JP5252286B2 - 表面検査方法、表面検査装置および検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体製造工程においてウェハ等の基板表面を検査する方法および装置に関する。

半導体回路素子や液晶表示素子の製造工程では、半導体ウェハや液晶基板等の基板表面に形成された繰り返しパターンの検査が行われる。自動化された表面検査装置では、チルト可能なステージの上に基板を載置して、ステージ上の基板の表面に検査用の照明光（検査光）を照射し、例えば、基板表面に形成された繰り返しホールパターンから発生する回折光に基づいて基板の画像を取り込み、この画像の明暗差（コントラスト）に基づいてホールパターンの異常を検出する（例えば、特許文献１を参照）。さらに、このような表面検査装置は、ステージをチルト調整することにより、基板表面における繰り返しピッチが異なる配列のホールパターンの検査を行うことができる。
特開２００６−１０５９５１号公報

しかしながら、例えば波長が２４８ｎｍの検査光を用いる場合、ホールパターンのピッチが１４０ｎｍより小さいと、回折光が発生せず、回折光を利用した検査を行うことができなくなってしまう。また、上述のようにパターンのピッチが小さいとき、ライン・アンド・スペースパターンに対しては偏光を用いた検査が有効であるが、ホールパターンに対しては偏光を用いた検査が難しかった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、パターンの微細化が進んでもホールパターンの検査が可能な検査方法および装置を提供することを目的とする。

このような目的達成のため、本発明に係る表面検査方法は、所定波長の検査光を基板の表面に照射して得られる回折光に基づいて前記基板の表面を検査する表面検査方法であって、前記基板の表面に、前記検査光により前記回折光を発生させることが可能な最小ピッチよりも小さいピッチ間隔を有する配列でホールパターンが形成されており、前記ホールパターンにおいて前記最小ピッチ以上の繰り返しピッチを有する配列のパターンを抽出または作出する第１のステップと、前記第１のステップで抽出または作出した前記パターンの繰り返しピッチに対応する回折光が発生するように前記検査光を前記基板の表面に照射する第２のステップと、前記第２のステップでの前記検査光の照射によって発生した前記回折光を検出する第３のステップと、前記第３のステップで検出した前記回折光に基づいて前記ホールパターンにおける欠陥の有無を検査する第４のステップとを有している。

なお、上述の表面検査方法において、前記第１のステップでは、複数の前記ホールパターンを一塊のホールパターンとした、前記最小ピッチ以上の繰り返しピッチを有する配列のパターンを抽出することが好ましい。

また、上述の表面検査方法において、前記第１のステップでは、前記ホールパターンの中から他のホールパターンと形状の異なるホールパターンからなる前記最小ピッチ以上の繰り返しピッチを有する配列のパターンを抽出するようにしてもよい。

またこのとき、前記他のホールパターンと形状の異なるホールパターンは、前記他のホールパターンと比べてホール径が大きいホールパターンであることが好ましい。

また、本発明に係る表面検査装置は、所定波長の検査光を基板の表面に照射して得られる回折光に基づいて前記基板の表面を検査する表面検査装置であって、前記基板の表面に、前記検査光により前記回折光を発生させることが可能な最小ピッチよりも小さいピッチ間隔を有する配列でホールパターンが形成されており、前記ホールパターンにおいて前記最小ピッチ以上の繰り返しピッチを有する配列のパターンを抽出または作出する設定部と、前記設定部により抽出または作出された前記パターンの繰り返しピッチに対応する回折光が発生するように前記検査光を前記基板の表面に照射する照明部と、前記照明部による前記検査光の照射によって発生した前記回折光を検出する検出部と、前記検出部により検出された前記回折光に基づいて前記ホールパターンにおける欠陥の有無を検査する検査部とを備えて構成される。

なお、上述の表面検査装置において、前記基板を保持した状態で、前記基板を傾動可能な支持部をさらに備えることが好ましい。

また、上述の表面検査装置において、前記照明部は、前記検査光の波長を選択する波長選択部を有していることが好ましい。
また、本発明に係る検査方法は、第１のピッチで配列される複数のホールパターンがなす塊が、前記第１のピッチよりも大きい第２のピッチで配列された基板を、前記第１のピッチの２倍よりも長く前記第２のピッチの２倍よりも短い波長の光で照明し、前記ホールパターンで回折した光を検出し、検出結果に基づいて前記ホールパターンにおける欠陥の有無を検査する。
なお、上述の検査方法において、前記照明のための複数の波長を含む光から前記照明する波長の光を選択することが好ましい。
また、上述の検査方法において、前記回折した光で前記基板を撮像することが好ましい。
また、上述の検査方法において、前記ホールパターンが含まれるチップ領域全体を一括して撮像することが好ましい。

本発明によれば、パターンの微細化が進んでもホールパターンの検査が可能になる。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。本実施形態に係る表面検査装置の一例を図２に示しており、この装置により被検基板である半導体ウェハ１０（以下、ウェハ１０と称する）の表面欠陥（異常）を検査する。本実施形態の表面検査装置１は、ウェハ１０を載置保持するホルダ５を備え、不図示の搬送装置によって搬送されてくるウェハ１０を、ホルダ５の上に載置させるとともに真空吸着によって固定保持する。ホルダ５は、このように固定保持したウェハ１０の中心（ホルダ５の中心）を通りウェハ１０の表面に垂直な軸ＡＸを回転軸として、ウェハ１０を回転（ウェハ１０の表面内での回転）可能に保持する。また、ホルダ５は、ウェハ１０の表面に沿った軸を中心に、ウェハ１０をチルト（傾動）させることが可能であり、検査用照明光（後述する検査光）の入射角を調整できるようになっている。

表面検査装置１はさらに、ホルダ５に固定保持されたウェハ１０の表面に検査用照明光（以下、検査光と称する）を平行光として照射する照明光学系２０と、検査光の照射を受けたときのウェハ１０からの反射光や回折光等を集光する集光光学系３０と、集光光学系３０により集光された光を受けてウェハ１０の表面の像を検出するＣＣＤカメラ４０とを備えて構成される。照明光学系２０は、メタルハライドランプや水銀ランプ等の光源２１と、特定の波長を有する光を選択的に透過させる波長選択部２２と、波長選択部２２を透過した光を案内する光ファイバ２３と、光ファイバ２３から射出された検査光を反射させる照明側凹面鏡２５とを主体に構成される。

そして、光源２１からの光は波長選択部２２を透過し、特定の波長（例えば、２４８ｎｍの波長）を有する照明光が検査光として光ファイバ２３から照明側凹面鏡２５へ射出され、光ファイバ２３から照明側凹面鏡２５へ射出された検査光は、光ファイバ２３の射出部が照明側凹面鏡２５の焦点面に配置されているため、照明側凹面鏡２５により平行光束となってホルダ５に保持されたウェハ１０の表面に照射される。なお、ウェハ１０に対する検査光の入射角と出射角との関係は、ホルダ５をチルト（傾動）させてウェハ１０の載置角度を変化させることにより調整可能である。

ウェハ１０の表面からの出射光（反射光もしくは回折光）は集光光学系３０により集光される。集光光学系３０は、ホルダ５に対向して配設された受光側凹面鏡３１を主体に構成され、受光側凹面鏡３１により集光された出射光（反射光もしくは回折光）は、ＣＣＤカメラ４０の撮像レンズ４１を経て撮像素子４２上に達し、ウェハ１０の像が結像される。この結果、ウェハ１０の表面の像がＣＣＤカメラ４０の撮像素子４２上に形成される。

ＣＣＤカメラ４０は、撮像素子４２上に形成されたウェハ１０の表面の像を光電変換して画像信号を生成し、画像信号を演算処理部４５に出力する。演算処理部４５には、データベース部４６と、画像表示装置４７とが電気的に接続されている。演算処理部４５は、ＣＣＤカメラ４０から入力されたウェハ１０の画像信号に基づいて、ウェハ１０の画像を所定のビット（例えば８ビット）のデジタル画像に変換する。データベース部４６には、良品ウェハ（ショット）の画像データや、デフォーカスやドーズシフトが生じたときのウェハ（ショット）の画像データが予め記憶されており、演算処理部４５は、ウェハ１０の画像（デジタル画像）を生成すると、ウェハ１０の画像データとデータベース部４６の画像データとを比較して、ウェハ１０表面（すなわち、ホールパターン１２）における欠陥（異常）の有無を検査する。そして、演算処理部４５による検査結果およびそのときのウェハ１０の画像が画像表示装置４７で出力表示される。

ところで、ウェハ１０は、最上層のレジスト膜への露光・現像後、不図示の搬送系により、不図示のウェハカセットまたは現像装置からホルダ５上に搬送される。なおこのとき、ウェハ１０は、ウェハ１０のパターンもしくは外縁部（ノッチ等）を基準としてアライメントが行われた状態で、ホルダ５上に搬送される。

ウェハ１０の表面には、図３に示すように複数のチップ領域１１がＸＹ方向に配列され、各チップ領域１１の中には、図４に示すようにホールパターン１２が形成されている。なお、本実施形態において、図３および図４における横方向をＸ方向とし、縦方向をＹ方向とする。ホールパターン１２は、コンタクト・ホール等を形成するためのレジストパターンであり、図４に示すように複数のホール１３から構成される。各ホール１３は、原則として、回折光を発生させるのが難しい１４０ｎｍ未満の繰り返しピッチＰ１の配列でＸＹ方向に（縦横に）並んでいるが、４ピッチ毎のピッチ間隔は、前述の繰り返しピッチＰ１よりも広くなるようになっている。そのため、図４の破線で囲まれた４×４個分のホール１３を、回折光を発生させるのが比較的容易な１４０ｎｍ以上の繰り返しピッチＰ２の配列でＸＹ方向に（縦横に）並ぶ一塊のパターン１４と見なすことができる。

本実施形態の表面検査装置１を用いた表面検査方法について、図１に示すフローチャートを参照しながら以下に説明する。まず、ホールパターン１２において、回折光を発生させることが可能な最小ピッチ以上の繰り返しピッチを有するパターンを抽出する（ステップＳ１０１）。本実施形態においては、前述の一塊のパターン１４を抽出する。なお、一塊のパターン１４の抽出は、作業者がホールパターン１２の図面等を参照して手動で行うようにしてもよく、演算処理部４５等によりホールパターン１２の図面データ等から自動で行うようにしてもよい。

ホールパターン１２における一塊のパターン１４を抽出すると、当該一塊のパターン１４の繰り返しピッチＰ２に対応する回折光が発生するように、照明光学系２０を用いて検査光をウェハ１０の表面に照射する（ステップＳ１０２）。このとき、ウェハ１０の表面上における照明方向とパターンの繰り返し方向とが一致するようにホルダ５を回転させるとともに、パターンのピッチをＰとし、ウェハ１０の表面に照射する検査光の波長をλとし、検査光の入射角をθ１とし、ｎ次回折光の出射角をθ２としたとき、ホイヘンスの原理より、次の（１）式を満足するように設定を行う。

Ｐ＝ｎ×λ／｛ｓｉｎ（θ１）−ｓｉｎ（θ２）｝ …（１）

本実施形態では、パターンのピッチＰが一塊のパターン１４の繰り返しピッチＰ２（すなわち、Ｐ＝Ｐ２）となる場合のｎ次回折光が発生するように、入射角θ１および出射角θ２（すなわち、ホルダ５のチルト角）を設定する。このような条件で検査光をウェハ１０の表面に照射する際、光源２１からの光は波長選択部２２を透過して、例えば２４８ｎｍの波長を有する照明光が検査光として光ファイバ２３から照明側凹面鏡２５へ射出され、照明側凹面鏡２５により平行光束となってホルダ５に保持されたウェハ１０の表面に照射される。そして、ウェハ１０の表面から出射された一塊のパターン１４の繰り返しピッチＰ２に対応する回折光は、受光側凹面鏡３１により集光されてＣＣＤカメラ４０の撮像素子４２上に達し、一塊のパターン１４に基づくウェハ１０の回折像が結像される。

そこで、検査光の照射によって撮像素子４２上に形成されたウェハ１０の回折像をＣＣＤカメラ４０により撮像する（ステップＳ１０３）。このとき、ＣＣＤカメラ４０は、撮像素子４２上に形成されたウェハ１０の回折像を光電変換して画像信号を生成し、画像信号を演算処理部４５に出力する。

ウェハ１０の回折像を撮像すると、撮像したウェハ１０の回折像に基づいて、ホールパターン１２における欠陥の有無を検査する（ステップＳ１０４）。このとき、演算処理部４５は、ＣＣＤカメラ４０から入力されたウェハ１０の画像信号に基づいて、ウェハ１０の画像（デジタル画像）を生成し、ウェハ１０の画像データとデータベース部４６の画像データとを比較して、ウェハ１０表面（すなわち、ホールパターン１２）における欠陥（異常）の有無を検査する。そして、演算処理部４５による検査結果およびそのときのウェハ１０の画像が画像表示装置４７で出力表示される。

ところで、検査光の波長λ＝２４８ｎｍとし、ｎ＝１としたとき、入射角θ１の理論限界が９０度で、出射角θ２の理論限界が−９０度であるため、（１）式より、理論的に回折光を発生させることが可能な最小ピッチは１２４ｎｍとなる。ただし、ホルダ５、照明光学系２０、および集光光学系３０等の配置を考慮すると、入射角θ１および出射角θ２を理論限界まで使用できないため、実際に回折光を発生させることが可能な最小ピッチは１４０ｎｍとなる。

これに対し、本実施形態の表面検査方法および装置によれば、回折光を発生させることが可能な最小ピッチ以上の繰り返しピッチを有するパターン（一塊のパターン１４）を抽出し、抽出したパターンの繰り返しピッチに対応する回折光が発生するように検査光をウェハ１０の表面に照射するため、回折光を発生させるのが難しいピッチ間隔を有するホールパターン１２であっても回折光を発生させることができ、このように発生させた回折光に基づいてホールパターン１２における欠陥の有無を検査することにより、パターンの微細化が進んでもホールパターン１２の検査が可能になる。

なお、上述の実施形態において、ホールパターン１２から一塊のパターン１４を抽出しているが、これに限られるものではなく、ホールパターンの中に、回折光を発生させることが可能な最小ピッチ以上の繰り返しピッチを有するパターンを一時的に作り出すようにしてもよい。このようにすれば、上述の作り出したパターンの繰り返しピッチに対応する回折光が発生するように検査光をウェハ１０の表面に照射することで、回折光を発生させるのが難しいピッチ間隔を有するホールパターンであっても回折光を発生させることができるため、上述の実施形態の場合と同様の効果を得ることができる。

例えば、図５に示すように、ホールパターン６２の一部を大きくして、周期性を持たせるようにしてもよい。なお、図５のホールパターン６２を構成する複数のホール６３は、原則として、回折光を発生させるのが難しい１４０ｎｍ未満の繰り返しピッチＰ３でＸＹ方向に（縦横に）並んでいるが、表面検査を行うため、各ホール６３における縦横の３ピッチ飛びに、各ホール６３よりも径を大きくした検出用ホール６４を一時的に作り出している。そのため、ホールパターン６２に点在させた検出用ホール６４からなる検出用パターン６５の繰り返しピッチＰ４を、回折光を発生させるのが比較的容易な１４０ｎｍ以上の繰り返しピッチにすることで、検出用パターン６５に基づくウェハ１０の回折像を得ることができる。

また例えば、図６に示すように、ホールパターン７２の一部を長穴にして、周期性を持たせるようにしてもよい。なお、図６のホールパターン７２を構成する複数のホール７３は、原則として、回折光を発生させるのが難しい１４０ｎｍ未満の繰り返しピッチＰ５でＸＹ方向に（縦横に）並んでいるが、表面検査を行うため、各ホール７３における縦横の３ピッチ飛びに、各ホール７３と形状の異なる検出用ホール７４を一時的に作り出している。そのため、ホールパターン７２に点在させた検出用ホール７４からなる検出用パターン７５の繰り返しピッチＰ６を、回折光を発生させるのが比較的容易な１４０ｎｍ以上の繰り返しピッチにすることで、検出用パターン７５に基づくウェハ１０の回折像を得ることができる。

本実施形態の表面検査方法を示すフローチャートである。 本実施形態の表面検査装置の全体構成を示す図である。 半導体ウェハの平面図である。 ホールパターンの一例を示す模式図である。 ホールパターンの第１の変形例を示す模式図である。 ホールパターンの第２の変形例を示す模式図である。

符号の説明

１ 表面検査装置
１０ 半導体ウェハ（基板） １２ ホールパターン
１３ ホール １４ 一塊のパターン
２０ 照明光学系（照明部） ４０ ＣＣＤカメラ（検出部）
４５ 演算処理部（設定部および検査部）
６２ ホールパターン（第１の変形例） ６３ ホール
６４ 検出用ホール ６５ 検出用パターン
７２ ホールパターン（第２の変形例） ７３ ホール
７４ 検出用ホール ７５ 検出用パターン

Claims (11)

1. 所定波長の検査光を基板の表面に照射して得られる回折光に基づいて前記基板の表面を検査する表面検査方法であって、
   前記基板の表面に、前記検査光により前記回折光を発生させることが可能な最小ピッチよりも小さいピッチ間隔を有する配列でホールパターンが形成されており、
   前記ホールパターンにおいて前記最小ピッチ以上の繰り返しピッチを有する配列のパターンを抽出または作出する第１のステップと、
   前記第１のステップで抽出または作出した前記パターンの繰り返しピッチに対応する回折光が発生するように前記検査光を前記基板の表面に照射する第２のステップと、
   前記第２のステップでの前記検査光の照射によって発生した前記回折光を検出する第３のステップと、
   前記第３のステップで検出した前記回折光に基づいて前記ホールパターンにおける欠陥の有無を検査する第４のステップとを有することを特徴とする表面検査方法。
2. 前記第１のステップでは、複数の前記ホールパターンを一塊のホールパターンとした、前記最小ピッチ以上の繰り返しピッチを有する配列のパターンを抽出することを特徴とする請求項１に記載の表面検査方法。
3. 前記第１のステップでは、前記ホールパターンの中から他のホールパターンと形状の異なるホールパターンからなる前記最小ピッチ以上の繰り返しピッチを有する配列のパターンを抽出することを特徴とする請求項１に記載の表面検査方法。
4. 前記他のホールパターンと形状の異なるホールパターンは、前記他のホールパターンと比べてホール径が大きいホールパターンであることを特徴とする請求項３に記載の表面検査方法。
5. 所定波長の検査光を基板の表面に照射して得られる回折光に基づいて前記基板の表面を検査する表面検査装置であって、
   前記基板の表面に、前記検査光により前記回折光を発生させることが可能な最小ピッチよりも小さいピッチ間隔を有する配列でホールパターンが形成されており、
   前記ホールパターンにおいて前記最小ピッチ以上の繰り返しピッチを有する配列のパターンを抽出または作出する設定部と、
   前記設定部により抽出または作出された前記パターンの繰り返しピッチに対応する回折光が発生するように前記検査光を前記基板の表面に照射する照明部と、
   前記照明部による前記検査光の照射によって発生した前記回折光を検出する検出部と、
   前記検出部により検出された前記回折光に基づいて前記ホールパターンにおける欠陥の有無を検査する検査部とを備えて構成されることを特徴とする表面検査装置。
6. 前記基板を保持した状態で、前記基板を傾動可能な支持部をさらに備えることを特徴とする請求項５に記載の表面検査装置。
7. 前記照明部は、前記検査光の波長を選択する波長選択部を有していることを特徴とする請求項５または６に記載の表面検査装置。
8. 第１のピッチで配列される複数のホールパターンがなす塊が、前記第１のピッチよりも大きい第２のピッチで配列された基板を、前記第１のピッチの２倍よりも長く前記第２のピッチの２倍よりも短い波長の光で照明し、
   前記ホールパターンで回折した光を検出し、
   検出結果に基づいて前記ホールパターンにおける欠陥の有無を検査することを特徴とする検査方法。
9. 前記照明のための複数の波長を含む光から前記照明する波長の光を選択することを特徴とする請求項８に記載の検査方法。
10. 前記回折した光で前記基板を撮像することを特徴とする請求項８または請求項９に記載の検査方法。
11. 前記ホールパターンが含まれるチップ領域全体を一括して撮像することを特徴とする請求項１０に記載の検査方法。

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