JP6507967B2 - エピタキシャルウェーハ表面検査装置およびそれを用いたエピタキシャルウェーハ表面検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、エピタキシャルウェーハ表面検査装置およびそれを用いたエピタキシャルウェーハ表面検査方法に関し、特に、エピタキシャルウェーハ表面に存在し得るスクラッチ状の欠陥の有無を検査することのできる、エピタキシャルウェーハ表面検査装置に関する。

半導体デバイスの製造工程において用いる基板として、シリコンウェーハ等の半導体からなるウェーハが広く用いられている。このようなウェーハとして、単結晶インゴットをスライスし、鏡面研磨したポリッシュドウェーハ（ＰＷウェーハ）や、ＰＷウェーハの表面にエピタキシャル層が形成されたエピタキシャルウェーハ等が知られている。例えば、エピタキシャルウェーハは、ＭＯＳＦＥＴ(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)、ＤＲＡＭ(Dynamic Random Access Memory)、パワートランジスタおよび裏面照射型固体撮像素子など、種々の半導体デバイスのデバイス基板として用いられている。なお、本明細書において、「エピタキシャルウェーハ表面」の記載は、エピタキシャルウェーハの主面のうち、エピタキシャル層が形成された側の面を指すものとする。

半導体デバイスの製造工程において歩留まりや信頼性を向上させるために、半導体デバイスの基板となるウェーハ表裏面の欠陥検査技術が極めて重要になりつつある。ウェーハの表裏面に存在する欠陥は、ピット、ＣＯＰ等の結晶欠陥、加工起因の研磨ムラおよびスクラッチなどの他、異物であるパーティクルの付着など、多岐に渡る。

従来、ＬＰＤ（Light Point Defect；輝点欠陥）検査装置（レーザー面検機）を用いて、仕上げの鏡面研磨を施した後のウェーハ表裏面をレーザー光で走査し、その表裏面に存在するパーティクル、スクラッチ等に起因する散乱光を検出するウェーハ検査が行われている。また、ＬＰＤ検査装置では判別しにくい欠陥の有無を判定するため、ウェーハ表裏面を目視によって判定する外観検査も併用されている。外観検査は官能検査であるため、検査員による判定のバラツキは不可避であり、かつ、検査員の習熟にも時間を要するため、客観的な検査方法および自動検査方法の確立が求められている。

そこで、ウェーハ検査方法の一つとして、外観検査に頼らずにウェーハを適切に評価する方法を、ウェーハ表裏面のうち特に裏面側の欠陥に関して本出願人らは特許文献１において先に提案している。すなわち、ウェーハ裏面のパーツ画像をウェーハの円周方向に沿って連続的に撮影し、撮影した前記パーツ画像を合成してウェーハ裏面の全体画像を作成するマップ処理工程と、前記全体画像を微分処理してウェーハ裏面の微分処理画像を作成する微分処理工程とを具え、前記全体画像又は前記微分処理画像をもとに、研磨ムラ、くもり、スクラッチ及びパーティクルを検出して評価する、ウェーハ裏面の評価方法である。

上記全体画像を作成するための光学系５０を、図１（Ａ）、（Ｂ）を用いて説明する。なお、図１（Ｂ）は、リングファイバー照明５１により照射される照射光Ｌ_１と、反射光（散乱光）Ｌ_２を図示するために、図１（Ａ）から要部を抽出したものである。この光学系５０は、リングファイバー照明５１、鏡筒５２、テレセントリックレンズ５３およびＣＣＤカメラよりなる受光部５４を備える。また、リングファイバー照明５１の光源は、超高圧水銀灯からなる。リングファイバー照明５１によって照射される照射光Ｌ_１は、ウェーハ面に対して角度θ_０（例えば２０°）でウェーハ１に入射し、ウェーハ１表面に存在する欠陥Ｄと衝突すると、散乱光Ｌ_２が発生する。受光部５４は、散乱光Ｌ_２のうち、垂直散乱光を受光して撮像し、光学系５０の位置情報とともに、散乱光の輝度情報を有する画像を撮影し、記録する。

特開２０１０−１０３２７５号公報

ここで、特許文献１に記載の技術を、エピタキシャルウェーハ表面の欠陥状態の検査に適用することを本発明者らは検討した。すると、特許文献１に記載の技術は、エピタキシャルウェーハ表面に存在する多種の欠陥を検出可能であるものの、「エピタキシャルスクラッチ」（後述の図２（Ａ）参照）と呼ばれる、エピタキシャルウェーハ表面に存在するスクラッチ状の欠陥は検出することができなかった。このエピタキシャルスクラッチは、従来の外観検査では検出されていた欠陥であるため、エピタキシャルウェーハが良品であることを担保するためには、特許文献１に記載の技術だけでは不十分であり、外観検査を併用しなければならない。しかしながら、前述のとおり、外観検査では、検査員による判定を要するため、エピタキシャルウェーハ表面を客観的に検査することのできる技術の確立が求められる。

そこで本発明は、上記課題に鑑み、エピタキシャルウェーハ表面におけるエピタキシャルスクラッチの有無を検出することのできるエピタキシャルウェーハ表面検査装置およびそれを用いたエピタキシャルウェーハ表面検査方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するべく、本発明者らは鋭意検討した。エピタキシャルスクラッチは、図２（Ａ）に模式的に示すように、エピタキシャルウェーハ表面に存在するスクラッチ状の欠陥Ｄである。図２（Ｂ）に、図２（Ａ）のＩ−Ｉ断面図を示す。本発明者らがこの欠陥Ｄについて詳細に検討したところ、ベースとなる基板Ｓの表面にスクラッチ状の欠陥Ｄ’が存在する場合に、基板Ｓの表面にエピタキシャル層Ｅを成長させると、エピタキシャルスクラッチＤが形成されることが判明した。結晶方位にも依存し得るが、局所的に形成されるスクラッチ状の欠陥Ｄ’を起点として、エピタキシャルスクラッチＤがなだらかに盛り上がって形成される。そのため、目視であれば感知できるにも関わらず、比較的水平に近い角度θ_０で照射するリングファイバー照明を用いた従来技術の検査装置では、エピタキシャルスクラッチＤを検出できないのではないかと本発明者らは考えた。そこで、従来技術におけるリングファイバー照明に替えて、比較的垂直に近い角度でエピタキシャルウェーハ表面を照らすスポット照明を用いることを着想した。このスポット照明を用いることにより、欠陥Ｄ’からの散乱光を受光でき、結果的にエピタキシャルスクラッチＤを検出できることを本発明者らは知見し、本発明を完成するに至った。本発明は、上記の知見および検討に基づくものであり、その要旨構成は以下のとおりである。

本発明のエピタキシャルウェーハ表面検査装置は、エピタキシャルウェーハの表面に対して、６０度以上８０度以下の角度で設置される第１のスポット照明と、前記表面に対して、６０度以上８０度以下の角度で設置される第２のスポット照明と、前記表面に対して垂直に設置される撮影部と、を備える光学系と、前記表面と平行に前記光学系を走査する走査部と、を有し、前記表面と平行な面において、前記撮影部を中心に前記第１のスポット照明と、前記第２のスポット照明との離隔角度が８５度以上９５度以下であることを特徴とする。

ここで、前記第１および前記第２のスポット照明は超高圧水銀灯光源を有することが好ましい。

また、前記第１および前記第２のスポット照明は、前記エピタキシャルウェーハ表面に対して同じ角度で設置されることが好ましい。

また、本発明のエピタキシャルウェーハ表面検査方法は、前述のエピタキシャルウェーハ表面検査装置を用いて、前記光学系を前記走査部により走査しつつ、前記表面のパーツ画像を連続的に撮影して、前記表面の全体画像を取得する取得工程と、前記全体画像から、前記表面に存在するスクラッチ状の欠陥に特有のパターン画像を検出する検出工程と、を有することを特徴とする。

この場合、前記検出工程に先立ち、前記全体画像を画像処理する画像処理工程を更に有し、前記検出工程において、前記画像処理した全体画像に基づき前記検出を行うことが好ましい。

本発明によれば、適切に設置したスポット照明を用いるので、エピタキシャルウェーハ表面におけるエピタキシャルスクラッチの有無を検出することのできるエピタキシャルウェーハ表面検査装置およびそれを用いたエピタキシャルウェーハ表面検査方法を提供することができる。

従来技術において用いられる光学系を説明する模式図であり、（Ａ）は光学系全体を示す模式図であり、（Ｂ）は入射光Ｌ_１および散乱光Ｌ_２を示す模式図である。 エピタキシャルスクラッチが形成されたエピタキシャルウェーハ表面の模式図であり、（Ａ）は平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）のＩ−Ｉ断面図である。 本発明の一実施形態に従うエピタキシャルウェーハ表面検査装置の模式図であり、（Ａ）は斜視図であり、（Ｂ）は模式断面図であり、（Ｃ）は模式平面図である。 （Ａ）は、実施例におけるエピタキシャルスクラッチを示す全体画像であり、（Ｂ）は（Ａ）の全体画像を画像処理したものである。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。図３は、本発明の一実施形態に従うエピタキシャルウェーハ表面検査装置１００の模式図であって、（Ａ）はエピタキシャルウェーハ表面検査装置１００の斜視図であり、（Ｂ）は（Ａ）の模式断面図であり、（Ｃ）は（Ａ）の模式平面図である。なお、各図面では説明の便宜上、エピタキシャルウェーハ表面検査装置１００の要部のみを図示する。

（エピタキシャルウェーハ表面検査装置）
図３（Ａ）に示すように、本発明の一実施形態に従うエピタキシャルウェーハ表面検査装置１００は、エピタキシャルウェーハ１の表面に対して、６０度以上８０度以下の角度θ_１で設置される第１のスポット照明２１と、前記表面に対して、６０度以上８０度以下の角度θ_２で設置される第２のスポット照明２２と、前記表面に対して垂直に設置される撮影部１０と、を備える光学系３０を有する、また、このエピタキシャルウェーハ表面検査装置１００は、前記表面と平行に光学系３０を走査する走査部４０を有する。ここで、前記表面と平行な面において、撮影部１０を中心に第１のスポット照明２１と、第２のスポット照明２２との離隔角度θ_３が８５度以上９５度以下である。なお、図２（Ａ）、（Ｂ）を用いて既述したように、エピタキシャルウェーハ１は、基板Ｓの表面にエピタキシャル層Ｅをエピタキシャル成長させたものであり、エピタキシャルウェーハ１の表面とは、エピタキシャル層Ｅが形成された側の面を意味する。以下、各構成の詳細を順に説明する。

撮影部１０の構成は、エピタキシャルウェーハ１の表面からの散乱光を受光して撮影できる限りは特に制限されないが、例えば鏡筒１２、レンズ１３および受光部１４から構成することができる。鏡筒１２、レンズ１３および受光部１４のそれぞれは、一般的に使用されるものを用いることができる。レンズ１３には例えばテレセントリックレンズを用いることができ、受光部１４には例えばＣＣＤカメラを用いることができる。この撮影部１０は、図１に既述の光学系５０からリングファイバー照明５１を取り除いたものと考えてもよい。

次に、図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、第１のスポット照明２１は、エピタキシャルウェーハ１の表面に対して、６０度以上８０度以下の角度θ_１で設置される。第２のスポット照明２２も同様に、エピタキシャルウェーハ１の表面に対して、６０度以上８０度以下の角度θ_２で設置される。角度θ_１および角度θ_２は、互いに異なっていてもよいが、同じ角度または略同じ角度で設置されることが好ましい。エピタキシャルウェーハ１の照射部位における照度ムラを低減でき、検出感度を平準化することができる。また、角度θ_１および角度θ_２のそれぞれは、６５度以上７５度以下であることがより好ましく、６８度以上７２度以下であることが特に好ましい。一例として、角度θ_１および角度θ_２のそれぞれを７０度とすることができる。各スポット照明の入射角度をこのような角度範囲とすることにより、エピタキシャルウェーハ１のエピタキシャル層よりも深く、さらにベース基板となるシリコンウェーハ基板の表面よりも光が深く入り込むことが可能となる。そのため、エピタキシャルシリコンウェーハ１の表面側での、段差以外の成長面方位配列の変化も、より捉えられやすくなる。なお、角度θ_１が８０度を超えると、第１のスポット照明２１が撮影部１０の設置位置と干渉するおそれがある。また、角度θ_１が６０度未満となると、図２（Ａ）、（Ｂ）を用いて既述したように、エピタキシャルウェーハ１の基板Ｓに形成された欠陥Ｄ’からの散乱光強度が低減し、エピタキシャルスクラッチＤを検知できなくなる。角度θ_２を上記範囲とするのも同様の理由である。

また、図３（Ｃ）に示すように、エピタキシャルウェーハ１の表面と平行な面において、撮影部１０を中心に第１のスポット照明２１と、第２のスポット照明２２との離隔角度θ_３は８５度以上９５度以下とする。ここで、離隔角度θ_３を略９０度とすることが好ましく、９０度とすることがより好ましい。なお、図３（Ｂ）は図３（Ｃ）のＩＩ−ＩＩ断面図に相当するが、各構成の位置関係の明確化のため要部のみの記載としている。

離隔角度θ_３を上記角度とするのは、エピタキシャルスクラッチＤには結晶方位依存性がある場合が多く、第１のスポット照明２１および第２のスポット照明２２をこの位置に設置して、少なくとも２方向からエピタキシャルウェーハ１の表面を照射するためである。こうすることで、結晶方位依存性に関わらず、確実にエピタキシャルスクラッチＤ（結果的には基板Ｓの欠陥Ｄ’）からの散乱光を確実に受光することができる。なお、第１および第２のスポット照明２１、２２の他にスポット照明をさらに設置し、３方向以上からエピタキシャルウェーハ１の表面を照射してもよい。

第１のスポット照明２１および第２のスポット照明２２の光源としては一般的なものを用いることができ、エピタキシャルウェーハ１の表面を照射して、エピタキシャルスクラッチＤに起因する散乱光強度が十分得られるものであれば、特に制限されない。第１のスポット照明２１および第２のスポット照明２２は、照度の高い超高圧水銀灯光源を有することが好ましい。

光学系３０は、上述の撮影部１０、第１のスポット照明２１および第２のスポット照明２２を備え、第１のスポット照明２１および第２のスポット照明２２によってエピタキシャルウェーハ１の表面を照射し、その散乱光を受光して、エピタキシャルウェーハ１の表面のパーツ画像を取得する。なお、光学系３０は、これらの位置関係を保持する保持部（図示せず）や、位置関係を調整する調整部（図示せず）を備えてもよい。

走査部４０は、光学系３０における撮影部１０、第１のスポット照明２１および第２のスポット照明２２の位置関係を維持しながら、エピタキシャルウェーハ１の表面と平行に光学系３０を走査する。走査部４０は、光学系３０を周方向に走査してもよいし、縦横に走査してもよい。また、エピタキシャルウェーハ表面検査装置１００が光学系３０を複数（例えば３つ）有し、それぞれの光学系３０を走査部４０が周方向に走査してもよい。なお、走査部４０は光学系３０に接続するアームおよび、アームを駆動させるための駆動ステッピングモーター、サーボーモーター等から構成することができる。

以上説明したエピタキシャルウェーハ表面検査装置１００を用いることで、エピタキシャルスクラッチＤに起因する散乱光を撮影部１０が受光して撮影することができるため、従来目視でなければ感知できなかったエピタキシャルスクラッチＤを検出できる。

なお、エピタキシャルウェーハ１は、鏡面加工されたシリコンウェーハの表面に、シリコンエピタキシャル層をエピタキシャル成長させたエピタキシャルシリコンウェーハであることが好ましい。エピタキシャル層の厚みは特に限定されるものではないが、例えば厚みが１μｍ以上１５μｍ以下であれば、エピタキシャルウェーハ表面検査装置１００を用いて確実にエピタキシャルスクラッチの有無を検査することができる。なお、このシリコンウェーハの主面の面方位は（１００）面であることが好ましい。図２を用いて既述のエピタキシャルスクラッチＤが特に問題となってくるためである。

（エピタキシャルウェーハ表面検査方法）
次に、上述のエピタキシャルウェーハ表面検査装置１００を用いるエピタキシャルウェーハ表面検査方法の一実施形態を説明する。本実施形態は、光学系３０を走査部４０により走査しつつ、エピタキシャルウェーハ１の表面のパーツ画像を連続的に撮影して、エピタキシャルウェーハ１の表面の全体画像を取得する取得工程と、得られた全体画像から、エピタキシャルウェーハ１の表面に存在するスクラッチ状の欠陥パターンを検出する検出工程と、を有する。

すなわち、上記取得工程では、まず光学系３０が所定位置に位置するときに、エピタキシャルウェーハ１の表面のパーツ画像を撮影する。次いで、上記所定位置と別の位置に走査部４０が光学系３０を走査して、エピタキシャルウェーハ１の表面のパーツ画像を撮影する。例えば、エピタキシャルウェーハ１の表面を１００〜２００程度に区分して、区分毎にこの撮影および走査を繰り返して、エピタキシャルウェーハ１の表面のパーツ画像を連続的に撮影し、パーツ画像を合成し、エピタキシャルウェーハ１の表面の全体画像を取得するのである。得られた全体画像の一例は、実施例に後述する図４（Ａ）である。

次に、上述の取得工程において取得した全体画像から、エピタキシャルウェーハ１の表面に存在するスクラッチ状の欠陥パターンを検出する検出工程を行う。ここで、エピタキシャルスクラッチＤには、この欠陥特有の欠陥パターンがある。そのため、エピタキシャルスクラッチＤに特有の、欠陥パターン長さ、縦横サイズ比および楕円扁平率等を用いて条件設定し、この条件に当てはまる欠陥パターンを全体画像の中から検出する。エピタキシャルウェーハ表面検査装置１００を用いて得た全体画像中に、上記条件に当てはまるスクラッチ状の欠陥パターンがあれば、エピタキシャルスクラッチＤが存在するとして評価できるし、上記スクラッチ状の欠陥パターンがなければ、エピタキシャルスクラッチＤが存在しないとして評価できる。

なお、前述の検出工程に先立ち、取得された全体画像を画像処理する画像処理工程を更に有することが好ましい。そして、前述の検出工程において、画像処理した全体画像に基づき、スクラッチ状の欠陥パターンを検出することが好ましい。画像処理工程においては、例えば微分処理画像を全体画像から取得すれば、ノイズの影響等も抑制でき、エピタキシャルウェーハ１の表面に存在する欠陥をより明確に検出することができる。なお、後述の図４（Ｂ）は、図４（Ａ）の全体画像を微分処理し、細線化処理したものである。画像処理した全体画像に基づき、スクラッチ状の欠陥パターンを検出すれば、エピタキシャルスクラッチＤの検出精度をより高めることができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、これらは代表的な実施形態の例を示したものであって、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨の範囲内で種々の変更が可能である。同様に、以下の実施例は本発明を何ら限定するものではない。

本発明の一実施形態に従うエピタキシャルウェーハ表面検査装置１００を用いて、エピタキシャルスクラッチが検出できることを確認するために、以下の実験を行った。
まず、直径３００ｍｍ、厚み７７５μｍの仕上げ研磨後のシリコンウェーハ（いわゆるポリッシュドウェーハ（ＰＷウェーハとも呼ばれる。））を用意し、さらに、厚さ２μｍのシリコンエピタキシャル層をエピタキシャル成長させて、エピタキシャルシリコンウェーハを用意した。予め目視による外観検査をエピタキシャルウェーハ表面に対して行い、このエピタキシャルシリコンウェーハにエピタキシャルスクラッチがあることを確認した。

エピタキシャルウェーハ表面検査装置１００を用いて、３つの光学系３０をそれぞれウェーハ周方向に走査し、それぞれの光学系３０から得られたパーツ画像を合成すると、図４（Ａ）に示す全体画像が得られた。なお、第１のスポット照明２１および第２のスポット照明には、超高圧水銀灯光源を用いた。θ_１およびθ_２は７０度とし、θ_３は９０度とした。

図４（Ａ）から、ウェーハ中央部に、点状の欠陥が連なって円弧状のパターン（即ち、スクラッチ状のパターン）を形成していることが確認できる。なお、この全体画像を微分処理し、細線化処理すると、図４（Ｂ）に示す画像が得られ、同様に円弧状のパターンが確認できる。これらの円弧状のパターンは、予め行った外観検査で確認されたエピタキシャルスクラッチと、大きさ、形状および位置が一致することが確認された。よって、本発明の一実施形態に従う検査装置および検査方法によって、エピタキシャルスクラッチの有無を確実に検査できることが確認できた。

また、厚さ２μｍ〜８μｍの範囲のシリコンエピタキシャル層を有するエピタキシャルシリコンウェーハに対しても、このエピタキシャルウェーハ表面検査装置１００を用いてエピタキシャルスクラッチの有無の検査を行ったところ、上述の実施例と同様に検査可能であることが確認された。

本発明によれば、エピタキシャルウェーハ表面におけるエピタキシャルスクラッチの有無を検査することのできるエピタキシャルウェーハ表面検査装置およびそれを用いたエピタキシャルウェーハ表面検査方法を提供することができる。

１ エピタキシャルウェーハ（ウェーハ）
１０ 撮影部
２１ 第１のスポット照明
２２ 第２のスポット照明
３０ 光学系
４０ 走査部
Ｄ エピタキシャルスクラッチ

Claims (5)

1. ベースとなるシリコンウェーハの表面にシリコンエピタキシャル層が形成されたエピタキシャルウェーハの表面に存在するスクラッチ状の欠陥であるエピタキシャルスクラッチの有無を検出するエピタキシャルウェーハ表面検査装置であって、
   前記エピタキシャルウェーハの表面に対して、６０度以上８０度以下の角度で設置される第１のスポット照明と、前記表面に対して、６０度以上８０度以下の角度で設置される第２のスポット照明と、前記表面に対して垂直に設置される撮影部と、を備える光学系と、
   前記表面と平行に前記光学系を走査する走査部と、を有し、
   前記表面と平行な面において、前記撮影部を中心に前記第１のスポット照明と、前記第２のスポット照明との離隔角度が８５度以上９５度以下で設置され、
   前記エピタキシャルスクラッチは、前記エピタキシャルウェーハのベースとなる前記シリコンウェーハ表面に存在するスクラッチ状の欠陥を起点として盛り上がって形成された欠陥であり、
   前記撮影部は、前記エピタキシャルウェーハの前記ベースとなるシリコンウェーハの表面における前記スクラッチ状の欠陥からの散乱光を受光することを特徴とするエピタキシャルウェーハ表面検査装置。
2. 前記第１および前記第２のスポット照明は超高圧水銀灯光源を有する、請求項１に記載のエピタキシャルウェーハ表面検査装置。
3. 前記第１および前記第２のスポット照明は、前記エピタキシャルウェーハ表面に対して同じ角度で設置される、請求項１または２に記載のエピタキシャルウェーハ表面検査装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のエピタキシャルウェーハ表面検査装置を用いて、前記光学系を前記走査部により走査しつつ、前記表面のパーツ画像を連続的に撮影して、前記表面の全体画像を取得する取得工程と、
   前記全体画像から、前記表面に存在するスクラッチ状の欠陥パターンを検出する検出工程と、を有することを特徴とするエピタキシャルウェーハ表面検査方法。
5. 前記検出工程に先立ち、前記全体画像を画像処理する画像処理工程を更に有し、
   前記検出工程において、前記画像処理した全体画像に基づき前記検出を行う、請求項４に記載のエピタキシャルウェーハ表面検査方法。