JP2005333072A

JP2005333072A - 半導体基板の評価方法

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Publication number: JP2005333072A
Application number: JP2004152195A
Authority: JP
Inventors: Toru Yamazaki; 亨山崎
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2004-05-21
Filing date: 2004-05-21
Publication date: 2005-12-02
Also published as: US20050260861A1

Abstract

【課題】評価精度を向上できる半導体基板の評価方法を提供する。
【解決手段】評価対象となる半導体基板の一方の面に液体金属からなる電極を接触させて電圧を印加する半導体基板の評価方法であり、液体金属からなる電極を評価対象となる半導体基板の一方の面に接触させる前に、評価対象となる半導体基板の硫酸過水による洗浄を行ない、硫酸過水による洗浄を行なった後、液体金属からなる電極を接触させる表面シリコン層の表面に形成されている酸化膜を除去する。これにより、評価対象となる半導体基板の硫酸過水による洗浄を行なうことで、液体金属からなる電極を接触させる面に付着した有機物を除去し、評価精度を向上できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体金属からなる電極を評価対象の半導体基板の一方の面に接触させて半導体基板の評価を行なう半導体基板の評価方法に関する。

近年、例えばＭＩＳ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）構造を有するＬＳＩなどでは、高集積化されるに伴い、シリコンなどの半導体層や酸化シリコンなどの絶縁膜などの信頼性に対する要求が高くなっている。このような状況などから、半導体基板が有する半導体層や絶縁膜の電気的な特性の評価精度を向上する評価方法として、水銀などの液体金属を電極として半導体基板の一面に接触させて電気特性を評価する半導体基板の評価方法が提案され、用いられるようになっている（例えば、特許文献１、２、非特許文献１参照）。

米国特許第６４２９１４５号明細書（第２−６欄、第２図）米国特許第６５４８４２０号明細書（第２−３欄）「アイ・イー・イー・イー・トランザクション・オン・エレクトロン・デバイスズ（IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES）」、２０００年５月、第４７巻、第５号、１９９７年１０月アイ・イー・イー・イー・インターナショナル・ＳＯＩ・カンファレンス（IEEE International SOI conference）

しかし、本発明者らは、液体金属を電極として半導体基板の一面に接触させて電気特性を評価する半導体基板の評価方法を検討した結果、同じ半導体基板を評価しても、その評価結果にばらつきが生じる場合があり、従来の半導体基板の評価方法には、評価精度の向上の余地があることを突き止めた。

本発明の課題は、評価精度を向上することにある。

本発明の半導体基板の評価方法は、評価対象となる半導体基板の一方の面に液体金属からなる電極を接触させて電圧を印加する半導体基板の評価方法であり、液体金属からなる電極を評価対象となる半導体基板の一方の面に接触させる前に、評価対象となる半導体基板の硫酸過水による洗浄を行なうことにより上記課題を解決する。

本発明者らが評価結果にばらつきが生じる原因を検討したところ、半導体基板の液体金属からなる電極を接触させる面への有機物の付着が原因であることを見出した。そこで、このように、液体金属からなる電極を評価対象となる半導体基板の一方の面に接触させる前に、評価対象となる半導体基板の硫酸過水による洗浄を行なうことで、液体金属からなる電極を接触させる面に付着した有機物を除去し、評価精度を向上できる。

また、評価対象となる半導体基板が、シリコン支持体、このシリコン支持体の一面側に設けられた酸化膜からなる絶縁層、及び、この絶縁層をシリコン支持体とで挟んだ状態で形成された表面シリコン層を備えたＳＯＩ基板であり、硫酸過水による洗浄を行なった後、液体金属からなる電極を接触させる表面シリコン層の表面に形成されている酸化膜を除去する評価方法とする。

ＳＯＩ基板の評価を行なう場合には、表面シリコン層に液体金属からなる電極を接触させる必要があるため、表面シリコン層の表面に形成されている自然酸化膜を除去した後、液体金属からなる電極を接触させることになる。このとき、自然酸化膜を除去した後に硫酸過水による洗浄を行なうと、硫酸過水によって表面シリコン層の表面が酸化され、酸化膜が形成されてしまい、この酸化膜が評価精度を低下させてしまうことになる。そこで、硫酸過水による洗浄を行なった後、液体金属からなる電極を接触させる表面シリコン層の表面に形成されている酸化膜を除去したところ、表面シリコン層の表面は、酸化膜がなく、かつ、有機物を除去した状態にできる。

さらに、硫酸過水による洗浄は、体積比で、２９％濃度の過酸化水素が１に対して９６％濃度の硫酸を４以上１９以下とした硫酸過水を用いることで、評価精度をより確実に向上できる。

また、硫酸過水による洗浄は、温度が１００℃以上１６０℃以下の前記硫酸過水に半導体基板の表面を接触させることで、評価精度を一層確実に向上できる。さらに、硫酸過水による洗浄は、前記硫酸過水に１０分以上半導体基板の表面を接触させることで、評価精度を一層確実に向上できる。

本発明によれば、評価精度を向上できる。

以下、本発明を適用してなる半導体基板の評価方法の一実施形態について図１乃至図１１を参照して説明する。図１は、本発明を適用してなる半導体基板の評価方法の概略を示すフロー図である。図２は、ＳＯＩ基板の評価を行なう場合の電極の設置例を示す断面図である。図３及び図４は、評価対象のＳＯＩ基板の表面に有機物が付着することによって寄生容量が加わった状態となることを模式的に説明する図である。図５は、硫酸過水による洗浄の有機物の除去効果をガスクロマトグラフ質量分析計により示す図であり、（ａ）は硫酸過水による洗浄を行なった場合、（ｂ）は硫酸過水による洗浄を行なっていない場合を示す図である。

図６は、硫酸過水による洗浄を行なった場合と行なっていない場合のＩｄｓ−Ｖｇｓカーブを示す図である。図７は、硫酸過水による洗浄処理の処理時間とフラットバンド電圧の関係を示す図である。図８は、硫酸過水による洗浄処理の処理温度とフラットバンド電圧の関係を示す図である。図９は、硫酸過水による洗浄処理の硫酸の混合比率とフラットバンド電圧の関係を示す図である。図１０は、本発明を適用してなる半導体基板の評価方法の別の概略を示すフロー図である。図１１は、シリコン基板の評価を行なう場合の電極の設置例を示す断面図である。

ここでは、図１及び図２に示すように、シリコン支持体１と表面シリコン層３との間に酸化膜からなる絶縁層５を設けた構成を有するＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎｏｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）構造のウェーハ、すなわちＳＯＩ基板７の評価方法について説明する。ＳＯＩ基板７は、ＳＩＭＯＸ（ＳｅｐａｒａｔｉｏｎｂｙＩｍｐｌａｎｔｅｄＯｘｙｇｅｎ）法や貼り合わせ法などで形成することができるが、本発明の評価方法は、製造方法に関係なく適用できる。

なお、ＳＩＭＯＸ法は、酸素イオンをシリコン基板に注入し、所定の温度の熱をかけるアニール処理することで、シリコン基板内部に埋め込み酸化膜つまりＢＯＸ（ＢｕｒｉｅｄＯｘｉｄｅ）層からなる絶縁層を形成する方法である。また、貼り合わせ法は、予めシリコン基板上に酸化膜を形成した後、他のシリコン基板と貼り合わせ、酸化膜を形成したシリコン基板の表面を所定の厚みになるまで薄膜化する方法である。

本実施形態の半導体基板の評価方法では、ＳＩＭＯＸ法や貼り合わせ法などにより形成されたＳＯＩ基板７に対し、まず、有機物の除去のため硫酸過水による洗浄を行なう（ステップ１０１）。ステップ１０１の硫酸過水による洗浄では、９６％濃度の硫酸：２９％濃度の過酸化水素水＝４：１以上１９：１以下の範囲で調整した硫酸過水を用いる。そして、硫酸過水による洗浄は、例えば、槽に入れ温度を１００℃以上１６０℃以下とした硫酸過水に１０分以上ＳＯＩ基板７を浸漬することなどで行なう。

硫酸過水の組成はＳＯＩ基板７に付着する有機物の種類や付着の度合いなどに応じて適宜選択できる。しかし、クリーンルーム環境に由来してＳＯＩ基板７に付着する高沸点有機物に対しては、２９％濃度の過酸化水素水が１に対して９６％濃度の硫酸を４以上１９以下の体積比とすることが望ましい。２９％濃度の過酸化水素水が１に対して９６％濃度の硫酸が４よりも少なくすると、過酸化水素の割合が増えることで過酸化水素の沸点の影響が大きくなり、設備によっては充分に高い薬液温度が得られなくなる場合がある。また、９６％濃度の硫酸が１９より多くなると、過酸化水素の割合が減ることにより、クリーンルーム環境に由来する高沸点有機物を除去できなくなる場合がある。

また、洗浄に用いる硫酸過水の温度と洗浄する時間つまり硫酸過水による処理温度及び処理時間も、ＳＯＩ基板７に付着する有機物の種類や付着の度合いなどに応じて適宜選択できる。しかし、クリーンルーム環境に由来してＳＯＩ基板７に付着する高沸点有機物のより確実な除去効果を得るためには、処理温度が１００℃以上１６０℃以下で、処理時間１０分以上とすることが望ましい。処理温度が１００℃より低くなるとクリーンルーム環境に由来する高沸点有機物を除去できない場合がある。また、処理温度が１６０℃より高い場合は、薬液の劣化が速くなるため、クリーンルーム環境に由来する高沸点有機物を除去できなくなる場合がある。

このようなステップ１０１の硫酸過水による洗浄を行なった後、フッ酸などを用いてＳＯＩ基板７の表面シリコン層３の表面に形成されている酸化膜を除去する（ステップ１０３）。ステップ１０３では、酸化膜を除去した後、純水を用いて洗浄し、N_２ブローで乾燥させる。この後、ステップ１０３で酸化膜を除去したＳＯＩ基板７の表面シリコン層３の表面に、液体金属である水銀からなるソース電極１１とドレイン電極１３の２つの電極を接触させる（ステップ１０５）。このとき、ソース電極１１とドレイン電極１３とは、互いに離れた状態で、ＳＯＩ基板７の表面シリコン層３の表面に接触させることで、擬似ＦＥＴとしている。

ステップ１０５の後、ゲート電極となるシリコン支持体１、ソース電極１１、ドレイン電極１３などに配線１５を介して電源を接続し、ソース電極１１とゲート電極１となるシリコン支持体１の間と、ソース電極１１とドレイン電極１３との間とに電圧を印加する。そして、ソース電極１１とドレイン電極１３との間に流れる電流を測定することにより、例えばＩｄｓ−Ｖｇｓカーブを得たり、Ｉｄｓ−Ｖｇｓカーブからフラットバンド電圧を算出したりすることで、ＳＯＩ基板７の評価を行なう（ステップ１０７）。なお、ステップ１０３、１０５、１０７は、従来の半導体基板の評価方法と同様に行っている。

ここで、本発明者らは、液体金属を電極として半導体基板の一面に接触させて電気特性を評価する従来の半導体基板の評価方法を検討した結果、同じ半導体基板を評価しても、その評価結果にばらつきが生じる場合があり、従来の半導体基板の評価方法には、評価精度の向上の余地があることを突き止めた。そして、その原因を検討した結果、半導体基板の液体金属からなる電極を接触させる面への有機物の付着が原因であることを見出した。

水銀などの液体金属からなる電極を半導体基板の表面に接触させるとき、液体金属からなる電極を接触させる半導体基板の表面は、塵埃やその他の微粒子などができるだけ付着していない清浄な状態である必要がある。これは、塵埃やその他の微粒子などが液体金属からなる電極を接触させる半導体基板の表面にあると、電極の接触が不安定となり、寄生抵抗や寄生容量を有した状態となるためである。このため、液体金属からなる電極を半導体基板の表面に接触させる作業を含めた半導体基板の評価は、清浄環境下、例えばクラス７（ＩＳＯ１４６４４）以上のクリーンルーム環境下で行なうことで、半導体基板の保管や評価のための加工中に半導体基板の表面に塵埃やその他の微粒子などの不純物が付着するのを防いでいる。

ところが、クリーンルーム環境下では、樹脂製の配管やＨＥＰＡやＵＬＰＡといったフィルタ、床材などから、例えば臭素系化合物であるＤＯＰやＢＨＴといった高沸点有機物などの有機物が出ることが知られている。

そこで、本発明者らは、クリーンルーム環境下で発生する有機物が半導体基板に付着し、これらの有機物が、半導体基板の表面に付着すると離脱し難いため、半導体基板の表面と液体金属との電気的な接触に影響を及ぼし、同じ半導体基板に対する評価がばらつくといったように、半導体基板の評価精度を低下させているのではないかと考えた。有機物が半導体基板の表面に付着すると、図３及び図４に示すように、模式的に寄生容量が加わったものとなり、それぞれの端子に所望の電圧がかからなくなり正確な評価を行うことが困難となる。

このように考えた本発明者らは、半導体基板の表面に有機物が付着していることを確認するため、ガスクロマトグラフ質量分析計により測定を行なった結果、図５(ａ)に一例を示すように、明らかに有機物の存在が示された。そこで、本実施形態の半導体基板の評価方法により、ステップ１０３のような硫酸過水による洗浄を行なった半導体基板では、ガスクロマトグラフ質量分析計により測定を行なった結果、図５(ｂ)に一例を示すように、明らかに有機物が低減した。そして、本実施形態の半導体基板の評価方法では、同じ半導体基板に対する評価がばらつくといったことは生じず、半導体基板の評価精度を向上できた。

以下に、ＳＯＩ基板７として直径２００mm、Ｐ型（ボロンドープ）のＳＯＩウェーハを試料として本実施形態の半導体基板の評価方法を実施した結果の一例を示す。ステップ１０３の硫酸過水による洗浄では、温度が１２０℃で体積比が９６％濃度の硫酸：２９％濃度の過酸化水素水＝５：１の溶液に、ＳＯＩウェーハを２０分間浸漬させた。また、比較のため、ステップ１０３の硫酸過水による洗浄を行なわない以外は、同条件でステップ１０１からステップ１０９の本実施形態の半導体基板の評価方法を同一のＳＯＩウェーハに対して実施した。

この結果、Ｉｄｓ−Ｖｇｓカーブを計測すると、図６に示すように、硫酸過水による洗浄を行った場合は、硫酸過水による洗浄を行っていない場合と比較してゲート電圧の絶対値で低電界側にシフトしていることが見られる。これは、前述した有機物を除去したことにより、寄生容量による電圧が減少したものである。

さらに、上記の条件で、ステップ１０３の硫酸過水による洗浄におけるＳＯＩウェーハを浸漬する時間つまり処理時間を変え、ゲート電圧に負電圧を印加した場合のフラットバンド電圧と処理時間との関係を計測した。この結果、図７に示すように、上記の組成の硫酸過水を用いて１２０℃で洗浄処理する場合、処理時間を１０分以上とすることで、確実に有機物の影響を低減することができた。

また、上記の条件で、ステップ１０３の硫酸過水による洗浄におけるＳＯＩウェーハを洗浄する硫酸過水の温度つまり処理温度を変え、ゲート電圧に負電圧を印加した場合のフラットバンド電圧と処理時間との関係を計測した。この結果、図８に示すように、上記の組成の硫酸過水を用いて２０分間洗浄処理する場合、処理温度を１００℃以上とすることで、確実に有機物の影響を低減することができた。なお、１６０℃よりも処理温度が高くなると（確実に有機物の影響を低減できなくなった）ので、処理温度は１６０℃以下とすることが望ましい。

さらに、上記の条件で、ステップ１０３の硫酸過水による洗浄におけるＳＯＩウェーハを洗浄する硫酸過水中の硫酸濃度を変え、ゲート電圧に負電圧を印加した場合のフラットバンド電圧と処理時間との関係を計測した。この結果、図９に示すように、硫酸過水中の９６％濃度の硫酸の混合比率が８０％以上９５％以下範囲であれば、確実に有機物の影響を低減することができた。これは、過酸化水素との体積比で、２９％濃度の過酸化水素が１に対して９６％濃度の硫酸が４以上１９以下となる。

このように、本実施形態の半導体基板の評価方法では、液体金属の電極の半導体基板の表面への接触を行なう前に、硫酸過水による半導体基板の洗浄を行なうことで、有機物を除去して半導体基板の電気的特性の評価結果に対する有機物の影響を低減できる。すなわち、半導体基板の評価方法の評価精度を向上できる。

さらに、硫酸過水による洗浄は、体積比で、２９％濃度の過酸化水素が１に対して９６％濃度の硫酸を４以上１９以下とした硫酸過水を用いることで、評価精度をより確実に向上できる。加えて、硫酸過水による洗浄は、温度が１００℃以上１６０℃以下の前記硫酸過水に半導体基板の表面を接触させることで、評価精度を一層確実に向上できる。さらに、硫酸過水による洗浄は、前記硫酸過水に１０分以上半導体基板の表面を接触させることで、評価精度を一層確実に向上できる。

さらに、本実施形態のようにＳＯＩ基板７の評価を行なう場合、フッ酸などによる酸化膜の除去の前に、硫酸過水による洗浄を行なうことで、評価精度をより確実に向上できる。ＳＯＩ基板７の評価では、ソース電極１１やドレイン電極１３を表面シリコン層３の表面に直接接触させるため、表面シリコン層３の表面に形成されている自然酸化膜を除去する必要がある。ところが、自然酸化膜を除去した後に硫酸過水による洗浄を行なうと、硫酸過水によって表面シリコン層３の表面が酸化されて酸化膜が形成されてしまい、この酸化膜がソース電極１１やドレイン電極１３を表面シリコン層３の表面に直接接触させるのを妨げ、評価精度を低下させてしまうことになる。したがって、酸化膜の除去の前に、硫酸過水による洗浄を行なうことで、評価精度をより確実に向上できる。

また、本実施形態では、ＳＯＩ基板７の評価を例として説明したが、本発明の半導体基板の評価方法は、シリコン層の表面に酸化膜を形成したシリコンウェーハなどの半導体基板の半導体層や酸化膜の電気的特性の計測にも適用することができる。この場合の半導体基板の評価方法は、図１０及び図１１に示すように、シリコン基板１７を、ＳＯＩ基板の場合のステップ１０１と同様に、有機物の除去のため硫酸過水による洗浄を行なう（ステップ２０１）。

ステップ２０１の硫酸過水による洗浄を行なった後、半導体基板７の酸化膜２１の表面に、液体金属である水銀からなるソース電極１１を接触させる（ステップ２０３）。そして、ステップ２０３の後、ゲート電極となる半導体基板７側の面１９ａ、ソース電極１１に配線１５を介して電源を接続し、半導体基板７の面１９ａとソース電極１１との間に電圧を印加することにより、電気的特性の評価を行なう（ステップ２０５）。

また、本実施形態では、液体金属として水銀を用いた場合を示したが、インジウムを混合したガリウム、スズ、これらの液体金属の混合物などを用いることもできる。

また、クリーンルームの清浄度のレベルによってクリーンルーム内の有機物の発生量などが変化するため、クリーンルーム環境に応じて適宜、硫酸過水の組成、処理温度、そして、処理時間などの硫酸過水による洗浄の条件を変更、調整できる。ただし、本実施形態で示したような硫酸過水による洗浄の条件で行なえば、クリーンルームの清浄度のレベルつまりクリーンルーム内の有機物の発生量などに関係なく確実に評価精度を向上できる。

本発明を適用してなる半導体基板の評価方法の一実施形態の概略を示すフロー図である。ＳＯＩ基板の評価を行なう場合の電極の設置例を示す断面図である。評価対象のＳＯＩ基板の表面に有機物が付着することによって寄生容量が加わった状態となることを模式的に説明する図であり、（ａ）は全体の回路を、（ｂ）はＣ０で示したＳＯＩ基板部分の回路を示す図である。図３に示したように評価対象のＳＯＩ基板の表面に有機物が付着することによって寄生容量が加わった状態となる場合と、有機物が付着していない場合とを模式的に説明する図である。硫酸過水による洗浄の有機物の除去効果をガスクロマトグラフ質量分析計により示す図であり、（ａ）は硫酸過水による洗浄を行なっていない場合、（ｂ）は硫酸過水による洗浄を行なった場合を示す図である。硫酸過水による洗浄を行なった場合と行なっていない場合のＩｄｓ−Ｖｇｓカーブを示す図である。硫酸過水による洗浄処理の処理時間とフラットバンド電圧の関係を示す図である。硫酸過水による洗浄処理の処理温度とフラットバンド電圧の関係を示す図である。硫酸過水による洗浄処理の硫酸混合比率とフラットバンド電圧の関係を示す図である。本発明を適用してなる半導体基板の評価方法の別の実施形態の概略を示すフロー図である。シリコン基板の評価を行なう場合の電極の設置例を示す断面図である。

符号の説明

１シリコン支持体
３表面シリコン層
５絶縁層
７ＳＯＩ基板
１１ソース電極
１３ドレイン電極
１５配線

Claims

評価対象となる半導体基板の一方の面に液体金属からなる電極を接触させて電圧を印加する半導体基板の評価方法であり、
前記液体金属からなる電極を評価対象となる半導体基板の一方の面に接触させる前に、評価対象となる半導体基板の硫酸過水による洗浄を行なうことを特徴とする半導体基板の評価方法。
評価対象となる半導体基板が、シリコン支持体、該シリコン支持体の一面側に設けられた酸化膜からなる絶縁層、及び、該絶縁層をシリコン支持体とで挟んだ状態で形成された表面シリコン層を備えたＳＯＩ基板であり、前記硫酸過水による洗浄を行なった後、前記液体金属からなる電極を接触させる表面シリコン層の表面に形成されている酸化膜を除去することを特徴とする請求項１に記載の半導体基板の評価方法。
前記硫酸過水による洗浄は、体積比で、２９％濃度の過酸化水素が１に対して９６％濃度の硫酸を４以上１９以下とした硫酸過水を用いることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体基板の評価方法。
前記硫酸過水による洗浄は、温度が１００℃以上１６０℃以下の前記硫酸過水に半導体基板の表面を接触させることを特徴とする請求項３に記載の半導体基板の評価方法。
前記硫酸過水による洗浄は、前記硫酸過水に１０分以上半導体基板の表面を接触させることを特徴とする請求項３または４に記載の半導体基板の評価方法。