JP4449842B2 - 半導体基板の測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、チョクラルスキー法によって製造された半導体シリコン基板の欠陥の測定方法に関し、詳しくは基板の表面に存在する欠陥の測定方法に関する。

チョクラルスキー法によって製造されたシリコン結晶中には、点欠陥の凝集体や石英製坩堝から導入される酸素関連の欠陥が存在する。これまでは、生産性の面から結晶成長速度が比較的大きめの、空孔が優勢に存在するシリコン結晶が広く用いられてきた。

しかし、近年のデバイスの高集積化・高信頼性の要求から従来よりも結晶成長速度が小さめのシリコン結晶が用いられるようになってきた。この場合、結晶成長中における空孔の凝集体（ボイド）の形成が抑制されるため、上記の酸素関連欠陥（Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ酸素析出核と呼ばれることがある）の挙動がより大きく注目されるようになった。

ここで、育成されたままのシリコン結晶から切り出され、熱処理が施されていないシリコン基板中の酸素析出核の大きさは極めて微小であるため、このアズグロウンの基板中の酸素関連欠陥を評価する簡便で有効な手法がなく、例えば二段熱処理などの何らかの熱処理により酸素析出核（析出物）を成長させてから選択エッチング法や光学的手法で評価するのが一般的であった。また、特許文献１には、ウエーハの一方の端面を鏡面化した後に、塩基性水溶液に浸し選択的にエッチングし、そして評価する方法が開示されている。

しかしながら、上記従来法で無欠陥であると判断されたシリコン基板を切り出した結晶から、同様にして切りだされたものであっても、デバイス製造後、必ずしも良品とはならないという問題があった。また、複数段の熱処理工程が必要であるため、手間がかかるという問題があった。さらに、これら従来の方法では、一般にシリコン基板の内部（バルク）の欠陥情報を表現するだけで、デバイスで主に使用される基板表面付近の欠陥情報をほとんど表現していない問題があった。

特許２６８０４８２号公報

デバイスで主に使用される基板の表面付近の欠陥情報を、直接的に表現することのできる簡便な測定方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために、チョクラルスキー法により製造された半導体シリコン基板の表面にある欠陥を測定する方法であって、前記半導体シリコン基板に対してエッチング作用を持つ雰囲気ガス下において、１１００℃以上融点未満の温度で１０分以上４時間以下の熱処理を前記半導体シリコン基板に施すことによって、該半導体シリコン基板の表面にある欠陥をエッチングしてピットを形成し、その後、該ピットを計測することにより、前記半導体シリコン基板の表面の欠陥を測定することを特徴とする半導体基板の測定方法を提供する。

このような測定方法によって、半導体シリコン基板を上記温度・時間の範囲で熱処理して、基板表面に存在する欠陥をエッチングすることにより、ピットを形成して欠陥情報を顕在化するとともに、消滅させないようにして、残留させ、その後に前記ピットを計測することによって前記欠陥を測定することが可能である。前記ピットはエッチングされた欠陥の跡であるため、シリコン基板の表面にある欠陥を正確に測定し、把握することができる。
また、上記熱処理を施すだけで従来見えなかった欠陥情報を顕在化させて測定できるので極めて簡便である。

このとき、前記熱処理の温度を１２００℃以下とするのが望ましい。
このように、前記熱処理の温度を１２００℃以下とすれば、熱処理における温度を高くし過ぎることなく、そのため、熱処理中に形成された前記ピット、すなわち基板の表面に存在する欠陥の跡を消滅させてしまうのを抑制し、より確実にピットを残留させて欠陥をさらに正確に測定することができる。

このとき、前記雰囲気ガスを、アルゴンまたは水素、あるいはこれらの混合ガスとするのが望ましい。
このように、前記雰囲気ガスを、アルゴンまたは水素、あるいはこれらの混合ガスとすれば、高温熱処理の下、シリコン基板の表面を微量エッチングすることができ、正確に微小欠陥をエッチングして顕在化させることができる。また、熱処理等において頻繁に用いられているガスでもあり準備し易い。

そして、前記ピットの計測を、パーティクルカウンターにより行うのが望ましい。
このように、パーティクルカウンターを用いて計測すれば、基板表面に形成されたピットを簡単かつ正確に計測することが可能である。したがって、シリコン基板の表面に存在する欠陥について正確なデータを得ることができる。

本発明の半導体基板の測定方法によって、半導体シリコン基板の表面に存在するが従来見えなかった酸素析出物等の微小な欠陥を、エッチングしてピットを形成することにより顕在化し、さらには該ピットを全消滅させることなく残留させることができ、その後ピットを計測することにより、基板表面の微小欠陥を正確かつ簡便に測定することが可能である。

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。
上述したように、近年のデバイスの高集積化、高信頼性の要求から結晶成長速度が小さいシリコン結晶が用いられるようになったことに伴い、酸素析出物等の欠陥の挙動がより重要視されるようになった。この結晶から切り出され、熱処理が施されていないシリコン基板中の上記欠陥は極めて微小であり、この微小欠陥の検出にあたっては、例えば二段熱処理などの熱処理によって酸素析出核を成長させた後に、選択エッチング法や光学的手法により欠陥を検出して測定する方法が開示されている。

しかしながら、上記従来法で基板表面において無欠陥であると判断されたものと同様の基板であっても、デバイス製造後、必ずしも良品とはならないという問題があり、また、複数の工程が必要なため、手間がかかるという問題があった。しかも、従来法によって測定される欠陥は実際には基板の内部に存在するものであったり、上記二段熱処理により、表面付近の欠陥を消滅させてしまったりして、デバイスで主に使用される基板表面付近に存在する欠陥について正しい情報を把握できていないという問題があった。

そこで本発明者らは、基板の表面付近に存在する微小欠陥について鋭意調査を行った。詳しくは、シリコン基板に対してエッチング作用を持つ雰囲気ガス下で熱処理を行い、シリコン基板の表面及び微小欠陥の変化について調査をした。

シリコン基板を例えば熱処理炉に投入する際、大気の巻き込み等によりシリコン基板表面に極薄い酸化膜や窒化膜が形成される。この酸化膜等は、１０００℃以上の温度帯でエッチングされ始め、炉内温度が高温になればなるほど短時間で除去される。この酸化膜等が除去され、シリコン表面が露出すると、シリコンのエッチングとエッチングによる凹みを埋めるようにしてシリコンマイグレーションが生じる。

ここで、シリコン基板表面付近に、シリコン以外の異物、すなわち例えば酸素析出物等の欠陥が存在し、それが基板表面に露出した場合は、上記酸化膜等と同様に異物を組成する成分のエッチングがまず生じる。このエッチングにより、シリコン基板表面には上記欠陥の残骸として凹み（ピット）が形成される。このピットは、その後のシリコンマイグレーションによって極めてなだらかな凹み形状に変化する。そして、更に熱処理を続けると、マイグレーションによって上記凹み形状はよりなだらかになってゆき、そしてピットは消滅する。

そこで、本発明者らは、ウエーハ表面の欠陥に基づくピットを発生させるとともに、消滅させない熱処理の最適条件を調査し、１１００℃以上融点未満の温度で１０分以上４時間以下の熱処理を施すことによって、シリコン基板の表面にある欠陥をエッチングして上記ピットを形成し、全消滅させることなく残留させ、これによってシリコン基板表面に存在する欠陥情報を顕在化させて測定することができる簡便な方法を見出し、本発明を完成させた。

以下では、本発明の実施の形態について具体的に説明する。
まず、チョクラルスキー法によりシリコン結晶を引上げ、この結晶から切り出し、熱処理が施されていないアズグロウンの半導体シリコン基板を用意する。
この半導体シリコン基板を例えば熱処理用ボートに載置し、熱処理炉内に搬入する。そして、熱処理炉内で、アルゴンまたは水素、あるいはこれらの混合ガス雰囲気の下、シリコン基板を熱処理する。なお、本発明の測定方法を実施する際に使用する熱処理炉は、いわゆる縦型や横型等、また、バッチ方式か枚葉方式か、さらには加熱方式等についても特に限定されない。上述の温度・時間範囲における熱処理を施せるものであれば良い。

この熱処理について、具体的には、シリコン基板投入時の炉内温度を例えば７００℃とし、１１００℃以上シリコンの融点未満の温度範囲に達するまで炉内を昇温する。そして、炉内温度を１０分以上４時間以下の間、前記温度範囲内のある一定温度で保ち続ける。この上記温度範囲・保持時間での熱処理によって、シリコン基板表面に存在し、露出した酸素析出物等の欠陥をエッチングしてピットを形成し、さらに、前記ピットを完全に消滅させることなく、欠陥の存在跡としてピットを残留させる。熱処理中の炉内温度は、１１００℃以上融点未満の範囲内であれば、必ずしも一定に保たれる必要はないが、一定温度とした方がピットのコントロールがし易い。

この後、炉内温度を降温して熱処理用ボートを搬出し、シリコン基板を取り出して、その表面に形成された欠陥の跡であるピットを、例えばパーティクルカウンターによって計測する。上記ピットを計測することにより基板表面に存在する欠陥を測定する。この表面の欠陥の計測もパーティクルカウンターに限定されるものではなく、表面のピットを検出できる方法であればよく、例えば、ＯＰＰやＡＦＭ、ＳＥＭ等を用いることもできる。

このような本発明の測定方法によって、シリコン基板の表面に顕在化した酸素析出物等の欠陥情報、すなわちピットを消滅させることなく残留させ、ピットを計測することによって、基板内部ではなく、デバイスが作製される基板表面に潜在している欠陥を正確に測定することが可能である。このため、基板表面の欠陥に関して信頼性の高いデータを簡便に得ることができ、デバイスを作製するにあたり、有効なデータを提供することができる。なお、シリコンマイグレーションによる影響を考慮し、上記熱処理をシリコン基板に施す時間を１０分〜１時間とすると、より正確なデータを得ることができ好ましい。

また、本発明の測定方法において、上記熱処理の温度を１２００℃以下とするのが望ましい。上記熱処理の際、炉内温度が高いほど、シリコン基板表面に存在する酸素析出物等の欠陥エッチングの進みが速くなるとともに、シリコンマイグレーションの影響も大きくなる。炉内温度を１２００℃以下とすることにより、より確実にピットが完全に消滅するのを防ぎ残留させることが可能である。これにより、基板表面の欠陥をより正確に測定することができる。しかも、１２００℃以下とすれば、炉の負担も軽減されるし、ウエーハへの汚染の心配もなくなる。

そして、上記熱処理における雰囲気ガスを、アルゴンまたは水素、あるいはこれらの混合ガスとすれば、上述のようにシリコン基板表面を微量エッチングすることができ、また、これらは熱処理工程等において頻繁に用いられるガスであるため、準備し易いという利点もある。但し、使用できるガスはこれに限定されるものではなく、熱処理によりウエーハ表面の欠陥をエッチングしてピットを形成できるものであればよい。

また、上記熱処理後に基板表面に形成されたピットを計測する際にパーティクルカウンターを用いれば、ピットを正確かつ簡単に計測することが可能である。したがって、シリコン基板の表面に存在する欠陥について、高精度のデータを容易に得ることができる。

以下、本発明を実施例及び比較例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれに限定されない。
（実施例１〜７、比較例１〜４）
チョクラルスキー法によって結晶成長速度０．６ｍｍ／ｍｉｎのシリコン結晶を引上げ、この結晶から切り出して、ボイド欠陥が低密度の方位＜１００＞、直径２００ｍｍのシリコン基板を用意した。このサンプルを縦型熱処理炉（日立国際電気社製 ＤＤ−８１３Ｖ）で、炉内温度、保持時間を変えて熱処理し、その後、パーティクルカウンター（ＫＬＡ テンコール社製 ＳＰ１）でパーティクルサイズ０．１２μｍ以上としてシリコン基板表面のピットを計測した。

熱処理条件としては、基板投入時の熱処理炉内温度を７００℃とし、シリコン基板投入後、Ｘ℃（Ｘ＝９００〜１２２０℃）まで昇温した（７００〜１０００℃まで６℃／ｍｉｎ、１０００℃以上からは３℃／ｍｉｎで昇温）。そして、Ｘ℃でｔ時間（ｔ＝０分〜８時間）保持し、その後、７００℃まで３℃／ｍｉｎで降温して、炉内温度が７００℃になったところでシリコン基板を炉外に取り出した。

より具体的には、まずＸ＝９００℃（比較例１）、１０５０℃（比較例２）、１１００℃（実施例１）、１１５０℃（実施例２）、１２００℃（実施例３）、１２２０℃（実施例４）とし、各例とも保持時間ｔ＝１時間の熱処理をシリコン基板に施し、欠陥を測定した。
また、Ｘ＝１１５０℃に固定し、ｔ＝０（比較例３）、１０分（実施例５）、１時間（実施例６）、４時間（実施例７）、８時間（比較例４）の熱処理を施した場合の欠陥を測定した。

雰囲気ガスはアルゴン（２０Ｌ／ｍｉｎ）とした。
なお、熱処理を施す前のシリコン基板においてパーティクルカウンターによりピットを測定したところ、最大１０個／ウエーハであり、特異な分布はなかった。

一連の熱処理後のウエーハ１枚あたりのピット数（すなわち欠陥密度）と、上記保持時間ｔ＝６０分に固定した時の熱処理温度Ｘとの関係を示したグラフを図１に、また、熱処理温度Ｘ＝１１５０℃に固定した時の保持時間ｔとの関係を示したグラフを図２に示す。また、熱処理を施す前のウエーハ表面と、実施例１〜３、５〜７における熱処理後のウエーハ表面の観察図を図３に示す。

図１より、本発明の熱処理温度範囲において１１００℃付近をピークとし、さらに温度が高くなると欠陥密度が減少していく傾向が見られる。上記範囲外の例えば９００℃では、熱処理を施していない状態における欠陥密度（１０個／ウエーハ）とさほど変わらない値となっている。また、１０００〜１１００℃においては、シリコン基板表面の酸化膜や窒化膜のエッチングが不十分であること等から、基板表面の面粗さが大きく、適正な評価ができなかった。なお、この範囲においては予測値として点線で示している。

このように、本発明の測定方法における熱処理の温度範囲外での温度（〜１１００℃）においては、エッチングの進行が遅く、基板表面の酸化膜及び欠陥がほとんどエッチングされていない状態で、欠陥のエッチングによるピットが形成されていなかったり、例え比較的酸化膜がエッチングされていたとしても、不十分であり、表面が粗くなっていて、欠陥の微量エッチングによるピット以外の凹み形状の存在等によって、欠陥密度を正確に測定することができない。

したがって、酸化膜が十分にエッチング除去され、欠陥のエッチングも十分に進んでおり、シリコンマイグレーションによる欠陥密度の減少傾向が見られ始める１１００℃以上からの温度範囲の測定値であれば、確実に表面付近の欠陥がエッチングされて形成されたピットを示すものであり、正確な欠陥密度のデータとすることができる。なお、図１からも判るように、熱処理温度が高温になるほど、欠陥密度が減少している。これは、マイグレーションの進行による影響と考えられ、より確実に欠陥の存在を捉え、定量化するにあたっては、熱処理温度を１１００〜１２００℃とするのが好ましい。１２００℃を超える温度で熱処理する場合は、熱処理時間をより短くするのが好ましい。

また、図２より、本発明の熱処理時間範囲において１０分付近をピークとし、さらに長時間熱処理を施すと、欠陥密度が減少していくことが判る。また、０〜１０分では、１０分付近のピークに向けて、欠陥密度が急増している。この０〜１０分における範囲では、基板表面に形成された酸化膜等のエッチングによる影響が含まれていると考えられる。そして、４時間を超えると、マイグレーションによるピットの消滅が進み、欠陥密度がさらに減少してしまっている。

したがって、基板表面に存在する正確な欠陥のデータを求めるにあたっては、１０分間以上４時間以下の熱処理を施して得られたデータを採用するのが望ましい。また、図２の場合も同様に、熱処理を長時間続ければその分だけマイグレーションが進行するので、より確実な基板表面の欠陥のデータを求めるのであれば、熱処理時間を１０分〜１時間程度として、ピットが消滅するのを防ぐことがより好ましい。

このように、本発明の測定方法により、従来の測定方法では求めることができなかった、シリコン結晶から切り出した直後の熱処理が施されていない基板の表面に潜在する酸素析出物等の欠陥を、正確にかつ従来に比べて極めて簡便に測定することが可能である。

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。

本例では、図１、２に示したように、熱処理の時間を１時間に固定、または熱処理温度を１１５０℃に固定して熱処理を行ったものであるが、この例に限らず、シリコン基板に対してエッチング作用を持つ雰囲気ガス下において、１１００℃以上融点未満の温度で１０分以上４時間以下の時間範囲で熱処理を施して、欠陥をエッチングし、ピットを形成、残留させ、これを計測することにより、基板表面の欠陥を測定する方法であれば良い。

熱処理後のウエーハにおける欠陥密度と、熱処理時間を６０分に固定した時の熱処理温度との関係を示したグラフである。 熱処理後のウエーハにおける欠陥密度と、熱処理温度を１１５０℃に固定した時の熱処理時間との関係を示したグラフである。 熱処理を施す前のウエーハ表面と、実施例１〜３、５〜７における熱処理後のウエーハ表面の観察図である。

Claims (3)

1. チョクラルスキー法により製造された半導体シリコン基板の表面にある欠陥を測定する方法であって、前記半導体シリコン基板に対してエッチング作用を持つアルゴン雰囲気下において、１１００℃以上融点未満の温度で１０分以上４時間以下の熱処理を前記半導体シリコン基板に施すことによって、該半導体シリコン基板の表面に形成されている酸化膜をエッチング除去するとともに、表面にある欠陥をエッチングしてピットを形成し、その後、該ピットを計測することにより、前記半導体シリコン基板の表面の欠陥を測定することを特徴とする半導体基板の測定方法。
2. 前記熱処理の温度を１２００℃以下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測定方法。
3. 前記ピットの計測を、パーティクルカウンターにより行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体基板の測定方法。

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