JPS63124942A - 特に半導体スライスの表面性状を測定するための方法と装置 - Google Patents

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】 本発明は、物体の表面に光線を照射し散乱光を検出する
ことによる、特に半導体スライスの表面性状を測定する
方法とこの方法を実施するための装置に関する。

電子構成要素の小型化傾向が常に進み、充てん密度が増
大するため、製造プロセスがますます複雑化し、出発物
質として用いられる半導体スライスの品質への要求も不
可避に絶えず上昇している。

これに関連して、化学的に純粋であることの他に、例え
ば平面性、面の平行性、スライスがわん曲、テーパー状
部分または起伏を有さないことのような、幾何学的パラ
メータが注目されている。しかし、表面の微視的分野に
関する他の基準も表面性状評価のために、ますます多く
用いられるようになった。例えば、最も多く用いられる
研摩スライスの場合には、表面が引っかききす、オレン
ジ−ベール（Ｏｒａｎｇｅ−ｐｅｅｌ）構造またはブル
ーミング、焼なまし色もしくはビットのような効果を有
さないこと、表面がいわゆる「表面上損傷」を有さない
、すなわち表面下約３０μｍまでの層内に点欠陥、点欠
陥集積または同様な格子欠陥を有さないこと、および可
能な場合には、例えば異種原子のような化学的性質の不
純物または例えば粒子のような機械的性質の不純物がこ
の層内で検出されないことが必要とされている。しかし
、多くの場合に、表面性状を損うような欠陥を検出する
ことは困難であるかまたは全く不可能である。例えば、
外観は満足なスライス中に時々生じ、しばしば「くもり
」と呼ばれるブルーミングはカラム状光線（’Ｉｌａｚ
ｅｌａｍｐ」）中で表面のくもりとして検出され評価さ
れるにすぎない。この評価は裸眼によって行われるため
、当然多くの可能な誤差が生じやすい。

このため、半導体スライスの表面性状を特に微視的分野
で測定しうる幾つかの方法が公知である。

米国特許第４，３１４，７６３号明細書または米国特許
第４，３９１，５２４号明細書では、光線のスライス表
面を通ってスライス内部への透過を可能にする波長を有
するレーザービームで半導体スライスを垂直に照射し、
このプロセスで散乱した光線の強度をフォトデテクター
によって測定する。同時に、スライスの全表面をスライ
スキャリアの移動と回転とによってらせん状に走査する
ことができる。特に、ケイ素エピタキシャル層の結晶完
成をこの方法によって調べることができる。

米国特許第４，３５２，０１６号明細書と第４，３５２
，０１７号明細書は、波長の異なる２本の光線を任意に
回転する被検半導体スライス上にある角度でそれぞれ照
射する方法を開示している。反射ビームはデテクターに
よって記憶され、その都度検出された強度差から表面部
分における材料の結晶性質に関する結論が最終的に導き
出される。しがし、きめまたは「くもり」のような表面
欠陥をこの方法によって検出することはできない。

本発明の目的は、特に半導体スライスの特に例えば繊細
なざらつき、　ブルーミング、くもり、引っかき、焼な
まし色またはすすぎ洗いスポントのような表面欠陥に関
する、また結晶格子の完成を妨げるような「表面損傷」
に関する表面性状を測定し、評価し、多様な用途に関し
て比較することができるような方法を提供することであ
る。

この目的は次の手段： （ａ）スライス表面の検査部分に法線に対して１５〜８
５°の角度で少なくとも１本の光線を照射すること； （ｂ）各光線を周期的に特徴的な頻度で遮断すること； （ｃ）光線と半導体スライスとの間の相対的運動によっ
て、検査部分をスライス表面に沿って移動させること； （ｄ）このような条件下で検査部分から発して空間の１
区域に放射される拡散・散乱光の部分を照射した各光線
に関連する特徴的な遮断頻度とともに角度の関数として
記録すること；から成る方法によって達成される。

この新規な方法および同方法を実施するための装置は、
特に半導体スライス、さらに詳しくは、例えばケイ素も
しくはゲルマニウムのような元素半導体または例えばヒ
化ガリウム、リン化インジウムもしくはセレン化カドミ
ウムのような化合物半導体の両方の半導体スライスの表
面性状を調べるために適している。この他の適用分野は
例えば酸化物絶縁体上に沈積したエピタキシャル層の検
査（ｓｏｒ−絶縁体上ケイ素法）またはガラスもしくは
金属上の表面検査である。以下では、簡明のために半導
体スライスのみを考察するが、これによって上記の他の
分野を排除するわけではない。

特にレーザーはこの新規な方法における光照射源として
有利であると判明しているが、例えば水銀蒸気溶のよう
な、高強度光源の使用も除外されるわけではない。一般
に、連続波形式のレーザーが用いられ、その波長は被検
半導体の反射性に基づいて選択される６例えば、ヘリウ
ム−７オンレーザー（波長約６３２ｒ＋ｍ）またはヘリ
ウム−カドミウムレーザー（波長約４４２ｎｍと３２５
ｎｍ）の使用は、ケイ素表面に対して有利であると判明
しているが、ビームの透過深さが波長によって異なるこ
とを顧慮する必要があり、これに基づいてスライスのよ
り深部の表面部分に対しても検査を行うことができるよ
うになる。一般に、基本的な周波数形式のレーザーが用
いられるが、より高い振動数の振動状態の使用も原則と
して除外されるわけではない。

例えば入射ビームおよび／または散乱光のビーム路に偏
光フィルターを挿入することによるような、偏光した光
線の使用によってこの方法の感度を任意に高めることが
できる。

検査部分すなわち光線をその都度入射するスライス表面
部分の選択サイズが小さければ小さいほど、当然表面性
状は正確に測定されることになる。

しかし、他方ではこのことはスライス全表面の走査に必
要な時間を長くすることになる。正確な表面測定を計画
する場合には、一般に直径約１μ。

〜Ｉｎ＋ｍの円形面積に相当する狭い検査部分にビーム
を収束させることが有利である。例えば研摩過程をモニ
ターする生産プロセスの１部としてのルーチン検査に必
要であるような大きな表面部分を迅速に検査するために
は、スライスの半径または直径の大きさのオーダーの範
囲に達し得るような大きさの大きい検査部分を用いるこ
とが必要である。特にこれらの場合には、散乱光の充分
な強度（および同時に測定シグナル）を確認するために
、ミラー系を用いて反射光線を検査部分に偏光させるこ
とも必要である。この方法ではスライス表面に光線を照
射する角度はスライスの幾何学的に理想的な平面に関し
て引いた法線に対して１５〜８５°、好ましくは３５〜
７０″である。この角度は照射線源の配向またはミラー
によって、公知のやり方で設定することができる。これ
に関連して、幾何学的に理想的な表面とは、例えば半導
体スライスの場合には完全な平面であるような、幾何学
的に完全であると考えられる物体の境界を意味すると理
解される。しかし、他方では、半導体スライスの場合に
も実際の表面は程度の差こそあれ表面機ｔａ構造の大き
な歪みを有している。

スライス表面に照射される光線、特にレーザービームは
、本発明によると、物体表面に達する前に特徴的な頻度
で遮断される。このためには、例えばビーム路内に挿入
されてビームに対して交互に透過性または遮断性になる
、特徴的な頻度で回転する、規則的に分割されたディス
クのような、いわゆるチョッパ〜を用いることができる
。この頻度は記録中に明確に相関しうる、ビームによっ
て生ずる散乱光によっても表される。これと同し効果は
例えばパルス化レーザーによっても得られる。従って、
好ましくは異なる波長を有する２本以上の光線を、これ
らの光線が異なる特徴的な頻度で遮断されるかぎり、各
測定シグナルをそれを生ずるビームと明確に相関させる
ことが可能であるので、検査部分に同時に作用させるこ
とができる。同時に、１つ以上の光源を用いる場合に日
光または外部の光源の影響を遮断し、暗室内でのまたは
特別な暗化方法での費用のかかる測定を不要にすること
がこのやり方で可能になる。

しかし、このための必要条件は例えばチョフパーによる
周期的遮断のような、ある特定の周期性に従うシグナル
を多数のシグナルの中からピックアップして記録するこ
とを可能にするような記憶Ｗ置が利用可能になることで
ある。この必要条件は例えば、特に強い二次シグナル（
ノイズ）が重複した強度の低いシグナルを測定するため
の測定技術で一般に用いられ、平均的な当業者に周知で
ある測定方法のいわゆる「ロックイン（ｌｏｃｋ　ｉｎ
）　」方法が利用可能である、例えば測定増幅器のよう
な、市販の記憶装置によって満たされる。

半導体スライスから生ずる散乱光を測定するために、例
えばフォトデテクターまたは光電子増倍管のような市販
装置もまた利用可能である。角度の関数としての測定を
可能にするような、特別の利点を有する装置が用いられ
る。このような測定機器は全散乱光を遮断するのではな
く、空間の特定の区域に放射される散乱光のみを遮断し
て、これを測定シグナルに転換する。これに関して、照
射部分から原則としてあらゆる方向に放射される迷光か
ら、円錐状または例えばスリット状区域として法線を囲
繞する特定の空間部分に放射される要素のみを遮断する
ことが有利であると判明している。コーンの夾角は約１
〜４５°、好ましくは１０〜３０°に設定するのが有利
である。円錐の夾角は、例えば検査部分から測定装置ま
での距離を変えることによって、または測定口を拡げる
もしくは狭くすることによって散乱光の有効強度に合せ
て最高化することができる。本発明の概念をさらに発展
させることによって、デテクターを例えば段階式モータ
ーによって旋回可能に配置し、それによって法線を中心
とする領域から逸脱した他の角度下の散乱光強度を測定
することも考慮される。

特定の区域に放射される散乱光を光学的手段によって集
めて測定装置上に収束させることも、多くの場合に、有
利であるとわかっている。この光学系をレーザービーム
が衝突する半導体スライス上の検査部分に集束させるこ
とが有利である。ある一定の′ｌ！ｌ長の選択に適した
、例えばモノクロメータ−または干ン歩フィルターのよ
うなフィルターを任意に連続的に挿入することができる
。サンプルキャリアとしては、角度を変えることなく入
射する光線に関して被検半導体スライスを回転またはＸ
−Ｙ方向への転換によって制御して相対的に動かしてス
ライス表面の目的部分を検査できるようにする保持装置
を用いることが望ましい。このような運動を可能にし、
真空ピンセントによって位置決めしたスライスを例えば
真空保持装置（「真空チャック」）によって固定する適
当なサンプルキャリアは公知であり、例えば半導体表面
の微視的検査に用いられている。大ていの場合に、この
ようなサンプルキャリアは検査部分の法線を測定機器の
中心部分または測定機器に前接する集光レンズの中心部
分に案内するように、半導体スライスの位置を調査する
可能性を有している。しかし、スライスを固定して入射
光線の方向を変えてスライス表面を走査することも原則
として可能である。しかし、このような方法では、この
運動と測定機器との協調が必要であるという理由からす
でに、装置費用が高いことになる。

この新規な方法を以下では、その可能な実施装置を図示
する第１図を用いて、実施例によってさらに詳細に説明
する。

この場合に１平面（χ−Ｙ方向）内で回転可能であると
同時に移動可能であるサンプルキャリア２上に、半導体
スライス１を最初に載せる。予定検査部分３の半導体ス
ライスの幾何学的に理想的な面に対する法線が例えば光
電子増倍管のような測定機器４に、しかもその中心軸に
対してできるだけ正確に一致するように、サンプルキャ
リアを調節することができる。この条件が測定機器４自
体の適当な調節によっても満たされることは自明のこと
である。光源によって、例えばレーザー源によって光線
６を検査部分３に照射し、この光線をチョッパー７によ
って特徴的な頻度で周期的に遮断する。反射光線はスク
リーン９によって遮断されるが、生ずる拡１）を散乱線
１０は例えば円形またはスリット状、特定の場合にはピ
ンホール型である測定機器４の測定口１）に衝突し、入
射して散乱した円錐状光線の夾角をこの円錐の内径およ
び／または検査部分からの距離によって測定する。

これと同様に可能な装置では、スクリーン９の代りにミ
ラーおよびさらに、半眼張りのミラーを入射ビーム路中
に配置し、両ミラーを光線が反射されて検査部分３に戻
るように置くことができる。

特に、検査部分３に作用する光線に高強度が要求される
場合には、このようなミラー系を用いることができる。

本発明の概念をさらに発展させると、２個または数個の
光源またはレーザーガンを付加的に備えて、好ましくは
波長の異なるビームを検査部分に同様に照射することが
できる。種々な光線のそれぞれの波長によって定まる種
々な反射性と透過性も生ずる散乱光に影響を与えるので
、例えば表面欠陥と体積欠陥との間の区別のような、付
加的な情報を得ることが可能になる。

得られたシグナルを測定機器４から検出装置１２に導き
、そこでいわゆる「ロックイン法」を用いて多くの入力
シグナルの中からチョッパー７によって定まる特徴的な
頻度で遮断されるシグナルを濾過して除去する０例えば
、その都度測定される散乱光強度を特定の回転角度およ
び／または被検半導体スライスの特定のｘＹ位置と相関
させる測定記録計としてのブロック−１３によって、対
応測定値を記憶することができる。実際の測定を開始す
る前に、例えば特定の公知の表面性状を有する基準スラ
イスによって、スケールの較正を実施することができる
。例えば製造過程の範囲内で研摩半導体スライスのプル
ーミングの有無のルーチン検査を問題にする場合に、多
数の検査した半導体スライスの平均値からこのような基
準をしばしば求めることができる。

測定の過程で、被検半導体スライスのその都度の所定表
面領域を測定位置に配置する。これは例えば表面を１線
ずつ検査することによって行われる。他の可能性はスラ
イスを１線に沿って段階的に移動させ、各移動後にスラ
イスを３６０°回転させることにある。これによって、
特に方向性の表面欠陥を測定することが可能になる０例
えば研摩過程でしばしば生ずるような、みぞ形成を検出
する場合のように、多くの場合に、特定の表面部分を互
いにある角度をなして貫通する数列の測定、好ましくは
２列の測定によって表面を調べることが充分であるとわ
かっている。

この方法は、例えば研摩された、高度に精製された表面
に対して特に有利に用いられ、例えば顕微鏡もしくは曇
すランプＣＨａｚｅ　ｌａｍｐ）のような通常の手段に
よっては検出が困難であるまたは不充分な信軌度でのみ
検出することができるような表面欠陥、すなわち微細な
ざらつき、検出が可能であるようなブルーミング、くも
り、焼なまし色、すすぎ洗いによるしみ、引っかききす
、粒子もしくは例えばスライス内部の表面直下に生ずる
点欠陥のような欠陥を検出するために好ましく用いられ
る。他の用途の可能性は例えばエツチング操作、酸化ま
たはイオン移植のような工程後の表面検査である。例え
ば米国特許第４，５８７．７７１号またはヨーロッパ特
許第８２２．９２０号明細書によるゲッターリング（ｇ
ｅｔｔｅｒｔｎｇ）のために実施する、スライス裏面の
処理を同様に監視することができ、必要ならば、数量化
することができる。

この方法を実施例に基づいて以下でさらに詳細に説明す
る。

叉嵐斑土 この検査を第１図に説明した装置内で実施した。

被検半導体スライスはＸＹ方向に直流モーターによって
移動可能かつ回転可能なサンプルキャリアの真空チャッ
ク上にその都度真空ピンセットで載せ、配向のために用
いるスライスの切り口が常に同じ状態であるように注意
した。連続波操作したヘリウム−ネオンレーザ−光源か
らのビーム（波長６３２．８ｎｍ）を法線に対して約５
５°の角度でスライス上に照射し、チョッパーによって
遮断して、約３０光パルス／秒の序列にする。スライス
表面の照射部分はほぼ円形であり、約０．５ｎｍの直径
を有した。スライス表面から反射したビームは放射線ス
クリーンによって遮断される。検査部分から法線を中心
とする約２０°の夾角を有する円錐内に照射される拡散
散乱光を適当な収束レンズによって光電子増倍管の測定
表面に案内した。約３０パルス／秒の序列を含むシグナ
ルを検出装置に達する全シグナルから最終的に除去し、
χ−Ｙプロッターによって記録し、各場合に測定した散
乱光強度とスライス表面上の検査部分との間の相関関係
を比較できるようにした。

各測定操作では、外観によって完全と分類された、約１
０ｃｍの直径を有する研摩したケイ素スライスをサンプ
ルキャリア上に置き、入射レーザービームがスライスの
中心に衝突するような位置に案内した。次にスライスを
３６０°回転させ、これを行いながら、対応する測定曲
線も記録した。次にスライスを載せたサンプルキャリア
を入射ビームに対して垂直に約５ｆｆＩＩｎ移動させ、
３６０°回転させ、これを行いながら、この測定曲線も
記録した。次にスライスを同じ方向にさらに約１０ｍｍ
移動させ、再び回転させ、測定曲線を記録した。この操
作をスライスの縁に達するまで、さらに３回くり返した
。典型的な測定曲線を第２図に示す。

この場合に、レーザー５から生ずるビームの移動と回転
によって走査される種々の検査部分はスライス１上に図
示される。走査した光線の強度をスライスが３６０°回
転する場合の回転角度の関数としてプロットする６木の
測定曲線は６種類の検査部分と相関する。この場合に、
細い平行線を引いた曲線部分はスライス表面に粒子が存
在することを示唆する。

さらに、外観は完全な研摩スライスの散乱力が互いに９
０°の角度内にある極端な値の間で変動することが明ら
かに認められる。このことから、このスライスが最適条
件下で研摩されたものではなく、表面性状が不充分であ
ることが結論される。

Ｊ阻 配向のために利用した切り口を有する研摩ケイ素スライ
ス（直径約１０ｃｍ）半体を、湿った部分と乾いた部分
との間の分離線が切り口に平行になるように、脱イオン
水中に浸せきした。次に表面を遠心脱水し、乾燥酸素中
１０００°Ｃにおいて約７００人厚さの酸化物層が得ら
れるまで、酸化過程を行った。この層を最後にフッ酸に
よって溶解した。

このように前処理したスライスを次に、第１図に従って
設定したが但し２個のレーザー光ｔＸ（作用波長それぞ
れ６３２．８ｎｍと３２５ｎｍ）を備えた測定装置のサ
ンプルキャリア上に載せた。これらの光源は、両レーザ
ービームが切り口に対して垂直に入射し、スライス上の
ほぼ円形の同一検査部分（直径約０．４　ｍｍ）に衝突
するように、調節した。長い波長のビームの入射角度は
約４０°であり、遮断頻度は約３０光パルス／秒であっ
た。他方のビームは約５５°の角度でスライス上に入射
し、約４０光パルス／秒の頻度で遮断された。光電子増
倍管によって検出した、照射されて拡散した散乱光の円
錐は約２５°の夾角を存した。

実際の測定操作では、最初に長波長（赤色）ビームを用
い、次に短波長（青色）ビームを用いて、切り口に対し
て垂直にスライス中心を通る線に沿って段階式モーター
を用いてサンプルキャリアを動かすことによってスライ
スを走査した。

次にスライスを左に約２叩動かす、この操作をくり返し
て最初の測定ラインに対して平行にスライスの他の部分
も調べた。得られた測定曲線はわかりやすいように互い
にずらして第３図に示す。

第３図では同し出発値からそれぞれ測定された散乱光強
度Ｉを縦座標として、横座標としての測定線ｄに沿った
検査部分の対応位置に対してプロットする。この場合に
破線群は青色レーザービームによって測定した散乱光強
度を表し、実線は赤色レーザービームによって測定した
散乱光強度を表し、上方の線はスライス中心を通る線に
相当し、下方の線はスライス中心に並行した測定線に相
当する。水に浸せきしたスライス半休が浸せきしなかっ
た半休に比べてかなり小さい表面ざらつきを有すること
が明らかに認められる。青色レーザーによるとその透過
深さが小さいために表面の微細構造がより明確に表され
ることも明らかである。

対応する測定曲線が平行に推移することから、欠陥が主
としてスライス表面に直接隣接する部分にあることが結
論される。

実、ｌＬ影 研摩ケイ素スライス（直径約１０ＣＩｎ、　Ｐ型ドーピ
ング）にエピタキシャル反応器中で気相エピタキシャル
によって約１０μｍ厚さの単結晶ケイ素層を与えた（ｎ
型ドーピング）。

次にスライス表面を実施例２と同じ測定装置において同
じ方法パラメーターを用いて、但しこの場合には青色レ
ーザービームと赤色レーザービームとをスライス上に同
時に照射して検査し、対応する測定シグナルをロックイ
ン法によって同時に記録した。この場合には、スライス
全体を調べたのではなく、スライス中心の長さ３５鵬、
幅１０ｍｍの長方形部分のみに２ｍ間隔の互いに平行な
６本の測定線を設けて調べた。

得られた測定曲線を第４図に示す。この場合、破線の曲
線は青色レーザービームによって得られた散乱光強度Ｉ
に相当し、実線の曲線は赤色レーザービームによって得
られた散乱光強度■に相当する。この光強度を３５ｍｍ
長さ内のスライス表面の対応検査部分に対して縦座標と
してプロットする。

ダイアダラム左端の曲線の出発点は各場合に散乱光強度
の同じ最初の値に相当する；各曲線は単に一目瞭然にす
るために互いにずらして、最低曲線が最初の曲線に相当
し、最高曲線が最後の曲線に相当するようにした。

短波長のレーザービームによって得られた曲線群は約２
０〜３０ｍｍの範囲内の被検スライス部分の表面の明確
な欠陥を明らかにするが、透過深さがより大きい長波長
レーザービームによって得られた曲線群は約１０〜２０
ＩＩＩ１）の範囲内のスライス表面下にある欠陥を示す
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による方法を実施するだめの装置を示す
図、 第２図は本発明の方法によって測定した典型的な測定曲
線を示す国、 第３図は本発明の方法による測定曲線を分かり二り万ｒ
４

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. （１）表面に光線を照射して、散乱光線を検出すること
   による特に半導体スライスの表面性状の測定方法におい
   て、 次の手段： ａ）スライス表面の検査部分上に法線に対して１５〜８
   ５°の角度で少なくとも１つの光線を照射すること； ｂ）各光線を特徴的な頻度で周期的に遮断すること； ｃ）光線と半導体スライスとの間の相対的な運動によっ
   て、スライス表面に沿って検査部分が移動すること； ｄ）このような条件下で検査部分から発して空間の１区
   域に放射された拡散・散乱光部分を、照射した各光線に
   関連する特徴的な遮断頻度に応じて角度の関数として記
   録すること； を含む方法。
2. （２）光線としてレーザービームを用いる特許請求の範
   囲第１項記載の方法。
3. （３）望ましい透過深さに相当する波長を有するレーザ
   ービームを選択する特許請求の範囲第２項記載の方法。
4. （４）入射ビームおよび／または拡散・散乱光を偏光さ
   せる特許請求の範囲第１項〜第３項のいずれか１項に記
   載の方法。
5. （５）直径１μｍ〜１ｍｍの円形部分に相当する表面部
   分に検査部分を確立する特許請求の範囲第１項〜第４項
   のいずれか１項に記載の方法。
6. （６）法線によって限定される面内での半導体スライス
   の直線運動によって、相対的運動が達成される特許請求
   の範囲第１項〜第５項のいずれかに記載の方法。
7. （７）法線によって限定される面内での半導体スライス
   の回転によって、相対的運動が達成される特許請求の範
   囲第１項〜第６項のいずれか１項に記載の方法。
8. （８）光線を放出する少なくとも１つの光源；被検物体
   のビーム路内への導入と移動を可能にするサンプルキャ
   リア；各場合にサンプルキャリアと光源との間に配置さ
   れ、特徴的な頻度で周期的に各光線を遮断するチョッパ
   ー；法線を中心とする空間部分内に放射された散乱光を
   検出する測定装置および測定シグナルを記録する装置か
   ら成る特許請求の範囲第１項〜第７項のいずれか１項に
   記載の方法を実施するための装置。