JP3381924B2 - 検査装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、物体表面上の付着異物検査および物体内部
の欠陥の計測に関して、特に、シリコン結晶表面上やア
モルファスシリコン薄膜表面の付着異物検出、及びシリ
コンウエハ内の酸素析出物などの結晶欠陥やアモルファ
スシリコン薄膜内部の異物測定のための検査装置に関す
る。

背景技術 LSI（大規模集積回路）の集積度が向上するととも
に、デバイスを構成するMOS（Metal Oxide Semiconduct
or）トランジスタの不良に起因した良品取得率と信頼性
の低下が大きな問題となってきている。MOSトランジス
タの不良の原因としては、ゲート酸化膜の絶縁破壊及び
接合のリーク電流過多が代表的なものである。後者は、
特にDRAM（記憶保持動作が必要な随時書き込み読み出し
型記憶装置）においてリフレッシュ不良と呼ばれる情報
の喪失という問題を引き起こす。これらMOSトランジス
タの不良は、デバイスが形成されるシリコン基板の表面
上に存在する異物はもとより、表面近傍領域に存在する
結晶欠陥にも起因している。シリコン基板の表面近傍領
域とは、具体的には基板表面から約0.5μｍの深さまで
の領域を指し、LSI等のデバイス製造工程にて、酸化さ
れて絶縁層（シリコン酸化膜）に変換され、又は基板表
面に金属薄膜を接合されて空乏層に変換される部分であ
る。この部分に存在する結晶欠陥は、シリコン酸化膜に
構造欠陥を形成してLSI動作時に絶縁破壊を起こし、ま
た、空乏層においてはリーク電流を多量に発生させる。
これとは対照的に、表面近傍領域より深い領域に存在す
る結晶欠陥、特に酸素析出物は、様々な製造工程でシリ
コン基板内に混入してくる金属イオンを捕獲し、基板の
表面近傍領域の金属汚染を防止する効果（ゲッタリング
効果）がある。

従って、LSI製造に用いるシリコン基板の品質管理の
ためには、基板表面の異物検出は勿論、表面近傍領域に
存在する結晶欠陥の選択的な検出も行える検査装置が必
要である。

また、薄膜トランジスター（例えば、アモルファスシ
リコン薄膜）からなる液晶表示装置の製造においても、
薄膜が形成される透明基板の表面上の異物や表面近傍領
域に存在する異物又は欠陥、薄膜形成プロセスにおいて
薄膜の内部に混入し又は表面に付着する異物の検出が、
製品の品質管理に不可欠である。

これに対し、特開昭63−12943号公報（或はこれに対
応する米国特許第4,893,932号）には、試料表面にＳ偏
光の光とＰ偏光の光とを照射し、試料表面の上側又は下
側に存在する異物又は欠陥の検出する装置が記載されて
いる。この装置は、試料表面上の異物と欠陥とで散乱さ
れる照射光の散乱強度分布が偏光方向により異なること
を利用して、試料表面の上側に存在する異物又は欠陥の
検出を行うものである。しかし、この装置発明を開示す
る上記明細書には、試料表面の下側（即ち屈折率が空気
よりも大きな媒質中）に存在する異物又は欠陥の検出に
ついては、なんら具体的な記載はなかった。

一方、特開平５−264468号公報には、被検物体表面に
おける光情報を比較的多く発生させる波長の第１の光と
被検物体内部表面における光情報を比較的多く発生させ
る波長の第２の光とを被検物体に照射し、照射光の被検
物体表面又は内部の欠陥による散乱で発生した散乱光の
像（散乱像）を第１の波長及び第２の波長について夫々
観測する装置が記載されている。この装置は、第１及び
第２の波長の各散乱像を比較して欠陥の存在位置が被検
物体の表面か内部かの識別を行い、又第２の波長の散乱
像から被検物体内部の欠陥位置の深さ情報を得るもので
ある。しかし、被検物体内部の欠陥の深さ分析は第２の
波長の光のみで行うため（内部欠陥のみの情報抽出のた
めに第１の波長の光の光情報を除去する）、その深さ分
解能は光学的結像性能で決まり、照射光の波長、即ち１
μｍ程度であっため、シリコン基板の表面近傍領域の欠
陥を選択的に検出することはできなかった。また上記公
報には、この第２の波長の光が被検物体内部において減
衰する問題についての記載はなかった。

特開平２−61540には、光透過性の平面状の被検査物
（薄膜、又は比較的薄い透明板等）の上側又は下側表面
に付着した異物の識別と、その大きさの判定を容易に行
える欠陥検査装置が記載されている。この装置は、被検
査物に対して異なる透過率を有する第１の光束と第２の
光束を照射し、それぞれの散乱光信号強度の大小関係に
基づいて、異物が入射面に付着しているかその反対面に
付着しているのかを判定するものである。しかし上記公
報には、被検査物の内部に存在する欠陥の深さ位置を求
めることはなんら記載されていない。

一方、試料の表面上の異物及び表面近傍領域の異物や
結晶欠陥の検出にさきがけて、計測装置の検出感度等の
校正を行うための標準試料が必要である。表面上の異物
検出のための標準試料としては、特開平５−340884号公
報に大きさと屈折率が既知の標準微粒子を基板表面上に
付着させたものが、特開平５−332913号公報に透明基板
上に粒子像を縮小転写したものが、夫々記載されてい
る。しかし、試料の表面近傍領域即ち表面から照射光の
波長より短い深さに存在する欠陥を検出するための標準
試料を記載した文献は、未だになかった。

発明の開示 上記各公報に記載の装置は、試料の表面上の異物と内
部の異物又は欠陥を識別して測定することについては配
慮されておらず、また試料内部の異物又は欠陥検出の深
さ方向の分解能が照射光のビーム径又は焦点深度（１μ
ｍ以上）程度であった。従って、LSI等のデバイスが形
成されるシリコン表面から0.5μｍ以内の領域の欠陥を
選択的に検出できないため、内部欠陥を有するシリコン
基板からデバイス不良を起こすものと起こさぬものを識
別することができず、LSI等のデバイス製造プロセスに
おける品質管理の障害となっていた。

本発明は、従来技術では不可能であった、表面上の異
物、表面近傍領域の内部欠陥、及びこれより深い領域の
内部欠陥とを夫々区別し、デバイス製造プロセスにおけ
る品質管理を向上させる基板材料等の試料の検査装置を
提供することを目的とする。

上記発明の目的を達成するために、試料表面に光を照
射し、表面上の異物と内部に存在する欠陥とを照射光の
散乱の差異を利用して区別し、内部欠陥の深さ位置を照
射光（散乱光）の波長に依存した試料内部での強度の減
衰を利用して照射光の波長以下の深さ分解能で計測す
る。具体的にはまず、少なくとも一つの光源を有する光
源部と、光源部から放射された光を集束して試料の表面
に照射する第１の光学系と、試料を載置する試料台と、
試料表面から放射される光を集光する第２の光学系と、
第２の光学系で集光された光を複数の光路に分割する手
段と、分割された光を夫々検出する複数の検出器と、各
検出器から検出された光信号を受けて信号強度比を演算
する演算手段とからなり、第１及び第２の光学系が夫々
の光軸の試料表面の法線に対する角度（以下、入射角）
が異なり且つ２つの光学系の光軸のなす角度が50゜から
120゜の間にあるように配置された装置を構成する。こ
の装置には、試料表面における光の照射位置を走査する
手段を設けることが望ましい。照射位置の走査手段とし
ては、試料台を移動するものと光ビームを移動するもの
のいずれでも良い。

試料表面上の異物と試料内部の欠陥を識別する方法で
は、照射光として第１の光学系の光軸（照射光光軸）と
第２の光学系の光軸（検出散乱光光軸）の成す仮想的な
平面（以下、観測面）に垂直な偏光成分と平行な偏光成
分の両方の成分を有するものを利用する。この場合、照
射光は円偏光でも無偏光でも直線偏光でも良い。試料表
面上の異物又は内部の欠陥からの散乱光は、第２の光学
系の後段に光路を分割する手段として設けられた偏光プ
リズムで、観測面に垂直な電気ベクトルを持つ偏光成分
（強度Iv）と平行な電気ベクトルをもつ成分（強度Ih）
に分離される。光路をハーフミラーで分割し、ハーフミ
ラーと検出器の間に偏光フィルタを入れて偏光成分を分
離してもよい。分離された各偏光成分の光強度をそれぞ
れ検出器で検出し、偏光方向が互いに90度異なる散乱光
の検出信号を粒子毎にコンピュータに入力し、その信号
強度比Iv/Ihを計算する。この強度比をIvの値からMie散
乱理論で求めた、例えば表面上の異物をポリスチレン換
算粒径が0.5μｍ以下の粒子として、Iv/Ih＞0.3ならば
表面異物とし、Iv/Ih＜0.3ならば内部欠陥とする。この
場合、散乱角度と散乱光の偏光方向別強度比Iv/Ihを予
め計算し、これと上記方法により測定されたデータとを
照合して試料の表面情報と内部情報とを区別するのが望
ましい。照射方向は、試料平面に略垂直でも斜入射でも
良い。

照射光として試料内部における減衰率の小さい（即
ち、試料を透過し易い）第１の波長の光と大きい（即
ち、試料に吸収され易い）第２の波長の光からなる光を
用いる。この照射光は、波長別に光源を設け各光源から
の光を第１の光学系の前段で合わせても、又は第１の波
長の光を発生させる光源とこの光の高調波光を生成する
手段を用いても良い。照射光を試料表面の走査は、上述
の表面上異物と内部欠陥を識別する場合と同様に行うと
よい。試料から発生した散乱光は、第２の光学系で集光
される。第２の光学系には、照射光の二波長について色
収差を低減した対物レンズを用いるのが望ましい。第２
の光学系で集光された散乱光は、照射波長別に分離して
波長毎にそれぞれの光検出器で検出される。波長毎の検
出信号より、これらの２つの信号強度比を、これを夫々
の照射光波長の試料の消衰係数から予め計算された深さ
と信号強度比との関係を照合し、試料内部の異物又は欠
陥の深さを導出するとよい。

上記の散乱光強度の測定方法として、ヘテロダイン検
出で測定する方法を用いても良い。この方法では、互い
にコヒーレントで周波数のわずかに異なる参照光と欠陥
からの散乱光とを干渉させた光を検出して得られるビー
ト信号の振幅を上記第１の波長と第２の波長の各々で求
め、散乱光強度はそのビート信号の振幅の二乗で求め
る。

上記照射光の第１の波長λ１と第２の波長λ２の夫々
の設定は、つぎの関係を満足する様に波長選択する。す
なわち、試料の内部欠陥測定対象領域を表面から深さＺ
以内の領域とすると、波長λ１とλ２における光の試料
への侵入深さを各々Γ１とΓ２とすれば、Γ１＞Γ２で
あって表面から深さΓ２の位置において波長λ１の照射
光の減衰が無視でき、さらにΓ２〜Ｚを満足するように
する。

さらに第２の波長を有する照射光が試料に吸収される
際に試料から発生する蛍光の影響を除去するために、フ
ィルタを第２の光学系又はその後段に設けると良い。ま
た第１の波長光と第２の波長光の照射を時間的にずらし
てもよい。このずらし方は、第１の光学系又はその前段
に設けられたチョッパにより波長の異なる２つの照射光
を交互に間欠的に照射しても、第14図に示すように試料
表面のある位置が走査に伴って第１の波長の光が欠陥に
時間的に先に照射され第２の波長の光が後に照射される
ように波長ごとに試料の照射位置を走査方向にわずかに
ずらしてもよい。

上述の試料内部の情報を照射光の波長以下の分解能で
表面近傍領域とこれより深い領域とを識別して得る方法
において、例えば第２の光学系の後段の光路分割手段を
複数個設け、検出光のうちの第１又は第２の少なくとも
一つの波長の光をさらに偏光成分別に検出することで、
上述の表面情報と内部情報との弁別を並行して行っても
良い。

上述の試料の表面上の異物及び内部の異物又は欠陥の
測定値から、これらの粒径を次のように求めても良い。
欠陥の散乱光強度は、その形状や複素屈折率（材質に固
有）および大きさに依存する。そこで、表面上の異物や
内部欠陥の形状を球とし、異物又は欠陥の材料を仮定し
てその複素屈折率の値を設定することで、散乱光の測定
強度値から異物又は欠陥の粒径を求める。この方法は空
気中ダストモニタや液中ダストモニタでのダストサイズ
を計測に既に採用されているが、内部欠陥の測定でも応
用が可能である。内部欠陥計測では、LSI製造用のシリ
コン基板の検査の場合、欠陥が球形で且つその材質がSi
O2であると仮定し、散乱光強度から大きさを算出すると
よい。また、必要に応じて初めからSiO2以外の複素屈折
率を用いて粒径を求めてもよい。例えば、Si中に空包が
存在すると仮定して、散乱体の屈折率を１として粒径を
求める。一方、表面上の異物についてはポリスチレン換
算で粒径を求めるとよい。

本発明の検査装置は、表面上の異物又は試料内部の異
物もしくは結晶欠陥による照射光の光散乱を利用するた
め、その標準試料として、上記公知例に記載されたもの
は適さない。基板表面に転写された粒子像やシリコン表
面上にポリスチレン粒子をシロキサンで固定した試料で
は、シリコン内部欠陥粒子とでは微粒子周囲の屈折率が
異なるので同一の大きさで比較しても光散乱断面積が異
なり、実際に得られる信号強度が異なるからである。

そこで内部欠陥を計測する装置に適した標準試料とし
て、母材と屈折率の異なる複数の粒状部分が表面から略
一定の深さに形成された領域を少なくとも一つ有する構
造の標準試料を、半導体製造技術を応用して作製する。
具体的には、観察する試料と同一材料（母材）で構成さ
れた基板上に、検出対象の同一の（母材と屈折率が異な
る）物質の複数の粒状部分からなる微小なパターンを形
成する。その上に、基板と同一材料の薄膜を形成し上記
パターンを内部に埋め込む。このようにして形成した微
小パターンを結晶欠陥の標準試料とする。パターンの埋
込深さを照射光の波長より小となるように、薄膜の形成
条件を制御するとよい。この標準試料を用いて、結晶欠
陥を測定する装置の検出感度と深さ分解能を校正した結
晶欠陥計測を行う。標準試料として、埋込深さの異なる
複数のパターンを持つものを作製しても良い。

さらに上述の検査装置を、以下のように半導体装置の
各製造工程において利用することができる。ウエハ受け
入れ時においては、表面上の異物の面内密度と内部欠陥
の濃度が要求基準値を達成するか否かを検査する。イオ
ン打ち込み後の不純物拡散熱処理工程後においては、半
導体装置を製造する一連の工程の途中もしくは完成状態
にて、ウエハ上のスクライブ領域の一部に半導体装置の
接合などの素子構造の一部分を形成し、上記計測装置に
よって半導体表面から0.5μｍ以内の領域における結晶
欠陥と表面異物とを区別しながら検査する。この段階に
て、表面近傍領域の欠陥の検査で、適当な処理（例えば
熱処理など）で消滅できるもの欠陥を識別し、基準外な
がら欠陥密度の低減処理が可能なウエハについて、これ
を一旦ラインから抜いて熱処理を行ない、再度検査を行
なって欠陥密度が基準値の範囲内におさまった場合に正
常品としてラインに戻してもよい。

次に本発明の検査装置の機能を、光学に関する知見に
基づき説明する。照射光の試料表面又は試料内部での散
乱については、M.ボルン、E.ウォルフ著、「光学の原
理」（東海大学出版、1975年）の記載を参照した。

本発明の検査装置は、以下の各機能に関する詳細な説
明の通り、試料の表面上に存在する異物と内部に存在す
る異物または結晶欠陥との夫々による光散乱の違い、す
なわち前者による側方散乱光と後者による後方散乱光と
で両者を識別して計測することに特徴を有する。従っ
て、試料に光を照射するための第１の光学系と試料から
の光を集光する第２の光学系の夫々の光軸が試料表面に
おいて交差する角度（以下、検出角度）の設定が重要と
なる。即ち、検出角度が小さ過ぎると表面上の異物につ
いても後方散乱光として測定するので、両者の識別が不
可能となる問題がある。また、夫々の光学系の光軸を試
料表面の法線に対して対称に配置すると照射光の試料表
面での反射によるバックグラウンド信号が高くなる問題
がある。これらの問題を鑑み、本発明においては第１の
光学系と第２の光学系とを、双方の光学系の光軸の夫々
の試料表面に対する入射角度が異なり（即ち、双方の光
軸が試料表面の法線に対して非対称でなり）、且つ双方
の入射角度の差（即ち、検出角度）が50゜から120゜の
間にあるという条件を満たすように配置する。

本発明の装置による表面上の異物と内部欠陥とを識別
する機能を、第１図及び第２図により説明する。夫々の
図の構成要素は、後述の実施例１の第15図に準ずる。第
１図は試料14の表面上の異物４からの散乱光を検出を、
第２図は試料14の内部の欠陥21からの散乱光を検出して
いる様子を夫々示す。ここでは、シリコンウエハを試料
として、光源１から放射される照射光２は円偏光のレー
ザ光として説明する。２つの図が示すように同一の照射
（第１）及び検出（第２）光学系３、５を用いても検出
される散乱光の散乱角度は、表面の異物の場合と内部欠
陥とでは異なる。即ち、内部欠陥からの散乱光は大気と
シリコンとの界面において屈折する分だけ、後方散乱角
度の領域へ検出角度がずれることになる。表面異物の場
合の角度範囲を（θ1s〜θ2s）とし、内部欠陥の場合の
角度範囲を（θ1i〜θ2i）を表すと、θ1sとθ1iとの関
係とθ2sとθ2iとの関係はそれぞれスネルの法則により
次の数式１で表される（ｎはシリコンウエハの屈折率、
ｘは１又は２）。

θxi＝180゜−arcsin［sin（180゜−θxs）/n］ …（数式１） 例えば、第１図のように第１及び第２の光学系３、５を
検出角度θｄが75゜になるように配置してして測定する
と、表面上の異物４による散乱光を散乱中心角度θｃは
105゜となり、殆ど側方散乱光を検出することになる。
第２図にて、第１図と同様に光学系を配置すると、シリ
コンの屈折率:n＝3.56（波長1064nmでの値）と大気中の
屈折率:n＝1.0より、シリコン内部の欠陥からの散乱角
度は164.5度となり、殆ど後方散乱光を検出することに
なる。従って、試料表面上の情報と試料内部の情報を検
出角度の設定により、側方散乱光と後方散乱光として抽
出し、散乱角度による光の偏光度の差異を利用して２種
類の情報を識別できる。波長に比べて十分に小さい粒子
からの散乱現象を記述するレーリー散乱によれば、微粒
子に無偏光の光を照射した場合は側方散乱光は観測面に
垂直な方向に偏光しており、後方散乱光ほ無偏光である
ことが知られている。

そこで、レーリー散乱の知見に基づき、照射光波長:
1,064μｍ、検出用レンズの開口数（N.A.値）:0.1とし
て、側方散乱をθc:105゜の計算条件で、後方散乱をθ
c:164.5゜の計算条件で夫々の場合について、Ｐ＝Iv/Ih
の値（Ｐ値）を微粒子の粒径と屈折率を変えて計算し、
第３図と第４図に等高線表示した。ここに注目すべき
は、表面上の異物の検出条件に対応する第３図は粒径0.
5μｍ以下の場合Ｐ＞0.3であることと、内部欠陥の検出
条件に対応する第４図は粒径及び屈折率にほとんど依存
せずに約１の値を有していることである（この計算範囲
内での最小値は1.01であり、最大値は1.57である）。さ
らに、照射光の波長に比べて欠陥の粒径が十分小さい場
合の相対的な微分散乱断面積の散乱角度依存性を第５図
に示す。実線は観測面に対して散乱光の電気ベクトルが
垂直な偏光成分を持つ散乱光の微分散乱断面積であり、
点線は観測面に対して電気ベクトルが平行な偏光成分を
持つ散乱光の微分散乱断面積である。第５図より観測面
に対して電気ベクトルが垂直な偏光成分をもつ散乱光の
強度Ivと平行な成分をもつ散乱光の強度Ihとの微分散乱
断面積の散乱角度依存性の差異に着眼して、その強度比
Iv/Ihから試料の表面上の異物による側方散乱光と内部
の欠陥による後方散乱光を弁別できる。この微分散乱断
面積を、試料表面の法線を中心とした散乱立体角につい
て積分することにより、検出される散乱光強度に比例し
た量が得られる。また、表面異物を照射光の波長の半分
程度と大きくした場合の微分散乱断面積の散乱角度依存
性を第６図に示す（照射光波長:1.064μｍ、表面上の異
物：粒径0.5μｍのポリスチレン粒子（屈折率1.59）で
換算）。実線、点線は夫々第５図に準ずる。このように
表面上の異物がポリスチレン換算粒径で0.5μｍ以内の
場合でも、Iv/Ihから試料表面上の異物と試料内部の欠
陥とを弁別できることが理論的に裏付れられた。

一方、内部欠陥21からの散乱光は、シリコン基板内部
から大気に出射する際に、その界面において第７図に示
すように観測面に垂直な成分が主として内部反射を起こ
し、その強度は約20％に減少する。第８図は、散乱光の
内部反射の反射率とシリコン内部の欠陥から界面への入
射角度θとの関係を、散乱光の偏光方向別に計算したも
のである。偏光方向が観測面に垂直な成分の反射率が入
射角度15.5度（表面から出射角度は75度、散乱角度では
164.5度に対応する）において約80％であるので、透過
して検出される光強度は約20％に減少する。一方観測面
に平行な成分の反射率はほぼ０％であるので、欠陥から
の散乱光強度はほとんど減衰することなく検出器に到達
する。したがって、基板内部に存在する欠陥からの散乱
光に関する偏光の強度比Ｐの実測値は第４図乃至第６図
から求まるＰ値の約20％であり、0.2＜Ｐ＜0.3となる。
そこで、検出した粒子について、粒径0.5μｍ以内の場
合についてのみ限定すると、Ｐ＜0.3の場合は内部欠陥
であり、Ｐ＞0.3の場合は表面異物となる。このＰ値
は、実際には装置固有の因子にも依存するので、装置の
設計に合わせて補正を行うことが望ましい。

上述の説明から明らかなように、本発明による試料の
表面上の異物と内部の欠陥との弁別には、第５図及び第
６図に示されるIv及びIhの散乱角度依存性と第８図に示
されるIv及びIhの試料内部から表面への入射角度依存性
とに基づき、第１の光学系と第２の光学系の配置を決め
ることが重要である。第５図及び第６図は、試料の表面
上の異物と内部の欠陥とを弁別できる条件を散乱角度θ
ｃをパラメータとして示すが、実際に検査装置を構成す
る場合は、第１の光学系と第２の光学系を、両者の光軸
が図示されるθｃの領域に対応した検出角度θｄ（θｄ
＝180゜−θｃと定義される）を満たすように配置する
ことが重要である。また、検出角度による試料内部から
の散乱光の内部反射条件、即ち第８図に示すIvとIhの入
射角度依存性を考慮することも重要である。これらの条
件を併せると、第１の光学系と第２の光学系を、両者の
光軸のなす検出角度θｄが少なくとも50゜から120゜の
間にあるように配置する必要がある。因みに、検出角度
の最適領域は、装置の構成にも依存するが略70゜から10
0゜の間にある。

以上は、光を試料表面の略法線方向から照射させる光
学系で説明したが、試料表面に対してを斜めから照射す
る光学系でも表面異物と内部欠陥とを識別する機能は、
概ね同じである。参考までに斜め照射の光学系につい
て、第９図及び第10図を用いて説明する。第１図及び第
２図と同様、試料14はシリコン基板、照射光２は円偏光
のレーザ光とする。この光学系では、第９図及び第10図
が示すように、試料表面上の異物４からの散乱光と試料
内部の欠陥21からの散乱光とでは検出立体角が異なる。
ここで照射光の進行方向を基準にして散乱角度θを定義
すると、第９図より結晶表面の異物については凡そ90度
よりやや後方への散乱光を、また第10図より結晶内部の
欠陥については屈折により凡そ180度に近い後方への散
乱光を、夫々検出することがわかる。以上より第５図を
参照して、観測面に垂直な電気ベクトルをもつ偏光成分
の散乱光強度（Iv）と観測面に平行な電気ベクトルをも
つ偏光成分の散乱光強度（Ih）を比較すると、結晶表面
上の異物からの散乱光ではIh＜Ivであり、結晶内部の欠
陥からの散乱光ではIhとIvはほぼ等しくなることがわか
る。さらに波長1.064μｍの照射光を入射角75度でシリ
コン結晶（屈折率3.56）に照射した場合、観測面に垂直
な電気ベクトルを持つ偏光成分は約77％が反射されるの
に対して、観測面に平行な偏光成分は0.2％しか反射さ
れないということを考慮すると結晶内部の欠陥からの散
乱光についてIh＞Ivになる。波長1.064μｍの円偏光の
照射光を入射角75度でシリコン結晶（屈折率3.56）に照
射し、結晶表面の法線方向の散乱光を開口数が0.4のレ
ンズで集光する第９図及び第10図の光学系において、結
晶表面上の異物からは散乱角度が約81゜（θ１）から約
129゜（θ２）までの散乱光を、結晶内部の欠陥からは
散乱角度が約158゜（θ1'）から約171゜（θ2'）までの
散乱光を、夫々検出することができる。この例では検出
角度を75゜に設定したが、その他の検出角度や反射率の
異なる試料においても、同様の散乱角度差が生じる。従
って、第５図及び第６図に示されるIvとIhとの散乱角度
依存性の差と第８図に示されるIvとIhとの結晶界面での
内部反射の差とを鑑みて、第１図及び第２図の光学系の
場合と同様に検出角度を設定することで、表面上の異物
と内部欠陥とを弁別できる。

以上の説明では、照射光を円偏光のレーザ光とした
が、観測面に対して垂直な偏光成分と平行な偏光成分を
持つ光であり且つそれぞれの偏光成分の強度比が分かっ
ていれば円偏光以外でもよく、測定されたIhとIvをその
強度比によって補正することにより円偏光照射時と同様
に解析できる。

さらに液晶表示装置に用いるアモルファスシリコン薄
膜の表面上と内部の異物を区別する計測に関しても、屈
折率が3.59（波長1064nmでの値）と大きく結晶シリコン
の場合と同様に本発明による弁別法を適用することがで
きる。

次に本発明の検査装置における試料の表面近傍の欠陥
の深さ位置を波長以下の分解能で測定する原理を第11
図、第12図及び第13図を用いて説明する。試料物質の波
長λにおける屈折率をｎ、消衰率をｋとすれば、入射光
の振幅が表面の値の1/eになる侵入深さΓは Γ＝λ/2πｋ …（数式２） で与えられる。したがって、空気中より入射角θで物質
に入射した光強度は表面からの深さＺのところではexp
（（−2Z/Γ）cos（arcsin（sinθ/n）））だけ表面よ
り減衰することになる。したがって空気中より試料表面
に光が入射角θで入射し、その照射光が試料内部の欠陥
により試料表面方向へ散乱された光をある立体角で検出
する場合を考える。その検出立体角についての欠陥の積
分散乱断面積をσ、入射光強度をＩとしたとき、物質表
面より深さＺの位置にある欠陥からの散乱光強度Ｓは以
下のように表わすことができる。

Ｓ＝Ｉσ exp［−（2Z/Γ）（１＋1/｛cos（arcsin（sinθ/n））｝）］ …（数式３） 今、試料の波長λ１、λ２に対する屈折率をそれぞれ
n1、n2、侵入深さをそれぞれΓ１、Γ２、入射光強度を
それぞれI1、I2、測定される散乱光強度をそれぞれS1、
S2、積分散乱断面積をそれぞれσ１、σ２、とすると以
下の式が成り立つ。

S1＝I1σ1exp［−（2Z/Γ１）（１＋1/｛cos（arcsin（sinθ/n1））｝）］ …（数式４） S2＝I2σ2exp［−（2Z/Γ２）（１＋1/｛cos（arcsin（sinθ/n2））｝）］ …（数式５） 以上により、欠陥の深さ位置Ｚは次のように与えられ
る。

Ｚ＝C1 1n［C2（S1/S2）（σ2/σ１）］…（数式６） 但しC1とC2は装置定数と試料の光学定数からなり、以下
の式で定義される。

C1＝1/［（2/Γ２）（１＋1/｛cos（arcsin（sinθ/n2））｝） −（2/Γ１）（１＋1/｛cos（arcsin（sinθ/n1））｝）］ …（数式７） C2＝I2/I1 …（数式８） 本発明において欠陥の深さ位置を求めるためには先に
欠陥の大きさを求める必要がある。数式４において試料
を透過する波長λ１の光、すなわちΓ１が無限に大きい
波長λ１の光を用いると入射光強度I1および散乱光強度
S1は結晶内部で減衰しないため、ある検出立体角での積
分散乱断面積σ１は以下の様に表わすことができる。

σ１＝S1/I1 …（数式９） また、この場合は、Γ１を無限大と置けばC1は次の様に
近似される。

C1＝1/［（2/Γ２）（１＋1/｛cos（arcsin（sinθ/n2））｝）］…（数式10） この場合、波長Λ１を透過する光としたが、Γ１＞Γ
２が成立し、深さΓ２において波長１の減衰が無視でき
る場合としても同様に、数式９と数式10が計測範囲で成
立する。例えば、波長の異なる光の侵入深さΓ１、Γ２
が10倍以上異なる場合である。積分散乱断面積σ１がわ
かれば欠陥の屈折率を仮定すればMie散乱理論式により
粒径を求めることができる。本発明においては、前記し
たようにSiO2粒子の屈折率1.45を仮定する。粒径がわか
れば試料に吸収される波長λ２の光によるある検出立体
角での積分散乱断面積σ２もわかるので、積分散乱断面
積の比σ1/σ２が決定できる。これを数式６に代入すれ
ば深さ位置Ｚを得ることができる。以上の具体的なデー
タ解析の流れは、第21図に示した。この図の直接検出モ
ードが上記解析に対応し、第一の透過する波長が1064nm
であり、第２の吸収される波長が532nmである。深さ位
置の測定精度を解析の手順をもとに以下に述べる。波長
532nmにおけるシリコンの屈折率ｎ＝4.15,消衰率ｋ＝0.
044と波長1064nmnにおけるシリコンの屈折率ｎ＝3.56,
消衰率ｋ＝0.0022を用いて、各波長の照射光強度の減衰
率とシリコン中の深さ位置との関係を示したのが第11図
である。この図には波長488nmの光も示した。この波長
でのシリコンの屈折率はｎ＝4.367、消衰率はｋ＝0.079
である。

第12図に第11図から得られた波長532nmの散乱光強度S
2と波長1064nmの散乱光強度S1との比S2/S1を示す。ここ
では表面上における比を１としている。波長488nmの散
乱光強度S3と波長1064nmの散乱光強度S1との比S3/S1も
合わせて示してある。シリコンに対して波長1064nmのレ
ーザ光と波長532nmのレーザ光を同じ位置を走査して照
射した場合に得られる散乱光強度の信号波形の一例が第
13図である。これよりS2/S1を求め、第12図の関係を用
いてS2/S1から深さ位置を求めることができる。

ここで、本発明の検査装置における検査方法に対し
て、シリコンへの不純物拡散による吸収係数の変化が与
える影響を考察する。ドープ量が単位立方センチメート
ル当り10の15乗個のオーダーであるシリコン基板の場合
は、ドープによる吸収係数の変化は無視できる。しか
し、素子形成領域ではドープ量が単位立方センチメート
ル当り10の20乗個を越える場合があり、この領域におい
て波長633nmにおける消衰係数は、エリプソメータで測
定した結果、0.055（ドープ無しの場合は0.022）に増大
していることが分かった。しかし、素子形成領域の拡散
層は0.1μｍ程度であるので、消衰係数0.055の厚さ0.1
μｍにおける吸収率は約10％であり、本計測法に対する
影響は無視できるほど小さい。したがって、素子領域に
おいても本計測方法が使用可能である。

アモルファスシリコンの場合は、屈折率の値はｎ＝4.
4（波長532nm）とｎ＝3.59（波長1064nm）であり、消衰
率の値はｋ＝0.85（波長532nm）とｋ＝0.048（波長1064
nm）である。したがって、アモルファスシリコンへの侵
入深さは3.5μｍ（波長1064nm）、0.1μｍ（波長532n
m）となる。液晶表示装置に利用される薄膜トランジス
ターのアモルファスシリコン層の厚さは、0.3μｍ以下
であるので、波長1064nmの光の減衰はこの厚さ以内では
無視できる。したがって、結晶シリコンの場合と同様に
波長1064nmの散乱光強度によって粒径を決定し、上記し
たように波長1064nmと吸収される波長たとえば532nmと
の散乱光強度比から数式６をもちいて深さ位置を決定す
ることができる。

なお、試料の表面近傍の異物又は欠陥の深さ位置を波
長以下の分解能で測定する方法においても、試料中の異
物又は欠陥による後方散乱光を測定するため、これらの
後方散乱光を試料の表面上の異物による散乱光から弁別
できる条件を満たすことが必要である。従って、実際に
検査装置を構成する場合は、第１の光学系と第２の光学
系を、両者の光軸が第５図及び第６図に図示されるθｃ
の領域に対応した検出角度θｄを満たすように配置する
ことが重要である。具体的には、２つの光学系のなす角
度は、上述の試料の表面情報と内部情報を弁別する場合
と同様に、少なくとも50゜から120゜の間である必要が
ある（検出角度の最適領域は略70゜から100゜の間とな
る）。

上述の試料表面上の異物測定及び試料内部の異物又は
欠陥の測定値から異物又は欠陥の大きさを、Mie散乱理
論（Ann.Phys.第25巻（1908）第377頁〜第445頁）に基
づき、微粒子による光散乱光強度と微粒子の形状、材質
（屈折率と吸収係数）及び大きさの関係から算出でき
る。したがって、大きさを正確に求めるには欠陥の形状
と材質の情報が必要である。しかし、検査すべき試料の
表面上又は内部に存在するサブミクロンメートルサイズ
の異物又は欠陥の形状と材質を、光学的な計測で測定す
ることは困難であり、また別の手段で事前に形状と材質
を測定しておくことも測定すべき欠陥の数が多い点で現
実的ではない。そこで本発明では、表面上の異物の粒径
評価は従来の面板欠陥測定装置と同様にポリスチレン粒
子換算で異物の粒径を求める。さらに測定試料がシリコ
ンウエハの場合、内部欠陥は球形であり材質がSiO2であ
ると仮定し、散乱光強度から大きさを算出するのが妥当
である。LSI製造に用いられている殆どのシリコン結晶
基板は、CZ法とよばれる結晶引き上げ法で作られ、この
結晶には過飽和状態の酸素を含有しているため、LSIを
製造する際の各種熱処理により基板内部にSiO2粒子が析
出し内部欠陥を形成するからである。また、SiO2粒子の
粒径は殆ど0.2μｍ以下であるということが知られてお
り、本発明における照射光の波長1.064μｍよりも十分
小さい。このような場合には、散乱光強度は微粒子の体
積と屈折率に依存し、その形状にはよらない。そのため
屈折率を仮定し（材質を仮定）、散乱光強度が等しくな
る球の体積を求め、その半径もしくは直径（粒径）を求
めるようにすることができる。必要に応じて体積を求め
てもよい。以上が、本発明において欠陥の材質としてSi
O2を、形状として球を仮定する理由である。なお、この
ようにして定量化しておけば、事前もしくは事後に何ら
かの方法により材質が判明した場合に、その屈折率と吸
収係数を用いて実際の大きさを求めることができる。ま
た、必要に応じて初めからSiO2以外の屈折率を用いて大
きさを求めることも有効である。

本発明の検査装置に用いる標準試料は、欠陥に相当す
る微小パターン、およびその周辺の基板と薄膜が、いず
れも測定試料と同一の材料で表面近傍領域に構成され
る。そのため、標準試料である微小パターンのサイズと
微小欠陥のサイズとが同じであれば、散乱光強度も同じ
になる。さらに、高度に進歩した半導体製造技術を使用
しているので、微小欠陥のサイズと埋め込み深さの均一
性および制御性に優れている。

図面の簡単な説明 第１図は、本発明による試料表面上の異物からの散乱
光検出の説明図である。

第２図は、本発明による試料内部の欠陥からの散乱光
検出の説明図である。

第３図は、微粒子による側方散乱におけるＰ値の微粒
子の粒径及び屈折率に対する依存性を示した図である。

第４図は、微粒子による後方散乱におけるＰ値の微粒
子の粒径及び屈折率に対する依存性を示した図である。

第５図は、照射光の波長に比べて散乱体が十分に小さ
いときの微分散乱断面積の散乱角度依存性を示した図で
ある。

第６図は、照射光の波長を1.064μｍ、散乱体を空気
中の粒径0.5μｍのポリスチレン粒子としたときの微分
散乱断面積の散乱角度依存性を示した図である。

第７図は、試料内部での散乱光の内部反射の説明図で
ある。

第８図は、シリコン内部の欠陥による散乱光の内部反
射の反射率の入射角度依存性を示した図である。

第９図は、光を試料に対して斜め方向から照射したと
きの試料表面上の異物からの散乱光の検出立体角を示し
た図である。

第10図は、光を試料に対して斜め方向から照射したと
きの試料内部の欠陥からの散乱光の検出立体角を示した
図である。

第11図は、波長別の照射光強度の減衰率のシリコン深
さ位置依存性を示した図である。

第12図は、波長の異なる散乱光の強度比のシリコン深
さ位置による変化を示した図である。

第13図は、波長の異なる散乱図による試料内部の欠陥
の測定例を示した図である。

第14図は、本発明の２つの波長の光の照射位置を走査
方向に僅かにずらした例を示した図である。

第15図は、本発明の本発明の実施例１の概略構成図で
ある。

第16図は、本発明の実施例２の概略構成図である。

第17図は、本発明の実施例２による結晶表面異物と結
晶内部欠陥とを弁別して計測した結果を示した図であ
る。

第18図は、本発明の実施例３の概略構成図である。

第19図は、本発明の実施例４の概略構成図である。

第20図は、本発明の実施例５の概略構成図である。

第21図は、本発明の実施例５での測定データの解析方
法を示した流れ図である。

第22図は、本発明の実施例６の標準試料の作製プロセ
スの一例を示す図である。

第23図は、本発明の実施例６の標準試料の作製プロセ
スの他の例を示す図である。

第24図は、本発明の実施例７のシリコンウエハの品質
管理の流れ図である。

第25図は、本発明の実施例７のシリコンウエハ受入れ
検査の流れ図である。

第26図は、本発明の実施例７のシリコンウエハの不純
物拡散熱処理後の検査の流れ図である。

第27図は、LSIの形成されたシリコンウエハを示した
図である。

第28図は、従来のシリコンウエハのスクライブ領域の
断面構造を示した図である。

第29図は、本発明の実施例８のシリコンウエハのスク
ライブ領域の断面構造を示した図である。

発明を実施するための最良の形態 以下、実施例により本発明をより詳細に説明する。

＜実施例１＞ シリコンウエハの異物欠陥計測に適用する装置の構成
を示す第15図を用いて説明する。YAGレーザ光源１より
発せられた波長1.064μｍの直線偏光しているレーザ光
２を、1/4波長板11によって円偏光にし、レンズ３を用
いて集光し、目的の固体試料であるシリコンウエハ14に
垂直方向から照射する。シリコンウエハ表面上の異物４
あるいは内部の欠陥（図示せず）からの散乱光を照射方
向と75度の角度を成すように設置したレンズ５で集め
て、偏光プリズム６で偏光成分を分離して検出する。こ
の場合の偏光成分は、観測面に垂直な電気ベクトルを持
つ偏光成分の強度（Iv）と平行なものをもつ成分の強度
（Ih）である。分離したそれぞれの偏光成分をレンズ
７、８で集光して光検出器９、10で検出する。検出した
信号をアンプ12で増幅しA/D変換器13を用いて数値化
し、コンピュータに取り込む。以上の測定を試料に走査
しながら行う。この走査は、ウエハ固定具15でウエハを
走査ステージ16に固定し、走査ステージを水平方向に移
動する事によって行う。ウエハ固定具は、真空チャック
（図示せず）により、ウエハの反りを矯正する機能を有
している。そのウエハに接する部分は、ウエハ汚染を防
ぐために高純度の石英で構成されている。上記走査ステ
ージはドライバ17を通してコンピュータ18によって制御
される。二種類の信号IvとIhと共に走査による移動量が
同時にコンピュータに取り込まれる。コンピュータは、
検出した各粒子についてIvよりポリスチレン換算粒径を
Mie散乱理論により計算する。求めた粒径が0.5μｍ以下
の粒子について、Ｐ＝Iv/Ihを計算し、Ｐ＞0.3ならば表
面異物、Ｐ＜0.3ならば内部欠陥と分類する。ここで、
内部欠陥と分類した粒子について今度はSiO2換算粒径を
求める。以上により、次の３種類のデータをモニタ19に
表示し、プリンタ20に出力する。すなわち、表面上異物
の面内分布とそのポリスチレン換算粒径分布、内部欠陥
の面内分布とそのSiO2換算粒径、ポリスチレン換算粒径
0.5μｍ以上の表面異物か内部欠陥か判断不可能な粒子
の面内分布とそのポリスチレン換算粒径分布である。な
お、必要に応じてこれらの情報の一部のみを求め又は表
示してもよいことは言うまでもない。

本実施例では、表面異物と内部欠陥との判定基準をＰ
＝0.3としたが、この値は装置仕様にも依存するので、
実験をもとに補正するのが現実的である。実験方法とし
ては、例えば試料表面上に粒径0.2μｍのポリスチレン
粒子を付着させた標準試料を用い、この検出信号のIv/I
h値を求め、この値を判定基準値とすれば良い。

以上の実施例において、測定試料や照射波長を変えた
場合は、屈折率や照射波長について第３図や第４図と同
様な計算を行い、表面異物と内部欠陥とを区別できる粒
径範囲を決定して、本実施例と同様にその粒径範囲内で
Ｐの値によって表面異物と内部欠陥とを区別することが
できる。我々の実験結果によれば、照射波長532nmの場
合、シリコンウエハ表面上の粒径0.2μｍポリスチレン
粒子については、Iv/Ih＝3.1、内部欠陥についてはIv/I
h＝0.1〜1.0の値が得られている。従って、この場合判
定基準値をIv/Ih＝2.0〜3.0に設定する。本実施例では
照射光を円偏光としたが、無偏光でも良い。また第15図
では照射方向が試料表面に対し略垂直であるが、斜入射
でもよい。この場合、重要なことな照射方向と検出方向
との成す角度が可能な限り90度に近いことである。

本実施例によれば、ある一定粒径以下の範囲で試料の
表面上の異物と内部欠陥とを区別し、さらに夫々の妥当
な粒径分布を導出できる効果がある。従って、シリコン
ウエハ等の結晶内部の欠陥の深さ位置を照射波長以下の
分解能で正確に測定することが可能となる。上記実施例
は、液晶表示装置に利用される透明基板上のアモルファ
スシリコン薄膜にも適用できる。

＜実施例２＞ 第16図の構成図を用いて、本実施例を説明する。波長
1.064μｍの直線偏光したYAGレーザ光22を1/4波長板24
によって円偏光にし、ミラー25を経てレンズ26にて絞り
込んだ後、CZ型シリコンウエハ27に入射角約75゜で照射
する。このウエハ27中に含まれる酸素析出物（SiO2粒
子）が欠陥として検出される。欠陥からの散乱光31をNA
が0.4のレンズ28を用いて集光し、フィルタ29によって
蛍光を除去する。これを偏光ビームスプリッタ30によっ
て散乱光31を照射光軸と散乱光を検出する光軸の成す平
面（以下、観測面）に対して散乱光の電気ベクトルが垂
直な成分の散乱光と平行な成分の散乱光とに分離する。
分離したそれぞれの偏光成分をレンズ32、33を通過させ
光検出器34、35を用いて観測面に対して散乱光の電気ベ
クトルが垂直な散乱光強度Ivと平行な散乱光強度Ihをそ
れぞれ検出する。検出した信号をアンプ36、37で増幅し
AD変換器38、39を用いて数値化する。コンピュータ40よ
りドライバ41を用いてXYステージ42をXY方向に走査しな
がら、順次数値化された散乱光強度Iv、Ihをコンピュー
タ40に取り込む。検出した各粒子についてコンピュータ
40を用いてIvよりポリスチレン換算粒径をMie散乱理論
により計算する。求めた粒径が0.5μｍ以下の粒子につ
いて、IvとIhの値を比較しながら表面の異物か内部の欠
陥かを弁別する。表面の異物と判定されたものについて
はポリスチレン換算で、内部の欠陥と判定されたものに
ついてはSiO2換算で、体積あるいは粒径をディスプレイ
43およびプリンタ44に出力する。図17に本発明によって
結晶表面異物と結晶内部欠陥とを弁別して計測した例を
示す。白丸45は結晶内部の欠陥であり、SiO2に粒径を換
算して表示してある。黒丸46は結晶表面上の異物であ
り、ポリスチレン粒子に粒径を換算して表示してある。
ここではIh/Iv＜１のものを表面異物としIh/Iv＞１のも
のを結晶内部の欠陥とした。なお測定系の感度について
は予めシリコンウエハー表面上に付着させた粒径既知の
ポリスチレン標準粒子の測定等によって決定しておく。
測定中ウエハー表面の高さは、ドライバ47を用いてピエ
ゾ素子48を制御することにより一定に保つようにする。
以上の手段において散乱光の偏光成分を分離するのに偏
光ビームスプリッタ30を用いる代わりに、ハーフミラー
とグラントムソンプリズムあるいはトムソンプリズムを
用いて偏光成分を分離してもよい。また本実施例の構成
において、入射角を75゜以外の角度にしてもよい。その
際、結晶欠陥からの散乱光については後方散乱光を検出
し、表面異物からの散乱光については90゜方向への散乱
光を検出するような光学系の配置が望ましい。

本実施例においても、実施例１と同様な効果が得られ
る。

＜実施例３＞ 第18図の構成図を用いて、本実施例を説明する。試料
57はシリコンウエハであり、波長1064nmのYAGレーザ光
源49および波長532nmのYAGレーザの第２次高調光（SH
G）光源50を1/2波長板51、52によって被測定面板表面に
対する偏光方向を調整する。これらをハーフミラー53を
用いて合流させ光軸調整のためのスリット54を通した
後、ミラー55を経てレンズ56にて絞り込んだ後、シリコ
ンウエハ57に照射する。この場合、図14に示したよう
に、波長532nmの光より波長1064nmの光の方が走査に伴
なって先に欠陥に照射される様に照射する。走査に伴な
う散乱光の検出により、試料ウエハ中に含まれる酸素析
出物（SiO2粒子）が光の散乱体として検出される。光散
乱体である欠陥からの散乱光58をレンズ59を用いて集光
し、ハーフミラー60にて分岐し、フィルタ61、62によっ
て波長1064nmおよび532nmの光のみを選択する。散乱光5
8をレンズ63、64にてそれぞれ集光し、光検出器65、66
にて検出しアンプ67、68によって増幅する。コンピュー
タ69よりドライバ70を用いてXYステージ71をXY方向に走
査しながら、順次二種類の散乱光強度S1（波長1064nm）
とS2（波長532nm）とをコンピュータ69に取り込む。各
欠陥の二種類のデータのうち波長1064nmの方の散乱光強
度S1とSiO2の波長1064nmにおける屈折率1.45と媒体であ
るシリコン（Si）の屈折率3.56（波長1064nmでの値）と
を用いて、Mie散乱理論式によって欠陥のSiO2換算粒径
ｄを求める。予め散乱理論によって算出しておいた散乱
断面積σと粒径ｄとの対応表によって、波長532nmおよ
び1064nmにおける上記粒径ｄのSiO2の散乱断面積の比σ
（532）／σ（1064）を求める。一方、数式５におけるC
1とC2の装置定数はあらかじめシリコンウエハー表面上
に付着させた粒径既知のポリスチレン標準粒子の測定等
によって決定しておく。このσ（1064）、σ（532）、
σ（532）／σ（1064）と二種類の散乱光強度Ｓ（106
4）とＳ（532）によって、数５を用いて深さ位置を決定
する。以上の様にして各欠陥について大きさと深さ位置
を導出し、その結果をディスプレイ72およびプリンタ73
に出力する。測定中ウエハー表面の高さは、ピエゾ素子
74を利用したサーボ機構75によって変動を２μｍ以内に
制御する。以上の手段において入射光を絞るためにレン
ズ56としてシリンドリカルレンズを用いて扁平なビーム
断面形状で照射し、その偏平な照射領域からの散乱光を
検出する光検出器としてアレイ検出器を用い、偏平な照
射領域からの散乱光をアレイ素子ごとに並列に欠陥を検
出してデータを取り込んでもよい。この場合は、ウエハ
ーの計測時間を短縮することができる。以上の手段にお
いて照射用の集光レンズは波長1064nmと波長532nmにお
いて色収差が少ないことが望ましい。また以上の手段に
おいてハーフミラー53を用いてレーザ光を合流させた後
同一のレンズ56を用いてウエハ57に入射する代わりに、
それぞれのレーザ光を合流させず別々のレンズを用いて
照射してもよい。また以上の手段においてアンプ67、68
を用いて信号を増幅し、コンピュータ69にデータをとり
こみ数式５を用いて深さ位置Ｚを求める代わりに、対数
アンプを用いて信号を増幅し、差動アンプを用いて２つ
の信号の差をとりその結果をコンピュータに取り込み深
さ位置Ｚを求めてもよい。なぜならば、数式５を対数の
公式を用いて変形すると次式の関係になるからである。

Ｚ＝C1（1n（S1）−1n（S2）＋1n（C2σ2/σ１）） …（数式11） このとき片方の信号の対数アンプを用いて増幅しその結
果をコンピュータにとりこみ、対数アンプを用いなかっ
た方の信号のみコンピュータを用いて対数を取りそれら
の値の差から深さ位置Ｚを求めてもよい。

散乱光を集光する対物レンズとしては、その焦点深度
が波長λ２の入射光の結晶への侵入深さより十分長いも
のが望ましい。理由を以下に述べる。波長λ１の光の焦
点深度内にはあるが波長λ２の光の焦点深度外にある欠
陥からの散乱光を検出したとする。このとき対物レンズ
の焦点深度が波長λ２の光の侵入深さより短いかあるい
は同程度であったとすると、測定される散乱光S2は欠陥
が焦点深度内にあった場合に比べて小さくなってしま
う。するとS1/S2が大きくなり数式５より深さ位置Ｚが
実際より深い値として算出されてしまう。このようなこ
とを避けるために検出用の対物レンズは焦点深度はΓ２
より長くなければならない。

本実施例によれば、試料の内部に存在する異物や欠陥
の表面からの深さを照射波長以下の分解能で正確に測定
でき、さらに夫々の妥当な粒径分布を導出できる効果が
ある。また、本実施例ではシリコンウエハの欠陥計測に
ついて述べたが、作用にも述べた様に液晶表示板に利用
される薄膜トランジスタのアモルファスシリコン層の異
物計測にも利用することができる。

＜実施例４＞ 第19図の構成図を用いて、本実施例を説明する。波長
1064nmのYAGレーザ光源76および波長532nmのYAGレーザ
光の第２次高調光（SHG）光源77および波長488nmのアル
ゴンレーザ光源78をそれぞれ1/2波長板79、80、81によ
って被測定結晶表面に対する偏光方向を調整する。これ
らをハーフミラー82を用いて合流させ光軸調整のための
スリット84を通した後、ミラー83を経てレンズ85にて絞
り込みCZシリコンウエハ90に照射する。

このウエハ中に含まれる酸素析出物（SiO2粒子）が欠陥
として検出される。欠陥からの散乱光87をレンズ89を用
いて集光し、ハーフミラー90にて分岐して、フィルタ9
1、92、93によって波長1064nm、波長532nmおよび波長48
8nmの光のみを選択する。このフィルタ91、92、93によ
って蛍光を除去した後、散乱光87をレンズ94、95、96に
てそれぞれ集光し、光検出器97、98、99にて検出しアン
プ100、101、102によって増幅する。コンピュータ103よ
りドライバ104を用いてXYステージ105をXY方向に走査し
ながら、順次三種類の散乱光強度S1（波長1064nm）とS2
（波長532nm）とS3（波長488nm）をコンピュータ103に
取り込む。各欠陥の三種類のデータうち、波長1064nmの
方の散乱光強度S1とSiO2の波長1064nmにおける屈折率1.
45とを用いて、Mie散乱理論式によって欠陥の大きさを
求める。あらかじめ散乱理論によって算出しておいた散
乱断面積σと粒径ｄとの対応表によって、波長532nmお
よび1064nmにおける上記粒径ｄのSiO2のσ2/σ１を求め
る。同様の手順により、波長488nmにおける散乱断面積
σ３を求め、各欠陥についてσ3/σ１を求める。実施例
３と同様にして装置定数C1、C2を決定しておき、このC1
とC2と三種類の散乱光強度S1とS2とS3と数５と、σ2/σ
１およびσ3/σ１を用いて深さ位置を決定する。この場
合は実施例１および３のようにS2/S1のみで深さを求め
る場合よりも、深さ3.5μｍより浅い領域において深さ
分解能が向上する。以上の様にして各欠陥について大き
さと深さ位置を導出し、その結果をディスプレイ106お
よびプリンタ107に出力する。測定中ウエハー表面の高
さは、ピエゾ素子108を利用したサーボ機構109によって
２μｍ以内に制御する。以上の手段において入射光を絞
るためにレンズを用いる代わりにシリンドリカルレンズ
を用い、散乱光を検出するための光検出器の代わりにア
レイ検出器を用いてもよい。また以上の手段においてハ
ーフミラー82を用いてレーザ光を合流させた後同一のレ
ンズ85を用いてウエハ86に入射する代わりに、それぞれ
のレーザ光を合流させず別々のレンズを用いて試料に照
射してもよい。本実施例における第３の波長として、48
8nmの代わりにさらに短波長の例えば458nmのアルゴンイ
オンレーザを用いても良い。

本実施例によっても、実施例３と同様の効果が得られ
る。

＜実施例５＞ 第20図の構成図を用いて、本実施例を説明する。波長
1064nmのYAGレーザ光源200および波長532nmのYAGレーザ
光の第２次高調光（SHG）光源201を1/2波長板202、203
によって被測定結晶（試料ウエハ）204表面に対する偏
光方向を調整する。各々のレーザ光をハーフミラー205
によって分岐し、ミラー206等を用いて各々分岐した一
方のレーザ光を合流させ、レンズ211により絞って試料
ウエハ204表面に入射する。ハーフミラー205で分岐した
他方の各々の光を、AO変調器（変調周波数:20MHz）20
7、208、及び開口209を通して参照光とする。試料から
の散乱光を対物レンズを用いて集光する。対物レンズ21
0で集光した欠陥からの散乱光と参照光とをハーフプリ
ズム212と波長選別用フィルタ312、214とレンズ215を透
して検出器（波長532nmは光電子増倍管216、波長1064nm
はフォトダイオード217）に入れる。検出器の後段に
は、夫々アンプ218、219が設けてある。測定は試料の方
を走査して散乱光を検出する方法をとる。試料ウエハ20
4を真空チャック220で回転ステージ221に固定して回転
しつつ、さらに回転中心から半径方向へＸ軸ステージ22
2により一定速度で外側に移動させて試料ウエハ全面又
は一部分を走査する。これらのステージは、ロータリエ
ンコーダとリニアエンコーダからなる走査制御ドライバ
223とステージドライバ224によって制御される。ウエハ
内の欠陥からの散乱光は、走査にともない時間的にパル
スとなって検出される。波長選別用フィルタは、波長53
2nmの光には550nm以上の長波長を除去するフィルタ214
を用い、波長1064nmの光には、波長1064nmのバンドパス
フィルタ213を用いている。

計測のモードは、直接検出モードとヘテロダイン検出
モードの２つがある。後者のヘテロダイン検出モードは
20MHzの干渉ビートを検出器で検出し、波長毎の信号を
夫々のAOMドライバ232、233の切替器227と検出系の切替
器234とで交互に切り替えて、ロックインエクステンダ2
25（ロックインアンプ226の帯域を20MHz以上に広げるも
の）及びロックインアンプ226で増幅し、A/Dコンバータ
228でデジタル化してメモリ229に蓄えて、その後コンピ
ュータ230へ転送する。直接検出モードでは、参照光は
カットし、欠陥からの散乱光を直接検出器で検出する。
このモードではロックインエクステンダ225及びロック
インアンプ226を経由せずにA/Dコンバータ228でデジタ
ル化し、メモリ229に入れてその後コンピュータ230に転
送する。ヘテロダイン検出モードと直接検出モードの切
り替えは、信号切替器231で行なう。この場合、参照光
も遮光板の挿入などによりカットする。

測定データの解析は第21図に示した様に行なう。すな
わちヘテロダイン検出モードの場合、測定データは各々
の波長の散乱光振幅信号と検出位置座標（回転中心から
の距離Ｒはｘ軸ステージのリニアエンコーダより得ら
れ、回転角θはロータリーエンコーダより得られる）で
ある。これらの測定データのうち波長1064nmの散乱振幅
信号とすでに求めておいた粒径V.S.散乱断面積のテーブ
ルにより、SiO2換算粒径ｄを求める。次に、その粒径ｄ
における波長532nmでのSiO2の散乱断面積と波長1064nm
でのSiO2の散乱断面積との比σ（1064）／σ（532）
を、やはりテーブル（粒径V.S.波長1064nmと波長532nm
の散乱断面積）の参照によって求める。次に、二波長の
散乱光振幅の測定データの比をとりＧを求め、さらに上
述の実施例と同様に前もって求めておいた装置定数C1と
C2を用いて深さ位置Ｚを第21図に従って求める。各欠陥
について得られた結晶欠陥のウエハ内の分布（深さ別分
布、粒径別分布）は、制御データバスライン235を通し
てディスプレイ及びプリンタ転送され、表示及び出力さ
れる。

本実施例の装置構成は、実施例３や４のものより高感
度な測定を可能にする効果を有する。

＜実施例６＞ 結晶欠陥を計測する装置で以下に述べる方法で作製し
た標準粒子を計測し、その欠陥サイズと深さ位置（特
に、表面近傍領域）を標準試料の仕様値にあわせる様に
調整することによって、結晶欠陥計測装置の校正を行
う。この標準試料の作製方法の一つの例をまず第22図を
用いて説明する。FZ型シリコン結晶は酸素析出物をほと
んど含まないので、この結晶を標準試料基板300として
用いるのが都合がよい。FZシリコン結晶基板300にレジ
スト301を塗布し、電子線描画装置により直径0.5μｍの
ドットパターンを描画する（（ａ））。ドットパターン
の間隔は、計測の際の検出領域の大きさよりも広いこと
が望ましい。これは、狭い場合には検出領域の中に微粒
子が２個以上存在することになり、大きさの標準粒子と
して機能しなくなるからである。つぎにシリコンのプラ
ズマエッチング処理を行なうことで、シリコンに穴（深
溝）302を掘る（（ｂ））。この深さは0.5μｍである。
レジスト301を除去した後、化学気相堆積法（CVD法）に
よりシリコン表面に酸化膜303を成長させた（（ｃ））
あと、同膜をプラズマエッチングにより除去する。その
際、深溝302以外の平坦面に存在するシリコン酸化膜が
消失するとともにエッチングを終了させるようにする
と、深溝302内のSiO2は除去されずに残る（（ｄ））。
エッチングの量を加減することによって、深溝302の深
さを所望の深さにする。その後、表面に所望の厚さのア
モルファスシリコン膜304をCVD法により形成する
（（ｅ））。膜厚は、堆積時間や堆積速度の設定により
0.1μｍから10μｍのオーダで調整する。成膜において
は、形成中における膜の結晶化を防ぐために、550℃以
下の温度で膜形成を行うことが望ましい。このように低
温化すると膜の成長速度が低下するので、反応ガスとし
ては通常のモノシラン（SiH4）に変えてジシラン（Si2H
6）等の高次シラン（SinH2（ｎ＋１）、ｎは整数）を用
いることにより成長速度の低下を防ぐのが望ましい。ま
た、アモルファスシリコン膜の形成方法としては、CVD
法以外にスパッタリング法を用いることも可能である。
さらに、プラズマ放電を利用したCVD法によれば、300℃
以下の低温においても通常のCVD法と同程度以上の速度
でアモルファスシリコン薄膜を形成することができて都
合が良い。なお、本実施例でアモルファスシリコンを形
成したのは以下の理由による。すなわち、他の薄膜、例
えばエピ成長によるシリコン薄膜を用いた場合には、同
膜が結晶化しているために溝内に形成したSiO2粒子が原
因となって転位・積層欠陥等が発生しており、計測の邪
魔となることが多いからである。しかし、形成したSiO2
粒子が大きい場合や、転位や積層欠陥をSiO2粒子と区別
して計測できる場合には、転位や積層欠陥が存在しても
計測には支障がなく、エピタキシャル成長によるシリコ
ン薄膜を使用することができる。この場合にはSiO2粒子
の上に存在するシリコン薄膜の光学定数が単結晶シリコ
ン基板の値に近いという利点がある。なお、エピタキシ
ャル成長によるシリコン薄膜以外にも、CVD法により形
成した多結晶シリコン薄膜を用いることもできる。さら
に、膜形成後にイオン打ち込み等により損傷を与え、同
シリコン薄膜を非晶質化してもよい。ただし、現在、工
業的に入手可能なイオン打ち込み装置の加速電圧を考慮
すると、この方法が有効なのはシリコン薄膜が１μｍ程
度以下の場合であることが多い。

第23図に標準試料の他の作製例を示す。まずFZシリコ
ン結晶基板または、少なくとも厚さ１μｍ以上のエピタ
キシャル成長によるシリコン薄膜を表面上に形成させた
シリコン結晶基板310にレジスト311を塗布し
（（ａ））、電子線描画装置によりドットパターン312
を描画し（（ｂ））、プラズマエッチング法によりシリ
コンに一定の深さの穴318を掘る（（ｃ））。レジスト
を除去した後、この上に厚さ50nm以下のシリコン酸化膜
314を形成したシリコンウエハ315を張り合わせる方法
（（ｄ））、または単にシリコンウエハ316を張り合わ
せる方法（（ｅ））によって作製する。この張り合わせ
の技術は、特許公報昭39−178679や雑誌Appl.Phys.Let
t.1975年発行48巻78ページに記載されている。以上によ
って、シリコン中に大きさ一定の穴が表面から深さ一定
の位置に形成される。この作製方法によれば、第22図に
示されるSiO2の模擬欠陥に代えて空洞317が内部に形成
されるため、屈折率が1.0の模擬欠陥が形成できる。

以上のプロセスにおいて、レジストに描くドットの直
径とシリコンのエッチング深さを変えることによって作
製する模擬欠陥のサイズを制御し、また表面上に形成す
るシリコン層の厚さを変えることによって模擬欠陥の表
面からの深さ位置を制御する。

結晶欠陥を計測する装置で本発明による標準粒子を計
測し、その欠陥サイズと深さ位置を標準試料の仕様値に
あわせる様に調整することによって、結晶欠陥計測装置
の校正を行う。但し、模擬欠陥が空洞の標準試料は、Si
O2粒子との屈折率の違いによる検出信号強度の補正する
必要がある。

＜実施例７＞ 本発明の実施例である第24図、第25図、第26図を用い
て説明する。本発明は半導体製造ラインにおける品質、
工程管理において効果的に用いることができる。

第24図に本発明を用いた品質管理の一般的な流れ図を
示す。本発明による検査装置では非破壊非接触の検査が
可能なので抜き取り検査だけでなく全数検査も可能であ
る。また、検査領域はウエハ全面を検査するのが望まし
いが、検査時間を短縮するためにウエハ上の特定の領域
のみを測定しても良い。検査によって表面異物と内部欠
陥のそれぞれがある基準値の範囲を外れていた場合、そ
れぞれについて異なる対応が必要となる。表面異物が基
準値より多い場合には異物発生源を調査し、異物の発生
を低減させることが必要である。内部欠陥については基
準値の範囲を外れていた場合にはウエハの仕様を見直
す、あるいは熱処理工程の検討をする必要がある。

受け入れ検査時の流れ図を第25図に示す。表面異物が
基準値より多い場合、異物発生源がウエハメーカにある
可能性が高いのでウエハメーカにウエハ返却の上、対策
を依頼する。内部欠陥の密度についても、基準値から外
れていた場合、欠陥発生源がウエハメーカにある可能性
が高いのでウエハメーカにウエハ返却の上、対策を依頼
する。いずれの場合にも表面異物と内部欠陥を区別して
計測することにより不良原因が明確になるためウエハメ
ーカは対策をたてやすくなる。半導体製造メーカも受け
入れ直後の表面異物、内部欠陥の密度を把握しておくこ
とにより不良製品製造が起きた場合の対策がたてやすく
なる。

イオン打ち込み工程に続く不純物拡散熱処理工程の後
の検査の流れ図を第26図に示す。不純物拡散熱処理工程
により表面に欠陥のほとんど存在しないDZ層が形成され
るがデバイス形成領域（表面からの深さ0.5μｍ以内）
に欠陥が存在すると素子不良を生じる原因となる。欠陥
の中には適当な熱処理により消滅させることのできる欠
陥も存在する。熱処理により欠陥密度を低減させること
ができると判断された場合には欠陥を消滅すべく熱処理
を行ないラインに戻し再検査を行なう。再検査の結果欠
陥が減少し、欠陥密度が基準値の範囲内に収まった場合
には正常品としてラインに戻し、正常動作するデバイス
を得ることができる。欠陥を消滅させることができない
と判断された場合にはウエハをこの段階で廃棄すること
によって後工程にかかる負担、コストを軽減することが
できる。

＜実施例８＞ 第27図乃至第29図を用いて本実施例を詳細に説明す
る。第27図に示すように、LSI501は通常半導体基板500
上にマトリックス状に形成される。これらLSIの間の領
域502と503は、LSI完成後個々のLSIに切断するための削
り代となる領域（スクライブ領域）である。これら領域
には、LSI特性を評価するための様々な素子およびリソ
グラフィにおける合わせ用のパターンが形成されてい
る。第28図に示すように、これら素子の間には電気的に
絶縁するために、厚いシリコン酸化膜510（通常フィー
ルド酸化膜とよばれる）が形成されている。これに対し
て、本発明ではDRAMが形成される半導体基板のスクライ
ブ領域の少なくとも一部に、DRAMの接合と同じ構造（第
29図）を形成する。即ち、空乏層512、拡散層513、蓄積
電極514、キャパシタ絶縁膜515、プレート電極516、層
間絶縁膜511であり。これらのうち蓄積電極514とプレー
ト電極516の材質はいずれも多結晶シリコンである。こ
のような構造とすることにより、スクライブ領域におけ
る半導体基板中にはDRAMの接合とほぼ同じ種類、同じ数
（密度分布）の欠陥が形成される。上記DRAMを製造する
一連の工程において、上記スクライブ領域の半導体基板
内に存在する結晶欠陥を実施例１記載の結晶欠陥計測装
置で適宜計測する。その際、少なくともシリコン基板50
0の表面（薄膜が形成されている場合にはシリコン基板
と薄膜とが接している界面）から深さ１μｍ以内の領域
を表面異物と区別して計測し、その結果をもとに深さ１
μｍ以内の領域に存在する欠陥の密度を求め、管理基準
を越えている場合にはさらに詳細な解析により原因を究
明し、必要な対策を講ずる。また表面異物の粒径と面内
密度分布を求め、管理基準を越えている場合は、同様に
表面異物を減らすように対策を講ずる。これにより、LS
Iとして完成する前に問題の抽出が可能となり、不良に
よる損害額が低減できる。また、顧客に対する納期遅延
等の問題の発生する可能性も少なくなる。なお、本発明
に述べた計測は非破壊であり、また半導体基板を汚染す
ることもないので、結晶欠陥計測後は再び製造工程にも
どし、LSIとして完成させることができるので無駄が無
い。

本実施例には以下のような利点もある。DRAM完成後に
おいても、LSIテスタ等の複雑かつ高価な装置によらな
くともリフレッシュ不良の発生状況の把握ができる。特
に、何らかの製造工程の不良によりDRAMとして正常に動
作しない場合にも、リフレッシュ不良の発生状況の把握
ができる。なお、本実施例においてはスクライブ領域に
おいてプレート電極以降の工程で形成される配線層を除
去しているが、これは、配線層を構成する金属もしくは
その化合物が赤外光を透過させないので、上記結晶欠陥
計測装置を用いて半導体基板内の欠陥を観察する際に障
害となるからである。他方、多結晶シリコンにおいて
は、本実施例のように導電性を得るために高濃度にドー
ピングされていてもその厚さの合計が１μｍ程度以下で
ある場合には赤外光が透過するので、半導体基板内の欠
陥を観察することが可能である。

なお、スクライブ領域以外の領域、例えば外部配線引
き出し用電極（ボンディングパッド）の形成される領域
に上記接合構造を形成した場合にも、配線層が形成され
る工程までは、赤外光を用いた結晶欠陥計測装置で半導
体基板内の欠陥を観察することが可能である。同様にし
て、接合特性評価用に形成される素子を用いて半導体基
板内の欠陥を観察することも可能である。

上記したような接合構造をあえて形成せず、必要に応
じて接合の形成されていない領域においてシリコン基板
内に形成された結晶欠陥を計測することも有効である。
特に、シリコン基板内部における酸素の析出物を計測
し、その結果をシリコン結晶の引き上げ条件、および製
造工程における熱処理条件に反映させると、汚染のゲッ
タリング能力を制御する上で有効である。熱処理条件へ
の反映のさせ方としては、析出物の密度が管理基準より
少ない場合には熱処理を追加したり、次工程以降の熱処
理を高温化もしくは長時間化したりするやり方がある。
析出物の密度が管理基準より多い場合には、その逆を行
えばよい。

本実施例はDRAMであるが、フラッシュメモリ等の他の
メモリLSI、およびマイクロプロセッサや特定用途向け
のLSIに対しても本発明が有効であるのは言うまでもな
い。さらに、GaAs−ICや半導体レーザー等のシリコン以
外の半導体装置に対しても本発明は有効である。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−281589（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−3545（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−142156（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−144913（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−74951（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 21/84 - 21/958

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】波長の異なる光を放射する複数の光源から
   なる光源部と、 試料を載置する試料台と、 上記光源部から放射される光を上記試料に照射する第１
   の光学系と、 上記試料から散乱される光を集光する第２の光学系と、 上記集光された光を波長別に複数の光路に分離する手段
   と、 上記光路毎に光を検出する複数の検出器と、及び 上記複数の検出器に接続されたコンピュータとを備え、 上記第１の光学系と上記第２の光学系の夫々の光軸は、
   上記試料表面の法線と成す角度が異なるように配置さ
   れ、かつ上記の夫々の光軸のなす角度は50゜から120゜
   となるように配置され 上記コンピュータが、散乱光強度と積分散乱断面積より
   上記試料の欠陥の粒径を、および各波長の散乱光強度の
   比と積分散乱断面積の比より上記欠陥の深さ位置を求め
   ることを特徴とする検査装置。
2. 【請求項２】上記第２の光学系の後段に、偏光プリズ
   ム、又はハーフミラーおよび偏光フィルタを設けて偏光
   成分を分離する手段と、及び 上記偏光成分を検出する検出器とを設けて、 上記コンピュータが、散乱角度と散乱光の偏光方向別強
   度比Iv/Ihを計算して、上記試料表面上の異物と試料内
   部の欠陥とを弁別することを特徴とする請求項１記載の
   検査装置。
3. 【請求項３】上記光源部から放射される光を上記試料に
   照射する第１の光学系が、それぞれ波長の異なる光を別
   々のレンズを使用して上記試料に照射することを特徴と
   する請求項１記載の検査装置。