JPH08220004A - 部材の検査装置および部材の検査方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 半導体基板等の部材の表面に存在する異物と
表面近傍に存在する部材の欠陥とを区別することを可能
とし、半導体基板等の品質を向上させる。 【構成】 半導体基板等の部材を透過する光を走査さ
せ、部材の欠陥による光の位相の変化を検出する光分割
検出器５０を少なくとも有する検査装置であって、検出
した光の位相変化の現われ方を検出する信号変化状態検
出回路６２と、この信号変化状態検出回路６２で検出し
た光の位相変化の現われ方に基づき、部材内の欠陥と部
材の表面に付着した異物との判別を行なう欠陥部位判別
回路６３とを設けた部材の検査装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体基板などの部材
の検査技術に係り、特に、チョクラルスキ−（CZ：Czoc
hralski）法で成長させたシリコン部材表面の近傍に存
在する微小な結晶欠陥である酸素析出物を高精度に検出
するのに好適な部材の検査装置および部材の検査方法に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】高集積回路素子は、半導体基板の表面お
よび近傍に形成され、その素子の特性は半導体基板の表
面近傍の状態に強く影響される。特に、半導体基板の表
面近傍に結晶欠陥が存在すると、ゲート酸化膜の耐圧低
下やキャパシタの電流リークの増加などの素子特性の劣
化が起こると考えられている。この表面近傍の結晶欠陥
密度、特に、格子間酸素を多量に含むCZシリコン基板に
おける酸素析出物密度と素子の歩留りとの相関関係が明
らかになれば、どのようなシリコン結晶を使用すべき
か、あるいはどのようなシリコン基板は不良が多発する
ので使用すべきでないということが明らかになるはずで
ある。従って、シリコン半導体基板の表面近傍の酸素析
出物密度を評価する技術が求められている。

【０００３】熱処理によってCZシリコン結晶中に析出し
てくる酸素析出物は大きくても直径０.３μｍ程度の大
きさである。表面近傍において、これ以上の大きさのも
のが存在する場合は、これは酸素析出物以外のものであ
ると考えて間違いない。従って、これより小さいものに
おいて、酸素析出物であるか、基板の表面に付着した異
物であるかを判別する必要がある。

【０００４】シリコン半導体結晶基板の表面近傍に存在
する微小結晶欠陥である酸素析出物を検出する技術とし
て、表面をエッチングした後、光学顕微鏡で観察するこ
とがよく行われる。すなわち、欠陥の存否によってエッ
チング速度が異なるので基板表面に凹凸ができ、光学顕
微鏡による欠陥の存在場所の確認が可能となる。しか
し、この検査技術には、破壊検査であること、および、
化学的な処理が必要であることなどの欠点がある。この
ようなエッチングをする検査に代わるものとして、半導
体結晶を透過する光の側方散乱光を検出するものが知ら
れており、「ジャーナル・オブ・クリスタル・グロース
（Journal of Crystal Growth）」誌の１０８巻（１９
９１）の第４８２頁から第４９０頁に詳しく述べてあ
る。この技術においては、エッチングはしないが基板を
割る必要があり、非破壊ではない。散乱光を検出するこ
の半導体の検査技術は、結晶内部の欠陥を検出するのに
適している。

【０００５】しかし、この側方散乱光を用いた検出技術
では、基板の表面近傍の欠陥計測は困難であり、表面近
傍の欠陥を検出するのには適していない。また、半導体
結晶からの反射散乱光を検出することにより表面近傍に
存在する結晶欠陥を検出する従来技術があるが、この技
術においても、結晶欠陥からの反射散乱光を検出した場
合、それが基板表面に付着した異物によるものなのか、
あるいは、結晶欠陥によるものなのか容易に区別がつか
ない。その結果、このようなデータを用いて半導体基板
に対する歩留まりの評価をすると、その評価は誤差を含
むことになる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】解決しようとする問題
点は、従来の技術では、半導体基板等の表面に付着した
異物と、表面近傍に存在する欠陥とを容易に区別するこ
とができない点である。本発明の目的は、これら従来技
術の課題を解決し、半導体等の結晶欠陥の検出精度を向
上させ、半導体基板等に対する歩留まりの評価を高信頼
化させ、半導体基板等の部材の品質の向上を可能とする
部材の検査装置および部材の検査方法を提供することで
ある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の部材の検査装置は、（１）部材（半導体内
部）を透過する光を走査させ、半導体の欠陥による光の
位相の変化を検出する手段（光分割検出器５０）を少な
くとも有する検査装置であって、検出した光の位相変化
の現われ方を検出する検出手段（信号変化状態検出回路
６２）と、この信号変化状態検出回路６２で検出した光
の位相変化の現われ方に基づき、半導体基板４１内の欠
陥と半導体基板４１の表面に付着した異物との判別を行
なう判別手段（欠陥部位判別回路６３）とを設けること
を特徴とする。また、（２）上記（１）に記載の部材の
検査装置において、各々隣接した位置で部材（半導体基
板４１）を走査および透過した光を受光し、この受光し
た光の強度に対応する信号強度を出力する第１、第２の
受光回路（検出面５１、５２を有する光分割検出器５
０）と、この光分割検出器５０から出力された信号強度
の差を走査順に出力する比較回路（差分電子回路６１）
とを設け、信号変化状態検出回路６２は、差分電子回路
６１から走査順に出力される信号強度差の変化の現われ
方に基づき上記光の位相変化の現われ方の検出を行なう
ことを特徴とする。また、（３）部材（例えばグラファ
イトのような結晶性試料で良く、ここでは半導体基板４
１を例に上げている）を透過する波長の光（出射光１
２）を発生する光源１１と、この光源１１からの光を集
光する光学系（レンズ２１、２２）と、集光位置で半導
体基板４１を保持して走査させる走査機構６０と、半導
体基板４１を透過した光を複数に面積分割して受光し、
各々の受光強度に対応する信号を出力する光分割検出器
５０と、この光分割検出器５０から走査順に出力される
各信号の差分を出力する差分電子回路６１とを少なくと
も有し、この差分電子回路６１から走査順に出力される
差分信号の変化に基づき、半導体基板４１の欠陥を検出
する検査装置であって、差分電子回路６１から走査順に
出力される差分信号の変化の現われ方を検出する信号変
化状態検出回路６２と、この信号変化状態検出回路６２
で検出した差分信号の変化の現われ方に基づき、半導体
基板４１の欠陥と半導体基板４１の表面に付着した異物
との判別を行なう欠陥部位判別回路６３とを設けること
を特徴とする。そして、本発明の部材の検査方法は、
（４）部材（半導体基板４１）を透過する光を走査さ
せ、半導体基板４１の欠陥による光の位相の変化を検出
して、半導体基板４１の欠陥の有無を判定する検査方法
であって、半導体基板４１を走査および透過した光の位
相変化の現われ方を検出し、この検出した光の位相変化
の現われ方に基づき、半導体基板４１上記部材内の欠陥
と上記部材の表面に付着した異物との判別を行なうこと
を特徴とする。また、（５）上記（４）に記載の部材の
検査方法において、各々隣接した位置で部材を走査およ
び透過した光を受光し、この受光した各々の光の強度に
対応する信号強度を出力し、この各々の信号強度の差を
走査順に出力し、この走査順に出力される信号強度差の
変化の現われ方に基づき、光の位相変化の現われ方の検
出を行なうことを特徴とする。また、（６）部材（半導
体基板４１）を透過する波長の光を発生させ、この光を
集光し、この集光位置で半導体基板４１を保持して走査
し、半導体基板４１を透過した光を複数に面積分割して
受光し、各々の受光強度に対応する信号を走査順に出力
し、この出力信号の差分を出力し、この差分信号の走査
順の変化に基づき半導体基板４１の欠陥の検出を行なう
検査方法であって、走査順に出力される差分信号の変化
の現われ方を検出し、検出した差分信号の変化の現われ
方に基づき、半導体基板４１の欠陥と、この半導体基板
４１の表面に付着した異物との判別を行なうことを特徴
とする。

【０００８】

【作用】本発明においては、例えば、半導体基板中の酸
素析出物の検出信号の方向と、半導体基板の表面の異物
の検出信号の方向とに相違があることに着目して、半導
体基板の表面近傍に存在する結晶欠陥と半導体基板の表
面に付着した異物との判別を行なう。シリコン結晶マト
リックスの屈折率は３.５７で、酸素析出物の屈折率は
およそ１.４７であるので、酸素析出物の存在しないと
ころと比較して波面の進行に差が生じる。すなわち、光
の位相に変化が生じ、酸素析出物中では光の波面はシリ
コン結晶中より早く進むことになり、もし、酸素析出物
を含んだ半導体基板をレーザ光に対して左から移動させ
ていくと、このときの信号強度の波形は図３のように、
増加した後、減少し、さらに、増加に転じる。このこと
により、半導体基板内部の酸素析出物の検出が可能とな
る。また、半導体基板の表面に異物が付着している場
合、表面の異物の屈折率は一般的に空気より大きいの
で、表面異物中での出射光の波面の速度は空気中と比較
して遅くなる。すなわち、位相の遅れが生じる。このた
め、表面異物を出射光が照射したとき、出射光の曲がる
方向は、シリコン結晶中の酸素析出物の場合とは逆とな
る。従って、表面異物の付着した半導体基板を左から移
動させると、図５のように、減少した後に増加し、さら
に、減少に転じる。このように、例えば半導体基板中の
酸素析出物と半導体基板表面に存在する異物とは、異な
る出力信号を発生するので、この出力信号を比較するこ
とにより、それぞれを判別することができる。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の実施例を、図面により詳細に
説明する。図１は、本発明の部材の検査装置の本発明に
係る構成の一実施例を示すブロック図である。本実施例
は、半導体基板の検査装置を例としており、本図におい
て、１１はシリコン結晶の半導体基板４１内部を透過す
る波長の光を発生する光源、２１、２２は光源１１から
の光（出射光１２）を集光する光学系としてのレンズ、
６０は集光位置で半導体基板４１を保持して走査させる
走査機構、５０は半導体基板４１を透過した光を複数に
面積分割して受光し、各々の受光強度に対応する信号を
出力する本発明の第１、第２の受光手段としての光分割
検出器、６１は光分割検出器５０から走査順に出力され
る各信号の差分を出力する本発明の比較手段としての差
分電子回路、６２は差分電子回路６１から走査順に出力
される差分信号の変化状態を検出する信号変化状態検出
回路、６３は信号変化状態検出回路６２の検出結果に基
づき、差分信号の変化が半導体基板の表面近傍に存在す
る結晶欠陥によるものか、もしくは、半導体基板の表面
に付着した異物によるものかを判別する欠陥部位判別回
路である。

【００１０】このような構成とし、また、以下の動作に
より、本実施例の半導体基板検査装置では、検査試料と
しての半導体基板４１の表面近傍に存在する結晶欠陥と
半導体基板表面に付着した異物との判別を容易に行なう
ことができる。すなわち、光源１１からは、シリコン結
晶の半導体基板４１を透過可能な波長の光（出射光１
２）が出射する。この出射光１２をレンズ２１でコリメ
ートし、レンズ２２で半導体基板４１上に細く絞り込
む。半導体基板４１からの透過光は検出面５１、５２で
構成される光分割検出器５０で検出される。差分電子回
路６１では光分割検出器５０からの各々の信号を増幅し
た後、両者の差分を取る。それぞれの増幅率は、酸素析
出物あるいは表面上の異物を光が照射しないとき、両者
の差がほぼ零となるように設定する。

【００１１】このような状態で、走査機構６０により、
半導体基板４１に含まれる酸素析出物を通過するよう
に、もしくは、半導体基板４１の表面上の異物を通過す
るように走査すると、後述の図３、図５に示すような信
号が得られる。欠陥の中心を走査したとき、差分信号は
ほぼ零となる。信号変化状態検出回路６２、および、欠
陥部位判別回路６３は、コンピュータを含む電子回路で
あり、信号変化状態検出回路６２は、画像記憶装置を有
して、後述の図３、図５に示すような波形を記憶し、ソ
フトウエアにより、記憶した波形を解析して、信号の変
化状態を検出する。そして、欠陥部位判別回路６３は、
この信号の変化状態に基づき、検出された欠陥が、表面
上の異物によるものか、あるいは、酸素析出物によるも
のかを判別する。その判別結果を、図示していない表示
装置に画像等の情報として表示する。

【００１２】尚、本実施例の半導体基板検査装置は、半
導体基板の表面における異物と表面近傍に存在する酸素
析出物との判別を行なうことを主たる目的としている
が、半導体基板４１内部の酸素析出物の検出も当然可能
である。そのとき、照射光の焦点位置が基板表面からど
の程度の深さにあるかを知るために、本図１に示す実施
例においては、共焦点顕微鏡光学系を付加している。こ
の共焦点顕微鏡光学系により半導体基板表面の位置を特
定できるので、そこを基準として、絞り込まれた光のビ
ームウエストが半導体内部にどの程度入ったかを知るこ
とができる。本実施例においては、半導体基板４１の表
面からの反射光はレンズ２２を戻り、半透鏡３１で反射
され、レンズ２３でピンホール３２上に絞り込まれる。
ピンホール３２を透過した光は検出器５６で検出され
る。共焦点光学系においては、絞り込んだ照射光のビー
ムウエストに反射面があるとき、検出光量が最大にな
る。すなわち、半導体基板４１の表面がレンズ２２の焦
点位置にあるとき、検出器５６の出力が最大になる。こ
の位置を表面とすることによりビームウエストの深さを
推定できる。検出器５６の信号を画像信号として使用す
るならば、高分解能な共焦点画像を得ることが可能であ
る。

【００１３】従来の技術において述べたように、熱処理
によってCZシリコン結晶中に析出してくる酸素析出物は
大きくても直径０.３μｍ程度の大きさであり、表面近
傍においてこれ以上の大きさのものが存在する場合は、
これは酸素析出物以外のものであると考えて間違いな
い。従って、本実施例の半導体検査装置では、これより
小さいものにおいて、酸素析出物であるか異物であるか
を判別する。以下、このような判別動作の詳細を、図２
〜図５を用いて説明する。まず、図２および図３を用い
て、異物が半導体基板の表面近傍に存在する場合を考え
る。

【００１４】図２は、図１における半導体検査装置によ
る半導体基板の欠陥検出状態の第１の具体例を示す説明
図であり、図３は、その欠陥検出状態の信号波形例を示
すグラフである。本例においては、シリコン結晶からな
る半導体基板４１に、表面近傍に酸素析出物４２が存在
している。この半導体基板４１の表面上にレーザ光（出
射光１２）を細く集光する。そして、透過光を検出面５
１、５２で構成される光分割検出器５０で検出し、その
出力をオペアンプ等からなる差分電子回路６１に入力し
て差をとる。半導体基板４１の表面が清浄で、かつ酸素
析出物が照射光の照射領域に存在しないとき、すなわち
照射光の波面に乱れが生じないとき、差分電子回路６１
からの信号強度はゼロになるように設定してある。

【００１５】本図２に示すように、半導体基板４１中の
酸素析出物４２を照射光が照射しているときは、シリコ
ン結晶マトリックスの屈折率は３.５７であり、酸素析
出物４２の屈折率はおよそ１.４７であるので、酸素析
出物４２の存在しないところと比較して波面の進行に差
が生じる。すなわち、光の位相に変化が生じ、酸素析出
物４２中では光の波面はシリコン結晶中より早く進むこ
とになる。ここで、酸素析出物４２を含んだ半導体基板
４１をレーザ光（出射光１２）に対して左から移動させ
ていく場合を考える。このときの信号強度の波形は図３
のようになり、酸素析出物４２のないところを照射光が
照射しているときは差分電子回路６１からの出力信号６
４はゼロである。

【００１６】酸素析出物４２が出射光１２の左に入った
ときは、出射光１２の進行方向は右に曲げられ、光分割
検出器５０の検出面５２に光が強く入射することにな
る。差分電子回路６１からの差分出力は、光分割検出器
５０の検出面５２の強度から検出面５１の強度を減じた
ものになっているので、図３に示すように、増加した
後、減少することになる。さらに半導体基板４１が移動
して、出射光１２の右側に存在するようになると、検出
面５１の方に光が強く入射するので、図３に示すよう
に、差分信号はさらに減少した後、増加に転じることに
なる。

【００１７】次に、図４および図５を用いて、異物が半
導体基板の表面に存在する場合を考える。図４は、図１
における半導体検査装置による半導体基板の欠陥検出状
態の第２の具体例を示す説明図であり、図５は、その欠
陥検出状態の信号波形例を示すグラフである。図４に示
すように、半導体基板４１の表面に異物（表面異物４
３）が付着している。表面異物４３の屈折率は一般的に
空気より大きいので、表面異物４３中での出射光１２の
波面の速度は空気中と比較して遅くなる。すなわち、位
相の遅れが生じる。このため、表面異物４３を出射光１
２が照射したとき、出射光１２の曲がる方向はシリコン
結晶中の酸素析出物の場合とは逆となる。従って、表面
異物４３の付着した半導体基板４１を左から移動させた
とき、図５のような出力波形を得ることになる。このよ
うに、シリコン結晶中の酸素析出物とシリコン結晶基板
表面に存在する異物とは異なる出力信号を発生するの
で、この出力信号の状態を比較することにより、それぞ
れの判別を容易に行なうことができる。

【００１８】以上、図１〜図５を用いて説明したよう
に、本実施例の半導体基板検査装置では、微小欠陥の屈
折率と半導体結晶マトリックスの屈折率の差をもとに半
導体内部に存在する微小欠陥を検出するだけでなく、検
出した信号強度の増加減少の順序を解析し、半導体基板
の表面近傍に存在する結晶欠陥と半導体基板表面に付着
した空気中に存在する異物とを判別することができる。
一般に、半導体製造工程における半導体基板は、種々の
熱処理工程を通過する。この熱処理工程により半導体基
板内部の酸素析出物の大きさあるいは分布、個数密度が
変化するが、本実施例の半導体基板検査装置では、特に
基板の表面近傍における酸素析出物の変化を、表面異物
の存在を除外して、知ることができる。その変化を検出
する場合、同じ半導体製造工程にダミー基板を流し、そ
れぞれの工程の後で抜き取り、本実施例の半導体基板検
査装置で検査することができる。

【００１９】また、本実施例の半導体基板検査装置によ
る検査は非破壊であるので、一枚のダミー基板を検査
後、工程に戻すことにより、同一場所の欠陥の変化をモ
ニタすることも可能である。また、製造途中の半導体装
置において、本実施例の半導体基板検査装置によりパタ
ーンの少ない部分を検査することにより、不良の発生を
早い段階で探知することもできる。さらに不良品を、そ
れが発覚した段階で抜き取ることにより、それ以降の工
程の無駄を防止することもできる。このようにして半導
体製造工程の品質管理の向上が可能になる。

【００２０】尚、本発明は、図１〜図５を用いて説明し
た実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱し
ない範囲において種々変更可能である。例えば、本実施
例では、半導体基板内部の酸素析出物が基板表面からど
の程度の深さにあるかを知るために、共焦点顕微鏡光学
系を付加した構成としているが、このような共焦点顕微
鏡光学系を具備しないものでも良い。また、本実施例の
光分割検出器は２分割での例を示しているが、２分割以
上の検出器を使用することでも良い。さらに、本実施例
では半導体基板の検査を例にして説明したが、光を透過
する他の部材、例えば、液晶などに対しても適用可能で
ある。

【００２１】

【発明の効果】本発明によれば、半導体基板等の部材の
表面に存在する異物と部材の表面近傍に存在する欠陥と
を容易に区別することができ、半導体等の結晶欠陥の検
出精度を向上させ、例えば半導体基板に対する歩留まり
の評価を高信頼化でき、また、本発明の部材基板検査装
置を半導体製造工程に使用することで、半導体製造工程
の品質管理を向上でき、半導体基板の品質を向上させる
ことが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体基板検査装置の本発明に係る構
成の一実施例を示すブロック図である。

【図２】図１における半導体検査装置による半導体基板
の欠陥検出状態の第１の具体例を示す説明図である。

【図３】図２における半導体基板の欠陥検出状態の信号
波形例を示すグラフである。

【図４】図１における半導体検査装置による半導体基板
の欠陥検出状態の第２の具体例を示す説明図である。

【図５】図４における半導体基板の欠陥検出状態の信号
波形例を示すグラフである。

【符号の説明】

１１：光源、１２：出射光、２１、２２、２３：レン
ズ、３１：半透鏡、３２：ピンホール、４１：半導体基
板、４２：酸素析出物、４３：表面異物、５０：光分割
検出器、５１、５２：検出面、５６：検出器、６０：走
査機構、６１：差分電子回路、６２：信号変化状態検出
回路、６３：欠陥部位判別回路、６４：出力信号

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 部材を透過する光を走査させ、上記部材
   の欠陥による上記光の位相の変化を検出する手段を少な
   くとも有する検査装置であって、上記検出した光の位相
   変化の現われ方を検出する検出手段と、該検出手段で検
   出した上記光の位相変化の現われ方に基づき、上記部材
   内の欠陥と上記部材の表面に付着した異物との判別を行
   なう判別手段とを設けることを特徴とする部材の検査装
   置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の部材の検査装置におい
   て、各々隣接した位置で上記部材を走査および透過した
   光を受光し、該受光した光の強度に対応する信号強度を
   出力する第１、第２の受光手段と、該第１、第２の受光
   手段から出力された信号強度の差を走査順に出力する比
   較手段とを設け、上記検出手段は、上記比較手段から走
   査順に出力される信号強度差の変化の現われ方に基づ
   き、上記光の位相変化の現われ方の検出を行なうことを
   特徴とする部材の検査装置。
3. 【請求項３】 部材を透過する波長の光を発生する光源
   と、該光源からの光を集光する光学系と、集光位置で上
   記部材を保持して走査させる走査機構と、上記部材を透
   過した光を複数に面積分割して受光し、各々の受光強度
   に対応する信号を出力する光分割検出器と、該光分割検
   出器から走査順に出力される各信号の差分を出力する差
   分電子回路とを少なくとも有し、上記差分電子回路から
   走査順に出力される差分信号の変化に基づき上記部材の
   欠陥を検出する検査装置であって、上記差分電子回路か
   ら走査順に出力される差分信号の変化の現われ方を検出
   する検出手段と、該検出手段で検出した上記差分信号の
   変化の現われ方に基づき、上記部材の欠陥と上記部材の
   表面に付着した異物との判別を行なう判別手段とを設け
   ることを特徴とする部材の検査装置。
4. 【請求項４】 部材を透過する光を走査させ、上記部材
   の欠陥による上記光の位相の変化を検出して、上記部材
   の欠陥の有無を判定する検査方法であって、上記部材を
   走査および透過した光の位相変化の現われ方を検出し、
   該検出した光の位相変化の現われ方に基づき、上記部材
   内の欠陥と上記部材の表面に付着した異物との判別を行
   なうことを特徴とする部材の検査方法。
5. 【請求項５】 請求項４に記載の部材の検査方法におい
   て、各々隣接した位置で上記部材を走査および透過した
   光を受光し、該受光した各々の光の強度に対応する信号
   強度を出力し、該各々の信号強度の差を走査順に出力
   し、該走査順に出力される信号強度差の変化の現われ方
   に基づき、上記光の位相変化の現われ方の検出を行なう
   ことを特徴とする部材の検査方法。
6. 【請求項６】 部材を透過する波長の光を発生させ、該
   光を集光し、該集光位置で上記部材を保持して走査し、
   上記部材を透過した光を複数に面積分割して受光し、各
   々の受光強度に対応する信号を走査順に出力し、該出力
   信号の差分を出力し、該差分信号の走査順の変化に基づ
   き上記部材の欠陥の検出を行なう検査方法であって、上
   記走査順に出力される差分信号の変化の現われ方を検出
   し、該検出した差分信号の変化の現われ方に基づき、上
   記部材の欠陥と上記部材の表面に付着した異物との判別
   を行なうことを特徴とする部材の検査方法。