JP6536517B2 - 結晶欠陥評価方法 - Google Patents
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Description
本発明は、結晶欠陥評価方法に関する。
シリコンの酸化膜は非常に絶縁性に優れているにも関わらず、酸化雰囲気中での熱処理という簡単な工程で形成することができるため、広くデバイス工程に使われている。ゲート酸化膜は厚さあたりに換算すると高電圧が掛けられるため、高品質な膜が要求されている。
また、ウェーハ中に欠陥があると、ゲート酸化膜に取り込まれ、不良酸化膜となり、デバイス不良の原因になることが知られている。
このような不良酸化膜を検知する酸化膜耐圧（ＧＯＩ）の評価法にＴＤＤＢ法がある。この方法は絶縁膜に一定の電圧ないしは電流を連続的に印加し続け、所定の時間間隔で電流ないしは電圧を検出して経時的な変化を求め、絶縁破壊に至るまでの時間、その経過等を詳細に評価する方法である。
ＴＤＤＢ法の絶縁膜破壊に至るメカニズムとしてパーコレーションモデルが提案されている。これは、例えばシリコン酸化膜をメッシュ構造に分割して微小なセルを形成し、各セルが破壊する確率を想定して、酸化膜の厚さ方向で破壊セルが１列をなしたところで絶縁破壊が起きるとする確率モデルである。
このメカニズムによると、酸化膜中にウィークスポットがあると時間とともに酸化膜中の欠陥が増加し、欠陥間の距離が小さくなると電子の移動が容易となり、最終的に電流パスができ、絶縁破壊に至るというものである。
つまり、酸化膜中に小さなウィークスポットがあれば、それが増長されて、膜破壊にいたるということになる。このことから、実際のサイズはわからないが、酸化膜厚さに対して十分小さな欠陥でも酸化膜破壊につながる欠陥になると考えられていた。
しかしながら、本発明者の研究によると最近高感度のＬＳＴ（Ｌａｓｅｒ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）が開発され、１０ｎｍ程度のサイズのＶｏｉｄを直接観察できるようになった。これにより、従来の酸化膜厚さ２５ｎｍ、ＬＳＴ感度２０ｎｍと、酸化膜厚さと、欠陥サイズとが同等である場合は、ＬＳＴ欠陥密度と、酸化膜耐圧は非常に良い相関を示すが、サイズが１０ｎｍのｖｏｉｄ密度は、厚さが２５ｎｍの酸化膜の耐圧と相関を得られないということが分かった。
特許文献１の表１、図１、段落１７−１９に酸化膜厚を７１ｎｍ、８３ｎｍ、１０８ｎｍに振り、このときのＧＯＩ歩留、ＧＯＩ欠陥密度、ＧＯＩ欠陥の最小サイズを求めていることが記載されている。しかし、このような酸化膜厚さのＧＯＩ測定結果からは欠陥サイズの検出限度が１０ｎｍ程度の測定器で検出困難な微小欠陥の分布を求めることができない。
なお、特許文献１で対象とするＶｏｉｄ（ＣＯＰ）は４０ｎｍ以上という非常に測定しやすいサイズだが、１０ｎｍ前後と測定器では検出が困難なサイズの欠陥の検出を目的としているものではない。
また、特許文献１の欠陥サイズの求め方については、所定のサイズの欠陥を作ったのではなく、ＯＰＰで検出された全てのＣＯＰの密度（累積欠陥密度）とＧＯＩ不良（ＧＯＩ歩留まり）から、サイズが比較的大きなＣＯＰがＧＯＩを劣化させるものと仮定して、ＧＯＩ欠陥の最小サイズを求めている。つまり、欠陥サイズとＧＯＩ不良の関係について確認をしていない。
実際に、特許文献１の測定では、ゲート酸化膜厚１０８ｎｍの水準の良品率（ＧＯＩ歩留まり）９９．１％というのは、測定数２２９個のうち不良は２点だけであり、この良品率を用いて密度（ＧＯＩ欠陥密度）計算をするには精度の点で無理がある。
また、特許文献１の欠陥サイズの求め方については、所定のサイズの欠陥を作ったのではなく、ＯＰＰで検出された全てのＣＯＰの密度（累積欠陥密度）とＧＯＩ不良（ＧＯＩ歩留まり）から、サイズが比較的大きなＣＯＰがＧＯＩを劣化させるものと仮定して、ＧＯＩ欠陥の最小サイズを求めている。つまり、欠陥サイズとＧＯＩ不良の関係について確認をしていない。
実際に、特許文献１の測定では、ゲート酸化膜厚１０８ｎｍの水準の良品率（ＧＯＩ歩留まり）９９．１％というのは、測定数２２９個のうち不良は２点だけであり、この良品率を用いて密度（ＧＯＩ欠陥密度）計算をするには精度の点で無理がある。
上述のように、酸化膜耐圧を悪化させる結晶欠陥サイズは従来考えられたものよりも大きく、酸化膜の厚さと同等であり、従来の厚い酸化膜では見のがしていた、薄い酸化膜のＧＯＩ特性と相関のある小さな欠陥を検出することが重要になってきている。しかしながら、ＬＳＴ等の欠陥密度測定器には検出限界があり、１０ｎｍ以下の小さな欠陥を検出することが困難であるという問題があった。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、１０ｎｍ以下の結晶欠陥サイズであっても、結晶欠陥の分布を求めることができる結晶欠陥評価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、本発明は、シリコンウェーハ内に存在する結晶欠陥の分布を評価する結晶欠陥評価方法であって、評価する結晶欠陥のサイズと同じ厚さの酸化膜を前記シリコンウェーハに形成して前記シリコンウェーハのＧＯＩ特性を測定し、前記ＧＯＩ特性が低下した領域では前記酸化膜の厚さと同等のサイズの結晶欠陥が存在していたと見做して、前記ＧＯＩ特性の測定結果から前記シリコンウェーハ内の評価する結晶欠陥サイズの結晶欠陥分布を求めることを特徴とする結晶欠陥評価方法を提供する。
酸化膜厚さの半分から２倍のサイズまでの欠陥が酸化膜耐圧を落とすので、このように、評価する結晶欠陥のサイズと同じ厚さの酸化膜をシリコンウェーハに形成してシリコンウェーハのＧＯＩ特性を測定し、ＧＯＩ特性が低下した領域では酸化膜の厚さと同等のサイズの結晶欠陥が存在していたと見做して、ＧＯＩ特性の測定結果からシリコンウェーハ内の評価する結晶欠陥サイズの結晶欠陥分布を求めることで、ＬＳＴ等の欠陥密度測定器を用いる必要がなく、今まで測定できなかった小さな結晶欠陥の密度や分布を調べることができる。
このとき、前記評価する結晶欠陥のサイズを複数とし、前記シリコンウェーハ内の結晶欠陥サイズ別の結晶欠陥分布を求めることが好ましい。
このようにして、結晶欠陥サイズ別の結晶欠陥分布を簡便に求めることができる。
このとき、前記評価する結晶欠陥のサイズは１０ｎｍ以下であることが好ましい。
評価する結晶欠陥のサイズが１０ｎｍ以下である場合には、ＬＳＴを用いてもＶｏｉｄを直接観察できず、欠陥密度を測定できないので、ＬＳＴ等の欠陥密度測定器を用いない本発明の結晶欠陥評価方法を好適に用いることができる。
以上のように、本発明の結晶欠陥評価方法を用いれば、評価する結晶欠陥のサイズと同じ厚さの酸化膜をシリコンウェーハに形成してシリコンウェーハのＧＯＩ特性を測定し、ＧＯＩ特性の測定結果からシリコンウェーハ内の評価する結晶欠陥サイズの結晶欠陥分布を求めているので、ＬＳＴ等の欠陥密度測定器を用いる必要がなく、今まで測ることのできなかった１０ｎｍ以下のサイズの結晶欠陥の密度や分布を調べることができる。
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。
前述したように、不良酸化膜を検知する酸化膜耐圧（ＧＯＩ）の評価法にＴＤＤＢ法があり、ＴＤＤＢ法の絶縁膜破壊に至るメカニズムとしてパーコレーションモデルが提案されている。このメカニズムによると、酸化膜中に小さなウィークスポットがあれば、それが増長されて、膜破壊に至るということになる。このことから、実際のサイズはわからないが、酸化膜厚さに対して十分小さな欠陥でも酸化膜破壊につながる欠陥になると考えられていた。
しかしながら、１０ｎｍ程度のサイズのＶｏｉｄを直接観察できる高感度のＬＳＴを用いると、従来の酸化膜厚さ２５ｎｍ、ＬＳＴ感度２０ｎｍと、酸化膜厚さと欠陥サイズが同等である場合は、ＬＳＴにより測定した欠陥密度と、酸化膜耐圧は非常に良い相関を示すが、欠陥サイズが１０ｎｍのｖｏｉｄ密度（欠陥密度）は、２５ｎｍの厚さの酸化膜の耐圧とは相関を得られないということが分かった。
このように酸化膜耐圧を悪化させる結晶欠陥サイズは従来考えられたものよりも大きく、酸化膜の厚さと同等であり、従来の厚い酸化膜では見のがしていた、薄い酸化膜のＧＯＩ特性と相関のある小さな欠陥を検出することが重要になってきている。しかしながら、ＬＳＴ等の欠陥密度測定器には検出限界があり、１０ｎｍ以下の小さな欠陥を検出することが困難であるという問題があった。
そこで、本発明者は、１０ｎｍ以下の結晶欠陥サイズであっても、結晶欠陥の分布を求めることができる結晶欠陥評価方法について鋭意検討した。その結果、評価する結晶欠陥のサイズと同じ厚さの酸化膜をシリコンウェーハに形成してシリコンウェーハのＧＯＩ特性を測定し、ＧＯＩ特性が低下した領域では酸化膜の厚さと同等のサイズの結晶欠陥が存在していたと見做して、ＧＯＩ特性の測定結果からシリコンウェーハ内の評価する結晶欠陥サイズの結晶欠陥分布を求めることで、ＬＳＴ等の欠陥密度測定器を用いる必要がなく、今まで測定できなかった小さな結晶欠陥の密度や分布を調べることができることを見出し、本発明を完成させた。
次に、本発明の結晶欠陥評価方法について、図１を参照しながら説明する。
まず、シリコンウェーハを準備する（図１のＳ１１参照）。
次に、評価する結晶欠陥のサイズと同じ厚さの酸化膜を準備したシリコンウェーハに形成する（図１のＳ１２参照）。ここで、酸化膜は、シリコン酸化膜とすることができ、シリコン酸化膜は熱酸化により形成することが好ましい。
次に、酸化膜を形成したシリコンウェーハのＧＯＩ特性を測定する（図１のＳ１３参照）。ここで、ＧＯＩ特性は、前述のＴＤＤＢ法を用いて測定することができる。また、正確な欠陥分布を得るために、ＧＯＩ特性は、シリコンウェーハの全面にわたって、できるだけ多くの測定点で測定することが好ましい。
次に、ＧＯＩ特性が低下した領域（すなわち、ＧＯＩ特性が低下した測定点）では酸化膜の厚さと同等のサイズの結晶欠陥が存在していたと見做して、ＧＯＩ特性の測定結果からシリコンウェーハ内の評価する結晶欠陥サイズの結晶欠陥分布を求める（図１のＳ１４参照）。ここで、本発明における「同等」とは、半分から２倍とする。ＧＯＩ特性が低下した領域では酸化膜の厚さと同等のサイズの結晶欠陥が存在していたと見做すのは、欠陥のサイズが酸化膜の厚さに対して大きすぎても、小さすぎても、酸化膜耐圧に影響しないと思われるからである。すなわち、図５（ａ）に示すように、欠陥のサイズが酸化膜の厚さに等しい場合には、欠陥の箇所の酸化膜の厚さが、その周辺の酸化膜の厚さより薄くなるため、電界集中が起こり、ＧＯＩ特性が低下すると思われる。また、図５（ｂ）に示すように、欠陥のサイズが酸化膜の厚さより大きい場合には、欠陥の箇所の酸化膜の厚さが、その周辺の酸化膜の厚さと変わらないので、ＧＯＩ特性は低下しないと思われる。さらに、図５（ｃ）に示すように、欠陥のサイズが酸化膜の厚さより小さい場合には、欠陥の箇所の酸化膜の厚さが、その周辺の酸化膜の厚さと変わらないので、ＧＯＩ特性は低下しないと思われる。従って、酸化膜耐圧に影響する酸化膜厚さの半分から２倍のサイズまでの欠陥を、「同等」とみなすのが適当である。これが正しいことが後述する実施例のデータにより実験的に確認された。
上記のように、評価する結晶欠陥のサイズと同じ厚さの酸化膜をシリコンウェーハに形成してシリコンウェーハのＧＯＩ特性を測定し、ＧＯＩ特性の測定結果からシリコンウェーハ内の評価する結晶欠陥サイズの結晶欠陥分布を求めているので、ＬＳＴ等の欠陥密度測定器を用いる必要がなく、今まで測定できなかった小さな結晶欠陥の密度や分布をそれぞれ調べることができる。
本発明の結晶欠陥評価方法において、評価する結晶欠陥のサイズを複数とし、シリコンウェーハ内の結晶欠陥サイズ別の結晶欠陥分布を求めることが好ましい。
具体的には、図１のＳ１１において、複数のシリコンウェーハを準備し、図１のＳ１２において、準備した複数のシリコンウェーハのそれぞれに、評価する結晶欠陥の複数のサイズに対応する複数種類の厚さの酸化膜を形成し、図１のＳ１３において、それぞれ膜厚の異なる酸化膜が形成された複数のシリコンウェーハのＧＯＩ特性を測定し、図１のＳ１４において、複数のＧＯＩ特性の測定結果からシリコンウェーハ内の結晶欠陥サイズ別の結晶欠陥分布を求めることができる。
具体的には、図１のＳ１１において、複数のシリコンウェーハを準備し、図１のＳ１２において、準備した複数のシリコンウェーハのそれぞれに、評価する結晶欠陥の複数のサイズに対応する複数種類の厚さの酸化膜を形成し、図１のＳ１３において、それぞれ膜厚の異なる酸化膜が形成された複数のシリコンウェーハのＧＯＩ特性を測定し、図１のＳ１４において、複数のＧＯＩ特性の測定結果からシリコンウェーハ内の結晶欠陥サイズ別の結晶欠陥分布を求めることができる。
ここで、図１のＳ１１において複数のシリコンウェーハを準備する場合には、準備する複数のシリコンウェーは同一ロットのシリコン単結晶から切り出したものであることが好ましい。これは欠陥サイズや欠陥分布がほぼ同じになるからである。
上記のようにして、本発明では結晶欠陥サイズ別の結晶欠陥分布を簡便に求めることができる。
本発明の結晶欠陥評価方法において、前記評価する結晶欠陥のサイズは１０ｎｍ以下であることが好ましい。評価する結晶欠陥のサイズが１０ｎｍ以下である場合には、ＬＳＴを用いてもＶｏｉｄを直接観察できず、欠陥密度を測定できないので、ＬＳＴ等の欠陥密度測定器を用いない本発明の結晶欠陥評価方法を好適に用いることができる。
以下、実施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）
酸化膜厚さ５ｎｍ、１０ｎｍ、２５ｎｍの３種類の酸化膜をそれぞれ形成した、同じロットのシリコン単結晶から切り出した３枚の直径３００ｍｍのシリコンウェーハについて酸化膜耐圧を測定した。ここで、同じロットのシリコン単結晶から切り出したシリコンウェーハでは欠陥分布はほぼ同じになると考えられる。
また、通常、酸化膜耐圧はシリコンウェーハの一部しか測らない（面積で１％〜１０％）ため、欠陥密度が低い場合は欠陥の見逃しが起きやすく、欠陥があってもＧＯＩ不良を起こさないと誤解を招く場合がある。欠陥の見逃しが無くなるように、全面を測定する事もよくあるが、測定の容易さなどから、一点当たりの面積を広くするのが通常のやり方である。しかし、その場合、正確な欠陥分布が分からなくなる問題が生じる。そこで、今回の酸化膜耐圧は、２×２ｍｍ２のパターンを１４７００個敷き詰めたパターンを用いて、全面を細かく測定する事にした。
酸化膜厚さ５ｎｍ、１０ｎｍ、２５ｎｍの３種類の酸化膜をそれぞれ形成した、同じロットのシリコン単結晶から切り出した３枚の直径３００ｍｍのシリコンウェーハについて酸化膜耐圧を測定した。ここで、同じロットのシリコン単結晶から切り出したシリコンウェーハでは欠陥分布はほぼ同じになると考えられる。
また、通常、酸化膜耐圧はシリコンウェーハの一部しか測らない（面積で１％〜１０％）ため、欠陥密度が低い場合は欠陥の見逃しが起きやすく、欠陥があってもＧＯＩ不良を起こさないと誤解を招く場合がある。欠陥の見逃しが無くなるように、全面を測定する事もよくあるが、測定の容易さなどから、一点当たりの面積を広くするのが通常のやり方である。しかし、その場合、正確な欠陥分布が分からなくなる問題が生じる。そこで、今回の酸化膜耐圧は、２×２ｍｍ２のパターンを１４７００個敷き詰めたパターンを用いて、全面を細かく測定する事にした。
酸化膜耐圧の測定結果を図２に示す。
図２からわかるように、３枚のシリコンウェーは同じ欠陥分布であるにもかかわらず、酸化膜厚さの違いによって、欠陥分布が全く異なる結果となった。
図２からわかるように、３枚のシリコンウェーは同じ欠陥分布であるにもかかわらず、酸化膜厚さの違いによって、欠陥分布が全く異なる結果となった。
この結果から推測される欠陥分布は、以下の通りである。
１）２５ｎｍ近辺のサイズの欠陥は外周に多くあり、中心には無い。
２）１０ｎｍ近辺のサイズの欠陥はウェーハ全体に存在し、外周の方が高密度である。
３）５ｎｍ近辺のサイズの欠陥は全体的に低密度である。
１）２５ｎｍ近辺のサイズの欠陥は外周に多くあり、中心には無い。
２）１０ｎｍ近辺のサイズの欠陥はウェーハ全体に存在し、外周の方が高密度である。
３）５ｎｍ近辺のサイズの欠陥は全体的に低密度である。
このように従来の測定器（欠陥密度測定器）では検出サイズは１０ｎｍ程度が限界であるのに対し、本発明では検出したい欠陥サイズと同等の酸化膜厚さの酸化膜を形成しＧＯＩ測定すれば、測定器では検出できない欠陥サイズが５ｎｍ程度のようなサイズであっても、その欠陥分布を求めることができる。
このサンプルのＶｏｉｄ面内分布とサイズを高感度ＬＳＴを用いて確認したところ、図３に示す結果が得られた。
図３からわかるように、外周と中心では、サイズが２０ｎｍ以上の欠陥があるかないかが異なっている。つまり図２の酸化膜厚さ２５ｎｍのウェーハの外周に生じているＧＯＩ不良はサイズが２０ｎｍ以上の欠陥が原因していると考えられる。また、図２の酸化膜厚さ２５ｎｍのウェーハのＧＯＩでは中心が良品であるが図２の酸化膜厚さ１０ｎｍのウェーハの中心では不良品があるのは、サイズが２０ｎｍ以下の欠陥の影響によるものと考えられる。
次に上記と同じウェーハについてＬＳＴを用いて２０ｎｍ以上のサイズの欠陥と、１０ｎｍ以上のサイズの欠陥を実測した。欠陥サイズ別の面内分布を図４に示す。
図４からわかるように、サイズが２０ｎｍ以上の欠陥は中心に少なく外周に多い。これは図２の酸化膜厚さが２５ｎｍのときのＧＯＩの結果と一致している。また、サイズが１０ｎｍ以上の欠陥は面内で均一に発生しており、図２の酸化膜厚さが１０ｎｍのときのＧＯＩの結果と一致している。
このように、本発明で求めた欠陥サイズ別の面内分布はＬＳＴで実測したサイズ別の欠陥の面内分布と一致しており、本発明で求めた欠陥分布は実際の欠陥サイズの面内分布を反映していることがわかる。
しかも、本発明であれば、酸化膜厚さを１０ｎｍより薄くしてＧＯＩを測定すれば、ＬＳＴでは検出できないような１０ｎｍ以下のサイズの欠陥の面内分布を求めることも可能である。
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。
Claims (3)
- シリコンウェーハ内に存在する結晶欠陥の分布を評価する結晶欠陥評価方法であって、
評価する結晶欠陥のサイズと同じ厚さの酸化膜を前記シリコンウェーハに形成して前記シリコンウェーハのＧＯＩ特性を測定し、前記ＧＯＩ特性が低下した領域では前記酸化膜の厚さと同等のサイズの結晶欠陥が存在していたと見做して、前記ＧＯＩ特性の測定結果から前記シリコンウェーハ内の評価する結晶欠陥サイズの結晶欠陥分布を求めることを特徴とする結晶欠陥評価方法。 - 前記評価する結晶欠陥のサイズを複数とし、前記シリコンウェーハ内の結晶欠陥サイズ別の結晶欠陥分布を求めることを特徴とする請求項１に記載の結晶欠陥評価方法。
- 前記評価する結晶欠陥のサイズは１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の結晶欠陥評価方法。
Priority Applications (6)
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| JP2016174649A JP6536517B2 (ja) | 2016-09-07 | 2016-09-07 | 結晶欠陥評価方法 |
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