JPH03111739A - 赤外吸収法によるシリコン結晶中の固溶酸素濃度の定量方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はシリコン結晶中の固溶酸素濃度の定量に関する
ものであり、特にシリコンウェハーの製造工程における
実試料の管理分析法を提供するものである。

〔従来の技術〕

シリコン結晶中の固溶酸素の赤外吸収法による定量法に
はＡＳＴＭ法（ＡＳＴＭ　Ｆ１２０−７５．Ｆ１２１−
８０）及び日本電子工業振興協会法（ＪＥＩＤＡ法と略
す、電子工業月報［２４］　、１０．Ｐ５９（１９８２
）、電子工業月報［２７］　、２．Ｐ４４（１０８５）
）がある。画法ともにシリコンウェハーの製造工程を考
慮に入れた定量法ではなく、シリコンウェハーの製造工
程では経ることのない両面鏡面研磨を試料の面仕上げと
規定しており、試料厚についてもシリコンウェハーの製
造工程に比べて厚過ぎる。即ち、ＡＳＴＭ法では試料厚
は２〜４　ｍｍ　、　ＪＥＩＤＡ法では２±０．００５
ｍｍ　と規定している。又１両方法ともに固溶酸素の吸
収に重複する５ｉ−５ｉの格子振動による吸収を相殺す
るために極低酸素濃度の測定試料と同一の両面鏡面研磨
した参照試料を用いていることになっているが、その厚
さについてもＡＳＴＭ法は測定試料厚±０．５％、　Ｊ
ＥＩＤＡ法は測定試料と同じ２±０．００５＋＋ａ＋と
規定している。両方法とも、測定試料と参照試料の差ス
ペクトルから固溶酸素による１１０７ｃｍ−１付近の吸
収ピーク頂点の吸収強度をベースライン法で算出するが
、ＡＳＴＭ法はベースラインの引き方に厳格な規定がな
く、ＪＥＩＤＡ法は１３００ｃｍ−１と９００ｃｍ−１
付近の平均値を結ぶ線と規定している。

又、両方法とも両面を鏡面に研磨した試料を使用するの
で、この場合、シリコン結晶に入射した赤外光は試料内
部で多重反射し、その結果、透過光の強度は多重反射し
ない場合に比べて低下する現象が起きる。これに対して
、ＡＳＴＭ法は１０％以内の誤差を許容して多重反射を
無視しているが、この誤差は実用的には大き過ぎるので
、Ｓｉウェハーの製造に関しては適用されることは少な
い。

ＪＥＩＤＡ法は多重反射を考慮して吸収強度の補正を行
い、誤差を２％程度（電子工業月報［２７］　２．Ｐ５
２）におさえている。このため、国内ではシリコン結晶
中の固溶酸素濃度の定量には一般に定量精度が高いＪＥ
ＩＤＡ法が利用されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

シリコンウェハーの製造工程は ■インゴットからのウェハー原板の切出しの両面ラップ
研磨（以後Ｌ／Ｌと略す）■両面エツチング（以後Ｅ／
Ｅと略す）■片面鏡面研磨（以後Ｍ／Ｅと略す） の順に実施される。

この製造工程においては、ウェハー原板の切出し厚は最
終製品の厚さに研磨等によって損失する分を加えた厚さ
であり、シリコンウェハー製品の厚さは口径が大きいも
の程厚くなるが、６インチウェハーでも約０．７１１ｍ
＋　５インチウェハーで０．６ｍであることから、これ
らの−船釣な６インチ以下のウェハーの製造の場合では
原板厚は１ｍ以下であり、先ず、試料厚の点で従来法は
適合してない。又、シリコンウェハーの製造工程では両
面鏡面の工程を径ないので、実工程上の試料には面仕上
げの点でも従来法は適合しない。

シリコンウェハー中の固溶酸素濃度はウェハーの品質を
支配する重要な因子であることからその製造工程におけ
る固溶酸素濃度の管理分析は必要不可欠であるが、シリ
コンウェハーの製造工程の実試料では上述のように従来
法の赤外吸収法による定量法の適用が不可能なため、１
本のインゴットのいくつかの部位から酸素濃度管理分析
用にウェハー原板よりも厚みのあるテストピース原板を
別途に切出し、最終的に両面鏡面研磨した２ｍ厚のテス
トピースに調製して固溶酸素濃度を定量し、間接的にシ
リコンウェハーの固溶酸素濃度を管理しているのが実情
である。

しかし、ＡＳＴＭ法が試料厚を２〜４　ｒｍ　、　ＪＥ
ＩＤＡ法が試料厚を２側と規定した根拠は必ずしも明確
ではなく、ＪＥＩＤＡ法の場合は報文［シリコン中の酸
素の赤外吸収校正曲線」　（電子工業月報［２４］１０
、Ｐ５９．　（１９８２）　）に固溶酸素濃度と赤外吸
収係数の換算係数を決定したいきさつの中で、厚さ２’
　ｍｍ　。

１ｍｍ、０．５ｍｍの各約２０枚の試料を２０機関で巡
回測定した結果、試料厚さ毎のバラツキは２ｍ厚が最も
小さく、次いで、１ｍ厚がやや大きくなり、０．５ｍ厚
は極めて大きくなる、したがって。

測定試料は２ｍｍ厚が望しいと記述されている程度であ
る。同じ酸素濃度の試料ならば当然厚みのある試料はど
赤外吸収濃度は強くなり、その分だけ誤差要因の影響は
低減されろことになるので、ＪＥＩＤＡ法では試料厚を
検討実験に用いた中では最も厚い２ｍと規定したものと
考えられる。ＪＥＩＤＡ法では厚みが薄い場合は上述の
ように再現性良い定量は困難であったが、本方法は種々
の検討実験の結果ＪＥＩＤＡ法の試料厚の規定の２ｍよ
りも薄い１ｒｒｎ及び０．５ｍｎでも±２％以内の誤差
で定量できる解決策を見い出したものである。

又、測定試料と参照試料の厚さの違いについてもＡＳＴ
Ｍ法及びＪＥＩＤＡ法ともに実質±０．５％以内と規定
しているが、シリコンウェハーのＷｉ造工程における実
試料の厚さはＩＩ以下であり、その実試料の厚さに対し
て参照試料の厚さを±０．５％以内にすることは容易で
はなく、その許容厚みについては可能な限り緩和する必
要がある。参照試料は固溶酸素赤外吸収に重複する５ｉ
−８ｉ格子振動の吸収を相殺するために使用するもので
あり、チョコラルスキー法で製造されるシリコン結晶の
場合、固溶酸素による吸収係数は５ｉ−８ｉ格子振動の
吸収係数よりも数倍は大きいので、参照試料厚が測定試
料厚に比べて１％のズレがあっても計算上同一の厚さと
して扱っても固溶酸素の吸収係数に対しては、数分の１
％の相対誤差にしかならず、参照試料厚と測定試料厚を
別々の値として計算すれば、その濃度はさら小さくなる
はずである。したがって、参照試料厚を測定試料厚に対
してどの程度まで一致させるかは酸素濃度の定量誤差を
どの範囲まで許容するかで異って来ると考えた。

さらに面仕上げについて、ＡＳＴＭ法もＪＥＩＤＡ法も
ともに両面鏡面と規定しているが、その根拠も明白では
なく、厚さの測定精度がラップ研磨やエツチングした試
料に比べて高いことが期待されるためと予想される。こ
の面仕上げを両面鏡面としたことから固溶酸素による真
の吸収係数を求めろために弊雑な多重反射補正を行う必
要が生じている。

両面鏡面に変えて多重反射を起こさないと考えられる両
面ラップ研磨の試料を用いれば固溶酸素の吸収係数の算
出が容易となり、厚さの測定精度が定量誤差にどの程度
影響するかを調べれば許容誤差との兼合になるが、必ず
しも両面鏡面に固執する必要はないと考える。

〔３厘を解決するための手段〕 上記課題を解決するために、本発明においては、（１）
シリコン結晶中の固溶酸素濃度を赤外吸収法で定量する
方法において、試料厚みを２１Ｔｅ以下とした両面をラ
ップ研磨した測定試料と、測定試料厚さの２倍から１ｉ
２倍以内の厚さ両面をラップ研磨した参照試料の吸光度
モードの赤外吸収スペクトルを測定し、測定試料の吸収
スペクトルリカ１ら測定試料の厚さに合わせて吸収強度
を補正した参照試料の吸収スペクトルを差引き、この差
スペクトルから波数１１８０ｃｍ−１と１０４５ｃｍ−
１とを結ぶベースラインを用いて、　１１０７−″″１
１付近溶酸素の頂点の吸収強度を求めて固溶酸素濃度を
得る。

又は、 （２）シリコン結晶中の固溶酸素濃度を赤外吸収法で定
量する方法において、試料厚みを２圃以下とした片面を
鏡面研磨し、もう片面をエツチング仕上げした測定試料
と、測定試料厚さの±１０％以内の厚さの両面を鏡面に
研磨した及び／又は片面を鏡面研磨し、もう片面をエツ
チング仕上げした参照試料の透過中モードの赤外吸収ス
ペクトルを測定し、測定試料の赤外吸収スペクトルを参
照試料の赤外スペクトルで除いて得た差スペクトルから
、波数１１８０ｃｍ−’と１０４５ｃｍ−’とを結ぶベ
ースラインを用いて、１１０７ｃｍ−１付近の固溶酸素
による吸収バンドの頂点及びバックグラウンドの透過率
を求め、測定試料及び参照試料の厚さを用いて多重反射
を考慮した光吸収式から固溶酸素による真の吸収強度を
算出して、固溶酸素濃度を得ろ。

〔作用〕

本発明は試料の厚さ及び面仕上げの点でＪＥＩＤＡ法や
ＡＳＴＭ法の規定に一致しないために従来法が適用でき
ない両面ガラッピングされた試料及び片面が鏡面でもう
片面がエツチングされた試料を用いて、厚さ２ｍで両面
が鏡面研磨された試料に対するＪＥＩＤＡ法の定量精度
と同程度の定量精度で固溶酸素濃度を定量するために、
測定試料の厚さ。

参照試料の厚さ、ベースラインの引き方、さらに多重反
射補正の必要性について、種々検討した結果、上記方法
を用いることにより、シリコンウェハー製造工程の途中
段階にある両面ラップ研磨された試料及び最終工程を経
た片面が鏡面研磨され、もう片面がエツチングされた製
品ウェハーを用いて、固溶酸素濃度の定量が±２％の誤
差範囲内で良好に行えることを見い出した。

以下、本発明の詳細な説明する。

本発明は試料厚さを２面と限定するものではなく、任意
の厚さ例えば２ｒｍでも１１ｍでも０．５痕でも良い。

又、参照試料の厚さについても測定試料厚の±０．５％
以内である必要はなく、大巾に制限のゆるい±１０％以
内またＬ／Ｌの場合には。

−５０〜＋１００％であれば良い。さらに試料の面仕上
げについては両面鏡面がある必要はなく、両面ラップ及
び片面鏡面でもう片面エツチングの面仕上げの試料にも
適用できる。固溶酸素による赤外吸収強度を算出するに
あたっては、測定試料が両面ラップの場合は両面ラップ
の参照試料を用いて、それぞれ吸光度モードの赤外吸収
スペクトルを測定し、測定試料の赤外吸収スペクトルか
ら測定試料の厚さに合わせて吸収強度を補正した参照試
料の赤外吸収スペクトルを差引いた差スペクトルを求め
て、次いで、その差スペクトルから１１８０ｃｍ−１と
１０４５ｃｍ−’　を結ぶ線をベースラインとして１１
０７ｃｍ−’付近の固溶酸素による吸収係数を算出する
。

又、測定試料が片面鏡面でもう片面がエツチング面の場
合は、両面鏡面及び／又は片面鏡面もう片面エツチング
面の参照試料を用いてそれぞれ透過率モードの赤外吸収
スペクトルを測定し、その赤外吸収スペクトルをそのま
ま用いて差スペクトルを求め、次いで、その差スペクト
ルから１１８０ｃｍ−１と１０４５ｃｍ−１を結ぶ線を
ベースラインとして１１０７ｃｍ−１付近の固溶酸素に
よる吸収バンドの頂点とバックグラランドの透過度を求
めて、最後に頂点及びバックグラランドの透過度と測定
試料及び参照試料の厚さを用いて多重反射の補正を加え
た光吸収の式から固溶酸素による吸収係数を算出する。

固溶酸素濃度は従来公報のこの吸収係数に換算係数を乗
じて定量される。この本発明を完成するに致った実験経
緯を以下に説明する。

チョクラルスキー法で製造された５インチのインゴット
からスライスを切り出し、２面厚にラップ研磨された数
枚のシリコン結晶を約２ｃｍ角の小片に多数分割し、そ
の小片をさらに種々に研磨して、厚さ１．８＋ｎｍ、１
．Ｏｎｗｎ及び０．５ｍでそれぞれの厚さについて両面
鏡面（Ｍ／Ｍ）、両面ラップ（Ｌ／Ｌ）及び片面鏡面も
う片面エツチング（Ｍ／Ｅ）の３種類に面仕上げした測
定試料を調製した。又、市販の２面厚の両面鏡面研磨さ
れたフローティングゾーン法のシリコン結晶を同様の厚
さ及び面仕上げに研磨して参照試料を調製した。各検討
実験の測定試料には１枚の原板から調製したものを使用
した。各面仕上げした測定試料の赤外吸収スペクトルは
第１図に示すように多重反射が起きているＭ／Ｍに対し
て、Ｌ／Ｌは光散乱現象が顕著であり、多重反射は起き
ない事、又、Ｍ／Ｅは散乱現象が皆無ではないが固溶酸
素の吸収バンドのある１３００ｃｍ−”より低波数側で
は多重反射が起きていると考えられることが判明した。

この結果から、固溶酸素の吸収係数の算出にあってはＬ
／Ｌ試料には多重反応補正を必要としないこと、Ｍ／Ｅ
はＭ／Ｍと同様に多重反射補正を必要とすることが明ら
かとなった。

次に、各測定試料について厚さと面仕上げが同一の参照
試料を用いて、本発明の方法（１）、　（２）の各々を
適用して、固溶酸素濃度を定量した結果を第１表に示す
。

第１表 値を基準として算定。

吸収係数の算出にあたってはベースラインは１１８０Ｃ
１１″″１と１０４５ｃｍ−’とを結ぶ線とし、多重反
射の補正は行った場合と行わない場合の両方について定
量値を算出した。なお、多重反射補正を行う場合の光吸
収式における５ｉ−３ｉの格子振動の吸収係数αＱは０
．８５（ｃｍ″″１）、シリコン結晶の反射率Ｒは０，
３、又換算係数は３．０３Ｘ１０１７０″″２とした。

第１表からＭ／Ｍ及びＭ／Ｅの試料は多重反射の補正を
行い、Ｌ／Ｌ試料は多重反射の補正を行わなければ、試
料の厚さに関わりなく、２ｎｏ厚のＭ／Ｍ試料をＪｒＥ
ＩＤＡ法で定量した場合と同程度の±２％以内の精度で
定量できることが確認された。

次に、ベースラインの引き方についての検討結果を以下
に記す。

測定試料（ＣＺ法シリコン結晶）と参照試料（ＦＺ法シ
リコン結晶）の赤外吸収スペクトルを第３図に、又、両
試料の差スペクトルを第４図に示す。

ベースライン法である吸収ピークの吸収強度を求める場
合、ベースポイントは一般に吸収ピークの両側の他の吸
収がないところで、パックグラウンドが小さく、かつ安
定している２点を選定するのが゛片道である。この考え
方からすると、１１０７ｃｍ″″１の固溶酸素の吸収強
度の算出に用いるベースラインのポイントは１２３０ｃ
ｍ−’と１０４５ｃｍ−’が第一候補となるが、第４図
の差スペクトルかられかるように１２３７Ｃ１１−１と
１０１３ｃｍ−１に酸素に関連する吸収（応用物理［５
６］　７．Ｐ８８８（１９８７））があることから、１
２３０ｃｍ’″１はベースポイントとしては適切ではな
く、これにかわって１１８０ＣＩｌ＋−１の方が最適と
思われる。そこで、本方法ではベースポイントとして１
１８０ｃｍ−’と１０４５ａｎ−’を決定した。なお、
Ｊ［ＩＤΔ法の１３００ｃｍ−’と９００ｃ＋ｎ−１の
ベースポイントは第４図の差スペクトルではバックグラ
ランドが安定しているが、第３図かられかるようにこの
ベースポイントは明らかに５ｉ−８ｉの格子振動による
吸収上にあり、測定試料と参照試料の厚さが一致してい
て差スペクトルを求めた時に５ｉ−３ｉの格子振動によ
る吸収が完全に相殺されることを前提にして決定された
ベースポイントであるといえる。

次に、ベースラインのポイントを本発明の１１８０ｃｍ
−”と１０４５ｃｍ−１，及びＪＥＩＤＡ法の１３００
ｃｍ−１と９００ｃｍ”−”にした場合の定量値の違い
を調べた結果を第２表に示す。

第２表 表中の（）内の数値は枠内の平均値。

又、厚さ１．８＋ａｍの各面仕上げの試料の差スペクト
ルを第２図に示す。第２図から１１８０ｃｍ−’と１０
４５印−１を結ぶベースラインと１３００印−１と９０
０ＣＩ１１−１とを結ぶベースラインはＭ／Ｍの試料の
場合はほぼ一致するが、Ｍ／ＥとＬ／Ｌの場合は一致せ
ず、第２表の結果からＭ／Ｍの場合はどちらベースライ
ンでも固溶酸素の定量値は一致するが、Ｍ／Ｅ及びＬ／
Ｌの場合は本発明のベースラインを用いれば、Ｍ／Ｍと
一致する定量値が得られるが、１３００ｃｍ−’と９０
０ｃｍ−’では大きな誤差があることが判明した。

また、測定試料と参照試料との厚さの組合せを変えた時
の固溶酸素濃度の定量結果を第３表に示すように多重反
射の補正を行うＭ／Ｍの試料の場合は参照試料厚が測定
試料厚の半分になると、約＋７％、ＷＪ定試料の２倍に
なると約−１２％の誤差があるが、多重反射補正を行わ
ないＬ／Ｌの試料の場合には参照試料厚が半分でも２倍
でも誤差は約±２％以内であった。Ｍ／Ｍの試料の場合
でも、測定試塊厚±１０％の厚さの参照試料を用いれば
誤差は±２％以内であることがわかった。

さらに、測定試料に対する参照試料の面仕上げの影響は
第４表に示すように、Ｍ／Ｅの測定試料に対してはＭ／
Ｅの他にＭ／Ｍの参照試料でもほとんど誤差がなく使用
できることがわかった。

Ｍ／Ｅの測定試料に対しては、Ｌ／Ｌの参照試料では一
１０％以上の誤差があり、Ｌ／Ｌの測定試料に対してＭ
／Ｍの参照試料では２％程度ではあるが傾向的な負誤差
があり、これらの組合せでは使用できないことがわかっ
た。

〔本発明の効果〕

本発明によれば、シリコンウェハーの実工程にある両面
ラップ研磨された実状料及ご最終工程を経たウェハー実
製品を用いても、別途に調製した酸素濃度分析用試料の
ＪＥＩＤＡ法による定量値と同等の±２％以内の精度で
固溶酸素を定量することができる。したがって、シリコ
ンウェハー製造工程における酸素濃度の管理に本発明を
利用すれば従来法のように別途試料の調製を必要とせず
、その分だけウェハー製品も増産できるようになる。

又、従来法ではウェハー製品の固溶酸素濃度は別途試料
の分析による間接的な管理であったが１本発明を適用す
れば製造工程上の実試料を分析できるので、ウェハー製
品１枚毎の直接的な固溶酸素濃度の管理が行えるように
なる。

【図面の簡単な説明】

第１図は両面鏡面（Ｍ／Ｍ）、両面ラップ（Ｌ／Ｌ）及
び片面鏡面エツチング面（Ｍ／Ｅ）に面仕上げしさシリ
コン結晶の赤外吸収スペクトルを比較したグラフである
。 第２図は、Ｍ／Ｍ試料、Ｍ／Ｅ試料及びＬ／Ｌ試料のそ
れぞれ同一厚、同−面仕−ヒげの参照試料を用いて得た
差スペクトルであり、　ＪＥＩＤＡ法のベースラインと
本発明のベースラインを比較したグラフである。 第３図は測定試料（チョコラルスキー法シリコン結晶）
と参照試料（フローティングゾーン法シリコン結晶）の
赤外吸収スペクトルを示すグラフである。 第４図は、第３図の測定試料と参照試料との差スペクト
ルと同スペクトルの吸収強度（透過率）を倍率５倍に拡
大したスペクトルを波数１３００〜９００口″″１の範
囲について示したグラフである。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）シリコン結晶中の固溶酸素濃度を赤外吸収法で定
   量する方法において、試料厚みを２ｍｍ以下とした両面
   をラップ研磨した測定試料と、測定試料厚さの２倍から
   １／２倍以内の厚さの両面をラップ研磨した参照試料の
   、吸光度モードの赤外吸収スペクトルを測定し、測定試
   料の吸収スペクトルから測定試料の厚さに合わせて吸収
   強度を補正した参照試料の吸収スペクトルを差引き、こ
   の差スペクトルから波数１１８０ｃｍ＾−＾１と１０４
   ５ｃｍ＾−＾１とを結ぶベースラインを用いて、１１０
   ７ｃｍ＾−＾１付近の固溶酸素の頂点の吸収強度を求め
   て、固溶酸素濃度を得る、赤外吸収法によるシリコン結
   晶中の固溶酸素濃度の定量方法。
2. （２）シリコン結晶中の固溶酸素濃度を赤外吸収法で定
   量する方法において、試料厚みを２ｍｍ以下とした片面
   を鏡面研磨し、もう片面をエッチング仕上げした測定試
   料と、測定試料厚さの±１０％以内の厚さの両面を鏡面
   に研磨した及び／又は片面を鏡面研磨し、もう片面をエ
   ッチング仕上げした参照試料の透過率モードの赤外吸収
   スペクトルを測定し、測定試料の赤外吸収スペクトルを
   参照試料の赤外スペクトルで除して得た差スペクトルか
   ら、波数１１８０ｃｍ＾−＾１と１０４５ｃｍ＾−＾１
   とを結ぶベースラインを用いて、１１０７ｃｍ＾−＾１
   付近の固溶酸素による吸収バンドの頂点及びバックグラ
   ウンドの透過率を求め、測定試料及び参照試料の厚さを
   用いて多重反射を考慮した光吸収式から固溶酸素による
   真の吸収強度を算出して、固溶酸素濃度を得る、赤外吸
   収法によるシリコン結晶中の固溶酸素濃度の定量方法。