JPS6258143A - 半導体材料の欠陥の光学的検出方法 - Google Patents

半導体材料の欠陥の光学的検出方法

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JPS6258143A
JPS6258143A JP61178986A JP17898686A JPS6258143A JP S6258143 A JPS6258143 A JP S6258143A JP 61178986 A JP61178986 A JP 61178986A JP 17898686 A JP17898686 A JP 17898686A JP S6258143 A JPS6258143 A JP S6258143A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、半導体ウェハの品質を検査する方法に関する
。
発明の背景 半導体装置を製造する。場合、この装置を作る半導体材
料の表面は物理的欠陥および結晶欠陥がほとんどないも
のでなければならない。
良好な電気的性質を持つ信頼性の高い装置を得るには結
晶の完全度を十分に太きくしなければならない。このよ
うな半導体装置の性質を制御するには半導体装置を作る
ために用いられる半導体材料の品質を決定できなければ
ならない。
半導体材料（例えば、シリコン、ＩｎＰ。
ＩｎＧａＡｓＰなど）の欠陥には転位やスクッキング欠
陥、酸素の沈着、および重金属の沈着などがある。この
様な欠陥は大きさが１〜２ミクロン程度で、エッチピッ
ト分析法やＸ線トポグラフィ法、電子ビーム誘起電流法
などを含む多くの方法により検出されている。
エッチピット分析法はシリコンウェハをエツチングし、
次に干渉顕微鏡によシ欠陥領域で生成したピットを観測
している。個々のスクッキング欠陥や転位、ソーサー状
ビットは、エツチング後、各欠陥が成長を惹起するピッ
トの形状により識別可能である。１方、Ｘ線トポグラフ
ィ−法はＸ線ビームやウェハ、フィルムをセットし、ブ
ラッグ反射した光線をとらえることにより欠陥を検出し
ている。上記の３つの要素の相対的な角度位置は、Ｘ線
ビームが欠陥のない材料に当った時はブラッグの反射剤
が満足されるが、欠陥に遭遇すると満足されないように
設定する。この場合、フィルムとサンプルは移動させて
、ウェハ上の全ての点における反射ビーム強度がフィル
ム上にマツプ（ｍａｐｐｅｄ　）　　されるように配置
する。３〜２０時間露出を続けると空間分解能は約１〜
１０ミクロンになる。
電子ビーム誘起電流（ＥＢＩＣ）法は走査法は走査形電
子顕微鏡（ＳＥＭ）内で行われる。即ち、ＳＥＭビーム
によりサンプル内にキャリアを誘起し、これ等のキャリ
アを電場によシ分離している。この電場はサンプル内の
ｐｎ接合やサンプルの表面のショットキー接合により、
或いは外部電場内にサンプルを配置することにより得ら
れる。サンプルに対する接触は銀ペースト或いはばねを
負荷した細線を用いるのが一般的である。ＳＥＭビーム
はｘｙ面内でラスター走査されるので、集められたキャ
リアはｘｙ表示の強度変調を与える。欠陥部分でキャリ
アが再結合すると、これ等の欠陥は表示スクリーン上に
暗くなって現われ、空間分解能は０．５ミクロンに低下
する。これ等の方法は半導体材料の欠陥を高分解能で表
示するが、破壊的で、時間がかかり、真空が必要である
。
半導体ウェハの電気的な不均一性を決定する非破壊光学
法の１つが１９８０年７月８日発行のクラインクネヒト
（Ｋｌｅｉｎｋｎｅｃｈｔ　）　　に対する米国特許第
４，２１１，４８８号に記載されている。この特許によ
る方法は、半導体ウェハの結晶欠陥やドーピング成長縞
の発生により光励起中のキャリアの寿命および／または
移動度が低下したり、従って材料の赤外線反射率が変化
することを利用するものである。
電気的な不均一や欠陥領域は半導体ウェハ材料のバンド
ギャップ以上のエネルギーの単色光ビームで半導体ウェ
ハの領域を照射して検出される。これは高密度の電子と
正孔を光励起しく即ち、光ポンプし）、従ってポンプさ
れた領域の赤外線反射率が変化することによる。ウェハ
の同じ表面領域が半導体材料のバンドギャップ以下のエ
ネルギーの第２単色光ビームで同時に照射され、これに
よりこのビームの１部が表面から反射される。
もしモニタしている領域が低い欠陥密度および高いキャ
リヤ移動度を持つ場合は、表面の反射率は光励起生変化
し、従って反射した第２ビームの強度も変化する。しか
しながら、上記モニタ領域内の欠陥密度が高い時は、表
面の反射率は光励起中も変化せず、従って反射第２ビー
ムの強度も変化しない。このような反射ビーム強度が検
出されると、その大きさはキャリアの移動度と再結合時
間の尺度となり、この尺度は半導体材料の表面またはそ
の近傍の欠陥密度に関係している。クラインクネヒトの
特許では光ビームは約０．２５平方慣の領域を同時に照
射している。
このような方法は０．２５平方団の面積にわたる。キャ
リアの平均寿命と移動度に関する情報は与えるが、１〜
２ミクロンの大きさの個別の欠陥を分析することはでき
ない。これに対しては２つの基本的な理由が考えられる
。
１つは、バンドギャップ以下のエネルギーで発振するレ
ーザはスペクトルの赤外部分のうち長波長の光を与える
。基本的な回折理論によると、得られる最小のスポット
サイズは波長のｆ数倍に比例するので欠陥検出に用いら
れる波長の赤外光は１０〜２０ミクロン程度のスポット
を与えることになる。第２に、クラインクネヒトの特許
によるプローブビームはウェハ表面の法線に対する入射
角が大きい。
従ってプロブビームのスポットは更に犬きくなる。従っ
て、基本的な光学理論によれば、かかる方法はミクロン
サイズの個々の欠陥を分析できる程十分小さなスポット
に赤外線ビームを集光することはできない。しかしなが
ら、ミクロンサイズの特徴を持つＶＬＳ　Ｉに対する欠
陥の影響を知、ることは重要であシ、従ってミクロンサ
イズの欠陥を分解することには多くの関心が集まってい
る。
以上に記載したように、１〜２ミクロンの大きさの個々
の欠陥を分析できる非破壊欠陥検出システムが必要であ
る。
発明の要約 以上の目的を達成するため、本発明による半導体表面の
、或いはその近傍の個別欠陥を検出する方法は、半導体
材料のバンドギャップエネルギー以下のエネルギーレベ
ルを持つ単色赤外光ビームを半導体表面の第１領域に向
けて照射することと、上記半導体材料のバンドギャップ
エネルギー以上の時間変調単色光ビームを半導体表面に
同時に向けて照射することと、この時間変調光ビームを
上記第１領域よシかなり小さく、且つその領域内にある
第２領域に集光し、この光ビームのエネルギーは前記表
面によりかなり吸収されてこの表面内の、或いは近傍の
電子と正孔を励起することと、上記半導体表面から反射
された赤外光ビームの強度を検出することと、更に時間
変調光ビームの周波数で変調した検出赤外線ビーム強度
の部分だけを処理して半導体表面内の、或いはその近傍
の個別欠陥を位置づけることとから構成される。
実施例 第１図は上記クラインクネヒトに記載された公知の方法
を概略図示したものである。１０Ｈｚ　で変調したレー
ザ１２とプローブレーザ、すなわちレーザ１４からの光
ビームが共に半導体基板１６に照射される。レーザ１２
ば、基板１６の材料のバンドギャップ以上のエネルギー
を与えるポンプビームを放射し、１方レーザ１４は同基
板材料のバンドギャップ以下のエネルギーを与えるビー
ムを放射する。
これ等のレーザビームの基板１６への入射は約０．２５
平方咽の領域１７で一致させている。
基板１６の表面内、或いはその近傍に低欠陥密度がある
場合、表面の赤外反射が変化し、従ってレーザ１４から
のビームの反射光量が変化する。しかし、同表面内或い
はその近傍の欠陥密度が大きい場合はその反射率は光励
起中はとんど変化せず、従って反射ビーム１４の強度も
ほぼ一定である。
次に、レーザ１４からの光ビームは基板１６の表面から
反射され、検出器１８に入射し、その強度が測定される
。この強度情報の全てが電気信号に変換され、オシロス
コープにｃ同格）送られ、電気信号の強度がボルトで表
示される。既に記載したように、この方法は０．２５平
方簡にわたる平均キャリア寿命と移動度に関する情報は
与えるが、１〜２ミクロンの個々の欠陥を分析するもの
ではない。
第２図に概略図示した本発明による方法は上記の問題点
を克服するものである。バンドギャップ以下のプローブ
レーザ、すなわちレーザ３２からの単色赤外（１０，６
μｍ）プローブ光ビーム３４がシリコン基板１６に、ブ
リュースタ角（Ｂｒｅｗｓｔｅｒ　ａｎｇｌｅ　）　　
で入射される。このプローブビーム３４はレンズ３６を
通って基板１６に集光される。プローブビーム３４が基
板１６に垂直な面に７９°の角度で入射すると、基板に
は約０．１２６平方調のプローブスポット３８が形成さ
れる。
これと同時に、バンドギャップ以上のポンプレーザ、す
なわちレーザ４２からのポンプビーム４４が基板１６に
照射される。レンズ４６によりビーム４４が集光され、
基板１６に直径が約２μｍ　の小さなポンプスポット４
８が形成される。この集光ポンプビーム４４は既に記載
したように、半導体材料の赤外反射率を変化させる。上
記の小さなポンプスポット４８はこれよりはるかに大き
なプローブスポット３８内に形成される。ポンプスポッ
ト４８とプローブスポット３８の相対的な大きさは説明
上実際とは異なって示しである。更に、上記ポンプビー
ム４４は音響セル（同格）を通り、例えば３０　ＫＨｚ
で変調される。
プローブビーム３４が基板１６の表面から反射され、レ
ンズ５２を介して検出器５４に入射し、そこで反射光強
度が電気信号に変換される。上記検出器５４とそれに関
連する電子回路は、ポンプビーム４４の３ＱＫＨｚ周波
数で変調されたプローブビーム３４かもの反射光から得
られた信号だけを処理するように構成される。既に説明
したように、ポンプビーム４４は欠陥がない場合は基板
１６の表面の赤外反射率を変化させるが、ポンプスポッ
トが欠陥を照射した場合は殆んど変化しない。
従って、ポンプスポット４８に入射したプローブビーム
３４の部分はポンプビーム４４の３０　ＫＨｚ周波数で
変調され、これは表面反射率をその周波数で変化させる
・ 更に、上記変調ポンプビーム４４は公知の方法でポンプ
ビームおよび／または基板１６を選択的に移動させるこ
とによりプローブビーム３４の０．１２６平方咽スポツ
ト内でラスタ走査される。このようにプローブスポット
３８をポンプスポット４８により完全に走査したら、ウ
ェハ１６上の他の位置に移動させ、ポンプビームスポッ
ト４８が再び走査される。
このプロセスは、ウェハ１６の全表面が走査され、反射
が検出されるまで反復され、結果はビデオ装置Ｃ同格）
に送出され可視表示される。
第３図は、本発明による欠陥検出システムの光学系と電
子回路の実施例を示すブロック図である。波長０．４８
８μｍの３００　ｍＷ水冷アルゴンボンピング用レーザ
５２がビームスプリッタ５４、ビーム４４を３０　ＫＨ
ｚで時間変調する音響光学（ＡＯ）変調器５６、ガルバ
ノメータミラ−５８、および集光光学系６２を介してシ
リコン基板１６に照射される。アルゴンポンピング用レ
ーザ５２から約３０ｍＷの光パワーがウェハ１６の表面
に入射し、わずかに表面を損傷させるような強度密度を
与える。１方、５ワット空冷式のＣＯ２プローブ用レー
ザ６４かも約１．５ワツトのレーザ光が固定ミラー６６
によシ反射されてビーム３４になり集光レンズ３６を通
して基板に垂直な面に対して７９°の入射角で基板１６
の上記ポンピングビームと同じ位置に入射される。
このプローブビーム３４はウェハ１６の表面から反射さ
れ、更に固定ミラー６８で反射されて、ロックインアン
プ７４の入力に出力を結合したＨｇＣｄＴｅ検出器７２
に入射する。これ等の検出器７２とロックインアンプＴ
４は３０　ＫＨｚの周波数で変調された反射プローブビ
ーム３４の強さの一部だけを処理する。このような方法
によると、ポンプビーム４４の可視放射に典型的なスポ
ットサイズがプローブビーム３４のよシ長波長の赤外放
射に変換され、都合が良い。
光検出器７６は、ビームスプリッタ５４からの反射光を
検出し、その情報をロックインアンプＴ４の入力に送出
することによシボンプレーザビーム４４の位置をモニタ
する。ロックインアンプ７４の駆動用端子からの信号は
音響光学変調器５６に送られ、ロックインアンプ７４０
入力が受信のために調整された周波数と同じ周波数でポ
ンプビーム４４を変調する。このロックインアンプＴ４
の出力は走査制御装置７８およびビデオ表示装置８２へ
の出力を有するコンピュータ７７に送出される。この走
査制御装置７８の出力は可動テーブル８０とガルバノメ
ータ制御ミラー５８に結合され、これ等のテーブルとミ
ラー５８の相対位置を制御する。
ここで基板１６は、Ｘ、ｙ、ｚおよびＱ方向に移動自在
の上記可動テーブル８０に支承された石英製真空チャッ
ク（回路）に装着される。２ステージにより基板１６を
集光スポット内に配置する。２方向の集光位置は使用レ
ンズの焦点深度に応じて一つの走査位置から他の走査位
置へと変化する。ウェハ１６の表面上の種々の箇所への
アクセスはＹおよびＱステージを用いて行われる。上記
Ｘステージと回転自在ガルバノメータミラー５８を用い
、公知の方法により約３０秒のフレーム速度でラスタ走
査が行われる。上記の４個のステージおよびガルバノメ
ータ５Ｂの全てはコンピュータγ７の制御下で動作する
。
【図面の簡単な説明】
第１図は、公知の欠陥検出システムの概略図であわ、 第２図は、本発明による欠陥検出システムの概略図であ
シ、 第３図は、本発明による欠陥検出システムのブロック図
である。 〔主要部分の符号の説明〕 １２．４２・・・ポンプレーザ １４．３２・・・プローブレーザ １６・・・基板　・ １８．５４．７２．７６・・・検出器 ３６．４６．５２．６２・・・レンズ ５６・・・音響光学変調器 ５８・・・ガルバノメータミラー ７４・・・ロックインアンプ Ｔ７・・・コンピュータ ７８・・・走査制御装置 ８０・・・ｘ　−ｙ　−ｚステージ ８２・・・ビデオスクリーン

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １、半導体材料の表面の或いはその近傍の個々の欠陥の
    検出法であつて、 半導体材料のバンドギャップエネルギー以下のエネルギ
    ーレベルを有する単色赤外ビームを半導体表面の第１領
    域に向けて照射することと； 半導体材料のバンドギャップエネルギー以上のエネルギ
    ーレベルを有する単色光の時間変調ビームを前記半導体
    表面に向けて照射することと； 第１領域よりかなり小さく、且つその領域内の第２領域
    に前記時間変調光ビームを集光し、該光ビームのエネル
    ギーが前記半導体表面によりほぼ吸収されて該材料表面
    内の、或いは該表面近傍の電子と正孔を励起し、前記表
    面の反射率を変化させてなることと； 前記半導体表面から反射された赤外光ビームの強度を検
    出することと、更に、 前記時間変調光ビームの周波数で変調された前記検出赤
    外線ビーム強度のその部分のみを処理して前記半導体表
    面内に、或いは該表面近傍に欠陥を位置づけることとか
    ら構成された半導体材料の表面内の、或いは該表面近傍
    の個々の欠陥の検出法。 ２、前記バンドギャップ以上の光ビームをラスタ走査し
    て前記第２領域内で前記第１領域を移動させることと、 前記変調周波数で表面から反射された前記バンドギャッ
    プ以下の光ビームのみからの光の強度を検出することと
    からなることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載
    の欠陥検出法。 ３、前記第１領域がほぼ０．１２６平方ｍｍであり、 前記第２領域の直径が約１〜２ミクロンのスポットであ
    ることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の欠陥
    検出法。 ４、前記半導体材料はシリコンであることを特徴とする
    特許請求の範囲第１項に記載の欠陥検出法。 ５、前記半導体材料はＩｎＰであることを特徴とする特
    許請求の範囲第１項に記載の欠陥検出法。 ６、前記半導体材料はＩｎＧａＡｓＰであることを特徴
    とする特許請求の範囲第１項に記載の欠陥検出法。 ７、前記プローブビームは前記表面に垂直な面に対し７
    ９°の半導体表面に対する入射角を有することを特徴と
    する特許請求の範囲第１項に記載の欠陥検出法。 ８、前記時間変調ビームはアルゴンレーザにより発生さ
    れ、且つ 前記赤外線ビームはＣＯ＿２レーザにより発生されるこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の欠陥検出
    法。
JP61178986A 1985-08-02 1986-07-31 半導体材料の欠陥の光学的検出方法 Granted JPS6258143A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US06/762,086 US4652757A (en) 1985-08-02 1985-08-02 Method and apparatus for optically determining defects in a semiconductor material
US762086 2004-01-20

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Publication Number Publication Date
JPS6258143A true JPS6258143A (ja) 1987-03-13
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JP61178986A Granted JPS6258143A (ja) 1985-08-02 1986-07-31 半導体材料の欠陥の光学的検出方法

Country Status (6)

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EP (1) EP0211590B1 (ja)
JP (1) JPS6258143A (ja)
KR (1) KR950010389B1 (ja)
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