JP4930229B2 - Ｓｏｉウェーハの評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＳＯＩウェーハの評価方法であって、詳しくは、ＳＯＩウェーハのシリコン活性層及び埋め込み酸化層の評価を行うＳＯＩウェーハの評価方法に関する。

近年、電気的に絶縁性のあるシリコン酸化膜の上にシリコン活性層が形成されたＳＯＩ構造を有するＳＯＩウェーハが、デバイスの高速性、低消費電力性、高耐圧性、耐環境性等に優れていることから、電子デバイス用の高性能ＬＳＩウェーハとして特に注目されている。これは、ＳＯＩウェーハでは支持基板とシリコン活性層（以下ＳＯＩ層と表記）の間に絶縁体である埋め込み酸化膜（以下ＢＯＸ層と表記）が存在するため、ＳＯＩ層に形成される電子デバイスは耐電圧が高く、α線のソフトエラー率も低くなるという大きな利点を有するためである。

また、ＳＯＩ層が１μｍ以下の厚みの薄膜ＳＯＩウェーハにおいて、ＳＯＩ層上に形成されたＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型半導体装置は、完全空乏型で動作させた場合にソース・ドレインのＰＮ接合面積を小さくできるため、寄生容量が低減され、デバイス駆動の高速化をはかることができる。さらに、絶縁層となるＢＯＸ層の容量がゲート酸化膜直下に形成される空乏層容量と直列になるため、実質的に空乏層容量が減少し、低消費電力化を実現することができる。

最近では、電子デバイスのさらなる微細化、高性能化のため、より高品質なＳＯＩウェーハが求められている。そのため、ＳＯＩウェーハのＳＯＩ層およびＢＯＸ層の品質を評価することが積極的に行われている。このＳＯＩウェーハの品質評価の一手法として、ＳＯＩ層の表面にＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）構造を形成し、その電極部分に電圧を印加してＳＯＩ層およびＢＯＸ層の品質を評価することが行われている。

しかしながら、ＳＯＩウェーハを評価するためにＭＯＳ構造をＳＯＩ層上に形成するには、フォトリソグラフィ工程のような大掛か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。

そこで、従来のような多数の工程を通してＭＯＳ構造をＳＯＩウェーハ上に形成せずとも、ＭＯＳ構造の電極として作用するプローブを用いてもっと簡便にＳＯＩウェーハを評価するための評価方法が開発されている。その一つとして、ＳＯＩウェーハを評価対象としたＰｓｅｕｄｏ−ＭＯＳＦＥＴ法が提案されている（例えば特許文献１、２及び非特許文献１、２参照）。この手法によれば、ＳＯＩ層とＢＯＸ層の界面における界面準位密度やＳＯＩウェーハの電気特性を精度良く、かつ容易に測定できる。

このＰｓｅｕｄｏ−ＭＯＳＦＥＴ法について説明する。図４はＰｓｅｕｄｏ−ＭＯＳ構造をあらわす模式図である。まず、図４に示すように、擬似的なＭＯＳ構造を形成するＳＯＩウェーハ１０のＳＯＩ層１１側に評価用電極として、直接ニードルブローブ、または、水銀プローブを接触させ、これらをソース電極（Ｓ）およびドレイン電極（Ｄ）とする。そして、ＳＯＩウェーハ１０の裏面、すなわち、ＳＯＩウェーハの支持基板１３の裏面を、電極としても用いることができるステージに真空吸着させるか、ウェーハ裏面にニードルを接触させることによりゲート電極（Ｇ）を形成し、これらの電極間に電圧を印加することで様々な電気特性を得ることができる。このとき、評価を行う前にフッ酸を含む水溶液でＳＯＩウェーハを洗浄すれば、ＳＯＩ層表面に形成される自然酸化膜を除去できるので、その自然酸化膜の影響を排除してより正確な電気特性を得ることが可能となる。

この評価方法においては、支持基板をゲート電極、ＢＯＸ膜をゲート酸化膜に見立てる。ＳＯＩ層表面側に接触させた電極間での電流値から評価を行う訳であるが、この電流経路はＳＯＩ層を強反転状態として、ＳＯＩ／ＢＯＸ界面に形成される反転層とすることでＳＯＩ／ＢＯＸ界面品質が評価できる。例えば、Ｐ型基板であれば、ゲート電圧を正側に印加して測定することにより、ＳＯＩ層の電子移動度およびＳＯＩ層とＢＯＸ層の界面の界面準位密度が得られる。一方、ゲート電圧を負側に印加して測定することにより、ＳＯＩ層の正孔移動度やＢＯＸ層の電荷密度が得られる。

しかし、Ｐｓｅｕｄｏ−ＭＯＳＦＥＴ法では、ＢＯＸ膜を通じてゲート電圧を印加する際、ＳＯＩ層が薄いと、ＳＯＩウェーハの電気特性の評価が不可能であった。非常に高いゲート電圧を印加し測定することも考えられたが、薄膜ＳＯＩ層ではＢＯＸ膜厚も一般的に薄いことが多く、測定中にＢＯＸ膜が絶縁破壊してしまい測定が困難になるという問題があった。

特開２００１−６０６７６号公報 特開２００１−２６７３８４号公報 Ｓ． Ｃｒｉｓｔｏｌｅｖｅａｎｕ ｅｔ ａｌ．， " Ａ Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ Ｐｓｅｕｄｏ−ＭＯＳ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ ｉｎ ＳＯＩ Ｗａｆｅｒｓ： Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ， Ｐａｒａｍｅｔｅｒ Ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ， ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ" ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． ＥｌｅｃｔｒｏｎＤｅｖ， ４７ １０１８ （２０００） Ｈ．Ｊ．Ｈｏｖｅｌ， "Ｓｉ ｆｉｌｍ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｉｎ ＳＯＩ ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ ｂｙ ＨｇＦＥＴ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ" Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， ４７， １３１１ （２００３）

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、極薄膜ＳＯＩウェーハにおいても、電子移動度や界面準位密度、正孔移動度、ＢＯＸ層電荷密度等の電気特性を簡便に測定することができる評価方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するため、本発明では、Ｐｓｅｕｄｏ−ＭＯＳＦＥＴによるＳＯＩウェーハの評価方法において、前記ＳＯＩウェーハのＳＯＩ層にソース電極およびドレイン電極を接触させ、前記ＳＯＩウェーハの支持基板にゲート電極を接触させて前記ＳＯＩウェーハの電気特性を評価する際に、前記ＳＯＩ層へキャリアを注入しながら評価を行うことを特徴とするＳＯＩウェーハの評価方法を提供する（請求項１）。

このように、Ｐｓｅｕｄｏ−ＭＯＳＦＥＴによってＳＯＩウェーハの電気特性を評価する際に、ＳＯＩ層にキャリアを注入しながら評価を行うことで、従来はキャリア不足で測定に十分な電流値を得ることができなかったため、評価することができなかった薄膜ＳＯＩウェーハの電気特性を、ＢＯＸ層に過大な負荷を掛けることなく、かつ容易な手段によって評価することが可能となる。

また、キャリアを注入する方法として、光を照射することが好ましい（請求項２）。
このように、光を照射してキャリアを注入することで、容易にキャリアを注入することができ、ＳＯＩ層やＢＯＸ層にダメージを与えることなく、また容易に測定を行うことが可能になる。

以上説明したように、本発明のＳＯＩウェーハの評価方法では、ＳＯＩウェーハの電気特性を評価する際に、ＳＯＩ層へキャリアの注入を行いながら評価を行う。このため、層内にキャリアの絶対数が少ない極薄膜ＳＯＩウェーハであっても、キャリア不足を補うことができるため、ゲート電圧を高くするなどの負荷をかけなくても、ウェーハの構造に損傷を与えることなく、電子移動度や界面準位密度、正孔移動度、ＢＯＸ層電荷密度等の電気特性を短時間で、かつ容易に測定することができる。

以下、本発明についてより具体的に説明する。
前述のように、Ｐｓｅｕｄｏ−ＭＯＳＦＥＴ法では、ＳＯＩ層が薄い場合、評価を行うことが困難であった。そのため、薄膜ＳＯＩウェーハの電気特性を、短時間で、かつ容易に評価する方法の開発が待たれていた。

そこで、本発明者は、なぜＰｓｅｕｄｏ−ＭＯＳＦＥＴ法によって薄膜ＳＯＩウェーハの電気特性を評価することができないかについて、その原因を探ることにした。

その結果、ＢＯＸ膜を通じてゲート電圧を印加する際、ＳＯＩ層が薄いと、この反転層を形成するのに十分なキャリアが発生出来ないため、ＳＯＩウェーハの電気特性の評価が不可能になってしまうことがわかった。例えば、Ｐ型基板の評価の場合、特に正側に電圧を印加した際は、強反転層のキャリアが少なく、負側に印加した際は、蓄積層がＢＯＸ界面に形成されるが、やはりキャリア数が少ないため、測定を行うことが出来ないことがわかった。

そこで、本発明者は、ＳＯＩ層やＢＯＸ層の構造に大きな影響を及ぼすことなく、かつ容易に、ＳＯＩ層のキャリアの不足を補うことができる方法について鋭意検討を重ねた。

その結果、本発明者は、ＳＯＩ層にキャリアを注入しながら電気特性の評価を行うことによって課題を解決できることを見い出し、本発明を完成させた。

以下、本発明について図１を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
本発明の評価方法で評価するＳＯＩウェーハの一例は、以下に示すように一般的な構造のものである。
例えば、支持基板上に絶縁層が形成され、その絶縁層の上にＳＯＩ層が形成されたものである。
本発明の評価方法の手順を以下に例示する。

まず、評価対象となるＳＯＩウェーハを準備する。準備するＳＯＩウェーハとしては、少なくとも一方のシリコンウェーハ表面にシリコン酸化膜を形成した２枚の鏡面研磨ウェーハの研磨面を貼り合せ、熱処理後、一方のウェーハを研削、研磨により薄膜化したＳＯＩウェーハを準備する。
また、あらかじめ一方の鏡面研磨ウェーハに水素をイオン注入した後、２枚の鏡面研磨ウェーハの研磨面を貼り合せ、その後の熱処理により水素イオン注入層で一方のウェーハを剥離してＳＯＩ構造を形成した後、ＳＯＩ層となる薄膜の表面を研磨したＳＯＩウェーハであってもよい。
また、１枚の鏡面研磨ウェーハに酸素をイオン注入した後、高温熱処理を行って作製されたいわゆるＳＩＭＯＸ（Ｓｅｐａｒａｔｅｄ Ｉｍｐｌａｎｔｅｄ Ｏｘｉｄｅ）ウェーハであってもよい。

そして、このＳＯＩウェーハのＳＯＩ層表面に形成されている自然酸化膜を除去するため、フッ酸を含む水溶液でＳＯＩウェーハを洗浄する。
フッ酸を含む水溶液のフッ酸濃度は、自然酸化膜を除去できる程度であればよく、水溶液温度、洗浄時間などの洗浄条件も同様に自然酸化膜を除去できる程度であれば良い。フッ酸の濃度が高いと、ＳＯＩ層１１と支持基板１３の間に介在するＢＯＸ層１２をエッチングしてしまう可能性があるので、フッ酸濃度は低い方が好ましい。

このようなフッ酸を含む水溶液でＳＯＩウェーハを洗浄した後、ＳＯＩウェーハを純水でリンスして、乾燥させる。
乾燥方法は、乾燥空気をＳＯＩウェーハに当てて乾燥させることができる。また、スピンドライヤーのような装置を用いて乾燥させることもできる。あるいは、ＩＰＡ（イソプロピルアルコール）のような薬液を用いて乾燥させてもよい。

上記のような手順で前処理されたＳＯＩウェーハ１０の電気特性を、図１のようにして評価を行う。まずＳＯＩウェーハ１０の支持基板１３側の面を真空チャック１４で吸着する。この真空チャック１４は金属等の導電性材料でできており、ゲート電極（Ｇ）を兼ねることができる。

ここで、キャリア注入源１５を準備する。キャリア注入源によってキャリアをＳＯＩ層１１へ注入しながら評価を行う。ここで、キャリアを注入する方法として、光を照射することができる。そしてこの光源としては、ハロゲンランプを用いることができるし、ＬＥＤとすることができるし、また、蛍光灯とすることができる。すなわち、光を放出するものであれば、キャリアの注入源として用いることができる。
また、光の照度に関しても特に制限はない。どのような照度であっても光が当たっていれば、ＳＯＩ層にキャリアを注入してＳＯＩウェーハの電気特性をＰｓｅｕｄｏ−ＭＯＳＦＥＴ法によって評価することができる。ここで、ハロゲンランプは４００ｎｍ（〜３．１ｅＶ）から９００ｎｍ（〜１．４ｅＶ）の波長で７００ｎｍ（〜１．８ｅＶ）付近にピークを持ち、ＳｉＯ_２のバンドギャップ（〜９ｅＶ）よりも低くシリコンのバンドギャップ（〜１．１ｅＶ）よりも高いため、好都合である。

ＳＯＩウェーハ１０を真空チャック１４に吸着させたら、ＳＯＩ層１１表面のごく近傍にニードルプローブないしは水銀プローブを近づけ、ＳＯＩ層１１に接触させる。どちらか一方をソース電極（Ｓ）にし、他方をドレイン電極（Ｄ）にする。さらにＳＯＩ層１１側にキャリア注入源１５を準備し、ＳＯＩ層１１にキャリアを注入することでＰｓｅｕｄｏ−ＭＯＳＦＥＴ測定が可能になる。

このＰｓｅｕｄｏ−ＭＯＳ構造を形成した状態で一定のドレイン電圧を印加し、その状態でゲート電圧を変化させることで、ドレイン電流の変化をモニタリングし、ゲート電圧Ｖ_Ｇとドレイン電流Ｉ_Ｄの関係、すなわちＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性を測定する。測定されたＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性は、例えば図２のような結果となる。そして、測定されたＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性から電子移動度、界面準位密度、正孔移動度および酸化膜電荷密度を求めることができる。

以上の工程を行うことにより、ＳＯＩ層の電子移動度、界面準位密度、正孔移動度および酸化膜電荷密度を評価することができる。

また、ＳＯＩ層の厚さとしては４０ｎｍ以下とすることができる。また、ＢＯＸ層の厚さは、１００ｎｍ以下とすることができる。ＳＯＩ層へキャリアの注入を行うことによって、従来はＳＯＩ層は厚さが５０ｎｍ以上、ＢＯＸ層は厚さが１４５ｎｍ以上ないと、評価に十分なキャリアの量を得ることができなかったが、本発明のようにキャリアを注入しながら評価を行うことによって、層の厚さが薄くなってもキャリアが不足することなく、電気特性を評価するのに十分な電流量を得ることができるため、膜厚が薄いＳＯＩウェーハでも評価することができる。

以下、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）
測定対象ウェーハとして、支持基板、ＳＯＩ層となるウェーハとも、導電型Ｐ型、直径２００ｍｍ、結晶方位＜１００＞であるシリコンＳＯＩウェーハを準備した。なお、このウェーハをＰ型にするためのドーパントとしてボロンを用い、ウェーハの抵抗率は１０Ω・ｃｍである。また、ＳＯＩ層とＢＯＸ層の厚さは、それぞれ２０ｎｍ、５０ｎｍ程度である。

このＳＯＩウェーハを、質量％で１％のフッ酸を含む水溶液で１分間洗浄後、純水にてリンスを行い、その後、乾燥空気を吹き付けて水分を除去して乾燥させた。このＳＯＩウェーハにプローブを接触させた後、ＳＯＩ層にキャリアを注入するために、２０Ｗのハロゲンランプを準備し、光を照射した状態で、Ｖ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性の測定を行なった。測定は、一定のドレイン電圧を印加した状態でゲート電圧を変化させてドレイン電流をモニタリングして行った。その結果を図２に示す。図２は、本発明によりＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性を求めた一例を示す図である。この測定にはケースレー社製半導体パラメータアナライザＳＣ４２００を使用した。

（比較例）
実施例において、プローブを接触させてＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性の測定を行う際に、ＳＯＩ層に光の照射を行わないで測定を行った以外は、実施例と同様の条件でＳＯＩウェーハの評価を行った。その測定結果を図３に示す。図３は比較例におけるＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性を求めた一例を示す図である。

図２より、実施例のＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性では、ＳＯＩ層の電子移動度、界面準位密度、正孔移動度および酸化膜電荷密度を評価するのに十分なＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性を得ることができた。
これに対し、図３に示す比較例のＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ測定結果では、ＳＯＩ層中のキャリアが不足しているため、充分な電流値が得られず、この結果からはＳＯＩ層の電子移動度、界面順位密度などを計算することはできなかった。

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。

本発明を説明するための概略説明図である。 本発明によりＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性を求めた一例を示す図である。 比較例におけるＶ_Ｇ−Ｉ_Ｄ特性を求めた一例を示す図である。 Ｐｓｅｕｄｏ−ＭＯＳ構造をあらわす模式図である。

符号の説明

１０…ＳＯＩウェーハ、 １１…ＳＯＩ層、 １２…ＢＯＸ層、 １３…支持基板、 １４…真空チャック、 １５…キャリア注入源。

Claims (2)

1. Ｐｓｅｕｄｏ−ＭＯＳＦＥＴによるＳＯＩウェーハの評価方法において、前記ＳＯＩウェーハのＳＯＩ層にソース電極およびドレイン電極を接触させ、前記ＳＯＩウェーハの支持基板にゲート電極を接触させて前記ＳＯＩウェーハの電気特性を評価する際に、前記ＳＯＩ層へキャリアを注入しながら評価を行うことを特徴とするＳＯＩウェーハの評価方法。
2. 前記キャリアを注入する方法として、光を照射することを特徴とする請求項１に記載のＳＯＩウェーハの評価方法。

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