(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板をリーク電流により評価する方法であって、評価対象である半導体基板にＰＮ接合を形成し、該ＰＮ接合が形成された半導体基板の基板温度を変化させながらリーク電流を測定し、この測定結果をプロットすることによって得られる前記リーク電流の温度特性から、前記評価対象である半導体基板に含まれる欠陥種を特定する方法であり、前記欠陥種を特定する方法として、既知の欠陥を含む半導体基板のリーク電流の温度特性を調べることで、前記既知の欠陥を含む半導体基板に含まれている欠陥種にそれぞれ応じたリーク電流の温度特性データのデータベースを予め作成し、該データベースに登録したリーク電流の温度特性データと前記評価対象である半導体基板のリーク電流の温度特性データとを照らし合わせることによって、前記評価対象である半導体基板に含まれる欠陥種を特定することを特徴とする半導体基板の評価方法。
【請求項２】
前記欠陥種を、金属汚染による欠陥及び前記半導体基板の加工中に導入される欠陥の少なくともいずれか一方とすることを特徴とする請求項１に記載の半導体基板の評価方法。
【請求項３】
前記半導体基板を、シリコンウェーハとすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体基板の評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板の評価方法に関し、特にリーク電流測定による半導体基板の評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
メモリ、ＣＣＤのような固体撮像素子等の半導体装置の微細化、高性能化に伴い、それらの製品歩留まりを向上させるために、材料としてのシリコンウェーハにも高品質化が要求され、これに対応した各種シリコンウェーハが開発されている。特に、製品特性に直接影響を与えると推測されるウェーハ表層部の結晶性は重要であり、その改善策として、（１）不活性ガス又は水素を含む雰囲気中での高温熱処理、（２）引き上げ条件の改善によるグローイン（Ｇｒｏｗｎ−ｉｎ）欠陥の低減、（３）ウェーハ上にエピタキシャル成長させる等の方法が開発されている。
【０００３】
従来のシリコンウェーハ表面品質の電気的特性評価法としては、酸化膜耐圧（ＧＯＩ：Ｇａｔｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ）評価が用いられてきた（特許文献１参照）。
これは、まずシリコンウェーハ表面に熱酸化によりゲート酸化膜を形成し、この上に電極を形成する。そして、絶縁体であるシリコン酸化膜に電気的ストレスを印加し、この絶縁度合いによりシリコンウェーハの表面品質を評価するものである。すなわち、もとのシリコンウェーハ表面に欠陥や金属不純物が存在すると、これが熱酸化によりシリコン酸化膜に取り込まれたり、表面形状に応じた酸化膜が形成され、不均一な絶縁体になる等により、絶縁性が低下することから、シリコンウェーハの表面品質を評価できるものである。
【０００４】
このような酸化膜耐圧評価は、実デバイスにおいては、ＭＯＳＦＥＴのゲート酸化膜信頼性を示し、これの改善に向けていろいろなウェーハ開発が行われている。しかしながら、ＧＯＩ評価で問題がなくても、デバイス歩留まりが低下するということは当然ありえるわけであるが、特に近年、デバイスの高集積化に伴い、このような事象が数多くなってきている。
【０００５】
このような半導体基板の評価方法としては、リーク電流測定があるが（特許文献２参照）、とりわけ固体撮像素子においては、その原理から考えて、例えば暗電流を低減して感度向上を考えた場合、ウェーハ起因のリーク電流を低減する必要性がある。
しかしながら、リーク電流測定を精度良く、かつ安定した簡便な構造で行うことはできず、実デバイスに近い構造を作製して評価する等、日数・費用をかけて行うことが必要であった。また、このようにして測定したにも関わらず、リーク源の特定には、他の物理解析を組み合わせる必要があり、シリコンウェーハ等の半導体基板の改善に結び付けるには多大な努力が必要とされてきた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−４６７８号公報
【特許文献２】特開２０１１−１００９０９号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】津屋英樹著、「超ＬＳＩプロセス制御工学」  丸善（株）  １９９５年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、ＣＣＤ、ＣＭＯＳセンサ等の高歩留まりが要求される製品に使用される高品質ウェーハのリーク電流の測定において、リーク源である欠陥種を簡易な方法で正確に特定することができる半導体基板の評価方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明では、半導体基板をリーク電流により評価する方法であって、評価対象である半導体基板にＰＮ接合を形成し、該ＰＮ接合が形成された半導体基板の基板温度を変化させながらリーク電流を測定し、この測定結果をプロットすることによって得られる前記リーク電流の温度特性から、前記評価対象である半導体基板に含まれる欠陥種を特定することを特徴とする半導体基板の評価方法を提供する。
【００１０】
このような本発明の評価方法であれば、リーク電流測定により、他の物理解析等を用いることなく、当該リーク原因となっている欠陥種を特定することができる。従って、簡易な方法で、半導体基板を精度良く評価することができるため、半導体基板の品質向上に大きく貢献することができる。
【００１１】
このとき、前記欠陥種を特定する方法として、既知の欠陥を含む半導体基板のリーク電流の温度特性を調べることで、前記既知の欠陥を含む半導体基板に含まれている欠陥種にそれぞれ応じたリーク電流の温度特性データのデータベースを予め作成し、該データベースに登録したリーク電流の温度特性データと前記評価対象である半導体基板のリーク電流の温度特性データとを照らし合わせることによって、前記評価対象である半導体基板に含まれる欠陥種を特定することが好ましい。
【００１２】
このように評価することで、より高精度で欠陥種の特定を効率的に行うことができる。
【００１３】
このとき、前記欠陥種を、金属汚染による欠陥及び前記半導体基板の加工中に導入される欠陥の少なくともいずれか一方とすることが好ましい。
【００１４】
このような欠陥種であれば、特にリーク電流の温度特性の欠陥による特異点が明確に生じるため、より確実に欠陥種の特定を行うことができ、さらに、これらの欠陥の種類を特定することで半導体基板の品質の向上に貢献できる。
【００１５】
またこのとき、前記半導体基板を、シリコンウェーハとすることができる。
【００１６】
このように、本発明の評価方法においては、評価する半導体基板としてシリコンウェーハとすることができる。
【発明の効果】
【００１７】
以上のように、本発明によれば、例えばＣＣＤ、ＣＭＯＳセンサ等の高歩留まりが要求される製品に使用される半導体基板のリーク源の欠陥種を、簡便かつ高精度に評価することが可能になり、これにより、高品質な半導体基板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の半導体基板の評価方法の実施形態の一例を示すフロー図である。
【図２】半導体基板のリーク電流の温度特性を説明するための図である。
【図３】実施例１において測定した半導体基板のリーク電流の温度特性を示すグラフである。
【図４】実施例２において測定した金属汚染された半導体基板のリーク電流の温度特性を示すグラフである。
【図５】実施例３において測定した転位を有する半導体基板のリーク電流の温度特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
従来、リーク電流測定そのものは実施されていたが、このリーク源についてはその他の評価法から考察する方法しかなく、リーク源の特定まで評価するためには、測定のコストの悪化や評価の長時間化が生じていた。
【００２０】
これに対して、本発明者が鋭意研究を重ねた結果、半導体基板のリーク電流の温度特性評価を行うという簡易な方法で、半導体基板のリーク源となる欠陥種まで特定することができることを見出し、本発明を完成させた。
【００２１】
以下、本発明の実施形態について図を参照して説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
図１は、本発明の半導体基板の評価方法の実施形態の一例を示すフロー図である。
【００２２】
まず図１（ａ）に示すように、評価対象である半導体基板を準備する。
本発明で評価できる半導体基板としては特には限定されないが、例えばシリコンウェーハとすることができる。
【００２３】
次に図１（ｂ）に示すように、準備した半導体基板にＰＮ接合（接合構造）を作製する。作製する接合構造は、どのような構造でも特に限定されないが、構造起因のリーク電流（基板成分）をできるだけ低減するように作製することが好ましい。
【００２４】
作製方法としては、例えばＰｙｒｏ酸化（パイロジェニック酸化）等の熱酸化やＣＶＤ酸化等により基板表面に酸化膜を形成し、その一部をエッチング除去し、基板と異なる導電型のドーパントをイオン注入、ガラスデポ、塗布拡散等により拡散させてＰＮ接合を作製することができる。
【００２５】
そして図１（ｃ）−（ｅ）に示すように、ＰＮ接合が形成された半導体基板の基板温度を変化させながらリーク電流を測定する。すなわち、図１（ｃ）に示すように、まず基板温度を室温にした状態で、接合部に逆バイアスを印加してリーク電流測定を行う。そして、図１（ｄ）に示すように、基板温度を室温から例えば１０℃上昇させて、図１（ｅ）に示すように、当該昇温後の基板温度でリーク電流測定を行う。
さらに、昇温、リーク電流測定を繰り返して、基板温度を低温から高温側へスキャンしながらリーク電流値を測定し、図１（ｆ）に示すように、基板温度とリーク電流のプロットを作成して、リーク電流の温度特性を得ることができる。
【００２６】
この測定の際には、１箇所のデータではなく、複数箇所のデータを取得することが好ましい。
これは、１箇所の測定では、基板上の不良箇所を必ずしも検出できるわけではないためである。欠陥密度が小さいと、それだけ多数の測定が必要になり、具体的な測定箇所の数は、評価対象の半導体基板に依存するため、最適数を適時設定することが好ましい。
【００２７】
そして、図１（ｇ）に示すように、上記のように作成したプロットから、データベースとの照合によりリーク源の欠陥種を特定することができる。
この際、例えば、既知の欠陥を含む半導体基板のリーク電流の温度特性を調べることで、前記既知の欠陥を含む半導体基板に含まれている欠陥種にそれぞれ応じたリーク電流の温度特性データのデータベースを予め作成し、該データベースに登録したリーク電流の温度特性データと評価対象である半導体基板のリーク電流の温度特性データとを照らし合わせることによって、評価対象である半導体基板に含まれる欠陥種を特定することが好ましい。
このように既知の欠陥を含む半導体基板の温度特性を予め調べておくことで、実際の評価の際に得られたプロットにおいて、予め作成した温度特性のデータベースと同様の傾向（同様の特異点）が認められば、当該既知の欠陥を含む半導体基板であることを確実に特定することができる。
【００２８】
以下、さらに詳細に本発明の評価方法において欠陥種を特定する方法を説明する。
本発明においてリーク電流を測定した結果、欠陥種類に応じて、特定の温度帯で、リーク電流の温度特性に特異点が観察される。すなわち、急激にリーク電流が増加し、また減少するというものである。これ以外にも、傾きの異なるリーク電流などが観察される。この温度依存性からは活性化エネルギーを算出することが可能であり、プロットの傾きがこれに相当する。このことから、傾きが変化するということは、活性化エネルギーが変化することであり、特異な温度依存をもつということは、欠陥の特性を示している。シリコンに作製された接合であれば、高温側では拡散成分といわれるリーク電流（基板からの拡散電流）が支配的であり、この際温度特性から得られる傾き、すなわち、リーク電流を縦軸に、温度の逆数を横軸にとってプロットした結果からは、シリコンのバンドギャップに相当する、１．１ｅＶの傾きが観察される。また、低温側では、発生成分といわれるリーク電流（空乏層内の発生電流）が支配的であり、バンドギャップの半分、すなわち０．５５ｅＶの傾きに理論的にはなる（図２の式（１）、（２）、グラフ、及び、非特許文献１参照）。
【００２９】
図２の式（１）（２）から分かるように、シリコンのバンドギャップのエネルギー差が式に含まれており、このバンド端に起因するものであれば、これらの式に相当する電流で説明できる。一方、例えば金属汚染による欠陥や半導体基板の加工中に導入される欠陥のようなシリコンのバンドギャップ内に準位を作るものであれば、このエネルギー差は異なったものになる。
すなわち、例えば金属汚染による欠陥や半導体基板の加工中に導入される欠陥が無い半導体基板のリーク電流の温度特性をプロットすると、図２のグラフのように、高温側では傾き１．１ｅＶに近く、低温側では０．５５ｅＶの傾きに近いプロットが得られる。一方、上記欠陥を有する基板のリーク電流の温度特性をプロットすると、それぞれの欠陥種によって異なる特異点が生じ、この特異点の位置（温度）等により欠陥種を特定することができる。
【００３０】
尚、本発明において特定することができる「半導体基板の加工中に導入される欠陥」とは、単結晶育成後の基板形状への加工工程において熱応力や機械的応力等によって導入される欠陥を意味する。酸素析出物、ＯＳＦ、ＣＯＰ等の単結晶製造時に導入されるＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥に比べ、半導体基板の加工中に導入される転位等の欠陥や、金属汚染による欠陥は、リーク電流の温度特性において、顕著に特異点が生じるため、本発明によって、リーク源となっている欠陥種を特に正確に特定することができる。また、金属汚染による欠陥の場合、金属の種類によりエネルギー準位が異なるので、本発明であれば、汚染された金属の種類までをも推定できる。
【００３１】
以上のような本発明の半導体基板の評価方法であれば、リーク電流の原因となる欠陥種を特定することが精度良くできるため、ウェーハの高性能化などに有効となる。さらに、本発明の方法はリーク電流測定の際に行うことができるため、簡易な方法で実施でき、生産性等の悪化はほとんどない。また、具体的には、汚染種が特定されることで、汚染除去の対象が明確になったり、半導体基板の加工中に導入される欠陥であることが分かれば、工程を改善して、この欠陥を低減することを効果的に行うことができる。
【実施例】
【００３２】
以下、実施例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。
【００３３】
（実施例１）
抵抗率１０Ω・ｃｍのボロンドープ直径２００ｍｍシリコンウェーハを材料として、まず、このウェーハに、Ｐｙｒｏ雰囲気１０００℃、９０分の熱処理で、厚さ２００ｎｍの酸化膜を形成した。この後、レジストを塗布し、フォトリソを行った。今回はネガレジストを選択した。このレジスト付きウェーハをバッファードＨＦ溶液にて酸化膜をエッチングし、硫酸過酸化水素混合液にてレジストを除去後、ＲＣＡ洗浄を実施した。このウェーハに、加速電圧５５ＫｅＶ、ドーズ量２×１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ２でボロンをイオン注入し、１０００℃、窒素雰囲気下で回復アニール後、リンガラスを塗布拡散し、リンを表面より拡散することで、ＰＮ接合を形成した。
【００３４】
図１（ｃ）−（ｆ）に示す本発明の方法により、ＰＮ接合を形成したウェーハのリーク電流の温度特性測定を行った結果を図３に示す。このリーク電流測定は、上記素子作製済みウェーハを、温度調整が可能なプローバのチャック上にマウントし、昇温しながら、その都度、各温度でのリーク電流値を測定した。なおリーク電流は、逆バイアスを印加したときの電流値とした。測定温度範囲は、室温（３０℃）から１００℃の範囲として、室温から温度を上げながら１０℃刻みでリーク電流を測定した。
図３に示すように、得られた温度特性では、高温側では拡散電流が支配的な場合に観察される１．１ｅＶの傾き、低温側では発生電流が支配的な場合に観察される０．５５ｅＶの傾きを示すリーク電流となっており、特異な点は見られず、理論どおりのプロットである。これより、リーク源となるような欠陥が実施例１の半導体基板表面付近には存在しないことが分かる。
【００３５】
（実施例２）
まず、金属汚染による欠陥の影響を求めた。
抵抗率１０Ω・ｃｍのボロンドープ直径２００ｍｍシリコンウェーハを材料として、まず、このウェーハに、Ｐｙｒｏ雰囲気１０００℃、９０分の熱処理で、厚さ２００ｎｍの酸化膜を形成した。この酸化膜形成前のウェーハには、タングステン等の高融点金属が１×１０９ａｔｏｍｓ／ｃｍ２存在していることを、他の分析により確認した。
この後、レジストを塗布し、フォトリソを行った。今回はネガレジストを選択した。このレジスト付きウェーハをバッファードＨＦ溶液にて酸化膜をエッチングし、硫酸過酸化水素混合液にてレジストを除去後、ＲＣＡ洗浄を実施した。その後、このウェーハに、加速電圧５５ＫｅＶ、ドーズ量２×１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ２でボロンをイオン注入し、１０００℃、窒素雰囲気下で回復アニール後、リンガラスを塗布拡散し、リンを表面より拡散することで、ＰＮ接合を形成した。
【００３６】
実施例１と同様に、ＰＮ接合を形成したウェーハのリーク電流を測定した。温度特性測定の結果を図４に示す。
図４から分かるように、高温側では拡散電流が支配的な場合に観察される１．１ｅＶの傾きのリーク電流となっているが、低温側では発生電流が支配的な場合に観察される０．５５ｅＶの傾きに対して、６０℃（１０００／Ｔ＝３．０）付近で急激なリーク電流の変化が見られる。この特異点は、金属汚染による欠陥に関係するものであることがわかる。なお、金属汚染による欠陥の場合、６０℃付近で急激なリークが現れる理由については不明である。
【００３７】
（実施例３）
次に、ウェーハの加工中に導入される欠陥の影響を求めた。
抵抗率１０Ω・ｃｍのボロンドープ、直径２００ｍｍシリコンウェーハを材料として、このウェーハに、Ｐｙｒｏ雰囲気１０００℃、９０分の熱処理で、厚さ２００ｎｍの酸化膜を形成した。この酸化膜形成前のウェーハには、転位が高密度で発生していることを他の分析により確認した。
この後、レジストを塗布し、フォトリソを行った。今回はネガレジストを選択した。このレジスト付きウェーハを、バッファードＨＦ溶液にて酸化膜をエッチングし、硫酸過酸化水素混合液にてレジストを除去後、ＲＣＡ洗浄を実施した。このウェーハに、加速電圧５５ＫｅＶ、ドーズ量２×１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ２でボロンをイオン注入し、１０００℃、窒素雰囲気下で回復アニール後、リンガラスを塗布拡散し、リンを表面より拡散することで、ＰＮ接合を形成した。
【００３８】
実施例１と同様に、ＰＮ接合を形成したウェーハのリーク電流を測定した。温度特性測定の結果を図５に示す。
図５から分かるように、高温側の拡散電流が支配的に観察される１．１ｅＶの傾き、及び低温側の発生電流が支配的な場合に観察される０．５５ｅＶの傾きのいずれの傾きに対しても、急激なリーク電流の変化が見られている。これは転位に関係するものであることがわかる。なお、加工中に導入された欠陥の場合、このように高温側及び低温側の広範囲にわたり急激なリークが現れる理由については不明である。
【００３９】
（実施例４）
次に、欠陥種が未知のウェーハのリーク源の欠陥種を以下のように特定した。
抵抗率１０Ω・ｃｍのボロンドープ直径２００ｍｍシリコンウェーハを材料として、このウェーハに、Ｐｙｒｏ雰囲気１０００℃、９０分の熱処理で、厚さ２００ｎｍの酸化膜を形成した。
この後、レジストを塗布し、フォトリソを行った。今回はネガレジストを選択した。このレジスト付きウェーハを、バッファードＨＦ溶液にて酸化膜をエッチングし、硫酸過酸化水素混合液にてレジストを除去後、ＲＣＡ洗浄を実施した。このウェーハに、加速電圧５５ＫｅＶ、ドーズ量２×１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ２でボロンをイオン注入し、１０００℃、窒素雰囲気下で回復アニール後、リンガラスを塗布拡散し、リンを表面より拡散することで、ＰＮ接合を形成した。
【００４０】
実施例１と同様に、ＰＮ接合を形成したウェーハのリーク電流を測定し、その温度特性を得た。
この場合、高温側及び低温側の広範囲にわたり急激なリークの変化が見られた。上記の結果から、この温度帯に特異点が生じた場合には、リークの原因としては、転位に関係するものであることが推定できる。従って、当該ウェーハのリーク源の欠陥種は、転位であることがわかった。
【００４１】
以上のように、実施例２，３のように、既知の欠陥を含む基板のリーク電流の温度特性を調べ、欠陥種による温度特性の違いをデータベースに登録しておくことで、実施例４のように、未知の欠陥を含む基板を評価する際に、登録データと照らし合わせて、容易かつ高精度にリーク源の欠陥種を特定することができる。
【００４２】
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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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