(57)【要約】【課題】  シリコンウェーハまたはエピタキシャルウェーハの金属汚染を、高感度に評価する可能なウェーハの金属汚染評価方法を提供する。【解決手段】  ゲート酸化膜の厚さを１０ｎｍ以下とし、その後、非酸素系ガス雰囲気でエピタキシャルウェーハを１０００℃以上の温度で熱処理する。これにより、ゲート酸化膜中の汚染金属が化学反応を起こし、ゲート酸化膜が変質することで、ゲート酸化膜の絶縁性が部分的に劣化する。その後、公知の酸化膜耐圧評価法でゲート酸化膜の耐圧を測定し、エピタキシャル層の金属汚染を評価する。その結果、エピタキシャル層の金属汚染を、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕの何れの汚染金属に対しても高感度に評価することができる。【選択図】図１
2005086106.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンウェーハのデバイス形成面、シリコンのエピタキシャル層が成長されたエピタキシャルウェーハのデバイス形成面、または、ＳＯＩウェーハのデバイス形成面に、厚さが１０ｎｍ以下のゲート酸化膜を形成するゲート酸化膜形成工程と、
該ゲート酸化膜の形成後、酸素ガスを除く雰囲気ガス中で、前記シリコンウェーハ、エピタキシャルウェーハ、または、ＳＯＩウェーハを１０００℃以上で熱処理することにより、汚染金属を含んだゲート酸化膜を変質させるアニール工程と、
該アニール工程後、前記ゲート酸化膜の表面に電極を形成する電極形成工程と、
該電極とシリコンウェーハ、エピタキシャルウェーハ、または、ＳＯＩウェーハとの間に印加する電圧または電流を連続的に変化させ、前記ゲート酸化膜が絶縁破壊する値を測定することで、前記シリコンウェーハ、エピタキシャルウェーハ、または、ＳＯＩウェーハの表面及び表面近傍の金属汚染を評価する評価工程とを備えたウェーハの金属汚染評価方法。
【請求項２】
前記ゲート酸化膜の厚さは３〜１０ｎｍである請求項１に記載のウェーハの金属汚染評価方法。
【請求項３】
前記雰囲気ガスは不活性ガスである請求項１または請求項２に記載のウェーハの金属汚染評価方法。
【請求項４】
前記熱処理の温度は１０００〜１２００℃である請求項１〜請求項３のうち、何れか１項に記載のウェーハの金属汚染評価方法。
【請求項５】
前記熱処理の時間は３０〜１２０分である請求項１〜請求項４のうち、何れか１項に記載のウェーハの金属汚染評価方法。
【請求項６】
前記電極の形成方法が、マスクスパッタ法である請求項１〜請求項５のうち、何れか１項に記載のウェーハの金属汚染評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はウェーハの金属汚染評価方法、詳しくは酸化膜耐圧評価法を用いたウェーハの金属汚染評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ウェーハ製造工程およびデバイス工程では、シリコンウェーハに対する金属不純物の汚染度合いが重要視される。特に、デバイス特性を劣化させる代表的な汚染金属として、Ｆｅ、ＮｉおよびＣｕが挙げられる。
シリコンウェーハの品質を評価する方法の一種として、特許文献１に記載された酸化膜耐圧評価（ＧＯＩ；Ｇａｔｅ  Ｏｘｉｄｅ  Ｉｎｔｅｇｒｉｔｙ）法が知られている。酸化膜耐圧評価法によれば、シリコンウェーハのＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥、金属汚染などに対して評価が可能である。そのため、シリコンウェーハの品質評価法として汎用されている。ＧＯＩによるシリコンウェーハの金属汚染の評価（以下、ＧＯＩ評価）時には、予めシリコンウェーハの表面にゲート酸化膜と電極とを順次形成し、ＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｉｌｉｃｏｎ）キャパシタを作製する。ＧＯＩ評価時には、電極とシリコンウェーハとの間に印加される電圧または電流を連続的に変化させ、ゲート酸化膜が絶縁破壊される値を測定する。この測定値から、シリコンウェーハの金属汚染を評価する。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−１５８２６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ＧＯＩ評価は、シリサイドを形成しやすいＮｉなどの金属汚染に対しては、検出可能な最低汚染量が２×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２と高感度であるが、シリサイドを形成しにくいＦｅなどの金属に対しては感度が低い。特にマスクスパッタ法によるメタル電極を用いた場合、１×１０１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ２と感度が低い。そのため、従来法によるシリコンウェーハの金属汚染の評価は低感度であった。
【０００５】
そこで、発明者は、鋭意研究の結果、ゲート酸化膜を厚さ１０ｎｍ以下で形成した後、非酸素系ガス（Ｎ２ガスなど）の雰囲気で、シリコンウェーハに１０００℃以上の熱処理を施せば、熱処理時、ゲート酸化膜中の汚染金属が化学反応を起こし、ゲート酸化膜が変質することにより、ゲート酸化膜の絶縁性が低下して高感度にウェーハの金属汚染を評価できることを見出し、また、ゲート酸化膜の厚みが薄い方が、ゲート酸化膜中の体積密度が高いため、より高感度にウェーハの金属汚染を評価できることを見出し、この発明を完成させた。
【０００６】
この発明は、シリコンウェーハ、エピタキシャルウェーハ、または、ＳＯＩウェーハの金属汚染のうち、従来低感度であった金属汚染に対して、高感度に評価することができるウェーハの金属汚染評価方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の発明は、シリコンウェーハのデバイス形成面、シリコンのエピタキシャル層が成長されたエピタキシャルウェーハのデバイス形成面、または、ＳＯＩウェーハのデバイス形成面に、厚さが１０ｎｍ以下のゲート酸化膜を形成するゲート酸化膜形成工程と、該ゲート酸化膜の形成後、酸素ガスを除く雰囲気ガス中で、前記シリコンウェーハ、エピタキシャルウェーハ、または、ＳＯＩウェーハを１０００℃以上で熱処理することにより、汚染金属を含んだゲート酸化膜を変質させるアニール工程と、該アニール工程後、前記ゲート酸化膜の表面に電極を形成する電極形成工程と、該電極とシリコンウェーハ、エピタキシャルウェーハ、または、ＳＯＩウェーハとの間に印加する電圧または電流を連続的に変化させ、前記ゲート酸化膜が絶縁破壊する値を測定することで、前記シリコンウェーハ、エピタキシャルウェーハ、または、ＳＯＩウェーハの表面及び表面近傍の金属汚染を評価する評価工程とを備えたウェーハの金属汚染評価方法である。
【０００８】
請求項１に記載の発明によれば、ゲート酸化膜の厚さを１０ｎｍ以下とし、その後、酸素ガスを除く雰囲気ガス中で、シリコンウェーハ、エピタキシャルウェーハ、または、ＳＯＩウェーハを１０００℃以上の温度で熱処理する。これにより、ゲート酸化膜中の汚染金属を含むゲート酸化膜が変質し、ゲート酸化膜の絶縁性が部分的に劣化する。その後、公知の酸化膜耐圧評価法に則ってゲート酸化膜の耐圧を測定することで、シリコンウェーハ、エピタキシャルウェーハ、または、ＳＯＩウェーハの金属汚染を評価する。その結果、シリコンウェーハ、エピタキシャルウェーハ、または、ＳＯＩウェーハの金属汚染を高感度に評価することができる。
【０００９】
シリコンウェーハとしては、単結晶のシリコンウェーハ、エピタキシャルシリコンウェーハでもよい。また、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）構造のウェーハでもよい。
ここでいうエピタキシャルウェーハとは、半導体ウェーハの鏡面研磨面にシリコンがエピタキシャル成長されたウェーハである。半導体ウェーハとしては、ゲルマニウムウェーハ、ＳｉＣウェーハなどを採用することができる。
エピタキシャル成長方法としては、まず半導体ウェーハをエピタキシャル成長炉に挿入し、１０００℃以上の高温下で、例えばＳｉＨ４、ＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＨＣｌ３、ＳｉＣｌ４などの原料ガスと、例えば水素ガス、窒素ガスなどのキャリアガスとを炉内に供給する。こうして、半導体ウェーハの鏡面研磨面に、所定厚さのエピタキシャル層を成長させる。
ＭＯＳキャパシタが作製されるのは、例えば、鏡面研磨されたデバイス形成面である。
ゲート酸化膜の厚さが１０ｎｍを超えると、ゲート酸化膜に取り込まれた汚染金属の体積密度が小さくなるため、感度が悪くなる。
酸素ガスを除く雰囲気ガスとしては、例えば不活性ガスを採用することができる。
【００１０】
アニール工程でのシリコンウェーハ、エピタキシャルウェーハ、または、ＳＯＩウェーハの加熱温度は、１０００℃以上であれば限定されない。
１０ｎｍ以下のゲート酸化膜を形成する方法としては、ウエット酸化法またはドライ酸化法を採用することができる。
【００１１】
電極の素材としては、例えばＡｌ、ＡｌＳｉ、ＡｌＳｉＣｕ、Ｗ、Ｔｉ、Ｈｇ、Doped-Poly-Siなどを採用することができる。
電極の形成方法としては、例えばマスクスパッタ法を採用することができる。
マスクスパッタ法とは、真空中に放電用ガスを導入して電極間に電圧を印加するとグロー放電が発生し、プラズマ中の正のイオンが陰極上のターゲットの表面に衝突してターゲット原子を弾き出す。このスパッタ現象を利用し、マスクに形成されたパターン孔を通してゲート酸化膜上に薄膜（電極）を形成する方法である。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、前記ゲート酸化膜の厚さは３〜１０ｎｍである請求項１に記載のウェーハの金属汚染評価方法である。
ゲート酸化膜の厚さが３ｎｍ未満ではトンネル電流が流れ出す。また、１０ｎｍを超えてゲート酸化膜の厚みが厚くなると、ゲート酸化膜に取り込まれた汚染金属の体積密度が小さくなるため、感度が悪くなる。ゲート酸化膜の好ましい厚さは５〜１０ｎｍである。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、前記雰囲気ガスは不活性ガスである請求項１または請求項２に記載のウェーハの金属汚染評価方法である。
不活性ガスとしては、Ｎ２ガス、Ｈｅガス、Ｎｅガス、あるいはＡｒガスなどが挙げられる。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、前記熱処理の温度は１０００〜１２００℃である請求項１〜請求項３のうち、何れか１項に記載のウェーハの金属汚染評価方法である。
熱処理温度が１０００℃未満では化学反応が起きにくく、ゲート酸化膜が変質しにくい。また、１２００℃を超えると炉内で新たな金属汚染が発生する可能性が高まる。好ましい熱処理温度は１０００〜１１００℃である。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、前記熱処理の時間は３０〜１２０分である請求項１〜請求項４のうち、何れか１項に記載のウェーハの金属汚染評価方法である。
熱処理時間が３０分未満では化学反応が起きにくく、ゲート酸化膜も変質しにくい。また、１２０分を超えると炉内で新たな金属汚染が発生する可能性が高くなる。好ましい熱処理時間は３０〜６０分である。
【００１６】
請求項６に記載の発明は、前記電極の形成方法が、マスクスパッタ法である請求項１〜請求項５のうち、何れか１項に記載のウェーハの金属汚染評価方法である。
【発明の効果】
【００１７】
この発明によれば、ゲート酸化膜の厚さを１０ｎｍ以下とし、酸素を含まない雰囲気ガス中で、シリコンウェーハを１０００℃以上で熱処理するので、金属汚染を含むゲート酸化膜が化学反応を起こし、シリケイトのようなものにゲート酸化膜が変質することにより、ゲート酸化膜の絶縁性が部分的に劣化し、シリコンウェーハ、エピタキシャルウェーハ、または、ＳＯＩウェーハ表面及び表面近傍の金属汚染を、高感度に評価することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、この発明の実施例を参照して説明する。
【実施例１】
【００１９】
図１に示すように、この実施例によれば、まず汚染評価のためのエピタキシャルウェーハを作製する。Ｇｒｏｗ−ｉｎ欠陥などの要因を無くすため、エピタキシャルウェーハを用いた。具体的には、ＣＺ法により引き上げられた単結晶シリコンインゴットに、ブロック切断、スライス、面取り、ラッピング、鏡面研磨などを施し、シリコンウェーハを多数枚作製する。各シリコンウェーハは、厚さ７２５μｍ、直径２００ｍｍで、表面がそれぞれ鏡面仕上げされている。
【００２０】
次に、鏡面研磨面を上向きにし、各シリコンウェーハをエピタキシャル装置のエピタキシャル成長炉内のサセプタに順次搭載する。そして、各ウェーハの鏡面研磨面に、シリコンからなるエピタキシャル層をそれぞれ成長させる。これにより、各鏡面研磨面に厚さ２〜４μｍのエピタキシャル層が成長された多数枚のエピタキシャルウェーハが作製される。各エピタキシャルウェーハは、方位（１００）、ｐ／ｐ−、基板比抵抗：１０〜２０ｍΩｃｍである。
【００２１】
その後、各エピタキシャルウェーハに対して、順次、ＳＣ−１洗浄およびＳＣ−２洗浄を行う。これにより、各エピタキシャルウェーハのエピタキシャル層の表面の清浄度が均一化する。次に、各エピタキシャルウェーハのエピタキシャル層の表面全域に、スピンコート法によりＦｅ、Ｎｉ、Ｃｕの何れかを故意に汚染する。
次いで、各汚染金属を含むウェーハ群中から、１枚ずつエピタキシャルウェーハを抜き出し、ＴＸＲＦ（全反射蛍光Ｘ線）により、それぞれの金属の汚染量を測定しておく。これは、ウェーハ表面全域に均一に汚染ができているか、または後述するＧＯＩ評価を利用した金属汚染の評価の信頼性を確認するためである。
【００２２】
続いて、Ｎｉ汚染のエピタキシャルウェーハと、Ｃｕ汚染のエピタキシャルウェーハとに対して、９００℃、Ｎ２ガス１００％の雰囲気で、Ｄｒｉｖｅ−ｉｎ（熱拡散）処理する。これにより、ＮｉまたはＣｕが、対応するエピタキシャル層中に均一に拡散される。熱処理は１時間である。Ｆｅに対しては、エピタキシャル層中に拡散するよりも、Ｄｒｉｖｅ−ｉｎ処理時に形成される酸化膜に拡散する割合が大きいため、Ｄｒｉｖｅ−ｉｎ処理を省いた。Ｄｒｉｖｅ−ｉｎ処理時に発生した酸化膜は、この処理後、１％のフッ酸洗浄により除去する。こうして、エピタキシャル層がＦｅ、Ｎｉ、Ｃｕの何れかによって所定の量だけ汚染されたエピタキシャルウェーハが作製される。
【００２３】
次に、エピタキシャルウェーハのデバイス形成面に、ゲート酸化膜を形成する酸化膜形成工程を説明する。各エピタキシャルウェーハをドライ酸化し、エピタキシャル層の表面に対して、汚染金属の種類毎に膜厚９ｎｍ、１１ｎｍのゲート酸化膜をそれぞれ形成する。具体的なドライ酸化としては、各エピタキシャルウェーハをドライ酸化装置の炉内に挿入し、Ｎ２ガスとＯ２ガスの比が１０：１となる雰囲気中で、ゲート酸化膜の膜厚が９ｎｍの場合には９５０℃、５０分の熱処理、また膜厚１１ｎｍの場合には９５０℃、７５分の熱処理を行う。
【００２４】
次に、ゲート酸化膜形成後のアニール工程を施す。すなわち、各エピタキシャルウェーハを、加熱温度１０００℃、１００％のＮ２ガス雰囲気中で１時間、熱処理する。これにより、ゲート酸化膜内に拡散した汚染金属がシリコンや酸化膜と化学反応を起こし、ゲート酸化膜を変質化させ、例えばシリケイトになる。そのため、ゲート酸化膜の絶縁性が部分的に劣化する。比較のため、アニール工程を通さないエピタキシャルウェーハも作製した。
【００２５】
次に、ゲート酸化膜の表面に電極を形成する電極形成工程を説明する。ここで工程が簡略なマスクスパッタ法で作製した。すなわち、電極として、図示しないマグネトロンスパッタリング装置により、所定の大きさのＡｌＳｉＣｕ電極をゲート酸化膜上に形成する。電極の大きさＳは８ｍｍ２である。
マグネトロンスパッタリング装置は、エピタキシャルウェーハが載置される試料台を収納したスパッタリング室を有している。試料台の上方には、ＡｌＳｉＣｕ合金製のターゲット（平板）が配置されている。ターゲットには、直流電源が接続されている。ターゲットの上方にはマグネットが配置され、放電空間には電場と磁場とを同時にかけることができる。
【００２６】
電極形成時には、まず試料台上のエピタキシャルウェーハの表面に、電極のパターン孔を有するセラミックス製のマスクを載置する。次に、スパッタリング室にアルゴンガスを供給しながら、電界に垂直に磁界を加えてマグネトロン放電を発生させる。これにより、アルゴン粒子のターゲットに対してのスパッタが発生する。これに伴い、ターゲットの表面からＡｌＳｉＣｕ粒子が飛び出す。飛び出した粒子は、マスクのパターン孔を通してエピタキシャル層の表面の一部分に堆積し、電極を形成する。電極としてはＡｌＳｉＣｕに代えて、低抵抗のＰｏｌｙ−Ｓｉを採用してもよい。
【００２７】
エピタキシャル層の金属汚染の評価としては、定電流ＴＤＤＢ（Ｔｉｍｅ  Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ  Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ）特性を利用した公知の酸化膜耐圧評価法に則り、ゲート酸化膜の耐圧を測定することで、エピタキシャル層の金属汚染を評価する。この評価法は、ＴＺＤＢ（Ｔｉｍｅ−Ｚｅｒｏ  Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｂｒｅａｋｄｏｗｎ）特性を利用した評価法より、低い汚染量の金属汚染に対しても検出することができる。
【００２８】
その評価結果を、図２、図３のグラフに示す。汚染金属毎に４枚のエピタキシャルウェーハを使用し、そのうち、汚染金属毎２枚のエピタキシャルウェーハには、ゲート酸化膜の形成後のアニール処理が施されていないものとする。図２、図３中のＲｅｆは、金属汚染されていないエピタキシャルウェーハの評価である。
判定は、Ｔｏｘ（ゲート酸化膜）が１１ｎｍの場合、０．１Ｃ／ｃｍ２判定での良品率とした。また、Ｔｏｘが９ｎｍの場合には、０．０１Ｃ／ｃｍ２判定での良品率とした。
【００２９】
図２、図３のグラフより明らかなように、Ｎｉ汚染に対しては、ゲート酸化膜の厚薄および酸化後のアニール処理の有無に拘らず、１．５×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２の汚染量まで、汚染の有無の評価が可能であった。しかしながら、Ｆｅ汚染とＣｕ汚染とに対しては、Ｔｏｘが１１ｎｍの場合において、ゲート酸化膜の形成後にアニールを行っても、金属汚染量が６×１０１０／ｃｍ２ については汚染の有無を評価できなかった。
そのうち、Ｃｕ汚染に関しては、ゲート酸化膜厚にかかわらず、ゲート酸化膜の形成後にアニール処理を行うことで、汚染量３×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２まで汚染に対する感度が高まる。
またＦｅ汚染に関しては、Ｔｏｘが９ｎｍの場合、ゲート酸化膜の形成後のアニール処理を行うと、３×１０１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ２まで汚染の有無の評価を行うことができた。
【００３０】
このように、ゲート酸化膜の厚さを１０ｎｍ以下とし、ゲート酸化膜形成後にＮ２ガスの雰囲気で、エピタキシャルウェーハを１０００℃以上で熱処理することで、ゲート酸化膜中の汚染金属が化学反応を起こし、ゲート酸化膜が変質することにより、ゲート酸化膜の絶縁性の度合いが部分的に劣化し、エピタキシャル層の金属汚染を、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕの何れの金属汚染に対しても高感度に評価することができる。
ここでは、エピタキシャルウェーハについての金属汚染の評価を行ったが、シリコンウェーハについても同様の試験を行えば、同じような評価結果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】この発明の一実施例に係る評価法における金属汚染量の評価フローを示す図である。
【図２】この発明の一実施例に係る評価法でのＴｏｘ＝１１ｎｍにおける金属汚染量の評価結果を示す図である。
【図３】この発明の一実施例に係る評価法でのＴｏｘ＝９ｎｍにおける金属汚染量の評価結果を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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