JP2008520092A - 半導体ウェーハを測定する方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、円形のウェーハ１０の表面Ａを、一定の面積Ａ／Ｈを有する複数Ｎの同心リングに分割し、各リング上に少なくとも１つの測定ポイントＰ_nを配置して当該ウェーハを測定する方法に関する。各リングの外側半径Ｒ_nは、式Ｒ_n＝Ｒ_N（ｎ／Ｎ）^1/2に基づいて計算される。式中ｎは１からＮまで変化する。こうして、ウェーハの中心から離れるに従って幅狭となる複数のリングを得ることができる。これにより、ウェーハの端に向うにつれて互いに近づく測定ポイントが得られ、測定のためのウェーハの実用ゾーン１１だけをカバーして環状の除外ゾーン１２内で測定が行われないことが保証される。

Description

本発明は、それぞれがシリコンのような半導体材料からなる薄い円柱の形状を有し、多数の構成物（例えば集積回路や個別素子のセル）を製造する際の支持体を形成するために若干の加工（研磨、酸化、注入、転写、諸材料の層の堆積など）を受けたウェーハの品質を検査することに関する。

そのようなウェーハを製造する工業的なプロセスの間、厚み、構造、欠陥の数、光学特性あるいは電気特性などについてのウェーハの品質を定期的に検査する必要がある。この目的のために、ウェーハ全体のマッピング（電気特性、薄膜の厚み、組成など）の実行に使用できる等級を測定する方法が存在する。このマッピングは、複数の測定ポイントで実行される。測定ポイントの数は、製造プロセスの間のそのような検査の受容可能な期間によって必然的に制限される。従って、測定対象のウェーハの特性を可能な限り正確かつ効率的に示すために、最小限の測定のためにポイントの数、特にそれらの適正な配置を決定できるようにする方法を持つことは重要である。

一例として、スマートカット（登録商標；以下同じ）法により得られるＳＯＩ（シリコンオンインシュレータ）ウェーハにおける薄いシリコン層の厚みの均一性を検査する際には、研磨後の薄層の厚み（ほぼ２０ｎｍから１．５μｍ程度）について以下の点を考慮すべきである。

まず、ウェーハ全体上で厚みの均一性が高い（原子面数面程度）ことが望ましく、これによって測定に高い正確性が要求される。ウェーハの製造プロセスの間、研磨装置が使用される。問題となる層は非常に薄いので、そのような装置の操作を監視するとともに注意深く調整することが重要であることが分かる。

また、ＳＯＩウェーハの外周には、除外ゾーンと称される、測定に関与しないゾーンがある（ウェーハの外周で５ｍｍ以下）。この除外ゾーンは、実際はウェーハの使用されない外周ゾーン（例えば接着された後に転写されない典型的には１〜２ｍｍのゾーン）よりも大きく、ウェーハの端の近傍であることによってもたらされる測定の不自然さを回避する。

ある測定は、「オンライン」で、すなわち直接的に製造ライン上で実行されてもよいし、他の測定は、「オフライン」で、すなわち製造ラインに組み込むことのできない、例えばオフラインでのみ可能な電気的な測定のような測定手段を用いて、実行されてもよい。

「オンライン」測定について、研磨装置は、測定ポイントの数に関して限度能力がある計量手段（例えば厚みを測定する反射率計）を有する。その限度能力は、通常はウェーハごとに約１００ポイントに制限され、測定時間がポイントごとにほぼ１秒程度になる。ウェーハのマッピングを実行するのに使用される方法は、ウェーハの直径に沿ってもしくは円形へのいずれかの分布によって、または測定ポイントに対してデカルト座標を規定することによって構成される。測定ポイントを配置するこれらの方法は、例えば除外ゾーンに近づくにつれて密集していくポイントの分布または除外ゾーンでのポイントの抑制を許容することができないので、ＳＯＩウェーハを測定することに適していない。

「オフライン」測定について、反射率測定法装置（例えばＡＤＥセミコンダクター社の“アキュマップ（登録商標；以下同じ）”のような測定装置）は、薄層の厚みの均一性の正確なマップを得るために多数の測定ポイントを必要とするマップを製作する。アキュマップ装置では、ほぼ７５００ポイント程度である。これらの測定には長い時間（ウェーハごとに約２〜３分）がかかり、費用がかかる。その理由で、そのタイプの検査は、一般に、満足できないサンプリング（すなわち、例えば１バッチごとに１つのウェーハを分析するオフライン検査）によって実行される。さらに、オフラインでのサンプリングによる製品検査では、即時修正しながら検査できず、製造過程における製品のロスにつながる。

この問題は、明確化のために厚みの測定を例にとって論じたが、電気特性の測定や、ウェーハのより一般的な特性（偏光解析法による厚み、ラマン測定による応力など）の測定、特に迅速かつ正確な物理的等級のマッピングが必要とされるＳＯＩウェーハの測定にも同じようにあてはまる。

本発明の目的は、検査対象の物理的パラメータを示すマッピングを確保しながら、ウェーハ上の測定ポイントの配置についての適切な選択によって測定ポイントの数を最小限にすることができる技術的解決法を提供することである。

この目的は、本発明に係る、ウェーハの表面を一定の面積を有する複数の同心リングに分割し、各リング上に少なくとも１つの測定ポイントを配置する測定方法によって成し遂げられる。

従って、本発明の方法は、検査対象のウェーハ上の測定ポイントの配置を最適化することができる。一定の面積を有する複数の同心リングに分割することによって、ウェーハの中心からの距離が増加するにつれて幅狭となるリングが得られる。このことは、複数の測定ポイントが、正確性の要求が大きくなるウェーハの端に向うにつれて互いに近づいていくことを意味する。さらに、ウェーハを同心リングに分割することで、検査においては範囲を実用ゾーンのみに制限することが可能になり、環状の除外ゾーン内で測定が行われないことが保証される。

各リングの外側半径（Ｒ_n）は、次式から計算される。
Ｒ_n＝Ｒ_N（ｎ／Ｎ）^1/2
式中、ｎは１からＮまで変化し、Ｎは所定の測定ポイント数であり、Ｒ_Nは除外ゾーンの内側の半径である。

本発明の１つの特別な側面では、リングごとに、例えば中間半径（rayon median）上に１つの測定ポイントが配置される。これは、最初の近似として、例えば厚みのような放射型対象を有する特定の特性についての正確なウェーハマップを製作することを可能にする。

測定ポイントは、ウェーハの面における回転非対称効果を考慮するために極座標でパラメータ化されていてもよい。各測定ポイントは、前の測定ポイントに対して角度ずらしされる。ずらし角度の値は、測定対象の全表面上で一定であってもよいし、リング群を含むゾーンで変化してもよい。一定の値としては、ずらし角度の値は、少なくとも３００ｍｍＳＯＩウェーハを測定するためには約１００°である。

同様に、測定ポイントの数は、単位表面積あたりの測定ポイントの密度に関して、ウェーハの外周のような特定のゾーンに好都合となるように、あるリングゾーンから他のリングゾーンまで変化していてもよい。

上述した測定方法は、どのようなタイプのウェーハにも、特に測定対象の実用表面をリングに分割するときに考慮されない環状の除外ゾーンを有するウェーハに適応可能である。ウェーハは、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）ウェーハのような半導体材料からなるウェーハであってもよい。

本発明の方法は、特に厚み、電気特性、または応力の測定のために使用されてもよい。この方法は、配置された各測定ポイントにおいて、厚み、電気特性、または応力を測定する個別の工程も含む。

また、本発明は、円形のウェーハを測定する装置であって、プログラム可能な配置制御部（例えばマイクロプロセッサー）と応答してウェーハ上の複数の所定のポイントで測定を実行する測定手段を備え、制御部は、測定対象のウェーハの表面上に一定の面積を有する複数の同心リングを規定するとともに、測定手段を当該測定手段が各リングで少なくとも１つの測定を実行できるように配置する手段を有することを特徴とする装置を提供する。一定の角度ずらしが使われる場合、少なくとも３００ｍｍＳＯＩウェーハを測定するためにはその値は約１００°である。

配置制御部にとって、各リングの外側半径（Ｒ_n）は、次式から決定される。
Ｒ_n＝Ｒ_N（ｎ／Ｎ）^1/2
式中、ｎは１からＮまで変化し、Ｎは所定の測定ポイント数であり、Ｒ_Nは除外ゾーンの内側の半径である。

上述したように、配置制御処理部は、リングごとに１つの測定を、例えば中間半径上で実行する手段を有する。また、制御処理部は、各測定ポイントに、前の測定ポイントに対して、測定対象の全表面上で同一のまたはリングによって規定されるゾーンに応じて異なる角度ずらしを加える手段を有する。

その指令部は、測定対象の円形のウェーハの表面内で考慮されない環状の除外ゾーンを当該ウェーハ上に規定する手段も有する。

当該装置の測定手段は、特に厚み、電気特性、または応力を測定する手段であってもよい。

以下に図面を参照しながら本発明の特別な実施形態について説明して本発明の特徴および効果を明らかにするが、本発明はこれに限定されるものではない。

図１を参照して、本発明の方法に係る、測定ポイントを配置するために実行される工程を説明する。図１は、ＳＯＩウェーハのような、測定対象の実用ゾーン１１と外周の除外ゾーン１２を備えるウェーハ１０を示している。実用ゾーン１１の全面積はＡである。

最初のステップでは、検査対象のゾーン１１が、測定のためのポイントの数と等しい所定のＮ個の同心リングに分割される。各リングは、一定の面積Ｓ（Ｓ＝Ａ／Ｎ）を有する。

Ｒ_nをリングの外側半径とし、ｎを１からＮまでの変数とすると、この半径でカバーされるウェーハの面積Ｓ_nは次のように書くことができる。
Ｓ_n＝π・Ｒ_n ²＝ｎ・Ａ／Ｎ （１）

測定対象のウェーハの領域は、周囲幅ＥＥで規定される除外ゾーン１２を含まないので、ゾーン１２に隣接するリング（すなわち、最終リングＮ）の外側半径Ｒ_Nは、
Ｒ_N＝Ｒ_W−ＥＥ
となる。Ｒ_Wはウェーハの半径である（図１参照）。

その結果、半径Ｒ_Nは面積Ａを算出可能な半径に対応するので（すなわち、Ａ＝π・Ｒ_N ²）、面積Ｓ_nは次のように書くこともできる。
Ｓ_n＝ｎ・π・Ｒ_N ²／Ｎ （２）

上記の式（１）と式（２）の関係を組み合わせると、リングの外側半径Ｒ_nの変化について次の等式が得られる。
Ｒ_n＝Ｒ_N（ｎ／Ｎ）^1/2 （３）

いったんＮ個のリングが式（３）の関係を使って規定されると、リングごとに少なくとも１つの測定ポイントＰ_nが半径方向に、例えば各リングの中間半径上に、すなわち、外側半径Ｒ_nを有するリングにとっては（Ｒ_n-1＋Ｒ_n）／２と等しい半径Ｒ’_n上に配置される。

本発明によれば、同心リングの全てが同じ面積を有しているので、それらのリングが中心Ｏから距離を増やすにつれてだんだんと互いに近づいていき、除外ゾーンに近づくにつれて測定ポイントの数が増加する。この測定ポイントのパラメータ化のモードは、小さなばらつき（すなわち、測定ポイントの密度が小さい）を持つゾーンと、大きなばらつき（すなわち、測定ポイントの密度が大きい）を持つゾーンとに一様に重みをつけ、全面的に適正な値に維持する。

測定対象のウェーハの領域を複数のリングに分割することにより、特に厚みの検査についてウェーハの測定が最適化される。研磨後、ウェーハのプロファイルは半径方向に実質的に対象であり、最初の近似として、所定の円上で、ウェーハの任意のポイントでの厚みの測定は円周全体を示しているとみなしてよいであろう。

しかしながら、ウェーハ上で非対称な長手効果もあるかもしれない。これらの非対称効果を考慮するためには、複数の測定ポイントは、測定対象の表面を可能な限り全面的にカバーするために、他の測定ポイントから連続的に一定の角度で隔てられるように並べられてもよい。

図１に見られるように、各測定ポイントＰ_nは、次の関係で定義されるずらし角度θ_nによってずらされる。
θ_n＝θ_n-1＋Δθ
ここで、Δθは、ずらし角度の増加量であって、非対称効果に帰するべき重みづけに依存して大きくまたは小さくなる初期値に定められる。θ₀は任意の値でよい。

測定ポイントＰ_n（Ｐ₁からＰ_Nに変化する）は、このように次の極座標によって規定される。
Ｐ_n＝[Ｒ’_n，θ_n] ｎは１からＮまで変化する

比較的小さなずらし角度の増加量Δθでは（１０°未満）、測定対象の表面上のポイントの分布は、ウェーハの表面上に配列された螺旋状の形をとり、半径方向の変化が優勢なときに適している。

大きなずらし角度の増加量Δθでは、この測定ポイントの分布は、より一様になるとともに、非対称効果が大きいときにより適切になる。

図２は、パラメータ化が測定ポイント数Ｎ＝８９、角度ずらしの増加量Δθ＝１５°とされた測定ポイントの分布が中間的である例を示している。上述したように、そのようなパラメータ化であれば、除外ゾーン１２の境界で集中が大きくなる螺旋状を形成する複数の測定ポイント１００が得られる。

一例として、図３は、研磨後にＳＯＩウェーハの薄層の厚みを検査することを示している。１００°の増加量Δθは、５０に制限された測定ポイント２００の数Ｎについては、ウェーハの正確なマップを作り出すことができる。本発明の方法は、このように、ウェーハ上の測定ポイントの数および配置を最適化するための解法であって特に「オンライン」測定装置に適切な解法を提案する。一般的にそのタイプの装置に使用可能な測定ポイントの数は、１００程度であるからである。

出願人は、測定の正確さに対するずらし角度の影響を見つけ出すことを模索してきた。この目的のために、次の２つの方法を使って得られる研磨後の３００ｍｍＳＯＩウェーハの厚みの測定値の間の相関係数を定めるため、複数のウェーハに対するテストを実行した。
・ＡＤＥ社のアキュマップ測定装置を用いて７５００ポイントで実行された測定による。
・複数の角度および異なるＮの値を用いて本発明の方法を使用する。

これらの測定が終了して、ずらし角度Δθが１００°程度で正確さが高かった（すなわち、本発明の測定とアキュマップ測定装置を用いて実行した測定の間によい相関関係があった）ことが観察された。いずれにしても、本テストによって、ずらし角度Δθを１００°程度にして得られる相関関係は、ずらし角度Δθを１５°程度にしたときに得られる相関関係よりも格段に高いことが示された。また、本テストによって、本発明の方法を用いると、約１５測定ポイント（Ｎ）が所望の正確性のレベルに十分であることが示された。

本発明の変形例では、同心リングは、事前に実行されるパラメータ化（リング内のポイントの数および／またはずらし角度値）に関して複数の独立したゾーンにグループ化されてもよい。これは、物理的等級での変化のトポロジー（例えば研磨後に厚みを検査するときの研磨ヘッドのさまざまな圧力ゾーンの機能のような）にもっと適した仕方で測定ポイントを分布させることを可能にするとともに、測定ポイントの数を最小限にすることを可能にする。

図４Ａは、ウェーハ３０上で３つの独立したゾーンへの測定ポイントの分布の例を示している。ポイント３００は、第１ゾーン１内で第１のパラメータ化に従って配置された測定ポイントに相当し、ポイント３１０は、第２ゾーン２内で第２のパラメータ化に従って配置された測定ポイントに相当し、ポイント３２０は、第３ゾーン３内で第３のパラメータ化に従って配置された測定ポイントに相当する。これらのゾーンに応じた半径Ｒ_nと角度θ_nの変化を示す図４Ｂでは、あるゾーンから他のゾーンまでずらし角度のみが変化することを見ることができる。ゾーン１ではΔθ＝２５°、ゾーン２ではΔθ＝３０°、ゾーン３ではΔθ＝５０°である（Ｎ＝５０）。

図４Ａでは、本発明の配置方法によれば、複数の独立したゾーンを使ったときでさえも、測定ポイントは除外ゾーン３２内へ溢れ出すことなく常にウェーハ３０の実用表面３１内に含まれることを見ることができる。

本発明の他の変形例では、測定ポイントのパラメータ化は、配置されるべき各ポイントについての角度θ_nおよび／または半径Ｒ_nを必要に応じて変化させることによって、リングごとのいくつかの測定ポイントが各リングに対して可変のまたは固定の数に応じて配置されることを可能とするようになっている。

単純化のために研磨後に薄層の厚みを測定することに関して上述したが、前記方法は、ウェーハの任意のマップ製作測定（応力、電気的性能、濃度の均一性、応力などの測定）に適応可能である。

上述した方法は、ウェーハの非破壊検査のために使用される計量装置であってポイントによる測定を使用してウェーハ全体を示すマップを製作する装置においてコンピュータプログラムの形式で採用されることを意図している。関係する装置の例としては、ノバ・メジャーリング・インスツルメンツ・オア・ナノメトリクス社製測定装置のような反射率測定法、またはテルマウェーブ社によって販売される“オプティプローブ（登録商標）”シリーズからなる装置のような偏光解析法により、ウェーハの薄膜の厚みを測定することができる装置がある。

概して、本発明は、可動プローブ、センサ、または方向付け可能なビームのようなポイント測定器具を有するどのようなタイプのウェーハ測定装置でも実施することができる。そのタイプの装置では、全ての所定の測定ポイント上に測定センサなどを移動させるための配置プログラムを使用するマイクロプロセッサーのようなプログラム可能なプロセッサー手段を主に備える制御部によって複数の測定ポイントが配置されることがよく知られている。結果として、そのタイプの装置で本発明を実施することは、配置ソフトウェアに対しての変更を必要とするだけであり、測定器具による測定ポイント上の配置は上述した本発明の方法に対応する配置プログラムから計算される。

本発明の一実施形態に係る測定ポイントを配置する方法を説明するウェーハの概略図である。 本発明のウェーハ上の測定ポイントの分布の第１例を示している。 本発明のウェーハ上の測定ポイントの分布の第２例を示している。 ３つの異なるゾーンを持つウェーハ上の測定ポイントの分布の第３例を示しており、各ゾーンでは角度のオフセット量が異なっている。 図４Ａの３つのゾーンにおける半径および角度のオフセット量の変化を示すグラフである。

Claims (23)

1. 円形のウェーハを測定する方法であって、
   ａ）前記ウェーハの表面（Ａ）を一定の面積（Ａ／Ｎ）を有する複数（Ｎ）の同心リングに分割する工程と、
   ｂ）各リング上に少なくとも１つの測定ポイントを配置する工程と
   を含む方法。
2. 請求項１に記載の方法において、
   工程ａ）において、各リングの外側半径（Ｒ_n）を次式
   Ｒ_n＝Ｒ_N（ｎ／Ｎ）^1/2 （ｎは１からＮまでの変数）
   を使用して計算することを特徴とする方法。
3. 請求項１または２に記載の方法において、
   工程ｂ）において、前記測定ポイントを前記リングの中間円（cercle median）上に配置することを特徴とする方法。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法において、
   工程ｂ）において、各測定ポイントを前の測定ポイントに対して角度ずらしすることを特徴とする方法。
5. 請求項４に記載の方法において、
   ずらし角度の値は、検査対象の全表面上で一定であることを特徴とする方法。
6. 請求項５に記載の方法において、
   前記ずらし角度の値は、１００°程度であることを特徴とする方法。
7. 請求項４に記載の方法において、
   前記ずらし角度の値は、リングで規定される複数のゾーンで異なっていることを特徴とする方法。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法において、
   工程ｂ）において、測定ポイントの数がリングで規定される異なるゾーンで異なっていることを特徴とする方法。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法において、
   前記円形のウェーハは、工程ａ）の間において考慮されない環状の除外ゾーンを有するものであることを特徴とする方法。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法において、
    前記円形のウェーハは、半導体材料からなるウェーハであることを特徴とする方法。
11. 請求項１０に記載の方法において、
    前記円形のウェーハは、シリコンオンインシュレータウェーハであることを特徴とする方法。
12. 請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法において、
    配置された各測定ポイントで厚みを測定する工程をさらに含むことを特徴とする方法。
13. 請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法において、
    配置された各測定ポイントで電気特性または応力を測定する工程をさらに含むことを特徴とする方法。
14. 円形のウェーハを測定するための装置であって、
    配置制御部に応答して前記ウェーハにおける複数の所定のポイントで測定を実行する測定手段を備え、
    前記制御部は、測定対象の前記ウェーハの表面を一定の面積を有する複数の同心リングに分割し、前記測定手段を当該測定手段が各リングで少なくとも１つの測定を実行できるように配置する手段を備えることを特徴とする装置。
15. 請求項１４に記載の装置において、
    各リングの外側半径（Ｒ_n）は、次式
    Ｒ_n＝Ｒ_N（ｎ／Ｎ）^1/2 （ｎは１からＮまでの変数）
    から計算されることを特徴とする装置。
16. 請求項１４または１５に記載の装置において、
    当該装置は、各リングの中間円（cercle median）上のポイントで測定を実行することを特徴とする装置。
17. 請求項１４〜１６のいずれか一項に記載の装置において、
    前記配置制御部は、各測定ポイントに、前の測定ポイントに対する角度ずらしを加える手段をさらに備えることを特徴とする装置。
18. 請求項１７に記載の装置において、
    ずらし角度の値は、一定であることを特徴とする装置。
19. 請求項１８に記載の装置において、
    前記ずらし角度の値は、１００°程度であることを特徴とする装置。
20. 請求項１７に記載の装置において、
    前記ずらし角度の値は、リングで規定される異なるゾーンで異なっていることを特徴とする装置。
21. 請求項１４〜２０のいずれか一項に記載の装置において、
    測定ポイントの数がリングで規定される異なるゾーンで異なっていることを特徴とする装置。
22. 請求項１４〜２１のいずれか一項に記載の装置において、
    前記配置制御部は、前記円形のウェーハで測定対象とする表面に含まれない除外ゾーンを当該ウェーハ上に規定する手段をさらに備えることを特徴とする装置。
23. 請求項１４〜２２のいずれか一項に記載の装置において、
    前記測定手段は、厚み、電気特性、または応力を測定する手段であることを特徴とする装置。

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