JP2011122990A

JP2011122990A - 欠陥検査装置及び欠陥検査方法

Info

Publication number: JP2011122990A
Application number: JP2009282363A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Ito; 昌昭伊東
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2009-12-14
Filing date: 2009-12-14
Publication date: 2011-06-23
Also published as: US20120327415A1; WO2011074171A1

Abstract

【課題】半導体ウェハなどのパターンが形成された試料の欠陥検査において、高感度かつ高スループットの欠陥検査装置を提供する。
【解決手段】本発明の特徴は、パターンの方向と、照明光の試料への射影の方向と照明光の偏光に着目したことにある。また、少なくとも２つの照明方向の該試料への射影は該試料の主要なパターンの方向に対して垂直または平行であり、該第１の方向の照明光の偏光と該第２の方向の照明光の偏光は互いに異なることを特徴とする。また、本発明は、該第１の方向の射影と該第２の方向の射影は互いに垂直であることを特徴とする。また、本発明は、該第１の方向の射影と該第２の方向の射影は互いに平行であることを特徴とする。また、本発明は、該第１の方向の照明光の偏光はｓ偏光であり、該第２の方向の照明光の偏光はｐ偏光であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体デバイス製造におけるウェハなどの、パターンが形成された試料の欠陥検査装置及び欠陥検査方法に係り、特に光学式欠陥検査装置における光学系に関する。

半導体デバイスの製造プロセスでは、スパッタ法や化学気相成長法による成膜，化学機械研磨法による平坦化，リソグラフィとエッチングによるパターニングを多数繰り返す。半導体デバイスの歩留まりを確保するために、製造プロセスの途中でウェハを抜き取り、欠陥検査を行う。欠陥とは、ウェハ表面の異物，膨れ，ボイド，スクラッチ，パターン欠陥（ショート，オープン，ホールの開口不良など）である。欠陥検査の目的は、第１に製造装置の状態を管理すること、第２に不良が発生した工程とその原因を特定することにある。半導体デバイスの微細化に伴い、欠陥検査装置に対して、高い検出感度が要求されている。

ウェハには同一のパターンを有する数百のデバイス（チップと呼ぶ）が作製される。また、デバイスのメモリ部などでは、繰り返しパターンを有する多数のセルが形成される。欠陥検査装置では、隣接するチップ間または隣接するセル間で画像を比較する方法が使用されている。

ウェハに光を照射して暗視野画像を比較する暗視野欠陥検査装置は、他方式の欠陥検査装置に比べてスループットが高いので、インライン検査で多く使用されている。

暗視野欠陥検査装置に関して、特開２００５−１５６５３７号公報（特許文献１）が示されている。ウェハに複数の方向から照明光を照射し、ウェハからの散乱光を方向ごとに検出する。照明方向ごとに、照明光の入射角は異なり、照明光の波長は同一または異なる。

また、暗視野欠陥検査装置に関して、特開２００７−２２５４３２号公報（特許文献２）が示されている。ウェハに複数の方向から照明光を照射し、ウェハからの散乱光を方向ごとに検出する。照明方向ごとに、照明光の偏光は異なる。

特開２００５−１５６５３７号公報特開２００７−２２５４３２号公報

半導体デバイスの微細化に伴い、光学式欠陥検査装置に対して、検出感度の向上が要求されている。特に、ゲートやビットラインなどのパターニング後検査では、非常に微小なショートやオープンを検出する必要があり、信号強度の確保が課題となっている。

特許文献１の技術は、複数の方向ごとの画像を統合処理することにより、パターンエッジからのスペックルノイズの軽減を図っている。しかし、信号強度については考慮されていない。

特許文献２の技術は、偏光が互いに異なる照明光により、酸化膜の厚さ変動に対して信号強度の安定化を図っている。しかし、対象とする欠陥は異物であり、パターン欠陥については考慮されていない。

本発明の目的は、特にパターン欠陥に対して、高感度かつ高スループットの欠陥検査装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の特徴は、パターンの方向と、照明光の試料への射影の方向と照明光の偏光に着目したことにある。

また、本発明は、パターンが形成された試料に、複数の方向から照明光を照射し、該試料の像を光学系を介して画像センサに結像し、欠陥の有無を判定する欠陥検査装置において、少なくとも２つの照明方向の該試料への射影は該試料の主要なパターンの方向に対して垂直または平行であり、該第１の方向の照明光の偏光と該第２の方向の照明光の偏光は互いに異なることを特徴とする。

また、本発明は、該第１の方向の射影と該第２の方向の射影は互いに垂直であることを特徴とする。

また、本発明は、該第１の方向の射影と該第２の方向の射影は互いに平行であることを特徴とする。

また、本発明は、該第１の方向の照明光の偏光はｓ偏光であり、該第２の方向の照明光の偏光はｐ偏光であることを特徴とする。

また、本発明は、該光学系は暗視野型であることを特徴とする。

また、本発明は、該光学系は明視野型であることを特徴とする。

また、本発明は、該第１の方向の照明光と該第２の方向の照明光は空間的にインコヒーレントであることを特徴とする。

また、本発明は、該第１の方向の照明光と該第２の方向の照明光は空間的にコヒーレントであることを特徴とする。

さらに、本発明は、パターンが形成された試料に、複数の方向から照明光を照射し、該試料の像を光学系を介して画像センサに結像し、欠陥の有無を判定する欠陥検査装置において、少なくとも２つの照明方向の該試料への射影は該試料の主要なパターンの方向に対して垂直または平行であり、該第１の方向の照明光の波長と該第２の方向の照明光の波長は互いに異なり、該第１の方向の照明光の偏光と該第２の方向の照明光の偏光は互いに異なることを特徴とする。

また、本発明は、該第１の方向の照明光と該第２の照明光は空間的にインコヒーレントであることを特徴とする。

また、本発明は、該第１の方向の照明光と該第２の照明光は空間的にコヒーレントであることを特徴とする。

本発明によれば、ショートやオープン等の検出に好適な照明方法により、高感度かつ高スループットの欠陥検査が可能となる。

本発明に係る欠陥検査装置の第１の実施形態を示す図である。ウェハにおけるパターンと照明光との関係を示す図である。照明条件とショートの信号強度との関係を示す図である。ショートに対する２方向照明を示す図である。ショートに対する４方向照明を示す図である。照明条件とオープンの信号強度との関係を示す図である。ショートとオープンに対する２方向照明を示す図である。ショートとオープンに対する他の２方向照明を示す図である。照明条件設定の流れを示す図である。照明条件設定の操作画面を示す図である。本発明に係る欠陥検査装置の第２の実施形態を示す図である。第２の実施形態において、ショートに対する２方向照明を示す図である。酸化膜厚とショートの信号強度との関係を示す図である。

本発明の一実施形態として、半導体ウェハを対象とする暗視野欠陥検査装置について説明する。

検査装置の概略構成を図１に示す。検査装置は、ウェハ１を搭載するステージ２，光源３，分岐素子４，第１の偏光素子５１，第２の偏光素子５２，第１の照明光学系６１，第２の照明光学系６２，検出光学系７，検出器８，画像処理部９，全体制御部１０、及び入出力操作部１１とから構成される。

ウェハ１を欠陥検査装置に装填する際、オペレータはパターンレイアウトや注目欠陥種などの情報を入出力操作部１１に入力する。全体制御部１０はこの情報を用いて、後述のように好適な照明方法を選定する。

光源３から発した光は、分岐素子４により２つの光路に分かれる。それぞれの光は偏光素子５１，５２により、互いに直交する２つの直線偏光となり、照明光学系６１と６２を介して、ウェハ１を照射する。第１の照明光と第２の照明光とは、光路長に差を設けてあるので、空間的にインコヒーレントである。第１の照明光の方向と第２の照明光の方向は、ウェハ面への射影が互いに垂直となるように設定されている。ここで、射影とは、照明光の方向ベクトルのウェハ面内の成分を意味する。前記の射影はウェハの主要なパターンに対して、垂直または平行である。また、ウェハに対して、第１の照明光はｓ偏光、第２の照明光はｐ偏光である。ウェハで散乱された光は、検出光学系７により捕集される。ウェハからの正反射光は検出光学系の開口外に出射するので、暗視野像が検出器８に結像する。検査画像は、Ａ／Ｄ変換器（図示しない）によりデジタル信号に変換され、画像処理部９に記録される。画像処理部には、検査チップと隣接し、同一パターンを有するチップで取得した参照画像が記録されている。検査画像と参照画像に対して、位置合わせなどの処理を行った後、両者の差画像を出力する。この差画像の輝度を予め設定した閾値と比較し、欠陥の有無を判定する。欠陥の判定結果は、全体制御部に送信され、所定の検査終了後に、入出力操作部に表示される。

図２は、前記実施例におけるパターンと照明光との関係を示す。ウェハにはラインアンドスペースパターンが形成されており、２方向から照明光を照射する。第１の方向のウェハへの射影は、パターンピッチ方向に対して垂直である。第２の方向のウェハへの射影は、パターンピッチ方向に対して平行である。このように、第１の方向の射影と第２の方向の射影は、互いに垂直である。また、偏光については、第１の方向の照明光はｓ偏光、第２の方向の照明光はｐ偏光としている。

本発明では、パターンと注目欠陥に応じて、照明光の方向と偏光を設定する。以下、詳細を説明する。

パターン欠陥検査では、致命欠陥であるショートの検出が特に重要である。図３は、ラインアンドスペースパターンのショートについて、照明光の方位角と信号強度との関係を示す。ここでは、方位角は、照明方向のウェハへの射影とパターンピッチ方向とのなす角で定義した。信号強度は、偏光と方位角に依存することが分かる。ショートの信号強度が最大となるのは、ｓ偏光では方位角９０度、ｐ偏光では方位角０度である。いずれの場合も、照明光の電場ベクトルのウェハへの射影は、パターンピッチ方向と一致している。一方、ｓ偏光で方位角０度、ｐ偏光で方位角９０度の場合、ショートの信号強度は０である。

ところで、１方向から照明光をウェハに照射すると、ウェハ表面のグレインやラインエッジの粗さによるスペックルが生じ易く、欠陥検出を阻害することが多い。このようなノイズを低減するには、複数の方向から照明光を照射し、空間的コヒーレンスを下げるのが有効である。

以上を考慮し、２方向から照明光をウェハに照射し、パターンショートを検出するのに好適な照明方法を、図４に示す。パターンピッチ方向に垂直な方向からｓ偏光の照明光を照射し、パターンピッチ方向に平行な方向からｐ偏光の照明光を照射する。このような２方向照明により、ノイズを低減しつつ、ショートの信号強度を確保することができる。

また、４方向から照明光をウェハに照射し、パターンショートを検出するのに好適な照明方法を、図５に示す。パターンピッチ方向に垂直な２方向からｓ偏光の照明光を照射し、パターンピッチ方向に平行な２方向からｐ偏光の照明光を照射する。４方向照明は前記の２方向照明に比べて、照明光学系が複雑になるが、ノイズをさらに低減することができる。

また、パターン欠陥検査では、致命欠陥であるオープンの検出も重要である。図６は、ラインアンドスペースパターンのオープンに対して、照明光の方位角と信号強度との関係を示す。オープンの信号強度が最大となるのは、ｐ偏光で方位角９０度である。しかし、この条件では図３に示したように、ショートの信号強度は０になってしまう。

そこで、ショートとオープンが存在するウェハにおいて、両方を検出するのに好適な照明方法を図７に示す。パターンピッチ方向に垂直な２方向から、照明光をウェハに照射する。第１の照明光はｓ偏光、第２の照明光はｐ偏光とする。このような２方向照明により、第１の照明光でショートを検出でき、第２の照明光でオープンを検出できる。

また、ショートとオープンの両方を検出するのに好適な、他の照明方法を図８に示す。パターンピッチ方向に平行な２方向から、照明光をウェハに照射する。第１の照明光はｓ偏光、第２の照明光はｐ偏光とする。このような２方向照明により、第１の照明光でオープンを検出でき、第２の照明光でショートを検出できる。

以上に述べた照明条件について、ユーザによる設定の流れを図９に示す。まず、入出力操作部にて、検査装置上のパターンの主要な方向を入力する。次に、注目欠陥種を入力する。上記の入力情報に基づき、全体制御部は推奨照明条件を選定し、操作画面に表示する。ユーザはこの照明条件を確認し、検査レシピに設定登録する。図１０は、パターン方向がＹ方向、注目欠陥種がショート、照明光方向が２方向の場合の、操作画面を示す。

次に、酸化膜上のパターン欠陥の検査について、説明する。酸化膜は透明なので薄膜干渉が生じ、酸化膜厚によって信号強度が著しく変動する。膜厚むらが大きいウェハでは、薄膜干渉効果を低減するために、波長の異なる光で照明する方法が有効である。

酸化膜上のパターン欠陥検査に好適な本発明の第２の実施形態を、図１１を用いて説明する。光源３１は遠紫外光を発光し、光源３２は紫外光を発光する。遠紫外光は第１の偏光素子５１と第１の照明光学系６１を介して、直線偏光にてウェハを照射する。紫外光は第２の偏光素子５２と第２の照明光学系６２を介して、直線偏光にてウェハを照射する。ここで、遠紫外光の方向と紫外光の方向は、ウェハ面への射影が互いに垂直となるように設定されている。前記の射影はウェハの主要なパターンに対して、垂直または平行である。また、遠紫外光の偏光と紫外光の偏光は異なり、一方はｓ偏光で他方はｐ偏光である。ウェハで散乱された遠紫外光と紫外光は検出光学系７により捕集され、暗視野像が検出器８に結像する。

パターンショートを検出するのに好適な照明方法を、図１２に示す。パターンピッチ方向に垂直な方向から、ｓ偏光の遠紫外光を照射する。パターンピッチ方向に平行な方向から、ｐ偏光の紫外光を照射する。

図１３は、酸化膜厚とショートの信号強度との関係を示す。遠紫外光の信号強度と紫外光の信号強度は、それぞれ膜厚に対して著しく変動することが分かる。一方、遠紫外光の信号強度と紫外光の信号強度の和は、膜厚に対する変動が小さい。このように、波長と偏光がそれぞれ異なる２方向照明により、膜厚むらがあるウェハでも信号強度を確保することができる。

以上の実施形態では、照明光は空間的にインコヒーレントであるが、光路長を同じにして、コヒーレントにすることもできる。コヒーレント照明では、ノイズは増加するが、干渉効果により信号強度がさらに増加する場合がある。そのため、ノイズは十分小さいけれども、信号強度が不足している場合に、有効である。

また、以上の実施形態では、照明方向のウェハ面への射影はパターンの主要な方向に対して垂直または平行であるが、角度が多少ずれても、ほぼ同じ効果が得られる。

また、以上の実施形態では、照明光の偏光はｓ偏光とｐ偏光であるが、偏光が多少ずれても、ほぼ同じ効果が得られる。

また、以上の実施形態では、ウェハ上の照明領域をスリット状にすることもできる。ウェハを短手方向に走査して、高スループットの欠陥検査が可能となる。

また、以上の実施形態では、複数の検出系を設けることもできる。多くの場合、欠陥の散乱光分布は酸化膜厚によって変化する。そこで、上方検出系と斜方検出系の併用により、膜厚むらに対して、検出感度を安定化する効果が得られる。

また、以上の実施形態では、半導体ウェハの暗視野欠陥検査装置について説明したが、本発明は明視野欠陥検査装置にも適用可能である。

また、本発明は、半導体リソグラフィ工程のマスクなどの微細パターンが形成された試料の検査にも適用できる。

１ウェハ
２ステージ
３光源
４分岐素子
７検出光学系
８検出器
９画像処理部
１０全体制御部
１１入出力操作部
５１第１の偏光素子
５２第２の偏光素子
６１第１の照明光学系
６２第２の照明光学系

Claims

パターンが形成された試料に、複数の方向から照明光を照射し、該試料の像を光学系を介して画像センサに結像し、欠陥の有無を判定する欠陥検査装置において、
少なくとも２つの照明方向の該試料への射影は該試料のパターンの方向に対して垂直または平行であり、
該第１の方向の照明光の偏光と該第２の方向の照明光の偏光は互いに異なることを特徴とする欠陥検査装置。
請求項１記載の欠陥検査装置において、
該第１の方向の射影と該第２の方向の射影は互いに垂直であることを特徴とする欠陥検査装置。
請求項１記載の欠陥検査装置において、
該第１の方向の射影と該第２の方向の射影は互いに平行であることを特徴とする欠陥検査装置。
請求項１記載の欠陥検査装置において、
該第１の方向の照明光の偏光はｓ偏光であり、該第２の方向の照明光の偏光はｐ偏光であることを特徴とする欠陥検査装置。
請求項１記載欠陥検査装置において、
該光学系は暗視野型であることを特徴とする欠陥検査装置。
請求項１記載の欠陥検査装置において、
該光学系は明視野型であることを特徴とする欠陥検査装置。
請求項１記載の欠陥検査装置において、
該第１の方向の照明光と該第２の方向の照明光は空間的にインコヒーレントであることを特徴とする欠陥検査装置。
請求項１記載の欠陥検査装置において、
該第１の方向の照明光と該第２の方向の照明光は空間的にコヒーレントであることを特徴とする欠陥検査装置。
パターンが形成された試料に、複数の方向から照明光を照射し、該試料の像を光学系を介して画像センサに結像し、欠陥の有無を判定する欠陥検査装置において、
少なくとも２つの照明方向の該試料への射影は該試料のパターンの方向に対して垂直または平行であり、
該第１の方向の照明光の波長と該第２の方向の照明光の波長は互いに異なり、
該第１の方向の照明光の偏光と該第２の方向の照明光の偏光は互いに異なることを特徴とする欠陥検査装置。
請求項９記載の欠陥検査装置において、
該第１の方向の射影と該第２の方向の射影は互いに垂直であることを特徴とする欠陥検査装置。
請求項９記載の欠陥検査装置において、
該第１の方向の射影と該第２の方向の射影は互いに平行であることを特徴とする欠陥検査装置。
請求項９記載の欠陥検査装置において、
該第１の方向の照明光の偏光はｓ偏光であり、該第２の方向の照明光の偏光はｐ偏光であることを特徴とする欠陥検査装置。
請求項９記載の欠陥検査装置において、
該光学系は暗視野型であることを特徴とする欠陥検査装置。
請求項９記載の欠陥検査装置において、
該光学系は明視野型であることを特徴とする欠陥検査装置。
請求項９記載の欠陥検査装置において、
該第１の方向の照明光と該第２の照明光は空間的にインコヒーレントであることを特徴とする欠陥検査装置。
請求項９記載の欠陥検査装置において、
該第１の方向の照明光と該第２の照明光は空間的にコヒーレントであることを特徴とする欠陥検査装置。
欠陥検査装置において、
パターンの形成された試料を移動するステージと、
前記試料へ第１の光を照射する第１の照明光学系と、
前記第１の光とは異なる偏光状態の第２の光を照射する第２の照明光学系と、
前記試料からの光を検出する検出光学系と、
前記検出光学系の検出結果を用いて欠陥の有無を判別する処理部と、を有し、
前記第１の光の試料への射影と、前記第２の光の試料への射影とは、互いに方向が異なることを特徴とする欠陥検査装置。
請求項１７に記載の欠陥検査装置において、
前記第１の光の試料への射影は、前記試料のパターンピッチに対して垂直であり、前記第２の光の試料への射影は、前記試料のパターンピッチに対して平行であることを特徴とする欠陥検査装置。
パターンが形成された試料の欠陥検査方法であって、
前記試料に対して、偏光状態の異なる少なくとも２つ以上の光を照射し、
前記２つの光の前記試料への射影は、互いに方向が異なることを特徴とする欠陥検査方法。