(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
微量の不純物を含むシリコン結晶において、前記不純物を光学的に活性な再結合センターに変換させ、フォトルミネッセンスを用いて前記再結合センターに起因した発光センターを検出し、そのスペクトル解析より前記シリコン結晶中における前記不純物の濃度を定量するものであって、前記不純物が窒素であることを特徴とする、シリコン結晶中の不純物濃度測定法。
【請求項２】
前記窒素の濃度が５×１０１３／ｃｍ３以下であることを特徴とする、請求項１に記載のシリコン結晶中の不純物濃度測定法。
【請求項３】
前記シリコン結晶中にアルミニウムを配合させ、前記窒素及び前記アルミニウム間で前記再結合センターを生成することを特徴とする、請求項１又は２に記載のシリコン結晶中の不純物濃度測定法。
【請求項４】
前記アルミニウムの配合割合が１×１０１５／ｃｍ３〜１×１０１９／ｃｍ３であることを特徴とする、請求項３に記載のシリコン結晶中の不純物濃度測定法。
【請求項５】
前記アルミニウムはイオン状態で注入することを特徴とする、請求項３又は４に記載のシリコン結晶中の不純物濃度測定法。
【請求項６】
前記アルミニウムの注入量が１×１０１４／ｃｍ２〜１×１０１５／ｃｍ２であることを特徴とする、請求項５に記載のシリコン結晶中の不純物濃度測定法。
【請求項７】
前記シリコン結晶を４００℃〜８００℃でアニール処理することを特徴とする、請求項６に記載のシリコン結晶中の不純物濃度測定法。
【請求項８】
前記再結合センターはアイソエレクトロニックトラップであることを特徴とする、請求項３〜７のいずれか一に記載のシリコン結晶中の不純物濃度測定法。
【請求項９】
前記窒素の濃度は、前記アイソエレクトロニックトラップに起因した発光の、１．１２２３ｅＶにおける発光スペクトルの強度に基づいて測定することを特徴とする、請求項８に記載のシリコン結晶中の不純物濃度測定法。
【請求項１０】
前記窒素の濃度は、１．１１７５ｅＶにおける発光スペクトルの強度に基づいて測定することを特徴とする、請求項３〜７のいずれか一に記載のシリコン結晶中の不純物濃度測定法。
【請求項１１】
前記窒素の濃度は、１．１２０６ｅＶにおける発光スペクトルの強度に基づいて測定することを特徴とする、請求項３〜７のいずれか一に記載のシリコン結晶中の不純物濃度測定法。
【請求項１２】
前記窒素の濃度は、１．１４０３ｅＶにおける発光スペクトルの強度に基づいて測定することを特徴とする、請求項３〜７のいずれか一に記載のシリコン結晶中の不純物濃度測定法。
【請求項１３】
前記シリコン結晶は、チョコラルスキー法によって作製したことを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一に記載のシリコン結晶中の不純物濃度測定法。
【請求項１４】
前記シリコン結晶は、シリコンウエハであることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか一に記載のシリコン結晶中の不純物濃度測定法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チョコラルスキー法などによって作製したシリコン結晶中における窒素不純物の濃度を測定する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン（Ｓｉ）結晶中の窒素（Ｎ）不純物は欠陥の発生・成長を制御する働きがあり、シリコンデバイス作製にあたり、信頼性・歩留まりの向上に大きく寄与することが知られている。この効果により、窒素添加シリコンウェハは最も高品質なデバイス作製用ウェハとして、シリコンメーカー各社で製造され販売されている。
【０００３】
このシリコンウェハの作製における最大の課題が、その定量分析の困難さである。現在、（社）電子情報技術産業協会（JEITA）シリコン技術委員会ウェハ測定標準専門委員会の窒素濃度測定ワーキンググループ（主査＝井上直久大阪府立大教授）においては、赤外吸収法の測定法の規格化を進めており、米国SEMI（Semicomductor Equipment and Materials International），ASTM（American Society for Testing and Materials），ドイツDIN(Deutsche Industrie Normen)と共同で国際規格化も検討されている。
【０００４】
高品質シリコンウェハを作製するのに必要な窒素濃度は５×１０１３／ｃｍ３程度であるが、このような微量の窒素を検出することは容易ではない。一般には赤外吸収法が利用されているが、測定には２ｍｍ以上の厚い試料が必要で、検出感度は５×１０１４／ｃｍ３程度である。そのため現状では、結晶成長時の窒素不純物の偏析現象を利用し、高濃度領域から切り出した厚い試料の赤外吸収測定より、その領域の窒素濃度を求め、他の領域の濃度は偏析係数を用いて推定しているにすぎない。
【０００５】
このように、高品位の欠陥制御を行う場合には、窒素不純物濃度の精密測定が不可欠であり、とくにウェハ状態での測定は急務とされている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、シリコン結晶中における微量窒素不純物の濃度、特に実用に供するウエハ状態における微量窒素不純物濃度を正確に定量するための、新規な不純物測定法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成すべく、本発明は、
微量の不純物を含むシリコン結晶において、前記不純物を光学的に活性な再結合センターに変換させ、フォトルミネッセンスを用いて前記再結合センターに起因した発光センターを検出し、そのスペクトル解析より前記シリコン結晶中における前記不純物の濃度を定量するものであって、前記不純物が窒素であることを特徴とする、シリコン結晶中の不純物濃度測定法に関する。
【０００８】
本発明によれば、シリコン結晶中における微量窒素不純物の定量において、前記窒素不純物に関する再結合センターを形成し、これに起因した発光センターのスペクトル解析を実行し、例えば所定の発光波長（エネルギー）におけるスペクトル強度を計測することにより、前記微量窒素不純物の定量を行うようにしている。再結合センターに起因する発光の強度は極めて大きいため、計測すべき不純物の濃度が極めて微量である場合においても、ある程度のスペクトル強度を呈するようになる。したがって、前記スペクトル強度を計測することにより、微量窒素不純物の測定を高精度に行うことができるようになる。
【０００９】
また、本発明の測定法によれば、再結合センターに起因した発光センターのスペクトル解析に基づいて微量窒素不純物の濃度測定を行うので、前記シリコン結晶の形態とは無関係に、濃度測定を実行することができる。したがって、前記シリコン結晶がシリコンウエハとして存在する場合にも、前記シリコンウエハ中の窒素不純物濃度を高精度に測定することができる。
【発明の効果】
【００１０】
以上説明したように、本発明によれば、シリコン結晶中における微量窒素不純物の濃度、特に実用に供するウエハ状態における微量窒素不純物濃度を正確に定量するための、新規な不純物測定法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明においては、シリコン結晶中に含まれる微量の不純物を、光学的に活性な再結合センターに起因したスペクトル解析に基づいて定量するが、再結合センターを形成することができれば如何なる不純物をも定量することができる。特に、シリコンウエハなどのシリコン結晶成長の際に、欠陥の発生や成長を抑制する作用のある微量の窒素不純物の定量に対して好ましく用いることができる。
【００１２】
窒素不純物に関連した再結合センターを形成するためには、好ましくは前記シリコン結晶中にアルミニウムを配合させる。配合形態は如何なる態様でも良いが、シリコンウエハなどの完成品における窒素不純物などを定量するに際しては、前記完成品に対してアルミニウムを含有させる必要がある。したがって、好ましくはイオン注入法などを用いることによって、前記シリコン結晶中に前記アルミニウムをイオンの状態で配合する。
【００１３】
但し、イオン注入法以外の方法でアルミニウムを配合させることもでき、シリコン結晶の表面にアルミニウム層を形成した後、加熱処理を行うことにより、前記シリコン結晶中にアルミニウムを熱拡散させて配合することもできる。また、シリコン結晶の作製の段階で、窒素不純物に加えてアルミニウムを予め含有させておくこともできる。但し、上述したイオン注入法によれば、加速電圧や電流密度などを調節することにより、前記シリコン結晶中の、任意の位置に任意の濃度で簡易にアルミニウムを配合させることができる。
【００１４】
なお、アルミニウムの配合量は特に限定されるものではないが、１×１０１５／ｃｍ３〜１×１０１９／ｃｍ３であることが好ましい。これによって、前記シリコン結晶中における５×１０１３／ｃｍ３程度以下の、シリコン結晶の欠陥抑制に効果のある微量の窒素不純物を簡易かつ高精度に定量することができる。
【００１５】
また、上述したイオン注入法を用いてアルミニウムを配合させる場合、前記シリコン結晶に対するアルミニウムイオン照射量は１×１０１４／ｃｍ２〜１×１０１５／ｃｍ２とすることが好ましい。これによって、ウエハなどのシリコン結晶中で上述した配合量を簡易に実現することができ、微量の窒素不純物を簡易かつ高精度に定量することができる。
【００１６】
上述のようにして、微量の窒素不純物を含有するシリコン結晶に対してアルミニウムを含有させると、前記窒素不純物と前記アルミニウムとは最近接位置でペアを形成し、アイソエレクトロニックトラップと呼ばれる強い発光再結合センターを形成するようになる。このアイソエレクトロニックトラップは、ＧａＰ発光ダイオードなどの緑色及び赤色の発光センターとして知られており、強力な発光を呈する。したがって、前記シリコン結晶中における前記窒素不純物量が極めて微量である場合についても、前記アイソエレクトロニックトラップに基づいた発光スペクトルは十分に大きくなり、前記微量の窒素不純物を高精度に定量することができるようになる。
【００１７】
具体的には、前記アイソエレクトロニックトラップに基づいた所定の発光スペクトルのスペクトル強度と、前記窒素不純物量との相関（検量線）を予め求めておくことにより、シリコン結晶中の、前記発光スペクトルに起因した前記スペクトル強度を測定するのみで、前記相関（検量線）より、前記シリコン結晶中の前記窒素不純物量を測定できるようになる。具体的には、前記発光スペクトルにおいて、１．１２２３ｅＶの位置に出現するＡ−ｌｉｎｅと呼ばれるアイソエレクトロニックトラップに起因した発光線を利用することができる。
【００１８】
なお、上述したＡ−ｌｉｎｅの他に、１．１１７５ｅＶ（Ｘ１線）、１．１２０６ｅＶ（Ｘ２線）及び１．１４０３ｅＶ（Ｘ３線）の位置に出現する発光線を利用することもできる。但し、これらの発光線の起源は明確でない。しかしながら、これら発光線の強度とシリコン結晶中の窒素不純物濃度との間には明確な相関が存在する。
【００１９】
なお、窒素不純物とアルミニウムとによる前記アイソエレクトロニックトラップは、前記窒素不純物を含むシリコン結晶中に単にアルミニウムを配合させるのみでは形成できない場合がある。この場合は、前記シリコン結晶中にアルミニウムを配合させた後、前記シリコン結晶を４００℃〜８００℃でアニール処理することが好ましい。これによって、上述したアイソエレクトロニックトラップを簡易に形成できるようになる。
【００２０】
前記アニール処理は窒素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガス雰囲気中で行うことができる。また、処理時間はアニール処理温度に依存し、アニール処理温度の上昇とともに短縮化することができる。例えば、アニール処理温度が４００℃近傍の場合は１０時間以上の処理時間を要するが、８００℃近傍の場合は１０分以下にまで短縮化することができる。
【００２１】
なお、上述したアニール処理を行うことにより、１．１１７５ｅＶ、１．１２０６ｅＶ及び１．１４０３ｅＶの位置における前記発光線も確実に出現するようになる。
【００２２】
本発明の測定法は、如何なる方法で作製したシリコン結晶に対しても用いることができるが、現状においては、特にチョコラルスキー法（ＣＺ法）で作製するシリコン結晶中に対する窒素添加技術の確立が求められており、したがって、前記チョコラルスキー法で作製したシリコン結晶中の窒素不純物の濃度測定に好適に用いることができる。
【実施例】
【００２３】
浮遊帯溶融法（ＦＺ法）で作製したアルミニウム濃度１．８×１０１５／ｃｍ３のシリコンウエハ（ａ）を準備するとともに、ＣＺ法で作製した窒素濃度２．２×１０１４／ｃｍ３及び３．２×１０１５／ｃｍ３のシリコンウエハ（ｂ）及び（ｃ）を準備した。次いで、シリコンウエハ（ａ）〜（ｃ）に対して１×１０１４／ｃｍ２のアルミニウムイオンを注入した。次いで、シリコンウエハ（ａ）〜（ｃ）に対して大気気中、４５０℃で１００時間アニール処理を実施した。
【００２４】
図１は、上述のような過程を経ることによって得たシリコンウエハの発光スペクトルを示すグラフである。図１から明らかなように、いずれの場合も、１．１２２３ｅＶの位置に、Ａ−ｌｉｎｅと呼ばれるアイソエレクトロニックトラップに起因した発光線が存在することが確認された。
【００２５】
次いで、図１に示すＡ−ｌｉｎｅの発光線強度と、シリコン結晶中における窒素不純物量との相関を調べたところ、図２に示すような正の相関が存在することが確認された。したがって、図２に示す相関図を検量線として用いれば、シリコン結晶のＡ−ｌｉｎｅに起因した発光線の強度を計測するのみで、前記シリコン結晶中の窒素不純物濃度が定量できることが判明した。
【００２６】
図３は、シリコンウエハ（ｂ）及び（ｃ）の他の発光スペクトルを示すグラフである。図３から明らかなように、本例におけるシリコンウエハは、上述したＡ−ｌｉｎｅの他に、１．１１７５ｅＶ（Ｘ１線）、１．１２０６ｅＶ（Ｘ２線）及び１．１４０３ｅＶ（Ｘ３線）の位置に発光線が出現していることが分かる。
【００２７】
次いで、これら発光線の強度とシリコンウエハ中の窒素不純物の濃度との相関を調べたところ、図４に示すように正の相関が存在することが判明した。したがって、これらＸ１線などの発光線の強度を計測すれば、前記シリコン結晶中の窒素不純物濃度を定量できることが分かる。
【００２８】
以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】シリコン結晶中における、窒素不純物とアルミニウムとのアイソエレクトロニックトラップに起因した発光スペクトルを示すグラフである。
【図２】シリコン結晶における、アイソエレクトロニックトラップに起因したＡ−ｌｉｎｅの発光線強度と、窒素不純物量との相関を示すグラフである。
【図３】シリコン結晶中における、窒素不純物とアルミニウムとの相関に基づく他の発光スペクトルを示すグラフである。
【図４】図３に示す発光スペクトル中の、発光線の強度と窒素不純物との相関を示すグラフである。
【図１】
0003716313.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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