JP6079497B2 - 半導体基板の評価方法及び半導体基板の評価装置 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体基板の評価方法及び半導体基板の評価装置に関し、特に半導体基板上に形成した酸化膜の絶縁特性を評価することで半導体基板の評価を行うための評価方法及び評価装置に関するものである。
シリコンに代表される半導体基板上に形成される絶縁膜、すなわちシリコン酸化膜の品質は、デバイス信頼性を決める非常に重要な項目であり、この絶縁特性（酸化膜耐圧）測定は重要な測定項目である。またこの酸化膜耐圧は、基板表面の欠陥に非常に敏感であり、半導体基板の特性としても重要なパラメータである。
この酸化膜耐圧分布の測定を行う場合には、一般的には、実デバイスと同様に、酸化膜の上にＣＶＤで堆積したポリシリコンが電極として用いられる。
一方、コロナチャージを用いた酸化膜特性の検討が非特許文献１に記載されている。
非特許文献１はコロナチャージを載せたときの高電界領域でのＦＮトンネル電流の解析を行い、酸化膜中の導電機構について議論したものであり、コロナチャージであっても、高電界印加が可能で、金属電極形成を行ったときと同じような効果があることが報告されている。
非特許文献１はコロナチャージを載せたときの高電界領域でのＦＮトンネル電流の解析を行い、酸化膜中の導電機構について議論したものであり、コロナチャージであっても、高電界印加が可能で、金属電極形成を行ったときと同じような効果があることが報告されている。
Ｚ．Ａ．Ｗｅｉｎｂｅｒｇ ｅｔ．ａｌ． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．４７（１９７６） ｐｐ２４８−２５５
上述したように、酸化膜耐圧分布の測定を行う場合には、一般的にはＣＶＤで堆積したポリシリコンが電極として用いられるが、このポリシリコン電極を形成する工程において、ＣＶＤ工程以外に、フォトリソグラフィー工程及びエッチング工程が必要であり、被測定素子を作製するために多くの工数を要するという問題があった。
一方、水銀やアルミのような低融点金属をそのまま、又は、蒸着で形成し電極として使用することも行われているが、低融点金属特有のセルフヒーリングに代表される問題があり、ポリシリコン電極と比較して得られる結果に差が出てしまう。
一方、水銀やアルミのような低融点金属をそのまま、又は、蒸着で形成し電極として使用することも行われているが、低融点金属特有のセルフヒーリングに代表される問題があり、ポリシリコン電極と比較して得られる結果に差が出てしまう。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、ＣＶＤ膜を形成するための装置やフォトリソグラフィー工程及びエッチング工程を用いることなく、簡便かつ迅速な酸化膜耐圧分布の測定を行うことができる半導体基板の評価方法及び評価装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は、半導体基板上に形成した酸化膜の絶縁特性を評価することで前記半導体基板の評価を行う半導体基板の評価方法であって、前記半導体基板表面に酸化膜を形成する工程と、前記半導体基板の裏面に形成された前記酸化膜を除去する工程と、前記酸化膜を形成した半導体基板を電流計に接続された基板保持台の上に保持する工程と、前記酸化膜の上からコロナチャージを印加しながら、前記半導体基板を前記コロナチャージに対して相対的に水平方向に移動させつつ、前記半導体基板の各点において前記酸化膜を通じて流れる電流を前記電流計で測定する工程とを有することを特徴とする半導体基板の評価方法を提供する。
このように、半導体基板をコロナチャージに対して相対的に水平方向に移動させつつ、半導体基板の各点において酸化膜を通じて流れる電流を前記電流計で測定することで、ＣＶＤ膜を形成するための装置やフォトリソグラフィー工程及びエッチング工程を用いることなく、簡便かつ迅速な酸化膜耐圧分布の測定を行うことができる。
ここで、前記半導体基板の前記各点における前記電流の値に基づいて、前記酸化膜の絶縁特性を評価する工程をさらに含むことができる。
このように、半導体基板の各点における電流値から、酸化膜の絶縁特性を評価することができる。
このように、半導体基板の各点における電流値から、酸化膜の絶縁特性を評価することができる。
また、上記目的を達成するために、本発明は、半導体基板上に形成した酸化膜の絶縁特性を評価することで前記半導体基板の評価を行う半導体基板の評価装置であって、酸化膜を形成した前記半導体基板を保持する基板保持台と、コロナチャージを前記酸化膜上に印加するコロナチャージ発生装置と、前記基板保持台に接続され、前記酸化膜を通じて流れる電流を測定する電流計とを有し、前記基板保持台及び／又は前記コロナチャージ発生装置は水平方向に移動可能に構成されているものであることを特徴とする半導体基板の評価装置を提供する。
このような構成の評価装置を用いることで、ＣＶＤ膜を形成するための装置やフォトリソグラフィー工程及びエッチング工程を用いることなく、簡便かつ迅速な酸化膜耐圧分布の測定を行うことができる。
以上のように、本発明によれば、半導体基板をコロナチャージに対して相対的に水平方向に移動させつつ、半導体基板の各点において酸化膜を通じて流れる電流を前記電流計で測定することで、ＣＶＤ膜を形成するための装置やフォトリソグラフィー工程及びエッチング工程を用いることなく、簡便かつ迅速な酸化膜耐圧分布の測定を行うことができる。
以下、本発明について、実施態様の一例として、図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。
前述のように、酸化膜耐圧分布の測定を行う場合には、一般的にＣＶＤで堆積したポリシリコンが電極として用いられるが、このようなポリシリコン電極を用いると、被測定素子を作製するために多くの工数を要するという問題があった。
前述のように、酸化膜耐圧分布の測定を行う場合には、一般的にＣＶＤで堆積したポリシリコンが電極として用いられるが、このようなポリシリコン電極を用いると、被測定素子を作製するために多くの工数を要するという問題があった。
そこで、発明者は、このようなポリシリコン電極を用いることなく、酸化膜耐圧分布の測定を行うことができる半導体基板の評価方法について鋭意検討を重ねた。
その結果、半導体基板をコロナチャージに対して相対的に水平方向に移動させつつ、半導体基板の各点において酸化膜を通じて流れる電流を電流計で測定することで、ＣＶＤ膜を形成するための装置やフォトリソグラフィー工程及びエッチング工程を用いることなく、簡便かつ迅速な酸化膜耐圧分布の測定を行うことができることを見出し、本発明をなすに至った。
その結果、半導体基板をコロナチャージに対して相対的に水平方向に移動させつつ、半導体基板の各点において酸化膜を通じて流れる電流を電流計で測定することで、ＣＶＤ膜を形成するための装置やフォトリソグラフィー工程及びエッチング工程を用いることなく、簡便かつ迅速な酸化膜耐圧分布の測定を行うことができることを見出し、本発明をなすに至った。
以下、図面を参照しながら、本発明の半導体基板の評価方法及び評価装置を説明する。
まず、図２及び図３を参照しながら、本発明の半導体基板の評価装置を説明する。
図２に示すように、本発明の半導体基板の評価装置１０は、酸化膜が形成された被評価ウェーハ４を載せる基板保持台１と、金属線電極３ａを介して被評価ウェーハ４にコロナチャージを印加するコロナチャージ発生装置３と、基板保持台１に接続され、酸化膜を通じて流れる電流を測定する電流計２を有している。
基板保持台１は、例えばウェーハチャックであり、被評価ウェーハ４を載せる面は、導電性を有している。
まず、図２及び図３を参照しながら、本発明の半導体基板の評価装置を説明する。
図２に示すように、本発明の半導体基板の評価装置１０は、酸化膜が形成された被評価ウェーハ４を載せる基板保持台１と、金属線電極３ａを介して被評価ウェーハ４にコロナチャージを印加するコロナチャージ発生装置３と、基板保持台１に接続され、酸化膜を通じて流れる電流を測定する電流計２を有している。
基板保持台１は、例えばウェーハチャックであり、被評価ウェーハ４を載せる面は、導電性を有している。
基板保持台１、コロナチャージ発生装置３のどちらかは、水平方向（すなわち、図３に示すＸ−Ｙ方向）に移動可能に構成されている。
また、基板保持台１、コロナチャージ発生装置３の両方が水平方向に移動可能に構成されていてもよい。
上記のような構成になっているので、被評価ウェーハ４をコロナチャージに対して相対的に水平方向に移動させつつ、被評価ウェーハ４の面内の各点において酸化膜を通じて流れる電流を電流計２で測定することができる。
また、基板保持台１、コロナチャージ発生装置３の両方が水平方向に移動可能に構成されていてもよい。
上記のような構成になっているので、被評価ウェーハ４をコロナチャージに対して相対的に水平方向に移動させつつ、被評価ウェーハ４の面内の各点において酸化膜を通じて流れる電流を電流計２で測定することができる。
次に、上記のような評価装置を用いた本発明の評価方法を図１を用いて説明する。
まず、半導体基板表面に酸化膜を形成する（図１のステップＳ１１参照）。
具体的には、シリコンからなる被評価ウェーハ４の表面に熱酸化によりシリコン酸化膜を形成する。
次に、半導体基板の裏面に形成されたシリコン酸化膜を除去する（図１のステップＳ１２参照）。
裏面に形成された酸化膜の除去は、例えば内径が被評価ウェーハ４より小さいポリテトラフルオロエチレン製の容器に５０％フッ酸を入れ、このポリテトラフルオロエチレン製の容器の上に被評価ウェーハ４を載せて、フッ酸蒸気により裏面の酸化膜を除去してから水洗する。
まず、半導体基板表面に酸化膜を形成する（図１のステップＳ１１参照）。
具体的には、シリコンからなる被評価ウェーハ４の表面に熱酸化によりシリコン酸化膜を形成する。
次に、半導体基板の裏面に形成されたシリコン酸化膜を除去する（図１のステップＳ１２参照）。
裏面に形成された酸化膜の除去は、例えば内径が被評価ウェーハ４より小さいポリテトラフルオロエチレン製の容器に５０％フッ酸を入れ、このポリテトラフルオロエチレン製の容器の上に被評価ウェーハ４を載せて、フッ酸蒸気により裏面の酸化膜を除去してから水洗する。
次に、酸化膜を形成した半導体基板を電流計に接続された基板保持台上に保持する
（図１のステップＳ１３参照）。
具体的には、上面にのみシリコン酸化膜を形成した被評価ウェーハ４を、電流計２に接続された基板保持台１の上に載せる。このとき、シリコン酸化膜が除去された被評価ウェーハ４の裏面が基板保持台１に接触するように載せる。
（図１のステップＳ１３参照）。
具体的には、上面にのみシリコン酸化膜を形成した被評価ウェーハ４を、電流計２に接続された基板保持台１の上に載せる。このとき、シリコン酸化膜が除去された被評価ウェーハ４の裏面が基板保持台１に接触するように載せる。
次に、酸化膜の上からコロナチャージを印加しながら、半導体基板をコロナチャージに対して相対的に水平方向に移動させつつ、半導体基板の各点において酸化膜を通じて流れる電流を測定する（図１のステップＳ１４参照）。
具体的には、コロナチャージ発生装置３から金属線電極３ａを介して、シリコン酸化膜の上から被評価ウェーハ４にコロナチャージを印加しながら、基板保持台１、コロナチャージ発生装置３、又は、基板保持台１及びコロナチャージ発生装置３を水平方向に移動させることで、被評価ウェーハ４をコロナチャージに対して相対的に水平方向に移動させつつ、被評価ウェーハ４の各点において酸化膜を通じて流れる電流を電流計２によって測定する。
ここで、コロナチャージ発生装置の水平方向の移動は、発生装置全体を移動させてもよいが、金属線電極３ａだけを移動させるようにすることができる。また、被評価ウェーハ４に印加するコロナチャージは、酸化膜直下のシリコン層が蓄積層を形成するような極性を持たせることが好ましい。すなわち、ｐ型基板ではマイナスのコロナチャージ、ｎ型基板ではプラスのコロナチャージを印加することが好ましい。
このように蓄積側とすることで、酸化膜直下にキャリアが蓄積し、酸化膜中の欠陥が検出しやすくすることが可能となる。
具体的には、コロナチャージ発生装置３から金属線電極３ａを介して、シリコン酸化膜の上から被評価ウェーハ４にコロナチャージを印加しながら、基板保持台１、コロナチャージ発生装置３、又は、基板保持台１及びコロナチャージ発生装置３を水平方向に移動させることで、被評価ウェーハ４をコロナチャージに対して相対的に水平方向に移動させつつ、被評価ウェーハ４の各点において酸化膜を通じて流れる電流を電流計２によって測定する。
ここで、コロナチャージ発生装置の水平方向の移動は、発生装置全体を移動させてもよいが、金属線電極３ａだけを移動させるようにすることができる。また、被評価ウェーハ４に印加するコロナチャージは、酸化膜直下のシリコン層が蓄積層を形成するような極性を持たせることが好ましい。すなわち、ｐ型基板ではマイナスのコロナチャージ、ｎ型基板ではプラスのコロナチャージを印加することが好ましい。
このように蓄積側とすることで、酸化膜直下にキャリアが蓄積し、酸化膜中の欠陥が検出しやすくすることが可能となる。
上記のようにして測定した半導体基板の各点における電流値から、酸化膜の絶縁特性を評価することができ、さらに、半導体基板の欠陥評価を行うことができる。
すなわち、酸化膜中に欠陥が存在する場合には、実質的な酸化膜厚が薄くなり、またシリコン表面にＢＭＤ（Ｂｕｌｋ Ｍｉｃｒｏ Ｄｅｆｅｃｔ）のようなものが存在した場合には、酸化膜にＢＭＤ周辺のストレスが取り込まれ、酸化膜に電界集中が起こる。これらにより、ウェーハ上に載せたコロナチャージ電荷が欠陥箇所を通じて基板側へ流れることで欠陥解析が可能となる。
また、欠陥密度は、本方法で基板側への電流漏れが確認された点数をウェーハ面積で割ることで欠陥密度として算出することができ、面内分布も容易に測定することができる。
すなわち、酸化膜中に欠陥が存在する場合には、実質的な酸化膜厚が薄くなり、またシリコン表面にＢＭＤ（Ｂｕｌｋ Ｍｉｃｒｏ Ｄｅｆｅｃｔ）のようなものが存在した場合には、酸化膜にＢＭＤ周辺のストレスが取り込まれ、酸化膜に電界集中が起こる。これらにより、ウェーハ上に載せたコロナチャージ電荷が欠陥箇所を通じて基板側へ流れることで欠陥解析が可能となる。
また、欠陥密度は、本方法で基板側への電流漏れが確認された点数をウェーハ面積で割ることで欠陥密度として算出することができ、面内分布も容易に測定することができる。
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）
試料として、ボロンをドープした抵抗率が１０Ω・ｃｍで直径２００ｍｍのｐ型シリコンウェーハを用いた。このウェーハに９００℃の乾燥酸素雰囲気中で１０ｎｍの厚さのゲート酸化膜の形成を行なった。その後、フッ酸蒸気を用いて、シリコンウェーハの裏面の酸化膜のみを除去した。
図２の評価装置１０を用い、図１に示す評価フローにしたがって、上記のシリコンウェーハの酸化膜耐圧分布の測定を行った。ただし、コロナチャージを印加する際には、マイナスのコロナチャージを印加した。
また、コロナチャージ発生装置３を固定したままで、ウェーハチャック１を５ｍｍピッチでＸ方向又はＹ方向に移動させながら、測定を行った。
さらに、コロナチャージ発生装置３は市販のものを使った。
上記のようにして測定された各点の漏れ電流は、おおよそ１００ｐＡであった。
試料として、ボロンをドープした抵抗率が１０Ω・ｃｍで直径２００ｍｍのｐ型シリコンウェーハを用いた。このウェーハに９００℃の乾燥酸素雰囲気中で１０ｎｍの厚さのゲート酸化膜の形成を行なった。その後、フッ酸蒸気を用いて、シリコンウェーハの裏面の酸化膜のみを除去した。
図２の評価装置１０を用い、図１に示す評価フローにしたがって、上記のシリコンウェーハの酸化膜耐圧分布の測定を行った。ただし、コロナチャージを印加する際には、マイナスのコロナチャージを印加した。
また、コロナチャージ発生装置３を固定したままで、ウェーハチャック１を５ｍｍピッチでＸ方向又はＹ方向に移動させながら、測定を行った。
さらに、コロナチャージ発生装置３は市販のものを使った。
上記のようにして測定された各点の漏れ電流は、おおよそ１００ｐＡであった。
測定された電流値分布を図４に示す。周辺部の酸化膜は中心部に対して薄くなっており、この厚さ分布の影響で図４に示すように漏れ電流値に差が出ている。
また、中心部では１μＡ以上の高い電流値が検出されている。これについては、中心部においてシリコン基板表面にキズが存在することが確認され、この影響で局所的に酸化膜が破壊されたためと考えられる。
また、中心部では１μＡ以上の高い電流値が検出されている。これについては、中心部においてシリコン基板表面にキズが存在することが確認され、この影響で局所的に酸化膜が破壊されたためと考えられる。
（比較例）
試料として、実施例と同様にして、表面にゲート酸化膜が形成され、裏面の酸化膜が除去されたシリコンウェーハを準備した。
上記のシリコンウェーハにリンドープされたポリシリコンをＣＶＤにより３００ｎｍ堆積し、フォトリソグラフィー工程、及び、フッ硝酸によるエッチング工程により、Ｘ方向及びＹ方向に５ｍｍピッチで電極形成を行い、ＭＯＳ構造を形成した。
電極形成を行ったシリコンウェーハを用いて、電極にプローブ針を介して１０Ｖの電圧を印加し、シリコンウェーハの各点の漏れ電流を測定した。
試料として、実施例と同様にして、表面にゲート酸化膜が形成され、裏面の酸化膜が除去されたシリコンウェーハを準備した。
上記のシリコンウェーハにリンドープされたポリシリコンをＣＶＤにより３００ｎｍ堆積し、フォトリソグラフィー工程、及び、フッ硝酸によるエッチング工程により、Ｘ方向及びＹ方向に５ｍｍピッチで電極形成を行い、ＭＯＳ構造を形成した。
電極形成を行ったシリコンウェーハを用いて、電極にプローブ針を介して１０Ｖの電圧を印加し、シリコンウェーハの各点の漏れ電流を測定した。
測定された電流値分布を図５に示す。図５に示すように、ポリシリコン電極を用いて測定を行った比較例においてもウェーハ周辺部の電流値が高くなっている傾向が得られており、さらに中心部では１μＡ以上の高い電流値が検出されており、図４に示す実施例の電流値分布と良い一致を示すことがわかる。
従って、本発明による酸化膜耐圧分布において、ポリシリコン電極を用いた酸化膜耐圧分布と同等の結果が得られることがわかる。
従って、本発明による酸化膜耐圧分布において、ポリシリコン電極を用いた酸化膜耐圧分布と同等の結果が得られることがわかる。
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。
１…基板保持台（ウェーハチャック）、 ２…電流計、
３…コロナチャージ発生装置、 ３ａ…金属線電極、 ４…被測定ウェーハ、
１０…評価装置。
３…コロナチャージ発生装置、 ３ａ…金属線電極、 ４…被測定ウェーハ、
１０…評価装置。
Claims (4)
- 半導体基板上に形成した酸化膜の絶縁特性を評価することで前記半導体基板の評価を行う半導体基板の評価方法であって、
前記半導体基板表面に酸化膜を形成する工程と、
前記半導体基板の裏面に形成された前記酸化膜を除去する工程と、
前記酸化膜を形成した半導体基板を電流計に接続された基板保持台の上に保持する工程と、
前記酸化膜の上からコロナチャージを印加しながら、前記半導体基板を前記コロナチャージに対して相対的に水平方向に移動させつつ、前記半導体基板の各点において前記酸化膜を通じて流れる電流を前記電流計で測定する工程と
を有することを特徴とする半導体基板の評価方法。 - 前記半導体基板の前記各点における前記電流の値に基づいて、前記酸化膜の絶縁特性を評価する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体基板の評価方法。
- 前記半導体基板に印加するコロナチャージは、前記酸化膜の直下のシリコン層が蓄積層を形成するような極性を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体基板の評価方法。
- 半導体基板上に形成した酸化膜の絶縁特性を評価することで前記半導体基板の評価を行う半導体基板の評価装置であって、
酸化膜を形成した前記半導体基板を保持する基板保持台と、
コロナチャージを前記酸化膜上に印加するコロナチャージ発生装置と、
前記基板保持台に接続され、前記酸化膜を通じて流れる電流を測定する電流計と
を有し、
前記基板保持台及び／又は前記コロナチャージ発生装置は水平方向に移動可能に構成されているものであることを特徴とする半導体基板の評価装置。
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