JP2001274214A - Method for evaluating semiconductor silicon wafer and method for controlling manufacturing process - Google Patents

Method for evaluating semiconductor silicon wafer and method for controlling manufacturing process

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JP2001274214A
JP2001274214A JP2000082958A JP2000082958A JP2001274214A JP 2001274214 A JP2001274214 A JP 2001274214A JP 2000082958 A JP2000082958 A JP 2000082958A JP 2000082958 A JP2000082958 A JP 2000082958A JP 2001274214 A JP2001274214 A JP 2001274214A
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silicon wafer
semiconductor silicon
mode
wafer
measurement
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Tetsushi Oka
哲史 岡
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Shin Etsu Handotai Co Ltd
Original Assignee
Shin Etsu Handotai Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method with which only the quality of semiconductor silicon wafers can be evaluated by properly setting conditions for manufacturing MOS capacitors and conditions of TDDB measurement, when MOS capacitors are formed on a semiconductor silicon wafer and to provide a method for controlling the process of their manufacturing, by feeding back the results obtained by the evaluating method to the manufacturing process of semiconductor silicon wafers. SOLUTION: MOS capacitors are formed on the surface of a semiconductor silicon wafer and the quality of the semiconductor silicon wafer is evaluated, on the basis of the accidental defects (β mode destruction) rate of Weibull plots obtained by performing a TDDB measurement of the MOS capacitors. Also, the manufacturing process of semiconductor wafers is controlled on the basis of the accidental defects (β mode destruction) rate.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体シリコンウ
ェーハに形成したMOS(Metal Oxide Semiconducto
r)キャパシタのTDDB測定を行うことにより、半導
体シリコンウェーハの品質を評価する方法およびその製
造工程を管理する方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a MOS (Metal Oxide Semiconductor) formed on a semiconductor silicon wafer.
r) A method for evaluating the quality of a semiconductor silicon wafer by performing TDDB measurement of a capacitor and a method for managing a manufacturing process thereof.

【0002】[0002]

【従来の技術】TDDB(Time Dependent Dielectric
Breakdown)測定は、半導体シリコンウェーハを用いて
形成されるMOSトランジスタのゲート酸化膜の信頼性
評価として広く知られており、特に、10nm以下の薄
膜酸化膜の開発・改善および信頼性評価には不可欠の技
術である。
2. Description of the Related Art TDDB (Time Dependent Dielectric)
Breakdown) measurement is widely known as a reliability evaluation of a gate oxide film of a MOS transistor formed using a semiconductor silicon wafer, and is particularly indispensable for the development and improvement of a thin film oxide film of 10 nm or less and reliability evaluation. Technology.

【0003】一般的に、TDDB測定による評価は、ウ
ェーハ上に多数のMOSキャパシタを作製する工程と、
そのキャパシタに特定のストレス(電圧或いは電流)を
加えて酸化膜が絶縁破壊を起こすまでの時間を測定する
工程とを経て、その測定結果をワイブルプロットするこ
とによりMOSキャパシタの信頼性(寿命)を評価する
ものである。
[0003] Generally, evaluation by TDDB measurement includes a process of manufacturing a large number of MOS capacitors on a wafer,
Applying a specific stress (voltage or current) to the capacitor and measuring the time until the oxide film undergoes dielectric breakdown. The reliability (life) of the MOS capacitor is determined by Weibull plotting the measurement result. To evaluate.

【0004】ここでワイブルプロットとは、絶縁破壊を
起こしたMOSキャパシタの累積不良率Fから算出され
る指数Wを縦軸とし、ストレス印加時間t(あるいは絶
縁破壊に至る電荷量Qbd)のlogスケールを横軸とし
てプロットするものである。尚、指数Wは下記の式によ
り計算される。
Here, the Weibull plot is a log scale of the stress application time t (or the charge amount Qbd leading to the dielectric breakdown), with the vertical axis representing the index W calculated from the cumulative failure rate F of the MOS capacitor having the dielectric breakdown. Is plotted on the horizontal axis. The index W is calculated by the following equation.

【0005】W=ln[ln{1/(1−F)}]W = ln [ln {1 / (1-F)}]

【0006】実際の測定結果をワイブルプロットする
と、通常は、初期不良(以下、αモード破壊または単に
αモードと呼ぶことがある。)、偶発不良(以下、βモ
ード破壊または単にβモードと呼ぶことがある。)、お
よび、材料の限界を示す真性不良(以下、γモード破壊
または単にγモードと呼ぶことがある。)に区別するこ
とができ、初期不良および偶発不良が少なく、真性破壊
に達するまでの時間が長いほど優れたキャパシタである
と判断される。
When Weibull plotting the actual measurement results, usually, an initial failure (hereinafter sometimes referred to as α mode destruction or simply α mode) and an accidental failure (hereinafter referred to as β mode destruction or simply β mode) ) And intrinsic defects (hereinafter sometimes referred to as γ-mode destruction or simply γ-mode) indicating the limit of the material. It is determined that the longer the time is, the better the capacitor is.

【0007】しかしながら、この測定結果は、シリコン
ウェーハの品質(酸化膜の膜質)に依存するだけでな
く、当然のことながら、測定用のMOSキャパシタの作
製条件および測定条件の影響も強く受けるので、ウェー
ハの品質のみを評価することは困難であった。
However, the measurement result not only depends on the quality of the silicon wafer (the quality of the oxide film), but also naturally depends on the manufacturing conditions and the measurement conditions of the MOS capacitor for measurement. It was difficult to evaluate only the quality of the wafer.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】従来、半導体シリコン
ウェーハにMOSキャパシタを形成しTDDB測定を行
ってウェーハの品質を評価することは行なわれていたも
のの、これは、MOSキャパシタの作製条件およびTD
DB測定条件の影響を含んだ評価であったため、ウェー
ハの品質のみを評価するものではなかった。また、これ
らの条件がどのようにTDDB測定の結果に影響を及ぼ
すのかについては詳細な調査は行なわれていなかった。
Conventionally, it has been practiced to form a MOS capacitor on a semiconductor silicon wafer and perform TDDB measurement to evaluate the quality of the wafer.
Since the evaluation included the influence of the DB measurement conditions, it was not to evaluate only the quality of the wafer. In addition, no detailed investigation has been performed on how these conditions affect the results of the TDDB measurement.

【0009】本発明は、このような問題点に鑑みなされ
たものであり、半導体シリコンウェーハにMOSキャパ
シタを形成する際のMOSキャパシタの作製条件および
TDDB測定条件を適切に設定することにより、半導体
シリコンウェーハの品質のみを評価することができる方
法を提供し、この評価方法により得られた結果を半導体
シリコンウェーハの製造工程にフィードバックしてその
製造工程を管理することすることを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to appropriately set MOS capacitor fabrication conditions and TDDB measurement conditions when forming MOS capacitors on a semiconductor silicon wafer. An object of the present invention is to provide a method capable of evaluating only the quality of a wafer, and to feed back a result obtained by the evaluation method to a semiconductor silicon wafer manufacturing process to manage the manufacturing process.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
め、本発明の請求項1に記載した発明は、半導体シリコ
ンウェーハの表面にMOSキャパシタを形成し、該MO
SキャパシタのTDDB測定を行うことにより得られる
ワイブルプロットの偶発不良(βモード破壊)率によ
り、前記半導体シリコンウェーハの品質を評価すること
を特徴とする半導体シリコンウェーハの評価方法であ
る。
In order to solve the above-mentioned problems, the invention according to claim 1 of the present invention comprises forming a MOS capacitor on the surface of a semiconductor silicon wafer,
A method for evaluating a semiconductor silicon wafer, wherein the quality of the semiconductor silicon wafer is evaluated based on a random failure (β mode destruction) rate of a Weibull plot obtained by performing TDDB measurement of an S capacitor.

【0011】このように、MOSキャパシタのTDDB
測定で得られた偶発不良(βモード破壊)率を評価すれ
ば、半導体シリコンウェーハを作製したシリコン単結晶
の育成条件の違い(Grown-in欠陥の違い)による影響を
排除し、加工条件の差異によるウェーハ品質の評価を行
うことができる。
Thus, the TDDB of the MOS capacitor
Evaluating the random failure (β-mode fracture) rate obtained by the measurement eliminates the influence of the difference in growth conditions (Grown-in defect) of the silicon single crystal produced on the semiconductor silicon wafer and the difference in the processing condition. Can be used to evaluate the wafer quality.

【0012】この場合、請求項2に記載した様に、その
偶発不良率が20%以下となる半導体シリコンウェーハ
を良品と判断することが好ましい。20%を超える偶発
不良率とウェーハの加工条件の突発的変化との間には密
接な関連があるからである。
In this case, as described in claim 2, it is preferable to judge a semiconductor silicon wafer having a random failure rate of 20% or less as a non-defective product. This is because there is a close relationship between the accidental failure rate exceeding 20% and a sudden change in wafer processing conditions.

【0013】また、MOSキャパシタを形成する際の酸
化膜厚を10〜30nmとしたり(請求項3)、その電
極として、イオン注入法を用いない拡散方法によりドー
パントが拡散された膜厚200〜400nmのポリシリ
コンを、ウェットエッチングを行うことにより形成した
電極を用いることにより(請求項4)、MOSキャパシ
タの作製条件の影響を強く受けずにウェーハの品質を評
価することができる。
The thickness of the oxide film when forming the MOS capacitor may be 10 to 30 nm (claim 3), and the electrode may have a thickness of 200 to 400 nm in which the dopant is diffused by a diffusion method without using ion implantation. By using an electrode formed by performing the wet etching of the polysilicon described above (claim 4), the quality of the wafer can be evaluated without being strongly affected by the manufacturing conditions of the MOS capacitor.

【0014】さらに、TDDB測定を25〜150℃の
温度で行うことにより(請求項5)、ウェーハ品質の評
価に影響を与えることなく、通常の室温(20〜25℃
程度)での測定に比べて測定時間を短縮することができ
る。
Further, by performing the TDDB measurement at a temperature of 25 to 150 ° C. (claim 5), the TDDB measurement can be performed at a normal room temperature (20 to 25 ° C.) without affecting the evaluation of the wafer quality.
Measurement time) can be shortened as compared to the measurement of

【0015】また、請求項6は、半導体シリコンウェー
ハの表面にMOSキャパシタを形成し、該MOSキャパ
シタのTDDB測定を行うことにより得られるワイブル
プロットの偶発不良(βモード破壊)率により、前記半
導体シリコンウェーハの製造工程を管理することを特徴
とする半導体シリコンウェーハの製造工程の管理方法で
ある。
Further, according to a sixth aspect of the present invention, a semiconductor capacitor is formed on the surface of a semiconductor silicon wafer by forming a MOS capacitor and performing a TDDB measurement of the MOS capacitor to determine a random failure (β mode breakdown) rate of a Weibull plot. A method for managing a manufacturing process of a semiconductor silicon wafer, wherein the manufacturing process of the wafer is managed.

【0016】このように、MOSキャパシタのTDDB
測定で得られた偶発不良(βモード破壊)率を評価すれ
ば、半導体シリコンウェーハの加工条件に差異に起因す
るウェーハ品質の評価を行うことができるので、この評
価結果を加工条件にフィードバックさせることにより、
シリコンウェーハの製造工程を管理することができる。
As described above, the TDDB of the MOS capacitor
By evaluating the random failure (β-mode destruction) rate obtained by the measurement, it is possible to evaluate the wafer quality due to the difference in the processing conditions of the semiconductor silicon wafer, and this evaluation result is fed back to the processing conditions. By
The manufacturing process of the silicon wafer can be managed.

【0017】以下、本発明について更に詳細に説明す
る。本発明者は、様々な製造条件で作製された半導体シ
リコンウェ−ハ(以下、シリコンウェーハまたはウェー
ハと言うことがある。)にMOSキャパシタを作製し、
TDDB測定のワイブルプロットによる評価を行ったと
ころ、αモード、βモード、γモードを適切に規定すれ
ば、シリコンウェーハの品質評価が可能であるとの知見
を得た。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail. The inventor manufactured a MOS capacitor on a semiconductor silicon wafer (hereinafter, sometimes referred to as a silicon wafer or a wafer) manufactured under various manufacturing conditions,
Evaluation by TDDB measurement by Weibull plots revealed that if the α mode, β mode, and γ mode are appropriately defined, the quality of the silicon wafer can be evaluated.

【0018】具体的には、シリコンウェーハを作製する
ための単結晶の育成条件、すなわち、単結晶育成中に単
結晶内に導入される微小な結晶欠陥であるGrown-in欠陥
密度の違いはαモードに顕著に現れ、ウェーハの加工条
件(例えば、研磨条件や洗浄条件など)の違いはβモー
ドに現れることを知見して、本発明を完成させた。
Specifically, the single crystal growth conditions for producing a silicon wafer, that is, the difference in the density of Grown-in defects, which are small crystal defects introduced into a single crystal during single crystal growth, are α The present invention was completed by recognizing that the difference in processing conditions (for example, polishing conditions and cleaning conditions) of the wafer appears remarkably in the β mode.

【0019】図5はこれを説明するもので、製造条件の
異なる3種類のウェーハ(A、B、C)のTDDB測定
を行い、Qbd(Charge To Breakdown:絶縁破壊に至る
電荷量)がそれぞれ5mC/cm未満、5mC/cm
以上5C/cm未満、5C/cm以上となった領
域をαモード、βモード、γモードと定義して不良率を
比較したものである。
FIG. 5 illustrates this, in which TDDB measurements were performed on three types of wafers (A, B, C) under different manufacturing conditions, and Qbd (Charge To Breakdown: the amount of charge leading to dielectric breakdown) was 5 mC each. / cm 2 less than, 5mC / cm
More 5C / cm less than 2, 5C / cm 2 or more and became the region α mode, a comparison β mode, the failure rate is defined as γ mode.

【0020】ここで、ウェーハ(A、B、C)は、単結
晶の引き上げ条件(結晶1、結晶2)と研磨工程中の洗
浄条件(洗浄1、洗浄2)を変えたものであり、ウェー
ハAは(結晶1、洗浄1)であり、ウェーハBは(結晶
2、洗浄1)であり、ウェーハCは(結晶2、洗浄2)
である。図5の結果より、結晶の違いはαモードに現
れ、洗浄(加工条件)の違いはβモードに現れることが
明確に理解できる。
Here, the wafers (A, B, C) are obtained by changing the single crystal pulling conditions (crystal 1, crystal 2) and the cleaning conditions (cleaning 1, cleaning 2) during the polishing process. A is (crystal 1, cleaning 1), wafer B is (crystal 2, cleaning 1), wafer C is (crystal 2, cleaning 2).
It is. From the results in FIG. 5, it can be clearly understood that the difference in the crystal appears in the α mode, and the difference in the cleaning (processing conditions) appears in the β mode.

【0021】次に、ウェーハの品質のみを評価するのに
最適なMOS作製条件、TDDB測定条件を得るため
に、これらの条件がTDDB特性に及ぼす影響を調査し
た。
Next, in order to obtain optimum MOS fabrication conditions and TDDB measurement conditions for evaluating only the quality of the wafer, the effects of these conditions on the TDDB characteristics were investigated.

【0022】(ゲート酸化条件)TDDB特性における
ゲート酸化膜の真性破壊が生じるQbd値は、評価対象ウ
ェーハがCZウェーハであるかエピタキシャルウェーハ
であるかにかかわらず、酸化温度が高いほど、また、ド
ライ酸化よりパイロジェニック酸化の方が高いことが知
られている。
(Gate Oxidation Conditions) Regarding the TDDB characteristic, the Qbd value at which the intrinsic breakdown of the gate oxide film occurs depends on whether the wafer to be evaluated is a CZ wafer or an epitaxial wafer, as the oxidation temperature becomes higher and the dryness becomes higher. It is known that pyrogenic oxidation is higher than oxidation.

【0023】また、酸化膜厚については、図6に示すよ
うに、酸化膜厚が薄くなるほど真性破壊が生じるQbd値
は小さくなるとともに、酸化膜厚10nm以下ではその
傾きがかなりなだらかになるため、γモードとβモード
との明確な区別がつきにくくなることがわかった。従っ
て、γモードとβモードとを明確に区別するには10n
m以上の酸化膜が好ましく、一方、サンプル作製の容易
さ或いは装置の管理のしやすさを考慮すると、ドライ酸
化で最大30nm程度の膜厚が好ましいと言える。
As for the oxide film thickness, as shown in FIG. 6, the Qbd value at which intrinsic destruction occurs becomes smaller as the oxide film thickness becomes smaller, and the slope becomes considerably gentle when the oxide film thickness is 10 nm or less. It was found that it was difficult to clearly distinguish between the γ mode and the β mode. Therefore, to clearly distinguish between the γ mode and the β mode, 10n
An oxide film having a thickness of not less than m is preferable. On the other hand, in consideration of the ease of sample preparation and the ease of management of the apparatus, it can be said that a dry oxidation has a maximum thickness of about 30 nm.

【0024】(ゲート電極形成条件)図7は電極として
用いるリンドープポリシリコンの厚さとシート抵抗との
関係を示している。シート抵抗の測定は、ポリシリコン
堆積後、酸素を3%含む窒素ガス雰囲気下、800℃、
900℃、1000℃の各温度で30分アニールした後
測定したものである。
(Gate Electrode Forming Conditions) FIG. 7 shows the relationship between the thickness of phosphorus-doped polysilicon used as an electrode and the sheet resistance. The sheet resistance was measured at 800 ° C. in a nitrogen gas atmosphere containing 3% of oxygen after polysilicon deposition.
It was measured after annealing at 900 ° C. and 1000 ° C. for 30 minutes.

【0025】リンドープ電極としてのポリシリコン膜に
ダメージを与えないためには、リンをドープする際にイ
オン注入法を用いず、通常の気相拡散法を用いることが
好ましく、電極パターンを形成するためにポリシリコン
膜をパターニングする際に、ドライエッチングを用いる
と、ダメージが入りやすいため、ウェットエッチングを
用いるのが良い。
In order not to damage the polysilicon film as the phosphorus-doped electrode, it is preferable to use an ordinary gas-phase diffusion method instead of the ion implantation method when doping phosphorus. If dry etching is used when patterning the polysilicon film, wet etching is likely to occur, so that wet etching is preferably used.

【0026】また、電気測定の点からは電極のシート抵
抗は小さい程良いが、50Ω/□以下であれば測定結果
にあまり影響しないことが確認されているので、図7の
結果から、電極の膜厚は200nm以上が好ましく、電
極形成に要する時間を考慮すると400nm以下にする
ことが好ましい。
From the point of electrical measurement, the smaller the sheet resistance of the electrode is, the better. However, it is confirmed that if the resistance is 50 Ω / □ or less, it does not significantly affect the measurement result. The film thickness is preferably 200 nm or more, and preferably 400 nm or less in consideration of the time required for forming an electrode.

【0027】(TDDB測定条件)図8は、酸化膜厚2
5nm、ゲート面積4mm2を有するMOSキャパシタ
のTDDB特性のストレス電流依存性の一例を示してい
る。γモードを示す急激な立ち上がりはストレス電流の
増加とともに低Qbd側にシフトし、しかもその傾きはな
だらかになる傾向を示すことがわかる。図9は、測定し
た100個のキャパシタの中で最大のQbd(Qbdmax:
最長寿命)のストレス電流依存性を示したものである。
(TDDB Measurement Conditions) FIG.
9 shows an example of stress current dependence of TDDB characteristics of a MOS capacitor having a thickness of 5 nm and a gate area of 4 mm 2 . It can be seen that the sharp rise indicating the γ mode shifts to the low Qbd side as the stress current increases, and the inclination tends to be gentle. FIG. 9 shows the maximum Qbd (Qbdmax:
It shows the dependency of the longest life) on the stress current.

【0028】Qbdmaxは、ストレス電流が高くなるに従
って低下する傾向が見られる。これは、MOSキャパシ
タの破壊がストレス電流の大きさに影響されることを示
している一方で、ストレス電流をある程度小さくすれば
その影響はほとんど無視できることも示している。従っ
て、ウェーハ品質のみを評価する立場から考えると、ス
トレス電流は0.01A/cm以下が望ましいが、測
定時間を考慮すると0.05A/cm程度が適当であ
る。
Qbdmax tends to decrease as the stress current increases. This indicates that while the destruction of the MOS capacitor is affected by the magnitude of the stress current, the effect can be almost neglected if the stress current is reduced to some extent. Therefore, considering from the standpoint of evaluating only wafer quality, stress current is desirably 0.01 A / cm 2 or less, it is appropriate approximately 0.05 A / cm 2 in consideration of the measurement time.

【0029】図10は、直径200mmのエピタキシャ
ルウェーハのTDDB測定(酸化膜厚25nm、ゲート
面積4mm2、ストレス電流0.01A/cm)に関
し、測定温度の影響を調査した結果の一例である。測定
温度を上げることは、TDDB特性を左にシフトさせる
だけの効果であり、傾きそのものには影響しないことが
わかった。従って、測定時間を短縮するには、ストレス
電流を上げるよりは測定温度を上げる方が好ましい(1
00℃測定では25℃測定に比べて時間が約1/3にな
る。)が、温度を上げすぎるとウェーハ品質のみを評価
するという本来の目的に悪影響を及ぼすことが懸念され
るので、その温度は150℃以下が好ましい。
FIG. 10 shows an example of the results of an investigation on the influence of the measurement temperature on the TDDB measurement (25 nm oxide film thickness, gate area 4 mm 2 , stress current 0.01 A / cm 2 ) of an epitaxial wafer having a diameter of 200 mm. It was found that increasing the measurement temperature was only an effect of shifting the TDDB characteristic to the left, and did not affect the slope itself. Therefore, in order to shorten the measurement time, it is more preferable to increase the measurement temperature than to increase the stress current (1).
The time at 00 ° C. measurement is about 1/3 of the time at 25 ° C. measurement. However, if the temperature is too high, there is a concern that the original purpose of evaluating only the wafer quality may be adversely affected. Therefore, the temperature is preferably 150 ° C. or lower.

【0030】[0030]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
説明するが本発明はこれらに限定されるものではない。
図4は、本発明の半導体シリコンウェーハの評価方法に
適したMOSキャパシタの作製フローの例を示したもの
である。ウェーハの品質のみを評価する目的から、図4
に示したように犠牲酸化やLOCOS(LOCal Oxidatio
n ofSilicon)は行わずに作製工程を少なくすることが
好ましい。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the present invention will be described below, but the present invention is not limited to these embodiments.
FIG. 4 shows an example of a manufacturing flow of a MOS capacitor suitable for the method for evaluating a semiconductor silicon wafer of the present invention. For the purpose of evaluating only wafer quality, FIG.
As shown in the above, sacrificial oxidation and LOCOS (LOCal Oxidatio
n of Silicon) is preferably performed and the number of manufacturing steps is reduced.

【0031】図4において、まず、評価対象であるウェ
ーハを洗浄して表面の汚染物を除去し(図4(a))、
MOSキャパシタのゲート酸化膜となる酸化膜を形成す
る(図4(b))。この場合、洗浄を行わず直接酸化膜
を形成することもできる。酸化膜厚は前述の理由により
10〜30nmが好ましい。
In FIG. 4, first, the wafer to be evaluated is cleaned to remove contaminants on the surface (FIG. 4 (a)).
An oxide film to be a gate oxide film of the MOS capacitor is formed (FIG. 4B). In this case, an oxide film can be directly formed without performing cleaning. The oxide film thickness is preferably from 10 to 30 nm for the above-mentioned reason.

【0032】次に、リンを高濃度にドープしたポリシリ
コン膜を堆積する(図4(c))。リンドープポリシリ
コン膜は、例えば、減圧気相成長炉を用いてモノシラン
等のポリシリコンの原料ガスを供給するのと同時に、ホ
スフィン(PH)ガスを供給することにより堆積する
ことができる。ポリシリコンの膜厚としては、200〜
400nmが適切である。
Next, a polysilicon film heavily doped with phosphorus is deposited (FIG. 4C). The phosphorus-doped polysilicon film can be deposited by, for example, supplying a source gas of polysilicon such as monosilane and supplying a phosphine (PH 3 ) gas at the same time using a reduced pressure vapor phase growth furnace. The thickness of the polysilicon is 200 to
400 nm is appropriate.

【0033】そして、このポリシリコン膜を用いて電極
を形成するため、その表面にフォトレジストを塗布しパ
ターニングを行う(図4(d))。その後、このレジス
トをマスクとして電極となる部分以外のポリシリコンを
除去するわけだが、この際、ドライエッチングを用いる
と電極にダメージが入りやすいので、混酸系(例えば、
フッ酸、硝酸、酢酸、水の混合液)のエッチング液を用
いたウェットエッチングを行うことが好ましい(図4
(e))。最後にフォトレジストを除去することにより
MOSキャパシタが得られる(図4(f))。
Then, in order to form an electrode using this polysilicon film, a photoresist is applied to the surface thereof and patterning is performed (FIG. 4D). After that, the resist is used as a mask to remove the polysilicon other than the portions that will become the electrodes. At this time, if dry etching is used, the electrodes are likely to be damaged.
It is preferable to perform wet etching using an etching solution of hydrofluoric acid, nitric acid, acetic acid, and water (FIG. 4).
(E)). Finally, the MOS capacitor is obtained by removing the photoresist (FIG. 4F).

【0034】このようなMOSキャパシタは、通常ウェ
ーハ1枚当たり数10〜数100個形成することができ
るので、これらを任意に選択したTDDB測定条件によ
り測定し、ワイブルプロットを行えば、αモード、βモ
ード、γモードを評価することができる。この際、TD
DB測定条件として、測定温度は室温よりやや高温であ
る25〜150℃の温度、例えば100℃を選択し、ス
トレス電流として0.01〜0.05A/cm程度を
選択すれば、比較的短時間で信頼性の高い測定が可能で
ある。
Usually, several tens to several hundreds of such MOS capacitors can be formed per wafer, so that these can be measured under arbitrarily selected TDDB measurement conditions, and a Weibull plot can be performed to determine the α mode, β mode and γ mode can be evaluated. At this time, TD
As DB measurement conditions, a measurement temperature of 25 to 150 ° C. slightly higher than room temperature, for example, 100 ° C. is selected, and a stress current of about 0.01 to 0.05 A / cm 2 is selected. Highly reliable measurement is possible in time.

【0035】αモード、βモード、γモードの境界とす
るQbd値としては、測定条件にもよるが、例えば、5m
C/cm未満(αモード)、5mC/cm以上5C
/cm未満(βモード)、5C/cm以上(γモー
ド)とすることができる。そして、βモード破壊率を評
価すれば、半導体シリコンウェーハを作製したシリコン
単結晶の育成条件の違いによる影響を排除し、加工条件
に差異によるウェーハ品質の評価を行うことが可能とな
る。特に、βモード破壊率が20%以下を良品と判断す
ることにより、ウェーハの加工条件の突発的変化、例え
ば、洗浄工程や研磨工程に金属汚染が混入した等による
ウェーハ品質の異常を高精度に把握することができるた
め、ウェーハ加工工程へのフィードバックが可能とな
る。
The Qbd value as a boundary between the α mode, the β mode, and the γ mode depends on the measurement conditions.
Less than C / cm 2 (α mode), 5 mC / cm 2 or more and 5 C
/ Cm 2 (β mode) and 5 C / cm 2 or more (γ mode). Then, if the β mode destruction rate is evaluated, it is possible to eliminate the influence of the difference in the growth condition of the silicon single crystal from which the semiconductor silicon wafer has been manufactured, and to evaluate the wafer quality due to the difference in the processing condition. In particular, by judging that the β mode destruction rate is 20% or less as a non-defective product, a sudden change in the processing conditions of the wafer, for example, abnormalities in the wafer quality due to contamination of the cleaning process or polishing process with metal contamination, etc., can be detected with high accuracy. Since it can be grasped, feedback to the wafer processing step is possible.

【0036】[0036]

【実施例】CZ法により導電型p型、抵抗率10Ωc
m、結晶方位<100>の結晶を引き上げ、通常の加工
方法により、直径150mmの鏡面研磨ウェーハを作製
した。研磨条件は同一であるが、研磨工程後の純水中で
の保管時間を変化させて、TDDB特性に及ぼす影響を
調査した。
[Embodiment] P-type conductivity, resistivity 10Ωc by CZ method
m, a crystal having a crystal orientation of <100> was pulled up, and a mirror-polished wafer having a diameter of 150 mm was produced by a usual processing method. The polishing conditions were the same, but the effect on the TDDB characteristics was investigated by changing the storage time in pure water after the polishing step.

【0037】尚、MOSキャパシタの作製は図4の作製
フローに従って行い、リンドープポリシリコン膜は、減
圧気相成長炉を用いてモノシランのポリシリコンの原料
ガスを供給するのと同時に、水素ガスをベースにしたホ
スフィン(PH)ガスを供給することにより堆積し、
ポリシリコンの膜厚としては、200nmとした。ま
た、ポリシリコン膜をパターニングする際には、混酸系
(フッ酸、硝酸、酢酸、水の混合液)のエッチング液を
用いたウェットエッチングにより行った。
The MOS capacitor is manufactured according to the manufacturing flow shown in FIG. 4. The phosphorus-doped polysilicon film is supplied with hydrogen gas at the same time as supplying monosilane polysilicon source gas using a reduced pressure vapor phase growth furnace. Deposited by supplying a phosphine (PH 3 ) gas based on
The thickness of the polysilicon was 200 nm. The patterning of the polysilicon film was performed by wet etching using an etching solution of a mixed acid system (mixed solution of hydrofluoric acid, nitric acid, acetic acid, and water).

【0038】TDDB特性の測定条件は、ゲート酸化膜
厚25nm、電極面積4mm、ストレス電流0.01
A/cm、測定温度100℃とし、αモード(5mC
/cm未満)、βモード(5mC/cm以上5C/
cm未満)、γモード(5C/cm以上)とし、そ
の結果を図1に示した。
The conditions for measuring the TDDB characteristics are as follows: gate oxide film thickness 25 nm, electrode area 4 mm 2 , stress current 0.01
A / cm 2 , measurement temperature 100 ° C., α mode (5 mC
/ Cm 2 ), β mode (5 mC / cm 2 or more and 5 C /
cm less than 2), and γ-mode (5C / cm 2 or higher), and the results are shown in Figure 1.

【0039】図1の縦軸はγモード破壊率となっている
が、γモード破壊率(%)は下記の式で表すことがで
き、同一の結晶を使用しているのでαモードは一定(こ
こでは約20%)であるため、γモードの低下はβモー
ドの増加を意味している。
The vertical axis in FIG. 1 is the γ mode destruction rate. The γ mode destruction rate (%) can be expressed by the following equation. Since the same crystal is used, the α mode is constant ( (Approximately 20% here), so that a decrease in the γ mode means an increase in the β mode.

【0040】γモード破壊率(%)=100(%)−α
モード破壊率(%)−βモード破壊率(%)
Γ mode destruction rate (%) = 100 (%) − α
Mode destruction rate (%)-β mode destruction rate (%)

【0041】図1より、γモード破壊率は純水中での保
管時間が長くなるにしたがって低下していることから、
純水中での保管によりウェーハ表面の面荒れ、不純物の
付着等の理由によってウェーハ品質が劣化したと推定さ
れる。従って、βモード破壊率が20%以下を良品とす
ると、ここでのウェーハ製造工程における純水中での保
管時間として、γモード破壊率が確実に60%以上とな
る300分以下に管理すればよいことが判断できる。
FIG. 1 shows that the γ-mode destruction rate decreases as the storage time in pure water increases,
It is estimated that the wafer quality has deteriorated due to the surface roughness of the wafer surface due to the storage in pure water and the adhesion of impurities. Therefore, assuming that the β mode destruction rate is 20% or less as a non-defective product, the storage time in pure water in the wafer manufacturing process here should be controlled to 300 minutes or less at which the γ mode destruction rate is 60% or more. Good things can be judged.

【0042】(実施例2)実施例1と同一の引き上げ条
件により160ロットのCZ結晶を引き上げ、鏡面研磨
ウェーハに加工した。この際、各ロットの研磨条件は同
一であるが、研磨工程後の純水中での保管時間は特に管
理せずに行った。そして、各ロットからウェーハを1枚
ずつ抜き取り、実施例1と同一条件でTDDB特性を評
価した結果を図2(a)に示した。図2(a)をみる
と、βモードが突発的に大きな値を示すロットが発生し
ていることがわかった。
Example 2 160 lots of CZ crystals were pulled up under the same pulling conditions as in Example 1 and processed into mirror-polished wafers. At this time, the polishing conditions for each lot were the same, but the storage time in pure water after the polishing step was not particularly controlled. Then, wafers were extracted one by one from each lot, and the TDDB characteristics were evaluated under the same conditions as in Example 1. The results are shown in FIG. From FIG. 2A, it was found that a lot in which the β mode suddenly showed a large value occurred.

【0043】そこで、ウェーハ加工における研磨工程後
の純水中での保管時間を2時間以内に工程管理すること
として、さらに98ロットのCZ結晶を引き上げてウェ
ーハを追加作製し、TDDB特性を測定した。その結果
を図2(b)に示した。
Therefore, the storage time in pure water after the polishing step in wafer processing was controlled within 2 hours, and 98 lots of CZ crystals were further pulled up to prepare additional wafers, and the TDDB characteristics were measured. . The result is shown in FIG.

【0044】図2(b)の結果から、研磨工程後の純水
中での保管時間を2時間以内にしたことにより、βモー
ドは全て20%以下の良好な品質にすることができ、工
程改善がなされたことがわかる。
From the results shown in FIG. 2B, by setting the storage time in pure water after the polishing step to 2 hours or less, all the β modes can be set to a good quality of 20% or less. It can be seen that the improvement has been made.

【0045】(実施例3)同一条件で作製された直径2
00mmのシリコンエピタキシャルウェーハ(エピタキ
シャル層10μm)を2枚用意し、1枚はそのまま実施
例1と同一条件でMOSキャパシタを作製し、もう1枚
は、その表面をフッ硝酸(フッ酸、硝酸、水の混合液)
により10nm程度エッチングすることにより面状態を
悪化させた後、実施例1と同一条件でMOSキャパシタ
を作製した。
(Example 3) Diameter 2 manufactured under the same conditions
Two 00 mm silicon epitaxial wafers (epitaxial layer 10 μm) were prepared, one of them was used to fabricate a MOS capacitor under the same conditions as in Example 1, and the other was treated with hydrofluoric nitric acid (hydrofluoric acid, nitric acid, water). Liquid mixture)
After the surface state was deteriorated by etching by about 10 nm, a MOS capacitor was manufactured under the same conditions as in Example 1.

【0046】そして、TDDB特性の測定条件は、ゲー
ト酸化膜厚25nm、電極面積4mm、ストレス電流
0.01A/cm、測定温度25℃とし、αモード
(5mC/cm未満)、βモード(5mC/cm
上20C/cm未満)、γモード(20C/cm
上)と設定して測定し、測定結果を図3に示した。尚、
図3中のEtched-epiは上記エッチング処理したエピタキ
シャルウェーハを示し、As-epiは上記エッチング処理を
行わなかったエピタキシャルウェーハを示している。
The measurement conditions of the TDDB characteristics are as follows: gate oxide film thickness 25 nm, electrode area 4 mm 2 , stress current 0.01 A / cm 2 , measurement temperature 25 ° C., α mode (less than 5 mC / cm 2 ), β mode (5 mC / cm 2 or more and less than 20 C / cm 2 ) and γ mode (20 C / cm 2 or more) were measured, and the measurement results are shown in FIG. 3. still,
Etched-epi in FIG. 3 indicates an epitaxial wafer that has been subjected to the etching process, and As-epi indicates an epitaxial wafer that has not been subjected to the etching process.

【0047】図3から、ウェーハ表面の面状態を悪化さ
せた影響はαモードおよびγモードにはあまり差異はな
く、βモードにのみ著しい違いが見られることがわかっ
た。すなわち、TDDB特性のβモードを評価すること
により、ウェーハの加工条件(表面品質)を明瞭に判断
することができることがわかった。
FIG. 3 shows that the effect of deteriorating the surface condition of the wafer surface is not so different between the α mode and the γ mode, and a remarkable difference is seen only in the β mode. That is, it was found that the processing conditions (surface quality) of the wafer can be clearly determined by evaluating the β mode of the TDDB characteristic.

【0048】[0048]

【発明の効果】本発明によれば、半導体シリコンウェー
ハを作製したシリコン単結晶の育成条件の違いによる影
響を排除し、加工条件の差異によるウェーハ品質の評価
を行うことができる。また、半導体シリコンウェーハに
MOSキャパシタを形成する際のMOSキャパシタの作
製条件およびTDDB測定条件を適切に設定することが
できるため、これらの影響が極力排除され、半導体シリ
コンウェーハの品質のみを評価することができる。さら
に、この評価結果を加工条件にフィードバックさせるこ
とができるので、シリコンウェーハの製造工程を管理す
ることができる。
According to the present invention, the influence of the difference in the growth conditions of the silicon single crystal from which the semiconductor silicon wafer has been manufactured can be eliminated, and the wafer quality can be evaluated by the difference in the processing conditions. In addition, since the conditions for forming the MOS capacitor and the conditions for measuring the TDDB when forming the MOS capacitor on the semiconductor silicon wafer can be appropriately set, these effects are eliminated as much as possible, and only the quality of the semiconductor silicon wafer is evaluated. Can be. Furthermore, since the evaluation result can be fed back to the processing conditions, the manufacturing process of the silicon wafer can be managed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】実施例1における純水中でのウェーハの保管時
間とγモード破壊率との関係を示したグラフである。
FIG. 1 is a graph showing the relationship between the storage time of a wafer in pure water and the γ-mode destruction rate in Example 1.

【図2】実施例2における純水中でのウェーハの保管時
間とβモード破壊率との関係を示したグラフであり、
(a)は保管時間を管理しなかった場合のロット間バラ
ツキを示し、(b)は保管時間を2時間以内とした場合
のロット間バラツキをている。
FIG. 2 is a graph showing a relationship between a storage time of a wafer in pure water and a β mode destruction rate in Example 2,
(A) shows the variation between lots when the storage time is not managed, and (b) shows the variation between lots when the storage time is set to 2 hours or less.

【図3】実施例3におけるエピタキシャルウェーハのT
DDB特性を示したワイブルプロットである。
FIG. 3 shows T of an epitaxial wafer in Example 3.
5 is a Weibull plot showing DDB characteristics.

【図4】本発明のTDDB測定に用いるMOSキャパシ
タの作製フローの例を示した模式図である。
FIG. 4 is a schematic diagram showing an example of a flow of fabricating a MOS capacitor used for TDDB measurement of the present invention.

【図5】製造条件の異なるウェーハのTDDB特性を比
較したグラフである。
FIG. 5 is a graph comparing TDDB characteristics of wafers having different manufacturing conditions.

【図6】ゲート酸化膜の膜厚を変化させた場合のTDD
B特性の変化を示すワイブルプロットである。
FIG. 6 shows TDD when the thickness of a gate oxide film is changed.
6 is a Weibull plot showing a change in a B characteristic.

【図7】MOSキャパシタのポリシリコン電極の厚さと
シート抵抗との関係を示すグラフである。
FIG. 7 is a graph showing a relationship between a thickness of a polysilicon electrode of a MOS capacitor and a sheet resistance.

【図8】MOSキャパシタのTDDB特性のストレス電
流依存性を示すワイブルプロットである。
FIG. 8 is a Weibull plot showing the stress current dependency of the TDDB characteristic of a MOS capacitor.

【図9】MOSキャパシタのTDDB特性における最大
Qbdとストレス電流との関係を示すグラフである。
FIG. 9 is a graph showing the relationship between the maximum Qbd and the stress current in the TDDB characteristic of a MOS capacitor.

【図10】エピタキシャルウェーハに関するTDDB特
性の測定温度依存性を示すワイブルプロットである。
FIG. 10 is a Weibull plot showing the measured temperature dependence of TDDB characteristics for an epitaxial wafer.

【符号の説明】 1・・・シリコンウェーハ、2・・・シリコン酸化膜、
3・・・リンドープポリシリコン膜、4・・・フォトレ
ジスト
[Description of Signs] 1 ... silicon wafer, 2 ... silicon oxide film,
3 ... phosphorus-doped polysilicon film, 4 ... photoresist

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 半導体シリコンウェーハの表面にMOS
キャパシタを形成し、該MOSキャパシタのTDDB測
定を行うことにより得られるワイブルプロットの偶発不
良(βモード破壊)率により、前記半導体シリコンウェ
ーハの品質を評価することを特徴とする半導体シリコン
ウェーハの評価方法。
A MOS transistor is provided on a surface of a semiconductor silicon wafer.
Forming a capacitor and performing a TDDB measurement on the MOS capacitor to evaluate the quality of the semiconductor silicon wafer based on a random failure (β-mode destruction) rate of a Weibull plot. .
【請求項2】 前記偶発不良率が20%以下となる半導
体シリコンウェーハを良品と判断することを特徴とする
請求項1に記載された半導体シリコンウェーハの評価方
法。
2. The method for evaluating a semiconductor silicon wafer according to claim 1, wherein the semiconductor silicon wafer having the random failure rate of 20% or less is determined as a non-defective product.
【請求項3】 前記MOSキャパシタを形成する際の酸
化膜厚を10〜30nmとすることを特徴とする請求項
1または請求項2に記載された半導体シリコンウェーハ
の評価方法。
3. The method for evaluating a semiconductor silicon wafer according to claim 1, wherein an oxide film thickness when forming the MOS capacitor is 10 to 30 nm.
【請求項4】 前記MOSキャパシタの電極として、イ
オン注入法を用いない拡散方法によりドーパントが拡散
された膜厚200〜400nmのポリシリコンを、ウェ
ットエッチングを行うことにより形成した電極を用いる
ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項
に記載された半導体シリコンウェーハの評価方法。
4. An electrode of the MOS capacitor, wherein an electrode formed by performing wet etching on polysilicon having a thickness of 200 to 400 nm in which a dopant is diffused by a diffusion method without using an ion implantation method is used. The method for evaluating a semiconductor silicon wafer according to any one of claims 1 to 3, wherein:
【請求項5】 前記TDDB測定を25〜150℃の温
度で行うことを特徴とする請求項1から請求項4のいず
れか1項に記載された半導体シリコンウェーハの評価方
法。
5. The method for evaluating a semiconductor silicon wafer according to claim 1, wherein the TDDB measurement is performed at a temperature of 25 to 150 ° C.
【請求項6】 半導体シリコンウェーハの表面にMOS
キャパシタを形成し、該MOSキャパシタのTDDB測
定を行うことにより得られるワイブルプロットの偶発不
良(βモード破壊)率により、前記半導体シリコンウェ
ーハの製造工程を管理することを特徴とする半導体シリ
コンウェーハの製造工程の管理方法。
6. A MOS on a surface of a semiconductor silicon wafer.
Manufacturing a semiconductor silicon wafer by controlling a manufacturing process of the semiconductor silicon wafer based on a random failure (β mode destruction) rate of a Weibull plot obtained by forming a capacitor and performing a TDDB measurement of the MOS capacitor. Process management method.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014107374A (en) * 2012-11-27 2014-06-09 Sumco Corp Semiconductor sample, electric evaluation methods, and evaluation device
US10157259B2 (en) 2016-01-20 2018-12-18 Samsung Electronics Co., Ltd. Method and device for predicting reliability failure rate of semiconductor integrated circuit and method of manufacturing the semiconductor integrated circuit

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