(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板表面上に形成されたｐ型シリコンエピタキシャル層の表面を輻射加熱して、該ｐ型シリコンエピタキシャル層に空乏層を形成する加熱工程を有し、該加熱工程後に、前記ｐ型シリコンエピタキシャル層の前記表面に励起光を照射し、該表面に生じる光起電力を測定する方法において、
前記基板は周囲が反射板で覆われたチャンバーの底部反射板から浮かせた状態で配置されており、
前記加熱工程で、前記ｐ型シリコンエピタキシャル層の表面を加熱する際に、前記輻射加熱するための輻射体は、上部反射板を窪ませてその中に配置して前記ｐ型シリコンエピタキシャル層の表面に対向するように複数配置し、前記輻射体の隙間の上部反射板には貫通孔が形成され、前記ｐ型シリコンエピタキシャル層の表面温度を測定するための温度センサは、その貫通孔内に挿入して設けられ、
その温度センサによって当該ｐ型シリコンエピタキシャル層の表面の温度を測定すると共に、前記温度センサの測定結果に基づいて、前記輻射体の輻射強度を調整することを特徴とする表面光起電力測定方法。
【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ウェーハにおける表面光起電力の測定方法及び測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコン単結晶基板上に形成されるシリコンエピタキシャル層の電気的特性、例えば、抵抗率やキャリアライフタイム等の評価方法として、表面光起電力（ＳＰＶ：Surface Photovoltage）測定法が用いられることがある。ＳＰＶ測定法は、シリコンエピタキシャル層に励起光を照射し、生じる電子と正孔に基づく光起電力を測定するものである。ところで、ＳＰＶ測定を行うためには、測定前にシリコンエピタキシャル層の表面部に、空乏層を形成する必要がある。空乏層を形成することにより、励起光の照射により生じた電子と正孔とが、空乏層の両端にそれぞれ移動し、このときの表面電位の変化を測定することで、光起電力の測定が可能となる。
【０００３】
例えば、ｐ型シリコンエピタキシャル層の表面部に空乏層を形成する方法及び装置として、米国特許公報ＵＳ−６３２５０７８号に開示されているものがある。この方法及び装置は、ｐ型シリコンエピタキシャル層表面に、ハロゲンランプに基づく光を空気中にて照射することで、ｐ型シリコンエピタキシャル層に空乏層を形成するものである。具体的には、ハロゲンランプに基づく熱線により、ｐ型シリコンエピタキシャル層表面の温度を３００℃程度に加熱し、その温度に保った状態で３０秒間保持する。以下、このように加熱することによりｐ型シリコンエピタキシャル層の表面部に空乏層を形成する工程を加熱工程という。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記加熱工程に基づいて空乏層を形成し、その後ＳＰＶ測定を行う場合、ｐ型シリコンエピタキシャル層における電気的特性、例えば抵抗率が同一でも、シリコン単結晶基板上にシリコンエピタキシャル層を形成して製造されるシリコンエピタキシャルウェーハの厚さが互いに異なる試料間では、光起電力の測定結果にバラツキが生じ、精度のよい抵抗率測定ができない場合がある。また、シリコンエピタキシャルウェーハの面内に厚さバラツキがあると、抵抗率の面内分布を精度よく測定することができない場合がある。
【０００５】
本発明の課題は、シリコンエピタキシャルウェーハの厚さが異なっても、ｐ型シリコンエピタキシャル層の表面光起電力を精度よく測定することができる方法及び装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上記課題を解決するために、本発明の光起電力測定方法は、基板表面上に形成されたｐ型シリコンエピタキシャル層の表面を輻射加熱して、該ｐ型シリコンエピタキシャル層に空乏層を形成する加熱工程を有し、該加熱工程後に、前記ｐ型シリコンエピタキシャル層の前記表面に励起光を照射し、該表面に生じる光起電力を測定する方法において、
前記基板は周囲が反射板で覆われたチャンバーの底部反射板から浮かせた状態で配置されており、前記加熱工程で、前記ｐ型シリコンエピタキシャル層の表面を加熱する際に、前記輻射加熱するための輻射体は、上部反射板を窪ませてその中に配置して前記ｐ型シリコンエピタキシャル層の表面に対向するように複数配置し、前記輻射体の隙間の上部反射板には貫通孔が形成され、前記ｐ型シリコンエピタキシャル層の表面温度を測定するための温度センサは、その貫通孔内に挿入して設けられ、
その温度センサによって当該ｐ型シリコンエピタキシャル層の表面の温度を測定すると共に、前記温度センサの測定結果に基づいて、前記輻射体の輻射強度を調整することを特徴とする。
【０００７】
本発明者は、ｐ型シリコンエピタキシャル層の抵抗率が同一であって、シリコンエピタキシャルウェーハ（以下、単にウェーハとも記載する）全体の厚さが異なるものにおいて、米国特許公報ＵＳ−６３２５０７８号に開示されているように、ハロゲンランプを用いてエピタキシャル層表面を輻射加熱して当該表面部に空乏層を形成した後、表面光起電力測定を行ってｐ型シリコンエピタキシャル層の抵抗率を測定した。具体的には、加熱工程として、厚さ７４０μｍと８３８μｍの２種類のシリコンエピタキシャルウェーハについてその温度を測定しつつ、ハロゲンランプに基づく近赤外の範囲の波長を有する光を照射し、ウェーハ温度が略３００℃となる状態で３０秒間保持する加熱工程を複数回行い、その都度、表面光起電力（ＳＰＶ）測定によりシリコンエピタキシャル層の抵抗率を測定した。すると、図６のように、実際の抵抗率が同一の試料であるにもかかわらず、厚さの異なるシリコンエピタキシャルウェーハでは、異なる値の抵抗率が測定された。また、加熱工程を行う度に抵抗率の値が減少した。さらに、最終的に到達する抵抗率の値はウェーハの厚さにかかわらず略同一となる。
【０００８】
このことから、ｐ型シリコンエピタキシャル層の表面における上記加熱工程により形成される空乏層は、過渡状態に過ぎないことがわかる。一方、前述の加熱工程を繰り返し行って最終状態の空乏層を形成するのでは時間がかかりすぎるので、加熱工程の時間を短縮しつつ、表面光起電力の測定を安定して行えることが望ましい。
【０００９】
本発明者は、図６のようにウェーハ厚さにより抵抗率にバラツキが生じるのは、ｐ型シリコンエピタキシャル層の表面部に空乏層を形成するために加熱する際に、シリコンエピタキシャルウェーハの温度を、ｐ型シリコンエピタキシャル層とは反対側、つまり、ｐ型シリコンエピタキシャル層が形成されている基板の裏面側から測定しているためであるとの見解に至った。シリコンエピタキシャルウェーハの厚さが厚くなるほど、ｐ型シリコンエピタキシャル層の表面の熱が基板の裏面に至るまでの時間が長くなるので、基板の裏面側にて測定される温度が同一（例えば、３００℃）でも、ｐ型シリコンエピタキシャル層表面の実際の温度は、ウェーハの厚さが厚いほど高くなる。したがって、シリコンエピタキシャルウェーハの裏面の温度を測定し、その温度を目安として前述の加熱工程を行うと、ウェーハの厚さが厚いほど、ｐ型シリコンエピタキシャル層の表面に対して、より高温で長時間の加熱工程が行なわれることになる。その結果、ウェーハの厚さが厚いものと薄いものでは、空乏層の形成状態が異なるため、ＳＰＶ測定を行っても、同じ値が得られないのである。
【００１０】
そこで本発明においては、ｐ型シリコンエピタキシャル層の表面を加熱する際、その表面の温度を直接測定する。これにより、シリコンエピタキシャルウェーハの厚さに関係なく、ｐ型シリコンエピタキシャル層表面の実際の温度を目安にして、加熱工程が行なわれるので、ウェーハの厚さが異なる場合にも形成される空乏層の状態にバラツキが生じず、ＳＰＶ測定において、精度のよい測定結果を得ることが可能となる。
【００１１】
なお、シリコンエピタキシャルウェーハは、基板上にシリコンエピタキシャル層が形成されたものであり、本発明においては、シリコンエピタキシャル層の表面は、シリコンエピタキシャルウェーハの主表面と同一の面（以下、単に主表面とする）とされ、基板の裏面は、シリコンエピタキシャルウェーハの裏面と同一の面（以下、単に裏面とする）とされる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を用いて本発明の実施の形態について述べる。
図１は、ｐ型シリコンエピタキシャル層１６の表面部に空乏層を形成するために加熱を行う表面処理装置１を示すものである。図１を用いて、本発明にかかる加熱工程について説明する。ｐ型シリコン単結晶基板１５上にｐ型シリコンエピタキシャル層１６が形成されたシリコンエピタキシャルウェーハＷ（以下、単にウェーハＷとする）を、断熱体にてなるピン５により、ｐ型シリコンエピタキシャル層１６を上側に向けるかたちで、チャンバー１９内に保持する。チャンバー１９内には、該ウェーハＷのｐ型シリコンエピタキシャル層１６表面に対向するように、輻射加熱のための輻射体として、複数のランプ３が配置されている。そして、ランプ３の隙間に、ｐ型シリコンエピタキシャル層１６の表面温度を測定するための温度センサ４が配置されている。なお、チャンバ１９内は、ランプ３からの光を反射させるための反射材２、１７、１８により覆われており、ランプ３は上部反射材２に固定されている。これら反射材２、１７、１８は、ランプ３の輻射加熱を、チャンバー１９内において均一にするために配置される。
【００１７】
ランプ３は、波長が５００〜１５００ｎｍの光を主に発するハロゲンランプ３であり、該ハロゲンランプ３からの輻射により、ｐ型シリコンエピタキシャル層１６の表面を加熱する。このとき、温度センサ４により、ｐ型シリコンエピタキシャル層１６の表面温度を直接測定する。なお、該温度センサ４は、ランプ３の隙間に設けられているので、ランプ３からの、ｐ型シリコンエピタキシャル層１６に対する光の照射を妨げない。さらに具体的には、該温度センサ４は、上部反射材２に形成されている貫通孔２’に挿入され、ランプ３の下端から、該温度センサ４の先端が突出しないように配置される。温度センサ４は、ランプパワーコントローラーと接続されており、ｐ型シリコンエピタキシャル層１６の表面温度の測定結果に基づいて、ランプ３からの輻射強度が調整される。これにより、シリコンエピタキシャルウェーハＷの厚さが異なる試料であっても、ｐ型シリコンエピタキシャル層１６の表面の温度に基づいて加熱工程が行なわれるので、ｐ型シリコンエピタキシャル層１６に形成される空乏層の状態を、ウェーハＷの厚さに拘わらず略同一とすることが可能となる。
【００１８】
具体的には、温度センサ４により検出されるｐ型シリコンエピタキシャル層１６の表面の温度が１００〜６００℃、特に３００℃程度となるように、輻射強度を調節し、その状態で１〜３００秒、特に３０秒程度保持する。この加熱工程により、表面光起電力（ＳＰＶ）測定を行うのに十分な空乏層をｐ型シリコンエピタキシャル層１６の表面部（表面近傍）に形成することができる。
【００１９】
温度センサ４としては、ｐ型シリコンエピタキシャル層１６の表面側から放射される赤外線を検出する赤外線（ＩＲ）センサとすることができる。このような温度センサ４により、ｐ型シリコンエピタキシャル層１６の表面温度を精度よく測定するためには、ランプ３から照射される光（特に、赤外線）を、温度センサ４にて検出しないようにする必要がある。そのためには、赤外線センサとして、ランプ３からの光を検出しないように、検出感度に波長依存性のあるものを使用するのがよい。具体的には、ランプ３としてハロゲンランプ３を使用する場合、５００〜１５００ｎｍの波長の光を検出しない赤外線センサを使用する。また、波長依存性のない赤外線センサを使用する場合には、ランプ３からの光を遮断し、かつ、ｐ型シリコンエピタキシャル層１６から放射される赤外線は透過させるフィルタを、温度センサ４を覆う形で配置するようにしてもよい。
【００２０】
また、本発明にかかる加熱工程は、図２に示す表面処理装置２０によっても行うことができる。該表面処理装置２０においては、シリコンエピタキシャルウェーハＷの裏面側に、該ウェーハＷの裏面温度を測定する温度センサ４’が配置されている。そして、該温度センサ４’は、温度補正機構２１を介してランプコントローラーに電気的に接続されている。温度センサ４’により測定されたシリコンエピタキシャルウェーハＷの裏面温度は、温度補正機構２１により、シリコンエピタキシャルウェーハＷの主表面、つまり、ｐ型シリコンエピタキシャル層１６の表面の温度と対応する温度に補正される。このとき、シリコンエピタキシャルウェーハＷの厚さに応じて、ある条件（例えば３００℃、３０秒）で輻射加熱したときのシリコンエピタキシャルウェーハＷの裏面温度と表面温度との関係を予め求めておき、温度センサ４’の測定結果とシリコンエピタキシャルウェーハＷの厚さから、シリコンエピタキシャルウェーハＷの表面温度を推定する。そして、裏面温度の測定結果を、推定された表面温度に補正する。温度補正機構２１による補正後の温度に基づく信号が、温度補正機構２１からランプパワーコントローラーに送られ、推定された表面温度を目安として、ランプ３における輻射強度が調整されることになる。なお、温度補正機構２１は、ランプパワーコントローラに含まれる形としてもよい。
【００２１】
なお、温度センサ４’は、シリコンエピタキシャルウェーハＷを、ピン５を介して保持する下方側の反射材（下部反射材）１８に囲まれる形態で配置される。より具体的には、下部反射材１８に形成される貫通孔１８’に、温度センサ４’を挿入する形態で配置することができる。また、温度センサ４’としては、図１の表面処理装置１に使用される温度センサ４と、同様のものを使用することができる。
【００２２】
上記のような加熱工程の後、公知の方法によりｐ型シリコンエピタキシャル層１６において表面光起電力（ＳＰＶ）測定を行う。図３及び図４を用いて、該ＳＰＶ測定について簡単に説明する。前述の加熱工程により空乏層が形成されたｐ型シリコンエピタキシャル層１６に、励起光Ｌを照射した状態でのバンド構造を図３に示す。加熱工程により、ｐ型シリコンエピタキシャル層１６の表面が正に帯電し、表面近傍において、ある障壁高さでバンドが実線で示すように曲がる。この状態で、光起電力を測定するための励起光Ｌをｐ型シリコンエピタキシャル層１６に照射すると、該励起光Ｌにより電子ｅと正孔ｈとが形成される。このとき、発生した電子ｅがｐ型シリコンエピタキシャル層１６の表面側に移動し、ｐ型シリコンエピタキシャル層１６の表面の電位が、点線で示すようにΔＶだけ変位する。このΔＶの値を測定する。測定されたΔＶにより、ｐ型シリコンエピタキシャル層１６の抵抗率やキャリアのライフタイム等の評価を行うことができる。
【００２３】
より具体的には、図４のように行なわれる。例えば、光源９からの励起光Ｌを光導管７により、ｐ型シリコンエピタキシャル層１６表面に照射する。光導管７の直径は約２ｍｍであり、ｐ型シリコンエピタキシャル層１６の表面部の微小領域において光起電力の測定が行われる。励起光Ｌは、チョッパーによりチョッピングされた断続光であり、そのチョッピング周波数は１Ｈｚ〜５０ｋＨｚとされる。そして、励起光Ｌに求められる作用から、励起光Ｌとして、Ｓｉのバンドギャップ以上のエネルギーを有するものを使用する必要があり、また、抵抗率を簡便に測定するためには、励起光Ｌによって発生する過剰キャリアを空乏層内に発生する内部電界によってのみ移動させる必要がある。このためには、空乏層内において、電子と正孔とを形成しなければならないので、励起光の侵入深さは、空乏層の幅よりも小さくする必要がある。そのため、励起光Ｌの波長を２００〜７００ｎｍ、例えば４５０ｎｍとするのがよい。シリコンエピタキシャルウェーハＷは、例えば断熱体にて構成されるピンによりグランド電極１０上に配置され、ｐ型シリコンエピタキシャル層１６と光導管７との間には、透明電極６が配置されている。この透明電極６により、ｐ型シリコンエピタキシャル層１６の表面電位が電位差計により測定され、励起光Ｌの照射に基づく表面電位の差（ΔＶ）を測定する。なお、光導管７はシリコンエピタキシャルウェーハＷの表面内を面内方向に走査することが可能であって、ΔＶの面内分布、ひいては抵抗率の面内分布が測定可能である。
【００２４】
さらに、前記したような加熱工程は、図５に示す表面光起電力測定装置２５に取り付けられた表面処理装置１又は２０にて行うことができる、具体的には、表面光起電力測定装置２５は、表面光起電力を測定するための表面光起電力測定部（測定部）２３と、加熱工程を行うための表面処理装置１又は２０にて構成される表面処理部１’、２０’とを有する。光起電力測定部２３内には、図４に示すように、表面光起電力測定に必要な励起光Ｌの光源９や、断続的な励起光Ｌを得るためのチョッパー８、励起光Ｌを導通する光導管７、シリコンエピタキシャルウェーハＷの表面電位を測定するグランド電極１０及び透明電極６等がそれぞれ所定位置に配置される。表面処理部１’、２０’は、図１及び図２に示すものと同様の構造を有する。これらの表面光起電力測定部２３及び表面処理部１’、２０’は、連結部２４を介して連結されており、表面処理部１’、２０’にシリコンエピタキシャルウェーハＷが搬入され、加熱工程が終了すると、シリコンエピタキシャルウェーハＷは、表面光起電力測定装置２５の外部に取り出されることなく、連結部２４を介して表面光起電力測定部（測定部）２３に搬送される。これによれば、ｐ型シリコンエピタキシャル層１６に形成される空乏層の状態が、表面光起電力測定を行うまでの間に変動しにくいので、表面光起電力を測定する前に、空乏層の状態にバラツキが生じにくくなり、ひいては、光起電力の測定結果のバラツキを抑制できる。そして、表面光起電力測定部２３における表面光起電力測定が終了すると、該表面光起電力測定部２３から搬出される。
【００２５】
以上、本発明にかかる加熱工程において、ｐ型シリコンエピタキシャル層の表面温度に基づいて測定されたΔＶ、ひいては抵抗率は、ｐ型シリコンエピタキシャル層１６の電気的特性が同一であれば、シリコンエピタキシャルウェーハＷ間の厚さにバラツキがあっても、略同一の測定結果が得られる。さらに、面内に厚さのバラツキがあるシリコンエピタキシャルウェーハＷであっても、電気的特性の面内分布を精度よく得ることができる。さらに、図５に示すような本発明にかかる表面光起電力測定装置２５によれば、厚さの異なるシリコンエピタキシャルウェーハ間での測定結果のバラツキを抑えるとともに、加熱工程の後から表面光起電力の測定までに、空乏層の形成状態が変化しにくいので、より一層精度のよい測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる加熱工程を行う表面処理装置の一例を説明する図。
【図２】本発明にかかる加熱工程を行う表面処理装置の他の一例を説明する図。
【図３】表面光起電力測定の原理説明図。
【図４】表面光起電力測定方法の概略を説明する図。
【図５】表面光起電力測定装置の概略を示す図。
【図６】シリコンエピタキシャルウェーハの厚さの相違による抵抗率測定結果のバラツキを示すグラフ。
【符号の説明】
１、２０  表面処理装置
１’、２０’  表面処理部
２、１７、１８  反射板
３  ランプ（輻射体）
４、４’  温度センサ
５  ピン
１５  シリコン単結晶基板（基板）
１６  ｐ型シリコンエピタキシャル層
２３  表面光起電力測定部（測定部）
２５  表面光起電力測定装置
Ｗ  シリコンエピタキシャルウェーハ
【図１】
0003788606.tif 000002
【図２】
0003788606.tif 000003
【図３】
0003788606.tif 000004
【図４】
0003788606.tif 000005
【図５】
0003788606.tif 000006
【図６】
0003788606.tif 000007