JP2007073886A

JP2007073886A - Ｓｏｉウエーハの評価方法

Info

Publication number: JP2007073886A
Application number: JP2005262223A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Otsuki; 剛大槻; Takuo Takenaka; 卓夫竹中
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2005-09-09
Filing date: 2005-09-09
Publication date: 2007-03-22

Abstract

【課題】ＳＯＩウエーハのシリコン活性層の抵抗を容易かつ正確に測定し、シート抵抗を算出できる評価方法、さらにはＳＯＩウエーハの面内の抵抗分布を簡単に取得することが可能な評価方法を提供する。
【解決手段】絶縁層上または絶縁体上にシリコン活性層が形成されたＳＯＩウエーハの前記シリコン活性層の抵抗を測定してＳＯＩウエーハの評価を行う方法であって、前記シリコン活性層の少なくとも１箇所に、抵抗測定用の所定の幅および長さのシリコン活性層を有する抵抗測定用素子を形成した後、該抵抗測定用素子の両端間に電流を流し、抵抗を測定して、該測定した抵抗からシート抵抗を算出するＳＯＩウエーハの評価方法。
【選択図】図２

Description

本発明は、絶縁層上または絶縁体上にシリコン活性層が形成されたＳＯＩウエーハの評価方法に関し、詳しくはシリコン活性層の電気特性を評価する方法に関する。

例えば集積回路として汎用的に使用されている半導体基板としてシリコン基板があるが、近年のシステムの高速化・高集積化や携帯端末の発展に伴い、半導体デバイスには高速かつ低消費電力のものがより一層求められている。

このような背景のもと、絶縁層上または絶縁体上にシリコン活性層が形成されたＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）構造を有するＳＯＩウエーハは、デバイスの高速化・低消費電力化に対応するものであり、しかもＳＯＩウエーハを用いれば、ＳＯＩ構造を有さないバルクウエーハ用のデバイスプロセスの既設の設備や工程等をそれほど大きな変更をすることなくデバイスの作製を行うことができることから、デバイスの高速化・低消費電力化を容易に実現できるものとして注目されている。

このため、ＳＯＩウエーハの品質に対する注目度は高く、正確な評価が求められ、その評価方法に関しての研究が進められている。例えば、特許文献１には、ＳＯＩウエーハの埋め込み酸化膜の絶縁特性の評価を行う方法が開示されている。

しかしながら、ＳＯＩウエーハのシリコン活性層の電気特性を求める場合、例えば従来法の一つである四短針法による方法では、ＳＯＩウエーハにはＢＯＸ膜（埋め込み酸化膜）等の絶縁層が存在するため、シリコン活性層の抵抗率を求めにくく、特にシリコン活性層の厚さが１μｍ以下となると非常に困難である。

そこでＳＯＩウエーハのＢＯＸ膜上のシリコン活性層の抵抗率を測定する方法として、Ｐｓｅｕｄｏ−ＭＯＳＦＥＴ法から求められるＶｔｈ（しきい値電圧）及びＶｆｂ（フラットバンド電圧）を用いた方法がある。しかしながら、測定の際に電極として水銀を用いたり、また被評価ウエーハにＭＥＳＡ構造を必要とし、その構成からウエーハ面内の抵抗分布を評価する方法としては用いることが難しかった。

特開２００４−１１９５５３号公報

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたもので、ＳＯＩウエーハのシリコン活性層の抵抗を容易かつ正確に測定し、シート抵抗を算出できる評価方法、さらにはＳＯＩウエーハの面内の抵抗分布を簡単に取得することが可能な評価方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために、絶縁層上または絶縁体上にシリコン活性層が形成されたＳＯＩウエーハの前記シリコン活性層の抵抗を測定してＳＯＩウエーハの評価を行う方法であって、前記シリコン活性層の少なくとも１箇所に、抵抗測定用の所定の幅および長さのシリコン活性層を有する抵抗測定用素子を形成した後、該抵抗測定用素子の両端間に電流を流し、抵抗を測定して、該測定した抵抗からシート抵抗を算出することを特徴とするＳＯＩウエーハの評価方法を提供する（請求項１）。

このようなＳＯＩウエーハの評価方法であれば、シリコン活性層の厚さが例えば１μｍ以下のものであっても、所定の幅および長さのシリコン活性層を有する抵抗測定用素子からシリコン活性層の抵抗を容易にかつ精度よく測定し、シート抵抗を算出することができ、ＳＯＩウエーハの評価を正確なものとすることができる。

このとき、前記抵抗測定用素子を前記ＳＯＩウエーハの面内に多数形成し、それぞれの抵抗測定用素子の抵抗を測定し、シート抵抗を算出することにより、ＳＯＩウエーハの面内の抵抗分布を求めることが可能である（請求項２）。

このように、抵抗測定用素子を前記ＳＯＩウエーハの面内に多数形成すれば、それぞれの抵抗測定用素子の抵抗を測定し、シート抵抗を算出することによって、シリコン活性層の各位置における抵抗値を得ることができるため、ＳＯＩウエーハの面内の抵抗分布を簡単に求めることができる。

そして、前記所定の幅および長さの抵抗測定用素子を、まず、前記シリコン活性層の表面に酸化膜を形成し、フォトリソグラフィにより、前記抵抗測定用素子と同じ幅および長さの酸化膜が残るように前記酸化膜の一部を除去した後、残された酸化膜をマスクとして、非マスク部分のシリコン活性層を除去することにより形成するのが望ましい（請求項３）。

このように、まず、前記シリコン活性層の表面に酸化膜を形成し、フォトリソグラフィにより、前記抵抗測定用素子と同じ幅および長さの酸化膜が残るように前記酸化膜の一部を除去した後、残された酸化膜をマスクとして、非マスク部分のシリコン活性層を除去することにより抵抗測定用素子を形成すれば、従来の半導体デバイスの作製工程における手順と同様にしてパターン形成を行い、抵抗測定用素子を形成することができるので、簡便で、効率良く抵抗測定用素子を高精度で作製してＳＯＩウエーハを評価することができる。

また、前記抵抗測定用素子の両端に、電極を形成するのが好ましい（請求項４）。
このように、抵抗測定用素子の両端に電極を形成すれば、プローブを抵抗測定用素子の両端に接触させて電流を流し、両端間の電圧を測定する時に、接触抵抗による影響を抑えることができるので、高精度に抵抗測定用素子（シリコン活性層）における抵抗を測定することができる。

本発明のＳＯＩウエーハの評価方法によって、従来では難しかったＳＯＩウエーハの絶縁層上または絶縁体上のシリコン活性層の抵抗の測定を容易にかつ正確に行い、シート抵抗を求めることができる。また、さらにはシリコン活性層全体の抵抗分布を簡単に求めることが可能である。

以下では、本発明の実施の形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
上述したように、近年、システムの高速化・高集積化や携帯端末の発展に伴い、半導体デバイスには高速かつ低消費電力のものがより一層求められている。このような背景のもと、これらの要求に対応できるものとして、絶縁層上または絶縁体上にシリコン活性層が形成されたＳＯＩ構造を有するＳＯＩウエーハが注目されている。

しかしながら、ＳＯＩウエーハのシリコン活性層の品質を評価するにあたっては、従来の例えば四短針法等では抵抗率の測定は難しく、また、Ｐｓｅｕｄｏ−ＭＯＳＦＥＴ法から求められるＶｔｈ及びＶｆｂを用いた方法では、電極として水銀を用いたり、また、ＳＯＩウエーハにＭＥＳＡ構造を必要とし、その構成からＳＯＩウエーハ面内の抵抗分布を測定する方法としては用いることが難しかった。

そこで本発明者らは、ＳＯＩウエーハのシリコン活性層の抵抗の測定方法について鋭意調査を行ったところ、シリコン活性層に、所定の幅および長さのシリコン活性層を有する抵抗測定用素子を形成した後、その両端間に電流を流して電圧を測定し、そして抵抗を測定して、上記抵抗測定用素子の所定の幅および長さ、および測定された抵抗値からシート抵抗を算出すれば、容易にかつ正確にシリコン活性層の電気特性を評価することができることを見出し、本発明を完成させた。

以下では、本発明の実施の形態について図を用いて具体的に説明する。
図１に、ＳＯＩウエーハのシリコン活性層の一部に抵抗測定用素子を形成する過程を示す。
まず、被評価ＳＯＩウエーハ１を用意する（図１（ａ））。本例では、支持基板４上に絶縁層として埋め込み酸化膜層３、さらにシリコン活性層２を有するＳＯＩウエーハ１を用意したが、当然これに限らず、測定の目的に合わせたＳＯＩウエーハを用意すれば良い。例えば、絶縁基板上に直接シリコン層が形成されたＳＯＩウエーハであってもよいし、絶縁層も酸化膜に限らず、窒化膜等の絶縁層であってもよい。

次に、ＳＯＩウエーハ１のシリコン活性層２の表面にＣＶＤ法により酸化膜５を形成する（図１（ｂ））。この酸化膜の形成は出来るだけ低温で行うことが望ましく、例えば室温程度で形成すると良い。これは、高温で行った場合に、シリコン活性層２中の不純物が拡散してしまう可能性があり、以降に行うシリコン活性層２の抵抗の測定に影響し、ＳＯＩウエーハ１を正確に評価できなくなってしまう恐れがあるからである。
なお、この酸化膜５の形成方法は特に限定されず、上述のように、抵抗を測定するシリコン活性層２に大きな影響を与えることなく酸化膜５を表面に形成することができれば良い。例えば、熱酸化により行うことも可能である。

この後、酸化膜５の表面にフォトレジスト６を塗布し（図１（ｃ））、焼きしめ（プリベイク）を行った後、紫外線やエキシマレーザ光線などを照射して、シート抵抗算出のために、予め決定しておいた所定の幅および長さのシリコン活性層２を有する抵抗測定用素子７のパターンをレジスト６に転写し、その後、焼きしめ（ポストエクスポージャベイク）を行い、抵抗測定用素子７を形成する部分以外のレジスト６を除去する（現像）（図１（ｄ））。

そして、上記の除去したレジスト６部分の酸化膜５をフッ酸によりエッチング除去する（図１（ｅ））。さらに、レジスト６を全て除去し、残された酸化膜５をマスクとして、非マスク部分のシリコン活性層２を例えばＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムヒドロキシド）のようなエッチング液によりエッチング除去する（図１（ｆ））。
このようにして、シリコン活性層２に抵抗測定用の素子７を形成することができる。

なお、抵抗測定用素子７の抵抗測定の際にプローブを接触させる部分（プローブコンタクト部）９を設けるため、上記のように再度フォトリソグラフィを行い、抵抗測定用素子７の両端の上に位置する酸化膜５を除去することにより、抵抗測定用素子７の両端を表面に出すと良い（図１（ｇ））。

また、この抵抗測定用素子７の両端にプローブを接触させるための金属等による電極８を形成するとより良い（図１（ｈ））。
このように、抵抗測定用素子７の両端に電極８を形成することにより、この両端にプローブを接触させて電流を流し電圧を測定する時に、正確に測定を行うことができる。これは、シリコン活性層２に直接にプローブを接触させた場合、大きな接触抵抗が生じる恐れがあるが、その影響を抑制するのに有効であり、測定を直接的に接触させる場合に比べてより正確なものとすることができる。

そして、このような抵抗測定用素子７の形成方法であれば、従来の半導体デバイスにおける作製工程と同様の手順でパターン形成を行うことにより作製することができるので、簡単かつ高精度で抵抗測定用素子７を形成してＳＯＩウエーハ１の評価をすることができる。
なお、上述のように（図１（ｇ）、（ｈ）参照）、抵抗測定用素子７上に酸化膜５等の絶縁層を設けておけば、電流を流して測定を行う際に、電流が抵抗測定用素子７中を流れずにその表面を流れてしまうのを防止することができ、抵抗測定用素子７における抵抗を正確に測定することが可能である。

次に、上記方法で形成した抵抗測定用素子７の抵抗の測定方法について述べる。
図２は、抵抗測定用素子７を形成したＳＯＩウエーハ１の一部であり、シリコン活性層２に形成された所定の幅Ｗおよび長さＬのシリコン活性層２を有する抵抗測定用素子７の一つを示している。
図２から判るように、支持基板４の上には、下から順に埋め込み酸化膜層３（絶縁層）、抵抗測定用素子７（シリコン活性層２）、酸化膜５が形成されている。また、抵抗測定用素子７の両端は表に露出しており、金属電極８がそれぞれ設けられている。

抵抗測定用素子７の抵抗を測定する際には、プローブ１０を上記の電極８（電極８を形成しない場合はシリコン活性層の露出部９）に接触させ、抵抗測定用素子７に電流を流し、この電流を変化させて、各電流の値に対応した電圧の値を測定する。そして、得られた電流−電圧のプロット図より抵抗値を測定する。もちろん、抵抗測定用素子７に電圧を印加し、電流値を測定するようにしてもよい。
このようにして、幅がＷ、長さがＬのシリコン活性層２を有する抵抗測定用素子７における抵抗を測定する。

なお、抵抗測定用素子７（シリコン活性層２）が厚い場合（＞１μｍ）、電流が深さ方向で拡散するため測定誤差が出る恐れがあり、注意が必要である。また、電流−電圧特性の測定時に流す電流値を大きくしすぎると測定誤差が出やすい。これは、電流値（電界）を大きくすると深さ方向でばらつきが出るためである。このため、電流値としては１００ｍＡを最大として測定するのが好ましい。

次に、測定して得られた抵抗値からシート抵抗を算出する方法について述べる（以下、Ｓ．Ｍ．Ｚｅ著：半導体デバイス第２版参照）。
図２に示すような直線形の抵抗測定用素子７の場合、抵抗測定用素子７のある領域ｐの深さｘでの厚みが、ｄｘだけ増したときの伝導度の増分ｄＧは、下記の（１）式で表される。

ここで、上述したように、ＷとＬは抵抗測定用素子７の測定部のシリコン活性層２の幅と長さであり、μ_ｐはホールの移動度、ｐ（ｘ）は不純物濃度である。なお、両端部のプローブ接触部のことは考慮していない。そして、コンダクタンスは、全ての厚みについての和であることから下記の（２）式のようになる。

ｘ_ｊは接合深さである。μ_ｐ（ホール濃度の関数）とｐ（ｘ）がわかれば、上記（２）式を書き直して下記の（３）式になる。

ｇは面伝導度と呼ばれ、正方形の抵抗の伝導度、つまりＬ＝Ｗの時、Ｇ＝ｇである。
したがって、抵抗値Ｒは下記（４）式で求められる。１／ｇはＲ□とも表され、シート抵抗と呼ばれる。

なお、抵抗測定用素子７の両端の電極部は抵抗値をさらに増加させる。図２に示すような場合の電極抵抗は電極１個当り０．６５Ｒ□として計算することができ、両端の電極部による抵抗を考慮した場合、式（４）は下記式（５）となる。この式（５）に測定された抵抗値Ｒと、抵抗測定用素子７の測定部のシリコン活性層２の幅Ｗおよび長さＬを代入してシート抵抗Ｒ□を算出することができる。

以上により、ＳＯＩウエーハ１のシリコン活性層２におけるシート抵抗Ｒ□を算出し、ＳＯＩウエーハ１の評価を行うことができる。このようなＳＯＩウエーハ１の評価方法であれば、従来の四短針法では困難であるシリコン活性層２の厚さが１μｍ以下のＳＯＩウエーハ１であっても、シリコン活性層２における抵抗を容易に、また高精度に測定し、シート抵抗を算出することができる。このため、ＳＯＩウエーハの評価を簡単かつ正確に行うことが可能である。

そして、このとき、抵抗測定用素子７を形成する際に、ＳＯＩウエーハ１の面内に多数形成し、それぞれの抵抗測定用素子７の抵抗を上記の方法と同様にして測定し、シート抵抗を算出することにより、各シート抵抗からＳＯＩウエーハ１の面内の抵抗分布を求めることが可能である。このような方法であれば、簡単かつ正確に抵抗分布を求めてＳＯＩウエーハ１の評価をすることができる。

以下、本発明を実施例及び比較例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれに限定されない。
（実施例１）
まず、直径２００ｍｍ、Ｐ型、結晶方位＜１００＞のシリコン単結晶ウエーハを用いて作製した貼り合わせＳＯＩシリコンウエーハを用意した。なお、このＰ型ウエーハのドーパントはボロンである。また、シリコン活性層の厚さは７０ｎｍであり、ＢＯＸ層の厚さは１４５ｎｍである。
このＳＯＩウエーハに、結果が比較し易いようにリンを拡散し、モニターウエーハのシート抵抗が２５Ω／□となるようにサンプルを作製する。このように意図的に抵抗を制御したサンプルを測定することにより、本測定工程の妥当性を検証することができる。

このサンプルウエーハに、図２に示すような長さ（Ｌ）が１２０００μｍ、幅（Ｗ）が１０００μｍのシリコン活性層を有する抵抗測定用素子のパターンを全面に形成する。
まず、サンプルの全面に、プラズマＣＶＤにより低温で厚さ１００ｎｍの酸化膜を形成する。その後、フォトリソグラフィを行い、レジストをマスクとして、フッ酸により酸化膜のエッチングを行う。この後、硫酸過水によってレジストの除去を行ってから、再度フッ酸により短時間処理を行い、次に酸化膜をマスクとしてＴＭＡＨによりシリコン活性層をエッチングし、抵抗測定用素子をシリコン活性層に多数形成する。ここで、もう一度フォトリソグラフィを行い、プローブコンタクト部の酸化膜を除去してそれぞれの抵抗測定用素子の両端を露出し、さらにこの両端部に金属電極を設ける。

この後、上記金属電極にプローブを接触させ、抵抗測定用素子内に電流を流し、電圧を測定する。電流は１０ｍＡから５０ｍＡまで１０ｍＡ刻みで増加させ、それぞれの時の電圧値を測定して作製した電流−電圧プロットのカーブから抵抗値を決定する。
サンプルのＳＯＩウエーハのシリコン活性層に形成した多数の抵抗測定用素子の抵抗値は、それぞれほぼ２８０Ωであった。

この抵抗値を基に上記のようにシート抵抗を算出する。シート抵抗Ｒ□は、式（５）にＬ／Ｗ＝１０、Ｒ＝２８０（Ω）を代入して
２８０＝（１０＋０．６５ × ２） × Ｒ□
Ｒ□ ＝２４．７８（Ω／□）
となり、モニターウエーハのシート抵抗（２５Ω）と良い一致を示した。また、すべての抵抗測定用素子のデータから、面内の抵抗分布も簡単に求めることができた。

このように、本発明のＳＯＩウエーハの評価方法によって、ＳＯＩウエーハのシリコン活性層における抵抗を簡単かつ高精度に測定し、シート抵抗を算出することができ、さらにはＳＯＩウエーハの面内の抵抗分布を正確に得ることが可能である。このため、ＳＯＩウエーハの評価を確実なものとすることができる。

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。

ＳＯＩウエーハのシリコン活性層の一部に抵抗測定用素子を形成する工程を示す概略説明図である。ＳＯＩウエーハのシリコン活性層に形成した抵抗測定用素子の一例を示す概略図である。（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は断面図である。

符号の説明

１…ＳＯＩウエーハ、２…シリコン活性層、３…埋め込み酸化膜層（絶縁層）、４…支持基板、５…酸化膜、６…レジスト、７…抵抗測定用素子、８…金属電極、９…プローブコンタクト部、１０…プローブ。

Claims

絶縁層上または絶縁体上にシリコン活性層が形成されたＳＯＩウエーハの前記シリコン活性層の抵抗を測定してＳＯＩウエーハの評価を行う方法であって、前記シリコン活性層の少なくとも１箇所に、抵抗測定用の所定の幅および長さのシリコン活性層を有する抵抗測定用素子を形成した後、該抵抗測定用素子の両端間に電流を流し、抵抗を測定して、該測定した抵抗からシート抵抗を算出することを特徴とするＳＯＩウエーハの評価方法。
前記抵抗測定用素子を前記ＳＯＩウエーハの面内に多数形成し、それぞれの抵抗測定用素子の抵抗を測定し、シート抵抗を算出することにより、ＳＯＩウエーハの面内の抵抗分布を求めることを特徴とする請求項１に記載のＳＯＩウエーハの評価方法。
前記所定の幅および長さの抵抗測定用素子を、まず、前記シリコン活性層の表面に酸化膜を形成し、フォトリソグラフィにより、前記抵抗測定用素子と同じ幅および長さの酸化膜が残るように前記酸化膜の一部を除去した後、残された酸化膜をマスクとして、非マスク部分のシリコン活性層を除去することにより形成することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＳＯＩウエーハの評価方法。
前記抵抗測定用素子の両端に、電極を形成することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のＳＯＩウエーハの評価方法。