JP2009032835A - 参照ウェハ像を作製する方法、半導体ウェハのマクロ検査方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】作製に手間がかからず、輝度分布のばらつきの変化に容易に対処可能な、参照ウェハ像を作製する方法を提供すること。
【解決手段】半導体用ウェハの検査のために該ウェハと比較する参照ウェハ像を作製する方法であって、前記ウェハを撮影して得られた撮影画像を処理して該撮影画像から前記検査で検出される被検出部分（輝度分布）の特徴量データを抽出する抽出工程（図２のステップＳ２２、図３、図６参照）と、前記被検出部分が前記撮影画像上で発現する位置を想定する想定工程（図２のステップＳ２２、図４、図７参照）と、前記参照ウェハ像の前記想定した位置に前記被検出部分を発現させる発現工程（図２のステップＳ２３、図５、図８参照）と、を備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は参照ウェハ像を作製する方法、該方法によって作製した参照ウェハ像を使用する半導体ウェハのマクロ検査方法及び装置に関する。

半導体ウェハの製造では、通常、製造工程間でレジストの塗布不良（膜厚のばらつき、レジストの未塗布箇所の発生など）や露光、現像不良などのマクロ欠陥を検査するマクロ検査が行われる。マクロ欠陥は、検査対象のウェハを撮影してその画像を採取すると、撮影画像中に輝度値のムラあるいはばらつき（輝度分布）として現れることが多い。このため、マクロ検査では、検査対象のウェハを撮影してその画像を採取し、この撮影画像に基づいて良品か否かの判断を行うが、この際、基準となる参照ウェハ像を予め準備し、この参照ウェハ像と検査対象であるウェハの撮影画像との対比で行うのが一般的である（特許文献１）。

参照ウェハ像は、例えば良品のウェハを撮影した画像に基づいて作製されるが、製造装置の間でのばらつきや検査装置の間でのばらつきがあることから、予め複数枚の良品ウェハの画像を採取し、この画像から面内輝度分布や、ウェハ間の面内輝度分布を統計処理によって数値化して作製する必要がある。
特開２０００−２０７５６２号公報

しかし、上述した参照ウェハ像の作製には複数枚の良品ウェハの画像データを採取する必要があることから非常に手間がかかる課題があった。

また、輝度値のムラあるいはばらつき（輝度分布）は半導体ウェハ製造装置や検査装置の交換、メンテナンスなどによって変化することがあり、これに対処するには新たに参照ウェハ像を作製する必要があって時間がかかる課題があった。また、輝度分布の変化によって誤判断（疑似不良）が発生するおそれもあった。

本発明は、作製に手間がかからず、輝度分布の変化に容易に対処可能な、参照ウェハ像を作製する方法、該方法によって作製した参照ウェハ像を使用する半導体ウェハのマクロ検査方法及び装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の請求項１に記載の参照ウェハ像を作製する方法は、半導体用のウェハの検査のために該ウェハと比較する参照ウェハ像を作製する方法であって、前記ウェハを撮影して得られた撮影画像を処理して該撮影画像から前記検査で検出される被検出部分の特徴量データを抽出する抽出工程と、前記被検出部分が前記撮影画像上で発現する位置を想定する想定工程と、前記参照ウェハ像の前記想定した位置に前記被検出部分を発現させる発現工程と、を備えることを特徴とする。

本発明の請求項２に記載の参照ウェハ像を作製する方法は、前記検査が前記撮影画像の輝度分布の検査であり、前記特徴量データが、前記輝度分布を平均化した輝度分布を有する画像と前記撮影画像との差分から抽出することを特徴とする。

本発明の請求項３に記載の参照ウェハ像を作製する方法は、前記ウェハは半導体回路が形成されたチップが複数集合したチップ領域を有し、前記輝度分布を平均化した輝度分布を有する画像は、前記撮影画像の、前記チップ領域からそれぞれ前記チップの画像部分を抽出し、該チップの画像部分に発現した輝度分布を平均化してこの平均化した輝度分布を有するチップの画像を作製し、該チップの画像を前記チップ領域部分に相当する前記撮影画像上の箇所に複数集合させて作製されることを特徴とする。

本発明の請求項４に記載の参照ウェハ像を作製する方法は、前記発現工程は、前記想定した位置の前記被検出部分を、前記輝度分布を平均化した輝度分布を有する画像上に発現させることを特徴とする。

本発明の請求項５に記載の参照ウェハ像を作製する方法は、前記輝度分布の形状が円弧状のとき、前記想定工程は、前記輝度分布の位置を所定の角度ずらして、前記被検出部分が発現する位置を想定することを特徴とする。

本発明の請求項６に記載の参照ウェハ像を作製する方法は、前記輝度分布の形状がリング状のとき、前記想定工程は、前記輝度分布の半径方向の寸法を変化させて、前記被検出部分が発現する位置を想定することを特徴とする。

本発明の請求項７に記載の半導体用ウェハのマクロ検査方法は、半導体用のウェハに光を照射して撮影した撮影画像を、請求項１乃至６の何れか一項に記載の参照ウェハ像を作製する方法によって作製した参照ウェハ像と比較して検査することを特徴とする。

本発明の請求項８に記載の半導体用ウェハのマクロ検査装置は、半導体用のウェハに光を照射して撮影する撮影部と、請求項１乃至６の何れか一項に記載の方法で作製した参照ウェハ像のデータを保存する参照ウェハ像保存部と、前記撮影部によって撮影した半導体用ウェハの撮影画像を処理し、前記参照ウェハ像保存部に保存され前記データと比較する比較部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、参照ウェハ像の作製に手間がかからず、輝度分布の変化に容易に対処可能である。

以下本発明の参照ウェハ像を作製する方法、該方法によって作製した参照ウェハ像を使用する半導体ウェハのマクロ検査方法及び装置の一実施形態について図１乃至図８を参照して説明する。

半導体ウェハＷ（図１、図３（ａ）、図６（ａ）参照）は、その表面にフォトレジスト膜を塗布し、このフォトレジスト膜に半導体回路パターンを露光し焼き付け、現像するなど工程を繰り返して、半導体ウェハＷの表面のチップ形成領域Ｔ（図３（ａ）、図６（ａ）参照）に半導体集積回路を有する半導体チップｔが複数形成される。

半導体ウェハＷの製造工程中、半導体ウェハＷの表面にフォトレジスト膜の他に反射防止膜、層間絶縁膜などの各種膜が設けられるが、これら各種膜の膜厚の均一性や膜の塗布漏れなどを検査するためにマクロ検査装置１０（図１参照）に搬送される。

膜厚の均一性や膜の塗布漏れのようなマクロ欠陥は、半導体ウェハＷの表面を撮影したときにその撮影画像（正反射像）中の輝度値のムラあるいはばらつき（輝度分布）として現れる。すなわち、撮影画像中に、そのある部位の輝度が他の部位に比して輝度（明るさ）が高かったり、低かったりするような、輝度の分布が出現する。この輝度分布がマクロ欠陥に該当するか否かは、マクロ検査装置１０において、良品の半導体ウェハＷの画像に基づいて作製された参照ウェハ像と比較して行う。

本実施形態の方法によって作製された参照ウェハ像を使用したマクロ検査装置１０の概要を説明する。

図１は本発明の半導体ウェハのマクロ検査装置の一実施形態を示す概略図である。同図に示すように、マクロ検査装置１０は、検査対象の半導体ウェハＷが載置される検査ステージ１１と、この検査ステージ１１上の半導体ウェハＷの表面を照明する光源１２と、この光源１２の光の光量調整が可能な波長選択ユニット１３と、この波長選択ユニット１３からの光を半導体ウェハＷの表面に照射する一方、半導体ウェハＷの表面を反射した反射光を撮像系１７に導く光学系を構成する、バンドルファイバ１４、凹面鏡１５、凹面鏡１６と、撮像系１７からの画像信号を入力し、画像データに変換し、この画像データに基づいて半導体ウェハＷの良否を判定する画像処理部１８と、半導体ウェハＷの良否を判定する際に使用する参照ウェハ像を作製・保存する他に、検査ステージ１１や画像処理部１８などを制御するコンピュータ１９とを備える。

検査ステージ１１は、載置された半導体ウェハＷの表面をあらゆる角度からの撮影が可能になるように回転可能で且つ傾斜可能（チルト角が調整可能）に構成される。

光源１２には例えば水銀ランプが使用される。波長選択ユニット１３にはこの水銀ランプの輝線スペクトルから単一の波長の光のみを透過させる干渉フィルタが複数搭載されている。波長選択ユニット１３は、干渉フィルタを選択することによって例えばｇ線（４３６ｎｍ）やｊ線（３１３ｎｍ）など単一波長の照明光のみを設定することが可能である。

バンドルファイバ１４は、光量が調整され、波長が選択された照明光を凹面鏡１５に導くもので、光ファイバを複数本束ねて構成される。

凹面鏡１５は、バンドルファイバ１４によって導かれた照明光を反射し平行光束として半導体ウェハＷの表面を均一に照射するものである。

凹面鏡１６は、照明光が照射された半導体ウェハＷの表面で反射した反射光を撮像系１７に導くものである。

撮像系１７は、半導体ウェハＷ全面を一括視野に捉えることができる倍率の結像レンズとＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラを備える。例えば、３００ｍｍの半導体ウェハＷを撮影する場合、１インチＣＣＤ（１０２４×１０２４画素）を使用すると、画像分解能は３００μｍ／画素程度となり、この分解能で半導体ウェハＷの全面を検査することが可能となる。

上述したマクロ検査装置１０において、凹面鏡１５による照明光の半導体ウェハＷに対する入射角と凹面鏡１６により受光される反射光の反射角度を半導体ウェハＷの法線に対して同一角度になる場合が正反射光を受光する構成であり、この構成において検査ステージ１１を図１の上下方向の矢印に沿って傾斜させることで回折検査も可能となる。

また、検査ステージ１１を回転させることにより、半導体ウェハＷのショットパターンと照明光の入射角度が調整可能である。

画像処理装部１８には、取得した検査対象の半導体ウェハの撮影画像を画像データに変化し、コンピュータ１９の参照ウェハ像保存部１９ａに保存された、以下に説明する本実施形態の方法で作製された参照ウェハ像のデータと対比する比較部１８ａが備えられる。

コンピュータ１９には、上述した参照ウェハ像保存部１９ａの他に、検査ステージ１１の回転と傾斜を制御し、また画像処理部１８を制御する制御部（不図示）が備えられる。

次に上記マクロ検査装置１０で使用される参照ウェハ像の作製方法の一実施形態について、図２乃至図８を参照して説明する。

図２は参照ウェハ像を作製するフローチャートを示す。

半導体ウェハＷの検査工程では、上記マクロ検査装置１０が複数台使用されるが、そのうちの１台を機差基準号機として選択し、この機差基準号機で良品の半導体ウェハＷを１枚使用し、検査時における最適条件パラメータ（半導体ウェハＷの回転角度、傾斜角度や照明光の波長）を導き出す。

そして、ステップＳ２０で、最適条件パラメータの各項目にて、輝度分布ばらつきの上限と下限との間を数ステップ変化させ、それぞれのステップのもとで１枚の良品の半導体ウェハＷの表面を撮影する。

具体的には、検査ステージ１１を駆動して半導体ウェハＷの回転角度、傾斜角度を変化させ、また波長選択ユニット１２の干渉フィルタを選択して照明光の波長を変化させ、それぞれの回転角度、傾斜角度、光線波長のもとで半導体ウェハＷの表面を撮影する。

なお、マクロ検査装置１０の間の機差ばらつきの想定は、機差基準号機として選択されたマクロ検査装置１０で行う。

次いで、ステップＳ２１で、撮影した画像を処理し、面内ムラチェック（撮影した画像の輝度分布の有無のチェック）を実行する。

面内ムラが有る場合（半導体ウェハＷの製造装置に起因し撮影した画像中に輝度分布が存在する場合 例えば図３（ａ）に示すような円弧状あるいは三日月状の輝度分布や、図６（ａ）に示すようなドーナツ状あるいはリング状の輝度分布が存在する場合）にはステップＳ２２に移行する。

ステップＳ２２では、まず輝度分布を抽出する（図３（ｄ）、図６（ｄ）参照）。そしてこの抽出した輝度分布の形状から半導体ウェハＷの製造装置に起因する輝度分布の位置を想定し、この想定した位置の輝度分布の画像を複数枚作製する（例えば図４（ａ）乃至（ｃ）、図７（ａ）乃至（ｃ）を参照）。この際、輝度分布の形状毎に想定画像作製ルールを設ける。例えば、円弧状あるいは三日月状の輝度分布（図３（ａ）参照）の場合には、輝度分布を所定の点を中心に回転させて輝度分布が発現する位置を想定する（図４（ａ）乃至（ｃ）参照）。また、ドーナツ状あるいはリング状の輝度分布（図５（ａ）参照）の場合には、輝度分布の幅を太くあるいは細く変化させて輝度分布が発現する位置（範囲）を想定する（図７（ａ）乃至（ｃ）参照）。

次いで、ステップ２３に移行し、このステップＳ２３で、抽出・想定した輝度分布とパラメータを変化させて撮影した撮影画像に基づいて作製したウェハ画像とを合成する。この後、ステップＳ２４に移行し、合成画像データを数値化し、参照ウェハ像のデータを完成させる。

ステップＳ２１で面内ムラが無いと判断された場合（半導体ウェハＷの製造装置に起因する輝度分布が無く、輝度分布が略一様になっている場合）には、直接ステップＳ２４に移行し、最適パラメータ条件で撮影した画像を数値化し、参照ウェハ像を完成させる。

図３（ａ）乃至（ｄ）、図６（ａ）乃至（ｄ）は上述した輝度分布を抽出する過程（撮影画像から被検出部分の特徴量データを抽出する抽出工程）の説明図である。

例えば、図３（ａ）に示すような輝度分布を有する半導体ウェハＷの撮影画像Ｉが得られた場合には、先ずこの画像Ｉの検査対象領域であるチップ領域Ｔ内にある全てのチップｔ部分の画像からそれぞれの輝度を求める。そして、これら輝度を平均化し、この平均化した輝度を有するチップｔ部分の画像を作製する（図３（ｂ）参照）。そして、この平均化した輝度を有するチップｔ部分の画像をチップ領域Ｔ内に複数集合させて輝度分布が一様なウェハ画像（図３（ｃ）参照）を作製する。この後、このウェハ画像（図３（ｃ））と半導体ウェハＷの撮影画像Ｉ（図３（ａ））との差分を求め、この差分（図３（ｄ））を輝度分布とする。すなわち、輝度分布を有する実際の半導体ウェハＷの撮影画像から輝度分布が一様な（輝度分布が存在しない）コンピュータ１９で作製したウェハ画像を差し引いて輝度分布を抽出する。

図６（ａ）に示すような輝度分布が有る半導体ウェハＷの撮影画像が得られた場合にも上述した図３に示す場合と同様に平均化した輝度を有するチップｔ部分の画像を作製（図６（ｂ）参照）し、この平均化した輝度を有するチップｔ部分の画像をチップ領域Ｔ内に複数集合させて輝度分布が一様なウェハ画像（図６（ｃ）参照）を作製し、この後このウェハ画像（図６（ｃ））と半導体ウェハＷの撮影画像（図６（ａ））との差分を求め、この差分（図６（ｄ））を輝度分布とする。

図４（ａ）乃至（ｃ）、図７（ａ）乃至（ｃ）は半導体ウェハＷの製造装置に起因する輝度分布が発現する、撮影画像Ｉ上の位置を想定する過程（想定工程）の説明図である。

図３（ｄ）に示すような円弧状あるいは三日月状の輝度分布である場合には、撮影画像Ｉ中の輝度分布が発現した位置から所定の点（撮影画像Ｉの中心（チップ領域Ｔの中心）に相当する点）を中心に輝度分布を反時計方向に例えば約９０°毎回転させた位置、すなわち撮影画像Ｉ中の輝度分布が発現した位置から反時計方向に９０°回転させた位置（図４（ａ）参照）と、この位置からさらに反時計方向に約９０°（図３（ｄ）の輝度分布から１８０°）回転させた位置（図４（ｂ）参照）と、この位置からさらに反時計方向に約９０°（図３（ｄ）の輝度分布から２７０°）回転させた位置（図４（ｃ）参照）を、それぞれ製造装置に起因し輝度分布が発現する位置と想定して輝度分布データを作製する。

図６（ｄ）に示すようなドーナツ状あるいはリング状の輝度分布である場合には、この輝度分布の幅を長いもの（図７（ａ）参照）、中位のもの（図７（ｂ）参照）、短いもの（図７（ｃ）参照）を、それぞれ製造装置に起因し輝度分布が発現する位置（範囲）と想定して輝度分布データを作製する。

図５（ａ）乃至（ｃ）、図８（ａ）乃至（ｃ）は、上述のようにして想定した各輝度分布を、ウェハ画像（図３（ｃ）、図６（ｃ）参照）に合成した状態（想定した輝度分布をウェハ画像上に発現させる発現工程）の説明図である。

図５（ａ）乃至（ｃ）はウェハ画像（図３（ｃ）参照）上に図４（ａ）乃至（ｃ）の輝度分布をそれぞれ合成して作製した（ウェハ画像上に図４（ａ）乃至（ｃ）でそれぞれ想定した位置に輝度分布を発現させて作製した）参照ウェハ像である。

図８（ａ）乃至（ｃ）はウェハ画像（図３（ｃ）参照）上に図７（ａ）乃至（ｃ）の輝度分布をそれぞれ合成して作製した（ウェハ画像上に図７（ａ）乃至（ｃ）でそれぞれ想定した位置（範囲）に輝度分布を発現させて作製した）参照ウェハ像である。

このようにして作製した参照ウェハ像は統計処理により数値化してコンピュータ１９の参照ウェハ像保存部１９ａに保存される。

半導体ウェハＷの検査時においては、マクロ検査装置１０により半導体ウェハＷの画像を撮影し、この撮影画像を処理して画像データに変換し、画像処理部１８の比較部１８ａでこの画像データと参照ウェハ像保存部１９ａから読み出した参照ウェハ像のデータとを比較し、画像データが予め設定した参照ウェハ像のデータの閾値の範囲内にあるか否かを判断する。閾値の範囲から外れた場合にはマクロ欠陥として処理し、また閾値の範囲内の場合は半導体ウェハＷを製造工程に戻す。

閾値の設定範囲は調整可能にしてあり、マクロ欠陥が僅かでも存在する場合にマクロ欠陥として処理する場合には閾値は狭く設定され、マクロ欠陥が存在していてもそれ程問題とならない場合には閾値は広く設定される。

製造装置や検査装置の交換、メンテナンスなどで輝度分布が変化すると予想される場合には、例えば、上述した想定工程で新たに輝度分布が発現する位置を想定し、これに基づいて発現工程で参照ウェハ像を追加・更新することで対処する。

なお、検査結果や半導体ウェハＷの撮影画像などをコンピュータ１９に接続したディスプレイ２０に表示させるようにしてもよい。

以上の本実施形態によれば、参照ウェハ像の作製に使用する良品の半導体ウェハＷは１枚であり、複数枚の半導体ウェハＷを使用する場合に比して画像撮りの時間を大幅に短縮することが可能である。

また、輝度分布が変化するような場合には、この輝度分布の変化を想定して参照ウェハ像を追加することが容易であり、疑似欠陥が生じる可能性を少なくすることが出来る。

したがって、半導体ウェハＷの製造において、検査工程の時間短縮を図ることが可能である。

本発明は上記実施形態に示したものに限定されるものではない。例えば、輝度分布の形状、その発現位置（範囲）は半導体ウェハＷによって大きく異なるので、図３乃至図８に示したものに限定されるものではない。また、マクロ欠陥として撮影画像に現れるのは一般には輝度分布であるが、本発明ではこの輝度分布に限定されるものではない。

本発明のマクロ検査装置の一実施形態を示す概略図である。 本発明の参照ウェハ像の作製方法の一実施形態を示すフローチャートである。 抽出工程の説明図で、図３（ａ）は半導体ウェハＷの撮影画像の説明図、図３（ｂ）は輝度分布を平均化したチップ画像の説明図、図３（ｃ）は図３（ｂ）のチップ画像を複数集合させて作製したウェハ画像の説明図、図３（ｄ）は抽出した輝度分布の説明図である。 図４（ａ）乃至（ｃ）は図３で抽出した輝度分布の発現位置を想定した説明図である。 図５（ａ）乃至（ｃ）は図４（ａ）乃至（ｃ）に示す想定位置の輝度分布をそれぞれ図３（ｃ）のウェハ画像上に発現させた、参照ウェハ像の説明図である。 抽出工程の別の説明図で、図６（ａ）は半導体ウェハＷの撮影画像の説明図、図６（ｂ）は輝度分布を平均化したチップ画像の説明図、図６（ｃ）は図６（ｂ）のチップ画像を複数集合させて作製したウェハ画像の説明図、図６（ｄ）は抽出した輝度分布の説明図である。 図７（ａ）乃至（ｃ）は図６で抽出した輝度分布の発現位置を想定した説明図である。 図８（ａ）乃至（ｃ）は図７（ａ）乃至（ｃ）に示す想定位置の輝度分布をそれぞれ図６（ｃ）のウェハ画像上に発現させた、参照ウェハ像の説明図である。

符号の説明

１０ マクロ検査装置
１１ 検査ステージ
１２ 光源
１３ 波長選択ユニット
１４ バンドルファイバ
１５ 凹面鏡
１６ 凹面鏡
１７ 撮影系
１８ 画像処理部
１８ａ 比較部
１９ コンピュータ
１９ａ 参照ウェハ像保存部

Claims (8)

1. 半導体用のウェハの検査のために該ウェハと比較する参照ウェハ像を作製する方法であって、
   前記ウェハを撮影して得られた撮影画像を処理して該撮影画像から前記検査で検出される被検出部分の特徴量データを抽出する抽出工程と、
   前記被検出部分が前記撮影画像上で発現する位置を想定する想定工程と、
   前記参照ウェハ像の前記想定した位置に前記被検出部分を発現させる発現工程と、
   を備えることを特徴とする参照ウェハ像を作製する方法。
2. 請求項１に記載の方法において、
   前記検査は前記撮影画像の輝度分布の検査であり、
   前記特徴量データは、前記輝度分布を平均化した輝度分布を有する画像と前記撮影画像との差分から抽出することを特徴とする参照ウェハを作製する方法。
3. 請求項２に記載の方法において、
   前記ウェハは半導体回路が形成されたチップが複数集合したチップ領域を有し、
   前記輝度分布を平均化した輝度分布を有する画像は、前記撮影画像の、前記チップ領域からそれぞれ前記チップの画像部分を抽出し、該チップの画像部分に発現した輝度分布を平均化してこの平均化した輝度分布を有するチップの画像を作製し、該チップの画像を前記チップ領域部分に相当する前記撮影画像上の箇所に複数集合させて作製されることを特徴とする参照ウェハ像を作製する方法。
4. 請求項２又は３に記載の方法において、
   前記発現工程は、前記想定した位置の前記被検出部分を、前記輝度分布を平均化した輝度分布を有する画像上に発現させることを特徴とする参照ウェハ像を作製する方法。
5. 請求項２乃至４の何れか一項に記載の方法において、
   前記輝度分布の形状が円弧状のとき、前記想定工程は、前記輝度分布の位置を所定の角度ずらして、前記被検出部分が発現する位置を想定することを特徴とする参照ウェハ像を作製する方法。
6. 請求項２乃至４の何れか一項に記載の方法において、
   前記輝度分布の形状がリング状のとき、前記想定工程は、前記輝度分布の半径方向の寸法を変化させて、前記被検出部分が発現する位置を想定することを特徴とする参照ウェハ像を作製する方法。
7. 半導体用のウェハに光を照射して撮影した撮影画像を、請求項１乃至６の何れか一項に記載の参照ウェハ像を作製する方法によって作製した参照ウェハ像と比較して検査することを特徴とする半導体用ウェハのマクロ検査方法。
8. 半導体用のウェハに光を照射して撮影する撮影部と、
   請求項１乃至６の何れか一項に記載の方法で作製した参照ウェハ像のデータを保存する参照ウェハ像保存部と、
   前記撮影部によって撮影した半導体用ウェハの撮影画像を処理し、前記参照ウェハ像保存部に保存され前記データと比較する比較部と、
   を備えることを特徴とする半導体用ウェハのマクロ検査装置。

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