JP4894104B2 - Method for measuring carrier concentration of silicon epitaxial layer - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はシリコンエピタキシャル層のキャリア濃度測定方法に関するもので、詳しくは表面光電圧法によりエピタキシャル層のキャリア濃度を高い信頼性をもって測定する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
シリコンエピタキシャルウエーハは、その優れた特性から広く個別半導体やバイポーラIC等を製造するウエーハとして、古くから用いられてきた。また、MOS LSIについても、ソフトエラーやラッチアップ特性が優れている事から、マイクロプロセッサユニットやフラッシュメモリデバイスに広く用いられている。さらに、シリコン単結晶製造時に導入される、いわゆるGrown−in欠陥によるDRAMの信頼性不良を低減させるため、エピタキシャルウェーハの需要はますます拡大している。
【0003】
このようなシリコンエピタキシャルウエーハにおいては、エピタキシャル層が直接デバイス活性領域となるため、そのキャリア濃度を正確に制御すること及び測定する事は、デバイス動作上極めて重要である。
【0004】
従来、シリコンウエーハのエピタキシャル層のキャリア濃度を測定する方法としては、一般的にショットキー接合を形成し、いわゆるC−V法(Capacitance−Voltage法)により測定する方法が行なわれている。ショットキー接合を形成するために、エピタキシャル層表面に金属電極を蒸着することが一般的に行われているが、エピタキシャル層表面にHgプローブを接触させることにより、ショットキー接合を形成する方法も行なわれている。
【0005】
しかしながら、上記従来のC−V法では、真空蒸着によるショットキー接合を形成する前処理には約1時間必要とされ、キャリア濃度の測定を行うまでに時間がかかっていた。そのため、キャリア濃度の測定の間はエピタキシャル成長を中断せざるを得ず、生産性が低下するという問題があった。また、ショットキー接合を形成するために金属蒸着あるいはHgプローブをウェーハ表面に接触させる為、いわゆる破壊検査となり、検査用のモニターウエーハを別途に必要とするため、コストの点から見ても問題があった。
【0006】
そこで、このような問題を解決するために、キャリア濃度の測定において、表面光電圧法(Surface Photovoltage法:SPV法)を用いた測定方法が近年検討されている。この測定方法は、例えば測定点1点につき約0.1秒しか測定時間がかからず、その上非接触で測定できるため、ウエーハを汚染、破壊することなく生産性、コストともに優れた測定方法として期待されている。
【0007】
このキャリア濃度の測定方法は、表面光電圧法により空乏層幅Wを測定できることを利用し、空乏層幅Wからキャリア濃度を求めるものである。表面光電圧法による空乏層幅Wの測定に関しては、例えば、J.Voc.Sci.Technol.20(1982)p.811のEq.15に示されている。また最大空乏層幅Wmaxと空乏層中でのドーパント濃度(キャリア濃度)Nとの関係については、例えば、Physics and technology of semiconductor devices(Jhon Willey & Sons,Inc.,New York,1967)p.270において示されている。
【0008】
また、表面光電圧を測定する装置として、例えばQC Solutions社製のSurface Charge Profiler(以後、SCPと略す)が知られている。このSCPによる測定可能な抵抗率の範囲は、通常0.1〜1000Ωcmである。
【0009】
SCPの測定原理について以下に説明する。まず、熱平衡状態にあるウエーハにSiのバンドギャップ以上のエネルギーをもつ光(hν)をサンプル表面に照射することにより、照射した光の波長に対応した侵入深さで過剰キャリアが発生する。発生した電子は表面側へ、ホールは空乏層の端へ移動する。発生した少数キャリア(p型半導体では電子e)は表面の障壁高さをδVだけ変化させる。
この時の電位δVをSPV値と呼ぶ。
【0010】
このSPV値を用い、次の(1)式に従って空乏層幅を算出することができる。
δV=−j(δφ/ω)(1−R)q(W/ε) ・・・(1)
ここで、jは虚数単位、φは励起光強度、ωは励起光の角周波数、Rはウェーハ表面の反射率、qは単位電荷量、εは半導体の誘電率である。
【0011】
そして、SCPでは測定された空乏層幅Wを最大空乏層幅Wmaxと仮定し、次の(2)式よりキャリア濃度Nを算出することができる。
max=[2εkTln(N/n)/q1/2・・・(2)
ここで、kはボルツマン定数、Tは絶対温度、nは真性自由キャリア濃度を表す。
【0012】
測定に用いる励起光源を通常の表面光電圧法で用いられるものよりも短波長(例えば450nm)の励起光源を用いることによって、光の侵入深さを0.4μm以下にでき、ウェーハ表層のみのキャリア濃度(厳密にはドーパント濃度)を評価することができる。
【0013】
このように表面光電圧法は、シリコンエピタキシャル層のキャリア濃度の測定を、迅速・簡便かつ非接触で行うことができ、特にエピタキシャル層の表層の評価ができるという利点がある。
ところが、この方法でエピタキシャル層のキャリア濃度を測定すると、測定値が安定せず、経時的に変化したり、また測定ウエーハの洗浄方法やその他の処理方法の違いによって、データが変ってしまうという問題があった。
【0014】
そこで、特開平10−270517号では、シリコンウエーハ上に成長させたシリコンエピタキシャル層のキャリア濃度を表面光電圧法によって測定する方法において、予めキャリア濃度の経時変化を求めておき、エピタキシャルウエーハ製造装置からウエーハを取り出してから表面光電圧法によりキャリア濃度を測定するまでの時間を計測することによって、キャリア濃度の測定値Nと前記キャリア濃度の経時変化とから真のキャリア濃度Nを求めるキャリア濃度測定方法が開示されている。
【0015】
ところが、特開平10−270517号に示されている方法を用いてシリコンエピタキシャルウエーハのキャリア濃度を測定しても、日間変動や再現性のばらつきが大きい場合があり、測定値の信頼性が十分とは言えず、検査や品質保証等に用いることは困難であった。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記問題点に鑑みて為されたものであり、本発明の目的は、表面光電圧法によってシリコンエピタキシャル層のキャリア濃度を測定する方法において、シリコンエピタキシャル層のキャリア濃度を非接触かつ迅速・簡便に測定できるとともに、さらに日間変動や再現性等のばらつきが小さく信頼性の高いキャリア濃度測定方法を提供することにある。
【0017】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明によれば、シリコンウエーハ上に成長させたシリコンエピタキシャル層のキャリア濃度を表面光電圧法によって測定するキャリア濃度測定方法であって、誘電体が存在しないシリコンエピタキシャルウエーハの表面に電界を印加して最大空乏層幅の空乏層を形成し、該最大空乏層幅を測定することによってキャリア濃度を求めることを特徴とするキャリア濃度測定方法が提供される(請求項1)。
【0018】
このように、表面光電圧法によりシリコンエピタキシャル層のキャリア濃度を測定する際に、シリコンエピタキシャルウエーハの表面に電界を印加して最大空乏層幅の空乏層を形成し、この最大空乏層幅を測定することによって、非接触かつ迅速・簡便に測定できるとともに、空乏層幅の変動がほとんどないため、測定値のばらつきが小さく信頼性の高いキャリア濃度測定を行うことができる。
【0019】
この場合、前記誘電体が存在しないシリコンエピタキシャルウエーハの表面に電界を印加するのは、シリコンエピタキシャルウェーハの表面をコロナ放電処理することによって行うことが好ましい(請求項2)。
【0020】
このように、シリコンエピタキシャルウエーハの表面をコロナ放電処理することによって、非接触・非破壊で最大空乏層幅の空乏層を形成でき、それによって、シリコンウエーハを汚染することなく正確なキャリア濃度を測定することが可能となる。
なお、コロナ放電処理とは、直径100ミクロン程度の金属線に6〜10kVの高電圧を印加してコロナ放電させ、目的の誘電体等の表面を処理するものであり、半導体産業においても帯電防止処理等に広く用いられている。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について実施の形態を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
従来、表面光電圧法によりシリコンエピタキシャル層のキャリア濃度を測定する際、日間変動や再現性等のばらつきが大きく、測定値の信頼性に欠け、品質保証等に用いることが困難であった。
本発明者等は、これらの問題を解決するために、表面光電圧法によるキャリア濃度測定において、日間変動や再現性等のばらつきが大きくなる原因について鋭意調査・検討を行った結果、シリコンエピタキシャルウエーハ表面の電荷状態の変化に影響され、測定された空乏層幅Wが、キャリア濃度Nを算出する際に用いられる最大空乏層幅Wmaxと必ずしも一致していないことが推定された。
【0022】
例えば、p型のシリコンエピタキシャルウエーハは、表面の正電荷密度が増加すると空乏層が広がり、やがて飽和状態に達する。この時、SCPによりキャリア濃度を測定する場合、上述したように、測定された空乏層幅Wを最大空乏層幅Wmaxと仮定し、(2)式を用いてキャリア濃度Nを算出するため、正確にキャリア濃度を測定するためには、ウエーハ表面に十分な量の正電荷が存在し、形成された空乏層の幅が最大空乏層幅Wmaxに達していることが重要となる。
【0023】
しかしながら、従来の表面光電圧法によるキャリア濃度の測定では、エピタキシャル層表面の電荷量が最大空乏層幅Wmaxに達するほど十分ではない場合が有り、空乏層幅は必ずしも最大空乏層幅Wmaxと一致せず、それによって見かけ上のキャリア濃度の変動を招いていたと考えられる。したがって、従来の表面光電圧法により測定されたキャリア濃度における日間変動等のばらつきは、空乏層幅の変化、すなわち、ウエーハ表面の電荷の状態の変化に原因があると予想された。
【0024】
そこで、本発明者は、空乏層幅が最大空乏層幅Wmaxに到達するまで十分な電界をウェーハ表面に印加したシリコンエピタキシャルウエーハを表面光電圧法により測定することによって、日間変動、再現性等のばらつきが小さく信頼性の高いキャリア濃度測定を行うことができることを発想し、本発明を完成させるに至った。
【0025】
すなわち、シリコンウエーハ上に成長させたシリコンエピタキシャル層のキャリア濃度を表面光電圧法によって測定する際に、シリコンエピタキシャルウエーハの表面に電界を印加することにより、最大空乏層幅Wmaxの空乏層を形成し、この最大空乏層幅Wmaxを測定することによって、信頼性の高いキャリア濃度測定を行うことができる。
この時、最大空乏層幅Wmaxに達するために必要な電界強度あるいは表面電荷密度は、キャリア濃度の関数として計算によって求めることができる。
【0026】
算出する際の数式は、例えば、Physics of Semiconductor Devices(WILEY−INTERSCIENCE、New York、1969)p.431の式16を用いればよい。図8に、p型10Ωcm(ドーパント濃度N=1.34×1015/cm)の場合の表面ポテンシャルφと半導体表面の電荷密度Qの関係の計算例を示す。最大空乏層幅Wmaxに到達するには、表面ポテンシャルφがフェルミポテンシャルφの2倍以上になれば良いことが知られている。φ=2φの場合の半導体表面の電荷密度は、この図より0.02μC/cmである。すなわち、シリコンエピタキシャルウェーハ上に0.02μC/cm以上の正電荷が存在すれば、理論的には最大空乏層幅Wmaxに到達する。
【0027】
しかしながら、今回のように酸化膜のような誘電体が存在しない場合は、正電荷はシリコンエピタキシャルウェーハ上で安定には存在しない。このため、より多くの正電荷を付着させる必要がある。従って、必要な電荷量あるいは電界強度は、測定されたキャリア濃度が飽和して一定となるように実験的に求めることが望ましい。
シリコンエピタキシャル層は狙いのキャリア濃度(抵抗率)が得られるように形成されるため、その狙いのキャリア濃度に対してある程度のマージンを取って電界を印加すればよい。
【0028】
また、SCPで測定する場合、エピタキシャル層成長後のウェーハ表面は、通常正に帯電している為、p型エピタキシャル層の評価には未処理或いはHF洗浄仕上げ後に正電荷を帯電させる処理が有効である。一方、n型ウェーハは空乏層がなくなる方向に進むため、SC−1洗浄(NHOH/H/HOの混合液による洗浄)或いはSC−2洗浄(HCl/H/HOの混合液による洗浄)後に負電荷を帯電させる処理を行うことが望ましい。
【0029】
以下、本発明について図面を用いてさらに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。
本発明で用いられるコロナ放電処理の概念図を図1に示す。図1に示したように、ステージ1上に例えばp型の低抵抗率基板上にp型の通常抵抗率のエピタキシャル層を成長させたP/Pのシリコンエピタキシャルウェーハ2を置き、シリコンウェーハ2のほぼ中央部上方に配置された金属線電極3とステージ1間に、金属線電極3が正極となるようにして高電圧を印加し、シリコンウェーハ上でコロナ放電を発生させる。すると、負にチャージしたステージ上のシリコンウェーハ表面には、正イオン4が降り注がれることになる。
【0030】
このようにして、P型のシリコンウェーハ2に電界が印加され、空乏層が形成される。この時、空乏層幅が最大空乏層幅Wmaxに達していることが重要であるため、シリコンエピタキシャル層のキャリア濃度に応じ、ある程度のマージンを計算し、ウェーハと金属線電極間の距離あるいは放電時間を調整して電界を印加することが好ましい。
なお、電極の形状はどのような形状でも良く、例えば針状(ロッド)あるいは線状(ワイヤー)等、種々の形態のものを用いることができる。
【0031】
また、本発明の測定方法を実施するには、コロナ放電処理を行う装置と表面光電圧法によりエピ層のキャリア濃度を測定する測定器をそれぞれ別に用意して、電界印加処理、キャリア濃度測定を個別に行えばよいが、図2に示すようにコロナ放電処理装置5とキャリア濃度測定器6を組み合わせて、信頼性の高いキャリア濃度測定装置7を構成してもよい。
【0032】
さらに、同一ステージ上でコロナ放電処理後あるいは処理中にキャリア濃度測定ができるように、コロナ放電用電極と測定用プローブを組み合わせることが好ましい。例えば、図3に示したように、コロナ放電用ロッド8を用いてシリコンウエーハ2上でコロナ放電を発生させて正電荷4を帯電させた後、測定用プローブ9を用いて空乏層幅を測定しても良く、図4に示したように、コロナ放電用ワイヤー10を電極としてコロナ放電処理を行い、その後すぐに待機していたプローブで測定することもできる。また、図5に示したように、コロナ放電用ユニット11からチューブ12を介してウエーハ2上に正電荷4を帯電させながら、測定用プローブ9により空乏層を測定することも可能である。
【0033】
以上のように、シリコンウェーハの表面に電界を印加する手段とキャリア濃度を測定する手段とを組み合わせたものとすれば、個々の装置で夫々処理する場合より、極めて簡単かつ迅速に測定することができるとともに、表面の電荷状態を安定に保つことができ、より信頼性の高い測定を行うことが可能となる。
【0034】
【実施例】
以下、本発明の実施例及び比較例を挙げて本発明を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。
(実施例)
枚葉式常圧CVD装置にて、0.008Ωcmのp型シリコンウェーハ上に、狙いの抵抗率の水準がそれぞれ20、10、5Ωcmで、膜厚が5μmのp型エピタキシャル層を有する、いわゆるP/P++エピタキシャルウェーハを作製した。ウェーハをCVD装置から取り出した後、コロナ放電処理においてコロナ放電を発生させ、正電荷をウェーハ表面に付着させた。この時、コロナ放電処理には、KG101 CORONA CHARGE GENERATOR(SEMILAB社製)を用い、最大空乏幅を得るために1μCの正電荷を付着させる設定とした。コロナ放電処理直後、SCPによりエピタキシャル層のキャリア濃度を測定した。その後、同一ウェーハを用いて、上記と同様のコロナ放電処理とキャリア濃度測定を10日間繰り返し行い、測定値の日間変動を調べた。
【0035】
抵抗率の異なるそれぞれのシリコンエピタキシャルウエーハについて測定した結果を図6に示す。測定されたキャリア濃度の日間変動はいずれのウエーハにおいても2.3%以下であり、本発明によるキャリア濃度測定方法は、ばらつきが小さく信頼性の高い測定方法であることがわかる。尚、絶対値に関しては、測定値をC−V法等と比較し、補正式を得ておくことが望ましい。
【0036】
(比較例)
次に、実施例1と同様に3水準の抵抗率を有するシリコンエピタキシャルウエーハを用意し、それぞれのウエーハに対して電界を印加せずにSCPによるキャリア濃度測定を15日間繰り返し行った。その結果を図7に示す。エピタキシャルウェーハ作製後、いずれのウエーハにおいてもキャリア濃度は5日目までは単調に減少し、また、5日目以降の10日間の日間変動が約4%と大きな値を示した。
【0037】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は単なる例示であり、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。
【0038】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、表面光電圧法によってシリコンエピタキシャル層のキャリア濃度を測定する場合において、シリコンウェーハの表面に電界を印加することにより最大空乏層幅の空乏層を形成して測定を行うことによって、信頼性の高いシリコンエピタキシャル層のキャリア濃度測定が可能となる。また、コロナ放電処理も、表面光電圧法による測定も、非接触、非破壊で行うことができるため、モニタウェーハを必要とせず、大きなコスト削減効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明で用いるコロナ放電処理の概念図である。
【図2】本発明によるキャリア濃度測定装置の概念図である。
【図3】コロナ放電用ロッドと測定用プローブを組み合わせた測定装置を示した概念図である。
【図4】コロナ放電用ワイヤーと測定用プローブを組み合わせた測定装置を示した概念図である。
【図5】コロナ放電ユニットと測定用プローブを組み合わせた測定装置を示した概念図である。
【図6】実施例により測定したキャリア濃度の日間変動を示したグラフである。
【図7】比較例により測定したキャリア濃度の日間変動を示したグラフである。
【図8】表面ポテンシャルφと半導体表面の電荷密度Qの関係を示したグラフである。
【符号の説明】
1…ステージ、 2…シリコンウエーハ、
3…金属線電極、 4…正電荷、
5…コロナ放電処理装置、 6…キャリア濃度測定器、
7…キャリア濃度測定装置、 8…コロナ放電用ロッド、
9…測定用プローブ、 10…コロナ放電用ワイヤー
11…コロナ放電ユニット、 12…チューブ。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for measuring the carrier concentration of a silicon epitaxial layer, and more particularly to a method for measuring the carrier concentration of an epitaxial layer with high reliability by a surface photovoltage method.
[0002]
[Prior art]
Silicon epitaxial wafers have long been used as wafers for manufacturing individual semiconductors, bipolar ICs and the like because of their excellent characteristics. MOS LSIs are also widely used in microprocessor units and flash memory devices because of their excellent soft error and latch-up characteristics. Furthermore, the demand for epitaxial wafers is increasing in order to reduce the reliability failure of DRAMs caused by so-called Grown-in defects introduced during the production of silicon single crystals.
[0003]
In such a silicon epitaxial wafer, since the epitaxial layer directly becomes a device active region, accurately controlling and measuring the carrier concentration is extremely important for device operation.
[0004]
Conventionally, as a method of measuring the carrier concentration of an epitaxial layer of a silicon wafer, a method of forming a Schottky junction and measuring by a so-called CV method (Capacitance-Voltage method) has been performed. In order to form a Schottky junction, a metal electrode is generally deposited on the surface of the epitaxial layer. However, a method of forming a Schottky junction by bringing a Hg probe into contact with the surface of the epitaxial layer is also performed. It is.
[0005]
However, in the conventional CV method described above, the pretreatment for forming the Schottky junction by vacuum deposition requires about 1 hour, and it takes time to measure the carrier concentration. Therefore, there is a problem that the epitaxial growth must be interrupted during the measurement of the carrier concentration, and the productivity is lowered. Moreover, since metal deposition or Hg probe is brought into contact with the wafer surface to form a Schottky junction, so-called destructive inspection is required, and a separate monitor wafer is required for inspection. there were.
[0006]
Therefore, in order to solve such a problem, a measurement method using a surface photovoltage method (SPV method) has recently been studied in measuring the carrier concentration. This measuring method, for example, takes only about 0.1 seconds per measuring point and can measure in a non-contact manner, so that the measuring method is excellent in both productivity and cost without contaminating or destroying the wafer. As expected.
[0007]
This carrier concentration measurement method uses the fact that the depletion layer width W can be measured by the surface photovoltage method, and obtains the carrier concentration from the depletion layer width W. Regarding the measurement of the depletion layer width W by the surface photovoltage method, see, for example, Voc. Sci. Technol. 20 (1982) p. 811 Eq. 15. Regarding the relationship between the maximum depletion layer width W max and the dopant concentration (carrier concentration) N s in the depletion layer, for example, Physics and technology of semiconductor devices (Jon Willy & Sons, Inc., New York, 1967). . It is shown at 270.
[0008]
As an apparatus for measuring the surface photovoltage, for example, Surface Charge Profiler (hereinafter abbreviated as SCP) manufactured by QC Solutions is known. The range of resistivity measurable by this SCP is usually 0.1 to 1000 Ωcm.
[0009]
The principle of SCP measurement will be described below. First, by irradiating the wafer surface in thermal equilibrium with light (hν) having energy equal to or greater than the Si band gap, excess carriers are generated at a penetration depth corresponding to the wavelength of the irradiated light. The generated electrons move to the surface side, and the holes move to the end of the depletion layer. The generated minority carriers (electrons e in the p-type semiconductor) change the surface barrier height by δV s .
The potential δV s at this time is called an SPV value.
[0010]
Using this SPV value, the depletion layer width can be calculated according to the following equation (1).
δV s = −j (δφ / ω) (1-R) q (W d / ε s ) (1)
Here, j is an imaginary unit, φ is the excitation light intensity, ω is the angular frequency of the excitation light, R is the reflectance of the wafer surface, q is the unit charge amount, and ε s is the dielectric constant of the semiconductor.
[0011]
In SCP, the measured depletion layer width W d is assumed to be the maximum depletion layer width W max, and the carrier concentration N s can be calculated from the following equation (2).
W max = [2ε s kTln (N s / n i ) / q 2 N s ] 1/2 (2)
Here, k is the Boltzmann constant, T is the absolute temperature, n i represents the intrinsic free carrier concentration.
[0012]
By using an excitation light source with a shorter wavelength (for example, 450 nm) than that used in the normal surface photovoltage method, the light penetration depth can be reduced to 0.4 μm or less, and the carrier concentration only on the wafer surface layer (Strictly speaking, the dopant concentration) can be evaluated.
[0013]
As described above, the surface photovoltage method has an advantage that the measurement of the carrier concentration of the silicon epitaxial layer can be performed quickly, simply and in a non-contact manner, and in particular, the surface layer of the epitaxial layer can be evaluated.
However, when the carrier concentration of the epitaxial layer is measured by this method, the measured value is not stable and changes over time, and the data changes due to differences in the cleaning method of the measurement wafer and other processing methods. was there.
[0014]
In Japanese Patent Laid-Open No. 10-270517, in the method of measuring the carrier concentration of the silicon epitaxial layer grown on the silicon wafer by the surface photovoltage method, the change with time of the carrier concentration is obtained in advance, and the wafer is manufactured from the epitaxial wafer manufacturing apparatus. Concentration measurement method for determining the true carrier concentration N 0 from the measured value N s of the carrier concentration and the change over time of the carrier concentration by measuring the time from when the carrier is taken out until the carrier concentration is measured by the surface photovoltage method Is disclosed.
[0015]
However, even if the carrier concentration of a silicon epitaxial wafer is measured using the method disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 10-270517, there may be large variations in daily fluctuation and reproducibility, and the reliability of the measured value is sufficient. However, it was difficult to use for inspection and quality assurance.
[0016]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is a method for measuring the carrier concentration of a silicon epitaxial layer by a surface photovoltage method. Another object of the present invention is to provide a highly reliable carrier concentration measuring method that can be easily measured and has small variations such as daily fluctuation and reproducibility.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, according to the present invention, there is provided a carrier concentration measurement method for measuring the carrier concentration of a silicon epitaxial layer grown on a silicon wafer by a surface photovoltage method, wherein the silicon epitaxial wafer is free of a dielectric. A carrier concentration measurement method is provided, wherein an electric field is applied to the surface of the substrate to form a depletion layer having a maximum depletion layer width, and the carrier concentration is obtained by measuring the maximum depletion layer width. ).
[0018]
Thus, when measuring the carrier concentration of the silicon epitaxial layer by the surface photovoltage method, an electric field is applied to the surface of the silicon epitaxial wafer to form a depletion layer having the maximum depletion layer width, and this maximum depletion layer width is measured. Thus, measurement can be performed in a non-contact, quick and simple manner, and since there is almost no variation in the depletion layer width, it is possible to perform highly reliable carrier concentration measurement with little variation in measured values.
[0019]
In this case, it is preferable that the electric field is applied to the surface of the silicon epitaxial wafer in which the dielectric does not exist by performing a corona discharge treatment on the surface of the silicon epitaxial wafer.
[0020]
In this way, by performing corona discharge treatment on the surface of the silicon epitaxial wafer, a depletion layer with the maximum depletion layer width can be formed in a non-contact and non-destructive manner, thereby accurately measuring the carrier concentration without contaminating the silicon wafer. It becomes possible to do.
In the corona discharge treatment, a high voltage of 6 to 10 kV is applied to a metal wire having a diameter of about 100 microns to cause a corona discharge to treat the surface of a target dielectric or the like. Widely used in processing.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, although an embodiment is described about the present invention, the present invention is not limited to these.
Conventionally, when the carrier concentration of a silicon epitaxial layer is measured by the surface photovoltage method, variations such as daily fluctuations and reproducibility are large, the measured values are not reliable, and are difficult to use for quality assurance.
In order to solve these problems, the inventors of the present invention have conducted extensive investigations and examinations on the causes of large variations in daily fluctuation and reproducibility in the carrier concentration measurement by the surface photovoltage method. It was estimated that the measured depletion layer width W d was not necessarily equal to the maximum depletion layer width W max used in calculating the carrier concentration N s .
[0022]
For example, in a p-type silicon epitaxial wafer, when the positive charge density on the surface increases, the depletion layer spreads and eventually reaches a saturated state. At this time, when the carrier concentration is measured by the SCP, as described above, the measured depletion layer width W d is assumed to be the maximum depletion layer width W max and the carrier concentration N s is calculated using the equation (2). Therefore, in order to accurately measure the carrier concentration, it is important that a sufficient amount of positive charges exist on the wafer surface and the width of the formed depletion layer reaches the maximum depletion layer width Wmax .
[0023]
However, in the measurement of the carrier concentration by conventional surface photovoltage method, there is a case where the charge amount of the surface of the epitaxial layer is not sufficient enough to reach the maximum depletion layer width W max, the width of the depletion layer is not necessarily equal to the maximum depletion layer width W max This is thought to have caused an apparent change in carrier concentration. Therefore, it was expected that the variation such as the daily fluctuation in the carrier concentration measured by the conventional surface photovoltage method is caused by the change of the depletion layer width, that is, the change of the charge state of the wafer surface.
[0024]
Therefore, the present inventor measured the silicon epitaxial wafer, in which a sufficient electric field was applied to the wafer surface until the depletion layer width reached the maximum depletion layer width W max , by measuring the surface photovoltage method, such as daily fluctuation, reproducibility, etc. The inventors have come up with the idea that carrier concentration measurement with small variation and high reliability can be performed, and the present invention has been completed.
[0025]
That is, when the carrier concentration of the silicon epitaxial layer grown on the silicon wafer is measured by the surface photovoltage method, a depletion layer having a maximum depletion layer width W max is formed by applying an electric field to the surface of the silicon epitaxial wafer. By measuring the maximum depletion layer width W max , highly reliable carrier concentration measurement can be performed.
At this time, the electric field strength or surface charge density required to reach the maximum depletion layer width Wmax can be obtained by calculation as a function of the carrier concentration.
[0026]
Formulas used for the calculation are, for example, Physics of Semiconductor Devices (WILEY-INTERSCIENCE, New York, 1969) p. The equation 16 of 431 may be used. FIG. 8 shows a calculation example of the relationship between the surface potential φ S and the charge density Q S on the semiconductor surface in the case of p-type 10 Ωcm (dopant concentration N A = 1.34 × 10 15 / cm 3 ). In order to reach the maximum depletion layer width W max , it is known that the surface potential φ S should be at least twice the Fermi potential φ f . The charge density on the semiconductor surface in the case of φ S = 2φ f is 0.02 μC / cm 2 from this figure. That is, if a positive charge of 0.02 μC / cm 2 or more exists on the silicon epitaxial wafer, the maximum depletion layer width W max is theoretically reached.
[0027]
However, when there is no dielectric such as an oxide film as in this case, positive charges do not exist stably on the silicon epitaxial wafer. For this reason, it is necessary to attach more positive charges. Therefore, it is desirable to experimentally determine the necessary charge amount or electric field strength so that the measured carrier concentration is saturated and constant.
Since the silicon epitaxial layer is formed so as to obtain a target carrier concentration (resistivity), an electric field may be applied with a certain margin with respect to the target carrier concentration.
[0028]
In addition, when measuring by SCP, the wafer surface after the growth of the epitaxial layer is usually positively charged. Therefore, for the evaluation of the p-type epitaxial layer, a process for charging a positive charge after the unprocessed or HF cleaning finish is effective. is there. On the other hand, since the n-type wafer proceeds in a direction in which the depletion layer disappears, SC-1 cleaning (cleaning with a mixed solution of NH 4 OH / H 2 O 2 / H 2 O) or SC-2 cleaning (HCl / H 2 O 2). It is desirable to perform a process of charging a negative charge after (washing with a mixed solution of / H 2 O).
[0029]
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to these.
A conceptual diagram of the corona discharge treatment used in the present invention is shown in FIG. As shown in FIG. 1, a P / P + silicon epitaxial wafer 2 in which a p-type normal resistivity epitaxial layer is grown on a p-type low resistivity substrate, for example, is placed on a stage 1. A high voltage is applied between the metal wire electrode 3 disposed substantially above the center of the substrate and the stage 1 so that the metal wire electrode 3 becomes a positive electrode, thereby generating a corona discharge on the silicon wafer. Then, positive ions 4 are poured onto the surface of the silicon wafer on the negatively charged stage.
[0030]
In this way, an electric field is applied to the P-type silicon wafer 2 to form a depletion layer. At this time, since it is important that the depletion layer width reaches the maximum depletion layer width Wmax , a certain margin is calculated according to the carrier concentration of the silicon epitaxial layer, and the distance between the wafer and the metal line electrode or the discharge is calculated. It is preferable to adjust the time and apply the electric field.
The electrode may have any shape, and various shapes such as a needle shape (rod) or a wire shape (wire) can be used.
[0031]
In order to carry out the measurement method of the present invention, a device for performing corona discharge treatment and a measuring device for measuring the carrier concentration of the epilayer by the surface photovoltage method are prepared separately, and electric field application treatment and carrier concentration measurement are individually performed. However, as shown in FIG. 2, the corona discharge treatment device 5 and the carrier concentration measuring device 6 may be combined to form a highly reliable carrier concentration measuring device 7.
[0032]
Further, it is preferable to combine the corona discharge electrode and the measurement probe so that the carrier concentration can be measured after or during the corona discharge treatment on the same stage. For example, as shown in FIG. 3, the corona discharge is generated on the silicon wafer 2 using the corona discharge rod 8 to charge the positive charge 4, and then the depletion layer width is measured using the measurement probe 9. Alternatively, as shown in FIG. 4, the corona discharge treatment can be performed using the corona discharge wire 10 as an electrode, and measurement can be performed with a probe that has been waiting immediately thereafter. Further, as shown in FIG. 5, the depletion layer can be measured by the measurement probe 9 while charging the positive charge 4 on the wafer 2 from the corona discharge unit 11 through the tube 12.
[0033]
As described above, if the means for applying the electric field to the surface of the silicon wafer and the means for measuring the carrier concentration are combined, the measurement can be carried out extremely easily and quickly compared to the case of processing with each device. In addition, the charge state on the surface can be kept stable, and more reliable measurement can be performed.
[0034]
【Example】
EXAMPLES Hereinafter, although an Example and comparative example of this invention are given and this invention is demonstrated concretely, this invention is not limited to these.
(Example)
A so-called P-type epitaxial layer having a target resistivity level of 20, 10, 5 Ωcm and a thickness of 5 μm on a 0.008 Ωcm p-type silicon wafer in a single-wafer atmospheric pressure CVD apparatus. / P ++ epitaxial wafer was produced. After removing the wafer from the CVD apparatus, corona discharge was generated in the corona discharge treatment, and positive charges were attached to the wafer surface. At this time, in the corona discharge treatment, KG101 CORONA CHARGE GENERATOR (manufactured by SEMILAB) was used, and 1 μC positive charge was attached to obtain the maximum depletion width. Immediately after the corona discharge treatment, the carrier concentration of the epitaxial layer was measured by SCP. Thereafter, using the same wafer, the same corona discharge treatment and carrier concentration measurement as described above were repeated for 10 days, and the daily fluctuation of the measured value was examined.
[0035]
FIG. 6 shows the result of measurement for each silicon epitaxial wafer having different resistivity. The daily fluctuation of the measured carrier concentration is 2.3% or less in any wafer, and it can be seen that the carrier concentration measuring method according to the present invention is a highly reliable measuring method with little variation. As for the absolute value, it is desirable to compare the measured value with the CV method or the like to obtain a correction formula.
[0036]
(Comparative example)
Next, silicon epitaxial wafers having three levels of resistivity were prepared as in Example 1, and carrier concentration measurement by SCP was repeated for 15 days without applying an electric field to each wafer. The result is shown in FIG. After the epitaxial wafer fabrication, the carrier concentration monotonously decreased until the 5th day in all wafers, and the daily fluctuation for 10 days after the 5th day showed a large value of about 4%.
[0037]
The present invention is not limited to the above embodiment. The above embodiment is merely an example, and the present invention has the same configuration as that of 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.
[0038]
【Effect of the invention】
As described above, according to the present invention, when the carrier concentration of the silicon epitaxial layer is measured by the surface photovoltage method, a depletion layer having the maximum depletion layer width is formed by applying an electric field to the surface of the silicon wafer. By performing the measurement, the carrier concentration of the silicon epitaxial layer with high reliability can be measured. Further, since the corona discharge treatment and the measurement by the surface photovoltage method can be performed in a non-contact and non-destructive manner, a monitor wafer is not required, and a great cost reduction effect can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram of corona discharge treatment used in the present invention.
FIG. 2 is a conceptual diagram of a carrier concentration measuring apparatus according to the present invention.
FIG. 3 is a conceptual diagram showing a measuring device in which a corona discharge rod and a measuring probe are combined.
FIG. 4 is a conceptual diagram showing a measuring device in which a corona discharge wire and a measuring probe are combined.
FIG. 5 is a conceptual diagram showing a measuring apparatus in which a corona discharge unit and a measurement probe are combined.
FIG. 6 is a graph showing daily fluctuations in carrier concentration measured according to an example.
FIG. 7 is a graph showing daily fluctuations in carrier concentration measured by a comparative example.
FIG. 8 is a graph showing the relationship between the surface potential φ S and the charge density Q S on the semiconductor surface.
[Explanation of symbols]
1 ... stage, 2 ... silicon wafer,
3 ... metal wire electrode, 4 ... positive charge,
5 ... Corona discharge treatment device, 6 ... Carrier concentration measuring device,
7 ... Carrier concentration measuring device, 8 ... Rod for corona discharge,
9 ... Probe for measurement, 10 ... Wire for corona discharge 11 ... Corona discharge unit, 12 ... Tube.

Claims (2)

シリコンウエーハ上に成長させたシリコンエピタキシャル層のキャリア濃度を表面光電圧法によって測定するキャリア濃度測定方法であって、誘電体が存在しないシリコンエピタキシャルウエーハの表面に電界を印加して最大空乏層幅の空乏層を形成し、該最大空乏層幅を測定することによってキャリア濃度を求めることを特徴とするキャリア濃度測定方法。A carrier concentration measurement method in which the carrier concentration of a silicon epitaxial layer grown on a silicon wafer is measured by a surface photovoltage method, and an electric field is applied to the surface of the silicon epitaxial wafer where no dielectric is present to deplete the maximum depletion layer width. A carrier concentration measuring method, wherein a carrier concentration is obtained by forming a layer and measuring the maximum depletion layer width. 前記誘電体が存在しないシリコンエピタキシャルウエーハの表面に電界を印加するのは、シリコンエピタキシャルウェーハの表面をコロナ放電処理することによって行うことを特徴とする請求項1に記載のキャリア濃度測定方法。2. The carrier concentration measuring method according to claim 1, wherein the electric field is applied to the surface of the silicon epitaxial wafer in which the dielectric does not exist by performing a corona discharge treatment on the surface of the silicon epitaxial wafer.
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