JPH0269640A - レジストパターンの検査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

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

〔従来の技術〕

半導体プロセスにおけるフォトレジストパターンは、次
の工程で、下層の薄膜をエツチングするためのマスクと
して重要な役割を果たしている。

その中で、コンタクトホールと呼ばれる微小な穴のレジ
ストパターンの検査は、パターンの微細化に伴い増々重
要になってきている。この検査は、露光現像されたレジ
ストの穴が完全にぬけ切れているかどうかを確実に調べ
ることで、エツチングを行ってよいかどうかの判断基準
とするためのものであり、プロセス上重要であるにもか
かわらず、検査方法も検査装置も確立されていない。具
体的には、光学顕微鏡や電子顕微鏡によってコンタクト
ホール内部の色やコントラストを観察し、それによって
コンタクトホール内のレジスト残膜の有無を判断してい
るだけである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

この様に、レジストのコンタクトホールパタ−ンの残膜
の検査は、Ｎ＠鏡の目視検査に頼っているため熟練を必
要とし、測定者の疲労を増大させるぽかりでなく、十分
な精度で検査することが困難であった０本発明はこの様
な問題点を解決するために発明されたものであり、ウェ
ハプロセスでのフォトレジストのコンタクトホール内の
膜が残り無く完全に露光現像されているか、すなわち、
レジスト残膜があるか否かの正確な検査を行なう装置を
提供することを目的とする。

〔問題点を解決する為の手段〕

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

〔作　　用〕

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

〔実　施　例〕

第１図は本発明の実施例の装置である。プローブ用光源
として紫外域（ＵＶ）のレーザ光源６０１を用いる。そ
のレーザ光の径はビームエキスパンダーとしてのレンズ
６０２．６０５によって拡大される。レンズ６０２と６
０５の間にはレーザ光を後述の試料上にて一次元的（Ｘ
方向）に走査するためにミラーを用いた走査部６０３が
設けられる。走査部６０３はレーザ光の光路長を変える
ことなく、レーザ光の射出光軸を平行にシフトさせる。

レーザ干渉計やリニアエンコーダ等で構成された走査量
モニター６０４は、走査部６０３の移動量を読み取り、
単位移動量毎にパルスを出力するものであり、このパル
スの数から後述の試料上のレーザスポットの位置を知る
ことができる。

また、走査部６０３とレンズ６０５との間には走査部６
０３による走査方向（Ｘ方向）に直交する方向（Ｙ方向
）へレーザスポットを走査するための平行平板ガラス６
１１が駆動系６１２により揺動可能に設けられている。

さてビームエキスパンダー６０２．６０５で拡大・され
たほぼ平行なレーザ光束は、ハーフミラ−（ハーフプリ
ズムでも良い）６０６を透過した後、ダイクロイックミ
ラー６１５で反射して、対物レンズ６１６に入射する。

ダイクロイックミラー６１５はレーザ光（ＵＶ）を反射
し、それよりも長波長の光を透過するような分光特性を
有する。対物レンズ６１６に入射したレーザ光は集光さ
れて、試料台６１８に載置されたウェハ（被検試料）６
１７上に微小なスポット光として結像される。このスポ
ット光の径は、ウェハ６１７に形成された測定対像とし
ての微細な穴と同程度になるように設定される。このレ
ーザスポット光は走査部６０３の移動と共に、ウェハ６
１７上を一次元的にＸ方向へ走査することになる。ウェ
ハ６１７からの反射光は対物レンズ６１６、ダイクロイ
ックミラー６１５、ハーフミラ−６０６で反射された後
、ミラー６０７で直角に反射され、レンズ６０８で集光
される。レンズ６０８による反射光の集光（結像）位置
には、光軸上に開口６０９ａを有する絞り６０９が配置
され、開口６０９ａの後にはシリコンフォトダイオード
（ＳＰＤ）等の光電検出器６１０が配置される。

この光電検出器６１０は反射光の量に応じた光電変換信
号を出力する。

さて、ウェハ６１７上にフォトレジスト層のパターンが
形成されていると、短波長（ＵＶ）のレーザ光に励起さ
れて、そのパターンから螢光（あるいはリン光）が発生
する。その螢光は通常、波長５００〜７００ｎｍの可視
光であり、レーザ光の波長よりも長い。そのためパター
ンからの螢光は対物レンズ６１６を通った後、ダイクロ
イックミラー６１５を透過して、レンズ６１９、ハーフ
ミラ−（ハーフプリズムでも良い）６２０、ミラー６２
２を経て（切替ミラー６２１が２点鎖線の位置にある場
合）、レーザ光の波長域の光をカットするフィルター６
２３を透過してフォトマルチプライヤ−等の光電検出器
６２４に至る。そして、切替ミラー６２１が第１図のよ
うにその光路中に４５１の角度で介挿されると、照明系
６２５からの可視照明光が切替ミラー６２１、ハーフミ
ラ−６２０を反射し、レンズ６１９、グイクロイックミ
ラー６１５を介して対物レンズ６１６に入射し、ウェハ
６１７上の観察領域を落射照明する。この状態の場合、
照明系６２５からの光は、切替ミラー６２１が光路中に
あるために、直接光電検出器６２４に入射しない、また
、ウェハ６１７からの可視光は対物レンズ６１６、グイ
クロイックミラー６１５、レンズ６１９、ハーフミラ−
６２０を介してファインダーとしての観察光学系６２６
に至り、ウェハ６１７上の観察領域が目視される。

以上に述べた観察光学系の構成は、特開昭６１−１４１
４４９号の第１図とほぼ同一の構成であるが、更にレー
ザ光の走査光学系には、一般にレーザ走査型顕微鏡とし
て知られている構成をとってもかまわない。

試料台６１８上に置かれたウェハ６１７は観察光学系６
２６のテレビカメラにて撮像される。検査域（レジスト
のコンタクトホール）を観察系にて目視で確認し、試料
台６１８を駆動させて、上述の確認した検査域をレーザ
ビームによりウェハ６１７上に生ずるレーザスポットの
走査範囲内におおまかに入る様位置合わせする。レーザ
スポットＳ１は検査域を２次元にラスク走査するように
駆動される。このラスク走査は第１図の平行平板ガラス
６１１を走査部６０３による走査と同期してそれと垂直
方向に駆動系６１２により駆動することにより実現され
る。第２図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）にその原理を示した
。第２図（ａ）に示したようにレーザビーム）Ｓは、Ｘ
方向には走査部６０３の移動により、またＹ方向には平
行平板ガラス６１１の揺動により移動する。そして、第
２図（ｂ）の様に、レーザスポットＳがコンタクトホー
ル６１７Ｈ上をラスク走査した結果、光電検出器６１０
から得られるそれぞれのＸ方向の走査Ｘｌ、Ｘｔ、Ｘ２
、Ｘ４、Ｘ５での検出信号波形（各走査に対応させてｓ
Ｘ、　、Ｓχ！　ＳＳＸ！、Ｓｘａ　、Ｓｘｓにて第２
図（ｃ）に示す、）を独、立に処理する。そして、これ
らの波形処理から得られる線幅測定値のうち最大なもの
、即ちコンタクトホールの直径に相当するもの（第２図
でいえば、Ｘ方向走査Ｘ、にて得られる信号５ｘｓ）を
選び出す。そしてこの波形を処理することによりコンタ
クトホールの底のレジストの残膜の有無を検定する。以
下第３図に処理回路のブロック図を示すと共に、第４図
にこの検査のフローチャートを示して説明する。

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

さて、光電検出器６１０からの光電変換信号はサンプル
ホールド回路（以下ＳＨＣと呼ぶ）５６に人力した後、
アナログ・デジタル変換器（以下ＡＤＣと呼ぶ）５８に
入力する。５ＨＣ５６のサンプリングとＡＤＣ５Ｂの変
換は、Ｘ方向走査量モニター６０４から単位走査量毎に
出力される時系列的なパルス信号ＳＰに応答して行われ
る。すなわち、ウェハ６１７上のレーザスポットの単位
移動量（例えば０．０１μｍ）毎に光電変換信号の大き
さをサンプリングして、それをデジタル値に変換する。

尚、パルス信号ＳＰはＣＰＵ５０からの指令に応答して
開閉するゲート回路６０を介して５ＨＣ５６、ＡＤＣ５
Ｂ、に印加される。ＡＤＣ５Ｂで変換された光電変換信
号のデジタル値は、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡ
Ｍ）６２に番地順に記憶される。ＲＡＭ６２のアクセス
番地はパルス信号ＳＰに応答して順次更新されるような
構成になっており、ＲＡＭ６２には、例えば特開昭５９
−１８７２０８号公報に開示されているように、光電変
換信号の走査位置に対応した波形が記憶される。

ＣＰＵ５０は入力装置６６から指定されたウェハの性状
から、レーザビームの２次元ラスタ走査でのラスタ数、
ラスタ間隔、走査長を該当するウェハのコンタクトホー
ルの大きさに合わせて初期設定するが、この初期設定に
従ってＸ方向所定走査長の走査終了後、Ｙ方向へ１ステ
ツプ移動すべくＤ／Ａ変換器６４に指令信号を送出する
。その結果、Ｄ／Ａ変換器６４に接続された駆動系６１
２は、平行平板ガラス６１１を所定角度回転させる。こ
のようにＸ方向走査を順次Ｙ方向へずらせてラスタ走査
を行ない、コンタクトホールの２次元走査を行なう。

こうしてＲＡＭ６２に記憶された光電変換信号の波形デ
ータは、ＣＰＵ５０に読み込まれてコンタクトホールの
残膜が検出される。コンタクトホールの残膜の有無は表
示器６日にて表示される。

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

まず、入力装置６６からの指定によって、レーザスポッ
トを試料面上で２次元ラスタ走査する時のラスタの数ｎ
Ｌ　（Ｙ方向へのＸ方向走査線の数）とラスク間の間隔
ＷＬ（Ｘ方向走査のＹ方向へのずれ量）とスポット走査
長り、がコンタクトホールを十分カバーできる様初期設
定する（ステップ４０１）。次に駆動装置７０に指令を
与えて試料台６１８を移動し、ウェハ６１７内の所定の
コンタクトホールの検査領域へ位置合わせする（ステッ
プ４０２）。この移動は、ウェハ６１７の設計データに
基づき、更地の座標制御により行なう、そして、走査部
６０３、Ｄ／Ａ変換器６４に指令を行って、スポット走
査を行なうと共に、Ｘ方向走査の期間のみゲート６０を
開いて走査量モニター６０４からのパルスを５ＨＣ５６
、ＡＤＣ５８に同期信号として入力し、メモリ６２上へ
記憶する。また、モニター６０４からのパルスはデータ
としてＣＰＵ５０に入力され、スポット走査長り、にな
るとＣＰＵは走査部６０３を元に戻し、平行平板ガラス
６１１を１ステップ回転する（ステップ４０３）。次に
、ラスタ走査のそれぞれの信号から（各Ｘ方向走査によ
る信号であり、第２図（ｃ）のＳｘ、〜Ｓｘｓに対応す
る）からエツジ検出のアルゴリズムで、コンタクトホー
ルの境界に相当する２つのエツジをとらえ両者間の距Ｈ
Ｗｉを各ラスク毎に算出する。そしてこれらの距離につ
いて最も長いもの（ｍａｘ　（Ｗ＋　）と表わす）に相
当するラスタの位置での信号波形を取り出す（ステップ
４０４）。なお、このステップ４で行なうエツジ検出ア
ルゴリズムは、特開昭５９−２１０３１２号公報の第８
図の説明にて詳しく開示されているので、詳細は省略す
る。

その信号波形についてコンタクトホール底部のレジスト
残膜を調べるために波形のボトム検出、アルゴリズム（
後述）により、レジストが残っているかどうかの判断を
行ない、その結果をデイスプレィやプリンタ等の表示器
６８に出力する（ステップ４０５）。更にこの再調達、
レジストが残っていない場合は（ステップ４０６）完全
なコンタクトホールが形成されているので、上記エツジ
検出のアルゴリズムで算出されたエツジ間隔ｌ１ａｘ（
Ｗ、）をコンタクトホールの直径として、表示器６８に
出力させてもよい（ステップ４０７）。

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

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

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

次にこの２つの波形差を識別するためのアルゴリズム（
先述の５ボトム検出アルゴリズム”）について第６図を
用いて述べる。

第６図はこのアルゴリズムの第１の例である。

以下順に説明する。第３図で説明したコンタクトホール
上の最大位置すなわち直径部を走査した反射信号のデジ
タルデータを読み出す（ステップ５０１）。次にこのデ
ジタルデータを逐次処理し、信号の大きな立ち下り部と
立ち上り部を検出する。

これはコンタクトホールの信号処理区間を切り出すため
である。立ち上り部の検出時は擬似信号と誤検出しない
様信号がベースラインに復帰している（コンタクトホー
ルのない部分まで反射信号が戻っていること）をＦｒｆ
ｉ認することが必要である（ステップ５０２）、こうし
て得た立ち下りの開始点Ｘαと立ち上りの終了点Ｘ３０
間の全データを２次微分する。この時、２次微分の演算
は単純なＸＩ　＝Ｘｒ−Ｉ　　２　Ｘｒ　＋Ｘ１＊１で
はなくＮ　　ｊ＋−６ Ｘ１＊４＋１）という形で平滑化を含めた数値、２次微
分演算を行なった方がＳ／Ｎの向上の点などで良い、こ
の数値演算法は例えば ”Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ　ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ　　　ｖ
ｏｌ　３６　（１９６４年７月）ＰＬ６２７〜９に記載
されている平滑化微分と同一のものである（ステップ５
０３）。

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

データが全て正であれば（ステップ５ｏ５）、レジスト
の残膜が残ってコンタクトホールがぬけていない波形で
あると判断しくステップ５０６）、そうでなければ（ス
テップ５０５）、ぬけている波形であると判断できる（
ステップ５０７）、ここでステップ５０３から５０７ま
では次の手順でもよい。

ステップ５０３で２次微分の代わりに１次微分する。そ
してステップ５０４で（Ｘα、χβ〕区間での微分信号
のゼロクロス点（正から負または負から正へデータが変
わる点）の数を検出する。

そしてステップ５０５でその数が１つだけならばコンタ
クトホールはぬけていないと判断しくステップ５０６）
、２つ以上あればぬけていると判断する（ステップ５０
７）。

次に更に別のアルゴリズムを説明する。

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

第７図はコンタクトホールがいくつが集まった図とその
時の反射信号波形例である。複数のコンタクトホールを
同時に検査することにより、平均化による再現性の向上
が期待できる。第７図の（ａ）はコンタクトホールがぬ
けていない場合の波形であり、第７図（ｂ）はぬけてい
る場合の例である０両者の信号の違いから判定するアル
ゴリズムを以下に示す。

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

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

すなわち、まず、信号をデジタルフーリエ変換し、コン
タクトホール列のピッチに相当する基本周波数成分の信
号強度■。と２倍、３倍・・・・・・周波数成分の強度
Ｉ２、■、・・・・・・を求める。信号強度■。が大き
く信号強度【！、■、が０の場合、波形は第７図（ａ）
の様になっており、コンタクトホールはぬけていない。

信号強度Ｉア、■、がある程度以上大きければ、第７図
（ｂ）の様になっており、コンタクトホールはぬけてい
ると判定できる。

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

光電検出器で検出された反射信号は狭帯域バンドパスフ
ィルター７０１．７０２を通り、実効値ｂｍｓ）メータ
ー７０４．７０５で実効値が出力される。ここでバンド
パスフィルター７０１．７０２はそれぞれ、基本周波数
Ｗ０、倍周波２Ｗａでチューニングされている。７０３
は２Ｗｏ以上の高周波フィルターである。Ｗ０以外の高
周波成分の実効出力（ｒｖａｓメーター７０５と７０６
の出力）は、アンプ７０７で加算され、その加算出力は
割算器７０Ｂに入力されて、ｒｍｓメータ７０４のＷ。

成分の出力値で割算される。そしてこの出力をコンパレ
ータ７０９で参照電圧と比較し、Ｈｉｇｈ−１ならばコ
ンタクトぬけ（残膜なし）、Ｌｏｗ＝０ならばぬけてい
ない（残膜あり）と判断される。

コンパレータ７０９の参照電圧（闇値）はコンタクトホ
ールがぬけていることがわかっているサンプルとぬけて
いないサンプルとを使って最適となる様に設定する。

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

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

〔発明の効果〕

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

また検査の自動化も容易に実現することができる。

【図面の簡単な説明】

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

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 レジスト吸収帯域の波長でかつコンタクトホールの径と
   ほぼ等しい径のレーザスポット、によって前記コンタク
   トホールを二次元的に走査する走査手段と、 前記コンタクトホールの走査により得られる反射信号を
   光電変換する光電検出器と、 前記コンタクトホールにレジストが残っている場合に前
   記光電検出器から得られる光電変換信号と、前記コンタ
   クトホールにレジストが残っていない場合に前記光電検
   出器から得られる光電変換信号との差から、前記コンタ
   クトホールのレジスト残膜を検出する検出手段と、 を有することを特徴とするレジストパターンの検査装置
   。