【手続補正書】
【提出日】平成17年1月31日(2005.1.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】        明細書
【発明の名称】    膜厚測定用モニタウェハ
【特許請求の範囲】
【請求項１】  Ｓｉウェハに成膜される膜の膜厚を干渉色測定法により測定する膜厚測定用ＳｉＣウェハにおいて、前記膜厚測定用ＳｉＣウェハの表面を研磨してその平均表面粗さＲａを前記Ｓｉウェハの表面粗さより大きく前記Ｓｉウェハの表面に成膜される膜厚と同等以下に形成したことを特徴とする膜厚測定用モニタウェハ。
【請求項２】  Ｓｉウェハに成膜される膜の膜厚を干渉色測定法により測定する膜厚測定用ＳｉＣウェハにおいて、前記膜厚測定用ＳｉＣウェハの表面を研磨してその平均表面粗さＲａを前記Ｓｉウェハの表面に成膜される複数種の膜の最小膜厚と同等に形成したことを特徴とする膜厚測定用モニタウェハ。
【請求項３】  Ｓｉウェハに成膜される膜の膜厚を干渉色測定法により測定する膜厚測定用ＳｉＣウェハにおいて、前記膜厚測定用ＳｉＣウェハの表面を研磨してその平均表面粗さＲａを前記Ｓｉウェハの表面に成膜される膜の膜厚を上限値とし、当該上限値未満で当該測定対象のＳｉウェハの表面粗さより粗く設定してなることを特徴とする膜厚測定用モニタウェハ。
【請求項４】  前記成膜される膜は複数種の膜であって、その最小膜厚を上限値とし、当該上限値未満で当該測定対象のＳｉウェハの表面粗さより粗く設定してなることを特徴とする請求項３に記載の膜厚測定用モニタウェハ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はモニタウェハに係り、特にモニタウェハの内、表面粗さをＳｉ製品ウェハ程度まで研磨しなくてもモニタウェハとして利用できる膜厚測定用のモニタウェハに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体の製造工程においては、製品となるＳｉウェハに熱酸化処理やＣＶＤ成膜処理を行う場合、製品Ｓｉウェハとともに、ダミーウェハやモニタウェハをウェハボートに同時に搭載することが行われる。ダミーウェハは製品ウェハの枚数が規定枚数に足りないときに補充し、あるいはＣＶＤ工程等において炉内温度、ガスの流れを均一にするために挿入されるもので、製品になり得ないものである。また、モニタウェハは、製品Ｓｉウェハに形成されるＣＶＤ膜等の膜厚並びに炉内パーティクル数をモニタするために製品Ｓｉウェハと全く同じ工程で処理されるものである。したがって、特に製品Ｓｉウェハとモニタウェハとは、ウェハボートに同時収容され、所定の処理によって製品ウェハ及びモニタウェハの表面に熱酸化膜或いはＣＶＤ膜が同時に形成される。
【０００３】
所定の処理の終了後、膜厚測定用モニタウェハをボートから取り出したのち、膜厚測定器によりモニタウェハに形成された膜の膜厚が測定され、測定された膜厚が規格内であるか否か判定される。規格内であれば、同時に処理された製品ウェハにも規定内の膜厚の膜が形成されていると評価でき、製品ウェハが次の工程に移される。
【０００４】
ところで、上述した膜厚測定用モニタウェハとしては、従来から製品ウェハと同一素材からなるＳｉウェハを用いているのが一般的である。このＳｉウェハを膜厚測定用モニタウェハとして使用する場合、膜厚測定が終了する度に研磨またはエッチング、もしくは研磨とエッチングの併用によって膜を除去し、再使用に供される。例えば、６インチウェハのＤ−ｐｏｌｙ成膜工程では、１回で１０００オングストロームのＤ−ｐｏｌｙ膜を膜厚測定用モニタウェハ上に形成する。一度形成されたらＨＦ＋ＨＮＯ3＋Ｈ2Ｏ（１：８：１２）でＤ−ｐｏｌｙ膜を除去し、再度、膜厚測定用モニタウェハとして使用する。これを３〜４回繰り返した後は表面が荒れてしまうので、膜厚モニタウェハとして使用できなくなる。また、再研磨を３〜４回繰り返した後は、研磨によってウェハ板厚が薄くなり、変形し易くなったり、割れ易くなってしまう。あるいは、計測不可になるなどして、使用できなくなる。このため、モニタウェハではなく、ダミーウェハとして使用するか、廃棄処分としている。
【０００５】
したがって、上述したＳｉウェハを膜厚測定用モニタウェハとした場合には、数回程度の使用でモニタウェハとして使用できなくなってしまい、モニタウェハとしての寿命が短いという問題がある。かかる観点から、最近、炭化珪素（ＳｉＣ）よりなる膜厚測定用モニタウェハが斯界の注目を集めている。即ち、このＳｉＣモニタウェハはＣＶＤにより形成された厚さ１ｍｍ程度の円板状の炭化珪素膜であって、
ａ）硝酸、弗酸などに対する耐蝕性に優れているためエッチングによる付着物の除去が容易になり、かつモニタウェハ自身の表面が荒れないため長期間の繰り返し使用が可能であること、
ｂ）窒化珪素、ポリシリコンとの熱膨張係数の差が小さいため、モニタウェハ上にも付着する膜は剥離しにくく、工程途中の大幅なパーティクルを低減することが可能であること、
ｃ）高温での重金属など不純物の拡散係数が極めて低いため、炉内汚染の懸念が少ないこと、
ｄ）耐熱変形性に優れているためロボット搬送などの自動移載が容易であること、
等の多くの利点があり、経済的効果大なることから実用化が促進されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記ＳｉＣウェハをモニタウェハとして用いる場合、基本的には製品となるＳｉウェハと同等な表面粗さが要求される。
【０００７】
膜厚モニタとして要求される仕様を考えてみた場合、膜厚モニタウェハにおける膜厚測定法の基本的な原理は膜の屈折率や厚さが変わることで干渉色が変化するという現象を利用した干渉色測定法を応用したものであり、このことからすると、入射した光に対して、測定に必要な反射強度（反射率）が得られる面であれば測定が可能であり、したがって、Ｓｉウェハ並の超鏡面（Ｒａ＝０．０００２μｍ）は不要であるとの結論に至ったものである。
本発明は、ＳｉＣ材料などの硬質ウェハを膜厚モニタ用のウェハとして実用化できる構造のウェハを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
発明者等はモニタウェハの表面粗さが製品Ｓｉウェハの表面粗さと同等でなくても、測定に必要な反射強度（反射率）が得られる表面粗さであれば良いこと、測定対象膜厚の測定限界最小膜厚にほぼ等しい表面粗さを持たせるようにすれば、適正に膜厚のモニタができるとの知見を得て本発明に至ったものである。
【０００９】
すなわち、本発明に係る膜厚測定用モニタウェハは、前記膜厚測定用ＳｉＣウェハの表面を研磨してその平均表面粗さＲａを前記Ｓｉウェハの表面粗さより大きく前記Ｓｉウェハの表面に成膜される膜厚と同等以下に形成したことを特徴としている。
また、本発明に係る膜厚測定用モニタウェハは、Ｓｉウェハに成膜される膜の膜厚を干渉色測定法により測定する膜厚測定用ＳｉＣウェハにおいて、前記膜厚測定用ＳｉＣウェハの表面を研磨してその平均表面粗さＲａを前記Ｓｉウェハの表面に成膜される複数種の膜の最小膜厚と同等に形成するようにできる。
【００１０】
さらに、本発明に係る膜厚測定用モニタウェハは、Ｓｉウェハに成膜される膜の膜厚を干渉色測定法により測定する膜厚測定用ＳｉＣウェハにおいて、前記膜厚測定用ＳｉＣウェハの表面を研磨してその平均表面粗さＲａを前記Ｓｉウェハの表面に成膜される膜の膜厚を上限値とし、当該上限値未満で当該測定対象のＳｉウェハの表面粗さより粗く設定するようにできる。
この場合、前記成膜される膜は複数種の膜であって、その最小膜厚を上限値とし、当該上限値未満で当該測定対象のＳｉウェハの表面粗さより粗く設定するようにできる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る膜厚測定用モニタウェハの具体的実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、実施の形態に係るモニタウェハ４０はＳｉＣを素材として形成する製造工程の一例を示したもので、ＳｉＣの製造方法としては、ＳｉＣ粉末を焼結して製作する。あるいは、カーボンをＳｉガスでＳｉＣ化させるなどのいくつかある製造方法の内、ＣＶＤ法による製造工程を示したものである。まず、製造するＳｉＣモニタウェハ４０の寸法に合せて、高純度黒鉛からなる所定寸法の円板状黒鉛基材４２を製作する（図１（１））。
【００１２】
その後、上記円板状黒鉛基材４２をＣＶＤ装置に入れ、装置（炉）内を所定の温度を、例えば、１０００〜１６００℃となるように加熱、保持するとともに、炉内を所定の圧力、例えば、１００Ｔｏｒｒに設定する。そして、このＣＶＤ装置に対し、ＳｉＣの原料となるＳｉＣｌ4 とＣ3Ｈ8をそれぞれ５〜２０体積％にして、キャリアガスとしての水素ガス（Ｈ2 ）とともに供給する。これにより、黒鉛基材４２の表面にＳｉＣ層（炭化ケイ素層）４４が成膜されるが、この膜厚が０．１〜１ｍｍ程度となるまで成膜処理する（同図（２））。
【００１３】
その後、表面にＳｉＣ層４４の膜を形成した黒鉛基材４２をＣＶＤ装置から取り出し、機械加工によって周面を研削して切除し、黒鉛基材４２の周面を露出させる（図１（３））。そして、ＳｉＣ膜に挟まれた状態の黒鉛基材４２を９００〜１４００℃の炉に入れて酸素を供給し、酸化雰囲気中にて黒鉛基材４２を燃焼させてこれを除去することにより、２枚のＳｉＣモニタウェハ４０を得るのである（図１（４））。その後、同図（５）に示したように、ＳｉＣモニタウェハ４０を研磨するとともに、周縁部を面取り仕上げする。
【００１４】
モニタウェハは通常シリコンウェハと同様に表面研磨される。ＳｉＣモニタウェハ４０はダイヤモンド砥粒を用いたポリッシングにより研磨され、その平均表面粗さＲａを次のように設定するようにしている。
すなわち、少なくともＳｉＣウェハ４０の片面の平均表面粗さＲａを測定対象のＳｉウェハに成膜される膜の膜厚と同等かそれより小さくなるように設定している。Ｓｉウェハには絶縁酸化膜や多結晶シリコン膜などが例えば２５０オングストローム、５００オングストローム、あるいは１０００オングストロームなどの膜厚となるように成膜処理がなされる。この膜厚のモニタのために、上記ＳｉＣウェハ４０の表面粗さＲａを少なくとも最小膜厚となる厚さと同等かそれより小さくなるように設定するのである。例えば、Ｓｉウェハに対して２５０オングストローム、５００オングストローム、および１０００オングストロームの膜厚となるような成膜処理が複数にわたって行われる場合、最小膜厚は２５０オングストローム（＝０．０２５μｍ）であるから、ＳｉＣウェハ４０に施される平均表面粗さＲａはＲａ＜０．０２５μｍとなるように設定するのである。もちろん、Ｓｉウェハが単一の成膜処理ごとにモニタを行う場合、例えば５００オングストロームのＤ−ｐｏｌｙ膜を成膜する場合には、ＳｉＣモニタウェハ４０の平均表面粗さＲａが５００オングストローム（＝０．０５μｍ）を上限値とし、当該上限値未満（Ｒａ＜０．０５μｍ）となるように研磨するのである。
【００１５】
このようにＳｉＣモニタウェハ４０の平均表面粗さＲａを調整しても膜厚モニタを行うことができるので、機械的強度が高く、耐薬品性も高いＳｉＣウェハへの研磨作業をＳｉウェハと同等程度まで研磨する必要性がなくなる。これにより容易にＳｉＣウェハを膜厚モニタとして実用に供することができるのである。
【００１６】
以下に具体的にＳｉウェハと膜厚測定用ＳｉＣウェハのそれぞれに成膜処理を施し、ＳｉＣウェハが膜厚モニタとして適用することができることを確認した実験例を示す。
＜実験例１＞
ウェハはＳｉモニタウェハとＳｉＣモニタウェハとを用いた。実験に供した膜厚測定用ＳｉＣモニタウェハは、平均表面粗さＲａが０．０５μｍであった。成膜は多結晶シリコンを異なる膜厚すなわち２０００オングストローム、１４００オングストローム、７００オングストロームのオーダとなるようにＳｉモニタウェハとＳｉＣモニタウェハとに同時に蒸着させ、これを各１バッチ行った。下表１，２は蒸着した膜の厚さを計測した結果を示す。計測値はナノメトリックス社製のＮａｎｏＳｐｅｃ  ８０００ＸＳＥを用いて求めた。
【表１】
2002334911.tif 000001
【表２】
2002334911.tif 000002
【００１７】
図２はＳｉウェハ上の膜厚の平均値を横軸にＳｉＣウェハ上の膜厚の平均値を縦軸にして、計測膜厚をプロットしたものであり、近似度が０．９９９８であり、ＳｉＣウェハを膜厚測定用モニタウェハとして利用できることを明瞭に示している。
【００１８】
次に、モニタウェハの表面粗さと膜厚測定限界について調べた実験例を示す。
＜実験例２＞
８インチＣＶＤ−ＳｉＣ黒色鏡面ウェハを膜厚モニタウェハとして用い、製品Ｓｉウェハとともに、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ膜を８００オングストロームの膜厚となるよう成膜した。なお、実験に供した膜厚測定用ＳｉＣモニタウェハの表面粗さＲａは、表面粗さの影響を調査するため、中心から外周へ行く程、粗くした。当該モニタウェハでは、鏡面（表面）側の中心部で膜厚が測定できたものの、鏡面側の外周およびつや消し面（裏面）で計測ができなかった。ウェハキャリアケースのスリットＮｏ．１，３，５，７に入っていたモニタウェハの表面粗さを測定した。図３はモニタウェハの表面粗さの測定方法の説明図である。測定は、オリエンテーリングフラット部分を下側にし、ウェハ半径方向の中央、中央から５０ｍｍ、中央から９０ｍｍの部分を円周方向に４５度ピッチ間隔で行い、鏡面側を表面とし、表裏面の両側で計測する。表面粗さの測定は、接触式表面粗さ計であり、東京精密製サーフコム１２０Ａを用いた。その測定結果を次表に示す。
【００１９】
【表３】
2002334911.tif 000003
【００２０】
上記測定結果をグラフ化して図４に示す。図４において、実線が表面側を示し、破線が裏面側を示す。この図より、表面側が裏面側より表面粗さが小さくなっており、全体的にウェハの中心から外周に向けて表面粗さが大きくなっていることがわかる。膜厚が測定できた表面側中心部は他の部分に比べて表面粗さが小さく、膜厚が８００オングストロームの場合、表面粗さＲａ＝０．０８μｍ以下では膜厚測定が可能であり、Ｒａ＝０．０８μｍ以上では安定して測定できず、更にＲａ＝０．１μｍ以上では測定が不可能であることが判明した。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る膜厚測定用モニタウェハは、Ｓｉウェハに成膜される膜の膜厚を干渉色測定法により測定する膜厚測定用ＳｉＣウェハにおいて、前記膜厚測定用ＳｉＣウェハの表面を研磨してその平均表面粗さＲａを前記Ｓｉウェハの表面粗さより大きく前記Ｓｉウェハの表面に成膜される膜厚と同等以下に形成した構成としたので、硬くて化学耐性のある膜厚測定用ウェハを製品Ｓｉウェハ程度まで研磨しなくても膜厚モニタウェハとして実用に供することができ、研磨コストを低減した上で半永久的に使用できる膜厚測定用モニタウェハを提供することができる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ＳｉＣモニタウェハの製造工程図である。
【図２】  ＳｉウェハとＳｉＣウェハに異なる膜厚で成膜した時のモニタ適用テスト結果を示すグラフである。
【図３】  ＳｉＣウェハの表面粗さの測定方法の説明図である。
【図４】  ＳｉＣウェハの表面粗さの実測結果のグラフである。
【符号の説明】
４０………ＳｉＣモニタウェハ、４２………円板状黒鉛基材。
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
2002334911.tif 000004
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
2002334911.tif 000005
【手続補正４】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図６
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図７
【補正方法】削除
【補正の内容】