JPH0766261A

JPH0766261A - シリコン酸化膜の評価方法及びシリコン酸化膜中欠陥の低減方法

Info

Publication number: JPH0766261A
Application number: JP20812293A
Authority: JP
Inventors: Akira Takazawa; 章高沢
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1993-08-24
Filing date: 1993-08-24
Publication date: 1995-03-10

Abstract

(57)【要約】【目的】シリコン酸化膜の評価方法及びシリコン酸化
膜中欠陥の低減方法に関し、シリコン酸化膜中の欠陥状
態を非破壊かつ非接触で容易に検出して評価することが
できる他、シリコン酸化膜（自然酸化膜）中の欠陥を低
減して良質のゲート酸化膜を再現性良く得ることがで
き、半導体素子製造歩留りを向上する。【構成】シリコン基板上のシリコン酸化膜を評価する
方法において、トンネル分光法によって該シリコン酸化
膜中の欠陥凖位を介した共鳴トンネル電流を測定するよ
うに構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、シリコン酸化膜の評価
方法及びシリコン酸化膜中欠陥の低減方法に係り、詳し
くは、シリコン酸化膜（自然酸化膜）を有する半導体素
子の製造過程の評価方法に適用することができるととも
に、半導体素子の製造過程におけるゲート酸化膜形成で
問題となる、前処理等により生じた自然酸化膜中の欠陥
低減方法に適用することができ、特に、シリコン酸化膜
中の欠陥状態を非破壊かつ非接触で容易に検出して評価
することができる他、シリコン酸化膜の欠陥を低減する
ことができるシリコン酸化膜の評価方法及びシリコン酸
化膜中欠陥の低減方法に関する。

【０００２】近年、シリコン酸化膜中に存在する欠陥の
あるものは、キャリア捕獲中心として作用して絶縁破壊
等の半導体素子の電気的特性に悪影響を与えることが知
られている。このため、素子の微細化推進に制約を加え
る原因となっている。従って、素子の製造効率を上げる
ためには、シリコン基板上のシリコン酸化膜の詳細な物
性評価を非破壊及び非接触で行うことができるシリコン
酸化膜の評価方法が要求されている。

【０００３】さて、近年、前述の如く、シリコン酸化膜
中に存在する欠陥のあるものは、キャリア捕獲中心とし
て作用して絶縁破壊等の半導体素子の電気的特性に悪影
響を与えることが知られているが、一方、サブハーフミ
クロンデバイス（64MDRAM,256MDRAM) の要求に応えるた
めには、ゲート酸化膜は100 オングストローム以下を実
現する必要がある。そして、このゲート酸化膜の薄膜化
の要求に伴い、全酸化膜に対する自然酸化膜の割合が増
大することにより、シリコン基板の前処理時等で生じる
10オングストロームから20オングストローム程度の自然
酸化膜がその後成長されるゲート酸化膜の特性に悪影響
を与える懸念がある。

【０００４】このため、素子の製造効率を上げるために
は、シリコン基板上に生成した自然酸化膜の詳細な物性
制御と評価方法の確立が要求されている。そこで、ゲー
ト酸化膜成長の直前にシリコン自然酸化膜中の欠陥を低
減することができ、かつその効果を素子にダメージを与
えることなく適切に評価することができるシリコン酸化
膜の評価方法及びシリコン酸化膜中欠陥の低減方法が要
求されている。

【０００５】

【従来の技術】従来、シリコン基板上のシリコン酸化膜
の信頼性評価方法においては、高周波Ｃ−Ｖ測定法、デ
バイス形成後の絶縁破壊耐圧試験法、電子スピン共鳴
（ＥＳＲ）法及び赤外分光（ＦＴＩＲ）法による評価方
法が知られている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た高周波Ｃ−Ｖ測定法や、デバイス形成後の絶縁破壊耐
圧試験法によるシリコン酸化膜の評価方法では、シリコ
ン酸化膜を評価試験する際にシリコン酸化膜上に電極を
形成しなければならず、このようにシリコン酸化膜上に
電極を形成してシリコン酸化膜自体の構造欠陥を測定評
価すると、酸化膜・電極間の界面での悪影響を顕著に受
け易いので、シリコン酸化膜を評価するのは非常に困難
であった。

【０００７】次に、上記した電子スピン共鳴法によるシ
リコン酸化膜の評価方法では、素子全体の構造欠陥の一
部を検出することができるに過ぎず、また、シリコン酸
化膜の物性のみを選択的に評価するのは非常に困難であ
り、また、上記した赤外分光法によるシリコン酸化膜の
評価方法では、現実的に素子製造過程において非接触で
測定評価するのは非常に困難であり、上記と同様、シリ
コン酸化膜の物性のみを選択的に評価するのは非常に困
難であった。

【０００８】従って、上記した従来のシリコン酸化膜の
評価方法では、シリコン酸化膜固有の欠陥状態のみを非
破壊かつ非接触で選択的に抽出して評価するのが非常に
困難であるという問題があった。そして、シリコン酸化
膜の欠陥状態を評価することができないと、シリコン酸
化膜の欠陥に起因して電気的特性がばらついた時、この
シリコン酸化膜の電気的特性のばらつき等で半導体素子
製造歩留りが低下することがあった。

【０００９】ところで、従来のＭＯＳＦＥＴ等の半導体
素子の製造プロセスにおいて形成されるゲート酸化膜
は、各要素プロセス間の空気中保管時や製造装置内での
搬送時、あるいはウェット洗浄最終過程に生成するシリ
コン自然酸化膜等、そのゲート酸化膜成長以前の製造プ
ロセスで生じる自然酸化膜の悪影響を受け易いうえ、こ
のゲート酸化膜の成長過程以前の製造プロセスで生じる
自然酸化膜固有の欠陥を低減する手段がなかったため、
この自然酸化膜中の欠陥の存在により、良質のゲート酸
化膜を再現性良く形成するのが困難であるという問題が
あった。このように、シリコン酸化膜の欠陥を低減する
ことができないと、シリコン酸化膜の欠陥に起因して電
気的特性がばらついた時、このシリコン酸化膜の電気特
性のばらつき等で半導体素子製造歩留りが低下すること
があった。

【００１０】そこで、本発明は、シリコン酸化膜中の欠
陥状態を非破壊かつ非接触で容易に検出して評価するこ
とができる他、シリコン酸化膜（自然酸化膜）中の欠陥
を低減して良質のゲート酸化膜を再現性良く得ることが
でき、半導体素子製造歩留りを向上することができるシ
リコン酸化膜の評価方法及びシリコン酸化膜中欠陥の低
減方法を提供することを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明によるシリコン酸
化膜の評価方法は上記目的達成のため、シリコン基板上
のシリコン酸化膜を評価する方法において、トンネル分
光法によって該シリコン酸化膜中の欠陥凖位を介した共
鳴トンネル電流を測定することを特徴とするものであ
る。

【００１２】本発明においては、前記トンネル電流測定
時には、前記シリコン酸化膜下の前記シリコン基板表面
に導電性を向上するためのイオン注入によるイオン注入
層が形成されてなる場合が好ましく、この場合、シリコ
ン基板表面の導電性が低過ぎると、トンネル電流を測定
することができないが、シリコン基板表面にイオン注入
することでシリコン基板と探針間に形成される空乏層を
十分薄くしてシリコン基板表面の導電性を容易に向上す
ることがき、トンネル電流を効率良く測定することがで
きる。なお、前記イオン注入のドーズ量は、前記シリコ
ン基板表面の不純物濃度が１×10¹⁹ｃｍ^-3以上となる量
である場合がトンネル電流を効率良く測定できる点で好
ましい。

【００１３】本発明においては、前記イオン注入層形成
後に前記シリコン酸化膜を介した前記シリコン基板から
測定したトンネル電流から得られた微分伝導度スペクト
ルと、水素終端されたシリコン基板から測定したトンネ
ル電流から得られた微分伝導度スペクトルとを比較する
場合が好ましく、この場合、シリコン酸化膜中欠陥に起
因する局在エネルギー凖位とその状態密度を非接触かつ
非破壊で効率良く評価することができる。

【００１４】本発明によるシリコン酸化膜中欠陥の低減
方法は上記目的達成のため、シリコン基板上のシリコン
酸化膜に紫外線を照射して処理することにより、該シリ
コン酸化膜中の欠陥を低減することを特徴とするもので
ある。本発明によるシリコン酸化膜の評価方法は上記目
的達成のため、前記請求項４の紫外線処理の前後にシリ
コン酸化膜を介したシリコン基板からのトンネル分光測
定を行って、該シリコン酸化膜中の欠陥凖位を介した共
鳴トンネル電流を測定することを特徴とするものであ
る。

【００１５】

【作用】まず、請求項１〜３記載の発明の作用を説明す
る。図１は本発明の原理説明図である。図１（ａ）、
（ｂ）は共に、表面に12オングストローム程度のシリコ
ン酸化膜を有するＳｉ（100)基板試料から得られたトン
ネル電流スペクトルであり、図１（ａ）〜（ｄ）の横軸
は試料印加電圧である。図１（ａ）、（ｂ）の両者の違
いは、シリコン基板へのイオン注入（ドーズ量は１×10
¹⁵ｃｍ^-2）の有無で、図１（ａ）がＳｉ基板にイオン注
入した場合であり、図１（ｂ）がＳｉ基板にイオン注入
していない場合である。この図１（ａ）、（ｂ）から明
らかなように、一定量以上のイオン注入をシリコン基板
表面に行うと、シリコン基板表面の導電性を向上させる
ことができ、シリコン酸化膜を介したトンネル電流を測
定することができるようになる。

【００１６】更に、図１（ｃ）、（ｄ）に酸素終端及び
水素終端されたＳｉ(100) 基板のトンネル電流測定から
得られた微分伝導度スペクトルを示す。図１（ｃ）が酸
素終端されたＳｉ基板の場合であり、図１（ｄ）が水素
終端されたＳｉ基板の場合である。図１（ｃ）、（ｄ）
の各試料の微分伝導度スペクトルは、Ｓｉ基板表面の導
電性を向上するためにシリコン酸化膜を介してＳｉ基板
表面にイオン注入した後、シリコン酸化膜を介したＳｉ
基板から測定したトンネル電流に基づいて求めたもので
ある。この図１（ｃ）、（ｄ）から判るように、酸素終
端されたＳｉ基板の微分伝導度スペクトルと水素終端さ
れたＳｉ基板の微分伝導度スペクトルとを比較したとこ
ろ、図１（ｃ）のＡ部の如く、図１（ｃ）の酸化膜試料
において試料印加電圧1.2 Ｖ付近に酸化膜欠陥に関与し
た局在電子状態を認めることができた。これにより、シ
リコン酸化膜中の欠陥状態を非接触かつ非破壊で評価す
ることができる。

【００１７】このように、本発明では、前述の図１
（ａ）〜（ｄ）の如く、シリコン酸化膜を介してドープ
されたシリコン基板のトンネル電流を観測し、それから
得られた微分伝導度スペクトルと、水素終端されたＳｉ
(100) 試料からの微分伝導度スペクトルとを対比させる
ことにより、シリコン酸化膜中の欠陥に起因する局在エ
ネルギー凖位とその状態密度を非接触かつ非破壊で評価
することができる。

【００１８】次に、請求項４，５記載の発明の作用を説
明する。図２は本発明の原理説明図である。図２（ａ）
は表面に20オングストローム程度の自然酸化膜を有する
Ｓｉ（100)試料のトンネル電流測定から得られた微分伝
導度スペクトルであり、図２（ａ）〜（ｃ）の横軸は試
料印加電圧である。図２（ａ）の試料では、Ｂ部の如
く、試料印加電圧＋1.2 Ｖ付近に酸化膜中欠陥に関与し
た局在電子状態を認めることができる。図２（ｂ）は図
２（ａ）の試料に紫外線を照射した試料のトンネル電流
測定から得られた微分伝導度スペクトルである。この図
２（ａ）、（ｂ）から明らかなように、Ｓｉ基板上の自
然酸化膜に紫外線照射を行うことにより上記酸化膜中欠
陥に関与する局在電子状態の消失が認めることができ
る。

【００１９】更に、図２（ｃ）に乾燥雰囲気中800 ゜C
においてＳｉ(100) 基板上に形成した酸化膜( 膜厚20オ
ングストローム) の試料のトンネル電流測定から得られ
た微分伝導度スペクトルを示す。図２（ｃ）の試料は酸
化膜の中でも膜質が良質であると言われているドライ熱
酸化膜をＳｉ基板上に形成しているため、酸化膜中に欠
陥に関与した局在電子状態をほとんど認めることができ
ない。

【００２０】このように、本発明では、前述した図２
（ａ）〜（ｃ）の如く、自然酸化膜に紫外線照射処理を
行うことでその酸化膜中の欠陥密度を熱酸化膜中の欠陥
密度程度まで容易に低減することができる。そして、本
発明では、上記紫外線処理の前後にシリコン酸化膜を介
したシリコン基板からのトンネル分光測定を行って、該
シリコン酸化膜中の欠陥凖位を介した共鳴トンネル電流
を測定することにより、酸化膜中の欠陥状態の低減度を
見積もることができる。

【００２１】

【実施例】（実施例１）以下、本発明の実施例を図面を
参照して説明する。図３は本発明の実施例１に則したシ
リコン酸化膜の評価方法を示す図である。まず、図３
（ａ）に示すように、ｐ型Ｓｉ(100) 基板１表面にイオ
ン注入を行って基板１表面にイオン注入層２を形成す
る。これにより、シリコン基板１と探針間に形成される
空乏層を十分薄くすることができるので、シリコン基板
１の電子状態を反映したトンネル電流を測定することが
できるようになる。ここでのイオン種は、Ｂ等の周期律
表第〓族元素とし、注入条件は、加速電圧を60ｋｅＶと
し、ドーズ量を１×10¹⁵ｃｍ^-2とする。

【００２２】上記処理後、図３（ｂ）に示すように、Ｓ
ｉ基板１表面の自然酸化膜を稀フッ酸で除去し、表面を
水素終端させた後、トンネルプローブ３を用いた走査型
トンネル分光法によりトンネル電流測定を行う。この
時、試料印加電圧は、−3.0 ｖｏｌｔから＋3.0 ｖｏｌ
ｔとする。このようにして得られた微分伝導度スペクト
ルを参照信号として、図３（ｃ）に示すように、シリコ
ン酸化膜４に対し上記と同様にトンネル電流の測定を行
う。以上のようにして得られた両者の微分伝導度スペク
トルを比較することにより、前述した図１（ｃ）、
（ｄ）に示す如く、シリコン基板１上のシリコン酸化膜
４に固有の欠陥のエネルギー凖位とその状態密度を評価
する。

【００２３】このように、本実施例では、シリコン基板
１上のシリコン酸化膜４を介したシリコン基板１と探針
間のトンネル電流を測定し、清浄表面に対して得られた
微分伝導度スペクトルと比較することにより、シリコン
酸化膜４の欠陥エネルギー凖位及びその状態密度を非破
壊かつ非接触で測定することができる。このため、ＭＯ
Ｓデバイスのゲート酸化膜等のプロセス制御性を向上さ
せることができるので、歩留りの向上に寄与するところ
が大きい。

【００２４】（実施例２）次に、図４は本発明の実施例
２に則したシリコン酸化膜中欠陥の低減方法及びシリコ
ン酸化膜の評価方法を示す図である。まず、図４（ａ）
に示すように、トンネルプローブ13を用いたトンネル分
光法により、Ｓｉ(100) 基板11上の自然酸化膜シリコン
酸化膜12に対してトンネル電流測定を行い、シリコン酸
化膜12中の欠陥状態の検出を行う。この時、試料印加電
圧は、−3.0 ｖｏｌｔから＋3.0 ｖｏｌｔとする。

【００２５】次に、図４（ｂ）に示すように、上記評価
よりシリコン酸化膜12中欠陥の検出された箇所に、窒素
レーザー（波長0.34μｍ）よる紫外線照射処理を行う。
この時、照射光強度は、450 ｍＷとし、照射時間は20分
間とする。上記処理後、図４（ｃ）に示すように、再び
トンネル分光法によりトンネル電流測定を行う。このよ
うにして得られた紫外線照射後の微分伝導度スペクトル
を照射前のスペクトルと比較することにより、シリコン
基板11上のシリコン酸化膜12に固有の欠陥状態密度の低
減度を評価する。

【００２６】このように、本実施例では、シリコン基板
11上の自然酸化膜のシリコン酸化膜12に紫外線照射処理
を行うことにより、図２で前述した如く、シリコン酸化
膜12膜中の欠陥密度を熱酸化膜の場合と同程度まで減少
させることができる他、上記の如く、紫外線照射後の微
分伝導度スペクトルを照射前の微分伝導度スペクトルと
比較することにより、基板11上のシリコン酸化膜12に固
有の欠陥状態密度の低減度を見積もることができる。こ
のため、ＭＯＳデバイスのゲート酸化膜等のプロセス制
御性を向上させることができるので、歩留りの向上に寄
与するところが大きい。

【００２７】

【発明の効果】本発明によれば、シリコン酸化膜中の欠
陥状態を非破壊かつ非接触で容易に検出して評価するこ
とができる他、シリコン酸化膜中の欠陥を低減して良質
のゲート酸化膜を再現性良く得ることができ、半導体素
子製造歩留りを向上することができるという効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理説明図である。

【図２】本発明の原理説明図である。

【図３】本発明の実施例１に則したシリコン酸化膜の評
価方法を示す図である。

【図４】本発明の実施例２に則したシリコン酸化膜の評
価方法及びシリコン酸化膜中欠陥の低減方法を示す図で
ある。

【符号の説明】

１、11 基板２イオン注入層３、13 トンネルプローブ４、12 シリコン酸化膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリコン基板上のシリコン酸化膜を評価
する方法において、トンネル分光法によって該シリコン
酸化膜中の欠陥凖位を介した共鳴トンネル電流を測定す
ることを特徴とするシリコン酸化膜の評価方法。
【請求項２】前記トンネル電流測定時には、前記シリ
コン酸化膜下の前記シリコン基板表面に導電性を向上す
るためのイオン注入によるイオン注入層が形成されてな
ることを特徴とする請求項１記載のシリコン酸化膜の評
価方法。
【請求項３】前記イオン注入層形成後に前記シリコン
酸化膜を介した前記シリコン基板から測定したトンネル
電流から得られた微分伝導度スペクトルと、水素終端さ
れたシリコン基板から測定したトンネル電流から得られ
た微分伝導度スペクトルとを比較することを特徴とする
請求項１，２記載のシリコン酸化膜の評価方法。
【請求項４】シリコン基板上のシリコン酸化膜に紫外
線を照射して処理することにより、該シリコン酸化膜中
の欠陥を低減することを特徴とするシリコン酸化膜中欠
陥の低減方法。
【請求項５】前記請求項４の紫外線処理の前後にシリ
コン酸化膜を介したシリコン基板からのトンネル分光測
定を行って、該シリコン酸化膜中の欠陥凖位を介した共
鳴トンネル電流を測定することを特徴とするシリコン酸
化膜の評価方法。