JP4450720B2 - 欠陥検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体基板の欠陥検査方法に関する。

近年、ＬＳＩ（Large Scale Integrator）をはじめとする各種半導体装置は、その高集積化に伴い、パターンの微細化や多層化が進んでいる。そのため、半導体装置の製造過程でウェーハ上に生じることのあるパターン欠陥やパーティクル付着等（単に「欠陥」という。）は、半導体装置の歩留まりに大きく影響してくる。特にパーティクルは、その発生源を特定しにくく、また、付着する箇所を予測することが困難であるため、その発生を未然に防ぐための対策をいかに講じるかが重要な課題になっている。しかし最近では、そのようなパーティクルが、例えばその外縁から若干内側に入った領域のようなウェーハ端部を発生源としている場合が少なくないことがわかってきた。

ウェーハ表面の検査は、これまでのところ、マクロ検査用顕微鏡を用いたものやＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）を用いてマニュアル操作で行うもの等が主流である。最近ではこのほかにも、レーザー散乱方式の検査装置や画像認識を行う検査装置等、半導体製造装置とは別の専用の表面検査装置（「専用検査装置」という。）も用いられるようになってきている。

また、従来の専用検査装置の中には、面取りされたウェーハ端を異なる角度から捉える複数の撮像カメラを配置し、撮像カメラを逐一移動させることなく、ウェーハ端の厚さ方向全部を明瞭にそして同時に撮像することができるようにしたものも提案されている（特許文献１参照。）。これにより、ウェーハ端の欠陥を検出する際の装置の操作性と撮像精度の向上を図る試みがなされている。
特開２００３−２４３４６５号公報

しかし、従来の各検査方法においては次のような問題点があった。
まず、顕微鏡等をマニュアル操作して検査する方法では、通常半導体装置の製造工程は非常に多数に上るため、各工程あるいは数工程を経るたびにそのような検査を行っていると、ウェーハの検査に多大な労力と時間を費やさなければならなくなってしまう。これはウェーハのサイズが大きくなればいっそう顕著になり、半導体装置の生産性を低下させてしまう。また、その検査結果を製造条件の変更等に素早く反映させることが困難であるため、生産性の低下に加え、歩留まり低下を招くおそれもある。

さらに、検査をマニュアル操作で行う際には、オペレータによる欠陥であるか否かの判定が困難な場合があったり、またそれによって検査を行うオペレータによる差が生じたりすることも起こりかねない。また、マニュアル操作によって欠陥を検出しても、その座標データを取得することができず、検出結果をその後の解析に活かしていくことは容易でない。

一方、専用検査装置を使って検査する場合、マニュアル操作で行う場合に比べれば欠陥検出自体は効率的に行えるものの、専用検査装置の操作や監視が必要になるため、検査全体に要する手間は却って増えてしまうこともある。さらに、現行の専用検査装置は、製品になり得るチップが形成されるような領域（「有効チップ領域」という。）の情報を取得することを目的としているため、そのようなチップが形成されることの少ないウェーハ端部の情報を高精度で取得することを想定した構成にはなっていない。

さらにまた、現行の専用検査装置の中には、欠陥箇所のイメージデータを得ることはできても、それがモノクロであるために膜厚異常等として認識する感度が低いものもある。そして、専用検査装置で検出された異常が本当にそのウェーハの欠陥であるか否かの最終的な判断はやはりオペレータに委ねられることになる。

従来、ウェーハ端の撮像精度を向上させる専用検査装置も提案されてはいるが、さらなる欠陥検出精度の向上を図るためには、ウェーハ上の有効チップ領域は勿論のこと、パーティクル発生源となる可能性のあるウェーハ端からより内側に入った領域を含むウェーハ端部をも、高精度で撮像して検査する必要がある。

本発明の一観点によれば、半導体基板を回転台に搭載する工程と、前記回転台を少なくとも１回転させて、前記半導体基板の回転位置合わせを行うと共に、前記半導体基板の表面画像を前記半導体基板の円周に沿って取得する工程と、前記表面画像に基づいて、前記半導体基板の表面の欠陥を検出する工程と、を有する欠陥検査方法が提供される。

開示の欠陥検査方法によれば、半導体装置の生産性を低下させることなく、半導体基板上を効率的にかつ精度良く検査することができ、信頼性の高い半導体装置を歩留まり良く製造することが可能になる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。
まず、第１の実施の形態について説明する。
図１は第１の実施の形態の半導体製造装置の概略図である。

この図１に示す半導体製造装置１は、その処理前にローダ２にロードされたウェーハ１０に形成されているノッチ１１の位置合わせ（「ノッチ合わせ」という。）を行うためのノッチセンサ部３を有すると共に、ウェーハ１０上、例えば端部を撮像するためのイメージセンサ部４を有している。

ここで、ノッチセンサ部３は、ローダ２上で一定速度で回転させられるウェーハ１０の表面に光を照射し、例えば、ノッチ１１での透過光をウェーハ１０の裏面側で検出し、あるいはノッチ１１以外の部分からの反射光をウェーハ１０の表面側で検出して、ノッチ合わせを行う。

また、イメージセンサ部４は、例えばＣＣＤ（Charge Coupled Device）等を用いて構成される。イメージセンサ部４は、イメージプロセッサ５に接続され、これによりウェーハ１０上のイメージデータが取得される。半導体製造装置１は、このようにして取得されるイメージデータを用いて欠陥の有無を検査するようになっている。半導体製造装置１における欠陥検出の流れについては後述する。

なお、この第１の実施の形態の半導体製造装置１は、エッチング装置、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）装置、成膜装置等、各種半導体装置の所定の製造工程に用いる装置であって、従来上記ノッチセンサ部３のようなウェーハ１０のノッチ合わせ機構を備えたものであれば、その種類は特に限定されない。すなわち、この半導体製造装置１は、そのようなノッチ合わせ機構を備えた装置に、さらにウェーハ１０上のイメージデータを取得することのできる機構を付加して構成されている。

図２はイメージセンサ部の構成例である。
上記半導体製造装置１のイメージセンサ部４には、ラインスキャンカメラ４１が用いられており、ウェーハ１０上の撮像が行えるように配置される。ラインスキャンカメラ４１には２．５倍光学系４２が取り付けられている。さらに、その先にはリング照明４３が取り付けられていて、ラインスキャンカメラ４１の撮像領域に光を上方から照射するようになっている。

図３はリング照明のウェーハへの照射状態の模式図である。
ウェーハ１０は、その端部に、中央部から続く平坦面１０ａと、この平坦面１０ａに続く傾斜面１０ｂ，１０ｃ、および端面１０ｄが形成されている。ラインスキャンカメラ４１の撮像方向が平坦面１０ａ垂直方向に一致していて、その撮像領域がウェーハ１０の端部である場合にも、リング照明４３は、平坦面１０ａと傾斜面１０ｂ，１０ｃのいずれの領域に対しても光を照射することができる。

また、図２に示したイメージセンサ部４には、このようなリング照明４３のほかにも、ラインスキャンカメラ４１の撮像領域に光を斜め方向から照射する斜方照明４４が用いられている。この斜方照明４４によって撮像領域の光量、特に傾斜面１０ｂ，１０ｃに対する光量が補われる。

なお、ここではウェーハ１０をその一方の面側から撮像しその端部のイメージデータを取得する場合を例にして述べているが、イメージデータの取得は、イメージセンサ部４を移動してその撮像領域を変更したり、イメージセンサ部４の撮像方向の角度を変えて撮像領域を変更したり、あるいはイメージセンサ部４を複数箇所に配置したりすることにより、原理的にはウェーハ１０の中央から端面に至るその全面に対して可能である。

図４はイメージセンサ部の配置例を示す図である。
この図４には、ウェーハ１０上の異なる４箇所を撮像領域とするようにイメージセンサ部４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄを配置した状態を示している。イメージセンサ部４ａは、ウェーハ１０の表面側の平坦面１０ａを撮像することができるように配置されている。また、イメージセンサ部４ｂは表面側の傾斜面１０ｂ，１０ｃを、イメージセンサ部４ｃは端面１０ｄを、イメージセンサ部４ｄは裏面側の傾斜面１０ｅ，１０ｆを、それぞれ撮像することができるように配置されている。

このようにイメージセンサ部４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄをウェーハ１０上の異なる領域に配置すれば、ウェーハ１０上の様々な欠陥を検出することが可能になる。例えば、その半導体製造装置１の種類（処理）に応じ、図４に示したイメージセンサ部４ａでは平坦面１０ａにおけるパターン焼き付け部分の剥がれや傷等を、イメージセンサ部４ｂでは表面側の傾斜面１０ｂ，１０ｃの傷や膜剥がれ等を、イメージセンサ部４ｃでは端面１０ｄの傷等を、また、イメージセンサ部４ｄでは裏面側の傾斜面１０ｅ，１０ｆへのレジストの回り込み等を、それぞれ検出することが可能になる。

このように、イメージセンサ部４を所定数、所定領域に配置してイメージデータの取得が行われる。
図５は取得されるイメージデータの模式図である。この図５には、ウェーハ端部のイメージデータを示している。但し、実際のイメージデータは、カラーで取得されるようになっている。

半導体製造装置１は、ノッチ合わせ時に回転するウェーハ１０からイメージセンサ部４によってイメージデータを取得すると、それをこの図５に示すような帯状イメージデータ２０に加工するようになっている。このとき生成される帯状イメージデータ２０は、例えば、ウェーハ１０がノッチからノッチまで１回転したときのデータである。

帯状イメージデータ２０には、イメージセンサ部４の撮像方向をウェーハ１０の平坦面１０ａ垂直方向に一致させた場合、例えば、イメージセンサ部４からウェーハ１０までの距離に応じた領域ごと、すなわち平坦面１０ａや傾斜面１０ｂ，１０ｃといった領域ごとに、異なるカラーが付与される。このように、半導体製造装置１は、ウェーハ１０が回転したときに撮像され取得されるイメージデータを、連続する帯状イメージデータ２０に加工し、欠陥の有無を検査するのに用いる。

例えば、帯状イメージデータ２０の両端間を一定の幅で複数の領域に分割し、分割後に隣接する領域のデータ同士を比較し、両者に一定のレベルを超えるような違いがあるか否かを判定することによって欠陥の可能性のある部分を抽出する。あるいは、帯状イメージデータ２０を、全く欠陥のないウェーハ（ゴールデンサンプル）について取得したイメージデータと比較し、両者に一定のレベルを超えるような違いがあるか否かを判定することによって欠陥の可能性のある部分を抽出するようにしてもよい。

ただし、半導体製造装置１の稼動状態は刻々と変化するため、帯状イメージデータ２０を取得する都度ゴールデンサンプルのイメージデータを取得するのでなければ、帯状イメージデータ２０をゴールデンサンプルのデータと比較するよりは、その帯状イメージデータ２０内の複数分割領域間のデータ同士を比較した方が、そのような稼動状態の変動による影響を回避することができる。

なお、帯状イメージデータ２０を用いて欠陥の可能性のある部分を抽出する方法は、ここに例示したような方法に限られず、その他の方法を用いても構わない。
また、図１に示した半導体製造装置１の異常サンプルデータベース６には、あらかじめ過去の異常サンプルの特徴、例えば、形状、大きさ、色、濃淡等に関して異常があったサンプルのデータを基に設けられたレベル値が記憶されている。具体的には、異常があったサンプル（または領域）のイメージデータと異常のないサンプル（または領域）のイメージデータとの差分が求められ、その値が以降の製造工程に及ぼす影響の程度等を考慮してレベル値として設定され、異常サンプルデータベース６に記憶される。

図６は過去の異常サンプルの一例を示すウェーハ平面図、図７はウェーハ端部の一部拡大図である。
この図６および図７はそれぞれ、半導体装置の製造過程で一定の処理に続いてＣＭＰ処理を行った後のウェーハ３０表面の模式図と、ＣＭＰ処理前のウェーハ３０表面端部のＳＥＭ写真である。図６に示したように、これまでＣＭＰ処理後には、ウェーハ３０表面にハードスクラッチ３１が発生してしまう場合があった。ハードスクラッチ３１は、チップ３２が形成されている中央部よりは、ウェーハ３０の端部に近い領域に多く見られていた。このようなハードスクラッチ３１が発生したウェーハ３０の端部を検査したところ、図７に示したように、有効チップ領域外に膜剥がれ３３が発生していた。このような過去の異常サンプルにおける膜剥がれ３３等の欠陥を基に、適当なレベル値が設定され、異常サンプルデータベース６に記憶される。

半導体製造装置１は、欠陥を検出する際には、帯状イメージデータ２０を取得して欠陥の可能性のある部分を抽出した後に、異常サンプルデータベース６を参照し、欠陥の可能性のある部分が一定のレベル値を超えるか否かを判定し、レベル値を超えたときにはその部分を欠陥として検出するようになっている。

以下に上記半導体製造装置１における欠陥検出の流れを説明する。
図８は第１の実施の形態の半導体製造装置における欠陥検出の流れを示す図である。また、図９は欠陥検出の概略模式図である。

半導体製造装置１において欠陥を検出する際には、図８に示すように、まず、半導体製造装置１所定のカセット等に複数枚のウェーハがセットされ（ステップＳ１）、セットされた複数枚のウェーハの中から１枚がアーム等で搬送され、ローダ２にロードされる（ステップＳ２）。

このローダ２にロードされたウェーハ１０に対し、これを一定速度で回転させながらノッチセンサ部３によるノッチ合わせが行われる（ステップＳ３）。さらに、このノッチ合わせと同時に、回転するウェーハ１０のイメージデータがイメージセンサ部４によって取得される（ステップＳ４）。

このようにして取得されたイメージデータから欠陥の可能性のある部分が抽出される（ステップＳ５）。その際、半導体製造装置１では、例えば図９に示すように、帯状イメージデータ５０が生成され、それが一定の幅で分割される。そして、分割後に得られる分割領域Ａとその隣りの分割領域Ｂ、分割領域Ｂとその隣りの分割領域Ｃ、というように、帯状イメージデータ５０の始点から終点に向かって分割領域Ａ〜Ｓのイメージデータが順次比較され（図９上図）、差分が求められる（図９下図）。そして、その結果、差分がピークとなって得られる箇所の座標や差分の値が欠陥の可能性のある部分として抽出される。この図９の例では、差分が大きくなる２つのピーク５１，５２が認められ（図９下図）、これらが欠陥の可能性のある部分として抽出されるようになる。

その後、半導体製造装置１では、異常サンプルデータベース６が参照され（ステップＳ６）、欠陥の可能性があるとして抽出された部分の差分の値が、あらかじめ設定されているレベル値（図９下図点線）を上回るか否かが判定される（ステップＳ７）。差分の値がレベル値を上回る場合には、その部分が欠陥であると判定される。図９の例では、２つのピーク５１，５２共にレベル値を上回っており、それらが生じる原因となった分割領域Ｊ，Ｌにそれぞれ欠陥５３，５４が存在すると判定されるようになる。

ウェーハ１０について、この図９の例のように欠陥が存在すると判定された場合には、そのウェーハ１０は半導体製造装置１の処理には進められずローダ２から再びカセット等に戻され（ステップＳ８）、そのことが関係スタッフに通知される（ステップＳ９）。

また、ステップＳ７において、差分の値がレベル値を下回り欠陥が存在しないと判定された場合には、そのまま半導体製造装置１の処理が実行される（ステップＳ１０）。
以上説明したように、第１の実施の形態の半導体製造装置１では、ノッチセンサ部３によるノッチ合わせと同時に、イメージセンサ部４によるウェーハ１０上のイメージデータが取得される。このように半導体製造装置１のノッチ合わせと同時にイメージデータを取得するため、工程間で顕微鏡を用いたり専用検査装置を用いたりせずに、その半導体製造装置１における処理前に、効率的に欠陥の検出が行える。そして、欠陥が検出されたウェーハ１０については処理を行わないようにしたため、無駄な処理を行わなくて済むようになる。さらに、欠陥箇所を特定することができ、それを欠陥発生原因の解析に利用することが可能である。また、カラーのイメージデータを用いることで、膜厚異常等の従来見過ごされることがあった欠陥についても精度良く検出することができる。このような半導体製造装置１を用いることにより、欠陥判定基準の統一化が図られ、欠陥を高精度に検出することができ、信頼性の高い半導体装置を効率的に歩留まり良く製造することが可能になる。

次に、第２の実施の形態について説明する。
図１０は第２の実施の形態の半導体製造装置の概略図である。ただし、図１に示した要素と同一の要素については同一の符号を付し、その説明の詳細は省略する。

上記図１に示した第１の実施の形態の半導体製造装置１では、ノッチセンサ部３に加えてイメージセンサ部４を設け、ノッチセンサ部３によるノッチ合わせを行いながらイメージセンサ部４によるイメージデータの取得を行うこととしたが、イメージセンサ部４のみでノッチ合わせとイメージデータの取得を行うようにすることも可能である。図１０に示す第２の実施の形態の半導体製造装置６０は、この点で第１の実施の形態の半導体製造装置１と相違する。その他の構成は第１の実施の形態の半導体製造装置１と同様である。

図１１は第２の実施の形態の半導体製造装置における欠陥検出の流れを示す図である。
半導体製造装置６０において欠陥を検出する際には、まず、セットされた複数枚のウェーハ中から１枚がローダ２にロードされる（ステップＳ２０，Ｓ２１）。そして、ロードされたウェーハ１０が一定速度で回転され、イメージセンサ部４によってウェーハ１０のイメージデータが取得される（ステップＳ２２）。取得されるイメージデータにはノッチ部分のデータも含まれるので、ノッチを識別することが可能であり、それにより、イメージデータの取得と同時にノッチ合わせを行うことができる。

以降は第１の実施の形態の場合と同様に、取得されたイメージデータから欠陥の可能性のある部分の座標や差分の値が抽出され（ステップＳ２３）、異常サンプルデータベース６が参照されて（ステップＳ２４）、差分の値がレベル値を上回るか否かが判定される（ステップＳ２５）。差分の値がレベル値を上回り欠陥が存在すると判定された場合には、そのウェーハ１０は半導体製造装置６０の処理には進められず戻され（ステップＳ２６）、関係スタッフに通知される（ステップＳ２７）。また、ステップＳ２５において、差分の値がレベル値を下回り欠陥が存在しないと判定された場合には、そのまま半導体製造装置６０の処理が実行される（ステップＳ２８）。

このように第２の実施の形態の半導体製造装置６０では、イメージセンサ部４によってイメージデータの取得とノッチ合わせを行うようにしたため、第１の実施の形態の半導体製造装置１の場合のようなノッチセンサ部３が不要になる。それにより、効率的に精度良く欠陥を検出することのできる装置の簡素化を図ることができる。

なお、以上の説明では、主に、ウェーハ１０の端部の欠陥を検出する場合を例にして述べたが、前述のように、イメージセンサ部４の配置、撮像方向、配置数等を適当に設定することにより、ウェーハ全面すなわちウェーハ上のすべての領域について欠陥の有無を検査することが可能である。

また、以上の説明では半導体製造装置１，６０を枚様式としたが、バッチ式の半導体製造装置の場合であっても、その前段で１バッチ分のウェーハをセットするための移載機に通常ノッチ合わせ機構が設けられているため、そのノッチ合わせ機構と共にあるいはそのノッチ合わせ機構に代えて、イメージデータを取得するための機構を付加すれば、上記半導体製造装置１，６０の場合と同様にウェーハ上の欠陥の有無を検査することが可能である。

本発明の特徴は、ウェーハの回転動作を伴う半導体製造装置であれば、ウェーハのオリフラ合わせと同時に実行されてもよく、一般に、ウェーハの回転機構を伴う位置合わせ動作と同時に用いて好ましい。

（付記１） 半導体装置の製造過程で所定の処理を行う半導体製造装置において、
前記所定の処理前にウェーハの位置合わせと前記ウェーハ上のイメージデータの取得とを同時に行うようにしたことを特徴とする半導体製造装置。

（付記２） 取得されたイメージデータを帯状に加工し、加工されたイメージデータを一定の幅に分割し、分割されたイメージデータ同士を比較することによって欠陥の有無を判定することを特徴とする付記１記載の半導体製造装置。

（付記３） 取得されたイメージデータを、あらかじめ用意されたイメージデータと比較することによって欠陥の有無を判定することを特徴とする付記１記載の半導体製造装置。

（付記４） 欠陥が存在しないと判定されたウェーハについてのみ前記所定の処理を行うことを特徴とする付記２および３記載の半導体製造装置。
（付記５） 前記ウェーハのノッチの位置合わせに用いるノッチセンサ部と、前記ウェーハ上のイメージデータの取得に用いるイメージセンサ部と、を有することを特徴とする付記１記載の半導体製造装置。

（付記６） 異なる領域のイメージデータの取得に用いる複数のイメージセンサ部を有していることを特徴とする付記１記載の半導体製造装置。
（付記７） イメージデータの取得に用いるイメージセンサ部を有し、前記イメージセンサ部の前記ウェーハに対する角度を変化させることができるようにしたことを特徴とする付記１記載の半導体製造装置。

（付記８） 半導体装置の製造方法において、
ウェーハの位置合わせと前記ウェーハ上のイメージデータの取得とを同時に行うようにしたことを特徴とする半導体装置の製造方法。

（付記９） 取得されたイメージデータを帯状に加工し、加工されたイメージデータを一定の幅に分割し、分割されたイメージデータ同士を比較することによって欠陥の有無を判定することを特徴とする付記８記載の半導体装置の製造方法。

（付記１０） 取得されたイメージデータを、あらかじめ用意されたイメージデータと比較することによって欠陥の有無を判定することを特徴とする付記８記載の半導体装置の製造方法。

（付記１１） 欠陥が存在しないと判定されたウェーハについてのみ所定の処理を行うことを特徴とする付記９および１０記載の半導体装置の製造方法。

第１の実施の形態の半導体製造装置の概略図である。 イメージセンサ部の構成例である。 リング照明のウェーハへの照射状態の模式図である。 イメージセンサ部の配置例を示す図である。 取得されるイメージデータの模式図である。 過去の異常サンプルの一例を示すウェーハ平面図である。 ウェーハ端部の一部拡大図である。 第１の実施の形態の半導体製造装置における欠陥検出の流れを示す図である。 欠陥検出の概略模式図である。 第２の実施の形態の半導体製造装置の概略図である。 第２の実施の形態の半導体製造装置における欠陥検出の流れを示す図である。

符号の説明

１，６０ 半導体製造装置
２ ローダ
３ ノッチセンサ部
４，４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ イメージセンサ部
４１ ラインスキャンカメラ
４２ ２．５倍光学系
４３ リング照明
４４ 斜方照明
５ イメージプロセッサ
６ 異常サンプルデータベース
１０，３０ ウェーハ
１０ａ 平坦面
１０ｂ，１０ｃ，１０ｅ，１０ｆ 傾斜面
１０ｄ 端面
１１ ノッチ
２０，５０ 帯状イメージデータ
３１ ハードスクラッチ
３２ チップ
５１，５２ ピーク
５３，５４ 欠陥
Ａ〜Ｓ 分割領域

Claims (4)

1. 半導体基板を回転台に搭載する工程と、
   前記回転台を少なくとも１回転させて、前記半導体基板の回転位置合わせを行うと共に、前記半導体基板の表面画像を前記半導体基板の円周に沿って取得する工程と、
   前記表面画像に基づいて、前記半導体基板の表面の欠陥を検出する工程と、
   を有することを特徴とする欠陥検査方法。
2. 前記欠陥を検出する工程は、前記半導体基板の第１の部分の前記表面画像を、前記第１の部分とは異なる第２の部分の前記表面画像と比較することにより行われることを特徴とする請求項１に記載の欠陥検査方法。
3. 前記第１の部分の前記表面画像を、前記第２の部分の前記表面画像と比較することにより、前記第１の部分と前記第２の部分との差分を求め、前記差分が、あらかじめ設定された値を上回る場合に、前記第１の部分に欠陥が含まれると判定することを特徴とする請求項２に記載の欠陥検査方法。
4. 前記表面画像に基づいて前記欠陥が検出されなかった場合に、前記回転台に搭載されている前記半導体基板に半導体装置の製造が行われることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の欠陥検査方法。

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