JP2010050353A - Semiconductor wafer, method of manufacturing the same, and method of evaluating the same - Google Patents

Semiconductor wafer, method of manufacturing the same, and method of evaluating the same Download PDF

Info

Publication number
JP2010050353A
JP2010050353A JP2008214556A JP2008214556A JP2010050353A JP 2010050353 A JP2010050353 A JP 2010050353A JP 2008214556 A JP2008214556 A JP 2008214556A JP 2008214556 A JP2008214556 A JP 2008214556A JP 2010050353 A JP2010050353 A JP 2010050353A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
surface roughness
semiconductor wafer
oxide film
gate oxide
wavelength
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2008214556A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP5071304B2 (en
Inventor
Takeshi Otsuki
剛 大槻
Fumio Tawara
史夫 田原
Takatoshi Nagoya
孝俊 名古屋
Kiyoshi Mitani
清 三谷
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shin Etsu Handotai Co Ltd
Original Assignee
Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shin Etsu Handotai Co Ltd filed Critical Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority to JP2008214556A priority Critical patent/JP5071304B2/en
Publication of JP2010050353A publication Critical patent/JP2010050353A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5071304B2 publication Critical patent/JP5071304B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide: a semiconductor wafer which is improved in GOI characteristics of a gate oxide film; a method of manufacturing the semiconductor wafer; and a method of evaluating the semiconductor wafer, in which absence of deterioration in GOI is evaluated easier than in a TDDB method etc. <P>SOLUTION: The method of manufacturing the semiconductor wafer includes at least a step of growing a silicon single-crystal ingot, a step of fabricating a wafer by slicing the silicon single-crystal ingot, a step of carrying out at least one of lapping, etching, and polishing on the sliced wafer, a step of measuring surface roughness of the wafer, and a step of obtaining a wavelength of surface roughness cycles at which the measured surface roughness is largest, and determining and selecting for acceptance a wafer having surface roughness such that the thickness of the gate oxide film is ≥1/4 as large as the wavelength of surface roughness cycles at which the measured surface roughness is largest. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体ウエーハ及び半導体ウエーハの製造方法並びに半導体ウエーハの評価方法に関し、詳しくは、ゲート酸化膜の耐圧(GOI)特性を改善した半導体ウエーハ及び半導体ウエーハの製造方法並びに半導体ウエーハの評価方法に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor wafer, a method for manufacturing a semiconductor wafer, and a method for evaluating a semiconductor wafer. More particularly, the present invention relates to a semiconductor wafer having improved breakdown voltage (GOI) characteristics of a gate oxide film, a method for manufacturing a semiconductor wafer, and a method for evaluating a semiconductor wafer. Is.

半導体ウエーハの主表面にはMOS(Metal Oxide Semiconductor)キャパシタやトランジスタ等の半導体素子が形成される。それらの半導体素子に形成されるゲート酸化膜等の絶縁膜は、半導体素子の高密度化に伴いその厚みが減る一方で、電源電圧を低くすることは困難であるため、絶縁膜は高い電界強度の下で使用されている。そのため、より品質の高い絶縁膜が必要とされている。   Semiconductor elements such as MOS (Metal Oxide Semiconductor) capacitors and transistors are formed on the main surface of the semiconductor wafer. Insulating films such as gate oxide films formed on these semiconductor elements are reduced in thickness as the density of semiconductor elements increases, but it is difficult to lower the power supply voltage. Used under. Therefore, a higher quality insulating film is required.

この絶縁膜の信頼性評価方法としてGOI(Gate Oxide Integrity)評価がある(例えば非特許文献1参照)。この評価は、以下のような手順で行われる。
まず、半導体ウエーハ主表面に絶縁膜となるシリコン酸化膜を形成し、その直上にポリシリコン層を成長させた後、そのポリシリコン層を島状に残すようにエッチングする。これにより、MOS構造のキャパシタが形成され、島状ポリシリコン層は、電極として活用される。
As a method for evaluating the reliability of this insulating film, there is GOI (Gate Oxide Integrity) evaluation (for example, see Non-Patent Document 1). This evaluation is performed in the following procedure.
First, a silicon oxide film serving as an insulating film is formed on the main surface of the semiconductor wafer, a polysilicon layer is grown directly on the silicon oxide film, and then etched so as to leave the polysilicon layer in an island shape. Thereby, a capacitor having a MOS structure is formed, and the island-like polysilicon layer is utilized as an electrode.

このMOSキャパシタのポリシリコン電極を通して絶縁膜に電圧を印加することにより、(絶縁破壊電圧/絶縁膜の厚み)で表される絶縁破壊電界強度を測定してGOI評価を行うのであるが、この絶縁破壊電界強度を測定する方法としては、TZDB(Time Zero Dielectric Breakdown)法がある。   By applying a voltage to the insulating film through the polysilicon electrode of this MOS capacitor, the dielectric breakdown electric field strength represented by (dielectric breakdown voltage / insulating film thickness) is measured to perform GOI evaluation. As a method for measuring the breakdown electric field strength, there is a TZDB (Time Zero Dielectric Breakdown) method.

この方法では、0〜15MV/cm程度まで階段状に電界強度を変化させながら、MOSキャパシタに流れる電流値をモニタし、MOSキャパシタの絶縁膜が破壊されたとき、すなわちブレイクダウンしたときの電界強度を測定する。この絶縁破壊電界強度が所定の値以上,例えば8MV/cm以上である絶縁膜を良とし、そうでないものを不良として、印加したMOSキャパシタ総数に対する良であったキャパシタ数の割合にもとづいて絶縁膜の品質を評価する。   In this method, while changing the electric field strength stepwise from about 0 to 15 MV / cm, the current value flowing through the MOS capacitor is monitored, and the electric field strength when the insulating film of the MOS capacitor is broken, that is, when breakdown occurs. Measure. The insulation film having a dielectric breakdown electric field strength of a predetermined value or more, for example, 8 MV / cm or more is regarded as good, and the others are regarded as defective. Evaluate the quality.

このようにGOI評価においてTZDB法は短時間で評価を行うことができる手法であるが、半導体素子の使用状態に応じた評価,すなわち経時的な評価を行うことができないという問題があった。そのため、TDDB(Time Dependent Dielectric Breakdown)法という絶縁破壊耐圧測定法が用いられることがある。   As described above, in the GOI evaluation, the TZDB method is a method capable of performing the evaluation in a short time, but there is a problem that the evaluation according to the use state of the semiconductor element, that is, the evaluation over time cannot be performed. Therefore, a dielectric breakdown voltage measurement method called a TDDB (Time Dependent Dielectric Breakdown) method may be used.

TDDB法とは、絶縁膜に一定の電圧または電流を連続的に印加し続け、所定の時間間隔で電流または電圧を検出して経時的な変化を求め、絶縁破壊に至るまでの時間、その経過等を詳細に評価する方法である。   The TDDB method is a method in which a constant voltage or current is continuously applied to an insulating film, a current or voltage is detected at a predetermined time interval to obtain a change over time, and a time until dielectric breakdown is reached. It is a method for evaluating the details.

これらの評価方法において、MOSキャパシタ等の半導体素子が不良となる原因は、半導体ウエーハの主表面に存在するCOP(Crystal Originated Particle)と呼ばれる結晶欠陥である。ここで、COPとは結晶成長時に発生する8面体構造をもつ空洞欠陥である。このCOPが半導体ウエーハの主表面に存在すると、酸素とシリコンの反応でシリコン酸化膜が半導体ウエーハ主表面に生成する際、COPの空洞部内壁にもシリコン酸化膜が生成する。このCOP内壁酸化膜は、8面体の角部分が薄くなっており、この部分に電気ストレスが集中することにより、ブレイクダウンが発生すると考えられている。   In these evaluation methods, the cause of failure of a semiconductor element such as a MOS capacitor is a crystal defect called COP (Crystal Originated Particle) present on the main surface of the semiconductor wafer. Here, COP is a cavity defect having an octahedral structure that occurs during crystal growth. If this COP exists on the main surface of the semiconductor wafer, a silicon oxide film is also generated on the inner wall of the COP cavity when a silicon oxide film is generated on the main surface of the semiconductor wafer by the reaction of oxygen and silicon. In this COP inner wall oxide film, the corner portion of the octahedron is thin, and it is considered that breakdown occurs due to concentration of electrical stress in this portion.

一方、表面ラフネスがゲート直下のチャネル移動度に影響することや、GOI特性へ影響するという報告がなされている(例えば非特許文献2及び3参照)。ゲート直下に形成されるチャネル層、すなわち反転層は数nmの厚さであることから考えて、表面ラフネスが大きければキャリアが散乱されることでチャネル移動度へ影響すると考えられている。
また、GOIへの影響は、Raが大きくなると劣化すると言われている。例えば、CZ法で作製されたウエーハでは、Ra=0.17nmと0.46nmの2種類についてTZDB評価を行い、Raが小さい方が酸化膜の絶縁破壊電界強度が高くなることが示されている。
On the other hand, it has been reported that surface roughness affects the channel mobility directly under the gate and affects the GOI characteristics (see, for example, Non-Patent Documents 2 and 3). Considering that the channel layer formed directly under the gate, that is, the inversion layer has a thickness of several nanometers, it is considered that if the surface roughness is large, carriers are scattered, thereby affecting channel mobility.
Further, it is said that the influence on GOI deteriorates as Ra increases. For example, in a wafer manufactured by the CZ method, TZDB evaluation is performed for two types of Ra = 0.17 nm and 0.46 nm, and it is shown that the smaller the Ra, the higher the dielectric breakdown electric field strength of the oxide film. .

そこで、品質の高い絶縁膜が形成できる半導体ウエーハを供給するためには、ゲート酸化膜のGOIを評価する必要があるが、上記のようなTZDB法やTDDB法は破壊検査である。そのため、これらの方法で評価を行ったウエーハは、破壊検査に使用されているために製品として使用することはできないという問題があった。   Therefore, in order to supply a semiconductor wafer capable of forming a high-quality insulating film, it is necessary to evaluate the GOI of the gate oxide film. The TZDB method and the TDDB method as described above are destructive inspections. Therefore, there is a problem that the wafers evaluated by these methods cannot be used as products because they are used for destructive inspection.

M.Tamatsuka et al.,“Medium Field Breakdown on Metal Oxide Semiconductor Capacitor Containing Grown−in Czochralski Silicon Crystal Defect”, JPN. J. Appl.Phys., 37,1236 (1998).M.M. Tamatsuka et al. “Medium Field Breakdown on Metal Oxide Semiconductor Capacitor Containing Growing-in Czochralski Silicon Crystal Defect”, JPN. J. et al. Appl. Phys. 37, 1236 (1998). T. Ohmi, “Ultra−Clean Low Temperature Si Processes under the Assistance of Energy Controlled Ion Bombardment”, Ext. Abst. 1991 Inter. Conf. SSDM, 481−483(1991).T.A. Ohmi, “Ultra-Clean Low Temperature Si Processes under the Assistance of Energy Controled Ion Bombardment”, Ext. Abst. 1991 Inter. Conf. SSDM, 481-483 (1991). M. Miyasita, et.al.,”Dependence of Surface Microroughness of CZ, FZ and EPI Wafers on Wet Chemical Processing”, J. Electrochem. Soc., 139, 2133−2142 (1989).M.M. Miyashita, et. al. "Dependence of Surface Microness of CZ, FZ and EPI Wafers on Wet Chemical Processing", J. Electrochem. Soc. , 139, 2133-2142 (1989).

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、ゲート酸化膜のGOI特性を改善した半導体ウエーハ及び半導体ウエーハの製造方法並びにGOIの劣化がないことをTDDB法などに比べて容易に評価することのできる評価方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and it is easier to evaluate the semiconductor wafer with improved GOI characteristics of the gate oxide film, the method of manufacturing the semiconductor wafer, and the absence of GOI compared to the TDDB method or the like. It aims at providing the evaluation method which can do.

上記課題を解決するため、本発明では、半導体ウエーハ上に少なくともゲート酸化膜が形成される半導体ウエーハであって、前記ゲート酸化膜の厚さと前記半導体ウエーハの一番強度の強い表面ラフネス周期の波長との関係が前記ゲート酸化膜の厚さが前記半導体ウエーハの一番強度の強い表面ラフネス周期の波長に対して1/4以上の関係となる表面ラフネスを有するものであることを特徴とする半導体ウエーハを提供する(請求項1)。   In order to solve the above-described problems, the present invention provides a semiconductor wafer in which at least a gate oxide film is formed on a semiconductor wafer, and the wavelength of the surface roughness period having the strongest thickness of the gate oxide film and the semiconductor wafer is strongest. Wherein the thickness of the gate oxide film has a surface roughness that is at least 1/4 of the wavelength of the strongest surface roughness period of the semiconductor wafer. A wafer is provided (claim 1).

このように、ゲート酸化膜の厚さが半導体ウエーハの一番強度の強い表面ラフネス周期の波長に対して1/4以上の関係となる表面ラフネスを有するものであることで、酸化膜の曲率の影響が緩和されるため、電界集中を起こしてGOI特性が劣化することを防止することができる半導体ウエーハとすることができる。そのため、高い信頼性をもつゲート酸化膜を形成するのに適した半導体ウエーハとすることができる。   Thus, the thickness of the gate oxide film has a surface roughness that has a relationship of 1/4 or more with respect to the wavelength of the strongest surface roughness period of the semiconductor wafer, so that the curvature of the oxide film can be reduced. Since the influence is alleviated, it is possible to provide a semiconductor wafer capable of preventing electric field concentration and deterioration of GOI characteristics. Therefore, a semiconductor wafer suitable for forming a highly reliable gate oxide film can be obtained.

この場合、前記表面ラフネス周期の波長は100nm以下であることが好ましい(請求項2)。   In this case, the wavelength of the surface roughness period is preferably 100 nm or less.

このように、表面ラフネス周期の波長が100nm以下であることで、ゲート酸化膜の耐圧に対して大きく影響を及ぼす波長範囲において、酸化膜の曲率の影響を緩和することができ、電界集中を抑制してGOI特性の劣化を防止することができる。   Thus, when the wavelength of the surface roughness period is 100 nm or less, the influence of the curvature of the oxide film can be reduced and the electric field concentration can be suppressed in the wavelength range that greatly affects the breakdown voltage of the gate oxide film. Thus, the deterioration of the GOI characteristic can be prevented.

また、本発明では、半導体ウエーハ上に少なくともゲート酸化膜が形成される半導体ウエーハの製造方法であって、少なくとも、シリコン単結晶インゴットを育成する工程と、該シリコン単結晶インゴットをスライスしてウエーハを作製する工程と、該スライスしたウエーハにラッピング、エッチング、研磨のうち少なくとも1つを行う工程と、該ウエーハの表面ラフネスを測定する工程と、前記測定した表面ラフネスの一番強度の強い表面ラフネス周期の波長を求め、前記ゲート酸化膜の厚さが前記測定した表面ラフネスの一番強度の強い表面ラフネス周期の波長に対して1/4以上の関係となる表面ラフネスを有するウエーハを合格と判定して選別する工程とを有することを特徴とする半導体ウエーハの製造方法を提供する(請求項3)。   According to the present invention, there is also provided a semiconductor wafer manufacturing method in which at least a gate oxide film is formed on a semiconductor wafer, comprising at least a step of growing a silicon single crystal ingot, and slicing the silicon single crystal ingot. A step of manufacturing, a step of performing at least one of lapping, etching, and polishing on the sliced wafer, a step of measuring the surface roughness of the wafer, and a surface roughness cycle having the strongest strength of the measured surface roughness The thickness of the gate oxide film is determined, and a wafer having a surface roughness having a relationship of 1/4 or more with respect to the wavelength of the surface roughness period having the strongest intensity of the measured surface roughness is determined to be acceptable. And a method for producing a semiconductor wafer, characterized in that the method comprises:

このように、ウエーハの表面ラフネスを測定する工程を有すること、詳細にはウエーハの表面ラフネスを測定し、パワースペクトル解析により各周波数成分に分離することで、各周波数成分がどの程度の強度で存在しているかを定量的に評価することができる。   In this way, having the process of measuring the surface roughness of the wafer, specifically, measuring the surface roughness of the wafer and separating it into each frequency component by power spectrum analysis, how much intensity each frequency component exists Can be quantitatively evaluated.

そして、ゲート酸化膜の厚さと測定した表面ラフネスの一番強度の強い表面ラフネス周期の波長とを求め、ゲート酸化膜の厚さが測定した表面ラフネスの一番強度の強い表面ラフネス周期の波長に対して1/4以上の関係となる表面ラフネスを有するウエーハを合格と判定して選別することで、破壊検査のGOI評価を行うことなく、確実にGOI特性の劣化のない半導体ウエーハを製造することができる。そのため、高い信頼性をもつゲート酸化膜を形成するのに適した半導体ウエーハを製造することができる。   Then, the thickness of the gate oxide film and the wavelength of the surface roughness cycle with the strongest surface roughness measured are obtained, and the thickness of the gate oxide film is determined to be the wavelength of the surface roughness cycle with the strongest surface roughness measured. On the other hand, by selecting a wafer having a surface roughness that has a relation of 1/4 or more as acceptable, it is possible to reliably manufacture a semiconductor wafer having no deterioration in GOI characteristics without performing GOI evaluation of destructive inspection. Can do. Therefore, a semiconductor wafer suitable for forming a highly reliable gate oxide film can be manufactured.

この場合、前記表面ラフネス周期の波長は100nm以下とすることが好ましい(請求項4)。   In this case, the wavelength of the surface roughness period is preferably 100 nm or less.

このように、表面ラフネス周期の波長を100nm以下とすることで、ゲート酸化膜の耐圧に対して大きく影響を及ぼす波長範囲について、ウエーハの合否判定を行うことができ、GOI特性の劣化のない半導体ウエーハを製造することができる。   As described above, by setting the wavelength of the surface roughness period to 100 nm or less, it is possible to perform pass / fail judgment of the wafer in a wavelength range that greatly affects the breakdown voltage of the gate oxide film, and a semiconductor that does not deteriorate GOI characteristics. Wafers can be manufactured.

さらに、本発明では、半導体ウエーハ上に少なくともゲート酸化膜が形成される半導体ウエーハの評価方法であって、前記半導体ウエーハの表面ラフネスを測定し、前記測定した表面ラフネスの一番強度の強い表面ラフネス周期の波長を求め、前記ゲート酸化膜の厚さが前記測定した表面ラフネスの一番強度の強い表面ラフネス周期の波長に対して1/4以上となる関係を満たす場合に前記ゲート酸化膜の耐圧が劣化しないと評価することを特徴とする半導体ウエーハの評価方法を提供する(請求項5)。   Furthermore, the present invention provides a method for evaluating a semiconductor wafer in which at least a gate oxide film is formed on a semiconductor wafer, the surface roughness of the semiconductor wafer being measured, and the surface roughness having the strongest strength of the measured surface roughness being measured. When the wavelength of the period is obtained and the thickness of the gate oxide film satisfies the relationship of 1/4 or more with respect to the wavelength of the surface roughness period having the strongest intensity of the measured surface roughness, the breakdown voltage of the gate oxide film The present invention provides a method for evaluating a semiconductor wafer, characterized in that the semiconductor wafer is evaluated not to deteriorate.

このように、半導体ウエーハの表面ラフネスを測定し、測定した表面ラフネスの一番強度の強い表面ラフネス周期の波長を求め、所定の条件を満たす場合にゲート酸化膜の耐圧が劣化しないと評価することで、実際にウエーハ表面にMOS構造を形成してGOI評価を行うことなく、半導体ウエーハを評価することができ、TDDB法などに比べて容易に評価することができる。   In this way, the surface roughness of the semiconductor wafer is measured, the wavelength of the surface roughness cycle having the strongest measured surface roughness is obtained, and it is evaluated that the breakdown voltage of the gate oxide film does not deteriorate when a predetermined condition is satisfied. Thus, a semiconductor wafer can be evaluated without actually forming a MOS structure on the wafer surface and performing GOI evaluation, and can be evaluated more easily than the TDDB method or the like.

また、ゲート酸化膜の耐圧が劣化しない条件として、ゲート酸化膜の厚さが測定した表面ラフネスの一番強度の強い表面ラフネス周期の波長に対して1/4以上となる関係を満たす場合とすることで、酸化膜の曲率の影響を緩和して電界集中を抑制し、確実にGOI特性の劣化のない半導体ウエーハを評価することができる。   Further, as a condition that the breakdown voltage of the gate oxide film does not deteriorate, the thickness of the gate oxide film satisfies a relation that is 1/4 or more with respect to the wavelength of the surface roughness cycle having the strongest surface roughness. As a result, the influence of the curvature of the oxide film can be alleviated to suppress the concentration of the electric field, and a semiconductor wafer having no deterioration in the GOI characteristics can be reliably evaluated.

この場合、前記表面ラフネス周期の波長は100nm以下とすることが好ましい(請求項6)。   In this case, the wavelength of the surface roughness period is preferably 100 nm or less.

このことにより、表面ラフネスの短い周期において、TDDB法のような破壊検査を行うことなくGOIの評価をすることができる。   This makes it possible to evaluate the GOI without performing a destructive inspection as in the TDDB method in a period with a short surface roughness.

以上説明したように、本発明の半導体ウエーハは、半導体ウエーハ上に少なくともゲート酸化膜が形成される半導体ウエーハであって、ゲート酸化膜の厚さと半導体ウエーハの一番強度の強い表面ラフネス周期の波長との関係がゲート酸化膜の厚さが半導体ウエーハの一番強度の強い表面ラフネス周期の波長に対して1/4以上の関係となる表面ラフネスを有している。これによって、GOI特性が劣化することを防止することができる半導体ウエーハとすることができ、高い信頼性をもつゲート酸化膜を形成するのに適した半導体ウエーハを選択および評価することができる。   As described above, the semiconductor wafer of the present invention is a semiconductor wafer in which at least a gate oxide film is formed on a semiconductor wafer, and the wavelength of the surface roughness period having the strongest thickness of the gate oxide film and the semiconductor wafer is the same. The surface roughness is such that the thickness of the gate oxide film has a relationship of 1/4 or more with respect to the wavelength of the strongest surface roughness period of the semiconductor wafer. Thus, a semiconductor wafer that can prevent the GOI characteristics from being deteriorated can be obtained, and a semiconductor wafer suitable for forming a highly reliable gate oxide film can be selected and evaluated.

以下、本発明についてより具体的に説明する。
前述のように、品質の高い絶縁膜を形成することができる半導体ウエーハを供給するためには、ゲート酸化膜のGOIを評価する必要があるが、TZDB法やTDDB法のような破壊検査により評価をしていたため、これらの方法で評価を行ったウエーハは製品として使用することはできなかった。
一方、表面ラフネスがGOIに影響を及ぼすことが報告されているが、表面ラフネスのRaが小さい方が酸化膜の絶縁破壊電界強度が高くなることが開示されているだけであり、詳細な条件等はわからないままであった。
Hereinafter, the present invention will be described more specifically.
As described above, in order to supply a semiconductor wafer capable of forming a high-quality insulating film, it is necessary to evaluate the GOI of the gate oxide film, but it is evaluated by a destructive inspection such as the TZDB method or the TDDB method. Therefore, the wafers evaluated by these methods could not be used as products.
On the other hand, although it has been reported that the surface roughness affects the GOI, it is only disclosed that the smaller the surface roughness Ra, the higher the dielectric breakdown electric field strength of the oxide film. I didn't understand.

そこで、本発明者らは、半導体ウエーハの表面ラフネスとGOIとの関係に注目し、半導体ウエーハの表面ラフネスを測定してRaを求め、さらに、そのウエーハのGOI特性としてTDDB法による評価を行ったところ、図1のような関係になることがわかった。
ここで、図1は、AFMによって得られた表面ラフネスRaとTDDB測定により得られたQbdとの関係を示す図である。
Accordingly, the present inventors paid attention to the relationship between the surface roughness of the semiconductor wafer and the GOI, measured the surface roughness of the semiconductor wafer to obtain Ra, and further evaluated the wafer's GOI characteristic by the TDDB method. However, it turned out that it became a relationship like FIG.
Here, FIG. 1 is a diagram showing the relationship between the surface roughness Ra obtained by AFM and Qbd obtained by TDDB measurement.

図1からわかるように、Raが大きいからといってGOI特性が必ず悪いわけではなく、Raが大きくてもQbdが大きく、GOI特性が良いものが存在することがわかった。ここで、Raは図2に示すように、測定範囲の凹凸(ラフネス)を平均化したものであり、高さ方向の情報である。このことより、GOIに影響する表面ラフネスは高さ方向の情報のみで示されるものではなく、別の特性が非常に重要であることがわかった。   As can be seen from FIG. 1, just because Ra is large, the GOI characteristic is not necessarily bad, and even when Ra is large, there is a large Qbd and good GOI characteristic. Here, as shown in FIG. 2, Ra is an average of the roughness (roughness) of the measurement range, and is information in the height direction. From this, it was found that the surface roughness affecting the GOI is not shown only by the information in the height direction, but another characteristic is very important.

そこで、本発明者らは、ゲート酸化膜の厚さと表面ラフネス周期の波長との関係に注目した。そして、ゲート酸化膜にコーナー部があると、そのコーナー部に曲率が発生して、印加された電界の集中が起こり、絶縁破壊が起こるということから、ゲート酸化膜の厚さが表面ラフネス周期の1/4以上であれば電界集中を緩和することができることに想到し、使用されるゲート酸化膜の厚さがウエーハ表面をなす一番強度の強い表面ラフネス周期の1/4以上になるような半導体ウエーハを作製することを試みた。   Therefore, the present inventors paid attention to the relationship between the thickness of the gate oxide film and the wavelength of the surface roughness period. And if there is a corner in the gate oxide film, curvature will occur in the corner, concentration of the applied electric field will occur, and dielectric breakdown will occur, so the thickness of the gate oxide film will be the surface roughness period It is conceived that the electric field concentration can be relaxed if it is 1/4 or more, and the thickness of the gate oxide film to be used is 1/4 or more of the strongest surface roughness period forming the wafer surface. An attempt was made to fabricate a semiconductor wafer.

その結果、ゲート酸化膜の厚さが表面ラフネス周期の1/4以上であれば電界集中を緩和し、GOI特性への影響が見られなくなり、GOI特性が改善されることを発見した。
そして、半導体ウエーハの製造過程において、表面ラフネスを測定し、さらに、ゲート酸化膜の厚さが測定した表面ラフネスの一番強度の強い表面ラフネス周期の波長に対して1/4以上の関係となる表面ラフネスを有するウエーハを合格と判定して選別することで、破壊検査であるGOI評価を行うことなく、確実にGOI特性の劣化のない半導体ウエーハを製造することができること、また、上記の所定の条件を満たす場合にゲート酸化膜の耐圧が劣化しないと評価することで、実際にウエーハ表面にMOS構造を形成してGOI評価を行うことなく、半導体ウエーハを評価することができ、TDDB法などに比べて容易に評価することができることがわかった。
As a result, it has been found that if the thickness of the gate oxide film is ¼ or more of the surface roughness period, the electric field concentration is relaxed, the influence on the GOI characteristics is not seen, and the GOI characteristics are improved.
Then, in the manufacturing process of the semiconductor wafer, the surface roughness is measured, and the thickness of the gate oxide film is more than 1/4 with respect to the wavelength of the surface roughness cycle having the strongest surface roughness. By selecting a wafer having surface roughness as acceptable, it is possible to reliably manufacture a semiconductor wafer having no deterioration in GOI characteristics without performing GOI evaluation as a destructive inspection. By evaluating that the breakdown voltage of the gate oxide film does not deteriorate when the condition is satisfied, a semiconductor wafer can be evaluated without actually forming a MOS structure on the wafer surface and performing GOI evaluation. It was found that it can be evaluated more easily than that.

本発明は、上記の発見および知見に基づいて完成されたものであり、以下、本発明について図面を参照しながらさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。   The present invention has been completed based on the above findings and findings, and the present invention will be described below in more detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to these.

本発明の半導体ウエーハは、半導体ウエーハ上に少なくともゲート酸化膜が形成される半導体ウエーハであって、ゲート酸化膜の厚さと半導体ウエーハの一番強度の強い表面ラフネス周期の波長との関係がゲート酸化膜の厚さが半導体ウエーハの一番強度の強い表面ラフネス周期の波長に対して1/4以上の関係となる表面ラフネスを有するものである。   The semiconductor wafer of the present invention is a semiconductor wafer in which at least a gate oxide film is formed on the semiconductor wafer, and the relationship between the thickness of the gate oxide film and the wavelength of the strongest surface roughness period of the semiconductor wafer is the gate oxidation. The film has a surface roughness in which the thickness of the film has a relationship of 1/4 or more with respect to the wavelength of the strongest surface roughness period of the semiconductor wafer.

このようなゲート酸化膜の厚さと半導体ウエーハの一番強度の強い表面ラフネス周期の波長の関係となる表面ラフネスを有することで、酸化膜の曲率の影響が緩和されるため、電界集中を起こしてGOI特性が劣化することを防止することができる半導体ウエーハとすることができる。
ここで、図3はゲート酸化膜の電界集中の緩和を示す模式図である。図3(b)に示すようにゲート酸化膜の厚さが表面ラフネス周期の波長に対して1/4以上の関係となると、図3(a)とは異なり酸化膜の曲率による電界集中を起こしにくい。すなわち、表面ラフネス周期の波長のピークの中間は波長の1/2であり、酸化膜はこの中間点(谷)の両側から成長してくることで谷が埋まり、ピークでの曲率が緩和される。従って、図3(b)に示すように酸化膜の曲率による電界集中が緩和されることでGOI特性の劣化が防止される。そのため、ゲート酸化膜の厚さが表面ラフネス周期の波長に対して1/4以上の関係となる表面ラフネスを有するものであることで、高い信頼性をもつゲート酸化膜を形成するのに適した半導体ウエーハとすることができる。
By having the surface roughness that is the relationship between the thickness of the gate oxide film and the wavelength of the surface roughness cycle with the strongest strength of the semiconductor wafer, the influence of the curvature of the oxide film is alleviated. The semiconductor wafer can prevent the GOI characteristics from deteriorating.
Here, FIG. 3 is a schematic diagram showing relaxation of the electric field concentration of the gate oxide film. As shown in FIG. 3B, when the thickness of the gate oxide film has a relationship of 1/4 or more with respect to the wavelength of the surface roughness period, unlike FIG. 3A, electric field concentration occurs due to the curvature of the oxide film. Hateful. That is, the middle of the peak of the wavelength of the surface roughness period is ½ of the wavelength, and the oxide film grows from both sides of this intermediate point (valley) to fill the valley and relax the curvature at the peak. . Therefore, as shown in FIG. 3B, the electric field concentration due to the curvature of the oxide film is relaxed, thereby preventing the deterioration of the GOI characteristics. For this reason, the thickness of the gate oxide film has a surface roughness that has a relationship of 1/4 or more with respect to the wavelength of the surface roughness period, which is suitable for forming a highly reliable gate oxide film. It can be a semiconductor wafer.

また、本発明の半導体ウエーハは、表面ラフネス周期の波長は100nm以下であることが好ましい。
このように、表面ラフネス周期の波長が100nm以下であることで、ゲート酸化膜の耐圧に対して大きく影響を及ぼす波長範囲において、酸化膜の曲率の影響を緩和することができ、電界集中を抑制してGOI特性の劣化を防止する半導体ウエーハを製造することができる。
Further, in the semiconductor wafer of the present invention, the wavelength of the surface roughness period is preferably 100 nm or less.
Thus, when the wavelength of the surface roughness period is 100 nm or less, the influence of the curvature of the oxide film can be reduced and the electric field concentration can be suppressed in the wavelength range that greatly affects the breakdown voltage of the gate oxide film. Thus, a semiconductor wafer that prevents the deterioration of the GOI characteristics can be manufactured.

次に、本発明の半導体ウエーハの製造方法の一例を図4、5を参照しながら説明するが、本発明はこれらに限定されるわけではない。   Next, although an example of the manufacturing method of the semiconductor wafer of this invention is demonstrated referring FIG. 4, 5, this invention is not necessarily limited to these.

まず、シリコン単結晶インゴットを準備する。このシリコン単結晶インゴットには、一般的なものを準備すれば良く、例えばチョクラルスキー法によって育成されたものとすることができる。
次に、シリコン単結晶インゴットをスライスして、ウエーハを作製する。このスライスも、一般的なものとすれば良く、例えば内周刃スライサあるいはワイヤソー等の切断装置によってスライスすることができる。
First, a silicon single crystal ingot is prepared. As this silicon single crystal ingot, a general one may be prepared, for example, it can be grown by the Czochralski method.
Next, the silicon single crystal ingot is sliced to produce a wafer. This slice may be a general one, and can be sliced by a cutting device such as an inner peripheral slicer or a wire saw.

そして、スライスしたウエーハに対して、ラッピング・エッチング・研磨のうち少なくとも1つを行う。このラッピング・エッチング・研磨も一般的な条件で行えば良く、製造する半導体ウエーハの仕様に応じて、適宜選択することができる。その他に、平面研削、面取り、洗浄等が必要に応じて行われてもよい。   Then, at least one of lapping, etching, and polishing is performed on the sliced wafer. The lapping, etching, and polishing may be performed under general conditions, and can be appropriately selected according to the specifications of the semiconductor wafer to be manufactured. In addition, surface grinding, chamfering, cleaning, and the like may be performed as necessary.

その後、ウエーハの表面ラフネスを測定する。ここで、表面ラフネスはAFMを用いて測定し、パワースペクトル解析により複雑な表面ラフネスを各周波数成分に分離する。そして、各周波数成分がどの程度の強度で存在しているかを定量的に評価する。   Thereafter, the surface roughness of the wafer is measured. Here, the surface roughness is measured using an AFM, and the complex surface roughness is separated into frequency components by power spectrum analysis. Then, the intensity of each frequency component is quantitatively evaluated.

ここで、表面ラフネスの測定結果の例を図4、5に示す。それぞれ左図が表面ラフネス測定結果の3Dイメージで、右図がパワースペクトル解析結果である。走査範囲は1μm角である。図4、5を比較すると、図4の表面の方が荒れており、Ra=0.18nmであるのに対して、図5の表面はRa=0.11nmである。
また、パワースペクトル解析から、図4のピークが25nmであるのに対して、図5の場合は、110nmとなっている。
Here, examples of measurement results of the surface roughness are shown in FIGS. The left figure is the 3D image of the surface roughness measurement result, and the right figure is the power spectrum analysis result. The scanning range is 1 μm square. 4 and 5, the surface of FIG. 4 is rougher and Ra = 0.18 nm, whereas the surface of FIG. 5 has Ra = 0.11 nm.
From the power spectrum analysis, the peak in FIG. 4 is 25 nm, whereas in the case of FIG. 5, it is 110 nm.

そして、図4、5のように測定した表面ラフネスの一番強度の強い表面ラフネス周期の波長を求めて、使用するゲート酸化膜の厚さが測定した表面ラフネスの一番強度の強い表面ラフネス周期の波長に対して1/4以上の関係となる表面ラフネスを有するウエーハを合格と判定して選別する。   4 and 5, the wavelength of the surface roughness cycle having the strongest surface roughness measured is obtained, and the surface roughness cycle having the strongest surface roughness measured by the thickness of the gate oxide film to be used is obtained. Wafers having a surface roughness that has a relationship of 1/4 or more with respect to the wavelength of are determined to be acceptable and are selected.

このように、ゲート酸化膜の厚さとAFMを用いてウエーハの表面ラフネスを測定し、パワースペクトル解析により各周波数成分に分離して、表面ラフネスの一番強度の強い表面ラフネス周期の波長を求めて、ゲート酸化膜の厚さが測定した表面ラフネスの一番強度の強い表面ラフネス周期の波長に対して1/4以上の関係となる表面ラフネスを有するウエーハを合格と判定して選別することで、破壊検査であるGOI評価を行うことなく、確実にGOI特性の劣化のない半導体ウエーハを製造することができる。そのため、高い信頼性をもつゲート酸化膜を形成するのに適した半導体ウエーハを製造することができる。   As described above, the surface roughness of the wafer is measured using the thickness of the gate oxide film and the AFM, and is separated into each frequency component by power spectrum analysis, and the wavelength of the surface roughness cycle having the strongest surface roughness is obtained. By selecting a wafer having a surface roughness that has a relationship of 1/4 or more with respect to the wavelength of the strongest surface roughness period of the surface roughness measured by the thickness of the gate oxide film as acceptable, Without performing GOI evaluation, which is a destructive inspection, it is possible to reliably manufacture a semiconductor wafer having no deterioration in GOI characteristics. Therefore, a semiconductor wafer suitable for forming a highly reliable gate oxide film can be manufactured.

また、本発明の半導体ウエーハの製造方法では、ウエーハの合否判定に用いられる表面ラフネス周期の波長は100nm以下とすることが好ましい。
このように、表面ラフネス周期の波長を100nm以下とすることで、ゲート酸化膜の耐圧に対して大きく影響を及ぼす波長範囲について、ウエーハの合否判定を行うことができ、GOI特性の劣化のない半導体ウエーハを製造することができる。
In the method for producing a semiconductor wafer according to the present invention, the wavelength of the surface roughness period used for the wafer pass / fail judgment is preferably 100 nm or less.
As described above, by setting the wavelength of the surface roughness period to 100 nm or less, it is possible to perform pass / fail judgment of the wafer in a wavelength range that greatly affects the breakdown voltage of the gate oxide film, and a semiconductor that does not deteriorate GOI characteristics. Wafers can be manufactured.

次に、本発明の半導体ウエーハの評価方法の一例を説明するが、本発明はこれらに限定されるわけではない。   Next, although an example of the evaluation method of the semiconductor wafer of this invention is demonstrated, this invention is not necessarily limited to these.

まず、評価対象となるウエーハを用意する。
そして、ウエーハの表面ラフネスをAFMを用いて測定し、図4、5のようにパワースペクトル解析により、一番強度の強い表面ラフネス周期の波長を求める。
続いて、ゲート酸化膜の厚さが測定した表面ラフネスの一番強度の強い表面ラフネス周期の波長に対して1/4以上となる関係を満たす場合には、ゲート酸化膜の耐圧が劣化しないとして半導体ウエーハを評価する。
First, a wafer to be evaluated is prepared.
Then, the surface roughness of the wafer is measured using AFM, and the wavelength of the surface roughness cycle having the strongest intensity is obtained by power spectrum analysis as shown in FIGS.
Subsequently, if the thickness of the gate oxide film satisfies the relationship of 1/4 or more with respect to the wavelength of the surface roughness cycle having the strongest surface roughness, the breakdown voltage of the gate oxide film is not deteriorated. Evaluate semiconductor wafers.

このように、半導体ウエーハの表面ラフネスを測定し、測定した表面ラフネスの一番強度の強い表面ラフネス周期の波長を求め、上記の所定の条件を満たす場合にゲート酸化膜の耐圧が劣化しないと評価することで、実際にウエーハ表面にMOS構造を形成してGOI評価を行うことなく、半導体ウエーハの評価をすることができ、TDDB法などに比べて容易に評価することができる。   In this way, the surface roughness of the semiconductor wafer is measured, the wavelength of the surface roughness period having the strongest intensity of the measured surface roughness is obtained, and it is evaluated that the breakdown voltage of the gate oxide film does not deteriorate when the above predetermined condition is satisfied. As a result, the semiconductor wafer can be evaluated without actually forming a MOS structure on the wafer surface and performing GOI evaluation, and can be evaluated more easily than the TDDB method or the like.

また、ゲート酸化膜の耐圧が劣化しないと評価する条件として、ゲート酸化膜の厚さが測定した表面ラフネスの一番強度の強い表面ラフネス周期の波長に対して1/4以上となる関係を満たす場合とすることで、酸化膜の曲率の影響を緩和して電界集中を抑制し、確実にGOI特性の劣化のない半導体ウエーハを評価することができる。   Further, as a condition for evaluating that the breakdown voltage of the gate oxide film is not deteriorated, the relation that the thickness of the gate oxide film is 1/4 or more with respect to the wavelength of the surface roughness cycle having the strongest surface roughness is satisfied. In this case, the influence of the curvature of the oxide film can be alleviated to suppress electric field concentration, and a semiconductor wafer that does not deteriorate in GOI characteristics can be reliably evaluated.

また、本発明の半導体ウエーハの評価方法では、表面ラフネス周期の波長は100nm以下とすることが好ましい。   In the method for evaluating a semiconductor wafer of the present invention, the wavelength of the surface roughness period is preferably 100 nm or less.

このことにより、表面ラフネスの短い周期の波長において、特に影響が大きいために問題となるゲート酸化膜の耐圧への影響を、TDDB法のような破壊検査を行うことなくGOIの評価をすることができる。   As a result, it is possible to evaluate the GOI without performing a destructive inspection like the TDDB method for the influence on the breakdown voltage of the gate oxide film, which is a problem because the influence is particularly large at the wavelength of the short period of the surface roughness. it can.

尚、ここで、定電流TDDB法について、図8、9を参照しながら説明しておく。図8は絶縁電界強度測定装置の構成を示す模式図である。
まず、絶縁膜(ゲート酸化膜)の絶縁電界強度を評価するために、絶縁電界強度測定装置に載置されるMOSキャパシタ型半導体素子11は以下の手順で作製される。
Here, the constant current TDDB method will be described with reference to FIGS. FIG. 8 is a schematic diagram showing the configuration of an insulated electric field strength measuring apparatus.
First, in order to evaluate the insulating electric field strength of the insulating film (gate oxide film), the MOS capacitor type semiconductor element 11 placed on the insulating electric field strength measuring apparatus is manufactured by the following procedure.

まず、半導体ウエーハ13上にシリコン酸化膜からなる絶縁膜12を形成する。絶縁膜12は、複数の半導体ウエーハ13をボートに載置して横型熱処理炉もしくは縦型熱処理炉に投入し、酸素雰囲気下で熱処理を行うことにより形成できる。次に、絶縁膜12の直上に電極となるポリシリコン膜14を成長させる。ポリシリコン膜14は、熱処理炉から取り出した半導体ウエーハ13をCVD(Chemical Vapor Deposition)装置に投入し、減圧下もしくは常圧下でモノシラン等の成長ガスを装置の反応容器内ヘ導入することにより成長させることができる。そして、フォトリソグラフィ技術とエッチング技術を用いて絶縁膜12上のポリシリコン膜14を島状に形成し、ポリシリコン電極14として所望の位置に配置する。   First, the insulating film 12 made of a silicon oxide film is formed on the semiconductor wafer 13. The insulating film 12 can be formed by placing a plurality of semiconductor wafers 13 on a boat, placing them in a horizontal heat treatment furnace or a vertical heat treatment furnace, and performing heat treatment in an oxygen atmosphere. Next, a polysilicon film 14 serving as an electrode is grown immediately above the insulating film 12. The polysilicon film 14 is grown by introducing the semiconductor wafer 13 taken out from the heat treatment furnace into a CVD (Chemical Vapor Deposition) apparatus and introducing a growth gas such as monosilane into the reaction vessel of the apparatus under reduced pressure or normal pressure. be able to. Then, the polysilicon film 14 on the insulating film 12 is formed in an island shape by using a photolithography technique and an etching technique, and is arranged at a desired position as the polysilicon electrode 14.

このようにして作製された複数のMOSキャパシタ型半導体素子11をその主表面に配置された半導体ウエーハ13は、絶縁破壊強度測定装置15のステージ(図示せず)上に載置される。そして、MOSキャパシタ型半導体素子11のポリシリコン電極14に前後左右移動自在に支持されているプローブ17の下端を接触させる。プローブ17は印加電圧の大きさを変化させることができる可変電源16の一端子に接続されており、一方、可変電源16の他端子は絶縁破壊強度測定装置15のステージに接続されている。前述したように、ステージにはMOSキャパシタ型半導体素子11が載置されているので、MOSキャパシタ型半導体素子11の背面はポリシリコン電極14に対応する電極として作用する。また、可変電源16にはその印加電圧を測定する電圧計18が並列接続されており、プローブ7と可変電源16との間には電流計19が介装されている。   The semiconductor wafer 13 having the plurality of MOS capacitor type semiconductor elements 11 thus fabricated arranged on the main surface thereof is placed on a stage (not shown) of the dielectric breakdown strength measuring device 15. Then, the lower end of the probe 17 supported so as to be movable back and forth and right and left is brought into contact with the polysilicon electrode 14 of the MOS capacitor type semiconductor element 11. The probe 17 is connected to one terminal of a variable power supply 16 that can change the magnitude of the applied voltage, while the other terminal of the variable power supply 16 is connected to the stage of the dielectric breakdown strength measuring device 15. As described above, since the MOS capacitor type semiconductor element 11 is placed on the stage, the back surface of the MOS capacitor type semiconductor element 11 functions as an electrode corresponding to the polysilicon electrode 14. Further, a voltmeter 18 for measuring the applied voltage is connected in parallel to the variable power supply 16, and an ammeter 19 is interposed between the probe 7 and the variable power supply 16.

そして、プローブ17をポリシリコン電極14に接触させると、可変電源16はオンとなり、図9(a)に示すような一定の電流密度(そのときの電流密度に対する電圧値の推移を図9(b)に示す)を印加する。絶縁破壊強度測定装置15内には絶縁層12の厚み及び閾値電圧が予め設定されており、絶縁破壊が起こることで生ずる電圧値の変化から絶縁破壊を検出し、印加電流密度(A/cm)と絶縁破壊までの時間(sec.)の積、すなわち、破壊までに酸化膜に注入された電荷量Qbd(C/cm)を求めることができる。このような操作を所定の位置にあるMOSキャパシタ型半導体素子11全てに対して行い、Qbdと累積不良との関係をプロットすることで半導体ウエーハのGOI特性を評価する。 When the probe 17 is brought into contact with the polysilicon electrode 14, the variable power supply 16 is turned on, and the constant current density as shown in FIG. 9A (the transition of the voltage value with respect to the current density at that time is shown in FIG. 9B). ) Is applied. In the dielectric breakdown strength measuring device 15, the thickness of the insulating layer 12 and the threshold voltage are set in advance. The dielectric breakdown is detected from the change in voltage value caused by the dielectric breakdown, and the applied current density (A / cm 2). ) And the time (sec.) Until dielectric breakdown, that is, the amount of charge Qbd (C / cm 2 ) injected into the oxide film before the breakdown. Such an operation is performed on all the MOS capacitor type semiconductor elements 11 at a predetermined position, and the relationship between Qbd and cumulative failure is plotted, thereby evaluating the GOI characteristics of the semiconductor wafer.

次に本発明の実施例、比較例を示して本発明をより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。
(実施例)
まず、ボロンをドープした直径200mmのP型半導体ウエーハであって、表面ラフネスの異なる2水準のウエーハを用意した。このとき、それぞれのウエーハの表面ラフネスを測定した結果を図4、5に示す。図4、5のパワースペクトル解析結果から、それぞれのピークは、25nm(1/4λ=6.25nm)および110nm(1/4λ=27.5nm)であった。
Next, the present invention will be described more specifically with reference to Examples and Comparative Examples of the present invention, but the present invention is not limited to these.
(Example)
First, a P-type semiconductor wafer having a diameter of 200 mm doped with boron and having two different levels of surface roughness was prepared. The results of measuring the surface roughness of each wafer at this time are shown in FIGS. From the power spectrum analysis results of FIGS. 4 and 5, the respective peaks were 25 nm (1 / 4λ = 6.25 nm) and 110 nm (1 / 4λ = 27.5 nm).

続いて、半導体ウエーハをボートに載置して縦型熱処理炉に投入し、800℃、乾燥雰囲気下で熱処理して厚さ7nmのゲート酸化膜をウエーハ主表面に形成した。次に、これらの半導体ウエーハをCVD炉に投入し、リンをドープしながらゲート酸化膜上にポリシリコン層を成長させた。成長したポリシリコン層厚さは約300nm、抵抗値はシート抵抗にして約25Ω/sq.であった。続いて、これら半導体ウエーハに、フォトリソグラフィ技術を用いたパターンニングとエッチングによるポリシリコン層除去を行い、ポリシリコン層を電極としたMOSキャパシタを半導体ウエーハ面内に100個作製した。なお、フォトリソグラフィ後のポリシリコンエッチングは、フッ硝酸によるウエットエッチングで行った。最後に、半導体ウエーハ背面に形成されているシリコン酸化膜を除去するために、半導体ウエーハ主表面にレジストを塗布し、希フッ酸によるウエットエッチングを行ってウエーハ背面のシリコン酸化膜を除去した。   Subsequently, the semiconductor wafer was placed on a boat and placed in a vertical heat treatment furnace, and heat-treated at 800 ° C. in a dry atmosphere to form a gate oxide film having a thickness of 7 nm on the main surface of the wafer. Next, these semiconductor wafers were put into a CVD furnace, and a polysilicon layer was grown on the gate oxide film while doping phosphorus. The grown polysilicon layer has a thickness of about 300 nm and a resistance value of about 25 Ω / sq. Met. Subsequently, the polysilicon layer was removed by patterning and etching using a photolithography technique on these semiconductor wafers, and 100 MOS capacitors using the polysilicon layer as an electrode were fabricated in the semiconductor wafer surface. Note that the polysilicon etching after photolithography was performed by wet etching with hydrofluoric acid. Finally, in order to remove the silicon oxide film formed on the backside of the semiconductor wafer, a resist was applied to the main surface of the semiconductor wafer, and wet etching with dilute hydrofluoric acid was performed to remove the silicon oxide film on the backside of the wafer.

そして、上記のような処理を行った半導体ウエーハへ一定電流を図8のように、テスター及びフルオートプローバと接続し、ゲート酸化膜が破壊するまで印加する定電流TDDB法を用いて、ゲート酸化膜に電界ストレスを印加した。図9はストレス印加の状況を示しており、一定の電流密度でストレス印加し(図9(a))、その時の電圧をモニタする(図9(b))。絶縁破壊が起こると急激な電圧変化が起こり、破壊を知ることができる。印加した電流ストレスは0.01A/cm、測定温度は100℃とした。電極面積は4mmであった。 Then, a constant current is connected to the semiconductor wafer subjected to the above-described treatment with a tester and a full auto prober as shown in FIG. 8, and gate oxidation is performed using a constant current TDDB method applied until the gate oxide film is broken. An electric field stress was applied to the film. FIG. 9 shows the state of stress application. Stress is applied at a constant current density (FIG. 9A), and the voltage at that time is monitored (FIG. 9B). When dielectric breakdown occurs, a rapid voltage change occurs and the breakdown can be known. The applied current stress was 0.01 A / cm 2 and the measurement temperature was 100 ° C. The electrode area was 4 mm 2 .

(比較例)
実施例と同じ仕様のウエーハについて、ボートに載置して縦型熱処理炉に投入し、800℃、乾燥雰囲気下で熱処理して厚さ5nmのゲート酸化膜をウエーハ主表面に形成した。その後、実施例と同様の処理を施し、定電流TDDB法を用いて同様にGOI特性を評価した。
(Comparative example)
A wafer having the same specifications as in the example was placed on a boat, placed in a vertical heat treatment furnace, and heat-treated in a dry atmosphere at 800 ° C. to form a gate oxide film having a thickness of 5 nm on the main surface of the wafer. Thereafter, the same processing as in the example was performed, and the GOI characteristics were similarly evaluated using the constant current TDDB method.

図6は実施例におけるTDDB法を用いたGOI評価の結果であり、また、図7は比較例におけるTDDB法を用いたGOI評価の結果である。この図6、7は累積不良指数と電荷量Qbdの関係であり、累積不良指数1は累積不良80%を示している。また、電荷量Qbdの値は、定電流でTDDB測定を行っており、J×t=Qの関係から、そのまま絶縁破壊までの時間と見ることができる。すなわち、同じ累積不良指数を見た場合、電荷量Qbdの値が大きいほど寿命の長い絶縁膜であると見ることができる。   FIG. 6 shows the results of GOI evaluation using the TDDB method in the example, and FIG. 7 shows the results of GOI evaluation using the TDDB method in the comparative example. 6 and 7 show the relationship between the cumulative defect index and the charge amount Qbd, and the cumulative defect index 1 indicates 80% of the cumulative defects. Further, the value of the charge amount Qbd is measured by TDDB at a constant current, and can be regarded as the time until dielectric breakdown as it is from the relationship of J × t = Q. That is, when the same cumulative defect index is seen, it can be seen that the larger the value of the charge amount Qbd, the longer the insulating film.

図6、7より、表面ラフネスのピークが25nm(1/4λ=6.25nm)の場合には、ゲート酸化膜の厚さ7nmではGOI特性が劣化していないが、ゲート酸化膜の厚さ5nmではGOI特性が劣化していることがわかる。また、図6、7より、表面ラフネスのピークが110nm(1/4λ=27.5nm)の場合には、ゲート酸化膜の厚さ5nm、7nmともにGOI特性は劣化していないことがわかる。このことから、特に表面ラフネスのピークが短い周期の場合、ゲート酸化膜の厚さが表面ラフネスのピーク周期の波長の1/4以上であるとGOI特性は劣化しないことがわかる。
また、表面ラフネス周期の波長が100nm以下では、ゲート酸化膜の厚さは1/4λ以上にする必要があるが、表面ラフネス周期の波長が100nmを超えると表面ラフネス周期との関係は見られなくなる。
6 and 7, when the surface roughness peak is 25 nm (1 / 4λ = 6.25 nm), the GOI characteristics are not degraded when the gate oxide film thickness is 7 nm, but the gate oxide film thickness is 5 nm. Then, it can be seen that the GOI characteristics are deteriorated. 6 and 7, it can be seen that when the surface roughness peak is 110 nm (1 / 4λ = 27.5 nm), the GOI characteristics are not deteriorated in both the gate oxide thicknesses of 5 nm and 7 nm. From this, it can be seen that the GOI characteristic does not deteriorate when the thickness of the gate oxide film is ¼ or more of the wavelength of the peak period of the surface roughness, particularly when the peak of the surface roughness is a short period.
When the wavelength of the surface roughness period is 100 nm or less, the thickness of the gate oxide film needs to be ¼λ or more. However, when the wavelength of the surface roughness period exceeds 100 nm, the relationship with the surface roughness period is not observed. .

以上のことから、本発明の半導体ウエーハによれば、ゲート酸化膜の厚さが半導体ウエーハの一番強度の強い表面ラフネス周期の波長に対して1/4以上の関係となる表面ラフネスを有するものであることで、酸化膜の曲率の影響が緩和されるため、電界集中を起こしてGOI特性が劣化することを防止することができる半導体ウエーハを得ることができる。
また、半導体ウエーハ製造過程において、ウエーハの表面ラフネスを測定し、ゲート酸化膜の厚さと測定した表面ラフネスの一番強度の強い表面ラフネス周期の波長との関係から、合否判定をしてウエーハを選別することで、破壊検査のGOI評価を行うことなく、確実にGOI特性の劣化のない半導体ウエーハを製造することができる。そして、高い信頼性をもつゲート酸化膜を形成するのに適した半導体ウエーハを製造することができる。
さらに、半導体ウエーハの表面ラフネスを測定し、ゲート酸化膜の厚さと測定した表面ラフネスの一番強度の強い表面ラフネス周期の波長とを求め、上記の所定の条件を満たす場合にゲート酸化膜の耐圧が劣化しないと評価することで、実際にウエーハ表面にMOS構造を形成してGOI評価を行うことなく、半導体ウエーハの評価をすることができ、TDDB法などに比べて容易に評価することができる。
From the above, according to the semiconductor wafer of the present invention, the thickness of the gate oxide film has a surface roughness that is more than 1/4 of the wavelength of the strongest surface roughness period of the semiconductor wafer. As a result, the influence of the curvature of the oxide film is alleviated, so that it is possible to obtain a semiconductor wafer capable of preventing electric field concentration and deterioration of GOI characteristics.
Also, in the semiconductor wafer manufacturing process, the surface roughness of the wafer is measured, and the wafer is selected by determining pass / fail based on the relationship between the thickness of the gate oxide film and the wavelength of the measured surface roughness with the strongest surface roughness period. By doing so, it is possible to reliably manufacture a semiconductor wafer having no deterioration in GOI characteristics without performing GOI evaluation for destructive inspection. A semiconductor wafer suitable for forming a highly reliable gate oxide film can be manufactured.
Furthermore, the surface roughness of the semiconductor wafer is measured, the thickness of the gate oxide film and the wavelength of the surface roughness period with the strongest surface roughness measured are obtained, and the breakdown voltage of the gate oxide film is satisfied when the above predetermined condition is satisfied. It is possible to evaluate a semiconductor wafer without actually forming a MOS structure on the wafer surface and performing a GOI evaluation, and can be evaluated more easily than the TDDB method. .

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。   The present invention is not limited to the above embodiment. The above-described embodiment is an exemplification, and the present invention has any configuration that has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention and that exhibits the same effects. Are included in the technical scope.

AFMによって得られた表面ラフネスRaとTDDB測定により得られたQbdとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between surface roughness Ra obtained by AFM, and Qbd obtained by TDDB measurement. 表面ラフネスRaの説明図である。It is explanatory drawing of surface roughness Ra. ゲート酸化膜の電界集中の緩和を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows relaxation of the electric field concentration of a gate oxide film. 表面ラフネスの測定結果(Ra=0.18nmのとき)を示す図である。It is a figure which shows the measurement result (when Ra = 0.18nm) of surface roughness. 表面ラフネスの測定結果(Ra=0.11nmのとき)を示す図である。It is a figure which shows the measurement result (when Ra = 0.11nm) of surface roughness. 実施例におけるTDDB法を用いたGOI評価の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of GOI evaluation using the TDDB method in an Example. 比較例におけるTDDB法を用いたGOI評価の結果を示す図である。It is a figure which shows the result of GOI evaluation using the TDDB method in a comparative example. 絶縁電界強度測定装置の模式図である。It is a schematic diagram of an insulation electric field strength measuring device. (a)TDDB法における電流密度と時間の関係を表す図である。(b)TDDB法における電圧と時間の関係を表すグラフである。(A) It is a figure showing the relationship between the current density and time in TDDB method. (B) It is a graph showing the relationship between the voltage and time in the TDDB method.

符号の説明Explanation of symbols

11…MOSキャパシタ型半導体素子、 12…絶縁膜、 13…半導体ウエーハ、 14…ポリシリコン電極(ポリシリコン膜)、 15…絶縁電界強度測定装置、 16…可変電源、 17…プローブ、 18…電圧計、 19…電流計。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... MOS capacitor type semiconductor element, 12 ... Insulating film, 13 ... Semiconductor wafer, 14 ... Polysilicon electrode (polysilicon film), 15 ... Insulating electric field strength measuring device, 16 ... Variable power supply, 17 ... Probe, 18 ... Voltmeter 19 ... Ammeter.

Claims (6)

半導体ウエーハ上に少なくともゲート酸化膜が形成される半導体ウエーハであって、前記ゲート酸化膜の厚さと前記半導体ウエーハの一番強度の強い表面ラフネス周期の波長との関係が前記ゲート酸化膜の厚さが前記半導体ウエーハの一番強度の強い表面ラフネス周期の波長に対して1/4以上の関係となる表面ラフネスを有するものであることを特徴とする半導体ウエーハ。   A semiconductor wafer in which at least a gate oxide film is formed on a semiconductor wafer, and the relationship between the thickness of the gate oxide film and the wavelength of the strongest surface roughness period of the semiconductor wafer is the thickness of the gate oxide film. The semiconductor wafer is characterized in that the semiconductor wafer has a surface roughness having a relation of 1/4 or more with respect to the wavelength of the strongest surface roughness period of the semiconductor wafer. 前記表面ラフネス周期の波長は100nm以下であることを特徴とする請求項1に記載の半導体ウエーハ。   The semiconductor wafer according to claim 1, wherein a wavelength of the surface roughness period is 100 nm or less. 半導体ウエーハ上に少なくともゲート酸化膜が形成される半導体ウエーハの製造方法であって、少なくとも、シリコン単結晶インゴットを育成する工程と、該シリコン単結晶インゴットをスライスしてウエーハを作製する工程と、該スライスしたウエーハにラッピング、エッチング、研磨のうち少なくとも1つを行う工程と、該ウエーハの表面ラフネスを測定する工程と、前記測定した表面ラフネスの一番強度の強い表面ラフネス周期の波長を求め、前記ゲート酸化膜の厚さが前記測定した表面ラフネスの一番強度の強い表面ラフネス周期の波長に対して1/4以上の関係となる表面ラフネスを有するウエーハを合格と判定して選別する工程とを有することを特徴とする半導体ウエーハの製造方法。   A method for manufacturing a semiconductor wafer in which at least a gate oxide film is formed on a semiconductor wafer, comprising at least a step of growing a silicon single crystal ingot, a step of slicing the silicon single crystal ingot, and producing a wafer, A step of performing at least one of lapping, etching and polishing on the sliced wafer, a step of measuring the surface roughness of the wafer, and determining the wavelength of the surface roughness cycle having the strongest intensity of the measured surface roughness, A step of selecting a wafer having a surface roughness in which the thickness of the gate oxide film has a relationship of ¼ or more with respect to the wavelength of the surface roughness cycle having the strongest surface roughness measured as above, and selecting it. A method for producing a semiconductor wafer, comprising: 前記表面ラフネス周期の波長は100nm以下とすることを特徴とする請求項3に記載の半導体ウエーハの製造方法。   4. The method of manufacturing a semiconductor wafer according to claim 3, wherein the wavelength of the surface roughness period is 100 nm or less. 半導体ウエーハ上に少なくともゲート酸化膜が形成される半導体ウエーハの評価方法であって、前記半導体ウエーハの表面ラフネスを測定し、前記測定した表面ラフネスの一番強度の強い表面ラフネス周期の波長を求め、前記ゲート酸化膜の厚さが前記測定した表面ラフネスの一番強度の強い表面ラフネス周期の波長に対して1/4以上となる関係を満たす場合に前記ゲート酸化膜の耐圧が劣化しないと評価することを特徴とする半導体ウエーハの評価方法。   A semiconductor wafer evaluation method in which at least a gate oxide film is formed on a semiconductor wafer, measuring the surface roughness of the semiconductor wafer, and determining the wavelength of the surface roughness cycle having the strongest intensity of the measured surface roughness, It is evaluated that the breakdown voltage of the gate oxide film does not deteriorate when the thickness of the gate oxide film satisfies a relation of 1/4 or more with respect to the wavelength of the surface roughness period having the strongest surface roughness measured. A method for evaluating a semiconductor wafer. 前記表面ラフネス周期の波長は100nm以下とすることを特徴とする請求項5に記載の半導体ウエーハの評価方法。   6. The method for evaluating a semiconductor wafer according to claim 5, wherein the wavelength of the surface roughness period is 100 nm or less.
JP2008214556A 2008-08-22 2008-08-22 Semiconductor wafer, method for manufacturing semiconductor wafer, and method for evaluating semiconductor wafer Active JP5071304B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008214556A JP5071304B2 (en) 2008-08-22 2008-08-22 Semiconductor wafer, method for manufacturing semiconductor wafer, and method for evaluating semiconductor wafer

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008214556A JP5071304B2 (en) 2008-08-22 2008-08-22 Semiconductor wafer, method for manufacturing semiconductor wafer, and method for evaluating semiconductor wafer

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2010050353A true JP2010050353A (en) 2010-03-04
JP5071304B2 JP5071304B2 (en) 2012-11-14

Family

ID=42067192

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2008214556A Active JP5071304B2 (en) 2008-08-22 2008-08-22 Semiconductor wafer, method for manufacturing semiconductor wafer, and method for evaluating semiconductor wafer

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5071304B2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2020155555A (en) * 2019-03-19 2020-09-24 株式会社リコー Manufacturing method of patterned substrate, patterned substrate, and manufacturing apparatus of the same
WO2023079919A1 (en) * 2021-11-08 2023-05-11 信越半導体株式会社 Method for evaluating film thickness of oxide film and method for producing silicon substrate with oxide film

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104217973B (en) * 2014-09-02 2017-03-08 上海华力微电子有限公司 The method of detection polysilicon gate oxide layer disappearance

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06140377A (en) * 1992-09-09 1994-05-20 Toshiba Corp Manufacture of semiconductor device
JPH11162972A (en) * 1997-11-28 1999-06-18 Hitachi Ltd Manufacture of semiconductor integrated circuit device and semiconductor wafer

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06140377A (en) * 1992-09-09 1994-05-20 Toshiba Corp Manufacture of semiconductor device
JPH11162972A (en) * 1997-11-28 1999-06-18 Hitachi Ltd Manufacture of semiconductor integrated circuit device and semiconductor wafer

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2020155555A (en) * 2019-03-19 2020-09-24 株式会社リコー Manufacturing method of patterned substrate, patterned substrate, and manufacturing apparatus of the same
WO2023079919A1 (en) * 2021-11-08 2023-05-11 信越半導体株式会社 Method for evaluating film thickness of oxide film and method for producing silicon substrate with oxide film

Also Published As

Publication number Publication date
JP5071304B2 (en) 2012-11-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8551246B2 (en) Method for evaluating oxide dielectric breakdown voltage of a silicon single crystal wafer
KR101559985B1 (en) Method for formation of oxide film for silicon wafer
JPWO2008081567A1 (en) Evaluation method of silicon wafer
JP5071304B2 (en) Semiconductor wafer, method for manufacturing semiconductor wafer, and method for evaluating semiconductor wafer
JP5561245B2 (en) Semiconductor substrate evaluation method
EP2023394A1 (en) Method for evaluating soi wafer
JP5487579B2 (en) Silicon wafer evaluation method and manufacturing method
JP2005216993A (en) Evaluation method for silicon wafer
US5990022A (en) Method of evaluating a silicon wafer
JP5561332B2 (en) Method for producing silicon single crystal wafer and method for evaluating silicon single crystal wafer
JP2009004678A (en) Method for evaluating silicon wafer
JP6031971B2 (en) Method and apparatus for electrical evaluation of semiconductor samples
JP5217353B2 (en) Insulating film formation method
KR20070036804A (en) Silicon wafer and method for manufacture thereof, and method for evaluation of silicon wafer
JP5729098B2 (en) Evaluation method of silicon single crystal wafer
JP5092857B2 (en) GOI evaluation method for silicon wafer and method for manufacturing MOS semiconductor device
JP3778538B2 (en) Silicon wafer evaluation method
JP2001044085A (en) Laminating substrate and manufacture thereof
JP4735337B2 (en) Semiconductor element evaluation method, semiconductor wafer quality evaluation method and manufacturing method
KR102037744B1 (en) Method for evaluating wafer
JP3876846B2 (en) Insulating film evaluation method
JP3944813B2 (en) Manufacturing method of bonded dielectric isolation wafer
JP2005209964A (en) Method for evaluating semiconductor wafer and wafer for evaluation
JP5737202B2 (en) Semiconductor device and method for forming the same
Lee et al. Distribution of Oxide Breakdown in Si Wafers Compared with the Region of Grown‐in Defects

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20101019

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20120118

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20120522

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20120702

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20120724

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20120806

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5071304

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20150831

Year of fee payment: 3

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

S531 Written request for registration of change of domicile

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250