JP5450138B2

JP5450138B2 - イオン注入角度をモニタするウェハ及びそれを用いたモニタリング方法

Info

Publication number: JP5450138B2
Application number: JP2010023694A
Authority: JP
Inventors: 洋樹丹野; 哲男織田; 勝久山口
Original assignee: 株式会社日立パワーデバイス
Priority date: 2010-02-05
Filing date: 2010-02-05
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2030-02-05
Also published as: JP2011165722A

Description

本発明は、イオン注入角度をモニタするウェハ及びそれを用いたモニタリング方法に関するものである。

現在、半導体の微細化により、ＭＯＳトランジスタにおける高電界状態のチャネル内で生成されるホットキャリアのゲート酸化膜内への注入による特性劣化を防ぐためのＬＤＤ（Lightly Doped Drain：低濃度ドレイン）構造や、次世代ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートパイポーラトランジスタ）の高耐圧化のためのバッファ層形成において、イオン角度注入やチャネリングによるイオン注入が利用されている。

上記のようなイオン角度注入を行う場合、イオン注入角度は非常に重要なパラメータである。例えばＩＧＢＴバッファ層で使用されるチャネリング（イオン注入角度０°）によるイオン注入では、数度傾くと不純物が深くまで打ち込まれない可能性がある。微細ＭＯＳトランジスタのチャネル部のように浅く打ち込みたい場合は角度を付けるが、イオン注入角度が小さくなると不純物が深く打ち込まれてしまう可能性がある。

この注入角度のズレにより不純物量が変化し、例えば耐圧低下や閾値変動などの特性変動を生じてしまう。また、微細プロセスにおける熱処理の低温化や処理時間の短縮のため、あえてシャドーイングを利用するため、イオン注入角度を大きく取ることもある。

従って、イオン注入工程において注入角度をモニタすることにより、角度のズレの認識や調整を実施でき、不純物量変化による上記のような特性変動を極力回避でき、製品の信頼性を増すことができる。

下記特許文献１には、イオン注入工程のモニタリング方法の一例が記載されている。図１２は、特許文献１に示されたモニタリング方法を説明するためのテストパターン図である。

図１２に示されるテストパターン９１は、ウェハ上に作られたパターンで、酸化膜とイオン注入領域表面が交互に表われているライン＆スペース形状となっている。また、図のライン間距離ｄ９を変更した様々なパターンを１枚のウェハ上に作成することができる構成となっている。

図１２のように構成されるテストチップに対しイオン注入した場合、その注入角度によってテストチップに注入される不純物量は変化する。例えば、イオン注入角度がテストチップ表面に対し直角（０°）に近くなれば注入される不純物量は増加し、熱伝導度と電気抵抗値は低下する。逆にテストチップ表面に対し水平方向に傾けば注入される不純物量は減少し、熱伝導度と電気抵抗値は増加する。

このようにイオン注入した際の熱伝導度と電気抵抗値をモニタリングすることにより、イオン注入角度のモニタリングを行うことができる。

特開２００８−１４７４０２号公報

上記特許文献１に記載された方法によれば、イオン注入角度のモニタリングができるため、設定されたイオン注入角度から逸脱した場合でもその旨を認識し、迅速に注入角度を再調整することで不良製品の製造割合を減らし、製品信頼性を保つことができる。

しかし、上記特許文献１に記載された方法によれば、電気抵抗値を測定するために酸化膜除去を行い、その後アニールを実施する必要があるため、ある程度の時間を要する。また、その際、アニール炉に何らかの故障があった場合、電気抵抗値の信頼性が著しく低下する。

時間短縮の方法としてＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing：急速熱処理）を利用しても、不純物量が多い場合は不純物がすべて活性化しない可能性があり、こちらも電気抵抗値の信頼性が低下する可能性がある。さらに同機種で別注入角度に変更したい場合、事前に何度もテストを実施し、データ実績を積む必要がある。

本発明は上記の問題点に鑑み、電気抵抗値などの数値データのみに囚われず、短時間かつ視覚的にイオン注入角度をモニタリングするウェハとそれを用いたモニタリング方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明であるモニタリングウェハは、イオン注入工程でのイオン注入角度をモニタリングするためのものであり、ウェハ表面に複数のイオン注入角度に対応したトレンチ（溝）を複数パターン形成することを特徴とする。

また上記トレンチ構造において、そのトレンチ幅または深さはモニタリングしようとするイオン注入角度によって決定されることを特徴とする。

モニタリング方法としては、ある角度からイオン注入したウェハを選択エッチングし、トレンチ底部または側壁部を観察することでイオン注入角度を視覚的に評価することを特徴とする。このとき、不純物の活性化は不要なのでアニールは必要ない。

さらにエッチング寸法を蓄積・比較すれば、より正確に条件の変化を比較・判断することができることを特徴とする。

ウェハ内に複数のイオン注入角度に対するトレンチが存在する場合、装置側で設定した角度で注入されたイオンは、その設定角度に対応したトレンチ側壁全体と設定角度以上に対応するトレンチ底部に到達するが、イオン注入角度が設定角度を超えていた場合、イオンは設定角度に対応したトレンチ底部には到達できず、側壁の一部にイオンが打ち込まれる。この場合、側壁部に打ち込まれたイオン注入領域からイオン注入角度を求めることができる。また、注入角度が設定角度よりも小さい場合は、設定角度に対応したトレンチ底部には到達し、トレンチ底部に打ち込まれたイオン注入領域からイオン注入角度を求めることができる。

即ち、イオン注入角度が変化した場合、角度が大きくなれば設定角度に対応するトレンチ側壁部の一部にのみイオン注入の痕跡が観察でき、その設定角度以上に対応したトレンチ底部で痕跡が観察できる可能性がある。注入角度が小さくなった場合は設定角度に対応するトレンチ底部に注入された痕跡が観察でき、その設定角度以下に対応したトレンチ底部の端にイオン注入の痕跡が観察できる可能性があることになる。

本発明の構成によれば、複数のイオン注入角度に対するトレンチをウェハ表面に形成することにより、短時間かつ視覚的なモニタリングによって、イオン注入角度の異常状態を認識することが可能となる。

本発明に係るモニタリング用ウェハの概略平面図。トレンチ深さ一定のモニタリング用ウェハに対し角度注入する場合の概略を示す図。トレンチ幅一定のモニタリング用ウェハに対し角度注入する場合の概略を示す図。幅可変のトレンチに異なる注入角度からイオン注入した場合の例１を示す図。幅可変のトレンチに異なる注入角度からイオン注入した場合の例２を示す図。幅可変のトレンチに異なる注入角度からイオン注入した場合の例３を示す図。幅可変のトレンチに異なる注入角度からイオン注入した場合の例４を示す図。深さ可変のトレンチに異なる注入角度からイオン注入した場合の例１を示す図。深さ可変のトレンチに異なる注入角度からイオン注入した場合の例２を示す図。深さ可変のトレンチに異なる注入角度からイオン注入した場合の例３を示す図。深さ可変のトレンチに異なる注入角度からイオン注入した場合の例４を示す図。従来のモニタリング方法で用いられるテストパターンを示す概略平面図。

以下、本発明によるモニタリングウェハ及びそれを用いたモニタリング方法（以下、本発明方法）の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明方法で用いられるウェハの概略平面図となっている。ウェハ１は、イオン注入角度のモニタリングに用いられるトレンチ構造（以下、トレンチという）を有した構成となっている。ウェハ１は、複数のトレンチ２のみが形成されたイオン注入角度モニタリング用ウェハとしても、他工程のモニタリング，テスト用途としての複数チップも備えられた総合的なモニタリング・テスト用ウェハとしても構わない。トレンチ２は様々な角度で配置されており、これは、イオン注入時の種々のスキャン方式に対応するためである。

図２及び図３は、ウェハ１上に構成された複数のトレンチ２の断面概略図である。該図に示してある通り、図２における各トレンチ構造では幅が異なり、深さが一定となっている（ここでは、ｗ１＜ｗ２＜ｗ３とする）。これは、複数のイオン注入角度に対してモニタできるようにしたものである。モニタリングしたいイオン注入角度θを決定すると、トレンチ幅ｗと深さｔの比が次式で決定される。

図２に示されているように、同一角度からイオン注入３が行われると、その角度に対応したトレンチ２２では側壁全体と底部端にイオン注入され、それより小さい角度に対応したトレンチ２１では、トレンチ底部にイオンが到達せず一部側壁のみにイオン注入される。また、大きい角度に対応したトレンチ２３では、トレンチ底部にもイオン注入される。

そして、このトレンチ２を利用した、異なったイオン注入角度（θ１，θ２，θ３，θ４）からのイオン注入の例を示したものが図４〜図７である。図４〜図７は、それぞれ異なったイオン注入角度からのイオン注入３を行う場合で、イオン注入角度θはウェハ表面の法線に対するイオン注入線のチルト角であり、θ４＜θ３＜θ１＜θ２である。

ここでイオン注入条件として、イオン：Ｐ＋，エネルギー：１２５ｋｅＶ，ドーズ量：１.０Ｅ１３／cm²とすると、このときのビーム径は約２８〜３０mmとなる。このビーム径はトレンチの幅，深さよりも大きくなる。

さらに、θ１＝２°，θ２＝３°，θ３＝１°と仮定し、トレンチ２１はθ３、トレンチ２２はθ１、トレンチ２３はθ２に対応するものとする。図４〜図７において、ｔ１＝８umとした場合、数１により、ｗ１＝０.１５um，ｗ２＝０.２８um，ｗ３＝０.４２umとなる。図４のようにイオンが２°で注入された場合、その角度に対応したトレンチ２２の側壁全体と底部端にイオンが注入され、３°に対応したトレンチ２３では、底部にもイオン注入される。しかし、１°に対応したトレンチ２１では、底部にイオンが到達できず、トレンチ２１の一部側壁にイオン注入跡が観察できる。その際、θとイオン注入跡の深さｔ′には次式の関係が成り立つ。

例えば、上記のようにθ＝２°でトレンチ２１にイオン注入した場合、トレンチ側壁部イオン注入領域深さｔ′は数２よりｔ′＝３.７umという値が得られる。また、トレンチ底部イオン注入領域幅ｗ′とθに関する式は次式となる。

例えば、上記のようにθ＝２°でトレンチ２３にイオン注入した場合、トレンチ２３の底のイオン注入幅は数３よりｗ′＝０.１４umという値が得られる。

図５に示すように、イオン注入角度がθ１＝２°からθ２＝３°にずれた場合、トレンチ２３の側壁全体にイオンが注入される。しかし、トレンチ２１，２２ではイオンが底部に到達せず、トレンチ２１側壁では数２より深さ約５.１４umに亘りイオン注入跡が観察でき、トレンチ２２側壁では同様にして深さ約２.６６umに亘りイオンが注入されると考えられる。

図６のようにイオン注入角度が小さい方、θ３＝１°にずれた場合、トレンチ２１側壁全体と底部端にイオン注入され、トレンチ２２，２３は底部にもイオン注入される。この場合は数３を利用してトレンチ２２底部のイオン注入幅は約０.１４um、トレンチ２３底部のイオン注入幅は約０.２８umとなる。イオン注入角度がさらに小さくなった場合（図７））においても、数３を利用してｗ′を求められる。また、数２，数３はｔ′，ｗ′からイオン注入角度θを求めることにも利用できる。

以上のことから、イオンがトレンチ底部に注入された場合、評価したいθ、さらにｗ，ｔが決定していれば、トレンチ底部に注入される領域の寸法ｗ′、または側壁部に注入される領域の寸法ｔ′は数２，数３により決定することができる。

上記のようにどのトレンチにイオン注入されたかをモニタリングする際には、まず薬液を使用し、短時間エッチングする。これによりイオン注入された部分とされていない部分のエッチングレートの差を利用し、イオン注入された部分のみ選択エッチングする。そして、トレンチ底部または側壁部を観察することでイオン注入角度をモニタリングする。例えばトレンチ２１の一部側壁でイオン注入跡が観察でき、トレンチ２２側壁部全体にイオン注入跡が観察できれば、イオン注入角度が１°＜θ≦２°の範囲にある。さらにトレンチ２１側壁のイオン注入領域の寸法により、さらにθの範囲を絞ることができる。

図３における各トレンチ構造では深さが異なり、幅が一定となっている（ここでは、ｔ４＜ｔ３＜ｔ２とする）。これは、複数のイオン注入角度に対してモニタできるようにしたものである。モニタリングしたいイオン注入角度θを決定すると、トレンチ幅ｗと深さｔの比が実施例１と同様、数１で決定される。

図３に示されているように、同一角度からイオン注入５が行われると、その角度に対応したトレンチ２５では側壁全体にイオン注入され、それより小さい角度に対応したトレンチ２４では、トレンチ底部にイオンが到達せず側壁一部にイオン注入される。また、大きい角度に対応したトレンチ２６では、トレンチ底部にもイオン注入される。

図８〜図１１は、それぞれ異なったイオン注入角度からのイオン注入５を行う場合で、イオン注入角度θはウェハ表面の法線に対するイオン注入線のチルト角であり、θ８＜θ７＜θ５＜θ６である。

イオン注入条件は実施例１と同様、またθ５＝２°，θ６＝３°，θ７＝１°と仮定し、トレンチ２４はθ７、トレンチ２５はθ５、トレンチ２６はθ６に対応するものとする。図８〜図１１において、ｗ４＝０.１５umとした場合、数１により、ｔ２＝８um，ｔ３＝４.３um，ｔ４＝２.９umとなる。図８のように、イオンが２°で注入された場合、その角度に対応したトレンチ２５の側壁全体にイオンが注入され、３°に対応したトレンチ２６では、数３より底部約０.０５umに亘りイオン注入され、痕跡を観察できる。しかし、１°に対応したトレンチ２４では、底部にイオンが到達できず、数２より、トレンチ２４側壁にイオン注入深さ痕跡が約３.７umに亘って観察できる。

図９に示すように、イオン注入角度がθ５＝２°からθ６＝３°にずれた場合、トレンチ２６の側壁全体にイオンが注入される。しかし、トレンチ２４，２５ではイオンが底部に到達せず、数２より、トレンチ２４側壁ではイオン注入深さが約５.１４umに亘り観察でき、トレンチ２５側壁ではイオン注入深さが約１.４４umに亘り観察できる。

図１０のように、イオン注入角度が小さい側、θ７＝１°にずれた場合、トレンチ２６側壁全体にイオン注入され、トレンチ２４，２５は底部にもイオン注入される。この場合は数３を利用してトレンチ２４底部のイオン注入幅は約０.０７５um、トレンチ２５底部のイオン注入幅は約０.１０umとなる。イオン注入角度がさらに小さくなった場合（図１１）においても、数３を利用してｗ′を求められる。

上記のようにどのトレンチにイオン注入されたかをモニタリングする際には、実施例１と同様の方法を取り、観察方法も同様である。

実地例１及び２共に、一定の割合で製品と共にこのモニタリングウェハに対し同一条件でイオン注入を行い短時間選択エッチングした後、イオン注入角度周辺のトレンチ底部および側壁部を観察すれば、イオン注入角度が何らかの要因で変化した場合でも視覚的に捉えることができる。

従って、本発明によるモニタリングウェハの特徴によれば、数値データの推移をモニタリングせずとも、直接ウェハを観察することでイオン注入角度の変化を知ることができ、視覚的な結果に基づいて対処するため、製品に逸脱したイオン量が注入されることを回避でき、迅速に不良製品の発生を防止することができる。また、本発明のモニタリング方法ではウェハを直接観察するため、同機種で注入角度を変更したい場合にも迅速に対応できる。

製品に加えて一定の間隔で前記トレンチ構造のウェハを投入することで、定期的にイオン注入角度の変化をモニタリングし、イオン注入条件の変化を認識することができる。このときの画像データを蓄積し、さらにエッチング寸法を蓄積・比較すれば、尚正確に条件の変化を比較・判断することができる。

また、本発明によるモニタリングウェハは、上記のように製品と混在させて投入し、製品と同様の条件でイオン注入した後にウェハを観察するため、モニタリングのために複雑な工程を要することはなく、簡易にかつ迅速にモニタリングを行うことができる。

さらに、本発明に係るモニタリング方法では、イオン注入した後に短時間の選択エッチングにより注入部分をエッチングしウェハを観察するため、電気抵抗値を測定する前のアニール工程を必要とせず、より迅速にイオン注入角度の変化を認識できる。

尚、同一の幅・深さを有するトレンチ構造を同一ウェハ内に複数配置し、同一のトレンチパターン間での比較を行うことにより、より厳密にイオン注入角度のモニタリングを行うことができる。

また、上述したトレンチ構造をイオン注入角度モニタリング用途以外のチップと共に同一のウェハ上に形成する構造でも構わない。

１ウェハ
２，２１，２２，２３，２４，２５，２６トレンチ
３，５イオン注入
４，６イオン注入跡
９１テストパターン
ｄ９ライン間距離
ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４トレンチ深さ
ｔ′，ｔ″，ｔ′′′ トレンチ側壁部イオン注入領域深さ
ｗ１，ｗ２，ｗ３，ｗ４トレンチ幅
ｗ′，ｗ″，ｗ′′′ トレンチ底部イオン注入領域幅
θ１，θ２，θ３，θ４，θ５，θ６イオン注入角度

Claims

半導体プロセスのイオン注入工程をモニタリングするためのウェハであり、一定の深さとウェハ表面に注入される複数のイオン注入角度によって決まる幅を有するトレンチ構造を複数パターン備えているウェハに対しイオン注入を行った後、イオン注入された部分のみ選択エッチングし、前記トレンチ構造の底部および側壁部を観察することで、設定したイオン注入角度の評価を視覚的に行うことを特徴とするモニタリング方法。
半導体プロセスのイオン注入工程をモニタリングするためのウェハであり、一定の幅とウェハ表面に注入される複数のイオン注入角度によって決まる深さを有するトレンチ構造を複数パターン備えているウェハに対しイオン注入を行った後、イオン注入された部分のみ選択エッチングし、前記トレンチ構造の底部および側壁部を観察することで、設定したイオン注入角度の評価を視覚的に行うことを特徴とするモニタリング方法。
請求項１又は２に記載のモニタリング方法において、
イオン注入後、トレンチ構造の底部および側壁部を選択エッチングした際のエッチング寸法の推移・比較を更に行うことを特徴とするモニタリング方法。