(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
異方性エッチングにより半導体単結晶基板の主表面を含む表層部をエッチングして、前記半導体単結晶基板中に存在する結晶欠陥領域に起因したエッチング残渣を露出させ、該エッチング残渣に基づいて結晶欠陥を評価する方法において、前記異方性エッチングは、前記表層部における酸化珪素を含有する結晶欠陥を含まない結晶欠陥非形成領域をエッチングし、該エッチングにより生じる反応生成物を前記表層部における酸化珪素を含有する結晶欠陥形成領域に堆積させて該結晶欠陥形成領域がエッチングされないようにする条件で行われ、その結果形成される前記酸化珪素を含有する結晶欠陥が含まれる欠陥強調突起部に基づいて酸化珪素を含有する結晶欠陥を評価することを特徴とする結晶欠陥の評価方法。
【請求項２】
前記異方性エッチングは反応性イオンエッチングとし、反応ガスとしてＨＢｒ及びＣｌ２及びＯ２を含むハロゲン系混合ガス雰囲気中で行われることを特徴とする請求項１に記載の結晶欠陥の評価方法。
【請求項３】
前記結晶欠陥の評価方法において、前記反応生成物の堆積速度を０〜２０ｎｍ／ｍｉｎに制御することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の結晶欠陥の評価方法。
【請求項４】
前記反応生成物の堆積速度は、雰囲気中のＯ２ガス流量比率、プラズマを発生する高周波電力、反応圧力のいずれか一つ以上を調節することで制御されることを特徴とする請求項３に記載の結晶欠陥の評価方法。
【請求項５】
前記反応生成物は酸化珪素とすることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の結晶欠陥の評価方法。
【請求項６】
前記半導体単結晶基板はシリコン単結晶ウエーハとすることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の結晶欠陥の評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板中などに存在する酸化珪素を含有する微小な結晶欠陥を検出して評価する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体単結晶基板中の酸化珪素（以下ＳｉＯｘということがある）を含有する微小な結晶欠陥を深さ方向の分解能を付与しつつ評価する方法として、特許文献１に開示された方法が知られている。この方法は、基板の主表面に対して、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などの高選択性の異方性エッチングを一定厚さで施し、残ったエッチング残渣を検出することにより結晶欠陥の評価を行うものである。
【０００３】
ＳｉＯｘを含有する結晶欠陥の形成領域と含有しない非形成領域とではエッチング速度が相違するので（前者の方がエッチング速度が小さい）、上記エッチングを施すと、基板の主表面にはＳｉＯｘを含有する結晶欠陥を頂点とした円錐状の突起が残留する。そのため、結晶欠陥が異方性エッチングによる突起部の形で強調され、微小な欠陥であっても容易に検出することができる。
【０００４】
特許文献１で開示された結晶欠陥の評価方法について、図４を参照して説明する。図４（ａ）に示されるように、熱処理によってシリコンウエーハ（以下、Ｓｉウエーハということがある）１１中に過飽和に溶存していた酸素がＳｉＯｘとして析出した酸素析出物１２（ＢＭＤ１２）が形成されている。そして、このＳｉウエーハ１１を、市販のＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）装置を用いて、ハロゲン系混合ガス（例えばＨＢｒ／Ｃｌ２／Ｈｅ＋Ｏ２）雰囲気中で、Ｓｉウエーハ１１内に含まれるＢＭＤ１２に対して高選択比の異方性エッチングによってＳｉウエーハ１１の主表面からエッチングすると、図４（ｂ）に示すようになる。すなわち、ＢＭＤ１２に起因した円錐状突起物がエッチング残渣（ヒロック）１３として形成される。したがって、このヒロック１３に基づいて結晶欠陥を評価することができる。
【０００５】
例えば、得られたヒロック１３の数を数えれば、エッチングした範囲のＳｉウエーハ１１中のＢＭＤの密度を求めることができる。図５は特許文献１に開示された異方性エッチングの選択比と検出できる最小欠陥サイズの関係である。選択比を高くすることでより小さな欠陥まで検出できることが分かる。また特許文献２には異方性エッチングを施した時に発生する副生成物を例えばアンモニア−過酸化水素水あるいは弗酸で洗浄、除去した後エッチング残渣を検出する方法が開示されている。この方法により副生成物に由来したノイズを大幅に低減できるため、結晶欠陥の検出精度を高めることが可能となるとしている。
【０００６】
【特許文献１】特許第３４５１９５５号
【特許文献２】特開２００７−１２３５４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したように、従来の結晶欠陥の評価方法では、ＳｉＯｘとシリコンのエッチング速度の相違を利用し、ＳｉＯｘとシリコンの両方をエッチングしていた。しかしながら、このような方法では、ＳｉＯｘを含有する欠陥が完全にエッチングされた時点でエッチング速度の相違が消滅し、結晶欠陥の検出感度が低下してしまうという問題点があることがわかった。本発明は、このような問題点を解決し、半導体単結晶基板中の結晶欠陥を従来の結晶欠陥の評価方法に比べて極めて高感度で評価可能な結晶欠陥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】
【０００８】
上記目的を達成するために本発明は、異方性エッチングにより半導体単結晶基板の主表面を含む表層部をエッチングして、前記半導体単結晶基板中に存在する結晶欠陥領域に起因したエッチング残渣を露出させ、該エッチング残渣に基づいて結晶欠陥を評価する方法において、前記異方性エッチングは、前記表層部における酸化珪素を含有する結晶欠陥を含まない結晶欠陥非形成領域をエッチングし、該エッチングにより生じる反応生成物を前記表層部における酸化珪素を含有する結晶欠陥形成領域に堆積させて該結晶欠陥形成領域がエッチングされないようにする条件で行われ、その結果形成される前記酸化珪素を含有する結晶欠陥が含まれる欠陥強調突起部に基づいて酸化珪素を含有する結晶欠陥を評価することを特徴とする結晶欠陥の評価方法を提供する（請求項１）。
【０００９】
このように、結晶欠陥を評価する方法において、異方性エッチングを、表層部における酸化珪素を含有する結晶欠陥を含まない結晶欠陥非形成領域をエッチングし、該エッチングにより生じる反応生成物を表層部における酸化珪素を含有する結晶欠陥形成領域に堆積させて該結晶欠陥形成領域がエッチングされないようにする条件で行うことで、酸化珪素を含有する結晶欠陥を含む結晶欠陥形成領域上に、反応生成物が堆積し、酸化珪素を含有する結晶欠陥が含まれる結晶欠陥強調突起部を主表面に極めて効果的に形成させることができ、それと同時に反応生成物は結晶欠陥非形成領域には堆積しないため、エッチングを停止することなく進行させることができるようになる。その結果、酸化珪素を含有する結晶欠陥はエッチングされず、エッチングにより消滅してしまうことが無いため、エッチングの選択性が失われることがなく、検出感度が極めて高いものとすることができる。
【００１０】
尚、前記異方性エッチングは反応性イオンエッチングとし、反応ガスとしてＨＢｒ及びＣｌ２及びＯ２を含むハロゲン系混合ガス雰囲気中で行われるのが好ましい（請求項２）。
【００１１】
上記本発明における結晶欠陥の評価方法において、異方性エッチングとしてドライエッチングである反応性イオンエッチングを採用すればエッチングに伴う反応生成物を効果的に飛散、堆積させることができる。また、反応ガスとしてＨＢｒ及びＣｌ２及びＯ２を含むハロゲン系混合ガス雰囲気中でエッチングを行うことにより、結晶欠陥に対し、そのエッチング選択比が高くなり、結晶欠陥の検出感度を向上させることができる。
【００１２】
また、本発明の結晶欠陥の評価方法において、前記反応生成物の堆積速度を０〜２０ｎｍ／ｍｉｎに制御するのが好ましい（請求項３）。
【００１３】
このような範囲の堆積速度であれば、効率的に結晶欠陥を含有する結晶欠陥領域に反応生成物を堆積させることができ、また、結晶欠陥非形成領域を含む表面全体に堆積するのを効率的に防ぐことができる。
【００１４】
また、前記反応生成物の堆積速度は、雰囲気中のＯ２ガス流量比率、プラズマを発生する高周波電力、反応圧力のいずれか一つ以上を調節することで制御することができる（請求項４）。
【００１５】
このように、雰囲気中のＯ２ガス流量比率、プラズマを発生する高周波電力、反応圧力のいずれか一つ以上を調節することにより、反応生成物の堆積速度を容易に制御することができるため好ましい。
【００１６】
さらに、本発明において、前記反応生成物は酸化珪素とすることが好ましく（請求項５）、前記半導体単結晶基板はシリコン単結晶ウエーハとすることが好ましい（請求項６）。
【００１７】
上記本発明における結晶欠陥の評価方法において、結晶欠陥形成領域に堆積する反応生成物を酸化珪素とすれば、酸化珪素を含有する結晶欠陥形成領域に効率的に反応生成物を堆積させることができる。また、本発明は、特に半導体単結晶基板として有用なシリコン単結晶ウエーハの結晶欠陥を正確かつ簡便に評価することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、単結晶基板の主表面を含む表層部に、前記酸化珪素を含有する結晶欠陥領域に対しては酸化珪素を堆積し、前記酸化珪素を含有する結晶欠陥の非形成領域に対してはエッチングする異方性エッチングを施すことにより、前記酸化珪素を含有する結晶欠陥にて頂面部が形成される欠陥強調突起部を前記主表面に形成させ、前記欠陥強調突起部に基づいて酸化珪素を含有する結晶欠陥を評価することにより、欠陥領域がエッチングで消滅することによりエッチングの選択性が消滅してしまうことが原理的に回避できるようになる。その結果、従来よりも高感度で欠陥を評価可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明者らが、従来の結晶欠陥の評価方法について調査したところ、前述のように、従来の結晶欠陥の評価方法では、酸化珪素（ＳｉＯｘ）とシリコンの両方をエッチングしていたため、ＳｉＯｘを含有する欠陥が完全にエッチングされた時点でＳｉＯｘとシリコンのエッチング速度の相違が消滅し、結晶欠陥の検出感度が低下してしまうという問題点があることが明らかになった。特に微小な欠陥は、すぐにエッチングされて、異方性エッチングによる差が現れにくい。
【００２０】
そこで、本発明者らは、このようなエッチング速度の相違が消滅するという問題を回避すべく、鋭意検討を重ねた結果、ＳｉＯｘのエッチング速度をゼロまたはマイナスになるようにすれば良いと考え、本発明を完成させた。尚、本発明において、エッチング速度がマイナスということは、ＳｉＯｘ上にＳｉＯｘあるいはなんらかの反応生成物を堆積させるということを意味している。
【００２１】
ドライエッチングの場合は例えば反応ガスとしてＨＢｒ、Ｃｌ２、Ｏ２がプラズマ中で解離してＢｒラジカル、Ｃｌラジカル、Ｏラジカルが生成され、基板面のＳｉ原子と反応して、反応生成物としてＳｉＯｘが生成される。このＳｉＯｘが結晶欠陥のＳｉＯｘ成分上にだけ付着させることができれば、これ以降の結晶欠陥領域のエッチングだけが停止することになるため、原理的には可能である。
【００２２】
そこで、本発明において提供される結晶欠陥の評価方法は、異方性エッチングにより半導体単結晶基板の主表面を含む表層部をエッチングして、前記半導体単結晶基板中に存在する結晶欠陥領域に起因したエッチング残渣を露出させ、該エッチング残渣に基づいて結晶欠陥を評価する方法において、前記異方性エッチングは、前記表層部における酸化珪素を含有する結晶欠陥を含まない結晶欠陥非形成領域をエッチングし、該エッチングにより生じる反応生成物を前記表層部における酸化珪素を含有する結晶欠陥形成領域に堆積させて該結晶欠陥形成領域がエッチングされないようにする条件で行われ、その結果形成される前記酸化珪素を含有する結晶欠陥が含まれる欠陥強調突起部に基づいて酸化珪素を含有する結晶欠陥を評価することを特徴としている。
【００２３】
以下、本発明における結晶欠陥の評価方法について図面を参照して説明する。図１は本発明における結晶欠陥の評価方法の一例を示すフローチャートである。
まず、図１（ａ）に示されるような酸化珪素を含有する結晶欠陥２を含有するシリコン単結晶ウエーハ１（半導体単結晶基板１）を準備する。このような酸化珪素を含有する結晶欠陥としては、ＢＭＤ（Ｂｕｌｋ  Ｍｉｃｒｏ  Ｄｅｆｅｃｔ：酸素析出物）、ＣＯＰ（Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｏｒｉｇｉｎａｔｅｄ  Ｐａｒｔｉｃｌｅ：結晶成長中に導入されたｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥）、ＯＳＦ（Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｓｔａｃｋｉｎｇ  Ｆａｕｌｔ：酸化誘起積層欠陥）等がある。このようなシリコンウエーハの表層部を、異方性エッチングによりエッチングする。具体的には、例えば反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により、反応ガスＨＢｒ、Ｃｌ２、Ｏ２を含むハロゲン系混合ガス（例えばＨＢｒ／Ｃｌ２／Ｈｅ＋Ｏ２）雰囲気中でエッチングする。
【００２４】
この時、エッチングの条件は、表層部における酸化珪素を含有する結晶欠陥を含まない結晶欠陥非形成領域をエッチングし、該エッチングにより生じる反応生成物を前記表層部における酸化珪素を含有する結晶欠陥形成領域に堆積させて該結晶欠陥形成領域がエッチングされないような条件にする。すなわち、図１（ｂ）に示されるように、結晶欠陥２を含まない結晶欠陥非形成領域３はエッチングされるが、結晶欠陥２を含有する結晶欠陥形成領域４には結晶欠陥非形成領域３のエッチングにより生じる反応生成物５を堆積させるようにする。そのため、結晶欠陥形成領域４はエッチングされず、すなわち結晶欠陥形成領域におけるエッチング速度はマイナスになる。この時、反応生成物５は、エッチングの進行により形成される結晶欠陥形成領域４の突起の周囲にも堆積させるようにしてもよく、結晶欠陥形成領域４の突起の頂点にのみ堆積させるようにしてもよいが、結晶欠陥非形成領域３を含むシリコン単結晶ウエーハ１の表面全体には反応生成物５が堆積されないようにする。
【００２５】
ここで、反応生成物５が結晶欠陥非形成領域３のエッチングにより生じるメカニズムとしては、例えば反応ガスＨＢｒ、Ｃｌ２、Ｏ２がプラズマ中で解離してＢｒラジカル、ＣｌラジカルによりＳｉ−ＢｒあるいはＳｉ−Ｃｌという形でＳｉからなる結晶欠陥非形成領域３がエッチングされ、そのエッチング物とＯラジカルとの反応により反応生成物５として酸化珪素（ＳｉＯｘ）が形成されるのである。このＳｉＯｘを、酸化珪素を含有する結晶欠陥２がある結晶欠陥形成領域４に堆積させることで、結晶欠陥形成領域４がエッチングされないようにすることができる。
【００２６】
また、表層部における酸化珪素を含有する結晶欠陥を含まない結晶欠陥非形成領域をエッチングし、該エッチングにより生じる反応生成物を前記表層部における酸化珪素を含有する結晶欠陥形成領域に堆積させて該結晶欠陥形成領域がエッチングされないようにするためには、例えば、前記反応生成物の堆積速度を０〜２０ｎｍ／ｍｉｎに制御するようにすればよい。このような範囲の堆積速度であれば、結晶欠陥２を含有する結晶欠陥領域４に効率的に反応生成物５を堆積させることができ、また、結晶欠陥非形成領域３を含む表面全体に堆積して、エッチングが阻害されるのを効率的に防ぐことができる。
【００２７】
ここで、反応生成物の堆積速度は、雰囲気中のＯ２ガス流量比率、プラズマを発生する高周波電力、反応圧力のいずれか一つ以上を調節することで容易に制御することができる。
【００２８】
図２は一例として高周波電力を５００Ｗ、ＨＢｒ、Ｃｌ２ガスの流量をそれぞれ５０ｃｃ／ｍｉｎ、３０ｃｃ／ｍｉｎ一定とし、Ｈｅ希釈の２０％Ｏ２ガスの流量を１２−２０ｃｃ／ｍｉｎと振った場合のＳｉＯ２のエッチング速度を示す。図２から明白なように、Ｈｅ希釈の２０％Ｏ２ガスの流量が約１４ｃｃ／ｍｉｎ未満ではＳｉＯ２はエッチングされるが、約１４ｃｃ／ｍｉｎ以上ではエッチング速度がマイナス、すなわち反応生成物の堆積が発生していることがわかる。また、反応生成物の堆積速度はＨｅ希釈の２０％Ｏ２ガスの流量の増加に伴い増加することがわかる。
【００２９】
このような条件で異方性エッチングを一定時間行うことで、図１（ｃ）に示されるように、結晶欠陥２が含まれる結晶欠陥強調突起部６が形成される。そして、このようにして形成された欠陥強調突起部６を例えば走査型電子顕微鏡で観察し、個数をカウントしてＢＭＤ密度を求めることで、酸化珪素を含有する結晶欠陥を評価する。
【００３０】
上記のような本発明の結晶欠陥の評価方法によれば、酸化珪素（ＳｉＯｘ）を含有する結晶欠陥形成領域にエッチングの進行に伴い形成される突起の周囲にのみ反応生成物が堆積し、ＳｉＯｘを含有する結晶欠陥が含まれる結晶欠陥強調突起部を前記主表面に極めて効果的に形成させることができると同時に、結晶欠陥形成領域以外には反応生成物は堆積しないため、結晶欠陥非形成領域のシリコンのエッチングが停止されることなく進行させることができるようになる。
この結果、ＳｉＯｘを含有する結晶欠陥はエッチングされて消滅してしまうことが無いため、たとえ欠陥サイズが小さくともエッチングの選択性が失われることがなく、検出感度が極めて高いものとなる。
【実施例】
【００３１】
以下に本発明の実施例をあげ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。
【００３２】
（比較例、実施例）
実験に用いたシリコンウエーハは直径２００ｍｍ、結晶軸＜１００＞、導電型ｐ型、抵抗率１０−２０Ωｃｍ、酸素濃度が約１６ｐｐｍａ（ＪＥＩＴＡ）である。このウエーハにまずＢＭＤ形成熱処理として７８０℃、４時間熱処理を行った後、８００℃の熱処理を１，２，４，８時間行った試料およびレファレンスとして熱処理前のウエーハをサンプルとした。
【００３３】
次に、各サンプルをＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）装置中にセットし、異方性エッチングを行った。エッチングの条件は、高周波電力を５００Ｗ、ＨＢｒ、Ｃｌ２ガス流量をそれぞれ５０ｃｃ／ｍｉｎ、３０ｃｃ／ｍｉｎとし、Ｈｅ希釈の２０％Ｏ２ガスの流量を条件Ａは１７ｃｃ／ｍｉｎ（実施例１）とし、条件Ｂは２１ｃｃ／ｍｉｎ（比較例２）とし、条件Ｃは１４ｃｃ／ｍｉｎ（比較例１）とした。
条件Ａ（実施例１）、条件Ｂ（比較例２）、条件Ｃ（比較例１）のＳｉＯ２のエッチング速度はそれぞれ−１０ｎｍ/ｍｉｎ、−３０ｎｍ／ｍｉｎ、１ｎｍ/ｍｉｎであり、Ｓｉのエッチング速度はいずれの場合もほぼ３００ｎｍ／ｍｉｎで一定であった。
【００３４】
Ｓｉのエッチング速度からエッチングの取り代が４μｍになるようにエッチング時間を設定してエッチングを行った。エッチング完了後に走査型電子顕微鏡でサンプルウエーハのエッチング残渣である突起の個数をカウントし、ＢＭＤ密度を求めた。
【００３５】
結果を図３に示す。比較例２の場合は、異方性エッチング時にエッチングの早い段階でウエーハ全面が反応中間生成物のＳｉＯｘで覆われてしまった結果、その後エッチングが停止してしまったため、エッチングは殆ど行われず、結果としてＢＭＤを含む突起は観察することができなかった。また、図３から、従来のエッチング条件である比較例１は８００℃の熱処理時間が４時間まではＢＭＤ密度が増加し、その後飽和していることが判る。
【００３６】
ＢＭＤサイズは熱処理時間が長いほど大きくなっていることから、従来の条件である比較例１は８００℃４時間の熱処理で形成された大きさ以上のＢＭＤを検出したと考えられる。すなわち、長時間熱処理してＢＭＤサイズを大きく成長させなければ検出できないものが多数あることが判る。これに対して、本発明における実施例１の場合は、８００℃１時間で飽和していることから、従来の方法よりもＢＭＤの検出感度が格段に向上していることが分かる。
【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、同様な効果を奏する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。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明における結晶欠陥の評価方法の一例を示すフローチャートである。
【図２】Ｈｅ希釈の２０％Ｏ２ガスの流量とＳｉＯ２のエッチング速度との関係を示す図である。
【図３】本発明の実施例、比較例におけるＢＭＤ形成熱処理時間とＢＭＤ密度との関係を示す図である。
【図４】従来の結晶欠陥の評価方法におけるＳｉウエーハの断面状態を示す図である。（ａ）エッチング前、（ｂ）エッチング後。
【図５】従来の結晶欠陥の評価方法における選択比と検出可能な最小欠陥サイズとの関係を示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
１…シリコン単結晶ウエーハ（半導体単結晶基板）、  
２…酸化珪素を含有する結晶欠陥、  ３…結晶欠陥非形成領域、  
４…結晶欠陥形成領域、  ５…反応生成物、  
６…結晶欠陥強調突起部、  １１…Ｓｉウエーハ、  
１２…ＢＭＤ、  １３…エッチング残渣（ヒロック）。
【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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