(57)【要約】【課題】ウェーハの限定された局所領域に対し、所望の金属元素を望む濃度に高精度に制御して故意汚染する手法を提供することを目的とする。また、従来の方法に対して作業効率を向上させることも目的とする。【解決手段】半導体ウェーハの性能を評価するために、半導体ウェーハ表面の所定の領域に、所望の金属元素を故意に導入する半導体ウェーハの故意汚染方法であって、前記金属元素を含む標準液を揮発性液体からなる溶媒で希釈した溶液を汚染溶液として用い、所定の位置に滴下することによって前記半導体ウェーハ表面の所定の位置に汚染領域を形成させることを特徴とする半導体ウェーハの故意汚染方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウェーハの性能を評価するために、半導体ウェーハ表面の所定の領域に、所望の金属元素を故意に導入する半導体ウェーハの故意汚染方法であって、
前記金属元素を含む標準液を揮発性液体からなる溶媒で希釈した溶液を汚染溶液として用い、所定の位置に滴下することによって前記半導体ウェーハ表面の所定の位置に汚染領域を形成させることを特徴とする半導体ウェーハの故意汚染方法。
【請求項２】
前記溶媒をアルコール類とすることを特徴とする請求項１に記載の半導体ウェーハの故意汚染方法。
【請求項３】
前記アルコール類をエタノールとすることを特徴とする請求項２に記載の半導体ウェーハの故意汚染方法。
【請求項４】
前記滴下を行う前に、使用する前記汚染溶液及び前記滴下の方法に応じて、予め、前記汚染溶液の滴下溶液量と汚染領域径との関係を求めておき、該関係に基づいて、前記汚染領域径を前記滴下溶液量で制御することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の半導体ウェーハの故意汚染方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高集積デバイスを作製するための半導体用ウェーハの性能を評価するための方法であり、特に、シリコンウェーハ（半導体ウェーハ）内に存在するとシリコンウェーハの性能を劣化させる金属元素の挙動を知るために、故意に金属元素をシリコンウェーハに導入するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路等のデバイスの高密度化、高集積化に伴い、デバイス動作の安定化が頓に望まれてきている。特に、リーク電流や酸化膜耐圧等の特性値改善は重要な課題である。
【０００３】
しかし、金属元素などの汚染物が集積回路基板であるシリコンウェーハ中に混入すると、その後作製したデバイスの安定動作は望めないことになる。例えば、半導体集積回路の製造工程において導入される金属元素は、その元素の種類や濃度により、デバイス特性に悪影響を及ぼすことが広く知られている。
【０００４】
したがって、シリコンウェーハ内に混入した汚染物、特に、金属元素をデバイス活性層から除去する技術が開発されている。その技術をゲッタリングと言い、ウェーハバルクに形成する酸素析出物に金属を析出させるＩＧ（Ｉｎｔｅｒｎａｌ  Ｇｅｔｔｅｒｉｎｇ）や、ウェーハ裏面に多結晶シリコン膜を形成し、その多結晶膜に金属を高濃度固溶させるＰＢＳ（Ｐｏｌｙ−Ｓｉ  Ｂａｃｋ  Ｓｅａｌ）などがその代表的な手法である。
【０００５】
これらのゲッタリング技術を開発し、その能力を検討する際、金属元素を故意にシリコンウェーハ中に導入し、その挙動を調べることは古くからなされている。その調査には、設定した濃度の金属元素の故意汚染をウェーハに施す必要があり、故意汚染法にも種々の方法が知られている。例えば、ＳＣ１（Ｓｔａｎｄａｒｄ  Ｃｌｅａｎｉｎｇ  １、ＮＨ３ＯＨ／Ｈ２Ｏ２／Ｈ２Ｏ混合液）中に金属元素を溶解し、７０〜１００℃に加熱したこの溶液にシリコンウェーハを浸漬する方法や、目的元素の原子吸光用標準液を溶媒で希釈して作製した溶液を親水性のウェーハ表面に塗布し、スピン乾燥させることで目的濃度の故意汚染を行うスピンコート法が挙げられる。
【０００６】
しかし、これらの方法は、いずれもウェーハの全面を均一濃度で汚染するもの（均一汚染法）であるため、汚染濃度の異なる条件でゲッタリング能力を評価する場合などでは、必要な汚染濃度条件の数に応じたウェーハ枚数が必要となる。
【０００７】
また、現実に生じる汚染は、金属パーティクルなどが部分的にウェーハに接触、付着することで生じる局所汚染が多い。この場合、汚染部と非汚染部がウェーハ上で境界を作ることになり、その境界部の挙動変化やウェーハ半径方向の拡散が生じることになるため、これらの局所汚染起因の金属挙動調査を行うには、上述の均一汚染法では、対応不可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１６−４４９８８号公報
【特許文献２】特開２０１４−４１０３０号公報
【特許文献３】特開２００２−２７０５６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述のように、従来の均一汚染法では、局所汚染起因の金属挙動調査を行うことが不可能であった。これまでに、ウェーハ表面を局所的に汚染することは報告されているが（特許文献１〜３）、これらの方法は、例えば、故意汚染のための溶液として、Ｆｅ、Ｃｒ、Ｎｉの各濃度が１０ｐｐｂの５％硝酸ベース混合溶液を調製して用いており（特許文献２）、このような方法では、汚染領域径、汚染濃度を制御することが困難であり、作業性も悪いことが問題であった。
【００１０】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、ウェーハの限定された局所領域に対し、所望の金属元素を望む濃度に高精度に制御して故意汚染する手法を提供することを目的とする。また、従来の方法に対して作業効率を向上させることも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明は、半導体ウェーハの性能を評価するために、半導体ウェーハ表面の所定の領域に、所望の金属元素を故意に導入する半導体ウェーハの故意汚染方法であって、
前記金属元素を含む標準液を揮発性液体からなる溶媒で希釈した溶液を汚染溶液として用い、所定の位置に滴下することによって前記半導体ウェーハ表面の所定の位置に汚染領域を形成させることを特徴とする半導体ウェーハの故意汚染方法を提供する。
【００１２】
このような方法であれば、汚染溶液が揮発性液体で調製されているため、溶媒が短時間で揮発し、従来の手法では困難であった、ウェーハ面内の局所領域の汚染領域径、汚染濃度の制御を安定して実施することができる。また、溶媒が短時間で揮発するため、従来よりも作業効率を向上させることができる。
【００１３】
このとき、前記溶媒をアルコール類とすることが好ましい。
アルコール類は揮発性が高く、本発明の方法における溶媒として好適に用いることができる。
【００１４】
また、このとき、前記アルコール類をエタノールとすることが好ましい。
エタノールはアルコール類の中でもコスト的に有利であり、本発明の方法における溶媒としてより好適に用いることができる。
【００１５】
また、このとき、前記滴下を行う前に、使用する前記汚染溶液及び前記滴下の方法に応じて、予め、前記汚染溶液の滴下溶液量と汚染領域径との関係を求めておき、該関係に基づいて、前記汚染領域径を前記滴下溶液量で制御することが好ましい。
【００１６】
このような方法であれば、より確実に汚染領域径を制御することができるため、ウェーハ面内の局所的な故意汚染をより安定して実施することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の方法であれば、汚染溶液が揮発性液体で調製されているため、溶媒が短時間で揮発し、従来の手法では困難であった、ウェーハ面内の局所領域の汚染領域径、汚染濃度の制御を安定して実施することができる。また、溶媒が短時間で揮発するため、従来よりも作業効率を向上させることができる。従って、半導体ウェーハの性能を適切に評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施例２における汚染溶液の滴下体積と汚染領域径との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
上記課題を解決するため、本発明者は、半導体ウェーハ表面の所定の領域に、所望の金属元素を故意汚染する方法であって、前記金属元素を含む標準液を揮発性液体からなる溶媒で希釈した溶液を所定の位置に滴下することによって、前記半導体ウェーハ表面の所定の位置に汚染領域を形成する故意汚染方法であれば、局所的な故意汚染を安定して実施することができることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【００２０】
即ち、本発明は、半導体ウェーハの性能を評価するために、半導体ウェーハ表面の所定の領域に、所望の金属元素を故意に導入する半導体ウェーハの故意汚染方法であって、
前記金属元素を含む標準液を揮発性液体からなる溶媒で希釈した溶液を汚染溶液として用い、所定の位置に滴下することによって前記半導体ウェーハ表面の所定の位置に汚染領域を形成させることを特徴とする半導体ウェーハの故意汚染方法である。
【００２１】
以下、実施の形態について述べる。
【００２２】
本発明では、半導体ウェーハの局所汚染をするための汚染溶液を調製するために、金属元素の標準液を用いる。金属元素の厳密な濃度の規定された標準液は市販されており、ほとんどの調査対象となる元素の標準液を入手できる。例えば、Ｆｅを対象とするならば、硝酸Ｆｅ（ＩＩＩ）を０．３８％（鉄として、１０００ｍｇ／Ｌ＝１０００ｐｐｍ）含有する、０．２ｍｏｌ／Ｌ硝酸溶液として市販されているものを用いることができる。もちろん、金属元素の標準液は金属元素の濃度が規定されていればよく、市販のものでなくても、濃度を調整したものを用いればよい。このような標準液を揮発性液体、例えば、エタノールで希釈したものを汚染溶液とし、ウェーハ上に滴下し、数分、室温で放置すれば、揮発性のエタノールは蒸発により失われ、溶解させた鉄のみがウェーハ上に残存することになる。この残存鉄の原子数は、滴下した際に用いた汚染溶液に含まれる鉄原子数と同じと見てよいため、望む鉄原子数をウェーハ上に故意汚染することが可能となる。
【００２３】
希釈に用いる溶媒としては、エタノールのほか、メタノールやＩＰＡ（イソプロピルアルコール）などのアルコール類であることが好ましいが、揮発性液体であれば特に限定されない。なお、コスト的に有利であるため、溶媒はエタノールであることがより好ましい。
【００２４】
上記の局所汚染を実施する際、滴下する汚染溶液の体積に比例して、汚染される領域面積が決定される。例えば、溶媒としてエタノールを使用し、マイクロピペットなどを使用して溶液を１０μＬ滴下すると、直径約２５ｍｍの円の領域にエタノール溶液が広がり、やがてエタノールは短時間に蒸発するため、その直径２５ｍｍの円領域が目的元素の汚染領域となる。溶液量を減らし、２μＬ滴下とすれば、この汚染領域を直径約１２ｍｍと狭めることができる。
【００２５】
このように汚染領域径の制御は、滴下溶液の体積で制御できる。ここで、異なる溶媒を用いる場合や滴下の方法を変更した場合、その滴下溶液体積と汚染領域径の関係は必ずしも、上記の関係にならないが、使用溶液や滴下方法に応じて、あらかじめ、その滴下溶液体積と汚染領域径の関係を求めておけばよい。
【００２６】
また、このとき、溶媒に用いる揮発性液体の純度は、汚染領域径や汚染濃度の制御に影響するため、高純度のものが好ましいが、滴下溶液量と汚染領域径の関係を予め求めておくことで、局所汚染の目的は達成することができる。
【００２７】
上記のことから、前記滴下を行う前に、使用する前記汚染溶液及び前記滴下の方法に応じて、予め、前記汚染溶液の滴下溶液量と汚染領域径との関係を求めておき、該関係に基づいて、前記汚染領域径を前記滴下溶液量で制御することが好ましい。このような方法であれば、より確実に汚染領域径を制御することができるため、ウェーハ面内の局所的な故意汚染をより安定して実施することができる。
【００２８】
このように、本発明の半導体ウェーハの故意汚染方法を用いれば、従来は、汚染溶液の揮発が遅いために、汚染領域径、汚染濃度の制御が困難であったが、本発明の半導体ウェーハの故意汚染方法であれば、汚染溶液が揮発性液体で調製されているため、溶媒が短時間で揮発し、ウェーハ面内の局所的な故意汚染を安定して実施することができる。また、溶媒が短時間で蒸発するため、従来よりも作業効率を向上させることができる。
【００２９】
さらに、このような方法であれば、同一ウェーハの半径方向に異なる故意汚染の領域（汚染濃度、金属元素の種類等が異なる領域）を形成することができる。例えば、拡散係数の小さな元素で、ウェーハ半径方向の拡散をほぼ無視できるような場合には、半径１００ｍｍのシリコンウェーハであれば、汚染領域１２ｍｍ径を用いれば、最大８つの異なる濃度の汚染領域を形成できることになる。
【実施例】
【００３０】
以下、本発明の実施例及び比較例を挙げて具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００３１】
（実施例１）
ＣＺ法で引き上げた直径８インチ（２００ｍｍ）の半導体シリコン単結晶棒を加工してシリコンウェーハを作製した。一方、１０００ｐｐｍの鉄標準液を高純度エタノールで希釈し、０．５ｐｐｂの鉄エタノール溶液を調製した。この鉄エタノール溶液２μＬ（２マイクロリットル）をマイクロピペットで、上記シリコンウェーハの端に形成されたノッチ部からウェーハ中央に向かって４０ｍｍの位置に滴下した。次に、ノッチ部から中央部に向かって８０ｍｍ進んだ位置に、上記と同様に調製した５ｐｐｂの鉄エタノール溶液を２μＬ滴下した。続いて、ノッチ部から中央部に向かって１２０ｍｍ進んだ位置に、上記と同様に調製した５０ｐｐｂの鉄エタノール溶液を２μＬ滴下した。最後に、ノッチ部から中央部に向かって１６０ｍｍ進んだ位置に、上記と同様に調製した５００ｐｐｂの鉄エタノール溶液を２μＬ滴下した。その滴下点から、鉄エタノール溶液は、直径約１０から１５ｍｍの範囲に広がり、その後、数十秒の室温保持で溶媒のエタノールは蒸発、乾燥し、直径約１０から１５ｍｍの局所汚染が完了した。
【００３２】
このように、ウェーハ面内の４点に異なる濃度の故意汚染を実施した後、その４つの位置に対し、ＴＸＲＦ（全反射蛍光Ｘ線分析）法で鉄濃度を測定したところ、中央部に向かって順に、８×１０９、１．２×１０１１、９×１０１１、１．１×１０１３ｃｍ−２の濃度の鉄を検出した。これは、滴下した汚染溶液に含まれる鉄原子が全て、滴下したエタノールが覆った平均直径１２ｍｍの領域に残存したとして計算された濃度、９．５×１０９、９．５×１０１０、９．５×１０１１、９．５×１０１２ｃｍ−２とほぼ一致し、狙い通りの鉄濃度で、局所故意汚染をすることができた。
【００３３】
（比較例１）
ＣＺ法で引き上げた直径８インチ（２００ｍｍ）の半導体シリコン単結晶棒を加工してシリコンウェーハを作製した。一方、１０００ｐｐｍの鉄標準液をイオン交換水で希釈し、０．５ｐｐｂの鉄水溶液を調製した。この鉄水溶液２μＬをマイクロピペットで上記シリコンウェーハの端にあるノッチ部からウェーハ中央に向かって４０ｍｍの位置に滴下した。次に、ノッチ部から中央部に向かって８０ｍｍ進んだ位置に、上記と同様に調製した５ｐｐｂの鉄水溶液を２μＬ滴下した。続いて、ノッチ部から中央部に向かって１２０ｍｍ進んだ位置に、上記と同様に調製した５０ｐｐｂの鉄水溶液を２μＬ滴下した。最後に、ノッチ部から中央部に向かって１６０ｍｍ進んだ位置に、上記と同様に調製した５００ｐｐｂの鉄水溶液を２μＬ滴下した。その滴下点から、鉄水溶液は、直径約３ｍｍの範囲に広がり、その後、１０から１５分室温で保持すると、溶媒の水は蒸発、乾燥し、直径約３ｍｍの局所汚染が完了した。
【００３４】
このように、揮発性の低い水を溶媒に用いると、汚染領域径が小さい上に乾燥時間も大変長くなり、作業性が著しく悪いことがわかる。
【００３５】
（比較例２）
ＣＺ法で引き上げた直径８インチ（２００ｍｍ）の半導体シリコン単結晶棒を加工してシリコンウェーハを作製した。一方、１０００ｐｐｍの鉄標準液をイオン交換水で希釈し、０．５ｐｐｂの鉄水溶液を調製した。この鉄水溶液１００μＬをマイクロピペットで上記シリコンウェーハの端にあるノッチ部からウェーハ中央に向かって４０ｍｍの位置に滴下した。次に、ノッチ部から中央部に向かって８０ｍｍ進んだ位置に、上記と同様に調製した５ｐｐｂの鉄水溶液を１００μＬ滴下した。続いて、ノッチ部から中央部に向かって１２０ｍｍ進んだ位置に、上記と同様に調製した５０ｐｐｂの鉄水溶液を１００μＬ滴下した。最後に、ノッチ部から中央部に向かって１６０ｍｍ進んだ位置に、上記と同様に調製した５００ｐｐｂの鉄水溶液を１００μＬ滴下した。その滴下点から、鉄水溶液は、直径１０から２０ｍｍの範囲に広がったが、その後、１時間以上放置してようやく、溶媒の水は蒸発、乾燥し、直径１０から２０ｍｍの局所汚染が完了した。
【００３６】
このように、アルコール溶媒と同汚染面積にするために滴下液量を増やすと、さらに乾燥時間が延長され、著しく作業性が悪化するとわかる。また、汚染領域径は直径１０から２０ｍｍとばらつきが大きくなってしまい、汚染領域径、汚染濃度を制御することが困難であった。
【００３７】
（実施例２）
１０００ｐｐｍの鉄標準液を高純度エタノールで希釈し、０．５ｐｐｂの鉄エタノール溶液を調製した。この鉄エタノール溶液の２μＬ、４μＬ、６μＬ、８μＬ、１０μＬをマイクロピペットでそれぞれシリコンウェーハの表面に滴下し、ウェーハ表面に広がった溶液の直径（汚染領域径）を測定し、滴下体積と汚染領域径との関係を求め、図１にプロットした。なお、図１のプロットは、体積毎に３回ずつ測定を行った平均値を示している。
【００３８】
図１のように、滴下溶液体積と汚染領域径の関係は、使用溶液の表面張力や滴下操作の精度などに起因して必ずしも直線関係になるとは限らならないが、使用溶液や滴下操作方法に応じて、あらかじめその滴下溶液体積と汚染領域径の関係を求めておけば、滴下体積を制御することによって、目的とする汚染領域（面積）を故意汚染することが可能となることが示された。
【００３９】
次に、ＣＺ法で引き上げた直径８インチ（２００ｍｍ）の半導体シリコン単結晶棒を加工して得たシリコンウェーハに対して、図１の作成に用いた０．５ｐｐｂの鉄エタノール溶液２μＬを、マイクロピペットでシリコンウェーハの端にあるノッチ部からウェーハ中央に向かって４０ｍｍの位置に滴下した。次に、ノッチ部から中央部に向かって８０ｍｍ進んだ位置に、上記と同様の０．５ｐｐｂの鉄エタノール溶液を６μＬ滴下した。続いて、ノッチ部から中央部に向かって１２０ｍｍ進んだ位置に、上記と同様の０．５ｐｐｂの鉄エタノール溶液を１０μＬ滴下した。
【００４０】
滴下した鉄エタノール溶液は、それぞれ直径約１２ｍｍ、２４ｍｍ、２５ｍｍの範囲に広がり、その後、数十秒の室温保持で溶媒のエタノールは蒸発、乾燥し、所望の範囲の局所汚染が完了した。
【００４１】
このように、ウェーハ面内の３点に汚染領域の異なる故意汚染を実施した後、その３つの位置に対し、ＴＸＲＦ法で鉄濃度を測定したところ、同一濃度の溶液を用いているため、いずれも、狙い通りの８×１０９ｃｍ−２の濃度の鉄が検出された。すなわち、滴下体積を制御することによって、目的とする汚染領域（面積）を、狙い通りの濃度で故意汚染することができた。
【００４２】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、かつ同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【図１】
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