JP3778538B2 - シリコンウェーハの評価方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコンウェーハの評価方法に係り、特に詳しくは、シリコンウェーハに対する鏡面研磨加工の良否を判定するに好適なシリコンウェーハの評価方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスには、一般にＣＺ法またはＦＺ法を用いて製造したシリコン単結晶をスライスし、外周の面取りを行った後、表裏両面をクラインディング、ラッピング、ポリシング等を施して少なくとも片面が鏡面仕上げされたシリコンウェーハが用いられる。
【０００３】
シリコンウェーハに鏡面仕上げのための研削、研磨加工を施すことによって、ウェーハ表面にダメージが加えられる。このダメージは目視では判別できない局部的な残留歪み等で、特開平８−７０００９号公報に開示された半導体シリコンウェーハの製造方法によれば、前記ダメージの有無は、シリコンウェーハに選択エッチングを施した後、顕微鏡で確認可能である。また、前記ダメージは、シリコンウェーハに低温かつ短時間の熱処理を施すことにより消去することができるとされている。
又、特開平８−１２４９８４号には、シリコンウェーハを希フッ酸に浸漬して、シリコンウェーハの表面を洗浄したのち、熱酸化膜を形成し、さらにこの上層に多数の多結晶シリコン電極を形成し、酸化膜耐圧を測定することにより耐圧不良の発生を測定する方法が提案されている。
この方法では、シリコンウェーハ表面近傍に存在する各種結晶欠陥の中から八面体状の酸素析出欠陥を溶解し、酸化膜耐圧をより低くするもので、より的確に八面体状酸素析出物の平均密度を推定することができる。
この方法では、酸化膜耐圧の不良発生率から八面体酸素析出物密度を算出、推定している。しかしながらこの方法では八面体酸素析出物密度しか得られず、結晶欠陥による劣化と、鏡面研磨加工に起因する酸化膜耐圧不良とを識別することは不可能であった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記半導体シリコンウェーハの製造方法は、鏡面研磨加工によってシリコンウェーハの表面に生じたダメージを消去するための方法であり、結果の良否は選択エッチングにより確認することができる。しかしながら、シリコンウェーハに選択エッチング等を施しても、上記ダメージの程度、換言すれば鏡面研磨加工の良否を簡易的に評価することは困難であり、特に、ダメージの程度と、半導体デバイスにとって重要な品質特性である酸化膜耐圧等の電気的特性の良否との関係については、把握することができない。
【０００５】
本発明は上記従来の問題点に着目してなされたもので、加工欠陥すなわち、ウェーハの鏡面研磨工程あるいはその後の洗浄工程で形成あるいは導入される欠陥が酸化膜耐圧をどの程度劣化させているかを簡易的に把握し、鏡面研磨加工の改善に寄与することができるようなシリコンウェーハの評価方法を提供することを目的とする。ここで、加工欠陥は、研磨中に導入された微小なキズあるいは機械的なダメージと不純物との複合体のような欠陥であると考えられる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、第１の発明に係るシリコンウェーハの評価方法は、鏡面研磨加工を施したシリコンウェーハを希フッ酸処理する希フッ酸処理工程と、前記シリコンウェーハを酸素雰囲気で熱処理してウェーハ表面に熱酸化膜を形成する工程と、前記熱酸化膜上に所定の面積を有する電極を所定個数形成する工程と、前記所定個数の電極と前記シリコンウェーハとの間で前記電極ごとに所定のステップで昇圧しつつ、電圧を印加してその時のリーク電流を測定することにより酸化膜耐圧を測定する工程と、前記酸化膜耐圧測定で得られた前記電圧とリーク電流との、Ｉ−Ｖ特性から、電流値が、一定領域から変化する変曲点が所定の電圧以上であるか否かによって、シリコンウェーハの鏡面研磨加工の良否を判定する判定工程とを含むことを特徴とする。
望ましくは、前記第１の発明において、前記希フッ酸処理工程が、希フッ酸にシリコンウェーハを浸漬する浸漬工程と、前記シリコンウェーハの表面を洗浄する洗浄工程とを含むことを特徴とする。
さらに望ましくは、前記洗浄工程がＳＣ−１洗浄を行う工程を含むことを特徴とする。
また望ましくは前記第１の発明において、前記所定の電圧は６ＭＶ／ｃｍであることを特徴とする。
望ましくは前記第１の発明において、前記浸漬工程は、１．５ｗｔ％以上の希フッ酸に浸漬する工程であることを特徴とする。
第２の発明にかかる評価方法は、前記第１の発明において、さらに前記鏡面加工を施さない基準ウェーハに対して同様の処理を行い、前記電圧とリーク電流との、Ｉ−Ｖ特性を算出し、これを基準Ｉ−Ｖ特性とする工程を含み、この基準Ｉ−Ｖ特性と、前記Ｉ−Ｖ特性とを比較し、これらのシフト量に基づいて、シリコンウェーハの鏡面研磨加工の良否を判定する判定工程とを含むことを特徴とする。
望ましくは、前記電極は、多結晶シリコンであることを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態および実施例】
上記構成によれば、鏡面加工を施したシリコンウェーハに希フッ酸洗浄とＳＣ−１先浄とを施した後、ＭＯＳキャパシタを構成して酸化膜耐圧強度を測定するようにしているため、前記測定によって選られたプロファイルからシリコンウェーハに対する研磨加工の良否を判定することができる。
鏡面加工によダメージの程度は、前記希フッ酸の浸漬工程を行わないと電気的特性の差異として認識することができない。
そこで、本発明者らは種々の実験の結果、鏡面研磨加工時に形成される欠陥は、結晶欠陥などと比較して微少で深さも浅いため、酸化膜耐圧の測定により得られるＩ−Ｖ特性のプロファイルが低電界側から、徐々にリークするような（変曲点：リーク開始電界）特徴を持つことを発見し、これに着目してなされたものである。
本発明によれば、Ｉ−Ｖ特性を算出することにより、変曲点が一定の電圧または電界以上であるか否かによって、シリコンウェーハの鏡面研磨加工の良否を判定するようにしている。
望ましくは、基準ウェーハのＩ−Ｖ特性をあらかじめ測定しておき、この特性曲線と、鏡面研磨工程後のウェーハのＩ−Ｖ特性曲線とを参照することにより、シフト量を検出し、シリコンウェーハの鏡面研磨加工の良否を判定するようにしている。
【０００８】
次に、本発明に係るシリコンウェーハの評価方法の実施例について図面を参照して説明する。図１は、本発明によるシリコンウェーハの評価手順を示す工程図で、各ステップの左端に記載した数字は工程番号である。
まず第１工程で、鏡面研磨加工の完了したシリコンウェーハを希フッ酸に浸漬し、ウェーハ表面に存在している不純物等を除去する。希フッ酸の濃度は１．５ｗｔ％以上、浸漬時間は１分間以上とし、たとえば濃度１０ｗｔ％の場合はシリコンウェーハを５分間浸漬する。次に第２工程で、シリコンウェーハの表面を洗浄する。この洗浄は、まず純水で洗浄し、次にＨ_２Ｏ＋Ｈ_２Ｏ_２＋ＮＨ_４ＯＨからなるＳＣ−１洗浄液で洗浄した後、更に純水で洗浄する。
【０００９】
続いて第３工程に進み、酸化性雰囲気中でシリコンウェーハに熱処理を施し、その表面に熱酸化膜を形成する。更に第４工程で、ＣＶＤ法を用いて前記熱酸化膜上に多結晶シリコン層を形成し、フォトリソグラフィにより所定面積、所定個数の多結晶シリコン電極を形成する。これにより、シリコンウェーハと多結晶シリコン電極との間に熱酸化膜からなる絶縁層が介在するＭＯＳキャパシタが構成される。
【００１０】
第５工程では、上記のシリコンウェーハに形成された各電極にプローブ針を接触させ、ウェーハとの間に電圧を印加する。印加電圧を所定のステップで昇圧し、そのときの電流を測定する。たとえば１０μＡの電流（判定電流）が流れたときの電界値を酸化膜の絶縁破壊電界とし、第６工程で所定の基準により良品と不良品とに分類する。
【００１１】
図２は、上記ＭＯＳキャパシタ構成のシリコンウェーハに対して行った酸化膜耐圧測定の結果を模式的に示すグラフである。図中、Ａ、Ｂ、Ｃはそれぞれ研磨加工条件を示す。また、Ｄはシリコンウェーハを希フッ酸に浸漬することなく熱酸化膜と多結晶シリコン電極とを形成した場合の酸化膜耐圧測定結果である。同図で明らかなように、リーク電流の立ち上がり点位置は、条件Ａが約４．２ＭＶ／ｃｍ、条件Ｂが約３．７ＭＶ／ｃｍ、条件Ｃが約２．８ＭＶ／ｃｍで、加工特性は条件Ａが最も優れ、条件Ｃが最も劣っている。このように、鏡面研磨加工によるダメージ（残留歪み等）の程度によりＩ−Ｖ特性が変化し、加工の不具合が大きいほどそのＩ−Ｖ特性は低電界側にシフトする。
【００１２】
これに対し、ウェーハＤにおけるリーク電流の立ち上がり点位置は約６．６ＭＶ／ｃｍとなっている。すなわち、希フッ酸による洗浄を行わない場合や、ダメージのないシリコンウェーハはすべてＤのプロファイルとなり、鏡面研磨加工の良否判定が不可能であるが、本発明の方法による希フッ酸処理を実施すればＡ、Ｂ、Ｃのようなプロファイルとなって鏡面研磨加工の良否を容易に判定することができる。ここで良否判定の電圧は６ＭＶ／ｃｍ程度とするのが望ましい。
また浸漬工程においては、１．５ｗｔ％以上の希フッ酸を用いるのが望ましく、１．５ｗｔ％に満たない場合は、十分に顕著なＩ−Ｖ特性変化を得ることができなかった。
【００１３】
鏡面研磨加工に起因する酸化膜耐圧不良の場合は、結晶欠陥等に起因する劣化と異なり、Ｉ−Ｖ特性のプロファイル自体が変化しているため、容易に判別することができる。鏡面研磨加工による酸化膜耐圧への影響を判定する際、Ｉ−Ｖプロファイルで判断することができるが、プロファイルが類似している場合には、変曲点電圧を比較することによって、高精度に判断することができる。さらには低電界側の所定の点における電界値を比較する、そして高電界側の所定の点における電界値を比較する…というように順次判定を行うようにするのが望ましい。たとえば低電界側では１ｎＡ時の電界値、高電界側では１０ｍＡ時の電界値で判断する必要がある。
図３は、本発明と従来例の方法との原理を比較するための説明図である。図３は、本発明の方法で測定しようとする加工欠陥をもつウェハの表面状態と、結晶育成中に形成されるいわゆるグロウンイン（Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ）欠陥の有無によるウェハの表面状態とに対するＩ−Ｖ特性の関係を示す図である。この図からあきらかなように、Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥が存在する場合、Ｉ−Ｖ特性は急激に劣化する。これに対し、本発明の方法により希フッ酸に浸漬する工程によって加工欠陥を顕在化させた場合、そのＩ−Ｖ特性のプロファイルを解析すると、低電界側より徐々にリーク電流が増加し、劣化するという特徴があることがわかる。これは、図３からも明らかなように、鏡面加工工程で形成される欠陥は、結晶欠陥に比べてサイズが小さいためである。このリーク電流は、加工欠陥部分でゲート酸化膜が薄くなったこといわゆる“Ｔｈｉｎｎｉｎｇ”によるリーク（ＦＮトンネル電流）に相当するものと考えられる。
図４は本発明の方法を適用した場合と、未処理の場合とのシリコンウェハの酸化膜耐圧の測定結果を示す比較図である。ここでは、条件Ａ．Ｂ，Ｃによって鏡面加工を行ったウェハについて本発明の方法すなわち希フッ酸処理を適用した場合と、未処理の場合、すなわち、条件Ａ．Ｂ，Ｃによって鏡面加工を行ったウェハそのままの場合とについて、酸化膜耐圧のＩ−Ｖ特性を測定した結果を示す。図４によれば、条件Ａ，Ｂ，Ｃによって鏡面加工を行ったウェハについて本発明の方法を適用した場合、未処理では不可能であった、加工条件の差を明確に検出することができることがわかる。図４に示すＩ−Ｖ特性曲線は、ウェハ面内１００点で測定したＩ−Ｖ特性のすべてを重ねあわせたものである。
このように、本発明によれば、ソフトリーク電界値を評価することにより、これまで検出が困難であった加工特性の評価が可能となる。
なお、測定に際し、電極材料としては、多結晶シリコンを用いたが、多結晶シリコンに限定されるものではない。
【００１４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、鏡面研磨加工を施したシリコンウェーハを希フッ酸で洗浄した後、ＭＯＳキャパシタを構成することにより、鏡面研磨加工におけるレベルの差異を酸化膜耐圧特性の劣化として認識することができる。従って、鏡面研磨加工によってシリコンウェーハに発生したダメージの程度を明確に把握することが可能となり、その結果をフィードバックすることにより鏡面研磨加工の改善に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるシリコンウェーハの評価手順を示す工程図である。
【図２】シリコンウェーハに対する酸化膜耐圧測定の結果を示すグラフである。
【図３】本発明と従来例の方法との原理を比較するための説明図である。
【図４】本発明の方法を適用した場合と、未処理の場合とのシリコンウェハの酸化膜耐圧の測定結果を示す比較図である。

Claims (2)

1. 鏡面研磨加工を施したシリコンウェーハを希フッ酸処理する希フッ酸処理工程と、
   前記シリコンウェーハを酸素雰囲気で熱処理してウェーハ表面に熱酸化膜を形成する工程と、
   前記熱酸化膜上に所定の面積を有する電極を所定個数形成する工程と、
   前記所定個数の電極と前記シリコンウェーハとの間で前記電極ごとに所定のステップで昇圧しつつ、電圧を印加してその時のリーク電流を測定することにより酸化膜耐圧を測定する工程と、
   前記酸化膜耐圧測定で得られた前記電圧とリーク電流との、Ｉ−Ｖ特性から、電流値が、一定領域から変化する変曲点が所定の電圧以上であるか否かによってシリコンウェーハの鏡面研磨加工の良否を判定する判定工程とを含むことを特徴とするシリコンウェーハの評価方法。
2. 前記判定工程は、さらに前記鏡面加工を施さない基準ウェーハに対して同様の処理を行い、前記電圧とリーク電流との、Ｉ−Ｖ特性を算出し、これを基準Ｉ−Ｖ特性とする工程を含み、
   この基準Ｉ−Ｖ特性と、前記Ｉ−Ｖ特性とを比較し、これらのシフト量に基づいて、シリコンウェーハの鏡面研磨加工の良否を判定する判定工程とを含むことを特徴とする請求項１記載のシリコンウェーハの評価方法。

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