JP3825407B2 - 直線偏光ビームの偏光解消量を検出する装置および方法 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、複屈折媒体によって伝達された直線偏光ビームの偏光解消量を検出する装置および方法に関する。
【０００２】
この装置および方法は、通常は等方性であり、複屈折を発生させない半導体ウェハに固有の内部応力場を検出するため、それぞれ、簡便に用いられ得る。内部応力場は転位およびすべり線によって引き起こされるので、検出結果は、転位およびすべり線の量の尺度、従って、ウェハおよび得られる半導体デバイスの質の尺度である。直線偏光ビームは、好ましくは、複屈折媒体によって、複屈折媒体の表面に対して垂直な方向に伝達される。
【０００３】
通常、半導体デバイスの製造は、ウェハを処理する様々な工程、具体的には、ウェハがその間に機械的応力をかけられる熱処理工程を含む。結果として、例えば、漏れ電流を引き起こす、結晶における転位、スライドおよびすべり線が生成され、デバイス特性が大幅に低下する。従って、転位およびすべり線の量を評価する必要があり、その結果に基づいて、前もって決定された閾値を超える転位およびすべり線の量を有するウェハは、不合格にされる。
【０００４】
転位およびすべり線の程度は、スキャン赤外線偏光解消と呼ばれる方法によって検出され得る。スキャン赤外線偏光解消によるすべり線検出の原理は、シリコンウェハによって伝達される直線偏光された光が、２つの直交成分、すなわち、内部応力場が結晶の対称性を、正四面体から正方晶まで、または、それより下に低下させる場合に入射光に対して平行な成分および垂直な成分に分離されるということに基づく。
【０００５】
異なるように述べられているが、通常の等方性半導体ウェハは、内部応力場が発生する場合に、複屈折性になる。従って、通常ビームおよび異常ビームからの２つの直交成分は、それぞれ、異なる速度で伝達される。結果として、ウェハから発するビームは、２つの直交成分の間の位相差に起因して、楕円偏光される。
【０００６】
半導体ウェハ内で発生する応力場は、転位またはすべり線による結晶のひずみによって引き起こされる。２つの直交成分の間の比は、応力場の強度の良好な尺度となる。スキャン赤外線偏光解消測定の実験的な構成は、図２に示される。図２において、参照符号１は、レーザデバイス（図示せず）によって発せられる直線偏光レーザビームを示す。参照符号２は、半導体ウェハ５によって伝達された後のレーザビームを示す。参照符号７は、入射されるビーム２を直交成分３および４に分離する偏光ビームスプリッタを示す。成分３は、光検出器８によって検出され、成分４は、光検出器９によって検出される。すべり線は、参照符号６によって示される段である。
【０００７】
上述した効果は、非常に弱い。従って、光ビームの垂直な成分の平行な成分に対する比は、１：１００であるか、または、より低い。弱い垂直な信号を検出するため、フォトダイオード信号を増幅するアンプは、非常に高い利得で動作する必要がある。
【０００８】
しかし、検出器によって検出される垂直な成分は、すべり線によって引き起こされる偏光解消のみが原因になるのではなく、光の散乱も原因となる。ウェハ表面の不完全性、例えば、表面の粗さまたは不純物に起因して、偏光された光が散乱される。具体的には、半導体デバイスからのパターン、例えば、トレンチおよび他の構造は、光の散乱の原因となる。結果として、偏光された光は、偏光方向が変化するか、または、非偏光になることさえある。
【０００９】
この散乱された光の瞬間的な平行および垂直な成分は、両方の検出器によって検出される。散乱された光が、光度による正確な信号を、大幅に超える場合、特に、ウェハが既にパターニングされている場合には、アンプが非線形に動作し始めるか、または、飽和状態に陥る。両方の場合において、アンプは、正確な偏光解消効果を表す弱い信号を無視するようになる。
【００１０】
スキャン赤外線偏光解消測定の間に発生する問題点は、トレンチのような非常に大きく光を散乱させる原因となる構造がパターニングされる前に、測定が行われる場合に、部分的に避けられ得る。しかし、トレンチ形成の間、熱処理工程も行われるので、転位およびすべり線の量は、トレンチ形成の間およびトレンチ形成後に、依然として増加する。従って、トレンチ形成前の測定は、誤った測定結果につながる。
【００１１】
さらに、このような測定は、トレンチに起因する散乱を避ける。しかし、不純物または表面粗さに起因する分散を抑えることはできない。
【００１２】
従って、本発明の目的は、直線偏光ビームの偏光解消量を検出する、向上した装置および向上した方法をそれぞれ提供することである。
【００１３】
さらに、本発明の目的は、半導体ウェハにおける内部応力場を判定する、向上した装置および向上した方法をそれぞれ提供することである。
【００１４】
本発明によると、上記の目的は、複屈折媒体によって伝達された直線偏光ビームの偏光解消量を検出する装置であって、該伝達されたビームの第１の部分を、直交成分に分離する第１のビームスプリッタと、該第１のビームスプリッタによって分離された該直交成分のそれぞれを検出する、少なくとも２つの光検出器の第１のセットと、該伝達されたビームの第２の部分を、直交成分に分離する第２のビームスプリッタであって、該第２のビームスプリッタは、入射直線偏光ビームの光軸から外れて配置される、第２のビームスプリッタと、該第２のビームスプリッタによって分離された該直交成分のそれぞれを検出する、少なくとも２つの光検出器の第２のセットと、該第１のセットの光検出器が受信したそれぞれの信号から、該第２のセットの光検出器が受信した信号を減算する、減算デバイスとを含む、装置によって達成される。
【００１５】
さらに、上記の目的は、複屈折媒体によって伝達された直線偏光ビームの偏光解消量を検出する方法であって、第１のビームスプリッタによって、該伝達されたビームの第１の部分を直交成分に分離する工程と、第１のセットの光検出器によって、該第１のビームスプリッタによって分離された該直交成分のそれぞれを検出する工程と、第２のビームスプリッタによって、該伝達されたビームの第２の部分を、直交成分に分離する工程であって、該第２のビームスプリッタは、入射直線偏光ビームの光軸から外れて配置される、工程と、第２のセットの光検出器によって、該第２のビームスプリッタによって分離された該直交成分のそれぞれを検出する工程と、該第１のセットの光検出器が受信したそれぞれの信号から、該第２のセットの光検出器が受信した信号を減算する工程とを包含する、方法によって達成される。
【００１６】
好ましくは、前記直線偏光ビームは、前記複屈折媒体の表面に対して垂直な方向で伝達され、該伝達されたビームの前記第１の部分は、光軸上の部分であり、該伝達されたビームの前記第２の部分は、光軸から外れている部分である。
【００１７】
さらに、本発明は、半導体デバイスにおける内部応力場を判定する装置であって、直線偏光赤外線レーザビームを発するレーザデバイスと、該レーザビームが該半導体ウェハによって伝達された後の該直線偏光赤外線レーザビームの偏光解消量を検出する装置であって、該直線偏光赤外線ビームの偏光解消量を検出する装置は、上記の通りである装置とを含む、装置を提供する。
【００１８】
さらに、本発明は、半導体ウェハにおける内部応力場を判定する方法であって、直線偏光赤外線レーザビームを通常の等方性媒体に照射する工程と、該赤外線レーザビームが該半導体ウェハによって伝達された後の該直線偏光レーザビームの偏光解消量を検出する方法であって、該直線偏光レーザビーム偏光解消量を検出する方法は上記の通りである方法とを包含する、方法を提供する。
【００１９】
本発明は、以下のような理解に基づいている。散乱する光の効果を抑えることはできないし、散乱された光が光検出器に入ることは避けられないので、この部分の光は、アンプに入るまでに、内部応力に起因する偏光解消を表す正確な信号から減算される必要がある。
【００２０】
以下の記載において、本発明は、添付の図面を参照しながら詳細に説明される。
【００２１】
図１において、波長が約８００〜９００ｎｍ、ビーム径が２００ｎｍの直線偏光レーザビームが、レーザデバイス１９、例えば、ＧａＡｓレーザダイオードによって発せられる。レーザビームは、半導体ウェハ５によって伝達される。伝達されたレーザビーム２は、ここでは、楕円偏光されており、ビームスプリッタ７によって、２つの直交成分３および４に分離される。成分３は、光検出器８によって検出され、成分４は、光検出器９によって検出される。直交成分を分離するため、ビームスプリッタ７は、偏光ビームスプリッタとして実現されるか、または、ビームスプリッタ７は、偏光とは関係なく、２つの成分が１セットの直交偏光子によってそれぞれ偏光されるかのいずれかである。この場合、レーザビーム１の入射方向は、半導体ウェハ５の光軸に対応する。レーザビームは、半導体ウェハの表面に対して垂直に方向付けられる。
【００２２】
さらに、２つの直交成分１５および１６に分離する第２のビームスプリッタ１２は、伝達されたレーザビームの光軸から外れた部分１１を分離するように、数度光軸から外れた状態で配置される。さらに、第２のセットの光検出器１３および１４は、光検出器１３が成分１５を検出し、光検出器１４が成分１６を検出するように配置される。伝達されたレーザビームの光軸から外れた部分１１は、表面の粗さ、粒子、または、特に、デバイスパターンによって散乱されている。光軸から外れた方向では、散乱された光のみが検出されるので、ここでは、散乱した光と正確な信号との両方に対する感度がよい検出器のセットがあるが、１セットの検出器は、散乱される光のみに対して感度がよい。より具体的には、伝達された光の光軸上の部分を検出する検出器８および９のセットは、散乱された光と信号とに対して感度がよいが、伝達された光の軸から外れた部分を検出する検出器１３および１４のセットは、散乱された光のみに対して感度がよい。
【００２３】
参照符号１７は、検出器の両方のセットの信号を減算して、必要とされる信号偏光解消信号を得る減算デバイスを示す。より具体的には、減算デバイスは、光軸上の平行な成分を表す信号から、光軸から外れた平行な成分を表す信号を減算する。さらに、減算デバイスは、光軸上の平行な成分を表す信号から、光軸から外れた垂直な成分を表す信号を減算する。参照符号１８は、得られる差の信号を高利得で増幅する高利得アンプを示す。垂直な成分の平行な成分に対する比は、ウェハ内の内部応力の尺度になり、ウェハの品質評価を可能にする。
【００２４】
本発明によると、第２のビームスプリッタおよび第２のセットの光検出器を、数度光軸から外れた状態に配置することによって、正確な偏光解消信号を得ることができ、散乱する光の効果は、大幅に抑えられる。具体的には、不純物、表面粗さ、特に、トレンチなどのデバイス構造のような散乱の原因は、もはや、偏光解消量の正確な測定の妨げにならない。結果として、トレンチなどのデバイス構造を規定した後に、スキャン赤外偏光解消測定を行うことが可能になる。従って、この測定は、デバイス構造のパターニングの前に通常行われる測定よりも、より正確、かつ、実質的なものになる。さらに、不純物および表面粗さの影響は、これで、有用に抑えられ得る。結果として、品質評価が、より高い精度で行われ得る。
【００２５】
レーザビームが半導体ウェハによって伝達されることを確実にするため、その波長が、適切に選択される必要がある。特に、ＧａＡｓレーザのような半導体レーザによって発せられる赤外線レーザビームが、通常用いられる。
【００２６】
通常、レーザデバイスが半導体ウェハの下に固定され、検出器およびビームスプリッタが半導体ウェハの上に固定される、実験的な構成が選択される。半導体ウェハは、回転され、半導体ウェハ全体がスキャンされるように横方向にシフトされる。
【００２７】
第２のビームスプリッタの光軸から外れる角度を決定する場合、光の散乱する角度は、等方的ではなく、葉状である。従って、光軸上の部分にも含まれる散乱された光の部分を検出するため、半導体ウェハへの光軸に対する第２のビームスプリッタの転位角度が非常に低くなる必要がある。しかし、最小角度は、装置のジオメトリック配置によって決定される。本発明者らは、３°〜５°の角度が最適な結果を生み出すことを発見した。
【００２８】
上述したように、上記の測定の精度は、ロックインアンプを用いることによって、大幅に向上し得る。この場合、半導体ウェハに照射されるレーザビームが、所定の周波数で切断される。ロックインアンプは、２つのセットの検出器からのこの所定の周波数を有する信号を考慮に入れるだけである。ロックインアンプは、光軸上の検出器のセットによって供給される信号から、それぞれ、光軸から外れている検出器のセットによって供給される信号を減算する。
【００２９】
本発明は、ウェハの表面が非常に散乱させるような表面である場合、または、様々なウェハの形状を検査する必要がある場合に、特に有用である。
【００３０】
本発明は、半導体ウェハの検査に関して説明されてきたが、当業者にとって、粗く、非常に散乱させるような表面を有する、あらゆる種類の複屈折材料、特に、通常等方性媒体に適用され得ることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明の装置の実験的な構成を示す図である。
【図２】 図２は、従来技術において用いられる装置の実験的な構成を示す図である。
【符号の説明】
１ 入射レーザビーム
２ 伝達された光軸上のレーザビーム
３ 光軸上の垂直な成分
４ 光軸上の平行な成分
５ 半導体ウェハ
６ すべり線
７ 第１のビームスプリッタ
８ 垂直な成分の第１の光検出器
９ 平行な成分の第１の光検出器
１０ トレンチ
１１ レーザビームの光軸から外れた部分
１２ 第２のビームスプリッタ
１３ 垂直な成分の第２の光検出器
１４ 平行な成分の第２の光検出器
１５ 光軸から外れた垂直成分
１６ 光軸から外れた垂直成分
１７ 減算デバイス
１８ 高利得アンプ
１９ 赤外線レーザデバイス

Claims (10)

1. 複屈折媒体（５）によって伝達された直線偏光ビーム（１）の偏光解消量を検出する装置であって、
   該ビームの第１の部分（２）を直交成分（３、４）に分離する第１のビームスプリッタ（７）であって、該第１の部分（２）は、楕円偏光ビームである、第１のビームスプリッタ（７）と、
   該第１のビームスプリッタ（７）によって分離された該直交成分（３、４）のそれぞれを検出する、少なくとも２つの光検出器（８、９）の第１のセットと、
   該ビームの第２の部分（１１）を直交成分（１５、１６）に分離する第２のビームスプリッタ（１２）であって、該第２のビームスプリッタ（１２）は、入射直線偏光ビーム（１）の光軸から外れて配置されており、該第２の部分（１１）は、該第１の部分（２）の光軸から外れた方向に伝達される、第２のビームスプリッタ（１２）と、
   該第２のビームスプリッタ（１２）によって分離された該直交成分（１５、１６）のそれぞれを検出する、少なくとも２つの光検出器（１３、１４）の第２のセットと、
   該第１のセットの光検出器（８、９）によって受信された該ビームの該第１の部分（２）の該直交成分（３、４）から、該第２のセットの光検出器（１３、１４）によって受信された該ビームの該第２の部分（１１）の該直交成分（１５、１６）を減算する減算デバイス（１７）と
   を含む、装置。
2. 前記直線偏光ビーム（１）は、前記複屈折媒体（５）の表面に対して垂直な方向に伝達され、該ビームの前記第１の部分（２）は、光軸上の部分であり、該ビームの前記第２の部分（１１）は、光軸から外れている部分である、請求項１に記載の装置。
3. 前記第２のビームスプリッタ（１２）は、３°〜５°光軸から外れた角度に配置されている、請求項１または２に記載の直線偏光ビームの偏光解消量を検出する装置。
4. 前記減算デバイスの信号が供給されるアンプ（１８）をさらに含む、請求項１〜３のいずれかに記載の直線偏光ビームの偏光解消量を検出する装置。
5. 前記減算デバイス（１７）は、ロックインアンプである、請求項１〜３のいずれかに記載の直線偏光ビームの偏光解消量を検出する装置。
6. 半導体ウェハ（５）における内部応力場を決定する装置であって、
   直線偏光赤外線レーザビーム（１）を出射するレーザデバイス（１９）と、
   該レーザビーム（１）が該半導体ウェハ（５）によって伝達された後の該直線偏光赤外線レーザビームの偏光解消量を検出する装置と
   を備え、
   該直線偏光赤外線ビームの偏光解消量を検出する装置は、請求項１〜５のいずれかに規定されている装置である、装置。
7. 複屈折媒体（５）によって伝達された直線偏光ビーム（１）の偏光解消量を検出する方法であって、
   第１のビームスプリッタ（７）によって、該ビームの第１の部分（２）を直交成分に分離する工程であって、該第１の部分（２）は、楕円偏光ビームである、工程と、
   第１のセットの光検出器（８、９）によって、該第１のビームスプリッタ（７）によって分離された該直交成分（３、４）を検出する工程と、
   第２のビームスプリッタ（１２）によって、該ビームの第２の部分（１１）を直交成分（１５、１６）に分離する工程であって、該第２のビームスプリッタ（１２）は、入射直線偏光ビーム（１）の光軸から外れて配置されており、該第２の部分（１１）は、該第１の部分（２）の光軸から外れた方向に伝達される、工程と、
   第２のセットの光検出器（１３、１４）によって、該第２のビームスプリッタ（１２）によって分離された該直交成分（１５、１６）を検出する工程と、
   該第１のセットの光検出器（８、９）によって受信された該ビームの該第１の部分（２ ）の該直交成分（３、４）から、該第２のセットの光検出器（１３、１４）によって受信された該ビームの該第２の部分（１１）の該直交成分（１５、１６）を減算する工程と
   を包含する、方法。
8. 前記直線偏光ビーム（１）は、前記複屈折媒体（５）の表面に対して垂直な方向で伝達され、該ビームの前記第１の部分（２）は、光軸上の部分であり、該ビームの前記第２の部分（１１）は、光軸から外れている部分である、請求項７に記載の直線偏光ビーム（１）の偏光解消量を検出する方法。
9. 前記減算する工程から得られる信号を増幅させる工程をさらに包含する、請求項７または８に記載の直線偏光ビームの偏光解消量を検出する方法。
10. 半導体ウェハ（５）における内部応力場を決定する方法であって、
    直線偏光赤外線レーザビーム（１）を該半導体ウェハ（５）に照射する工程と、
    該直線偏光レーザビーム（１）が該半導体ウェハ（５）によって伝達された後の該レーザビームの偏光解消量を検出する方法と
    を包含し、
    該直線偏光レーザビームの偏光解消量を検出する方法は、請求項７〜９のいずれかに規定されている方法である、方法。

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