JPS63244753A - 結晶欠陥認識処理方法 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、半導体ウェハの積層欠陥などのように物体表
面の線状の欠陥を画像認識する欠陥認識処理装置に関す
る。

（従来の技術） シリコンウェハを用いた半導体素子製造工程において、
素子の電気的特性を劣化させる要因となる転位、積層欠
陥等の結晶欠陥の発生を抑制する必要がある。結晶欠陥
とは、ウェハ中のシリコン原子の配列が乱れた状態であ
り、使用ウェハに含まれている極微小欠陥の核あるいは
製造工程時の重金属汚染などの核を中心に酸化・拡散な
どの熱処理時に点欠陥が集まってできるものである。

半導体ウェハの品質評価項目の１つに、ウェハを酸化し
た後の積層欠陥の密度がある。この評価のため、従来は
ウェハ表面の酸化膜を剥離し、選択性の高いエツチング
液（例えばライト液、セコ液）でウェハ表面をエツチン
グした後、光学顕微鏡あるいは走査型電子顕微鏡などを
用いて肉眼観察を行ない、ゴミとか傷との形状分類によ
って欠陥を検出し、検出数を計数している。この場合、
欠陥の大きさは熱処理工程に強く依存するが、０．５〜
２０μｍ程度であることが通常であり、肉眼観察のため
には欠陥の大きさに応じて５０倍〜１０００倍程度の拡
大が必要である。また、欠陥密度の管理基準値の低下（
例えば０〜１０個／Ｃｍ２）にしたがい、高精度で検出
するには確立的にも観察面積の拡大が必要であり、人間
による欠陥検出は事実上限界にきている。たとえば欠陥
密度が１００個／ｃｍ２のときには１／１００ｃｍ２以
上、１個／ｃｍ２のときには１ｃｍ２以上、０．１個／
ｃｍ２ときには１０ｃｍ２以上の観察により精度良く欠
陥密度の管理が可能となる。

そして、人間による欠陥認識は１視野当り１秒程度かか
るので、直径１２５ｍｍのシリコンウェハ１枚当り２〜
５時間を要し、多量のシリコンウェハを処理する場合に
は、肉体的限界（眼性疲労とか集中力の低下）のため観
察結果に大きなばらつき（２〜４倍）が生じ、実際には
不可能となる。

一方、顕微鏡により拡大した領域の画像をテレビジョン
カメラにより撮像し、画面中の欠陥像をパターン認識し
て検出する欠陥認識処理装置が考えられているが、まだ
認識率や処理速度が低く、装置コストも高く、実用性の
点で問題がある。

このような問題点は、半導体ウェハに限らず、その他の
物体（例えば金属）表面の欠陥を検出する場合でも同様
である。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明は、上記したように従来の欠陥認識処理装置では
実用性の点で問題があることに鑑みてなされたもので、
欠陥認識率が高く、処理速度が速く、安価に実現し得る
欠陥認識処理装置を提供することを目的とする。

［発明の構成］ （間層点を解決するための手段） 本発明の欠陥認識処理装置は、評価対象となる物体表面
の所定領域をテレビジョン画像に変換し、この画像中の
矩形状の像の長さが所定値以上で縦横比が所定の値ｎ以
上または１／ｎ以下であるものを欠陥として検出するこ
とを特徴とする。

（作用） たとえば半導体ウェハ上の所定領域に対して画像処理を
行なう場合、欠陥像パターンの長さが２μｍ以上で縦横
比が１．６以上または０．６以下のものを検出するよう
に画像処理を行なうことにより、積層欠陥が低密度であ
っても精度良く自動的に認識処理することができる。こ
のような画像処理は、欠陥認識率が高く、処理速度が速
く、しかも処理プログラムが簡単であるので、処理装置
のコスト低減が可能である。そして、欠陥認識処理結果
をウニハエ程にフィードバックすることで、ウェハ材質
、工程途中での重金属汚染などの管理が可能になり、集
積回路製品を歩留り良く製造することが可能になる。

（実施例） 以下、図面を参照して本発明の一実施例を詳細に説明す
る。

第１図はたとえば半導体ウェハの結晶欠陥を認識処理す
る装置を示しており、１はウェハ搬送系、２はウェハ搬
送系１から可動ステージ上に搬送されたウェハの表面像
の所定領域（例えば中心部の０．５ｍｍｘ０．５６ｍｍ
の領域）を拡大して結像する顕微鏡であり、たとえば対
物レンズ１０倍、接眼レンズ１０倍を有し、倍率１００
である。３は上記搬送系１の搬送制御および顕微鏡２の
オートフォーカス制御などを行なうための制御用マイク
ロコンピュータである。４は上記顕微鏡２の結像をテレ
ビジョン画像に変換するテレビジョンカメラ、５は上記
テレビジョン両像信号に対して二値化、像のＸ方向およ
びＹ方向の長さの計測、作の長さの計測などを行ない、
欠陥像を検出して欠陥個数を計数するための画像処理装
置であり、テレビジョン画像を画像表示装置６に与える
と共に処理結果をプリンタフに印字させるものである。

８は欠陥認識処理装置のシステムを総合的に制御するた
めのシステム制御用コンピュータであり、上記画像処理
装置５、画像表示装置６、前記制御用マイクロコンピュ
ータ３等との間で制御情報を授受するものである。

評価に用いたウェハは、たとえばＣＭＯ８型Ｏ８Ｉ（メ
モリ、ＣＰＵ等）の製造工程においてウェル領域の拡散
工程後にロット内から抜取ったウェハに対してＮＨ４Ｆ
液により酸化膜を全て剥離し、さらにライトエツチング
液により結晶欠陥部を選択的にエツチングしたものであ
る。この場合、上記ウェハは（１００）主面を有し、第
２図に示すようにオリエンテーションフラットＯＦが＜
１１０＞方向に形成されたものとすれば、積層欠陥Ａは
オリエンテーションフラットＯＦに平行または垂直な方
向に発生する。すなわち、第３図（ａ）乃至（ｄ）に示
すように、シリコン基板上の積層欠陥は結晶学的にシリ
コン結晶の（１１１）面内（またはこれと等価な面内）
に層状に発生し、エツチング後の断面は第４図に示すよ
うに（１１１）面で囲まれたＶ字形になることがわかっ
ており、（１００）面を主面とするシリコン基板上には
＜１１０＞方向またはそれと同等な方向に平行に線状に
観察される。また、通常、（１００）ウェハには＜１１
０＞方向に平行にオリエンテーションフラットが形成さ
れているので、積層欠陥の伸びている方向はオリエンテ
ーションフラットＯＦに平行もしくは垂直な方向になる
。

上記処理装置により、評価対象となる抜取りウェハにお
ける欠陥について、様々なパラメータ（長さ、縦横比な
ど）で計測して欠陥密度を求め、このパラメータにより
ｉｌＪされた欠陥密度と抜取りウェハの元のロフトの最
終歩留りとの相対計数を求めたところ、たとえば第５図
（ａ）、（ｂ）に示すようなデータが得られた。そして
、各パラ、メータに対して相対計数の値を得て、長さパ
ラメータ、縦横比限度の最適化を行なうと、第６図（ａ
）、（ｂ）中に実線で示すような結果が得られた。この
場合、ウェハの欠陥の原因としては、投入ウェハの欠陥
の核、あるいは工程中の重金属汚染が考えられ、欠陥の
原因を分離するために投入前ウェハを抜取り、先行テス
トを行なう目的で熱酸化（例えば１０００℃、１０時間
）を行なって上記したと同様な評価を行なったところ、
第６図（ａ）、（ｂ）中に点線で示すような関係が得ら
れた。

以上の結果から、計測基準となる長さが２μｍ程度以上
から最終歩留りとの相対相関係数が向上することが認め
られた。また、計測基準となる縦横比限度が１．６以」
二または０．６以下で最終歩留りとの相対相関係数が向
上することが認められた。このような結果は、工程汚染
管理上問題となる工程に対して、前記したと同様なテス
トを行なったところ、いずれも同様であった。このよう
な関係が何故一般的に得られるのか詳細に明らかでない
が、欠陥が小さいときには欠陥の有する電荷が小さくて
素子特性上悪影響を与えず、またデザインルール的にあ
る領域内に入って悪影響を与えないのではないかと考え
られる。

さらに、上記欠陥の検出に際して、＜１１０＞に等価な
方向に限定したところ、相関係数が一層向上した。

そこで、上記欠陥の一辺に平行または垂直な方向にテレ
ビジョン撮像の水平走査方向を合せることで画像処理が
容易になることから、ウェハ支持台によりウェハのオリ
エンテーションフラットＯＦがテレビジョンカメラ４の
水平走査線方向に、たとえば平行になるように支持させ
て、この水平走査線方向の欠陥密度を計測し、次にウェ
ハを直角方向に回転させた状態で水平走査線方向の欠陥
密度を計測することが望ましい。

上記欠陥認識処理装置において、画像処理の結果、画像
表示装置６に表示された画像の一例を第７図に模式的に
示す。ここで、画面上、水平走査方向に細長く伸びた像
Ａ′および垂直走査方向に細長く伸びた像Ａ′の中に積
層欠陥像が含まれている。したがって、上記水平方向ま
たは直角方向に伸びた像のうち、長さが例えば２．０μ
ｍ以上で、縦横比が１．６以上または０．６以下のもの
を検出するように認識処理プログラムを与えておけば、
ゴミＢとか傷Ｃとの区別が可能である。この場合、１画
面当り１０個の積層欠陥があるときの認識処理時間は約
０．８秒であった。

なお、ウェハのオリエンテーションフラットＯＦが水平
走査線方向に平行になるようにウェハを支持しておき、
＜１１０＞方向に長い欠陥のみを画像処理を行なって欠
陥密度を求め、上記＜１１０＞方向に直角な方向に長い
欠陥の密度を上記＜１１０＞方向とほぼ同じと見なし、
上記欠陥密度の２倍を測定結果として出力するようにし
てもよいことが確認されており、これによって計測時間
の短縮が可能になる。

また、上記実施例では、テレビジョンカメラの水平走査
方向に対してウェハのオリエンテーションフラットの方
向が平行となるようにウェハを配置したが、このウェハ
を直角方向に配置した場合でも上記実施例と同様な効果
が得られる。さらに、テレビジョンカメラ４の水平走査
方向に対してウェハのオリエンテーションフラットの方
向が不規則になるようにウェハを配置した場合、前記積
層欠陥像の方向は水平走査線方向に対して不規則になる
けれども、前記したように長さが２．０μｍ以上で縦横
比が１．６以上または０．６以下の像を検出するように
認識処理プログラムを与えておくことによって欠陥検出
が可能である。

上記欠陥認識処理装置によれば、半導体ウェハの積層欠
陥を容易に検出できるので、多量のウェハの品質検査を
連続的に行なうことが可能となる。

これにより、半導体ウェハ製造工程、半導体素子製造工
程における工程検査の高精度化、簡略化が可能となり、
投入ウニ１１の欠陥該管理、熱処理炉の汚染管理等が可
能となり、製品歩留り、品質の向上を実現できる。ちな
みに、上記処理装置を用いて直径１２５ｍｍのシリコン
基板を検査する場合、積層欠陥密度が１０個／　ｃ　ｍ
　２程度のとき、ウェハ１枚当りの認識処理時間は約４
分であり、肉眼観察による場合の認識処理時間〜１５分
に比べて約１／４に短縮された。しかも、この場合、第
８図に示すように欠陥の検出再現性も向上しており、肉
眼観察による場合に比べて再現性ばらつきは〜１１５に
なった。

なお、前記実施例では、（１００）面を主面とする（１
００）面ウェハを用いたが、（１１１）面ウェハを用い
た場合には、＜１１０＞方向またはそれに等価な方向に
長い結晶欠陥のみを自動計測して検出し、その密度を求
めるようにすればよいことが確認された。この場合、上
記＜１１０＞方向またはそれに等価な方向のうちの一方
向でのみ欠陥密度を求め、この密度の３倍を欠陥密度測
定結果として出力するようにしてもよいことが確認され
た。

また、評価対象となるウェハが半導体素子製造工程途中
のフォトエツチング工程、加工工程を通過して結晶欠陥
以外にシリコン地肌に段差形状が生じている場合には、
両像信号を二値化する際に上記段差部から発生する画像
パターンを消去してから欠陥検出を行なうように段差パ
ターン消去機能を付加しておくこくが望ましく、これに
よって画像処理時間が短縮される。

なお、上記実施例では、ウェハ表面に光を照射して、そ
の反射光を受光して両像信号に変換した後の画像処理に
ついて説明したが、ウェハ表面の欠陥に光を照射して、
その反射光を受光するようにして欠陥の検出率を高める
ことができる。すなわち、たとえば第９図に示すように
（１００）面ウェハの積層欠陥は（１１１）面に層状に
入るので、このウェハ表面に斜め上方から光を照射すれ
ば、（１１１）面からの反射光（積層欠陥からの反射光
）は強いが、ゴミ、傷等からの反射光は弱いので、画像
処理の対象から外すことができ、積層欠陥を効率良く画
像処理して検出、計数することが可能になる。なお、（
１１１）面は（１００）面に対して５４度の角度をもつ
ので、（１１１）面からの反射光を検出するためには、
（１００）面に対してたとえば８０度の角度で光を入射
させる場合には２８度の位置に受光部（顕微鏡の対物レ
ンズ）を設置しておけばよい。上記（１００）面に対す
る入射角度は５４度以上９０度以下であればよく、（１
１１）面からの反射光を受ける対物レンズの角度位置は
（１０８−θ）度となる。

また、入射光の入射角度はできるだけ大きい方が、＋ｇ
Ａｎ鏡の焦点が視野内でずれないので望ましい。

また、受光画像の中から信号レベルの高い積層欠陥像と
信号レベルの低いゴミ、傷などの像とを分離するために
は、受光画像を二値化して濃淡画像とし、周囲と異なっ
た濃い画像を積層欠陥像として検出することが可能であ
る。

なお、本発明は上記したような半導体ウェハの結晶欠陥
のみでなく、物体表面の一定の方向性を持つ矩形状の欠
陥を検出する場合に適用可能であり、応用範囲は広い。

［発明の効果］ 上記したように本発明の欠陥認識処理装置によれば、評
価対象となる物体表面の欠陥について画像処理し、矩形
画像の長さおよび縦横比を計測して欠陥検出を行なうの
で、欠陥認識率が高く、処理速度が速く、処理プログラ
ムが簡単になり、安価に実現できるようになる。さらに
、欠陥の長さ方向または幅方向とテレビジョン撮像の水
平走査方向とが平行となるような関係を設定することに
よって、欠陥画像の長さ方向または幅方向を計測するた
めの処理プログラムを簡単に実現でき、装置コストを一
層低減できる。また、物体表面に斜め方向から光を照射
して、その反射光を受光して両像信号に変換することに
よって、信号レベルの強弱により欠陥画像をその他の画
像から分離することが可能になり、検出精度を一層向上
させることができる。

したがって、本装置をたとえば半導体ウェハ、半導体素
子製造工程の途中で使用し、欠陥認識処理結果を工程に
フィードバックすることで、ウェハ材質、工程途中での
重金属汚染などの管理が可能になり、集積回路製品を歩
留り良く製造することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の欠陥認識処理装置の一実施例を示すブ
ロック図、第２図は第１図の装置による評価の対象とな
る半導体ウェハの一例を示す平面図、第３図（ａ）乃至
（ｄ）はシリコン結晶の（’１００）面上に発生する積
層欠陥を説明するために示す図、第４図は（１００）面
上に発生する積層欠陥を示す断面図、第５図（ａ）（ｂ
）は計測パラメータが異なる場合のウェハ上の結晶欠陥
密度と相対相関係数との関係を示す図、第６図（ａ）（
ｂ）は計測パラメータと歩留り対欠陥密度と相対相関係
数との関係を示す図、第７図は第１図の装置により得ら
れた画像の一例を模式的に示す図、第８図は本発明装置
による結晶欠陥密度の検出再現性の実測データを肉眼観
察による場合と対比して示す図、第９図はウェハ表面の
積層欠陥に光を照射する照射部および反射光を受光する
受光部の配置関係の一例を示す図である。 ２・・・顕微鏡、４・・・テレビジョンカメラ、５・・
・画像処理装置、６・・・画像表示装置、ＯＦ・・・オ
リエンテーションフラット、Ａ’　、Ａ’・・・積層欠
陥像。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 第１　図 第７図 第２図 １ｍ５ｖ！Ｊ 亀９図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）評価対象となる物体表面の所定領域をテレビジョ
   ン撮像して得られた画像中の矩形状の像の長さが所定値
   以上で縦横比が所定の値ｎ以上または１／ｎ以下である
   ものを欠陥として検出するようにしてなることを特徴と
   する欠陥認識処理装置。 （２）前記評価対象は半導体ウエハであり、前記矩形状
   の像の長さが２μｍ以上で縦横比が１．６以上または０
   ．６以下であるものを積層欠陥として検出することを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の欠陥認識処理装置
   。 （３）前記テレビジョン撮像の水平走査方向が前記矩形
   状の像の一辺に平行または垂直な方向であることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の欠陥認識処理装置。 （４）前記評価対象は主面が（１００）面であって〈１
   １０〉方向にオリエンテーションフラットが形成された
   シリコンウエハであり、上記〈１１０〉方向またはそれ
   に同等な方向に長い欠陥のみを検出することを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の欠陥認識処理装置。 （５）前記オリエンテーションフラットの方向に平行ま
   たは垂直な方向にテレビジョン撮像の水平走査を行なう
   ことを特徴とする特許請求の範囲第４項記載の欠陥認識
   処理装置。（６）前記〈１１０〉方向に長い欠陥のみを
   検出してその密度を求め、この密度の２倍を結晶欠陥密
   度として出力することを特徴とする特許請求の範囲第４
   項記載の欠陥認識処理装置。 （７）前記評価対象は主面が（１１１）面であって〈１
   １０〉方向またはそれに同等な方向に長い欠陥のみを検
   出することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の欠
   陥認識処理装置。 （８）前記〈１１０〉方向に長い欠陥のみを検出してそ
   の密度を求め、この密度の３倍を結晶欠陥密度として出
   力することを特徴とする特許請求の範囲第７項記載の欠
   陥認識処理装置。 （９）前記評価対象はシリコン地肌に段差形状が生じて
   いるシリコンウエハであり、テレビジョン撮像信号を二
   値化して上記段差部から発生する画像パターンを消去し
   たのち欠陥検出を行なうことを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の欠陥認識処理装置。 （１０）前記評価対象となる平板表面に斜め方向から光
   を照射し、反射光を受光してテレビジョン撮像すること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項または第２項記載の
   欠陥認識処理装置。 （１１）前記評価対象は（１００）面を主面とするシリ
   コンウエハであって（１１１）面からの反射光を受光す
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１０項記載の欠陥
   認識処理装置。 （１２）前記（１００）面に対して照射する光の入射角
   度θが５４度から９０度の範囲であり、受光部の角度位
   置が（１０８−θ）度であることを特徴とする特許請求
   の範囲第１１項記載の欠陥認識処理装置。 （１３）前記テレビジョン撮像により得られる両像信号
   を濃淡画像とし、周囲とは異なった明るさの画像を積層
   欠陥として検出することを特徴とする特許請求の範囲第
   １１項または第１２項記載の欠陥認識処理装置。