JP2015222801A - 検量線の作成方法、不純物濃度の測定方法、及び半導体ウェハの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体中の不純物濃度を高い精度で測定可能な方法を提供する。
【解決手段】検量線の作成方法は、同一の半導体からなる複数の第１試料に不純物を互いに異なる量でイオン注入することと、不純物をイオン注入した第１試料の各々について、フォトルミネッセンス法により不純物に由来する発光の強度を測定して、注入した不純物の量と発光の強度との関係を求めることと、第１試料と同一の半導体からなる第２試料について、第１試料の各々に対するフォトルミネッセンス法による発光の強度測定と同じ条件のもとで、フォトルミネッセンス法により第２試料に含まれている不純物に由来する発光の強度を測定することと、上記関係と、第２試料について得られた発光の強度と、フォトルミネッセンス法以外の方法で測定した第２試料に含まれている不純物の濃度とに基づいて、不純物の濃度とこの不純物に由来する発光の強度との関係を表す検量線を作成することとを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体中の不純物の濃度測定に使用する検量線に関する。

半導体ウェハに含まれている不純物は、半導体デバイスの性能に大きく影響する。そのため、半導体ウェハの製造においては、不純物の濃度を把握及び制御することが望ましい。例えば、半導体ウェハ中の炭素は、パワーデバイスの高耐圧化を妨げることが分かっている。従って、例えば、シリコンエピタキシャルウェハについては、エピタキシャル成長法により形成したシリコン単結晶層（以下、エピタキシャルシリコン層という）における炭素濃度を低減することが求められている。

ところで、インゴットをスライスしてなる単層構造のシリコンウェハは、通常、比較的高い濃度（１×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上）で炭素を含んでおり、その炭素濃度は既存の手法で測定できる。また、そのようなシリコンウェハは、単層構造であるので、フーリエ変換赤外分光法（ＦＴ−ＩＲ）などの透過法により炭素濃度を測定することが可能である。

一方、シリコンエピタキシャルウェハには、エピタキシャルシリコン層が１×１０^１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満の炭素濃度を有するものが多い。この濃度は、二次イオン質量分析（以下、ＳＩＭＳという）等の既存の手法により炭素濃度を測定する装置の検出限界の下限より低い。また、エピタキシャルウェハは多層構造を有しているため、透過法ではエピタキシャルシリコン層以外の層も測定することになり、赤外吸収法などの透過法が適用できない。

特許文献１には、フォトルミネッセンス法（以下、ＰＬ法という）を利用して半導体ウェハ中の不純物の濃度を測定する方法が記載されている。この方法では、半導体ウェハ中の不純物の濃度とこの不純物に由来する発光（以下、ＰＬという）の強度との関係を示す検量線を予め作成しておく。そして、不純物濃度が不明な半導体ウェハについてＰＬ強度の測定を行い、この測定結果を検量線に参照して、不純物濃度を得る。なお、検量線は、不純物濃度が既知の半導体ウェハを使用して作成する。

上記の通り、シリコンエピタキシャルウェハには、エピタキシャルシリコン層における炭素濃度が測定装置の検出限界の下限を下回っているものが多い。そのため、特許文献１に記載された方法をエピタキシャル層における炭素濃度の測定に適用しようとした場合、誤差が小さな検量線を作成すること自体が難しい。

特開２０１３−１５２９７７号公報

本発明の目的は、半導体中の不純物の濃度を高い精度で測定可能とすることにある。

本発明の第１側面によると、同一の半導体からなる複数の第１試料に不純物を互いに異なる量でイオン注入することと、前記不純物をイオン注入した前記複数の第１試料の各々について、フォトルミネッセンス法により前記不純物に由来する発光の強度を測定して、注入した前記不純物の量と前記発光の強度との関係を求めることと、前記複数の第１試料と同一の半導体からなる第２試料について、前記複数の第１試料の各々に対するフォトルミネッセンス法による発光の強度の測定と同じ条件のもとで、フォトルミネッセンス法により前記第２試料に含まれている前記不純物に由来する発光の強度を測定することと、前記関係と、前記第２試料について得られた発光の強度と、フォトルミネッセンス法以外の方法で測定した第２試料に含まれている前記不純物の濃度とに基づいて、前記不純物の濃度とこの不純物に由来する発光の強度との関係を表す検量線を作成することとを含んだ検量線の作成方法が提供される。

本発明の第２側面によると、第１側面に係る作成方法によって作成した検量線を用いて半導体中の不純物濃度を測定する測定方法であって、前記第１試料と同一の条件で製造された半導体からなる第１測定対象について、フォトルミネッセンス法により前記第１測定対象に含まれている不純物に由来する発光の強度を測定することと、前記第１測定対象に含まれている不純物に由来する発光の強度を前記検量線に参照して、前記第１測定対象に含まれている不純物の濃度を求めることとを含んだ測定方法が提供される。

本発明の第３側面によると、第２側面に係る測定方法を利用して半導体ウェハを製造する製造方法であって、半導体からなる複数のウェハを製造することと、前記複数のウェハの一部を抜き取り、前記抜き取ったウェハの少なくとも一部分を第１測定対象として用い、前記抜き取ったウェハに含まれている不純物の濃度を、前記測定方法を用いて測定することと、前記抜き取ったウェハに含まれている不純物の濃度を、予め定めておいた上限値と対比することと、前記抜き取ったウェハに含まれている不純物の濃度が、前記上限値を超えている場合に、前記複数のウェハの残りも不純物濃度が高い可能性があると判断するか、又は、前記複数のウェハの製造において異常が発生した可能性があると判断することとを含んだ製造方法が提供される。

本発明によると、半導体中の不純物の濃度を高い精度で測定することが可能となる。

不純物の注入量とＰＬ強度との関係の一例を示すグラフ。 不純物濃度とＰＬ強度との関係を表す検量線の一例を示すグラフ。

以下に、本発明の実施形態について説明する。

先ず、本発明の実施形態に係る検量線の作成方法について説明する。

この検量線の作成方法は、以下の手順を含む。

先ず、同一の半導体からなる複数の第１試料に、不純物を互いに異なる量でイオン注入する。

第１試料は、例えば、半導体ウェハである。第１試料は、例えば、シリコンからなる。

第１試料は、単層構造を有していてもよく、多層構造を有していてもよい。多層構造を有している第１試料は、例えば、半導体からなる基体上に、エピタキシャル成長法により半導体からなる１つ以上の単結晶層（以下、エピタキシャル層という）を形成してなるエピタキシャルウェハである。また、第１試料は、半導体ウェハを割断してなる断片であってもよい。

第１試料に注入する不純物は、検量線を用いて濃度を測定する不純物と同種である。この不純物は、例えば、炭素である。

ここでは、一例として、第１試料は、シリコンからなる単層構造のウェハ上に、シリコンからなるエピタキシャル層を形成してなるシリコンエピタキシャルウェハであるとする。また、ここでは、一例として、不純物は炭素であるとする。

第１試料の数は、２以上であればよい。不純物の注入量が異なる第１試料の数が多いほど、検量線の精度が高くなる。

第１試料の数が３以上である場合、或る第１試料と他の第１試料とで不純物の注入量が異なっていれば、２以上の第１試料は不純物の注入量が互いに等しくてもよい。不純物の注入量が等しい第１試料について得られるデータの平均値を利用することにより、検量線の精度を高めることができる。

第１試料への不純物の注入量の最大値と最小値との差は、十分に大きいことが望ましい。第１試料がシリコンエピタキシャルウェハであり、不純物が炭素である場合、第１試料への不純物の注入量は、好ましくは、その最小値に対する最大値の比が１０以上となるように定める。

上述したイオン注入を行うと、半導体は結晶構造にダメージを受ける。そこで、不純物を注入した第１試料に対しては、例えば、結晶性回復処理（結晶性回復アニール）を施す。

第１試料がシリコンからなるか又はシリコンエピタキシャル層を含んでいる場合、アニール温度は７００℃以上、１２００℃以下であることが好ましく、９００℃以上、１１００℃以下であることがより好ましい。なお、シリコンの結晶性を回復することを目的とした場合、一般には、アニール温度の下限値は約９００℃とされているが、７００℃でも結晶性は或る程度は回復する。

また、この場合、アニール時間はサンプルの厚さに応じて調整することが好ましい。例えば、サンプル厚が５００μｍ程度の場合、１０分以上とすることが好ましい。サンプルの厚さが薄く、短時間でサンプルが十分にアニール温度に達するならば、より短時間であっても十分に結晶性は回復する。

結晶性回復アニールは、例えば、窒素やアルゴンなどの不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましい。このような不活性ガスは、反応性を持たないため、結晶中に含まれていても、検量線の作成等に影響を及ぼさない。

不純物を注入した第１試料に対しては、結晶性回復処理の代わりに、再結晶化処理を施してもよい。この再結晶化処理を行うと、再結晶化領域において、注入した不純物の分布が均一になる。

再結晶化処理では、例えば、不純物を注入した第１試料に対して、アモルファス化処理及び短時間熱処理（ＲＴＰ）をこの順に行う。

アモルファス化処理では、例えば、第１試料に対してアルゴン等の希ガスをイオン注入する。このとき、希ガスでなくとも目的とする不純物の評価に影響しないものを注入することができる。

短時間熱処理は、窒素等の不活性ガスの雰囲気下で第１試料を短時間加熱して、第１試料の半導体を溶融及び結晶化させる処理である。短時間熱処理では、第１試料を、例えば、３０秒間、１１００℃に加熱する。アモルファス化処理に続いて短時間熱処理を行うと、第１試料中で不純物が拡散し、均一に分布する。

次に、第１試料の各々について、ＰＬ法により、半導体中の不純物に由来する発光（ＰＬ）の強度を測定する。これにより、イオン注入した不純物の量とＰＬ測定により得られた発光の強度との関係を求める。

ここで行うＰＬ測定では、ＰＬ法により半導体中の不純物の量又は濃度を測定する通常の方法と同様に、半導体に対して、発光活性化処理を行い、励起光を照射して、ＰＬ強度を測定する。以下に、一例として、第１試料がシリコンエピタキシャルウェハであり、不純物が炭素である場合について説明する。

先ず、不純物の発光活性化処理を行う。具体的には、ウェハに電子線を照射する。

電子線を照射する前のウェハでは、炭素不純物は置換型（ｓｕｂｓｔｉｔｕｔｉｏｎａｌ）炭素として存在する。つまり、炭素原子は、結晶格子中のシリコン原子を置換しており、励起光を照射しても発光しない。電子線を照射すると、以下のような機構により、ウェハ中の炭素が発光活性化し、ＰＬ測定が可能になる。

ウェハに、電子線を照射すると、シリコン結晶の格子点を占有しているシリコン原子の一部が格子間（ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ）原子となり、これと同時に空孔（ｖａｃａｎｃｙ）が形成される。このようにして、シリコン結晶に一次欠陥が導入される。このシリコン結晶への一次欠陥の導入を、下記式で表す。
Ｓｉ（ｓ） ＋ ｅ → Ｓｉ（ｉ） ＋ Ｖ
ここで、Ｖは空孔を表している。（ｓ）は、その直前に記載した原子がシリコン結晶の格子点に位置していることを表している。（ｉ）は、その直前に記載した原子がシリコン結晶の格子間に位置していることを表している。ｅは電子を表している。

シリコン結晶へ一次欠陥を導入すると、下記式で表すように、置換型炭素Ｃ（ｓ）は、格子間シリコンＳｉ（ｉ）と入れ替わり、格子間炭素Ｃ（ｉ）となる。

Ｓｉ（ｉ） ＋ Ｃ（ｓ） → Ｓｉ（ｓ） ＋ Ｃ（ｉ）
さらに、格子間炭素Ｃ（ｉ）は、下記式で表すように、格子点を占有しているシリコン原子Ｃ（ｓ）とともに、複合欠陥Ｃｉ−Ｃｓとなる。

Ｃ（ｉ） ＋ Ｃ（ｓ） → Ｃｉ−Ｃｓ
或いは、格子間炭素Ｃ（ｉ）は、下記式で表すように、結晶に含まれている格子間酸素Ｏ（ｉ）とともに、複合欠陥Ｃｉ−Ｏｉとなる。

Ｃ（ｉ） ＋ Ｏ（ｉ） → Ｃｉ−Ｏｉ
このように形成された複合欠陥Ｃｉ−Ｃｓ及びＣｉ−Ｏｉは、励起光を照射することにより発光する。

電子線の照射量は、１×１０^１３ｅｌｅｃｔｒｏｎｓ／ｃｍ^２以上、１×１０^１７ｅｌｅｃｔｒｏｎｓ／ｃｍ^２以下であることが好ましい。炭素を注入したシリコンエピタキシャル層について、予想される最も高い炭素不純物の濃度は５×１０^１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３である。電子線照射量を１×１０^１３ｅｌｅｃｔｒｏｎｓ／ｃｍ^２以上にすることで、この濃度の炭素を十分に発光活性化させることができる。

一方、照射量が１×１０^１７ｅｌｅｃｔｒｏｎｓ／ｃｍ^２を超えるとエピタキシャルウェハに対する照射ダメージが大きくなってしまう。照射ダメージが大きい場合、エピタキシャル層中の非発光センターの個数が増加するため好ましくない。非発光センターは欠陥準位を持っているが発光しないため、その個数が増加するとＰＬ強度が弱くなってしまう。

炭素等の不純物の発光活性化には、電子線以外の粒子線を用いることができる。例えば、プロトンや各種イオン等の高エネルギー粒子を照射してもよい。但し、プロトンや各種イオンは電子よりも粒子が大きいため、それらエネルギー粒子を照射した場合、電子線を照射した場合と比較して、単純な単空孔（Ｖ）の導入だけでなく、複空孔等２次欠陥の生成が多くなる。そのため、例えば、炭素不純物を含んだシリコンウェハにプロトンを照射した場合、電子線照射では見られない格子間シリコン起因の発光や、結晶ひずみによる発光、照射ダメージ起因の発光など、炭素不純物に起因する発光以外の発光が多くなり、また、非発光センターの数も増加する。その結果、不純物濃度とＰＬ強度との正確な相関を得ることが難しくなる。

このため、シリコン半導体の炭素不純物についてＰＬ測定する場合、炭素濃度評価に関係の無い発光や非発光センターの個数を抑えた方が低濃度な炭素濃度変動を明確に捕らえるため、発光活性化に用いる照射種は電子線が最も適している。また、照射ダメージが少ないという点においても、電子線照射が好ましい。

不純物の発光活性化処理の直後では、発光活性化の条件によっては、ＰＬ強度が弱くなることがある。これは、発光活性化処理の直後では、室温で回復する不安定な照射欠陥が多数生じている場合があるからである。この場合、室温で長時間置くか又は低温でアニールすること等により、発光強度を強くすることが出来る。なお、アニールの際は、炭素関連の発光が回復しない条件にする必要がある。

発光活性化処理を施した第１試料に励起光を照射すると、不純物に起因した発光が得られる。例えば、第１試料がシリコンウェハであり、不純物が炭素である場合、複合欠陥Ｃｉ−Ｃｓから０．９７ｅＶの光子エネルギーをもつ発光（Ｇ−ｌｉｎｅ）が得られる。また、シリコンウェハには微量の酸素が含まれているのが通常であり、複合欠陥Ｃｉ−Ｏｉから０．７９ｅＶの光子エネルギーをもつ発光（Ｃ−ｌｉｎｅ）が得られる。

ＰＬ測定により測定される発光は、不純物由来のものだけではない。例えば、シリコン半導体において、シリコンが光励起されると、電子−正孔対が発生し、自由励起子発光（ＦＥ発光）が見られる。なお、複数のＦＥが凝集したものは電子正孔液滴（ＥＨＤ）と呼ばれており、ＥＨＤによる発光はＥＨＤ発光と呼ばれている。

ＦＥ発光は、半導体の結晶に固有の発光である。そのため、ＦＥ発光の強度は結晶性を示す指標となる。それ故、ＦＥ発光の強度の増減は、半導体の結晶性の変化を示す。そのため、ＦＥ発光強度を、例えば、イオン注入後の結晶性回復アニールにより結晶性が十分回復しているか判断するための指標にできる。

さらに、一般的な不純物については、束縛励起子発光（ＢＥ発光）が見られる場合がある。束縛励起子（ＢＥ）は、不純物又は半導体中の欠陥に束縛された励起子である。ＢＥの再結合に伴って放出された光子エネルギーがＢＥ発光である。ＢＥ発光のスペクトル線は非常に鋭いため、ＢＥ発光に寄与する不純物は区別しやすい。ＢＥ発光に寄与する不純物としては、一般的なドーパントであるホウ素（Ｂ）、リン（Ｐ）、アルミニウム（Ａｌ）、ヒ素（Ａｓ）等がある。なお、ドーパントは、半導体の抵抗率を調整するために添加される。

一般的に、励起光の試料への侵入深度は、その励起光の波長によって異なる。そのため、励起光の侵入深度を調整することを目的として、評価領域に応じて励起光波長を適宜選択する場合がある。例えば、シリコンエピタキシャルウェハのエピタキシャル層についてＧ−ｌｉｎｅを測定する場合、励起光の侵入深度が大きすぎると、エピタキシャル層だけでなく、エピタキシャル層の下方にあるシリコン基板にまで励起光が侵入してしまう可能性がある。この場合、シリコン基板中の炭素も光励起してしまうため、測定されるＧ−ｌｉｎｅ強度はエピタキシャル層中の炭素濃度を正確に反映しない。適切な励起光波長の選択の一例として、１０μｍ以上のエピタキシャル層に対しては、６５０ｎｍ以下の波長をもつ励起光を用いるとよい。

なお、侵入深度に関して上述した問題を生じないように励起光を選択すれば、励起光の侵入深度は、不純物の注入深さと等しくてもよく、この注入深さよりも小さくてもよく、大きくてもよい。また、侵入深度に関して上述した問題を生じないように励起光を選択すれば、不純物の注入深さは第１試料間で異なっていてもよい。但し、励起光は、その侵入深度とキャリアの拡散長との和が不純物の注入深さを上回るように選ぶことが好ましい。

ＰＬ強度は、次のように測定することが好ましい。例えば、第１試料を液体ヘリウムなどの極低温液体に浸して、温度を一定に保つ。ＰＬ測定における励起レーザーの照射により、試料が発熱してしまう場合がある。半導体試料の温度が変動すると、ＦＥ発光とドーパント由来のＢＥ発光をはじめとする種々の発光バランスが変化してしまう。試料を極低温液体に浸すことによって、試料の発熱を回避し、すべての試料について温度を均一にすることができるので、安定した評価が可能となる。

ＰＬ強度は、第１試料へ注入する不純物の量によって調節することができる。第１試料へ注入する不純物の量は、ＰＬ測定を各試料において同じ条件で行うことのできる範囲で調節することが好ましい。例えば、不純物の注入量の最小値に対する最大値の比を１０^７以下にすれば、測定条件を変更せずにＰＬ測定を行うことができる。一例によると、第１試料がシリコンエピタキシャルウェハであり、不純物が炭素である場合、炭素の注入量が１×１０^１６ｉｏｎｓ／ｃｍ^２を超えると、ＰＬ強度が強くなりすぎることが懸念される。逆に、炭素の注入量が１×１０^９ｉｏｎｓ／ｃｍ^２より少ないと、ＰＬ強度が検出限界以下になってしまう可能性がある。なお、炭素注入量が少なすぎる場合、Ｇ−ｌｉｎｅ強度が、炭素を注入していない場合から変化しない可能性がある。従って、炭素注入量は、炭素を注入していない試料と比べてＧ−ｌｉｎｅ強度に変化が見られる最少量以上とする。

ＰＬ強度は、イオン注入後の結晶性回復アニールの温度の影響を受ける。例えば、第１試料がシリコンエピタキシャルウェハであり、不純物が炭素である場合、Ｇ−ｌｉｎｅ強度及びＣ−ｌｉｎｅ強度は、アニール温度によって変化する。イオン注入及び結晶性回復アニールを行っていない場合や低温のアニールを行った場合はＧ−ｌｉｎｅが支配的であるが、高温のアニールではＣ−ｌｉｎｅが支配的になる。ここで、Ｇ−ｌｉｎｅ強度を測定することが望ましいため、Ｃ−ｌｉｎｅが支配的となる高温のアニールは好ましくない。

なお、ドーパント濃度が高い場合、オージェ再結合の影響により、（ＢＥ発光以外の発光も含めたすべての）発光が得られないことがある。例えば、ドーパント濃度は１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下が好ましい。

次に、第１試料について、イオン注入した不純物の量と、不純物由来のＰＬ強度との関係を求める。例えば、第１試料がシリコンエピタキシャルウェハであり、不純物が炭素である場合、炭素のイオン注入量の対数に対してＧ−ｌｉｎｅ強度の対数をプロットすると、直線が得られる。

ここで、不純物のイオン注入量に対するＰＬ強度の両対数プロットの傾きが不純物の濃度のみに依存する理由を説明する。

上述の例、即ち、第１試料がシリコンエピタキシャルウェハであり、不純物が炭素である場合では、炭素のイオン注入量とＧ−ｌｉｎｅ強度との両対数プロットは直線的な関係にある。この関係は、Ｇ−ｌｉｎｅ強度を［Ｇ_ＰＬ］、イオン注入量を［Ｃ_ｉｍｐ］、イオン注入量に対するＧ−ｌｉｎｅ強度のプロットの傾きをａ、両対数プロットの切片をｂとすると、下記式のように表すことができる。

［Ｇ_ＰＬ］ ＝ ｂ × ［Ｃ_ｉｍｐ］^ａ
この式では、炭素の注入量がそのままＧ−ｌｉｎｅ強度に反映されているため、この式から炭素の総濃度を求めることは出来ない。また、厳密には発光に寄与する炭素、即ち発光活性化した炭素の割合は、イオン注入における注入ダメージや、結晶回復アニールにおける結晶性の回復率、イオン注入プロファイルなどのさまざまな不確定要素に左右される。これらの不確定要素をＡとし、また、発光活性化した炭素の割合が炭素濃度に依存すると仮定する。つまり、下記式のような関係があると仮定する。

［Ｃ_ｉｍｐ］ ＝ Ａ × ［Ｃ_Ｓ］
この式を、上記した炭素のイオン注入量とＧ−ｌｉｎｅ強度との両対数プロットの式に代入すると、次の式が得られる。

［Ｇ_ＰＬ］ ＝ ｂ × ［ＡＣ_Ｓ］^ａ
この式を次のとおりに変形させる。

ｌｏｇ［Ｇ_ＰＬ］ ＝ ｌｏｇｂ ＋ ａｌｏｇＡ ＋ ａｌｏｇ［Ｃ_Ｓ］
ｌｏｇ［Ｇ_ＰＬ］ ＝ ｌｏｇ（ｂＡ^ａ） ＋ ａｌｏｇ［Ｃ_Ｓ］
［Ｇ_ＰＬ］ ＝ ｂＡ^ａ × ［Ｃ_Ｓ］^ａ
このように、不確定要素Ａは、傾きａに依存しない関数として表すことができる。また、上記式のとおり、不確定要素Ａは両対数プロットの切片に対応した項に含まれている。従って、炭素のイオン注入量に対するＧ−ｌｉｎｅ強度の両対数プロットの傾きは、エピタキシャル層中の炭素濃度に対するＧ−ｌｉｎｅ強度の両対数プロットの傾きをそのまま表す。即ち、炭素注入量とＧ−ｌｉｎｅ強度の相関を求めることによって、エピタキシャル層中の炭素濃度とＧ−ｌｉｎｅ強度の相関、即ちＧ−ｌｉｎｅ強度に対する炭素の相対濃度を得ることができる。

上述の例、即ち、第１試料がシリコンエピタキシャルウェハであり、不純物が炭素である場合では、Ｇ−ｌｉｎｅ強度を用いたが、Ｇ−ｌｉｎｅ強度の代わりに、相対強度、例えば、Ｇ−ｌｉｎｅ強度とＦＥ発光強度との比、またはＧ−ｌｉｎｅ強度とＥＨＤ発光強度との比を用いて、両対数プロットを得てもよい。

また、第１試料がシリコンウェハであり、不純物が炭素である例において、シリコン半導体中の酸素濃度によってＣ−ｌｉｎｅ強度とＧ−ｌｉｎｅ強度のバランスが変化する。そのため、Ｇ−ｌｉｎｅ強度と不純物のイオン注入量との関係をより正確に求めるためには、第１試料の各々の酸素濃度が等しいことが好ましい。ここで、第１試料がシリコンエピタキシャルウェハである場合、酸素の濃度は非常に低く、１×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３よりも十分に小さいため一定と見なすことができる。

また、第１試料がシリコンウェハであり、不純物が炭素である場合、Ｃ−ｌｉｎｅが炭素由来の欠陥と酸素由来の欠陥とに由来する発光であるため、Ｃ−ｌｉｎｅ強度を用いることもできる。しかし、酸素の影響が比較的少ないＧ−ｌｉｎｅ強度を測定することによって、より高い精度で炭素濃度とＰＬ強度との関係を表す検量線を作成できる。

なお、上述のとおり、第１試料がシリコンエピタキシャルウェハである場合、酸素の濃度が低いため、Ｃ−ｌｉｎｅ強度が弱い。従って、精度のよい検量線を得るうえでは、Ｃ−ｌｉｎｅ強度を測定するよりも、Ｇ−ｌｉｎｅ強度を測定することが好ましい。

複数の第１試料についての、上述のイオン注入からＰＬ測定までの一連の手順とは別に、第１試料と同一の半導体からなる第２試料について、以下の一連の手順を行う。この第２試料についての一連の手順は、第２試料の準備、既存の測定方法による第２試料に含まれている不純物の濃度測定、及び第２試料の不純物についてのＰＬ測定を含む。これらの第２試料についての手順は、第１試料についての手順より前に行ってもよく、後に行ってもよく、又は並行して行ってもよい。

第２試料としては、第１試料と同一の半導体からなるものを準備する。例えば、第１試料がシリコンエピタキシャルウェハである場合、第２試料は、シリコンエピタキシャルウェハ、又は、これを割断してなる断片である。また、第２試料は、例えば、結晶の成長過程で不純物が高い濃度で、具体的には、ＰＬ法以外の方法で検出するのに十分な濃度で導入されたものである。第２試料に導入する不純物の濃度を高くする方法は、例えば、第２試料がエピタキシャル層を有するウェハの場合、エピタキシャル層の成長条件を調整することによって達成してもよい。具体的には、例えば、シリコンエピタキシャルウェハの製造における炭素の汚染源であるサセプタの加熱条件を変えることにより、炭素汚染量を高くすることが出来る。

なお、第２試料の不純物濃度を測定するＰＬ法以外の測定方法は、例えば、ＳＩＭＳによる測定である。

第２試料についてのＰＬ測定は、第１試料の場合と同様に行う。例えば、第１試料がシリコンエピタキシャルウェハであり、不純物が炭素である場合、Ｇ−ｌｉｎｅ強度を測定する。

最後に、第１試料について求めた、半導体にイオン注入した不純物の量と不純物由来のＰＬ強度との関係と、既存の方法で測定した第２試料に含まれている不純物の濃度と、第２試料における不純物由来のＰＬ強度とに基づいて、半導体に含まれている不純物の濃度と不純物に由来する発光の強度の関係を表す検量線を作成する。

第１試料について得られた、イオン注入した不純物の量とＰＬ強度の関係は、半導体中の不純物由来のＰＬ強度に対する不純物の相対濃度を示し、そのまま検量線の傾きとなる。不純物濃度に対するＰＬ強度の両対数プロット上で、この傾きをもつプロット線を、ＰＬ法以外の手法により定量した第２試料に含まれている不純物の濃度及び第２試料における不純物由来のＰＬ強度に対応する点、即ち不純物由来のＰＬ強度に対する、不純物の絶対濃度を示す点を通過するように平行移動させることで、不純物の濃度とＰＬ強度との関係を示す検量線が得られる。

具体的には、例えば、第１試料及び第２試料がシリコンエピタキシャルウェハであり、不純物が炭素である場合、第１試料の各々について、イオン注入した炭素の量及びＧ−ｌｉｎｅ強度から求めた検量線の傾き（Ｇ−ｌｉｎｅ強度に対する炭素の相対濃度）をもち、ウェハの不純物濃度とＧ−ｌｉｎｅ発光強度との両対数プロットにおいて第２試料の炭素濃度とＧ−ｌｉｎｅ強度に対応するプロット点（Ｇ−ｌｉｎｅ強度に対する炭素の絶対濃度）を通過する検量線を作成することができる。

以上説明した検量線の作成方法において、第１試料及び第２試料はシリコンエピタキシャルウェハに限らず、不純物は炭素に限らない。

次に、この検量線を使用して、半導体中の不純物濃度の測定する方法について説明する。

先ず、測定対象を準備する。この測定対象は、例えば、第１試料と同じ方法及び条件で製造された半導体ウェハ、又は、これを割断してなる断片である、この場合、測定対象は、不可避的な組成や構造の変動を無視すれば、第１試料と同じ組成及び構造を有している。なお、この測定対象には、通常、上述した不純物の注入は行わない。

次に、測定対象について、ＰＬ法により不純物に由来するＰＬの強度を測定する。例えば、第１試料及び第２試料がシリコンエピタキシャルウェハであり、不純物が炭素である場合、測定対象のＧ−ｌｉｎｅ強度を測定する。このＰＬ測定では、励起光の波長等の条件を、第１試料及び第２試料のＰＬ測定と同一とする。

最後に、測定したＰＬ強度を検量線に参照して、不純物濃度を導く。例えば、第１試料及び第２試料がシリコンエピタキシャルウェハであり、不純物が炭素である場合、ＰＬ測定で得たＧ−ｌｉｎｅ強度を検量線に参照して、不純物濃度を求める。この測定方法は、複雑な濃度換算を必要としない。

なお、不純物濃度の測定方法について、測定対象が炭素不純物を含んだシリコンエピタキシャルウェハである場合を例に説明したが、測定対象はシリコンエピタキシャルウェハに限らず、不純物も炭素に限らない。

次に、本発明の実施形態に係る半導体ウェハの製造方法について説明する。この製造方法は、上述の測定方法を応用したものである。

一般的に、１つの半導体のインゴットから、複数の半導体ウェハが製造される。例えば、第１試料及び第２試料がシリコンエピタキシャルウェハである場合、このインゴットから複数のエピタキシャルウェハが製造される。ここで、これらの複数のエピタキシャルウェハの一部を抜き取り、抜き取ったウェハから不純物測定の測定対象としてのサンプルを得る。

抜き取るエピタキシャルウェハの数は１つでもよく、複数でもよい。抜き取ったウェハから得るサンプルは、エピタキシャルウェハのままであってもよく、又は、ウェハを割断してなる試験片であってもよい。なお、一般的にはインゴットのヘッドとテールとでは不純物濃度が異なるため、半導体ウェハがエピタキシャルウェハでない場合は、サンプルを得るために抜き取るウェハの数は複数のほうがよい。

次に、測定対象としてのサンプルのＰＬ強度を測定し、このＰＬ強度を検量線に参照して不純物濃度を求める。例えば、炭素不純物を含んでいるおそれのあるシリコンエピタキシャルウェハを製造している場合、測定対象としてのサンプルのＧ−ｌｉｎｅ強度を測定し、このＧ−ｌｉｎｅ強度を検量線に参照して炭素濃度を求める。

次に、求めた不純物濃度を、製品としての半導体ウェハについて予め設定してある上限値と対比する。この上限値は、例えば、半導体ウェハの性能と不純物濃度との相関及びウェハ製品に求められる基準性能値に基づいて設定されている。半導体ウェハの性能は、例えば、シリコンウェハの場合、コレクタ・エミッタ間の飽和電圧値のようなON電圧やキャリアライフタイムに関わるデバイス特性である。

不純物濃度とこの上限値との対比の結果、不純物濃度が上限値を超えている場合、例えば、何等かの原因により、残りのウェハについても、基準値を超える濃度の不純物が含まれている可能性があると判断できる。また、この場合、ウェハの製造、例えばエピタキシャル層の形成において、何等かの異常が発生した可能性があると判断できる。

従って、上記の抜き取り検査を例えば一定の頻度で行えば、不純物濃度が上限値を超えたウェハ製品が出荷される可能性を小さくすることができる。また、不純物濃度が上限値を超えたウェハ製品が見つかった場合、例えば、炭素濃度が高くなった原因や、製造過程の異常を速やかに究明することにより、不純物濃度が上限値を超えたウェハ製品が大量に製造される可能性を小さくすることができ、その結果、歩留まりが向上する。

このように、この製造方法では、ウェハ製品の品質及び製造を管理できる。なお、炭素濃度と上限値の対比の結果、炭素濃度が上限値以下の場合、ウェハの品質に問題がないと判断できる。

この製造方法で製造する半導体ウェハは、シリコンエピタキシャルウェハに限らず、測定する不純物は炭素に限らない。

次に、本発明の具体例について説明する。

ランプ加熱方式であるエピタキシャル成長装置を用いて、８インチシリコンウェハにエピタキシャル層を成長させて、シリコンエピタキシャルウェハを製造した。

これらシリコンウェハを第１試料として用い、それらに５×１０^１０ｉｏｎ／ｃｍ^２から５×１０^１４ｉｏｎ／ｃｍ^２の範囲の注入量で炭素をイオン注入した。その後、窒素雰囲気下及び９００℃の温度で結晶性回復アニールを行った。シリコンの結晶性を確実に回復させるために、結晶性回復アニールは２時間行った。

次に、４．６ＭｅＶの加速エネルギーで、１×１０^１５ｅｌｅｃｔｒｏｎｓ／ｃｍ^２の量の電子線をウェハに照射した。電子線照射は、ウェハの温度が６０℃を超えないようにモニタリングし、必要に応じて空冷しながら実施した。

第１試料の各々の不安定な照射欠陥が安定化したことを確認後、ＰＬ測定を行った。具体的には、ＰＬ測定の励起光として、５３２ｎｍ波長の励起レーザー（侵入深度 ２５００ｎｍ）を使用し、試料面上強度を１００ｍＷに設定した。ＰＬ測定は、ウェハを液体ヘリウムに浸して、温度４．２Ｋに保って、スペクトル測定を行い、Ｇ−ｌｉｎｅ強度を得た。

Ｇ−ｌｉｎｅ強度の対数を、炭素のイオン注入量の対数に対してプロットして、図１のグラフが得られた。炭素注入量に対するＧ−ｌｉｎｅ強度の両対数プロットは直線的な関係を示しており、プロットの近似曲線のフィッティング係数も０．９９を超えている。近似曲線の傾きは０．７６であった。

第２試料としてのシリコンエピタキシャルウェハについて、ＰＬ法によりＧ−ｌｉｎｅ強度を測定した。なお、第２試料は、エピタキシャル層の形成過程で、これに多量の炭素が混入したものである。第２試料に対する電子線照射及びＰＬ測定等は、第１試料としてのシリコンエピタキシャルウェハと同一の条件で行った。次に、このウェハに含まれている炭素の濃度を、ＳＩＭＳ測定により求めた。これらの結果から得られたプロット点を決定し、この点を通過する、上で求めた０．７６の傾きの線を引くことにより、シリコンエピタキシャルウェハ中の炭素濃度とＧ−ｌｉｎｅ強度との関係を表す検量線である図２のグラフが得られた。

なお、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

Claims (13)

1. 同一の半導体からなる複数の第１試料に不純物を互いに異なる量でイオン注入することと、
   前記不純物をイオン注入した前記複数の第１試料の各々について、フォトルミネッセンス法により前記不純物に由来する発光の強度を測定して、注入した前記不純物の量と前記発光の強度との関係を求めることと、
   前記複数の第１試料と同一の半導体からなる第２試料について、前記複数の第１試料の各々に対するフォトルミネッセンス法による発光の強度の測定と同じ条件のもとで、フォトルミネッセンス法により前記第２試料に含まれている前記不純物に由来する発光の強度を測定することと、
   前記関係と、前記第２試料について得られた発光の強度と、フォトルミネッセンス法以外の方法で測定した第２試料に含まれている前記不純物の濃度とに基づいて、前記不純物の濃度とこの不純物に由来する発光の強度との関係を表す検量線を作成することと
   を含んだ検量線の作成方法。
2. 前記第２試料は、前記半導体からなる結晶の成長過程で前記不純物が導入されたものであり、前記不純物をイオン注入した前記複数の第１試料の各々と比較して、前記不純物をより高い濃度で含んだ請求項１に記載の作成方法。
3. 前記フォトルミネッセンス法以外の方法は、二次イオン質量分析を利用した方法である請求項１又は２に記載の作成方法。
4. 前記複数の第１試料の各々について、前記第１試料へ不純物をイオン注入した後であって、前記第１試料にイオン注入した不純物に由来する発光を測定する前に、前記第１試料に熱処理を行うことをさらに含んだ請求項１乃至３の何れか１項に記載の作成方法。
5. 前記半導体はシリコンを含み、前記不純物は炭素である請求項１乃至４の何れか１項に記載の作成方法。
6. 前記複数の第１試料及び前記第２試料の各々は、エピタキシャル成長法により形成したシリコン層を含んだ請求項５に記載の作成方法。
7. 前記第１試料に注入した不純物に由来する発光及び前記第２試料に含まれている不純物に由来する発光はＧ−ｌｉｎｅ発光である請求項５又は６に記載の作成方法。
8. 前記熱処理の温度が７００℃以上、１２００℃以下である請求項１乃至７の何れか１項に記載の作成方法。
9. 複数の第１試料への前記不純物の注入量は１×１０^９ｉｏｎ／ｃｍ^２以上、１×１０^１６ｉｏｎ／ｃｍ^２以下である請求項１乃至８の何れか１項に記載の作成方法。
10. 前記複数の第１試料の各々に対する前記フォトルミネッセンス法による測定は、前記複数の第１試料の各々に電子線を照射して、前記第１試料中の不純物を発光活性化することを含み、前記第２試料に対する前記フォトルミネッセンス法による測定は、前記第２試料に電子線を照射して、前記第２試料中の不純物を発光活性化することを含んだ請求項１乃至９の何れか１項に記載の作成方法。
11. 前記複数の第１試料及び前記第２試料の各々に照射する電子線の照射量は１×１０^１３ｅｌｅｃｔｒｏｎｓ／ｃｍ^２以上、１×１０^１７ｅｌｅｃｔｒｏｎｓ／ｃｍ^２以下である請求項１０に記載の作成方法。
12. 請求項１乃至１１の何れか１項に記載の作成方法によって作成した検量線を用いて半導体中の不純物濃度を測定する測定方法であって、
    前記第１試料と同一の条件で製造された半導体からなる第１測定対象について、フォトルミネッセンス法により前記第１測定対象に含まれている不純物に由来する発光の強度を測定することと、
    前記第１測定対象に含まれている不純物に由来する発光の強度を前記検量線に参照して、前記第１測定対象に含まれている不純物の濃度を求めることと
    を含んだ測定方法。
13. 請求項１２に記載の測定方法を利用して半導体ウェハを製造する製造方法であって、
    半導体からなる複数のウェハを製造することと、
    前記複数のウェハの一部を抜き取り、前記抜き取ったウェハの少なくとも一部分を第１測定対象として用い、前記抜き取ったウェハに含まれている不純物の濃度を、前記測定方法を用いて測定することと、
    前記抜き取ったウェハに含まれている不純物の濃度を、予め定めておいた上限値と対比することと、
    前記抜き取ったウェハに含まれている不純物の濃度が、前記上限値を超えている場合に、前記複数のウェハの残りも不純物濃度が高い可能性があると判断するか、又は、前記複数のウェハの製造において異常が発生した可能性があると判断することと
    を含んだ製造方法。

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