JP3630624B2 - 欠陥検査装置および欠陥検査方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被検査パターンの欠陥を検出する欠陥検査装置および欠陥検査方法に係り、特に、半導体ウェハーの透明膜上に形成された微細なパターンの光学像を検出するのに用いて好適な欠陥検査技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光学式の欠陥検査装置は、微細なパターンを光学的に結像させるために高精度な自動焦点合わせ機能を備えた顕微鏡システムを搭載している。このような顕微鏡システムに関する技術が、特開平６―２６５７７３号公報（名称；顕微鏡自動焦点装置）に開示されており、この先願公報に記載された従来技術においては、対物レンズを自動焦点光線が通過するＴＴＬ（Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ Ｌｅｎｓ）方式を採用している。
【０００３】
ＴＴＬ方式は、結像光線と自動焦点光線が共に対物レンズを通過するため、温度等のわずかな環境変化により焦点距離が変動しても、自動焦点検出結果と結像コントラストに高い相関が保たれる特徴がある。このため、半導体ウェハーに形成された微細なパターンを検出するような顕微鏡システムでは、ＴＴＬ方式が標準的な自動焦点方式となっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
半導体装置の配線ルールは、現在０．１８μｍ幅が主流であり、今後０．１３μｍ幅に移行することが予想されている。このような微細な回路パターンを形成するためには、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）加工が必須となりつつある。
【０００５】
図４に、ＣＭＰ加工されたウェハーの断面図を示す。図４の（ａ）は、下層回路パターン１が形成された状態を示し、図４の（ｂ）は、下層回路パターン１上に透明膜である層間絶縁膜２が塗布された状態を示している。層間絶縁膜２は下層回路パターン１が形成されている場所で盛り上がり、結果として、層間絶縁膜表面は凹凸を有する。そこで、層間絶縁膜２上に微細なパターンを形成するために、上記凹凸を平坦化することが必要となる。なぜなら、微細パターンを形成する露光装置の焦点深度は浅く、上記凹凸が無視できないためである。
【０００６】
この凹凸を平坦化するのがＣＭＰ加工である。具体的には、研磨パッドを層間絶縁膜（透明膜）２の表面に押し付け化学砥粒（スラリー）を塗布しながら研磨する。この結果、図４の（ｃ）に示すような平坦な表面３を得ることができる。この平坦な表面３上には、図４の（ｄ）に示すように、微細な回路パターン４の形成が可能である。すなわち、０．１８〜０．１３μｍ幅ルールの今後の半導体製品では、ＣＭＰ加工された透明膜上に微細な回路パターンが形成される特徴がある。このため、欠陥検査装置は、前記のような回路パターンを精度良く解像できる光学性能を持つことが必要となる。
【０００７】
しかし、前記ＴＴＬ方式の自動焦点は、ＣＭＰ加工された透明膜においては、以下に述べる課題を有する。これを、図５、６を用いて説明する。図５の（ａ）は、対物レンズ５の広がり角θを示している。広がり角θと開口数ＮＡとの間には、
ＮＡ＝ｓｉｎθ ……（１）式
上記（１）式の関係がある。
【０００８】
図５の（ｂ）は、（１）式の関係を図示したものである。図５の（ｂ）に示すように、大気中で用いられるＮＡとして最大に近いＮＡ＝０．９５でも、広がり角θは７２度程度であることが判る。
【０００９】
図６は、透明膜に入射する光線の入射角ｉと反射率Ｒの関係を示しており、黒丸はＳ偏光、黒四角はＰ偏光である。反射率Ｒは入射角度ｉの関数であり、偏光状態によって異なる。同図に示すように、７２度（図中の符号６）では有利なＳ偏光においても、わずか３０％程度（図中の符号７）しか反射せず、残り７０％は透明膜中に透過することが判る。このため、ＴＴＬ方式の自動焦点光線は、ほとんどが透明膜中に透過して下層パターン部で反射して検出されることが判る。
【００１０】
図７に、ＴＴＬ方式で照明した光線８が、透明な層間絶縁膜２を透過して下層回路パターン１の形成面１０で合焦した場合を示す。この結果、本来検出すべき透明な層間絶縁膜９上の微細なパターン４および同一層で発生した欠陥１１は、デフォーカスし、本来検出すべきでない透明な層間絶縁膜９の下の層に形成した下層回路パターン１および同一層で発生した欠陥１２に、フォーカスが一致することとなる。
【００１１】
半導体装置の欠陥検査においては、検出された欠陥がどの層で発生したのかを切り分けることが重要であり、欠陥が層別に把握できることにより、初めて対策が可能となり、欠陥を低減することができる。しかしながら、図７に示したように、検出用の光線が、合焦させたい位置と異なる位置に合焦すると、検出すべき位置の欠陥検出の精度が極端に悪化する。
【００１２】
本発明の目的は、透明膜上に形成された微細パターンに発生した欠陥を感度良く検出するべく、透明膜表面に精度良くフォーカス位置を一致させて高解像撮像した画像により、欠陥が検出可能な欠陥検査装置を提供することにある。
【００１３】
また、本発明の他の目的は、透明膜表面に精度良くフォーカス位置を一致させて高解像撮像した画像を、周囲の温度変化の影響を受けずに安定して出力できるする欠陥検査装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では以下の技術的手段を備える。
【００１５】
すなわち、ウェハー上の光学的に透明な膜上に形成されたパターンの欠陥を検出する装置であって、
前記ウェハーの表面に８５度以上の入射角度でＳ偏光による光像を照射する照射手段と、
該照射手段で照射されたＳ偏光の光像による前記ウェハーからの反射光像の位置を検出する反射光検出手段と、
該反射光検出手段で検出した前記ウェハーからのＳ偏光による反射光像の位置情報に基づいて前記ウェハー表面の光学的に透明な膜表面の高さを算出する高さ検出手段と、
前記ウェハーをＮＡが０．７より大きい対物レンズを介して照明する照明手段と、
該照明手段で照明された前記ウェハーの光学像を前記ＮＡが０．７より大きい対物レンズを介して撮像する撮像手段と、
前記高さ検出手段で算出した前記ウェハー表面の光学的に透明な膜表面の高さ情報に基づいて、前記ＮＡが０．７より大きい対物レンズの焦点位置に前記ウェハーの表面の高さを合わせるウェハー高さ調整手段と、
該ウェハー高さ調整手段により前記ウェハーの表面の高さが前記ＮＡが０．７より大きい対物レンズの焦点位置に調整された状態で、前記撮像手段により撮像された前記ウェハー表面の前記パターンの光学像を処理して、前記パターンの欠陥を検出する画像処理手段とを、備え、
前記高さ検出手段は、前記ＮＡが０．７より大きい対物レンズのＮＡと前記照明手段の照明波長とで定まる焦点深度よりも小さい検出誤差で、前記ウェハー表面の光学的に透明な膜表面の高さを求めるようにした、構成をとる。
【００１６】
また、上記欠陥検査装置において、
温度検出手段と、
予め計測もしくはシミュレーションにより算出した温度と合焦点位置オフセットとの関係を記憶する手段と、
温度検出手段による温度検出結果に基づき、温度と合焦点位置オフセットとの上記関係から合焦点位置オフセットを予測する手段と、
この手段による予測量に基づき、合焦点位置オフセットを修正する手段とを、備えた構成をとる。
【００１７】
また、ウェハー上の光学的に透明な膜上に形成されたパターンの欠陥を検出する方法であって、
前記ウェハーの表面に８５度以上の入射角度でＳ偏光による光像を照射し、該Ｓ偏光の光像を照射された前記ウェハーからの反射光像の位置を検出して、前記ウェハー表面の光学的に透明な膜表面の高さを求るステップと、
求めた前記光学的に透明な膜表面の高さ情報に基づいて、撮像光学系で用いるＮＡが０．７より大きい対物レンズの焦点位置に、前記ウェハーの表面の高さを合わせるステップと、
前記ＮＡが０．７より大きい対物レンズを介して前記ウェハー表面を照明光源により照明した状態で、前記ウェハー表面の光学像を前記ＮＡが０．７より大きい対物レンズを介して撮像するステップと、
撮像して得られた前記ウェハー表面の前記パターンの光学像を処理して、前記パターンの欠陥を検出するステップとを、備え、
前記ウェハー表面の光学的に透明な膜表面の高さを求るステップでは、前記ＮＡが０．７より大きい対物レンズのＮＡと前記ウェハー表面を照明する照明光源の照明波長とで定まる焦点深度よりも小さい検出誤差で、前記ウェハー表面の光学的に透明な膜表面の高さを求めるように、される。
【００１８】
上記した構成を具備することによる有用性は、以下の発明の実施の形態の説明において明らかとなる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る半導体ウェハーの欠陥検査装置の構成を示す図である。
【００２０】
図１に示した構成において、照明光源１５の光線は、ハーフミラー１６で反射して、対物レンズ５を介して被検査物であるウェハー１７を落斜照明する。ウェハー１７からの反射光線は、ハーフミラー１６を透過し、結像レンズ１８によりイメージセンサ１９上に結像される。ウェハー１７は、Ｘ、Ｙ、Ｚステージ（２０、２１、２２）上に固定されている。
【００２１】
イメージセンサ１９の信号は、Ｘステージ２０に付加されたリニアスケール２３から、Ｘステージが一定間隔移動する度に発生されるタイミング信号２４に基づき、読み出される。
【００２２】
自動焦点光学系について述べれば、スリット２５を通過した照明光線は、結像レンズ２６によりウェハー１７表面に集光され、スリット像が投影される。ウェハー１７表面で反射した光線は、結像レンズ２７により受光センサ２８に結像される。
【００２３】
図２は自動焦点光学系の原理を説明している。自動焦点光学系の照明光線の入射角をθ、ウェハー１７の高さ変化をΔｈ、結像レンズ２７の結像倍率をｍとすると、受光センサ２８上の移動距離ΔＳは、
ΔＳ＝２ｍ×Δｈ×ｓｉｎθ ……（２）式
上記（２）式のようになる。
【００２４】
受光センサ２８が２分割ダイオードの場合、撮像光学系の焦点位置で２つのダイオードの受光量が等しくなるように、オフセットを調節しておく。ウェハー高さがΔｈ変化すると、センサ上の受光位置がΔＳ変動するため、２つのダイオードの受光量がアンバランスとなる。そこで、光量のバランスが取れる位置にウェハー１７が来るように、Ｚステージ制御部１３によってＺステージ２２を制御することにより、常に、撮像光学系の焦点位置にウェハー高さが調節される。
【００２５】
図３は、イメージセンサ１９の出力を処理する画像処理部２９の構成図である。イメージセンサ１９の出力を、遅延メモリ３０ａによりウェハー１７をＸ方向に１チップ分移動する時間だけ遅らせる。これにより、イメージセンサ１９の出力信号と遅延メモリ３０ａの出力信号は、隣接するチップの画像信号にそれぞれ相当するものとなる。イメージセンサ１９からの画像信号と遅延メモリ３０ａからの画像信号を、エッジ検出回路３０ｂ、３０ｃにそれぞれ入力し、被検査パターンのパターンエッジを検出し、２値化回路３０ｄ、３０ｅで、上記検出されたパターンエッジが２値化される。次に、不一致検出回路３０ｆにおいて、エッジ検出回路３０ｂから出力されるパターンエッジと３０ｃから出力されるパターンエッジをＸＹ方向にシフトしながら、両信号の不一致が小さい最適な位置ずれ量の検出を行う。そして、位置合わせ回路３０ｇにおいて、イメージセンサ１９からの画像信号と遅延メモリ３０ａからの画像信号とに基づき検出された位置ずれ量だけ、不一致画素をシフトして、欠陥判定回路３０ｈに出力する。
【００２６】
ところで、被検査物である半導体装置の配線ルールは、３年で１／√２倍の周期で微細化しており、現在主流である最小線幅０．１８μｍが、今後０．１３μｍに移行することが予想されている。このような微細な回路パターンを形成するためには、図４を用いて先に述べたように、ＣＭＰ加工が必須となりつつあり、ＣＭＰ加工された透明な層間絶縁膜上に形成された微細なパターンを検出することが必要となる。
【００２７】
そこで以下に、図１の欠陥検査装置が、ＣＭＰ加工された透明な層間絶縁膜２上に形成された微細なパターン４を安定して検出するための必要条件について述べる。
【００２８】
一般に、顕微鏡光学系の分解能Ｒｅｓは、
Ｒｅｓ＝０．５×λ／ＮＡ ……（３）式
上記（３）式のように表される。ここで、λは照明光線の波長、ＮＡは対物レンズの開口数である。
【００２９】
図８の（ａ）は、（３）式の定義を模式的に示している。（３）式は、ラインとスペースの繰り返しパターン３１を仮定しており、撮像光学系の結像位置３２において、隣接したパターンの像３３が分離して検出される条件を示している。また、図８の（ｂ）は、対物レンズの開口数ＮＡと照明光線の波長λとに対する分解能Ｒｅｓの関係を示している。
【００３０】
ここで、（３）式や図８の（ｂ）より明らかなように、分解能を向上するためには（Ｒｅｓの値を小さくするためには）、照明波長λを短くするか、または、対物レンズの開口数ＮＡを大きくする必要がある。ただし、両者には物理的な制約があり、自ずと実現可能な範囲が決まってくる。照明波長λについて述べれば、光電変換器（イメージセンサ１９）の変換効率により下限が決まる。すなわち、光電変換器において光子がセンサに衝突する際に発生する電子の割合を量子効率と呼ぶが、この量子効率は光線波長の関数となることが知られている。実在する光電変換器について述べれば、実用的な量子効率が得られる照明波長λの下限は、０．２〜０．３μｍ（図８の（ｂ）中の符号３４）程度である。
【００３１】
このようなλ＝０．２〜０．３μｍの範囲に該当する顕微鏡の照明光源としては、キセノンランプまたは水銀キセノンランプがあり、連続した波長の照明光が得られる。また、例えばＹＡＧレーザ（λ＝０．５３２μｍ）と非線形光学素子を組み合わせることにより、第２高調波である波長０．２６６μｍが得られることが知られている。図８の（ｂ）から、照明波長範囲０．２〜０．３μｍにおいて、回路パターン幅寸法と略同等である分解能Ｒｅｓ＝０．１５μｍ（図８の（ｂ）中の符号３５）を実現するＮＡは、ほぼ０．７〜０．９（図８の（ｂ）中の符号３６）の範囲となることが判る。
【００３２】
一方、照明波長λと開口数ＮＡから、焦点深度ＤＯＦは、
ＤＯＦ＝０．５×λ／（ＮＡ２） ……（４）式
上記（４）式の関係によって求めることができる。
【００３３】
図９の（ａ）に、（４）式の定義を模式的に示す。撮像光学系のベストフォーカス位置３７に対して、±ＤＯＦの範囲３８においては、良好な結像性能が維持できることを意味する。
【００３４】
図９の（ｂ）に、対物レンズの開口数ＮＡと照明波長λとに対する焦点深度ＤＯＦの関係を示す。回路パターン幅と略同等である分解能０．１５μｍを実現するＮＡ（図９の（ｂ）の符号３６）と照明波長λ（図９の（ｂ）の符号３４）における焦点深度は、ほぼ±０．２μｍ（図９の（ｂ）の符号３９）となる。このため、この範囲にある回路パターンおよび欠陥は良好に解像し、この範囲から外れるにつれてコントラストが低下してデフォーカスする。そこで、自動焦点光学系の高さ検出誤差は、上記の焦点深度未満であることが必要となる。
【００３５】
図１０に、透明膜４０における自動焦点光学系の照明角度θと高さ検出誤差との関係を示す。透明膜４０に照明角度θで光線４１が入射すると、偏光方向に応じて、
Ｒｐ＝（ｃｏｓｉ１／ｎ１−ｃｏｓｉ２／ｎ２）／（ｃｏｓｉ１／ｎ１＋ｃｏｓｉ２／ｎ２） ……（５）式
Ｔｐ＝１−Ｒｐ ……（６）式
Ｒｓ＝（ｎ１×ｃｏｓｉ１−ｎ２×ｃｏｓｉ２）／（ｎ１×ｃｏｓｉ１＋ｎ２×ｃｏｓｉ２） ……（７）式
Ｔｓ＝１−Ｒｓ ……（８）式
上記（５）式〜（８）式の関係によって、反射光線と透過光線に分岐する。ここで、Ｒは振幅反射率、Ｔは振幅透過率、ｓ、ｐは偏光方向の添字、１と２は媒質の添字であり、ｎは屈折率、ｉは入射角度である。
【００３６】
空気中の屈折率を１、透明膜の屈折率を１．５、透明膜厚を１μｍ、下層膜での反射率を１（高さ検出誤差が最大の場合を仮定）として、照明角度θと高さ検出誤差との関係を求めたのが、図１０の（ｂ）であり、図中、黒丸はＰ偏光、黒四角はＳ偏光である。
【００３７】
図１０の（ｂ）から、高さ検出誤差が焦点深度±０．２μｍ（図１０の（ｂ）中の符号３９）未満となる条件は、照明光線の光量ロスが少ないランダム偏光の場合（ワーストケースとしてＰ偏光を仮定すると）８８度（図１０の（ｂ）中の符号４３）以上であることが判る。光量ロスを許容してＳ偏光とすれば８５度（図１０の（ｂ）中の符号４２）以上でも良い。これらの照明角度は、ＴＴＬ方式での実現は困難である。
【００３８】
図１１は、上記した図８から図１０で述べた条件を備えた欠陥検査装置で、透明膜上の微細パターンが撮像される様子を示している。撮像光学系として、照明光の波長λ＝０．２６６μｍ、対物レンズの開口数ＮＡ＝０．８５を仮定すると、分解能Ｒｅｓおよび焦点深度ＤＯＦは、
Ｒｅｓ＝０．５×０．２６６／０．８５＝０．１５６μｍ
ＤＯＦ＝０．５×０．２６６／（０．８５×０．８５）＝０．１８４μｍ
それぞれ上記のようになる。
【００３９】
さらに、自動焦点の照明光線を、Ｓ偏光で８５度以上の照明角度で入射することにより、高さ検出誤差を±０．２μｍ未満とすることができる。この結果、欠陥検査装置で検出される画像は、透明膜（透明な層間絶縁膜）２の表面１４に合焦された状態となり、透明膜２上に形成された０．１５μｍ幅の微細な回路パターン４を良好に結像した状態で検出でき、同一層の欠陥１１を感度良く検出可能となる。一方、透明膜２の膜厚が０．２μｍ以上の場合は、下層回路パターン１のコントラストが低下して、本来検出すべきでない欠陥１２の過検出を防止することができる。
【００４０】
図１２は、上述した記載事項を前提として、本実施形態による検査結果と従来技術の検査結果とを対比して、模式的に示したものである。図１２の（ｂ）に示す本実施形態では、０．１５μｍ幅が結像可能な撮像光学系（ＮＡ＝０．８５、λ＝０．２６６μｍ）およびＳ偏光で照明角度８５度以上の自動焦点光学系を組み合わせることにより、透明膜２の表面１４（表面１４の高さ±０．２μｍの範囲内）の微細な回路パターン４（０．１５μｍ幅）を解像して、感度良く欠陥１１を検出することが可能である。さらに、透明膜２（膜厚０．２μｍ以上）の下層にある欠陥１２の過検出４５が防止される。
【００４１】
一方、図１２の（ａ）に示した従来の検査条件（Ｓ偏光で照明角度８５度未満の、約５８度）においては、透明膜２の下層の表面１０にフォーカスが一致するため、本来検出すべきでない欠陥１２の過検出や、本来検出すべき欠陥の見逃し４６が発生する。
【００４２】
なお、上述した例では、回路パターン幅を０．１５μｍとして発明の構成要件が満たすべき数値の説明を行った。今後、回路パターンが微細化すると、（３）式の分解能Ｒｅｓを更に向上する必要があり、照明波光の波長λおよび対物レンズの開口数ＮＡを向上させる必要が生じる。この結果、（４）式の焦点深度ＤＯＦが浅くなるため、図１０の（ｂ）に示す、高さ検出誤差を更に低減する必要が生じる。この場合、Ｓ偏光において照明角度を８８度（図１０の（ｂ）中の符号４３）以上とすることが必要となるが、本発明の構成要件において解決可能である。
【００４３】
図１３は、本発明の第２実施形態に係る半導体ウェハーの欠陥検査装置の構成を示す図である。本実施形態が前述した第１実施形態と相違するのは、第１実施形態の構成に、温度センサ５０と、合焦位置オフセット調整部５１とを付加したことにある。
【００４４】
欠陥検査装置の対物レンズは、短い照明波長において収差補正がなされており、多数枚のレンズからなることが多い。このため、摂氏１度程度の温度変化であっても、焦点距離が焦点深度相当変動することが避けられない。そこで、第１実施形態で述べた性能を長時間維持するためには、経時的に変動する焦点距離を補正する必要がある。なぜなら、自動焦点光学系は撮像光学系とは別光路からなるため、焦点距離が変動すると合焦位置とは異なる位置に毎回ウェハー１７の高さが調節され、検出される画像がデフォーカスするためである。
【００４５】
温度が変化するとレンズが膨張または収縮して焦点距離が変動する。このため、温度と焦点距離の関係を予め計測しておく。図１４に、その計測例を示す。横軸は温度、縦軸は焦点距離を示す。これらは予め温度を変化させて計測することが可能である。また、図１４の関係は、光学シミュレーションによっても算出することが可能である。
【００４６】
図１４の関係が既知であれば、温度センサ５０で計測した対物レンズ５の温度から、現在の焦点距離が予測可能となり、合焦位置のオフセットを補正することが可能となる。そこで、予め計測もしくはシミュレーションにより算出した温度と合焦位置オフセットとの関係（図１４の関係）を、合焦位置オフセット調整部５１に記憶させておく。そして、合焦位置オフセット調整部５１は、温度センサ５０による温度検出結果に基づき、図１４の関係から合焦点位置オフセットを予測し、この予測量に基づき合焦位置のオフセットを修正する信号を、Ｚステージ制御部１３に出力する。これにより、温度変化に起因する合焦位置のオフセットを、合焦位置オフセット調整部５１により補正させることが可能となる。合焦位置オフセット調整部５１は、例えば、上記オフセット調整を前回のゼロ点に加算させることにより実行する。
【００４７】
図１５は、本発明の第３実施形態に係る半導体ウェハーの欠陥検査装置の構成を示す図である。本実施形態が前述した第１実施形態と相違するのは、第１実施形態の構成に、ＴＴＬ方式の焦点位置測定光学系と、該焦点位置測定光学系の測定対象となる焦点位置測定用の試料５３とを付加したことにある。本実施形態においても、前記第２実施形態と同様に、経時的に変動する撮像光学系の焦点距離を補正できるようにしている。
【００４８】
焦点位置測定用の試料５３は、その表面高さが、ウェハー１７の高さと略同一高さとなるように設定されており、かつ、その平坦な表面は、照明光を概略全反射するミラー面として構成されていて、ウェハー１７と共にＸ、Ｙ、Ｚステージ（２０、２１、２２）上に取り付けられている。図１６の（ａ）は、焦点位置測定用の試料５３とウェハー１７との関係を示す平面図で、試料５３は、ここでは、ウェハー１７の外周を囲むようにリング状に形成されたものとしているが、試料５３の形状はこれに限られるものではない。また、試料５３の表面高さの設定位置も任意である。
【００４９】
ＴＴＬ方式の焦点位置測定系光学は、ＴＴＬの自動焦点光学系と同一であり、例えば照明光路に設置されたスリット５４により絞り込んだ照明光によって、試料５３上の所定の領域（撮像用の照明領域以外の領域＝照明領域におけるイメージセンサ１９に対応する領域以外の領域）を照明し、試料５３からの反射光を、ダイクロイックミラー５５により分岐させ、この分岐させて取り出した光路を、ハーフミラーおよびミラーを用いてさらに２つに分岐して、それぞれの光路において結像位置と共役な位置の前後にそれぞれ配置した受光センサ５６によって、センシングするようにしたものである。そして、この２つの受光センサ５６、５６の出力をＴＴＬ焦点位置測定部５７において比較し、合焦状態を計測するものである。このような、ＴＴＬの焦点位置測定光学系では、試料５３の表面高さが対物レンズ５の合焦位置に一致した場合、２つのセンサ５６のコントラストは等しくなる。
【００５０】
このため、温度変化等によって、自動焦点光学系による焦点位置に対して対物レンズ５の合焦位置が変動した場合であっても、同一箇所をＴＴＬ方式の焦点位置測定系で測定することにより、ＴＴＬ焦点位置測定部５７から、Ｚステージ制御部１３に自動焦点のオフセット補正信号を与えることによって、自動焦点のオフセットを正確に補正できる。つまり、ＴＴＬ方式の焦点位置測定光学系の光線と撮像光学系の光線は、共に対物レンズ５を通過するので、ＴＴＬ方式の焦点位置測定光学系の焦点位置を、撮像光学系の焦点位置と等価なものと見なすことができ、このため、自動焦点光学系による焦点位置に対する位置ずれ量を、ＴＴＬ焦点位置測定部５７で正確に演算することができ、この演算結果に基づき、ＴＴＬ焦点位置測定部５７からＺステージ制御部１３に自動焦点のオフセット補正信号を与えることで、自動焦点のオフセットを正確に補正できる。この結果、図１６の（ｂ）に示すように、焦点位置測定用の試料５３上において、自動焦点光学系の反射位置５７とＴＴＬ方式の焦点位置測定系の合焦位置５７とが、一致するように制御することが可能となり、以って、ウェハー１７の透明膜上においても、自動焦点光学系の反射位置とＴＴＬ方式の焦点位置測定光学系の合焦位置（つまり、撮像光学系の合焦位置）とが一致するように制御することが可能になる。
【００５１】
以下、図１７のフローチャートに基づき、本実施形態の動作を説明する。まず、検査開始前に、ウェハー周辺に設けられた試料５３の初期位置５８（図１６の（ａ）参照）が、自動焦点光学系およびＴＴＬ方式の焦点位置測定光学系の測定位置となるようにステージを移動させる（ステップＳ１）。次に、試料５３の初期位置５８において、自動焦点光学系による測定結果を用いて、Ｚステージ２２を駆動制御して自動焦点合わせ処理を実行させ（ステップＳ２）、然る後、ＴＴＬ方式の焦点位置測定光学系による焦点位置測定を実行させる（ステップＳ３）。次に、自動焦点光学系による合焦位置と、ＴＴＬ方式の焦点位置測定光学系による合焦位置とのずれ量を、ＴＴＬ焦点位置測定部５７で算出し、この算出結果に基づく自動焦点のオフセット補正信号をＺステージ制御部１３に与えて、自動焦点光学系による自動焦点検出値が対物レンズ５の合焦位置と一致するようにオフセット補正する（ステップＳ４）。この後、Ｘステージ２２を移動させて、ウェハー１７上の所定領域の欠陥検査が実行され、Ｘステージ２２が往動完了した時点でＹステージ２１が１ステップ駆動され、次にＸステージ２２が復動されて、ウェハー１７上の次の所定領域の欠陥検査が実行される（ステップＳ５）。そして、Ｘステージ２２が１往復し、自動焦点光学系の反射位置が試料５３上の位置５９（図１６の（ａ）参照）となった時点で、Ｘステージ２２の動作を一旦停止させて、欠陥検査が終了したか否かを判断する（ステップＳ６）。検査が終了していない場合は、Ｙステージ２１を１ステップ駆動して、自動焦点光学系の反射位置を、次のオフセット補正用の測定位置６０（図１６の（ａ）参照）に移動させ（ステップＳ７）、然る後、再度、ステップＳ２〜Ｓ４において自動焦点のオフセットを補正した後、ステップＳ５で欠陥検査を実行し、以下、ウェハー１７上の全領域の検査が完了するまで、上記の動作を繰り返す。
【００５２】
なお、上述した例では、自動焦点のオフセット補正を、Ｘステージ２２の１往復毎に行っているが、オフセット補正の頻度は、周囲の環境変化の程度などに応じて、任意に増減可能であることは云うまでもない。
【００５３】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、透明な層間絶縁膜上の微細パターンおよび同一層の欠陥を感度良く検出でき、かつ、下層のパターンおよび同一層の欠陥をデフォーカスした状態で検出できるので、本来検査したい工程の欠陥のみが検出可能となる。この結果、工程別の欠陥数を正確に把握することが可能となり、的確なな不良発生防止対策を講じることが可能となる。また、本発明によれば、上記のような性能を、温度等の環境変化に影響を受けることなく、長期間安定に実現可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る半導体ウェハーの欠陥検査装置の構成を示す説明図である。
【図２】本発明の各実施形態で用いられる、自動焦点光学系の検出原理を示す説明図である。
【図３】図１中の画像処理部の構成を示すブロック図である。
【図４】ＣＭＰ加工されるウェハーの断面を示す説明図である。
【図５】対物レンズの開口数と広がり角との関係を示す説明図である。
【図６】透明膜に入射する光線の入射角と反射率との関係を示す説明図である。
【図７】ＴＴＬ方式の自動焦点光学系によって下層パターンに合焦した様子を示す説明図である。
【図８】ＮＡとλと分解能との関係を示す説明図である。
【図９】ＮＡとλと焦点深度との関係を示す説明図である。
【図１０】透明膜における自動焦点光学系の照明角度と高さ検出誤差との関係を示す説明図である。
【図１１】本発明の第１実施形態の構成により、透明膜上の微細パターンが撮像される様子を示す説明図である。
【図１２】従来技術による欠陥検査の様子と、本発明の第１実施形態による欠陥検査の様子とを示す説明図である。
【図１３】本発明の第２実施形態に係る半導体ウェハーの欠陥検査装置の構成を示す説明図である。
【図１４】撮像光学系における温度と焦点位置との関係を示す説明図である。
【図１５】本発明の第３実施形態に係る半導体ウェハーの欠陥検査装置の構成を示す説明図である。
【図１６】本発明の第３実施形態における、焦点位置測定用の試料や検査時のステージ移動シーケンスの概要などを示す説明図である。
【図１７】本発明の第３実施形態における、欠陥検査動作の１例の概要を示すフローチャート図である。
【符号の説明】
１ 下層回路パターン
２ 層間絶縁膜（透明膜）
３ 平坦な表面
４ 回路パターン
５ 対物レンズ
６ ７２度
７ ３０％
８ ＴＴＬ方式で照明した光線
１０ 下層回路パターン１の形成
１１ 回路パターン４と同一層で発生した欠陥
１２ 下層回路パターン１と同一層で発生した欠陥
１３ Ｚステージ制御部
１４ 層間絶縁膜（透明膜）２の表面
１５ 照明光源
１６ ハーフミラー
１７ ウェハー
１８ 結像レンズ
１９ イメージセンサ
２０ Ｘステージ
２１ Ｙステージ
２２ Ｚステージ
２３ リニアスケール
２４ タイミング信号
２５ スリット
２６ 結像レンズ
２７ 結像レンズ
２８ 受光センサ
２９ 画像処理部
３０ａ 遅延メモリ
３０ｂ エッジ検出回路
３０ｃ エッジ検出回路
３０ｄ ２値化回路
３０ｅ ２値化回路
３０ｆ 不一致検出回路
３０ｇ 位置合わせ回路
３０ｈ 欠陥判定回路
３１ 繰り返しパターン
３２ 結像位置
３３ 像
３４ ０．２〜０．３μｍ
３５ ０．１５μｍ
３６ ０．７〜０．９
３７ ベストフォーカス位置
３８ ＤＯＦ範囲
３９ ０．２μｍ
４０ 透明膜
４１ 光線
４２ ８５度
４３ ８８度
４５ 過検出防止
４６ 見逃し
５０ 温度センサ
５１ 合焦位置オフセット調整部
５３ 焦点位置測定用の試料
５４ スリット
５５ ダイクロイックミラー
５６ 受光センサ
５７ 合焦位置（反射位置）
【発明の属する技術分野】
本発明は、被検査パターンの欠陥を検出する欠陥検査装置および欠陥検査方法に係り、特に、半導体ウェハーの透明膜上に形成された微細なパターンの光学像を検出するのに用いて好適な欠陥検査技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光学式の欠陥検査装置は、微細なパターンを光学的に結像させるために高精度な自動焦点合わせ機能を備えた顕微鏡システムを搭載している。このような顕微鏡システムに関する技術が、特開平６―２６５７７３号公報（名称；顕微鏡自動焦点装置）に開示されており、この先願公報に記載された従来技術においては、対物レンズを自動焦点光線が通過するＴＴＬ（Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ Ｌｅｎｓ）方式を採用している。
【０００３】
ＴＴＬ方式は、結像光線と自動焦点光線が共に対物レンズを通過するため、温度等のわずかな環境変化により焦点距離が変動しても、自動焦点検出結果と結像コントラストに高い相関が保たれる特徴がある。このため、半導体ウェハーに形成された微細なパターンを検出するような顕微鏡システムでは、ＴＴＬ方式が標準的な自動焦点方式となっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
半導体装置の配線ルールは、現在０．１８μｍ幅が主流であり、今後０．１３μｍ幅に移行することが予想されている。このような微細な回路パターンを形成するためには、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）加工が必須となりつつある。
【０００５】
図４に、ＣＭＰ加工されたウェハーの断面図を示す。図４の（ａ）は、下層回路パターン１が形成された状態を示し、図４の（ｂ）は、下層回路パターン１上に透明膜である層間絶縁膜２が塗布された状態を示している。層間絶縁膜２は下層回路パターン１が形成されている場所で盛り上がり、結果として、層間絶縁膜表面は凹凸を有する。そこで、層間絶縁膜２上に微細なパターンを形成するために、上記凹凸を平坦化することが必要となる。なぜなら、微細パターンを形成する露光装置の焦点深度は浅く、上記凹凸が無視できないためである。
【０００６】
この凹凸を平坦化するのがＣＭＰ加工である。具体的には、研磨パッドを層間絶縁膜（透明膜）２の表面に押し付け化学砥粒（スラリー）を塗布しながら研磨する。この結果、図４の（ｃ）に示すような平坦な表面３を得ることができる。この平坦な表面３上には、図４の（ｄ）に示すように、微細な回路パターン４の形成が可能である。すなわち、０．１８〜０．１３μｍ幅ルールの今後の半導体製品では、ＣＭＰ加工された透明膜上に微細な回路パターンが形成される特徴がある。このため、欠陥検査装置は、前記のような回路パターンを精度良く解像できる光学性能を持つことが必要となる。
【０００７】
しかし、前記ＴＴＬ方式の自動焦点は、ＣＭＰ加工された透明膜においては、以下に述べる課題を有する。これを、図５、６を用いて説明する。図５の（ａ）は、対物レンズ５の広がり角θを示している。広がり角θと開口数ＮＡとの間には、
ＮＡ＝ｓｉｎθ ……（１）式
上記（１）式の関係がある。
【０００８】
図５の（ｂ）は、（１）式の関係を図示したものである。図５の（ｂ）に示すように、大気中で用いられるＮＡとして最大に近いＮＡ＝０．９５でも、広がり角θは７２度程度であることが判る。
【０００９】
図６は、透明膜に入射する光線の入射角ｉと反射率Ｒの関係を示しており、黒丸はＳ偏光、黒四角はＰ偏光である。反射率Ｒは入射角度ｉの関数であり、偏光状態によって異なる。同図に示すように、７２度（図中の符号６）では有利なＳ偏光においても、わずか３０％程度（図中の符号７）しか反射せず、残り７０％は透明膜中に透過することが判る。このため、ＴＴＬ方式の自動焦点光線は、ほとんどが透明膜中に透過して下層パターン部で反射して検出されることが判る。
【００１０】
図７に、ＴＴＬ方式で照明した光線８が、透明な層間絶縁膜２を透過して下層回路パターン１の形成面１０で合焦した場合を示す。この結果、本来検出すべき透明な層間絶縁膜９上の微細なパターン４および同一層で発生した欠陥１１は、デフォーカスし、本来検出すべきでない透明な層間絶縁膜９の下の層に形成した下層回路パターン１および同一層で発生した欠陥１２に、フォーカスが一致することとなる。
【００１１】
半導体装置の欠陥検査においては、検出された欠陥がどの層で発生したのかを切り分けることが重要であり、欠陥が層別に把握できることにより、初めて対策が可能となり、欠陥を低減することができる。しかしながら、図７に示したように、検出用の光線が、合焦させたい位置と異なる位置に合焦すると、検出すべき位置の欠陥検出の精度が極端に悪化する。
【００１２】
本発明の目的は、透明膜上に形成された微細パターンに発生した欠陥を感度良く検出するべく、透明膜表面に精度良くフォーカス位置を一致させて高解像撮像した画像により、欠陥が検出可能な欠陥検査装置を提供することにある。
【００１３】
また、本発明の他の目的は、透明膜表面に精度良くフォーカス位置を一致させて高解像撮像した画像を、周囲の温度変化の影響を受けずに安定して出力できるする欠陥検査装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では以下の技術的手段を備える。
【００１５】
すなわち、ウェハー上の光学的に透明な膜上に形成されたパターンの欠陥を検出する装置であって、
前記ウェハーの表面に８５度以上の入射角度でＳ偏光による光像を照射する照射手段と、
該照射手段で照射されたＳ偏光の光像による前記ウェハーからの反射光像の位置を検出する反射光検出手段と、
該反射光検出手段で検出した前記ウェハーからのＳ偏光による反射光像の位置情報に基づいて前記ウェハー表面の光学的に透明な膜表面の高さを算出する高さ検出手段と、
前記ウェハーをＮＡが０．７より大きい対物レンズを介して照明する照明手段と、
該照明手段で照明された前記ウェハーの光学像を前記ＮＡが０．７より大きい対物レンズを介して撮像する撮像手段と、
前記高さ検出手段で算出した前記ウェハー表面の光学的に透明な膜表面の高さ情報に基づいて、前記ＮＡが０．７より大きい対物レンズの焦点位置に前記ウェハーの表面の高さを合わせるウェハー高さ調整手段と、
該ウェハー高さ調整手段により前記ウェハーの表面の高さが前記ＮＡが０．７より大きい対物レンズの焦点位置に調整された状態で、前記撮像手段により撮像された前記ウェハー表面の前記パターンの光学像を処理して、前記パターンの欠陥を検出する画像処理手段とを、備え、
前記高さ検出手段は、前記ＮＡが０．７より大きい対物レンズのＮＡと前記照明手段の照明波長とで定まる焦点深度よりも小さい検出誤差で、前記ウェハー表面の光学的に透明な膜表面の高さを求めるようにした、構成をとる。
【００１６】
また、上記欠陥検査装置において、
温度検出手段と、
予め計測もしくはシミュレーションにより算出した温度と合焦点位置オフセットとの関係を記憶する手段と、
温度検出手段による温度検出結果に基づき、温度と合焦点位置オフセットとの上記関係から合焦点位置オフセットを予測する手段と、
この手段による予測量に基づき、合焦点位置オフセットを修正する手段とを、備えた構成をとる。
【００１７】
また、ウェハー上の光学的に透明な膜上に形成されたパターンの欠陥を検出する方法であって、
前記ウェハーの表面に８５度以上の入射角度でＳ偏光による光像を照射し、該Ｓ偏光の光像を照射された前記ウェハーからの反射光像の位置を検出して、前記ウェハー表面の光学的に透明な膜表面の高さを求るステップと、
求めた前記光学的に透明な膜表面の高さ情報に基づいて、撮像光学系で用いるＮＡが０．７より大きい対物レンズの焦点位置に、前記ウェハーの表面の高さを合わせるステップと、
前記ＮＡが０．７より大きい対物レンズを介して前記ウェハー表面を照明光源により照明した状態で、前記ウェハー表面の光学像を前記ＮＡが０．７より大きい対物レンズを介して撮像するステップと、
撮像して得られた前記ウェハー表面の前記パターンの光学像を処理して、前記パターンの欠陥を検出するステップとを、備え、
前記ウェハー表面の光学的に透明な膜表面の高さを求るステップでは、前記ＮＡが０．７より大きい対物レンズのＮＡと前記ウェハー表面を照明する照明光源の照明波長とで定まる焦点深度よりも小さい検出誤差で、前記ウェハー表面の光学的に透明な膜表面の高さを求めるように、される。
【００１８】
上記した構成を具備することによる有用性は、以下の発明の実施の形態の説明において明らかとなる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る半導体ウェハーの欠陥検査装置の構成を示す図である。
【００２０】
図１に示した構成において、照明光源１５の光線は、ハーフミラー１６で反射して、対物レンズ５を介して被検査物であるウェハー１７を落斜照明する。ウェハー１７からの反射光線は、ハーフミラー１６を透過し、結像レンズ１８によりイメージセンサ１９上に結像される。ウェハー１７は、Ｘ、Ｙ、Ｚステージ（２０、２１、２２）上に固定されている。
【００２１】
イメージセンサ１９の信号は、Ｘステージ２０に付加されたリニアスケール２３から、Ｘステージが一定間隔移動する度に発生されるタイミング信号２４に基づき、読み出される。
【００２２】
自動焦点光学系について述べれば、スリット２５を通過した照明光線は、結像レンズ２６によりウェハー１７表面に集光され、スリット像が投影される。ウェハー１７表面で反射した光線は、結像レンズ２７により受光センサ２８に結像される。
【００２３】
図２は自動焦点光学系の原理を説明している。自動焦点光学系の照明光線の入射角をθ、ウェハー１７の高さ変化をΔｈ、結像レンズ２７の結像倍率をｍとすると、受光センサ２８上の移動距離ΔＳは、
ΔＳ＝２ｍ×Δｈ×ｓｉｎθ ……（２）式
上記（２）式のようになる。
【００２４】
受光センサ２８が２分割ダイオードの場合、撮像光学系の焦点位置で２つのダイオードの受光量が等しくなるように、オフセットを調節しておく。ウェハー高さがΔｈ変化すると、センサ上の受光位置がΔＳ変動するため、２つのダイオードの受光量がアンバランスとなる。そこで、光量のバランスが取れる位置にウェハー１７が来るように、Ｚステージ制御部１３によってＺステージ２２を制御することにより、常に、撮像光学系の焦点位置にウェハー高さが調節される。
【００２５】
図３は、イメージセンサ１９の出力を処理する画像処理部２９の構成図である。イメージセンサ１９の出力を、遅延メモリ３０ａによりウェハー１７をＸ方向に１チップ分移動する時間だけ遅らせる。これにより、イメージセンサ１９の出力信号と遅延メモリ３０ａの出力信号は、隣接するチップの画像信号にそれぞれ相当するものとなる。イメージセンサ１９からの画像信号と遅延メモリ３０ａからの画像信号を、エッジ検出回路３０ｂ、３０ｃにそれぞれ入力し、被検査パターンのパターンエッジを検出し、２値化回路３０ｄ、３０ｅで、上記検出されたパターンエッジが２値化される。次に、不一致検出回路３０ｆにおいて、エッジ検出回路３０ｂから出力されるパターンエッジと３０ｃから出力されるパターンエッジをＸＹ方向にシフトしながら、両信号の不一致が小さい最適な位置ずれ量の検出を行う。そして、位置合わせ回路３０ｇにおいて、イメージセンサ１９からの画像信号と遅延メモリ３０ａからの画像信号とに基づき検出された位置ずれ量だけ、不一致画素をシフトして、欠陥判定回路３０ｈに出力する。
【００２６】
ところで、被検査物である半導体装置の配線ルールは、３年で１／√２倍の周期で微細化しており、現在主流である最小線幅０．１８μｍが、今後０．１３μｍに移行することが予想されている。このような微細な回路パターンを形成するためには、図４を用いて先に述べたように、ＣＭＰ加工が必須となりつつあり、ＣＭＰ加工された透明な層間絶縁膜上に形成された微細なパターンを検出することが必要となる。
【００２７】
そこで以下に、図１の欠陥検査装置が、ＣＭＰ加工された透明な層間絶縁膜２上に形成された微細なパターン４を安定して検出するための必要条件について述べる。
【００２８】
一般に、顕微鏡光学系の分解能Ｒｅｓは、
Ｒｅｓ＝０．５×λ／ＮＡ ……（３）式
上記（３）式のように表される。ここで、λは照明光線の波長、ＮＡは対物レンズの開口数である。
【００２９】
図８の（ａ）は、（３）式の定義を模式的に示している。（３）式は、ラインとスペースの繰り返しパターン３１を仮定しており、撮像光学系の結像位置３２において、隣接したパターンの像３３が分離して検出される条件を示している。また、図８の（ｂ）は、対物レンズの開口数ＮＡと照明光線の波長λとに対する分解能Ｒｅｓの関係を示している。
【００３０】
ここで、（３）式や図８の（ｂ）より明らかなように、分解能を向上するためには（Ｒｅｓの値を小さくするためには）、照明波長λを短くするか、または、対物レンズの開口数ＮＡを大きくする必要がある。ただし、両者には物理的な制約があり、自ずと実現可能な範囲が決まってくる。照明波長λについて述べれば、光電変換器（イメージセンサ１９）の変換効率により下限が決まる。すなわち、光電変換器において光子がセンサに衝突する際に発生する電子の割合を量子効率と呼ぶが、この量子効率は光線波長の関数となることが知られている。実在する光電変換器について述べれば、実用的な量子効率が得られる照明波長λの下限は、０．２〜０．３μｍ（図８の（ｂ）中の符号３４）程度である。
【００３１】
このようなλ＝０．２〜０．３μｍの範囲に該当する顕微鏡の照明光源としては、キセノンランプまたは水銀キセノンランプがあり、連続した波長の照明光が得られる。また、例えばＹＡＧレーザ（λ＝０．５３２μｍ）と非線形光学素子を組み合わせることにより、第２高調波である波長０．２６６μｍが得られることが知られている。図８の（ｂ）から、照明波長範囲０．２〜０．３μｍにおいて、回路パターン幅寸法と略同等である分解能Ｒｅｓ＝０．１５μｍ（図８の（ｂ）中の符号３５）を実現するＮＡは、ほぼ０．７〜０．９（図８の（ｂ）中の符号３６）の範囲となることが判る。
【００３２】
一方、照明波長λと開口数ＮＡから、焦点深度ＤＯＦは、
ＤＯＦ＝０．５×λ／（ＮＡ２） ……（４）式
上記（４）式の関係によって求めることができる。
【００３３】
図９の（ａ）に、（４）式の定義を模式的に示す。撮像光学系のベストフォーカス位置３７に対して、±ＤＯＦの範囲３８においては、良好な結像性能が維持できることを意味する。
【００３４】
図９の（ｂ）に、対物レンズの開口数ＮＡと照明波長λとに対する焦点深度ＤＯＦの関係を示す。回路パターン幅と略同等である分解能０．１５μｍを実現するＮＡ（図９の（ｂ）の符号３６）と照明波長λ（図９の（ｂ）の符号３４）における焦点深度は、ほぼ±０．２μｍ（図９の（ｂ）の符号３９）となる。このため、この範囲にある回路パターンおよび欠陥は良好に解像し、この範囲から外れるにつれてコントラストが低下してデフォーカスする。そこで、自動焦点光学系の高さ検出誤差は、上記の焦点深度未満であることが必要となる。
【００３５】
図１０に、透明膜４０における自動焦点光学系の照明角度θと高さ検出誤差との関係を示す。透明膜４０に照明角度θで光線４１が入射すると、偏光方向に応じて、
Ｒｐ＝（ｃｏｓｉ１／ｎ１−ｃｏｓｉ２／ｎ２）／（ｃｏｓｉ１／ｎ１＋ｃｏｓｉ２／ｎ２） ……（５）式
Ｔｐ＝１−Ｒｐ ……（６）式
Ｒｓ＝（ｎ１×ｃｏｓｉ１−ｎ２×ｃｏｓｉ２）／（ｎ１×ｃｏｓｉ１＋ｎ２×ｃｏｓｉ２） ……（７）式
Ｔｓ＝１−Ｒｓ ……（８）式
上記（５）式〜（８）式の関係によって、反射光線と透過光線に分岐する。ここで、Ｒは振幅反射率、Ｔは振幅透過率、ｓ、ｐは偏光方向の添字、１と２は媒質の添字であり、ｎは屈折率、ｉは入射角度である。
【００３６】
空気中の屈折率を１、透明膜の屈折率を１．５、透明膜厚を１μｍ、下層膜での反射率を１（高さ検出誤差が最大の場合を仮定）として、照明角度θと高さ検出誤差との関係を求めたのが、図１０の（ｂ）であり、図中、黒丸はＰ偏光、黒四角はＳ偏光である。
【００３７】
図１０の（ｂ）から、高さ検出誤差が焦点深度±０．２μｍ（図１０の（ｂ）中の符号３９）未満となる条件は、照明光線の光量ロスが少ないランダム偏光の場合（ワーストケースとしてＰ偏光を仮定すると）８８度（図１０の（ｂ）中の符号４３）以上であることが判る。光量ロスを許容してＳ偏光とすれば８５度（図１０の（ｂ）中の符号４２）以上でも良い。これらの照明角度は、ＴＴＬ方式での実現は困難である。
【００３８】
図１１は、上記した図８から図１０で述べた条件を備えた欠陥検査装置で、透明膜上の微細パターンが撮像される様子を示している。撮像光学系として、照明光の波長λ＝０．２６６μｍ、対物レンズの開口数ＮＡ＝０．８５を仮定すると、分解能Ｒｅｓおよび焦点深度ＤＯＦは、
Ｒｅｓ＝０．５×０．２６６／０．８５＝０．１５６μｍ
ＤＯＦ＝０．５×０．２６６／（０．８５×０．８５）＝０．１８４μｍ
それぞれ上記のようになる。
【００３９】
さらに、自動焦点の照明光線を、Ｓ偏光で８５度以上の照明角度で入射することにより、高さ検出誤差を±０．２μｍ未満とすることができる。この結果、欠陥検査装置で検出される画像は、透明膜（透明な層間絶縁膜）２の表面１４に合焦された状態となり、透明膜２上に形成された０．１５μｍ幅の微細な回路パターン４を良好に結像した状態で検出でき、同一層の欠陥１１を感度良く検出可能となる。一方、透明膜２の膜厚が０．２μｍ以上の場合は、下層回路パターン１のコントラストが低下して、本来検出すべきでない欠陥１２の過検出を防止することができる。
【００４０】
図１２は、上述した記載事項を前提として、本実施形態による検査結果と従来技術の検査結果とを対比して、模式的に示したものである。図１２の（ｂ）に示す本実施形態では、０．１５μｍ幅が結像可能な撮像光学系（ＮＡ＝０．８５、λ＝０．２６６μｍ）およびＳ偏光で照明角度８５度以上の自動焦点光学系を組み合わせることにより、透明膜２の表面１４（表面１４の高さ±０．２μｍの範囲内）の微細な回路パターン４（０．１５μｍ幅）を解像して、感度良く欠陥１１を検出することが可能である。さらに、透明膜２（膜厚０．２μｍ以上）の下層にある欠陥１２の過検出４５が防止される。
【００４１】
一方、図１２の（ａ）に示した従来の検査条件（Ｓ偏光で照明角度８５度未満の、約５８度）においては、透明膜２の下層の表面１０にフォーカスが一致するため、本来検出すべきでない欠陥１２の過検出や、本来検出すべき欠陥の見逃し４６が発生する。
【００４２】
なお、上述した例では、回路パターン幅を０．１５μｍとして発明の構成要件が満たすべき数値の説明を行った。今後、回路パターンが微細化すると、（３）式の分解能Ｒｅｓを更に向上する必要があり、照明波光の波長λおよび対物レンズの開口数ＮＡを向上させる必要が生じる。この結果、（４）式の焦点深度ＤＯＦが浅くなるため、図１０の（ｂ）に示す、高さ検出誤差を更に低減する必要が生じる。この場合、Ｓ偏光において照明角度を８８度（図１０の（ｂ）中の符号４３）以上とすることが必要となるが、本発明の構成要件において解決可能である。
【００４３】
図１３は、本発明の第２実施形態に係る半導体ウェハーの欠陥検査装置の構成を示す図である。本実施形態が前述した第１実施形態と相違するのは、第１実施形態の構成に、温度センサ５０と、合焦位置オフセット調整部５１とを付加したことにある。
【００４４】
欠陥検査装置の対物レンズは、短い照明波長において収差補正がなされており、多数枚のレンズからなることが多い。このため、摂氏１度程度の温度変化であっても、焦点距離が焦点深度相当変動することが避けられない。そこで、第１実施形態で述べた性能を長時間維持するためには、経時的に変動する焦点距離を補正する必要がある。なぜなら、自動焦点光学系は撮像光学系とは別光路からなるため、焦点距離が変動すると合焦位置とは異なる位置に毎回ウェハー１７の高さが調節され、検出される画像がデフォーカスするためである。
【００４５】
温度が変化するとレンズが膨張または収縮して焦点距離が変動する。このため、温度と焦点距離の関係を予め計測しておく。図１４に、その計測例を示す。横軸は温度、縦軸は焦点距離を示す。これらは予め温度を変化させて計測することが可能である。また、図１４の関係は、光学シミュレーションによっても算出することが可能である。
【００４６】
図１４の関係が既知であれば、温度センサ５０で計測した対物レンズ５の温度から、現在の焦点距離が予測可能となり、合焦位置のオフセットを補正することが可能となる。そこで、予め計測もしくはシミュレーションにより算出した温度と合焦位置オフセットとの関係（図１４の関係）を、合焦位置オフセット調整部５１に記憶させておく。そして、合焦位置オフセット調整部５１は、温度センサ５０による温度検出結果に基づき、図１４の関係から合焦点位置オフセットを予測し、この予測量に基づき合焦位置のオフセットを修正する信号を、Ｚステージ制御部１３に出力する。これにより、温度変化に起因する合焦位置のオフセットを、合焦位置オフセット調整部５１により補正させることが可能となる。合焦位置オフセット調整部５１は、例えば、上記オフセット調整を前回のゼロ点に加算させることにより実行する。
【００４７】
図１５は、本発明の第３実施形態に係る半導体ウェハーの欠陥検査装置の構成を示す図である。本実施形態が前述した第１実施形態と相違するのは、第１実施形態の構成に、ＴＴＬ方式の焦点位置測定光学系と、該焦点位置測定光学系の測定対象となる焦点位置測定用の試料５３とを付加したことにある。本実施形態においても、前記第２実施形態と同様に、経時的に変動する撮像光学系の焦点距離を補正できるようにしている。
【００４８】
焦点位置測定用の試料５３は、その表面高さが、ウェハー１７の高さと略同一高さとなるように設定されており、かつ、その平坦な表面は、照明光を概略全反射するミラー面として構成されていて、ウェハー１７と共にＸ、Ｙ、Ｚステージ（２０、２１、２２）上に取り付けられている。図１６の（ａ）は、焦点位置測定用の試料５３とウェハー１７との関係を示す平面図で、試料５３は、ここでは、ウェハー１７の外周を囲むようにリング状に形成されたものとしているが、試料５３の形状はこれに限られるものではない。また、試料５３の表面高さの設定位置も任意である。
【００４９】
ＴＴＬ方式の焦点位置測定系光学は、ＴＴＬの自動焦点光学系と同一であり、例えば照明光路に設置されたスリット５４により絞り込んだ照明光によって、試料５３上の所定の領域（撮像用の照明領域以外の領域＝照明領域におけるイメージセンサ１９に対応する領域以外の領域）を照明し、試料５３からの反射光を、ダイクロイックミラー５５により分岐させ、この分岐させて取り出した光路を、ハーフミラーおよびミラーを用いてさらに２つに分岐して、それぞれの光路において結像位置と共役な位置の前後にそれぞれ配置した受光センサ５６によって、センシングするようにしたものである。そして、この２つの受光センサ５６、５６の出力をＴＴＬ焦点位置測定部５７において比較し、合焦状態を計測するものである。このような、ＴＴＬの焦点位置測定光学系では、試料５３の表面高さが対物レンズ５の合焦位置に一致した場合、２つのセンサ５６のコントラストは等しくなる。
【００５０】
このため、温度変化等によって、自動焦点光学系による焦点位置に対して対物レンズ５の合焦位置が変動した場合であっても、同一箇所をＴＴＬ方式の焦点位置測定系で測定することにより、ＴＴＬ焦点位置測定部５７から、Ｚステージ制御部１３に自動焦点のオフセット補正信号を与えることによって、自動焦点のオフセットを正確に補正できる。つまり、ＴＴＬ方式の焦点位置測定光学系の光線と撮像光学系の光線は、共に対物レンズ５を通過するので、ＴＴＬ方式の焦点位置測定光学系の焦点位置を、撮像光学系の焦点位置と等価なものと見なすことができ、このため、自動焦点光学系による焦点位置に対する位置ずれ量を、ＴＴＬ焦点位置測定部５７で正確に演算することができ、この演算結果に基づき、ＴＴＬ焦点位置測定部５７からＺステージ制御部１３に自動焦点のオフセット補正信号を与えることで、自動焦点のオフセットを正確に補正できる。この結果、図１６の（ｂ）に示すように、焦点位置測定用の試料５３上において、自動焦点光学系の反射位置５７とＴＴＬ方式の焦点位置測定系の合焦位置５７とが、一致するように制御することが可能となり、以って、ウェハー１７の透明膜上においても、自動焦点光学系の反射位置とＴＴＬ方式の焦点位置測定光学系の合焦位置（つまり、撮像光学系の合焦位置）とが一致するように制御することが可能になる。
【００５１】
以下、図１７のフローチャートに基づき、本実施形態の動作を説明する。まず、検査開始前に、ウェハー周辺に設けられた試料５３の初期位置５８（図１６の（ａ）参照）が、自動焦点光学系およびＴＴＬ方式の焦点位置測定光学系の測定位置となるようにステージを移動させる（ステップＳ１）。次に、試料５３の初期位置５８において、自動焦点光学系による測定結果を用いて、Ｚステージ２２を駆動制御して自動焦点合わせ処理を実行させ（ステップＳ２）、然る後、ＴＴＬ方式の焦点位置測定光学系による焦点位置測定を実行させる（ステップＳ３）。次に、自動焦点光学系による合焦位置と、ＴＴＬ方式の焦点位置測定光学系による合焦位置とのずれ量を、ＴＴＬ焦点位置測定部５７で算出し、この算出結果に基づく自動焦点のオフセット補正信号をＺステージ制御部１３に与えて、自動焦点光学系による自動焦点検出値が対物レンズ５の合焦位置と一致するようにオフセット補正する（ステップＳ４）。この後、Ｘステージ２２を移動させて、ウェハー１７上の所定領域の欠陥検査が実行され、Ｘステージ２２が往動完了した時点でＹステージ２１が１ステップ駆動され、次にＸステージ２２が復動されて、ウェハー１７上の次の所定領域の欠陥検査が実行される（ステップＳ５）。そして、Ｘステージ２２が１往復し、自動焦点光学系の反射位置が試料５３上の位置５９（図１６の（ａ）参照）となった時点で、Ｘステージ２２の動作を一旦停止させて、欠陥検査が終了したか否かを判断する（ステップＳ６）。検査が終了していない場合は、Ｙステージ２１を１ステップ駆動して、自動焦点光学系の反射位置を、次のオフセット補正用の測定位置６０（図１６の（ａ）参照）に移動させ（ステップＳ７）、然る後、再度、ステップＳ２〜Ｓ４において自動焦点のオフセットを補正した後、ステップＳ５で欠陥検査を実行し、以下、ウェハー１７上の全領域の検査が完了するまで、上記の動作を繰り返す。
【００５２】
なお、上述した例では、自動焦点のオフセット補正を、Ｘステージ２２の１往復毎に行っているが、オフセット補正の頻度は、周囲の環境変化の程度などに応じて、任意に増減可能であることは云うまでもない。
【００５３】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、透明な層間絶縁膜上の微細パターンおよび同一層の欠陥を感度良く検出でき、かつ、下層のパターンおよび同一層の欠陥をデフォーカスした状態で検出できるので、本来検査したい工程の欠陥のみが検出可能となる。この結果、工程別の欠陥数を正確に把握することが可能となり、的確なな不良発生防止対策を講じることが可能となる。また、本発明によれば、上記のような性能を、温度等の環境変化に影響を受けることなく、長期間安定に実現可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る半導体ウェハーの欠陥検査装置の構成を示す説明図である。
【図２】本発明の各実施形態で用いられる、自動焦点光学系の検出原理を示す説明図である。
【図３】図１中の画像処理部の構成を示すブロック図である。
【図４】ＣＭＰ加工されるウェハーの断面を示す説明図である。
【図５】対物レンズの開口数と広がり角との関係を示す説明図である。
【図６】透明膜に入射する光線の入射角と反射率との関係を示す説明図である。
【図７】ＴＴＬ方式の自動焦点光学系によって下層パターンに合焦した様子を示す説明図である。
【図８】ＮＡとλと分解能との関係を示す説明図である。
【図９】ＮＡとλと焦点深度との関係を示す説明図である。
【図１０】透明膜における自動焦点光学系の照明角度と高さ検出誤差との関係を示す説明図である。
【図１１】本発明の第１実施形態の構成により、透明膜上の微細パターンが撮像される様子を示す説明図である。
【図１２】従来技術による欠陥検査の様子と、本発明の第１実施形態による欠陥検査の様子とを示す説明図である。
【図１３】本発明の第２実施形態に係る半導体ウェハーの欠陥検査装置の構成を示す説明図である。
【図１４】撮像光学系における温度と焦点位置との関係を示す説明図である。
【図１５】本発明の第３実施形態に係る半導体ウェハーの欠陥検査装置の構成を示す説明図である。
【図１６】本発明の第３実施形態における、焦点位置測定用の試料や検査時のステージ移動シーケンスの概要などを示す説明図である。
【図１７】本発明の第３実施形態における、欠陥検査動作の１例の概要を示すフローチャート図である。
【符号の説明】
１ 下層回路パターン
２ 層間絶縁膜（透明膜）
３ 平坦な表面
４ 回路パターン
５ 対物レンズ
６ ７２度
７ ３０％
８ ＴＴＬ方式で照明した光線
１０ 下層回路パターン１の形成
１１ 回路パターン４と同一層で発生した欠陥
１２ 下層回路パターン１と同一層で発生した欠陥
１３ Ｚステージ制御部
１４ 層間絶縁膜（透明膜）２の表面
１５ 照明光源
１６ ハーフミラー
１７ ウェハー
１８ 結像レンズ
１９ イメージセンサ
２０ Ｘステージ
２１ Ｙステージ
２２ Ｚステージ
２３ リニアスケール
２４ タイミング信号
２５ スリット
２６ 結像レンズ
２７ 結像レンズ
２８ 受光センサ
２９ 画像処理部
３０ａ 遅延メモリ
３０ｂ エッジ検出回路
３０ｃ エッジ検出回路
３０ｄ ２値化回路
３０ｅ ２値化回路
３０ｆ 不一致検出回路
３０ｇ 位置合わせ回路
３０ｈ 欠陥判定回路
３１ 繰り返しパターン
３２ 結像位置
３３ 像
３４ ０．２〜０．３μｍ
３５ ０．１５μｍ
３６ ０．７〜０．９
３７ ベストフォーカス位置
３８ ＤＯＦ範囲
３９ ０．２μｍ
４０ 透明膜
４１ 光線
４２ ８５度
４３ ８８度
４５ 過検出防止
４６ 見逃し
５０ 温度センサ
５１ 合焦位置オフセット調整部
５３ 焦点位置測定用の試料
５４ スリット
５５ ダイクロイックミラー
５６ 受光センサ
５７ 合焦位置（反射位置）
Claims (6)
- ウェハー上の光学的に透明な膜上に形成されたパターンの欠陥を検出する装置であって、
前記ウェハーの表面に８５度以上の入射角度でＳ偏光による光像を照射する照射手段と、
該照射手段で照射されたＳ偏光の光像による前記ウェハーからの反射光像の位置を検出する反射光検出手段と、
該反射光検出手段で検出した前記ウェハーからのＳ偏光による反射光像の位置情報に基づいて前記ウェハー表面の光学的に透明な膜表面の高さを算出する高さ検出手段と、
前記ウェハーの表面をＮＡが０．７より大きい対物レンズを介して照明する照明手段と、
該照明手段で照明された前記ウェハーの光学像を前記ＮＡが０．７より大きい対物レンズを介して撮像する撮像手段と、
前記高さ検出手段で算出した前記ウェハー表面の光学的に透明な膜表面の高さ情報に基づいて、前記ＮＡが０．７より大きい対物レンズの焦点位置に前記ウェハーの表面の高さを合わせるウェハー高さ調整手段と、
該ウェハー高さ調整手段により前記ウェハーの表面の高さが前記ＮＡが０．７より大きい対物レンズの焦点位置に調整された状態で、前記撮像手段により撮像された前記ウェハー表面の前記パターンの光学像を処理して、前記パターンの欠陥を検出する画像処理手段とを、備え、
前記高さ検出手段は、前記ＮＡが０．７より大きい対物レンズのＮＡと前記照明手段の照明波長とで定まる焦点深度よりも小さい検出誤差で、前記ウェハー表面の光学的に透明な膜表面の高さを求め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であって、
温度検出手段と、
予め計測もしくはシミュレーションにより算出した温度と合焦点位置オフセットとの関係を記憶する手段と、
前記温度検出手段による温度検出結果に基づき、温度と合焦点位置オフセットとの前記関係から合焦点位置オフセットを予測する手段と、
該手段による予測量に基づき合焦点位置オフセットを修正する手段とを、
備え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であって、
前記高さ検出手段の高さ検出誤差は、±０．２μｍ未満であることを特徴とする欠陥検査装置。 - ウェハー上の光学的に透明な膜上に形成されたパターンの欠陥を検出する方法であって、
前記ウェハーの表面に８５度以上の入射角度でＳ偏光による光像を照射し、該Ｓ偏光の光像を照射された前記ウェハーからの反射光像の位置を検出して、前記ウェハー表面の光学的に透明な膜表面の高さを求るステップと、
求めた前記光学的に透明な膜表面の高さ情報に基づいて、撮像光学系で用いるＮＡが０．７より大きい対物レンズの焦点位置に、前記ウェハーの表面の高さを合わせるステップと、
前記ＮＡが０．７より大きい対物レンズを介して前記ウェハー表面を照明光源により照明した状態で、前記ウェハー表面の光学像を前記ＮＡが０．７より大きい対物レンズを介して撮像するステップと、
撮像して得られた前記ウェハー表面の前記パターンの光学像を処理して、前記パターンの欠陥を検出するステップとを、備え、
前記ウェハー表面の光学的に透明な膜表面の高さを求るステップでは、前記ＮＡが０．７より大きい対物レンズのＮＡと前記ウェハー表面を照明する照明光源の照明波長とで定まる焦点深度よりも小さい検出誤差で、前記ウェハー表面の光学的に透明な膜表面の高さ を求めることを特徴とする欠陥検査方法。 - 請求項４に記載の欠陥検査方法であって、
前記ウェハー表面の光学的に透明な膜表面の高さを求るステップでの高さ検出誤差は、±０．２μｍ未満であることを特徴とする欠陥検査方法。 - 請求項４に記載の欠陥検査方法であって、
温度検出手段と、予め計測もしくはシミュレーションにより算出した温度と合焦点位置オフセットとの関係を記憶する手段と、前記温度検出手段による温度検出結果に基づき、温度と合焦点位置オフセットとの前記関係から合焦点位置オフセットを予測する手段とを、有し、
前記予測する手段による予測量に基づき、合焦点位置オフセットを修正するステップを、備えることを特徴とする欠陥検査方法。
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