(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長可変レーザーからの光束を表面照射光束と裏面照射光束とに２分けし、波長を変化させて、前記表面照射光束を第１の集光投影レンズを介して前記半導体ウェーハの表面に当て、前記裏面照射光束を第２の集光投影レンズを介して前記半導体ウェーハの裏面に当てると共に、前記半導体ウェーハの表面側の位置でかつ前記表面照射光束の正反射成分から少し離れた位置に存在するフォトダイオードによって前記半導体ウェーハからの光を検出する一方で、前記半導体ウェーハの表面の上方で、かつ前記第２の集光投影レンズの光軸の延長線上に存在する光電子増倍管またはイメージインテンシファイアによって前記半導体ウェーハからの光を検出することにより、前記半導体ウェーハのスリップ欠陥を検出するようにしたことを特徴とする半導体ウェーハの検査方法。
【請求項２】
スリップ欠陥を検出するための半導体ウェーハの検査装置であって、波長可変レーザーと、この波長可変レーザーからの光束を第１集光投影レンズを介して半導体ウェーハの表面に照射する表面照射光学系と、前記波長可変レーザーからの光束を第２集光投影レンズを介して前記半導体ウェーハの裏面に照射する裏面照射光学系と、前記半導体ウェーハの表面側の位置でかつ前記表面照射光束の正反射成分から少し離れた位置に存在前記半導体ウェーハからの光を検出するフォトダイオードと、前記半導体ウェーハの表面の上方で、かつ前記第２集光投影レンズの光軸の延長線上に存在する前記半導体ウェーハからの光を検出する光電子増倍管またはイメージインテンシファイアとを備えること特徴とする半導体ウェーハの検査装置。
【請求項３】
前記表面照射光学系および前記裏面照射光学系に設けられた前記光束成形レンズ系により前記半導体ウェーハの表裏の集束ポイントでビーム形状を真円状としたことを特徴とする請求項２記載の半導体ウェーハの検査装置。
【請求項４】
物側テレセントリックレンズと、この物側テレセントリックレンズと撮像面との間に設置された、可変空間フィルターである可変円型ナイフエッジとを備え、メタルハライドランプからの光束をコリメートレンズで平行光束として前記半導体ウェーハの表面に照射し、この半導体ウェーハからの反射光束の微小な角度成分を前記可変円型ナイフエッジで遮断するように構成されたことを特徴とする請求項２または３記載の半導体ウェーハの検査装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、半導体ウェーハの検査方法および検査装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年半導体業界の進歩は目覚ましく、特にＬＳＩの回路パターンの微細化が進んでいる。また、現在８インチシリコンウェーハ上に多量のＬＳＩを形成していくＤＲＡＭを中心に、製造プロセス装置の開発が、米国・日本を始め主要技術国で日々進められている。この様な状況の中で各製造プロセスでの品質検査の比重が大きくなってきている。本発明は、この中で上流プロセス（例えば、エピタキシャル成長をさせるプロセス、拡散炉の熱処理プロセス）で発生する結晶欠陥の自動検査装置に関連するものである。
【０００３】
ＬＳＩ製造工程においては、エピタキシャルプロセス・熱拡散プロセスという熱処理プロセスのどちらかを必ず通過する。ここで重要なことは、シリコンウェーハサイズが大きくなればなる程、熱の均一性を保つことが技術的にも難しいことである。このプロセスで発生する不良品質で特に重要視されるのがスリップと呼ばれる結晶欠陥である。この欠陥は、シリコンウェーハ表面と厚み方向の熱の不均一性およびシリコンウェーハ形状にも要因があると言われている。現象としては、シリコンウェーハに熱がかかり、それが冷却されていく過程で、周辺に温度勾配が現れ、その結果内部に応力が残存してしまう。これにより応力に耐えきれなくなった結晶は不均一な部分がまるで地震で見られる断層のように結晶方位に沿って、直線状に亀裂を発生する。これはシリコンウェーハの周辺から内部に向かって現れる現象である。その亀裂の幅や深さといった検査規格は現在のところないのが実状である。あるのは、発生したスリップのトータル長だけで、それも目安が３００ｍｍということ位である。従来この品質検査は、シリコンウェーハメーカーでは目視検査が主流であり、デバイスメーカーにおいては、微分干渉顕微鏡またはＸ線トポグラフィーを用いて抜取り検査を行っていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、目視検査では、８〜１２インチという大口径化により目視視野の拡大が注意力の散漫を招き、人による検査内容にバラツキが発生し、熟練した人間でないと信頼性に欠けることになる。非常に熟練した人間であれば、スリップの幅５μｍ、長さ１ｍｍ程度を判別できるが、１時間連続して検査はできない。
また、微分干渉顕微鏡を用いて８インチシリコンウェーハの周辺（５〜１０ｍｍ）を全周観察検査する場合、長時間かかってしまう。性能の面からみても微分干渉顕微鏡を用いて、高倍率で幅１μｍ程度のスリップが検査できるがトータル長を求めるのは非常に困難である。
同様にＸ線トポグラフィーも、１回の測定に３時間程度かかる。これは軟Ｘ線をシリコンウェーハ下部より照射して透過光を写真の乾板に焼き付けるという作業が必要となるからである。またＸ線を使用することにより、非常に限られた人しか使用できなくなる。さらにこの装置は非常に高価で、装置専有面積も６畳程度と大型のものであり実用性に欠ける。さらに、Ｘ線トポグラフィーの場合、透過で検査するため、表面層・内部層・裏面層とすべてが写真に写ってしまうため、表面層のみの抽出は不可能である。
【０００５】
本発明は、かかる問題点に鑑みなされたものであり、簡単に、かつ精度良く、しかも表面層・内部層・裏面層を区別して欠陥検査ができる、検査方法および検査装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
初めにシリコンウェーハの分光特性について説明すれば、その分光特性は、入射光の波長を変化させると特徴的な挙動を示す。つまり可視光範囲ではシリコンウェーハの表面層からのみの反射になり、その範囲を越えると１０００ｎｍ程度を越えると透過光が現れる。かかる知見に基づいて本願発明はなされたものである。
【０００７】
まず、請求項１記載の検査方法は、波長可変レーザーからの光束を表面照射光束と裏面照射光束とに２分けし、波長を変化させて、前記表面照射光束を第１の集光投影レンズを介して前記半導体ウェーハの表面に当て、前記裏面照射光束を第２の集光投影レンズを介して前記半導体ウェーハの裏面に当てると共に、前記半導体ウェーハの表面側の位置でかつ前記表面照射光束の正反射成分から少し離れた位置に存在するフォトダイオードによって前記半導体ウェーハからの光を検出する一方で、前記半導体ウェーハの表面の上方で、かつ前記第２の集光投影レンズの光軸の延長線上に存在する光電子増倍管またはイメージインテンシファイアによって前記半導体ウェーハからの光を検出することにより、前記半導体ウェーハのスリップ欠陥を検出するようにしたことを特徴とする。ここで、シリコンウェーハの欠陥検査のために用いられる波長可変レーザーとしては波長７００ｎｍ〜１１００ｎｍまで連続に変更できるレーザーを用いることが好ましい。
この検査方法によれば、波長を変化させた表面照射光束による前記半導体ウェーハの表面および表面近くでの反射光の検出結果と、波長を変化させた裏面照射光束による前記半導体ウェーハの透過光の検出結果とから、スリップに起因する半導体ウェーハの表面欠陥、内部欠陥の位置や大きさなどを簡単に検出できることになる。
【０００８】
請求項２記載の検査装置は、スリップ欠陥を検出するための半導体ウェーハの検査装置であって、波長可変レーザーと、この波長可変レーザーからの光束を第１集光投影レンズを介して半導体ウェーハの表面に照射する表面照射光学系と、前記波長可変レーザーからの光束を第２集光投影レンズを介して前記半導体ウェーハの裏面に照射する裏面照射光学系と、前記半導体ウェーハの表面側の位置でかつ前記表面照射光束の正反射成分から少し離れた位置に存在前記半導体ウェーハからの光を検出するフォトダイオードと、前記半導体ウェーハの表面の上方で、かつ前記第２集光レンズの光軸の延長線上に存在する前記半導体ウェーハからの光を検出する光電子増倍管またはイメージインテンシファイアとを備えること特徴とする。
この検査装置によれば、波長を変化させた表面照射光束による前記半導体ウェーハの表面および表面近くでの反射光の検出結果と、波長を変化させた裏面照射光束による前記半導体ウェーハの透過光の検出結果とから、スリップに起因する半導体ウェーハの表面欠陥、内部欠陥の平面的位置、深さ、大きさなどを簡単に検出できることになる。
【０００９】
請求項３記載の検査装置は、請求項２記載の検査装置において、前記表面照射光学系および前記裏面照射光学系に設けられた前記光束成形レンズ系により前記半導体ウェーハの表裏の集束ポイントでビーム形状を真円状としたことを特徴とする。この検査装置によれば、ビームプロファイルが全方向で完全なガウス分布を示すので、スリップ欠陥の検出感度の向上が図れることになる。
【００１０】
請求項４記載の検査装置は、請求項２または３記載の検査装置において、物側テレセントリックレンズと、この物側テレセントリックレンズと撮像面との間に設置された、可変空間フィルターである可変円型ナイフエッジとを備え、メタルハライドランプからの光束をコリメートレンズで平行光束として前記半導体ウェーハの表面に照射し、この半導体ウェーハからの反射光束の微小な角度成分を前記可変円型ナイフエッジで遮断するように構成されたことを特徴とする。
この検査装置によれば、半導体ウェーハの表面に欠陥が存在すると欠陥からの反射成分のうち角度成分が遮断されるため、欠陥と背景とのコントラストの向上が図れることになる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１には本願発明に係る検査装置が示されている。この検査装置においては、波長可変レーザー１からの光束が表面照射光束と裏面照射光束とに２分けされ、表面照射光束が半導体ウェーハＷの表面に、裏面照射光束が半導体ウェーハＷの裏面に当てられるようになっている。さらに、この検査装置においては、半導体ウェーハＷの表面にはメタルハライドランプ２１からの光束が当てられるようになっている。まず、これらの照射系について説明する。
【００１２】
（照射系）
この場合の半導体レーザー１としては、特に制限はされないが、７００ｎｍ〜１１００ｎｍの範囲で波長を変更できる半導体レーザーが用いられる。この範囲で波長を変更できればシリコンウェーハの欠陥検査としては十分である。
【００１３】
また、光束２を表面照射光束と裏面照射光束とに２分けするのにハーフミラー３が用いられている。
【００１４】
さらに、表面照射光束を半導体ウェーハＷの表面に当てるための表面照射光学系４は光束成形レンズ系５、偏光板６、λ／２波長板７および集光投影レンズ８から構成されている。
【００１５】
この表面照射光学系４で重要なのは、集束ポイントで、形状として真円形状を作り出し、ビームプロファイルとしても完全なガウス分布をつくることである。しかも、それを波長７００ｎｍ〜１１００ｎｍ全領域で達成しなければならない。そのため、特に、楕円成形レンズにおいては、非球面レンズ、シリドリカルレンズ、空間フィルター等を組合わすようにすることが好ましい。このようにすれば、照射直前ではビーム形状が楕円であるが、集束ポイントでは完全な真円形状とすることができ、ビームプロファイルも全方向で完全なガウス分布を示すことになる。
偏光板６は光束成形レンズ５を通過した表面照射光束をその進行方向に直交する面内で互いに直角方向に振動する２つの直線偏光成分に分解する働きをする。また、λ／２波長板７は互いに直角方向に振動する２つの直線偏光にλ／２の位相差を与える働きをする。
集光投影レンズ８は、λ／２波長板７から出た光束を集束させて半導体ウェーハＷの表面に投影するためのものである。
【００１６】
一方、裏面照射光束を半導体ウェーハＷの表面に当てるための裏面照射光学系９はファイバー１０、照度分布補正光学系１１、光学成形レンズ系１２、全反射ミラー１３および集光投影レンズ１４から構成されている。
ここで照度分布補正光学系１１は、ファイバー１０から出た光束の照度分布を一様にする働きをする。光束成形レンズ系１２は、集束ポイントで、形状として真円形状を作り出し、ビームプロファイルとしても完全なガウス分布を作るためのものである。全反射ミラー１３は光束の進行方向を変えるためのものである。また、集光投影レンズ１４は、全反射ミラー１３で反射させた光束を集束させて半導体ウェーハＷの裏面に投影するためのものである。
【００１７】
（検出光学系）
次に、この検査装置における検出光学系について説明する。
この検出光学系は、光電子増倍管３１で半導体ウェーハＷからの光を検出する第１の検出光学系３０と、フォトダイオード４１で半導体ウェーハＷからの光を検出する第２の検出光学系４０とから構成されている。
【００１８】
第１の検出光学系３０の光電子増倍管３１は前記半導体ウェーハＷの上で、かつ前記集光投影レンズ１４の光軸の延長線上に存在し、半導体ウェーハＷからの光を集光レンズ３２を介して検出するようになっている。この第１の検出光学系３０は反射・透過散乱強度を光電子増倍３１（あるいはイメージインテンシファイア）を用いて微弱強度変化を電気量に変換して検出する。この強度変化を最大エントロピー法により検出するか、高速フーリエ変換法によって検出する。
【００１９】
第２の検出光学系４０のフォトダイオード４１は集光投影レンズ８からの光の正反射成分から少し離れた位置に存在し、半導体ウェーハＷからの光を集光レンズ４２を介して検出するようになっている。
【００２０】
（画像光学系）
この画像光学系は照明系２０と画像検出系５０とから構成されている。照明系２０はメタルハライドランプ２１からの光束を半導体ウェーハＷに当てるためのもので、ピンホール２２、波長選択フィルタ２３、コリメートレンズ２４、シャッター２５、ハーフミラー２６から構成されている。
【００２１】
このうちピンホール２２は点光源を作るためのものであり、波長選択フィルタ２３は、メタルハライドランプ２１が放つ光束３の波長を選択するためのものであり、コリメートレンズ２４は光束３を平行にするためのものであり、シャッター２５はメタルハライドランプ２１からの光を遮断するためのものであり、ハーフミラー２６は光束３を半導体ウェーハＷ側へ向けるためのものである。
【００２２】
画像検出系５０は半導体ウェーハＷから光電子増倍管３１へ向かう光を分岐するためのハーフミラー５２を含んで構成され、このハーフミラー５２で分岐された光を全反射ミラー５３で反射した後に空間フィルター内蔵のテレセントリック光学系５４を介してＣＣＤ５１で検出するものである。
【００２３】
この画像光学系は表面層にスリップが現れているか否かの判断用のものである。特長としては超高解像テレセントリックレンズと撮像面（ＣＣＤ５１）との間に可変空間フィルターを設置することができ、表面の微小角度成分に応じた濃淡画像とし表面の状態を結像させることができることである。
すなわち、テレセントリック光学系５４は、完全物側テレセントリックレンズと可変空間フィルターである可変円型ナイフエッジとを備えている。そして、照射光束として完全平行光束を用いて、反射光束の微小な角度成分を可変円型ナイフエッジで遮断するようになっている。このテレセントリック光学系５４によれば、シリコンウェーハの表面にスリップが存在するとスリップからの反射成分のうち角度成分を遮断するため、スリップと背景とのコントラストがとれるという効果を有する。
また、ＣＣＤ５１で取り込んだ画像の濃淡を多階調に変換し、微積分を繰り返すことでスリップの段差量を１００オングストローム程度の分解能でリアルタイムに解析・検出することができる。
【００２４】
さらに画像光学系に用いる光源にはメタルハライドランプ２１を使用しているが、これは波長４３６ｎｍに輝線スペクトルがあるので、その波長を用いてコリメートレンズ２４により平行光束として半導体ウェーハＷ表面に照射する。この波長を用いることで確実に表面層での検出が行える。
【００２５】
なお、この画像光学系を使用している時は、波長可変レーザー１の光束は図示しないシャッターにより遮断されている。
【００２６】
（検査ステージ系）
シリコンウェーハを保持するステージは、パーティクル等の外的要因に強い構造が必要である。特に裏面にレーザビームを照射することから、波長４００〜１３００ｎｍ程度の範囲で透過率が高くなければならず、石英系の硝材をステージ材とする。また、パーティクル等の影響を受けにくくするためにシリコンウェーハとステージの接触面積を２％程度にすることが必要である。回転精度（面振れ等）も０．２μｍ以下とすることが必要となるため、エアーベアリング、ロータリーレーザエンコーダーといった回転手段を用いることが望ましい。
【００２７】
（検査方法）
次に、この光学検査装置を使用しての検査方法を説明する。
【００２８】
この光学検査装置で例えばシリコンウェーハを検査するにあたっては、まず、シリコンウェーハの分光特性により、波長レーザーの光源波長を３種類のグループに分類する。すなわち、波長範囲７００〜８００ｎｍ（波長第１グループ）、８００〜１０００ｎｍ（波長第２グループ）、１０００〜１１００ｎｍ（波長第３グループ）に分類する。そして、波長第１グループを表面層に、波長第２グループを内部層に、波長第３グループを表面層・内部層・裏面層のスリップの検出に用いる。
また、検査に際しては、シリコンウェーハが収納されているカセットからロボットによりアライメントされた状態でシリコンウェーハを取り出し、該シリコンウェーハを石英系透明ステージ上に自動セットする。そして、結晶方位基準（ノッチ）を回転原点としてシリコンウェーハを回転させ、最外周より集束ビームポイント径毎に内側に移動して検出していく。３波長グループの代表値はシリコンウェーハの結晶方位の違いによって決定される。（最適波長は、７００〜１１００ｎｍまで１ｎｍステップで可変されて見出される。）
【００２９】
次に、具体的検査方法について説明すれば、波長第１グループでは、シリコンウェーハの裏面からの照射光束の透過はないので無視できる。したがって、光電子増倍管３１およびフォトダイオード４１の検出光の強度変化は、全て表面層からの光の強度変化（表面層といっても実際は表面から数μｍは内部層にもぐり込んでいる。）である。
光電子増倍管３１またはフォトダイオード４１で検出される光の強度が変化した場合、その時点で、シャッター２３が開かれ、ＣＣＤ５１でその変化近傍の映像が取り込まれ、リアルタイムにて画像解析が行われる。そして、その結果が検出位置情報とともにメモリー内に格納される。
この場合、フォトダイオード４１で強度変化が検出されたときには、画像解析の結果、表面層にスリップが発生していることが確認される。一方、光電子増倍管３１でのみ強度変化が検出されたとき（スリップ欠陥が微小のときなど）は、必ずしも画像解析において、スリップの存在は確認されない場合がある。しかし、波長第２グループにおいてもフォトダイオード４１によって当該部分で変化が検出された場合には、内部層でも表面層との境界にスリップが存在していると判断する。（シリコンウェーハを詳細分析すれば波長と光のもぐり込み量の大まかな相関がとれるので、発生深さの大まかな数値化も行える。）
【００３０】
波長第２グループでは、小さなスリップの場合には光電子増倍管３１での変化はほとんどないと考えられる（ただし波長１０００ｎｍ付近ではまた変化を検出できる）。さらにこのグループでフォトダイオード４１により初めて変化が検出された場合は、内部層に確実にスリップが存在する。波長第３グループでは、小さなスリップの場合にはフォトダイオード４１には変化が現れず、光電子増倍管３１にのみ変化が現れる。ここで初めて変化が現れた場合は、裏面層のみにスリップが発生していることになるが、この確率は少ない。ほとんどが内部層のスリップになると考えられる。つまりスリップ発生には内部応力と深い関わりがあるといわれているので内部に発生しているスリップ周辺には、応力が残っていることが予想される。その応力によるスリップ周辺の複屈折に起因して透過散乱強度変化が強調されるために波長第２グループでの変化量検出より大きくなることが予想される。ただし波長第２グループでの検出位置と同一であれば、第２グループ時の結果判断とする。この波長第３グループでの重要なことは、波長第２グループでは当然光吸収もあるので微小なスリップの検出もれも考えられるが、確実に内部層のスリップを第３グループで検出することができる。また、付加的効果として、応力の分布も判る。さらに画像も反射・透過散乱強度変化時に取り込んで解析するので重要な表面層にスリップが現れているか否かだけでなく長さの数値も測定できる。
【００３１】
以上、本発明者によってなされた発明の実施例について説明したが、本発明は、かかる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の変形が可能である。
【００３２】
例えば、前記実施形態では、シリコンウェーハの検査を主に説明したが、化合物半導体ウェーハの検査の場合は勿論のこと、液晶ガラス基板やＤＶＤ（デジタル・ビデオ・ディスク）基板などの薄板一般の検査に適用できる。
【００３３】
また、前記実施形態では、スリップ検査の場合を主に説明したが、薄板の内部応力分布などを検査する場合にも適用できる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明の代表的なものの効果を説明すれば、波長を変化させた表面照射光束による前記半導体ウェーハの表面および表面近くでの反射光の検出結果と、波長を変化させた裏面照射光束による前記半導体ウェーハの透過光の検出結果とから、半導体ウェーハの表面欠陥、内部欠陥の位置や大きさなどを簡単に検出できることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る検査装置の構成図である。
【符号の説明】
１  波長可変レーザー
４  表面照射系
９  裏面照射系
３０  第１検出系
４０  第２検出系
【図１】
0003775861.tif 000002