JPH05113319A

JPH05113319A - ウエハ層厚さ測定方法

Info

Publication number: JPH05113319A
Application number: JP4094265A
Authority: JP
Inventors: Junzo Uchida; 順三内田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1991-08-30
Filing date: 1992-04-14
Publication date: 1993-05-07

Abstract

(57)【要約】【目的】各層の厚さをウエハを破壊することなく高精度
に短時間で測定することが可能なウエハ層厚さ測定方法
を提供することにある。【構成】拡散ウエハ１に形成された拡散層Ｉの研磨代を
決めるために拡散層Ｉの厚さを測定するウエハ層厚さ測
定方法において、フ−リエ変換赤外分光法を利用し、拡
散層Ｉを研磨しながらインタ−フェログラムを観察す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば、拡散ウエハの
各層の厚さを光学的に且つ非破壊式に測定するウエハ層
厚さ測定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、不純物を拡散したn on n⁺ （ま
たは、p on p⁺ ）構造のシリコンウエハ（拡散ウエハ）
は、例えば図６（ａ）〜（ｃ）に示すように片側研磨
（ＯＳＬ）という製造法で作られる。この製造方法にお
いては、ｎ型ウエハの場合は、図６（ａ）に示すシリコ
ンウエハ基板の両側にリン（Ｐ）等が拡散され、同図
（ｂ）に示すように、Ｉ(Intrinsic) 層を挟む二つの拡
散層Ｉ、拡散層IIが形成される。こののち、片側の拡散
層Ｉが、同図（ｃ）に示すように研磨され、n on n⁺ の
構造が形成される。また、ｐ型ウエハの場合は、ボロン
（Ｂ）等が拡散されてp on p⁺ 構造が形成される。上述
の二層構造のシリコンウエハを用いて例えばパワ−トラ
ンジスタ等が作られる。

【０００３】上述のように拡散層Ｉを除去する際には、
予め研磨代を決定することが必要である。そして、研磨
代を決定する方法として、例えば拡がり抵抗法（Spread
ingResistance法）が知られている。この拡がり抵抗法
においては、図７に示すようにウエハが斜めに割られ、
破断面が斜めに角度をつけて研磨される。この後、プロ
−ブが、拡散層Ｉの表面から深さ方向に一定間隔で移動
させられ、プロ−ブ間の抵抗（拡がり抵抗）が測定され
る。プロ−ブの接触半径をａ、測定点での試料の抵抗率
をρとすると、抵抗値Ｒは以下のように表される。Ｒ＝ρ／（２ａ）

【０００４】拡散層Ｉの表面からの距離の関数として抵
抗の分布が求められ、拡散層ＩとＩ層との境界部での抵
抗値に基づいてＩ層の厚さが求められる。そして、拡散
層Ｉの厚さを基にして研磨代が決定される。

【０００５】一方、Ｉ層幅（Ｉ層の厚さ）はトランジス
タの特性（電流増幅率、耐圧、漏れ電流等）を左右する
要素の一つである。このため、Ｉ層の厚さを厳密に管理
する必要があり、この厚さを精度良く測定することは非
常に重要である。そして、Ｉ層の厚さも、拡散層Ｉの厚
さと同様に、上述の拡がり抵抗法によって測定すること
ができる。

【０００６】拡散層ＩやＩ層の厚さの測定法として、拡
がり抵抗法の他に着色法、メッキ法、陽極酸化法、ＳＥ
Ｍ法、及び、ＩＭＡ法などがある。そして、従来の各方
法の特徴は、例えば、「工業調査会発行半導体研究
１７巻」等の文献に記されている。

【０００７】また、半導体評価法の一つとしてフ−リエ
変換赤外分光法（以下、ＦＴ−ＩＲ法と称する）が知ら
れている。このＦＴ−ＩＲ法は、一般にエピタキシャル
ウエハの層厚さ測定に用いられる。図８にＦＴ−ＩＲ法
の基本原理が示されている。

【０００８】赤外線が図６（ｃ）に示すような半導体ウ
エハに照射された場合、赤外線が第１表面（Ｉ層の表
面）と第２表面（Ｉ層と拡散層IIとの界面）で反射され
ると仮定する。この反射光Ｘ、Ｙが、図８に示すよう
に、ビ−ムスプリッタＢ_sを通ってＸ₁、Ｙ₁、Ｘ₂、
Ｙ₂に分けられ、各々の光が固定鏡Ｍ₁、可動鏡Ｍ₂で
反射して干渉する。このときの干渉縞波形（インタ−フ
ェログラム）には、層厚さに関する情報がバ−ストとし
て現われ、このバ−スト間の距離を基にして層厚さが求
められる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、拡散ウエハ
の層厚さは、前述したような種々の方法によって求めら
れていたが、従来の方法は全て破壊測定であり、このた
め従来はウエハサンプルのコスト損失が大きかった。ま
た、一般に測定時間が長かった。さらに、測定サンプル
の作成に多大な手間・時間がかかっていた。そして、一
部のウエハが抜取り検査されるため、全てのウエハの品
質を保証することが困難だった。さらに、拡散層を研磨
する作業の前に、研磨代を予め決定する作業が必要であ
り、研磨代の決定に多大な手間・時間がかかっていた。

【００１０】また、拡散ウエハにおいては不純物濃度プ
ロファイルが測定に影響するため、一般的なＦＴ−ＩＲ
法をＩ層の厚さ測定に単に適用しても、Ｉ層の厚さを正
確に測定することはできない。

【００１１】本発明の目的とするところは、拡散ウエハ
の各層の厚さを拡散ウエハを破壊することなく高精度に
短時間で測定することが可能なウエハ層厚さ測定方法を
提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段および作用】上記目的を達
成するために本発明は、拡散ウエハに形成された拡散層
の研磨代を決めるために拡散層の厚さを測定するウエハ
層厚さ測定方法において、フ−リエ変換赤外分光法を利
用し、拡散層を研磨しながらインタ−フェログラムを観
察する。

【００１３】また、本発明は、拡散ウエハのＩ層の厚さ
を測定するウエハ層厚さ測定方法において、フ−リエ変
換赤外分光法を利用するとともに、測定光に遠赤外域の
波長の光を用いた。また、本発明は、拡散ウエハの拡散
層とＩ層との境界部における屈折率プロファイルを考慮
した補正式を立ててＩ層の厚さを算出する。そして、本
発明は、各層の厚さをウエハを破壊することなく高精度
に短時間で測定できる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１〜図４に基づ
いて説明する。

【００１５】本実施例においては、フ−リエ変換赤外分
光法（以下、ＦＴ−ＩＲ法と称する）に従って層厚さを
測定する装置と略同様の機能を有する装置が採用され
る。さらに、遠赤外域の波長の光を発することが可能な
赤外線光源が上記装置に備えられる。また、測定試料と
して、図１（ａ）に示すようにＩ層の両側に拡散層Ｉ、
拡散層IIが形成された拡散ウエハ１が用いられる。

【００１６】まず、赤外線光源２から発せられた赤外線
３が拡散ウエハ１に照射される。赤外線３の一部は拡散
層Ｉの表面で反射され、残りの赤外線は拡散層Ｉの内部
に入射する。そして、拡散層Ｉは研磨されながら赤外線
を照射される。

【００１７】図２に不純物濃度プロファイルを示す。一
般に、拡散ウエハにおいては、エピタキシャルウエハと
比べて、不純物の濃度勾配が拡散層とＩ層との間で著し
く小さいという特徴がある。したがって、Ｉ層と拡散層
との境界付近において、不純物濃度はなだらかに変化し
ている。赤外線には、高不純物濃度層において殆どが吸
収されてしまうという性質がある。このため、拡散層Ｉ
に入射した赤外線の殆どは、拡散層Ｉの表面付近で吸収
される。

【００１８】図３（ａ）に拡散層Ｉの研磨が行われてい
る途中におけるＦＴ−ＩＲの干渉波形を示す。図３
（ａ）には、拡散層Ｉからの反射波が中央のピ−ク（セ
ンタ−バ−スト）４として表れている。

【００１９】拡散層Ｉの研磨が終了し、拡散ウエハ１が
二層になると、図１（ｂ）に示すように一部の赤外線Ｘ
がＩ層の表面で反射されるとともに、残りの赤外線Ｙが
Ｉ層の内部に入射する。図２に示すようにＩ層の不純物
濃度は小さいため、赤外線３ｂはＩ層を透過し、Ｉ層と
拡散層IIとの界面で反射される。

【００２０】そして、図８を引用して示すように上述の
赤外線Ｘ、Ｙが分光・干渉し、図３（ｂ）に示すような
インタ−フェログラムが得られる。同図（ｂ）のインタ
−フェログラムにおいては、Ｉ層の厚さに関する情報が
センタ−バ−スト４を挟んだ左右のピ−ク（サイドバ−
スト）５、６に表れている。すなわち、拡散層Ｉを研磨
する際に、拡散層Ｉの研磨が終了すると、インタ−フェ
ログラムが図３（ａ）に示す状態から同図（ｂ）に示す
状態に変化し、サイドバ−スト５、６が表れる。

【００２１】インタ−フェログラムを観察しながら拡散
層Ｉが研磨され、インタ−フェログラムにサイドバ−ス
ト５、６が表れた時に、拡散層Ｉの研磨が停止される。
そして、拡散層Ｉが取除かれた二層構造の拡散ウエハ７
が得られる。

【００２２】そして、上述のような測定方法において
は、拡散ウエハ１を破壊することなく、拡散層Ｉの厚さ
をインプロセスで測定できる。また、研磨しながら厚さ
が測定されるので、加工精度が高い。つぎに、Ｉ層の厚
さ測定方法を説明する。

【００２３】本実施例においては、図１（ｂ）に示すよ
うな二層構造の拡散ウエハ７のＩ層に対して遠赤外線が
照射され、図３（ｂ）に示すようなインタ−フェログラ
ムが得られる。そして、このインタ−フェログラムに表
れたサイドバ−スト５、６の間隔が求められてＩ層の厚
さが算出される。

【００２４】一般には、図３（ｂ）中に示すようにセン
タ−バ−スト４と左右のサイドバ−スト５、６との間隔
をＬとし、Ｉ層の屈折率をｎ、測定光の入射角をφとす
ると、Ｉ層の厚さｄ_fは以下の（１）式によって求めら
れる。

【００２５】

【数１】

【００２６】しかし、拡散ウエハ７においては不純物濃
度プロファイルの影響が生じるため、一般的なＦＴ−Ｉ
Ｒ法をＩ層の厚さ測定に単に適用してもＩ層の厚さを正
確に測定することはできない。

【００２７】つまり、図２中に示すように、Ｉ層と拡散
層との境界付近において、不純物濃度プロファイルはな
だらかに変化している。不純物濃度と屈折率とは対応し
ており、不純物濃度が変化すると屈折率も同様に変化す
る。結局、Ｉ層と拡散層との境界付近では屈折率も連続
的に且つなだらかに変化する。

【００２８】厳密には、赤外線は両層の界面だけではな
く界面の下でも連続的に反射していると考えられる。こ
のため（１）式によって求められる厚さｄ_fには屈折率
プロファイルの影響に伴って誤差が生じ、このｄ_fの値
と例えば拡がり抵抗法などによって求められた厚さの値
とは大きく異なる。

【００２９】また、境界面付近での濃度勾配は小さいた
め、ＦＴ−ＩＲ法で通常用いられる波長範囲（２．５〜
２５μｍ未満）ではインタ−フェログラムを明瞭に観察
できない。そこで、測定光として遠赤外線を用いた結
果、明瞭なインタ−フェログラムを観測することができ
た。つまり、Ｉ層と拡散層IIとの界面においては、以下
の（２）式の関係が成立つ。２ｎｄ_f cosφ´＝ｍλ （ｍ＝１，２，３，…） …（２）ｎ：Ｉ層の屈折率ｄ_f：Ｉ層の厚さ φ´：界面における反射角度 λ：波長

【００３０】さらに、この（２）式から図４のグラフが
得られる。図４中に示された反射率の曲線においては、
波長が大きくなるに従ってピ−クの間隔が大きく開いて
いる。

【００３１】Ｉ層と拡散層IIとの界面付近においては、
前述のように不純物濃度プロファイルはなだらかに変化
している。そして、一般に光の反射は屈折率の変化する
面で発生する。したがって、実際には界面のみではな
く、深さ方向に連続的に反射面が存在すると考えられ
る。そして、反射面の深さに応じて多数の反射光が発生
し、例えば図４中に示すように複数の曲線Ｌ₀、Ｌ₁、
Ｌ₂が重なる。

【００３２】ここで、同図中の各曲線の違いは、（２）
式の左辺のｎ×ｄの違いに相当する。そして、各曲線に
ついて反射面の深さをそれぞれｄ₀、ｄ₁、ｄ₂とする
と、これらの間には、ｄ₁＜ｄ₀＜ｄ₂の関係がある。

【００３３】これらの曲線Ｌ₀、Ｌ₁、Ｌ₂が干渉し合
い、干渉縞波形が生成される。そして、波長が短い場合
には干渉の影響が大きく、ピ−クが不鮮明に表れ、波長
が長い場合には干渉の影響が小さく、ピ−クが鮮明に表
れる。

【００３４】つまり、測定光として用いられる光は、そ
の波長が長いほうが測定に有効である。そして、本実施
例のように測定光として遠赤外線を用いれば、界面付近
における不純物濃度プロファイル（屈折率プロファイ
ル）の影響が生じにくく、明瞭なインタ−フェログラム
が得られる。また、本実施例においては、Ｉ層の厚さの
算出に、屈折率プロファイルを考慮した補正方法が用い
られる。

【００３５】つまり、Ｉ層と拡散層の界面付近の屈折率
プロファイルは不純物濃度プロファイルに依存し、ま
た、不純物濃度プロファイルを決定する大きな要因は拡
散層IIの厚さｘ_jである。一般に拡散層IIの厚さｘ_jが
大きくなると界面付近での不純物の濃度勾配は小さくな
る。

【００３６】そこで、前掲の（１）式で求まるＩ層の厚
さｄ_f、拡散層IIの厚さｘ_jの２変数を説明変数とし、
従来の拡がり抵抗法で求まる測定値ｄ_sを目的変数とし
て、後掲の（３）式に示すように回帰式をたてる。ｄ_s＝ａ・ｄ_f＋ｂ・ｘ_j＋ｃ（３）ここで、（３）式中のａ、ｂ、ｃは、拡散ウエハの製造
プロセスにより特定される定数であり、予め採られた実
験デ−タに基づいて求められる。さらに、拡散層IIの厚
さｘ_jには、抜き取りで求められた値、或いは、プロセ
スの狙い値（設計値）が使用される。

【００３７】また、二層の拡散ウエハ３の全体の厚さを
Ｔとすれば拡散層IIの厚さｘ_jは、ｘ_j＝Ｔ−ｄ_sであ
らわされる。さらに、ｄ_fは前掲の（１）式により算出
されるが、ｄ_fの値が不純物濃度プロファイルに基づく
誤差を含んでいると考える。そして、ｘ_j＝Ｔ−ｄ_sの
式を（３）式に代入すれば以下のように（４）式が導か
れる。ｄ_s＝ａ・ｄ_f＋ｂ（Ｔ−ｄ_s）＋ｃ

【００３８】

【数２】

【００３９】したがって、ウエハの全体の厚さＴを例え
ばマイクロメ−タ等のような測定器を用いて測定し、Ｔ
の値を（３）式に代入すれば、拡散層の厚さｘ_jを予め
求めなくてもＩ層の厚さｄ_sを求めることができる。

【００４０】以上説明したように本発明においては、拡
散層Ｉを研磨しながらＦＴ−ＩＲ法のインタ−フェログ
ラムが観察される。したがって、研磨を行いながら研磨
の終了を検知することができ、研磨に先立って拡散層Ｉ
の厚さを測定する作業が不要になる。

【００４１】また、ＦＴ−ＩＲ法の測定光に遠赤外線が
用いられ、且つ、拡散層IIとＩ層との境界付近の屈折率
のプロファイルを考慮した補正式（（３）式又は（４）
式）が用いられているので、ＦＴ−ＩＲ法を利用してＩ
層の厚さを非破壊式に、且つ、精度よく短時間で求める
ことができる。なお、本実施例においては、補正式が一
次の回帰式であるが、本発明はこれに限らず補正式を多
次の回帰式としてもよい。

【００４２】また、本発明は、n on n⁺ （或いは、pon
p⁺ ）の構造の拡散ウエハに限らず、二層構造で二層の
間に屈折率の差を有し、且つ、赤外線を透過し、界面で
赤外線を反射するものであれば、全てのものに適用可能
である。

【００４３】また、本実施例においてＩ層の厚さｄ
_fは、（１）式にしたがって、インタ−フェログラムの
センタ−バ−ストとサイドバ−ストとの間隔Ｌを用いて
算出されるが、この他に、例えば干渉縞のスペクトルの
波数間隔を用い、以下の（４）式にしたがってｄ_fを求
めることも可能である。

【００４４】

【数３】

【００４５】ここで、λ_mはスペクトル（図５に示され
た反射率−波数のグラフ）に現れた一つの反射率極大
（または極小）を与える波数であり、λ_m-lは、λ_mが
得られた位置から波長の増加する方向に数えてｌ番目の
反射率極大（または極小）を与える波数である。また、
ｎはＩ層の屈折率であり、φは測定光の入射角である。
そして、本発明は、要旨を逸脱しない範囲で種々に変形
することが可能である。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、拡散ウエ
ハに形成された拡散層の研磨代を決めるために拡散層の
厚さを測定するウエハ層厚さ測定方法において、フ−リ
エ変換赤外分光法を利用し、拡散層を研磨しながらイン
タ−フェログラムを観察する。

【００４７】また、本発明は、拡散ウエハのＩ層の厚さ
を測定するウエハ層厚さ測定方法において、フ−リエ変
換赤外分光法を利用するとともに、測定光に遠赤外域の
波長の光を用いた。また、本発明は、拡散ウエハの拡散
層とＩ層との境界部における屈折率プロファイルを考慮
した補正式を立ててＩ層の厚さを算出する。そして、本
発明は、各層の厚さをウエハを破壊することなく高精度
に短時間で測定できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は拡散層Ｉでの反射を示す説明図、
（ｂ）はＩ層での反射を示す説明図。

【図２】拡散ウエハの不純物濃度と深さとの関係の一例
を示す説明図。

【図３】（ａ）は研磨途中のインタ−フェログラム、
（ｂ）は研磨完了時の同じくインタ−フェログラムであ
る。

【図４】界面付近からの反射光の干渉を説明するグラ
フ。

【図５】本発明の一実施例の変形例に関わり、干渉縞の
スペクトルを示すグラフ。

【図６】（ａ）〜（ｃ）は一般的な拡散ウエハの製作手
順を示す説明図。

【図７】一般的な拡がり抵抗法を示す説明図。

【図８】一般的なフ−リエ変換赤外分光法の原理を示す
説明図。

【符号の説明】

１…３層構造の拡散ウエハ、２…赤外線光源、３…赤外
線、７…２層構造の拡散ウエハ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】拡散ウエハに形成された拡散層の研磨代
を決めるために上記拡散層の厚さを測定するウエハ層厚
さ測定方法において、フ−リエ変換赤外分光法を利用
し、上記拡散層を研磨しながらインタ−フェログラムを
観察することを特徴とする拡散層厚さ測定方法。
【請求項２】拡散ウエハのＩ層の厚さを測定するウエ
ハ層厚さ測定方法において、フ−リエ変換赤外分光法を
利用するとともに、測定光に遠赤外域の波長の光を用い
たことを特徴とするウエハ層厚さ測定方法。
【請求項３】上記拡散ウエハの拡散層と上記Ｉ層との
境界部における屈折率プロファイルを考慮した補正式を
立てて上記Ｉ層の厚さを算出することを特徴とする［請
求項２］記載のウエハ層厚さ測定方法。