JP2010103261A - 半導体評価装置、半導体評価方法及び半導体製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】キズ及びパーティクル等の欠陥の存在及び大きさを短時間で識別することが可能な半導体評価装置及び方法、並びにこれらを用いた半導体製造装置を提供する。
【解決手段】レーザ光源と、前記レーザ光源と対向するようにして配置された複数の集光レンズを有するレンズ系と、受光器とを具え、前記レーザ光源から発されたレーザ光を前記レンズ系の前記複数の集光レンズを順次に通過させて、相異なるビーム径の複数の測定用レーザ光を順次に形成し、前記複数の測定用レーザ光それぞれを半導体基板の表面に順次に照射するとともに、前記半導体基板の前記表面の複数の欠陥に起因した散乱光を前記受光器で受光し、前記散乱光の強度に基づいて、前記複数の欠陥を評価する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザにより半導体基板表面を評価する半導体基板評価装置および方法に関し、さらには当該機能を有する半導体製造装置に関する。

従来、半導体基板の表面のキズ、又はパーティクルなどの欠陥の評価手段として、レーザ光を半導体基板表面に照射し、その反射光強度をモニタするという方法がある。キズ又はパーティクル等の欠陥の存在する領域では、欠陥が存在しない領域と比較した場合に、前記レーザ光を照射した際に散乱度合が大きくなり、受光器で受光する反射光の強度が減少するようになる。したがって、前記レーザ光の照射位置を変化させた（半導体基板上でスキャンさせた）際の、前記受光器での反射光強度の減少を検知することによって、前記欠陥の存在領域を特定することができる（例えば、特許文献１参照）。

また、レーザ光の半導体基板表面におけるスポット系と評価時間との間には相関関係があり、半導体基板の表面上の欠陥を短時間で測定を完了しようとすると、前記レーザ光のスポット径をある程度大きくする必要がある。しかしながら、前記レーザ光のスポット径を大きくすると、前記欠陥の大きさによらず、前記レーザ光は同様に散乱されてしまうことになる。したがって、上述のように、前記欠陥の存在領域を特定することはできるが、
前記欠陥が相異なる大きさの欠陥である場合において、その大きさを特定することができない。

一方、前記半導体基板を用いて半導体デバイス、例えばトランジスタを作製するような場合、ソース領域及びドレイン領域などの拡散層はアニール処理によって形成するが、前記半導体基板に大きな欠陥が存在するような場合においては、かかる欠陥部分において割れが発生してしまう場合がある。結果として、前記トランジスタのタクトタイムが劣化してしまうことになる。

このような観点から、半導体基板の表面に存在する欠陥の大きさを特定し、上述したようなアニール処理によって割れが発生してしまうような欠陥が存在する場合は、前記半導体基板を使用せずに廃棄、又は再処理し、上述のような欠陥が存在しない半導体基板のみを用いるようにすることによって、例えば、上述したトランジスタのタクトタイムを向上させることができる。

特許文献１では、複数の入射系及び複数の反射系を有するレーザ表面検査装置を用い、前記入射系と前記反射系との組合わせによって、半導体基板表面のパーティクルと結晶構造に起因した欠陥とを識別して検出ことが開示されている。しかしながら、この方法では、上述のような欠陥の種類を識別することはできても、欠陥の大きさを識別することはできない。
特開２００１−１５３６３５号

本発明は、キズ及びパーティクル等の欠陥の存在及び大きさを短時間で識別することが可能な半導体評価装置及び方法、並びにこれらを用いた半導体製造装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、レーザ光源と、前記レーザ光源と対向するようにして配置された複数の集光レンズを有するレンズ系と、受光器とを具え、前記レーザ光源から発されたレーザ光を前記レンズ系の前記複数の集光レンズを順次に通過させて、相異なるビーム径の複数の測定用レーザ光を順次に形成し、前記複数の測定用レーザ光それぞれを半導体基板の表面に順次に照射するとともに、前記半導体基板の前記表面の複数の欠陥に起因した散乱光を前記受光器で受光し、前記散乱光の強度に基づいて、前記複数の欠陥を評価するように構成したことを特徴とする、半導体評価装置に関する。

また、本発明の他の態様は、レーザ光源から複数の集光レンズを有するレンズ系に向けてレーザ光を照射し、前記複数の集光レンズの１つを通過させることによって、最大のビーム径を有する大ビーム測定用レーザ光を形成するステップと、前記大ビーム測定用レーザ光を半導体基板の表面に照射し、前記半導体基板の前記表面における複数の欠陥に起因した散乱光の強度から、前記半導体基板の前記表面における前記複数の欠陥の存在領域を特定するステップと、前記レーザ光を前記複数の集光レンズの他の１以上を通過させることによって、前記大ビーム測定用レーザ光よりもビーム径の小さい１以上の小ビーム測定用レーザ光を形成するステップと、前記１以上の小ビーム測定用レーザ光を前記半導体基板の前記表面における前記複数の欠陥の存在領域に順次に照射し、それぞれの散乱光を前記受光器で順次に受光し、前記反射光の強度から、前記複数の欠陥の大きさを特定するステップと、を具えることによる、半導体評価方法に関する。

さらに、本発明のその他の態様は、上記半導体評価装置と、半導体デバイスの拡散層形成用のアニール装置とを具えることを特徴とする、半導体製造装置に関する。

本発明は、キズ及びパーティクル等の欠陥の存在及び大きさを短時間で識別することが可能な半導体評価装置及び方法、並びにこれらを用いた半導体製造装置を提供することができる。

以下、本発明の具体的な実施形態について説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態における半導体評価装置の構成を示す図である。図１に示すように、本態様における半導体評価装置１０は、レーザ光源１１と、このレーザ光源１１と対向するようにして配置された第１のレンズ１２Ａ及び第２のレンズ１２Ｂを有するレンズ系１２と、受光器１３とを具えている。なお、レンズ系１２において第１のレンズ１２Ａ及び第２のレンズ系１２Ｂは、固定部材１２１によって固定されている。

なお、測定対象である半導体基板Ｓは、レンズ系１２に関してレーザ光源１１と相対する側に配置され、受光器１３は、半導体基板Ｓに対して斜め上方に、例えばレーザ光源１１から発射されたレーザ光Ｌの照射方向から角度θの位置に配置されている。また、受光器１３の後方には図示しない所定の処理回路系を設けることができる。

レーザ光源１１は、以下に説明するように、半導体基板Ｓ上に照射した際に、十分な強度で反射されるような波長及び強度を有するレーザ光Ｌを生成し、発射することが要求され、例えば、Ａｒレーザなどの気体レーザ、ＹＡＧレーザなどの固体レーザ及びＩｎＰレーザなどの半導体レーザをレーザ光源を用いることができる。

レンズ１２Ａ及び１２Ｂは、汎用の集光レンズから構成することができる。また、固定部材１２１は、半導体評価装置１０の全体に影響を与えないような非磁性の材料から構成する。非磁性の材料であれば、Ａｌ等の金属材料であってもよいし、いわゆるエンジニアリングプラスチック等の樹脂材料であっても良い。さらに、受光器１３は、例えば汎用のＣＣＤカメラとすることができる。

なお、本態様では、第１のレンズ１２Ａの絞りを第２のレンズ１２Ｂの絞りよりも大きくし、レーザ光源１１から発せられたレーザ光Ｌは、第１のレンズ１２Ａを通過した際のビーム径が、第２のレンズ１２Ｂを通過した際のビーム径よりも大きくなるようにしている。

本態様では、図１に示すように、レンズ系１２は２つのレンズ１２Ａ及び１２Ｂのみを有しているが、必要に応じて任意の数とすることができる。

次に、図１に示す半導体評価装置１０を用いた場合の、半導体評価方法について説明する。図２〜図５は、本態様における半導体評価方法に関連した説明図である。

本態様では、図２及び図３に示すように、半導体基板Ｓの表面に大小２種類のキズがある場合を想定し、これら大小２種類のキズを識別する場合について説明する。なお、図２及び図３は、半導体基板Ｓのキズが存在する部分を拡大して示している。

また、図２（ａ）は、半導体基板Ｓの、大きなキズが存在する表面部分を示し、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す半導体基板ＳのＡ−Ａ線に沿って切った場合の断面を示している。同様に、図３（ａ）は、半導体基板Ｓの、小さなキズが存在する表面部分を示し、図３（ｂ）は、図３（ａ）に示す半導体基板ＳのＢ−Ｂ線に沿って切った場合の断面を示している。

最初に、図１（ａ）に示すように、レーザ光源１１から発せられたレーザ光Ｌをレンズ系１２における第１のレンズ１２Ａを通過させることによって、比較的大きなビーム径を有する第１の測定用レーザ光（大ビーム測定用レーザ光）Ｌ１を形成する。次いで、第１の測定用レーザ光Ｌ１を半導体基板Ｓ上に照射してスキャンさせ、上述した大小２種類のキズが存在する領域を特定する。この際、第１の測定用レーザ光Ｌ１がキズで反射され散乱されることによって散乱光Ｒが生成される。

散乱光Ｒは受光器１３で受光されるが、半導体基板Ｓ上にキズが存在しない場合は、散乱光Ｒは生成されない。したがって、散乱光Ｒを検知することによって、半導体基板Ｓ上におけるキズの存在領域を特定することができるようになる。

なお、第１の測定用レーザ光Ｌ１は、上述のように半導体基板Ｓ上におけるキズの存在位置を特定することを目的とするものであるため、第１の測定用レーザ光Ｌ１が半導体基板Ｓ上に照射された場合に、そのスポット径Ｐ１がある程度大きい方が好ましい。すなわち、第１の半導体測定用レーザ光Ｌ１のスポット径Ｐ１が小さいと、半導体基板Ｓをスキャンするのに長時間を要するようになる。

例えば、第１の半導体測定用レーザ光Ｌ１のスポット径Ｐ１を半導体基板Ｓ上に存在する大きなキズの大きさ以上となるようにすれば、上述したスキャンの時間を短縮化することができるとともに、半導体基板Ｓ上におけるキズの存在位置を特定するという本形態の目的を達成することができる。

なお、第１の半導体測定用レーザ光Ｌ１のスポット径Ｐ１を半導体基板Ｓ上に存在する大きなキズの大きさ以下、例えば大きなキズと小さなキズとの中間程度に設定すると、以下に説明するように、第１の半導体測定用レーザ光Ｌ１のみで大きなキズと小さなキズとを識別することができるようになるが、半導体基板Ｓ上をスキャンし、キズの存在位置を特定するのに長時間を要してしまう。したがって、キズ及びパーティクル等の欠陥の存在及び大きさを短時間で識別するという本形態の目的を達成することができない場合がある。

かかる観点より、本態様では、上述のように、第１の測定用レーザ光Ｌ１が半導体基板Ｓ上に照射された場合に、そのスポット径Ｐ１がある程度大きく、例えば半導体基板Ｓ上に存在する大きなキズの大きさ以上となるようにすることが好ましい。

なお、第１の測定用レーザ光Ｌ１のビーム径及びスポット径は、前記大きなキズのサイズを想定して予め設定することもできるし、スキャン中に制御するようにすることもできる。後者の場合は、本態様のようなレンズ系１２を構成するレンズを３種類以上とし、レーザ光Ｌを通過させるレンズを適宜変化させることによって行うことが好ましい。また、レンズ系１２と半導体基板Ｓとの距離を変化させることによっても行うことができる。

第１の測定用レーザ光Ｌ１のスポット径Ｐ１の上限は、半導体基板Ｓにおけるキズの存在位置が特定できれば特に限定されるものではないが、通常は、半導体基板Ｓの一片の大きさに対して２５０μｍのように設定する。

次に、図１（ｂ）に示すように、レーザ光源１１から発せられたレーザ光Ｌをレンズ系１２における第１のレンズ１２Ｂを通過させることによって、第１の測定用レーザ光Ｌ１のビーム径よりも小さいビーム径を有する第２の測定用レーザ光（小ビーム測定用レーザ光）Ｌ２を形成する。次いで、第１の測定用レーザ光Ｌ２を、上述のように、第１の測定用レーザ光Ｌ１のスキャンによって特定された半導体基板Ｓのキズの存在位置のみに照射してスキャンさせる。この場合、半導体基板Ｓ上でのスポット径Ｐ２は、第１の測定用レーザ光Ｌ１のスポット径Ｐ１に比較して十分に小さくなる。

したがって、図４に示すように、大きなキズに対しては、第２の測定用レーザ光Ｌ２が照射された場合においても、受光器１３で受光する散乱光の強度はほとんど変化しない。

一方、小さなキズに対しては、第２の測定用レーザ光Ｌ２が照射されると、受光器１３で受光する散乱光強度が減少する。したがって、第２の測定用レーザ光Ｌ２によって、大小２種類のキズを識別することができるようになる。

なお、第２の測定用レーザ光Ｌ２のビーム径及びスポット径は、予め想定されるキズの大きさを想定して予め設定することもできるし、スキャン中に制御するようにすることもできる。後者の場合は、上記同様に、本態様のようなレンズ系１２を構成するレンズを３種類以上とし、レーザ光Ｌを通過させるレンズを適宜変化させることによって行うことが好ましい。また、レンズ系１２と半導体基板Ｓとの距離を変化させることによっても行うことができる。

以上のように、本態様では、比較的大きなビーム径を有する第１の測定用レーザ光Ｌ１及び比較的小さなビーム径を有する第２の測定用レーザ光Ｌ２なる２種類の測定用レーザ光を形成し、第１の測定用レーザ光Ｌ１で半導体基板Ｓ上のキズの存在位置を特定し、第２の測定用レーザ光Ｌ２で半導体基板Ｓ上のキズの大きさを識別するようにしている。この場合、２種類の測定用レーザ光を用いているため、キズの大きさの識別は前記２種類の測定用レーザ光を用いて２段階で行うことになる。

しかしながら、比較的大きなビーム径を有する第１の測定用レーザ光Ｌ１のスキャンでキズの存在位置を特定した後、かかる領域のみ比較的小さなビーム径を有する第２の測定用レーザ光Ｌ２でスキャンして、キズの大きさを識別するようにしているので、当初から第２の測定用レーザ光Ｌ２を用いて半導体基板Ｓをスキャンしてキズの大きさを識別する場合に比較して、キズの大きさの識別に要する時間を極めて短縮化できるようになる。

なお、本態様では、大小２種類のキズが存在する場合について説明したが、相当程度大きさの異なる３種類以上のキズが存在する場合については、そのキズの大きさの種類に合わせて、測定用レーザ光の数も増大させる必要がある。この場合は、レンズ系１２を構成するレンズの種類を増大させて対応する。

また、本態様では、以下に示す半導体装置の製造を考慮して、半導体基板Ｓ上に生じたキズの識別について説明したが、本態様は、キズ以外の欠陥、例えばパーティクル等の存在及びその大小の識別に関しても適用することができる。

（第２の実施形態）
本実施形態では、第１の実施形態で説明した半導体評価装置（半導体評価方法）を利用した半導体装置の製造に関して説明する。なお、本態様では、代表的な半導体装置として電界効果型トランジスタの製造に関して説明する。

図５は、本態様における半導体製造装置の主要部を示す概略構成図であり、図６は、前記電界効果型トランジスタの製造工程図である。

図５に示す半導体製造装置においては、プロセスユニット２０、ノッチアライメントユニット３０及びアニール処理ユニット４０が順次配列されている。なお、プロセスユニット２０は、ゲート絶縁膜やゲート電極等の形成を行うプロセスチャンバーであり、通常は複数のプロセスチャンバーから構成されるが、本態様では簡略化して単一のユニット２０としている。

また、ノッチアライメントユニット３０は、上述のような半導体基板表面の欠陥の評価（識別）を行うためのユニットであり、図１に示すような半導体評価装置１０が配置されている。

アニール処理ユニット４０は、トランジスタの拡散領域、具体的にはソース領域及びドレイン領域を形成するためのユニットであって、内部にはホットプレート４１及びサセプタ４２が順次に積層され、これらと離隔対向するようにしてフラッシュランプ光源４３が配置されている。

次に、図５に示す半導体製造装置と関連させて、上記電界効果型トランジスタの製造工程を図６に基づいて説明する。

最初に、プロセスユニット２０内で、図６（ａ）に示すように、シリコン等の半導体基板である例えばシリコン等のウエハ５０上に、周知の方法に従って、素子分離領域５１、ゲート絶縁膜５２ａ、ゲート電極５２ｂが形成される。なお、ウエハ５０には、例えば、バルクの単結晶シリコンウエハ、エピタキシャルウエハ、あるいはＳＯＩウエハ等が選択される。

次いで、同じくプロセスユニット２０内で、図６（ｂ）に示すように、ゲート電極５２ｂとフォトリソグラフ方式により所望のパターン形状に形成したレジスト膜５３ｂとをマスクとして用い、ウエハ５０の上面のソースドレインエクステンション領域５４ｂに不純物イオン５４ａをイオン注入方式により注入する。なお、図６（ｃ）に示すように、イオン注入工程の後、レジスト膜５３ｂは剥離して除去する。

次に、図６（ｃ）で得たアセンブリをノッチアライメントユニット３０内に導入し、第１の実施形態で説明したようにして、ウエハ５０の欠陥の評価（識別）を行う。なお、欠陥評価（識別）の具体的な方法については、第１の実施形態において詳細に説明したので、ここでは省略する。

但し、実際の半導体装置（本態様では電界効果型トランジスタ）の製造においては、ウエハ５０の主面側はサセプタや搬送系に固定されることなく開放され、上述のような膜形成に供されることから、前記主面上には前記半導体装置の製造上問題となるようなキズが形成されることはない。一方、ウエハ５０の裏面側はサセプタや搬送系に固定されるので、その際の衝撃や摩擦等によって前記半導体装置の製造上問題となるようなキズが形成される場合がある。

したがって、第１の実施形態で説明した半導体評価装置１０は、ウエハ５０の裏面側のキズの存在及びその大小の識別のために用いる。

ノッチアライメントユニット３０内でのウエハ５０の評価の結果として、例えば図２に示すような大きな（深い）キズが存在する場合は、アニール処理ユニット４０内に搬送してアニール処理を実施した場合、前記キズを起点としてウエハ５０、すなわち製造過程にあるアセンブリが破損してしまうことになる。したがって、かかるアニール処理が無駄になってしまい、目的とする半導体装置（本態様では電界効果型トランジスタ）のタクトタイムが劣化してしまうことになる。

しかしながら、ノッチアライメントユニット３０内でのウエハ５０の評価の結果として、図２に示すような大きな（深い）キズが存在するウエハ５０（アセンブリ）をアニール処理前に排除し、例えば図３に示すような小さい（浅い）キズが存在するウエハ５０（アセンブリ）のみをアニール処理するようにすれば、上述したような破損を防止することができ、タクトタイムを向上させることができる。

以上のようにして、アニール処理によって破損しないような小さなキズのみを有するウエハ５０（アセンブリ）を選別し、アニール処理ユニット４０に搬送する。そして、サセプタ４２を介したホットプレート４１からの直接的な加熱と、フラッシュランプ光源４３から発せられる放射光４３Ａによる間接的な加熱によって、ソースドレインエクステンション領域５４ｂにイオン注入された不純物イオン５４ａを十分に拡散させるとともに活性化し、ソースドレイン領域５９を形成する。なお、実際の加熱温度は、例えば３００℃〜６５０℃とする（図６（ｄ））。

なお、ホットプレート４１は抵抗発熱ヒータを内蔵した金属板として構成することができ、フラッシュランプ光源４３は、例えば、Ｘｅガス等の希ガスが封入されたランプとすることができる。一例として、フラッシュランプ光源４３からの放射光４３Ａは、０．１ｍ秒〜１００ｍ秒のパルス幅で、２５Ｊ／ｃｍ^２のエネルギー密度を有するようにすることができる。

以上、本発明を上記具体例に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記具体例に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。

例えば、上記では、半導体装置の具体例として、電界効果型トランジスタについて説明したが、ＮＡＮＤ型あるいはＮＯＲ型のフラッシュメモリや、半導体発光素子あるいは半導体受光素子等の半導体装置とすることもできる。

実施形態における半導体評価装置の構成を示す図である。 実施形態における半導体評価方法に関連した説明図である。 同じく、実施形態における半導体評価方法に関連した説明図である。 同じく、実施形態における半導体評価方法に関連した説明図である。 実施形態における半導体製造装置の主要部を示す概略構成図である。 実施形態における半導体装置の製造工程図である。

符号の説明

１０ 半導体評価装置
１１ レーザ光源
１２ レンズ系
１２Ａ 第１のレンズ
１２Ｂ 第２のレンズ
１２１ 固定部材
１３ 半導体基板
Ｌ レーザ光
Ｌ１ 第１の測定用レーザ光
Ｌ２ 第２の測定用レーザ光
Ｒ 反射光
Ｐ１，Ｐ２ 半導体基板上でのスポット径
２０ プロセスユニット
３０ ノッチアライメントユニット
４０ アニール処理ユニット
４１ ホットプレート
４２ サセプタ
４３ フラッシュランプ光源

Claims (5)

1. レーザ光源と、前記レーザ光源と対向するようにして配置された複数の集光レンズを有するレンズ系と、受光器とを具え、
   前記レーザ光源から発されたレーザ光を前記レンズ系の前記複数の集光レンズを順次に通過させて、相異なるビーム径の複数の測定用レーザ光を順次に形成し、前記複数の測定用レーザ光それぞれを半導体基板の表面に順次に照射するとともに、前記半導体基板の前記表面の複数の欠陥に起因した散乱光を前記受光器で受光し、前記散乱光の強度に基づいて、前記複数の欠陥を評価するように構成したことを特徴とする、半導体評価装置。
2. 前記複数の測定用レーザ光の１つは、前記半導体基板の前記表面に照射された際に、そのスポット径が前記複数の欠陥の内の、最大の欠陥の大きさ以上となるように、ビーム径を制御するように構成したことを特徴とする、請求項１に記載の半導体評価装置。
3. レーザ光源から複数の集光レンズを有するレンズ系に向けてレーザ光を照射し、前記複数の集光レンズの１つを通過させることによって、最大のビーム径を有する大ビーム測定用レーザ光を形成するステップと、
   前記大ビーム測定用レーザ光を半導体基板の表面に照射し、前記半導体基板の前記表面における複数の欠陥に起因した散乱光の強度から、前記半導体基板の前記表面における前記複数の欠陥の存在領域を特定するステップと、
   前記レーザ光を前記複数の集光レンズの他の１以上を通過させることによって、前記大ビーム測定用レーザ光よりもビーム径の小さい１以上の小ビーム測定用レーザ光を形成するステップと、
   前記１以上の小ビーム測定用レーザ光を前記半導体基板の前記表面における前記複数の欠陥の存在領域に順次に照射し、それぞれの散乱光を前記受光器で順次に受光し、前記反射光の強度から、前記複数の欠陥の大きさを特定するステップと、
   を具えることによる、半導体評価方法。
4. 前記大ビーム測定用レーザ光は、前記半導体基板の前記表面に照射された際に、そのスポット径が前記複数の欠陥の内の、最大の欠陥の大きさ以上となるように、ビーム径を制御することを特徴とする、請求項３に記載の半導体評価方法。
5. 請求項１又は２に記載の半導体評価装置と、半導体デバイスの拡散層形成用のアニール装置とを具えることを特徴とする、半導体製造装置。

Images