JP3732220B1 - イオン注入量分布評価方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 イオン注入量に制限されることなく、半導体ウエハ面内の詳細なイオン注入量分布を評価する。
【解決手段】 ウエハ２の主表面全体に、同じ不純物濃度をもつ複数の評価用トランジスタ形成領域４が等密度に分布して配置されているウエハを用い、ウエハ２の評価用トランジスタ形成領域４に評価対象となるイオン注入としてしきい値電圧制御用不純物注入を行ない（（Ａ）参照）、各評価用トランジスタ形成領域４に同じ構造の評価用トランジスタを形成し（（Ｂ）から（Ｄ）参照）、各評価用トランジスタのしきい値電圧を測定し、評価用トランジスタのしきい値電圧分布に基づいてウエハの主表面内の不純物濃度分布を評価する。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体ウエハに不純物をイオン注入する際に生じる面内イオン注入量分布のばらつきの評価方法に関するものである。
半導体チップサイズの縮小化や、アナログ特性を利用した製品を製造するためには、半導体ウエハ面内の微少な領域に対するイオン注入量のばらつきを小さくすることが重要である。半導体ウエハ面内のイオン注入量分布（不純物濃度分布）を測定する方法として、例えばシート抵抗を利用する方法がある（例えば、特許文献１を参照。）。この方法では、不純物をイオン注入した後にシート抵抗を測定し、そのシート抵抗値に基づいてイオン注入量を算出する。
しかし、シート抵抗を測定するためには、注入密度が例えば１.０×１０12ions／ｃｍ2以上必要であるため、注入密度が１.０×１０12ions／ｃｍ2よりも小さい場合にはイオン注入量を測定することができなかった。また、この方法で用いるシート抵抗測定器は、一般的に半導体ウエハ面内の数百点を測定するのが限界であり、半導体ウエハ面内のイオン注入量分布を詳細に測定することができなかった。
また、シート抵抗を測定する方法以外の方法として、半導体ウエハ中を伝播するサーマウェーブを利用する方法がある（例えば、特許文献２を参照。）。
この方法は、サーマウェーブ測定器を用いて、レーザ光照射により発生するサーマウェーブ及びエレクトロンホールプラズマウェーブの減衰特性をプルーブレーザ光の反射率の変化から測定することで、半導体中の電気的特性及び熱的特性、ひいては半導体中の欠陥を検出することができる。通常、このサーマウェーブを利用した方法は、半導体基板の研磨、イオン注入、ドライエッチングにより生じる欠陥の検査に使用されている。
サーマウェーブを利用した方法は、注入密度が１.０×１０12ions／ｃｍ2よりも小さくてもイオン注入量を測定することができるが、半導体ウエハ面内の数百点を測定するのが限界であり、この方法でも半導体ウエハ面内のイオン注入量分布を詳細に測定することができなかった。
また、注入装置側に注入量や均一性を推定するための検知器を設けて注入量や均一性を監視する方法もある（例えば、特許文献３又は特許文献４を参照。）。
特開平１０−１７２９１７号公報 特開平５−７４７３０号公報 特開昭５３−１１６７７２号公報 特公平６−２８１４１号公報
本発明は、イオン注入量に制限されることなく、半導体ウエハ面内の詳細なイオン注入量分布を評価することができるイオン注入量分布評価方法を提供することを目的としている。
本発明のイオン注入量分布評価方法の一実施例で用いるイオン注入量分布評価用ウエハ（以下評価用ウエハともいう。）は、ウエハの主表面全体に、同じ不純物濃度をもつ複数の評価用トランジスタ形成領域が等密度に分布して配置され、上記評価用トランジスタ形成領域にしきい値電圧制御用の不純物注入が行なわれた後に評価用トランジスタが形成され、上記評価用トランジスタのしきい値電圧分布に基づいて不純物濃度分布を評価するのに用いられるものである。
本発明にかかるイオン注入量分布評価方法は、ウエハの主表面全体に、同じ不純物濃度をもつ複数の評価用トランジスタ形成領域が等密度に分布して配置されているウエハを用い、上記ウエハの上記評価用トランジスタ形成領域に評価対象となるイオン注入としてしきい値電圧制御用不純物注入を行なう工程、各評価用トランジスタ形成領域に同じ構造の評価用トランジスタを形成する工程、及び、上記評価用トランジスタのしきい値電圧を測定する工程を備え、上記評価用トランジスタのしきい値電圧分布に基づいて上記ウエハの主表面内の不純物濃度分布を評価する。
本発明のイオン注入量分布評価方法において、上記評価用トランジスタ形成領域が主表面に１ｃｍ2当たり１０個以上設けられているのが好ましく、より好ましくは主表面に１ｃｍ2当たり３０個以上設けられており、より好ましくは主表面に１ｃｍ2当たり１００個以上設けられている。
本発明のイオン注入量評価方法において、しきい値電圧制御用不純物注入の一例として、１枚のウエハを回転させた状態で、不純物イオンビームを上記ウエハの主表面上で走査させながら注入するものを挙げることができる。
本発明のイオン注入量分布評価方法では、ウエハの主表面全体に、同じ不純物濃度をもつ複数の評価用トランジスタ形成領域が等密度に分布して配置されているウエハを用い、ウエハの評価用トランジスタ形成領域に評価対象となるイオン注入としてしきい値電圧制御用不純物注入を行なう工程、各評価用トランジスタ形成領域に同じ構造の評価用トランジスタを形成する工程、及び、評価用トランジスタのしきい値電圧を測定する工程を備え、評価用トランジスタのしきい値電圧分布に基づいてウエハの主表面内の不純物濃度分布を評価するようにしたので、
シート抵抗器やサーマウェーブ測定器を用いずに、イオン注入量の制限を受けることなくウエハ面内のイオン注入量分布を評価することができる。そして、評価用トランジスタ形成領域はウエハ面内に多数配置することができるので、シート抵抗器やサーマウェーブ測定器を用いた方法よりも詳細なイオン注入量分布評価を行なうことができる。
本発明のイオン注入量分布評価方法において、評価用トランジスタ形成領域が主表面に１ｃｍ2当たり１０個以上設けられているようにすれば、ウエハ全面の微細なイオン注入量分布を測定することができる。また、評価用トランジスタ形成領域をウエハ面内に１ｃｍ2当たり３０個以上配置されているようにすれば、さらに詳細なイオン注入量分布を測定することができ、１ｃｍ2当たり１００個以上配置されているようにすれば、より精密な測定が可能になる。
ところで、しきい値電圧制御用不純物注入が、１枚のウエハを回転させた状態で、不純物イオンビームをウエハの主表面上で走査させながら行なわれる場合、ウエハの回転速度と不純物イオンビームの走査速度が同期すると、ウエハ面内のイオン注入量分布に特に大きなばらつきが生じる。
そこで、このようなイオン注入方法において、本発明のイオン注入量分布評価方法を用いてウエハ面内の詳細なイオン注入量分布を測定するようにすれば、ウエハ回転速度と不純物イオンビーム走査周波数の条件を変更して測定することにより、イオン注入量分布のばらつきが小さくなるウエハ回転速度及び不純物イオンビーム走査周波数を調べることができ、イオン注入条件を適切な条件に設定することができる。
以下に図面を参照して本発明の好適な形態を説明する。
この実施例で用いるウエハは、実際に半導体チップを製造するための半導体ウエハではなく、半導体ウエハ主表面内におけるイオン注入量分布のばらつきを評価するためのイオン注入試験で用いる評価用ウエハである。ここで評価の対象となるイオン注入はトランジスタのしきい値電圧制御用の不純物注入（以下チャネルドープという。）である。
図１は、イオン注入量分布評価方法の一実施例で用いる評価用ウエハの一例を説明するための断面図である。
評価用ウエハ２の主表面全体に、同じ不純物濃度で形成された評価用トランジスタ形成領域４がこの評価ウエハの主表面全体に渡って、例えば１ｃｍ2当たり１３個の割合で等密度に分布して配置されている。
評価用トランジスタ形成領域４は評価用ウエハ２の主表面全体に形成されたＰウエル６に形成されている。Ｐウエル６は、例えばＮ型で抵抗率が１６〜２４Ω・ｃｍの評価用ウエハ２の主表面全体にボロンが加速エネルギーは５０ＫｅＶ、注入密度は３.４×１０12ions／ｃｍ2の条件で注入されて形成されたものである。各評価用トランジスタ形成領域４は、ＬＯＣＯＳ（local oxidation of silicon）酸化膜８と、ＬＯＣＯＳ酸化膜８下にボロンが注入されて形成されたフィールドドープ領域９によって他の評価用トランジスタ形成領域４とは電気的に分離されている。
図２は、図１の評価用ウエハ２に評価用トランジスタを形成した状態を示す断面図である。
評価用ウエハ２に配置されている全ての評価用トランジスタ形成領域４に同一の構造をもつ評価用トランジスタが形成されている。評価用トランジスタは、評価用トランジスタ形成領域４におけるＰウエル６に互いに間隔をもって形成されたソース１０ａ及びドレイン１０ｂ、ソース１０ａ、ドレイン１０ｂ間のＰウエル６表面近傍領域に形成されたチャネル領域１０ｃ、及び、チャネル領域１０ｃ上にゲート酸化膜１０ｄを介して形成されたゲート電極１０ｅにより構成されている。チャネル領域１０ｃは、ソース１０ａ、ドレイン１０ｂの間の表面近傍領域に、例えばＮ型不純物であるリンが導入されて実質的なＰ型不純物濃度が薄くされて形成されたものである。
評価用トランジスタが形成された評価用ウエハ２上全面に例えばＢＰＳＧ（boro-phospho silicate glass）膜などの絶縁膜からなる層間絶縁膜１２が形成されている。層間絶縁膜１２の所定の領域に、各評価用トランジスタのソース１０ａ、ドレイン１０ｂ及びゲート電極１０ｅに対応してコンタクトホールが形成されている。各コンタクトホール内及び層間絶縁膜１２上にメタル層１４ａ，１４ｂ，１４ｃが形成されている。メタル層１４ａはソース１０ａの電位を、メタル層１４ｂはドレイン１０ｂの電位を、メタル層１４ｃはゲート電極１０ｅの電位を外部に引き出すためのものである。
図３は評価用ウエハを用いたイオン注入量分布評価方法の一実施例を説明するための工程断面図である。図２及び図３を参照して、図１を参照して説明した評価用ウエハ２を用いてイオン注入量分布評価を行なう方法を説明する。
（１）図１を参照して説明した評価用ウエハ２の主表面にゲート酸化膜１０ｄを例えば５００Å（オングストローム）の膜厚に形成する。評価用ウエハ２の全面に対して評価対象のイオン注入であるチャネルドープを行なってチャネル領域１０ｃを形成する（図３（Ａ）を参照。）。ここでは、Ｎ型不純物であるリンを加速エネルギーは１００ＫｅＶ、注入密度は４.６×１０11ions／ｃｍ2の条件で行なった。
上記チャネルドープは、例えば図４に示されるイオン注入装置を用いて行なった。このイオン注入装置は、評価用ウエハ２を保持して回転させるウェハステージ１６と、イオンビーム２０をＸ、Ｙ方向に静電的に偏向するための電極を備えている。イオン注入時には、評価用ウエハ２を回転させた状態で、イオンビーム２０を静電的にＸ、Ｙ方向に偏向させ、評価用ウエハ２表面で走査させることにより、評価用ウエハ２表面全体にイオンビーム２０を照射して不純物イオンを注入する。
図２に戻ってイオン注入量分布評価方法の説明を続ける。
（２）評価用ウエハ２上全面に例えば３５００Åの膜厚にポリシリコン膜を形成する。写真製版技術及びエッチング技術を用いてポリシリコン膜をパターニングして、各評価用トランジスタ形成領域４内の所定の領域にポリシリコンからなるゲート電極１０ｅを形成する（図３（Ｂ）を参照。）。
（３）ゲート電極１０ｅ及びＬＯＣＯＳ酸化膜８をマスクにして、各評価用トランジスタ形成領域４のＰウエル６に、例えばリンを高濃度に注入してソース１０ａ及びドレイン１０ｂをゲート電極１０ｅに対して自己整合的に形成する（図３（Ｃ）を参照。）。
（４）評価用ウエハ２上全面に層間絶縁膜１２を形成し、各評価用トランジスタのソース１０ａ、ドレイン１０ｂ及びゲート電極１０ｅに対応する位置にコンタクトホールを形成する（図３（Ｄ）を参照。）。
（５）コンタクトホール内及び層間絶縁膜１２上にメタル層１４ａ，１４ｂ，１４ｃを形成する（図２を参照。）。
それぞれの評価用トランジスタ１０のしきい値電圧を測定するために、メタル層１４ａ，１４ｂを介してソース１０ａ及びドレイン１０ｂに所定の一定電圧を印加した状態で、メタル層１４ｃを介してゲート電極１０ｅにゲート電圧を印加し、各評価用トランジスタ１０のしきい値電圧を測定する。例えばソース１０ａをグランドに接続し、ドレイン１０ｂに５Ｖの電圧を印加した状態で、ゲート電極１０ｅの電圧を０〜２Ｖの範囲で変化させて、しきい値電圧を測定する。
しきい値電圧はチャネル領域１０ｃの不純物濃度に大きく依存しているため、評価用ウエハ２面内全体に等密度に配置された各評価用トランジスタ１０のしきい値電圧をそれぞれ測定することにより、チャネルドープ時のイオン注入量分布を評価することができる。
図５は、イオン注入量分布評価方法により測定したしきい値電圧分布を示す図であり、（Ａ）は評価用トランジスタ形成領域が１ｃｍ2当たり１３個の密度で、（Ｂ）は評価用トランジスタ形成領域が１ｃｍ2当たり３１個の密度で、（Ｃ）は評価用トランジスタ形成領域が１ｃｍ2当たり１２４個の密度で配置されたものを示している。
図６は図５のウエハにおける測定位置としきい値電圧の関係を示す図であり、（Ａ）は図５（Ａ）のＸ−Ｘ位置、（Ｂ）は図５（Ｂ）のＹ−Ｙ位置、（Ｃ）は図５（Ｃ）のＺ−Ｚ位置に対応している。図６において、縦軸はしきい値電圧（Ｖ（ボルト））、横軸は測定位置（ｍｍ（ミリメートル））を示す。
また、図７にサーマウェーブ測定器を用いて上記チャネルドープ注入のイオン注入量分布を測定した結果を示す。
図７に示したサーマウェーブ測定器を用いたイオン注入量分布に比べて、図５に示したしきい値電圧分布、すなわちイオン注入量分布の方が詳細に表示されているのがわかる。図５及び図６からわかるように、上記チャネルドープの際に評価用ウエハ２の回転速度とイオンビームの走査周波数が一部同期しているために、評価用ウエハ２面内のイオン注入量分布に大きなばらつきが生じているのがわかる。
この評価結果に基づいて、ウエハの回転速度とイオンビームの走査周波数を調整することにより、ウエハ面内のイオン注入量のばらつきを小さくすることができる。また、必要に応じて、イオン注入時の加速エネルギーや注入密度の調整も行なうようにしてもよい。
このように、本発明のイオン注入量分布評価方法によれば、半導体ウエハ面内の詳細なイオン注入量分布を評価することができる。
さらに、トランジスタのしきい値電圧はチャネルドープでのイオン注入量の変化によって大きく変化するので、イオン注入量に制限されることなく、イオン注入量分布を評価することができる。
また、図５及び図６からわかるように、（Ａ）測定密度（評価用トランジスタ形成領域の設置密度）が１３個／ｃｍ2である場合よりも（Ｂ）測定密度が３１個／ｃｍ2である場合の方が詳細なしきい値電圧分布、ひいてはイオン注入量分布を測定できており、（Ｂ）測定密度が３１個／ｃｍ2である場合よりも（Ｃ）測定密度が１２４個／ｃｍ2である場合の方がさらに詳細なしきい値電圧分布、ひいてはイオン注入量分布を測定できていることがわかる。
また、図５及び図６の（Ａ）から測定密度が１０個／ｃｍ2以上であればイオン注入量分布を評価できると推測でき、（Ｂ）から測定密度が３０個／ｃｍ2以上であれば詳細にイオン注入量分布を評価できると推測でき、（Ｃ）から測定密度が１００個／ｃｍ2以上であればイオン注入量分布をさらに詳細に評価できると推測できる。
上記実施例では、測定密度が１３個／ｃｍ2、３１個／ｃｍ2、１２４個／ｃｍ2の例を示しているが、本発明のイオン注入量分布評価方法は、これらの数値に限定されず、必要とするイオン注入量分布の詳細度に応じて測定密度を変更することが可能である。
また、上記実施例では、評価用ウエハ２として評価用トランジスタ形成領域４がＰウエル６に形成されているものを用いているが、本発明はこれに限定されるものではなく、評価用トランジスタ形成領域４はＮウエルに形成されていてもよいし、半導体ウエハ自体に形成されていてもよい。また、Ｐ型ウエハを用いることもできる。
また、イオン注入量分布評価方法の上記実施例では、ウエハとして評価用ウエハを用いているが、本発明のイオン注入量分布評価方法はこれに限定されるものではなく、製品ウエハに形成するトランジスタを評価用トランジスタとして用いて、しきい値電圧分布、ひいてはチャネルドープ時のイオン注入量分布を評価するようにしてもよい。
また、イオン注入量分布評価方法の上記実施例では、チャネルドープ用の不純物としてリンを用いているが、本発明のイオン注入量分布評価方法はこれに限定されるものではなく、他の不純物、例えばボロンや砒素などのイオン注入を評価対象にすることもできる。
また、本発明の評価対象となるイオン注入は、図４を参照して説明したイオン注入装置によるイオン注入に限定されるものではなく、例えば複数のウエハに対して同時にイオン注入を行なうことができるイオン注入装置を用いたイオン注入のイオン注入量評価にも用いることができる。
以上、本発明の実施例を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、数値などは一例であり、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変更が可能である。
評価用ウエハの一例を説明するための断面図である。 図１の評価用ウエハに評価用トランジスタを形成した状態を示す断面図である。 イオン注入量分布評価方法の一実施例を説明するための工程断面図である。 イオン注入装置の一例を概略的に示す構成図である。 イオン注入量分布評価方法により測定したしきい値電圧分布を示す図であり、（Ａ）は評価用トランジスタ形成領域が１ｃｍ2当たり１３個の密度で、（Ｂ）は評価用トランジスタ形成領域が１ｃｍ2当たり３１個の密度で、（Ｃ）は評価用トランジスタ形成領域が１ｃｍ2当たり１２４個の密度で配置されたものを示す。 図５のウエハにおける測定位置としきい値電圧の関係を示す図であり、（Ａ）は図５（Ａ）のＸ−Ｘ位置、（Ｂ）は図５（Ｂ）のＹ−Ｙ位置、（Ｃ）は図５（Ｃ）のＺ−Ｚ位置に対応する。 従来技術としてのサーマウェーブ測定器を用いてチャネルドープ注入のイオン注入量分布を測定した結果を示す図である。
符号の説明
２ 評価用ウエハ
４ 評価用トランジスタ形成領域
６ Ｐウエル
８ ＬＯＣＯＳ酸化膜
９ フィールドドープ領域
１０ａ ソース
１０ｂ ドレイン
１０ｃ チャネル領域
１０ｄ ゲート酸化膜
１０ｅ ゲート電極
１２ 層間絶縁膜
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ メタル層

Claims (5)

  1. ウエハの主表面全体に、同じ不純物濃度をもつ複数の評価用トランジスタ形成領域が等密度に分布して配置されているウエハを用い、
    前記ウエハの前記評価用トランジスタ形成領域に評価対象となるイオン注入としてしきい値電圧制御用不純物注入を行なう工程、
    各評価用トランジスタ形成領域に同じ構造の評価用トランジスタを形成する工程、及び
    前記評価用トランジスタのしきい値電圧を測定する工程を備え、
    前記評価用トランジスタのしきい値電圧分布に基づいて前記ウエハの主表面内の不純物濃度分布を評価することを特徴とするイオン注入量分布評価方法。
  2. 前記評価用トランジスタ形成領域は前記主表面に１ｃｍ2当たり１０個以上設けられている請求項１に記載のイオン注入量分布評価方法。
  3. 前記評価用トランジスタ形成領域は前記主表面に１ｃｍ2当たり３０個以上設けられている請求項１に記載のイオン注入量分布評価方法。
  4. 前記評価用トランジスタ形成領域は前記主表面に１ｃｍ2当たり１００個以上設けられている請求項１に記載のイオン注入量分布評価方法。
  5. 前記しきい値電圧制御用不純物注入は、１枚の前記ウエハを回転させた状態で、不純物イオンビームを前記ウエハの主表面上で走査させながら不純物を注入するものである請求項１から４のいずれかに記載のイオン注入量分布評価方法。
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