JPH05102275A - 欠陥検出方法および欠陥検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 半導体装置などの試料の欠陥を非破壊で検出
することが可能であり、欠陥となる表面の凹凸と欠陥で
ない表面の凹凸とを容易に区別することが可能である欠
陥検出方法および欠陥検出装置を提供すること。 【構成】 レーザ走査顕微鏡２２を用い、欠陥を検出し
ようとする試料３２における所定高さ位置に焦点を合わ
せ、上記試料３２を、レーザ光に沿う方向に順次相対的
に移動し、各移動位置での上記試料に対するレーザ光の
反射光を検出して二次元画像を読み取り、各移動位置で
の二次元画像を記憶手段４２に記憶し、記憶手段４２に
記憶してある二次元画像を組み合わせて３次元画像を構
築し、この３次元画像により欠陥を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、欠陥検出装置に係わ
り、例えば半導体装置の表面あるいは半導体装置に積層
してある各種積層膜の表面に存在する欠陥を検出するた
めの検出方法および検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＩＣ、ＬＳＩなどの半導体装置の品質管
理には、半導体装置の表面または半導体装置に積層して
ある配線層などの各種機能薄膜に存在する欠陥の検出が
不可欠である。

【０００３】従来では、このような欠陥を検出するため
の装置として、光学顕微鏡が用いられる場合が多い。光
学顕微鏡を用い、例えば半導体装置の表面に積層してあ
る図１０に示すような配線層２の欠陥を検出するには、
配線層２の表面に光学顕微鏡の焦点を合わせて、配線層
２の表面からの反射光を観察することにより行ってい
る。

【０００４】反射光を観察すれば、図１１に示すよう
に、配線層２の結晶粒界４、ボイド６及びヒロック８に
相当する部分に影部４ａ，６ａ，８ａが生じ、配線層２
の表面に生じている、ある程度の凹凸を検出することが
できる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、光学顕微鏡
による観察では、より微細な凹凸を検出することはでき
ないと共に、反射光の影部４ａ，６ａ，８ａに基づき、
その影部に相当するどの部分が、結晶粒界４、ボイド６
およびヒロック８のいずれに相当するのかの判断が困難
であり、欠陥を正確に検出することができないという問
題点を有している。なぜならば、結晶粒界４は、配線層
２としての信頼性に影響がない部分であり、欠陥として
扱うべきものではない。これに対して、ボイド６は、そ
れが大きい場合には、配線層２の断面積を狭め、エレク
トロマイグレーションなどの原因となり、配線層２にお
ける欠陥である。また、ヒロック８は、配線層２から突
出している部分であり、それが大きい場合には、他の配
線層とのショートを引き起こすおそれがあり、配線層２
における欠陥である。

【０００６】このように、配線層２においては、少なく
とも、欠陥でない結晶粒界と、欠陥であるボイドあるい
はヒロックとを区別して判断することが必要である。と
ころが、上述したように、光学顕微鏡を用いた欠陥検出
方法では、欠陥である表面の凹凸部分も、欠陥でない表
面の凹凸部分も同様に、影部として検出されるため、こ
れらの区別をすることが困難であると言う問題点を有し
ている。

【０００７】なお、より微細な欠陥を検出する方法とし
て、レーザ顕微鏡を用いた方法や、電子顕微鏡を用いた
方法が知られている。ところが、従来の方法では、半導
体装置の表面を二次元的に観察する方法であるため、光
学顕微鏡を用いた場合と同様に、欠陥となる表面の凹凸
と欠陥でない表面の凹凸との区別をつけることが困難で
あるという問題点を依然として有している。特に、後者
の電子顕微鏡を用いる方法では、半導体装置において、
観察すべき表面を露出しなければ表面状態を観察できな
いという問題点を有している。すなわち、光学顕微鏡や
レーザ顕微鏡を用いた方法では、検出すべき表面である
配線層の表面上に、パッシベーション膜などの透明保護
膜が形成されていても配線層の表面状態を観察すること
が可能である。これに対し、電子顕微鏡を用いた方法で
は、パッシベーション膜などの保護膜を除去した後でし
か配線層の表面状態を観察できず、観察すべき試料を破
壊しなければならないという問題点を有している。

【０００８】本発明は、このような実状に鑑みてなさ
れ、半導体装置などの試料の欠陥を非破壊で検出するこ
とが可能であり、欠陥となる表面の凹凸と欠陥でない表
面の凹凸とを容易に区別することが可能である欠陥検出
方法および欠陥検出装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の欠陥検出方法は、レーザ走査顕微鏡を用
い、欠陥を検出しようとする試料における所定高さ位置
に焦点を合わせ、上記試料を、レーザ光に沿う方向に順
次相対的に移動し、各移動位置での上記試料に対するレ
ーザ光の反射光を検出して二次元画像を読み取り、各移
動位置での二次元画像を記憶手段に記憶し、記憶手段に
記憶してある二次元画像を組み合わせて３次元画像を構
築し、この３次元画像により欠陥を検出することを特徴
とする。

【００１０】また、本発明の欠陥検出装置は、欠陥を検
出しようとする試料における所定高さ位置に焦点を合う
ように、レーザ光を照射し、照射されたレーザ光の反射
光の二次元画像を検出するレーザ走査顕微鏡と、上記試
料が設置され、試料をレーザ光に沿う方向に順次相対的
に移動させるための試料台と、順次相対的に移動された
試料に照射されたレーザ光の反射光で構成される各二次
元画像を逐次記憶するための記憶手段と、上記記憶手段
に記憶してある二次元画像を組み合わせて３次元画像を
構築する三次元画像構築手段とを有する。

【００１１】

【作用】本発明の欠陥検出方法および欠陥検出装置で
は、レーザ走査顕微鏡を用い、欠陥を検出しようとする
試料における所定高さ位置に焦点を合わせ、上記試料
を、レーザ光に沿う方向に順次相対的に移動する。そし
て、各移動位置での上記試料に対するレーザ光の反射光
を検出して二次元画像を読み取り、その画像を、試料の
移動位置ごとに記憶手段に記憶する。

【００１２】レーザ走査顕微鏡では、図３に示すよう
に、レーザ光の焦点が合っている位置Ａで、輝度（実線
Ｂで示す）と、解像度（二点鎖線Ｃで示す）とが同時に
ピークを持つ。図５，６に示すように、レーザ走査顕微
鏡では、焦点深度がきわめて短く、焦点が合わない試料
平面からのレーザ光の反射光は、ピンホール１０を通り
難く、光検出器１２で検出され難いからである。本発明
では、このレーザ走査顕微鏡の性質を利用して試料の三
次元画像を得るようにしている。

【００１３】すなわち、図７に示すように、試料として
の半導体装置の表面に積層してある配線層２の表面にレ
ーザ光の焦点があり、その表面からの反射光を検出する
場合には、図７の（Ｂ）に示すように、その表面に形成
してある凹凸部分である結晶粒界４、ボイド６およびヒ
ロック８は、焦点が合わない影部４ａ，６ａ，８ａとな
る。そして、試料としての半導体装置を移動し、配線層
２の表面から少し上の表面に焦点平面がくるようにする
と、同図の（Ａ）に示すように、ヒロック８のみに焦点
が合い、その部分８ｂ以外は焦点が合わず、輝度の明暗
差がはっきりと生じる。また、試料としての半導体装置
を移動し、配線層２の表面から少し深い位置に焦点平面
がくるようにすると、同図（Ｃ）に示すように、ボイド
６に対応する部分のみが、全く焦点が合わずに影部６ａ
となり、その他の部分については、多少像がぼやける
が、結晶粒界４およびヒロック８の部分で影部となるこ
とはない。さらに深い位置に焦点を合わせた場合には、
同図（Ｄ）に示すように、ボイド６に相当する部分にも
影部が形成されないことになる。

【００１４】したがって、このようにして得られた各移
動位置での二次元画像（Ａ）〜（Ｄ）を順次記憶手段に
記憶し、これら記憶手段に記憶してある画像データを組
み合わせることにより、図８に示すように、結晶粒界
４、ボイド６およびヒロック８にそれぞれ相当する凹凸
画像４ｃ，６ｃ，８ｃを一目で判別できる三次元画像を
得ることができる。このようにして得られた三次元画像
の画像データから、その三次元画像の所定の高さでの断
面を最大高さとする三次元画像を、再構築すれば、図９
に示すように、ボイド６に相当する欠陥箇所画像６ｃの
みを検出することができる。同様にして、ヒロック８に
相当する欠陥箇所画像８ｃのみを検出することも可能で
ある。

【００１５】したがって、欠陥となる表面の凹凸と欠陥
でない表面の凹凸とを容易に区別することが可能であ
る。また、本発明の欠陥検出方法および欠陥検出装置で
は、基本的にはレーザ走査顕微鏡を用いているので、試
料となる半導体装置を破壊することなく、試料の欠陥を
検出することができる。

【００１６】なお、光学顕微鏡を用いて、本発明と同様
な方法を採用しようとしても、光学顕微鏡では、図４に
示すように、光の焦点が合っている位置Ａで、解像度
（二点鎖線Ｃで示す）のピークが現われるが、輝度（実
線Ｂで示す）に関しては、焦点があっていてもいなくて
もそれほど変化しないことから、明瞭な三次元画像を得
ることができない。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の一実施例に係る欠陥検出方法
および欠陥検出装置について、図面を参照しつつ詳細に
説明する。図１は本発明の一実施例に係る半導体装置の
欠陥検出装置の全体構成図、図２は同実施例に係る装置
の作用を示すフローチャート図、図３はレーザ走査顕微
鏡の特性を示すグラフ、図４は光学顕微鏡の特性を示す
グラフ、図５，６はレーザ走査顕微鏡の作用を示す概略
図、図７は同実施例の欠陥検出装置を用いて欠陥検出さ
れる試料としての半導体装置の配線層とその各相対移動
位置での二次元画像を示す概略図、図８，９は二次元画
像を組み合わせて構築される三次元画像の例を示す斜視
図である。

【００１８】図１に示すように、本発明の一実施例に係
る欠陥検出装置２０は、レーザ走査顕微鏡本体２２を有
する。レーザ走査顕微鏡本体２２は、レーザ走査顕微鏡
コントローラ２４に接続してあり、そのコントローラ２
４からレーザ発振制御信号およびレーザ走査系信号が送
信され、レーザ走査顕微鏡本体２２で受光した画像信号
がコントローラ２４へ送信されるようになっている。レ
ーザ走査顕微鏡コントローラ２４には、テレビモニタ２
６が接続してあり、レーザ走査顕微鏡本体２２からコン
トローラ２４へ入力してくる映像信号をリアルタイムで
画像出力できるようになっている。

【００１９】また、コントローラ２４には、試料台昇降
装置２８が接続してあり、試料台昇降装置２８に対し、
制御信号を送り、試料としての半導体装置３２が設置し
てある試料台３０をＺ軸方向（レーザ走査顕微鏡本体２
２から半導体装置３２へ向けて発射されるレーザ光に対
して平行な方向）に微小移動させるようになっている。
試料としての半導体装置３２には、図７に示すような金
属製配線層２が表面に積層してあり、金属配線層２の表
面には、透明なパッシベーション膜が成膜してある。

【００２０】レーザ走査顕微鏡本体２２は、図５，６に
示すように、レーザ発振器から発射されたレーザ光（例
えば、６３３ｎｍの波長を有するヘリウム・ネオンレー
ザ光）のスキャンを行う走査部３４と、レーザ光を試料
としての半導体装置３２に向けて収束させる対物レンズ
３６と、半導体装置３２の表面から反射されたレーザ光
を光検出器１２へ向かわせるビーム分離部３８と、光検
出器１２へ向かう光を選択的に透過させるピンホール１
０と、ピンホール１０を通過したレーザ光を検出して二
次元画像信号を得るための光検出器１２とを有する。光
検出器１２で検出された画像信号は、図１に示すレーザ
走査顕微鏡コントローラ２４へ送信される。

【００２１】本実施例では、図１に示すように、レーザ
走査顕微鏡コントローラ２４には、コンピュータ４０が
接続してある。コンピュータ４０は、後述するように、
コントローラ２４へ入力された二次元画像信号に基づ
き、三次元画像信号を構築する作用を有する。コンピュ
ータ４０には、記録媒体４２、テレビモニタ４４、キー
ボード４６およびプリンタ４８が接続してある。

【００２２】記憶媒体４２としては、特に限定されず、
ハードディスク、フロッピィディスク、光ディスク、Ｒ
ＡＭなどが用いられる。記録媒体４２には、レーザ走査
顕微鏡本体２２からコントローラ２４へ入力される二次
元画像が、試料台３０のＺ軸方向移動位置と共に、逐次
記憶される。テレビモニタ４４には、記憶媒体４２に記
憶してある二次元画像、あるいはコンピュータ４０によ
り構築された三次元画像が画像出力されるようになって
いる。また、プリンタ４８には、二次元画像、三次元画
像、あるいは各種データが印字出力されるようになって
いる。

【００２３】次に、このような欠陥検出装置２０を用い
て、本発明の一実施例に係る欠陥検出方法を実施する場
合の例を、図２に示すフローチャートを用いて説明す
る。図２に示すように、ステップ５０にて、欠陥検出工
程がスタートすると、ステップ５２にて、図１に示す試
料台３０の位置、すなわちステージ位置が初期化され
る。次に、ステップ５４にて、試料台３０のスタート位
置と終了位置とが入力され、その位置データが読み込ま
れる。これらの位置データは、図１に示すコンピュータ
４０に接続してあるキーボード４６などにより入力され
る。入力手段としては、キーボード４６に限らず、その
他の入力手段を用いることができる。

【００２４】次に、ステップ５６では、試料台３０を所
定のスタート位置に移動させ、ステップ５７にて、その
位置でのレーザ走査顕微鏡本体２２で検出された二次元
画像データを読み取り、その二次元画像データを、試料
台３０あるいは試料としての半導体装置３２のＺ軸方向
位置データと共に、記憶媒体４２に対して記憶する。こ
れらのデータは、コンピュータ４０内のメモリに、各メ
モリ番地をＺ軸方向位置データに対応させて一時的に記
憶するようにしても良い。ステップ５６および５７は、
ステップ５８にて、試料台３０の移動位置が、ステップ
５４にて設定された終了位置まで移動するまで繰り返し
行われる。試料台３０のＺ軸方向移動ピッチは、特に限
定されないが、例えば半導体装置３２の表面に積層して
ある金属配線層２（図７参照）の欠陥を検出しようとす
る場合には、約５０ｎｍ程度の移動ピッチ毎に二次元画
像データを取り込む。

【００２５】ステップ５６〜５８に際しては、図１に示
すレーザ走査顕微鏡本体２２から発せられるレーザ光の
焦点位置は、欠陥を検出しようとする図７に示す配線層
２における所定高さ位置にあり、試料台３０の微小移動
と共に、Ｚ軸方向に変化する。各移動位置での二次元画
像データを次に示す。たとえば、図７に示すように、配
線層２の表面にレーザ光の焦点があり、その表面からの
反射光を検出する場合には、図７の（Ｂ）に示すよう
に、その表面に形成してある凹凸部分である結晶粒界
４、ボイド６およびヒロック８は、焦点が合わない影部
４ａ，６ａ，８ａとなる。そして、試料としての半導体
装置を移動し、配線層２の表面から少し上の表面に焦点
平面がくるようにすると、同図の（Ａ）に示すように、
ヒロック８のみに焦点が合い、その部分８ｂ以外は焦点
が合わず、輝度の明暗差がはっきりと生じる。また、試
料としての半導体装置を移動し、配線層２の表面から少
し深い位置に焦点平面がくるようにすると、同図（Ｃ）
に示すように、ボイド６に対応する部分のみが、全く焦
点が合わずに影部６ａとなり、その他の部分について
は、多少像がぼやけるが、結晶粒界４およびヒロック８
の部分で影部となることはない。さらに深い位置に焦点
を合わせた場合には、同図（Ｄ）に示すように、ボイド
６に相当する部分にも影部が形成されないことになる。

【００２６】レーザ走査顕微鏡では、図３に示すよう
に、レーザ光の焦点が合っている位置Ａで、輝度（実線
Ｂで示す）と、解像度（二点鎖線Ｃで示す）とが同時に
ピークを持つことから、上述したような輝度の明暗差を
利用した二次元画像データを得ることができる。レーザ
光の焦点位置で輝度のピークを持つのは、図５，６に示
すように、レーザ走査顕微鏡では、焦点深度がきわめて
短く、焦点が合わない試料平面からのレーザ光の反射光
は、ピンホール１０を通り難く、光検出器１２で検出さ
れ難いからである。

【００２７】なお、光学顕微鏡を用いて、本発明と同様
な方法を採用しようとしても、光学顕微鏡では、図４に
示すように、光の焦点が合っている位置Ａで、解像度
（二点鎖線Ｃで示す）のピークが現われるが、輝度（実
線Ｂで示す）に関しては、焦点があっていてもいなくて
もそれほど変化しないことから、各移動位置での輝度の
明暗差がほぼ同様となり、それを組み合わせても、明瞭
な三次元画像を得ることができない。

【００２８】また、本発明では、試料台３０を微小移動
させることなく、図１に示すレーザ走査顕微鏡本体２２
を試料台３０に対してＺ軸方向に相対移動させることに
より、あるいは図５，６に示す対物レンズ３６をＺ軸方
向に移動させることにより、焦点位置を変化させるよう
にしても良い。

【００２９】次に、図２に戻り、本実施例の欠陥検出方
法について説明する。ステップ５８において、スタート
位置から終了位置までのすべての二次元画像データの採
取が終了すると、ステップ６０へ行く。ステップ６０で
は、記憶手段４２またはコンピュータ４０内に記憶して
ある各移動位置毎（各層毎）での二次元画像データを読
み出し、これらを組み合わせて、配線層２の三次元画像
を構築する。構築された三次元画像の例を図８に示す。
図８に示すように、図７に示す配線層２の結晶粒界４、
ボイド６およびヒロック８にそれぞれ相当する凹凸画像
４ｃ，６ｃ，８ｃを一目で判別できる三次元画像を得る
ことができる。この三次元画像は、図１に示すテレビモ
ニタ４４またはプリンタ４８に出力することができる。

【００３０】ステップ６０にて得られた三次元画像によ
り、欠陥となる表面の凹凸と、欠陥でない表面の凹凸と
を判別するようにしても良いが、本実施例では、ステッ
プ６２〜ステップ６６の処理を行う。ステップ６２で
は、ステップ６０で得られた三次元画像を、所定の高さ
で切断した下半分の三次元画像を得るための希望する断
面高さｈを読み出す。高さｈは、図１に示すキーボード
４６などの入力手段で入力される。この断面高さｈは、
図７に示す結晶粒界４とボイド６とを区別できる程度の
高さである。

【００３１】次に、ステップ６４では、高さｈでの断面
を最大高さとする三次元画像を、ステップ６０で得られ
た三次元画像のデータに基づき再構築する。所定高さｈ
で再構築された三次元画像を図９に示す。高さｈで再構
築すれば、ボイド６に相当する欠陥箇所画像６ｃのみを
検出することができる。高さｈを代えることなどで、ヒ
ロック８に相当する欠陥箇所画像８ｃのみを検出するこ
とも可能である。

【００３２】ステップ６６では、図９に示すような高さ
ｈでの三次元画像の最大高さ断面にみられる欠陥箇所画
像６ｃの数などを、自動的あるいは半自動的に検出する
ことにより、配線層２の欠陥検出を行う。ステップ６６
が済めば、ステップ６８にて、欠陥検出工程が終了す
る。

【００３３】なお、本発明は、上述した実施例に限定さ
れるものではなく、本発明の範囲内で種々に改変するこ
とができる。

【００３４】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、レーザ光の焦点が合っている平面位置で、輝度と解
像度とが同時にピークをもち、持焦点深度がきわめて浅
いというレーザ走査顕微鏡の性質をうまく利用して、試
料の三次元画像を得るようにしている。したがって、こ
の三次元画像により、試料の表面の凹凸を一目で判別で
きる。このようにして得られた三次元画像の画像データ
から、その三次元画像の所定の高さでの断面を最大高さ
とする三次元画像を再構築すれば、所定深さ以上の凹部
欠陥あるいは所定高さ以上の凸部欠陥を検出することが
可能である。したがって、欠陥となる表面の凹凸と欠陥
でない表面の凹凸とを、容易に区別することが可能であ
る。また、画像データから自動的に欠陥数などをカウン
トすることも可能である。また、本発明の欠陥検出方法
および欠陥検出装置では、基本的にはレーザ走査顕微鏡
を用いているので、試料となる半導体装置を破壊するこ
となく、試料の欠陥を検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る半導体装置の欠陥検出
装置の全体構成図である。

【図２】同実施例に係る装置の作用を示すフローチャー
ト図である。

【図３】レーザ走査顕微鏡の特性を示すグラフである。

【図４】光学顕微鏡の特性を示すグラフである。

【図５】レーザ走査顕微鏡の作用を示す概略図である。

【図６】レーザ走査顕微鏡の作用を示す概略図である。

【図７】同実施例の欠陥検出装置を用いて欠陥検出され
る試料としての半導体装置の配線層とその各相対移動位
置での二次元画像を示す概略図である。

【図８】二次元画像を組み合わせて構築される三次元画
像の例を示す斜視図である。

【図９】二次元画像を組み合わせて構築される三次元画
像の例を示す斜視図である。

【図１０】試料としての半導体装置に積層してある配線
層の概略斜視図である。

【図１１】従来の光学顕微鏡で図１０に示す配線層の表
面を観察した二次元画像を示す平面図である。

【符号の説明】

２…配線層、 ４…結晶粒界、 ６…ボイド、 ８…ボ
イド ２０…欠陥検出装置、 ２２…レーザ走査顕微鏡本体 ２４…レーザ走査顕微鏡コントローラ、 ３０…試料台 ３２…半導体装置、 ４０…コンピュータ、 ４２…記
憶媒体

【手続補正書】

【提出日】平成３年１２月６日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】変更

【補正内容】

【図２】

【図３】

【図４】

【図５】

【図８】

【図１】

【図６】

【図７】

【図９】

【図１０】

【図１１】

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ走査顕微鏡を用い、欠陥を検出し
   ようとする試料における所定高さ位置に焦点を合わせ、
   上記試料を、レーザ光に沿う方向に順次相対的に移動
   し、各移動位置での上記試料に対するレーザ光の反射光
   を検出して二次元画像を読み取り、各移動位置での二次
   元画像を記憶手段に記憶し、記憶手段に記憶してある二
   次元画像を組み合わせて３次元画像を構築し、この３次
   元画像により欠陥を検出することを特徴とする欠陥検出
   方法。
2. 【請求項２】 構築された三次元画像の所定の高さでの
   断面に、所定の断面画像があるか否かにより欠陥を検出
   することを特徴とする請求項１に記載の欠陥検出方法。
3. 【請求項３】 欠陥を検出しようとする試料における所
   定高さ位置に焦点を合うように、レーザ光を照射し、照
   射されたレーザ光の反射光の二次元画像を検出するレー
   ザ走査顕微鏡と、 上記試料が設置され、試料をレーザ光に沿う方向に順次
   相対的に移動させるための試料台と、 順次相対的に移動された試料に照射されたレーザ光の反
   射光で構成される各二次元画像を逐次記憶するための記
   憶手段と、 上記記憶手段に記憶してある二次元画像を組み合わせて
   ３次元画像を構築する三次元画像構築手段とを有する欠
   陥検出装置。
4. 【請求項４】 上記三次元画像構築手段で構築された三
   次元画像の所定の高さでの断面を最大高さとする三次元
   画像を構築する画像再構築手段とをさらに有する請求項
   ３に記載の欠陥検出装置。
5. 【請求項５】 上記三次元画像構築手段で構築された三
   次元画像の所定の高さでの断面に、所定の断面画像があ
   るか否かを判別する判別手段をさらに有する請求項３ま
   たは４に記載の欠陥検出装置。