特許 7600659 エピタキシャルウェーハの欠陥検査方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-12-09

(45)【発行日】2024-12-17

(54)【発明の名称】エピタキシャルウェーハの欠陥検査方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/956 20060101AFI20241210BHJP

   G01L 1/00 20060101ALI20241210BHJP

   G01L 1/24 20060101ALI20241210BHJP

【ＦＩ】

G01N21/956 A

G01L1/00 B

G01L1/24 Z

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2020205733

(22)【出願日】2020-12-11

(65)【公開番号】P2022092809

(43)【公開日】2022-06-23

【審査請求日】2022-12-15

(73)【特許権者】

【識別番号】302006854

【氏名又は名称】株式会社ＳＵＭＣＯ

(74)【代理人】

【識別番号】110000486

【氏名又は名称】弁理士法人とこしえ特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】木瀬 翔太

【審査官】平田 佳規

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１７／０７８１２７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１０／１４６８５３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１０－２８７７５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２１４４９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－０７４７１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００４／００２１０９７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００４－１０１２３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】村田学術振興財団年報，2019年06月，第33号，第270～272頁

【文献】材料，2002年09月15日，第51巻 第9号，第966～970頁

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２１／８４－ Ｇ０１Ｎ ２１／９５８

Ｇ０１Ｎ ２１／００－ Ｇ０１Ｎ ２１／０１

Ｇ０１Ｎ ２１／１７－ Ｇ０１Ｎ ２１／６１

Ｇ０１Ｎ ２３／００－ Ｇ０１Ｎ ２３／２２７６

Ｇ０１Ｎ ２５／００－ Ｇ０１Ｎ ２５／７２

Ｇ０１Ｎ ２７／７２－ Ｇ０１Ｎ ２７／９０９３

Ｇ０１Ｂ ７／００－ Ｇ０１Ｂ ７／３４

Ｇ０１Ｂ １１／００－ Ｇ０１Ｂ １１／３０

Ｇ０１Ｌ １／００

Ｇ０１Ｌ １／２４

Ｈ０１Ｌ ２１／１８－ Ｈ０１Ｌ ２１／２０

Ｈ０１Ｌ ２１／３４－ Ｈ０１Ｌ ２１／３６

Ｈ０１Ｌ ２１／６４－ Ｈ０１Ｌ ２１／６６

Ｈ０１Ｌ ２１／８４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

エピタキシャルウェーハに、スリップ転位欠陥及びミスフィット転位欠陥を含む転位欠陥がある場合に、前記エピタキシャルウェーハに赤外光を照射し、光弾性効果により生じた偏光状態変化を解析し、応力を受けた部分の歪を測定するウェーハストレス測定により前記エピタキシャルウェーハの残留応力を求め、
前記残留応力が所定値以上の場合は、前記スリップ転位欠陥であると判定し、前記残留応力が前記所定値未満である場合は、前記ミスフィット転位欠陥であると判定するエピタキシャルウェーハの検査方法。

【請求項2】

前記エピタキシャルウェーハの検査面に検査光を照射し、その散乱光に基づいて、スリップ転位欠陥及びミスフィット転位欠陥を含む転位欠陥の有無を判定する請求項１に記載のエピタキシャルウェーハの検査方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、エピタキシャルウェーハの欠陥検査方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

レーザー光で半導体基板の表面を螺旋状に走査し、当該表面からの散乱光の特定方向における特定散乱光情報を取得し、この特定散乱光情報から、半導体基板の結晶すべり面に沿って発生する結晶欠陥の有無を検出する表面検査装置が知られている（たとえば、特許文献１）。また、偏光された平行光を半導体基板に照射し、当該半導体基板を透過または反射した光により得られた画像から、半導体基板の結晶品質を評価する方法が知られている（たとえば、特許文献２）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００７－２１４４９１号公報

【文献】特表２０１７／０７８１２７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、シリコンエピタキシャルウェーハの結晶欠陥として、外部から加わる熱的又は物理的なストレスに起因するスリップ転位欠陥と、基板とエピタキシャル層界面での格子不整合に起因するミスフィット転位欠陥がある。しかしながら、上記特許文献１に記載された表面検査装置では、スリップ転位欠陥及びミスフィット転位欠陥の何れもが、同じような線状欠陥として観察されるので、これらを識別できないという問題がある。

【0005】

本発明が解決しようとする課題は、スリップ転位欠陥とミスフィット転位欠陥を識別できるエピタキシャルウェーハの検査方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、エピタキシャルウェーハに、スリップ転位欠陥及びミスフィット転位欠陥を含む転位欠陥がある場合には、ウェーハストレス測定により前記エピタキシャルウェーハの残留応力を求め、
前記残留応力が所定値以上の場合は、前記スリップ転位欠陥であると判定し、前記残留応力が前記所定値未満である場合は、前記ミスフィット転位欠陥であると判定することによって上記課題を解決する。なお、ウェーハストレス測定は、ウェーハに赤外光を照射し、応力を受けた部分が、光弾性効果により生じた偏光状態変化を解析し、歪として測定する。

【0007】

上記発明において、前記エピタキシャルウェーハの検査面に検査光を照射し、その散乱光に基づいて、スリップ転位欠陥及びミスフィット転位欠陥を含む転位欠陥の有無を判定してもよい。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、エピタキシャルウェーハに、スリップ転位欠陥及びミスフィット転位欠陥を含む転位欠陥が発見されたら、ウェーハストレス測定により残留応力を測定し、残留応力が大きい場合にはスリップ転位欠陥であると判定するので、スリップ転位欠陥とミスフィット転位欠陥を識別することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明のエピタキシャルウェーハの検査方法の一実施の形態を示す工程図である。

【図2】図１の表面検査工程で用いられる表面検査装置の一例を示す構成図である。

【図3】図１の残留応力検査工程で用いられるウェーハストレス測定装置の一例を示す構成図である。

【図4】エピタキシャルウェーハの転位欠陥の一例を示す図である。

【図5A】図３のウェーハストレス測定装置の出力波形を示す図である。

【図5B】図５Ａの出力波形をフィルタリングした波形あとの波形を示す図である。

【図5C】ＧＢＡ法を用いて、図５Ｂの波形から相対歪量を求める方法を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

本発明のエピタキシャルウェーハの欠陥検査方法の一実施の形態では、外部から加わる熱的又は物理的な応力に起因するスリップ転位欠陥と、基板とエピタキシャル層界面での格子不整合に起因するミスフィット転位欠陥とを検査対象とする。

【0011】

ここで、スリップ転位とは、ウェーハの半径方向に温度の不均一性がある場合などのように、円周方向に降伏値を超える応力が働くことで発生する線状の段差をいう。熱的要因による結晶領域の部分的な滑りであるため、エピタキシャルウェーハにあっては、エピタキシャル成長させる際の成長炉のヒータ温度条件を調整したりすることで、スリップ転位を抑制することができる。

【0012】

これに対して、不純物濃度が高いシリコン基板では、不純物原子の原子半径がシリコン原子の原子半径と異なるため、結晶格子定数が僅かに変化し、低不純物濃度のエピタキシャル層に膜歪が作用する。ミスフィット転位とは、当該膜中の歪が臨界値に達したときに発生する線状の段差をいう。エピタキシャル膜とシリコン基板との結晶格子定数の相違が原因で生じる転位であるため、エピタキシャル膜とシリコン基板の不純物濃度を調整したり、エピタキシャル膜とシリコン基板との間に中間濃度の緩衝層を設けたりすることで、ミスフィット転位を抑制することができる。

【0013】

このように、いずれの欠陥も線状の段差であり目視観察では判別できないが、上述したとおりその対策法が全く異なることから、これらの転位欠陥を識別することは、エピタキシャルウェーハの製造工程の稼働率や製品歩留まりを高めるためには重要なことである。勿論、これらスリップ転位欠陥とミスフィット転位欠陥は、エピタキシャルウェーハの断面をＸ線測定装置にて測定し、観察することで、識別することはできる。しかしながら、破壊検査は、製造工程においてリアルタイムで実施することはできないから、識別結果が得られるまでは、製造工程の稼働率や製品歩留まりは低下する。

【0014】

そこで、本実施形態の検査方法では、転位欠陥の原因の相違に着目し、識別不能なスリップ転位欠陥又はミスフィット転位欠陥が観察されたら、ウェーハストレス測定によりエピタキシャルウェーハの残留応力を求め、求められた残留応力が所定値以上の場合は、応力が原因で発生するスリップ転位欠陥であると判定し、残留応力が所定値未満である場合は、応力とは無関係の結晶格子定数の相違が原因で発生するミスフィット転位欠陥であると判定する。

【0015】

図１は、本発明のエピタキシャルウェーハの検査方法の一実施の形態を示す工程図である。本実施形態のエピタキシャルウェーハの検査方法では、ステップＳ１においてエピタキシャルウェーハの表面検査を行い、ステップＳ２においてエピタキシャルウェーハの表面に、スリップ転位欠陥及びミスフィット転位欠陥を含む転位欠陥があるか否かを判定する。スリップ転位欠陥及びミスフィット転位欠陥を含む転位欠陥ＤＦは、図４に示すように線状に延びる段差として観察されるので目視によっても検査することができるが、図２に示す表面検査装置１を用いて行うと、転位欠陥の検査をより正確に行うことができる。

【0016】

図２は、図１のステップＳ１の表面検査工程で用いられる表面検査装置１の一例を示す構成図である。検査対象であるエピタキシャルウェーハＷＦは、可動テーブル１１に載置され、可動テーブル１１がＸＹ平面上を動くことにより、エピタキシャルウェーハＷＦの表面全体にレーザー光が照射される。検査光であるレーザー光は、第１レーザー発振器１２と第２レーザー発振器１３にて生成され、第１レーザー発振器１２で生成されたレーザー光は、エピタキシャルウェーハＷＦの表面に垂直入射光として照射され、第２レーザー発振器１３で生成されたレーザー光は、エピタキシャルウェーハＷＦの表面に斜方入射光として照射される。特に限定はされないが、垂直入射光により、スクラッチ、エピタキシャル欠陥、フィルム内欠陥などを検査することが好ましく、斜方入射光は、高感度測定、ラフネスの高いウェーハ測定、ヘイズ（Ｈａｚｅ）などに用いることが好ましい。

【0017】

エピタキシャルウェーハＷＦの表面に照射されたレーザー光の反射光は、楕円体形状とされた集光器１４を介して第１光電子増倍管１５で受光されると同時に、レンズ１６及びミラー１６ｂを介して第２光電子増倍管１６で受光される。特に限定はされないが、第１光電子増倍管１５で受光されるレーザー光は、微小なパーティクルやヘイズの測定に用いることが好ましく、第２光電子増倍管１６で受光されるレーザー光は、線状欠陥、スクラッチ、ＣＯＰ（ボイド欠陥）、エピタキシャル欠陥などに用いることが好ましい。

【0018】

本実施形態の表面検査装置１を用いてエピタキシャルウェーハＷＦの表面を走査した場合、鏡面状態の表面からの反射レーザー光はそのまま受光される一方、当該表面に異物の付着やピットなどの段差があるとレーザー光は散乱光となって第１光電子増倍管１５及び第２光電子増倍管１６に受光される。これにより、スリップ転位欠陥及びミスフィット転位欠陥を含む転位欠陥ＤＦがあるか否かを判定することができる。

【0019】

図１に戻り、ステップＳ１，Ｓ２の表面検査により線状欠陥がないと判定された場合には、ステップＳ５へ進み、スリップ転位欠陥及びミスフィット転移欠陥はないとする。これに対してステップＳ１，Ｓ２の表面検査により線状欠陥があると判定された場合には、ステップＳ３へ進み、ウェーハストレス測定によりエピタキシャルウェーハの残留応力を検査する。図３は、図１のステップＳ３の残留応力検査工程で用いられるウェーハストレス測定装置２の一例（ＳＩＲＤ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ ＩｎｆＲｅｄ Ｄｅｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）測定装置）を示す構成図である。

【0020】

本実施形態のウェーハストレス測定装置２は、赤外レーザー発振器２１を備え、当該赤外レーザー発振器２１から発信された赤外光は、レンズ２２を通過して偏光子２３に入射する。赤外光は、この偏光子２３において直線偏光されたのち、検査対象であるエピタキシャルウェーハＷＦに対して略垂直に入射する。エピタキシャルウェーハＷＦに入射した赤外光は、エピタキシャルウェーハＷに歪がある場合には、この歪に応じて円偏光されて減衰する。

【0021】

エピタキシャルウェーハＷＦを透過した赤外光は、対物レンズ２４を通過して、偏光分離素子２５に入射する。赤外光は、この偏光分離素子２５において、直線偏光されている成分と、エピタキシャルウェーハＷＦの歪箇所において円偏光された成分とに分離される。分離された赤外光の成分は、それぞれ別のフォトダイオード２６，２７に入射する。

【0022】

各フォトダイオード２６，２７は、入射した赤外光の成分の強度を検出し、検出結果を処理部２８に出力する。処理部２８は、入力された強度に基づいて、直線偏光成分と、円偏光成分との差分を歪量として検出する。このような、歪量を検出する処理を、エピタキシャルウェーハＷＦを回転させ、また、赤外光の照射されるエピタキシャルウェーハＷＦの半径方向の位置を変更して行うことにより、エピタキシャルウェーハＷＦ上の表面の各位置における歪量を検出する。このような検出処理において、検出された歪量の波形（歪波形）は、図５Ａに示すような波形をしている。この歪波形には、エピタキシャルウェーハＷＦにおけるボロン、リン等のドーパント濃度に起因する歪成分や、エピタキシャルウェーハＷＦの全体的な反り等に起因する歪成分が含まれている。

【0023】

そこで、処理部２８は、歪波形から局所的な歪成分を抽出するために、ドーパント濃度や、ウェーハの全体的な反りによる歪成分に相当する長波長の歪成分を歪波形から除外するフィルタリング処理、すなわち浮動平均差分処理を行う。図５Ａに示す歪波形に、浮動平均差分処理を行うと、図５Ｂに示すように長波長の成分が除外された歪波形が得られる。

【0024】

次いで、処理部２８は、ＧＢＡ法を用いて、歪波形に基づいて、相対歪量を求める。すなわち、処理部２８は、ウェーハＷの全面に所定のグリッドの格子を当てがい、所定の領域における全てのセルの数に対する所定の閾値を超えた歪が発生しているセルの数の割合を示す相対歪量を検出する。図５Ｃには、歪波形におけるグリッド位置を示しており、グリッド間がセルの歪を示している。

【0025】

ここで、グリッドとしては、直交座標系のグリッド（Ｘ－Ｙグリッド）や、極座標系のグリッド（Ｒ－Ｔグリッド）を用いることができる。本実施形態では、例えば、１ｍｍ×１ｍｍのセルを構成するグリッドを用い、ウェーハＷの最外周の例えば５ｍｍ幅の円環状の領域から最外周の０．５ｍｍ幅の円環状の領域を除いた領域を対象に相対歪量を検出している。

【0026】

このようなウェーハストレス測定装置２により、エピタキシャルウェーハＷＦの残留応力を示す相対歪量を求めることができる。図１に戻り、ステップＳ４においては、求められた残留応力が、予め設定された残留応力の閾値Ｓ_０以上か否かが判定される。この残留応力の閾値Ｓ_０は、たとえば次のようにして予め求めることができる。すなわち、種々の製造条件で作製した転位欠陥を含むエピタキシャルウェーハを用い、これらの残留応力を測定したのち、Ｘ線測定装置にて断面を測定し、観察することで、それぞれの転位欠陥がスリップ転位欠陥であるか、ミスフィット転位欠陥であるかを識別し、この識別したエピタキシャルウェーハの識別境界となる残留応力値を閾値Ｓ_０とする。

【0027】

上述したとおり、スリップ転位は、熱的又は物理的な応力が原因で発生するのに対し、ミスフィット転位は、応力とは無関係の結晶格子定数が原因で発生する。したがって、ステップＳ４にて、求められた残留応力が所定の閾値Ｓ_０以上の場合は、応力が原因で発生するスリップ転位欠陥であると判定し（ステップＳ６）、残留応力が所定の閾値Ｓ_０未満である場合は、応力とは無関係の結晶格子定数が原因で発生するスフィット転位欠陥であると判定する（ステップＳ７）。

【0028】

以上のように、本実施形態のエピタキシャルウェーハの検査方法によれば、ウェーハの表面に転位欠陥と見られる線状の欠陥が観察された場合に、これがスリップ転位欠陥であるかミスフィット転位欠陥であるかを非破壊検査で識別することができるので、転位欠陥の発見からその対処までの時間を短縮することができる。その結果、エピタキシャルウェーハの製造工程の稼働率や製品歩留まりを高めることができる。

【0029】

《ウェーハストレスと転位の識別》
エピタキシャル成長炉のヒータ加熱条件の水準が異なる条件１～４にてエピタキシャルウェーハを製造し、転位の有無を検査したところ何れも線状の転位欠陥が観察された。そのため、ウェーハストレス測定装置２を用いてそれぞれのエピタキシャルウェーハの残留応力を測定した。この結果を表１に示す。なお、残留応力は、条件１の残留応力値を１として正規化した値である。

【0030】

【表1】

【0031】

次に、不純物濃度を小さくしたシリコンウェーハを用い、上記条件１～４の各条件は変えずにエピタキシャルウェーハを製造した。これらエピタキシャルウェーハの転位の有無を観察するとともに、ウェーハストレス測定装置２を用いてそれぞれの残留応力を測定した。この結果を表２に示す。なお、残留応力は、条件１の残留応力値を１として正規化した値である。

【0032】

【表2】

【0033】

これら表１及び表２の結果から、以下のことが理解される。まず、条件１及び条件２のエピタキシャルウェーハで観察された表１の転位欠陥は、表２に示すように不純物濃度を調整することで観察されなくなったことから、ミスフィット転位欠陥であると判定できる。また、条件３及び条件４のエピタキシャルウェーハで観察された表１の転位欠陥は、表２に示すように不純物濃度を調整しても観察されたことから、スリップ転位欠陥であると判定できる。

【0034】

そして、表１及び表２の残留応力に示されるように、スリップ転位欠陥であるとされる条件３及び条件４のエピタキシャルウェーハの残留応力は、ミスフィット転位欠陥であるとされる条件１及び条件２のエピタキシャルウェーハの残留応力に対して有意に大きいことが理解できる。したがって、図１のステップＳ４にて、求められた残留応力が所定の閾値Ｓ_０以上の場合は、応力が原因で発生するスリップ転位欠陥であると判定し（ステップＳ６）、残留応力が所定の閾値Ｓ_０未満である場合は、応力とは無関係の結晶格子定数が原因で発生するミスフィット転位欠陥であると判定する（ステップＳ７）ことは適切である。

【符号の説明】

【0035】

１…表面検査装置
１１…可動テーブル
１２…第１レーザー発振器
１３…第２レーザー発振器
１４…集光器
１５…第１光電子増倍管
１６…第２光電子増倍管
１６ａ…レンズ
１６ｂ…ミラー
２…ウェーハストレス測定装置
２１…赤外レーザー発振器
２２…レンズ
２３…偏光子
２４…対物レンズ
２５…偏光分離素子
２６，２７…フォトダイオード
２８…処理部
ＷＦ…エピタキシャルウェーハ
ＤＦ…転位欠陥

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図5C】