(57)【要約】      （修正有）【課題】特性発光がなくとも半導体基板の結晶欠陥の状態を評価することができる半導体基板の評価方法を提供する。【解決手段】結晶欠陥を有する半導体基板に対して前記結晶欠陥を回復するための欠陥回復熱処理を施した半導体基板の評価方法であって、ルミネッセンス法を用いて、前記半導体基板のバンド端発光の強度を測定する工程と、該測定の結果に基づいて、前記半導体基板の結晶性の回復度合いを評価する工程とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶欠陥を有する半導体基板に対して前記結晶欠陥を回復するための欠陥回復熱処理を施した半導体基板の評価方法であって、
ルミネッセンス法を用いて、前記半導体基板のバンド端発光の強度を測定する工程と、
該測定の結果に基づいて、前記半導体基板の結晶性の回復度合いを評価する工程と
を有することを特徴とする半導体基板の評価方法。
【請求項２】
前記ルミネッセンス法を、カソードルミネッセンス法とすることを特徴とする請求項１に記載の半導体基板の評価方法。
【請求項３】
前記結晶欠陥を、半導体基板にイオン注入することによって発生したイオン注入欠陥とすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体基板の評価方法。
【請求項４】
前記測定する工程の前に、更に、ルミネッセンス法を用いて、前記イオン注入前の半導体基板のバンド端発光の強度を測定する工程を有することを特徴とする請求項３に記載の半導体基板の評価方法。
【請求項５】
前記評価する工程において、前記欠陥回復熱処理後の半導体基板のバンド端発光の強度を前記イオン注入前の半導体基板のバンド端発光の強度で割った値であるバンド端発光の強度比に基づいて、前記欠陥回復熱処理後の半導体基板の結晶性の回復度合いを評価することを特徴とする請求項４に記載の半導体基板の評価方法。
【請求項６】
前記評価する工程において、前記バンド端発光の強度比が、０．８以上のときに、前記欠陥回復熱処理後の半導体基板を、欠陥が回復したものと評価することを特徴とする請求項５に記載の半導体基板の評価方法。
【請求項７】
前記欠陥回復熱処理を、急速加熱・急速冷却熱処理とすることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の半導体基板の評価方法。
【請求項８】
前記半導体基板を、シリコン半導体基板とすることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の半導体基板の評価方法。
【請求項９】
前記バンド端発光を、ＴＯ線とすることを特徴とする請求項８に記載の半導体基板の評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板の評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＳＩ高性能化のために微細化が進められ、ゲート長が短くなってきている。ゲート長が短くなったため、ソース・ドレイン領域の拡散深さを浅くする必要が生じている。たとえば、ゲート長が３０ｎｍ程度のデバイス（トランジスタ）であれば、ソース・ドレイン部の拡散深さは１５ｎｍ程度となり、非常に浅い拡散が必要となる。
【０００３】
従来、このような拡散層形成には、イオン注入が用いられ、たとえばＢ＋やＢＦ２＋＋を０．２〜０．５ｋｅＶという非常に低加速で注入する方法が用いられる。しかしイオン注入された原子はこのままでは抵抗を下げることができない。またイオン注入された領域ではシリコン基板中に格子間シリコンや原子空孔などの点欠陥が生じる。
【０００４】
このため、イオン注入後には、原子の活性化（抵抗を下げる）と欠陥回復のためにアニールを行うが、このアニールにより、イオン注入された原子は拡散し不純物分布が広がってしまう。さらにアニールだけでなくイオン注入により生じた点欠陥により不純物拡散が増速する現象も知られている。
【０００５】
以上に述べた拡散の広がりを考慮しても、深さ１５ｎｍ以下で、イオン注入用マスク直下横方向で１０ｎｍ以下の浅いｐｎ接合を形成できるようにするために、非常に短時間で高エネルギーを照射するアニール方法が検討され、採用されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
このアニール方法としては、キセノン等の希ガスを封入したフラッシュランプを使用したアニール等が挙げられる。このランプは数十Ｊ／ｃｍ２以上の高エネルギーを０．１〜１００ミリ秒のパルス光として照射する方法である。このためイオン注入により形成した不純物分布をほとんど変化させずに活性化させることが可能である。
【０００７】
しかしながら、この高エネルギーを用いるがゆえに、シリコン基板中の熱応力が大きくなりシリコン基板の割れやスリップといったダメージが生じることが考えられ、実際にこれに対する検討がされている。
【０００８】
例えば、特許文献２には、半導体基板中にダメージを招かずに、浅い不純物拡散領域を形成するために、半導体基板に対してアクセプタまたはドナーとなる物質と、半導体基板に対してアクセプタまたはドナーにならない物質とを有する物質を半導体基板に注入することが記載されている。
【０００９】
上述のように、半導体基板にイオン注入等をすることによって発生した結晶欠陥は、熱処理によって回復する。このとき、結晶欠陥の回復状態は、例えばルミネッセンス法を用いて評価されている。ルミネッセンス法としては、電子線を使用したカソードルミネッセンスやレーザー光を用いたフォトルミネッセンス法等を挙げることができる。これらはいずれも電子線やレーザー光を用いてキャリアを励起し、このキャリアがフォノンとしてエネルギーを消失する過程を発光として捉えるものであり、完全結晶からのわずかなずれ（欠陥）に対して非常に高感度である。エネルギー消失過程においてバンド内に準位が存在すると、このエネルギー準位に応じた発光を得ることが出来、欠陥の存在を高感度に検出することが出来る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００５−３４７７０４号公報
【特許文献２】特開２００９−０２７０２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、前述のようにイオン注入技術及びアニール技術の向上により、導入される欠陥密度が小さくなり、従来のようなルミネッセンス法を用いて得られる結晶欠陥に起因する発光線（特性発光）を観察する方法では、半導体基板の結晶欠陥の状態を評価することが困難になってきた。
【００１２】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、特性発光がなくとも半導体基板の結晶欠陥の状態を評価することができる半導体基板の評価方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】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明では、結晶欠陥を有する半導体基板に対して前記結晶欠陥を回復するための欠陥回復熱処理を施した半導体基板の評価方法であって、
ルミネッセンス法を用いて、前記半導体基板のバンド端発光の強度を測定する工程と、
該測定の結果に基づいて、前記半導体基板の結晶性の回復度合いを評価する工程と
を有することを特徴とする半導体基板の評価方法を提供する。
【００１４】
このような半導体基板の評価方法であれば、特性発光がなくとも半導体基板の結晶欠陥の状態を評価することができる。
【００１５】
また、前記ルミネッセンス法を、カソードルミネッセンス法とすることが好ましい。
【００１６】
本発明において、例えば、シリコン半導体基板を評価する際には、このような方法を用いることが好ましい。
【００１７】
また、前記結晶欠陥を、半導体基板にイオン注入することによって発生したイオン注入欠陥とすることが好ましい。
【００１８】
本発明は、半導体基板にイオン注入することによって発生した点欠陥等のイオン注入欠陥の回復度合いを評価するのに特に好適である。
【００１９】
また、前記測定する工程の前に、更に、ルミネッセンス法を用いて、前記イオン注入前の半導体基板のバンド端発光の強度を測定する工程を有することが好ましい。
【００２０】
このような半導体基板の評価方法であれば、結晶性の回復度合いを評価する工程において、欠陥回復熱処理後の半導体基板の結晶欠陥の状態をより正確に評価することができる。
【００２１】
この場合、前記評価する工程において、前記欠陥回復熱処理後の半導体基板のバンド端発光の強度を前記イオン注入前の半導体基板のバンド端発光の強度で割った値であるバンド端発光の強度比に基づいて、前記欠陥回復熱処理後の半導体基板の結晶性の回復度合いを評価することが好ましい。
【００２２】
このような工程を有する半導体基板の評価方法であれば、欠陥回復熱処理後の半導体基板とイオン注入前の半導体基板の状態を比較し、評価することができるので、結晶性の回復度合いをより正確に評価することができる。
【００２３】
この場合、前記評価する工程において、前記バンド端発光の強度比が、０．８以上のときに、前記欠陥回復熱処理後の半導体基板を、欠陥が回復したものと評価することが好ましい。
【００２４】
このように評価すれば、欠陥が回復した半導体基板を簡便に見分けることが可能である。
【００２５】
また、前記欠陥回復熱処理を、急速加熱・急速冷却熱処理とすることができる。
【００２６】
本発明では、このような熱処理を欠陥回復熱処理として採用することができる。
【００２７】
また、前記半導体基板を、シリコン半導体基板とすることが好ましい。
【００２８】
本発明は、結晶欠陥を有するシリコン半導体基板の結晶性の回復度合いを評価するのに特に好適である。
【００２９】
この場合、前記バンド端発光を、ＴＯ線とすることが好ましい。
【００３０】
本発明によりシリコン半導体基板の結晶性の回復度合いを評価する場合は、バンド端発光を、ＴＯ線とすることが好ましい。
【発明の効果】
【００３１】
本発明の半導体基板の評価方法であれば、特性発光がなくとも半導体基板の結晶欠陥の状態を評価することができる。また、バンド端発光の強度比を測定することによって、欠陥回復熱処理後の半導体基板及びイオン注入前の半導体基板の状態を比較し、評価することができるので、結晶性の回復度合いをより正確に評価することができる。また、本発明であれば、イオン注入で生じた欠陥の回復度合いを把握することが可能であり、欠陥制御の観点から非常に有効である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】実施例で得られたＴＯ線強度比と、接合リーク電流との関係を示すグラフである。
【図２】図１のグラフの中で、ＴＯ線強度比が０．３のときのＣＬスペクトルである。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明をより詳細に説明する。
上記のように、特性発光がなくとも半導体基板の結晶欠陥の状態を評価することができる半導体基板の評価方法が求められている。
【００３４】
本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討を行った結果、結晶欠陥を有する半導体基板に対して前記結晶欠陥を回復するための欠陥回復熱処理を施した半導体基板の評価方法であって、
ルミネッセンス法を用いて、前記半導体基板のバンド端発光の強度を測定する工程と、
該測定の結果に基づいて、前記半導体基板の結晶性の回復度合いを評価する工程と
を有する半導体基板の評価方法が、上記課題を解決できることを見出し、本発明の半導体基板の評価方法を完成させた。
【００３５】
以下、本発明の実施の形態につい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。
【００３６】
［結晶欠陥を有する半導体基板を準備する工程］
まず、シリコン半導体基板、例えば、ボロン等のドーパントをドープしたＰ型シリコンウェーハを準備する。次に、このウェーハ表面に不純物拡散層を形成する。不純物拡散層は、例えば、ボロン等のドーパントをイオン注入することによって形成することができる。このイオン注入により点欠陥等のイオン注入欠陥がシリコン半導体基板中に形成される。
【００３７】
不純物拡散層を形成する前、例えば、イオン注入する前に、後述するルミネッセンス法を用いて、半導体基板のバンド端発光の強度を測定することが好ましい。これにより、結晶性の回復度合いを評価する工程において、欠陥回復熱処理後の半導体基板の結晶欠陥の状態をより詳細に評価することができる。
【００３８】
［半導体基板のバンド端発光の強度を測定する工程］
次に、ルミネッセンス法を用いて、欠陥回復熱処理を施した半導体基板のバンド端発光の強度を測定する。欠陥回復熱処理の方法は特に限定されないが、例えば、１０５０℃，３０秒の急速加熱・急速冷却熱処理（ＲＴＡ処理）を挙げることができる。
【００３９】
バンド端発光の強度は、半導体基板の少なくとも一箇所（例えば、基板表面の一箇所）で測定すればよいが、同じ半導体基板の表面を二箇所以上で測定してもよい。これにより、一つの半導体基板の表面における結晶性の回復度合いの面内分布を評価することができ、より正確な評価をすることができる。
【００４０】
また、同じインゴットから切り出された基板を複数準備し、複数の熱処理条件で、欠陥回復熱処理を行い、それぞれのバンド端発光の強度を測定してもよい。これにより、次工程で、どのような条件で熱処理を行うと、半導体基板の結晶性がどのように回復するかを評価することができる。
【００４１】
ルミネッセンス法の中でも、シリコン半導体基板を測定する際には、カソードルミネッセンス法（ＣＬ法）を用いることが特に好ましい。ＣＬ法であれば、電子線をプローブとして、高い空間分解能で試料の応力・歪分布、欠陥分布、キャリア分布を評価することができる。カソードルミネッセンスとは電子線を試料に照射したときに放出される紫外・可視・近赤外領域の発光のことである。
【００４２】
ＣＬ法を用いる場合、電子線を半導体基板に照射し、発光スペクトルを得ることによって、半導体基板のバンド端発光の強度を測定することができる。このように、ＣＬ法を用いることで、欠陥の回復度合いをより正確に調べることが可能になる。
【００４３】
このＣＬ法における発光のメカニズムは材料によって異なるが、シリコンのような間接遷移型半導体の場合は、（１）電子・正孔対の生成、（２）キャリアの拡散、（３）発光再結合の３つが存在する。シリコンの場合は、バンドギャップ（約１．１ｅＶ）に相当するＴＯフォノン線（ＴＯ線）が強く観察される。これは、シリコンが間接遷移型半導体であるためのフォノン放出を伴うバンド間遷移である。
【００４４】
装置としては、一般的に電子線源として走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用い、これに試料からの発光を検出する検出器・分光器、さらに格子振動を押さえて発光強度を得るためのステージ冷却などの機構が具備されているものを使用することが好ましい。電子線源としてＳＥＭを使用する装置概要からも分かる通り、ＣＬ法の特徴としては、ＳＥＭ像との比較が可能、広範囲波長の発光スペクトルが得られる、高分解能、加速電圧を変化させることで深さ分析が可能な点がある。
【００４５】
結晶欠陥や不純物がバンドギャップ内にエネルギー準位を形成するとバンド間遷移発光（バンド端発光）以外に結晶欠陥や不純物を介した発光（特性発光）が生じる。しかしながら、上述のように半導体基板に導入される欠陥密度が小さい場合、結晶欠陥等が存在していても、特性発光が観察されないことがある。即ち、非発光中心が存在していることがある。本発明であれば、特性発光が観察されなくとも（非発光中心が存在していても）、バンド端発光の強度（例えば、後述するバンド端発光の強度比）の測定により、半導体基板の結晶欠陥の存在を確認することができる。
【００４６】
本発明に用いることができる半導体基板は特に限定されない。本発明は、フォノンの介在がなくとも発光する直接遷移型半導体を評価することもできるが、上記のように、フォノンの放出を伴うバンド端発光（ＴＯ線）が強く観察されるシリコン半導体基板等の間接遷移型半導体を評価するのに好適である。尚、ＴＯ線は欠陥（バンド内に存在する欠陥）起因ではなく、完全結晶におけるバンド端発光である。以下、シリコン半導体基板のＴＯ線の強度を測定した場合を中心に説明する。
【００４７】
［半導体基板の結晶性の回復度合いを評価する工程］
次に、バンド端発光の強度の測定の結果に基づいて、半導体基板の結晶性の回復度合いを評価する。
【００４８】
結晶性の回復度合いの評価方法としては、例えば、前工程で半導体基板の表面を一箇所測定し、本工程で半導体基板の表面の結晶性の回復度合いを評価する方法、前工程で同じ半導体基板の表面を二箇所以上で測定し、本工程で一つの半導体基板の表面における結晶性の回復度合いの違いを評価する方法及び前工程で基板を複数準備し、複数の熱処理条件で欠陥回復熱処理を行い、それぞれのバンド端発光の強度を測定し、本工程で熱処理条件に応じた半導体基板の結晶性の回復度合いを評価する方法等を挙げることができる。
【００４９】
これらの場合、欠陥回復熱処理後の半導体基板のバンド端発光の強度のみを測定して、結晶性の回復度合いを評価することができるが、欠陥回復熱処理後の半導体基板のバンド端発光の強度をイオン注入前の当該半導体基板のバンド端発光の強度で割った値であるバンド端発光の強度比に基づいて、欠陥回復熱処理後の半導体基板の結晶性の回復度合いを評価することが好ましい。この場合、前述のように、不純物拡散層を形成する前に、ルミネッセンス法を用いて半導体基板のバンド端発光の強度を測定する。以下、バンド端発光の強度比により、結晶性の回復度合いを評価する方法を中心に説明する。
【００５０】
イオン注入前の半導体基板は、イオン注入欠陥を有しないため、イオン注入後の半導体基板よりも結晶欠陥が少ない。そのため、完全結晶におけるバンド端発光であるＴＯ線が強く観察される。その一方で、欠陥回復熱処理後の半導体基板のＴＯ線は、相対的に弱く観察される。結晶性がイオン注入前の半導体基板と比べて相対的に低下しているためである。
【００５１】
欠陥回復熱処理後の半導体基板のバンド端発光の強度は、熱処理の条件によって変動する。例えば、結晶欠陥が十分に回復しない条件で熱処理を行うと、バンド端発光の強度比は小さくなる。それとは対照的に、結晶欠陥が十分に回復する条件で熱処理を行うと、バンド端発光の強度比は大きくなる。従って、バンド端発光の強度比を算出する（バンド端発光の強度の回復度合いを確認する）ことによって、欠陥回復熱処理後の半導体基板の結晶性の回復度合いをより正確に評価することができる。
【００５２】
また、前工程でバンド端発光の強度を同じ半導体基板の表面の二箇所以上で測定した場合、本工程で一つの半導体基板で複数のバンド端発光の強度比を算出することができる。これにより、より正確に、一つの半導体基板の表面における結晶性の回復度合いの違いを評価することができる。
【００５３】
また、前工程で基板を複数準備し、複数の熱処理条件で欠陥回復熱処理を行い、それぞれのバンド端発光の強度を測定した場合、本工程で、熱処理条件ごとにバンド端発光の強度比を算出することができる。これにより、より正確に、熱処理条件に応じた半導体基板の結晶性の回復度合いを評価することができる。
【００５４】
図１は、後述する実施例で得られたＴＯ線強度比と、接合リーク電流との関係を示すグラフである。図１において、縦軸はＴＯ線強度比、横軸は接合リーク電流の値である。複数の処理温度で欠陥回復熱処理を行い、それぞれの温度でＴＯ線強度比及び接合リーク電流を測定している。この際、ＴＯ線強度比が小さくなると接合リーク電流が大きくなる傾向を示す。
【００５５】
一般的に、半導体基板の表面における結晶欠陥の存在量が増加するにつれて、接合リーク電流が大きくなる。従って、この傾向から、ＴＯ線強度比が小さいとき（例えば０．５以下のとき）、半導体基板の結晶性の回復度合いは十分でないと評価することが可能であるということがわかる。
【００５６】
尚、図１から、バンド端発光の強度比と結晶欠陥の存在量の間に相関があることを確認することができる。従って、接合リーク電流（電気特性）を改善するためには、バンド端発光の強度（強度比）を算出するだけでも、もちろん欠陥回復熱処理後の半導体基板の結晶性の回復度合いを評価することができる。
【００５７】
また、図１に示すように、特に、ＴＯ線強度比が０．８以上のとき、接合リーク電流も抑えられている。従って、ＴＯ線強度比が０．８以上のとき、欠陥回復熱処理後の半導体基板を、欠陥が回復したものと評価することができる。例えば、予め、ＴＯ線強度比が０．８以上となる熱処理条件を本発明により求め、この条件下で欠陥回復熱処理を実施すれば、結晶欠陥の少ない半導体基板を製造することができる。
【００５８】
また、図２は、図１のグラフの中で、ＴＯ線強度比が０．３のときのＣＬスペクトルである。図２に示すように、リーク電流が高い状態（結晶欠陥が存在する状態）であっても、特性発光が観察されないことがある。この場合、非発光中心が存在しているために、ＴＯ線強度比が小さくなっている。
【００５９】
このように、本発明であれば、従来のような特性発光を観察する方法では検出できなかった結晶欠陥（非発光中心等）も検出することができ、より正確に半導体基板の評価を行うことができる。また、バンド端発光の強度を測定するために、特別な処理（例えば、ＰＮ接合の形成等）をしなくてもよいので、より簡便に半導体基板の評価を行うこともできる。
【００６０】
［本発明の用途］
本発明は、半導体基板の結晶欠陥、特に、ＰＮ接合を形成する際に発生したイオン注入欠陥の回復度合いを評価するのに好適である。従って、本発明は、表面に不純物拡散層を形成する半導体基板を製造する際に適応することができる。
【実施例】
【００６１】
以下、実施例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。
【００６２】
（実施例）
試料としてボロンをドープした直径２００ｍｍのＰ型シリコンウェーハを用いた。このシリコンウェーハの抵抗率は１０Ω・ｃｍである。このウェーハにボロンを５５ｋｅＶで５×１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ２のイオン注入を行い、予めＲＴＡにて回復アニールを行った。このとき温度を８００から１１００℃まで変化させた。このようにして、実際にＣＬにて評価するウェーハをそれぞれ得た。
【００６３】
次に、同じ基板を別途準備し、酸化膜形成及び酸化膜の窓明けを行った後、同じ条件でボロンのイオン注入を行った。次に、この基板の表面にＰＮ接合を形成するためのイオン注入を行い、それぞれの温度でＲＴＡにて回復アニールを行った。次に、このＰＮ接合が形成された基板のリーク電流をそれぞれの温度で測定（測定条件：印加電圧３Ｖ、室温、接合面積１ｍｍ２）した。この測定を、９００箇所で実施し、９００箇所で得られた測定値の中央値を代表値とした。
【００６４】
その後、評価するウェーハにおいて、この代表値とした接合箇所と同じ箇所のイオン注入欠陥の回復度合い（結晶性の回復度合い）をＣＬ法にて評価した。
【００６５】
全ての温度条件で、シリコンのバンド端発光に起因するＴＯ線以外の発光は観察されなかった。また、ＴＯ線強度比は、イオン注入後のアニール温度が低くなるに従い小さくなる傾向を示した。尚、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）では、イオン注入した領域には何も欠陥は観察されなかった。
【００６６】
図１に、ＴＯ線強度比と、接合リーク電流との関係を調べた結果を示す。リーク電流が小さくなるとＴＯ線強度比が大きくなる傾向を示している。図２は、図１のグラフの中で、ＴＯ線強度比が０．３のときのＣＬスペクトルである。図２に示すように、ＴＯ線強度比が０．３のときは、ＴＯ線以外に特性発光は観察されていない。しかしながら、このとき、リーク電流は高い状態（約１００ｐＡ）である。そのため、この場合は非発光中心の存在によりＴＯ線強度が小さくなっているということがわかる。従って、ＴＯ線強度比が０．３のときの半導体基板は、欠陥（非発光中心）が存在するものであると評価することができる。
【００６７】
このように、本発明であれば、特性発光がなくとも半導体基板の結晶欠陥の状態を評価することができる。特に、従来のような特性発光を観察する方法では検出できなかった結晶欠陥も検出することができ、より精密に半導体基板の評価を行うことができる。
【００６８】
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、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】
2015185811.tif 000003
【図２】
2015185811.tif 000004