(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のシリコン層、前記第１のシリコン層上に位置する酸化膜、前記酸化膜上に位置する第２のシリコン層とからなる基板を準備する工程と、
前記第２のシリコン層を除去し、前記酸化膜を露出させる研磨工程と、
前記酸化膜中のシリコン部分をエッチング除去し、前記酸化膜中に第１の開孔部を形成する第１のエッチング工程と、
前記第１の開孔部下の前記第１のシリコン層の一部をエッチング除去し、前記第１のシリコン層中に第２の開孔部を形成する第２のエッチング工程と、
前記第１、第２の開孔部を計測し評価する工程とを有することを特徴とする半導体ウエハの評価方法。
【請求項２】
前記研磨工程は、ＣＭＰ法により行うことを特徴とする請求項１記載の半導体ウエハの評価方法。
【請求項３】
前記第１、第２のエッチングは、同じエッチング溶液を使用し連続して行われることを特徴とする請求項１記載の半導体ウエハの評価方法。
【請求項４】
前記エッチング溶液は、アンモニア水溶液（ＮＨ4ＯＨ）であることを特徴とする請求項３記載の半導体ウエハの評価方法。
【請求項５】
前記第１、第２のエッチングは、同じエッチング溶液を浸漬することを特徴とする請求項１記載の半導体ウエハの評価方法。
【請求項６】
前記第１、第２のエッチングは、同じエッチング溶液を霧状に噴霧することを特徴とする請求項１記載の半導体ウエハの評価方法。
【請求項７】
前記第１、第２の開孔部を計測し評価する工程は、パーティクル検査機により行うことを特徴とする請求項１記載の半導体ウエハの評価方法。
【請求項８】
前記パーティクル検査機によって前記第１、第２の開孔部の計数および座標情報の検出を行うことを特徴とする請求項７記載の半導体ウエハの評価方法。
【請求項９】
請求項１記載の半導体ウエハの評価方法は、さらに、
水銀プローブ法により、前記第１、第２の開孔部を含む領域の所定数の点における耐圧特性値を測定する工程と、
前記測定結果により、前記半導体ウエハにおける前記第１、第２の開孔部の密度を算出する工程を含むことを特徴とする半導体ウエハの評価方法。
【請求項１０】
請求項１記載の半導体ウエハの評価方法は、さらに、
水銀プローブ法により、前記第１、第２の開孔部を含む領域の所定数の点における耐圧特性値を測定する工程と、
前記測定結果により、前記酸化膜における耐圧Ａモード不良と耐圧Ｂモード不良を検出する工程を含むことを特徴とする半導体ウエハの評価方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハの評価方法に関し、特に、ＳＯＩ（Silicon on insulator）ウエハの埋め込み酸化膜中のピンホールを計測し評価する半導体ウエハの評価方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＳＯＩ構造を有する半導体ウエハ（以下、ＳＯＩウエハという）は、デバイスの高集積化、低消費電力化、高速化が期待できることから、非常に注目されている。代表的なＳＯＩウエハとしては、貼り合わせタイプとＳＩＭＯＸ（Separation by Implanted Oxygen）タイプがある。中でも、ＳＩＭＯＸタイプのＳＯＩウエハは、ウエハを製造する際の酸素イオン注入時に、ウエハ表面に付着したパーティクル等の影響により酸素がウエハ内へ注入されず、埋め込み酸化膜中にシリコンが部分的に残留してしまうことがある。このように、埋め込み酸化膜が形成されず、シリコンが残存した部分をピンホールという。ピンホールが存在すると、埋め込み酸化膜耐圧不良が起こることから、デバイスの歩留まり低下の直接の原因となっている。そこで、ピンホール欠陥の評価は、ＳＯＩウエハの品質管理項目のひとつとして、ＪＥＩＤＡ発行の仕様書（「ＳＯＩウエハ標準仕様」JEIDA-50-1997）に規定されている。
【０００３】
社団法人 日本電子工業振興協会（ＪＥＩＤＡ：Japan Electronic Industrial Development Association）では、ピンホール欠陥の評価方法として、Ｃｕ検出法（Ｃｕデコレーション法）とＭＯＳキャパシタ法を推奨している。Ｃｕ検出法は、ＣｕＳＯ4溶液を用いた電気分解により、絶縁性の弱いピンホール上部のＳＯＩ層にＣｕを析出させ、Ｃｕ析出物を顕微鏡等で計数することにより、埋め込み酸化膜のピンホール密度を求める方法である。ＭＯＳキャパシタ法は、ＳＯＩウエハ上にＭＯＳキャパシタを形成し、耐圧特性値の測定を行なうことにより、不良キャパシタ率を求める。続いて、ＭＯＳキャパシタの電極面積と不良キャパシタ率を用いて、埋め込み酸化膜のピンホール密度を算出する方法である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、Ｃｕ検出法は、Ｃｕの溶液等を取り扱う電気分解装置が必要であるが、デバイスに対するＣｕ汚染が懸念されるため、半導体製造工場や研究施設では導入が困難である。ＭＯＳキャパシター法は、評価方法としての精度は高いが、ウエハ上にデバイスを形成する必要がある。このように、何れの方法も、ウエハの評価を実施するまでの準備に多くの時間を必要とする。このため、ＳＩＭＯＸタイプのＳＯＩウエハにおける埋め込み酸化膜中のピンホールを容易に計測し評価することが可能な半導体ウエハの評価方法の実現が望まれている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体ウエハの評価方法は、シリコン基板に埋め込み酸化膜が形成された基板を準備する工程と、基板表面の酸化膜を除去し、シリコン層を露出させる工程と、シリコン層および埋め込み酸化膜中のシリコン部分をエッチング除去し、埋め込み酸化膜中に開孔部を形成する第１のエッチング工程と、開孔部下のシリコン基板をエッチング除去する第２のエッチング工程と、第１、第２のエッチングにより形成された拡大された開孔部を計測し評価する工程とを有することを特徴とするものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態
図１（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１の実施形態を示す説明図である。
【０００７】
（１）第１のステップ
ＳＩＭＯＸタイプのＳＯＩウエハを準備する。ＳＩＭＯＸタイプのＳＯＩウエハ１０は、シリコン基板１中に埋め込み酸化膜（ＢＯＸ酸化膜）２を形成することにより、ＳＯＩ層３／ＢＯＸ酸化膜２／シリコン基板１構造から構成される。ＢＯＸ酸化膜２中には、ピンホール４が存在している。ピンホール４は、シリコン基板１が酸化されずＢＯＸ酸化膜２中にシリコン（Ｓｉ）が残存している部分である。図１（ａ）。
【０００８】
（２）第２のステップ
ＳＯＩ層３をエッチングにより除去する。ここでは詳細な説明を省略するが、ＳＯＩ層３表面の図示されない酸化膜は、あらかじめ除去されている。このときのエッチング溶液としては、アルカリ性エッチング溶液、例えば、５〜３９％の濃度のアンモニア水（以下、ＮＨ4ＯＨ溶液）を用いる。具体的には、ＳＯＩウエハ１０をＮＨ4Ｏ溶液中に浸漬するか、あるいは、ＳＯＩウエハ１０に対して霧状のＮＨ4Ｏ溶液を噴霧することによってＳＯＩ層３を除去する。図１（ｂ）
（３）第３のステップ
第２のステップによりＳＯＩ層３を除去した後、さらに、ＮＨ4ＯＨ溶液によるエッチングを継続し、ＢＯＸ酸化膜２中のピンホール４内のシリコンを除去する。理解を容易にするために、ピンホール４内のシリコン除去後をピンホール５と呼ぶ。このとき、ＮＨ4ＯＨ溶液のエッチング比は、ＢＯＸ酸化膜２としてのシリコン酸化膜（ＳｉＯ2）に比べてシリコン（Ｓｉ）ほうが非常に大きいため、ＢＯＸ酸化膜２はエッチングされずピンホール５下のシリコン基板１がオーバーエッチングされる。ピンホール５は、オーバーエッチングされた部分６含んだ結果、拡大したことになる。オーバーエッチング量を増せば、当然、オーバーエッチングされた部分６は大きくなるが、ピンホール５の形状や大きさは不変である。図１（ｃ）
（４）第４のステップ
次に、パーティクル検査機よって、ピンホール５の計数および座標情報の検出を行なう。ピンホール５は、孔であるため、粒子や欠陥を検出するのと同様にパーティクル検査機にて検出することが可能である。また、ピンホール５は、オーバーエッチングにより拡大されているため座標情報の検出は非常に容易である。
【０００９】
（５）第５のステップ
最後に、第４のステップで得られた座標情報を用いて、ピンホール５の観察を行なう。ピンホール５の観察は、例えば、走査形電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning electron microscope）により行い、ピンホール５の形状やサイズ等を評価する。
【００１０】
本発明の第１の実施形態によれば、ピンホール内のシリコンを除去してピンホールを孔形状にし、さらに、ピンホール下のシリコン層をオーバーエッチングしたので、パーティクル検査機による計数および座標情報の検出が可能である。この結果、短時間で非常に効率の良い半導体ウエハの評価方法を実現することできる。
【００１１】
第２の実施形態
図２（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第２の実施形態を示す説明図である。第１の実施形態との違いは、第２のステップにある。本実施形態は、ＳＯＩ層３を化学的機械的研磨法（ＣＭＰ：Chemical-Mechanical Polishing）により除去することにある。第１の実施形態と同じ構成については、同一の符号を付けるとともに、詳細な説明を省略する。また、第３、第４のステップは、第１の実施形態と同一であるため、説明を省略する。
【００１２】
（１）第１のステップ
ＳＩＭＯＸタイプのＳＯＩウエハを準備する。ＳＩＭＯＸタイプのＳＯＩウエハ２０は、シリコン基板１中にＢＯＸ酸化膜２を形成することにより、ＳＯＩ層３／ＢＯＸ酸化膜２／シリコン基板１構造から構成される。ＢＯＸ酸化膜２中には、ピンホール４が存在している。ピンホール４は、シリコン基板１が酸化されずＢＯＸ酸化膜２中にシリコンが残存している部分である。また、ＳＯＩウエハ２０の表面には、パーティクル７が存在している。図２（ａ）。
【００１３】
（２）第２のステップ
ＳＯＩ層３をＣＭＰにより除去する。このとき、ＳＯＩ層３表面の図示されない酸化膜は、同時に除去される。エッチングよってＳＯＩ層３を除去すると、ＳＯＩウエハ２０表面のパーティクル７に起因するエッチング残さが生じてしまうことがある。これに対して、ＣＭＰ法を用いれば、ＳＯＩ層３と同時にＳＯＩウエハ２０表面のパーティクル７も除去することができるので、エッチング時にパーティクル７に起因するエッチング残さが生じない。言い換えれば、説明を省略する第３のステップ後のＢＯＸ酸化膜２には、ピンホール５以外の凹部や凸部は形成されない。図２（ｂ）、（ｃ）
したがって、ピンホール５の孔だけをパーティクル検査機によって計測することができるため、ＳＥＭ等による更なる観察ステップを必要としない。
【００１４】
本発明の第２の実施形態によれば、ＳＯＩ層の除去をＣＭＰ法によって行なうことにより、ＳＥＭ等による観察ステップ（第１の実施形態における第５のステップ）を省略した半導体ウエハの評価方法を提供することができる。
【００１５】
第３の実施形態
図３は、本発明の第３の実施形態を示す説明図である。図４は、本発明の第３の実施形態を示すフローチャートである。本実施形態は、パーティクル検査機やＳＥＭによる計測／評価後、さらに、水銀プローブ法によって耐圧特性値の測定を行ない、電気的にピンホール密度を求めるものである。
【００１６】
水銀プローブ方法について、簡単に説明する。水銀プローブ法は、水銀プローブ３４を電極として計測を行なう方法であり、先端に水銀３３が液状に実装された水銀プローブ３４を用いる。まず最初に、測定対象であるＢＯＸ酸化膜３２に水銀プローブ３４をあてがい、水銀プローブ３４の先端の水銀３３をＢＯＸ酸化膜３２にコンタクトさせる。すると、ＢＯＸ酸化膜３２のピンホール３５では、水銀３３がピンホール３５の孔内に侵入しシリコン基板１にコンタクトする。この結果、ピンホール３５においては導通してしまうため耐圧は得られず、一方、ＢＯＸ酸化膜３２は導通しないため耐圧が得られることになる。
【００１７】
第１の実施形態、もしくは、第２の実施形態と同様のステップを施したＳＯＩウエハ３０を準備する（ステップ１０１）。水銀プローブ法により、ＳＯＩウエハ３０上の数十〜数百点における耐圧特性値を測定する（ステップ１０２）。このとき、耐圧が得られなかった測定点（耐圧Ａモード不良）は、ピンホールであると考えられる。なぜなら、水銀３３がピンホール３５を介してシリコン基板３１と接触したため、耐圧が得られなかったと考えられるからである。
【００１８】
水銀プローブ法による測定した、総測定点数に対する耐圧Ａモード不良点数によって、耐圧不良率ｆを算出する（ステップ１０３）。そして、自然対数ｅ、耐圧不良率ｆ、水銀プローブ３４の断面積Ａを用い、ピンホール３５の密度Ｄを求める（ステップ１０４）。ピンホール３５の密度Ｄは、次の式であらわされる。
【００１９】
ｆ＝１−ｅ（−ＡＤ）
本発明の第３の実施形態によれば、従来のＭＯＳキャパシタ法による耐圧特性値の測定に比較し、ＭＯＳキャパシタを形成する際のプロセスの影響を伴うことなく、容易にピンホールを計測し評価することが可能となる。
【００２０】
第４の実施形態
図５は、本発明の第４の実施形態を示す説明図である。本実施形態は、ＳＯＩ層を除去したＳＯＩウエハ５０を準備し、水銀プローブ法による耐圧特性値の測定を行なうことを特徴とする。水銀プローブ法により、ＳＯＩウエハ３０上の数十〜数百点における耐圧特性値を測定する。このとき、水銀プローブ法により、耐圧が得られなかった測定点（耐圧Ａモード不良）がピンホールであることは先に説明した。数十〜数百の測定点のうち、耐圧Ａモード不良である測定点以外の測定点において、耐圧特性値の小さい点（耐圧Ｂモード不良）と真正破壊点（耐圧Ｃモード）を検出することができる。この検出結果を用いて、ＳＯＩウエハ５０上の耐圧特性分布を得ることができる。このとき、耐圧Ｂモード不良は、シリコン基板５１まで完全に貫通していないピンホール５６（シリコンアイランド５７を含む）として、また、耐圧Ｃモードは、ＢＯＸ酸化膜５２の耐圧特性値として検出できたことになる。
【００２１】
本発明の第４の実施形態では、耐圧Ａモード不良だけでなく、耐圧Ｂモード不良やＢＯＸ酸化膜の真正耐圧特性値をも計測し評価することが可能である。
【００２２】
【発明の効果】
第１の発明は、ピンホール内のシリコンを除去してピンホールを孔形状にし、さらに、ピンホール下のシリコン層をオーバーエッチングしたので、従来の各評価方法に比べて、半導体ウエハ、特に、ＳＩＭＯＸタイプの半導体ウエハにおける埋め込み酸化膜中のピンホールを短時間で非常に効率良くに容易に計測し評価することが可能である。
【００２３】
第２の発明は、第１の発明に水銀プローブ法を組み合わせることにより、半導体ウエハにおけるピンホール密度を求めることができる。さらに、ピンホールを示す耐圧Ａモード不良の検出、シリコン基板まで完全に貫通していないピンホールを示す耐圧Ｂモード不良の検出、ＢＯＸ酸化膜の真正耐圧特性値の計測が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す説明図である。
【図２】本発明の第２の実施形態を示す説明図である。
【図３】本発明の第３の実施形態を示す説明図である。
【図４】本発明の第３の実施形態を示すフローチャートである。
【図５】本発明の第４の実施形態を示す説明図である。
【符号の説明】
１、３１、５１                        シリコン基板
２、３２、５２                        ＢＯＸ酸化膜
３、３３                              ＳＯＩ層
４、５、３５、５５                    ピンホール
６                                    オーバーエッチング部分
１０、２０、３０、５０                ＳＯＩウエハ
３３、５３                            水銀
３４、５４                            水銀プローブ
【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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