JP5505769B2

JP5505769B2 - 半導体ウェーハの表層評価方法

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Publication number: JP5505769B2
Application number: JP2009206376A
Authority: JP
Inventors: 隆司大野; 清司永井; 圭松本
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2009-09-07
Filing date: 2009-09-07
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2029-09-07
Also published as: JP2011060861A

Description

この発明は、半導体ウェーハの表層評価方法、詳しくは半導体ウェーハの表層に存在する欠陥および汚染を光励起分光法により評価可能な半導体ウェーハの表層評価方法に関する。

シリコンウェーハの欠陥および汚染を評価する技術として、光励起分光法の一種であるフォトルミネセンス（Ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）法が知られている。この方法は、バンドギャップ（禁制帯）より高エネルギの光をシリコンウェーハに照射し、励起された電子・正孔対（過剰キャリア）が再結合する際に放出された光（ルミネセンス）を計測し、シリコンウェーハに存在する欠陥および不純物を検出し、評価するものである。

従来、シリコンウェーハの微小な領域でのフォトルミネセンスの発光強度の分布を得ることで、電気的に活性な欠陥や汚染のウェーハ面内の分布状態を検出し、それを評価する方法は知られていた（例えば、特許文献１）。
一般に、結晶中に欠陥または汚染が存在すれば、それらに対応した電子準位がバンドギャップ中に形成される。これらの電子準位がバンドギャップ中に存在すれば、励起された過剰キャリアがこの電子準位を介して再結合する。そのため、相対的に、バンド間での直接再結合によるバンド端発光の割合が低下する。これにより、欠陥または汚染が存在した場合には、これらが存在しない場合に比べて、バンド端発光強度が下がることになる。

また、非特許文献１には、５３２ｎｍのような短波長レーザを用いた場合、光の進入長に相当するウェーハ表面から最大でも２、３ｕｍ付近の領域のみを評価していると考えられていた。しかしながら、発明者の計算シミュレーションによれば、ウェーハ表層に注入された過剰キャリアのうち、かなりの量がシリコンウェーハの深部まで拡散され、そこで発光を起こしていた。従って、短波長レーザを採用した場合であっても、実際にはシリコンウェーハのかなり深い領域まで評価を行っていた（図３）。このような場合、ウェーハ表層の情報を感度良く得ることは困難であった。

特表２００４−５１１１０４号公報ＪｏｕｒｎａｌｏｆＴｈｅＥｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙ，１５０（８）Ｇ４３６−Ｇ４４２（２００３）、ＰｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅＩｎｔｅｎｓｉｔｙＡｎａｌｙｓｉｓｉｎＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔｏＣｏｎｔａｃｔｌｅｓｓＣｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｏｆＳｉｌｉｃｏｎＷａｆｅｒｓ

このように、特許文献１では、シリコンウェーハにおいて、微小な領域でのフォトルミネセンスの発光強度のウェーハ面内の分布を得ることで、電気的に活性な欠陥や汚染の平面的な分布状態を検出し、それを評価することは可能であった。しかしながら、特許文献１の評価方法にあっては、シリコンウェーハの深さ方向における欠陥および汚染の分布を検出し、これを評価することはできなかった。

この発明は、半導体ウェーハの深さ方向における電気的に活性な欠陥および汚染の分布を評価することができる半導体ウェーハの表層評価方法を提供することを目的としている。

請求項１に記載の発明は、半導体ウェーハの表層に短波長レーザの光励起によりフォトルミネセンスを発生させ、該フォトルミネセンスを測定することで、前記半導体ウェーハの表層の電気的に活性な欠陥、汚染を評価する半導体ウェーハの表層評価方法であって、良品の半導体ウェーハに対する深さ位置とフォトルミネセンス強度との関係を温度別にシュミレーションした複数の温度別深さ依存グラフを作成するとともに、該各温度別深さ依存グラフについて、フォトルミネセンス強度の支配的なウェーハ深さ領域を求め、前記良品の半導体ウェーハに対して、温度とフォトルミネセンス強度との関係をシュミレーションした基準温度依存グラフを作成するとともに、実測の半導体ウェーハに対して、温度とフォトルミネセンス強度との関係を示す実測温度依存グラフを作成し、その後、前記基準温度依存グラフと前記実測温度依存グラフとを対比し、両グラフが一致すれば、前記実測の半導体ウェーハには欠陥および汚染が存在しないと評価する一方、前記実測温度依存グラフが前記基準温度依存グラフよりフォトルミネセンス強度が低い方へシフトしていれば、前記実測の半導体ウェーハに欠陥または汚染が存在すると評価するとともに、前記実測の半導体ウェーハの前記欠陥または汚染が存在する深さ領域は、前記実測温度依存グラフのうち、前記基準温度依存グラフからのシフト量が通常の部分より大きい部分の温度を求め、その後、この温度に相応する前記温度別深さ依存グラフを選出し、該選出されたグラフのフォトルミネセンス強度が支配されるウェーハ深さ領域から求める半導体ウェーハの表面評価方法である。

請求項１に記載の発明によれば、まず良品の半導体ウェーハに対する深さ位置とフォトルミネセンス強度との関係を温度別にシュミレーションし、各温度別の温度別深さ依存グラフを作成する。その後、各温度別深さ依存グラフについて、フォトルミネセンス強度の支配的なウェーハ深さ領域を求める。
次に、良品の半導体ウェーハに対しては、温度とフォトルミネセンス強度との関係をシュミレーションし、基準温度依存グラフを作成するとともに、実測の半導体ウェーハに対して、温度とフォトルミネセンス強度との関係を示す実測温度依存グラフを作成する。

その後、基準温度依存グラフと実測温度依存グラフとを対比する。このとき、両グラフが一致すれば、実測の半導体ウェーハには欠陥および汚染が存在しないと評価する。一方、実測温度依存グラフが基準温度依存グラフよりフォトルミネセンス強度が低い方へシフトした場合には、実測の半導体ウェーハに欠陥または汚染が存在すると評価する。これは、半導体ウェーハの内部に欠陥または汚染が存在するため、フォトルミネセンス強度が減少したことを示している。

次に、実測の半導体ウェーハの表層において、欠陥または汚染が存在する深さ領域を検出する際には、まず、実測温度依存グラフのうち、基準温度依存グラフからのシフト量が通常の部分より大きい部分の温度を求める。次いで、この温度に相応する前記温度別深さ依存グラフを選出し、選出されたグラフのフォトルミネセンス強度が支配されるウェーハ深さ領域から、実測の半導体ウェーハの欠陥または汚染が存在する深さ領域を推測する。これにより、従来法では検出が困難であった半導体ウェーハの深さ方向における電気的に活性な欠陥や汚染の分布を検出し、それを評価することができる。

半導体ウェーハとしては、例えば単結晶シリコンウェーハ、多結晶シリコンウェーハ、ガリウム砒素ウェーハなどを採用することができる。
半導体ウェーハの口径としては、例えば２００ｍｍ、３００ｍｍ、４５０ｍｍが挙げられる。

光励起を伴って、半導体ウェーハの欠陥、汚染を評価する方法としては、光励起分光法の一種であるフォトルミネセンス法が採用される。
フォトルミネセンスは、浅い準位の不純物に対して高感度に測定することができる。例えば、１×１０^１１ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３程度の微量分析は、多くの不純物において実施することができる。
フォトルミネセンス法によるフォトルミネセンスの測定条件は任意である。
また、フォトルミネセンス測定装置の構成も任意である。一般的には、励起光源、半導体ウェーハがセッティングされるクライオスタット、収束レンズ、分光器、光検出器を備えている。励起光源としては、各種のレーザ（アルゴンレーザ、ヘリウム・ネオンレーザ、クリプトンレーザなど）を採用することができる。短波長レーザとしては、例えば５３２ｎｍのレーザ光を採用することができる。その他の励起光源としては、キセノンアークランプ、タングステンランプなどでもよい。

「電気的に活性な欠陥」としては、結晶欠陥を採用することができる。「汚染」としては、金属汚染を採用することができる。評価されるのは、電気的に活性な欠陥と、汚染とのうち、少なくとも１つである。
「良品の半導体ウェーハ」とは、例えば表層に欠陥や汚染が存在しないダミー用の半導体ウェーハをいう。「実測の半導体ウェーハ」とは、実際にフォトルミネセンス法により測定されるウェーハを意味する。

「フォトルミネセンス強度の支配的なウェーハ深さ領域」とは、フォトルミネセンスの発光強度全体（深さ方向）に対して、その発光強度が所定割合に達するウェーハ深さ位置を求め、ウェーハ表面からその発光強度が所定割合に達する深さ位置までの範囲をいう。または、半導体ウェーハの測定深さにおけるフォトルミネセンスの発光強度の割合が、発光強度が最大となる表面から、その最大の発光強度が所定割合まで低下するウェーハ深さ領域をいう。
ここでいう「所定割合」とは、５０〜９０％をいう。５０％未満では、全体に対して支配的とは言えず、また、フォトルミネセンスの発光強度の深さ分布は裾長な形状になるので、９０％を超える割合で支配的なウェーハ深さ領域を定義すれば、測定温度を変えても、支配的なウェーハ深さ領域はあまり変わらず、しかもかなり深い領域を含んでしまう。半導体ウェーハの深さ全体の発光に対する好ましい割合は５０％である。この範囲であれば、全体に対して支配的と言え、さらに各測定温度との差も見やすい。
ここでいうフォトルミネセンス強度の測定時の半導体ウェーハの温度とは、例えば５０Ｋ、１００Ｋ、２００Ｋ、３００Ｋ、４００Ｋなどである。
「基準温度依存グラフと実測温度依存グラフとを対比し、両グラフが一致する」とは、基準温度依存グラフの全データ値と、実測温度依存グラフの全データ値が同一で、両グラフが重なり合うことをいう。

「実測温度依存グラフが基準温度依存グラフよりフォトルミネセンス強度が低い方へシフトしている」とは、基準温度依存グラフを基準として、実測温度依存グラフが、フォトルミネセンス強度の低い方へ向かって、基準温度依存グラフと平行なラインまたは平行に近いラインで移行していることをいう。このような現象が発生するのは、半導体ウェーハ中の欠陥や汚染の深さ方向の分布がほぼ均一で、全体的にフォトルミネセンス強度が減少するためである。しかしながら、欠陥または汚染が半導体ウェーハの表層に偏って存在していれば、その影響により、実測温度依存グラフの一部分には基準温度依存グラフのラインから大きく逸脱した部分が発生することになる。
「実測温度依存グラフのうち、基準温度依存グラフからのシフト量が通常の部分より大きい部分」とは、ウェーハ表層の欠陥または汚染の影響で、基準温度依存グラフからの実測温度依存グラフのシフト量が一定となった「通常の部分」に比べてシフト量が大きく、基準温度依存グラフを表すラインから大きく逸脱した部分をいう。この逸脱した部分の半導体ウェーハの測定温度を求めることになる。

「この温度に相応する温度別深さ依存グラフを選出する」とは、この「大きく逸脱した部分の温度」と同じ温度に関して作成された温度別深さ依存グラフを選出することをいう。
「実測の半導体ウェーハの欠陥または汚染が存在する深さ領域を、…選出されたグラフのフォトルミネセンス強度が支配されるウェーハ深さ領域から求める」とは、実測の半導体ウェーハの欠陥または汚染が存在する表層の深さが、この選出された温度別深さ依存グラフのフォトルミネセンス強度が支配されるウェーハ深さ領域と同じであると仮定して求めることをいう。
具体的に説明すれば、例えば、図４では５０Ｋ付近のフォトルミネセンス強度が大きく乖離しており、その５０Ｋのプロファイルを図３により確認すれば、全体に対する表層のフォトルミネセンス強度が５０％に達するのは、２０ｕｍ付近であるので、２０ｕｍより浅い領域に欠陥または汚染が分布しているとすることで、実測の半導体ウェーハの欠陥または汚染が存在する深さ領域を求めることができる。

請求項１に記載の発明によれば、良品の半導体ウェーハのフォトルミネッセンス強度について、複数の温度別深さ依存グラフと、基準温度依存グラフを作成し、温度別深さ依存グラフ毎に、フォトルミネセンス強度の支配的なウェーハ深さ領域を求める。また、実測の半導体ウェーハに対して、実測温度依存グラフを作成する。その後、基準温度依存グラフと実測温度依存グラフとを対比し、両グラフが一致すれば欠陥および汚染は無しと評価する一方、実測温度依存グラフが低フォトルミネセンス強度方向へシフトしていれば、欠陥または汚染が有ると評価する。そして、半導体ウェーハの深さ方向における欠陥や汚染を評価する際には、実測温度依存グラフのシフト量が大きい部分の温度を求め、この温度に相応する温度別深さ依存グラフのフォトルミネセンス強度の支配的なウェーハ深さ領域から、実測の半導体ウェーハの欠陥または汚染が存在する深さ領域を推定する。
このように構成したので、従来法では検出が困難であった半導体ウェーハの深さ方向における電気的に活性な欠陥や汚染の分布を検出し、それを評価することができる。

この発明の実施例１に係る半導体ウェーハの表層評価方法のフローシートである。この発明の実施例１に係る半導体ウェーハの表面評価方法が使用されるフォトルミネセンス測定装置の全体構成図である。この発明の実施例１に係る半導体ウェーハの表層評価方法において、良品の半導体ウェーハに対する深さ位置とフォトルミネセンス強度との関係を温度別にシュミレーションした温度別深さ依存グラフである。この発明の実施例１に係る半導体ウェーハの表層評価方法において、温度とフォトルミネセンス強度との関係をシュミレーションした基準温度依存グラフを基準とし、実測温度依存グラフがシフトしている状態を示すグラフである。この発明の実施例１に係る半導体ウェーハの表層評価方法において、温度とフォトルミネセンス強度との関係をシュミレーションした基準温度依存グラフを基準とし、別の実測温度依存グラフがシフトしている状態を示すグラフである。

以下、この発明の実施例を具体的に説明する。ここでは、半導体ウェーハとしてシリコンウェーハを採用する。

シリコンウェーハ（半導体ウェーハ）は、ＣＺ（チョクラルスキー）法により引き上げられたシリコン単結晶を加工して得られた直径が３００ｍｍ、ボロンドープによる比抵抗が１．０Ω・ｃｍのもので、その露出面全域に厚さ１ｎｍ前後のシリコン酸化膜が形成されている。
次に、シリコンウェーハをフォトルミネセンス測定装置に移送し、シリコンウェーハの表面の欠陥または汚染の評価を行う。
まず、図２を参照して、フォトルミネセンス測定装置１０を具体的に説明する。このフォトルミネセンス測定装置１０は、強励起顕微フォトルミネッセンス法に基づく欠陥検出装置である。具体的にはＮａｎｏｍｅｔｒｉｃｓ社製の商品名ＳｉＰＨＥＲを採用している。
フォトルミネセンス測定装置１０は、シリコンウェーハ１１の表面にレーザ光を照射するレーザ光源１２，１３と、ハーフミラー１４，１５と、出力計１６と、表面散乱光用検出器１７と、オートフォーカス用検出器１８と、可動ミラー１９と、白色光源２０と、ＣＣＤカメラ２１と、顕微鏡対物レンズ２２と、長波パスフィルタ２３と、フォトルミネセンス光用検出器２４と、オートフォーカス用のミラー２５とを備えている。

レーザ光源１２，１３から照射されたレーザ光は、出力計１６により出力測定されながらハーフミラー１４，１５を経て、顕微鏡対物レンズ２２からシリコンウェーハ１１の表面に照射され、フォトルミネセンスが発生する。発生したフォトルミネセンスの一部は、ハーフミラー１５を透過し、長波パスフィルタ２３を経てフォトルミネセンス光用検出器２４により検出される。検出された光は、出力が増幅されて記録計に記録され、シリコンウェーハ１１の欠陥評価に用いられる。

次に、図１のフローシートに基づき、実施例１のフォトルミネセンス測定装置１０を用いて、シリコンウェーハ１１の表層に光励起によりフォトルミネセンスを発生させ、フォトルミネセンスを測定することで、シリコンウェーハ１１の表層の電気的に活性な欠陥、汚染を評価する方法を説明する。
具体的には、まず良品のシリコンウェーハ１１に対する深さ位置とフォトルミネセンス強度との関係を温度別にシュミレーションした複数の温度別深さ依存グラフを作成する（Ｓ１０１、図３）。

次に、各温度別深さ依存グラフについて、フォトルミネセンス強度の支配的なウェーハ深さ領域を求める（Ｓ１０２）。すなわち、各温度別深さ依存グラフを利用し、例えば、フォトルミネセンス強度全体（深さ方向）に対して５０％に達する深さ位置を求める。
次いで、良品のシリコンウェーハ１１に対して、温度とフォトルミネセンス強度との関係をシュミレーションした基準温度依存グラフを作成するとともに（Ｓ１０３、図４）、実測の半導体ウェーハに対して、温度とフォトルミネセンス強度との関係を示す実測温度依存グラフを作成する（Ｓ１０４、図４）。
その後、基準温度依存グラフと実測温度依存グラフとを対比し（Ｓ１０５、図４）、両グラフが一致すれば、実測のシリコンウェーハ１１には欠陥および汚染が存在しないと評価する一方、実測温度依存グラフが基準温度依存グラフよりフォトルミネセンス強度が低い方へシフトしていれば、実測のシリコンウェーハ１１に欠陥または汚染が存在すると評価する（Ｓ１０６、図４）。

次に、実測のシリコンウェーハ１１の欠陥または汚染が存在する深さ領域を求める。具体的には、まず実測温度依存グラフのうち、基準温度依存グラフからのシフト量が通常の部分より大きい部分の温度（ここでは５０Ｋ）を求める（Ｓ１０７、図４）。その後、この温度に相応する温度別深さ依存グラフ（５０Ｋのグラフ）を選出する（Ｓ１０８、図３）。その後、選出されたグラフのフォトルミネセンス強度が支配されるウェーハ深さ領域を求め（Ｓ１０９、図３）、実測のシリコンウェーハ１１の欠陥または汚染が存在する深さ領域を評価する。すなわち、実測のシリコンウェーハ１１の表面から２０μｍまでの領域が、シリコンウェーハ１１の深さ全体のフォトルミネセンスの発光に対して例えば５０％となる領域である。そこで、この２０μｍ前後の深さ領域を、実測のシリコンウェーハ１１の欠陥または汚染が存在する深さ領域と推定する。
このように構成したので、従来法では検出が困難であったシリコンウェーハ１１の深さ方向における電気的に活性な欠陥や汚染の分布を検出し、それを評価することができる。

次に、図５を参照して、この発明の実施例２に係る半導体ウェーハの表面評価方法を説明する。
図５に示すように、実施例２では、実測のシリコンウェーハ１１として、実測温度依存グラフのうち、基準温度依存グラフからのシフト量が通常の部分より大きい部分の温度が４００Ｋとなるものを採用した例である。この場合、実測のシリコンウェーハ１１の表面から１００μｍ付近の領域が、シリコンウェーハ１１の深さ全体のフォトルミネセンスの発光に対して５０％となる。これにより、この１００μｍ付近より深い領域を、実測のシリコンウェーハ１１の欠陥または汚染が存在する深さ領域と推定する。
その他は、実施例１と同様であるので説明を省略する。

この発明は、エピタキシャルウェーハなどのウェーハ表層の品質が重要なウェーハに有用である。

１１シリコンウェーハ（半導体ウェーハ）。

Claims

半導体ウェーハの表層に短波長レーザの光励起によりフォトルミネセンスを発生させ、該フォトルミネセンスを測定することで、前記半導体ウェーハの表層の電気的に活性な欠陥、汚染を評価する半導体ウェーハの表層評価方法であって、
良品の半導体ウェーハに対する深さ位置とフォトルミネセンス強度との関係を温度別にシュミレーションした複数の温度別深さ依存グラフを作成するとともに、該各温度別深さ依存グラフについて、フォトルミネセンス強度の支配的なウェーハ深さ領域を求め、
前記良品の半導体ウェーハに対して、温度とフォトルミネセンス強度との関係をシュミレーションした基準温度依存グラフを作成するとともに、実測の半導体ウェーハに対して、温度とフォトルミネセンス強度との関係を示す実測温度依存グラフを作成し、
その後、前記基準温度依存グラフと前記実測温度依存グラフとを対比し、両グラフが一致すれば、前記実測の半導体ウェーハには欠陥および汚染が存在しないと評価する一方、前記実測温度依存グラフが前記基準温度依存グラフよりフォトルミネセンス強度が低い方へシフトしていれば、前記実測の半導体ウェーハに欠陥または汚染が存在すると評価するとともに、
前記実測の半導体ウェーハの前記欠陥または汚染が存在する深さ領域は、前記実測温度依存グラフのうち、前記基準温度依存グラフからのシフト量が通常の部分より大きい部分の温度を求め、その後、この温度に相応する前記温度別深さ依存グラフを選出し、該選出されたグラフのフォトルミネセンス強度が支配されるウェーハ深さ領域から求める半導体ウェーハの表面評価方法。