JP2000150603A

JP2000150603A - 半導体ウェーハの結晶欠陥検査方法

Info

Publication number: JP2000150603A
Application number: JP10322735A
Authority: JP
Inventors: Motoi Nakao; 基中尾
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 1998-11-13
Filing date: 1998-11-13
Publication date: 2000-05-30

Abstract

(57)【要約】【課題】シリコンウェーハなど半導体中に存在する結
晶欠陥を三次元的に可視化することができる半導体ウェ
ーハの結晶欠陥検査方法を提供すること。【解決手段】半導体ウェーハ２の一方の面に絶縁物４
を介して導電部７を配置し、この状態で半導体ウェーハ
２と導電部７との間にバイアス電圧を印加しつつ、半導
体ウェーハ２の裏面側から、バンドギャップ以上のエネ
ルギーをもつ波長の異なる複数の光１４によって照射
し、この照射によって生ずる光電流に基づいて半導体ウ
ェーハ２における欠陥を検出するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、シリコンウェー
ハなど半導体ウェーハにおける結晶欠陥を検査する方法
に関する。

【０００２】

【発明の背景】一般に、シリコンウェーハが作製される
までには、採取される珪石を、金属級シリコン、半導体
級多結晶シリコンと順次高純度化させ、単結晶シリコン
をインゴットとして作製した後、スライシング、ラッピ
ングおよびエッチングして完成する。この単結晶シリコ
ンのインゴットを作製する方法として、シリコン融液か
ら単結晶引き上げを行うＣＺ（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋ
ｉ）法と、原料多結晶シリコンを高周波電力で溶融した
ものをそのまま種結晶上に成長させるＦＺ（Ｆｌｏａｔ
ｉｎｇＺｏｎｅ）法とがある。ＣＺ法は、ＦＺ法に比
べて、成長速度が小さく、また、酸素、ボロンやアルミ
ニウムなどの汚染があるなどの欠点があるが、デバイス
工程中に転位が発生しにくく、また、成長速度むらが小
さいなどの理由により、現在の集積回路はＣＺ法による
シリコンウェーハが使われている。

【０００３】ところで、ＣＺ法により、単結晶シリコン
のインゴットをシリコン融液から引き上げる際、微妙な
温度差などによって、結晶の成長速度などが変わり、そ
のため各種の結晶欠陥が生ずる。ここでいう結晶欠陥と
は、無転位成長におけるもののことである。シリコン中
に混入される酸素、炭素や添加不純物は、インゴット成
長条件（対流による融液温度勾配、種結晶回転速度、る
つぼ回転速度など）によって偏析し、それによって欠陥
が生じることが分かっている。その一つがストライエー
ション（ｓｔｒｉａｔｉｏｎ）と呼ばれる種結晶から三
次元的な同心円状にむらを生じさせる特異な結晶欠陥で
ある。

【０００４】

【従来の技術】上記結晶欠陥などシリコンウェーハバル
ク中に含まれる各種の二次元的な情報を測定する手法と
して、Ｘ線トポグラフ法、μ−ＰＣＢ法、選択性エッチ
ング法などが公知である。Ｘ線トポグラフ法は、シリコ
ンウェーハにＸ線を照射し、そのとき透過または反射す
るＸ線の回折強度を測定することにより結晶欠陥を検出
するものであり、μ−ＰＣＢ法は、シリコンウェーハに
対してレーザ光を照射した状態で、マイクロ波をシリコ
ンウェーハに照射し、そのときのマイクロ波の反射率の
変化から少数キャリア寿命を求めて結晶欠陥を検出する
手法であり、選択性エッチング法は、添加不純物の濃度
から発生するシリコンのエッチング速度から結晶欠陥の
二次元分布像を求めるものである。

【０００５】また、シリコンウェーハバルクの深さ方向
の分析手法としては、ＳＩＭＳ（二次イオン質量分析
法）や液体クロマトグラフィーなどがある。ＳＩＭＳ
は、シリコンウェーハバルクの表面の化学組成変化など
を例えばアルゴンイオンなどで物理的にスパッタリング
して脱離させて測定するものであり、液体クロマトグラ
フィーは、エッチャントによってシリコンを溶融し、そ
の溶融液中の不純物組成を破壊分析するものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記い
ずれの手法においても、完全な破壊分析であるととも
に、感度などの問題からごく表面層の分析に限定されて
いる。そして、シリコンウェーハバルクの深さ方向の物
性的な特性を測定する手法が現在のところ確立されてい
るものはない。また、上記二次元分析手法も三次元まで
測定を拡大することは、得られるデータの複雑性などか
ら不可能である。

【０００７】この発明は、上述の事柄に留意してなされ
たもので、その目的は、シリコンウェーハなど半導体中
に存在する結晶欠陥を三次元的に可視化することができ
る半導体ウェーハの結晶欠陥検査方法（以下、単に結晶
欠陥検査方法という）を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明の結晶欠陥検査方法においては、半導体ウ
ェーハの一方に絶縁物を介して導電部を配置し、この状
態で半導体ウェーハと導電部との間にバイアス電圧を印
加しつつ、半導体ウェーハの裏面側から、バンドギャッ
プ以上のエネルギーをもつ波長の異なる複数の光を照射
し、この照射によって生ずる光電流に基づいて半導体ウ
ェーハにおける欠陥を検出するようにしている。

【０００９】例えばシリコンウェーハに絶縁物を形成
し、その上に電解質溶液を接触させ、シリコンウェーハ
に、その絶縁物側の界面（表面側）が反転状態となるよ
うに電圧を印加する。この状態において、シリコンウェ
ーハの裏面側から集光されたレーザビームを照射し、そ
のときに流れる光電流を測定する。この場合、照射する
レーザ光の波長を種々変えることにより、シリコンウェ
ーハの裏面からの深さ方向の情報が得られる。そして、
レーザ光の照射を二次元的に走査することにより、シリ
コンウェーハ中に存在する結晶欠陥を三次元的に可視化
することができ、結晶欠陥の三次元画像を得ることがで
きる。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１〜図３は、この発明の第１の
実施の形態を示すものである。まず、図１は、この発明
の結晶欠陥検査方法を実施するための装置の構成を概略
的に示し、この図において、１は測定部であって、次の
ように構成されている。すなわち、２は測定対象のシリ
コンウェーハ（以下、単にウェーハという）で、例えば
縦５０ｍｍ×横５０ｍｍ×厚さ６００μｍの大きさのｎ
型シリコン基板である。このウェーハ２は、もともと厚
さが１ｍｍのものを機械的または化学機械的に研磨して
６００μｍの厚さにしたものである。３はウェーハ１の
下面側に形成される金アンチモン、金ガリウム、アルミ
ニウムなどよりなるオーミック電極である。

【００１１】４はウェーハ２の上面全体にわたって形成
される絶縁膜で、例えばシリコン酸化（ＳｉＯ₂）膜５
とシリコン窒化（Ｓｉ₃Ｎ₄）膜６とを、熱酸化やＣＶ
Ｄなどの手法によって順次形成してなるもので、厚みは
それぞれ５０ｎｍ（ナノメートル）、１００ｎｍであ
る。

【００１２】７は絶縁層４の上面に接触するように配置
される電解質溶液、例えば塩化カリウム水溶液で、この
実施の形態においては、絶縁層４の上部に水密に立設さ
れた樹脂など適宜の素材よりなる周壁８内に収容され
る。

【００１３】９，１０は電解質溶液７に浸漬される対
極、比較電極である。

【００１４】１１はウェーハ２を載置するとともに、こ
のウェーハ２と周壁８とを一体的に二次元方向、例えば
紙面の左右方向であるＸ方向と、紙面に垂直な方向であ
るＹ方向とに走査するウェーハ走査装置で、後述するレ
ーザ光１４を遮ることなく通過させるように構成されて
いるとともに、走査制御装置１２からの信号によって制
御される。

【００１５】１３はウェーハ２に対して照射される例え
ば近赤外領域のレーザ光１４を発するレーザ光源で、ウ
ェーハ２の下面側に設けられている。このレーザ光源１
３は、後述するインタフェースボード１９を介してコン
ピュータ２０の制御信号によってレーザ光１４を断続的
に発するとともに、走査制御装置１２によって二次元方
向に走査されるウェーハ２に対してその下面側から最適
なビーム径になるように調整されたレーザ光１４を照射
するように構成されている。

【００１６】１５は上述のように構成された測定部１を
制御するための制御ボックスであって、ウェーハ２に適
宜のバイアス電圧を印加するためのポテンショスタット
１６、ウェーハ２に形成されたオーミック電極３から取
り出される電流信号を電圧信号に変換する電流−電圧変
換器１７、この電流−電圧変換器１７からの信号が入力
される演算増幅回路１８、この演算増幅回路１８と信号
を授受したり、レーザ光源１３および走査制御装置１２
に対する制御信号を出力するインタフェースボード１９
などよりなる。

【００１７】２０は各種の制御や演算を行うとともに、
画像処理機能を有する制御・演算部としてのコンピュー
タ、２１は例えばキーボードなどの入力装置、２２はカ
ラーディスプレイなどの表示装置、２３はメモリ装置で
ある。

【００１８】上記構成の装置を用いてウェーハ２におけ
る結晶欠陥を検査する方法を説明すると、一方の面（上
面）に絶縁膜４を形成するとともに、他方の面（下面）
に機械的研磨を施したウェーハ２を、絶縁膜４が上面に
なるようにウェーハ走査装置１１上にセットし、さら
に、ウェーハ２の上面に周壁８を水密に立設する。そし
て、周壁８と絶縁膜４で形成される周壁８内部に電解質
溶液７を収容し、この溶液７内に対極９および比較電極
１０を浸漬し、これらをポテンショスタット１６に接続
する。また、ウェーハ２に形成されたオーミック電極３
を電流−電圧変換器１７に接続する。

【００１９】そして、この状態で、ポテンショスタット
１６によって、比較電極９とオーミック電極３との間
（電解質溶液７とウェーハ２との間）に電圧を印加し、
ウェーハ２と絶縁膜４の界面の半導体層２ａを反転状態
にし、ウェーハ２に最大幅の空乏層を生じさせる。すな
わち、例えば、ウェーハ２がｎ型シリコンウェーハであ
れば、ウェーハ２側に十分大きな正方向のバイアス電圧
を印加して、ウェーハ２と絶縁膜４の界面の半導体層２
ａを反転状態にする。

【００２０】電解質溶液７とウェーハ２との間にバイア
ス電圧を印加して、ウェーハ２と絶縁膜４の界面の半導
体層２ａを反転状態にした状態で、コンピュータ２０か
らの制御信号をインタフェースボード１９を介してレー
ザ光源１３に入力し、レーザ光源１３から、バンドギャ
ップ（１．１ｅＶ）以上のエネルギーをもつ変調レーザ
光１４を一定周期（例えば１０ｋＨｚ）でウェーハ２に
断続的に照射する。このとき、ウェーハ２の裏面側（図
示例では下面側）において生成された光キャリアは、ウ
ェーハ２の表面側（上面側）の絶縁膜界面の空乏層まで
拡散しなければ、信号である交流光電流は流れない。

【００２１】そして、ウェーハ２中に酸素や添加不純物
などに起因する結晶欠陥が存在すると、この結晶欠陥で
前記発生した光キャリアが消滅する。信号である交流光
電流は、空乏層に到達した光キャリアの数に比例するの
で、交流光電流の二次元像を測定することで結晶欠陥を
検出することができる。

【００２２】そこで、コンピュータ２０からの制御信号
をインタフェースボード１９を介して走査制御装置１２
に入力して、ウェーハ走査装置１１をＸ，Ｙ方向に移動
させることにより、レーザ光１４がウェーハ２に対して
その二次元方向に走査されるように照射され、ウェーハ
２における位置信号（ｘ，ｙ）と、その位置において観
測された交流光電流信号値とをコンピュータ２０におい
て処理することにより、表示装置２２の画面上に、図３
に示すような光電流二次元画像を得ることができる。

【００２３】前記画像データ（光電流像）を、例えばキ
ャリア減衰の式から計算できる少数キャリア寿命の数値
データに変換したり、得られた光電流画像データから添
加不純物濃度の数値データに変換したりすることができ
る。

【００２４】そして、上記ウェーハ２の裏面側から二次
元的に照射するレーザ光１４の波長を種々変えることに
より、ウェーハ２の深さ方向における種々の情報が得ら
れる。すなわち、図２（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、それ
ぞれ波長が６３３ｎｍ、９８０ｎｍ、１．０６μｍのレ
ーザ光を照射したときの深さ方向において得られる情報
の範囲を模式的に示す図で、ハッチング部Ｈは得られる
情報の範囲を示している。例えば、前記照射に用いるレ
ーザ光１４が波長６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザなら
ば、ウェーハ２への侵入深さは２μｍであり、また、波
長が７８０ｎｍ、８３０ｎｍ、９８０ｎｍの半導体レー
ザでは、前記侵入深さはそれぞれ、８μｍ、１５μｍ、
１００μｍであり、さらに、波長が１．０６μｍのＹＡ
Ｇレーザでは、前記侵入深さは６００μｍである。

【００２５】そして、上記構成の装置においては、レー
ザ光１４がウェーハ２の裏面側からウェーハ２内に侵入
して光キャリアが生成し、その後、表面側の空乏層まで
拡散して、所定の電流信号が得られるので、ウェーハ２
内の情報が積算された形で信号が表れる。

【００２６】したがって、前記図２に示すように、波長
が６３３ｎｍ、９８０ｎｍ、１．０６μｍのレーザ光を
用いることにより、それぞれ、裏面センシティブ、バル
クセンシティブ、表面センシティブな情報が得られる。
このようにして得られた画像を差分（引算）などの手法
を用いて画像処理を行うことにより、深さ方向のより詳
細な結晶欠陥のプロファイルを測定することができる。

【００２７】上述の実施の形態においては、電解質溶液
７とウェーハ２との間にバイアス電圧を印加して、ウェ
ーハ２と絶縁膜４の界面の半導体層２ａを反転状態にし
た状態で、バンドギャップ以上のエネルギーをもつ変調
レーザ光１４を一定周期でウェーハ２に断続的に照射
し、このとき得られる光電流に基づいてウェーハ２にお
ける結晶欠陥を画像化するようにしていたが、さらに、
前記半導体層２ａを空乏状態にしたときの光電流データ
を採取し、前記半導体層２ａを反転状態にしたときの光
電流データ（二次元光電流画像）と前記半導体層２ａを
空乏状態にしたときの光電流データ（二次元光電流画
像）との差をとるようにしてもよい。これら二つの画像
の差分画像は、ウェーハ２における重金属汚染や固定電
荷などによるフラットバンドのシフト量に関する情報の
みを含んでおり、これに基づいて、ウェーハ２のフラッ
トバンドシフト情報と反転状態で測定したキャリア寿命
に関する情報を全く同一のサンプルで比較することがで
きる。

【００２８】上述の第１の実施の形態においては、ウェ
ーハ２に形成された絶縁膜４に接触させる導電物として
電解質溶液７を設けていたが、電解質溶液７に代えて、
絶縁膜４の上面に金属膜を形成してもよい。図４は第２
の実施の形態を示すもので、この図４において、２４は
絶縁膜４の上面に形成される金またはアルミニウムなど
の金属よりなる膜である。この金属膜２４は、ウェーハ
２に絶縁膜４を形成した後、適宜の手法で形成される。

【００２９】そして、この実施の形態においては、ウェ
ーハ２にレーザ光１３を二次元的に照射させる手法とし
て、ウェーハ２側を移動させるのではなく、レーザ光源
１３を走査装置２５によって二次元的に走査するように
構成されている。２６は光源走査装置２５を制御するた
めの走査制御装置で、インタフェースボード１９を介し
てコンピュータ２０と接続されている。

【００３０】この実施の形態における動作は、上述の第
１の実施の形態のそれと同様であるので、その詳細な説
明は省略する。そして、この実施の形態においては、ウ
ェーハ２側の構成が第１の実施の形態におけるものに比
べて簡単であり、取扱いも容易であるといった利点があ
る。

【００３１】上述の各実施の形態においては、検査対象
であるウェーハ２の一方の面に絶縁層４を形成し、その
上部に設けられる導電層７（または２４）と絶縁するよ
うにしていたが、図５に示すようにしてもよい。すなわ
ち、図５は第３の実施の形態を示すもので、この実施の
形態においては、ウェーハ２の上面に対して数μｍ程度
のエアーギャップ２７を介して、適宜の金属板２８を配
置している。

【００３２】この第３の実施の形態における動作は、上
述の第１または第２の実施の形態のものの動作と同様で
あるので、その詳細な説明は省略する。そして、この実
施の形態においては、ウェーハ２側の構成が図４に示し
たものに比べてさらに簡単であり、取扱いも容易である
といった利点がある。そして、ウェーハ２には絶縁膜４
の形成を行ってないので、ウェーハ２に対して一切の熱
処理が行われてなく、まさに、インゴットからのａｓ−
Ｇｒｏｗｎな結晶欠陥を検出することができる。

【００３３】この発明は、上述の各実施の形態に限られ
るものではなく、種々に変形して実施することができ
る。例えば、第１の実施の形態において、第２または第
３の実施の形態のように、ウェーハ２側を固定し、レー
ザ光源１３側を二次元的に走査するようにしてもよい。
また、第２または第３の実施の形態において、ウェーハ
２側を走査し、レーザ光源１３側を固定するようにして
もよい。

【００３４】そして、ウェーハ２には必ずしもオーミッ
ク電極３を設ける必要はなく、ウェーハ２に対して、一
端が電流−電圧変換器１７に接続されている導線の他端
側を圧接させるだけでもよい。このようにすれば、ウェ
ーハ２を非破壊の状態で検査することができる。

【００３５】また、比較電極１０は必ずしも必要ではな
いが、この電極１０を設けてある方がウェーハ２にバイ
アス電圧を安定して印加することができる。

【００３６】さらに、この発明の結晶欠陥検査方法は、
シリコンウェーハなど単体の半導体ウェーハのみなら
ず、ＧａＡｓなどのような化合物半導体ウェーハにも適
用することができる。

【００３７】

【発明の効果】以上詳述したように、この発明によれ
ば、半導体ウェーハ中のストライエーションなど結晶欠
陥を検出し、これを可視化することができ、特に、前記
結晶欠陥などの情報を三次元的に可視化することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の半導体ウェーハの結晶欠陥検査方法
を実施するための装置の一例を示す図である。

【図２】シリコンウェーハに対して照射するレーザ光の
波長とそのときに得られる情報の範囲との関係を模式的
に示す図である。

【図３】光電流二次元画像の一例を示す図である。

【図４】前記結晶欠陥検査方法を実施するための他の装
置の構成を示す図である。

【図５】前記結晶欠陥検査方法を実施するための別の装
置の構成を示す図である。

【符号の説明】

２…半導体ウェーハ、４…絶縁物、７…導電部、１４…
光、２４…金属膜、２７…エアーギャップ、２８…金属
板。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2G059 AA05 BB16 CC20 DD13 EE18 FF02 GG01 GG03 GG07 HH01 HH02 HH06 KK07 MM01 MM10 PP04 2G060 AA09 AE01 AF02 AG03 4M106 AA01 BA04 BA14 CB01 CB11 CB19 DH01 DH16 DH32 DH60 DJ20 DJ23 5F088 BB10 FA05 GA10 HA12 HA13 HA20 KA10

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体ウェーハの一方の面に絶縁物を介
して導電部を配置し、この状態で半導体ウェーハと導電
部との間にバイアス電圧を印加しつつ、半導体ウェーハ
の裏面側から、バンドギャップ以上のエネルギーをもつ
波長の異なる複数の光を照射し、この照射によって生ず
る光電流に基づいて半導体ウェーハにおける欠陥を三次
元的に検出するようにしたことを特徴とする半導体ウェ
ーハの結晶欠陥検査方法。