JP2712362B2

JP2712362B2 - レジストパターンの検査装置

Info

Publication number: JP2712362B2
Application number: JP22177788A
Authority: JP
Inventors: 宗樹浜島
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1988-09-05
Filing date: 1988-09-05
Publication date: 1998-02-10
Anticipated expiration: 2013-02-10
Also published as: JPH0269640A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、半導体製造プロセスにおけるフォトレジス
トパターンの検査装置に関するものである。

〔従来の技術〕

半導体プロセスにおけるフォトレジストパターンは、
次の工程で、下層の薄膜をエッチングするためのマスク
として重要な役割を果している。その中で、コンタクト
ホールと呼ばれる微小な穴のレジストパターンの検査
は、パターンの微細化に伴い増々重要になってきてい
る。この検査は、露光現像されたレジストの穴が完全に
ぬけ切れているかどうかを確実に調べることで、エッチ
ングを行ってよいかどうかの判断基準とするためのもの
であり、プロセス上重要であるにもかかわらず、検査方
法も検査装置も確立されていない。具体的には、光学顕
微鏡や電子顕微鏡によってコンタクトホール内部の色や
コントラストを観察し、それによってコンタクトホール
内のレジスト残膜の有無を判断しているだけである。

〔発明が解決しようとする問題点〕この様に、レジストのコンタクトホールパターンの残
膜の検査は、顕微鏡の黙視検査に頼っているため熟練を
必要とし、測定者の疲労を増大させるばかりでなく、十
分な精度で検査することが困難であった。本発明はこの
様な問題点を解決するために発明されたものであり、ウ
ェハプロセスでのフォトレジストのコンタクトホール内
の膜が残り無く完全に露光現像されているか、すなわち
レジスト残膜があるか否かの正確正確な検査を行なう装
置を提供することを目的とする。

〔問題点を解決する為の手段〕

レジスト検査で上記問題点を解決するために、コンタ
クトホールの中に入射させることのできるコンタクトホ
ールの径と同等から数倍程度の径の集光ビーム（プロー
ブ光）を用い、これを試料上に照射し、その反射信号強
度の変化を検出することにより、レジストの残膜の有無
を識別する構成をとっている。ここで集光ビームとして
はレジストの吸収帯域の波長のものが用いられ、具体的
には、例えば、レジストの吸収が大きくかつ集光性のよ
うUV光を用いる。

〔作用〕

本発明では、ウェハ工程でのレジストパターン形成
後、微細な穴（コンタクトホール）にわずかに残ってい
るレジストの有無を検出するため、微細な穴の径と同程
度の径のプローブ光を用い、かつその光の波長をレジス
トの吸収帯域とし、レジストの下層からの反射光がレジ
ストからの反射光より強い事を利用して、反射光信号波
形の変化を効率よく検出している。

〔実施例〕

第１図は本発明の実施例の装置である。プローブ用光
源として紫外域（UV）のレーザ光源601を用いる。その
レーザ光の径はビームエキスパンダーとしてのレンズ60
2、605によって拡大される。レンズ602と605の間にはレ
ーザ光を後述の試料上にて一次元的（Ｘ方向）に走査す
るためにミラーを用いた走査部603が設けられる。走査
部603はレーザ光の光路長を変えることなく、レーザ光
の射出光軸を平行にシフトさせる。レーザ干渉計やリニ
アエンコーダ等で構成された走査量モニター604は、走
査部603の移動量を読み取り、単位移動量毎にパルスを
出力するものであり、このパルスの数から後述の試料上
のレーザスポットの位置を知ることができる。また、走
査部603とレンズ605との間には走査部603による走査方
向（Ｘ方向）に直交する方向（Ｙ方向）へレーザスポッ
トを走査するための平行平板ガラス611が駆動系612によ
り揺動可能に設けられている。さてビームエキスパンダ
ー602、605で拡大されたほぼ平行なレーザ光束は、ハー
フミラー（ハーフプリズムでも良い）606を透過した
後、ダイクロイックミラー615で反射して、対物レンズ6
16に入射する。ダイクロイックミラー615はレーザ光（U
V）を反射し、それよりも長波長の光を透過するような
分光特性を有する。対物レンズ616に入射したレーザ光
は集光されて、試料台618に載置されたウェハ（被検試
料）617上に微小なスポット光として結像される。この
スポット光の径は、ウェハ617に形成された測定対像と
しての微細な穴と同程度になるように設定される。この
レーザスポット光は走査部603の移動と共に、ウェハ617
上を一次元的にＸ方向へ走査することになる。ウェハ61
7からの反射光は対物レンズ616、ダイクロイックミラー
615、ハーフミラー606で反射された後、ミラー607で直
角に反射され、レンズ608で集光される。レンズ608によ
る反射光の集光（結像）位置には、光軸上に開口609aを
有する絞り609が配置され、開口609aの後にはシリコン
フォトダイオード（SPD）等の光電検出器610が配置され
る。この光電検出器610は反射光の量に応じた光量変換
信号を出力する。

さて、ウェハ617上にフォトレジスト層のパターンが
形成されていると、短波長（UV）のレーザ光に励起され
て、そのパターンから蛍光（あるいはリン光）が発生す
る。その蛍光は通常、波長500波形700nmの可視光であ
り、レーザ光の波長よりも長い。そのためパターンから
の蛍光は対物レンズ616を通った後、ダイクロイックミ
ラー615を透過して、レンズ619、ハーフミラー（ハーフ
プリズムでも良い）620、ミラー622を経て（切替ミラー
621が２点鎖線の位置にある場合）、レーザ光の波長域
の光をカットするフィルター623を透過してフォトマル
チプライヤー等の光電検出器624に至る。そして、切替
ミラー621が第１図のようにその光路中に45°の角度で
介挿されると、照明系625からの可視照明光が切替ミラ
ー621、ハーフミラー620を反射し、レンズ619、ダイク
ロイックミラー615を介して対物レンズ616に入射し、ウ
ェハ617上の観察領域を落射照明する。この状態の場
合、照明系625からの光は、切替ミラー621が光路中にあ
るために、直接光電検出器624に入射しない。また、ウ
ェハ617からの可視光は対物レンズ616、ダイクロイック
ミラー615、レンズ619、ハーフミラー620を介してファ
インダーとしての観察光学系626に至り、ウェハ617上の
観察領域が目視される。以上に述べた観察光学系の構成
は、特開昭61−141449号の第１図とほぼ同一の構成であ
るが、更にレーザ構成の走査光学系には、一般にレーザ
走査型顕微鏡として知られている構成をとってもかまわ
ない。

試料台618上に置かれたウェハ617は観察光学系626の
テレビカメラにて撮像される。検査域（レジストのコン
タクトホール）を観察系にて目視で確認し、試料台618
を駆動させて、上述の確認した検査域をレーザビームに
よりウェハ617上に生ずるレーザスポットの走査範囲内
におおまかに入る様位置合わせする。レーザスポットS1
は検査域を２次元にラスタ走査するように駆動される。
このラスタ走査は第１図の平行平板ガラス611を走査部6
03により走査と同期してそれと垂直方向に駆動系612に
より駆動することにより実現される。第２図（ａ）、
（ｂ）、（ｃ）にその原理を示した。第２図（ａ）に示
したようにレーザスポットＳは、Ｘ方向には走査部603
の移動により、またＹ方向には平行平板ガラス611の揺
動により移動する。そして、第２図（ｂ）の様に、レー
ザスポットＳがコンタクトホール617H上をラスタ走査し
た結果、光電検出器610から得られるそれぞれのＹ方向
の走査x₁、x₂、x₃、x₄、x₅での検出信号波形（各走査に
対応させてSx₁、Sx₂、Sx₃、Sx₄、Sx₅にて第２図（ｃ）
に示す。）を独立に処理する。そして、これらの波形処
理から得られる線幅測定値のうち最大なもの、即ちコン
タクトホールの直径に相当するもの（第２図でいえば、
Ｘ方向走査x₃にて得られる信号Sx₃）を選び出す。そし
てこの波形を処理することによりコンタクトホールの底
のレジストの残膜の有無を検定する。以下第３図に処理
回路のブロック図を示すと共に、第４図にこの検査のフ
ローチャートを示して説明する。

第３図において第１図と同一のものは同じ符号をつけ
てある。装置全体の動作や信号処理は、マイクロコンピ
ュータ等の演算処理装置（以下CPUとする）50によって
統括制御される。

さて、光電検出器610からの光電変換信号はサンプル
ホールド回路（以下SHCと呼ぶ）56に入力した後、アナ
ログ・デジタル変換器（以下ADCと呼ぶ）58に入力す
る。SHC56のサンプリングとADC58の変換は、Ｘ方向走査
量モニター604から単位走査量毎に出力される時系列的
なパルス信号SPに応答して行われる。すなわち、ウェハ
617上のレーザスポットの単位移動量（例えば0.01μ
ｍ）毎に光電変換信号の大きさをサンプリングして、そ
れをデジタル値に変換する。尚、パルス信号SPはCPU50
からの指令に応答して開閉するゲート回路60を介してSH
C56、ADC58、に印加される。ADC58で変換された光電変
換信号のデジタル値は、ランダム・アクセス・メモリ
（RAM）62に番地順に記憶される。RAM62のアクセス番地
はパルス信号SPに応答して順次更新されるような構成に
なっており、RAM62には、例えば特開昭59−187208号公
報に開示されているように、光電変換信号の走査位置に
対応した波形が記憶される。

CPU50は入力装置66から指定されたウェハの性状か
ら、レーザビームの２次元ラスタ走査のラスタ数、ラス
タ間隔、走査長を該当するウェハのコンタクトホールの
大きさに合わせて初期設定するが、この初期設定に従っ
てＸ方向所定走査長の走査終了後、Ｙ方向へ１ステップ
移動すべくD/A変換器64に指令信号を送出する。その結
果、D/A変換器64に接続された駆動系612は、平行平板ガ
ラス611を所定角度回転させる。このようにＸ方向走査
を順次Ｙ方向へずらせてラスタ走査を行ない、コンタク
トホールの２次元走査を行なう。

こうしてRAM62に記憶された光電変換信号の波形デー
タは、CPU50に読み込まれてコンタクトホールの残膜が
検出される。コンタクトホールの残膜の有無は表示器68
にて表示される。

次に、第３図で示したCPU50の動作を第４図のフロー
チャートを用いて説明する。

まず、入力装置66からの指定によって、レーザスポッ
トを試料面上で２次元ラスタ走査をする時のラスタ数n_L
（Ｙ方向へのＸ方向走査線の数）とラスタ間の間隔W
_L（Ｘ方向走査のＹ方向へのずれ量）とスポット走査長L
_Sがコンタクトホールを十分カバーできる様初期設定す
る（ステップ401）。次に駆動装置70に指令を与えて試
料台618を移動し、ウェハ617内の所定のコンタクトホー
ルの検査領域へ位置合わせする（ステップ402）。この
移動は、ウェハ617の設計データに基づき、公知の座標
制御により行なう。そして、走査部603、D/A変換器64に
指令を行って、スポット走査を行なうと共に、Ｘ方向走
査の期間のみゲート60を開いて走査量モニター604から
のパルスをSHC56、ADC58に同期信号として入力し、メモ
リ62上へ記憶する。また、モニター604からのパルスは
データとしてCPU50に入力され、スポット走査長L_Sにな
るとCPUは走査部603を元に戻し、平行平板ガラス611を
１ステップ回転する（ステップ403）。次に、ラスタ走
査のそれぞれの信号から（各Ｘ方向走査による信号であ
り、第２図（ｃ）のSx₁〜Sx₅に対応する）からエッジ検
出のアルゴリズムで、コンタクトホールの境界に相当す
る２つのエッジをとらえ両者間の距離W_iを各ラスタ毎に
算出する。そしてこれらの距離について最も長いもの
（max（W_i）と表わす）に相当するラスタの位置での信
号波形を取り出す（ステップ404）。なお、このステッ
プ４で行なうエッジ検出アルゴリズムは、特開昭59−21
0312号公報の第８図の説明にて詳しく開示されているの
で、詳細は省略する。

その信号波形についてコンタクトホール底部のレジス
ト残膜を調べるために波形のボトム検出アルゴリズム
（後述）により、レジストが残っているかどうかの判断
を行ない、その結果をディスプレイやプリンタ等の表示
器68に出力する（ステップ405）。更にこの際、レジス
トが残っていない場合は（ステップ406）完全なコンタ
クトホールが形成されているので、上記エッジ検出のア
ルゴリズムで算出されたエッジ間隔max（W_i）をコンタ
クトホールの直径として、表示器68に出力させてもよい
（ステップ407）。

これによりコンタクトホールのぬけの判定と同時に直
径の測定も同時に行なうことが可能となる。

次にレジスト残膜の有無を判定するための前記ステッ
プ405における基本的な検出原理を述べる。

コンタクトホールはレジストのぬきパターンの一種で
あり、下層は酸膜、窒化膜、PSG膜などで構成されてい
る。レジストの残膜がない場合は、この下地層からの反
射光が検出される。一般に露光波長より短い波長の光を
利用すればレジストでの吸収が大きいためレジストが残
っている場合反射光強度は非常に小さい、これに対して
酸化膜、窒化膜はこの波長の光に対して透明であり、そ
の下層のＳは反射率が高い。従ってほとんどの場合これ
らの膜上の反射率は相対てきにレジスト上よりもかなり
高くなる。一方もしレジストが残っている場合、（第５
図（ａ））コンタクトホールは、レジストでできた通常
の穴として考えられ、この場合、レーザビームのスポッ
トサイズがコンタクトホールの穴径とほぼ等しい程度で
あれば、反射光信号強度はレーザスポットが穴の中心に
ある時に回折光の拡がりによって最小となる。従って、
信号波形は第５図（ｂ）の様なコンタクトホールの中心
で単一の極小を持つ波形となる。一方、もしレジストが
完全にぬけており、下地層の薄膜が露光している場合
は、第５図（ｃ）、ここからの反射光が検出され、波形
は第５図（ｄ）の様にコンタクトホールの中心で極大を
もつ、この第５図（ｂ）と第５図（ｄ）との大きな波形
差をレジストが残っているかどうかの判断基準とする。

次にこの２つの波形差を識別するためのアルゴリズム
（先述の“ボトム検出アルゴリズム”）について第６図
を用いて述べる。

第６図はこのアルゴリズムの第１の例である。以下順
に説明する。第３図で説明したコンタクトホール上の最
大位置すなわち直径部を走査した反射信号のデジタルデ
ータを読み出す（ステップ501）。次にこのデジタルデ
ータを逐次処理し、信号の大きな立ち下り部と立ち上り
部を検出する。これはコンタクトホールの信号処理区間
を切り出すためである。立ち上り部の検出時は擬似信号
と誤検出しない様信号がベースラインに復帰している
（コンタクトホールのない部分まで反射信号が戻ってい
ること）を確認することが必要である（ステップ50
2）。こうして得た立ち下りの開始点ｘαと立ち上りの
終了点ｘβの間の全データを２次微分する。この時、２
次微分の演算は単純はx_i′＝x_i-1−2x_i＋x_i+1ではなく（x_i+j-1−2x_i+j＋x_i+j+1）という形で平滑化を含めた
数値、２次微分演算を行なった方がS/Nの向上の点など
で良い。この数値演算法は例えば “Analytical chemistry"vol36（1964年７月）P1627〜
９に記載されている平滑化微分と同一のものである（ス
テップ503）。

さて次に信号の中心位置を求める。これは先のｘαと
αβから（ｘα＋ｘβ）/2を計算して出してよい。中心
付近の２次微分データを数点とり、この正負を調べる
（ステップ504）。

データが全て正であれば（ステップ505）、レジスト
の残膜が残ってコンタクトホールがぬけていない波形で
あると判断し（ステップ506）、そうでなければ（ステ
ップ505）、ぬけている波形であると判断できる（ステ
ップ507）。ここでステップ503から507までは次の手順
でもよい。

ステップ503で２次微分の代わりに１次微分する。そ
してステップ504で〔ｘα、ｘβ〕区間での微分信号の
ゼロクロス点（正から負または負から正へデータが変わ
る点）の数を検出する。そしてステップ505でその数が
１つだけならばコンタクトホールはぬけていないと判断
し（ステップ506）、２つ以上であればぬけていると判
断する（ステップ507）。

次に更に別のアルゴリズムを説明する。

以上の例はすべてコンタクトホールが１つだけの場合
であったが、検査の再現性や安定性を増すため、コンタ
クトホールがいくつか並んだパターンについて考える。

第７図はコンタクトホールがいくつか集まった図とそ
の時の反射信号波形例である。複数のコンタクトホール
を同時に検査することにより、平均化による再現性の向
上が期待できる。第７図の（ａ）はコンタクトホールが
ぬけていない場合の波形であり、第７図（ｂ）はぬけて
いる場合の例である。両者の信号の違いから判定するア
ルゴリズムを以下に示す。

ここでコンタクトホールの隣接間隔は直径の２倍、す
なわちコンタクトホールの直径方向で穴と周辺の長さの
比がほぼ1:1となる様設定し、かつレーザのスポットサ
イズは穴の大きさとほぼ同程度となるように設計されて
いるとすると、反射信号波形は第７図の（ａ）の様に正
弦波に近い波形となる。一方第７図（ｂ）では第７図
（ａ）の基本周波数W₀の正弦波に対し、２倍以上整数倍
の周波数成分をもつことになる。

従って、デジタル信号で扱う場合、第６図のステップ
２以降を以下の手順で代用できる。

すなわち、まず、信号をデジタルフーリエ変換し、コ
ンタクトホール例のピッチに相当する基本周波数成分の
信号強度I₀と２倍、３倍……周波数成分の強度I₂、I₃…
…を求める。信号強度I₀が大きく信号強度I₂、I₃が０の
場合、波形は第７図（ａ）の様になっており、コンタク
トホールはぬけていない。信号強度I₂、I₃がある程度以
上大きければ、第７図（ｂ）の様になっており、コンタ
クトホールはぬけていると判定できる。

以上の方法は、信号をデジタル化してデジタル処理し
ていたが、デジタル処理をするより、アナログ信号処理
の方が簡単でかつ高速にできる。第８図は、ハードウェ
アで同様の処理をする場合の例である。

光電検出器で検出された反射信号は狭帯域バンドパス
フィルター701、702を通り、実効値（rms）メーター70
4、705で実効値が出力される。ここでバンドパスフィル
ター701、702はそれぞれ、基本周波数W₀、倍周波2W₀で
チューニングされている。703は2W₀以上の高周波フィル
ターである。W₀以外の高周波成分の実効出力（rmsメー
ター705と706の出力）は、アンプ707で加算され、その
加算出力は割算器708に入力されて、rmsメーター704のW
₀成分の出力値で割算される。そしてこの出力をコンパ
レータ709で参照電圧と比較し、High＝１ならばコンタ
クトぬけ（残膜なし）、Low＝０ならばぬけていない
（残膜あり）と判断される。コンパレータ709の参照電
圧（閾値）はコンタクトホールがぬけていることがわか
っているサンプルとぬけていないサンプルとを使って最
適となる様に設定する。

この構成によれば、レーザビームの試料（ウェハ）に
対する位置合わせはかなり粗くてもどこかのコンタクト
にあたっていればよい。更にまた、上記のアナログ記号
（704〜706）を使ってステージの位置合わせをすること
もできる。即ち、これらの信号が最も大きくなる様、レ
ーザ走査を１次元にしてステージを動かすことで位置合
わせを行なえばよい。

なお、第１図の光電検出器（蛍光検出器）624の出力
信号に着目すれば、コンタクトホール内にレジストの残
膜がある場合には、コンタクトホールの位置でも蛍光が
検出されるのでコンタクトホールの位置からの信号が連
続的な山形波形（１つの極大値を持つ）となり、レジス
トのない場合には、コンタクトホールからの蛍光の発生
はないので、山形波形の中央部が凹んだ波形となり、上
述の実施例における反射率の変化に着目した場合と同様
の信号処理により（処理波形に凸凹の違いはあるが）、
コンタクトホールの残膜の有無を知ることができる。

〔発明の効果〕

以上の様に本発明によれば、従来困難であったレジス
トのコンタクトホールがぬけているかどうかの判定をレ
ジスト吸収帯の波長のレーザビームを走査させ、下層の
レジストの有無を検出することにより、高速かつ高精度
で簡便に実行できる。また検査の自動化も容易に実現す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の主として光学系に係るブロ
ック図、第１図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はレーザスポッ
トを２次元にラスタ走査させ原理説明図、第３図は第１
図と共に用いられる電気処理系のブロック図、第４図
は、第３図のCPUのジェネラルフローチャート、第５図
（ａ）〜（ｄ）は対象物の構造（ａ）、（ｃ）とそれに
対応した信号波形（ｂ）、（ｄ）を示す図、第６図は、
第４図のステップ405で使われるアルゴリズムのフロー
チャート、第７図（ａ）、（ｂ）は対象物の更に別の配
置と得られる信号波形を示す図、第８図はその時の処理
回路のブロック図である。〔主要部分の符号の説明〕 50…演算処理装置、62…ランダム・アクセス・メモリ
（RAM）、601…光源、603…走査部、604…走査量モニ
タ、610…光電検出器、611…平行平板ガラス。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】レジスト吸収帯域の波長でかつコンタクト
ホールの径とほぼ等しい系のレーザスポットによって前
記コンタクトホールを二次元的に走査する走査手段と、前記コンタクトホールの走査により得られる反射信号を
光電変換する光電検出器と、前記光電検出器から得られる光電変換信号に基づいて前
記コンタクトホールのレジスト残膜の有無を検出する検
出手段と、を有することを特徴とするレジストパターンの検査装
置。