(57)【要約】【課題】  低酸素濃度であっても簡便な方法で半導体基板の欠陥領域を判定することができる半導体基板の欠陥領域の評価方法を提供することを目的とする。【解決手段】  半導体基板の欠陥領域を半導体基板に形成されたＭＯＳ構造のＣ−Ｖ特性から評価する半導体基板の欠陥領域の評価方法であって、予め、欠陥領域のタイプがわかっている半導体基板を用いて、評価対象半導体基板の欠陥領域を評価するときと同じ熱処理条件、及び、Ｃ−Ｖ特性評価条件で、欠陥領域とフラットバンド電圧又は固定電荷密度との関係を求めておき、評価対象半導体基板の欠陥領域の評価では、半導体基板に形成されたＭＯＳ構造のＣ−Ｖ特性から求められたフラットバンド電圧又は固定電荷密度から、予め求められている欠陥領域とフラットバンド電圧又は固定電荷密度との関係に基づき、評価対象半導体基板の欠陥領域を判定することを特徴とする半導体基板の欠陥領域の評価方法。【選択図】  図１
2016009772.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の欠陥領域を半導体基板に形成されたＭＯＳ構造のＣ−Ｖ特性から評価する半導体基板の欠陥領域の評価方法であって、
予め、欠陥領域のタイプがわかっている半導体基板を用いて、評価対象半導体基板の欠陥領域を評価するときと同じ熱処理条件、及び、Ｃ−Ｖ特性評価条件で、欠陥領域とフラットバンド電圧又は固定電荷密度との関係を求めておき、
評価対象半導体基板の欠陥領域の評価では、半導体基板に形成されたＭＯＳ構造のＣ−Ｖ特性から求められたフラットバンド電圧又は固定電荷密度から、予め求められている欠陥領域とフラットバンド電圧又は固定電荷密度との関係に基づき、評価対象半導体基板の欠陥領域を判定することを特徴とする半導体基板の欠陥領域の評価方法。
【請求項２】
評価対象半導体基板の欠陥領域の前記判定は、欠陥領域が、空孔欠陥が優勢なものであるＶ領域、Ｎ領域であるが空孔欠陥が優勢なものであるＮｖ領域、Ｎ領域であるが格子間欠陥が優勢なものであるＮｉ領域、格子間欠陥が優勢なものであるＩ領域のうちのいずれであるかを判定するものであることを特徴とする請求項１に記載の半導体基板の欠陥領域の評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板の欠陥領域の評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
集積回路の基板として一般的に半導体シリコンウェーハ(以下ウェーハと称する)が用いられる。特に集積回路の素子を形成する領域は欠陥の無い領域であることが望ましい。
【０００３】
ウェーハに含まれる欠陥として、例えばＣＺ法などにより半導体単結晶を製造する際に内部に取り込まれるＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥がある。この欠陥としては、規則正しい結晶格子位置に原子が無いもの（空孔）や格子位置の間に原子があるもの（格子間シリコン）がある。
【０００４】
空孔が多く含まれている領域をＶ領域、格子間シリコンが多く含まれている領域をＩ領域と呼び、Ｖ領域とＩ領域の間に空孔及び格子間シリコンの無い（あるいは、少ない）Ｎ領域がある。空孔や格子間シリコンの濃度は、ＣＺ法における結晶の引上げ速度（成長速度）と結晶中の固液界面近傍の温度勾配との関係から決まるとされている。また、Ｎ領域の中には、酸化誘起積層欠陥（ＯＳＦ）と呼ばれる欠陥が発生する領域もある。集積回路の素子を作るのはＯＳＦの発生しないＮ領域が望ましいとされている。
【０００５】
半導体単結晶を製造する際には、これらの結晶欠陥領域を制御することが重要になっており、そのためにもＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥を検出・評価する技術が必要となってくる。
【０００６】
Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥を検出・評価する方法は、多く報告されている。
例えば、特許文献１や特許文献２で示された方法のように、ウェーハ片に熱処理を行い、ウェーハ内部の酸素析出物密度を測定し、その値より結晶欠陥領域を判別する方法がある。
【０００７】
また、特許文献３で示された方法のように、ウェーハ表面をＦｅで汚染して、シリコン単結晶の無欠陥領域を目視で判定する方法もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００１−１３９３９６号公報
【特許文献２】特開２００２−２０１０９３号公報
【特許文献３】特開２００６−２７８８９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１−３の方法は、複数回熱処理を実施する必要があったり、表面を強制汚染させたり、と複雑な処理が必要になるという問題があった。
また、従来の評価方法は、酸素析出の有無や、汚染後ゲッタリング能力を評価することで、Ｎｉ領域（Ｎ領域であるが、格子間欠陥が優勢な領域）やＮｖ領域（Ｎ領域であるが、空孔欠陥が優勢な領域）を判定しているが、ウェーハ中の酸素濃度が低くなると酸素が析出しにくくなるので、欠陥領域の判定が困難になるという問題があった。
【００１０】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、低酸素濃度であっても簡便な方法で半導体基板の欠陥領域を判定することができる半導体基板の欠陥領域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】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明は、半導体基板の欠陥領域を半導体基板に形成されたＭＯＳ構造のＣ−Ｖ特性から評価する半導体基板の欠陥領域の評価方法であって、予め、欠陥領域のタイプがわかっている半導体基板を用いて、評価対象半導体基板の欠陥領域を評価するときと同じ熱処理条件、及び、Ｃ−Ｖ特性評価条件で、欠陥領域とフラットバンド電圧又は固定電荷密度との関係を求めておき、評価対象半導体基板の欠陥領域の評価では、半導体基板に形成されたＭＯＳ構造のＣ−Ｖ特性から求められたフラットバンド電圧又は固定電荷密度から、予め求められている欠陥領域とフラットバンド電圧又は固定電荷密度との関係に基づき、評価対象半導体基板の欠陥領域を判定することを特徴とする半導体基板の欠陥領域の評価方法を提供する。
【００１２】
このように半導体基板に形成されたＭＯＳ構造のＣ−Ｖ特性から求められるフラットバンド電圧又は固定電荷密度から、半導体基板の欠陥領域を判定することで、半導体基板が低酸素濃度であっても簡便な方法で半導体基板の欠陥領域を高精度で判定することができる。
【００１３】
このとき、評価対象半導体基板の欠陥領域の前記判定は、欠陥領域が、空孔欠陥が優勢なものであるＶ領域、Ｎ領域であるが空孔欠陥が優勢なものであるＮｖ領域、Ｎ領域であるが格子間欠陥が優勢なものであるＮｉ領域、格子間欠陥が優勢なものであるＩ領域のうちのいずれであるかを判定するものとすることができる。
評価対象半導体基板の欠陥領域の判定として、このような判定を好適に行うことができる。
【発明の効果】
【００１４】
以上のように、本発明によれば、半導体基板が低酸素濃度であっても簡便な方法で半導体基板の欠陥領域を高精度で判定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の半導体基板の欠陥領域の評価方法を示すフロー図である。
【図２】各種の欠陥領域を有する半導体基板に形成されたＭＯＳキャパシタのＣ−Ｖ特性を示す図である。
【図３】図２のＣ−Ｖ特性の立ち上がり部分を拡大した図である。
【図４】各種の欠陥領域を有する半導体基板のフラットバンド電圧（Ｖｆｂ）を示す図である。
【図５】各種の欠陥領域を有する半導体基板の固定電荷密度（Ｑｄ）を示す図である。
【図６】固定電荷密度と欠陥領域との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明について、実施態様の一例として、図を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
前述のように、半導体単結晶を製造する際には、結晶欠陥領域を制御することが重要になっており、そのためにもＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥を検出・評価する技術が必要となってきている。Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥を検出・評価する方法は多く報告されており、特許文献１−３に示された方法があるが、これらの方法は、複数回熱処理を実施する必要があったり、表面を強制汚染させたり、と複雑な処理が必要になるという問題があった。
また、従来の評価方法は、酸素析出の有無や、汚染後ゲッタリング能力を評価することで、Ｎｉ領域やＮｖ領域を判定しているが、ウェーハ中の酸素濃度が低くなると酸素が析出しにくくなるので、欠陥領域の判定が困難になるという問題があった。
【００１７】
そこで、本発明者は、低酸素濃度であっても簡便な方法で半導体基板の欠陥領域を判定することができる半導体基板の欠陥領域の評価方法について鋭意検討を重ねた。
本発明者は、まず、ＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｉｌｉｃｏｎ）キャパシタのＣ−Ｖ特性中のフラットバンド電圧（Ｖｆｂ）の変化量は、半導体基板の不純物濃度が同じ場合、酸化膜中の固定電荷密度によって決まることと、酸化膜中の固定電荷は酸化膜中の格子間シリコンに由来するという点に着目した。
【００１８】
ここで、フラットバンド電圧（Ｖｆｂ）について説明する。
まず、理想状態ではＭＯＳ構造のエネルギーバンド図は外部からの印加電圧が無い場合、バンドに曲がりはなく平ら（フラット）であり、外部から電圧が印加されてバンドが曲がる。
ここで、理想状態とは、電極の仕事関数と半導体基板のフェルミ準位に差がなく、酸化膜中に固定電荷が存在していない状態である。
しかしながら、理想的な状態と異なり、一般的なＭＯＳキャパシタでは、金属電極の仕事関数と半導体基板のフェルミ準位に差があり、また、酸化膜中に固定電荷が存在するため、外部から電圧が印加されていない状態でもエネルギーバンドは曲がっている。
【００１９】
フラットバンド電圧（Ｖｆｂ）とは、前述のエネルギーバンドの曲がりを無くし、フラットにするために必要な外部からの印加電圧のことである。
フラットバンド電圧（Ｖｆｂ）は、金属電極の仕事関数をＷｍ、半導体基板のフェルミ準位をＥｆ、酸化膜の厚さをｄｏｘ、酸化膜中の固定電荷量をＱｓとしたとき（１）式で与えられる。
Ｖｆｂ＝（Ｗｍ−Ｅｆ）＋（Ｑｓ／ｄｏｘ）                ・・・（１）
【００２０】
金属電極の仕事関数Ｗｍはその金属電極の材質によって決まった値となり、半導体基板のフェルミ準位Ｅｆは（２）式で表される。
Ｅｉ−Ｅｆ＝（ｋＴ／ｑ）・ｌｏｇ（Ｎｓｕｂ／ｎｉ）      ・・・（２）
【００２１】
ここで、Ｅｆはフェルミ準位、Ｅｉは真性フェルミ準位、ｋはボルツマン係数、Ｔは温度、ｑは電気素量、Ｎｓｕｂは半導体基板の不純物濃度、ｎｉは真性キャリア濃度である。
（２）式から、温度が一定の条件の下では、フェルミ準位Ｅｆは半導体基板の不純物濃度Ｎｓｕｂによってその値が決まることがわかる。
【００２２】
フラットバンドの状態のＭＯＳキャパシタの容量Ｃは、酸化膜容量Ｃｏｘと空乏層容量Ｃｄの直列接合となり、（３）式で表される。
Ｃ＝Ｃｏｘ・Ｃｄ／（Ｃｏｘ＋Ｃｄ）                    ・・・（３）
【００２３】
また、酸化膜容量Ｃｏｘ、空乏層容量Ｃｄ、フラットバンド時の空乏層幅Ｌｄはそれぞれ、（４）式、（５）式、（６）式で表される。
Ｃｏｘ＝εｏ・Ｓ／ｄｏｘ                              ・・・（４）
Ｃｄ＝ε・Ｓ／Ｌｄ                                    ・・・（５）
Ｌｄ＝（ｋＴ・ε／Ｎｓｕｂ・ｑ２）１／２                ・・・（６）
ここで、Ｓはキャパシタの面積、εｏ、εはそれぞれ酸化膜の誘電率、半導体基板の誘電率である。
【００２４】
フラットバンド電圧Ｖｆｂや半導体基板の不純物濃度ＮｓｕｂはＣ−Ｖ特性の結果より算出することができるので、Ｃ−Ｖ特性を求めることができれば、（１）式、（２）式から固定電荷量Ｑｓを算出することができ、さらに（７）式で表される固定電荷密度Ｑｄを算出できることがわかる。
Ｑｄ＝Ｑｓ／（Ｓ・ｑ）                                ・・・（７）
【００２５】
続いて、固定電荷と基板中の結晶欠陥との関係性について説明する。
酸化膜中の固定電荷は一般的に正の電荷であり、以下に示す化学式（８）のように、シリコン単結晶を熱酸化して酸化膜を形成するときに発生する格子間シリコンの一部が酸化膜中に取り残されたものと考えられている。
Ｓｉ＋Ｏ２→ＳｉＯ２＋（Ｓｉ＋）                        ・・・（８）
【００２６】
酸化膜の形成方法として最も一般的なものは、酸素雰囲気あるいは水蒸気雰囲気下での高温の熱処理がある。この方法では、基板中のシリコンを消費して酸化膜を形成する。
【００２７】
ここで、本発明者は酸化膜中の固定電荷は格子間シリコンに由来するものであり、さらに熱酸化など基板のシリコンを消費して酸化膜を形成する場合に、酸化膜中の固定電荷は、基板中に含まれる格子間シリコンや空孔の量との間に相関関係があると考えた。
さらに、本発明者は上述のように固定電荷密度はＣ−Ｖ特性のフラットバンド電圧を用いることで算出できるため、Ｃ−Ｖ特性のフラットバンド電圧の値又は固定電荷密度の値よりシリコン単結晶中の格子間シリコンや空孔の量を推定できると考え、半導体基板に形成されたＭＯＳ構造のＣ−Ｖ特性から求められるフラットバンド電圧又は固定電荷密度から、半導体基板の欠陥領域を判定することで、半導体基板が低酸素濃度であっても簡便な方法で半導体基板の欠陥領域を高精度で判定することができることを見出し、本発明をなすに至った。
【００２８】
以下、図１を参照しながら、本発明の半導体基板の欠陥領域の評価方法の実施態様の一例を説明する。
まず、欠陥領域のタイプが分かっている半導体基板を用いて、評価対象半導体基板の欠陥領域を評価するときと同じ熱処理条件、及び、ＣーＶ特性評価条件で、半導体基板に形成されたＭＯＳ構造のＣーＶ特性を測定する（図１のステップＳ１１参照）。
なお、ステップＳ１１でＣーＶ特性を測定する半導体基板の欠陥領域のタイプは、例えば、半導体基板が切り出される単結晶シリコンインゴットの欠陥領域のタイプを特許文献１に示される評価方法を用いて酸素析出物の密度を算出し、酸素析出物の密度に基づいて
予め判定しておくことができる。
また、ＭＯＳ構造は、例えば、半導体基板上に熱酸化膜を形成し、熱酸化膜上に所定の面積の金属電極を形成することで作製することができ、Ｃ−Ｖ特性の測定において水銀プローバを用いる場合には、金属電極の形成を省略することができる。
【００２９】
次に、ステップＳ１１で測定されたＣーＶ特性からフラットバンド電圧又は固定電荷密度を求める（図１のステップＳ１２参照）。
具体的には、フラットバンド電圧Ｖｆｂや半導体基板の不純物濃度ＮｓｕｂはＣ−Ｖ特性の結果より算出することができるので、Ｃ−Ｖ特性を求めることができれば、フラットバンド電圧Ｖｆｂを算出することができ、フラットバンド電圧Ｖｆｂがわかれば、（１）式、（２）式から固定電荷量Ｑｓを算出することができ、さらに（７）式で表される固定電荷密度Ｑｄも算出することができる。
【００３０】
次に、欠陥領域とフラットバンド電圧又は固定電荷密度との関係を求める（図１のステップＳ１３参照）。
具体的には、ステップＳ１２で求めたフラットバンド電圧Ｖｆｂ又は固定電荷密度Ｑｄに基づいて、欠陥領域のタイプと、フラットバンド電圧Ｖｆｂ又は固定電荷密度Ｑｄの値の範囲とを関連づける。
ここで、欠陥領域のタイプとしては、例えば、空孔欠陥が優勢なものであるＶ領域、Ｎ領域であるが空孔欠陥が優勢なものであるＮｖ領域、Ｎ領域であるが格子間欠陥が優勢なものであるＮｉ領域、格子間欠陥が優勢なものであるＩ領域が挙げられる。
【００３１】
次に、評価対象半導体基板に形成されたＭＯＳ構造のＣーＶ特性を測定する（図１のステップＳ１４参照）。
評価対象半導体基板のＭＯＳ構造についても、例えば、半導体基板上に熱酸化膜を形成し、熱酸化膜上に所定の面積の金属電極を形成することで作製することができ、Ｃ−Ｖ特性の測定において水銀プローバを用いる場合には、金属電極の形成を省略することができる。
【００３２】
次に、ステップＳ１４で測定されたＣーＶ特性からフラットバンド電圧又は固定電荷密度を求める（図１のステップＳ１５参照）。
具体的には、ステップＳ１２と同様にして、ＣーＶ特性からフラットバンド電圧Ｖｆｂ又は固定電荷密度Ｑｄを算出する。
【００３３】
次に、ステップＳ１５で求めたフラットバンド電圧又は固定電荷密度から、ステップＳ１３で予め求められている欠陥領域とフラットバンド電圧又は固定電荷密度との関係に基づいて、評価対象半導体基板の欠陥領域を判定する（図１のステップＳ１６参照）。
なお、評価対象半導体基板の欠陥領域の判定は、欠陥領域が、空孔欠陥が優勢なものであるＶ領域、Ｎ領域であるが空孔欠陥が優勢なものであるＮｖ領域、Ｎ領域であるが格子間欠陥が優勢なものであるＮｉ領域、格子間欠陥が優勢なものであるＩ領域のうちのいずれであるかを判定するものとすることができる。
評価対象半導体基板の欠陥領域の判定として、このような判定を好適に行うことができる。
【００３４】
図１を参照して上記で説明した本発明の半導体基板の欠陥領域の評価方法によれば、半導体基板が低酸素濃度であっても簡便な方法で半導体基板の欠陥領域を高精度で判定することができる。
【実施例】
【００３５】
以下、実施例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００３６】
（実施例）
まず、直径３００ｍｍで、軸方位が＜１００＞であり、抵抗率が１０〜３０Ω・ｃｍで、酸素濃度が１５ｐｐｍａ（ＪＥＩＤＡ）であるｐ型のシリコン単結晶インゴットをＣＺ法を用いて作製した。
ＣＺ法による作製時には、引き上げ速度を変化させ、結晶内の欠陥の濃度を変化させることで、空孔欠陥が優勢なもの（Ｖ領域）、Ｎ領域であるが空孔欠陥が優勢なもの（Ｎｖ領域）、Ｎ領域であるが格子間欠陥が優勢なもの（Ｎｉ領域）、格子間欠陥が優勢なもの（Ｉ領域）をそれぞれ作製し、その単結晶インゴットを用いて、スライス工程、研磨工程によりポリッシュドウェーハ（半導体基板）を作製した。
【００３７】
それぞれのウェーハの欠陥領域の判定については、特許文献１に示される評価方法を用いて酸素析出物の密度を算出し、酸素析出物の密度に基づいて判定を行った。
【００３８】
次に、それらのウェーハをＲＣＡ洗浄にて洗浄を行い、縦型の熱処理炉にて９００℃、酸素雰囲気で熱処理を行い、ウェーハの表裏面に２５ｎｍの熱酸化膜を形成した。その後、それらのウェーハの裏面の酸化膜をＨＦの蒸気を用いて除去した。
【００３９】
次に、それらのウェーハをＦｏｕｒ  ＤＩＭＥＮＳＩＯＮＳ社製の水銀プローバＣＶｍａｐ９２を用いて、高周波Ｃ−Ｖ特性を測定した。測定箇所はそれぞれのウェーハの中心部で、測定条件は測定周波数を１ＭＨｚとして電圧を４Ｖから−４Ｖまで変化させた。
欠陥領域がそれぞれＶ領域、Ｎｖ領域、Ｎｉ領域、Ｉ領域であるウェーハのＣ−Ｖ特性カーブを図２に示す。横軸はバイアス電圧Ｖｇ、縦軸はキャパシタ面積で規格化した容量Ｃ／Ｓをそれぞれ表している。いずれの欠陥領域でのＣ−Ｖ特性カーブの形状はほぼ同じであるが、立ち上がりの位置がずれていることがわかる。
【００４０】
図３に図２で示したＣ−Ｖ特性カーブの立ち上がり部分を拡大したものを示す。図３においては、異なる欠陥領域でより明確に立ち上がりの位置がずれており、格子間シリコンが多く、また、空孔が少ない欠陥領域ほどＣ−Ｖ特性カーブがマイナス側にシフトしていることがわかる。
【００４１】
さらに図２、３に示したＣ−Ｖ特性カーブより、各結晶のフラットバンド電圧Ｖｆｂ及び固定電荷密度Ｑｄをそれぞれ前述した方法で算出した。その結果を図４と図５に示す。
【００４２】
ここで、さらにサンプル数を増やし、得られた結果に基づいて、固定電荷密度Ｑｄと欠陥領域のタイプとの関係を図６のように定義した。
なお、フラットバンド電圧Ｖｆｂと欠陥領域のタイプとの関係についても、図６と同様に定義することができる。
【００４３】
続いて、評価対象ウェーハ（評価対象半導体基板）１〜５に対して、上記に示した方法でＭＯＳ構造を作製し、上記に示した方法でＣ−Ｖ特性カーブを取得し、フラットバンド電圧Ｖｆｂから固定電荷密度Ｑｄを算出し、図６に示された固定電荷密度Ｑｄと欠陥領域のタイプとの関係に基づいて、欠陥領域のタイプを決定した。結果を表１に示す。
なお、フラットバンド電圧Ｖｆｂと欠陥領域のタイプとの関係が定義されていれば、フラットバンド電圧Ｖｆｂから欠陥領域のタイプを同様に決定することができる。
【００４４】
また、評価対象ウェーハ１〜５とそれぞれ同様の結晶のウェーハについて、特許文献１に示される評価方法を用いて酸素析出物の密度を算出し、算出された酸素析出物の密度に基づいて欠陥領域のタイプを決定した。結果を表１に示す。
【００４５】
【表１】
2016009772.tif 000003
【００４６】
表１からわかるように、本発明による判定結果は、特許文献１に示される評価方法を用いて酸素析出物の密度から判定した結果と一致している。
従って、本発明の固定電荷密度を用いる評価方法により、欠陥領域の判定を高精度で行うことが可能となることがわかる。
また、この方法は、酸化膜中の固定電荷密度を算出し、算出された固定電荷密度に基づいて判定を行っているため、評価対象半導体基板の酸素濃度によらずに欠陥領域の判定を行うことが可能である。
【００４７】
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】
2016009772.tif 000004
【図２】
2016009772.tif 000005
【図３】
2016009772.tif 000006
【図４】
2016009772.tif 000007
【図５】
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【図６】
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