JP3790160B2

JP3790160B2 - 試料分解処理装置及びこれを用いた不純物分析方法

Info

Publication number: JP3790160B2
Application number: JP2001402005A
Authority: JP
Inventors: みゆき竹中; 裕司山田; 祥二小塚; 秀樹松永
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2001-12-28
Filing date: 2001-12-28
Publication date: 2006-06-28
Anticipated expiration: 2021-12-28
Also published as: JP2003202278A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハや石英ガラスなどの試料分解処理装置に関し、より詳しくは、試料の任意の特定領域における表面および試料中の不純物を分析・評価するのに好適な局所分解処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の半導体デバイスの高密度化に伴い、極力不純物汚染を排除するために、プロセスの管理が厳しく行なわれている。例えば、半導体ウエハの表面における金属汚染などの清浄度を評価する方法として、ＷＳＡ法（ＷａｆｅｒＳｕｒｆａｃｅＡｎａｌｙｓｉｓ）と呼ばれる代表的な方法があり、プロセスの汚染評価に活用されている。この方法は、疎水性の被測定物表面に溶解液を滴下し、被測定物を傾倒させることにより溶解液を移動させて、移動後にこの溶解液を回収して、例えば金属固有の波長の光の吸収量を測定して分析する黒鉛炉原子吸光分析装置（ＧＦＡＡＳ）や誘導結合プラズマ質量分析装置（ＩＣＰ−ＭＳ）を使用して金属汚染の分析を行うものである。上述した分析方法では、半導体ウエハにあっては、その片面についてのみ行い、しかも溶解液を試料全面に走査させるので、分析値は平均化した値となり、試料の特定領域の汚染度を求めることはできなかった。
【０００３】
ところが、近年の高品質な半導体ウエハにおいては、その高品質性の保証は表裏面のみならず、特定領域についても同様に要求されるようになってきている。これは特定領域に汚染などがあった場合、この汚染がデバイス加工において、引き続き、次工程の加工面に影響を与えるためである。従って、どの加工工程に金属汚染の原因があるかを特定して、その原因を解決しなければ高品質の半導体ウエハを安心して供給することは困難といえる。
【０００４】
このような背景から、半導体ウエハの任意の領域についての汚染度分析を実現せんとしていくつかの提案がなされており、例えば、特開平９−２３６５２４号や、特開平１１−３４４４２８号が知られている。このうち、特開平９−２３６５２４号開示の技術は、半導体ウエハの金属汚染の分析を行う金属分析システムにエッチングチャンバを設け、そこから塩素ガスなどによるベーパーエッチングにより半導体ウエハそれ自体のエッチングを行う。エッチングされた半導体ウエハは、抽出チャンバに設けられた滴下保持具により半導体ウエハの任意の範囲だけで抽出液を走査し、その抽出液を分析装置により分析して半導体ウエハの厚さ方向および半導体ウエハの任意の範囲だけの金属汚染の分析を行うものである。一方、特開平１１−３４４４２８号開示の技術は、半導体ウエハをエッチング分解処理して、半導体ウエハの不純物分析に用いる局所分解処理治具において、半導体ウエハの被処理面を複数の領域に区画分割する仕切板を備えるようにしたものである。
【０００５】
また、半導体ウエハを特定領域部分に切り出して、分析・評価することも行われていた。すなわち、図３に示すように、この分解装置は、凹部を備え、この凹部内面に雌ネジが切られている基盤台３２の凹部内に試料を保持するためのシリコン保持台３４を配置し、このシリコン保持台３４の表面に試料となるシリコン片３１を配置し、これらを外周に雄ネジが切ってある固定用上皿３３を螺合して、組み立てる。試料のシリコン片３１は、分析対象ウェハの所要箇所を切り出して試料とする。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述した特開平９−２３６５２４号においては、試料となる半導体ウエハの任意の範囲をどのように確定するかは、例えば、分析作業者が操作部から入力するとされているだけで、その詳細については具体的開示がなく、抽出液が所望領域から流れ出すのを防止する等の対策も施されていなかった。
【０００７】
一方、特開平１１−３４４４２８号においては、所望の分析領域が仕切板で区画されることから、いくつもの種類の仕切板を準備する必要があったり、例えば、直径３０ｍｍ程度の円形領域を分析する場合等、いわゆるスポット的に被分析領域を確定して分析することが困難であるという技術的課題があった。さらに、試料ウエハを特定領域部分に切り出して分析・評価する手法では、ウエハ表層やバルクなどの分析には適しているが、切り出しに際して、一度表面洗浄が必要なことから試料表面の汚染度を正確に把握するのは困難である、という技術的課題があった。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、上記した技術的課題を解決するためになされたものであり、半導体ウエハ等の試料の任意の特定領域における表面および試料中の不純物を分析・評価するのに好適な分解処理装置及びこの装置を用いた試料の不純物分析方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような課題を解決するために成された試料分解処理装置である。すなわち、本発明の試料分解処理装置は、分解処理する試料の表面に溶解液を滴下するための開口部を形成し、溶解液の流れ出しを阻止しうる程度に試料面に圧着可能とした圧着体と、この圧着体を挿入する貫通孔が形成されるとともに、下端部には、嵌り合って摺動可能となるように嵌合用溝部を備えたスライド部材と、略試料外形サイズで円盤状をなし、中心を含んで外周端に至るまでの短冊状の切り欠き部を有し、その切り欠き部には、前記スライド部材の嵌合用溝部と嵌合するための嵌合部を形成してなるプレート部材と、前記試料を介して前記プレート部材を載置する凹部を形成したテーブル部材とを備えたことを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明の試料分解処理装置においては、前記プレート部材に形成した嵌合部は断面形状が略凸状もしくは溝状に形成され、前記スライド部材に形成した嵌合用溝状部もしくは略凸状部と嵌合するようにしたことを特徴とするものである。このことにより、スライド部材は試料の中心部から外周端まで円滑に移動可能となる。
【００１１】
さらに、本発明の試料分解処理装置は、前記スライド部材の所要箇所に設けられた位置固定用ネジ穴にネジを螺合して前記プレート部材に押圧力を付加することにより、前記スライド部材と前記プレート部材との相対的位置を固定することができるようにしたものである。これにより、スライド部材の位置決め固定を容易に行うことができるようになる。スライド部材の相対位置（座標）をディジタル表示またはアナログ表示する機構を具備することにより、スライド部材の位置決め固定を簡便且つ精度良く行うことができるようになる。
【００１２】
さらには、本発明の試料分解処理装置においては、前記圧着体は、本体部と溶解液を保持する保持体とから構成されていることを特徴とするものである。このような構成とすることにより、消耗の早い部分のみの交換が容易となる。
【００１３】
また、本発明の試料分解処理装置においては、前記圧着体の本体部は、前記スライド部材と螺合するように形成され、この本体部が前記スライド部材と螺合することによって、前記保持体は、試料の処理面に圧接されるように構成されていることを特徴とするものである。このことにより、試料への圧着性が高まり、溶解液（エッチング液）が特定領域外へ漏出しなくなるので、溶液漏れによる周辺部からの汚染が防止され、特定領域部分について、高感度の分析が可能となる。
【００１４】
また、本発明の試料分解処理装置においては、前記圧着体に形成した開口部は筒状に形成されていることを特徴とするものである。このことにより、溶解液の滴下の操作がしやすいものとなる。
【００１５】
さらに、本発明の不純物分析方法は、分析用試料に溶解液を滴下するための溶解液保持体を、試料面上において周方向および径方向自在に移動可能として構成した試料分解処理装置を用いて、該溶解液保持体を試料面上の任意に選定した特定領域に位置決めし、溶解液の注入および該溶解液の回収を行い、回収した該溶解液の不純物分析を行うことを特徴とする不純物分析方法である。
【００１６】
また、上記本発明の不純物分析方法は、特定箇所の不純物分析を行った後、前記溶解液保持体を試料面上において周方向および径方向の任意の他の特定領域に移動させ、さらに不純物分析を行うこともできる。このように任意に選定した特定領域に、所定回数の溶解液の滴下および該溶解液の回収を行い、各溶解液の不純物分析を行うことによって、試料の不純物分布を得ることもできる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の分解処理装置における実施の形態を図に基づいて説明する。尚、各図において同一箇所には同一符号を付している。
図１は本実施形態の試料分解処理装置の構成を示す正面図で、図２は図１に示す第１の実施形態の試料分解処理装置の構成をＡ−Ａ断面に沿って示した分解説明図である。図１において、テーブル部材１には、半導体ウエハ等の試料を載置するとともに試料を保持するためのプレート部材２が緩やかに嵌り合う凹部１ａが形成されている。プレート部材２は、略試料外形サイズで円盤状をなし、中心を含んで外周端に至るまでの短冊状の切り欠き部２ａを有している。その切り欠き部２ａには、スライド部材３の嵌合用溝部と嵌合するための嵌合部２ｂが形成されている。このプレート部材２はテーブル部材１の凹部１ａ上で回転可能であり、したがってテーブル部材１に載置された半導体ウエハ１０との相対的位置は周方向で変化させることができる。分解処理を行わんとする半導体ウエハ１０の特定領域は作業者により選定され、その位置でプレート部材２は半導体ウエハ１０の片面の特定外周部を圧接して保持し、半導体ウエハ全体を固定可能に形成してある。このプレート部材２の固定は、図４に示すようにプレート部材２の所要箇所に配設されたボルトナット９の組み合わせの固定手段を採用してもよいし、また、図示しない他の加圧手段を採用してもよい。
【００１８】
プレート部材２の切り欠き部２ａに形成した嵌合部２ｂは、例えば、図２に示すように断面形状が略凸状に形成され、一方、スライド部材３にはプレート部材２との係合を成すために一方向に延設した筒状部３ａを形成し、その筒状部３ａには、プレート部材２の凸状突起部と係合するための溝部３ｂを凹設している。あるいは、スライド部材３には突起部を設け一方のプレート部材２にはこれと係合する溝部を形成してもよい。係る係合により、スライド部材３は、半導体ウエハ面内においてウエハ１０の略中心から外周端まで径方向に移動可能となっている。
【００１９】
このスライド部材３の所要の位置に、このスライド部材３を貫通するように、位置固定用ネジ穴８が設けられており、このネジ穴に、位置固定用ネジ７を螺合することにより、ネジ７の下部がスライド部材３の下面に対向するプレート部材２の上面を押圧するようになる。これによりスライド部材３とプレート部材２とは、離間するように変位するが、スライド部材３とプレート部材２にそれぞれ設けられた溝部と凸状部との嵌合によりスライド部材３の相対的移動が阻止され、プレート部材２に固定される。
【００２０】
また、スライド部材３には、一端部に鍔部５ａを形成し、略筒状を呈した圧着体４を収容するための孔部３ｃが形成されている。圧着体４は本体部５と保持体６から成り、本体部５には保持体６をスライド部材３に圧着するために、スライド部材３に設けたネジ部３ｄに螺合するように雄ネジ５ｂが切られている。さらに、保持体６には、半導体ウエハの溶解液を滴下するための開口部６ａが形成してある。スライド部材３の孔部３ｃに挿入された保持体６は、鍔部側５ａから本体部５をネジ締めすることにより、圧着されるようになっている。
【００２１】
本発明において、試料１０の分解領域を決定する保持体６の位置決めは、試料１０と保持体６との間のみの力によって位置決めされるのではなく、位置決め用ネジ７の位置決め用ネジ穴８への螺合によってスライド部材３とプレート部材２との間に掛かる力によって固定されている。そのために、試料１０に過重な力が加わることがないため、試料１０の損傷を防ぐことができる。
【００２２】
さらに、保持体６と、試料１０との間に、複数の内径の異なるＯリング様の部材を配置し、これを交換することによって、容易に分解領域の面積を変更することができる。
【００２３】
尚、これらの構成部材の材質としては、耐薬液腐食性および防塵性の観点からポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）樹脂を用いることが好ましい。
【００２４】
図４は、本発明の第２の実施形態にかかる試料分解処理装置の構成を示す正面図である。この図から明らかなように、第２の実施形態では、プレート部材２の短冊状の切り欠き部２ａ、２ａは、略直径に相当する長さでかつ十字状にクロスするように形成されている。そして、切り欠き部２ａ、２ａに形成された嵌合部２ｂ，２ｂには、２つのスライド部材３が、切り欠き部２ａ，２ａの延長線上で対峙せず、直交する位置関係で嵌合するようになっている。さらに、各スライド部材３には、本体部５と保持体６から成る圧着体４が挿入されている。このような構成としているから、試料面の複数箇所において分解・回収作業が略同時に行えるので、作業効率が著しく向上することとなる。
【００２５】
次に、本実施形態の試料分解処理装置を使用した不純物の分析方法について説明する。まず、本実施形態の分析方法においては、溶解液による処理を行う前に、当該半導体ウエハに表面状態を疎水性に変化させる前処理を行う。重金属汚染の状態を評価する目的では、溶解液として例えば希ＨＦ／Ｈ_２Ｏ_２水溶液または希ＨＦ＋ＨＮＯ_３水溶液を使用することができる。
【００２６】
図１に示すように、試料を載置するテーブル部材１上に半導体ウエハ１０を載置した後、プレート部材２によりウエハを保持し、さらに任意のエッチング箇所にスライド部材３を移動し、圧着体４の本体部５を螺合して保持体６を半導体ウエハ面に圧接させる。次に、この保持体６の開口部に約０．３ｍｌの溶解液３を滴下し、半導体ウエハ１０の特定箇所１０ａをこの溶解液３に浸漬させる。これにより、半導体ウエハ１０の特定箇所１０ａは、保持体６に浸漬した状態で移動し、その表面のＦｅやＣｕといった重金属は、溶解液３内に溶出してくる。この反応を終了した溶解液３を、例えば清浄なピペットなどにより回収する。次いで、プレート部材２と嵌合するスライド部材３を任意移動させ、次の分解領域について同様の操作を行う。半導体ウエハの径方向の分解・回収が終了したら、テーブル部材１上のプレート部材２を半導体ウエハの周方向に回転させ、次の分解領域について同様の操作を行う。各領域からそれぞれ回収された溶解液３は黒鉛炉原子吸光分析またはＩＣＰ−ＭＳなどにより、その含有量を分析し、これにより半導体ウエハ１０の特定箇所１０ａの重金属汚染状態を評価できる。このように、分解・回収をする任意の特定領域の選定が細やかにしかも容易に行えるので、試料面の不純物濃度プロファイルが精度よく得ることができる。
【００２７】
また、本発明にかかる不純物の分析方法により、任意で選定した領域において、分解・回収を所定回数繰り返し行い、得られた溶解液の不純物分析を行うことによって、試料の深さ方向の不純物濃度プロファイルも精度よく得ることができる。
【００２８】
【実施例】
以下、本発明の実施例および比較例により、更に詳細に本発明を説明する。
（実施例１）
８インチのＳｉウエハを図１に示した本発明にかかるウエハ分解処理装置にセットし、ＨＦ（３％）：Ｈ_２Ｏ_２（３％）＝１：１の混酸をエッチング分解薬液とした。保持体６の開口部に０．２ｍｌ注入し、注入後、表面の酸化膜が溶解し、疎水性になったところで、分解を停止した。この時、エッチング分解時の漏れは認められず、ウエハ表面の汚染も見られなかった。その後、エッチング分解薬液をピペットで吸いポリテトラフルオロ樹脂容器に回収し、分析用試料とした。これらの分析試料を所定の前処理により、測定用試料溶液とした後、ＧＦＡＡＳやＩＣＰ−ＭＳにより、Ｎａ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｆｅ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗなど２０元素の濃度を測定した。この結果を表１に示すものであった。
【００２９】
（比較例１）
次いで、図３に示した従来の局所領域部分解冶具を用いて、ウエハの同一部を分析した。エッチング分解溶液を０．２ｍｌとした以外は上記実施例１と同様に処理して、Ｎａ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｆｅ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗなど２０元素の濃度を測定した。この結果を表１にまとめて示す。比較例１で得られた値は、元素によっては、実施例１の１．２〜６倍以上の高い値を示し、ウエハ表面の切り出しによる汚染の影響が見られた。すなわち、ダイアモンドカッターなどで、切断した際に、シリコン屑やカッター刃片などの汚染物質が表面に混入、付着し、正確な値の測定が困難であることがわかった。
【００３０】
【表１】

【００３１】
（実施例２）
次に、図４に示すような２点同時測定用の装置での実施例を示す。
８インチのＳｉウエハを図４に示した本発明にかかる分解処理装置にセットし、ＨＦ（３８％）：ＨＮＯ_３（６８％）＝１：１０の混酸をエッチング分解薬液とした。図５に示す各エッチング位置に分解溶液を０．３ｍｌ注入し、注入後３分間経過したエッチング分解薬液をポリテトラフルオロ樹脂容器に回収し、分析用試料とした。この操作を３回繰り返し、深さ方向分析用の試料とした。これらの分析試料を所定の前処理により、測定用試料溶液とした後、ＩＣＰ−ＭＳによりＣｕ，Ａｌ，Ｆｅの濃度を測定した。この結果を表２に示す。各区画領域の分布が異なることが分かる。
【００３２】
（比較例２）
次いで、図３に示した従来の局所領域部分解冶具を用いて、ウエハの被処理面を位置領域として、上記実施例２と同様に処理して、不純物の濃度を測定した。この結果を同様に、表２に示す。比較例２では、１点の測定は可能であるが、切り出しの影響で、隣接の部位を定量することは不可能であった。また、第１層は、切り出しの汚染を受けて、測定値が高くなっているのが分かる。
【００３３】
【表２】

【００３４】
上記の実施例においては、溶解液としてＨＦ／Ｈ_２Ｏ_２水溶液またはＨＦ／ＨＮＯ_３水溶液を使用した例を示しているが、これに限られるものではなく、溶解液として、ＨＦ，Ｈ_２Ｏ_２，ＨＮＯ_３，オゾン水、ＨＣｌ，Ｈ_２ＳＯ_４，ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）、水酸化ナトリウムなどのアルカリ溶液、アンモニア、アセトン、メタノール、イソプロピルアルコール、エタノールなどの溶媒およびそのいずれかを用いる混合溶媒を使用することにより、ＩＣ（イオンクロマトグラフ）、ＣＥ（キャピラリー電気泳動）、ＧＣ−ＭＳ（ガスクロマトグラフ質量分析装置）、またはＬＣ−ＭＳ（液体クロマトグラフ質量分析装置）といった分析装置により、金属多層膜やキャパシタ膜、またキャリアや包装容器などの周囲の樹脂などから発散される有機物や非金属イオン、錯形成物質を特定することも可能である。さらに、付言すれば、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で、種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれるものであることはいうまでもない。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、評価対象である試料の特定部分を溶解液に直接接触させた溶解液が確実に回収できるので、得られた評価値は信頼性が高い。しかも、非常に微量な溶解液を使用した分析も可能であり、それによりある特定な金属汚染について高精度に評価を実施することができる。仕切り板は試料ウエハの被処理面に圧接され、その下端部は密着するため、エッチング分解用薬液の外部への漏れを防止すると共に、分割された被処理面のエッチング分解用薬液が混合されるのを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる試料分解処理装置の第１の実施形態を示す正面図。
【図２】図１に示す第１の実施形態の試料分解処理装置の構成をＡ−Ａ断面に沿って示した分解説明図。
【図３】比較例１，２におけるウエハ局所領域部分解冶具を示す説明図。
【図４】本発明にかかる試料分解処理装置の第２の実施形態を示す正面図。
【図５】第２の実施形態、比較例２で用いたウエハのエッチング位置を示す説明図。
【符号の説明】
１・・・テーブル部材
２・・・プレート部材
３・・・スライド部材
４・・・圧着体
５・・・本体部
６・・・保持体
７・・・位置固定用ネジ
８・・・位置固定用ネジ穴
９・・・プレート部材固定用ネジ
１０・・・シリコンウエハ
１０ａ・・・シリコンウエハ特定領域
１１・・・スライド部材ストッパ
３２・・・基盤台
３３・・・固定用上皿
３４・・・シリコン保持台

Claims

分解処理する試料の表面に溶解液を滴下するための開口部を形成し、溶解液の流れ出しを阻止しうる程度に試料面に圧着可能とした圧着体と、
この圧着体を挿入する貫通孔が形成されるとともに、下端部には、嵌り合って摺動可能となるように嵌合用溝部を備えたスライド部材と、
略試料外形サイズで円盤状をなし、中心を含んで外周端に至るまでの短冊状の切り欠き部を有し、その切り欠き部には、前記スライド部材の嵌合用溝部と嵌合するための嵌合部を形成してなるプレート部材と、
前記試料を介して前記プレート部材を載置する凹部を形成したテーブル部材とを備えたことを特徴とする試料分解処理装置。
前記プレート部材に形成した嵌合部は断面形状が略凸状もしくは溝状に形成され、前記スライド部材に形成した嵌合用溝部もしくは凸状部と嵌合するようにしたことを特徴とする請求項１記載の試料分解処理装置。
前記スライド部材の所要箇所に設けられた位置固定用ネジ穴にネジを螺合して前記プレート部材に押圧力を付加することにより、前記スライド部材と前記プレート部材との相対的位置を固定することができるようにしたことを特徴とする請求項１記載の試料分解処理装置。
前記圧着体は、本体部と溶解液を保持する保持体とから構成されていることを特徴とする請求項１記載の試料分解処理装置。
前記圧着体の本体部は、前記スライド部材と螺合するように形成され、この本体部が前記スライド部材と螺合することによって、前記保持体は、試料の処理面に圧接されるように構成されていることを特徴とする請求項４記載の試料分解処理装置。
分析用試料に溶解液を滴下するための溶解液保持体を、試料面上に配置し周方向および径方向自在に移動可能として構成した試料分解処理装置を用いて、該溶解液保持体を試料面上の任意に選定した特定領域に位置決めし、溶解液の注入および該溶解液の回収を行い、回収した該溶解液の不純物分析を行うことを特徴とする不純物分析方法。