CN101529592A - 半导体晶片的评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种半导体晶片的评价方法，至少在半导体晶片的表面上形成氧化膜，然后除去一部分的该氧化膜来实行二处的开窗，接着从该二处的窗，扩散与要进行评价的半导体的导电型相异的导电型的掺杂剂，而在上述要进行评价的半导体内形成扩散部，来形成PN结，然后在上述二个扩散部之间实行漏泄电流测定及/或深能级瞬态谱测定，来评价上述半导体晶片。由此，提供一种半导体晶片的评价方法，使用结漏泄电流测定及/或深能级瞬态谱测定，便能够简单地评价半导体晶片的内部质量。特别是提供一种方法，不仅可以评价抛光晶片、外延晶片等，也可以评价绝缘层上覆硅(SOI)晶片的SOI层的内部。

Description

半导体晶片的评价方法

技术领域

本发明是涉及例如评价硅晶片或绝缘层上覆硅(Silicon on Insulator(SOI))晶片等的半导体晶片的方法。

背景技术

近年来，绝缘层上覆硅(SOI)晶片，其在电绝缘性的硅氧化膜上，具有已形成硅有源层的绝缘层上覆硅(SOI)结构，由于器件(device))的高速性、低耗电性、高耐压性、耐环境性等方面优异，所以作为电子器件用的高性能大规模集成电路(LSI)晶片，特别受到重视。这是因为在SOI晶片中，在基底晶片(base wafer)与硅有源层(以下也称为SOI层)之间，存在绝缘体也就是埋氧层(以下有时称为BOX层)，所以形成在SOI层上的电子器件，具有高耐电压、α射线的软错误(soft error)率低这样的重大优点的缘故。

又，针对SOI层的膜厚是1μm以下的薄膜SOI晶片，在SOI层上所形成的金属氧化物半导体(MOS(Metal Oxide Semiconductor))型半导体器件，在以完全耗尽型(depletion mode)动作的情况，由于能够缩小源极(source)/漏极(drain)的PN结(PN-junction)面积，所以能够降低寄生电容、谋求器件驱动的高速化。进而，由于成为绝缘层的BOX层的电容与被形成于闸极氧化膜正下方的耗尽层电容串联，所以实质上耗尽层电容减少，能够实现低耗电化。

而且，最近，为了电子器件的更微细化、高性能化，要求更高质量的SOI晶片。因此，积极地进行评价SOI晶片的SOI层的质量。作为此种SOI晶片的质量评价的一种方法，已有先在SOI层的表面，形成金属氧化物半导体(MOS)结构，然后对其电极部分施加电压，来评价SOI层的质量的方法。

然而，上述的方法，虽然可以评价SOI层表面的质量，但是并无法完全评价SOI层的内部。

另一方面，作为使用水银探针来进行的SOI层与BOX界面评价法，提出一种以SOI晶片作为评价对象的虚拟金氧半场效晶体管(Pseudo MOS FET)法(例如参照日本特开2001-30676号公报、日本特开2001-267384号公报及S.Cristoleveanu et al.，“A Review of the Pseudo-MOS Transistor in SOI Wafer：Operation，Parameter Extraction，and Applications”IEEE Trans.Electron Dev，471018(2000)、H.J.Hovel，”Si film electrical characterization in SOI subatrates byHgFET technique”Solid-State Electronics，47，1311(2003))。

若根据此方法，能够精度佳、简便地测定SOI层与BOX层的界面中的界面态密度(interface state density)、SOI晶片的电特性等。

本方法，作为评价用电极，使针状探针或水银探针直接接触在要形成虚拟MOS结构的SOI晶片的SOI层侧，来将这些电极设为源极电极及漏极电极。而且，通过真空吸着在将SOI晶片的背面也即SOI晶片的基底晶片的背面作为电极也会被采用的阶(stage)上、或是使针(needle)接触晶片背面，来作为闸极电极，利用对这些电极施加电压，能够得到各种电特性。

此评价方法，虽然可评价SOI层与BOX层，但是仍然无法完全评价SOI层的内部。

如此，可评价SOI层表层及SOI/BOX层界面。然而，近年来SOI适用范围持续扩展，而要求对SOI层本身的质量评价法。

在此，作为例如对抛光晶片(PW)或外延晶片(EPW)等的特性评价方法，叙述有关利用结(junction)漏泄电流特性的通常的方法。图4是用以说明习知的抛光晶片等的评价方法的一例的说明图。在此，举出P型、研磨后的硅晶片21作为例子来进行说明。

如图4所示，首先，在硅晶片21的表面上形成氧化膜22之后，除去一部分的氧化膜22(位于硅晶片21的要进行评价的预定区域的表面)来实行开窗。然后，通过此窗28，扩散与要进行评价的半导体的导电型(例如P型)相异的导电型(在此为N型)的掺杂剂，来形成扩散层23。然后，施行热处理，在硅晶片21的内部形成PN结。接着，在扩散层23上形成电极24，将硅晶片21的背面侧作为接地端(GND)，对电极24施加逆偏压，而在硅晶片21的内部作出耗尽层，并测定漏电流(漏泄电流)。若在此耗尽区域中存在缺陷，则漏泄电流会变大，所以能够通过测得的漏泄电流的大小来评价硅晶片21的内部。

然而，例如对于上述近年来需求量高的SOI晶片而言，与抛光晶片(PW)等晶片相异，由于存在绝缘层也就是BOX层，所以当要评价此SOI晶片时，单纯地应用在习知的抛光晶片的情况中所采用的利用上述结漏泄电流特性的方法，是困难的，因而评价SOI晶片的有源层内部是困难的。

又，实际地作出器件(device)来进行评价，需要花费长时间才能得到结果，对于晶片工序的反馈(feedback)也费时，没有效率。

发明内容

本发明是鉴于上述问题点而发明出来，其目的是提供一种半导体晶片的评价方法，利用结漏泄电流测定或深能级瞬态谱(DLTS(Deep Level TransientSpectroscopy))测定，能够简单地评价半导体晶片的内部质量。特别是提供一种方法，不仅是抛光晶片或外延晶片等，也能够评价SOI晶片的SOI层的内部。

为了解决上述课题，本发明提供一种半导体晶片的评价方法，其特征在于：

至少在半导体晶片的表面上形成氧化膜，然后除去一部分的该氧化膜来实行二处的开窗，接着从该二处的窗，扩散与要进行评价的半导体的导电型相异的导电型的掺杂剂，而在上述要进行评价的半导体内形成扩散部，来形成PN结，然后在上述二个扩散部之间实行漏泄电流测定及/或深能级瞬态谱测定，来评价上述半导体晶片。

如此，至少首先在半导体晶片的表面上形成氧化膜，然后实行二处的开窗，接着从该二处的窗，扩散与要进行评价的半导体的导电型相异的导电型的掺杂剂，而在要进行评价的半导体内形成扩散部，来形成PN结。然后，通过在上述二个扩散部之间实行漏泄电流测定及/或深能级瞬态谱测定，可以评价上述半导体晶片。

也即，仅利用将氧化膜作为屏蔽来形成二个扩散部、PN结的单纯结构及简单的工序，便能够对要进行评价的半导体的内部，实行漏泄电流测定及/或深能级瞬态谱测定，而能够评价半导体晶片的内部。因此，评价不需要花费太多的工夫或时间，可以极简便且效率佳地评价半导体晶片。

此时，上述要进行评价的半导体晶片设为SOI晶片，则可以评价SOI层。

如上所述，评价SOI晶片的SOI层的情况，由于SOI晶片中存在埋氧层(BOX层)，单纯地应用以往一直采用的对抛光晶片或外延晶片进行的漏泄电流测定等的习知的评价方法，来进行评价是困难的；而且，制作器件厚才进行评价的方法，评价该SOI晶片的质量所需的时间长、没有效率。

然而，若是本发明的半导体晶片的评价方法，即使没有特意地制作器件，也能够容易地评价SOI层的内部。能够减少评价所需的时间、成本，是有效率的。

又，上述要进行评价的半导体晶片，可设为抛光晶片或外延晶片。

如此，本发明的评价方法，也能够应用于抛光晶片或外延晶片上。对于高电阻基板的情况，特别有效。

通过本发明，能够评价半导体晶片特别是SOI晶片的SOI层的内部。并且，由于只要先形成简单的PN结结构，然后进行漏泄电流测定及/或深能级瞬态谱测定便可以，所以不用花费多大的工夫或时间，便能够实行极有效率的评价。

附图说明

图1是用以说明本发明的半导体晶片的评价方法的说明图。

图2是表示实施例1的测定结果的图表。

图3是表示实施例2的测定结果的图表。

图4是用以说明评价抛光晶片或外延晶片时的习知的评价方法的说明图。

附图标记的说明

1：绝缘层上覆硅(SOI)晶片    2：氧化膜

3、3’：扩散部              5：基底晶片

6：埋氧层(BOX)层            7：绝缘层上覆硅(SOI)层

8、8’：窗                  9：测定机器

10：耗尽层                  11：缺陷

具体实施方式

以下，说明有关本发明的实施方式，但是本发明并未限定于此实施方式。

如上所述，例如当评价抛光晶片或外延晶片时，在要进行评价的半导体晶片内部，先扩散与要进行评价的半导体的导电型相异的导电型的掺杂剂来形成扩散层，形成PN结后，实行结漏泄电流测定或深能级瞬态谱测定，然后根据该测定值的大小等，来评价该半导体晶片的特性。

然而，要进行评价的半导体晶片是SOI晶片的情况，由于存在BOX层，因而无法将晶片背面侧作为接地端(GND)，所以上述一直以来对于抛光晶片或外延晶片进行的评价方法，并无法简单地应用于SOI晶片；又，其他习知的评价方法，也只是用以评价SOI层表层及SOI/BOX界面的方法，要利用这些方法来进行SOI晶片的SOI层内部的评价是困难的。

因此，本发明人深入研究后的结果，发现：若是至少在要进行评价的半导体内，扩散与要进行评价的半导体的导电型相异的导电型的掺杂剂，来形成二处扩散部，然后在该二处扩散部之间实行漏泄电流测定及/或深能级瞬态谱测定，来评价该半导体晶片的方法，则可以实行半导体内部的评价。若是此种评价方法，发现：当然可以评价抛光晶片或外延晶片，且即使是SOI晶片，也可以容易地评价要进行评价的半导体的内部。因而完成本发明。

以下，一边参照附图一边详细地说明本发明的半导体晶片的评价方法，但是本发明并未限定于此实施形态。

图1是用以说明本发明的半导体晶片的评价方法的说明图。在此，举出SOI晶片来作为评价对象的例子，但是利用本发明的评价方法可进行评价的半导体晶片并没有特别限定，例如也可以是抛光晶片或外延晶片。

另外，为了方便说明，以下仅说明仅在二处开窗及形成扩散部的情况，但是不限于二处，只要至少在二处开窗及形成扩散部便可以，更可以在多处开窗及形成扩散部。只要适当地选择其中二处便可以。

首先，如图1所示，叙述有关在本发明的评价方法中要进行评价的半导体晶片(在此为SOI晶片1，包含基底晶片5、BOX层6、SOI层7)。

如上所述，可进行评价的半导体晶片的种类没有限定，能够设为抛光晶片或外延晶片，甚至是SOI晶片等的各种晶片。

而且，当实行漏泄电流测定及/或深能级瞬态谱测定时，如图1所示，在要进行评价的半导体晶片内部，也即在SOI层7内，形成二个扩散部(扩散部3、3’)。这些扩散部3、3’，是以形成在SOI晶片1表面上的氧化膜2作为屏蔽(mask)，从在氧化膜上开窗而得的窗8、8’，将与SOI层7的导电型相异的导电型的掺杂剂，扩散至SOI层7内而形成，由此分别形成PN结。

又，在图1中，是直接使探针接触这些扩散部3、3’，但是当然也可以在扩散部3、3’上形成电极。例如，可以配合扩散部3、3’表面上的掺杂剂的浓度来决定是否设置电极。

而且，实施本发明的评价方法时，漏泄电流测定或深能级瞬态谱测定所使用的测定机器9，没有特别限定，能够使用一直以来所使用的测定机器。例如，作为漏泄电流的测定机器，只要有抗噪声的探针和测试器便可以。但是，为了掌握漏泄程度，优选是可测定千万亿分之一安培(fA)等级的装置。

又，作为用来进行深能级瞬态谱测定的测定机器，只要采用一般市面上销售的装置便可以。

接着，说明有关本发明的测定方法的顺序。

首先，准备成为评价对象的半导体晶片。如上所述，其种类没有特别限定，能够准备想要评价其特性的半导体晶片。

然后，例如若是SOI晶片，可以是将至少在其中一方的硅晶片表面上形成有硅氧化膜的2片镜片研磨晶片的研磨面贴合，热处理后，通过磨削、研磨来使其中一方的晶片薄膜化而成的SOI晶片；也可以是预先将氢离子注入其中一方的镜面研磨晶片中之后，将2片镜面研磨晶片的研磨面贴合，然后通过热处理，利用氢离子注入层将其中一方的晶片剥离来形成SOI结构后，研磨将成为SOI层的薄膜的表面而成的SOI晶片。又，也可以是对1片镜面研磨晶片进行氧离子注入后，实行高温热处理而制作出来的注氧隔离(SIMOX(Seperated Implanted Oxide))晶片。

以往，适当地评价SOI层的内部是困难的。然而，本发明的评价方法，能够容易且适当地评价SOI层的内部。因此，本评价方法特别是对于SOI晶片的评价是有效果的。

另一方面，若是准备抛光晶片或外延晶片等的半导体晶片来进行评价时，与图4所示习知的将要进行评价的半导体晶片的背面侧作为接地端(GND)，来实行漏泄电流的测定的评价方法相异，本评价方法，由于是以相邻的扩散部3、3’中的其中一方作为接地端来实行测量，所以可以降低要进行评价的半导体晶片的寄生电容的影响，被认为对于高电阻基板的情况特别有效。

然后，准备上述要进行评价的半导体晶片也即在此处为SOI晶片1之后，首先在SOI晶片1的表面上形成氧化膜2。

本氧化膜2，是在之后的掺杂剂扩散工序中成为屏蔽。例如可以形成热氧化膜、也可以层积化学气相沉积(CVD)氧化膜。

氧化膜2的厚度没有特别限定，只要是能遮住之后通过注入等方式而扩散的掺杂剂便可以，更优选是设为500nm以上。若设为此种厚度，即使掺杂剂的扩散是使用玻璃沉积等的情况，也能够更有效地抑制在氧化膜中的掺杂剂的扩散。

形成上述般的厚氧化膜的情况，并且SOI层7薄的情况(小于100nm)，优选是通过化学气相沉积(CVD)来形成氧化膜2。

根据SOI层7的厚度、各种条件等，便能够每次适当地决定氧化膜2的形成方法。

接着，除去一部分的该氧化膜2，形成用于掺杂剂扩散的窗8、8’。

例如通过微影工序，在光阻上形成氧化膜2的开窗用图案，然后将此光阻作为屏蔽，利用蚀刻来除去窗8、8’处的氧化膜。

氧化膜2的蚀刻，可以是干式蚀刻，也可以是以氢氟酸(HF)为基础的湿式蚀刻。若是干式蚀刻，则可加工成更微细的图案。另一方面，若是湿式蚀刻，则能够防止发生等离子损伤。

此种氧化膜2的开窗工序，能够对应各种条件，通过适当的方法来实行。

然后，若完成对氧化膜2开窗的工序，则实行掺杂剂的扩散。

将与要进行评价的半导体(在此为SOI层7)的导电型相异的掺杂剂，经过窗8、8’扩散至SOI层7内，之后施行退火处理，形成PN结。此扩散能够使用离子注入、玻璃沉积(glass deposition)、涂布扩散等的各种方法，扩散方法并没有特别限定。

此时，扩散长度(深度)可以到达至BOX层为止，也可以考虑耗尽层扩大(根据SOI层电阻率而变化)，而到达至要进行评价的深度为止。

由于PN结深度是依据退火条件来决定，例如进行预备实验，通过将退火时间调整至可以达到所希望的深度，便能够调节该结深度。

又，扩散后的表面浓度，例如若成为1×10²⁰/cm³程度的高浓度，则有以下的优点：即使之后没有形成用来进行漏泄电流测定或深能级瞬态谱测定时的所用的电极，也能够直接将最表层作为电极来使用。但是，当然也可以在扩散部3、3’上形成电极。

根据上述顺序，在SOI晶片1内，形成扩散部、PN结后，实际地实行漏泄电流测定或深能级瞬态谱测定。

选择二个相邻的扩散部，将其中一方接地，另一方则连接至测定机器9。此时，例如使用探针并将其分别接触扩散部3、3’的表面，来得到接点。如上所述，也能够经由形成在扩散部3、3’上的电极来得到接点。

在此，若是进行漏泄电流测定的情况，以逆偏压的方式来施加电压，测量此时所发生的漏泄电流。

例如以在SOI层7(P型)扩散N型的掺杂剂而形成扩散部3、3’作为例子来说明，测定机器的连接侧为逆偏压，耗尽层10在SOI层7的内部(扩散部3的附近)扩大，由于存在于此耗尽层10中的缺陷11的影响，发生漏泄电流。另一方面，接地侧(3’侧)成为蓄积侧，对于测定系统没有影响。

以此种方式，测定在扩散部3、3’之间的漏泄电流。

而且，根据此漏泄电流的测定值，能够实行SOI晶片1(SOI层7)内部的质量评价。

又，进行深能级瞬态谱测定的情况，取代漏泄电流测定用的测定机器，而是连接至深能级瞬态谱测定机器(电容计)，往顺方向或逆方向施加偏压，能够通过测定静电电容的过渡时间变化来实行。

如此，通过组合深能级瞬态谱测定，也可以特定出缺陷的种类(特别是金属杂质)。

这些漏泄电流测定或深能级瞬态谱测定的顺序本身，能够以与习知同样的方式来实行。

以下，举出实施例，详细地说明本发明，但是这些实施例并不是用来限定本发明。

(实施例1)

使用本发明的评价方法，实行半导体晶片的评价。

作为测定对象晶片，是使用基底晶片、SOI层都是导电型P型、直径200mm、结晶方位<100>的硅绝缘层上覆硅(SOI)晶片。另外，为了要作成P型而使用硼来作为掺杂剂。又，SOI层与BOX层的厚度，分别为13、1μm程度。

又，预先以铁(Fe)故意污染SOI层。准备其污染浓度分别为的1×10¹¹/cm²(在图2以1.E+11来表示1×10¹¹，以下同样地表示)、5×10¹¹/cm²、1×10¹³/cm²、1×10¹⁴/cm²的SOI晶片。

对于此SOI晶片，以1000℃实行高温氧化，在SOI晶片的表面上形成1μm的氧化膜。

之后，使用光罩(以1mm的间隔配置多数个500μm正方的图案而成)进行微影工序，然后以缓冲的氢氟酸对氧化膜实行开窗蚀刻，而在氧化膜上，以1mm间隔，形成500μm正方的图案。

以POCl₃为原料，在此SOI晶片上层积磷玻璃，接着，以1000℃进行2小时的氮退火之后，利用氢氟酸来除去磷玻璃。由此，在SOI层内部，形成PN结。另外，此时的磷的扩散深度，大约为2μm。

上述样品晶片的相邻的二个扩散部之中，将其中一方连接至测试器的接地端，另一方则连接至测定部，并施加逆偏压，来测定相邻的扩散部之间的漏泄电流。另外，作为用来测定漏泄电流的机器，在此是使用美商吉时利仪器(Keithley Instruments)公司制造的测试器SC4200与VECTOR公司制造的探针VX-3000。

将实施例1的结果表示于图2。图2是表示故意地污染后的铁(Fe)浓度与测出的漏泄电流之间的关系。

如图2所示，确认了：若铁造成的污染浓度越高，则漏泄电流有变大的倾向。也即，缺陷、杂质越多，漏泄电流也会确实地变大，即使测定对象是SOI晶片，也能够测出对应缺陷等的数量的漏泄电流，而得知能够评价SOI层的内部。

(实施例2)

除了测定机器是使用深能级瞬态谱测定用的机器(施美乐博(Semilab)公司制造的DLS-83D)以外，利用与实施例1同样的顺序，评价以铁(Fe)故意地污染5×10¹¹/cm²浓度后的样品SOI晶片后的结果，得到图3所示的测定数据，而根据测定数据馆(基准(referance)测定结果)，尖峰被鉴别为铁，污染量则评价为5×10¹¹/cm²。

也即，通过本发明的评价方法，能够正确地判断出污染金属的种类、污染量。

如上所述，若是本发明的半导体晶片的评价方法，不需要特意地施行困难的加工，由于只要先形成相邻的扩散部而形成PN结，然后实行在这些扩散部间的漏泄电流测定及/或深能级瞬态谱测定，来进行评价，便能够简单且有效率地评价半导体晶片。

特别是对于以往是困难的SOI晶片的SOI层内部的评价而言，能够简单地进行，是极为有效的评价方法。

而且，本发明并未限定于上述实施方式。上述实施方式仅是例示，只要是具有与被记载于本发明的权利要求中的技术思想实质上相同的构成，能得到同样的作用效果者，不论为何者，皆被包含在本发明的技术范围内。

Claims (3)

1.一种半导体晶片的评价方法，其特征在于：

至少在半导体晶片的表面上形成氧化膜，然后除去一部分的该氧化膜来实行二处的开窗，接着从该二处的窗，扩散与要进行评价的半导体的导电型相异的导电型的掺杂剂，而在上述要进行评价的半导体内形成扩散部，来形成PN结，然后在上述二个扩散部之间实行漏泄电流测定及/或深能级瞬态谱测定，来评价上述半导体晶片。

2.如权利要求1所述的半导体晶片的评价方法，其中，上述要进行评价的半导体晶片设为SOI晶片，进行评价SOI层。

3.如权利要求2所述的半导体晶片的评价方法，其中，将上述要进行评价的半导体晶片，设为抛光晶片或外延晶片。

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