表面検査方法

【課題】シリコンウェーハの表面、またはＳＯＩウェーハの表面に存在する欠陥や異物等に起因する微細な凹凸を高精度に検出することが可能な表面検査方法を提供する。
【解決手段】内部にシリコン酸化膜を形成しないシリコンウェーハの場合、シリコンウェーハの表面に入射させるレーザ光および光検出器に入射させる散乱光を共にＰ偏光とするＰＰモードか、または、シリコンウェーハの表面に入射させるレーザ光をＣ偏光、光検出器に入射させる散乱光を偏光させないＣＵモードとすることによって、表面検査時のバックグラウンドノイズを大幅に低減することが可能になる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面検査方法に関し、詳しくは、前記シリコンウェーハの表面、または前記シリコン酸化膜の表面に存在する微細な凹凸を検出する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの高集積化、微細化に伴って、半導体デバイスの基板であるシリコンウェーハの表層、特にデバイス活性領域に欠陥が存在しない結晶構造の完全性が求められている。こうした欠陥の一例としては、例えば、ＣＯＰ（ＣｒｙｓｔａｌＯｒｉｇｉｎａｔｅｄＰａｒｔｉｃｌｅ）、ＦＰＤ（ＦｌｏｗＰａｔｔｅｒｎＤｅｆｅｃｔｓ）、ＬＳＴＤ（ＬａｓｅｒＳｃａｔｔｅｒｉｎｇＴｏｍｏｇｒａｐｈｙＤｅｆｅｃｔｓ）などのＧｒｏｗ−ｉｎ欠陥が挙げられる。これらＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥は、シリコンウェーハの表面で微細な凹凸となって現れ、半導体デバイスを形成した際に、例えば酸化膜耐圧特性を劣化させる。
【０００３】
このようなシリコンウェーハの表面に存在する欠陥を検出する方法として、例えば、レーザー散乱型の表面検査装置を用いて、シリコンウェーハの表面の微細な凹凸を測定する方法が知られている（例えば、特許文献１）。この表面検査装置は、レーザー光をシリコンウェーハの表面に照射する。この時、シリコンウェーハの表面に欠陥などに起因する微細な凹凸が存在せず、平滑な状態であれば、照射したレーザー光はシリコンウェーハの表面で全て所定の角度で反射された正反射光として出力される。
【０００４】
一方、シリコンウェーハの表面に欠陥などに起因する微細な凹凸が存在する場合、照射したレーザー光がこうした微細な凹凸に当たると、その部分で正反射光とは異なる角度の乱反射が生じる。このような散乱光を正反射光とは別な角度から受光素子や光電子倍増管などの光検出器で検出することにより、シリコンウェーハの表面に存在する欠陥などの個数、密度分布、大きさなどを検出することができる。
【０００５】
図１６は、上述したレーザー散乱型の表面検査装置を用いてシリコンウェーハの表面を検査した際の出力信号（受光信号）の一例を示す波形図である。この図によれば、表面検査装置からは、常に一定範囲のバックグラウンドノイズ（Ｈａｚｅ成分）が出力され、異物、例えば欠陥に起因する凹みやコンタミネーションが存在する箇所では、バックグラウンドノイズよりも大きな振れ幅の波（異物からの散乱）が観測される。
【０００６】
こうした異物からの散乱によって生じる波の振れ幅は、シリコンウェーハの表面に存在する微細な凹凸のサイズが小さいほど小さくなる。即ち、より小さいサイズの微細な凹凸（欠陥）を高精度に検出しようとすれば、バックグラウンドノイズ（Ｎ）と、シリコンウェーハの表面で生じた散乱光による波（Ｓ）との振れ幅の比率（Ｓ／Ｎ比）を大きくする必要がある。
【特許文献１】米国特許第６２０１６０１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来のレーザー散乱光を用いた表面検査方法では、バックグラウンドノイズ（Ｎ）と、シリコンウェーハの表面で生じた散乱光による波（Ｓ）との比率（Ｓ／Ｎ比）を大きくする方法に限界があった。このため、例えば、シリコンウェーハの表面に存在する、例えば０．０５μｍ以下の微細な凹凸では、この微細な凹凸によって生じる散乱光からの信号がバックグラウンドノイズに埋もれてしまい、こうした０．０５μｍ以下の微細な凹凸（欠陥）を検出することが困難であるという課題があった。
【０００８】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、シリコンウェーハの表面、またはこのシリコンウェーハの一面に形成したシリコン酸化膜の表面に存在する欠陥や異物等に起因する微細な凹凸を高精度に検出することが可能な表面検査方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は次のような表面検査方法を提供する。
すなわち、本発明の表面検査方法は、シリコン単結晶からなるシリコンウェーハの表面、または該シリコンウェーハの内部にシリコン酸化膜を形成したＳＯＩウェーハの表面に向けてレーザー光を照射し、前記シリコンウェーハの表面、または前記ＳＯＩウェーハの表面で乱反射した散乱光を光検出器で検出することにより、前記シリコンウェーハの表面、または前記ＳＯＩウェーハの表面に存在する微細な凹凸を検出する表面検査方法であって、
光の電気ベクトルの振動方向が入射面に含まれる直線偏光をＰ偏光、光の電気ベクトルの振動方向が入射面の法線と光の波面の法線とを含む面に垂直な直線偏光をＳ偏光、光の電気ベクトルの振動方向が、入射面に対して円状に回転する円偏光をＣ偏光、としたときに、前記表面に入射させる前記レーザ光および前記光検出器に入射させる前記散乱光を共に前記Ｐ偏光とするＰＰモード、または、前記表面に入射させる前記レーザ光を前記Ｃ偏光、前記光検出器に入射させる散乱光を偏光させないＣＵモード、あるいは、前記表面に入射させる前記レーザ光および前記光検出器に入射させる前記散乱光を共に前記Ｓ偏光とするＳＳモード、のうち、いずれか１つのモードに設定することを特徴とする表面検査方法。
【００１０】
前記シリコンウェーハの表面を検査する際には、前記ＰＰモード、または前記ＣＵモード、前記ＳＯＩウェーハの表面を検査する際には、前記ＳＳモードがそれぞれ選択されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の表面検査方法によれば、被検査対象として、内部にシリコン酸化膜を形成しないシリコンウェーハの場合、シリコンウェーハの表面に入射させるレーザ光および光検出器に入射させる散乱光を共にＰ偏光とするＰＰモードか、または、シリコンウェーハの表面に入射させるレーザ光をＣ偏光、光検出器に入射させる散乱光を偏光させないＣＵモードとすることによって、表面検査時のバックグラウンドノイズを大幅に低減することが可能になる。
【００１２】
このバックグラウンドノイズ（Ｎ）を低減することにより、シリコンウェーハの表面に存在する微細な凹凸（欠陥）によって生じた散乱光による出力信号波（Ｓ）の振れ幅が小さい、即ち凹凸のサイズが極めて小さくても、Ｓ／Ｎ比を大きくすることができるため、こうした微細な凹凸を高精度に検出することが可能になる。
【００１３】
また、被検査対象として、シリコンウェーハの内部にシリコン酸化膜を形成したＳＯＩウェーハの場合、ＳＯＩウェーハの表面に入射させるレーザ光および光検出器に入射させる散乱光を共にＳ偏光とするＳＳモードにすることによって、シリコン酸化膜上に存在する単結晶薄膜の膜厚に依存せずに、表面検査時のバックグラウンドノイズを大幅に低減することが可能になる。これにより、ＳＯＩウェーハの微細な凹凸を高精度に検出することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明に係る表面検査方法の最良の実施形態について、図面に基づき説明する。本実施形態は発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
【００１５】
なお、本発明における微細な凹凸とは、シリコンウェーハの表面に存在する不純物、微小な塵（コンタミネーション）などの異物に起因するもの、および、ＣＯＰ、ＦＰＤ、ＬＳＴＤなどの結晶欠陥に起因するものなと、シリコンウェーハの表面において狭い範囲で局部的に存在する凹凸である。
一方、バックグラウンドノイズは、上述した微細な凹凸とは異なり、シリコンウェーハ全体になだらかに生じた傾斜（マイクロラフネス）により生じるとされる。本発明において、微細な凹凸とは、特に断りの無い限り、上述したシリコンウェーハの表面において、異物や結晶欠陥に起因する、狭い範囲で局部的に存在する凹凸を指す。
【００１６】
図１は、本発明の表面検査方法に用いるレーザー散乱型表面検査装置の一例を示す概要図である。表面検査装置１０は、レーザー光源１１、側方集光ミラー１２、および光検出器１３を備えている。また、レーザー光源１１の出射側、および光検出器１３の入射側には、それぞれ第一の偏光手段１４、第二の偏光手段１５が設けられている。
【００１７】
レーザー光源１１は、所定の強度、波長のレーザー光Ｌを照射できるレーザー照射装置が用いられれば良い。照射するレーザー光Ｒは、例えば、波長域２００〜７００ｎｍ、強度１ｍＷ以上であればよい。側方集光ミラー１２は、被検査対象、即ちシリコンウェーハ２１の周縁部に沿って、シリコンウェーハ２１の表面２１ａで生じた散乱光を光検出器１３に向けて反射させる形状に形成されていればよい。光検出器１３は、例えば、受光素子や光電子倍増管などから構成されていればよい。
【００１８】
被検査対象として内部にシリコン酸化膜を形成しない、シリコン単結晶からなるシリコンウェーハ２１の場合、レーザー光源１１の出射側に形成された第一の偏光手段１４は、レーザー光源１１から出射されたレーザー光Ｌを、光の電気ベクトルの振動方向が入射面、即ちシリコンウェーハ２１の表面２１ａに含まれる直線偏光、いわゆるＰ偏光Ｌｐになるように偏光させる。
【００１９】
一方、被検査対象として内部にシリコン酸化膜を形成しない、シリコン単結晶からなるシリコンウェーハ２１の場合、シリコンウェーハ２１の表面２１ａで生じた散乱光Ｌｄを検出する光検出器１３の入射側に形成した第二の偏光手段１５も、第一の偏光手段１４と同様に、シリコンウェーハ２１の表面２１ａに含まれる直線偏光、いわゆるＰ偏光Ｌｐｄになるように偏光させる。
【００２０】
内部にシリコン酸化膜を形成しないシリコンウェーハ２１の表面２１ａを検査する際には、第一の偏光手段１４を介したＰ偏光をシリコンウェーハ２１の表面２１ａに入射させる。この時、図２に示すように、シリコンウェーハ２１の表面２１ａに欠陥や異物などに起因する微細な凹凸が存在せず平滑な場合は、入射したＰ偏光Ｌｐはそのまま角度で正反射され、正反射光Ｌｆとして出射される。
【００２１】
一方、シリコンウェーハ２１の表面２１ａに異物などに起因する突起（微細な凹凸）３１や、欠陥などに起因する凹み（微細な凹凸）３２が存在する場合、入射したＰ偏光Ｌｐは、これら突起３１や凹み３２などの微細な凹凸によって乱反射され、散乱光Ｌｄとして正反射光Ｌｆ以外の角度で出射される。
【００２２】
再び図１を参照して、こうした散乱光Ｌｄは、側方集光ミラー１２によって光検出器１３に向けて反射される。そして、散乱光Ｌｄは第二の偏光手段１５を介してＰ偏光Ｌｐｄとされた後、光検出器１３に入射する。光検出器１３は、入射された散乱光ＬｄのＰ偏光Ｌｐｄの強度に応じて、所定の信号（波形信号）を出力する。
【００２３】
なお、こうしたシリコンウェーハ２１の表面２１ａに存在する微細な凹凸は、例えば、不純物、微小な塵（コンタミネーション）などの異物に起因するもの、および、ＣＯＰ、ＦＰＤ、ＬＳＴＤなどの結晶欠陥に起因するものが例として挙げられる。
【００２４】
また、シリコンウェーハ２１は、検査範囲をカバーするように移動させつつ表面検査を行えば良い。また、シリコンウェーハ２１を移動させずに、レーザー光Ｌを検査範囲で走査させて表面検査を行っても良い。
【００２５】
本発明の表面検査方法では、被検査対象として、内部にシリコン酸化膜を形成しないシリコンウェーハ２１においては、上述したように、シリコンウェーハ２１に入射させるレーザー光Ｌを第一の偏光手段１４によってＰ偏光Ｌｐとするとともに、シリコンウェーハ２１の表面２１ａで乱反射した散乱光Ｌｄも第二の偏光手段１５によってＰ偏光Ｌｐｄとして光検出器１３に入射させたＰＰモードを用いて、シリコンウェーハ２１の表面２１ａの検査を行う。
【００２６】
また、図３に示すように、被検査対象として、内部にシリコン酸化膜を形成しないシリコンウェーハ２１において、シリコンウェーハ２１に入射させるレーザー光Ｌを、第三の偏光手段４４によって、光の電気ベクトルの振動方向が入射面、即ちシリコンウェーハ２１の表面２１ａに対して円状に回転する円偏光Ｌｃになるように偏光させるのも好ましい。この場合、シリコンウェーハ２１の表面２１ａで乱反射した散乱光Ｌｄを偏光手段を介さずにそのまま光検出器１３に入射させる。このようなＣＵモードを用いて、シリコンウェーハ２１の表面２１ａの検査を行う。
【００２７】
以上のように、内部ににシリコン酸化膜を形成しない、シリコン単結晶からなるシリコンウェーハ２１を検査する際に、上述したＰＰモード、またはＣＵモードを用いることによって、測定時のバックグラウンドノイズ（Ｎ）を低減することが可能になる。バックグラウンドノイズ（Ｎ）を低減できれば、微細な凹凸（欠陥）によって生じた散乱光による波（Ｓ）の振れ幅が小さい、即ち微細な凹凸のサイズが極めて小さくても、Ｓ／Ｎ比を大きくすることができるため、こうした微細な凹凸を高精度に検出することが可能になる。
【００２８】
図４は、各種偏光モードで、内部にシリコン酸化膜を形成しない、シリコン単結晶からなるシリコンウェーハを検査した際のバックグラウンドノイズ（Ｈａｚｅ）、および５種類の粒子サンプルを用いて微細な凹凸を形成した際の出力波形の振れ幅の平均を示したグラフである。図４において、横軸の各偏光モードは２文字のアルファベットで示されている。即ち、各偏光モードを示す左のアルファベットは、シリコンウェーハの表面に入射させる光の偏光状態、また、各偏光モードを示す右のアルファベットは、シリコンウェーハの表面で乱反射された散乱光が光検出器に入射する際の光の偏光状態を示している。そして各アルファベットは、ＰがＰ偏光、ＳがＳ偏光、Ｃが円偏光、Ｕは偏光手段によって変更させない状態をそれぞれ示している。
【００２９】
また、微細な凹凸を形成するための粒子サンプルは、ダスト粒子測定用標準ウェーハの作成などに用いられる標準粒子であるＰＳＬ（ＰｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅＬａｔｅｘ）粒子を用いた。ＰＳＬ粒子は極めて単散分に近い粒子であり、粒子径として０．４９９μｍ、０．３００μｍ、０．２４０μｍ、０．２０４μｍ、および０．１２６μｍの５種類の粒子を用いて、図５（ａ）に示すように、シリコンウェーハ２１の表面２１ａに形成した。なお、こうした５種類の粒径のＰＳＬ粒子を形成したシリコンウェーハの測定例を図５（ｂ）に示す。
【００３０】
図４に示すように、内部にシリコン酸化膜を形成しない、シリコン単結晶からなるシリコンウェーハを検査する際には、ＰＰモード、即ち、シリコンウェーハの表面に入射させる光および光検出器に入射させる散乱光を共にＰ偏光とするモードか、または、ＣＵモード、即ち、シリコンウェーハの表面に入射させる光をＣ偏光、光検出器に入射させる散乱光を偏光させないモードによって測定すると、バックグラウンドノイズ（Ｈａｚｅ）を顕著に低減させることが可能となる。
【００３１】
バックグラウンドノイズ（Ｈａｚｅ）を低減させることによって、微弱な散乱光、即ち、シリコンウェーハの表面に存在する微細な凹凸サイズが極めて小さい場合でも、この微細な凹凸に起因する出力波形を正確に検出することができる。このような、ＰＰモードやＣＵモードによってシリコンウェーハの表面を検査すると、例えば、波長３５５ｎｍのレーザー波長を用いると、３０ｎｍ以下、好ましくは２０ｎｍ以下の極めて微細な結晶欠陥や異物を確実に検出することが可能になる。
【００３２】
一方、シリコンウェーハの内部にシリコン酸化膜を形成したＳＯＩウェーハの場合、シリコン酸化膜上に存在するシリコン単結晶薄膜に入射させるレーザー光をＳ偏光とするとともに、この単結晶薄膜の表面で乱反射した散乱光もＳ偏光として光検出器に入射させたＳＳモードを用いて、ＳＯＩウェーハの表面を検査することが好ましい。
【００３３】
図６〜１５は、シリコンウェーハの内部にシリコン酸化膜を形成したＳＯＩウェーハを用いて、各種偏光モードで表面を検査した際のバックグラウンドノイズ（Ｈａｚｅ）、および５種類の粒子サンプルを用いて微細な凹凸を形成した際の出力波形の振れ幅の平均を示したグラフである。
【００３４】
シリコン酸化膜上に存在するシリコン単結晶薄膜の膜厚を、３６ｎｍ，４５ｎｍ，４８ｎｍ，５０ｎｍ，５２ｎｍ，５４ｎｍ，５７ｎｍ，６０ｎｍ，６５ｎｍ，７０ｎｍの１０段階に変化させたＳＯＩウェーハを用意した。なお、シリコン酸化膜の膜厚は全て１４０ｎｍとした。微細な凹凸を形成するためのＰＳＬ粒子サンプルは、粒子径として０．４９９μｍ、０．３００μｍ、０．２４０μｍ、０．１５２μｍ、および０．１２６μｍの５種類の粒子を用いた。
【００３５】
偏光モードは、図４に示すグラフと同様に、横軸の各偏光モードは２文字のアルファベットで示されている。即ち、各モードを示す左のアルファベットは、ＳＯＩウェーハの表面に入射させる光の偏光状態、また、各モードを示す右のアルファベットは、ＳＯＩウェーハの表面で乱反射された散乱光が光検出器に入射する際の光の偏光状態を示している。そして各アルファベットは、ＰがＰ偏光、ＳがＳ偏光、Ｃが円偏光、Ｕは偏光手段によって変更させない状態をそれぞれ示している。
【００３６】
図６〜１５によれば、シリコン酸化膜上のシリコン単結晶薄膜の膜厚を段階的に変えた際に、全ての単結晶薄膜の膜厚において、ＳＳモード、即ち、ＳＯＩウェーハの表面に入射させるレーザー光をＳ偏光とするとともに、ＳＯＩウェーハの表面で乱反射した散乱光もＳ偏光として光検出器に入射させると、バックグラウンドノイズ（Ｈａｚｅ）を低減できることが分かる。このＳＳモードでＳＯＩウェーハの表面を検査することによって、例えば、波長３５５ｎｍのレーザー波長を用いた場合、シリコン酸化膜上のシリコン単結晶薄膜の膜厚によらず、例えば、３０ｎｍ以下、好ましくは２０ｎｍ以下の極めて微細な結晶欠陥や異物を確実に検出することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の表面検査方法に用いられる表面検査装置の一例を示した概略図である。
【図２】シリコンウェーハ表面での入射光の反射の様子を示した説明図である。
【図３】本発明の表面検査方法に用いられる表面検査装置の別な一例を示した概略図である。
【図４】酸化膜を形成しないシリコンウェーハにおけるバックグラウンドノイズの低減効果を示したグラフである。
【図５】図４に示す検証の際に用いた標準粒子の一例を示す説明図である。
【図６】ＳＯＩウェーハにおけるバックグラウンドノイズの低減効果を示したグラフである。
【図７】ＳＯＩウェーハにおけるバックグラウンドノイズの低減効果を示したグラフである。
【図８】ＳＯＩウェーハにおけるバックグラウンドノイズの低減効果を示したグラフである。
【図９】ＳＯＩウェーハにおけるバックグラウンドノイズの低減効果を示したグラフである。
【図１０】ＳＯＩウェーハにおけるバックグラウンドノイズの低減効果を示したグラフである。
【図１１】ＳＯＩウェーハにおけるバックグラウンドノイズの低減効果を示したグラフである。
【図１２】ＳＯＩウェーハにおけるバックグラウンドノイズの低減効果を示したグラフである。
【図１３】ＳＯＩウェーハにおけるバックグラウンドノイズの低減効果を示したグラフである。
【図１４】ＳＯＩウェーハにおけるバックグラウンドノイズの低減効果を示したグラフである。
【図１５】ＳＯＩウェーハにおけるバックグラウンドノイズの低減効果を示したグラフである。
【図１６】ウェーハ表面の微細な凹凸に起因する信号と、バックグラウンドノイズとの関係を示した波形図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０表面検査装置、１１レーザー光源、１２側方集光ミラー、１３光検出器、１４第一の偏光手段、１５第二の偏光手段。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン単結晶からなるシリコンウェーハの表面、または該シリコンウェーハの内部にシリコン酸化膜を形成したＳＯＩウェーハの表面に向けてレーザー光を照射し、前記シリコンウェーハの表面、または前記ＳＯＩウェーハの表面で乱反射した散乱光を光検出器で検出することにより、前記シリコンウェーハの表面、または前記ＳＯＩウェーハの表面に存在する微細な凹凸を検出する表面検査方法であって、
光の電気ベクトルの振動方向が入射面に含まれる直線偏光をＰ偏光、
光の電気ベクトルの振動方向が入射面の法線と光の波面の法線とを含む面に垂直な直線偏光をＳ偏光、
光の電気ベクトルの振動方向が、入射面に対して円状に回転する円偏光をＣ偏光、
としたときに、
前記表面に入射させる前記レーザ光および前記光検出器に入射させる前記散乱光を共に前記Ｐ偏光とするＰＰモード、
または、前記表面に入射させる前記レーザ光を前記Ｃ偏光、前記光検出器に入射させる散乱光を偏光させないＣＵモード、
あるいは、前記表面に入射させる前記レーザ光および前記光検出器に入射させる前記散乱光を共に前記Ｓ偏光とするＳＳモード、
のうち、いずれか１つのモードに設定することを特徴とする表面検査方法。
【請求項２】
前記シリコンウェーハの表面を検査する際には、前記ＰＰモード、または前記ＣＵモード、
前記ＳＯＩウェーハの表面を検査する際には、前記ＳＳモードがそれぞれ選択されることを特徴とする請求項１記載の表面検査方法。

【図１】