JP2614730B2

JP2614730B2 - 半導体中の欠陥の測定装置および方法

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Publication number: JP2614730B2
Application number: JP62256277A
Authority: JP
Inventors: 崇五十嵐; 斉長谷川; 和司中島; 典隆小林
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1987-10-13
Filing date: 1987-10-13
Publication date: 1997-05-28
Anticipated expiration: 2012-05-28
Also published as: JPH0198961A

Description

【発明の詳細な説明】〔概要〕シリコンウエハ、薄片などの中の不純物または欠陥
（以下まとめて欠陥と呼ぶ）濃度分布を、エコーを用い
た音速測定により誤差を少なくして測定する装置と方法
に関し、シリコンウエハの如き薄片中の音速を、誤差をできる
だけ小に保ちつつ測定することのできる装置と方法とを
提供することを目的とし、シリコンウエハまたは板状の半導体上に１または複数
の圧電素子が配置されてなり、該圧電素子は、その発生
する音波が前記シリコンウエハまたは板状の半導体の表
面と裏面との間で多重反射されるように配置され、多重
反射された音波を前記圧電素子により検知して得られた
信号を信号ラインを経て測定装置に入力される構成とし
たことを特徴とする半導体中の欠陥測定装置と、圧電素
子の発生する音波のシリコンウエハまたは板状の半導体
の表面と裏面との間をｎ回往復するのに要する時間tnを
検知し、音波が標準試料のシリコンウエハまたは板状の
半導体の表面と裏面との間をｎ回往復するのに要する時
間Tnと前記被測定試料について検知された時間tnとのず
れをｎΔｔとしたとき、ｎΔt/tn（ただしｎは任意の整
数）の値を用いて標準試料中における音速と被測定試料
中における音速の差を測定することを特徴とする半導体
中の欠陥の測定方法を含み構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、シリコンウエハ、薄片などの中の欠陥濃度
分布を、エコーを用いた音速測定により誤差少なくして
測定する装置と方法に関する。

〔従来の技術〕

VLSIの基板などの半導体デバイスに広く使用されるシ
リコン結晶はできるだけ高純度であることが要求されて
いるが、欠陥種によっては逆にそれを利用する場合もあ
る。この欠陥のうち、最も濃度が高い進入型不純物酸素
およびそれに関係する欠陥がその典型例であり、あるい
は、その関連欠陥を利用して基板中の他の不純物をゲッ
タリングする（イントリンシック・ゲットリング−IG）
ことができるので、欠陥濃度の規定およびそれに応じた
プロセス条件の最適化が必要とされる。また、シリコン
結晶の製造や品質管理においてもそれに含まれる欠陥濃
度の評価を必要とする。このため、侵入型不純物酸素や
それに関連する欠陥濃度を測定し、把握することが重要
となる。

従来、シリコン結晶中の格子欠陥である侵入型不純物
酸素濃度は、それに固有な波長の吸収を起こすことを利
用した赤外吸収法や遠赤外吸収法により、吸収強度から
比例換算することによって測定されていた。

これらの赤外線や遠赤外線を用いた光学的評価方法
は、シリコン結晶中に含まれるドーパント（P,B,As,Sb
など）濃度が高くなるにつれて徐々に困難となり、実用
度の高い抵抗率0.05〜0.005Ω・cmの低抵抗（高濃度ド
ープ）のシリコン結晶に対しては、室温および低温のど
ちらの場合も、侵入型不純物酸素農度の測定は不可能で
あった。更に、それに関連すると言われる微小析出欠陥
を検知することは不可能とされていた。

一方、上記の光学的方法以外の方法で、特に高濃度ド
ープのシリコン結晶中における不純物酸素の濃度定量を
行う方法として、従来り２次イオン質量分析（SIMS分
析），放射化分析，高エネルギー電子線照射によっ
てアクセプタを補償した後に、赤外吸収測定を行う方法
などが知られている。

しかし、上記のおよびの方法では、結晶に含まれ
るすべての酸素が、その状態の如何にかかわらず、単に
不純物酸素として、一纏めの形で検出されてしまい、半
導体デバイス製造上、最も重要視される侵入型不純物酸
素やそれに関連する微小欠陥だけを区別して定量するこ
とが原理的に不可能であった。

また、の方法は、侵入型不純物酸素だけを区別して
定量することができるが、高エネルギーの電子線照射を
行うため、非常な手間を要するだけでなく、高エネルギ
ー電子線照射のために測定対象のシリコン結晶の状態を
変化させてしまっている疑いもあり、一種の破壊性測定
と言える。さらにの方法はその方法上、Ｐ型の結晶の
みにしか有効でなかった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本出願人は、上記の点に鑑みて格子欠陥の濃度（また
は密度）を非破壊で精度良く測定することができる半導
体中の格子欠陥測定方法を開発した（昭和61年特許願第
314984号）。

前記した出願の発明は、半導体中において非調和素励
起を呈する格子欠陥の濃度または密度の測定において、
半導体の弾性定数を測定し、その測定値を格子欠陥の濃
度または密度に換算することを特徴とする半導体中の格
子欠陥測定方法である。

そして前記出願の発明者等は、前記した物理法則がシ
リコン結晶中の侵入型不純物酸素に関連する欠陥の場合
にも成立することを見出した。すなわち、侵入型不純物
酸素が入ったシリコン結晶と、侵入型不純物酸素を含ま
ないシリコン結晶とでは、弾性定数の温度変化は顕著な
違いを生ずることを実験的に確認し、理論的考察もそれ
を裏付ける結果となった。

侵入型不純物酸素を含むシリコン結晶の弾性定数が、
侵入型不純物酸素を含まないシリコン結晶の弾性定数に
比し大きくことなる量（異常量）δは、相対値にして10
^-4程度であるが、音速測定の精度は同様な相対精度にし
て10^-6まで保証できるので、２桁程度の余裕があり、十
分に信頼性のある測定ができる。欠陥の濃度と、上記の
異常量δとは、通常の濃度範囲では比例関係にあるの
で、この異常量δを測定することによって、侵入型不純
物酸素の濃度を定量することができる。

前記発明によれば、赤外または遠赤外を用いた従来の
光学的評価方法では測定不可能であった高濃度ドープ
（ドナーまたはアクセプタ不純物を0.1ppm以上含む）の
シリコン結晶中の欠陥の濃度を、音波（弾性波）を用い
ることによって測定することができ、また、特殊な欠陥
の濃度だけを区別して非破壊で精度良く測定することが
できる。更に、Ｐ型結晶だけでなくＮ型結晶中の侵入型
不純物酸素の濃度も測定することができる。

第４図は超音波音速測定によるシリコン結晶の弾性定
数測定結果の一実施例を示す。この測定結果は第３図に
示す音速測定に使用する装置の低温クライオスタットに
より測定したものである。

第３図（ａ）に示す音速測定に使用する装置におい
て、低温クライオスタット31は３つの槽32,33および34
からなり、そのうちの第１の槽32は真空断熱槽（〜10^-6
torr）、第２の槽33は液体窒素が封入されている冷媒
槽、第３の槽34は液体ヘリウムが封入されている冷媒槽
である。

低温クライオスタット31の中央内部には、試料室35を
先端に有する測定棒36が挿入され、測定棒36の他端は超
音波パルスの発振電気系と検知用電気系へ接続されるコ
ード37と38、試料の温調のためヒーターコントローラに
接続されるコード39、および熱電対40などが接続されて
いる。

試料室35の内部は第３図（ｂ）に示す如く構成されて
おり、試料（ここではシリコン結晶で、5mm×5mm角，長
さ15mm）41の上部と下部に、ピエゾ素子を用いた超音波
パルストランスデューサ42および43を接着したものが内
蔵されている。また、それらに接近して、温度分布を一
様にするための金属性ホルダがあり、そこに熱電対44が
取り付けられている。更に、それら全体の温調用ヒータ
線45aが巻回された円筒ソノレイド45内に収納されてい
る。

温調範囲（下限）は通常6Kまでであるが、冷媒槽34を
真空引きすれば、2Kまでが可能である。また、超音波パ
ルスの周波数は通常10MHz、必要に応じて10KHz〜1GHzが
可能である。

図示の実施例においては、試料41として、侵入型不純
物酸素を30ppm程度含むシリコン結晶を使用し、また10M
Hzの超音波の音速を測定するという方法によって、この
シリコン結晶の弾性定数〔（c₁₁−c₁₂）/2〕を100K〜2K
の温度範囲で測定したところ、第４図に曲線Ｉで示す測
定結果が得られた。

第４図中、IIは侵入型不純物酸素を含まないシリコン
結晶（バックグラウンド）の弾性定数対温度特性を示
す。温度が4Kのときの弾性定数を“1"としたときの弾性
定数の相対値は、温度Δ/Kがシリコン結晶の場合、25K
程度であるが、第３図からわかるように確かに25K付近
で、侵入型不純物酸素を含むシリコン結晶の弾性定数
は、バックグラウンドに比し異常な変化量δを示すこと
が確かめられた。この変化量δを測定することによっ
て、欠陥の濃度を定量することができる。

上記した方法では、厚さが例えば10mmの結晶中の不純
物濃度を極低温で測るのに、結晶の両端面または片端面
に圧電素子を接着、固定させて結晶中の音速を測定する
のであるが、この音速測定は結晶中の音波の伝わり方を
規格化したとき、例えば温度を25Kに設定したときに、
不純物（O₂）が存在していると、１万分の１（1/1000
0）程度の遅れとなって表れるので、きわめて高精度の
測定を必要とし、誤差は1/10000に対して十分に小なる
値のものでなければならない。

音速測定を実際のプロセスに用いられるシリコンウエ
ハ（厚さ0.5〜0.6mm,以下単にウエハという）に適用し
た場合に、次の問題点が発生する。

（１）ウエハの上下に圧電素子を付けても、ウエハの厚
さが薄いため（例えば10mmの厚さの試料に対して0.5mm
と1/20も小なる）、普通のパルス測定では、音波の伝わ
る速度が早すぎて、測定装置が高分解能をもつものでな
い場合、検出がでいない。

（２）従って、ウエハの音波測定のためには、高分解能
をもった高価な測定装置を必要とする。

そこで本発明は、シリコンウエハの如き薄片中の音速
を、誤差をできるだけ小に保ちつつ測定することのでき
る装置と方法とを提供することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

上記問題点は、シリコンウエハまたは板状の半導体上
に１または複数の圧電素子が配置されてなり、該圧電素
子は、その発生する音波が前記シリコンウエハまたは板
状の半導体の表面と裏面との間で多重反射されるように
配置され、多重反射された音波を前記圧電素子により検
知した得られた信号を信号ラインを経て測定装置に入力
される構成としたことを特徴とする半導体中の欠陥測定
装置と、圧電素子の発生する音波のシリコンウエハまた
は板状の半導体の表面と裏面との間をｎ回往復するのに
要する時間tnを検知し、音波が標準試料のシリコンウエ
ハまたは板状の半導体の表面と裏面との間をｎ回往復す
るのに要する時間Tnと前記被測定試料について検知され
た時間tnとのずれをｎΔｔとしたとき、ｎΔt/tn（ただ
しｎは任意の整数）の値を用いて標準試料中における音
速と被測定試料中における音速の差を測定することを特
徴とする半導体中の欠陥の測定方法によって解決され
る。

〔作用〕

前記した問題点を解決するために、本発明はエコー
（多重反射）を用いるもので、ウエハのシリコン中の欠
陥を音速により測定するに際し、ピエゾ素子よりの音波
が、ウエハの表と裏の両端面で複数回反射（多重反射）
したものを測定して音速を算出することにより、欠陥の
濃度を高精度で測定することができるのである。

〔実施例〕

以下、本発明を図示の一実施例により具体的に説明す
る。

第１図に本発明実施例が概略斜視図で示され、図中、
11はシリコンウエハ（ウエハ）、12a,12b,12c・・・は
圧電素子、13a,13b,13c・・・は信号ライン、14は位相
検知法またはミキサーによる測定装置で、圧電素子12は
ウエハ11上に所望の数設置される。

第２図に本発明の原理が示され、同図（ａ）はウエハ
中のシリコンが酸素を含まない場合、同図（ｂ）は酸素
を含む場合の例を示し、同図（ａ），（ｂ）において横
軸には時間を、また縦軸には音波の強度（任意スケー
ル）をとる。

第２図（ａ）を参照すると、第１回目、第２回目、第
３回目の音波が検知されるまでの時間、すなわち１往復
時刻、２往復時刻、３往復時刻・・・をT1,T2,T3・・・
とするとT1,T1−T2,T2−T3の間の時間間隔は同じであ
り、時間T1,T2,T3において図示した音波のピークが現れ
たとする。

ここで、シリコン中に酸素が含まれると、第１回目の
音波のピークが現れる時間、すなわち１往復時刻は、酸
素が存在するために、誤差がなければT1からΔｔずれた
時点t1で表れる。このずれt1−T1＝Δｔとすると、第２
往復時刻は、時刻T2に対し同様に誤差がなければ２Δｔ
だけずれたt2で表れ、同様にして、第３往復時刻t3にお
いては、T3に開始３Δｔだけずれている筈である。しか
し、これらの時刻t1,t2,t3の測定には誤差が生じるた
め、その時刻に対応するずれの相対値Δt/t1,2Δt/t2,3
Δt/t3・・・ｎΔt/tnにも誤差が生じる。

前記した如く、ウエハ中に音速測定においては、測定
すべき大まかな量は1/10000であるから、時刻tnにおけ
るずれの相対値ｎΔ/tnの誤差は1/10000に比べて十分に
小であること、すなわち、ｎΔt/tnの誤差＜＜1/10000 であることが要求される。

測定の精度はΔt/t1,2Δt/t2,3Δt/t3と回数を重ねる
につれて向上するので、ｎΔt/tnのｎをできるだけ大に
とることが望ましいが、本発明者はｎ＝６〜10で高精度
の測定をなしうることを確認した。

第１図を再び参照すると、ウエハ11上の所望の位置に
圧電素子12a,12b,12c・・・を配置し、その各々を信号
ライン13a,13b,13c・・・でそれぞれ測定装置14に接続
する。測定装置14から１つのパルスを発信し、それのエ
コーが検知される時刻t1,t2,t3・・・を記録し、これら
の時刻のうちの任意の時刻tnを2nで除し、その値でウエ
ハの厚さを除することによって音速が精度良く測定され
た。すなわち、試料中の音速をｃ、試料の厚さをｄとす
ると、 ctn＝2nd から、ｃ＝d/（tn/2n）が得られる。なお、測定装置としては、前記した如く位
相検知法またはミキサー法による市販の装置を用い上記
した測定が可能であることが確認された。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、シリコンウエハおよび
類似の薄片に含まれる欠陥濃度が高精度の音波測定で可
能になり、また圧電素子をシリコンウエハの所望の位置
に複数配置し、シリコンウエハの欠陥濃度分布の測定が
可能になる効果がある。なお、上記では圧電素子は複数
配置した例について説明したが、本発明にかかる装置と
方法は１個の圧電素子を用いる場合にも実施可能であ
り、本発明の範囲はその場合にも及びものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例の概略斜視図、第２図は本発明の原理を示す線図、第３図（ａ）と（ｂ）は音速測定装置の断面図、第４図は超音波測定による不純物酸素を含むシリコン結
晶の弾性定数測定の結果の線図である。図中、 11はシリコンウエハ、 12a,12b,12c・・・は圧電素子、 13a,13b,13c・・・は信号ライン、 14は測定装置を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小林典隆神奈川県川崎市中原区上小田中1015番地富士通株式会社内 (56)参考文献特開昭58−172545（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−198456（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−57255（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−165754（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】シリコンウエハ（11）または板状の半導体
上に１または複数の圧電素子（12a,12b,12c・・・）が
配置されてなり、該圧電素子は、その発生する音波が前記シリコンウエハ
または板状の半導体の表面と裏面との間で多重反射され
るように配置され、多重反射された音波を前記圧電素子
により検知して得られた信号を信号ライン（13a,13b,13
c・・・）を経て測定装置（14）に入力される構成とし
たことを特徴とする半導体中の欠陥測定装置。
【請求項２】圧電素子（12a,12b,12c・・・）の発生す
る音波のシリコンウエハ（11）または板状の半導体の表
面と裏面との間をｎ回往復するのに要する時間（tn）を
検知し、音波が標準試料のシリコンウエハまたは板状の半導体の
表面と裏面との間をｎ回往復するのに要する時間（Tn）
と前記被測定試料について検知された時間（tn）とのず
れをｎΔｔとしたとき、ｎΔt/tn（だだしｎは任意の整数）の値を用いて標準試
料中における音速と被測定試料中における音速の差を測
定することを特徴とする半導体中の欠陥の測定方法。