(57)【要約】【課題】  イオン注入量に制限されることなく、半導体ウエハ面内の詳細なイオン注入量分布を評価する。【解決手段】  評価用ウエハ２において、ソース１０ａ及びドレイン１０ｂと、ソース１０ａとドレイン１０ｂの間に形成されたチャネル領域１０ｃと、チャネル領域１０ｃ上に形成されたゲート酸化膜１０ｄと、ゲート酸化膜１０ｄ上に形成されたゲート電極１０ｅとを備えた、複数の同一構造をもつ評価用トランジスタ１０のみが、半導体ウエハ２ａの主表面全体に等密度に分布して形成されている。各評価用トランジスタがフィールド酸化膜８によって他の評価用トランジスタ１０と電気的に分離されている。チャネル領域１０ｃは、イオン注入量分布の評価対象であるイオン注入が施されて形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ソース及びドレインと、ソースとドレインの間に形成されたチャネル領域と、チャネル領域上に形成されたゲート酸化膜と、ゲート酸化膜上に形成されたゲート電極とを備えた、複数の同一構造をもつ評価用トランジスタのみが、半導体ウエハの主表面全体に等密度に分布して形成されており、前記チャネル領域はイオン注入量分布の評価対象であるイオン注入が施されて形成されたものであり、各評価用トランジスタのしきい値電圧は評価対象であるイオン注入量に依存していることを特徴とするイオン注入量分布評価用ウエハ。
【請求項２】
前記評価用トランジスタ上を含んで前記半導体ウエハの主表面全体に形成された層間絶縁膜と、前記層間絶縁膜の前記ソース、前記ドレイン及び前記ゲート電極に対応する位置に形成されたコンタクトホールと、前記層間絶縁膜上に形成された、前記コンタクトホールを介して前記ソース、前記ドレイン及び前記ゲート電極の電位を外部に引き出すための配線層と、を備えている請求項１に記載のイオン注入量分布評価用ウエハ。
【請求項３】
前記チャネル領域は、１枚の前記イオン注入量分布評価用ウエハを回転させた状態で、不純物イオンビームを前記イオン注入量分布評価用ウエハの主表面上で走査させながら不純物を注入する方法を用いてイオン注入されている請求項１又は２に記載のイオン注入量分布評価用ウエハ。
【請求項４】
前記評価用トランジスタは前記半導体ウエハの主表面側に１ｃｍ2当たり１０個以上形成されている請求項１から３のいずれかに記載のイオン注入量分布評価用ウエハ。
【請求項５】
前記評価用トランジスタは前記半導体ウエハの主表面側に１ｃｍ2当たり３０個以上形成されている請求項１から３のいずれかに記載のイオン注入量分布評価用ウエハ。
【請求項６】
前記評価用トランジスタは前記半導体ウエハの主表面側に１ｃｍ2当たり１００個以上形成されている請求項１から３のいずれかに記載のイオン注入量分布評価用ウエハ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウエハに不純物をイオン注入する際に生じる面内イオン注入量分布のばらつきを評価するための評価用ウエハに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体チップサイズの縮小化や、アナログ特性を利用した製品を製造するためには、半導体ウエハ面内の微少な領域に対するイオン注入量のばらつきを小さくすることが重要である。半導体ウエハ面内のイオン注入量分布（不純物濃度分布）を測定する方法として、例えばシート抵抗を利用する方法がある（例えば、特許文献１を参照。）。この方法では、不純物をイオン注入した後にシート抵抗を測定し、そのシート抵抗値に基づいてイオン注入量を算出する。
【０００３】
しかし、シート抵抗を測定するためには、注入密度が例えば１.０×１０12ions／ｃｍ2以上必要であるため、注入密度が１.０×１０12ions／ｃｍ2よりも小さい場合にはイオン注入量を測定することができなかった。また、この方法で用いるシート抵抗測定器は、一般的に半導体ウエハ面内の数百点を測定するのが限界であり、半導体ウエハ面内のイオン注入量分布を詳細に測定することができなかった。
【０００４】
また、シート抵抗を測定する方法以外の方法として、半導体ウエハ中を伝播するサーマウェーブを利用する方法がある（例えば、特許文献２を参照。）。
この方法は、サーマウェーブ測定器を用いて、レーザ光照射により発生するサーマウェーブ及びエレクトロンホールプラズマウェーブの減衰特性をプルーブレーザ光の反射率の変化から測定することで、半導体中の電気的特性及び熱的特性、ひいては半導体中の欠陥を検出することができる。通常、このサーマウェーブを利用した方法は、半導体基板の研磨、イオン注入、ドライエッチングにより生じる欠陥の検査に使用されている。
【０００５】
サーマウェーブを利用した方法は、注入密度が１.０×１０12ions／ｃｍ2よりも小さくてもイオン注入量を測定することができるが、半導体ウエハ面内の数百点を測定するのが限界であり、この方法でも半導体ウエハ面内のイオン注入量分布を詳細に測定することができなかった。
【０００６】
また、注入装置側に注入量や均一性を推定するための検知器を設けて注入量や均一性を監視する方法もある（例えば、特許文献３又は特許文献４を参照。）。
【０００７】
上記以外のイオン注入量を測定する方法として、半導体基板に反対導電型のイオン（不純物）を打ち込み、さらにその基板上にイオン注入マスク物質を配置した状態で同じイオンを高濃度に注入して複数の分離領域を形成したウエハを用いるものがある。このウエハでは、形成した分離領域の相互間に流れる電流を測定することによってイオン注入量を評価することができる（例えば、特許文献５を参照。）。
【０００８】
また、イオン注入装置のイオンビーム発生部からのビーム電流を測定するフラグファラデーを多分割し、それぞれに電流測定子を設けることが提案されている（特許文献６を参照。）。
【０００９】
【特許文献１】特開平１０−１７２９１７号公報
【特許文献２】特開平５−７４７３０号公報
【特許文献３】特開昭５３−１１６７７２号公報
【特許文献４】特公平６−２８１４１号公報
【特許文献５】特開昭６３−２６８１４５号公報
【特許文献６】実開平３−８８２５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、イオン注入量に制限されることなく、半導体ウエハ面内の詳細なイオン注入量分布を評価することができるイオン注入量分布評価用ウエハ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】
【００１１】
本発明にかかるイオン注入量分布評価用ウエハ（単に、評価用ウエハともいう。）は、ソース及びドレインと、ソースとドレインの間に形成されたチャネル領域と、チャネル領域上に形成されたゲート酸化膜と、ゲート酸化膜上に形成されたゲート電極とを備えた、複数の同一構造をもつ評価用トランジスタのみが、半導体ウエハの主表面全体に等密度に分布して形成されており、上記チャネル領域は評価対象であるイオン注入が施されて形成されたものであって、各評価用トランジスタのしきい値電圧は評価対象であるイオン注入量に依存していることを特徴とするものである。
ここで、評価用トランジスタのみが形成されているとは、半導体ウエハに評価用トランジスタとは構造が異なるトランジスタが形成されていないことを意味する。半導体ウエハの主表面全体に評価用トランジスタのみが形成されていることは、引用文献１〜５のいずれにも記載されていない。
【００１２】
本発明の評価用ウエハにおいて、評価用トランジスタ上を含んで半導体ウエハの主表面全体に形成された層間絶縁膜と、その層間絶縁膜のソース、ドレイン及びゲート電極に対応する位置に形成されたコンタクトホールと、層間絶縁膜上に形成された、コンタクトホールを介してソース、ドレイン及びゲート電極の電位を外部に引き出すためのメタル層と、をさらに備えているのが好ましい。
【００１３】
本発明の評価用ウエハにおけるチャネル領域は、１枚のイオン注入量分布評価用ウエハを回転させた状態で、不純物イオンビームをイオン注入量分布評価用ウエハの主表面上で走査させながら不純物を注入する方法を用いてイオン注入されたものである例を挙げることができる。
【００１４】
本発明の評価用ウエハでは、評価用トランジスタが主表面に１ｃｍ2当たり１０個以上形成されているのが好ましい。
さらに詳細にイオン注入量分布を評価するためには、評価用ウエハの主表面に１ｃｍ2当たり３０個以上、さらには１ｃｍ2当たり１００個以上の評価用トランジスタが形成されているのが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の評価用ウエハは、複数の同一構造をもつ評価用トランジスタのみが、半導体ウエハの主表面全体に等密度に分布して形成されており、評価用トランジスタのチャネル領域は、イオン注入量分布の評価対象であるイオン注入が施されて形成され、各評価用トランジスタのしきい値電圧は評価対象であるイオン注入量に依存しているので、各評価用トランジスタのしきい値電圧を測定して評価用ウエハ面内のしきい値電圧分布を測定することにより、評価用ウエハ面内のイオン注入量分布を評価することができる。そしてこの評価用ウエハを用いれば、シート抵抗器やサーマウェーブ測定器を用いずに、イオン注入量の制限を受けることなくウエハ面内のイオン注入量分布を評価することができる。評価用トランジスタは評価用ウエハ面内に多数配置することができるので、シート抵抗器やサーマウェーブ測定器を用いた方法よりも詳細なイオン注入量分布評価を行なうことができる。さらに、評価用トランジスタのみが形成されていることにより、半導体ウエハに評価用トランジスタを高密度に配置することができる。また、単一構造のトランジスタが形成されているだけなので、評価用トランジスタを安価で容易に形成することができる。そして、本発明の評価用ウエハは製品用半導体ウエハの製造プロセスよりも工程数が少なくてすむので、短時間でイオン注入量の分布を確認することができる。
【００１６】
さらに、半導体ウエハの主表面全体に形成された層間絶縁膜と、その層間絶縁膜のソース、ドレイン及びゲート電極に対応する位置に形成されたコンタクトホールと、層間絶縁膜上に形成され、コンタクトホールを介してソース、ドレイン及びゲート電極の電位を外部に引き出すためのメタル層と、を備えているようにすれば、その後のイオン注入量分布評価を容易に行なうことができる。
【００１７】
ところで、しきい値電圧制御用不純物注入が、１枚のウエハを回転させた状態で、不純物イオンビームをウエハの主表面上で走査させながら行なわれる場合、ウエハの回転速度と不純物イオンビームの走査速度が同期すると、ウエハ面内のイオン注入量分布に特に大きなばらつきが生じる。
そこで、本発明の評価用ウエハにおける評価用トランジスタのチャネル領域を、上記のイオン注入方法によってイオン注入して形成するようにし、評価用ウエハ面内の詳細なイオン注入量分布を測定するようにすれば、ウエハ回転速度と不純物イオンビーム走査周波数の条件を変更して測定することにより、イオン注入量分布のばらつきが小さくなるウエハ回転速度及び不純物イオンビーム走査周波数を調べることができ、イオン注入条件を適切な条件に設定することができる。
【００１８】
本発明の評価用ウエハにおいて、評価用トランジスタが半導体ウエハの主表面に１ｃｍ2当たり１０個以上形成されているようにすれば、評価用ウエハ全面の微細なイオン注入量分布を測定することができる。さらに、評価用トランジスタがウエハ面内に１ｃｍ2当たり３０個以上形成されているようにすれば、より詳細なイオン注入量分布を測定することができ、１ｃｍ2当たり１００個以上形成されているようにすれば、さらに精密な測定が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に図面を参照して本発明の好適な形態を説明する。
この実施例に示されているウエハは、実際に半導体チップを製造するための半導体ウエハではなく、半導体ウエハ主表面内におけるイオン注入量分布のばらつきを評価するためのイオン注入試験で用いるための専用のウエハである。ここで評価の対象となるイオン注入はトランジスタのしきい値電圧制御用の不純物注入（以下チャネルドープという。）である。
【００２０】
図１は評価用ウエハの一実施例を示す断面図である。
評価用ウエハ２の基盤となる、例えばＰ型のシリコンウエハからなる半導体ウエハａの主表面全体に、同一の構造をもつ複数の評価用トランジスタ１０のみが、例えば１ｃｍ2当たり１３個の割合で等密度に分布して形成されている。各評価用トランジスタ１０は評価用トランジスタ形成領域４ごとに形成されており、半導体ウエハ２ａの主表面全体に渡って形成されたＰウエル６内に形成されている。Ｐウエル６は半導体ウエハ２ａの主表面全体に、加速エネルギーが５０ＫｅＶ、注入密度が３.４×１０12ions／ｃｍ2の条件でボロンが注入されて形成されたものである。
【００２１】
評価用トランジスタ１０は、評価用トランジスタ形成領域４内に互いに離間して形成されたソース１０ａ及びドレイン１０ｂ、ソース１０ａとドレイン１０ｂの間のＰウエル６表面近傍に形成されたチャネル領域１０ｃ、及びチャネル領域１０ｃ上にゲート酸化膜１０ｄを介して形成されたゲート電極１０ｅで構成されている。チャネル領域１０ｃはＰウエル６の表面近傍に、例えばＮ型不純物であるリンがイオン注入されて実質的なＰ型不純物濃度が薄くされて形成されたものである。
各評価用トランジスタ１０は、ＬＯＣＯＳ（local oxidation of silicon）酸化膜８と、ＬＯＣＯＳ酸化膜８下にボロンが注入されて形成されたフィールドドープ領域９によって他の評価用トランジスタ１０とは電気的に分離されている。
【００２２】
評価用トランジスタ１０が形成された半導体ウエハ２ａ上全面に、例えばＢＰＳＧ（boro-phospho silicate glass）膜などの絶縁膜からなる層間絶縁膜１２が形成されている。層間絶縁膜１２の所定の領域に、各評価用トランジスタのソース１０ａ、ドレイン１０ｂ及びゲート電極１０ｅに対応してコンタクトホールが形成されている。各コンタクトホール内及び層間絶縁膜１２上にメタル層１４ａ，１４ｂ，１４ｃが形成されている。メタル層１４ａはソース１０ａの電位を、メタル層１４ｂはドレイン１０ｂの電位を、メタル層１４ｃはゲート電極１０ｅの電位を外部に引き出すためのものである。
【００２３】
図２は図１に示した評価用ウエハの形成方法を示す工程断面図である。
（１）抵抗率が１６〜２４Ω・ｃｍの半導体ウエハ２ａの主表面全体に、加速エネルギーが５０ＫｅＶ、注入密度が３.４×１０12ions／ｃｍ2の条件でボロンを注入して、Ｐウエル６を形成する。さらに、半導体ウエハ２ａの主表面全体に渡って、例えば１ｃｍ2当たり１３個の割合で等密度に分布するように評価用トランジスタ形成領域４を設定し、それらの評価用トランジスタ形成領域４の間の領域に、ＬＯＣＯＳ酸化膜８及びフィールドドープ領域９を形成して、各評価用トランジスタ形成領域４を電気的に分離する。その後、半導体ウエハ２ａの主表面にゲート酸化膜１０ｄを例えば５００Å（オングストローム）の膜厚に形成する。半導体ウエハ２ａの主表面全面に対して評価対象のイオン注入であるチャネルドープを行なってチャネル領域１０ｃを形成する（図２（Ａ）を参照。）。ここでは、Ｎ型不純物であるリンを加速エネルギーは１００ＫｅＶ、注入密度は４.６×１０11ions／ｃｍ2の条件で行なった。
【００２４】
上記チャネルドープは、例えば図３に示されるイオン注入装置を用いて行なった。このイオン注入装置は、半導体ウエハ２ａを保持して回転させるウェハステージ１６と、イオンビーム２０をＸ、Ｙ方向に静電的に偏向するための電極を備えている。イオン注入時には、半導体ウエハ２ａを回転させた状態で、イオンビーム２０を静電的にＸ、Ｙ方向に偏向させ、半導体ウエハ２ａ表面で走査させることにより、半導体ウエハ２ａ表面全体にイオンビーム２０を照射して不純物イオンを注入する。
【００２５】
図２に戻って評価用ウエハの形成方法の説明を続ける。
（２）半導体ウエハ２ａ上全面に例えば３５００Åの膜厚にポリシリコン膜を形成する。写真製版技術及びエッチング技術を用いてポリシリコン膜をパターニングして、各評価用トランジスタ形成領域４内の所定の領域にポリシリコンからなるゲート電極１０ｅを形成する（図２（Ｂ）を参照。）。
【００２６】
（３）ゲート電極１０ｅ及びＬＯＣＯＳ酸化膜８をマスクにして、各評価用トランジスタ形成領域４のＰウエル６に、例えばリンを高濃度に注入してソース１０ａ及びドレイン１０ｂをゲート電極１０ｅに対して自己整合的に形成する（図２（Ｃ）を参照。）。
【００２７】
（４）半導体ウエハ２ａ上全面に層間絶縁膜１２を形成し、各評価用トランジスタのソース１０ａ、ドレイン１０ｂ及びゲート電極１０ｅに対応する位置にコンタクトホールを形成する（図２（Ｄ）を参照。）。
【００２８】
（５）コンタクトホール内及び層間絶縁膜１２上にメタル層１４ａ，１４ｂ，１４ｃを形成する（図１を参照。）。
【００２９】
上記工程（１）〜（５）により形成された評価用ウエハ２を用いて、（１）のチャネルドープにおける評価用ウエハ２面内のイオン注入量分布を評価する方法を説明する。
メタル層１４ａ，１４ｂを介してソース１０ａ及びドレイン１０ｂに所定の一定電圧を印加した状態で、メタル層１４ｃを介してゲート電極１０ｅにゲート電圧を印加し、各評価用トランジスタ１０のしきい値電圧を測定する。例えばソース１０ａをグランドに接続し、ドレイン１０ｂに５Ｖの電圧を印加した状態で、ゲート電極１０ｅの電圧を０〜２Ｖの範囲で変化させて、しきい値電圧を測定する。
しきい値電圧はチャネル領域１０ｃの不純物濃度に大きく依存しているため、評価用ウエハ２面内全体に等密度に配置された各評価用トランジスタ１０のしきい値電圧をそれぞれ測定することにより、チャネルドープ時のイオン注入量分布を評価することができる。
【００３０】
図４は評価用ウエハを用いて測定したしきい値電圧分布を示す図であり、（Ａ）は評価用トランジスタが１ｃｍ2当たり１３個の密度で、（Ｂ）は評価用トランジスタが１ｃｍ2当たり３１個の密度で、（Ｃ）は評価用トランジスタが１ｃｍ2当たり１２４個の密度で配置されたものを示している。
図５は図４のウエハにおける測定位置としきい値電圧の関係を示す図であり、（Ａ）は図４（Ａ）のＸ−Ｘ位置、（Ｂ）は図４（Ｂ）のＹ−Ｙ位置、（Ｃ）は図４（Ｃ）のＺ−Ｚ位置に対応している。図５において、縦軸はしきい値電圧（Ｖ（ボルト））、横軸は測定位置（ｍｍ（ミリメートル））を示す。
また、図６にサーマウェーブ測定器を用いて上記チャネルドープ注入のイオン注入量分布を測定した結果を示す。
【００３１】
図６に示したサーマウェーブ測定器を用いたイオン注入量分布に比べて、図４に示したしきい値電圧分布、すなわちイオン注入量分布の方が詳細に表示されているのがわかる。図４及び図５からわかるように、上記チャネルドープの際にウエハ２ａの回転速度とイオンビームの走査周波数が一部同期しているために、評価用ウエハ２面内のイオン注入量分布に大きなばらつきが生じているのがわかる。
この評価結果に基づいて、ウエハの回転速度とイオンビームの走査周波数を調整することにより、ウエハ面内のイオン注入量のばらつきを小さくすることができる。また、必要に応じて、イオン注入時の加速エネルギーや注入密度の調整も行なうようにしてもよい。
【００３２】
このように、本発明の評価用ウエハを用いることで、半導体ウエハ面内の詳細なイオン注入量分布を評価することができる。
さらに、トランジスタのしきい値電圧はチャネルドープでのイオン注入量の変化によって大きく変化するので、イオン注入量に制限されることなくイオン注入量分布を評価することができる。
【００３３】
また、図４及び図５からわかるように、（Ａ）測定密度（評価用トランジスタの設置密度）が１３個／ｃｍ2である場合よりも（Ｂ）測定密度が３１個／ｃｍ2である場合の方が詳細なしきい値電圧分布、ひいてはイオン注入量分布を測定できており、（Ｂ）測定密度が３１個／ｃｍ2である場合よりも（Ｃ）測定密度が１２４個／ｃｍ2である場合の方がさらに詳細なしきい値電圧分布、ひいてはイオン注入量分布を測定できていることがわかる。
【００３４】
また、図４及び図５の（Ａ）から測定密度が１０個／ｃｍ2以上であればイオン注入量分布を評価できると推測でき、（Ｂ）から測定密度が３０個／ｃｍ2以上であれば詳細にイオン注入量分布を評価できると推測でき、（Ｃ）から測定密度が１００個／ｃｍ2以上であればイオン注入量分布をさらに詳細に評価できると推測できる。
【００３５】
上記実施例では、測定密度が１３個／ｃｍ2、３１個／ｃｍ2、１２４個／ｃｍ2の例を示しているが、本発明はこれらの数値に限定されるものではなく、必要とするイオン注入量分布の詳細度に応じて測定密度を変更することができる。
【００３６】
上記実施例では、評価用ウエハ２として評価用トランジスタ１０がＰウエル６に形成されているものを用いているが、本発明はこれに限定されるものではなく、評価用トランジスタはウエルが形成されていない半導体ウエハ自体に形成されていてもよいし、Ｎウエルに形成されていてもよい。また、Ｐ型の半導体ウエハ２ａに代えてＮ型の半導体ウエハを用いることもできる。
【００３７】
上記実施例では、チャネル領域１０ｃはチャネルドープ用の不純物としてリンがイオン注入されて形成されたものであるが、本発明の評価用ウエハはこれに限定されるものではなく、チャネル領域は他の不純物、例えばボロンや砒素などが注入されて形成されたものであってもよい。
【００３８】
また、本発明の評価対象となるイオン注入は、図３を参照して説明したイオン注入装置によるイオン注入に限定されるものではなく、例えば複数のウエハに対して同時にイオン注入を行なうことができるイオン注入装置を用いたイオン注入のイオン注入量評価にも用いることができる。
【００３９】
以上、本発明の実施例を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、数値などは一例であり、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】評価用ウエハの一実施例を説明するための断面図である。
【図２】評価用ウエハの形成方法の一例を示す断面図である。
【図３】イオン注入装置の一例を概略的に示す構成図である。
【図４】評価用ウエハを用いて測定したしきい値電圧分布を示す図であり、（Ａ）は評価用トランジスタが１ｃｍ2当たり１３個の密度で、（Ｂ）は評価用トランジスタが１ｃｍ2当たり３１個の密度で、（Ｃ）は評価用トランジスタが１ｃｍ2当たり１２４個の密度で配置されたものを示す。
【図５】図４のウエハにおける測定位置としきい値電圧の関係を示す図であり、（Ａ）は図４（Ａ）のＸ−Ｘ位置、（Ｂ）は図４（Ｂ）のＹ−Ｙ位置、（Ｃ）は図４（Ｃ）のＺ−Ｚ位置に対応する。
【図６】従来技術としてのサーマウェーブ測定器を用いてチャネルドープ注入のイオン注入量分布を測定した結果を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
２      評価用ウエハ
２ａ    Ｐ型半導体ウエハ
４      評価用トランジスタ形成領域
６      Ｐウエル
８      ＬＯＣＯＳ酸化膜
９      フィールドドープ領域
１０ａ    ソース
１０ｂ    ドレイン
１０ｃ    チャネル領域
１０ｄ    ゲート酸化膜
１０ｅ    ゲート電極
１２      層間絶縁膜
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ    メタル層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図４】
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