JP2002231779A - 半導体基板の評価方法 - Google Patents

半導体基板の評価方法

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JP2002231779A
JP2002231779A JP2001023693A JP2001023693A JP2002231779A JP 2002231779 A JP2002231779 A JP 2002231779A JP 2001023693 A JP2001023693 A JP 2001023693A JP 2001023693 A JP2001023693 A JP 2001023693A JP 2002231779 A JP2002231779 A JP 2002231779A
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heat treatment
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density
insulating film
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Takeshi Otsuki
剛 大槻
Hiroshi Takeno
博 竹野
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Shin Etsu Handotai Co Ltd
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Shin Etsu Handotai Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体基板表面近傍の酸素析出核密度を高感
度に評価して結晶品質の差を捉え、さらに実際のデバイ
ス製造工程での酸素析出核の影響を簡便に推測し、実デ
バイス工程に於いて高歩留まりを実現できるウェーハを
提供するための高感度な評価方法を提供することを目的
としている。 【解決手段】 半導体基板の表面上に絶縁膜と導電膜を
順次形成したMIS型半導体装置の絶縁破壊特性を評価
するに当たり、初段の熱処理として前記半導体基板に7
00〜900℃、不活性ガス中で30分〜12時間の熱
処理を施してMIS型半導体装置を作製する工程と、前
記MIS型半導体装置の導電膜と半導体基板の間にある
絶縁膜に所定のストレス電圧を印加して所定の判定電流
値となったところを絶縁破壊とし、絶縁膜破壊を起こし
たときの電圧値を絶縁膜の厚さで割った値を電界強度と
し、該電界強度が8MV/cm以上を絶縁不良とする工
程とを有することを特徴とする半導体基板の評価方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体基板の評価
方法に関し、更に詳しくは熱処理を行って半導体基板の
結晶品質の差をより明確にし、特に半導体基板の極表面
近傍に存在する酸素析出核による影響を高感度に評価す
る方法に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体基板として、例えばシリコン(S
i)ウェーハ(あるいは基板とも言う)、エピタキシャ
ル(EP)ウェーハ、Silicon on Insu
lator(SOI)ウェーハ等があげられ、該ウェー
ハ上には半導体デバイスが形成される。そして、半導体
デバイスには微細化、高集積化、高速化や高歩留まり化
が必要とされ、中でも形成された半導体デバイスの性能
や歩留まりは前記ウェーハの品質が反映すると言われて
いる。
【0003】半導体基板において特に重要な品質は、半
導体基板を熱酸化して形成させた酸化膜の品質が、酸化
膜形成条件の良否や半導体基板表面部の結晶品質等を反
映していることである。そして、Metal Insu
lator Semiconductor(MIS)型
半導体装置の絶縁破壊特性は、半導体基板上に形成され
た絶縁膜の品質を評価するもので、絶縁膜の品質そのも
の以外に半導体基板表面及び表面近傍の結晶品質を評価
するものである。そして、半導体基板上の絶縁破壊特性
をより高感度に評価できるようにして、高品質の半導体
基板を提供することが今後ますます重要となってきてい
る。
【0004】従来のMIS型半導体装置は、例えば次の
工程により製造される。導電型がP又はN型のシリコン
ウェーハを用意し、該ウェーハ表面を清浄化するために
洗浄を行った後、熱酸化膜を成長させて絶縁膜を形成す
る。その後、導電膜として真空蒸着法によるアルミニウ
ム(Al)または化学気層成長(CVD)法により多結
晶(ポリ)Siを堆積して形成する。ここでAlの場合
はメタルマスクを用いて蒸着して電極とし、ポリSiの
場合は抵抗率を低くする為にドーパントを導入した後、
フォトリソを行い、ウェット又はドライエッチングにて
余分なポリSiを除去して電極とする。最後にSiウェ
ーハ裏面の酸化膜をエッチングにて除去し、多数のMI
Sダイオードを形成することにより得られる。
【0005】絶縁破壊特性は、多数のMISダイオード
が形成された半導体基板を遮光シールドBOX内に設置
したウェーハステージ上に置いて測定される。絶縁破壊
特性の一つとしては、半導体基板と導電膜との間に電圧
を印加して流れる電流を測定し、所定の電流値(判定電
流値)、例えば電流密度で1mA/cmになった時の
電圧値を絶縁膜の厚さで割った電界強度で定義するタイ
ムゼロ絶縁耐圧(TZDB)特性がある。またこれとは
別に、半導体基板と導電膜との間に一定電流もしくは一
定電圧のストレスを加えて、絶縁破壊に至るまでの時間
を計測する経時絶縁耐圧(TDDB)特性がある。尚、
TZDB特性とTDDB特性を両方含めて酸化膜耐圧
(GOI)特性と称する。
【0006】上述した方法により半導体基板表面及びそ
の近傍に存在する欠陥を評価することが可能である。例
えばシリコン基板では、重金属等の汚染や半導体基板を
加工した時に生じる加工起因の欠陥だけではなく単結晶
育成時に導入する(Grown―in)欠陥、所謂Cr
ystal Originated Particle
(COP)のような欠陥等があげられる。特にTZDB
特性における絶縁破壊の典型的な電界強度分布として、
図7に示すように3つの領域に分けられることが知られ
ており、一般的に1MV/cm未満の電界強度分布はA
モード破壊、1MV/cm以上8MV/cm未満はBモ
ード破壊、8MV/cm以上はCモード破壊と呼ばれて
いる(例えば、山部紀久夫、第22回半導体専門講習会
予稿集、61(1984))。このうち結晶欠陥に起因
するのがBモード破壊であり、この破壊原因は近年の研
究によりボイド状欠陥、即ちCOP欠陥が主であると考
えられている。また、このCOP欠陥は、上述したMI
Sダイオードを作製しなくても、シリコン基板にアンモ
ニア過水系の洗浄を施すことにより、パーティクルカウ
ンターで容易に検出できるものでもある。
【0007】一方、シリコン基板中の酸素析出がTZD
B特性へ及ぼす影響についても議論されており、シリコ
ン基板中の酸素析出量と密接な関連のある酸素濃度との
関係等が調査され、酸素を高濃度に含有した高酸素ウェ
ーハではBモード破壊が若干増加する傾向にあると言わ
れている(例えば、谷口研二編、シリコン熱酸化膜とそ
の界面、リアライズ社、1991)。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、TZD
B特性がシリコン基板中の酸素濃度と若干の関係がある
とは言っても、TZDB特性と酸素析出量との関係につ
いては、酸素析出核密度が小さいこともあり、結晶品質
として高感度に捉えることが難しかった。特に実際のデ
バイス製造工程では種々の熱処理が加えられることもあ
って、同じロットのシリコン基板を熱処理して評価して
も、酸素析出核密度がばらついてしまうこともあり、絶
縁破壊特性の測定結果が大きく異なって相関関係を得る
ことが難しいという問題があった。また、酸素析出核は
COP欠陥に比べサイズがかなり小さいので、パーティ
クルカウンターでの計測は不可能であるという問題もあ
った。
【0009】尚、シリコン基板中の酸素濃度は、シリコ
ン単結晶中の格子間位置にある酸素の濃度であり、赤外
吸収(FT−IR)法により測定され単位立方cm当た
りの濃度として表される。また、酸素析出量は、シリコ
ン単結晶中における酸素の固溶度を超えて酸素析出物と
なった量であり、析出量そのものは赤外吸収法では測定
できない。そして、酸素析出核は酸素が析出するための
微小な核であり、核が成長して析出物となってようやく
選択エッチング法や赤外線散乱トモグラフィ(LST)
法により検出できるようになる。また、酸素析出量は、
シリコン基板の熱処理温度と密接な関連があると考えら
れ、実際のデバイス製造工程で酸素析出が過多になって
無欠陥(DZ)層が形成されず、歩留まりに影響する場
合もあった。
【0010】本発明はこのような問題に鑑み、従来評価
が困難であった半導体基板表面近傍の酸素析出核密度の
ばらつきを結晶品質の差として高感度に捉え、さらに実
際のデバイス製造工程での酸素析出核の影響を簡便に推
測し、実デバイス工程に於いて高歩留まりを実現できる
ウェーハを提供する際の高感度な評価方法の提供を目的
としている。
【0011】
【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、半導体基板の表面上に絶縁膜と導電膜を
順次形成したMIS型半導体装置の絶縁破壊特性を評価
するに当たり、初段の熱処理として半導体基板に700
〜900℃、不活性ガス中で30分〜12時間の熱処理
を施してMIS型半導体装置を作製する工程と、前記M
IS型半導体装置の導電膜と半導体基板の間にある絶縁
膜に所定のストレス電圧を印加して所定の判定電流値と
なったところを絶縁破壊とし、絶縁膜破壊を起こしたと
きの電圧値を絶縁膜の厚さで割った値を電界強度とし、
該電界強度が8MV/cm以上10MV/cm未満を絶
縁不良とする工程とを有することを特徴とする(請求項
1)。
【0012】シリコン単結晶中の酸素濃度については、
ルツボの回転速度、シリコン単結晶の育成速度、チャン
バー内の不活性ガス圧力や流量等を適宜調整することに
よって制御できる。そして、酸素析出の核となる酸素析
出核密度はシリコン単結晶育成時の熱履歴により決定さ
れ、析出核の大きさも分布を持っている。このようなシ
リコン単結晶をスライス加工してウェーハにし、該ウェ
ーハ上にデバイスが製造されるわけであるが、ウェーハ
に最初に施される熱処理の温度が高い場合、小さなサイ
ズの酸素析出核は消滅し、ある一定の大きさ以上の酸素
析出核が残留または成長する。そして、最初の熱処理を
低温で行えば、小さなサイズの酸素析出核が残留または
成長させることができるので、初段の熱処理として70
0〜900℃、不活性ガス中で30分〜12時間が好適
である。
【0013】ここで、ウェーハへの初段熱処理の条件と
して、700℃未満あるいは30分未満では析出核の成
長が不十分となって後の評価で検出されず、900℃を
超えると析出核が溶解消滅して、やはり後の評価で検出
されなくなってしまうためである。また、12時間を超
える時間は、析出核の成長が過度になって近傍の析出物
を吸収拡大化してしまうため密度が少なくなったり、場
合によっては酸化誘起積層欠陥を発生させてしまうこと
もあり弊害が出てしまうこともある。また、時間的な効
率も悪くなるので、12時間以上の熱処理は不要であ
る。また、1時間以上8時間以下がより好ましい。
【0014】また、初段の熱処理の雰囲気を、酸化性ガ
スにすると、半導体基板表面が酸化されて表面状態が変
化してしまい、形成された酸化膜を除去すると、初期の
状態とは異なった表面となり、評価方法としては適さな
い。また、還元性(例えば水素)ガスにすると、処理に
特殊な装置を必要となることもあるが、半導体基板表面
の欠陥が消滅(酸素析出核や酸素析出物は還元・消滅)
してしまい、これもまた評価方法としては適さない。従
って、不活性(窒素、アルゴン、ヘリウム等)ガス中で
の処理が適している。こうして、酸素析出核の残留また
は成長のためにMIS型半導体装置を作製する前に不活
性ガス中でウェーハを熱処理して、その後にMIS型半
導体装置の絶縁膜となるシリコン酸化膜を形成すればよ
い。
【0015】さらに、TZDB特性の絶縁破壊分布にお
いて、1〜8MV/cmの所謂Bモード破壊領域は、主
に結晶起因の欠陥であるボイド状欠陥、即ちCOP欠陥
に起因する破壊である。そして、半導体基板に前記初段
の熱処理を施すことにより、COP欠陥に起因する破壊
分布は変わらないが、酸素析出核に起因する絶縁破壊強
度は9MV/cm近くに分布することになる。従って、
8MV/cm以上10MV/cm未満を酸素析出核に起
因する破壊として分離解析することも可能になった。
尚、酸素析出核に起因する破壊分布は、概ね8〜10M
V/cmの間に入るが、真性破壊の領域分布を参酌しな
がら、上限を9.0〜9.9MV/cmまでの間で適宜
判別するようにしてもよい。
【0016】この場合、ストレス電圧として階段状(ス
テップ)もしくは傾斜状(ランプ)の波形を有すること
ことが好ましい(請求項2)。
【0017】TZDB特性を測定する際、所定のストレ
ス電圧がステップ状もしくはランプ状の波形を有してい
ると、非常に小さいストレスから大きなストレスまで円
滑に変化させることができ、欠陥密度の電界強度依存性
を明確にできる。
【0018】また、本発明は、半導体基板の表面上に絶
縁膜と導電膜を順次形成したMIS型半導体装置の絶縁
破壊特性を評価するに当たり、初段の熱処理として半導
体基板に700〜900℃、不活性ガス中で30分〜1
2時間の熱処理を施してMIS型半導体装置を作製する
工程と、前記MIS型半導体装置の導電膜と半導体基板
の間にある絶縁膜にストレス電流密度として0.5A/
cm以下の一定電流を導通させて、所定の判定電圧値
となったところを絶縁破壊とし、ストレス電流を導通さ
せてから絶縁破壊するまでの時間を計測して絶縁不良と
する工程とを有することを特徴とする(請求項3)。
【0019】TDDB特性を測定する際もTZDB特性
の場合と同様に、700〜900℃不活性ガス中で30
分〜12時間の初段の熱処理を半導体基板に施す。この
理由は、段落0012〜0014で述べた通りである。
そして、形成されたMIS型半導体装置に所定のストレ
ス電流密度として0.5A/cm以下の一定電流を印
加する。ストレス電流密度をこれ以上大きくすると、電
流を導通させると同時に絶縁破壊が起こってしまい、絶
縁破壊までの時間がとれなくなってしまうことがあるか
らである。また、ストレス電流密度を1×10−6A/
cmにまで小さくすることで、時間の短い方の(初
期)の絶縁破壊を詳しく調べることができるが、これよ
り小さくすると絶縁破壊するまでの時間が長時間となっ
てしまうために不適当となる。
【0020】また、本発明は、上記評価方法により得ら
れた結果から、絶縁不良の発生率Fを求め、次いで導電
膜1個当たりの欠陥数Nを式 −Ln(1−F)=Nで
求めて絶縁膜中に含まれる欠陥数を算出し、半導体基板
表面近傍に存在する欠陥の密度を算出することが好まし
い(請求項4)。
【0021】前述したような初段熱処理(段落0012
〜段落0014参照)を施したウェーハに、MISダイ
オードを作製(段落0004参照)する。そして、導電
膜と半導体結晶の間にある絶縁膜に、TZDB特性の場
合には電圧(ストレス)を印加して流れる電流を計測し
て所定の電流値(判定値)となったところを絶縁破壊と
して電界強度で表し、また、TDDB特性の場合には所
定の電流(ストレス)を流して電圧を計測して所定の電
圧値(判定値)となったところを絶縁破壊としてストレ
ス印加開始から破壊するまでの時間で表せばよい。
【0022】半導体基板の欠陥数Nは、TZDB特性あ
るいはTDDB特性を測定し、所定の判定値に基づいた
絶縁破壊の発生率Fを不良として式(1)により算出し
て求めることができる。 −Ln(1−F)=N・・・式(1) そして、測定した導電膜の面積で除することにより欠陥
密度として推定することができる。
【0023】さらに、本発明は、熱処理が施された半導
体基板に900〜1100℃の温度で2〜24時間の熱
処理を施し、半導体基板中に潜在する析出核を成長させ
て析出物とし、該析出物の密度を計測し、該析出物密度
と半導体基板中の初期酸素濃度とから、前記半導体基板
に施された初段の熱処理温度を推定することを特徴とす
る(請求項5)。
【0024】熱処理が施された半導体基板、例えば、上
述してきたMIS型半導体装置を形成した半導体基板で
は熱履歴が自明であるが、どのような熱履歴を受けたか
不明なデバイス形成済みの半導体基板においても、90
0〜1100℃の温度で2〜24時間の熱処理を施すこ
とにより、半導体基板中に潜在する酸素析出核を成長さ
せて析出物として容易に検出できるようにし、この析出
物密度と熱処理を施される前(初期)の酸素濃度から初
段の熱処理温度を明らかにすることができる。
【0025】ここで、熱処理が施された半導体基板への
熱処理の条件として、900℃未満あるいは2時間未満
では酸素析出物の成長が不十分となって後の評価で検出
されず、1100℃あるいは24時間を超えると酸素析
出核はもとより酸素析出物までも溶解消滅して検出され
なくなってしまうことがあるからである。そして、熱処
理時間は4時間以上、16時間以下がより好ましい。
【0026】以下、本発明について詳細に説明するが、
本発明はこれらに限定されるものではない。本発明者ら
は、従来、評価が困難であった半導体基板表面近傍の酸
素析出核密度をどのようにすれば結晶品質の差として高
感度に捉えて評価できるのか、実際のデバイス製造工程
での酸素析出核の影響をどのようにすれば簡便に推測で
きるのか、あるいは実デバイス製造工程に於いて高歩留
まりを実現できるウェーハを提供する際にどのようにす
れば高感度な評価ができるかにつき鋭意研究し、実験を
繰り返した結果、本発明を完成させたものである。
【0027】従来の破壊電界強度を1〜8MV/cmと
するBモード破壊は、その主原因がCOP欠陥であり、
酸素析出核起因の絶縁破壊が検出されていなかったので
ある。そうして、本発明者らは、酸素析出核に注目して
絶縁破壊への影響を調査した結果、酸素析出核の成長が
半導体基板に施される初段の熱処理条件で決定されるこ
とを見出し、また、酸素析出核に起因する絶縁破壊がC
OP欠陥に起因する絶縁破壊の場合よりも高電界側、即
ち9MV/cm近くに現れることを見出し、8MV/c
m以上(10MV/cm未満)を酸素析出核に起因する
破壊として分離解析できるという点に着目して本発明を
完成させた。
【0028】半導体基板表面の酸素析出核は、熱処理を
施すと外方拡散により縮小・消滅する方向にあり、酸素
析出核が酸素析出物にまで成長できない場合もあるため
に、その挙動を把握しなければならなかった。そして、
酸素析出核が非常に微少なため半導体基板表面近傍を評
価することは難しかったのである。本発明では半導体基
板に施す初段の熱処理条件とGOI特性の測定条件を規
定することで酸素析出核起因の絶縁破壊を検出できるこ
とを確認した。
【0029】また、酸素析出核は、初段熱処理温度が高
い程残留した大きさが非常に小さく、また初段以降の熱
処理にて酸素析出物に成長したとしても、密度が非常に
小さければ、通常のバルク結晶欠陥評価法では検出する
ことが難しかった。そして、このような微少な酸素析出
核を高温で長時間熱処理することにより、酸素析出核を
成長させて検出する事が必要となった。本出願人は特願
平11−322242号公報に、初期酸素濃度がわかっ
ているシリコンウェーハに熱処理を施すと、酸素析出
量、即ちBulk Micro Defect(BM
D)密度が初段熱処理温度と関係していることを記載し
た(図8参照)。
【0030】本発明では、残留した酸素析出核や酸素析
出物をより大きな酸素析出物に成長させる条件の熱処理
を施すことにより欠陥密度として検出出来るようにし、
このようにして検出した欠陥密度は半導体基板への初段
熱処理にて消滅されずに残った酸素析出核密度を示して
おり、この欠陥密度とウェーハの初期酸素濃度から、プ
ロセス初段の熱処理温度を解析する事を可能とした。特
に、初段熱処理温度が不明なデバイス形成済み半導体基
板において、該半導体基板に施された初段熱処理温度を
推定することが可能になる。
【0031】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるもの
ではない。まず、本発明の半導体基板への初段熱処理を
施すところからMIS型半導体装置の作製とGOI特性
の測定について図1に基づいて説明する。半導体基板1
aへの初段の熱処理(前熱処理)1bとして、温度が7
00〜900℃、時間が30分〜12時間、より好まし
くは2時間以上8時間以下で、不活性ガス中で熱処理を
施す。そして、MIS型半導体装置1cを作製する。こ
こでは絶縁膜となる酸化膜は酸化性ガス中で熱成長され
るが、酸化膜の厚さとしては25nm〜50nm程度が
好適である。その後、形成した絶縁膜上に所定面積の導
電膜を形成し、裏面の酸化膜を除去して、MIS型半導
体装置1cが作製される。
【0032】次いで、GOI特性を測定1dする。TZ
DB特性を測定する場合には、所定面積、例えば8mm
の導電膜にステップ状もしくはランプ状の波形を有す
る電圧を印加して、導電膜と半導体基板の間にある絶縁
膜に電気的ストレスを加える。そして、流れる電流を計
測して所定電流値、例えば8×10−5アンペア(A)
(電流密度は1mA/cm)を判定電流値として、そ
の時の印加電圧を絶縁膜の厚さで除して電界強度とし、
これを絶縁破壊強度とする。
【0033】ここで、図2にTZDB特性測定時の印加
電圧と電流(I−V)の関係を示すが、前熱処理が無い
場合は点線で示すようなI−V特性が得られ、前熱理が
ある場合は実線で示すような特性が表れる。そして、図
3に得られた絶縁破壊強度の頻度分布を示す。COP起
因の頻度分布は前熱処理の有り無しに関わらずほぼ同じ
絶縁破壊強度を示す。しかし、酸素析出起因の頻度分布
は前熱処理が無い場合真性破壊分布に近い10MV/c
m付近にピークを示しているが、前熱処理が有ると9M
V/cm付近にピークを有する頻度分布ができる。
【0034】従って、10MV/cm以上は絶縁膜本来
がもっている真性の絶縁破壊強度とし、8〜10MV/
cmのところを酸素析出起因の絶縁不良とする。
【0035】一方、TDDB特性を測定する場合には、
所定面積、例えば4mmの導電膜に所定の電流、例え
ば4×10−4A(電流密度は0.01A/cm)の
一定電流を導通させて、導電膜と半導体基板の間にある
絶縁膜に電気的ストレスを加える。そして、所定の電圧
値、例えば25Vを判定電圧値として、ストレス印加が
開始されてからその時までの時間を計測して絶縁破壊時
間とする。絶縁破壊時間が500秒未満を絶縁不良とす
る。この時、500秒以上は絶縁膜本来がもっている真
性の絶縁破壊時間とし、0.5〜500秒のところを酸
素析出起因の絶縁不良とする。
【0036】次に、半導体基板上に形成した所定個数、
例えば100個のMIS型半導体装置においてGOI特
性を測定し、絶縁破壊の発生率Fが、例えば50%であ
った場合、式(1)により欠陥数Nが0.69と求めら
れ、測定した導電膜の面積(例えば4mmとすると)
で除することにより半導体基板表面近傍に存在する欠陥
の密度を17.3/cmと推定することができる。
【0037】さらに、上述してきたMIS型半導体装
置、即ちTEGでは半導体基板が受けた熱履歴は自明で
あるが、熱履歴が不明なデバイス形成済みの半導体基板
においても、900〜1100℃の温度で2〜24時間
の熱処理(図1、1f)を施すことにより、半導体基板
中に潜在する酸素析出物が成長してBMD密度として容
易に検出できるようになる。FT−IR等による初期酸
素濃度とLSTやOptical Precipita
te Profilor(OPP)等により計測される
BMD密度から、初段の熱処理温度を推定することがで
きる。
【0038】
【実施例】以下、本発明の実施例および比較例を挙げて
具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるもの
ではない。試料として用いたシリコンウェーハは、空孔
欠陥の過剰な所謂V−rich領域のシリコン単結晶か
ら切り出してスライス加工し鏡面研磨して得られ、直径
150mm、面方位(100)、導電型がボロンドープ
のP型である。また、初期酸素濃度は16ppma(J
EIDA;日本電子工業振興協会規格)であり、同一ロ
ット(インゴット)のウェーハを用いた。
【0039】(実施例1〜3)このような試料に初段熱
処理として、700℃、窒素雰囲気中で4時間の熱処理
を行った(前熱処理有)ものを用意し、次いで、前記両
試料を900℃、酸素雰囲気中で1.5時間の熱処理を
行いゲート酸化膜を約25nm形成した。そして、この
ゲート酸化膜にリンをドープしたPoly Siを約3
00nm化学気相成長法により堆積させた後、ドープ剤
活性化の熱処理を施し、不要なPolySiをエッチン
グ除去してゲート電極を形成し、裏面のPoly Si
膜及び酸化膜をエッチング除去して、MISダイオード
を作製した。尚、同一ウェーハ内に面積が異なる電極を
有するMISダイオードが、各々100個づつ以上形成
されている。
【0040】次に、電極面積が8mmのMISダイオ
ードについて、判定電流値を1mAとし、TZDB特性を
ウェーハ1枚当たり100個測定した。また、絶縁破壊
強度の分布として8〜10MV/cmを絶縁不良とし、
その発生率から欠陥密度を求めた(実施例1)。
【0041】さらに、電極面積が4mmのMISダイ
オードについて、ストレス電流密度として0.01A/
cmの一定電流を導通させて、判定電圧値を25Vと
し、TDDB特性をウェーハ1枚当たり100個測定し
た。また、絶縁破壊時間の分布として0.5〜500秒
を絶縁不良とし、その発生率から欠陥密度を求めた(実
施例2)。
【0042】また、上記のGOI特性測定後の試料につ
いて、電極のポリSi膜をエッチング除去した後、10
00℃、窒素雰囲気中で16時間の熱処理を行い、その
後OPPでBMD密度を計測した(実施例3)。
【0043】(比較例1〜3)まず、試料に初段熱処理
として、700℃、窒素雰囲気中で4時間の熱処理を行
った(前熱処理有)ものと前熱処理を施さなかった(前
熱処理無)ものを用意し、ゲート酸化膜を約25nm形
成するために900℃、酸素雰囲気中で1.5時間の熱
酸化処理を行った。そして、このゲート酸化膜にリンを
ドープしたPoly Siを約300nmCVD法によ
り堆積させた後、ドープ剤活性化の熱処理を施し、不要
なPoly Siをエッチング除去してゲート電極を形
成し、さらに、裏面のPoly Si膜及び酸化膜をエ
ッチング除去して、MISダイオードを作製した。尚、
ここでも同一ウェーハ内に面積が異なる電極を有するM
ISダイオードが、各々100個づつ以上形成されてい
る。
【0044】次に、電極面積が8mmのMISダイオ
ードについて、判定電流値を1mAとし、TZDB特性を
ウェーハ1枚当たり100個測定した。また、絶縁破壊
強度の分布として1〜8MV/cmの発生率から欠陥密
度を求め(前熱処理無;比較例1−1、前熱処理有;比
較例1−2)、8〜10MV/cmの発生率からも欠陥
密度を求めた(前熱処理無;比較例1−3)。
【0045】さらに、電極面積が4mmのMISダイ
オードについて、ストレス電流として0.01C/cm
の一定電流を導通させて、判定電圧値を25Vとし、
TDDB特性をウェーハ1枚当たり100個測定した。
また、絶縁破壊時間の分布として0.5〜500秒を絶
縁不良とし、その発生率から欠陥密度を求めた(前熱処
理無;比較例2)。
【0046】また、上記のGOI特性測定後の試料につ
いて、電極のポリSi膜をエッチング除去した後、10
00℃、窒素雰囲気中で16時間の熱処理を行い、その
後OPPでBMD密度を計測した(比較例3)。
【0047】図4にTZDB特性の測定結果から得られ
た欠陥密度を示す。本発明の初段熱処理を行って8MV
/cm以上(8〜10MV/cm)を絶縁不良として推
定された欠陥密度(実施例1)は、本発明の初段熱処理
を行わずに1〜8MV/cmを絶縁不良として推定され
た欠陥密度(比較例1−1)、初段熱処理を行って1〜
8MV/cmを絶縁不良として推定された欠陥密度(比
較例1−2)、あるいは初段熱処理を行わずに8MV/
cm以上(8〜10MV/cm)を絶縁不良として推定
された欠陥密度(比較例1−3)に比べて高く、酸素析
出核の影響を高感度に検出していることがわかる。
【0048】図5にTDDB特性の測定結果から得られ
た欠陥密度を示す。本発明の初段熱処理を行って0.0
1A/cmに相当するストレス電流を導通させて、絶
縁不良として推定された欠陥密度(実施例2)は、初段
熱処理を行わずに絶縁不良として推定された欠陥密度
(比較例2)に比べて極めて高く、酸素析出核の影響を
より高感度に検出していることがわかる。
【0049】図6にMISダイオードが形成されたウェ
ーハに1000℃、窒素雰囲気中、16時間の熱処理
(後熱処理)を行ってOPPにより検出された欠陥密度
を示す。前熱処理がある場合はBMD密度が1×10
cm(実施例3)、前熱処理がない場合は1×10
cm(比較例3)とおよそ2桁違っている。ここで示
されたBMD密度は酸素析出量に関係しているもので、
本発明の前熱処理を行うことでウェーハ中に潜在してい
た酸素析出核が成長してサイズが大きくなり、酸素析出
核密度の差がOPPで検出できるようになった。そし
て、実施例1、2で示したように、同一ロットのウェー
ハを用いているにもかかわらず、酸素析出核密度の差が
GOI評価に反映されていることが分かる。
【0050】さらに、実施例3と比較例3は同一ロット
のウェーハであって共に初期酸素濃度は16ppmaで
ある。図8は、縦軸がBMD密度を、横軸が初期酸素濃
度を表し、(a)から(d)までの4つのグラフは、各
々初段の熱処理温度の違いを示している。この図より、
初期酸素濃度が16ppmaで1×10cmのBM
D密度を得るためには、初期の熱処理温度が700℃
(図8(b)参照)近傍であれば実現され、また、初期
酸素濃度が16ppmaで1×10cmのBMD密
度を得るためには、初期の熱処理温度が900℃(図8
(c))近傍であれば実現されることがわかる。このよ
うに、初期酸素濃度と後熱処理後のBMD密度より、テ
ストパターンエレメントあるいは半導体デバイスに施さ
れた初段の熱処理温度を推定することが可能になる。
【0051】また、以上のような高感度の評価をするこ
とにより、高品質ウェーハを選別して提供できるように
なる。即ち、ウェーハ表面の欠陥密度(BMD密度)が
1×10cm以下であれば、GOI特性への影響は
極めて小さく、このような高品質ウェーハを得るため
に、初期酸素濃度とBMD密度と初段の熱処理温度の関
係(図8)から、初段の熱処理温度をT、初期酸素濃度
をOiとして以下の通りの関係式が求められる。
【0052】OSF−Ring(酸化誘起積層欠陥がウ
ェーハ面内でリング状に存在する)及びNV(空孔欠陥
が少ない)領域のシリコン単結晶より作製されたウェー
ハでは、 T=67Oi−100・・・式(2)、 V−rich(空孔欠陥が過剰な)領域より作製された
ウェーハでは、 T=100Oi−700・・・式(3)、 I−rich(格子間シリコンが過剰な)領域より作製
されたウェーハでは、 T=30Oi−240・・・式(2)、 ここで、上記格式と、初期酸素濃度、即ち図8の横軸で
囲まれる領域であれば、析出核起因の絶縁不良の発生率
は極めて小さくなる。
【0053】従って、シリコン単結晶の領域と初期酸素
濃度毎に初段の熱処理温度を選択して実施すれば、容易
に高品質ウェーハを提供できるようになる。
【0054】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。
【0055】例えば、上記説明においては、直径150
mmの導電型がP型の場合につき説明したが、本発明は
例えば直径が150mmより小さい場合はもとより、2
00mmあるいは300mm以上のウェーハであって
も、また、導電型がN型であるウェーハであっても適用
できるものである。さらに、例えば、MISダイオード
を作成したウェーハを熱処理した後BMD密度を計測し
て初期酸素濃度から初段の熱処理温度を推定したが、初
段の熱処理温度が未知であって且つデバイスが作成され
たウェーハについても、本発明の後熱処理を施してBM
D密度と初期酸素濃度から初段の熱処理温度を推定する
ことが有効であることは言うまでもない。
【0056】
【発明の効果】以上説明してきたように本発明によれ
ば、従来パーティクルカウンタ等での検出が困難であっ
た半導体基板表面近傍の酸素析出核密度を、より高感度
に評価できるようになった。さらに、実際のデバイス工
程での酸素析出核の影響を簡便に推測し、実デバイス工
程に於いて高歩留まりを実現できるウェーハを提供する
際の評価が可能となった。また、半導体基板の初期酸素
濃度と、熱処理された半導体基板の酸素析出核密度とを
評価することで、初段熱処理の温度を推察することも可
能となった。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明におけるMISダイオードの作製と半
導体基板の評価の実施形態を示すフロー図である。
【図2】 TZDB特性のI−V曲線における実施形態
を説明する図である。
【図3】 TZDB特性の絶縁破壊強度分布における実
施形態を説明する図である。
【図4】 TZDB特性における実施例1と比較例1を
示す図である。
【図5】 TDDB特性における実施例2と比較例2を
示す図である。
【図6】 OPP測定による酸素析出起因の欠陥密度に
おける実施例3と比較例3を示す図である。
【図7】 TZDB特性測定結果の絶縁破壊強度におけ
る従来の分類を説明する図である。
【図8】 シリコンウェーハ中の初期酸素濃度と初段熱
処理温度毎((a)700℃、(b)800℃、(c)
900℃、(d)1000℃)のBMD密度との関係を
示す図である。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板の表面上に絶縁膜と導電膜を
    順次形成したMIS型半導体装置の絶縁破壊特性を評価
    するに当たり、初段の熱処理として半導体基板に700
    〜900℃、不活性ガス中で30分〜12時間の熱処理
    を施してMIS型半導体装置を作製する工程と、前記M
    IS型半導体装置の導電膜と半導体基板の間にある絶縁
    膜に所定のストレス電圧を印加して所定の判定電流値と
    なったところを絶縁破壊とし、絶縁膜破壊を起こしたと
    きの電圧値を絶縁膜の厚さで割った値を電界強度とし、
    該電界強度が8MV/cm以上10MV/cm未満を絶
    縁不良とする工程とを有することを特徴とする半導体基
    板の評価方法。
  2. 【請求項2】 ストレス電圧として階段状(ステップ)
    もしくは傾斜状(ランプ)の波形を有することを特徴と
    する請求項1に記載した半導体基板の評価方法。
  3. 【請求項3】 半導体基板の表面上に絶縁膜と導電膜を
    順次形成したMIS型半導体装置の絶縁破壊特性を評価
    するに当たり、初段の熱処理として半導体基板に700
    〜900℃、不活性ガス中で30分〜12時間の熱処理
    を施してMIS型半導体装置を作製する工程と、前記M
    IS型半導体装置の導電膜と半導体基板の間にある絶縁
    膜にストレス電流密度として0.5A/cm以下の一
    定電流を導通させて、所定の判定電圧値となったところ
    を絶縁破壊とし、ストレス電流を導通させてから絶縁破
    壊するまでの時間を計測して絶縁不良とする工程とを有
    することを特徴とする半導体基板の評価方法。
  4. 【請求項4】 請求項1または請求項3に記載した評価
    方法により得られた結果から、絶縁不良の発生率Fを求
    め、次いで導電膜1個当たりの欠陥数Nを式−Ln(1
    −F)=Nで求めて絶縁膜中に含まれる欠陥数を算出
    し、半導体基板表面近傍に存在する欠陥の密度を算出す
    ることを特徴とする半導体基板の評価方法。
  5. 【請求項5】 熱処理が施された半導体基板に900〜
    1100℃の温度で2〜24時間の熱処理を施し、半導
    体基板中に潜在する析出核を成長させて析出物とし、該
    析出物の密度を計測し、該析出物密度と半導体基板中の
    初期酸素濃度とから、前記半導体基板に施された初段の
    熱処理温度を推定することを特徴とする半導体基板の評
    価方法。
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