JP6373233B2 - 半導体ウェハの加工ダメージ評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウェハ加工時に該半導体ウェハの加工面に発生する加工ダメージを評価する方法に関する。

半導体ウェハの製造工程は、単結晶インゴットをスライスしたウェハを、面取り、機械研磨（ラッピング）、エッチング、鏡面研磨（ポリシング）、及び洗浄するプロセスから一般に構成されている。
上記加工プロセスを経た半導体ウェハの加工面には加工変質層（加工ダメージ）が形成されている。この加工ダメージは、デバイス製造プロセスにおいてスリップ転位等の結晶欠陥を誘発したり、半導体ウェハの機械的強度を低下させたり、電気的特性に悪影響を及ぼしたりすることが知られている。そのため、半導体ウェハの加工面に発生する加工ダメージを評価して完全に除去する必要がある。

従来より実施されている、半導体ウェハの加工ダメージ評価方法には以下のような方法がある。
例えば非特許文献１には、アングルポリシング法（斜め研磨法）が記載されている。非特許文献１では、ウェハから切り出した試験片を、加工面に対して５°の傾斜角度で斜め研磨し、走査型電子顕微鏡で傾斜面を観察して顕微鏡写真上のスケールから亀裂長さを読み取り、厚さ方向の亀裂深さ（ダメージ深さ）を算出している。試験片の加工面に傾斜角度５°の傾斜面を形成すると、ダメージ深さが約１１倍に拡大され、ダメージ深さを測定しやすくなる。

非特許文献２には、段差高さが５μｍとなるように階段状にエッチングしたウェハ表面をＸ線トポグラフ法で観察し、加工ダメージがどの深さの段差で消失するか判定するステップエッチング法が記載されている。
Ｘ線トポグラフ法は結晶歪に敏感であり、加工ダメージの観察に適している。なお、Ｘ線トポグラフ法には、ラング法やベルクバレット法のように、Ｘ線源から発生した一次Ｘ線を直接、試料結晶に入射させ、試料結晶で回折したＸ線で像を形成する１結晶法と、Ｘ線源から発生した一次Ｘ線を第１結晶に入射させて第１結晶で回折したＸ線を試料結晶に入射させ、試料結晶で回折したＸ線で像を形成する２結晶法とがある（例えば特許文献１参照）。

またその他の方法として、ウェハ表面のポリシングとＸ線トポグラフ法によるウェハ表面の観察とを交互に繰り返し、加工ダメージが消失したときのポリシング量からウェハのダメージ深さを算出する繰り返しポリシング法などがある。

特開平３−１４８０５５号公報

小松利安，外６名，「高品質シリコンウエハの安定供給のための加工技術と検査技術の開発 −シリコンウエハ加工変質層の測定・分析−」，山梨県工業技術センター研究報告，Ｎｏ．２６，２０１２年，ｐ．６−９ 阿部孝夫，「シリコン 結晶成長とウェーハ加工」，アドバンストエレクトロニクスシリーズＩ−５，培風館，１９９４年５月，ｐ．７５−７８

炭化珪素（ＳｉＣ）は、既存の半導体材料であるシリコン（Ｓｉ）に比べて、広いバンドギャップ、高い絶縁破壊電界強度、高い熱伝導率等の優れた物性を有しているため、大電力制御や省エネルギーを可能とするパワーデバイス用の半導体材料として期待されている。

しかしながら、単結晶炭化珪素ウェハは強度が高く、シリコンウェハに比べてダメージ深さが浅い傾向にある。
前述したアングルポリシング法の場合、試験片の一辺が数ｍｍ〜１０ｍｍ程度と小さいため試験片に最大ダメージが含まれているとは限らないことに加えて、ダメージ深さが浅い場合、斜め研磨の傾斜角度を小さくしなければならないが、傾斜角度を小さくすると、加工面と傾斜面との境界が不明確となってダメージ深さの算定が困難となる。
一方、ステップエッチング法は、ウェハ全体の観察が可能であるが、測定分解能が段差高さに依存するという問題がある。また、繰り返しポリシング法は、ダメージ深さを特定するまでウェハ表面のポリシングとウェハ表面の観察を繰り返し行わなければならないため多大な手間を要するうえ、測定分解能が一回のポリシング量に依存するという問題がある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、単結晶炭化珪素ウェハのように、シリコンウェハに比べてダメージ深さが浅い半導体ウェハの加工ダメージをウェハ全面に亘って高精度で評価することが可能な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、本発明は、半導体ウェハ加工時に該半導体ウェハ加工面に発生する加工ダメージを評価する方法であって、以下のステップを備えることを特徴としている。
（１）半導体ウェハの加工面に傾斜面を形成するため、該半導体ウェハの加工面の少なくとも一部を該加工面に対して斜めに研磨する第１ステップ。
（２）前記加工面に対して斜めに研磨された前記半導体ウェハを平面視し、該半導体ウェハに形成されたオリエンテーションフラット上の一点を原点として、前記原点から前記オリエンテーションフラットと直交する方向に延びる軸をＸ軸、前記原点から前記オリエンテーションフラットの方向に延びる軸をＹ軸、前記原点を通過し前記Ｘ軸及び前記Ｙ軸と直交する軸をＺ軸とする三次元座標軸を設定し、前記半導体ウェハの表面形状を測定して該半導体ウェハの表面形状を前記三次元座標軸における（Ｘ，Ｙ，Ｚ）座標として記憶する第２ステップ。
（３）前記半導体ウェハに形成された傾斜面を観察又は測定し、前記傾斜面に露呈した加工ダメージが消失する位置を前記三次元座標軸における（Ｘ，Ｙ）座標として記憶する第３ステップ。
（４）前記半導体ウェハの表面形状を示す前記（Ｘ，Ｙ，Ｚ）座標と前記加工ダメージが消失する位置を示す前記（Ｘ，Ｙ）座標に基づいて前記半導体ウェハのダメージ深さを算出する第４ステップ。

また、本発明に係る半導体ウェハの加工ダメージ評価方法では、前記第４ステップは以下のステップを備えることを好適とする。
（１）前記加工面に対して斜めに研磨された前記半導体ウェハの表面形状をＸ−Ｚ平面上にプロットするステップ。
（２）前記半導体ウェハの加工面を前記Ｘ−Ｚ平面上に近似直線としてプロットするステップ。
（３）前記加工ダメージが消失する位置を示す前記Ｘ座標における前記傾斜面及び前記近似直線のＺ座標を求め、前記傾斜面のＺ座標と前記近似直線のＺ座標との差分を前記半導体ウェハのダメージ深さとするステップ。

なお、本明細書では、半導体ウェハの加工面は、斜め研磨されていない半導体ウェハの表面領域を指し、斜め研磨によって形成された傾斜面と区別している。

本発明では、加工面に対して斜めに研磨された半導体ウェハの表面形状をオリエンテーションフラットを基準とする（Ｘ，Ｙ，Ｚ）座標、加工ダメージが消失する位置をオリエンテーションフラットを基準とする（Ｘ，Ｙ）座標として記憶し、当該座標値を用いて半導体ウェハのダメージ深さを算出する。
その際、半導体ウェハの加工面をＸ−Ｚ平面上における近似直線として求め、加工ダメージが消失する位置を示すＸ座標における傾斜面のＺ座標と近似直線のＺ座標との差分を半導体ウェハのダメージ深さとすれば、斜め研磨の傾斜角度が小さく加工面と傾斜面との境界が不明確な場合でもダメージ深さを高い精度で算出することができる。

また、本発明に係る半導体ウェハの加工ダメージ評価方法では、前記半導体ウェハの加工面を該加工面に対して斜めに研磨する際、研磨によって最も薄くなる半導体ウェハ外周部の厚さが研磨前の厚さの１／２以上となるような傾斜角度とすることが好ましい。

なお、本発明における傾斜角度は、Ｘ軸とＺ軸によって構成される平面内における半導体ウェハの加工面と傾斜面とがなす角度をいう。

例えば半導体ウェハの厚さが０．４ｍｍ程度で、半導体ウェハの直径が１００ｍｍの場合、斜め研磨によって半導体ウェハの端部が消失しないようにするため、半導体ウェハの厚みの１／２が残るように該半導体ウェハ加工面の半分を斜め研磨するには、傾斜角度は０．２°（＝ｔａｎ^−１（０．２／５０））となる。従って、半導体ウェハ加工面を該加工面に対して斜めに研磨する際の傾斜角度は０．２°以下であることが好ましい。

本発明に係る半導体ウェハの加工ダメージ評価方法では、加工面に対して斜めに研磨された半導体ウェハの表面形状及び加工ダメージが消失する位置をオリエンテーションフラットを基準とする座標値として記憶し、当該座標値を用いて半導体ウェハのダメージ深さを算出するので、シリコンウェハに比べてダメージ深さが浅い半導体ウェハの加工ダメージをウェハ全面に亘って高精度で評価することができる。

加工ダメージを有する半導体ウェハを加工面に対して斜め研削する方法を示した模式図である。 同半導体ウェハを加工面に対して斜め研磨する方法を示した模式図である。 加工面に対して斜め研磨された半導体ウェハのオリフラ直交方向断面の模式図である。 加工面に対して斜め研磨された半導体ウェハの平面図である。 加工面に対して斜め研磨された半導体ウェハのＸ−Ｚ断面を示したグラフである。 加工面に対して斜め研磨された半導体ウェハのダメージ深さの算出方法が示された該半導体ウェハのＸ−Ｚ断面のグラフである。 加工後における半導体ウェハのＳｉ面（一方の加工面）とＣ面（他方の加工面）の各ダメージ深さを示した試験結果グラフである。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。

本発明の一実施の形態に係る半導体ウェハの加工ダメージ評価方法の手順について以下説明する。
［第１ステップ］
本ステップでは、半導体ウェハの加工面に傾斜面を形成する。その際、図１に示す研削装置１４を用いて半導体ウェハ１０の加工面を該加工面に対して斜め研削した後、図２に示す研磨治具２０を用いて研磨装置２５により半導体ウェハ１０の傾斜面を研磨する。半導体ウェハ１０に形成する傾斜面の傾斜角度θは０°超０．２°以下とする。
なお、図３並びに図４の場合における半導体ウェハ１０の傾斜面１２は、半導体ウェハ１０の中心軸を挟んで、半導体ウェハ１０に形成されたオリエンテーションフラット３１（以下、「オリフラ」と呼ぶ。）の反対側加工面の少なくとも一部に形成されているが、加工面の加工条痕の方向が、オリフラ３１と平行な場合などは、座標系を９０°回転させて対応することが望ましい。

短円柱状とされ、下面に対して上面が傾斜角度θで傾斜している傾斜台１３の上面に、半導体ウェハ１０をワックスなどにより固着する。スピンコーターなどを用いてワックスを半導体ウェハ１０に均一に塗布した後、精密プレスで半導体ウェハ１０を傾斜台１３の上面に固着する。

研削装置１４は、図１に示すように、半導体ウェハ１０を保持する回転テーブル１８と、回転テーブル１８の上方に配置され、軸芯が鉛直方向とされたスピンドル１７と、スピンドル１７の下端に設けられた研削ホイール１６及び研削ホイール１６下面に装着された研削砥石１５とを備えている。
半導体ウェハ１０が上面に固着された傾斜台１３を回転テーブル１８上に固定し、スピンドル１７を回転させながら徐々に下降させ、回転する研削砥石１５によって半導体ウェハ１０の加工面の約半分を該加工面に対して斜めに研削する。

本実施の形態で使用する研磨治具２０は、図２に示すように、軸芯が鉛直方向とされた円筒状のガイド２１と、ガイド２１内を摺動し、半導体ウェハ１０を加圧する円柱状のウェイト２２と、ガイド２１の下端部に固定され、研磨基準面を構成する基準プレート２３とを備えている。ウェイト２２の下面には、傾斜台１３の下面が固着される。

研磨装置２５の回転定盤１９上に貼り付けられている研磨パッド２４の上に研磨治具２０を載置する。研磨治具２０のウェイト２２の下面には、研削装置１４で斜め研削された半導体ウェハ１０が傾斜台１３を介して固着されている。
研磨パッド２４の上に研磨スラリーを滴下しながら、研磨パッド２４（回転定盤１９）を回転させることにより半導体ウェハ１０の傾斜面を研磨する。

図３に、研磨が終了した半導体ウェハ１０のオリフラ３１直交方向断面の模式図を示す。同図に示すように、半導体ウェハ１０の加工面１１には、ウェハ加工時に発生する加工ダメージ３０が形成されている。研磨が終了した半導体ウェハ１０は、一方の加工面１１の約半分が加工面１１に対する傾斜角度θを有する傾斜面１２とされている。なお、図中の符号３２は、傾斜面１２に露呈した加工ダメージ３０が消失する消失位置を示している。加工面１１から加工ダメージ３０の消失位置３２までの深さがダメージ深さとなる。

［第２ステップ］
研磨が終了した半導体ウェハ１０を傾斜台１３から取り外して洗浄し、平坦度測定機（図示省略）や三次元測定機（図示省略）などを用いて半導体ウェハ１０の表面形状を測定する。そして、半導体ウェハ１０の表面形状を三次元座標軸における（Ｘ，Ｙ，Ｚ）座標として記憶装置（図示省略）に保存する。

なお、半導体ウェハ１０の三次元座標軸は以下のように決定する。
加工面１１に対して斜めに研磨された半導体ウェハ１０を平面視し、半導体ウェハ１０に形成されたオリフラ３１上の一点を原点として、原点からオリフラ３１と直交する方向に延びる軸をＸ軸、原点からオリフラ３１の方向に延びる軸をＹ軸、原点を通過しＸ軸及びＹ軸と直交する軸をＺ軸とする（図４参照）。

［第３ステップ］
半導体ウェハ１０に形成された傾斜面１２、特にダメージ深さ判別領域３３を、測定顕微鏡（図示省略）や座標表示機能の付いた微分干渉顕微鏡（図示省略）などを用いて観察又は測定し、あるいはＸ線トポグラフィやラマン分光の面データから、傾斜面１２に露呈した加工ダメージ３０が消失する消失位置３２を判別する（図３、図４参照）。そして、判別した消失位置３２を三次元座標軸における（Ｘ，Ｙ）座標として記憶装置に保存する。

なお、測定顕微鏡は、試料の計測を目的とした顕微鏡で、ステージに測定機や測定目盛を有し、視野にもミクロンオーダの目盛やテンプレートが表示可能である。
また、微分干渉顕微鏡は、照明光源とコンデンサレンズとの間に偏光子及びノマルスキープリズムを順次配置し、対物レンズと結像面との間にノマルスキープリズム及び検光子を順次配置した構成とされている。照明光源からの光線を偏光子により直線偏光に変換した後、ノマルスキープリズムにより常光線と異常光線とに分離し、コンデンサレンズを経て被観察物体に照射し、被観察物体を通過した常光線と異常光線とを対物レンズを経てノマルスキープリズムで同一光路上に合成した後、検光子で干渉させて結像面に干渉像を形成する。微分干渉顕微鏡を用いることにより、加工ダメージが消失する位置を、より高精度に測定することが可能となる。

［第４ステップ］
本ステップでは、半導体ウェハ１０の表面形状を示す（Ｘ，Ｙ，Ｚ）座標と加工ダメージ３０が消失する消失位置３２を示す（Ｘ，Ｙ）座標に基づいて半導体ウェハ１０のダメージ深さを算出する。
具体的には、以下の手順により半導体ウェハ１０のダメージ深さを算出する。

（１）まず最初に、ダメージ深さ算出のイメージとして、加工面１１に対して斜めに研磨された半導体ウェハ１０の表面形状をＸ−Ｚ平面上にプロットしてグラフ化したものを示す。図５は、原点からＹ軸方向に１０ｍｍ間隔で得られる半導体ウェハ１０表面形状のＸ，Ｚ座標値を一枚のＸ−Ｚ平面に重ねてプロットしたものである。本実施の形態では、このような断面形状のデータを用いて加工ダメージの深さを測定する。

（２）実際の加工ダメージの深さの測定では、原点からＹ軸方向の所定の位置、即ち加工ダメージの深さを測定したい位置で得られる半導体ウェハ１０の加工面１１のＸ，Ｚ座標値から回帰分析等により加工面１１の近似直線４０を求め、Ｘ−Ｚ平面上にプロットする（図６参照）。

（３）加工ダメージ３０が消失する消失位置３２を示すＸ座標４１における傾斜面１２のＺ座標４３と近似直線４０のＺ座標４２を求め、傾斜面１２のＺ座標４３と近似直線４０のＺ座標４２との差分を半導体ウェハ１０のダメージ深さとする（図６参照）。

以上、本発明の一実施の形態について説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、上記実施の形態では、半導体ウェハの加工面に傾斜面を形成する際、半導体ウェハの加工面を研削装置を用いて斜め研削した後、研磨治具を用いて傾斜面を斜め研磨しているが、研削装置を使用せず、研磨治具を用いた斜め研磨のみにより傾斜面を形成してもよい。

本発明の効果について検証するために実施した検証試験について説明する。
半導体ウェハには、オフ角４°の単結晶４インチ４Ｈ−ＳｉＣウェハを使用した。傾斜角度が１／５３８（＝０．１０６°）とされた傾斜台に半導体ウェハを固着し、研削装置を用いて半導体ウェハの加工面を該加工面に対して斜め研削した後、研磨治具を用いて研磨装置により半導体ウェハの傾斜面を研磨した。研磨後の傾斜面の傾斜角度は１／５２６であった。

スライス直後とラッピング直後の半導体ウェハのＳｉ面（一方の加工面）とＣ面（他方の加工面）それぞれについてダメージ深さを測定した。半導体ウェハの表面形状の測定には、平面度測定機（三次元測定機の一例）を使用し、傾斜面に露呈した加工ダメージが消失する位置の判定には測定顕微鏡を使用した。加工ダメージの消失位置の測定は、加工ダメージが深いと判断した位置を各試験体について４箇所選定し、加工ダメージの消失位置の座標を読み取った。図７に試験結果を示す。

同図より以下のことわかる。
・半導体ウェハの加工ダメージは、スライス直後よりラッピング直後のほうが大きい。
・Ｓｉ面よりＣ面のほうがダメージ深さのバラツキが大きい。

これらの結果から、各加工工程の次の工程において、除去すべき加工ダメージの深さ、即ち必要加工除去量を正確に把握することができる。加工工程のコストダウンや能率向上のためには加工条件の変更が必要となるが、条件変更によってダメージ深さが変化していないかどうか、本実施の形態によって正確に把握することができる。

１０：半導体ウェハ、１１：加工面、１２：傾斜面、１３：傾斜台、１４：研削装置、１５：研削砥石、１６：研削ホイール、１７：スピンドル、１８：回転テーブル、１９：回転定盤、２０：研磨治具、２１：ガイド、２２：ウェイト、２３：基準プレート、２４：研磨パッド、２５：研磨装置、３０：加工ダメージ、３１：オリフラ（オリエンテーションフラット）、３２：消失位置、３３：ダメージ深さ判別領域、４０：近似直線 、４１：Ｘ座標、４２、４３：Ｚ座標、θ：傾斜角度

Claims (3)

1. 半導体ウェハ加工時に該半導体ウェハの加工面に発生する加工ダメージを評価する方法であって、
   半導体ウェハの加工面に傾斜面を形成するため、該半導体ウェハの加工面の少なくとも一部を該加工面に対して斜めに研磨する第１ステップと、
   前記加工面に対して斜めに研磨された前記半導体ウェハを平面視し、該半導体ウェハに形成されたオリエンテーションフラット上の一点を原点として、前記原点から前記オリエンテーションフラットと直交する方向に延びる軸をＸ軸、前記原点から前記オリエンテーションフラットの方向に延びる軸をＹ軸、前記原点を通過し前記Ｘ軸及び前記Ｙ軸と直交する軸をＺ軸とする三次元座標軸を設定し、前記半導体ウェハの表面形状を測定して該半導体ウェハの表面形状を前記三次元座標軸における（Ｘ，Ｙ，Ｚ）座標として記憶する第２ステップと、
   前記半導体ウェハに形成された傾斜面を観察又は測定し、前記傾斜面に露呈した加工ダメージが消失する位置を前記三次元座標軸における（Ｘ，Ｙ）座標として記憶する第３ステップと、
   前記半導体ウェハの表面形状を示す前記（Ｘ，Ｙ，Ｚ）座標と前記加工ダメージが消失する位置を示す前記（Ｘ，Ｙ）座標に基づいて前記半導体ウェハのダメージ深さを算出する第４ステップとを備えることを特徴とする半導体ウェハの加工ダメージ評価方法。
2. 請求項１記載の半導体ウェハの加工ダメージ評価方法において、前記第４ステップは、
   前記加工面に対して斜めに研磨された前記半導体ウェハの表面形状をＸ−Ｚ平面上にプロットするステップと、
   前記半導体ウェハの加工面を前記Ｘ−Ｚ平面上に近似直線としてプロットするステップと、
   前記加工ダメージが消失する位置を示す前記Ｘ座標における前記傾斜面及び前記近似直線のＺ座標を求め、前記傾斜面のＺ座標と前記近似直線のＺ座標との差分を前記半導体ウェハのダメージ深さとするステップとを備えることを特徴とする半導体ウェハの加工ダメージ評価方法。
3. 請求項１又は２記載の半導体ウェハの加工ダメージ評価方法において、前記半導体ウェハの加工面を該加工面に対して斜めに研磨する際、研磨によって最も薄くなる半導体ウェハ外周部の厚さが研磨前の厚さの１／２以上となるような傾斜角度とすることを特徴とする半導体ウェハの加工ダメージ評価方法。

Images