JP2005150208A - Soiウェーハの評価方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】SOIウェーハの電気的特性を測定するとともに、SOI層やBOX層に存在するピンホールやシリコンアイランドなどの諸欠陥を検査できるSOIウェーハの評価方法を提供する。
【解決手段】電気絶縁層12を挟んでシリコン活性層11と支持層13を有するSOIウェーハ1の評価方法であって、シリコン活性層11の表面にポリシリコンを堆積させてポリシリコン層14を形成する工程と、ポリシリコン層14を電極とし、当該電極とその裏面に相当する支持層13とに電圧を印加して電気的特性を測定する工程と、を有する。
【選択図】 図2
【解決手段】電気絶縁層12を挟んでシリコン活性層11と支持層13を有するSOIウェーハ1の評価方法であって、シリコン活性層11の表面にポリシリコンを堆積させてポリシリコン層14を形成する工程と、ポリシリコン層14を電極とし、当該電極とその裏面に相当する支持層13とに電圧を印加して電気的特性を測定する工程と、を有する。
【選択図】 図2
Description
本発明は、SOI(Silicon On Insulator)ウェーハの電気的特性を測定するとともに、SOI層や絶縁層に存在するピンホールやシリコンアイランドなどの欠陥を検査する、SOIウェーハの評価方法に関する。
集積回路を形成するにあたり、この集積回路をバルク状の半導体基板につくり込む手法に比べると、酸化膜絶縁層上に設けられた薄膜半導体層に各種素子(デバイス)を形成する手法の方が、α線障害の特性や動作速度などの素子特性に優れ、しかも素子間分離の点でも有利となる。この種の半導体基板はSOIウェーハと称されているが、かかるSOIウェーハにおいては、素子を形成するシリコン層を薄くすればするほど、pn接合の寄生容量を減少させ素子の動作速度を高めることができるため、シリコン層の超薄膜化が検討されている。また、集積度を高めるためには三次元構造を実現することが効果的であるが、その一手法として、酸化膜と半導体層とを重ね合わせた基本構造が構成できるSOIウェーハが注目されている。SOI構造基板としては、貼り合わせSOIウェーハやSIMOX(Separation by Implantation of Oxygen)ウェーハが知られている。
このようにSOIウェーハは、LSIの高速化および低消費電力化を達成する技術として期待され、SOIデバイスを構築する上で高品質のSOIウェーハが要求されている。特に、SOI層ならびに絶縁層としての埋め込み酸化膜(BOX;Buried Oxide)層の欠陥はデバイス歩留りや電流リークに大きな影響を及ぼすため、致命的な欠陥となる。
こうした致命的な欠陥として、SOIウェーハにおいてはHF欠陥(SOIピンホール)と呼ばれるSOI層の欠陥、BOXピンホールとよばれるBOX層の欠陥、あるいはシリコンアイランドと呼ばれるBOX層の欠陥などがある。
SIMOXウェーハにおけるSOIピンホールは、金属パーティクル、酸化物析出およびCOP(Crystal Originated Particle)が主な原因とされている。また、酸素インプランテーション時にウェーハ上に存在するパーティクルによって影になった部分がBOXピンホールになることも報告されている。こうしたピンホール(あるいはパイプ)欠陥は基板と上部シリコン膜とを短絡させる原因となる。
これに対して、シリコンアイランドとはSIMOXウェーハのBOX層に酸素と結合していない結晶状態のシリコン析出物が存在することにより生じる欠陥である。SIMOXウェーハは、適量の酸素イオンを注入することでシリコンと酸素とを結合して酸化膜を形成するものであることから、条件によっては酸素と未結合となったシリコンが存在することもある。こうしたシリコンアイランドは導電性を有するので、BOX層内にシリコンアイランドが存在すると絶縁破壊電圧が低下したり漏れ電流が増加したりするので、BOX層の電荷トラップやMOSトランジスタの閾値電圧を変動させる原因となる。また、デバイス製造工程では、プラズマエッチングやプラズマデポジッションなどの高電圧を用いる工程でダメージを受けるおそれがある。
したがって、集積回路工程の前にこれらの欠陥を検出し、それをフィードバックすることでSOI層やBOX層の欠陥が一定以下に維持する必要がある。
SOIピンホールであるHF欠陥は、SOIウェーハを高濃度HF(フッ酸)溶液に浸漬するHF処理されたウェーハの全面を光学顕微鏡で観察し、カウントすることによって検出することができる。HF溶液はSOI層のSiとは反応しないがBOX層のSiO2を溶解する。そのため、SOI層表面のピンホールから浸透したHF溶液はBOX層を同心円状に溶解するので、浸漬時間に比例してBOX層の溶解が促進され、光学顕微鏡での観察が可能となる。
これに対してBOXピンホールの検出には、ウェーハを切断してSEMやTEMなどの電子顕微鏡で観察する方法があるが、この方法は数オングストローム〜数十オングストロームといったサイズで観察する方法であることから、欠陥位置を予め特定できないと検出するのは困難であり、しかもこの方法では欠陥分布を把握することはできない。このため、Siウェーハにおける熱酸化膜欠陥の評価法として従来用いられている銅デコレーション法をSOIウェーハにおけるBOX欠陥の評価に応用することが試みられている。
しかしながら、上述したHF欠陥検出方法はピンホールなどの比較的大きな欠陥に対しては有効であるものの、シリコンアイランドのような数nm程度の小さな欠陥に対しては検出することは困難である。また、BOX層には三次元的に欠陥が存在するので、表面観察を用いる方法では検出に限界がある。
本発明は、SOIウェーハの電気的特性を測定するとともに、SOI層やBOX層に存在するピンホールやシリコンアイランドなどの諸欠陥を検査できるSOIウェーハの評価方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の第1の観点によれば、電気絶縁層を挟んでシリコン活性層と支持層を有するSOIウェーハの評価方法であって、前記シリコン活性層の表面にポリシリコンを堆積させてポリシリコン層を形成する工程と、前記ポリシリコン層を電極とし、当該電極とその裏面に相当する支持層とに電圧を印加して電気的特性を測定する工程と、を有することを特徴とするSOIウェーハの評価方法が提供される。
上記目的を達成するために、本発明の第1の観点によれば、電気絶縁層を挟んでシリコン活性層と支持層を有するSOIウェーハの評価方法であって、前記シリコン活性層の表面にポリシリコンを堆積させてポリシリコン層を形成する工程と、前記ポリシリコン層を電極とし、当該電極とその裏面に相当する支持層とに電圧を印加して電気的特性を測定する工程と、を有することを特徴とするSOIウェーハの評価方法が提供される。
また、上記目的を達成するために、本発明の第2の観点によれば、電気絶縁層を挟んでシリコン活性層と支持層を有するSOIウェーハの評価方法であって、前記シリコン活性層に不純物原子をドーピングする工程と、前記工程で不純物原子がドーピングされたシリコン活性層を電極とし、当該電極とその裏面に相当する支持層とに電圧を印加して電気的特性を測定する工程と、を有することを特徴とするSOIウェーハの評価方法が提供される。
本発明では、一般的な半導体デバイスプロセスで用いられる電極形成工程、リソグラフィ工程などを利用して、精密な電極をシリコン活性層の表面又はシリコン活性層自体に形成することができる。
すなわち、本発明の第1の観点によるSOIウェーハの評価方法では、SOIウェーハのシリコン活性層の表面にポリシリコンを堆積させてポリシリコン層を形成する際に、半導体デバイスプロセスで用いられているCVD法などを利用することができる。また、本発明の第2の観点によるSOIウェーハの評価方法では、SOIウェーハのシリコン活性層に不純物原子をドーピングする際に、半導体デバイスプロセスで用いられているイオン注入法などを利用することができる。
さらに、シリコン活性層の表面又はシリコン活性層自体に形成した電極をMESA構造にする場合には、半導体デバイスプロセスで用いられているリソグラフィ技術や各種エッチング法を利用することができる。
本発明のSOIウェーハの評価方法では、シリコン活性層の表面又はシリコン活性層自体に一方の電極を形成するとともに支持層を他方の電極とし、これら両電極に電圧を印加して、評価対象となるシリコン活性層および電気絶縁層に対し、直接的に電気的特性を測定するので、シリコンアイランドのような数nm程度の小さな欠陥に対しても検出することができる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
第1実施形態
図1は本発明の第1実施形態に係るSOIウェーハの評価方法を示すフローチャート、図2は同じく第1実施形態に係るSOIウェーハの評価方法を示すウェーハの断面図、図5は本発明の実施形態に係るSOIウェーハの評価方法により測定された、印加電圧に対する電流値の一例を示すグラフ、図6は本発明の実施形態に係るSOIウェーハの評価方法により測定された、破壊電圧分布の一例を示すグラフ、図7は本発明の実施形態に係るSOIウェーハの評価方法により測定された、ショート欠陥の一例を示すウェーハのサイトマップ、図8は本発明の実施形態に係るSOIウェーハの評価方法により測定された、セルフヒーリングによる痕跡の一例を示す図である。
第1実施形態
図1は本発明の第1実施形態に係るSOIウェーハの評価方法を示すフローチャート、図2は同じく第1実施形態に係るSOIウェーハの評価方法を示すウェーハの断面図、図5は本発明の実施形態に係るSOIウェーハの評価方法により測定された、印加電圧に対する電流値の一例を示すグラフ、図6は本発明の実施形態に係るSOIウェーハの評価方法により測定された、破壊電圧分布の一例を示すグラフ、図7は本発明の実施形態に係るSOIウェーハの評価方法により測定された、ショート欠陥の一例を示すウェーハのサイトマップ、図8は本発明の実施形態に係るSOIウェーハの評価方法により測定された、セルフヒーリングによる痕跡の一例を示す図である。
本実施形態に係る評価方法は、SOIウェーハを製造工程から抜き取って評価するか、あるいはSOIウェーハを用いた半導体デバイスプロセスにおいてスクラブラインなどに形成するTEG(Testing Element Group)パターンとして形成することができる。
図1に示すステップ11にてSOIウェーハを用意する。本実施形態に係るSOIウェーハは、図2(a)に示すように電気絶縁層12を挟んでシリコン活性層11と支持層13を有するSOIウェーハ1であって、貼り合わせウェーハやSIMOXウェーハの何れをも適用することができる。本例では、シリコン活性層11および支持層13にシリコンウェーハを用い、電気絶縁層12にシリコン酸化膜を用いた。ただし、支持層13を構成する材料は導体又は半導体であればよく,シリコン以外の材料を用いることは可能である。
次に,図1に示すステップ12にて、用意したSOIウェーハ1をアンモニアと過酸化水素水を用いて洗浄したのち、ステップ13にてシリコン活性層11の表面に、たとえばCVD法などを用いてポリシリコンを堆積させ,図2(b)に示すようにポリシリコン層14を形成する。このポリシリコン層14はSOIウェーハに電圧を印加したときに流れる電流を測定する際の電極となることから,電極の機能が発揮できる膜厚であれば良く、たとえば0.1〜2μmである。
次いで、図1のステップ14にて、リソグラフィ技術を用いてポリシリコン層14の表面にレジストパターンを形成する。このパターニングは、たとえば図7に示すように、SOIウェーハ1のシリコン活性層11の表面を幾つかのサイトに分割し、各サイトにおけるSOIウェーハの欠陥を評価するためになされるものである。したがって、ウェーハ全体にポリシリコン層14の電極を形成する場合には、このステップ14およびこれに続くステップ15を省略することもできる。
本例では、図7に示すようにウェーハを複数のサイト、たとえば270個に分割したMESA構造とし、各サイトにおける欠陥を評価することとした。なおこの場合、分割するサイトは、半導体デバイスに相当するサイトと同じサイトにすることが評価結果の利用の点からも好ましいが、本発明では特に限定されることはなく、半導体デバイスのサイトとは異なるサイトに分割しても良い。
図1のステップ14のパターニングは、たとえばポリシリコン層14の全面にフォトレジストを塗布し、図7に示すようなMESA構造に相当するフォトマスクを用いて、塗布されたフォトレジストを露光・現像し、露光・現像されなかった部分を除去する。これにより、電極となるべきポリシリコン層14の部分のみにレジスト膜が形成される。
次いで、レジスト膜が形成されていない部分のポリシリコン層14とシリコン活性層11をエッチングする。このエッチングには、プラズマエッチングおよび反応性イオンエッチング(RIE)を含むドライエッチングや、ウェットエッチングなど、半導体デバイスプロセスで用いられている各種エッチング法を用いることができる。このステップ15のエッチング処理により、図2(c)に示すように各電極が電気的に分離されたMESA構造となる。
次いで、図1のステップ16にてシリコン活性層11側の面、同図において電気絶縁層12の上側の面全体にレジストを塗布して保護したのち、ステップ17にてウェーハをたとえばフッ酸溶液に浸漬することで、ウェーハの支持層13の表面に形成された自然酸化膜を除去する。
そして、次のステップ18にて図2(c)に示すように、電源16に接続された電流測定回路17の一方を一つのサイトの電極14に電気的に接続するとともに、測定回路17の他方を、このサイトの裏面に相当する支持層13の表面に電気的に接続する。この測定回路17には電流計18が設けられ、また電源16は印加電圧が可変とされている。
一つのサイトに測定回路17を接続したら、ステップ19にてそのサイトの電気的特性を測定する。本例では、電源16による印加電圧を、図5の横軸に示すように20V〜90Vまで昇圧し、測定回路17に流れる電流を電流計18で測定する。このとき、20Vから90Vまでの昇圧は、線形的に増加させてもよいし、たとえば5V毎に段階的(ステップ)に増加させてもよい。さらに、20Vから90Vまでの昇圧を複数回繰り返して、測定してもよい。
図5にSOIウェーハを用いた測定結果の一例を示す。このウェーハのサイトでは、約58VのポイントV1で電流が流れ始め、約70VのポイントV2で完全にショートする。この間V1〜V2にミニブレイクダウンと称される多数の小さな破壊19が観察されるが、これは電流計による電流値の測定間隔を10−3秒以下とすることで取得することができる。
このミニブレイクダウンは、電気絶縁層12に生じたシリコンアイランドによるものと考えられる。シリコンアイランドが存在するポイントが電気的に破壊され大きい電流が流れ始めると、局所的に発熱し、これにより電気伝導度がさらに上昇するといった、ポジティブフィードバック効果が生じる。この局部的な過電流がミニブレイクダウンに相当する。
そして、これによりシリコンアイランドが存在するポイントの周辺の物質が溶けて蒸発し、電流が流れなくなる。これはセルフヒーリング現象と称されるが、このときシリコンアイランドの数だけ、図8に示すように電極14の表面に火山の噴火口のような痕跡が残ることになる。これを光学顕微鏡や電子顕微鏡で観察することによってもシリコンアイランドの欠陥の有無を評価することができる。さらにこの顕微鏡による画像を画像データとして取得し、自動的にシリコンアイランド痕跡の有無を評価することもできる。
図6は一枚のSOIウェーハに形成された270個のサイト全てについて上述した破壊電圧を測定し、その分布を示すグラフである。同図において4V程度の破壊電圧が示されているのはピンホールやパイプの欠陥によるものである。これ以外は60V〜76Vの範囲に分布している。ウェーハの評価法としては、たとえば破壊電圧の平均値が50V以上で、かつ破壊電圧が50V以上のサイトが90%以上存在すると、そのウェーハを良品とし、それ以外は不良品とする。また、ピンホールなどの貫通欠陥の有無を図7に示すようにウェーハのサイトマップで表すこともできる。同図に示す例では、濃く示されたサイトにピンホールなどが存在する。
第2実施形態
主として電気絶縁層12の欠陥の有無を評価する場合には、以下の方法を採用することができる。図3は本発明の第2実施形態に係るSOIウェーハの評価方法を示すフローチャート、図4は本発明の第2実施形態に係るSOIウェーハの評価方法を示すウェーハの断面図である。
主として電気絶縁層12の欠陥の有無を評価する場合には、以下の方法を採用することができる。図3は本発明の第2実施形態に係るSOIウェーハの評価方法を示すフローチャート、図4は本発明の第2実施形態に係るSOIウェーハの評価方法を示すウェーハの断面図である。
図3に示すステップ31にて、上述した第1実施形態と同様、SOIウェーハを用意する。本実施形態に係るSOIウェーハも、図4(a)に示すように電気絶縁層12を挟んでシリコン活性層11と支持層13を有するSOIウェーハ1であって、貼り合わせウェーハやSIMOXウェーハの何れをも適用することができる。本例では、シリコン活性層11および支持層13にシリコンウェーハを用い、電気絶縁層12にシリコン酸化膜を用いた。ただし、支持層13を構成する材料は導体又は半導体であればよく,シリコン以外の材料を用いることは可能である。
次に,図3に示すステップ32にて、用意したSOIウェーハ1をアンモニアと過酸化水素水を用いて洗浄したのち、ステップ33にて、シリコン活性層11に、図4(b)に示すように不純物原子(たとえばリン)を、イオン注入法などを用いてドーピングする。なお、リンがドーピングされたシリコン活性層を符号15で示す。このリンのドーピングにより、シリコン活性層15の固有抵抗値が低下し、SOIウェーハに電圧を印加したときに流れる電流を測定する際の電極とすることができる。
次いで、図3のステップ34にて、リソグラフィ技術を用いてシリコン活性層15の表面にレジストパターンを形成する。このパターニングは、上述した第1実施形態と同様、たとえば図7に示すように、SOIウェーハ1のシリコン活性層15の表面を幾つかのサイトに分割し、各サイトにおけるSOIウェーハの欠陥を評価するためになされるものである。したがって、ウェーハ全体にリンがドーピングされたシリコン活性層15の電極を形成する場合には、このステップ34およびこれに続くステップ35を省略することもできる。
本例では、図7に示すようにウェーハを複数のサイト、たとえば270個に分割したMESA構造とし、各サイトにおける欠陥を評価することとした。なおこの場合、分割するサイトは、半導体デバイスに相当するサイトと同じサイトにすることが評価結果の利用の点からも好ましいが、本発明では特に限定されることはなく、半導体デバイスのサイトとは異なるサイトに分割しても良い。
図3のステップ34のパターニングは、たとえばシリコン活性層15の全面にフォトレジストを塗布し、図7に示すようなMESA構造に相当するフォトマスクを用いて、塗布されたフォトレジストを露光・現像し、露光・現像されなかった部分を除去する。これにより、電極となるべきシリコン活性層15の部分のみにレジスト膜が形成される。
次いで、レジスト膜が形成されていない部分のシリコン活性層15をエッチングする。このエッチングには、プラズマエッチングおよび反応性イオンエッチング(RIE)を含むドライエッチングや、ウェットエッチングなど、半導体デバイスプロセスで用いられている各種エッチング法を用いることができる。このステップ35のエッチング処理により、図4(c)に示すように各電極が電気的に分離されたMESA構造となる。
次いで、図3のステップ36にてシリコン活性層15側の面、同図において電気絶縁層12の上側の面全体にレジストを塗布して保護したのち、ステップ37にてウェーハをたとえばフッ酸溶液に浸漬することで、ウェーハの支持層13の表面に形成された自然酸化膜を除去する。
そして、次のステップ38にて図4(c)に示すように、電源16に接続された電流測定回路17の一方を一つのサイトの電極であるシリコン活性層15に電気的に接続するとともに、測定回路17の他方を、このサイトの裏面に相当する支持層13の表面に電気的に接続する。この測定回路17には電流計18が設けられ、また電源16は印加電圧が可変とされている。
一つのサイトに測定回路17を接続したら、ステップ39にてそのサイトの電気的特性を測定する。本例でも、電源16による印加電圧を、図5の横軸に示すように20V〜90Vまで昇圧し、測定回路17に流れる電流を電流計18で測定する。このとき、20Vから90Vまでの昇圧は、線形的に増加させてもよいし、たとえば5V毎に段階的(ステップ)に増加させてもよい。さらに、20Vから90Vまでの昇圧を複数回繰り返して、測定してもよい。
このように構成した場合でも、上述した第1実施形態と同様、主として電気絶縁層12に生じるシリコンアイランドなどの欠陥を精度良く評価することができる。
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
1…SOIウェーハ
11…シリコン活性層
12…電気絶縁層
13…支持層
14…ポリシリコン層(電極)
11…シリコン活性層
12…電気絶縁層
13…支持層
14…ポリシリコン層(電極)
Claims (14)
- 電気絶縁層を挟んでシリコン活性層と支持層を有するSOIウェーハの評価方法であって、
前記シリコン活性層の表面にポリシリコンを堆積させてポリシリコン層を形成する工程と、
前記ポリシリコン層を電極とし、当該電極とその裏面に相当する支持層とに電圧を印加して電気的特性を測定する工程と、を有することを特徴とするSOIウェーハの評価方法。 - 前記ポリシリコン層を形成する工程の後に、当該工程で形成されたポリシリコン層の表面にリソグラフィ法によりパターニングする工程と、
前記パターニング以外の部分のポリシリコン層及びシリコン活性層をエッチングすることで残余の部分のポリシリコン層を電極とする工程と、を有する請求項1記載のSOIウェーハの評価方法。 - 前記ポリシリコン層を形成する工程の前に、前記シリコン活性層を洗浄する工程を有する請求項1又は2記載のSOIウェーハの評価方法。
- 前記電極とその裏面に相当する支持層とに電圧を印加する前に、前記シリコン活性層の全面にレジストを塗布し、前記支持層の表面に形成された酸化膜を除去する工程を有する請求項1〜3の何れかに記載のSOIウェーハの評価方法。
- 電気絶縁層を挟んでシリコン活性層と支持層を有するSOIウェーハの評価方法であって、
前記シリコン活性層に不純物原子をドーピングする工程と、
前記工程で不純物原子がドーピングされたシリコン活性層を電極とし、当該電極とその裏面に相当する支持層とに電圧を印加して電気的特性を測定する工程と、を有することを特徴とするSOIウェーハの評価方法。 - 前記シリコン活性層に不純物原子をドーピングする工程の後に、当該工程で不純物原子がドーピングされたシリコン活性層の表面にリソグラフィ法によりパターニングする工程と、
前記パターニング以外の部分のポリシリコン層をエッチングすることで残余の部分のシリコン活性層を電極とする工程と、を有するS請求項5記載のSOIウェーハの評価方法。 - 前記シリコン活性層に不純物原子をドーピングする工程の前に、前記シリコン活性層を洗浄する工程を有する請求項5又は6記載のSOIウェーハの評価方法。
- 前記電極とその裏面に相当する支持層とに電圧を印加する前に、前記シリコン活性層の全面にレジストを塗布し、前記支持層の表面に形成された酸化膜を除去する工程を有する請求項5〜7の何れかに記載のSOIウェーハの評価方法。
- SIMOXウェーハの埋め込み酸化膜にシリコンアイランド欠陥が存在するかどうかを評価することを特徴とする請求項1〜8の何れかに記載のSOIウェーハの評価方法。
- 前記電圧を印加して電気的特性を測定する工程において、印加電圧を線形増加又はステップ増加させることを特徴とする請求項1〜9の何れかに記載のSOIウェーハの評価方法。
- 前記電圧を印加して電気的特性を測定する工程において、電圧を繰り返し印加することを特徴とする請求項10記載のSOIウェーハの評価方法。
- 前記電圧を印加して電気的特性を測定する工程において、前記SOIウェーハの評価位置から生じる光を検出し、当該光の有無により過剰電流が流れたかどうかを評価することを特徴とする請求項1〜11の何れかに記載のSOIウェーハの評価方法。
- 前記電圧を印加して電気的特性を測定する工程において、前記SOIウェーハの評価位置の表面形状を観察し、セルフヒーリング現象による痕跡の有無により過剰電流が流れたかどうかを評価することを特徴とする請求項1〜11の何れかに記載のSOIウェーハの評価方法。
- 前記評価位置の表面形状を画像データとして取得し、画像処理により前記セルフヒーリングによる痕跡の有無を検出することを特徴とする請求項13記載のSOIウェーハの評価方法。
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