(57)【要約】  【課題】  安全性及び作業効率を問題にすることなく、ウェーハ表面に付着するドーパント不純物の濃度測定をウェーハ全体でなく部分的に行えるようにし、ウェーハ表面の複数箇所に異なった量のドーパント不純物が付着するような環境の評価を行えるようにする。  【解決手段】  ドーパント不純物が付着したウェーハをアニール処理する。するとドーパント不純物はウェーハ表面からウェーハ内部へ拡散していく。つづいてＳＩＭＳを利用して、ウェーハ表面からの深さとドーパント不純物濃度との相関を示す濃度プロファイルを計測する。そして計測した濃度プロファイルを用いて線形プロファイルを求める。この線形プロファイルからウェーハ表面に付着していたドーパント不純物の濃度を演算する。  【選択図】  図１
2005252020.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウェーハ表面に付着するドーパント不純物の濃度を測定する方法において、
ウェーハをアニールしてウェーハ表面に付着したドーパント不純物をウェーハ内部に拡散させるアニール工程と、
二次イオン質量分析法を利用して、ウェーハ表面からの深さ方向のドーパント不純物濃度プロファイルを計測する濃度プロファイル計測工程と、
計測した濃度プロファイルを用いて前記アニール工程前にウェーハ表面に付着したドーパント不純物の濃度を演算する不純物濃度演算工程と、を含むこと
を特徴とするドーパント不純物濃度の測定方法。
【請求項２】
前記アニール工程を不活性ガス雰囲気で行うこと
を特徴とする請求項１記載のドーパント不純物濃度の測定方法。
【請求項３】
評価対象の環境下にウェーハをおき、その後に請求項１記載のドーパント不純物濃度の測定方法を実施し、その結果を前記環境の評価材料にすること
を特徴とするウェーハ環境評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ウェーハ製造工程の際にウェーハ表面に付着するドーパント不純物の濃度を測定する方法に関し、またこの方法を用いたウェーハ環境評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスは、多結晶製造工程、単結晶製造工程、ウェーハ製造工程、ウェーハ処理工程、組立工程、検査工程を経て製品とされる。そのうちのウェーハ製造工程では、前工程の単結晶製造工程で形成された単結晶インゴットからウェーハを切り出すスライス処理や、このスライス処理で切り出されたウェーハを対象としたラッピング処理や、エッチング処理や、ポリッシング処理等が順次行われる。
【０００３】
ウェーハ製造工程のうち、スライス処理以降の各種処理ではウェーハ表面にリンやボロンといったドーパント不純物が付着する場合がある。通常、半導体結晶に電気抵抗を与えることを目的として、単結晶製造工程にて所定濃度のドーパント不純物が単結晶に添加される。しかしウェーハ表面へのドーパント不純物の付着は、この単結晶製造工程に起因するのではなく、スライス処理以降のウェーハの保管環境や処理環境に起因する。
【０００４】
例えば、クリーンルームの空調設備に設けられた空調フィルタにドーパント不純物が付着した状態または空調フィルタにドーパント不純物が含有された状態で室内の空気調節が行われると、ドーパント不純物がクリーンルーム内に拡散してウェーハ表面に付着する。またウェーハ洗浄のための薬液中にドーパント不純物が混入した状態で洗浄処理が行われると、ドーパント不純物がウェーハ表面に付着する。ウェーハ表面に付着したドーパント不純物はウェーハ内部に拡散する。通常は、ウェーハの抵抗値を所望の値にするためにドーパント不純物濃度が調整されているが、ウェーハ表面のドーパント不純物が内部に拡散するとドーパント不純物濃度が変化するという問題が生じる。
【０００５】
このような問題を解決するためには、ウェーハ処理環境におけるドーパント不純物の存在量を評価し、環境を改善する必要がある。環境を評価する方法としては、評価対象の環境に試料用のウェーハをおき、そのウェーハに対するドーパント不純物の付着量を測定すればよい。
【０００６】
ウェーハ表面に付着するドーパント不純物の濃度を測定する技術としては二次イオン質量分析法（Secondary Ion Mass Spectroscopy、以下ＳＩＭＳという）が知られている。ＳＩＭＳは、一次イオンをビーム状にして試料表面（ここではウェーハ表面）に照射してスパッタし、試料表面から放出される二次イオンを分析するものである。ＳＩＭＳでは一次イオン、二次イオン、試料が真空中で取り扱われため、真空引きが必要である。この真空引きの際にドーパント不純物が試料表面から飛散し外方拡散する。したがって正確な濃度が測定できなくなるといった問題が生じる。
【０００７】
そこで従来は、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によってウェーハ表面にＰｏｌｙ−Ｓｉ膜を形成し、ゲッタリングによってＰｏｌｙ−Ｓｉ膜及びＰｏｌｙ−Ｓｉ膜とウェーハ表面との界面にドーパント不純物を閉じこめている。このため真空引きの際にドーパント不純物がウェーハ表面から飛散し外方拡散することがなくなり、正確な濃度測定が可能となる。しかしＰｏｌｙ−Ｓｉ膜を形成するためには高コストのシランガスが必要である。さらにシランガスは危険性が高く、安全性を確保するためには、装置に安全対策を施す必要がある。このようなことからコストが上昇するという問題がある。
【０００８】
下記特許文献１の技術は、ウェーハ表面にＳｉ層を有するキャップウェーハを接合し、薬液を使用してキャップウェーハをエッチングしてウェーハ表面にＳｉ薄膜層を残し、ＳＩＭＳによってウェーハ表面の不純物濃度を測定するものである。
【０００９】
下記特許文献２の技術は、ウェーハ表面の酸化膜に吸着したボロンを測定するものであり、ウェーハ表面に形成されている酸化膜を除去する工程と、ウェットプロセスにてウェーハ表面に新たに酸化膜を形成する工程と、評価対象とする環境下にウェーハを所定時間だけ曝し酸化膜にボロンを吸着させる工程と、ウェーハ表面の酸化膜をエッチングする工程と、エッチング液中のボロン濃度を測定する工程と、を順に行い、環境を評価するものである。
【特許文献１】特開平７−５８３０４号公報
【特許文献２】特開２００３−３７１４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記特許文献１の技術はウェーハの接合やエッチングといった作業時間を要する処理が必要である。このため環境評価自体に多大な時間が必要となり、作業効率面では好ましくない。一方、上記特許文献２は作業効率面での問題はないが、下記問題がある。
【００１１】
ウェーハがおかれる環境には様々な態様がある。前述したクリーンルームなどではウェーハ表面全体にほぼ均等にドーパント不純物が付着する。このような場合は、ウェーハ表面全体を対象としたドーパント不純物濃度の測定を行う必要がある。一方、ウェーハ収納ケース内などではウェーハ表面のセンターとエッジとで異なった量のドーパント不純物が付着する場合がある。このような場合は、ウェーハ表面の一部を対象としたドーパント不純物濃度の測定を行う必要がある。
【００１２】
上記特許文献２の技術はウェーハ表面全体に酸化膜を形成し、その酸化膜に含まれる不純物濃度を測定するものである。このためウェーハ表面の全体を対象とする測定には適するが、ウェーハ表面の一部を対象とする測定には適さない。上記特許文献１に記載されたＳＩＭＳによれば部分的な測定は可能である。しかし前述したように上記特許文献１の技術は安全性に問題があり、実施には不向きである。このためウェーハ表面の一部に付着するドーパント不純物の濃度を測定する技術は実施されていない。
【００１３】
本発明はこうした実状に鑑みてなされたものであり、安全性及び作業効率を問題にすることなく、ウェーハ表面に付着するドーパント不純物の濃度測定をウェーハ全体でなく部分的に行えるようにし、ウェーハ表面の複数箇所に異なった量のドーパント不純物が付着するような環境の評価を行えるようにすることを解決課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
第１発明は、
ウェーハ表面に付着するドーパント不純物の濃度を測定する方法において、
ウェーハをアニールしてウェーハ表面に付着したドーパント不純物をウェーハ内部に拡散させるアニール工程と、
二次イオン質量分析法を利用して、ウェーハ表面からの深さ方向のドーパント不純物濃度プロファイルを計測する濃度プロファイル計測工程と、
計測した濃度プロファイルを用いて前記アニール工程前にウェーハ表面に付着したドーパント不純物の濃度を演算する不純物濃度演算工程と、を含むこと
を特徴とする。
【００１５】
第２発明は、第１発明において、
前記アニール工程を不活性ガス雰囲気で行うこと
を特徴とする。
【００１６】
第１、第２発明では、最初にウェーハ表面のドーパント不純物をウェーハ内部に拡散させるために、ウェーハをアニール処理する。この際、ウェーハ内へのドーパント不純物の拡散を促進するようなガス雰囲気でアニール処理を行う。具体的には不活性ガス雰囲気で行う。このようなガス雰囲気でのアニール処理において、ドーパント不純物は濃度が高い領域から低い領域へ拡散する性質がある。したがってドーパント不純物はウェーハ表面からウェーハ内部へ拡散していく。
【００１７】
つづいてウェーハ表面からの深さ方向のドーパント不純物濃度プロファイル（以下、単に濃度プロファイルという）を計測する。一般的に濃度プロファイルをＳＩＭＳにて計測すると、図２、図５、図８に示すような測定結果が得られる。図２、図５、図８は対数表示されており、これをリニア表示すると図３、図６、図９に示すような結果が得られる。さらにこのリニア表示した濃度プロファイルを直線近似すると、図４、図７、図１０に示すような線形プロファイルが求められる。
【００１８】
線形プロファイルで示されるウェーハ表面におけるドーパント不純物濃度をＸとし、ドーパント不純物濃度が収束値すなわち設定濃度になる深さＹとして、（Ｘ・Ｙ÷２）＝Ｓを演算する。求められた演算値Ｓはアニール処理前にウェーハ表面に付着していたドーパント不純物の濃度に相当すると考えられる。
【００１９】
第３発明は、
評価対象の環境下にウェーハをおき、その後に第１発明のドーパント不純物濃度の測定方法を実施し、その結果を前記環境の評価材料にすること
を特徴とする。
【００２０】
第３発明では、ドーパント不純物に関する評価を行いたい環境にウェーハをおく。この環境にドーパント不純物が存在すれば、ウェーハ表面にはドーパント不純物が付着する。このウェーハに付着するドーパント不純物を第１発明を用いて測定し、評価対象の環境を評価する。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、ＳＩＭＳを利用するものの危険なガスを使用しない。またウェーハの接合やエッチングといった作業時間を要する処理が行われない。このため安全性及び作業効率を問題にすることなく、ウェーハ表面に付着するドーパント不純物の濃度測定をウェーハ全体でなく部分的に行える。したがってウェーハ表面の複数箇所に異なった量のドーパント不純物が付着するような環境の評価を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。  
図１は本実施形態におけるウェーハ環境評価方法の処理フローである。  
まず評価対象の環境下にウェーハをおく（ステップ１１）。ここでは表面にドーパント不純物が付着していないベアウェーハを使用する。ウェーハ収納ケースのようなウェーハ保持環境を評価したい場合は、その環境下にウェーハを所定時間放置する。洗浄処理のような処理環境を評価したい場合は、評価対象の環境下でウェーハの処理を行う。評価対象の環境にドーパント不純物が存在すると、ドーパント不純物はウェーハ表面に付着する。
【００２３】
つづいてウェーハ表面のドーパント不純物をウェーハ内部に拡散させるために、ウェーハのアニール処理を行う（ステップ１２）。ここでは炉内の雰囲気を所定ガス雰囲気にしてアニール処理を行う。この所定ガスとしては、ウェーハ内部へのドーパント不純物の拡散を促進させるようなガス、例えばアルゴンのような不活性ガス、を使用する。こうしたガス雰囲気におけるアニール処理では、ドーパント不純物は濃度が高い領域から低い領域へ拡散する。したがってドーパント不純物はウェーハ表面からウェーハ内部へ拡散していく。
【００２４】
本発明ではこのアニール処理によってウェーハ表面のドーパント不純物が測定以前にウェーハ内部に拡散されるため、上述したＳＩＭＳの問題、すなわち真空引きの際にドーパント不純物が試料表面から飛散し外方拡散することに起因して正確な濃度が測定できなくなるという問題、を解消することができる。したがってウェーハ表面にＰｏｌｙ−Ｓｉ膜を形成する必要もなくなる。
【００２５】
以下に本発明者が想定しているアニール条件（最高処理温度、処理時間、処理雰囲気）の一例を示す。  
ａ）最高処理温度：１０００℃以上、望ましくは１１００℃以上
ｂ）処理時間    ：３０分以上、望ましくは６０分以上
ｃ）処理雰囲気  ：不活性ガス雰囲気、望ましくは１００％アルゴン雰囲気
仮にアニール処理を還元性ガス雰囲気で行うと、還元作用によってウェーハ表面のドーパント不純物が除去されてしまい、環境評価ができなくなる。したがって所定ガスとして還元性ガスを使用することは望ましくない。
【００２６】
本発明者は、炉内を１００％アルゴン雰囲気とし、
・処理温度１１００℃で１時間
・処理温度１１５０℃で１時間、２時間、４時間、８時間
・処理温度１１７５℃で１時間
・処理温度１２００℃で０．５時間、１時間
という、８つの条件にてアニール処理を行った。そのうち、処理温度１１００℃で１時間、処理温度１１５０℃で１時間、処理温度１２００℃で１時間、という条件の実測結果を参照しつつ、以下で説明をする。なお、図２〜４は処理温度１１００℃で１時間の結果を示し、図５〜図７は処理温度１１５０℃で１時間の結果を示し、図８〜図１０は処理温度１２００℃で１時間の結果を示す。
【００２７】
つづいて濃度プロファイルをＳＩＭＳにて計測する（ステップ１３）。その計測結果を図２、図５、図８に示す。ここで示される濃度プロファイルは対数表示である。
【００２８】
図２、図５、図８で示す計測結果から、ウェーハ表面にあったドーパント不純物がウェーハ内部に拡散していることが判る。ウェーハ表面に近いほどドーパント不純物の濃度は高く、ウェーハ内部に進むつれて徐々に濃度は低くなり、最終的には所定抵抗値とするような所定濃度Ｘ0に収束する。所定濃度Ｘ0は予めウェーハに設定されたドーパント不純物濃度である。
【００２９】
つづいて計測した濃度プロファイルを用いてアニール処理前にウェーハ表面に付着していたドーパント不純物の濃度を演算する（ステップ１４）。ここでは図３、図６、図９に示すように、計測した濃度プロファイルをリニア表示し、さらに図４、図７、図１０に示すように、リニア表示した濃度プロファイルを直線近似して線形プロファイルを求め、この線形プロファイルに基づいてドーパント不純物濃度を演算する。根拠については下記ステップＡ１〜Ａ３で説明するが、線形プロファイルで示されるウェーハ表面のドーパント不純物濃度Ｘと、ウェーハ中のドーパント不純物濃度が所定濃度すなわち設定濃度になる深さＹと、を用いてＸ・Ｙ÷２を演算し、アニール前のウェーハ表面におけるドーパント不純物濃度を求める。
【００３０】
ここで本発明による演算の考え方について下記［ステップ１］〜［ステップ３］で説明する。  
［ステップ１］
図２、図５、図８に示す濃度プロファイルをリニア表示すると、図３、図６、図９に示すような濃度プロファイルが求められる。さらに図３、図６、図９の濃度プロファイルを直線近似すると、図４、図７、図１０に示すような線形プロファイルが求められる。この線形プロファイルで示されるウェーハ表面のドーパント不純物濃度を“Ｘ”とし、ウェーハ中のドーパント不純物濃度が所定濃度Ｘ0すなわち設定濃度になる深さを“Ｙ”とすると、図４、図７、図１０のうち、縦軸と、収束値と、線形プロファイルとで囲まれる領域の面積Ｓは下記（１）式で示される。  
（Ｘ−Ｘ0）・Ｙ÷２＝Ｓ  …  （１）
本発明の目的はウェーハ表面に付着するドーパント不純物の濃度を近似的に演算することであるため、ここでは（Ｘ−Ｘ0≒Ｘ）と考え、下記（２）式にて面積Ｓを近似的に求めることとする。つまり高さＸ、底辺Ｙの直角三角形の面積Ｓを求めれることになる。  
Ｘ・Ｙ÷２＝Ｓ  …  （２）
上記（１）、（２）式で求めた面積Ｓには若干の差が認められるが、その差は本発明において問題とならない程度である。
【００３１】
下記表１で図４、図７、図１０に示す各線形プロファイルにおける各データ（Ｘ，Ｙ，Ｓ）を示す。
【００３２】
【表１】
2005252020.tif 000003
【００３３】
［ステップ２］
面積Ｓで示される領域のドーパント不純物の平均濃度Ｘ′を求める。平均濃度Ｘ′は下記（３）式で示される。  
Ｓ÷Ｙ＝Ｘ′  …  （３）
下記表２で図４、図７、図１０に示す各線形プロファイルにおける各データ（Ｓ，Ｙ，Ｘ′）を示す。
【００３４】
【表２】
2005252020.tif 000004
【００３５】
［ステップ３］
面積Ｓで示される領域に拡散している全ドーパント不純物は、アニール前にウェーハ表面に存在していたものと考える。そこでアニール前のウェーハ表面におけるドーパント不純物濃度Ｃを求める。ドーパント不純物濃度Ｃは下記（４）式で示される。
【００３６】
Ｘ′・Ｙ＝Ｃ  …  （４）
下記表３で図４、図７、図１０に示す各線形プロファイルにおける各データ（Ｘ′，Ｙ，Ｃ）を示す。
【００３７】
【表３】
2005252020.tif 000005
【００３８】
ここで表１と表３を比較すると、表３における各ドーパント不純物濃度Ｃは、表１における各面積Ｓと等しいことが判る。このことから、アニール前のウェーハ表面におけるドーパント不純物濃度を求めるためには線形プロファイルの面積Ｓを求めればよい、という結論に至る。
【００３９】
上記［ステップ１］〜［ステップ３］で説明したように、ＳＩＭＳで計測した濃度プロファイルによってドーパント不純物濃度が求めれる。
【００４０】
本実施形態によれば、ＳＩＭＳを利用するものの危険なガスを使用しない。またウェーハの接合やエッチングといった作業時間を要する処理が行われない。このため安全性及び作業効率を問題にすることなく、ウェーハ表面に付着するドーパント不純物の濃度測定をウェーハ全体でなく部分的に行える。したがってウェーハ表面の複数箇所に異なった量のドーパント不純物が付着するような環境の評価を行うことができる。
【００４１】
また本発明は上記（２）式のような非常に簡素な演算式からドーパント不純物濃度が求められる。この点も作業効率を向上させる要素の一つといえる。
【００４２】
なお本発明を、ウェーハ表面の全体に均等にドーパント不純物が付着するような環境の評価にも適用できることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】図１は本実施形態におけるウェーハ環境評価方法の処理フローである。
【図２】図２は処理温度１１００℃で１時間のアニール処理をしたウェーハをＳＩＭＳによって計測して得た濃度プロファイルを対数表示にて示す図である。
【図３】図３は図２の濃度プロファイルをリニア表示にて示す図である。
【図４】図４は図３の濃度プロファイルを直線近似して得た線形プロファイルを示す図である。
【図５】図５は処理温度１１５０℃で１時間のアニール処理をしたウェーハをＳＩＭＳによって計測して得た濃度プロファイルを対数表示にて示す図である。
【図６】図６は図５の濃度プロファイルをリニア表示にて示す図である。
【図７】図７は図６の濃度プロファイルを直線近似して得た線形プロファイルを示す図である。
【図８】図８は処理温度１２００℃で１時間のアニール処理をしたウェーハをＳＩＭＳによって計測して得た濃度プロファイルを対数表示にて示す図である。
【図９】図９は図８の濃度プロファイルをリニア表示にて示す図である。
【図１０】図１０は図９の濃度プロファイルを直線近似して得た線形プロファイルを示す図である。
【図１】
2005252020.tif 000006
【図２】
2005252020.tif 000007
【図３】
2005252020.tif 000008
【図４】
2005252020.tif 000009
【図５】
2005252020.tif 000010
【図６】
2005252020.tif 000011
【図７】
2005252020.tif 000012
【図８】
2005252020.tif 000013
【図９】
2005252020.tif 000014
【図１０】
2005252020.tif 000015