JP3922885B2 - 表面の位相的特徴を解析する方法および評価装置 - Google Patents
表面の位相的特徴を解析する方法および評価装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、部分的に製造された集積回路等の表面特徴を評価する方法および装置に関し、特に、特徴の性質又は状態を評価するために表面特徴からの散乱および回折光のファーフィールドパターンを使用する方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
部分的に製造された集積回路又はレチクル等の表面特徴のエラーを識別分類するために、多くの光学および電子システムが存在する。こうしたエラーは、表面上にランダムに集まった微粒子、スクラッチ、アンダエッチング等の処理の変化といった形態をとることがある。こうした手法および装置は、従来技術においてよく知られており、カリフォルニア州サンホゼのＫＬＡ−テンカ・コーポレーションから入手可能な製品の多く等、様々な市販製品において具現されている。
【０００３】
表面に存在する特徴的な状態（コンタクト、バイア、深いトレンチ、ポリシリコンゲート構造、レチクルの特徴等）を評価するのに利用可能な手法は比較的少ない。最も一般的には、こうした表面の特徴は、設計上の特徴であり、表面の位相的変化として現れるので、調べることができる。多くの場合は、（従来の処理において形成された）こうした特徴が指定された許容範囲に入っているかどうかを知ることが希望される。例えば、コンタクトホール又はバイアの深さ、直径、および傾斜は、指定された許容範囲に入っている必要がある。コンタクトホールのエッチングが深すぎる場合、基板に入り込む可能性があり、これはトランジスタの電気的性能に有害な影響を与える。オーバエッチングされたバイアホールは、下のコンタクトを貫通し、抵抗等を変える。バイアがアンダエッチングされた（十分に深くない）場合、上部の金属化線と下部の金属化とのコンタクトが発生しない。バイアのエッチングが狭すぎる場合、結果として生じた相互接続における電流密度が高くなりすぎ、早期に障害が生じる可能性がある。
【０００４】
前記および同様の問題は、処理設備が誤動作したとき又は経時的に性能が低下した時にも発生する可能性がある。こうした設備の例には、プラズマエッチャ、付着システム、化学機械平坦化システム、レチクル処理、およびフォトリソグラフィ設備が含まれる。製造者は、処理設備の機能が許容できなくなった時期を知る必要があることは明らかである。
【０００５】
レチクル又は集積回路の位相的特徴の状態を評価するために、いくらかの手法が提案されている。こうした手法の中で最も単純なものには、白光を当てたウェーハを検査し、ウェーハ上に作られた様々なダイの外観に何らかの変化が存在するかどうかを判定する検査が含まれる。これは、専門技術者による不定期な視覚による検査である。理想的には、それぞれのダイは、白光の下で動かした時に同じ外観を有する。ウェーハ上にある一つ以上のダイの外観に何らかの変化が存在する場合、ダイが構造的に同一ではなく、何らかの問題が存在すると考えられる。関連する手法しては、ウェーハ上の様々なダイに関する光学顕微鏡検査（明視野又は暗視野の画像化等）なども存在する。個々のダイの画像における何らかの変化は、少なくともそのダイに問題があることを示す。しかし、設計規則の微細化、高いアスペクト比の追求、および背景回路の複雑化の傾向により、欠陥のあるバイア又はコンタクトホールは、顕微鏡による標準的な方法では検出が困難である場合がある。
【０００６】
表面の特徴の評価には、更に正確な手法が存在する。例えば、イオンミリングを利用して、集積回路の一部の状態を評価することができる。イオンミリングは、回路を貫いて、検査対象としている場所、つまりバイアに欠陥の疑いがある可能性のあるエリアに横断面を形成する。その後、走査型電子顕微鏡写真で横断面を画像化する。これにより、バイアにおけるオーバエッチング、アンダエッチング、欠陥のある断面等を視覚化できる。しかし、残念ながら、この手法は集積回路を破壊する。場合によっては、走査型電子顕微鏡又は類似する電子ビーム手法を利用し、ダイの（横断面ではなく）表面を画像化する。この手法は必ずしも集積回路を破壊しないが、電子が基板表面に損傷を与える可能性がある。更に、イオンミリングおよび走査型電子顕微鏡はどちらも今のところ非常に時間のかかるプロセスであるため、集積回路製造施設での通常のプロセスフロー内で定期的に使用するのには適していない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、部分的に製造された集積回路又はレチクル等の基板表面におけるランダムではない位相的変化を評価する、迅速かつ非破壊的で安価な手法が望まれている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、表面（半導体ウェーハ等）の位相的特徴の集合が、期待される状態又は品質と一致するかどうかを判定するためにファーフィールド散乱および回折光を使用する方法および装置を提供する。この判定は、対象となる表面の（好ましくはフーリエ面近くでの）ファーフィールドパターンと、対応するファーフィールドパターン（「ベースライン（基準）」）との比較によって行なうことができる。ファーフィールドパターンが既定量より多く変化している場合、表面に存在する特徴の何らかの態様に欠陥があると考えられる。実施形態の一つにおいて、本発明は、半導体ウェーハ上にある二つ以上のダイのファーフィールドパターンをダイ同士で比較することにより、具現化される。関連する状態又は品質（エッチングの深さ等）に敏感なファーフィールド散乱および回折光の部分は、製造プロセスに影響を与えないいわゆる妨害欠陥について、対象とする状態を検出するために、画像を形成し、かつ信号対ノイズ比を改善することができる。
【０００９】
本発明の一態様は、電子デバイス上でパターンを定める表面特徴の状態又は状態の変化を判定する方法を提供する。この方法は、（ａ）表面特徴から光が散乱および回折するように表面領域を照射し、（ｂ）表面特徴からの散乱および回折光を検出し、（ｃ）散乱および回折光のファーフィールドパターンを基準情報と比較し、（ｄ）第一の領域からのファーフィールドパターンが基準情報から大きく離れているかどうかを判定する、という処理を連続して行なうものとして特徴付けることができる。この方法において、照射光の偏光を選択することは、しばしば役に立つ。また、この方法では、光を検出する前に、表面上の特徴からの散乱および回折光を光学的にフィルタリング又は解析することも、多くの場合役立つ。
【００１０】
基準情報は様々なソースから入手できる。例えば、散乱および回折光のパターンを予想する方法に従って計算できるし、あるいは、既知の状態を有する表面で散乱および回折した光から取った測定済みファーフィールドデータとすることができる。一部の事例において、基準情報は、ファーフィールドパターンの集合（基準の表面および第一の領域における基準の画像から変化した複数の表面に関するパターン等）を格納するデータベースから選択できる。
【００１１】
検出される散乱および回折光は、ファーフィールドパターンの任意の部分にすることができる。場合によっては、これは複数の回折オーダ又は領域を含む。別の場合では、唯一又はわずかな回折オーダ又は領域を含む。これは、どの情報が必要か、および回折オーダ又は特定の領域の一つ又は小さなグループにどれだけの情報が含まれているかに応じて決まる。製造者がバイアの深さの変化のみに関心を有する場合は、深さの変化によって大きく変化する回折オーダ又は領域のみを検出できる。重要な情報を含む回折オーダ又は領域のみの検出に限定することで、この方法の信号対ノイズ比および速度が向上する。
【００１２】
本発明の別の態様は、基板上のフィルムにある単一又は複数の開口部を検査する方法を提供する。こ方法は（ａ）開口部の第一の部分を照射し、（ｂ）ファーフィールド散乱および回折光を検出し、（ｃ）開口部の、第一の部分とほぼ同一のパターンを有する第二の部分に光を当て、（ｄ）第二の部分に光を当てることで生成されたファーフィールド散乱および回折光を検出し（ｅ）第一の部分に光を当てることで検出された信号と第二の部分に光を当てることで検出された信号とを比較することにより開口部に変化が存在するかどうかを判定する、という処理を含むものとして特徴付けることができる。
【００１３】
一実施形態において、表面は半導体ウェーハ上の誘電層で、開口部は誘電層のコンタクトホール又はバイアである。ダイ同士の比較の場合、第一の部分は半導体ウェーハ上にある第一のダイの領域で、第二の部分は半導体ウェーハ上にある第二のダイの同じ相対的な位置にある領域である。ダイとデータベースの比較の場合、第一の部分は半導体ウェーハ上のダイであり、第二の部分はその位置に関する格納された表現である。
【００１４】
本発明の更に別の態様は、基板表面の位相的特徴の状態を評価する装置を提供する。この態様において、この装置は、（ａ）基板表面によって光が散乱および回折するように基板表面に向けて光を送るために準備された光源、（ｂ）基板表面で散乱および回折した光の回折パターンを捕捉および検出するように構成されたセンサ、（ｃ）基板表面からの回折パターンを、基板表面の期待される状態に対応する状態を有する基準表面から散乱および回折した光の基準回折パターンと比較するように構成されたコンピュータ、を含むものとして特徴付けることができる。この装置は、基板表面から散乱および回折した光を捕らえ、これをセンサに向けて送るように調整されたレンズも必要とする場合が多い。
【００１５】
好ましくは、この光源はレーザ等の干渉光源である。このセンサは、電荷結合素子、ＣＭＯＳフォトダイオードアレイ、又は単一要素検出器等のカメラその他の検出器にすることができる。
【００１６】
この装置は、基板表面から散乱および回折した光を捕らえ、センサに向けて送るためのレンズを含むことができる。好適な実施形態において、このレンズは、通常ないし８５度近くの回折角度を捕らえることができる。このレンズは更に、望ましい角度での基板表面の照射をサポートできる。このレンズは更に、フーリエフィルタリングをサポートできる瞳孔面を生成するように構成できる。フーリエフィルタ又はアパーチャは、基板表面からの回折パターンの一つ以上の領域をブロック又は減衰させるのに使用できる。フーリエフィルタ又はアパーチャの設計および配置により、手近な問題に関連する回折パターンの部分を通過させてセンサに送り、あまり関連しない回折パターンの部分をブロック又は減衰させ、これによりデバイスの製造にとって重要な変化を検出するための信号対ノイズ比を改善できる。この装置は、オプションとして、基板表面の空間的画像を提供する顕微鏡を備えるレンズといった、その他の光学要素を含むことができる。
【００１７】
好適な実施形態において、この装置は更に、コンピュータに結合した、又はコンピュータの構成要素である記憶装置を含む。この記憶装置は少なくとも一つの基準回折パターンを格納する。特に好適に実施形態において、この記憶装置は、基板表面の複数の期待される状態と表面の異なる位置とに関して、複数の基準回折パターンを格納するデータベースである。
【００１８】
本発明の特徴と利点は、以下の詳細な説明および関連する図面を参照することで更に理解されよう。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明は、表面上の特徴のエラーの存在又は変化を識別するために、表面特徴からの散乱および回折光のファーフィールドパターンを、参考用のファーフィールド情報（「ベースライン」又は「基準情報」とも呼ばれる）と比較する方法および装置を提供する。以下、本発明の好適な実施形態を完全に例示するために、多数の具体的な詳細を述べる。しかし、本発明は、ここで提示した具体的な詳細の一部によって制限されることなく実施できることは明らかである。
【００２０】
本発明における表面特徴の状態又は品質の検査は、散乱および回折光のファーフィールドパターンの類似および相違に依存している。本発明に関して、ファーフィールドという用語は、当業者によく知られている回折理論の光学的なファーフィールドを指す。波長、偏光、光度、入射角を画成された光について、同一の特徴を有する二つの表面では、散乱および回折光のファーフィールドパターンは同一になるべきである。しかし、表面の片方がわずかでも逸脱した特徴を有する場合、散乱および回折光のファーフィールドパターンは観測可能な形で変化する。検査対象としている表面特徴のファーフィールドパターンを比較することで、表面が望ましい状態又は品質を有しているかどうかを判定できる。
【００２１】
散乱は、完全に滑らかではない表面に光が当たった時に発生する。したがって、散乱は、表面上の粒子、特徴のエッジ、表面の位相的な変化、又は表面上の素材の変わり目によって発生する可能性がある。表面が、類似する位相的変化の反復する集合を有する場合、表面上の入射光は複数の位相的変化によって同時に散乱又は回折し、ファーフィールドにおいて建設的および相殺的干渉の明領域および暗領域を生成する。単純な一次元の格子表面について、明領域又は回折オーダの反復するパターンの位置は、格子式ｍλ／ｄ＝（ｓｉｎα＋ｓｉｎβ）を使用して容易に計算可能であり、ここでλは表面上の入射光の波長であり、ｄは反復する位相的特徴の間隔の距離であり、ｍは回折オーダを表す整数であり、αは入射光の表面基準に関する角度であり、βは回折オーダが発生する表面基準に関する角度である。したがって、βは各オーダ（ｍ）に関する回折の角度的位置となる。更に複雑な二次元の位相的変化を有する表面では、結果として生じるファーフィールドパターンの計算はより難しくなる。これは明領域および暗領域の複雑な二次元パターンとなる。それでもなお、二次元での表面特徴の配置は特徴的なファーフィールドパターンを生成する。
【００２２】
一般に、本発明は、入射光を散乱および回折することによりファーフィールドパターンを生成する任意の表面特徴におけるエラーの検出に応用される。表面特徴のエラーは、ファーフィールドパターンの光度、位相、偏光を再分布する。場合によっては、表面特徴の非常に小さなエラーがファーフィールドパターンに大きな変化を発生させる。
【００２３】
ファーフィールドの散乱および回折光を使用して表面特徴の状態又は品質を調べることには、従来の明視野画像化を使用するのに比べいくつかの利点がある。明視野画像化では、画像化システムの解像度の限界内にある表面特徴のみを検出可能である。高解像度画像化システムでは、解像度の限界は照射光の波長の約半分である。しかし、ファーフィールドに散乱および回折される光を使用することで、照射光の波長の半分より小さな特徴および粒子を検出できる。明視野画像化には、コンタクト、バイア、および深いトレンチといった小さくアスペクト比の高い構造の深さの変化を検出することに関しても感度の限界がある。しかし、ファーフィールド散乱および回折光は、高アスペクト比の表面特徴の深さにおける変化に対して非常に感度が高い。０．５ｎｍの小さな深さの変化でさえ、ファーフィールドパターンを調べることで検出できる。その他の利点は、従来の明視野画像化においては、検査する表面の位置と収集した画像との１対１のマッピングが存在する点である。しかし、ファーフィールドにおいては、検査する表面の大きな領域又はゾーンからの特定の特徴を単一の位置にマップできる。この特徴は、複数の表面特徴に影響を与える処理の変化に対する高い感度を維持しながら、非常に高速な検査を実施するのに使用できる。
【００２４】
電子機器業界では、多くの表面が、表面上の特徴の状態を判定するために評価可能なファーフィールドパターンを生成するランダムでない位相的（幾何学的）特徴又は素材の組み合わせを有している。以下の例では、フィルムの開口部（バイアおよびコンタクトホール）におけるエラーの検出について説明する。しかし、電子機器業界では、本発明記載の方法および装置によって評価可能な他の多くの例が存在する。これには、半導体基板又は表面フィルムの深いトレンチ、フィールドの酸化物領域、パターン化されたフォトレジスト、金属又はポリシリコン層、ダマシン層等が含まれる。半導体ウェーハおよびダイ表面以外にも、本発明は、レチクル、位相シフトマスク、Ｘ線マスク、およびその他二次元のランダムでない表面上の特徴を有する構造の画像化に応用できる。
【００２５】
表面又は表面フィルムの開口部の場合、本発明は、こうした開口部を特徴付ける様々なパラメータを評価できる。例えば、本発明は、開口部の直径、深さ、および角度の変化を検出できる。したがって、バイア又はコンタクトがオーバエッチングかアンダエッチングか、広すぎるか狭すぎるか、円錐が適正か、表面基準からの角度が遠すぎるかどうか等を検出できる。また、こうした開口部に残る残留物の存在も検出できる。
【００２６】
表面のパラメータ（バイアの深さ、幅、および角度など）と照射光の相互作用は非常に複雑な問題であるが、特定のシステムであれば、散乱および回折光に何らかの一般化を適用できる。例えば、高角度の散乱および回折は、開口部の深さおよび開口部の底部の形状に関するほとんどの情報を提供する（例えばバイア内の残留物の識別を可能にする）。こうした関連性は、同一のシステムであれば、実験的に取得できる。
【００２７】
バイアのエラーが散乱および回折エネルギに与える影響は、図１ａおよび図１ｂにおける実験的な測定から見ることができる。図１ａは、０．３５ミクロンの直径を有する正しいバイアを含むダイでの回折構成要素の測定結果を示し、図１ｂは、０．３５ミクロンの直径を有するアンダエッチングされたバイアを含むダイでの測定結果を示している。５４３ｎｍ、表面基準から６０度の入射角のＳ偏光レーザがバイアの照射に使用されている。その後、エネルギメータを使用して各次数（オーダ）の回折光を測定した。図１ａおよび図１ｂにおいて、それぞれの円はその次数の回折光に含まれる相対的なエネルギレベルの測定値を表している。アンダエッチングのエラーによる回折エネルギの再分布は図１ｂに示している。入射ビーム近くの次数の回折光のエネルギが減少していることが分かる。再分布の規模は、バイアの深さおよびバイア壁の傾斜の両方によって変化する。この回折エネルギの再分布は、二つのファーフィールド回折パターンを比較することで、こうしたエラーの検出に使用できる。高次数の回折光における大きなエネルギの変化は、高感度の高速エラー検査に関して有効になる。こうしたファーフィールド回折パターンを生成するバイアの形状は、ＳＥＭプロフィールの測定によって検証される。
【００２８】
コンタクトホールの深さおよび直径がファーフィールドパターンの分布に与える影響は、図２の実験的な測定結果から見ることができる。図２は、既知の直径を有し、既知のエッチング時間で形成されたコンタクトホールについて、全ファーフィールド回折信号（ｘ軸線）をファーフィールド回折信号の高オーダ構成要素（ｙ軸線）と比較したグラフの例を示している。全ファーフィールド信号は、すべての散乱および回折光を表している。回折信号の高次数の構成要素は、高回折次数のみを対象とした光度を表している。
【００２９】
図２で提示したデータは、この手法によって、コンタクトホールの直径およびエッチング時間の両方の変化を推定できることを示している。この例では九つのケースを示しており、三種類のコンタクトの直径（０．２５マイクロメータ、０．３５マイクロメータ、および０．５マイクロメータ）が、それぞれ三種類のエッチング時間（４５分、８０分、および１３５分）で形成されている。表示したケースでは、エッチングタイムの増加（コンタクトの深さの増加）は一般に、ファーフィールド回折信号の高次数の構成要素の減少に対応し、直径の増加は全ファーフィールド回折信号の増加に対応している。
【００３０】
図３は、一定のウェーハ１８上にある二つの領域１４および１６から得た散乱および回折光１０および１２の二つの仮定的なファーフィールドパターンの比較を表している。入射ビーム２０の光は、領域１４および１６に（通常は別の時点で）当たり、これらの領域の表面上の特徴によって散乱および回折され、散乱および回折光２２および２４を生成する。ファーフィールドパターン１０および１２は、照射領域のフーリエ面又はその近くで記録される。本発明では、フーリエ面という用語は、当業者によく知られた光学的なフーリエ面を指す。これらの位置は、理想的には、表面において同一の位相を有するが、不均一な処理、レチクルのエラー、又はその他の製造上の問題によって位相にわずかな差異が生じることがある。例えば、これらの表面は、バイアの集合を有し、その一部が、二つの異なるダイにおけるエッチングの深さ、エッチングの直径、又はエッチングの角度のわずかな差異を有する場合がある。
【００３１】
ファーフィールドパターン１０および１２は、光度の二次元分布である。明領域は図３の円として表されている。明領域の空間分布および光度は、入射ビームの波長と、入射ビームおよびフーリエ面のウェーハ表面に対する角度と、ダイ１４および１６上の表面上の特徴といった要素に応じて異なる。同じ測定条件を与えた場合、領域同士でのこうした位相の違いは、回折パターン１０および１２の違いとして現れる。
【００３２】
図３に示した仮定的なファーフィールドパターンは、九つの回折オーダを含む。これらのファーフィールドパターンにおいて、対応する各オーダは同じ空間的位置を有し、右上のオーダを除き光度のわずかな変化のみを有する。例えば、中央のオーダはそれぞれ５００マイクロワットの光度を有し、右中央のオーダはそれぞれ２９９ないし３００マイクロワットの光度を有している。しかし、パターン１０の右上のオーダは８マイクロワットの光度を有し、パターン１２の右上のオーダは１６マイクロワットの光度を有している。これは照射領域１４および１６の間の物理的な差異を表している。この差異は、例えば、領域１４には存在しない領域１６内にある特定のバイアでの残留物の存在である可能性がある。若しくは、照射領域の一つ以上のバイアに関するエッチングプロフィールの差異である可能性がある。
【００３３】
右上のオーダの逸脱の大きさは、対応する物理的な（複数の）表面上の特徴および測定の誤差に起因する。場合によっては、エッチングの深さの小さな差異に対応する可能性がある。このエッチングの深さの差異は、採用した半導体製造処理で認められる許容範囲内に十分に入る場合がある。この逸脱は一部の処理設備に不具合が発生したまま製造が行なわれていることを意味する可能性があるが、この時点では、問題は深刻ではない。若しくは、この逸脱はエッチング角度の大きなエラーに対応する可能性がある。これは製造者に対して、少なくとも一時的に処理を中断して、処理設備の入念なチェックを考慮する十分な理由を与える可能性がある。
【００３４】
図４は、本発明を実施するための比較的単純な装置の図である。表示のように、光源４０２は、レンズ４０６によって偏光、平行化、又はその他の整形を施される光ビーム４０４を送出する。光ビーム４０４は、複数の位相的特徴を有するレイヤ４０８上に入射する。この例において、これらの特徴は複数のバイア又はコンタクトホール４１０である。光ビーム４０４は、レイヤ４０８の表面に当たる時、バイア又はコンタクトホール４１０と相互に作用し、レイヤ４０８上の広いエリアに散乱および回折する。散乱および回折光４１２は、レンズシステム４１４によって捕捉され焦点に集められる。その後、散乱および回折光４１２は、この装置の感度を改善するオプションの解析光学機器４１６に向けて送られる。解析光学機器４１６の要素の例には、ファーフィールドパターンの部分を選択するアパーチャ、フーリエフィルタ、および偏光子が含まれる。レンズシステム４１４および解析光学機器４１６を備える複数の光学システムを用いた一つの装置により、高速検査を実現することができる。
【００３５】
フーリエ面又はその近くでの散乱および回折光４１２のパターンは、カメラその他の放射光を捕捉可能なセンサ４１８によって捉えられれる。複数のセンサ４１８を用いた装置によれば、高速検査を促進できる。センサ４１８によって捕捉されたファーフィールドパターンはコンピュータ４２０に提供され。コンピュータ４２０は、他の既知のファーフィールドパターン又は他のファーフィールド情報との比較といった適切な解析を実行し、レイヤ４０８の表面に問題があるかどうかを判定する。コンピュータ４２０は、現在のファーフィールドパターンと他の既知のファーフィールドパターンとの差異に基づき、レイヤ４０８の表面上のエラーを分類するための論理を含むことができる。
【００３６】
一般に、システム性能は、照射波長、偏光、および入射角を調整すること、および解析光学機器を調整することによって最適化できる。入射角は、高次散乱および回折構成要素を生成するためにグレージング入射角の近傍の角度として選択される場合が多い。こうした高オーダ構成要素は、処理の変化に対する最高の感度を有する場合が頻繁にある。高次散乱および回折信号は、適切に配置したセンサ４１８によって収集できる。照射に干渉源が使用される時、結果として生じる散乱および回折光のファーフィールドパターンは通常、スペックルと呼ばれる。スペックルパターンは、表面レイヤ４０８の構造に非常に敏感である。したがって、これにより、アンダエッチングされたバイアおよび深いトレンチの底部にある残留物等の処理の違いを正確に測定できる。
【００３７】
光源４０２は、優れた干渉性を有する任意の放射源を採用することができる。好適な光源の例としては、イオンレーザ、ヘリウムレーザ、ネオンレーザ、エクシマレーザ、調整可能波長レーザ、多重波長レーザ、およびダイオードレーザ等のレーザがある。調整可能波長レーザ又は多重波長レーザは、システムの性能を最適化するために異なる波長を選択できるという利点を提供する。他の光源としては、狭帯域通過フィルタを有するＬＥＤ又は高光度ランプを含めることができる。採用可能なランプには、Ｈｇ−Ｘｅランプ、Ｘｅランプ、エクシマランプ、Ｄ２ランプ、およびハロゲンランプ等が含まれる。
【００３８】
光源は、測定される特徴に最適な波長に基づいて選択すべきである。一般に、小さな特徴（又は短い距離によって分離される特徴）は短い波長の照射を要する。短い波長は、回折オーダ間での小さな角度を回折信号に与えるため、システムのレンズによって多くの散乱および回折オーダを捕捉することが可能になる。例えば、表面基準に対して３０度の角度で光によって照査される０．５μｍの間隔を有する小さな特徴について考える。この光が０．５μｍの波長を有する場合、ゼロと第一の回折オーダとの間の角度は６０度となり、この光が０．２５μｍの波長を有する場合、ゼロと第一の回折オーダとの間の角度は３０度となる。
【００３９】
この光源は、表面上の特徴の走査を可能にするスキャナを含むことができる。このスキャナは、照射スポット又は対象とする領域を横切るライン上を移動できる。このタイプのシステムの実施形態の一つでは、高速検査のためのラインスキャナを利用する。この目的のために、ブライトライン光源を使用できる。この光源は、対象とする領域をライン状に照射でき、その長さは、１ミクロンから半導体ウェーハの直径全体の長さまでとすることができる。通常、長い照射ラインは短いラインに比べ、欠陥の局部化の減少により検査速度を高速にする能力を有する。このラインは、反復する特徴を複数個カバーする大きさの幅にするべきである。これにより、対象とする領域全体に照射ラインが走査されるため、ファーフィールドパターンの安定性が増加する。ラインがスキャンされるに従って、ファーフィールドパターンがモニタされる。半導体ウェーハ上の記憶エリアのように、対象とする領域のパターンが反復する場合、この領域全体で照射ラインがスキャンされる間に、ファーフィールドパターンは変化しないはずである。ウェーハがスキャンされる際のファーフィールドパターンの変化は、表面上の特徴のエラーを示す可能性がある。
【００４０】
図４に示すように、補助鏡又はビーム分配器４２３を使用して、捕捉レンズを通して表面を照射する光源４２２を用いることもできる。この光源は、光源４０２と同じタイプにすることが可能であり、若しくは前記のような異なるタイプにすることができる。光源４０２は、その向きを変え、光源４２２として使用することもできる。捕捉レンズを通して照射を行なうタイプの光源の場合、捕捉レンズを通過するビームの位置を変えるだけで、照射角を容易に変えられるという利点がある。これにより、通常の角度からレンズの最大捕捉角度までの間で照射が可能になる。この照射手法には、レンズの表面からの複数の反射光が、センサ４１８に到達してしまい、信号対ノイズ比を低下させる欠点がある。この効果を減らすために、高品質の反射防止用コーティングが必要である。加えて、表面からの正反射（ゼロオーダ回折）が捕捉レンズを通じて戻る可能性がある。この正反射は一般に他の散乱および回折オーダよりも大きく、センサの飽和を防ぐためにブロック又は減衰させるか、若しくは測定の信号対ノイズ比を向上させる必要性が生じる場合がある。
【００４１】
偏光レンズ４０６は、入射ビーム４０４に望ましい偏光を与えるために使用できる。これにより対象とするエラーの信号対ノイズ比を強化できる。例えば、図１ａおよび図１ｂのバイアのエラーは、Ｐ偏光光よりもＳ偏光光を使用した時に大きな信号対ノイズ比を示す。捕捉レンズ４１４は、多くの異なる回折オーダを記録するために、十分に大きな角度の範囲で散乱および回折放射を捕捉するべきである。評価される特徴は非常に小さいため、ファーフィールド領域は基板のかなり近くから始まる。一般に、捕捉レンズは、一つ以上のレンズ（ホログラフィック又は回折性の表面を含む）と、可能であれば、回折パターンが現れるピントグラス要素等のスクリーンとを含む。このスクリーンは、散乱性表面又はボリューム散乱体、蛍光表面、若しくは燐光性表面にすることができる。スクリーンを採用する場合、この画像をセンサ４１８に伝送するために追加のレンズが必要となる。
【００４２】
好適な実施形態において、ウェーハ４１８は、Ｘ−Ｙ移動ステージ４０９に取り付けられ、これは、集光レンズ４１４と光源４０２との相対的な位置に影響を与えることなく、ウェーハ表面を入射光ビーム４０４に対して相対的に移動させる。ダイ同士の比較においては、Ｘ−Ｙステージ４０９の第一の位置に関連する第一のダイからの回折信号がコンピュータ４２０に格納され、その後、Ｘ−Ｙステージ４０９の第二の位置に関連する第二のダイからの回折信号と比較される。ダイの位置調整不良は散乱および回折信号の位相を変化させるだけで、強度は変化させない。したがって、フーリエ領域で比較を実行することは、二つの回折位置の調整エラーによって影響を受けないという追加の利点を有する。これは、高価ではない低精度のステージの使用を可能にする。このステージは、走査照射に関して、前記した概念に似た走査モードにおいて使用することもできる。例えば、ウェーハ上の反復する特徴をライン状に照射することができる。その後、このステージをラインに対して垂直の方向に移動させることができる。反復する特徴に変化がない場合、ファーフィールドパターンは変化しない。センサ４１８は、フーリエ面での回折パターンを高解像度で記録できる筈である。好ましくは、これは、事前にデジタル化された電子信号又はアナログ・デジタル変換器によって容易にデジタル化可能な電子信号として、回折パターンを出力する。最適なセンサの例には、ＣＣＤアレイ、ＣＭＯＳフォトダイオードアレイ、フォトゲートアレイ、ＴＤＩアレイ等が含まれる。場合によっては、一つ以上の単一チャネルセンサが利用できる。この例としては、システムが特定のタイプのエラーをモニタするように最適化されている時がある。
【００４３】
図４に示すように、一または複数のオプションの補助センサ４２４を使用して、捕捉レンズ４１４が逃した散乱および回折光を捕捉することができる。状況によっては、最も高い角度の回折光を収集する捕捉レンズ４１４を用いるのが不可能又は実際的でない可能性がある。高角度散乱および回折の一部が、対象とするエラーに関する情報を含む場合、これは潜在的な問題となる可能性がある。この場合、補助センサ４２４を配置し、捕捉レンズ４１４によっては捕捉できなかった散乱光および回折光を捕捉することができる。
【００４４】
コンピュータ４２０は、適切なＣＰＵと、回折パターンの必要な比較を実施するための二つ以上のファーフィールドパターンおよびプログラム命令を格納するメモリとを有する任意の最適なシステムにすることができる。例えば、ワークステーション、パーソナルコンピュータ、埋込システム等として実現可能である。
【００４５】
図５は、本発明を実施する別の装置を示す図である。この装置は、図４記載の装置と同様の構成を多数備える。二つの図面において、同じ参照番号は同じ構成を示す。そこで、光源４０２からの光４０４は、レイヤ４０８表面に照射された時に回折する。光源４２２からの光５５２も、レイヤの領域を照射するのに使用できる。散乱および回折光４１２は、解析光学機器４１６に入射し、最終的にセンサ４１８に入射する。加えて、この装置は、解析光学機器４１６とセンサ４１８との間に、レンズ５１６および５１８を備える。これらのレンズは、ウェーハ上の対象とするエリアを限定するのに使用可能なフィールド面と、解析光学機器５２６のための追加のフーリエ面とを提供するために使用される。解析光学機器４１６および５２６は、信号対ノイズ比を改善するために散乱および回折ファーフィールド光をブロックし又は減衰するアパーチャ又はフーリエフィルタとすることができる。アパーチャの動作は、前述した図３を参照することで、容易に理解できる。例えば、アパーチャは、回折パターン１０および１２における右上のスポットに提供される信号の信号対ノイズ比を増加させるために利用できる。具体的には、図５に示したアパーチャ５２６は、フーリエ面又はその近く、および検出器の前に挿入できる。このアパーチャは、対象としている領域の評価に関係のない高光度のファーフィールド光をブロック又は減衰させる（右上のオーダが関連する情報を含む唯一のオーダであると仮定した場合）。例えば、このアパーチャは、回折パターン１０および１２において中央および右中央のオーダをブロックできる。このアパーチャは、照射されている表面からのいわゆるゼロオーダ正反射をブロックするのに使用することもできる。
【００４６】
一般に、本発明で用いられるフーリエフィルタは、表面上の繰り返される特徴であって、よくある実例とはほとんど関係しないことが知られている特徴からの回折オーダをブロックするように作られる。このフィルタは、フィルタされる回折オーダとほぼ同じサイズ、形状、および位置の不透明領域を備える。フィルタの残りの部分は透明であり、これにより、対象とする回折オーダが検出器によって記録されるのを可能にする。別のタイプのフーリエフィルタは、ファーフィールドパターンを一つのセンサで容易に測定できるように、明領域を選択的に減衰させる。このアプローチには、ファーフィールドパターンから情報が失われないという利点がある。減衰領域から収集した余分な情報により、測定および比較を改善する余裕ができる。最適なフーリエフィルタの設計は当業者に知られており、１９９８年４月３０日に出願されたエリーザ・ローゼンガスおよびスティーブン・Ｒ・ランジを発明者とする米国特許出願第０９／０７０，４３７号「半導体ウェーハを検査するシステムおよび方法（A SYSTEM AND METHOD FOR INSPECTING SEMICONDUCTOR WAFERS）」において説明されている。この出願の内容は本願に含まれる。
【００４７】
図５記載の装置は、更に、コンピュータ４２０と、これに結合されており基準情報（ベースライン情報）を格納するオプションのメモリまたはデータベース５２８とを備える。こうした基準情報は経験的に、又はシミュレーションにより取得できる。具体的な実施形態の一つにおいて、この基準情報は既知のエラー（例えばオーバエッチングされたバイア）を有する表面上の特徴に関する実際のデータである。この特定のエラーは、処理設備が誤動作して不具合が生じた過去の時点において確認しておくことができる。
【００４８】
図５記載の装置は、更に、散乱および回折光からウェーハの空間的画像を生成するサブシステムを備える。このサブシステムは、レンズ５１８の下流の位置で、散乱および回折光ビーム４１２を分配するビーム分配器５４０を有する。ビーム分配器５４０は、ビーム４１２を、光度が減少したビーム４１２の延長と、分離したビーム５４１とに分配する。レンズ５４２は、レイヤ４０８の空間的画像を記録可能なカメラ又は十分に高解像度の検出器にすることが可能なセンサ５４４上に、光ビーム５４１の焦点を合わせる。この空間的画像は、例えば、レイヤ４０８の位置調整と、フーリエフィルタ又はアパーチャ５２６がこの画像に与える影響の調査とに使用できる。
【００４９】
図５記載の装置は、更に、ユーザがレイヤ４０８上で光学顕微鏡検査を実施するのを可能にする光顕微鏡サブシステムを備える。したがって、本発明の回折方法と並行して、基板の顕微鏡検査を実施できる。この光顕微鏡サブシステムにおいて、光源は様々なレンズを介してレイヤ４０８に光を照射する。この光源５６６は、光源４０２に関して既述した任意のものにすることができる。好適な実施形態の一つでは、この光は干渉効果を最小にするために、ハロゲンランプによって生成した光等のように、５０ｎｍより大きい帯域幅を有するものが採用される。別の実施形態においては、この光源は、光源４０２又は４２２と同じである。この光は次にウェーハ上で反射、散乱、および回折し、捕捉レンズを通じて鏡又はビーム分配器５４０へ達する。このビーム分配器又は鏡５４０は、ビームをレンズ５４２に通し、これはセンサ４１８上にウェーハの光顕微鏡画像を形成する。
【００５０】
図６は、これまでに説明した装置をサポート可能な光学システムの実施形態の一つを示している。この光学システムは、１９９８年３月２４日に出願されたユン・ホ・チュワン他を発明者とする米国特許出願第０９／０４６，８１４号「多重モード画像化のための高ＮＡシステム（HIGH NA SYSTEM FOR MULTIPLE MODE IMAGING）」において説明されている。この出願の内容は、参考として本願に含まれる。この設計では、０．９８ＮＡ、フィールドサイズ２．０ｍｍ、焦点距離７．６５３ｍｍ、および有効距離０．７５ミリメートルの全融解石英を使用している。これは、屈折率１．４９９７７６の融解石英を用い、０．２６６マイクロメートルの波長での使用に最適化したものである。
【００５１】
この光システムの実施形態では、基板表面の同時照射と、垂直から７９度までの角度の散乱および回折光の捕捉が可能になる。これは、この設計の高い開口数（ＮＡ）、およびドーム形状の球面反射器を通じた独自の照射によるものである。前記の参考文献においては、その他の設計が開示されており、ここでは角度の範囲を８５度までに拡大している。光５５２は、ドーム形状反射器６０６のアパーチャ６２５を最初に通る。光５５２は次に、要素６０５の両方の表面を通過し、表面６０４を照射する。正反射６２７（ゼロオーダ）は、その後、再度要素６０５を通過し、ドーム形状球面鏡の別のアパーチャ６２６を通り、システムから出ていく。ドーム形状反射器６０６のこれらのアパーチャを、球面反射器６０６の反射コーティングにある細片の形態にすることにより、多くの異なる照射角度を容易に選択することが可能となる。ドーム形状反射器６０６を通じた独自の照射は、この設計における大きな利点である。照射５５２は二つの表面のみを通過するので、複数の反射によって信号対ノイズが減少することがない。
【００５２】
この光学設計では、一連のレンズおよび鏡６０５ないし６２２を使用し、図５に示すような対物レンズの内部瞳孔面と共役する外部の瞳孔面６２３を提供する。この瞳孔面６２３は、対物レンズの照準範囲にも入るため、標本表面６０４のフーリエ面と正確に対応する。この外部瞳孔面６２３は、フーリエフィルタリングおよびアパーチャリングのためのフーリエ面へのアクセスを向上させる。図７に示した追加の可変焦点チューブレンズは、表面６０４の光学的画像を生成するのに使用できる。このチューブレンズは、一連のレンズ７０２ないし７１２を使用して、図６のレンズシステムのフーリエ面６２３から光を収集し、画像面７１４において表面６０４の光学的画像を形成する。この画像化は、フィルタリングおよびアパーチャリングを組み合わせることにより実現でき、対象とする欠陥のタイプに拠る信号対ノイズを高めることができる。これにより、こうした光学システムは、図４および５で説明した装置にとって理想的なものとなる。
【００５３】
本発明は一連のステップからなる方法として実施できる。本発明を実施する方法の一つを図８に示す。ここで表示されているように、方法８００は、ポイント８０２から始まり、ステップ８０４において、システムが評価する表面の領域を特定する。この領域としては、半導体基板のダイ又はゾーン、レチクルの部分等を特定することができる。ダイ同士の比較の場合は単純に、ウェーハ上で評価する一連のダイに隣接するダイの中の領域にすることができる。
【００５４】
次に、ステップ８０６において、システムはステップ８０４で選択した領域にソース４０２又は４２２からの放射光を照射する。選択領域上の位相的変化は、入射光の一部の回折を発生させる。その後、散乱および回折光は、例えば検出器４１８によってファーフィールドにおいて検出される（ステップ８０８を参照）。この時点でシステムは、選択した領域のファーフィールドパターンを、基準情報と比較する（ステップ８１０参照）。基準情報は様々なソースに由来する場合がある。例えば、散乱および回折光のシミュレートパターンの場合がある。更に、すでに記録してある同様の表面上の特徴から取得したファーフィールドパターン、もしくは同じ基板から取得した別のゾーン又はダイのファーフィールドパターンになる場合がある。こうした基準回折パターンは、基準データベース５２８に格納しておいたり、メモリに一時的に格納しておくことで、比較を行なうことが可能である。動作の速度を向上させるために、図８のステップは、部分的又は完全に並行して実行できる。
【００５５】
比較ステップ８１０は、コンピュータの支援によって実行できる。これは、現在のパターンと基準回折パターンとの間の関連する可能性のある任意の差異を識別する処理である。この比較により、ファーフィールドパターンの位置と強度の差異が取り出させる。次に、システムはステップ８１２で、関連する差異が実際に存在するかどうか、つまり基準情報と現在のファーフィールドパターンとの間に大きな変化が存在するかについて判断する。存在しない場合、システムはステップ８１４で、その表面領域が許容できることを示す。
【００５６】
この時点で、プロセスを終了しても良いが、観測した基準パターンと現在のファーフィールドパターンとの差異は、ノイズによるものである可能性がある。そのため、いくつかの実施形態では、信号対ノイズ比を改善して、更に画像を得るのが望ましい。したがって、システムが、基準情報と現在のファーフィールドパターンとの間に大きな違いがあると判断した場合（ステップ８１２の回答が肯定の場合）、システムは次に、信号対ノイズ比を向上させるためにシステムの検出部分を修正するべきかどうかについて判断する（ステップ８１６）。修正するべきである場合、システムはステップ８１８で、選択した領域を再画像化する。信号対ノイズ比を向上させるためには様々な手法を利用できる。こうした手法の一つは、フーリエ面又はその近くでのアパーチャ、フーリエフィルタ、又はその他の（前記のような）解析光学機器の挿入である。これにより、望ましいディーテールには関連しない情報を含んでいる回折信号を除去又は最小化できる。また、基準情報を再生する必要がある場合もある。ファーフィールドパターンのダイ同士の比較において、これにはオリジナルの基準領域と、検査の対象である現在の領域との再測定が含まれる可能性がある。現在のファーフィールドパターンと基準情報との間で最初に検出された差異が許容される範囲内である場合、その基板領域は許容できるものとして示され（ステップ８１４）、上述した方法はステップ８２６で終了する。
【００５７】
当然ながら、現在のファーフィールドパターンと基準情報との間で最初に検出された差異が非常に大きく、再測定するまでない場合もある。こうしたケースでは、ステップ８１６の回答は否定となり、システムは選択した領域が許容できないことを示す（ステップ８２０）。品質管理のコンテキストにおいて、許容できないという表示は、製造者に対して、現在の基板をそれ以上処理すべきではないことを示す可能性がある。処理監視のコンテキストにおいて、こうした表示は、処理設備又は状態に、少なくとも一時的に、欠陥があることを示す可能性がある。基板領域が許容できないと表示した後（ステップ８２０）、システムは、エラーの分類が必要かどうかについて判断する（ステップ８２２）。エラーの分類が必要ない場合、この方法はステップ８２６で終了する。エラーの分類が必要である場合は、現在の回折パターンと、メモリやデータベースに格納された他の既知の基準回折パターンとの間で比較を行なう（ステップ８２４）。スクラッチ等の共通する欠陥を特徴付けるシグネチャを探すアルゴリズムを実施することもでき、配置などの欠陥に関する追加情報を復旧することができる。エラーの分類後、この方法はステップ８２６で終了する。
【００５８】
図９は、本発明のいくつかの実施形態に適した一般的な画像処理のフローを示している。このフローは、図８のステップ８１０に対応している。まず、ステップ９０２で、基準回折パターンが選択される。次に、ステップ９０４で、現在のファーフィールドパターンと基準情報との間の相関が検証される。これには、回折信号の回折スポットの最小二乗法による一致および交差相関解析が含まれ得る。解析完了後、その結果は、インライン検査のためにリアルタイムエラー統計のために情報として提供され（出力９０６）、あるいはオフライン調査のために画像が生成される（出力９０８）。
【００５９】
選択される基準情報（ステップ９０２）は、いくつかの異なる形態をとることができる。一例として、同じダイ上の近隣のパターン又はセルからの情報とすることができる。これはセル同士の比較であり、同じダイの類似する領域が照射および比較される。別の事例においては、現在評価されているダイに類似する、半導体ウェーハ上のダイからの情報である。これはダイ同士の比較で、複数のダイの同じ領域が照射および比較される。更に別の事例においては、現在評価されているダイに類似する、異なる半導体ウェーハ上のダイからの情報である。これはウェーハ同士の比較で、異なるウェーハ上のダイの同じ領域が照射および比較される。
【００６０】
基準情報は、既知の特性（バイアの深さ、直径、および傾斜等）を有する類似した表面に関する格納されたファーフィールドパターンにすることが可能であり、若しくは既知の正しい表面からのものにすることができる。格納された基準・ファーフィールドパターンは、こうした既知の特性を有する標本から事前に生成できる。若しくは、この基準・ファーフィールドパターンは、指定された特徴を有する表面に関するファーフィールドパターンの数学的シミュレーションによっても生成できる。任意の表面からの回折パターンの効果的なモデリングの基礎となる原理は、米国光学会ジャーナルＡ（Journal of optical Society of America A）、ｖｏｌ．１４、Ｎｏ．１０、２７５８ないし６７ページのＬ・リによる「交差表面レリーフ格子のためのフーリエ形式方法の新たな公式化（New formulation of the Fourier modal method for crossed surface-relief gratings）」（１９９７）、およびＳＰＩＥ会報（SPIE proceedings）、ｖｏｌ．３０１０、１８ないし２９ページのリによる「交差格子のモデリングのためのフーリエ拡大によるモデル方法（Model Method by Fourier expansion for modeling crossed gratings）」（１９９７）において説明されており、両方の内容は、参考として本願に含まれる。
【００６１】
選択される基準情報のタイプは、比較が提供する情報に応じて変えられる。例えば、レチクルに関する半導体業界の問題は通常、レチクル上にある複数のダイの一つにおける特定の特徴に限定される。したがって、レチクルの評価にはダイ同士の比較が最もふさわしい。過度に侵略的なエッチングといった処理が問題となっている場合、すべてのダイが同じ問題（バイアの基板への切り込みが深すぎる等）の影響を受ける可能性がある。これが発生した場合、ダイ同士の比較は、同じウェーハ上の異なるダイ間での相違のみを示すため（すべてのダイが同じ問題の影響を受けているため）、適当でない可能性がある。この場合、基準は、適切な深さ、直径、および傾斜のバイアを有することが既知であるダイのファーフィールドパターンにすることができる。若しくは、未来の処理における偏りの発生を診断するのに有効な傾向データおよび統計を得るために、ウェーハ上の同じ区画をウェーハ毎にモニタすることができる。
【００６２】
現在の回折パターンと基準回折との相関を検定する際に、信号対ノイズを最大にするために、望ましい情報を含むファーフィールドパターンの領域を特定することが必要である場合が多い。こうした回折オーダの特定を促進するために、散乱および回折の物理的性質に関する詳細な数学的モデルを利用して、こうしたオーダの位置を予測することができる。適切なモデリング手法は、前記のリの論文に説明されている。こうしたオーダを特定したなら、コンピュータ相関の最適化、若しくは測定した回折パターンからの信号対ノイズを改善する装置の修正のためにこれを使用できる。このタイプのコンピュータシミュレーションの例を、図１０ａおよび図１０ｂに示した。図１０ａは、バイアのアレイが生成すると期待されるファーフィールドパターンのシミュレーションである。特定の処理エラーのシミュレーションを行なった後、結果として生じたファーフィールドパターンが、図１０ａのパターンと比較される。図１０ｂは、処理エラーによる各オーダの相対的な変化を示している。処理の変化が特定のオーダに与える影響が多ければ、そのオーダは、背景のグレイのレベルに比べ、暗く又は明るく見えることになる。図１０ｂは、正反射からより遠いオーダの方が、処理の変化に敏感なことを示している。
【００６３】
望ましい情報を含むオーダが特定されたなら、これらを使用して、コンピュータ相関を改善できる。例えば、反復するバイアアレイでは、表面上のエラーのある位置を特定するために、ダイの間での回折オーダの相関を検定する。反復しないバイア分布では、フーリエ面のゾーン同士のダイの間での相関が検定される。
【００６４】
更に、望ましい情報を含むオーダを特定した後、回折パターンの測定を強化する装置の修正を考慮できる。例えば、アンダエッチングを懸念する製造者は、バイアの深さに関するほとんどの情報を含むファーフィールドの領域に焦点を当てたいと考える可能性がある。しかし、こうした情報を実際に含むスポットを特定する方法が分からない可能性がある。正確な数学モデルにより、与えられた装置の設定および予想されるバイアのレイアウトに関して、こうしたオーダの特定を可能とする。このモデルは、装置の設定又はバイアのレイアウトにおける変化が、回折パターンにどのような影響を与えるかについても示し得る。その場合、対象とする情報を含むファーフィールド領域の信号対ノイズ比を高めるために、検出器の配置、照射源および角度、およびフィルタ構成（存在する場合）を選択することができる。
【００６５】
現在のファーフィールドパターンおよび基準情報を処理し、エラーが検出された後、エラーの分類を行なおうとする場合が生じる。図１１は、本発明のいくつかの実施形態に適した一般的なエラー分類フローを示している。このフローは、図８のステップ８２２に対応させることができる。第一に、ステップ１１０２で、エラーの分類方法が選択される。本発明におけるエラーの分類は、いくつかの形で利用できる。その一部は、処理逸脱の特定（ステップ１１０４）と、特定の処理エラーの発見的解析（ステップ１１０６）と、特定の処理エラーの比較解析（ステップ１１０８）と、共通欠陥シグネチャの検索（ステップ１１１０）である。エラーの分類が終了した後、ステップ１１１２でエラー分類報告を生成できる。
【００６６】
分類の単純なアプローチの一つは、表面が一定のダイ又は領域が、期待されるパターンと一致しない回折パターンを有する時を特定することである。これは、オペレータに対して、考えられる問題のタイプを特定することなく、処理逸脱の可能性を通知する（ステップ１１０４）。その後、ここで説明しているもの以外の手法（電子顕微鏡又はイオンミリング等）を使用した更なるテストを利用して、エラーのタイプを分類することができる。
【００６７】
別の分類アプローチにおいて、システムは、ファーフィールドパターンの少なくともいくつかの部分を特定のエラーと相関させることでエラーを分類できる。例えば、回折オーダの特定のクラスタにおける強度の増加は、アンダエッチングされたバイアがあることを示す可能性がある。この手法に従ったエラーの分類に適したシステムは、基準情報からの異なるタイプの逸脱を分類する発見的方法を含む（ステップ１１０６）。このタイプの分類の例は、図１２ａおよび図１２ｂのダイ同士の比較に示して。図１２ａおよび図１２ｂは、既知の正しいバイアを有するダイと、未知のバイアプロフィールを有するウェーハ上のダイとの高角度回折オーダの比較を示している。図１２ａは、このウェーハ上のすべてのダイが既知の正しいダイと非常に厳密に一致しており、このウェーハが許容できることを示している。図１２ｂは、このウェーハの中央のダイが既知の正しいダイと一致しておらず、アンダエッチングの影響を受けていることを示している。
【００６８】
分類のための追加的なアプローチにおいて、システムは、現在評価されている領域のファーフィールドパターンを基準データベースに格納されている情報と比較することでエラーを分類できる（ステップ１１０８）。基準データベースに格納されるファーフィールドパターン又は異なるファーフィールド領域の感度に関するデータは、様々な表面の状態と関連づけられる。現在のファーフィールドパターンが期待されるファーフィールドパターンと正確に一致しない場合、システムは現在のファーフィールドパターンを基準データベース内の他の関連するファーフィールドパターンそれぞれと比較しても良い。現在のファーフィールドパターンと最も類似するパターンは、その一致したパターンに関連したタイプのものとして、その表面のエラーを分類する。この手法では正確な一致を見つけられない場合がある。それでも、可能性の高い処理の逸脱の形態および規模を示すことができる。こうした分類の例の一つは、処理の逸脱をそれまでの処理履歴と比較することである。
【００６９】
処理データから読み取られた傾向は、処理の逸脱が決定的になる前にこれを特定し、予防的な対応を提案することができる。仮定的な例を図１３に示す。この週毎の処理逸脱チャートは、フィルタを交換すべき時に、許容できない処理の逸脱が発生していることを示している。この問題の解決策として、データが、同様の許容できない処理の逸脱が発生しそうなことを示した時に、フィルタを交換するという対応をとることができる。
【００７０】
回折パターンを格納するオプションのメモリ又は基準データベース５２８は、図５に示すように、コンピュータ４２０と結合される。最も単純なケースでは、正しく形成された表面から得られる単一のファーフィールドパターンのみが格納される。このパターンと比較することで、システムは、表面が望ましい構造から大きく逸脱しているかどうかを判断できる。更に複雑なシステムでは、基準データベースは更に、一つ以上のパラメータが変化する表面のファーフィールドパターンを記憶しておくことができる。好適な実施形態において、このデータベースは、完全に形成された表面と、開口部の深さのみが基準から変化した表面と、開口部の直径のみが基準から変化した表面と、開口部の傾斜のみが基準から変化した表面とに関して、予想されるファーフィールドパターンを記憶している。問題が発生する製造処理のほとんどは、当初は、表面位相における看過し得ない逸脱の原因にはならないため、データベース内の回折パターンは、基準となる表面上の特徴からの小さな逸脱のみを示す。時には、基準からの逸脱を更に具体的に特徴付けるために、データベースには、その他のファーフィールドパターンを記憶しておく。例えば、このデータベースには、基準より大きな直径を有する開口部に関するファーフィールドパターンや、基準より小さな直径を有する開口部に関する別のファーフィールドパターンを蓄積しておくことができる。ファーフィールドパターンの逸脱は、しばしば、基準のケースからの強度の変化に関する特定の「シグネチャ（固有の特徴）」を有する。評価している表面が、指定されたオーダにおいて同じシグネチャを含む場合、その表面は、シグネチャが最も一致するデータベースのファーフィールドパターンが示す変化を有するものとして分類することができる。
【００７１】
その他の実施形態および利点は、ここに開示した本発明の明細書および実施を検討することから当業者には明らかであろう。本明細書および各例は、前記特許請求の範囲が示す本発明の本来の範囲により、例示的なものとしてのみ考えられるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】 適正に形成されたバイアアレイに関するレーザ回折オーダのエネルギ分布を示す説明図である。
【図１ｂ】 図１ａの分布を生成するのに使用したものと同じ条件下において、詰まったバイアに関して得たレーザ回折オーダのエネルギ分布を示す説明図である。
【図２】 異なる直径およびコンタクトエッチング時間を有する類似したコンタクトアレイについて、回折パターン全体の全収集エネルギと回折パターンの高オーダ収集エネルギとにおける変化を表すグラフを示す説明図である。
【図３】 本発明の実施形態に従った散乱および回折光のダイ同士の比較を示す簡略化した仮定的な説明図である。
【図４】 本発明の実施形態の一つに従った回折信号の検出および比較を行う装置の様々な構成要素を示す概略構成図である。
【図５】 本発明の別の実施形態に従った回折信号の検出および比較を行う装置の様々な構成要素を示す概略構成図である。
【図６】 基板表面の照射と７９度までの角度での散乱および回折光の捕捉とをサポートできる光学システムの実施形態を示す説明図である。
【図７】 ファーフィールド光を集光し、表面上の特徴の画像を形成できる光学システムの実施形態を示す説明図である。
【図８】 本発明を実施するのに使用できる方法の高レベルプロセスフローチャートである。
【図９】 本発明の実施形態に従って、基準回折パターンと最近取得した回折パターンとの比較を行う方法のプロセスフローチャートである。
【図１０ａ】正しいバイアによって生成されるファーフィールドパターンのコンピュータシミュレーションを示す説明図である。
【図１０ｂ】 特定の処理エラーに対する図１０ａの回折オーダの感度を示す説明図である。
【図１１】表面上の特徴のエラーを特徴付けるのに使用できる方法の高レベルプロセスフローチャートである。
【図１２ａ】 既知の正しいバイアを有するダイと正しいバイアを有するウェーハ上のダイとのダイ同士の比較の結果を示す説明図である。
【図１２ｂ】既知の正しいバイアを有するダイと中央のダイに誤ったバイアを有するウェーハ上のダイとのダイ同士の比較の結果を示す説明図である。
【図１３】 将来の処理の偏位を防止するのに使用できる仮定的な処理履歴を示す説明図である。
【符号の説明】
１０、１２ … 回折光
１４、１６ … 領域
１８ … ウェーハ
２０ … 入射ビーム
２２、２４ … 散乱および回折放射
４０２、４２２ … 光源
４０４ … 光ビーム
４０６ … レンズ
４０８ … レイヤ
４０９ … Ｘ−Ｙ移動ステージ
４１０ … バイア又はコンタクトホール
４１２ … 散乱および回折光
４１４ … レンズシステム
４１６ … 解析光学機器
４１８、５４４ … センサ
４２０ … コンピュータ
４２３、５４０ … ビーム分配器
４２４ … 補助センサ
５１６、５１８ … レンズ
５２６ … フーリエフィルタ又はアパーチャ
５２８ … メモリ又はデータベース
５４１ … ビーム
５４２ … レンズ
５５２ … 光、照射
５６６ … 光源
６０４ … 表面
６０５ないし６２２ … 一連のレンズおよび鏡
６０５ … 要素
６０６ … ドーム形状反射器
６２３ … 瞳孔面
６２５ … アパーチャ
６２７ … 正反射
７０２ないし７１２ … 一連のレンズ
７１４ … 画像面
【発明の属する技術分野】
本発明は、部分的に製造された集積回路等の表面特徴を評価する方法および装置に関し、特に、特徴の性質又は状態を評価するために表面特徴からの散乱および回折光のファーフィールドパターンを使用する方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
部分的に製造された集積回路又はレチクル等の表面特徴のエラーを識別分類するために、多くの光学および電子システムが存在する。こうしたエラーは、表面上にランダムに集まった微粒子、スクラッチ、アンダエッチング等の処理の変化といった形態をとることがある。こうした手法および装置は、従来技術においてよく知られており、カリフォルニア州サンホゼのＫＬＡ−テンカ・コーポレーションから入手可能な製品の多く等、様々な市販製品において具現されている。
【０００３】
表面に存在する特徴的な状態（コンタクト、バイア、深いトレンチ、ポリシリコンゲート構造、レチクルの特徴等）を評価するのに利用可能な手法は比較的少ない。最も一般的には、こうした表面の特徴は、設計上の特徴であり、表面の位相的変化として現れるので、調べることができる。多くの場合は、（従来の処理において形成された）こうした特徴が指定された許容範囲に入っているかどうかを知ることが希望される。例えば、コンタクトホール又はバイアの深さ、直径、および傾斜は、指定された許容範囲に入っている必要がある。コンタクトホールのエッチングが深すぎる場合、基板に入り込む可能性があり、これはトランジスタの電気的性能に有害な影響を与える。オーバエッチングされたバイアホールは、下のコンタクトを貫通し、抵抗等を変える。バイアがアンダエッチングされた（十分に深くない）場合、上部の金属化線と下部の金属化とのコンタクトが発生しない。バイアのエッチングが狭すぎる場合、結果として生じた相互接続における電流密度が高くなりすぎ、早期に障害が生じる可能性がある。
【０００４】
前記および同様の問題は、処理設備が誤動作したとき又は経時的に性能が低下した時にも発生する可能性がある。こうした設備の例には、プラズマエッチャ、付着システム、化学機械平坦化システム、レチクル処理、およびフォトリソグラフィ設備が含まれる。製造者は、処理設備の機能が許容できなくなった時期を知る必要があることは明らかである。
【０００５】
レチクル又は集積回路の位相的特徴の状態を評価するために、いくらかの手法が提案されている。こうした手法の中で最も単純なものには、白光を当てたウェーハを検査し、ウェーハ上に作られた様々なダイの外観に何らかの変化が存在するかどうかを判定する検査が含まれる。これは、専門技術者による不定期な視覚による検査である。理想的には、それぞれのダイは、白光の下で動かした時に同じ外観を有する。ウェーハ上にある一つ以上のダイの外観に何らかの変化が存在する場合、ダイが構造的に同一ではなく、何らかの問題が存在すると考えられる。関連する手法しては、ウェーハ上の様々なダイに関する光学顕微鏡検査（明視野又は暗視野の画像化等）なども存在する。個々のダイの画像における何らかの変化は、少なくともそのダイに問題があることを示す。しかし、設計規則の微細化、高いアスペクト比の追求、および背景回路の複雑化の傾向により、欠陥のあるバイア又はコンタクトホールは、顕微鏡による標準的な方法では検出が困難である場合がある。
【０００６】
表面の特徴の評価には、更に正確な手法が存在する。例えば、イオンミリングを利用して、集積回路の一部の状態を評価することができる。イオンミリングは、回路を貫いて、検査対象としている場所、つまりバイアに欠陥の疑いがある可能性のあるエリアに横断面を形成する。その後、走査型電子顕微鏡写真で横断面を画像化する。これにより、バイアにおけるオーバエッチング、アンダエッチング、欠陥のある断面等を視覚化できる。しかし、残念ながら、この手法は集積回路を破壊する。場合によっては、走査型電子顕微鏡又は類似する電子ビーム手法を利用し、ダイの（横断面ではなく）表面を画像化する。この手法は必ずしも集積回路を破壊しないが、電子が基板表面に損傷を与える可能性がある。更に、イオンミリングおよび走査型電子顕微鏡はどちらも今のところ非常に時間のかかるプロセスであるため、集積回路製造施設での通常のプロセスフロー内で定期的に使用するのには適していない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、部分的に製造された集積回路又はレチクル等の基板表面におけるランダムではない位相的変化を評価する、迅速かつ非破壊的で安価な手法が望まれている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、表面（半導体ウェーハ等）の位相的特徴の集合が、期待される状態又は品質と一致するかどうかを判定するためにファーフィールド散乱および回折光を使用する方法および装置を提供する。この判定は、対象となる表面の（好ましくはフーリエ面近くでの）ファーフィールドパターンと、対応するファーフィールドパターン（「ベースライン（基準）」）との比較によって行なうことができる。ファーフィールドパターンが既定量より多く変化している場合、表面に存在する特徴の何らかの態様に欠陥があると考えられる。実施形態の一つにおいて、本発明は、半導体ウェーハ上にある二つ以上のダイのファーフィールドパターンをダイ同士で比較することにより、具現化される。関連する状態又は品質（エッチングの深さ等）に敏感なファーフィールド散乱および回折光の部分は、製造プロセスに影響を与えないいわゆる妨害欠陥について、対象とする状態を検出するために、画像を形成し、かつ信号対ノイズ比を改善することができる。
【０００９】
本発明の一態様は、電子デバイス上でパターンを定める表面特徴の状態又は状態の変化を判定する方法を提供する。この方法は、（ａ）表面特徴から光が散乱および回折するように表面領域を照射し、（ｂ）表面特徴からの散乱および回折光を検出し、（ｃ）散乱および回折光のファーフィールドパターンを基準情報と比較し、（ｄ）第一の領域からのファーフィールドパターンが基準情報から大きく離れているかどうかを判定する、という処理を連続して行なうものとして特徴付けることができる。この方法において、照射光の偏光を選択することは、しばしば役に立つ。また、この方法では、光を検出する前に、表面上の特徴からの散乱および回折光を光学的にフィルタリング又は解析することも、多くの場合役立つ。
【００１０】
基準情報は様々なソースから入手できる。例えば、散乱および回折光のパターンを予想する方法に従って計算できるし、あるいは、既知の状態を有する表面で散乱および回折した光から取った測定済みファーフィールドデータとすることができる。一部の事例において、基準情報は、ファーフィールドパターンの集合（基準の表面および第一の領域における基準の画像から変化した複数の表面に関するパターン等）を格納するデータベースから選択できる。
【００１１】
検出される散乱および回折光は、ファーフィールドパターンの任意の部分にすることができる。場合によっては、これは複数の回折オーダ又は領域を含む。別の場合では、唯一又はわずかな回折オーダ又は領域を含む。これは、どの情報が必要か、および回折オーダ又は特定の領域の一つ又は小さなグループにどれだけの情報が含まれているかに応じて決まる。製造者がバイアの深さの変化のみに関心を有する場合は、深さの変化によって大きく変化する回折オーダ又は領域のみを検出できる。重要な情報を含む回折オーダ又は領域のみの検出に限定することで、この方法の信号対ノイズ比および速度が向上する。
【００１２】
本発明の別の態様は、基板上のフィルムにある単一又は複数の開口部を検査する方法を提供する。こ方法は（ａ）開口部の第一の部分を照射し、（ｂ）ファーフィールド散乱および回折光を検出し、（ｃ）開口部の、第一の部分とほぼ同一のパターンを有する第二の部分に光を当て、（ｄ）第二の部分に光を当てることで生成されたファーフィールド散乱および回折光を検出し（ｅ）第一の部分に光を当てることで検出された信号と第二の部分に光を当てることで検出された信号とを比較することにより開口部に変化が存在するかどうかを判定する、という処理を含むものとして特徴付けることができる。
【００１３】
一実施形態において、表面は半導体ウェーハ上の誘電層で、開口部は誘電層のコンタクトホール又はバイアである。ダイ同士の比較の場合、第一の部分は半導体ウェーハ上にある第一のダイの領域で、第二の部分は半導体ウェーハ上にある第二のダイの同じ相対的な位置にある領域である。ダイとデータベースの比較の場合、第一の部分は半導体ウェーハ上のダイであり、第二の部分はその位置に関する格納された表現である。
【００１４】
本発明の更に別の態様は、基板表面の位相的特徴の状態を評価する装置を提供する。この態様において、この装置は、（ａ）基板表面によって光が散乱および回折するように基板表面に向けて光を送るために準備された光源、（ｂ）基板表面で散乱および回折した光の回折パターンを捕捉および検出するように構成されたセンサ、（ｃ）基板表面からの回折パターンを、基板表面の期待される状態に対応する状態を有する基準表面から散乱および回折した光の基準回折パターンと比較するように構成されたコンピュータ、を含むものとして特徴付けることができる。この装置は、基板表面から散乱および回折した光を捕らえ、これをセンサに向けて送るように調整されたレンズも必要とする場合が多い。
【００１５】
好ましくは、この光源はレーザ等の干渉光源である。このセンサは、電荷結合素子、ＣＭＯＳフォトダイオードアレイ、又は単一要素検出器等のカメラその他の検出器にすることができる。
【００１６】
この装置は、基板表面から散乱および回折した光を捕らえ、センサに向けて送るためのレンズを含むことができる。好適な実施形態において、このレンズは、通常ないし８５度近くの回折角度を捕らえることができる。このレンズは更に、望ましい角度での基板表面の照射をサポートできる。このレンズは更に、フーリエフィルタリングをサポートできる瞳孔面を生成するように構成できる。フーリエフィルタ又はアパーチャは、基板表面からの回折パターンの一つ以上の領域をブロック又は減衰させるのに使用できる。フーリエフィルタ又はアパーチャの設計および配置により、手近な問題に関連する回折パターンの部分を通過させてセンサに送り、あまり関連しない回折パターンの部分をブロック又は減衰させ、これによりデバイスの製造にとって重要な変化を検出するための信号対ノイズ比を改善できる。この装置は、オプションとして、基板表面の空間的画像を提供する顕微鏡を備えるレンズといった、その他の光学要素を含むことができる。
【００１７】
好適な実施形態において、この装置は更に、コンピュータに結合した、又はコンピュータの構成要素である記憶装置を含む。この記憶装置は少なくとも一つの基準回折パターンを格納する。特に好適に実施形態において、この記憶装置は、基板表面の複数の期待される状態と表面の異なる位置とに関して、複数の基準回折パターンを格納するデータベースである。
【００１８】
本発明の特徴と利点は、以下の詳細な説明および関連する図面を参照することで更に理解されよう。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明は、表面上の特徴のエラーの存在又は変化を識別するために、表面特徴からの散乱および回折光のファーフィールドパターンを、参考用のファーフィールド情報（「ベースライン」又は「基準情報」とも呼ばれる）と比較する方法および装置を提供する。以下、本発明の好適な実施形態を完全に例示するために、多数の具体的な詳細を述べる。しかし、本発明は、ここで提示した具体的な詳細の一部によって制限されることなく実施できることは明らかである。
【００２０】
本発明における表面特徴の状態又は品質の検査は、散乱および回折光のファーフィールドパターンの類似および相違に依存している。本発明に関して、ファーフィールドという用語は、当業者によく知られている回折理論の光学的なファーフィールドを指す。波長、偏光、光度、入射角を画成された光について、同一の特徴を有する二つの表面では、散乱および回折光のファーフィールドパターンは同一になるべきである。しかし、表面の片方がわずかでも逸脱した特徴を有する場合、散乱および回折光のファーフィールドパターンは観測可能な形で変化する。検査対象としている表面特徴のファーフィールドパターンを比較することで、表面が望ましい状態又は品質を有しているかどうかを判定できる。
【００２１】
散乱は、完全に滑らかではない表面に光が当たった時に発生する。したがって、散乱は、表面上の粒子、特徴のエッジ、表面の位相的な変化、又は表面上の素材の変わり目によって発生する可能性がある。表面が、類似する位相的変化の反復する集合を有する場合、表面上の入射光は複数の位相的変化によって同時に散乱又は回折し、ファーフィールドにおいて建設的および相殺的干渉の明領域および暗領域を生成する。単純な一次元の格子表面について、明領域又は回折オーダの反復するパターンの位置は、格子式ｍλ／ｄ＝（ｓｉｎα＋ｓｉｎβ）を使用して容易に計算可能であり、ここでλは表面上の入射光の波長であり、ｄは反復する位相的特徴の間隔の距離であり、ｍは回折オーダを表す整数であり、αは入射光の表面基準に関する角度であり、βは回折オーダが発生する表面基準に関する角度である。したがって、βは各オーダ（ｍ）に関する回折の角度的位置となる。更に複雑な二次元の位相的変化を有する表面では、結果として生じるファーフィールドパターンの計算はより難しくなる。これは明領域および暗領域の複雑な二次元パターンとなる。それでもなお、二次元での表面特徴の配置は特徴的なファーフィールドパターンを生成する。
【００２２】
一般に、本発明は、入射光を散乱および回折することによりファーフィールドパターンを生成する任意の表面特徴におけるエラーの検出に応用される。表面特徴のエラーは、ファーフィールドパターンの光度、位相、偏光を再分布する。場合によっては、表面特徴の非常に小さなエラーがファーフィールドパターンに大きな変化を発生させる。
【００２３】
ファーフィールドの散乱および回折光を使用して表面特徴の状態又は品質を調べることには、従来の明視野画像化を使用するのに比べいくつかの利点がある。明視野画像化では、画像化システムの解像度の限界内にある表面特徴のみを検出可能である。高解像度画像化システムでは、解像度の限界は照射光の波長の約半分である。しかし、ファーフィールドに散乱および回折される光を使用することで、照射光の波長の半分より小さな特徴および粒子を検出できる。明視野画像化には、コンタクト、バイア、および深いトレンチといった小さくアスペクト比の高い構造の深さの変化を検出することに関しても感度の限界がある。しかし、ファーフィールド散乱および回折光は、高アスペクト比の表面特徴の深さにおける変化に対して非常に感度が高い。０．５ｎｍの小さな深さの変化でさえ、ファーフィールドパターンを調べることで検出できる。その他の利点は、従来の明視野画像化においては、検査する表面の位置と収集した画像との１対１のマッピングが存在する点である。しかし、ファーフィールドにおいては、検査する表面の大きな領域又はゾーンからの特定の特徴を単一の位置にマップできる。この特徴は、複数の表面特徴に影響を与える処理の変化に対する高い感度を維持しながら、非常に高速な検査を実施するのに使用できる。
【００２４】
電子機器業界では、多くの表面が、表面上の特徴の状態を判定するために評価可能なファーフィールドパターンを生成するランダムでない位相的（幾何学的）特徴又は素材の組み合わせを有している。以下の例では、フィルムの開口部（バイアおよびコンタクトホール）におけるエラーの検出について説明する。しかし、電子機器業界では、本発明記載の方法および装置によって評価可能な他の多くの例が存在する。これには、半導体基板又は表面フィルムの深いトレンチ、フィールドの酸化物領域、パターン化されたフォトレジスト、金属又はポリシリコン層、ダマシン層等が含まれる。半導体ウェーハおよびダイ表面以外にも、本発明は、レチクル、位相シフトマスク、Ｘ線マスク、およびその他二次元のランダムでない表面上の特徴を有する構造の画像化に応用できる。
【００２５】
表面又は表面フィルムの開口部の場合、本発明は、こうした開口部を特徴付ける様々なパラメータを評価できる。例えば、本発明は、開口部の直径、深さ、および角度の変化を検出できる。したがって、バイア又はコンタクトがオーバエッチングかアンダエッチングか、広すぎるか狭すぎるか、円錐が適正か、表面基準からの角度が遠すぎるかどうか等を検出できる。また、こうした開口部に残る残留物の存在も検出できる。
【００２６】
表面のパラメータ（バイアの深さ、幅、および角度など）と照射光の相互作用は非常に複雑な問題であるが、特定のシステムであれば、散乱および回折光に何らかの一般化を適用できる。例えば、高角度の散乱および回折は、開口部の深さおよび開口部の底部の形状に関するほとんどの情報を提供する（例えばバイア内の残留物の識別を可能にする）。こうした関連性は、同一のシステムであれば、実験的に取得できる。
【００２７】
バイアのエラーが散乱および回折エネルギに与える影響は、図１ａおよび図１ｂにおける実験的な測定から見ることができる。図１ａは、０．３５ミクロンの直径を有する正しいバイアを含むダイでの回折構成要素の測定結果を示し、図１ｂは、０．３５ミクロンの直径を有するアンダエッチングされたバイアを含むダイでの測定結果を示している。５４３ｎｍ、表面基準から６０度の入射角のＳ偏光レーザがバイアの照射に使用されている。その後、エネルギメータを使用して各次数（オーダ）の回折光を測定した。図１ａおよび図１ｂにおいて、それぞれの円はその次数の回折光に含まれる相対的なエネルギレベルの測定値を表している。アンダエッチングのエラーによる回折エネルギの再分布は図１ｂに示している。入射ビーム近くの次数の回折光のエネルギが減少していることが分かる。再分布の規模は、バイアの深さおよびバイア壁の傾斜の両方によって変化する。この回折エネルギの再分布は、二つのファーフィールド回折パターンを比較することで、こうしたエラーの検出に使用できる。高次数の回折光における大きなエネルギの変化は、高感度の高速エラー検査に関して有効になる。こうしたファーフィールド回折パターンを生成するバイアの形状は、ＳＥＭプロフィールの測定によって検証される。
【００２８】
コンタクトホールの深さおよび直径がファーフィールドパターンの分布に与える影響は、図２の実験的な測定結果から見ることができる。図２は、既知の直径を有し、既知のエッチング時間で形成されたコンタクトホールについて、全ファーフィールド回折信号（ｘ軸線）をファーフィールド回折信号の高オーダ構成要素（ｙ軸線）と比較したグラフの例を示している。全ファーフィールド信号は、すべての散乱および回折光を表している。回折信号の高次数の構成要素は、高回折次数のみを対象とした光度を表している。
【００２９】
図２で提示したデータは、この手法によって、コンタクトホールの直径およびエッチング時間の両方の変化を推定できることを示している。この例では九つのケースを示しており、三種類のコンタクトの直径（０．２５マイクロメータ、０．３５マイクロメータ、および０．５マイクロメータ）が、それぞれ三種類のエッチング時間（４５分、８０分、および１３５分）で形成されている。表示したケースでは、エッチングタイムの増加（コンタクトの深さの増加）は一般に、ファーフィールド回折信号の高次数の構成要素の減少に対応し、直径の増加は全ファーフィールド回折信号の増加に対応している。
【００３０】
図３は、一定のウェーハ１８上にある二つの領域１４および１６から得た散乱および回折光１０および１２の二つの仮定的なファーフィールドパターンの比較を表している。入射ビーム２０の光は、領域１４および１６に（通常は別の時点で）当たり、これらの領域の表面上の特徴によって散乱および回折され、散乱および回折光２２および２４を生成する。ファーフィールドパターン１０および１２は、照射領域のフーリエ面又はその近くで記録される。本発明では、フーリエ面という用語は、当業者によく知られた光学的なフーリエ面を指す。これらの位置は、理想的には、表面において同一の位相を有するが、不均一な処理、レチクルのエラー、又はその他の製造上の問題によって位相にわずかな差異が生じることがある。例えば、これらの表面は、バイアの集合を有し、その一部が、二つの異なるダイにおけるエッチングの深さ、エッチングの直径、又はエッチングの角度のわずかな差異を有する場合がある。
【００３１】
ファーフィールドパターン１０および１２は、光度の二次元分布である。明領域は図３の円として表されている。明領域の空間分布および光度は、入射ビームの波長と、入射ビームおよびフーリエ面のウェーハ表面に対する角度と、ダイ１４および１６上の表面上の特徴といった要素に応じて異なる。同じ測定条件を与えた場合、領域同士でのこうした位相の違いは、回折パターン１０および１２の違いとして現れる。
【００３２】
図３に示した仮定的なファーフィールドパターンは、九つの回折オーダを含む。これらのファーフィールドパターンにおいて、対応する各オーダは同じ空間的位置を有し、右上のオーダを除き光度のわずかな変化のみを有する。例えば、中央のオーダはそれぞれ５００マイクロワットの光度を有し、右中央のオーダはそれぞれ２９９ないし３００マイクロワットの光度を有している。しかし、パターン１０の右上のオーダは８マイクロワットの光度を有し、パターン１２の右上のオーダは１６マイクロワットの光度を有している。これは照射領域１４および１６の間の物理的な差異を表している。この差異は、例えば、領域１４には存在しない領域１６内にある特定のバイアでの残留物の存在である可能性がある。若しくは、照射領域の一つ以上のバイアに関するエッチングプロフィールの差異である可能性がある。
【００３３】
右上のオーダの逸脱の大きさは、対応する物理的な（複数の）表面上の特徴および測定の誤差に起因する。場合によっては、エッチングの深さの小さな差異に対応する可能性がある。このエッチングの深さの差異は、採用した半導体製造処理で認められる許容範囲内に十分に入る場合がある。この逸脱は一部の処理設備に不具合が発生したまま製造が行なわれていることを意味する可能性があるが、この時点では、問題は深刻ではない。若しくは、この逸脱はエッチング角度の大きなエラーに対応する可能性がある。これは製造者に対して、少なくとも一時的に処理を中断して、処理設備の入念なチェックを考慮する十分な理由を与える可能性がある。
【００３４】
図４は、本発明を実施するための比較的単純な装置の図である。表示のように、光源４０２は、レンズ４０６によって偏光、平行化、又はその他の整形を施される光ビーム４０４を送出する。光ビーム４０４は、複数の位相的特徴を有するレイヤ４０８上に入射する。この例において、これらの特徴は複数のバイア又はコンタクトホール４１０である。光ビーム４０４は、レイヤ４０８の表面に当たる時、バイア又はコンタクトホール４１０と相互に作用し、レイヤ４０８上の広いエリアに散乱および回折する。散乱および回折光４１２は、レンズシステム４１４によって捕捉され焦点に集められる。その後、散乱および回折光４１２は、この装置の感度を改善するオプションの解析光学機器４１６に向けて送られる。解析光学機器４１６の要素の例には、ファーフィールドパターンの部分を選択するアパーチャ、フーリエフィルタ、および偏光子が含まれる。レンズシステム４１４および解析光学機器４１６を備える複数の光学システムを用いた一つの装置により、高速検査を実現することができる。
【００３５】
フーリエ面又はその近くでの散乱および回折光４１２のパターンは、カメラその他の放射光を捕捉可能なセンサ４１８によって捉えられれる。複数のセンサ４１８を用いた装置によれば、高速検査を促進できる。センサ４１８によって捕捉されたファーフィールドパターンはコンピュータ４２０に提供され。コンピュータ４２０は、他の既知のファーフィールドパターン又は他のファーフィールド情報との比較といった適切な解析を実行し、レイヤ４０８の表面に問題があるかどうかを判定する。コンピュータ４２０は、現在のファーフィールドパターンと他の既知のファーフィールドパターンとの差異に基づき、レイヤ４０８の表面上のエラーを分類するための論理を含むことができる。
【００３６】
一般に、システム性能は、照射波長、偏光、および入射角を調整すること、および解析光学機器を調整することによって最適化できる。入射角は、高次散乱および回折構成要素を生成するためにグレージング入射角の近傍の角度として選択される場合が多い。こうした高オーダ構成要素は、処理の変化に対する最高の感度を有する場合が頻繁にある。高次散乱および回折信号は、適切に配置したセンサ４１８によって収集できる。照射に干渉源が使用される時、結果として生じる散乱および回折光のファーフィールドパターンは通常、スペックルと呼ばれる。スペックルパターンは、表面レイヤ４０８の構造に非常に敏感である。したがって、これにより、アンダエッチングされたバイアおよび深いトレンチの底部にある残留物等の処理の違いを正確に測定できる。
【００３７】
光源４０２は、優れた干渉性を有する任意の放射源を採用することができる。好適な光源の例としては、イオンレーザ、ヘリウムレーザ、ネオンレーザ、エクシマレーザ、調整可能波長レーザ、多重波長レーザ、およびダイオードレーザ等のレーザがある。調整可能波長レーザ又は多重波長レーザは、システムの性能を最適化するために異なる波長を選択できるという利点を提供する。他の光源としては、狭帯域通過フィルタを有するＬＥＤ又は高光度ランプを含めることができる。採用可能なランプには、Ｈｇ−Ｘｅランプ、Ｘｅランプ、エクシマランプ、Ｄ２ランプ、およびハロゲンランプ等が含まれる。
【００３８】
光源は、測定される特徴に最適な波長に基づいて選択すべきである。一般に、小さな特徴（又は短い距離によって分離される特徴）は短い波長の照射を要する。短い波長は、回折オーダ間での小さな角度を回折信号に与えるため、システムのレンズによって多くの散乱および回折オーダを捕捉することが可能になる。例えば、表面基準に対して３０度の角度で光によって照査される０．５μｍの間隔を有する小さな特徴について考える。この光が０．５μｍの波長を有する場合、ゼロと第一の回折オーダとの間の角度は６０度となり、この光が０．２５μｍの波長を有する場合、ゼロと第一の回折オーダとの間の角度は３０度となる。
【００３９】
この光源は、表面上の特徴の走査を可能にするスキャナを含むことができる。このスキャナは、照射スポット又は対象とする領域を横切るライン上を移動できる。このタイプのシステムの実施形態の一つでは、高速検査のためのラインスキャナを利用する。この目的のために、ブライトライン光源を使用できる。この光源は、対象とする領域をライン状に照射でき、その長さは、１ミクロンから半導体ウェーハの直径全体の長さまでとすることができる。通常、長い照射ラインは短いラインに比べ、欠陥の局部化の減少により検査速度を高速にする能力を有する。このラインは、反復する特徴を複数個カバーする大きさの幅にするべきである。これにより、対象とする領域全体に照射ラインが走査されるため、ファーフィールドパターンの安定性が増加する。ラインがスキャンされるに従って、ファーフィールドパターンがモニタされる。半導体ウェーハ上の記憶エリアのように、対象とする領域のパターンが反復する場合、この領域全体で照射ラインがスキャンされる間に、ファーフィールドパターンは変化しないはずである。ウェーハがスキャンされる際のファーフィールドパターンの変化は、表面上の特徴のエラーを示す可能性がある。
【００４０】
図４に示すように、補助鏡又はビーム分配器４２３を使用して、捕捉レンズを通して表面を照射する光源４２２を用いることもできる。この光源は、光源４０２と同じタイプにすることが可能であり、若しくは前記のような異なるタイプにすることができる。光源４０２は、その向きを変え、光源４２２として使用することもできる。捕捉レンズを通して照射を行なうタイプの光源の場合、捕捉レンズを通過するビームの位置を変えるだけで、照射角を容易に変えられるという利点がある。これにより、通常の角度からレンズの最大捕捉角度までの間で照射が可能になる。この照射手法には、レンズの表面からの複数の反射光が、センサ４１８に到達してしまい、信号対ノイズ比を低下させる欠点がある。この効果を減らすために、高品質の反射防止用コーティングが必要である。加えて、表面からの正反射（ゼロオーダ回折）が捕捉レンズを通じて戻る可能性がある。この正反射は一般に他の散乱および回折オーダよりも大きく、センサの飽和を防ぐためにブロック又は減衰させるか、若しくは測定の信号対ノイズ比を向上させる必要性が生じる場合がある。
【００４１】
偏光レンズ４０６は、入射ビーム４０４に望ましい偏光を与えるために使用できる。これにより対象とするエラーの信号対ノイズ比を強化できる。例えば、図１ａおよび図１ｂのバイアのエラーは、Ｐ偏光光よりもＳ偏光光を使用した時に大きな信号対ノイズ比を示す。捕捉レンズ４１４は、多くの異なる回折オーダを記録するために、十分に大きな角度の範囲で散乱および回折放射を捕捉するべきである。評価される特徴は非常に小さいため、ファーフィールド領域は基板のかなり近くから始まる。一般に、捕捉レンズは、一つ以上のレンズ（ホログラフィック又は回折性の表面を含む）と、可能であれば、回折パターンが現れるピントグラス要素等のスクリーンとを含む。このスクリーンは、散乱性表面又はボリューム散乱体、蛍光表面、若しくは燐光性表面にすることができる。スクリーンを採用する場合、この画像をセンサ４１８に伝送するために追加のレンズが必要となる。
【００４２】
好適な実施形態において、ウェーハ４１８は、Ｘ−Ｙ移動ステージ４０９に取り付けられ、これは、集光レンズ４１４と光源４０２との相対的な位置に影響を与えることなく、ウェーハ表面を入射光ビーム４０４に対して相対的に移動させる。ダイ同士の比較においては、Ｘ−Ｙステージ４０９の第一の位置に関連する第一のダイからの回折信号がコンピュータ４２０に格納され、その後、Ｘ−Ｙステージ４０９の第二の位置に関連する第二のダイからの回折信号と比較される。ダイの位置調整不良は散乱および回折信号の位相を変化させるだけで、強度は変化させない。したがって、フーリエ領域で比較を実行することは、二つの回折位置の調整エラーによって影響を受けないという追加の利点を有する。これは、高価ではない低精度のステージの使用を可能にする。このステージは、走査照射に関して、前記した概念に似た走査モードにおいて使用することもできる。例えば、ウェーハ上の反復する特徴をライン状に照射することができる。その後、このステージをラインに対して垂直の方向に移動させることができる。反復する特徴に変化がない場合、ファーフィールドパターンは変化しない。センサ４１８は、フーリエ面での回折パターンを高解像度で記録できる筈である。好ましくは、これは、事前にデジタル化された電子信号又はアナログ・デジタル変換器によって容易にデジタル化可能な電子信号として、回折パターンを出力する。最適なセンサの例には、ＣＣＤアレイ、ＣＭＯＳフォトダイオードアレイ、フォトゲートアレイ、ＴＤＩアレイ等が含まれる。場合によっては、一つ以上の単一チャネルセンサが利用できる。この例としては、システムが特定のタイプのエラーをモニタするように最適化されている時がある。
【００４３】
図４に示すように、一または複数のオプションの補助センサ４２４を使用して、捕捉レンズ４１４が逃した散乱および回折光を捕捉することができる。状況によっては、最も高い角度の回折光を収集する捕捉レンズ４１４を用いるのが不可能又は実際的でない可能性がある。高角度散乱および回折の一部が、対象とするエラーに関する情報を含む場合、これは潜在的な問題となる可能性がある。この場合、補助センサ４２４を配置し、捕捉レンズ４１４によっては捕捉できなかった散乱光および回折光を捕捉することができる。
【００４４】
コンピュータ４２０は、適切なＣＰＵと、回折パターンの必要な比較を実施するための二つ以上のファーフィールドパターンおよびプログラム命令を格納するメモリとを有する任意の最適なシステムにすることができる。例えば、ワークステーション、パーソナルコンピュータ、埋込システム等として実現可能である。
【００４５】
図５は、本発明を実施する別の装置を示す図である。この装置は、図４記載の装置と同様の構成を多数備える。二つの図面において、同じ参照番号は同じ構成を示す。そこで、光源４０２からの光４０４は、レイヤ４０８表面に照射された時に回折する。光源４２２からの光５５２も、レイヤの領域を照射するのに使用できる。散乱および回折光４１２は、解析光学機器４１６に入射し、最終的にセンサ４１８に入射する。加えて、この装置は、解析光学機器４１６とセンサ４１８との間に、レンズ５１６および５１８を備える。これらのレンズは、ウェーハ上の対象とするエリアを限定するのに使用可能なフィールド面と、解析光学機器５２６のための追加のフーリエ面とを提供するために使用される。解析光学機器４１６および５２６は、信号対ノイズ比を改善するために散乱および回折ファーフィールド光をブロックし又は減衰するアパーチャ又はフーリエフィルタとすることができる。アパーチャの動作は、前述した図３を参照することで、容易に理解できる。例えば、アパーチャは、回折パターン１０および１２における右上のスポットに提供される信号の信号対ノイズ比を増加させるために利用できる。具体的には、図５に示したアパーチャ５２６は、フーリエ面又はその近く、および検出器の前に挿入できる。このアパーチャは、対象としている領域の評価に関係のない高光度のファーフィールド光をブロック又は減衰させる（右上のオーダが関連する情報を含む唯一のオーダであると仮定した場合）。例えば、このアパーチャは、回折パターン１０および１２において中央および右中央のオーダをブロックできる。このアパーチャは、照射されている表面からのいわゆるゼロオーダ正反射をブロックするのに使用することもできる。
【００４６】
一般に、本発明で用いられるフーリエフィルタは、表面上の繰り返される特徴であって、よくある実例とはほとんど関係しないことが知られている特徴からの回折オーダをブロックするように作られる。このフィルタは、フィルタされる回折オーダとほぼ同じサイズ、形状、および位置の不透明領域を備える。フィルタの残りの部分は透明であり、これにより、対象とする回折オーダが検出器によって記録されるのを可能にする。別のタイプのフーリエフィルタは、ファーフィールドパターンを一つのセンサで容易に測定できるように、明領域を選択的に減衰させる。このアプローチには、ファーフィールドパターンから情報が失われないという利点がある。減衰領域から収集した余分な情報により、測定および比較を改善する余裕ができる。最適なフーリエフィルタの設計は当業者に知られており、１９９８年４月３０日に出願されたエリーザ・ローゼンガスおよびスティーブン・Ｒ・ランジを発明者とする米国特許出願第０９／０７０，４３７号「半導体ウェーハを検査するシステムおよび方法（A SYSTEM AND METHOD FOR INSPECTING SEMICONDUCTOR WAFERS）」において説明されている。この出願の内容は本願に含まれる。
【００４７】
図５記載の装置は、更に、コンピュータ４２０と、これに結合されており基準情報（ベースライン情報）を格納するオプションのメモリまたはデータベース５２８とを備える。こうした基準情報は経験的に、又はシミュレーションにより取得できる。具体的な実施形態の一つにおいて、この基準情報は既知のエラー（例えばオーバエッチングされたバイア）を有する表面上の特徴に関する実際のデータである。この特定のエラーは、処理設備が誤動作して不具合が生じた過去の時点において確認しておくことができる。
【００４８】
図５記載の装置は、更に、散乱および回折光からウェーハの空間的画像を生成するサブシステムを備える。このサブシステムは、レンズ５１８の下流の位置で、散乱および回折光ビーム４１２を分配するビーム分配器５４０を有する。ビーム分配器５４０は、ビーム４１２を、光度が減少したビーム４１２の延長と、分離したビーム５４１とに分配する。レンズ５４２は、レイヤ４０８の空間的画像を記録可能なカメラ又は十分に高解像度の検出器にすることが可能なセンサ５４４上に、光ビーム５４１の焦点を合わせる。この空間的画像は、例えば、レイヤ４０８の位置調整と、フーリエフィルタ又はアパーチャ５２６がこの画像に与える影響の調査とに使用できる。
【００４９】
図５記載の装置は、更に、ユーザがレイヤ４０８上で光学顕微鏡検査を実施するのを可能にする光顕微鏡サブシステムを備える。したがって、本発明の回折方法と並行して、基板の顕微鏡検査を実施できる。この光顕微鏡サブシステムにおいて、光源は様々なレンズを介してレイヤ４０８に光を照射する。この光源５６６は、光源４０２に関して既述した任意のものにすることができる。好適な実施形態の一つでは、この光は干渉効果を最小にするために、ハロゲンランプによって生成した光等のように、５０ｎｍより大きい帯域幅を有するものが採用される。別の実施形態においては、この光源は、光源４０２又は４２２と同じである。この光は次にウェーハ上で反射、散乱、および回折し、捕捉レンズを通じて鏡又はビーム分配器５４０へ達する。このビーム分配器又は鏡５４０は、ビームをレンズ５４２に通し、これはセンサ４１８上にウェーハの光顕微鏡画像を形成する。
【００５０】
図６は、これまでに説明した装置をサポート可能な光学システムの実施形態の一つを示している。この光学システムは、１９９８年３月２４日に出願されたユン・ホ・チュワン他を発明者とする米国特許出願第０９／０４６，８１４号「多重モード画像化のための高ＮＡシステム（HIGH NA SYSTEM FOR MULTIPLE MODE IMAGING）」において説明されている。この出願の内容は、参考として本願に含まれる。この設計では、０．９８ＮＡ、フィールドサイズ２．０ｍｍ、焦点距離７．６５３ｍｍ、および有効距離０．７５ミリメートルの全融解石英を使用している。これは、屈折率１．４９９７７６の融解石英を用い、０．２６６マイクロメートルの波長での使用に最適化したものである。
【００５１】
この光システムの実施形態では、基板表面の同時照射と、垂直から７９度までの角度の散乱および回折光の捕捉が可能になる。これは、この設計の高い開口数（ＮＡ）、およびドーム形状の球面反射器を通じた独自の照射によるものである。前記の参考文献においては、その他の設計が開示されており、ここでは角度の範囲を８５度までに拡大している。光５５２は、ドーム形状反射器６０６のアパーチャ６２５を最初に通る。光５５２は次に、要素６０５の両方の表面を通過し、表面６０４を照射する。正反射６２７（ゼロオーダ）は、その後、再度要素６０５を通過し、ドーム形状球面鏡の別のアパーチャ６２６を通り、システムから出ていく。ドーム形状反射器６０６のこれらのアパーチャを、球面反射器６０６の反射コーティングにある細片の形態にすることにより、多くの異なる照射角度を容易に選択することが可能となる。ドーム形状反射器６０６を通じた独自の照射は、この設計における大きな利点である。照射５５２は二つの表面のみを通過するので、複数の反射によって信号対ノイズが減少することがない。
【００５２】
この光学設計では、一連のレンズおよび鏡６０５ないし６２２を使用し、図５に示すような対物レンズの内部瞳孔面と共役する外部の瞳孔面６２３を提供する。この瞳孔面６２３は、対物レンズの照準範囲にも入るため、標本表面６０４のフーリエ面と正確に対応する。この外部瞳孔面６２３は、フーリエフィルタリングおよびアパーチャリングのためのフーリエ面へのアクセスを向上させる。図７に示した追加の可変焦点チューブレンズは、表面６０４の光学的画像を生成するのに使用できる。このチューブレンズは、一連のレンズ７０２ないし７１２を使用して、図６のレンズシステムのフーリエ面６２３から光を収集し、画像面７１４において表面６０４の光学的画像を形成する。この画像化は、フィルタリングおよびアパーチャリングを組み合わせることにより実現でき、対象とする欠陥のタイプに拠る信号対ノイズを高めることができる。これにより、こうした光学システムは、図４および５で説明した装置にとって理想的なものとなる。
【００５３】
本発明は一連のステップからなる方法として実施できる。本発明を実施する方法の一つを図８に示す。ここで表示されているように、方法８００は、ポイント８０２から始まり、ステップ８０４において、システムが評価する表面の領域を特定する。この領域としては、半導体基板のダイ又はゾーン、レチクルの部分等を特定することができる。ダイ同士の比較の場合は単純に、ウェーハ上で評価する一連のダイに隣接するダイの中の領域にすることができる。
【００５４】
次に、ステップ８０６において、システムはステップ８０４で選択した領域にソース４０２又は４２２からの放射光を照射する。選択領域上の位相的変化は、入射光の一部の回折を発生させる。その後、散乱および回折光は、例えば検出器４１８によってファーフィールドにおいて検出される（ステップ８０８を参照）。この時点でシステムは、選択した領域のファーフィールドパターンを、基準情報と比較する（ステップ８１０参照）。基準情報は様々なソースに由来する場合がある。例えば、散乱および回折光のシミュレートパターンの場合がある。更に、すでに記録してある同様の表面上の特徴から取得したファーフィールドパターン、もしくは同じ基板から取得した別のゾーン又はダイのファーフィールドパターンになる場合がある。こうした基準回折パターンは、基準データベース５２８に格納しておいたり、メモリに一時的に格納しておくことで、比較を行なうことが可能である。動作の速度を向上させるために、図８のステップは、部分的又は完全に並行して実行できる。
【００５５】
比較ステップ８１０は、コンピュータの支援によって実行できる。これは、現在のパターンと基準回折パターンとの間の関連する可能性のある任意の差異を識別する処理である。この比較により、ファーフィールドパターンの位置と強度の差異が取り出させる。次に、システムはステップ８１２で、関連する差異が実際に存在するかどうか、つまり基準情報と現在のファーフィールドパターンとの間に大きな変化が存在するかについて判断する。存在しない場合、システムはステップ８１４で、その表面領域が許容できることを示す。
【００５６】
この時点で、プロセスを終了しても良いが、観測した基準パターンと現在のファーフィールドパターンとの差異は、ノイズによるものである可能性がある。そのため、いくつかの実施形態では、信号対ノイズ比を改善して、更に画像を得るのが望ましい。したがって、システムが、基準情報と現在のファーフィールドパターンとの間に大きな違いがあると判断した場合（ステップ８１２の回答が肯定の場合）、システムは次に、信号対ノイズ比を向上させるためにシステムの検出部分を修正するべきかどうかについて判断する（ステップ８１６）。修正するべきである場合、システムはステップ８１８で、選択した領域を再画像化する。信号対ノイズ比を向上させるためには様々な手法を利用できる。こうした手法の一つは、フーリエ面又はその近くでのアパーチャ、フーリエフィルタ、又はその他の（前記のような）解析光学機器の挿入である。これにより、望ましいディーテールには関連しない情報を含んでいる回折信号を除去又は最小化できる。また、基準情報を再生する必要がある場合もある。ファーフィールドパターンのダイ同士の比較において、これにはオリジナルの基準領域と、検査の対象である現在の領域との再測定が含まれる可能性がある。現在のファーフィールドパターンと基準情報との間で最初に検出された差異が許容される範囲内である場合、その基板領域は許容できるものとして示され（ステップ８１４）、上述した方法はステップ８２６で終了する。
【００５７】
当然ながら、現在のファーフィールドパターンと基準情報との間で最初に検出された差異が非常に大きく、再測定するまでない場合もある。こうしたケースでは、ステップ８１６の回答は否定となり、システムは選択した領域が許容できないことを示す（ステップ８２０）。品質管理のコンテキストにおいて、許容できないという表示は、製造者に対して、現在の基板をそれ以上処理すべきではないことを示す可能性がある。処理監視のコンテキストにおいて、こうした表示は、処理設備又は状態に、少なくとも一時的に、欠陥があることを示す可能性がある。基板領域が許容できないと表示した後（ステップ８２０）、システムは、エラーの分類が必要かどうかについて判断する（ステップ８２２）。エラーの分類が必要ない場合、この方法はステップ８２６で終了する。エラーの分類が必要である場合は、現在の回折パターンと、メモリやデータベースに格納された他の既知の基準回折パターンとの間で比較を行なう（ステップ８２４）。スクラッチ等の共通する欠陥を特徴付けるシグネチャを探すアルゴリズムを実施することもでき、配置などの欠陥に関する追加情報を復旧することができる。エラーの分類後、この方法はステップ８２６で終了する。
【００５８】
図９は、本発明のいくつかの実施形態に適した一般的な画像処理のフローを示している。このフローは、図８のステップ８１０に対応している。まず、ステップ９０２で、基準回折パターンが選択される。次に、ステップ９０４で、現在のファーフィールドパターンと基準情報との間の相関が検証される。これには、回折信号の回折スポットの最小二乗法による一致および交差相関解析が含まれ得る。解析完了後、その結果は、インライン検査のためにリアルタイムエラー統計のために情報として提供され（出力９０６）、あるいはオフライン調査のために画像が生成される（出力９０８）。
【００５９】
選択される基準情報（ステップ９０２）は、いくつかの異なる形態をとることができる。一例として、同じダイ上の近隣のパターン又はセルからの情報とすることができる。これはセル同士の比較であり、同じダイの類似する領域が照射および比較される。別の事例においては、現在評価されているダイに類似する、半導体ウェーハ上のダイからの情報である。これはダイ同士の比較で、複数のダイの同じ領域が照射および比較される。更に別の事例においては、現在評価されているダイに類似する、異なる半導体ウェーハ上のダイからの情報である。これはウェーハ同士の比較で、異なるウェーハ上のダイの同じ領域が照射および比較される。
【００６０】
基準情報は、既知の特性（バイアの深さ、直径、および傾斜等）を有する類似した表面に関する格納されたファーフィールドパターンにすることが可能であり、若しくは既知の正しい表面からのものにすることができる。格納された基準・ファーフィールドパターンは、こうした既知の特性を有する標本から事前に生成できる。若しくは、この基準・ファーフィールドパターンは、指定された特徴を有する表面に関するファーフィールドパターンの数学的シミュレーションによっても生成できる。任意の表面からの回折パターンの効果的なモデリングの基礎となる原理は、米国光学会ジャーナルＡ（Journal of optical Society of America A）、ｖｏｌ．１４、Ｎｏ．１０、２７５８ないし６７ページのＬ・リによる「交差表面レリーフ格子のためのフーリエ形式方法の新たな公式化（New formulation of the Fourier modal method for crossed surface-relief gratings）」（１９９７）、およびＳＰＩＥ会報（SPIE proceedings）、ｖｏｌ．３０１０、１８ないし２９ページのリによる「交差格子のモデリングのためのフーリエ拡大によるモデル方法（Model Method by Fourier expansion for modeling crossed gratings）」（１９９７）において説明されており、両方の内容は、参考として本願に含まれる。
【００６１】
選択される基準情報のタイプは、比較が提供する情報に応じて変えられる。例えば、レチクルに関する半導体業界の問題は通常、レチクル上にある複数のダイの一つにおける特定の特徴に限定される。したがって、レチクルの評価にはダイ同士の比較が最もふさわしい。過度に侵略的なエッチングといった処理が問題となっている場合、すべてのダイが同じ問題（バイアの基板への切り込みが深すぎる等）の影響を受ける可能性がある。これが発生した場合、ダイ同士の比較は、同じウェーハ上の異なるダイ間での相違のみを示すため（すべてのダイが同じ問題の影響を受けているため）、適当でない可能性がある。この場合、基準は、適切な深さ、直径、および傾斜のバイアを有することが既知であるダイのファーフィールドパターンにすることができる。若しくは、未来の処理における偏りの発生を診断するのに有効な傾向データおよび統計を得るために、ウェーハ上の同じ区画をウェーハ毎にモニタすることができる。
【００６２】
現在の回折パターンと基準回折との相関を検定する際に、信号対ノイズを最大にするために、望ましい情報を含むファーフィールドパターンの領域を特定することが必要である場合が多い。こうした回折オーダの特定を促進するために、散乱および回折の物理的性質に関する詳細な数学的モデルを利用して、こうしたオーダの位置を予測することができる。適切なモデリング手法は、前記のリの論文に説明されている。こうしたオーダを特定したなら、コンピュータ相関の最適化、若しくは測定した回折パターンからの信号対ノイズを改善する装置の修正のためにこれを使用できる。このタイプのコンピュータシミュレーションの例を、図１０ａおよび図１０ｂに示した。図１０ａは、バイアのアレイが生成すると期待されるファーフィールドパターンのシミュレーションである。特定の処理エラーのシミュレーションを行なった後、結果として生じたファーフィールドパターンが、図１０ａのパターンと比較される。図１０ｂは、処理エラーによる各オーダの相対的な変化を示している。処理の変化が特定のオーダに与える影響が多ければ、そのオーダは、背景のグレイのレベルに比べ、暗く又は明るく見えることになる。図１０ｂは、正反射からより遠いオーダの方が、処理の変化に敏感なことを示している。
【００６３】
望ましい情報を含むオーダが特定されたなら、これらを使用して、コンピュータ相関を改善できる。例えば、反復するバイアアレイでは、表面上のエラーのある位置を特定するために、ダイの間での回折オーダの相関を検定する。反復しないバイア分布では、フーリエ面のゾーン同士のダイの間での相関が検定される。
【００６４】
更に、望ましい情報を含むオーダを特定した後、回折パターンの測定を強化する装置の修正を考慮できる。例えば、アンダエッチングを懸念する製造者は、バイアの深さに関するほとんどの情報を含むファーフィールドの領域に焦点を当てたいと考える可能性がある。しかし、こうした情報を実際に含むスポットを特定する方法が分からない可能性がある。正確な数学モデルにより、与えられた装置の設定および予想されるバイアのレイアウトに関して、こうしたオーダの特定を可能とする。このモデルは、装置の設定又はバイアのレイアウトにおける変化が、回折パターンにどのような影響を与えるかについても示し得る。その場合、対象とする情報を含むファーフィールド領域の信号対ノイズ比を高めるために、検出器の配置、照射源および角度、およびフィルタ構成（存在する場合）を選択することができる。
【００６５】
現在のファーフィールドパターンおよび基準情報を処理し、エラーが検出された後、エラーの分類を行なおうとする場合が生じる。図１１は、本発明のいくつかの実施形態に適した一般的なエラー分類フローを示している。このフローは、図８のステップ８２２に対応させることができる。第一に、ステップ１１０２で、エラーの分類方法が選択される。本発明におけるエラーの分類は、いくつかの形で利用できる。その一部は、処理逸脱の特定（ステップ１１０４）と、特定の処理エラーの発見的解析（ステップ１１０６）と、特定の処理エラーの比較解析（ステップ１１０８）と、共通欠陥シグネチャの検索（ステップ１１１０）である。エラーの分類が終了した後、ステップ１１１２でエラー分類報告を生成できる。
【００６６】
分類の単純なアプローチの一つは、表面が一定のダイ又は領域が、期待されるパターンと一致しない回折パターンを有する時を特定することである。これは、オペレータに対して、考えられる問題のタイプを特定することなく、処理逸脱の可能性を通知する（ステップ１１０４）。その後、ここで説明しているもの以外の手法（電子顕微鏡又はイオンミリング等）を使用した更なるテストを利用して、エラーのタイプを分類することができる。
【００６７】
別の分類アプローチにおいて、システムは、ファーフィールドパターンの少なくともいくつかの部分を特定のエラーと相関させることでエラーを分類できる。例えば、回折オーダの特定のクラスタにおける強度の増加は、アンダエッチングされたバイアがあることを示す可能性がある。この手法に従ったエラーの分類に適したシステムは、基準情報からの異なるタイプの逸脱を分類する発見的方法を含む（ステップ１１０６）。このタイプの分類の例は、図１２ａおよび図１２ｂのダイ同士の比較に示して。図１２ａおよび図１２ｂは、既知の正しいバイアを有するダイと、未知のバイアプロフィールを有するウェーハ上のダイとの高角度回折オーダの比較を示している。図１２ａは、このウェーハ上のすべてのダイが既知の正しいダイと非常に厳密に一致しており、このウェーハが許容できることを示している。図１２ｂは、このウェーハの中央のダイが既知の正しいダイと一致しておらず、アンダエッチングの影響を受けていることを示している。
【００６８】
分類のための追加的なアプローチにおいて、システムは、現在評価されている領域のファーフィールドパターンを基準データベースに格納されている情報と比較することでエラーを分類できる（ステップ１１０８）。基準データベースに格納されるファーフィールドパターン又は異なるファーフィールド領域の感度に関するデータは、様々な表面の状態と関連づけられる。現在のファーフィールドパターンが期待されるファーフィールドパターンと正確に一致しない場合、システムは現在のファーフィールドパターンを基準データベース内の他の関連するファーフィールドパターンそれぞれと比較しても良い。現在のファーフィールドパターンと最も類似するパターンは、その一致したパターンに関連したタイプのものとして、その表面のエラーを分類する。この手法では正確な一致を見つけられない場合がある。それでも、可能性の高い処理の逸脱の形態および規模を示すことができる。こうした分類の例の一つは、処理の逸脱をそれまでの処理履歴と比較することである。
【００６９】
処理データから読み取られた傾向は、処理の逸脱が決定的になる前にこれを特定し、予防的な対応を提案することができる。仮定的な例を図１３に示す。この週毎の処理逸脱チャートは、フィルタを交換すべき時に、許容できない処理の逸脱が発生していることを示している。この問題の解決策として、データが、同様の許容できない処理の逸脱が発生しそうなことを示した時に、フィルタを交換するという対応をとることができる。
【００７０】
回折パターンを格納するオプションのメモリ又は基準データベース５２８は、図５に示すように、コンピュータ４２０と結合される。最も単純なケースでは、正しく形成された表面から得られる単一のファーフィールドパターンのみが格納される。このパターンと比較することで、システムは、表面が望ましい構造から大きく逸脱しているかどうかを判断できる。更に複雑なシステムでは、基準データベースは更に、一つ以上のパラメータが変化する表面のファーフィールドパターンを記憶しておくことができる。好適な実施形態において、このデータベースは、完全に形成された表面と、開口部の深さのみが基準から変化した表面と、開口部の直径のみが基準から変化した表面と、開口部の傾斜のみが基準から変化した表面とに関して、予想されるファーフィールドパターンを記憶している。問題が発生する製造処理のほとんどは、当初は、表面位相における看過し得ない逸脱の原因にはならないため、データベース内の回折パターンは、基準となる表面上の特徴からの小さな逸脱のみを示す。時には、基準からの逸脱を更に具体的に特徴付けるために、データベースには、その他のファーフィールドパターンを記憶しておく。例えば、このデータベースには、基準より大きな直径を有する開口部に関するファーフィールドパターンや、基準より小さな直径を有する開口部に関する別のファーフィールドパターンを蓄積しておくことができる。ファーフィールドパターンの逸脱は、しばしば、基準のケースからの強度の変化に関する特定の「シグネチャ（固有の特徴）」を有する。評価している表面が、指定されたオーダにおいて同じシグネチャを含む場合、その表面は、シグネチャが最も一致するデータベースのファーフィールドパターンが示す変化を有するものとして分類することができる。
【００７１】
その他の実施形態および利点は、ここに開示した本発明の明細書および実施を検討することから当業者には明らかであろう。本明細書および各例は、前記特許請求の範囲が示す本発明の本来の範囲により、例示的なものとしてのみ考えられるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】 適正に形成されたバイアアレイに関するレーザ回折オーダのエネルギ分布を示す説明図である。
【図１ｂ】 図１ａの分布を生成するのに使用したものと同じ条件下において、詰まったバイアに関して得たレーザ回折オーダのエネルギ分布を示す説明図である。
【図２】 異なる直径およびコンタクトエッチング時間を有する類似したコンタクトアレイについて、回折パターン全体の全収集エネルギと回折パターンの高オーダ収集エネルギとにおける変化を表すグラフを示す説明図である。
【図３】 本発明の実施形態に従った散乱および回折光のダイ同士の比較を示す簡略化した仮定的な説明図である。
【図４】 本発明の実施形態の一つに従った回折信号の検出および比較を行う装置の様々な構成要素を示す概略構成図である。
【図５】 本発明の別の実施形態に従った回折信号の検出および比較を行う装置の様々な構成要素を示す概略構成図である。
【図６】 基板表面の照射と７９度までの角度での散乱および回折光の捕捉とをサポートできる光学システムの実施形態を示す説明図である。
【図７】 ファーフィールド光を集光し、表面上の特徴の画像を形成できる光学システムの実施形態を示す説明図である。
【図８】 本発明を実施するのに使用できる方法の高レベルプロセスフローチャートである。
【図９】 本発明の実施形態に従って、基準回折パターンと最近取得した回折パターンとの比較を行う方法のプロセスフローチャートである。
【図１０ａ】正しいバイアによって生成されるファーフィールドパターンのコンピュータシミュレーションを示す説明図である。
【図１０ｂ】 特定の処理エラーに対する図１０ａの回折オーダの感度を示す説明図である。
【図１１】表面上の特徴のエラーを特徴付けるのに使用できる方法の高レベルプロセスフローチャートである。
【図１２ａ】 既知の正しいバイアを有するダイと正しいバイアを有するウェーハ上のダイとのダイ同士の比較の結果を示す説明図である。
【図１２ｂ】既知の正しいバイアを有するダイと中央のダイに誤ったバイアを有するウェーハ上のダイとのダイ同士の比較の結果を示す説明図である。
【図１３】 将来の処理の偏位を防止するのに使用できる仮定的な処理履歴を示す説明図である。
【符号の説明】
１０、１２ … 回折光
１４、１６ … 領域
１８ … ウェーハ
２０ … 入射ビーム
２２、２４ … 散乱および回折放射
４０２、４２２ … 光源
４０４ … 光ビーム
４０６ … レンズ
４０８ … レイヤ
４０９ … Ｘ−Ｙ移動ステージ
４１０ … バイア又はコンタクトホール
４１２ … 散乱および回折光
４１４ … レンズシステム
４１６ … 解析光学機器
４１８、５４４ … センサ
４２０ … コンピュータ
４２３、５４０ … ビーム分配器
４２４ … 補助センサ
５１６、５１８ … レンズ
５２６ … フーリエフィルタ又はアパーチャ
５２８ … メモリ又はデータベース
５４１ … ビーム
５４２ … レンズ
５５２ … 光、照射
５６６ … 光源
６０４ … 表面
６０５ないし６２２ … 一連のレンズおよび鏡
６０５ … 要素
６０６ … ドーム形状反射器
６２３ … 瞳孔面
６２５ … アパーチャ
６２７ … 正反射
７０２ないし７１２ … 一連のレンズ
７１４ … 画像面
Claims (19)
- 区画されたパターンを有する電子デバイスの表面の状態を解析する方法であって、
（ａ）表面の特徴で光が散乱および回折するように、単色干渉光源であるレーザを光源により、前記表面の第一の領域を照射し、
（ｂ）該第一の領域表面に前記照射を行なうことで得られた前記第１の領域表面からの散乱および回折した散乱回折光であって、光の単一のポイントのみが画像化されるファーフィールド回折パターンの散乱回折光を、フーリエ平面に近接した位置で検出し、
（ｃ）前記ファーフィールド散乱回折光の前記検出したファーフィールド回折パターンにおける各次数の回折光の強さを、前記第一の領域の期待される状態に対応する状態を有する基準領域から回折した光の基準回折パターンにおける各次数の回折光の強さと比較し、
（ｄ）前記第一の領域からのファーフィールド回折パターンにおける各次数の回折光の強さが、前記基準回折パターンにおける各次数の回折光の強さから大きく逸脱している場合には、前記第一の領域は許容範囲外にあると判断し、
（ｅ）前記第一の領域からのファーフィールド回折パターンにおける各次数の回折光の強さが、前記基準回折パターンにおける各次数の回折光の強さから大きく逸脱していない場合には、前記第一の領域は許容範囲内にあると判断する
解析方法。 - 前記表面が半導体ウェーハ表面であり、前記第一の領域が半導体ウェーハ上の第一のダイ又はゾーンであり、前記基準領域が半導体ウェーハ上の第二のダイ又はゾーンである請求項１記載の方法。
- 前記基準回折パターンが、前記第一の領域の期待される状態を有する表面から得た各次数の回折光の強さである請求項１記載の方法。
- 請求項１に記載の方法であって、更に、
画像のデータベースから基準パターンを選択し、
該画像のデータベースが、前記第一の領域の規準パターンから変化した領域の回折パターンを含む
解析方法。 - 請求項１に記載の方法であって、更に、
前記表面の第一の領域からの散乱回折光を検出する前に、ファーフィールド光をフィルタリング又は偏光させる解析方法。 - 請求項１記載の方法であって、
前記第一の領域は、フィルムに複数の開口の存在する第一の部分であり、前記基準領域は、フィルムに複数の開口が存在する第二の部分であり、
前記（ｃ）の比較は、前記第一の部分と前記第二の部分からのファーフィールド回折パターンにおける前記各次数の回折光の強さのバラツキにより行なう
解析方法。 - 前記フィルムが半導体ウェーハ上の誘電層である請求項６記載の方法。
- 前記開口部が誘電層のバイア又はコンタクトホールである請求項７記載の方法。
- 前記第一の部分が半導体ウェーハ上の第一のダイであり、この第二の部分が半導体ウェーハ上の第二のダイである請求項６記載の方法。
- 基板表面の位相的特徴の状態を評価する装置であって、
前記基板表面によって光が回折するように、該基板表面に向けて光を送るように構成された単色干渉光源であるレーザを発する光源と、
前記基板表面によって散乱および回折した光のファーフィールド散乱回折光の回折パターンを捕捉および伝送するように構成され、前記ファーフィールド回折パターンを、フーリエ平面に近接した位置で検出するセンサと、
以下の処理、即ち、（ｉ）前記ファーフィールド散乱回折光の前記検出したファーフィールド回折パターンにおける各次数の回折光の強さを、前記第一の領域の期待される状態に対応する状態を有する基準領域から回折した光の基準回折パターンにおける各次数の回折光の強さと比較し、（ｉｉ）前記第一の領域からのファーフィールド回折パターンにおける各次数の回折光の強さが、前記基準回折パターンにおける各次数の回折光の強さから大きく逸脱している場合には、前記第一の領域は許容範囲外にあると判断し、（ｉｉｉ）前記第一の領域からのファーフィールド回折パターンにおける各次数の回折光の強さが、前記基準回折パターンにおける各次数の回折光の強さから大きく逸脱していない場合には、前記第一の領域は許容範囲内にあると判断するように構成されたコンピュータと
を備える評価装置。 - 請求項１０記載の評価装置であって、更に、
前記基板表面から散乱および回折した光を捕捉し、前記センサに向けて送るように調整されたレンズを備える評価装置。 - 更に、基準回折パターンを格納し、コンピュータに結合されるか若しくはコンピュータの構成要素である記憶装置を備える請求項１０記載の装置。
- 前記記憶装置が、前記基板表面からの回折光として期待される多数の状態に関する複数の基準回折パターンを格納するデータベースである請求項１２記載の装置。
- 前記光源が干渉性のコヒーレントな光源である請求項１０記載の装置。
- 前記センサがカメラである請求項１０記載の装置。
- 前記センサが電荷結合素子又はフォトダイオードアレイである請求項１０記載の装置。
- 請求項１０記載の方法を用いた装置であって、更に、
基板表面からのファーフィールド回折パターンの一つ以上の領域をブロックするように調整されたフーリエフィルタを備える装置。 - 請求項１０記載の方法を用いた装置であって、更に、
基板表面を視認する顕微鏡を有する光学機器を更に備える装置。 - 請求項１０記載の方法を用いた装置であって、
当該装置が、回折光の、特定の表面の状態に対して敏感な部分のみを画像化するように構成された装置。
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