JPH09330966A

JPH09330966A - シリコン基板中炭素の検出方法

Info

Publication number: JPH09330966A
Application number: JP16832196A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiro Nishihara; 克浩西原; Toshiro Yamamoto; 俊郎山本
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1996-06-07
Filing date: 1996-06-07
Publication date: 1997-12-22

Abstract

(57)【要約】【課題】ＣＰＡＡ法では、荷電粒子（イオン）の加速
器が必要なため、日常のルーティン分析には適さず、日
常のルーティン分析に用いられ、最も簡便にシリコン基
板中炭素を検出し得る室温ＦＴ−ＩＲ法では高感度の検
出が困難である。また、低温ＦＴ−ＩＲ法では試料の形
状が限定されるため通常市販されている形状のシリコン
基板中炭素のルーティン分析には採用することができな
い。【解決手段】シリコン基板２に対して、まず窒素雰囲
気中で６００〜８００（℃）×４〜６４時間の熱処理を
行い、該熱処理により形成された窒化珪素膜１２を除去
した後、リング状の窒化珪素膜１２を形成し、その後酸
素雰囲気中で１０００〜１２００（℃）×４〜６４時間
の熱処理を行った後、リング状の窒化珪素膜１２を除去
して、フーリエ変換型赤外吸収（ＦＴ−ＩＲ）法により
室温でシリコン基板２中の炭素を検出することを特徴と
するシリコン基板中炭素の検出方法を採用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はシリコン基板中炭素
の検出方法に関し、より詳細にはＬＳＩ等の半導体デバ
イス用基板として用いられるシリコン基板中炭素の検出
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、ＬＳＩ等の半導体デバイス用基板
として用いられるシリコン基板の大部分は、チョクラル
スキー法（以下「ＣＺ法」と記す）と呼ばれる引き上げ
方法によって形成された単結晶シリコン（以下「ＣＺシ
リコン」と記す）から製造されている。

【０００３】ＣＺ法では高純度多結晶シリコンをカーボ
ンヒータを用いて溶融させるため、製造されたシリコン
基板中には、原料となる高純度半導体多結晶シリコンの
溶融時、及び／又は前記ＣＺシリコンの引き上げ時、不
純物として混入した炭素が存在している。

【０００４】前記シリコン基板中炭素は、シリコン基
板中の酸素析出を増速する。ニュードナーを形成す
る。デバイスプロセス中に欠陥を発生させる等、シリ
コン基板の結晶特性あるいは電気特性に大きな影響を及
ぼす。従って、前記シリコン基板中の炭素を高感度に検
出することはシリコン基板の結晶特性及び電気特性を評
価する上で非常に重要である。

【０００５】シリコン基板中炭素の検出方法としては、
（１）荷電粒子放射化分析（ＣＰＡＡ：Charged Partic
le Activation Analysis）法、（２）赤外吸収法、
（３）二次イオン質量分析（ＳＩＭＳ：Secondary Ion
Mass Spectroscopy ）法などがある。これら検出方法の
特徴を以下に示す（参考文献：例えば、高柳邦夫ら監
修「半導体計測評価事典」（1994）（株）サイエンスフ
ォーラム、阿部孝夫「シリコン結晶成長とウエーハ加
工」（1994）培風館、小間篤ら「シリコンの物性と評
価法」（1987）丸善）。

【０００６】（１）荷電粒子放射化分析（ＣＰＡＡ）法利用する核反応：¹²Ｃ（³ Ｈｅ，α）¹¹Ｃ検出される炭素の状態：全含有炭素、又は溶解炭素とＳｉＣ集合体の一部検出限界：２．５×１０¹⁴（ａｔｏｍｓ／ｃｍ³ ）特徴：標準試料を必要としない定量評価（２）赤外吸収法（フーリエ変換型）吸収波数：６０７（ｃｍ^-1）検出される炭素の状態：置換位置の炭素検出限界：２．５×１０¹⁵（ａｔｏｍｓ／ｃｍ³ ）（室温、ｏｌｄＡＳＴＭ）５．０×１０¹⁴（ａｔｏｍｓ／ｃｍ³ ）（７７ｋ以下、ｏｌｄＡＳＴＭ）特徴：標準試料を用いた相対定量評価（３）二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）検出イオン：１２Ｃ^- 検出される炭素の状態：全含有炭素検出限界：２×１０¹⁶（ａｔｏｍｓ／ｃｍ³ ）特徴：深さ方向分析、標準試料を用いた定量評価上記検出方法（１）〜（３）は目的に応じて使い分けら
れている。最も高感度の検出が可能なＣＰＡＡ法（上記
（１））は、他の検出方法に用いる検量線の作成や標準
試料の濃度決定等のために採用される場合が多く、シリ
コン基板中炭素のルーティン分析には、ＣＰＡＡ法によ
り補償された検量線や標準試料を用いるフーリエ変換型
赤外吸収（ＦＴ−ＩＲ：Fourier Transform Infrared s
pectroscopy ）法（上記（２）。以下、ＦＴ−ＩＲ法と
記す）が採用される場合が多い。また、炭素濃度の深さ
方向分布の検出にはＳＩＭＳ法（上記（３））が採用さ
れる場合が多い。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記Ｃ
ＰＡＡ法によれば最も高感度にシリコン基板中炭素を検
出できる一方、荷電粒子（イオン）の加速器が必要なた
め、日常のルーティン分析には適さない。また、日常の
ルーティン分析に用いられ、最も簡便にシリコン基板中
炭素を検出し得る室温ＦＴ−ＩＲ法は、上記したように
その検出下限が２．５×１０¹⁵（ａｔｏｍｓ／ｃｍ³ ）
（ｏｌｄＡＳＴＭ）であるため、通常市販されている
シリコン基板中に含まれている炭素（２．５×１０
¹⁵（ａｔｏｍｓ／ｃｍ³ ）程度以下）は検出できないと
いった課題があった。

【０００８】そこでシリコン基板を液体窒素温度（７７
ｋ）以下まで冷却し、検出下限を５．０×１０¹⁴（ａｔ
ｏｍｓ／ｃｍ³ ）（ｏｌｄＡＳＴＭ）にまで広げた低
温ＦＴ−ＩＲ法（上記（２））によりシリコン基板中炭
素が高感度にかつ簡便に検出されてきた。しかしながら
前記低温ＦＴ−ＩＲ法は測定できる試料の形状が縦１５
（ｍｍ）×横１５（ｍｍ）×厚さ１（ｍｍ）程度に限定
されるため、通常市販されている形状のシリコン基板中
炭素のルーティン分析には採用することができないとい
った課題があった。

【０００９】本発明は上記課題に鑑みなされたものであ
り、シリコン基板の形状を限定することなく、かつ冷却
することなく、シリコン基板中炭素を簡便にかつ高感度
に検出することが可能なシリコン基板中炭素の検出方法
を提供することを目的としている。

【００１０】

【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中炭素の検出
方法（１）は、シリコン基板に対して、まず窒素雰囲気
中で６００〜８００（℃）×４〜６４時間の熱処理（以
下、第１熱処理と記す）を行い、該第１熱処理により形
成された窒化珪素膜を除去した後、リング状の窒化珪素
膜を形成し、その後酸素雰囲気中で１０００〜１２００
（℃）×４〜６４時間の熱処理（以下、第２熱処理と記
す）を行った後、前記リング状の窒化珪素膜を除去し
て、ＦＴ−ＩＲ法により室温でシリコン基板中の炭素を
検出することを特徴としている。

【００１１】一般にシリコン中の炭素は置換位置炭素原
子（Ｃｓ）、格子間炭素原子（Ｃｉ）、ＳｉＣ、炭素ク
ラスタ等の状態で存在するが、このうち赤外吸収法で検
出されるのは置換位置炭素原子（Ｃｓ）のみである。

【００１２】上記シリコン基板中炭素の検出方法（１）
によれば、前記第１熱処理によってシリコン基板内でＯ
ｉ−Ｃｉ複合体の形成が促進され、その後の前記第２熱
処理によってシリコン基板内の前記Ｏｉ−Ｃｉ複合体や
ＳｉＣ、炭素クラスタ等における炭素が解離して格子間
炭素原子（Ｃｉ）となる。また、前記窒化珪素が形成さ
れていない箇所においては前記格子間炭素原子（Ｃｉ）
が酸化珪素／シリコン界面から供給された格子間シリコ
ンによって増速拡散され、前記窒化珪素が形成されてい
る箇所においては前記格子間炭素原子（Ｃｉ）が窒化珪
素／シリコン界面から供給された空孔と結合して置換位
置炭素原子（Ｃｓ）となる。このように前記窒化珪素膜
の形成箇所においては、前記第２熱処理により生成及び
増速拡散された格子間炭素原子（Ｃｉ）が置換位置炭素
原子（Ｃｓ）となって安定化するため、窒化珪素膜を形
成していない箇所に比べて置換位置炭素原子濃度が高く
なり、シリコン基板中に均一分布していた置換位置炭素
原子が窒化珪素膜の形成箇所に凝集したことになる。つ
まり、シリコン基板全体に均一分布していたため室温Ｆ
Ｔ−ＩＲ法の検出下限以下であった置換位置炭素原子
が、窒化珪素膜形成箇所に凝集されることによって、室
温ＦＴ−ＩＲ法で検出可能となったのである。よって、
ＣＰＡＡ法等で上記室温ＦＴ−ＩＲ法の検出下限以下の
炭素濃度が決定された標準試料を用い、該標準試料を基
に本発明に係るシリコン基板中炭素の検出方法による検
量線を作成することにより、前記室温ＦＴ−ＩＲ法の検
出下限以下の濃度のシリコン基板中炭素を評価すること
ができる。

【００１３】このように、室温ＦＴ−ＩＲ法によっても
十分な感度の相対評価を行うことができることから、低
温ＦＴ−ＩＲ法を採用する必要がなく、シリコン基板を
冷却するための冷媒を必要としないためその経費を削減
することができる。また、シリコン基板をウエハ形状の
まま測定試料とすることができ、シリコン基板の日常的
な抜き取り炭素濃度検出を行うことができる。

【００１４】また、同心円状の濃度勾配を有する炭素を
含有するシリコン基板の場合、形成する窒化珪素膜のリ
ングの幅及び位置、第２熱処理時間等を制御することに
より、前記窒化珪素膜内外の炭素濃度分布を簡便に見積
もることができる。

【００１５】また、通常の赤外吸収法で検出可能な炭素
濃度を有するシリコン基板に対し本発明に係る方法によ
り炭素を検出した場合は、前記窒化珪素膜がシリコン基
板中の炭素に及ぼす影響（置換位置炭素原子を凝集する
ことにより生じる窒化珪素を形成した箇所と、形成して
いない箇所の置換位置炭素の濃度勾配（あるいは濃度分
布））を見積り得るため、前記窒化珪素膜の形成箇所と
置換位置炭素濃度勾配（面内あるいは径方向分布）の関
係を調べ、前記窒化珪素膜の形成箇所を変えることによ
り、シリコン基板中置換位置炭素の相対分布を調べるこ
とができる。

【００１６】さらに、室温ＦＴ−ＩＲ法におけるシリコ
ン基板中炭素の検出感度を通常の場合より向上させるこ
とができるため、これまで前記室温ＦＴ−ＩＲ法では検
出できなかった微量の炭素がシリコン基板の結晶特性や
電気特性にどのような影響を及ぼすのかを究明し得る。
また、前記微量の炭素を含有する高品質のシリコン基板
を確認し得るため、高品質のＬＳＩを製造歩留まりよく
製造することができる。

【００１７】また、本発明に係るシリコン基板中炭素の
検出方法（２）は、上記シリコン基板中炭素の検出方法
（１）において、炭素を含むシリコン基板を４００
（℃）以下の温度範囲に維持し、スパッタ法またはＣＶ
Ｄ法により前記シリコン基板の表面または裏面に窒化珪
素膜をリング状に形成することを特徴としている。

【００１８】シリコン基板上に窒化珪素膜を形成する時
の基板温度が４００（℃）を超える温度に維持されてい
ると、前記シリコン基板中に電気的に活性なサーマルド
ナー、ニューサーマルドー、ニュードナー等の欠陥が発
生しやすい。該欠陥の生成にはシリコン基板中炭素が大
きな影響を及ぼし、かつこれらの欠陥の生成によってシ
リコン基板中炭素濃度も大きく変化する。

【００１９】上記シリコン基板中炭素の検出方法（２）
によれば、炭素を含むシリコン基板が４００（℃）以下
の温度範囲に維持されるため、前記欠陥が発生しにく
く、該欠陥の生成によってシリコン基板中炭素濃度が大
きく変化することはない。よってシリコン基板中炭素の
正確な検出を可能とする。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るシリコン基板
中炭素の検出方法の実施の形態を図面に基づいて説明す
る。

【００２１】＜第１熱処理＞まず、所望の直径を有し、
両面が研磨されたシリコン基板に窒素雰囲気中で６００
〜８００（℃）×４〜６４時間の第１熱処理を施し、熱
窒化珪素膜を形成する。

【００２２】一般にシリコン基板中の炭素は置換位置炭
素原子（Ｃｓ）、格子間炭素原子（Ｃｉ）、ＳｉＣ、炭
素クラスタ等の状態で存在するが、このうち赤外吸収法
で検出できるのは置換位置炭素原子（Ｃｓ）のみであ
る。上記第１熱処理によれば、６００〜８００（℃）×
４〜６４時間の第１熱処理が行われるため、格子間酸素
原子（Ｏｉ）１個と格子間炭素原子２〜３個からなるＯ
ｉ−Ｃｉ複合体の形成が促進される。この第１熱処理で
形成されたＯｉ−Ｃｉ複合体は第２熱処理で解離して、
格子位置炭素原子（Ｃｉ）になりやすい。そして、この
格子位置炭素原子が窒化珪素膜の形成と第２熱処理によ
り、効率よく窒化珪素膜形成箇所で置換位置炭素原子
（Ｃｓ）となる。

【００２３】前記Ｏｉ−Ｃｉ複合体を効率よく形成する
には前記第１熱処理温度を７５０〜８００℃の範囲にす
るのがより好ましい。一方、前記第１熱処理温度が６０
０℃に満たない場合は前記Ｏｉ−Ｃｉ複合体の形成が思
うように促進されず、他方、前記第１熱処理温度が８０
０℃を超える場合は、Ｏｉ−Ｃｉ複合体の形成よりも酸
素析出（Ｓｉ−Ｏｘの形成）が支配的となる。

【００２４】＜リング状の窒化珪素膜の形成＞次に前記
熱窒化珪素膜を弗酸洗浄により除去し、前記熱窒化珪素
膜が全面除去された前記シリコン基板の温度を４００℃
以下に維持しつつ、前記シリコン基板の表面又は裏面上
に、以下に示すように例えばスパッタ法でリング状の窒
化珪素膜を形成する。

【００２５】スパッタ装置としては、例えばターゲット
を下側、前記シリコン基板を上側に配置するいわゆるス
パッタアップ方式二極平板型高周波二極スパッタ装置を
使用する。前記スパッタ装置においてはターゲット近傍
にターゲット選択用のターゲットマスクが装備され、前
記ターゲットと前記シリコン基板との中間位置には膜厚
制御用のシャッターが装備されているのが一般的であ
る。

【００２６】前記ターゲットとしては、形成される窒化
珪素膜と略同一組成を有する窒化珪素化合物焼結体ター
ゲットを用い、スパッタ気体には高純度のＡｒガス等を
使用する。

【００２７】図１（ａ）は前記シリコン基板上に前記所
定形状の窒化珪素膜を形成する際に用いられる治具を示
した模式的斜視図であり、（ｂ）は前記治具に前記シリ
コン基板が取り付けられた状態を示した模式的側断面図
である。

【００２８】図中１は所定径を有する高純度単結晶シリ
コン基板を示しており、高純度単結晶シリコン基板１上
にはこれと同一中心となるよう、試料としての炭素を含
むシリコン基板２が載置されている。また、この高純度
単結晶シリコン基板１上のシリコン基板２を上方から抑
え込むように高純度単結晶シリコン製の治具３が配置さ
れている。治具３は平面視リング形状の部分４とこの部
分４の中空部４Ａに配置された平面視円形状の部分５と
がそれぞれの上面４ａと上面５ａにおいて連結部材６ａ
〜６ｄにより連結された構成となっている。連結部材６
ａ〜６ｄは側面視コの字形状をしており、例えば隣の連
結部材（６ａ〜６ｄのうちのいずれか）とその長さ方向
が直角になるよう配置されている。部分４の内周部及び
部分５の外周部はいずれも鉤状に削り込まれた形状とな
っており、これら鉤状部４ｂ、５ｂの先端がシリコン基
板２の面２ａと当接することによりシリコン基板２が高
純度単結晶シリコン基板１上に抑え込まれるようになっ
ている。

【００２９】このように構成された治具３を用いること
により、シリコン基板２は図示しないスパッタ装置の上
側に治具３を下にして取り付けられる。また、取り付け
られた際にシリコン基板２における鉤状部４ｂ−５ｂ間
リング状領域である面２ｂが前記ターゲット方向に露出
するため、形成される窒化珪素膜は面２ｂ同様リング状
となる。

【００３０】一般にシリコン基板２上に窒化珪素膜等の
薄膜を形成すると、形成された薄膜中には膜応力が生じ
る。

【００３１】図２は、炭素を含むシリコン基板２の裏面
１１ａ上に薄膜１２が形成された状態を示す部分断面図
（図中右側部分）であり、薄膜１２の膜応力（引張応
力）σ_f がシリコン基板２に及ぼす応力の基板断面方向
分布（図中左側部分）を併せて示している。

【００３２】膜応力σ_f は下記の数２式で示される。

【００３３】

【数２】 σ_f ＝σ_t ＋σ_i （σ_t ：熱応力、σ_i ：薄膜１２固有の内部応力）ここで、熱応力σ_t は下記の数３式で示される。

【００３４】

【数３】 σ_t ＝σ_t1＋σ_t2 （σ_t1：変形前後の温度差及び薄膜１２とシリコン基板
２との線膨張係数及びヤング率の違い（バイメタル効
果）による熱応力 σ_t2：シリコン基板２の薄膜１２形成側とその反対側と
の温度差による熱応力）バイメタル効果による熱応力σ_t1は下記の数４式で示さ
れる。

【００３５】

【数４】

【００３６】シリコン基板２の表面１１ｂと裏面１１ａ
との温度差による熱応力σ_t2は下記の数５式で示され
る。

【００３７】

【数５】

【００３８】また、薄膜１２固有の内部応力σ_i は下記
の数６式で示される。

【００３９】

【数６】

【００４０】薄膜１２が上記膜応力σ_f を有しているこ
とにより、シリコン基板２の裏面１１ａには応力σ_s も
働く。シリコン基板２の厚さをｔ_s 、薄膜１２の厚さを
ｔ_fとすると、応力σ_f と応力σ_s との関係は、下記の
数７式で示される。

【００４１】

【数７】

【００４２】すなわち薄膜１２が応力σ_f を有している
ことによりシリコン基板２の裏面１１ａにはσ_s （＜σ
_f ）の応力が働く。この応力σ_s は裏面１１ａから厚さ
方向に（２／３）ｔ_s まで進む間、除々に小さくなり、
裏面１１ａから厚さ方向に（２／３）ｔ_s 進んだ箇所に
おいては作用する応力が０となる。この位置からシリコ
ン基板２の表面１１ｂまでの間は応力σ_s が除々に大き
くなるように働き、表面１１ｂの位置にて最大の応力１
／２σ_s が働く。

【００４３】以上説明したように、炭素を含むシリコン
基板２上にリング状の薄膜（窒化珪素膜）１２を形成す
ると、窒化珪素膜１２が形成されたシリコン基板２部分
は、すなわちリング状に応力が集中して働いている部分
となる。

【００４４】シリコン基板２を４００（℃）を超える温
度に維持した場合には、シリコン基板２中に電気的に活
性なサーマルドナー、ニューサーマルドー、ニュードナ
ー等の欠陥が発生しやすい。そして、該欠陥の生成はシ
リコン基板２中炭素により大きな影響を受け、かつこれ
らの欠陥の生成によってシリコン基板２中炭素濃度も大
きく変化することが知られている。このため、シリコン
基板２中炭素を検出するには上記したようにシリコン基
板２の温度を４００（℃）以下に維持して窒化珪素膜１
２を形成する必要がある。また、前記欠陥の生成以外
に、シリコン基板２中に固溶している重金属不純物が炭
素に及ぼす影響をも抑制するためには、窒化珪素膜１２
を形成する時のシリコン基板２の温度を２００（℃）以
下にすることがより望ましい。

【００４５】シリコン基板２上に形成する窒化珪素膜１
２の膜厚は、形成時間や窒化珪素膜１２がシリコン基板
２に及ぼす応力の大きさ等の関係から０．４〜２（μ
ｍ）程度が望ましい。さらに、後の第２熱処理後の窒化
珪素膜１２の除去に要する時間と窒化珪素膜１２の効果
とを考慮すると、０．８〜１．６（μｍ）程度がより望
ましい。一方、窒化珪素膜１２の膜厚が０．４（μｍ）
に満たない場合には、窒化珪素膜１２がシリコン基板２
に及ぼす応力が不充分となり、後の第２熱処理による効
果を十分に享受することができない。他方、窒化珪素膜
１２の膜厚が２（μｍ）を超える場合にはその形成時間
が長くなり、作業効率が低下する。

【００４６】前記リング状の窒化珪素膜１２の形成箇所
は特に限定されるものではないが、シリコン基板２中の
炭素の前記濃度勾配を有効に活用するためには、窒化珪
素膜１２のリング幅がシリコン基板２の半径ｒを３等分
した幅で、しかも窒化珪素膜１２のリング幅の中心がシ
リコン基板２の半径ｒの中心ｐになるよう形成されるの
が最も好ましい。

【００４７】＜第２熱処理＞次に窒化珪素膜１２が形成
されたシリコン基板２に対し酸素雰囲気中で１０００〜
１２００（℃）×４〜６４時間の熱処理（第２熱処理）
を行う。

【００４８】シリコン基板２の窒化珪素膜１２が形成さ
れていない部分においては酸化珪素／シリコン界面から
シリコン基板２中に格子間シリコンが供給される。一
方、窒化珪素膜１２が形成されている部分においては窒
化珪素／シリコン界面からシリコン基板２中に空孔が供
給される。ここで、シリコン基板２中の前記格子間シリ
コンはシリコン基板２中の炭素を増速拡散させ、シリコ
ン基板２中の前記空孔は前記第２熱処理時における熱拡
散により供給された炭素と結合し、該炭素が置換位置炭
素原子（Ｃｓ）となる。

【００４９】このように第２熱処理を行えば、上記第１
熱処理にて形成されたＯｉ−Ｃｉ複合体や、ＳｉＣ、炭
素クラスタ等の、赤外吸収法では検出できない様々の形
態の炭素が解離して格子間炭素原子（Ｃｉ）となり、こ
の格子間炭素原子（Ｃｉ）が窒化珪素膜１２が形成され
ていないシリコン基板２部分においては酸化珪素／シリ
コン界面から供給された前記格子間シリコンによって増
速拡散されると共に、窒化珪素膜１２が形成されたシリ
コン基板２部分においては窒化珪素／シリコン界面から
供給された前記空孔と結合して赤外吸収法の場合の検出
対象である置換位置炭素原子（Ｃｓ）となる。すなわち
シリコン基板２中の炭素が室温ＦＴ−ＩＲ法で検出可能
な状態に顕在化される。

【００５０】通常、シリコン基板２中の炭素濃度は同心
円状に濃度勾配を有し、また、熱処理時のシリコン基板
２の温度分布も同心円状に温度勾配を有する。ここで窒
化珪素膜１２がシリコン基板２の中心（端部）から同心
円状に分布するリング状であることから前記濃度勾配及
び前記温度勾配が影響し、炭素のシリコン基板径方向へ
の拡散が促進される。

【００５１】＜室温ＦＴ−ＩＲ法による検出＞次にシリ
コン基板２上に形成されたリング状の窒化珪素膜１２を
弗酸洗浄により除去し、シリコン基板２の窒化珪素膜１
２の形成箇所において室温ＦＴ−ＩＲ法による炭素の検
出を行う。

【００５２】一般に赤外吸収法は分子構造の決定に広く
用いられているが、結晶性材料においては、双極子モー
メントの変化を生じるような格子振動（フォノン）や不
純物の振動エネルギーを測定する手法として用いられて
いる。このうち（室温又は冷却）ＦＴ−ＩＲ法は、走査
型マイケルソン干渉計を使って赤外吸収スペクトルの分
析を行うものである。

【００５３】図３は前記ＦＴ−ＩＲ法に用いられるフー
リエ変換型赤外分光器を示した模式図である。

【００５４】図中２１は光源を示しており、光源２１の
前方であって図中左側には例えばＫＢｒのビームスプリ
ッター２２が配置されている。ビームスプリッター２２
の長さ方向軸は光源２１からの光線２１ａに対して所定
角度θを有している。光源２１の前方であってビームス
プリッター２２を挟んで光源２１の反対側には光線２１
ａに略垂直な鏡面２３ａを有する固定ミラー２３が配置
されており、光源２１、ビームスプリッター２２の略中
心部２２ａ及び固定ミラー２３をつなぐ水平直線Ａと垂
直であってビームスプリッター２２の略中心部２２ａを
通る直線Ｂ上には例えば図中ビームスプリッター２２上
方に可動ミラー２４が配置され、例えば図中ビームスプ
リッター２２下方には試料２５を挟んで検出器２６が配
置されている。

【００５５】上記フーリエ変換型赤外分光器によれば、
まず光源２１からの光線２１ａがビームスプリッター２
２で二等分され、二等分された光線２１ａの一方は固定
ミラー２３で、他方は可動ミラー２４で反射される。こ
れら反射された光線はビームスプリッターで再び重な
り、二つの光線の光路差に依存して両者に干渉が生じ
る。この干渉パターンをインターフェログラムと呼び、
検出器２６ではこれが測定される。前記インターフェロ
グラムを計算機によりフーリエ変換することにより、通
常の赤外吸収スペクトルが得られる。

【００５６】図４は試料２５としてシリコン基板２を用
いた場合の赤外吸収スペクトルの一例を示した図であ
る。図中下段の実線Ａは炭素を含むシリコン基板２の赤
外吸収スペクトルであり、破線Ｂは炭素を含まないシリ
コン結晶の赤外吸収スペクトルであり、上段の実線Ｃは
実線Ａの赤外吸収スペクトルから破線Ｂの赤外吸収スペ
クトルを差し引いた差スペクトルを示している。

【００５７】ここで、図４中６０７（ｃｍ^-1）でのピー
クｑがシリコン基板２中の置換位置炭素原子（Ｃｓ）の
局在振動モードに関係している。しかし、この６０７
（ｃｍ^-1）のピーク近くにはシリコンの多重フォノンの
吸収が存在しているため、この赤外吸収スペクトルから
シリコン基板２中炭素を定量測定するためには、シリコ
ン基板２の赤外吸収スペクトル（実線Ａ）から炭素を含
まないシリコン結晶の赤外吸収スペクトル（破線Ｂ）を
差し引いた差スペクトル（実線Ｃ）において、置換位置
炭素原子（Ｃｓ）に関係する６０７（ｃｍ^-1）でのピー
クｓの面積強度を基に定量測定を行う必要がある。

【００５８】赤外吸収係数αより炭素濃度を求めるに
は、下記の数１式で示されるランバート−ベール（Lamb
ert-Beer）の法則を用いる（ただし試料表面での多重反
射による吸収を無視する）。

【００５９】

【数１】Ｉ＝Ｉ₀ （１−Ｒ）² ｅｘｐ（−αｔ）（Ｉ：透過光強度、Ｉ₀ ：入射光強度、Ｒ：試料表面の
反射率、α：赤外吸収係数、ｔ：試料の厚さ）赤外吸収係数αはシリコン基板２中の炭素濃度に比例す
るので、ＣＰＡＡ法等により濃度既知となっている標準
試料を用いて検量線を求め、該検量線を基に赤外吸収係
数αを炭素濃度Ｃに換算する換算係数ｋを求めることに
より、シリコン基板２中の炭素濃度を求めることができ
る。

【００６０】換算係数ｋはＡＳＴＭやＪＥＩＤＡによっ
て標準化されており、本実施の形態においては例えば
１．０×１０¹⁷（ａｔｏｍｓ／ｃｍ³ ）を用いる。

【００６１】以上詳述したように、本実施の形態に係る
シリコン基板中炭素の検出方法によれば、上記第１熱処
理によってシリコン基板２内でＯｉ−Ｃｉ複合体の形成
が促進され、その後の第２熱処理によってシリコン基板
２内の前記Ｏｉ−Ｃｉ複合体やＳｉＣ、炭素クラスタ等
における炭素が解離して格子間炭素原子（Ｃｉ）とな
る。

【００６２】窒化珪素膜１２が形成されていない箇所に
おいては前記格子間炭素原子（Ｃｉ）が酸化珪素／シリ
コン界面から供給された格子間シリコンによって増速拡
散される。ここで、窒化珪素膜１２がシリコン基板２の
中心（端部）から同心円状に分布するリング状であるこ
とから同心円状の炭素濃度勾配及び温度勾配が影響し、
炭素のシリコン基板径方向への前記拡散がより促進され
る。

【００６３】窒化珪素１２が形成されている箇所におい
ては前記格子間炭素原子（Ｃｉ）が窒化珪素／シリコン
界面から供給された空孔と結合して置換位置炭素原子
（Ｃｓ）となる。

【００６４】このように窒化珪素膜１２の形成箇所にお
いてはシリコン基板中炭素の多くが置換位置炭素原子
（Ｃｓ）となるため、室温ＦＴ−ＩＲ法による検出時に
相対透過強度が通常よりも強く現われると共に検出され
る炭素濃度は通常よりも高くなる。よって、ＣＰＡＡ法
等で上記室温ＦＴ−ＩＲ法の検出下限以下の炭素濃度が
決定された標準試料を用い、該標準試料を基に本発明に
係るシリコン基板中炭素の検出方法による検量線を作成
することにより、前記室温ＦＴ−ＩＲ法の検出下限以下
の濃度のシリコン基板中炭素をも相対評価することがで
きる。

【００６５】このように、室温ＦＴ−ＩＲ法によっても
十分な感度の相対評価を行うことができることから、低
温ＦＴ−ＩＲ法を採用する必要がなく、シリコン基板２
を冷却するための冷媒が必要ないためその経費を削減す
ることができる。また、シリコン基板２をウエハ形状の
まま測定試料とすることができ、シリコン基板２の日常
的な抜き取り炭素濃度検出を行うことができる。

【００６６】また、同心円状の濃度勾配を有する炭素を
含有するシリコン基板の場合、形成する窒化珪素膜１２
のリングの幅及び位置、第２熱処理時間等を制御するこ
とにより、窒化珪素膜１２内外の炭素濃度分布を簡便に
見積もることができる。

【００６７】また、通常の赤外吸収法で検出可能な炭素
濃度を有するシリコン基板２に対し本発明に係る方法に
より炭素を検出した場合は、窒化珪素膜１２がシリコン
基板中炭素に及ぼす影響を見積り得るため、窒化珪素膜
１２の形成場所を変えることにより、シリコン基板中炭
素の相対的な分布を簡便に調べることができる。

【００６８】さらに、室温ＦＴ−ＩＲ法におけるシリコ
ン基板中炭素の検出感度を通常の場合より向上させるこ
とができるため、これまで前記室温ＦＴ−ＩＲ法では検
出できなかった微量の炭素がシリコン基板２の結晶特性
や電気特性にどのような影響を及ぼすのかを究明し得
る。また、前記微量の炭素を含有する高品質のシリコン
基板２を確認し得るため、高品質のＬＳＩを製造歩留ま
りよく製造することができる。

【００６９】また、炭素を含むシリコン基板２が４００
（℃）以下の温度範囲に維持された状態で窒化珪素膜１
２が形成されるため、シリコン基板２中に電気的に活性
なサーマルドナー、ニューサーマルドー、ニュードナー
等の欠陥を発生しにくくすることができる。よってシリ
コン基板中炭素濃度が大きく変化することはない。

【００７０】

【実施例及び比較例】本発明の実施例及び比較例に係る
シリコン基板中炭素の検出方法を以下の条件に基づいて
行った。＜実施例１＞シリコン基板２の含有炭素量：通常の室温ＦＴ−ＩＲ法
では検出できない炭素量（２．５×１０¹⁵（ａｔｏｍｓ
／ｃｍ³ ）（ｏｌｄＡＳＴＭ）以下）含有酸素量：１．４×１０¹⁸（ａｔｏｍｓ／ｃｍ³ ）直径ｒ：４インチ研磨：両面研磨第１熱処理条件：下記の表１に示す

【００７１】

【表１】

【００７２】窒化珪素膜の形成速度：約０．８（μｍ／ｈｏｕｒ）スパッタ装置：スパッタアップ方式二極平板型高周波二極スパッタ装置ターゲット：形成される窒化珪素膜と同じ組成である窒化珪素化合物焼結体ターゲットスパッタ気体：Ａｒガス（純度９９．９９５（％））試料槽内の全圧：２（Ｐａ）シリコン基板２とターゲット間距離：９０（ｍｍ）シリコン基板２の設定温度：１５０（℃）シリコン基板２の回転速度：２．５（ｒｐｍ）注入する高周波電力：４００（Ｗ）高純度単結晶シリコン基板１の直径：６インチ窒化珪素膜１２の形成領域：裏面１１ａの端部から約１２〜２５（ｍｍ）のリング状の領域膜厚：約０．８（μｍ）第２熱処理条件：下記の表２に示す

【００７３】

【表２】

【００７４】室温ＦＴ−ＩＲ法適用時の装置内温度：２
５（℃）ＦＴ−ＩＲ装置のシリコン基板２中炭素の検出限界：
６．４５×１０¹⁵（ａｔｏｍｓ／ｃｍ³ ）図５は実施例１の場合において、シリコン基板中炭素を
室温ＦＴ−ＩＲ法で検出した結果を示した図である。図
中横軸はシリコン基板２の端部からの距離（ｍｍ）を示
しており、縦軸はシリコン基板中炭素濃度（×１０
¹⁵（ａｔｏｍｓ／ｃｍ³ ））を示している。なお、前記
シリコン基板中炭素濃度とは、正確には置換位置炭素原
子（Ｃｓ）濃度を示している。また、図中□は第１熱処
理後に測定したシリコン基板中炭素濃度を、◇は第２熱
処理を行い、弗酸洗浄で窒化珪素膜を除去した後（以
下、単に第２熱処理後と記す）に測定したシリコン基板
中炭素濃度をそれぞれ示している。

【００７５】図５から明らかなように、窒化珪素膜１２
が形成された部分（端部から約１２〜２５（ｍｍ）のリ
ング状の領域）においては、第２熱処理後に最高９．５
×１０¹⁵（ａｔｏｍｓ／ｃｍ³ ）程度の置換位置炭素原
子（Ｃｓ）が検出された。前記検出は第２熱処理後の場
合のみ明らかとなったものであり、第１熱処理後の時点
では検出されなかった。

【００７６】＜実施例２＞窒化珪素膜１２の膜厚：約１．６（μｍ）その他の条件は実施例１の場合と同様とした。図６は実
施例２の場合において、シリコン基板中炭素濃度を室温
ＦＴ−ＩＲ法で測定した結果を図５の場合と同様に示し
た図である。

【００７７】図６から明らかなように、窒化珪素膜１２
を形成した部分（端部から約１２〜２５（ｍｍ）のリン
グ状の領域）においては、第２熱処理後に最高９．６×
１０¹⁵（ａｔｏｍｓ／ｃｍ³ ）程度の置換位置炭素原子
（Ｃｓ）が検出された。前記検出は第２熱処理後の場合
のみ明らかとなったものであり、第１熱処理後の時点で
は検出されなかった。

【００７８】＜実施例３、４＞実施例３、４において
は、第１熱処理温度をそれぞれ６００℃、７００℃とし
た以外は実施例２の場合と同様の条件で測定を行った。

【００７９】図７は実施例３、４の場合において、シリ
コン基板中炭素を室温ＦＴ−ＩＲ法で測定した結果を図
５の場合と同様に示した図である。なお、グラフを比較
するため、図７中には実施例２の場合のグラフも記載し
ている。また、いずれも第２熱処理後のグラフを示して
いる。

【００８０】図中□は第１熱処理温度が６００℃の場合
（実施例３）、◇は７００℃の場合（実施例４）、○は
８００℃の場合（実施例２）をそれぞれ示している。

【００８１】図７から明らかなように、第１熱処理温度
が６００℃、７００℃、８００℃のいずれの場合であっ
ても略一様に、窒化珪素膜１２を形成した部分（端部か
ら約１２〜２５（ｍｍ）のリング状の領域）において
は、最高９．６×１０¹⁵（ａｔｏｍｓ／ｃｍ³ ）程度の
置換位置炭素原子（Ｃｓ）が検出された。

【００８２】＜実施例５、６＞実施例５、６において
は、第２熱処理温度をそれぞれ１０００℃、１２００℃
とした以外は実施例２の場合と同様の条件で測定を行っ
た。

【００８３】図８は実施例５、６の場合において、シリ
コン基板中炭素を室温ＦＴ−ＩＲ法で測定した結果を図
７の場合と同様に示した図である。なお、グラフを比較
するため、図８中には実施例２の場合のグラフも記載し
ている。いずれも第２熱処理後のグラフを示している。

【００８４】図中□は第２熱処理温度が１０００℃の場
合（実施例５）、◇は１１００℃の場合（実施例２）、
○は１２００℃の場合（実施例６）をそれぞれ示してい
る。

【００８５】図８から明らかなように、第２熱処理温度
が１０００℃、１１００℃、１２００℃のいずれの場合
であっても略一様に、窒化珪素膜１２を形成した部分
（端部から約１２〜２５（ｍｍ）のリング状の領域）に
おいては、最高（９．２〜１０．０）×１０¹⁵（ａｔｏ
ｍｓ／ｃｍ³ ）程度の置換位置炭素原子（Ｃｓ）が検出
された。

【００８６】＜実施例７＞実施例７においては、窒化珪
素膜１２の形成領域を裏面１１ａの端部から約１２〜２
５（ｍｍ）のリング状の領域とした以外は実施例２の場
合と同様の条件で測定を行った。

【００８７】図９は実施例７の場合において、シリコン
基板中炭素を室温ＦＴ−ＩＲ法で測定した結果を図７の
場合と同様に示した図である。なお、グラフを比較する
ため、図９中には実施例２の場合のグラフも記載してい
る。いずれも第２熱処理後のグラフを示している。

【００８８】図中□は窒化珪素膜１２の形成領域を端部
から約１２〜２５（ｍｍ）とした場合（実施例２）、◇
は窒化珪素膜１２の形成領域を端部から約１２〜２５
（ｍｍ）とした場合（実施例７）をそれぞれ示してい
る。

【００８９】図９から明らかなように、窒化珪素膜１２
の形成領域を移動させた場合でも、該形成領域内では最
高９．６×１０¹⁵（ａｔｏｍｓ／ｃｍ³ ）程度の置換位
置炭素原子（Ｃｓ）が検出された。

【００９０】これは、シリコン基板２中に炭素が均一に
分布していたため、窒化珪素膜１２の形成場所を変えて
も、検出される炭素濃度がほとんど変化しなかったと考
えられる。

【００９１】＜実施例８、９＞実施例８、９において
は、第１熱処理時間をそれぞれ４時間、６４時間とした
以外は実施例２の場合と同様の条件で測定を行った。

【００９２】図１０は実施例８、９の場合において、シ
リコン基板中炭素を室温ＦＴ−ＩＲ法で測定した結果を
図７の場合と同様に示した図である。なお、グラフを比
較するため、図１０中には実施例２の場合のグラフも記
載している。いずれも第２熱処理後のグラフを示してい
る。

【００９３】図中□は第１熱処理時間が４時間の場合
（実施例８）、◇は１６時間の場合（実施例２）、○は
６４時間の場合（実施例９）をそれぞれ示している。

【００９４】図１０から明らかなように、第１熱処理時
間が４時間、１６時間、６４時間のいずれの場合であっ
ても略一様に、窒化珪素膜１２を形成した部分（端部か
ら約１２〜２５（ｍｍ）のリング状の領域）において
は、第２熱処理後に最高（９．５〜１０．０）×１０¹⁵
（ａｔｏｍｓ／ｃｍ³ ）程度の置換位置炭素原子（Ｃ
ｓ）が検出された。

【００９５】＜実施例１０、１１＞実施例１０、１１に
おいては、第２熱処理時間をそれぞれ４時間、６４時間
とした以外は実施例２の場合と同様の条件で測定を行っ
た。

【００９６】図１１は実施例１０、１１の場合におい
て、シリコン基板中炭素を室温ＦＴ−ＩＲ法で測定した
結果を図７の場合と同様に示した図である。なお、グラ
フを比較するため、図１１中には実施例２の場合のグラ
フも記載している。いずれも第２熱処理後のグラフを示
している。

【００９７】図中□は第２熱処理時間が４時間の場合
（実施例１０）、◇は１６時間の場合（実施例２）、○
は６４時間の場合（実施例１１）をそれぞれ示してい
る。

【００９８】図１１から明らかなように、第２熱処理時
間が４時間、１６時間、６４時間のいずれの場合であっ
ても略一様に、窒化珪素膜１２を形成した部分（端部か
ら約１２〜２５（ｍｍ）のリング状の領域）において
は、第２熱処理後に最高（９．２〜１０．０）×１０¹⁵
（ａｔｏｍｓ／ｃｍ³ ）程度の置換位置炭素原子（Ｃ
ｓ）が検出された。

【００９９】＜比較例１＞シリコン基板２の裏面１１ａ
全面に窒化珪素膜１２を形成した以外は実施例２の場合
と同様の条件で測定を行った。

【０１００】図１２は比較例１の場合において、シリコ
ン基板中炭素を室温ＦＴ−ＩＲ法で測定した結果を図５
の場合と同様に示した図である。

【０１０１】図中、パルス的に炭素を検出している場所
（ａ₁ 、ａ₂ 、ａ₃ …）があるが、これら（ａ₁ 、ａ
₂ 、ａ₃ …）は装置性能に起因して生じたノイズである
と考えられる。

【０１０２】図１２から明らかなように、第１熱処理
後、第２熱処理後のいずれにおいても、検出限界以上の
置換位置炭素原子（Ｃｓ）を検出することはできなかっ
た。

【０１０３】＜比較例２＞窒化珪素膜１２を形成しなか
った以外は実施例１の場合と同様の条件で測定を行っ
た。

【０１０４】図１３は比較例２の場合において、シリコ
ン基板中炭素を室温ＦＴ−ＩＲ法で測定した結果を図１
２の場合と同様に示した図である。

【０１０５】図中、パルス的に炭素を検出している場所
（ｂ₁ 、ｂ₂ 、ｂ₃ …）があるが、これら（ｂ₁ 、ｂ
₂ 、ｂ₃ …）は装置性能に起因して生じたノイズである
と考えられる。

【０１０６】図１３から明らかなように、第１熱処理
後、第２熱処理後のいずれにおいても、前記検出限界以
上の置換位置炭素原子（Ｃｓ）を検出することはできな
かった。

【０１０７】以上詳述したように、実施例１〜１１の場
合にはシリコン基板２における窒化珪素膜１２を形成し
た部分（端部から約１２〜２５（ｍｍ）のリング状の領
域）で、第２熱処理後に最高（９．２〜１０．０）×１
０¹⁵（ａｔｏｍｓ／ｃｍ³ ）程度の置換位置炭素原子
（Ｃｓ）が検出された。これに対し、比較例１及び比較
例２の場合には、第１熱処理後、第２熱処理後のいずれ
においても、置換位置炭素原子（Ｃｓ）を検出すること
ができなかった。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）はシリコン基板上に所定形状の窒化珪素
膜を形成する際に用いられる治具を示した模式的斜視図
であり、（ｂ）は前記治具に前記シリコン基板が取り付
けられた状態を示した模式的側断面図である。

【図２】炭素を含むシリコン基板の裏面上に薄膜が形成
された部分断面図（図中右部分）及び薄膜の膜応力（引
張応力）σ_f がシリコン基板に及ぼす応力の基板断面方
向分布図である。

【図３】ＦＴ−ＩＲ法に用いられるフーリエ変換型赤外
分光器を示した模式図である。

【図４】シリコン基板の赤外吸収スペクトルの一例を示
した図である。

【図５】実施例１の場合において、シリコン基板中炭素
を室温ＦＴ−ＩＲ法で検出した結果を示した図である。

【図６】実施例２の場合において、シリコン基板中炭素
濃度を室温ＦＴ−ＩＲ法で測定した結果を図５の場合と
同様に示した図である。

【図７】実施例３、４の場合において、シリコン基板中
炭素を室温ＦＴ−ＩＲ法で測定した結果を図５の場合と
同様に示した図である。

【図８】実施例５、６の場合において、シリコン基板中
炭素を室温ＦＴ−ＩＲ法で測定した結果を図７の場合と
同様に示した図である。

【図９】実施例７の場合において、シリコン基板中炭素
を室温ＦＴ−ＩＲ法で測定した結果を図７の場合と同様
に示した図である。

【図１０】実施例８、９の場合において、シリコン基板
中炭素を室温ＦＴ−ＩＲ法で測定した結果を図７の場合
と同様に示した図である。

【図１１】実施例１０、１１の場合において、シリコン
基板中炭素を室温ＦＴ−ＩＲ法で測定した結果を図７の
場合と同様に示した図である。

【図１２】比較例１の場合において、シリコン基板中炭
素を室温ＦＴ−ＩＲ法で測定した結果を図５の場合と同
様に示した図である。

【図１３】比較例２の場合において、シリコン基板中炭
素を室温ＦＴ−ＩＲ法で測定した結果を図１２の場合と
同様に示した図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリコン基板に対して、まず窒素雰囲気
中で６００〜８００（℃）×４〜６４時間の熱処理を行
い、該熱処理により形成された窒化珪素膜を除去した
後、リング状の窒化珪素膜を形成し、その後酸素雰囲気
中で１０００〜１２００（℃）×４〜６４時間の熱処理
を行った後、前記リング状の窒化珪素膜を除去して、フ
ーリエ変換型赤外吸収（ＦＴ−ＩＲ）法により室温でシ
リコン基板中の炭素を検出することを特徴とするシリコ
ン基板中炭素の検出方法。
【請求項２】炭素を含むシリコン基板を４００（℃）
以下の温度範囲に維持し、スパッタ法またはＣＶＤ法に
より前記シリコン基板の表面または裏面に窒化珪素膜を
リング状に形成することを特徴とする請求項１記載のシ
リコン基板中炭素の検出方法。