(57)【要約】【課題】  本発明はＳＩＭＯＸ基板の酸素イオン注入量の測定に関し、通常ファラデーカップを用いるイオン注入量のモニター方法は、照射されるイオン全てが電荷を有していることが前提であり、イオン照射工程中の異常（例えば真空度の低下，異常放電等）により、電荷を有しない電気的に中性な元素の状態で照射された場合はファラデーカップ法では測定できない。このためモニターした以上の元素が半導体基板中に注入されてしまい、結果として最終的なＳＩＭＯＸ製品において所望のＢＯＸ層厚み及び活性層厚みが得られない等の問題の解決を図る。【解決手段】  ＦＴ−ＩＲ装置を利用し、シリコン半導体基板に酸素イオンが注入される前のスペクトル波形と、酸素イオンが注入された後のスペクトル波形の差をスペクトル演算することでイオン注入量を正確に測定することができるとともに、これによりＳＩＭＯＸ製品のＢＯＸ層厚みを推定できる。【選択図】          図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳＩＭＯＸ基板への酸素イオン注入量をＦＴ−ＩＲ法の透過法を用いて測定することを特徴とするＳＩＭＯＸ基板の酸素イオン注入量測定方法。
【請求項２】
前記酸素イオン注入量は半導体基板に酸素イオンを注入する前後のＦＴ−ＩＲ測定波形から酸素イオン注入量を測定することを特徴とするＳＩＭＯＸ基板の酸素イオン注入量測定方法。
【請求項３】
前記測定波形のピークが１１２０−８５０ｃｍ-1の範囲のシリコンと酸素の結合に起因するものであり、該範囲内においてベースラインを決定し該ベースラインを基準としたピーク高さ、半値幅、面積を演算することにより酸素イオン注入量を測定することを特徴とする請求項１記載のＳＩＭＯＸ基板の酸素イオン注入量測定方法。
【請求項４】
前記請求項１ないし３記載の測定方法により酸素イオン注入装置の酸素イオン注入量とすることを特徴とするＳＩＭＯＸ基板の酸素イオン注入量測定方法。
【請求項５】
前記請求項１ないし３記載の測定方法により酸素イオン注入量を測定したＳＩＭＯＸ基板について、一定の製造工程を経た後の該ＳＩＭＯＸ基板のＢＯＸ層厚みを推定することを特徴とするＳＩＭＯＸ基板のＢＯＸ層厚み推定方法。
【請求項６】
前記請求項１ないし３記載の測定方法により測定されたＳＩＭＯＸ基板に酸素イオン注入量を値づけした後、該ＳＩＭＯＸ基板をＢＯＸ層厚みの標準試料用基板として用いることを特徴とするＳＩＭＯＸ基板の標準試料用基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＦＴ−ＩＲ（フーリエ変換赤外分光）法のうち透過法を用いて、ＳＩＭＯＸ基板とするための酸素イオン注入装置から半導体基板に注入された酸素イオン注入量の定量化方法、該注入量よりＳＩＭＯＸ製品のＢＯＸ層厚みを推定する方法、および該方法により酸素イオン注入量を値付けした試料を用い酸素イオン注入量をモニターするための標準試料とする半導体基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン半導体基板中に酸素の高濃度イオンを注入して、シリコン半導体基板中に酸化膜（ＳｉＯ２）を形成するＳＩＭＯＸ（separation by implanted oxygen）基板が知られている。ＳＩＭＯＸ基板は、高速化及び低消費電力化が実現可能な半導体基板として注目されている。
ＳＩＭＯＸ基板の製造方法は、通常、単結晶シリコン半導体基板を５００℃ないし６００℃に加熱し、加熱した状態で高濃度の酸素イオンを前記単結晶シリコン半導体基板に注入して、所定深さの高濃度酸素イオン注入層を形成する。その後、前記シリコン半導体基板は、１１００℃以上１４００℃以下の微量酸素含有不活性ガス雰囲気下で、数時間熱処理を行い、前記酸素イオン注入層を埋め込み酸化膜（ＢＯＸ層）とし、表面にシリコン単結晶の活性層を有するＳＩＭＯＸ基板とする。
酸素イオンの注入によってシリコン基板表面下に形成される埋めこみ酸化膜の組成や膜質はイオン注入量（ドーズ量）に依存していることが知られており、注入される酸素イオン量を正確に測定（モニター）することは重要なことである。
【０００３】
従来より半導体基板に注入された酸素イオン注入量のモニター法として、一般的にファラデーカップを基本とした手法が用いられている。つまり、イオンは正または負の電荷を有しており、該電荷量をファラデーカップにより検出し、電圧または電流値とすることにより照射されたイオン量を知ることが可能である。ひいては半導体基板へのイオン注入量を知ることが可能である。例えば、イオン注入装置内部のイオン照射範囲内に電極を設置し、該電極に照射イオンが当たることにより電荷量、つまりイオン照射量を検出できる。検出された該イオン照射量により半導体基板に注入されたイオン量をモニターしている。（例えば特許文献１）
【０００４】
しかしながら、ファラデーカップを利用した従来の方法ではイオン化していない中性状態のもの、つまり電荷を持たないものは電荷量を検出できない。このため、中性状態のイオンが半導体基板中に注入されたとしてもイオン注入量としては反映されない。また、イオン注入装置内の電極は、高速度の状態でイオンが当たるため経時的に劣化し、長期間注入量をモニターしていくことには信頼性が低下してしまう。
【０００５】
ＦＴ−ＩＲ（フーリエ変換赤外分光）法を利用したイオン注入量測定技術として表面反射光を用いた装置がある。しかしながら、反射光を利用する場合には透過光を利用する場合に比べ半導体基板の表面状態の影響を受けやすい問題がある。また、透過光を用いてＳＯＩ、ＳＩＭＯＸ等の酸化膜を備えた半導体基板の酸化膜の膜厚、膜質又は活性層の評価方法が特許文献２に記載されている。しかし、特許文献２に記載の方法は、ＳＯＩ、ＳＩＭＯＸ等の内部に存在する酸化膜、または活性層の評価方法おいて、半導体基板試料の赤外吸収スペクトルからシリコン格子振動の赤外吸収スペクトル及び格子間酸素の赤外吸収スペクトルＯｉを差スペクトル法によって取り除くことにより非破壊で高精度に測定することのできる評価方法に関するもので、イオン注入量の測定を行うためのものではない。
【０００６】
【特許文献１】特開平６−３６７３９号公報
【特許文献２】特開２００１−２１７２９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、このような上記問題点に鑑みてなされたものであって、通常ファラデーカップを用いるイオン注入量のモニター方法は照射されるイオン全てが電荷を有していることが前提である。従って、イオン照射工程中の異常（例えば真空度の低下，異常放電等）により、電荷を有しない電気的に中性な元素の状態で照射された場合はファラデーカップ法では測定できない。このためモニターした以上の元素が半導体基板中に注入されてしまい、結果として最終的なＳＩＭＯＸ製品において所望のＢＯＸ層厚み及び活性層厚みが得られない。
【０００８】
また、ファラデーカップ法ではイオンを検出するためにカーボン電極等が用いられているが、該電極に高速度のイオンが衝突するため該電極は損傷を受け細ってしまう。このため該電極でのイオン元素検出能力は時間と共に劣化していきファラデーカップ法によるモニターは適さない。また、該電極を交換するたびにイオン注入量と電流量の校正作業が必要であり、時間と労力を要する。従って、標準サンプルを作製してもカーボン電極使用初期と後期では、装置側で測定したイオン注入量は同一注入量であっても、実際に半導体基板に注入されたイオン注入量は異なるため、標準サンプルとして使用できない。つまりは、注入サンプルを作製したと同時に作製したものを注入量モニターとして測定する必要があり時間と労力を要する。イオン注入装置のメーカーや機種が異なると、ファラデーカップで受けた電荷をイオン注入量に変換する部分での計算手法がそれぞれ異なるため、装置それぞれにおいて表示されるイオン注入量は異なることとなる。
【０００９】
また、ＩＲ反射光を利用してイオン注入量をモニターする装置（主は膜厚測定，従的に注入量測定可能）が装置として市販されているが、前述のように反射光を利用する場合には透過光を利用する場合に比べ半導体基板の表面状態の影響を受けやすいという問題があり、このような装置を新規に購入することなく、シリコン半導体基板生産工場では必ず使用されているＦＴ−ＩＲ装置を利用することで、精度良くイオン注入量を測定することが可能である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
シリコン半導体基板の生産工場であれば、シリコン半導体基板の格子間酸素濃度を測定するために、通常設置されているＦＴ−ＩＲ装置を利用し、スペクトルの演算でイオン注入量を測定可能である。つまり、酸素イオン注入する前の半導体基板のＩＲ波形と、酸素イオン注入した後のＩＲ波形を差スペクトル法の演算により求めると、酸素イオン注入品の半導体基板にのみ特有のＩＲ波形が得られる。酸素イオン注入品に特有なピーク波形を表示するためには、酸素イオン注入された半導体基板（Ａ）、酸素イオン注入する前の半導体基板（Ｂ）これら２種類のＩＲ波形をＦＴ−ＩＲにより測定する。該ＩＲ波形を用い"Ａ波形−Ｂ波形"のスペクトル演算を行うと１１２０−８５０ｃｍ-1の範囲において山形のピーク波形が得られる。またＦＴ−ＩＲ測定で検出感度以下の酸素量を含む（通常ＦＺ結晶品）半導体基板（Ｃ）を求め"（Ａ波形−Ｃ波形）−（Ｂ波形−Ｃ波形）"の計算を行うと"Ａ波形−Ｂ波形"と同様に１１２０−８５０ｃｍ-1の範囲において山形のピーク波形が得られる。このスペクトル演算の方が波形的にきれいであり計算結果も正確である。
【００１１】
波形の計算方法については、ＦＴ−ＩＲ装置の計算プログラムにより種々の方法が用いられており、たとえば、ＦＺ結晶品による補正がプログラムされているＦＴ−ＩＲ装置では、酸素イオン注入する前の該半導体基板を測定すると、酸素イオンが注入される前の半導体基板のＩＲ波形からＦＴ−ＩＲでは検出下限以下の酸素量を含む（ＦＺ品）半導体基板のＩＲ波形を差スペクトル法による演算の結果が出力される（Ａ波形−Ｃ波形）。次に酸素イオン注入された半導体基板を測定すると、酸素イオン注入された半導体基板のＩＲ波形からＦＴ−ＩＲでは検出下限以下の酸素量を含む（ＦＺ品）半導体基板のＩＲ波形を差スペクトル法による演算の結果が出力される（Ｂ波形−Ｃ波形）。前記により求めた（Ａ）と（Ｂ）を差スペクトル法の演算により求めると、酸素イオン注入品の半導体基板にのみ特有のＩＲ波形が得られる。
【００１２】
酸素イオン注入品にのみ特有のＩＲ波形は１１２０−８５０ｃｍ-1の間にピークを有する（図５）。該ピークについて１１２０−８５０ｃｍ-1の範囲でベースラインを設定する（図６）。該ベースラインを水平に補正後、該ベースラインと１１２０−８５０ｃｍ-1の間のピーク波形の最も高い部分の高さをピーク高さ、ピーク高さの半分の高さの幅をピーク半値幅とする。また、該ベースラインと該波形とで囲まれた部分の面積をピーク面積とする（図７）。これら求められたピーク高さ、ピーク半値幅またはピーク面積は酸素イオン注入量に依存し、該ピーク高さの高さ、該ピーク半値幅または該ピーク面積のサイズは酸素イオン注入量に対応し変化する。この変化の状況は単純な直線的な関係になるため、ＦＴ−ＩＲにより求めたピーク高さ、ピーク半値幅またはピーク面積から酸素イオン注入量を簡単に求めることが可能である。
【００１３】
ＦＴ−ＩＲによる酸素イオン注入量測定は、注入された酸素イオンそのものを直接的に測定しているため、注入装置側で間接的にモニターしている注入量（前述のように経時的に変化する、イオン化していない中性の原子等）よりは正確な注入量を測定可能である。さらに、酸素イオン注入量を変えた複数の酸素イオン注入量標準サンプルを作製することにより、これら標準サンプルのＦＴ−ＩＲ測定値と新規に作製した製品サンプルのＦＴ−ＩＲ値を比較することで迅速かつ正確な酸素イオン注入量を測定することが可能である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明はＦＴ−ＩＲ法の透過光を利用することにより、酸素イオン注入装置からシリコン半導体基板に注入された酸素イオン注入量を測定するものである。イオン注入装置に付随しているファラデーカップを利用する方法では、該ファラデーカップの経時的劣化により酸素イオン注入量が変化することや、イオン化し電荷を有する酸素のみしか検出できないが、ＦＴ−ＩＲを用いた本方法では直接に酸素イオン注入量を測定するため、ファラデーカップの経時的劣化を検知可能でイオン注入量の補正を即座に実施できる。また注入された酸素がイオン化したものでも中性のものでも共に注入量を検出できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明に係る測定方法の実施の形態を図面に基づいて説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。
【００１６】
本発明によるＦＴ−ＩＲ法のうち透過法を用いたＳＩＭＯＸウェーハのイオン注入量測定方法は、赤外光を該ＳＩＭＯＸウェーハに透過し、得られたスペクトルより１１２０−８５０ｃｍ-1の範囲に現れる酸素イオン注入に起因したピーク波形を検出することを特徴とする。具体的には、酸素イオン注入品に特有なピーク波形を得るためにＦＴ−ＩＲ装置にて、図１に示す酸素イオンが注入されたシリコン半導体基板のＦＴ−ＩＲ測定波形と、酸素イオンが注入される前のシリコン半導体基板のＦＴ−ＩＲ測定波形の差スペクトル法による演算を行うと図５に示す１１２０−８５０ｃｍ-1の範囲において山形のピーク波形が得られる。
【００１７】
本実施例で用いているＦＴ−ＩＲ装置はＦＺ結晶品（ＦＴ−ＩＲ装置では検出感度以下の酸素量を含む）による酸素量の補正が行われた結果の波形が出力される装置であるため、酸素イオンが注入されたシリコン半導体基板をＦＴ−ＩＲ装置にかけて測定すると、ＦＺ結晶品による酸素量が補正された波形図３が出力される。また、酸素イオン注入前のシリコン半導体基板を測定すると、ＦＺ結晶品による酸素が補正された波形図４が出力される。これら図３と図４の差スペクトルを演算することにより１１２０−８５０ｃｍ-1の範囲において山形のピーク波形図５が得られる。
【００１８】
得られた山形ピーク波形の両側の裾部分を直線で繋ぎ図６、次に、該直線を水平に補正後山形ピーク波形のベースラインとする図７。該ベースラインと該ベースラインに対し山形ピーク波形の最高点の高さをピーク高さ、該ピーク高さの半分の位置における山形ピーク波形の幅をピークの半値幅、ベースラインと山形ピーク波形とで囲まれた部分をピーク部分の面積とする。これらピーク高さ、半値幅、面積は後述するようにイオン注入量と直線的な関係であるため、ＦＴ−ＩＲによる測定結果より簡単にイオン注入量を求めることができる。
【００１９】
酸素イオン注入装置が異なると同一メーカーであっても，装置側で同じ注入量と表示されているが、ＦＴ−ＩＲで測定を行うと装置個体毎に酸素イオン注入量が異なることがわかった。従って、ＦＴ−ＩＲ測定により酸素イオン注入量の標準サンプルとしたものを用いることにより、装置側での酸素イオン注入量表示は同じであっても酸素イオン注入装置間でバラツク値を統一することが可能である。
【００２０】
次に、本発明に係わる方法を用いて、実際にイオン注入量を測定した場合の具体例を示す。
【実施例１】
【００２１】
用いたサンプルは８インチシリコン半導体基板に酸素イオンを注入したもので、ｐ型、抵抗率：１０−１５Ωｃｍ、酸素濃度：１２−１５（×１０17atoms/cm3）［ＡＳＴＭ  Ｆ−１２１  １９７９］、酸素イオン注入量：１．５−１．９（×１０17/cm2）、ＦＴ−ＩＲ装置はバイオラッドのＱＳ−３００を使用した。
【００２２】
図８に酸素イオン注入量（値は注入装置側のファラデーカップの値による）とＦＴ−ＩＲにより測定した１１２０−８５０ｃｍ-1の範囲のピーク高さの関係を示す。酸素イオン注入量はピーク高さに依存し単純に直線的に変化している。半値幅、面積についても同様の関係が得られた。
【実施例２】
【００２３】
実施例２のサンプルは実施例１と同等品を使用し、酸素イオン注入量：２．０−２．６（×１０17/cm2）とし、条件Ａ，Ｂ，Ｃはそれぞれ注入される中性酸素の量を意図的に変えたものである。注入装置側ではＡ，Ｂ，Ｃの３条件ともに同一の酸素イオン注入量と表示されている。つまり、ファラデーカップによる注入量測定では電荷を有する状態のものしか測定できない。
【００２４】
図９に示すように、条件により電荷を有しない電気的に中性の酸素注入量を変えたサンプルを作製し、最終的な製造工程段階でのＢＯＸ層厚みを膜厚測定器により測定した。この結果より注入装置側で同一の酸素イオン注入量の値であっても、ファラデーカップで検出できない中性電荷を持った酸素が半導体基板に注入されているためＢＯＸ層厚みが異なっている。これでは酸素イオン注入中に何かトラブルがあり、一部分の酸素が中性状態で注入された場合には、ファラデーカップを用いた注入装置側での測定値は信頼できないことになる。
【００２５】
しかしながら、図１０に示すようにＦＴ−ＩＲ測定では注入装置側で同一酸素イオン注入量とされたサンプルはピーク高さが異なった。かつピーク高さと製造工程後のＢＯＸ層厚みは直線的な良好な対応があった。この結果は中性状態で注入された酸素であってもＦＴ−ＩＲ測定により検出可能であることを示している。したがって、ＦＴ−ＩＲ測定結果を比較検討することにより最終的なＢＯＸ層厚みを容易に見積もることが可能であり、かつイオン注入工程に異常があり全酸素がイオン化していないことが判断できる。また、全酸素がイオン状態で注入された場合、またはイオン状態と中性状態の混成状態で注入された場合の両者においてもＦＴ−ＩＲ測定はピーク高さ、半値幅およびピーク面積と注入量に直線的な良好な関係を示しており、正確な注入量の測定が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
ＦＴ−ＩＲ（フーリエ変換赤外分光）法のうち透過法を用いて、酸素イオン注入装置から注入された酸素イオン注入量の定量化方法、該注入量よりＳＩＭＯＸ製品のＢＯＸ層厚みを推定する方法、および該方法により酸素イオン注入量を値付けした試料を用い酸素イオン注入量をモニターするための標準試料とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】酸素イオンが注入された半導体基板のＦＴ−ＩＲ測定波形を示す図である。
【図２】ＦＺ結晶品（ＦＴ−ＩＲでは検出下限以下の酸素量を含む）半導体基板のＩＲ波形を示す図である。
【図３】図１から図２を差スペクトル法により求めた図である。
【図４】酸素イオンが注入される前の半導体基板のＩＲ波形からＦＺ結晶半導体基板のＩＲ波形（図２）を差スペクトル法により求めた図である。
【図５】酸素イオン注入された半導体基板のＩＲ波形（図１）から酸素イオン注入されていない半導体基板のＩＲ波形を差スペクトル法により求めた図である。
【図６】１１２０−８５０ｃｍ-1の範囲でベースラインを設定した図である。
【図７】ベースラインを水平に補正後、該ベースラインと１１２０−８５０ｃｍ-1の間のピーク波形の最も高い部分の高さをピーク高さ、ピーク高さの半分の高さの幅をピーク半値幅、該ベースラインと該波形とで囲まれた部分の面積をピーク面積とすることを示す図である。
【図８】酸素イオン注入量とＦＴ−ＩＲピーク高さ、ピーク面積、ピーク半値幅の相関を示す図である。
【図９】電荷を持った酸素イオン量は同じで、電荷のない中性酸素分子量を故意に変化させた場合の製造工程後のＢＯＸ層厚みへの影響を示す図である。
【図１０】ＦＴ−ＩＲピーク高さと製造工程後のＢＯＸ層厚みの関係を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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