JP4419710B2 - Ｓｏｉウエーハの評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、水銀プローブを用いてＳＯＩウエーハのＳＯＩ層及びＳＯＩ層と埋め込み酸化層との界面の評価を行うＳＯＩウエーハの評価方法に関する。

近年、電気的に絶縁性のある酸化膜の上にＳＯＩ層（シリコン活性層とも言う）が形成されたＳＯＩ構造を有するＳＯＩウエーハが、デバイスの高速性、低消費電力性、高耐圧性、耐環境性等に優れていることから、電子デバイス用の高性能ＬＳＩウエーハとして特に注目されている。これは、ＳＯＩウエーハでは支持基板とＳＯＩ層との間に絶縁体である埋め込み酸化膜（以下、ＢＯＸ層と言うことがある）が存在するため、ＳＯＩ層に形成される電子デバイスは耐電圧が高く、α線のソフトエラー率も低くなるという大きな利点を有するためである。

また、ＳＯＩ層が１μｍ以下の厚みの薄膜ＳＯＩウエーハにおいて、ＳＯＩ層上に形成されたＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型半導体装置は、完全空乏型で動作させた場合にソース・ドレインのＰＮ接合面積を小さくできるため、寄生容量が低減され、デバイス駆動の高速化をはかることができる。さらに、絶縁層となるＢＯＸ層の容量がゲート酸化膜直下に形成される空乏層容量と直列になるため、実質的に空乏層容量が減少し、低消費電力化を実現することができる。

最近では、電子デバイスのさらなる微細化、高性能化のため、より高品質なＳＯＩウエーハが求められている。そのため、ＳＯＩウエーハのＳＯＩ層の品質等を評価することが積極的に行われている。このＳＯＩウエーハの品質を評価する方法の一つとして、ＳＯＩ層の表面にＭＯＳ構造を形成し、その電極部分に電圧を印加してＳＯＩ層の品質を評価することが行われている。

しかしながら、ＳＯＩウエーハの評価を行うためにＭＯＳ構造をＳＯＩ層上に形成する場合、フォトリソグラフィ工程等を行うために大掛かりな装置と多数の工程を必要とし、コスト面での大きな負担や迅速性に欠ける等の不具合があった。また、この方法はＳＯＩ層表面の品質は評価可能であるが、ＳＯＩ層とＢＯＸ層との界面の評価としては不完全であった。

そこで、従来のような多数の工程を通してＳＯＩウエーハ上にＭＯＳ構造を形成せずとも、水銀プローブを用いてより簡便にＳＯＩウエーハを評価できる評価方法が開発されている。その一つとして、ＳＯＩウエーハを評価対象とするＰｓｅｕｄｏ ＭＯＳ ＦＥＴ法が提案されている（例えば特許文献１、２及び非特許文献１、２参照）。この方法によれば、ＳＯＩ層とＢＯＸ層との界面における界面準位密度やＳＯＩ層の電気特性等を精度良く、簡便に測定することができる。

ここで、Ｐｓｅｕｄｏ ＭＯＳ ＦＥＴ法について図面を参照しながら簡単に説明する。まず、図８に示すように、ＢＯＸ層２をゲート酸化膜として擬似的なＭＯＳ構造を形成するＳＯＩウエーハ５のＳＯＩ層１側に、評価用電極としてニードルブローブまたは水銀プローブを直接接触させ、これらをソース電極６およびドレイン電極７とする。そして、ＳＯＩウエーハ５の裏面、すなわちＳＯＩウエーハ５の支持ウエーハ３側の面を、電極としても用いられるステージに真空吸着することによりゲート電極４を形成し、これらの電極間に電圧を印加することで様々な電気特性を得ることができる。この場合、上記ゲート電極４は、例えばＳＯＩウエーハ５の裏面にニードルを接触させることによって形成することもできる。

また、このようなＰｓｅｕｄｏ ＭＯＳ ＦＥＴ法によるＳＯＩウエーハの評価では、評価を行う前にフッ酸を含む水溶液でＳＯＩウエーハを洗浄することにより、ＳＯＩ層表面に形成されている自然酸化膜を除去できるので、その自然酸化膜の影響を排除してより正確なＳＯＩウエーハの電気特性を評価することが可能となる。

さらに、このＰｓｅｕｄｏ ＭＯＳ ＦＥＴ法による評価方法において、ソース電極及びドレイン電極として水銀プローブを用いれば、ＳＯＩ層表面にニードルプローブを接触させたときに生じるプローブ接触穴を形成することがないので、繰り返し測定や最初に測定した測定点近傍の測定を簡便にまた安定して行うことができる。

そして、上記のようなＰｓｅｕｄｏ ＭＯＳ構造を形成した後、ドレイン電圧を印加した状態でゲート電圧を正側に印加してゲート電圧Ｖ_Ｇとドレイン電流Ｉ_Ｄの関係、すなわちＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性を測定することにより、ＳＯＩ層の電子移動度およびＳＯＩ層とＢＯＸ層の界面における界面準位密度を評価することができる。一方、ドレイン電圧を印加した状態でゲート電圧を負側に印加してＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性を測定することにより、ＳＯＩ層の正孔移動度やＢＯＸ層の電荷密度を評価することができる。

ところが、上記のようにゲート電圧を負側に印加してＳＯＩウエーハの評価を行う場合、従来ではフッ酸を含む水溶液でＳＯＩウエーハを洗浄してＳＯＩ層表面の自然酸化膜を除去した後、すぐにＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性の測定を開始しても１０〜１２時間、またはそれ以上経過しなければ測定値が安定しないため、Ｖ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性の正確な測定を行うことができなかった。そのため、ＳＯＩウエーハの評価を行うには非常に長い評価時間が必要とされており、測定装置の稼働率を低下させてＳＯＩウエーハ評価の効率化を妨げるという問題があった。

またこの場合、自然酸化膜を除去した後、測定が完了するまでの間、ウエーハに不純物が付着したりしないようにＳＯＩウエーハを精密に管理しなければならないため管理上の負担が大きいという問題もあった。

特開２００１−６０６７６号公報 特開２００１−２６７３８４号公報 S. Cristoleveanu et al., " A Review of the Pseudo-MOS Transistor in SOI Wafers: Operation, Parameter Extraction, and Applications" IEEE Trans. Electron Dev, 47 1018 (2000). H.J.Hovel, "Si film electrical characterization in SOI substrates by HgFET technique" Solid-State Electronics, 47, 1311 (2003).

そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、フォトリソグラフィ工程等のような大掛かりな装置や多数の工程を必要とせず、ＳＯＩウエーハの電気特性を短時間で簡便かつ高精度に測定でき、測定装置の稼働率を向上させて効率的にＳＯＩウエーハを評価することのできる評価方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明によれば、水銀プローブを用いてＳＯＩウエーハを評価する方法において、少なくとも、前記ＳＯＩウエーハにフッ酸洗浄処理を行って該ＳＯＩウエーハの表面に形成されている自然酸化膜を除去し、次に、該自然酸化膜を除去したＳＯＩウエーハのＳＯＩ層表面に酸化膜を形成し、その後、該酸化膜を形成したＳＯＩウエーハに水銀プローブを接触させてＳＯＩウエーハの評価を行うことを特徴とするＳＯＩウエーハの評価方法が提供される。

このように、フッ酸洗浄処理によりＳＯＩウエーハに形成されている自然酸化膜を除去した後に、ＳＯＩウエーハのＳＯＩ層表面に新たに均一な膜厚を有するシリコン酸化膜を形成することによって、ＳＯＩ層表面の電荷状態を速やかに安定させて定常状態にすることができる。それによって、自然酸化膜を除去してからＳＯＩウエーハの電気特性を測定するまでに要する時間を従来よりも大幅に短縮してＳＯＩウエーハの評価を非常に短時間で行うことができ、測定装置の稼働率の向上を図ることができる。また、本発明は、このようにＳＯＩウエーハの電気特性を測定する前に酸化膜を形成してＳＯＩ層表面の電荷状態を短時間で効果的に安定化させることができるので、ＳＯＩウエーハの管理も容易となるし、さらに測定値のバラツキを低減し、信頼性の高いＳＯＩウエーハの評価を安定して行うことができる。

このとき、前記ＳＯＩ層表面に形成する酸化膜の厚さを５ｎｍ以下とすることが好ましい。
このようにＳＯＩ層表面に形成する酸化膜を厚さが５ｎｍ以下の非常に薄いものとすることにより、酸化膜形成後に水銀プローブを接触させてＳＯＩウエーハを評価する際に、膜厚の薄いシリコン酸化膜のトンネル効果により、酸化膜に確実に電気を通すことができるので、ＳＯＩウエーハの電気特性を正確に測定することができる。

また、前記ＳＯＩ層表面の酸化膜の形成を、ＳＯＩウエーハを熱処理することによって行うことが好ましい。
このようにＳＯＩ層表面の酸化膜の形成を、ＳＯＩウエーハを熱処理することによって行うことにより、形成する酸化膜の厚さを容易にかつ高精度に制御して、所望の膜厚を有する酸化膜をＳＯＩ層表面に均一に安定して形成することができる。

この場合、前記ＳＯＩウエーハの熱処理を、５０℃以上３５０℃以下の温度で行うことが好ましい。
このようにＳＯＩウエーハの熱処理を５０℃以上３５０℃以下の温度で行うことにより、ＳＯＩ層表面にシリコン酸化膜を安定して成長させて、所望の厚さを有し、ウエーハ面内で膜厚が均一な酸化膜を容易に形成することができるので、一層正確なＳＯＩウエーハの評価を安定して行うことができる。

さらに、前記ＳＯＩウエーハの熱処理を、酸素を含む雰囲気中で行うことが好ましく、特に、前記酸素を含む雰囲気を、空気または酸素１００％雰囲気とすることが好ましい。
このようにＳＯＩウエーハの熱処理を酸素を含む雰囲気中で行えば、膜厚が均一な酸化膜を非常に容易にかつ安定して形成することができる。特に、酸素を含む雰囲気を空気とすれば、熱処理を行うに際して、特別な雰囲気ガスを準備する必要がなく、簡便な装置を用いて熱処理することができるので、極めて容易に酸化膜の形成を行うことができる。また、酸素を含む雰囲気を酸素１００％雰囲気とすれば、比較的低温でも均一な酸化膜の形成が速やかに進むので、熱処理時間自体を短縮することができるし、また熱処理温度の低温化も図ることができる。

また本発明では、前記酸化膜を形成したＳＯＩウエーハに水銀プローブを接触させて正孔側のＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性を測定することによって、該ＳＯＩウエーハにおけるＳＯＩ層の正孔移動度及び／または埋め込み酸化膜の電荷密度を評価することが好ましい。
上記のように、本発明では、フッ酸洗浄処理で自然酸化膜を除去した後、ＳＯＩ層表面に酸化膜を新たに形成することによりＳＯＩ層表面の電荷状態を短時間で安定させることができるため、その後ＳＯＩウエーハに水銀プローブを接触させて正孔側のＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性を測定することによって、測定値のバラツキを著しく低減することができる。したがって、従来では測定値にバラツキが生じ易く、正確な測定までに長時間を要したＳＯＩ層の正孔移動度や埋め込み酸化膜の電荷密度を短時間で高精度に、また高い信頼性で評価することができる。

さらに本発明では、前記フッ酸洗浄処理を行って自然酸化膜を除去した後、該自然酸化膜を除去したＳＯＩウエーハに水銀プローブを接触させて電子側のＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性を測定することによってＳＯＩ層の電子移動度及び／またはＳＯＩ層と埋め込み酸化膜の界面準位密度を評価し、その後、該ＳＯＩウエーハに前記ＳＯＩ層表面の酸化膜形成を行うことが好ましい。

このように、フッ酸洗浄処理による自然酸化膜の除去後、ＳＯＩ層表面に酸化膜の形成を行う前に、ＳＯＩウエーハに水銀プローブを接触させて電子側のＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性を測定することによって、電子移動度や界面準位密度を高精度に評価でき、ＳＯＩウエーハの品質をより詳細に評価することが可能となる。

以上のように、本発明によれば、ＳＯＩウエーハを評価する際に、フッ酸洗浄処理によりＳＯＩウエーハの自然酸化膜を除去した後に新たにシリコン酸化膜を形成することによって、ＳＯＩ層表面の電荷状態を速やかに安定させて定常状態にすることができる。それによって、自然酸化膜を除去してからＳＯＩウエーハの電気特性を測定するまでに要する時間を従来よりも大幅に短縮してＳＯＩウエーハの評価を非常に短時間で行うことができ、また測定装置の稼働率の向上を図ることもできる。また、本発明では、自然酸化膜の除去後からＳＯＩウエーハの電気特性を測定するまでの時間を大幅に短縮できるので、ＳＯＩウエーハの管理も容易となるし、さらにＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性を測定する際にＳＯＩ層表面の電荷状態が安定しており、またシリコン酸化膜の膜厚が均一であるので、測定値のバラツキを低減して高精度で信頼性の高いＳＯＩウエーハの評価を安定して行うことができる。

以下、本発明について実施の形態を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
従来、ＳＯＩウエーハにおけるＳＯＩ層の正孔移動度やＢＯＸ層電荷密度等をＰｓｅｕｄｏ ＭＯＳ ＦＥＴ法により評価する場合、フッ酸を含む水溶液でＳＯＩウエーハを洗浄してＳＯＩ層表面の自然酸化膜を除去した後、１０時間以上経過しなければ測定値が安定しないため、ＳＯＩウエーハの評価には非常に長い時間が必要とされるという問題があった。

これは、例えば正孔移動度やＢＯＸ層電荷密度の評価のようなゲート電圧を負側に印加してＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性を測定する場合、ＳＯＩ層表面にＨ＋イオンのような正電荷を吸着させることで表面状態を制御しなければ、ＳＯＩ層表面の電荷が安定せずに正確な測定ができないためと考えられた。すなわち、フッ酸洗浄によりＳＯＩ層表面の自然酸化膜を除去した後、１０時間以上経過しなければＳＯＩ層表面の電気的状態が安定しないため、測定を行うことができなかったと考えられる。

そこで、本発明者等は、水銀プローブを用いてＳＯＩウエーハの評価をする際に、自然酸化膜を除去した後にＳＯＩ層表面の電荷状態を短時間で安定させることにより、ＳＯＩウエーハの評価にかかる時間を短縮できると考え、鋭意実験及び検討を重ねた。その結果、ＳＯＩウエーハにフッ酸洗浄を行った後、例えば熱処理を行ってＳＯＩ層表面に酸化膜を形成することによってその電荷状態を安定化させ、その後水銀プローブを用いてＳＯＩウエーハを評価することによって、ＳＯＩウエーハの評価を短時間で高精度に行うことができることを見出して、本発明を完成させた。

以下、本発明のＳＯＩウエーハの評価方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。ここで、図１は、本発明に係るＳＯＩウエーハの評価方法の一例を示すフロー図である。尚、図１に示したフロー図は、フッ酸洗浄処理を行った後、ＳＯＩウエーハの電子側のＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性を測定して電子移動度／界面準位密度を評価し、その後ＳＯＩ層表面に酸化膜を形成し、正孔側のＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性を測定して、正孔移動度／電荷密度を評価する場合を示しているが、本発明はこれに何ら限定されるものではなく、以下で詳しく説明するように、工程Ｅの酸化膜の形成を工程Ｂと工程Ｃとの間に行ったり、また工程Ｃ及び工程Ｄを省略して正孔移動度／電荷密度の評価のみを行ったり、目的に応じて適宜変更することができる。

先ず、図１に示したように、評価対象となるＳＯＩウエーハを準備する（工程Ａ）。本発明で評価の対象となるＳＯＩウエーハは、例えば支持ウエーハの上に絶縁層となる埋め込み酸化膜とＳＯＩ層とが形成されたＳＯＩ構造を有するものであれば良く、その製造方法は特に限定されるものではない。例えば、準備するＳＯＩウエーハとしては、少なくとも一方のシリコンウエーハ表面にシリコン酸化膜を形成した２枚の鏡面研磨ウエーハの研磨面を互いに貼り合せ、熱処理後、一方のウエーハを研削、研磨により薄膜化したものを用いることができる（貼り合わせ法）。また、予め一方の鏡面研磨ウエーハに水素をイオン注入しておき、別のもう１枚の鏡面研磨ウエーハと研磨面で互いに貼り合せ、その後熱処理を行うことにより水素イオン注入層から一方のウエーハを剥離してＳＯＩ構造を形成した後、ＳＯＩ層となる薄膜の表面を研磨したものを用いることもできる（水素イオン剥離法）。さらに、１枚の鏡面研磨ウエーハに酸素をイオン注入した後、高温熱処理を行って作製されたいわゆるＳＩＭＯＸ（Ｓｅｐａｒａｔｅｄ Ｉｍｐｌａｎｔｅｄ Ｏｘｉｄｅ）ウエーハであってもよい。

次に、この準備したＳＯＩウエーハにフッ酸を含む水溶液を用いてフッ酸洗浄処理を行って、ＳＯＩウエーハの表面に形成されている自然酸化膜を除去する（図１の工程Ｂ）。通常、ＳＯＩウエーハは、大気に触れたりすること等により、自然酸化膜と呼ばれる膜厚の薄いシリコン酸化膜がウエーハ表面に形成されている。この自然酸化膜は、ＳＯＩウエーハの表面に均一に形成されてないため、ウエーハ面内で酸化膜の厚さにバラツキが生じている。このような自然酸化膜が形成されたＳＯＩウエーハをそのまま評価しても、自然酸化膜の厚さばらつきや、自然酸化膜に含まれている不純物等の影響により正確な評価を行うことができない。そのため、先ず準備したＳＯＩウエーハにフッ酸洗浄処理を行って、ウエーハ表面の自然酸化膜を除去する。

このとき、フッ酸洗浄処理に用いる水溶液中のフッ酸濃度は、自然酸化膜を除去できる程度であれば特に限定されないが、例えばフッ酸濃度があまりに高過ぎるとＳＯＩ層と支持ウエーハの間に介在するＢＯＸ層もエッチングしてしまう可能性が考えられる。したがって、フッ酸濃度は比較的低い方が好ましく、例えばフッ酸濃度が０．５％以上５％以下、特に１％程度となるような水溶液を用いることが好ましい。また、フッ酸洗浄処理を行う際の水溶液温度や洗浄時間などの洗浄条件についても、自然酸化膜を除去できる程度であれば良く、必要に応じて適宜変更することができる。

このようにしてフッ酸を含む水溶液でフッ酸洗浄処理を行ったＳＯＩウエーハは、その後、例えば溶存酸素を極力低減した純水でリンス処理し、乾燥させる。リンス処理の際にこのように溶存酸素を極力低減した純水を使用することにより、ＳＯＩウエーハに再び自然酸化膜が形成されるのを抑制することができる。また、乾燥方法は、例えば水分濃度を低減した乾燥空気をＳＯＩウエーハに吹き付けて乾燥させてもよいし、スピンドライヤーのような装置を用いて乾燥させても良い。あるいは、ＩＰＡ（イソプロピルアルコール）のような薬液を用いて乾燥させても良い。

上記のようにフッ酸洗浄処理を行って自然酸化膜を除去したＳＯＩウエーハは、すぐに図３に示すような水銀プローブ装置２１を用いて電子側のＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性の測定を行う（図１の工程Ｃ）。例えば、ＳＯＩウエーハＷをＳＯＩ層が下向きになるようにして、すなわち、ＳＯＩ層側の面を図示しないステージに載置して装置内に収納した後、ステージに載置された面とは反対側の面、すなわち、ＳＯＩウエーハの支持ウエーハ側の面を真空チャック２２で上側から吸着する。この真空チャック２２は金属等の導電性材料でできており、ゲート電極を兼ねている。

そして、ＳＯＩウエーハＷの支持ウエーハ側の面を真空チャック２２に吸着したら、ステージをＳＯＩウエーハＷから離して移動させる。その後、ＳＯＩウエーハＷのＳＯＩ層表面のごく近傍に水銀プローブ２３を近づけ、水銀電極部のみをＳＯＩ層に接触させる。このとき、水銀プローブ２３は図４に示すような構造を有しており、水銀電極部２４、２５のどちらか一方をソース電極にし、他方をドレイン電極にする。このようにして、例えば図８に示すようなＰｓｅｕｄｏ−ＭＯＳ構造を形成することができる。

このＰｓｅｕｄｏ−ＭＯＳ構造を形成した状態で一定のドレイン電圧を印加し、その状態でゲート電圧を正側に印加して変化させるとともにドレイン電流の変化をモニタリングすることによって、電子側のゲート電圧Ｖ_Ｇとドレイン電流Ｉ_Ｄの関係、すなわち電子側のＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性を測定することができる。測定された電子側のＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性は、例えば図６のように表示される。

そして、図６のように測定された電子側のＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性におけるＣ部及びＤ部の勾配から、例えば非特許文献１または２に示されている数式を用いることによって、ＳＯＩウエーハにおけるＳＯＩ層の電子移動度及び／またはＳＯＩ層と埋め込み酸化膜の界面準位密度を求めて評価することができる（図１の工程Ｄ）。このとき、本発明では、上記のように自然酸化膜を除去した後、すぐにＳＯＩウエーハに電子側のＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性の測定を行うことができ、このように自然酸化膜除去後すぐに電子側のＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性を測定すれば測定データも比較的安定しているので、電子移動度及び／または界面準位密度を正しく測定することが可能である。
尚、上記の電子側のＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性の測定（工程Ｃ）及び電子移動度／界面準位密度の評価（工程Ｄ）は、２つの工程を合わせておよそ２時間程度で行うことができる。

続いて、上記のようにしてＳＯＩウエーハの電子移動度や界面準位密度を評価した後、ＳＯＩウエーハのＳＯＩ層表面に新たにシリコン酸化膜を形成する（図１の工程Ｅ）。この酸化膜の形成は、ＳＯＩウエーハを熱処理することによって容易に行うことができ、このようにＳＯＩウエーハに熱処理を行って酸化膜を形成することによって、形成する酸化膜の厚さを容易にかつ高精度に制御でき、所望の膜厚を有する酸化膜をＳＯＩ層表面に安定して形成することができる。そして、このように熱処理によってＳＯＩウエーハのＳＯＩ層表面に酸化膜を形成することによって、ＳＯＩ層表面の電荷状態を速やかに安定させることができるし、また、形成されるシリコン酸化膜の膜厚をウエーハ面内で均一にできるので、その後以下で説明するような水銀プローブを接触させて正孔側のＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性を測定する際に測定値にバラツキを生じさせず、電気特性の測定を高精度に行うことができる。

このとき、ＳＯＩ層表面に形成する酸化膜の厚さは５ｎｍ以下にすることが好ましい。このようにＳＯＩ層表面に形成する酸化膜を、厚さが５ｎｍ以下の非常に薄いものとすることにより、その後に正孔側のＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性を測定する際に、厚さの薄いシリコン酸化膜のトンネル効果により酸化膜に確実に電気を通すことができ、ＳＯＩウエーハの電気特性を正確に測定することができる。一方、ＳＯＩ層表面に形成する酸化膜は、その厚さが０．１ｎｍ以上となるようにすることが好ましく、それによってＳＯＩ層表面の電荷状態を確実に安定させることができる。

また、この場合、ＳＯＩウエーハの熱処理を５０℃以上３５０℃以下の温度で行うことが好ましい。ＳＯＩウエーハに行う熱処理の熱処理温度を５０℃以上とすることにより、ＳＯＩ層表面にシリコン酸化膜を膜厚にバラツキを生じさせず、均一にまた非常に安定して形成することができる。一方、熱処理温度が３５０℃を超えると、ＳＯＩ層上のシリコン酸化膜の形成が急速に進み、例えば酸化膜の膜厚が５ｎｍを超えてしまうことが考えられる。したがって、ＳＯＩウエーハの熱処理は、３５０℃以下で行うことが好ましく、それによって、シリコン酸化膜を所望の膜厚となるように、特に膜厚が５ｎｍ以下となるように容易に形成することができる。

さらに、このようなＳＯＩウエーハに酸化膜を形成する熱処理は、酸素を含む雰囲気中で行えば良く、特に、空気中または酸素１００％雰囲気中で行うことが好ましい。
すなわち、ＳＯＩウエーハに熱処理を行う際に酸素含有雰囲気として空気を使用すれば、熱処理雰囲気を外部と遮断するような熱処理炉等の大規模な装置を必要とせず、例えば図７に示すようなホットプレート１１等の簡便な装置を用いてＳＯＩウエーハＷに熱処理を行うことができる。この図７に示したホットプレート１１は、表面処理を施した平坦な金属プレート１２の下にヒータ１３が取り付けられており、例えば金属プレート１２にＳＯＩウエーハＷを載置し、ヒータ１３でＳＯＩウエーハＷを所望の温度に加熱することによって空気中でＳＯＩウエーハＷに熱処理を行うことができるものである。このような簡便な構造を有するホットプレート１１を用いてＳＯＩウエーハＷに熱処理を行うことによって、ＳＯＩ層表面に所望の膜厚を有する酸化膜を安定して形成することができる。尚、このようにホットプレート等を用いてＳＯＩウエーハに空気中で熱処理を行う場合、例えばＳＯＩ層表面に５ｎｍ以下のシリコン酸化膜を形成するには、熱処理温度にも依るが、およそ１〜３０分程度、特に１０分程度で所望の膜厚を有する酸化膜を均一に形成できるため、ＳＯＩ層表面の電荷状態を短時間で安定させることができる。

一方、例えば一般的な熱処理炉やＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌ）装置を使用して上記熱処理を行う場合には、熱処理雰囲気を外部と遮断して任意に調節できるため、空気よりも酸素分圧が高い雰囲気を用いることが可能となり、上記のように酸素１００％雰囲気中でＳＯＩウエーハに熱処理を容易に行うことができる。そして、このように酸素１００％雰囲気中でＳＯＩウエーハに熱処理を行うことにより、比較的低温でも均一な酸化膜の形成が速やかに進むので、熱処理時間自体を短縮することができるし、また熱処理温度の低温化も図ることができる。また、このような酸素１００％雰囲気中でＳＯＩウエーハに熱処理を行う場合、例えばＳＯＩ層表面に５ｎｍ以下のシリコン酸化膜を形成するには、およそ１〜１０分程度、特に５分程度で所望の膜厚を有する酸化膜を均一に形成することができ、ＳＯＩ層表面の電荷状態を非常に短い時間で安定させることができる。

そして、上記のようにＳＯＩ層表面に所望の膜厚を有する酸化膜を均一に形成した後、図３に示す水銀プローブ装置２１を用いてＳＯＩウエーハの正孔側のＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性を測定する（図１の工程Ｆ）。例えば、ＳＯＩウエーハＷの支持ウエーハ側の面を真空チャック２２に吸着した後、ＳＯＩウエーハＷのＳＯＩ層表面のごく近傍に水銀プローブ２３を近づけ、水銀電極部のみをＳＯＩ層に接触させることにより、Ｐｓｅｕｄｏ−ＭＯＳ構造を形成する。その後、水銀プローブ２３から一定のドレイン電圧を印加し、その状態でゲート電圧を負側に印加して変化させるとともにドレイン電流の変化をモニタリングすることによって、例えば図５に示すような正孔側のＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性を測定することができる。

そして、図５のように測定された正孔側のＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性におけるＡ部及びＢ部の勾配から、非特許文献１または２に示されている数式を用いることによって、ＳＯＩウエーハにおけるＳＯＩ層の正孔移動度及び／またはＢＯＸ層の電荷密度を求めて評価することができる（図１の工程Ｇ）。

特に、本発明では、上記のようにＳＯＩウエーハの正孔側のＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性を測定する前に、熱処理を行ってＳＯＩ層表面に酸化膜を均一に形成することによりＳＯＩ層表面の電荷状態を短時間で安定させているので、正孔側のＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性の測定を測定値にバラツキを生じさせずに安定して行うことができ、ＳＯＩ層の正孔移動度やＢＯＸ層の電荷密度の評価を短時間で一層高精度に行うことができる。
尚、上記の正孔側のＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性の測定（工程Ｆ）及び正孔移動度／電荷密度の評価（工程Ｇ）は、２つの工程を合わせておよそ２時間程度で行うことができる。

また、本発明では、例えば図１に示したフロー図のフッ酸洗浄処理（工程Ｂ）と電子側のＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性の測定（工程Ｃ）との間に、さらにＳＯＩ層表面に酸化膜を形成する酸化膜の形成（工程Ｅ）を加えることもできる。

以上のように、本発明のＳＯＩウエーハの評価方法によれば、ＳＯＩウエーハにフッ酸洗浄処理を行ってＳＯＩウエーハ表面の自然酸化膜を除去した後、ＳＯＩ層表面に例えば５ｎｍ以下の膜厚を有する酸化膜を新たに形成することによりＳＯＩ層表面の電荷状態を速やかに安定させて定常状態にすることができ、そしてその後、このＳＯＩ層表面の電荷状態が安定したＳＯＩウエーハに水銀プローブを接触させてＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性を測定することにより、正孔移動度やＢＯＸ層電荷密度、さらには電子移動度や界面準位密度のようなＳＯＩウエーハの電気特性を高精度に評価することができる。それによって、フォトリソグラフィ工程等のような大掛かりな装置や多数の工程を必要とせず、水銀プローブを用いてＳＯＩウエーハの評価を非常に簡便に行うことができる。また、Ｖ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性を測定する際にＳＯＩ層表面の電荷状態が非常に安定しており、またシリコン酸化膜の膜厚もウエーハ面内で均一になっているので、測定値にバラツキを生じさせずに信頼性の高いＳＯＩウエーハの評価を安定して行うことができる。

特に、ＳＯＩウエーハの正孔移動度やＢＯＸ層電荷密度を評価する場合、従来では水銀プローブによるＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性の測定を行う前に、１０〜１２時間以上置かなければＳＯＩ層表面の電荷状態が安定しないためＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性の正確な測定を行うことができなかったが、本発明によれば、ＳＯＩ層表面に酸化膜を形成することによって、およそ３０分以下程度、特に１０分以下程度の短い時間で電荷状態を安定化させることができる。したがって、本発明は、特に正孔移動度、ＢＯＸ層電荷密度を評価する時に、従来よりもＳＯＩウエーハの評価時間を大幅に短縮できるし、また測定装置の稼働率を向上させることもできるので、ＳＯＩウエーハの評価を非常に効率的に行うことができ、さらに、評価を行う際のＳＯＩウエーハの管理も従来に比べて非常に容易となる。

尚、本発明のＳＯＩウエーハの評価方法は、図１のフロー図に示したような工程に限定されるものではなく、目的や必要に応じて工程の変更・削除を適宜行うことができる。
例えば、前記で説明したように、フッ酸洗浄処理（工程Ｂ）と電子側のＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性の測定（工程Ｃ）との間にＳＯＩ層表面に酸化膜を形成する酸化膜の形成（工程Ｅ）を加えることができるし、また、例えば図２に示したように、工程Ｅの酸化膜の形成をフッ酸洗浄処理（工程Ｂ）の直後に行い、その後酸化膜の形成は行わずに工程Ｃ，Ｄ，Ｆ，Ｇを順番に行ってＳＯＩウエーハの評価を行うこともできる。図２に示したように、フッ酸洗浄処理後すぐにＳＯＩ層表面に酸化膜を形成することにより、電子側のＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性を測定する際や正孔側のＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性を測定する際に、ＳＯＩ層表面の電荷状態が安定しているとともに、測定中に形成される恐れのある自然酸化膜の影響を確実に排除して、測定値にバラツキを生じさせず安定して測定を行うことができ、電子移動度／界面準位密度、及び正孔移動度／電荷密度の評価を高精度に行うことが可能となる。

さらに、本発明では、例えばＳＯＩウエーハの電子移動度及び／または界面準位密度の評価のみを行う場合であれば、例えば図２に示した工程Ａ，Ｂ，Ｅ，Ｃ、Ｄを順番に行ったところでＳＯＩウエーハの評価を終了しても良いし、一方ＳＯＩウエーハの正孔移動度及び／またはＢＯＸ層の電荷密度の評価のみを行う場合であれば、図１に示したフロー図の工程Ｃ及びＤを省略し、工程Ａ及びＢを行った後すぐに工程Ｅ〜Ｇを行えば良い。この場合、前述のように正孔側のＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性は、自然酸化膜除去後すぐに測定すると測定値が安定するまでに長時間がかかるので、工程Ｅの熱処理による酸化膜の形成を行うことが必要である。

また必要に応じて、工程Ａにおいて同じ条件で作製した２枚のＳＯＩウエーハを準備し、一方のＳＯＩウエーハに工程Ｂ，Ｅ，Ｃ、Ｄを順番に行って電子移動度及び／または界面準位密度の評価を行い、またもう一方のＳＯＩウエーハに工程Ｂ，Ｅ，Ｆ、Ｇを順番に行って正孔移動度及び／またはＢＯＸ層の電荷密度の評価を行っても良い。このように２枚のＳＯＩウエーハを準備して、それぞれ別々に評価を行うことによって、ゲートの電圧のスイープが正側または負側だけで済むので、より一層短い時間でＳＯＩウエーハの評価を行うことができるし、またＳＯＩウエーハに加えられるストレスも低減することができる。

さらに、本発明では、図１の工程Ｃ及びＤと工程Ｅ〜Ｇとを入れ替えてＳＯＩウエーハの評価を行っても良い。すなわち、ＳＯＩウエーハを準備してフッ酸洗浄処理を行った後（工程Ａ及びＢ）、例えば熱処理を行ってＳＯＩ層表面に酸化膜を形成することによりＳＯＩ層表面の電荷状態を速やかに安定させてから工程Ｆ及びＧを行って正孔移動度／ＢＯＸ層電荷密度の評価を行い、その後工程Ｃ及びＤを行って電子移動度／界面準位密度の評価を行うこともできる。

つまり、本発明は、フッ酸洗浄処理後、Ｖ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性を測定する前に、特に正孔側のＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性を測定する前にＳＯＩ層表面にシリコン酸化膜を形成できれば良く、それによって、ＳＯＩ層表面の電荷状態を短い時間で安定化できるため、従来のようにＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性の測定を行う前にＳＯＩウエーハを１０〜１２時間以上保管する必要がなく、非常に効率的にＳＯＩウエーハを評価することができる。したがって、本発明では、例えば電子側のＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性の測定と正孔側のＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性の測定のどちらを先に行っても差し支えない。

以下、実施例及び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）
導電型がｐ型で、直径２００ｍｍ、結晶方位＜１００＞のシリコンウエーハを、支持ウエーハ及びＳＯＩ層を形成するボンドウエーハとして用いて、水素イオン剥離法でＳＯＩウエーハを作製することにより、評価対象となるＳＯＩウエーハを準備した（工程Ａ）。尚、ウエーハの導電型をｐ型にするためのドーパントとしてボロンを用いた。また、作製したＳＯＩウエーハのＳＯＩ層とＢＯＸ層の厚さは、それぞれ１００ｎｍ、１４５ｎｍ程度であった。
この準備したＳＯＩウエーハを１重量％のフッ酸を含む水溶液を用いて１分間のフッ酸洗浄処理を行った（工程Ｂ）。その後、溶存酸素を極力低減した純水にてリンスを行った後、ＳＯＩウエーハに乾燥空気を吹き付けることにより水分を除去して乾燥させた。

乾燥後、すぐにＳＯＩウエーハを水銀プローブ装置（Ｆｏｕｒ ＤＩＭＥＮＳＩＯＮＳ社製ＣＶｍａｐ９２）にセットして電子側のＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性の測定を行った（工程Ｃ）。その測定結果を図９に示す。このとき、電子側のＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性の測定は、ドレイン電極から一定のドレイン電圧を印加した状態でゲート電圧を変化させるとともにドレイン電流をモニタリングすることによって行うことができる。そして、この図９に示した電子側のＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性の測定結果と、非特許文献１及び２に示されている数式を用いることによって、ＳＯＩ層の電子移動度及び／またはＳＯＩ層と埋め込み酸化膜の界面準位密度を求めて評価することができる（工程Ｄ）。このとき、電子側のＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性の測定を開始してから電子移動度及び界面準位密度を求めるまで、２時間程度で行うことができた。

続いて、ＳＯＩウエーハを図７に示すようなホットプレート１１の金属プレート１２上に載置し、ヒータ１３でＳＯＩウエーハＷを加熱して空気中にて２１０℃、１０分間の熱処理を行うことによって、約３ｎｍの酸化膜をＳＯＩ層表面に形成した（工程Ｅ）。その後、すぐにＳＯＩウエーハを水銀プローブ装置（Ｆｏｕｒ ＤＩＭＥＮＳＩＯＮＳ社製ＣＶｍａｐ９２）にセットして正孔側のＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性の測定を行った（工程Ｆ）。その測定結果を図１０に示す。そして、図１０に示した正孔側のＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性の測定結果と、非特許文献１及び２に示されている数式を用いることによって、ＳＯＩ層の正孔移動度及び／またはＢＯＸ層の電荷密度を求めて評価することができる（工程Ｇ）。このとき、正孔側のＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性の測定を開始してからＳＯＩ層の正孔移動度及びＢＯＸ層の電荷密度を求めるまで、２時間程度で行うことができた。
したがって、この実施例で行ったＳＯＩウエーハの評価では、ＳＯＩウエーハにフッ酸洗浄処理を行ってから、約４時間という短い時間で電子移動度、界面準位密度、正孔移動度、及びＢＯＸ層電荷密度について評価を行うことができた。

（比較例１）
比較例１として、実施例と同様の条件で作製したＳＯＩウエーハを準備し、このＳＯＩウエーハに１重量％のフッ酸を含む水溶液で１分間のフッ酸洗浄処理を行った後、純水にてリンスを行い、その後、ＳＯＩウエーハに乾燥空気を吹き付けることにより水分を除去して乾燥させた。

ＳＯＩウエーハを乾燥させた後、電子側のＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性の測定、電子移動度／界面準位密度の評価を行わず、さらに、ＳＯＩ層表面への酸化膜の形成も行わずに、すぐにＳＯＩウエーハを水銀プローブ装置にセットして正孔側のＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性の測定を行った。その測定結果を図１１に示す。この図１１に示した測定結果を、実施例で測定した図１０の正孔側のＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性と比較してみると、Ｖ_Ｇに対するＩ_Ｄが全体的に低くなっていることがわかる。これは、ＳＯＩウエーハの自然酸化膜を除去した後、ＳＯＩウエーハのＳＯＩ層表面の電荷状態を安定させずに、すぐに正孔側のＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性を測定したために生じたものと思われる。

（比較例２）
比較例２として、実施例と同様の条件で作製したＳＯＩウエーハを準備し、このＳＯＩウエーハに１重量％のフッ酸を含む水溶液で１分間のフッ酸洗浄処理を行った後、純水にてリンスを行い、その後、ＳＯＩウエーハに乾燥空気を吹き付けることにより水分を除去して乾燥させた。

次に、ＳＯＩウエーハを１２時間空気中に曝露した後、電子側のＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性の測定、電子移動度／界面準位密度の評価を行わず、さらに、ＳＯＩ層表面への酸化膜の形成も行わずに、水銀プローブ装置にセットして正孔側のＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性の測定を行った。その測定結果を図１２に示す。そして、この図１２の測定結果からＳＯＩ層の正孔移動度及びＢＯＸ層の電荷密度を求めて、その評価を行った。このとき、正孔側のＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性の測定を開始してからＳＯＩ層の正孔移動度及びＢＯＸ層の電荷密度を求めるまで、１時間程度で行うことができた。

また、図１２に示した測定結果は、実施例で測定した正孔側のＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性（図１０）とほぼ同じであることがわかった。しかしながら、この比較例２では、電子移動度及び界面準位密度についての評価を行ってないにも関わらず、ＳＯＩウエーハにフッ酸洗浄処理を行ってから、正孔移動度及び電荷密度を求めるまでに１３時間以上かかり、上記実施例のおよそ３倍の評価時間を要した。

以上の結果から、ＳＯＩウエーハを評価する際に、自然酸化膜を除去したＳＯＩ層表面に新たにシリコン酸化膜を形成することにより、ＳＯＩ層表面の電荷状態を短時間で安定化させることができるため、ＳＯＩウエーハの評価にかかる時間、特にフッ酸洗浄処理を行ってから正孔側のＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性を測定するまでにかかる時間を確実に短縮できることを確認することができた。しかも、１２時間以上もウエーハを曝露する場合のようにウエーハの汚染等の外乱要因も少なく、データの信頼性も高い。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は単なる例示であり、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。

本発明のＳＯＩウエーハの評価方法の一例を示すフロー図である。 本発明のＳＯＩウエーハの評価方法の別の例を示すフロー図である。 水銀プローブ装置の構成概略図である。 水銀プローブ装置の水銀電極の電極平面図である。 本発明のＳＯＩウエーハの評価方法において測定される正孔側のＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性の一例を示すグラフである。 本発明のＳＯＩウエーハの評価方法において測定される電子側のＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性の一例を示すグラフである。 ホットプレートの構成を概略的に示す構成概略図である。 Ｐｓｅｕｄｏ ＭＯＳ ＦＥＴ法を模式的に表す模式図である。 実施例で測定した電子側のＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性を示すグラフである。 実施例で測定した正孔側のＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性を示すグラフである。 比較例１で測定した正孔側のＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性を示すグラフである。 比較例２で測定した正孔側のＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性を示すグラフである。

符号の説明

１…ＳＯＩ層、 ２…ＢＯＸ層（埋め込み酸化膜）、
３…支持ウエーハ、 ４…ゲート電極、 ５…ＳＯＩウエーハ、
６…ソース電極、 ７…ドレイン電極、
１１…ホットプレート、 １２…金属プレート、 １３…ヒータ、
２１…水銀プローブ装置、 ２２…真空チャック、
２３…水銀プローブ、 ２４，２５…水銀電極部、
Ｗ…ＳＯＩウエーハ。

Claims (6)

1. 水銀プローブを用いてＳＯＩウエーハを評価する方法において、少なくとも、前記ＳＯＩウエーハにフッ酸洗浄処理を行って該ＳＯＩウエーハの表面に形成されている自然酸化膜を除去した後、該自然酸化膜を除去したＳＯＩウエーハに水銀プローブを接触させて電子側のＶ _Ｇ −Ｉ _Ｄ 特性を測定することによってＳＯＩ層の電子移動度及び／またはＳＯＩ層と埋め込み酸化膜の界面準位密度を評価し、その後、前記自然酸化膜を除去したＳＯＩウエーハのＳＯＩ層表面に酸化膜を形成し、該酸化膜を形成したＳＯＩウエーハに水銀プローブを接触させて正孔側のＶ _Ｇ −Ｉ _Ｄ 特性を測定することによって、該ＳＯＩウエーハにおけるＳＯＩ層の正孔移動度及び／または埋め込み酸化膜の電荷密度を評価することを特徴とするＳＯＩウエーハの評価方法。
2. 前記ＳＯＩ層表面に形成する酸化膜の厚さを５ｎｍ以下とす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。
3. 前記ＳＯＩ層表面の酸化膜の形成を、ＳＯＩウエーハを熱処理することによって行う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。
4. 前記ＳＯＩウエーハの熱処理を、５０℃以上３５０℃以下の温度で行うことを特徴とする請求項３に記載のＳＯＩウエーハの評価方法。
5. 前記ＳＯＩウエーハの熱処理を、酸素を含む雰囲気中で行うことを特徴とする請求項３または請求項４に記載のＳＯＩウエーハの評価方法。
6. 前記酸素を含む雰囲気を、空気または酸素１００％雰囲気とすることを特徴とする請求項５に記載のＳＯＩウエーハの評価方法。

Images