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| タイトル： | 特許公報(B2)_半導体ウェハの検査装置及び方法 |
| 出願番号： | 2004164132 |
| 年次： | 2010 |
| IPC分類： | H01L 21/66,G01N 21/956 |
特許情報キャッシュ
鍋島 ふみ 富樫 和也 JP 4510521 特許公報(B2) 20100514 2004164132 20040602 半導体ウェハの検査装置及び方法 ＳＵＭＣＯ ＴＥＣＨＸＩＶ株式会社 000184713 特許業務法人ウィルフォート国際特許事務所 110000279 上村 輝之 100095371 宮川 長夫 100089277 中村 猛 100104891 大槻 昇 100129724 鍋島 ふみ 富樫 和也 20100728 H01L 21/66 20060101AFI20100708BHJP G01N 21/956 20060101ALI20100708BHJP JPH01L21/66 JG01N21/956 A Ｇ０１Ｎ ２１／８４ − ２１／９５８ Ｈ０１Ｌ ２１／６４ − ２１／６６ 特開２００３−００４６５４（ＪＰ，Ａ） 特公平０２−０２１５４１（ＪＰ，Ｂ２） 特開２０００−１６２１４１（ＪＰ，Ａ） 特開平０７−２３９２１２（ＪＰ，Ａ） 1 2005347448 20051215 9 20070424 豊田 直樹 本発明は、半導体ウェハの表面状態を検査するための装置および方法に関し、特に、エピタキシャルウェハのLAD（Large AreaDefect: 広域欠陥）の検出に好適なものである。 半導体ウェハの欠陥（defect）（半導体ウェハの表層の理想的な結晶構造を損なう構造的又は化学的な異常）のうち、半導体デバイスの不良の原因となるような欠陥は「キラーディフェクト（killer defect）」と呼ばれる。エピタキシャルウェハの場合、キラーディフェクトの典型として、凸状のSF（stacking fault：積層欠陥）やマウンドが古くから知られている。このような欠陥を検出するための方法として、光散乱法が広く用いられている（例えば、特許文献１）。特許文献１に記載された検査方法によれば、光散乱法を用いた異物検査装置（例えば、ケーエルエーテンコール（KLA-Tencor）社製のサーフスキャン６２００（Surfscan6200）（商標））を用いて、レーザビームがエピタキシャルウェハの表面に照射され、その表面上に存在する光散乱体のサイズが測定され、そして、測定されたサイズが所定値を超える光散乱体が積層欠陥であると判断される。 一方、高さが数nmから数十nmと非常に低く、かつ長手方向の寸法が数百μｍに達するような広くフラットな欠陥が、まれにエピタキシャルウェハの表面に存在することが近年判ってきた。この種の欠陥はLAD（Large AreaDefect）（広域欠陥）と呼ばれる。LADも「キラーディフェクト」であり、LADが半導体デバイス製造プロセスにおいてデフォーカス（defocus）不良をもたらしたり、酸化膜耐圧やライフタイムを劣化させたりするという報告が出ている。 一般に、LAD以外のキラーディフェクトの多くは、高さが数百ｎｍオーダから数十μｍオーダであるのに対し、LADの高さは上述したようにnmオーダから数十nmオーダと非常に低い。この低さ故に、LADは光散乱法によって発見することが困難である。光散乱法によりLADが発見された場合であっても、LADを他のレーザ光散乱体、例えばパーティクル（ウェハ表面上のゴミなどの異物）から峻別することが非常に困難である。 非特許文献１には、光散乱法を用いた異物検査装置（例えば、ADE社製のAWIS（商標））を用いて、LADとパーティクル（ウェハ表面上のゴミなどの異物）とを峻別できる可能性が報告されている。この報告によると、ウェハ表面に斜めにレーザビームが入射され、ウェハからの散乱光のP偏光とS偏光が測定され、そして、P偏光とS偏光の双方の強度に基づいてウェハ表面上のレーザ光散乱体がLADであるかパーティクルであるか判断される。特開２００１−１７６９４３号公報佐藤俊哉、他「エピタキシャルウェハにおけるLADの影響」、第35頁から第40頁、応用物理学会分科会、シリコンテクノロジー、No.16、2000年４月２４日 非特許文献１に開示された方法では、P偏光の測定時とS偏光の測定時の２度にわたりウェハ表面のスキャンを繰り返さなければならないため、スループットが低い。また、この方法では、LADの高さなどが異なると、P偏光とS偏光の強度に適用される判断条件も変更しなければならないという運用の困難さが予想される。 したがって、本発明の目的は、半導体ウェハのLADを他のレーザ光散乱体から区別して検出できるようにすることにある。 別の目的は、１回のスキャニング動作で半導体ウェハのLADを検出できるようにすることにある。 本発明の一つの側面に従う半導体ウェハの検査装置は、半導体ウェハの表面をスキャンしながら前記表面の各点にレーザビームを照射するスキャン装置と、前記レーザビームの照射を受けた前記各点からの反射レーザビームを受けて、信号を出力する反射光センサと、前記反射光センサからの信号を受けて、所定方向に向かって上りの傾斜をもつ上り傾斜点と下りの傾斜をもつ下り傾斜点とを検出する傾斜点検出手段と、前記傾斜点検出手段からの検出結果を受けて、前記上り傾斜点と前記下り傾斜点の位置関係に基づいて、LADと推定される異常領域を検出する異常領域検出手段と、異常領域検出手段からの検出結果を出力する出力手段とを備える。 好適な実施形態では、前記異常領域検出手段が、前記上り傾斜点と前記下り傾斜点の双方が所定の相互間距離範囲内に近接して存在する領域を、前記異常領域として、検出する。 好適な実施形態では、前記所定の相互間距離範囲が略１０００μｍ以下の範囲である。 好適な実施形態では、前記スキャン装置が、一本の元レーザビームを平行な２本のレーザビームに分け、前記２本のレーザビームを前記各点に照射し、そして、前記２本のレーザビームの照射を受けた前記各点からの２本の前記反射レーザビームを再結合して、前記２本の反射レーザビームの位相差に応じた強度をもつ結合レーザビームを生成する光学装置を有し、前記反射光センサが、前記結合反射ビームを受けて、前記２本の反射レーザビームの位相差に応じた信号を出力し、前記傾斜点検出手段が、前記反射光センサからの信号に基づき、前記２本の反射レーザビームの位相差がプラスかマイナスかを判断することにより、前記上り傾斜点と下り傾斜点を検出する。 好適な実施形態では、前記反射光センサと同時に動作して、前記レーザビームの照射を受けた前記各点からの散乱光を受けて、信号を出力する散乱光センサと、前記散乱光センサからの信号を受けて、前記散乱光の強度に基づいて異常個所を検出する異常個所検出手段と、前記異常個所検出手段からの検出結果を出力する手段とを更に備える。 本発明の一つの側面に従う半導体ウェハの検査方法は、半導体ウェハの表面をスキャンしながら前記表面の各点にレーザビームを照射するステップと、前記レーザビームの照射を受けた前記各点からの反射レーザビームを受けて、所定方向に向かって上りの傾斜をもつ上り傾斜点と下りの傾斜をもつ下り傾斜点とを検出するステップと、前記傾斜点検出手段からの検出結果を受けて、前記上り傾斜点と前記下り傾斜点の位置関係に基づいて、LADと推定される異常領域を検出するステップと、前記異常領域の検出結果を出力するステップとを備える。 本発明によれば、半導体ウェハの表面に対する１回のスキャニング動作で、半導体ウェハのLADを他のレーザ光散乱体から区別して検出することができる。 図１Aは、本発明の一実施形態にかかる半導体ウェハの検査装置の構成を示す断面側面図である。点線の吹き出しブロック内に示される図１Bは、レーザビームによる半導体ウェハの表面のスキャニングの様子を示す平面図である。図２は、半導体ウェハの表面に照射されるレーザビームの拡大図である。 図１Aに示すように、この検査装置１００は、２種類のレーザビーム１０２、１０４を選択的に半導体ウェハ２００の表面の一点(検査点）に照射することができる。一方のレーザビーム１０２は、半導体ウェハ２００の表面に垂直に入射するようになっており、他方のレーザビーム１０２は、半導体ウェハ２００の表面に斜め角度で入射するようになっている。この実施形態では、垂直入射のレーザビーム１０２のみが使用され、斜め入射のレーザビーム１０４は使用されない。 図１Bには、垂直入射レーザビーム１０２が検査点に形成するレーザスポット１０３が示されている。レーザスポット１０３の径寸法（レーザビーム１０２の太さ）は、十μｍオーダから百μｍオーダである。すなわち、レーザスポット１０３は例えば細長い楕円形の形状を有し、そして、長径寸法Lが例えば数百μｍ（より具体的には例えば３４０μｍ）程度、短径寸法Wが例えば数十μｍ（より具体的には例えば２０μｍ）程度のサイズをもつ。レーザスポット１０３の長径と短径は、それぞれ半導体ウェハ２００の半径線と円周線にそれぞれ平行になる方向を向いている。検査装置１００は、矢印２００Aに示すように半導体ウェハ２００を中心点回りに回転させ、同時に、矢印２００Bに示すように半導体ウェハ２００をその半径線に沿って移動させる。これにより、レーザスポット１０３が半導体ウェハ２００の表面の全域を螺旋状にスキャンする。螺旋状のスキャンライン同士の間隔（N回転目とN＋１回転目のスキャンラインの半径方向の間隔）は、レーザスポット１０３の短径寸法Wと同等の２０μｍ程度である。 図２に示すように、垂直入射レーザビーム１０２は、ビームスプリッタ１０５によって、スキャニング方向に並ぶ２本の平行なレーザビーム１０２A、１０２Bに分けられ、その２本のレーザビーム１０２A、１０２Bが半導体ウェハ２００の検査点に照射される。上述したレーザスポット１０３のサイズは、この２本のレーザビーム１０２A、１０２Bを合わせたサイズである。 再び図１Aを参照して、垂直入射レーザビーム１０２は、半導体ウェハ２００の検査点の表面形状に応じた方向へ反射される。例えば、検査点に欠陥もパーティクルも存在しない場合、検査点の表面はレーザビーム１０２に対して垂直で且つ平坦であるから、レーザビーム１０２は殆ど垂直の反射レーザビームとなって、入射経路と同じ経路を逆方向に戻る。一方、検査点に欠陥又はパーティクルが存在する場合、その表面は隆起したり窪んだりしているから、レーザビーム１０２の一部分は垂直の反射レーザビームとなるが、他の部分は散乱光１０８、１１６となる。 図２を用いて前述したように、垂直入射レーザビーム１０２は２本の平行なレーザビーム１０２A、１０２Bに分かれて検査点に照射される。よって、検査点からの垂直な反射レーザビームも、実は、２本の反射レーザビームからなる。この２本の垂直の反射レーザビームは、ビームスプリッタ１０５により再結合されて一本の結合反射レーザビームになり、ハーフミラー１２８により第１の光センサ１３０に入力される。この結合反射レーザビームは、検査点からの上記２本の反射レーザビームの位相差に応じた強度をもつ。第１の光センサ１３０は、結合反射レーザビームを受けて、上記２本の反射レーザビームの位相差に応じたレベルをもつ電気信号（例えば、電圧信号）（以下、「位相差信号」という）１３１を生成して、これを信号処理装置１２６へ出力する。 一方、検査点からの散乱反射光１０８、１１６は、その散乱角（反射角）に応じて、２つの散乱光センサ１１４と１２０の何れかに入力される。すなわち、散乱角が所定値以下の狭角範囲（例えば、反射角が6.5度から20度の範囲）へ散乱した反射光（以下、「狭散乱光」という）１０８は、凸レンズ１１０と反射鏡１１２を通じて、第２の光センサ１１４に入力される。また、散乱角が所定値より大きい広角範囲（例えば、反射角が25度から70度の範囲）へ散乱した反射光（以下、「広散乱光」という）１１６は、立体凹面反射鏡１１８を通じて、第３の光センサ１２０に入力される。第２の光センサ１１４は、狭散乱光１０８の強度に応じたレベルをもつ電気信号（例えば、電圧信号）（以下、「狭散乱光強度信号」という）１２２を生成して、これを信号処理装置１２６へ出力する。第３の光センサ１２０は、広散乱光１１６の強度に応じたレベルをもつ電気信号（例えば、電圧信号）（以下、「広散乱光強度信号」という）１２４を生成して、これを信号処理装置１２６へ出力する。 信号処理装置１２６は、位相差分析部１３２と散乱光分析部１３４を有する。位相差分析部１３２は、入力された位相差信号１３１を分析することにより、半導体ウェハ２００の表面上のLAD（高さが数nmから数十nmと非常に低く、かつ長手方向の寸法が百μｍオーダに達するような広くフラットな欠陥）を選択的に検出し、検出結果を記憶し出力する。一方、散乱光分析部１３４は、狭散乱光強度信号１２２および広散乱光強度信号１２４を分析することにより、半導体ウェハ２００の表面上のレーザ光散乱体（例えば、高さが数百ｎｍオーダ以上である積層欠陥やマウンドやパーティクルなど）を検出し（場合によってはLADも検出するときもある）、検出されたレーザ光散乱体がパーティクルであるか、キラーディフェクトの可能性の高い欠陥であるかを判別し、その判別結果を記憶し出力する。信号処理装置１２６は、例えば、プログラムされたコンピュータ、ワイヤードハードウェア回路又はそれらの組み合わせによって実現することができる。 図２には、上述した位相差信号１３１と検査点の表面形状との関係が示されている。 図２に示すように、２つの平行なレーザビーム１０２A、１０２Bがウェハ上の傾斜をもつ部分に照射されると、この２つのレーザビーム１０２A、１０２Bの反射光の間に位相差が生じ、それらを再結合した結合反射ビームの強度が変化する。この結合反射ビームの強度変化が位相差信号１３１のレベルに現れ、図示のように、例えば、傾斜がスキャニングの方向に向かって上りであるときには、位相差信号１３１はプラスになり、傾斜が下りのときには、位相差信号１３１はマイナスになる。 位相差信号１３１の傾斜の高さの分解能は、レーザビームの波長に依存するが、例えば数nm程度である。LADの高さは数nmから数十nmであるから、数nm程度の高さ分解能をもつ位相差信号１３１によってLADは検出可能である。LADの平面寸法は、レーザスポット１０３よりも大きく、そこでは隆起２０４や窪み２０４の上り傾斜や下り傾斜が近接して存在する。そのため、LADに上記２つの平行なレーザビーム１０２A、１０２Bが照射されると、互いに近接した検査点において位相差信号１３１はプラスとマイナスを示す。一方、積層欠陥やマウンドやパーティクルなどのLAD以外のレーザ光散乱体の多くは、高さはLADより高いが、平面寸法がレーザスポット１０３よりも小さい。そのため、LAD以外のレーザ光散乱体に２つのレーザビーム１０２A、１０２Bが照射された場合、通常、位相差信号１３１はプラスだけを示す。また、半導体ウェハの表面は僅かに湾曲しており、この湾曲による傾斜が存在する領域では、位相差信号１３１はプラス又はマイナスの一方だけを示す。 信号処理装置１２６の位相差分析部１３２は、この原理を利用して、LADを選択的に検出する。すなわち、位相差分析部１３２は、位相差信号１３１がプラスを示した検査点（つまり、上り傾斜が存在する検査点）と、位相差信号１３１がマイナスを示した検査点（つまり、下り傾斜が存在する検査点）とが、所定の相互距離範囲内で近接して存在する領域を見つけ出し、この領域をLADと判断する。ここで、ＬＡＤの一般的な平面サイズからみて、上記所定の相互距離範囲として、例えば相互距離が１０００μｍ以下の範囲、或いは数百μｍ以下の範囲などが採用できる。 図３は、信号処理装置１２６が行う処理の流れを示している。 図３において、ステップ３００からステップ３０６のルーチンは位相差分析部１３２が行う処理である。ステップ３１０からステップ３１４のルーチンは散乱光分析部１３４が行う処理である。これら２本のルーチンは同時並行的に行われる。 ステップ３００では、半導体ウェハ２００の表面が２本の垂直入射レーザビーム１０２A、１０２Bによりスキャンされている間、位相差分析部１３２が、各検査点からの２本の垂直反射レーザビームの位相差に応じた値をもつ位相差信号１３１を入力し、その位相差信号１３１の値を検査時刻と各検査点の座標とともに記憶する。これと同時に、ステップ３１０で、散乱光分析部１３４が、各検査点からの狭散乱光１０８と広散乱光１１６の強度にそれぞれ応じた値をもつ狭散乱光強度信号１２２と広散乱光強度信号１２４を入力し、それらの信号１２２，１２４の値を検査時刻と各検査点の座標とともに記憶する。 ステップ３０２で、位相差分析部１３２が、記憶された各検査点の位相差信号値の極性（プラスかマイナスか）を判断し、その判断結果を記憶する。ステップ３０４で、位相差分析部１３２が、記憶されている各検査点についての位相差信号値の極性と座標に基づいて、プラスとマイナスの位相差信号値をそれぞれもつ検査点のペア又は集合が、所定の閾値以下の相互間距離範囲内に近接して存在する領域を異常領域として割り出し、割り出された異常領域の座標を記憶する。ここで割り出された異常領域はLADであろうと推定される。ステップ３０６で、位相差分析部１３２により記憶された上記分析結果が表示装置又は外部装置などに出力される。 ステップ３１２で、散乱光分析部１３４が、記憶された各検査点の狭散乱光強度信号１２２と広散乱光強度信号１２４の値から、各検査点に欠陥又はパーティクルなどのレーザ光散乱体が存在するか否か、および、そのレーザ光散乱体が欠陥とパーティクルのいずれであるかが推定され、その推定結果を記憶する。ステップ３１４で、散乱光分析部１３４により記憶された上記分析結果が、表示装置又は外部装置などに出力される。なお、散乱光分析部１３４が行う狭散乱光強度信号１２２と広散乱光強度信号１２４に基づく欠陥およびパーティクルの判別のための分析方法には、公知の方法を用いることができる。 以上のようにして、半導体ウェハの表面を１回スキャニングすることで、位相差分析部１３２によりLADであろう推定される異常領域が検出され、同時に、散乱光分析部１３４により、欠陥又はパーティクルが存在すると推定される異常箇所が検出される。 図４は、位相差分析部１３２による分析結果の一例を示す。 図４において、円印は、位相差信号がプラスを示した検査点４００を示し、十字印は、位相差信号がマイナスを示した検査点４０２を示す。図４に示すように、プラスとマイナスの位相差信号をもつ検査点４００と４０２のペア又は集合が所定の相互距離範囲内で近接して存在している（図４では、図示の都合上、円印と十字印がほぼ同じ位置で重なっている）領域４０４が、LADと推定される異常領域として検出される。 以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は本発明の説明のための例示にすぎず、本発明の範囲をこの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、その要旨を逸脱することなく、その他の様々な態様でも実施することができる。図１Aは、本発明の一実施形態にかかる半導体ウェハの検査装置の構成を示す断面側面であり、図１Bは、光スポットによる半導体ウェハの表面のスキャニングの様子を示す様子を示す平面図である。半導体ウェハの表面に２つの平行なレーザビームを照射する様子を示すとともに、半導体ウェハの表面の形状と位相差信号のレベルとの関係を示す図。信号処理装置が行なう分析処理の流れを示す図である。位相差分析部による分析結果の例を示す図。符号の説明 １００ 半導体ウェハの検査装置 １０２ 垂直入射レーザビーム １０２A、１０２B ２つの平行なレーザビーム １０３ レーザスポット １０８ 狭反射光 １１４ 狭反射光検出用の光センサ １１６ 広散乱光 １２０ 広散乱光検出用の光センサ １２２ 狭散乱光強度信号 １２４ 広散乱光強度信号 １２６ 信号処理装置 １３０ 位相差検出用の光センサ １３１ 位相差信号 ２０２ 隆起 ２０４ 窪み ４００ 位相差信号がプラスを示した検査点 ４０２ 位相差信号がマイナスを示した検査点 ４００ LADと推定される異常領域半導体ウェハ（２００）の表面をスキャンしながら前記表面の各点にレーザビーム（１０２）を照射するスキャン装置と、 前記レーザビーム（１０２）の照射を受けた前記各点からの反射レーザビームを受けて、信号（１３１）を出力する反射光センサ（１３０）と、 前記反射光センサ（１３０）からの信号（１３１）を受けて、所定方向に向かって上りの傾斜をもつ上り傾斜点（４００）と下りの傾斜をもつ下り傾斜点（４０２）とを検出する傾斜点検出手段（１３２、３０２）と、 前記傾斜点検出手段（１３２、３０２）からの検出結果を受けて、前記上り傾斜点（４００）と前記下り傾斜点（４０２）の位置関係に基づいて、LADと推定される異常領域（４０４）を検出する異常領域検出手段（１３２、３０４）と、 異常領域検出手段からの検出結果を出力する出力手段（１３２、３０６）とを備え、 前記スキャン装置が、一本の元レーザビーム（１０２）を平行な２本のレーザビーム（１０２A、１０２B）に分け、前記２本のレーザビーム（１０２A、１０２B）を前記各点に照射し、そして、前記２本のレーザビーム（１０２A、１０２B）の照射を受けた前記各点からの２本の前記反射レーザビームを再結合して、前記２本の反射レーザビームの位相差に応じた強度をもつ結合反射レーザビームを生成し、 前記反射光センサ（１３０）が、前記結合反射レーザビームを受けて、前記２本の反射レーザビームの位相差に応じた信号（１３１）を出力し、 前記傾斜点検出手段（１３２、３０２）が、前記反射光センサ（１３０）からの信号（１３１）に基づき、前記２本の反射レーザビームの位相差がプラスかマイナスかを判断することにより、前記上り傾斜点（４００）と下り傾斜点（４０２）を検出する半導体ウェハの検査装置。