JP2604607B2 - 欠陥分布測定法および装置 - Google Patents

欠陥分布測定法および装置

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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、試料の精密位置測定機能を有する光散乱測
定装置によって得た光散乱像に対し、画像処理を用いる
ことによって、非破壊で被検物体内の欠陥密度および密
度分布を自動測定する方法および装置に関する。
［従来技術］ 従来、結晶内の欠陥密度の計測は、結晶表面を先ずエ
ッチングし、これにより表面に生じた凹みを顕微鏡を用
いて目視しあるいは機械的に測定することによって行な
っていた（例えば、Jenkins,M.W.;A new preferential
each for defects in single crystals,J.Electrochem.
Soc.,124:752−762,1977 参照）。
また、Ｘ線回折法（例えば、Jungbluth, E.D.:J.Elec
trochem.Soc.,112:580,1965 参照）も欠陥密度測定法
として有効であり、結晶内の転位や積層欠陥および析出
物の測定に有効な手段としてよく用いられている。一
方、透過型電子顕微鏡も結晶内の転位や微小析出物に対
して大いに感度がある（例えば、Meieran ,E.S.:Appl.p
hys.,36:2544,1965 参照）。
さらに、光散乱画像解析装置として、被検物体に対し
て前記被検物体を透過する所定の径の光束を照射し、前
記光束の光軸と交差する方向を観察光軸とすると共にそ
の観察光軸内に分光手段を設け、被検物体内の前記光束
による散乱光のうち特定波長の光のみを抽出して、これ
を画像情報として得るようにしたものが知られている
（例えば、特開昭54−109488号公報参照）。
さらにまた、特開昭62−119446号公報には、ビームを
絞ったレーザ光の光束を被検物体に照射し、その散乱光
を光電変換してスリット状の一次元的な像を得、これを
ビームと試料間の位置関係を順次変位させながら繰り返
すことによって、結晶欠陥を検出するための観察像を得
るようにしたものが記載されている。
［発明が解決しようとする問題点］ ところで、エッチング法は、物体内部の欠陥分布の測
定においては現在もよく用いられている方法である。し
かし、この方法は結晶内に三次元的に分布している欠陥
を二次元断面（表面）で観る方法であり、精度的にあい
まいな点が残っている。また、エッチングに際しては、
有毒な液体（フッ酸、六価クロム等）を用いたり、有毒
ガスが発生することがあり、大変危険な作業である。さ
らにエッチング法は破壊検査であり、結晶を繰り返しア
ニールして欠陥の変化を見る等、一度処理した結晶で再
測定はできない欠点がある。
Ｘ線回折法は欠陥密度測定法として有効であるが、転
位や積層欠陥はともかく、シリコン内の微小析出物など
の小さな欠陥にはほとんど感度がない。また、結晶内を
三次元的に観察することは殆どできない。さらに、Ｘ線
回折法もエッチング法と同様に、Ｘ線による被爆等危険
性が大いにある。
一方、透過型電子顕微鏡は結晶内の転位や微小析出物
に対し大いに感度があるが、結晶を数千Åに薄くしなけ
ればならないなど、測定視野に制限がある。また、装置
も大がかりになり簡便な方法とは言えない。
さらに、従来の光散乱画像解析装置では、欠陥密度や
欠陥分布を自動測定することはできず、得られた画像情
報例えば写真等から人手で欠陥の分布や個数を測定しあ
るいは数える必要があるという不具合があった。
さらにまた、特開昭62−119446号のものにおいては、
被検物体表面から欠陥までの深さという点においては何
ら考慮されておらず、したがって、レーザビームの入射
面から欠陥までの深さを正確には把握できないという問
題がある。したがって、正確な欠陥密度の分布やDZ幅を
測定することができず、また、同一被検物体について、
アニール等の処理の前後における同一深さの欠陥密度等
の変化を正確に測定することができない等の問題も生じ
る。
本発明の目的は、上述の従来形における問題点に鑑
み、結晶内の欠陥密度および密度分布の計測において、
非破壊検査であること、三次元的に観察できるこ
と、高い安全性を有すること、簡便性を有するこ
と、定量的に欠陥の分布を計測できること、および
被検物体表面を基準とした正確な欠陥密度の分布やDZ幅
を測定することができること、のすべてを満足する欠陥
分布測定法および装置を提供することにある。
［問題点を解決するための手段および作用］ 上記目的を達成するため本発明では、表面にほぼ直角
な劈開面を有する半導体ウエハの表面位置を特定し、ウ
エハ表面または劈開面の一方から集束レーザ光を入射さ
せ、このレーザ光によりウエハ内の微小析出物から生
じ、ウエハ表面または劈開面の他方を経て出る散乱光
を、前記ウエハ表面位置を基準とする深さ方向の散乱位
置に対応させて検出し、この検出を、深さ方向に直交す
るウエハ内の所定の領域について行うようにしている。
散乱光の検出は、散乱光を集束受光し、この集束受光し
た散乱光を光電変換して、ウエハ表面位置を基準とする
深さ方向位置に対応した信号として検出することにより
行うことができる。
この所定領域についての散乱光の検出結果より、ウエ
ハ表面位置を基準とする深さ方向位置が明確な画像情
報、あるいはウエハ表面位置を基準とする深さ方向位置
についての散乱光の強度分布を得ることができる。ま
た、この画像情報に基づいて前記微小析出物の密度、あ
るいはウエハ表面位置を基準とする密度分布を得ること
ができる。また、この密度分布、あるいは前記強度分布
にもとづいてDZ幅を求めることができる。
このようにして得られるウエハ表面近傍の欠陥（微小
析出物）のウエハ表面を基準とする分布やDZ幅は、表面
近傍に各種半導体デバイスが形成される半導体ウエハの
評価において、非常に重要な要素となる。
本発明に係る欠陥分布測定法および装置においては、
被検物内に細く絞ったレーザビームを入射し、その欠陥
部分からの散乱光をTVカメラ等の光受光素子を用いて画
像化し、これをもとに欠陥密度を測定する。
また、レーザ光を結晶内に細く絞って入射し、その欠
陥部分からの散乱光をTVカメラ等で受光し、画像処理装
置によってA/D変換してコンピュータの記憶装置内に蓄
積する。このような操作を、レーザビームもしくは試料
ステージを走査させながら行なうことによって、被検物
内の一断面の欠陥像を観察することができる。このあと
欠陥の計数を二値化画像処理機能を有する画像処理装置
によって行なう。ここで計数された個数は、レーザビー
ム径内の欠陥の数であることから、レーザビーム径で割
ることによって単位体積当りの欠陥密度を知ることがで
きる。レーザ光源としては結晶を透過する波長でなけれ
ばならない。Si,GaAs結晶では、波長1,064μのYAGレー
ザが有効である。受光素子はこのレーザに感度をもつこ
とが必要である。CCD素子やシリコンビジコンはYAGレー
ザに有効である。
［実施例］ 以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。
第１図は、本発明の一実施例に係る光散乱法による欠
陥密度の自動測定装置の構成を示すブロック図である。
同図において、１は欠陥分布を測定する対象である試料
（被検物体）、２は試料１に照射するレーザ光を発生す
るレーザ発生装置、３はオートフォーカス機構を装備し
た顕微鏡、４は受光した散乱光を電気信号に変換する受
光素子である。また、５は受光素子４からの電気信号を
入力し画像処理を行なう画像処理装置である。画像処理
装置５は二値化処理機能を有している。６は画像情報を
そのまま出力したり、種々の計算の結果得た欠陥密度値
等を出力するCRT、７は測定の際に全体の制御を司るコ
ンピュータ、８はパルスモータコントローラ、９はパル
スモータコントローラ８の指令に従いＸ−Ｙ−Ｚ方向に
駆動されるＸ−Ｙ−Ｚパルスステージ、10は試料１の位
置を精密に検出する精密位置検出器である。
以下、この装置によるSiウェーハ内の微小欠陥の分布
測定につき説明する。
半導体素子製造に用いられるSiウェーハ内の微小欠陥
においては、第２図に示すような欠陥密度分布およびDZ
（Denuded Zone）幅の測定が行なわれている。第１図に
示す装置を用いて、この計測を、上記光散乱法によって
得た散乱像を画像処理することによって行なった。
第２図の付番11は、第１図の装置において試料１とし
て半分に癖開したSiウェーハをパルスステージ９上に設
置し、そのSiウエーハの表面からレーザ光を入射して、
癖開面側から顕微鏡３により観察した散乱像を模式的に
示したものである。101,102はSiウエーハの結晶表面、1
03,104はSiウエーハ内部の種々の大きさの微小欠陥を示
す。このような散乱像に基づいて、同図の付番12で示す
ような結晶の表面からの深さに対する欠陥（析出物）の
分布を得ることができる。105は結晶表面101から欠陥密
度が所定値以上となる深さまでの幅いわゆるDZ幅を示
す。このDZ幅の測定を、結晶の表面からの深さ方向へ
の散乱強度をもとに計測する方法、もしくは結晶表面
からの深さに対する単位体積中の欠陥密度を散乱像をも
とに画像処理して求める方法により行なった。
結晶の表面からの深さ方向への散乱強度をもとに計測
する方法では、Siウエーハ（試料１）表面の正確な位置
を知ることが必要なことから、第１図に示した精密位置
検出器10を用い、ウエーハ面の位置調整もしくは位置の
モニタをする。これはコンピュータ７が精密位置検出器
10からの位置情報を入力、その入力に基づいてパルスモ
ータコントローラ８によりＸ−Ｙ−Ｚパルスステージ９
を駆動することにより行なう。次に癖開面（顕微鏡３に
よる観察面）からレーザビームを入射する位置までは常
に一定とする必要があるため、顕微鏡３に設けられたオ
ートフォーカス機構により試料ステージ９のＺ方向（紙
面上下の方向）の位置調整をする。そして試料１を走査
させ、光散乱像を得る。
第３図（ａ）は、このようにして得た光散乱像であ
り、Siウエーハの結晶構造を示す写真である。この光散
乱像より、結晶の深さ方向への強度分布を第３図（ｂ）
のように求める。同図（ｂ）は同図（ａ）で求めた光散
乱像のLL´線上の強度分布をグラフに示したものであ
る。このような強度分布データに基づき、表面から散乱
強度が所定値にある所までの距離をもってDZ幅105とす
る。本実施例では、この所定値は散乱強度が結晶内部の
散乱強度の30％の値と定めているが、これに限らず外部
から適当な値を別途設定することも可能である。散乱強
度分布は測定場所で大きく異なることから数点で計測し
平均をとるものとする。
一方、散乱像をもとに画像処理をして欠陥密度分布を
求める方法では、光散乱像の中に第４図（ａ）のように
散乱強度の異なる種々の析出物が存在することから、こ
の像を第４図（ｂ）に示すように所定の散乱強度で二値
化像とし、それに第４図（ｃ）に示すように縮退処理
（例えば田村秀行著「コンピュータ画像処理入門」総研
出版P80参照）を施して、析出物（欠陥）を一つ一つ分
離する。所定の散乱強度（閾値）とは、TVカメラのノイ
ズを除去でき、かつ第４図（ｃ）で計測する欠陥密度が
最大となる値とするのが好ましい。
次に、第４図（ｃ）に示すように、DZ幅よりも十分に
狭い幅の欠陥密度カウント用のウインドを設定し、この
ウインドを移動させながら欠陥の個数をカウントし、ウ
エーハの表面から裏面までの欠陥密度の分布図（第２図
付番12のグラフ参照）を得る。DZ幅は表面から欠陥密度
が所定の値になる所までの距離をもって定義する。本実
施例では、この所定値は欠陥密度が結晶内部の欠陥密度
の30％となる値と定めているが、これに限らず外部から
適当な値を別途設定することも可能である。
なお、散乱体（欠陥）の種類が複数ある場合には、上
記閾値、もしくは散乱体の形状認識（例えば前掲「コン
ピュータ画像処理入門」のP85参照）をすることによっ
てこれらの種類を判別し、第２図のグラフ12に示すよう
に散乱体の種類別に密度分布およびDZ幅を計測すること
ができる。
次に、第５図の流れ図を参照して、第２図の付番12の
ような欠陥密度分布を得る手順を説明する。
先ずステップS1で測定試料１をＸ−Ｙ−Ｚパルスステ
ージ９上のホルダに載せる。次に、ステップS2で試料１
を観察位置まで移動し、レーザ光の入射面および顕微鏡
３による観察面を所定の位置に合わせる。そしてステッ
プS3でステージ９を駆動して試料１を走査させ光散乱像
を得る。この後、結晶の表面からの深さ方向への散乱強
度をもとに計測する方法を用いる場合にはステップS7に
進み、一方散乱像をもとに画像処理をして欠陥密度分布
を求める方法を用いる場合にはステップS4に進む。
ステップS4では得られた光散乱像に対し上述したよう
な二値化像処理を行ない、さらにステップS5で縮退処理
を行なって、ステップS6で欠陥密度分布およびDZ幅を得
る。
一方、ステップS7では散乱強度の一次元分布よりDZ幅
を計測する。
以上で測定終了となる。
［実施例の変形例］ 第６図に、上記実施例の欠陥評価方法の変形例である
欠陥密度分布の自動測定装置の要部構成図を示す。
同図の装置では、先ずレーザ光31を被検物体である試
料32に入射し、欠陥からの散乱光を対物レンズ33を介し
てラインセンサ34のような一次元もしくは二次元検出器
で受ける。試料32を矢印の方向に走査させるとライセン
サ34の各位置での電気出力は欠陥が通るとパルスが発生
する。そこで、この各位置での電気出力をデータバッフ
ァ35に蓄え、パルスカウンタ36により各点におけるパル
スをカウントする。これにより試料32の欠陥密度の分布
を知ることができる。
なお、観察対象被検物体としては、各種酸化物単結晶
および半導体単結晶、さらに光ファイバ等のガラス類
等、レーザ光の透過しうる物体であればよい。
［発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、ウエハ表面から
入射させたレーザ光により微小析出物から生じ、癖開面
を経て射出する散乱光を、ウエハ表面位置を基準とする
深さ方向の散乱位置に対応させて検出するようにしたた
め、ウエハ表面位置を基準とする密度分布やDZ幅を、ウ
エハ表面を破壊することなく、三次元的に観察して得る
ことができる。またその際、エッチングによる方法のよ
うに有毒な液体を用いたり、有毒ガスが発生することも
ないため、安全性も高い。さらに非破壊で測定可能であ
るから、半導体ウエハを繰返しアニールして欠陥の変化
を見る等の測定も可能である。
特に、Si結晶内の微小欠陥の計測ではデバイスプロセ
スの上から非常に重要であり、このような計測に際し
て、安全性の高い、非破壊および信頼性のある本発明は
大変有効である。なお、計測に際しては、被検物体のエ
ッチング等の前処理は不要であり、一視野の計測時間は
目視で数分のところを数秒で可能である。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の一実施例に係る光散乱法による欠陥
密度の自動測定装置のブロック図、 第２図は、Si結晶の欠陥像と表面からの深さ方向への欠
陥密度分布の模式図、 第３図（ａ）は光散乱法によるSi結晶内の光散乱像であ
る結晶構造を示す写真であり、同図（ｂ）は散乱強度分
布を示すグラフ、 第４図は、Si結晶内の欠陥像と表面からの深さ方向への
欠陥密度分布を得るための模式図、 第５図は、DZ幅および欠陥密度分布の測定の手順を示す
流れ図、 第６図は、結晶内の欠陥からの散乱光をライセンサで受
けてパルス化し欠陥密度分布を得る自動測定装置の要部
構成図である。 1:試料、2:レーザ光発生装置、3:顕微鏡、4:受光素子、
5:画像処理装置、6:CRT、7:コンピュータ、8:パルスモ
ータコントローラ、9:X−Ｙ−Ｚパルスステージ、10:精
密位置検出器。

Claims (14)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】表面にほぼ直角な劈開面を有する半導体ウ
    エハの表面位置を特定する工程と、 前記ウエハ表面または劈開面の一方から集束レーザ光を
    入射させる工程と、 前記レーザ光により前記ウエハ内の微小析出物から生
    じ、前記ウエハ表面または劈開面の他方を経て出る散乱
    光を、前記特定されるウエハ表面位置を基準とする深さ
    方向の散乱位置に対応させて検出する工程と、前記検出
    する工程を深さ方向に直交するウエハ内の所定の領域に
    ついて行う工程とを具備することを特徴とする欠陥分布
    測定方法。
  2. 【請求項２】前記所定領域についての散乱光の検出結果
    より前記ウエハ表面位置を基準とする深さ方向位置が明
    確な画像情報を得ることを特徴とする特許請求の範囲第
    １項記載の欠陥分布測定方法。
  3. 【請求項３】前記画像情報に基づいて前記微小析出物の
    密度を得ることを特徴とする特許請求の範囲第２項記載
    の欠陥分布測定方法。
  4. 【請求項４】前記画像情報に基づいて前記ウエハ表面位
    置を基準とする密度分布を得ることを特徴とする特許請
    求の範囲第２項記載の欠陥分布測定方法。
  5. 【請求項５】前記密度分布に基づいてDZ幅を求めること
    を特徴とする特許請求の範囲第４項記載の欠陥分布測定
    方法。
  6. 【請求項６】前記所定領域における散乱光の検出結果よ
    り前記ウエハ表面位置を基準とする深さ方向位置につい
    ての散乱光の強度分布を得ること特徴とする特許請求の
    範囲第１項記載の欠陥分布測定方法。
  7. 【請求項７】前記強度分布に基づいてDZ幅を求めること
    を特徴とする特許請求の範囲第６項記載の欠陥分布測定
    方法。
  8. 【請求項８】表面にほぼ直角な劈開面を有する半導体ウ
    エハの表面の位置を特定する手段と、 前記半導体ウエハ表面または劈開面の一方から集束レー
    ザ光を入射させる手段と、 前記入射レーザビームにより前記半導体ウエハ内の微小
    析出物から生じ、前記半導体ウエハ表面または劈開面の
    他方を経て出る散乱光を集束受光する手段と、 この集束受光した散乱光を光電変換して、前記ウエハ表
    面位置を基準とする深さ方向位置に対応した信号として
    検出する手段と、前記の検出を深さ方向に直交するウエ
    ハ内の所定の領域について行う手段とを具備することを
    特徴とする欠陥分布測定装置。
  9. 【請求項９】前記所定領域について得た信号に基づいて
    前記ウエハ表面位置を基準とする深さ方向位置が明確な
    画像情報を構成する手段を有することを特徴とする特許
    請求の範囲第８項記載の欠陥分布測定装置。
  10. 【請求項１０】前記画像情報に基づいて前記微小析出物
    の密度を得る手段を有することを特徴とする特許請求の
    範囲第９項記載の欠陥分布測定装置。
  11. 【請求項１１】前記画像情報に基づいて前記ウエハ表面
    位置を基準とする密度分布を得る手段を有することを特
    徴とする特許請求の範囲第９項記載の欠陥分布測定装
    置。
  12. 【請求項１２】前記密度分布に基づいてDZ幅を求めるこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第11項記載の欠陥分布測
    定装置。
  13. 【請求項１３】前記所定領域について得た信号に基づい
    て前記ウエハ表面位置を基準とする深さ方向位置につい
    ての散乱光の強度分布を得る手段を有すること特徴とす
    る特許請求の範囲第８項記載の欠陥分布測定装置。
  14. 【請求項１４】前記強度分布に基づいてDZ幅を求める手
    段を有することを特徴とする特許請求の範囲第13項記載
    の欠陥分布測定装置。
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