JP2020077662A - パターンシフト測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】埋め込み拡散層パターンとシリコンエピタキシャル層表面段差パターンを同じ位置で、切断溝を形成せずに観測できるパターンシフト測定方法を提供する。【解決手段】赤外顕微鏡を用いて、シリコンエピタキシャルウェーハに形成された埋め込み拡散層パターンの画像と、シリコンエピタキシャル層表面段差パターンの画像とを同じ場所で取得するパターン画像取得工程と、前記埋め込み拡散層パターンから前記シリコンエピタキシャル層表面段差パターンへのシフト幅を計測するパターンシフト幅計測工程と、を有することを特徴とするパターンシフト測定方法。【選択図】 図１

Description

本発明はパターンシフト測定方法に関し、より詳しくは、シリコンエピタキシャル層成長後のパターンシフト率を測定する方法に関する。

図５に示すように、埋め込み拡散層２１を有する単結晶基板２２上にシリコンエピタキシャル層（以下、単にエピ層ということがある）２３を気相成長し、エピタキシャルウェーハ２４を製造すると、エピ層２３の表面に形成される段差パターン２６の位置が、埋め込み拡散層２１の段差パターン２５から変位するパターンシフトが発生する。

段差パターン２５、２６左側の変位がＬ、段差パターン２５、２６右側の変位がＲ、エピ層の厚さがｔの時、パターンシフト幅は下記式（１’）で表され、
パターンシフト幅 ＝ （Ｌ＋Ｒ）／２ ・・・（１’）
パターンシフト率は、下記式（２’）で表される。
パターンシフト率 ＝ （Ｌ＋Ｒ）／２ｔ ・・・（２’）

パターンシフトの測定方法は、例えば特許文献１に記載されている。特許文献１は、図６に示すように、半導体ウェーハ上に拡散層の段差パターン３１を形成し、次いで上記段差パターン３１と交差するように１本または複数本の酸化膜層３２を形成した後、エピ層３４の成長を行い、前記拡散層による段差パターンの段差位置を酸化膜層３２およびエピ層の段差パターン３３でそれぞれ測定し、この段差位置の測定値を比較することによって上記パターンの位置ズレを求めることを特徴とするパターンシフト測定方法を開示する。

また、特許文献２は、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、半導体単結晶基板４１に拡散層４２を形成し、該拡散層４２上にエピ層４３を成長して埋め込み拡散層４２を形成する際に生じるパターンシフトを測定する方法において、エピ層表面の段差パターン４４を横切って断面がほぼＶ字状の切断溝４５を形成することにより埋め込み拡散層４２を露出させ、化学エッチングにより埋め込み拡散層４２を顕在化し、該顕在化した拡散層４２と前記段差パターン４４とのずれ幅Ｌ、Ｒを測定することを特徴とするパターンシフト測定方法を開示する。

特開平４−２０６９３９号公報 特開平９−１８１１３６号公報

しかし、従来のパターンシフト測定方法では、パターンシフトを高い精度で測定することが困難であった。
すなわち、図６に示すように、特許文献１のパターンシフト測定方法では、測定するサンプルを観察ステージに正確に置かないと、前記拡散層の段差パターン３１の左右境界位置Ｌ３１、Ｒ３１と、前記エピ層の段差パターン３３の左右境界位置Ｌ３３、Ｒ３３との測定位置が、Ｙ軸方向に異なる。例えば、図８に示すように、測定するサンプルが角度θだけ傾けられた状態で観察ステージに置かれると、前記エピ層の段差パターン３３が角度θ傾くので、ずれ幅（変位）もＬ’、Ｒ’となり、本来のずれ幅Ｌ、Ｒとは異なった値になってしまう。

また、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、特許文献２のパターンシフト測定方法では、円盤状ダイヤモンドブレードを回転させながらエピ層４３に押し付けてＶ字状の切断溝４５を形成するので、切断溝４５の表面に細かい凹凸が残存する。その結果、露出した埋め込み拡散層４２の外形を明瞭に観察することができず、ずれ幅Ｌ、Ｒを正確に測定することが難しい。

本発明は上記課題を解決するために為されたものであり、埋め込み拡散層パターンとシリコンエピタキシャル層表面段差パターン（エピ層表面段差パターン）を同じ位置で、切断溝を形成せずに観測できるパターンシフト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、赤外顕微鏡を用いて、シリコンエピタキシャルウェーハに形成された埋め込み拡散層パターンの画像と、シリコンエピタキシャル層表面段差パターンの画像とを同じ場所で取得するパターン画像取得工程と、
前記埋め込み拡散層パターンから前記シリコンエピタキシャル層表面段差パターンへのシフト幅を計測するパターンシフト幅計測工程と、
を有することを特徴とするパターンシフト測定方法を提供する。

このようなパターンシフト測定方法であれば、埋め込み拡散層パターンとエピ層表面段差パターンを同じ位置で観測できるので、従来法よりも測定精度を向上させることができる。

このとき、前記シリコンエピタキシャルウェーハは、
埋め込み拡散層を有するシリコン単結晶基板の前記埋め込み拡散層パターンに交差するように、酸化膜パターンを形成する酸化膜パターン形成工程と、
前記シリコンエピタキシャル層を気相成長する気相成長工程と、
ＨＦ水溶液により前記酸化膜パターンを除去して、前記埋め込み拡散層の一部を露出させるＨＦ処理工程とが施され、
前記露出された埋め込み拡散層を基準にして、前記埋め込み拡散層パターンの位置を決定することが望ましい。

このような方法を用いれば、パターンシフト幅が狭く、埋め込み拡散層パターンとエピ層表面段差パターンの区別が困難な場合でも、前記埋め込み拡散層の一部が露出している部分を基準にすると、両パターンの位置を確実に判別することができる。

このとき、前記埋め込み拡散層パターンの左右境界位置がＬ１、Ｒ１、前記シリコンエピタキシャル層表面段差パターンの左右境界位置がＬ２、Ｒ２、前記シリコンエピタキシャル層の層厚がｔのとき、前記パターンシフト幅は下記式（１）

パターンシフト幅＝（（Ｌ２−Ｌ１）＋（Ｒ２−Ｒ１））／２・・・（１）

で表され、
下記式（２）を用いてパターンシフト率を求めることが望ましい。

パターンシフト率＝（（Ｌ２−Ｌ１）＋（Ｒ２−Ｒ１））／２ｔ・・・（２）

このような方法を用いれば、パターンシフト幅およびパターンシフト率を正確に求めることができる。

本発明のパターンシフト測定方法によると、埋め込み拡散層パターンとエピ層表面段差パターンを同じ位置で観測できるので、従来法よりも測定精度を向上させることができる。また、パターンシフト幅が狭く、埋め込み拡散層パターンとエピ層表面段差パターンの区別が困難な場合でも、前記埋め込み拡散層の一部が露出している部分を基準にすると、両パターンの位置を確実に判別することができる。

本発明のパターンシフト測定方法で測定するサンプル構造の一例を示す概略図である。 赤外顕微鏡によるパターンシフト測定方法の概略説明図である。 本発明のパターンシフト測定方法で測定するサンプル構造の他の一例であり、ＨＦ処理前の状態を示す概略図である。 図３のサンプルをＨＦ処理した後の状態を示す概略図である。 パターンシフト測定の概略説明図である。 特許文献１の概略説明図である。 特許文献２の概略説明図である。 特許文献１の課題を示す概略説明図である。

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。

［サンプルの準備］
まず、図１、図３に示すように、シリコン単結晶基板２に拡散層１を一定の間隔で形成する。この時、拡散層１の位置には、埋め込み拡散層パターン（段差パターン）５が形成される。必要な場合、図３に示すように、所定厚さの熱酸化膜を形成後、リソグラフィ技術により、酸化膜パターン７を拡散層１に対して垂直に一定間隔で形成する（酸化膜パターン形成工程）。

次に、図１、図３に示すように、シリコン単結晶基板２上にエピ層３を気相成長し（気相成長工程）、パターンシフト測定用サンプルのシリコンエピタキシャルウェーハ４、８となす。この結果、拡散層１はエピ層３に埋め込まれて埋め込み拡散層１になり、エピ層３の表面にシリコンエピタキシャル層表面段差パターン（段差パターン）６が形成される。

段差パターン６の位置は、埋め込み拡散層１の段差パターン５から変位しており、パターンシフト幅の程度は、結晶方位、気相成長厚さ、気相成長温度、気相成長速度、気相成長圧力などの気相成長条件により変化するので、パターンシフト率が所定の範囲内であることを確認する必要がある。

図３の酸化膜パターン７を形成した場合、パターンシフト率を測定する前に、ＨＦ水溶液により前記酸化膜パターン７を除去し、図４に示すように、シリコン単結晶基板２の一部を露出させる（ＨＦ処理工程）。すると、埋め込み拡散層１も露出するので、埋め込み拡散層パターンの左右境界位置Ｌ１、Ｒ１が見えるようになる。

［赤外顕微鏡］
パターンシフト率は変位幅（パターンシフト幅）／エピ厚（エピ層の層厚）で表され、結晶面方位（１００）の場合は通常０．５以下なので、例えばエピ厚ｔ＝１０μｍの場合、変位幅は５μｍ以下である。そのため、パターンシフト測定には顕微鏡が用いられる。

図２に示すように、可視光をシリコンエピタキシャル層３は反射する。一方、波長９００ｎｍ〜１７００ｎｍの赤外線をシリコンエピタキシャル層３はよく透過するが、高濃度にドープされた埋め込み拡散層１は反射する。そこで、赤外顕微鏡を用いると、エピ層３表面の段差パターン６では可視光が反射され、埋め込み拡散層１では赤外光が反射されるので、段差パターン６と埋め込み拡散層１の両方を同時に観察することができる。

［パターンシフト測定］
赤外顕微鏡の画像取得機能を用いて、埋め込み拡散層パターンの左右境界位置Ｌ１、Ｒ１の画像と、エピ層表面段差パターンの左右境界位置Ｌ２、Ｒ２の画像とを同じ場所で、例えば１枚のデジタル写真として取得する（パターン画像取得工程）。

次に、前記埋め込み拡散層パターンの左右境界位置Ｌ１、Ｒ１から前記エピ層表面段差パターンの左右境界位置Ｌ２、Ｒ２へのパターンシフト幅を、下記式（１）から算出する（パターンシフト幅計測工程）。

パターンシフト幅＝（（Ｌ２−Ｌ１）＋（Ｒ２−Ｒ１））／２・・・（１）

サンプルのエピ層厚さがｔのとき、パターンシフト率は下記式（２）で表される。

パターンシフト率＝（（Ｌ２−Ｌ１）＋（Ｒ２−Ｒ１））／２ｔ・・・（２）

図３の酸化膜パターン７を形成した場合、露出された埋め込み拡散層を基準にして、埋め込み拡散層パターンの位置を決定することができる。このようにすれば、パターンシフト幅が狭く、埋め込み拡散層パターンとエピ層表面段差パターンの区別が困難な場合でも、前記埋め込み拡散層の一部が露出している部分を基準にすると、両パターンの位置を確実に判別することができる。

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１］
図１に示すように、主表面の結晶面方位が４°オフの（１００）、不純物濃度が１．３×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３のｐ型シリコン単結晶基板２に、パターン幅８０μｍ、不純物濃度５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３のＳｂ（アンチモン）拡散層１を１２０μｍ間隔で形成する。

続いて、厚さ１０．８μｍ、抵抗率２．５Ωｃｍ、ｎ型のシリコンエピタキシャル層３を気相成長し、パターンシフト測定用サンプルのシリコンエピタキシャルウェーハ４となす。この結果、拡散層１はエピ層３に埋め込まれて埋め込み拡散層１になる。

次に、波長１３１０ｎｍの半導体レーザーを有する赤外顕微鏡を用い、シリコンエピタキシャルウェーハ４を５０倍の対物レンズで観察すると、埋め込み拡散層１とエピ層表面段差パターン６の両方を同じ場所で見ることができる。そして、前記埋め込み拡散層パターンの左右境界位置Ｌ１、Ｒ１の画像と、前記エピ層表面段差パターンの左右境界位置Ｌ２、Ｒ２の画像とを、同じ場所で、デジタル写真として取得する。

写真計測ソフトを用い、前記デジタル写真のＬ２−Ｌ１、Ｒ２−Ｒ１の間隔を３回繰り返して測定したところ、その平均は
Ｌ２−Ｌ１＝３．４３μｍ、
Ｒ２−Ｒ１＝４．９４μｍ、
パターンシフト率＝０．３９
だった。また、パターンシフト率の標準偏差σは、０．００５であった。

［実施例２］
図３に示すように、主表面の結晶面方位が４°オフの（１００）、不純物濃度が１．３×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３のｐ型シリコン単結晶基板２に、パターン幅８０μｍ、不純物濃度５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３のＳｂ（アンチモン）拡散層１を１２０μｍ間隔で形成する。

続いて、厚さ６００ｎｍの熱酸化膜を形成後、リソグラフィ技術により線幅５０μｍの酸化膜パターン７を、Ｓｂ（アンチモン）拡散層１に対して垂直に５ｍｍ間隔で形成する。

次に、厚さ５．２μｍ、抵抗率１．２Ωｃｍ、ｎ型のシリコンエピタキシャル層３を気相成長する。この時、酸化膜パターン７上にエピ層３は成長しない。さらに、シリコンエピタキシャルウェーハ８を２５％ＨＦ水溶液で処理して酸化膜パターン７をエッチング除去すると、埋め込み拡散層１が露出し、埋め込み拡散層パターンの左右境界位置Ｌ１、Ｒ１が光学顕微鏡でも観察可能になる。このＨＦ水溶液で処理済のシリコンエピタキシャルウェーハ８を、パターンシフト測定用のサンプルとなす。

実施例１と同様、波長１３１０ｎｍの半導体レーザーを有する赤外顕微鏡を用い、シリコンエピタキシャルウェーハ８を５０倍の対物レンズで観察すると、埋め込み拡散層１とエピ層表面段差パターン６の左側パターンが接近して形成されており、両者の区別が困難であった。

そこで、図４において埋め込み拡散層１の一部が露出している部分の左右境界位置Ｌ１、Ｒ１を基準にすると、露出した拡散層１の左右境界位置Ｌ１、Ｒ１は、赤外顕微鏡でエピ層３を透過して観察される左右境界位置Ｌ１、Ｒ１と同一線上に存在するので、両パターンの位置を容易に判別することができた。

そして、前記埋め込み拡散層パターンの左右境界位置Ｌ１、Ｒ１の画像と、前記エピ層表面段差パターンの左右境界位置Ｌ２、Ｒ２の画像とを、同じ場所で、デジタル写真として取得し、写真計測ソフトを用い、前記デジタル写真のＬ２−Ｌ１、Ｒ２−Ｒ１の間隔を３回繰り返して測定したところ、その平均は
Ｌ２−Ｌ１＝０．８３μｍ、
Ｒ２−Ｒ１＝１．７３μｍ、
パターンシフト率＝０．２５
だった。また、パターンシフト率の標準偏差σは、０．００３であった。

［比較例１］
実施例２で準備したシリコンエピタキシャルウェーハを、可視光のレーザー顕微鏡を用い、５０倍の対物レンズで観察すると、図６と同様なパターンに見える。Ｌ３１−Ｌ３３、Ｒ３１−Ｒ３３の間隔を３回繰り返して測定したところ、その平均は
Ｌ３１−Ｌ３３＝０．９２μｍ、
Ｒ３１−Ｒ３３＝１．８０μｍ、
パターンシフト率＝０．２６
だった。また、パターンシフト率の標準偏差σは、０．００６であった。

可視光のレーザー顕微鏡を用いてパターンシフトを測定する比較例１では、埋め込み拡散層パターンおよびエピ層表面段差パターンの左右境界位置を同じ測定位置で測定することができない。一方で、赤外顕微鏡を用いてパターン画像取得工程を行い、パターンシフト幅計測工程を行った実施例１では、埋め込み拡散層パターンおよびエピ層表面段差パターンの左右境界位置を同じ測定位置で測定することができるため、比較例１よりもパターンシフト率の標準偏差が小さく、より高い測定精度で測定することができた。また、実施例２のように、埋め込み拡散層パターンとエピ層表面段差パターンとが接近している場合であっても、露出した埋め込み拡散層の左右境界位置を基準にすることで、比較例１よりも高い測定精度で測定することができた。

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。

本発明のパターンシフト測定方法によると、埋め込み拡散層パターンとエピ層表面段差パターンを同じ位置で観測できるので、従来法よりも測定精度を向上させることができる。また、パターンシフト幅が狭く、埋め込み拡散層パターンとエピ層表面段差パターンの区別が困難な場合でも、前記埋め込み拡散層の一部が露出している部分を基準にすると、両パターンの位置を確実に判別することができる。

１、２１、４２…埋め込み拡散層（拡散層）、
２、２２、４１…シリコン単結晶基板（単結晶基板、半導体単結晶基板）、
７、３２…酸化膜パターン（酸化膜層）、
３、２３、３４、４３…シリコンエピタキシャル層（エピ層）、
４、８、２４…シリコンエピタキシャルウェーハ（エピタキシャルウェーハ）、
５、２５、３１…埋め込み拡散層パターン（段差パターン）、
６、２６、３３、４４…シリコンエピタキシャル層表面段差パターン（段差パターン）、
Ｌ１、Ｒ１、Ｌ２、Ｒ２、Ｌ３１、Ｒ３１、Ｌ３３、Ｒ３３…境界位置、
４５…切断溝。

Claims (3)

1. 赤外顕微鏡を用いて、シリコンエピタキシャルウェーハに形成された埋め込み拡散層パターンの画像と、シリコンエピタキシャル層表面段差パターンの画像とを同じ場所で取得するパターン画像取得工程と、
   前記埋め込み拡散層パターンから前記シリコンエピタキシャル層表面段差パターンへのシフト幅を計測するパターンシフト幅計測工程と、
   を有することを特徴とするパターンシフト測定方法。
2. 前記シリコンエピタキシャルウェーハは、
   埋め込み拡散層を有するシリコン単結晶基板の前記埋め込み拡散層パターンに交差するように、酸化膜パターンを形成する酸化膜パターン形成工程と、
   前記シリコンエピタキシャル層を気相成長する気相成長工程と、
   ＨＦ水溶液により前記酸化膜パターンを除去して、前記埋め込み拡散層の一部を露出させるＨＦ処理工程とが施され、
   前記露出された埋め込み拡散層を基準にして、前記埋め込み拡散層パターンの位置を決定することを特徴とする請求項１に記載のパターンシフト測定方法。
3. 前記埋め込み拡散層パターンの左右境界位置がＬ１、Ｒ１、前記シリコンエピタキシャル層表面段差パターンの左右境界位置がＬ２、Ｒ２、前記シリコンエピタキシャル層の層厚がｔのとき、前記パターンシフト幅は下記式（１）
   
   パターンシフト幅＝（（Ｌ２−Ｌ１）＋（Ｒ２−Ｒ１））／２・・・（１）
   
   で表され、
   下記式（２）を用いてパターンシフト率を求めることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のパターンシフト測定方法。
   
   パターンシフト率＝（（Ｌ２−Ｌ１）＋（Ｒ２−Ｒ１））／２ｔ・・・（２）
   

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