JPH0562821B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、半導体LSIウエハ、特にLSI製造中
間工程でのパターン付ウエハ上の欠陥（微小異物
やパターン欠陥）を高感度、高信頼度で検出する
のに好適な半導体ウエハ検査方法に関する。

〔発明の背景〕 従来のウエハ上の異物検査装置では、（）レ
ーザ光の一次元高速走査と試料の並進低速移動の
組合せや、（）試料の高速回転と並進低速移動
との組合せによるら線状走査を用いて、試料全面
の走査・検出を行なつている。又特開昭57−
80456号公報記載の従来技術では、自己走査型一
次元光電変換素子アレイの電気的走査と試料低速
移動を組合せて上記（）と同等の走査を実現し
ている。更に、最新半導体工場自動化システム総
合技術集成、第７節評化システムに記載の従来技
術では、試料ウエハの半径位置に自己走査型一次
元光電変換素子アレイを配置し、これと試料の回
転移動とを組合せて上記（）と同等の走査を実
現している。

しかし、上記従来技術の方法は、試料上にレー
ザ光を照射し、その散乱光を検出しているため、
パターンが生成されたウエハでは、異物と同時に
パターンも検出されてしまい、パターン付ウエハ
には適用できないという不都合がある。

LSI製造の中間工程でのパターン付ウエハ上の
異物検査作業は、製品歩留り向上、信頼性向上の
為に不可欠である。この作業の自動化は、特開昭
55−149829号の他、特開昭54−101390号、55−
94145号、56−30630号等の一連の公開特許公報に
示されている様に、偏光を利用した検出方法によ
り実現されている。この原理を第８図〜第１４図
を用いて説明する。

第８図に示す如く、照明光４をウエハ１表面に
対して傾斜角度φで照射したのみでは、パターン
２と異物３から同時に散乱光５と散乱光６が発生
するので、パターン２と異物３とを弁別して検出
することはできない。そこで照明光４として、偏
光レーザ光を使用し、異物３のみを検出する工夫
を行なつている。

第９図に示す如く、ウエハ１上に存在するパタ
ーン２にＳ偏光レーザ光４を照射する。（ここで
レーザ光４の電気ベクトル１０がウエハ表面に平
行な場合をＳ偏光レーザ照明と呼ぶ。）一般に、
パターン２の表面凹凸は微視的に見ると照明光の
波長に比べ十分小さく、光学的に滑らかであるの
で、その反射光５もＳ偏光成分１１が保たれる。
従つて、Ｓ偏光遮光の検光子１３を反射光５の光
路中に挿入すれば、反射光５は遮光され、光電変
換素子７には到達しない。一方、第１０図に示す
如く、異物３からの散乱光６にはＳ偏光成分に加
えて、Ｐ偏光成分１２も含まれる。これは、異物
３表面は粗く、偏光が解消される結果、Ｐ偏光成
分１２が発生するからである。従つて、検光子１
３を通過するＰ偏光成分１４を光電変換素子７に
より検出すれば異物３の検出が可能となる。

ここでパターン反射光は、第８図に示す様に、
レーザ光４に対してパターン２の長手方向となす
角度が直角に場合には、反射光５は検光子１３に
より完全に遮光されるが、この角度が直角と異な
る場合は完全には遮光されない。この考察は計測
自動制御学会論文集Vol.17，No.２，p.232〜p242，
1981に述べられている。これによれば、この角度
が直角より±30°以内の範囲のパターンからの反
射光のみが、ウエハ上方に設置した対物レンズに
入射するので、この範囲のパターン反射光５は検
光子１３により完全には遮光されないが、その強
度は２〜3μｍの異物からの散乱光と弁別できる
程度に小さいので実用上問題とならない。

ここで、偏光レーザ光４の傾斜角度φは１〜3°
程度に設定している。これは以下に示す理由によ
る。第１１図に示す実験では、Ｓ偏光レーザ光４
に対する2μｍ異物散乱光の検光子１３通過成分
１４の強度V_s（第１３図）と、パターン反射光５
に検光子通過成分強度V_p（第１４図）を対物レン
ズ９（倍率40×，Ｎ・Ａ＝0.55）を用いて測定し
た。実験結果を第１２図に示す。これはレーザ傾
斜角度φを横軸にとり、異物・パターンの弁別比
V_s／V_pをプロツトしたものである。同図より傾
斜角度φが5°以下の場合にV_sはV_pと容易に弁別
できるので、安定な異物検出が可能となる。又、
設計的な事柄を考慮すると、φ＝1°〜3°が最適で
ある。

ここで、レーザ光源１５を左右から２個用いて
いるのは、異物性を有する散乱光を発生する異物
に対して安定な検出を可能とする目的からであ
る。

次に、この検出原理を用いた異物検査方法を第
１５図〜第１８図で説明する。

第１５図に示す様に、検出範囲を制限する為に
スリツト８を試料結像面に設ける。これによりス
リツト８の開口部の試料上への投影面積８ａの範
囲内の散乱光のみが一度に検出されるので、この
面積内でのパターン反射光Ｐ成分の積算強度１４
ｐに比べて異物散乱光Ｐ成分１４ｄが十分大きけ
れば、異物３が安定に検出できる。故に、この面
積８ａを、検出すべき異物の大きさ（２〜3μｍ）
と同程度の大きさにすれば、検出感度が最適とな
る。しかし、第１６図に示す様に、面積が小さい
とそれだけ走査回数が多くなり、長時間の検査時
間を要する。逆に開口面積８ａを大きくすると、
短時間に検査できるが、検出感度が劣化する結果
となる。この様子を第１７図，第１８図を用いて
説明する。

第１７図ではウエハ表面の平面図ａと断面図ｂ
を示す。パターン２にはパターンの僅かな凹み
や、レーザ光４の照射方向に対して直角以外の角
度を有する個所があり、この個所の各々から僅か
な散乱光Ｐ成分１４ｐが発生する。一方0.5〜2μ
ｍ程度の大きさの小異物３ａと2μｍ上の大異物
３ｂからは、上記パターン個所の各各に比べて大
きな強度のＰ成分１４ｄが発生する。

第１８図に開口８ａが試料上を走査した場合の
光電変換素子７の信号出力を示す。同図ａではＰ
成分１４ｐ及び１４ｄの試料上の分布を示す。こ
の分布上を開口８ａが走査すると、同図ｂに示す
出力を得る。この例では小異物３ａとパターン２
のエツジからの出力が同一であるので、破線で示
す閾値はこの出力より高い位置に設定せざるを得
ない。この結果、欠陥信号は大異物のみの検出に
限定される。

第１９図に示す様に、ウエハ上にはテストパタ
ーン１６ａやアライメントパターン１６ｂが存在
している。テストパターン１６ａは回路パターン
のでき具合をチエツクするためのものであり、ア
ライメントパターン１６ｂはマスクアライメント
用のパターンである。これらは通常の回路パター
ン１７に比べて細くなつていたり、著しく高いパ
ターン段差を有している。異物と紛らわしい形状
をしているものがあり、上記異物検出限界はこれ
らのテストパターンやアライメントパターンによ
り決定される。これらは回路パターン１７外にあ
り、その機能はLSI本来の機能とは異なる為、厳
密な異物検査を行なう必要はないが、これらが存
在するために異物検出性能を劣化させた状態で検
査せざるを得ない。感度を高くすると、テストパ
ターンやアライメントパターンが虚報となつてし
まう。

パターン欠陥検査の場合にも上記の事情は同様
である。テストパターン１６ａは回路パターン１
７に比べ異なる条件で作られているため、存在す
る場所によりその形状が微妙に異なつている。従
つて検査する必要のないテストパターン１６によ
り欠陥検出感度が制限されている。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決す
べく、被検査半導体ウエハ上に存在する回路パタ
ーンのエツジからの散乱光を遮光手段で低減させ
て微小異物や微小パターン欠陥と弁別できるよう
にした状態で、しかも前記回路パターンに比べて
細いテストパターンや著しく高い段差を有するア
ライメントパターンを誤検出することなく、被検
査半導体ウエハ上に存在する微小異物や微小パタ
ーン欠陥のみを高感度で、且つ安定して検出でき
るようにした半導体ウエハ検査方法を提供するこ
とにある。

〔発明の概要〕

本願発明は、上記目的を達成するために、半導
体ウエハについて外形または表面に形成された基
準パターンを基準座標にして、半導体ウエハ表面
に斜め方向から光を照射して半導体ウエハ表面か
らの散乱反射光を検出光学系で集光すると共に遮
光手段により半導体ウエハ表面の回路パターンの
エツジからの散乱反射光を低減させて光電変換手
段で受光して得られる信号に基づいて基準欠陥候
補の発生座標を検出して記憶手段に記憶させ、次
に前記半導体ウエハと同じ工程で製造される同一
品種の被検査半導体ウエハの各々について外形ま
たは表面に形成された基準パターンを基準座標に
して、被検査半導体ウエハ表面に斜め方向から光
を照射して被検査半導体ウエハ表面からの散乱反
射光を検出光学系で集光すると共に遮光手段によ
り被検査半導体ウエハ表面の回路パターンのエツ
ジからの散乱反射光を低減して光電変換手段で受
光して得られる信号に基づいて被検査欠陥候補の
発生座標を検出し、該検出された被検査半導体ウ
エハの各々についての被検査欠陥候補の発生座標
と前記記憶手段に記憶された基準欠陥候補の発生
座標と比較して許容範囲内で存在したとき前記検
出された被検査欠陥候補を虚報として除去し、前
記許容範囲内に存在しなかつたとき前記検出され
た被検査欠陥候補を被検査欠陥として検出するこ
とを特徴とする半導体ウエハ検査方法である。

特に本発明は、該半導体ウエハ検査方法におい
て、前記基準欠陥候補の発生座標および被検査欠
陥候補の発生座標を検出する際、半導体ウエハお
よび被検査半導体ウエハの表面に形成された基準
パターンを、半導体ウエハ表面および被検査半導
体ウエハ表面からの散乱反射光を検出する前記検
出光学系を介して検出して基準座標とすることに
より外形基準より高精度の位置合わせが可能とな
り、許容範囲を大きくとることなく、テストパタ
ーンやアライメントパターンによる虚報を除去す
ることができる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図乃至第７図を
参照して説明する。尚、異物を検査する場合につ
いて述べるが、パターン欠陥を検査することも同
様にできる。

第１図は異物検査装置の構成図である。ウエハ
１をＳ偏光レーザ光４により照射し、反射光を対
物レンズ９で集光し、光電変換素子７で検出す
る。また検出光路中には、反射光のＳ偏光成分を
遮光する検光子１３と、検出範囲を制限するスリ
ツト８を挿入してある。

ウエハ１は、その全面を検査するために、Ｘス
テージ１８及びＹステージ２１により夫々Ｘ，Ｙ
方向に走査する。Ｘステージ１８はモータ１９に
より、Ｙステージ２１はモータ２２により駆動さ
れる。ここで、ウエハの走査を、第１６図に示し
た如くする為に、Ｘ方向に連続送り、Ｙ方向には
間欠送りとする。Ｘステージ１８は連続送りでか
つ高速移動が要求されり為、モータ１９には通常
直流モータを使用する。またＸ方向のステージ座
標を知るためにリニアスケール等のポジシヨンセ
ンサ２０が必要となる。Ｙステージ２１は間欠送
りで高速移動が要求されない為、モータ２２は通
常ステツプモータを使用し、Ｙ方向ステージ座標
はステツプモータ送り量から知ることができる。
２５はステージ制御回路であり、モータ１９とモ
ータ２２を制御して第１６図に示したようなウエ
ハ走査を行なう。このときＸ方向走査とウエハパ
ターン方向とが平行になるようにモータ２３を駆
動し、ウエハ回転方向を調整する。この場合、予
めアライメントパターン１６ｂの位置を検出し、
回転方向の位置ずれを後述のように測定する。２
６ｘ，２６ｙは座標カウンタであり、各々ポジシ
ヨンサンサ２０の出力と、Ｙ方向間欠送り量をカ
ウントする。

３３は２値化回路であり、光電変換素子７の検
出信号３５を２値化して、異物信号３７を発生す
る。２値化は第２図に示すように、検出信号３５
を閾値３６と比較することにより行なうが、この
とき閾値３６のレベルは、回路パターン検出信号
３５ｂを２値化せず、テストパターンあるいはア
ライメントパターン検出信号３５ｃと微小異物検
出信号３５ａを２値化するレベルに設定する。

第１図の異物信号処理回路３４は、検出した異
物が虚報であるか否かを判断し、虚報の場合には
実異物信号５０を出力しないようにする。虚報の
除去は次のように行なう。異物信号３７が来たと
きの座標カウンタ２６ｘ，２６ｙの内容が、前に
検査したウエハでも存在した場合には、検出した
異物は虚報であるとして実異物信号５０をインヒ
ビツト（除外）する。この機能を遂行するには、
ウエハが入え替つてもテストパターンやアライメ
ントパターンが毎回同じ座標になる必要があり、
このため検査開始前にウエハのXYθ方向の位置
合せを行なう。

ウエハ位置合せの一例を第３図に示す。同図に
示すように照明ランプ２９、ハーフミラー２７，
２８、およびTVカメラ等のイメージセンサ３０
を異物検出光学系内に挿入する尚、まつたく別な
光学系としても良いが、異物検出光学系の対物レ
ンズ９を共用した方が、光学系がコンパクトにな
る。照明ランプ２９によりウエハ１表面を照明
し、対物レンズ９によるウエハパターン拡大像を
イメージセンサ３０で検出する。検出するウエハ
パターンはアライメントパターン１６ｂ又は任意
の特定パターンであるが、第４図に示すように、
Ａ，B2個所で検出する。一例として、イメージ
センサ３０がTVカメラ、検出パターンが特定パ
ターンの例としてガードラインコーナである場合
を第５図、第６図で説明する。まず点Ａでガード
ラインコーナ３１を検出し、TVカメラ内基準線
５１とのずれ△X_A，△Y_Aを求める。次にＸテー
ブル１８を移動させ、点Ｂにおけるずれ△X_B，
△Y_Bを求める。移動量はチツプサイズの整数倍
である。２個所でのずれ量を求めたら、移動量
Xmと各ずれ量により、ウエハパターンとＸテー
ブル走査方向の角度θ＝（△Y_A−△Y_B）／x_nを
求め、これが零となるようにモータ２３を駆動す
る。次に△X_A，△Y_A（又は△X_B，△Y_B）が零と
なるようにモータ１９、モータ２２を駆動する。
これ等の位置補正の演算は、演算回路７０で行な
う。その後座標カウンタ２６ｘ及び２６ｙをゼロ
クリアしてやれば、ウエハが入れ替つても、テス
トパターンやアライメントパターンを常に同じ座
標として検出することができる。

テストパターンとアライメントパターンを虚報
として除去する方法を第７図により説明する。

異物メモリ３８は、前に検査したウエハにおけ
る検出異物（虚報も含む）の座標の値を記憶して
おく。異物信号３７が発生したとき、座標カウン
タ２６ｘ，２６ｙの値をラツチ４１，４２にスト
アする。同時に、異物メモリ３８の内容を順次読
み出し、ラツチ３９，４０に一時ストアする。ラ
ツチ３９とラツチ４１の差の絶対値を、演算回路
４３で算出し、Ｘ方向座標のずれを求める。この
ずれ量と許容値ε_X以下のときに一致信号を出力す
る。同様に演算回路４４で、ラツチ４０とラツチ
４２の差の絶対値を求め、Ｙ方向座標のずれを求
める。比較回路４６でＹ方向のずれ量と許容値ε_Y
と比較し、ずれ量が許容値ε_Y以下のときに一致信
号を出力する。そして、ANDゲート４７で比較
回路４５と比較回路４６の出力論理積をとり、イ
ンバータ４８でANDゲート４７の出力を反転さ
せる。異物メモリ３８の中に検出した異物と同じ
座標の値が記憶されていれば、インバータ４８の
出力は“０”となる。ANDゲート４９でインバ
ータ４８出力と異物信号３７の論理積をとると、
前に検査したウエハにも同座標の異物（あるいは
虚報）があつたときには、それは虚報であるとし
て実異物信号５０は出力されなくなる。

ここで、異物メモリ３８は異物座標を記憶して
おくものである。記憶しておく座標が１枚目（最
初）に検査したウエハのものであるならば、第７
図に示す構成で良いが、直前に検査したウエハの
ものを使用するのであれば、異物メモリをもう１
組用意する必要がある。

つまり検査中のウエハの異物座標（２６ｘ，２
６ｙ出力）をもう１組の異物メモリに記憶しなが
ら、異物メモリ３８の内容と比較する。次のウエ
ハを検査する場合には異物メモリを入れ替え、異
物座標を異物メモリ３８に記憶しながらもう１組
の異物メモリの内容と比較する。

上述の方法は、検査中に異物を検出する毎に判
定を行なつているが、検査終了後に一括して判定
することもできる。例えば前回検査した異物座標
を異物メモリ３８に記憶し、今回検査した異物座
標をもう１組の異物メモリに記憶する。検査終了
後に異物メモリ３８ともう１組の異物メモリとに
記憶されている異物座標を各々の異物について比
較することにより、上述方法と同様な機能にする
ことができる。

尚、第３図〜第６図で説明した光学的位置合せ
は、必ずしも必要でないが、粗合せとしてもウエ
ハ外形基準位置合せは最低限必要である。検査前
にウエハ外形基準の位置合せを行ない、第７図に
示した許容値ε_X，ε_Yを大きくすれば、光学的位置
合せと同様の機能を有することができる。

ウエハパターン欠陥検査の場合にも、照明系検
出器及び検出信号処理回路が変更するのみで、上
述効果が得られることは明白である。

以上のように、前に検査したウエハと同一座標
に存在したものは、テストパターンやアライメン
トパターンであるとして異物信号として出力しな
いようにすることにより、異物検出精度を向上さ
せることができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、被検査半導体ウエハ上に存在
する回路パターンのエツジからの散乱光を遮光手
段で低減させて微小異物や微小パターン欠陥と弁
別できるようにした状態で、しかも前記回路パタ
ーンに比べて細いテストパターンや著しく高い段
差を有するアライメントパターンを誤検出するこ
となく、被検査半導体ウエハ上に存在する微小異
物や微小パターン欠陥のみを高感度で、且つ安定
して検出できる効果を奏する。

尚、本発明はウエハに限定されず、ホトマスク
やレチクル等の他の製品の検査にも適用可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を適用する異物検査
装置の構成図、第２図は検出信号処理説明図、第
３図はウエハ位置決め装置の構成図、第４図はウ
エハの平面図、第５図及び第６図は第４図に示す
ウエハの部分拡大図、第７図は異物信号処理回路
の詳細構成図、第８図は反射光と散乱光の説明
図、第９図はパターンからの反射光の説明図、第
１０図は異物からの散乱光の説明図、第１１図は
レーザ光照射方法説明図、第１２図はパターン・
異物弁別性能の実験結果を示すグラフ、第１３図
及び第１４図は夫々第１２図に示すV_s及びV_pの
説明図、第１５図は検査装置の要部概観図、第１
６図は走査説明図、第１７図ａ及び第１７図ｂは
夫々ウエハの部分拡大平面図及び断面図、第１８
図ａはウエハ上のパターン・異物の一方向の分布
図、第１８図ｂは検出信号及び欠陥信号の波形
図、第１９図はウエハの詳細平面図である。 １……ウエハ、２……パターン、３……異物、
４……照明光、５……反射光、６……散乱光、７
……光電変換素子、８……スリツト、９……対物
レンズ、１３……検光子、１６……テストパター
ン、１７……回路パターン、１８……Ｘステー
ジ、１９……Ｘ用モータ、２０……ポジシヨンセ
ンサ、２１……Ｙステージ、２２……Ｙ用モー
タ、２３……θ用モータ、２９……照明ランプ、
３０……イメージセンサ、３３……２値化回路、
３４……異物信号処理回路、３８……座標メモ
リ、３９，４２……ラツチ、４３，４４……演算
回路、４５，４６……比較回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 半導体ウエハについて外形または表面に形成
   された基準パターンを基準座標にして、半導体ウ
   エハ表面に斜め方向から光を照射して半導体ウエ
   ハ表面からの散乱反射光を検出光学系で集光する
   と共に遮光手段により半導体ウエハ表面の回路パ
   ターンのエツジからの散乱反射光を低減させて光
   電変換手段で受光して得られる信号に基づいて基
   準欠陥候補の発生座標を検出して記憶手段に記憶
   させ、次に前記半導体ウエハと同じ工程で製造さ
   れる同一品種の被検査半導体ウエハの各々につい
   て外形または表面に形成された基準パターンを基
   準座標にして、被検査半導体ウエハ表面に斜め方
   向から光を照射して被検査半導体ウエハ表面から
   の散乱反射光を検出光学系で集光すると共に遮光
   手段により被検査半導体ウエハ表面の回路パター
   ンのエツジからの散乱反射光を低減して光電変換
   手段で受光して得られる信号に基づいて被検査欠
   陥候補の発生座標を検出し、該検出された被検査
   半導体ウエハの各々についての被検査欠陥候補の
   発生座標と前記記憶手段に記憶された基準欠陥候
   補の発生座標と比較して許容範囲内で存在したと
   き前記検出された被検査欠陥候補を虚報として除
   去し、前記許容範囲内に存在しなかつたとき前記
   検出された被検査欠陥候補を被検査欠陥として検
   出することを特徴とする半導体ウエハ検査方法。 ２ 前記基準欠陥候補の発生座標および被検査欠
   陥候補の発生座標を検出する際、半導体ウエハお
   よび被検査半導体ウエハの表面に形成された基準
   パターンを、半導体ウエハ表面および被検査半導
   体ウエハ表面からの散乱反射光を検出する前記検
   出光学系を介して検出して基準座標とすることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の半導体ウ
   エハ検査方法。 ３ 前記被検査欠陥が異物であることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の半導体ウエハ検査
   方法。