JPH09270447A

JPH09270447A - 結晶欠陥検出装置

Info

Publication number: JPH09270447A
Application number: JP7780096A
Authority: JP
Inventors: Sukemune Udou; 働祐宗有
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1996-03-29
Filing date: 1996-03-29
Publication date: 1997-10-14

Abstract

(57)【要約】【課題】結晶欠陥のサイズに大小があっても、結晶欠
陥の密度を正確に求めるうる結晶欠陥検出装置を実現す
ること。【解決手段】複数の強度のレーザ光Ｂを半導体基板１
０に入射させるレーザ光入射手段１と、その入射したレ
ーザ光Ｂによる半導体基板内の結晶欠陥からの散乱光Ｌ
を検出して、その散乱光Ｌから結晶欠陥に対応する散乱
像を強度毎に作成する画像処理手段５と、各散乱像から
前記結晶欠陥の密度及び大きさを算出する画像解析手段
９とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体基板の結晶
欠陥の中で、特にシリコン結晶中の酸素析出物の深さ方
向の結晶欠陥の密度を検出する結晶欠陥検出装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】結晶欠陥の中で、シリコン結晶中のＢＭ
Ｄ（ＢｕｌｋＭｉｃｒｏＤｅｆｅｃｔ）と呼ばれる
酸素析出物を評価する方法として、赤外線トモグラフに
よる方法が行われていた。この方法は、シリコン結晶に
赤外線レーザ、例えば波長λ＝１．０６μｍであるＹＡ
Ｇ（イットリウム、アルミニウム、ガーネット）レーザ
を入射して、結晶欠陥からの散乱光を、入射光に対して
直角方向から測定することにより、結晶欠陥の空間分布
を求める方法である。

【０００３】現在ＢＭＤの検出に用いられている赤外線
トモグラフィー装置では、図８に示すように試料であ
る、例えばシリコンウェハ１０を劈開し、劈開面１０ｈ
からレーザ光Ｂを入射して表面１０ｓから観察するか、
または表面１０ｓからレーザ光Ｂを入射して劈開面１０
ｈから観察するかのいずれかが行われる。前者の方法は
深さ方向のＢＭＤ密度分布が求められることがその特徴
である。

【０００４】ここで、図８のブロック図を基に従来の結
晶欠陥検出装置について説明する。

【０００５】レーザ発生器１から、例えば波長λ＝１．
０６μｍで強度が３０ｍＷのＹＡＧレーザ光Ｂが発射さ
れる。レーザ光Ｂはミラー２で方向を変えられて、レン
ズ３に入射し集光されてシリコンウェハ１０の表面１０
ｓに入射する。レーザ発生器１は、シリコンウェハ１０
の結晶欠陥を検出するために、レーザ光Ｂを発しながら
表面１０ｓ全体に渡りスキャンする。シリコンウェハ１
０内に進入したレーザ光Ｂはシリコンウェハ１０の結晶
欠陥により散乱され、シリコンウェハ１０の劈開面１０
ｈから散乱光Ｌが発生する。この散乱光ＬをＣＣＤカメ
ラ４が、レーザ光Ｂがシリコンウェハ１０に入射した入
射光と垂直な方向から検出する。ＣＣＤカメラ４で検出
された散乱光Ｌは、画像処理部５により散乱像として画
像処理され、画面上の散乱体の数が計算される。画像処
理された結果は、モニタ６にモニタされる。

【０００６】ここで、画像処理部５の動作原理を詳細に
説明する。

【０００７】レーザＢはレンズ３により集光している
が、測定時に、実際にＢＭＤにより散乱されるレーザの
強度分布の拡がりは直径約１０μｍであり、画像処理部
５はこの範囲のＢＭＤを全て検出する。

【０００８】散乱光の強度はＩ〜Ｉ₀（（１／λ）²・Δε・Ｖ／４π）² ……（１） ∴Ｉ＝ｋｒ⁶ ……（２）Ｉ：散乱強度、Ｉ₀：入射強度、λ：波長、Δε：誘電
率、Ｖ：散乱体体積、ｒ：半径（Ｖ＝４／３πｒ³）、
ｋ：比例定数で表される。従って、ＢＭＤの大きさが異なる場合、そ
のＢＭＤの散乱強度は異なる。例えば、大きさ（直径）
が２倍異なるＢＭＤからの散乱光強度は実に６４倍も異
なる事になる。

【０００９】このように、画像処理部５は、ＣＣＤカメ
ラ５からの画像信号をアナログ・ディジタル変換し、あ
る強度以上（閾値）のものを欠陥として認識する。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】最近ではデバイスの微
細化に伴い、活性層の無欠陥化が要求され、大きな結晶
欠陥は勿論の事、サイズの小さい結晶欠陥も無視でき
ず、サイズの小さいＢＭＤから大きなＢＭＤまで正確に
ＢＭＤの深さ方向分布及びそのサイズ分布を測定するこ
とが要求されている。

【００１１】しかし従来の結晶欠陥装置では、ＢＭＤの
サイズが異なる場合、すなわちＢＭＤからの散乱光強度
が強度が大幅に異なる場合、図９（ａ），（ｂ）に示す
ように散乱光強度の強いＢＭＤはその強度分布から画面
上のサイズは大きく認識される。図９（ａ）は、散乱光
強度とモニタ上での距離を示すグラフであり、図９
（ｂ）は、モニタ上で表示される結晶欠陥を示してい
る。

【００１２】図９の（ｂ）に示すように個々のＢＭＤの
画面上のサイズとＢＭＤ相互との距離の関係がＢＭＤのサイズ＜ＢＭＤ相互の距離で有れば、正確にＢＭＤ数が計測できるが、ＢＭＤ密度
が高い場合ＢＭＤのサイズ＞ＢＭＤ相互の距離となる事があり、この場合、複数のＢＭＤが画面上では
接触して一体となり区別できなくなるため、ＢＭＤの計
測値が実際より小さくなる（図１２参照）。

【００１３】これを回避するために、画像処理時のＢＭ
Ｄであると判定する閾値を上げる（図１０（ａ），
（ｂ）参照）か、入射するレーザ光にフィルタを通すこ
とによりレーザ強度を弱める（図１１（ａ），（ｂ）参
照）ことが考えられる。しかし、前者の場合、画像処理
時の閾値が大きくなるため、小さなＢＭＤからの散乱光
強度の画像を検出することができなくなるおそれがあ
り、後者の場合、レーザ強度が小さくなるため小さなＢ
ＭＤからの散乱光強度の画像処理後の変換値も小さくな
り、その小さなＢＭＤに対応する画像を検出できなくな
るおそれがある。

【００１４】また、式（１）より散乱光強度から欠陥の
大きさを求めることができるが、散乱光受像カメラの光
に対するダイナミックレンジは５０ｄＢ（約３２０倍）
程度である。式（２）より、ある１つの測定条件で測定
できるＢＭＤサイズは２６倍ということになり、現実の
ＢＭＤのサイズ分布に対して狭すぎる。すなわち、結晶
中の欠陥はその大きさが全て均一であることは皆無に等
しいため、従来の結晶欠陥検出装置では、その密度を正
確に計測することはできないばかりでなく、計測できる
大きさの幅も狭く不十分である。

【００１５】そこで本発明の目的は、上記問題点を解消
するため、結晶欠陥のサイズに大小があっても、結晶欠
陥の密度を正確に求めるうる結晶欠陥検出装置を実現す
ることである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明の結晶欠陥検出装
置は、複数の強度のレーザ光を半導体基板に入射させる
レーザ光入射手段と、その入射したレーザ光による半導
体基板内の結晶欠陥からの散乱光を検出して、その散乱
光から結晶欠陥に対応する散乱像を強度毎に作成する画
像処理手段と、各散乱像から結晶欠陥の密度を算出する
画像解析手段とを備えている。

【００１７】本発明の結晶欠陥検出装置は、請求項１に
記載のレーザ光入射手段がレーザ光の強度を、半導体基
板上の測定表面全体のスキャンを行う毎に変化させるも
のであることを特徴とする。

【００１８】本発明の結晶欠陥検出装置は、請求項１に
記載のレーザ光入射手段がレーザ光の強度を、半導体基
板上の１ラインをスキャンする毎に変化させるものであ
ることを特徴とする。

【００１９】本発明の結晶欠陥検出装置は、請求項１〜
３のいずれかに記載のレーザ光入射手段がレーザ光の強
度を、透過率の異なるフィルターを切換えることにより
変化させるものであることを特徴とする。

【００２０】本発明の結晶欠陥検出装置は、請求項１に
記載のレーザ光入射手段が同時に複数の強度のレーザ光
を半導体基板に入射させるものであることを特徴とす
る。

【００２１】本発明の結晶欠陥検出装置は、請求項５に
記載のレーザ光入射手段が強度の異なるレーザ光を所定
の時間だけずらせて半導体基板に入射させるものである
ことを特徴とする。

【００２２】本発明の結晶欠陥検出装置は、請求項５ま
たは請求項６に記載のレーザ光入射手段が複数備えられ
ていることを特徴とする。

【００２３】本発明の結晶欠陥検出装置は、請求項１〜
７のいずれかに記載の画像解析手段が、各散乱像を任意
の領域に分割し、それぞれの領域について結晶欠陥の個
数を算出し、その算出した個数を各散乱像毎に比較して
最も個数の多いものを選択し、この選択した個数の合計
から半導体基板の結晶欠陥密度を得るものであることを
特徴とする。

【００２４】

【発明の実施の形態】本発明による結晶欠陥装置による
１つの実施の形態を図１のブロック図を基に説明する。
なお、図８において従来の技術で説明した部分と同一の
部分は同じ符号を付けている。

【００２５】図示するように、この実施の形態は、従来
の結晶欠陥装置に加えて、レンズ３の前に設けられた入
射光の強度を変化させるための複数のフィルタ８と、画
像処理部９内に設けられ、フィルタ８の個数分のフレー
ムバッファを備えているフレームバッファ領域５ｆと、
そのフレームバッファそれぞれの散乱像を比較し散乱体
の数を計算する画像解析部９とを備えている。

【００２６】ここで、フィルタの数を例えば３個とし、
それに伴いフレームバッファの数も３個として、この実
施の形態の動作を説明する。

【００２７】まず、レーザ光として波長λ＝１．０６μ
ｍのＹＡＧレーザを使用し、このレーザ光を１つのフィ
ルタ８を通すことによって光の強度を調整して、シリコ
ンウェハ１０の表面１０ｓに入射させ、観測面全体をス
キャンさせる。このレーザ光によるシリコンウェハ１０
内の結晶欠陥によって散乱された散乱光を、入射光の垂
直方向より検出する。この結晶欠陥の検出結果を画像処
理部９内の１つのフレームバッファに格納しておく。次
に、別のフィルタ８に、このレーザ光を通すことによっ
て光の強度を変化させ、シリコンウェハ１０の表面に入
射させ、結晶欠陥により散乱された散乱光を入射光の垂
直方向より検出する。このフィルタによる結晶欠陥の検
出結果を画像処理部９内の別のフレームバッファに格納
する。最後に、残りのフィルタ８に、このレーザ光を通
すことによって光の強度を変化させ、シリコンウェハ１
０の表面に入射させ、結晶欠陥により散乱された散乱光
を入射光の垂直方向より検出する。このフィルタによる
結晶欠陥の検出結果を、画像処理部５内の残りのフレー
ムバッファに格納する。

【００２８】これらレーザ光によるフィルタ毎のスキャ
ンが終了した後、画像解析部９はフレームバッファ毎に
格納された散乱画像から、シリコンウェハ１０の各領域
毎の結晶欠陥の数を計算する。この場合、シリコンウェ
ハ１０の同一の領域に、フレームバッファの数だけ結晶
欠陥の数が計算されるが、画像解析部９はこの中で最も
大きな値を結晶欠陥の数として扱う。

【００２９】ここで画像解析部９の処理を図２〜６を基
に詳細に説明する。

【００３０】図２は、シリコンウェハ１０の結晶欠陥に
対応するフレームバッファの内容を、モニタ６上に表わ
すときの画面を示している。図示するように画像解析部
９は、画面を例えば縦横１０×１０の枠に区切り、各枠
単位に処理する。以後、説明のため図２の右下３×３の
枠に注目して説明する。

【００３１】図３（ａ）は、シリコンウェハ１０に入射
する光の強度が、例えば１つのフィルタにより３ｍＷに
調整されている場合のフレームバッファの画面の一部を
示しており、図３（ｂ）は、画像解析部９がその枠毎に
計算した結晶欠陥の数を示している。図４（ａ）は、シ
リコンウェハ１０に入射する光の強度が、例えば別のフ
ィルタにより３０ｍＷに調整されている場合のフレーム
バッファの画面の一部を示しており、図３（ｂ）は、画
像解析部９がその画面の枠毎に計算した結晶欠陥の数を
示している。図５（ａ）は、シリコンウェハ１０に入射
する光の強度が例えば別のフィルタにより３００ｍＷに
調整されている場合のフレームバッファの画面の一部を
示しており、図５（ｂ）は、画像解析部９がその画面の
枠毎に計算した結晶欠陥の数を示している。シリコンウ
ェハ１０に入射する光の強度は、上述したようにフィル
タを取換えることにより調整される。

【００３２】画像解析部９は、３つのフレームバッファ
の枠毎に、結晶欠陥を計算・比較して（図３〜５の
（ａ）参照），最も多くの結晶欠陥の数をシリコンウェ
ハ１０の結晶欠陥の数とする（図３〜５の（ｂ）参
照）。このように画像解析部９が結晶欠陥の数を計算・
比較した結果を図６に示す。

【００３３】このように、従来の結晶欠陥検出装置で
は、強度が３０ｍＷのレーザ光だけがシリコンウェハ１
０に通されるため、図２の右下３×３の枠に含まれる結
晶欠陥の個数は全部で３個（図４（ａ），（ｂ）参照）
と判断されてしまうのに対して、この実施の形態では、
光の強度を通常（３０ｍＷ）、その１／１０倍（３ｍ
Ｗ）、及びその１０倍（３００ｍＷ）の３通りとして、
画面を取り込んでいるため、１／１０倍の強度のレーザ
光によってより大きな結晶欠陥が検出でき（図３
（ａ），（ｂ）参照）、他方１０倍の強度のレーザ光に
よってより小さな結晶欠陥を検出できる（図５（ａ），
（ｂ）参照）。

【００３４】ここで、２つのサンプルを、本発明による
結晶欠陥検出装置及び従来の結晶欠陥検出装置を用いて
測定した結果を説明する。

【００３５】２つのサンプルは両方とも、ＣＺ法で育成
したボロンドープｐ型で、４Ωcmのシリコンウェハであ
り、１０００℃で１６時間の熱処理を行い酸素析出物
（ＢＭＤ）を形成したものである。一方のサンプル（サ
ンプル１）は酸素濃度が１．６×１０¹⁶atoms ／cm₃で
あり、他方のサンプル（サンプル２）は酸素濃度が１．
２×１０¹⁶atoms ／cm₃である。

【００３６】従来の結晶欠陥検出装置で測定すると、特
にサンプル１でＢＭＤの密度の高い箇所に対応する散乱
像がくっついて分離できないため、実際の結晶欠陥より
低密度の結晶欠陥分布として算出された。また、サンプ
ル２ではＢＭＤの密度の低い箇所の散乱像を得ることが
でなかった。

【００３７】一方、本発明による結晶欠陥検出装置で
は、前述したようにレーザ強度を通常の強度、その１／
１０、１０倍として、３画面分の散乱像を取り込み、そ
れぞれの散乱像を１０×１０の領域に分割し、それぞれ
の領域で最も散乱体の数が多い画像を選び出しそれらを
合計するにより全体の密度を算出した。（図２〜６参
照）。その際、密度の高い所は強度１／１０倍に対応す
る散乱像を、低い所は１０倍に対応する散乱像を選び計
算した。

【００３８】更に、従来の結晶欠陥検出装置では結晶欠
陥が検出できなかったサンプル２について、レーザ光の
強度を徐々に強めていったところ、レーザ光の強度を通
常の５倍にした所で、結晶欠陥に対応する散乱像を検出
することができた。

【００３９】ここで、結晶欠陥サイズと散乱像として検
出できる散乱強度（ｄｂ）との関係を図７のグラフに示
す。これによって、小さいものから大きなものまで広い
範囲の結晶欠陥の検出が可能になる。もちろん、レーザ
強度の変化の幅を広げることにより、さらに検出範囲を
広げることができる事は言うまでもない。

【００４０】なお、上述した実施の形態では、１つの強
度のレーザ光Ｂがシリコンウェハ１０の観測面全体をス
キャンした後で、フィルタを取換えて、次の強度のレー
ザ光Ｂをシリコンウェハ１０に入射していたが、１つの
強度のレーザ光Ｂがシリコンウェハ１０上の１ラインを
スキャンする毎に、フィルタを取換えて次の強度のレー
ザ光Ｂをその１ラインを入射させて、シリコンウェハ１
０の観測面全体の結晶欠陥を測定してもかまわない。

【００４１】本発明の結晶欠陥装置による別の実施の形
態を説明する。

【００４２】本実施の形態は、使用するレーザ光の強度
毎にレーザ発生器１が備えられている。例えば上述した
実施の形態のように３ｍＷ，３０ｍＷ、及び３００ｍＷ
の強度のレーザ光を使用する場合であれば、それぞれの
強度のレーザ光を発するレーザ発生器が３台が備えられ
ている。そのため、本実施の形態のレーザ発生器は、異
なる強度のレーザ光を同時にシリコンウェハ１０に入射
することが可能である。

【００４３】本実施の形態は、レーザ光の強度を通常、
通常の１／１０、及び通常の１０倍としたレーザ光を、
時間を（例えば５０μｍづつ）ずらして、シリコンウェ
ハ１０上の同じ箇所に入射させる。画像処理部５はそれ
ぞれのレーザ光からの散乱光を、独立に３組のフレーム
メモリに散乱像として取り込む。画像解析部９は、それ
ぞれの散乱像を分割し、分割した枠の中で最も密度の高
い像から結晶欠陥を算出する。

【００４４】この方法により、測定が一回で済むため、
従来の技術と同等の測定時間で済む。

【００４５】なお、本明細書ではサンプルとしてシリコ
ンウェハを例にして説明したが、他の化合物半導体であ
るＧａＡｓ、ＧａＰ、ＺｎＳｅ等の測定も可能であり、
更ににＢＭＤだけでなく、他の種類の結晶欠陥も検出す
ることが可能である。

【００４６】

【発明の効果】本発明によれば、結晶欠陥のサイズに大
小があっても、結晶欠陥の密度を正確に求めるうる結晶
欠陥検出装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による結晶欠陥検出装置による実施の形
態を示すブロック図。

【図２】本発明による結晶欠陥密度を算出する方法を説
明するための図。

【図３】本発明による結晶欠陥密度を算出する方法を説
明するための図及びその算出結果を表した図。

【図４】本発明による結晶欠陥密度を算出する方法を説
明するための図及びその算出結果を表した図。

【図５】本発明による結晶欠陥密度を算出する方法を説
明するための図及びその算出結果を表した図。

【図６】結晶欠陥密度を算出した最終結果を表した図。

【図７】結晶欠陥サイズと散乱像として検出できる散乱
強度（ｄｂ）との関係を示すグラフ。

【図８】従来技術による結晶欠陥検出装置を示すブロッ
ク図。

【図９】結晶欠陥サイズの違いにより生じる散乱光の強
度とその散乱光の強度を結晶欠陥であると判断するある
閾値との関係を示すグラフと、その結晶欠陥のサイズに
対応する散乱体を現す画面。

【図１０】画面上で散乱体として現すことのできる光の
強度の閾値を大きくした場合における、散乱光の強度と
画面上での大きさとの関係を示すグラフと、その閾値を
基に結晶欠陥サイズに対応する散乱体を現す画面。

【図１１】シリコンウェハに入射する光の強度を小さく
した場合における、散乱光の強度と画面上での大きさと
の関係を示すグラフと、その閾値を基に結晶欠陥サイズ
に対応する散乱体を現す画面。

【図１２】ＢＭＤのサイズがそのＢＭＤ相互の距離より
大きくなる場合の画面を示す図。

【符号の説明】

１レーザ発生器２ミラー３レンズ４ＣＣＤカメラ５画像処理部５ｆフレームバッファ領域６モニタ８フィルタ９画像解析部１０シリコンウェハ１０ｓシリコンウェハの表面１０ｈシリコンウェハの劈開面Ｂレーザ光Ｌ散乱光

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の強度のレーザ光を半導体基板に入射
させるレーザ光入射手段と、その入射したレーザ光によ
る前記半導体基板内の結晶欠陥からの散乱光を検出し
て、その散乱光から前記結晶欠陥に対応する散乱像を前
記強度毎に作成する画像処理手段と、前記各散乱像から
前記結晶欠陥の密度を算出する画像解析手段とを備えた
結晶欠陥検出装置。
【請求項２】前記レーザ光入射手段は前記レーザ光の強
度を、前記半導体基板上の測定表面全体のスキャンを行
う毎に変化させるものであることを特徴とする請求項１
に記載の結晶欠陥検出装置。
【請求項３】前記レーザ光入射手段は前記レーザ光の強
度を、前記半導体基板上の１ラインをスキャンする毎に
変化させるものであることを特徴とする請求項１に記載
の結晶欠陥検出装置。
【請求項４】前記レーザ光入射手段は前記レーザ光の強
度を、透過率の異なるフィルターを切換えることにより
変化させるものであることを特徴とする請求項１〜３の
いずれかに記載の結晶欠陥検出装置。
【請求項５】前記レーザ光入射手段は同時に複数の強度
のレーザ光を半導体基板に入射させるものであることを
特徴とする請求項１に記載の結晶欠陥検出装置。
【請求項６】前記レーザ光入射手段は強度の異なるレー
ザ光を所定の時間だけずらせて半導体基板に入射させる
ものであることを特徴とする請求項５に記載の結晶欠陥
検出装置。
【請求項７】前記レーザ光入射手段が複数備えられてい
ることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の結
晶欠陥検出装置。
【請求項８】前記画像解析手段は、前記各散乱像を任意
の領域に分割し、それぞれの領域について前記結晶欠陥
の個数を算出し、その算出した個数を前記各散乱像毎に
比較して最も個数の多いものを選択し、この選択した個
数の合計から前記半導体基板の結晶欠陥密度を得るもの
であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載
の結晶欠陥検出装置。