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| タイトル： | 公開特許公報(A)_表面光起電力測定方法 |
| 出願番号： | 2002221086 |
| 年次： | 2004 |
| IPC分類： | 7,H01L21/66,G01N27/00 |
特許情報キャッシュ
江原 幸治 JP 2004063862 公開特許公報(A) 20040226 2002221086 20020730 表面光起電力測定方法 信越半導体株式会社 000190149 菅原 正倫 100095751 江原 幸治 7 H01L21/66 G01N27/00 JP H01L21/66 L G01N27/00 Z 4 1 ＯＬ 9 2G060 4M106 2G060AA09 2G060AE40 2G060AF13 2G060EA06 2G060EA07 2G060EB08 4M106AA01 4M106AA10 4M106BA04 4M106CA17 4M106CB11 4M106CB13 4M106CB14 4M106DH09 4M106DH60 【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を評価するために、表面光起電力（ＳＰＶ：Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｇｅ）測定法が用いられる。ＳＰＶ測定法は、半導体ウェーハの表面に励起光を照射し、その際にウェーハの表面近傍に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り、ｐ型半導体ウェーハについて抵抗率の測定が可能である。ところで、ＳＰＶ測定法により抵抗率測定を行うためには、その測定前にｐ型半導体ウェーハの表面処理を行う必要がある。【０００３】ＳＰＶ測定の前にｐ型半導体ウェーハの表面処理を行う方法として、例えば、特表２００２−５０１３０５号公報に開示されているものがある。この方法によると、半導体ウェーハはウェーハの表面近くに複数の電子―正孔対を作製し、ウェーハの表面に吸着されたイオンおよび分子を脱着するのに十分な輻射量で照射される。これをＲＯＳＴ（トレードマーク）処理という。【０００４】【発明が解決しようとする課題】しかしながら、シリコン単結晶基板上にｐ型シリコンエピタキシャル層が形成されたシリコンエピタキシャルウェーハ（以下、単にウェーハと記載する場合もある）に対して、上記ＲＯＳＴ処理を施した後に複数回ＳＰＶ測定を行うと、抵抗率が経時変化する。また、抵抗率が略同一のｐ型シリコンエピタキシャル層を測定する場合でも、シリコンエピタキシャルウェーハ全体の厚さが互いに異なる試料間では、抵抗率の測定結果にバラツキが生じることがある。【０００５】本発明の課題は、ｐ型シリコンエピタキシャル層の表面光起電力測定の精度を改善することができる方法を提供することにある。【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、本発明の表面光起電力測定方法の第一は、シリコン単結晶基板上にｐ型シリコンエピタキシャル層の形成されたシリコンエピタキシャルウェーハの主裏面を除く表面に、オゾン含有水を接触させた後に、前記ｐ型シリコンエピタキシャル層の表面に励起光を照射することにより生じる光起電力を測定することを特徴とする。【０００７】さらに、本発明の測定方法の第二は、シリコン単結晶基板上にｐ型シリコンエピタキシャル層の形成されたシリコンエピタキシャルウェーハの主裏面を除く表面に、オゾンガスを接触させた後に、前記ｐ型シリコンエピタキシャル層の表面に励起光を照射することにより生じる光起電力を測定することを特徴とする。【０００８】さらに、本発明の測定方法の第三は、シリコン単結晶基板上にｐ型シリコンエピタキシャル層の形成されたシリコンエピタキシャルウェーハの主裏面を除く表面に、過酸化水素水を接触させた後に、前記ｐ型シリコンエピタキシャル層の表面に励起光を照射することにより生じる光起電力を測定することを特徴とする。【０００９】本発明者が鋭意検討した結果、ｐ型シリコンエピタキシャル層の表面に、オゾン含有水、オゾンガスあるいは過酸化水素水を接触させることで、ｐ型シリコンエピタキシャル層の表面に薄い酸化膜（ＳｉＯ２膜）が均一に形成される結果、ｐ型シリコンエピタキシャル層の表面に均一に正電荷が帯電するため、ｐ型シリコンエピタキシャル層の表面近傍に均一な空乏層を形成できることがわかった。このようにしてｐ型シリコンエピタキシャル層の表面に酸化膜を形成すると、前述の特表２００２−５０１３０５号公報に開示されている方法（ＲＯＳＴ処理）よりも、安定した空乏層を形成することができる。したがって、表面光起電力の測定の精度を改善することができる。【００１０】ただし、これらオゾン含有水、オゾンガス、あるいは過酸化水素水（以下、オゾン含有水等ということがある）により、ｐ型シリコンエピタキシャル層の表面に酸化膜を形成させる場合、シリコンエピタキシャルウェーハの主裏面には酸化膜が形成されないようにする必要がある。該主裏面にオゾン含有水等が接触すると、主裏面にも空乏層が形成される。このとき、光起電力の測定に際して、シリコンエピタキシャルウェーハの両面に形成される空乏層で発生する表面光起電力は極性が逆であり、お互いに打ち消し合うように測定される。そのため、測定信号が弱くなる結果、測定精度が低下してしまう。この現象は、シリコンエピタキシャル層表面に形成された空乏層内でのみ入射光が吸収されることにより、該空乏層内でのみ過剰キャリアが励起される場合は無視できるが、入射光の波長が長く、光吸収係数αの逆数が空乏層幅を超えるような場合、すなわち空乏層より深い位置でも入射光による過剰キャリアの励起が発生する場合で、かつキャリアの拡散長Ｌとウェーハの厚さｄとの関係が、Ｌ＞ｄ／２の関係を満たす場合に顕著に現れる。この理由は、入射光で励起された過剰キャリアは、シリコンエピタキシャル層表面のみならず、ウェーハの反対側の表面にも到達するため、ＳＰＶ信号が両面で発生しやすくなり、このＳＰＶ信号の極性が逆のため打ち消され合うように測定されるためである。これを回避するためには、シリコンエピタキシャル層の反対側の表面には、空乏層が形成されないことが必要である。このためには、オゾン含有水等の空乏層形成材は、シリコンエピタキシャル層が形成されている面側にのみ接触させることが必要である。【００１１】さらに、本発明の測定方法の第四は、シリコン単結晶基板上にｐ型シリコンエピタキシャル層の形成されたシリコンエピタキシャルウェーハの主裏面を除く表面に、弗酸を接触させた後、前記ｐ型シリコンエピタキシャル層の表面に励起光を照射することにより生じる光起電力を測定することを特徴とする。【００１２】表面光起電力測定における空乏層の形成は、オゾン含有水等により酸化膜を形成させるだけではなく、ｐ型シリコンエピタキシャル層の表面に弗酸を接触させることにより、エピタキシャル層表面に正電荷を帯電させることでも可能である。しかし、従来、弗酸でシリコンエピタキシャルウェーハを処理する場合、弗酸中にウェーハを浸漬する方法が一般的であり、シリコンエピタキシャルウェーハの表裏両面近傍に空乏層が形成されてしまう。そこで、本発明のように、シリコンエピタキシャルウェーハの主裏面を除く表面に弗酸を接触させることで、シリコンエピタキシャルウェーハの主裏面すなわち基板面近傍に空乏層が形成されることを防止することができる。【００１３】また、前述の公報に開示されている方法によりＲＯＳＴ処理した場合、シリコンエピタキシャルウェーハの厚さが異なると、精度のよい表面光起電力が測定できないのは、以下の理由による。すなわち、ｐ型シリコンエピタキシャル層に、例えばハロゲンランプに基づく輻射光（熱線）を照射する際に、ｐ型シリコンエピタキシャル層が形成されている面とは反対側、つまり、基板の裏面側から、シリコンエピタキシャルウェーハの温度を測定し、その温度を目安として、ＲＯＳＴ処理を行っているためである。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に与えられた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の表面における実際の温度は、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主裏面の温度を測定し、その温度を目安として、ある条件（例えば、３００℃で３０秒保持）で前述の公報にかかるＲＯＳＴ処理を行うと、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、より高温の熱処理が行なわれる。その結果、ウェーハの厚さが厚いものと薄いものでは、熱処理状態にバラツキが生じて、ＳＰＶ測定を行っても、電気的特性（例えば、抵抗率）が同一であるにもかかわらず、測定結果にバラツキが生じてしまう。【００１４】本発明によれば、オゾン含有水やオゾンガスあるいは過酸化水素水を、ｐ型シリコンエピタキシャル層の表面に接触させることにより、ｐ型シリコンエピタキシャル層の表面における化学反応を利用して、正電荷を帯電した酸化膜を形成しているので、シリコンエピタキシャルウェーハの厚さに影響されずに空乏層の形成が行なわれる。したがって、ウェーハの厚さにバラツキがあっても、表面光起電力の測定結果に生じるバラツキを大幅に抑制することができる。【００１５】【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、本発明にかかる空乏層形成工程の概要を示す図である。測定対象となるのは、図１（ａ）に示すシリコンエピタキシャルウェーハＷである。シリコンエピタキシャルウェーハＷは、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が形成されてなる。通常、シリコン単結晶基板１５は、ｐ型ドーパントとしてのボロンを１×１０１５／ｃｍ３〜１×１０１９／ｃｍ３含有するｐ型であり、ｐ型シリコンエピタキシャル層１６は、ボロンを１×１０１４／ｃｍ３〜１×１０１７／ｃｍ３含有する。ｐ型シリコンエピタキシャル層１６のボロン濃度は比較的低く、抵抗率は０．３Ω・ｃｍ〜１５０Ω・ｃｍ程度と比較的高めに設定されている。このようなシリコンエピタキシャルウェーハＷのｐ型シリコンエピタキシャル層１６表面に、図１（ｂ）に示すようにオゾン含有水１４を接触させる。【００１６】オゾン含有水１４をシリコンエピタキシャルウェーハＷの主裏面を除く表面に接触させるためには、図２に示すような洗浄機を使用することができる。洗浄機は、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、シリコンエピタキシャルウェーハＷの主裏面を除く表面、すなわち、ｐ型シリコンエピタキシャル層１６の表面及びシリコンエピタキシャルウェーハＷの側面にオゾン含有水を接触させるためのウェット部２０（図２（ａ））と、シリコンエピタキシャルウェーハＷの表面から水分を除去するためのドライ部２１（図２（ｂ））とを有する。ウェット部２０においては、シリコンエピタキシャルウェーハＷは、ｐ型シリコンエピタキシャル層１６の表面がノズル１８に対向するように、ウェーハチャック１９上に載置される。そして、ノズル１８から、ｐ型シリコンエピタキシャル層１６の表面に向けて、所定期間オゾン含有水１４を噴き付ける。具体的には、オゾン含有水の噴出量は、０．５リットル／分〜３リットル／分に設定されており、噴出時間は０．５分〜３分とされる。シリコンエピタキシャルウェーハＷの主裏面、すなわちシリコン単結晶基板１５の裏面は、ウェーハチャック１９に保護されて、オゾン含有水１４に接触しない。【００１７】なお、上記のオゾン含有水は、公知の方法により、水にオゾンガスを溶解することで得ることが出来る。ｐ型エピタキシャル層１６への汚染を考慮すれば、使用する水は、可及的に金属イオンが除去されたものであることが望ましい。なお、溶解するオゾンの濃度は高いほうが効果的であるが、技術的な限界もあり、例えば１ｐｐｍ〜３０ｐｐｍ程度とされる。【００１８】上記のように、シリコンエピタキシャルウェーハＷの主裏面を除く表面にオゾン含有水を接触させた後、シリコンエピタキシャルウェーハＷを、ドライ部２１に搬送する。そして、該ドライ部２１にて、送風機構２２により、シリコンエピタキシャルウェーハＷの表面に向けて、例えば空気を噴きつけることにより、該表面の水分が吹き飛ばされ、ｐ型エピタキシャル層１６の表面が乾燥される。【００１９】以上の工程を通して、シリコンエピタキシャルウェーハＷの主裏面を除く表面に正電荷が帯電した酸化膜が形成されるので、図１（ｃ）に示すように、ｐ型シリコンエピタキシャル層１６の表面近傍に空乏層１３が形成できる。このとき、ｐ型エピタキシャル層１６の表面に、空乏層１３に加えて小数キャリア（電子）による反転層が形成されていても問題ない。なお、オゾン含有水１４の代わりに、過酸化水素水を使用することも可能である。また、シリコンエピタキシャルウェーハＷの表面に酸化膜は形成されないが、弗酸を使用することでもウェーハ表面に正電荷を帯電させることができるので、シリコンエピタキシャル層１６の表面近傍に空乏層を形成することができる。【００２０】以上のように、シリコンエピタキシャルウェーハＷの主裏面を除く表面にオゾン含有水を接触させて、空乏層１３を形成する場合、オゾン含有水の温度は、５℃〜３０℃に設定しておくのがよい。また、図２のような洗浄機により、オゾン含有水１４をｐ型シリコンエピタキシャル層１６の表面に接触させる場合、シリコンエピタキシャルウェーハＷを加熱させた状態で、オゾン含有水１４を接触させてもよい。これにより、安定した空乏層１３を、より一層短時間で形成することが可能となる。【００２１】さらに、シリコンエピタキシャルウェーハＷの主裏面を除く表面に、オゾンガスを接触させることでも正電荷を帯電した酸化膜を形成できるので、ｐ型シリコンエピタキシャル層１６の表面近傍に空乏層１３を形成することができる。これによれば、オゾンガスを水に溶解させる工程を削減することができるというメリットがあり、作業能率上有利である。この場合、シリコンエピタキシャルウェーハＷのｐ型シリコンエピタキシャル層１６が形成されている主表面側に対して、オゾンガスを噴きつけることにより、該ｐ型シリコンエピタキシャル層１６の表面にオゾンガスを接触させることができる。シリコンエピタキシャルウェーハＷの主裏面は、オゾンガスに接触しないように、ウェーハチャック１９で保護する。なお、オゾンガスは公知の方法あるいは装置、例えば、電解式オゾン発生装置や無声放電式オゾン発生装置により、空気あるいは酸素ガスを原料として得ることができる。なお、このような方法により得られるオゾンガスを、未反応の原料ガスから分離して使用してもよいし、未反応の原料ガス（空気あるいは酸素ガス等）とともに、ｐ型シリコンエピタキシャル層１６の表面に接触させてもよい。さらに、オゾンガス（あるいはオゾンガスを含む気体）の温度を１００℃〜３００℃とすれば、ｐ型シリコンエピタキシャル層１６の表面上に、正電荷が帯電した酸化膜をより一層短時間で形成することが可能となる。また、シリコンエピタキシャルウェーハＷを、例えば１００℃〜５００℃の温度に加熱しても同様の効果が期待できる。【００２２】上記のように空乏層を形成した後、公知の方法により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。正電荷を帯電した酸化膜を形成することにより、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の表面に照射すると、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、図示しない光源からの励起光Ｌを光導管７により、ｐ型シリコンエピタキシャル層１６の表面に照射する。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の表面の微小領域において光起電力の測定が行われる。【００２４】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４０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚとされる。【００２５】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、さらに、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いことが好ましい。そのためには、励起光Ｌの波長を１００ｎｍ〜５００ｎｍ、例えば４５０ｎｍとするのがよい。【００２６】シリコンエピタキシャルウェーハＷは、例えば絶縁体にて構成されるピン５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を用いて非接触で測定できるので、励起光Ｌの照射に基づく表面電位の差（ΔＶ）が測定可能となる。なお、光導管７はシリコンエピタキシャルウェーハＷの表面上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。【００２７】以上、本発明にかかる実施の形態について説明したが、本発明はこれらに限られるものではない。例えば、ｐ型シリコンエピタキシャル層１６にオゾン含有水１４等を接触させる前に、従来技術の欄で記載した工程、つまり、ｐ型シリコンエピタキシャル層１６表面に、ハロゲン光を照射する工程（ＲＯＳＴ処理）を行ってもよい。この場合、ハロゲン光の照射により、例えば、ｐ型シリコンエピタキシャル層１６の表面の温度を３００℃程度まで加熱して、その状態で３０秒程度保持する。そして、その後に、前述にて記載した本発明にかかる工程を行うことで、より一層、安定した空乏層を形成することができる。【００２８】【実施例】本発明の効果を調べるため、以下の実験を行った。まず、厚さ７２５μｍで、抵抗率が０．０１５Ω・ｃｍ程度のｐ型シリコン単結晶基板上に、厚さ１０μｍのｐ型シリコンエピタキシャル層を成長させる。ｐ型シリコンエピタキシャル層には、１．１×１０１５／ｃｍ３程度のボロンを含有させ、該ｐ型シリコンエピタキシャル層の抵抗率が１２Ω・ｃｍとなるように調節する。このようなシリコンエピタキシャルウェーハに対して、いくつかの方法でｐ型シリコンエピタキシャル層の表面近傍に空乏層を形成し、表面光起電力測定により抵抗率を測定した。【００２９】図５は、ｐ型シリコンエピタキシャル層に対してＲＯＳＴ処理（ハロゲン光を照射して、該ｐ型シリコンエピタキシャル層を３００℃程度に加熱し、光を照射しつづけた状態で３０秒間保持する）を行った場合（比較例）と、ｐ型シリコンエピタキシャル層の表面にオゾン含有水を接触させた場合（実施例）とで、ＳＰＶ法により測定される抵抗率の安定性、すなわち測定精度を比較したものである。本実施例は、図２に示す洗浄機により、ｐ型シリコンエピタキシャル層の表面に、オゾン濃度が１０ｐｐｍのオゾン含有水を接触させたものである。【００３０】図５によれば、比較例において、ＲＯＳＴ処理を繰り返し行うにつれて、測定される抵抗率の値が低下して、１２Ω・ｃｍに漸近している。これにより、該工程を複数回繰り返し行なわなければ、測定される抵抗率の値が安定しないことがわかる。つまり、比較例１において、短時間のＲＯＳＴ処理では安定した抵抗率を得ることができない。一方、実施例においては、実施例のオゾン含有水への接触を繰り返し行っても測定される抵抗率の値が殆ど変動していないことがわかる。これによれば、本発明により、安定した空乏層を短時間で形成することができ、表面光起電力の測定を精度よく行うことができる。【００３１】なお、オゾンガスあるいは過酸化水素水溶液をｐ型シリコンエピタキシャル層に接触させる方法においても、ＲＯＳＴ処理と比較した結果、オゾン含有水の場合と同様の効果があることを確認している。【図面の簡単な説明】【図１】本発明にかかる工程の一例を説明する図。【図２】ｐ型シリコンエピタキシャル層に正電荷が帯電した酸化膜を形成させる方法について説明した図。【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】実施例と比較例との場合における処理回数と抵抗率の関係を示すグラフ。【符号の説明】１３ 空乏層１４ オゾン含有水１５ シリコン単結晶基板１６ ｐ型シリコンエピタキシャル層Ｗ シリコンエピタキシャルウェーハ シリコン単結晶基板上にｐ型シリコンエピタキシャル層の形成されたシリコンエピタキシャルウェーハの主裏面を除く表面に、オゾン含有水を接触させた後に、前記ｐ型シリコンエピタキシャル層の表面に励起光を照射することにより生じる光起電力を測定することを特徴とする表面光起電力測定方法。 シリコン単結晶基板上にｐ型シリコンエピタキシャル層の形成されたシリコンエピタキシャルウェーハの主裏面を除く表面に、オゾンガスを接触させた後に、前記ｐ型シリコンエピタキシャル層の表面に励起光を照射することにより生じる光起電力を測定することを特徴とする表面光起電力測定方法。 シリコン単結晶基板上にｐ型シリコンエピタキシャル層の形成されたシリコンエピタキシャルウェーハの主裏面を除く表面に、過酸化水素水を接触させた後に、前記ｐ型シリコンエピタキシャル層の表面に励起光を照射することにより生じる光起電力を測定することを特徴とする表面光起電力測定方法。 シリコン単結晶基板上にｐ型シリコンエピタキシャル層の形成されたシリコンエピタキシャルウェーハの主裏面を除く表面に、弗酸を接触させた後に、前記ｐ型シリコンエピタキシャル層の表面に励起光を照射することにより生じる光起電力を測定することを特徴とする表面光起電力測定方法。 【課題】ｐ型シリコンエピタキシャル層の表面に空乏層を安定して形成し、該表面における表面光起電力測定を精度よく行うことができる方法を提供する。【解決手段】光起電力を測定する前に、シリコンエピタキシャルウェーハＷの主裏面を除く表面にオゾン水１４を接触させ、ｐ型シリコンエピタキシャル層１６の表面に正電荷が帯電した酸化膜を形成する。その後、この酸化膜が形成された状態で、ｐ型シリコンエピタキシャル層１６における表面光起電力を測定する。【選択図】 図１