JP4525024B2

JP4525024B2 - Ｓｏｉウエーハの評価方法

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Publication number: JP4525024B2
Application number: JP2003288418A
Authority: JP
Inventors: 剛大槻
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2003-08-07
Filing date: 2003-08-07
Publication date: 2010-08-18
Anticipated expiration: 2023-08-07
Also published as: JP2005057153A

Description

本発明は、絶縁層又は絶縁体上にシリコン層が形成された、いわゆるＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）ウエーハを評価するための評価方法に関するものであり、特に、絶縁層又は絶縁体上に形成されたシリコン層の品質を評価する評価方法に関するものである。

近年、システムの高速化・高集積化や携帯端末の発展に伴い、半導体デバイスには高速かつ低消費電力のものがより一層求められている。このような中で、ＳＯＩウエーハは、ＳＯＩ構造を有さないバルクウエーハ用デバイスプロセスの既設の設備や工程等を大きく変更することなくデバイスの作製を行なうことができることから、デバイスの高速化・低消費電力化が容易に可能になるとして注目されている。

また、ＳＯＩ構造が形成されてないシリコンウエーハ（バルクウエーハ）の品質を評価する方法として、ＧＯＩ（ＧａｔｅＯｘｉｄｅＩｎｔｅｇｒｉｔｙ）法が非常に有効であり、一般的に広く用いられている。このＧＯＩ法による評価方法は、例えば図７に示すように、評価対象となるシリコンウエーハ１１を酸化して酸化膜１２（ゲート酸化膜）を形成し、この酸化膜１２に金属電極１３（または、多結晶シリコン電極）を形成してＭＯＳ（ＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）構造を作製する。

続いて、このように作製したＭＯＳキャパシタに対して、シリコンウエーハ１１が蓄積側となるように金属電極１３に電圧を印加して、金属電極１３から酸化膜１２に電気ストレスを加える。例えばシリコンウエーハ１１がＰ型である場合は、金属電極１３に負電圧を印加することによってシリコンウエーハ１１が蓄積側となる。そして、金属電極１３から酸化膜１２に印加する電気ストレスを大きくしていき、ゲート酸化膜１２の絶縁破壊挙動を測定することによってシリコンウエーハ１１の品質を評価することができる。

例えば、シリコンウエーハにＣＯＰ（ＣｒｙｓｔａｌＯｒｉｇｉｎａｔｅｄＰａｒｔｉｃｌｅｓ）のような結晶欠陥や不純物等が存在してなければ、上記の評価においてゲート酸化膜の絶縁破壊は酸化膜そのものがもつ真性破壊挙動を示す。しかし、シリコンウエーハに欠陥等が存在していると、欠陥の存在により本来の絶縁膜としての絶縁性が劣化するので、ゲート酸化膜の絶縁破壊挙動を測定した際に酸化膜破壊電界強度が低下してしまう。

一方、上記ＧＯＩ法によりＳＯＩウエーハを評価する場合では、例えば図８に示すようにＳＯＩウエーハ１９には支持基板１８とシリコン層１６との間に絶縁体である埋め込み酸化膜１７が存在しているために、ウエーハ裏面からの電気コンタクトを取ることができない。そのため、ウエーハ表面側に電気コンタクトを取るためのグラウンドを別途に形成しなければならない。したがって、ＳＯＩウエーハの評価を行なう際は、図８に示すように、シリコン層１６の表面にゲート酸化膜１２及びゲート電極１３の他にウエーハ表面側で電気コンタクト可能にするための金属配線１４及びこれらの金属配線同士を絶縁する分離酸化膜１５を形成することが必要となる。このような構造を有するウエーハ評価用の素子は、例えば特許文献１や非特許文献１等で報告されている。

しかしながら、このようなＳＯＩウエーハの評価では、ＳＯＩウエーハのシリコン層表面に形成する素子の構造が、図７に示すバルクウエーハを評価する場合と比較して非常に複雑なものとなる。そのため、ＳＯＩウエーハを評価する場合には、図８のようなウエーハ評価用の素子を形成するための多くの複雑な工程が必要となり、評価に要する時間が非常に長くなるという問題があった。しかも、複雑な構造ゆえに、測定精度も低く、バラツキも大きいという問題も生じる。

また、ＳＯＩウエーハの評価を行なうための設備に関しても、バルクウエーハの評価に必要な装置以外に、分離酸化膜を形成するためのＣＶＤ酸化膜用設備や金属配線技術等が必要とされるのでコスト面での負担が大きく、より簡便にＳＯＩウエーハを評価できる評価方法の開発が望まれている。

特開２００２−３５９３６２号公報ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．ＯｎＥｌｅｃｔｒｏｎＤｅｖ．，４８（２），３０７（２００１）

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、ＳＯＩウエーハの評価を行なう際にウエーハ表面に分離酸化膜や金属配線等を形成せずに、ＳＯＩウエーハの品質を簡便にかつ短時間で評価することのできるＳＯＩウエーハの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、絶縁層又は絶縁体上にシリコン層が形成されたＳＯＩウエーハを評価する評価方法において、先ず前記シリコン層を酸化してゲート酸化膜を形成し、該ゲート酸化膜上に少なくとも３つの電極を形成した後、該形成した電極のうちの隣接する２つの電極間に電気ストレスを印加して該２つの電極の下の領域内にあるゲート酸化膜を絶縁破壊し、次に該隣接する２つの電極のうちの少なくとも１つから前記ＳＯＩウエーハの裏面に電気ストレスを印加して前記ＳＯＩウエーハの絶縁層又は絶縁体を絶縁破壊し、その後前記隣接する２つの電極以外の電極から前記ＳＯＩウエーハの裏面に電気ストレスを印加して該電極の下の領域内にあるゲート酸化膜の電気特性を測定することによって、ＳＯＩウエーハの評価を行な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（請求項１）。

このようにしてＳＯＩウエーハの評価を行なうことによって、ＳＯＩウエーハの表面に形成するゲート酸化膜及び電極の構造を非常に簡単なものにすることができるので、従来のような分離酸化膜や金属配線を形成する工程を省略して評価工程を簡略化し、ＳＯＩウエーハの評価を簡便にかつ短時間で行なうことができる。また、簡単な構造で測定できるので、測定精度も向上する。

この場合、前記ＳＯＩウエーハの絶縁層又は絶縁体を絶縁破壊する際に、該絶縁層又は絶縁体の電気特性を測定することが好ましい（請求項２）。
このようにＳＯＩウエーハの絶縁層又は絶縁体を絶縁破壊する際に、該絶縁層又は絶縁体の電気特性を測定することによって、ＳＯＩウエーハの絶縁層又は絶縁体の品質も同時に評価することができるようになり、ＳＯＩウエーハの品質評価をより詳細に行なうことが可能となる。

このとき、前記測定する電気特性として、酸化膜耐圧を測定することが好ましい（請求項３）。
例えば、上記のシリコン層に形成したゲート酸化膜の電気特性として酸化膜耐圧を測定することにより、ＳＯＩウエーハのＧＯＩ評価を行なうことができる。また、ＳＯＩウエーハの絶縁層又は絶縁体の酸化膜耐圧を測定することにより、それらの信頼性等を合わせて評価することもできる。

本発明のＳＯＩウエーハの評価方法によれば、ＳＯＩウエーハのシリコン層表面にゲート酸化膜及び電極を簡単な構造で形成してＳＯＩウエーハの評価を行うことができるようになるので、ＳＯＩウエーハの評価工程が簡略化し、ＳＯＩウエーハの品質を簡便にかつ短時間で評価することができる。

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。
本発明者は、ＳＯＩウエーハのシリコン層表面に酸化膜及び電極を簡単な構造で形成してＳＯＩウエーハの品質を評価できる方法について鋭意実験及び検討を重ねた。その結果、ＳＯＩウエーハのシリコン層表面にゲート酸化膜と少なくとも３つの電極とを形成すれば、その形成した電極のうちの隣接する２つの電極を利用して、先ずそれら２つの電極の下の領域内にあるゲート酸化膜、次にＳＯＩウエーハの絶縁層（または絶縁体）を順番に絶縁破壊し、その後これらの隣接する２つの電極以外の電極からＳＯＩウエーハの裏面に電気ストレスを印加することによって、その電極の下の領域内にあるゲート酸化膜の電気特性を測定してＳＯＩウエーハの品質を評価することができることを見出して、本発明を完成させた。

ここで、本発明による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が、本発明はこれに限定されるものではない。図１に本発明のＳＯＩウエーハの評価方法の一例を示すフロー図を示し、図２〜図５に本発明のＳＯＩウエーハの評価方法を順番に概略的に説明する概略説明図を示す。

（ＳＯＩウエーハの準備：図１Ａ）
最初に、評価対象となるＳＯＩウエーハを準備する。本発明で評価の対象となるＳＯＩウエーハは、例えば図２に示したように支持基板８の上に絶縁層となる埋め込み酸化膜７とシリコン層６とが形成されたＳＯＩウエーハ１０や、絶縁基板等の絶縁体上にシリコン層が形成されたＳＯＩウエーハ等であり、ＳＯＩ構造を有しているものであれば特に限定されるものではない。

（ゲート酸化膜及び電極の形成：図１Ｂ）
次に、この評価対象となるＳＯＩウエーハ１０のシリコン層６を酸化してゲート酸化膜２を形成し、このゲート酸化膜２の上に少なくとも３つの電極１（ゲート電極ともいう）を形成する。このとき、ゲート酸化膜２及び電極１の形成方法は特に限定されず、例えばゲート酸化膜２は、ＳＯＩウエーハ１０に熱酸化処理を施すことによって容易に形成することができる。

また、ゲート酸化膜２上に電極１を形成する方法としては、例えばＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等により多結晶シリコン層を堆積した後、リン等の不純物を熱拡散法またはイオン注入法を用いて多結晶シリコン層中にドープして、抵抗率の低い多結晶シリコン層を形成する。尚、多結晶シリコン層の堆積時に、同時に不純物もドープするＤｏｐｅｄＰｏｌｙ−Ｓｉ法を用いて低抵抗率の多結晶シリコン層を形成することもできる。

その後、上記のように形成した多結晶シリコン層に、例えばレジスト塗布、露光、現像という一連のフォトリソグラフィ工程を施した後エッチングを行なうことによって、ゲート酸化膜２上に多結晶シリコンの電極１を形成することができる。このとき、ゲート酸化膜２上に少なくとも３つの電極１を形成すれば良く、その構造（パターン）は任意であるが、基板寄生抵抗等を考慮すると、例えば図２に示すように３つの電極を３重の構造で配置することが好ましい。尚、図２に示したように、電極１のうち内側に形成した電極から順番に電極１ａ、電極１ｂ、電極１ｃとする。

（ゲート酸化膜の絶縁破壊：図１Ｃ）
上記のようにしてゲート酸化膜２上に少なくとも３つの電極１ａ〜１ｃを形成した後、これらの形成した電極のうちの隣接する２つの電極間に電気ストレスを印加して、これら２つの電極の下の領域内にあるゲート酸化膜を絶縁破壊する。例えば図３に示すように、３つの電極１ａ〜１ｃのうち最外周に位置する電極１ｃをグラウンドに接続しておき、中間部に位置する電極１ｂから電極１ｃに一定の電圧または電流を印加して電気ストレスを加えることにより、両電極の下の領域にあるゲート酸化膜を絶縁破壊して電流パスを形成することができる。

このとき、例えばシリコン層がＰ型であれば、電極１ｂから負電圧を印加すれば良い。また、ゲート酸化膜２は通常厚さが２５ｎｍ程度の薄いものであるため、４０Ｖ程度の電圧を印加することによって、電極１ｂ、１ｃの下の領域内にあるゲート酸化膜を容易に絶縁破壊することができる。また、以下で説明するようにゲート酸化膜の電気特性を測定する際に中心部に位置する電極１ａから電気ストレスを印加するために、上記のように最外周に位置する電極１ｃをグラウンドに接続した方が良い。

（ＳＯＩウエーハの絶縁層の絶縁破壊：図１Ｄ）
次に、上記のゲート酸化膜の絶縁破壊に用いた隣接する２つの電極１ｂ、１ｃのうちの少なくとも１つからＳＯＩウエーハ１０の裏面に電気ストレスを印加してＳＯＩウエーハ１０の埋め込み酸化膜７を絶縁破壊する。例えば図４に示すように、ＳＯＩウエーハ１０の裏面をグラウンドに接続しておき、電極１ｂおよび電極１ｃから、上記で絶縁破壊したゲート酸化膜を通じて埋め込み酸化膜７に電気ストレスを印加することによって、埋め込み酸化膜７を絶縁破壊することができる。尚、電気ストレスの印加は、図４のように電極１ｂ、１ｃの両方から行なわずに、電極１ｂまたは電極１ｃのいずれか一方から行なっても良い。このとき、例えばシリコン層がＰ型であれば、電極から負電圧を印加すれば良い。

また、このように埋め込み酸化膜７を絶縁破壊する際に、テスタ等を用いて埋め込み酸化膜７の電気特性を測定することが好ましい。例えば、埋め込み酸化膜７を絶縁破壊する際に、埋め込み酸化膜の電流−電圧特性を測定して酸化膜耐圧を調べることによって、埋め込み酸化膜の信頼性を評価することが可能となり、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。

（ゲート酸化膜の電気特性の測定：図１Ｅ）
そして、上記のようにしてＳＯＩウエーハ１０の埋め込み酸化膜７を絶縁破壊した後、上記で用いた電極１ｂ、１ｃ以外の中心部に位置する電極１ａからＳＯＩウエーハの裏面に電気ストレスを印加して、この電極１ａの下の領域内にあるゲート酸化膜の電気特性を測定する。

すなわち、前記の工程で埋め込み酸化膜７を絶縁破壊したことにより埋め込み酸化膜７に電流パスが確保されているので、例えば図５に示すように、ＳＯＩウエーハ１０の裏面をグラウンドに接続しておき、プローバに接続したテスタ等を用いて電極１ａから電気ストレスを印加することによって、電極１ａの下の領域内にある絶縁破壊してないゲート酸化膜の酸化膜耐圧等の電気特性を容易に測定することができる。そして、このように測定したゲート酸化膜の絶縁破壊電界強度等からＳＯＩウエーハの品質を詳細に評価することができる。このとき、例えばシリコン層がＰ型であれば、電極１ａからシリコン層６の表面側が蓄積側となるように負電圧を印加することによって、ゲート酸化膜の酸化膜耐圧等を安定して測定することができる。

以上のようにしてＳＯＩウエーハの評価を行なうことによって、ウエーハの裏面と電気コンタクトを取ることができるようになるので、従来のようにＳＯＩウエーハの表面に分離酸化膜や金属配線等を形成する必要がなく、ＳＯＩウエーハの評価工程を簡略化することができる。したがって、ＳＯＩウエーハにおけるシリコン層の品質、さらに埋め込み酸化膜の品質等を非常に簡便にかつ短時間で評価することができるとともに、測定精度も高い。

以下、実施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。
電気特性評価用試料として、直径２００ｍｍ、導電型としてはボロンをドープしたＰ型のシリコンウエーハを用いて作製したＳＯＩウエーハを準備した。このときのＳＯＩウエーハにおけるシリコン層の厚さは１４５ｎｍであり、埋め込み酸化膜の厚さは１４５ｎｍであった。

次に、このＳＯＩウエーハに９００℃の乾燥酸素雰囲気中でおよそ１００分間の熱酸化処理を行って２５ｎｍのゲート酸化膜を形成し、このゲート酸化膜上にＣＶＤ法によりリンをドープした多結晶シリコンを堆積した。このとき、多結晶シリコンをおよそ３００ｎｍの厚さで堆積し、またそのシート抵抗値が２５Ω／□程度となるようにした。

続いて、この多結晶シリコン層にフォトリソグラフィを行なった後、フッ硝酸を用いてウエットエッチングを行ない、ゲート酸化膜上に３つの電極を図２に示すように３重の構造で形成した。その後、ＳＯＩウエーハの裏面に形成されている酸化膜を除去するために、ＳＯＩウエーハの表面側のゲート酸化膜および電極にレジストを塗布して保護し、ウエーハ裏面に希ＨＦ水溶液のウエットエッチングによる裏面処理を行った。

その後、フルオートプローバに接続したテスタを用いて、図３に示すように中間部に位置する電極１ｂから最外周に位置する電極１ｃに電流を印加して両電極の下の領域にあるゲート酸化膜を絶縁破壊した。このとき、テスタとしてプローバ及び配線にノイズ対策を施したものを使用した。また、電極１ｂから印加した電流密度は０．１Ａ／ｃｍ^２であり、また電極１ｂの電極面積は４ｍｍ^２であった。

次に、図４に示すように、電極１ｂ及び電極１ｃからＳＯＩウエーハの裏面に電圧を印加して埋め込み酸化膜７を絶縁破壊した。このときの電圧の印加条件は、電圧を０Ｖから０．１ＭＶ／ｃｍのステップ電圧高さ（埋め込み酸化膜厚１４５ｎｍの場合では、１．４５Ｖに相当）でステップ状に徐々に上昇させるようにし、また電圧ステップ上昇後のステップ維持時間を２００ｍ秒に設定して電流のモニタリングを行った。この条件で電圧を最大１５０Ｖ程度まで印加し、およそ１２０Ｖ（８．２ＭＶ／ｃｍ）で埋め込み酸化膜がブレイクダウンしたことが確認できた。

その後、図５に示すように、電極１ａからＳＯＩウエーハの裏面に電圧を印加して、電極１ａの下の領域内にあるゲート酸化膜の電気特性を測定した。このときの電圧の印加条件は、電圧を０Ｖから０．２５ＭＶ／ｃｍのステップ電圧高さ（ゲート酸化膜厚２５ｎｍの場合では、０．６２５Ｖに相当）でステップ状に徐々に上昇させるようにし、また各ステップでの電圧ステップ上昇後のステップ維持時間を２００ｍ秒、アベレージング時間を２０ｍ秒に設定して電流のモニタリングを行った。その測定結果を図６に示す。

このように、本発明によれば、従来のような分離酸化膜や金属配線を形成せずにゲート酸化膜の絶縁破壊挙動を図６に示したように測定することができ、簡便かつ高精度でＳＯＩウエーハの評価を行なうことができた。

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。

例えば、上記では、支持基板とシリコン層との間に絶縁層となる埋め込み酸化膜が形成されているＳＯＩウエーハを評価する場合を例に挙げて説明を行なっているが、本発明はこれに限定されず、前述のように、絶縁基板等の絶縁体上にシリコン層が形成されたＳＯＩウエーハを評価する場合にも同様に適用することができる。

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におけるゲート酸化膜及び電極の形成を概略的に説明する概略説明図である。本発明のＳＯＩウエーハの評価方法におけるゲート酸化膜の絶縁破壊を概略的に説明する概略説明図である。本発明のＳＯＩウエーハの評価方法におけるＳＯＩウエーハの絶縁層の絶縁破壊を概略的に説明する概略説明図である。本発明のＳＯＩウエーハの評価方法におけるゲート酸化膜の電気特性の測定を概略的に説明する概略説明図である。実施例においてゲート酸化膜の絶縁破壊挙動を測定した結果を示す図である。従来のバルクウエーハの評価方法を概略的に示す概略説明図である。従来のＳＯＩウエーハの評価方法を概略的に示す概略説明図である。

符号の説明

１（１ａ，１ｂ，１ｃ）…電極、２…ゲート酸化膜、
６…シリコン層、７…埋め込み酸化膜、８…支持基板、
１０…ＳＯＩウエーハ、１１…シリコンウエーハ、
１２…酸化膜（ゲート酸化膜）、
１３…金属電極（ゲート電極）、１４…金属配線、
１５…分離酸化膜、１６…シリコン層、
１７…埋め込み酸化膜、１８…支持基板、１９…ＳＯＩウエーハ。

Claims

絶縁層又は絶縁体上にシリコン層が形成されたＳＯＩウエーハを評価する評価方法において、先ず前記シリコン層を酸化してゲート酸化膜を形成し、該ゲート酸化膜上に少なくとも３つの電極を形成した後、該形成した電極のうちの隣接する２つの電極間に電気ストレスを印加して該２つの電極の下の領域内にあるゲート酸化膜を絶縁破壊し、次に該隣接する２つの電極のうちの少なくとも１つから前記ＳＯＩウエーハの裏面に電気ストレスを印加して前記ＳＯＩウエーハの絶縁層又は絶縁体を絶縁破壊し、その後前記隣接する２つの電極以外の電極から前記ＳＯＩウエーハの裏面に電気ストレスを印加して該電極の下の領域内にあるゲート酸化膜の電気特性を測定することによって、ＳＯＩウエーハの評価を行なうことを特徴とするＳＯＩウエーハの評価方法。
前記ＳＯＩウエーハの絶縁層又は絶縁体を絶縁破壊する際に、該絶縁層又は絶縁体の電気特性を測定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。
前記測定する電気特性として、酸化膜耐圧を測定する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。