(57)【要約】【課題】シリコンウェーハの表面状態や加工内容の制約を極力受けずに、半導体デバイスの電気的特性に影響を及ぼすスリップを非破壊かつ非接触で検査することができるシリコンウェーハの評価方法を提供する。【解決手段】シリコンウェーハの評価方法は、熱処理された単結晶のシリコンウェーハを１ｍｍ２以上２５ｍｍ２以下の等間隔の区画に区分けし、赤外偏光のデポラリゼーション値に基づいて前記区画の夫々における歪みの有無を判別する区画解析ステップと、前記区画解析ステップにて歪みを有すると判別された区画の隣接数が所定の閾値を超えないものを良品として評価するスクリーニングステップと、を有する。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱処理された単結晶のシリコンウェーハを１ｍｍ２以上２５ｍｍ２以下の等間隔の区画に区分けし、赤外偏光のデポラリゼーション値に基づいて前記区画の夫々における歪みの有無を判別する区画解析ステップと、
前記区画解析ステップにて歪みを有すると判別された区画の隣接数が所定の閾値を超えないものを良品として評価するスクリーニングステップと、
を有することを特徴とするシリコンウェーハの評価方法。
【請求項２】
前記歪みを有すると判別された区画の隣接数は、歪みを有すると判別された区画を中心とした周囲の前後左右斜め四方において歪みを有すると判別された区画の総数として定義されることを特徴とする請求項１に記載のシリコンウェーハの評価方法。
【請求項３】
前記所定の閾値は、Ｘ線トポグラフィーを用いて評価したシリコンウェーハのスリップの長さと歪みを有すると判別された区画の隣接数との関係を予め取得することによって決定されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のシリコンウェーハの評価方法。
【請求項４】
前記デポラリゼーション値に基づいた歪みの有無の判別は、測定されたデポラリゼーション値をスムージング処理して長周期成分を抽出し、当該長周期成分を前記測定されたデポラリゼーション値から除去して得られた短周期成分を用いて行われることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１項に記載のシリコンウェーハの評価方法。
【請求項５】
前記シリコンウェーハの表面粗さＲａは、０．１μｍ以下であることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか１項に記載のシリコンウェーハの評価方法。
【請求項６】
前記シリコンウェーハの表面粗さＲａは、０．００１μｍ以上であることを特徴とする請求項５に記載のシリコンウェーハの評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体デバイスの基板に用いられるシリコンウェーハの評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの基板に用いられるシリコンウェーハは、半導体デバイスの活性領域となる表面および表層において、ＣＯＰ（Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｏｒｉｇｉｎａｔｅｄ  Ｐａｒｔｉｃｌｅ）と呼ばれるボイド欠陥が存在しない無欠陥層を形成することが求められる。このような要求に対する技術として、縦型炉を用いてシリコンウェーハを１１００℃以上の温度でバッチ式熱処理を施す技術や、急速昇降温熱処理（ＲＴＯ；Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓ）を施す技術が知られている。
【０００３】
一方、シリコンウェーハは、熱処理時に熱応力や曲げ応力が負荷されることによって、スリップが導入されて塑性変形する場合がある。このスリップとは、線状の転位欠陥の束であり、その発生程度によっては、完成品としての半導体デバイスの電気的特性に影響を及ぼす要因となる。したがって、スリップの発生を出荷前に検査し、不適合品の流出を防ぐ必要がある。
【０００４】
スリップの発生を検査する方法として、スリップが発生した際、シリコンウェーハの表面には段差が現れることが多いことに着目したものがある。
具体的には、シリコンウェーハの最終外観検査で用いられる表面検査装置（例えばＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ社製のＳｕｒｆｓｃａｎ  ＳＰ２）を用いて、スリップの発生に起因した段差を検出して、スリップの発生を検出する検査方法が知られている。
また、シリコンウェーハの表面層に潜在している歪みを、熱処理によって顕在化させる手法も知られている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２９２０５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、前記した最終外観検査で用いられる表面検査装置は、鏡面研磨されたウェーハを対象とした検査には適用できるが、鏡面研磨前の比較的表面が粗い状態ではノイズのレベルが高いため、スリップに起因する段差の検出が困難であった。
また、検査対象である熱処理後のシリコンウェーハを鏡面研磨したことによって、スリップに起因する段差が平滑化され、スリップの検出が困難であった。
このように、最終外観検査で用いられる表面検査装置を用いたスリップの検出方法にあっては、シリコンウェーハの表面状態や加工内容に依存するという技術的課題があった。また、熱処理によってシリコンウェーハの表面層に潜在している歪みを顕在化させる手法も、熱処理を施すという点では破壊検査となり、熱処理を許容しない条件下では適用することができない。
【０００７】
以上のように、従来のスリップの発生を検出するシリコンウェーハの評価方法は、適用可能な条件が限られていた。そこで、シリコンウェーハの表面状態や加工内容の制約を極力受けずに、半導体デバイスの電気的特性に影響を及ぼすスリップを非破壊かつ非接触で検査することができるシリコンウェーハの評価方法が望まれていた。
【０００８】
本発明は、前記した点に着目してなされたものであり、シリコンウェーハの表面状態や加工内容の制約を極力受けずに、半導体デバイスの電気的特性に影響を及ぼすスリップを非破壊かつ非接触で検査することができるシリコンウェーハの評価方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記した課題を解決するために、本発明に係るシリコンウェーハの評価方法は、熱処理された単結晶のシリコンウェーハを１ｍｍ２以上２５ｍｍ２以下の等間隔の区画に区分けし、赤外偏光のデポラリゼーション値に基づいて前記区画の夫々における歪みの有無を判別する区画解析ステップと、前記区画解析ステップにて歪みを有すると判別された区画の隣接数が所定の閾値を超えないものを良品として評価するスクリーニングステップと、を有することを特徴とする。
【００１０】
また、前記歪みを有すると判別された区画の隣接数は、歪みを有すると判別された区画を中心とした周囲の前後左右斜め四方において歪みを有すると判別された区画の総数として定義されることが好ましい。
【００１１】
また、前記所定の閾値は、Ｘ線トポグラフィーを用いて評価したシリコンウェーハのスリップの長さと歪みを有すると判別された区画の隣接数との関係を予め取得することによって決定されることが好ましい。
【００１２】
また、前記デポラリゼーション値に基づいた歪みの有無の判別は、測定されたデポラリゼーション値をスムージング処理して長周期成分を抽出し、当該長周期成分を前記測定されたデポラリゼーション値から除去して得られた短周期成分を用いて行われることが好ましい。
【００１３】
また、前記シリコンウェーハの表面粗さＲａは、０．１μｍ以下であることが好ましい。
【００１４】
また、前記シリコンウェーハの表面粗さＲａは、０．００１μｍ以上であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、シリコンウェーハの表面状態や加工内容の制約を極力受けずに、半導体デバイスの電気的特性に影響を及ぼすスリップを非破壊かつ非接触で検査することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明の実施形態に用いる装置の原理を説明する図である。
【図２】図２は、測定されたデポラリゼーション値の一例を示すグラフである。
【図３】図３は、測定されたデポラリゼーション値の面内マップの一例を示す図である。
【図４】図４は、図２に示したデポラリゼーション値をスムージング処理して長周期成分を抽出したグラフである。
【図５】図５は、図３に示したデポラリゼーション値の面内マップから長周期成分を抽出した面内マップを示す図である。
【図６】図６は、図２に示したデポラリゼーション値から長周期成分を除去して短周期成分を抽出したグラフである。
【図７】図７は、図３に示したデポラリゼーション値の面内マップから短周期成分を抽出した面内マップを示す図である。
【図８】図８は、本発明の実施の形態に係るシリコンウェーハの評価方法を示すフローチャートである。
【図９】図９は、隣接数を用いた判別例を示す図である。
【図１０】図１０は、隣接数の最大値とスリップ長との関係を示すグラフである。
【図１１】図１１は、代表的な測定例の面内マップを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態に係るシリコンウェーハの評価方法につき、図面に基づいて説明する。なお、本発明に係るシリコンウェーハの評価方法の実施は、以下で説明する実施形態に限定されるものではない。
【００１８】
（装置構成の例）
本発明の実施形態に係るシリコンウェーハの評価方法に用いる装置としては、ＳＩＲＤ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｉｎｆｒａｒｅｄ  Ｄｅｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）装置とも呼ばれる赤外光弾性測定装置を用いることができる。この赤外光弾性を利用した歪み測定装置は、応力を受けたサンプル内を偏光が透過する際の複屈折（光弾性）を利用して、サンプルに負荷されている応力を数値化して測定する装置である。サンプルとしてシリコンウェーハを用いる場合、シリコンに対する透過率が高い赤外光が一般に用いられる。
【００１９】
図１は、赤外光弾性測定装置１の測定原理を模式的に説明している。図１に示すように、赤外光弾性測定装置１の測定原理では、赤外レーザ素子２から出射された赤外偏光がシリコンウェーハＷを透過し、当該シリコンウェーハＷを透過した赤外偏光をアナライザ３によって測定することによって、シリコンウェーハＷに発生している歪みを測定する。
【００２０】
赤外レーザ素子２とシリコンウェーハＷの間には、ポラライザ４が設けられ、赤外レーザ素子２から出射された赤外偏光は、ポラライザ４を透過したのちにシリコンウェーハＷに照射されるように配置されている。赤外レーザ素子２から出射されたレーザは、それ自体偏光であるが、ポラライザ４を透過させることにより、偏光面が高精度に調整される。
【００２１】
アナライザ３は、２つの受光素子５，６と偏光ビームスプリッタ７とを備えている。偏光ビームスプリッタ７は、ポラライザ４を透過する偏光と同じ偏光面を有する偏光のみを受光素子５へ導き、ポラライザ４を透過する偏光と異なる偏光面を有する偏光のみを受光素子６へ導く。
したがって、受光素子５が検出する光強度と受光素子６が検出する光強度との比は、シリコンウェーハＷを透過することによって生じる偏光解消の程度を示す指標（デポラリゼーション値）となる。応力が負荷された箇所のシリコンウェーハＷは光弾性が発生するので、デポラリゼーション値は、シリコンウェーハＷに負荷されている応力の分布を示す指標となる。
【００２２】
（測定例）
ここで、図２から図７を参照しながら、赤外光弾性測定装置１で測定されるデポラリゼーション値およびこのデポラリゼーション値からスリップに関係する歪みの情報を顕在化させる処理について説明する。
【００２３】
図２は、測定されたデポラリゼーション値の一例を示すグラフであり、図３は、測定されたデポラリゼーション値の面内マップの一例を示す図である。図２および図３から読み取れるように、測定されるデポラリゼーション値そのものには、長周期成分と短周期成分が含まれている。長周期成分は、主に結晶構造に起因するものであり、短周期成分がスリップ発生に関係する。そこで、より正確にスリップ発生を検出するために、以下のように、測定されたデポラリゼーション値から短周期成分を抽出する。
【００２４】
図４は、図２に示したデポラリゼーション値をスムージング処理して長周期成分を抽出したグラフであり、図５は、図３に示したデポラリゼーション値の面内マップから長周期成分を抽出した面内マップを示す図である。
図４および図５は、図２および図３に示されるデポラリゼーション値をスムージング処理することによって得られたものである。ここで、スムージング処理は、例えばフローティングアベレージング処理とすることができ、フローティングアベレージングの区間は、例えば０．５〜４ｍｍとすることが好ましい。
【００２５】
図６は、図２に示したデポラリゼーション値から長周期成分を除去して短周期成分を抽出したグラフであり、図７は、図３に示したデポラリゼーション値の面内マップから短周期成分を抽出した面内マップを示す図である。具体的には、図６および図７は、図２および図３に示されるデポラリゼーション値から、図４および図５に示される長周期成分を除去したものである。
【００２６】
図６および図７から読み取れるように、デポラリゼーション値の短周期成分は、局所的に値が大きく上下する箇所が存在する。これらの箇所は、局所的な歪みが大きい箇所であり、振幅が所定の閾値（例えば±４０ＤＵ）を超えた場合に当該箇所に歪みがあると判別すればよい。
より詳しくは、シリコンウェーハを１ｍｍ２以上２５ｍｍ２以下の等間隔の区画に区分けし、当該区画内で短周期成分の振幅が所定の閾値を超えた場合に、その区画に歪みがあると判別する。
【００２７】
（評価方法の手順）
ここで、図８を参照しながら、シリコンウェーハの評価方法の手順を説明する。図８は、本発明の実施の形態に係るシリコンウェーハの評価方法を示すフローチャートである。なお、図８に示されるリコンウェーハの評価方法は、１枚のシリコンウェーハに関するものであるが、評価すべきシリコンウェーハが複数枚ある場合には、図８に示されるシリコンウェーハの評価方法をその枚数分繰り返せばよい。
【００２８】
また、評価するシリコンウェーハの表面粗さＲａは、０．１μｍ以下であることが好ましく、０．００１μｍ以上であることが好ましい。表面粗さＲａが０．１μｍ以下のシリコンウェーハでは、赤外偏光の透過量を十分に得ることができるからである。一方、表面研磨前のシリコンウェーハの表面粗さＲａは０．００１μｍ以上であるからである。
このような表面粗さＲａでは、表面検査装置を用いたスリップを適切に行うことができないが、本発明の実施の形態に係るシリコンウェーハの評価方法は、表面粗さＲａは０．００１μｍ以上であっても実施することが可能である。
【００２９】
図８に示すように、シリコンウェーハの評価方法は、最初にシリコンウェーハのデポラリゼーション値の測定を行う（ステップＳ１）。このデポラリゼーション値の測定は、前記赤外光弾性測定装置１を用いて行われる。すなわち、応力を受けたシリコンウェーハ内を偏光が透過する際の複屈折（光弾性）を利用して、シリコンウェーハに負荷されている応力をデポラリゼーション値して測定する。
【００３０】
次に、シリコンウェーハの区画解析を行う（ステップＳ２）。この区画解析は、熱処理された単結晶のシリコンウェーハを１ｍｍ２以上２５ｍｍ２以下の等間隔の区画に区分けし、赤外光弾性測定装置１を用いて測定されたデポラリゼーション値に基づいて各区画における歪みの有無を判別する。
【００３１】
この区画解析におけるデポラリゼーション値に基づいた歪みの有無の判別は、測定されたデポラリゼーション値をスムージング処理して長周期成分を抽出し、当該長周期成分を測定されたデポラリゼーション値から除去して得られた短周期成分を用いて行うことが好ましい。上記したように、測定されるデポラリゼーション値には、主に結晶構造に起因する長周期成分とスリップ発生に関係する短周期成分が含まれているからである。
【００３２】
次に、区画ごとの歪みの有無からシリコンウェーハのスクリーニングを行う（ステップＳ３）。このスクリーニングでは、上記区画解析にて歪みを有すると判別された区画の隣接数が所定の閾値を超えないものを良品として評価する。
【００３３】
ここで、歪みを有すると判別された区画の隣接数は、歪みを有すると判別された区画を中心とした周囲の前後左右斜め四方において歪みを有すると判別された区画の総数として定義することが好ましい。図９は、隣接数を用いた判別例を示す図である。
【００３４】
図９に示される等間隔の正方区画において、ハッチングが施されている区画は、歪みを有すると判別された区画を意味している。歪みを有すると判別された区画（Ｃ）を中心とした場合、その周囲の区画は、前後左右斜め四方の８つの区画（１〜８）となる。この場合の隣接数は、この８つの区画（１〜８）のうち、歪みを有すると判別された区画の数と定義される。つまり、図９に示される例では、区画（３）と区画（４）と区画（７）の３つの区画で歪みを有するので、隣接数は３となる。
【００３５】
スクリーニングに用いる隣接数の閾値は、Ｘ線トポグラフィーを用いて評価したシリコンウェーハのスリップの長さと歪みを有すると判別された区画の隣接数との関係を予め取得することによって決定することが好ましい。
後に、実験例を提示しながら説明するように、上記シリコンウェーハの評価方法は、Ｘ線トポグラフィーを用いて評価したシリコンウェーハのスリップの長さと良い相関がある。
したがって、予めＸ線トポグラフィーを用いて評価したシリコンウェーハのスリップの長さに基づいて隣接数の閾値を決定すれば、Ｘ線トポグラフィーを用いなくとも、それと同程度の精度でシリコンウェーハの評価を行うことができる。
【００３６】
ここで、図８の参照に戻り、次のステップの説明を行う。スクリーニングを終えたシリコンウェーハは、良品であるか否かに基づいて次工程へ払い出すか否かの判断を行う（ステップＳ４）。隣接数が所定の閾値（例えば６）を超えないものを良品として判断し（Ｙｅｓ）、良品として判断されたシリコンウェーハは、次工程へ払い出される（ステップＳ５）。一方、隣接数が所定の閾値（例えば６）以上のものを不良品として判断し（Ｎｏ）、不良品として判断されたシリコンウェーハは、廃棄される（ステップＳ６）。
【００３７】
（効果の検証実験）
ここで、図１０および図１１を参照しながら、本発明の実施形態に係るシリコンウェーハの評価方法の効果を説明する。図１０は、隣接数の最大値とスリップ長との関係を示すグラフであり、図１１は、代表的な測定例の面内マップを示す図である。
【００３８】
検証実験に用いたサンプルは、酸素濃度が１．２×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３であり、窒素濃度が３×１０１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ３、直径φが３００ｍｍのシリコンウェーハである。比較のために、鏡面研磨前のものと鏡面研磨後のものを検証実験に用いているが、その表面粗さＲａは、鏡面研磨前のものが０．０１μｍであり、鏡面研磨後のものが０．０００１μｍである。熱処理としては、１３５０℃で３０秒のＲＴＯ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ）を施した。
【００３９】
図１０にプロットされるデータは、鏡面研磨前のサンプルおよび鏡面研磨後のサンプルに関して、本発明の実施形態に係るシリコンウェーハの評価方法と、Ｘ線トポグラフィーを用いたスリップ長（ｍｍ）および最終外観検査で用いられる表面検査装置（ＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ社製のＳｕｒｆｓｃａｎ  ＳＰ２）との比較を示している。図１０に示されるグラフは、本発明の実施形態に係る隣接数の最大値を横軸にとり、比較のためのＸ線トポグラフィーを用いたスリップ長（ｍｍ）を縦軸にとり、サンプルの違いおよび表面検査装置での判定の違いは、プロットされる記号の違いで表されている。
【００４０】
図１０にプロットされるデータ「〇」は、鏡面研磨後のサンプルに関するものであり、表面検査装置では良品判定だったものであり、プロットされるデータ「△」は、鏡面研磨後のサンプルに関するものであり、表面検査装置では不良品判定だったものである。プロットされるデータ「□」は、鏡面研磨前のサンプルに関するものであり、表面が粗いので、表面検査装置では測定不可能なサンプルである。
【００４１】
図１０に示されるように、鏡面研磨後のサンプルと鏡面研磨前のサンプルとの何れに対しても、発明の実施形態に係る隣接数の最大値とＸ線トポグラフィーを用いたスリップ長（ｍｍ）との間に良い相関がある。したがって、本発明の実施形態に係るシリコンウェーハの評価方法は、Ｘ線トポグラフィーを用いた検査を直接行わなくても、これと同等の精度でシリコンウェーハに生じるスリップを適切にスクリーニングすることができる。
【００４２】
また、本発明の実施形態に係るシリコンウェーハの評価方法は、鏡面研磨前のシリコンウェーハに対しても適用可能であるので、従来の最終外観検査で用いられる表面検査装置（例えばＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ社製のＳｕｒｆｓｃａｎ  ＳＰ２）よりも、適用可能なシリコンウェーハの範囲が広い。
【００４３】
さらに、表面検査装置では良品判定だったサンプルのデータ「〇」の中には、Ｘ線トポグラフィーを用いて測定したスリップ長が長いものも含まれている。このことは、従来の最終外観検査で用いられる表面検査装置を用いたスリップの検出方法では、本来は除去すべき不良品が次工程へ払い出されてしまっていた可能性があることを示している。従来の最終外観検査で用いられる表面検査装置を用いたスリップの検出方法では、鏡面研磨の際にスリップに起因する段差が平滑化されてしまい、発生しているスリップを検出できなくなったと考えられる。
【００４４】
一方、本発明の実施形態に係るシリコンウェーハの評価方法は、鏡面研磨後のサンプルに対しても、Ｘ線トポグラフィーを用いたスリップ長（ｍｍ）との間に良い相関があるので、検出漏れも少ない。つまり、本発明の実施形態に係るシリコンウェーハの評価方法は、表面検査装置が適用不可能な鏡面研磨前のシリコンウェーハに対しても実施可能なだけではなく、表面検査装置が適用可能な鏡面研磨後のシリコンウェーハに対してもより正確なスクリーニングを行うことができる。
【００４５】
図１１（ａ）は、鏡面研磨前のシリコンウェーハにＲＴＯ処理を施したものに対して、本発明の実施形態に係るシリコンウェーハの評価方法を適用したものであり、図１１（ｂ）は、鏡面研磨後のシリコンウェーハにＲＴＯ処理を施したものに対して、本発明の実施形態に係るシリコンウェーハの評価方法を適用したものである。
図１１（ａ）および図１１（ｂ）からも分かるように、本発明の実施形態に係るシリコンウェーハの評価方法は、鏡面研磨前のシリコンウェーハと鏡面研磨後のシリコンウェーハの何れに対しても適切に適用可能である。なお、図１１（ａ）および図１１（ｂ）に示される例において、歪みが生じている箇所がシリコンウェーハの外周部に集中しているのは、ＲＴＯ処理の際にシリコンウェーハの保持部が歪みの発生源になっているものと考えられる。
【００４６】
以上のように本発明の実施の形態に係るシリコンウェーハの評価方法によれば、シリコンウェーハの表面状態や加工内容の制約を極力受けずに、半導体デバイスの電気的特性に影響を及ぼすスリップを非破壊かつ非接触で検査することができる。本発明の実施の形態に係るシリコンウェーハの評価方法によれば、Ｘ線トポグラフィーを用いた検査を直接行わなくても、これと同等の精度でシリコンウェーハに生じるスリップを適切にスクリーニングすることができる。また、本発明の実施形態に係るシリコンウェーハの評価方法は、表面検査装置が適用不可能な鏡面研磨前のシリコンウェーハに対しても実施可能なだけではなく、表面検査装置が適用可能な鏡面研磨後のシリコンウェーハに対してもより正確なスクリーニングを行うことができる。
【００４７】
以上、本発明を実施形態に基づいて説明してきたが、本発明は上記の実施形態よって限定されるものではない。
【符号の説明】
【００４８】
１  赤外光弾性測定装置
２  赤外レーザ素子
３  アナライザ
４  ポラライザ
５，６  受光素子
７  偏光ビームスプリッタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2019114665.tif 000009
【図８】
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【図９】
2019114665.tif 000011
【図１０】
2019114665.tif 000012
【図１１】
2019114665.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成30年7月24日(2018.7.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図８】
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