JP6119680B2 - 半導体基板の欠陥領域の評価方法 - Google Patents
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Description
例えば、特許文献1や特許文献2で示された方法のように、ウェーハ片に熱処理を行い、ウェーハ内部の酸素析出物密度を測定し、その値より結晶欠陥領域を判別する方法がある。
また、従来の評価方法は、酸素析出の有無や、汚染後ゲッタリング能力を評価することで、Ni領域(N領域であるが、格子間欠陥が優勢な領域)やNv領域(N領域であるが、空孔欠陥が優勢な領域)を判定しているが、ウェーハ中の酸素濃度が低くなると酸素が析出しにくくなるので、欠陥領域の判定が困難になるという問題があった。
評価対象半導体基板の欠陥領域の判定として、このような判定を好適に行うことができる。
前述のように、半導体単結晶を製造する際には、結晶欠陥領域を制御することが重要になっており、そのためにもGrown−in欠陥を検出・評価する技術が必要となってきている。Grown−in欠陥を検出・評価する方法は多く報告されており、特許文献1−3に示された方法があるが、これらの方法は、複数回熱処理を実施する必要があったり、表面を強制汚染させたり、と複雑な処理が必要になるという問題があった。
また、従来の評価方法は、酸素析出の有無や、汚染後ゲッタリング能力を評価することで、Ni領域やNv領域を判定しているが、ウェーハ中の酸素濃度が低くなると酸素が析出しにくくなるので、欠陥領域の判定が困難になるという問題があった。
本発明者は、まず、MOS(Metal−Oxide−Silicon)キャパシタのC−V特性中のフラットバンド電圧(Vfb)の変化量は、半導体基板の不純物濃度が同じ場合、酸化膜中の固定電荷密度によって決まることと、酸化膜中の固定電荷は酸化膜中の格子間シリコンに由来するという点に着目した。
まず、理想状態ではMOS構造のエネルギーバンド図は外部からの印加電圧が無い場合、バンドに曲がりはなく平ら(フラット)であり、外部から電圧が印加されてバンドが曲がる。
ここで、理想状態とは、電極の仕事関数と半導体基板のフェルミ準位に差がなく、酸化膜中に固定電荷が存在していない状態である。
しかしながら、理想的な状態と異なり、一般的なMOSキャパシタでは、金属電極の仕事関数と半導体基板のフェルミ準位に差があり、また、酸化膜中に固定電荷が存在するため、外部から電圧が印加されていない状態でもエネルギーバンドは曲がっている。
フラットバンド電圧(Vfb)は、金属電極の仕事関数をWm、半導体基板のフェルミ準位をEf、酸化膜の厚さをdox、酸化膜中の固定電荷量をQsとしたとき(1)式で与えられる。
Vfb=(Wm−Ef)+(Qs/dox) ・・・(1)
Ei−Ef=(kT/q)・log(Nsub/ni) ・・・(2)
(2)式から、温度が一定の条件の下では、フェルミ準位Efは半導体基板の不純物濃度Nsubによってその値が決まることがわかる。
C=Cox・Cd/(Cox+Cd) ・・・(3)
Cox=εo・S/dox ・・・(4)
Cd=ε・S/Ld ・・・(5)
Ld=(kT・ε/Nsub・q2)1/2 ・・・(6)
ここで、Sはキャパシタの面積、εo、εはそれぞれ酸化膜の誘電率、半導体基板の誘電率である。
Qd=Qs/(S・q) ・・・(7)
酸化膜中の固定電荷は一般的に正の電荷であり、以下に示す化学式(8)のように、シリコン単結晶を熱酸化して酸化膜を形成するときに発生する格子間シリコンの一部が酸化膜中に取り残されたものと考えられている。
Si+O2→SiO2+(Si+) ・・・(8)
さらに、本発明者は上述のように固定電荷密度はC−V特性のフラットバンド電圧を用いることで算出できるため、C−V特性のフラットバンド電圧の値又は固定電荷密度の値よりシリコン単結晶中の格子間シリコンや空孔の量を推定できると考え、半導体基板に形成されたMOS構造のC−V特性から求められるフラットバンド電圧又は固定電荷密度から、半導体基板の欠陥領域を判定することで、半導体基板が低酸素濃度であっても簡便な方法で半導体基板の欠陥領域を高精度で判定することができることを見出し、本発明をなすに至った。
まず、欠陥領域のタイプが分かっている半導体基板を用いて、評価対象半導体基板の欠陥領域を評価するときと同じ熱処理条件、及び、CーV特性評価条件で、半導体基板に形成されたMOS構造のCーV特性を測定する(図1のステップS11参照)。
なお、ステップS11でCーV特性を測定する半導体基板の欠陥領域のタイプは、例えば、半導体基板が切り出される単結晶シリコンインゴットの欠陥領域のタイプを特許文献1に示される評価方法を用いて酸素析出物の密度を算出し、酸素析出物の密度に基づいて
予め判定しておくことができる。
また、MOS構造は、例えば、半導体基板上に熱酸化膜を形成し、熱酸化膜上に所定の面積の金属電極を形成することで作製することができ、C−V特性の測定において水銀プローバを用いる場合には、金属電極の形成を省略することができる。
具体的には、フラットバンド電圧Vfbや半導体基板の不純物濃度NsubはC−V特性の結果より算出することができるので、C−V特性を求めることができれば、フラットバンド電圧Vfbを算出することができ、フラットバンド電圧Vfbがわかれば、(1)式、(2)式から固定電荷量Qsを算出することができ、さらに(7)式で表される固定電荷密度Qdも算出することができる。
具体的には、ステップS12で求めたフラットバンド電圧Vfb又は固定電荷密度Qdに基づいて、欠陥領域のタイプと、フラットバンド電圧Vfb又は固定電荷密度Qdの値の範囲とを関連づける。
ここで、欠陥領域のタイプとしては、例えば、空孔欠陥が優勢なものであるV領域、N領域であるが空孔欠陥が優勢なものであるNv領域、N領域であるが格子間欠陥が優勢なものであるNi領域、格子間欠陥が優勢なものであるI領域が挙げられる。
評価対象半導体基板のMOS構造についても、例えば、半導体基板上に熱酸化膜を形成し、熱酸化膜上に所定の面積の金属電極を形成することで作製することができ、C−V特性の測定において水銀プローバを用いる場合には、金属電極の形成を省略することができる。
具体的には、ステップS12と同様にして、CーV特性からフラットバンド電圧Vfb又は固定電荷密度Qdを算出する。
なお、評価対象半導体基板の欠陥領域の判定は、欠陥領域が、空孔欠陥が優勢なものであるV領域、N領域であるが空孔欠陥が優勢なものであるNv領域、N領域であるが格子間欠陥が優勢なものであるNi領域、格子間欠陥が優勢なものであるI領域のうちのいずれであるかを判定するものとすることができる。
評価対象半導体基板の欠陥領域の判定として、このような判定を好適に行うことができる。
まず、直径300mmで、軸方位が<100>であり、抵抗率が10〜30Ω・cmで、酸素濃度が15ppma(JEIDA)であるp型のシリコン単結晶インゴットをCZ法を用いて作製した。
CZ法による作製時には、引き上げ速度を変化させ、結晶内の欠陥の濃度を変化させることで、空孔欠陥が優勢なもの(V領域)、N領域であるが空孔欠陥が優勢なもの(Nv領域)、N領域であるが格子間欠陥が優勢なもの(Ni領域)、格子間欠陥が優勢なもの(I領域)をそれぞれ作製し、その単結晶インゴットを用いて、スライス工程、研磨工程によりポリッシュドウェーハ(半導体基板)を作製した。
欠陥領域がそれぞれV領域、Nv領域、Ni領域、I領域であるウェーハのC−V特性カーブを図2に示す。横軸はバイアス電圧Vg、縦軸はキャパシタ面積で規格化した容量C/Sをそれぞれ表している。いずれの欠陥領域でのC−V特性カーブの形状はほぼ同じであるが、立ち上がりの位置がずれていることがわかる。
なお、フラットバンド電圧Vfbと欠陥領域のタイプとの関係についても、図6と同様に定義することができる。
なお、フラットバンド電圧Vfbと欠陥領域のタイプとの関係が定義されていれば、フラットバンド電圧Vfbから欠陥領域のタイプを同様に決定することができる。
従って、本発明の固定電荷密度を用いる評価方法により、欠陥領域の判定を高精度で行うことが可能となることがわかる。
また、この方法は、酸化膜中の固定電荷密度を算出し、算出された固定電荷密度に基づいて判定を行っているため、評価対象半導体基板の酸素濃度によらずに欠陥領域の判定を行うことが可能である。
Claims (2)
- 半導体基板の欠陥領域を半導体基板に形成されたMOS構造のC−V特性から評価する半導体基板の欠陥領域の評価方法であって、
予め、欠陥領域のタイプがわかっている半導体基板を用いて、評価対象半導体基板の欠陥領域を評価するときと同じ熱処理条件、及び、C−V特性評価条件で、欠陥領域とフラットバンド電圧又は固定電荷密度との関係を求めておき、
評価対象半導体基板の欠陥領域の評価では、半導体基板に形成されたMOS構造のC−V特性から求められたフラットバンド電圧又は固定電荷密度から、予め求められている欠陥領域とフラットバンド電圧又は固定電荷密度との関係に基づき、評価対象半導体基板の欠陥領域を判定することを特徴とする半導体基板の欠陥領域の評価方法。 - 評価対象半導体基板の欠陥領域の前記判定は、欠陥領域が、空孔欠陥が優勢なものであるV領域、N領域であるが空孔欠陥が優勢なものであるNv領域、N領域であるが格子間欠陥が優勢なものであるNi領域、格子間欠陥が優勢なものであるI領域のうちのいずれであるかを判定するものであることを特徴とする請求項1に記載の半導体基板の欠陥領域の評価方法。
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