WO2006030723A1

WO2006030723A1 - 半導体ウェーハの評価方法及び半導体ウェーハの評価装置

Info

Publication number: WO2006030723A1
Application number: PCT/JP2005/016707
Authority: WO
Inventors: Tsuyoshi Ohtsuki; Hideki Sato
Original assignee: Shin-Etsu Handotai Co., Ltd.
Priority date: 2004-09-13
Filing date: 2005-09-12
Publication date: 2006-03-23
Also published as: US20070279080A1; EP1796157A4; JPWO2006030723A1; EP1796157A1; JP4379627B2; US7633305B2

Abstract

　水銀電極を用いて半導体ウェーハの電気特性を測定して半導体ウェーハの評価を行う方法であって、保持面内に水銀電極を形成したウェーハチャックに、半導体ウェーハをその被測定面側を前記ウェーハチャック側にして保持する時、前記ウェーハチャックの保持面の最外周を構成する直径が、前記半導体ウェーハの被測定面の最外周を構成する直径よりも小さいウェーハチャックに保持して、前記水銀電極を前記ウェーハの被測定面に接触させて電気特性を測定することを特徴とする半導体ウェーハの評価方法及び評価装置。これにより、水銀電極を用いて半導体ウェーハの電気特性を測定して半導体ウェーハの評価を行う際に、ウェーハチャックの保持面を被測定物である半導体ウェーハの被測定面の大きさよりも小さくすることで、半導体ウェーハの評価を高精度にかつ効率的に行うことのできる半導体ウェーハの評価方法及び評価装置が提供される。

Description

明細書

半導体ゥーハの評価方法及び半導体ゥエーハの評価装置

技術分野

[0001] 本発明は、半導体ゥーハの電気特性を測定して半導体ゥーハの評価を行う評価方法及び評価装置に関し、更に詳しくは、半導体ゥハを評価する際に、半導体ゥヱーハを保持し水銀電極を形成するゥヱチャックを改良することにより、高精度に半導体ゥーハを評価することのできる半導体ゥハの評価方法及び評価装置に関する。背景技術

[0002] 現在使用されている半導体ゥエーハとして、例えばシリコンゥエーハ、ェピタキシャル（EP)ゥ Silicon on Insulator (SOI)ゥハ等があり、これらのゥハ上にデバイスを形成することにより半導体デバイスが製造される。近年、半導体デバイスには微細化、高集積化、高速化、高歩留まり化等が求められている。その中において、形成された半導体デバイスの性能や歩留まりは前記ゥーハの品質が反映すると言われている。

[0003] 例えば、半導体ゥハにおいて特に重要な品質の一つである半導体ゥハを熱酸化して形成させた熱酸化膜の品質は、酸化膜形成条件の良否や半導体ゥ表面部の結晶品質等を反映している。また、 Metal Insulator Semiconductor (MIS)キャパシタの電気特性は、半導体ゥハ上に形成された絶縁膜の品質を反映するものである力特に絶縁膜の品質そのもの以外に半導体ゥハ表面及び表面近傍の結晶品質を反映するものでもある。そして、半導体ゥハに形成した絶縁膜の電気特性をより高感度に、また高精度に評価できるようにして、高品質の半導体ゥハを提供することが今後ますます重要となってきている。

[0004] しカゝしながら、半導体ゥハを評価するために MISキャパシタを形成する場合、 MISキャパシタの形成工程は、大掛力りな装置と多数の工程を必要とし、コスト面での大きな負担や迅速性に欠ける等の不具合があった。 [0005] そこで、利便性に優れた水銀を電極とした半導体ゥエーハの評価方法が開発され、半導体ゥヱーハと酸ィヒ膜界面の界面準位、半導体ゥヱーハにおけるバルタのドーパント濃度等を測定する C—V法や、 SOIゥヱーハを評価するための Pseudo MOS FET法が提案されている（例えば特開 2001— 60676号公報、特開 2001— 26738 4号公報及び S. し ristoloveanu et al., A Review of the Pseudo— MOS Transistor in SOI Wafers: Operation, Parameter Extraction, and Applications lEEE Trans. Electr on Dev, 47, 1018 (2000).、 H. J. Hovel, "Si film electrical characterization in SOI su bstrates by HgFET technique", Solid— State Electronics, 47, 1311 (2003).参照）。しカゝしながら、これらのような評価方法では、 C— V特性や FET特性を取得する上で、半導体ゥエーハと電極とのコンタクト状態が非常に重要である。

[0006] f列え ί 特開 2001— 60676号公報又 ίま特開 2001— 267384号公報【こお!ヽて ίま、電極として針状のプローブを突刺して接触させる方法を開示して、るが、針状のプローブでは針の先端が歪んだり被測定物の擦れクズが付着したりするなどして接触抵抗が大きくなると、う問題がある。

[0007] 一方、 ¾. し ristoloveanu et al., A Review of the Pseudo— MOS iransistor in SOI W afers: Operation, Parameter Extraction, and Applications" IEEE Trans. Electron De v, 47, 1018 (2000).又は H. J. Hovel, "Si film electrical characterization in SOI substr ates by HgFET technique , Solid— State Electronics, 47, 1311 (2003).においては、電極として水銀プローブが用いられて、る。このような電極として用いられる水銀は、半導体ゥエーハを評価する際にゴミ等の異物が混入してしまうことがある。水銀電極は、半導体ゥエーハと直接接触して電気特性を測定するため、水銀の汚れに対して非常に敏感であり、ゴミ等の異物が水銀に混入しているとゥヱーハと水銀電極の接触面積の変化を引き起こしたり、また不純物の種類によりリーク源や絶縁体として働いたりする。そのため、電気伝導性が不安定になり、測定された電気特性に異常が見られる場合があった。

[0008] このような水銀への異物の混入による半導体ゥーハ評価の問題を解消するために、例えば特開平 6— 140478号公報では、プローブヘッドの高さ調整用の圧力室および水銀押圧用の圧力室の圧力を所定の設定値に確実に保ち、圧力設定作業やその調整作業の手間を軽減し、精度の高、検査ができる接触式検査装置を開示している。

発明の開示

[0009] ところが、たとえ水銀中の異物を完全に取り除いたとしても、測定される微少電流がおよそ 10—このところで、それよりも微少な電流を測定することができな力つた。

[0010] そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、水銀電極を用いて半導体ゥエーハの電気特性を測定して半導体ゥエーハの評価を行う際に、ゥーハチャックの保持面を被測定物である半導体ゥーハの被測定面の大きさよりも小さくすることで、半導体ゥーハの評価を高精度にかつ効率的に行うことのできる半導体ゥーハの評価装置及び評価方法を提供することにある。

[0011] 上記課題を解決するために、本発明の半導体ゥエーハの評価方法は、水銀電極を用いて半導体ゥーハの電気特性を測定して半導体ゥーハの評価を行う方法であつて、保持面内に水銀電極を形成したゥエーハチャックに、半導体ゥエーハをその被測定面側を前記ゥエーハチャック側にして保持する時、前記ゥーハチャックの保持面の最外周を構成する直径が、前記半導体ゥーハの被測定面の最外周を構成する直径よりも小さ、ゥエーハチャックに保持して、前記水銀電極を前記ゥエーハの被測定面に接触させて電気特性を測定することを特徴とする。

[0012] このように、水銀を使った電極で半導体ゥエーハの電気特性を測定する際に、ゥェーハチャックの保持面の最外周を構成する直径を、ゥエーハチャックに保持される半導体ゥーハの被測定面の最外周を構成する直径よりも小さくすることで、半導体ゥエーハの側面を通って反対面側 (裏面側）へリークする電流を抑えることができ、 10 A以下の微少電流も測定可能となり、その結果、半導体ゥヱーハの電気的物性値を正確に求めることができるようになる。

[0013] この場合、半導体ゥエーハを SOIゥエーハとし、 SOIゥエーハの被測定面側には被測定面を提供する SOI層を部分的に残した MESA部が形成されていることが好ましい。このように、半導体ゥエーハが SOIゥエーハであり、 SOIゥエーハの SOI層を部分的に残した MESA部とし、この MESA部の SOI層の表面を被測定面とすることで、被測定面の周辺領域が絶縁膜である BOX膜 (埋め込み酸ィヒ膜)とできるので、半導体ゥエーハの側面を通って反対面側へリークする電流をより抑えることができる。

[0014] このとき、前記ゥエーハチャックの保持面の最外周を構成する直径を、前記半導体ゥエーハの被測定面の最外周を構成する直径の 0. 5倍以上 1. 0倍未満とするのが好ましい。このように、ゥエーハチャックの保持面の最外周を構成する直径を、半導体ゥエーハの被測定面の最外周を構成する直径の 0. 5倍以上 1. 0倍未満とすることで、半導体ゥエーハの側面を通って反対面側 (裏面側）へリークする電流を確実に抑えることがでさる。

[0015] そして、前記半導体ゥーハの電気特性を測定する際に、雰囲気の相対湿度を 50 %未満に調整するのが好ましい。このように、半導体ゥーハの電気特性を測定する際に、雰囲気の相対湿度を 50%未満とすることで、半導体ゥーハの側面を通って反対側へリークする電流をさらに確実に抑えることができる。

尚、この場合、測定装置が置かれた部屋の湿度を空調により制御して、部屋自体の相対湿度を 50%未満にしてもよいし、測定装置を例えば密閉型の箱で覆って、ゥェーハチャック近傍に精製器を通した乾燥した空気や窒素を吹き付けるような構成にしてもよい。

[0016] また、本発明の半導体ゥエーハの評価装置は、水銀電極を用いて半導体ゥーハの電気特性を測定して半導体ゥーハの評価を行う装置であって、少なくとも、前記半導体ゥーハをその被測定面側をゥーハチャック側にして保持面で保持するゥェーハチャックと、前記ゥーハチャックの保持面内に水銀電極を形成するプローブ部とを備えるものであり、前記ゥエーハチャックの保持面の最外周を構成する直径が、前記半導体ゥーハの被測定面の最外周を構成する直径よりも小さいものであることことを特徴とする。

[0017] このように、水銀を使った電極で半導体ゥーハの電気特性を測定して半導体ゥーハの評価を行う装置において、ゥエーハチャックの保持面の最外周を構成する直径を、ゥエーハチャックに保持される半導体ゥエーハの被測定面の最外周を構成する直径よりも小さくすることで、半導体ゥヱーハの側面を通って反対面側 (裏面側）ヘリークする電流を抑えることができ、 10— ⁷A以下の微少電流も測定可能となり、その結果、半導体ゥヱーハの電気的物性値を正確に求めることができるようになる。

[0018] この場合、ゥエーハチャックの保持面の最外周を構成する直径力半導体ゥエーハの被測定面の最外周を構成する直径の 0. 5倍以上 1. 0倍未満のものであることが好ましい。このように、ゥエーハチャックの保持面の最外周を構成する直径を、半導体ゥエーハの被測定面の最外周を構成する直径の 0. 5倍以上 1. 0倍未満とすることで、半導体ゥエーハの側面を通って反対面側 (裏面側）へリークする電流を確実に抑えることがでさる。

尚、ゥヱーハチャックの保持面の最外周を構成する直径力半導体ゥヱーハの被測定面の最外周を構成する直径の 0. 5倍未満になると、保持する半導体ゥエーハが安定しなくなる恐れがあり、一方、 1. 0倍以上になると、半導体ゥーハの側面を通って反対面側へリークする電流を抑えることができなくなる。

[0019] さらに、半導体ゥーハは SOIゥーハであって、 SOIゥーハの被測定面側には被測定面を提供する SOI層を部分的に残した MESA部が形成されていることが好ましい。このように、半導体ゥエーハが SOIゥエーハであり、 SOIゥエーハの SOI層を部分的に残した MESA部とし、この MESA部の SOI層の表面を被測定面とすることで、被測定面の周辺領域が絶縁膜である BOX膜とできるので、半導体ゥヱーハの側面を通って反対面側へリークする電流をより確実に抑えることができる。

[0020] また、少なくとも、前記ゥエーハチャックと、該ゥヱーハチャックに保持された半導体ゥエーハとを密閉して囲うチャンバ一を具備し、該チャンバ一内の雰囲気の相対湿度を 50%未満に制御する空調機を備えたものであることが好ましい。このように、ゥエーハチャックに保持された半導体ゥエーハとを密閉して囲うチャンバ一を具備し、該チヤンバー内の雰囲気の相対湿度を 50%未満に制御する空調機を備えたものであるため、半導体ゥーハの電気特性を測定する際に、雰囲気の相対湿度を 50%未満とすることで、半導体ゥヱーハの側面を通って反対側へリークする電流をさらに確実に抑えることができる。

[0021] 以上説明してきたように、本発明によれば、ゥーハチャックの大きさを半導体ゥ一ハの被測定面よりも小さくして、るので、被測定物である半導体ゥーハの反対側へのリーク電流を低減でき、微少電流領域の測定下限電流値が 10—⁷Αから 10—^UAへと向上し、 pAレベルにまで測定可能となる。これにより、サブスレツショルド領域の I V曲線の傾き力も算出される Dit (界面準位密度)の精度が向上し、より信頼性が高く、かつ安定した測定結果が得られるようになり、引いては半導体ゥーハの品質改善にも寄与することが出来る。図面の簡単な説明

[0022] [図 1]本発明に係る評価装置の概略断面図である。

[図 2]図 1の A— A腺に沿って図 1の上側を見た透視図である。

[図 3]実施例の Id— Vg曲線である。

[図 4]比較例の Id— Vg曲線である。

[図 5]実施例及び比較例の Ig— Vg曲線である。

[図 6]比較例における Id— VgZls— VgZlg— Vg曲線である。

[図 7]Pseudo— MOSFET測定方法を説明するための概略断面図である。

[図 8]Pseudo— MOSFETの Id— Vg曲線より界面準位密度を算出する方法の説明図である。

発明を実施するための最良の形態

[0023] 以下、本発明の実施の形態について具体的に説明する力本発明はこれらに限定されるものではない。

図 7は、 H. J. Hovel, "bi film electrical characterization in Sul substrates by HgFE T technique", Solid- State Electronics, 47, 1311 (2003).に開示されている水銀電極を用いた Pseudo— MOSFET測定方法を説明するための図である。この方法は、 S OIゥヱーハ 1のべ一スウェーハ 2の裏面に金属電極 3を設けてゲート電極とする一方、 BOX膜 4上の SOI層 5の表面にソース電極及びドレイン電極となる水銀電極 6を接触させる。そして、ゲート電圧を変化させた際の、ソース電極 Zドレイン電極間に流れる電流を測定することで、 SOI層 ZBOX膜間の界面の評価を行う。特に界面準位密度 (Dit)の評価は、図 8に示すように、ゲート電圧 Vg(V)を変化させたときのドレイン電流 Id (A)を logスケールでプロットし、サブスレツショルド領域での Vg— Idカーブの傾き（SSL)力算出するために、安定した測定にはドレイン電流が数十 pAから測定できることが必要である。

[0024] 実際に水銀プローブで水銀電極を形成する場合には、リング状水銀 (ドレイン)の中心部にも水銀 (ソース）を SOIゥエーハ（サンプルゥエーノ、）に接触させる必要があり、 SOI層表面をゥエーハチャック側に置く必要がある。このため、いくらゥエーハチャックに絶縁性の材質のものを用い、かつ、 SOIゥエーハに MESA構造を採用して BOX 膜を露出させ、 SOIゥーハ表面を流れる電流を絶縁しても、 SOIゥーハ周辺 (端部）から裏面のゲート側へのリークが発生しやすい。

このように、ゥエーハチャックに起因するゲート側へのリークが原因で、ドレイン電流の測定下限が 1E-7A台となり、ソース電極 Zドレイン電極間の正確な電流測定ができないという点に本発明者らは着目し、本発明を完成させた。

[0025] 本発明に係る半導体ゥエーハの評価方法は、図 1および図 2に示すように、半導体ゥエーハ、特に SOIゥヱーハ 1を Pseudo-MOS評価する際に、 MESA構造 (メサ構造）を作製し、この SOI層 5の一部を残した MESA部（シリコン島） 5aよりも面積が必ず小さくなるようなゥエーハチャック 7を用いるものである。すなわち、ゥエーハチャック支持部 8に支持されたゥエーハチャック 7に、 SOIゥエーハ 1を MESA部 5aの表面側をゥエーハチャック 7側にして載置して保持し、ゥエーハチャック 7の保持面内に、リング状ドレイン電極およびこのリング状ドレイン電極の中心部に位置するソース電極となる水銀電極 6を形成する一方、 SOIゥエーハ 1のべ一スウェーハ 2の裏面に金属電極を設けてゲート電極とし、ゲート電圧を変化させた際の、ソース電極 Zドレイン電極間に流れる電流を測定して、 SOI層 ZBOX膜間の界面の評価を行う方法において、ゥエーハチャック 7の保持面の最外周を構成する直径が、 SOIゥヱーハ 1の MESA部 5aの表面 (被測定面)の最外周を構成する直径よりも小さくしたものである。

そして、この評価方法を実施するための評価装置は、少なくとも、ゥエーハチャック 7 と、水銀電極 6を形成するプローブ部 9とを備えて、る。

また、少なくとも、ゥエーハチャック 7と SOIゥエーハ 1とを密閉して囲うチャンバ一 10 と、チャンバ一 10内の雰囲気の相対湿度を 50%未満に制御することのできる空調機 11を備えている。

[0026] このような評価方法および評価装置においては、 SOIゥエーハ 1の MESA部 5a以外は空気により完全に絶縁状態になり、ゲート側へのリーク電流を抑えることができる

。すなわち、まず、 MESA構造を作製することで、水銀電極 6周辺部の SOI層 5を除去し、 BOX膜 4を露出させて、 SOIゥエーハ 1表面を流れる余計な電流を排除する。さらに、 SOIゥエーハ 1周辺をゥエーハチャック 7と非接触とし空気を介することで SOI ゥエーハ 1端部力らゥエーハチャック 7及び周辺へのリークを除去し、これにより安定した測定が可能になる。

[0027] ゥーハチャック 7の保持面の最外周を構成する直径は、 SOIゥーハ 1の MESA 部 5aの表面の最外周を構成する直径の 0. 5倍以上 1. 0倍未満であることが好ましく、 0. 5倍以上 0. 98未満であればより好ましい。

また、 SOIゥエーノ、 1周辺部（図 1では BOX膜 4)には何も接触させないことが望ましく、ゥヱーハチャック支持部 8と被測定面、即ち MESA部 5aとの空気の入る空隙 Xは最低でも: L mは必要である（図 1参照）。これよりも間隔が小さいと、 SOIゥヱーハ 1 の傾きや平坦度の影響によりゥエーハチャック支持部 8と SOIゥエーハ 1が接触し安定した測定が不可能になる。一方、この空隙の上限はなぐ完全に分離できる構造であればより望ましい。

なお、空気を介することから、測定中の環境、特に湿度が影響するが、クリーンルーム環境として 50%以下の湿度であれば、絶縁性が確実に保たれるので、より好ましい。

[0028] 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。

<実施例 >

本実施例の試料には、 P型、直径 200mm、結晶方位く 100>のシリコン単結晶ゥエーハを用いて作製された SOIゥエーハを用いた。なお、この P型ゥエーハのドーパントはボロンである。また、 SOI層/ BOX膜厚さは、 100/145nm程度のものである。本 SO Iゥエーハより 10mm角にサンプルを切り出し、 5%TMAH (Tetra Methyl Ammoniu m Hydroxide)溶液により SOI層のエッチングを行い MESA構造を作製した。その後、 1%HFにて 1分間処理後、純水にてリンスを行い、その後乾燥空気にて水分を除去した。このサンプノレを用ヽて、 H. J. Hovel, "Si film electrical characterization in S 01 substrates by HgFET technique", Solid— State Electronics, 47, 13丄丄 (2003).【こ ci 載されている Pseudo-MOS FET測定を、図 1および図 2に記載の評価装置で行った。その Id— Vg特性を図 3に示す。この図から、サブスレツショルド領域での電流がスムーズに立ち上がつていることが分かる。また、 BOX膜の Vbd (ブレイクダウン電圧）を測定したところ、図 5に示すように、 pAレベル力測定が可能となっている。

[0029] <比較例 >

本比較例では、実施例と同様の試料を用いて、同様の処理をして、同様のサンプルを作成し、このサンプルを用いて、 H. J. Hovel, "Si film electrical characterization i n SOI substrates by HgFET technique , Solid- State Electronics, 47, 1311 (2003).に記載されている Pseudo-MOS FET測定を行った。本比較例は、水銀プローブとしてゥエーハ全面が吸着されるゥヱーハチャックのタイプの評価装置を用いた点、即ち、ゥエーハチャックの保持面の最外周を構成する直径がゥエーハの被測定面の最外周を構成する直径より大きい点が実施例と異なる。その Id— Vg特性を図 4に示す。この図から、 Vgがマイナス側にて Id— Vgカーブにゆがみを生じていることが分かる。また、 Vgが 2. 5Vのところで最小電流値が 1E-7Aレベルしか測定されていない。実際にゲート側へ流れている電流値を確認すると、図 6に示すように、ゲート側へリークしていることが分かる。また、 BOX膜の Vbdを測定したところ、図 5に示すように、実施例では pAレベルの測定が可能であるのに対し、ゥエーハチャックからサンプル裏面側へサンプル外周側面部を通して電流が流れてしまうため、比較例では 0. 1 Aレベルでしか測定を行うことができな、。

[0030] 尚、本発明は上記実施形態に限定されるものではな、。上記実施形態は単なる例示であり、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思想に包含される。

Claims

請求の範囲

[1] 水銀電極を用いて半導体ゥーハの電気特性を測定して半導体ゥーハの評価を行う方法であって、保持面内に水銀電極を形成したゥヱーハチャックに、半導体ゥヱーハをその被測定面側を前記ゥヱーハチャック側にして保持する時、前記ゥヱーハチャックの保持面の最外周を構成する直径が、前記半導体ゥーハの被測定面の最外周を構成する直径よりも小さいゥエーハチャックに保持して、前記水銀電極を前記ゥエーハの被測定面に接触させて電気特性を測定することを特徴とする半導体ゥェーハの評価方法。

[2] 前記半導体ゥーハを SOIゥーハとし、該 SOIゥーハの被測定面側には被測定面を提供する SOI層を部分的に残した MESA部を形成することを特徴とする請求項 1に記載の半導体ゥーハの評価方法。

[3] 前記ゥエーハチャックの保持面の最外周を構成する直径を、前記半導体ゥエーハの被測定面の最外周を構成する直径の 0. 5倍以上 1. 0倍未満とすることを特徴とする請求項 1又は請求項 2に記載の半導体ゥエーハの評価方法。

[4] 前記半導体ゥーハの電気特性を測定する際に、雰囲気の相対湿度を 50%未満に調整することを特徴とする請求項 1乃至請求項 3のいずれか一項に記載の半導体ゥエーハの評価方法。

[5] 水銀電極を用いて半導体ゥーハの電気特性を測定して半導体ゥーハの評価を行う装置であって、少なくとも、前記半導体ゥエーハをその被測定面側をゥエーハチャック側にして保持面で保持するゥヱーハチャックと、前記ゥヱーハチャックの保持面内に水銀電極を形成するプローブ部とを備えるものであり、前記ゥヱーハチャックの保持面の最外周を構成する直径が、前記半導体ゥーハの被測定面の最外周を構成する直径よりも小さいものであることを特徴とする半導体ゥエーハの評価装置。

[6] 前記ゥエーハチャックの保持面の最外周を構成する直径が、前記半導体ゥエーハの被測定面の最外周を構成する直径の 0. 5倍以上 1. 0倍未満のものであることを特徴とする請求項 5に記載の半導体ゥーハの評価装置。

[7] 前記半導体ゥエーハは SOIゥエーハであって、該 SOIゥエーハの被測定面側には被測定面を提供する SOI層を部分的に残した MESA部が形成されていることを特徴とする請求項 5又は請求項 6に記載の半導体ゥエーハの評価装置。

[8] 少なくとも、前記ゥエーハチャックと、該ゥエーハチャックに保持された半導体ゥエーノ、とを密閉して囲うチャンバ一を具備し、該チャンバ一内の雰囲気の相対湿度を 50 %未満に制御する空調機を備えたものであることを特徴とする請求項 5乃至請求項 7 のいずれか一項に記載の半導体ゥーハの評価装置。