JP2003197701A

JP2003197701A - Ｓｏｉウエーハの評価方法及びデバイスの製造方法

Info

Publication number: JP2003197701A
Application number: JP2001396306A
Authority: JP
Inventors: Miho Iwabuchi; 美保岩渕
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2001-12-27
Filing date: 2001-12-27
Publication date: 2003-07-11

Abstract

(57)【要約】【課題】ＳＯＩウエーハの品質を簡便に、精度良く、非
破壊で評価できる評価方法、及びデバイスの歩留まりや
長期信頼性を向上したデバイスの製造方法を提供するこ
とを目的とする。【解決手段】半導体層、絶縁層、支持基板が順次形成さ
れたＳＯＩウエーハの評価方法であって、コンフォーカ
ル光学系のレーザ顕微鏡により評価する。またこの評価
方法によりＳＯＩウエーハを選別しデバイスを製造す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体層、絶縁
層、支持基板が順次形成されたＳＯＩ(Ｓｅｍｉｃｏｎ
ｄｕｃｔｏｒｏｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ又は半導体層
がシリコンの場合、ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌ
ａｔｏｒの略)ウエーハの評価方法及びその評価方法を
用い選別しデバイスを製造する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、集積回路はその集積度を著しく増
し、それに伴い鏡面研磨された半導体単結晶ウエーハ表
面の平坦度や平滑度のような加工精度もより厳しい条件
が課されるようになった。しかも、性能・信頼性・歩留
まりの高い集積回路を得る為には、機械的な精度だけで
はなく、電気的な特性についても高いことが要請される
ようになった。中でもＳＯＩウエーハについて言えば、
理想的な誘電体分離基板なので、主に移動通信機器や医
療機器関係で高周波、高速系デバイスとして利用され、
今後の大幅な需要拡大が予想されている。

【０００３】ＳＯＩウエーハは、半導体層（ＳＯＩ層や
活性層ともいう）、絶縁膜（ＢＯＸ酸化膜層や単に酸化
膜層ともいう）、支持基板（基板層ともいう）が順次形
成された構造となっている。

【０００４】従来、半導体層がシリコン及び絶縁層がシ
リコン酸化膜からなる上記ＳＯＩ構造のウエーハの製造
方法としては、酸素イオンをシリコン単結晶に高濃度で
打ち込んだ後に高温で熱処理を行い酸化膜（絶縁層）を
形成するＳＩＭＯＸ（ＳｅｐａｒａｔｉｏｎｂｙＩ
ｍｐｌａｎｔｅｄＯｘｙｇｅｎ）法によるものと、２
枚の鏡面研磨したシリコンウエーハを接着剤を用いるこ
となく結合し片方のウエーハを薄膜化する結合法があ
る。

【０００５】ＳＩＭＯＸ法は、デバイス活性領域となる
活性層部（半導体層部）の膜厚を、酸素イオン打ち込み
時の加速電圧で決定、制御できるために、薄層でかつ膜
厚均一性の高い活性層を容易に得る事ができる利点があ
るが、埋め込み酸化膜（絶縁層）の信頼性や、活性層の
結晶性、１３００℃以上の温度での熱処理が必要である
等問題が多い。

【０００６】一方、ウエーハ結合法は、単結晶のシリコ
ン鏡面ウエーハ２枚のうち少なくとも一方に酸化膜（絶
縁層）を形成し、接着剤を用いずに貼り合わせ、次いで
熱処理（通常は１１００℃〜１２００℃）を加えること
で結合を強化し、その後片方のウエーハを研削や湿式エ
ッチングにより薄膜化した後、薄膜の表面を鏡面研磨し
てＳＯＩ層（半導体層）を形成するものであるので、埋
め込み酸化膜（絶縁層）の信頼性が高くＳＯＩ層の結晶
性も良好であるという利点があるが、機械的な加工によ
り薄膜化しているために、得られるＳＯＩ層の膜厚およ
びその均一性に限界がある。

【０００７】また最近ではＳＯＩウエーハの製造方法と
して、イオン注入したウエーハを結合及び分離して作製
する方法が新たに注目され始めている。この方法は、２
枚のシリコンウエーハのうち、少なくとも一方に酸化膜
（絶縁層）を形成すると共に、一方のシリコンウエーハ
の上面から水素イオンまたは希ガスイオンを注入し、該
ウエーハ内部に微小気泡層（封入層）を形成させた後、
該イオンを注入した方の面を酸化膜を介して他方のシリ
コンウエーハと密着させ、その後熱処理を加えて微小気
泡層を劈開面として一方のウエーハを薄膜状に分離し、
さらに熱処理を加えて強固に結合してＳＯＩウエーハと
する技術（特開平５−２１１１２８号参照）である。そ
して、該劈開面は良好な鏡面であり、ＳＯＩ層（半導体
層）の膜厚の均一性も高いＳＯＩウエーハが比較的容易
に得られている。この他にも種々の製造方法が開発され
ている。

【０００８】このようなＳＯＩウエーハの特性として
は、酸化膜耐圧特性が重要である。例えばデバイスの重
要な電気的特性であるＭＯＳゲート酸化膜のＴＺＤＢ／
ＴＤＤＢ特性が重要となる。この特性は歩留まり及び長
期信頼性の重要な指標となる。ＴＺＤＢ／ＴＤＤＢ特性
は、ＭＯＳキャパシタにステップ的に電界を印加し、前
記ＭＯＳキャパシタの絶縁破壊電界強度を測定する方法
（電界破壊分布：ＴＺＤＢ法；ＴｉｍｅＺｅｒｏＤ
ｉｅｌｅｃｔｒｉｃＢｒｅａｋｄｏｗｎ）と、一定電
界を印加し、経過時間とともに前記ＭＯＳキャパシタが
破壊される率を電界の大きさを変更して測定する方法
（経時破壊分布：ＴＤＤＢ法；ＴｉｍｅＤｅｐｅｎｄ
ｅｎｔＤｉｅｌｅｃｔｒｉｃＢｒｅａｋｄｏｗｎ）
で評価したものである。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ＳＯＩウエーハにおい
ては、半導体層中に混入した重金属不純物は絶縁膜を透
過して支持基板側ではゲッタリングできずに半導体層中
に蓄積されていくので、通常の鏡面研磨ウエーハに比べ
顕著な酸化膜耐圧特性の劣化が生じてしまうという問題
がある。

【００１０】しかし、このＳＯＩウエーハのＴＺＤＢ／
ＴＤＤＢ特性の評価は、ＭＯＳキャパシタの形成等の処
理が必要で、たいへん手間が掛る評価法であり、また評
価条件等（ゲート酸化膜厚やキャパシタ面積等）により
ばらつきが大きく、簡便に、また安定してＳＯＩウエー
ハの品質を確認することができない。更に破壊検査とな
ってしまう。

【００１１】また、重金属等により劣化したＳＯＩウエ
ーハであればＴＤＤＢ特性等でもある程度正確に評価で
きるが、例えば半導体層がシリコン、絶縁層がシリコン
酸化膜からなるＳＯＩウエーハなどではその品質も向上
し、ＴＤＤＢ特性の良品率（一般的に真性破壊の領域と
言われる部分の割合）ではほとんど差がない状態であ
る。ＴＤＤＢ特性でわずかに初期不良の見られるものも
あるが、ＴＤＤＢ特性の測定精度もあまりよくないた
め、測定誤差等と判断され現状では特に問題とされてい
なかった。

【００１２】しかしＳＯＩウエーハの製造方法等によっ
ては初期不良の発生しやすいものもあり、これはＳＯＩ
ウエーハの製造方法及び製造条件等の違いによる差と考
えられる。

【００１３】従って性能・信頼性・歩留まりの高い集積
回路を得るにはこのようなわずかな初期不良の発生頻度
の違いも正確に評価する必要がでてくる。特にＴＤＤＢ
特性のように単に評価法のばらつきで生じた不良なの
か、本当にＳＯＩウエーハの品質が悪く発生したものな
のか区別できない評価では問題であり、ＳＯＩウエーハ
の品質を正確に評価する必要が出てくる。特に様々なＳ
ＯＩウエーハの製造方法に対する品質の違いを評価でき
ると好ましい。

【００１４】なお、酸化膜耐圧特性以外の評価として、
光散乱式のパーティクルカウンター等を用いＳＯＩウエ
ーハを評価すると、半導体層と支持基板の間に介在する
絶縁層の膜界面によって散乱ノイズが発生し、評価が非
常に困難となる。その他に走査型電子顕微鏡（ＳＥ
Ｍ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）等の装置を用いた場
合も、欠陥が非常に微小であるため、その検査が困難で
あった。

【００１５】本発明は、上記事情を鑑みなされたもので
あって、ＴＤＤＢ特性による評価を行わないで、ＳＯＩ
ウエーハの品質を簡便に、精度良く評価できる評価方法
及びこの評価方法を用いウエーハを選別しデバイスを製
造する方法を提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明のＳＯＩウエーハ
の評価方法は、半導体層、絶縁層、支持基板が順次形成
されたＳＯＩウエーハの評価方法であって、コンフォー
カル光学系のレーザ顕微鏡により評価する事を特徴とす
る。

【００１７】コンフォーカル光学系とは、サンプル（本
発明ではＳＯＩウエーハ）上にレーザ光を集束させて微
小スポットで照射し、その反射光を受光器の前面に配置
したピンホールに再び集束させ、ピンホールを追加した
光量を検出するものである。

【００１８】このようにＳＯＩウエーハに対して、コン
フォーカル光学系のレーザ顕微鏡により評価する事で、
絶縁膜による散乱ノイズの影響もなく、ＴＤＤＢ特性で
評価する代わりにＳＯＩウエーハの品質を簡便迅速に、
非破壊で精度良く評価できる。特にＴＤＤＢ特性の初期
不良等の違い、ＳＯＩウエーハの製造方法の違いなどを
評価できる。

【００１９】また、本発明のデバイスの製造方法は、コ
ンフォーカル光学系のレーザ顕微鏡により評価した欠陥
密度が１０個／ｃｍ^２以下のＳＯＩウエーハを選別しデ
バイスを製造することを特徴とする。

【００２０】本発明の評価方法は非破壊であるため評価
したウエーハもデバイス製造工程に投入することがで
き、欠陥の少ないＳＯＩウエーハのみを選別してデバイ
ス製造を行うことができる。またＳＯＩウエーハをコン
フォーカル光学系のレーザ顕微鏡で評価した場合、その
品質を数値化できるため、任意の数値で欠陥を管理し、
ＳＯＩウエーハを選別できる。このようなに良品、不良
品を区別しやすくなる。

【００２１】特にこのような評価方法で検出される欠陥
密度が１０個／ｃｍ^２以下（〜３０００／８インチウエ
ーハ）以下であるとＴＤＤＢ特性の初期不良の発生頻度
も少なくなり、大変良好なＳＯＩウエーハである。コン
フォーカル光学系のレーザ顕微鏡で得られる欠陥密度と
ＴＤＤＢ特性の初期不良等の発生状況には比較的良い相
関が見られ、欠陥密度が少ないほど、ＴＤＤＢ特性の初
期不良の発生割合が少ないことがわかった。従ってこの
ような品質のＳＯＩウエーハをデバイス工程に投入する
ことにより歩留まりの向上及びデバイスの長期信頼性が
向上する。

【００２２】特にＳＯＩウエーハの半導体層がシリコ
ン、絶縁層がシリコン酸化膜であるＳＯＩウエーハの評
価に好ましい。これらはもっとも利用されている材質の
ＳＯＩウエーハであるからである。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の評価方法に用い
られるコンフォーカル光学系によるレーザ顕微鏡及びそ
れを用いたＳＯＩウエーハの評価手順について説明する
が、本発明はこれらの例に限定されるものではなく、本
発明の技術思想から逸脱しない限り種々の変形が可能で
あることはいうまでもない。

【００２４】図５はコンフォーカル光学系によるレーザ
顕微鏡の基本構造を示す概略説明図である。図５におい
て、１０はコンフォーカル光学系によるレーザ顕微鏡
で、顕微鏡本体１２に対応してアルゴンレーザ等のレー
ザ光源１４が設けられている。

【００２５】該顕微鏡本体１２はレーザ光源１４からの
レーザービームＢを複数のレーザービームＢに分割する
ビームスプリッタ１６、検査対象であるＳＯＩウエーハ
等のウエーハＷの表面（半導体層）にレーザービームＢ
を収束させる対物レンズ１８、ウエーハＷの表面から反
射したレーザービームＢをピンホール部材２０のピンホ
ール２０ａに収束する集光レンズ２２及び該ピンホール
２０ａを通過したレーザービームＢを受光する光検出器
２４から構成されている。

【００２６】次に動作原理の概略を以下に説明する。レ
ーザ光源１４からのレーザービームＢはビームスプリッ
タ１６によって複数のレーザービームＢに分割される。
次に対物レンズ１８によって全てのレーザービームＢは
ＳＯＩウエーハＷの表面（半導体層）上に収束し、例え
ば０．４μｍ程度のスポットでウエーハ表面を照射し、
それと同時に全てのレーザービームの間隔を一定に保っ
たまま水平方向にスキャンする。

【００２７】ウエーハＷの表面から反射されたレーザー
ビームＢは光学系を戻り、集光レンズ２２によって収束
されてピンホール部材２０のピンホール２０ａを通って
光検出器２４に入射する。ウエーハＷがＳＯＩウエーハ
であれば、その半導体層Ｗｓ、または絶縁層Ｗｉ、支持
基板Ｗｂに欠陥がある場合には、その欠陥部分からの反
射光の波面は乱れ、光検出器２４においてレーザービー
ムＢのスポットが拡がってしまい、光検出信号が低下す
る。不図示の欠陥検出回路は、光検出器２４における信
号の差を検出することにより、設定された値（しきい
値）以上の信号強度差が発生する部分を欠陥部として検
出する。検査は等速スピードで移動しながら行われ、そ
れぞれのビームスポットはウエーハＷの全体を緻密にス
キャンするようになっている。本発明では、以上のよう
なコンフオーカル光学系の構成を有するレーザ顕微鏡を
用いる。このようなコンフオーカル光学系のレーザ顕微
鏡を用い欠陥（欠陥密度）の検出及び分布等を観察す
る。

【００２８】本発明で評価した欠陥密度とＴＤＤＢ特性
の初期不良の発生割合に比較的良い相関があった。な
お、本発明の評価方法は、様々な材質のＳＯＩウエー
ハ、製造方法、製造条件で作製したＳＯＩウエーハに対
して用いる事ができる。

【００２９】（実施例）以下代表的なＳＯＩ構造を有す
るウエーハとして半導体層がシリコン、絶縁層がシリコ
ン酸化膜、支持基板がシリコンからなるＳＯＩウエーハ
について評価した。製造方法の異なる直径２００ｍｍ
（８インチ）のＳＯＩウエーハを２種類（被検査ウエー
ハ１、被検査ウエーハ２）を用意した。それぞれの被検
査ウエーハは支持基板（シリコン基板）の厚さ７２５μ
ｍ、絶縁層（シリコン酸化膜）の厚さ１６５ｎｍ、半導
体層（シリコン層）の厚さ１６５ｎｍのＳＯＩウエーハ
である。

【００３０】これらの被検査ウエーハについてコンフォ
ーカル光学系のレーザ顕微鏡により評価した。コンフォ
ーカル光学系のレーザ顕微鏡として、４８８ｎｍのアル
ゴンレーザを用いたレーザーテック社製のＭＡＧＩＣＳ
（商品名）を使用しＳＯＩウエーハの評価を行った。

【００３１】図１及び図２に本発明の評価方法で評価し
た結果を示す。これは被検査ウエーハ１及び被検査ウエ
ーハ２の欠陥分布を観察したマップ図である。図１は被
検査ウエーハ1を評価したものであるが、検出された欠
陥を定量化すると４４８７１個／８インチウエーハ（約
１４３個／ｃｍ^２）であった。同様に図２は被検査ウエ
ーハ２を評価したものであるが、このＳＯＩウエーハで
は３７２９個／８インチウエーハ（約１２個／ｃｍ^２）
の欠陥が検出された。このように本発明の評価方法では
ＳＯＩウエーハの品質の違いがはっきりと評価できる。

【００３２】なお、上記ＳＯＩウエーハを従来の光散乱
式のパーティクルカウンター等で評価した場合、ＳＯＩ
ウエーハの絶縁層界面の影響と思われる散乱が発生し、
バックグランドノイズとなり、上記品質の違いが検出さ
れず、精度の良い評価が行えなかった。

【００３３】次にこれらの被検査ウエーハに対してＴＤ
ＤＢ特性の評価を行った。被検査サンプルであるＳＯＩ
ウエーハの酸化膜耐圧を評価するため、上記ＳＯＩウエ
ーハの半導体層上にＭＯＳキャパシタ（ゲート酸化膜）
を形成した。具体的には半導体層（シリコン層）の上に
厚さ１０ｎｍの酸化膜を形成した。

【００３４】ＴＤＤＢ特性の測定は、ストレス電流値
０．１Ａ／ｃｍ^２、測定温度１００℃、ゲート面積３ｍ
ｍ^２で行った。サンプル１枚当たり１００個のＭＯＳダ
イオードについてＴＤＤＢ特性を測定した。ＴＤＤＢ法
では一般的に初期不良、偶発不良、真性破壊で表され
る。

【００３５】評価した結果を図３及び図４に示す。図３
は被検査ウエーハ１のＴＤＤＢ特性を示す図である。図
４は被検査ウエーハ２のＴＤＤＢ特性を示す図である。
横軸が絶縁破壊するまでに流れた電荷量で、縦軸は累積
不良率（％）である。これらの図からわかるように被検
査ウエーハ１、２共にＴＤＤＢの絶縁破壊が生じる領域
はほとんど真性破壊の領域（本評価条件の場合、絶縁破
壊されるまでに流れた電荷量が１０Ｃ／ｃｍ^２以上の領
域）である。全体的なＴＤＤＢ特性としては、どの製造
方法のＳＯＩウエーハでもほぼ同様である。但しよくＴ
ＤＤＢ特性を観察すると被検査ウエーハ１では初期不良
が若干観察されているし、被検査ウエーハ２では偶発不
良、真性破壊の境界部分（１０Ｃ／ｃｍ^２前後）で若干
の品質のばらつきが観察される程度である。

【００３６】これらはＴＤＤＢ特性自体の測定ばらつき
の可能性もあり、本発明の評価方法で検出される欠陥と
ＴＤＤＢ特性の不良の発生割合に必ずしも完全な相関が
あるとは考えられないが、様々な製造条件で作成したＳ
ＯＩウエーハを評価するとコンフォーカル光学系のレー
ザ顕微鏡で観察された欠陥密度とＴＤＤＢ特性の間には
ある程度の相関があり、ＴＤＤＢ特性の悪いもの（初期
不良が発生しやすいＳＯＩウエーハ等）はコンフォーカ
ル光学系のレーザ顕微鏡で見られる欠陥も多い事がわか
った。

【００３７】従って、ＳＯＩウエーハの評価はＴＤＤＢ
特性等を評価しなくとも、コンフォーカル光学系のレー
ザ顕微鏡を用い、非破壊で評価すれば、良好な検査が行
えることわかる。

【００３８】実施例の被検査ウエーハ２の結果を考慮す
ると、本発明の評価方法で検出される欠陥が、３０００
〜４０００個／８インチウエーハ以下と少なければほと
んど真性破壊の領域の良品であり、この欠陥は更に少な
ければ少ないほど良好なＳＯＩウエーハとなることがわ
かる。特に１０個／ｃｍ^２以下の欠陥のＳＯＩウエーハ
であれば好ましい。この傾向は本実施例で用いた被検査
ウエーハ以外のＳＯＩウエーハでも同様であった。

【００３９】従って、このような品質のＳＯＩウエーハ
を本発明の評価方法により選別し、デバイス工程に投入
すれば、デバイス製品の歩留まりも長期安定性も向上す
る。なお、本発明の評価方法で選別し、デバイスを製造
する方法は、様々な材質のＳＯＩウエーハ、及び様々な
製造方法、製造条件で作製したＳＯＩウエーハに対して
実施する事ができる。

【００４０】なお、本発明は、上記実施の形態に限定さ
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範囲に包含される

【００４１】例えば、本発明の評価方法で評価できるＳ
ＯＩウエーハは、半導体層、絶縁層、支持基板がシリコ
ン、シリコン酸化膜であるものに限らず、化合物半導体
からなるＳＯＩウエーハなどでも実施できる。例えば、
支持基板にシリコン、絶縁層にシリコン酸化膜、半導体
層にＧａＡｓ等を形成されたものでもよく。その他の材
質でも良い。

【００４２】

【発明の効果】本発明の代表的なものの効果について説
明すれば、コンフォーカル光学系のレーザ顕微鏡でＳＯ
Ｉウエーハを評価する事で、ＳＯＩウエーハの品質の違
いを簡便に評価する事ができる。特に非破壊で評価でき
好ましい。

【００４３】また非破壊検査及び品質を定量化できるこ
とからＳＯＩウエーハを本発明の評価方法により評価
し、好ましいＳＯＩウエーハを選別しデバイス製造を行
うことによりデバイス製品の歩留まり及び長期的信頼性
を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の評価方法を用い、被検査ウエーハ１を
評価した時の欠陥分布を示すマップ図である。

【図２】本発明の評価方法を用い、被検査ウエーハ２を
評価した時の欠陥分布を示すマップ図である。

【図３】被検査ウエーハ１のＴＤＤＢ特性を示す図であ
る。

【図４】被検査ウエーハ２のＴＤＤＢ特性を示す図であ
る。

【図５】コンフォーカル光学系によるレーザ顕微鏡の基
本構造を示す概略説明図である。

【符号の説明】

１０：コンフォーカル光学系によるレーザ顕微鏡、１
２：顕微鏡本体、１４：レーザ光源、１６：ビームスプ
リッタ、１８：対物レンズ、２０：ピンホール部材、２
０ａ：ピンホール、２２：集光レンズ、２４：光検出器
２４、Ｂ：レーザービーム、Ｗ：ウエーハ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体層、絶縁層、支持基板が順次形成
されたＳＯＩウエーハの評価方法であって、コンフォー
カル光学系のレーザ顕微鏡により評価する事を特徴とす
るＳＯＩウエーハの評価方法。
【請求項２】ＳＯＩウエーハの半導体層がシリコン、
絶縁層がシリコン酸化膜であることを特徴とする請求項
１記載のＳＯＩウエーハの評価方法。
【請求項３】ＳＯＩウエーハを選別しデバイスを製造
する方法であって、コンフォーカル光学系のレーザ顕微
鏡により評価した欠陥密度が１０個／ｃｍ^２以下のＳＯ
Ｉウエーハを選別してデバイスを製造することを特徴と
するデバイスの製造方法。
【請求項４】ＳＯＩウエーハの半導体層がシリコン、絶
縁層がシリコン酸化膜であることを特徴とする請求項３
記載のデバイスの製造方法。