JP4785039B2 - シリコンウェーハのライフタイム測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、シリコンウェーハのライフタイム測定方法に係わり、特に、前処理としてシリコンウェーハの表面再結合を抑制するためのケミカルパシベーションを実施して、シリコンウェーハのライフタイムを測定する方法に関する。

シリコンウェーハの表面をパシベーションしてライフタイムを測定する方法は、半導体の製造工程で起こる不純物汚染の検出に有効であり利用されている。

例えば、少数キャリアの再結合反応は重金属などの汚染に敏感に反応することから、再結合ライフタイムの測定を通して各工程のクリーンレベルの評価が可能だからである。

少数キャリアの再結合ライフタイムτは、１／τ＝１／τ_ｓ ＋ １／τ_ｂで表される。τは一次モードライフタイムであるが、指数関数に近似可能な減衰の時定数としての測定値とみなされる。τ_ｓはウェーハ表面の再結合ライフタイムであり、ウェーハ表面の少数キャリアが再結合するまでの時間である。τ_ｂはウェーハ固有のバルク再結合ライフタイムであり、結晶の欠陥と不純物の影響を受ける。

半導体ウェーハ表面においては、内部よりも多くの欠陥が存在し、表面準位も多様であることから、キャリアが短い時間で再結合する、いわゆる表面再結合反応がバルクでの再結合に優先して起こり、測定値に対し支配的となる。従って、測定されたライフタイムは、表面での再結合ライフタイムを表し、バルク固有のライフタイムを測定するには表面パシベーション処理が必要となる。この表面パシベーション処理としては、熱酸化膜処理や電解溶液処理などが用いられている。

シリコンウェーハのライフタイム測定は、一般には大気中において反射マイクロ波光導電減衰法（μ-ＰＣＤ法）により行われている。この方法によれば、熱平衡状態の半導体ウェーハに光励起により過剰キャリアを発生させ、キャリア濃度の変化をコンダクタンスの変化としてとらえ、マイクロ波の透過量あるいは反射量の時間変化を検出する事によりライフタイムを評価する。

光励起の手段として一般にはレーザを照射するが、この方法だと、半導体表面近傍の深さ３０μｍ程度の領域に過剰キャリアが発生するため、検出される反射強度は、照射後特に初期ほど表面再結合の影響を強く受け、測定値がほとんど試料表面のライフタイムに起因して、目的とする半導体バルクのライフタイムを反映しないことも起こり得る。

表面再結合速度を抑制するため、パシベーション処理として熱酸化膜を形成することが広く行われている。これは、０．５ｍｍ厚以上の試料で数ｍｓまでの再結合ライフタイムを測定するための前処理として適用され、低界面準位密度（Ｄｉｔ＜１０^１０／ｃｍ^２・ｅＶ）の酸化膜を形成するような高温酸化によってパシベーションを行う。この場合、酸化条件が９５０℃〜１０５０℃と高温であるため、再結合ライフタイムに影響を与えるほどの酸素析出物が形成されないようにし、また金属不純物が混入しないように注意する必要がある。金属不純物の混入防止のためには、酸化前には試料表面上の金属不純物を十分除去しうる洗浄をし、酸化熱処理炉や治具は十分に清浄でなければならない。

しかし、熱酸化膜を形成した状態で測定すると、一次モードライフタイムは酸化膜の電荷の変化や酸化膜と半導体基板の界面状態などの影響を受けやすく、バルクのライフタイムに影響を与えない不純物が酸化によって影響するようになることがある。これは、熱酸化により形成される酸化膜に金属など微量元素が再汚染で取込まれるためである。

このように微量元素によって酸化膜の性質も変わるので、パシベーション膜として信頼できることが難しいのも事実である。半導体製造プロセスの各工程おける重金属などの汚染評価を目的に測定する場合は、特に問題となる。

このような熱酸化処理の欠点を解消する方法として、ヨウ素を溶解した有機溶液に試料を浸漬してライフタイム測定を行うケミカルパシベーションが提案されている。ケミカルパシベーション処理は電解溶液処理とも呼ばれているが、その方法によれば、まず酸化膜を稀フッ酸溶液で取り除き、そのあと、０．５ｍｍ厚以上の試料で再結合ライフタイムを測定するために、ヨウ素エタノール溶液を含むプラスチックの袋又は容器に試料を挿入し、試料表面を溶液の薄い膜で覆うようにして測定する。この電解溶液処理は、試料を溶液に浸して袋に入れるという点で破壊検査の一つであるが、使用した溶液が装置を汚染し腐食して故障の原因となった例もある。

フッ酸水溶液で洗浄しウェーハ表面の酸化膜を除去したあと、直ちにマイクロ波とレーザを照射してライフタイムを測定する方法があるが、処理後の経過時間と共に自然酸化膜の成長による表面準位の変化がおこり安定した測定値が得られないのである。

そこで、近年では、表面再結合を抑制するための具体例として、ＨＦ水溶液浸漬による水素終端した半導体ウェーハをオゾン雰囲気中に置き、自然酸化膜の成長を防ぐケミカルパシベーションが提案されている。（例えば特許文献１参照）
更に、フッ化水素蒸気雰囲気中に半導体ウェーハを置いたケミカルパシベーションが提案されている。（例えば特許文献２参照）
しかしながら、上記方法は煩雑で特殊な装置を必要とする欠点がある。
特開平６−２８３５８４号 特開平５−１２９４０２号

以上の事情に鑑み、本発明は、シリコンウェーハのライフタイムを測定する際に、簡易にケミカルパッシベーション効果を長時間にわたり安定して持続し、正確なライフタイムを測定する方法を提供することを目的とするものである。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、シリコンウェーハのライフタイムをマイクロ波光導電減衰法により測定する方法において、表面再結合を抑制するためにケミカルパシベーション処理をし、シリコンウェーハ表面に帯電した電荷を一定状態に維持することを特徴としている。

なお、ケミカルパシベーション処理は、シリコンウェーハがＨＦ溶液に浸漬処理されることによって、水素終端することが好ましい。

更に、シリコンウェーハと同じ帯電状態としたダミーウェーハを上下または左右に載置した搬送キャリアで保管することによって、シリコンウェーハ表面に帯電した電荷を一定状態に維持することが好ましい。

この発明によれば、シリコンウェーハ表面が水素基で処理されたパシベーションの効果を長時間安定して保持させる事が可能となる結果、キャリアの表面再結合を抑制してシリコンウェーハのライフタイムを保存時間に左右されず安定して信頼できる値を測定することができる。更に、簡易に複数枚のシリコンウェーハの処理が可能となる。

以下、この発明に係わる好適な例として、反射マイクロ波光導電減衰法によるライフタイムの測定について説明する。

ライフタイムの測定値は、ウェーハバルクの特性、表面状態、前工程の履歴、測定環境、汚染など予想外因子の影響を受けて変動しやすく、誤差が大きく現出する特性であるから、供試する試料は、半導体電子産業用として通常用いられる高品質のシリコン単結晶から切出され、表面が化学的・機械的に鏡面研磨またはエッチング仕上げされたシリコンウェーハが好ましい。

また、供試ウェーハの抵抗率が小さいと、マイクロ波の反射量が大きくなり、測定のダイナミックレンジの関係から測定誤差の拡張が危惧されることがあるので、１０Ω・ｃｍ以上であることが好ましい。

このような仕様のウェーハに表面パシベーション処理として、フッ酸濃度が５％の水溶液に常温で数分間浸漬したあと、純水にさらに数分間浸漬することで、シリコン表面のダングリングボンドを水素基で終端する。

ＨＦ溶液への浸漬処理によって水素終端されたシリコンウェーハは＋数ＫＶの帯電状態を有することが知られている。大気の電界はほぼ０Ｖであるため、水素終端されたシリコンウェーハの帯電状態は、大気に曝される時間経過とともに０Ｖに変化していく。その帯電状態の変化によって水素終端されたシリコンの結合が切れやすくなり、表面準位の増加によってライフタイム値の変化が生じてしまう。

そこで、シリコンウェーハの保管環境をＨＦ処理後のウェーハと同じ電界下とすることによって、シリコンウェーハの帯電を一定状態に維持し、水素終端されたシリコン表面の変化を抑制させるのである。

同じ電界下とする方法は、帯電材質によって測定ウェーハの保管環境を囲むことによって実現可能となる。

一例として、水素終端パシベーション処理後の帯電を維持するため、装置搬送キャリアに保管する時に、同じ帯電状態であるダミーシリコンウェーハを測定用縦型ウェーハの上下溝に設置し、測定ウェーハの保持される環境を一定の帯電状態とした。他の一例として、水素終端パシベーション処理後の測定ウェーハを直ちにビニールで包むことによって一定の帯電状態を維持できた。なお、装置搬送キャリアの材質として、テフロン製は効果がなく、帯電防止処理をほどこしたポリプロピレン製などが好ましい。

測定に際しては、上記保持されたウェーハを図１に示す測定ステージ２に半導体ウェーハ１は直ちに設置される。パルス光照射部にあるガンダイオード６からマイクロ波が発振され、サーキュレータ５を介して導波管３により半導体ウェーハ１に照射される。

半導体ウェーハ１からの反射波は、導波管３とサーキュレータ５を介してマイクロ波検出器７に導入され、解析部９に伝達される。次に、パルス駆動のレーザダイオード８を光源として半導体ウェーハ１にレーザ光を注入する。

パルス駆動のレーザダイオード８は、波長が９００〜１１００ｎｍのレーザを有するユニットである。通常は波長９０４ｎｍのレーザを用いる。パルス幅を２００ｎｓｅｃ以下、注入格子密度を２．５×１０^１５／ｃｍ^２以下とする。

マイクロ波検出器７は、周波数が１０±０．５ＧＨｚのマイクロ波と試料表面での反射パワーを測定するユニットである。測定ステージ２は、パルス光源に対して希望のＸ，Ｙ位置に試料を保持するユニットである。

解析部９は、図示しないが、信号処理部とディスプレイユニツトを有する。最小サンプリング時間を２５ｎｓｅｃ以下とする。信号処理部では、コンピュータを用いて試料のローディング／アンローディング、ステージ移動、パルス光源および検出機の操作、減衰信号の解析、データの統計解析、データの記録と保管、結果の印刷またはプロットを制御できるようになっている。

測定環境について述べる。測定装置を湿度７０％以下、気圧８６０〜１０６０ｈＰａの環境に設置する。

半導体ウェーハ１の測定位置にパルス光とマイクロ波が照射されるように測定ステージ２を調整し、マイクロ波の照射に続き、解析部９では半導体ウェーハ１により反射されたマイクロ波のパワーをサンプリングして解析部９の記録装置に取込んでいる。すなわち、半導体ウェーハ１から反射してくるマイクロ波の出力がコンダクタンスに依存することを利用して、マイクロ波の反射出力の変化を検出することにより光励起直後からの過剰キャリア濃度の変化を捉えて実効的ライフタイムを求める。

解析部９の記録装置に取込まれた反射マイクロ波のパワーの変化から再結合ライフタイム値を求める。つまり、光パルスにより過剰キャリアがウェーハ中に注入された瞬間をピークにして、その後、反射マイクロ波強度は減衰曲線を描いて減少するが、減少が指数関数とみなせる変化部分から求めた減衰の時定数を一次モードライフタイムとする。

半導体ウェーハ１に本発明にもとづく測定方法を適用することによって、過剰キャリアが注入されたあとの表面再結合反応を抑制することが可能となる。その結果、一次モードライフタイム測定値に経時変化によるバラツキが減少し、バルク再結合ライフタイムの信頼できる値が得られる。

以下、この発明にもとづく水素終端によるパシベーションの方法とそのパシベーション効果を長時間持続してライフタイムを測定した結果を具体的に説明するが、本発明は下記実施例により限定されるものではない。

測定実施に使用した半導体ウェーハ１は、上記した仕様を満たすものであるが、具体的にはＢドープのＣＺ法で製造した結晶方位が（１００）面で抵抗率が１２Ω・ｃｍの酸素濃度が１４×１０^１７／ｃｍ^３のＰ型シリコンウェーハである。

このウェーハをＳＣ−１洗浄したあと、５％フッ酸水溶液に１０分間浸漬して純水でリンスし、表面をＨＦパシベーション化した。このパシベーション状態の帯電を維持するため、装置搬送キャリアに保管する際に、同じ帯電状態であるダミーシリコンウェーハを測定ウェーハの上下溝に１枚づつ設置し、測定ウェーハの保持される環境を一定の帯電状態とした。

パシベーション処理後の経過時間に対するライフタイム測定値の変化を調べるため、４０〜１４００分保管したあと、夫々の測定ウェーハを直ちに測定ステージ２に設置し、μ-ＰＣＤ法によるライフタイムの測定をした。

本発明の測定結果を図２に示す。時間が経過しても一定のライフタイム値を得られている。

一方、比較例１として、同じ仕様のＰ型シリコンウェーハをＳＣ−１洗浄したあと、フッ酸水溶液浸漬と純水リンスを施し、温度２３℃，湿度４０％の大気解放の状態で１０〜１４００分放置してから夫々のライフタイムを測定した結果を図３に示す。時間が経過するとライフタイム測定値は低下している。

更に、比較例２として、除電を目的としたイオナイザー設置環境下で、同じ仕様のＰ型シリコンウェーハをＳＣ−１洗浄したあと、フッ酸水溶液浸漬と純水リンスを施し、温度２３℃，湿度４０％の大気解放の状態で１０〜１９５分放置してから夫々のライフタイムを測定した結果を図４に示す。

除電手法は、ライフタイム測定環境下に交流電源により正負のイオンが交互に発生するコロナ放電式のイオナイザーを設置、環境電位を０Ｖとした。時間が経過するとライフタイム測定値は比較例１よりも大きく低下している。

半導体ウェーハのライフタイム測定装置におけるレーザ照射系パーツの配置例を示す。 本発明に基づくＰ型シリコンウェーハを所定時間放置してからライフタイムを測定した値を示す。 比較例１に基づくＰ型シリコンウェーハを所定時間放置してからライフタイムを測定した値を示す。 比較例２に基づくＰ型シリコンウェーハを所定時間放置してからライフタイムを測定した値を示す。

符号の説明

１ 半導体ウェーハ
２ 測定ステージ
３ 導波管
５ サーキュレータ
６ ガンダイオード
７ マイクロ波検出器
８ レーザダイオード
９ 解析部

Claims (3)

1. シリコンウェーハのライフタイムをマイクロ波光導電減衰法により測定する方法において、表面再結合を抑制するためにケミカルパシベーション処理をし、帯電材質によって測定ウェーハの保管環境を囲むことによりシリコンウェーハ表面に帯電した電荷を一定状態に維持することを特徴とするシリコンウェーハのライフタイム測定方法。
2. シリコンウェーハのライフタイムをマイクロ波光導電減衰法により測定する方法において、表面再結合を抑制するためにケミカルパシベーション処理をし、シリコンウェーハと同じ帯電状態としたダミーウェーハを上下または左右に載置した搬送キャリアで保管することによって、シリコンウェーハ表面に帯電した電荷を一定状態に維持することを特徴とするシリコンウェーハのライフタイム測定方法。
3. 前記ケミカルパシベーション処理として、シリコンウェーハがＨＦ溶液に浸漬処理されることによって、水素終端することを特徴とする請求項１又は２記載のシリコンウェーハのライフタイム測定方法。

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