JP3994139B2 - シリコンウエハのグローン・イン欠陥密度の評価方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコンウエハのグローン・イン欠陥密度の評価方法に関し、より詳細には、光散乱式表面検査装置を用いて、チョクラルスキー（ＣＺ）法により得られたシリコンウエハに存在するグローン・イン欠陥の体積密度を評価するシリコンウエハのグローン・イン欠陥密度の評価方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、回路素子の超高度集積化に伴い、ゲート酸化膜等のデバイスプロセスの微細化、薄膜化が進んでいる。このため、シリコンウエハのデバイス形成表面および表層部に存在する微小な欠陥であっても、デバイス性能、歩留まりに大きな影響を及ぼす要因となってきた。
特に、ＣＯＰ（Crystal Originated Particle）と呼ばれる極微小な欠陥が、デバイス性能上からも問題視されるようになり、シリコンウエハ表面および表層部に存在するＣＯＰの正確かつ簡易な検出評価が要求されるようになってきた。
【０００３】
このＣＯＰ欠陥は、ＣＺ法による単結晶引上げの際に形成されるものであり、いわゆるグローン・イン（Grown-in）欠陥の一種である。ＣＯＰ欠陥の形成は、引上げ条件に左右され、その多くは、０．１〜０．２μｍ程度の欠陥サイズを有しており、原子空孔のクラスターと考えられている。
【０００４】
従来は、シリコンウエハ内部に存在する前記ＣＯＰ等のグローン・イン欠陥の存在密度を求める方法としては、パーティクルカウンタを用いて、鏡面加工されたウエハ表面に露出したグローン・イン欠陥を検出し、表面密度換算で比較する方法が、一般的に採用されていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記方法は、面すなわち二次元的に欠陥密度を評価するものであり、体積密度換算、すなわち、三次元的な評価値を得ることはできない。
このため、特に、デバイス不良の原因解析の際に三次元的な欠陥密度が問題となる場合に、正確な解析を行うことが困難であるという課題を有していた。
【０００６】
したがって、高品質のシリコンウエハを供給するために、シリコンウエハ内部に存在する前記ＣＯＰ等のグローン・イン欠陥を簡易に評価することができる方法が強く望まれていた。
【０００７】
本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたものであり、特殊な装置を用いた測定等を行うことなく、シリコンウエハに存在するＣＯＰ等のグローン・イン欠陥の体積密度を簡易に評価するシリコンウエハのグローン・イン欠陥密度の評価方法を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るシリコンウエハのグローン・イン欠陥密度の評価方法は、チョクラルスキー法により製造された同一のシリコン単結晶の近接した部位から得られた複数の鏡面加工されたシリコンウエハについて、前記ウエハの表面に、膜厚がそれぞれ異なる酸化膜を形成した後、光散乱式表面検査装置を用いて、各シリコンウエハの表面欠陥を光散乱体として検出し、その個数Ｎを測定し、（１）式により、前記シリコンウエハに存在するグローン・イン欠陥の体積密度Ｄ（ｃｍ^-3）を算出することを特徴とする。
Ｄ＝Ｎ／（（Ｒ−Ｅ）² π（ｄ／２＋Ａ）×１０^-7） …（１）
（式中、Ｒはシリコンウエハの半径（ｃｍ）、Ｅはエッジカット（ｃｍ）、ｄは酸化膜厚（ｎｍ）、Ａは装置定数（ｎｍ）である。）
上記評価方法によれば、ウエハ表面に酸化膜を形成した後、パーティクルカウンタを用いた表面欠陥の測定のみにより、特殊な装置による測定等を行うことなく、グローン・イン欠陥の体積密度を算出することができるため、簡易に評価することができる。
【０００９】
前記装置定数Ａは、異なる酸化膜厚において、（１）式から求めたグローン・イン欠陥の体積密度Ｄ（ｃｍ^-3）の標準偏差が極小となる値とすることが好ましい。
前記装置定数Ａは、欠陥のサイズ分布、装置（パーティクルカウンタ）で用いるレーザ光のＳｉ層での吸収、ウエハの表面状態、装置の検出限界等によって決定されるが、この定数を算術的に求めることは非常に困難であることから、測定値から簡便に求めることとしたものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をより詳細に説明する。
本発明に係るシリコンウエハのグローン・イン欠陥密度の評価方法は、同一のＣＺシリコン単結晶の近接した部位から得られた複数の鏡面加工されたシリコンウエハについて、前記ウエハの表面に、膜厚がそれぞれ異なる酸化膜を形成した後、光散乱式表面検査装置を用いて、各シリコンウエハの表面欠陥を光散乱体として検出し、その個数Ｎを測定し、（１）式により、前記シリコンウエハに存在するグローン・イン欠陥の体積密度Ｄ（ｃｍ^-3）を算出することを特徴とする。
Ｄ＝Ｎ／（（Ｒ−Ｅ）² π（ｄ／２＋Ａ）×１０^-7） …（１）
（式中、Ｒはシリコンウエハの半径（ｃｍ）、Ｅはエッジカット（ｃｍ）、ｄは酸化膜厚（ｎｍ）、Ａは装置定数（ｎｍ）である。）
本発明に係る評価方法は、ＣＺシリコンウエハに存在するグローン・イン欠陥の分布が、厚さ方向に均一であることから、ウエハ表面に酸化膜を形成した後、パーティクルカウンタにより表面欠陥を測定し、各酸化膜厚と検出された表面欠陥の個数から、グローン・イン欠陥の体積密度を簡易に算出することができるものである。
【００１１】
通常、パーティクルカウンタ等の光散乱式表面検査装置を用いて、シリコンウエハ表面の分析測定を行った場合、表面および表層数ｎｍの範囲に存在する異物が、光散乱体（ＬＰＤ）として検出される。このため、空洞欠陥であるグローン・イン欠陥は、表面に露出している場合には、ピット状の凹状欠陥となり、これがＬＰＤとしてパーティクルカウンタにより検出される。
【００１２】
前記シリコンウエハを酸化して、表面に酸化膜（ＳｉＯ₂ ）を形成させた場合、シリコンウエハ表面に存在していたピット状の凹状欠陥、および、酸化膜となったシリコン（Ｓｉ）表層内部に存在したグローン・イン欠陥は、ＳｉＯ ₂／Ｓｉ界面に転写され、この界面にピット状に現れる。
パーティクルカウンタで使用されるレーザ光は、ＳｉＯ₂ 中ではほとんど減衰することがないため、レーザ光は、前記ＳｉＯ₂ ／Ｓｉ界面に存在するピット状欠陥によって散乱され、ＬＰＤとして検出される。
【００１３】
このとき、ＳｉとＳｉＯ₂ の体積比は１：２であることから、形成された酸化膜の厚さの１／２の厚さのシリコン（Ｓｉ）層が、酸化によりＳｉＯ₂ に変化したことになる。
したがって、シリコンウエハ表面に酸化膜を形成した後、パーティクルカウンタで酸化膜表面についてＬＰＤを検出測定し、その個数を酸化膜厚の１／２と装置定数との和に実効測定表面積を乗じて算出された体積で割ることにより、簡易的にグローン・イン欠陥の体積密度を算出することができる。
【００１４】
以下、本発明に係る評価方法の詳細な手順を説明する。
まず、同一のＣＺシリコン単結晶の近接した部位から得られた複数のシリコンウエハを、鏡面加工し、十分に清浄なものとした後、これらのシリコンウエハの表面に膜厚がそれぞれ異なる酸化膜を形成する。
次いで、パーティクルカウンタを用いて、酸化膜を形成した各ウエハの表面欠陥をＬＰＤとして検出し、その個数Ｎを測定する。
そして、（１）式により、シリコンウエハに存在するグローン・イン欠陥の体積密度Ｄ（ｃｍ^-3）を算出する。
Ｄ＝Ｎ／（（Ｒ−Ｅ）² π（ｄ／２＋Ａ）×１０^-7） …（１）
（式中、Ｒはシリコンウエハの半径（ｃｍ）、Ｅはエッジカット（ｃｍ）、ｄは酸化膜厚（ｎｍ）、Ａは装置定数（ｎｍ）である。）
【００１５】
ここで、前記装置定数Ａは、欠陥のサイズ分布、装置（パーティクルカウンタ）で用いるレーザ光のＳｉ層での吸収、ウエハの表面状態、装置の検出限界等によって決定されるが、この定数を算術的に求めることは非常に困難である。
したがって、本発明においては、この装置定数Ａは、異なる酸化膜厚において、（１）式から求めたグローン・イン欠陥の体積密度Ｄ（ｃｍ^-3）の標準偏差が極小となる値とすることが好ましい。この装置定数Ａをより簡便に求めるためには、ＣＺシリコンウエハに存在するグローン・イン欠陥の分布が、厚さ方向に均一であることを利用して、具体的には、以下のような手法を採用することができる。
【００１６】
まず、予め装置定数ＡをＡ’と仮定し、異なる酸化膜厚ごとに測定された表面欠陥（光散乱体）の個数Ｎをそれぞれ（１）式に代入して、欠陥密度の暫定値Ｄ’を酸化膜厚ごとに求める。
次いで、装置定数の仮定値Ａ’を変化させながら、上記と同様に、その仮定値に対する欠陥密度の暫定値Ｄ’を酸化膜厚ごとに求める。
そして、すべての酸化膜厚において欠陥密度がほぼ等しくなる、すなわち、標準偏差が極小となる時のＡ’を装置定数Ａと決定する。また、この決定された装置定数Ａを用いて算出された各酸化膜厚における欠陥密度の平均値を、このロットのシリコンインゴットにおけるグローン・イン欠陥の体積密度Ｄとして決定する。
【００１７】
本発明に係る評価方法において、対象とされるシリコンウエハは、ＣＺ法により引上げられた同一のシリコン単結晶の近接した部位から得られたシリコンウエハである。
また、シリコンウエハは、その表面が鏡面加工され、かつ、十分に洗浄され、表面にダスト等の付着物がほとんど存在しない清浄なものが用いられる。レーザ光散乱式表面検査装置であるパーティクルカウンタ等のＬＰＤ検出下限界サイズは、ウエハ表面の平滑度、清浄度に依存するものであるため、鏡面加工により、表面が平滑化、清浄化されていることが好ましい。
この鏡面加工は、通常の機械研磨のほか、メカノケミカル研磨等によって行うことができる。
【００１８】
本発明では、上記鏡面加工された複数のシリコンウエハを、酸化熱処理して、膜厚がそれぞれ異なる酸化膜を形成する。
前記酸化膜の厚さは、２０〜３００ｎｍの範囲にあることが、形成される酸化膜の均等性の担保、レーザ光の透過によるＬＰＤの検出測定精度等の観点から好ましい。
【００１９】
酸化膜の形成は、例えば、抵抗加熱式熱処理炉等のバッチ式炉、急速加熱・急速冷却装置等の炉内にウエハを配置し、酸素ガス、水蒸気、酸素ガスと水素ガスの混合燃焼ガス等の雰囲気中で、加熱して酸化処理することにより行われる。
このときの加熱温度、処理時間等は、雰囲気ガスの種類や状態、形成する酸化膜の膜厚等に応じて適宜設定される。
【００２０】
本発明においては、上記のようにして酸化膜が形成された各シリコンウエハについて、光散乱式表面検査装置を用いて、ＬＰＤを検出し、その個数を測定する。
光散乱式表面検査装置であるパーティクルカウンタとしては、特に、ＬＰＤサイズの検出下限界が０．０９μｍ程度のレーザ光散乱式表面検査装置が、検出精度等の観点から、好適に用いられる。
【００２１】
このように、本発に係る評価方法によれば、特殊な装置を用いた測定を行うことなく、パーティクルカウンタによる測定のみで、鏡面加工されたＣＺシリコンウエハに存在するグローン・イン欠陥の体積密度を簡易に求めることができる。このため、半導体製造プロセスにおけるシリコンウエハの品質管理のための簡易な検査に有用である。
【００２２】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づきさらに具体的に説明するが、本発明は下記の実施例により制限されるものではない。
［実施例］
同一のＣＺシリコン単結晶から得られた鏡面加工された直径２０ｃｍの複数のシリコンウエハの表面に、それぞれ酸化膜厚ｄ＝０、１５、２４、３８、２１０ｎｍの酸化膜を形成した。
前記各ウエハについて、レーザ光散乱式パーティクルカウンタ（SFS6200：Tencor 社製、分解能０．００１μｍ）を用いて、エッジカットＥ＝０．６ｃｍとして、０．１０８μｍ以上のＬＰＤを検出し、その個数Ｎを測定した。
その結果を表１に示す。
【００２３】
【表１】

【００２４】
ここで、グローン・イン欠陥の体積密度Ｄ（ｃｍ^-3）は、次式により表される。
Ｄ＝Ｎ／｛（１０−０．６）² π（ｄ／２＋Ａ）×１０^-7｝
このとき、装置定数Ａ＝２０、３０、４０、６０、１００と変化させた場合の各酸化膜厚における体積密度Ｄを算出した。
その結果を表２に示す。
【００２５】
【表２】

【００２６】
表２に示したように、Ａ＝４０のとき、各酸化膜厚におけるＤの平均値は約１．２×１０⁶ ｃｍ^-3であり、標準偏差／平均値も最も小さく、ほぼ一定となることが認められた。
したがって、このシリコンウエハのグローン・イン欠陥の体積密度は１．２×１０⁶ ｃｍ^-3と求まる。
【００２７】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明に係る評価方法を用いれば、シリコンウエハに存在するＣＯＰ等のグローン・イン欠陥の体積密度を、特殊な装置を用いた測定等を行うことなく、パーティクルカウンタによる測定のみにより、簡易に求めることができる。
このため、本発明に係る評価方法は、半導体製造プロセスにおけるシリコンウエハの品質管理のための簡易的な検査に有用であり、ひいては、高品質のシリコンウエハを提供することに寄与するものである。

Claims (1)

1. チョクラルスキー法により製造された同一のシリコン単結晶の近接した部位から得られた複数の鏡面加工されたシリコンウエハについて、
   前記ウエハの表面に、膜厚がそれぞれ異なる酸化膜を形成した後、光散乱式表面検査装置を用いて、各シリコンウエハの表面欠陥を光散乱体として検出し、その個数Ｎを測定し、（１）式により、前記シリコンウエハに存在するグローン・イン欠陥の体積密度Ｄ（ｃｍ^-3）を算出する方法であって、
   装置定数Ａは、異なる酸化膜厚において、（１）式から求めたグローン・イン欠陥の体積密度Ｄ（ｃｍ ^-3 ）の標準偏差が極小となる値とすることを特徴とするシリコンウエハのグローン・イン欠陥密度の評価方法。
   Ｄ＝Ｎ／（（Ｒ−Ｅ）²π（ｄ／２＋Ａ）×１０^-7） …（１）
   （式中、Ｒはシリコンウエハの半径（ｃｍ）、Ｅはエッジカット（ｃｍ）、ｄは酸化膜厚（ｎｍ）、Ａは装置定数（ｎｍ）である。）