JP6172094B2

JP6172094B2 - 半導体基板の評価方法

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Publication number: JP6172094B2
Application number: JP2014183794A
Authority: JP
Inventors: 大槻　剛; 剛大槻
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2014-09-10
Filing date: 2014-09-10
Publication date: 2017-08-02
Anticipated expiration: 2034-09-10
Also published as: JP2016058556A

Description

本発明は、半導体基板の評価法、特に半導体基板にイオン注入をした時のイオン注入ダメージの評価方法に関する技術である。

半導体基板へのイオン注入技術は、デバイス作製において必須の技術であり、多方面で広く利用されている。

イオン注入は、半導体に各種の不純物を添加するために行われる。例えば、ｎ型不純物としてはヒ素やリンやアンチモンなどを、Ｐ型不純物としてはボロンなどの、特定の元素をイオン化し、加速して半導体基板へと導入する。そのため、結晶性をもった半導体基板は、この荷電粒子の注入により欠陥を生じる。これがイオン注入ダメージである。

デバイス作製工程においては、イオン注入によって半導体基板に不純物を導入した後に、アニールを行うことで、イオン注入により生じた欠陥を消滅させ、結晶性を回復させることが一般的である。

しかし、イオン注入ダメージが多ければ、その回復の程度に差が生じることは容易に想像され、さらに、アニール条件が不十分、例えば温度や時間が不十分であっても、回復が十分とは言えない状況が起こることが想像できる。

特にソース・ドレイン部分は、浅くかつ低抵抗率化が要求されることから、低加速かつ高濃度のイオン注入が行われる。そのため、半導体基板表面の浅い部分にイオン注入層が局在し、イオン注入ダメージが大きくなることが容易に想像される。そして、これにより生じる、ソース・ドレイン部でのリーク電流が懸念される。

これの回避方法として、例えば特許文献１のようなものが公開されている。これは欠陥を緩和するような、炭素や窒素などをドープした緩衝帯を設けておく手法である。

半導体基板にイオン注入をしたときのイオン注入ダメージの評価には、透過電子顕微鏡により半導体基板中に存在する欠陥を観察する断面欠陥評価や、カソードルミネッセンスやフォトルミネッセンスによる発光や、サーマルウェーブと呼ばれる励起された電子が正孔と再結合する際に生じる熱振動を利用した測定などが知られている。

また、デバイス特性としては、前述の通り、素子のリーク電流低減が必須であり、このリーク電流値を測定することにより、半導体基板にイオン注入をした時のイオン注入ダメージの有無を判断することができる。

特表２０１１―５０１４３８号公報

ＳＥＭＩＣＯＮＤＵＣＴＯＲＭＡＴＥＲＩＡＬＡＮＤＤＥＶＩＣＥＣＨＡＲＡＣＴＥＲＺＡＴＩＯＮ，Ｄ．Ｋ．Ｓｃｈｒｏｄｅｒ，ＪＯＨＮＷＩＬＥＹ＆ＳＯＮＳ，ＩＮＣ．，ＰＵＢＬＩＣＡＴＩＯＮ２００６

しかしながら、これらはいずれも大がかりな評価設備が必要である。透過電子顕微鏡は電子線加速用電子銃と真空室を持った装置が必要であり、欠陥を直接観察することができる極めて有効な手段ではあるが、欠陥密度や観察視野の制約、サンプルの準備に手間がかかる。

一方のカソードルミネッセンスやフォトルミネッセンスは低温までサンプルを冷却し、かつ微小発光を検出する高感度検出器が必要となる。また、サーマルウェーブでは、レーザ及び反射率測定器が必要となる。このように、それぞれに専用機器が必要であり、簡便かつ迅速な測定が可能な手法が望まれている。

また、リーク電流を測定するためには、ＰＮ接合を形成する必要があり、そのためにフォトリソグラフィーや、ＰＮ接合のためのドーパントの拡散などの操作が必要となり、手間とコストがかかっていた。

本発明は前述のような問題に鑑みてなされたもので、大がかりな評価設備を必要とせずに、さらに、簡便かつ迅速に、半導体基板にイオン注入をした時のイオン注入ダメージを評価する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に、本発明によれば、評価対象の半導体基板にイオン注入をしたときのイオン注入ダメージを評価する方法であって、
測定用の半導体基板上に酸化膜を形成し、該酸化膜を通じてイオン注入を行い、該イオン注入を行った前記測定用の半導体基板のリーク電流を測定し、さらに、前記イオン注入を行った測定用の半導体基板の界面準位密度を測定し、前記リーク電流と前記界面準位密度との相関を予め求めておく工程と、
評価用の半導体基板上に酸化膜を形成し、該酸化膜を通じてイオン注入を行い、該イオン注入を行った評価用の半導体基板の界面準位密度を測定する工程と、
前記予め求めた前記界面準位密度と前記リーク電流との相関に基づき、前記測定した評価用の半導体基板の前記界面準位密度から、前記評価対象の半導体基板のリーク電流を推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、大がかりな評価設備を必要としない。さらに、予め界面準位密度とリーク電流の相関を求めておくので、実際に評価用の半導体基板のリーク電流を測定することなく、評価用の半導体基板の界面準位密度を測定することで、評価用の半導体基板のリーク電流を推定することができる。

このとき、前記推定した前記評価対象の半導体基板のリーク電流が、予め設定したリーク電流の許容値の範囲に入っているかを評価する工程を有することができる。
このように、推定した評価用の半導体基板のリーク電流に基づいて、該推定したリーク電流が予め設定したリーク電流の許容値の範囲に入っているかを評価することができる。

以上説明したように、本発明によれば、大がかりな評価設備を必要としない。さらに、予め界面準位密度とリーク電流の相関を求めておくので、実際に評価用の半導体基板のリーク電流を測定することなく、評価用の半導体基板の界面準位密度を測定することで、評価用の半導体基板のリーク電流を推定して評価することができる。

本発明において、界面準位密度を測定する方法の一例を示した概略図である。実施例における、イオン注入前とイオン注入後での界面準位密度の変化を示した図である。実施例における、イオン注入量と界面準位密度の関係を示した図である。実施例における、リーク電流と界面準位密度の関係を示した図である。

以下、本発明について実施の形態を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
上記したように従来、半導体基板にイオン注入をした時のイオン注入ダメージを評価するためには、大がかりな評価設備が必要であったり、あるいは手間やコストがかかるという問題があった。

そこで、本発明者はこのような問題を解決すべく鋭意検討を重ねた。その結果、界面準位密度とリーク電流の間には相関があり、これを予め測定しておくことで、評価用の半導体基板の界面準位密度の測定結果から、前記相関を用いてリーク電流を推定することができることに想到した。そして、これらを実施するための最良の形態について精査し、本発明を完成させた。

まず、本発明ではリーク電流と界面準位密度との相関を予め求めておく工程を行う。

最初に、測定用の半導体基板を用意する。そして、この測定用の半導体基板上に酸化膜を形成する。この酸化膜は熱酸化により形成しても、ＣＶＤにより形成しても良い。

次に、測定用の半導体基板上に形成された酸化膜の上から、該酸化膜を通じて、イオン注入を行う。このイオン注入では、例えば半導体基板の導電型と同じ導電型又は異なる導電型のドーパントを注入条件を変えて注入して、イオン注入層を形成する。

次に、このイオン注入を行った測定用の半導体基板のリーク電流を測定するために、例えば、以下のようにしてＰＮ接合を形成することができるが、これには限定されない。

まず、測定用の半導体基板の表面に形成された酸化膜に、フォトリソグラフィーにより窓明け用のパターンを形成する。なお、酸化膜のエッチングはドライエッチングでも、ウエットエッチングでも良く、適宜選択することができる。また、ここで形成する窓開け用のパターンの具体的な形成数は特に限定されず、その都度決定することができる。

次に、酸化膜への窓明けを完了した測定用の半導体基板に、ＰＮ接合を形成のため、ドーパントの拡散を行ない、拡散層を形成する。このときのドーパントの拡散はイオン注入処理でも、固体拡散処理でも良く、適宜選択することができる。

そして、以上のようにしてＰＮ接合を形成した、測定用の半導体基板のリーク電流を測定する。この際に、必要に応じて、ＰＮ接合上にフォトリソグラフィーでアルミニウムや多結晶シリコン等からなる電極をさらに形成し、該電極にプローブを接触させて電圧を印加して、リーク電流の測定を行うことができる。

さらに、イオン注入を行った測定用の半導体基板の界面準位密度を測定する。
なお、界面準位密度を測定する方法としては、例えば、ＣＶ法を用いることができる。

ＣＶ法は、例えば非特許文献１に記載のように、絶縁体が形成された半導体基板に電圧を印加しこのときの容量（キャパシタンス）変化を測定する方法である。

絶縁膜及び、絶縁膜と半導体基板の界面には、キャパシタンスが存在するため、絶縁膜直下の半導体基板は電圧極性により、蓄積・空乏・反転と変化し、これに応じて、容量も変化する。このようにして測定されるＣＶ特性から、半導体基板の界面準位密度を求めることができる。

図１に示したようにまず、上記のようにして、準備した測定用の半導体基板１上に酸化膜２を形成し、酸化膜２を通じてイオン注入を行い、イオン注入層３を形成する。そして、このイオン注入後の測定用の半導体基板１に電極４を形成し、ＣＶ測定を行う。電極４としては、蒸着のような手法で金属電極を形成しても良いし、或いは水銀電極を接触させて使用しても良い。

このときに、上記の測定を、イオン注入量（ドーズ量）またはイオン注入エネルギー（加速電圧）を変化させて複数回行うことが好ましい。
このようにして、測定用の半導体基板１にイオン注入をした時のリーク電流と界面準位密度とをそれぞれ測定し、同じイオン注入条件におけるリーク電流と界面準位密度との関係から、リーク電流と界面準位密度の相関を予め求めておく。
このようにすることで、リーク電流と界面準位密度の相関をより精度を高く、求めることができる。

次に、評価用の半導体基板１´の界面準位密度を測定する工程を行う（便宜上、同じ図１を用いて説明する）。
まず、評価用の半導体基板１´を用意する。そして、この評価用の半導体基板１´上に酸化膜２を形成する。この酸化膜２は熱酸化により形成しても、ＣＶＤにより形成しても良い。

次に、評価用の半導体基板１´上に形成された酸化膜２の上から、酸化膜２を通じて、イオン注入を行う。このイオン注入によって、例えば半導体基板の導電型と同じ導電型又は異なる導電型のドーパントを注入して、イオン注入層３を形成する。

そして、このイオン注入後の評価用の半導体基板１´に電極４を形成し、ＣＶ測定を行う。ＣＶ測定は、蒸着のような手法で金属電極を形成しても良いし、或いは水銀電極を接触させて使用しても良い。これにより、イオン注入した評価用の半導体基板１´の界面準位密度を求めることができる。

そして、評価用の半導体基板１´のリーク電流を推定する工程を行う。

前記のようにして、予め求めたリーク電流と界面準位密度の相関に基づいて、上記のようにして測定した評価用の半導体基板１´の界面準位密度の測定結果から、イオン注入した評価用の半導体基板１´のリーク電流を推定する。

このように本発明の半導体基板の評価方法であれば、大がかりな評価設備を必要としない。さらに、予め界面準位密度とリーク電流の相関を求めておくので、実際に評価用の半導体基板のリーク電流を測定することなく、評価用の半導体基板の界面準位密度を測定することで、評価用の半導体基板のリーク電流を推定することができる。

このとき、推定した評価用の半導体基板のリーク電流が、あらかじめ設定したリーク電流の許容値の範囲に入っているかを評価する工程を行うことができる。
このように、推定した評価用の半導体基板のリーク電流に基づいて、該推定したリーク電流が予め設定したリーク電流の許容値の範囲に入っているかを評価して、合否判定をすることができる。

以下、本発明の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）
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。

まず、測定用の半導体基板として、直径が２００ｍｍ、結晶方位が＜１００＞のＰ型シリコンウェーハを複数枚用意した。なお、このＰ型シリコンウェーハのドーパントはボロンで抵抗率は１０Ω・ｃｍである。

この測定用の半導体基板上に、酸化膜を３１ｎｍ、１４５ｎｍでそれぞれ形成した。そして、該形成したそれぞれの酸化膜を通じて、１×１０^１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２のボロンを加速電圧５５ｋｅＶでイオン注入を行った。

次に、これらのイオン注入を行った測定用の半導体基板に、水銀プローブ装置を用いて、界面準位密度を測定した。なお、酸化膜を形成したイオン注入前の測定用の半導体基板の界面準位密度も合わせて測定しておいた。これらの測定結果を図２に示した。

図２に示したように、測定用の半導体基板上に形成した酸化膜の厚さによらず、イオン注入を行うと、界面準位密度が増加することが分かる。

さらに、酸化膜を形成した測定用の半導体基板に、イオン注入を行うときに、イオン注入量を１×１０^１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２から１×１０^１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２までの区間で変化させた。そして、このときの界面準位密度を上記と同様にＣＶ法により測定し、イオン注入量と界面準位密度との関係を求め、図３に示した。

図３に示したように、半導体基板へのイオン注入量を増加させ、イオン注入ダメージが増加すると、界面準位密度も増加していくということが分かる。

そして、イオン注入量を変化させてイオン注入を行った測定用の半導体基板のリーク電流の測定を行った。

まず、測定用の半導体基板にフォトリソグラフィーを行って窓明け用のパターンを形成した。その後、ＰＮ接合を形成するために、ドーパントの拡散を行ない、拡散層を形成した。そして、このようしてＰＮ接合を形成した測定用の半導体基板に電極を形成し、リーク電流の測定を行った。

上記のようにして、測定用の半導体基板にイオン注入をした時のリーク電流と界面準位密度とをそれぞれ測定し、リーク電流と界面準位密度との相関を図４に示すように予め求めておいた。

このように、界面準位密度とリーク電流との間には良い相関関係があることが判る。この関係から、界面準位密度とリーク電流は、いずれもドーズ量が増えると共に増加しているので、共にイオン注入ダメージを示しているということが分かる。

次に、評価用の半導体基板として、直径が２００ｍｍ、結晶方位が＜１００＞のＰ型シリコンウェーハを用意した。なお、このＰ型シリコンウェーハのドーパントはボロンで抵抗率は１０Ω・ｃｍである。

この評価用の半導体基板上に、酸化膜を３１ｎｍ形成した。そして、該形成した酸化膜を通じて、１×１０^１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２のボロンを加速電圧５５ｋｅＶでイオン注入を行った。

そして、このイオン注入を行った評価用の半導体基板に、水銀プローブ装置を用いて、界面準位密度を測定した。測定によって求められた評価用の半導体基板の界面準位密度は、３５０×１０^１１ｃｍ^-２eＶ^−１であった。

そして、予め求めた界面準位密度とリーク電流の関係（図４）に基づいて、測定により求めた評価用の半導体基板の界面準位密度から、この評価用の半導体基板のリーク電流は、２×１０^−１１Ａと推定することができた。

このように、リーク電流と界面準位密度の相関を予め求めておいたので、この相関を利用することで、実際にリーク電流を測定しなくても、評価用の半導体ウェーハの界面準位密度の測定を行うことで、評価用の半導体ウェーハのリーク電流を推定することが可能になった。

例えば、ゲート直下の閾値電圧の調整のため、リーク電流を１×１０^−１１Ａに抑えたいと予め設定した。この場合、予め求めた、図４に示すようなリーク電流と界面準位密度との相関から、測定により求めた評価用の半導体基板の界面準位密度が、２００×１０^１１ｃｍ^-２eＶ^−１程度以下であれば、推定される評価用の半導体基板のリーク電流が、予め設定したリーク電流の許容値に入っていると評価することができる。

このように、推定した評価用の半導体基板のリーク電流に基づいて、該推定したリーク電流が予め設定したリーク電流の許容値の範囲に入っているかを評価して、合否判定をすることができる。

また、このとき、図３に示すようなイオン注入量と界面準位密度との関係から、評価用の半導体基板にイオン注入をした時に、評価用の半導体基板の界面準位密度が、２００×１０^１１ｃｍ^-２eＶ^−１程度以下となるようにするためには、最大のイオン注入量は５×１０^１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２程度にすればよいと判断することができる。

このように、界面準位密度とリーク電流との関係に加え、イオン注入量と界面準位密度の関係も予め求めておけば、所定のリーク電流値以下となるイオン注入のドーズ量を、界面準位密度の測定のみによって判断することができる。

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…測定用の半導体基板、１´…評価用の半導体基板、２…酸化膜、
３…イオン注入層、４…電極。

Claims

評価対象の半導体基板にイオン注入をしたときのイオン注入ダメージを評価する方法であって、
測定用の半導体基板上に酸化膜を形成し、該酸化膜を通じてイオン注入を行い、該イオン注入を行った前記測定用の半導体基板のリーク電流を測定し、さらに、前記イオン注入を行った測定用の半導体基板の界面準位密度を測定し、前記リーク電流と前記界面準位密度との相関を予め求めておく工程と、
評価用の半導体基板上に酸化膜を形成し、該酸化膜を通じてイオン注入を行い、該イオン注入を行った評価用の半導体基板の界面準位密度を測定する工程と、
前記予め求めた前記界面準位密度と前記リーク電流との相関に基づき、前記測定した評価用の半導体基板の前記界面準位密度から、前記評価対象の半導体基板のリーク電流を推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。
前記推定した前記評価対象の半導体基板のリーク電流が、予め設定したリーク電流の許容値の範囲に入っているかを評価する工程を有する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。