(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外線レーザービームを入射し、結晶欠陥で散乱した散乱光を検出することにより、表面近傍の結晶欠陥を検出・評価する赤外散乱トモグラフィー法による結晶欠陥の検出方法において、測定に用いるシリコン単結晶ウェーハと、該シリコン単結晶ウェーハとは別のシリコン単結晶ウェーハを準備し、該２枚のシリコン単結晶ウェーハを劈開し、該劈開した２枚のシリコン単結晶ウェーハを劈開面が一致するように重ね合わせ、該重ね合わせた２枚のシリコン単結晶ウェーハの間に、シリコン単結晶ウェーハの屈折率と同等の屈折率の液体を介在させ、前記赤外線レーザービームは前記測定用のウェーハとは別に準備した前記シリコン単結晶ウェーハの重ね合わせた面とは反対の主表面に垂直な方向から入射させ、前記劈開面方向に進んだ散乱光を測定することによって測定用のシリコン単結晶ウェーハの結晶欠陥を検出することを特徴とする結晶欠陥の検出方法。
【請求項２】
前記２枚のシリコン単結晶ウェーハの間に介在させる液体として、シリコーンオイルを用いることを特徴とする請求項１に記載の結晶欠陥の検出方法。
【請求項３】
前記赤外線レーザービームを入射する側のシリコン単結晶ウェーハとして、ダミーウェーハを用いることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の結晶欠陥の検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板の表面近傍に存在する結晶欠陥の検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路素子の基板として用いられるシリコン単結晶ウェーハは、主にチョクラルスキー法（ＣＺ法）によって製造されている。この時、シリコン融液と接触する石英ルツボ表面は溶融し、酸素がシリコン融液中に溶け込み、育成中の結晶の中に取り込まれる。その酸素原子は結晶育成中および冷却中に凝集し、酸素析出核となる。そのため育成されたままの結晶から採取されたシリコン単結晶ウェーハにデバイス工程等で熱処理を施すと、この核がウェーハバルク部で成長し、ＢＭＤ（Ｂｕｌｋ  Ｍｉｃｒｏ  Ｄｅｆｅｃｔ）を形成する。
【０００３】
このＢＭＤを検出する方法として、選択エッチング、赤外線レーザートモグラフィー法（ＬＳＴ：Ｌａｓｅｒ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）、ＳＩＲＭ法、ＯＰＰ（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｅ  Ｐｒｏｆｉｌｅｒ）法等の方法がある。
そして、これらの測定方法の中で深さ方向のＢＭＤ分布を評価することができる評価方法としては選択エッチングやＬＳＴ法が挙げられる。
【０００４】
この中で、角度研磨＋選択エッチを組み合わせた方法は従来からよく使われていた。これは、角度研磨を行うことで深さ方向の精度を上げてＢＭＤの深さ方向分布を求めることができた。そのため、ＤＺＩＧ（Ｄｅｎｕｄｅｄ  Ｚｏｎｅ  Ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ  Ｇｅｔｔｅｒｉｎｇ）ウェーハのＤＺ幅を調べるのに用いられた。またＩＣデバイスプロセス後のＢＭＤの深さ分布の分析も行えた。
しかしこの方法は、現在の先端向けＩＣで行われている低温熱処理の場合においては、ＢＭＤのサイズが大きくならないため、たとえＢＭＤが発生していても測定することが難しかった。
【０００５】
９０度散乱方式の赤外線レーザートモグラフィー法は、高感度にＢＭＤを測定できることが知られているが、ウェーハ表面近傍の測定は難しいことも知られている。理由としては、欠陥による散乱光に比べて、レーザー光の入射面（ウェーハ表面）からの散乱光の強度が大きいため、欠陥による散乱光を検出することができなかったためである。
しかし、赤外線レーザートモグラフィー法は、低温熱処理で作られた小さなＢＭＤも十分測定できる感度を持っている。従って、ウェーハの表面ではなくウェーハバルク部に形成されたＢＭＤに対しては感度が良いが、ウェーハ表面の小さなＢＭＤの評価を行うことはできなかった。
【０００６】
ところが、たとえ小さなＢＭＤであっても、ウェーハ表面に存在することでデバイス不良の原因になることが知られている。なぜなら、表面付近はデバイス活性層に近いため、表面付近にあるＢＭＤの影響を受けやすく、ウェーハの不良の原因となる可能性が高いからである。
【０００７】
以上、説明したように表面近傍のＢＭＤが測定できる装置は低温熱処理で形成されたＢＭＤ測定には感度が足らず、感度のいい装置では表面での散乱光の強度が強すぎるため、表面近傍の測定を行うことができない。
しかし、現在行われているレベルの微細な加工を行う場合、表面近傍に存在する小さなＢＭＤの影響を無視できなくなってきた為、それら表面近傍にある微小なＢＭＤを測定することは非常に重要である。
【０００８】
このような問題を解決するため、被検試料の載置台の側面に適当な傾斜をつけ、欠陥検出用光線をこの傾斜面から入射し、その際、被検試料の表層に沿って走る反射光を利用して、表面層中のＢＭＤを評価する方法が開示されている（特許文献１参照）。また、シリコンウェーハの裏面を斜めに鏡面研磨し、半導体の禁制帯幅に相当するエネルギーより小さなエネルギーを持った光を斜めに研磨した面より入射させる方法が開示されている（特許文献２参照）。
【０００９】
また、バンドギャップ未満のエネルギーのレーザー光と、バンドギャップ以上のエネルギーのレーザー光を入射し、バンドギャップ以上のレーザー光によってキャリアを励起させ、そのキャリアにバンドギャップ未満のエネルギーを吸収させ、そのレーザー光が入射する深さを浅くすることにより、表面近傍のみの欠陥を検出する方法が開示されている（特許文献３参照）。しかしこれらの方法では、ウェーハ表面からある一定の深さまでのＢＭＤを測定することはできるが、そのある一定の深さまでしか評価することができないため、ウェーハの深い領域を測定することができない。またいまだ感度が十分ではないため、表面近傍の小さなＢＭＤの測定には不適である。
【００１０】
【特許文献１】特開平６−１４０４８８
【特許文献２】特開平６−２０１５９４
【特許文献３】特開平９−２４６３３７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであって、先端デバイスプロセスである低温プロセス後のウェーハ表面近傍に形成される小さなＢＭＤなど微小な欠陥であっても測定することができる測定感度の高い結晶欠陥の検出方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、本発明では、赤外線レーザービームを入射し、結晶欠陥で散乱した散乱光を検出することにより、表面近傍の結晶欠陥を検出・評価する赤外散乱トモグラフィー法による結晶欠陥の検出方法において、測定に用いるシリコン単結晶ウェーハと、該シリコン単結晶ウェーハとは別のシリコン単結晶ウェーハを準備し、該２枚のシリコン単結晶ウェーハを劈開し、該劈開した２枚のシリコン単結晶ウェーハを劈開面が一致するように重ね合わせ、該重ね合わせた２枚のシリコン単結晶ウェーハの間に、シリコン単結晶ウェーハの屈折率と同等の屈折率の液体を介在させ、前記赤外線レーザービームは前記測定用のウェーハとは別に準備した前記シリコン単結晶ウェーハの重ね合わせた面とは反対の主表面に垂直な方向から入射させ、前記劈開面方向に進んだ散乱光を測定することによって測定用のシリコン単結晶ウェーハの結晶欠陥を検出することを特徴とする結晶欠陥の検出方法を提供する（請求項１）。
【００１３】
このように、測定用のウェーハとは別のウェーハを準備し、準備した２枚のウェーハの測定を行いたい面を重ね合わせ、その隙間にシリコン単結晶ウェーハと同等の屈折率を持つ液体を充填し介在させることで、入射レーザー光が散乱する原因となる屈折率の変化面を擬似的に消失させることで、本来、測定を行いたい領域の近くの表面で発生するはずのレーザー光の散乱を抑えることができ、測定を行いたい領域（測定用のウェーハの表面近傍）に存在する欠陥で散乱する散乱光を検出することができるようになり、ウェーハ表面の近傍の結晶欠陥を検出することができる。
【００１４】
また、前記２枚のシリコン単結晶ウェーハの間に介在させる液体として、シリコーンオイルを用いることが好ましい（請求項２）。
このように、表面張力が低いためウェーハ表面に拡がりやすい特長を有し、また広い波長領域に渡って光透過性がよく、化学的に安定であり、さらに屈折率がシリコン単結晶ウェーハと同等であるシリコーンオイルを、２枚のシリコン単結晶ウェーハの間に介在させることで、測定用のウェーハの表面で赤外線レーザー光が散乱することを防ぐことができる。よって、測定用ウェーハ表面近傍に存在する結晶欠陥で散乱するレーザー光を高感度で検出することができる。
【００１５】
また、前記赤外線レーザービームを入射する側のシリコン単結晶ウェーハとして、ダミーウェーハを用いることが好ましい（請求項３）。
このように、ダミーウェーハを使用することで、繰り返して測定に使用することができるため、測定の度にシリコン単結晶ウェーハを準備する必要をなくすことができ、コストの低減を図ることができる。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように、本発明の結晶欠陥の検出方法では、測定用のシリコン単結晶ウェーハの他に別のシリコン単結晶ウェーハを準備し、測定を行いたい面を重ね合わせ、さらにその隙間にシリコン単結晶ウェーハと同等の屈折率の液体を充填して隙間に介在させる。これによって、入射レーザー光が散乱する原因となる屈折率の変化面を擬似的に消失させ、光学的には一枚のウェーハとして取り扱えるようにすることで、測定を行いたい領域をみかけ上一枚にしたウェーハのバルク中に存在するようにすることで、本来、測定を行いたい領域の近くのウェーハ表面で発生するはずのレーザー光の散乱を抑えることができる。このため、測定を行いたい領域（測定用のウェーハの表面近傍）に存在する欠陥で散乱する散乱光を高感度で検出することができるようになり、ウェーハ表面の近傍の結晶欠陥を検出することができる。
９０度散乱方式のＬＳＴはＢＭＤに対し高感度な測定であるが、表面が測れないという欠点があったが、本発明の結晶欠陥の検出方法によって、従来技術の欠点であったウェーハ表面での散乱を抑制することができるため、高感度という利点はそのままに、表面のＢＭＤまで測れるようになった。このことから、従来の様々な測定方法では難しかった先端デバイスプロセスである低温プロセス後の表面ＢＭＤを簡易な方法によって正確に評価できるようになった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明についてより具体的に説明する。
前述のように、先端デバイスプロセスである低温プロセス後のウェーハ表面近傍に形成される小さなＢＭＤなど微小な欠陥であっても測定することができる測定感度の高い結晶欠陥の検出方法の開発が待たれていた。
【００１８】
そこで、本発明者らは、結晶欠陥に対する感度が高い９０度散乱方式のＬＳＴ法において、レーザー光が入射した際にウェーハ表面での散乱を発生させない方法を用いることで、ＬＳＴ法を用いてウェーハ表面の微小な結晶欠陥を検出できないか鋭意検討を重ねた。
【００１９】
まず、本発明者らは、散乱が発生するサンプル表面を、サンプルと屈折率が同じ物質で覆うことによって、サンプル表面で散乱が発生しない現象に着目した。
【００２０】
そこで、シリコン単結晶ウェーハと同じ屈折率の物質はシリコン単結晶ウェーハであるため、測定サンプルではない散乱を抑えるためのダミーのシリコン単結晶ウェーハを測定サンプルの測定面側に重ね合わせ、測定を行った。
ところが、この方法では、サンプルから脱出し、ダミーシリコンへ入射する際に、レーザー光が散乱し、その散乱光が、ウエハの隙間から抜けて、表面の結晶欠陥からの散乱光と干渉し合い、欠陥での散乱光を検出することは非常に難しかった。
【００２１】
そこで、２枚のシリコン単結晶ウェーハの隙間に、シリコン単結晶ウェーハと同じ屈折率の液体を流し込むことにした。すると光学的にはウェーハ間に存在していた界面（屈折率の変化面）がなくなり、ウエハ２枚分が一枚のウェーハのように観察することができるため、擬似的に一枚になったウェーハ中心に測定を行いたいウェーハの表面近傍が位置するようにすることができた。
この方法であれば、装置の高感度という有効性は損なわれず、サンプル表面を測ることができることを本発明者らは発見し、本発明を完成させた。
【００２２】
以下、本発明について詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
まず、赤外線レーザートモグラフィー法について以下に簡単に示す。
例えば、測定に用いるシリコン単結晶ウェーハとしては、中央部を劈開したものを用いる。このシリコン単結晶ウェーハを赤外散乱トモグラフィー装置のステージに載置し、ウェーハの主面に赤外線レーザー光を照射する。ウェーハの内部に結晶欠陥があると入射したレーザー光の散乱が生じるため、散乱光を劈開面の方位に設置したディテクターで検出することで結晶欠陥の数、大きさ、位置を評価することができるものである。
【００２３】
以下に本発明の結晶欠陥の検出方法の詳細の一例を示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。
まず、結晶欠陥の測定を行うシリコン単結晶ウェーハと、それとは別にシリコン単結晶ウェーハを準備する。
【００２４】
ここで、測定用のウェーハと別に準備するウェーハをダミーウェーハとすることができる。詳しくは後述するが、このダミーウェーハはレーザー光の入射用に用いるものである。
測定用のウェーハとは別のウェーハとしてダミーウェーハを用いることによって、ダミーを繰り返して測定に使用することができ、測定の度にシリコン単結晶ウェーハを準備する必要をなくすことができ、コストの低減を図ることができる。
【００２５】
次に、ウェーハの中心部を通るようにダイヤモンドペン等でキズをつけてから、準備した２枚のウェーハを各々２分割に劈開した。
【００２６】
その後、劈開した測定用のシリコン単結晶ウェーハを赤外線散乱トモグラフィー装置に装着し、その後、劈開面が一致するように重ねて、測定用とは別のウェーハも装着した。
【００２７】
次に、先に装着した２枚のシリコン単結晶ウェーハの隙間に、シリコン単結晶ウェーハと同等の屈折率の液体を充填させ、介在させた。
これによって、ウェーハに入射したレーザー光が散乱する主な原因である屈折率の変化面を擬似的に消失させ、光学的には一枚のウェーハとして取り扱えるようにする。つまり、測定を行いたい測定用ウェーハの表面近傍の領域を、その擬似的に一枚にしたウェーハのバルク中に存在するように見せることで、本来、測定を行いたい領域の近くのウェーハ表面で発生するレーザー光の散乱を抑えることができる。これによって、測定を行いたい領域（測定用のウェーハの表面近傍）に存在する欠陥で散乱する散乱光を正確に検出することができるようになり、ウェーハ表面の近傍の結晶欠陥を検出することができる。
【００２８】
ここで、シリコン単結晶ウェーハの屈折率（１．４６）と同等の屈折率とは１．４６±０．１であり、この範囲の屈折率を有する液体を２枚のシリコン単結晶ウェーハの隙間に介在させることで、空気（屈折率≒１．００）に比べれば、格段に屈折率差をなくし、光学的には一枚のウェーハと扱うことができるようにすることができる。もちろん、介在させる液体とシリコン単結晶との屈折率の差は、小さければ小さいほうがなお良いことは言うまでもない。
【００２９】
ここで、シリコン単結晶ウェーハと同等の屈折率の液体として、シリコーンオイルを用いることができる。
表面張力が低く、ウェーハ表面に拡がりやすく、また広い波長領域に渡って光透過性がよく、化学的に安定であり、さらに屈折率がシリコン単結晶ウェーハと同等であるシリコーンオイルを２枚のシリコン単結晶ウェーハの間に介在させることで、液体とウェーハ表面とのなじみを高いものにすることができ、さらに屈折率が同等であるために、光学的に一枚のシリコン単結晶ウェーハとみなすことができる。
また、シリコン単結晶の隙間に介在させるシリコーンオイルの屈折率は、シリコン単結晶ウェーハの屈折率（１．４６）に近似した値を有するものであればよく、シリコーンオイルの種類を限定するものではない。そして、屈折率が１．４６に近似したシリコーンオイルであれば、他の諸特性（粘度、比重、熱伝導率等）が異なってもかまわない。
【００３０】
その後、赤外線レーザー光を、劈開面に平行（主表面に垂直）になるように、ダミーウェーハの主表面に垂直な方向からウェーハ内部に入射させた。
そして、測定用のシリコン単結晶ウェーハの結晶内部で散乱したレーザー光のうち、劈開面方向に進んだ散乱光をディテクターで測定することによって、ウェーハ内部に存在する結晶欠陥の測定を行うことができる。
【００３１】
ここで、シリコンウェーハを２枚重ねた場合の測定用ウェーハの測定結果を取得した画像における測定用ウェーハの表面位置の認識方法として、（１）画像で見て薄く線が出るので、それを測定用ウェーハ表面と認識する、（２）ダミーウェーハを重ねる前にウェーハ表面の位置を予め確認しておき、ダミーウェーハを装着しシリコーンオイルを充填する際に、測定用ウェーハがずれないようにする、等が考えられる。そして、これらの方法によって測定用ウェーハの表面位置を明らかにすることができ、これによって測定を行いたいウェーハ表面に存在する結晶欠陥を正確に検出することができ、その評価を行うことができる。
【００３２】
これに対し、従来の結晶欠陥の検出方法では、中央部を劈開した測定用のウェーハ表面に直接赤外線レーザービームを入射し、結晶内部に存在する欠陥で散乱した散乱光を、劈開面に設置したディテクターで検出を行うものである。この方法では、測定用のウェーハ表面で発生する散乱光も検出するため、表面近傍に存在する結晶欠陥で散乱した散乱光と表面で散乱した散乱光を区別することは不可能であり、また、表面での散乱光の強度の方が非常に強いため、結晶欠陥での散乱光を検出することはできなかった。
【００３３】
図１に、本発明と従来技術における測定サンプル表面における入射レーザー光の散乱の様子を示す。図１（ａ）は本発明の結晶欠陥の検出方法、図１（ｂ）は従来技術の結晶欠陥の検出方法における測定サンプル表面での入射レーザー光の散乱の様子を示した概念図である。
図１（ａ）に示したように、本発明の結晶欠陥の検出方法では、赤外線レーザー光が入射するダミーウェーハ２の表面では散乱が起こるが、測定を行いたい領域の近傍である測定用ウェーハ１の表面ではシリコーンオイル３が介在するため、レーザー光の散乱が発生せず、結晶欠陥でのみ散乱が発生する。これによって表面近傍の結晶欠陥４の検出を行うことができるものである。
これに対し図１（ｂ）に示した従来技術の結晶欠陥の検出方法では、ディテクターで散乱光の検出を行った際に、ウェーハ表面で散乱される散乱光の強度が強すぎるため、表面付近がぼやけて見えてしまう。このため、結晶欠陥を検出することができない。
【００３４】
図２に、本発明と従来技術によって測定したウェーハ表面の断面観察図の一例を示す。
図２（ａ）は本発明の結晶欠陥の検出方法を用いて測定を行ったシリコン単結晶ウェーハの表面近傍の散乱光をディテクターで検出したものを画像として表したものである。
図２（ｂ）は従来技術の結晶欠陥の検出方法を用いた場合の画像である。
【００３５】
このように、実際に測定を行った結果、図２（ａ）に示したように、本発明の結晶欠陥の検出方法によれば、測定を行いたいウェーハの表面では入射レーザー光の散乱が起こらないため、その近傍に存在する小さな結晶欠陥で散乱した散乱光をそのまま検出することが可能であることが分かった。
これに対して、図２（ｂ）に示した従来技術の結晶欠陥の検出方法では、測定用のウェーハ表面で散乱した散乱光の強度が非常に強いため、表面近傍の結晶欠陥によって散乱した散乱光を検出することができず、ウェーハバルク中の結晶欠陥で散乱した散乱光を検出することができるのみであった。
【００３６】
図３に、本発明と従来技術によって測定したシリコン単結晶ウェーハ表面のＢＭＤの深さ方向に対する密度分布の一例を示す。
図３に示したように、従来の結晶欠陥の検出方法では、ウェーハ表面からある範囲の距離では、表面での散乱光によって結晶欠陥の存在を評価することができなかったが、本発明の検出方法によればウェーハ表面に結晶欠陥が存在していないことを確認することができ、また、測定結果より評価したウェーハ中のＢＭＤ密度分布もほぼ一致しており、本発明の検出精度が高いことも分かった。
【００３７】
このように、本発明の結晶欠陥の検出方法によれば測定用ウェーハの表面でのレーザー光の散乱が発生しないため、測定感度の良い装置を用いることによって、表面近傍に存在する微小な欠陥で散乱した散乱光を検出することができる。つまり微小な結晶欠陥を検出することができる。
【００３８】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明と従来技術におけるウェーハ表面における入射レーザー光の散乱の様子を示す概念図である。
【図２】本発明と従来技術によって測定したウェーハ表面の断面観察図の一例を示す図である。
【図３】本発明と従来技術によって測定したシリコン単結晶ウェーハ表面のＢＭＤの深さ方向に対する密度分布の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
１…測定用ウェーハ、  ２…ダミーウェーハ、  ３…シリコーンオイル、  ４…結晶欠陥。
【図１】
0005007620.tif 000002
【図２】
0005007620.tif 000003
【図３】
0005007620.tif 000004