特表 2024-510549 半導体基板の応力ロバストネスを試験するための方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-03-08

(54)【発明の名称】半導体基板の応力ロバストネスを試験するための方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/66 20060101AFI20240301BHJP

【ＦＩ】

H01L21/66 N

【審査請求】有

【予備審査請求】有

(21)【出願番号】P 2023548918

(86)(22)【出願日】2022-02-04

(85)【翻訳文提出日】2023-10-13

(86)【国際出願番号】 EP2022052733

(87)【国際公開番号】W WO2022175115

(87)【国際公開日】2022-08-25

(31)【優先権主張番号】21157381.1

(32)【優先日】2021-02-16

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】599119503

【氏名又は名称】ジルトロニック アクチエンゲゼルシャフト

【氏名又は名称原語表記】Ｓｉｌｔｒｏｎｉｃ ＡＧ

【住所又は居所原語表記】Ｅｉｎｓｔｅｉｎｓｔｒａｓｓｅ １７２，８１６７７ Ｍｕｅｎｃｈｅｎ， Ｇｅｒｍａｎｙ

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ケスター，ルートビヒ

(72)【発明者】

【氏名】フォルコプフ，アレクサンダー

(72)【発明者】

【氏名】薦田 光▲徳▼

【テーマコード（参考）】

4M106

【Ｆターム（参考）】

4M106AA01

4M106BA03

4M106BA07

4M106CB19

4M106DH12

4M106DH24

4M106DH25

4M106DH31

4M106DH33

4M106DH34

4M106DH55

4M106DH56

(57)【要約】

半導体基板の応力ロバストネスを試験するための方法は、半導体基板の表面の上に窒化物層を形成するステップと、水素を含むまたは水素化合物を含むまたはその両方を含むガスから生成されたイオンによる反応性イオンエッチングのステップを含むフォトリソグラフィにより、窒化物層をパターニングしてパターニングされた窒化物にするステップと、パターニングされた窒化物および半導体基板を８００℃以上１３００℃以下の温度で処理して、パターニングされた窒化物と半導体基板との間の界面における転位の形成を誘起するステップと、形成された転位に関連する少なくとも１つの特性を評価するステップとを含む。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体基板の応力ロバストネスを試験するための方法であって、前記方法は、
前記半導体基板の表面の上に窒化物層を形成するステップと、
水素を含むまたは水素化合物を含むまたはその両方を含むガスから生成されたイオンによる反応性イオンエッチングのステップを含むフォトリソグラフィにより、前記窒化物層をパターニングしてパターニングされた窒化物にするステップと、
前記パターニングされた窒化物および前記半導体基板を８００℃以上１３００℃以下の温度で処理して、前記パターニングされた窒化物と前記半導体基板との間の界面における転位の形成を誘起するステップと、
形成された前記転位に関連する少なくとも１つの特性を評価するステップとを含む、方法。

【請求項2】

前記ガスは、ＣＨＦ_３、ＣＦ_４およびアルゴンまたは酸素の混合物を含む、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

形成された前記転位に関連する前記少なくとも１つの特性を評価するために、ｘ線トポグラフィまたはフォトルミネッセンス分析を使用するステップを含む、請求項１または２に記載の方法。

【請求項4】

前記パターニングされた窒化物を前記基板から除去するステップと、
輪郭エッチングを実行するステップと、
形成された前記転位に関連する前記少なくとも１つの特性を光学顕微鏡法または走査電子顕微鏡法により評価するステップとを含む、請求項１または２に記載の方法。

【請求項5】

前記パターニングされた窒化物および前記半導体基板を処理するために、急速熱処理またはバッチ炉処理を使用するステップを含む、請求項１～４のいずれか１項に記載の方法。

【請求項6】

形成された前記転位に関連する前記少なくとも１つの特性は、転位密度および／または転位伝播長である、請求項１～５のいずれか１項に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体基板の応力ロバストネスを試験するための方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来技術／課題
高度なデバイス処理は半導体基板に対してより大きな応力を加える場合がある。ＦｉｎＦＥＴなどの３Ｄ構造だけでなく、極端な熱処理も、局所的な応力場を引き起こし基板に塑性変形などの機械的損傷を誘起する場合がある。塑性変形は、結果として、デバイスパターンオーバーレイおよび電気デバイス性能に悪影響を与える可能性がある。そのため、重要なことは、基板が、デバイス製造プロセスにおいて、機械的ロバストネスおよびオーバーレイ性能の各々についてどのように挙動するかを知ることである。複雑さを減じてデバイス製造プロセスをシミュレートする、信頼できる試験は、ロバストな半導体基板の開発を可能にする。圧子試験などの既存の試験は、基板に数ミクロン貫入する著しい機械的損傷を生じさせる。

【0003】

ＥＰ２９５９５００Ｂ１は、圧子工具とそれに続く熱処理による基板ウェハの機械的損傷を含む応力試験に言及している。この試験の欠点は、半導体デバイスプロセスにおいて典型的ではない、深い結晶格子損傷および塑性変形を導入することである。加えて、圧痕は、基板の特性に関して、半導体ウェハ全体ではなく非常に局所的な情報しか提供しない。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許請求される発明の目的は、基板ウェハに機械的圧痕を生じさせる必要性を回避する代替方法を提供することである。特許請求される発明の利点は、純粋な膜によって誘起される機械的な表面近傍応力に依拠するデバイスプロセスに非常に類似しており、ウェハ表面全体についてのロバストネス情報を明らかにすることが可能であることである。

【課題を解決するための手段】

【0005】

発明の説明
上記目的は、以下を含む半導体基板の応力ロバストネスを試験するための方法、すなわち、
半導体基板の表面の上に窒化物層を形成するステップと、
水素を含むまたは水素化合物を含むまたはその両方を含むガスから生成されたイオンによる反応性イオンエッチングのステップを含むフォトリソグラフィにより、窒化物層をパターニングしてパターニングされた窒化物にするステップと、
パターニングされた窒化物および半導体基板を８００℃以上１３００℃以下の温度で処理して、パターニングされた窒化物と半導体基板との間の界面における転位の形成を誘起するステップと、
形成された転位に関連する少なくとも１つの特性を評価するステップとを含む、方法により、達成される。

【0006】

本発明は、応力の起源としての機械的損傷を引き起こすことなく、デバイスが位置する表面近傍領域を対象とする試験を提供する。この試験は、転位形成に関する半導体基板の機械的ロバストネスを対象とする、デバイス製造プロセスの単純なシミュレーションを可能にする。試験構造内における転位形成速度または転位伝播が減じられた半導体基板は、デバイス製造プロセスにおいてより高い歩留まりで機能する。この試験は、実際のデバイス製造プロセスにより近く、応力の起源としての重大な機械的損傷を引き起こさないので、改善された機械的ロバストネスを有する半導体基板の開発および製造を可能にする。

【0007】

この方法は、機械的圧痕を欠き、かつ電子デバイスが形成される表面近傍領域を対象とするので、半導体基板の応力ロバストネスのより現実的な画像を得ることができる。この試験は、電子デバイスが位置する表面近傍領域を対象とし、改善された応力ロバストネスを有する半導体基板の識別を可能にする。デバイス処理における転位欠陥は、多くの場合、デバイスが電気的性能について試験されているときに、インラインでまたはバックエンドで検出することしかできない。この試験は、大量生産においてデバイスがウェハ上で処理される前の、半導体基板の開発中に、最も重要なデバイスプロセスをシミュレートすることを可能にする。

【0008】

この方法は、半導体基板の応力ロバストネスを定量化するために、表面近傍領域における転位の形成を誘起し、転位に関連する少なくとも１つの特性を使用する。

【0009】

転位は、基板の表面とこの表面上に形成されたパターニングされた窒化物との間の界面における熱処理により、誘起される。半導体基板およびパターニングされた窒化物の熱処理後、パターニングされた窒化物は除去されてもよく、形成された転位に関連する少なくとも１つの特性が検査される。

【0010】

パターニングされた窒化物を形成する前に、窒化物層、たとえば窒化ケイ素層が、半導体基板の表面に、酸化物層のようなさらに他の層を介在させることなく、直接形成される。しかしながら、例外として、窒化物層と半導体基板との間に、自然酸化物層が存在してもよい。好ましくは、窒化物層は均一な厚さを有する。窒化物層を直接形成すると、窒化物層を形成した後の冷却中の基板と窒化物層との間の異なる熱膨張係数によって生じる、窒化物層と基板材料との間の重大な機械的応力がもたらされる。窒化物層は、たとえば、ＬＰＣＶＤ（低圧化学気相成長）により７００℃～８００℃の高温で形成されてもよい。窒化物層の厚さは１５０ｎｍ以上４００ｎｍ以下であってもよい。窒化物層の形成の前に、半導体基板に対し、たとえば電子デバイス製造プロセスに固有の条件で、熱的前処理を行ってもよい。

【0011】

窒化物層の形成に続いて、パターニングされたフォトレジストを窒化物層の上に形成しＲＩＥ（反応性イオンエッチング）によってフォトレジストのない位置の窒化物を除去する工程を含むフォトリソグラフィにより、窒化物層を、パターニングされた窒化物に変換する。パターニングされた窒化物は、線、円、正方形および矩形のような形状を有する窒化物構造体を含み得る。線、正方形および矩形は、１００μｍ～数ｍｍの距離にわたって横方向に延在し得る。円は１００μｍ～５０００μｍの外径を有し得る。窒化物構造体の線幅は５μｍ～１０００μｍであることが好ましい。隣接する窒化物構造体は、１０μｍ～数ｍｍの範囲の距離だけ互いに離れていてもよい。ＲＩＥのためのイオンでプラズマを生成するために、水素または水素化合物またはその両方を含むガス、たとえばＣＨＦ_３、ＣＦ_４およびアルゴンまたは酸素の混合物が使用される。水素の存在は、後続の熱処理中に転位の形成を引き起こす、表面下の損傷を生じさせる場合がある。

【0012】

パターニングされた窒化物の形成後、フォトレジストが除去され、半導体基板およびパターニングされた窒化物は、ＲＴＰ（急速熱処理）ツールまたはバッチ炉のいずれかにおいて実行される後続の熱処理を受ける。熱処理は、窒素雰囲気の中で行われてもよく、転位の形成を引き起こし、転位の形成は、半導体基板とパターニングされた窒化物との間の界面のエッジ位置から始まる。熱処理の温度は、８００℃～１３００℃の範囲であってもよく、転位伝播の動力学に影響を与える。ＲＴＰが使用される場合、ランプレートは、１０℃／秒～１００℃／秒であってもよく、半導体基板およびパターニングされた窒化物は、目標温度で１分～１０分以上の期間にわたってアニールされてもよい。バッチ炉での熱処理は、１５分～３時間以上継続されてもよい。

【0013】

次に、パターニングされた窒化物を半導体基板から除去してもよく、形成された転位に関連する少なくとも１つの特性を評価する。少なくとも１つの特性は、たとえば、熱処理中に窒化物の下に埋め込まれた半導体基板の表面上の位置における転位の密度であってもよい。半導体材料の機械的ロバストネスが高いほど転位密度は低くなる。転位密度は、熱処理中にエッジ位置であった位置で最も高く、窒化物エッジから離れるに従って減少する。前のエッジ位置での転位密度が高いため、前のエッジ位置から少なくとも１μｍずれた位置での転位密度を評価してもよい。形成された転位に関連する少なくとも１つの特性は、たとえば転位伝播長であってもよい。これは、転位密度がゼロ付近またはゼロの低いしきい値まで低下している最も近い前のエッジ位置までの距離を示す。半導体材料の機械的ロバストネスが高いほど、転位伝播長は小さくなる。

【0014】

形成された転位に関連する少なくとも１つの特性は、パターニングされた窒化物を事前に除去してまたは除去せずに、評価することができる。パターニングされた窒化物を除去してもよく、転位の輪郭（delineation）のために半導体基板をエッチングしてもよい。この欠陥エッチングは、たとえばＷｒｉｇｈｔエッチャントを用いて実行されてもよく、それに続いて光学顕微鏡法または走査電子顕微鏡法を用いた評価が行われてもよい。たとえば、半導体基板のエッチングされた前面から顕微鏡画像を撮影してもよく、評価ソフトウェアを用いて欠陥を自動的にカウントしてそれぞれの転位関連特性を計算してもよい。これに代えて、パターニングされた窒化物の除去およびその後のエッチングを省略してもよく、形成された転位に関連する少なくとも１つの特性の評価のためにＸＲＴ（ｘ線トポグラフィ）またはＰＬ（フォトルミネッセンス分析）を使用してもよい。ＰＬマッパーは、半導体基板のバルク内への転位の侵入深さを評価することもできる。

【0015】

半導体基板は、たとえば、単結晶から製造された、研磨されたシリコンウェハ、または、そのようなシリコンウェハとその上に形成されたシリコンエピタキシャル層とを含むエピタキシャルウェハ、または、ＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）ウェハであってもよい。（１００）配向シリコン単結晶格子の場合、誘起された転位は、結晶バルク内にも伝播する、すなわち、約５５°の角度で（１００）配向表面を横切る（１１１）配向平面に沿って伝播する。

【0016】

本発明を図面を参照しながらさらに開示する。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】特許請求される方法の個々のステップの可能なフローを模式的に示す図である。

【図2】窒化物パターンを構成し得るいくつかの形状を示す図である。

【図3】図１のステップｅ）中の転位に関連する特性の評価の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

図１に従い、特許請求される方法は、半導体基板に熱的前処理が施される任意選択のステップａ）から開始されてもよい。たとえば、デバイス製造プロセス条件によって指定される条件下で、半導体基板を加熱してもよい。

【0019】

特許請求される方法の第１の必須のステップｂ）は、半導体基板の表面５の上に窒化物層２を形成することを含む。表面２は、電子デバイスが組み込まれることが意図される、基板ウェハの領域の上端である。通常、表面５は半導体基板１の表面である。

【0020】

ステップｃ）中に、リソグラフィプロセスによってパターニングされた窒化物３が形成され、このプロセスにおいて、窒化物層２はＲＩＥによって部分的に除去されてパターニングされた窒化物３を残す。プラズマの発生源として、水素を含む、または水素化合物を含む、またはその両方を含むガスが使用される。

【0021】

次のステップｄ）は、炉、たとえばバッチ炉、またはＲＴＰツールのいずれかにおける、８００℃～１３００℃の範囲の温度での、半導体基板１およびパターニングされた窒化物３の熱処理を含む。基板１の材料とパターニングされた窒化物３の材料との間の機械的応力に関連する熱処理は、パターニングされた窒化物３の下における転位４の形成を誘起する。エッジ位置６から、すなわちパターニングされた窒化物３の横方向の境界から始まり、半導体基板１の特定の深さまで延びる転位４は、パターニングされた窒化物３の下において横方向に伝播する。

【0022】

続いて、ステップｅ）中に、パターニングされた窒化物３を半導体基板１の表面５から除去してもよく、熱処理中の窒化物構造体３によって覆われた領域の、形成された転位４に関連する少なくとも１つの特性を評価する。

【0023】

図２に示すように、パターニングされた窒化物３は、ある線幅ｄを有する、正方形、円形、直線、または傾斜した線のような形状を有し得る。熱処理中、転位は、エッジ位置６に形成され、パターニングされた窒化物３の下を横方向に伝播する。

【0024】

実施例
図３の中央部分は、半導体基板として使用されたシリコン単結晶ウェハからパターニングされた窒化物を除去した後であり、かつ、Ｗｒｉｇｈｔエッチャントでシリコンウェハを処理した後の、正方形の窒化物構造体の周囲領域の光学顕微鏡画像を示す。最も高い転位密度は、エッジ位置６およびその近傍に位置する。図３の左部分は、中央部分においてハッチングされた矩形でマークされた領域の拡大図を表す。この領域を、転位関連特性について、すなわち転位密度および転位伝播長について評価した。

【0025】

図３の右部分は、計算された転位密度が、エッジ位置およびその近傍における比較的高い転位密度を除外するためのオフセットを伴い、エッジ位置からの距離の関数としてプロットされた、図である。最大密度は約１μｍの距離において認められ、転位伝播長は約７５μｍであった。

【0026】

さまざまな半導体基板を図１のステップｂ）～ｅ）に従って試験し、試験結果を以下の表に要約する。ステップｃ）中に形成された、パターニングされた窒化物は、正方形の形状および２５０ｎｍの厚さを有していた。ステップｄ）中の熱処理をＲＴＰとして１０００℃の温度で行い、転位密度（ｄｄ）および転位伝播長（ｄｐｌ）をステップｅ）中に評価した。半導体基板として、２０オームｃｍ以上の高抵抗率でｐドープされた（ｐ^－）、もしくは１０ｍオームｃｍ以下の低抵抗率でｐドープされた（ｐ^＋）、直径３００ｍｍの研磨されたシリコン単結晶ウェハ、または、ｐドープされたシリコンエピタキシャル層が形成されたそのようなウェハ（ｐｐ^－ウェハおよびｐｐ^＋ウェハ）を、使用した。格子間酸素（Ｏｉ）の濃度の影響を、低Ｏｉ（１．８×１０^１７原子／ｃｍ^３、新ＡＳＴＭ Ｆ１２１）と高Ｏｉ（５．８×１０^１７原子／ｃｍ^３）との間で酸素濃度を変化させることによって調べた。

【0027】

【表1】

【0028】

より高いバルク酸素レベルは、転位伝播長の減少に現れる、より高い機械的ロバストネスを示す。同様に、ｐ型ドーパントの濃度を、機械的ロバストネスを制御するために使用することもできる。また、熱処理中の温度が９００℃から１０００℃に上昇する場合、転位密度および転位伝播長が増すことがわかった。同様に、窒化物構造体の厚さが２５０ｎｍから３２０ｎｍに増加する場合も、転位密度および転位伝播長が増す。最後に、転位密度と転位伝播長の両方について試験の再現性を確認することができた。

【符号の説明】

【0029】

使用される参照番号のリスト
１ 半導体基板
２ 窒化物層
３ パターニングされた窒化物
４ 転位
５ 表面
６ エッジ位置

【図1】

【図2】

【図3】

【手続補正書】

【提出日】2023-01-26

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体基板（１）の応力ロバストネスを試験するための方法であって、前記方法は、
前記半導体基板（１）の表面（５）の上に窒化物層（２）を形成するステップを含み、前記窒化物層（２）は、前記半導体基板（１）の前記表面（５）の上に直接形成されるかまたは介在する自然酸化物層の上に形成され、
前記半導体基板（１）および前記窒化物層（２）を冷却するステップと、
水素を含むまたは水素化合物を含むまたはその両方を含むガスから生成されたイオンによる反応性イオンエッチングのステップを含むフォトリソグラフィにより、前記窒化物層をパターニングしてパターニングされた窒化物（３）にするステップと、
前記パターニングされた窒化物（３）および前記半導体基板（１）を窒素雰囲気の中で８００℃以上１３００℃以下の温度で処理して、前記パターニングされた窒化物（３）と前記半導体基板（１）との間の界面における転位（４）の形成を誘起するステップと、
形成された前記転位（４）に関連する少なくとも１つの特性を評価するステップとを含む、方法。

【請求項2】

前記ガスは、ＣＨＦ_３、ＣＦ_４およびアルゴンからなる、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記ガスは、ＣＨＦ _３ 、ＣＦ _４ および酸素からなる、請求項１に記載の方法。

【請求項4】

形成された前記転位（４）に関連する前記少なくとも１つの特性を評価するために、ｘ線トポグラフィまたはフォトルミネッセンス分析を使用するステップを含む、請求項１～３のいずれか１項に記載の方法。

【請求項5】

形成された前記転位（４）に関連する前記少なくとも１つの特性を光学顕微鏡法または走査電子顕微鏡法により評価するステップと、
形成された前記転位（４）に関連する前記少なくとも１つの特性を評価するステップの前に、前記パターニングされた窒化物（３）を前記基板（１）から除去し、輪郭エッチングを実行するステップを含む、請求項１～３のいずれか１項に記載の方法。

【請求項6】

前記パターニングされた窒化物（３）および前記半導体基板（１）を処理するために、急速熱処理またはバッチ炉処理を使用するステップを含む、請求項１～５のいずれか１項に記載の方法。

【請求項7】

形成された前記転位（４）に関連する前記少なくとも１つの特性は、転位密度および／または転位伝播長である、請求項１～６のいずれか１項に記載の方法。

【国際調査報告】