JP2018125435A

JP2018125435A - 半導体ウエハの評価方法

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Publication number: JP2018125435A
Application number: JP2017017026A
Authority: JP
Inventors: 征爾木田; Seiji Kida
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2017-02-01
Filing date: 2017-02-01
Publication date: 2018-08-09
Anticipated expiration: 2037-02-01
Also published as: JP6717218B2

Abstract

【課題】半導体ウエハにイオン照射したときのダメージを短期間で評価可能な半導体ウエハの評価方法を提供すること。【解決手段】評価用の半導体ウエハに対し、一面側からイオン照射する。次いで、汚染されていないベア状態の半導体ウエハに形成したときの酸化膜の特性が膜中電荷量で１Ｅ１１［ｉｏｎｓ／ｃｍ２］以下となる所定条件を用いて、熱酸化により、半導体ウエハの一面側にゲート酸化膜を形成する。次いで、熱酸化後の半導体ウエハについて、ゲート酸化膜の特性を非接触型Ｃ−Ｖ測定器により測定する。その上で、測定結果に基づき、半導体ウエハのダメージを評価する。【選択図】図１

Description

この明細書における開示は、半導体ウエハにイオン照射したときのダメージを評価する半導体ウエハの評価方法に関する。

特許文献１に開示されているように、半導体ウエハの表面品質の評価方法として、酸化膜耐圧（ＧＯＩ）評価が知られている。

酸化膜耐圧評価では、半導体ウエハの表面に熱酸化により酸化膜を形成し、酸化膜上に電極を形成する。そして、絶縁体である酸化膜に電気的ストレスを印加し、酸化膜の絶縁度合いから半導体ウエハの表面品質を評価する。

ドライエッチングやイオン注入など、半導体ウエハに対してイオン照射すると、結晶性をもった半導体ウエハに欠陥、すなわちダメージが生じる。半導体ウエハの表層に欠陥が存在すると、熱酸化時に酸化膜に取り込まれて膜中欠陥となり、酸化膜の絶縁性が低下することとなる。このため、上記した酸化膜耐圧評価により、半導体ウエハの表面品質を評価することができる。

特開２００２−１５８２６９号公報

上記したように、従来は、酸化膜上に電極を形成するなどして、製品と同じ構造やＴＥＧ（Test Element Group）を有する評価用の半導体ウエハを準備し、酸化膜耐圧評価を行っていた。このため、評価用の半導体ウエハを形成する工程が複雑であり、評価に長期間を要するという問題があった。

また、熱酸化膜質の評価方法として、ＭＩＳ構造（Metal-Insulator-Semiconductor）のパターン形成後、電極−半導体間に電圧を印加することにより、酸化膜の容量変化から膜中電荷量などを測定するＣ−Ｖ測定も知られている。しかしながら、この場合にも、酸化膜上に電極を形成する必要がある。また、この測定では、酸化膜中において半導体との界面付近の電荷のみ検出可能であり、電極付近の電荷、すなわち界面から離れた位置の電荷については検出することができない。このように、接触型のＣ−Ｖ測定では、膜中電荷量を検出できない。

本開示はこのような課題に鑑みてなされたものであり、半導体ウエハにイオン照射したときのダメージを短期間で評価可能な半導体ウエハの評価方法を提供することを目的とする。

本開示は、上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。なお、括弧内の符号は、ひとつの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、技術的範囲を限定するものではない。

本開示のひとつの評価方法は、半導体ウエハにイオン照射したときのダメージを評価する半導体ウエハの評価方法であって、
一面側から半導体ウエハ（１０）にイオン照射し（Ｓ１１）、
汚染されていないベア状態の半導体ウエハに形成したときの酸化膜の特性が膜中電荷量で１Ｅ１１［ｉｏｎｓ／ｃｍ^２］以下となる所定条件を用いて、イオン照射後の半導体ウエハの一面側に、熱酸化により酸化膜（１５）を形成し（Ｓ１５）、
熱酸化後の半導体ウエハについて、酸化膜の特性を非接触型Ｃ−Ｖ測定器により測定し（Ｓ１６）、
測定結果に基づき、半導体ウエハのダメージを評価（Ｓ１７，Ｓ１７Ａ）する。

この評価方法によれば、非接触型Ｃ−Ｖ測定器を用いて測定するため、接触型のＣ−Ｖ測定とは異なり、酸化膜中において半導体との界面から離れた位置の電荷についても検出することができる。また、ベア状態で膜中電荷量が１Ｅ１１［ｉｏｎｓ／ｃｍ^２］以下となるような所定条件を用いて、熱酸化を行う。このようにイニシャルの膜中電荷量が少なくなるように酸化膜を形成するため、イオン照射により生じる欠陥を熱酸化により酸化膜に取り込むと、膜中電荷量の変化（増加）として現れる。したがって、半導体ウエハのダメージを評価することができる。

さらに、酸化膜上に電極を形成しなくてもよいため、短期間での評価が可能である。以上により、半導体ウエハにイオン照射したときのダメージを短期間で評価することができる。

本開示の他の評価方法は、評価の結果、半導体ウエハのダメージが許容できる範囲に入っていない場合、形成した酸化膜を除去（Ｓ１８）した後、再び所定条件を用いて熱酸化により半導体ウエハの一面側に酸化膜を形成し、非接触型Ｃ−Ｖ測定器による測定及び半導体ウエハのダメージ評価を行う。

この評価方法によれば、ダメージを許容できるまで評価を続けるため、製造時における犠牲酸化の厚み、すなわちダメージ除去の厚みを決定することができる。また、非接触型Ｃ−Ｖ測定器を用いて測定するため、酸化膜上に電極を形成しなくてもよい。したがって、再度熱酸化をしても、電極による金属汚染の影響がないため、イオン照射によるダメージを高精度に評価することができる。

第１実施形態に係る半導体ウエハの評価手順を示すフローチャートである。イオン照射前の酸化膜形成工程を示す断面図である。イオン照射工程を示す断面図である。エッチストッパ膜の除去工程を示す断面図である。犠牲酸化膜の形成工程を示す断面図である。犠牲酸化膜の除去工程を示す断面図である。ゲート酸化膜の形成工程を示す断面図である。非接触のＣ−Ｖ測定を示す断面図である。非接触のＣ−Ｖ測定の概要を説明するための図である。Ｓｉ０_２−Ｓｉ構造における酸化膜及び界面の電荷を示す図である。膜中電荷量と酸化膜ばらつきとの関係を示す図である。膜中電荷量とオーバーエッチ量との関係を示す図である。歩留とオーバーエッチ量との関係を示す図である。第２実施形態に係る半導体ウエハの評価手順を示すフローチャートである。

図面を参照しながら、複数の実施形態を説明する。複数の実施形態において、機能的に及び／又は構造的に対応する部分には同一の参照符号を付与する。

（第１実施形態）
本実施形態では、半導体ウエハにイオン照射したときのダメージを評価する評価方法として、エッチストッパを介して半導体基板上にポリシリコンを成膜し、このポリシリコンをドライエッチングによりパターニングした後、犠牲酸化によりダメージ層を除去し、次いでゲート酸化膜を形成してなる製品（半導体ウエハ）の品質を保証するための評価方法を例に説明する。

図１〜図９を用いて、本実施形態に係る半導体ウエハの評価方法について説明する。

先ず、評価用の半導体ウエハにエッチストッパを形成する（ステップＳ１０）。図２に示すように、半導体基板１１として、汚染されていないベアシリコン（原石）を準備し、熱酸化により、エッチストッパとして機能する酸化膜１２を半導体基板１１の一面側に形成する。たとえば半導体基板１１としてＮ型シリコンを採用し、（１００）面を一面とする。また、熱酸化により、たとえば５０ｎｍ程度の厚みを有する酸化膜１２を形成する。このように、一面側に、エッチストッパとしての酸化膜１２を有する評価用の半導体ウエハ１０を準備する。

製品において、ゲート酸化膜の形成領域のポリシリコンは、エッチングによって完全に除去される。このため、イオン照射によるダメージを評価する上でポリシリコンは不要であり、本実施形態ではポリシリコンの成膜及びパターニングは行わない。これにより、評価工程を簡素化することができる。しかしながら、ポリシリコンをパターニングする際のオーバーエッチ量によって半導体ウエハ１０のダメージが変わるため、本実施形態では製品の製造工程に即して酸化膜１２を形成する。

次いで、一面側から半導体ウエハにイオン照射を行う（ステップＳ１１）。図３に示すように、酸化膜１２を有する半導体ウエハ１０に対し、一面側からイオン照射を行う。本実施形態では、製造工程に即してドライエッチング、具体的には反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を行うことにより、半導体ウエハ１０にイオン照射する。結晶性をもった半導体基板１１は、イオン照射により欠陥１３を生じる。これが、半導体ウエハ１０のイオン照射によるダメージである。このように、ポリシリコンのない状態でイオン照射を行うことによりオーバーエッチを模擬し、工程を簡素化しつつ、実際の製品に近いダメージの状態を再現することができる。

次いで、エッチングストッパとして機能する酸化膜を除去する（ステップＳ１２）。イオン照射の終了後、フッ酸など周知の方法により、図４に示すように酸化膜１２を除去する。

次いで、半導体ウエハ１０（半導体基板１１）のダメージを除去するために、犠牲酸化を行う（ステップＳ１３）。熱酸化により、図５に示すように、酸化膜１４を半導体基板１１の一面側に形成する。たとえば６０ｎｍ程度の厚みを有する酸化膜１４を形成する。これにより、半導体基板１１の表層に生じた欠陥１３の少なくとも一部が、酸化膜１４に取り込まれる。

次いで、ステップＳ１３で形成した酸化膜を除去する（ステップＳ１４）。すなわち、犠牲酸化後、フッ酸など周知の方法により、図６に示すように酸化膜１４を除去する。これにより、半導体基板１１のダメージが少なからず除去される。

次いで、ゲート酸化を行う（ステップＳ１５）。熱酸化により、図７に示すように、ゲート酸化膜１５を半導体基板１１の一面側に形成する。たとえば６０ｎｍ程度の厚みを有するゲート酸化膜１５を形成する。このゲート酸化膜１５は、汚染されていないベアシリコンに形成したときの酸化膜の特性が膜中電荷量で１Ｅ１１［ｉｏｎｓ／ｃｍ^２］以下となる所定の条件を用いて形成される。ゲート酸化膜１５を形成するステップが、イオン照射後の酸化膜の形成ステップに相当する。

次いで、非接触型Ｃ−Ｖ測定器により、半導体ウエハ１０についてＣ−Ｖ測定を実施する（ステップＳ１６）。具体的には、図８に示すように、ゲート酸化膜１５の上方に、微小なエアギャップＡＧを隔てて、非接触型Ｃ−Ｖ測定器の測定用電極１６を配置する。そして、測定器によりＡ−Ｂ間に電圧を印加し、半導体ウエハ１０のＣ−Ｖ特性を測定する。本実施形態では、Ｃ−Ｖ特性として、ゲート酸化膜１５の膜中電荷量を測定する。

図９に示すように、Ａ−Ｂ間の静電容量は、半導体基板１１の静電容量Ｃｄ、ゲート酸化膜１５の静電容量Ｃｏｘ、及びエアギャップＡＧの静電容量Ｃａｉｒが直列接続された形で表すことができる。ここで、エアギャップＡＧの長さが分かれば、エアギャップＡＧの静電容量Ｃａｉｒを求めることができる。したがって、Ｃ−Ｖ測定結果から静電容量Ｃａｉｒを減算すれば、エアギャップＡＧ分を含まない半導体ウエハ１０の静電容量を算出することができる。また、エアギャップＡＧを含む構造であるため、ゲート酸化膜１５中において半導体基板１１との界面付近の電荷だけでなく、界面から離れた位置の電荷、すなわち測定用電極１６側の表層の電荷についても検出することができる。

次いで、ステップＳ１６の測定結果に基づき、半導体ウエハのダメージを評価する（ステップＳ１７）。具体的には、ステップＳ１６で測定した膜中電荷量と予め設定された所定値とを比較し、膜中電荷量が所定値以下の場合、ゲート酸化膜１５の膜質が良好である、すなわち半導体ウエハ１０のダメージが許容できる範囲内にある（ダメージが十分に低減されている）と判定する。一方、膜中電荷量が所定値を超える場合、ゲート酸化膜１５の膜質が劣化している、すなわち半導体ウエハ１０のダメージが許容できる範囲内にない（ダメージが残っている）と判定する。以上により、一連の評価を終了する。

次に、上記した半導体ウエハ１０の評価方法の効果について説明する。

本実施形態では、非接触型Ｃ−Ｖ測定器を用いてゲート酸化膜１５の膜中電荷量を測定する。したがって、接触型Ｃ−Ｖ測定とは異なり、半導体基板１１との界面から離れた位置の電荷、すなわちエアギャップＡＧ側の表層の電荷についても検出することができる。これにより、膜中電荷量を精度良く検出することができる。

また、ドライエッチング（イオン照射）の実施後、汚染されていないベアシリコンに形成すると膜中電荷量が１Ｅ１１［ｉｏｎｓ／ｃｍ^２］以下となる所定条件を用いて、熱酸化により、ゲート酸化膜１５を形成する。これにより、ゲート酸化膜１５中において、図１０に示す固定電荷Ｑｆや界面準位Ｑｉｔ（界面のトラップ電荷）が、微小量に規制される。このように、汚染が無く、固定電荷Ｑｆが少なくなるように、すなわちイニシャルの膜中電荷量が少なくなるように、ゲート酸化膜１５を形成する。したがって、欠陥１３をゲート酸化膜１５中に取り込むことで酸化膜トラップ電荷Ｑｏｔが増加すると、膜中電荷量の変化（増加）として現れる。このように、酸化膜トラップ電荷Ｑｏｔ、すなわち欠陥１３由来の酸化膜欠陥の検出感度が高いため、半導体ウエハ１０のダメージを評価することができる。なお、図１０に示すＱｍは、可動電荷（可動イオン）である。

図１１は、本発明者による測定結果を示している。その際、汚染されていないベアシリコンを１０００℃で熱酸化し、膜厚６０ｎｍのゲート酸化膜１５を形成した。そして、非接触型Ｃ−Ｖ測定器で、ゲート酸化膜１５の膜中電荷量を測定した。また、ウエハ面内において５点測定し、最大値と最小値との差分を酸化膜ばらつきとした。なお、欠陥や金属不純物を酸化膜中に取り込むと、取り込んだ箇所の膜厚が厚くなり、膜厚ばらつきが大きくなる。

ゲート酸化膜１５の形成条件を、イニシャルの膜中電荷量が１Ｅ１１［ｉｏｎｓ／ｃｍ^２］以下となるような条件に制限すると、図１１に示すように酸化膜ばらつきが微小となる。したがって、ゲート酸化膜１５の形成条件を上記した所定条件に制限することで、イオン照射による欠陥１３以外の外乱要因を排除した適切な評価が可能となる。

なお、イニシャルの膜中電荷量を１Ｅ１１［ｉｏｎｓ／ｃｍ^２］以下にするには、たとえばゲート酸化膜１５を形成する際に、９５０℃以上の温度で熱酸化するとよい。これによれば、粘性流動により界面ストレスが緩和されるため、固定電荷Ｑｆを少なくする、すなわちイニシャルの膜中電荷量を少なくすることができる。

また、膜中電荷量を測定するゲート酸化膜１５の厚みを、たとえば２０ｎｍ以上にするとよい。これによれば、酸化膜の歪みが防止され、ひいてはそれに起因する電荷増加による擬似汚染が防止される。すなわちイニシャルの膜中電荷量を少なくすることができる。

また、本実施形態では、ダメージを評価するに当たり、評価用の半導体ウエハ１０において、ゲート酸化膜１５上に電極を形成しなくてもよい。したがって、ゲート酸化膜上に電極を形成するなどして、製品と同じ構造やＴＥＧ（Test Element Group）を有する評価用の半導体ウエハを準備し、酸化膜耐圧評価する場合に較べて、評価期間を短縮することができる。

以上により、本実施形態に示す評価方法によれば、半導体ウエハにイオン照射したときのダメージを短期間で評価することができる。

さらに本発明者は、上記した評価と実際の製品との相関関係についても確認を行った。図１２は、評価用の半導体ウエハ１０において、ステップＳ１６の測定で得られる膜中電荷量と、ステップＳ１１で実施するドライエッチングのオーバーエッチ量との関係を示している。図１２に示すオーバーエッチ量０％の四角は、イニシャルの酸化膜の膜中電荷量として、ステップＳ１０実施後、すなわちイオン照射前の酸化膜１２の膜中電荷量を示している。図１３は、上記した製造工程を経て得られる製品の歩留と、製品形成時のオーバーエッチ量との関係を示している。なお、評価と製品の製造とでドライエッチングの条件を同じとした。なお、オーバーエッチ量は、オーバーエッチ時間と置き換えることもできる。

図１２に示すように、評価用の半導体ウエハ１０では、オーバーエッチ量が１５％以下において膜中電荷量が１Ｅ１１［ｉｏｎｓ／ｃｍ^２］以下となり、オーバーエッチ量が２０％以上において膜中電荷量が１．４Ｅ１１［ｉｏｎｓ／ｃｍ^２］以上となった。すなわち、オーバーエッチ量１５％と２０％との間で、膜中電荷量が大きく変化した。一方、図１３に示すように、実際の製品では、オーバーエッチ量１５％と２０％との間で、歩留が大きく変化した。このように、いずれもオーバーエッチ量１５％と２０％との間で大きな変化が見られた。この結果は、本実施形態に示した評価方法が、実際の製品における半導体ウエハのダメージを評価する手法として有効であることを裏付けている。

（第２実施形態）
本実施形態は、先行実施形態を参照できる。このため、先行実施形態に示した半導体ウエハの評価方法と共通する部分についての説明は省略する。

先行実施形態では、ステップＳ１３，Ｓ１４を実施してダメージの除去を行ってから、ゲート酸化膜１５を形成し、次いで非接触のＣ−Ｖ測定を実施する例を示した。これに対し、本実施形態では、図１４に示すように、ステップＳ１３，Ｓ１４の処理を実施せず、ステップＳ１２の実施後にゲート酸化膜１５を形成し（ステップＳ１５）、次いで非接触のＣ−Ｖ測定を実施する（ステップＳ１６）。

そして、非接触のＣ−Ｖ測定により得られる膜中電荷量と、予め設定された所定値とを比較し、ダメージの評価を行う（ステップＳ１７Ａ）。膜中電荷量が所定値以下の場合、ゲート酸化膜１５の膜質が良好である、すなわち半導体ウエハ１０のダメージが許容できる範囲内にある（ダメージが十分に低減されている）と判定し、一連の評価を終了する。

一方、膜中電荷量が所定値を超える場合、ゲート酸化膜１５の膜質が劣化している、すなわち半導体ウエハ１０のダメージが許容できる範囲内にない（ダメージが残っている）と判定し、ゲート酸化膜１５をフッ酸等により除去する（ステップＳ１８）。そして、再度ステップＳ１５からの処理を繰り返す。

このように、本実施形態では、評価用の半導体ウエハ１０について、イオン照射によるダメージが許容できるレベルになるまで、ゲート酸化膜１５の形成、非接触のＣ−Ｖ測定、ダメージ判定、及びゲート酸化膜１５の除去を繰り返す。したがって、製品である半導体ウエハを製造する際の犠牲酸化の厚み、すなわち半導体基板においてダメージを除去する厚みを決定することができる。

また、非接触型Ｃ−Ｖ測定器を用いて測定するため、ゲート酸化膜１５上に電極を形成しない。これにより、再度熱酸化をしても電極による金属汚染の影響がないため、イオン照射によるダメージを高精度に評価することができる。

この明細書の開示は、例示された実施形態に制限されない。開示は、例示された実施形態と、それらに基づく当業者による変形態様を包含する。たとえば、開示は、実施形態において示された要素の組み合わせに限定されない。開示は、多様な組み合わせによって実施可能である。開示される技術的範囲は、実施形態の記載に限定されない。開示されるいくつかの技術的範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内でのすべての変更を含むものと解されるべきである。

半導体ウエハの評価方法は、実施形態に示す例に限定されない。評価方法として、イオンを照射した後に、イニシャルの膜中電荷量が１Ｅ１１［ｉｏｎｓ／ｃｍ^２］以下となる所定条件を用いて、熱酸化によりゲート酸化膜１５を形成し、非接触型Ｃ−Ｖ測定器によりゲート酸化膜１５の特性を測定し、測定結果に基づいて半導体ウエハ１０のダメージを評価すればよい。すなわち、ステップＳ１１、ステップＳ１５、ステップＳ１６、及びステップＳ１７，Ｓ１７Ａの処理を少なくとも備えればよい。

ステップＳ１１のイオン照射として、ドライエッチングの例を示したがこれに限定されない。イオン照射として、たとえば半導体基板１１にＰ（リン）やボロン（Ｂ）などの不純物を導入するイオン注入を採用することもできる。この場合、ステップＳ１０で形成する酸化膜１２は、スルー膜となる。ただし、製品と同じイオン照射の方法を採用するのが好ましい。

また、ドライエッチングとして反応性イオンエッチングの例を示したが、これに限定されない。

膜中電荷量を測定する酸化膜としてゲート酸化膜１５の例を示したが、これに限定されない。熱酸化により形成される酸化膜であればよい。

第１実施形態では、犠牲酸化後にゲート酸化膜１５を形成して非接触のＣ−Ｖ測定を実施し、測定結果からダメージを判定する例を示した。一方、第２実施形態では、犠牲酸化を実施せずにゲート酸化膜１５を形成して非接触のＣ−Ｖ測定を実施し、ダメージが許容できない場合には、ゲート酸化膜１５を除去してから、再度ゲート酸化膜１５の形成以降のステップを繰り返す例を示した。しかしながら、第１実施形態に示した評価方法と第２実施形態に示した評価方法を組み合わせてもよい。

すなわち、第１実施形態（図１参照）に示した通り、ステップＳ１６の非接触Ｃ−Ｖ測定までを実施後、第２実施形態（図１４参照）に示したステップＳ１７Ａのダメージ評価を実施する。そして、ダメージが残っていると判定した場合に、ステップＳ１８のゲート酸化膜１５の除去を実行し、その後に、再度ステップＳ１５，Ｓ１６，Ｓ１７Ａの処理を実行するようにしてもよい。

１０…半導体ウエハ
１１…半導体基板
１２…酸化膜
１３…欠陥
１４…酸化膜
１５…ゲート酸化膜
１６…測定用電極
ＡＧ…エアギャップ

Claims

半導体ウエハにイオン照射したときのダメージを評価する半導体ウエハの評価方法であって、
一面側から半導体ウエハ（１０）にイオン照射し（Ｓ１１）、
汚染されていないベア状態の半導体ウエハに形成したときの酸化膜の特性が膜中電荷量で１Ｅ１１［ｉｏｎｓ／ｃｍ^２］以下となる所定条件を用いて、イオン照射後の前記半導体ウエハの一面側に、熱酸化により酸化膜（１５）を形成し（Ｓ１５）、
熱酸化後の前記半導体ウエハについて、前記酸化膜の特性を非接触型Ｃ−Ｖ測定器により測定し（Ｓ１６）、
測定結果に基づき、前記半導体ウエハのダメージを評価（Ｓ１７，Ｓ１７Ａ）する半導体ウエハの評価方法。
評価の結果、前記半導体ウエハのダメージが許容できる範囲に入っていない場合、形成した前記酸化膜を除去（Ｓ１８）した後、再び前記所定条件を用いて熱酸化により、前記半導体ウエハの一面側に酸化膜を形成し、前記非接触型Ｃ−Ｖ測定器による測定及び前記半導体ウエハのダメージ評価を行う請求項１に記載の半導体ウエハの評価方法。
前記熱酸化を、９５０℃以上の温度で行う請求項１又は請求項２に記載の半導体ウエハの評価方法。