JP2004233279A

JP2004233279A - Evaluation method of semiconductor wafer and manufacturing method of semiconductor device

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Publication number: JP2004233279A
Application number: JP2003024672A
Authority: JP
Inventors: Katsuto Tanahashi; 克人棚橋; Hiroshi Kaneda; 寛金田
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2003-01-31
Filing date: 2003-01-31
Publication date: 2004-08-19
Anticipated expiration: 2023-01-31
Also published as: JP4247007B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for evaluating accurately a size defect below 0.02 μm on the extreme surface layer within 10 μm from the surface of a semiconductor wafer. <P>SOLUTION: This evaluation method of the semiconductor wafer includes a process for irradiating the semiconductor wafer with excitation light having the wavelength below 800 nm, a process for measuring the spectrum of photoluminescence light generated from the semiconductor wafer by irradiation of the excitation light, a process for extracting the intensity of band end luminescence from the spectrum of the photoluminescence light and thereby acquiring an intensity distribution of the band end luminescence in the semiconductor wafer, and a process for evaluating a defect on the semiconductor wafer surface layer from the intensity distribution of the band end luminescence. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハの評価方法に関し、特に、励起光の照射によるフォトルミネッセンス光を測定することによって半導体ウエハ表層の欠陥を評価する半導体ウエハの評価方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコンウエハなどの半導体ウエハに集積回路を形成する工程において、半導体集積回路の動作領域、すなわちウエハの表面近傍に存在する結晶欠陥は、半導体集積回路の正常動作を妨げる原因となる。
【０００３】
半導体集積回路の微細化にともない、デザインルールが変わるたびに、従来では影響がないと考えられていた微小な欠陥が、回路の正常動作を妨げる欠陥として顕在化してきた。たとえば、最近では０．３５μｍデザインルールが採用されたときに、それ以前のデザインルールでは問題にならなかった約０．１μｍサイズのボイド欠陥が顕在化した。ボイド欠陥とは、図１（ａ）に示すように、シリコン結晶成長中に形成された原子空孔の凝集体であり、その形態は、一辺が０．１μｍ程度の正八面体構造を有する。
【０００４】
ボイド欠陥の例に従うと、デザインルールの約１／３のサイズの欠陥が、半導体集積回路の動作に影響するという経験則が導き出せる。たとえば、０．１０μｍルールにおいては、０．０３μｍサイズ以上の欠陥を集積回路の動作領域から排除しなければならない。欠陥を排除するにはまず、極表層の０．０３μｍサイズの欠陥の存在を認識する必要がある。
【０００５】
シリコンウエハ表層の欠陥を検出する方法として、選択エッチング法や光散乱法が広く用いられている。選択エッチング法はサブミクロン以上のサイズの欠陥しか検出できないが、光散乱法では、０．０３μｍサイズ以上の散乱体（欠陥）を認識することが可能である。光散乱法において、０．０３μｍサイズ以上の欠陥が存在しない領域は、無欠陥領域あるいはＤＺ（ＤｅｎｕｄｅｄＺｏｎｅ）と呼ばれ、通常は、光散乱法によって決定したＤＺ幅が規定値以上であるウエハを合格として、半導体集積回路を作製するためのウエハとして採用する。
【０００６】
一方、０．３５μｍデザインルール以降、表層のボイド欠陥を排除するために、集積回路の形成に先立って、ウエハに熱処理を施して表面のボイド欠陥を消滅させたアニールドウエハが考案された。熱処理条件として、アルゴンや水素という非酸化性雰囲気下で、１０００℃以上の温度で１時間以上加熱するが、このような加熱処理中に、ボイド欠陥を消滅させる一方で、酸素析出物などの欠陥が新たに発生する。ウエハの深い位置での析出物はゲッタリングサイトとして必要であるが、ウエハ表面近傍に発生した酸素析出物や、残存するボイド欠陥は、半導体素子の動作にとって好ましくない。現状では、ウエハ表層近傍の析出物やボイド欠陥の検出に、もっぱら上述した光散乱法が用いられている。
【０００７】
このような背景において、さらに次世代の０．０７μｍルールでは、図１（ｂ）に示すように０．０２μｍサイズの欠陥が顕在化することが予測され、これまでの光散乱法による検出の限界が懸念される。汎用的に用いられ、最も検出感度が良いと言われている光散乱法を用いて認識できる散乱体（欠陥）の最小サイズは、上述したように０．０３μｍである。デザインルールの１／３サイズの欠陥が顕在化するという経緯に従うと、０．０７μｍデザインルールでは、０．０２〜０．０３μｍサイズの欠陥が集積回路の正常動作を妨げる原因となり得るが、０．０３μｍ近傍に検出限界を有する光散乱法では、このような極微小な欠陥を検出することができない。
【０００８】
同じく表面の欠陥を排除するために、従来から、表面から１０μｍまでの表層領域に低不純物濃度のエピタキシャル成長層を有するエピタキシャルウエハが使用されている。エピタキシャルウエハの表層評価方法として、ウエハの半導体材料のバンドギャップよりも大きいエネルギーの励起光を照射して、半導体層の表面近傍に電子正孔対を発生させ、その再結合により発光する特定波長の強度を検出してシリコン結晶のライフタイムを評価する方法が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００９】
また、半導体ウエハに所定の電界を印加した状態で、励起された少数キャリアを発生させることにより、エピタキシャル成長層の半導体層のライフタイムを測定する方法も提案されている（たとえば、特許文献２参照）。
【００１０】
出発材料としてのシリコンウエハのライフタイムは長いことが必須である。しかし、ウエハに格子欠陥や重金属不純物などによるトラップ準位があると、電子や正孔のキャリアはトラップを介して再結合してキャリア密度が減衰する。欠陥が多いと、キャリア密度が当初の１／ｅになる時間、すなわちライフタイムが短くなる。したがって、励起光を用いたライフタイム測定法では、シリコンウエハのライフタイムが所定値以上であるものを合格ウエハとして、半導体素子の作製工程に進む。
【００１１】
【特許文献１】
特開平８−１３９１４６号公報
【００１２】
【特許文献２】
特開平１０−２７０５１６号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した励起光を用いたエピタキシャルウエハのライフタイム評価方法では、エピタキシャル成長層に存在する欠陥の位置、大きさ、種類にかかわりなく、すべての欠陥や、重金属不純物の存在を再結合の原因として扱い、再結合ライフタイムだけを評価するので、ウエハ表面に形成される素子の動作に実際に影響をあたえる欠陥の有無を判断することはできない。
【００１４】
そこで、本発明は、半導体ウエハ、とくにアニールドウエハの表層に存在する０．０２μｍ以下の極微小欠陥を検出するのに好適な半導体ウエハの評価方法と、このような半導体ウエハ評価方法を利用した半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【００１５】
【発明を解決するための手段】
上述した目的を達成するために、本発明では、基本的に励起光の照射によるフォトルミネッセンス測定法を用い、特定波長の発光（バンド端発光）の強度分布から、欠陥の位置、欠陥分布密度、欠陥サイズなどを決定する。
【００１６】
また、半導体装置製造工程において、フォトルミネッセンス測定結果から得られた欠陥位置、欠陥密度に基づき、ウエハの合否を判断して半導体集積回路の作製工程に入る。
【００１７】
特に、シリコンウエハに、波長が８００ｎｍ以下のレーザ光、より好ましくは波長が５００ｎｍ以下のレーザ光を照射して、シリコンから得られるフォトルミネッセンス光を測定することにより、表面から１０μｍ以内の表層領域において、光散乱法では検出できない０．０２μｍサイズ以下の極微小欠陥を特定することが可能になる。
【００１８】
具体的には、本発明の第１の側面では、半導体ウエハの評価方法は以下の工程を含む。
（ａ）半導体ウエハに波長８００ｎｍ以下の励起光を照射して、半導体ウエハから生じるフォトルミネッセンス光のスペクトルを測定する工程、
（ｂ）フォトルミネッセンス光のスペクトルからバンド端発光の強度を抽出して、前記半導体ウエハにおけるバンド端発光の強度分布を取得する工程、および
（ｃ）ハンド端発光の強度分布から、前記半導体ウエハ表層における欠陥を評価する工程。
【００１９】
この評価方法によれば、バンド端発光の強度分布から、ウエハ表層の欠陥についてより具体的に判断することが可能になり、ウエハを正確に評価することができる。
【００２０】
好ましくは、バンド端発光の強度分布から、半導体ウエハ上の座標と発光強度との関係を３次元プロットする工程をさらに含む。これにより、半導体ウエハの欠陥を視覚的に即座に認識することができる。
【００２１】
半導体ウエハの評価方法はまた、ハンド端発光の強度分布から、正規分布に従う成分を除去する工程と、正規分布成分除去後の強度分布から、発光強度の低下部分を取り出す工程とをさらに含む。取り出した発光強度の低下部分を定量化、または拡大表示することにより、ウエハ欠陥についてより詳細な分析が可能になり、評価の精度が向上する。
【００２２】
欠陥の評価は、欠陥の位置、分布密度、欠陥サイズの少なくともひとつに基づいて行う。特に、発光強度の低下の度合いを定量化することによって、強度低下の原因となる欠陥の種類やサイズの特定が可能になり、より正確なウエハ評価が可能になる。
【００２３】
半導体ウエハは、アニール処理が施されたアニールドウエハである。あるいは、ウエハ表面にシリコンをエピタキシャル成長させたエピタキシャルウエハ、表面研磨ウエハ、ＣＺウエハなどでもよい。
【００２４】
本発明の第２の側面として、上述した評価方法を用いた半導体装置の製造方法を提供する。半導体装置の製造方法は、以下の工程を含む。
（ａ）半導体インゴットから複数の半導体ウエハを切り出して、ロットにする工程、
（ｂ）ロットから任意の半導体ウエハを取り出して評価用ウエハとする工程、
（ｃ）評価用ウエハに波長８００ｎｍ以下の励起光を照射して、この評価用ウエハから生じるフォトルミネッセンス光のスペクトルを測定する工程、
（ｄ）前記フォトルミネッセンス光のスペクトルからバンド端発光の強度を抽出して、前記評価用ウエハにおけるバンド端発光の強度分布を取得する工程、
（ｅ）ハンド端発光の強度分布に基づいて評価用ウエハの欠陥を評価する工程、
（ｆ）前記評価結果に基づいて、前記評価用ウエハの合否を判断する工程、および、
（ｇ）評価用ウエハが合格判断された場合に、前記ロットの半導体ウエハに半導体素子を形成する工程。
【００２５】
このような半導体装置の製造方法によれば、より正確なウエハ評価に基づいて柔軟性のある合否判断が可能になり、半導体装置の歩留まりが向上する。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について説明する。
【００２７】
図２は、本発明で採用するフォトルミネッセンス法の原理を説明するためのグラフである。バンドギャップよりも大きい光子エネルギーの光を励起源に用いて、半導体結晶に光を照射し吸収させると、非平衡の電子・正孔が生じる。生じた電子・正孔は、いくつかの準安定状態を経由し、さらに再結合することによって、初めの熱平衡状態にもどる。この過程で発光性再結合により放出された光がフォトルミネッセンス光である。
【００２８】
図２のグラフは、シリコンウエハ（結晶）の典型的なフォトルミネッセンススペクトルを示している。矢印で示した発光は、バンド端発光と呼ばれ、伝導帯の自由電子と価電子帯の自由正孔の再結合過程における発光である。結晶中に欠陥が存在すると、光照射によって生じた電子あるいは正孔は欠陥にトラップされ、バンド端発光の強度が低下する。換言すれば、バンド端発光強度の低下は、結晶中に欠陥が存在することを示している。
【００２９】
ところで、固体内への光の侵入長は照射光の波長に依存するので、フォトルミネッセンス評価において、励起光の波長を選択することにより、表面から深さ方向への情報を得ることが可能である。Ｇ．Ｅ．ＪｅｌｌｉｓｏｎＪｒ．らによれば（Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．５３（５）Ｍａｙ１９８２，ａｔ３７４５）、シリコン結晶への光の侵入長は、波長８００ｎｍにおいて約１０μｍである。波長が短くなるにつれて（すなわちエネルギーが高くなるにつれて）吸収が高まり、光の侵入長は短くなる。従って励起光の波長を８００ｎｍ以下に規定することにより、表面から１０μｍ以内の深さの欠陥状態に関する情報を得ることが可能である。特に、励起光の波長を５００ｎｍ以下に設定することにより、表面から３μｍ程度の欠陥の評価が可能になり、波長を紫外域の上限近傍に設定することにより、表面から１μｍよりも浅い極表層の評価が可能になる。
【００３０】
図３は、本発明の半導体ウエハ評価方法で用いるフォトルミネッセンス測定装置１０の概略構成図である。試料保持台１に測定対象である試料ウエハを装着する。レーザ２から発せられたレーザ光は、照射光学系３を通して、試料ウエハに照射される。試料から放射されたフォトルミネッセンス光は、集光光学系４にて集光され、分光器５で分光された後、検出される。
【００３１】
好ましくは、レーザ光を試料ウエハに対して相対的に走査して、各（ｘ，ｙ）位置でのフォトルミネッセンススペクトルを測定し、バンド端発光強度を抽出する。ウエハ上のバンド端発光強度は、図示しない記憶媒体に格納され、試料ウエハの欠陥評価に用いられる。欠陥評価の詳細については後述する。
【００３２】
本発明の実施形態では、図３のフォトルミネッセンス測定装置１０を用いて、エピタキシャルウエハと、アニールドウエハの双方について測定を行う。
【００３３】
エピタキシャルウエハの実験に用いた試料は、ＣＺ法により作製されたインゴットから得られるウエハ（以下、「ＣＺウエハ」と称する）に、厚さ５μｍのシリコン薄膜をエピタキシャル成長させたウエハである。エピタキシャルウエハは、ＣＺウエハやアニールドウエハに比べて、エピタキシャル層内（デバイス活性領域）の欠陥密度は低い。しかがって数多くあるシリコンウエハの中で、最も結晶性（表面完全性）の良いウエハと言われている。
【００３４】
一方、アニードウエハは、ＣＺウエハを不活性雰囲気中で高温アニールしたウエハである。アニールの目的は、結晶成長中に発生した表面のボイド欠陥を消滅させることにある。アニールドウエハは、光散乱法を用いる限りにおいては、表層から約１５μｍの領域には散乱体（欠陥）が存在しないことが確認されている。しかし、上述したように、光散乱法の検出下限は、０．０３μｍであり、０．０３μｍ以下の極微小欠陥の存在については、不明である。アニールによって消滅しきれないボイド欠陥や、新たな酸素析出物の存在の可能性は否定できず、次世代ルールではこれらの存在を測定することが重要な課題である。
【００３５】
図４は、エピタキシャルウエハとアニールドウエハの各々に、波長５１４．５ｎｍのレーザ光を照射したときのフォトルミネッセンスの測定結果であり、図５は、エピタキシャルウエハとアニールドウエハの各々に３６４ｎｍのレーザ光を照射したときのフォトルミネッセンスの測定結果である。一点鎖線はエピタキシャルウエハ（「エピウエハ」とも称する）のスペクトルを、実線はアニールドウエハのスペクトルを示す。光の侵入長は、５１４．５ｎｍの波長（図４）では表面から約１０μｍであり、３６４ｎｍの波長（図５）では、表面から約１０ｎｍである。
【００３６】
図４および図５において、フォトルミネッセンススペクトルの波長１１５０ｎｍ付近に見られる大きな発光（ピーク）がバンド端発光であり、励起光の照射によって生じた伝導帯の自由電子と価電子帯の自由正孔の再結合過程に生じる発光である。図４と図５のいずれの場合も、エピタキシャルウエハのバンド端発光強度に比べて、アニールドウエハのバンド端発光強度の低下が激しい。これは、アニールドウエハの表層には、もともと欠陥が少ないとされるエピタキシャルウエハには存在しない結晶欠陥が存在することを意味する。
【００３７】
フォトルミネッセンススペクトルから評価されるこのような結晶欠陥は、従来の光散乱法における評価では無欠陥領域とされる領域での欠陥である。このように、アニールドウエハのフォトルミネッセンススペクトルにおけるバンド端発光の低下を評価することによって、従来の光散乱法では検出できなかった欠陥の存在を認定することが可能になる。
【００３８】
図４のように、励起光の波長が５１４．５ｎｍのほうがアニールドウエハのバンド端発光強度の低下が著しいのは、表層から１０μｍよりも深い位置にある析出物や構造欠陥の影響を拾ってしまうからである。図５のように、波長３６４ｎｍの励起光を用いた場合は、より表層に近い領域のみでの欠陥の有無を判断することができる。
【００３９】
図６は、波長３６４ｎｍのレーザ光を用いて測定したアニールドウエハのバンド端発光強度の分布図である。図３のフォトルミネッセンス測定装置１０において、たとえば、レーザ光の照射位置を固定し、可動式の試料保持台１によって試料ウエハをＸ方向およびＹ方向に移動させることにより、ウエハ上の各（ｘ、ｙ）位置において、ウエハ表面から十数ｎｍ程度までの極表層領域で生じるフォトルミネッセンスのスペクトルを測定する。あるいは、試料ウエハを試料保持台１上に固定し、照射光学系３のたとえばデフレクタにより照射光をウエハ上に走査させることにより、各（ｘ、ｙ）位置でのフォトルミネッセンスのスペクトルを測定する。
【００４０】
各（ｘ、ｙ）位置で測定されたフォトルミネッセンススペクトルからバンド端発光強度（すなわち、フォトルミネッセンススペクトルのうち波長１１５０ｎｍにおける強度）を抽出し、バンド端発光強度の２次元分布を得る。抽出した（ｘ、ｙ）位置におけるバンド端発光強度のデータは、記憶媒体に格納しておく。さらに、このような２次元分布データから、バンド端発光強度の強度を垂直軸にとって３次元的にプロットしたグラフが図６の分布図である。図６のバンド端発光強度の分布図から、発光強度の低下位置とその密度、強度低下の度合いを視覚的に認識することができる。
【００４１】
たとえば、図６のグラフでは、矢印で示すように、バンド端発光強度が急峻に落ち込んでいる部位が存在する。発光強度の低下は欠陥のサイズと相関があり、プロット上の落ち込み（低下）の度合いが大きいほど、サイズの大きな欠陥が存在することがわかる。
【００４２】
図７は、バンド端発光強度の２次元分布をヒストグラムに表わしたものである。横軸は発光の強度、縦軸は発光強度に対応する測定点の数である。図７のヒスとグラムにおいて、強度８２０〜９６０にかけてのバンド端発光強度は、正規分布に従う。一方、破線のサークルＡで示すように、バンド端発光強度が８２０よりに低い領域において、正規分布に従わない成分が存在する。このような成分が、ウエハ欠陥に起因する発光強度の落ち込みに対応する。すなわち、欠陥位置では電子とホールがトラップされて再結合するため、バンド端発光強度が弱くなるため、正規分布に従わない成分が発生する。このような正規分布からはずれた強度の低下成分を、ウエハの構造欠陥と関連付けて評価することができる。
【００４３】
図８は、図６のプロット結果から、正規分布に従う成分を取り除いたものである。実線のサークルで示すように、発光強度の落ち込みの位置、密度、程度がより明確になり、ウエハ上での欠陥の（ｘ、ｙ）位置、欠陥密度を計算することが可能になる。さらに、図中、実線のサークルＢで示す発光強度の落ち込み（低下）部分だけを抽出し、拡大表示することによって、バンド端発光強度の低下を詳細に観察することができる。また、発酵強度の低下の度合いを定量化することによって、欠陥の種類やサイズを特定することができる。
【００４４】
一例として、正規分布に従う成分を除去した状態を基準点として、発光強度の低下が６０である場合は、サイズが０．０２μｍ程度の欠陥と認定することができ、発光強度の低下が１２０である場合は、サイズが０．０５μｍ程度の欠陥であると認定できる。
【００４５】
図９は、本発明の実施形態に係る半導体ウエハの欠陥評価方法のフローチャートである。ステップＳ１０１で、波長８００ｎｍ以下の励起光、好ましくは５００ｎｍ以下の励起光を、評価対象である半導体ウエハ上に照射する。このような波長を選択することにより、ウエハ表面から１０μｍ以内の極表層領域の情報を反映したフォトルミネッセンス光を集めることができるからである。
【００４６】
次に、ステップＳ１０３で、半導体ウエハの各点において、フォトルミネッセンス光のスペクトルを測定する。好ましくは、半導体ウエハ上の各（ｘ、ｙ）位置においてフォトルミネッセンススペクトルを測定する。フォトルミネッセンススペクトルは、１７００ｎｍ以下の範囲で測定すれば足りる。シリコンウエハの場合、電子とホールの再結合によるバンド端発光は１１５０ｎｍ近傍で起こるからである。
【００４７】
次に、ステップＳ１０５で、各（ｘ、ｙ）位置におけるフォトルミネッセンススペクトルから、バンド端発光強度を抽出し、ハンド端発光強度の２次元分布を取得する。
【００４８】
評価対象の半導体ウエハの極表層領域での構造欠陥の有無、密度、欠陥サイズなどを大まかに認識する場合は、ステップＳ１０７に進み、ステップＳ１０５で得られたバンド端発光強度の２次元分布データから、ＸＹ座標に対して発光強度を垂直軸にとった３次元プロット（図６参照）を作成し、発光強度の低下を視覚的に観察する。３次元プロットから、構造欠陥の有無、そのおおよその位置、サイズ、密度を把握することができる。
【００４９】
半導体ウエハの構造欠陥についてのより正確な情報が必要な場合は、ステップＳ１０９に進み、ステップＳ１０５で得られたバンド端発光強度の２次元分布データから、正規分布に従う成分を除去し、発光強度が低下した成分だけを取り出す。上述したように、欠陥にトラップされて再結合したフォトルミネッセンス光のバンド端発光強度は、欠陥のない領域で再結合した光のバンド端発光強度に比べて低下が激しく、また、欠陥のサイズによって強度低下の度合いが異なる。したがって、強度低下成分だけを取り出すことによって、より詳細に欠陥を分析することができる。
【００５０】
ステップＳ１１１で、バンド端発光の強度低下成分の（ｘ、ｙ）位置を読み出し、欠陥密度を計算する。また、発光強度の低下が度合いを定量化して、その値に応じて欠陥のサイズ、種類を特定する。図示はしないが、ステップＳ１０９で強度低下成分を取り出す際に、強度低下位置と、そのバンド端発光の強度とを関連付けたマッピングデータを作成しておいてもよい。さらに、ステップＳ１１１で、位置読み出し、分布密度の計算、強度低下の定量化などに先立って、あるいはこれらの処理と同時に、強度低下部分を拡大表示してもよい。
【００５１】
このような評価方法により、半導体ウエハの表面から１０μｍ以内の極表層領域における０．０２μｍ以下の構造欠陥の有無だけではなく、そのような欠陥の位置、分布密度、サイズをも特定することができる。したがって、半導体ウエハの欠陥について、より正確で詳細に評価することができる。
【００５２】
たとえば、欠陥がウエハの周辺領域にある場合、あるいは、ウエハの内側にあっても発光強度の低下が比較的小さく（注入された不純物にトラップされた場合など）、ターゲットとするデザインルールでの集積回路の動作に影響しないと思われる場合は、このウエハを合格ウエハとすることができる。逆に、ウエハの内側に発光強度の低下が著しい部位が存在する場合や、低下部位の存在密度が高い場合は、このウエハを不合格とする。
【００５３】
このようなウエハ評価方法を用いて半導体装置を作成する場合は、半導体インゴットから切り出された複数の半導体ウエハをロットとして準備する。ロットから任意のウエハを抜き取って評価用ウエハとし、図３のフォトルミネッセンス測定装置に設置する。そして、図９のフローに示す手順で、レーザ光を照射し、ウエハ上の各（ｘ、ｙ）位置でフォトルミネッセンス光のスペクトルを測定し、バンド端発光の強度を抽出する。抽出したバンド端発光強度から、バンド端発光強度の２次元分布を取得し、２次元分布から欠陥のおおよその位置、密度、サイズを認識する。あるいは、バンド端発光強度の２次元分布から、正規分布に従う成分を除去し、欠陥の位置、密度、サイズを特定してウエハを詳細に評価する。
【００５４】
評価結果に基づいて評価用ウエハの合否を判断する。正規分布成分を除去するまでもなく、バンド端発光強度分布を３次元プロットしたグラフ（図６参照）から視覚的に合否判断できる場合は、その時点で合否判断することもできる。判断が微妙な場合は、バンド端発光強度分布から正規分布成分を除去し、強度低下部位を拡大し、定量的に分析するなどして、ウエハ欠陥の詳細な情報に基づいて合否判断する。合否判断の結果、評価用ウエハが合格であれば、このロットの半導体ウエハに半導体集積回路を形成する工程に進む。評価用ウエハが不合格であれば、その不合格の度合いに応じて、同じロットから別のウエハを抜き取って、再評価する、あるいはこのロット全体を不合格にする、など、より細やかな基準に従って、半導体装置の製造を進めることができる。
【００５５】
上述した評価方法は、ウエハ評価プログラムなどのソフトウエアによっても実現できる。この場合、ウエハ評価プログラムは、コンピュータに、ウエハ上の各位置におけるフォトルミネッセンス光のスペクトルから、バンド端発光の強度を抽出させて、バンド端発光の強度分布を作成させる。そして、バンド端の発光強度分布から、ウエハ上の２次元座標に対して、発光強度を垂直軸に取った３次元プロットを作成させる。あるいは、バンド端発光の強度分布から、正規分布に従う成分を除去させ、正規分布成分の除去後の強度分布から、バンド端発光の強度低下部分を取り出して定量化、または拡大表示させる。３次元プロットさせるか、定量化、拡大表示させるかは、オペレータの操作に応じて行ってもよいし、自動的に少なくとも一方を行わせる構成としてもよい。
【００５６】
フォトルミネッセンス光のスペクトルは、あらかじめ記憶媒体に格納したデータを読み出してもよいし、フォトルミネッセンス測定装置からの入力にしたがって、順次処理させる構成としてもよい。また、３次元プロット、強度低下部分の拡大表示、あるいは定量化させた値に基づき、オペレータが合否の判断を行ってもよいし、コンピュータに自動的に合否判断させる構成としてもよい。
【００５７】
以上述べた実施形態では、次世代ルールで広く使用されると思われるアニールドウエハの極表層の欠陥評価を例にとって説明したが、本発明の欠陥評価方法は、表面研磨（ポリッシュド）ウエハ、エピタキシャルウエハ、ＣＺウエハ等にも同様に適用できることは言うまでもない。
【００５８】
また実施形態では、０．０７μｍルールをターゲットとして、特に半導体素子の空乏層が形成される極表層領域での０．０２μｍ（２０ｎｍ）以下の構造欠陥を評価するために、３６４ｎｍの波長の励起光を用いたが、さらに浅い表面領域での極微小な欠陥を検出するために、波長が３００ｎｍ以下のエキシマレーザを用いて評価用ウエハを照射してもよい。
【００５９】
最後に、以上の説明に関して、以下の付記を開示する。
（付記１）半導体ウエハに波長８００ｎｍ以下の励起光を照射して、前記半導体ウエハから生じるフォトルミネッセンス光のスペクトルを測定する工程と、
前記フォトルミネッセンス光のスペクトルからバンド端発光の強度を抽出して、前記半導体ウエハにおけるバンド端発光の強度分布を取得する工程と、
前記ハンド端発光の強度分布から、前記半導体ウエハ表層における欠陥を評価する工程と
を含むことを特徴とする半導体ウエハの評価方法。
（付記２）前記バンド端発光の強度分布から、半導体ウエハ上の平面座標と発光強度との関係を３次元プロットする工程をさらに含むことを特徴とする付記１に記載の評価方法。
（付記３）前記ハンド端発光の強度分布から、正規分布に従う成分を除去する工程と、
正規分布成分除去後の強度分布から、発光強度の低下部分を取り出す工程と
をさらに含むことを特徴とする付記１に記載の半導体ウエハの評価方法。
（付記４）欠陥の評価は、欠陥の位置、分布密度、欠陥サイズの少なくともひとつに基づいて行うことを特徴とする付記１に記載の評価方法。
（付記５）前記半導体ウエハは、アニール処理を施したアニールドウエハであることを特徴とする付記１に記載の評価方法。
（付記６）前記励起光は、波長５００ｎｍ以下の励起光であることを特徴とする付記１に記載の評価方法。
（付記７）前記発光強度の低下部分を定量化、または拡大表示する工程をさらに含むことを特徴とする付記３に記載の評価方法。
（付記８）半導体インゴットから複数の半導体ウエハを切り出してロットにする工程と、
前記ロットから任意の半導体ウエハを取り出して評価用ウエハとする工程と、
前記評価用ウエハに波長８００ｎｍ以下の励起光を照射して、前記評価用ウエハの各点においてフォトルミネッセンス光のスペクトルを測定する工程と、
前記フォトルミネッセンス光のスペクトルからバンド端発光の強度を抽出して、前記評価用ウエハにおけるバンド端発光の強度分布を取得する工程と、
前記ハンド端発光の強度分布に基づいて、前記評価用ウエハの欠陥を評価する工程と、
前記評価結果に基づいて、前記評価用ウエハの合否を判断する工程と、
前記評価用ウエハが合格判断された場合に、前記ロットの半導体ウエハに半導体素子を形成する工程と
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法
（付記９）前記半導体ウエハとして、アニール処理が施されたアニールウエハを用いることを特徴とする付記８に記載の半導体装置の製造方法。
（付記１０）前記励起光として、波長５００ｎｍ以下の励起光を照射することを特徴とする付記８に記載の半導体装置の製造方法。
（付記１１）コンピュータに、
ウエハ上の各位置におけるフォトルミネッセンス光のスペクトルから、バンド端発光の強度を抽出させて、バンド端発光の強度分布を作成させ、
バンド端の発光強度分布から、正規分布に従う成分を除去させ、
正規分布成分の除去後の強度分布から、バンド端発光の強度低下部分を取り出して定量化、または拡大表示させる
命令列を含むことを特徴とするウエハ評価プログラム。
【００６０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、半導体ウエハ、特にアニールドウエハの極表層にある０，０２μｍ以下のサイズの構造欠陥の位置、分布密度、サイズなどを評価することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、デザインルールと問題となる欠陥サイズの関係を説明するための図である。
【図２】シリコンウエハの典型的なフォトルミネッセンススペクトルを示す図である。
【図３】本発明の実施形態で用いるフォトルミネッセンス測定装置の概略図である。
【図４】波長５１４．５ｎｍの励起光を照射したときのエピタキシャルウエハとアニールドウエハのフォトルミネッセンススペクトルを示す図である。
【図５】波長３６４ｎｍの励起光を照射したときのエピタキシャルウエハとアニールドウエハのフォトルミネッセンススペクトルを示す図である。
【図６】アニールドウエハのバンド端発光強度の分布を示す図である。
【図７】バンド端発光強度の分布をヒストグラムで表わした図である。
【図８】バンド端発光強度の分布から、正規分布に従う成分を除去した状態の分布図と、バンド端発光強度の低下部位の拡大図である。
【図９】本発明の実施形態に係るウエハの欠陥評価方法のフローチャートである。
【符号の説明】
１試料保持台
２レーザ
３照射光学系
４集光光学系
５分光器
６検出器
１０フォトルミネッセンス測定装置[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for evaluating a semiconductor wafer, and more particularly to a method for evaluating a semiconductor wafer in which a defect in a surface layer of a semiconductor wafer is evaluated by measuring photoluminescence light caused by irradiation with excitation light.
[0002]
[Prior art]
In a process of forming an integrated circuit on a semiconductor wafer such as a silicon wafer, a crystal defect existing in an operation region of the semiconductor integrated circuit, that is, in the vicinity of the surface of the wafer, hinders normal operation of the semiconductor integrated circuit.
[0003]
With the miniaturization of semiconductor integrated circuits, every time design rules are changed, minute defects that have been considered to have no effect in the past have become apparent as defects that hinder normal operation of the circuit. For example, recently, when a 0.35 μm design rule was adopted, a void defect having a size of about 0.1 μm, which was not a problem in the previous design rule, became apparent. As shown in FIG. 1A, a void defect is an aggregate of atomic vacancies formed during silicon crystal growth, and has a regular octahedral structure with a side of about 0.1 μm.
[0004]
According to the example of the void defect, it is possible to derive an empirical rule that a defect having a size about 1/3 of the design rule affects the operation of the semiconductor integrated circuit. For example, in the 0.10 μm rule, defects having a size of 0.03 μm or more must be excluded from the operation region of the integrated circuit. In order to eliminate defects, it is first necessary to recognize the presence of a 0.03 μm-sized defect in the extreme surface layer.
[0005]
As a method for detecting a defect on the surface layer of a silicon wafer, a selective etching method and a light scattering method are widely used. The selective etching method can detect only a defect having a size of submicron or more, but the light scattering method can recognize a scatterer (defect) having a size of 0.03 μm or more. In the light scattering method, a region where there is no defect having a size of 0.03 μm or more is called a defect-free region or a DZ (Deluded Zone). A pass is adopted as a wafer for manufacturing a semiconductor integrated circuit.
[0006]
On the other hand, after the 0.35 μm design rule, in order to eliminate void defects on the surface layer, prior to the formation of an integrated circuit, an annealed wafer was devised by subjecting the wafer to heat treatment to eliminate the void defects on the surface. As heat treatment conditions, heating is performed at a temperature of 1000 ° C. or more for 1 hour or more in a non-oxidizing atmosphere of argon or hydrogen. During such heat treatment, while void defects are eliminated, defects such as oxygen precipitates are caused. Is newly generated. Deposits at deep positions in the wafer are required as gettering sites, but oxygen precipitates generated near the wafer surface and remaining void defects are not preferable for operation of the semiconductor device. At present, the light scattering method described above is used exclusively for detecting precipitates and void defects near the wafer surface layer.
[0007]
Against this background, the 0.07 μm rule of the next generation is expected to reveal 0.02 μm-sized defects as shown in FIG. 1B, which limits the detection by the conventional light scattering method. Is concerned. The minimum size of a scatterer (defect) that can be recognized by using a light scattering method, which is generally used and is said to have the best detection sensitivity, is 0.03 μm as described above. According to the fact that 1/3 size defect of the design rule becomes obvious, in the 0.07 μm design rule, the 0.02 to 0.03 μm size defect may cause the normal operation of the integrated circuit. The light scattering method having a detection limit in the vicinity of 03 μm cannot detect such minute defects.
[0008]
Similarly, in order to eliminate a surface defect, an epitaxial wafer having a low impurity concentration epitaxial growth layer in a surface layer region up to 10 μm from the surface has been conventionally used. As a method for evaluating the surface layer of an epitaxial wafer, a specific wavelength that emits electron-hole pairs near the surface of the semiconductor layer by irradiating excitation light having an energy larger than the band gap of the semiconductor material of the wafer and emitting light by recombination thereof. There is known a method of detecting the intensity and evaluating the lifetime of a silicon crystal (for example, see Patent Document 1).
[0009]
Further, there has been proposed a method of measuring the lifetime of a semiconductor layer of an epitaxially grown layer by generating excited minority carriers while applying a predetermined electric field to a semiconductor wafer (for example, see Patent Document 2). .
[0010]
It is essential that the lifetime of a silicon wafer as a starting material be long. However, if the wafer has trap levels due to lattice defects or heavy metal impurities, the carriers of electrons and holes recombine via the traps and the carrier density is attenuated. When there are many defects, the time when the carrier density becomes 1 / e of the initial value, that is, the lifetime is shortened. Therefore, in the lifetime measurement method using the excitation light, a silicon wafer having a lifetime equal to or longer than a predetermined value is regarded as a passed wafer, and the process proceeds to a semiconductor element manufacturing process.
[0011]
[Patent Document 1]
JP-A-8-139146
[0012]
[Patent Document 2]
JP-A-10-270516
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described method for evaluating the lifetime of an epitaxial wafer using excitation light, regardless of the position, size, and type of defects present in the epitaxial growth layer, all defects and the presence of heavy metal impurities cause recombination. Since only the treatment and the recombination lifetime are evaluated, it is not possible to determine the presence or absence of a defect that actually affects the operation of the device formed on the wafer surface.
[0014]
Therefore, the present invention utilizes a semiconductor wafer, particularly a method for evaluating a semiconductor wafer suitable for detecting an extremely small defect of 0.02 μm or less present on the surface layer of an annealed wafer, and utilizing such a semiconductor wafer evaluation method. It is an object to provide a method for manufacturing a semiconductor device.
[0015]
[Means for Solving the Invention]
In order to achieve the above-mentioned object, the present invention basically uses a photoluminescence measurement method by irradiating excitation light, and detects a position of a defect, a defect distribution density, Determine the defect size and the like.
[0016]
In the semiconductor device manufacturing process, the pass / fail of the wafer is determined based on the defect position and the defect density obtained from the photoluminescence measurement result, and the semiconductor integrated circuit manufacturing process is started.
[0017]
In particular, by irradiating a silicon wafer with a laser beam having a wavelength of 800 nm or less, more preferably a laser beam having a wavelength of 500 nm or less, and measuring photoluminescence light obtained from silicon, a surface region within 10 μm from the surface is measured. In addition, it is possible to specify an extremely small defect of 0.02 μm or less which cannot be detected by the light scattering method.
[0018]
Specifically, in the first aspect of the present invention, the method for evaluating a semiconductor wafer includes the following steps.
(A) irradiating the semiconductor wafer with excitation light having a wavelength of 800 nm or less to measure the spectrum of photoluminescence light generated from the semiconductor wafer;
(B) extracting the intensity of the band edge emission from the spectrum of the photoluminescence light to obtain the intensity distribution of the band edge emission on the semiconductor wafer; and
(C) a step of evaluating a defect in the surface layer of the semiconductor wafer from the intensity distribution of light emission at the hand end.
[0019]
According to this evaluation method, it becomes possible to more specifically determine a defect on the surface layer of the wafer from the intensity distribution of the band edge emission, and the wafer can be accurately evaluated.
[0020]
Preferably, the method further includes a step of three-dimensionally plotting the relationship between the coordinates on the semiconductor wafer and the light emission intensity from the intensity distribution of the band edge light emission. Thereby, the defect of the semiconductor wafer can be visually and immediately recognized.
[0021]
The method for evaluating a semiconductor wafer further includes a step of removing a component that follows a normal distribution from the intensity distribution of hand-end emission, and a step of extracting a portion where the emission intensity decreases from the intensity distribution after the removal of the normal distribution component. By quantifying or magnifying and displaying the extracted portion where the emission intensity is reduced, a more detailed analysis of a wafer defect becomes possible, and the accuracy of evaluation is improved.
[0022]
The defect evaluation is performed based on at least one of the defect position, distribution density, and defect size. In particular, by quantifying the degree of decrease in the emission intensity, it is possible to specify the type and size of the defect that causes the decrease in the intensity, thereby enabling more accurate wafer evaluation.
[0023]
The semiconductor wafer is an annealed wafer that has been subjected to an annealing process. Alternatively, an epitaxial wafer in which silicon is epitaxially grown on the wafer surface, a surface polished wafer, a CZ wafer, or the like may be used.
[0024]
As a second aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a semiconductor device using the above-described evaluation method. The method for manufacturing a semiconductor device includes the following steps.
(A) cutting a plurality of semiconductor wafers from a semiconductor ingot and forming a lot;
(B) a step of taking out an arbitrary semiconductor wafer from the lot and making it an evaluation wafer;
(C) irradiating the evaluation wafer with excitation light having a wavelength of 800 nm or less and measuring the spectrum of photoluminescence light generated from the evaluation wafer;
(D) extracting the intensity of band edge emission from the spectrum of the photoluminescence light to obtain the intensity distribution of band edge emission on the evaluation wafer;
(E) estimating a defect of the evaluation wafer based on the intensity distribution of the light emission at the hand end;
(F) determining whether the evaluation wafer is acceptable or not based on the evaluation result;
And (g) forming a semiconductor element on the semiconductor wafer of the lot when the evaluation wafer is determined to be acceptable.
[0025]
According to such a method of manufacturing a semiconductor device, flexible pass / fail judgment can be made based on more accurate wafer evaluation, and the yield of semiconductor devices is improved.
[0026]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
[0027]
FIG. 2 is a graph for explaining the principle of the photoluminescence method employed in the present invention. When light having a photon energy larger than the band gap is used as an excitation source and a semiconductor crystal is irradiated with light and absorbed, non-equilibrium electrons and holes are generated. The generated electrons and holes pass through several metastable states and then return to the initial thermal equilibrium state by recombination. The light emitted by the luminescent recombination in this process is the photoluminescence light.
[0028]
The graph of FIG. 2 shows a typical photoluminescence spectrum of a silicon wafer (crystal). The light emission indicated by the arrow is called band-edge light emission, which is light emission in the process of recombination of free electrons in the conduction band and free holes in the valence band. If a defect exists in the crystal, electrons or holes generated by light irradiation are trapped by the defect, and the intensity of band edge emission decreases. In other words, a decrease in band edge emission intensity indicates that a defect exists in the crystal.
[0029]
By the way, since the penetration length of light into a solid depends on the wavelength of irradiation light, it is possible to obtain information from the surface in the depth direction by selecting the wavelength of excitation light in the photoluminescence evaluation. . G. FIG. E. FIG. Jellison Jr. According to et al. (J. Appl. Phys. 53 (5) May 1982, at 3745), the penetration length of light into a silicon crystal is about 10 μm at a wavelength of 800 nm. The shorter the wavelength (ie, the higher the energy), the higher the absorption and the shorter the penetration depth of the light. Therefore, by defining the wavelength of the excitation light to be 800 nm or less, it is possible to obtain information on a defect state at a depth within 10 μm from the surface. In particular, by setting the wavelength of the excitation light to 500 nm or less, it is possible to evaluate a defect of about 3 μm from the surface, and by setting the wavelength near the upper limit of the ultraviolet region, it is possible to evaluate the extremely shallower surface layer than 1 μm from the surface. Evaluation becomes possible.
[0030]
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of the photoluminescence measuring device 10 used in the semiconductor wafer evaluation method of the present invention. A sample wafer to be measured is mounted on the sample holder 1. The laser light emitted from the laser 2 is applied to the sample wafer through the irradiation optical system 3. The photoluminescence light emitted from the sample is condensed by the condensing optical system 4, is separated by the spectroscope 5, and is detected.
[0031]
Preferably, the laser light is scanned relative to the sample wafer, the photoluminescence spectrum at each (x, y) position is measured, and the band edge emission intensity is extracted. The band edge emission intensity on the wafer is stored in a storage medium (not shown) and used for defect evaluation of the sample wafer. Details of the defect evaluation will be described later.
[0032]
In the embodiment of the present invention, the measurement is performed on both the epitaxial wafer and the annealed wafer using the photoluminescence measuring apparatus 10 of FIG.
[0033]
The sample used in the experiment on the epitaxial wafer is a wafer obtained by epitaxially growing a 5 μm-thick silicon thin film on a wafer (hereinafter, referred to as “CZ wafer”) obtained from an ingot manufactured by the CZ method. An epitaxial wafer has a lower defect density in an epitaxial layer (device active region) than a CZ wafer or an annealed wafer. Therefore, among many silicon wafers, it is said that the wafer has the best crystallinity (surface integrity).
[0034]
On the other hand, an annealed wafer is a wafer obtained by annealing a CZ wafer at a high temperature in an inert atmosphere. The purpose of annealing is to eliminate void defects on the surface generated during crystal growth. It has been confirmed that the annealed wafer has no scatterers (defects) in a region of about 15 μm from the surface layer as long as the light scattering method is used. However, as described above, the detection lower limit of the light scattering method is 0.03 μm, and it is unknown about the existence of an extremely small defect of 0.03 μm or less. The existence of void defects and new oxygen precipitates that cannot be completely eliminated by annealing cannot be denied, and it is important to measure their presence in the next-generation rules.
[0035]
FIG. 4 shows a photoluminescence measurement result when the epitaxial wafer and the annealed wafer were irradiated with a laser beam having a wavelength of 514.5 nm. FIG. It is a measurement result of photoluminescence at the time of light irradiation. The dashed line indicates the spectrum of the epitaxial wafer (also referred to as “epi wafer”), and the solid line indicates the spectrum of the annealed wafer. The penetration depth of the light is about 10 μm from the surface at a wavelength of 514.5 nm (FIG. 4) and about 10 nm from the surface at a wavelength of 364 nm (FIG. 5).
[0036]
In FIGS. 4 and 5, a large emission (peak) seen near a wavelength of 1150 nm in the photoluminescence spectrum is band edge emission, and free electrons in a conduction band and free holes in a valence band generated by irradiation with excitation light. This is light emission that occurs during the recombination process. In both cases of FIGS. 4 and 5, the band edge emission intensity of the annealed wafer is significantly lower than the band edge emission intensity of the epitaxial wafer. This means that the surface layer of the annealed wafer has crystal defects which are not present in the epitaxial wafer which is originally considered to have few defects.
[0037]
Such a crystal defect evaluated from the photoluminescence spectrum is a defect in a region regarded as a defect-free region in the evaluation by the conventional light scattering method. As described above, by evaluating the decrease in band edge emission in the photoluminescence spectrum of the annealed wafer, it becomes possible to identify the presence of a defect that could not be detected by the conventional light scattering method.
[0038]
As shown in FIG. 4, the decrease in band edge emission intensity of the annealed wafer is more remarkable when the wavelength of the excitation light is 514.5 nm because of the influence of precipitates and structural defects located deeper than 10 μm from the surface layer. It is because. As shown in FIG. 5, when excitation light having a wavelength of 364 nm is used, it is possible to determine the presence or absence of a defect only in a region closer to the surface layer.
[0039]
FIG. 6 is a distribution diagram of band edge emission intensity of an annealed wafer measured using a laser beam having a wavelength of 364 nm. In the photoluminescence measuring apparatus 10 of FIG. 3, for example, by fixing the irradiation position of the laser beam and moving the sample wafer in the X direction and the Y direction by the movable sample holding table 1, each (x, At the position y), a spectrum of photoluminescence generated in an extremely surface region from the wafer surface to about ten and several nm is measured. Alternatively, the spectrum of photoluminescence at each (x, y) position is measured by fixing the sample wafer on the sample holding table 1 and scanning the irradiation light on the wafer by, for example, a deflector of the irradiation optical system 3.
[0040]
The band edge emission intensity (that is, the intensity at a wavelength of 1150 nm in the photoluminescence spectrum) is extracted from the photoluminescence spectrum measured at each (x, y) position to obtain a two-dimensional distribution of the band edge emission intensity. The data of the band edge emission intensity at the extracted (x, y) position is stored in a storage medium. FIG. 6 is a graph in which three-dimensionally plotting the intensity of the band edge emission intensity from the two-dimensional distribution data with the vertical axis as the vertical axis. From the distribution diagram of the band edge emission intensity in FIG. 6, the position where the emission intensity decreases, its density, and the degree of intensity decrease can be visually recognized.
[0041]
For example, in the graph of FIG. 6, there is a portion where the band edge emission intensity sharply drops as indicated by an arrow. The decrease in emission intensity is correlated with the size of the defect, and it can be seen that the larger the degree of dip (reduction) on the plot, the larger the size of the defect.
[0042]
FIG. 7 shows a two-dimensional distribution of band edge emission intensity in a histogram. The horizontal axis is the light emission intensity, and the vertical axis is the number of measurement points corresponding to the light emission intensity. In the hiss and gram of FIG. 7, the band edge emission intensity from 820 to 960 follows a normal distribution. On the other hand, as indicated by the dashed circle A, in the region where the band edge emission intensity is lower than 820, there are components that do not follow the normal distribution. Such a component corresponds to a decrease in light emission intensity due to a wafer defect. That is, since electrons and holes are trapped and recombined at the defect position, the band edge emission intensity is weakened, and a component that does not follow the normal distribution is generated. Such a component of a decrease in intensity deviating from the normal distribution can be evaluated in association with the structural defect of the wafer.
[0043]
FIG. 8 is obtained by removing components following a normal distribution from the plot result of FIG. As shown by the solid-line circle, the position, density, and degree of the decrease in the emission intensity become clearer, and the (x, y) position and the defect density of the defect on the wafer can be calculated. Further, in the figure, only the drop (decrease) in the emission intensity indicated by the solid circle B is extracted and enlarged and displayed, so that the decrease in the band edge emission intensity can be observed in detail. Further, by quantifying the degree of decrease in the fermentation strength, the type and size of the defect can be specified.
[0044]
As an example, when the emission intensity is reduced by 60 with respect to the state where components following the normal distribution are removed as a reference point, it can be determined that the defect has a size of about 0.02 μm, and the emission intensity is reduced by 120. In this case, it can be determined that the defect has a size of about 0.05 μm.
[0045]
FIG. 9 is a flowchart of the semiconductor wafer defect evaluation method according to the embodiment of the present invention. In step S101, excitation light having a wavelength of 800 nm or less, preferably 500 nm or less, is irradiated onto a semiconductor wafer to be evaluated. By selecting such a wavelength, it is possible to collect photoluminescence light reflecting information on an extremely surface layer region within 10 μm from the wafer surface.
[0046]
Next, in step S103, the spectrum of the photoluminescence light is measured at each point of the semiconductor wafer. Preferably, a photoluminescence spectrum is measured at each (x, y) position on the semiconductor wafer. It is sufficient to measure the photoluminescence spectrum in a range of 1700 nm or less. This is because, in the case of a silicon wafer, band edge emission due to recombination of electrons and holes occurs in the vicinity of 1150 nm.
[0047]
Next, in step S105, the band edge emission intensity is extracted from the photoluminescence spectrum at each (x, y) position, and a two-dimensional distribution of the hand edge emission intensity is obtained.
[0048]
When roughly recognizing the presence / absence, density, defect size, and the like of a structural defect in the extreme surface region of the semiconductor wafer to be evaluated, the process proceeds to step S107, and from the two-dimensional band edge emission intensity distribution data obtained in step S105. A three-dimensional plot (see FIG. 6) in which the light emission intensity is plotted on the vertical axis with respect to the XY coordinates is created, and the decrease in the light emission intensity is visually observed. From the three-dimensional plot, the presence or absence of a structural defect and its approximate position, size, and density can be grasped.
[0049]
If more accurate information on the structural defect of the semiconductor wafer is required, the process proceeds to step S109, and a component following a normal distribution is removed from the two-dimensional distribution data of the band edge emission intensity obtained in step S105, and the emission intensity is reduced. Take out only the reduced components. As described above, the band edge emission intensity of photoluminescence light trapped and recombined by a defect is significantly lower than the band edge emission intensity of light recombined in a defect-free region, and depending on the size of the defect. The degree of strength reduction is different. Therefore, the defect can be analyzed in more detail by extracting only the strength reduction component.
[0050]
In step S111, the (x, y) position of the intensity reduction component of the band edge emission is read, and the defect density is calculated. Further, the degree of the decrease in the emission intensity is quantified, and the size and type of the defect are specified according to the value. Although not shown, when extracting the intensity reduction component in step S109, mapping data may be created in which the intensity reduction position is associated with the intensity of the band edge emission. Further, in step S111, the reduced-intensity portion may be enlarged and displayed prior to the position reading, the calculation of the distribution density, the quantification of the reduced intensity, or the like, or simultaneously with these processes.
[0051]
According to such an evaluation method, not only the presence or absence of a structural defect of 0.02 μm or less in the extremely surface layer region within 10 μm from the surface of the semiconductor wafer, but also the position, distribution density, and size of such a defect can be specified. . Therefore, the defect of the semiconductor wafer can be evaluated more accurately and in detail.
[0052]
For example, if the defect is in the peripheral region of the wafer, or even if it is inside the wafer, the decrease in emission intensity is relatively small (such as when trapped by implanted impurities), and the integration under the target design rule If it does not seem to affect the operation of the circuit, this wafer can be accepted. Conversely, if there is a portion where the emission intensity is significantly reduced inside the wafer, or if the density of the reduced portion is high, the wafer is rejected.
[0053]
When a semiconductor device is manufactured using such a wafer evaluation method, a plurality of semiconductor wafers cut out from a semiconductor ingot are prepared as a lot. An arbitrary wafer is extracted from the lot and used as an evaluation wafer, which is set in the photoluminescence measuring apparatus of FIG. Then, according to the procedure shown in the flow of FIG. 9, laser light is irradiated, the spectrum of photoluminescence light is measured at each (x, y) position on the wafer, and the intensity of band edge emission is extracted. A two-dimensional distribution of band edge emission intensity is obtained from the extracted band edge emission intensity, and an approximate position, density, and size of the defect are recognized from the two-dimensional distribution. Alternatively, a component following a normal distribution is removed from the two-dimensional distribution of the band edge emission intensity, and the position, density, and size of the defect are specified to evaluate the wafer in detail.
[0054]
The pass / fail of the evaluation wafer is determined based on the evaluation result. Without removing the normal distribution component, if the pass / fail can be visually judged from a graph (see FIG. 6) in which the band edge emission intensity distribution is three-dimensionally plotted, the pass / fail judgment can be made at that time. When the judgment is delicate, the normal distribution component is removed from the band edge emission intensity distribution, the portion where the intensity is reduced is enlarged, and a quantitative analysis is performed. As a result of the pass / fail judgment, if the evaluation wafer passes, the process proceeds to the step of forming a semiconductor integrated circuit on the semiconductor wafer of this lot. If the evaluation wafer is rejected, depending on the degree of rejection, extract another wafer from the same lot and re-evaluate, or reject the entire lot, etc., according to more detailed criteria Thus, the manufacture of the semiconductor device can be advanced.
[0055]
The above-described evaluation method can be realized by software such as a wafer evaluation program. In this case, the wafer evaluation program causes the computer to extract the intensity of the band edge emission from the spectrum of the photoluminescence light at each position on the wafer and create the intensity distribution of the band edge emission. Then, from the emission intensity distribution at the band edge, a three-dimensional plot is created in which the emission intensity is set on the vertical axis with respect to the two-dimensional coordinates on the wafer. Alternatively, a component following the normal distribution is removed from the intensity distribution of the band edge emission, and a portion where the intensity of the band edge emission is reduced is extracted from the intensity distribution after the removal of the normal distribution component, and quantified or enlarged and displayed. Whether to perform three-dimensional plotting, quantification, or enlarged display may be performed in accordance with an operation of an operator, or at least one of them may be automatically configured.
[0056]
The spectrum of the photoluminescence light may be obtained by reading data stored in a storage medium in advance, or may be sequentially processed according to an input from a photoluminescence measurement device. Further, an operator may make a pass / fail judgment based on a three-dimensional plot, an enlarged display of a portion where the intensity is reduced, or a quantified value, or a configuration may be adopted in which a computer makes a pass / fail judgment automatically.
[0057]
In the embodiment described above, the defect evaluation of the very surface layer of the annealed wafer which is considered to be widely used in the next generation rule has been described as an example. However, the defect evaluation method of the present invention is applied to a surface polished (polished) wafer, It goes without saying that the present invention can be similarly applied to an epitaxial wafer, a CZ wafer, and the like.
[0058]
In the embodiment, the excitation light having a wavelength of 364 nm is used to evaluate a structural defect of 0.02 μm (20 nm) or less in an extreme surface layer region where a depletion layer is formed in a semiconductor element, with the target being the 0.07 μm rule. However, the wafer for evaluation may be irradiated with an excimer laser having a wavelength of 300 nm or less in order to detect a minute defect in a shallower surface region.
[0059]
Finally, with regard to the above description, the following supplementary notes are disclosed.
(Supplementary Note 1) a step of irradiating a semiconductor wafer with excitation light having a wavelength of 800 nm or less and measuring a spectrum of photoluminescence light generated from the semiconductor wafer;
Extracting the intensity of the band edge emission from the spectrum of the photoluminescence light, and acquiring the intensity distribution of the band edge emission in the semiconductor wafer,
From the intensity distribution of the hand-end light emission, a step of evaluating a defect in the surface layer of the semiconductor wafer;
A method for evaluating a semiconductor wafer, comprising:
(Supplementary Note 2) The evaluation method according to Supplementary Note 1, further comprising a step of three-dimensionally plotting a relationship between planar coordinates on a semiconductor wafer and light emission intensity from the intensity distribution of the band edge emission.
(Supplementary Note 3) a step of removing a component following a normal distribution from the intensity distribution of the hand-end light emission;
Extracting a portion where the emission intensity decreases from the intensity distribution after removing the normal distribution component; and
2. The method for evaluating a semiconductor wafer according to claim 1, further comprising:
(Supplementary Note 4) The evaluation method according to Supplementary Note 1, wherein the defect is evaluated based on at least one of a defect position, a distribution density, and a defect size.
(Supplementary Note 5) The evaluation method according to Supplementary Note 1, wherein the semiconductor wafer is an annealed wafer that has been subjected to an annealing process.
(Supplementary Note 6) The evaluation method according to Supplementary Note 1, wherein the excitation light is excitation light having a wavelength of 500 nm or less.
(Supplementary Note 7) The evaluation method according to Supplementary Note 3, further comprising a step of quantifying or enlarging and displaying the portion where the emission intensity decreases.
(Supplementary Note 8) a step of cutting out a plurality of semiconductor wafers from the semiconductor ingot to form a lot,
Taking out any semiconductor wafer from the lot and making it an evaluation wafer;
Irradiating the evaluation wafer with excitation light having a wavelength of 800 nm or less, and measuring the spectrum of photoluminescence light at each point of the evaluation wafer;
Extracting the intensity of the band edge emission from the spectrum of the photoluminescence light, and acquiring the intensity distribution of the band edge emission in the evaluation wafer,
Based on the intensity distribution of the hand-end light emission, a step of evaluating the defect of the evaluation wafer,
A step of determining whether the evaluation wafer is acceptable or not based on the evaluation result;
Forming a semiconductor element on the semiconductor wafer of the lot when the evaluation wafer is determined to be acceptable;
Semiconductor device manufacturing method characterized by including:
(Supplementary note 9) The method of manufacturing a semiconductor device according to supplementary note 8, wherein an annealed wafer subjected to an annealing process is used as the semiconductor wafer.
(Supplementary Note 10) The method for manufacturing a semiconductor device according to supplementary note 8, wherein the excitation light is irradiated with excitation light having a wavelength of 500 nm or less.
(Supplementary Note 11)
From the spectrum of the photoluminescence light at each position on the wafer, the intensity of the band edge emission is extracted, and the intensity distribution of the band edge emission is created,
From the emission intensity distribution at the band edge, remove components that follow a normal distribution,
From the intensity distribution after removing the normal distribution component, extract the part where the intensity of the band edge emission decreases, and quantify or enlarge it.
A wafer evaluation program including an instruction sequence.
[0060]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to evaluate the position, distribution density, size, and the like of a structural defect having a size of 0.02 μm or less in the extreme surface layer of a semiconductor wafer, particularly, an annealed wafer.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram for explaining a relationship between a design rule and a defect size that causes a problem;
FIG. 2 is a diagram showing a typical photoluminescence spectrum of a silicon wafer.
FIG. 3 is a schematic diagram of a photoluminescence measuring device used in an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing photoluminescence spectra of an epitaxial wafer and an annealed wafer when irradiated with excitation light having a wavelength of 514.5 nm.
FIG. 5 is a diagram showing photoluminescence spectra of an epitaxial wafer and an annealed wafer when irradiated with excitation light having a wavelength of 364 nm.
FIG. 6 is a diagram showing a distribution of band edge emission intensity of an annealed wafer.
FIG. 7 is a diagram showing a distribution of band edge emission intensity in a histogram.
8A and 8B are a distribution diagram in which components that follow a normal distribution are removed from the band edge emission intensity distribution, and an enlarged view of a portion where the band edge emission intensity decreases.
FIG. 9 is a flowchart of a wafer defect evaluation method according to the embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Sample holder
2 Laser
3 Irradiation optical system
4 Condensing optical system
5 Spectrometer
6 detector
10 Photoluminescence measuring device

Claims

半導体ウエハに波長８００ｎｍ以下の励起光を照射して、前記半導体ウエハから生じるフォトルミネッセンス光のスペクトルを測定する工程と、
前記フォトルミネッセンス光のスペクトルからバンド端発光の強度を抽出して、前記半導体ウエハにおけるバンド端発光の強度分布を取得する工程と、
前記ハンド端発光の強度分布から、前記半導体ウエハ表層における欠陥を評価する工程と
を含むことを特徴とする半導体ウエハの評価方法。Irradiating the semiconductor wafer with excitation light having a wavelength of 800 nm or less, and measuring a spectrum of photoluminescence light generated from the semiconductor wafer;
Extracting the intensity of the band edge emission from the spectrum of the photoluminescence light, and acquiring the intensity distribution of the band edge emission in the semiconductor wafer,
Evaluating a defect in the surface layer of the semiconductor wafer from the intensity distribution of the light emission at the hand end.

前記バンド端発光の強度分布から、前記半導体ウエハ上の平面座標と発光強度との関係を３次元プロットする工程をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の評価方法。2. The evaluation method according to claim 1, further comprising a step of three-dimensionally plotting a relationship between planar coordinates on the semiconductor wafer and light emission intensity from the intensity distribution of the band edge light emission.

前記ハンド端発光の強度分布から、正規分布に従う成分を除去する工程と、
前記正規分布成分除去後の強度分布から、発光強度の低下部分を取り出す工程と
をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体ウエハの評価方法。From the intensity distribution of the hand-end light emission, removing a component according to a normal distribution,
2. The method for evaluating a semiconductor wafer according to claim 1, further comprising: extracting a portion where the emission intensity is reduced from the intensity distribution after removing the normal distribution component. 3.

前記欠陥の評価は、欠陥の位置、分布密度、欠陥サイズの少なくともひとつに基づいて行うことを特徴とする請求項１に記載の評価方法。The method according to claim 1, wherein the evaluation of the defect is performed based on at least one of a position, a distribution density, and a defect size of the defect.

半導体インゴットから複数の半導体ウエハを切り出してロットにする工程と、
前記ロットから任意の半導体ウエハを取り出して評価用ウエハとする工程と、
前記評価用ウエハに波長８００ｎｍ以下の励起光を照射して、前記評価用ウエハから生じるフォトルミネッセンス光のスペクトルを測定する工程と、
前記フォトルミネッセンス光のスペクトルからバンド端発光の強度を抽出して、前記評価用ウエハにおけるバンド端発光の強度分布を取得する工程と、
前記ハンド端発光の強度分布に基づいて、前記評価用ウエハの欠陥を評価する工程と、
前記評価結果に基づいて、前記評価用ウエハの合否を判断する工程と、
前記評価用ウエハが合格判断された場合に、前記ロットの半導体ウエハに半導体素子を形成する工程と
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。A step of cutting out a plurality of semiconductor wafers from a semiconductor ingot into a lot,
Taking out any semiconductor wafer from the lot and making it an evaluation wafer;
Irradiating the evaluation wafer with excitation light having a wavelength of 800 nm or less, and measuring a spectrum of photoluminescence light generated from the evaluation wafer;
Extracting the intensity of the band edge emission from the spectrum of the photoluminescence light, and acquiring the intensity distribution of the band edge emission in the evaluation wafer,
Based on the intensity distribution of the hand-end light emission, a step of evaluating the defect of the evaluation wafer,
A step of determining whether the evaluation wafer is acceptable or not based on the evaluation result;
Forming a semiconductor element on the semiconductor wafer of the lot when the evaluation wafer is determined to be acceptable.