JP3460434B2 - 半導体シリコン結晶中の酸素濃度評価方法及び装置 - Google Patents
半導体シリコン結晶中の酸素濃度評価方法及び装置Info
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- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
- G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体結晶の評価方
法に関し、特に、半導体ウェーハ中の酸素濃度に関する
評価に好適な評価方法及び装置であって、より詳細には
ドーパントとしてのボロンが高濃度にドープされたシリ
コン半導体結晶中の酸素濃度測定方法及び装置に関す
る。
法に関し、特に、半導体ウェーハ中の酸素濃度に関する
評価に好適な評価方法及び装置であって、より詳細には
ドーパントとしてのボロンが高濃度にドープされたシリ
コン半導体結晶中の酸素濃度測定方法及び装置に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】従来、半導体シリコン結晶中酸素濃度の
評価方法としては、光吸収法が広く用いられている。こ
の方法は、ウェーハに光を透過させることにより、シリ
コン結晶中の格子間酸素による吸収量を測定するもの
で、その吸収量から結晶中の酸素濃度を定量するという
原理である。この光吸収量は、シリコン結晶中の格子間
酸素濃度に非常に敏感なため、高感度・高信頼性の評価
が可能である。しかしながら、試料が光をある程度透過
しなければ評価自体不可能であり、例えばエピタキシャ
ルウエーハの基板として用いられるような、ドーパント
としてのボロンを高濃度（例えば１０17原子/cm3以上、
特には１０18原子/cm3以上）ドープしたシリコン結晶の
場合、試料中に大量に含まれる自由電子に光が吸収さ
れ、全く光を通さないため、このような結晶に対しては
光吸収法は全く適用できない。
評価方法としては、光吸収法が広く用いられている。こ
の方法は、ウェーハに光を透過させることにより、シリ
コン結晶中の格子間酸素による吸収量を測定するもの
で、その吸収量から結晶中の酸素濃度を定量するという
原理である。この光吸収量は、シリコン結晶中の格子間
酸素濃度に非常に敏感なため、高感度・高信頼性の評価
が可能である。しかしながら、試料が光をある程度透過
しなければ評価自体不可能であり、例えばエピタキシャ
ルウエーハの基板として用いられるような、ドーパント
としてのボロンを高濃度（例えば１０17原子/cm3以上、
特には１０18原子/cm3以上）ドープしたシリコン結晶の
場合、試料中に大量に含まれる自由電子に光が吸収さ
れ、全く光を通さないため、このような結晶に対しては
光吸収法は全く適用できない。
【０００３】ボロンを高濃度（例えば１０17原子/cm3以
上、特には１０18原子/cm3以上）ドープしたシリコン結
晶中の酸素濃度測定方法としては、荷電粒子放射化分
析法(CPAA法) 、融解ガス分析法(GFA法) 、二次イ
オン質量分析法（SIMS法）、が知られている。この内CP
AA法は、試料に加速荷電粒子を照射することで、結晶中
酸素を放射化し、その後試料から発せられる放射線量か
ら元の試料中に含まれていた酸素量を定量するという原
理であるが、加速荷電粒子を発生させるためのサイクロ
トロンが必要であるし、放射線分析である等、工業的な
インライン評価には向いておらず、特別な研究機関での
み使われている。
上、特には１０18原子/cm3以上）ドープしたシリコン結
晶中の酸素濃度測定方法としては、荷電粒子放射化分
析法(CPAA法) 、融解ガス分析法(GFA法) 、二次イ
オン質量分析法（SIMS法）、が知られている。この内CP
AA法は、試料に加速荷電粒子を照射することで、結晶中
酸素を放射化し、その後試料から発せられる放射線量か
ら元の試料中に含まれていた酸素量を定量するという原
理であるが、加速荷電粒子を発生させるためのサイクロ
トロンが必要であるし、放射線分析である等、工業的な
インライン評価には向いておらず、特別な研究機関での
み使われている。
【０００４】GFA 法は、高温で試料を融解することで、
試料中に含まれる酸素をCO, CO2 としてガス化し、その
ガスを化学的に分析して元の試料中に含まれていた酸素
量を定量するという原理である。また、SIMS法は高真空
下でイオンビームを試料表面に照射し、試料がスパッタ
されて生成する二次イオンを質量分析装置を用いて測定
するものである。
試料中に含まれる酸素をCO, CO2 としてガス化し、その
ガスを化学的に分析して元の試料中に含まれていた酸素
量を定量するという原理である。また、SIMS法は高真空
下でイオンビームを試料表面に照射し、試料がスパッタ
されて生成する二次イオンを質量分析装置を用いて測定
するものである。
【０００５】上記GFA 法は、装置が比較的安価であり、
測定にあまり熟練を要せず短時間で行えるという利点は
あるが、試料の融解が必要な完全な破壊法である。すな
わち、一度評価した試料を何らかの理由で再評価しよう
としても、その試料は融解されており不可能である。従
って、製品そのものを評価することは不可能であり、評
価の為だけに用いる試料を製品以外に用意しなければな
らないことを意味しており、品質保証上問題であるとと
もに、生産者の立場でいうとコスト的に大変なロスとな
る。というのは、ガスの化学分析における感度の問題
で、一般に2mm から10mm角の大きな試料が必要であるこ
とと、大きな試料を測定しても再現性があまり良好でな
いために、同一の製品から複数の分析用試料を作製し、
測定する必要があるからである。また、試料のサイズが
数mmということは、測定の空間分解能も数mmということ
を意味するものである。すなわち、試料中の酸素濃度分
布を細かく調べようとしても、せいぜいmmのオーダーで
しか評価できないという欠点もある。
測定にあまり熟練を要せず短時間で行えるという利点は
あるが、試料の融解が必要な完全な破壊法である。すな
わち、一度評価した試料を何らかの理由で再評価しよう
としても、その試料は融解されており不可能である。従
って、製品そのものを評価することは不可能であり、評
価の為だけに用いる試料を製品以外に用意しなければな
らないことを意味しており、品質保証上問題であるとと
もに、生産者の立場でいうとコスト的に大変なロスとな
る。というのは、ガスの化学分析における感度の問題
で、一般に2mm から10mm角の大きな試料が必要であるこ
とと、大きな試料を測定しても再現性があまり良好でな
いために、同一の製品から複数の分析用試料を作製し、
測定する必要があるからである。また、試料のサイズが
数mmということは、測定の空間分解能も数mmということ
を意味するものである。すなわち、試料中の酸素濃度分
布を細かく調べようとしても、せいぜいmmのオーダーで
しか評価できないという欠点もある。
【０００６】一方、SIMS法は質量分析であるので、照射
するイオンの選択によってどんな元素でも分析可能であ
り、検出感度が高く、測定領域が狭いために空間分解能
が高いという利点があるものの、高価な装置を必要と
し、かつ、装置の真空度等のコンディションを良好に保
たねばならず、１試料の測定に時間を要するといった欠
点がある。また、この方法も基本的には破壊法であり、
数mm角の試料を別途用意する必要があるという欠点があ
る事はGFA 法と同様である。
するイオンの選択によってどんな元素でも分析可能であ
り、検出感度が高く、測定領域が狭いために空間分解能
が高いという利点があるものの、高価な装置を必要と
し、かつ、装置の真空度等のコンディションを良好に保
たねばならず、１試料の測定に時間を要するといった欠
点がある。また、この方法も基本的には破壊法であり、
数mm角の試料を別途用意する必要があるという欠点があ
る事はGFA 法と同様である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
従来法の上記欠点を解決するためになされたものであ
り、ボロンが高濃度にドープ（例えば１０17原子/cm3以
上、特には１０18原子/cm3以上）された半導体シリコン
結晶中の酸素濃度を、低コストで、高感度に再現性よく
評価する方法および装置を提供することを目的とする。
また、本発明のさらなる目的は、ボロンが高濃度にドー
プされた半導体シリコン結晶中の酸素濃度分布を低コス
トで、高感度に再現性よく評価する方法および装置を提
供することにある。
従来法の上記欠点を解決するためになされたものであ
り、ボロンが高濃度にドープ（例えば１０17原子/cm3以
上、特には１０18原子/cm3以上）された半導体シリコン
結晶中の酸素濃度を、低コストで、高感度に再現性よく
評価する方法および装置を提供することを目的とする。
また、本発明のさらなる目的は、ボロンが高濃度にドー
プされた半導体シリコン結晶中の酸素濃度分布を低コス
トで、高感度に再現性よく評価する方法および装置を提
供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本発明は、半導体シリコン結晶の評価方法であって、ボ
ロンが濃度１０１７原子/cm３以上ドープされた半導体
シリコン結晶に、前記半導体シリコン結晶試料の荷電子
帯と伝導帯間での帯間吸収遷移を起こしうる光を照射
し、該光照射により、前記半導体試料から得られた0.96
eV近傍のエネルギーのフォトルミネッセンス光の強度を
測定し、前記半導体試料中に含まれる酸素濃度に関する
評価を行うことを特徴とするものである。このようにい
わゆるＰＬ法で、特定エネルギーのフォトルミネッセン
ス光の強度を測定することによって、例え高濃度にボロ
ンがドープされていても、その影響を排除して、正確か
つ簡単に、しかも試料を破壊することもなく、シリコン
結晶中の酸素濃度の測定が可能とされる。
本発明は、半導体シリコン結晶の評価方法であって、ボ
ロンが濃度１０１７原子/cm３以上ドープされた半導体
シリコン結晶に、前記半導体シリコン結晶試料の荷電子
帯と伝導帯間での帯間吸収遷移を起こしうる光を照射
し、該光照射により、前記半導体試料から得られた0.96
eV近傍のエネルギーのフォトルミネッセンス光の強度を
測定し、前記半導体試料中に含まれる酸素濃度に関する
評価を行うことを特徴とするものである。このようにい
わゆるＰＬ法で、特定エネルギーのフォトルミネッセン
ス光の強度を測定することによって、例え高濃度にボロ
ンがドープされていても、その影響を排除して、正確か
つ簡単に、しかも試料を破壊することもなく、シリコン
結晶中の酸素濃度の測定が可能とされる。
【０００９】本発明は、前記の半導体シリコン結晶の評
価方法であって、半導体試料から得られる0.98eVから0.
96eVのエネルギー範囲のフォトルミネッセンス光の強度
を測定することを特徴とする。このように、0.96eV近傍
のうち特に0.98eVから0.96eVのエネルギー範囲のフォト
ルミネッセンス光の強度を測定することによって、正確
なシリコン結晶中の酸素濃度の測定が可能とされる。
価方法であって、半導体試料から得られる0.98eVから0.
96eVのエネルギー範囲のフォトルミネッセンス光の強度
を測定することを特徴とする。このように、0.96eV近傍
のうち特に0.98eVから0.96eVのエネルギー範囲のフォト
ルミネッセンス光の強度を測定することによって、正確
なシリコン結晶中の酸素濃度の測定が可能とされる。
【００１０】また、本発明は、前記の半導体シリコン結
晶の評価方法であって、前記フォトルミネッセンス光の
測定を試料の温度が室温から50Ｋの範囲で行うことを特
徴とする。このように、試料の温度を室温以下の低温と
して測定するのは、環境温度の影響を除去するととも
に、0.96eV近傍のフォトルミネッセンス光の発光効率を
上げ、測定精度を向上させるためである。
晶の評価方法であって、前記フォトルミネッセンス光の
測定を試料の温度が室温から50Ｋの範囲で行うことを特
徴とする。このように、試料の温度を室温以下の低温と
して測定するのは、環境温度の影響を除去するととも
に、0.96eV近傍のフォトルミネッセンス光の発光効率を
上げ、測定精度を向上させるためである。
【００１１】本発明は、前記の半導体シリコン結晶の評
価方法であって、前記フォトルミネッセンス光の測定を
試料の温度が150Kから50Ｋの範囲で行うことを特徴とす
る。このように、試料の温度を150Kから50Ｋの範囲で行
うのは、環境温度の影響を除去するとともに、0.96eV近
傍のフォトルミネッセンス光の発光効率を上げ、測定精
度を向上させるための試料の冷却において、特に液体窒
素を用いて容易に冷却ができ、かつ正確な測定が確保さ
れる範囲だからである。
価方法であって、前記フォトルミネッセンス光の測定を
試料の温度が150Kから50Ｋの範囲で行うことを特徴とす
る。このように、試料の温度を150Kから50Ｋの範囲で行
うのは、環境温度の影響を除去するとともに、0.96eV近
傍のフォトルミネッセンス光の発光効率を上げ、測定精
度を向上させるための試料の冷却において、特に液体窒
素を用いて容易に冷却ができ、かつ正確な測定が確保さ
れる範囲だからである。
【００１２】本発明は、前記の半導体シリコン結晶の評
価方法であって、半導体試料に400℃から500 ℃の温度
帯において、1 時間から48時間の熱処理を施した後に測
定することを特徴とする。このように、半導体試料に40
0 ℃から500 ℃の温度帯において、1 時間から48時間の
熱処理を施すことによって、結晶中の酸素を均一に凝集
させることができ、異なった熱履歴を有する結晶位置の
影響を除去し、より正確な測定を可能とする。
価方法であって、半導体試料に400℃から500 ℃の温度
帯において、1 時間から48時間の熱処理を施した後に測
定することを特徴とする。このように、半導体試料に40
0 ℃から500 ℃の温度帯において、1 時間から48時間の
熱処理を施すことによって、結晶中の酸素を均一に凝集
させることができ、異なった熱履歴を有する結晶位置の
影響を除去し、より正確な測定を可能とする。
【００１３】本発明は、前記の半導体シリコン結晶の評
価方法であって、半導体試料の荷電子帯と伝導帯間での
帯間吸収遷移を起こしうる光を、前記半導体試料表面を
走査するように与え、もって該半導体試料中に含まれる
酸素濃度の二次元的な濃度分布を得ることを特徴とす
る。このように、本発明の方法では、光を前記半導体試
料表面を走査するように与えることによって、GFA 法等
では不可能であった、詳細な半導体試料中に含まれる酸
素濃度の二次元的な濃度分布を測定することが可能とな
る。
価方法であって、半導体試料の荷電子帯と伝導帯間での
帯間吸収遷移を起こしうる光を、前記半導体試料表面を
走査するように与え、もって該半導体試料中に含まれる
酸素濃度の二次元的な濃度分布を得ることを特徴とす
る。このように、本発明の方法では、光を前記半導体試
料表面を走査するように与えることによって、GFA 法等
では不可能であった、詳細な半導体試料中に含まれる酸
素濃度の二次元的な濃度分布を測定することが可能とな
る。
【００１４】本発明は、結晶中の酸素濃度に関して評価
を行うべき、半導体シリコン試料を室温から50K の範囲
に保持する手段と、前記温度環境下に置いた状態のま
ま、前記半導体試料にその荷電子帯と伝導帯間吸収遷移
を起こしうる光を照射する手段と、該光照射に基づき、
該半導体試料から得られた0.96eV近傍のエネルギーのフ
ォトルミネッセンス光の強度情報から、該半導体試料中
に含まれる酸素濃度に関する評価を行う手段と、を有し
てなる半導体評価装置である。また、本発明は、前記の
半導体評価装置であって、半導体試料に照射される光
を、該半導体表面に関し、相対的に二次元走査する手段
をさらに有することを特徴とする。
を行うべき、半導体シリコン試料を室温から50K の範囲
に保持する手段と、前記温度環境下に置いた状態のま
ま、前記半導体試料にその荷電子帯と伝導帯間吸収遷移
を起こしうる光を照射する手段と、該光照射に基づき、
該半導体試料から得られた0.96eV近傍のエネルギーのフ
ォトルミネッセンス光の強度情報から、該半導体試料中
に含まれる酸素濃度に関する評価を行う手段と、を有し
てなる半導体評価装置である。また、本発明は、前記の
半導体評価装置であって、半導体試料に照射される光
を、該半導体表面に関し、相対的に二次元走査する手段
をさらに有することを特徴とする。
【００１５】このような装置によって、前記の方法を実
施することができ、ボロンが高濃度にドープされたシリ
コン結晶の酸素濃度およびその分布の測定評価を、低コ
ストかつ簡易、正確に行うことを可能とする。
施することができ、ボロンが高濃度にドープされたシリ
コン結晶の酸素濃度およびその分布の測定評価を、低コ
ストかつ簡易、正確に行うことを可能とする。
【００１６】本発明者は前記従来の方法とは原理的に異
なる方法で、ボロンを高濃度に含むシリコン結晶中酸素
の情報を引き出せないものか考え本発明を完成させた。
以前より、結晶中の酸素がある程度凝集すると結晶中に
Deep Levelを形成すると言うことは知られていた。ま
た、低濃度ボロンドープ結晶（抵抗率〜10Ωcm）の場
合、そのDeep Levelの発光をフォトルミネッセンス（P
L）法で観察できることも知られていた。ただし、比抵
抗が数Ωcm以上のシリコン結晶の場合、As-grownの状態
では酸素の凝集がそれほど多くないため、そのままでは
Deep Level発光はほとんど観察できず、観察できるよう
にするには何らかの酸素凝集熱処理が必要であった。
なる方法で、ボロンを高濃度に含むシリコン結晶中酸素
の情報を引き出せないものか考え本発明を完成させた。
以前より、結晶中の酸素がある程度凝集すると結晶中に
Deep Levelを形成すると言うことは知られていた。ま
た、低濃度ボロンドープ結晶（抵抗率〜10Ωcm）の場
合、そのDeep Levelの発光をフォトルミネッセンス（P
L）法で観察できることも知られていた。ただし、比抵
抗が数Ωcm以上のシリコン結晶の場合、As-grownの状態
では酸素の凝集がそれほど多くないため、そのままでは
Deep Level発光はほとんど観察できず、観察できるよう
にするには何らかの酸素凝集熱処理が必要であった。
【００１７】一方、本発明者は様々な調査の結果、本発
明で対象とする高濃度ボロンドープ結晶の場合、As-gro
wnの状態でかなりの量の酸素凝集体が結晶中に存在して
いることをつきとめた。このことから、このような高濃
度ボロンドープ基板の場合は特別な酸素凝集熱処理を施
さなくても、As-grownの状態でPL法で観察可能なDeepLe
vel発光があるのではないかという発想にたどり着い
た。そこで実際に、測定条件などを検討した結果、特
に、通常のPL測定の場合に比べてレーザー照射強度が弱
励起条件の下で、高濃度ボロンドープ結晶にはPL法によ
り観察可能な、結晶中酸素に起因する０．９６eV近傍、
特には０．９８eVから０．９６eVのDeep Level発光がAs
-grown状態で既に存在することを初めてつきとめた。ま
た、このDeepLevel発光強度が結晶中酸素濃度と良い正
相関にあることもつきとめた。
明で対象とする高濃度ボロンドープ結晶の場合、As-gro
wnの状態でかなりの量の酸素凝集体が結晶中に存在して
いることをつきとめた。このことから、このような高濃
度ボロンドープ基板の場合は特別な酸素凝集熱処理を施
さなくても、As-grownの状態でPL法で観察可能なDeepLe
vel発光があるのではないかという発想にたどり着い
た。そこで実際に、測定条件などを検討した結果、特
に、通常のPL測定の場合に比べてレーザー照射強度が弱
励起条件の下で、高濃度ボロンドープ結晶にはPL法によ
り観察可能な、結晶中酸素に起因する０．９６eV近傍、
特には０．９８eVから０．９６eVのDeep Level発光がAs
-grown状態で既に存在することを初めてつきとめた。ま
た、このDeepLevel発光強度が結晶中酸素濃度と良い正
相関にあることもつきとめた。
【００１８】そこで、この今回新たに発見したDeep Lev
el発光を高濃度ボロンドープシリコン結晶の酸素濃度評
価に利用することで、上記の従来技術の問題点の解決が
可能となる。すなわち、あらかじめ今回発見したDeep L
evel発光強度と高濃度ボロンドープシリコン結晶中の酸
素濃度との検量線を作ってさえおけば良いのである。ま
た、基本的に非破壊法であるため、製品ウェーハを評価
することも可能であり、繰り返し評価も可能である。ウ
エーハの面内分布を評価する場合も、測定スポットが小
さいため非常に高い空間分解能で観察が可能である。ま
た、マッピング機能を持たせることでウェーハ面内にお
ける酸素濃度の二次元的分布をも得ることができる。
el発光を高濃度ボロンドープシリコン結晶の酸素濃度評
価に利用することで、上記の従来技術の問題点の解決が
可能となる。すなわち、あらかじめ今回発見したDeep L
evel発光強度と高濃度ボロンドープシリコン結晶中の酸
素濃度との検量線を作ってさえおけば良いのである。ま
た、基本的に非破壊法であるため、製品ウェーハを評価
することも可能であり、繰り返し評価も可能である。ウ
エーハの面内分布を評価する場合も、測定スポットが小
さいため非常に高い空間分解能で観察が可能である。ま
た、マッピング機能を持たせることでウェーハ面内にお
ける酸素濃度の二次元的分布をも得ることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施形態の一例を
図面を参照しながら詳細に説明する。ここで、図１は本
発明に係るフォトルミネッセンス測定装置を示す概要図
である。この装置では、被測定試料である半導体シリコ
ン結晶１は室温から５０K の範囲に温度制御可能な容器
２中に配置されている。試料を低温とするのは、環境温
度の影響を除去するとともに、0.96eV近傍のフォトルミ
ネッセンス光の発光効率を上げ、測定精度を向上させる
ためで、特に液体窒素を用いて150Kから50K として測定
するのが望ましい。励起光３はKrイオンレーザー４の波
長６４７nmの光を用いることが好ましく、ミラー５を介
して半導体シリコン結晶１に照射される。励起光の強度
は試料表面で０．１mW/mmfから５００mW/mmfであること
が好ましい。試料表面の酸素凝集体からの０．９６eV近
傍、特には０．９８eVから０．９６eVの範囲のフォトル
ミネッセンス光６は、レンズ７で集光され、モノクロメ
ーター８で分光された後に検出器９で検出される。検出
された信号はパーソナルコンピューター１０を用いて解
析される。
図面を参照しながら詳細に説明する。ここで、図１は本
発明に係るフォトルミネッセンス測定装置を示す概要図
である。この装置では、被測定試料である半導体シリコ
ン結晶１は室温から５０K の範囲に温度制御可能な容器
２中に配置されている。試料を低温とするのは、環境温
度の影響を除去するとともに、0.96eV近傍のフォトルミ
ネッセンス光の発光効率を上げ、測定精度を向上させる
ためで、特に液体窒素を用いて150Kから50K として測定
するのが望ましい。励起光３はKrイオンレーザー４の波
長６４７nmの光を用いることが好ましく、ミラー５を介
して半導体シリコン結晶１に照射される。励起光の強度
は試料表面で０．１mW/mmfから５００mW/mmfであること
が好ましい。試料表面の酸素凝集体からの０．９６eV近
傍、特には０．９８eVから０．９６eVの範囲のフォトル
ミネッセンス光６は、レンズ７で集光され、モノクロメ
ーター８で分光された後に検出器９で検出される。検出
された信号はパーソナルコンピューター１０を用いて解
析される。
【００２０】半導体シリコン結晶の酸素濃度の分布を測
定する場合には、図示しない二次元走査手段、例えばＸ
−Ｙテーブルを容器２側もしくは光源側に設ければよ
い。また、測定に用いる試料の面状態はメカノケミカル
研磨を施した研磨面もしくは化学エッチングにより鏡面
化したエッチング面とし、測定試料の表面状態による影
響を取り除くのが好ましい。
定する場合には、図示しない二次元走査手段、例えばＸ
−Ｙテーブルを容器２側もしくは光源側に設ければよ
い。また、測定に用いる試料の面状態はメカノケミカル
研磨を施した研磨面もしくは化学エッチングにより鏡面
化したエッチング面とし、測定試料の表面状態による影
響を取り除くのが好ましい。
【００２１】図２は図１の装置を用いて酸素濃度が１
３．５ppma（JEIDA 、以下本発明では酸素濃度の単位は
全てこの単位を用いる）、ボロン濃度が５×１０18原子
/cm3の試料のDeep Level発光を、 Kr イオンレーザーの
波長６４７nmの光を励起光として液体窒素温度で測定し
た結果を示すチャートである。従来から知られている
１．０５eVのバンド間遷移発光のピークとともに本発明
者が発見した０．９６eVの発光が観察される。従って、
０．９６eV近傍、特には０．９８eVから０．９６eVのエ
ネルギーのフォトルミネッセンス光の強度を測定すれ
ば、試料中の酸素濃度を測定できることがわかる。
３．５ppma（JEIDA 、以下本発明では酸素濃度の単位は
全てこの単位を用いる）、ボロン濃度が５×１０18原子
/cm3の試料のDeep Level発光を、 Kr イオンレーザーの
波長６４７nmの光を励起光として液体窒素温度で測定し
た結果を示すチャートである。従来から知られている
１．０５eVのバンド間遷移発光のピークとともに本発明
者が発見した０．９６eVの発光が観察される。従って、
０．９６eV近傍、特には０．９８eVから０．９６eVのエ
ネルギーのフォトルミネッセンス光の強度を測定すれ
ば、試料中の酸素濃度を測定できることがわかる。
【００２２】
【実施例】以下、本発明の実施例を示すが、本発明はこ
れらに限定されるものではない。 （実施例１）ボロン濃度が５×１０18原子/cm3で異なる
３水準の酸素濃度のチョクラルスキー法シリコン結晶の
ほぼ同じ位置（結晶成長軸中心付近）からフォトルミネ
ッセンス測定用とGFA 法測定用の試料を切り出し、Krイ
オンレーザーの波長６４７nmの光を励起光として液体窒
素温度で０．９６eVの発光強度を測定するとともに、GF
A 法による酸素濃度測定を同一結晶について５回行っ
た。その結果をGFA 法による測定値の平均値を横軸に、
フォトルミネッセンス光の発光強度を縦軸にとり図３に
示す。同図には実質的に格子間酸素を含まないボロン濃
度が５×１０18原子/cm3のエピタキシャル層を両方法で
測定した結果も併せて示した。図３から明らかなように
両方法の測定結果には良い相関がある。
れらに限定されるものではない。 （実施例１）ボロン濃度が５×１０18原子/cm3で異なる
３水準の酸素濃度のチョクラルスキー法シリコン結晶の
ほぼ同じ位置（結晶成長軸中心付近）からフォトルミネ
ッセンス測定用とGFA 法測定用の試料を切り出し、Krイ
オンレーザーの波長６４７nmの光を励起光として液体窒
素温度で０．９６eVの発光強度を測定するとともに、GF
A 法による酸素濃度測定を同一結晶について５回行っ
た。その結果をGFA 法による測定値の平均値を横軸に、
フォトルミネッセンス光の発光強度を縦軸にとり図３に
示す。同図には実質的に格子間酸素を含まないボロン濃
度が５×１０18原子/cm3のエピタキシャル層を両方法で
測定した結果も併せて示した。図３から明らかなように
両方法の測定結果には良い相関がある。
【００２３】（実施例２）ボロン濃度が５×１０18原子
/cm3で異なる６水準の酸素濃度のチョクラルスキー法シ
リコン結晶の肩部と尾部とのほぼ同じ位置（結晶成長軸
中心付近）からフォトルミネッセンス測定用とGFA 法測
定用の試料を切り出し、実施例１と同様にフォトルミネ
ッセンス法とGFA 法による酸素濃度測定を同一結晶につ
いて５回行った。その結果をGFA 法による測定値の平均
値および最大値と最小値を横軸に、試料表面状態による
フォトルミネッセンス光のばらつきの影響を除去するた
めにバンド端発光強度で規格化したフォトルミネッセン
ス光の発光強度を縦軸にとり図４に示す。フォトルミネ
ッセンス法の測定値は再現性が良いため最大値と最小値
がプロットの印に含まれてしまうレベルであったが、GF
A 法では最大値と最小値との差が２ppma程度にもなって
いる。また、結晶の肩部と尾部とで相関関係が異なって
いるが、これは肩部と尾部とで格子間酸素濃度は同じで
も酸素の凝集体の密度が異なっているためと考えられ
る。
/cm3で異なる６水準の酸素濃度のチョクラルスキー法シ
リコン結晶の肩部と尾部とのほぼ同じ位置（結晶成長軸
中心付近）からフォトルミネッセンス測定用とGFA 法測
定用の試料を切り出し、実施例１と同様にフォトルミネ
ッセンス法とGFA 法による酸素濃度測定を同一結晶につ
いて５回行った。その結果をGFA 法による測定値の平均
値および最大値と最小値を横軸に、試料表面状態による
フォトルミネッセンス光のばらつきの影響を除去するた
めにバンド端発光強度で規格化したフォトルミネッセン
ス光の発光強度を縦軸にとり図４に示す。フォトルミネ
ッセンス法の測定値は再現性が良いため最大値と最小値
がプロットの印に含まれてしまうレベルであったが、GF
A 法では最大値と最小値との差が２ppma程度にもなって
いる。また、結晶の肩部と尾部とで相関関係が異なって
いるが、これは肩部と尾部とで格子間酸素濃度は同じで
も酸素の凝集体の密度が異なっているためと考えられ
る。
【００２４】（実施例３）実施例２でフォトルミネッセ
ンス測定を行ったウエーハを４５０℃１２時間窒素雰囲
気中で熱処理後、再度実施例１と同様の方法でフォトル
ミネッセンス測定を行った。その結果をGFA 法による測
定値の平均値を横軸に、試料表面状態によるフォトルミ
ネッセンス光のばらつきの影響を除去するためにバンド
端発光強度で規格化したフォトルミネッセンス光の発光
強度を縦軸にとり図５に示す。図５から分かるように熱
処理後の試料では結晶位置に係わらず一定の相関関係が
得られる。
ンス測定を行ったウエーハを４５０℃１２時間窒素雰囲
気中で熱処理後、再度実施例１と同様の方法でフォトル
ミネッセンス測定を行った。その結果をGFA 法による測
定値の平均値を横軸に、試料表面状態によるフォトルミ
ネッセンス光のばらつきの影響を除去するためにバンド
端発光強度で規格化したフォトルミネッセンス光の発光
強度を縦軸にとり図５に示す。図５から分かるように熱
処理後の試料では結晶位置に係わらず一定の相関関係が
得られる。
【００２５】これは、４００℃〜５００℃の熱処理をシ
リコン単結晶に加えると、酸素を均一に凝集できること
が知られており、熱処理によって酸素が凝集しその密度
が均一化したため、結晶成長中に異なった熱履歴を有す
る結晶位置の影響を排除できるためと考えられる。すな
わち、この温度範囲で熱処理したシリコン単結晶中の凝
集体の形状および凝集度により、強いピークが得られ、
スペクトルがきれいになり、ＰＬ発光特性が好ましいも
のになると考えられる。そして、この酸素を十分に凝集
させ、結晶位置の影響を取り除くためには、１時間以上
の熱処理が必要であり、４８時間を越えて処理してもそ
れ以上の凝集は起こらず、コスト的に無駄となる。
リコン単結晶に加えると、酸素を均一に凝集できること
が知られており、熱処理によって酸素が凝集しその密度
が均一化したため、結晶成長中に異なった熱履歴を有す
る結晶位置の影響を排除できるためと考えられる。すな
わち、この温度範囲で熱処理したシリコン単結晶中の凝
集体の形状および凝集度により、強いピークが得られ、
スペクトルがきれいになり、ＰＬ発光特性が好ましいも
のになると考えられる。そして、この酸素を十分に凝集
させ、結晶位置の影響を取り除くためには、１時間以上
の熱処理が必要であり、４８時間を越えて処理してもそ
れ以上の凝集は起こらず、コスト的に無駄となる。
【００２６】（実施例４）実施例１で用いた試料につい
て結晶の周辺部から試料を切り出し、周辺３mmから１５
mmにかけて０．５mmステップでフォトルミネッセンス測
定を行った。その結果を図６に示す。この結晶の周辺部
には酸素濃度のピークが観察されるが、このピークは数
mm角の試料が必要なGFA 法では観察することが出来ない
ものである。
て結晶の周辺部から試料を切り出し、周辺３mmから１５
mmにかけて０．５mmステップでフォトルミネッセンス測
定を行った。その結果を図６に示す。この結晶の周辺部
には酸素濃度のピークが観察されるが、このピークは数
mm角の試料が必要なGFA 法では観察することが出来ない
ものである。
【００２７】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。
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。
【００２８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
高濃度ボロンドープ半導体シリコン単結晶中の格子間酸
素濃度を、低コストで再現性良く、高感度に測定可能に
なるとともに、酸素濃度分布の評価も可能になる。
高濃度ボロンドープ半導体シリコン単結晶中の格子間酸
素濃度を、低コストで再現性良く、高感度に測定可能に
なるとともに、酸素濃度分布の評価も可能になる。
【図１】本発明の測定装置を示す概要図である。
【図２】本発明に係るフォトルミネッセンス光のピーク
を示すチャートである。
を示すチャートである。
【図３】本発明に係るフォトルミネッセンス光の強度と
GFA 法による酸素濃度測定結果の相関を示すグラフであ
る。
GFA 法による酸素濃度測定結果の相関を示すグラフであ
る。
【図４】本発明に係るフォトルミネッセンス光の強度と
GFA 法による酸素濃度測定結果の相関を示すグラフであ
り、両方法の再現性の違いを示すグラフである。
GFA 法による酸素濃度測定結果の相関を示すグラフであ
り、両方法の再現性の違いを示すグラフである。
【図５】本発明に係るフォトルミネッセンス光の強度と
GFA 法による酸素濃度測定結果の相関を示すグラフであ
り、熱処理の効果を示すグラフである。
GFA 法による酸素濃度測定結果の相関を示すグラフであ
り、熱処理の効果を示すグラフである。
【図６】本発明に係るフォトルミネッセンス光の強度の
面内分布の測定結果を示すグラフである。
面内分布の測定結果を示すグラフである。
１…半導体シリコン結晶、 ２…容器、３…
励起光、 ４…Krイオンレーザ
ー、５…ミラー、 ６…フォト
ルミネッセンス光、７…レンズ、
８…モノクロメーター、９…検出器、
１０…パーソナルコンピューター。
励起光、 ４…Krイオンレーザ
ー、５…ミラー、 ６…フォト
ルミネッセンス光、７…レンズ、
８…モノクロメーター、９…検出器、
１０…パーソナルコンピューター。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 平３−11974（ＪＰ，Ａ)
特開 平５−62984（ＪＰ，Ａ)
Ｙ．Ｋｉｔａｇａｗａｒａ ｅｔ．ａ
ｌ，Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ Ｏｘ
ｙｇｅｎ Ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｅｄ
Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｃｒｙｓｔａｌｓ ｂ
ｙ Ｄｅｅｐ−Ｌｅｖｅｌ Ｐｈｏｔｏ
ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ ａｔ Ｒｏ
ｏｍ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕ，Ｊ．Ｅｌｅ
ｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，1992年,
Ｖｏｌ．139，Ｎｏ．８，ｐ．2277−
2281
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G01N 21/62 - 21/74
H01L 21/64 - 21/66
ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (6)
- 【請求項１】 ボロンが濃度１０１７原子/cm３以上ド
ープされた半導体シリコン結晶に、As-grownの状態で、
または、400 ℃から500 ℃の温度帯において、1 時間か
ら48時間の熱処理を施した後で、前記半導体シリコン結
晶試料の荷電子帯と伝導帯間での帯間吸収遷移を起こし
うる光を照射し、 該光照射により、前記半導体試料から得られた0.98eVか
ら0.96eVのエネルギー範囲のフォトルミネッセンス光の
強度を測定し、 前記半導体試料中に含まれる酸素濃度に関する評価を行
うことを特徴とする半導体シリコン結晶の評価方法。 - 【請求項２】 前記フォトルミネッセンス光の測定を試
料の温度が室温から50Ｋの範囲で行うことを特徴とする
請求項１に記載の半導体シリコン結晶の評価方法。 - 【請求項３】 前記フォトルミネッセンス光の測定を試
料の温度が150Kから50Ｋの範囲で行うことを特徴とする
請求項１に記載の半導体シリコン結晶の評価方法。 - 【請求項４】 半導体試料の荷電子帯と伝導帯間での帯
間吸収遷移を起こしうる光を、前記半導体試料表面を走
査するように与え、もって該半導体試料中に含まれる酸
素濃度の二次元的な濃度分布を得る、ことを特徴とする
請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の半導体
シリコン結晶の評価方法。 - 【請求項５】 前記請求項１ないし請求項４のいずれか
１項に記載の半導体シリコン結晶の評価方法に用いる半
導体評価装置であって、 結晶中の酸素濃度に関して評価を行うべき、半導体シリ
コン試料を室温から50K の範囲に保持する手段と、 前記温度環境下に置いた状態のまま、前記半導体試料に
その荷電子帯と伝導帯間吸収遷移を起こしうる光を照射
する手段と、 該光照射に基づき、該半導体試料から得られた0.98eVか
ら0.96eVのエネルギー範囲のフォトルミネッセンス光の
強度情報から、該半導体試料中に含まれる酸素濃度に関
する評価を行う手段と、 を有してなる半導体評価装置。 - 【請求項６】 半導体試料に照射される光を、該半導体
表面に関し、相対的に二次元走査する手段をさらに有す
る、ことを特徴とする請求項５に記載の半導体評価装
置。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP05996796A JP3460434B2 (ja) | 1996-02-22 | 1996-02-22 | 半導体シリコン結晶中の酸素濃度評価方法及び装置 |
| DE69703901T DE69703901T2 (de) | 1996-02-22 | 1997-02-12 | Verfahren zur Bewertung der Sauerstoffkonzentration in halbleitendem monokristallinem Silizium |
| EP97300885A EP0791820B1 (en) | 1996-02-22 | 1997-02-12 | Method for evaluating oxygen concentration in semiconductor silicon single crystal |
| US08/800,393 US5841532A (en) | 1996-02-22 | 1997-02-14 | Method for evaluating oxygen concentrating in semiconductor silicon single crystal |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP05996796A JP3460434B2 (ja) | 1996-02-22 | 1996-02-22 | 半導体シリコン結晶中の酸素濃度評価方法及び装置 |
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|---|---|
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| JP3460434B2 true JP3460434B2 (ja) | 2003-10-27 |
Family
ID=13128460
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP05996796A Expired - Fee Related JP3460434B2 (ja) | 1996-02-22 | 1996-02-22 | 半導体シリコン結晶中の酸素濃度評価方法及び装置 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5841532A (ja) |
| EP (1) | EP0791820B1 (ja) |
| JP (1) | JP3460434B2 (ja) |
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| US20020142170A1 (en) * | 1999-07-28 | 2002-10-03 | Sumitomo Metal Industries, Ltd. | Silicon single crystal, silicon wafer, and epitaxial wafer |
| DE10050349C2 (de) * | 2000-10-11 | 2002-11-07 | Schott Glas | Verfahren zur Bestimmung der Strahlenbeständigkeit von Kristallen und deren Verwendung |
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| US9209096B2 (en) | 2010-07-30 | 2015-12-08 | First Solar, Inc | Photoluminescence measurement |
| JP5440564B2 (ja) * | 2011-07-14 | 2014-03-12 | 信越半導体株式会社 | 結晶欠陥の検出方法 |
| JP6268039B2 (ja) * | 2014-05-23 | 2018-01-24 | グローバルウェーハズ・ジャパン株式会社 | 検量線の作成方法、不純物濃度の測定方法、及び半導体ウェハの製造方法 |
| JP6973361B2 (ja) * | 2018-11-29 | 2021-11-24 | 信越半導体株式会社 | 酸素濃度測定方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| JPH0333642A (ja) * | 1989-06-30 | 1991-02-13 | Nippon Steel Corp | シリコン単結晶中の酸素析出量の測定方法 |
-
1996
- 1996-02-22 JP JP05996796A patent/JP3460434B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
1997
- 1997-02-12 EP EP97300885A patent/EP0791820B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1997-02-12 DE DE69703901T patent/DE69703901T2/de not_active Expired - Fee Related
- 1997-02-14 US US08/800,393 patent/US5841532A/en not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Ｙ．Ｋｉｔａｇａｗａｒａ ｅｔ．ａｌ，Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｏｆ Ｏｘｙｇｅｎ Ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｅｄ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｃｒｙｓｔａｌｓ ｂｙ Ｄｅｅｐ−Ｌｅｖｅｌ Ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ ａｔ Ｒｏｏｍ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕ，Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．，１９９２年，Ｖｏｌ．１３９，Ｎｏ．８，ｐ．２２７７−２２８１ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE69703901T2 (de) | 2001-08-09 |
| US5841532A (en) | 1998-11-24 |
| DE69703901D1 (de) | 2001-02-22 |
| EP0791820A1 (en) | 1997-08-27 |
| JPH09229860A (ja) | 1997-09-05 |
| EP0791820B1 (en) | 2001-01-17 |
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