專利名稱：半導體器件的評價方法
技術領域：
本發(fā)明涉及對于在半導體襯底內(nèi)形成的擴散層區(qū)域的形狀進行評價的技術。
因為半導體器件的一個構(gòu)成要素，即擴散層，對晶體管的特性有很大影響，所以，了解其二維或三維結(jié)構(gòu)是重要的。作為對擴散層區(qū)域形狀進行評價的技術例子，有用Sirtl刻蝕劑對劈開的樣品(河東田隆編著，《半導體評價技術》第136，137頁，產(chǎn)業(yè)圖書，1989年)進行預處理而顯現(xiàn)的擴散層通過掃描電子顯微鏡(SEM)進行評價的方法。這種方法利用Sirtl刻蝕劑對硅的腐蝕速率依賴于硅中雜質(zhì)濃度的性質(zhì)，即雜質(zhì)濃度越高越容易被腐蝕的性質(zhì)。當利用該方法時，能夠使雜質(zhì)濃度大于1019個原子/cm3的擴散層區(qū)域顯現(xiàn)出來。
但是，在最尖端的半導體器件中，為了使電場平緩，在半導體襯底內(nèi)形成低雜質(zhì)濃度擴散層區(qū)域的情況正在增多，因為在上述Sirtl腐蝕溶劑的預處理中不能使這樣低濃度擴散層區(qū)域顯現(xiàn)出來，所以，存在著不能對擴散層區(qū)域的形狀進行高精度評價的問題。
此外，在進行Sirtl腐蝕劑的預處理的情況下，一般作為層間絕緣膜而采用的氧化硅膜大多也被腐蝕掉，因此存在著難于以良好的再現(xiàn)性對半導體器件的整體結(jié)構(gòu)進行評價的問題。
本發(fā)明就是為了消除上述問題而提出來的，其目的在于提供一種能夠以良好的再現(xiàn)性對半導體襯底內(nèi)形成的擴散層區(qū)域的形狀進行評價的技術。
與本發(fā)明有關的半導體器件評價方法的特征在于，備有(a)把具有N型第1區(qū)域和P型第2區(qū)域的半導體器件浸入氫氟酸及酒精的混合溶液中，至少使第1區(qū)域暴露出來的工序；以及(b)使第1區(qū)域?qū)旌先芤禾幱诟唠娢坏墓ば颍摶旌先芤簩Φ?區(qū)域處于高電位或同電位。
在工序(a)中，希望第2區(qū)域也顯露出來。
此外，希望第1區(qū)域為半導體襯底，第2區(qū)域為擴散層區(qū)域；進而備有(c)使半導體襯底在擴散層區(qū)域與混合溶液之間薄膜化的工序。
在工序(b)中，希望第2區(qū)域?qū)旌先芤禾幱诘碗娢弧?br> 還有，與本發(fā)明有關的另一半導體器件評價方法備有(a)把N型第1區(qū)域和P型第2區(qū)域都顯露出來的半導體器件浸入金屬離子溶液的工序；以及(b)使第2區(qū)域?qū)饘匐x子溶液處于低電位的工序，該金屬離子溶液對第1區(qū)域處于低電位或同電位。
在工序(b)中，希望第1區(qū)域?qū)饘匐x子溶液處于高電位。


圖1是表示與本發(fā)明實施例1有關的半導體器件評價方法的剖面圖；圖2是表示與本發(fā)明實施例1有關的半導體器件評價方法的剖面圖；圖3是表示與本發(fā)明實施例2有關的半導體器件評價方法的剖面圖；圖4是表示與本發(fā)明實施例2有關的半導體器件評價方法的剖面圖；圖5是表示與本發(fā)明實施例3有關的半導體器件評價方法的剖面圖；圖6是表示與本發(fā)明實施例3有關的半導體器件評價方法的剖面圖；圖7是表示與本發(fā)明實施例4有關的半導體器件評價方法的剖面圖；圖8是表示與本發(fā)明實施例4有關的半導體器件評價方法的剖面圖；圖9是表示與本發(fā)明實施例5有關的半導體器件評價方法的剖面圖；圖10是表示與本發(fā)明實施例6有關的半導體器件評價方法的剖面圖；圖11是表示與本發(fā)明實施例6有關的半導體器件評價方法的剖面圖。
實施例1首先，說明使擴散層區(qū)域顯現(xiàn)的原理。當在氫氟酸和酒精的混合溶液(下面，記為“刻蝕劑”)中使硅陽極化時，產(chǎn)生形成多孔硅的反應或硅受到電解拋光的反應。
多孔硅的形成反應如下·(λ＜2，h空穴，e電子)硅的電解拋光反應如下·(λ＜4，h空穴，e電子)··在這里無論是多孔硅的形式反應或者是硅的電解拋光反應都與硅陽極化時所加電壓有關，并且存在著一個臨界電壓。即，當施加的電壓高于臨界電壓時，發(fā)生硅電解拋光反應；施加低電壓時，發(fā)生多孔硅的形成反應。還有，該臨界電壓依賴于硅的雜質(zhì)濃度，雜質(zhì)濃度越低，臨界電壓就越高。
例如，把在P型硅襯底內(nèi)形成了N型擴散層區(qū)域的樣品浸入混合刻蝕劑中，施加高于臨界電壓的直流電壓使N型擴散層區(qū)域相對P型硅襯底及混合刻蝕劑為高電位。于是，N型擴散層區(qū)域起到陽極的作用，因為提供空穴而被電解拋光；但是，P型硅襯底不起到陽極的作用因而未被電解拋光。因此，能夠借助于有無電解拋光而使N型擴散層區(qū)域顯現(xiàn)出來。
圖1是表示與本發(fā)明實施例1有關的半導體器件評價方法的剖面圖。首先，在P型硅襯底4內(nèi)形成了N型擴散層區(qū)域6以后，例如，把氧化硅膜沉積到P型硅襯底4上及N型擴散層區(qū)域6上以形成層間絕緣膜8，有選擇地將該層間絕緣膜8開口。此后，形成鋁電極5及7，使之分別連接到P型硅襯底4及N型擴散層區(qū)域6上。此后，使P型硅襯底4及N型擴散層區(qū)域6的剖面分別顯露出來從而完成樣品。
其次，把連接到P型硅襯底4上的鋁電極5以及安置在混合腐蝕劑(例如，可采用酒精及氫氟酸的混合溶液)2中的白金電極1共同連接到直流電源3a的陰極一端上，把連接到N型擴散層區(qū)域6上的鋁電極7連接到直流電源3a的陽極一端上。其次，把該樣品中顯露P型硅襯底4及N型擴散層區(qū)域6的剖面部分浸入混合腐蝕劑2中，借助于直流電源3a施加高于臨界電壓的電壓。
于是，N型擴散層區(qū)域6起到陽極的作用，且被電解拋光；與此相反，因為在P型硅襯底4內(nèi)形成的PN結(jié)已被直流電源3a加了反向偏置電壓，所以，P型硅襯底4不起到陽極的作用，故未被電解拋光。
因而，借助于有無電解拋光可以使N型擴散層區(qū)域6顯現(xiàn)，借助于用SEM等觀察經(jīng)本處理后的樣品剖面、能夠?qū)型擴散層區(qū)域6進行二維形狀評價。
還有，當把高于臨界電壓的高電壓加到N型擴散層區(qū)域6上時，可以使低濃度的擴散區(qū)域顯現(xiàn)，所以，能夠進行用過去技術所不能進行的低濃度N型擴散層區(qū)域形狀的評價。
進而，因為這時酒精起到緩沖劑的作用，故能抑制層間絕緣膜8與氫氟酸的化學反應，進而，因為由作為絕緣物的氧化硅膜構(gòu)成的層間絕緣膜8對電解反應沒有貢獻，所以房間絕緣膜8的腐蝕量比過去的方法少，這對于進行擴散層區(qū)域的形狀評價是很合適的。
上面雖然對于在P型硅襯底4內(nèi)形成N型擴散層區(qū)域6的樣品作了描述；但是，如圖2所示，對于在N型硅襯底10內(nèi)形成P型擴散層區(qū)域11的樣品，也連接直流電源3b，使N型硅襯底10對混合腐蝕劑2及P型擴散層區(qū)域11為高電位，由于露出剖面的樣品產(chǎn)生電解拋光反應、所以能夠?qū)型擴散層區(qū)域11的二維形狀進行評價。
實施例2在實施例1中，示出了對露出剖面的樣品進行二維形狀評價的方法，但是，為了進行更加合適的評價，也能夠進行三維的形狀評價。
圖3是表示與本發(fā)明實施例2有關的半導體器件評價方法的剖面圖。首先，在N型硅襯底10內(nèi)形成了P型擴散層區(qū)域11以后，例如，把氧化硅膜沉積到N型硅襯底10上及P型擴散層區(qū)域11上形成層間絕緣膜8，有選擇地對該層間絕緣膜8開口。此后，形成鋁電極5及7，使之分別連接到N型硅襯底10及P型擴散層區(qū)域11上。
其次，借助于對位于P型擴散層區(qū)域11正下方區(qū)域內(nèi)的N型硅襯底10的拋光形成N型硅襯底10的薄膜化區(qū)域9從而完成樣品。再者，在本實施例2中，不必要顯露P型擴散層區(qū)域11。
其次，把連接到P型擴散層區(qū)域11上的鋁電極7以及安置在混合腐蝕劑2中的白金電極1共同連接到直流電源3b的陰極一端，把連接到N型硅襯底10上的鋁電極5連接到直流電源3b的陽極一端。此后，把包括該樣品中薄膜化區(qū)域9及P型擴散層區(qū)域11的N型硅襯底10浸入混合腐蝕劑2中，借助于直流電源3b施加高于臨界電壓的電壓。
圖4是表示這種反應后樣品狀態(tài)的剖面圖。與實施例1相同，N型硅襯底10起到陽極的作用，因而被電解拋光，當進一步進行電解拋光時，P型擴散層區(qū)域11以三維方式顯露出來。另一方面，因為N型硅襯底10與P型擴散層區(qū)域11的接合面(即，PN結(jié))已通過直流電源3b反向偏置了，故P型擴散層區(qū)域11不起到陽極的作用故不被電解拋光。
這時，因為位于形成了P型擴散層區(qū)域11的區(qū)域正下方的N型硅襯底10預先已經(jīng)過薄膜化處理，故位于P型擴散層11周圍的N型硅襯底10被電解拋光，即使P型擴散層區(qū)域11顯露出來，位于鋁電極5正下方的N型硅襯底10也并未完全被電解拋光，所以，可以持續(xù)地施加電壓直到P型擴散層區(qū)域11完全顯露出來為止。因而，在上述處理后，用SEM和原子力顯微鏡法(AFM)等從背面那一側(cè)觀察樣品就能夠?qū)型擴散層區(qū)域11進行三維評價。
實施例3首先，說明使擴散層區(qū)域顯現(xiàn)的另一原理。當在金屬離子(例如，銅離子)溶液中硅作為陰極工作時，電子供給到硅上，金屬(例如，銅)在硅表面上析出。
·(e電子)例如，對于在P型硅襯底內(nèi)形成了N型擴散層區(qū)域的樣品施加電壓，使P型硅襯底的電位低于金屬離子溶液及N型擴散層區(qū)域的電位，將樣品浸入金屬離子溶液中時，因為P型硅襯底作為陰極工作，所以，金屬就在表面上析出；但是，N型擴散層區(qū)域未作為陰極工作，故沒有金屬析出。因而，能夠根據(jù)有無金屬析出，使N型擴散層區(qū)域顯露出來。
圖5是表示與本發(fā)明實施例3有關的半導體器件評價方法的剖面圖。首先，在P型硅襯底4內(nèi)形成了N型擴散層區(qū)域6以后，例如，把氧化硅膜沉積到P型硅襯底4上及N型擴散層區(qū)域6上以形成層間絕緣膜8，有選擇地將該層間絕緣膜8開口。此后，形成鋁電極5及7，使之分別連接到P型硅襯底4及N型擴散層區(qū)域6上，使P型硅襯底4及N型擴散層區(qū)域6的剖面分別顯露出來從而完成樣品。
其次，把連接到P型硅襯底4上的鋁電極5連接到直流電源3C的陰極一端，把連接到N型擴散層區(qū)域6上的鋁電極7及安置在金屬離子溶液(例如，硫酸銅水溶液、硝酸銅水溶液)12中的白金電極1共同連接到直流電源3C的陽極一端。其次，把露出了該樣品中P型硅襯底4及N型擴散層區(qū)域6的剖面部分浸入金屬離子溶液12中，借助于直流電源3c施加電壓。
于是，因為P型硅襯底4作為陰極工作，故金屬就在其表面析出；與此相反，因為P型硅襯底4與N型擴散層區(qū)域6的結(jié)合面(即，PN結(jié))已通過直流電源3C反向偏置，所以，N型擴散層區(qū)域6不作為陰極工作，故無金屬在表面析出。因而，如果用SEM或反射電子顯微鏡(REM)等觀察經(jīng)過這種處理后的樣品剖面，就能夠依靠硅與金屬的對比度之差對N型擴散層區(qū)域6進行二維形狀評價。
再者，硅與金屬的對比度之差與原子序號之不同有關，例如，金屬是銅時，則具有較大原子序號的銅可清晰地觀察到。還有，利用Auger(俄歇)電子光譜法及X光微量分析等分析裝置對硅和銅進行映射(mapping)也能夠進行擴散層的二維形狀評價。
上面對于在P型硅襯底4內(nèi)形成了N型擴散層區(qū)域6的樣品作了描述；但是，如圖6所示，對于在N型硅襯底10內(nèi)形成了P型擴散層區(qū)域11的樣品，也連接直流電源3e，使P型擴散層區(qū)域11的電位低于N型硅襯底10及金屬離子溶液12的電位，能夠通過使顯露剖面的樣品發(fā)生金屬析出反應，進行P型擴散層區(qū)域11的二維形狀評價。
實施例4因為在實施例1中P型硅襯底4與混合腐蝕劑2為同電位，所以，氫氟酸對P型硅襯底4只略有腐蝕；但是，為了以良好的再現(xiàn)性對擴散層區(qū)域的形狀進行評價，希望完全防止對P型硅襯底4的腐蝕。
圖7是表示與本發(fā)明實施例4有關的半導體器件評價方法的剖面圖。如圖7所示，在安置于混合腐蝕劑2中的白金電極1與P型硅襯底4之間插入直流電源3d，使白金電極1的電位、即混合腐蝕劑2的電位高于P型硅襯底4的電位，通過使P型硅襯底4作為陰極工作，就能夠完全防止氫氟酸腐蝕P型硅襯底4。
例如，即使在P型硅襯底4與N型擴散層區(qū)域6的結(jié)合面(即，PN結(jié))上產(chǎn)生了漏泄電流的情況下，也能夠完全防止電解反應，即防止由直流電源3a供給空穴使P型硅襯底4作為陽極工作，從而使P型硅襯底4受到電解拋光。這就能進一步以高精度對N型擴散層區(qū)域6進行二維形狀評價。
上面對于在P型硅襯底4內(nèi)形成了N型擴散層區(qū)域6的樣品作了描述；但是，如圖8所示，對于在N型硅襯底10內(nèi)形成了P型擴散層區(qū)域11的樣品，也連接直流電源3e和3b，使P型擴散層區(qū)域11及N型硅襯底10對混合腐蝕劑2分別為低電位及高電位，通過對露出剖面的樣品產(chǎn)生電解拋光反應，能以高精度進行P型擴散層區(qū)域11的二維形狀評價。
實施例5因為在實施例2中，P型擴散層區(qū)域11與混合腐蝕劑2為同電位，所以，氫氟酸對P型擴散層區(qū)域11略有腐蝕；但是，為了以良好的再現(xiàn)性對擴散層區(qū)域進行形狀評價，希望完全防止對P型擴散層區(qū)域11的腐蝕。
圖9是表示與本發(fā)明實施例5有關的半導體器件評價方法的剖面圖。如圖9所示，在安置在混合腐蝕劑2中的白金電極1和P型擴散層區(qū)域11之間插入直流電源3e，使白金電極1的電位，即混合腐蝕劑2的電位高于P型擴散層區(qū)域11的電位，則P型擴散層區(qū)域11作為陰極工作，因而能夠完全防止氫氟酸腐蝕P型擴散層區(qū)域11。
例如，如果在N型硅襯底10與P型擴散層區(qū)域11的結(jié)合面(即，PN結(jié))上產(chǎn)生了漏泄電流的情況下，也能夠完全防止電解反應，即防止由直流電源3b供給空穴而使P型擴散層區(qū)域11作為陽極工作，從而P型擴散層區(qū)域11被電解拋光，這樣就能以更高精度對P型擴散層區(qū)域11進行三維形狀評價。
實施例6因為在實施例3中，使N型擴散層區(qū)域6與金屬離子溶液12為同電位，所以，在N型擴散層區(qū)域6的表面上可有少量金屬析出；但是，為了以良好的再現(xiàn)性進行擴散層區(qū)域的形狀評價，希望完全防止在N型擴散層區(qū)域6的表面上析出金屬。
圖10是表示與本發(fā)明實施例6有關的半導體器件評價方法的剖面圖。如圖10所示，在安置于金屬離子溶液12中的白金電極1與N型擴散層區(qū)域6之間插入直流電源3f，使N型擴散層區(qū)域6的電位高于白金電極1的電位，即金屬離子溶液12的電位，通過使N型擴散層區(qū)域6作為陽極工作，就能夠完全防止在N型擴散層區(qū)域6的表面析出金屬。
例如，如果在P型硅襯底4與N型擴散層區(qū)域6的結(jié)合面(即，PN結(jié))上產(chǎn)生了漏泄電流的情況下，也能夠完全防止下述反應，即由直流電源提供電子，使N型擴散層區(qū)域6作陰極工作，從而在N型擴散層區(qū)域6的表面析出金屬，這樣就能進一步以高精度進行N型擴散層區(qū)域6的二維形狀評價。
上面對于在P型硅襯底4內(nèi)形成了N型擴散層區(qū)域6的樣品作了描述；但是，如圖11所示，對于在N型硅襯底10內(nèi)形成了P型擴散層區(qū)域11的樣品，也連接直流電源3e和3g，使P型擴散層區(qū)域11及N型硅襯底10對金屬離子溶液12分別為低電位及高電位，通過對露出剖面的樣品產(chǎn)生金屬的析出反應就能以高精度對P型擴散層區(qū)域11進行二維形狀評價。
如上所述，通過利用電化學反應作為像本發(fā)明那樣使擴散層區(qū)域顯現(xiàn)的方法，即使擴散層區(qū)域具有低雜質(zhì)濃度，也能以高精度進行形狀評價。
根據(jù)與本發(fā)明第1方面有關的方法，則為了使第1區(qū)域作為陽極工作，并且使至少第1區(qū)域顯露出來，用于氫氟酸進行電解拋光。另一方面，因為在半導體器件中由第1區(qū)域及第2區(qū)域構(gòu)成的PN結(jié)已被反向偏置，故第2區(qū)域不作為陽極工作故未被電解拋光。因此，通過觀察有無電解拋光，就能夠?qū)Φ?區(qū)域與第2區(qū)域邊界的形狀進行評價。
而且，通過提高電位差使低濃度的擴散層區(qū)域被電解拋光，也能夠?qū)^去不能作的低濃度擴散層區(qū)域進行形狀評價。
根據(jù)與本發(fā)明第2方面有關的方法，則在共同顯露出來的第1區(qū)域及第2區(qū)域中，只使第1區(qū)域作為陽極工作而被電解拋光。因而，借助于觀察有無電解拋光，就能夠?qū)Φ?區(qū)域與第2區(qū)域的邊界進行二維的形狀評價。
根據(jù)與本發(fā)明第3方面有關的方法，則只有作陽極工作的半導體襯底被電解拋光，因為這時位于擴散層區(qū)域正下方的半導體襯底預先已薄膜化，所以，可以進行電解拋光直到擴散層區(qū)域完全顯露出來為止，因此，通過觀察擴散層區(qū)域完全顯露出來后的結(jié)構(gòu)，能夠進行擴散層區(qū)域的三維形狀評價。
根據(jù)與本發(fā)明第4方面有關的方法，則因為第2區(qū)域的電位低于混合溶液的電位，所以即使在PN結(jié)的結(jié)合面上產(chǎn)生了漏泄電流的情況下，第2區(qū)域也不作為陽極工作。因而，能夠完全防止第2區(qū)域被電解拋光，并能進一步以高精度進行半導體器件的形狀評價。
根據(jù)與本發(fā)明第5方面有關的方法，則因為在半導體器件中由第1區(qū)域及第2區(qū)域構(gòu)成的PN結(jié)已被反向偏置，所以在共同顯露出來的第1及第2區(qū)域中只使第2區(qū)域作陰極工作而在其表面上析出金屬。因此，通過觀察有無金屬析出，就能夠?qū)Φ?區(qū)域與第2區(qū)域的邊界進行二維的形狀評價。
根據(jù)與本發(fā)明第6方面有關的方法，則因為第1區(qū)域的電位高于金屬離子溶液的電位，所以即使在PN結(jié)的結(jié)合面上產(chǎn)生了漏泄電流的情況下，第1區(qū)域也不作陰極工作。因而，能夠完全防止金屬在第1區(qū)域的表面上析出，能進一步以高精度進行半導體器件的形狀評價。
權利要求
1.一種半導體器件的評價方法，其特征在于，備有(a)把具有N型第1區(qū)域和P型第2區(qū)域的半導體器件浸入氫氟酸及酒精的混合溶液中，至少使所述第1區(qū)域顯露出來的工序；以及(b)使所述第1區(qū)域?qū)λ龌旌先芤簽楦唠娢坏墓ば?，而該混合溶液對所述?區(qū)域為高電位或同電位。
2.根據(jù)權利要求1中所述的半導體器件的評價方法，其特征在于在所述工序(a)中，使所述第2區(qū)域也顯露出來。
3.根據(jù)權利要求1中所述的半導體器件的評價方法，其特征在于所述第1區(qū)域為半導體襯底，所述第2區(qū)域為擴散層區(qū)域；所述評價方法進而備有(c)使所述半導體襯底在所述擴散層區(qū)域與所述混合溶液之間薄膜化的工序。
4.根據(jù)權利要求1～3中任一項所述的半導體器件的評價方法，其特征在于在所述工序(b)中，使所述第2區(qū)域?qū)λ龌旌先芤簽榈碗娢弧?br> 5.一種半導體器件的評價方法，其特征在于，備有(a)把N型第1區(qū)域和P型第2區(qū)域都顯露出來的半導體器件浸入金屬離子溶液中的工序；以及(b)使所述第2區(qū)域?qū)λ鼋饘匐x子溶液為低電位的工序，而該金屬離子溶液對所述第1區(qū)域為低電位或同電位。
6.根據(jù)權利要求5中所述的半導體器件的評價方法，其特征在于，在所述工序(b)中，使所述第1區(qū)域?qū)λ鼋饘匐x子溶液為高電位。
全文摘要
提供以良好的再現(xiàn)性進行半導體器件擴散層區(qū)域的形狀評價的技術。把鋁電極5、7分別連接到P型硅襯底4和N型擴散層區(qū)域6后,使P型硅襯底4和N型擴散層區(qū)域6的剖面分別顯露出來。其次,把鋁電極5和白金電極1共同連接到直流電源3a的陰極一端,把鋁電極7連接到直流電源3a的陽極一端。其次,把上述樣品浸入酒精及氫氟酸的混合溶液2中,用直流電源3a施加高于臨界電壓的電壓。
文檔編號H01L21/66GK1187690SQ9711617
公開日1998年7月15日 申請日期1997年8月8日 優(yōu)先權日1997年1月7日
發(fā)明者前田一史 申請人:三菱電機株式會社