特開 2024-14976 シリコンウエハ表面状態診断方法及び表面改質方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024014976

(43)【公開日】2024-02-01

(54)【発明の名称】シリコンウエハ表面状態診断方法及び表面改質方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/66 20060101AFI20240125BHJP

   H01L 21/268 20060101ALI20240125BHJP

   H01L 21/304 20060101ALI20240125BHJP

【ＦＩ】

H01L21/66 L

H01L21/268 F

H01L21/304 601Z

【審査請求】有

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023196417

(22)【出願日】2023-11-20

(62)【分割の表示】P 2020033662の分割

【原出願日】2020-02-28

(71)【出願人】

【識別番号】000151494

【氏名又は名称】株式会社東京精密

(74)【代理人】

【識別番号】110003535

【氏名又は名称】スプリング弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】津留 太良

(57)【要約】

【課題】リアルタイムな加工中（表面改質中）も含め、表面状態の診断、修復効果確認を行うことで、高品質のシリコンウェハを提供する。
【解決手段】レーザ熱処理を用いたシリコンウエハ１の表面改質におけるシリコンウエハ１の表面状態診断方法であって、シリコンウエハ１表面の反射率又は吸収率の測定、及び電気物性を測定する。また、反射率又は吸収率の測定は、波長が５３２、あるいは７８５ｎｍのレーザで行う。そして、電気物性は、シリコンウエハ１の表面処理部に近接して電極４を配置し、シリコンウエハと１電極間４で形成される静電容量を測定する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザ熱処理を用いたシリコンウエハ表面改質におけるシリコンウエハ表面状態診断方法であって、
シリコンウエハの表面の反射率若しくは吸収率の測定、又は電気物性を測定することを特徴とするシリコンウエハ表面状態診断方法。

【請求項2】

前記電気物性は、前記シリコンウエハの表面処理部と近接配置された電極との間に生ずる極板間引力を含む、請求項１に記載のシリコンウエハ表面状態診断方法。

【請求項3】

前記電気物性は、前記シリコンウエハの表面処理部と、近接配置された電極との間に生ずる力のひずみゲージによる測定値を含む、請求項１に記載のシリコンウエハ表面状態診断方法。

【請求項4】

レーザ熱処理を用いたシリコンウエハ表面改質方法であって、
シリコンウエハの表面の反射率若しくは吸収率の測定、又は、前記シリコンウエハの表面処理部に近接して電極を配置し、前記シリコンウエハと前記電極間で形成されるコンデンサの静電容量を測定するステップＡと、
前記ステップＡに基づいて前記レーザ熱処理の加工条件を決定するステップＢと、
を有するシリコンウエハ表面改質方法。

【請求項5】

前記レーザ熱処理の加工中に、前記ステップＡを行い、その結果をフィードバック制御して加工を継続することを特徴とする請求項４に記載のシリコンウエハ表面改質方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、シリコンウエハ表面の加工変質層である表面欠陥の修復に係り、特に、レーザ熱処理を用いたシリコンウエハ表面改質に関し、その表面の改質状況を診断するシリコンウエハ表面状態診断方法及び表面改質方法に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体デバイス等の作製に使用されるシリコンウエハ等の半導体ウェハは、切削・研削・ラッピング・ポッリシングなどの機械加工プロセスによって表面加工が行われている。しかし、その表面及び内部は、加工変質層が形成され、一部の加工変質層には、マイクロクラック（微小亀裂）が含まれる。この内部クラック等の除去は、主にエッチングや化学機械研磨（ＣＭＰ）等の化学的・機械的方法により行われている。

【0003】

例えば、特許文献１は、単結晶表面にパルスレーザを照射し、パルスレーザ照射部の断面ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）観察像で評価することを記載している。

【0004】

また、特許文献２は、半導体ウェハの反りを測定し、測定された反りと研削工程で研削された研削深さに基づいて、表面変質層の深さを求めることを記載している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００８－１４７６３９号公報

【特許文献2】特許第６０７２１６６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上記従来技術において、特許文献１に記載のようにＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）を用いる方法は、観察試料の厚さを数ｎｍ程度（観察可能な厚さ）にする必要があり、そのため、試料の準備作業には細心の注意が必要で、時間もかかる。また、試料は電子ビームを浴びることで破壊を伴った計測となる。試料に電子を当てて干渉パターンを観察する電子回折や光と物質の相互作用を利用するラマン分光計測等は、同様であり、非常に高価な装置であり、導入は困難である。

【0007】

また、特許文献２に記載のように反りを計測して加工変質層を評価する方法は、計測時に荷重がかかるため破壊が進行する恐れがある。さらに、ノッチ部のような広域にわたる曲面等のような形状に対する効率的な計測は、現時点で知られていない。

【0008】

本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、レーザ表面改質機に搭載することも可能とする。そして、本発明は、リアルタイムな加工中（表面改質中）も含め、表面状態の診断、修復効果確認を行うことで、高品質のシリコンウェハを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記目的を達成するための本発明の構成は以下のとおりである。
［１］ レーザ熱処理を用いたシリコンウエハ表面改質におけるシリコンウエハ表面状態診断方法であって、シリコンウエハの表面の反射率若しくは吸収率の測定、又は電気物性を測定することを特徴とするシリコンウエハ表面状態診断方法。
［２］上記電気物性は、上記シリコンウエハの表面処理部と近接配置された電極との間に生ずる極板間引力を含む、［１］に記載のシリコンウエハ表面状態診断方法。
［３］ 上記電気物性は、上記シリコンウエハの表面処理部と、近接配置された電極との間に生ずる力のひずみゲージによる測定値を含む、［１］に記載のシリコンウエハ表面状態診断方法。
［４］ レーザ熱処理を用いたシリコンウエハ表面改質方法であって、シリコンウエハの表面の反射率若しくは吸収率の測定、又は、上記シリコンウエハの表面処理部に近接して電極を配置し、上記シリコンウエハと上記電極間で形成されるコンデンサの静電容量を測定するステップＡと、上記ステップＡに基づいて上記レーザ熱処理の加工条件を決定するステップＢと、を有するシリコンウエハ表面改質方法。
［５］ 上記レーザ熱処理の加工中に、上記ステップＡを行い、その結果をフィードバック制御して加工を継続することを特徴とする［４］に記載のシリコンウエハ表面改質方法。

【0010】

本発明の他の構成は、レーザ熱処理を用いたシリコンウエハ表面改質におけるシリコンウエハ表面状態診断方法であって、前記シリコンウエハ表面の反射率又は吸収率の測定、及び電気物性を測定する。

【0011】

また、前記反射率又は前記吸収率の測定は、波長が５３２、あるいは７８５ｎｍのレーザで行うことが望ましい。

【0012】

さらに、前記電気物性は、前記シリコンウエハの表面処理部に近接して電極を配置し、前記シリコンウエハと前記電極間で形成されるコンデンサの静電容量を測定することが望ましい。

【0013】

さらに、前記電気物性は、前記シリコンウエハの表面処理部に近接して電極を配置し、前記シリコンウエハと前記電極間に電圧を印加して極板間引力を測定することが望ましい。

【0014】

さらに、前記極板間引力は、ひずみゲージで測定することが望ましい。

【0015】

さらに、前記シリコンウエハを載置するリングポールと、リング形状の極板リングに等分割で配置された薄板と、前記薄板に貼り付けられ、ブリッジ回路が構成される前記ひずみゲージと、を備え、前記極板リングを前記シリコンウエハと間隙を持って配置し、前記リングポールと前記極板リングとの間に電圧を印加して前記極板間引力を測定することが望ましい。

【0016】

また、本発明は、レーザ熱処理を用いたシリコンウエハ表面改質方法であって、前記シリコンウエハ表面の反射率測定又は吸収率の測定するステップ１と、前記シリコンウエハの表面処理部に近接して電極を配置し、前記シリコンウエハと前記電極間で形成されるコンデンサの静電容量を測定するステップ２と、前記ステップ１、前記ステップ２に基づいて前記レーザ熱処理の加工条件を決定するステップ３と、を有する。

【0017】

さらに、前記レーザ熱処理の加工中に、前記ステップ１、前記ステップ２を行い、その結果をフィードバック制御して加工を継続することが望ましい。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、シリコンウエハ表面の反射率又は吸収率の測定、及び電気物性を測定してシリコンウエハ表面状態を診断するので、レーザ表面改質機に搭載することも可能である。リアルタイムな加工中（表面改質中）も含め、表面状態の診断、修復効果確認を行うことで、高品質のシリコンウェハを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の一実施形態による光の反射率、あるいは吸収率の測定部を示すブロック図

【図2】一実施形態によるシリコンウェハと電極間の静電容量や極板間引力の測定部を示すブロック図

【図3】一実施形態による表面改質(加工)及び診断のフローチャート

【図4】一実施形態による極板間引力を測定する構成図

【図5】一実施形態による極板リングの平面図

【図6】図５の側面図

【発明を実施するための形態】

【0020】

図１は、一実施形態による光の反射率、あるいは吸収率の測定部を示すブロック図、図２は、シリコンウェハと電極間の静電容量や極板間引力の測定部を示すブロック図である。加工変質層は、主にアモルファスシリコン層や多結晶状態となっている。この加工変質層は極めて薄いものであるが、機械的・電気的・光学的性能に大きく影響している。

【0021】

本実施形態は、研削やエッチング処理後の加工変質層の表面に関して、反射率（吸収率）の測定や画像解析により表面状態を調べる。また、数μｍ深さ程度の内部の状態に関しては、５３２ｎｍ、近赤外光（７８５ｎｍ）の波長の計測用レーザを照射して反射率（吸収）を調べる。

【0022】

さらに、外部より電圧を印加（シリコンウェハ表面を帯電させる）することで、アモルファス、多結晶シリコン、単結晶シリコンの電気物性（伝導度、静電容量、極板間引力等）の違いを検知し改質状況を調べる。つまり、シリコンウエハ１表面の反射率又は吸収率の測定、及び電気物性を測定したことになる。

【0023】

つまり、本実施形態は、シリコンウェハ１表面状態の診断、修復効果確認を行うため、以下の（１）から（４）を組み合わせて総合的に測定及び評価することが好ましい。
（１）測定面の形状も考慮し、偏光させるなどした近赤外光（７８５ｎｍ）を照射して単結晶の反射率、あるいは吸収率を得る。
（２）シリコンウエハ１の測定面１－１の形状も考慮し、偏光させるなどした可視光、あるいは波長５３２ｎｍの光を当てアモルファスの反射率、あるいは吸収率を得る。なお、アモルファスシリコン層は、波長５３２ｎｍの光に強い吸収がある。
（３）画像、接触式等により表面形状（粗さ等も含む）を計測する。
（４）改質前後、及び改質中の加工対象物（シリコンウェハ）の電気物性（電気伝導度、静電容量、極板間引力等）の違いを得る。

【0024】

図１において、計測用光源２は、シリコンウエハ１の測定面１－１へ計測用レーザ、あるいは可視光を矢印のように表面に照射する。計測用光源（レーザ熱処理）２は、計測用の光源や波長が５３２、あるいは７８５ｎｍのレーザであり、偏光子を介しても良い。そして、その反射光は、フィルターを介してカメラや検出器３で検出、解析し反射率、あるいは吸収率を評価、測定する。

【0025】

光の反射率（吸収）評価、測定において、溶融中のシリコンの反射率は、固体のそれと比較して３０％と高く、表面改質中の反射率測定で表面改質状況を調べることができる。なお、光の反射率（吸収率）の測定は、計測用光源２から測定面１－１へ照射される計測用レーザの入射角の影響を考慮して、偏光子をレーザ出光部の直後に配置することが好ましい。

【0026】

図２は、（４）の電気特性として、シリコンウエハ１と電極４間の静電容量７や極板間引力６の測定を示している。図２において、電極４は、シリコンウエハ１の表面処理部に対応するように近接して配置される。そして、静電容量７や極板間引力６は、シリコンウエハ１と電極４間に電圧５を印加して測定され、改質前後で比較する。

【0027】

溶融状態のシリコンの電気伝導度は、固体に比べ、１００倍以上高いことが知られている。したがって、シリコンウエハ１表面の電気伝導度を測定することで溶融したシリコンの容量を評価することもできる。電気伝導度は、表面処理中に溶融したシリコンの伝導率が変化し、シリコンウエハ１と電極４間で形成されたコンデンサの静電容量７、極板間引力６として変化する。表面改質部の状況は、静電容量７の変化する現象を観察、あるいは測定することで評価することが可能となる。

【0028】

図３は、レーザ熱処理を用いた表面改質(加工)及び診断のフローチャートである。表面改質(加工)及び診断は、改質処理対象のシリコンウエハ表面状態を測定、あるいは評価し、それに応じた条件でレーザ照射を行うことにより効率良く、効果的な表面改質を行う。まず、でレーザ照射による加工前にシリコンウエハ１表面の反射率又は吸収率の測定及び画像解析を行う（ステップ１）。
次に、図２で示した方法で静電容量７を評価する（ステップ２）。つまり、ステップ１、ステップ２でシリコンウエハ１表面の反射率又は吸収率の測定、及び電気物性としての静電容量７を測定したことになる。そして、加工条件は、ステップ１、ステップ２の測定及び評価に基づいて決定する（ステップ３）。

【0029】

加工中は、ステップ１、ステップ２と同様に表面の反射率測定、静電容量の評価(電気伝導度の変化)を行い、その結果をフィードバック制御して加工を継続する（ステップ４）。

【0030】

なお、レーザ照射で加工することで、シリコンウエハ１の酸素排除処理及び結晶性の向上が可能であり、パルスレーザを照射することで、シリコンウエハ１表面の加工変質層である表面欠陥の修復が可能である。

【0031】

特に、シリコンウエハ１の研削後、その表面形状に対応して、少なくとも入射角、ｓ偏光とｐ偏光の成分、エネルギ密度、単位面積当たりの照射回数のいずれか一つを変化させてパルスレーザを照射することで、加工応力の影響をなくし均一な表面に改質することができる。

【0032】

また、パルスレーザ（ナノ秒）照射による加工は、加工変質層のアモルファス層をナノ秒速で溶融する。そして、パルスレーザ（ナノ秒）照射による溶融は、結晶方位が揃った再結晶化（エピタキシャル成長）を進展させ、機械加工で生じた結晶欠陥を無くすことができる。

【0033】

加工後は、ステップ１、ステップ２と同様に表面の反射率測定、画像解析、静電容量の評価（ステップ５、ステップ６）を行い、品質評価をして仕様に対してＯＫかＮＧかを判定する（ステップ７）。
以上により、シリコンウエハ１は、加工中も表面状態の診断、修復効果確認を行うので、高品質にすることができる。

【0034】

図４は、極板間引力６を測定する構成図である。図５は極板リング１０の平面図、図６は、側面図である。図２で示した極板間引力６は、ひずみゲージ１０－２で測定する。図４において、シリコンウエハ１は、リングポール１１に載置される。極板リング１０は、図２で示した電極４に相当するもので、リング形状のコンプライアンス構造（柔構造）とされている。

【0035】

薄板１０－１は、極板リング１０の上面に１２０°の等分割でコンプライアンスを持って配置されている。ひずみゲージ１０－２は、薄板１０－１の中心付近にそれぞれ貼り付けられている。また、３個のひずみゲージ１０－２は、ブリッジ回路が構成され、薄板１０－１に掛かる応力を検出する。

【0036】

電圧５は、リングポール１１と極板リング１０との間に印加される。シリコンウエハ１は、リングポール１１に載置されるので、電圧５は、シリコンウエハ１と極板リング１０との間に印加されたことになる。なお、リングポール１１は、シリコンウエハ１を載置する通常の回転テーブルに装着しても良い。

【0037】

極板リング１０は、図６に示すように、爪部１０－３が回転可能として設けられている。爪部１０－３は、極板リング１０の内側へ図６（ａ）の矢印のように回転可能とされ、所定位置（図６で９０°）で図６（ｂ）のように固定される。したがって、シリコンウエハ１と極板リング１０は、図６（ｂ）で示すように間隙を持って配置され、図２の静電容量７を形成する。

【0038】

つまり、図２で示した電極４は、シリコンウエハ１を挟み込むようにされ、極板間引力６をひずみゲージ１０－２で検出する。シリコンウエハ１と極板リング１０との間隙は、数１００μｍに設定する。極板間引力６は、アモルファスシリコン、多結晶シリコン、単結晶シリコンとで伝導率（移動度、比抵抗）が大きく異なることで表面の改質状況の判別が可能となる。

【0039】

測定の手順は、以下のようになる。
（１）シリコンウエハ１は、リングポール１１に載置し、シリコンウエハ１の上に極板リング１０を装着する。
（２）爪部１０－３は、極板リング１０の内側へ回転させ、電圧５をリングポール１１と極板リング１０との間に印加する。
（３）極板間引力６が生じることにより、極板リング１０に応力が掛かり、変形する。
（４）極板リング１０の上面に配置された薄板１０－１に貼りつけられたひずみゲージ１０－２により応力が検出され電気信号として出力される。

【0040】

以上述べた極板間引力６の測定によれば、改質前後、および改質中の加工対象物（シリコンウエハ）の電気物性（電気伝導度、静電容量、極板間引力等）の違いを高感度に測定が可能となる。

【符号の説明】

【0041】

１…シリコンウエハ
１－１…測定面
２…計測用光源
３…検出器
４…電極
５…電圧
６…極板間引力
７…静電容量
１０…極板リング
１０－１…薄板
１０－２…ゲージ
１０－３…爪部
１１…リングポール

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】