JPH07153809A - 半導体基板の不純物分析装置および不純物分析方法 - Google Patents

半導体基板の不純物分析装置および不純物分析方法

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JPH07153809A
JPH07153809A JP29651493A JP29651493A JPH07153809A JP H07153809 A JPH07153809 A JP H07153809A JP 29651493 A JP29651493 A JP 29651493A JP 29651493 A JP29651493 A JP 29651493A JP H07153809 A JPH07153809 A JP H07153809A
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JP
Japan
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semiconductor substrate
temperature
pulse
pulsed light
impurity
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JP29651493A
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Yoshitoku Muramatsu
良徳 村松
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Abstract

(57)【要約】 【目的】半導体基板中の金属不純物を非接触、非破壊で
かつ高感度に分析可能とする。 【構成】半導体基板4の温度を予め定めた変化率で変化
させるよう制御する温度制御部5を備える。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体基板の不純物分析
装置および不純物分析方法に関し、特にシリコン半導体
基板の金属不純物を非接触で分析する半導体基板の不純
物分析装置および不純物分析方法に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体装置の微細化、高密度化により半
導体プロセスからの汚染の低減が重要な問題となってき
ている。半導体基板中に、鉄、銅、クロム、ニッケルな
どの重金属不純物が存在すると、上記半導体基板に形成
される半導体素子の性能を著しく劣化させるので極力排
除しなければならない。このような重金属不純物による
半導体基板の汚染は、半導体素子の製造工程中に生ずる
ものである。したがって、この種の汚染を排除するため
には、製造工程中の汚染発生箇所を明確にする必要があ
り、そのための各種の汚染検出を目的とする以下のよう
な分析方法が用いられている。
【0003】まず、半導体基板に金属/酸化物/半導体
型容量やp−n接合素子を接合試料として形成し、それ
らの接合試料に印加したバイアスをパルス上に変化させ
たあとに得られる容量の温度−過渡変化測定から、汚染
金属などの種類の特定と定量とを行うDLTS(Dee
p Level Transient Spectro
scopy)法がある。また、いずれも特開平4−36
0551記載のシリコン基板表面の自然あるいは熱酸化
膜を弗化水素酸の蒸気による分解液を原子吸光法などに
より分析し不純物の種類の特定と定量とを行うVPD−
AAS(気相分解/原子吸光)法や、シリコン基板表面
に微小入射角で照射したX線に応答して放射された金属
等の不純物起因の蛍光X線から上記不純物を特定および
定量を行うTRXRF(全反射蛍光X線)法や、シリコ
ン基板に入射したイオンによりスパッタされて生じた2
次イオンの種類を質量分析計で測定するSIMS(2次
イオン質量分析)法がある。さらに、半導体基板表面に
照射した光により生ずる電子/正孔対の再結合過程対応
の上記光照射から導電率が1/eに減衰する時間で定義
される再結合寿命をマイクロ波の透過/反射率から求め
ることにより、上記不純物の特定および定量を行うμ−
PCD(マイクロ波光電導率減衰)法など、多くの方法
が知られている。
【0004】現在の半導体製造工程においては、各工程
毎の半導体基板表面の金属不純物による汚染は、1010
原子/CM2 以下に抑える必要がある。また定期的監視
のためには、分析操作が簡便で、非接触かつ非破壊であ
ることが望ましい。以上の条件を比較的に満足する分析
法として、高感度、非接触、非破壊でかつ操作も簡単な
μ−PCD法が、この種の製造工程における定期的な汚
染監視に広く用いられている。
【0005】ここでは、従来の半導体基板の不純物分析
装置および方法としてこのμ−PCD法について説明す
る。
【0006】μ−PCD法は、電子/正孔対の再結合過
程において、半導体基板の深い準位を形成するような金
属(不純物)が存在すると、上記電子/正孔対はその準
位に捕獲されるため、再結合寿命が著しく劣化するの
で、上記金属の存在を知ることが可能であることに基ず
いており、金属不純物汚染の評価に用いられている。
【0007】従来の半導体基板の不純物分析装置をブロ
ックで示す図5を参照すると、この図に示す従来の半導
体基板の不純物分析装置は、試験対象の半導体基板4に
パルス光Lを照射するとともに半導体基板4からのマイ
クロ波信号Mの反射波MRを検出して測定する分析部1
と、マイクロ波信号Mを半導体基板4に照射するマイク
ロ波発生器2と、半導体基板4を載置する試料台3とを
備える。
【0008】分析部1は、パルスPの供給に応答して半
導体基板4にパルス光Lを照射する光発生器11と、光
発生器11にパルスPをオシロスコープ13にパルスP
に同期したクロックCPをそれぞれ供給するパルス発生
器12と、反射波MRを検出して信号RSを生成する検
出器13と、信号RSを増幅して信号ASを生成する増
幅器14と、クロックCPに同期して増幅器14からの
信号ASを表示するオシロスコープ15とを備える。
【0009】次に、図5を参照して、従来の半導体基板
の不純物分析装置を用いた不純物分析方法について説明
すると、マイクロ波発生器2は、試料台3に載置された
半導体基板4の表面に所定周波数およびレベルのマイク
ロ波信号Mを照射する。半導体基板4はこのマイクロ波
信号Mの照射に応答して反射波MRを放射し、検出器1
3はこの反射波MRを検出し検出信号RSを生成する。
この反射波MRのレベルは半導体基板4の表面のマイク
ロ波の反射率に比例し、上記反射率は半導体基板4の導
電率と相関がある。したがって、上記反射率の測定によ
り、半導体基板4の導電率の常時監視が可能となる。検
出信号RSは増幅器14により増幅された信号ASとし
て生成され、オシロスコープ15に供給される。
【0010】一方、パルス発生器12はパルスPを光発
生器11に供給し、光発生器11はパルスPの供給に応
答してパルス光Lを半導体基板4の表面に照射する。す
ると、半導体基板4中では、電子/正孔対の励起と再結
合とが連続して生ずる。この過程を導電率の変化として
検出し、パルス光L照射から導電率が1/eに減衰する
までの時間すなわち再結合寿命をオシロスコープ15に
より測定する。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来の半導体
基板の不純物分析装置および不純物分析方法は、一定温
度条件での半導体基板の導電率と再結合寿命との評価し
かできないため、汚染金属の種類の特定や定量は非常に
困難であるという欠点があった。
【0012】さらに、再結合寿命は、金属汚染だけでな
く、半導体基板の損傷や半導体基板中の酸素や炭素の析
出等の様々な要因で変化するため、汚染不純物の種類の
特定すら困難であるという欠点があった。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体基板の不
純物分析装置は、試験対象の半導体基板の表面に予め定
めたパルス特性のパルスで変調されたパルス光を照射す
るとともに予め定めた周波数およびレベルのマイクロ波
信号の照射に応答して上記半導体基板から放射されたマ
イクロ波の反射波を検出して前記パルス光対応の前記半
導体基板の反射率を測定する分析部と、前記マイクロ波
信号を前記半導体基板に照射するマイクロ波信号源と、
前記半導体基板を載置する試料台とを備える半導体基板
の不純物分析装置において、前記半導体基板の温度を予
め定めた変化率で変化させるよう制御する温度制御手段
を備えて構成されている。
【0014】本発明の半導体基板の不純物分析方法は、
試験対象の半導体基板の表面に予め定めたパルス特性の
パルスで変調されたパルス光を照射するとともに予め定
めた周波数およびレベルのマイクロ波信号の照射に応答
して上記半導体基板から放射されたマイクロ波の反射波
を検出して前記パルス光対応の前記半導体基板の反射率
を測定し、前記反射率から前記半導体基板の導電率を求
め、前記光照射後の第2の導電率が前記光照射前の第1
の導電率の自然対数の底分の1に達する時間で定義され
る再結合寿命を算出することにより前記半導体基板の不
純物を分析する半導体基板の不純物分析方法において、
前記半導体基板の温度を変化させながら予め定めた温度
毎に前記反射率を測定することを特徴とするものであ
る。
【0015】
【実施例】次に、本発明の実施例を図4と共通の構成要
素には共通の参照数字を付してブロックで示す図1を参
照すると、この図に示す本実施例の半導体基板の不純物
分析装置は、従来と同様の分析部1と、マイクロ波発生
器2と、半導体基板4を載置する試料台3とに加えて、
半導体基板4を加熱し任意に設定した一定変化率で温度
上昇を制御する温度制御部5をさらに備える。
【0016】次に、図1および本実施例の測定方法をフ
ローチャートで示す図2を参照して本実施例の動作につ
いて説明すると、温度制御部5により半導体基板4を設
定変化率で昇温しながら所定の測定温度(T=Ti,i
は任意の値)に達する毎に(ステップS1,S2)、従
来と同様にマイクロ波発生器2からのマイクロ波信号M
を半導体基板4に照射する。同時に、光発生器11から
パルス光Lを半導体基板4に照射する。従来と同様に、
半導体基板4中の電子/正孔対の再結合寿命をオシロス
コープ15により温度の上限値(Ti=TE)に達する
まで連続的に測定する(ステップS3〜S5)。
【0017】p型シリコン基板を鉄により任意の濃度で
汚染した場合の温度対再結合寿命特性の一例を示す図3
を参照すると、この図に示す相関曲線は、傾斜部A,
B,Cの3つの部分に分類できる。よく知られているよ
うに、鉄はp型シリコン基板内では常温で硼素と結合し
ある深い準位すなわち第1の深い準位を形成している。
しかし上記結合は高温で解離し、上記準位と異なる第2
の深い準位を形成する。図3の傾斜部A〜Cはその過程
を示すものであり、傾斜部Cの傾斜は鉄硼素結合の上記
第2の深い準位に関係するものであり、傾斜部Aの傾斜
は熱解離後の鉄単独の準位に関係する。傾斜部Bは鉄硼
素結合の上記解離過程で生ずる変曲部であり、その傾斜
すなわち解離係数は鉄硼素結合の量、すなわちシリコン
基板中の鉄濃度に関係し、また上記変曲部の温度は各々
金属ここでは鉄特有の値を示すため金属の種類の特定も
可能である。しかも上記変曲部は、特定の金属の組合せ
でしか生じないため、その他の要因、例えば、半導体基
板の損傷や、基板中の酸素や炭素の析出等とは完全に分
離できる。
【0018】上記傾斜部Bに関連して上記VPD−AA
S法による上記鉄硼素結合の上記解離過程における鉄濃
度と解離係数との関係の一例を示す図4を参照すると、
この図に示すように、上記VPD−AAS法は1010
子/CM2 以下の汚染も検出可能な非常に高感度な分析
法であるが、破壊分析であり、また、操作も熟練を要す
る。
【0019】これにより、従来の技術で説明した図3に
示すような半導体基板4の温度対応の再結合寿命の相関
特性を求めることができる。したがって、この相関特性
より、汚染金属の種類の特定や定量を容易に実施するこ
とができる。また、半導体基板の損傷や半導体基板中の
酸素や炭素の析出等の要因と完全に区別ができ、従来の
VPD−AAS法に匹敵する1010原子/CM2 以下の
汚染を検出する高感度の分析が非接触かつ非破壊でしか
も簡便に実施できる。
【0020】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の半導体基
板の不純物分析装置および不純物分析方法は、半導体基
板の温度を予め定めた変化率で変化させるよう制御する
温度制御手段を備え、上記半導体基板の温度対応の再結
合寿命の相関特性を求めることができるので、この相関
特性より、汚染金属の種類の特定や定量のための高感度
の分析が非接触かつ非破壊でしかも簡便に実施できると
いう効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の半導体基板の不純物分析装置の一実施
例を示すブロック図である。
【図2】本実施例の半導体基板の不純物分析方法におけ
る動作の一例を示すフローチャートである。
【図3】温度に対する再結合寿命特性の一例を示す特性
図である。
【図4】鉄硼素結合の解離過程における鉄濃度と解離係
数との関係の一例を示す特性図である。
【図5】従来の半導体基板の不純物分析装置の一例を示
すブロック図である。
【符号の説明】
1 分析部 2 マイクロ波発生器 3 試料台 4 半導体基板 5 温度制御部 11 光発生器 12 パルス発生器 13 検出器 14 増幅器 15 オシロスコープ

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 試験対象の半導体基板の表面に予め定め
    たパルス特性のパルスで変調されたパルス光を照射する
    とともに予め定めた周波数およびレベルのマイクロ波信
    号の照射に応答して上記半導体基板から放射されたマイ
    クロ波の反射波を検出して前記パルス光対応の前記半導
    体基板の反射率を測定する分析部と、前記マイクロ波信
    号を前記半導体基板に照射するマイクロ波信号源と、前
    記半導体基板を載置する試料台とを備える半導体基板の
    不純物分析装置において、 前記半導体基板の温度を予め定めた変化率で変化させる
    よう制御する温度制御手段をさらに備えることを特徴と
    する半導体基板の不純物分析装置。
  2. 【請求項2】 前記分析部が、前記パルスの供給に応答
    して前記半導体基板に前記パルス光を照射する光発生器
    と、 前記反射波を検出して検出信号を生成する検出器と、 前記検出信号を増幅して増幅信号を生成する増幅器と、 前記パルスに同期したクロックに同期して前記増幅信号
    を表示する表示装置と、 前記光発生器に前記パルスを前記表示装置に前記クロッ
    クをそれぞれ供給するパルス発生器とを備えることを特
    徴とする請求項1記載の半導体基板の不純物分析装置。
  3. 【請求項3】 試験対象の半導体基板の表面に予め定め
    たパルス特性のパルスで変調されたパルス光を照射する
    とともに予め定めた周波数およびレベルのマイクロ波信
    号の照射に応答して上記半導体基板から放射されたマイ
    クロ波の反射波を検出して前記パルス光対応の前記半導
    体基板の反射率を測定し、前記反射率から前記半導体基
    板の導電率を求め、前記光照射後の第2の導電率が前記
    光照射前の第1の導電率の自然対数の底分の1に達する
    時間で定義される再結合寿命を算出することにより前記
    半導体基板の不純物を分析する半導体基板の不純物分析
    方法において、 前記半導体基板の温度を変化させながら予め定めた温度
    毎に前記反射率を測定することを特徴とする半導体基板
    の不純物分析方法。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100384681B1 (ko) * 2000-12-12 2003-05-22 주식회사 실트론 웨이퍼 상의 유기오염물 분석장치 및 방법
RU2516238C2 (ru) * 2012-05-04 2014-05-20 Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Саратовский Государственный Университет Имени Н.Г. Чернышевского" Способ определения электропроводности и энергии активации примесных центров полупроводниковых слоев

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