(57)【要約】【課題】シリコンウェーハ表層中の原子空孔を評価するための新たな方法と装置を提供する。【解決手段】シリコン試料６の同一面に圧電薄膜29，30を介して一対の櫛状の櫛状電極31，32を形成する素子形成工程と、シリコン試料６を冷却して外部磁場を印加しながら櫛状電極の一方31から超音波パルスを発振するとともにシリコン試料６の表面を伝播した超音波パルスを櫛状電極の他方32により受信し、櫛状電極の一方31から発振された超音波パルスと櫛状電極の他方32により受信された超音波パルスとの位相差を検出する検出工程と、位相差に基づきシリコン試料６の表層の弾性定数を求め、温度に対する弾性定数の変化又は磁場強度に対する弾性定数の変化に基づいてシリコン試料６の表層中の原子空孔を評価する評価工程とを備えた。【選択図】図３
2014168042.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン試料の同一表面上に対向した一対の表面超音波素子を形成する素子形成工程と、前記シリコン試料を冷却して外部磁場を印加しながら前記表面超音波素子の一方から超音波パルスを発振するとともに前記シリコン試料の表面を伝播した超音波パルスを前記表面超音波素子の他方により受信し、前記表面超音波素子の一方から発振された超音波パルスと前記表面超音波素子の他方により受信された超音波パルスとの位相差を検出する検出工程と、前記位相差に基づき前記シリコン試料の表層の弾性定数Ｃｓを求め、温度に対する弾性定数Ｃｓの変化又は磁場強度に対する弾性定数Ｃｓの変化に基づいて前記シリコン試料の表層中の原子空孔濃度Ｎを評価する評価工程とを備えたことを特徴とするシリコンウェーハ表層中の原子空孔評価方法。
【請求項２】
前記検出工程は、1０ｍＫ〜２０Ｋの温度で行われることを特徴とする請求項１記載のシリコンウェーハ表層中の原子空孔評価方法。
【請求項３】
前記検出工程は、０〜１０Ｔの磁場強度で行われることを特徴とする請求項１又は２記載のシリコンウェーハ表層中の原子空孔評価方法。
【請求項４】
前記表面超音波素子は、前記シリコン試料上に形成された圧電薄膜と、この圧電薄膜上に形成された櫛状電極とから形成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のシリコンウェーハ表層中の原子空孔評価方法。
【請求項５】
前記圧電薄膜は酸化亜鉛、窒化アルミニューム又はポリフッ化ビニリデンからなり、前記櫛状電極はＡｌ又はＣｕからなることを特徴とする請求項４記載のシリコンウェーハ表層中の原子空孔評価方法。
【請求項６】
前記シリコン試料は銀板上又は銀フィルム上に貼付されたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のシリコンウェーハ表層中の原子空孔評価方法。
【請求項７】
前記評価工程において、前記シリコン試料の表層の弾性定数Ｃｓの低温ソフト化量ΔＣｓ／Ｃｓを求め、低温ソフト化量ΔＣｓ／Ｃｓ＝１×１０−４に対して原子空孔濃度Ｎ＝（１．６±０．２）×１０１２ｃｍ−３が相当することに基いて原子空孔濃度Ｎを決定することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のシリコンウェーハ表層中の原子空孔評価方法。
【請求項８】
前記評価工程において、前記シリコン試料の表層の弾性定数Ｃｓの１０〜５０ｍＫの範囲内における極低温での一定温度で０〜１０テスラの磁場を印加したときの磁場強度の変化に依存した変化量ΔＣｓ／Ｃｓを求め、変化量ΔＣｓ／Ｃｓ＝１×１０−４に対して原子空孔濃度Ｎ＝（１．６±０．２）×１０１２ｃｍ−３が相当することに基いて原子空孔濃度Ｎを決定することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のシリコンウェーハ表層中の原子空孔評価方法。
【請求項９】
超音波発振部と超音波受信部とを形成したシリコン試料と、前記シリコン試料に対し外部磁場を印加する磁力発生手段と、前記シリコン試料を冷却する冷却手段と、前記超音波発振部から発振された超音波パルスと、前記シリコン試料を伝播して前記超音波受信部により受信された超音波パルスとの位相差を検出する検出手段と備え、前記超音波発振部と前記超音波受信部は、前記シリコン試料の表面に形成された圧電薄膜上に形成された櫛状電極であって、前記シリコン試料の同一面に形成されたことを特徴とするシリコンウェーハ表層中の原子空孔評価装置。
【請求項１０】
前記圧電薄膜は酸化亜鉛、窒化アルミニューム又はポリフッ化ビニリデンからなり、前記櫛状電極はＡｌ又はＣｕからなることを特徴とする請求項９記載のシリコンウェーハ表層中の原子空孔評価装置。
【請求項１１】
前記シリコン試料は銀板上又は銀フィルム上に貼付されたことを特徴とする請求項９又は１０記載のシリコンウェーハ表層中の原子空孔評価装置。
【請求項１２】
請求項１〜８のいずれかに記載の原子空孔評価方法により評価された表層中の原子空孔濃度が表示されるとともに、表層中の原子空孔濃度がバルク中の原子空孔濃度とは区別して表示されたことを特徴とするシリコンウェーハ。
【請求項１３】
シリコン試料の同一表面上に対向した一対の表面超音波素子を形成する素子形成工程と、前記シリコン試料を冷却して外部磁場を印加しながら前記表面超音波素子の一方から超音波パルスを発振するとともに前記シリコン試料の表面を伝播した超音波パルスを前記表面超音波素子の他方により受信し、前記表面超音波素子の一方から発振された超音波パルスと前記表面超音波素子の他方により受信された超音波パルスとの位相差を検出する検出工程と、前記位相差に基づき前記シリコン試料の表層の弾性定数Ｃｓを求め、温度に対する弾性定数Ｃｓの変化又は磁場強度に対する弾性定数Ｃｓの変化に基づいて前記シリコン試料の表層中の原子空孔濃度Ｎを評価する評価工程とを備えたことを特徴とするシリコンウェーハの製造方法。
【請求項１４】
請求項１３記載のシリコンウェーハの製造方法により製造されたことを特徴とするシリコンウェーハ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコンウェーハ表層中の原子空孔評価方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＤＲＡＭやフラッシュメモリに代表される半導体素子（ＬＳＩ：Large Scale Integration）は、通信機器等の高度化に伴い、多機能化、高品質化が進むとともに、携帯電話、携帯音楽プレイヤー、スマートフォンなどの普及によって、需要が急速に増加している。これに対応して、半導体素子の材料であるシリコンウェーハの需要も急速に増加しており、今後も増加すると予想される需要に対応するべく、高品質のシリコンウェーハを効率的に生産することができる技術が求められている。
【０００３】
因みに、半導体産業において、シリコンウェーハは、一般的にチョクラルスキー法（ＣＺ法）やフロートゾーン（ＦＺ法）で製造される。これらの方法で形成されたシリコンウェーハには、一定の割合で格子欠陥が含まれる。この格子欠陥は、主に格子中のシリコン原子１個が抜けた原子空孔と格子の不規則な位置にシリコン原子が入った格子間原子からなる点欠陥である。とくに点欠陥である原子空孔が集合し二次欠陥であるボイドを形成すると、シリコンウェーハを用いて製造するデバイスの電気特性や歩留まりに悪影響を及ぼすことになる。従って、上記したような通信機器等に用いられるいわゆるハイエンド・デバイスの製造には、加工を施したアニールウェーハ、エピタキシャルウェーハ、及び、二次欠陥であるボイドの成長を抑制した完全結晶シリコンウェーハが使われている。
【０００４】
ところが、アニールウェーハは、表面層のボイド欠陥を除去するために、基板ウェーハにアニール処理を施すものである。また、エピタキシャルウェーハは、ウェーハ上に不純物濃度と厚みを精密に制御したエピタキシャル層を形成するものである。すなわち、アニールウェーハ、及び、エピタキシャルウェーハでは、いずれもシリコンインゴットから切り出したシリコンウェーハに対し二次加工をする必要があるので、生産工数が増加することとなり、効率的にシリコンウェーハを生産することは困難である。また、アニールウェーハ、及び、エピタキシャルウェーハでは、大口径のウェーハ上（現在の３００ｍｍウェーハや開発が進んでいる４５０ｍｍウェーハ）へ、上記した二次加工を施すことが困難であるという問題もある。
【０００５】
このような理由から、近年では、２次欠陥であるボイドの成長を抑制し、点欠陥である原子空孔と格子間原子のみとした完全結晶シリコンウェーハが実用化されている。但し、この完全結晶シリコンウェーハにおいても、デバイスの電気特性や歩留りを向上するためには、結晶インゴット内における原子空孔リッチの部分の領域と、格子間原子リッチの部分の領域を判定する必要がある。さらに、一つの原子空孔リッチの部分の領域の中においても、原子空孔濃度の分布をデバイス製造に先だって事前に評価することが必要である。
【０００６】
したがって、点欠陥を制御した高品質ＣＺシリコン結晶インゴットの成長技術の開発には超音波計測による原子空孔濃度の定量評価が必要となっている。上記ＣＺシリコン結晶インゴットをスライスして製造される完全結晶シリコンウェーハ中の原子空孔の存在濃度を超音波計測によって予め評価することで、完全結晶シリコンウェーハを用いたデバイスの製造における特性制御が可能であり、歩留り向上に大きな寄与があると期待されている。
【０００７】
本発明者らのうちの１人は、これまでに超音波計測を用いた原子空孔分析装置を提案している（特許文献１）。この原子空孔分析装置では、シリコン試料に外部磁場を印加し、冷却しながら結晶試料に超音波を通過させて、シリコン試料での超音波音速変化とシリコン試料の冷却温度との関係を示す曲線の急峻な落ち込み量に基づいて、原子空孔濃度を求めるものである。
【０００８】
ところで、デバイス製造ではシリコンウェーハ表層の１〜３μｍだけを用いているので、半導体産業では、デバイス動作領域を含むウェーハ表層の原子空孔を計測したいとの強い要請がある。しかし、シリコンウェーハ内部の原子空孔濃度とは区分して、シリコンウェーハ表層中の原子空孔を計測する技術は今まで知られていなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平７一１７４７４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
そこで本発明は、上記した問題点に鑑み、シリコンウェーハ表層中の原子空孔を評価するための新たな方法と装置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】
【００１１】
本発明のシリコンウェーハ表層中の原子空孔評価方法は、シリコン試料の同一表面上に対向した一対の表面超音波素子を形成する素子形成工程と、前記シリコン試料を冷却して外部磁場を印加しながら前記表面超音波素子の一方から超音波パルスを発振するとともに前記シリコン試料の表面を伝播した超音波パルスを前記表面超音波素子の他方により受信し、前記表面超音波素子の一方から発振された超音波パルスと前記表面超音波素子の他方により受信された超音波パルスとの位相差を検出する検出工程と、前記位相差に基づき前記シリコン試料の表層の弾性定数Ｃｓを求め、温度に対する弾性定数Ｃｓの変化又は磁場強度に対する弾性定数Ｃｓの変化に基づいて前記シリコン試料の表層中の原子空孔濃度Ｎを評価する評価工程とを備えたことを特徴とする。
【００１２】
また、前記検出工程は、２０ｍＫ〜２０Ｋの温度で行われることを特徴とする。
【００１３】
また、前記検出工程は、０〜９Ｔの磁場強度で行われることを特徴とする。
【００１４】
また、前記表面超音波素子は、前記シリコン試料上に形成された圧電薄膜と、この圧電薄膜上に形成された櫛状電極とから形成されたことを特徴とする。
【００１５】
また、前記圧電薄膜は酸化亜鉛、窒化アルミニューム又はポリフッ化ビニリデンからなり、前記櫛状電極はＡｌ又はＣｕからなることを特徴とする。
【００１６】
また、前記シリコン試料は銀板上又は銀フィルム上に貼付されたことを特徴とする。
【００１７】
また、前記評価工程において、前記シリコン試料の表層の弾性定数Ｃｓの低温ソフト化量ΔＣｓ／Ｃｓを求め、低温ソフト化量ΔＣｓ／Ｃｓ＝１×１０−４に対して原子空孔濃度Ｎ＝（１．６±０．２）×１０１２ｃｍ−３が相当することに基いて原子空孔濃度Ｎを決定することを特徴とする。
【００１８】
また、前記評価工程において、前記シリコン試料の表層の弾性定数Ｃｓの１０〜５０ｍＫの範囲内における極低温での一定温度で０〜１０テスラの磁場を印加したときの磁場強度の変化に依存した変化量ΔＣｓ／Ｃｓを求め、変化量ΔＣｓ／Ｃｓ＝１×１０−４に対して原子空孔濃度Ｎ＝（１．６±０．２）×１０１２ｃｍ−３が相当することに基いて原子空孔濃度Ｎを決定することを特徴とする。
【００１９】
本発明のシリコンウェーハ表層中の原子空孔評価装置は、超音波発振部と超音波受信部とを形成したシリコン試料と、前記シリコン試料に対し外部磁場を印加する磁力発生手段と、前記シリコン試料を冷却する冷却手段と、前記超音波発振部から発振された超音波パルスと、前記シリコン試料を伝播して前記超音波受信部により受信された超音波パルスとの位相差を検出する検出手段とを備え、前記超音波発振部と前記超音波受信部は、前記シリコン試料の表面に形成された圧電薄膜上に形成された櫛状電極であって、前記シリコン試料の同一面に形成されたことを特徴とする。
【００２０】
また、上記において、前記圧電薄膜は酸化亜鉛、窒化アルミニューム又はポリフッ化ビニリデンからなり、前記櫛状電極はＡｌ又はＣｕからなることを特徴とする。
【００２１】
また、上記において、前記シリコン試料は銀板上又は銀フィルム上に貼付されたことを特徴とする。
【００２２】
本発明のシリコンウェーハは、上記のいずれかに記載の原子空孔評価方法により評価された表層中の原子空孔濃度が表示されるとともに、表層中の原子空孔濃度とバルク中の原子空孔濃度が区別して表示されたことを特徴とする。
【００２３】
本発明のシリコンウェーハの製造方法は、シリコン試料の同一表面上に対向した一対の表面超音波素子を形成する素子形成工程と、前記シリコン試料を冷却して外部磁場を印加しながら前記表面超音波素子の一方から超音波パルスを発振するとともに前記シリコン試料の表面を伝播した超音波パルスを前記表面超音波素子の他方により受信し、前記表面超音波素子の一方から発振された超音波パルスと前記表面超音波素子の他方により受信された超音波パルスとの位相差を検出する検出工程と、前記位相差に基づき前記シリコン試料の表層の弾性定数Ｃｓを求め、温度に対する弾性定数Ｃｓの変化又は磁場強度に対する弾性定数Ｃｓの変化に基づいて前記シリコン試料の表層中の原子空孔濃度Ｎを評価する評価工程とを備えたことを特徴とする。
【００２４】
本発明のシリコンウェーハは、上記のシリコンウェーハの製造方法により製造されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明のシリコンウェーハ表層中の原子空孔評価方法及び装置によれば、シリコンウェーハ内部の原子空孔濃度とは区分して、シリコンウェーハ表層中の原子空孔濃度を計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明のシリコンウェーハ表層中の原子空孔評価装置の実施形態において、シリコン試料を冷却する部分を示す概略図である。
【図２】同上シリコン試料をセッティングした試料ホルダー部の写真である。
【図３】同上シリコン試料の構成を模式的に示す斜視図である。
【図４】同上シリコン試料を示す写真である。
【図５】同上検出手段の構成を示すブロック図である。
【図６】ボロン添加ＣＺウェーハ表層を伝播する表面超音波（ＳＡＷ）の弾性定数Ｃｓの温度依存性を示すグラフである。
【図７】ボロン添加ＣＺウェーハ表層を伝播する表面超音波（ＳＡＷ）の弾性定数Ｃｓの磁場中温度依存性を示すグラフである。
【図８】ボロン添加ＣＺウェーハ表層を伝播する表面超音波（ＳＡＷ）の低温における弾性定数Ｃｓの磁場依存性を示すグラフである。
【図９】図７に示したボロン添加ＣＺウェーハ表層を伝播する表面超音波（ＳＡＷ）の弾性定数Ｃｓの磁場中温度依存性の理論解析を示すグラフである。
【図１０】図８に示したボロン添加ＣＺウェーハ表層を伝播する表面超音波（ＳＡＷ）の弾性定数Ｃｓの磁場依存性の理論解析を示すグラフである。
【図１１】（００１）面を持つシリコン表面上を［１００］方向に伝搬する表面弾性波の振動の様子を示すチャートである。
【図１２ａ】表面超音波（ＳＡＷ）が励起する変位ベクトルｕｘ、ｕｚに含まれる対称歪み成分εＢ、εｕ、εｖ、εｚｘの振動の様子を示すグラフであって、εＢとεｚｘ及び、εｕとεｖは相互に逆位相で振動しながらｘ方向に伝搬している様子を示す。
【図１２ｂ】表面超音波（ＳＡＷ）が励起する変位ベクトルｕｘ、ｕｚに含まれる対称歪み成分εＢ、εｕ、εｖ、εｚｘの振動の様子を示すグラフであって、εＢとεｚｘ及び、εｕとεｖはｚ方向、すなわちシリコンウェーハ面内において、相互に逆位相で振動しながら減衰する様子を示す。
【図１３ａ】表面超音波（ＳＡＷ）が励起する変位ベクトルｕｘ、ｕｚに含まれる対称歪み成分εＢ、εｕ、εｖ、εｚｘの振動エネルギーの様子を示すグラフであって、ｘ軸方向に進行するＳＡＷのエネルギーを示す。ｘ軸方向に進行するＳＡＷのエネルギーは、時間に依存して振動ながら伝搬する部分Ｕtotalと、時間に依存しない部分とから構成されている。
【図１３ｂ】表面超音波（ＳＡＷ）が励起する変位ベクトルｕｘ、ｕｚに含まれる対称歪み成分εＢ、εｕ、εｖ、εｚｘの振動エネルギーの様子を示すグラフであって、時間に依存して振動するＵtotalのシリコンウェーハ内部への侵入の様子を示す。
【図１４】表面超音波の温度変化（図６）とその磁場依存性（図７、図８）から原子空孔濃度を決定するために用いる理論解析（図９、図１０）の基礎となる原子空軌道の量子状態の様子を示す説明図である。
【図１５】理論解析（図９、図１０）に用いた、四極子感受率の温度依存性と磁場依存性を示すグラフである。
【図１６】表面超音波が誘起する対称化された弾性歪みと原子空孔軌道がもつ電気四極子を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明のシリコンウェーハ表層中の原子空孔評価方法及び装置について、実施例に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００２８】
［シリコンウェーハ表層中の原子空孔評価装置］
本実施例のシリコンウェーハ表層中の原子空孔評価装置の構成について説明する。
【００２９】
本実施例のシリコンウェーハ表層中の原子空孔評価装置を示す図１において、装置１は、試料ホルダー部２、冷却手段としての希釈冷凍機３、磁力発生手段４、及び検出手段たる検出同軸ライン５を備える。この装置１は、全体として、試料ホルダー部２に設置したシリコン試料６に外部磁場を印加した状態で、該シリコン試料６を所定温度に冷却し、シリコン試料６の表層中を伝播した超音波パルスの音速を検出可能に構成されている。
【００３０】
磁力発生手段４は、シリコン試料６に対し外部磁場を印加するため、シリコン試料６がセッティングされた位置を取り囲んで配置されている。磁力発生手段４としては、例えば、超伝導磁石を用いることができる。また、シリコン試料６に対し外部磁場を必要に応じて印加した状態で、シリコン試料６の表層中を伝播した超音波パルスの音速を検出するため、磁力発生手段４は、少なくとも０〜１０テスラの範囲で制御可能に構成されている。
【００３１】
希釈冷凍機３は、試料ホルダー部２に設置したシリコン試料６を冷却し、少なくとも２０ｍＫ〜２０Ｋの範囲で制御可能に構成されている。本実施例において、希釈冷凍機３は、３Ｈｅ-４Ｈｅ混合ガス系10と、４Ｈｅ系11の２系統からなり、デューワ12内を所定温度に冷却可能に構成されている。デューワ12は、内層12aと外層12bの二重構造を有し、この内層12aと外層12bとの間に真空の空間12cが形成されている。このデューワ12内には、液体の４Ｈｅが貯留されている。
【００３２】
３Ｈｅ-４Ｈｅ混合ガス系10は、希釈冷凍機３としての冷却能力を得るように構成されている。この３Ｈｅ-４Ｈｅ混合ガス系10は、貯留タンク14、循環ポンプ15、コンデンサ16、混合器17、及び分留器18を備える。循環ポンプ15は、通常のポンプとは異なり、３Ｈｅが外気へ逃げないような構造がとられている。コンデンサ16は、循環ポンプ15から送り出された３Ｈｅガスを冷却して３Ｈｅ濃厚相と３Ｈｅ希薄相とに相分離するようになっている。
【００３３】
混合器17は、希釈冷凍機３において最も温度が低い部分である。この混合器17内には、相分離した３Ｈｅ−４Ｈｅ混合液の界面が存在する。混合器17内の上半分は、３Ｈｅ濃厚相であり、上記コンデンサ16から絶えず供給されている。また、混合器17内の下半分は３Ｈｅ希薄相（濃度約６％で、残りが超流動４Ｈｅ）であり、分留器18へとつながっている。この混合器17において、３Ｈｅは、エントロピーが大きい濃厚相から、エントロピーが殆どない希薄相に強制的に移動させられ、このときに生ずるエントロピー差によって、希釈冷凍機３の冷却能力が生じるようになっている。
【００３４】
分留器18は、希薄相にある３Ｈｅのみを選択的に蒸発させ得るように構成されている。この分留器18は、所定温度（例えば、０．８Ｋ以下）に保持されるようになっている。これにより、分留器18は、４Ｈｅの蒸気圧は０であるのに対し、３Ｈｅの蒸気圧は有限に保たれる現象を利用して、３Ｈｅのみを蒸発させるようになっている。
【００３５】
４Ｈｅ系11は、３Ｈｅガスを液化可能に構成されている。この４Ｈｅ系は、排気ポンプを有する１Ｋポット20を備えている。この４Ｈｅ系11では、１Ｋポット20内の４Ｈｅを排気ポンプで排気することにより、冷却能力を得るようになっている。本実施例では、コンデンサ16を介してデューワ12内から直接４．２Ｋの４Ｈｅ液を取り込むことにより、連続的な運転が可能に構成され、コンデンサ16において３Ｈｅガスを液化するようになっている。
【００３６】
なお、図１では、シリコン試料６をセッティングした試料ホルダー部２が、混合器17内では３Ｈｅ濃厚相と３Ｈｅ希薄相とに相分離する構成を示している。本実施例では冷却した混合器17を形成する部材を熱伝導率の高い材質で構成し、混合器17を形成する部材からの熱伝導を利用してシリコン試料６を間接的に冷却するようにしている。このような構成とした場合には、特に冷却する温度域を高温側に広げられる点で有利である。
【００３７】
検出同軸ライン５は、シリコンウェーハの表面に対し超音波パルスを発振し、発振させた超音波パルスをシリコンウェーハ表層中に伝播させた超音波パルスを受信し、シリコンウェーハ表層中を伝播した超音波パルスの音速を検出可能に構成されている。
【００３８】
図２に示すように、シリコン試料６は、純銀からなる銀板21に貼付されて試料ホルダー部２に保持されている。ここで、銀板21は、シリコン試料６に接触してシリコン試料６を冷却して、外部磁場を印加しても温度変動の影響を受けにくくするために設けられている。また、シリコン試料を冷却するための銀線22，23が設けられている。
【００３９】
また、図３に示すように、シリコン試料６は、シリコンウェーハ26と、シリコンウェーハ26の一面に設けられた表面超音波素子（ＳＡＷ素子）としての超音波発振部27、超音波受信部28とからなる。この超音波発振部27と超音波受信部28は、シリコンウェーハ26の同一面に形成されており、シリコンウェーハ26上に形成された圧電薄膜29，30と、さらにその上に形成されシリコンウェーハ表層中に電場を印加するための櫛状電極31，32を備えている。そして、これら圧電薄膜29，30と櫛状電極31，32により、トランスデューサが構成されている。なお、本実施例において、圧電薄膜29，30は厚さ２μｍのＺｎＯからなり、それぞれ接地されている。また、櫛状電極31，32は、Ａｌ又はＣｕからなり、細線を複数回折り曲げて平行に配置したいわゆる櫛状に形成されている。なお、圧電薄膜29，30はスパッター法などにより形成され、櫛状電極31，32はフォトリソグラフィー法などにより形成することができる。櫛状電極31，32の厚さは１μｍ以下、細線の幅Ｗは２．５μｍ、細線の間隔は幅Ｗと同じ２．５μｍとなっている。なお、細線の幅Ｗは、超音波発振部27から発振される超音波パルスの波長λの４分の１となる。そして、櫛状電極31，32は、図示するように、相互にそれぞれの細線を平行にした状態で、かつ、相互に対向して設けられている。
【００４０】
図４に実際に作成したシリコン試料６を示す。下方の部分拡大図において黒い部分がＺｎＯからなる圧電薄膜29、白い部分がその上に形成されたＡｌからなる櫛状電極31である。圧電薄膜29はスパッター法により形成され、櫛状電極31はフォトリソグラフィー法により形成されている。シリコン試料６は、縦寸法１０ｍｍ、横寸法４０ｍｍ、厚さ０．７７６ｍｍの短冊状となっている。
【００４１】
つぎに、図５に基づいて検出同軸ライン５の構成と作用について説明する。検出同軸ライン５は、シリコン試料６に印加される超音波パルスの基本信号を直接測定した参照信号と、シリコン試料６の表層中を伝播した表面超音波パルスの測定信号との位相差を検出するように構成されている。本実施例では、検出同軸ライン５は、標準信号発生器35、周波数カウンタ36、パーソナルコンピュータ37、ダイオードスイッチ38、パルス発生器39、位相移行器40、及び、位相検出器41を備えている。
【００４２】
標準信号発生器35は、基本信号を発生する。この基本信号は、参照信号系5aと測定信号系5bとに分岐される。尚、周波数カウンタ36は、基本信号を計測し、その結果をパーソナルコンピュータ37に出力する。
【００４３】
参照信号系5aは、位相移行器40を介して、位相検出器41に接続されている。一方、測定信号系5bは、パルス発生器39が接続されたダイオードスイッチ38、シリコン試料６が順に配置され、位相検出器41に接続されている。ダイオードスイッチ38は、基本信号を所定の幅に分割する。
【００４４】
位相検出器41は、基本信号に基づく参照信号と、シリコン試料６から出力された測定信号とを比較して、シリコンウェーハ26中の超音波パルスの音速を検出する。
【００４５】
なお、検出同軸ライン５は、温度や磁場で音速が変化することで生じる位相差が一定になるように発振周波数を変化させ零検出を行う手段を有することがより好適である。また、多数個のシリコン試料６及び一のシリコン試料６の複数点について、同時に位相差を測定できるように構成するのが好ましい。
【００４６】
［シリコンウェーハ表層中の原子空孔評価方法］
つぎに、本実施例のシリコンウェーハ表層中の原子空孔評価方法について説明する。
【００４７】
まず、シリコンインゴットから所定の部位を切り出したシリコンウェーハ26の表面に、超音波発振部27と超音波受信部28とをそれぞれ形成したシリコン試料６に対し、外部磁場を必要に応じて印加した状態で、２０Ｋ以下の温度域まで冷却する。
【００４８】
つぎに、標準信号発生器35により、基本信号を発振する。この基本信号は、参照信号系5aと測定信号系5bとに分岐される。測定信号系5bの基本信号は、ダイオードスイッチ38によって例えば０．５μｓの幅に分割される。
【００４９】
ダイオードスイッチ38によって分割された基本信号によって、櫛状電極31，32間に電場としての交流電場が印加される。この交流電場によって、圧電薄膜29が分極して弾性歪みが現れ、これにより超音波発振部27は、基本信号に基づいて超音波パルスを発生する。このようにして、基本信号は、超音波発振部27によって、機械信号、すなわち、超音波パルスに変換される。
【００５０】
超音波パルスは、シリコンウェーハ26の表面から超音波パルスの波長λ〜１０μｍ以下における表層中を伝搬する。シリコンウェーハ26の表層中を伝搬する超音波パルスは、超音波受信部28において測定波パルスとして受信され、再び電気信号に変換され測定信号として出力される。
【００５１】
この測定信号と参照信号とを位相検出器41において比較し、超音波パルスと測定波パルスとの位相差φを計測する。この位相差φを用いて、音速ｖを式１：φ＝２πｌｆ／ｖより算出する。ここで、ｌは表面超音波の伝搬長であり、ｆは超音波周波数である。こうして実測した音速は４．９６７ｋｍ／秒である。これは、表面弾性波の理論計算か予想されるレイリー波の計算結果４．８４４ｋｍ／秒と良く一致している。
【００５２】
このようにして算出された音速ｖから、弾性定数Ｃｓを式２：Ｃｓ＝ρｖ２より算出する。ここで、ρ-＝２．３３ｇ／ｃｍ３はシリコンの密度である。
【００５３】
上記のようにして、超音波パルスの位相差φより音速ｖを検出する。そして、音速ｖから冷却温度の低下に伴う弾性定数Ｃｓを算出し、弾性定数Ｃｓの減少量からシリコンウェーハ26中に存在する原子空孔の種類と濃度を定量的に評価することができる。或いは、温度を一定として磁場強度の低下に伴う弾性定数Ｃを算出し、弾性定数Ｃｓの減少量からシリコンウェーハ26中に存在する原子空孔の濃度を定量的に評価することができる。弾性定数の減少量と原子空孔濃度とが比例するからである。
【００５４】
ボロン添加ＣＺウェーハを用いてシリコン試料６を作成し、４Ｋから低温度域に冷却したときの冷却温度に対する弾性定数の変化を測定すると、例えば図６のようなグラフを得ることができる。ここで、超音波パルスの周波数は５２３ＭＨｚ、伝搬方向は結晶方位［００１］と平行、櫛状電極31，32間の距離ｄは１５ｍｍ、磁場強度は０Ｔである。このグラフは、温度の逆数に比例して弾性定数Ｃｓが著しく低下、すなわち、低温ソフト化していることを表している。なお、この例では、１．１６Ｋ付近において、櫛状電極31，32を構成するＡｌの超伝導転移による弾性定数Ｃの観測値の変化が確認されている。
【００５５】
なお、原子空孔の周りの１ｎｍ以上に大きく拡がった原子空孔軌道は、巨大な電気四極子をもち、超音波歪みと極めて強く結合している。さらに、基底状態は軌道縮退している絶対零度に近づくと低温ソフト化が顕著になる。また、原子空孔軌道には３個の電子が収納されているので、磁性を帯びる。このような原子空孔軌道の量子状態を利用することにより、原子空孔濃度を評価することができる。
【００５６】
以下、理論数式に基いて、シリコン試料の表層の弾性定数Ｃｓの低温ソフト化量ΔＣｓ／Ｃｓと、原子空孔濃度Ｎの関係について詳細に説明する。
【００５７】
本実施例においては、シリコン表面（００１）を［１００］方向に伝搬する表面超音波弾性波を例にとって説明しているが、図１１に示すように縦波成分ｕｘと横波成分ｕｚが楕円軌道を描きながら運動する。表面超音波の弾性定数Ｃｓの低温ソフト化は、表面超音波が誘起する歪みと原子空孔軌道の電気四極子との相互作用によって起きる。
【００５８】
図１２ａと図１２ｂに示した表面超音波（ＳＡＷ）が励起する変位ベクトルｕｘ、ｕｚに含まれる対称歪みεＢ、εｕ、εｖ、εｚｘの振動は
【００５９】
【数１】
2014168042.tif 000003
【００６０】
と書ける。ここに、表面超音波のz軸方向への減衰と振動をあらわすパラメーターは
【００６１】
【数２】
2014168042.tif 000004
【００６２】
であり、対称歪みの振幅Ａと位相θのパラメーターは
【００６３】
【数３】
2014168042.tif 000005
【００６４】
である。
【００６５】
表面超音波が誘起する対称歪みと電気四極子との相互作用は
【００６６】
【数４】
2014168042.tif 000006
【００６７】
と書ける。ここに、ｘ軸方向に振動しながら伝搬し、z軸方向に減衰する様子を表す関数を
【００６８】
【数５】
2014168042.tif 000007
【００６９】
を用いてある。さらに、
【００７０】
【数６】
2014168042.tif 000008
【００７１】
は入力する表面超音波の振幅Ｕに比例するパラメーターである。ｋは表面超音波の波数である。
【００７２】
摂動ハミルトニアン（式（４））を用いて、シリコン格子と原子空孔軌道との結合系の自由エルギーを外部摂動δ の２次過程まで計算する。さらに、自由エルギーの外部摂動aについての２回微分を計算することで、弾性定数Ｃｓの低温ソフト化（図５）、その磁場中温度依存性（図６）、低温での磁場依存性（図７）を理論的に解析することができる。
【００７３】
つぎに、
【００７４】
【数７】
2014168042.tif 000009
【００７５】
を用いて解析を行う。表面超音波の弾性定数Ｃｓの温度依存性と磁場依存性は、図15に示した四極子感受率χ（Ｏｕ）、χ（Ｏｖ）及びχ（Ｏｚｘ）の温度磁場依存性を用いる。その際、別途本願発明者らが求めた四極子-歪み結合定数（Strong Quadrupole-Strain Interaction of Vacancy Orbital in Boron-Doped Czochralski Silicon: Kazuki Okabe, Mitsuhiro Akatsu, Shotaro Baba, Keisuke Mitsumoto, Yuichi Nnemoto, Hiroshi Yamada-Kaneta, Terutaka Goto, Hiroyuki Saito, Kazuhiko Kashima, and Yoshihiko Saito, Journal of Physical Society of Japan, Vol. 82, No. 12, Article ID 124604、掲載予定日：2013年11月13日）
【００７６】
【数８】
2014168042.tif 000010
【００７７】
【数９】
2014168042.tif 000011
【００７８】
を用いる。
【００７９】
さらに、式（１）に現れるバックグランドＣｓ０は
【００８０】
【数１０】
2014168042.tif 000012
【００８１】
で記述されるようなゆるやかな温度変化を示し、
【００８２】
【数１１】
2014168042.tif 000013
【００８３】
となる。
【００８４】
図９と図１０は、式（７）を用いた理論計算の結果であり、図７と図８の実験結果を再現している。こうして、実施例で用いたシリコンウェーハの表層（侵入長λｐ＝３μｍの程度）に存在する原子空孔濃度Ｎは、低温ソフト化の大きさΔＣｓ／Ｃｓ＝１．９×１０−４に比例し、Ｎ＝３．１×１０１２ｃｍ−３と評価できた。これは、表面超音波の弾性定数Ｃｓのソフト化がΔＣｓ／Ｃｓ＝１０−４を単位として、原子空孔濃度Ｎ＝（１．６±０．２）×１０１２ｃｍ−３に相当することを示している。ここでは、結合定数に含まれる誤差を考慮している。これにより、表層の原子空孔濃度を決定する方法が確立された。
【００８５】
なお、表面超音波の低温ソフト化は外部から印加する磁場によって消失するが、磁場の印加方向によって消失する振る舞いが異なる。磁場を表面超音波の進行方向に平行に印加する場合、磁場を表面超音波の進行方向に垂直でウェーハ表面に平行に印加する場合、磁場をウェーハ表面に垂直に印加する場合について異なる振る舞いをする。表面超音波の低温ソフト化の印加磁場依存性により表層の原子空孔濃度を評価できる。
【００８６】
図７にボロン添加ＣＺウェーハ表層中の弾性定数の磁場依存性、図８にボロン添加ＣＺウェーハ表層中の弾性定数の磁場中温度依存性を示す。ここで、超音波パルスの周波数は５２３ＭＨｚ、伝搬方向は結晶方位［００１］と平行、磁場の印加方向は結晶方位［００１］と平行、櫛状電極31，32間の距離ｄは７．５ｍｍであり、図８は温度をそれぞれ４Ｋ、１．５Ｋ、７００ｍＫ、３００ｍＫ、２３ｍＫに一定にした場合、図７は磁場強度をそれぞれ０Ｔ、０．４Ｔ、１Ｔ、２Ｔに一定にした場合を示している。この低温ソフト化の磁場依存性の観測により、磁場による低温ソフト化の回復量と一定磁場中の低温ソフト化量が一致することが確認されている。
【００８７】
以上のように、本実施例のシリコンウェーハ表層中の原子空孔評価方法は、シリコン試料６の同一面に圧電薄膜である圧電薄膜29，30を介して櫛状の櫛状電極31，32を形成して対向した一対の表面超音波素子を形成する素子形成工程と、前記シリコン試料６を冷却して外部磁場を印加しながら前記表面超音波素子の一方31から超音波パルスを発振するとともに前記シリコン試料６の表面を伝播した超音波パルスを前記表面超音波素子の他方32により受信し、前記表面超音波素子の一方31から発振された超音波パルスと前記櫛状電極の他方32により受信された超音波パルスとの位相差を検出する検出工程と、前記位相差に基づき前記シリコン試料６の表層の弾性定数を求め、温度に対する弾性定数の変化又は磁場強度に対する弾性定数の変化に基づいて前記シリコン試料６の表層中の原子空孔を評価する評価工程とを備えたものである。
【００８８】
また、上記において、好ましくは、前記検出工程は、２０ｍＫ〜２０Ｋの温度で行われる。
【００８９】
また、上記において、好ましくは、前記圧電薄膜29，30はＺｎＯからなり、前記櫛状電極31，32はＡｌ又はＣｕからなる。
【００９０】
また、上記において、好ましくは、前記シリコン試料６は銀板21上に貼付されている。
【００９１】
また、本実施例のシリコンウェーハ表層中の原子空孔評価装置１は、超音波発振部27と超音波受信部28とを形成したシリコン試料６と、前記シリコン試料６に対し外部磁場を印加する磁力発生手段４と、前記シリコン試料６を冷却する冷却手段３と、前記超音波発振部27から発振された超音波パルスと、前記シリコン試料６を伝播して前記超音波受信部28により受信された超音波パルスとの位相差を検出する検出同軸ライン５と備え、前記超音波発振部27と前記超音波受信部28は、前記シリコン試料６の表面に形成された圧電薄膜29，30上に形成された櫛状の櫛状電極31，32であって、前記シリコン試料６の同一面に形成されたものである。
【００９２】
本実施例のシリコンウェーハ表層中の原子空孔評価方法及び装置によれば、シリコンウェーハの表層中を伝播する高周波の超音波を測定することにより、シリコンウェーハ内部の原子空孔濃度とは区分して、１０μｍより薄いシリコンウェーハ表層中の原子空孔濃度を計測することができる。
【００９３】
そして、本発明によれば、性能評価のためのテストウエーハを作り測定する半導体開発作業に大きな技術的進化が望める。半導体産業で用いられているニュートラルウェーハ、アニールウェーハ、エピタキシャルウェーハでは、従来からボロン添加濃度を示す抵抗率、酸素濃度、ボイドを意味するＣＯＰ濃度などを表示して販売されていたが、さらに、超音波で計測した原子空孔濃度の数量を表示したシリコンウェーハの半導体産業での実用化が可能となる。シリコンウェーハ中の原子空孔は、半導体製造プロセスにおける酸化物の微少欠陥（ＢＭＤ）析出を支配する要因になっている。このため、ウェーハに原子空孔濃度を表示することが実用化されると、ますます微細化が進行するメモリー、演算素子（ＣＰＵ）、イメージセンサーなどの最先端デバイスの製造の歩留まりが飛躍的に向上する。クリーンエネルギーの制御で今注目を集めているパワー半導体の高性能化などに大きく寄与できる。
【００９４】
なお、本実施例では、シリコン試料６は銀板21上に貼付されたが、銀フィルム上に貼付されてもよい。
【００９５】
このほか、本発明は上記実施例に限らず、種々の変形実施が可能である。例えば、検出工程は、０〜１０Ｔの範囲内の任意の磁場強度で行うことができる。また、圧電薄膜29，30は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）のほか、窒化アルミニューム(ＡｌＮ)又はポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ)から構成してもよい。
【００９６】
また、表面超音波素子の共鳴周波数を０．５〜１０ＧＨｚの範囲として、シリコン表層の３．５〜０．１８ｍｍに存在する原子空孔濃度を選択的に評価するようにしてもよい。また、超音波発振部と超音波受信部は、パルス幅が０．１〜１μ秒である超音波パルスを用いるように構成されてもよい。
【符号の説明】
【００９７】
１  原子空孔評価装置
３  希釈冷凍機（冷却手段）
４  磁力発生手段
５  検出同軸ライン（検出手段）
６  シリコン試料
21  銀板
27  超音波発振部
28  超音波受信部
29，30  圧電薄膜
31，32  櫛状電極
【図５】
2014168042.tif 000014
【図７】
2014168042.tif 000015
【図８】
2014168042.tif 000016
【図９】
2014168042.tif 000017
【図１０】
2014168042.tif 000018
【図１１】
2014168042.tif 000019
【図１２ａ】
2014168042.tif 000020
【図１２ｂ】
2014168042.tif 000021
【図１３ａ】
2014168042.tif 000022
【図１３ｂ】
2014168042.tif 000023
【図１】
2014168042.tif 000024
【図２】
2014168042.tif 000025
【図３】
2014168042.tif 000026
【図４】
2014168042.tif 000027
【図６】
2014168042.tif 000028
【図１４】
2014168042.tif 000029
【図１５】
2014168042.tif 000030
【図１６】
2014168042.tif 000031