JPH08130233A - 半導体検査装置およびその検査方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、重ね合わせ精度測定装置において、
重ね合わせによる各パターンの位置ずれを簡単、かつ正
確に検査することができ、製品の歩留まりの低下を抑え
ることができるようにすることを最も主要な特徴とす
る。 【構成】たとえば、積層膜構造を有する半導体ウェーハ
ＨＷをチャンバ１５内に収容し、そのウェーハＨＷに、
イオン生成器１１で生成されたイオンをスリット１２に
よってコリメートして衝突させる。その際、Ｘ−Ｙステ
ージ１４によってウェーハＨＷを移動させつつ、その表
面で散乱されたイオンをディテクタ１３で受け取る。そ
して、ディテクタ１３からの出力である、半導体ウェー
ハＨＷ上の各走査位置におけるイオンのエネルギスペク
トルを解析部１６で解析することにより、各パターンの
重ね合わせ精度を検査する構成とされている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、たとえば半導体検査
装置およびその検査方法に関するもので、特に半導体デ
バイスの製造過程において、積層膜の重なり具合などを
検査する場合に用いられるものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体デバイスにおける各パター
ンの重なり具合（重ね合わせによる各パターンの位置ず
れ）を検査する、パターンの重ね合わせ精度の測定は、
たとえば半導体ウェーハ上に形成された合わせずれ測定
マーク、いわゆるＢＯＸマークを光学的に検出すること
で行われていた。

【０００３】図３は、重ね合わせによる各パターンの位
置ずれを検査する、光学式の重ね合わせ精度測定装置の
構成の要部を概略的に示すものである。この装置は、ラ
ンプ１からの光をレンズ２、ハーフミラー３、および対
物レンズ４を介して半導体ウェーハＨＷ上のＢＯＸマー
クＢＭに照射し、その反射光を上記対物レンズ４、上記
ハーフミラー３、および結像レンズ５を介してカメラ６
で受光するように構成されている。

【０００４】図４は、上記の検査に用いられるＢＯＸマ
ークＢＭの形状を概略的に示すものである。このＢＯＸ
マークＢＭは、半導体デバイスの製造過程において、各
パターンの形成にともなって、順次、半導体ウェーハＨ
Ｗのダイシングライン上に平面的に形成されるもので、
たとえばレジストパターンとシリコンオキサイドパター
ンとの重ね合わせによる位置ずれを検査する場合にあっ
ては、レジストパターンの形成時にレジストにより形成
されるアウタボックスマーク（外側正方形パターン）ａ
と、シリコンオキサイドパターンの形成時に上記アウタ
ボックスマークａの内側にシリコンオキサイドにより形
成されるインナボックスマーク（内側正方形パターン）
ｂとからなる。

【０００５】図５は、上記ＢＯＸマークＢＭとその反射
光像から求められるコントラスト波形との関係を示すも
のである。すなわち、上記ＢＯＸマークＢＭと半導体ウ
ェーハＨＷとの間には段差があるため、求められるコン
トラスト波形としては、その段差の部分にそれぞれ明度
の変化をともなったピークをもつ。

【０００６】したがって、上記カメラ６で受光した反射
光像の、１つのセクションのコントラスト波形を求め
て、それを解析する、たとえば求めたコントラスト波形
のボトム（ピークの頂点）の位置を個々に検出して、上
記アウタボックスマークａに対する上記インナボックス
マークｂの、Ｘ方向およびＹ方向の位置をそれぞれに算
出することで、レジストパターンとシリコンオキサイド
パターンとの重ね合わせによる位置ずれが検査できる。

【０００７】なお、アウタボックスマークａに対するイ
ンナボックスマークｂのＸ方向の位置ずれは、たとえば ｄｘ＝｛（Ｘil＋Ｘir）／２｝−｛（Ｘol＋Ｘor）／２｝ により計算できる。

【０００８】同様に、アウタボックスマークａに対する
インナボックスマークｂのＹ方向の位置ずれは、たとえ
ば ｄｙ＝｛（Ｙil＋Ｙir）／２｝−｛（Ｙol＋Ｙor）／２｝ により計算できる。

【０００９】しかしながら、上記した光学式の重ね合わ
せ精度測定装置では、平面的に形成されたＢＯＸマーク
ＢＭを用いて、重ね合わせによる各パターンの位置ずれ
を検査するものであったため、以下のような問題点があ
った。

【００１０】すなわち、光学式の重ね合わせ精度測定装
置による検査では、半導体デバイスの製造の各過程にお
いて、半導体ウェーハＨＷのダイシングライン上にＢＯ
ＸマークＢＭを形成する必要があり、このような合わせ
ずれ測定マークを用いない場合には正確な検査が難しい
という問題があった。

【００１１】図６は、上記した光学式の重ね合わせ精度
測定装置によって、合わせずれ測定マークを用いずに、
重ね合わせによる各パターンの位置ずれを検査する方法
について示すものである。

【００１２】ここでは、同図（ａ）に示すような積層膜
構造を有する半導体デバイスの製造過程において、集積
回路プロセス、たとえばアルミニウム配線工程での、半
導体ウェーハＨＷ上のシリコンオキサイドのパターンＳ
Ｐとアルミニウムの配線パターンＡｌ上のレジストのパ
ターンＲＰとの、重ね合わせによる位置ずれを検査する
場合を例に示している。

【００１３】この場合、アルミニウムのスパッタリング
工程によって、上記半導体ウェーハＨＷと上記シリコン
オキサイドのパターンＳＰとの間の段差の近傍に被覆さ
れるアルミニウムの非対称性により、シリコンオキサイ
ドのパターンＳＰおよびレジストのパターンＲＰにもと
づくコントラスト波形は、同図（ｂ）および同図（ｃ）
にそれぞれ示すものとなる。

【００１４】したがって、本来、シリコンオキサイドの
パターンＳＰとレジストのパターンＲＰとの間にはε1
の位置ずれがあるのに、上記コントラスト波形をもとに
した解析では、結果としてε2 という誤った値が算出さ
れることになる。

【００１５】このように、光学式の重ね合わせ精度測定
装置による、合わせずれ測定マークを用いない検査で
は、アルミニウムの下地のシリコンオキサイドのパター
ンＳＰを正確に検出することは困難であり、このため、
位置ずれの検査の結果は誤差を含んだものとなりやす
く、これが製品の歩留まりを低下させる原因となってい
た。

【００１６】今後、半導体デバイスの製造では、ＬＳＩ
などの微細化にともなって、さらなる積層膜構造の多用
は避けられず、また、平坦化がますます進むものと考え
られており、半導体デバイスの製造過程における各パタ
ーンの精度をより簡単に、かつ正確に検査できる装置の
開発が切望されていた。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】上記したように、従来
においては、光学式の重ね合わせ精度測定装置による、
合わせずれ測定マークを用いない検査では、重ね合わせ
による各パターンの位置ずれを正確に検査することが難
しく、製品の歩留まりを低下させるなどの問題があっ
た。

【００１８】そこで、この発明は、各膜の精度を簡単、
かつ正確に検査することができ、製品の歩留まりの低下
を抑えることが可能な半導体検査装置およびその検査方
法を提供することを目的としている。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、この発明の半導体検査装置にあっては、被検査物
に衝突させるイオンを生成する生成手段と、この生成手
段からのイオンビームにより前記被検査物の表面を走査
させる走査手段と、この走査手段の走査にともなって、
前記被検査物の表面で散乱されたイオンを検出する検出
手段と、この検出手段で検出されたイオンの、前記被検
査物表面の各走査位置におけるエネルギ分布を解析し、
前記被検査物上の各膜の膜厚の変化をもとに各膜の精度
を測定する測定手段とから構成されている。

【００２０】また、この発明の半導体検査装置の検査方
法にあっては、被検査物にイオンを衝突させて、前記被
検査物の表面を走査し、その被検査物の表面で散乱され
たイオンを検出し、この検出されたイオンの、前記被検
査物表面の各走査位置におけるエネルギ分布を解析し、
前記被検査物上の各膜の膜厚の変化をもとに各膜の精度
を測定するようになっている。

【００２１】

【作用】この発明は、上記した手段により、従来の光学
式の重ね合わせ精度測定装置では不可能であった下地の
膜を直接的に検出できるようになるため、測定マークな
どを用いることなく、高精度な検査が可能となるもので
ある。

【００２２】

【実施例】以下、この発明の一実施例について図面を参
照して説明する。図１は、本発明にかかる重ね合わせ精
度測定装置の構成を概略的に示すものである。

【００２３】この装置は、ＲＢＳ（ラザフォード・バッ
ク・スキャッタリング・スペクトロメトリ）分析装置
と、Ｘ方向およびＹ方向への移動を高精度に制御するこ
とが可能なウェーハ搭載用ステージとを主体に構成され
るもので、たとえばＲＢＳ分析装置を構成するイオン生
成器１１、スリット１２、ディテクタ１３、およびウェ
ーハ搭載用ステージを構成するＸ−Ｙステージ１４など
からなる。

【００２４】すなわち、この装置は、たとえば積層膜構
造を有する半導体ウェーハ（被検査物）ＨＷをチャンバ
１５内に収容し、そのウェーハＨＷに、生成手段として
のイオン生成器１１で生成されたイオンをスリット１２
を介して衝突させる。そして、上記ウェーハＨＷをＸ−
Ｙステージ１４により移動させつつ、その表面で後方に
散乱されたイオンを検出手段としてのディテクタ１３で
受け、この出力を測定手段としての解析部１６で解析す
ることにより、前記積層膜構造を形成する各パターンの
膜厚の変化をもとに各パターンの精度を検査するように
構成されている。

【００２５】また、上記チャンバ１５には、上記Ｘ−Ｙ
ステージ１４のＸ方向およびＹ方向の位置をそれぞれに
検出する位置検出器１７、イオンの衝突により上記半導
体ウェーハＨＷから発生する二次電子を吸収するための
二次電子サプレッサ１８、および上記チャンバ１５内を
真空にするための真空排気系１９などが設けられてい
る。

【００２６】上記イオン生成器１１は、たとえばＨｅイ
オンまたはＨイオンを発生するイオン源と、このイオン
源からのイオンを加速する加速器（いずれも図示してい
ない）とを有して構成されている。

【００２７】上記位置検出器１７は、たとえば上記チャ
ンバ１５側よりレーザ光を発光するレーザ発光器と、こ
のレーザ発光器からのレーザ光を上記Ｘ−Ｙステージ１
４側において反射するミラーと、このミラーで反射され
たレーザ光を上記チャンバ１５側にて受光するレーザ干
渉計（いずれも図示していない）とからなる。

【００２８】上記解析部１６は、上記ディテクタ１３の
出力と上記位置検出器１７の出力とから、上記半導体ウ
ェーハＨＷ上の各走査位置におけるイオンのエネルギス
ペクトルを求めて、前記積層膜構造を形成する各パター
ンの膜厚を算出するとともに、その算出された膜厚の変
化（パターンエッジ）にもとづいて、各パターンの精
度、たとえば重ね合わせによる各パターンの位置ずれ
（各パターンの重なり具合）を解析するようになってい
る。

【００２９】次に、上記した構成の重ね合わせ精度測定
装置によって、各パターンの重なり具合を検査する方法
について説明する。ここでは、図２を参照しつつ、積層
膜構造を有する半導体デバイスの製造過程において、集
積回路プロセス、たとえばアルミニウム配線工程での、
半導体ウェーハＨＷ上のシリコンオキサイドのパターン
ＳＰとアルミニウムの配線パターンＡｌ上のレジストの
パターンＲＰとの、重ね合わせによる位置ずれを検査す
る場合を例に説明する。

【００３０】まず、チャンバ１５内のＸ−Ｙステージ１
４上に、半導体ウェーハＨＷを搭載する。そして、チャ
ンバ１５内を真空排気系１９によって真空状態とする。
この後、二次電子サプレッサ１８を動作させるととも
に、Ｘ−Ｙステージ１４のＸ方向への移動を開始させ
る。

【００３１】この状態で、イオン生成器１１からのイオ
ンをスリット１２でコリメートさせ、Ｘ−Ｙステージ１
４上の半導体ウェーハＨＷに衝突させる。そして、その
半導体ウェーハＨＷの表面で散乱されたイオンを、逐
次、ディテクタ１３によって受け取る。

【００３２】半導体ウェーハＨＷの表面で散乱されるイ
オンは、その位置における、半導体ウェーハＨＷの積層
膜構造を形成する各パターンの膜厚に応じたエネルギを
それぞれにもつ。したがって、解析部１６において、デ
ィテクタ１３の出力であるイオンのエネルギスペクトル
を解析することで、その位置における、各パターンの膜
厚を求めることができる。

【００３３】この場合、ディテクタ１３のある時点にお
ける出力は、半導体ウェーハＨＷ上のある位置における
各パターンの膜厚に対応するものであるが、Ｘ−Ｙステ
ージ１４によって半導体ウェーハＨＷを移動させ、この
ウェーハＨＷの表面をイオンビームにより走査させて各
位置おけるそれぞれのパターンの膜厚を順に求めること
で、パターン全体の膜厚を個々に知ることができる。

【００３４】すなわち、同図（ａ）に示すような積層膜
構造を有する半導体デバイスに対しては、アルミニウム
の非対称性などにかかわらず、シリコンオキサイドのパ
ターンＳＰの膜厚に関する情報（同図（ｂ））、アルミ
ニウムの配線パターンＡｌの膜厚に関する情報（同図
（ｃ））、およびレジストのパターンＲＰの膜厚に関す
る情報（同図（ｄ））が、それぞれ得られる。

【００３５】このように、ＲＢＳ分析装置を用いること
により、半導体ウェーハＨＷ上の各パターンの膜厚を直
接的に求めることが可能となるため、積層膜構造を形成
する各パターン、つまりアルミニウムの配線パターンＡ
ｌの下地のシリコンオキサイドのパターンＳＰをも正確
に検知することができる。

【００３６】こうして、ディテクタ１３からの出力であ
る、半導体ウェーハＨＷ上の各走査位置におけるイオン
のエネルギスペクトルより、シリコンオキサイドのパタ
ーンＳＰを検出し、そのパターンＳＰのエッジ（段差部
分）を求める。同様に、レジストのパターンＲＰを検出
し、そのパターンＲＰのエッジを求める。そして、求め
た各パターンＳＰ，ＲＰのそれぞれのエッジをもとに、
レジストとシリコンオキサイドとの各パターンＳＰ，Ｒ
Ｐの、重ね合わせによる位置ずれεを算出する。

【００３７】この位置ずれεの算出に関しては、たとえ
ばシリコンオキサイドのパターンＳＰのエッジの相互の
中心と、レジストのパターンＲＰのエッジ間の中心との
差を求めるなどの方法が考えられる。

【００３８】上述の処理を、半導体ウェーハＨＷのＹ方
向についても同様に実施することにより、積層膜構造を
形成する各パターンＳＰ，ＲＰの重なり具合を簡単、か
つ正確に検査することが可能となる。

【００３９】上記したように、従来の光学式の重ね合わ
せ精度測定装置では不可能であった下地のシリコンオキ
サイドのパターンを直接的に検出できるようにしてい
る。すなわち、ＲＢＳ分析装置によって、半導体ウェー
ハ上の積層膜構造を形成する各パターンの膜厚を直接的
に求めることができるようにしている。これにより、合
わせずれ測定マークなどを用いることなしに、アルミニ
ウムの配線パターンの下地のシリコンオキサイドのパタ
ーンを正確に検出することが可能となる。したがって、
シリコンオキサイドのパターンとレジストのパターンと
の重ね合わせによる相対的な位置ずれを誤差なく正確
に、かつ簡単に検査することが可能となり、製品の歩留
まりを向上できるようになるものである。

【００４０】特に、本発明の重ね合わせ精度測定装置に
よれば、ＬＳＩなどの微細化が進む半導体デバイスの製
造において、平坦化された積層膜構造の各パターンの、
重ね合わせによる位置ずれをも容易に検査することが可
能となって、有用である。

【００４１】なお、上記実施例においては、イオンによ
る半導体ウェーハの表面の走査をステージを移動させる
ことで行うようにした場合について説明したが、これに
限らず、たとえば電磁石を設け、この電磁石でイオンビ
ームを偏向させることによって、半導体ウェーハの表面
の走査を行うように構成することも可能である。

【００４２】また、アルミニウムの配線工程での、レジ
ストとシリコンオキサイドとの各パターンの重ね合わせ
による位置ずれを検査する場合に限らず、各種工程で
の、さまざまな積層膜構造における、各種パターンの重
ね合わせ精度を検査する場合に適用できる。

【００４３】さらに、たとえば各パターンの幅や膜厚な
どの精度を検査する場合にも容易に適用可能である。そ
の他、この発明の要旨を変えない範囲において、種々変
形実施可能なことは勿論である。

【００４４】

【発明の効果】以上、詳述したようにこの発明によれ
ば、各膜の精度を簡単、かつ正確に検査することがで
き、製品の歩留まりの低下を抑えることが可能な半導体
検査装置およびその検査方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例にかかる重ね合わせ精度測
定装置を概略的に示す構成図。

【図２】同じく、重ね合わせ精度測定装置による検査の
方法を説明するために示す図。

【図３】従来技術とその問題点を説明するために示す光
学式の重ね合わせ精度測定装置の概略構成図。

【図４】同じく、光学式の重ね合わせ精度測定装置での
検査に用いられるＢＯＸマークの形状を概略的に示す構
成図。

【図５】同じく、光学式の重ね合わせ精度測定装置によ
る、ＢＯＸマークを用いての検査の方法を説明するため
に示す図。

【図６】同じく、光学式の重ね合わせ精度測定装置によ
る、ＢＯＸマークを用いない場合の検査の方法を説明す
るために示す図。

【符号の説明】

１１…イオン生成器、１２…スリット、１３…ディテク
タ、１４…Ｘ−Ｙステージ、１５…チャンバ、１６…解
析部、１７…位置検出器、１８…二次電子サプレッサ、
１９…真空排気系、Ａｌ…アルミニウムの配線パター
ン、ＨＷ…半導体ウェーハ、ＲＰ…レジストのパター
ン、ＳＰ…シリコンオキサイドのパターン。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被検査物に衝突させるイオンを生成する
   生成手段と、 この生成手段からのイオンビームにより前記被検査物の
   表面を走査させる走査手段と、 この走査手段の走査にともなって、前記被検査物の表面
   で散乱されたイオンを検出する検出手段と、 この検出手段で検出されたイオンの、前記被検査物表面
   の各走査位置におけるエネルギ分布を解析し、前記被検
   査物上の各膜の膜厚の変化をもとに各膜の精度を測定す
   る測定手段とを具備したことを特徴とする半導体検査装
   置。
2. 【請求項２】 前記生成手段は、イオンを発生するイオ
   ン源と、このイオン源で発生されたイオンを加速する加
   速器とを含んで構成されることを特徴とする請求項１に
   記載の半導体検査装置。
3. 【請求項３】 前記生成手段および前記検出手段によ
   り、ＲＢＳ（ラザフォード・バック・スキャッタリング
   ・スペクトロメトリ）分析装置が構成されてなることを
   特徴とする請求項１に記載の半導体検査装置。
4. 【請求項４】 前記走査手段は、前記被検査物のＸ方向
   およびＹ方向への移動を高精度に制御することが可能な
   搭載用ステージによって構成されることを特徴とする請
   求項１に記載の半導体検査装置。
5. 【請求項５】 前記走査手段は、前記生成手段からのイ
   オンビームを偏向する電磁石からなることを特徴とする
   請求項１に記載の半導体検査装置。
6. 【請求項６】 被検査物にイオンを衝突させて、前記被
   検査物の表面を走査し、 その被検査物の表面で散乱されたイオンを検出し、 この検出されたイオンの、前記被検査物表面の各走査位
   置におけるエネルギ分布を解析し、前記被検査物上の各
   膜の膜厚の変化をもとに各膜の精度を測定するようにし
   たことを特徴とする半導体検査装置の検査方法。