説明

半導体ウエーハの評価方法及び評価装置

【課題】半導体ウエーハ表面のマイクロラフネス(表面粗さ)を正確に評価する半導体ウエーハの評価方法及び評価装置を提供する。
【解決手段】半導体ウエーハの表面形状を少なくとも異なる2つの測定条件で測定し、該測定した各表面形状のデータをパワースペクトルにそれぞれ変換し、該各パワースペクトルに現れるピークのうちピーク空間周波数が一致しないものをノイズ成分と判別し、該判別したノイズ成分を前記パワースペクトルの少なくとも一方から除去してから評価を行なう半導体ウエーハの評価方法及び少なくとも、表面形状測定手段と、パワースペクトル変換手段と、ノイズ成分判別除去手段とを具備する半導体ウエーハの評価装置。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体ウエーハの評価方法及び評価装置に関するものであり、より詳しくは半導体ウエーハ表面のマイクロラフネスの評価方法及び評価装置に関する。
【背景技術】
【0002】
近年のデバイスの高集積化、高精度化によりシリコンウエーハへの要求品質はますます高度化しており、特にシリコンウエーハ表面の平坦度や表面粗さを改善することは、デバイスの電気特性を向上するために必要となっている。
【0003】
すなわち、ウエーハ表面におけるマイクロラフネスが、デバイスの電気特性に影響を与えていることが分かってきており、例えば、マイクロラフネスが大きければ酸化膜耐圧は低下し、更にゲート酸化膜下チャンネルではマイクロラフネスが大きくなると電子の散乱が起こり電子の移動度は小さくなること等が知られている。特に、ウエーハ表面における空間波長が0.01〜5μm程度の凹凸であるヘイズについては、デバイスの電気特性の信頼性試験、特に酸化膜の経時絶縁破壊特性(TDDB)に影響を与えることが分かっている。
【0004】
従って、今後のデバイスの電気特性を向上させるためには、シリコンウエーハのヘイズ等のマイクロラフネスを改善する必要があり、これらの改善方法が開示されている(例えば特許文献1)。
【0005】
一方、ウエーハ表面における空間波長が数mm〜20mm程度の凹凸であるうねりについても、デバイス作製工程におけるフォトリソグラフィーや素子分離等において問題となる。これに対して、ウエーハ裏面の表面形状を測定し、そこからパワースペクトル密度を求め、その空間波長10mmのパワースペクトル密度を10μm以下とすることが開示されている(特許文献2)。
【0006】
しかし、従来の表面形状の測定においては、測定装置から駆動モーターの振動や電気ノイズ等による外乱が発生し、外乱成分がノイズピークとなってパワースペクトルに現れ、表面粗さに対応するピークとの区別ができず、マイクロラフネスを正確に評価できなかった。
【0007】
【特許文献1】特許第3536618号公報
【特許文献2】特許第3358549号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
本発明の目的は、半導体ウエーハ表面のマイクロラフネス(表面粗さ)を正確に評価する半導体ウエーハの評価方法及び評価装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記目的達成のため、本発明は、半導体ウエーハの評価方法であって、少なくとも、半導体ウエーハの表面形状を少なくとも異なる2つの測定条件で測定し、該測定した各表面形状のデータをパワースペクトルにそれぞれ変換し、該各パワースペクトルに現れるピークのうちピーク空間周波数が一致しないものをノイズ成分と判別し、該判別したノイズ成分を前記パワースペクトルの少なくとも一方から除去してから評価を行なうことを特徴とする半導体ウエーハの評価方法を提供する(請求項1)。
【0010】
このように、半導体ウエーハの表面形状を少なくとも異なる2つの測定条件で測定して得た各パワースペクトルに現れるピークのうち、ピーク空間周波数が一致しないものをノイズ成分と判別し、判別したノイズ成分を前記パワースペクトルの少なくとも一方から除去してから評価を行なえば、ノイズ成分を除去した実際の表面粗さに対応するピークのみを評価できる。
【0011】
この場合、前記異なる測定条件として、表面のスキャンスピードを異なるものとすることが好ましい(請求項2)。
このように、異なる測定条件として、表面のスキャンスピードを異なるものとすれば、容易にノイズ成分の判別及び除去ができる。
【0012】
また、前記ノイズ成分を除去したパワースペクトルをノイズが除去された表面形状のデータに逆変換して評価を行なうことが好ましい(請求項3)。
このように、ノイズ成分を除去したパワースペクトルをノイズが除去された表面形状のデータに逆変換して評価を行なえば、ノイズが除去された正確な表面形状を評価できる。
【0013】
この場合、前記ノイズが除去された表面形状のデータから表面粗さを算出して評価を行なうことが好ましい(請求項4)。
このように、ノイズが除去された表面形状のデータから表面粗さを算出して評価を行なえば、ノイズが除去された正確な表面粗さを評価できる。
【0014】
また、前記算出する表面粗さを、RMS値、PV値、Ra値の少なくとも1つとすることができる(請求項5)。
このように、算出する表面粗さを、従来使用されているRMS値、PV値、Ra値の少なくとも1つとすることができ、これにより正確に表面粗さ評価を行なうことができる。
【0015】
また、前記半導体ウエーハの表面形状を、原子間力顕微鏡法、触針法、光干渉法、位相シフト干渉法、光散乱トポグラフィ法のいずれかで測定することができる(請求項6)。
このように、半導体ウエーハの表面形状を、原子間力顕微鏡法、触針法、光干渉法、位相シフト干渉法、光散乱トポグラフィ法のいずれかで測定することにより、従来の測定装置を用いて容易に測定を行なうことができる。
【0016】
また、前記ノイズ成分の判別及び除去を、電子計算機により、前記各パワースペクトルを読み込み、該各パワースペクトルに現れるピークのうちピーク空間周波数が一致しないものをノイズ成分として記憶し、該記憶したノイズ成分を前記パワースペクトルの少なくとも一方から差し引くことにより行なうことが好ましい(請求項7)。
このように、ノイズ成分の判別及び除去を、電子計算機により、各パワースペクトルを読み込み、各パワースペクトルに現れるピークのうちピーク空間周波数が一致しないものをノイズ成分として記憶し、記憶したノイズ成分をパワースペクトルの少なくとも一方から差し引くことにより行なえば、容易かつ自動的にノイズ成分の判別及び除去を行うことができる。
【0017】
また、本発明は、半導体ウエーハの評価装置であって、少なくとも、半導体ウエーハの表面形状を少なくとも異なる2つの測定条件で測定する表面形状測定手段と、該測定手段により測定された各表面形状のデータを各パワースペクトルに変換するパワースペクトル変換手段と、該変換手段により変換された各パワースペクトルに現れるピークのうちピーク空間周波数が一致しないものをノイズ成分と判別し、該判別したノイズ成分を前記パワースペクトルの少なくとも一方から除去するノイズ成分判別除去手段とを具備するものであることを特徴とする半導体ウエーハの評価装置を提供する(請求項8)。
【0018】
このように、少なくとも、半導体ウエーハの表面形状を少なくとも異なる2つの測定条件で測定する表面形状測定手段と、該測定手段により測定された各表面形状のデータを各パワースペクトルに変換するパワースペクトル変換手段と、該変換手段により変換された各パワースペクトルに現れるピークのうちピーク空間周波数が一致しないものをノイズ成分と判別し、該判別したノイズ成分を前記パワースペクトルの少なくとも一方から除去するノイズ成分判別除去手段とを具備する評価装置であれば、ノイズ成分を除去した実際の表面粗さに対応するピークのみを評価できる評価装置となる。
【0019】
この場合、前記表面形状測定手段は、半導体ウエーハの表面形状を少なくとも異なる2つのスキャンスピードで測定するものであることが好ましい(請求項9)。
このように、表面形状測定手段が、半導体ウエーハの表面形状を少なくとも異なる2つのスキャンスピードで測定するものであれば、容易にノイズ成分の判別及び除去ができる。
【0020】
また、前記ノイズ成分を除去したパワースペクトルをノイズが除去された表面形状のデータに逆変換する表面形状変換手段を具備するものであることが好ましい(請求項10)。
このように、ノイズ成分を除去したパワースペクトルをノイズが除去された表面形状のデータに逆変換する表面形状変換手段を具備するものであれば、ノイズが除去された正確な表面形状を評価できる。
【0021】
また、前記ノイズが除去された表面形状のデータから表面粗さを算出する表面粗さ算出手段を具備するものであることが好ましい(請求項11)。
このように、ノイズが除去された表面形状のデータから表面粗さを算出する表面粗さ算出手段を具備するものであれば、ノイズが除去された正確な表面粗さを評価できる。
【0022】
また、前記表面形状測定手段は、原子間力顕微鏡、触針式形状測定装置、光干渉式形状測定装置、位相シフト干渉式形状測定装置、光散乱トポグラフィ式形状測定装置のいずれかのものであることが好ましい(請求項12)。
このように、表面形状測定手段が、原子間力顕微鏡、触針式形状測定装置、光干渉式形状測定装置、位相シフト干渉式形状測定装置、光散乱トポグラフィ式形状測定装置のいずれかのものであれば、従来の測定装置を用いて容易に測定を行なうことができる。
【0023】
また、前記ノイズ成分判別除去手段は電子計算機を具備し、該電子計算機は、前記各パワースペクトルを読み込み、該各パワースペクトルに現れるピークのうちピーク空間周波数が一致しないものをノイズ成分として記憶し、該記憶したノイズ成分を前記パワースペクトルの少なくとも一方から差し引くものであることが好ましい(請求項13)。
このように、ノイズ成分判別除去手段に具備される電子計算機が、各パワースペクトルを読み込み、各パワースペクトルに現れるピークのうちピーク空間周波数が一致しないものをノイズ成分として記憶し、記憶したノイズ成分をパワースペクトルの少なくとも一方から差し引くものであれば、容易かつ自動的にノイズ成分の判別及び除去を行うことができる。
【発明の効果】
【0024】
本発明に従い、半導体ウエーハの表面形状を少なくとも異なる2つの測定条件で測定して得た各パワースペクトルに現れるピークのうち、ピーク空間周波数が一致しないものをノイズ成分と判別し、判別したノイズ成分を前記パワースペクトルの少なくとも一方から除去してから評価を行なえば、ノイズ成分を除去した真の表面粗さに対応するピークのみを評価できる。
【0025】
また、本発明に従う、半導体ウエーハの表面形状を少なくとも異なる2つの測定条件で測定する表面形状測定手段と、該測定手段により測定された各表面形状のデータを各パワースペクトルに変換するパワースペクトル変換手段と、該変換手段により変換された各パワースペクトルに現れるピークのうちピーク空間周波数が一致しないものをノイズ成分と判別し、該判別したノイズ成分を前記パワースペクトルの少なくとも一方から除去するノイズ成分判別除去手段とを具備する評価装置であれば、ノイズ成分を除去した表面粗さに対応するピークのみを正確に評価できる評価装置となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0026】
本発明者らは、半導体ウエーハの表面粗さの評価の際に、外乱により表面形状のパワースペクトルに現れるノイズピークと表面粗さに対応するピークとを区別し、正確な表面粗さを評価するために鋭意検討を行った。そして、表面形状を少なくとも異なる2つの測定条件で測定した場合、測定した表面形状を変換して得られた各パワースペクトルに現れるピークのうち、表面粗さに対応するピークは測定条件が異なってもピーク空間周波数が一致し、外乱によるノイズピークはピーク空間周波数が一致しないことを見出した。そして、このようにピーク空間周波数が一致しないピークをノイズ成分と判別し、パワースペクトルから除去することにより、正確なパワースペクトルが得られるので、これを逆変換して表面形状を求める等すれば、正確な表面粗れの評価が可能になることに想到し、本発明を完成させた。
【0027】
以下では、本発明の実施の形態について図面を用いて説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【0028】
図1は、本発明に係る半導体ウエーハの評価装置の一例を示す概略図である。
この評価装置10は、少なくとも、半導体ウエーハの表面形状を少なくとも異なる2つの測定条件で測定する表面形状測定手段1と、測定手段1により測定された各表面形状のデータを各パワースペクトルに変換するパワースペクトル変換手段2と、変換手段2により変換された各パワースペクトルに現れるピークのうちピーク空間周波数が一致しないものをノイズ成分と判別し、判別したノイズ成分を前記パワースペクトルの少なくとも一方から除去するノイズ成分判別除去手段3とを具備するものである。
【0029】
この評価装置10は、さらにノイズ成分判別除去手段3によりノイズ成分を除去したパワースペクトルをノイズが除去された表面形状のデータに逆変換する表面形状変換手段4を具備するものであることが好ましい。また、さらに表面形状変換手段4により得られたノイズが除去された表面形状のデータから表面粗さを算出する表面粗さ算出手段5を具備するものであることが好ましい。
【0030】
表面形状測定手段1は、半導体ウエーハの表面形状が測定できれば特に限定されないが、原子間力顕微鏡、触針式形状測定装置、光干渉式形状測定装置、位相シフト干渉式形状測定装置、光散乱トポグラフィ式形状測定装置のいずれかのものであることが好ましい。これらのものであれば、一般に用いられているものであるし、簡単に半導体ウエーハの表面形状を測定することができる。この場合、表面形状測定手段1は、半導体ウエーハの表面形状を少なくとも異なる2つのスキャンスピードで測定するものであることが好ましい。もちろん、原子間力顕微鏡と触針式形状測定装置等の二種類の装置で形状を測定するものであってもよい。
【0031】
ノイズ成分判別除去手段3は電子計算機6を具備し、電子計算機6は、パワースペクトル変換手段2により得られた各パワースペクトルを読み込み、各パワースペクトルに現れるピークのうちピーク空間周波数が一致しないものをノイズ成分として記憶し、記憶したノイズ成分をパワースペクトルの少なくとも一方から差し引くものであることが好ましい。
【0032】
なお、パワースペクトル変換手段2と表面形状変換手段4は、例えばフーリエ変換を行うことができる電子計算機で構成することができ、表面粗さ算出手段5は、通常用いられる表面粗さを表すパラメータであるRMS値、PV値、Ra値等を算出できる電子計算機で構成することができる。
【0033】
次に、本発明に係る半導体ウエーハの評価方法について、図1の評価装置10を用いる場合を例にして説明する。図2は、このような評価方法の一例を示す工程図である。
【0034】
まず、半導体ウエーハを用意する(工程A)。
この半導体ウエーハは、例えばCZ法やFZ法で育成された、シリコンや他の化合物半導体等の半導体インゴットをスライスし、従来法により面取り、ラッピング、エッチング、研磨、洗浄等の工程を適宜行なって得られたものであるが、特に限定はされない。
【0035】
次に、表面形状測定手段1により、半導体ウエーハの表面形状を少なくとも異なる2つの測定条件で測定する(工程B)。
このとき、表面形状測定手段1の種類に応じて、半導体ウエーハの表面形状を、原子間力顕微鏡法、触針法、光干渉法、位相シフト干渉法、光散乱トポグラフィ法のいずれかで測定することができる。測定条件は、異なるものであれば3つ以上であってもよい。また、異なる測定条件として、表面のスキャンスピードを異なるものとすることが好ましい。スキャンスピードを変更するのは、簡単にできるし、ノイズと表面粗さの区別がし易いからである。
【0036】
図3は、原子間力顕微鏡(AFM)により、スキャンスピードを2.5μm/secとして測定したシリコンウエーハの表面形状の2次元データの一例を示す図である。測定範囲は10μm×10μmで、データ点は256ポイント×256ポイントである。一方、図4は、スキャンスピードを(a)5μm/sec、(b)2.5μm/secとして測定したシリコンウエーハの表面形状の1次元データの一例を示す図である。横方向はウエーハ上の位置を示し、縦方向はその位置でのウエーハ表面の相対的高さを示す。なお、データ点はそれぞれ256ポイントである。
【0037】
次に、パワースペクトル変換手段2により、測定した各表面形状のデータをパワースペクトルにそれぞれ変換する(工程C)。
図5は、スキャンスピードが5μm/sec、2.5μm/secで測定した各表面形状の1次元データをフーリエ変換して得たパワースペクトルの一例を示す図である。横軸は空間周波数又は空間波長、縦軸はパワースペクトル密度である。このように、スキャンスピード等の測定条件が異なる2つの表面形状のデータから得られたパワースペクトルにおいては、パワースペクトルに現れるピークのうち表面粗さに対応するものは測定条件が変わっても同じ結果が得られるのでピーク空間周波数が一致し、外乱によるノイズピークは測定条件が変わるとピーク空間周波数が一致しない。これは、振動等の外乱によるノイズのピーク空間周波数は、スキャンスピード等の測定条件に依存するからである。
【0038】
そこで、ノイズ成分判別除去手段3により、各パワースペクトルに現れるピークのうちピーク空間周波数が一致しないものをノイズ成分と判別し、判別したノイズ成分をパワースペクトルの少なくとも一方から除去する(工程D)。
このノイズ成分の判別及び除去を、ノイズ成分判別除去手段3に具備される電子計算機6により、前記各パワースペクトルを読み込み、各パワースペクトルに現れるピークのうちピーク空間周波数が一致しないものをノイズ成分として記憶し、記憶したノイズ成分を前記パワースペクトルの少なくとも一方から最小二乗法等を用いて差し引くことにより行なえば、容易かつ自動的にノイズ成分の判別及び除去を行うことができるので好ましい。
【0039】
図6は、ノイズ成分を除去したパワースペクトルの一例を示す図である。これは、図5の各パワースペクトルを電子計算機により読み込み、各パワースペクトルに現れるピークのうちピーク空間周波数が一致しない0.5〜0.6(/μm)付近のピークをノイズ成分として記憶し、記憶したノイズ成分を、スキャンスピードが2.5μm/secの場合のパワースペクトルから差し引くことにより、ノイズ成分を除去して得られたものである。このように、ノイズ成分が除去され、実際の表面粗さに対応するピークだけが現れたパワースペクトルを得ることができる。
【0040】
次に、表面形状変換手段4により、ノイズ成分を除去したパワースペクトルをノイズが除去された表面形状のデータに逆変換する(工程E)。
図7は、ノイズが除去されたシリコンウエーハの表面形状の1次元データの一例を示す図である。この表面形状のデータは、図6に示すノイズ成分を除去したパワースペクトルを逆フーリエ変換して得られたものである。また、図8は、上記評価方法により得られたシリコンウエーハの表面形状の2次元データの一例を示す図である。このように、外乱によるノイズ成分が除去された表面形状のデータが得られる。
【0041】
次に、表面粗さ算出手段5により、ノイズが除去された表面形状のデータから表面粗さを算出する(工程F)。
この場合、算出する表面粗さを、通常用いられる表面粗さを表すパラメータであるRMS値、PV値、Ra値の少なくとも1つとすることができる。このようにして、外乱によるノイズが除去された、正確な表面粗さを評価できる。
【0042】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は単なる例示であり、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。
【図面の簡単な説明】
【0043】
【図1】本発明に係る半導体ウエーハの評価装置の一例を示す概略図である。
【図2】本発明に係る半導体ウエーハの評価方法の一例を示す工程図である。
【図3】スキャンスピードを2.5μm/secとして測定したシリコンウエーハの表面形状の2次元データの一例を示す図である。
【図4】スキャンスピードを(a)5μm/sec、(b)2.5μm/secとして測定したシリコンウエーハの表面形状の1次元データの一例を示す図である。
【図5】各表面形状のデータをフーリエ変換して得たパワースペクトルの一例を示す図である。
【図6】ノイズ成分を除去したパワースペクトルの一例を示す図である。
【図7】ノイズが除去されたシリコンウエーハの表面形状の1次元データの一例を示す図である。
【図8】本発明に係る評価方法により得られたシリコンウエーハの表面形状の2次元データの一例を示す図である。
【符号の説明】
【0044】
1…表面形状測定手段、 2…パワースペクトル変換手段、
3…ノイズ成分判別除去手段、 4…表面形状変換手段、 5…表面粗さ算出手段、
6…電子計算機。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
半導体ウエーハの評価方法であって、少なくとも、半導体ウエーハの表面形状を少なくとも異なる2つの測定条件で測定し、該測定した各表面形状のデータをパワースペクトルにそれぞれ変換し、該各パワースペクトルに現れるピークのうちピーク空間周波数が一致しないものをノイズ成分と判別し、該判別したノイズ成分を前記パワースペクトルの少なくとも一方から除去してから評価を行なうことを特徴とする半導体ウエーハの評価方法。
【請求項2】
請求項1に記載の評価方法であって、前記異なる測定条件として、表面のスキャンスピードを異なるものとすることを特徴とする評価方法。
【請求項3】
請求項1又は請求項2に記載の評価方法であって、前記ノイズ成分を除去したパワースペクトルをノイズが除去された表面形状のデータに逆変換して評価を行なうことを特徴とする評価方法。
【請求項4】
請求項3に記載の評価方法であって、前記ノイズが除去された表面形状のデータから表面粗さを算出して評価を行なうことを特徴とする評価方法。
【請求項5】
請求項4に記載の評価方法であって、前記算出する表面粗さを、RMS値、PV値、Ra値の少なくとも1つとすることを特徴とする評価方法。
【請求項6】
請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載の評価方法であって、前記半導体ウエーハの表面形状を、原子間力顕微鏡法、触針法、光干渉法、位相シフト干渉法、光散乱トポグラフィ法のいずれかで測定することを特徴とする評価方法。
【請求項7】
請求項1乃至請求項6のいずれか一項に記載の評価方法であって、前記ノイズ成分の判別及び除去を、電子計算機により、前記各パワースペクトルを読み込み、該各パワースペクトルに現れるピークのうちピーク空間周波数が一致しないものをノイズ成分として記憶し、該記憶したノイズ成分を前記パワースペクトルの少なくとも一方から差し引くことにより行なうことを特徴とする評価方法。
【請求項8】
半導体ウエーハの評価装置であって、少なくとも、半導体ウエーハの表面形状を少なくとも異なる2つの測定条件で測定する表面形状測定手段と、該測定手段により測定された各表面形状のデータを各パワースペクトルに変換するパワースペクトル変換手段と、該変換手段により変換された各パワースペクトルに現れるピークのうちピーク空間周波数が一致しないものをノイズ成分と判別し、該判別したノイズ成分を前記パワースペクトルの少なくとも一方から除去するノイズ成分判別除去手段とを具備するものであることを特徴とする半導体ウエーハの評価装置。
【請求項9】
請求項8に記載の評価装置であって、前記表面形状測定手段は、半導体ウエーハの表面形状を少なくとも異なる2つのスキャンスピードで測定するものであることを特徴とする評価装置。
【請求項10】
請求項8又は請求項9に記載の評価装置であって、前記ノイズ成分を除去したパワースペクトルをノイズが除去された表面形状のデータに逆変換する表面形状変換手段を具備するものであることを特徴とする評価装置。
【請求項11】
請求項10に記載の評価装置であって、前記ノイズが除去された表面形状のデータから表面粗さを算出する表面粗さ算出手段を具備するものであることを特徴とする評価装置。
【請求項12】
請求項8乃至請求項11のいずれか一項に記載の評価装置であって、前記表面形状測定手段は、原子間力顕微鏡、触針式形状測定装置、光干渉式形状測定装置、位相シフト干渉式形状測定装置、光散乱トポグラフィ式形状測定装置のいずれかのものであることを特徴とする評価装置。
【請求項13】
請求項8乃至請求項12のいずれか一項に記載の評価装置であって、前記ノイズ成分判別除去手段は電子計算機を具備し、該電子計算機は、前記各パワースペクトルを読み込み、該各パワースペクトルに現れるピークのうちピーク空間周波数が一致しないものをノイズ成分として記憶し、該記憶したノイズ成分を前記パワースペクトルの少なくとも一方から差し引くものであることを特徴とする評価装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【公開番号】特開2006−278972(P2006−278972A)
【公開日】平成18年10月12日(2006.10.12)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2005−99712(P2005−99712)
【出願日】平成17年3月30日(2005.3.30)
【出願人】(000190149)信越半導体株式会社 (867)
【Fターム(参考)】