JP2006112871A - 半導体基板の検査方法及びその検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 表面に位置する層を薄膜化した複数の層を有する半導体基板の表面の異物を検出できる半導体基板の検査方法及び検査装置を提供する。
【解決手段】 半導体基板の表面に向けてレーザ光を照射する照射部１から照射されるレーザ光Ｒによって生じる散乱光Ｓを受光部３で受光し、受光した散乱光に基づいて半導体基板５の表面の異物を検出するとき、照射部１は、Ｐ偏光板１１を介して波長が２９０ｎｍ以上３７０ｎｍ以下のレーザ光Ｒを入射角θが５０度以上で照射する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体基板の検査技術に係り、特に、半導体基板にレーザを照射したときの散乱光を検出して半導体基板の表面の異物を検出する半導体基板の検査技術に関する。

電子デバイスを形成するために用いられる半導体基板の表面には、結晶成長の欠陥に起因するＣＯＰ（ＣｒｙＳｔａｌ Ｏｒｉｇｉｎａｔｅｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ）などのような半導体基板の表面に埋め込まれたような状態で表面近傍に存在する異物や、半導体基板の表面に付着した異物が存在する。このような半導体基板の表面の異物が、この半導体基板を用いて形成した電子デバイスの歩留まりに与える影響は、微細化、高集積化が進むに連れて増大している。したがって、半導体基板の検査により半導体基板の表面の異物を検出することの重要性も増してきている。

このようなＣＯＰ、半導体基板の表面に付着にした異物などといった半導体基板の表面の異物を検出できる半導体基板の検査技術として、レーザ光を半導体表面に照射したときの散乱光を検出することにより、異物を半導体基板の表面の輝点（Ｌｉｇｈｔ Ｐｏｉｎｔ Ｄｅｆｅｃｔ、ＬＰＤ）として検出する方法が用いられている（例えば、特許文献１参照）。このような従来のレーザ光の照射により発生する光の散乱を利用した半導体基板の検査技術では、アルゴンガスレーザが用いられており、その波長は４８８ｎｍである。

特開平１１−２８４０３８号公報（第２−４頁、第１、２、４図）

ところで、電子デバイスの動作の高速化や低電力化に対する要求から、電子デバイスを形成するための半導体基板として、バルク鏡面ウェーハ（以下、ＰＷと略称する）やエピ層付きウェーハ（以下、ＥＷと略称する）などに代わり、シリコン支持体と表面シリコン層つまりＳＯＩ層との間に酸化膜からなる絶縁層を設けたＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ ＩｎＳｕｌａｔｏｒ）構造のウェーハが広く使用されるようになりつつある。そして、さらに高速化や低電力化を行うため、ＳＯＩ構造のウェーハのＳＯＩ層の厚みを１２０ｎｍ以下程度にまで薄膜化して行く必要が生じている。

このようなＳＯＩ構造のウェーハのように複数の層を有する半導体基板では、ＳＯＩ層のような表面に位置する層の厚みによって、レーザ光の反射率が変動してしまう。このため、ＳＯＩ構造のウェーハのように複数の層を有する半導体基板で、ＳＯＩ層のような表面に位置する層の厚みが薄膜化して行くと、半導体基板の表面の異物を検出できなくなるという問題がある。したがって、複数の層を有する半導体基板の表面に位置する層の厚みを薄膜化したときに、ＣＯＰなどのような表面近傍の異物や表面に付着した異物などといった半導体基板の表面の異物を検出できる半導体基板の検査技術が必要になっている。

本発明の課題は、表面に位置する層を薄膜化した複数の層を有する半導体基板の表面の異物を検出することにある。

本発明者らは、表面に位置する層を１２０ｎｍ以下程度にまで薄膜化した複数の層を有する半導体基板の表面の異物の検出について、照射するレーザ光の波長に着目し、レーザ光の波長と、表面に位置する層の厚みのばらつきによって変動するヘイズ値や半導体基板の表面での散乱強度などとの関係について検討した。この結果、本発明者らは、照射するレーザ光の波長を３７０ｎｍ以下とすることで、表面に位置する層を薄膜化した複数の層を有する半導体基板の表面の異物を検出できることを見いだした。

すなわち、本発明の半導体基板の検査方法は、半導体基板の表面に向けてレーザ光を照射したときの散乱光を検出する半導体基板の検査方法であり、レーザ光の波長を３７０ｎｍ以下にすることにより上記課題を解決する。

また、レーザ光の波長が２９０ｎｍ以上３７０ｎｍ以下である検査方法とすれば、表面に位置する層を薄膜化した複数の層を有する半導体基板の表面の異物をより確実に検出できるので好ましい。さらに、レーザ光として、Ｐ偏光のレーザ光を、半導体基板の表面に垂直な方向に対して５０度以上傾斜させて照射する検査方法とすれば、表面に位置する層を薄膜化した複数の層を有する半導体基板の表面の異物を一層確実に検出できるので好ましい。

また、本発明の半導体基板の検査装置は、半導体基板の表面に向けてレーザ光を照射する照射部と、この照射部から照射されるレーザ光によって生じる散乱光を受光する受光部とを備え、照射部は、波長が３７０ｎｍ以下のレーザ光を照射する構成とすることにより上記課題を解決する。

さらに、照射部は、波長が２９０ｎｍ以上３７０ｎｍ以下のレーザ光を照射する構成とする。また、照射部は、Ｐ偏光板を介してレーザ光を照射すると共に、レーザ光を半導体基板の表面に垂直な方向に対して５０度以上傾斜させて照射する構成とする。

本発明によれば、表面に位置する層を薄膜化した複数の層を有する半導体基板の表面の異物を検出できる。

以下、本発明を適用してなる半導体基板の検査方法及び検査装置の一実施形態について図１を参照して説明する。図１は、本発明を適用してなる半導体基板の検査装置の概略構成を模式的に示す図である。

本実施形態の半導体基板の検査装置は、図１に示すように、レーザ光Ｒを照射する照射部１、散乱光Ｓを受光する受光部３、検査を行うウェーハ５を載置するステージ７、ステージ７を回転させる軸８及び回転用駆動機構部９、照射部１及び受光部３とステージ７とをウェーハ５の面に平行な方向に相対的に移動させる図示していない水平移動用駆動機構部、そして、各部の動作を制御すると共に受光部３で受光した光散乱を解析して画像化する制御部１１などを備えている。

本実施形態の照射部１は、波長が２９０ｎｍ以上３７０ｎｍ以下のレーザ光Ｒを照射するものである。さらに、本実施形態の照射部１は、Ｐ偏光板１３を有しており、Ｐ偏光板１３を通過したＰ偏光のレーザ光をウェーハ５の表面に向けて照射する。加えて、本実施形態の照射部１は、ウェーハ５の表面に垂直な方向Ｖとレーザ光Ｒの進行方向とのなす角度つまりレーザ光のウェーハ５の表面への入射角θが５０度以上になる状態で設けられている。

受光部３は、図１では、上方に向かう散乱光Ｓ、レーザ光の入射方向に対して前方に向かう散乱光Ｓ、レーザ光の入射方向に対して後方に向かう散乱光Ｓ、レーザ光の入射方向に対して側方に向かう散乱光Ｓなどを受光するための複数の受光部３を示している。しかし、受光部３は、図１に示したような位置及び数に限るものではなく、必要に応じ、適宜の方向に向かう散乱光を受光できるように１以上の受光部を備えた構成にできる。

制御部１１は、図１では、１つのユニットとして示している。しかし、制御部は、各部の動作の制御、受光部３で受光した光散乱を解析、解析結果の画像などを機能毎などで別体の複数のユニットとして構成することもできる。なお、制御部１１は、照射部１、受光部３、回転用駆動機構部９、水平移動用駆動機構部などと配線１５を介して電気的に接続されている。

このように、本実施形態の半導体基板の検査装置、そして、本実施形態のような構成の半導体基板の検査装置などを用いて行う本実施形態の半導体基板の検査方法では、半導体基板の表面に向けてレーザ光を照射したときの散乱光に基づいて異物を検出するとき、照射部１から照射するレーザ光として波長が２９０ｎｍ以上３７０ｎｍ以下のＰ偏光のレーザ光を照射する。そして、このＰ偏光のレーザ光を、ウェーハ５の表面に垂直な方向Ｖに対して５０度以上傾斜させて照射する。

ここで、従来の半導体基板の検査技術で用いられている４８８ｎｍ付近の波長帯では、ＳＯＩ構造のウェーハのように複数の層を有する半導体基板の反射率が、ＳＯＩ層のような表面に位置する層の厚みによって変動することから、ＳＯＩ構造のウェーハのように複数の層を有する半導体基板の見え方は、ＳＯＩ層のような表面に位置する層の厚みによって変動することが、セミコン・ジャパン（Ｓｅｍｉｃｏｎ Ｊａｐａｎ）２００２において指摘されている。

このような現象から、ＳＯＩ層の厚みに依存して反射率と相関するヘイズ（くもり）のレベルも変動する。ＳＯＩ層のような表面に位置する層の厚みによって、異物の検出におけるバックグラウンドつまりノイズとなるヘイズのレベルが変動することが、従来の半導体基板の検査装置によるＳＯＩ構造のウェーハのように複数の層を有する半導体基板の表面の異物の検出を困難なものとしている。特に、ＳＯＩ構造を有するウェーハなどの量産化に際し、同じウェーハ品種内でのＳＯＩ層の厚みのばらつきがヘイズのレベルの変動を招き、このヘイズのレベルの変動が、表面の異物を検出するのに必要な高い感度による半導体基板の検査において、擬似欠陥を誘発する原因となっており、ウェーハの出荷検査における問題となっている。

ところが、これまで、このようなＳＯＩ構造のウェーハのように複数の層を有する半導体基板の見え方が、ＳＯＩ層のような表面に位置する層の厚みによって変動するというような現象の系統的な解析は十分に進められていなかった。

ＳＯＩ構造のウェーハのように複数の層を有する半導体基板の表面の異物の検出においては、異物以外からのバックグラウンド散乱光となる半導体基板の表面の凹凸による固有基板表面散乱の値つまりヘイズ（くもり）と、異物自体からの散乱強度との両方の兼合いが重要となる。さらに、波長４８８ｎｍのレーザ光を用いる従来の検査技術によりＳＯＩ構造のウェーハのような複数の層を有する半導体基板を検査した場合、バルク鏡面ウェーハ（以下、ＰＷと略称する）やエピ層付きウェーハ（以下、ＥＷと略称する）などとは異なり、ＳＯＩ層のような表面に位置する層の厚みに依存しヘイズのレベルが変動することを考慮する必要がある。

そこで、本発明者らは、照射するレーザ光の波長に着目し、ＳＯＩ層を１２０ｎｍ以下程度に薄膜化したＳＯＩ構造のウェーハ表面の異物の検出について、異物の検出の際にバックグラウンドつまりノイズとなるヘイズ値や半導体基板の表面での散乱強度などについて検討を行った。

この結果、半導体基板の表面に向けてレーザ光を照射したときの散乱光に基づいて異物を検出するとき、照射するレーザ光として波長が３７０ｎｍ以下のレーザ光を照射することにより、表面に位置する層を薄膜化した複数の層を有する半導体基板の表面の異物を検出できることを本発明者らは見いだした。すなわち、波長が３７０ｎｍよりも大きいレーザ光を照射したとき、ＳＯＩ構造のウェーハのような複数の層を有する半導体基板のＳＯＩ層のような表面に位置する層の厚みを１２０ｎｍ以下といった程度にまで薄膜化したときに、この表面に位置する層の厚みが変わると、この表面に位置する層の表面での反射率が変動し、ヘイズ値も変動してしまう。しかし、波長が３７０ｎｍ以下のレーザ光を照射することにより、ＳＯＩ層のような表面に位置する層の厚みを１２０ｎｍ以下程度にまで薄膜化したときに、この表面に位置する層の厚みが変わっても反射率の変動が抑えられ、異物の検出においてバックグラウンドつまりノイズとなるヘイズ値の変動も抑えることができ、ＣＯＰなどのような表面近傍の異物や表面に付着した異物などといった半導体基板の表面の異物を検出できるようになる。

したがって、本実施形態の半導体基板の検査方法及び検査装置では、波長が３７０ｎｍ以下のレーザ光を照射するため、表面に位置する層を薄膜化した複数の層を有する半導体基板の表面の異物を検出できる。

さらに、照射するレーザ光の波長が２９０ｎｍ未満では、ＳＯＩ構造のウェーハのような複数の層を有する半導体基板のＳＯＩ層のような表面に位置する層の厚みを１２０ｎｍ以下程度にまで薄膜化したとき、ＳＯＩ層の厚みによっては散乱強度が変化してしまう場合がある。

これに対して、本実施形態の半導体基板の検査方法及び検査装置では、照射するレーザ光の波長を２９０ｎｍ以上３７０ｎｍ以下としているため、ＳＯＩ層のような表面に位置する層の厚みを１２０ｎｍ以下程度にまで薄膜化したとき、ＳＯＩ層の厚みが変わっても、ヘイズ値や散乱強度の変動を抑えることができる。すなわち、表面に位置する層を薄膜化した複数の層を有する半導体基板の表面の異物をより確実に検出できる。

加えて、レーザ光として、Ｓ偏光のレーザ光を照射すると、表面から１２０ｎｍ以下の領域の電場強度がＰ偏光の場合に比べて弱くなるため、半導体基板の表面での散乱強度も弱くなる。このため、Ｓ偏光のレーザ光では、半導体基板の表面のより微小な異物に対する検出能力がＰ偏光の場合よりも低くなる。また、Ｐ偏光のレーザ光を半導体基板の表面に垂直な方向に対して５０度未満の傾斜で照射すると、複数の層を有する半導体基板の表面に位置する層の表面から１２０ｎｍ以下での電場強度が、この表面からの距離によって入射角が５０度以上の場合よりも大きく変動してしまい、半導体基板の表面の異物を検出し難くなる場合がある。

これに対して、本実施形態の半導体基板の検査方法及び検査装置では、レーザ光として、Ｐ偏光のレーザ光を、半導体基板の表面に垂直な方向に対して５０度以上傾斜させて照射しているため、異物に対する検出能力を向上でき、表面に位置する層を薄膜化した複数の層を有する半導体基板の表面の異物を一層確実に検出できる。

さらに、このように表面に位置する層を薄膜化した複数の層を有する半導体基板の表面の異物を検出できる表面輝点（Ｌｉｇｈｔ Ｐｏｉｎｔ Ｄｅｆｅｃｔ、ＬＰＤ）検出技術を確立できたことにより、この検査技術を出荷検査などに用いて選別を行うことによって、供給するＳＯＩ構造のウェーハなどの複数の層を有する半導体基板の品質を向上できる。

また、本実施形態の半導体基板の検査装置では、照射部１は、波長が２９０ｎｍ以上３７０ｎｍ以下のレーザ光を照射する構成となっている。しかし、半導体基板の表面の異物の検出能力は低下するが、必要とされる異物の検出能力によっては、照射部は、波長が２９０ｎｍ未満のレーザ光を照射する構成にすることもできる。

また、本実施形態の半導体基板の検査装置では、照射部１は、Ｐ偏光板１３を介してＰ偏光のレーザ光を照射すると共に、レーザ光をウェーハ５などの半導体基板の表面に垂直な方向に対して５０度以上傾斜させて照射する構成となっている。しかし、半導体基板の表面の異物の検出能力は低下するが、必要とされる異物の検出能力によっては、照射部は、Ｐ偏光以外のレーザ光を照射する構成や、レーザ光を半導体基板の表面に垂直な方向に対して５０度未満の傾斜で照射する構成にすることもできる。

また、本発明を適用してなる半導体基板の検査方法及び検査装置では、照射部からのレーザ光の波長などが上記の説明のようなものであれば、受光部などを含めた検出系の検出方法や構成は適宜の方法や構成にできる。なお、散乱光に基づく半導体基板の表面の異物の検出においては、受光部の位置、受光部に設ける偏光板や回路などを用いたノイズ成分からの異物による散乱光の分離など、検出系の検出方法や構成によって検出能力の向上が期待できる。

以下に、本発明を適用してなる半導体基板の検査方法及び検査装置と従来の半導体基板の検査方法及び検査装置の反射率やヘイズ値、散乱強度などについて比較検討した一実施例について、図２乃至図１７を参照して説明する。図２は、波長４８８ｎｍのレーザ光を斜入射でＳＯＩ構造のウェーハに照射したときのＳＯＩ層の厚みの変化に対するヘイズ値及び反射率の依存性を示す図である。図３は、波長４８８ｎｍのレーザ光を垂直入射でＳＯＩ構造のウェーハに照射したときのＳＯＩ層の厚みの変化に対するヘイズ値及び反射率の依存性を示す図である。図４は、ＳＯＩ構造のウェーハにおけるヘイズ値の起源について説明する図である。

図５は、波長４８８ｎｍのＰ偏光、Ｓ偏光または偏光していないレーザ光を斜入射または垂直入射でＳＯＩ構造のウェーハに照射したときのＳＯＩ層の厚みの変化及び絶縁層の厚みの変化に対するＳＯＩ層の表面での反射率の依存性を示す図である。図６及び図７は、種々の波長のＰ偏光及びＳ偏光のレーザ光を斜入射でＳＯＩ構造のウェーハに照射したときのＳＯＩ層の厚みの変化及び絶縁層の厚みの変化とＳＯＩ層の表面での反射率との関係を示す図である。図８は、波長４８８ｎｍのＰ偏光及びＳ偏光のレーザ光を斜入射でベアシリコンのウェーハに照射したときのウェーハの表面からの距離に対する電場強度の分布の依存性を示す図である。図９は、波長４８８ｎｍのＰ偏光のレーザ光を斜入射でＳＯＩ構造のウェーハに照射したときの種々のＳＯＩ層の厚みにおけるＳＯＩ層の表面からの距離と電場強度との関係を示す図である。

図１０は、波長４８８ｎｍのＳ偏光のレーザ光を斜入射でＳＯＩ構造のウェーハに照射したときの種々のＳＯＩ層の厚みにおけるＳＯＩ層の表面からの距離と電場強度との関係を示す図である。図１１は、種々の波長のＰ偏光のレーザ光を入射角７０度でＳＯＩ構造のウェーハに照射したときのＳＯＩ層の表面からの距離と電場強度との関係を示す図である。図１２は、種々の波長のＳ偏光のレーザ光を入射角７０度でＳＯＩ構造のウェーハに照射したときのＳＯＩ層の表面からの距離と電場強度との関係を示す図である。図１３乃至図１７は、種々の波長のＰ偏光のレーザ光を種々の入射角でＳＯＩ構造のウェーハに照射したときのＳＯＩ層の表面からの距離と電場強度との関係を示す図である。

なお、以下の説明におけるＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ ＩｎＳｕｌａｔｏｒ）構造のウェーハは、シリコン支持体と表面シリコン層であるＳＯＩ層との間に酸化膜からなる絶縁層またはＢＯＸ（Ｂｕｒｉｅｄ Ｏｘｉｄｅ）層などと称される層を設けた一般的な構造のものである。そして、このようなＳＯＩ構造のウェーハは、ＳＩＭＯＸ（Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｂｙ Ｉｍｐｌａｎｔｅｄ Ｏｘｙｇｅｎ）法や貼り合わせ法などで形成することができるが、本発明の半導体基板の検査技術は、製造方法に関係なく適用できる。

従来の波長が４８８ｎｍのレーザ光を照射し、ＳＯＩ構造のウェーハの絶縁層の厚みを１４０ｎｍ前後で固定し、ＳＯＩ層の厚みを１２０ｎｍ以下で変えたときのヘイズ値を、照射したレーザ光のウェーハへの入射方向が、ウェーハの表面に対して斜め方向から入射する斜入射モードの場合と、ウェーハの表面に垂直な方向から入射する垂直入射モードの場合について測定した。このとき、ヘイズ値は、ウェーハの表面全体での平均値として求めている。また、斜入射モードでは、検査装置としてサーフスキャン６４２０（ＳｕｒｆＳｃａｎ６４２０、ＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ社製）、垂直入射モードでは、検査装置としてＳＰ１（ＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ社製）を用いて測定を行った。

この結果、斜入射モードでは、図２に示すように、反射率がＳＯＩ層の厚さが５０ｎｍ近傍、１１０ｎｍ近傍、０ｎｍ近傍でそれぞれ減少し、ヘイズ値がＳＯＩ層の厚さが５０ｎｍ近傍、１１０ｎｍ近傍、０ｎｍ近傍でそれぞれ増加しており、反射率が減少した領域でヘイズ値が増加していることがわかる。同様に、垂直入射モードでも、図３に示すように、反射率がＳＯＩ層１９の厚さが５０ｎｍ近傍、１１０ｎｍ近傍、０ｎｍ近傍でそれぞれ減少し、ヘイズ値がＳＯＩ層１９の厚さが５０ｎｍ近傍、１１０ｎｍ近傍、０ｎｍ近傍でそれぞれ増加しており、反射率が減少した領域でヘイズ値が増加していることがわかる。

このように、従来の半導体基板の検査方法や検査装置における波長４８８ｎｍのレーザ光でＳＯＩ構造のウェーハを検査した場合、バルク鏡面ウェーハ（以下、ＰＷと略称する）やエピ層付きウェーハ（以下、ＥＷと略称する）などとは異なり、ＳＯＩ層の厚みに依存しヘイズのレベルが変動する。

なお、図２では、Ｐ偏光板を通過させたレーザ光つまりＰ偏光のレーザ光を照射し、偏光板を介さずに受光した場合（図２の凡例にＰＵまたはＰで示す）、Ｓ偏光板を通過させたレーザ光つまりＳ偏光のレーザ光を照射し、偏光板を介さずに受光した場合（図２の凡例にＳＵまたはＳで示す）、Ｃ偏光板を通過させたレーザ光つまりＣ偏光のレーザ光を照射し、偏光板を介さずに受光した場合（図２の凡例にＣＵで示す）について、各々、ＳＯＩ層１９の厚みとヘイズ値との関係、ＳＯＩ層１９の厚みと反射率との関係を示している。また、図３（ａ）では、ＳＰ１におけるワイドモードの場合（図３（ａ）の凡例にＷｉｄｅで示す）、ナローモードの場合（図３（ａ）の凡例にＮａｒｒｏｗで示す）について、各々、ＳＯＩ層の厚みとヘイズ値の関係を示している。

このような図２及び図３に示されるような現象は、次のように考えられる。一般的に、シリコン支持体１７と表面シリコン層であるＳＯＩ層１９との間に酸化膜からなる絶縁層２１を有するＳＯＩ構造のウェーハ２３のヘイズは、図４に示すように、ウェーハ２３の表面つまりＳＯＩ層１９の表面１９ａに起因するヘイズ値と、ＳＯＩ層１９の表面１９ａよりも内側からのヘイズ値との和、つまり、これらのヘイズ値を合わせた総ヘイズ値であると考えられる。

ＳＯＩ層１９の表面１９ａに起因するヘイズ値は、入射光がＳＯＩ層１９の表面１９ａの凹凸つまり表面ラフネスＡで直接散乱しているのに対し、ＳＯＩ層１９の表面１９ａよりも内側つまりウェーハ２３の内部からのヘイズ値は、ＳＯＩ層１９の表面１９ａよりも内側にあるあらゆる散乱要素、例えば各種内部欠陥Ｂ、界面に形成された凹凸つまり界面ラフネスＣなどによるものである。

そして、散乱強度は、ＳＯＩ層１９の表面１９ａに起因するものがＳＯＩ層１９の表面１９ａでの反射率に正相関するものであるのに対し、ＳＯＩ層１９の表面１９ａよりも内側つまりウェーハ２３の内部からのものは、ＳＯＩ層１９の表面１９ａから内部に侵入する光量に比例するものと考えられるため、ＳＯＩ層１９の表面１９ａでの反射率に逆相関する。すなわち、ＳＯＩ層１９の表面１９ａでの反射率が小さいＳＯＩ構造のウェーハ２３では、ＳＯＩ層１９の表面１９ａのラフネスＡではなく、ＳＯＩ層１９の表面１９ａから内部に侵入する光が散乱することがヘイズの増加に寄与していると考えられる。

さらに、ヘイズの起源について１点考慮すべきことがある。一般に、より高い屈折率の媒質からより低い屈折率の媒質に向かって、その界面へ全反射となる角度よりも大きい角度で入射する光は、より低い屈折率の媒質側へ侵入できずに全反射するが、この全反射する光以外にも、その界面方向へ伝播するエバネッセント波と呼ばれる電磁波成分も存在することが知られている。ＳＯＩ層１９の表面１９ａより入射した光は、ＳＯＩ層１９の上下のＳＯＩ層１９よりも屈折率が低い層である空気２５と絶縁層２１にそれぞれ閉じ込められる。このエバネッセント波の電磁波しみ出し長をＳＯＩ層１９の表面１９ａについて計算してみると、数十ｎｍ程度あることから、この電磁波の表面ラフネスＤによる散乱が予想される。よって、このエバネッセント波もＳＯＩ層１９が１２０ｎｍ程度以下といったような薄く表面反射率が比較的小さいＳＯＩ構造のウェーハ２３で、ヘイズ成分が増加することに寄与していると考えられる。

レーザ光を照射したときの、その散乱光により異物２７を検出する場合、一般に、異物の検出におけるバックグラウンドつまりノイズとなるヘイズ値が低い方が有利と考えられる。そして、ヘイズ値が低いということは、ＳＯＩ構造のウェーハ２３の場合、ＳＯＩ層１９の表面１９ａでの反射率が高いことに対応することになる。さらに、ＳＯＩ構造のウェーハ２３を用いて形成する電子デバイスの歩留まりの目安とすることなどを目的とする異物２７を検出するための半導体基板の検査では、図４に示すようなＳＯＩ層１９の表面１９ａに載ったような状態の異物２７だけではなく、ＳＯＩ層１９の表面１９ａに埋め込まれたような状態の異物、例えばＰＷにおけるＣＯＰ（ＣｒｙＳｔａｌ Ｏｒｉｇｉｎａｔｅｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ）のような、結晶成長の欠陥などに起因して生じるＳＯＩ層１９の表面１９ａに埋め込まれたような状態で存在する異物の検出も重要になってくる。このようなＳＯＩ層１９の表面１９ａに埋め込まれたような状態で存在する異物を検出する為には、ＳＯＩ層１９の厚みの変動による反射率の変動を低く抑える必要がある。

そこで、今度は、従来の照射するレーザ光の波長が４８８ｎｍのときのＳＯＩ層１９の厚み及び絶縁層２１の厚みとウェーハ２３の表面１９ａにおける反射率との関係を検討した結果を示す。レーザ光は、ウェーハ２３の表面１９ａに垂直な方向に対して７０度傾斜した方向から入射させる斜入射、そして、ウェーハ２３の表面１９ａに垂直な方向から入射させる垂直入射のいずれかで照射した。また、斜入射のレーザ光の場合には、Ｐ偏光板を通過させたＰ偏光、Ｓ偏光板を通過させたＳ偏光のいずれかで照射し、垂直入射のレーザ光の場合には、偏光板を通さずにレーザ光を照射した。

この結果、図５に示すように、照射するレーザ光が斜入射でＰ偏光のレーザ光であっても、斜入射でＳ偏光のレーザ光であっても、そして、垂直入射のレーザ光であっても、ＳＯＩ層１９の厚み、そして、絶縁層２１の厚みが変わるとウェーハ２３の表面１９ａでの反射率が変動してしまう。

次に、照射するレーザ光の波長を変えたときのＳＯＩ層１９の厚み及び絶縁層２１の厚みとウェーハ２３の表面１９ａにおける反射率との関係を検討した結果を示す。レーザ光は、ウェーハ２３の表面１９ａに垂直な方向に対して７０度傾斜した方向から入射させる斜入射つまり入射角７０度で照射し、また、Ｐ偏光板を通過させたＰ偏光、Ｓ偏光板を通過させたＳ偏光のいずれかで照射した。この結果、図６に示すように、Ｐ偏光であっても、Ｓ偏光であっても、照射するレーザ光の波長が３７０ｎｍよりも大きい場合には、ＳＯＩ層１９の厚み、そして、絶縁層２１の厚みが変わると、反射率が変動している。これに対して、図７に示すように、３７０ｎｍ以下では、ＳＯＩ層１９の厚み、そして、絶縁層２１の厚みが変わっても、反射率変動がほとんど抑えられる。したがって、照射するレーザ光の波長が３７０ｎｍ以下であることにより、ＳＯＩ構造のウェーハ２３のＳＯＩ層１９の厚み、そして、絶縁層２１の厚みの変動によるヘイズ値の変動を抑えることができる。

なお、図５、図６及び図７では、各図の右側に凡例を示したように反射率を色の濃さで示している。したがって、各図で縞模様や斑模様が見られるのは反射率の変動があることを示している。

このように、照射するレーザ光の波長が３７０ｎｍ以下であることにより、ＳＯＩ構造のウェーハ２３のような複数の層を有する半導体基板のＳＯＩ層１９のような表面に位置する層の厚みを１２０ｎｍ以下程度にまで薄膜化したときに、この表面に位置する層の厚みが変動してもヘイズ値の変動を抑えることができる。したがって、複数の層を有する半導体基板の表面の異物を検出し難くする擬似欠陥の誘起などを抑制できるため、表面に位置する層を薄膜化した複数の層を有する半導体基板の表面の異物を検出できるようになる。

さらに、本発明者らは、ＳＯＩ構造のウェーハ２３の表面１９ａの異物からの散乱強度と照射するレーザ光の波長や入射角、偏光の影響などについて検討した。コヒーレントな性質を持つレーザ光は、半導体基板の表面において反射を起こすため、レーザ光の半導体基板の表面への入射光と、この半導体基板の表面からの反射光とは、干渉して定在波となる。この定在波の振幅つまり電場強度の振幅を、Ｓ偏光の場合とＰ偏光の場合とについてベアシリコンのウェーハの表面からの距離つまり深さで計算すると、照射するレーザ光が斜入射の場合、例えばサーフスキャン６４２０による検出の場合、図７に示すように、ウェーハ表面からの距離が０.１５マイクロメートル以下で、Ｓ偏光の場合の定在波振幅がＰ偏光の場合よりも低下して行くことがわかる。

一般に、ベアシリコンにおいて、より小さな粒径のパーティクルを検出する場合、Ｐ偏光のレーザ光を照射することが推奨されており、その理由は、この計算より理解することができる。すなわち、電場強度の低いところにある異物からの強度が低くなることは、ミー（Ｍｉｅ）散乱理論による詳細に立ち行った議論を行うことなく理解できる。ミー（Ｍｉｅ）散乱理論の延長線上にあるベアシリコン上の球形粒子からの光散乱の理論的取扱は非常に複雑であるので、ここでは、ＳＯＩ構造のウェーハ上の異物の散乱強度について、ＳＯＩ層の表面での電場強度分布を計算することにより評価した結果の一例を示す。

まず、種々のＳＯＩ層１９の厚みとＳＯＩ層１９の表面１９ａからの距離つまり深さに対する電場強度の分布との関係を、照射するレーザ光の波長４８８ｎｍで７０度斜入射とし、ＳＯＩ層１９の厚さは１０−８０ｎｍの範囲で変え、絶縁層２１の厚さは１４０ｎｍ固定とし、Ｐ偏光の場合とＳ偏光の場合とについて計算した。さらに、Ｐ偏光の場合とＳ偏光の場合との各々で、図２に示したように反射率が他よりも大きく変動する領域となるＳＯＩ層１９の厚みが５５ｎｍ近傍で、ＳＯＩ層１９の厚みをより細かく変えた場合について、ＳＯＩ層１９の厚み以外は上記と同条件で計算した。

この結果、Ｐ偏光では、図９に示すように、ＳＯＩ層１９の厚みによって電場強度分布が変動する。一方、Ｓ偏光では、図１０に示すように、ＳＯＩ層１９の厚みが変わっても、概して電場強度分布の変動が小さく安定している。さらに、Ｓ偏光では、ベアシリコンと同様、ＳＯＩ層１９の表面１９ａ近傍で、Ｐ偏光の場合に比べて電場強度が小さくなる傾向にある。したがって、Ｓ偏光は、比較的小さな異物の検出には向かないことがわかる。

また、Ｐ偏光とＳ偏光共に、ＳＯＩ層１９の厚さが５５ｎｍ近傍の領域、すなわち反射率が他よりも大きく変動する領域では、ＳＯＩ層１９の表面１９ａ上での電場強度の分布もＳＯＩ層１９の厚みが変わると他よりも大きく変動してしまう。このため、ＳＯＩ層１９の厚みが変わったとき、異物を安定した散乱強度で捉える事が難しい。

そこで、波長が３７０ｎｍ以下の範囲のレーザ光のうち、波長が２５０ｎｍ及び２７０ｎｍのレーザ光と、反射率がＳＯＩ層１９の厚みの変化や絶縁層２１の厚みの変化に対してより安定している波長が２９０ｎｍ以上３７０ｎｍ以下の範囲のレーザ光とを照射し、Ｐ偏光の場合とＳ偏光の場合とについて、それぞれの照射したレーザ光の波長でのウェーハ２３の表面１９ａからの距離に対する電場強度の分布を計算した。ここでは、ＳＯＩ層１９の厚さは２０ｎｍで、絶縁層２１の厚さは１４０ｎｍで固定として計算している。さらに、照射したレーザ光のＳＯＩ層１９の表面１９ａへの入射角による電場強度分布の依存性を検討するため、Ｐ偏光の場合について、入射角もＳＯＩ層１９の表面１９ａに垂直な方向に対して０度−８０度の間で角度を変えて計算を行った。なお、ＳＯＩ層１９の表面１９ａに垂直な入射角つまり入射角０度のときは、偏光板を通過させずにレーザ光を照射した場合について、その他の入射角ではＰ偏光の場合について計算している。

この結果、入射角７０度では、図１１に示すように、Ｐ偏光の波長２９０ｎｍ以上のときに、ウェーハ２３の表面１９ａから１００ｎｍ以下での電場強度が他の波長に比べて強く、かつ、その変動も他の波長に比べて小さく安定していることがわかる。一方、Ｓ偏光では、図１２に示すように、いずれの波長であってもウェーハ２３の表面１９ａから１００ｎｍ以下の領域の電場強度がＰ偏光の場合に比べて弱く、ＳＯＩ層１９の表面１９ａの比較的微小な異物の検出能力は、Ｐ偏光の場合よりも低くなる。

さらに、Ｐ偏光で入射角８０度、７０度、６０度、５０度、４０度、０度では、図１３乃至１７に示すように、入射角が垂直に近くなるに連れて、ウェーハ２３の表面１９ａからの距離に対する電場強度の振動の間隔が小さくなる。また、入射角が５０度未満になると、ウェーハ２３の表面１９ａから１００ｎｍ以下での電場強度が、表面からの距離によって入射角が５０度以上の場合よりも大きく変動してしまう。

これらの結果から、光散乱に基づいた異物の検出には、波長が３７０ｎｍ以下のレーザ光を用いることによって、ＳＯＩ層のような表面に位置する層を薄膜化したＳＯＩ構造を有するウェーハのような複数の層を有する半導体基板の表面の異物を確実に検出できるようになることがわかる。さらに、波長２９０ｎｍ以上３７０ｎｍ以下のレーザ光を照射することで、表面に位置する層を薄膜化した複数の層を有する半導体基板の表面の異物をより確実に検出できるようになることがわかる。加えて、Ｐ偏光の波長２９０ｎｍ以上３７０ｎｍ以下のレーザ光を入射角５０度以上の浅い入射角で照射することによって、表面に位置する層を薄膜化した複数の層を有する半導体基板の表面の異物を一層確実に検出できるようになることがわかる。

本発明を適用してなる半導体基板の検査装置の一実施形態の概略構成を模式的に示す図である。 従来の波長４８８ｎｍのレーザ光を斜入射でＳＯＩ構造のウェーハに照射したときの（ａ）はＳＯＩ層の厚みの変化に対するヘイズ値の依存性を、（ｂ）はＳＯＩ層の厚みの変化に対する反射率の依存性を示す図である。 従来の波長４８８ｎｍのレーザ光を垂直入射でＳＯＩ構造のウェーハに照射したときの（ａ）はＳＯＩ層の厚みの変化に対するヘイズ値の依存性を、（ｂ）はＳＯＩ層の厚みの変化に対する反射率の依存性を示す図である。 ＳＯＩ構造のウェーハにおけるヘイズ値の起源について説明する図である。 従来の波長４８８ｎｍのレーザ光をＳＯＩ構造のウェーハに照射したときのＳＯＩ層の厚みの変化及び絶縁層の厚みの変化に対するウェーハの表面での反射率の依存性を示す図であり、（ａ）は照射したレーザ光がＰ偏光で斜入射のとき、（ｂ）は照射したレーザ光がＳ偏光で斜入射のとき、（ｂ）は照射したレーザ光を偏光せず垂直入射のときを示す図である。 本発明以外の種々の波長のＰ偏光及びＳ偏光のレーザ光を斜入射でＳＯＩ構造のウェーハに照射したときのＳＯＩ層の厚みの変化及び絶縁層の厚みの変化とＳＯＩ層の表面での反射率との関係を示す図であり、（ａ）は波長４３０ｎｍのレーザ光を照射したとき、（ｂ）は波長４１０ｎｍのレーザ光を照射したとき、（ｃ）は波長３９０ｎｍのレーザ光を照射したときを示す図である。 本発明を適用してなる３７０ｎｍ以下の種々の波長のＰ偏光及びＳ偏光のレーザ光を斜入射でＳＯＩ構造のウェーハに照射したときのＳＯＩ層の厚みの変化及び絶縁層の厚みの変化とＳＯＩ層の表面での反射率との関係を示す図であり、（ａ）は波長３７０ｎｍのレーザ光を照射したとき、（ｂ）は波長３３０ｎｍのレーザ光を照射したとき、（ｃ）は波長２９０ｎｍのレーザ光を照射したとき、（ｄ）は波長２５０ｎｍのレーザ光を照射したときを示す図である。 従来の波長４８８ｎｍのＰ偏光及びＳ偏光のレーザ光を斜入射でベアシリコンのウェーハに照射したときのウェーハの表面からの距離に対する電場強度の分布の依存性を示す図である。 従来の波長４８８ｎｍのＰ偏光のレーザ光を斜入射でＳＯＩ構造のウェーハに照射したときの種々のＳＯＩ層の厚みにおけるＳＯＩ層の表面からの距離と電場強度との関係を示す図であり、（ａ）はＳＯＩ層の厚みが１０ｎｍから８０ｎｍの範囲について、（ｂ）は特にＳＯＩ層の厚みが５５ｎｍ付近についてより細かく示した図である。 従来の波長４８８ｎｍのＳ偏光のレーザ光を斜入射でＳＯＩ構造のウェーハに照射したときの種々のＳＯＩ層の厚みにおけるＳＯＩ層の表面からの距離と電場強度との関係を示す図であり、（ａ）はＳＯＩ層の厚みが１０ｎｍから８０ｎｍの範囲について、（ｂ）は特にＳＯＩ層の厚みが５５ｎｍ付近についてより細かく示した図である。 本発明を適用してなる３７０ｎｍ以下の種々の波長のＰ偏光のレーザ光を入射角７０度でＳＯＩ構造のウェーハに照射したときのＳＯＩ層の表面からの距離と電場強度との関係を示す図である。 本発明を適用してなる３７０ｎｍ以下の種々の波長のＳ偏光のレーザ光を入射角７０度でＳＯＩ構造のウェーハに照射したときのＳＯＩ層の表面からの距離と電場強度との関係を示す図である。 本発明を適用してなる３７０ｎｍ以下の種々の波長のＰ偏光のレーザ光を入射角８０度でＳＯＩ構造のウェーハに照射したときのＳＯＩ層の表面からの距離と電場強度との関係を示す図である。 本発明を適用してなる３７０ｎｍ以下の種々の波長のＰ偏光のレーザ光を入射角６０度でＳＯＩ構造のウェーハに照射したときのＳＯＩ層の表面からの距離と電場強度との関係を示す図である。 本発明を適用してなる３７０ｎｍ以下の種々の波長のＰ偏光のレーザ光を入射角５０度でＳＯＩ構造のウェーハに照射したときのＳＯＩ層の表面からの距離と電場強度との関係を示す図である。 本発明を適用してなる３７０ｎｍ以下の種々の波長のＰ偏光のレーザ光を入射角４０度でＳＯＩ構造のウェーハに照射したときのＳＯＩ層の表面からの距離と電場強度との関係を示す図である。 本発明を適用してなる３７０ｎｍ以下の種々の波長の偏光していないレーザ光を表面に垂直にＳＯＩ構造のウェーハに照射したときのＳＯＩ層の表面からの距離と電場強度との関係を示す図である。

符号の説明

１ 照射部
３ 受光部
５ ウェーハ
７ ステージ
８ 軸
９ 回転用駆動機構部
１１ 制御部
１３ Ｐ偏光板
１５ 配線
θ 入射角
Ｒ レーザ光
Ｓ 散乱光

Claims (6)

1. 半導体基板の表面に向けてレーザ光を照射したときの散乱光を検出する半導体基板の検査方法であり、
   前記レーザ光の波長が３７０ｎｍ以下であることを特徴とする半導体基板の検査方法。
2. 前記レーザ光の波長が２９０ｎｍ以上３７０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体基板の検査方法。
3. 前記レーザ光として、Ｐ偏光のレーザ光を、半導体基板の表面に垂直な方向に対して５０度以上傾斜させて照射することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体基板の検査方法。
4. 半導体基板の表面に向けてレーザ光を照射する照射部と、該照射部から照射されるレーザ光によって生じる散乱光を受光する受光部とを備え、
   前記照射部は、波長が３７０ｎｍ以下のレーザ光を照射してなることを特徴とする半導体基板の検査装置。
5. 前記照射部は、波長が２９０ｎｍ以上３７０ｎｍ以下のレーザ光を照射してなることを特徴とする請求項４に記載の半導体基板の検査方法。
6. 前記照射部は、Ｐ偏光板を介してレーザ光を照射すると共に、レーザ光を半導体基板の表面に垂直な方向に対して５０度以上傾斜させて照射してなることを特徴とする請求項４または５に記載の半導体基板の検査方法。

Images