JPH11265919A

JPH11265919A - 半導体材料及び半導体装置形成プロセスの品質評価方法とその装置

Info

Publication number: JPH11265919A
Application number: JP8804798A
Authority: JP
Inventors: Manabu Fujito; 学藤戸; Satoshi Ogushi; 聡大串
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1998-03-16
Filing date: 1998-03-16
Publication date: 1999-09-28

Abstract

(57)【要約】【課題】Ｐ型およびＮ型半導体からなる冶金学的接合
等の半導体装置を形成し、拡散電流と発生電流とからな
る面積成分と、表面発生電流の周辺成分の３種のＰＮ接
合リーク電流を測定し、その電気特性により材料あるい
は装置形成プロセスの品質を評価する方法において、Ｐ
Ｎ接合リーク電流の周辺成分にて鏡面研摩製品とエピタ
キシャル製品の品質差を評価可能にする方法。【解決手段】面積成分あるいは周辺成分を正確に求め
るために、同一形状で面積あるいは周辺長のいずれか一
方を一定とし、他方の異なる複数の半導体装置を形成、
例えば周辺長が一定の面積が異なる四角形の装置を複数
個形成することにより、周辺成分と面積成分の分離が容
易にかつ確実に行われ、シリコンウェーハの表面近傍の
バルク品質を容易にかつ正確に評価できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、シリコンウェー
ハ等の半導体材料に、例えば、Ｐ型およびＮ型半導体か
らなる冶金学的接合等の半導体装置を形成し、その電気
特性により材料あるいは装置形成プロセスの品質を評価
する方法に係り、面積あるいは周辺長のいずれか一方が
一定で他方の異なる２種以上の同一形状、例えば周辺長
が一定の面積が異なる矩形を用いることにより、単位面
積当たりあるいは単位周辺長当たりの物理量を求めるこ
とができ、シリコンウェーハの表面近傍並びにバルク品
質を容易にかつ正確に評価できる半導体材料及び半導体
装置形成プロセスの品質評価方法とその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、半導体装置は基板材料の表面近
傍に形成されるが、その特性は材料そのものに潜在する
欠陥及び装置形成プロセス中の汚染の影響を大きく受け
る。その影響は一般に半導体装置の特性を劣化させるた
め、これらを正しく評価して材料及び装置形成プロセス
にフィードバックをかける必要がある。

【０００３】半導体装置の特性を測定して材料あるいは
装置形成プロセスの評価を行う際に、半導体装置として
ＬＳＩを用いることはＬＳＩ作製に時間を要し、また不
良原因の特定が困難なため、通常、ＬＳＩの構成要素で
あるＰ型およびＮ型半導体からなる冶金学的接合（以
下、ＰＮ接合という）やＭＯＳ（Ｍｅｔａｌ‐Ｏｘｉｄ
ｅ‐Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）が用いられる。

【０００４】かかる評価は、一つの半導体装置を用いて
行われ、面積成分がバルクの評価、周辺成分はバルクと
酸化膜界面の評価であり、周辺成分は周辺部の構造が他
と異なることに起因し、面積成分とは評価対象が異な
る。通常面積成分を評価対象とするが、周辺成分の影響
が無視できず、問題となることが多い。

【０００５】周辺成分を取り上げる場合は、周辺成分と
面積成分の分離が必要であるため、従来、図１Ａ，Ｂに
示すような矩形およびくし形の半導体装置を複数用い、
連立方程式を解くことにより、周辺成分と面積成分の分
離がなされていた。くし形という形状は、実質専有面積
が小さいため、非常に実用的である。すなわち、角の影
響は無視でき、面積成分も析出物の影響が定量的に不明
であるため特に問題視されておらず、周辺成分と面積成
分の分離は十分であるとされていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】例えば、ＭＰ（Ｍｉｒ
ｒｏｒＰｏｌｉｓｈｅｄ）仕上げ製品と呼ばれるグレ
ードのシリコンウェーハに存在する酸素析出物を、Ｐ型
およびＮ型半導体からなる冶金学的接合のリーク電流に
より評価する場合、ＰＮ接合リーク電流には、拡散電流
と発生電流とからなる面積成分と、表面発生電流の周辺
成分の３種があり、評価工程中でそれぞれ分離されてゆ
くが、発明者らは以下の問題があることを知見した。

【０００７】面積および周辺長の異なるくし形半導体装
置を形成する場合、従来、個々の専有面積を一定に保つ
ため、面積、周辺長共を異なるものとしていた。この場
合、連立方程式を解くという手法を用いる。例えば、半
導体材料がＭＰ製品とエピタキシャル製品の品質差を評
価するには、１種の半導体装置のみの評価では不可能で
あり、複数の装置を設けるが、用いる半導体装置が３種
以上の場合、全てを満足する２種の未知数（周辺成分、
面積成分）が求まらないという問題があった。

【０００８】また、従来のくし形を用いる手法では、実
質的に角が存在してその数が一定でないため、特に、角
成分の影響が無視できない程度の品質評価条件が求めら
れる場合は、正しい評価ができないという問題があっ
た。

【０００９】また、評価のための半導体装置は、例えば
１チップの中にＰＮ接合だけでなく、コンデンサや抵
抗、容量トランジスタなども同じチップに作り込むた
め、通常１００ｍｍ²程度でこれ以上大きくすることは
好ましくなく、必然的にチップの大きさは限られる。

【００１０】すなわち、従来は、与えられた専有面積の
下で半導体装置を設計していたため、評価対象を具体的
に考慮した設計がなされていなかった。

【００１１】また、ＰＮ接合を用いて、品質評価を実施
するに際し、Ｎ型半導体形成に不純物として通常の実用
デバイスで用いられる砒素を用いると、リーク電流の空
乏層幅依存性（Ｊ−Ｗプロット）が直線近似できずに、
容易に評価することができないという問題があった。

【００１２】この発明は、半導体材料に半導体装置を形
成してその電気特性により、当該材料または前記形成プ
ロセスの品質を評価する品質評価方法の問題点、例え
ば、１つのＰＮ接合のリーク電流にてＭＰ製品とエピタ
キシャル製品の品質差を評価することができなかった現
状に鑑み、ＰＮ接合リークやショットキー接合またはＭ
ＯＳ構造のいずれの半導体装置においても、シリコンウ
ェーハの表面近傍並びにバルク品質を容易にかつ正確に
評価できる半導体材料及び半導体装置形成プロセスの品
質評価方法とその装置の提供を目的としている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】発明者らは、ＰＮ接合リ
ーク電流の周辺成分にてＭＰ製品とエピタキシャル製品
の品質差を評価することができなかったことに関し、そ
の原因等を追求して種々検討した結果、面積成分あるい
は周辺成分を正確に求めるために、同一形状で面積ある
いは周辺長のいずれか一方を一定とし、他方の異なる複
数の半導体装置を形成し、また矩形の場合は角の数も一
定として、これら複数の評価結果の違いより、面積成分
及び周辺成分の特性を分離することで、両ウェーハの品
質差を容易にかつ正確に把握できることを知見し、この
発明を完成した。

【００１４】すなわち、この発明は、半導体材料に半導
体装置を形成してその電気特性により、当該材料または
前記形成プロセスの品質を評価する品質評価方法におい
て、面積または周辺長のいずれか一方が一定で他方の異
なる２種以上の同一形状のＰＮ接合やショットキー接合
構造の半導体装置を用い、単位面積当たりまたは単位周
辺長当たりの物理量を求めることを特徴とする半導体材
料及び半導体装置形成プロセスの品質評価方法である。

【００１５】また、発明者らは、上記構成の品質評価方
法において、予め評価対象の欠陥を想定し、少なくとも
面積あるいは周辺長の最も大きな半導体装置に関して
は、欠陥起因の特性が測定システムの確度以上となるよ
う、面積あるいは周辺長を決定することにより、面積成
分あるいは周辺成分の特性を容易にかつ正確に把握でき
ることを知見した。

【００１６】また、この発明は、半導体材料に半導体装
置を形成してその電気特性により、当該材料または前記
形成プロセスの品質を、面積または周辺長のいずれか一
方が一定で他方の異なる２種以上の同一形状の半導体装
置を用い、単位面積当たりまたは単位周辺長当たりの物
理量を求めて評価する請求項１の品質評価方法において
使用する品質評価装置であり、面積または周辺長のいず
れか一方が一定で他方の異なる２種以上の同一形状であ
り、その形状が矩形、多角形、円のいずれかであること
を特徴とする半導体材料及び半導体装置形成プロセスの
品質評価装置である。

【００１７】

【発明の実施の形態】この発明において、面積成分ある
いは周辺成分を従来より正確に求める方法を、面積成分
を例に以下に記す。半導体装置としては、同一形状で周
辺長が一定で面積のみ異なるものを複数形成する。形状
は、円の場合、面積が変わると曲率が変わるため、矩形
が最も望ましい。

【００１８】この発明において、上記の半導体装置を用
いて得られた物理量（測定値）を縦軸に、面積を横軸に
グラフを作成してこれを直線近似することができる。こ
のため、半導体装置の数は３種以上が望ましい。得られ
た直線の傾きより単位面積当たりの成分が、縦軸切片よ
り周辺成分を求めることができる。半導体装置の形状が
矩形の場合、角成分は周辺成分に含まれる。周辺成分を
正確に求める場合も、面積成分の場合と同様である。

【００１９】次に面積あるいは周辺長の設定方法につい
て、面積の場合を例に説明する。半導体装置の面積を設
定する際は、評価対象である欠陥の密度を考慮する必要
がある。すなわち、望ましくは全ての半導体装置に十分
の数の欠陥が含まれることが必要であり、少なくとも面
積が最大のものには測定の際に欠陥の存在が認識できる
だけの数の欠陥が含まれることが必要である。

【００２０】すなわち、同一形状で周辺長が一定で面積
のみ異なるものを複数形成する場合は、例えば少なくと
も１つに測定系の検知レベルの下限以上の欠陥が含まれ
るように、面積を決定すればよく、測定システムの検知
レベルの向上やノイズの低減が進むと、前記面積は小さ
くなることは当然である。

【００２１】例えば、ＭＰグレードのシリコンウェーハ
に存在する酸素析出物を、ＰＮ接合のリーク電流により
評価する場合、析出物１個当たりのリーク電流が３０℃
で約３ｆＡであることが最近分かってきたことから、ま
た析出物の密度は約１０⁶ｃｍ^-3であること、電流測定
器の確度が１６０ｆＡ（精度＋ノイズ＝１００＋６０ｆ
Ａ）であれば、空乏層幅２μｍとして、面積は２７ｍｍ
²以上必要である。

【００２２】すなわち、面積Ｓｍｍ²、深さ２μｍの直
方体に含まれる析出物の数は、１０⁶×２×１０^-4×Ｓ
×１０^-2であり、（析出物の数）×３ｆＡ＞１６０ｆ
Ａ、より面積Ｓが求められる。さらに、上記の条件で測
定器の精度が１０ｆＡとなれば、面積は１２ｍｍ²以上
必要になる。

【００２３】ＰＮ接合のリーク電流により、シリコンウ
ェーハ中の酸素析出物を評価する場合は、前述のように
２７ｍｍ²以上の面積が必要である。周辺長を設定する
場合もこれと同様である。

【００２４】次に、Ｐ型シリコンウェーハにＮ型拡散層
を形成し、冶金学的接合を形成する際に、Ｎ型形成とし
て用いる不純物について説明する。通常の半導体装置形
成プロセスでは、この不純物として砒素あるいは燐が用
いられる。前述のようにリーク電流によりシリコンウェ
ーハの評価を行う際は、燐が望ましい。そのシリコンウ
ェーハへの導入方法は、イオン注入法、固相拡散法のい
ずれを用いてもよい。

【００２５】発明者らは、ＰＮ接合に関し、Ｎ型拡散層
形成に不純物として砒素および燐を検討した結果、燐の
場合は印加電圧０〜１０Ｖでリーク電流の空乏層幅依存
性（Ｊ−Ｗプロット）が直線近似できるのに対し、砒素
の場合は印加電圧１Ｖ以上で直線近似できないことを知
見した。

【００２６】砒素の場合、Ｊ−Ｗプロットが直線近似で
きない理由は、拡散層が浅く電界強度が高くなり、その
影響が無視できなくなるためか、あるいは砒素は重金属
に対するゲッタリング能を持たないため、空乏層中に重
金属の析出物が形成され、これに起因するリーク電流が
電界の影響を強く受ける、すなわちＪ−Ｗプロットが適
用できないと考えられる。

【００２７】この発明において、半導体装置には、図２
Ａに示すショットキー接合構造、図２Ｂに示すＰＮ接合
に限らず、いずれの構成の半導体装置の形成プロセス中
の酸化、不純物活性化等の熱処理は、シリコンウェーハ
中の酸素析出物の密度の変化が小さい、９００℃付近
（８５０〜９５０℃）の温度にて行うことが望ましい。

【００２８】

【実施例】半導体装置としてＰＮ接合を種々のシリコン
ウェーハに形成し、ＰＮ接合リーク電流により、材料で
あるシリコンウェーハの品質を評価した。ここでシリコ
ンウェーハとしては、比抵抗１０〜２０Ω・ｃｍ、酸素
濃度１３〜１５×１０¹⁷ｃｍ^-3のＰ型ＣＺウェーハ（以
下、ＭＰ品）と、比抵抗１０〜２０Ω・ｃｍ、エピ厚２
０μｍのエピタキシャルウェーハ（以下、エピ品）の２
種を準備した。

【００２９】図２ＢはＰＮ接合の模式的断面図を示した
ものであるが、ＰＮ接合の構造としては、周辺部のシリ
コン−シリコン酸化膜界面におけるキャリアの発生を最
小限にするため、ガード電極３を設けたガード電極構造
を採用した。

【００３０】ガード電極３は、Ｎ型拡散層（ｎ⁺）とオ
ーバーラップしており、シリコン基板１−ガード電極３
間の電圧を変化することにより周辺部における電解強
度、空乏層幅を制御することができる。本実施例ではＰ
Ｎ接合リーク電流が少なくなるようこの電圧を−３．５
Ｖとした。

【００３１】また、Ｎ型拡散層（ｎ⁺）形成のための不
純物としてＰを用いたが、その目的は前述のＪ−Ｗプロ
ットを広い電圧範囲で直線近似できるようにするためだ
けでなく、プロセス中に混入する重金属をゲッタリング
するためである。ゲッタリング効果を高めるため、通常
基板コンタクトとして用いられるＢを不純物としたＰ型
拡散層（Ｐ⁺）も設けた。

【００３２】次にＰＮ接合作製プロセスについて説明す
る。前記シリコン基板１に、イオン注入マスク用の酸化
膜を９００℃ドライ酸化により２０ｎｍの厚さで形成
し、Ｐイオンを３０ｋｅＶで５×１０¹⁵ｃｍ^-2、フッ化
ほう素イオン（ＢＦ₂ ⁺）を５０ｋｅＶで２×１０¹⁵ｃｍ
^-2注入し、Ｎ型拡散層（ｎ⁺）およびＰ型拡散層（Ｐ⁺）
を形成した。

【００３３】次に、不純物活性化のための熱処理を９０
０℃の窒素雰囲気中で３０分行い、その後、酸化膜をウ
ェットエッチングにより全て除去した。続いて、再度９
００℃ドライ酸化により酸化膜を７５ｎｍの厚さで形成
したが、この酸化膜中には酸化膜の絶縁破壊の原因とな
る酸素析出物が存在するために、さらに８５０℃のＣＶ
Ｄ酸化により７５ｎｍの厚さの酸化膜を堆積した。

【００３４】次に、スパッタ法により１％のシリコンと
０．１％の銅を含むアルミニウム電極を８００ｎｍ堆積
し、最後に、シリコン−酸化膜界面品質を向上させるた
めのシンタリング処理を４００℃水素雰囲気中で１５分
行った。

【００３５】リーク電流の測定には、高精度半導体パラ
メータ・アナライザ（ＨＰ社製ＨＰ４１５６Ａ）を用い
た。拡散層、ガード電極３、基板１を流れる電流を同時
に測定することにより、ガード電極３下の酸化膜２の絶
縁破壊が起こっていないことを確認しながら、拡散層を
流れるリーク電流を測定した。また、測定は５０℃にて
行い、電圧印加後、リーク電流測定までに十分待ち時間
を設け、バルク内部からの拡散電流の一部である過渡電
流成分を除去した。図で６は拡散電流、７は空乏層、８
は空乏層中における発生電流、９は界面における発生電
流を示す。

【００３６】また、空乏層７幅を算出するために必要な
接合容量は、高精度ＬＣＲメータ（ＨＰ社製ＨＰ４２８
４Ａ）により測定した。

【００３７】半導体装置が形成されるウェーハ表面近傍
の品質を評価するため、前述のＪ−Ｗプロットを作成
し、バルク内部からの拡散電流と空乏層中で発生する発
生電流成分に、測定したリーク電流を分離する必要があ
る。

【００３８】図３は空乏層幅とリーク電流との関係を示
すグラフであり、大四角は面積３２ｍｍ²、中四角は面
積１０．３ｍｍ²、小四角は面積２．２２ｍｍ²、黒、白
抜は同品種のウェーハが２枚あり各々異なることを示
す。ＰＮ接合リーク電流のＪ−Ｗプロットを示す図３よ
り明らかなように、Ｊ−Ｗプロットの傾きから求まる発
生電流成分と、縦軸切片から求まる拡散電流成分は、従
来の１種の半導体装置の測定では、面積に強く依存し、
正しい評価ができないことがわかる。

【００３９】そこで、周辺長が一定で、面積のみの異な
る３種の矩形試料を用い、単位面積当たりのリーク電流
および接合容積を求めた。その結果をＰＮ接合リーク電
流および接合容量の面積依存性を表す図４に示すが、リ
ーク電流に関しては、印加電圧の増加により付加される
電流は、ほとんど周辺成分であることがわかる。

【００４０】図４の測定条件を詳述すると、エピ品ウェ
ーハ表面に周辺長さが２２．６ｍｍで、面積が３２ｍｍ
²、１０．３ｍｍ²、２．２２ｍｍ²の３種のＰＮ接合半
導体装置を作製し、ガード電極電圧はＶｇ＝−３．５Ｖ
であり、Ｖｒ電圧印加は図示のごとく０．２Ｖステップ
で０．２〜１．０Ｖ、２Ｖステップで２〜１０Ｖを印加
した。

【００４１】図５にリーク電流面積成分のＪ−Ｗプロッ
トを示す。黒丸、黒三角は同品種のウェーハが２枚あり
各々異なることを示す。図５はＭＰ品の例であるが、ば
らつきは面積の大きいもので顕著（データ省略）である
ことから、点在する酸素析出物の影響を受けているもの
と考えられる。

【００４２】図６は、ＭＰ品、エピ品各２枚のウェーハ
について、Ｊ−Ｗプロットから求めた発生電流を示した
もので、図６Ａはこの発明により、リーク電流の面積成
分を求めた場合と、従来の１種の半導体装置のみを用い
た場合と比較したもので、図６Ｂはこの発明によるＰＮ
接合リーク電流Ｊ−Ｗプロットを、図６Ｃに示すウェー
ハ面内５ケ所にて適用し、発生電流を求めたものであ
る。なお、図６Ａ中の大四角は面積３２ｍｍ²、中四角
は面積１０．３ｍｍ²、小四角は面積２．２２ｍｍ²を示
し、黒丸はこの発明により面積成分を求めたものであ
る。

【００４３】図６中「＜０」は発生電流が負、すなわち
評価限界以下を意味する。従来の１種の半導体装置のみ
の評価では差別化不可能であったＭＰ品とエピ品の品質
差が、この発明により評価可能となることがわかる。

【００４４】

【発明の効果】この発明による半導体材料及び半導体装
置形成プロセスの品質評価方法は、ＰＮ接合の半導体装
置において、同一形状で面積あるいは周辺長のいずれか
一方を一定とし、他方の異なる複数の半導体装置を形
成、例えば実施例に示すごとく、周辺長が一定の面積が
異なる四角形の装置を複数個形成することにより、半導
体装置の特性を周辺成分と面積成分に確実に分離するこ
とが可能となり、例えばリーク電流の空乏層幅依存性
（Ｊ−Ｗプロット）が直線近似でき、ＰＮ接合リーク電
流の周辺成分にて鏡面研摩製品とエピタキシャル製品の
品質差を評価できるなど、シリコンウェーハの表面近傍
のバルク品質を容易にかつ正確に評価できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の半導体装置の形状を示す説明図であり、
Ａは矩形、Ｂはくし形を示す。

【図２】Ａはショットキー接合の構成、ＢはＰＮ接合の
構成を示す模式断面説明図である。

【図３】従来の空乏層幅とリーク電流との関係（Ｊ−Ｗ
プロット）を示すグラフである。

【図４】Ａは面積とリーク電流との関係を示すグラフで
あり、Ｂは面積と接合容量との関係を示すグラフであ
る。

【図５】この発明の空乏層幅とリーク電流との関係（Ｊ
−Ｗプロット）を示すグラフである。

【図６】Ｊ−Ｗプロットから求めたＰＮ接合リーク電流
中発生成分を示すグラフであり、Ａは従来方法との比較
を示し、Ｂはウェーハ面内分布を示し、ＣはＢにおける
測定箇所を示すウェーハの説明図である。

【符号の説明】

１基板２酸化膜３ガード電極４電極５電極６拡散電流７空乏層８空乏層中における発生電流９界面における発生電流

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体材料に半導体装置を形成してその
電気特性により、当該材料または前記形成プロセスの品
質を評価する品質評価方法において、面積または周辺長
のいずれか一方が一定で他方の異なる２種以上の同一形
状の半導体装置を用い、単位面積当たりまたは単位周辺
長当たりの物理量を求める半導体材料及び半導体装置形
成プロセスの品質評価方法。
【請求項２】請求項１において、半導体装置の形状が
矩形、多角形、円のいずれかである半導体材料及び半導
体装置形成プロセスの品質評価方法。
【請求項３】請求項１または請求項２において、半導
体装置として、Ｐ型及びＮ型半導体からなる冶金学的接
合を用いる半導体材料及び半導体装置形成プロセスの品
質評価方法。
【請求項４】請求項３において、Ｎ型半導体形成に不
純物として燐を用いる半導体材料及び半導体装置形成プ
ロセスの品質評価方法。
【請求項５】請求項１または請求項２において、半導
体装置として、ショットキー接合を用いる半導体材料及
び半導体装置形成プロセスの品質評価方法。
【請求項６】半導体材料に半導体装置を形成してその
電気特性により、当該材料または前記形成プロセスの品
質を、面積または周辺長のいずれか一方が一定で他方の
異なる２種以上の同一形状の半導体装置を使用し、単位
面積当たりまたは単位周辺長当たりの物理量を求めて評
価する請求項１の品質評価方法において使用する品質評
価装置であり、半導体装置として、Ｐ型及びＮ型半導体
からなる冶金学的接合またはショットキー接合を用い、
面積または周辺長のいずれか一方が一定で他方の異なる
２種以上の同一形状であり、その形状が矩形、多角形、
円のいずれかである半導体材料及び半導体装置形成プロ
セスの品質評価装置。