(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光(13)をバルク基板(11a)及びこのバルク基板上に積層された薄膜層(11b)からなるシリコンウェーハの表面に断続的に照射し、前記励起光の前記シリコンウェーハへの照射の断続時に前記シリコンウェーハがフォトルミネッセンス光(16)を発し、前記フォトルミネッセンス光の強度を測定することによりシリコンウェーハの品質を評価する方法において、
前記励起光(13)の照射時に前記薄膜層(11b)内に発生したキャリアの定常状態における拡散分布を拡散方程式を解いて求め、
前記キャリアの定常状態における拡散分布からフォトルミネッセンス光強度の信号データ［ＰＬ］を求める式(1)を導き、
入射強度の異なる２種類の励起光(13)をそれぞれ前記シリコンウェーハ(11)の表面に照射して２種類のフォトルミネッセンス光強度の信号データを測定し、
前記２種類のフォトルミネッセンス光強度の信号データのうち強度の小さい信号データを所定倍した後に強度の大きい信号データから強度の小さい信号データを引くことにより、前記式（１）の第１項を消去して薄膜層(11b)からの発光分をより多く含む信号データを得るか、或いは前記式（１）の第２項を消去してバルク基板(11a)からの発光分をより多く含む信号データを得るシリコンウェーハの品質評価方法。
【数１】
0003661767.tif 000004
ここで、［ＰＬ］はフォトルミネッセンス光強度の信号データであり、
Ｃは定数であり、
Ｂrは発光再結合係数であり、
ｐは薄膜層内のキャリア濃度であり、
ｐbはバルク基板内のキャリア濃度であり、
τは薄膜層におけるキャリアのライフタイムであり、
τbはバルク基板におけるキャリアのライフタイムであり、
Ｄはキャリアの拡散係数であり、
ｄは薄膜層の厚さであり、
Ｉは励起光の入射強度である。
【請求項２】
薄膜層(11b)がエピタキシャル層又はＤＺ層である請求項１記載のシリコンウェーハの品質評価方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコンウェーハ、特にエピタキシャルウェーハ内に存在する不純物や欠陥等を評価する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の評価方法として、半導体基板の主表面上に半導体薄層が形成され、被検半導体のバンドギャップよりエネルギの大きい励起光を用いて、半導体薄層表面近傍に電子正孔対を発生させ、この電子正孔対の再結合により発する光の特定波長の強度を検出し、その強度から半導体薄層又はその近傍のライフタイムを評価する半導体表面のライフタイム評価方法が開示されている（特開平８−１３９１４６号）。このライフタイム評価方法では、上記電子正孔対の再結合により発する特定波長の光がバンド端発光であり、上記励起光の波長の選択により電子正孔対の発生する深さ領域を選択的に変更可能に構成される。また半導体基板としては、キャリアの拡散長を比較的短くかつバンド端発光の強度を強くするため、その抵抗率が０．１Ω・ｃｍ以下の結晶が用いられる。
このように構成された半導体表面のライフタイム評価方法では、励起光の波長を選択することにより、電子正孔対の発生する深さ領域を選択的に変化させることができるので、半導体薄層のみのライフタイム評価や、半導体薄層及び半導体基板の両者を含んだライフタイム評価を選択的に行えるようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の特開平８−１３９１４６号公報に示された半導体表面のライフタイム評価方法では、励起光の波長を変えても電子正孔対の発生する深さ領域をコントロールできない不具合がある。即ち、励起光の照射により半導体薄層で発生した電子正孔対は有限のライフタイムを有するため、拡散して励起光の照射領域の外で再結合して発光する場合がある。この結果、励起光の波長を変えても励起光の照射領域のみで発する光とはならず、電子正孔対の発生する深さ領域をコントロールできない。
本発明の目的は、シリコンウェーハを破壊せずかつシリコンウェーハに接触せずに、薄膜層又はバルク基板のライフタイムと正相関のあるフォトルミネッセンス光強度を求めることができ、薄膜層又はバルク基板内の不純物や欠陥等を正確に評価できる、シリコンウェーハの品質評価方法を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
半導体基板の表面から励起光（最近ではコヒーレントの良いレーザが用いられる。）を入射すると、この励起光は励起波長に対する吸収係数で決まる深さまで侵入する。この吸収係数は半導体物質に固有の値であり、波長が４８８ｎｍである励起光（アルゴンレーザ）をシリコン単結晶からなるエピタキシャルウェーハに入射した場合には、吸収係数は１０００／ｃｍ（カイザー）程度であり、侵入長は１μｍ程度である。また半導体基板に励起光を照射すると、この励起光により励起された電子と正孔は他の再結合中心がなければ、伝導帯及び価電子帯間で再結合し（バンド端発光）、非発光中心が存在すれば、励起キャリアは非発光中心で再結合する（バンド端発光は弱くなる。）。
【０００５】
例えば、ｐ／ｐ+エピタキシャルウェーハのエピタキシャル層（厚さ５μｍ）表面からアルゴンレーザ（波長：４８８ｎｍ）を入射すると、侵入長が１μｍであるため、上記レーザはエピタキシャル層の厚さ５μｍの範囲内で止まる。しかしキャリアはエピタキシャル層内で有限のライフタイムを有するので、キャリアの拡散が生じ、バルク基板側まで拡散する。この結果、ウェーハのライフタイムが短ければキャリアはバルク基板内に侵入し難くなり、ウェーハのライフタイムが長ければキャリアはバルク基板内に侵入し易くなる。
【０００６】
一方、エピタキシャル層のみをフォトルミネッセンス法により評価する場合、バルク基板とエピタキシャル層との違いを認識する必要がある。バルク基板の表面に励起光を照射すると、バルク基板のほぼ厚さ方向の全てからフォトルミネッセンス光が発するけれども、ｐ／ｐ+エピタキシャルウェーハのエピタキシャル層表面に励起光を照射すると、キャリアが拡散するため、ウェーハが発するフォトルミネッセンス光にはエピタキシャル層（ｐ）のみならずバルク基板（ｐ+）が発するものも含まれる。そこで本発明者らはキャリア拡散を考慮したフォトルミネッセンス光を、バルク基板からの発光とエピタキシャル層からの発光とに分離する方法を見出し、本発明をなすに至った。
【０００７】
請求項１に係る発明は、図１に示すように、励起光１３をバルク基板１１ａ及びこのバルク基板上に積層された薄膜層１１ｂからなるシリコンウェーハ１１の表面に断続的に照射し、励起光のシリコンウェーハへの照射の断続時にシリコンウェーハがフォトルミネッセンス光１６を発し、フォトルミネッセンス光の強度を測定することによりシリコンウェーハの品質を評価する方法の改良である。
その特徴ある構成は、励起光１３の照射時に薄膜層１１ｂ内に発生したキャリアの定常状態における拡散分布を拡散方程式を解いて求め、上記キャリアの定常状態における拡散分布からフォトルミネッセンス光強度の信号データ［ＰＬ］を求める式(1)を導き、入射強度の異なる２種類の励起光１３をそれぞれシリコンウェーハ１１の表面に照射して上記２種類のフォトルミネッセンス光強度の信号データを測定し、上記２種類のフォトルミネッセンス光強度の信号データのうち強度の小さい信号データを所定倍した後に強度の大きい信号データから強度の小さい信号データを引くことにより、上記式（１）の第１項を消去して薄膜層１１ｂからの発光分をより多く含む信号データを得るか、或いは式（１）の第２項を消去してバルク基板１１ａからの発光分をより多く含む信号データを得るところにある。
【０００８】
【数２】
0003661767.tif 000002
ここで、［ＰＬ］はフォトルミネッセンス光強度の信号データであり、Ｃは定数であり、Ｂrは発光再結合係数であり、ｐは薄膜層内のキャリア濃度であり、ｐbはバルク基板内のキャリア濃度であり、τは薄膜層におけるキャリアのライフタイムであり、τbはバルク基板におけるキャリアのライフタイムであり、Ｄはキャリアの拡散係数であり、ｄは薄膜層の厚さであり、Ｉは励起光の入射強度である。
【０００９】
この請求項１に記載されたシリコンウェーハの品質評価方法では、式（１）から第１項を消去すれば、シリコンウェーハ１１を破壊せずかつシリコンウェーハに接触せずに、薄膜層１１ｂのフォトルミネッセンス光強度と正相関を有する薄膜層１１ｂのライフタイムτを予測することができ、この薄膜層１１ｂのフォトルミネッセンス光強度は薄膜層１１ｂ内の不純物や欠陥を正確に表した値となる。また式（１）から第２項を消去すれば、バルク基板１１ａのフォトルミネッセンス光強度と正相関を有するバルク基板１１ａのライフタイムτを予測することができ、このバルク基板１１ａのフォトルミネッセンス光強度はバルク基板１１ａ内の不純物や欠陥を正確に表した値となる。更にこの品質評価方法はエピタキシャルウェーハのエピタキシャル層又はバルク基板の品質評価に好適である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１に示すように、本発明の評価方法により評価されるシリコンウェーハ１１はこの実施の形態では、バルク基板１１ａの表面にエピタキシャル層１１ｂが積層されたエピタキシャルウェーハである。このエピタキシャルウェーハ１１の品質を評価するには品質評価装置１２が用いられる。この品質評価装置１２は励起光１３をウェーハ１１の表面に照射するレーザ装置１４と、このレーザ装置とウェーハ１１との間に設けられたチョッパ２１と、励起光１３のウェーハ１１への照射の断続時にウェーハ１１の発するフォトルミネッセンス光１６が導入される分光器１７と、この分光器に導入されたフォトルミネッセンス光１６の強度を電気信号に変換する光検出器１８と、光検出器により変換された電気信号を取込んで増幅するロックイン増幅器１９と、ロックイン増幅器で増幅された電気信号を読取るコントローラ２３とを備える。
【００１１】
レーザ装置１４としては、レーザの入射強度（入射光子数）を変更可能なアルゴンイオンレーザなどのガスレーザや、ＹＡＧなどの固体レーザや、ＡｌＧａＡｓなどの半導体レーザ等が用いられる。なお、エピタキシャルウェーハではなく、ＤＺ（denuded zone）層を有するポリッシュドウェーハ（ＰＷ）にも本発明の評価方法を適用できる。ＤＺ層を有するポリッシュドウェーハでは、ＤＺ層がエピタキシャル層に相当する。
【００１２】
チョッパ２１は軸２１ａを中心に回転しかつ軸を中心とする同一円周上に複数の小孔２１ｂが形成された不透明な円板２１ｃと、軸に固着された従動ギヤ２１ｄと、従動ギヤに噛合する駆動ギヤ２１ｅと、駆動ギヤを駆動するモータ２１ｆとを有する。モータ２１ｆにより円板２１ｃを所定の回転速度で回転させ、半導体基板１１に照射される励起光１３を円板２１ｃにより遮ったり或いは小孔２１ｂを通過させることにより、励起光１３を所定の周波数で断続可能に構成される。またチョッパ２１には上記断続して半導体基板１１に照射される励起光１３の断続周波数と同一の周波数のパルス信号を発する発信器２１ｇが設けられる。なお、チョッパ２１による励起光１３の断続周波数は８０〜１００Ｈｚの範囲内の所定の周波数、好ましくは９０Ｈｚである。
【００１３】
励起光１３は集光ミラー２４で反射して半導体基板１１の表面に照射される。この集光ミラー２４としては凹面鏡や平面鏡などが用いられる。焦点距離が１３０ｍｍ程度の集光ミラー２４（凹面鏡）を用いた場合には、半導体基板１１の励起領域のスポットサイズ（直径）は約０．５ｍｍとなり、焦点距離が無限大の集光ミラー２４（平面鏡）を用いた場合には、上記スポットサイズ（直径）は約１．５ｍｍとなる。
【００１４】
分光器１７は図示しないが半導体基板１１が発したフォトルミネッセンス光１６を通過させる入口側スリットと、入口側スリットを通過したフォトルミネッセンス光１６を分光させるグレーティングと、グレーティングで分光されたフォトルミネッセンス光１６を通過させる出口側スリットとを有する。グレーティングは６００本／ｍｍのスリットを有することが好ましい。なお、ウェーハ１１が発したフォトルミネッセンス光１６は２枚の平行な石英レンズ２６，２７で集められた後に分光器１７に導入される。
【００１５】
ロックイン増幅器１９は光検出器１８により変換された電気信号とともに、チョッパ２１に設けられた発信器２１ｇが発したパルス信号も取込んで増幅するように構成される。またコントローラ２３の制御入力には上記ロックイン増幅器１９で増幅された電気信号及びパルス信号がそれぞれ入力され、コントローラ２３の制御出力はレーザ装置１４、モータ２１及び表示器２８（ディスプレイやモニタなど）に接続される。
【００１６】
このように構成された品質評価装置を用いてエピタキシャルウェーハ１１の品質を評価する方法を説明する。
先ず、励起光１３の照射時に薄膜層１１ｂ内に発生したキャリアの定常状態における拡散分布を拡散方程式を解いて求め、上記キャリアの定常状態における拡散分布からフォトルミネッセンス光強度の信号データ［ＰＬ］を求める式(1)を導く。
【００１７】
【数３】
0003661767.tif 000003
ここで、［ＰＬ］はフォトルミネッセンス光強度の信号データであり、Ｃは定数であり、Ｂrは発光再結合係数であり、ｐはエピタキシャル層内のキャリア濃度であり、ｐbはバルク基板内のキャリア濃度であり、τはエピタキシャル層におけるキャリアのライフタイムであり、τbはバルク基板におけるキャリアのライフタイムであり、Ｄはキャリアの拡散係数であり、ｄはエピタキシャル層の厚さであり、Ｉは励起光の入射強度である。
【００１８】
上記式(1)のフォトルミネッセンス光強度の信号データ［ＰＬ］は入射強度（入射光子数）Ｉに比例する第１項と、入射強度（入射光子数）Ｉの２乗に比例する第２項とからなる。また上記第１項及び第２項にはエピタキシャル層からの発光及びバルク基板からの発光がそれぞれ含まれる。これらの項の大小関係を比較すると、エピタキシャル層からの発光はバルク基板からの発光に比べて弱く、また式(1)の第２項におけるエピタキシャル層からの発光とバルク基板からの発光は比較できる程度の差があることが判った。そこで、実験的に測定されるフォトルミネッセンス光強度の信号データはエピタキシャル層からの発光とバルク基板からの発光の和であるけれども、入射強度の異なる２種類の励起光をそれぞれシリコンウェーハの表面に照射して上記２種類のフォトルミネッセンス光強度の信号データを測定し、更に上記２種類のフォトルミネッセンス光強度の信号データのうち強度の小さい信号データを所定倍した後に強度の大きい信号データから強度の小さい信号データを引くことにより、上記式（１）の第１項を消去することができる。
【００１９】
具体的には、コントローラ２３がレーザ装置１４を制御して所定の入射強度Ｉ(high)で励起光をエピタキシャルウェーハに照射する。このときモータ２１ｆを制御して円板２１ｃを所定の回転速度で回転させ、励起光１３を断続的にウェーハ１１の表面に照射する。励起光１３のウェーハ１１への断続的な照射時であって、励起光１３のウェーハ１１への照射が遮断されたときに、ウェーハ１１の発するフォトルミネッセンス光１６を２枚の石英レンズ２６，２７を通して分光器１７で分光し、光検出器１８にて電気信号に変換し、更にロックイン増幅器１９により発信器２１ｇの発するパルス信号とともに増幅する。この増幅されたフォトルミネッセンス光強度の信号データ［ＰＬ］(high)はコントローラ２３を介して表示器２８にマップとして表示される。
【００２０】
またコントローラ２３がレーザ装置１４を制御して上記入射強度Ｉ(high)＝ｋＩ(low)となるような弱い入射強度Ｉ(low)で励起光をエピタキシャルウェーハに照射する。このときの円板２１ｃの回転速度は上記と同一とする。この状態で上記と同様にフォトルミネッセンス光強度の信号データ［ＰＬ］(low)を表示器にマップとして表示する。
【００２１】
更に上記［ＰＬ］(low)をｋ倍して、［ＰＬ］(high)からｋ［ＰＬ］(low)を引いてΔ［ＰＬ］を求める。即ち、式(1)からΔ［ＰＬ］＝［ＰＬ］(high)−ｋ［ＰＬ］(low)を算出する。これにより式(1)の第１項が消去され、エピタキシャル層１１ｂからの発光分をより多く含む信号データのマップを得ることができる。この結果、エピタキシャルウェーハ１１を破壊せずかつエピタキシャルウェーハに接触せずに、エピタキシャル層１１ｂのフォトルミネッセンス光強度と正相関を有するエピタキシャル層のライフタイムτを予測することができ、このエピタキシャル層のフォトルミネッセンス光強度はエピタキシャル層内の不純物や欠陥を正確に表した値となる。
【００２２】
なお、理論的には、エピタキシャル層の厚さが厚くなると、上記フォトルミネッセンス光強度の信号データΔ［ＰＬ］のマップはより多くのエピタキシャル層からの発光を観測していることになる。例えば、エピタキシャル層の厚さ及び抵抗率をそれぞれ５μｍ及び１０Ω・ｃｍとし、バルク基板の抵抗率を０．０１Ω・ｃｍとし、エピタキシャル層及びバルク基板のライフタイムをそれぞれ３０μ秒及び０．０１μ秒とすると、Δ［ＰＬ］の４５％程度がエピタキシャル層からの発光となる。
【００２３】
また、入射強度の異なる２種類の励起光をそれぞれシリコンウェーハの表面に照射して上記２種類のフォトルミネッセンス光強度の信号データを測定し、上記２種類のフォトルミネッセンス光強度の信号データのうち強度の小さい信号データを所定倍した後に強度の大きい信号データから強度の小さい信号データを引くことにより、上記式（１）の第２項を消去してバルク基板からの発光分をより多く含む信号データを得てもよい。これによりシリコンウェーハのバルク基板のライフタイムと正相関のあるフォトルミネッセンス光強度を求めることができるとともに、バルク基板内の不純物や欠陥を正確に表した値となる。またこの品質評価方法はエピタキシャルウェーハのバルク基板の品質評価に好適である。
【００２４】
【実施例】
次に本発明の実施例を詳しく説明する。
＜実施例１＞
図１に示す評価装置１２を用いてｐ／ｐ+エピタキシャルウェーハ１１のフォトルミネッセンス光強度の信号データ［ＰＬ］のマップ測定を行った。レーザ装置１４からは入射強度の異なる２種類（４０ｍＷ及び８ｍＷ）の励起光１３を上記ウェーハ１１の表面に照射した。そのときのフォトルミネッセンス光強度の信号データ［ＰＬ］(high)及び［ＰＬ］(low)を図２（入射強度４０ｍＷ）及び図３（入射強度８ｍＷ）にそれぞれ示す。またフォトルミネッセンス光強度の信号データの差分Δ［ＰＬ］（［ＰＬ］(high)−ｋ［ＰＬ］(low)）のマップを作り、この差分マップを図４に示す。
【００２５】
図２及び図３から明らかなように、バルク基板１１ａからのフォトルミネッセンス光１６は同心円状のパターン（ストリエーション）が見られるけれども、図４では上記同心円状のパターンは消失し、一様なマップが得られた。このマップはエピタキシャル層１１ｂからのフォトルミネッセンス光１６を多く含むマップとなっているものと予想される。なお、図４の上部の横方向に延びる縞模様は励起光１３が揺らいで発生したものである。
【００２６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、励起光の照射時に薄膜層内に発生したキャリアの定常状態における拡散分布を拡散方程式を解いて求め、上記キャリアの定常状態における拡散分布からフォトルミネッセンス光強度の信号データを求める式(1)を導き、入射強度の異なる２種類の励起光をそれぞれシリコンウェーハの表面に照射して上記２種類のフォトルミネッセンス光強度の信号データを測定し、更に上記２種類のフォトルミネッセンス光強度の信号データのうち強度の小さい信号データを所定倍した後に強度の大きい信号データから強度の小さい信号データを引くことにより、上記式（１）の第１項を消去して薄膜層からの発光分をより多く含む信号データを得るか、或いは式（１）の第２項を消去してバルク基板からの発光分をより多く含む信号データを得たので、シリコンウェーハを破壊せずかつシリコンウェーハに接触せずに、薄膜層又はバルク基板のライフタイムに正相関のある薄膜層又はバルク基板のフォトルミネッセンス光強度を求めることができるとともに、この求められたフォトルミネッセンス光強度は薄膜層又はバルク基板内の不純物や欠陥を正確に表した値となる。
【００２７】
またこの品質評価方法はエピタキシャルウェーハのエピタキシャル層又はバルク基板の品質評価に好適である。
更にキャリアの拡散長を比較的短くしかつバンド端発光の強度を強くするために半導体基板の抵抗率を０．１Ω・ｃｍ以下の結晶に限定する必要のあった従来の半導体表面のライフタイム評価方法と比較して、本発明のシリコンウェーハの品質評価方法は、抵抗率が０．１Ω・ｃｍ以下のウェーハのみならず、抵抗率が０．１Ω・ｃｍを越えるウェーハにも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施形態のエピタキシャルウェーハの品質を評価するための装置を示す構成図。
【図２】励起光の入射強度を４０ｍＷとしたときのフォトルミネッセンス光強度の信号データ［ＰＬ］(high)のマップを示す図。
【図３】励起光の入射強度を８ｍＷとしたときのフォトルミネッセンス光強度の信号データ［ＰＬ］(low)のマップを示す図。
【図４】［ＰＬ］(high)からｋ［ＰＬ］(low)を引いて算出したフォトルミネッセンス光強度の信号データの差分マップを示す図。
【符号の説明】
１１  エピタキシャルウェーハ（シリコンウェーハ）
１１ａ  バルク基板
１１ｂ  エピタキシャル層（薄膜層）
１３  励起光
１６  フォトルミネッセンス光
【図１】
0003661767.tif 000005
【図２】
0003661767.tif 000006
【図３】
0003661767.tif 000007
【図４】
0003661767.tif 000008