JPS6333835A - エピタキシヤル膜の評価方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 童！上立札王立互 本発明はシリコン結晶中、特にシリコン基板上にエピタ
キシャル成長させた膜中の微量不純物の定性分析および
定量分析を行う方法に関する。

そして本発明はシリコン系ガスの純度を評価するのに特
に好適な方法を提供するものである。

ｌ米勿且玉 シリコン系ガスの純度を測定する方法としては、ＧＣｌ
ＩＲ，ＧＣ−ＭＳ　、原子吸光、化学分析等ガスを直接
分析する所謂直接法と称されるべき方法があるが、それ
とは別に、シリコン系ガスから一旦単結晶薄膜を制作し
、その電気的性質から該単結晶の純度を測定し、その純
度の数値から間接的に、その原料であるシリコン系ガス
の純度を評価する方法も知られている。

かかる電気的方法には、 １、ガスの直接分析では遠く及ばない超微量分析が可能
である。

２、ガスのドーパントをＰ、Ｈの二タイプに分けて総量
で測定することが可能である。

３、半導体製造工程の一部を利用しているので、製品に
直結した判断が可能である。

等の数にの利点がある。

しかして、単結晶をエピタキシャル成長させる方法とし
ては、一般にＣＶＤ法が用いられるが、かかる単結晶薄
膜の電気的性質を測定する方法としては、Ｖ（電圧）、
Ｉ（電流）を測定する探針法と、Ｖ（電圧）、Ｃ（容量
）を測定するＣ−Ｖ法がある。

電気的に測定した単結晶薄膜の純度とは、薄膜中の活性
な成分量の表示であり、一般にかかる活性な成分はドー
パントと称される。かかるドーパントは、電気伝導のタ
イプにより、Ｐ型とＮ型に分類される。そして、このど
ちらかのうち、優勢なドーパントが単結晶薄膜の電気伝
導タイプを決定する。

単結晶薄膜中のドーパントの量は、例えば、探針法では
、ｖ〜■特性から算出された比抵抗値（００ｍ）により
ただちに算出される。

そこで、一般に、単結晶薄膜の電気伝導タイプと比抵抗
値をもって、そのまま、原料である電気的なシリコン系
ガスの純度表示としている。

上述の如き電気的評価方法には、種々の存利な点がある
が、原料として用いたシリコン系ガスの純度評価を目的
とする場合には、電気的に不活性なドーパントが検出出
来ないことは、大きな欠点である。

従来、バルクの結晶中の微量不純＠ＩＪ（即ち、シリコ
ン結晶１ｃｃ中に１０”コ以下のオーダーで含まれる不
純物）を検知する方法として、結晶のフォトルミネッセ
ンスを利用する光学的な方法は既に提案されている。か
かる光学的方法は、対象サンプル中の不純物を非破壊的
に極めて悪魔よく検知出来るものであり、半導体特性に
大きな影響を有する不純物である燐と硼素に関しては、
シリコン結晶１ｃｃ当たり、ＩＯＩ′程度しか含有され
ていない場合であっても、容易に検出出来るとされてい
るのである。

明が解　しようとする問題や 近年、半導体技術の非常な進歩に伴い、デバイスの高集
積化がますます進むと同時に、この主原料たるシリコン
系ガスの純度についても、超高純度が要求され、ガスの
精製技術もますます進歩へしている。

かかる状況にあって、シリコン系のガスを使用する半導
体製造プロセスを的確に制御するためにシリコン系ガス
中のドーパント不純物の測定法に関し、その精度等に付
いての要求は、従来の化学的分析法の検出限界を迄かに
越えたものとなっている。

フォトルミネッセンス法を用いて、シリコンエピタキシ
ャル膜中の不純物を定性若しくは定置しようという試み
は既になされている。

しかしながら、かかる方法は、シリコンエピタキシャル
膜の比抵抗が基板と同程度あるいはこれより低い場合は
有効であるが、我々の検討したところによると、エピタ
キシャル膜長を高純度のシリコン系ガスを用いて行って
得られた比抵抗の高い膜（数１００Ωｃｍ以上）の場合
は適用出来ないのである。けだし、恐らく、基板中の不
純物に起因するフォトルミネッセンス信号が観測されこ
のためエピタキシャル膜からの信号を分別して観測する
ことは困難であるからである。

通常、シリコン結晶のフォトルミネッセンス測定の光源
としては、波長５１４５人のアルゴン（Ａｒ）レーザが
用いられる。しかして、シリコン結晶中に到達する酸レ
ーザ光線の深さは、波長と吸収係数の関係より計算する
と、数ミクロン程度である。

従って、エピタキシャル膜の膜厚を少なくとも１０ミク
ロン以上とすれば、基板の影響は受けないものと推察さ
れるが、実際に我々が検討したところによると、膜厚を
その１０倍以上としても、基板〜の信号が大きく、エピ
タキシャル膜の評価は出来ないのである。すなわち、こ
の方法そのままでは、超高純度シリコン系ガスの評価は
出来ないのである。

間　、壱を”°するための手 本発明者は、前記問題点を解決するためになされたもの
でその要旨とするところは、 シリコンエピタキシャル膜中の不純物を評価する方法で
あって、シリコンウェハーを基板として用い、シリコン
系ガスにより該基板上にエピタキシャル膜を成長せしめ
、しかる復線基板のみをエツチングにより除去し、残存
した該エピタキシャル膜層についてフォトルミネッセン
ス分析を行うことを特徴とするシリコンエピタキシャル
膜の評価方法、である。

以下、本発明の詳細な説明する。

シリコン系ウェハーの上に超高純度のモノシラン、ジシ
ラン等のソリコン系のガスを流し該基板上にエピタキシ
ャル層を成長させる工程自体はそれ自身公知の方法を採
用すれば良い。

本発明で使用するエピタキシャル膜の厚みは、フォトル
ミネッセンスの測定原理上、レーザ光線の吸収に充分な
厚さ、ｆｆ１７ち数ミクロンあればよいのであるが、実
際には、少なくとも一連の測定操作に耐えうる程度の物
理的・ｍ波向強度を有することが望ましい。しかしなが
ら、膜厚が必要以上に厚すぎると、エピタキシャル膜中
の欠陥発生の確率が高くなるのみならず、核層が箪結晶
にならず多結晶化して仕舞う恐れがある。したがって、
好ましい膜厚の範囲は、２０μ〜５００μ、特に好まし
くは、１００　μ〜２００　μ程度である。

つぎに、上記厚みのエピタキシャル膜を形成した後、基
板のみをエツチングにより除去する。

この際、基板が実質上完全に除去されたか否かを確認す
ることが好ましい。例えば、現在一般的に使用されてい
る超高純度モノシランガスから制作した華結晶薄膜の電
気伝導タイプは一般にＮ型である。そこで、Ｐ型の基板
を使用し、エピタキシャル層を作成した場合は、基板を
化学的にエツチングしていく際に、その基板面（エピタ
キシャル膜の裏面）の電気伝導タイ、プがＰ若しくはＮ
のいずれであるかを注意深く判別しながらエツチングを
継続していき、これがＰからＮ型に変化した時点で基板
が完全に除去されたと判断してよいのである。

しかしながら、本発明において、Ｐ型基板を使用するこ
とは、必ずはも必須要件ではなく、要は、基板のエツチ
ングによる除去が充分行われていればよいのであるから
、例えば、エツチング速度とエツチング時間の関係を予
め把握しておき、このデータをもとに基板が実質的に除
去されるに充分な時間エツチングすればよいのである。

以上のごとくして、基板を実質的に完全に除去し去った
エピタキシャル層のみについて、フォトルミネッセンス
観察を適用することにより、膜中の微量不純物を正確に
分析出来るのである。すなわち、成膜に用いた原料ガス
たる超高純度シリコン系ガス中の不純物の評価を容易に
行うことが出来るである。なお、この場合、酸ガス中の
不純物の絶対量の定量が出来るものではないが、ガスの
使用目的から充分目的を達することの出来る評価が得ら
れるのである。

実施例Ｉ Ｐ型３０Ωｃｍの比抵抗を示すシリコンウェハー（厚さ
３００　μ）を基板とし、この上に超高純度モノシラン
ガスを用いて１０３０℃で１０時間エピタキシャル成長
させた。液膜の膜厚は２００μであった。尚、このエピ
タキシャル膜の表面は鏡面であった。

このサンプルの表面にレジストを塗布し、工。

チンダ液に対する保護膜とした。しかる後、フ。

硝酸液に浸漬することにより、裏面の基板部分をエツチ
ング除去した。裏面の伝導型タイプがＰかＮを判別後、
Ｎ型になっていることを見出し、基板が完全に除去され
たことを確認した。その後、表面のレジストを除去し全
体の洗浄操作行った。

このサンプルを液体ヘリウム温度において、エピタキシ
ャル膜表面からアルゴンレーザ４００ｍｗ　ヲ照射して
フォトルミネッセンスを観察した。

この結果、シリコン特有のピークのみが観測され、この
他の不純物成分、例えば、硼素、燐、アルミニウム、砒
素等については、全く検出されなかった。

実施例　２ 実施例１と同様を行い、５時間エピタキシャル成長させ
た。同様の方法により基板の除去操作を行い、フォトル
ミネッセンスを観察したが、不純物のピークは全く検出
されなかった。

実施例３ 実施例１と同様の方法で、Ｎ型１０Ωｃｍ（厚さ３００
　μ）のウェハーを基板として用いてエピタキシャル成
長させた。この基板を、フッ硝酸により４００　μエツ
チングするに充分な時間をかけて除去した。このサンプ
ルのエピタキシャル表面からレーザ光を照射しフォトル
ミ２−／センスを観測した結果、不純物のピークは全く
観測されないことか確認された。

比較例Ｉ Ｐ型３０Ωｃｍの比抵抗を示すシリコンウェハー（厚さ
３００μ）を基板とし、この上に超高純度モノシランガ
スを用いて１０３０℃で１時間エピタキシャル成長させ
た。液膜の膜厚は２５μであった。尚、このエピタキシ
ャル膜の表面は鏡面であった。

このサンプルをそのまま用いて、液体ヘリウム温度で、
エピタキシャル膜表面より波長４００ｍｗのアルゴンレ
ーザ光を照射してフォトルミネッセンスを観測した。

実験結果は、硼素の大きなピークが観測され、硼素とシ
リコンのルミ不フセンス強度の比から見量線を用いて算
出した硼素の濃度は１．８０Ｘ１０”コ／ｃｍ３であっ
た。また、同分析から、燐は検出されなかった。なお、
本分析装置の硼素、燐に対する検出限界は、ｌ　ＸＩＯ
”コ／ｃｍ’である。以上のデータから換算した比抵抗
値はＰ型３５Ωｃｍである。

一方、該エピタキシャル膜を四探針法で測定した比抵抗
値はＮ型１０２３　００ｍであった。

比較例２ 実施例３で作成した基板をエツチング除去する前のサン
プルに付、エピタキシャル表面より、レーザ光を照射し
、フォトルミネッセンスを観察した。その結果、シリコ
ン固存のピークの他に、燐と硼素の大きなピークが観測
された。このシリコンと燐または硼素のフォトルミネッ
センス強度の比から、検ｉＥ＆？Ｉを用いることにより
算出したシリコン結晶中の燐の濃度は５　ｘ　１０＋　
ａコ／ｃｍ’であり、また硼素の濃度は３×１０１ｆｆ
コ／ａｍ”であった。この不純物濃度は、基板に用いた
ウェハーの情報を反映したものであると考えられたので
、基板のみのフォトルミネッセンスを観察したところ、
前述の不純物のピークと略同じ不純物のパターンが得ら
れることが確認された。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）シリコンエピタキシャル膜中の不純物を評価する
   方法であって、シリコンウェハーを基板として用い、シ
   リコン系ガスにより該基板上にエピタキシャル膜を成長
   せしめ、しかる後該基板のみをエッチングにより除去し
   、残存した該エピタキシャル膜層についてフォトルミネ
   ッセンス分析を行うことを特徴とするシリコンエピタキ
   シャル膜の評価方法。