JP6881387B2 - Ｄｚ層の測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、シリコンウェーハのＤＺ層の測定方法に関する。

半導体デバイス用シリコンウェーハには、主にチョクラルスキー法（ＣＺ法）により育成されたシリコン単結晶が用いられる。さらに、先端デバイス用としては、デバイス形成領域であるウェーハ表層が無欠陥であること、およびバルクには金属不純物のゲッタリングに寄与する高密度の酸素析出物（Ｂｕｌｋ Ｍｉｃｒｏ Ｄｅｆｅｃｔｓ：ＢＭＤ）が存在していることが求められる。

しかし、ＣＺ法で育成されたシリコン単結晶中にはＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥と呼ばれる結晶成長中に導入された結晶欠陥が存在する。そのため、先端デバイス用ウェーハは所定の熱処理を施して製造される場合がある。この熱処理により、ウェーハ表層ではＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥が消滅し、無欠陥層（Ｄｅｎｕｄｅｄ Ｚｏｎｅ：ＤＺ）が形成され、バルクではＢＭＤが高密度に形成される。

デバイス作製時には、このＤＺ層は所定幅以上であることが要求されており、ウェーハ製造時における重要な品質項目である。

従来、ＤＺ層幅を測定する場合は、ウェーハを劈開もしくは、斜め研磨し、その劈開面もしくは研磨面を選択エッチングした後、目視検査員が、顕微鏡観察、および／または顕微鏡を介して撮影された画像から計測していた。例えば、ウェーハ表面から数えて所定番目のＢＭＤまでの距離をＤＺ層幅として採用していた。

特開２００２−１００６３１号公報 特開２０００−０６８２８０号公報

しかし、上述した方法は実際に検査員が欠陥を観察するため測定精度は高いが、目視検査であるため、スループットが悪いという問題があった。

他方、特許文献１のように、ＳＩＭＳで測定した酸素濃度分布からＤＺ層幅を求めることも出来るが、ＳＩＭＳでは極微小な酸素析出物による酸素も検出される。しかし、このような極微小な酸素析出物はゲッタリングに寄与できない。

特許文献２によると、ゲッタリングに寄与するＢＭＤサイズは、ＢＭＤ密度に依存する。例えばＢＭＤ密度が１×１０^９／ｃｍ^３の場合は、約４０ｎｍ以上のＢＭＤがゲッタリングに寄与する。これに対し、顕微鏡観察では、５０ｎｍ以上のＢＭＤが検出され、ゲッタリングに寄与するＢＭＤのみを検出出来るため、顕微鏡観察により評価されるＤＺ層幅が重要である。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、顕微鏡観察により求められるＤＺ層幅を、良好なスループットで求めることができるＤＺ層の測定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表層に形成されるＤＺ層の測定方法であって、ＳＩＭＳで測定した酸素濃度の深さ分布から求められるＤＺ層幅と、顕微鏡観察により求められるＤＺ層幅との検量線を作成し、作成された前記検量線に基づいて、測定サンプルのＳＩＭＳにより求められたＤＺ層幅から、顕微鏡観察により求められるＤＺ層幅を求めることを特徴とするＤＺ層の測定方法を提供する。

このようなＤＺ層の測定方法であれば、顕微鏡観察により求められるＤＺ層幅を、良好なスループットで求めることができる。すなわち、目視検査は検量線作成時のみであることから、スループットを向上させることが出来る。また、ＳＩＭＳにより求められるＤＺ層幅よりも重要な顕微鏡観察により求められるＤＺ層幅を求めることが出来る。

このとき、前記ＳＩＭＳ測定において、酸素濃度の移動平均値と酸素濃度の測定値の乖離が酸素濃度の移動平均値に対して±３％以内となる最も浅い深さをＡとし、前記Ａより深い領域で酸素濃度の移動平均値と酸素濃度の測定値が酸素濃度の移動平均値に対して±５％以上乖離した深さＢをＳＩＭＳのＤＺ層幅とすることができる。

このような手順により、ＳＩＭＳで測定した酸素濃度の深さ分布から好適にＤＺ層幅を求めることができる。

このとき、前記ＳＩＭＳ測定において、酸素濃度の移動平均値と酸素濃度の測定値の乖離が酸素濃度の移動平均値に対して±３％以内となる最も浅い深さをＡとし、前記Ａより深い領域で酸素濃度の移動平均値と酸素濃度の測定値が酸素濃度の移動平均値に対して±５％以上乖離した深さＢの３／４の深さまでの領域の酸素濃度の測定値より近似曲線を作成し、前記Ａより深い領域で前記近似曲線と酸素濃度の移動平均値が前記近似曲線に対して±５％以上乖離した深さＣをＳＩＭＳのＤＺ層幅とすることもできる。

このような手順によっても、ＳＩＭＳで測定した酸素濃度の深さ分布から好適にＤＺ層幅を求めることができる。

このとき、前記酸素濃度の移動平均値は、その測定深さの前後５個以上１０個以下の酸素濃度の測定値の平均値であることが好ましい。

ＳＩＭＳの測定間隔は０．１μｍ以下が望ましく、移動平均値を算出するための測定点が５個以上であれば、測定値が十分に平滑化され、ＤＺ層を誤判定してしまうことを防止できる。また、移動平均値を算出するための測定点が１０個以下であれば、平滑化され過ぎてしまい、急激に酸素濃度が増加した地点を判断することができなくなるようなこともない。

以上のように、本発明のＤＺ層の測定方法によれば、顕微鏡観察により求められるＤＺ層幅を、良好なスループットで求めることができる。

本発明のＤＺ層の測定方法を示すフロー図である。 熱処理ウェーハの酸素濃度分布を示す図である。 酸素濃度の測定値と酸素濃度の移動平均値の誤差率を示す図である。 別の熱処理ウェーハの酸素濃度分布を示す図である。 酸素濃度の移動平均値と近似値との誤差率を示す図である。 実施例のサンプル３の酸素濃度分布を示す図である。 ＳＩＭＳ測定から求めたＤＺ層幅と、顕微鏡観察から求めたＤＺ層幅との検量線を示す図である。

従来、ＤＺ層幅を測定する場合は、ウェーハを劈開もしくは、斜め研磨し、その劈開面もしくは研磨面を選択エッチングした後、目視検査員が、ウェーハ表面から数えて所定番目のＢＭＤまでの距離をＤＺ層幅として採用していた。
しかし、この方法は目視検査であるため、スループットが悪いという問題があった。

他方、ＳＩＭＳで測定した酸素濃度分布からＤＺ層幅を求めることも出来るが、ＳＩＭＳでは極微小な酸素析出物による酸素も検出される。しかし、このような極微小な酸素析出物はゲッタリングに寄与できない。
ゲッタリングに寄与するＢＭＤサイズは、ＢＭＤ密度に依存し、例えばＢＭＤ密度が１×１０^９／ｃｍ^３の場合は、約４０ｎｍ以上のＢＭＤがゲッタリングに寄与する。これに対し、顕微鏡観察では、５０ｎｍ以上のＢＭＤが検出され、ゲッタリングに寄与するＢＭＤのみを検出出来るため、顕微鏡観察により評価されるＤＺ層幅が重要である。

そこで本発明者は鋭意検討を重ね、ＳＩＭＳで測定した酸素濃度分布から求めたＤＺ層幅と、顕微鏡観察から求めたＤＺ層幅との間には、相関があることを見出し、両者のＤＺ層幅の検量線を用いることで、ＳＩＭＳで測定した酸素濃度分布から求めたＤＺ層幅から、顕微鏡観察によるＤＺ層幅を迅速に求められることを見出し、本発明を完成させた。

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。

以下、本発明のＤＺ層の測定方法を、図１を参照しながら、説明する。

ＳＩＭＳでは、小さいＢＭＤも酸素濃度の測定値の変化として検出し、ＤＺ層幅を過小に見積もってしまうため、顕微鏡観察のＤＺ層幅に換算する必要がある。

そこで、初めにＳＩＭＳと顕微鏡観察の両手法でＤＺ層幅を測定し、両者の検量線を作成する（図１のＳ１１参照）。この時、ＳＩＭＳではＤＺ層幅は過小に見積もられるため、両者の値は一致しないが、本発明者が見出したように両者には相関がある。

具体的には、複数の熱処理ウェーハを用意し、ＳＩＭＳにより求められるＤＺ層幅と顕微鏡観察により求められるＤＺ層幅の検量線を作成する。

ＳＩＭＳによる酸素濃度測定において、ＢＭＤが形成されていない領域（すなわち、ＤＺ層）ではウェーハ中の格子間酸素のみが検出されるのに対し、ＢＭＤが形成された領域では格子間酸素の他に、ＢＭＤに含まれる酸素も検出されるためＤＺ層よりも酸素濃度が高く検出される。よって、急激に酸素濃度が増加するとともに、酸素濃度のバラツキが増加する深さまでがＤＺ層であると判定出来る。

この時、ＢＭＤ形成領域では、ＢＭＤのサイズや密度によって、酸素濃度の値が変動するため、測定間隔は０．１μｍ以下では、測定深さの前後５個以上１０個以下の測定値の移動平均値を用いるとより判定精度を向上出来る。

移動平均値を計算するための測定点が５個以上であれば、測定値が十分に平滑化され、ＤＺ層を誤判定してしまうことを防止することができ、移動平均値を計算するための測定点が１０個以下であれば、平滑化され過ぎてしまい、急激に酸素濃度が増加した地点を判断することができなくなることを防止することができる。

さらに、ウェーハ表層では、表面に付着した酸素や不純物の影響で、ＳＩＭＳの酸素濃度の値はウェーハ中の酸素濃度と異なっているため、この領域を除外する必要がある。

よって、ＳＩＭＳによりＤＺ層幅を求めるには、例えばウェーハ表面から深さ１０μｍまでの酸素濃度分布を測定し、各測定深さの移動平均値を算出する。その後、表面の影響を除外するため、酸素濃度の測定値と酸素濃度の移動平均値の乖離が酸素濃度の移動平均値に対して±３％以内となる最も浅い深さをＡとし、この深さＡより深い領域で、酸素濃度の測定値と酸素濃度の移動平均値が酸素濃度の移動平均値に対して±５％以上乖離した深さＢをＤＺ層幅とすることができる。

顕微鏡観察によるＤＺ層幅は、従来法に倣い、サンプルを劈開もしくは、斜め研磨し、選択エッチングでＢＭＤを顕在化させた後、顕微鏡で観察し、例えばウェーハ表面から３番目のＢＭＤまでの深さを求めれば良い。

例えば、図２のような熱処理ウェーハの酸素濃度分布を考える。図３に示す酸素濃度の測定値と酸素濃度の移動平均値の誤差率（（測定値−移動平均値）／移動平均値）は、表層では１０％以上乖離している。これはウェーハ表層では、表面に付着した酸素や不純物の影響で、ＳＩＭＳの酸素濃度の値はウェーハ中の酸素濃度と異なっているためであり、この領域を除外する必要がある。よって、その誤差率が±３％以下となる最も浅い深さＡ（この例では０．２１μｍ）を求める。

次に、深さＡより深い領域で酸素濃度の測定値と酸素濃度の移動平均値が、酸素濃度の移動平均値に対して±５％以上乖離する深さＢ（この例では５．１６μｍ）をＤＺ層幅とすれば良い。これは、Ａより深い領域においては、ＢＭＤが形成されていない領域（ＤＺ層）では格子間酸素のみが検出される。一方、ＢＭＤが形成された領域では格子間酸素の他に、ＢＭＤに含まれる酸素も検出されるためＤＺ層よりも酸素濃度が高く検出される。よって、急激に酸素濃度が増加するとともに、酸素濃度のバラツキが増加した深さまでがＤＺ層であると判定出来る。なお、ＢＭＤのサイズや密度によって、酸素濃度の値が変動するため、移動平均値を用いると算出精度を向上させることが出来る。

上記のようにして検量線を作成した後、ＤＺ層幅を測定したいサンプルのＳＩＭＳによるＤＺ層幅を求め、検量線に当てはめることで、顕微鏡観察により求められるＤＺ層幅を求める（図１のＳ１２参照）。
このようにして、スループットが悪い顕微鏡観察により求められるＤＺ層幅を簡便に求めることが出来る。
この時、両手法で求めたＤＺ層幅は相関関係があるが、実測値は異なる。これは、顕微鏡観察では目視で確認出来るＢＭＤのみを、ＳＩＭＳでは目視で確認できないＢＭＤも併せて検出するためである。

また、酸素濃度の測定値から作成した近似曲線と酸素濃度の移動平均値が、近似曲線に対して±５％以上乖離した深さＣをＳＩＭＳのＤＺ層幅とすることも出来る。その際、ＢＭＤ形成領域では、ＢＭＤに含まれる酸素も検出してしまい、ＤＺ層領域より酸素濃度が増加する。よって、表面の影響がないＤＺ層領域の、上記深さＡから上記深さＢの３／４までの測定値から、線形近似、指数近似、対数近似、多項式近似、累乗近似等を行い、相関係数の２乗値（Ｒ^２）が最も高い近似曲線を用いれば良い。

また、酸素濃度の測定値と酸素濃度の移動平均値の比較、近似曲線と酸素濃度の移動平均値の比較のいずれのＤＺ層幅の算出方法を用いても良い。

例えば、図４のように、深さＡから深さＢの３／４（この例では３．５７μｍ）の領域の酸素濃度の測定値から、近似曲線を作成する。具体的には、線形近似、指数近似、対数近似、多項式近似、累乗近似を行い、相関係数の２乗値（Ｒ^２）が最も高い近似曲線を用いれば良い。その後、図５の酸素濃度の移動平均値と近似値（近似曲線から得られる値）の誤差率から、±５％以上乖離した深さＣ（この例では４．７９μｍ）をＤＺ層幅とすれば良い。

このように酸素濃度の測定値から近似曲線を作成し、この近似曲線と酸素濃度の移動平均値の乖離をみることでも、ＳＩＭＳのＤＺ層を判定することが出来る。ただし、ＢＭＤ形成領域ではＤＺ層形成領域より酸素濃度が増加するため、ＤＺ層領域のみで近似曲線を作成する必要がある。このため、深さＡから深さＢの３／４までの領域の酸素濃度の測定値から、近似曲線を作成する必要がある。

以下、実施例及び比較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）
窒素濃度［Ｎ_２］＝３×１０^１３／ｃｍ^３、酸素濃度［Ｏｉ］＝１．１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３（ＡＳＴＭ’７９）の直径３００ｍｍシリコンウェーハに、無欠陥層（ＤＺ層）を形成させるため、Ａｒ雰囲気で熱処理を行った。具体的には、最高到達温度／保持時間が１２００℃／１０ｍｉｎ（サンプル１）、１２００℃／２０ｍｉｎ（サンプル２）、１２００℃／３０ｍｉｎ（サンプル３）の３水準とした。その後、測定間隔は０．０３μｍでＳＩＭＳ測定を実施した。図６には、サンプル３の酸素濃度分布を示しており、５μｍ近傍から、急激に酸素濃度が増加していることが分かる。

次に、各測定深さの前後１０点の酸素濃度の測定値から、酸素濃度の移動平均値を算出した。表層の酸素濃度は、表面の影響でウェーハ中の酸素濃度とは異なるため、この領域は評価対象から除外する必要がある。そこで、酸素濃度の移動平均値と酸素濃度の測定値の乖離が、酸素濃度の移動平均値に対して±３％以内となる最も浅い深さＡを、各サンプルについて算出した。深さＡを求めたところ、サンプル１では０．２４μｍ、サンプル２では０．２０μｍ、サンプル３では０．１６μｍと求まった（表１参照）。

続いて、上記の深さＡより深い領域において、酸素濃度の移動平均値と酸素濃度の測定値が酸素濃度の移動平均値に対して±５％以上乖離した深さＢ（ＤＺ層幅）を求めた。サンプル１は１．９４μｍ、サンプル２は３．７４μｍ、サンプル３は５．１６μｍであった（表１参照）。

さらに、上記の深さＡから、上記の深さＢの３／４までの深さで、線形近似、指数近似、対数近似、多項式近似、累乗近似を行った。すると、サンプル１、２、３ともに、線形近似が最もＲ^２値（相関係数の２乗値）が高かった。その後、線形近似値と酸素濃度の移動平均値が線形近似値に対して±５％以上乖離した深さＣ（ＤＺ層幅）も算出した。深さＣを求めたところ、サンプル１は１．７９μｍ、サンプル２は３．７２μｍと、サンプル３は４．７９μｍと求まった（表１参照）。

次に、顕微鏡観察によりＤＺ層幅を求めた。従来法に倣い、サンプルを斜め研磨し選択エッチングでＢＭＤを顕在化させた後、顕微鏡で観察し、ウェーハ表面から３番目のＢＭＤまでの深さ（ＤＺ層幅）を求めた（表２参照）。サンプル１は１７．０μｍ、サンプル２は４１．０μｍ、サンプル３は６４．７μｍであった。

そして、ＳＩＭＳのＤＺ層幅ＢおよびＣと、顕微鏡観察のＤＺ層幅で検量線を作成した（図７参照）。その結果、測定値は異なるが、非常に良い相関が得られた。

次に、測定サンプルとしてＤＺ層幅が未知の熱処理ウェーハ（サンプル４：最高到達温度／保持時間は１２００℃／１５ｍｉｎ）を用意した。ＳＩＭＳ測定を行い、深さＢが２．９６μｍ、深さＣが２．８５μｍと求まり、これらを図７の検量線に当てはめた。その結果、顕微鏡観察のＤＺ層幅はＢからは３１．２μｍ、Ｃからは３１．７μｍと求められた。
１チップ当たりのスループットは、真空引きから測定まで併せて、約３時間であった。

（比較例）
実施例で用いたサンプル４を斜め研磨し、選択エッチングでＢＭＤを顕在化させた後、顕微鏡で観察し、ウェーハ表面から３番目のＢＭＤまでの深さ（ＤＺ層幅）を求めた。その結果、３１．６μｍであった。求められたＤＺ層幅は実施例と同等であったが、斜め研磨から顕微鏡観察まで併せると１チップ当たり約４時間３０分かかり、実施例と比較するとスループットが悪かった。

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 (4)

1. シリコンウェーハの表層に形成されるＤＺ層の測定方法であって、
   ＳＩＭＳで測定した酸素濃度の深さ分布から求められるＤＺ層幅と、顕微鏡観察により求められるＤＺ層幅との検量線を作成し、作成された前記検量線に基づいて、測定サンプルのＳＩＭＳにより求められたＤＺ層幅から、顕微鏡観察により求められるＤＺ層幅を求めることを特徴とするＤＺ層の測定方法。
2. 前記ＳＩＭＳ測定において、酸素濃度の移動平均値と酸素濃度の測定値の乖離が酸素濃度の移動平均値に対して±３％以内となる最も浅い深さをＡとし、前記Ａより深い領域で酸素濃度の移動平均値と酸素濃度の測定値が酸素濃度の移動平均値に対して±５％以上乖離した深さＢをＳＩＭＳのＤＺ層幅とすることを特徴とする請求項１に記載のＤＺ層の測定方法。
3. 前記ＳＩＭＳ測定において、酸素濃度の移動平均値と酸素濃度の測定値の乖離が酸素濃度の移動平均値に対して±３％以内となる最も浅い深さをＡとし、前記Ａより深い領域で酸素濃度の移動平均値と酸素濃度の測定値が酸素濃度の移動平均値に対して±５％以上乖離した深さＢの３／４の深さまでの領域の酸素濃度の測定値より近似曲線を作成し、前記Ａより深い領域で前記近似曲線と酸素濃度の移動平均値が前記近似曲線に対して±５％以上乖離した深さＣをＳＩＭＳのＤＺ層幅とすることを特徴とする請求項１に記載のＤＺ層の測定方法。
4. 前記酸素濃度の移動平均値は、その測定深さの前後５個以上１０個以下の酸素濃度の測定値の平均値であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載のＤＺ層の測定方法。

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