JP4640203B2

JP4640203B2 - 半導体ウエーハの評価方法

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Publication number: JP4640203B2
Application number: JP2006040641A
Authority: JP
Inventors: 英樹佐藤; 剛大槻
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2006-02-17
Filing date: 2006-02-17
Publication date: 2011-03-02
Anticipated expiration: 2026-02-17
Also published as: JP2007220944A

Description

本発明は、半導体ウェーハの品質評価に関し、特にＭＯＳ構造のゲート酸化膜などに代表されるキャパシタンスのリーク電流特性の評価に関するものである。

半導体ウエーハ、例えばシリコンウエーハ上やＳＯＩウエーハのＢＯＸ膜に作製したＭＯＳ（ＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）キャパシタの酸化膜のリーク電流特性は、半導体ウェーハの品質の１つとして重要である。リーク電流をできるだけ正確に評価することは、例えば絶縁破壊機構の考察においても非常に重要である（特許文献１参照）。したがって、リーク電流を正確に測定する方法が望まれている。

このリーク電流は、欠陥のないものであれば一般的に微小な電流であり、リーク電流を測定するにあたっては、微小電流を正確に測定することのできる精度の高い測定器（以下、テスターとも言う）が必要とされる。
そこで、近年ではテスターの開発も進み、上記リーク電流等の微少電流を高感度、高精度で測定できるように改善および工夫がなされている。

ここで、リーク電流の従来の一般的な測定法について述べると、一定電圧を印加するか、あるいは電圧を段階的に上昇させ、その都度電流値をモニタリングすることで、時間−電流特性、あるいは電圧−電流特性を求めて評価することができる。
しかしながら、上記のような高感度・高精度のテスターを使用して従来方法で測定する場合、リーク電流の値がなかなか安定しないために、測定に長時間を要するという問題があった。

特開２００４−２７３４７７号公報

本発明は、このような問題点を鑑みてなされたもので、精度の良い現行のテスターを用いつつ、安定したリーク電流の測定を短時間で可能とする方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、ＭＯＳキャパシタを用いて半導体ウエーハの電気特性を評価する方法であって、前記半導体ウエーハ上にＭＯＳキャパシタを作製した後、該ＭＯＳキャパシタの酸化膜に電圧を印加して酸化膜に流れるリーク電流を測定するとき、前記リーク電流の測定前に、前記ＭＯＳキャパシタの酸化膜に所定の電荷量を注入することにより充電を行い、その後リーク電流の測定を行うことを特徴とする半導体ウエーハの評価方法を提供する。

このように、半導体ウエーハ上にＭＯＳキャパシタを作製した後、該ＭＯＳキャパシタの酸化膜に電圧を印加して酸化膜に流れるリーク電流を測定するとき、このリーク電流を測定する前に、ＭＯＳキャパシタの酸化膜に所定の電荷量を注入すれば、酸化膜への充電が十分に行われることになる。

そのため、この注入後にリーク電流の測定を行うことにより、キャパシタンスとして働く酸化膜から影響を受けることがないので、微小なリーク電流を安定させることができ、その結果、高い精度でリーク電流を測定し、評価することが可能である。
このとき、リーク電流の測定前に、予め酸化膜への充電を済まし、リーク電流を安定化させるのに必要な時間を節約できる。すなわち測定に要する時間を大幅に削減することができるので、測定効率の向上を図ることができる。
なお、この所定の電荷量とは、上記ＭＯＳキャパシタの酸化膜への充電を十分とするに要する電荷量、あるいはそれ以上の電荷量である。

そして、前記注入する所定の電荷量を、予め前記ＭＯＳキャパシタの酸化膜に電圧を印加し、前記リーク電流を安定させて、安定化するまでに必要な時間を測定し、該安定化までの時間と前記リーク電流の値から、前記所定の電荷量を見積もるのが好ましい。

このように、予めＭＯＳキャパシタの酸化膜に電圧を印加し、リーク電流を安定させて、安定化するまでに必要な時間を測定して、この予備測定から得られたリーク電流の安定化までの時間とリーク電流の値から、充電のためのＭＯＳキャパシタの酸化膜へ注入すべき所定の電荷量を見積もっておけば、確実に酸化膜への必要な充電すべき電荷量を知ることができ、効率良く短時間でリーク電流の安定化を図ることができる。

このとき、前記所定の電荷量を見積もるとき、前記リーク電流の値を測定初期のリーク電流の値とするのが好ましい。
このように、所定の電荷量を見積もるときのリーク電流の値を、値の大きな測定初期のリーク電流値にすることによって、少なくとも、酸化膜への充電を十分なものとするのに必要な電荷量を確実に見積もることが可能である。充電に必要な電荷量よりも小さく見積もってしまうことを防止することができる。

また、前記所定の電荷量の注入は、前記ＭＯＳキャパシタの酸化膜に電圧を印加して酸化膜に流れるリーク電流を測定するときに、テスターの測定レンジを上げることにより行うのが好ましい。

このように、所定の電荷量の注入は、ＭＯＳキャパシタの酸化膜に電圧を印加して酸化膜に流れるリーク電流を測定するときに、テスターの測定レンジを上げることにより行えば、現行の高感度・高精度のテスターを用いつつも、簡便に短時間で酸化膜への充電を行うことができ、効率良くリーク電流を安定化させることが可能である。

このような本発明の半導体ウエーハの評価方法によって、例えば現行の高感度のテスターを用いながら、酸化膜への充電を短時間で行い、リーク電流の測定に影響を与えるキャパシタンスの影響を排除することが可能であり、効率良くリーク電流を安定化させると同時に、精度の高い測定結果を得ることができる。このような正確なデータは製品や製造工程の改善等に役立てることができ有効である。

以下では、本発明の実施の形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
従来ＳＯＩウエーハのＢＯＸ膜やシリコンウエーハ上に作製したＭＯＳキャパシタなどのリーク電流を測定するとき、リーク電流の値が安定するのに長時間かかり、測定効率が低くなってしまうという問題があった。これは、リーク電流の測定において、ＭＯＳキャパシタの酸化膜に電圧を印加させたとき、この酸化膜への充電が行われてしまうことによるものと考えられる。

このリーク電流は、欠陥のないものであれば一般的には微小な電流であるため、リーク電流の測定には高感度・高精度のテスターを使用する。一般に、テスターでは微小電流を測定できるように感度（測定レンジ）が自動的に設定され、そのように微小電流用に自動調節されたレンジでは当然テスターの出力は小さい。そのため、上記の酸化膜への充電には長時間を要してしまう。長い場合では３０分程度掛かることもある。
一方、高出力テスターを使用すれば、キャパシタへの充電効率は良いが、微小なリーク電流を測定するにあたっては、能力的に不足しており、正確に測定することが難しい。

そこで、本発明者らが、リーク電流の測定方法について鋭意研究を行った結果、このリーク電流を測定する前に、あらかじめ上記ＭＯＳキャパシタの酸化膜へ所定の電荷量を注入することによって充電を行ってからリーク電流を測定すれば、酸化膜への充電が十分に行われているため、リーク電流を短時間で安定化させることができることを見出した。このようにして、現行の高精度のテスターを用いながらも、安定したリーク電流を短時間で効率良く、しかも高精度に測定する方法を見出し、本発明を完成させた。

以下、本発明の評価方法について、ＳＯＩウエーハを評価する場合につき図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明に係るＳＯＩウエーハの評価方法における手順の一例を示している。
図１を参照して、本発明の半導体ウエーハの評価方法の全体的な流れについて述べる。まず、予備測定用の半導体ウエーハとしてＳＯＩウエーハを用意し、該ウエーハにＭＯＳ構造を作製する。次に、予備測定として、従来のリーク電流測定のように、ＭＯＳキャパシタの酸化膜に電圧を印加し、リーク電流が安定するまで測定を行う。そして、この測定結果からＭＯＳキャパシタの酸化膜への充電に必要な電荷量を見積もる。この後、ＭＯＳ構造を形成した被測定ウエーハ（評価対象のウエーハであり、本測定でリーク電流を測定するウエーハ）に対して、予備測定の結果から見積もった電荷量を酸化膜へ注入し、その後リーク電流の測定を行う。

以下、上記の各工程について詳述する。
まず、予備測定用の半導体ウエーハとしてＳＯＩウエーハを用意する（工程Ａ）。この予備測定用のウエーハは、当然被測定ウエーハと同様のものとするのが好ましい。これは、以下に述べる予備測定の結果をもとにして、本測定において被測定ウエーハに注入する電荷量を決定するため、条件をそろえて充電に必要な電荷量を一致させるためである。ここで、用意する半導体ウエーハをＳＯＩウエーハとしたが、もちろん通常の鏡面ウエーハ（ＰＷ）やエピタキシャルウエーハ（ＥＰＷ）とすることもできる。

この予備測定用ウエーハ上にＭＯＳキャパシタを作製する。評価対象のウエーハが上記のようにＳＯＩウエーハである場合、まず、水酸化カリウム等によるアルカリエッチングを行ってシリコン活性層（ＳＯＩ層）を除去する。次に純水等によりウエーハの洗浄を行い、この後マスクを通してＡｌを真空蒸着させ、Ａｌ電極を形成してＭＯＳ構造を作製する。
上記のＳＯＩ層のエッチング除去や、エッチング除去後の洗浄に使用する薬液等は特に限定されるものではない。また電極の形成方法等も特に限定されるものではない。リーク電流の測定のため、ＭＯＳ構造を形成することができれば良い。

また、評価対象のウエーハが例えば通常のＰＷであれば、ＣＶＤ法等により酸化膜を半導体ウエーハ上に形成し、上記と同様にして電極を形成してＭＯＳ構造を作製する。
このように、ＭＯＳ構造をその上に形成することができれば良く、ウエーハの大きさや種類等は特に限定されない。

以上のようにしてＭＯＳキャパシタを形成した予備測定用ウエーハに対し、予備測定として、電圧を印加してリーク電流の測定を行う。そして、このリーク電流が安定するまでに要する測定時間を測定する（工程Ｂ）。
図２には、テスターによりリーク電流を測定する場合の一例が示されている。リーク電流測定時、予備測定用ウエーハとして電極１、酸化膜（ＢＯＸ）２を形成したシリコンウエーハ３は、テスター４のステージ５上に載置される。このテスター４はプローブ７を備えており、リーク電流の測定の際、その下端をＭＯＳキャパシタの電極１に接触させることができるように移動自在に支持されている。また、プローブ７は、印加する電圧または電流の大きさを変化させることのできる可変電源６の一端子に接続されており、一方で、電源６の他端子はステージ５に接続され、接地されている。また、プローブ７と可変電源６との間には電流計８が設置されており、さらに測定レンジ調節器９が接続されている。通常、リーク電流のような微小の電流を測定できるよう感度が自動的に設定されるようになっているが、測定レンジ調節器９によって、意図的に測定レンジを変えることもできる。

このようなテスターを用いて以下のような予備測定を行う。まず、予備測定用のシリコンウエーハ３をステージ５の上に載置する。次にプローブ７を電極１に接触させ、可変電源６により電圧を印加し、このときにＭＯＳキャパシタの酸化膜２に流れるリーク電流の値を測定する。
この予備測定においては、少なくともリーク電流が安定するまで測定を行い、その安定化までに要する時間を測定する。

この予備測定において得られる時間−電流特性の一例を図３に示す。図３に示すように、理想状態（安定化した状態：点線）とは大きく異なり、実際のリーク電流の測定値（実線）は時間経過とともに変化して不安定である。上述したように、これはＭＯＳキャパシタの酸化膜への充電による影響の表れであり、酸化膜へ十分充電が行われるまでリーク電流は安定しないものと考えられる。

そこで、まず、この予備測定により得られた図３のような時間−電流特性から、酸化膜への充電を十分なものとするのに必要な電荷量Ｑを見積もる（工程Ｃ）。この電荷量Ｑは、測定されたリーク電流の値Ｉと、リーク電流が安定化するまでに要した測定時間ｔとから見積もることができる。具体的に、図４の電流−時間との関係を示すグラフを参照して説明すると、安定化までの測定時間ｔ_１と、リーク電流の値Ｉとの積（Ｑ＝Ｉ×ｔ_１）により概算して求めることができる。なお、安定したリーク電流の値をＩ_１とする。

このようにして充電に必要な電荷量Ｑを求めるときに採用するリーク電流値Ｉは、予備測定の測定初期のリーク電流の値Ｉ_０とするのが良い。図３、図４から判るように、リーク電流の値は測定初期にピークをむかえ、あとは時間経過とともに減少している。この測定初期の値Ｉ_０を採用することにより、充電に必要な電荷量Ｑを過小評価することなく求めることができ、酸化膜への充電を十分なものとすることができる電荷量を確実に見積もることが可能である。

このように、本測定の際、リーク電流測定前にＭＯＳキャパシタの酸化膜に注入する所定の電荷量として、予め試験を行い、上記酸化膜への充電に要する電荷量Ｑを見積もっておくことにより、確実にかつ効率良く酸化膜への充電を十分なものとすることができる。
なお、酸化膜へ注入する電荷量を見積もる方法は、酸化膜への充電に必要な電荷量を測定・計算等により求めることができる方法であれば良く、上記の方法に限定されない。
また、この注入電荷量の見積もりは必ずしも毎回行う必要はなく、被評価物が同様の条件のものであれば、前に見積もった電荷量を参考にして省略することもできる。例えば酸化膜厚が似たサンプルの場合が挙げられる。シリコンウエーハ面内に多数作製したＭＯＳキャパシタのリーク電流測定を行う場合、まず１箇所のキャパシタにおいて予備測定を行って電荷量を見積もり、他の多数のキャパシタに対してはその電荷量をそれぞれ当てはめれば良い。見積もりを行う頻度はサンプル条件やコスト、測定時間等からその都度適宜決定することができる。

そして、このようにして酸化膜へ注入する電荷量を決定した後、評価対象のウエーハに、その決定された電荷量の注入を行う（工程Ｄ）。
例えば、予備測定に使用したものと同様のテスター４を用い、同様のＭＯＳ構造を形成した被評価ウエーハをステージ５上にセットする。この後、プローブ７をウエーハの電極１に接触させ、電源６により電圧を印加して、リーク電流の測定前に、まず、予備測定の結果から見積もった所定の電荷量を注入することによってＭＯＳキャパシタの酸化膜への充電を行う。

ここでは、この電荷量Ｑの注入方法として、使用するテスターの測定レンジを上げることにより行う。
上述したように、リーク電流は欠陥がなければ微小電流であり、この微小電流を正確に測定できるように、一般的なテスターにおいては測定レンジが自動的に調整されてしまう。このように測定レンジが微小電流用に調整されてしまうと、テスターの出力もまた小さくなり、ＭＯＳキャパシタへの充電に長時間を要してしまう。

そこで例えばテスターの測定レンジを一定時間、例えば数十秒から数ミリ秒の間、意図的に上げて高電流用のレンジにすることによって、テスターの出力を上げ、上記電荷量Ｑを短時間で注入し、ＭＯＳキャパシタへの充電を行う。この測定レンジを上げておく時間は、電荷量Ｑによって調整することができ、適宜決定すれば良い。このような方法によってすばやく充電が完了し、リーク電流が安定するまでの時間を効果的に短くすることができ、リーク電流の評価効率を大幅に向上することができる。しかも現行のテスターを用いつつ、実行するのが容易であり、簡便である。この注入方法は、特には、安定した製品のモニタリング時のように、注入電荷量が殆ど変化しない場合や、注入量が僅かでよい場合に好適である。
なお、この電荷量Ｑの注入方法は、上記のテスターの測定レンジを上げることにより行う方法に限定されるものではなく、短時間で確実にＭＯＳキャパシタへの充電を十分に行うことができれば、測定用のテスターを用いなくとも、他の方法であっても良い。
また、電荷量Ｑを注入する為のレシピをリーク電流測定前に入れても良い。

このようにして、ＭＯＳキャパシタへの充電を行った後、リーク電流の測定を開始する。測定は、テスター４を用い、ステージ５上の被測定ウエーハの電極１にプローブ７を接触させ、電源６から電圧を印加してリーク電流を測定できる。このとき、微小電流を測定するため、電荷量を注入した際に高電流用に上げていた測定レンジを微小電流用のレンジになるよう下げる（工程Ｅ）。
ＭＯＳキャパシタへの充電が十分に行われているため、リーク電流は短時間で安定し、しかも微小な電流値を正確に測定することができる。

このように、本発明の半導体ウエーハの評価方法によって、リーク電流の測定前に、キャパシタンスである酸化膜への充電を行うことにより、リーク電流の測定に影響するキャパシタンスの影響を短時間で排除することができるとともに、安定したリーク電流を効果的に得ることができ、精度高くリーク電流を評価することが可能である。
特に、上記のように予め酸化膜への充電に要する電荷量を見積もるための工程Ａ〜Ｃを実施しておくと、より確実にかつ効率的に充電を行ってリーク電流の評価を行うことができる。

以下に本発明の実施例を挙げて、本発明を詳細に説明するが、これらは本発明を限定するものではない。
（実施例）
本発明の半導体ウエーハの評価方法によって、ＳＯＩウエーハのＢＯＸ膜のリーク電流を測定する。
まず予備測定用の試料として、貼り合せ法により作製されたものであり、直径２００ｍｍ、ＳＯＩ層の厚さがおよそ１００ｎｍ、ＢＯＸ膜の厚さが１５０ｎｍのＳＯＩウエーハを準備した。
このＳＯＩウエーハのＢＯＸ膜のリーク電流を評価するために、ＭＯＳ構造を作製した。まず、ＳＯＩ層を除去する工程としてアルカリエッチングを使用し、水洗及びＲＣＡ洗浄を行った。その後、金属マスクを通じて真空蒸着し、直径０．５ｃｍ（面積：０．２ｃｍ^２）で、およそ１０００ｎｍの厚さのＡｌ電極を形成した。
このＭＯＳ構造を用い、テスター（ケースレー４２００：ケースレー社製）を使用して従来方法のように電圧を印加してリーク電流の測定を行った。

測定の結果、安定化後のリーク電流の値は２×１０^−１２Ａであった。
この予備測定における時間−リーク電流値のグラフを図５に示す。図５が示すように、リーク電流が測定時間の経過とともに変化しており、不安定であることが分かる。このリーク電流が安定するまでに、およそ３０分以上の長時間を要していることが分かる。

この予備測定の結果から、ＭＯＳキャパシタの酸化膜への充電に必要な注入電荷量Ｑを以下の式により見積もった。
Ｑ＝Ｉ×ｔ
Ｑ：電荷量［Ｃ］
ｔ：測定時間［ｓｅｃ］
Ｉ：電流［Ａ］

ここで、図５より、上記式に採用する電流値Ｉを測定初期の値１×１０^−９Ａとし、リーク電流を安定化させるまでに必要な測定時間ｔを１８００ｓｅｃとする。
これらの値を上記式に代入し、注入電荷量Ｑを求めると、
Ｑ＝１×１０^−９×１８００＝１．８×１０^−６［Ｃ］
となる（もちろん、採用する電流値Ｉを平均値としたり、注入電荷量Ｑを積分して求めることもできるが、初期の値を用いることで簡便かつ十分に安定化させる電荷量を求めることができる）。

次に、予備測定に用いたウエーハと同様の被評価ウエーハに対し、リーク電流の測定前に、上記の注入電荷量ＱをＭＯＳキャパシタの酸化膜へ注入して充電を行う。この充電は予備測定に使用した同様のテスターを用い、測定レンジを最大に設定することによって行った。このときの電流値はおよそ５×１０^−７Ａ、測定レンジを最大にしていた時間は約４秒間であり、およそ上記の１．８×１０^−６Ｃと同じ電荷量を注入した。
この後、測定レンジを元に戻して微小電流用のレンジとし、リーク電流の測定を行った。

測定の結果、本発明を実施した実施例では、リーク電流の値は１秒で安定し、３×１０^−１２Ａとなり、従来方法と同じ方法で測定を行ってリーク電流の安定化に３０分の時間を費やした予備測定で得られた結果（２×１０^−１２Ａ）と同等の測定結果を得ることができた。
このように、本発明の半導体ウエーハの評価方法により、高出力のテスターを使用することなく、現行のテスターを用いつつ、ＭＯＳキャパシタの酸化膜への充電を効果的に行い、リーク電流が安定するまでの時間を短縮化することが可能なので、リーク電流の測定にかかる時間を、従来方法による測定時間よりも大幅に短縮することができる。しかも従来方法と同様に、高精度にリーク電流を評価することができる。特に、同様のサンプルを多量に評価する場合に著しく測定効率の向上を図ることができ有効である。

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、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。

本発明の半導体ウエーハの評価方法の一例を示すフロー図である。テスターでリーク電流測定をする場合の概略説明図である。リーク電流が安定するまでの時間−リーク電流の関係を示すグラフである。ＭＯＳキャパシタに注入する電荷量の見積もり方法を説明する概略説明図である。予備測定における測定時間−リーク電流の関係を示すグラフである。

符号の説明

１…電極、２…酸化膜、３…シリコンウエーハ、
４…テスター、５…ステージ、６…可変電源、７…プローブ、
８…電流計、９…測定レンジ調節器。

Claims

ＭＯＳキャパシタを用いて半導体ウエーハの電気特性を評価する方法であって、
前記半導体ウエーハ上にＭＯＳキャパシタを作製した後、該ＭＯＳキャパシタの酸化膜に電圧を印加して酸化膜に流れるリーク電流を測定するとき、
前記リーク電流の測定前に、予め前記ＭＯＳキャパシタの酸化膜に電圧を印加し、前記リーク電流を安定させて、安定化するまでに必要な時間を測定し、該安定化までの時間と前記リーク電流の値から見積もった所定の電荷量を、前記ＭＯＳキャパシタの酸化膜に注入することにより充電を行い、その後リーク電流の測定を行うことを特徴とする半導体ウエーハの評価方法。
前記所定の電荷量を見積もるとき、前記リーク電流の値を測定初期のリーク電流の値とすることを特徴とする請求項１に記載の半導体ウエーハの評価方法。
前記所定の電荷量の注入は、前記ＭＯＳキャパシタの酸化膜に電圧を印加して酸化膜に流れるリーク電流を測定するときに、テスターの測定レンジを上げることにより行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体ウエーハの評価方法。