JP2009145128A - 表面検査方法および表面検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】パターンの微細化が進んでも従来の照明を用いて回折検査が可能な表面検査方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る表面検査方法は、所定の繰り返しパターン１１を有したウェハ１０の表面を検査する表面検査方法において、繰り返しパターン１１の表面もしくは表面近傍に繰り返しパターン１１のピッチに対して３倍のピッチを有する遮光性のマスクパターン５１を重ねて設ける第１のステップと、マスクパターン５１が設けられた状態でウェハ１０の表面に照明光を照射する第２のステップと、照明光が照射されたウェハ１０の表面からのマスクパターン５１のピッチに対応した回折光を検出する第３のステップと、第３のステップで検出した回折光に基づいて繰り返しパターン１１における欠陥の有無を検査する第４のステップとを有している。
【選択図】図４

Description

本発明は、半導体ウェハ等の表面を検査する表面検査方法および装置に関する。

半導体ウェハの表面に形成された繰り返しパターンを検査する技術として、ウェハの表面から出射される回折光の強度変化を用いた検査がある（例えば、特許文献１を参照）。このような検査方法によれば、露光装置のデフォーカスやドーズシフトに基づく線幅不良、パターンの断面形状不良、レジスト塗布不良等を、高速かつ高精度で検出することができる。
特許第３６６９１０１号公報

しかしながら、半導体ウェハに形成されるパターンの微細化が進むと、波長の短い照明光を使用しても回折光が発生せず、回折光を用いた回折検査ができなくなるという問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、パターンの微細化が進んでも従来の照明を用いて回折検査が可能な表面検査方法および装置を提供することを目的とする。

このような目的達成のため、本発明に係る表面検査方法は、所定の繰り返しパターンを有した被検基板の表面を検査する表面検査方法において、前記繰り返しパターンの表面もしくは表面近傍に前記繰り返しパターンのピッチに対して２以上の整数倍のピッチの開口部を有する遮光性のマスクパターンを前記繰り返しパターンが前記開口部と合うように重ねて設ける第１のステップと、前記マスクパターンが設けられた状態で前記被検基板の表面に照明光を照射する第２のステップと、前記照明光が照射された前記被検基板の表面からの前記マスクパターンのピッチに対応した回折光を検出する第３のステップと、前記第３のステップで検出した前記回折光に基づいて前記繰り返しパターンにおける欠陥の有無を検査する第４のステップとを有している。

なお、前記第１のステップにおいて、前記マスクパターンが形成された透明もしくは半透明の薄板を、前記繰り返しパターンの表面もしくは表面近傍で、前記マスクパターンが前記繰り返しパターンの表面に重なるように配置することが好ましい。

また、前記第１のステップにおいて、前記マスクパターンを前記繰り返しパターンの表面に重ねて形成し、検査後に、前記マスクパターンを前記繰り返しパターンの表面から除去するようにしてもよい。

また、本発明に係る表面検査装置は、所定の繰り返しパターンを有した被検基板の表面を検査する表面検査装置において、前記繰り返しパターンのピッチに対して２以上の整数倍のピッチの開口部を有する遮光性のマスクパターンが形成された透明もしくは半透明の薄板と、前記薄板を、前記繰り返しパターンの表面もしくは表面近傍で、前記マスクパターンの前記開口部と前記繰り返しパターンが合うように前記繰り返しパターンの表面に重なるように保持する保持部と、前記保持部により前記薄板の前記マスクパターンが前記繰り返しパターンの表面に重なるように保持された状態で、前記被検基板の表面に照明光を照射する照明部と、前記照明光が照射された前記被検基板の表面からの前記マスクパターンのピッチに対応した回折光を検出する検出部と、前記検出部で検出した前記回折光に基づいて前記繰り返しパターンにおける欠陥の有無を検査する検査部とを備えている。

本発明によれば、パターンの微細化が進んでも従来の照明を用いて回折検査を行うことができる。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。図１に本実施形態に係る表面検査装置の一例を示しており、この装置により被検基板である半導体ウェハ１０の表面欠陥を検査する。この表面検査装置１は、ウェハ１０を載置保持するホルダ５を備え、不図示の搬送装置によって搬送されてくるウェハ１０を、ホルダ５の上に載置させるとともに真空吸着によって固定保持する。ホルダ５は、このように固定保持したウェハ１０の中心（ホルダ５の中心）を通りウェハ１０の表面に垂直な軸ＡＸを回転軸として、ウェハ１０を回転（ウェハ１０の表面内での回転）可能に保持する。また、ホルダ５は、ウェハ１０の表面を通る軸を中心に、ウェハ１０をチルト（傾動）させることが可能であり、検査用照明光の入射角を調整できるようになっている。

表面検査装置１はさらに、ホルダ５に固定保持されたウェハ１０の表面に検査用照明光を照射する照明光学系２０と、検査用照明光の照射を受けたときのウェハ１０からの反射光や回折光等を集光する集光光学系３０と、集光光学系３０により集光された光を受けてウェハ１０の表面の像を検出するＣＣＤカメラ４０とを備えて構成される。照明光学系２０は、ＡｒＦレーザ（波長：１９３ｎｍ）やＫｒＦレーザ（波長：２４８ｎｍ）等の光源を有して照明光を射出する照明部２１と、照明部２１から射出された照明光を反射させる照明系凹面鏡２３とを主体に構成される。

照明部２１から照明系凹面鏡２３へ射出された照明光は、照明系凹面鏡２３により平行光束となってホルダ５に保持されたウェハ１０の表面に照射される。このとき、ウェハ１０の表面に照射される検査用照明光は、ウェハ１０の中心を通りウェハ１０の表面に垂直な軸ＡＸに対して角度θiを有して照射され、軸ＡＸに対して角度θrを有する光がウェハ１０の表面から出射される。これら入射角θiと出射角θrとの関係が、ホルダ５をチルト（傾動）させることにより調整可能である。すなわち、ホルダ５のチルトによりウェハ１０の載置角度を変化させて、ウェハ１０への光の入射角θiを変化させることができるとともに、ウェハ１０からの光の出射角θrを変化させることができる。

ウェハ１０の表面からの出射光（回折光）は集光光学系３０により集光される。集光光学系３０は、軸ＡＸに対して角度θrを有した方向に対向して配設された集光系凹面鏡３１を主体に構成され、集光系凹面鏡３１により集光された出射光（回折光）はＣＣＤカメラ４０の撮像面上に達し、当該撮像面上でウェハ１０の像が結像される。この結果、ウェハ１０の表面の像がＣＣＤカメラ４０の撮像面上に形成される。

ＣＣＤカメラ４０は、撮像面上に形成されたウェハ１０の表面の像を光電変換して画像信号を生成し、画像信号を画像処理検査部４１に出力する。画像処理検査部４１には、画像表示装置４２が電気的に接続されている。画像処理検査部４１は、ＣＣＤカメラ４０から入力されたウェハ１０の画像信号に基づいて、ウェハ１０の画像を所定のビット（例えば８ビット）のデジタル画像に変換する。また、画像処理検査部４１は、ウェハ１０の画像（デジタル画像）を生成すると、ウェハ１０の画像とメモリに記憶された良品ウェハの画像（図示せず）とを比較して、ウェハ１０表面における欠陥の有無を検査する。そして、画像処理検査部４１による検査結果およびそのときのウェハ１０の画像が画像表示装置４２で出力表示される。

ところで、ウェハ１０の表面には、図２に示すように、所定の繰り返しパターン１１が形成されている。繰り返しパターン１１は、複数のライン部１１Ａがその短手方向に沿って一定のピッチＰ（例えば、Ｐ＝８０ｎｍ）で配列されたレジストパターン（例えば、配線パターン）である。隣り合うライン部１１Ａ同士の間は、スペース部１１Ｂである。なお、繰り返しパターン１１におけるライン部１１Ａとスペース部１１Ｂとの線幅の比率を１：１とする。

本実施形態においては、上記のような繰り返しパターン１１を、「２回パターニング」や、「２回露光」、「２回現像」、「側壁残し」等と称される技術（以降、ダブルパターニングと称する）により形成している。ダブルパターニングの一例について述べると、まず、図３（ａ）に示すように、ウェハ１０の表面に、ライン部とスペース部との線幅の比率が１：３となるパターンを露光し、現像することで、第１の露光パターン１２Ａを形成する。次に、ライン部とスペース部との線幅の比率が１：３となるパターンを第１の露光パターン１２Ａに対して半分のピッチだけずらした位置に露光し、現像することで、図３（ｂ）に示すように、第２の露光パターン１２Ｂを形成する。これにより、第１の露光パターン１２Ａと第２の露光パターン１２Ｂとを合わせて、各露光パターン１２Ａ，１２Ｂの半分の繰り返しピッチを有する繰り返しパターン１１が形成される。

このようなウェハ１０の表面近傍（上方）には、図１に示すように、遮光性のマスクパターンが形成されたガラス板５０が配置される。このガラス板５０は、透明もしくは半透明の薄板状に形成され、Ｘ軸マスク駆動系５５およびＹ軸マスク駆動系５６により、ウェハ１０の表面に沿って平行移動可能に保持されている。なお、Ｘ軸マスク駆動系５５およびＹ軸マスク駆動系５６は、ホルダ５の作動に応じて回転およびチルト可能になっており、ウェハ１０の表面に対してガラス板５０が略平行な状態が常に保たれるようになっている。

ガラス板５０に形成されるマスクパターン５１は、図４に示すように、複数のライン部５１Ａがその短手方向に沿って繰り返しパターン１１のピッチＰの３倍のピッチ（例えば、３Ｐ＝２４０ｎｍ）で配列されたパターンである。隣り合うライン部５１Ａ同士の間は、ピッチＰの３倍のピッチで配列されているスペース部（開口部）５１Ｂであり、Ｘ軸マスク駆動系５５およびＹ軸マスク駆動系５６によりガラス板５０の位置を調整することで、マスクパターン５１のライン部５１Ａおよびスペース部５１Ｂはそれぞれ、繰り返しパターン１１のライン部１１Ａ上に位置整合して重なるようになっている。なお、マスクパターン５１におけるライン部５１Ａとスペース部５１Ｂとの線幅の比率を２：１とする。これにより、繰り返しパターン１１のライン部１１Ａを３つ置きに露出させることができる。また、マスクパターン５１と繰り返しパターン１１との隙間（ギャップ）は極力小さい方が望ましく、マスクパターン５１が繰り返しパターン１１と（変形や押圧等させないように）接する方がより望ましい。

以上のように構成される表面検査装置１を用いた表面検査方法について、図５に示すフローチャートを参照しながら以下に説明する。まず、マスクパターン５１が繰り返しパターン１１のライン部１１Ａ上に位置整合して重なるように、ガラス板５０をウェハ１０の表面近傍（上方）に配置する（ステップＳ１０１）。このとき、Ｘ軸マスク駆動系５５およびＹ軸マスク駆動系５６を用いてガラス板５０の位置を調整する。

次に、繰り返しパターン１１の表面近傍にマスクパターン５１を設けた状態で、被検基板であるウェハ１０の表面に照明光を照射する（ステップＳ１０２）。このとき、照明部２１から照明系凹面鏡２３へ射出された照明光は、照明系凹面鏡２３により平行光束となってホルダ５に保持されたウェハ１０の表面に照射される。このとき、パターンのピッチをＰとし、ウェハ１０の表面に照射する照明光の波長をλとし、照明光の入射角をθiとし、ｎ次回折光の出射角をθrとしたとき、次の（１）式を満足するように設定を行う。

Ｐ×｛ｓｉｎ（θr）−ｓｉｎ（θi）｝＝±ｎ×λ …（１）

本実施形態においては、繰り返しパターン１１のピッチ（すなわち、第１および第２露光パターン１２Ａ，１２Ｂの半分のピッチ）に対して３倍のピッチ（Ｐ＝３Ｐ）を有するパターンに対応したｎ次回折光をＣＣＤカメラ４０が受光するように、検査光の波長λもしくは、入射角θiおよび出射角θr（すなわち、ホルダ５のチルト角）を設定する。これは、繰り返しパターン１１の表面近傍にマスクパターン５１が設けられて、ウェハ１０の表面に、マスクパターン５１のライン部５１Ａとスペース部５１Ｂで露出する繰り返しパターン１１のライン部１１Ａとを組み合わせたパターン（すなわち、繰り返しパターン１１のピッチに対して３倍のピッチを有するパターン）が形成されるためであり、このときの検出画像（回折検査画像）では、繰り返しパターン１１のライン部１１Ａを３つ置きに検出することが可能になる。

次に、照明光が照射されたウェハ１０の表面から出射される（マスクパターン５１のピッチに対応した）回折光（例えば１次回折光）を検出する（ステップＳ１０３）。このとき、ウェハ１０の表面から出射された回折光は、集光光学系３０の集光系凹面鏡３１により集光されてＣＣＤカメラ４０の撮像面上に結像される。そして、ＣＣＤカメラ４０は、撮像面上に形成されたウェハ１０の表面の回折像を光電変換して画像信号を生成し、画像信号を画像処理検査部４１に出力する。

そして、先のステップで検出した回折光に基づいて、繰り返しパターン１１における欠陥の有無を検査する（ステップＳ１０４）。このとき、画像処理検査部４１は、ＣＣＤカメラ４０から入力された（回折光による）ウェハ１０の画像の輝度レベル（実際には、画像の信号強度レベル）を、メモリに記憶された（回折光による）良品ウェハの画像の輝度レベルと比較し、輝度レベルの変化量が予め設定した閾値を超えたとき、欠陥があると判定する。なお、マスクパターン５１の位置をずらすことにより、全てのライン部１１Ａを検査するまでステップＳ１０１〜Ｓ１０４を繰り返す。

この結果、本実施形態の表面検査装置１および方法によれば、繰り返しパターン１１の表面近傍に繰り返しパターン１１のピッチに対して３倍のピッチを有する遮光性のマスクパターン５１を重ねて設けるため、繰り返しパターン１１の３倍のピッチ有するパターンに対応した繰り返しパターン１１からの回折光を検出することが可能になり、パターンの微細化が進んでも従来の照明を用いて回折検査を行うことができる。

また、ガラス板５０により、マスクパターン５１を繰り返しパターン１１の表面に重ねて設けることで、マスクパターン５１の位置変更を容易に行うことができる。

次に、表面検査方法の変形例について、図６に示すフローチャートを参照しながら以下に説明する。なお、変形例に係る表面検査方法においては、前述のガラス板５０やＸ軸マスク駆動系５５およびＹ軸マスク駆動系５６を用いない。そこでまず、表面検査装置へ搬送する前に、レジスト塗布、露光現像、およびエッチング等を行って、繰り返しパターン１１の表面にマスクパターン５１を重ねて形成する（ステップＳ２０１）。なお、マスクパターン５１の構造は上述の実施形態と同様であり、変形例においては、マスクパターン５１が繰り返しパターン１１の表面に接することになる。

繰り返しパターン１１の表面にマスクパターン５１を形成した状態で、前述のステップＳ１０２と同様にして、ウェハ１０の表面に照明光を照射する（ステップＳ２０２）。次に、前述のステップＳ１０３と同様にして、照明光が照射されたウェハ１０の表面から出射される回折光を検出する（ステップＳ２０３）。

そして、前述のステップＳ１０４と同様にして、先のステップで検出した回折光に基づいて、繰り返しパターン１１における欠陥の有無を検査する（ステップＳ２０４）。なお、検査後に、マスクパターン５１を繰り返しパターン１１の表面から除去することになるが、マスクパターン５１の位置をずらすことにより、全てのライン部１１Ａを検査するまでステップＳ１０１〜Ｓ１０４を繰り返す。

このような表面検査方法によっても、前述の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、マスクパターン５１を繰り返しパターン１１の表面に重ねて形成することで、ガラス板５０やＸ軸マスク駆動系５５およびＹ軸マスク駆動系５６を用いることなく、従来の表面検査装置を用いて（微細化されたパターンに対する）回折検査を行うことができる。なおこのとき、照明波長の光を吸収する材料を用いてマスクパターン５１を形成することで、検査対象となるパターン以外のマスク部分からの回折光の影響を低減することができ、Ｓ／Ｎ比の良い検査が可能になる。

なお、上述の実施形態において、繰り返しパターン１１の表面もしくは表面近傍に、繰り返しパターン１１のピッチに対して３倍のピッチを有するマスクパターン５１を重ねて設けているが、これに限られるものではなく、例えば、図７に示すように、繰り返しパターン１１のピッチに対して４倍のピッチ（Ｐ＝４Ｐ）を有するマスクパターン５１′でもよく、繰り返しパターン１１のピッチに対して２以上の整数倍のピッチであればよい。なお、繰り返しパターン１１のピッチに対して偶数倍のピッチにすることにより、繰り返しパターン１１がダブルパターニングにより形成される場合に、（例えば、図７に示すマスクパターン５１′の場合、マスクパターン５１′におけるライン部５１Ａ′とスペース部５１Ｂ′との線幅の比率を３：１とすることにより、繰り返しパターン１１のライン部１１Ａを４つ置きに露出させることができるため）第１の露光パターン１２Ａと第２の露光パターン１２Ｂ（図３を参照）とを分けて検査することが可能になる。

また、上述の実施形態において、繰り返しパターン１１がダブルパターニングにより形成されているが、これに限られるものではなく、ダブルパターニング以外の技術により繰り返しパターンが形成される場合でも、本発明を適用することが可能である。

本発明に係る表面検査装置の全体構成を示す図である。 半導体ウェハの断面図（模式図）である。 ダブルパターニングの一例を示す模式図である。 繰り返しパターンの表面にマスクパターンが設けられた状態を示す模式図である。 本発明に係る表面検査方法を示すフローチャートである。 表面検査方法の変形例を示すフローチャートである。 マスクパターンの変形例を示す模式図である。

符号の説明

１ 表面検査装置
１０ ウェハ（被検基板） １１ 繰り返しパターン
２０ 照明光学系（照明部）
４０ ＣＣＤカメラ（検出部） ４１ 画像処理検査部
５０ ガラス板（薄板） ５１ マスクパターン
５５ Ｘ軸マスク駆動系（保持部） ５６ Ｙ軸マスク駆動系（保持部）

Claims (4)

1. 所定の繰り返しパターンを有した被検基板の表面を検査する表面検査方法において、
   前記繰り返しパターンの表面もしくは表面近傍に、前記繰り返しパターンのピッチに対して２以上の整数倍のピッチの開口部を有する遮光性のマスクパターンを前記繰り返しパターンが前記開口部と合うように重ねて設ける第１のステップと、
   前記マスクパターンが設けられた状態で前記被検基板の表面に照明光を照射する第２のステップと、
   前記照明光が照射された前記被検基板の表面からの前記マスクパターンのピッチに対応した回折光を検出する第３のステップと、
   前記第３のステップで検出した前記回折光に基づいて前記繰り返しパターンにおける欠陥の有無を検査する第４のステップとを有することを特徴とする表面検査方法。
2. 前記第１のステップにおいて、前記マスクパターンが形成された透明もしくは半透明の薄板を、前記繰り返しパターンの表面もしくは表面近傍で、前記マスクパターンが前記繰り返しパターンの表面に重なるように配置することを特徴とする請求項１に記載の表面検査方法。
3. 前記第１のステップにおいて、前記マスクパターンを前記繰り返しパターンの表面に重ねて形成し、
   検査後に、前記マスクパターンを前記繰り返しパターンの表面から除去することを特徴とする請求項１に記載の表面検査方法。
4. 所定の繰り返しパターンを有した被検基板の表面を検査する表面検査装置において、
   前記繰り返しパターンのピッチに対して２以上の整数倍のピッチの開口部を有する遮光性のマスクパターンが形成された透明もしくは半透明の薄板と、
   前記薄板を、前記繰り返しパターンの表面もしくは表面近傍で、前記マスクパターンの前記開口部と前記繰り返しパターンが合うように前記繰り返しパターンの表面に重なるように保持する保持部と、
   前記保持部により前記薄板の前記マスクパターンが前記繰り返しパターンの表面に重なるように保持された状態で、前記被検基板の表面に照明光を照射する照明部と、
   前記照明光が照射された前記被検基板の表面からの前記マスクパターンのピッチに対応した回折光を検出する検出部と、
   前記検出部で検出した前記回折光に基づいて前記繰り返しパターンにおける欠陥の有無を検査する検査部とを備えることを特徴とする表面検査装置。

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