(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンウエーハ上に成長させたシリコンエピタキシャル層のキャリア濃度を表面光電圧法によって測定するキャリア濃度測定方法であって、誘電体が存在しないシリコンエピタキシャルウエーハの表面に電界を印加して最大空乏層幅の空乏層を形成し、該最大空乏層幅を測定することによってキャリア濃度を求めることを特徴とするキャリア濃度測定方法。
【請求項２】
前記誘電体が存在しないシリコンエピタキシャルウエーハの表面に電界を印加するのは、シリコンエピタキシャルウェーハの表面をコロナ放電処理することによって行うことを特徴とする請求項１に記載のキャリア濃度測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はシリコンエピタキシャル層のキャリア濃度測定方法に関するもので、詳しくは表面光電圧法によりエピタキシャル層のキャリア濃度を高い信頼性をもって測定する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコンエピタキシャルウエーハは、その優れた特性から広く個別半導体やバイポーラＩＣ等を製造するウエーハとして、古くから用いられてきた。また、ＭＯＳ  ＬＳＩについても、ソフトエラーやラッチアップ特性が優れている事から、マイクロプロセッサユニットやフラッシュメモリデバイスに広く用いられている。さらに、シリコン単結晶製造時に導入される、いわゆるＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥によるＤＲＡＭの信頼性不良を低減させるため、エピタキシャルウェーハの需要はますます拡大している。
【０００３】
このようなシリコンエピタキシャルウエーハにおいては、エピタキシャル層が直接デバイス活性領域となるため、そのキャリア濃度を正確に制御すること及び測定する事は、デバイス動作上極めて重要である。
【０００４】
従来、シリコンウエーハのエピタキシャル層のキャリア濃度を測定する方法としては、一般的にショットキー接合を形成し、いわゆるＣ−Ｖ法（Ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ−Ｖｏｌｔａｇｅ法）により測定する方法が行なわれている。ショットキー接合を形成するために、エピタキシャル層表面に金属電極を蒸着することが一般的に行われているが、エピタキシャル層表面にＨｇプローブを接触させることにより、ショットキー接合を形成する方法も行なわれている。
【０００５】
しかしながら、上記従来のＣ−Ｖ法では、真空蒸着によるショットキー接合を形成する前処理には約１時間必要とされ、キャリア濃度の測定を行うまでに時間がかかっていた。そのため、キャリア濃度の測定の間はエピタキシャル成長を中断せざるを得ず、生産性が低下するという問題があった。また、ショットキー接合を形成するために金属蒸着あるいはＨｇプローブをウェーハ表面に接触させる為、いわゆる破壊検査となり、検査用のモニターウエーハを別途に必要とするため、コストの点から見ても問題があった。
【０００６】
そこで、このような問題を解決するために、キャリア濃度の測定において、表面光電圧法（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｇｅ法：ＳＰＶ法）を用いた測定方法が近年検討されている。この測定方法は、例えば測定点１点につき約０．１秒しか測定時間がかからず、その上非接触で測定できるため、ウエーハを汚染、破壊することなく生産性、コストともに優れた測定方法として期待されている。
【０００７】
このキャリア濃度の測定方法は、表面光電圧法により空乏層幅Ｗを測定できることを利用し、空乏層幅Ｗからキャリア濃度を求めるものである。表面光電圧法による空乏層幅Ｗの測定に関しては、例えば、Ｊ．Ｖｏｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．２０（１９８２）ｐ．８１１のＥｑ．１５に示されている。また最大空乏層幅Ｗｍａｘと空乏層中でのドーパント濃度（キャリア濃度）Ｎｓとの関係については、例えば、Ｐｈｙｓｉｃｓ  ａｎｄ  ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ｏｆ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｄｅｖｉｃｅｓ（Ｊｈｏｎ  Ｗｉｌｌｅｙ  ＆  Ｓｏｎｓ，Ｉｎｃ．，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ，１９６７）ｐ．２７０において示されている。
【０００８】
また、表面光電圧を測定する装置として、例えばＱＣ  Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ社製のＳｕｒｆａｃｅ  Ｃｈａｒｇｅ  Ｐｒｏｆｉｌｅｒ（以後、ＳＣＰと略す）が知られている。このＳＣＰによる測定可能な抵抗率の範囲は、通常０．１〜１０００Ωｃｍである。
【０００９】
ＳＣＰの測定原理について以下に説明する。まず、熱平衡状態にあるウエーハにＳｉのバンドギャップ以上のエネルギーをもつ光（ｈν）をサンプル表面に照射することにより、照射した光の波長に対応した侵入深さで過剰キャリアが発生する。発生した電子は表面側へ、ホールは空乏層の端へ移動する。発生した少数キャリア（ｐ型半導体では電子ｅ）は表面の障壁高さをδＶｓだけ変化させる。
この時の電位δＶｓをＳＰＶ値と呼ぶ。
【００１０】
このＳＰＶ値を用い、次の（１）式に従って空乏層幅を算出することができる。
δＶｓ＝−ｊ（δφ／ω）（１−Ｒ）ｑ（Ｗｄ／εｓ） ・・・（１）
ここで、ｊは虚数単位、φは励起光強度、ωは励起光の角周波数、Ｒはウェーハ表面の反射率、ｑは単位電荷量、εｓは半導体の誘電率である。
【００１１】
そして、ＳＣＰでは測定された空乏層幅Ｗｄを最大空乏層幅Ｗｍａｘと仮定し、次の（２）式よりキャリア濃度Ｎｓを算出することができる。
Ｗｍａｘ＝［２εｓｋＴｌｎ（Ｎｓ／ｎｉ）／ｑ２Ｎｓ］１／２・・・（２）
ここで、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、ｎｉは真性自由キャリア濃度を表す。
【００１２】
測定に用いる励起光源を通常の表面光電圧法で用いられるものよりも短波長（例えば４５０ｎｍ）の励起光源を用いることによって、光の侵入深さを０．４μｍ以下にでき、ウェーハ表層のみのキャリア濃度（厳密にはドーパント濃度）を評価することができる。
【００１３】
このように表面光電圧法は、シリコンエピタキシャル層のキャリア濃度の測定を、迅速・簡便かつ非接触で行うことができ、特にエピタキシャル層の表層の評価ができるという利点がある。
ところが、この方法でエピタキシャル層のキャリア濃度を測定すると、測定値が安定せず、経時的に変化したり、また測定ウエーハの洗浄方法やその他の処理方法の違いによって、データが変ってしまうという問題があった。
【００１４】
そこで、特開平１０−２７０５１７号では、シリコンウエーハ上に成長させたシリコンエピタキシャル層のキャリア濃度を表面光電圧法によって測定する方法において、予めキャリア濃度の経時変化を求めておき、エピタキシャルウエーハ製造装置からウエーハを取り出してから表面光電圧法によりキャリア濃度を測定するまでの時間を計測することによって、キャリア濃度の測定値Ｎｓと前記キャリア濃度の経時変化とから真のキャリア濃度Ｎ０を求めるキャリア濃度測定方法が開示されている。
【００１５】
ところが、特開平１０−２７０５１７号に示されている方法を用いてシリコンエピタキシャルウエーハのキャリア濃度を測定しても、日間変動や再現性のばらつきが大きい場合があり、測定値の信頼性が十分とは言えず、検査や品質保証等に用いることは困難であった。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記問題点に鑑みて為されたものであり、本発明の目的は、表面光電圧法によってシリコンエピタキシャル層のキャリア濃度を測定する方法において、シリコンエピタキシャル層のキャリア濃度を非接触かつ迅速・簡便に測定できるとともに、さらに日間変動や再現性等のばらつきが小さく信頼性の高いキャリア濃度測定方法を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明によれば、シリコンウエーハ上に成長させたシリコンエピタキシャル層のキャリア濃度を表面光電圧法によって測定するキャリア濃度測定方法であって、誘電体が存在しないシリコンエピタキシャルウエーハの表面に電界を印加して最大空乏層幅の空乏層を形成し、該最大空乏層幅を測定することによってキャリア濃度を求めることを特徴とするキャリア濃度測定方法が提供される（請求項１）。
【００１８】
このように、表面光電圧法によりシリコンエピタキシャル層のキャリア濃度を測定する際に、シリコンエピタキシャルウエーハの表面に電界を印加して最大空乏層幅の空乏層を形成し、この最大空乏層幅を測定することによって、非接触かつ迅速・簡便に測定できるとともに、空乏層幅の変動がほとんどないため、測定値のばらつきが小さく信頼性の高いキャリア濃度測定を行うことができる。
【００１９】
この場合、前記誘電体が存在しないシリコンエピタキシャルウエーハの表面に電界を印加するのは、シリコンエピタキシャルウェーハの表面をコロナ放電処理することによって行うことが好ましい（請求項２）。
【００２０】
このように、シリコンエピタキシャルウエーハの表面をコロナ放電処理することによって、非接触・非破壊で最大空乏層幅の空乏層を形成でき、それによって、シリコンウエーハを汚染することなく正確なキャリア濃度を測定することが可能となる。
なお、コロナ放電処理とは、直径１００ミクロン程度の金属線に６〜１０ｋＶの高電圧を印加してコロナ放電させ、目的の誘電体等の表面を処理するものであり、半導体産業においても帯電防止処理等に広く用いられている。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について実施の形態を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
従来、表面光電圧法によりシリコンエピタキシャル層のキャリア濃度を測定する際、日間変動や再現性等のばらつきが大きく、測定値の信頼性に欠け、品質保証等に用いることが困難であった。
本発明者等は、これらの問題を解決するために、表面光電圧法によるキャリア濃度測定において、日間変動や再現性等のばらつきが大きくなる原因について鋭意調査・検討を行った結果、シリコンエピタキシャルウエーハ表面の電荷状態の変化に影響され、測定された空乏層幅Ｗｄが、キャリア濃度Ｎｓを算出する際に用いられる最大空乏層幅Ｗｍａｘと必ずしも一致していないことが推定された。
【００２２】
例えば、ｐ型のシリコンエピタキシャルウエーハは、表面の正電荷密度が増加すると空乏層が広がり、やがて飽和状態に達する。この時、ＳＣＰによりキャリア濃度を測定する場合、上述したように、測定された空乏層幅Ｗｄを最大空乏層幅Ｗｍａｘと仮定し、（２）式を用いてキャリア濃度Ｎｓを算出するため、正確にキャリア濃度を測定するためには、ウエーハ表面に十分な量の正電荷が存在し、形成された空乏層の幅が最大空乏層幅Ｗｍａｘに達していることが重要となる。
【００２３】
しかしながら、従来の表面光電圧法によるキャリア濃度の測定では、エピタキシャル層表面の電荷量が最大空乏層幅Ｗｍａｘに達するほど十分ではない場合が有り、空乏層幅は必ずしも最大空乏層幅Ｗｍａｘと一致せず、それによって見かけ上のキャリア濃度の変動を招いていたと考えられる。したがって、従来の表面光電圧法により測定されたキャリア濃度における日間変動等のばらつきは、空乏層幅の変化、すなわち、ウエーハ表面の電荷の状態の変化に原因があると予想された。
【００２４】
そこで、本発明者は、空乏層幅が最大空乏層幅Ｗｍａｘに到達するまで十分な電界をウェーハ表面に印加したシリコンエピタキシャルウエーハを表面光電圧法により測定することによって、日間変動、再現性等のばらつきが小さく信頼性の高いキャリア濃度測定を行うことができることを発想し、本発明を完成させるに至った。
【００２５】
すなわち、シリコンウエーハ上に成長させたシリコンエピタキシャル層のキャリア濃度を表面光電圧法によって測定する際に、シリコンエピタキシャルウエーハの表面に電界を印加することにより、最大空乏層幅Ｗｍａｘの空乏層を形成し、この最大空乏層幅Ｗｍａｘを測定することによって、信頼性の高いキャリア濃度測定を行うことができる。
この時、最大空乏層幅Ｗｍａｘに達するために必要な電界強度あるいは表面電荷密度は、キャリア濃度の関数として計算によって求めることができる。
【００２６】
算出する際の数式は、例えば、Ｐｈｙｓｉｃｓ  ｏｆ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅｓ（ＷＩＬＥＹ−ＩＮＴＥＲＳＣＩＥＮＣＥ、Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ、１９６９）ｐ．４３１の式１６を用いればよい。図８に、ｐ型１０Ωｃｍ（ドーパント濃度ＮＡ＝１．３４×１０１５／ｃｍ３）の場合の表面ポテンシャルφＳと半導体表面の電荷密度ＱＳの関係の計算例を示す。最大空乏層幅Ｗｍａｘに到達するには、表面ポテンシャルφＳがフェルミポテンシャルφｆの２倍以上になれば良いことが知られている。φＳ＝２φｆの場合の半導体表面の電荷密度は、この図より０．０２μＣ／ｃｍ２である。すなわち、シリコンエピタキシャルウェーハ上に０．０２μＣ／ｃｍ２以上の正電荷が存在すれば、理論的には最大空乏層幅Ｗｍａｘに到達する。
【００２７】
しかしながら、今回のように酸化膜のような誘電体が存在しない場合は、正電荷はシリコンエピタキシャルウェーハ上で安定には存在しない。このため、より多くの正電荷を付着させる必要がある。従って、必要な電荷量あるいは電界強度は、測定されたキャリア濃度が飽和して一定となるように実験的に求めることが望ましい。
シリコンエピタキシャル層は狙いのキャリア濃度（抵抗率）が得られるように形成されるため、その狙いのキャリア濃度に対してある程度のマージンを取って電界を印加すればよい。
【００２８】
また、ＳＣＰで測定する場合、エピタキシャル層成長後のウェーハ表面は、通常正に帯電している為、ｐ型エピタキシャル層の評価には未処理或いはＨＦ洗浄仕上げ後に正電荷を帯電させる処理が有効である。一方、ｎ型ウェーハは空乏層がなくなる方向に進むため、ＳＣ−１洗浄（ＮＨ４ＯＨ／Ｈ２Ｏ２／Ｈ２Ｏの混合液による洗浄）或いはＳＣ−２洗浄（ＨＣｌ／Ｈ２Ｏ２／Ｈ２Ｏの混合液による洗浄）後に負電荷を帯電させる処理を行うことが望ましい。
【００２９】
以下、本発明について図面を用いてさらに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。
本発明で用いられるコロナ放電処理の概念図を図１に示す。図１に示したように、ステージ１上に例えばｐ型の低抵抗率基板上にｐ型の通常抵抗率のエピタキシャル層を成長させたＰ／Ｐ＋のシリコンエピタキシャルウェーハ２を置き、シリコンウェーハ２のほぼ中央部上方に配置された金属線電極３とステージ１間に、金属線電極３が正極となるようにして高電圧を印加し、シリコンウェーハ上でコロナ放電を発生させる。すると、負にチャージしたステージ上のシリコンウェーハ表面には、正イオン４が降り注がれることになる。
【００３０】
このようにして、Ｐ型のシリコンウェーハ２に電界が印加され、空乏層が形成される。この時、空乏層幅が最大空乏層幅Ｗｍａｘに達していることが重要であるため、シリコンエピタキシャル層のキャリア濃度に応じ、ある程度のマージンを計算し、ウェーハと金属線電極間の距離あるいは放電時間を調整して電界を印加することが好ましい。
なお、電極の形状はどのような形状でも良く、例えば針状（ロッド）あるいは線状（ワイヤー）等、種々の形態のものを用いることができる。
【００３１】
また、本発明の測定方法を実施するには、コロナ放電処理を行う装置と表面光電圧法によりエピ層のキャリア濃度を測定する測定器をそれぞれ別に用意して、電界印加処理、キャリア濃度測定を個別に行えばよいが、図２に示すようにコロナ放電処理装置５とキャリア濃度測定器６を組み合わせて、信頼性の高いキャリア濃度測定装置７を構成してもよい。
【００３２】
さらに、同一ステージ上でコロナ放電処理後あるいは処理中にキャリア濃度測定ができるように、コロナ放電用電極と測定用プローブを組み合わせることが好ましい。例えば、図３に示したように、コロナ放電用ロッド８を用いてシリコンウエーハ２上でコロナ放電を発生させて正電荷４を帯電させた後、測定用プローブ９を用いて空乏層幅を測定しても良く、図４に示したように、コロナ放電用ワイヤー１０を電極としてコロナ放電処理を行い、その後すぐに待機していたプローブで測定することもできる。また、図５に示したように、コロナ放電用ユニット１１からチューブ１２を介してウエーハ２上に正電荷４を帯電させながら、測定用プローブ９により空乏層を測定することも可能である。
【００３３】
以上のように、シリコンウェーハの表面に電界を印加する手段とキャリア濃度を測定する手段とを組み合わせたものとすれば、個々の装置で夫々処理する場合より、極めて簡単かつ迅速に測定することができるとともに、表面の電荷状態を安定に保つことができ、より信頼性の高い測定を行うことが可能となる。
【００３４】
【実施例】
以下、本発明の実施例及び比較例を挙げて本発明を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。
（実施例）
枚葉式常圧ＣＶＤ装置にて、０．００８Ωｃｍのｐ型シリコンウェーハ上に、狙いの抵抗率の水準がそれぞれ２０、１０、５Ωｃｍで、膜厚が５μｍのｐ型エピタキシャル層を有する、いわゆるＰ／Ｐ＋＋エピタキシャルウェーハを作製した。ウェーハをＣＶＤ装置から取り出した後、コロナ放電処理においてコロナ放電を発生させ、正電荷をウェーハ表面に付着させた。この時、コロナ放電処理には、ＫＧ１０１  ＣＯＲＯＮＡ  ＣＨＡＲＧＥ  ＧＥＮＥＲＡＴＯＲ（ＳＥＭＩＬＡＢ社製）を用い、最大空乏幅を得るために１μＣの正電荷を付着させる設定とした。コロナ放電処理直後、ＳＣＰによりエピタキシャル層のキャリア濃度を測定した。その後、同一ウェーハを用いて、上記と同様のコロナ放電処理とキャリア濃度測定を１０日間繰り返し行い、測定値の日間変動を調べた。
【００３５】
抵抗率の異なるそれぞれのシリコンエピタキシャルウエーハについて測定した結果を図６に示す。測定されたキャリア濃度の日間変動はいずれのウエーハにおいても２．３％以下であり、本発明によるキャリア濃度測定方法は、ばらつきが小さく信頼性の高い測定方法であることがわかる。尚、絶対値に関しては、測定値をＣ−Ｖ法等と比較し、補正式を得ておくことが望ましい。
【００３６】
（比較例）
次に、実施例１と同様に３水準の抵抗率を有するシリコンエピタキシャルウエーハを用意し、それぞれのウエーハに対して電界を印加せずにＳＣＰによるキャリア濃度測定を１５日間繰り返し行った。その結果を図７に示す。エピタキシャルウェーハ作製後、いずれのウエーハにおいてもキャリア濃度は５日目までは単調に減少し、また、５日目以降の１０日間の日間変動が約４％と大きな値を示した。
【００３７】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は単なる例示であり、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。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、表面光電圧法によってシリコンエピタキシャル層のキャリア濃度を測定する場合において、シリコンウェーハの表面に電界を印加することにより最大空乏層幅の空乏層を形成して測定を行うことによって、信頼性の高いシリコンエピタキシャル層のキャリア濃度測定が可能となる。また、コロナ放電処理も、表面光電圧法による測定も、非接触、非破壊で行うことができるため、モニタウェーハを必要とせず、大きなコスト削減効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で用いるコロナ放電処理の概念図である。
【図２】本発明によるキャリア濃度測定装置の概念図である。
【図３】コロナ放電用ロッドと測定用プローブを組み合わせた測定装置を示した概念図である。
【図４】コロナ放電用ワイヤーと測定用プローブを組み合わせた測定装置を示した概念図である。
【図５】コロナ放電ユニットと測定用プローブを組み合わせた測定装置を示した概念図である。
【図６】実施例により測定したキャリア濃度の日間変動を示したグラフである。
【図７】比較例により測定したキャリア濃度の日間変動を示したグラフである。
【図８】表面ポテンシャルφＳと半導体表面の電荷密度ＱＳの関係を示したグラフである。
【符号の説明】
１…ステージ、  ２…シリコンウエーハ、
３…金属線電極、  ４…正電荷、
５…コロナ放電処理装置、  ６…キャリア濃度測定器、
７…キャリア濃度測定装置、  ８…コロナ放電用ロッド、
９…測定用プローブ、  １０…コロナ放電用ワイヤー
１１…コロナ放電ユニット、  １２…チューブ。
【図１】
0004894104.tif 000002
【図２】
0004894104.tif 000003
【図３】
0004894104.tif 000004
【図４】
0004894104.tif 000005
【図５】
0004894104.tif 000006
【図６】
0004894104.tif 000007
【図７】
0004894104.tif 000008
【図８】
0004894104.tif 000009