JPH09167790A

JPH09167790A - 基板の計測方法および半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JPH09167790A
Application number: JP32682195A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Hiraiwa; 篤平岩; Kazuo Takeda; 一男武田; Hidetsugu Ishida; 英嗣石田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-12-15
Filing date: 1995-12-15
Publication date: 1997-06-24

Abstract

(57)【要約】【課題】エピタキシャル膜の有無，膜厚，膜中欠陥を非
破壊，高速、かつ簡便に計測する。【解決手段】深さ方向分解能に優れた欠陥計測装置を用
いて基板表面領域の欠陥の深さ位置を計測し、欠陥の数
が大きく増加する位置からエピタキシャル膜の厚さを求
める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体基板の計測方
法に係り、特に、エピタキシャル成長による薄膜を有す
る半導体基板およびその計測方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の信頼性低下をもたらす一因
として、ゲート酸化膜の絶縁破壊が大きな問題となって
いる。絶縁破壊の原因は、ジャーナル・オブ・アプライ
ド・フィジクス誌，第７２巻（１９９２年発行），第２
１８５頁ないし第２１９１頁に述べられているように、
半導体装置の基板として用いているＣＺ基板中の微小欠
陥が酸化膜中に取り込まれることにより酸化膜中に欠陥
が形成されることが考えられている。半導体装置の高集
積化にともない、酸化膜に加わる電界強度が増加し、そ
の結果軽微な酸化膜欠陥でさえ絶縁破壊を生じるように
なったこと、および、チップ面積増加にともない酸化膜
の総面積も増加し酸化膜中に欠陥の形成される確率の高
くなっていることが、事態を年々深刻なものにしてきて
いる。

【０００３】このような問題を解決するには、ＣＺ基板
上にエピタキシャル成長によりＳｉ薄膜（エピタキシャ
ル膜）を形成したウェハを基板として用いるのが有効で
ある。素子特性上、エピタキシャル膜の厚さを所望の値
に制御することが重要であり、そのためには膜厚を高精
度に計測することが基本となる。

【０００４】このための従来技術は、ウェハに赤外光を
照射し、エピタキシャル膜とＣＺ基板界面との境界から
の反射光と照射光との間の干渉を用いる方法が用いられ
てきた。

【０００５】他方、エピタキシャル膜といえども無欠陥
ではなく、成膜時の熱応力に起因してスリップ等の欠陥
が発生することもあり、これが接合のリーク電流増大を
もたらすことがある。このため、エピタキシャル膜その
ものの欠陥計測も重要であり、従来はセコ液もしくはラ
イト液と呼ばれるエッチング液中で欠陥を選択的にエッ
チングすることにより欠陥を拡大し顕微鏡により観察し
ていた。また、Ｘ線トポグラフィ法により非破壊的に欠
陥を計測することも行われていた。さらに、応用物理，
第５５巻，第６号，第５４２頁から第５６９頁に述べる
赤外散乱トモグラフィ法のように欠陥をウェハの断面方
向から計測する技術も開発されてきた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】エピタキシャル膜の厚
さを従来法により計測するためには、エピタキシャル膜
とＣＺ基板との界面において赤外光を十分に反射させる
ためにＣＺ基板が高濃度にドーピングされていることが
必要であり、適用できるウェハに限りがあるという問題
があった。また、本発明者らの実験によると、特に、エ
ピタキシャル膜の厚さが０.１ μｍないし２μｍの場合
にゲート酸化膜の絶縁破壊の発生確率が小さく、エピタ
キシャル膜厚を高度に制御することが実用上重要である
ことが明らかになった。このようにエピタキシャル膜が
薄い、特に膜厚が０.３ μｍ以下の場合には、たとえ高
濃度のＣＺ基板を用いても従来法で膜厚を計測すること
は困難であった。

【０００７】エピタキシャル膜中の欠陥の計測に関して
も、このように薄い(０.１μｍないし２μｍ）エピタキ
シャル膜に対してはエッチング法では欠陥を十分に拡大
することが困難であり、欠陥を検出することがほとんど
できなかった。また、Ｘ線トポグラフィ法では試料全体
を深さ方向に平面的に計測するために、深さ方向の位置
を知ることができない。赤外散乱トモグラフィ法では結
像分解能により深さ方向の分解能が決定されるので１ミ
クロン以下の精度で計測することが不可能である。した
がって、これら方法を用いてもエピタキシャル膜内部の
欠陥か否かの判別ができないという問題もあった。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記問題を解決するため
に、本発明ではエピタキシャル膜およびＣＺ基板中の欠
陥を計測する。その際、本発明者らが開発した欠陥計測
技術を用いると有効である。以下、同欠陥計測技術を図
２を用いて説明する。

【０００９】目的の試料１に対する侵入深さの比較的長
い波長（例えば、試料１がシリコンの場合には６５０ｎ
ｍないし１０００ｎｍ）を有する第一のレーザ光２と波
長１の侵入深さに対して十分侵入深さが短い波長（例え
ば、シリコンの場合には、３５０ｎｍないし５５０ｎ
ｍ）を有する第二のレーザ光３を、それぞれ１／２波長
板２２，２３によって偏光方向を調整する。これらをハ
ーフミラー１２で合流させ、スリット１１による整形を
行ったあと、ミラー１７およびレンズ４を用いて集光し
試料１に照射する。

【００１０】試料１からの散乱光５を対物レンズ１５で
集める。対物レンズ１５で集めた散乱光５をハーフミラ
ー６を用いて分岐し、蛍光を除去するためにそれぞれの
波長を選択するフィルタ７，８を透過させて、それぞれ
の波長の散乱光５を分離した後レンズ１８と１９で集光
し、光検出器９，１０で検出する。検出した信号をアン
プ１３，１４で増幅しコンピュータ１６に取り込みその
強度比をもとに深さ位置を求める。

【００１１】なお、試料１を保持するステージ２３はド
ライバ２２により走査される。これにより、必要に応
じ、試料全体の計測が可能である。

【００１２】次に、深さ位置を求める計算手順を記す。
物質の波長λにおける屈折率をｎ，消衰率をｋとすれ
ば、入射光の振幅が表面直下の値の１／ｅになる侵入深
さΓは数１で与えられる。

【００１３】

【数１】 Γ＝λ／２πｋ …（１）したがって、空気中より入射角θで物質に入射した光の
強度は表面からの深さｚのところではexp((−２ｚ／Γ)
cos(arcsin(sinθ／ｎ))）だけ表面直下より減衰するこ
とになる。したがって空気中より入射角θで物質に光を
照射し、試料表面方向への散乱光をある検出立体角で検
出したときの積分散乱断面積をσ，入射光強度をＩとし
たとき、物質表面より深さｚの位置にある欠陥からの散
乱光強度Ｓは数２のように表わすことができる。

【００１４】

【数２】Ｓ＝Ｉσ exp［−(２ｚ／Γ)(１＋１／{cos(arcsin(sinθ／ｎ))})］×Ｔｉ ×Ｔｆ …（２）ここで、Ｔｉは入射光の大気中から物質内表面直下への
透過率、Ｔｆは散乱光の物質内表面直下から大気中への
透過率である。

【００１５】今、物質の波長λ１，λ２に対する屈折率
をそれぞれｎ１，ｎ２、侵入深さをそれぞれΓ１，Γ
２、入射光強度をそれぞれＩ１，Ｉ２、測定される散乱
光強度をそれぞれＳ１，Ｓ２、積分散乱断面積をそれぞ
れσ１，σ２、入射光の物質内表面直下への透過率をそ
れぞれＴ１ｉ，Ｔ２ｉ、散乱光の物質内表面直下から大
気中への透過率をそれぞれＴ１ｆ，Ｔ２ｆ、とすると数
３，数４が成り立つ。

【００１６】

【数３】Ｓ１＝Ｉ１ σ１ exp［−(２ｚ／Γ１)(１＋１／{cos(arcsin(sinθ ／ｎ１))})］×Ｔ１ｉ×Ｔ１ｆ …（３）

【００１７】

【数４】Ｓ２＝Ｉ２ σ２ exp［−(２ｚ／Γ２)(１＋１／{cos(arcsin(sinθ ／ｎ２))})］×Ｔ２ｉ×Ｔ２ｆ …（４）以上により、欠陥の深さ位置ｚは数５乃至数７のように
与えられる。

【００１８】

【数５】ｚ＝Ｃ１ ln［Ｃ２(Ｓ１／Ｓ２)(σ２／σ１)］ …（５）

【００１９】

【数６】Ｃ１＝１／［(４πｋ２／λ２)(１＋１／{cos(arcsin(sinθ／ｎ２))}) −(４πｋ１／λ１)(１＋１／{cos(arcsin(sinθ／ｎ１))})］ …（６）

【００２０】

【数７】Ｃ２＝Ｉ２／Ｉ１×Ｔ２ｉ×Ｔ２ｆ／(Ｔ１ｉ×Ｔ１ｆ) …（７）本発明において欠陥の深さ位置を求めるためには先に欠
陥の大きさを求める必要がある。数３において試料を透
過する波長λ１の光、すなわち、Γ１が十分に大きい
（Γ１＞１０×Γ２）波長λ１の光を用いると、ある検
出立体角での積分散乱断面積σ１は数８の様に表わすこ
とができる。

【００２１】

【数８】 σ１＝Ｓ１／(Ｉ１×Ｔ１ｉ×Ｔ１ｆ) …（８）Ｔ１ｉ，Ｔ１ｆの値は光学原理にのっとり計算できるの
で、Ｉ１の値を事前に測定しておけばＳ１を測定するこ
とにより積分散乱断面積σ１の値が求まる。したがっ
て、欠陥の屈折率が既知であればＭｉｅ散乱理論式（例
えばボルン・ウォルフ著，光学の原理３，(東海大学
出版，１９７５年），第９０２〜９７１頁)から欠陥の
大きさを求めることができる。本発明では、ＳｉＯ₂粒
子の屈折率を仮定する。

【００２２】大きさが分れば試料に吸収される波長λ２
の光によるある検出立体角での積分散乱断面積σ２が計
算により求まるので、積分散乱断面積の比σ１／σ２が
決定できる。上記と同様、Ｔ２ｉ，Ｔ２ｆの値を光学原
理にのっとり計算し、Ｉ２の値を事前に測定することに
より数７からＣ２の値を求めることができる。また、Ｃ
１の値も材料定数および実験条件から数１により求ま
る。これら値を数５に代入すれば深さ位置ｚを得ること
ができる。

【００２３】上記した散乱光強度の測定には誤差が避け
られず、この誤差に起因して欠陥の深さ位置には波長λ
２の光の侵入深さの５％ないし１０％程度の誤差が生じ
る。したがって、計測しようとする薄膜の厚さ、および
測定精度に応じて波長λ２の値を選択するのが望まし
い。エピタキシャル膜を形成する場合には半導体基板中
のドーパント分布制御にも活用することが少なからずあ
り、素子特性の制御性を得るために０.１ μｍ以下の精
度で膜厚を制御することが必要である。計測にもこれと
同等以上の精度が要求される。これに答えるためには、
波長λ２を侵入深さが２μｍ以下となるように選択する
のが望ましい。この時、計測可能なエピタキシャル膜の
厚さも２μｍとなり、特別な必要性のない限り同厚さ以
下のエピタキシャル膜を用いるのが望ましい。

【００２４】ここで散乱光５を集光する対物レンズ１５
は、その焦点深度が波長λ２の入射光の結晶への侵入深
さより十分長いものが望ましい。波長λ１の光の焦点深
度内にはあるが波長λ２の光の焦点深度外にある欠陥か
らの散乱光を検出したとする。このとき対物レンズの焦
点深度が波長λ２の光の侵入深さより短いかあるいは同
程度であったとすると、測定される散乱光Ｓ２は欠陥が
焦点深度内にあった場合に比べて小さくなってしまう。
するとＳ１／Ｓ２が大きくなり、数５より深さ位置ｚが
実際より深い値に算出されてしまうことになる。このよ
うなことを避けるために焦点深度の長い対物レンズの使
用が望ましいのである。

【００２５】上記欠陥計測技術を用いて、エピタキシャ
ル膜中およびＣＺ基板中の欠陥を計測したところ、ＣＺ
基板中においては当たり約２×１０⁶個の欠陥を検出し
たのに対して、エピタキシャル膜中では１cm³当たり約
８×１０⁴個の欠陥しか検出しなかった。したがって、
欠陥密度の分布を深さ方向に計測すれば、密度が大きく
増加し始める位置からエピタキシャル膜とＣＺ基板との
界面の位置を知ることができ、そのエピタキシャル膜表
面からの深さからエピタキシャル膜厚が求まる。本欠陥
計測技術は深さ方向に高分解能(０.１μｍ以下）で欠陥
の位置を計測することができるので、エピタキシャル膜
厚も０.１ μｍ以下の誤差で求めることができる。

【００２６】また、欠陥の深さ位置計測の分解能がエピ
タキシャル膜の厚さより小さいので、欠陥がエピタキシ
ャル膜の内部にあるか否かの判別も可能となる。

【００２７】

【発明の実施の形態】

（実施例１）本発明の第一の実施例を、図１を用いて説
明する。同図は、各種シリコン基板における欠陥密度の
深さ方向の分布を計測した結果である。同図（ａ）は半
導体装置の製造を開始する前のＣＺ基板、同図（ｂ）は
同ＣＺ基板上に０.３ μｍの厚さのエピタキシャル膜を
成長させた基板、同図（ｃ）は同図（ｂ）と同様にして
厚さ１μｍのエピタキシャル膜を成長させた基板に関す
る結果である。これらの図から明らかなように、エピタ
キシャル膜の厚い基板ほど欠陥密度の低い領域が表面に
厚く存在する。基板表面を座標軸の原点にとれば、欠陥
密度が大きく増加し始める位置とエピタキシャル膜の厚
さとがほぼ一致する。したがって、欠陥密度の深さ方向
分布からエピタキシャル膜の厚さを求めることができ
る。

【００２８】また、本計測により、エピタキシャル膜中
には大きさに最頻値のない広い分布を有する欠陥が少数
ながらも存在し、その密度は１cm³当たり約８×１０⁴個
であることが明らかになった。

【００２９】（実施例２）本実施例は、上記第一の実施
例に述べた計測方法を用いて半導体装置を製造する方法
に関するものである。上記したように、エピタキシャル
膜を用いる場合には膜厚が０.１ μｍ以上，２μｍ以下
の範囲にあることが望ましい。また、半導体装置の品種
によってエピタキシャル膜を形成しない基板を用いてい
る場合には、このような基板の誤用を防ぐことも必要で
ある。したがって、まず、受け入れ検査として上記第一
の実施例を用いてエピタキシャル膜の有無、膜厚および
欠陥を測定し、所定の仕様を満たしていることを確認し
た上で半導体装置の製造を開始すると、基板の仕様の誤
り・不良による半導体装置不良の発生を未然に防止する
ことができる。その際、必要に応じて全数もしくは一部
の基板のみについて計測すればよい。さらに、計測の終
わった基板については、計測装置の清浄度を管理・維持
することにより半導体装置の製造に用いてもよく、ま
た、計測による万一の汚染が製造工程を汚染する危険を
除外するために製造に用いるのをやめてもよい。

【００３０】（実施例３）本実施例は、上記第一の実施
例を用いてＣＺ基板上にエピタキシャル膜を形成する方
法に関するものである。エピタキシャル膜形成では、成
膜装置の保守（クリーニング，部品交換）を行うと、金
属汚染，熱応力分布の変化にともないエピタキシャル膜
中に各種欠陥の発生することがある。欠陥の中でも大き
なスリップが発生した場合には目視によっても観察が可
能なので、早期にエピタキシャル膜の異常を検出し対策
を講じることができる。しかし、全ての場合で目視によ
り検知できるわけではなく、むしろ、製造した半導体装
置の不良の増加によりエピタキシャル膜の異常に気付く
場合も多々ある。本実施例では、エピタキシャル膜形成
後に上記第一の実施例に述べた方法を用いてエピタキシ
ャル膜中の欠陥や膜厚を計測することにより、半導体装
置の特性異常の発生を待たずに、エピタキシャル膜の異
常を早期に検知するものである。その際、エピタキシャ
ル膜の成膜装置の保守等を行った後にこの計測を行うと
効率が良いが、基板の全数を計測すればより完璧を期す
ことができる。また、複数基板に対して同時に成膜を行
う場合には、そのうちの少なくとも一枚を用いて計測を
行うと、不良の見落としがほとんど無い状態で効率的に
エピタキシャル膜の検査を行うことができる。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、エピタキシャル膜の有
無，厚さ、および膜中欠陥を計測することができるの
で、半導体装置の製造に使用する基板の不良，仕様の誤
りに起因した半導体装置の不良を未然に防止することが
できる。また、エピタキシャル膜の不良を早期に検出す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】各種シリコン基板の深さ方向欠陥分布図。

【図２】本発明の方法を実施するための欠陥検査装置の
ブロック図。

【符号の説明】

１…試料、２…レーザ光、３…レーザ光、４…レンズ、
５…散乱光、６…ハーフミラー、７…蛍光除去フィル
タ、８…蛍光除去フィルタ、９…光検出器、１０…光検
出器、１１…スリット、１２…ハーフミラー、１３…ア
ンプ、１４…アンプ、１５…対物レンズ、１６…コンピ
ュータ、１７…ミラー、１８…レンズ、１９…レンズ、
２０…ドライバ、２１…ステージ、２２…１／２波長
板、２３…１／２波長板。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板内の欠陥の深さ位置を計測することに
より、前記基板の表面に形成した薄膜の有無，膜厚、も
しくは前記薄膜内の欠陥の内の少なくとも一つを計測す
ることを特徴とする基板の計測方法。
【請求項２】一連の製造工程の前もしくは工程中に、半
導体装置を製造する基板、もしくは製造に用いるのと同
一または類似の仕様の基板の内の少なくとも一枚を用い
て請求項１に述べた方法により基板を計測する半導体装
置の製造方法。
【請求項３】請求項１に述べた方法を用いて基板表面上
に薄膜を形成する方法。
【請求項４】前記薄膜の厚さが０.１ μｍ以上，２μｍ
以下である請求項１に記載の計測方法。