JP3661767B2

JP3661767B2 - Quality evaluation method of silicon wafer

Info

Publication number: JP3661767B2
Application number: JP2000272623A
Authority: JP
Inventors: 健長谷川; 輝三伊藤; 弘幸白木
Original assignee: 三菱住友シリコン株式会社
Priority date: 2000-09-08
Filing date: 2000-09-08
Publication date: 2005-06-22
Anticipated expiration: 2020-09-08
Also published as: JP2002083852A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコンウェーハ、特にエピタキシャルウェーハ内に存在する不純物や欠陥等を評価する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の評価方法として、半導体基板の主表面上に半導体薄層が形成され、被検半導体のバンドギャップよりエネルギの大きい励起光を用いて、半導体薄層表面近傍に電子正孔対を発生させ、この電子正孔対の再結合により発する光の特定波長の強度を検出し、その強度から半導体薄層又はその近傍のライフタイムを評価する半導体表面のライフタイム評価方法が開示されている（特開平８−１３９１４６号）。このライフタイム評価方法では、上記電子正孔対の再結合により発する特定波長の光がバンド端発光であり、上記励起光の波長の選択により電子正孔対の発生する深さ領域を選択的に変更可能に構成される。また半導体基板としては、キャリアの拡散長を比較的短くかつバンド端発光の強度を強くするため、その抵抗率が０．１Ω・ｃｍ以下の結晶が用いられる。
このように構成された半導体表面のライフタイム評価方法では、励起光の波長を選択することにより、電子正孔対の発生する深さ領域を選択的に変化させることができるので、半導体薄層のみのライフタイム評価や、半導体薄層及び半導体基板の両者を含んだライフタイム評価を選択的に行えるようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の特開平８−１３９１４６号公報に示された半導体表面のライフタイム評価方法では、励起光の波長を変えても電子正孔対の発生する深さ領域をコントロールできない不具合がある。即ち、励起光の照射により半導体薄層で発生した電子正孔対は有限のライフタイムを有するため、拡散して励起光の照射領域の外で再結合して発光する場合がある。この結果、励起光の波長を変えても励起光の照射領域のみで発する光とはならず、電子正孔対の発生する深さ領域をコントロールできない。
本発明の目的は、シリコンウェーハを破壊せずかつシリコンウェーハに接触せずに、薄膜層又はバルク基板のライフタイムと正相関のあるフォトルミネッセンス光強度を求めることができ、薄膜層又はバルク基板内の不純物や欠陥等を正確に評価できる、シリコンウェーハの品質評価方法を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
半導体基板の表面から励起光（最近ではコヒーレントの良いレーザが用いられる。）を入射すると、この励起光は励起波長に対する吸収係数で決まる深さまで侵入する。この吸収係数は半導体物質に固有の値であり、波長が４８８ｎｍである励起光（アルゴンレーザ）をシリコン単結晶からなるエピタキシャルウェーハに入射した場合には、吸収係数は１０００／ｃｍ（カイザー）程度であり、侵入長は１μｍ程度である。また半導体基板に励起光を照射すると、この励起光により励起された電子と正孔は他の再結合中心がなければ、伝導帯及び価電子帯間で再結合し（バンド端発光）、非発光中心が存在すれば、励起キャリアは非発光中心で再結合する（バンド端発光は弱くなる。）。
【０００５】
例えば、ｐ／ｐ⁺エピタキシャルウェーハのエピタキシャル層（厚さ５μｍ）表面からアルゴンレーザ（波長：４８８ｎｍ）を入射すると、侵入長が１μｍであるため、上記レーザはエピタキシャル層の厚さ５μｍの範囲内で止まる。しかしキャリアはエピタキシャル層内で有限のライフタイムを有するので、キャリアの拡散が生じ、バルク基板側まで拡散する。この結果、ウェーハのライフタイムが短ければキャリアはバルク基板内に侵入し難くなり、ウェーハのライフタイムが長ければキャリアはバルク基板内に侵入し易くなる。
【０００６】
一方、エピタキシャル層のみをフォトルミネッセンス法により評価する場合、バルク基板とエピタキシャル層との違いを認識する必要がある。バルク基板の表面に励起光を照射すると、バルク基板のほぼ厚さ方向の全てからフォトルミネッセンス光が発するけれども、ｐ／ｐ⁺エピタキシャルウェーハのエピタキシャル層表面に励起光を照射すると、キャリアが拡散するため、ウェーハが発するフォトルミネッセンス光にはエピタキシャル層（ｐ）のみならずバルク基板（ｐ⁺）が発するものも含まれる。そこで本発明者らはキャリア拡散を考慮したフォトルミネッセンス光を、バルク基板からの発光とエピタキシャル層からの発光とに分離する方法を見出し、本発明をなすに至った。
【０００７】
請求項１に係る発明は、図１に示すように、励起光１３をバルク基板１１ａ及びこのバルク基板上に積層された薄膜層１１ｂからなるシリコンウェーハ１１の表面に断続的に照射し、励起光のシリコンウェーハへの照射の断続時にシリコンウェーハがフォトルミネッセンス光１６を発し、フォトルミネッセンス光の強度を測定することによりシリコンウェーハの品質を評価する方法の改良である。
その特徴ある構成は、励起光１３の照射時に薄膜層１１ｂ内に発生したキャリアの定常状態における拡散分布を拡散方程式を解いて求め、上記キャリアの定常状態における拡散分布からフォトルミネッセンス光強度の信号データ［ＰＬ］を求める式(1)を導き、入射強度の異なる２種類の励起光１３をそれぞれシリコンウェーハ１１の表面に照射して上記２種類のフォトルミネッセンス光強度の信号データを測定し、上記２種類のフォトルミネッセンス光強度の信号データのうち強度の小さい信号データを所定倍した後に強度の大きい信号データから強度の小さい信号データを引くことにより、上記式（１）の第１項を消去して薄膜層１１ｂからの発光分をより多く含む信号データを得るか、或いは式（１）の第２項を消去してバルク基板１１ａからの発光分をより多く含む信号データを得るところにある。
【０００８】
【数２】

ここで、［ＰＬ］はフォトルミネッセンス光強度の信号データであり、Ｃは定数であり、Ｂ_rは発光再結合係数であり、ｐは薄膜層内のキャリア濃度であり、ｐ_bはバルク基板内のキャリア濃度であり、τは薄膜層におけるキャリアのライフタイムであり、τ_bはバルク基板におけるキャリアのライフタイムであり、Ｄはキャリアの拡散係数であり、ｄは薄膜層の厚さであり、Ｉは励起光の入射強度である。
【０００９】
この請求項１に記載されたシリコンウェーハの品質評価方法では、式（１）から第１項を消去すれば、シリコンウェーハ１１を破壊せずかつシリコンウェーハに接触せずに、薄膜層１１ｂのフォトルミネッセンス光強度と正相関を有する薄膜層１１ｂのライフタイムτを予測することができ、この薄膜層１１ｂのフォトルミネッセンス光強度は薄膜層１１ｂ内の不純物や欠陥を正確に表した値となる。また式（１）から第２項を消去すれば、バルク基板１１ａのフォトルミネッセンス光強度と正相関を有するバルク基板１１ａのライフタイムτを予測することができ、このバルク基板１１ａのフォトルミネッセンス光強度はバルク基板１１ａ内の不純物や欠陥を正確に表した値となる。更にこの品質評価方法はエピタキシャルウェーハのエピタキシャル層又はバルク基板の品質評価に好適である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１に示すように、本発明の評価方法により評価されるシリコンウェーハ１１はこの実施の形態では、バルク基板１１ａの表面にエピタキシャル層１１ｂが積層されたエピタキシャルウェーハである。このエピタキシャルウェーハ１１の品質を評価するには品質評価装置１２が用いられる。この品質評価装置１２は励起光１３をウェーハ１１の表面に照射するレーザ装置１４と、このレーザ装置とウェーハ１１との間に設けられたチョッパ２１と、励起光１３のウェーハ１１への照射の断続時にウェーハ１１の発するフォトルミネッセンス光１６が導入される分光器１７と、この分光器に導入されたフォトルミネッセンス光１６の強度を電気信号に変換する光検出器１８と、光検出器により変換された電気信号を取込んで増幅するロックイン増幅器１９と、ロックイン増幅器で増幅された電気信号を読取るコントローラ２３とを備える。
【００１１】
レーザ装置１４としては、レーザの入射強度（入射光子数）を変更可能なアルゴンイオンレーザなどのガスレーザや、ＹＡＧなどの固体レーザや、ＡｌＧａＡｓなどの半導体レーザ等が用いられる。なお、エピタキシャルウェーハではなく、ＤＺ（denuded zone）層を有するポリッシュドウェーハ（ＰＷ）にも本発明の評価方法を適用できる。ＤＺ層を有するポリッシュドウェーハでは、ＤＺ層がエピタキシャル層に相当する。
【００１２】
チョッパ２１は軸２１ａを中心に回転しかつ軸を中心とする同一円周上に複数の小孔２１ｂが形成された不透明な円板２１ｃと、軸に固着された従動ギヤ２１ｄと、従動ギヤに噛合する駆動ギヤ２１ｅと、駆動ギヤを駆動するモータ２１ｆとを有する。モータ２１ｆにより円板２１ｃを所定の回転速度で回転させ、半導体基板１１に照射される励起光１３を円板２１ｃにより遮ったり或いは小孔２１ｂを通過させることにより、励起光１３を所定の周波数で断続可能に構成される。またチョッパ２１には上記断続して半導体基板１１に照射される励起光１３の断続周波数と同一の周波数のパルス信号を発する発信器２１ｇが設けられる。なお、チョッパ２１による励起光１３の断続周波数は８０〜１００Ｈｚの範囲内の所定の周波数、好ましくは９０Ｈｚである。
【００１３】
励起光１３は集光ミラー２４で反射して半導体基板１１の表面に照射される。この集光ミラー２４としては凹面鏡や平面鏡などが用いられる。焦点距離が１３０ｍｍ程度の集光ミラー２４（凹面鏡）を用いた場合には、半導体基板１１の励起領域のスポットサイズ（直径）は約０．５ｍｍとなり、焦点距離が無限大の集光ミラー２４（平面鏡）を用いた場合には、上記スポットサイズ（直径）は約１．５ｍｍとなる。
【００１４】
分光器１７は図示しないが半導体基板１１が発したフォトルミネッセンス光１６を通過させる入口側スリットと、入口側スリットを通過したフォトルミネッセンス光１６を分光させるグレーティングと、グレーティングで分光されたフォトルミネッセンス光１６を通過させる出口側スリットとを有する。グレーティングは６００本／ｍｍのスリットを有することが好ましい。なお、ウェーハ１１が発したフォトルミネッセンス光１６は２枚の平行な石英レンズ２６，２７で集められた後に分光器１７に導入される。
【００１５】
ロックイン増幅器１９は光検出器１８により変換された電気信号とともに、チョッパ２１に設けられた発信器２１ｇが発したパルス信号も取込んで増幅するように構成される。またコントローラ２３の制御入力には上記ロックイン増幅器１９で増幅された電気信号及びパルス信号がそれぞれ入力され、コントローラ２３の制御出力はレーザ装置１４、モータ２１及び表示器２８（ディスプレイやモニタなど）に接続される。
【００１６】
このように構成された品質評価装置を用いてエピタキシャルウェーハ１１の品質を評価する方法を説明する。
先ず、励起光１３の照射時に薄膜層１１ｂ内に発生したキャリアの定常状態における拡散分布を拡散方程式を解いて求め、上記キャリアの定常状態における拡散分布からフォトルミネッセンス光強度の信号データ［ＰＬ］を求める式(1)を導く。
【００１７】
【数３】

ここで、［ＰＬ］はフォトルミネッセンス光強度の信号データであり、Ｃは定数であり、Ｂ_rは発光再結合係数であり、ｐはエピタキシャル層内のキャリア濃度であり、ｐ_bはバルク基板内のキャリア濃度であり、τはエピタキシャル層におけるキャリアのライフタイムであり、τ_bはバルク基板におけるキャリアのライフタイムであり、Ｄはキャリアの拡散係数であり、ｄはエピタキシャル層の厚さであり、Ｉは励起光の入射強度である。
【００１８】
上記式(1)のフォトルミネッセンス光強度の信号データ［ＰＬ］は入射強度（入射光子数）Ｉに比例する第１項と、入射強度（入射光子数）Ｉの２乗に比例する第２項とからなる。また上記第１項及び第２項にはエピタキシャル層からの発光及びバルク基板からの発光がそれぞれ含まれる。これらの項の大小関係を比較すると、エピタキシャル層からの発光はバルク基板からの発光に比べて弱く、また式(1)の第２項におけるエピタキシャル層からの発光とバルク基板からの発光は比較できる程度の差があることが判った。そこで、実験的に測定されるフォトルミネッセンス光強度の信号データはエピタキシャル層からの発光とバルク基板からの発光の和であるけれども、入射強度の異なる２種類の励起光をそれぞれシリコンウェーハの表面に照射して上記２種類のフォトルミネッセンス光強度の信号データを測定し、更に上記２種類のフォトルミネッセンス光強度の信号データのうち強度の小さい信号データを所定倍した後に強度の大きい信号データから強度の小さい信号データを引くことにより、上記式（１）の第１項を消去することができる。
【００１９】
具体的には、コントローラ２３がレーザ装置１４を制御して所定の入射強度Ｉ(high)で励起光をエピタキシャルウェーハに照射する。このときモータ２１ｆを制御して円板２１ｃを所定の回転速度で回転させ、励起光１３を断続的にウェーハ１１の表面に照射する。励起光１３のウェーハ１１への断続的な照射時であって、励起光１３のウェーハ１１への照射が遮断されたときに、ウェーハ１１の発するフォトルミネッセンス光１６を２枚の石英レンズ２６，２７を通して分光器１７で分光し、光検出器１８にて電気信号に変換し、更にロックイン増幅器１９により発信器２１ｇの発するパルス信号とともに増幅する。この増幅されたフォトルミネッセンス光強度の信号データ［ＰＬ］(high)はコントローラ２３を介して表示器２８にマップとして表示される。
【００２０】
またコントローラ２３がレーザ装置１４を制御して上記入射強度Ｉ(high)＝ｋＩ(low)となるような弱い入射強度Ｉ(low)で励起光をエピタキシャルウェーハに照射する。このときの円板２１ｃの回転速度は上記と同一とする。この状態で上記と同様にフォトルミネッセンス光強度の信号データ［ＰＬ］(low)を表示器にマップとして表示する。
【００２１】
更に上記［ＰＬ］(low)をｋ倍して、［ＰＬ］(high)からｋ［ＰＬ］(low)を引いてΔ［ＰＬ］を求める。即ち、式(1)からΔ［ＰＬ］＝［ＰＬ］(high)−ｋ［ＰＬ］(low)を算出する。これにより式(1)の第１項が消去され、エピタキシャル層１１ｂからの発光分をより多く含む信号データのマップを得ることができる。この結果、エピタキシャルウェーハ１１を破壊せずかつエピタキシャルウェーハに接触せずに、エピタキシャル層１１ｂのフォトルミネッセンス光強度と正相関を有するエピタキシャル層のライフタイムτを予測することができ、このエピタキシャル層のフォトルミネッセンス光強度はエピタキシャル層内の不純物や欠陥を正確に表した値となる。
【００２２】
なお、理論的には、エピタキシャル層の厚さが厚くなると、上記フォトルミネッセンス光強度の信号データΔ［ＰＬ］のマップはより多くのエピタキシャル層からの発光を観測していることになる。例えば、エピタキシャル層の厚さ及び抵抗率をそれぞれ５μｍ及び１０Ω・ｃｍとし、バルク基板の抵抗率を０．０１Ω・ｃｍとし、エピタキシャル層及びバルク基板のライフタイムをそれぞれ３０μ秒及び０．０１μ秒とすると、Δ［ＰＬ］の４５％程度がエピタキシャル層からの発光となる。
【００２３】
また、入射強度の異なる２種類の励起光をそれぞれシリコンウェーハの表面に照射して上記２種類のフォトルミネッセンス光強度の信号データを測定し、上記２種類のフォトルミネッセンス光強度の信号データのうち強度の小さい信号データを所定倍した後に強度の大きい信号データから強度の小さい信号データを引くことにより、上記式（１）の第２項を消去してバルク基板からの発光分をより多く含む信号データを得てもよい。これによりシリコンウェーハのバルク基板のライフタイムと正相関のあるフォトルミネッセンス光強度を求めることができるとともに、バルク基板内の不純物や欠陥を正確に表した値となる。またこの品質評価方法はエピタキシャルウェーハのバルク基板の品質評価に好適である。
【００２４】
【実施例】
次に本発明の実施例を詳しく説明する。
＜実施例１＞
図１に示す評価装置１２を用いてｐ／ｐ⁺エピタキシャルウェーハ１１のフォトルミネッセンス光強度の信号データ［ＰＬ］のマップ測定を行った。レーザ装置１４からは入射強度の異なる２種類（４０ｍＷ及び８ｍＷ）の励起光１３を上記ウェーハ１１の表面に照射した。そのときのフォトルミネッセンス光強度の信号データ［ＰＬ］(high)及び［ＰＬ］(low)を図２（入射強度４０ｍＷ）及び図３（入射強度８ｍＷ）にそれぞれ示す。またフォトルミネッセンス光強度の信号データの差分Δ［ＰＬ］（［ＰＬ］(high)−ｋ［ＰＬ］(low)）のマップを作り、この差分マップを図４に示す。
【００２５】
図２及び図３から明らかなように、バルク基板１１ａからのフォトルミネッセンス光１６は同心円状のパターン（ストリエーション）が見られるけれども、図４では上記同心円状のパターンは消失し、一様なマップが得られた。このマップはエピタキシャル層１１ｂからのフォトルミネッセンス光１６を多く含むマップとなっているものと予想される。なお、図４の上部の横方向に延びる縞模様は励起光１３が揺らいで発生したものである。
【００２６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、励起光の照射時に薄膜層内に発生したキャリアの定常状態における拡散分布を拡散方程式を解いて求め、上記キャリアの定常状態における拡散分布からフォトルミネッセンス光強度の信号データを求める式(1)を導き、入射強度の異なる２種類の励起光をそれぞれシリコンウェーハの表面に照射して上記２種類のフォトルミネッセンス光強度の信号データを測定し、更に上記２種類のフォトルミネッセンス光強度の信号データのうち強度の小さい信号データを所定倍した後に強度の大きい信号データから強度の小さい信号データを引くことにより、上記式（１）の第１項を消去して薄膜層からの発光分をより多く含む信号データを得るか、或いは式（１）の第２項を消去してバルク基板からの発光分をより多く含む信号データを得たので、シリコンウェーハを破壊せずかつシリコンウェーハに接触せずに、薄膜層又はバルク基板のライフタイムに正相関のある薄膜層又はバルク基板のフォトルミネッセンス光強度を求めることができるとともに、この求められたフォトルミネッセンス光強度は薄膜層又はバルク基板内の不純物や欠陥を正確に表した値となる。
【００２７】
またこの品質評価方法はエピタキシャルウェーハのエピタキシャル層又はバルク基板の品質評価に好適である。
更にキャリアの拡散長を比較的短くしかつバンド端発光の強度を強くするために半導体基板の抵抗率を０．１Ω・ｃｍ以下の結晶に限定する必要のあった従来の半導体表面のライフタイム評価方法と比較して、本発明のシリコンウェーハの品質評価方法は、抵抗率が０．１Ω・ｃｍ以下のウェーハのみならず、抵抗率が０．１Ω・ｃｍを越えるウェーハにも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施形態のエピタキシャルウェーハの品質を評価するための装置を示す構成図。
【図２】励起光の入射強度を４０ｍＷとしたときのフォトルミネッセンス光強度の信号データ［ＰＬ］(high)のマップを示す図。
【図３】励起光の入射強度を８ｍＷとしたときのフォトルミネッセンス光強度の信号データ［ＰＬ］(low)のマップを示す図。
【図４】［ＰＬ］(high)からｋ［ＰＬ］(low)を引いて算出したフォトルミネッセンス光強度の信号データの差分マップを示す図。
【符号の説明】
１１エピタキシャルウェーハ（シリコンウェーハ）
１１ａバルク基板
１１ｂエピタキシャル層（薄膜層）
１３励起光
１６フォトルミネッセンス光[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for evaluating impurities, defects and the like present in a silicon wafer, particularly an epitaxial wafer.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as an evaluation method of this kind, a semiconductor thin layer is formed on the main surface of a semiconductor substrate, and an electron-hole pair is formed near the surface of the semiconductor thin layer using excitation light having energy larger than the band gap of the semiconductor to be tested. A semiconductor surface lifetime evaluation method is disclosed in which the intensity of a specific wavelength of light generated by recombination of electron-hole pairs is detected and the lifetime of a semiconductor thin layer or its vicinity is evaluated from the intensity. (Japanese Patent Laid-Open No. 8-139146). In this lifetime evaluation method, the light of a specific wavelength emitted by recombination of the electron-hole pair is band edge emission, and the depth region where the electron-hole pair is generated is selectively selected by selecting the wavelength of the excitation light. It is configured to be changeable. As the semiconductor substrate, a crystal having a resistivity of 0.1 Ω · cm or less is used in order to make the carrier diffusion length relatively short and to increase the intensity of band edge emission.
In the lifetime evaluation method of the semiconductor surface thus configured, the depth region where the electron-hole pairs are generated can be selectively changed by selecting the wavelength of the excitation light, so that only the semiconductor thin layer Lifetime evaluation and lifetime evaluation including both the semiconductor thin layer and the semiconductor substrate can be selectively performed.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional semiconductor surface lifetime evaluation method disclosed in the above-mentioned Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-139146 has a problem that the depth region where electron-hole pairs are generated cannot be controlled even if the wavelength of the excitation light is changed. That is, since electron-hole pairs generated in the semiconductor thin layer by irradiation with excitation light have a finite lifetime, they may diffuse and recombine outside the irradiation region of excitation light to emit light. As a result, even if the wavelength of the excitation light is changed, the light is not emitted only in the excitation light irradiation region, and the depth region where the electron-hole pair is generated cannot be controlled.
The object of the present invention is to determine the photoluminescence light intensity having a positive correlation with the lifetime of the thin film layer or the bulk substrate without destroying the silicon wafer and without contacting the silicon wafer. It is an object of the present invention to provide a quality evaluation method for silicon wafers that can accurately evaluate impurities, defects, and the like.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
When excitation light (a laser having good coherence is used recently) is incident from the surface of the semiconductor substrate, the excitation light penetrates to a depth determined by an absorption coefficient with respect to the excitation wavelength. This absorption coefficient is a value intrinsic to the semiconductor material. When excitation light (argon laser) having a wavelength of 488 nm is incident on an epitaxial wafer made of silicon single crystal, the absorption coefficient is about 1000 / cm (Kaiser). There is a penetration depth of about 1 μm. Also, when the semiconductor substrate is irradiated with excitation light, electrons and holes excited by this excitation light recombine between the conduction band and valence band (band edge emission) and emit no light unless there are other recombination centers. If there is a center, the excited carriers recombine at the non-emissive center (band edge emission is weakened).
[0005]
For example, when an argon laser (wavelength: 488 nm) is incident from the surface of the epitaxial layer (thickness 5 μm) of the p / p ⁺ epitaxial wafer, the penetration length is 1 μm, so the laser is within the range of the epitaxial layer thickness 5 μm. Stop. However, since carriers have a finite lifetime in the epitaxial layer, carriers are diffused and diffuse to the bulk substrate side. As a result, carriers are less likely to enter the bulk substrate if the wafer lifetime is short, and carriers are more likely to enter the bulk substrate if the wafer lifetime is long.
[0006]
On the other hand, when only the epitaxial layer is evaluated by the photoluminescence method, it is necessary to recognize the difference between the bulk substrate and the epitaxial layer. When excitation light is irradiated on the surface of the bulk substrate, photoluminescence light is emitted from almost all of the thickness direction of the bulk substrate. However, when excitation light is irradiated on the epitaxial layer surface of the p / p ⁺ epitaxial wafer, carriers are diffused. The photoluminescence light emitted from the wafer includes not only the epitaxial layer (p) but also the bulk substrate (p ⁺ ). Therefore, the present inventors have found a method for separating photoluminescence light considering carrier diffusion into light emitted from a bulk substrate and light emitted from an epitaxial layer, and have made the present invention.
[0007]
As shown in FIG. 1, the invention according to claim 1 irradiates the excitation light 13 intermittently to the surface of the silicon wafer 11 composed of the bulk substrate 11a and the thin film layer 11b laminated on the bulk substrate. This is an improvement of a method for evaluating the quality of a silicon wafer by emitting photoluminescence light 16 when the irradiation of the silicon wafer is interrupted and measuring the intensity of the photoluminescence light.
The characteristic configuration is that a diffusion distribution in a steady state of carriers generated in the thin film layer 11b upon irradiation with the excitation light 13 is obtained by solving a diffusion equation, and signal data of photoluminescence light intensity is obtained from the diffusion distribution in the steady state of the carriers. Equation (1) for obtaining [PL] is derived, and two kinds of excitation light 13 having different incident intensities are respectively irradiated on the surface of the silicon wafer 11 to measure signal data of the two kinds of photoluminescence light intensities. By subtracting the low-intensity signal data from the high-intensity signal data after multiplying the low-intensity signal data among the various types of photoluminescence light intensity signal data, the first term of the above equation (1) is eliminated. or obtain more including signal data an emission amount from the thin film layer 11b, or the bulk substrate 11 erases the second term of formula (1) There is to get more including signal data an emission amount from.
[0008]
[Expression 2]

Here, [PL] is signal data of photoluminescence light intensity, C is a constant, _Br is an emission recombination coefficient, p is a carrier concentration in the thin film layer, and p _b is in the bulk substrate. Τ is the carrier lifetime in the thin film layer, τ _b is the carrier lifetime in the bulk substrate, D is the carrier diffusion coefficient, d is the thickness of the thin film layer, I is the incident intensity of the excitation light.
[0009]
In the quality evaluation method for a silicon wafer described in claim 1, if the first term is deleted from the equation (1), the photo of the thin film layer 11b can be obtained without destroying the silicon wafer 11 and contacting the silicon wafer. The lifetime τ of the thin film layer 11b having a positive correlation with the luminescence light intensity can be predicted, and the photoluminescence light intensity of the thin film layer 11b is a value that accurately represents the impurities and defects in the thin film layer 11b. Further, if the second term is eliminated from the equation (1), the lifetime τ of the bulk substrate 11a having a positive correlation with the photoluminescence light intensity of the bulk substrate 11a can be predicted, and the photoluminescence light intensity of the bulk substrate 11a is predicted. Is a value that accurately represents the impurities and defects in the bulk substrate 11a. Furthermore, this quality evaluation method is suitable for the quality evaluation of an epitaxial layer or a bulk substrate of an epitaxial wafer.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, the silicon wafer 11 evaluated by the evaluation method of the present invention is an epitaxial wafer in which an epitaxial layer 11b is laminated on the surface of a bulk substrate 11a in this embodiment. A quality evaluation device 12 is used to evaluate the quality of the epitaxial wafer 11. This quality evaluation apparatus 12 includes a laser device 14 that irradiates the surface of the wafer 11 with excitation light 13, a chopper 21 provided between the laser device and the wafer 11, and intermittent irradiation of the excitation light 13 onto the wafer 11. A spectrometer 17 into which photoluminescence light 16 emitted from the wafer 11 is sometimes introduced, a photodetector 18 for converting the intensity of the photoluminescence light 16 introduced into the spectrometer into an electrical signal, and a photodetector. A lock-in amplifier 19 that takes in and amplifies an electric signal and a controller 23 that reads the electric signal amplified by the lock-in amplifier are provided.
[0011]
As the laser device 14, a gas laser such as an argon ion laser capable of changing the incident intensity (number of incident photons) of the laser, a solid-state laser such as YAG, a semiconductor laser such as AlGaAs, or the like is used. Note that the evaluation method of the present invention can be applied not only to an epitaxial wafer but also to a polished wafer (PW) having a DZ (denuded zone) layer. In a polished wafer having a DZ layer, the DZ layer corresponds to an epitaxial layer.
[0012]
The chopper 21 rotates around a shaft 21a and has an opaque disc 21c having a plurality of small holes 21b formed on the same circumference around the shaft, a driven gear 21d fixed to the shaft, and a driven gear. And a motor 21f for driving the drive gear. The disk 21c is rotated at a predetermined rotational speed by the motor 21f, and the excitation light 13 irradiated to the semiconductor substrate 11 is blocked by the disk 21c or passed through the small hole 21b, so that the excitation light 13 is transmitted at a predetermined frequency. Configured to be intermittent. The chopper 21 is provided with a transmitter 21g that emits a pulse signal having the same frequency as the intermittent frequency of the excitation light 13 that is intermittently applied to the semiconductor substrate 11. The intermittent frequency of the excitation light 13 by the chopper 21 is a predetermined frequency within the range of 80 to 100 Hz, preferably 90 Hz.
[0013]
The excitation light 13 is reflected by the condensing mirror 24 and applied to the surface of the semiconductor substrate 11. As the condenser mirror 24, a concave mirror, a plane mirror, or the like is used. When the condensing mirror 24 (concave mirror) having a focal length of about 130 mm is used, the spot size (diameter) of the excitation region of the semiconductor substrate 11 is about 0.5 mm, and the condensing mirror 24 (with an infinite focal length) When a plane mirror is used, the spot size (diameter) is about 1.5 mm.
[0014]
Although not shown, the spectroscope 17 is configured so that the entrance-side slit that allows the photoluminescence light 16 emitted from the semiconductor substrate 11 to pass through, the grating that splits the photoluminescence light 16 that has passed through the entrance-side slit, and the photoluminescence light 16 dispersed by the grating. And an exit-side slit through which the gas passes. The grating preferably has 600 slits / mm. The photoluminescence light 16 emitted from the wafer 11 is collected by two

parallel quartz lenses

26 and 27 and then introduced into the spectroscope 17.
[0015]
The lock-in amplifier 19 is configured to capture and amplify the pulse signal generated by the transmitter 21g provided in the chopper 21 together with the electric signal converted by the photodetector 18. The control signal input to the controller 23 is an electric signal and a pulse signal amplified by the lock-in amplifier 19. The control output from the controller 23 is the laser device 14, the motor 21, and the display device 2 8 (display, monitor, etc.). Connected to.
[0016]
A method for evaluating the quality of the epitaxial wafer 11 using the thus configured quality evaluation apparatus will be described.
First, a diffusion distribution in a steady state of carriers generated in the thin film layer 11b upon irradiation with the excitation light 13 is obtained by solving a diffusion equation, and signal data [PL] of photoluminescence light intensity is obtained from the diffusion distribution in the steady state of the carriers. The equation (1) to be obtained is derived.
[0017]
[Equation 3]

Here, [PL] is signal data of photoluminescence light intensity, C is a constant, _Br is an emission recombination coefficient, p is a carrier concentration in the epitaxial layer, and p _b is in the bulk substrate. Τ is the carrier lifetime in the epitaxial layer, τ _b is the carrier lifetime in the bulk substrate, D is the carrier diffusion coefficient, d is the thickness of the epitaxial layer, I is the incident intensity of the excitation light.
[0018]
The photoluminescence light intensity signal data [PL] in the above formula (1) is a first term proportional to the incident intensity (number of incident photons) I and a second term proportional to the square of the incident intensity (number of incident photons) I. It consists of. The first and second terms include light emission from the epitaxial layer and light emission from the bulk substrate, respectively. Comparing the magnitude relationships of these terms, the light emission from the epitaxial layer is weaker than the light emission from the bulk substrate, and the light emission from the epitaxial layer and the light emission from the bulk substrate in the second term of equation (1) can be compared. It was found that there was a difference in degree. Therefore, although the experimentally measured photoluminescence light intensity signal data is the sum of the light emission from the epitaxial layer and the light emission from the bulk substrate, the surface of the silicon wafer is irradiated with two types of excitation light having different incident intensities. Then, the signal data of the two types of photoluminescence light intensities are measured, and further, the signal data having a low intensity among the signal data of the two types of photoluminescence light intensities is multiplied by a predetermined value, and then the signal data having a high intensity is reduced to a low intensity By subtracting the signal data, the first term of the above equation (1) can be deleted.
[0019]
Specifically, the controller 23 controls the laser device 14 to irradiate the epitaxial wafer with excitation light at a predetermined incident intensity I (high). At this time, the motor 21f is controlled to rotate the disk 21c at a predetermined rotational speed, and the excitation light 13 is intermittently applied to the surface of the wafer 11. A time intermittent illumination of the

U

Eha 11 of the excitation light 13, when the irradiation of the wafer 11 of the excitation light 13 is interrupted, photoluminescence 16 two quartz lenses 26 emitted from the wafer 11, and spectroscope 17 through 27, and converts into an electric signal by the photodetector 18, further amplified with pulse signals originating more of oscillator 21g to the lock-in amplifier 19. The signal data of amplified photoluminescence intensity [PL] (high) is that is displayed as a map on the display 28 via the controller 23.
[0020]
The controller 23 controls the laser device 14 to irradiate the epitaxial wafer with excitation light with a weak incident intensity I (low) such that the incident intensity I (high) = kI (low). Rotational speed of the

disc

21 c at this time is the same as above. In this state, the signal data [PL] (low) of the photoluminescence light intensity is displayed as a map on the display device as described above.
[0021]
Further, [PL] (low) is multiplied by k, and [PL] (high) is subtracted from k [PL] (low) to obtain Δ [PL]. That is, Δ [PL] = [PL] (high) −k [PL] (low) is calculated from the equation (1). As a result, the first term of the equation (1) is erased, and a map of signal data including more light emission from the epitaxial layer 11b can be obtained. As a result, the lifetime τ of the epitaxial layer having a positive correlation with the photoluminescence light intensity of the epitaxial layer 11b can be predicted without destroying the epitaxial wafer 11 and without contacting the epitaxial wafer. luminescence light intensity ing a value accurately represents the impurities and defects in the epitaxial layer.
[0022]
Theoretically, when the thickness of the epitaxial layer is increased, the map of the signal data Δ [PL] of the photoluminescence light intensity observes light emission from more epitaxial layers. For example, the thickness and resistivity of the epitaxial layer are 5 μm and 10 Ω · cm, respectively, the resistivity of the bulk substrate is 0.01 Ω · cm, and the lifetime of the epitaxial layer and bulk substrate is 30 μs and 0.01 μs, respectively. Then, about 45% of Δ [PL] is emitted from the epitaxial layer.
[0023]
Further, two types of excitation light having different incident intensities are respectively irradiated on the surface of the silicon wafer to measure the signal data of the two types of photoluminescence light intensities, and the intensity of the signal data of the two types of photoluminescence light intensities is measured. Signal data including a larger amount of light emission from the bulk substrate by erasing the second term of the above formula (1) by subtracting the signal data with low intensity from the signal data with high intensity after multiplying the signal data with low You may get As a result, the intensity of photoluminescence light having a positive correlation with the lifetime of the bulk substrate of the silicon wafer can be obtained, and the value accurately represents the impurities and defects in the bulk substrate. This quality evaluation method is suitable for the quality evaluation of a bulk substrate of an epitaxial wafer.
[0024]
【Example】
Next, embodiments of the present invention will be described in detail.
<Example 1>
Map measurement of the signal data [PL] of the photoluminescence light intensity of the p / p ⁺ epitaxial wafer 11 was performed using the evaluation apparatus 12 shown in FIG. From the laser device 14, the surface of the wafer 11 was irradiated with two types (40 mW and 8 mW) of excitation light 13 having different incident intensities. The signal data [PL] (high) and [PL] (low) of the photoluminescence light intensity at that time are shown in FIG. 2 (incident intensity 40 mW) and FIG. 3 (incident intensity 8 mW), respectively. Further, a map of the difference Δ [PL] ([PL] (high) −k [PL] (low)) of the signal data of the photoluminescence light intensity is made, and this difference map is shown in FIG.
[0025]
As is apparent from FIGS. 2 and 3, although photoluminescence light 16 from the bulk substrate 11a is concentric pattern (striation) is observed, the concentric pattern in FIG. 4 disappeared, uniform map was gotten. This map is expected to be a map containing a large amount of photoluminescence light 16 from the epitaxial layer 11b. In addition, the stripe pattern extended in the horizontal direction of the upper part of FIG. 4 is generated by the excitation light 13 fluctuating.
[0026]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the diffusion distribution in the steady state of the carrier generated in the thin film layer upon irradiation with the excitation light is obtained by solving the diffusion equation, and the photoluminescence light is obtained from the diffusion distribution in the steady state of the carrier. Equation (1) for obtaining the intensity signal data is derived, and the two types of photoluminescence light intensity signal data are measured by irradiating the surface of the silicon wafer with two types of excitation light having different incident intensities, respectively. By subtracting the low-intensity signal data from the high-intensity signal data after multiplying the low-intensity signal data among the various types of photoluminescence light intensity signal data, the first term of the above equation (1) is eliminated. or obtain more including signal data an emission amount from the thin layer, or more light emission amount from the bulk substrate to erase the second term of formula (1) In order to obtain the photoluminescence light intensity of the thin film layer or the bulk substrate that is positively correlated with the lifetime of the thin film layer or the bulk substrate without destroying the silicon wafer and contacting the silicon wafer. The obtained photoluminescence light intensity is a value that accurately represents the impurities and defects in the thin film layer or the bulk substrate.
[0027]
Moreover, this quality evaluation method is suitable for the quality evaluation of the epitaxial layer or bulk substrate of an epitaxial wafer.
Furthermore, in order to make the carrier diffusion length relatively short and to increase the intensity of the band edge emission, it is necessary to limit the resistivity of the semiconductor substrate to a crystal of 0.1 Ω · cm or less. Compared with the method, the silicon wafer quality evaluation method of the present invention can be applied not only to a wafer having a resistivity of 0.1 Ω · cm or less, but also to a wafer having a resistivity exceeding 0.1 Ω · cm.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing an apparatus for evaluating the quality of an epitaxial wafer according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a map of signal data [PL] (high) of photoluminescence light intensity when the incident intensity of excitation light is 40 mW.
FIG. 3 is a diagram showing a map of signal data [PL] (low) of photoluminescence light intensity when the incident intensity of excitation light is 8 mW.
FIG. 4 is a diagram showing a difference map of signal data of photoluminescence light intensity calculated by subtracting k [PL] (low) from [PL] (high).
[Explanation of symbols]
11 Epitaxial wafer (silicon wafer)
11a Bulk substrate 11b Epitaxial layer (thin film layer)
13 Excitation light 16 Photoluminescence light

Claims

Excessively irradiating the surface of the silicon wafer consisting of the bulk substrate (11a) and the thin film layer (11b) laminated on the bulk substrate with the excitation light (13), and intermittently irradiating the silicon wafer with the excitation light Sometimes the silicon wafer emits photoluminescence light (16), in a method for evaluating the quality of the silicon wafer by measuring the intensity of the photoluminescence light,
Obtaining the diffusion distribution in the steady state of carriers generated in the thin film layer (11b) upon irradiation with the excitation light (13) by solving a diffusion equation,
Formula (1) for obtaining the signal data [PL] of photoluminescence light intensity from the diffusion distribution in the steady state of the carrier is derived,
Two types of excitation light (13) with different incident intensities are irradiated on the surface of the silicon wafer (11) to measure signal data of two types of photoluminescence light intensity.
Eliminating the first term of the equation (1) by subtracting the signal data having a low intensity from the signal data having a high intensity after multiplying the signal data having a low intensity from the signal data having the two types of photoluminescence light intensity by a predetermined multiplication. Then, signal data including more light emission from the thin film layer (11b) is obtained , or signal data including more light emission from the bulk substrate (11a) by eliminating the second term of the formula (1). Quality evaluation method for silicon wafers.

Here, [PL] is signal data of photoluminescence light intensity,
C is a constant,
_Br is the luminescence recombination coefficient,
p is the carrier concentration in the thin film layer,
p _b is the carrier concentration in the bulk substrate,
τ is the carrier lifetime in the thin film layer,
τ _b is the carrier lifetime in the bulk substrate,
D is the carrier diffusion coefficient;
d is the thickness of the thin film layer,
I is the incident intensity of the excitation light.

The quality evaluation method for a silicon wafer according to claim 1, wherein the thin film layer (11b) is an epitaxial layer or a DZ layer.