JP6090752B2 - シリコンウェーハの評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、赤外光弾性を利用した歪み測定装置（ＳＩＲＤ装置）を用いたシリコンウェーハの評価方法に関する。

半導体リソグラフィ工程においては、微細なパターンをウェーハ上に均一に形成する必要がある。基板となるシリコンウェーハには、露光する際に平坦なウェーハ形状が求められている。製造当初は平坦であったシリコンウェーハでも、デバイス形成時の成膜熱処理やイオン注入処理後のダメージ回復熱処理等の種々の熱処理工程においてウェーハに熱応力がかかり、ウェーハが変形する場合がある。

リソグラフィ工程では、重ね合わせ検査装置（オーバーレイ計測装置）を用いて、層を重ね合わせる際に、下地層に付した計測マーク上に、次の層の計測用マークを形成し、マーク同士のズレ量によって、層間のウェーハ変形量を知ることができる。そして、重ね合わせ検査装置で計測されたズレ量から補正項を算出し、レジストパターンを剥離後、前記補正項を加味して再露光することにより、ウェーハ変形量を考慮して補正したパターニングが行われる。

しかしながら、オーバーレイ補正が困難なほどウェーハの変形量が大きい場合は、該ウェーハは不良品とされる。また、重ね合わせ検査は非常に時間がかかるため、すべてのウェーハに対して、検査が行われるわけではない。特に、大量生産される品種については、重ね合わせ検査はほとんど行われないため、ウェーハに変形が生じていた場合には、層間でズレなくパターン形成を行うことは難しく、最終製品検査において歩留まりが低下することとなる。

このようなデバイス熱処理工程におけるウェーハの変形の要因としては、スリップの発生が挙げられる。スリップは、基板となるウェーハの酸素濃度や酸素析出物のサイズ及び密度の影響を受けて発生し、これにより、重ね合わせ検査におけるズレ量が大きくなることが知られている。

これに対しては、ウェーハ面内に発生したスリップを、ＳＩＲＤ装置で測定されたデポラリゼーション値から短周期成分のみを顕在化させて評価する方法が開示されている（例えば、非特許文献１参照）。

H.D.Geiler, et al., Material Science in Semiconductor processing,vol.5 (2002), pp.445-455

ところが、近年、デバイスのデザインルールの微細化に伴って、リソグラフィ工程での上述した重ね合わせのズレ量の許容幅が狭まってきており、スリップとして検出されない歪みによるウェーハ変形が問題となってきている。
このようなスリップとして検出されない歪みは、上記非特許文献１に記載されたような方法では評価することができない。

このため、新たな規格に基づいて作製されたウェーハにデバイス形成を行う際は、種々の酸素濃度や酸素析出物を有するウェーハサンプルを準備し、各サンプルについてデバイスを試作しなければ、適切な酸素濃度や酸素析出物のサイズ及び密度を決めることができなかった。このようなデバイス試作による評価は、約１〜３か月もの時間を要するため、ウェーハの新製品開発が遅れる要因となっていた。

したがって、デバイス熱処理工程での歩留まりの一層の向上を図り、また、デバイス形成に適したウェーハの開発期間の短縮化の観点から、スリップとして検出されないウェーハ内部の歪みの簡便な評価方法が求められている。

本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたものであり、デバイス形成に適したウェーハ開発の迅速化を図るために、スリップ発生にまでは至らないウェーハ内部の歪みを短時間で簡便に評価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を目的とするものである。

本発明に係るシリコンウェーハの評価方法は、シリコンウェーハのＳＩＲＤ装置で測定されたデポラリゼーション値について、短周期成分をスムージング処理により除き、得られた長周期成分の分散値を用いて、該シリコンウェーハに外部から加えられた応力及び熱応力によるウェーハの内部歪みを評価し、前記評価に基づいて、シリコンウェーハ表面に形成されるパターン位置のズレ量を予測することを特徴とする。
ＳＩＲＤ装置を用いたこのような評価方法によれば、スリップ発生にまでは至らないウェーハ内部の歪みを短時間で簡便に評価することができ、パターン形成位置のズレの予測評価を的確に効率的に行うことが可能となる。

上記評価方法においては、前記スムージング処理に使用されるデータ周期を５〜２０ｍｍとすることが好ましい。
このようなスムージング処理を行うことにより、パターン形成位置のズレをより効率的に予測評価することができる。

本発明に係るシリコンウェーハの評価方法によれば、ＳＩＲＤ装置で測定されたデポラリゼーション値を用いることにより、スリップ発生にまでは至らないウェーハ内部の歪みを短時間で簡便に評価することができ、デバイス試作を行うことなく、パターン形成位置のズレの予測評価を的確に効率的に行うことが可能となる。
したがって、本発明に係る評価方法は、微小な応力によるウェーハ変形を把握することができるため、デバイス形成に適したウェーハ開発の迅速化に貢献し得る。

シリコンウェーハについてＳＩＲＤ装置で測定したデポラリゼーション値データの一例である。 図１に示したデポラリゼーション値をアベレージング処理した後の短周期成分のみとしたデータである。 図１に示したデポラリゼーション値をスムージング処理した後の長周期成分のみとしたデータである。 実施例においてＳＩＲＤ装置で測定したデポラリゼーション値の面内マップである。 図４に示したデポラリゼーション値のスムージング処理後の長周期成分のみを示した面内マップである。 実施例におけるパターン位置合わせ評価によるズレ量を示した面内マップである。 実施例におけるデポラリゼーション値の長周期成分のデータの分散値と測定したパターン位置合わせズレ量（３σ）との関係を示したグラフである。 図４に示したデポラリゼーション値のアベレージング処理後の短周期成分のみを示した面内マップである。

以下、本発明について、より詳細に説明する。
本発明に係るシリコンウェーハの評価方法は、ＳＩＲＤ装置を用いてウェーハの内部歪みを評価するものである。具体的には、ＳＩＲＤ装置で測定されたデポラリゼーション値について、短周期成分をスムージング処理により除き、得られた長周期成分の分散値を用いて、該シリコンウェーハに外部から加えられた応力及び熱応力によるウェーハの内部歪みを評価する。
このような方法によれば、スリップ発生にまでは至らないウェーハ内部の歪みを短時間で簡便に評価することができる。

ＳＩＲＤ装置による検査は、応力を受けた試料に赤外光を照射し、光弾性効果により生じた複屈折エリアを通過する際の偏光状態変化を計測することにより、歪みを解析することができる検査方法である。
通常、ＳＩＲＤ装置で測定されたデポラリゼーション値は、長周期成分と短周期成分の歪みが混ざり合ったものである。図１に、シリコンウェーハについてＳＩＲＤ装置で測定したデポラリゼーション値データの一例を示す。

長周期成分は、主に結晶構造によるものであり、すべり面に起因する応力分布を示す。デポラリゼーション画像において、十字の４回対称像として現れ、トラックデータ（ｒ−θ軸で測定；半径ｒ位置でのθ１周分）はｃｏｓ波として検出される。
一方、短周期成分は、局所歪みであり、スリップ発生との相関がある。そのため、従来は、デポラリゼーション値から短周期成分のみを顕在化させるためのフローティングアベレージング処理を行い、長周期成分を平滑化させて除去していた。図２に、図１に示したデポラリゼーション値をアベレージング処理した後の短周期成分のデータを示す。
その後、ウェーハ面内をグリッド幅（例えば、ｘ＝１ｍｍ、ｙ＝１ｍｍ）で区切り、区画内で短周期成分が閾値（例えば、±４０）を超えたとき、その区画をバッドセルとして、マップ上にマークを付け、そのバッドセルの割合をウェーハ全体に対する面積比で表し、歪み面積率として数値化することが行われていた。
これに対して、本発明は、スリップ測定においては通常除去される長周期成分を用いて歪みを評価することにより、シリコンウェーハ表面に形成されるパターン位置のズレ量との相関性を見出したことに基づいてなされたものである。

上述したとおり、デポラリゼーション値は、長周期成分（グローバル応力）と短周期成分（スリップ等の局所歪み）を合わせた値である。
本発明においては、このデポラリゼーション値をスムージング処理して短周期成分を除き、長周期成分のみとする。図３に、図１に示したデポラリゼーション値のスムージング処理後のデータを示す。

このときのスムージングデータ周期は５〜２０ｍｍとすることが好ましい。この長さは、測定されるウェーハ最外周のトラック長（円周の長さ）の約０．５〜２．５％に相当し、好ましくは、１％程度である。
前記スムージングデータ周期を５ｍｍ未満とした場合は、解析データ（長周期成分）に短周期成分が残り、一方、２０ｍｍ超とした場合、データが平滑になりすぎて評価が困難となりやすい。

そして、長周期成分の振幅を歪みの大きさと仮定して、デポラリゼーション値の長周期成分のデータから、バラツキの指標となる分散値を求める。
このとき、バラツキの指標を（最大値−最小値）とすると、透過光量測定時のゴミ等によるノイズの影響を受けやすいため好ましくなく、内部歪みを精度よく評価するためには、分散値を用いることが好ましい。

この分散値は、リソグラフィ工程におけるパターン形成時の合わせ位置のズレ量と相関性があることから、上記のようなＳＩＲＤ装置で測定されたデポラリゼーション値の長周期成分による内部歪みの評価を利用して、シリコンウェーハ表面に形成されるパターン位置のズレ量を見積もることができる。
したがって、シリコンウェーハの新製品開発段階において、実際にパターン形成を行って合わせ位置のズレを評価しなくても、デバイスを模擬した熱処理を行い、様々な酸素濃度や酸素析出物のサイズ及び密度とした状態でウェーハに応力を加えることにより、その応力によるウェーハの変形の程度、パターン形成位置のズレ量の評価をＳＩＲＤ装置によって簡便に行うことができる。
このように、本発明に係る評価方法によれば、パターン形成位置のズレ評価を短時間で的確に行うことが可能となるため、シリコンウェーハ開発の短期化を図ることが可能となる。

なお、本発明における評価対象であるシリコンウェーハは、特に限定されるものではない。例えば、チョクラルスキー（ＣＺ）法、フローティングゾーン（ＦＺ）法等により得られたシリコン単結晶をスライスした後、少なくとも半導体デバイスが形成される表面を鏡面加工したシリコンウェーハが適用され、エピタキシャルウェーハ、ＳＯＩウェーハ等のいずれであってもよい。

以下、本発明を実施例に基づき、さらに具体的に説明するが、本発明は下記の実施例により制限されるものではない。
チョクラルスキー法により育成したシリコン単結晶からスライスされ、両面が鏡面研磨された、直径３００ｍｍ、酸素濃度１．２５×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³、窒素濃度５×１０¹⁴ａｔｏｍｓ／ｃｍ³のシリコンウェーハに、アルゴン雰囲気下、１２００℃で１時間熱処理した。
各ウェーハに、酸化膜及び電極パターンを形成し、急速熱処理（ＲＴＡ処理；Rapidthermal annealing）により熱応力を加えた。熱応力は、ＲＴＡ処理時に最外周温度計のオフセット値を変更し、中心部と外周部で温度勾配をつけることにより、応力の程度を変化させた。

ＲＴＡ処理後、レジストによりパターン形成を行い、パターン位置合わせ評価として、ウェーハの変形量をズレ量として測定した。
その後、レジストを除去し、酸化膜及び電極パターンをフッ化水素溶液によって除去し、ＳＩＲＤ装置による測定を行った。

図４に、ＳＩＲＤ装置で測定されたデポラリゼーション値の面内マップを、図５に、前記デポラリゼーション値をスムージング処理した後の長周期成分のみの面内マップを、図６に、測定したパターン位置合わせズレ量についての面内マップを示す。
また、図７に、前記デポラリゼーション値のスムージング処理後の長周期成分のデータ（図５）の分散値と測定したパターン位置合わせズレ量（図６）との関係をグラフにして示す。図７におけるズレ量は、ウェーハ面内の３８箇所で測定したズレ量の標準偏差σに対する３σで表した。なお、パターニングにおける露光精度は１０ｎｍであり、グラフの左側２点のデータは、ＲＴＡ処理を施していない場合のものである。

比較として、図８に、前記デポラリゼーション値について従来法によるアベレージング処理した後の短周期成分（スリップ歪み）のみの面内マップを示す。

図８に示した短周期成分の面内マップにおいては、外周の左部分にＲＴＡ処理によって発生したスリップが観察され、また、下部分にパターン剥離時の汚れが見られた。このように、パターン剥離後の試料は、表面の汚れやゴミによるノイズ成分が多く、これらの局所的ノイズは、短周期成分の解析では影響が大きいことが認められた。
したがって、短周期成分を含む評価では誤検知するおそれが高いが、本発明のような長周期成分のみの評価ではこのような影響は受けにくく、的確な評価が可能であると言える。

Claims (1)

1. シリコンウェーハのＳＩＲＤ装置で測定されたデポラリゼーション値について、短周期成分をスムージング処理により除き、得られた長周期成分の分散値を用いて、該シリコンウェーハに外部から加えられた応力及び熱応力によるウェーハの内部歪みを評価し、前記評価に基づいて、シリコンウェーハ表面に形成されるパターン位置のズレ量を予測することを特徴とするシリコンウェーハの評価方法。