JPH07294422A

JPH07294422A - 表面近傍結晶欠陥の検出方法およびその装置

Info

Publication number: JPH07294422A
Application number: JP11215194A
Authority: JP
Inventors: Jun Furukawa; 純古川; Hisashi Furuya; 久降屋; Takayuki Shingyouchi; 隆之新行内
Original assignee: Mitsubishi Materials Silicon Corp; Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Silicon Corp; Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1994-04-27
Filing date: 1994-04-27
Publication date: 1995-11-10

Abstract

(57)【要約】【目的】結晶の内部欠陥を検出する際の深さ方向分解
能を高める。【構成】波長の異なるレーザ光を、同一位置からシリ
コンウェーハ１１内部に入射する。入射光により発生し
た光散乱を内部欠陥として検出する。波長に応じてレー
ザ光の侵入深さが異なるので、それぞれの波長による光
散乱の散乱中心の個数差を算出することにより、シリコ
ンウェーハ１１内部結晶欠陥の深さ方向の分解能が高め
ることができる。すなわち、結晶の内部欠陥を深さ方向
において正確に測定することができる。ここに、内部欠
陥とは、酸素析出物、積層欠陥、転位、双晶面、偏析等
をいう。または、同一波長で出力を変更して深さ方向の
分解能を高める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、結晶体表面に赤外線等
を入射して、その散乱光に基づいて、結晶体の表面近傍
に存在する内部欠陥（酸素析出物、転位、積層欠陥、双
晶面、不純物の析出、偏析等）を光散乱中心として検出
することができる表面近傍欠陥検出装置（光散乱トモグ
ラフィー装置）および表面近傍結晶欠陥の検出方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、内部結晶欠陥の検出方法とし
ては、半導体結晶は赤外線を透過する性質を利用して内
部結晶欠陥の検出が行われていた。すなわち、図４に示
すように、シリコンウェーハＷの劈開面ＷＡから内部に
赤外線レーザビームＩＲを入射して、結晶欠陥からの散
乱光を表面（鏡面）ＷＢから対物レンズ５２を通してセ
ンサ５３で検出する方法（ｌａｙｅｒ−ｂｙ−ｌａｙｅ
ｒ法）があった。または、図５に示すように、シリコン
ウェーハＷの鏡面ＷＢから内部に赤外線レーザビームＩ
Ｒを入射して結晶欠陥からの散乱光を劈開面ＷＡから対
物レンズ５２を通してセンサ５３で検出する方法（断面
観察法）が知られていた。

【０００３】ところで、結晶欠陥はこの単結晶シリコン
ウェーハＷの内部のどの位置にも存在、分布する。一般
的にＩＣ等デバイスを製造する際に問題となるのは、結
晶表面（鏡面）ＷＢ〜１０μｍ程度の深さに存在する結
晶欠陥である。したがって、この表面近傍範囲に存在す
る結晶欠陥を精度良く検出できることが望まれる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記従来技
術では、表面近傍の結晶欠陥の検出には限界があった。
というのは、ｌａｙｅｒ−ｂｙ−ｌａｙｅｒ法では表面
近傍の結晶欠陥を捕らえるためには赤外線レーザビーム
ＩＲを表面近傍まで近づける。そうすると劈開面ＷＡと
表面（鏡面）ＷＢとの角のたれの影響、表面をつたわっ
てビームが回り込み表面上についた劈開くず等が散乱す
る影響、さらに表面からの深さ方向が検出側対物レンズ
の焦点深度方向となるため深さ分解能が劣り（焦点深度
約１０μｍ程度）、限界があった。また、断面観察法で
は深さ分解能は優れているが、赤外線レーザビームＩＲ
の入射の際の散乱によって、表面近傍の結晶欠陥からの
散乱光がかきけされ、表面近傍の結晶欠陥の検出は困難
であった。

【０００５】また、サンプルに対して図１のように斜め
から入射して表面近傍へ赤外線レーザビームＩＲを導入
する。そうして表面近傍に存在する結晶欠陥からの散乱
光を赤外線ビジコンにて検出する。このときの光学系の
焦点深度は対物レンズにもよるが、約１０μｍ程度であ
る。このように表面近傍に存在する結晶欠陥の深さ分解
能は、光学系の焦点深度に依存し、これ以上の分解能を
得ることは困難であった。また、表面の状態に非常に大
きく影響され、表面のごみやきず、ピットの内部の結晶
欠陥との分離の点でも難しかった。

【０００６】そこで、本願発明者は、以下の知見を得
た。すなわち、入射光はその波長が異なると内部への侵
入長が変わる。このことを利用して、波長の異なる光源
をいくつか備え、または、連続で波長を変えられる光源
を用い、図１に示すように、斜めから入射してそれぞれ
の波長で同じように測定する。そして、入射光の侵入長
の長いもので検出した結晶欠陥から短いものの場合を差
し引けば、その侵入長差の間に存在する結晶欠陥だけを
検出することができる。この侵入長の差が光学顕微鏡の
焦点深度以下になるように入射波長を選択すれば、優れ
た深さ分解能を得ることができる。また、ほとんどシリ
コンに侵入しない短い波長の光を選ぶことにより、表面
でのごみ、きずからの散乱か、シリコン内部の結晶欠陥
からの散乱であるかを区別することができる。

【０００７】本発明は、表面近傍に存在する結晶欠陥を
非破壊にて光学系の分解能以上の深さ分解能を得て検出
することができる方法および装置を提供することをその
目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載した発明
は、結晶表面から光を入射し、その散乱光を検出するこ
とにより、その表面近傍の結晶欠陥を検出する方法にお
いて、結晶表面の同一位置に侵入深さの異なる光をそれ
ぞれ入射して、これらの検出値の差に基づいて結晶欠陥
を検出する表面近傍結晶欠陥の検出方法である。

【０００９】請求項２に記載した発明は、上記結晶表面
の同一位置に異なる波長の光を入射した請求項１に記載
の表面近傍結晶欠陥の検出方法である。

【００１０】請求項３に記載した発明は、上記結晶表面
の同一位置に入射する光の出力を可変とした請求項１に
記載の表面近傍結晶欠陥の検出方法である。

【００１１】請求項４に記載した発明は、結晶表面にそ
の侵入深さが異なる光を入射可能な入射手段と、結晶表
面の散乱光を検出することによりその結晶欠陥を検出す
る検出手段と、検出手段の検出結果に基づいて結晶欠陥
を算出する算出手段とを備えた表面近傍結晶欠陥検出装
置である。

【００１２】請求項５に記載した発明は、上記入射手段
は、結晶表面に異なる波長の光を入射可能に構成した請
求項４に記載の表面近傍結晶欠陥検出装置である。

【００１３】請求項６に記載した発明は、上記入射手段
は、結晶表面に入射する光の出力を可変とした請求項４
に記載の表面近傍結晶欠陥検出装置である。

【００１４】請求項７に記載した発明は、上記入射手段
は、異なる波長のレーザ光を出力する請求項５に記載の
表面近傍結晶欠陥検出装置である。

【００１５】

【作用】請求項１〜７に記載の発明にあっては、例えば
所定波長のレーザ光を結晶表面から所定の入射角でその
内部に入射、導入する。そして、結晶欠陥からの光散乱
を散乱中心として検出する。ここで、強度を一定として
光の波長を変えると、吸収係数が変わり光の浸透深さが
変わる。同一位置にて波長の異なる光を入射し、その光
散乱をそれぞれ検出し、この検出値の差に基づいてその
深さでの内部欠陥を算出するものである。例えば表１に
示すようなレーザ光を使用する。または、波長を可変と
して連続発振が可能なチタンサファイアレーザを使用す
る。この場合の波長域は７００ｎｍ〜１０５０ｎｍであ
る。

【００１６】

【表１】

【００１７】または、同一波長のレーザ光をその出力を
変更すると、レーザ光の侵入長は変わらないが、欠陥か
らの散乱光強度が変わり、その波長の侵入長以内で、表
面からの欠陥検出深さを可変とすることができる。すな
わち、出力を下げると、侵入長以内の領域で深い部分に
存在していた欠陥からの散乱光強度が下がり、検出でき
なくなる。よって、この場合も、それぞれの深さでの光
散乱を検出して内部欠陥を算出することとなる。ただ
し、ピット等表面に存在する散乱原因からの散乱光と、
内部結晶欠陥からの散乱光とを区別する場合は、波長を
変えて、例えばシリコン内部にほとんど侵入しない波長
のレーザ光を用いると有効である。さらに、レーザ光の
入射角をブリュスタ角に設定すると、Ｐ偏光成分がシリ
コン内部へ効率良く侵入することとなる。

【００１８】

【実施例】本発明に係る内部結晶欠陥検出装置および内
部結晶欠陥検出方法を実施例に基づいて以下説明する。
図１は本発明の一実施例に係る内部結晶欠陥検出装置の
全体構成の概略を示すブロック図、図２、図３は所定波
長のレーザ光を入射した場合の光散乱の状態を示す図で
ある。

【００１９】図１において、１１はサンプルとしてのシ
リコンウェーハであって、このシリコンウェーハ１１は
その表面は鏡面研磨してある。このシリコンウェーハ１
１は水平に設けられたステージ１２上にその鏡面を上に
向けて載置されている。ステージ１２は、図示していな
い駆動機構によって水平面内で互いに直交するＸ方向、
Ｙ方向に可動に構成されている。駆動機構はパソコン１
３により制御される構成である。パソコン１３は周知の
構成であって、Ｉ／Ｏ、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を有
している。

【００２０】このステージ１２の斜め上方にはシリコン
ウェーハ１１に対してレーザ光を照射するための光源１
４が配設されている。この光源１４は例えば複数のレー
ザ発振器で構成され、各レーザ発振器の発するレーザ光
の波長はそれぞれ異なるものとなっている。または、光
源１４として波長を連続的に変化させることができるも
のを使用してもよい。ステージ１２の上方には、シリコ
ンウェーハ１１に生じた散乱光を検出するための赤外顕
微鏡１５と、赤外ビジコン１６とが配設されている。赤
外ビジコン１６の出力は上記パソコン１３に入力されて
いる。また、１７はパソコン１３に制御されるモニタで
ある。

【００２１】したがって、このパソコン１３により、ス
テージ１２のＸ，Ｙ方向への動き、光源１４の発振のＯ
Ｎ／ＯＦＦ等、赤外顕微鏡１５のピント合わせ動作等、
モニタ１７の画面表示が制御されることとなる。

【００２２】以上の構成の赤外線トモグラフィー装置を
用いてサンプルであるシリコンウェーハ１１の内部の結
晶欠陥を検出する方法について以下説明する。

【００２３】まず、検出対象のシリコンウェーハ１１を
鏡面を上に向けてステージ１２の上に載置する。そし
て、パソコン１３に対して検出開始を入力すると、パソ
コン１３はステージ１２、光源１４、赤外顕微鏡１５等
に対して所定の出力を行う。

【００２４】パソコン１３の出力によりステージ１２は
Ｘ軸，Ｙ軸方向に駆動され、その位置が設定される。こ
の結果、光源１４に対してシリコンウェーハ１１の位置
が調節される。同じくパソコン１３出力で選択等された
光源１４からのレーザ光はシリコンウェーハ１１の鏡面
に対して所定の角度で入射可能とされる。

【００２５】この位置制御が終了した状態で、赤外顕微
鏡１５の対物レンズのピントが鏡面でのレーザビームの
入射点位置に合うように調整した後、対物レンズの結像
位置が赤外ビジコン１６上に一致するように調整する。

【００２６】上記位置合わせとピント合わせを完了した
後、パソコン１３は次のようにしてシリコンウェーハ１
１内部（例えば深さ５〜５０μｍの範囲）に存在する結
晶欠陥の検出を開始する。すなわち、シリコンウェーハ
１１の鏡面から所定角度で入射したレーザビームはその
波長に対応した深さまでシリコンウェーハ１１の内部に
侵入する。この侵入した位置にて結晶内部に結晶欠陥が
存在すると、レーザ光により光散乱が生じる。この散乱
光の散乱中心を、赤外顕微鏡１５によって集光し、赤外
ビジコン１６により検出する。そして、この散乱中心を
モニタ１７に表示する。この光散乱の散乱中心の検出
を、同一位置にて光源１４から波長を変えたレーザ光を
照射して再び行う。

【００２７】図２、図３はこの光散乱の状態を示してい
る。すなわち、図２は波長６７０ｎｍの半導体レーザで
の結晶欠陥の像を、図３は波長８７０ｎｍでのそれを示
している。６７０ｎｍのレーザ光では表面から３μｍの
深さまでの結晶欠陥が検出される。一方、８７０ｎｍの
レーザ光は１２μｍの深さの結晶欠陥を検出することが
できる。したがって、後者の欠陥個数から前者の個数を
差し引くことにより、３〜１２μｍの深さ範囲での結晶
欠陥を得ることができる。例えば図２の場合は欠陥個数
は２１１個（楕円ビームスポット径は３０×６０μ
ｍ）、図３の場合は７９７個である。この結果、表面か
ら３μｍの欠陥密度は２．１×１０¹⁰個／ｃｍ³であ
り、３〜１２μｍのそれは１．７×１０¹⁰個／ｃｍ³で
あることが判明する。

【００２８】したがって、上記表１に示す各種のレーザ
光を同一位置に照射し、結晶欠陥の欠陥密度を測定する
ことにより、シリコンウェーハ１１の内部結晶欠陥の深
さ方向の分布を正確に検出することができる。光源１４
から照射する光の波長を連続的に変化させることによ
り、深さ分解能を良くすることができるのである。ま
た、ほとんどシリコンウェーハに侵入しない程度の短い
波長のレーザ光を用いると、表面に存在するごみやきず
と、その内部の結晶欠陥とを明確に識別することもでき
る。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、結晶の内部の結晶欠陥
を確実に検出することができる。特にその深さ方向の欠
陥密度を高精度に検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る赤外線トモグラフィー
装置の全体構成の概略を示すブロック図である。

【図２】本発明の一実施例に係る単結晶シリコンにおけ
る結晶欠陥像（波長６７０ｎｍ）を示す結晶構造のＸ線
写真である。

【図３】本発明の一実施例に係る単結晶シリコンにおけ
る結晶欠陥像（波長８７０ｎｍ）を示す結晶構造のＸ線
写真である。

【図４】従来の赤外線トモグラフィー装置の概略構成を
示す斜視図である。

【図５】同じく従来の赤外線トモグラフィー装置の概略
構成を示す斜視図である。

【符号の説明】

１１シリコンウェーハ（結晶）１３パソコン（算出手段）１４光源（入射手段）１５赤外顕微鏡（検出手段）１６赤外ビジコン（検出手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者新行内隆之埼玉県大宮市北袋町一丁目297番地三菱マテリアル株式会社中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】結晶表面から光を入射し、その散乱光を
検出することにより、その表面近傍の結晶欠陥を検出す
る方法において、結晶表面の同一位置に侵入深さの異なる光をそれぞれ入
射して、これらの検出値の差に基づいて結晶欠陥を検出
する表面近傍結晶欠陥の検出方法。
【請求項２】上記結晶表面の同一位置に異なる波長の
光を入射した請求項１に記載の表面近傍結晶欠陥の検出
方法。
【請求項３】上記結晶表面の同一位置に入射する光の
出力を可変とした請求項１に記載の表面近傍結晶欠陥の
検出方法。
【請求項４】結晶表面にその侵入深さが異なる光を入
射可能な入射手段と、結晶表面の散乱光を検出することによりその結晶欠陥を
検出する検出手段と、検出手段の検出結果に基づいて結晶欠陥を算出する算出
手段とを備えた表面近傍結晶欠陥検出装置。
【請求項５】上記入射手段は、結晶表面に異なる波長
の光を入射可能に構成した請求項４に記載の表面近傍結
晶欠陥検出装置。
【請求項６】上記入射手段は、結晶表面に入射する光
の出力を可変とした請求項４に記載の表面近傍結晶欠陥
検出装置。
【請求項７】上記入射手段は、異なる波長のレーザ光
を出力する請求項５に記載の表面近傍結晶欠陥検出装
置。