JP3572358B2

JP3572358B2 - Surface defect detection method and device

Info

Publication number: JP3572358B2
Application number: JP2001385305A
Authority: JP
Inventors: 明子中村; 正弘北島; 哲也成島
Original assignee: National Institute for Materials Science
Current assignee: National Institute for Materials Science
Priority date: 2000-11-13
Filing date: 2001-11-13
Publication date: 2004-09-29
Anticipated expiration: 2021-11-13
Also published as: JP2002286436A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、表面欠陥検出方法およびその装置に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、各種製造・加工プロセスにおける試料の表面および界面での欠陥の発生現象や、その欠陥の緩和現象を実時間で、且つ高精度で定量測定することのできる、新しい表面欠陥検出方法および表面欠陥検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
半導体デバイスの製造プロセスでは、反応性イオンエッチング、リソグラフィー、ダマシングプロセスなどにおいて、表面加工と同時に、目的のパターン以外の損傷を試料（つまり基板や膜）の表面あるいは界面に与えてしまうことがしばしばある。この試料の表面および界面での欠陥は、加工パターンの歪みを引き起こすとともに、電気伝導度や絶縁特性などを局所的に変化させる。このため、良質な半導体デバイスの製造には欠陥の検出が重要であり、特に半導体デバイスの縮小化を進めるには、原子サイズの欠陥を高精度で定量的に検出する技術が必要となる。
【０００３】
従来より、表面欠陥の検出方法としては、たとえば、欠陥に起因する比重の変化を利用した体積膨張法や透過型電子顕微鏡による欠陥像の直接観察法などが知られている。特に後者は、欠陥の数、形、位置などを定量的に測定できるといった利点があり、金属試料に対しては有効な方法である。しかしながら、顕微鏡像を撮るには試料を研磨等により薄膜化する必要があり、大気中で不安定な活性表面を持つ試料や研磨等によって組織自体が破壊されてしまう試料には好ましい方法ではない。また、表面近傍に局在する汚染されやすい欠陥に対しては測定が不可能である。さらにまた、最表面の欠陥のみに関しては走査型トンネル顕微鏡や原子間力顕微鏡による測定が可能だが、表面に露出していない第２原子層以下の情報は検出できないといった欠点もある。さらには、試料表面の洗浄度や電子状態などの影響を大きく受けること、広範囲の測定が不可能なことなど、実験的制約も多い。
【０００４】
一方で、近年では、試料の表面からの散乱光や透過光の強度から表面の欠陥数や欠陥サイズを検出する方法（特開平１１−１４８９０２および特開平１１−２４８６３７参照）が提案されてもいる。しかしながら、この方法にも原子サイズの欠陥に対して検出感度がなく、点欠陥の検出には適さないといった問題点がある。近年の半導体デバイスの著しい縮小化に伴い、欠陥検出も原子サイズにて実現する必要があるのである。
【０００５】
また、表面応力の測定法としては、応力測定にマイクロ加工技術を利用したもの（特開平６−３２３８４５参照）や走査型トンネル顕微鏡などのマイクロプローブを利用したもの（特開平８−２４７８７８参照）などが提案されている。しかしながら、これらの方法は、測定に超高真空の洗浄空間が必要なため、反応性ガス雰囲気中でのプロセスを測定することができない、またそのような環境で十分な感度を得られない等の理由で、欠陥性応力の測定方法としては使用されていなかった。
【０００６】
そこで、この出願の発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであり、従来の各種表面欠陥検出方法の問題点を解消し、半導体デバイスの製造プロセスなどにおいて試料の表面および界面に発生する原子サイズの欠陥を実時間で、且つ高精度で定量測定することのできる、新しい表面欠陥検出方法およびその装置を提供することを課題としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、試料の表面あるいは界面に生じる欠陥を検出する方法であって、試料と同じ材料のセンサー試料をプロセスチェンバー内に設置し、センサー試料の表面に粒子を照射するとともに、その裏面にはレーザー光を照射し、当該センサー試料の裏面にて反射するレーザー光の反射位置を検出して、粒子照射により生じるセンサー試料の歪みに従ったレーザー光の反射位置の変位を測定することで、表面欠陥数または界面欠陥数を検出することを特徴とする表面欠陥検出方法（請求項１）を提供する。
【０００８】
また、この出願の発明は、試料の表面あるいは界面に生じる欠陥の緩和を検出する方法であって、試料と同じ材料のセンサー試料をプロセスチェンバー内に設置し、センサー試料に対して欠陥緩和プロセスを施すとともに、その裏面にはレーザー光を照射し、当該センサー試料の裏面にて反射するレーザー光の反射位置を検出して、欠陥緩和プロセスにより生じるセンサー試料の歪みに従ったレーザー光の反射位置の変位を測定することで、表面欠陥数または界面欠陥数を検出することを特徴とする表面欠陥検出方法（請求項２）を提供し、この方法において、欠陥緩和プロセスを施す前に、プロセスチェンバー内にてセンサー試料の表面に粒子を照射することによって当該センサー試料の表面あるいは界面に欠陥を生じさせること（請求項３）や、欠陥緩和プロセスとして、欠陥を緩和させるイオン、電子、もしくは中性粒子の照射あるいは反応性粒子の照射を行うこと（請求項４）も提供する。
【０００９】
さらにまた、この出願の発明は、上記の表面欠陥検出方法において、レーザー光の反射位置の変位をエネルギー照射量または照射粒子数を用いて測定すること（請求項５）や、センサー試料として、シリコン単結晶または金属単結晶またはセラミック結晶のもの、あるいは、シリコン単結晶または金属単結晶またはセラミック結晶の表面にそれとは異なる材料を成膜したものを用いること（請求項６）（請求項７）や、粒子が原子または電子またはイオンであること（請求項８）をも提供する。
【００１０】
さらにまた、この出願の発明は、上記の各表面欠陥検出方法を実行することを特徴とする表面欠陥検出装置（請求項９）（請求項１１）を提供し、この検出装置において、プロセスチェンバー内に粒子を発生する粒子線源あるいはプロセスチェンバー内にプラズマを発生するプラズマ生成手段と、レーザー光を発生するレーザー光源と、センサー試料の裏面にて反射するレーザー光の反射位置を検出する反射光位置検出器と、レーザー光の反射位置の変位を測定する変位測定コンピュータとを有しており、粒子線源からの粒子あるいはプラズマ生成手段によるプラズマからの粒子がセンサー試料の表面に照射されるとともに、レーザー光がセンサー試料の裏面に照射され、粒子照射により生じるセンサー試料の歪みに従ったレーザー光の反射位置の変位を測定することで、表面欠陥数または界面欠陥数を検出することを特徴とする表面欠陥検出装置（請求項１０）や、プロセスチェンバー内のセンサー試料に対して欠陥緩和プロセスを施す欠陥緩和手段と、レーザー光を発生するレーザー光源と、センサー試料の裏面にて反射するレーザー光の反射位置を検出する反射光位置検出器と、レーザー光の反射位置の変位を測定する変位測定コンピュータとを有しており、欠陥緩和プロセスがセンサー試料に対して施されるとともに、センサー試料の裏面にレーザー光が照射され、欠陥緩和プロセスにより生じるセンサー試料の歪みに従ったレーザー光の反射位置の変位を測定することで、表面欠陥数または界面欠陥数を検出することを特徴とする表面欠陥検出装置（請求項１２）や、これにおいて、プロセスチェンバー内に粒子を発生する粒子線源またはプラズマを発生するプラズマ生成手段をさらに有しており、欠陥緩和手段によって欠陥緩和プロセスを施す前に、センサー試料の表面に粒子線源からの粒子またはプラズマ生成手段によるプラズマからの粒子を照射することによって当該センサー試料の表面あるいは界面に欠陥を生じさせるようになっている表面欠陥検出装置（請求項１３）をも提供する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は、上記の通りの特徴を有するものであるが、以下に、添付した図面に沿って実施例を示し、さらに詳しくこの出願の発明の実施の形態について説明する。
【００１２】
【実施例】
［実施例１］
図１は、この出願の発明の表面欠陥検出方法を実行する表面欠陥検出装置の一例を示したものである。
【００１３】
この図１において、（１）はレーザー光源、（２）は反射光位置検出器、（３）はセンサー試料、（４）は窓、（５）は変位測定コンピュータ、（６）はバイアス用電源、（７）は粒子、（８）はプロセスチェンバーである。
【００１４】
センサー試料（３）は、製造プロセスにおかれる基板や膜などの実際の試料と同じ材料によりなるもので、たとえばシリコン単結晶、金属単結晶、セラミック結晶製のものを用いることができる。本実施例では、このセンサー試料（３）は、プロセスチェンバー（８）内にて窓（４）に取り付けられている。センサー試料（３）の位置は実際の試料（ここでは図示していない）に近いことが望ましい。
【００１５】
プロセスチェンバー（８）内の状況は、大気圧、真空、プラズマ雰囲気、反応性ガス雰囲気など、様々な雰囲気とすることができる。窓（４）はたとえば石英製とする。
【００１６】
また、レーザー光源（１）、反射光位置検出器（２）、および光路中の各種ミラーやレンズ（図示していない）により光梃子が構成されており、この光梃子とセンサー試料（３）および変位測定コンピュータ（５）が歪み変位測定系である。すなわち、この表面欠陥検出装置は、センサー試料と歪み変位測定手段がコンパクトに一体化されており、汎用性が高いものとなっている。
【００１７】
さらにまた、レーザー光源（１）および反射光位置検出器（２）ならびにセンサー試料（３）は、除振のために、それぞれプロセスチェンバー（８）の外側ならびに中側から窓（４）に取り付けられ、外部の振動が反射光に影響を与えないようにしている。この除振態様において検出分解能は変位の値にして０．１ｎｍである。もちろん、さらなる高感度、高精度測定の実現のために、より厳密な除振システムを組み合わせてもよいことは言うまでもない。
【００１８】
なお、粒子線源あるいはプラズマ生成手段は図示していないが、既存のものを用いることができる。
【００１９】
この表面欠陥検出装置において、まず、粒子線源からの粒子（７）、あるいはプラズマ生成手段によりプロセスチェンバー（８）内に発生されたプラズマの中からの粒子（７）が、センサー試料（３）の表面に照射される。他方、それと同時に、レーザー光源（１）からのレーザー光が窓（４）を通してセンサー試料（３）の裏面に照射される。
【００２０】
粒子照射によりセンサー試料（３）の表面に欠陥が生じると、その欠陥によりセンサー試料（３）に歪みが発生し、歪みに従って、センサー試料（３）の裏面にて反射したレーザー光の位置が反射光位置検出器（２）の中を変位する。そして、反射光位置の変位が変位測定コンピュータ（５）により測定される。
【００２１】
この場合、たとえば、反射光位置検出器（２）として検出面を４分割したものを用い、この反射光位置検出器（２）により反射レーザー光の移動位置を検出し、総光量で移動光を規格化することによって、プラズマや粒子線源からの迷光と歪み変位による信号を区別して、高精度な検出を実現することができる。より具体的には、反射光位置検出器（２）の各検出面に当たる光量をそれぞれＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄとし、｛（Ａ＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ）｝、｛（Ａ＋Ｃ）＋（Ｂ＋Ｄ）｝、｛（Ａ＋Ｂ）＋（Ｃ＋Ｄ）｝の値を電圧に変換して、変位測定コンピュータ（５）に読み込む。そして、｛（Ａ＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ）｝／｛（Ａ＋Ｂ）＋（Ｃ＋Ｄ）｝を歪み変位として計算し、出力する。もちろん、反射光位置検出器（２）の検出面は４分割でなく、それより少なくても多く分割されていてもよい。当然より多く分割した方が変位検出は細かなものとなるが、変位測定コンピュータ（５）の処理性能等によって適宜設定すればよい。
【００２２】
このように測定された変位は、等方弾性体の理論に基づいて表面応力を直接的に反映することとなる。なお、反射光位置の変位は、センサー試料（３）の歪みの値と見ることができるので、以下、センサー変位と呼ぶこととする。
【００２３】
ここで、バイアス用電源（６）によりセンサー試料（３）に電圧を印加することによって、粒子（７）のエネルギーを変化させ、単位時間での欠陥生成レートを換えて、各レートでのセンサー変位を実際に測定した。センサー試料（３）としては、４５０×５０×２ミクロンのシリコン単結晶製の矩形型片持ち梁を用いた。プロセスチェンバー（８）内は真空とし、アルゴンプラズマを生成させて、そのプラズマ中のアルゴンイオンをセンサー試料（３）表面へ照射する。言い換えると、アルゴンイオンでセンサー試料（３）表面を衝撃する。
【００２４】
図２はその測定結果の一例を示したものである。図中、ＡおよびＢは、各々、異なる欠陥生成レートの場合のものである。この図２から明らかなように、イオン照射時間（横軸）に伴いセンサー変位（縦軸）を実時間で的確に測定できていることがわかる。
【００２５】
一方、粒子線照射によって誘起されるセンサー試料（３）表面の欠陥の数（Ｎ）は、シリコン有効綿密度（ｎ）、イオン流量（ψ）、置換断面積（α）、損傷関数（ν）、プロセス時間（ｔ）により、
Ｎ＝αｎνψｔ（式１）
で与えられる。このうち、α、ｎ、νは計算可能であり、ψ、ｔは実測可能である。
【００２６】
この式１を用いて、図２におけるイオン照射時間をそれに伴う欠陥の数として書き直し、センサー変位との関係を描くと図３に例示したようになる。この結果からも明らかなように、欠陥生成レートが変わっても（Ａ及びＢ）、表面欠陥数はセンサー変位、つまり表面応力と一義的に対応する。
【００２７】
したがって、表面応力としてのセンサー変位を測定することによって表面欠陥数を定量的に逆算することができる。そして、この表面欠陥数が、実際の試料の表面に発生する欠陥数となる。
【００２８】
図１の装置と上記実施条件での欠陥数の測定分解能は１０^１７個／ｍ^２以上であり、この値は走査顕微鏡の標準的な視野１００ｎｍ×１００ｎｍ中の欠陥数にするとわずか１０個の変化に相当する。
【００２９】
たとえば、図１の装置において、シリコン単結晶製の上記センサー試料（３）に電圧−６０Ｖを印加し、積極的にアルゴンプラズマ中のアルゴンイオンの照射を行った場合、１０００秒後のセンサー変位は２５０×１０^−９ｍであった。よって、センサー試料（３）の表面に６×１０^２０個／ｍ^２の欠陥が生じたことがわかる。このことは、同じアルゴンイオン照射によりシリコン単結晶製の実際の試料の表面に６×１０^２０個／ｍ^２の欠陥が生じることを意味する。
【００３０】
以上のように、この出願の発明の表面欠陥検出方法およびその装置では、半導体デバイスの製造プロセスなどにおいて試料の表面に発生する原子サイズの欠陥を実時間で、且つ高精度で定量測定することができるのである。
【００３１】
なお、前記の式１からも分かるように、表面欠陥数、つまりレーザー光の反射位置の変位であるセンサー変位は、照射粒子数や照射粒子のエネルギーなどを用いて算出できるので、センサー変位を粒子カウンターやエネルギーセンサーとして利用することもできる。
【００３２】
また、この出願の発明では、センサー試料（３）として、上述したシリコン単結晶、金属単結晶、セラミック結晶の他に、それら各種結晶の表面にそれとは異なる材料を成膜した２層式の試料、さらには中間層を足した多層式の試料を用いてもよく、上述と同様に試料表面とともに界面の欠陥数を定量測定することができる。
【００３３】
試料表面に粒子を入射させると、表面に欠陥ができたり、裏面の構造を壊したり、表面から入り込み内部を拡散し、試料全体、あるいは界面に溜まったりする。これらの現象は表面応力（ここでの表面応力は、最表面だけでなく、表面付近（たとえば表面から０．５ミクロンくらい）での応力をも意味する）を生じさせる。表面に応力が生じると、その力によってセンサー試料全体が歪み、裏側のレーザー光反射面も歪むため、反射光の方向が変わる。
【００３４】
入射粒子が界面に溜まるか表面に溜まるか、あるいは表面の構造を壊すだけで中に入り込まないのかは、粒子のエネルギーと種類によって決まるので、照射する粒子のエネルギーや種類によっては界面欠陥を検出することにもなる。
【００３５】
すなわち、センサー試料表面への粒子照射により生じる表面応力に従ったレーザー光の反射位置変位を測定することによって、前記式１を用いて界面欠陥数（Ｎ＝界面欠陥数）をも定量的に逆算でき、この界面欠陥数の算出値が実際の試料の界面に発生する欠陥数となるのである。
【００３６】
［実施例２］
ところで、上述した例では、プロセスチャンバー内にて粒子照射により試料の表面あるいは界面に生じる欠陥を検出する、つまり時間とともに欠陥が増えていく現象をモニターしていることになるが、この出願の発明では、図１に例示した装置を用いて、既に生成された欠陥が何らかの追加プロセスによって緩和していく現象をモニターすることもできるのである。
【００３７】
より具体的には、図１において、まず粒子照射によってセンサー試料（３）の表面あるいは界面に欠陥を生じさせ、続いてこの表面・界面欠陥を緩和させることのできる追加プロセスをセンサー試料（３）に対してさらに施す。センサー試料（３）裏面へのレーザー光源（１）からのレーザー光は追加プロセス時にのみ照射しても、粒子照射による欠陥発生時から追加プロセスによる欠陥緩和時へ続けて照射してもよい。
【００３８】
この場合、追加プロセスによって欠陥が緩和すると、センサー試料（３）の歪みも緩和して行くので、それに従ってレーザー光の反射光位置も変位する。この変位は、たとえば、上述と同様にして反射光位置検出器（２）の４分割検出面内の反射光移動位置として変位測定コンピュータ（５）により測定される。そして、この測定結果に基づいて前記式１により表面・界面欠陥数が逆算される。当然、追加プロセスによって欠陥は緩和しているので、算出される欠陥数も徐々に減少することになる。
【００３９】
したがってこれによれば、追加プロセスによる欠陥の緩和現象を実時間で検出モニターできるのである。図２および図３の曲線が追加プロセス時間に伴って左下がりに減少していくものとイメージすればよい。
【００４０】
なお、欠陥を緩和させる追加プロセスとしては、イオン、電子、もしくは中性粒子の照射や、反応性粒子の照射をその代表として挙げることができる。もちろんこれら以外のプロセスであっても欠陥緩和が可能なものであれば用いることができ、特に限定はなく、センサー試料の種類などに従って適宜選択すればよい。
【００４１】
たとえば一例として、まず、アルゴンイオンやクリプトンイオンの照射により、その運動エネルギーに相当する範囲、深さ内の試料に点欠陥や格子欠陥が生じる。あるいは、表面酸化などの反応により、基板との格子不整合による界面もしくは界面近傍に欠陥が生じる。このような欠陥に対して、中エネルギーから高エネルギーの電子照射を行なうことにより、試料の表面温度を上昇させ、表面もしくは界面近傍構成原子の拡散を誘発し、欠陥の緩和を促進することができる。また、他のガスのプラズマを利用し、水素化、窒化などによる応力緩和も実現可能であり、これらのモニタリングも行なうことができる。
【００４２】
図１の装置構成については、上記欠陥緩和プロセスが増えただけで、その他の処理は欠陥発生を検出する場合と同じなので、図示していないが、粒子線源あるいはプラズマ生成手段と共に、上記欠陥緩和プロセスを施すための欠陥緩和手段を設ければよい。この場合では同一プロセスチャンバー（８）内にて欠陥の発生および緩和の両方を検出モニターすることができるが、欠陥緩和を対象とするだけならば欠陥緩和手段のみを設けておけばよい。すなわち、上述したように欠陥を発生させた後に続いてその欠陥を緩和させる一連の現象をモニターするだけでなく、酸化プロセスや成膜などの全く別のプロセス装置等で生じた欠陥の緩和を図１の装置にてモニターする、つまり様々な要因による欠陥を既に有するセンサー試料を図１の装置のプロセスチェンバー（８）内に設置して欠陥緩和プロセスを施すようにしてもよいのである。大気中で自然に生じた欠陥を有するセンサー試料も欠陥緩和モニタリングの対象とすることができる。
【００４３】
もちろん、この発明は以上の例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能である。
【００４４】
【発明の効果】
以上詳しく説明した通り、この出願の発明の表面欠陥検出方法およびその装置によって、半導体デバイスの製造プロセス中にプロセス自体が基板や膜などの試料に与える微細・微量な欠陥を、実時間で、且つ高精度で定量測定できる。また、プロセスの雰囲気も真空を始め、大気圧、プラズマ雰囲気、反応性ガス雰囲気など、様々な雰囲気下における欠陥検出を実現することができる。さらにまた、センサー試料の選択により、試料の表面だけでなく、界面に発生する微細・微量欠陥をも検出することができる。
【００４５】
また、この表面検出方法および装置は、半導体デバイスの製造プロセス以外にも、ナノメートルオーダーの微細加工を必要とする様々な加工プロセスに対しても応用が可能であり、さらには、センサー試料を人工衛星外部やロケット外部などに取り付けることで、宇宙空間での宇宙線照射を起因とする欠陥の測定も可能とする。
【００４６】
また、製造プロセス等によって生じた表面・界面欠陥を逆に緩和させるプロセスを施す場合においても、その欠陥緩和を実時間で高精度に定量測定することができる。これにより、極めて高品質な半導体デバイス等の実現に、より一層貢献できるのである。
【図面の簡単な説明】
【図１】この出願の発明の表面欠陥検出方法を実現する表面欠陥検出装置の一例を示した要部構成図である。
【図２】実際に検出されたイオン照射中のセンサー変位の一例を示した図である。
【図３】実際に検出されたセンサー変位と欠陥数の関係の一例を示した図である。
【符号の説明】
１レーザー光源
２反射光位置検出器
３センサー試料
４石英窓
５変位測定コンピュータ
６バイアス用電源
７粒子
８プロセスチェンバー[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The invention of this application relates to a method and an apparatus for detecting a surface defect. More specifically, the invention of this application makes it possible to quantitatively measure the occurrence of defects on the surface and interface of a sample in various manufacturing and processing processes and the relaxation of the defects in real time and with high accuracy. The present invention relates to a new surface defect detection method and a new surface defect detection device.
[0002]
[Prior art and its problems]
In the manufacturing process of semiconductor devices, reactive ion etching, lithography, damascene processes, etc. often cause damage other than the intended pattern to the surface or interface of the sample (that is, substrate or film) at the same time as surface processing. is there. Defects on the surface and the interface of the sample cause distortion of a processing pattern and locally change electric conductivity, insulating characteristics, and the like. For this reason, it is important to detect defects in the manufacture of high-quality semiconductor devices. In particular, in order to advance the miniaturization of semiconductor devices, a technology for quantitatively detecting defects of atomic size with high accuracy is required.
[0003]
Conventionally, as a method for detecting a surface defect, for example, a volume expansion method using a change in specific gravity caused by the defect, a direct observation method of a defect image by a transmission electron microscope, and the like are known. In particular, the latter has an advantage that the number, shape, position, and the like of defects can be quantitatively measured, and is an effective method for a metal sample. However, in order to take a microscope image, the sample must be thinned by polishing or the like, which is not a preferable method for a sample having an unstable active surface in the atmosphere or a sample whose tissue itself is destroyed by polishing or the like. Further, it is impossible to measure a defect which is easily contaminated near the surface. Furthermore, although only the defect on the outermost surface can be measured by a scanning tunneling microscope or an atomic force microscope, there is a disadvantage that information on the second atomic layer and below that is not exposed on the surface cannot be detected. Furthermore, there are many experimental restrictions, such as being greatly affected by the degree of cleaning and the electronic state of the sample surface, and the inability to measure over a wide range.
[0004]
On the other hand, in recent years, a method of detecting the number of defects and the size of defects on the surface from the intensity of scattered light or transmitted light from the surface of the sample (see JP-A-11-148902 and JP-A-11-248637) has been proposed. . However, this method also has a problem that it has no detection sensitivity for a defect having an atomic size and is not suitable for detecting a point defect. With the remarkable miniaturization of semiconductor devices in recent years, it is necessary to realize defect detection at an atomic size.
[0005]
As a method for measuring the surface stress, a method using a micromachining technique for stress measurement (see Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 6-323845), a method using a microprobe such as a scanning tunneling microscope (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-247778), etc. Has been proposed. However, these methods require a cleaning space of an ultra-high vacuum for measurement, so that a process in a reactive gas atmosphere cannot be measured, and sufficient sensitivity cannot be obtained in such an environment. For that reason, it has not been used as a method for measuring defective stress.
[0006]
Therefore, the invention of this application has been made in view of the circumstances described above, and solves the problems of the conventional methods for detecting various surface defects, which are generated on the surface and interface of a sample in a semiconductor device manufacturing process and the like. It is an object of the present invention to provide a new surface defect detection method and a new apparatus capable of quantitatively measuring a defect having an atomic size in real time and with high accuracy.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The invention of this application is directed to a method for detecting a defect generated on the surface or interface of a sample as a solution to the above-mentioned problem, wherein a sensor sample of the same material as the sample is placed in a process chamber and the surface of the sensor sample is detected. Irradiates the laser beam to the back surface of the sensor sample, detects the reflection position of the laser beam reflected on the back surface of the sensor sample, and generates the laser beam according to the distortion of the sensor sample caused by the particle irradiation. A surface defect detection method (claim 1) is characterized in that the number of surface defects or the number of interface defects is detected by measuring the displacement of a reflection position.
[0008]
Further, the invention of this application is a method for detecting the relaxation of a defect occurring on the surface or interface of a sample, wherein a sensor sample of the same material as the sample is placed in a process chamber, and a defect relaxation process is performed on the sensor sample. At the same time, the back side of the sensor sample is irradiated with laser light, the reflection position of the laser light reflected on the back side of the sensor sample is detected, and the reflection position of the laser light according to the distortion of the sensor sample caused by the defect relaxation process is determined. The present invention provides a surface defect detection method (claim 2) characterized in that the number of surface defects or the number of interface defects is detected by measuring a displacement. Irradiating the surface of the sensor sample with particles at the step to cause a defect on the surface or interface of the sensor sample (claim ) And, as a defect reducing process, by performing ion to relieve defects, electrons, or the irradiation of radiation or reactive particles of neutral particles (claim 4) is also provided.
[0009]
Furthermore, the invention of this application is characterized in that in the above-described surface defect detection method, the displacement of the reflection position of the laser beam is measured by using the energy irradiation amount or the number of irradiation particles (claim 5), and the silicon is used as a sensor sample. A single crystal, a metal single crystal, or a ceramic crystal, or a silicon single crystal, a metal single crystal, or a ceramic crystal in which a different material is formed on the surface (claim 6) (claim 7), , Wherein the particles are atoms or electrons or ions (claim 8).
[0010]
Still further, the invention of the present application provides a surface defect detection device (claim 9) or (claim 11) for executing each of the above-described surface defect detection methods. A plasma generating means for generating plasma in a particle beam source or process chamber for generating particles, a laser light source for generating laser light, and a reflected light position for detecting a reflection position of the laser light reflected on the back surface of the sensor sample. A detector and a displacement measurement computer that measures the displacement of the reflection position of the laser light, and the particles from the particle beam source or the particles from the plasma by the plasma generating means are irradiated on the surface of the sensor sample, Laser light is irradiated on the back side of the sensor sample, and the laser light is reflected according to the distortion of the sensor sample caused by particle irradiation. By measuring the displacement of the location, the defect performing surface defect detection apparatus and detecting the number of surface defects or the number of interface defects (Claim 10) and, the defect reducing process with respect to the sensor samples within the process chamber A mitigation means, a laser light source that generates laser light, a reflected light position detector that detects a reflected position of the laser light reflected on the back surface of the sensor sample, and a displacement measurement computer that measures a displacement of the reflected position of the laser light. The defect relaxation process is performed on the sensor sample, and the laser light is irradiated on the back surface of the sensor sample. The displacement of the reflection position of the laser light according to the distortion of the sensor sample caused by the defect relaxation process. by measuring the surface defect detection apparatus (claim 12), characterized in that to detect the number of surface defects or the number of interface defects and, this In the process chamber, further comprising a particle beam source for generating particles in the process chamber or a plasma generating means for generating plasma, before applying the defect relaxation process by the defect relaxation means, the surface of the sensor sample from the particle beam source There is also provided a surface defect detection device (claim 13) configured to cause a defect on a surface or an interface of the sensor sample by irradiating particles or particles from plasma by a plasma generating means.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The invention of this application has the features as described above. Hereinafter, embodiments will be described with reference to the accompanying drawings, and the embodiments of the invention of this application will be described in more detail.
[0012]
【Example】
[Example 1]
FIG. 1 shows an example of a surface defect detection device that executes the surface defect detection method of the present invention.
[0013]
In FIG. 1, (1) is a laser light source, (2) is a reflected light position detector, (3) is a sensor sample, (4) is a window, (5) is a displacement measurement computer, and (6) is a bias power supply. , (7) are particles, and (8) is a process chamber.
[0014]
The sensor sample (3) is made of the same material as an actual sample such as a substrate or a film used in the manufacturing process. For example, a sensor made of silicon single crystal, metal single crystal, or ceramic crystal can be used. In this embodiment, the sensor sample (3) is attached to the window (4) in the process chamber (8). It is desirable that the position of the sensor sample (3) is close to the actual sample (not shown here).
[0015]
The conditions in the process chamber (8) can be various atmospheres such as atmospheric pressure, vacuum, plasma atmosphere, and reactive gas atmosphere. The window (4) is made of, for example, quartz.
[0016]
Further, an optical lever is constituted by the laser light source (1), the reflected light position detector (2), and various mirrors and lenses (not shown) in the optical path, and the optical lever and the sensor sample (3) and The displacement measuring computer (5) is a strain displacement measuring system. That is, in this surface defect detection device, the sensor sample and the strain displacement measuring means are compactly integrated, and the versatility is high.
[0017]
Furthermore, the laser light source (1) and the reflected light position detector (2) and the sensor sample (3) are attached to the window (4) from outside and inside the process chamber (8), respectively, for vibration isolation. In addition, external vibration does not affect the reflected light. In this vibration isolation mode, the detection resolution is 0.1 nm in terms of displacement. Of course, it goes without saying that a more strict vibration isolation system may be combined in order to realize higher sensitivity and higher precision measurement.
[0018]
The particle beam source or the plasma generating means is not shown, but an existing one can be used.
[0019]
In this surface defect detection device, first, particles (7) from a particle beam source or particles (7) from plasma generated in a process chamber (8) by a plasma generating means are converted into a sensor sample (3). The surface is irradiated. On the other hand, at the same time, the laser light from the laser light source (1) is applied to the back surface of the sensor sample (3) through the window (4).
[0020]
When a defect occurs on the surface of the sensor sample (3) due to the particle irradiation, the defect causes distortion in the sensor sample (3), and the position of the laser beam reflected on the back surface of the sensor sample (3) is reflected according to the distortion. Displaced in the optical position detector (2). Then, the displacement of the reflected light position is measured by the displacement measuring computer (5).
[0021]
In this case, for example, a reflected light position detector (2) whose detection surface is divided into four parts is used, the reflected light position detector (2) detects the moving position of the reflected laser light, and moves the moving light with the total amount of light. By normalizing, it is possible to distinguish between stray light from a plasma or particle beam source and a signal due to strain displacement, and realize highly accurate detection. More specifically, let A, B, C, and D be the light amounts hitting each detection surface of the reflected light position detector (2), respectively, and {(A + B)-(C + D)}, {(A + C) + (B + D)}. , {(A + B) + (C + D)} are converted into voltages and read into the displacement measurement computer (5). Then, {(A + B)-(C + D)} / {(A + B) + (C + D)} is calculated as the strain displacement and output. Of course, the detection surface of the reflected light position detector (2) is not divided into four, but may be divided into smaller or larger parts. Naturally, the more the number of divisions, the finer the displacement detection, but it may be set appropriately according to the processing performance of the displacement measurement computer (5).
[0022]
The displacement measured in this way directly reflects the surface stress based on the theory of an isotropic elastic body. Note that the displacement of the reflected light position can be regarded as the value of the distortion of the sensor sample (3), and is hereinafter referred to as sensor displacement.
[0023]
Here, by applying a voltage to the sensor sample (3) by the bias power source (6), the energy of the particles (7) is changed, the defect generation rate per unit time is changed, and the sensor displacement at each rate is changed. Was actually measured. As the sensor sample (3), a rectangular cantilever made of silicon single crystal of 450 × 50 × 2 microns was used. The inside of the process chamber (8) is evacuated to generate argon plasma, and the surface of the sensor sample (3) is irradiated with argon ions in the plasma. In other words, the surface of the sensor sample (3) is bombarded with argon ions.
[0024]
FIG. 2 shows an example of the measurement result. In the figure, A and B are for different defect generation rates. As is apparent from FIG. 2, the sensor displacement (vertical axis) can be accurately measured in real time with the ion irradiation time (horizontal axis).
[0025]
On the other hand, the number of defects (N) on the surface of the sensor sample (3) induced by particle beam irradiation is: silicon effective cotton density (n), ion flow rate (ψ), substitution cross section (α), damage function (ν) , Process time (t),
N = αnνψt (Equation 1)
Given by Of these, α, n, and ν can be calculated, and ψ and t can be measured.
[0026]
Using this equation 1, the ion irradiation time in FIG. 2 is rewritten as the number of accompanying defects, and the relationship with the sensor displacement is illustrated in FIG. As is apparent from this result, even when the defect generation rate changes (A and B), the number of surface defects uniquely corresponds to sensor displacement, that is, surface stress.
[0027]
Therefore, the number of surface defects can be quantitatively calculated back by measuring the sensor displacement as the surface stress. The number of surface defects is the number of defects that actually occur on the surface of the sample.
[0028]
The measurement resolution of the number of defects in the apparatus of FIG. 1 and the above-mentioned working conditions is 10 ¹⁷ / m ² or more, and this value is only 10 changes when the number of defects in a standard field of view of a scanning microscope of 100 nm × 100 nm is used. Is equivalent to
[0029]
For example, in the apparatus of FIG. 1, when a voltage of -60 V is applied to the sensor sample (3) made of silicon single crystal and the irradiation of argon ions in the argon plasma is actively performed, the sensor displacement after 1000 seconds is It was 250 × 10 ⁻⁹ m. Therefore, it can be seen that 6 × 10 ²⁰ defects / m ² were generated on the surface of the sensor sample (3). This means that 6 × 10 ²⁰ defects / m ² are generated on the surface of an actual sample made of silicon single crystal by the same irradiation of argon ions.
[0030]
As described above, the surface defect detection method and apparatus according to the invention of the present application make it possible to quantitatively measure, in real time and with high precision, atomic size defects generated on the surface of a sample in a semiconductor device manufacturing process or the like. You can.
[0031]
As can be seen from the above equation 1, the number of surface defects, that is, the sensor displacement, which is the displacement of the reflection position of the laser beam, can be calculated using the number of irradiated particles, the energy of the irradiated particles, and the like. It can also be used as a counter or energy sensor.
[0032]
In the invention of this application, as the sensor sample (3), in addition to the above-mentioned silicon single crystal, metal single crystal, and ceramic crystal, a two-layer sample in which a different material is formed on the surface of each of these crystals. Alternatively, a multi-layered sample including an intermediate layer may be used, and the number of defects at the interface together with the sample surface can be quantitatively measured in the same manner as described above.
[0033]
When particles are incident on the surface of the sample, defects are formed on the surface, the structure on the back surface is broken, the particles enter from the surface and diffuse inside, and collect on the entire sample or at the interface. These phenomena cause surface stress (the surface stress here means not only the outermost surface but also the stress near the surface (for example, about 0.5 micron from the surface)). When a stress is generated on the surface, the force distorts the entire sensor sample and also distorts the laser light reflecting surface on the back side, so that the direction of the reflected light changes.
[0034]
Whether the incident particles accumulate on the interface, accumulate on the surface, or break in the surface structure and not penetrate is determined by the energy and type of the particles.Therefore, interface defects are detected depending on the energy and type of the irradiated particles. It will be.
[0035]
That is, by measuring the displacement of the reflection position of the laser beam in accordance with the surface stress caused by the irradiation of the particles on the sensor sample surface, the number of interface defects (N = the number of interface defects) is also quantitatively calculated back using Equation (1). The calculated value of the number of interface defects is the number of defects actually occurring at the interface of the sample.
[0036]
[Example 2]
By the way, in the above-described example, a defect generated on the surface or interface of the sample due to particle irradiation in the process chamber is detected, that is, a phenomenon in which the defect increases with time is monitored. Then, using the apparatus illustrated in FIG. 1, it is also possible to monitor a phenomenon in which a defect already generated is mitigated by some additional process.
[0037]
More specifically, in FIG. 1, first, a defect is generated on the surface or interface of the sensor sample (3) by particle irradiation, and then an additional process capable of relaxing the surface / interface defect is performed on the sensor sample (3). Is further applied to The laser light from the laser light source (1) to the back surface of the sensor sample (3) may be irradiated only at the time of the additional process, or may be continuously irradiated from the time of occurrence of the defect due to the particle irradiation to the time of the defect relaxation by the additional process.
[0038]
In this case, when the defect is reduced by the additional process, the distortion of the sensor sample (3) is also reduced, and accordingly, the position of the reflected light of the laser light is also displaced. This displacement is measured by the displacement measuring computer (5) as the reflected light moving position in the four-divided detection plane of the reflected light position detector (2) in the same manner as described above. Then, based on the measurement result, the number of surface / interface defects is back calculated by the above equation (1). Naturally, the defects are alleviated by the additional process, so that the calculated number of defects gradually decreases.
[0039]
Therefore, according to this, it is possible to detect and monitor the defect relaxation phenomenon caused by the additional process in real time. It can be envisioned that the curves in FIGS. 2 and 3 decrease to the left with additional processing time.
[0040]
Note that, as an additional process for alleviating defects, irradiation of ions, electrons, or neutral particles, and irradiation of reactive particles can be given as typical examples. Of course, any process other than these can be used as long as it can alleviate defects, and there is no particular limitation, and it may be appropriately selected according to the type of sensor sample and the like.
[0041]
For example, as an example, first, irradiation with argon ions or krypton ions causes point defects or lattice defects in a sample within a range and a depth corresponding to the kinetic energy. Alternatively, due to a reaction such as surface oxidation, a defect occurs at or near the interface due to lattice mismatch with the substrate. By irradiating such defects with medium- to high-energy electrons, the surface temperature of the sample is increased, and diffusion of constituent atoms near the surface or interface can be induced to promote the relaxation of the defects. . In addition, stress relaxation by hydrogenation, nitridation, or the like can be realized using plasma of another gas, and monitoring thereof can be performed.
[0042]
The apparatus configuration of FIG. 1 is not shown in the figure because it is the same as the case of detecting the occurrence of a defect, except that the defect mitigation process is increased. What is necessary is just to provide the defect mitigation means for performing a process. In this case, both the generation and the mitigation of the defect can be detected and monitored in the same process chamber (8). However, if only the defect mitigation is to be performed, only the defect mitigation means may be provided. That is, as described above, not only is a series of phenomena that cause a defect to be relaxed subsequently generated after a defect is generated, but also a defect caused by a completely different process device such as an oxidation process and a film formation is designed. Alternatively, the sensor may be monitored by one apparatus, that is, a sensor sample already having defects due to various factors may be placed in the process chamber (8) of the apparatus of FIG. 1 to perform a defect mitigation process. Sensor samples with naturally occurring defects in the atmosphere can also be subject to defect mitigation monitoring.
[0043]
Of course, the present invention is not limited to the above examples, and various embodiments can be made in detail.
[0044]
【The invention's effect】
As described in detail above, according to the surface defect detection method and apparatus of the invention of the present application, during the process of manufacturing a semiconductor device, the process itself causes minute and minute defects to give to a sample such as a substrate or a film in real time, and Quantitative measurement with high accuracy. Further, defect detection can be realized under various atmospheres such as a vacuum atmosphere, an atmospheric pressure, a plasma atmosphere, and a reactive gas atmosphere. Furthermore, by selecting a sensor sample, it is possible to detect not only the surface of the sample but also minute and minute defects generated at the interface.
[0045]
In addition, the surface detection method and apparatus can be applied not only to a semiconductor device manufacturing process but also to various processing processes that require nanometer-order fine processing. By installing it outside a satellite or a rocket, it is possible to measure defects caused by cosmic ray irradiation in outer space.
[0046]
Further, even in the case of performing a process for alleviating surface / interface defects caused by a manufacturing process or the like, the defect relaxation can be quantitatively measured in real time with high accuracy. This can further contribute to the realization of extremely high-quality semiconductor devices and the like.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a main part configuration diagram showing an example of a surface defect detection device for realizing a surface defect detection method according to the invention of the present application.
FIG. 2 is a diagram showing an example of sensor displacement during ion irradiation actually detected.
FIG. 3 is a diagram showing an example of a relationship between actually detected sensor displacement and the number of defects.
[Explanation of symbols]
REFERENCE SIGNS LIST 1 laser light source 2 reflected light position detector 3 sensor sample 4 quartz window 5 displacement measuring computer 6 bias power supply 7 particle 8 process chamber

Claims

A method for detecting defects that occur on the surface or interface of a sample. A sensor sample made of the same material as the sample is placed in the process chamber, and the surface of the sensor sample is irradiated with particles, while the back surface is irradiated with laser light. Then, by detecting the reflection position of the laser light reflected on the back surface of the sensor sample and measuring the displacement of the reflection position of the laser light according to the distortion of the sensor sample caused by particle irradiation , the number of surface defects or the number of interface defects is measured. A surface defect detection method comprising detecting the number of defects.

This method detects the relaxation of defects that occur on the front surface or interface of a sample. A sensor sample made of the same material as the sample is placed in the process chamber, the sensor sample is subjected to a defect relaxation process, and a laser is By irradiating light, detecting the reflection position of the laser light reflected on the back surface of the sensor sample, and measuring the displacement of the reflection position of the laser light according to the distortion of the sensor sample caused by the defect mitigation process , A surface defect detection method comprising detecting the number of defects or the number of interface defects .

3. The surface defect detection method according to claim 2, wherein a defect is generated on a surface or an interface of the sensor sample by irradiating particles to a surface of the sensor sample before performing the defect relaxation process.

4. The method according to claim 2, wherein the defect relaxation process is irradiation of ions, electrons, or neutral particles or reactive particles for relaxing defects.

5. The surface defect detection method according to claim 1, wherein the displacement of the reflection position of the laser beam is measured using the energy irradiation amount or the irradiation particle number.

6. The method according to claim 1, wherein a silicon single crystal, a metal single crystal or a ceramic crystal is used as the sensor sample.

6. The surface defect detection method according to claim 1, wherein the sensor sample is a silicon single crystal, a metal single crystal, or a ceramic crystal on which a different material is deposited.

8. The method according to claim 1, wherein the particles are atoms, electrons, or ions.

A surface defect detection device that executes the surface defect detection method according to any one of claims 1, 5, 6, 7, and 8.

The surface defect detection device according to claim 9,
A particle beam source for generating particles in the process chamber or a plasma generating means for generating plasma, a laser light source for generating laser light, and a reflected light position detection for detecting a reflection position of the laser light reflected on the back surface of the sensor sample And a displacement measuring computer for measuring the displacement of the reflection position of the laser light,
Particles from the particle beam source or from the plasma generated by the plasma generating means are irradiated on the surface of the sensor sample, and the laser light is irradiated on the back surface of the sensor sample. A surface defect detection device that detects the number of surface defects or the number of interface defects by measuring the displacement of the reflection position of the surface.

A surface defect detection device that performs the surface defect detection method according to any one of claims 2 to 8.

The surface defect detection device according to claim 11,
A defect mitigation means for performing a defect mitigation process on the sensor sample in the process chamber, a laser light source for generating laser light, and a reflected light position detector for detecting a reflection position of the laser light reflected on the back surface of the sensor sample. Has a displacement measurement computer that measures the displacement of the reflection position of the laser light,
By applying a defect relaxation process to the sensor sample and irradiating the back surface of the sensor sample with laser light, measuring the displacement of the reflection position of the laser light according to the distortion of the sensor sample caused by the defect relaxation process , A surface defect detection device that detects the number of surface defects or the number of interface defects .

The apparatus further comprises a particle beam source for generating particles in the process chamber or a plasma generating means for generating plasma, and before the defect mitigation means performs the defect mitigation process, the particles or particles from the particle source on the surface of the sensor sample. 13. The surface defect detection device according to claim 12, wherein a defect is generated on a surface or an interface of the sensor sample by irradiating particles from the plasma by the plasma generation means.

A particle number counter using a displacement of a reflection position of a laser beam measured by the surface defect detection device according to any one of claims 9 to 13.

A particle energy sensor using a displacement of a reflection position of a laser beam measured by the surface defect detection device according to any one of claims 9 to 13.