JP4506181B2 - 半導体ウェーハの評価方法 - Google Patents
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まず、導電型がP又はN型のシリコンウェーハを用意し、該ウェーハ表面を清浄化するために洗浄を行った後、熱酸化膜を成長させて絶縁膜を形成する。その後、導電膜として化学気層成長(CVD)法により多結晶(ポリ)シリコンを堆積して形成する。ここでポリシリコンの抵抗率を低くする為にドーパントを導入して熱処理した後、フォトリソグラフィを行い、ウェット又はドライエッチングにて余分なポリシリコンを除去して電極とする。最後にシリコンウェーハ裏面の酸化膜をエッチングにより除去し、MISキャパシタを形成する。このMISキャパシタはTEG(Test Element Group)として多数配列され、例えばポリシリコン電極を面積8mm2のものとして200mm径ウェーハ上に数百個程度配列される。
尚、絶縁膜がシリコン酸化膜からなる場合、形成されたキャパシタはMetal Oxide Semiconductor(MOS)キャパシタと呼ばれる。
しかしながら、実際のデバイスでは、これより更に薄いゲート酸化膜が用いられているのは周知の通りであり、ウェーハ評価のレベルであっても、実デバイスに近い膜厚での評価要求がある。
また、本発明はシリコンウェーハの評価だけでなく、SOIウェーハのSOI層の電気特性評価のようにMESA構造が必要な場合にも応用でき、少なくともエッジ部(ゲート電極とゲート絶縁膜の側面外周部)を酸化処理することでリーク電流を低減させて測定をすることが可能となる。
図1は、本発明に係る半導体ウェーハの評価方法の例を示す図である。
本発明に係る半導体ウェーハの評価方法は、半導体ウェーハ1表面にゲート絶縁膜2および導電膜がパターニングされてなる電極3が順次形成され、電極3及びゲート絶縁膜2の側面を含む外表面に絶縁保護膜4が被覆形成されてMISキャパシタを構成した評価用ウェーハを用いている。
また、半導体ウェーハ1の評価は、測定された電圧−電流特性に基づいて行われるものであり、本発明では例えば半導体単結晶中の結晶欠陥や重金属汚染による影響を感度よく検出することができる。
図2は、本発明の評価用ウェーハの製造工程を示す図である。
(s1)半導体ウェーハ1として導電型がP又はN型のシリコンウェーハを用意し、該ウェーハ1表面を清浄化するために洗浄を行い、1.5%の希HFにより洗浄で形成された酸化膜を除去する(図1(a))。
(s2)酸化膜が除去されたウェーハ1上に熱酸化膜を成長させてゲート絶縁膜2として酸化膜2a,2bを形成する(図1(b))。この時形成される酸化膜の厚みは10nm以下が好ましい。
(s3)その後、電極3となる導電膜として、CVD法によりポリシリコンを堆積してポリシリコン膜3a,3bを形成する(図1(c))。ここでポリシリコンの抵抗率を低くする為にドーパントとして、例えばPOCl3によりポリシリコン中に燐を導入して熱処理する。
ポリシリコンのエッチング後、パターン化しているフォトレジストは、レジスト除去液やアッシング装置等を利用して除去される。
(s6)最後に、工程(s4)でポリシリコンのエッチングをウェットで行った場合は、裏面のポリシリコン膜3bも同時にエッチングされるが、ドライでエッチングを行った場合は裏面に残っているので、表面にレジスト等のコーティングを行い、HF・硝酸系の混酸によりポリシリコン膜3bを除去する。その後、酸化膜2bを例えばHF蒸気によりエッチング除去して、多数のMOSキャパシタが形成された評価用ウェーハを得る(図2(f))。
(実施例1)
CZ法により作製された直径200mm、厚み650μm、ボロンをドープした伝導型がP型で約10Ωcm、結晶方位が(100)のシリコンウェーハを試料として用い、図2に示した方法でMOSキャパシタを形成した。
すなわち、シリコンウェーハにアンモニア過水溶液のSC1洗浄及び塩酸過水溶液のSC2洗浄を行い、1.5%の希HFにより洗浄で形成された酸化膜を除去した後、900℃の乾燥雰囲気中で4nmのゲート酸化を行い、CVD法によりリンをドープしたポリシリコンを堆積して電極とした。この時のポリシリコン厚さはおよそ300nm、リンドープ量は、シート抵抗にして25Ω/□程度となるようにした。さらに、フォトリソ工程を行いMOSキャパシタをウェーハ面内に多数作製した。フォトリソ後の、ポリシリコンのエッチングには、下地となるゲート酸化膜との選択比を向上させるために、マイクロ波を用いた等方性プラズマエッチング装置を使用し、このときのガスはCF4/O2としてエッチングを行った。
最後に裏面についているポリシリコンおよびシリコン酸化膜を除去するために、表面にレジストを塗布し、ポリシリコン膜の除去にはHF・硝酸系の混酸溶液を用い、シリコン酸化膜の除去には希HF溶液を用いて順次ウェットエッチングにより裏面処理を行った。最後に表面のレジスト膜をレジスト剥離液を用いて除去して、図1に示す構成のMOSキャパシタが形成されたシリコンウェーハを得た。
比較例において、絶縁保護膜を形成しないことを除いては実施例と同じ条件でMOSキャパシタを形成し、電気特性を測定した。
従来の絶縁保護膜を形成しないMOSキャパシタの断面構造図を図4に示す。ゲート酸化膜2が4nmと非常に薄いので、ポリシリコン膜をエッチングする際にゲート酸化膜2の側面周辺部分が露出し、下地のシリコンウェーハ3の表面も露出していた。
この時の電圧−電流特性を図5に示す。特にゲート酸化膜の側面周辺部分が露出した状態なので、10-6Amp.を超えて不要な電流増加がみられた。
実施例1と比べて結晶欠陥が多くなるようにCZ法により作製されたシリコンウェーハ(以下、CZ−PW)、及びCZ−PW上に汚染された化学気相成長炉を用いて20μmのエピタキシャル層(導伝型:P、抵抗:10Ωcm)を成長させたウェーハ(以下、EPW)を準備して、それぞれのウェーハについて実施例1の条件でMOSキャパシタを形成した。なお、ゲート面積は8mm2とした。
ついで、それぞれのウェーハについてMOSキャパシタ100個ずつの電気特性を実施例1の条件で測定した。
また、重金属汚染のあるEPWの電圧−電流特性では、図8に示す様に電流が徐々に増加して破壊するもの(I−V特性異常)が多発することが確認された。
これらの電圧−電流特性から明らかな様に、汚染された場合の特性では、10-10〜10-8Amp.あたりに電流増加が見られる。従来のMOSキャパシタではこのような低電流領域での識別が不能であるが、本発明のMOSキャパシタを形成して評価することにより正確で精度の高い評価が可能となる。
1a,1b ポリシリコン膜
2 ゲート酸化膜
2a,2b 酸化膜
3 シリコンウェーハ
4 絶縁保護膜
5 電気特性測定用プローブ
6 LBIC評価用プローブ
7 周辺リーク箇所
Claims (2)
- 半導体ウェーハの表面上に絶縁膜と導電膜を順次形成したMISキャパシタの電気特性を測定することにより半導体ウェーハの評価を行う半導体ウェーハの評価方法において、
シリコン単結晶からなる半導体ウェーハ表面にシリコン酸化膜からなる絶縁膜を形成した後、導電膜を形成し、該導電膜をパターニングして電極とし、次いで前記電極及び前記絶縁膜の側面を含む外表面に、熱酸化法またはCVD法により、シリコン酸化膜からなる絶縁保護膜を被覆してMISキャパシタを構成したものを用い、該MISキャパシタの電極表面上の前記絶縁保護膜に電気特性測定用プローブを接触させた時に、該接触部における前記絶縁保護膜の絶縁性が破壊されることを利用して前記半導体ウェーハと電極間に電圧を印加し、そのとき得られる前記MISキャパシタの絶縁破壊特性から前記半導体ウェーハに存在する欠陥の評価を行うことを特徴とする半導体ウェーハの評価方法。 - 前記絶縁保護膜の厚さが1nm以上、5nm以下であることを特徴とする請求項1に記載の半導体ウェーハの評価方法。
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