JPH09167791A

JPH09167791A - シリコン半導体基板の評価方法及び該方法に使用されるシリコン半導体基板の評価装置

Info

Publication number: JPH09167791A
Application number: JP32763995A
Authority: JP
Inventors: Toshiro Yamamoto; 俊郎山本; Katsuhiro Nishihara; 克浩西原
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1995-12-15
Filing date: 1995-12-15
Publication date: 1997-06-24

Abstract

(57)【要約】【課題】従来よりシリコン半導体基板の表面近傍の結
晶品質を評価する方法として、ＥＳＲスペクトルを測定
する方法等があるが、これらの方法では試料を破壊しな
ければならないという課題があった。他方、従来よりシ
リコン半導体基板のフォトルミネッセンスを測定するこ
とにより、シリコン半導体基板中の不純物量を測定する
ことはできることが知られていたが、シリコン半導体基
板表面近傍の結晶の欠陥についての情報は得ることがで
きなかった。【解決手段】エネルギーが１．１４ｅＶ以上のレーザ
光又は白色光をシリコン半導体基板に照射し、該シリコ
ン半導体基板表面近傍からの発光強度を測定することに
よりシリコン半導体基板の品質を評価するシリコン半導
体基板の評価方法において、前記シリコン半導体基板の
温度を変化させ、該シリコン半導体基板の温度変化に伴
う波長１１４０ｎｍ付近の発光強度の変化量より前記シ
リコン半導体基板の表面近傍の品質を評価する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はシリコン半導体基板
の評価方法及び該方法に使用されるシリコン半導体基板
の評価装置に関し、より詳細にはシリコン半導体基板
（以下、シリコン基板と記す）の製造工程や該シリコン
基板を用いた集積回路の製造プロセスにおいて、シリコ
ン基板表面近傍の結晶品質を評価するシリコン半導体基
板の評価方法及び該方法に使用されるシリコン半導体基
板の評価装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＣＺ法等の単結晶引き上げ法により引き
上げられたシリコン単結晶より集積回路（ＩＣ）形成用
等のシリコン基板を製造するプロセス中には、表面研磨
プロセス、窒素雰囲気中、約６５０℃での熱処理プロセ
ス、フッ酸や過酸化水素と水酸化アンモニウムとの混合
液等を用いた洗浄プロセス等がある。また、前記シリコ
ン基板を用いた集積回路等のデバイスを製造するプロセ
スにおいても、前記シリコン基板の洗浄プロセスや窒素
雰囲気中、約１１００℃の熱処理プロセス等がある。

【０００３】前記プロセスの他にも引き上げられた単結
晶より半導体素子等のデバイスを完成させるまでには種
々のプロセスが存在するが、特に前記したプロセスにお
いてはシリコン表面近傍での結晶欠陥が発生し易い。前
記結晶欠陥の具体例としては、例えばシリコン基板の研
磨プロセスにおいて発生する研磨歪や、熱処理や洗浄等
の際に形成されるシリコン基板表面近傍の結晶欠陥があ
る。このようなシリコン基板の研磨等により形成され
た、シリコン基板表面での結晶欠陥は汚染金属と結合し
て、デバイスの歩留まりに悪影響を与えることが知られ
ている（例えば、応用物理学会スクール「シリコンプ
ロセスにおける微量不純物測定技術」１〜１３頁（１
９９３年））。そのため、前記研磨プロセスや洗浄プロ
セスの後に、シリコン基板表面近傍の結晶品質、例えば
ダングリングボンド（結合する相手のない結合手）の量
やＳｉ原子と汚染金属原子との結合状態を評価し、これ
らの欠陥を有するシリコン基板を排除することが、一定
以上のデバイス歩留まりを保証するためには必要であ
る。近年、特に集積回路のゲート酸化膜の薄膜化によ
り、洗浄プロセス後のシリコン基板表面近傍の結晶品質
がデバイス特性に大きく影響することが明らかになって
きており、各プロセスの後におけるシリコン基板表面近
傍の結晶品質の評価はデバイス歩留まりの向上を図る上
で益々必要になってきている。

【０００４】これらの要求に答え得るシリコン基板表面
近傍の結晶品質の評価方法として、例えば電子スピン共
鳴法やＸ線光電子分光法による前記欠陥の評価方法が挙
げられる。しかしながら、前記電子スピン共鳴法や前記
Ｘ線電子分光法では、シリコン基板全体を非破壊で評価
することが困難であるため、前記プロセスの途中におけ
るシリコン基板表面近傍の結晶品質の評価には用いるこ
とができない。

【０００５】一方、Ｓｉ結晶等の半導体中に意識的に添
加した不純物濃度の測定法として、フォトルミネッセン
ス法が挙げられる。フォトルミネッセンスとは、半導体
のバンドギャップより大きなエネルギーを持つ光を照射
することにより物質中に過剰の電子や正孔を発生させた
際、これらが発光性再結合する結果、物質より放出され
る光のことをいい、シリコン基板に例えばＡｒレーザ
（波長５１４．５ｎｍ）を照射し、発生するフォトルミ
ネッセンスを測定することによりシリコン基板中の不純
物の濃度を知ることができる。

【０００６】図６はシリコン基板に波長５１４．５ｎｍ
のＡｒレーザを照射した際に発生する発光スペクトルを
記録したチャートの一例であるが、このチャートに示さ
れているようにこの発光スペクトルは１１４０ｎｍ付近
にピークを有する。

【０００７】図７はこのフォトルミネッセンス測定法に
用いられる装置を示したブロック構成図であり、図中、
２１はレーザ発振装置を示している。

【０００８】このフォトルミネッセンス測定装置４０で
は、まず、レーザ発振装置２１より発振されるレーザ光
を試料１５に導くが、その過程においてレーザ光中に含
まれる赤外線を除去するための赤外カットフィルタ２２
ａ、レーザ光を断続的に照射するための光チョッパ２
３、光路変更用の平面鏡２４が配設されている。また、
レーザ光照射により試料１５より放射される発光スペク
トルを測定して表示するための装置又は機器として、前
記発光を分光器２７へ導く集光レンズ２５ａ、必要な波
長領域のみの光を通過させる長波長透過フィルタ２２
ｂ、分光器２７、分光器２７により分光された光を集光
する集光レンズ２５ｂ、集光後の光を検出する光検出器
２６、光検出器２６で検出した信号を光チョッパ２３と
位相同期させて増幅するロックインアンプ２８、増幅さ
れた信号のメモリ・処理等を行うパソコン４５、前記処
理信号に基づいてスペクトルを描くプロッタ４６が配設
されている。また、パソコン４５は分光器２７に接続さ
れており、パソコン４５により分光器２７において分光
される光の波長を制御するようになっている。

【０００９】シリコン基板中の不純物濃度の測定を行う
際には、まず、試料台に試料１５をセットする。次に、
レーザ発振装置２１より、波長が５１４．５ｎｍのＡｒ
レーザを発振させ、このレーザ光の赤外線を赤外カット
フィルタ２２ａでカットし、照射周期が８８Ｈｚになる
ように光チョッパ２３でレーザ光を断続させ、平面鏡２
４を介して試料１５に照射する。このときの試料１５の
温度は室温である。このレーザ光の照射により試料１５
より放射される光は、集光レンズ２５ａで集光され、長
波長透過フィルタ２２ｂで必要な光の波長領域のみが選
択され、分光器２７に導かれる。

【００１０】そして、この分光器２７で分光された後、
集光レンズ２５ｂにおいてさらに集光され、光検出器２
６により各波長での光が検出される。検出された各波長
での光の強度に関する信号はロックインアンプ２８で増
幅され、パソコン４５に入力されてメモリ・処理され、
プロッタ４６によりプロットアウトされる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】このようにフォトルミ
ネッセンス測定装置４０を用いることにより、試料１５
（シリコン基板）中に存在する不純物量を測定すること
ができるが、通常、フォトルミネッセンスによる発光は
１１４０ｎｍ付近の波長域にあり、その発光強度はシリ
コンにドーピング剤として添加されたＡｌ、Ｂ、Ｐ等の
不純物濃度に大きく依存し、シリコン基板表面近傍の結
晶欠陥等の情報は今までの測定方法では得られないとい
う課題があった。

【００１２】本発明はこのような課題に鑑みなされたも
のであり、シリコン基板の製造プロセス又は集積回路の
製造プロセスの途中の研磨又は洗浄等のプロセスの後、
シリコン基板の表面近傍の結晶品質を比較的簡単で、非
破壊的な方法により評価することが可能なシリコン基板
の評価方法及び該方法に使用されるシリコン基板の評価
装置を提供することを目的としている。

【００１３】

【課題を解決するための手段及びその効果】上記目的を
達成するために本発明に係るシリコン基板の評価方法
は、エネルギーが１．１４ｅＶ以上のレーザ光又は白色
光をシリコン半導体基板に照射し、該シリコン半導体基
板表面近傍からの発光強度を測定することによりシリコ
ン半導体基板の品質を評価するシリコン半導体基板の評
価方法において、前記シリコン半導体基板の温度を変化
させ、該シリコン半導体基板の温度変化に伴う波長１１
４０ｎｍ付近の発光強度の変化量より前記シリコン半導
体基板の表面近傍の品質を評価することを特徴としてい
る。

【００１４】前記方法によりシリコン基板表面近傍の品
質を評価することができる理由を簡単に述べる。少なく
とも０℃以上の温度において、シリコン基板にそのバン
ドギャップ以上、すなわちエネルギーが１．１４ｅＶ以
上の光を照射すると、表面近傍で電子−正孔対が励起さ
れる。この励起された電子−正孔対はシリコン基板中の
不純物又は結晶欠陥によって生じたエネルギー準位を介
して再結合し、この再結合によりフォトルミネッセンス
が放射される。１０〜４０℃程度の室温域では、シリコ
ン基板中の不純物による発光波長は１１４０ｎｍ付近の
波長域にあり、その発光強度はシリコン基板に添加され
ている不純物濃度に依存するが、結晶欠陥があると、励
起された電子−正孔対は、その結晶欠陥のエネルギー準
位を介して再結合するため、１１４０ｎｍ付近の波長域
での発光強度は結晶欠陥がない場合に比べて減少する。
他方、シリコン基板の温度を変化させると、表面近傍の
結晶欠陥のエネルギー準位のうち、既に熱エネルギーで
電子により占有されているものの割合が変化するため、
結晶欠陥のエネルギー準位を介して再結合する電子−正
孔の数が変化する。それにより、本来温度依存性のない
不純物による発光強度もみかけ上変化することになり、
この変化量からシリコン基板表面近傍の結晶欠陥量を評
価することができるのである。

【００１５】従って、上記シリコン基板の評価方法によ
れば、シリコン基板の製造プロセス又は集積回路の製造
プロセス途中の研磨又は洗浄等のプロセスの後、非破壊
的な方法によりシリコン基板の表面近傍の結晶品質を容
易に評価することができ、工業的に応用が可能なシリコ
ン基板の評価方法を提供することができる。

【００１６】また本発明に係るシリコン基板評価装置
は、シリコン半導体基板を載置する試料保持台と、エネ
ルギーが１．１４ｅＶ以上のレーザ光又は白色光を照射
する光照射手段と、前記シリコン半導体基板の波長１１
４０ｎｍ付近の発光強度を検出する発光強度検出手段と
を備え、さらに、前記レーザ光又は白色光の照射を制御
する照射制御手段と、前記シリコン半導体基板の温度を
制御する温度制御手段と、測定された発光強度及び前記
シリコン半導体基板の温度を記憶する記憶手段とを備え
ていることを特徴としている。

【００１７】上記シリコン基板の評価装置によれば、シ
リコン基板の製造プロセス又は集積回路の製造プロセス
の途中の研磨又は洗浄等のプロセスの後、前記装置を使
用することにより非破壊的、かつ容易にシリコン基板の
表面近傍の結晶品質を評価することができ、工業的に応
用が可能なシリコン基板評価装置を提供することができ
る。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るシリコン基板
評価装置及びシリコン基板の評価方法の実施の形態を図
面に基づいて説明する。図１は実施の形態に係るシリコ
ン基板評価装置を示したブロック構成図であり、図２は
前記シリコン基板評価装置中の試料載置部を模式的に示
した拡大断面図である。

【００１９】このシリコン基板評価装置１０において、
レーザを試料１５に照射し、放射される発光を検出して
増幅するまでの装置の構成については、平面鏡２４と試
料１５との間にシャッタ３２が配設されている他は、従
来のフォトルミネッセンス測定装置４０とほぼ同様であ
るので、ここではその詳しい説明を省略し、本実施の形
態に係るシリコン基板評価装置１０特有の構成部分につ
いて説明する。

【００２０】まず、図２に示した試料載置部１１の構成
が従来と異なり、試料１５を加熱することができるよう
になっている。図２に示したこの試料載置部１１には、
試料を載置するための土台部分として試料保持台１２が
配設されている。この試料保持台１２の上にはフッ素樹
脂等からなる板状の断熱材１３が配置され、この断熱材
１３の上に抵抗加熱式のヒータ１４が配設され、ヒータ
１４の熱が下方にある試料保持台１２やその他の部材に
伝わりにくいようになっている。そしてヒータ１４の上
に試料（シリコン基板）１５が載置されるようになって
おり、試料１５はこのヒータ１４により加熱されるが、
試料１５自体の温度を直接測定するのは難しいため、試
料１５のすぐ横に小さな温度測定用シリコン基板１６が
配置され、この温度測定用シリコン基板１６の上に温度
センサ１７が固定されている。すなわち、試料１５のす
ぐ横にある温度測定用シリコン基板１６の温度を温度セ
ンサ１７で測定することにより、試料１５の温度と近似
し、一定の相関関係を有する測温値を得ることができる
ようになっている。

【００２１】次に、試料載置部１１を含めたシリコン基
板評価装置１０全体及びその使用方法について説明す
る。このシリコン基板評価装置１０において、温度測定
用シリコン基板１６に固定された温度センサ１７は温度
計測回路１８に、試料１５加熱用のヒータ１４はヒータ
制御回路１９に接続されており、この温度計測回路１８
及びヒータ制御回路１９はシーケンサ２０に接続されて
いる。試料１５の加熱はヒータ制御回路１９からの指示
でヒータ１４に電流を流すことにより行うが、このとき
温度センサ１７より得られた温度測定用シリコン基板１
６の温度データをシーケンサ２０に取り込み、この値と
比較しながらヒータ１４に流す電流値をヒータ制御回路
１９により制御し、所定の速度で試料１５を昇温させ
る。また、試料１５を加熱し始めた時間を基準として、
経過時間と各経過時間における温度測定用シリコン基板
１６の温度を記憶させる。従って、レーザ光を照射し始
めた時点を明確にするため、平面鏡２４と試料１５との
間にシャッタ３２を配設し、シャッタ３２にシーケンサ
２０を接続し、さらにシーケンサ２０に記憶回路３０を
接続している。従って、シャッタ３２を開いて試料１５
にレーザ光を照射した瞬間の時刻、及びこの時刻にロッ
クインアンプ２８より出力される電圧（発光強度）を電
圧計２９で計測して記憶回路３０に記憶させ、この値
（Ｖ₀ ）を基準値として、経過時間ごとに電圧（Ｖ_t ）
を計測し、演算回路３１で下記の数１式による計算を行
い、ｔ時間後の発光強度の変化量（Ｉ_t ）とする。

【００２２】

【数１】Ｉ_t ＝（Ｖ_t −Ｖ₀ ）／Ｖ₀ そして、ＥＳＲ等の他の機器で欠陥の量が特定された試
料１５や欠陥を有さない試料１５につき、ｔ時間後の発
光強度の変化量（Ｉ_t ）を測定することにより、シリコ
ン基板表面近傍の欠陥量と発光強度の変化量（Ｉ_t ）と
の関係を把握し、この関係を利用して欠陥の有無や定量
的な欠陥の濃度を推定する。

【００２３】

【実施例】以下、本発明に係るシリコン基板評価装置１
０及びそれを用いたシリコン基板の評価方法の実施例を
説明する。まず、実施例に係るシリコン基板評価装置及
びそれを用いたシリコン基板の評価方法の具体的条件を
説明する。

【００２４】試料載置部１１の断熱材１３の材質：フッ
素樹脂試料載置部１１のヒータ１４：ニクロム線を抵抗体とす
る電気ヒータ温度測定用シリコン基板の寸法：１０ｍｍ×１０ｍｍ温度測定用シリコン基板の昇温速度：１℃／分発光スペクトルの検出幅：１１４０ｎｍを中心に１０ｎ
ｍの範囲内まず、シリコン基板として、表面の結晶面が（１００）
面で、比抵抗が２０Ωｃｍ以下のシリコン基板を用い、
シリコン基板評価装置１０により１１４０ｎｍ付近の発
光強度の変化量を測定した。図３は前記測定の結果を示
したグラフであり、縦軸に発光強度の変化量（Ｉ_t ）
を、横軸に経過時間並びに温度測定用シリコン基板１６
の温度を示している。

【００２５】図３に示したグラフより明らかなように、
レーザ光を照射し始めてから時間が経過し、温度測定用
シリコン基板１６（試料１５）の温度が上昇するに伴っ
て、発光強度の変化量（Ｉ_t ）が次第に増加しており、
試料１５の温度に依存して１１４０ｎｍ付近の発光強度
が変化することがわかる。また、温度測定用シリコン基
板１６（試料１５）の温度が室温（この場合は２５℃）
より５℃程度高い温度であれば、発光強度の変化量（Ｉ
_t ）も十分であることがわかる。

【００２６】次に、試料１５として、シリコン基板を洗
浄液Ａ（約５０％のフッ酸と比重１．３８の硝酸と酢酸
と純水との比率がそれぞれ１：３：１２：１２の割合か
らなる混合液で、表面にステイン膜ができ易いもの）で
洗浄した後さらに約５％のフッ酸で洗浄したもの、及び
シリコン基板を洗浄液Ｂ（約３０％過酸化水素液と約２
８％の水酸化アンモニウムと純水との比率がそれぞれ
１：１：５の割合からなる液温８０℃の液で、通常、シ
リコン基板の洗浄に用いられる液）で洗浄した後さらに
約５％のフッ酸で洗浄したものを用い、シリコン基板評
価装置１０により１１４０ｎｍ付近の発光強度の変化量
を測定した。図４はその結果を示したグラフであるが、
図４より明らかなように、洗浄液が異なることにより試
料１５の発光強度の変化量（Ｉ_t ）も異なっている。す
なわち、洗浄液Ａにより洗浄したものでは、温度測定用
シリコン基板１６（試料１５）の温度が高くなるに従
い、発光強度の変化量（Ｉ_t ）も大きくなっているが、
洗浄液Ｂにより洗浄したものでは、温度測定用シリコン
基板１６（試料１５）の温度が高くなっても、発光強度
の変化量（Ｉ_t ）は０に近い値に止まっている。これは
洗浄液が異なるため、前記洗浄液により洗浄されたシリ
コン基板の表面近傍の結晶状態も異なっているためと推
定される。

【００２７】そこで、試料１５の発光強度の変化量（Ｉ
_t ）が異なるもの４種類について、電子スピン共鳴法
（ＥＳＲ）を用い、１０Ｋの測定温度でＥＳＲスペクト
ルを測定した。測定されたＥＳＲスペクトルにおいて、
ｇ値（例えば、（「電子スピン共鳴」講談社サイエ
ンティフィク出版１９８９年５５頁）に記載）が
２．００５５であるピーク信号は、シリコン基板表面近
傍のダングリングボンドの量を相対的に表しており、前
記ピーク信号の比較より、試料間の表面近傍のダングリ
ングボンドの量を比較することができる。従って、前記
ダングリングボンドの量が試料１５の発光強度の変化量
（Ｉ_t ）と相関関係を有すれば、試料１５の発光強度の
変化量（Ｉ_t ）とシリコン基板表面近傍の結晶欠陥とが
相関関係を有することとなる。

【００２８】図５は前記ＥＳＲスペクトルの測定により
得られたｇ値が２．００５５であるピーク信号の強度
と、レーザ照射３分後の発光強度の変化量（Ｉ_t ）との
関係を示したグラフであり、横軸に前記ＥＳＲスペクト
ルの測定により得られたｇ値が２．００５５であるピー
ク信号の強度を、縦軸にレーザ照射３分後の発光強度の
変化量（Ｉ_t ）をとっている。図５に示した結果より明
らかなように、試料１５の発光強度の変化量（Ｉ_t ）と
ＥＳＲスペクトルの測定により得られたｇ値が２．００
５５であるピーク信号の強度とは極めて大きな相関関係
を有しており、洗浄等により結晶の欠陥が発生すれば、
試料１５の発光強度の変化量（Ｉ_t ）が大きくなること
がわかる。

【００２９】このようにシリコン基板評価装置１０及び
シリコン基板評価装置１０を用いた評価方法によれば、
試料１５の温度に変化に伴う発光強度の変化量（Ｉ_t ）
を測定することにより、非破壊で、しかも試料１５の温
度を室温付近より余り変化させず、従ってシリコン基板
にダメージを与えることなく、効率よくシリコン基板の
洗浄プロセスの良、不良をチェックすることができる。

【００３０】また、シリコン基板を熱処理した場合、研
磨を行った場合等も、洗浄の時と同様に、シリコン基板
の表面近傍の結晶品質を評価することができるので、熱
処理プロセスや研磨プロセスの良、不良をチェックする
ことができる。

【００３１】本発明により、重金属の汚染やプロセス条
件の変化によって生じるシリコン基板表面近傍の品質の
劣化を各プロセス直後に非破壊的に判定することがで
き、そのため不良品発生を抑制させ、製品歩留りを向上
させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係るシリコン基板評価装
置を示したブロック構成図である。

【図２】実施の形態に係るシリコン基板評価装置中の試
料載置部を模式的に示した拡大断面図である。

【図３】温度測定用シリコン基板の温度と、試料（シリ
コン基板）の発光強度の変化量のとの関係を示したグラ
フである。

【図４】温度測定用シリコン基板の温度と、異なる洗浄
液で洗浄した試料（シリコン基板）の発光強度の変化量
との関係を示したグラフである。

【図５】ＥＳＲスペクトルの測定により得られたｇ値が
２．００５５のピーク信号と、レーザ照射３分後の発光
強度の変化量（Ｉ_t ）との関係を示したグラフである。

【図６】シリコン基板に波長が５１４．５ｎｍのＡｒレ
ーザを照射した際の発光スペクトルを示したチャートで
ある。

【図７】従来のフォトフォトルミネッセンス測定装置を
表したブロック構成図である。

【符号の説明】

１０シリコン基板評価装置１２試料保持台１４ヒータ１５試料１６温度測定用シリコン基板１７温度センサ１８温度計測回路１９ヒータ制御回路２０シーケンサ２１レーザ発振装置２２ａ赤外線カットフィルタ２２ｂ長波長透過フィルタ２３光チョッパ２４平面鏡２５ａ、２５ｂ集光レンズ２６光検出器２７分光器２８ロックインアンプ２９電圧計３０記憶回路３１演算回路３２シャッタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｇ０１Ｎ 25/72 Ｇ０１Ｎ 25/72 Ｇ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】エネルギーが１．１４ｅＶ以上のレーザ
光又は白色光をシリコン半導体基板に照射し、該シリコ
ン半導体基板表面近傍からの発光強度を測定することに
よりシリコン半導体基板の品質を評価するシリコン半導
体基板の評価方法において、前記シリコン半導体基板の
温度を変化させ、該シリコン半導体基板の温度変化に伴
う、波長１１４０ｎｍ付近の発光強度の変化量より前記
シリコン半導体基板の表面近傍の品質を評価することを
特徴とするシリコン半導体基板の評価方法。
【請求項２】シリコン半導体基板を載置する試料保持
台と、エネルギーが１．１４ｅＶ以上のレーザ光又は白
色光を照射する光照射手段と、前記シリコン半導体基板
の波長１１４０ｎｍ付近の発光強度を検出する発光強度
検出手段とを備え、さらに、前記レーザ光又は白色光の
照射を制御する照射制御手段と、前記シリコン半導体基
板の温度を制御する温度制御手段と、測定された発光強
度及び前記シリコン半導体基板の温度を記憶する記憶手
段とを備えていることを特徴とするシリコン半導体基板
の評価装置。