特性発光がなくとも半導体基板の結晶欠陥の状態を評価することができる。   With such a method for evaluating a semiconductor substrate, the state of crystal defects in the semiconductor substrate can be evaluated without characteristic light emission.

また、前記ルミネッセンス法を、カソードルミネッセンス法とすることが好ましい。   The luminescence method is preferably a cathodoluminescence method.

本発明において、例えば、シリコン半導体基板を評価する際には、このような方法を用いることが好ましい。   In the present invention, for example, such a method is preferably used when evaluating a silicon semiconductor substrate.

また、前記結晶欠陥を、半導体基板にイオン注入することによって発生したイオン注入欠陥とすることが好ましい。   The crystal defects are preferably ion implantation defects generated by ion implantation into the semiconductor substrate.

本発明は、半導体基板にイオン注入することによって発生した点欠陥等のイオン注入欠陥の回復度合いを評価するのに特に好適である。   The present invention is particularly suitable for evaluating the degree of recovery of ion implantation defects such as point defects generated by ion implantation into a semiconductor substrate.

また、前記測定する工程の前に、更に、ルミネッセンス法を用いて、前記イオン注入前の半導体基板のバンド端発光の強度を測定する工程を有することが好ましい。   Moreover, it is preferable to have the process of measuring the intensity | strength of the band edge light emission of the semiconductor substrate before the said ion implantation further using the luminescence method before the said process to measure.

このような半導体基板の評価方法であれば、結晶性の回復度合いを評価する工程において、欠陥回復熱処理後の半導体基板の結晶欠陥の状態をより正確に評価することができる。   With such a method for evaluating a semiconductor substrate, the state of crystal defects in the semiconductor substrate after the defect recovery heat treatment can be more accurately evaluated in the step of evaluating the degree of crystallinity recovery.

この場合、前記評価する工程において、前記欠陥回復熱処理後の半導体基板のバンド端発光の強度を前記イオン注入前の半導体基板のバンド端発光の強度で割った値であるバンド端発光の強度比に基づいて、前記欠陥回復熱処理後の半導体基板の結晶性の回復度合いを評価することが好ましい。   In this case, in the step of evaluating, the intensity of the band edge emission is a value obtained by dividing the intensity of the band edge emission of the semiconductor substrate after the defect recovery heat treatment by the intensity of the band edge emission of the semiconductor substrate before the ion implantation. Based on this, it is preferable to evaluate the degree of crystallinity recovery of the semiconductor substrate after the defect recovery heat treatment.

このような工程を有する半導体基板の評価方法であれば、欠陥回復熱処理後の半導体基板とイオン注入前の半導体基板の状態を比較し、評価することができるので、結晶性の回復度合いをより正確に評価することができる。   If the semiconductor substrate evaluation method has such a process, the state of the semiconductor substrate after the defect recovery heat treatment and the state of the semiconductor substrate before the ion implantation can be compared and evaluated. Can be evaluated.

この場合、前記評価する工程において、前記バンド端発光の強度比が、0.8以上のときに、前記欠陥回復熱処理後の半導体基板を、欠陥が回復したものと評価することが好ましい。   In this case, in the step of evaluating, when the intensity ratio of the band edge emission is 0.8 or more, it is preferable to evaluate the semiconductor substrate after the defect recovery heat treatment as having recovered the defects.

このように評価すれば、欠陥が回復した半導体基板を簡便に見分けることが可能である。   If it evaluates in this way, it is possible to distinguish easily the semiconductor substrate from which the defect was recovered.

また、前記欠陥回復熱処理を、急速加熱・急速冷却熱処理とすることができる。   The defect recovery heat treatment can be a rapid heating / cooling heat treatment.

本発明では、このような熱処理を欠陥回復熱処理として採用することができる。   In the present invention, such heat treatment can be employed as defect recovery heat treatment.

また、前記半導体基板を、シリコン半導体基板とすることが好ましい。   The semiconductor substrate is preferably a silicon semiconductor substrate.

本発明は、結晶欠陥を有するシリコン半導体基板の結晶性の回復度合いを評価するのに特に好適である。   The present invention is particularly suitable for evaluating the degree of crystallinity recovery of a silicon semiconductor substrate having crystal defects.

この場合、前記バンド端発光を、TO線とすることが好ましい。   In this case, it is preferable that the band edge emission is a TO line.

本発明によりシリコン半導体基板の結晶性の回復度合いを評価する場合は、バンド端発光を、TO線とすることが好ましい。   When evaluating the degree of crystallinity recovery of the silicon semiconductor substrate according to the present invention, it is preferable that the band edge emission is the TO line.

本発明の半導体基板の評価方法であれば、特性発光がなくとも半導体基板の結晶欠陥の状態を評価することができる。また、バンド端発光の強度比を測定することによって、欠陥回復熱処理後の半導体基板及びイオン注入前の半導体基板の状態を比較し、評価することができるので、結晶性の回復度合いをより正確に評価することができる。また、本発明であれば、イオン注入で生じた欠陥の回復度合いを把握することが可能であり、欠陥制御の観点から非常に有効である。   With the method for evaluating a semiconductor substrate of the present invention, the state of crystal defects in the semiconductor substrate can be evaluated without characteristic light emission. In addition, by measuring the intensity ratio of the band edge emission, the state of the semiconductor substrate after the defect recovery heat treatment and the state of the semiconductor substrate before the ion implantation can be compared and evaluated. Can be evaluated. Further, according to the present invention, it is possible to grasp the degree of recovery of defects caused by ion implantation, which is very effective from the viewpoint of defect control.

実施例で得られたTO線強度比と、接合リーク電流との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between TO line intensity ratio obtained in the Example, and junction leakage current. 図1のグラフの中で、TO線強度比が0.3のときのCLスペクトルである。In the graph of FIG. 1, it is a CL spectrum when the TO line intensity ratio is 0.3.

以下、本発明をより詳細に説明する。
上記のように、特性発光がなくとも半導体基板の結晶欠陥の状態を評価することができる半導体基板の評価方法が求められている。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
As described above, there is a need for a method for evaluating a semiconductor substrate that can evaluate the state of crystal defects in the semiconductor substrate without characteristic light emission.

本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討を行った結果、結晶欠陥を有する半導体基板に対して前記結晶欠陥を回復するための欠陥回復熱処理を施した半導体基板の評価方法であって、
ルミネッセンス法を用いて、前記半導体基板のバンド端発光の強度を測定する工程と、
該測定の結果に基づいて、前記半導体基板の結晶性の回復度合いを評価する工程と
を有する半導体基板の評価方法が、上記課題を解決できることを見出し、本発明の半導体基板の評価方法を完成させた。
As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have found a semiconductor substrate evaluation method in which a semiconductor substrate having crystal defects is subjected to a defect recovery heat treatment for recovering the crystal defects. And
A step of measuring the intensity of the band edge emission of the semiconductor substrate using a luminescence method;
Based on the result of the measurement, the method for evaluating a semiconductor substrate having a step of evaluating the degree of crystallinity recovery of the semiconductor substrate has been found to solve the above problems, and the method for evaluating a semiconductor substrate of the present invention has been completed. It was.

以下、本発明の実施の形態について具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail, but the present invention is not limited thereto.

[結晶欠陥を有する半導体基板を準備する工程]
まず、シリコン半導体基板、例えば、ボロン等のドーパントをドープしたP型シリコンウェーハを準備する。次に、このウェーハ表面に不純物拡散層を形成する。不純物拡散層は、例えば、ボロン等のドーパントをイオン注入することによって形成することができる。このイオン注入により点欠陥等のイオン注入欠陥がシリコン半導体基板中に形成される。
[Step of preparing a semiconductor substrate having crystal defects]
First, a silicon semiconductor substrate, for example, a P-type silicon wafer doped with a dopant such as boron is prepared. Next, an impurity diffusion layer is formed on the wafer surface. The impurity diffusion layer can be formed, for example, by ion implantation of a dopant such as boron. By this ion implantation, ion implantation defects such as point defects are formed in the silicon semiconductor substrate.

不純物拡散層を形成する前、例えば、イオン注入する前に、後述するルミネッセンス法を用いて、半導体基板のバンド端発光の強度を測定することが好ましい。これにより、結晶性の回復度合いを評価する工程において、欠陥回復熱処理後の半導体基板の結晶欠陥の状態をより詳細に評価することができる。   Before forming the impurity diffusion layer, for example, before ion implantation, it is preferable to measure the intensity of the band edge emission of the semiconductor substrate using a luminescence method described later. Thereby, in the step of evaluating the degree of recovery of crystallinity, the state of crystal defects of the semiconductor substrate after the defect recovery heat treatment can be evaluated in more detail.

[半導体基板のバンド端発光の強度を測定する工程]
次に、ルミネッセンス法を用いて、欠陥回復熱処理を施した半導体基板のバンド端発光の強度を測定する。欠陥回復熱処理の方法は特に限定されないが、例えば、1050℃,30秒の急速加熱・急速冷却熱処理(RTA処理)を挙げることができる。
[Step of measuring the intensity of the band edge emission of the semiconductor substrate]
Next, the intensity of the band edge emission of the semiconductor substrate subjected to the defect recovery heat treatment is measured using a luminescence method. The method of defect recovery heat treatment is not particularly limited, and examples thereof include rapid heating / cooling heat treatment (RTA treatment) at 1050 ° C. for 30 seconds.

バンド端発光の強度は、半導体基板の少なくとも一箇所(例えば、基板表面の一箇所)で測定すればよいが、同じ半導体基板の表面を二箇所以上で測定してもよい。これにより、一つの半導体基板の表面における結晶性の回復度合いの面内分布を評価することができ、より正確な評価をすることができる。   The intensity of the band edge emission may be measured at at least one location (for example, one location on the substrate surface) of the semiconductor substrate, but the surface of the same semiconductor substrate may be measured at two or more locations. Thereby, the in-plane distribution of the degree of recovery of crystallinity on the surface of one semiconductor substrate can be evaluated, and more accurate evaluation can be performed.

また、同じインゴットから切り出された基板を複数準備し、複数の熱処理条件で、欠陥回復熱処理を行い、それぞれのバンド端発光の強度を測定してもよい。これにより、次工程で、どのような条件で熱処理を行うと、半導体基板の結晶性がどのように回復するかを評価することができる。   Alternatively, a plurality of substrates cut from the same ingot may be prepared, defect recovery heat treatment may be performed under a plurality of heat treatment conditions, and the intensity of each band edge emission may be measured. Thereby, it is possible to evaluate how the crystallinity of the semiconductor substrate is restored by performing heat treatment in the next step.

ルミネッセンス法の中でも、シリコン半導体基板を測定する際には、カソードルミネッセンス法(CL法)を用いることが特に好ましい。CL法であれば、電子線をプローブとして、高い空間分解能で試料の応力・歪分布、欠陥分布、キャリア分布を評価することができる。カソードルミネッセンスとは電子線を試料に照射したときに放出される紫外・可視・近赤外領域の発光のことである。   Among the luminescence methods, it is particularly preferable to use the cathodoluminescence method (CL method) when measuring a silicon semiconductor substrate. The CL method can evaluate the stress / strain distribution, defect distribution, and carrier distribution of a sample with high spatial resolution using an electron beam as a probe. Cathodoluminescence is light emission in the ultraviolet / visible / near infrared region emitted when a sample is irradiated with an electron beam.

CL法を用いる場合、電子線を半導体基板に照射し、発光スペクトルを得ることによって、半導体基板のバンド端発光の強度を測定することができる。このように、CL法を用いることで、欠陥の回復度合いをより正確に調べることが可能になる。   When the CL method is used, the intensity of the band edge emission of the semiconductor substrate can be measured by irradiating the semiconductor substrate with an electron beam and obtaining an emission spectrum. Thus, by using the CL method, it becomes possible to more accurately investigate the degree of defect recovery.

このCL法における発光のメカニズムは材料によって異なるが、シリコンのような間接遷移型半導体の場合は、(1)電子・正孔対の生成、(2)キャリアの拡散、(3)発光再結合の3つが存在する。シリコンの場合は、バンドギャップ(約1.1eV)に相当するTOフォノン線(TO線)が強く観察される。これは、シリコンが間接遷移型半導体であるためのフォノン放出を伴うバンド間遷移である。   The light emission mechanism in this CL method differs depending on the material, but in the case of an indirect transition type semiconductor such as silicon, (1) generation of electron / hole pairs, (2) carrier diffusion, (3) light emission recombination There are three. In the case of silicon, a TO phonon line (TO line) corresponding to a band gap (about 1.1 eV) is strongly observed. This is an interband transition with phonon emission because silicon is an indirect transition semiconductor.

装置としては、一般的に電子線源として走査型電子顕微鏡(SEM)を用い、これに試料からの発光を検出する検出器・分光器、さらに格子振動を押さえて発光強度を得るためのステージ冷却などの機構が具備されているものを使用することが好ましい。電子線源としてSEMを使用する装置概要からも分かる通り、CL法の特徴としては、SEM像との比較が可能、広範囲波長の発光スペクトルが得られる、高分解能、加速電圧を変化させることで深さ分析が可能な点がある。   As an apparatus, a scanning electron microscope (SEM) is generally used as an electron beam source, and a detector / spectrometer for detecting light emission from a sample is used for this. Further, stage cooling for obtaining light emission intensity by suppressing lattice vibration. It is preferable to use one provided with a mechanism such as. As can be seen from the outline of an apparatus using an SEM as an electron beam source, the CL method can be compared with an SEM image, an emission spectrum of a wide range of wavelengths can be obtained, high resolution, and deep by changing the acceleration voltage. There is a point that can be analyzed.

結晶欠陥や不純物がバンドギャップ内にエネルギー準位を形成するとバンド間遷移発光(バンド端発光)以外に結晶欠陥や不純物を介した発光(特性発光)が生じる。しかしながら、上述のように半導体基板に導入される欠陥密度が小さい場合、結晶欠陥等が存在していても、特性発光が観察されないことがある。即ち、非発光中心が存在していることがある。本発明であれば、特性発光が観察されなくとも(非発光中心が存在していても)、バンド端発光の強度(例えば、後述するバンド端発光の強度比)の測定により、半導体基板の結晶欠陥の存在を確認することができる。   When crystal defects and impurities form energy levels in the band gap, light emission (characteristic light emission) through crystal defects and impurities occurs in addition to interband transition light emission (band edge light emission). However, when the defect density introduced into the semiconductor substrate is small as described above, characteristic luminescence may not be observed even if crystal defects exist. That is, a non-luminescent center may exist. According to the present invention, even if characteristic luminescence is not observed (even if a non-luminescent center is present), the crystal of the semiconductor substrate can be measured by measuring the intensity of band edge emission (for example, the intensity ratio of band edge emission described later). The presence of defects can be confirmed.

本発明に用いることができる半導体基板は特に限定されない。本発明は、フォノンの介在がなくとも発光する直接遷移型半導体を評価することもできるが、上記のように、フォノンの放出を伴うバンド端発光(TO線)が強く観察されるシリコン半導体基板等の間接遷移型半導体を評価するのに好適である。尚、TO線は欠陥(バンド内に存在する欠陥)起因ではなく、完全結晶におけるバンド端発光である。以下、シリコン半導体基板のTO線の強度を測定した場合を中心に説明する。   The semiconductor substrate that can be used in the present invention is not particularly limited. Although the present invention can also evaluate a direct transition type semiconductor that emits light without phonon intervention, as described above, a silicon semiconductor substrate or the like in which band edge emission (TO line) accompanied by phonon emission is strongly observed, etc. It is suitable for evaluating the indirect transition type semiconductor. The TO line is not caused by defects (defects existing in the band) but is emitted from the band edge in the complete crystal. Hereinafter, the case where the intensity of the TO wire of the silicon semiconductor substrate is measured will be mainly described.

[半導体基板の結晶性の回復度合いを評価する工程]
次に、バンド端発光の強度の測定の結果に基づいて、半導体基板の結晶性の回復度合いを評価する。
[Step of evaluating crystallinity recovery degree of semiconductor substrate]
Next, the degree of crystallinity recovery of the semiconductor substrate is evaluated based on the measurement result of the intensity of the band edge emission.

結晶性の回復度合いの評価方法としては、例えば、前工程で半導体基板の表面を一箇所測定し、本工程で半導体基板の表面の結晶性の回復度合いを評価する方法、前工程で同じ半導体基板の表面を二箇所以上で測定し、本工程で一つの半導体基板の表面における結晶性の回復度合いの違いを評価する方法及び前工程で基板を複数準備し、複数の熱処理条件で欠陥回復熱処理を行い、それぞれのバンド端発光の強度を測定し、本工程で熱処理条件に応じた半導体基板の結晶性の回復度合いを評価する方法等を挙げることができる。   As an evaluation method of the degree of recovery of crystallinity, for example, the surface of the semiconductor substrate is measured in one place in the previous step, and the degree of crystallinity recovery of the surface of the semiconductor substrate is evaluated in this step, the same semiconductor substrate in the previous step This method measures the surface of two or more locations, evaluates the difference in the degree of recovery of crystallinity on the surface of one semiconductor substrate in this step, and prepares multiple substrates in the previous step, and performs defect recovery heat treatment under multiple heat treatment conditions. The intensity | strength of each band edge light emission is measured, The method etc. which evaluate the crystallinity recovery | restoration degree of the semiconductor substrate according to heat processing conditions at this process can be mentioned.

これらの場合、欠陥回復熱処理後の半導体基板のバンド端発光の強度のみを測定して、結晶性の回復度合いを評価することができるが、欠陥回復熱処理後の半導体基板のバンド端発光の強度をイオン注入前の当該半導体基板のバンド端発光の強度で割った値であるバンド端発光の強度比に基づいて、欠陥回復熱処理後の半導体基板の結晶性の回復度合いを評価することが好ましい。この場合、前述のように、不純物拡散層を形成する前に、ルミネッセンス法を用いて半導体基板のバンド端発光の強度を測定する。以下、バンド端発光の強度比により、結晶性の回復度合いを評価する方法を中心に説明する。   In these cases, it is possible to evaluate the degree of crystallinity recovery by measuring only the intensity of the band edge emission of the semiconductor substrate after the defect recovery heat treatment. It is preferable to evaluate the crystallinity recovery degree of the semiconductor substrate after the defect recovery heat treatment based on the intensity ratio of the band edge emission that is a value divided by the intensity of the band edge emission of the semiconductor substrate before ion implantation. In this case, as described above, before forming the impurity diffusion layer, the intensity of the band edge emission of the semiconductor substrate is measured using a luminescence method. Hereinafter, a method for evaluating the degree of crystallinity recovery based on the intensity ratio of band edge emission will be mainly described.

イオン注入前の半導体基板は、イオン注入欠陥を有しないため、イオン注入後の半導体基板よりも結晶欠陥が少ない。そのため、完全結晶におけるバンド端発光であるTO線が強く観察される。その一方で、欠陥回復熱処理後の半導体基板のTO線は、相対的に弱く観察される。結晶性がイオン注入前の半導体基板と比べて相対的に低下しているためである。   Since the semiconductor substrate before ion implantation does not have ion implantation defects, it has fewer crystal defects than the semiconductor substrate after ion implantation. Therefore, the TO line that is the band edge emission in the complete crystal is strongly observed. On the other hand, the TO line of the semiconductor substrate after the defect recovery heat treatment is observed relatively weakly. This is because the crystallinity is relatively lowered as compared with the semiconductor substrate before ion implantation.

欠陥回復熱処理後の半導体基板のバンド端発光の強度は、熱処理の条件によって変動する。例えば、結晶欠陥が十分に回復しない条件で熱処理を行うと、バンド端発光の強度比は小さくなる。それとは対照的に、結晶欠陥が十分に回復する条件で熱処理を行うと、バンド端発光の強度比は大きくなる。従って、バンド端発光の強度比を算出する(バンド端発光の強度の回復度合いを確認する)ことによって、欠陥回復熱処理後の半導体基板の結晶性の回復度合いをより正確に評価することができる。   The intensity of the band edge emission of the semiconductor substrate after the defect recovery heat treatment varies depending on the heat treatment conditions. For example, if heat treatment is performed under conditions where crystal defects are not sufficiently recovered, the intensity ratio of band edge emission becomes small. In contrast, when the heat treatment is performed under the condition that the crystal defects are sufficiently recovered, the intensity ratio of the band edge emission increases. Therefore, by calculating the intensity ratio of the band edge emission (confirming the degree of recovery of the intensity of the band edge emission), the degree of recovery of the crystallinity of the semiconductor substrate after the defect recovery heat treatment can be more accurately evaluated.

また、前工程でバンド端発光の強度を同じ半導体基板の表面の二箇所以上で測定した場合、本工程で一つの半導体基板で複数のバンド端発光の強度比を算出することができる。これにより、より正確に、一つの半導体基板の表面における結晶性の回復度合いの違いを評価することができる。   Further, when the intensity of the band edge emission is measured in two or more places on the surface of the same semiconductor substrate in the previous process, the intensity ratio of a plurality of band edge emission can be calculated in one semiconductor substrate in this process. This makes it possible to more accurately evaluate the difference in the degree of crystallinity recovery on the surface of one semiconductor substrate.

また、前工程で基板を複数準備し、複数の熱処理条件で欠陥回復熱処理を行い、それぞれのバンド端発光の強度を測定した場合、本工程で、熱処理条件ごとにバンド端発光の強度比を算出することができる。これにより、より正確に、熱処理条件に応じた半導体基板の結晶性の回復度合いを評価することができる。   In addition, when multiple substrates are prepared in the previous process, defect recovery heat treatment is performed under multiple heat treatment conditions, and the intensity of each band edge emission is measured, the intensity ratio of the band edge emission is calculated for each heat treatment condition in this process. can do. This makes it possible to more accurately evaluate the degree of crystallinity recovery of the semiconductor substrate in accordance with the heat treatment conditions.

図1は、後述する実施例で得られたTO線強度比と、接合リーク電流との関係を示すグラフである。図1において、縦軸はTO線強度比、横軸は接合リーク電流の値である。複数の処理温度で欠陥回復熱処理を行い、それぞれの温度でTO線強度比及び接合リーク電流を測定している。この際、TO線強度比が小さくなると接合リーク電流が大きくなる傾向を示す。   FIG. 1 is a graph showing the relationship between the TO line intensity ratio and the junction leakage current obtained in the examples described later. In FIG. 1, the vertical axis represents the TO line intensity ratio, and the horizontal axis represents the value of the junction leakage current. Defect recovery heat treatment is performed at a plurality of processing temperatures, and the TO line intensity ratio and the junction leakage current are measured at each temperature. At this time, the junction leakage current tends to increase as the TO line intensity ratio decreases.

一般的に、半導体基板の表面における結晶欠陥の存在量が増加するにつれて、接合リーク電流が大きくなる。従って、この傾向から、TO線強度比が小さいとき(例えば0.5以下のとき)、半導体基板の結晶性の回復度合いは十分でないと評価することが可能であるということがわかる。   In general, the junction leakage current increases as the amount of crystal defects on the surface of the semiconductor substrate increases. Therefore, it can be seen from this tendency that when the TO line intensity ratio is small (for example, 0.5 or less), it is possible to evaluate that the degree of recovery of crystallinity of the semiconductor substrate is not sufficient.

尚、図1から、バンド端発光の強度比と結晶欠陥の存在量の間に相関があることを確認することができる。従って、接合リーク電流(電気特性)を改善するためには、バンド端発光の強度(強度比)を算出するだけでも、もちろん欠陥回復熱処理後の半導体基板の結晶性の回復度合いを評価することができる。   It can be confirmed from FIG. 1 that there is a correlation between the intensity ratio of the band edge emission and the abundance of crystal defects. Therefore, in order to improve the junction leakage current (electrical characteristics), it is of course possible to evaluate the degree of crystallinity recovery of the semiconductor substrate after the defect recovery heat treatment by simply calculating the intensity (intensity ratio) of the band edge emission. it can.

また、図1に示すように、特に、TO線強度比が0.8以上のとき、接合リーク電流も抑えられている。従って、TO線強度比が0.8以上のとき、欠陥回復熱処理後の半導体基板を、欠陥が回復したものと評価することができる。例えば、予め、TO線強度比が0.8以上となる熱処理条件を本発明により求め、この条件下で欠陥回復熱処理を実施すれば、結晶欠陥の少ない半導体基板を製造することができる。   Further, as shown in FIG. 1, particularly when the TO line intensity ratio is 0.8 or more, the junction leakage current is also suppressed. Therefore, when the TO line intensity ratio is 0.8 or more, the semiconductor substrate after the defect recovery heat treatment can be evaluated as having recovered the defects. For example, if a heat treatment condition in which the TO line intensity ratio is 0.8 or more is obtained in advance according to the present invention and defect recovery heat treatment is performed under this condition, a semiconductor substrate with few crystal defects can be manufactured.

また、図2は、図1のグラフの中で、TO線強度比が0.3のときのCLスペクトルである。図2に示すように、リーク電流が高い状態(結晶欠陥が存在する状態)であっても、特性発光が観察されないことがある。この場合、非発光中心が存在しているために、TO線強度比が小さくなっている。   FIG. 2 is a CL spectrum when the TO line intensity ratio is 0.3 in the graph of FIG. As shown in FIG. 2, characteristic light emission may not be observed even in a state where the leakage current is high (a state where crystal defects exist). In this case, since the non-light emission center exists, the TO line intensity ratio is small.

このように、本発明であれば、従来のような特性発光を観察する方法では検出できなかった結晶欠陥(非発光中心等)も検出することができ、より正確に半導体基板の評価を行うことができる。また、バンド端発光の強度を測定するために、特別な処理(例えば、PN接合の形成等)をしなくてもよいので、より簡便に半導体基板の評価を行うこともできる。   Thus, according to the present invention, it is possible to detect crystal defects (such as non-emission centers) that could not be detected by the conventional method of observing characteristic luminescence, and to more accurately evaluate a semiconductor substrate. Can do. In addition, since it is not necessary to perform a special process (for example, formation of a PN junction) in order to measure the intensity of the band edge emission, the semiconductor substrate can be more easily evaluated.

[本発明の用途]
本発明は、半導体基板の結晶欠陥、特に、PN接合を形成する際に発生したイオン注入欠陥の回復度合いを評価するのに好適である。従って、本発明は、表面に不純物拡散層を形成する半導体基板を製造する際に適応することができる。
[Use of the present invention]
The present invention is suitable for evaluating the degree of recovery of crystal defects in a semiconductor substrate, in particular, ion implantation defects generated when forming a PN junction. Therefore, the present invention can be applied when manufacturing a semiconductor substrate in which an impurity diffusion layer is formed on the surface.

以下、実施例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example is shown and this invention is demonstrated more concretely, this invention is not limited to this Example.

(実施例)
試料としてボロンをドープした直径200mmのP型シリコンウェーハを用いた。このシリコンウェーハの抵抗率は10Ω・cmである。このウェーハにボロンを55keVで5×1012atoms/cmのイオン注入を行い、予めRTAにて回復アニールを行った。このとき温度を800から1100℃まで変化させた。このようにして、実際にCLにて評価するウェーハをそれぞれ得た。
(Example)
As a sample, a P-type silicon wafer having a diameter of 200 mm doped with boron was used. The resistivity of this silicon wafer is 10 Ω · cm. The wafer was ion-implanted with boron at 55 keV at 5 × 10 12 atoms / cm 2 and preliminarily annealed with RTA. At this time, the temperature was changed from 800 to 1100 ° C. In this way, wafers actually evaluated by CL were obtained.

次に、同じ基板を別途準備し、酸化膜形成及び酸化膜の窓明けを行った後、同じ条件でボロンのイオン注入を行った。次に、この基板の表面にPN接合を形成するためのイオン注入を行い、それぞれの温度でRTAにて回復アニールを行った。次に、このPN接合が形成された基板のリーク電流をそれぞれの温度で測定(測定条件:印加電圧3V、室温、接合面積1mm)した。この測定を、900箇所で実施し、900箇所で得られた測定値の中央値を代表値とした。 Next, after preparing the same substrate separately, forming an oxide film and opening an oxide film, boron ions were implanted under the same conditions. Next, ion implantation for forming a PN junction was performed on the surface of the substrate, and recovery annealing was performed by RTA at each temperature. Next, the leakage current of the substrate on which the PN junction was formed was measured at each temperature (measurement conditions: applied voltage 3 V, room temperature, junction area 1 mm 2 ). This measurement was performed at 900 locations, and the median value of the measured values obtained at 900 locations was used as a representative value.

その後、評価するウェーハにおいて、この代表値とした接合箇所と同じ箇所のイオン注入欠陥の回復度合い(結晶性の回復度合い)をCL法にて評価した。   Thereafter, in the wafer to be evaluated, the degree of recovery of ion implantation defects (the degree of crystallinity recovery) at the same locations as the joint locations as the representative values was evaluated by the CL method.

全ての温度条件で、シリコンのバンド端発光に起因するTO線以外の発光は観察されなかった。また、TO線強度比は、イオン注入後のアニール温度が低くなるに従い小さくなる傾向を示した。尚、透過型電子顕微鏡(TEM)では、イオン注入した領域には何も欠陥は観察されなかった。   Under all temperature conditions, no emission other than the TO line due to silicon band edge emission was observed. Moreover, the TO line intensity ratio tended to decrease as the annealing temperature after ion implantation decreased. In the transmission electron microscope (TEM), no defects were observed in the ion-implanted region.

図1に、TO線強度比と、接合リーク電流との関係を調べた結果を示す。リーク電流が小さくなるとTO線強度比が大きくなる傾向を示している。図2は、図1のグラフの中で、TO線強度比が0.3のときのCLスペクトルである。図2に示すように、TO線強度比が0.3のときは、TO線以外に特性発光は観察されていない。しかしながら、このとき、リーク電流は高い状態(約100pA)である。そのため、この場合は非発光中心の存在によりTO線強度が小さくなっているということがわかる。従って、TO線強度比が0.3のときの半導体基板は、欠陥(非発光中心)が存在するものであると評価することができる。   FIG. 1 shows the result of examining the relationship between the TO line intensity ratio and the junction leakage current. As the leakage current decreases, the TO line intensity ratio tends to increase. FIG. 2 is a CL spectrum when the TO line intensity ratio is 0.3 in the graph of FIG. As shown in FIG. 2, when the TO line intensity ratio is 0.3, no characteristic light emission is observed other than the TO line. However, at this time, the leakage current is in a high state (about 100 pA). Therefore, in this case, it can be seen that the TO line intensity is reduced due to the presence of the non-luminescent center. Therefore, it can be evaluated that a semiconductor substrate having a TO line intensity ratio of 0.3 has a defect (non-emission center).

このように、本発明であれば、特性発光がなくとも半導体基板の結晶欠陥の状態を評価することができる。特に、従来のような特性発光を観察する方法では検出できなかった結晶欠陥も検出することができ、より精密に半導体基板の評価を行うことができる。   As described above, according to the present invention, the state of crystal defects in the semiconductor substrate can be evaluated without characteristic light emission. In particular, crystal defects that could not be detected by the conventional method of observing characteristic light emission can be detected, and the semiconductor substrate can be evaluated more precisely.

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。   The present invention is not limited to the above embodiment. The above-described embodiment is an exemplification, and the present invention has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention, and any device that exhibits the same function and effect is the present invention. It is included in the technical scope of the invention.

Claims (9)

結晶欠陥を有する半導体基板に対して前記結晶欠陥を回復するための欠陥回復熱処理を施した半導体基板の評価方法であって、
ルミネッセンス法を用いて、前記半導体基板のバンド端発光の強度を測定する工程と、
該測定の結果に基づいて、前記半導体基板の結晶性の回復度合いを評価する工程と
を有することを特徴とする半導体基板の評価方法。
A method for evaluating a semiconductor substrate that has been subjected to a defect recovery heat treatment for recovering the crystal defects with respect to a semiconductor substrate having crystal defects,
A step of measuring the intensity of the band edge emission of the semiconductor substrate using a luminescence method;
And a step of evaluating a degree of crystallinity recovery of the semiconductor substrate based on a result of the measurement.
前記ルミネッセンス法を、カソードルミネッセンス法とすることを特徴とする請求項1に記載の半導体基板の評価方法。   The method for evaluating a semiconductor substrate according to claim 1, wherein the luminescence method is a cathodoluminescence method. 前記結晶欠陥を、半導体基板にイオン注入することによって発生したイオン注入欠陥とすることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の半導体基板の評価方法。   3. The semiconductor substrate evaluation method according to claim 1, wherein the crystal defect is an ion implantation defect generated by ion implantation into the semiconductor substrate. 前記測定する工程の前に、更に、ルミネッセンス法を用いて、前記イオン注入前の半導体基板のバンド端発光の強度を測定する工程を有することを特徴とする請求項3に記載の半導体基板の評価方法。   4. The semiconductor substrate evaluation according to claim 3, further comprising a step of measuring the intensity of light emission at a band edge of the semiconductor substrate before the ion implantation by using a luminescence method before the measuring step. Method. 前記評価する工程において、前記欠陥回復熱処理後の半導体基板のバンド端発光の強度を前記イオン注入前の半導体基板のバンド端発光の強度で割った値であるバンド端発光の強度比に基づいて、前記欠陥回復熱処理後の半導体基板の結晶性の回復度合いを評価することを特徴とする請求項4に記載の半導体基板の評価方法。   In the step of evaluating, based on the intensity ratio of the band edge emission that is a value obtained by dividing the intensity of the band edge emission of the semiconductor substrate after the defect recovery heat treatment by the intensity of the band edge emission of the semiconductor substrate before the ion implantation, The semiconductor substrate evaluation method according to claim 4, wherein the degree of crystallinity recovery of the semiconductor substrate after the defect recovery heat treatment is evaluated. 前記評価する工程において、前記バンド端発光の強度比が、0.8以上のときに、前記欠陥回復熱処理後の半導体基板を、欠陥が回復したものと評価することを特徴とする請求項5に記載の半導体基板の評価方法。   6. The step of evaluating, wherein, when the intensity ratio of the band edge emission is 0.8 or more, the semiconductor substrate after the defect recovery heat treatment is evaluated as having recovered the defects. The evaluation method of the semiconductor substrate of description. 前記欠陥回復熱処理を、急速加熱・急速冷却熱処理とすることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の半導体基板の評価方法。   The semiconductor substrate evaluation method according to claim 1, wherein the defect recovery heat treatment is a rapid heating / cooling heat treatment. 前記半導体基板を、シリコン半導体基板とすることを特徴とする請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の半導体基板の評価方法。   The semiconductor substrate evaluation method according to claim 1, wherein the semiconductor substrate is a silicon semiconductor substrate. 前記バンド端発光を、TO線とすることを特徴とする請求項8に記載の半導体基板の評価方法。   The method for evaluating a semiconductor substrate according to claim 8, wherein the band edge emission is a TO line.
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