JP2007147636A - 半導体ウェーハの欠陥検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体ウェーハ表面でレーザ光を一定方向に走査することによって欠陥を検出する計測器を用いて、サイズまたは形状が異なる各欠陥を高精度に識別して、サイズまたは形状が異なる欠陥毎に欠陥の数を高精度に検出できるようにする。
【解決手段】半導体ウェーハを構成する半導体の結晶の方向を基準にして、所定角度だけ半導体ウェーハに対する光の相対的な走査方向を変化させて、散乱光を測定し、測定した散乱光の強度の大きさに応じて、サイズまたは形状が異なる各欠陥を識別する。
【選択図】図８

Description

本発明は、半導体ウェーハの表面に存在する欠陥を検出する方法に関するものである。

半導体デバイスは半導体ウェーハ上に薄膜を形成する工程を経て作成される。

図２（ａ）は半導体ウェーハとしてシリコン（Ｓi）ウェーハを想定し、シリコンウェーハ基板１の上にエピタキシャル成長層２が形成された後のシリコンウェーハ１′の断面を示している。すなわちＣＶＤ装置の炉内で、薄膜の原料ガス、たとえばトリクロルシラン（ＳiＨＣl3）がシリコン基板１の表面１ａに供給される。そしてトリクロルシランの化学反応によってシリコン基板１の表面１ａに同じシリコンの薄膜２がエピタキシャル成長によって形成されていく。

このようにして原子配列がシリコン基板１と同一の結晶が、基板１上に形成される。エピタキシャル成長層２の表面を２ａとする。

図３（ａ）はシリコンウェーハ基板１を上面からみた図であり、シリコンウェーハ基板１を構成するシリコン原子の結晶の配列の様子を模式的に示している。また図３（ｂ）はシリコン結晶の基本格子を示し（１００）結晶面の場所を示している。

図３（ａ）に示すように、シリコンウェーハ基板１単体では、シリコンウェーハ表面１ａと、シリコン結晶の（１００）面とが平行となるような結晶構造となっている。

シリコンウェーハ基板１上に形成されるエピタキシャル成長層２についても図３（ａ）と同様な原子配列の結晶構造であるものと考えられる。

しかし図２（ｂ）に示すようにシリコンウェーハ１の表面１ａに、金属汚染、ゴミ、キズ等の異物３が存在する場合、その異物を核にして、原子配列が図３（ａ）に示すものと異なる結晶４が成長することがある。これは結晶欠陥の一種であり、積層欠陥（スタッキング・フォルト；ＳＦ）と呼ばれている。

図４（ａ）は図３（ａ）に対応させて、エピタキシャル成長層２が形成された後のシリコンウェーハ１′の表面２ａを上面からみた図である。また図４（ｂ）はシリコン結晶の基本格子における（１１０）方向を示している。

図４（ａ）に示すように積層欠陥４と正常なエピタキシャル成長層２との境界５は、上面からみて略正方形であり一定の方向を向いている。境界５の方向は、シリコン結晶の（１１０）方向に一致している。

図５は図４（ａ）を４５度回転させた状態を示している。

図５に示すように、積層欠陥４の境界５のうち特定の方向の境界線５ａに沿って、非常に細長い、つまり異方性の顕著なピット６が発生することがある。

ピット６は耐圧不良等を招き半導体デバイスの不良の原因となる。このためシリコンウェーハ１′の表面２ａに存在するピット６の有無、数を計測して、計測結果に基づき、不良なシリコンウェーハを除去することが必要になる。また計測結果から不良の原因を突きとめシリコンウェーハの歩留まりを高める必要がある。

そこで従来より、パーティクルカウンタを用いてシリコンウェーハ１′の表面２ａに存在するピット６の数を計測するようにしている。

パーティクルカウンタは、シリコンウェーハ１′の表面２ａでレーザ光を一定方向に走査して、表面２ａで反射した散乱光の強度を測定して、表面２ａに存在するピット６の有無を検出するものであり、表面２ａの全体にわたってレーザ光を走査したときの計測結果から、シリコンウェーハ１′の表面２ａに存在するピット６の数をカウントすることができる。

ところが従来はレーザ光を走査する方向が定まっておらず、同一のシリコンウェーハ１′を試料として使用したとしても、計測の結果得られるピット６の数が、計測する人間によってばらつくことがあった。すなわちシリコンウェーハ１′の表面２ａにおける欠陥の計測を安定して高感度で行うことができなかった。

またパーティクルカウンタという計測器は本来、上述したように欠陥に反射したときの散乱光の強度から、欠陥の有無を検出するものでしかなく、サイズまたは形状が異なる各種の欠陥を識別することまではできなかった。

そこで本発明は、パーティクルカウンタのように、半導体ウェーハ表面でレーザ光を一定方向に走査することによって欠陥を検出する計測器を用いて、サイズまたは形状が異なる各欠陥を高精度に識別して、サイズまたは形状が異なる欠陥毎に欠陥の数を高精度に検出できるようにすることを解決課題とするものである。

そこで第１発明は、上記解決課題を達成するために、
半導体ウェーハの表面で光を一定方向に走査し散乱光を測定することにより、半導体ウェーハの表面に存在する欠陥を検出する半導体ウェーハの欠陥検出方法において、
前記半導体ウェーハを構成する半導体の結晶の方向を基準にして、所定角度だけ半導体ウェーハに対する光の相対的な走査方向を変化させて、散乱光を測定し、
前記測定した散乱光の強度の大きさに応じて、サイズまたは形状が異なる各欠陥を識別すること
を特徴とする。

第２発明は、第１発明において、
検出する欠陥は異方性を有した欠陥であること
を特徴とする。

すなわち図８に示すように、半導体ウェーハ１′を構成する半導体の結晶の方向を基準にして、異方性を有した欠陥６の長手方向に沿って光Ｌを走査する。このとき測定した散乱光の強度の大きさに応じて、サイズまたは形状が異なる各種類の欠陥Ａ、Ｂ、Ｃを識別する。

本発明によれば、パーティクルカウンタのように、半導体ウェーハ表面２ａでレーザ光を一定方向に走査することによって欠陥を検出する計測器を用いて、サイズまたは形状が異なる各種類の欠陥Ａ、Ｂ、Ｃを高精度に識別して、サイズまたは形状が異なる欠陥Ａ、Ｂ、Ｃ毎に欠陥の数を高精度に検出することができるようになる。

以下図面を参照して本発明に係る半導体ウェーハの欠陥検出方法の実施の形態について説明する。

なお以下に説明する実施形態では、半導体ウェーハとしてシリコンウェーハを想定し図２（ａ）で説明したように、エピタキシャル成長後のシリコンウェーハ１′の表面２ａに存在する積層欠陥４を、パーティクルカウンタを用いて検出する場合を想定する。なおパーティクルカウンタとして、たとえば商品名「ＷＩＳ−ＣＲ８２」、「ＳＦＳ６２２０」の装置を使用することができる。

・第１の実施形態
図１は図５に対応する図でありシリコンウェーハ１′を図５に示す状態から反時計回りに９０゜回転させた状態を示している。

すなわちシリコンウェーハ１′の表面２ａには、積層欠陥４が存在する。この積層欠陥４と正常なエピタキシャル成長層２との境界５は、上面からみて略正方形であり一定の方向を向いている。境界５の方向は、シリコン結晶の（１１０）方向に一致している。つまり境界５はシリコン結晶の方向を基準とした一定の方向に存在する。

積層欠陥４の境界５のうち特定の方向の境界線５ａに沿って、非常に細長い、つまり異方性の顕著なピット６が発生する。つまりピット６の長手方向は、シリコン結晶の方向を基準とした一定の方向に一致する。

ここでシリコンウェーハ１′には、シリコン結晶の方向（結晶方位）を特定して示すノッチ２ｂが付与されている。そしてピット６の長手方向は、シリコン結晶方位に対して４５゜だけ傾斜させた方向に一致している。一方レーザ光Ｌの走査方向は固定されている。したがってシリコンウェーハ１′を回転させてノッチ２ｂの位置を変化させれば、シリコン結晶方位に対するレーザ走査方向が変化しこれに応じてピット６の長手方向に対するレーザ走査方向が変化する。

したがってノッチ２ｂを目印にして境界線５ａの方向つまりピット６の長手方向に、レーザ光Ｌが走査するようシリコンウェーハ１′を位置決めすることができる。具体的には図５に示すようにレーザ光Ｌの走査方向を図中左向きに固定すると、標準状態ではノッチ２ｂはシリコンウェーハ１′の図中上側に位置されている。これをシリコンウェーハ１′が「０゜」に位置決めされている状態と定義する。そしてこの標準状態から反時計回りにシリコンウェーハ１′を９０゜ずつ回転させたときの位置（レーザ光の走査方向を固定したまま）を、それぞれ「９０゜」、「１８０゜」、「２７０゜」の位置とする。図１は図５の「０゜」の標準位置からシリコンウェーハ１′を「９０゜」の位置に変化させた状態を示している。

このようにシリコンウェーハ１′を「９０゜」の位置に位置決めして、パーティクルカウンタから出射されるレーザ光Ｌの走査方向を、ピット６の長手方向に一致させる。

パーティクルカウンタを作動させると、パーティクルカウンタから出射されたレーザ光Ｌは、ピット６の長手方向に沿って走査する。

レーザ光Ｌがピット６の長手方向に沿って走査するためピット６で反射して散乱する散乱光の強度は最大となり、ピット６を高感度で検出することができる。

パーティクルカウンタから出射されたレーザ光Ｌは、シリコンウェーハ１′の表面２ａの全面にわたり走査する。このためシリコンウェーハ１′の表面２ａの全体にわたってレーザ光Ｌを走査した結果から、シリコンウェーハ１′の表面２ａに存在するピット６の数を高精度に計測することができる。

以上のように本第１の実施形態によれば、シリコンウェーハ１′の表面２ａに存在するピット６の検出を、安定して高感度で行うことができるようになる。

・第２の実施形態
上述した第１の実施形態では、レーザ光Ｌの走査方向とピット６の長手方向を一致させている。

しかし必ずしもレーザ光Ｌの走査方向とピット６の長手方向を一致させている必要はなく、図６に示すようにシリコンウェーハ１′を構成するシリコン結晶の方向を基準とする一定方向Ｌ1またはＬ2方向またはＬ3方向に、レーザ光を走査するものであればよい。つまりピット６の長手方向に対して一定の角度を有した方向にレーザ光を走査してもよい。

ただし、Ｌ3にて示すように、レーザ光の走査方向がピット６の幅方向に一致する場合には、散乱光の強度が弱くなり場合によってはパーティクルカウンタの検出限界以下になるおそれがある。

以上のように本第２の実施形態によれば、シリコンウェーハ１′を構成するシリコン結晶の方向を基準とする一定方向に、レーザ光を走査しているので、シリコンウェーハ１′の表面２ａに存在するピット６の検出を、安定して行うことができるようになる。

・第３の実施形態
つぎに、シリコンウェーハ１′の表面２ａに、上述したピット６のような異方性を有した欠陥と、略円形の突起のような等方性を有した欠陥とが混在して存在する場合に好適な計測方法について説明する。

図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、シリコンウェーハ１′を「０゜」、「９０゜」、「１８０゜」、「２７０゜」の位置に順次位置決めして、シリコンウェーハ１′に対する相対的なレーザ走査方向を順次９０゜づつ変化させたときの計測結果をそれぞれ示している。図７（ａ）〜（ｄ）に示すようにシリコンウェーハ表面２ａの各位置は、Ｘ−Ｙ座標系の座標位置で特定される。図７（ａ）〜（ｄ）に示される黒丸は、シリコンウェーハ表面２ａの各座標位置に存在する欠陥を示している。

上述したように異方性を有したピット６は、レーザ光Ｌがピット６の長手方向に沿って走査されているとき、つまりシリコンウェーハ１′が「９０゜」、「２７０゜」に位置決めされているときに、散乱光の強度が強くなり高感度に検出することができる。これに対してレーザ光Ｌがピット６の幅方向に沿って走査されているとき、つまりシリコンウェーハ１′が「０゜」、「１８０゜」に位置決めされているときには、散乱光の強度が弱くなり高感度で検出できなくなる。

これに対して等方性を有した欠陥は、シリコンウェーハ１′が「０゜」、「９０゜」、「１８０゜」、「２７０゜」のいずれの位置に位置決めされた場合であっても、同等の感度で検出される。

以上のことから図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示すように、「９０゜」で計測された欠陥（図７（ｂ））、「２７０゜」で計測された欠陥（図７（ｄ））から、「０゜」で計測された欠陥（図８（ａ））、「１８０゜」で計測された欠陥（図７（ｃ））を取り除いた欠陥が、異方性を有した欠陥つまりピット６であり、それ以外の欠陥が等方性を有した欠陥であると識別することができる。

以上のよに本第３の実施形態によれば、パーティクルカウンタのように、半導体ウェーハ１′の表面２ａでレーザ光Ｌを一定方向に走査することによって欠陥を検出する計測器を用いて、異方性を有した欠陥と等方性を有した欠陥とを高精度に識別することが可能となり、両者の欠陥の数を高精度に検出できるようになる。

・第４の実施形態
上述した第３の実施形態では、異方性の顕著なピット６と等方性を有した欠陥とを識別する場合を想定したが、異方性の強弱、対称性の異なる欠陥同士であれば、これらの欠陥同士を同様な方法で識別することができ、ウェーハ表面に存在する各種類の結晶欠陥を分類することが可能になる。

すなわち第３の実施形態と同様の方法を適用して、異方性の強弱、異方性の対称性等が異なる各種類の欠陥を識別でき、異方性が異なる欠陥毎に、その欠陥の数を高精度に検出することができる。

・第５の実施形態
シリコンウェーハ１′の表面２ａには、サイズが異なる各欠陥が顕れる。

欠陥のサイズを「散乱サイズ」で定義し、３種類の欠陥Ａ、Ｂ、Ｃを、パーティクルカウンタを用いて検出したときのグラフを図８に示す。

この第５の実施形態では、第１の実施形態と同様にシリコンウェーハ１′を「９０゜」の位置に位置決めして計測した。

図８において横軸はシリコンウェーハ１′の表面２ａの各欠陥を特定する番号を示しており、各欠陥に番号１、２、３…を付与している。図８の縦軸は散乱サイズ（ｕｍ）を示し、散乱光の強度に対応している。

このようにシリコンウェーハ１′を「９０゜」に位置決めして、レーザ光Ｌをシリコン結晶方位を基準とする特定の方向（ピット６の長手方向）に沿って走査すると、それぞれ異なる散乱強度が測定される。この測定結果から、それぞれ異なる散乱サイズの欠陥Ａ、Ｂ、Ｃを識別し分類することができる。具体的には欠陥Ａの平均散乱サイズは１．８０ｕｍとなり、欠陥Ｂの平均散乱サイズは１．２５ｕｍとなり、欠陥Ｃの平均散乱サイズは１．０５ｕｍとなった。これは顕微鏡を用いて測定したサイズと一致した。

なお本実施形態ではサイズが異なる各種類の欠陥Ａ、Ｂ、Ｃを識別しているが、形状が異なる各種欠陥を同様にして識別することができる。

以上のように本実施形態によれば、サイズまたは形状が異なる各種類の欠陥を識別でき、サイズ毎に、あるいは形状毎に、その欠陥の数を高精度に検出することができる。

・第６の実施形態
ところで、上述した第１の実施形態では、シリコン結晶方位を基準にしてピット６の長手方向を定め、このピット６の長手方向に沿ってレーザ光Ｌが走査するようシリコンウェーハ１′を位置決めして、ピット６を高感度で検出するようにしている。しかし、シリコン結晶方位を基準にするのではなく、実際にウェーハ表面を観察した結果からピット６の長手方向を定めてもよい。また、この方法は、シリコンウェーハの表面に発生したスクラッチキズ、加工キズなどのキズを検出する場合にも適用することができる。以下「欠陥」とは、キズやピット６などの結晶欠陥を含む意味で使用する。

すなわち、まずエピタキシャル成長層２が積層されていないシリコンウェーハ１あるいはエピタキシャル成長層２が積層されたシリコンウェーハ１′の表面を顕微鏡等で観察して、表面で発生した欠陥（キズやピット６など）の長手方向を特定する。具体的には、顕微鏡の観察結果から、ノッチ２ｂに対して欠陥の長手方向がいずれの角度だけ傾斜しているのかを測定する。そして、この特定された欠陥の長手方向に沿って、レーザ光Ｌが走査するようシリコンウェーハ１あるいは１′を位置決めする。

つぎに、パーティクルカウンタを作動させ、パーティクルカウンタから出射されたレーザ光Ｌを、欠陥の長手方向に沿って走査させる。

レーザ光Ｌが欠陥の長手方向に沿って走査するため欠陥で反射して散乱する散乱光の強度は最大となり、欠陥を高感度で検出することができる。

パーティクルカウンタから出射されたレーザ光Ｌは、シリコンウェーハ１あるいは１′の表面の全面にわたり走査する。このためシリコンウェーハ１あるいは１′の表面の全体にわたってレーザ光Ｌを走査した結果から、シリコンウェーハ１あるいは１′の表面に存在する欠陥の数を高精度に計測することができる。

以上のように本第６の実施形態によれば、シリコンウェーハ１あるいは１′の表面に存在する欠陥の検出を、安定して高感度で行うことができるようになる。

以上説明した各実施形態では、シリコンウェーハを想定したが、本発明としては半導体であれば他の材料のウェーハにも適用することができる。たとえば半導体材料としてＧａＡs（ガリウム砒素）、Ｇe（ゲルマニウム）を使用する場合にも適用することができる。

図１は実施形態のシリコンウェーハを示す上面図である。 図２（ａ）、（ｂ）はシリコンウェーハの断面図である。 図３（ａ）はシリコンウェーハの上面図で図３（ｂ）はシリコン基本格子を示す斜視図である。 図４（ａ）はシリコンウェーハ表面に存在する積層欠陥の境界を示す図で、図４（ｂ）は積層欠陥の境界の方向とシリコン基本格子の関係を示す図である。 図５はシリコンウェーハ表面に存在する積層欠陥の境界に顕れるピットを示す図である。 図６のシリコンウェーハの位置決めの基準となるピットを示す図である。 図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はシリコンウェーハを各位置に位置決めしたときにウェーハ表面で検出される各欠陥を示す図である。 図８はシリコンウェーハ表面に存在する各欠陥をサイズごとに識別されることを示すグラフである。

符号の説明

１ シリコン基板
２ エピタキシャル成長層
１′ シリコンウェーハ
６ ピット

Claims (2)

1. 半導体ウェーハの表面で光を一定方向に走査し散乱光を測定することにより、半導体ウェーハの表面に存在する欠陥を検出する半導体ウェーハの欠陥検出方法において、
   前記半導体ウェーハを構成する半導体の結晶の方向を基準にして、所定角度だけ半導体ウェーハに対する光の相対的な走査方向を変化させて、散乱光を測定し、
   前記測定した散乱光の強度の大きさに応じて、サイズまたは形状が異なる各欠陥を識別すること
   を特徴とする半導体ウェーハの欠陥検出方法。
2. 検出する欠陥は異方性を有した欠陥であること
   を特徴とする請求項１記載の半導体ウェーハの欠陥検出方法。

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