JP6485393B2

JP6485393B2 - シリコンウェーハの評価方法及びシリコンウェーハの製造方法

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Publication number: JP6485393B2
Application number: JP2016051506A
Authority: JP
Inventors: 康水澤
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2016-03-15
Filing date: 2016-03-15
Publication date: 2019-03-20
Anticipated expiration: 2036-03-15
Also published as: JP2017168584A

Description

本発明は、シリコンウェーハの評価方法及びシリコンウェーハの製造方法に関する。

半導体集積回路を作製するための基板として、主にＣＺ（Ｃｚｏｃｈｒａ１ｓｋｉ）法によって作製されたシリコンウェーハが用いられている。近年の最先端メモリー素子では、大容量化とビットコスト低減のためにシリコンウェーハ上に多層膜を積層する３次元構造のＮＡＮＤフラッシュメモリーが使用されている。このプロセスでは、基板上に多層膜を積層させるために、積層プロセス時にウェーハが反ることが問題となっている。

一方、薄膜成膜時のウェーハのワープは、シリコンと薄膜の線膨張係数の差に起因している。具体的に、ウェーハのワープ値がどの程度になるのかは、ストーニの式（非特許文献１）により計算することができる。その際に重要な物性値の一つに基板であるシリコンウェーハのヤング率が挙げられ、ヤング率が高い基板はワープが小さく、ヤング率が低い基板はワープが大きくなるため、ヤング率が高いシリコンウェーハの条件を見出す評価方法が非常に重要となっている。

このヤング率の測定方法は多数存在する。具体的には、「機械試験」、「共振法」、「超音波パルス法」、「インデンテーション法」等が挙げられる。「機械試験」には、引張、曲げ、ねじり試験があり、それぞれ既定の形状にサンプルを加工して試験を行う。例えば、引張試験であれば、試験片の両側を保持した状態から応力を負荷していき、得られた応力−歪線図からヤング率を求める。「共振法」は試験片を強制的に振動させ、共振周波数を測定し、この共振周波数からヤング率を求める。「超音波パルス法」は、サンプルに超音波パルスを入射させ、縦波及び横波の音速から、ヤング率を評価する方法である。「インデンテーション法」は三角錐型の圧子をサンプル表面に押し付け、応力歪線図を測定し、その結果からヤング率を求める方法である。例えば、特許文献１には、絶縁膜のヤング率をナノインデンテーション法により測定することが開示されている。

特開２０１３−２５８３０２号公報

Ｐｒｏｃ．Ｒｏｙ．Ｓｏｃ．（Ｌｏｎｄｏｎ）．，Ａ８２，（１９０９）１７２．

しかしながら、上述した「機械試験」、「共振法」、「超音波パルス法」はウェーハ形状での測定は難しい。一方、「インデンテーション法」はウェーハ形状での測定は可能だが、ウェーハ全面平均のヤング率を測定する場合にはマッピング測定を行う必要があり、評価時間がかかるという問題があった。さらに、ヤング率に面内分布が存在した場合、成膜後のワープを予測することは極めて困難であるという問題もあった。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、様々な条件を有するシリコンウェーハのヤング率をウェーハ形状のままで精度よく見積もることができるシリコンウェーハの評価方法、及びこの評価方法を用いたシリコンウェーハの製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、シリコンウェーハのヤング率を見積もるシリコンウェーハの評価方法であって、同一の条件を有するシリコンウェーハを複数準備する工程と、前記複数のシリコンウェーハの初期ワープ値を測定する工程と、前記複数のシリコンウェーハ表面にそれぞれ異なる膜厚で成膜を行う工程と、前記成膜により形成された膜の厚さを測定する工程と、前記成膜を行った複数のシリコンウェーハの成膜後ワープ値を測定する工程と、前記複数のシリコンウェーハの、前記成膜により形成された膜の厚さと、前記成膜後ワープ値と前記初期ワープ値の差との関係に基づいて、前記条件を有するシリコンウェーハのヤング率を見積もる工程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を提供する。

このように、複数の同一条件を有するシリコンウェーハの、成膜により形成された膜の厚さと、成膜後ワープ値と初期ワープ値の差との関係に基づいて、この条件を有するシリコンウェーハのヤング率を見積もっているので、様々な条件を有するシリコンウェーハのヤング率をウェーハ形状のままで精度よく見積もることができる。

このとき、前記条件を有するシリコンウェーハのヤング率を見積もる工程において、前記成膜後ワープ値と前記初期ワープ値の差を縦軸に、前記成膜により形成された膜の厚さを横軸にプロットしたときの傾きＳｌｏｐｅを用いて、前記シリコンウェーハのヤング率を下記式（１）により見積もることができる。

（ここで、
α_ｓ：シリコンウェーハの線膨張係数［／℃］
α_ｆ：膜の線膨張係数［／℃］
ΔＴ：成膜温度と測定温度の差［℃］
Ｅ_ｓ：シリコンウェーハのヤング率
Ｅ_ｆ：膜のヤング率
ｄ_ｓ：シリコンウェーハの厚さ［ｍｍ］
ｒ：シリコンウェーハの半径［ｍｍ］
である。）

シリコンウェーハのヤング率を見積もる工程において、このような式（１）を好適に用いることができる。

また、本発明は、デバイス製造工程でシリコンウェーハ表面に成膜を行ったときのシリコンウェーハのワープ値を予測し、成膜後に所望のワープ値が得られることが予測されるシリコンウェーハを選別して該選別したシリコンウェーハに成膜を行うシリコンウェーハの製造方法であって、互いに異なる条件を有する複数のシリコンウェーハのそれぞれのヤング率を、上記のシリコンウェーハの評価方法を用いて見積もる工程と、前記見積もったヤング率から、前記互いに異なる条件を有する複数のシリコンウェーハの、前記デバイス製造工程での成膜条件における成膜後のワープ値を予測し、前記ヤング率と前記デバイス製造工程における成膜後のワープ値との関係を予め求める工程と、前記ヤング率と成膜後のワープ値との関係に基づいて、成膜後のワープ値の予測値が所望の範囲内となるシリコンウェーハを選別して前記デバイス製造工程に投入し、前記成膜条件で成膜を行う工程とを有することを特徴とするシリコンウェーハの製造方法を提供する。

このようなシリコンウェーハの製造方法は、様々な条件を有するシリコンウェーハの成膜後のワープ値を精度よく予測できるので、成膜後に所望のワープ値が得られることが予測される条件を有するシリコンウェーハを精度よく選別でき、該選別したシリコンウェーハに成膜を行うことができる。このため、成膜起因のワープ不良による歩留まり低下を低減することができる。

本発明のシリコンウェーハの評価方法は、複数の同一条件を有するシリコンウェーハの、成膜により形成された膜の厚さと、成膜後ワープ値と初期ワープ値の差との関係に基づいて、この条件を有するシリコンウェーハのヤング率を見積もっているので、様々な条件を有するシリコンウェーハのヤング率をウェーハ形状のままで精度よく見積もることができる。また、本発明のシリコンウェーハの製造方法であれば、様々な条件を有するシリコンウェーハの成膜後のワープ値を精度よく予測できるので、成膜後に所望のワープ値が得られることが予測される条件を有するシリコンウェーハを精度よく選別でき、該選別したシリコンウェーハに成膜を行うことができる。このため、成膜起因のワープ不良による歩留まり低下を低減することができる。

本発明のシリコンウェーハの評価方法の評価フローを示す図である。本発明のシリコンウェーハの製造方法の製造フローを示す図である。成膜後ワープ値と初期ワープ値の差（ΔＷａｒｐ）と、成膜により形成された膜の厚さの関係の一例を示す図である。本発明のシリコンウェーハの評価方法の再現精度を示す図である。シリコンウェーハの厚さが異なる場合の本発明のシリコンウェーハの評価方法の再現精度を示す図である。様々な条件を有するシリコンウェーハで見積もられたヤング率を示す図である。実施例における、見積もられたヤング率と、デバイス製造工程における成膜後のワープ値の予測値との関係を示す図である。

以下、本発明について、実施態様の一例として、図を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

前述したように、ヤング率が高いシリコンウェーハの条件を見出す評価方法が非常に重要となっているが従来のヤング率の測定方法には前述のような問題があった。

そこで、本発明者は、様々な条件を有するシリコンウェーハのヤング率をウェーハ形状のままで精度よく見積もることができるシリコンウェーハの評価方法について鋭意検討を重ねた。その結果、複数の同一条件を有するシリコンウェーハの、成膜により形成された膜の厚さと、成膜後ワープ値と初期ワープ値の差との関係に基づいて、この条件を有するシリコンウェーハのヤング率を見積もることで、様々な条件を有するシリコンウェーハのヤング率をウェーハ形状のままで精度よく見積もることができることを見出し、本発明を完成させた。

以下、図１、３を参照しながら、本発明のシリコンウェーハの評価方法の実施態様の一例を説明する。

まず、同一の条件（条件Ａ）を有するシリコンウェーハを複数準備する（図１のＳ１１）。

ここで、同一の条件を有する複数のシリコンウェーハとは、例えば、同一単結晶インゴットで同じ加工条件で作製された複数のシリコンウェーハである。このような複数のシリコンウェーハは、種々の条件（表面オフ角、ウェーハの抵抗率、不純物濃度（酸素濃度や窒素濃度）、ＢＭＤ（酸素析出欠陥）密度、表面粗さ、裏面粗さ、ウェーハ厚さ、またはそれらが面内に分布がある場合等）が同じである。また、準備するシリコンウェーハは３枚以上であることが好ましい。

次に、上記で準備した複数のシリコンウェーハの初期ワープ値を測定する（図１のＳ１２）。このワープ値の測定は、ウェーハ平面度測定装置等を用いて簡単に測定することができる。

次に、複数のシリコンウェーハ表面にそれぞれ異なる膜厚で成膜を行う（図１のＳ１３）。具体的には、成膜は、例えば、熱酸化によりシリコンウェーハ表面にシリコン酸化膜を形成することで行うことができる。

次に、成膜により形成された膜の厚さを測定する（図１のＳ１４）。

次に、成膜を行った複数のシリコンウェーハの成膜後ワープ値を測定する（図１のＳ１５）。

ここで、成膜を熱酸化により行った場合には、シリコンウェーハの裏面にもシリコン酸化膜が形成されるので、シリコンウェーハの裏面のシリコン酸化膜を除去してシリコンウェーハの表面だけに酸化膜を形成した状態にした後に、成膜後ワープ値を測定する。この場合、裏面のシリコン酸化膜を除去した後に、シリコンウェーハに反りが生じる。

次に、複数のシリコンウェーハの、成膜により形成された膜の厚さと、成膜後ワープ値と初期ワープ値の差との関係に基づいて、上記条件Ａを有するシリコンウェーハのヤング率を見積もる（図１のＳ１６）。

具体的には、図３に示すように、縦軸をΔＷａｒｐ（＝成膜後ワープ値−初期ワープ値）、横軸を成膜により形成されたシリコン酸化膜の厚さとしたときに、複数のシリコンウェーハの、酸化膜の厚さとΔＷａｒｐとの関係から、傾きＳｌｏｐｅを求め、この傾きから条件Ａを有するシリコンウェーハのヤング率を見積もる。図３には、同一条件を有する４枚のシリコンウェーハを用いた場合を示した。図３の場合、酸化膜厚ｄ_ＯＸ［ｎｍ］とΔＷａｒｐ［μｍ］との間には、ΔＷａｒｐ［μｍ］＝０．０７８６ｄ_ＯＸ［ｎｍ］という関係があることがわかった。ｄ_ＯＸとΔＷａｒｐの長さの単位を揃えると、図３の場合Ｓｌｏｐｅ＝７８．６である。

このようにして見積もられたシリコンウェーハのヤング率は、シリコンウェーハが有する種々の条件を加味した値が得られる。ここで、種々の条件とは、表面オフ角、ウェーハの抵抗率、不純物濃度(酸素濃度や窒素濃度)、ＢＭＤ（酸素析出欠陥）密度、表面粗さ、裏面粗さ、ウェーハ厚さ、またはそれらが面内に分布がある場合である。また、酸素濃度やＢＭＤ密度等が深さ方向に分布がある場合でも、本発明の方法では、シリコンウェーハのウェーハ形状でのヤング率を評価することができる。

図１のＳ１６において、ΔＷａｒｐを縦軸に、成膜により形成された膜の厚さを横軸にプロットしたときの傾きＳｌｏｐｅを用いて、シリコンウェーハのヤング率を下記式（１）により見積もることができる。

ここで、上記の式（１）は、理論的には、ストーニの式を基にして以下のようにして導き出すことができる。

反りに起因するシリコンウェーハ表面の曲率半径ａは、下記式（２）によって表される。

（ここで、ｄ_ｆは、シリコンウェーハ上の膜の厚さ［ｍｍ］である。その他の記号は上記の通りである。）
成膜前後のワープ値の差ΔＷａｒｐは、上記曲率半径ａを用いて下記（３）式によって表すことができる。

成膜前後のワープ値の差ΔＷａｒｐは、式（２）、式（３）を用いて、下記式（４）式のように表すことができる。

ここで、ΔＷａｒｐのｄ_ｆに関する微分係数を求めることによって、上記の傾きＳｌｏｐｅを求めれば、傾きＳｌｏｐｅは下記式（５）のように表すことができる。

この式（５）から、上記の式（１）を導き出すことができる。

次に、本発明のシリコンウェーハの評価方法によって見積もられるヤング率に関する定量性及び繰り返し精度を示す。

（実験例１）
同一単結晶インゴットから同じ加工条件で作製されたシリコンウェーハ（直径：２００ｍｍ、厚さ：７２０〜７２１μｍ、抵抗率９．５〜１０．７Ω・ｃｍ）を４枚ずつ９組用意し、初期ワープ値を測定した。その後、それぞれの組のシリコンウェーハを１０００℃の酸素雰囲気で時間を振って熱処理を行った(時間：２〜８時間)。その結果、それぞれの組のシリコンウェーハの両面にそれぞれ異なる厚さのシリコン酸化膜が形成された。その後、それぞれのシリコンウェーハのシリコン酸化膜厚を測定した。次に、シリコンウェーハの表面にレジストを塗布した状態で、フッ酸に浸漬し、シリコンウェーハの裏面のシリコン酸化膜を除去した。その結果、シリコンウェーハは凹状に反るので、その状態でのワープ値を測定した。得られたワープ値（成膜後ワープ値）と成膜前のワープ値（初期ワープ値）の差（ΔＷａｒｐ）と酸化膜厚の関係から、上記式（１）を用いて、それぞれの組のシリコンウェーハのヤング率を見積もった。その際に使用した他の物性値は、以下の通りである。
シリコン酸化膜のヤング率：５５ＧＰａ
シリコン酸化膜の線膨張係数：０．４８×１０^−６℃^−１
シリコンの線膨張係数：４．２×１０^−６℃^−１
その結果を図４に示す。

図４からわかるように、見積もられたヤング率は最大で１５３ＧＰａ、最小で１５０ＧＰａとなり、±１．５ＧＰａ程度の精度であり、高精度でヤング率が見積もられている。

（実験例２）
同一単結晶インゴットから同じ加工条件で作製されたシリコンウェーハ（厚さ：７２０μｍ）を研磨することによって、厚さを変えた４枚ずつ５組のシリコンウェーハのヤング率を実験例１の評価フローで見積もった。その結果を図５に示す。

図５からわかるように、見積もられたヤング率は厚さにより大きくは変化しないことから、本発明のシリコンウェーハの評価方法の正確性が示された。

次に、図２を参照しながら、本発明のシリコンウェーハの製造方法の実施態様の一例を説明する。

まず、互いに異なる条件を有する複数のシリコンウェーハのそれぞれのヤング率を見積もる（図２のＳ２１）。

具体的には、図１のＳ１１〜Ｓ１６に示される評価フローに従って、ヤング率を見積もる。

次に、Ｓ２１において見積もったヤング率から、互いに異なる条件を有する複数のシリコンウェーハの、デバイス製造工程での成膜条件における成膜後のワープ値を予測し、ヤング率とデバイス製造工程における成膜後のワープ値との関係を予め求める（図２のＳ２２）。

次に、Ｓ２２において求めたヤング率と成膜後のワープ値との関係に基づいて、成膜後のワープ値の予測値が所望の範囲内となるシリコンウェーハを選別してデバイス製造工程に投入し、上記の成膜条件で成膜を行う（図２のＳ２３）。

上記のようなシリコンウェーハの製造方法であれば、様々な条件を有するシリコンウェーハの成膜後のワープ値を精度よく予測できるので、成膜後に所望のワープ値が得られることが予測される条件を有するシリコンウェーハを精度よく選別でき、該選別したシリコンウェーハに成膜を行うことができる。このため、成膜起因のワープ不良による歩留まり低下を低減することができる。

以下、実施例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

（実施例）
種々の条件（酸素濃度、ＢＭＤ密度、表面オフ角、等）が異なるシリコンウェーハを４枚ずつ３５水準用意し、実験例１の評価フローで、それぞれの水準のシリコンウェーハのヤング率を見積もった。その結果を図６に示す。

図６から、各水準の見積もられたヤング率には有意差があることがわかった。

次に、上記で見積もられたヤング率を有するシリコンウェーハのそれぞれに３Ｄメモリーデバイスで使用される厚さ２５ｎｍのＳｉＮ膜及びＳｉＯ_２膜のペアを３０層（すなわち、ＳｉＮ膜とＳｉＯ_２膜の層数の合計が３０層）積層させた場合の成膜後のワープ値を計算した。ここで、成膜温度はＳｉＮ膜が７００℃、ＳｉＯ_２膜は２００℃とした。その結果を、図７に示す。なお、成膜後のワープ値は、下記（６）式で表される曲率ｋから、ΔＷａｒｐ＝［（２ｒ）^２／８］×ｋ（ｒ：シリコンウェーハの半径）により計算することができる。

ここで、Ｍ_ｓは（７）式で表され、Δｆ_ｉは（８）式で表され、Ｍ_ｆ，ｉは（９）式で表され、
Ｅ_ｓ：見積もられたシリコンウェーハのヤング率［ＧＰａ］
ｖ_ｓ：シリコンウェーハのポアソン比（理論値）
ｈ_ｓ：シリコンウェーハの厚さ［ｍｍ］
α_ｓ：シリコンウェーハの線膨張係数［／℃］
Ｎ_ｆ：膜の総数
ｉ：膜番号（１〜Ｎ_ｆ）
ｈ_ｆ，ｉ：ｉ層膜の厚さ［ｍｍ］
Ｅ_ｆ，ｉ：ｉ層膜のヤング率［ＧＰａ］
α_ｆ，ｉ：ｉ層膜の線膨張係数［／℃］
ｖ_ｆ，ｉ：ｉ層膜のポアソン比
ΔＴ_ｉ：ｉ層膜の成膜温度と測定温度の差［℃］
である。

この結果から、所望の成膜後のワープ値を得られるウェーハ条件を選ぶことができる。例えば、ＳｉＮ膜及びＳｉＯ_２膜の成膜後のワープ値を２５μｍ以下にしたい場合は、本発明のシリコンウェーハの評価方法で見積もられたヤング率が１４１ＧＰａ以上のシリコンウェーハを用いればよい（図７参照）。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

Claims

シリコンウェーハのヤング率を見積もるシリコンウェーハの評価方法であって、
同一の条件を有するシリコンウェーハを複数準備する工程と、
前記複数のシリコンウェーハの初期ワープ値を測定する工程と、
前記複数のシリコンウェーハ表面にそれぞれ異なる膜厚で成膜を行う工程と、
前記成膜により形成された膜の厚さを測定する工程と、
前記成膜を行った複数のシリコンウェーハの成膜後ワープ値を測定する工程と、
前記複数のシリコンウェーハの、前記成膜により形成された膜の厚さと、前記成膜後ワープ値と前記初期ワープ値の差との関係に基づいて、前記条件を有するシリコンウェーハのヤング率を見積もる工程と
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。
前記条件を有するシリコンウェーハのヤング率を見積もる工程において、前記成膜後ワープ値と前記初期ワープ値の差を縦軸に、前記成膜により形成された膜の厚さを横軸にプロットしたときの傾きＳｌｏｐｅを用いて、前記シリコンウェーハのヤング率を下記式（１）により見積も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。

（ここで、
α_ｓ：シリコンウェーハの線膨張係数［／℃］
α_ｆ：膜の線膨張係数［／℃］
ΔＴ：成膜温度と測定温度の差［℃］
Ｅ_ｓ：シリコンウェーハのヤング率
Ｅ_ｆ：膜のヤング率
ｄ_ｓ：シリコンウェーハの厚さ［ｍｍ］
ｒ：シリコンウェーハの半径［ｍｍ］
である。）
デバイス製造工程でシリコンウェーハ表面に成膜を行ったときのシリコンウェーハのワープ値を予測し、成膜後に所望のワープ値が得られることが予測されるシリコンウェーハを選別して該選別したシリコンウェーハに成膜を行うシリコンウェーハの製造方法であって、
互いに異なる条件を有する複数のシリコンウェーハのそれぞれのヤング率を、請求項１又は請求項２に記載のシリコンウェーハの評価方法を用いて見積もる工程と、
前記見積もったヤング率から、前記互いに異なる条件を有する複数のシリコンウェーハの、前記デバイス製造工程での成膜条件における成膜後のワープ値を予測し、前記ヤング率と前記デバイス製造工程における成膜後のワープ値との関係を予め求める工程と、
前記ヤング率と成膜後のワープ値との関係に基づいて、成膜後のワープ値の予測値が所望の範囲内となるシリコンウェーハを選別して前記デバイス製造工程に投入し、前記成膜条件で成膜を行う工程と
を有することを特徴とするシリコンウェーハの製造方法。