WO2016163500A1 - 半導体ウェーハの製造方法および半導体ウェーハの評価方法 - Google Patents

半導体ウェーハの製造方法および半導体ウェーハの評価方法 Download PDF

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WO2016163500A1
WO2016163500A1 PCT/JP2016/061493 JP2016061493W WO2016163500A1 WO 2016163500 A1 WO2016163500 A1 WO 2016163500A1 JP 2016061493 W JP2016061493 W JP 2016061493W WO 2016163500 A1 WO2016163500 A1 WO 2016163500A1
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WO
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semiconductor wafer
ion implantation
heat treatment
measurement
ions
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PCT/JP2016/061493
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和隆 江里口
佐俣　秀一
Original Assignee
株式会社Sumco
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/26—Bombardment with radiation
    • H01L21/263—Bombardment with radiation with high-energy radiation
    • H01L21/265—Bombardment with radiation with high-energy radiation producing ion implantation

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor wafer manufacturing method and a semiconductor wafer evaluation method.
  • ions are irradiated on a surface of a semiconductor wafer used for manufacturing a semiconductor device to implant ions (referred to as ion implantation, ion implantation, ion implantation, etc.).
  • Resistivity measurement is performed by a four-probe method, and the amount of dopant ions implanted from the measured resistivity is obtained, whereby the amount of dopant ions implanted by the ion implantation process (also referred to as “dose amount”). How to evaluate;
  • a Schottky electrode is prepared on the sample to be measured, CV measurement (capacitance-voltage measurement) is performed, and the amount of dopant ions injected is obtained from the measurement results, thereby making the dose amount of dopant ions by ion implantation processing.
  • the dose is usually set in advance in an ion implantation apparatus.
  • ion implantation is not always performed with a set dose amount due to various factors. If a semiconductor wafer that has become insufficient in dose or excessive in dose is subjected to the next process (for example, cleaning before shipping the semiconductor wafer or device forming process on the semiconductor wafer), the resulting semiconductor wafer is obtained. In other words, the semiconductor device is determined to be defective in the final pre-shipment inspection. In this case, there is a waste of time and cost for performing various processes even though the product eventually becomes a defective product.
  • a process for evaluating the semiconductor wafer after the ion implantation process (so-called in-line monitoring) is provided on the production line, and the ion implantation is performed with a dose amount as set or close to the set value. If the determined semiconductor wafer can be subjected to the next process, the semiconductor wafer and the semiconductor device can be mass-produced with high productivity without causing the above waste.
  • a process for evaluating a semiconductor wafer that has been subjected to recovery heat treatment after the ion implantation process in the manufacturing line was provided, and it was determined that the damage was recovered to the extent permitted by the product.
  • the semiconductor wafer and the semiconductor device can be mass-produced with high productivity without causing the above waste. Or, by performing such in-line monitoring, a semiconductor wafer with insufficient dose is once taken out from the production line, and after additional ion implantation is performed to compensate for the insufficient dose, the semiconductor is returned to the production line. It is also possible to reduce the defective product rate in wafer manufacturing and semiconductor device manufacturing. Similarly, it is also possible to reduce the defective product rate in semiconductor wafer manufacturing and semiconductor device manufacturing by removing semiconductor wafers with insufficient damage recovery from the manufacturing line, performing additional recovery heat treatment, and returning them to the manufacturing line. It becomes.
  • the evaluation method for performing inline monitoring as described above is a method that does not destroy the sample to be measured (semiconductor wafer after ion implantation or recovery heat treatment) and does not contact the sample to be measured (non-destructive / non-contact method) It is desirable that However, all of the conventional evaluation methods described above cannot be performed unless the sample to be measured is destroyed or an analytical instrument (such as a probe) is brought into contact with the sample to be measured. It is difficult to apply to.
  • One embodiment of the present invention provides a method for manufacturing a semiconductor wafer including a step of evaluating a semiconductor wafer after ion implantation or recovery heat treatment in a non-destructive and non-contact manner (in-line monitoring).
  • PL photoluminescence
  • One embodiment of the present invention provides: A method for manufacturing a semiconductor wafer, comprising: Irradiating ions toward the surface of the semiconductor wafer to perform an ion implantation process; and Subjecting the semiconductor wafer determined to have been ion-implanted with an ion implantation amount within a preset range to the next process; Including Further comprising performing photoluminescence measurement on the surface of the semiconductor wafer after the ion implantation treatment between the ion implantation treatment and the next step, A method for manufacturing a semiconductor wafer, wherein the determination is performed based on the measurement result of the photoluminescence measurement, About.
  • the method for manufacturing a semiconductor wafer includes subjecting the semiconductor wafer after the ion implantation treatment to a recovery heat treatment for recovering damage due to ion implantation, and the photoluminescence measurement is performed after the recovery heat treatment. Is called.
  • the measurement result is photoluminescence intensity.
  • the photoluminescence intensity is a photoluminescence intensity measured over the entire surface or a partial region of the semiconductor wafer surface.
  • a further aspect of the invention provides: A method for manufacturing a semiconductor wafer, comprising: Irradiating ions toward the surface of the semiconductor wafer to perform ion implantation treatment, Subjecting the semiconductor wafer after the ion implantation treatment to a recovery heat treatment for recovering damage caused by ion implantation; and Subjecting a semiconductor wafer determined to have recovered to a preset level to the next process, Including Further comprising performing photoluminescence measurement on the surface of the semiconductor wafer irradiated with ions in the ion implantation process between the recovery heat treatment and the next step, A method for manufacturing a semiconductor wafer, wherein the determination is performed based on the measurement result of the photoluminescence measurement, About.
  • the measurement result is photoluminescence intensity.
  • the implanted ions are selected from the group consisting of dopant ions, argon ions, and carbon ions.
  • the semiconductor wafer is a silicon wafer.
  • a further aspect of the invention provides: A method for evaluating a semiconductor wafer subjected to ion implantation, The ion implantation process is performed by irradiating ions toward the semiconductor wafer surface, A semiconductor wafer evaluation method for performing photoluminescence measurement on the surface of the semiconductor wafer after the ion implantation treatment, and evaluating an ion implantation amount in the ion implantation treatment based on the measurement result, About.
  • the semiconductor wafer on which the photoluminescence measurement is performed is a semiconductor wafer that has been subjected to a recovery heat treatment for recovering damage due to ion implantation after the ion implantation processing.
  • a further aspect of the invention provides: A method for evaluating a semiconductor wafer, comprising: The semiconductor wafer to be evaluated is subjected to an ion implantation process by irradiating ions toward the surface of the semiconductor wafer, and a semiconductor subjected to a recovery heat treatment for recovering damage due to the ion implantation after the ion implantation process.
  • a wafer, Photoluminescence measurement is performed on the surface of the semiconductor wafer after the recovery heat treatment, and the degree of damage recovery due to the recovery heat treatment is evaluated based on the measurement result, the semiconductor wafer evaluation method, About.
  • the implanted ions are selected from the group consisting of dopant ions, argon ions, and carbon ions.
  • the semiconductor wafer is a silicon wafer.
  • the dose amount due to ion implantation and the recovery of damage due to recovery heat treatment can be evaluated by in-line monitoring, which enables mass production of high-quality semiconductor wafers and semiconductor devices.
  • a specific example of a calibration curve created for the actual dose evaluation for an n-type silicon wafer will be shown.
  • the mapping image obtained after the ion-implantation process of the boron ion in the p-type silicon wafer shown in the below-mentioned specific example and after the recovery heat treatment is shown.
  • a specific example of a calibration curve created for the actual dose evaluation for a p-type silicon wafer will be shown.
  • the mapping image obtained after the ion implantation process of argon ion in the p-type silicon wafer shown in the specific example mentioned later and after the recovery heat treatment is shown.
  • a method for manufacturing a semiconductor wafer according to an aspect of the present invention includes: Irradiating ions toward the surface of the semiconductor wafer to perform an ion implantation process; and Subjecting the semiconductor wafer determined to have been ion-implanted with an ion implantation amount within a preset range to the next process; Including Further comprising performing photoluminescence measurement on the surface of the semiconductor wafer after the ion implantation treatment between the ion implantation treatment and the next step, The determination is performed based on the measurement result of the photoluminescence measurement.
  • a method for evaluating a semiconductor wafer according to an aspect of the present invention includes: A method for evaluating a semiconductor wafer subjected to ion implantation, The ion implantation process is performed by irradiating ions toward the semiconductor wafer surface, Photoluminescence measurement is performed on the surface of the semiconductor wafer after the ion implantation treatment, and the ion implantation amount in the ion implantation treatment is evaluated based on the measurement result.
  • a method for manufacturing a semiconductor wafer includes: Irradiating ions toward the surface of the semiconductor wafer to perform ion implantation treatment, Subjecting the semiconductor wafer after the ion implantation treatment to a recovery heat treatment for recovering damage caused by ion implantation; and Subjecting the semiconductor wafer on which the damage has been recovered to a preset level to the next process; Including Further comprising performing photoluminescence measurement on the surface of the semiconductor wafer irradiated with ions in the ion implantation process between the recovery heat treatment and the next step, The determination is performed based on the measurement result of the photoluminescence measurement.
  • a method for evaluating a semiconductor wafer includes: The semiconductor wafer to be evaluated is subjected to ion implantation treatment by irradiating ions toward the surface of the semiconductor wafer, and the semiconductor subjected to recovery heat treatment for recovering damage caused by ion implantation after the ion implantation treatment.
  • a wafer, Photoluminescence measurement is performed on the surface of the semiconductor wafer after the recovery heat treatment, and the degree of recovery of damage by the recovery heat treatment is evaluated based on the measurement result.
  • Each of the above manufacturing method and evaluation method includes evaluating a semiconductor wafer subjected to ion implantation processing by PL measurement which is a non-destructive and non-contact technique. Thereby, the dose amount of the ions implanted by the ion implantation process and the degree of damage remaining after the recovery heat treatment can be evaluated as non-destructive and non-contact.
  • a semiconductor wafer manufacturing method and a semiconductor wafer evaluation method according to one embodiment of the present invention will be described in more detail.
  • the semiconductor wafer to be evaluated is, for example, a silicon wafer.
  • the semiconductor wafer to be evaluated is not limited to a silicon wafer, and can be various semiconductor wafers that are usually used for device fabrication.
  • the conductivity type of the semiconductor wafer may be p-type or n-type. Regardless of the type of semiconductor wafer to be evaluated, according to the present invention, the dose amount due to ion implantation and the degree of damage remaining after recovery heat treatment can be evaluated in a non-destructive and non-contact manner.
  • the size of the semiconductor wafer to be evaluated can be, for example, 200 mm, 300 mm, or 450 mm in diameter, but may be smaller or larger and is not particularly limited.
  • the ion implantation process is performed by irradiating ions toward the surface of the semiconductor wafer.
  • the ion implantation process may be performed by a known ion implantation apparatus.
  • Examples of ions that are implanted into the surface of a semiconductor wafer include various ions that are typically implanted into a semiconductor wafer, such as dopant ions (boron (B) ions, phosphorus (P) ions, arsenic (As) ions, and antimony (Sb) ions.
  • Ions boron (B) ions, phosphorus (P) ions, arsenic (As) ions, and antimony (Sb) ions.
  • Ions argon ions
  • carbon ions silicon ions, germanium ions, hydrogen ions, helium ions, oxygen ions, nitrogen ions, fluorine ions, and the like.
  • the surface of the semiconductor wafer can be irradiated with cluster ions.
  • a cluster ion is an ion made up of an aggregate (cluster) of atoms and molecules, and by irradiating the cluster ion, a plurality of types of ions can be implanted into the semiconductor wafer by a single ion irradiation.
  • the carbon ion and the dopant ion can be implanted into the semiconductor wafer by a single ion irradiation.
  • a dose amount (hereinafter referred to as “set dose amount”) is set in advance in an ion implantation apparatus.
  • the set dose can be set according to the desired resistivity, for example, if dopant ions are implanted.
  • the set dose of various ions may be set according to the property (for example, gettering ability) to be imparted to the semiconductor wafer by ion implantation and the degree of modification.
  • the set dose amount and the actual ion implantation amount in the ion implantation process (hereinafter also referred to as “actual dose amount”) do not always coincide with each other.
  • the actual dose is evaluated by PL measurement, and a semiconductor wafer that is determined to have been ion-implanted with a dose within a preset range is subjected to the next step.
  • this can prevent occurrence of waste as described above.
  • it is possible to reduce the ratio of semiconductor wafers and semiconductor devices (defective product rate) that are finally determined as defective products.
  • the defective product rate can be reduced by returning to the production line after performing additional ion implantation on the semiconductor wafer with insufficient dose.
  • the actual dose evaluation by the PL measurement will be described later.
  • recovery heat treatment In the above ion implantation process, a phenomenon in which crystallinity is disturbed usually occurs when energetic ions collide with atoms constituting the semiconductor wafer (for example, silicon atoms in the silicon wafer) in the semiconductor wafer. Occurrence). This damage can be recovered by heat treatment (recovery heat treatment).
  • the recovery heat treatment can be performed at a temperature of 900 ° C. or higher and 1200 ° C. or lower for about 10 seconds to 1 hour, for example. Note that in this specification, the temperature described for various treatments such as recovery heat treatment refers to the ambient temperature at which such treatment is performed.
  • the recovery heat treatment may include two or more heat treatments under different heat treatment conditions.
  • the recovery heat treatment may be performed using, for example, a rapid heating / cooling heat treatment apparatus such as an RTA (Rapid Thermal Annealing) furnace or an RTO (Rapid Thermal Oxidation) furnace, or a batch heat treatment apparatus (vertical heat treatment apparatus, horizontal heat treatment apparatus).
  • a rapid heating / cooling heat treatment apparatus such as an RTA (Rapid Thermal Annealing) furnace or an RTO (Rapid Thermal Oxidation) furnace
  • a batch heat treatment apparatus vertical heat treatment apparatus, horizontal heat treatment apparatus.
  • damage may not be recovered to a level allowed for a product even when the predetermined heat treatment conditions are not appropriate or due to temperature unevenness inside the atmosphere in which the recovery heat treatment is performed.
  • damage after recovery heat treatment is evaluated by PL measurement, and a semiconductor wafer determined to have recovered to a preset level is subjected to the next step. As described above, this can prevent occurrence of waste as described above. Furthermore, it is possible to reduce the ratio of semiconductor wafers and semiconductor devices (defective product rate) that are finally determined as defective products. In addition, as described above, semiconductor wafers with insufficient damage recovery are once removed from the production line, subjected to additional recovery heat treatment, and then returned to the production line, thereby reducing the defective product rate in semiconductor wafer manufacturing and semiconductor device manufacturing. It can also be reduced.
  • the damage recovery evaluation by PL measurement will be described later.
  • PL measurement is performed on the surface of the semiconductor wafer that has been subjected to the above-described ion implantation treatment and recovery heat treatment and irradiated with ions in the above-described ion implantation treatment.
  • the following correlations were observed between the actual dose amount and the PL intensity, and between the degree of damage and the PL intensity. (1) The PL intensity may increase as the actual dose increases, and the PL intensity may decrease as the actual dose increases.
  • the actual dose evaluation and damage recovery evaluation can be performed using the value of the PL intensity obtained by the PL measurement.
  • an actual dose evaluation and damage recovery evaluation can be performed by analyzing the mapping image which shows in-plane distribution of PL intensity
  • the PL measurement in the present invention may be various types of PL measurements that are normally performed. From the viewpoint of ease of operation, it is preferable to perform PL measurement by a room temperature photoluminescence method (room temperature PL method) that does not require temperature control.
  • room temperature PL method a room temperature photoluminescence method
  • electron-hole pairs that is, carriers
  • excitation light having energy larger than the band gap of silicon
  • This light emission is called band edge light emission, and shows a light emission intensity at a wavelength of about 1.15 ⁇ m at room temperature (for example, 20-30 ° C.).
  • visible light is used as excitation light. Therefore, the PL intensity can be separated from the excitation light by measuring the light intensity with a wavelength of 950 nm or more, so that highly sensitive measurement is possible. From this point, it is preferable to measure the band edge emission intensity as the PL intensity.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a measuring apparatus based on a strong excitation microphotoluminescence method, in which 10 is a measuring apparatus, 1 is a laser light source, 2 is a half mirror, 3 is a photoluminescence detector, and 4 is autofocus.
  • Detector 5 a band pass filter, 6 an input meter, 7 an output meter, 8 a surface scattered light detector, and W a sample to be measured (semiconductor substrate).
  • the sample W to be measured is placed on an XY stage (not shown), and the excitation laser light is scanned in the X and Y directions on the wafer surface by operating the X / Y stage.
  • strength can be measured in each part in the surface of the evaluation object semiconductor wafer surface.
  • the PL measurement may be performed on the entire surface of the sample to be evaluated, or may be performed in a partial region.
  • the measurement result used for the actual dose evaluation and the damage recovery evaluation can be an average value of the PL intensity measured at each part on the entire surface of the evaluation target sample surface.
  • the measurement result used for the evaluation is a PL intensity measured in a partial region of the sample surface to be evaluated (PL intensity measured at one location in the region or a plurality of two or more locations in the region) The average value of the PL intensity measured in (1).
  • the mapping image showing the in-plane distribution of the PL intensity is analyzed by visual observation or known image analysis software regardless of the PL intensity value (for example, mapping of a standard sample prepared in advance with a degree of shading). The actual dose amount and the degree of damage recovery may be evaluated by comparing with the contrast of the image).
  • a desired amount can be obtained by a known evaluation method (the evaluation method here may be accompanied by destruction or contact, and the conventional evaluation method described above is given as an example). It is possible to use a semiconductor wafer that has been subjected to the same processing as that of a sample that has been confirmed to have been ion-implanted or that damage has been recovered to an extent acceptable for the product. Or, if the sample has been ion-implanted under the ion-implantation treatment conditions that have been confirmed in advance that the set dose and actual dose are not significantly different, create a calibration curve using the sample as a standard sample. May be used for In the mapping image, the PL intensity is shown to be high or low depending on the brightness of the mapping image by assigning the PL intensity high to low to, for example, black to white luminance (brightness or darkness).
  • the surface of a sample to be measured is irradiated with excitation light, and light emission generated when electron-hole pairs (carriers) excited by the excitation light are recombined is detected.
  • a passivation process for inactivating the surface of a sample to be measured that is irradiated with excitation light is performed as a pretreatment for improving measurement sensitivity.
  • processing such as heat treatment is performed.
  • such passivation treatment may be performed.
  • the recovery heat treatment can also serve as a passivation treatment. Therefore, the PL measurement may be performed without performing the passivation treatment after the recovery heat treatment. From the viewpoint of time, it is preferable to perform PL measurement without performing passivation treatment after the recovery heat treatment.
  • the actual dose evaluation and damage recovery evaluation can be performed by preparing a standard sample as described above and comparing the measurement results obtained by performing the PL measurement of this standard sample. For example, if a sample whose damage is recovered so that it can be regarded as having no effect on the PL intensity by recovery heat treatment is prepared as a standard sample, the PL intensity measured in the standard sample is very good with the actual dose. It can be said that they are correlated.
  • the PL intensity of the semiconductor wafer (evaluation wafer) whose damage has been recovered by the recovery heat treatment so that it can be regarded as having no influence on the PL intensity, as in the standard sample In contrast to the measured PL intensity, if the PL intensity of the wafer to be evaluated is within the range of PL intensity ⁇ X measured in the standard sample, it is determined that the actual dose is the same as that of the standard sample. Can do.
  • the above X can be arbitrarily set in consideration of the quality required for the product. It is preferable to set X to a smaller value so that a higher quality product is required.
  • two or more, preferably three or more standard samples with different doses are prepared as such standard samples, and the PL intensity of these standard samples is measured and prepared from the measured values.
  • the actual dose may be evaluated from the PL intensity of the evaluation object wafer using the calibration curve. Note that the evaluation of the actual dose amount in the present invention is not limited to obtaining a specific numerical value of the dose amount, and includes evaluation that the dose amount is within a certain range. Moreover, it is not necessary to obtain an accurate value of the amount of ions actually implanted into the wafer to be evaluated, as long as the expected actual dose amount can be evaluated.
  • the measurement result of the PL measurement tends to be strongly influenced by the damage.
  • the PL measurement for evaluating the actual dose is preferably performed after the recovery heat treatment.
  • the calibration curve can also be created as follows.
  • the PL strength is measured after subjecting a plurality of samples with different dose amounts to recovery heat treatment under the same conditions.
  • the degree of recovery of damage due to recovery heat treatment is not necessarily uniform within the wafer surface, but an area that can be considered to be sufficiently recovered, and recovery is uneven, insufficient or uneven and insufficient In some cases, such a region coexists in the wafer surface. These regions can be identified in a mapping image obtained by PL measurement, for example. Specific examples will be described later.
  • a calibration curve is created using the PL intensity in a partial region where it can be considered that the damage has been sufficiently recovered by the recovery heat treatment.
  • the calibration curve may be a straight line approximated by a known fitting method or a curve approximated by a known fitting method.
  • damage recovery can be evaluated as follows.
  • a semiconductor wafer that has been confirmed in advance to have the same actual dose by ion implantation is prepared as a sample. The fact that the actual dose amount is at the same level can be confirmed, for example, by the method described above for the standard sample.
  • These samples are subjected to recovery heat treatment under different conditions, and then PL measurement is performed.
  • a semiconductor device is manufactured using these samples, and evaluation performed on a product is performed. Thereby, the PL intensity of the sample determined to be shippable as a product can be adopted as a threshold for determining that the damage has been recovered to a preset level, and an actual damage recovery evaluation can be performed.
  • the actual dose evaluation and the damage recovery evaluation have been described.
  • the actual dose evaluation and the damage recovery evaluation can be performed for the same semiconductor wafer.
  • next step to be applied to the semiconductor wafer after evaluation damage to a level set in advance by a semiconductor wafer determined by ion implantation within a range set in advance by the above-described evaluation or a recovery heat treatment is performed.
  • the semiconductor wafer determined to have recovered is subjected to the next process.
  • a semiconductor wafer in which the amount of ion implantation in the ion implantation process is evaluated by the semiconductor wafer evaluation method according to one embodiment of the present invention and a semiconductor wafer in which the degree of recovery of damage by the recovery heat treatment is evaluated are as follows. What is determined to be applicable to the process can be applied to the next process.
  • the criterion for determining that the next process may be applied may be set according to the quality required for the product, and is not particularly limited.
  • the next process is not particularly limited, and examples thereof include various processes usually performed on a semiconductor wafer, such as a cleaning process before shipping a semiconductor wafer and a device forming process on the semiconductor wafer.
  • a known technique can be applied without any limitation.
  • the semiconductor wafer that has not been determined to be subjected to the next process as a result of the evaluation can be subjected to an additional ion implantation process or an additional recovery heat treatment, and is preferably performed.
  • semiconductor wafer manufacturing method and semiconductor wafer evaluation method according to one embodiment of the present invention described above, high-quality semiconductor wafers and semiconductor devices can be mass-produced. Furthermore, it is possible to reduce the defective product rate as described above.
  • strength described below is shown by a relative value, and a unit is arbitrary units (arbitrary unit: au).
  • the ion implantation process performed below is an ion implantation process in which it is confirmed in advance that the set dose amount and the actual dose amount are not significantly different.
  • band edge photoluminescence emission intensity map measurement was performed at a pitch of 500 ⁇ m using a PL measurement apparatus SiPHER manufactured by Nanometrics as the apparatus shown in FIG.
  • the measurement result of PL measurement is a result obtained using a light source having a wavelength of 532 nm as a measurement laser.
  • Table 1 shows the average PL intensity measured over the entire surface of each silicon wafer in the above PL measurement.
  • the PL intensity after the recovery heat treatment showed a higher value than the level 3 at the level 2 where the dose amount was small.
  • Level 2 is considered to have a higher PL intensity than Level 3 subjected to the same recovery heat treatment because the dose amount is less than Level 3 and damage caused by ion implantation is less.
  • the PL intensity after the recovery heat treatment is the same value as the PL intensity at level 1 without ion implantation, so at level 5 the damage was recovered to the state before ion implantation by the recovery heat treatment. I can confirm. From the above results, it can be confirmed that the degree of damage recovery can be evaluated by the PL intensity.
  • Example 1 of creating a calibration curve for evaluating the actual dose (1) Preparation of sample to be ion-implanted A plurality of n-type silicon wafers having a diameter of 200 mm (resistance: about 10 ⁇ ⁇ cm) were prepared. (2) Ion implantation treatment Using a commercially available ion implantation apparatus, phosphorus ions were implanted into each of a plurality of silicon wafers at different set doses shown in Table 2. (3) Recovery heat treatment Each silicon wafer after the above (2) was subjected to a heat treatment (heat treatment 1) at 1000 ° C. for 30 seconds in an RTA furnace. Then, after the following PL measurement, heat treatment (heat treatment 2) was performed at 1000 ° C.
  • PL measurement after recovery heat treatment After heat treatment 1 in (3) above and after heat treatment 2, PL measurement was performed on the surface of the silicon wafer irradiated with phosphorus ions in the ion implantation treatment in (2) above. PL measurement was performed using a light source with a wavelength of 532 nm and a light source with a wavelength of 830 nm, respectively, as measurement lasers.
  • Table 2 shows the average value of PL intensity (measurement laser wavelength: 532 nm) measured over the entire surface of each silicon wafer in the above PL measurement.
  • FIG. 2 plots the results shown in Table 2 and shows an approximate straight line that is linearly approximated by the least square method (creation of a calibration curve).
  • the square R 2 of the correlation coefficient R is 0.9 or more, and it can be determined that the reliability is high.
  • Example 2 of creating a calibration curve for evaluating the actual dose The silicon wafer subjected to ion implantation and recovery heat treatment is a p-type silicon wafer (resistance: about 10 ⁇ ⁇ cm) having a diameter of 200 mm, except that boron ions are ion-implanted at a set dose shown in Table 3 above. .
  • Various treatments and PL measurements were performed in the same manner as described above. The PL measurement was performed at measurement laser wavelengths of 532 nm and 830 nm, respectively.
  • FIG. 3 is a mapping image (500 ⁇ m ⁇ 500 ⁇ m square) obtained by performing PL measurement at a measurement laser wavelength of 830 nm after the heat treatment 2.
  • Table 3 shows the average value of the PL intensity (measurement laser wavelength: 532 nm) measured over the entire surface of each silicon wafer irradiated with ions.
  • the 150 ⁇ m ⁇ 150 ⁇ m square region (hereinafter also referred to as “selected region”) at the lower left of the image is other.
  • the PL intensity decreases as the damage increases.
  • the 150 ⁇ m ⁇ 150 ⁇ m square selected region has recovered the damage more uniformly or more uniformly than the other regions. That is, it is considered that the selected area has less influence on the PL intensity than other areas. Therefore, the average value of the PL intensity in the selected region (measured laser wavelength: 532 nm) was also obtained, and the values shown in Table 3 were obtained.
  • FIG. 4 plots the results shown in Table 3 and shows an approximate straight line that is linearly approximated by the least square method (creation of a calibration curve).
  • the square R 2 of the correlation coefficient R is 0.8 or more, and it can be determined that the reliability is high.
  • the square R 2 of the correlation coefficient of the approximate expression obtained from the PL intensity after the heat treatment 2 is closer to 1 than the approximate expression obtained from the PL intensity after the heat treatment 1, and in the selected region after the heat treatment 2. Since the square R 2 of the correlation coefficient of the approximate expression obtained from the PL intensity of 1 is 1, it can be confirmed that the reliability of the calibration curve can be increased as the influence of damage is reduced.
  • the approximate expression obtained from the PL intensity in the selected region after the heat treatment 2 has a correlation coefficient square R 2 of 1, and can be regarded as substantially free from damage. Therefore, the difference in PL intensity obtained by subtracting the PL intensity calculated by using this approximate expression as a calibration curve from the PL intensity measured after heat treatment 1 or heat treatment 2 for a certain dose amount does not substantially include the influence of ion implantation. It is considered that the influence of damage remaining after heat treatment 1 and heat treatment 2 is reflected. In one embodiment, the degree of damage remaining after the recovery heat treatment can be determined based on such a difference.
  • the square R 2 of the correlation coefficient of the calibration curve is 1, but it is not limited to this example.
  • FIG. 5 shows mapping images obtained by PL measurement performed by changing the measurement laser wavelength after the recovery heat treatment for the levels 1 to 3 shown in FIG.
  • the upper column of FIG. 5 is a mapping image obtained by PL measurement at a measurement laser wavelength of 830 nm
  • the lower column is a mapping image obtained by PL measurement at a measurement laser wavelength of 532 nm.
  • the mapping image shown in FIG. 5 when the upper column and the lower column are compared, the lower column is an image having a larger contrast.
  • a large contrast means that a slight difference in damage or ion implantation amount is detected with high sensitivity, that is, the measurement sensitivity is high.
  • the measurement depth light penetration length
  • the evaluation results of PL measurement at a measurement laser wavelength of 830 nm are as described in 1. above. In contrast, it is considered that the influence of a region deeper than the region implanted by ion implantation is included, and the evaluation result of the PL measurement at the measurement laser wavelength of 532 nm has little or no influence of such a deep region. it is conceivable that.
  • the present inventors speculate that the evaluation result of the PL measurement at the measurement laser wavelength of 532 nm more reflects the state of the ion-implanted region and the reason for the difference. From this result, the present inventors believe that more sensitive measurement is possible by performing PL measurement using a laser beam having a wavelength that brings the light penetration length closer to the depth of the ion-implanted region. Yes.
  • the present invention is useful in the semiconductor wafer manufacturing field and the semiconductor device manufacturing field.

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Abstract

半導体ウェーハの製造方法であって、半導体ウェーハの表面に向かってイオンを照射しイオン注入処理を施すことおよび予め設定した範囲内のイオン注入量でイオン注入が行われたと判定された半導体ウェーハを次工程に付すことを含み、上記イオン注入処理と上記次工程との間に、上記イオン注入処理後の半導体ウェーハの上記表面においてフォトルミネッセンス測定を行うことを更に含み、上記判定を、上記フォトルミネッセンス測定の測定結果に基づき行う半導体ウェーハの製造方法が提供される。

Description

半導体ウェーハの製造方法および半導体ウェーハの評価方法 関連出願の相互参照
　本出願は、２０１５年４月１０日出願の日本特願２０１５－８０５３７号の優先権を主張し、その全記載は、ここに特に開示として援用される。
　本発明は、半導体ウェーハの製造方法および半導体ウェーハの評価方法に関する。
　半導体デバイスの製造に用いられる半導体ウェーハの表面に各種イオンを照射しイオンを注入すること（イオン注入処理、イオンインプランテーション（Ion implantation）、イオンインプラ等と呼ばれる。）が広く行われている。
　イオン注入された半導体ウェーハについては、従来、以下のような評価が行われていた。
（１）四探針法によって抵抗率測定を行い、測定された抵抗率から注入されたドーパントイオン量を求めることにより、イオン注入処理によるドーパントイオンの注入量（「ドーズ量」とも呼ばれる。）を評価する方法；
（２）測定対象試料にショットキー電極を作製し、Ｃ－Ｖ測定（容量－電圧測定）を行い、測定結果から注入されたドーパントイオン量を求めることにより、イオン注入処理によるドーパントイオンのドーズ量を評価する方法；
（３）二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）により、イオン注入により注入されたイオンのドーズ量を評価する方法（例えば特開平７－２４５２７５号公報、その全記載は、ここに特に開示として援用される、参照）。
　イオン注入処理では、通常、イオン注入装置において予めドーズ量の設定を行う。しかるに実際の製造工程では、各種要因により、必ずしも設定した通りのドーズ量でイオン注入が行われるとは限らない。ここでドーズ量不足またはドーズ量過多となってしまった半導体ウェーハを次工程（例えば、半導体ウェーハ出荷前の洗浄や半導体ウェーハ上へのデバイス形成工程等）に付してしまうと、得られる半導体ウェーハや半導体デバイスは、最終的な製品出荷前検査において不良品と判定されてしまう。これでは、最終的に不良品となってしまうにもかかわらず時間や費用をかけて各種処理を施すという無駄が生じてしまう。
　また、イオン注入された半導体ウェーハには、イオン注入によるダメージ（結晶性の乱れ等）が生じると言われている。そこで、イオン注入後にダメージを回復するための回復熱処理が通常行われている。しかし、この回復熱処理によるダメージの回復が十分ではない半導体ウェーハを次工程に付すと、上記と同様に無駄が生じてしまう。
　そこで、実際の製造工程において、製造ラインにイオン注入処理後の半導体ウェーハを評価（いわゆるインラインモニタリング）する工程を設け、設定した通りの、または設定した値に近いドーズ量でイオン注入が行われたと判定された半導体ウェーハを次工程に付すことができれば、上記の無駄を生じることなく、生産性よく半導体ウェーハや半導体デバイスを量産することができる。同様に、実際の製造工程において、製造ラインにイオン注入処理後に回復熱処理が施された半導体ウェーハを評価する（インラインモニタリング）工程を設け、製品に許容される程度にダメージが回復したと判定された半導体ウェーハを次工程に付すことができれば、上記の無駄を生じることなく、生産性よく半導体ウェーハや半導体デバイスを量産することができる。
　または、そのようなインラインモニタリングを行うことで、ドーズ量不足の半導体ウェーハを製造ラインからいったん取り出し、不足しているドーズ量を補うべく追加のイオン注入を行った後に製造ラインに戻すことにより、半導体ウェーハ製造や半導体デバイス製造における不良品率を低減することも可能となる。同様に、ダメージ回復が不十分な半導体ウェーハを製造ラインからいったん取り出し、追加の回復熱処理を施した後に製造ラインに戻すことにより、半導体ウェーハ製造や半導体デバイス製造における不良品率を低減することも可能となる。
　上記のようなインラインモニタリングを行うための評価方法は、測定対象試料（イオン注入後や回復熱処理後の半導体ウェーハ）を破壊せず、かつ測定対象試料に接触しない方法（非破壊・非接触法）であることが望ましい。しかるに、前述の従来行われていた評価方法は、いずれも測定対象試料を破壊するか、または測定対象試料に分析機器（例えば探針等）を接触させなければ実施することができないため、インラインモニタリングに適用することは困難である。
　本発明の一態様は、イオン注入処理後や回復熱処理後の半導体ウェーハを、非破壊かつ非接触に評価する（インラインモニタリング）工程を含む半導体ウェーハの製造方法を提供する。
　本発明者らは鋭意検討を重ねた結果、非破壊かつ非接触な手法であるフォトルミネッセンス（Photoluminescence；以下、「ＰＬ」とも記載する。）測定により得られる測定結果が、イオン注入処理により注入されたイオンのドーズ量や、回復熱処理後に残存するダメージの程度と良好に相関するという、従来知られていなかった新たな知見を得た。かかる知見に基づき本発明者らは更なる検討を重ねた結果、本発明を完成させた。
　本発明の一態様は、
　半導体ウェーハの製造方法であって、
　半導体ウェーハの表面に向かってイオンを照射しイオン注入処理を施すこと、および、
予め設定した範囲内のイオン注入量でイオン注入が行われたと判定された半導体ウェーハを次工程に付すこと、
を含み、
　上記イオン注入処理と上記次工程との間に、上記イオン注入処理後の半導体ウェーハの上記表面においてフォトルミネッセンス測定を行うことを更に含み、
　上記判定を、上記フォトルミネッセンス測定の測定結果に基づき行う半導体ウェーハの製造方法、
　に関する。
　一態様では、上記半導体ウェーハの製造方法は、上記イオン注入処理後の半導体ウェーハに、イオン注入によるダメージを回復するための回復熱処理を施すことを含み、上記フォトルミネッセンス測定は、上記回復熱処理後に行われる。
　一態様では、上記測定結果は、フォトルミネッセンス強度である。
　一態様では、上記フォトルミネッセンス強度は、上記半導体ウェーハ表面の全面または一部領域において測定されるフォトルミネッセンス強度である。
　本発明の更なる態様は、
　半導体ウェーハの製造方法であって、
　半導体ウェーハの表面に向かってイオンを照射しイオン注入処理を施すこと、
　上記イオン注入処理後の半導体ウェーハに、イオン注入によるダメージを回復するための回復熱処理を施すこと、および、
　予め設定した水準までダメージが回復したと判定された半導体ウェーハを次工程に付すこと、
を含み、
　上記回復熱処理と上記次工程との間に、上記イオン注入処理においてイオンが照射された半導体ウェーハの上記表面においてフォトルミネッセンス測定を行うことを更に含み、
　上記判定を、上記フォトルミネッセンス測定の測定結果に基づき行う半導体ウェーハの製造方法、
　に関する。
　一態様では、上記測定結果は、フォトルミネッセンス強度である。
　一態様では、上記注入されるイオンは、ドーパントイオン、アルゴンイオンおよび炭素イオンからなる群から選択される。
　一態様では、上記半導体ウェーハは、シリコンウェーハである。
　本発明の更なる態様は、
　イオン注入処理が施された半導体ウェーハの評価方法であって、
　上記イオン注入処理は、半導体ウェーハ表面に向かってイオンを照射することにより行われ、
　上記イオン注入処理後の半導体ウェーハの上記表面においてフォトルミネッセンス測定を行い、この測定結果に基づき上記イオン注入処理におけるイオン注入量を評価する半導体ウェーハの評価方法、
　に関する。
　一態様では、上記フォトルミネッセンス測定が行われる半導体ウェーハは、上記イオン注入処理後に、イオン注入によるダメージを回復するための回復熱処理が施された半導体ウェーハである。
　本発明の更なる態様は、
　半導体ウェーハの評価方法であって、
　評価対象の半導体ウェーハは、この半導体ウェーハ表面に向かってイオンを照射することによりイオン注入処理が施され、かつこのイオン注入処理後に、イオン注入によるダメージを回復するための回復熱処理が施された半導体ウェーハであり、
　上記回復熱処理後の半導体ウェーハの上記表面においてフォトルミネッセンス測定を行い、この測定結果に基づき上記回復熱処理によるダメージの回復の程度を評価する、上記半導体ウェーハの評価方法、
　に関する。
　一態様では、上記注入されるイオンは、ドーパントイオン、アルゴンイオンおよび炭素イオンからなる群から選択される。
　一態様では、上記半導体ウェーハは、シリコンウェーハである。
　本発明の一態様によれば、イオン注入によるドーズ量や回復熱処理によるダメージの回復をインラインモニタリングにより評価することができ、これにより高品質な半導体ウェーハや半導体デバイスを量産することが可能となる。
強励起顕微フォトルミネッセンス法に基づく測定装置の概略図である。 ｎ型シリコンウェーハについて、実ドーズ量評価のために作成した検量線の具体例を示す。 後述の具体例に示すｐ型シリコンウェーハにおけるホウ素イオンのイオン注入処理後および回復熱処理後に得たマッピング画像を示す。 ｐ型シリコンウェーハについて、実ドーズ量評価のために作成した検量線の具体例を示す。 後述の具体例に示すｐ型シリコンウェーハにおけるアルゴンイオンのイオン注入処理後および回復熱処理後に得たマッピング画像を示す。
　本発明の一態様にかかる半導体ウェーハの製造方法は、
　半導体ウェーハの表面に向かってイオンを照射しイオン注入処理を施すこと、および、
　予め設定した範囲内のイオン注入量でイオン注入が行われたと判定された半導体ウェーハを次工程に付すこと、
を含み、
　上記イオン注入処理と上記次工程との間に、上記イオン注入処理後の半導体ウェーハの上記表面においてフォトルミネッセンス測定を行うことを更に含み、
　上記判定を、上記フォトルミネッセンス測定の測定結果に基づき行う。
　本発明の一態様にかかる半導体ウェーハの評価方法は、
　イオン注入処理が施された半導体ウェーハの評価方法であって、
　上記イオン注入処理は、半導体ウェーハ表面に向かってイオンを照射することにより行われ、
　上記イオン注入処理後の半導体ウェーハの上記表面においてフォトルミネッセンス測定を行い、該測定結果に基づき上記イオン注入処理におけるイオン注入量を評価する。
　本発明の他の一態様にかかる半導体ウェーハの製造方法は、
　半導体ウェーハの表面に向かってイオンを照射しイオン注入処理を施すこと、
　上記イオン注入処理後の半導体ウェーハに、イオン注入によるダメージを回復するための回復熱処理を施すこと、および、
　予め設定した水準までダメージが回復したと判定された半導体ウェーハ上を次工程に付すこと、
を含み、
　上記回復熱処理と上記次工程との間に、上記イオン注入処理においてイオンが照射された半導体ウェーハの上記表面においてフォトルミネッセンス測定を行うことを更に含み、
　上記判定を、上記フォトルミネッセンス測定の測定結果に基づき行う。
　本発明の他の一態様にかかる半導体ウェーハの評価方法は、
　評価対象の半導体ウェーハは、該半導体ウェーハ表面に向かってイオンを照射することによりイオン注入処理が施され、かつ該イオン注入処理後に、イオン注入によるダメージを回復するための回復熱処理が施された半導体ウェーハであり、
　上記回復熱処理後の半導体ウェーハの上記表面においてフォトルミネッセンス測定を行い、該測定結果に基づき上記回復熱処理によるダメージの回復の程度を評価する。
　上記の製造方法および評価方法は、いずれも、イオン注入処理が施された半導体ウェーハを非破壊かつ非接触な手法であるＰＬ測定により評価することを含む。これにより、イオン注入処理により注入されたイオンのドーズ量や、回復熱処理後に残存するダメージの程度を非破壊かつ非接触に評価することができる。
　以下、本発明の一態様にかかる半導体ウェーハの製造方法および半導体ウェーハの評価方法について、更に詳細に説明する。
［評価対象半導体ウェーハ］
　評価対象半導体ウェーハは、例えばシリコンウェーハである。ただし、評価対象半導体ウェーハは、シリコンウェーハに限定されるものではなく、デバイス作製に通常用いられる各種半導体ウェーハであることができる。
　半導体ウェーハの導電型は、ｐ型であってもｎ型であってもよい。評価対象半導体ウェーハがいずれの導電型の半導体ウェーハであっても、本発明によれば、イオン注入によるドーズ量や回復熱処理後に残存するダメージの程度を非破壊かつ非接触に評価することができる。なお評価対象半導体ウェーハのサイズは、例えば直径２００ｍｍ、３００ｍｍ、４５０ｍｍであることができるが、これより小さくても大きくてもよく、特に限定されるものではない。
［イオン注入処理］
　イオン注入処理は、半導体ウェーハの表面に向かってイオンを照射することにより行われる。イオン注入処理は、公知のイオン注入装置によって行えばよい。半導体ウェーハ表面に注入され注入されるイオンとしては、半導体ウェーハに通常注入される各種イオン、例えば、ドーパントイオン（ホウ素（B）イオン、リン（P）イオン、ヒ素（As）イオン、アンチモン（Sb）イオン等）、アルゴンイオン、炭素イオン、シリコンイオン、ゲルマニウムイオン、水素イオン、ヘリウムイオン、酸素イオン、窒素イオン、フッ素イオン等を挙げることができる。また、半導体ウェーハ表面にクラスターイオンを照射することもできる。クラスターイオンとは、原子や分子の集合体（クラスター）からなるイオンであり、クラスターイオンを照射することにより、一度のイオン照射により複数種のイオンを半導体ウェーハに注入することができる。一例として、
炭素およびドーパント元素の両方を含む化合物をイオン化したクラスターイオンを照射することにより、炭素イオンとドーパントイオンを一度のイオン照射により半導体ウェーハに注入することができる。
　イオン注入処理では、通常、イオン注入装置において予めドーズ量（以下、「設定ドーズ量」と記載する。）の設定を行う。設定ドーズ量は、例えばドーパントイオンを注入するのであれば所望の抵抗率に応じて設定することができる。また、各種イオンの設定ドーズ量は、イオン注入により半導体ウェーハに付与すべき性質（例えばゲッタリング能）や改質の程度に応じて設定すればよい。ただし先に記載したように、設定ドーズ量とイオン注入処理における実際のイオン注入量（以下、「実ドーズ量」ともいう。）は、必ずしも一致するとは限らない。そこで本発明の一態様にかかる製造方法では、ＰＬ測定により実ドーズ量を評価し、予め設定した範囲内のドーズ量でイオン注入が行われたと判定された半導体ウェーハを、次工程に付す。前述のように、これにより、先に記載したような無駄が発生することを防ぐことができる。更に、最終的に不良品と判定されてしまう半導体ウェーハや半導体デバイスの割合（不良品率）を低減することも可能となる。加えて、前述のように、ドーズ量不足の半導体ウェーハに追加のイオン注入を行った後に製造ラインに戻すことによって、不良品率を低減することができる。
　ＰＬ測定による実ドーズ量評価については、更に後述する。
［回復熱処理］
　上記イオン注入処理では、通常、半導体ウェーハ中で、エネルギーをもったイオンが半導体ウェーハを構成する原子（例えばシリコンウェーハ中のケイ素原子）と衝突することで結晶性が乱れる現象が発生する（ダメージの発生）。このダメージは、熱処理（回復熱処理）によって回復することができる。回復熱処理は、例えば、９００℃以上１２００℃以下の温度で１０秒以上１時間以下程度行うことができる。なお本明細書において、回復熱処理等の各種処理に関して記載する温度は、かかる処理が行われる雰囲気温度をいうものとする。回復熱処理は、異なる熱処理条件での２回以上の熱処理を含んでもよい。回復熱処理は、例えば、ＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）炉やＲＴＯ（Rapid Thermal Oxidation）炉等の急速昇降温熱処理装置や、バッチ式熱処理装置（縦型熱処理装置、横型熱処理装置）を用いて行うことができる。ただし、例えば、設定ドーズ量と実ドーズ量が大きく異なる場合等には、予め決定していた熱処理条件で回復熱処理を行ったとしても、製品に許容されるレベルまでダメージが回復しないことが起こり得る。また、予め決定していた熱処理条件が適切ではなかった場合や、回復熱処理を行う雰囲気内の内部の温度ムラによっても、製品に許容されるレベルまでダメージが回復しないことが起こり得る。ここで本発明の一態様にかかる製造方法では、ＰＬ測定により回復熱処理後のダメージを評価し、予め設定した水準までダメージが回復したと判定された半導体ウェーハを、次工程に付す。前述のように、これにより、先に記載したような無駄が発生することを防ぐことができる。更に、最終的に不良品と判定されてしまう半導体ウェーハや半導体デバイスの割合（不良品率）を低減することも可能となる。加えて、前述のように、ダメージ回復が不十分な半導体ウェーハを製造ラインからいったん取り出し、追加の回復熱処理を施した後に製造ラインに戻すことにより、半導体ウェーハ製造や半導体デバイス製造における不良品率を低減することも可能となる。
　ＰＬ測定によるダメージ回復評価については、更に後述する。
［フォトルミネッセンス（ＰＬ）測定による実ドーズ量評価、ダメージ回復評価］
　本発明では、上記のイオン注入処理や回復熱処理が施された半導体ウェーハの、上記イオン注入処理においてイオンが照射された表面において、ＰＬ測定を行う。本発明者らが見出した新たな知見によれば、実ドーズ量とＰＬ強度との間、およびダメージの程度とＰＬ強度との間には、以下の相関が見られた。
（１）実ドーズ量が多いほどＰＬ強度が高くなる場合と、実ドーズ量が多いほどＰＬ強度が低下する場合がある。例えば、ｎ型シリコンウェーハとｐ型シリコンウェーハとを対比すると、ｎ型は前者となる傾向があり、ｐ型は後者となる傾向がある。
（２）ダメージが多く含まれているほど、ＰＬ強度は低下する傾向がある。
　そこで本発明では、上記相関を利用し、一態様では、ＰＬ測定により得られたＰＬ強度の値を用いて、実ドーズ量評価やダメージ回復評価を行うことができる。また、他の一態様では、ＰＬ強度の面内分布を示すマッピング画像を目視または公知の画像解析ソフトにより解析することにより、実ドーズ量評価やダメージ回復評価を行うことができる。
　それら評価の具体的態様は更に後述する。ただし後述する具体的態様は例示であって、本発明はこれらに限定されず、ＰＬ測定の測定結果に基づき実ドーズ量評価やダメージ回復評価を行う各種態様が、本発明に包含される。
＜ＰＬ測定の測定方法＞
　本発明におけるＰＬ測定は、通常行われる各種ＰＬ測定であればよい。操作の簡便性の観点からは、温度制御が不要な室温フォトルミネッセンス法（室温ＰＬ法）により、ＰＬ測定を行うことが好ましい。シリコンウェーハを例にとると、室温ＰＬ法では、試料ウェーハ表面から入射させた、シリコンのバンドギャップよりエネルギーの大きな励起光により表面近傍で発生させた電子正孔対（すなわちキャリア）が、ウェーハ内部に拡散しながら発光して消滅していく。この発光は、バンド端発光と呼ばれ、室温（例えば２０～３０℃）での波長が約１．１５μｍの発光強度を示す。通常、フォトルミネッセンス法では、励起光として可視光が使用される。したがって、ＰＬ強度としては、波長９５０ｎｍ以上の光強度を測定すれば励起光から分離することができるため高感度な測定が可能となる。この点からは、ＰＬ強度としてバンド端発光強度を測定することが好ましい。
　室温ＰＬ法によるＰＬ強度の測定に使用可能な装置の一例としては、強励起顕微フォトルミネッセンス法に基づいた測定方法を挙げることができる。強励起顕微フォトルミネッセンス法とは、可視光レーザーによりシリコン中のキャリアを励起させ、さらに励起されたキャリアが直接、バンドギャップ間で再結合する際に発生する発光（バンド端発光）強度を検出するものである。図１は、強励起顕微フォトルミネッセンス法に基づく測定装置の概略図であり、同図において、１０は測定装置、１はレーザー光源、２はハーフミラー、３はフォトルミネッセンス検出器、４はオートフォーカス用検出器、５はバンドパスフィルター、６は入力計、７は出力計、８は表面散乱光検出器、Ｗは測定対象試料（半導体基板）である。測定対象試料Ｗは、図示しないＸ・Ｙステージ上に載置されており、Ｘ・Ｙステージが作動することで、励起レーザー光がウェーハ面のＸ方向、Ｙ方向にスキャニングされる。これにより評価対象半導体ウェーハ表面の面内各部においてＰＬ強度を測定することができる。ＰＬ測定は、評価対象試料表面の全面において行ってもよく、一部領域において行ってもよい。一態様では、実ドーズ量評価やダメージ回復評価に用いる測定結果は、評価対象試料表面の全面の各部において測定されたＰＬ強度の平均値であることができる。他の一態様では、上記評価に用いる測定結果は、評価対象試料表面の一部領域において測定されたＰＬ強度（当該領域の１箇所で測定されたＰＬ強度または当該領域の２箇所以上の複数箇所で測定されたＰＬ強度の平均値）であることができる。また、ＰＬ強度の数値によらずに、ＰＬ強度の面内分布を示すマッピング画像を目視または公知の画像解析ソフトにより解析することにより（例えば濃淡の程度を予め準備しておいた標準試料のマッピング画像の濃淡と比較することにより）、実ドーズ量やダメージ回復の程度を評価してもよい。上記の標準試料としては、例えば、公知の評価方法（ここでの評価方法は、破壊や接触を伴うものであってもよく、一例として前述の従来の評価法が挙げられる。）により、所望量のイオンが注入されたことや製品に許容される程度までダメージが回復したことが確認された試料と同じ処理が施された半導体ウェーハを用いることができる。または、設定ドーズ量と実ドーズ量が大きく相違しないことが予め確認されたイオン注入処理条件によりイオン注入が行われた試料であれば、かかる試料を標準試料として用いて設定ドーズ量を検量線作成のために用いてもよい。なお上記マッピング画像は、ＰＬ強度の高～低を、例えば黒～白の輝度（明暗の度合い）に割り当てることでマッピング画像の明暗によりＰＬ強度の高低が示されている。
　ところで、ＰＬ測定では、測定対象試料表面に励起光を照射し、この励起光により励起された電子正孔対（キャリア）が再結合する際に生じる発光を検出する。一般的なＰＬ測定では、測定感度向上のための前処理として、励起光が照射される測定対象試料表面を不活性化するパッシベーション処理が行われる。かかるパッシベーション処理としては、一般に熱処理等の公知の処理が行われる。本発明においても、一態様ではそのようなパッシベーション処理を施してもよい。ただし、回復熱処理後にＰＬ測定を行う場合には、回復熱処理がパッシべーション処理を兼ねることができるため、回復熱処理後にパッシベーション処理を行わずにＰＬ測定を行ってもよく、工程の簡略化や短時間化の観点からは、回復熱処理後にパッシベーション処理を行わずにＰＬ測定を行うことが好ましい。
＜実ドーズ量評価の具体的態様＞
　一態様では、先に記載したような標準試料を準備し、この標準試料のＰＬ測定を行い得られた測定結果と対比することにより、実ドーズ量評価やダメージ回復評価を行うことができる。例えば、標準試料として、回復熱処理によって、ＰＬ強度に影響を及ぼさないと見なすことができるほどダメージが回復した試料を準備すれば、標準試料において測定されるＰＬ強度は、実ドーズ量ときわめて良好に相関していると言える。したがって、一態様では、上記標準試料と同様に、ＰＬ強度に影響を及ぼさないと見なすことができるほど回復熱処理によりダメージが回復された半導体ウェーハ（評価対象ウェーハ）のＰＬ強度を、上記標準試料において測定されたＰＬ強度と対比し、評価対象ウェーハのＰＬ強度が、上記標準試料において測定されたＰＬ強度±Ｘの範囲内であるならば、標準試料と同様の実ドーズ量であると判定することができる。ここで上記のＸは、製品に求められる品質を考慮し、任意に設定することができる。高品質な製品が求められるほどＸは小さな値に設定することが好ましい。
　また、他の一態様では、そのような標準試料として、ドーズ量の異なる標準試料を２つ以上、好ましくは３つ以上準備し、これら標準試料のＰＬ強度を測定し、測定された値から作成した検量線を用いて、上記評価対象ウェーハのＰＬ強度から実ドーズ量を評価してもよい。なお本発明における実ドーズ量の評価は、ドーズ量の具体的数値を求めることに限定されず、ドーズ量がある範囲内にあると評価することも包含される。また、評価対象ウェーハに実際に注入されたイオン量の正確な値を求めることまでは要さず、予想される実ドーズ量を評価できればよい。
　イオン注入処理後であって回復熱処理前の半導体ウェーハには、通常、イオン注入によるダメージが多く含まれているため、ＰＬ測定の測定結果がダメージの影響を強く受ける傾向がある。そのようなダメージの影響を低減するためには、実ドーズ量の評価のためのＰＬ測定は、回復熱処理後に行うことが好ましい。
　一態様では、検量線は、以下のように作成することもできる。
　ドーズ量の異なる複数の試料に同条件での回復熱処理を施した後、ＰＬ強度を測定する。回復熱処理によるダメージの回復の程度は、必ずしもウェーハ面内で均一であるとは限らず、十分に回復していると見なすことができる領域と、回復が不均一、不十分または不均一かつ不十分な領域とがウェーハ面内に共存している場合もある。これら領域は、例えば、ＰＬ測定により得られたマッピング画像において判別することができる。具体例は後述する。このような場合には、回復熱処理によりダメージが十分に回復していると見なすことができる一部領域におけるＰＬ強度を用いて検量線を作成する。これにより、ダメージの影響を低減して検量線を作成することができるため、検量線による実ドーズ量の評価の信頼性を高めることができる。
　なお、上記いずれの態様においても、検量線は、公知のフィッティング法により線形近似した直線であってもよく、公知のフィッティング法により曲線近似した曲線であってもよい。
＜ダメージ回復評価の具体的態様＞
　先に記載したように、半導体ウェーハにイオン注入によるダメージが多く含まれているほど、ＰＬ強度は低下する傾向がある。そこで、一態様では、以下のようにダメージ回復を評価することができる。
　イオン注入処理による実ドーズ量が同水準であることが予め確認された半導体ウェーハを試料として準備する。なお実ドーズ量が同水準であることは、例えば、先に標準試料に関して記載した手法により確認することができる。これら試料に、異なる条件で回復熱処理を施した後、ＰＬ測定を行う。次に、これら試料を用いて半導体デバイスを作製し、製品に行われる評価を実施する。これにより製品として出荷可能と判定された試料のＰＬ強度を、予め設定した水準までダメージが回復したと判定するための閾値として採用し、実際のダメージ回復評価を行うことができる。
　以上では、実ドーズ量評価およびダメージ回復評価についてそれぞれ説明したが、本発明では、同一半導体ウェーハについて、実ドーズ量の評価とダメージ回復評価を併せて行うこともできる。
［上記評価後の半導体ウェーハに施される次工程］
　本発明の一態様にかかる半導体ウェーハの製造方法では、以上説明した評価によって予め設定した範囲内のイオン注入量でイオン注入が行われたと判定された半導体ウェーハや回復熱処理により予め設定した水準までダメージが回復したと判定された半導体ウェーハは、次工程に付される。
　また、本発明の一態様にかかる半導体ウェーハの評価方法によりイオン注入処理におけるイオン注入量が評価された半導体ウェーハや回復熱処理によるダメージの回復の程度が評価された半導体ウェーハも、評価の結果、次工程に付してよいと判定されたものは、次工程に付すことができる。ここで次工程に付してよいと判定する判定基準は、製品に求められる品質に応じて設定すればよく、特に限定されるものではない。
　次工程としては、特に限定されるものではなく、例えば、半導体ウェーハ出荷前の洗浄や半導体ウェーハ上へのデバイス形成工程等の半導体ウェーハに通常施される各種処理を挙げることができる。かかる次工程については、公知技術を何ら制限なく適用することができる。
　なお先に記載したように、上記評価の結果、次工程に付してよいと判定されなかった半導体ウェーハには、追加のイオン注入工程や追加の回復熱処理を施すことができ、施すことが好ましい。
　以上説明した本発明の一態様にかかる半導体ウェーハの製造方法および半導体ウェーハの評価方法によれば、高品質な半導体ウェーハや半導体デバイスを量産することが可能となる。更に、先に記載したように不良品率を低減することも可能となる。
　以下、本発明を具体例を示し更に説明する。ただし本発明は、以下に示す具体例に限定されるものではない。
　なお以下に記載のＰＬ強度は相対値で示し、単位は任意単位（arbitrary unit:a.u.）である。
　また、以下で実施したイオン注入処理は、設定ドーズ量と実ドーズ量が大きく相違しないことが予め確認されたイオン注入処理である。
　以下のＰＬ測定では、図１に示す装置として、Nanometrics社製のＰＬ測定装置SiPHERを用い、５００μｍピッチでバンド端フォトルミネッセンス発光強度マップ測定を行った。特記しない限り、ＰＬ測定の測定結果は、測定レーザーとして波長５３２ｎｍの光源を利用して得られた結果である。
１．回復熱処理の違いによるＰＬ強度変化の確認
（１）イオン注入対象試料の準備
　直径２００ｍｍのｐ型のシリコンウェーハ（抵抗：約１０Ω・ｃｍ）を複数準備した。
（２）イオン注入処理
　市販のイオン注入装置を用いて、表１に示すイオン（アルゴンイオン、ホウ素イオンまたは炭素イオン）を、複数のシリコンウェーハのそれぞれに異なる設定ドーズ量（イオン注入なしの水準を含む）で注入した。
（３）イオン注入処理後のＰＬ測定
　上記（２）のイオン注入処理後のシリコンウェーハに、イオン注入処理でアルゴンイオンを照射した表面にパッシベーション処理（熱処理）を施した後に、同表面でＰＬ測定を行った。
（４）回復熱処理
　上記（３）の後の各シリコンウェーハに、横型熱処理炉において１０００℃で３０分間回復熱処理を施した。
（５）回復熱処理後のＰＬ測定
　上記（４）の回復熱処理後のシリコンウェーハの、上記（２）のイオン注入処理でアルゴンイオンを照射した表面において、ＰＬ測定を行った。なお上記（４）の回復熱処理がパッシベーション処理を兼ねることができるため、ここでは更なるパッシベーション処理は行わなかった。以下に記載の回復熱処理後のＰＬ測定についても、同様である。
　以上のＰＬ測定において、各シリコンウェーハの上記表面の全面において測定したＰＬ強度の平均値を、表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１に示すように、イオン注入無しの水準１において、回復熱処理前後でＰＬ強度は変化しなかった。これに対し、イオンを注入した水準２～５では、回復熱処理後のＰＬ強度は、回復熱処理前のＰＬ強度より高かった。また、アルゴンイオンを注入した水準２と水準３とを対比すると、回復熱処理後のＰＬ強度は、ドーズ量が少ない水準２が、水準３より高い値を示した。水準２は、水準３よりドーズ量が少なくイオン注入によって発生したダメージが少ないため、同じ回復熱処理を施した水準３よりＰＬ強度が高くなったと考えられる。加えて、水準５では、回復熱処理後のＰＬ強度が、イオン注入無しの水準１のＰＬ強度と同じ値であることから、水準５では回復熱処理によってダメージがイオン注入前の状態まで回復したことも確認できる。
　以上の結果から、ＰＬ強度によりダメージ回復の程度が評価可能であることが確認できる。
２．実ドーズ量評価のための検量線の作成例１
（１）イオン注入対象試料の準備
　直径２００ｍｍのｎ型のシリコンウェーハ（抵抗：約１０Ω・ｃｍ）を複数準備した。
（２）イオン注入処理
　市販のイオン注入装置を用いて、リンイオンを、複数のシリコンウェーハのそれぞれに表２に示す異なる設定ドーズ量で注入した。
（３）回復熱処理
　上記（２）の後の各シリコンウェーハに、ＲＴＡ炉において１０００℃で３０秒間熱処理（熱処理１）を施した。
　その後、下記のＰＬ測定後に、横型熱処理炉において１０００℃で１０分間熱処理（熱処理２）を施した。
（４）回復熱処理後のＰＬ測定
　上記（３）の熱処理１の後、熱処理２の後に、それぞれ、上記（２）のイオン注入処理でリンイオンを照射したシリコンウェーハ表面において、ＰＬ測定を行った。ＰＬ測定は、測定レーザーとして、波長５３２ｎｍの光源、波長８３０ｎｍの光源を用いて、それぞれ行った。
　以上のＰＬ測定において、各シリコンウェーハの上記表面の全面において測定したＰＬ強度の平均値（測定レーザー波長：５３２ｎｍ）を、表２に示す。図２には、表２に示す結果をプロットし、最小二乗法により線形近似した近似直線を示す（検量線の作成）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　近似式については、相関係数Ｒの二乗Ｒ2が１に近いほど、近似式の信頼性が高いと判断される。図２に示した線形近似の近似式は、いずれも相関係数Ｒの二乗Ｒ2が０．９以上であり、信頼性が高いと判断できる。
３．実ドーズ量評価のための検量線の作成例２
　イオン注入処理および回復熱処理を施すシリコンウェーハとして、直径２００ｍｍのｐ型のシリコンウェーハ（抵抗：約１０Ω・ｃｍ）を用いて表３に示す設定ドーズ量でホウ素イオンをイオン注入した点以外、上記２．と同様に各種処理およびＰＬ測定を行った。ＰＬ測定は、測定レーザー波長５３２ｎｍ、８３０ｎｍでそれぞれ実施した。図３は、熱処理２後に測定レーザー波長８３０ｎｍでＰＬ測定を行い得られたマッピング画像（５００μｍ×５００μｍ角）である。
　上記２．と同様に、各シリコンウェーハのイオン照射した表面の全面において測定したＰＬ強度の平均値（測定レーザー波長：５３２ｎｍ）を、表３に示す。
　なお熱処理２の後のＰＬ測定において得られた図３に示すマッピング画像（５００μｍ×５００μｍ角）では、画像左下の１５０μｍ×１５０μｍ角の領域（以下、「選択領域」とも記載する。）は、他の領域と比べて画像の濃淡のムラが少ないか、または他の領域と比べて明るかった（白かった）。同画像では、暗い（黒い）ほどＰＬ強度が低く、明るい（白い）ほどＰＬ強度が高いことを示す。前述のように、ダメージが多いほどＰＬ強度は低くなることから、上記の１５０μｍ×１５０μｍ角の選択領域は、他の領域と比べてダメージがより回復したか、より均一に回復したと考えられる。即ち、上記の選択領域は、他の領域と比べてＰＬ強度へのダメージの影響が少ないと考えられる。そこで、上記選択領域におけるＰＬ強度の平均値（測定レーザー波長：５３２ｎｍ）も求めたところ、表３に示す値であった。
　図４には、表３に示す結果をプロットし、最小二乗法により線形近似した近似直線を示す（検量線の作成）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　前述のように、近似式については、相関係数Ｒの二乗Ｒ2が１に近いほど、近似式の信頼性が高いと判断される。図４に示した線形近似の近似式は、いずれも相関係数Ｒの二乗Ｒ2が０．８以上であり、信頼性が高いと判断できる。更に、熱処理１後のＰＬ強度により得られた近似式に比べて熱処理２後のＰＬ強度から得られた近似式の相関係数の二乗Ｒ2はより１に近く、熱処理２後の選択領域でのＰＬ強度から得られた近似式の相関係数の二乗Ｒ2は１であることから、ダメージの影響を低減するほど、検量線の信頼性を高めることができることが確認できる。中でも、熱処理２後の選択領域でのＰＬ強度から得られた近似式は、相関係数の二乗Ｒ2が１であり、ダメージの影響をほぼ含まないと見なすことができる。したがって、あるドーズ量について、熱処理１や熱処理２の後に測定されるＰＬ強度から、この近似式を検量線として算出されるＰＬ強度を引いたＰＬ強度の差分は、イオン注入による影響をほぼ含まず、熱処理１や熱処理２の後に残存しているダメージの影響を反映していると考えられる。一態様では、このような差分に基づき、回復熱処理後に残存しているダメージの程度を判定することができる。なお上記の例では検量線の相関係数の二乗Ｒ2は１であるが、この例に限定されるものではない。
５．ＰＬ測定時の測定レーザー波長の検討
　上記１．の水準１～３について、回復熱処理後に測定レーザー波長を変更して行ったＰＬ測定により得られたマッピング画像を、図５に示す。
　図５上欄は測定レーザー波長８３０ｎｍでのＰＬ測定により得られたマッピング画像、下欄は測定レーザー波長５３２ｎｍでのＰＬ測定により得られたマッピング画像である。
　図５に示すマッピング画像は、上欄と下欄とを対比すると、下欄がよりコントラストが大きな画像となっている。コントラストが大きいことは、わずかなダメージの違いやイオン注入量の違いも高感度に検出していること、即ち測定感度が高いことを意味する。測定レーザー波長が異なると、測定深さ（光の進入長）は異なる。測定レーザー波長８３０ｎｍでのＰＬ測定の評価結果は、上記１．のイオン注入処理によりイオン注入された領域よりも深い領域の影響も含むと考えられるのに対し、測定レーザー波長５３２ｎｍでのＰＬ測定の評価結果は、そのような深い領域の影響が少ないか含まないと考えられる。測定レーザー波長５３２ｎｍでのＰＬ測定の評価結果は、イオン注入された領域の状態をより反映していることが、上記違いをもたらした理由と本発明者らは推察している。この結果から、本発明者らは、イオン注入される領域の深さにより近い光の進入長をもたらす波長のレーザー光を用いてＰＬ測定を行うことにより、より高感度測定が可能になると考えている。
　本発明は、半導体ウェーハの製造分野および半導体デバイスの製造分野において、有用である。

Claims (13)

  1. 半導体ウェーハの製造方法であって、
    半導体ウェーハの表面に向かってイオンを照射しイオン注入処理を施すこと、および、
    予め設定した範囲内のイオン注入量でイオン注入が行われたと判定された半導体ウェーハを次工程に付すこと、
    を含み、
    前記イオン注入処理と前記次工程との間に、前記イオン注入処理後の半導体ウェーハの前記表面においてフォトルミネッセンス測定を行うことを更に含み、
    前記判定を、前記フォトルミネッセンス測定の測定結果に基づき行う、前記半導体ウェーハの製造方法。
  2. 前記イオン注入処理後の半導体ウェーハに、イオン注入によるダメージを回復するための回復熱処理を施すことを含み、
    前記フォトルミネッセンス測定を、前記回復熱処理後に行う、請求項１に記載の半導体ウェーハの製造方法。
  3. 前記測定結果は、フォトルミネッセンス強度である請求項１または２に記載の半導体ウェーハの製造方法。
  4. 前記フォトルミネッセンス強度は、前記半導体ウェーハ表面の全面または一部領域において測定されるフォトルミネッセンス強度である請求項３に記載の半導体ウェーハの製造方法。
  5. 半導体ウェーハの製造方法であって、
    半導体ウェーハの表面に向かってイオンを照射しイオン注入処理を施すこと、
    前記イオン注入処理後の半導体ウェーハに、イオン注入によるダメージを回復するための回復熱処理を施すこと、および、
    予め設定した水準までダメージが回復したと判定された半導体ウェーハを次工程に付すこと、
    を含み、
    前記回復熱処理と前記次工程との間に、前記イオン注入処理においてイオンが照射された半導体ウェーハの前記表面においてフォトルミネッセンス測定を行うことを更に含み、
    前記判定を、前記フォトルミネッセンス測定の測定結果に基づき行う、前記半導体ウェーハの製造方法。
  6. 前記測定結果は、フォトルミネッセンス強度である請求項５に記載の半導体ウェーハの製造方法。
  7. 前記注入されるイオンは、ドーパントイオン、アルゴンイオンおよび炭素イオンからなる群から選択される請求項１～６のいずれか１項に記載の半導体ウェーハの製造方法。
  8. 前記半導体ウェーハは、シリコンウェーハである請求項１～７のいずれか１項に記載の半導体ウェーハの製造方法。
  9. イオン注入処理が施された半導体ウェーハの評価方法であって、
    前記イオン注入処理は、半導体ウェーハ表面に向かってイオンを照射することにより行われ、
    前記イオン注入処理後の半導体ウェーハの前記表面においてフォトルミネッセンス測定を行い、該測定結果に基づき前記イオン注入処理におけるイオン注入量を評価する、前記半導体ウェーハの評価方法。
  10. 前記フォトルミネッセンス測定が行われる半導体ウェーハは、前記イオン注入処理後に、イオン注入によるダメージを回復するための回復熱処理が施された半導体ウェーハである、請求項９に記載の半導体ウェーハの評価方法。
  11. 半導体ウェーハの評価方法であって、
    評価対象の半導体ウェーハは、該半導体ウェーハ表面に向かってイオンを照射することによりイオン注入処理が施され、かつ該イオン注入処理後に、イオン注入によるダメージを回復するための回復熱処理が施された半導体ウェーハであり、
    前記回復熱処理後の半導体ウェーハの前記表面においてフォトルミネッセンス測定を行い、該測定結果に基づき前記回復熱処理によるダメージの回復の程度を評価する、前記半導体ウェーハの評価方法。
  12. 前記注入されるイオンは、ドーパントイオン、アルゴンイオンおよび炭素イオンからなる群から選択される請求項９～１１のいずれか１項に記載の半導体ウェーハの評価方法。
  13. 前記半導体ウェーハは、シリコンウェーハである請求項９～１２のいずれか１項に記載の半導体ウェーハの評価方法。
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