本发明涉及一种通过由电子、离子等构成的粒子束流的照射而被导入单晶硅基板中的晶体缺陷的浓度的评价方法。
背景技术：
在PN二极管、IGBT等半导体设备的制造过程中，存在为了控制载流子寿命，而照射电子束流、质子或氦离子这样的各种粒子束流的情况。例如，专利文献1中公开了一种通过注入质子在PN接合界面的附近形成晶体缺陷的PN二极管。通过照射粒子束流，会在硅晶体中导入晶体缺陷，据此，载流子寿命会降低。通过对照射量进行控制，能够得到所期望的寿命。
通过粒子束流的照射而在单晶硅中形成缺陷的过程如下所示。首先，当注入粒子束流时，则构成晶体的硅原子会从晶格位置脱出，形成晶格间隙硅(I)和单原子空位(V)。该晶格间隙硅-单原子空位对被称为弗伦克尔对。
晶格间隙硅的一部分会与存在于晶格位置的碳原子Cs互换，形成晶格间隙碳Ci。由于该晶格间隙碳不稳定，因此会与晶格间隙氧或其它的代位碳结合，分别形成CiOi、CiCs这样的复合型缺陷。可以认为残留的晶格间隙硅变成以下情况中的任一种，即，与其他的晶格间隙硅凝集成群，或保持原样的形状残留在晶体中，或与单原子空位再结合而消失。
已知由晶格间隙碳导致的CiOi、CiCs这样的缺陷通过光致发光(PL)、阴极发光(CL)被检测出，其将受晶体中的氧浓度、碳浓度影响(非专利文献1)。
另一方面，可以认为当弗伦克尔对中的单原子空位与其他单原子空位取得规定的位置关系时将处于稳定的状态，且大多会形成由两个硅原子空位构成的VV缺陷。该缺陷有通过电子自旋共振(ESR)分析来进行评价的例子(非专利文献2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利公开平成8-102545号公报
非专利文献
非专利文献1：M.Nakamura et al.,J.Electrochem.Soc.,Vol.141,No.12,3576(1994)
非专利文献2：照射损伤石野栞、东京大学出版会(1979)p178-183
技术实现要素：
(一)要解决的技术问题
如上所述，由照射导致的晶体缺陷成为载流子陷阱，具有降低寿命的作用。在电源装置等中为了将寿命设为适当的值，需要控制这些量，但是存在如下问题，即，与通过CL等评价方法可以进行一定程度的定量的、与碳有关的缺陷相比较，VV缺陷难以对形成量进行定量评价。
本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于，提供一种能够对通过粒子束流的照射在单晶硅基板中形成的VV缺陷的浓度进行简单评价的方法。
(二)技术方案
为了实现上述目的，本发明提供一种单晶硅基板的缺陷浓度评价方法，其是对通过粒子束流的照射形成在单晶硅基板中的缺陷浓度进行评价的方法，其特征在于，在对所述单晶硅基板的电阻率进行测定后，向该单晶硅基板照射所述粒子束流，在该照射后，再次测定所述单晶硅基板的电阻率，根据所述粒子束流的照射前后的电阻率测定结果，分别求出照射前后的单晶硅基板中的载流子浓度并计算出载流子浓度的变化率，根据该载流子浓度的变化率，对通过所述粒子束流的照射形成在所述单晶硅基板中，并由硅原子空位构成的VV缺陷的浓度进行评价。
这样，由于本发明能够测定粒子束流的照射前后的电阻率，并根据由该测定值得到的载流子浓度的变化率来评价VV缺陷的浓度，因此确实是简单的评价方法。另外，根据评价结果，对于VV缺陷的浓度，还能够得到其与粒子束流的照射量、晶体质量(例如氧浓度等)的相关性。
另外，可以将所述照射的粒子束流设为由电子或离子构成。
通过这种粒子束流的照射，能够在单晶硅基板中形成弗伦克尔对、以及由其单原子空位V造成的VV缺陷等。
另外，可以将所述单晶硅基板所含有的掺杂剂杂质设为磷、砷、锑中的任意一种。
若使用这样的掺杂剂杂质，则原子直径为与硅相同程度或在其以上，其将与单原子空位形成复合体而变稳定，从而能够更切实地使用上述的载流子浓度的变化率对VV缺陷的浓度进行评价。
另外，可以除了所述评价对象的单晶硅基板，还预先准备已对VV缺陷的浓度进行了评价的预备实验用的单晶硅基板，关于该预备实验用的单晶硅基板，根据所述粒子束流的照射前后的载流子浓度的变化率和所述已评价的VV缺陷的浓度来预先求得相关关系，使用该相关关系，并向所述评价对象的单晶硅基板照射粒子束流来评价VV缺陷的浓度。
通过利用这样的预备实验的结果，能够更简便地对评价对象的单晶硅基板上的VV缺陷的浓度进行相对评价。
(三)有益效果
如上所述，根据本发明，能够对由粒子束流的照射所造成的VV缺陷的浓度进行简单评价，且能够获得VV缺陷浓度与粒子束流的照射量或晶体质量的关系。由此，能够更简便地掌握为了将单晶硅基板的寿命控制为期望值所需要的照射量或晶体质量。
附图说明
图1是表示本发明的单晶硅基板的缺陷浓度评价方法的工序的一例的流程图。
图2是表示载流子浓度的变化率与氧浓度的关系的图表。
图3是表示载流子浓度的变化率与电子束流照射量的关系的图表。
图4是表示本发明的单晶硅基板的缺陷浓度评价方法的工序的另一例的流程图。
具体实施方式
下面，对本发明的实施方式进行说明，但本发明并不限定于此。
首先，对本发明人直至完成本发明的经过进行说明。
如上所述，在现有技术中，可以认为通过粒子束流的照射所形成的弗伦克尔对中的大多数V(单原子空位)会形成VV缺陷，但本发明人等进行了深入研究，结果得知该V主要发生(1)V+O→VO、(2)V+X→VX、(3)V+V→VV三个反应。其中，在上述式中，O表示氧原子，X表示掺杂剂原子。
此处，对以IGBT为对象控制其寿命的N型硅基板，试求出各杂质元素及缺陷的存在量。关于氧浓度，在用CZ法制造的情况下每1cm3例如为10的17次幂至18次幂，在用FZ法制造的情况下虽然取决于原料的氧浓度，但大致为10的15次幂的后半至16次幂。另外，例如若将一般用作IGBT的电阻率范围设定在10Ωcm以上，则掺杂剂浓度中例如磷的浓度为5×1014atoms/cm3以下。单原子空位的形成量根据粒子束流的照射量而显现出很大不同，难以估计，但此处，作为一例，设为进行可以在晶体中形成1×1013～1×1015/cm3的弗伦克尔对的程度的照射。
在以上条件中，由于氧浓度比磷的浓度[P]或V的浓度[V]足够大，因此会优先发生(1)的反应。并且，会用残存的V发生(2)及(3)的反应。也就是说，在高氧浓度的晶体中，易于发生(1)的反应，另一方面难以发生(2)、(3)的反应，在低氧浓度的晶体中(1)的反应会被抑制，反而易于发生(2)(3)的反应。可以认为，(2)(3)的反应的形成物即VP、VV是取决于残存V浓度[残存V]来决定这些浓度[VP]及[VV]([残存V]∝[VP]、[残存V]∝[VV])，因此简单地表示为[残存V]∝[VP]∝[VV]。
另一方面，据报道，通过DLTS(Deep Level Transient Spectroscopy)的解析，VP在硅的传导带下约0.45eV的位置形成能级，并且作为N型的掺杂剂不会发生作用。也就是说，由于硅基板的电阻率随着VP的形成量而增加，因此能够通过对照射前后的载流子浓度变化率进行测定来推算[VP]。因此，作为[VV]∝[VP]∝载流子浓度变化率，能够简单地对[VV]进行推算评价。
本发明人等发现了这些情况，并完成了本发明。
下面，参照附图对本发明详细地进行说明，但本发明并不限定于此。
＜第一实施方式＞
在图1中示出本发明的单晶硅基板的缺陷浓度评价方法的工序的一例。
(工序1：评价对象的单晶硅基板的准备)
首先，准备作为评价对象的单晶硅基板(以下有时仅称其为晶圆)。作为晶圆的原料的单晶硅晶块可以通过悬浮区熔法(FZ法)和直拉单晶制造法(CZ法)中的任意一种进行制作。另外，对晶圆的厚度、表面的加工方法也并没有特别限定。
另外，对晶圆的氧浓度并没有特别限定，但例如可以将其设定为，通常以FZ法或CZ法制造的5×1015～2×1018atoms/cm3左右。如果是在这样的范围内的晶圆，虽然与掺杂剂浓度等也有关系，但如上所述的本发明人所发现的缺陷形成的机理更易成立，从而能够有效利用本发明的评价方法。
另外，对硅的传导类型并没有特别限定，但例如可以使其为掺杂有磷、砷、锑中的任意一种的N型。另外，可以使晶体中的掺杂剂浓度在5×1014atoms/cm3以下。这相当于在掺杂有磷的情况下，电阻率大致在10Ωcm以上。
关于单原子空位与掺杂剂原子的反应，在原子直径与硅大致相同或在其以上的情况下，掺杂剂原子将与单原子空位形成复合体而变稳定。另一方面，在原子直径小于硅的情况下，掺杂剂原子将与晶格间隙硅形成复合体而变稳定。因此，相较于硼等原子直径较小的元素，若为上述的磷、砷、锑等元素，则能够由单原子空位与掺杂剂原子更切实地形成复合缺陷，从而易于产生上述机理。
这样，举上述例子作为掺杂剂种类和其浓度的范围的理由，与涉及上述的氧浓度的说明相同，都是为了使缺陷形成机理更易于成立。
此外，下面对掺杂有磷的情况举例进行说明。
另外，对有无向晶圆掺杂氮并没有特别限定。另外，对碳浓度也没有特别限定。这是因为可以认为氮或碳对Si的涉及单原子空位V的反应并没有特别帮助。但是，由晶格间隙硅I所引起的与碳有关的缺陷量会由于碳原子的多寡而有所变化。因此，在使本发明的缺陷评价与装置特性相关联时，若考虑其影响，则能够获得更高精度的评价。
(工序2：电阻率测定)
关于上述的晶圆，对其电阻率进行测定。
但是，若晶圆中含有氧或氮，则存在发生热施主或NO供体的情况。由此，优选地，为了防止电阻率从原本的值偏离，事先实施预先消除施主的热处理。例如在不掺杂氮的CZ晶圆的情况下，例如若以650℃实施20分钟的热处理，则能够充分消除热施主。
另外，关于电阻率的测定方法，在之后进行的粒子束流的照射中使用电子束流的情况下利用四探针法较为简便从而优选，但测定方法并不限定于此。特别是在使用除电子束流以外的离子束流作为粒子束流的情况下，具有如下性质，即，相较于电子束流，由晶圆内的照射所引起的缺陷易于在特定的深度局部化。在该情况下，优选例如角抛光后的扩展电阻(SR)测定等，在深度方向求得分布的测定方法。这样，根据照射条件等，能够恰当决定测定方法。
(工序3：粒子束流照射)
接着，向晶圆照射粒子束流。
可以使粒子束流由电子或离子构成。通过它们的照射，在单晶硅内形成晶体缺陷(弗伦克尔对及由其单原子空位V造成的VV缺陷等)。对粒子束流的照射条件并未作特别的限定，但可以将照射量适当调整至形成适当的量的弗伦克尔对，并使上述机理成立的程度。由照射量计算出空位浓度较为困难，但在电子束流照射的情况下，优选例如在加速电压2MV条件下使照射量在1×1016/cm2以下。
(工序4：电阻率测定)
并且，对照射粒子束流后的晶圆，再次测定电阻率。
在实际作为装置使用时，通常在照射后进行退火，以去除不必要的损伤，但在该情况下，由于目的在于进行损伤评价因此不需要加热处理。但是，当然也可以根据需要进行加热处理。
(工序5：载流子浓度变化率的计算)
并且，使用欧文曲线(アービン曲線)等根据照射前后的电阻率分别计算出照射前后的载流子浓度，进而计算出载流子浓度变化率。此外，作为载流子浓度变化率例如可以通过下式求得。
载流子浓度变化率＝([n]f-[n]i)/[n]i×100
其中，[n]i为照射前的载流子浓度，[n]f为照射后的载流子浓度。
(工序6：VV缺陷浓度的评价)
使用按照上述方式计算出的载流子浓度变化率对VV缺陷浓度进行评价。
此处，首先，对氧浓度、粒子束流的照射量与载流子浓度变化率的关系进行说明。
在图2中示出氧浓度与载流子浓度变化率的相关关系。表示通过FZ法和CZ法制作各种氧浓度的掺杂有磷的N型晶圆(电阻率约为60Ωcm)，并分别进行6×1014/cm2的电子束流照射的结果。
从该图2可知，氧浓度越高，则载流子浓度变化率会越小。这正如上述的本发明人等所考察的，表示氧浓度越高，则单原子空位V越被O消耗，从而越难以形成对应量的磷与空位的复合体PV。
另外，图3中示出电子束流照射量与载流子浓度变化率的相关关系。晶圆的氧浓度都为6×1015atoms/cm3。
根据图3，可以说电子束流照射量越增加，由照射导致的缺陷数越增加，则载流子浓度变化越大。
如图2和图3所示，载流子浓度变化率取决于氧浓度、粒子束流的照射量来进行变化。此处，可以认为如上所述[VP]∝[VV]，因此间接可知，例如载流子浓度变化率越高的晶圆则VV缺陷形成越多。这样，可以使用载流子浓度变化率对VV缺陷的浓度大小进行简单评价。虽然不一定可以求得具体的VV缺陷浓度值，但仍可以对各种样品间相对的VV缺陷浓度进行评价。
此外，通过预先取得这些表示图2、图3等的氧浓度、粒子束流的照射量与和VV缺陷浓度相关的载流子浓度变化率的关系性的数据，能够掌握VV缺陷的浓度与它们的关系。由此，例如在改变晶圆的氧浓度时，可以估计为了使照射损伤相同需要何种程度的照射量。
另外，并不限定于上述的碳的例子，在晶圆中含有一些杂质的情况下，可以认为有可能会对照射缺陷的形成造成影响。因此，在对高浓度地摄入上述实施方式中未作考虑的杂质的晶圆、在样品间杂质浓度具有较大的差别的晶圆进行评价时，根据需要增加考虑这些杂质所给予的影响的工序，由此可以进行更准确的评价。这些考虑可以通过求得的评价精度、成本或时间等适当进行。
＜第二实施方式＞
另外，作为本发明的另一实施方式，可以在评价实际的评价对象的单晶硅基板前进行预备实验。在图4中示出第二实施方式的工序的一例。
[预备实验]
(工序1：预备实验用的单晶硅基板的准备)
首先，准备预备实验用的单晶硅基板(以下有时仅称其为预备实验用晶圆)。作为该预备实验用晶圆，除了已对VV缺陷的浓度进行了评价之外，还可以使其为例如与之后准备的评价对象的晶圆同样的晶圆。具体的氧浓度等可以决定为使其例如与第一实施方式时同样。
此处，作为一个例子，举出准备多个氧浓度、掺杂剂种类、电阻率等与评价对象的晶圆相同的预备实验用晶圆的例子进行说明，但对其数量没有特别限定。
(工序1’：使用与预备实验用同样的单晶硅基板的VV缺陷浓度的评价)
此外，对VV缺陷的浓度进行直接定量十分困难。于是，例如使用与该预备实验用晶圆同样的晶圆，在制造工序中，能够根据在与后述的预备实验中的工序3的粒子束流照射工序同样的条件下照射粒子束流而制作的二极管的恢复特性，间接对预备实验用晶圆上的VV缺陷的浓度预先进行评价。由于晶圆内的VV缺陷作为载流子的再结合中心而起作用，因此，VV缺陷越多，直至载流子消失的时间就越短，则恢复特性提高。因此，可以认为恢复特性是否良好表示VV缺陷形成量的大小。
此处，按照预备实验用晶圆的数量改变照射量来制造二极管，预先求得各二极管的恢复特性是否良好，来分别作为预备实验用晶圆的VV缺陷浓度的指标。
当然、对该恢复特性没有限定，也可以利用与VV缺陷的浓度相关的其他参数。
(工序2～工序5：电阻率测定～载流子浓度变化率的计算)
对每个预备实验用晶圆，进行电阻率的测定、粒子束流的照射以及再次的电阻率的测定，分别求出照射前后的预备实验用晶圆中的载流子浓度，计算出载流子浓度变化率。
此外，在工序3(粒子束流照射)中，在与上述的工序1’的二极管的制造工序同样的条件下进行粒子束流的照射。此处，对每个预备实验用晶圆的照射量不同。
另外，这些工序的具体处理顺序等例如可以与第一实施方式同样地进行。
(工序6：相关关系的掌握)
求得按照上述方式计算出的各个预备实验用晶圆的载流子浓度变化率与VV缺陷的浓度(此处是指二极管的恢复特性是否良好)的相关关系。由此，能够获得在氧浓度等为相同条件的情况下的对应各载流子浓度变化率的VV缺陷的浓度(恢复特性是否良好)。
[正式实验]
(工序7～工序11：评价对象的单晶硅基板的准备～载流子浓度变化率的计算)
接着进行正式实验。即，进行实际的评价对象的晶圆的评价。准备评价对象的晶圆，进行电阻率的测定、以规定的照射量照射粒子束流以及再次测定电阻率，分别求得照射前后的评价对象的晶圆中的载流子浓度，计算出载流子浓度变化率。
(工序12：使用相关关系的VV缺陷浓度的评价)
使用按照上述方式计算出的载流子浓度变化率和预备实验中求得的相关关系，对评价对象的晶圆的VV缺陷浓度(此处是指二极管的恢复特性是否良好)进行评价。即，将计算出的载流子浓度变化率应用到上述相关关系中，求得所对应的VV缺陷浓度(恢复特性是否良好)。按照上述方式，能够利用预备实验简便地对VV缺陷浓度进行相对评价。
此外，无需每次进行预备实验，也可以使用表示载流子浓度变化率与VV缺陷浓度的相关关系的过去所积累的数据等。在该情况下，可以省略预备实验中所需要的工序，来更简便地进行评价。
实施例
下面，示出实施例及比较例，对本发明进行更具体的说明，但本发明并不限定于此。
(实施例1)
分别使用CZ法和FZ法，来制造掺杂了磷的直径200mm的单晶硅晶块。若通过FTIR法对晶体中的氧浓度进行测定，则CZ晶体中为3.5×1017atoms/cm3，FZ晶体中为0.3×1017atoms/cm3。电阻率均约为60Ωcm。此外，为了避免形成与碳有关的缺陷而对装置特性产生影响，将碳浓度降低至5×1014atoms/cm3左右。
首先，由FZ晶体来制作抛光片(PW)，接着由这些FZ晶圆来制作PN二极管。在制造工序中，对这些二极管以2MV的加速电压进行5个水平的电子束流照射。
此处，如上所述，由于难以对VV缺陷的形成量进行直接定量，因此根据制作的二极管的恢复特性来间接对VV缺陷的形成量进行评价。可以认为，恢复特性是否良好表示VV缺陷浓度的大小。将该评价结果示于表1。
另一方面，在与二极管制造时相同的条件下，对与所述PW相同种类的PW进行5个水平的电子束流照射，通过四探针法测定照射前后的电阻率。通过该测定求出照射前后的载流子浓度，将根据它们计算出的载流子浓度的变化率一同示于表1。
表1
根据表1可知按照上述方式求得的载流子浓度变化率与VV缺陷的浓度(恢复特性是否良好)的相关关系。并且，可知恢复特性为合格是在载流子浓度的变化率约为29％以上时。
对由CZ晶体来制作抛光片(PW)的CZ晶圆也进行与上述相同的VV缺陷浓度评价(恢复特性评价)及载流子浓度变化率的计算。其结果示于表2。
表2
由表2可知，恢复特性为合格是在与FZ晶圆相同的条件下，载流子浓度的变化率约为29％以上时。
此外，根据这些表1、表2，可以说由载流子浓度变化估算出的损伤量成为了有效的指标。即，可知如本发明那样由载流子浓度变化率对VV缺陷浓度进行评价是有效的方法。另外，如表1、表2那样，还能够掌握分别在准备好的CZ晶圆和FZ晶圆上，其氧浓度等中的照射量与VV缺陷浓度的相关性。
(实施例2)
进而，将这些表1、表2作为预备实验的结果，以与表1、表2所述的照射水平不同的照射量，来对另外准备的FZ晶圆及CZ晶圆(氧浓度等与用于制作表1、表2所准备的晶圆的氧浓度相同)照射电子束流，并计算出载流子浓度变化率，其均为29％以上。因此，考虑到该载流子浓度的计算结果及预备实验的表1、表2，在与这些晶圆同样的晶圆上以同样的照射量照射电子束流来制作PN二极管时，恢复特性评价为合格。
并且，如预想一致，实际制作PN二极管并评价恢复特性的结果为合格。
(比较例)
准备与实施例1同样的FZ晶圆及CZ晶圆。
首先，与实施例1不同，并未对FZ晶圆进行电阻率测定或载流子浓度变化率的计算，而是单纯地以表1的照射量(照射水平1～5)照射电子束流来制作PN二极管，从而获得照射量与恢复特性是否良好的结果的关系。这些关系与表1所示相同。
因此，与FZ晶圆一样，对CZ晶圆制作PN二极管，在该情况下，同样的照射量下会得到同样的恢复特性，从而是否良好的结果评价为与FZ晶圆相同。
然而，实际上照射量与恢复特性是否良好的结果的关系如表2所示。即，与预想不同，例如由照射水平3、4时的是否良好的结果可知，虽然FZ晶圆的恢复特性为合格，但在CZ晶圆则为不合格。这样，对于氧浓度不同的晶圆，即使在同一照射条件下，也存在由于照射损伤的差别，而使装置特性出现差别的情况。
对仅在这样的照射条件下进行判断的比较例与实施本发明的实施例1、2的评价结果进行比较可知，如上所述，在评价VV缺陷浓度时，本发明考虑载流子浓度变化率是有效的。
此外，本发明并不限定于上述实施方式。上述实施方式为例示，具有与本发明的权利要求书中记载的技术思想实质上相同的结构，并起到同样作用效果的所有方式，均包含在本发明的技术范围内。