JP5373364B2 - シリコンウェーハのキャリアライフタイム測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ波光導電減衰法（Microwave Photo Conductivity Decay；以下、μ−ＰＣＤ法と表す）により、シリコンウェーハのキャリアライフタイムを正確に測定する方法に関する。

シリコンウェーハ中の不純物金属の存在は、半導体製造工程においてバルク中に拡散・固溶して、ドーパントと結合したり、不純物金属析出物や積層欠陥等を生成したりすることにより、酸化膜耐圧の劣化やリーク電流の増加等、デバイス性能に大きな影響を与える。
このような不純物金属によるシリコンウェーハの汚染の検出方法として、微量の不純物金属による汚染や欠陥にも鋭敏に反応するキャリアのライフタイムを、μ−ＰＣＤ法により測定する方法が、従来から広く用いられている。

しかしながら、シリコンウェーハの表面には、バルク内部よりも多くの欠陥が存在し、表面準位も多様であるため、表面におけるキャリア再結合反応が、キャリアライフタイムの測定値において支配的となる。
このため、バルク固有のキャリアライフタイムを求めるために、表面再結合を抑制するためのパッシベーション処理を施す。このパッシベーション処理としては、近年、フッ化水素酸溶液に浸漬して水素終端させる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
また、特許文献２には、ワックスまたは樹脂によりシリコンウェーハ表面をコーティングして、パッシベーション状態とする方法が記載されている。

特開２００７−４８９５９号公報 特開２００２―１７６０９６号公報

上記特許文献１に記載されているようなフッ化水素酸溶液に浸漬させるケミカルパッシベーション処理を施して行う測定は、破壊検査ではないため、μ−ＰＣＤ法によるキャリアライフタイム測定後に、試料ウェーハを他の評価に利用することが可能であるという利点を有している。
しかしながら、この処理方法は、パッシベーション効果の持続性に劣り、パッシベーション処理によりウェーハ表面に形成されたプラスの電荷が時間の経過につれて減少する。それに伴い、ウェーハ表面の水素終端が減少し、ダングリングボンドの増加により新たな表面準位が発生し、表面再結合速度が増加する。
その結果、キャリアライフタイム測定値が、本来の値よりも低くなったり、マッピング測定において、本来の面内分布が得られなかったりする等の課題を有していた。

一方、特許文献２に記載された方法は、コーティング処理により、ワックス又は樹脂をシリコンウェーハ表面に直接接触させるため、該ワックス又は樹脂中の不純物等がシリコンウェーハ表面に影響を及ぼすおそれがある。また、キャリアライフタイム測定後のシリコンウェーハは、ワックス又は樹脂でコーティングされているため、そのままでは、他の測定試料として使用することができない。

本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたものであり、μ−ＰＣＤ法によりシリコンウェーハのキャリアライフタイムを測定する際に、不純物等による影響を受けることなく、シリコンウェーハ表面全面にわたって、ケミカルパッシベーション効果を、簡便かつ安定的に保持し、正確なキャリアライフタイム測定が可能となるシリコンウェーハのキャリアライフタイム測定方法を提供することを目的とするものである。

本発明に係るシリコンウェーハのキャリアライフタイム測定方法は、シリコンウェーハのキャリアライフタイムをμ−ＰＣＤ法により測定する方法において、シリコンウェーハをフッ化水素酸溶液に浸漬してケミカルパッシベーション処理を行った後、該シリコンウェーハを測定ステージに載置し、前記シリコンウェーハ表面と３ｍｍ以上５０ｍｍ以下の間隔をあけた位置で、かつ、マイクロ波およびレーザの非照射部分に、前記測定時にマイナスに帯電する物質を配置して、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して測定することを特徴とする。
このような測定方法によれば、シリコンウェーハ表面全面にわたって、プラスの帯電がキャリアライフタイム測定中にも安定して保持され、バルクウェーハのキャリアライフタイムを正確かつ簡便に測定することが可能となる。

前記測定方法において、マイナスに帯電する物質としては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリエチレンおよびポリプロピレンのうちのいずれかを用いることが好ましい。

本発明によれば、μ−ＰＣＤ法によりシリコンウェーハのキャリアライフタイムを測定する際に、不純物等による影響を受けることなく、シリコンウェーハ表面全面にわたって、フッ化水素酸溶液によるパッシベーション効果の低減を簡便に抑制することができる。
したがって、シリコンウェーハ表面のケミカルパッシベーション効果を該ウェーハ表面全面にわたって安定して保持することができ、正確なキャリアライフタイム測定が可能となる。

以下、本発明について、より詳細に説明する。
本発明に係るシリコンウェーハのキャリアライフタイム測定方法においては、μ−ＰＣＤ法を用いて、バルクウェーハのキャリアライフタイムを測定する。
本発明に係る測定方法は、μ−ＰＣＤ法において、シリコンウェーハをフッ化水素酸溶液に浸漬してケミカルパッシベーション処理を行った後、該シリコンウェーハを測定ステージに載置し、該シリコンウェーハ上方の所定位置に、測定時にマイナスに帯電する物質を配置することを特徴とするものである。

図１に、本発明に係るシリコンウェーハのキャリアライフタイム測定時のμ−ＰＣＤ装置の測定ステージ上の各パーツの位置関係の概略を示す。
図１においては、測定時にマイナスに帯電する物質（以下、マイナス帯電物質という）５は板状体であり、測定ステージ２に載置されたシリコンウェーハ１の表面との間隔Ｓが３ｍｍ以上５０ｍｍ以下の該ウェーハの上方に配置されている。そして、この板状体のマイナス帯電物質５には、導波管３の鉛直下方に位置する部分に、マイクロ波およびレーザ４の照射の妨げとならないように、貫通孔６があいている。
なお、本発明において用いられるμ−ＰＣＤ装置は、上記以外の検出部、発光部、マイクロ波発振部等のその他の構成は、通常のものと同様であるため、説明を省略する。

上記のように、マイナス帯電物質をシリコンウェーハ上方に配置して測定することにより、前記マイナス帯電物質から発生する電界によって、ウェーハ表面全面にプラスの電荷が生じやすい状態となる。このため、ケミカルパッシベーション処理により生じたウェーハ表面のプラスの電荷の減少を抑制することができる。
したがって、上記方法によれば、ウェーハ表面全面にわたって、プラスの帯電がキャリアライフタイム測定中にも一定状態に維持することができ、バルクウェーハのキャリアライフタイムを簡便かつ正確に測定することが可能となる。

本発明における測定方法の適用対象はシリコンウェーハである。このシリコンウェーハは、特に限定されるものではなく、例えば、チョクラルスキー（ＣＺ）法、フローティングゾーン（ＦＺ）法等により得られたシリコン単結晶をスライスした後、鏡面加工したシリコンウェーハ基板、エピタキシャルウェーハ、ＳＯＩウェーハ等のいずれであってもよい。

本発明においては、μ−ＰＣＤ装置にセットする前に、測定対象のシリコンウェーハを、予め、ケミカルパッシベーション処理を施しておく。このケミカルパッシベーション処理は、上述したように、従来から知られているフッ化水素酸溶液に浸漬する方法を用いる。
これにより、測定前に、シリコンウェーハ表面のダングリングボンドを水素終端させ、キャリア再結合反応を抑制することができる。
具体的には、シリコンウェーハをＳＣ−１洗浄した後、５％フッ化水素酸溶液に１０分間浸漬させて、純水でリンスする等の方法により、パッシベーション処理することができる。

そして、前記ケミカルパッシベーション処理を行ったシリコンウェーハ１を、μ−ＰＣＤ装置の測定ステージ２に載置する。
なお、前記ケミカルパッシベーション処理直後のシリコンウェーハは、数ｋＶのプラスの帯電状態を有するが、水素終端されたシリコンウェーハの帯電状態は、時間の経過につれてプラスの電荷が減少し、水素終端の結合が切れやすくなり、新たな表面準位が発生し、キャリアライフタイム値が変化するため、測定はケミカルパッシベーション処理直後、直ちに行うことが好ましい。

また、本発明においては、前記シリコンウェーハ表面のプラスの電荷の減少を抑制するために、前記シリコンウェーハ１の上方に、マイナス帯電物質５を配置する。
前記マイナス帯電物質５は、マイクロ波およびレーザ４の非照射部分に配置するが、その高さ位置は、前記シリコンウェーハ１表面との間隔Ｓが３ｍｍ以上５０ｍｍ以下の範囲内とする。
前記間隔Ｓが３ｍｍ未満であると、キャリアライフタイム測定中に、マイナス帯電物質５がシリコンウェーハ１の表面に接触するおそれがある。
一方、前記間隔Ｓが５０ｍｍを超える場合、マイナス帯電物質５によって生じる電界がシリコンウェーハ１表面に及ぼす影響が小さくなり、該ウェーハ表面のプラスの電荷の減少を抑制する効果が低減する。

また、前記マイナス帯電物質５は、測定時に常に、シリコンウェーハ１表面のマイクロ波およびレーザ４の照射部分を除く全面と対峙する部分に存在するようにすることが好ましい。このため、該シリコンウェーハ１表面のマイクロ波およびレーザ４の照射部分を除く全面と対峙する部分のマイナス帯電物質５は、該シリコンウェーハ１の径の１１０％以上の径の円板状体よりも広い面を有していることが好ましい。
また、板状体の前記マイナス帯電物質５は、マイクロ波およびレーザに対する耐久性等の観点から、厚さ０．１ｍｍ以上であることが好ましい。

前記マイナス帯電物質５の中央部には、マイクロ波およびレーザ４の照射のための貫通孔があいているが、該貫通孔の孔径は、導波管３の管径以上とし、最大５０ｍｍ以下とすることが好ましい。
貫通孔径が５０ｍｍを超えると、貫通孔の下方に位置するウェーハ表面におけるプラス電荷の保持効果が低減する。

前記マイナス帯電物質５としては、具体的には、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリエチレンおよびポリプロピレンのうちのいずれかを用いることが好ましい。

以下、本発明を実施例に基づき、さらに具体的に説明するが、本発明は下記の実施例により制限されるものではない。
［実施例１］
チョクラルスキー法により作製した面方位（１００）、直径１２５ｍｍ、抵抗率０．０５ΩｃｍのＢドープシリコン単結晶基板上に、厚さ１００μｍ、抵抗率７０Ωｃｍでエピタキシャル成長させたシリコンウェーハを試料とした。
このウェーハを、ＳＣ−１洗浄した後、５％フッ化水素酸溶液に１０分間浸漬させて、純水でリンスし、表面にケミカルパッシベーション処理を施した。

このウェーハについて、μ−ＰＣＤ装置（レーザ波長９０４ｎｍ、マイクロ波周波数１０ＧＨｚ）にて、以下のようにして、キャリアライフタイム測定を行った。
上記においてケミカルパッシベーション処理を施したウェーハ試料を測定ステージに載置し、前記ウェーハ試料表面と７ｍｍの間隔をあけた位置で、かつ、マイクロ波およびレーザの非照射部分に、前記測定時にマイナスに帯電する物質として、直径１５ｍｍの穴のあいたポリテトラフルオロエチレン製の板状体を配置して、図１に示すような態様で、測定点の間隔２ｍｍで、ウェーハ表面全面をマッピング測定した。
この測定により得られたマップに基づいて、ウェーハ試料の測定位置のウェーハ中心からの距離とキャリアライフタイム値との関係をグラフにして、図２に示す。

［比較例１］
実施例１と同様にケミカルパッシベーション処理を施したウェーハ試料について、μ−ＰＣＤ装置にて、ポリテトラフルオロエチレン製の板状体を配置せずに、それ以外については、実施例１と同様にして、キャリアライフタイムのマッピング測定を行った。
この測定により得られたマップに基づいて、ウェーハ試料の測定位置のウェーハ中心からの距離とキャリアライフタイム値との関係をグラフにして、図３に示す。

図２，３の比較から明らかなように、同様のウェーハ試料について、従来の測定方法（比較例１）では、ウェーハ試料外周部は、測定中の電界の影響を受けやすく、キャリアライフタイムが低下していることが認められた。
これに対して、本発明に係る測定方法（実施例１）によれば、均一なキャリアライフタイム分布が得られることが認められた。

本発明における測定時のμ−ＰＣＤ装置の測定ステージ上の各パーツの位置関係を示す概略図である。 実施例１において、ウェーハ試料表面の測定位置のウェーハ中心からの距離とキャリアライフタイム値との関係を示したグラフである。 比較例１において、ウェーハ試料表面の測定位置のウェーハ中心からの距離とキャリアライフタイム値との関係を示したグラフである。

符号の説明

１ シリコンウェーハ
２ 測定ステージ
３ 導波管
４ レーザ
５ マイナス帯電物質
６ 貫通孔

Claims (1)

1. シリコンウェーハのキャリア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、
   シリコンウェーハをフッ化水素酸溶液に浸漬してケミカルパッシベーション処理を行った後、該シリコンウェーハを測定ステージに載置し、前記シリコンウェーハ表面と３ｍｍ以上５０ｍｍ以下の間隔をあけた位置で、かつ、マイクロ波およびレーザの非照射部分に、前記測定時にマイナスに帯電する物質として、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリエチレンおよびポリプロピレンのうちのいずれかを配置して、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して測定することを特徴とするシリコンウェーハのキャリアライフタイム測定方法。

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