(57)【要約】【課題】ＳＯＩウェーハにおけるＢＯＸ膜の欠陥の位置を特定することができる半導体ウェーハの評価方法を提供する。【解決手段】擬似ＭＯＳＦＥＴにより、シリコン基板３上に埋め込み絶縁膜（ＢＯＸ膜）２とＳＯＩ層１とが積層形成されたＳＯＩウェーハを評価する半導体ウェーハの評価方法であって、前記ＳＯＩ層１表面にドレイン側電極６を離間して包囲すると共に、断線した切欠部を有する線状のソース側電極５を配置し、前記ソース側電極５及び前記ドレイン側電極６に各々電流計７を接続し、前記シリコン基板３の裏面に接触しているゲート側電極４に電圧を印加することにより、前記電流計７で測定されるソース側電極５の電流値とドレイン側電極６の電流値とを比較して、ＢＯＸ膜２のリーク箇所を特定する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
擬似ＭＯＳＦＥＴにより、半導体基板上に埋め込み絶縁膜（ＢＯＸ膜）とＳＯＩ層とが積層形成されたＳＯＩウェーハを評価する半導体ウェーハの評価方法であって、
前記ＳＯＩ層表面にドレイン側電極を離間して包囲すると共に、断線した切欠部を有する線状のソース側電極を配置し、前記ソース側電極及び前記ドレイン側電極に各々電流計を接続し、前記半導体基板の裏面に接触しているゲート側電極に電圧を印加することにより、前記電流計で測定されるソース側電極の電流値とドレイン側電極の電流値とを比較して、ＢＯＸ膜のリーク箇所を特定することを特徴とする半導体ウェーハの評価方法。
【請求項２】
前記ＳＯＩウェーハは、ＳＯＩ層が部分的に除去されたＭＥＳＡ構造を有していることを特徴とする請求項１に記載の半導体ウェーハの評価方法。
【請求項３】
前記ソース側電極及びドレイン側電極は、水銀電極であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体ウェーハの評価方法。
【請求項４】
前記ドレイン側電極がドットを含む円形を有するＯ型の面形状を有し、前記ソース側電極が前記ドレイン側電極と同心かつ外輪状で断線した切欠部を有するＣ型の線形状を有していることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の半導体ウェーハの評価方法。
【請求項５】
前記ソース側電極であるＣ型電極の切欠部分を前記ドレイン側電極を包むように配置して、該ドレイン側電極を中心に回転させながら、前記ソース側電極の電流値とドレイン側電極の電流値とを比較することを特徴とする請求項４に記載の半導体ウェーハの評価方法。
【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ＳＯＩ構造をもつ半導体基板の活性層（ＳＯＩ層）および埋め込み絶縁膜（ＢＯＸ膜）の評価を行う際に適用される技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体ウェーハとして、例えばシリコンウェーハ、エピタキシャル（ＥＰ）ウェーハ、Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ（ＳＯＩ）ウェーハ等があげられ、これらのウェーハ上には半導体デバイスが形成される。中でも、低消費電力で高速処理性能に優れるＳＯＩ構造をもつ半導体シリコンウェーハ（ＳＯＩウェーハ）を用いた様々なデバイスが実用化されるに至り、ＳＯＩウェーハの品質評価が重要視されている。
【０００３】
ＳＯＩウェーハの評価法として、例えば擬似ＭＯＳＦＥＴ（Pseudo-MOSFET）評価法が報告されている（例えば、非特許文献１参照。）。この評価法は図１に示すように、シリコン基板３上に埋め込み絶縁膜（ＢＯＸ膜）２と活性層（ＳＯＩ層）１とが積層形成されたＳＯＩウェーハにおいて、ＦＥＴとして評価するための電極として、ＢＯＸ膜をゲート絶縁膜と見なしてシリコン基板３裏面にアルミ等の金属を蒸着等で被覆してゲート電極とし、活性層１側に直接ニードルを接触させるか、または、水銀電極を接触させ、これらをソース（Source）およびドレイン（Drain）とする。
【０００４】
ついで、ＳＯＩウェーハのＳＯＩ層１表面にソース及びドレインとして水銀電極を接触させ、一定のドレイン電圧を印加した状態でゲート電圧を掃引してドレイン電流をモニタし、電子移動度および界面準位密度を求める。この電子移動度および界面準位密度はゲート電圧を正側に印加して求める。このときの電流パスは、ゲート電圧を正側に印加したことで生じるＳＯＩ層１／ＢＯＸ膜２界面の反転層であり、ソースからドレイン側へと電流が流れる。
【０００５】
また、ウェーハ裏面に真空吸着ないし、ニードルを接触させてゲート電極とするものである。この中でも図２に示すように、水銀電極を用いたリング電極９５、ドット電極９６をそれぞれソース電極、ドレイン電極とする擬似ＭＯＳＦＥＴ評価法がより詳細に報告されている（例えば、非特許文献２参照。）。
【０００６】
また、擬似ＭＯＳＦＥＴ評価法について種々の改善が提案されている（例えば、特許文献１，２参照。）。
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−  ６０６７６号公報
【特許文献２】特開２００１−２６７３８４号公報
【特許文献３】特開平６−１４０４７８号公報
【非特許文献１】S. Cristoloveanu et al., " A Review of the Pseudo-MOS Transistor in SOI Wafers:Operation, Parameter Extraction, and Applications" IEEE Trans. Electron Dev, 47, 1018 (2000).
【非特許文献２】H. J. Hovel, "Si film electrical characterization in SOI substrates by HgFET technique",Solid-State Electronics, 47, 1311 (2003).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
このように、複雑な前工程を経ることなく、ＳＯＩウェーハの活性層（ＳＯＩ層）／ＢＯＸ膜界面評価を行うことが可能であるが、ＳＯＩウェーハのＢＯＸ膜をＭＯＳＦＥＴのゲート絶縁膜として用いて評価を行うために、ＢＯＸ膜にはピンホールなどの欠陥がないことはもとより、測定中のゲート電圧印加により絶縁破壊を起こさないことが必要である。
【０００９】
しかしながら、ＳＩＭＯＸ（Separation by Implanted Oxygen）のように酸素イオンをイオン注入してＢＯＸ膜を形成するような場合は、イオン注入中のパーティクルの影響などにより、このＢＯＸ膜が熱酸化膜と比較してピンホールを始めとし、欠陥が多く、本方法による評価に支障がある。
従来は真の特性を得るために、サンプルサイズを小さくし、ピンホールなどの欠陥にあたる確率を出来るだけ小さくするしか方法がなかった。また、ＢＯＸ膜が不完全でＢＯＸ膜を通じてゲート電極側へのリークが大きい場合はサンプルを再作製するしかなく、これ以上得られる情報がなかった。
【００１０】
本発明は、以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであり、ＳＯＩウェーハにおけるＢＯＸ膜の欠陥の位置を特定することができる半導体ウェーハの評価方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記課題を解決するために提供する本発明の半導体ウェーハの評価方法は、擬似ＭＯＳＦＥＴにより、半導体基板上に埋め込み絶縁膜（ＢＯＸ膜）とＳＯＩ層とが積層形成されたＳＯＩウェーハを評価する半導体ウェーハの評価方法であって、
前記ＳＯＩ層表面にドレイン側電極を離間して包囲すると共に、断線した切欠部を有する線状のソース側電極を配置し、前記ソース側電極及び前記ドレイン側電極に各々電流計を接続し、前記半導体基板の裏面に接触しているゲート側電極に電圧を印加することにより、前記電流計で測定されるソース側電極の電流値とドレイン側電極の電流値とを比較して、ＢＯＸ膜のリーク箇所を特定することを特徴とする（請求項１）。
このように、ＳＯＩウェーハの裏面側に接触しているゲート側に電圧を印加し、ＳＯＩウェーハ表面側にドレイン側電極を離間して包むように切欠部を有する線状のソース側電極を配置し、ソース側電極及びドレイン側電極に各々電流計を接続して、各々の電流値を比較することにより、ＢＯＸ膜のリーク箇所と切欠部との位置関係に応じたソース側に流れる電流の増減を検出できるようになり、ＢＯＸ膜のリーク箇所がソース側電極の切欠部に近いか遠いかを明らかにできる。前記線状のソース電極の形状としては特に限定されず、リング状、多角形状、矩形状のものが含まれるが、特にリング状であるものが半導体ウェーハの評価方法の操作性および正確性の点から好ましい。また、切欠部の断線の程度については、ソース電極の全周の５〜２５％程度が好ましい。この範囲より小さくても大きくてもＢＯＸ膜のリーク箇所を特定するのが難しくなる。
【００１２】
この場合、前記ＳＯＩウェーハは、ＳＯＩ層が部分的に除去されたＭＥＳＡ構造を有していることが好ましい（請求項２）。
このように、ＳＯＩウェーハのＳＯＩ層が部分的に除去されたＭＥＳＡ構造のシリコン島を有していることで、ウェーハ側面を通ってリークする電流を抑制することができるので、精度よくＢＯＸ膜のリーク箇所を特定することが可能となる。
【００１３】
また、前記ソース側電極及びドレイン側電極は、水銀電極であることが好ましい（請求項３）。
このように、ソース側電極及びドレイン側電極を水銀電極とすることで、簡単に効率良く測定を行なうことができる。
【００１４】
さらに、前記ドレイン側電極がドットを含む円形を有するＯ型の面形状を有し、前記ソース側電極が前記ドレイン側電極と同心かつ外輪状で断線した切欠部を有するＣ型の線形状を有していることが好ましい（請求項４）。
このように、ソース側電極がリング状の切欠部を有するＣ型の形状を有し、ドレイン側電極がドットを含む円形を有するＯ型の形状を有していることで、よりＢＯＸ膜のリーク箇所を特定するのに好適な構成となる。ドレイン側電極がドットを含む円形を有するＯ型の面形状を有するとは、ドレイン側電極が針のようにほとんど面積を問題としない程度に形成されているものでも、あるいは円形の面で形成されているものでも良いことを示す。また、切欠部の断線の程度についてはリング全周の５〜２５％程度が好ましい。この範囲より小さくても大きくてもＢＯＸ膜のリーク箇所を特定するのが難しくなる。
【００１５】
またこの場合、前記ソース側電極であるＣ型電極の切欠部分を前記ドレイン側電極を包むように配置して、該ドレイン側電極を中心に回転させながら、前記ソース側電極の電流値とドレイン側電極の電流値とを比較することが好ましい（請求項５）。
このように、Ｃ型の形状を有するソース側電極を、そのＣ型電極の切欠部分を回転させながらソース側電極の電流値とドレイン側電極の電流値とを比較することで、ＢＯＸ膜のリーク箇所と切欠部分との位置関係に応じたソース側に流れる電流の増減を検出でき、より確実に精度よくＢＯＸ膜のリーク箇所を特定できる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のうち、請求項１の発明によれば、ソース側電極／ドレイン側電極間のどの位置でＢＯＸ膜を通じたゲート側電極へのリークが発生しているか、すなわちBOX膜の不完全さを評価できるようになる。従来の擬似ＭＯＳＦＥＴ評価法ではゲートリークが大きく測定不能との結果しか得られなかったが、これによりＢＯＸ膜品質までも併せて評価が可能になる。
請求項２の発明によれば、ウェーハ側面を通ってリークする電流を抑制することができるので、精度よくＢＯＸ膜のリーク箇所を特定することが可能となる。
請求項３の発明によれば、ソース側電極／ドレイン側電極間の電流比に基づくＢＯＸ膜評価を、水銀電極を用いた擬似ＭＯＳＦＥＴ評価法に取り入れることが可能となる。
請求項４，５の発明によれば、切欠部を有するリング形状（Ｃ型形状）の電極とドットを含む円形状（Ｏ型形状）の電極の組合せでより好適な構成となり、ＢＯＸ膜欠陥位置を特定することができる。
以上のように、本発明によれば、擬似ＭＯＳＦＥＴ評価において、ＢＯＸ膜のリーク位置の特定が可能になる。また、ＢＯＸ膜ピンホールなど、欠陥位置決定が行えることから、これに引き続きＳＥＭなどによる評価により欠陥の詳細を明らかにすることが可能になり、ＳＯＩウェーハの品質改善に有効な手法となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に、本発明に係る半導体ウェーハの評価方法について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。
図３は、本発明に係る半導体ウェーハの評価方法を実施する上での接続状態を示す概略図である。
図３に示すように、シリコン基板３上にシリコン酸化膜である埋め込み絶縁膜（ＢＯＸ膜）２と単結晶シリコン膜からなるＳＯＩ層１とが積層形成されたＳＯＩウェーハにおいて、ＳＯＩ層１表面にソース側電極５及びその内側の位置にドレイン側電極６が接触されており、さらにソース側電極５及びドレイン側電極６各々に電流計７が接続されている。また、ＳＯＩウェーハの裏面側にはゲート側電極４が形成されている。
【００１８】
ここで、ＳＯＩ層１は、部分的にエッチング除去されたＭＥＳＡ構造のシリコン島であることが好ましい。これにより、ウェーハ側面を通ってリークする電流を抑制することができる。
【００１９】
また、ソース側電極５、ドレイン側電極６は、水銀電極であることが好ましく、例えば、コンタクトステージに形成した所定形状の溝に液体水銀を充填したものを電極とすればよい。評価の際には、コンタクトステージを評価対象のＳＯＩウェーハに接近させることにより前記溝に充填された水銀電極のみをＳＯＩ層１に接触させて電気的な接触を得る。
【００２０】
また、図４に示すようにソース側電極５を切欠部を有するリング形状（Ｃ型形状）とし、ドレイン側電極６をドットを含む円形状（Ｏ型形状）として、ソース側電極５のＣ型の中心にドレイン側電極６を配置するとよい。
【００２１】
ゲート側電極４は、例えば真空蒸着法により形成される金薄膜でよい。
【００２２】
本発明の半導体ウェーハの評価方法はつぎの手順で行う。
（Ｓ１）ＳＯＩウェーハについてＨＦ処理を行い、表面の自然酸化膜を除去する。
（Ｓ２）図１に示すように、ＳＯＩウェーハのＳＯＩ層１表面にソース及びドレインとして水銀電極を接触させ、一定のドレイン電圧を印加した状態でゲート電圧を掃引してドレイン電流をモニタし、ゲート側でモニタしている電流値と比較する。このとき、ゲート側電流値に対して、ドレイン電流値が小さい場合、ＢＯＸ膜２にピンホールなどの欠陥が存在しソース／ドレイン間以外に、ソース／ゲート間の電流パスが生じている。そのため、以下のステップに進み、ＳＯＩ層１のリーク箇所を特定する。
【００２３】
（Ｓ３）図３に示すように、ＳＯＩウェーハのＳＯＩ層１表面にソース側電極５及びドレイン側電極６として電極を接触させ、さらにソース側電極５、ドレイン側電極６それぞれに電流計７を接続する。
（Ｓ４）ゲート電圧をステップＳ１と同様に印加して、ソース側電極５の電流値ＩＳ、ドレイン側電極６の電流値ＩＤを測定する。
（Ｓ５）これらの電流値の比（電流比）は、ソース側電極５からＢＯＸ膜２の欠陥ｄまでの距離ＬＳｄとドレイン側電極６からＢＯＸ膜２の欠陥ｄまでの距離ＬＤｄとの比に反比例する。よって、つぎの式（１）から電流測定時のソース側電極５、ドレイン側電極６のＳＯＩウェーハ上の位置に基づいて、ＢＯＸ膜２中の欠陥ｄの位置を特定すればよい。
ＩＳ：ＩＤ  ＝  ＬＤｄ：ＬＳｄ    ・・・  （１）
【００２４】
なお、ソース側電極５、ドレイン側電極６を水銀電極とする場合、図２に示すようなリング形状とドット形状との組み合わせの通常の電極とするとＢＯＸ膜２中の欠陥ｄの位置を特定することは困難である。本発明では、図４に示すようにソース側電極５をＣ型形状とし、ドレイン側電極６をＯ型形状とすることにより、つぎの手順で欠陥ｄの位置の特定が可能である。ただし、ソース側電極５とドレイン側電極６との間にＢＯＸ膜２中の欠陥ｄがあるという前提である。
【００２５】
（Ｓ６）ソース側電極５、ドレイン側電極６の配置について、ステップＳ３の状態からソース側電極５であるＣ型電極の切欠部分をドレイン側電極６を中心に所定角度回転させ、ＳＯＩ層１表面に接触させる。
（Ｓ７）ゲート電圧をステップＳ１と同様に印加して、ソース側電極５の電流値ＩＳ、ドレイン側電極６の電流値ＩＤを測定する。
（Ｓ８）ステップＳ６〜Ｓ７を数回繰り返す。繰り返し回数は、ソース側電極５であるＣ型電極の切欠部分がドレイン側電極６を中心に最低一周する回数がよい。例えば、１回の回転角度が４５°の場合、繰り返し回数は４回以上である。
【００２６】
以上の測定の中で、ソース側電極５の電流値ＩＳとドレイン側電極６の電流値ＩＤとの電流比が大きく変化したときのドレイン側電極６とＣ型電極の切欠部分との間にＢＯＸ膜２の欠陥ｄが存在する。ついで、上記（１）式に基づいてその間の位置の特定が可能である。また、本発明は円周上をいくつかに分割してそれぞれの方向に前記Ｃ型電極の切欠部を配置しながら電流値を測定することから、電流分割法と称する。
【００２７】
なお、ソース側電極５であるＣ型電極の切欠部分を、ドレイン側電極６を中心に回転させながら、一定のゲート電圧を印加してソース側電極５の電流値ＩＳとドレイン側電極６の電流値ＩＤとをモニタして、両者の電流値の変化からＢＯＸ膜２の欠陥位置を特定してもよい。
【実施例】
【００２８】
以下に、本発明の実施例を詳細に説明する。
直径２００ｍｍ、ボロンをドープした伝導型がＰ型で、結晶方位が（１００）のシリコンＳＯＩウェーハを試料として用いた。なお、ＳＯＩ層（活性層）１／ＢＯＸ膜２それぞれの厚さは、１００／１４５ｎｍ程度のものである。このＳＯＩウェーハサンプルを用いて以下の手順で評価した。
【００２９】
（Ｓ１１）１％ＨＦにて１分間処理後、純水にてリンスを行い、その後乾燥空気にて水分を除去した。
（Ｓ１２）図３に示すように、ＳＯＩウェーハのＳＯＩ層１表面にソース及びドレインとして水銀電極を接触させ、一定のドレイン電圧を印加した状態でゲート電圧を掃引してドレイン電流をモニタし、電子移動度および界面準位密度を求めた。このとき、ＢＯＸ膜リークが観察され、ゲート側でモニタしている電流値に対して、ドレイン側で得られる電流値が小さくなり、ソース側へのリークが発生していることが確認された（図５）。
【００３０】
（Ｓ１３）ＳＯＩウェーハのＳＯＩ層１表面にソース側電極５及びドレイン側電極６として図４に示す電極を接触させ、さらに図３に示す構成でソース側電極５、ドレイン側電極６それぞれに電流計７を接続した。ここで、ドレイン側電極６は直径０．５ｍｍとし、ソース側電極５の線幅は１．７５ｍｍ、ソース側電極５の内周とドレイン側電極６外周との間の距離は０．５ｍｍとした。
（Ｓ１４）ゲート電圧をステップＳ１２と同様に印加して、ソース側電極５の電流値ＩＳ、ドレイン側電極６の電流値ＩＤを測定する。
（Ｓ１５）これらの電流値の比（電流比）からＢＯＸ膜２中の欠陥ｄの位置を推定する。
【００３１】
（Ｓ１６）ソース側電極５、ドレイン側電極６の配置について、ステップＳ１３の状態からソース側電極５であるＣ型電極の切欠部分をドレイン側電極６を中心に４５°回転させ、ＳＯＩ層１表面に接触させた。
（Ｓ１７）ゲート電圧をステップＳ１２と同様に印加して、ソース側電極５の電流値ＩＳ、ドレイン側電極６の電流値ＩＤを測定した。
（Ｓ１８）ステップＳ１６〜Ｓ１７を３回繰り返し、計４回の測定を行った。
【００３２】
以上の測定の結果、図６のようにソース側電極５であるＣ型電極の切欠部分と欠陥ｄの位置がもっとも遠い配置の状態では、ソース側電極５・ドレイン側電極６それぞれでモニタされる電流値はほぼ等しかった。これにより、ＢＯＸ膜２のリーク個所はソース側電極５／ドレイン側電極６間のほぼ中央部の同心円上に存在することがわかった。しかしこれだけでは同心円上の位置まで特定できない。
【００３３】
ついで、図７のようにソース側電極５であるＣ型電極の切欠部分と欠陥ｄの位置がもっとも近い配置になったとき、ソース側電極５の電流値に対して、ドレイン側電極６の電流値が大きくなった。これにより、この配置時のドレイン側電極６とＣ型電極の切欠部分との間にＢＯＸ膜２の欠陥ｄが存在することが分かり、図６の結果と合わせてＢＯＸ膜リーク個所が特定できた。
【００３４】
尚、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は単なる例示であり、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思想に包含される。
例えば、本発明の実施例の説明で、リング状の切欠部を有するＣ型のソース側電極、ドットを含む円形を有するＯ型のドレイン側電極の例を示したが、電極形状はリングや円にこだわらず、三角四角等の多角形状、矩形状のものでも有効であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】擬似ＭＯＳＦＥＴ評価サンプルの断面図である。
【図２】従来の擬似ＭＯＳＦＥＴ評価法に適用する水銀電極の形状を示す図である。
【図３】本発明に係る半導体ウェーハの評価方法を実施する上での接続状態を示す概略図である。
【図４】本発明で適用する水銀電極の形状を示す図である。
【図５】ゲート側へのリーク電流が観察される（ＢＯＸ膜欠陥有り）のＩｄ−Ｖｇカーブである。
【図６】実施例におけるＣ型電極の非切欠部側に欠陥がある場合の電流分割法概略図である。
【図７】実施例におけるＣ型電極の切欠部側に欠陥がある場合の電流分割法概略図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  ＳＯＩ層（活性層）
２  ＢＯＸ膜（埋め込み絶縁膜）
３  シリコン基板
４  ゲート側電極
５  ソース側電極
６  ドレイン側電極
７  電流計
９５  リング電極
９６  ドット電極
ｄ  欠陥
【図１】
2006093597.tif 000003
【図２】
2006093597.tif 000004
【図３】
2006093597.tif 000005
【図４】
2006093597.tif 000006
【図５】
2006093597.tif 000007
【図６】
2006093597.tif 000008
【図７】
2006093597.tif 000009