(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ドーパント濃度が０．１ｐｐｍ以上のシリコン基板の被測定試料をドーパント濃度が０．０１ｐｐｍ以下で格子間型酸素濃度が１０16／ｃｍ3以下のＦＺシリコン基板に貼り合わせる工程と、貼り合わせた前記被測定試料を薄膜化する工程と、５Ｋ以下の温度に維持した薄膜化した前記被測定試料に赤外線を照射して１１３６／ｃｍの波数における吸収ピークを測定する工程とを含む低抵抗率シリコン基板の酸素濃度測定方法において、
前記貼り合わせる工程が前記被測定試料と前記ＦＺシリコン基板とを重ねた状態で１１００℃未満の温度で１〜５分間維持する熱処理を行った後、１１００℃の温度で１〜５分間維持する熱処理を行うことを特徴とする低抵抗率シリコン基板の酸素濃度測定方法。
【請求項２】
ドーパント濃度が０．１ｐｐｍ以上のシリコン基板の被測定試料をドーパント濃度が０．０１ｐｐｍ以下で格子間型酸素濃度が１０16／ｃｍ3以下のＦＺシリコン基板に貼り合わせる工程と、貼り合わせた前記被測定試料を薄膜化する工程と、５Ｋ以下の温度に維持した薄膜化した前記被測定試料に赤外線を照射して１１３６／ｃｍの波数における吸収ピークを測定する工程とを含む低抵抗率シリコン基板の酸素濃度測定方法において、
前記貼り合わせる工程が前記被測定試料と前記ＦＺシリコン基板とを重ねた状態で１１００℃未満の温度で１〜５分間維持する熱処理を複数回行った後、１１００℃の温度で１〜５分間維持する熱処理を行うことを特徴とする低抵抗率シリコン基板の酸素濃度測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は低抵抗率シリコン基板中の格子間型酸素の濃度測定を赤外吸収法により行う方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体基板として多用されるチョクラルスキー法により作られたシリコン単結晶中には１０18／ｃｍ3程度の酸素が含まれている。この酸素は通常、格子間型酸素として存在するが、デバイス製造中の熱処理により析出し、デバイス特性に種々の影響を及すので、上記酸素濃度を知ることが重要である。
シリコン単結晶中の酸素濃度を測定する方法として、不活性ガス融解法（Inert Gas Fusion; ＩＧＦ）及び二次イオン質量分析法（Secondary Ion Mass Spectroscopy; 以下、ＳＩＭＳという。）がある。前者の方法は単結晶をすべて溶かし、これにより生じるガスを分析する方法である。また後者の方法は１〜２０ｋｅＶに加速された一次イオンを絞って単結晶表面に照射し、叩き出される二次イオンを質量分析計で分離して元素分析を行う方法である。しかしながらこれらの方法は単結晶中に含まれている酸素をすべて検出するため、単結晶における格子間型酸素のみを測定することが困難であった。
【０００３】
一方、上記格子間型酸素濃度を測定するために、赤外吸収法を用いて酸素原子の不純物振動による赤外吸収ピークの強度を測定する方法が知られている。上記赤外吸収法では例えば図６に示すような赤外分光装置が使用される。
図６において、１は図示しない保持具に保持された厚さが２ｍｍ程度のシリコン単結晶試料を示す。赤外線光源２からの光線は臭化カリウム（ＫＢｒ）からなるビームスプリッタ３で二等分され、一方は固定ミラー４で、他方は可動ミラー６でそれぞれ反射される。これらの光線は再び重なって試料１に入射する。試料１からの透過光はビームスプリッタ３で重ね合されるまでの光路差に依存した干渉パターンを生ずる。この干渉パターンを赤外線検出器７で測定し、計算機８でフーリエ変換することにより、波数／吸収強度の関係を示す通常の赤外スペクトルが得られ、その結果が記録計９に示される。
【０００４】
このように構成された赤外分光装置を用いて、シリコン単結晶試料１中に含まれる格子間型酸素の不純物振動による赤外ピークを、記録計９により図７に示される赤外線の波長と吸収強度の関係を示すスペクトルとして表示させ、波数１１３６／ｃｍの位置にある赤外吸収ピークの強度から格子間型酸素の不純物濃度を求めている。しかし、ホウ素、燐、ヒ素等の電気的に活性なドーパントを０．１ｐｐｍ以上の中濃度又は高濃度に含有する低抵抗率のシリコン単結晶では、ドーパントに起因する赤外吸収が起り、測定しようとする酸素の赤外吸収ピークに重なってしまうため、赤外吸収法による正確な酸素濃度の測定が困難である問題があった。
【０００５】
従来、上記問題を解決するために、チョクラルスキー法で製造された被測定の低抵抗率シリコン基板（以下、ＣＺシリコン基板という。）の試料を酸素濃度が低く５ｍｍ程度の十分な厚さのフローティングゾーン法で製造されたシリコン基板（以下、ＦＺシリコン基板という。）に重ね合せて窒素雰囲気中で１１００℃で３０分程度の熱処理することにより貼り合わせ、この貼り合わせたＣＺシリコン基板の試料を研磨して約１５〜２０μｍの厚さ以下に薄膜化し、この薄膜化した試料に５Ｋ以下の温度で赤外線を照射して１１３６／ｃｍの波数における吸収ピークを測定する方法が提案されている（M.Koizuka et al; "Low-Temperature Infrared Absorption Measurement For Oxygen Concentration And Precipitates In Heavily-Doped Silicon Wafers" Mat.Res.Soc.Sympo.Proc.Vol.442(1997)31）。この測定方法で、被測定のＣＺシリコン基板試料の厚さを約１５〜２０μｍ以下にするのは、フリーキャリアの吸収により低抵抗率シリコン基板の赤外線の透過可能な厚さが約１５〜２０μｍの厚さ以下であることによる。またＦＺシリコン基板と貼り合わせるのは、一定の厚さを確保し、薄膜化により生じる赤外スペクトルへの影響を排除するとともに薄膜化したＣＺシリコン基板の試料の取扱いを容易にするためである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記ＣＺシリコン基板試料とＦＺシリコン基板とを貼り合わせる方法では、この貼り合わせの熱処理条件が１１００℃で３０分程度という極めて高温かつ長時間であるため、貼り合わせ界面でＣＺシリコン基板からＦＺシリコン基板への酸素の拡散が顕著になる。酸素濃度の測定はＣＺシリコン基板試料を約１５〜２０μｍの厚さから約５μｍの厚さまで薄膜化して行うため、この方法では試料の厚さが薄くなるほど試料の酸素濃度が実際の濃度と比較して低く測定される不都合があった。この点を避けるために貼り合わせ時の温度を１１００℃より低い温度にすると、貼り合わせ強度が十分でなく試料を薄膜にする過程においてＦＺシリコン基板からＣＺシリコン基板が剥離する問題点があった。
本発明の目的は、低抵抗率シリコン基板中の格子間型酸素の濃度を正確に測定することのできる低抵抗率シリコン基板の酸素濃度測定方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、図１に示すように、ドーパント濃度が０．１ｐｐｍ以上のシリコン基板の被測定試料１１をドーパント濃度が０．０１ｐｐｍ以下で格子間型酸素濃度が１０16／ｃｍ3以下のＦＺシリコン基板１２に貼り合わせる工程と、この貼り合わせた被測定試料１１を薄膜化する工程と、５Ｋ以下の温度に維持した薄膜化した被測定試料１１ａに赤外線を照射して１１３６／ｃｍの波数における吸収ピークを測定する工程とを含む低抵抗率シリコン基板の酸素濃度測定方法の改良である。その特徴ある構成は、上記貼り合わせる工程が被測定試料１１とＦＺシリコン基板１２とを重ねた状態で１１００℃未満の温度で１〜５分間維持する熱処理を行った後、１１００℃の温度で１〜５分間維持する熱処理を行うことにある。
貼り合わせる工程の加熱処理を上記のように制御することにより、被測定試料１１とＦＺシリコン基板１２との貼り合わせ界面で被測定試料１１からＦＺシリコン基板１２への酸素の拡散を抑制することができ、被測定試料１１中の格子間型酸素の濃度を正確に測定することができる。
【０００８】
請求項２に係る発明は、ドーパント濃度が０．１ｐｐｍ以上のシリコン基板の被測定試料１１をドーパント濃度が０．０１ｐｐｍ以下で格子間型酸素濃度が１０16／ｃｍ3以下のＦＺシリコン基板１２に貼り合わせる工程と、この貼り合わせた被測定試料１１を薄膜化する工程と、５Ｋ以下の温度に維持した薄膜化した被測定試料１１ａに赤外線を照射して１１３６／ｃｍの波数における吸収ピークを測定する工程とを含む低抵抗率シリコン基板の酸素濃度測定方法の改良である。その特徴ある構成は、上記貼り合わせる工程が被測定試料１１とＦＺシリコン基板１２とを重ねた状態で１１００℃未満の温度で１〜５分間維持する熱処理を複数回行った後、１１００℃の温度で１〜５分間維持する熱処理を行うことにある。
１１００℃未満の温度で熱処理を複数回行うことにより、試料の酸素の拡散を抑制しながら、貼り合わせ強度をより増加させることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施の形態では、図１（ａ）に示すようにドーパント濃度が０．１ｐｐｍ以上のシリコン基板（ＣＺシリコン基板）の被測定試料１１とドーパント濃度が０．０１ｐｐｍ以下で格子間型酸素濃度が１０16／ｃｍ3以下のＦＺシリコン基板１２を準備し、被測定試料１１とＦＺシリコン基板１２を洗浄した後、図１（ｂ）に示すようにこれらを貼り合わせる。この貼り合わせる条件は、被測定試料１１とＦＺシリコン基板１２とを重ねた状態で窒素雰囲気中、１１００℃未満の温度で１〜５分間維持した後、１１００℃の温度で１〜５分間維持する。１１００℃未満の温度での熱処理は異なる温度で複数回行うことが好ましい。
１１００℃で１分未満であると、貼り合わせ強度が十分でなく、５分を超えると貼り合わせ界面付近の試料中の格子間型酸素がＦＺシリコン基板に比較的多く拡散するようになる。１１００℃での好ましい熱処理時間は２〜３分である。また１１００℃未満の温度で維持することにより、両基板の貼り合わせ強度を徐々に高める効果がある。この効果は１１００℃未満の熱処理は異なる温度で複数回行うと、より一層高まる。１分未満ではその効果に乏しく、５分を超えて熱処理しても貼り合わせ強度を高める効果は小さい。この貼り合わせのための熱処理炉にはよこ型炉が好適である。よこ型炉で最高温度を１１００℃に設定しておき、試料とＦＺシリコン基板とを重ねた状態で最高温度領域に至るまでの間、段階的によこ型炉内を移動することにより簡便に熱処理を行うことができる。
【００１０】
次に図１（ｃ）に示すように、ＦＺシリコン基板１２に貼り合わせた被測定試料１１を赤外線が透過可能な１５〜２０μｍ厚に研磨して薄膜化することによりＣＺシリコン層１１ａを形成する。更に図６に示した装置を用いて、図１（ｄ）に示すように、５Ｋ以下の極低温状態でこの薄膜化したＣＺシリコン層１１ａに赤外線を照射して１１３６／ｃｍの波数における吸収ピークを測定する。測定後、ＣＺシリコン層１１ａを更に研磨してより薄膜化し、再度赤外線を照射して１１３６／ｃｍの波数における吸収ピークを測定する。この測定を複数回繰返し、最終的に研磨限界である約５μｍの厚さに薄膜化し測定する。測定毎にたて軸に１１３６／ｃｍの波数における赤外吸収ピークを有し、よこ軸に薄膜化したＣＺシリコン層１１ａの厚さを有する図にデータをプロットし、これらのデータから回帰直線を求めて、その傾きと、格子間酸素濃度の明らかな抵抗率が約１０Ωｃｍの試料における赤外吸収ピークと厚さより予め求めた変換係数とを掛けることにより、低抵抗率基板試料１１の格子間型酸素濃度を推定する。この実施の形態では貼り合わせ時の熱処理条件が従来より緩和されているため、ＣＺシリコン層１１ａにおける格子間型酸素の拡散は大幅に減少し、プロットしたデータはほぼ一定の直線上に存在し、格子間型酸素濃度を少ない誤差で推定できる。
【００１１】
【実施例】
次に本発明の具体的態様を示すために、本発明の実施例を説明する。
＜実施例１＞
図１に基づいて貼り合わせと薄膜化と赤外吸収ピークの測定を行った。抵抗率が約１０ｍΩｃｍで厚さが約６２５μｍの導電型がｐ+型の低抵抗率シリコン基板（ＣＺシリコン基板）の試料と、ドーパント濃度が０．０１ｐｐｍ以下で格子間型酸素濃度が１０16／ｃｍ3以下の厚さ約５ｍｍのＦＺシリコン基板とを準備した。試料とＦＺシリコン基板をＳＣ１洗浄した後、これらを貼り合わせた。この貼り合わせは、図２に示す条件で行った。先ず試料とＦＺシリコン基板とを重ねた状態で窒素雰囲気中で３００℃の温度で５分間維持した後、７５０℃で５分間維持し、更に１１００℃で５分間維持した。次いで７５０℃で５分間維持し、更に３００℃で５分間維持した。
貼り合わせ後、試料を研磨して薄膜化し、１５μｍ厚のＣＺシリコン層にした。５Ｋ以下の極低温状態でこの薄膜化したＣＺシリコン層に赤外線を照射して１１３６／ｃｍの波数における吸収ピークを測定した。測定後、ＣＺシリコン層の研磨を繰返し、徐々に厚みを１２μｍ、８μｍ及び５μｍと薄くして、それぞれの厚みでの１１３６／ｃｍの波数における赤外吸収ピークを測定した。その結果を図３に示す。得られた４つのデータから回帰直線Ａを求めた。各データは直線Ａ上又はその近傍に示された。
【００１２】
この実施例１の熱処理条件で貼り合わせた試料とＦＺシリコン基板を別の方法で評価した。即ち貼り合わせ界面付近の約４０μｍ厚のシリコン層の酸素濃度をＳＩＭＳにより測定した。その結果を図４に示す。図４において、深さ４０μｍ付近の垂直線は貼り合わせ界面を、この界面より左側がＣＺシリコン基板（ＣＺシリコン層）を、右側がＦＺシリコン基板をそれぞれ示す。
図４から明らかなように、ＣＺシリコン層はその表面から３７μｍ程度の深さ（厚さ）まで酸素濃度はほぼ一定で、この実施例ではＣＺシリコン層からＦＺシリコン基板への酸素の拡散が殆ど起きていないことが判った。
＜比較例１＞
試料とＦＺシリコン基板を重ねて窒素雰囲気中で１１００℃の温度で３０分間加熱処理することにより試料をＦＺシリコン基板に貼り合わせたことを除いては実施例１と実質的に同じ方法を繰返して試料を４段階に分けて薄膜化した。比較例１では１６μｍ、１３μｍ、９μｍ及び６μｍとＣＺシリコン層を薄くし、それぞれの厚みでの１１３６／ｃｍの波数における赤外吸収ピークを測定した。その結果を図３に示す。得られた４つのデータから回帰直線Ｂを求めた。しかし実施例１と比較して貼り合わせ界面付近に近づくに従い、データは膜厚と赤外吸収ピーク値との間で得られる直線Ｂからのずれが大きくなり、その結果、直線Ｂの傾きは緩やかになり、実施例１と異なる数値が示された。
【００１３】
比較例１の熱処理条件で貼り合わせを行い、薄膜化して赤外吸収ピークを測定した試料とＦＺシリコン基板を実施例１と同様に別の方法で評価した。即ち貼り合わせ界面付近の約３０μｍ厚のシリコン層の格子間型酸素濃度をＳＩＭＳにより測定した。その結果を図５に示す。図５において、深さ３０μｍ付近の垂直線は貼り合わせ界面を、この界面より左側がＣＺシリコン基板（ＣＺシリコン層）を、右側がＦＺシリコン基板をそれぞれ示す。
図５から明らかなように、ＣＺシリコン層はその表面から２０μｍ程度の深さ（厚さ）まで酸素濃度はほぼ一定で、そこから界面に近づくにつれて酸素濃度が減少していった。即ち界面から約１５μｍ以下の厚さになると酸素濃度が大きく減少した。このことから比較例１で赤外吸収ピークを求めた約６〜１６μｍの範囲は酸素の拡散の影響を受けていることが判った。
【００１４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、被測定試料とＦＺシリコン基板とを貼り合わせた後、被測定試料を薄膜化し、赤外吸収ピークを測定するときに、この貼り合わせをＣＺシリコン基板の被測定試料とＦＺシリコン基板とを重ねた状態で１１００℃未満の温度で１〜５分間維持した後、１１００℃の温度で１〜５分間維持することにより、ＣＺシリコン基板の被測定試料とＦＺシリコン基板の貼り合わせ強度を保ち、被測定試料とＦＺシリコン基板との貼り合わせ界面で被測定試料からＦＺシリコン基板へ酸素が拡散することが抑制され、被測定試料中の格子間型酸素の濃度を正確に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施の形態の酸素濃度の測定方法を工程順に示す図。
【図２】  実施例１のＣＺシリコン基板とＦＺシリコン基板を貼り合わせるときの熱処理条件を示す図。
【図３】  実施例１及び比較例１の赤外線の１１３６／ｃｍの波数における吸収ピークとＣＺシリコン層の厚さとの関係を示す図。
【図４】  実施例１のＳＩＭＳによるＣＺシリコン層の貼り合わせ界面付近の酸素濃度を示す図。
【図５】  比較例１のＳＩＭＳによるＣＺシリコン層の貼り合わせ界面付近の酸素濃度を示す図。
【図６】  赤外吸収法によるシリコン単結晶の格子間型酸素濃度を測定する方法を説明する図。
【図７】  赤外線の波数と吸収強度の関係を示すスペクトル図。
【符号の説明】
１１  ＣＺシリコン基板
１１ａ  ＣＺシリコン層
１２  ＦＺシリコン基板
１３  酸化膜
【図１】
0003635936.tif 000002
【図２】
0003635936.tif 000003
【図３】
0003635936.tif 000004
【図４】
0003635936.tif 000005
【図５】
0003635936.tif 000006
【図６】
0003635936.tif 000007
【図７】
0003635936.tif 000008