JPH0868762A - 構造欠陥検査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】レーザビームを用いて試料表面近傍の構造欠陥
を検出する欠陥検出装置において、レーザビームで試料
を直接走査できるようにして、広範囲に亘る構造欠陥の
検出を高速で行えるようにする。 【構成】レーザ発生部４からの１本のレーザビーム１４
をポンプレーザビームとして用い、このレーザビームで
ＬＳＩチップ３を走査しながら照射する。試料表面から
反射してくる反射レーザビーム１７をプローブレーザビ
ームとして、シグナル検出器１８に取り込み、チップ３
表面の反射率を測定する。１本のレーザビーム１４をポ
ンプレーザビームとしても又プローブレーザビームとし
ても用いるので、２つのレーザビーム毎に別々のレーザ
ビームを用いる場合とは異り、２つのレーザビームを位
置合せする必要がなく、レーザビームを直接走査させる
ことができ、試料台を移動させる従来の装置に比べて検
査速度を高速化できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はレーザビームを用いた構
造欠陥検査装置に関し、特に、例えば半導体集積回路チ
ップ上の金属配線に生じた断線あるいは層間絶縁膜の亀
裂などのような、試料表面近傍の構造欠陥検出に用いて
有効な構造欠陥検査装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体集積回路（以下、ＬＳＩと
記す）の高機能化、高密度化の進展に伴なって、１チッ
プ当りの素子数あるいはそれら相互間の配線数は増加の
一歩を辿り、又、それらの構造は立体的にも平面的にも
著しく縮小されつつある。このような微細且つ多数の素
子を確実に形成しＬＳＩとしての所定の動作を行わせる
には、製造工程中あるいは使用中に発生する構造上の欠
陥を検出し調査して、素子構造設計あるいはプロセス設
計にフィードバックすることが欠かせない。

【０００３】ＬＳＩの構造欠陥としては、例えば、アル
ミニウム配線にマイグレーションなどにより発生したボ
イドに起因する断線、ヒロックあるいは層間絶縁膜の亀
裂による多層配線間のショート、スルーホール（又は、
ビアホール）周縁部や段差部での配線の断線、同層配線
間のブリッジ或いは層間絶縁膜の密着不良による浮き上
りなど、様々な欠陥がある。これら欠陥を検出するに
は、例えば光学あるいは電子顕微鏡による表面観察、チ
ップ内各部に金属製プローブを立てての直流電位や電流
の測定あるいは、ストロボＳＥＭによる動作中のチップ
内各部の電位像観測や電位波形観測などがある。

【０００４】上記のようなＬＳＩチップにおける構造欠
陥を検出する他の方法として、試料の測定点に局部的に
熱を与え、その熱による測定点の温度の時間的変化から
構造欠陥部分を検出する方法がある。すなわち、上記の
ような構造欠陥部分と正常部分とを比較すると、例えば
金属配線の断線部分や層間絶縁膜の密着不良部分などで
は熱伝導が悪く、一方、配線間のショート部分では逆に
熱伝導が良い。又、正常の太さの配線の熱伝導も、フォ
トリソグラフィやエッチングでの条件変動などによって
設計値より細ってしまった配線の熱伝導に比べてやはり
良い。従って、例えば径を絞ったレーザビームのような
小径のエネルギービームで測定点に熱を与えた後、測定
点の温度の時間的変化を追跡すると、一定時間経過後に
は、構造欠陥部分と正常部分とでは、温度が異ったもの
となる。そしてその影響で、構造欠陥部分の表面の反射
率が正常部分のそれとは異なったものとなる。つまり、
温度の高い部分すなわち配線の断線部分や、温度の低い
部分すなわち配線のショート部分などの反射率は、他の
正常部分の反射率とは異ったものとなる。レーザビーム
を用いた構造欠陥検出方法、装置はこのような原理に基
づくものである。

【０００５】この種の従来の欠陥検査装置の一例が、１
９９０年にアイイーイーイー（ＩＥＥＥ）が主催した信
頼性物理学に関する国際学会、インターナショナル リ
ライアビリテイ フィジクス シンポジウム（ＩＮＴＥ
ＲＮＡＴＩＯＮＡＬ ＲＥＬＩＡＢＩＬＩＴＹ ＰＨＹ
ＳＩＣＳ ＳＹＭＰＯＳＩＵＭ）の予稿集、１９９０Ｉ
ＲＰＳ（ＩＥＥＥ），１９９０年，２００〜２０８頁
に、ダブリウ・リー・スミス（Ｗ．，Ｌｅｅ Ｓｍｉｔ
ｈ）らが、ダイレクト メジャメント オブ ストレス
インジュースト ボイド グロース バイ サーマル
ウエーブ モジュレーテッド オプティカル リフレク
タンス イメージング（Ｄｉｒｅｃｔ ｍｅａｓｕｒｍ
ｅｎｔ ｏｆ ｓｔｒｅｓｓーｉｎｄｕｃｅｄ ｖｏｉ
ｄ ｇｒｏｗｔｈ ｂｙ ｔｈｅｒｍａｌ ｗａｖｅ
ｍｏｄｕｌａｔｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｒｅｆｌｅｃｔ
ａｎｃｅ ｉｍａｇｉｎｇ）の題名で発表した論文に記
載されている。図３は、上記論文に記載された欠陥検査
装置の構成を示すブロック図である。

【０００６】図３を参照して、この装置は２種類のレー
ザビームを用い、一方のレーザビームで試料に熱を与
え、もう一方のレーザビームで熱を与えた部分の反射率
を測定するという構成をとっている。すなわち、ポンプ
レーザ発生部１で発生させたレーザビーム２を、試料３
上に設けられたハーフミラー４を通して試料３表面内の
測定点に照射する。レーザビーム２は通常ポンプレーザ
ビームと呼ばれ、試料３内部に局部的に刺激を与えて熱
を生じさせるためのものである。従って、試料内部に十
分な熱を生じさせるために、ビーム強度が強い。又、ビ
ーム径は、ＬＳＩ各部の測定に適するようにμｍオーダ
に絞られている。前掲の論文では、ポンプレーザビーム
２として、波長４８８ｎｍ、ビーム強度１０ｍＷ、ビー
ム径０．８μｍのアルゴンイオンレーザを用いている。
このポンプレーザビーム２のビーム強度Ｉ_e は図３中に
波形５で示すように、Ｉ_e ＝Ｉ_E Ｓｉｎωｔ（但し、Ｉ
_E は振幅、ωは角速度）で表される正弦波形で、時間的
に変化する。このようにポンプレーザビーム２としてビ
ーム強度が時間的に変化するレーザビームを用いるの
は、位相検出法（ロックインアンプ法）を用いているか
らである。

【０００７】一方、プローブレーザ発生部６からは、強
度一定のレーザビーム７がハーフミラー８を通し更に試
料３上のハーフミラー４で反射して、試料３に照射され
ている。試料３に照射されたレーザビームは試料表面で
反射し、ハーフミラー４で反射し更にハーフミラー８で
反射して、サーマルウエーブシグナル検出器９に取り込
まれる。このレーザビーム７は通常プローブレーザビー
ムと呼ばれ、入射ビーム強度と反射ビーム強度とから試
料３の測定点表面の反射率を測定するためのものであ
る。従ってその照射位置は、ポンプレーザビーム２が照
射されている位置（試料３表面内の測定点）に正確に一
致していなければならない。又、プローブとして用いる
ためのものであるので、その照射によって試料内部に影
響を与えることのないように、そのビーム強度はポンプ
レーザビーム２の強度に比べて十分に低くされている。
上記論文によれば、プローブレーザビーム７として、波
長６３３ｎｍ、ビーム強度１ｍＷ、ビーム径０．８μｍ
のヘリウムネオンレーザが用いられている。このプロー
ブレーザビーム７のビーム強度Ｉ_p は、図３中に波形１
０で示すように時間ｔに対し一定である。

【０００８】サーマルウエーブシグナル検出器９は、試
料３表面内の測定点から反射してきた反射プローブレー
ザビーム１１を取り込んでその反射光量を測定し、測定
点の反射率を求める。

【０００９】図３において、今、ポンプレーザビーム２
とプローブレーザビーム７とを試料３上の測定点に位置
合せして照射すると、測定点にはポンプレーザビーム２
により熱が与えられ、測定点の温度がポンプレーザビー
ム２の強度の時間的変化に応じて変化する。測定点の温
度の上記時間的変化に伴ない、測定点表面の反射率が変
化し、サーマルウエーブシクナル検出器９に取り込まれ
る反射プローブレーザビーム１１のビーム強度がＩ
_r が、図３中に波形１２で示すように、正弦波形で変化
する。すなわち、強度一定の入射プローブレーザビーム
７のビーム強度Ｉ_pがポンプレーザビーム２により、正
弦波形のビーム強度Ｉ_r に変調される。サーマルウエー
ブシグナル検出器９は、取り込んだ反射プローブレーザ
ビーム１１の反射光量から測定点の反射率を求める。こ
こで、強度変調後の反射プローブレーザビーム１１の平
均的なビーム強度をｒとし、振幅を△ｒとすると、測定
点表面の反射率Ｒは、Ｒ＝（ｒ±Δｒ）／Ｉ_p の範囲で
変化する。このようにして、測定点に熱を与えたときの
試料表面の反射率を測定できる。そして、２つのレーザ
ビーム２，７を位置合せした状態でチップ３とレーザビ
ーム２，７との相対位置を順次変え、チップ３内の各位
置毎に上記のような測定を行うことにより、反射率Ｒの
変化範囲すなわち振幅Δｒの違いからチップ３内の構造
欠陥部分を検出できる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の構造欠陥検査装置は、ポンプレーザビーム及びプロー
ブレーザビームをそれぞれ発生するための２台のレーザ
ビーム発生装置が必要である。そしてこのことに起因し
て、従来の検査装置でＬＳＩチップの検査を行うと、検
査時間が非常に長くなってしまう。以下に、その説明を
行う。

【００１１】実用のＬＳＩチップ検査装置としては、次
のような条件を満たすことが要求される。 微細構造部分の検査が可能であるように、ポンプレー
ザビームとプローブレーザビームとの位置合せ精度が高
いこと。 チップ内の全領域を高速で検査するために、レーザビ
ームとチップの相対位置の移動を、任意に高速で行える
こと。

【００１２】例えば４メガビット程度のＤＲＡＭの場
合、アルミニウム配線は、幅０．８μｍ、間隔０．８μ
ｍ程度である。上記論文記載の検査装置をこのようなＬ
ＳＩに適用したとすると、ポンプレーザビームとプロー
ブレーザビームとの位置合せ精度は、μｍからサブμｍ
オーダでなければならない。ここで、上記の条件を満
足させるために、レーザビームをチップに対して移動さ
せチップ上を走査することが考えられるが、２本のレー
ザビームを別々に走査しつつ上記のような高精度で位置
合せすることは、実際上不可能である。従って実用的な
方法としては、ポンプレーザビームとプローブレーザビ
ームとを予め位置合せしておいて、ＬＳＩチップの方を
移動させる方法を採らざるを得ない。ところがこの方法
では、レーザビーム照射点の移動速度が（チップを搭載
する）試料台の移動速度に制限されて遅いので、レーザ
ビームを走査させる方法に比べて検査に非常に時間が掛
かってしまう。ＬＳＩの製造技術が進み、チップ延いて
はウエーハの大きさが大型化している今日、このような
状況は大きな問題である。

【００１３】従って本発明は、２種類のレーザビームの
位置合せが不要で、試料に対してレーザビームを直接走
査可能な、広範囲に亘る構造欠陥の検出を高速で行うこ
とを可能とする構造欠陥検査装置を提供することを目的
とするものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の構造欠陥検査装
置は、検査対象である試料に局部的に熱を与えるための
ポンプレーザビームを発生する手段と、前記ポンプレー
ザビーム照射部位表面の反射率を測定するための、前記
ポンプレーザビーム照射部位を照射するプローブレーザ
ビームを発生する手段とを少なくとも含み、前記ポンプ
レーザビームによる熱の付与が試料表面近傍の構造欠陥
部分に及ぼす熱的効果と正常部分に及ぼす熱的効果との
差異を前記ポンプレーザビーム照射部位表面の反射率の
差異に基づいて検出することにより、試料表面近傍に存
在する構造欠陥を検出する構成の構造欠陥検査装置にお
いて、レーザビーム発生部からの一本のレーザビームを
前記ポンプレーザビーム及び前記プローブレーザビーム
として共通に用いるように構成することにより、試料表
面での前記ポンプレーザビームと前記プローブレーザビ
ームとの位置合せを不用にしたことを特徴とする。

【００１５】

【実施例】次に、本発明の好適な実施例について、図面
を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施例の
構成を示すブロック図である。図１を参照して、本実施
例では、レーザ発生部１３で発生させた１本のレーザビ
ーム１４を、ポンピング用として用い又プロービング用
としても用いて、共用している。すなわち、レーザビー
ム１４を試料３（ＬＳＩチップ）上に設けたハーフミラ
ー１５で反射させ、レーザビーム走査部１６を通して試
料３に照射させて、チップ３上の測定点に局部的に熱を
発生させる。一方、チップ３から反射した反射レーザビ
ーム１７を、ハーフミラー１５を通してサーマルシグナ
ルウエーブ検出器１８に取り込み、その反射レーザビー
ム１７の光量を測定する。ここで、チップ３に入射させ
る入射レーザビーム１４の光量で反射レーザビーム１７
の光量を計算し規格化する（すなわち、反射光量／入射
光量を求める）と、これはレーザビーム入射点表面の反
射率の関数となっている。従って、レーザビーム１４で
チップ３上を走査しながら上記の規格化反射率をチップ
３上の位置毎に求め、チップ３上の位置の違いによる規
格化反射率の違いを検出することにより、構造欠陥部分
を検出できる。

【００１６】上述のように本実施例は、レーザ発生部１
３からの放射レーザビーム１４をチップ３に熱を与える
ためのポンプレーザビームとして用いると同時に、チッ
プ３表面から反射してくる反射レーザビーム１７を、反
射率測定のためのプローブレーザビームとしても用いて
いる。従って、図３に示す従来の欠陥検査装置とは異な
って、ポンプレーザービームとプローブレーザビームと
の位置合せは全く不要である。レーザ発生部１３が放射
するレーザビーム１４をビーム走査部１６で直接走査さ
せ、チップ３を照射しながら反射レーザビーム１７の光
量を測定して規格化反射率を計算すれば、それが直ちに
チップ３の位置毎の反射率を測定していることになる。
従って、その規格化反射率が変化する個所、すなわちチ
ップ内の構造欠陥部位を高速で検出できる。

【００１７】尚、本実施例では、反射率の変化範囲すな
わち振幅Δｒそのものを測定するのではなく、反射光量
を入射光量で除算したものの変化を問題にしている（す
なわち、欠陥などがなく反射率が変らなければ、入射レ
ーザビーム１４の強度を変えることは先の分数式の分子
と分母に同じ数を掛けることと同じであるので、分数の
値には変化はない）。従って、本実施例において入射レ
ーザビーム１４は、強度が時間的に変化するものでなく
てよい。勿論、レーザビーム１４として強度が周期的に
変化するビームを用い、その周期に同期させた位相検波
を行うことにより、Ｓ／Ｎ比を高めることもできる。

【００１８】本実施例において、レーザ発生部１３で発
生させたレーザビーム１４は、波長６３３ｎｍ、ビーム
強度２ｍＷ、ビーム径０．８μｍのヘリウムネオンレー
ザである。このレーザビームを用いて、４メガビットＤ
ＲＡＭの１０×１０ｍｍのチップのアルミニウム配線
（配線幅０．８μｍ）を検査したところ、約１分程度の
時間で破断幅０．１μｍの断線が確実に検出できた。一
方、図３に示す従来の欠陥検査装置でこれと同程度の検
出感度を得ようとすると、試料台の移動に多大の時間が
掛かり、１チップ当りの検査時間は約６分程度と見積ら
れる。尚、本実施例において、サーマルウエーブシグナ
ル検出器１８は反射レーザビーム１７の反射光量を測定
するものであり、従来の欠陥検査装置（図３参照）に用
いられているシグナル検出器９（同）と同一であるの
で、その実現に特に困難な点はない。又、レーザビーム
走査部１６の構成は、走査型レーザ顕微鏡におけるもの
と同様の構成であり、特に特殊なものではない。

【００１９】上述した第１の実施例は、レーザ発生部か
らの１本のレーザビームを直接ポンプレーザビームとし
て用いると共に、プローブレーザビームとしても用いる
例であるが、次に、一本のレーザビームを２成分に分
け、一方の成分のレーザビームをポンプレーザビームと
して用い、他方の成分のレーザビームをプローブレーザ
ビームとして用いた第２の実施例について説明する。

【００２０】図２は、本発明の第２の実施例の構成を示
すブロック図である。図２を参照して、本実施例におい
ては、レーザ発生部（図示せず）からの一本のレーザビ
ーム１４を、λ／４板１９を通して円偏光に変化させ、
その後偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２０でＰ（平
行）成分とＳ（垂直）成分とに分ける。Ｐ成分はニュー
トラルデンシティフィルタ（ＮＤＦ）２１を通して強度
を弱め、プロービングビームとする。一方、Ｓ成分は液
晶セル（ＣＥＬＬ）２２を通して強度を変調し、ポンプ
ビームとする。更に、それら強度変調されたＳ成分と、
強度を弱められたＰ成分のレーザビームとをビームスプ
リッタ（ＢＳ）２３で合成し、コリメート光学系２４で
平行ビームとした後、ビーム走査部２５によって試料３
上を走査する。試料３からの反射光は、偏光板２６を通
してプロービングビームであるＰ成分のビームのみを取
り出し、そのビーム強度をサーマルウエーブシグナル検
出器１８で求める。

【００２１】本実施例では、１本のレーザビームを一旦
２つの成分に分けた後再度合成し、１本のビームにして
から試料を走査する。ここで「合成」とは、Ｐ成分、Ｓ
成分のレーザビームをビームスプリッタ２３で光軸を合
せることであって、ビームスプリッタ２３を通した後の
レーザビーム（つまり、合成後のレーザビーム）はコヒ
ーレントの状態となるので、本発明の目的（１本のレー
ザビームを、ポンプレーザビームとしてもプローブレー
ザビームとしても用いて、二つのレーザビームの位置合
せを不用にする）達成のための手段という観点からは、
光軸や焦点位置を容易に同一にできるということから、
全く１本のレーザビームと見做せる。すなわち、「合
成」とは、走査性という点で、異る２本のレーザビーム
をただ単に同一個所に照射するということとは全く異な
る操作である。従って本実施例においても第１の実施例
と同様に、２つのレーザビームのチップ上での位置合せ
は不要であり、レーザビームで試料を直接走査すること
ができる。

【００２２】本実施例と第１の実施例とを比較すると、
第１の実施例では、信号強度にポンプレーザ強度が陽に
入ってくることから、プローブレーザビームのノイズに
ポンプレーザビームのノイズが加わりプローブレーザビ
ームのノイズが大きくなる。これに対し、本実施例で
は、信号強度にポンプレーザ強度が陽に入ることはない
ので、第１の実施例に比べてＳ／比を向上させることが
できる。

【００２３】尚、本実施例において、分割前のレーザビ
ーム１４には時間的に変化しないものを用いたが、位相
検波をすると一般にＳ／Ｎ比を向上させることができる
ことから、従来の２本のレーザビームを用いる欠陥検査
装置におけると同様に、強度が時間的に変化するレーザ
ビームを用いても良いことは、勿論である。

【００２４】尚また、本実施例においてはＤＲＡＭにお
けるアルミニウム配線の断線検出を例にとったが、これ
まで述べたことから、論理ＬＳＩにも適用可能であるこ
とは明かである。又、配線の断線のみならず配線周辺の
状況、例えば金属膜や絶縁膜の密着性、ワイヤーボンデ
ィング部の接続不良、スルーホール（又は、ビアホー
ル）の埋まり具合、配線間のブリッジなどの検出、観察
にも適用できることは明かである。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、レーザ
ビーム発生部からの一本のレーザビームをポンプレーザ
ビームとして用いると共に、プローブレーザビームとし
ても共通に用いるように構成している。

【００２６】これにより本発明によれば、試料表面での
ポンプレーザビームとプローブレーザビームとの位置合
せを不要にできるので、試料をレーザビームで直接走査
するようにして、広範囲に亘る構造欠陥の検出を高速で
行うようにすることが可能である。

【００２７】更に本発明によれば、１本のレーザビーム
を２成分に振り分け、それぞれの成分に対して、ポンプ
レーザビームに適するように強度を変調し又、プローブ
レーザビームに適するように強度を弱めた後再度合成
し、その合成後のレーザビームで試料を走査するように
構成することにより、１本のレーザビームを直接ポンプ
レーザビーム及びプロービングレーザビームとして用い
る場合に起るＳ／Ｎ比の低下を防ぎ、異る２本のレーザ
ビームを用いる場合と同等のＳ／Ｎ比を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の構成を示すブロック図
である。

【図２】本発明の第２の実施例の構成を示すブロック図
である。

【図３】従来の構造欠陥検査装置の一例の構成を示すブ
ロック図である。

【符号の説明】

１，６ レーザ発生部 ２，７ レーザビーム ３ 試料 ４，８ ハーフミラー ５，１０，１２ ビーム強度波形 ９ サーマルウエーブシグナル検出器 １１ 反射プローブレーザビーム １３ レーザ発生部 １４ 入射レーザビーム １５ ハーフミラー １６ レーザビーム走査部 １７ 反射レーザビーム １８ サーマルウエーブシグナル検出器 １９ λ／４板 ２０ 偏光ビームスプリッタ ２１ ニュートラルデンシティフィルタ ２２，２３ ビームスプリッタ ２４ コリメート光学系 ２５ レーザビーム走査部 ２６ 偏光板

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 検査対象である試料に局部的に熱を与え
   るためのポンプレーザビームを発生する手段と、前記ポ
   ンプレーザビーム照射部位表面の反射率を測定するため
   の、前記ポンプレーザビーム照射部位を照射するプロー
   ブレーザビームを発生する手段とを少なくとも含み、前
   記ポンプレーザビームによる熱の付与が試料表面近傍の
   構造欠陥部分に及ぼす熱的効果と正常部分に及ぼす熱的
   効果との差異を前記ポンプレーザビーム照射部位表面の
   反射率の差異に基づいて検出することにより、試料表面
   近傍に存在する構造欠陥を検出する構成の構造欠陥検査
   装置において、 レーザビーム発生部からの一本のレーザビームを前記ポ
   ンプレーザビーム及び前記プローブレーザビームとして
   共通に用いるように構成することにより、試料表面での
   前記ポンプレーザビームと前記プローブレーザビームと
   の位置合せを不用にしたことを特徴とする構造欠陥検査
   装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の構造欠陥検査装置におい
   て、 前記レーザビーム発生部からのレーザビームを直接前記
   ポンプレーザビームとして走査しながら前記試料に照射
   する手段と、 前記試料の表面から反射してくる反射レーザビームによ
   り、前記試料の前記ポンプレーザビーム照射部位表面の
   反射率を測定する手段とを備えることを特徴とする構造
   欠陥検査装置。
3. 【請求項３】 請求項１構造欠陥検査装置において、 前記レーザビーム発生部からの一本のレーザビームを二
   つの成分に分ける手段と、 一方の成分のレーザビームの強度を変調する手段と、 他方の成分のレーザビームの強度を弱める手段と、 それら強度変調された二つの成分のレーザビームを合成
   しコリメートする手段と、 前記合成しコリメートした後のレーザビームで前記試料
   の表面を走査して照射する手段と、 前記試料の表面から反射してくる前記他方の成分の反射
   レーザビームにより前記試料の前記コリメート後のレー
   ザビームに照射された部位表面の反射率を測定する手段
   とを備えることを特徴とする半導体集積回路の構造欠陥
   検査装置。