JP2818250B2 - 半導体基板の評価方法およびその評価装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） この発明はレーザ光による光散乱トモグラフィ画像を
用いて基板内部の欠陥を探知する半導体基板の評価方法
およびその評価装置に関する。

（従来の技術） 従来、半導体基板中の欠陥を評価する方法として、レ
ーザ光による光散乱トモグラフィを利用する評価方法が
ある。

例えば半導体基板を劈開し、この劈開面に対し垂直方
向に10μｍ程度基板内に入ったところに、基板に対して
垂直な方向にレーザ光を照射する。このとき基板内の欠
陥等（光散乱体）にて散乱したレーザ光は、劈開面を介
して基板外部に出てくる。この外部に出てきたレーザ光
を、以下、散乱光と呼ぶ。この散乱光を、例えば撮像管
に受けて電気的信号に変換する。次に、この電気的信号
を画像に変換し、例えばCRT等に表示する。以下、この
画像を光散乱トモグラフィ画像と呼ぶ。

この光散乱トモグラフィ画像には、半導体基板内の結
晶欠陥等が反映されて写し出される。これにより、光散
乱トモグラフィ画像は、半導体基板内の結晶欠陥等の探
知に用いる一手段となっている。

また、上記レーザ光発生には、YAGレーザが用いられ
ている。これは、通常の半導体基板の主成分であるシリ
コン内を良く透過するためである。その波長は、約1.06
μｍである。

ところで、波長1.06μｍという値は、半導体基板上に
形成される一つの素子の寸法（〜1.2μｍ）と、非常に
似かよったものとなっている。基板上の素子は、通常、
規則的に並ぶように形成され、周期的素子配列を形成し
ている。ここで、基板に対し入射される光の波長と、基
板上に形成されている素子配列の周期とが近い場合に
は、光散乱トモグラフィ画像に干渉縞を生じて、基板内
部の欠陥を判別できなくなるという問題が生じる。つま
り、従来のレーザ光による光散乱トモグラフィを利用す
る評価方法では、半導体基板上に素子が形成されてから
は評価できなかった。

素子が形成された、あるいは形成途中での半導体基板
を評価できれば、どの工程で、どのような内部欠陥を生
じたかを調べることができ、この欠陥を生じた工程の改
善等の目安となり得る。

（発明が解決しようとする課題） この発明は上記のような点に鑑みて為されたもので、
規則的に素子が形成された半導体基板でも、基板内部の
欠陥を探知できる半導体基板の評価方法およびその評価
装置を提供することを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） この発明による半導体基板の評価方法は、 レーザ光による半導体基板の光散乱トモグラフィ画像
を得て、これにより基板内部の欠陥を探知する半導体基
板の評価方法において、 前記基板に対する前記レーザ光の入射角を任意に変え
て複数設定し、複数設定された各入射角毎に前記レーザ
光を照射し、これにより得られた各光散乱トモグラフィ
画像をそれぞれ合成する画像処理を行ない、一つの光散
乱トモグラフィ画像を得ることを特徴とする。

さらに、前記入射角は、前記レーザ光の少なくとも１
波長の光路差を生ずるだけ走査されることを特徴とす
る。

また、その評価装置は、 半導体基板を載置し、かつこれを水平方向に移動させる
手段と、 前記基板面に対して所定角度でレーザ光を照射する手
段と、 前記基板面に対する前記レーザ光の入射角を変える手
段と、 前記レーザ光によって前記基板内部から生じる散乱光
を受け、これを電気的信号に変換する手段と、 前記入射角を変える毎に得られた前記電気的信号をそ
れぞれ記憶する手段と、 これらの記憶された前記電気的信号をおのおの引き出
し、それぞれ合成する手段と、 合成された電気的信号を１つの画像に変換する手段と
を具備することを特徴とする。

（作用） 上記のような半導体基板の評価方法にあっては、レー
ザ光の半導体基板に対する入射角が異なる毎に光散乱ト
モグラフィ画像を得る。ここで、上記レーザ光の入射角
を、レーザ光の１波長の光路差を生じるだけ、変化させ
てやれば、互いに逆相となった光散乱トモグラフィ画像
が得られるので、これらをそれぞれ重ね合わせる画像合
成を行うと、干渉縞を互いに打ち消すことができる。し
たがって、規則的に素子が配列された基板でも、干渉縞
の存在しない光散乱トモグラフィ画像を得られるように
なる。

また、上記装置によれば、レーザ光の入射角を変える
手段を具備するので、レーザ光の入射角を任意に設定す
ることができる。

（実施例） 以下、図面を参照してこの発明の実施例に関わる半導
体基板の評価方法およびその評価装置について説明す
る。

まず、第１図ないし第４図を参照して、この発明の一
実施例に係わる半導体基板の評価方法について説明す
る。

第１図は、この発明の評価方法の原理を説明する断面
図である。

まず、第１図に示すように、基板１の表面には、周期
ｄをもって規則的に素子２が配列されている。このよう
な基板１に対して、入射角θ＝０゜でレーザ光３（3₁,3
₂）を照射して光散乱トモグラフィ画像を得ると、第３
図に示すような干渉縞４ないし７を生じた画像が得られ
る。このように、干渉縞４ないし７は、縦方向にも、横
方向にも出現する。すなわち、画像の黒い部分（参照符
号4,6）、および白い部分（参照符号5,7）ともに干渉縞
の影響を受けている部分である。基板内部の欠陥８は僅
かながら見えているが、明確な画像ではないので、基板
評価の対象とは成りがたい。従来、この干渉縞４ないし
７のために、基板の評価ができなかった。

そこで、本発明では、レーザ光３の入射角θを変化さ
せて、入射角θを変化させる毎に、光散乱トモグラフィ
画像を得る。このとき、それぞれ得られた光散乱トモグ
ラフィ画像には、干渉縞が生じるが、それぞれの画像を
１つに合成すると干渉縞が消え、第４図に示すような明
確な画像を得ることができる。このように、干渉縞は全
く出現することはなく、基板内部の欠陥８がはっきりと
見てとれる。第４図に示す画像を得るには、例えば光の
入射角θを、少なくともレーザ光３の１波長の光路差を
生じるまで変化させ、この範囲で数枚の画像を得て、そ
れぞれ重ね合わせれば良い。

ここで、レーザ光３の１波長の光路差について、第１
図および第２図を参照し、より詳細に説明する。第１図
に示すように、まず、レーザ光３を、特にレーザ光3₁、
3₂の２つの成分に分けてみる。これは、レーザ光３が、
有限の幅を有していることから、この有限の幅内で、レ
ーザ光３を幾つかの成分に分けて考えられることに基づ
く。また、これらのレーザ光成分3₁と、3₂との互いの間
隔は、素子配列の周期ｄと同じものとする。まず、レー
ザ光の入射角θ＝０゜の場合では、レーザ光成分3₁の光
源から、基板表面まで距離（以下光路長称す）と、レー
ザ光成分3₂と光路長とは、全く変わらない。ところが、
入射角θだけ変化させると、レーザ光成分3₁と、レーザ
光成分3₂との間には、 ｄ・sinθ なる光路長の差、すなわち光路差を生じる。この光路長
が、レーザ光の１波長と同じだけ変わるようにすると、
第２図に示すように、点ａから点ｂまでのレーザ光の波
３′による振幅Ａと、点ｂから点ｃまでの振幅Ａ′とが
互いに逆相となってくる。

本発明では、互いに逆相となる入射角θの時の画像を
それぞれ重ね合わせ、干渉縞を互いに打ち消すようにす
る。この結果、第４図に示すような、明確な画像を得る
ことができるのである。

以上のように、本発明に係わる評価方法によれば、第
１図に示す周期ｄをもって規則的素子配列を持つような
基板でも評価することが可能となる。すなわち基板１上
に素子形成後、あるいは形成途中において、基板１内に
おける内部欠陥の探知が可能となる。

次に、第１図の断面図に対して具体的な数値を当ては
め、さらに、第５図ないし第７図を参照してこの発明に
係わる評価装置について説明する。

第５図は、本発明に係わる第１の実施例の評価装置を
略的に示す斜視図、第６図は、第５図に示す評価装置で
により得られたデータの処理手順を示すブロック図、第
７図は、本発明に係わる第２の実施例の評価装置を略的
に示す斜視図である。

第１図に示すレーザ光３は、シリコンを透過しやすい
YAGレーザ光とする。YAGレーザの波長λは、約1.06μｍ
である。基板１上に配列された素子の周期ｄを、1.2μ
ｍとする。

この場合、YAGレーザの波長λと同じ1.06μｍの光路
差を生じる入射角θは、以下の式で求めることができ
る。

d.sinθ＝ｎλ （ｎは整数） ここで、ｎの値が０、および１の場合を取ると、 θ＝０゜〜62.05゜ となる。すなわち入射角θが約62.05゜になると、光路
差（図中のｄ・sinθ）は、ほぼ1.06μｍとなる。

ここで、第５図に示す評価装置を用いて、入射角θ＝
０゜から、例えば入射角θが２゜増す毎に光散乱トモグ
ラフィ画像を得て、これを入射角θ＝64゜まで、合計33
枚の光散乱トモグラフィ画像を得る。

次に、第５図に示す評価装置の構成および作用につい
て説明し、この評価装置により得られたデータの処理方
法を、第６図を参照して説明する。

第５図に示すように、試料ステージ10上には、所定の
断面で割られたウェーハ11（第１図中では１に相当）が
載置されている。試料ステージ10は、図中の矢印Ａ、お
よびＡ′の方向に動くようになっている。また、上記ウ
ェーハ11の断面12は、劈開面、あるいは鏡面研磨された
面のような鏡面となっている。また、ウェーハ11には、
第１図と同様に、規則的に配列された素子が形成されて
いる。この素子が形成された面は、例えば試料ステージ
10側に向いている。これは、逆に素子形成面がステージ
10側に向いてなくても構わない。このようなウェーハ11
の素子形成面に対し、YAGレーザ13光（第１図中では３
に相当）を照射する。このYAGレーザ光13の照射位置
は、上記断面12の表面から、例えば10μｍ程度基板内部
に入った位置とする。これは、ウェーハ11内部の欠陥を
探知でき、かつ欠陥による散乱光が、上記断面12を介し
て外部に放出され得ることを配慮したものである。ま
た、YAGレーザ光13の光の幅は４μｍ程度とする。このY
AGレーザ13は、YAGレーザ発生装置14にて発生され、光
ファイバー15を介して、集光レンズ16に集光され、照射
される。この集光レンズ16は、支持台17に取り付けられ
いる。また、この支持台17は、円弧状に成型されたレー
ル18に、例えばはめ込まれた状態で装着されている。こ
の支持台17には、パルスモータ19が内蔵されている。こ
のパルスモータ19により、支持台17は、上記レール18に
沿って、図中の矢印Ｂ、およびＢ′方向に動くようにな
っている。このように、支持台17がレール18に沿って動
くことによって、上記YAGレーザ光13の、ウェーハ11に
対する入射角を変えることができる。上記パルスモータ
19は、パルスモータ制御装置20にて制御され、制御信号
はケーブル21によって、パルスモータ19に伝達される。
上記ウェーハ11の素子形成面に対して照射されたYAGレ
ーザ光13は、内部欠陥により散乱した光を基板外部に、
上記断面12を介して放出する。この放出された散乱光22
を、対物レンズ23で受ける。この対物レンズ23が受けた
散乱光22は光L1となって、第６図のブロック図に示す撮
像管24へ入り、ここで上記光L1は、電気的信号に変換さ
れる。この電気的信号は、フレームメモリ25に送られて
記憶される。ここで、上記試料ステージ10を、第５図中
の矢印Ａ、あるいはＡ′方向に、適宜動かすことによっ
て、ウェーハ11の断面12全域にわたって散乱光を得るこ
とができる。断面12全域にわたって得られた散乱光の画
像は、１画像として、上記フレームメモリ25に記憶され
る。本実施例では、上記したように33枚の画像を得るの
で、例えば記憶フレーム数を、33以上有するフレームメ
モリ25を使用する。上記１画像をフレームメモリ25が記
憶すると、この記憶完了を知らせる信号が、コンピュー
タ26に出される。この信号を検知したコンピュータ26
は、信号S2を、第５図に示すパルスモータ制御装置20に
出す。この信号S2を検知したパルスモータ制御装置20
は、制御信号をパルスモータ19に送り、支持台17を所定
量、本実施例では、YAGレーザ13の入射角が２゜変化す
るだけの量だけ動かす。

このような動作を、本実施例では、33回繰り返すこと
により、上記フレームメモリ25には、入射角θが０゜〜
64゜まで、２゜毎に得られた33の画像が記憶される。33
の画像が記憶されると、所定数記憶完了の信号がコンピ
ュータ26に出される。これをコンピュータ26が検知する
と、上記フレームメモリ25に記憶されている33の画像
を、それぞれ呼び出し、所定の画像合成動作に入る。こ
の画像合成の方法は、既知の画像合成方法で構わない。
画像合成が完了すると、合成された光散乱トモグラフィ
画像がCRT27に表示される。この合成された光散乱トモ
グラフィ画像の一例は、既に第４図に示してある。

また、コンピュータ26の機能により、上記合成された
光散乱トモグラフィ画像を光ディスク（または磁気ディ
スク）28に記憶させることもできる。さらに、試験デー
タをコンピュータ26に入力してやれば、試験データをプ
リンタ29によってプリントアウトすることもできるし、
上記合成された光散乱トモグラフィ画像を、ハードコピ
ー機30によって紙上にコピーすることもできる。

さらに、コンピュータ26の機能を発展させ、合成する
以前の画像を、個々に呼び出し、CRT27に表示させても
構わない（ただし、干渉縞が入った画像ではある）。

また、この個々の画像は、光ディスク28に記憶させて
も、プリンタ29にて、試験データを、個々にプリントア
ウトさせても、ハードコピー30にて、個々の画像をコピ
ーさせても、いずれも任意である。

次に、第７図を参照して、本発明に係わる第２の実施
例の評価装置について説明する。

第７図に示すように、試料ステージ40上には、所定の
断面で割られたウェーハ41（第１図中では１に相当）が
載置されている。上記ウェーハ41の断面42は、劈開面、
あるいは鏡面研磨された面のような鏡面となっている。
また、ウェーハ41には、規則的に配列された素子が形成
されている。この素子が形成された面は、試料ステージ
40側に向いている。これは、逆に素子形成面がステージ
40側に向いてなくても構わない。このようなウェーハ41
の素子形成面に対し、YAGレーザ光43（第１図中では３
に相当）を照射する。このYAGレーザ光43の照射位置
は、上記断面42の表面から、例えば10μｍ程度基板内部
に入った位置とする。また、YAGレーザ光43の光の幅は
４μｍ程度とする。このYAGレーザ光43は、支持台44に
内蔵されているYAGレーザ発生装置にて発生され、集光
レンズ45にて集光され、照射される。このように、上記
YAGレーザ発生装置を、支持台44に内蔵しても良いし、
上記第５図に示した評価装置のように、YAGレーザ発生
装置を外部に置き、光ファイバー等で上記集光レンズ45
に導いても良い。この集光レンズ45が取り付けられた支
持台44は、図中の矢印Ｃ、およびＣ′方向に動くように
なっている。また、上記試料ステージ40は、円状に成型
されたレール46に、例えばはめ込まれた状態で装着され
ている。さらに、上記試料ステージ40の中心、すなわち
レール46の中心には、パルスモータ47が接続されてい
る。このパルスモータ47により、試料ステージ40は、上
記レール46に沿って、図中の矢印Ｄ、およびＤ′方向に
動くようになっている。このように、試料ステージ40が
レール46と一体に回動することによって、上記YAGレー
ザ光43の、ウェーハ41に対する入射角を変えることがで
きる。上記パルスモータ47は、パルスモータ制御装置48
にて制御され、制御信号はケーブル49によって、パルス
モータ47に伝達される。上記ウェーハ41の素子形成面に
対して照射されたYAGレーザ光43は、内部欠陥により散
乱した光を基板外部に、上記断面42を介して放出する。
この放出された散乱光50を、対物レンズ51で受ける。こ
の対物レンズ51が受けた散乱光50は光L1となって、第６
図のブロック図に示す撮像管24へ入り、ここで上記光L1
は、電気的信号に変換される。以後のデータの処理方法
は、上記第１の評価装置で述べた通りである。

ただし、断面42全域の光散乱トモグラフィ画像を得る
場合には、第７図に示した評価装置によると、集光レン
ズ45が取り付けられた支持台44がウェーハ41に沿って矢
印Ｃ、あるいはＣ′方向に動いて得るようになる。

また、パルスモータ制御装置48は、第６図に示すコン
ピュータ26から出された信号S2を検知し、制御信号をパ
ルスモータ47に送り、試料ステージ40を所定量、本実施
例では、YAGレーザ光43の入射角が２゜変化するだけの
量だけ動かす。

以上のように、本発明による評価装置では、基板に対
するレーザ光の入射角が変わるように試料ステージ、あ
るいはレーザ光を照射する部分を動かすことによって、
基板に対するレーザ光の入射角を変える手段を具備して
いる。よって、レーザ光の入射角を任意に設定すること
ができ、本発明に係わる基板の評価方法が実現可能とな
る。

したがって、素子が形成された、あるいは形成途中で
の半導体基板の評価が可能となり、これによって得られ
たトモグラフィ画像は、例えばどの工程中に、どのよう
な内部欠陥を生じたかを調べることを可能とし、この欠
陥を生じた工程の改善等の目安となり得る。

［発明の効果］ 以上説明したようにこの発明によれば、規則的に素子
が形成された半導体基板でも、基板内部の欠陥を探知で
きる半導体基板の評価方法およびその評価装置が提供さ
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の原理を示す断面図、第２図はレーザ
光の波動を表わす図、第３図は入射角０゜時の光散乱ト
モグラフィ画像、第４図は画像合成時の光散乱トモグラ
フィ画像、第５図はこの発明に係わる第１の評価装置を
略的に示す斜視図、第６図はこの発明のデータの処理方
法のブロック図、第７図はこの発明に係わる第２の評価
装置を略的に示す斜視図である。 １……基板、２……素子、３……レーザ光、４〜７……
干渉縞、８……内部欠陥、10……試料ステージ、11……
ウェーハ、12……ウェーハ断面、13……YAGレーザ、14
……YAGレーザ発生装置、15……光ファイバー、16……
集光レンズ、17……支持台、18……レール、19……パル
スモータ、20……パルスモータ制御装置、21……ケーブ
ル、22……散乱光、23……対物レンズ、24……撮像管、
25……フレームメモリ、26……コンピュータ、27……CR
T、28……ディスク、29……プリンタ、30……ハードコ
ピー、40……試料ステージ、41……ウェーハ、42……ウ
ェーハの断面、43……YAGレーザ、44……支持台、45…
…集光レンズ、46……レール、47……パルスモータ、48
……パルスモータ制御装置、49……ケーブル、50……散
乱光、51……対物レンズ。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザ光による半導体基板の光散乱トモグ
   ラフィ画像を得て、これにより基板内部の欠陥を探知す
   る半導体基板の評価方法において、 前記基板に対する前記レーザ光の入射角を任意に変えて
   複数設定し、複数設定された各入射角毎に前記レーザ光
   を照射し、これにより得られた各光散乱トモグラフィ画
   像をそれぞれ合成する画像処理を行ない、一つの光散乱
   トモグラフィ画像を得ることを特徴とする半導体基板の
   評価方法。
2. 【請求項２】前記入射角は、前記レーザ光の少なくとも
   １波長の光路差を生ずるだけ走査されることを特徴とす
   る請求項（１）記載の半導体基板の評価方法。
3. 【請求項３】半導体基板を載置し、かつこれを水平方向
   に移動させる手段と、 前記基板面に対して所定角度でレーザ光を照射する手段
   と、 前記基板面に対する前記レーザ光の入射角を変える手段
   と、 前記レーザ光によって前記基板内部から生じる散乱光を
   受け、これを電気的信号に変換する手段と、 前記入射角を変える毎に得られた前記電気的信号をそれ
   ぞれ記憶する手段と、 これらの記憶された前記電気的信号をおのおの引き出
   し、それぞれ合成する手段と、 合成された電気的信号を１つの画像に変換する手段とを
   具備することを特徴とする半導体基板の評価装置。