JP5614243B2

JP5614243B2 - シリコンエピタキシャルウェーハの評価方法

Info

Publication number: JP5614243B2
Application number: JP2010244137A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　英樹; 英樹佐藤
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2010-10-29
Filing date: 2010-10-29
Publication date: 2014-10-29
Anticipated expiration: 2030-10-29
Also published as: JP2012099563A

Description

本発明は、半導体シリコンウェーハ等の表面に存在するキズ、結晶欠陥またはパーティクル等の表面欠陥を検出して評価する方法に関するものである。

ＬＳＩ製造プロセスにおいて、シリコンウェーハ等の表面に存在するキズ、結晶欠陥または、パーティクル等の表面欠陥が様々な段階で問題となり、素子の特性や信頼性に影響を与えることが知られている。特に、ウェーハ表裏面に存在する機械的なキズなどの表面欠陥は、デバイス熱処理等のストレスにより、転位に代表される欠陥を発生させ、デバイス特性に致命的なダメージを与え、歩留まりを著しく低下させてしまう。前述のキズ等の表面欠陥はウェーハ製造プロセスで作りこまれることが多く、スクラッチ不良やクラック不良などの不良検査において、選別され問題が無いと判定されたウェーハについては、製品ウェーハもしくは、エピタキシャル成長用の基板として出荷されるが、一方選別され不良と判定されたウェーハについては、そのキズや欠陥の形状や発生位置などの情報をもとに、欠陥発生要因が解析され、歩留まり向上のためのデータとして活用されている。

前述のキズや欠陥は、検査工程で確実に選別されるわけではなく、たとえばキズや欠陥の大きさや密度が、ウェーハの品質基準を満たす閾値内であれば、それらのキズや欠陥を含むウェーハは次工程に進むか、もしくは製品として出荷される。しかし閾値内のキズや欠陥であっても、次工程では当該キズや欠陥が原因で新たな欠陥を生みだす危険性もある。特にエピタキシャル成長用基板においては、表層部に存在するキズ等はエピタキシャル欠陥として顕在化する可能性が高い。また、裏面やエッジ部に発生したキズ等もエピタキシャル成長時の熱ストレスによりスリップ転位をはじめとする新たな欠陥に発展することもある。従って、表面のみならずシリコンウェーハのすべての領域に発生するキズ等を正確に把握することは、デバイスにとって致命的な欠陥を作りこまないといった観点からも特に重要である。

前述のキズ等の欠陥を検出するために多くの研究者もしくは企業により、数々の検査装置が開発されている。特に、ウェーハ表面においては、ＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ社製のＳＰ−２をはじめ多くの検査装置が販売され、３０ｎｍを下回るようなサイズの欠陥までを正確に検知することが可能になっている。前述の検査装置にて検出されたキズ等の欠陥は、光学顕微鏡（ＯＭ）や走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）をはじめとする観察装置で観察を行い、欠陥種をそれぞれの判断基準により選別し、キズ、結晶欠陥またはパーティクル等を判断、判別している。

しかし従来の検査装置及び検査方法では、表面欠陥の判断を行うにあたり、測定観察者の主観に頼る作業が多く、判断基準の誤差を生みやすかった。また、多くのデータを処理するには人力では限界があり、数多くのデータを取れず、ウェーハ上のデータのすべてが解析データに反映されるものではなかった。

特開平４−３４８０５０号公報特開２０００−０５８５０９号公報

本発明は、上述のような課題を解決するためになされ、ウェーハ表面のキズ、欠陥またはパーティクル等を簡便かつ正確に短時間で評価できる方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、ウェーハの表面欠陥の評価方法として、前記表面欠陥の二次電子像を電子顕微鏡にて取得した後、二値化により前記二次電子像の輪郭を明確化し、その後該明確化した二値化二次電子像の輪郭に外接する四角形を描き、そして前記明確化した二値化二次電子像における前記表面欠陥部分の面積と前記四角形の面積または前記四角形のうち前記表面欠陥部分以外の面積との面積比を求め、該面積比により前記欠陥の種類を分類することができる。

このように、本発明では、前記表面欠陥の二次電子像を電子顕微鏡にて取得した後、二値化により前記二次電子像の輪郭を明確化し、その後該明確化した二値化二次電子像の輪郭に外接する四角形を描き、そして前記明確化した二値化二次電子像における前記表面欠陥部分の面積と前記四角形の面積または前記四角形のうち前記表面欠陥部分以外の面積との面積比を求め、該面積比により前記欠陥の種類を分類することによって、従来の欠陥検出装置などでは分類できないキズ、結晶欠陥またはパーティクル等を高スループット且つ正確な画像分類により評価することができ、ウェーハ製造工程における欠陥問題の原因を即座に評価することができる。

またこのとき、前記ウェーハを、シリコンウェーハとすることが好ましい。

このように、前記ウェーハとしてシリコンウェーハを用いることによって、ＬＳＩ製造プロセスの様々な段階で問題となるシリコンウェーハ表面のキズ、結晶欠陥またはパーティクル等が正確に評価されたシリコンウェーハを提供することができる。

またこのとき、前記二次電子像を取得する方法として、予め前記ウェーハ面内を細分化して座標を設定し、該座標に基づいて観察領域を設定し、該観察領域を光学顕微鏡で観察して、前記欠陥に起因する輝点の有無を観察し、該輝点が観察された場合は前記輝点が観察された前記座標の二次電子像を走査型電子顕微鏡により取得し、前記輝点が観察されなかった場合は前記輝点が観察されなかった座標の二次電子像を取得しないこととすることが好ましい。

このように、予め前記ウェーハ面内を細分化して座標を設定し、該座標に基づいて観察領域を設定し、該観察領域を光学顕微鏡で観察して、前記欠陥に起因する輝点の有無を観察し、該輝点が観察された場合は前記輝点が観察された前記座標の二次電子像を走査型電子顕微鏡により取得し、前記輝点が観察されなかった場合は前記輝点が観察されなかった座標の二次電子像を取得しないこととすることによって、より短時間で効率的かつ正確に二次電子像を取得することができる。

またこのとき、前記二次電子像を取得する方法として、二以上の観察角度から前記欠陥の二次電子像を取得することが好ましい。

このように、二以上の観察角度から前記欠陥の二次電子像を取得することによって、容易にウェーハ表面の凹凸の判断がつき、より正確な欠陥の分類を行うことができる。

また、サセプタの評価方法であって、前記本発明に記載されたウェーハの評価方法に基づいて前記表面欠陥の種類を分類し、該分類された表面欠陥の発生原因に基づき、前記ウェーハを載置するのに用いたサセプタの評価を行うことができる。

このように、前記本発明に記載されたウェーハの評価方法に基づいて前記表面欠陥の種類を分類し、該分類された表面欠陥の発生原因に基づき、前記ウェーハを載置するのに用いたサセプタの評価を行うことにより、サセプタの良否、特にサセプタにどのようなコーティングを施したらよいか判断することができる。またこれにより、今後本発明の評価を行ったサセプタを用いてウェーハ表面上にエピタキシャル成長を行う際に、ウェーハの表面欠陥の発生を抑制することができる。

以上説明したように、本発明のキズ、結晶欠陥またはパーティクル等の評価方法では、二次電子像およびその画像分類を用いることで、従来の欠陥検出装置などでは分類できないキズ、結晶欠陥またはパーティクル等が高スループット且つ正確な画像分類により評価することができ、ウェーハ製造工程における問題の原因を即座に評価することができる。
さらに、分類された表面欠陥の発生原因に基づき、ウェーハを載置するのに用いたサセプタの評価を行うことにより、サセプタの良否を判断することができる。またこれにより、今後本発明の評価を行って良品とされたサセプタを用いてウェーハ表面上にエピタキシャル成長を行うことによって、ウェーハの表面欠陥の発生を抑制することができる。

ウェーハ全域を観察する場合の観察領域の例を示している。ウェーハの外周部のみを観察する場合の観察領域の例を示している。光学顕微鏡により取得された欠陥座標と、走査型電子顕微鏡で取得された座標の位置の例を示している。二次電子像の観察像と二値化二次電子像の例を示している。欠陥の輪郭検出例と面積検出例を示している。欠陥に外接した四角形のうち、欠陥部分と欠陥以外の部分との面積比較例と、その割合比較例を示している。本発明によって分類された欠陥種の分類例と、欠陥サイズの分類例を示している。

以下、本発明についてより具体的に説明する。
前述のように、従来、キズ、結晶欠陥またはパーティクル等を簡便かつ正確に短時間で評価できる方法を提供することが求められていた。

本発明者らが種々検討した結果、前記表面欠陥の二次電子像を電子顕微鏡にて取得した後、二値化により前記二次電子像の輪郭を明確化し、その後該明確化した二値化二次電子像の輪郭に外接する四角形を描き、そして前記明確化した二値化二次電子像における前記表面欠陥部分の面積と前記四角形の面積または前記四角形のうち前記表面欠陥部分以外の面積との面積比を求め、該面積比により前記欠陥の種類を分類することによって、従来の欠陥検出装置などでは分類できないキズ、結晶欠陥またはパーティクル等が高スループット且つ正確な画像分類により評価することができ、ウェーハ製造工程における問題の原因を即座に評価することができることを見出し、本発明を完成させた。

即ち、本発明は、ウェーハの表面欠陥を評価する方法であって、前記表面欠陥の二次電子像を電子顕微鏡にて取得した後、二値化により前記二次電子像の輪郭を明確化し、その後該明確化した二値化二次電子像の輪郭に外接する四角形を描き、そして前記明確化した二値化二次電子像における前記表面欠陥部分の面積と前記四角形の面積または前記四角形のうち前記表面欠陥部分以外の面積との面積比を求め、該面積比により前記欠陥の種類を分類することを特徴とするウェーハの評価方法である。
尚、本発明で評価するウェーハの「表面欠陥」とは、ウェーハの表面を顕微鏡で観察したときにウェーハ表面に存在が確認されるものであり、ウェーハ表面のキズ、ウェーハ自体に存在する結晶欠陥、ウェーハ表面上に付着した異物であるパーティクルを含むものである。

以下、本発明の実施形態について説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
まず、図１において、ウェーハ１（シリコンウェーハ）の表面欠陥を観察する観察領域２の設定は、ウェーハ１の表面を光学顕微鏡の観察倍率に応じた視野にて細分化して座標を設定することによって行う。尚、図１はウェーハ全域の測定における観察領域を定義した例を示している。
また、本発明はシリコンウェーハに限らず、シリコンカーバイドウェーハや、ＧａＰウェーハ、ＧａＡｓウェーハなどの化合物半導体ウェーハ等にも用いることができる。またここでいう「表面」とはウェーハの表面の全てを示すものであり、ウェーハ表面及び裏面の主表面のみならず、さらにはウェーハエッジ部のことを指す。さらに「欠陥」とは、前記ウェーハ表面に発生するキズ、結晶欠陥またはパーティクル等のことである。
また、図２において、ウェーハ外周部１１のみの測定では、ウェーハ外周部１１全周を観察視野に応じた視野にて細分化し、座標を設定して観察領域１２を設定する。このとき、外周部１１から内側に測定範囲を広げて測定観察したい場合は、その広さに応じて観察周回数を内側に広げ、観察領域１２を拡大する。尚、図２はウェーハ外周部のみの測定における観察領域を定義した例を示している。

次に、観察領域内の１点を光学顕微鏡の暗視野もしくは明視野にて観察し、そこで観察された、ウェーハの表面欠陥に起因する輝点の座標とその観察像をコンピュータ内に記憶する。このとき、前記輝点が検出されない場合は、その座標及び画像は保存しないこととして、作業を短時間化及び低コスト化することができる。

次に、光学顕微鏡により記録された座標において、走査型電子顕微鏡により二次電子像観察を順次行う。図３に光学顕微鏡により取得された欠陥座標と、走査型電子顕微鏡で取得された座標の位置の例を示す。このとき取得する二次電子像は、二次電子検出器の数によって記録できる最大限の観察像情報を取得しておく。さらに、観察時の倍率も同時にコンピュータ内に記録しておく。
また、二以上の観察角度から前記二次電子像を取得することもできる。キズ、結晶欠陥またはパーティクル等の種類によっては、凹凸の不明瞭なものも存在するが、複数の角度にて検出された二次電子像を用いれば容易に凹凸の判断がつくため、この複数の二次電子像情報をもとに、さらに正確な欠陥の分類を行うこともできる。

次に、記録された観察像をコンピュータ内で二値化し、二次電子像観察像の形状を算出する。二次電子像観察像と、算出された二値化二次電子像の例を図４に示す。

次に、二値化二次電子像より像の輪郭を明確化し、該二値化二次電子像の面積を、先にコンピュータに記録しておいた倍率をもとに算出する。図５に欠陥の輪郭検出例及び面積検出例を示す。

次に、検出された形状を分類するために欠陥に外接する四角形を描き、その四角形における欠陥部分の面積と、外接四角形の面積または欠陥部分以外の面積とを比較して形状を求める。形状の判断基準は、例えば欠陥の形状が三角形、四角形等の多角形であって、外接四角形と欠陥の面積とを比較する場合、外接四角形の面積に対する欠陥の面積からそれらの面積比を求め、該面積比と、多角形と外接四角形との基本となる面積比とを比較することによって分類を行うことができる。図６に欠陥部分と欠陥以外の部分との面積比較例を示す。
尚、図６中の符号３は欠陥に外接する四角形の欠陥部分を、符号４は欠陥に外接する四角形の欠陥以外の部分を示している。また、符号１３は欠陥に外接する四角形に対する欠陥部分の面積の割合を、符号１４は欠陥に外接する四角形に対する欠陥以外の部分の面積の割合を示している。
また、上記では外接四角形と欠陥部分の面積を比較して分類を行う場合について記載したが、もちろん外接四角形における欠陥部分と欠陥以外の部分との面積を比較して分類を行っても良い。

最終的には、すべての欠陥を上記の様式に従い分類し、それぞれの形状に応じた分類を行う。本発明によって分類された欠陥の分類例を図７に示す。
尚、図７左のグラフにおいて、四角はエピタキシャル成長中に、多結晶の成長などでウェーハとサセプタの間に固着したものがウェーハから剥がれるときのキズ、三角はエピタキシャル成長工程においてウェーハが熱膨張及び収縮するときに、サセプタ上の突起にウェーハが擦れてつくキズ、丸は上記二種類のキズのどちらとも取れない中間的なキズ、その他はウェーハに元々あった小さいキズであると分類した例を示している。

（実施例）
以下、実施例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
前記本発明のウェーハの評価方法を用いて３００ｍｍのウェーハを評価し、該ウェーハの表面欠陥を分類した。このとき、欠陥種別及び欠陥のサイズ別に分類した結果のグラフを図７に示す。

ここでは、前記表面欠陥の二値化二次電子像に外接する四角形における欠陥領域の割合をＡ、欠陥以外の領域の割合をＢとし、Ａ／Ｂの値が３以上である欠陥を四角、Ａ／Ｂの値が１以上３未満である欠陥を丸、Ａ／Ｂの値が０．５以上１未満である欠陥を三角、Ａ／Ｂが０．５未満である欠陥をその他として分類している。四角、丸及び三角の記号の意義については、前記説明したものと同様である。

以上の実験結果から、ウェーハにどのような欠陥が多く発生しているのか、容易に判断することができることがわかる。またそれら欠陥の発生原因からサセプタの良否、特にどのようなコーティングをサセプタに施せば良いか容易に判断することができる。またこれにより、今後本発明の評価を行って良品とされたサセプタを用いてウェーハ表面上にエピタキシャル成長を行うことによって、ウェーハの表面欠陥の発生を抑制することができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

１…ウェーハ、
２、１２…観察領域、
３…欠陥部分、
４…欠陥以外の部分、
１１…ウェーハ外周部、
１３…四角形に対する欠陥部分の面積の割合、
１４…四角形に対する欠陥以外の部分の面積の割合。

Claims

シリコンエピタキシャルウェーハの表面欠陥を評価する方法であって、ウェーハの表面欠陥の二次電子像を電子顕微鏡にて取得した後、二値化により前記二次電子像の輪郭を明確化し、その後該明確化した二値化二次電子像の輪郭に外接する四角形を描き、そして前記明確化した二値化二次電子像における前記表面欠陥部分の面積と前記四角形の面積または前記四角形のうち前記表面欠陥部分以外の面積との面積比を求め、該面積比により前記表面欠陥を、エピタキシャル成長中に、多結晶の成長でウェーハとサセプタの間に固着したものがウェーハから剥がれるときのキズ、エピタキシャル成長工程においてウェーハが熱膨張及び収縮するときに、サセプタ上の突起にウェーハが擦れてつくキズ、前記二種類のキズのどちらとも取れない中間的なキズ、又は、ウェーハに元々あった小さいキズに分類することを特徴とするシリコンエピタキシャルウェーハの評価方法。
前記二次電子像を取得する方法として、予め前記ウェーハ面内を細分化して座標を設定し、該座標に基づいて観察領域を設定し、該観察領域を光学顕微鏡で観察して、前記表面欠陥に起因する輝点の有無を観察し、該輝点が観察された場合は前記輝点が観察された座標の二次電子像を走査型電子顕微鏡により取得し、前記輝点が観察されなかった場合は前記輝点が観察されなかった座標の二次電子像を取得しないこととすることを特徴とする請求項１に記載されたシリコンエピタキシャルウェーハの評価方法。
前記二次電子像を取得する方法として、二以上の観察角度から前記表面欠陥の二次電子像を取得することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載されたシリコンエピタキシャルウェーハの評価方法。