JPS5950217B2 - 半導体の不純物ド−ピング量評価法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 一般に半導体素子はｐ型又はｎ型の半導体基板にｐ型も
しくはｎ型の不純物がドープされ所定の不純物層が形成
されることにより製造される。

半導体基板内の不純物層の濃度分布は半導体素子の特性
を左右する重要な因子であり、半導体素子の製造にあた
つては不純物濃度分布を正確に制御することが必要であ
る。ところでドーパント不純物は通常高温の拡散処理、
エピタキシャル法、イオン打込み法などで半導体基板内
にドープされる。

半導体素子によつてドーピング時に形成される不純物層
をそのまま利用する場合もあれば、またドーピングした
のち、熱処理を施して半導体基板表面付近にドープされ
た不純物をさらに基板内部に拡散せしめ、所定の濃度分
布をもつた不純物層を得る場合もある。いずれの場合に
おいても特性のそろつた半導体素子を歩留りよく製作す
るためには、不純物濃度分布を決定する上で重要なドー
ピング工程において、半導体基板への不純物のドーピン
グが適切になされているかどうかを調べる必要がある。
このためには、半導体基板表面に形成されたドーピング
層の不純物量（ドーピング量）を評価することが必要と
なる。このように不純物濃度分布の制御を目的とするド
ーピング量の評価には必ずしも不純物総量、濃度などの
絶対値は必要でなく、これらの量と相関関係を有し、ド
ーピング量の大小を相対’的に表わす指標となりうる評
価量があればよい。ただし評価法としては、半導体素子
の製造に支障のないような非破壊法でなければならない
。従来、半導体基板のドーピング量の大小は、主として
不純物をドーピングした半導体基板のシー・ 卜抵抗（
ρｓ）を四探針法で測定することにより行なわれている
。この方法は、不純物量が多くなると伝導キャリアが増
加し、ρ、が低下することを利用したものである。しか
しながらこの方法では、先端を鋭くした四本の探針を半
導体基板表面フに圧着する必要があり、基板表面の探針
圧着部の結晶組織を破壊するなどの欠点がある。したが
つて、ドーピング量の評価法としては非破壊方式である
のみならず非接触方式であることが望まれる。ｉ 非接
触測定法としては光学的手段を用いることがまず考えら
れる。

シリコンなどの半導体結晶中にドープされたドナーある
いはアクセプタ不純物によつて赤外線領域で光の吸収が
観測されることは、従来から知られている。たとえばド
ナー準位から伝導帯へ、あるいは価電子帯からアクセプ
タ準位への励起にもとづく吸収がある。しかしながら室
温付近においてドナーおよびアタセプタ不純物はほとん
どイオン化しているため、これら不純物によつて形成さ
れるエネルギ準位の関与する吸収は室温では観測できず
、試料を液体ヘリウム（４室Ｋ）などを用いて冷却し極
低温で測定する必要があり、実際の半導体製造プロセス
での評価には適さない。室温でも観測可能な赤外線の吸
収としては、不純物をドープすることによつて増加する
自由キヤリア（ＦｒｅｅｃａｒＩ′Ｉｅｒ）による吸収
が知られている。これを利用した不純物層の評価方法と
しては、赤外線反射法が提唱されている。この方法は自
由キヤリアにもとずく赤外線の反射スペクトル中に現わ
れる反射率の極小値に対応する波長λＭ，ｎが半導体基
板中の不純物濃度分布によつて異なることを利用するも
のである。しかしこの方法では、赤外線の反射率を種々
の波長で測定する必要があるばかりでなく、複雑な解析
を要するため、迅速性を要求される実際の半導体製造プ
ロセスでのドーピング量の評価には適さない。さらに、
自由キヤリアによる吸収を透過法によつて測定する方法
も、これまでは十分な精度が得られな，いので実用化さ
れてはいない。本発明の目的は上記従来法の欠点をなく
した新規な半導体の不純物ドーピング量の評価法を提供
することにある。

本発明の特徴とするところは、光源から発した赤外光線
を２分し、一方を測定用ｊ光束路、他方を補償用光束路
とし、測定用光束路に測定用試料（ドーピング量を評価
すべき半導体基板）を、補償用光束路に補償用試料をそ
れぞれ配置し、測定用光束と補償用光束がそれぞれの試
料を通過した後の光量比（測定試料の補償用試料ｊに対
する相対的透過率）により、半導体基板にドープされた
不純物のドーピング量を評価するに際して、補償用試料
としてドーピング量を評価すべき半導体基板と同一材料
、同一表面性状を有するものを用い、かつ補償用試料の
赤外線透過率が１０・％以上となるような赤外線の波長
領域で測定することにある。本発明者らは、半導体基板
に不純物をドープすることによつて増加する自由キヤリ
アの吸収にもとずく赤外線の透過法により、不純物ドー
ピング量を評価する方法について詳細に検討し、本発明
を完成した。

以下本発明についてくわしく説明する。一般に赤外線透
過法の測定は、第１図に示すような方法により行なわれ
る。すなわち光源１から発した赤外光線はミラー２およ
びスリツト３により２本の光束に分けられ、一方を測定
用光束路７、他方を補償用光束路６とし、測定用光束路
に測定試料５を、補償用光束路には必要に応じて補償用
試料４を配置し、測定用光束と補償用光束がそれぞれの
試料を通過した後の光量比として赤外線の透過率を測定
する。なお補償用光束路に補償用試料を用いない場合は
、測定試料そのものの透過率（厳密には空気、窒素など
赤外線の通過する媒体に対する透過率）が測定され、補
償用試料を用いた場合には、その補償用試料に対する相
対的な透過率が測定される。ところで本発明の目的は、
前述のように、シリコンなどの半導体基板中にドープさ
れた不純物のドーピング量を赤外線の透過率によつて評
価することにある。

しかるに不純物をドープした半導体基板に赤外線を照射
した場合、測定しようとする不純物にもとずく吸収以外
に、不純物をドーピングする以前の半導体基板結晶その
もの、あるいはその中にふくまれていた不純物などによ
る吸収も同時におこるため、ドープされた基板全体の透
過率からは目的とする不純物量の大小が判然としない場
合が多い。したがつて第１図において補償用試料として
、ドーピング量を評価すべき試料と同一素材から成り、
測定対象の不純物をドープしていない基板を用い、対象
とする不純物による吸収以外の吸収を相殺することによ
つて対象とする不純物のみの吸収にもとずく透過率（す
なわち補償用試料に対する相対的な透過率）を測定する
ことが必要である（以下補償用試料を用いる方法を比較
法と呼ぶ）。しかしながら比較法を用いてりん、ボロン
、アルミニウムなどの不純物がドープされた半導体基板
について補償用基板に対する相対的な透過率（以下単に
透過率と略す）を赤外線の波長をかえて測定したところ
、透過率のばらつきが大きく、測定の再現性の得られな
い波長領域のあることが判明した。例えば、第２図Ａに
示すように表面を２０００番のアルミナ研磨材でラツピ
ングした厚さ約４００μｍ、抵抗率５０ΩＣｍ（７）Ｐ
型シリコン基板にりんをドープした試料（四探針法によ
るシート抵抗約５０Ω／□）についてりんをドープしな
い同一形状のシリコン基板を補償用試料と七て透蝉率を
測定したところ、約７．６μｍ以上の波長では透過率の
ばらつきがないのに対しそれ以下の波長領域では透過率
のばらつきが大きく、波長の短かいほどばらつきの大き
くなることがわかつた。第２図Ａで、たて縞の部分がば
らつきの範囲を示す。なお補償用基板として表面仕上げ
を同一とし、厚さについては３００〜９００μｍ、抵抗
率については１０〜２０００ｃｍの範囲のものを用いて
透過率の測定を行なつたが結果は第２図Ａとほぼ同様で
あつた。このことから測定試料と補償用試料基板の厚さ
および抵抗率は多少異なつていても透過率にはほとんど
影響のないこと力伴リ明した。一方、測定試料および補
償用試料のシリコン基板表面状態を変化させると透過率
のばらつきの様子が大きく変化することがわかつた。す
なわち、測定試料および補償用試料のシリコン基板両面
を鏡面研磨した場合（第３図Ａ）、エツチングした場合
（第４図Ａ）、１０００番砥粒でラツピングした場合（
第５図Ａ）、について透過率のばらつきを調べたところ
、各図の対比から明らかなようにシリコン表面が粗であ
ればある程長波長領域まで透過率のばらつきが現われる
ことがわかつた（第３図の測定範囲では透過率のばらつ
きは認められない）。これらのことは基板表面が粗にな
る程、また短波長になる程表面での散乱をうけやすくな
り、透過率にばらつきを生ずるものと推測される。一方
、第２図〜第５図のＢはそれぞれ用いた補償用基板その
ものの赤外線透過率（第１図において測定用光束路に補
償用基板を置き補償用光束路になにもおかないで測定し
たもの）を示したものである。第２，４および５図によ
れば、透過率にばらつきのみられる領域とみられない領
域の境界に相当する赤外線の波長λｃはいずれも補償用
基板そのものの透過率が約１０％となる波長となつてい
る。すなわち、補償用基板の透過率が１０％以上となる
波長λｃ以上の波長領域で測定すれば透過率のばらつき
がなく再現性よく測定できることになる。また第３図Ｂ
によれば、この場合の補償用基板の透過率は約４０〜５
０％であり、前述の透過率１０％以上という条件を満足
していることがわかる。以上のことはりん以外のドーパ
ント不純物についても同様である。ところで第２図〜第
５図のＡに示すように、半導体基板にドープされた不純
物にもとずく赤外線の吸収は、波長が長くなる程大きく
なり、透過率は減少する。

一般に補償用試料を用いて測定した相対的な透過率が１
０％以下の場合は、定量的な精度が乏しくなるとされて
いる。したがつてより定量的な測定には相対的な透過率
が１０％以上となるような波長領域で測定することが望
ましい。いま相対的な透過率が１０％となる波長を＾ｍ
とする。例えば第２図Ａではλｍが約１７μｍである。
不純物をドープした半導体基板のドープしない基板に対
する相対的な透過率は同一波長でも、不純物のドーピン
グ量の多い程小さくなるので＾ｍはドーピング量によつ
ても異なる。第６図ないし第８図は、不純物としてそれ
ぞれりん、ボロン、アルミニウムを用いた場合について
、ドーピング量の目安である四探針法で測定したシート
抵抗に対してλｍを図示したものである。ドーピング量
が少な＜なればなる程（シート抵抗が大きくなる程）λ
ｍはより長波長になる。またこれらの図中斜線部分の領
域がより定量的なドーピング量評価に好ましい領域であ
る。なおドーピング量が小さい場合は原理的には長波長
まで利用できるが、実際問題としては、長波長領域では
室温のゆらぎの影響を受けやすくなるので、４０μｍ程
度が測定波長の上限となる。次に本発明の実施例につい
て説明する。

実施例 １ 用いた半導体基板は、直径５０ｍｍ、厚さ３６０μｍ、
抵抗率５１〜５６ΩＣｍ（７）Ｐ型シリコンウエハ（表
面は鏡面研磨面）である。

オキシ三塩化りん（ＰＯＣＩ。）をソースとするりん拡
散法により、シリコン基板にりんをドーピングした。ド
ーピング時間は３０分とし、ドーピング温度をかえて、
ドーピング量の異なる試料を作成した。これらの試料に
ついて四探針法でシート抵抗を測定した。その結果２０
〜１０５０Ω／□の範囲であつた。その後りんをドープ
しない同一ロツトのシリコンウエハを補ｌ償用試料とし
て赤外線透過率を測定した。測定波長は８．６μｍであ
る。第９図に示すように透過率はシート抵抗とよい相関
関係がみられ、透過率によつてドーピンダ量の評価が可
能であることがわかつた。実施例 ２ 用いた半導体基板は直径５０ｍｍ、厚さ約３００μｍ１
抵抗率２４〜２６ΩＣｍｃ７）ｎ型シリコンウエハで、
表面は１２００番アルミナ砥粒でラツプしたものである
。

このウエハに窒化ボロン（ＢＮ）をソースとする窒素気
流中のボロン拡散により、シート抵抗６０〜約２００Ω
／？の範囲でドーピング量の異なる試料を作成した。こ
れらの試料について同一ロツトのボロンをドープしてい
ないシリコンウエハを補償用試料として赤外線の透過率
を測定した。測定波長は１４．３μｍである。その結果
、第１０図に示すように透過率はシート抵抗ときわめて
よい相関関係を示し、ドーピング量の目安になつている
ことが確認された。実施例 ３ 用いた半導体基板は、直径５０ｍｍ、厚さ約１０００μ
ｍ、抵抗率２００〜３００ΩＣｍ（７）ｎ型シリコンウ
エハで表面仕上げは１２００番アルミナ砥粒によるラツ
プ面である。

このシリコン基板に金属アルミニウムを拡散源とする真
空石英封管中のアルミニウム拡散２法によりアルミニウ
ムドーピング量の異なる試料を作成した。これらの試料
について四探針法でシート抵抗を測定した。その結果３
０〜１００Ω／口の範囲であつた。さらにアルミニウム
をドープしないシリコン基板を補償用試料として赤外線
透過率を測定した。測定波長は８．３μｍである。その
結果、第１１図に示すように透過率はシート抵抗とよい
相関関係を示し、ドーピング量の評価が可能であること
がわかつた。以上の実施例に示したように本発明の方法
によれば、赤外線の透過率により半導体基板にドーピン
グされた不純物のドーピング量が非接触で評価できるた
め、基板表面を破壊したり、汚染したりすることがない
などの効果がある。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の方法を説明するための概略配置図、第
２〜５図は測定用赤外線の波長と透過率との関係を示す
図、第６〜８図は半導体のシート抵抗と相対的透過率が
１０％以上となる波長領域との関係を示す図、第９〜１
１図は半導体のシート抵抗と本発明の方法により測定し
た透過率との関係を示す図である。 １・・・・・・光源、２・・・・・・ミラー、３・・・
・・・スリツト、４・・・・・・補償用試料、５・・・
・・・測定試料、６・・・・・・補償用光束路、７・・
・・・・測定用光束路、８・・・・・・赤外線検出器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 光源から発する赤外光線を２分し、一方を測定用光
   束路、他方を補償用光束路とし測定用光束路に測定試料
   を、補償用光束路に補償用試料をそれぞれ配置し、測定
   用光束と補償用光束がそれぞれの試料を通過した後の光
   量比により半導体の不純物ドーピング量を評価する方法
   であり、補償用試料としてドーピング量を評価すべき半
   導体と同一材料、同一表面性状を有するものを用い、か
   つ補償用試料の赤外線透過率が１０％以上となるような
   赤外線の波長領域で測定することを特徴とする半導体の
   不純物ドーピング量評価法。