JP6032072B2

JP6032072B2 - 欠陥検出方法

Info

Publication number: JP6032072B2
Application number: JP2013051188A
Authority: JP
Inventors: 崇荒谷
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2013-03-14
Filing date: 2013-03-14
Publication date: 2016-11-24
Anticipated expiration: 2033-03-14
Also published as: JP2014179395A

Description

本発明は、エピタキシャル層を持つ半導体ウェーハのエピタキシャル層と下地の基板の界面及びその近傍の下地基板に存在する欠陥の検出方法に関する。

集積回路の基板として一般的に半導体ウェーハが用いられる。特に集積回路の素子を形成する領域は欠陥の無い領域であることが望ましく、また、素子を形成しない領域では、金属不純物を捕獲出来るとされる結晶欠陥を有する領域であることが望ましいとされている。このような条件を満足するようなものとして、基板表面にエピタキシャル層を形成したエピタキシャルウェーハがある。

このエピタキシャルウェーハにおける上記のような領域内の欠陥を評価するために、エピタキシャルウェーハの無欠陥領域であるエピタキシャル層と基板の界面における欠陥や、その近傍の領域（バルク領域）の欠陥といったウェーハ内部の任意の深さ領域における面内の欠陥分布を詳細に測定出来る方法が求められる。

ここで、深さ方向の欠陥分布を測定する従来技術として、例えば、半導体ウェーハを壁開して断面を形成し、その断面より欠陥の分布を調べる方法が挙げられる（特許文献１参照）。しかし、この方法ではウェーハ面内の欠陥分布を調べることが不可能である。
また、ウェーハを壁開せずに入射光の反射光や散乱光や透過光の強度の変化を用いて欠陥分布を調べる方法もある。この方法はウェーハ面内の欠陥分布を調べることが可能であるが、深さ方向の欠陥分布を調べることが不可能である。

さらに、入射光の波長を変更して深さ方向の分布を調べる方法もあるが(非特許文献１参照)、この方法では、使用できる波長が限定されており、深さ方向の詳細な欠陥分布を求めることが困難である。
このように、従来の方法では、ウェーハ内部の欠陥の面内分布および深さ方向の分布の両方を詳細に求めることは困難である。

特開２００２−１５１５６０号公報

「応用物理」、１９９６年、第６５巻、第１１号、ｐ．１１６２

本発明は前述のような問題に鑑みてなされたもので、ウェーハ内部の面内の欠陥分布および深さ方向の欠陥分布の両方を詳細に求めることができる欠陥検出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、本発明によれば、エピタキシャル層を有する半導体ウェーハにレーザー光を照射して該半導体ウェーハの内部に侵入させ、その反射光又は散乱光の強度に基づいて前記半導体ウェーハ内部の欠陥を検出する方法であって、前記エピタキシャル層の厚さを変更する厚さ変更工程と、該厚さ変更工程の前後で前記レーザー光の侵入深さ領域における面内の欠陥分布を検出する面内欠陥分布検出工程と、該厚さ変更工程の前後で検出した面内の欠陥分布の差分を求めることで、それらの侵入深さ領域の差分領域における欠陥密度を検出する工程を有することを特徴とする欠陥検出方法が提供される。

このような欠陥検出方法であれば、面内の欠陥分布に加えて、レーザー光の侵入深さとエピタキシャル層の厚さの変更量を調整することで、所望の侵入深さ領域における欠陥密度を検出できる。また、異なる侵入深さ領域における欠陥密度を複数得ることで深さ方向の欠陥分布を詳細に求めることができる。

このとき、前記レーザー光の波長を、４８８ｎｍ以上、６３３ｎｍ以下とすることが好ましい。
このようにすれば、レーザー光の侵入深さをおよそ１μｍ〜５μｍとすることができるので、一般的なシリコンエピタキシャルウェーハの所望の侵入深さ領域における欠陥密度を確実に検出できる。

また、前記厚さ変更工程において、化学的機械研磨により前記エピタキシャル層の厚さを減少させることが好ましい。
このようにすれば、新たな欠陥を形成したり、既存の欠陥の状態を変化させたりすることなく、エピタキシャル層の厚さを変更でき、より精度よく欠陥を検出できる。

また、前記厚さ変更工程と面内欠陥分布検出工程を繰り返すことによって、前記レーザー光の侵入深さ方向の欠陥分布を検出することができる。
このようにすれば、深さ方向の欠陥分布を容易に正確に検出することができる。

本発明では、エピタキシャル層の厚さの変更の前後でレーザー光の侵入深さ領域における面内の欠陥分布を検出し、その差分を求めることで、それらの侵入深さ領域の差分領域における欠陥密度を検出するので、レーザー光の侵入深さとエピタキシャル層の厚さを調整することで、所望の深さ領域における面内の欠陥密度分布を検出できる。更に、異なる深さ領域における正確な欠陥密度を容易に複数得ることができ、深さ方向の欠陥分布を詳細に求めることができる。

本発明の欠陥検出方法を説明するための図である。エピタキシャル層の厚さが０．２μｍのときの面内の欠陥分布を示す図である。エピタキシャル層の厚さが０．２μｍのときに得られた欠陥分布と０．４μｍのときに得られた欠陥分布の差分を示す図である。エピタキシャル層の厚さが０．４μｍのときに得られた欠陥分布と０．６μｍのときに得られた欠陥分布の差分を示す図である。エピタキシャル層の厚さが０．６μｍのときに得られた欠陥分布を示す図である。エピタキシャル層の厚さが０．２μｍ、０．４μｍ、０．６μｍのときに得られた欠陥分布を重ねた図である。

以下、本発明について実施の形態を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
前述のように、半導体ウェーハの内部欠陥の面内分布を深さ方向に詳細に調べる方法がなく、検出方法の開発が待たれていた。
そこで、本発明者は、光学的にウェーハ内部の面内欠陥を検出する方法において、深さ方向の欠陥分布も詳細に調べることの出来る方法について検討した。特にエピタキシャルウェーハのエピタキシャル層と基板の界面とその近傍の基板の欠陥分布について調べることの出来る方法について鋭意検討を重ねた。

まず、本発明者は、半導体ウェーハ内部への光の侵入深さに着目した。物質への光の侵入深さは、一般的に物質と光の波長によって決まり、光の波長が長いほど、侵入深さは長くなる。
また、物質の表面から深さｄの位置の光の強度Ｉは次式で表される。
Ｉ＝Ｉｏ・ｅｘｐ（−αｄ）
ここで、Ｉｏは表面での光の強度であり、αは吸収係数で、物質と光の波長によって決まる係数である。

本発明者は、光の強度は物質の深さによって変化することに着目し、エピタキシャル層の厚さを変化させ、その前後での面内の欠陥分布の差分を調べることで、それらの差分領域における面内の欠陥密度分布を調べる方法を考案した。すなわち、エピタキシャル層の欠陥密度は０とみなすことができるので、エピタキシャル層と基板の界面からの光の侵入深さを変化させ、その前後の欠陥分布から光の侵入深さの差分領域における欠陥密度分布を求めることができることに想到した。さらに、これを繰り返し行うことで、基板の深さ方向の欠陥分布を調べることができることに想到し、本発明を完成させた。

本発明の欠陥検出方法は、基板上にエピタキシャル層を有する半導体ウェーハにおける、特にエピタキシャル層と基板の界面及びその近傍の基板の内部に存在する欠陥を検出する方法である。以下、図１を参照して詳細に説明する。
まず、図１の（ａ）に示すように、半導体ウェーハ１のエピタキシャル層２が形成された側の表面にレーザー光４を照射する。照射されたレーザー光４は、半導体ウェーハ１の基板３内部のその波長に依存した深さまで侵入し、結晶欠陥で反射又は拡散する。

この反射光又は散乱光の強度変化により、基板３内部の深さｄ_１までの侵入深さ領域５における面内欠陥分布を検出する。
このとき、照射するレーザー光の波長は特に限定されないが、シリコンエピタキシャルウェーハの欠陥を検出する場合には、一般的なシリコンエピタキシャルウェーハのエピタキシャル層の厚さは５μｍ以下であることから、レーザー光の波長を４８８ｎｍ以上、６３３ｎｍ以下とすることが好ましい。このようにすれば、レーザー光の侵入深さをおよそ１μｍ〜５μｍとすることができるので、所望の侵入深さ領域における欠陥密度を確実に検出できる。

次に、エピタキシャル層２の厚さを変更する。図１（ｂ）はエピタキシャル層２を厚さｄ_２分だけ減少させた例である。このとき、化学的機械研磨（ＣＭＰ）によりエピタキシャル層２の厚さを減少させることができる。このようにすれば、半導体ウェーハに新たな欠陥を形成したり、既存の欠陥の状態を変化させたりすることなく、より精度よく欠陥を検出できる。

次に、上記と同じ波長のレーザー光を用いて、上記と同様に侵入深さ領域６における面内欠陥分布を検出する。この際の基板３の侵入深さ領域６の深さは、エピタキシャル層２の厚さの変更量に応じて変化する。図１に示す例では、基板３の侵入深さ領域６の深さは、侵入深さ領域５の深さｄ_１からエピタキシャル層２の厚さの減少量ｄ_２分増加した深さｄ_３となる。

次に、エピタキシャル層２の厚さ変更前に検出した深さｄ_１までの侵入深さ領域５における面内欠陥分布と、変更後に検出した深さｄ_３までの侵入深さ領域６における面内欠陥分布の差分を求める。この差分は、侵入深さ領域５、６の差分領域７（図１中の斜線部分の深さｄ_１からｄ_３までの領域）における欠陥密度を示すものである。
上記の本発明の方法において、レーザー光の波長（侵入深さ）と、エピタキシャル層の厚さの変更量を調整することで、所望の侵入深さ領域における欠陥密度を検出できる。

さらに、その後、上記したエピタキシャル層２の厚さを変更する工程と、面内欠陥分布を検出する工程を繰り返すことによって、複数の侵入深さ領域における欠陥密度を得ることができる。すなわち、レーザー光の侵入深さ方向の欠陥分布を検出することができる。

以下、本発明の実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

（実施例）
本発明の欠陥検出方法に従って、シリコンエピタキシャルウェーハの深さ方向の欠陥分布を検出した。使用したシリコンエピタキシャルウェーハは、面内にＣＯＰ(Ｃｒｙｓｔａｌｏｒｉｇｉｎａｔｅｄｐａｒｔｉｃｌｅ)の分布を有する抵抗率が１０Ω・ｃｍ、直径３００ｍｍのＰ型シリコン基板の表面に一般的な条件にて、Ｐ型エピタキシャル層を１．０μｍの厚さで形成したものとした。

エピタキシャル層の厚さは、形成前後のウェーハの厚さ形状をＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ社製のＷａｆｅｒＳｉｇｈｔを用いて測定し、その差により導出した。
まず、そのエピタキシャル層を形成した面に対してレーザーテック社製のＭＡＧＩＣＳを用いてレーザー光を照射して面内の欠陥を検出し、欠陥分布を取得した。この際のレーザー光は波長を４８８ｎｍとし、侵入深さをおよそ１．０μｍとした。すなわち、このときエピタキシャル層と基板の界面における面内の欠陥分布を検出したことになる。

次に、ＣＭＰによりエピタキシャル層を０．２μｍ除去した。ここで、ＣＭＰは一般的な二次研磨と仕上げ研磨を実施した。ＣＭＰによるエピタキシャル層の除去量は、ＣＭＰ前後の厚み形状を前述のＷａｆｅｒＳｉｇｈｔにより測定し、その差により導出した。ＣＭＰ後にＲＣＡ洗浄を実施した。
ＣＭＰにより厚さを変更した後のエピタキシャル層を形成した面に対して、上記と同様にレーザーテック社製のＭＡＧＩＣＳを用いてレーザー光を照射して面内の欠陥を検出し、欠陥分布を取得した。

前述のＣＭＰと面内欠陥検査を繰り返し実施することで、エピタキシャル層の厚みが０．６μｍ、０．４μｍ、０．２μｍのときの面内の欠陥分布を取得し、これらの差分を求めた。
図２にエピタキシャル層の厚みが０．２μｍのときの面内の欠陥分布を示す。図のＸ軸、Ｙ軸は直径３００ｍｍウェーハの面上の位置を表す。図２は、ウェーハのノッチ位置が−Ｙ方向であり、ウェーハ中心部より＋Ｘ方向に５０ｍｍ、＋Ｙ方向に２５ｍｍの範囲を測定した結果である。上記のように、レーザー光の侵入深さはおよそ１．０μｍであるため、この得られた面内欠陥分布は、エピタキシャル層と基板の界面から深さ０．８μｍの侵入深さ領域に含まれる欠陥を表している。

図３に、エピタキシャル層の厚さが０．２μｍのときに得られた面内欠陥分布と０．４μｍのときに得られた面内欠陥分布の差分の結果を示す。エピタキシャル層の欠陥密度は０とみなすことができるので、この差分の結果から、エピタキシャル層の厚さが０．２μｍと０．４μｍのときの侵入深さ領域の差分領域、すなわち、基板の深さ０．８μｍから０．６μｍの領域における欠陥密度を求めることができる。

図４にエピタキシャル層の厚さが０．４μｍのときに得られた面内欠陥分布から０．６μｍのときに得られた面内欠陥分布の差分の結果を示す。この差分の結果から、同様に、エピタキシャル層の厚さが０．４μｍと０．６μｍのときの侵入深さ領域の差分領域、すなわち、基板の深さ０．６μｍから０．４μｍの領域における欠陥密度を求めることができる。
図５にエピタキシャル層の厚さが０．６μｍのときに得られた面内欠陥分布を示す。ここで、得られた面内欠陥分布は、エピタキシャル層と基板の界面から深さ０．４μｍの侵入深さ領域に含まれる欠陥を表している。

このようにして得られた欠陥密度により、深さ方向の欠陥がどのように分布をしているのかを知ることができる。
図６にエピタキシャル層の厚さがそれぞれ０．２μｍ、０．４μｍ、０．６μｍのときに得られた欠陥分布を重ねたものを示す。図６に示すように、厚さが０．４μｍのときに検出された欠陥は０．２μｍのときに検出された欠陥の部分集合となっている。同様に０．６μｍのときに検出された欠陥は０．４μｍのときに検出された欠陥の部分集合となっている。

ここで言う部分集合となっているとは、バルクの浅い領域を測定したときに検出された欠陥は、深い領域を測定したときにも同じ位置で検出されることを意味している。このことから、本発明の欠陥検出方法は、面内欠陥分布の差分を求めることで、深さ方向の欠陥を正確に評価できる方法であると言える。

（比較例）
実施例と同様のＰ型エピタキシャル層を０．２μｍの厚さで形成したシリコンエピタキシャルウェーハの面内の欠陥をレーザーテック社製のＭＡＧＩＣＳを用いて検出した。
この際のレーザー光は波長を４８８ｎｍとし、侵入深さをおよそ１．０μｍとした。すなわち、エピタキシャル層と基板の界面から深さ０．８μｍの侵入深さ領域における面内の欠陥分布を検出した。その結果、実施例で得られた図２の欠陥分布と同様の結果が得られた。

この結果から上記侵入深さ領域における面内の欠陥分布を得ることができたが、この欠陥分布は光の波長と物質の固有の値によって決まる一定の範囲の侵入深さ領域における分布であるため、深さ方向の欠陥の分布を得ることはできなかった。

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…半導体ウェーハ、２…エピタキシャル層、３…基板、
４…レーザー光、５、６…侵入深さ領域、７…差分領域。

Claims

エピタキシャル層を有する半導体ウェーハにレーザー光を照射して該半導体ウェーハの内部に侵入させ、その反射光又は散乱光の強度に基づいて前記半導体ウェーハ内部の欠陥を検出する方法であって、
前記エピタキシャル層の厚さを変更する厚さ変更工程と、
該厚さ変更工程の前後で前記半導体ウェーハのエピタキシャル層を形成した面に対してレーザー光を照射して前記レーザー光の侵入深さ領域における面内の欠陥分布を検出する面内欠陥分布検出工程と、
該厚さ変更工程の前後で検出した面内の欠陥分布の差分を求めることで、それらの侵入深さ領域の差分領域における欠陥密度を検出する工程を有することを特徴とする欠陥検出方法。
前記レーザー光の波長を、４８８ｎｍ以上、６３３ｎｍ以下とすることを特徴とする請求項１に記載の欠陥検出方法。
前記厚さ変更工程において、化学的機械研磨により前記エピタキシャル層の厚さを減少させることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の欠陥検出方法。
前記厚さ変更工程と面内欠陥分布検出工程を繰り返すことによって、前記レーザー光の侵入深さ方向の欠陥分布を検出することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の欠陥検出方法。