JPH07239307A - 結晶体の内部欠陥の検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 赤外線が物質面に対して低い角度で入射する
と、この入射赤外線がその物質表面で全反射することを
利用し、高効率で赤外線を結晶体表面近傍に入射可能と
し、かつ、結晶体の表面状態に影響を受けにくく、結晶
体の表層部の内部欠陥を確実に検出する方法を提案す
る。 【構成】 赤外線ＩＲをウェーハ１２の裏面１２Ａから
所定の入射角で入射する。ウェーハ１２の内部を透過し
た赤外線は、その表面１２Ｂで全反射するように赤外線
ＩＲを表面近傍に導く。ウェーハ１２の内部欠陥ｄに赤
外線ＩＲが照射されると、光散乱が生じる。この９０゜
散乱光を集光してセンサ１４に結像させることで、内部
欠陥を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、結晶体の裏面から内部
へ赤外線を入射し、赤外線の全反射を利用して結晶体の
表面近傍に存在する内部欠陥（酸素析出物、転位、積層
欠陥、双晶面、不純物の析出、偏析等）を検出する検出
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体結晶は赤外線を透過する性質を有
する。従来より、この性質を利用して半導体結晶体の内
部に存在する結晶欠陥の検出が行われていた。すなわ
ち、図５ａ，ｂに示すように、シリコンウェーハＷの劈
開面ＷＡから内部に赤外線レーザビームＩＲを入射し
て、結晶欠陥からの散乱光を鏡面ＷＢから対物レンズ５
２を通してセンサ５３で検出する方法（ここではｌａｙ
ｅｒ−ｂｙ−ｌａｙｅｒ法）と、シリコンウェーハＷの
鏡面ＷＢから内部に赤外線レーザビームＩＲを入射して
結晶欠陥からの散乱光を劈開面ＷＡから対物レンズ５２
を通してセンサ５３で検出する方法（ここでは断面観察
法）に分けられる。

【０００３】この両方法の場合で、結晶欠陥はこの単結
晶ウェーハの内部のどの位置にも存在、分布する。しか
しながら、一般的にＩＣ等デバイスを製造する際に問題
となるのは、結晶表面（鏡面）ＷＢ〜１０ミクロン程度
の深さに存在する結晶欠陥である。したがって、この表
面近傍範囲に存在する結晶欠陥を精度良く検出できるこ
とが望まれる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記従来技
術では、表面近傍の結晶欠陥の検出には限界があった。
というのは、ｌａｙｅｒ−ｂｙ−ｌａｙｅｒ法では表面
近傍の結晶欠陥を捕らえるためには赤外線レーザビーム
ＩＲを表面近傍まで近づける。そうすると劈開面ＷＡと
鏡面ＷＢの角のたれの影響や、表面をつたわってビーム
が回り込み表面上についた劈開くず等が散乱する影響、
さらに表面からの深さ方向が検出側、対物レンズの焦点
深度方向となるため深さ分解能が劣り（焦点深度約１０
μｍ程度）、限界があった。また、断面観察法では深さ
分解能は優れているが、赤外線レーザビームＩＲの入射
の際の散乱によって、表面近傍の結晶欠陥からの散乱光
がかきけされ、表面近傍の結晶欠陥の検出は困難であっ
た。また、上記従来技術では表面の状態に影響され、結
晶体表面に電極等赤外線を散乱させるか、もしくは透過
しない物質がつくりこまれているサンプルでは、その直
下の欠陥評価は困難であった。

【０００５】そこで本願発明者は、サンプルを図１のよ
うに１箇所劈開して赤外線レーザビームＩＲをサンプル
の裏面から入射して表面近傍へ赤外線レーザビームＩＲ
を低角度で導入することを案出した。そうすると入射面
を劈開面にしなくてよく、表面からの分解能については
光学系の焦点深度方向でないので分解能についても優れ
ている。また、赤外線レーザビームの入射面が裏面で、
散乱光の検出側の面が劈開面である。このため、結晶体
表面に、赤外線を散乱させるか、もしくは透過しない材
質がつくりこまれている、デバイス工程を経たサンプル
でも、結晶体表面を、赤外線の入射や散乱光の検出に使
わないために、表面の状態に影響されずにデバイスの直
下が評価できるという知見を得た。

【０００６】本発明は、表面近傍に存在する結晶欠陥を
検出することができ、深さ分解能についても優れ、さら
に、結晶体表面に赤外線を散乱させるか、もしくは透過
しない材質がつくりこまれているデバイス工程を経たサ
ンプルについてもデバイス直下が観察できる方法を提供
するものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載した発明
は、板状の結晶体の内部を透過した赤外線をその表面に
おいて全反射させることにより、該結晶体の内部に存在
する結晶欠陥を検出する結晶体の内部欠陥の検出方法で
あって、上記赤外線を上記結晶体の裏面から入射した結
晶体の内部欠陥の検出方法である。

【０００８】

【作用】請求項１に記載の発明にあっては、赤外線を板
状の結晶体の裏面から所定の入射角で入射する。結晶体
の内部を透過した赤外線は、結晶体の表面に対して所定
の低い角度で入射し、その表面で全反射する。このと
き、この結晶体の内部欠陥に赤外線が照射されると、光
散乱が生じる。よって、この散乱光を例えば集光レンズ
を介してセンサに結像させて検出することにより、結晶
体に存在する内部欠陥を検出することができる。そし
て、所定の入射角で入射するため、結晶体を載置面内で
回転させることもできる。そうすると、光学系で構成し
たセンサ機構を複雑な構成とすることなく、その入射角
度を容易に調整することができる。また、装置全体とし
て構成を簡単なものとすることができる。

【０００９】図１は本発明装置の原理を示すものであ
る。本発明によれば、赤外線レーザＩＲをレーザ発振器
１１から発振し、所定の入射角で板状の結晶体１２の裏
面１２Ａから結晶体１２に入射する。赤外線レーザＩＲ
は結晶体１２の内部を透過し、その表面１２Ｂに所定の
低角度で入射し、全反射する。この赤外線レーザＩＲの
透過経路にあって内部欠陥ｄが存在すると、赤外線レー
ザＩＲの一部は散乱する。この散乱した光を例えばレン
ズ１３により集光し、センサ１４に結像させる。このよ
うにして結晶体１２の内部（特に表層部）に存在する内
部欠陥ｄを検出するものである。この結果、内部欠陥ｄ
の分布位置、分布密度等を判定することができる。すな
わち、当該結晶体１２の品位等を判別することができ
る。

【００１０】

【実施例】本発明方法を実施するための赤外線トモグラ
フィー装置を実施例に基づいて以下説明する。図２〜図
４は本発明の一実施例を説明するための図であり、図２
は赤外線トモグラフィー装置の全体構成の概略を示す
図、図３は回転ステージ部分を示す平面図、図４はモニ
タに表示される内部欠陥の分布を示す図である。

【００１１】これらの図において、２１は装置本体であ
って、水平台部分と垂直支持体部分とを備えている。水
平台部分には試料ウェーハＷを保持するためのサンプル
ホルダ２２が配設されている。このサンプルホルダ２２
の側方には試料ウェーハＷに対して赤外線レーザＩＲを
照射するための赤外線照射機構部２３が配設されてい
る。また、サンプルホルダ２２の上方にあっては、試料
ウェーハＷの内部欠陥を検出するための検出機構部２４
が垂直支持体部分に支持されて配設されている。２５は
これらのサンプルホルダ２２、赤外線照射機構部２３、
検出機構部２４の動作等を制御するための制御機構部で
ある。

【００１２】サンプルホルダ２２は、試料であるシリコ
ンウェーハ（スライスされたウェーハを矩形形状に劈開
したもの）Ｗを載置、保持する回転ステージ（ターンテ
ーブル）３１を有している。回転ステージ３１は水平面
内で３６０度回転可能であり、かつ、微動も可能であ
る。また、サンプルホルダ２２自体は上下に移動自在
で、かつ、水平面内で直交する方向に移動自在に設けら
れている。３２，３３，３４は上下、水平の各方向（Ｘ
軸，Ｙ軸，Ｚ軸方向）にサンプルホルダ２２をそれぞれ
移動するためのモータである。これらのモータ３２，３
３，３４はいずれもコントローラ７４（後述）からの出
力によって制御される。

【００１３】赤外線照射機構部２３は、赤外線レーザ光
源４１（例えば炭酸ガスレーザ発振器、Ｎｄ／ＹＡＧレ
ーザ発振器）を有している。４４は赤外線レーザ光源４
１に付設された絞り用レンズである。このレンズ４４に
より赤外線レーザのビーム径を任意の値（例えば５〜５
０μｍ）に絞るものである。

【００１４】検出機構部２４は、回転ステージ３１の直
上に上下動自在に配設された赤外線テレビカメラ６１
と、鏡筒に取り付けられた対物レンズ６２とを有してい
る。６４は赤外線テレビカメラ６１のＣＣＤセンサであ
る。６５は対物レンズ６２のピントを赤外線レーザビー
ムＩＲの試料ウェーハＷ表面での反射点位置に合わせる
ためのモータである。したがって、試料ウェーハＷ表面
からの散乱光は、対物レンズ６２によりＣＣＤセンサ６
４に集光、結像されることとなる。

【００１５】制御機構部２５は、コンピュータ７１、モ
ニタ７２、キーボード７３等で構成されている。コンピ
ュータ７１は、周知の構成であって、Ｉ／Ｏ、ＲＡＭ、
ＲＯＭ、ＣＰＵ等によって構成されている。コンピュー
タ７１に外部記憶装置等を付設してもよい。なお、コン
ピュータ７１への各種入力はＡ／Ｄコンバータによりデ
ィジタル信号として入力される。入力としては、キーボ
ード（マウス等でもよい）７３による指示入力の他、赤
外線テレビカメラ６１からの信号が設定されている。コ
ンピュータ７１は各種入力に基づいて演算等を行い、コ
ントローラ７４、モニタ７２に各種制御信号、画像信号
等を出力する。すなわち、コンピュータ７１により、サ
ンプルホルダ２２の各種の動き、赤外線レーザ光源４１
の発振のＯＮ／ＯＦＦ、ＣＣＤセンサ６４に対する対物
レーザ６２のピント合わせ動作、モニタ７２への画面表
示が制御される。

【００１６】以上の構成の赤外線トモグラフィー装置を
用いて試料ウェーハＷの内部欠陥ｄを検出する方法につ
いて以下説明する。

【００１７】まず、検出対象の試料ウェーハＷを回転ス
テージ３１の上に載置する。ウェーハ表面（鏡面すなわ
ちデバイス形成面）を横にして載置する。試料ウェーハ
Ｗは例えば円形ウェーハを劈開し直方体形状としたもの
とする。そして、キーボード７３によりコンピュータ７
１に対して検出開始位置を入力する。コンピュータ７１
は、このキーボード入力または予め入力してあった開始
位置に基づいて、コントローラ７４を制御し、コントロ
ーラ７４は各モータ３２，３３，３４に所定の出力を行
う。回転ステージ３１はＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の３方向に駆
動され、また、回転して、その位置および回転角度が設
定される。

【００１８】回転ステージによりサンプルを回転させ、
調節する。この結果、赤外線レーザＩＲは試料ウェーハ
Ｗの裏面から所定の角度で入射可能とされ、ウェーハＷ
表面の所定の検出位置にて全反射するように設定され
る。

【００１９】この位置制御が終了した状態で、焦点合わ
せ用のモータ６５を駆動し、対物レンズ６２のピントが
赤外線レーザビームの全反射点位置に合うように調整し
た後、鏡筒長微調用モータを駆動し、対物レンズ６２の
結像位置がＣＣＤセンサ６４上に一致するように調整す
る。

【００２０】上記位置合わせとピント合わせを完了した
後、キーボード７３から検出動作の開始指令を与える
と、コンピュータ７１は次のようにしてウェーハＷ表層
部（例えば深さ５〜５０μｍの範囲）に存在する内部欠
陥の検出動作を開始させる。すなわち、ウェーハＷの裏
面から所定角度で入射された赤外線レーザビームＩＲは
ウェーハＷの表面に所定角度（例えば３゜）で当たり、
この表面にて全反射される。このとき、この赤外線レー
ザビームＩＲの全反射点位置に内部欠陥が存在すると、
赤外線レーザビームＩＲの一部がこの内部欠陥によって
散乱される。そして、この内部欠陥からの散乱光は、対
物レンズ６２によって集光され、ＣＣＤセンサ６４上に
結像される。

【００２１】ＣＣＤセンサ６４上に結像された内部欠陥
像の画像データは、ＣＣＤセンサ読出回路によって画素
単位で順次読み出され、Ａ／Ｄコンバータにおいてディ
ジタルデータに変換された後、コンピュータ７１に入力
される。コンピュータ７１は、このＣＣＤセンサ６４か
ら送られてくる内部欠陥像の画像データをフレームメモ
リの対応するアドレス位置に書き込む。

【００２２】次いで、例えばＺ軸移動モータ３２を駆動
し、回転ステージ３１を所定のピッチ、例えばＣＣＤセ
ンサ６４の画素単位でＺ軸（上下）方向に順次移動し、
それぞれの位置において上述と同様の内部欠陥の検出動
作を行ない、それぞれの位置に存在する内部欠陥の画像
データをフレームメモリに格納する。このようにしてウ
ェーハＷのＺ軸方向全幅に亘って赤外線レーザビームＩ
Ｒによる走査を終了すると、ウェーハＷ表面近傍のＺ軸
方向に沿った内部欠陥像を得ることができる。

【００２３】次に、Ｘ軸移動モータ３３を駆動し、回転
ステージ３１全体を所定のピッチ、例えばＣＣＤセンサ
６４の画素単位でＸ軸方向に順次移動することにより、
全反射点のＸ軸方向位置を順次変え、それぞれのＸ軸方
向位置において、上述と同様のＺ軸方向に沿った内部欠
陥の検出動作を行なう。

【００２４】さらに、同様にしてＹ軸方向の移動を行い
同様にウェーハＷ表面内での全域について走査すること
により、フレームメモリにはウェーハ表面の全域につい
ての内部欠陥の画像データが格納される。そして、フレ
ームメモリに格納された画像データをモニタ７２に表示
すると、例えば図４に示すように、結晶表面から所定の
深さ範囲（例えば５〜５０μｍ）内に存在するすべての
内部欠陥の像を得ることができる。

【００２５】また、上記ピント合わせ等の操作は手動で
行うことも可能である。さらに、半導体結晶としてシリ
コンウェーハを例示したが、これに限られることはな
く、赤外線ＩＲが透過する結晶体であれば例えばガリウ
ム−ヒ素結晶であっても、本発明はその全てについて適
用することができることはいうまでもない。

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、高効率で赤外線を結晶
体の表面近傍に導くことができる。また、結晶体の表面
の状態に影響されずに、結晶体の表層部の内部欠陥を確
実に検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る結晶体の内部欠陥の検出方法の原
理を説明するための模式的な斜視図である。

【図２】本発明の一実施例に係る赤外線トモグラフィー
装置の全体構成の概略を示す図である。

【図３】本発明の一実施例に係る赤外線トモグラフィー
装置の回転ステージ部分を示す平面図である。

【図４】本発明の一実施例に係る赤外線トモグラフィー
装置のモニタにて表示される内部欠陥の分布を示す図で
ある。

【図５】従来の検出方法（ｌａｙｅｒ−ｂｙ−ｌａｙｅ
ｒ法，断面観察法）の原理を説明するための図である。

【符号の説明】

１１ 赤外線レーザ発振器 １２ シリコンウェーハ １２Ａ シリコンウェーハの裏面 １４ ＣＣＤセンサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 新行内 隆之 埼玉県大宮市北袋町一丁目297番地 三菱 マテリアル株式会社中央研究所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 板状の結晶体の内部を透過した赤外線を
   その表面において全反射させることにより、該結晶体の
   内部に存在する結晶欠陥を検出する結晶体の内部欠陥の
   検出方法であって、 上記赤外線を上記結晶体の裏面から入射したことを特徴
   とする結晶体の内部欠陥の検出方法。