JP4604734B2 - ウェーハの評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、ウェーハの評価方法に関し、さらに詳しくは、半導体集積回路、半導体素子、またはディスプレイ等を構成するウェーハ表面および表面近傍に存在する欠陥を予め検査し、高倍率で分析評価するウェーハの評価方法に関するものである。

半導体用デバイスの製造工程において歩留りや信頼性を向上させるために、半導体ウェーハの欠陥検査は極めて重要な技術要素であり、最近におけるデバイスの微細化にともない、達成すべきデバイス特性がますます厳しくなり、半導体ウェーハに対しさらなる結晶品質の完全性と表面の清浄化が要求されることから、その欠陥検査の重要度が増している。

具体的には、ウェーハに存在する欠陥やウェーハ表面に付着する異物がデバイス歩留りの低下要因になることから、これらウェーハに存在する欠陥や付着する異物を検査し、半導体ウェーハの品質を高精度に評価することにより、シリコンウェーハの製造プロセスおよびデバイスの製造工程の改善を図っていくことが強く要請される。

半導体ウェーハに検出される欠陥や異物としては、シリコンウェーハの引上げプロセスで導入される結晶起因の欠陥の他に、引上げ後のウェーハ加工工程で導入される加工起因の欠陥、さらに不純物（パーティクルや重金属等）などの異物によるものが挙げられる。

通常、半導体ウェーハの表面検査には、パーティクルカウンタと呼ばれるレーザ散乱光方式の検査装置が主に使われる。この検査装置はウェーハ表面の散乱強度を検出し、ウェーハ表面上のパーティクルを検出するものであるが、パーティクル等の他にも一定サイズ以上であれば種々の欠陥を検出できる。ここで、検出された種々の欠陥は、個々に区別が困難なことから、一緒にカウントされＬＰＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｐｏｉｎｔ Ｄｅｆｅｃｔ）として管理される。

さらに、デバイスの製造工程で問題となる欠陥としては、結晶の引上げプロセスで導入される結晶起因により、ウェーハの表面近傍に現れるＣＯＰ（Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｒｉｇｉｎａｔｅｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ）が知られている。このＣＯＰは０．１μｍ以下の欠陥であり、欠陥検査に際して、ウェーハにアンモニア、過酸化水素水の溶液で前処理を施して欠陥を顕在化させたのち、目視や電子顕微鏡などで直接観察される。

ウェーハ表面に存在する結晶起因の欠陥、加工起因の欠陥、さらに不純物などの異物（以下、これらを総称して「欠陥」という）は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）等の倍率の高い顕微鏡を用いて観察すれば、直接的に分析評価することができるが、これらのＳＥＭ、またはＡＦＭ等の評価装置における観察視野は極めて狭いものとなる。

したがって、検査対象である欠陥に比べて極めて広い面積からなるウェーハ表面に点在するこれらの欠陥を、直接、ＳＥＭ、またはＡＦＭ等の評価装置の観察視野に正確に入れることは困難である。このため、一般的には前述のパーティクルカウンタ等の検査装置を用いて、広い面積のウェーハ表面に存在する欠陥を予め検査している。

ところが、パーティクルカウンタ等から得られる個々の欠陥が存在するウェーハ表面上の位置は、前記パーティクルカウンタ等の装置座標において定義されたものであるため、ＳＥＭ、またはＡＦＭ等の評価装置が用いるステージ座標とは一致しない。また、パーティクルカウンタ等の検査装置で欠陥を検出したウェーハをＳＥＭ、またはＡＦＭ等の評価装置にセッティングする場合、新たなセッティングにともなって装置座標に誤差が発生することになる。

このため、ウェーハ表面に存在する欠陥の実態をＳＥＭ、またはＡＦＭ等の評価装置で分析評価するためには、パーティクルカウンタ等の検査装置の有する装置座標と、ＳＥＭ、またはＡＦＭ等の評価装置が用いるステージ座標とを高精度にアライメントさせることが必要になる。

最近では、パーティクルカウンタに比べ、高感度にウェーハ表面の欠陥を評価できることから、ウェーハ表面の評価方法として、コンフォーカル光学系によるレーザ顕微鏡が用いられるようになる。コンフォーカル光学系とは、サンプル上に光ビームを集束させて微小スポットで照射し、その反射光を受光器の全面に配置したピンホールに再び集束させ、ピンホールを通過した光量を検出するものである。

このコンフォーカル光学系によるレーザ顕微鏡を用いて、予め検査装置で欠陥位置を検出した座標を、ＳＥＭ、またはＡＦＭ等の評価装置が用いるステージ座標に高精度にリンクさせる方法として、特許文献１に提案された欠陥観察方法がある。この欠陥観察方法は、検査すべき基板の表面を光ビームにより走査して欠陥を検出する第１の観察工程と、検出された欠陥の位置を指示するために欠陥の近傍にマーキングを行うマーキング工程と、当該マーキングを目印として、検出された欠陥を第１の観察工程の倍率よりも高い倍率で観察する第２の観察工程とから構成されている。

すなわち、特許文献１で提案の欠陥観察方法では、コンフォーカル光学系によるレーザ顕微鏡を用いて欠陥検査を行った後、ウェーハの欠陥の付近に機械的なマーキングを行い、次いで、低倍率モードでマーキングの検出を行い、微細な欠陥を観察視野内に位置させることにより、ＳＥＭ、またはＡＦＭ等の評価装置による高倍率観察においても容易に欠陥を視野内に位置させることができるとするものである。

しかしながら、特許文献１で提案の欠陥観察方法では、検出された欠陥の位置を指示するために欠陥の近傍にマーキングを行うことを特徴とするものであるため、ウェーハの分析評価に際して、検出された欠陥毎に当該マーキングを目印として低倍率モードで検出することが必須となる。そして、低倍率モードでの検出により欠陥毎に観察視野内に位置させたのち、ＳＥＭ、またはＡＦＭ等の評価装置による高倍率観察を行うことが必要になることから、ウェーハ表面の欠陥評価に多大な工数を要する。

特開２００２−３５０７３１号公報

前述の通り、パーティクルカウンタに比べ高感度にウェーハ表面の欠陥を評価できることから、ウェーハ表面におけるＬＰＤ実体を評価する方法として、コンフォーカル光学系によるレーザ顕微鏡（例えば、レーザテック社製Ｍ−３５０）が用いられるようになる。このコンフォーカル光学系レーザ顕微鏡による検査では、ウェーハ表面にレーザ光を集束させて微小スポットで照射してウェーハ全面を測定した後、検出した欠陥のイメージ画像を取り込んでいる。

これにより、パーティクルカウンタ等の検査では異物や欠陥を区別することが困難であったが、コンフォーカル光学系レーザ顕微鏡を用いることにより欠陥や異物の実態を直接観察することが可能になり、取り込んだ欠陥イメージ画像から大きなＬＰＤの形状を確認することができる。

しかしながら、コンフォーカル光学系レーザ顕微鏡では、上記の欠陥イメージ画像からウェーハの表面近傍に現れるＣＯＰのような微小サイズの欠陥を分析評価することができない。このため、コンフォーカル光学系レーザ顕微鏡を用いてウェーハ表面の欠陥を分析評価する場合にも、微小サイズのＬＰＤやＣＯＰの欠陥はＳＥＭ、またはＡＦＭ等の評価装置を用いて形状確認を行うことが必要になる。

従来から、広いウェーハ表面に存在する欠陥を予め検査して、欠陥内容の実態をＳＥＭ、またはＡＦＭ等の評価装置で分析評価するために、パーティクルカウンタ（例えば、ＴＥＮＣＯＲ社製ＳＰ−１）が用いられる。前述の通り、この場合にパーティクルカウンタの有する装置座標と、ＳＥＭ、またはＡＦＭ等の評価装置の有するステージ座標とを高精度にアライメントさせることが必要になる。

パーティクルカウンタによる検査では、ウェーハを載置した回転可能なステージが設けられており、固定されたレーザ側からは回転されるウェーハ表面にレーザを照射してウェーハ表面から反射される散乱光を受光し、種々の欠陥を検出しＬＰＤとして管理される。しかし、このようにウェーハを載置したステージを回転させながら検査する方法では、検出したＬＰＤの欠陥位置をウェーハ中心からの距離と傾き角度で計算し、装置座標としてＸ座標およびＹ座標を決定している。このため、計算によって得られた装置座標は、著しく精度が悪くなる。

このため、パーティクルカウンタが用いる装置座標と、ＳＥＭ、またはＡＦＭ等の評価装置が用いるステージ座標とを整合するようにアライメントを行うと、ウェーハの中心点、またはウェーハ表面に任意に定義した点に対し、大きな誤差を生じることになる。このような状況から、両者の座標を正確にアライメントすることは困難であり、両者の座標を高精度にアライメントさせるためには多くの工数を生ずることになる。

本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、ＳＥＭ、またはＡＦＭ等の評価装置において、マーキングを形成したウェーハ表面をコンフォーカル光学系による走査装置を用いて検査することにより、予め検査工程で検出した欠陥を簡易な操作で、ＳＥＭ、またはＡＦＭ等の評価装置の分析視野内に位置させることができる、ウェーハの評価方法を提供することを目的としている。

本発明者は、上記の課題を解決するため、レーザ散乱光方式の走査装置を用いてウェーハ表面を検査したのち、コンフォーカル光学系による走査装置を用いて前記ウェーハ表面を検査することにより、ＳＥＭ、またはＡＦＭ等の評価装置が用いるステージ座標とのアライメントにおいて、座標精度を大幅に向上できることに着目した。

しかも、ウェーハの任意位置にマーキングを行い、マーキングを形成したウェーハ表面をコンフォーカル光学系による走査装置で検査したのち、このマーキングの座標に基づきＳＥＭ、またはＡＦＭ等の評価装置のステージ座標とアライメントを行えば、ウェーハ表面の任意位置に存在する欠陥を容易に評価装置の分析視野に入れることができるので、ウェーハ評価における欠陥位置の検出に要する調整時間が少なくなり、効率化が図れることを知見した。

本発明のウェーハの評価方法は、ウェーハ表面および表面近傍に存在する結晶欠陥を予め検査したのち、より高い倍率による評価装置で、寸法が前記評価装置のステージ寸法を超えるウェーハを特定領域毎に分析評価するウェーハの評価方法において、検査対象であるウェーハ表面をレーザビームにより走査して欠陥検出を行うレーザ散乱光方式の走査装置を用いて検査する第１の検査工程と、検査対象である前記ウェーハ表面の所定範囲に５点以上のマーキングを行い、その状態で当該ウェーハ表面を光ビームにより走査して欠陥検出を行うコンフォーカル光学系による走査装置を用いて検査する第２の検査工程と、５点以上のマーキングのうちの３点以上のマーキングを利用して、前記第２の検査工程で検出した位置座標と前記評価装置で用いるステージ座標とをアライメントしたのち、前記ウェーハ表面を前記評価装置で分析する評価工程とを有することを特徴とする。
ウェーハ寸法が評価装置のステージ寸法を超えて大きく、一回のセッティングで分析が困難な場合であっても、５点以上のマーキングを行うことによって、そのうちの３点以上のマーキングに分割して、ウェーハの特定領域毎に評価装置のステージ座標にアライメントすれば、精度よくウェーハ全面の分析評価が可能になる。

さらに、本発明のウェーハの評価方法は、前記マーキングはダイアモンドで構成したチップを用いて形成され、またはレーザマーカーを用いて形成され、前記評価装置において検出可能なサイズとする。上記で規定するように、本発明のマーキング方法は、機械的なマーキングであっても、またレーザを用いたマーキングのいずれであってもよく、このマーキングの位置情報を評価装置のステージ座標に入力することにより、当該マーキング座標に基づいて高精度のアライメントが可能になる。

本発明のウェーハの評価方法の好適な実施例としては、レーザ散乱光方式の走査装置をパーティクルカウンタ、例えば、ＴＥＮＣＯＲ社製ＳＰ−１で構成するとともに、コンフォーカル光学系による走査装置をコンフォーカル光学系によるレーザ顕微鏡、例えば、レーザテック社製Ｍ−３５０で構成し、さらに評価装置を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）、集束イオンビーム（ＦＩＢ）、２次イオン質量分析装置（ＳＩＭＳ）、またはオージェ電子分光分析装置（ＡＥＳ）のいずれかで構成できる。

上記実施例によれば、検査対象であるウェーハ表面に存在する欠陥を確実かつ正確に評価することができと同時に、前記各種の検査装置および評価装置はいずれも汎用されていることから、新たな装置の導入を必要とせず、分析評価コストの増加を抑制することができる。

本発明のウェーハの評価方法によれば、ＳＥＭ、またはＡＦＭ等の評価装置において、マーキングを施したウェーハ表面をコンフォーカル光学系による走査装置を用いて検査することにより、予め検査工程で検出した欠陥を簡易な操作で、ＳＥＭ、またはＡＦＭ等の評価装置の分析視野内に位置させることができるので、アライメントの精度を高め、ウェーハの分析評価を効率的に行うことができる。

また、従来のレーザ散乱光方式の走査装置（パーティクルカウンタ）だけによる予め検査に加え、コンフォーカル光学系による走査装置を用いることにより、レーザ散乱光方式の走査装置に比べ高感度であり、検出しやすい特徴的な欠陥も存在することから、ＳＥＭ、またはＡＦＭ等の評価装置における分析評価の精度を向上できる。

さらに、検査対象のウェーハがＳＥＭ、またはＡＦＭ等の評価装置のステージの可動範囲よりも大きなサイズであったとしても、複数回のセッティングに分けてウェーハの特定領域毎に、評価装置のステージ座標にアライメントすれば、精度よくウェーハ表面の分析評価が可能になる。

本発明に適用できる検査装置および評価装置は、いずれもウェーハ表面に存在する欠陥を確実かつ正確に評価することができると同時に、汎用されており新たな装置の導入を行う必要が少なく、分析評価コストの増加を抑制することができる。

本発明のウェーハの評価方法の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の評価方法におけるアルゴリズムを示すフローチャートである。本発明の評価方法はウェーハ表面および表面近傍に存在する結晶欠陥を予め検査したのち、より高い倍率で分析評価するウェーハの評価方法であり、ステップ１では、レーザ散乱光方式の走査装置としてパーティクルカウンタを用いて、ウェーハ表面をレーザビームにより走査して欠陥を検出し、ウェーハ中心からの距離と座標軸からの傾き角度に基づいて欠陥位置をＸ座標およびＹ座標で確定する。

ステップ２では、後述する座標合わせのアライメントでの基準とするため、ウェーハ表面の所定範囲にマーキングを行う。マーキングは次のステップ３でのコンフォーカル光学系による走査装置による第２の検査前に施す必要があるが、コンフォーカル光学系による走査装置にマーキング機能を具備させ、マーキングと第２の検査とを連動させることにより、ウェーハの分析評価における一層の効率化が図れる。

ステップ３においては、コンフォーカル光学系による走査装置としてコンフォーカル光学系レーザ顕微鏡を使用し、マーキングを形成した状態でウェーハ表面に存在する欠陥を検出する第２の検査を行う。このとき、ウェーハ表面におけるマーキング位置および欠陥位置をコンフォーカル光学系レーザ顕微鏡が有する装置座標で確定する。

ステップ４では、マーキングを利用して第２の検査で確定した装置座標と、評価装置で用いるステージ座標とをアライメントする。このとき、前記マーキングの位置情報を評価装置のステージ座標に入力することにより、このマーキング座標に基づいて評価装置のステージ座標を高精度にアライメントすることができる。

その後、ステップ５では、評価装置を使用してウェーハ表面を分析評価する。評価装置による分析は高倍率で行われ、例えば、倍率を２００００倍に設定することができる。このような高い倍率で分析評価することによって、確実に欠陥情報（サイズ、形状等）を入手することができ、精度よくウェーハ表面を評価することが可能になる。

図２は、ウェーハ表面にマーキングを行うのに好適な範囲を例示する図である。図２に示す範囲は、検査対象として直径３００ｍｍのウェーハ１を用いて、評価装置として２００ｍｍのウェーハ対応の評価装置で使用することを想定した場合を例示している。マーキングを行う範囲としては、ウェーハ１の中心（座標：０、０）から半径が８０ｍｍ以下の範囲であって、中心位置を基準にＸ軸の正方向（３時の方向）および負方向（９時の方向）、並びにＹ軸の正方向（１２時の方向）および負方向（６時の方向）に位置させるのが望ましい。

本発明におけるマーキング方法は、機械的なマーキングであっても、またレーザによるマーキングのいずれでもよいが、検査装置および評価装置での検出可能サイズであることが必要である。このため、レーザマーカーを用いて形成する場合には、直径が８０〜１００ｎｍからなる複数のドットを集合させて１点のマーキングを形成するのがよい。一方、機械的なマーキングにあっては、ダイアモンドで構成したチップを用いて一辺が５μｍ程度の四角形の凹状のマーキングを形成することができる。

検査対象となるウェーハ表面には、少なくとも３点のマーキングを行うことが必要である。これは、検査対象となるウェーハは３点でアライメントを行うため、少なくとも３点のマーキングを行うことが必要になることによる。これにより、評価効率の向上、評価の正確性の向上を図ることができる。

さらに、上述のマーキングが形成されたウェーハであれば、分析評価の対象とできるため、ウェーハ寸法が評価装置のステージ寸法を超えて大きく、一回のセッティングでウェーハ全面を分析評価できない場合であっても、５点以上のマーキングを行うことによって対応できる。すなわち、５点以上のマーキングのうちの３点以上のマーキングに分割してウェーハの特定領域毎に、評価装置のステージ座標にアライメントすれば、精度よくウェーハ全面の分析評価が可能になる。

図３は、検査対象となるウェーハ寸法が評価装置のステージ寸法を超える場合に、ウェーハの特定領域毎に分析評価を行う要領を説明する図である。図３（ａ）〜（ｅ）に示すウェーハ１では、その表面に形成されたＰ１〜Ｐ５の５点のマーキングに基づいて、特定領域毎に分析評価を行うことにより、精度よくウェーハ全面の分析評価が可能になる。

図３（ａ）では、ウェーハ１表面に形成されたＰ１、Ｐ２およびＰ５の３点を基準として、評価装置のステージ２座標にアライメントすることにより、ウェーハ１の特定領域を分析評価している。

次に、図３（ｂ）では、ウェーハ１表面に形成されたＰ１、Ｐ２およびＰ３の３点を基準として、評価装置のステージ２座標にアライメントし、ウェーハ１の特定領域を分析評価し、その後、図３（ｃ）〜（ｅ）に示すように、同様の要領で、Ｐ１〜Ｐ５の５点のマーキングのうち３点のマーキングを基準として、ウェーハの特定領域毎に評価装置のステージ２座標にアライメントすることによって、ウェーハ全面の分析評価を行う。

本発明のウェーハの評価方法では、評価装置を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）、集束イオンビーム（ＦＩＢ）、２次イオン質量分析装置（ＳＩＭＳ）、またはオージェ電子分光分析装置（ＡＥＳ）のいずれかで構成することができる。これらの評価装置を用いれば、ウェーハ表面または表面近傍に存在する欠陥実態に関する情報を正確かつ確実に入手できるので、精度の高いウェーハ表面の分析評価が可能になる。

本発明のウェーハの評価方法によれば、ＳＥＭ、またはＡＦＭ等の評価装置において、マーキングを施したウェーハ表面をコンフォーカル光学系による走査装置を用いて検査することにより、予め検査工程で検出した欠陥を簡易な操作で、ＳＥＭ、またはＡＦＭ等の評価装置の分析視野内に位置させることができるので、アライメントの精度を高め、ウェーハの分析評価を効率的に行うことができる。

さらに、検査対象のウェーハがＳＥＭ、またはＡＦＭ等の評価装置のステージの可動範囲よりも大きなサイズであったとしても、複数回のセッティングに分けてウェーハの特定領域毎に、評価装置のステージ座標にアライメントすれば、精度よくウェーハ表面の分析評価が可能になる。また、本発明に適用できる検査装置および評価装置は、いずれもウェーハ表面に存在する欠陥を確実かつ正確に評価することができと同時に、汎用されており新たな装置の導入を行う必要が少なく、分析評価コストの増加を抑制することができる。

これらにより、ウェーハの分析評価の効率化が図れるので、半導体集積回路、半導体素子、またはディスプレイ等を構成するウェーハ表面に存在する欠陥の分析評価用として、広く利用することができる。

本発明の評価方法におけるアルゴリズムを示すフローチャートである。 ウェーハ表面にマーキングを行うのに好適な範囲を例示する図である。 検査対象となるウェーハ寸法が評価装置のステージ寸法を超える場合に、ウェーハの特定領域毎に分析評価を行う要領を説明する図である。

符号の説明

１：ウェーハ
２：評価装置用ステージ

Claims (5)

1. ウェーハ表面および表面近傍に存在する結晶欠陥を予め検査したのち、より高い倍率による評価装置で、寸法が前記評価装置のステージ寸法を超えるウェーハを特定領域毎に分析評価するウェーハの評価方法において、
   検査対象であるウェーハ表面をレーザビームにより走査して欠陥検出を行うレーザ散乱光方式の走査装置を用いて検査する第１の検査工程と、
   検査対象である前記ウェーハ表面の所定範囲に５点以上のマーキングを行い、その状態で当該ウェーハ表面を光ビームにより走査して欠陥検出を行うコンフォーカル光学系による走査装置を用いて検査する第２の検査工程と、
   ５点以上のマーキングのうちの３点以上のマーキングを利用して、前記第２の検査工程で検出した位置座標と前記評価装置で用いるステージ座標とをアライメントしたのち、前記ウェーハ表面を前記評価装置で分析する評価工程とを有することを特徴とするウェーハの評価方法。
2. 前記マーキングはダイアモンドで構成したチップを用いて形成され、またはレーザマーカーを用いて形成され、前記評価装置において検出可能なサイズであることを特徴とする請求項１に記載のウェーハの評価方法。
3. 前記レーザ散乱光方式の走査装置がパーティクルカウンタであることを特徴とする請求項１または２に記載の基板表面の評価方法。
4. 前記コンフォーカル光学系による走査装置がコンフォーカル光学系によるレーザ顕微鏡であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のウェーハの評価方法。
5. 前記評価装置が走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）、集束イオンビーム（ＦＩＢ）、２次イオン質量分析装置（ＳＩＭＳ）、またはオージェ電子分光分析装置（ＡＥＳ）であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のウェーハの評価方法。

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