JP2012222109A

JP2012222109A - シリコン単結晶ウェーハの評価方法

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Publication number: JP2012222109A
Application number: JP2011085538A
Authority: JP
Inventors: Hisashi Saito; 久之斉藤; Takeshi Otsuki; 剛大槻
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2011-04-07
Filing date: 2011-04-07
Publication date: 2012-11-12
Anticipated expiration: 2031-04-07
Also published as: JP5729098B2

Abstract

【課題】本発明は、デバイス製造工程終了後（デバイス製品）のＧＯＩ特性の評価結果と近いＧＯＩ特性の評価結果を、ウェーハ段階で事前に得ることができ、デバイス製造工程終了後のウェーハ品質に起因する耐圧不良を予測することが可能となるシリコン単結晶ウェーハの評価方法を提供する。
【解決手段】デバイス製造に用いるシリコン単結晶ウェーハの評価方法であって、少なくとも、シリコン単結晶ウェーハの表面にゲート酸化膜を形成した後、デバイス製造シミュレーション熱処理を行ない、その後、前記ゲート酸化膜のＧＯＩ特性を評価することを特徴とするシリコン単結晶ウェーハの評価方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、デバイスの製造に用いるためのシリコン単結晶ウェーハの酸化膜耐圧特性評価方法に関する。

ＩＣデバイスを製造する上で、シリコン単結晶ウェーハに形成されるシリコン酸化膜は作製の容易さと特性が優れているため、ＦＥＴトランジスタ等のゲート酸化膜として使われている。このゲート酸化膜には高電圧がかかるため、高耐圧であることが望まれている。

ゲート酸化膜の耐圧（ＧＯＩ：ＧａｔｅＯｘｉｄｅＩｎｔｅｇｒｉｔｙ）特性の信頼性評価は、以下のような手順で行われている。
半導体ウェーハ主表面に絶縁膜となるシリコン酸化膜を形成し、その直上にポリシリコン層を成長させた後、そのポリシリコン層を島状に残すようにエッチングする。これにより、ＭＯＳ構造のキャパシタが形成され、島状ポリシリコン層は、電極として活用される。このＭＯＳキャパシタのポリシリコン電極を通して酸化膜の耐圧を評価するが、この評価には、ＴＺＤＢ（ＴｉｍｅＺｅｒｏＤｉｅｌｅｃｔｒｉｃＢｒｅａｋｄｏｗｎ）特性評価、ＴＤＤＢ（ＴｉｍｅＤｅｐｅｎｄｅｎｔＤｉｅｌｅｃｔｒｉｃＢｒｅａｋｄｏｗｎ）特性評価が一般的に用いられている（本発明では、これらをまとめてＧＯＩ特性と呼ぶことにする）。

デバイス製品のＧＯＩ特性の測定の対象となる酸化膜の形成工程（ゲート酸化工程）は、デバイスメーカーで行われている。しかし、ＧＯＩ特性は、ウェーハ品質に起因するところが大きいため、ウェーハメーカーでもその品質向上に努力している。

近年、無欠陥結晶（ＮＰＣ：ＮｅａｒｌｙＰｅｒｆｅｃｔＣｒｙｓｔａｌ）の量産が可能となり、ウェーハ出荷段階のＧＯＩ特性評価による良品率はほぼ１００％となっている。しかし、デバイス製造工程終了後のＧＯＩ特性不良はなくなっていない。
この不良の中には、デバイス製造工程に起因するものもあると考えられ、全ての不良がウェーハ品質に起因するものとは考えにくいが、ウェーハによって不良率が異なる場合もあり、ウェーハメーカーでのシリコン単結晶ウェーハの新たな解析方法が求められている。

尚、特許文献１には、シリコンウェーハの表面に熱酸化膜を形成する熱処理を行った後、水素を含む雰囲気で熱処理をすることにより、シリコンウェーハ中の結晶欠陥を熱酸化膜上にピットとして発生させて、結晶欠陥を検出する方法が記載されている。また、特許文献２には、シリコンウェーハ表面に酸化膜を形成する熱処理を行った後、アルゴンを含む雰囲気で熱処理してシリコンウェーハ表面に酸化膜ホールを形成し、該酸化膜ホールを検出することによって、シリコンウェーハ表面に存在する結晶欠陥を評価する方法が記載されている。即ち、これらはＡｓ−Ｇｒｏｗｎの結晶欠陥を見つける方法である。特許文献２では、Ａｓ−Ｇｒｏｗｎ結晶に存在するＶｏｉｄ（ボイド）が酸化膜に含まれると、その酸化膜は周辺に比べて弱いために、アルゴン熱処理でエッチングが早く進み、結果、弱い場所が認識できるという方法であり、測定のために熱処理を行っているものである。

また、従来、ウェーハメーカーで行われていた熱処理シミュレーション後のＧＯＩ特性の測定では、デバイス製造シミュレーション熱処理後にゲート酸化膜を形成してＧＯＩ特性を測る方法が行われていた。しかし、この方法は、結果的にシミュレーション熱処理で表層にできたＢＭＤの影響を受けたＧＯＩ特性を測定するものとなっている。即ち、この方法で得られたＧＯＩ特性の評価結果は、最終的なデバイス製品のＧＯＩ特性の評価結果とは異なるという問題があった。

以上により、デバイス製造工程終了時のＧＯＩ特性の評価結果と近いＧＯＩ特性の評価結果を、ウェーハ製造段階（デバイス製造工程に投入する前段階）で事前に得ることができる新たなシリコン単結晶ウェーハの評価方法が求められている。

特開２０００−２６９２８８号公報特開２００６−２０３０８９号公報

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであって、デバイス製造工程終了後（デバイス製品）のＧＯＩ特性の評価結果と近いＧＯＩ特性の評価結果を、ウェーハ段階で事前に得ることができ、デバイス製造工程終了後のウェーハ品質に起因する耐圧不良を予測することが可能となるシリコン単結晶ウェーハの評価方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明では、デバイス製造に用いるシリコン単結晶ウェーハの評価方法であって、少なくとも、シリコン単結晶ウェーハの表面にゲート酸化膜を形成した後、デバイス製造シミュレーション熱処理を行ない、その後、前記ゲート酸化膜のＧＯＩ特性を評価することを特徴とするシリコン単結晶ウェーハの評価方法を提供する。

このようなシリコン単結晶ウェーハの評価方法であれば、デバイス製造工程終了後のＧＯＩ特性の評価結果と近いＧＯＩ特性の評価結果を、ウェーハ段階で事前に得ることができ、デバイス製造工程終了後のウェーハ品質に起因する耐圧不良を予測することが可能となる。

またこのとき、前記デバイス製造シミュレーション熱処理は、酸素を含む雰囲気中で行うことができる。

前記デバイス製造シミュレーション熱処理は、具体的には、実際にデバイスを製造するデバイスメーカーによって異なるが、例えば、酸素を含む雰囲気中で行うことができる。

またこのとき、前記ゲート酸化膜形成後にポリシリコン膜を形成し、その後前記デバイス製造シミュレーション熱処理をした後に、フォトリソグラフィ技術により前記ポリシリコン膜に電極パターンを形成し、該電極を通して前記ゲート酸化膜のＧＯＩ特性を評価することが好ましい。

このように、ゲート酸化膜形成後に電極となるポリシリコン膜を形成することで、ポリシリコン膜がゲート酸化膜の保護膜としても作用するために好ましい。また、デバイス製造シミュレーション熱処理後にフォトリソグラフィ技術により前記ポリシリコン膜に電極パターンを形成することによって、電極パターン付きウェーハを製造後に熱処理を行う場合に比べて、炉の汚染が少なく済むために、装置管理上好ましい。

以上説明したように、本発明のシリコン単結晶の評価方法によれば、デバイス製造工程終了後（デバイス製品）のＧＯＩ特性評価結果と近いＧＯＩ特性耐評価結果を、ウェーハ段階で事前に得ることができ、デバイス製造工程終了後のウェーハ品質に起因する耐圧不良を従来より高い精度で予測することが可能となる。

本発明のシリコン単結晶ウェーハの評価方法の一例を示した工程フロー図を示す。（Ａ）従来のシリコン単結晶ウェーハのＧＯＩ特性評価方法におけるウェーハ内部の説明図、（Ｂ）本発明のシリコン単結晶ウェーハのＧＯＩ特性評価方法におけるウェーハ内部の説明図である。本発明のシリコン単結晶ウェーハの評価方法におけるデバイス製造シミュレーション熱処理の一例を示す。実施例及び比較例で行ったＴＤＤＢ特性評価におけるストレス印加の状況を示す図である。

以下、本発明について、より詳細に説明する。
ウェーハメーカーでのＧＯＩ特性は、出荷段階で測定した耐圧である。しかしながら、デバイスメーカーで問題となるＧＯＩ特性は、デバイス製造工程終了後のデバイス製品のＧＯＩ特性である。即ち、デバイスメーカーにおいて、ゲート酸化膜は比較的デバイス製造工程の初期で作られるが、耐圧測定は、熱処理、電界、イオンインプラ等のダメージを受けた最終的なデバイス製品に対して行われる。
本発明者らは、この点に注目して、新たな評価方法を検討した。

従来、ウェーハメーカーで行われていたＧＯＩ特性の測定方法では、シミュレーション熱処理後にゲート酸化膜を形成してＧＯＩ特性を測定していた。
この方法は、図２（Ａ）に示されるように、シミュレーション熱処理後に、そのシミュレーションでできた酸化膜を除去し、その後、新たにゲート酸化膜を作りその耐圧を測るという方法であった。しかし、この方法ではデバイス製造工程の初期段階でゲート酸化膜をつけている実際のデバイス製品の耐圧結果とは異なる結果となるという問題があった。これは、図２（Ａ）に示すように、従来のＧＯＩ特性の評価方法は、結果的にシミュレーション熱処理で表層にできたＢＭＤの影響を受けたＧＯＩ特性を測定するという方法になっているためである。

そこで、本発明では、実際のデバイス製造工程に近づけるため、デバイス製造シミュレーション熱処理前にゲート酸化膜を形成するようにプロセスの順番を変更した。
即ち、デバイス製造シミュレーション熱処理、ゲート酸化、ＧＯＩ特性の測定という工程順の従来のＧＯＩ特性の評価方法に対して、図２（Ｂ）のようにデバイス製造シミュレーション熱処理とゲート酸化の順番を変更し、ゲート酸化、デバイス製造シミュレーション熱処理、ＧＯＩ特性の測定という工程順のＧＯＩ特性の評価方法とした。その結果、従来のＧＯＩ特性の評価結果と大きく異なることが分かった。また、この結果はデバイス製品での耐圧不良の結果に近い結果となることを見出した。

以下、本発明について更に詳述する。
図１に本発明のシリコン単結晶ウェーハの評価方法の一例を示した工程フロー図を示す。
本発明は、ＧＯＩ特性を評価されるシリコン単結晶ウェーハ１を準備し（図１（Ａ））、次いで、シリコン単結晶ウェーハ１の表面にゲート酸化膜２を形成し（図１（Ｂ））、その後デバイス製造シミュレーション熱処理を行い（図１（Ｄ））、ゲート酸化膜２のＧＯＩ特性を評価する（図１（Ｆ））ことを特徴とする。

このように、従来のＧＯＩ特性評価方法に対して、ゲート酸化膜の形成と、デバイス製造シミュレーション熱処理との順番を替えることによって、デバイス製造工程終了後のデバイス製品の耐圧特性評価結果に近い評価結果を得ることができる。

即ち、本方法の評価方法によれば、上記特許文献１、２のようなＡｓ−Ｇｒｏｗｎの欠陥を見つけるのではなく、デバイス製造工程の初期段階でＡｓ−Ｇｒｏｗｎの欠陥を含んだゲート酸化膜が、デバイス製造工程における全ての熱処理を終えてどうなるのかを事前に予測することが可能となる。

また、従来のウェーハメーカーで行われていた、シミュレーション熱処理後にゲート酸化膜を形成してＧＯＩ特性を測定する方法は、結果的にデバイスシミュレーション熱処理で表層にできたＢＭＤの影響を受けたＧＯＩ特性を測定するという方法になっていた（図２（Ａ））のに対し、本発明の評価方法は、デバイス製造シミュレーション熱処理前にゲート酸化膜を形成するために、ゲート酸化膜の耐圧特性がデバイス製造工程で行われるであろう熱処理に対して強いか弱いかを評価することができ、即ち、デバイス製造工程終了後のデバイス製品の耐圧特性評価に近い評価方法となり、その評価結果を事前に得ることができる（図２（Ｂ））。

ここで、本発明について更に詳述する。
図１（Ａ）のように、評価されるシリコン単結晶ウェーハ１を準備する。準備するシリコン単結晶ウェーハ１は、例えばチョクラルスキー（ＣＺ）法で引き上げたもので、直径３００ｍｍのウェーハを用いることができるが、その製造方法、サイズ、導電型、結晶方位、酸素濃度など特に限られるものではない。デバイス製造に用いられ、ＧＯＩ特性評価が求められるすべてのシリコン単結晶ウェーハを対象とすることができる。

次いで、図１（Ｂ）のように、シリコン単結晶ウェーハの表面にゲート酸化を行ってゲート酸化膜２を形成する。ゲート酸化膜２の形成方法としては、特に限定されないが、例えば酸素雰囲気中で加熱することにより熱酸化膜を形成することができる。

次いで、図１（Ｃ）のように、ゲート酸化膜の耐圧測定を行うために、例えば、ポリシリコン膜３を形成することができる。
ポリシリコン膜３の形成方法としては、例えば、ＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によりＳｉＨ_４を熱分解して形成することもできる。このポリシリコン膜３は、電極として用いるので、形成の際にリンやボロン等のドーパントをドープして抵抗率を下げておくことが好ましい。電極であるポリシリコン膜３はゲート酸化膜２の保護膜としての役割も兼ねる。

次いで、図１（Ｄ）のように、デバイス製造シミュレーション熱処理を行う。本発明において、「デバイス製造シミュレーション熱処理」とは、デバイス製造工程で行われる熱処理をシミュレーションしたものであり、実際に作製されるデバイスの仕様やデバイスメーカー等によって異なってくる。
例えば、図３に示すようなデバイス製造シミュレーション熱処理を行うことが可能である。尚、酸素を含む雰囲気下でデバイス製造シミュレーション熱処理を行った後には、酸化膜４が形成され得る。

次いで、図１（Ｅ）のように、フォトリソグラフィ技術によりポリシリコン膜３に電極パターン３’の形成を行うことができる。
電極パターン３’の形成は、図１（Ｅ）右段に示されるように行うことができる。即ち、デバイス製造シミュレーション熱処理で形成された酸化膜４を除去した後、フォトレジストからなるパターン５を形成する（図１（Ｅ）−１）。次いで、該パターン５を用いてエッチングによりポリシリコン膜をエッチングして電極パターン３’を得ることができる（図１（Ｅ）−２）。その後は、ポリシリコン膜からなる電極パターン３’をレジスト組成物６により保護して裏面をエッチングし（図１（Ｅ）−３）、レジスト組成物６を除去する（図１（Ｅ）−４）。

このように、デバイス製造シミュレーション熱処理後に、フォトリソグラフィ技術により電極パターン３’を得ることによって、電極パターン付きウェーハを熱処理する場合に比べて炉の汚染が少なく済むために、装置管理上好ましい。

その後、図１（Ｆ）のように、ゲート酸化膜２のＧＯＩ特性評価を行う。ＧＯＩ特性評価としては、特に限定されるものではなく、公知の方法を用いてＴＺＤＢ特性評価やＴＤＤＢ特性評価を行うことができる。

以下に本発明の実施例、比較例を挙げて、本発明をより詳細に説明するが、これらは本発明を限定するものではない。

実際にデバイス製造工程に流れる製品ウェーハから品種の違うロットを抜き取り、それぞれのロットにおいて以下の実施例１、比較例２の評価方法でＧＯＩ特性を測定した。流れ品ではデバイス製品での大きな歩留り差は当然ながら認められなかった。また、ＧＯＩ特性の測定結果も同じであった。
そこで、デバイスの製造に新しい品種のウェーハを投入するタイミングにあわせて、サンプルＡ〜Ｃについて、実施例１、比較例１、比較例２の評価方法でＧＯＩ特性を測定し、デバイス製品のＧＯＩ特性評価結果と比較を行った。ウェーハは直径３００ｍｍのシリコン単結晶であり、ＧＯＩ特性の測定点数は３０００点とした。

（実施例１）
上記対象のシリコン単結晶ウェーハの表面に、ゲート酸化を行いゲート酸化膜を形成し、ゲート酸化膜上にポリシリコン膜を形成した後、デバイス製造シミュレーション熱処理を行った。ポリシリコン膜上に付いた表面酸化膜を除去し、フォトリソグラフィ技術によりポリシリコン膜に電極パターンを形成し、該電極を通してＧＯＩ特性の測定を行った。ＧＯＩ特性の測定は、上記処理を行ったシリコン単結晶ウェーハへ一定電流をゲート酸化膜が破壊するまで印加する定電流ＴＤＤＢ法を用いて、ゲート酸化膜に電界ストレスを印加することで行った。尚、図４はストレス印加の状況を示している。一定の電流密度でストレス印加し（図４（ａ））、その時の電圧をモニタする（図４（ｂ））。絶縁破壊が起こると急激な電圧変化が起こり、破壊を知ることができる。印加した電流ストレスは０．０１Ａ／ｃｍ^２、測定温度は１００℃とした。電極面積は４ｍｍ^２であった。ＴＤＤＢ特性の評価結果により得られた良品率（％）を以下表１に示す。
実施例１の評価方法による評価結果（サンプルＣが悪い）は、デバイス製品の評価結果（サンプルＣが悪い）と同様となった。また、デバイス製造シミュレーション熱処理はリソグラフィによるパターン形成前に行ったため、装置の汚染なく熱処理を行うことができた。

（比較例１）
上記対象のシリコン単結晶ウェーハの表面に、ゲート酸化を行いゲート酸化膜を形成し、ポリシリコン膜を形成し、フォトリソグラフィ技術によりポリシリコン膜に電極パターンを形成した。ポリシリコン電極を通して、実施例１と同様の方法でＧＯＩ特性を測定した。ＴＤＤＢ特性の評価結果により得られた良品率（％）を表１に示す。
このような比較例１のデバイス製造シミュレーション熱処理を行わないＧＯＩ特性の評価方法による評価結果は、サンプルＡ〜サンプルＣについてほぼ同様となり、デバイスでの評価結果（サンプルＣが悪い）と異なるものとなった。

（比較例２）
シミュレーション熱処理を上記対象のシリコン単結晶ウェーハに行った。シミュレーション熱処理中に酸素での熱処理があり、表面のシリコン単結晶ウェーハ上に酸化膜が形成されるので、この酸化膜をフッ酸（ＨＦ）を用いて除去した。その後、ゲート酸化を行いゲート酸化膜を形成し、ポリシリコン膜を形成し、フォトリソグラフィ技術によりポリシリコン膜に電極パターンを形成し、該ポリシリコン電極を通して、実施例１と同様の方法でＧＯＩ特性の測定を行った。ＴＤＤＢ特性の評価結果により得られた良品率（％）を表１に示す。
比較例２の評価方法によれば、サンプルＡが悪いという結果が得られたが、これは、デバイス製品での評価結果（サンプルＣが悪い）と異なるものであった。
比較例２の評価方法は、結果的にシミュレーション熱処理で発生する表層の欠陥評価となるために、デバイス製品での評価結果と異なると思われる。

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…シリコン単結晶ウェーハ、２…ゲート酸化膜、３…ポリシリコン膜、３’…電極パターン４…デバイス製造シミュレーション熱処理で形成された酸化膜、５…フォトレジストからなるパターン、６…レジスト組成物。

Claims

デバイス製造に用いるシリコン単結晶ウェーハの評価方法であって、少なくとも、シリコン単結晶ウェーハの表面にゲート酸化膜を形成した後、デバイス製造シミュレーション熱処理を行ない、その後、前記ゲート酸化膜のＧＯＩ特性を評価することを特徴とするシリコン単結晶ウェーハの評価方法。
前記デバイス製造シミュレーション熱処理は、酸素を含む雰囲気中で行うことを特徴とする請求項１に記載のシリコン単結晶ウェーハの評価方法。
前記ゲート酸化膜形成後にポリシリコン膜を形成し、その後前記デバイス製造シミュレーション熱処理をした後に、フォトリソグラフィ技術により前記ポリシリコン膜に電極パターンを形成し、該電極を通して前記ゲート酸化膜のＧＯＩ特性を評価することを特徴とする請求項１又は２に記載のシリコン単結晶ウェーハの評価方法。