KR20010062041A - 검사 장치 및 방법 - Google Patents

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KR20010062041A
KR20010062041A KR1020000072296A KR20000072296A KR20010062041A KR 20010062041 A KR20010062041 A KR 20010062041A KR 1020000072296 A KR1020000072296 A KR 1020000072296A KR 20000072296 A KR20000072296 A KR 20000072296A KR 20010062041 A KR20010062041 A KR 20010062041A
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타마다히토시
이마이유타카
타구치아유무
와다히로유키
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이데이 노부유끼
소니 가부시끼 가이샤
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Abstract

요철 패턴을 가진 검사 대상의 화상은 촬상 소자(4)에 의해 오프-포커스 상태로 촬상된다. 더나아가, 상기 오프-포커스 상태에서 촬상된 검사 대상의 화상을 화상처리용 컴퓨터(6)에 넣는다. 상기 화상을 바탕으로, 화상처리용 컴퓨터(6)는 검사 대상의 요철 패턴의 오목부와 볼록부 사이의 경계부분에 대응하는 피크를 가진 광 강도 프로파일을 작성한다. 예를들면, 요철부의 오목부 또는 볼록부의 폭의 변화는 상기 강도 프로파일을 기초로 요철부의 오목부 또는 볼록부의 폭을 측정함으로써, 매우 정밀하게 검출된다.

Description

검사 장치 및 방법{INSPECTION APPARATUS AND METHOD}
본 발명은 반도체 집적회로 등과 같이 미세한 요철 패턴을 갖는 디바이스를 검사하는데 사용되는 검사 장치 및, 미세한 요철 패턴을 검사하는 검사 방법에 관한 것이다.
최근에, 전기 산업 분야에서, 디지털화가 진행되고 있으며, 반도체 집적회로의 집적도의 향상이 이루어지고 있다. 이러한 고도로 집적된 반도체 집적회로를 어떻게 효율좋게 저단가로 충분히 공급할 수 있는가가 금후의 디지털 전기산업의 발전을 좌우하는 중요한 문제이다.
반도체 집적회로를 저단가로 효율적으로 제조하기 위해서는, 제조 프로세스중에 발생된 문제 예를들면, 미세한 패턴의 선폭의 변경 등을 조기에 발견하여, 그 원인을 밝혀내어, 제조 설비나 제조 프로세스에 대해서 유효한 대책을 강구하는 일 이 중요하다. 그러므로, 미세한 패턴을 정밀하게 검사할 수 있는 검사 장치에 대한 수요가 높아지고 있다.
고 해상도를 갖는 검사 장치로서, 주사 전자 현미경(SEM;scanning electron microscope),원자간력 현미경(AFM;atomic force microscope) 등을 사용하는 것이 공지되어 있다. 그러나, 이러한 주사전자 현미경이나 원자간력 현미경은 검사에 진공을 필요로하므로, 취급이 불편하다. 또한, 디바이스 전체를 검사하는데 시간이 많이 소요된다는 문제가 있다.
이에 대해서, 광학 현미경을 사용하는 검사 장치에서는, 진공이나 접촉의 필요없이 비파괴적으로 검사할 수 있다는 장점이 있다. 그러나, 검사 대상인 반도체 집적회로의 패턴은 더욱더 미세화되고 있고, 최근에는 선폭이 0.18 ㎛ 이하로 감소되고 있다. 그러므로, 종래의 광학 현미경을 사용하는 검사 장치로는, 반도체 집적회로의 패턴의 선폭측정 등을 정밀하게 행하는 것이 곤란하였다.
특히, 반도체 집적회로의 패턴의 검사는 반도체 웨이퍼에 레지스트 패턴이 형성된 상태로 행하는 것이 요망된다. 그러나, 미세구조의 레지스트 패턴을 정밀하게 적절히 측정하기는 어렵다.
본 발명은 이와 같은 실정을 감안하여, 보다 미세한 패턴의 검사를 정밀하게 실행할 수 있는 검사 장치 및 검사 방법을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다
도 1 은 본 발명을 적용한 검사 장치의 구성예를 도시하는 도면.
도 2 는 레지스트 패턴이 형성된 반도체 웨이퍼가 가동 테이블 상에 설치된 상태를 도시하는 확대도.
도 3 은 촬상소자에 의해 촬상된 레지스트 패턴의 화상을 도시하는 도면.
도 4 는 화상처리용 컴퓨터에 의해 작성되는 강도 프로파일의 일례를 도시하는 그래프.
도 5 는 레지스터 두께가 400 nm, 선폭이 173 nm 인 레지스트 패턴의 화상을 오프-포커스 상태로 촬상소자에 의해 촬상하여, 이 화상을 화상처리용 컴퓨터에 넣었을 때에 얻어지는 강도 프로파일을 도시하는 그래프.
도 6 은 레지스터 두께가 400 nm, 선폭이 355 nm 인 레지스트 패턴의 화상을 포커스가 맞은 상태로 촬상소자에 의해 촬상하여, 이 화상을 화상처리용 컴퓨터에 넣었을 때에 얻어지는 강도 프로파일을 도시하는 그래프.
도 7 은 레지스트 패턴의 선폭의 선폭의 측정치와 절대치와의 관계를 도시하는 도면.
도 8 은 강도 프로파일의 골을 형성하는 피크의 콘트라스트의 정의를 설명하는 도면.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 검사 장치 2 : 가동 스테이지
3 : 광원 4 : 화상 촬상 소자
5 : 광학 시스템 7 : 제어 컴퓨터
100 : 웨이퍼 101 : 레지스트 패턴
반도체 집적회로와같이 미세한 요철 패턴을 갖는 검사 대상에 조명광을 조사하여, 그 화상을 촬상하도록 한 경우, 검사 대상의 요철 패턴이 조명광의 파장정도에까지 미세한 것이면, 그 요철 패턴에 의해 회절 조명광이 간섭함으로써, 요철 패턴에 대응하는 빛의 강도 프로파일이 얻어질수 있다.
그리고, 상기 조명광에 대한 요철 패턴의 회절 효율이 소정의 값을 넘으면, 요철 패턴에 대응하는 빛의 강도 프로파일 상에, 요철 패턴의 오목부와 볼록부 사이의 경계부분에 대응하는 피크가 나타난다. 이러한 빛의 강도 프로파일에 나타나는 피크는 검사 대상으로부터의 조명광의 반사광 또는 투과광을 오프-포커스 상태로 관찰하는 경우에, 특히 명확히 확인할 수 있다.
따라서, 예를 들면, 검사 대상으로부터의 조명광의 반사광 또는 투과광을 오프-포커스 상태로 관찰하여, 얻어진 강도 프로파일의 오목부와 볼록부와의 경계부분에 대응하는 피크간의 거리를 구한다. 상기 피크간의 거리에 기초하여, 검사 대상의 요철 패턴의 오목부 또는 볼록부의 폭을 정밀하게 측정할 수 있다.
상기 조명광의 회절 간섭에 의해 얻어지는 빛의 강도 프로파일를 기초로 하여 요철 패턴의 상태를 검사하면, 대단히 미세한 패턴변동도 나노-미터 정도의 정밀도로 검출할 수 있기 때문에, 검사 장치로서 대단히 유용하다.
본 발명은 상술한 바와같은 지식에 근거해서 제안한 것이며, 요철 패턴을 갖는 검사 대상을 조명광에 의해 조명하는 조명수단과, 이 조명수단에 의해 조명된 검사 대상의 화상을 촬상하는 화상촬상수단과, 조명수단에 의해 조명된 검사 대상으로부터의 반사광 또는 투과광을 화상촬상수단으로 유도하는 검출광학계(5)와, 화상촬상수단에 의해 촬상된 검사 대상의 화상을 바탕으로, 검사 대상의 요철 패턴에 대응하는 빛의 강도 프로파일를 작성하는 화상처리수단을 구비하고 있다. 그리고, 이 검사 장치에서는, 화상처리수단이 검사 대상의 요철 패턴의 오목부와 볼록부와의 경계부분에 대응하는 피크를 갖는 빛의 강도 프로파일를 작성하도록, 검출광학계(5)가, 조명수단에 의해 조명된 검사 대상으로부터의 반사광 또는 투과광을 오프-포커스 상태로 화상촬상수단에 이끌도록 하고 있다.
즉, 상기 검사 장치에 있어서는, 검출광학계(5)가 조명수단에 의해 조명된 검사 대상으로부터의 반사광 또는 투과광을 오프-포커스 상태로 화상촬상수단에 이끌므로써, 검사 대상의 화상이 오프-포커스 상태로 화상촬상수단에 의해 촬상된다. 그리고, 상기 오프-포커스 상태로 촬상된 검사 대상의 화상을 바탕으로, 화상처리수단이 검사 대상의 요철 패턴에 대응한 빛의 강도 프로파일를 작성함으로써, 검사 대상의 요철 패턴의 오목부와 볼록부와의 경계부분에 대응한 피크를 갖는 빛의 강도 프로파일이 얻어진다.
상기 검사 장치에 의하면, 검사 대상의 요철 패턴의 오목부와 볼록부와의 경계부분에 대응하는 피크를 갖는 빛의 강도 프로파일이 화상처리수단에 의해 작성된다. 그러므로, 이 얻어진 빛의 강도 프로파일를 바탕으로 하여, 예를 들면, 요철 패턴의 오목부 또는 볼록부의 폭 등, 요철 패턴의 상태를 검사하도록 하면, 대단히 미세한 패턴변동도 정밀하게 검출할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 검사 방법은 요철 패턴을 갖는 검사 대상을 조명광으로 조명하는 단계, 조명광에 의해 조명된 검사 대상으로부터의 반사광 또는 투과광을 화상촬상수단에 이끌어 검사 대상의 화상을 화상촬상수단에 의해 촬상하는 단계, 화상촬상수단에 의해 촬상된 검사 대상의 화상을 바탕으로, 검사 대상의 요철 패턴의 오목부와 볼록부와의 경계부분에 대응하는 피크를 갖는 빛의 강도 프로파일를 작성하는 단계, 얻어진 강도 프로파일를 바탕으로 검사 대상의 요철 패턴의 상태를 검사하는 단계를 포함한다.
상기 검사 방법에 의하면, 대단히 미세한 패턴변동도 나노-미터 정도의 정밀도로 적절히 검출할 수 있게 된다.
본 발명에 따르면, 요철 패턴을 갖는 검사 대상의 화상은 화상촬상소자에 의해 오프-포커스 상태로 촬상된다. 이 화상을 바탕으로 하여, 화상 처리 수단은 검사 대상의 요철 패턴의 오목부 및 볼록부 사이의 경계부분에 대응하는 피크를 갖는 빛의 강도 프로파일을 작성한다. 요철 패턴이 오목부 도는 볼록부의 폭이 이렇게 얻어진 빛의 강도 프로파일을 바탕으로 검사되면, 패턴의 대단히 미세한 변경도 정밀하게 검출할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 검사 방법에 있어서, 검사 대상의 요철 패턴의 오목부 와 볼록부 사이의 경계부분에 대응하는 피크를 갖는 빛의 강도 프로파일이 오프-포커스 상태에서 촬상된 검사 대상의 화상을 기초로 작성된다. 작성된 강도 프로파일을 바탕으로, 검사 대상의 오목부 및 볼록부의 상태가 검사되므로, 매우 미세한 패턴의 변화도 정밀하게 검출될 수 있다.
발명의 실시의 형태
이하, 본 발명의 실시의 형태를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1 은 본 발명을 적용한 검사 장치의 구성예를 도시한 것이다. 도 1 에 도시된 검사 장치(1)는 반도체 웨이퍼 상에 형성된 반도체 집적회로의 배선 패턴의 선폭측정을 행할 수 있 도록 구성된 것이다.
도 1 에 도시된 바와같이, 상기 검사 장치(1)는 반도체 웨이퍼((100))를 이동가능하게 지지하는 가동 스테이지(2)와, 가동 스테이지(2) 상에 설치된 반도체 웨이퍼((100))를 조명하는 조명광을 발광하는 광원(3)과, 조명광에 의해 조명된 반도체 웨이퍼((100))의 화상을 촬상하는 촬상소자(4)와, 광원(3)으로부터 발광된 조명광을 가동 스테이지(2)상에 설치된 반도체 웨이퍼((100))로 안내하고 조명광에 의해 조명된 반도체 웨이퍼((100))로부터의 반사광을 안내하는 광학계(5)와, 촬상소자(4)에 의해 촬상된 화상을 처리하는 화상처리용 컴퓨터(6)와, 검사 장치(1)전체의 동작을 제어하는 제어용 컴퓨터(7)를 구비하고 있다.
상기 가동 스테이지(2)는 예를 들면, 상기 가동 스테이지(2)상에 설치된 반도체 웨이퍼(100)를 수평방향으로 이동시키기 위한 X 스테이지 및 Y 스테이지와, 반도체 웨이퍼(100)를 수직방향으로 이동시키기 위한 Z 스테이지와, 반도체 웨이퍼(100)를 회전시키기위한 e-스테이지와, 반도체 웨이퍼(100)를 흡착하여 상기 가동 스테이지(2)상에 고정시키기위한 흡착 플레이트를 구비한다. 그리고, 가동 스테이지(2)는 제어용 컴퓨터(7)의 제어하에, 상술의 각 스테이지를 동작시킴으로써, 흡착 플레이트에 의해 흡착된 반도체 웨이퍼(100)의 검사될 부분을 소정의 검사위치로 이동시킨다.
광원(3)으로서는 자외선 고체 레이저가 사용된다. 상기 자외선 고체 레이저는 YAG 레이저 등의 고체 레이저를 비선형광학결정을 사용하여 파장변환하여, 예를 들면, 파장이 266 nm 정도의 심 자외(DUV:Deep Ultraviolet) 레이저광을 발광한다.
검사 장치의 검사능력은 검사 대상에 조사하는 조명광의 파장에 의존하여,조명광의 파장이 단파장인 쪽이보다 미세한 패턴의 검사가 가능해진다. 검사 장치(1)로서는, 조명광의 광원(3)으로서 자외선 고체 레이저가 사용되고, 단파장의 심자외 레이저광으로 반도체 웨이퍼(100)를 조명하도록 되어 있기때문에, 미세한 패턴의 검사가 가능하다, 또한, 자외선 고체 레이저는 장치 자체가 소형이고, 수냉이 불필요하는 등, 취급 상에서도 뛰어 나고, 검사 장치(1)에 있어서의 조명광의 광원(3)으로서 적합하다.
또한, 촬상소자(4)로서는 예를 들면, 자외 레이저광에 대하여 높은 감도를 갖도록 구성된 자외 CCD(charge-coupled device) 카메라가 사용된다. 이 자외 CCD 카메라는 그 픽셀 크기가 예를 들면, 12 nm의 광학 화상에 대응하고 있다, 이 자외광용 CCD 카메라를 포함하는 촬상소자(4)는 화상처리용 컴퓨터(6)에 접속되어 있다. 그리고, 상기 검사 장치(1)에 있어서는, 촬상소자(4)에 의해 촬상된 반도체 웨이퍼(100)의 화상이 화상처리용 컴퓨터(6)에 넣어져 있다.
또한, 검사 장치(1)에 있어서는, 제어용 컴퓨터(7)의 제어하에, 광원(3)으로부터 조명광(심 자외 레이저광)이 발광되고, 광 파이버(10)를 통해 광학계(5)로 유도된다.
광학계(5)는 2개의 렌즈(11,12)에 의해 구성된 조명용 광학계(13)를 구비하고 있고, 광파이버(10)에 의해 광학계(5)에 이끌어진 조명광은 우선, 이 조명용 광학계(13)에 입사하는 된다. 그리고, 조명용 광학계(l3)을 투과한 조명광이 빔 스플리터(14)에 입사하여, 상기 빔 스플리터(14)로써 반사된 조명광이 자외광용 대물렌즈(15)를 사이에 세워, 가동 스테이지(2)상에 설치된 반도체 웨이퍼(100)에 조사된다. 이 방식으로, 가동 스테이지(2)상에 설치된 반도체 웨이퍼(100)가 심 자외 레이저광인 조명광에 의해 조명된다.
또한, 상기 검사 장치(1)에서는, 조명광에 의해 조명된 반도체 웨이퍼(100)로부터의 반사광은 자외광용 대물렌즈(15)를 투과하여, 빔 스플리터(14)에 입사된다. 여기서, 자외광용 대물렌즈(15)로서는, 예를 들면, 개구수 NA가 0.9정도의 높은 개구수의 렌즈가 사용된다. 상기 검사 장치(1)에서, 단파장의 심 자외 레이저광을 조명광으로서 사용하고, 자외광용 대물렌즈(15)로서 고개구수의 렌즈를 사용하므로, 보다 미세한 패턴을 검사할 수 있다.
또한, 자외광용 대물렌즈(15)는 대물렌즈 이동기구(16)에 의해 유지된 상태로 조명광의 광로 상에 제공된다. 대물렌즈 이동기구(16)는 자외광용 대물렌즈(15)를 렌즈(15)의 광축을 따르는 방향으로 가동되도록 유지하므로, 자외광용 대물렌즈(15)와 반도체 웨이퍼(100) 간의 거리가 자외광용 대물렌즈(15)의 촛점거리로부터 약간 어긋난 상태(오프-포커스 상태)로 된다.
또한, 검사 장치(1)에서, 빔 스플리터(14)를 투과한 반도체 웨이퍼(100)로부터의 반사광이 결상 렌즈(17)를 통해 촬상소자(4)에 입사된다. 이 방식에서, 조명광에 의해 조명된 반도체 웨이퍼(100)의 화상이 자외광용 대물렌즈(15)에 의해 확대되어, 촬상소자(4)에 의해 촬상된다.
지금부터는, 상술한 구성의 검사 장치(1)를 사용하여, 반도체 웨이퍼(100)상에 형성된 반도체 집적회로의 게이트 배선의 패턴폭을 측정하는 방법에 관해서 설명하며, 게이트 배선의 패턴폭의 측정을 반도체 웨이퍼(100)상에 게이트 배선에 대응한 레지스트 패턴이 형성된 단계에서 행하는 경우를 예로 설명한다.
우선, 도 2 에 도시된 바와같이, 게이트 배선에 대응하는 레지스트 패턴(101)이 형성된 반도체 웨이퍼(100)가 가동 테이블(2)상에 설치된다. 그리고, 가동 테이블(2)이 제어용 컴퓨터(7)의 제어를 기초로 구동되어, 반도체 웨이퍼(100)가 이동조작되는 것에 따라, 검사하는 개소의 레지스트 패턴(101)이 소정의 검사위치에 위치 결정된다.
다음에, 제어용 컴퓨터(7)의 제어를 기초로 광원(3)이 구동되므로, 조명광을 형성하는 심 자외 레이저광이 발광된다. 광원(3)으로부터 발광된 조명광은 광파이버(101)에 의해 광학계(5)로 유도된다. 광학계(5)로 유도된 조명광은 우선, 조명용 광학계(13)를 투과하여 빔 스플리터(14)에 입사한다. 그리고, 빔 스플리터(14)에 의해 반사된 조명광이 자외광용 대물렌즈(15)를 사이에 세워, 가동 테이블(2)상에 설치된 반도체 웨이퍼(100)에 조사된다.
조명광에 의해 조명된 반도체 웨이퍼(100)로부터의 반사광은 자외광용 대물렌즈(15)를 투과하여, 빔 스플리터(14)에 입사한다. 그리고, 빔 스플리터(14)를 투과한 반도체 웨이퍼(100)로부터의 반사광이 결상 렌즈(17)를 사이에 세워 촬상소자(4)에 입사한다. 이 방식에서, 도 5 에 도시된 바와같이, 자외광용 대물렌즈(15)에 의해 확대되어진, 반도체 웨이퍼(100)의 레지스트 패턴(101)의 화상이 촬상소자(4)에 의해 촬상된다.
자외광용 대물렌즈(15)는 제어용 컴퓨터(7)의 제어하에 구동된 대물렌즈 이동기구(16)에 의해, 오프-포커스 상태로 유지된다. 따라서, 촬상소자(4)는 레지스트 패턴(101)의 화상을 오프-포커스 상태로 촬상된다.
촬상소자(4)에 의해 오프-포커스 상태로 촬상된 레지스트 패턴(101)의 화상은 화상처리용 컴퓨터(6)에 넣어진다. 그리고, 화상처리용 컴퓨터(6)는 도 4 에 도시된 바오같이, 이 넣은 레지스트 패턴(10l)의 화상을 처리함으로써, 빛의 강도 프로파일이 작성된다.
요철로 이루어진 레지스트 패턴(101)에 의해 회절된 때 얻어지는, 도 4 에 도시된 강도 프로파일은 그 단차부근에서 간섭함으로써 얻어진다. 상기 프로파일은 레지스트 패턴(101)의 요철에 대응한다. 즉, 강도 프로파일에 나타나는 큰 산(crests;도 4 의 a 부분)은 레지스트 패턴(101)의 오목부에 대응하고, 2 개의 큰 산 사이의 부분(도 4 b 부분)이 레지스트 패턴(101)의 볼록부에 대응하고 있다. 그리고, 이 강도 프로파일에는 2 개의 큰 산 사이에 각각 작은 산이 나타나고 있고, 이 작은 산과 큰 산과의 사이에 산골짜기(troughs)가 되는 피크가 나타나고 있다, 이 산골짜기가 되는 피크는 레지스트 패턴(101)의 오목부와 볼록부와의 경계부분(이하, 패턴 엣지 라함.)에 대응하고 있다.
본 발명을 적용한 검사 장치(1)에서, 레지스트 패턴(101)의 패턴 엣지에 대응하여 산골짜기가 되는 피크가 나타나는 강도 프로파일이 얻어지기 때문에, 이 강도 프로파일로부터 레지스트 패턴(101)의 볼록부의 폭(이하, 이 볼록부의 폭을 선폭이라고 한다)를 측정하는 것이 가능하다. 즉, 검사 장치(1)에 의해 얻어지는 강도 프로파일에 있어서는, 2 개의 산골짜기가 되는 피크 사이가 볼록부의 폭에 대응하고 있기때문에, 이들 2 개의 산골짜기가 되는 피크 사이의 거리를 구하면, 레지스트 패턴(101)의 선폭을 측정할 수 있다. ,
지금부터, 화상 처리 컴퓨터(6)에 의해 작성된 강도 프로파일로 부터 레지스트 패턴(101)의 선폭을 측정하는 방법에 대해 설명한다.
예를 들면, 레지스터 두께가 400 nm, 선폭이 173 nm 인 레지스트 패턴(101)의 화상을 오프-포커스 상태로 촬상소자(4)에 의해 촬상하여, 이 화상을 화상처리용 컴퓨터(6)에 넣는다. 다음에, 화상처리용 컴퓨터(6)에 의해, 도 5 에 도시된 강도 프로파일이 작성된다.
상기 화상처리용 컴퓨터(6)에 의해 작성된 강도 프로파일로부터 레지스트 패턴(101)의 선폭을 측정하기위해서는, 우선, 이 강도 프로파일의 산골짜기의 부분을 2 차 함수로 피팅(fitting)한다. 그리고, 이 2 차 함수의 극치를 산골짜기의 부분의 피크로서 검출한다. 이것에 의해, 레지스트 패턴(101)의 패턴 엣지에 대응한 산골짜기의 부분의 피크의 위치를, 촬상소자(4)의 픽셀 크기 이하의 고 정밀도로 구할 수 있다.
다음에, 이웃이 되는 2 개의 산골짜기의 피크 간의 거리를 측정하는 2 개의 산골짜기의 피크간의 거리가 레지스트 패턴(101)의 선폭에 대응하는 것이다. 여기서 얻어지는 2 개의 산골짜기의 피크간의 거리(레지스트 패턴(101)의 선폭의 관찰치)는 레지스트 패턴(101)의 선폭의 실제의 값(절대치)보다도 커지고 있다. 예를 들면, 이 예에 있어서는, 레지스트 패턴(101)의 선폭의 절대치는 173 nm 이지만, 강도 프로파일로부터 측정된 관찰치는 305 nm 이 된다.
그래서, 강도 프로파일로부터 측정된 관찰치가 레지스트 패턴(101)의 선폭의절대치보다도 커지는 것은 레지스트 패턴(101)의 화상이 오프-포커스 상태로 촬상되어, 이 오프-포커스 상태로 촬상된 화상을 바탕으로 강도 프로파일이 작성되기 때문이다.
비교를 위해, 레지스터 두께가 400 nm, 선폭이 355 nm 인 레지스트 패턴(101)의 화상을 초점이 맞은 상태로 촬상소자(4)에 의해 촬상하였다. 상기 화상을 화상처리용 컴퓨터(6)에 넣어 강도 프로파일를 작성했다. 도 6 에 도시된 바와같이, 선폭이 173 nm 인 레지스트 패턴(101)을 오프-포커스 상태로 관찰한 경우와 거의 같은 강도 프로파일이 얻어졌다. 그리고, 이 강도 프로파일에 나타난 2개의 산골짜기의 피크간의 거리를 측정한 바, 관찰치는 302 nm 이었다.
이와 같이, 초점이 맞은 상태로 촬상된 레지스트 패턴(101)의 화상을 바탕으로 강도 프로파일를 작성하여, 레지스트 패턴(101)의 선폭의 관찰치를 구하면, 상기 관찰치는 레지스트 패턴(101)의 선폭의 절대치 이하가 된다.
여기서, 오프-포커스 상태로 관찰하였을 때에 얻어지는 레지스트 패턴(101)의 선폭의 관찰치와, 레지스트 패턴(101)의 선폭의 절대치와의 관계를 조사한 바, 도 7 에 도시된 바와같이, 이들은 거의 직선 관계에 있는 것을 알았다. 도 7 에 있어서, 세로축은 오프-포커스 상태로 레지스트 패턴(101)을 관찰하였을 때에 얻어지는 선폭의 측정치를 나타내고, 횡축은 레지스트 패턴(101)의 선폭의 절대치를 나타낸다. 상기 레지스트 패턴(101)의 선폭의 절대치는 주사전자현미경(SEM)을 사용하여 측정한 값이다. 또한, 도 7 에서, 각 원형 마크(○)는 레지스터 두께가 500 nm 인 레지스트 패턴(101)의 측정결과이고, 각 사각형 마크(□)는 레지스터 두께가465 nm 인 레지스트 패턴(101)의 측정결과이다. 또한, 도 7 에서, 각 다이아몬드 마크(◇)는 레지스터 두께가 450 nm 인 레지스트 패턴(101)의 측정결과이고, 각 크로스 마크(×)는 레지스터 두께가 400 nm 인 레지스트 패턴(101)의 측정결과이다. 도 7 에 도시된 바와같이, 오프-포커스 상태로 레지스트 패턴(101)을 관찰하였을때 얻어지는 선폭의 관찰치와 레지스트 패턴(101)의 선폭의 절대치 사이는 거의 직선의 관계에 있다. 상기 직선의 경사는 레지스트 두께가 변화할때도 거의 일정하다.
따라서, 레지스트 패턴(101)의 선폭의 절대치에 대한 레지스트 패턴의 선폭의 관찰치의 비율을 미리 알고 있으면, 강도 프로파일로부터 측정된 레지스트 패턴(101)의 선폭의 관찰치를 보정함으로써 그 절대치를 구할 수 있다.
이상과 같이, 오프-포커스 상태로 촬상된 레지스트 패턴(101)의 화상을 바탕으로 그 강도 프로파일를 작성하여, 이 강도 프로파일로부터 레지스트 패턴(101)의 선폭을 구하면, 레지스트 패턴(101)의 선폭을 정밀하게 측정할 수 있다. 레지스트 패턴(101)의 선폭에 변동이 생긴 경우에는, 그 선폭의 변동을 매우 정밀하게 검출할 수 있다.
즉, 검사 장치(1)에 의해 작성된 강도 프로파일를 바탕으로 하여 얻어지는 레지스트 패턴(101)의 선폭의 측정치는 레지스트 패턴(101)의 선폭의 절대치 보다 큰 값이고, 이들은 거의 직선 관계에 있다. 그러므로, 레지스트 패턴(101)의 선폭이 변동하면, 강도 프로파일를 바탕으로 하여 얻어지는 레지스트 패턴(101)의 선폭의 측정치는 실제의 선폭의 변동량보다도 큰 변화량으로 변화된다. 예를 들면, 도7 에 도시된 경우, 레지스트 패턴(101)의 선폭의 관찰치와 절대치와의 관계를 나타내는 직선의 경사는 약 2.5 이다. 따라서, 레지스트 패턴(101)의 선폭이 예를 들면 10 nm 변동하면, 레지스트 패턴(101)의 선폭의 측정치는 약 25 nm 변화된다. 따라서, 검사 장치(1)에 의해 작성된 강도 프로파일를 바탕으로 하여 얻어지는 레지스트 패턴(101)의 선폭의 측정치로부터 레지스트 패턴(101)의 선폭의 변동을 검출하 하면, 대단히 미세한 선폭의 변동도 적절히 검출할 수 있다.
또한, 상기 검사 장치(1)에서, 얻어진 레지스트 패턴(101)의 선폭의 측정치가 레지스트 패턴(101)의 선폭의 절대치보다 크다. 그러므로, 촬상소자(4)에 대하는 결상배율을 비교적 작게 설정할 수 있으므로, 자외광용 대물렌즈(15)나 그 밖의 광학계(5)에 대한 제한을 비교적 느슨하게할 수 있다.
한편, 본 발명을 적용한 검사 장치(1)에 있어서, 화상처리용 컴퓨터(6)에 의해 작성되는 강도 프로파일은 촬상소자(4)에 의해 레지스트 패턴(101)을 촬상할 때의 오프-포커스량에 따라 변화된다. 더나아가, 오프-포커스량을 관찰하는 레지스트 패턴(101)의 형상이나 광학계(5)의 구성 등에 따라 알맞은 값으로 설정하면, 레지스트 패턴(101)의 패턴 엣지에 대응한 산골짜기가 되는 피크의 콘트라스트가 최대가 되는 강도 프로파일를 얻을 수 있다. 이렇게 얻어진 강도 프로파일를 바탕으로 하여, 레지스트 패턴(101)의 선폭을 측정하면, 선폭이 0.18μm 이하의 대단히 미세한 레지스트 패턴(101)의 검사도 정밀하게 행할 수 있다.
산골짜기가 되는 피크의 콘트라스트는 큰 산의 정점의 강도를 A 로, 작은 산의 정점의 강도를 B 로, 산골짜기가 되는 피크의 강도를 C 로 하였을 때, (B-C)/(A-C)에 의해 요청되는 값을 말한다. 산골짜기가 되는 피크의 콘트라스트의 정의는 이상의 것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 큰 산의 정점의 강도를 A 로 하고, 작은 산의 정점의 강도를 B 로 하고, 산골짜기가 되는 피크의 강도를 C 로 하였을 때, (B-C)/(B+C)에 의해 요청되는 값을 산골짜기가 되는 피크의 콘트라스트로서 정의하더라도 좋다.
본 발명을 적용한 검사 장치(1)에서, 제어용 컴퓨터(7)의 제어를 기초로 대물렌즈 이동기구(16)를 구동하여, 자외광용 대물렌즈(15)를 그 광축방향으로 이동함으로써, 오프-포커스량을 강도 프로파일의 산골짜기가 되는 피크의 콘트라스트가 최대가 되는 알맞은 값으로 설정된다. 예를 들면, 레지스터 두께가 400 nm, 선폭이 173 nm 이며 단면이 직사각형인 고립 패턴으로 이루어지는 레지스트 패턴(101)을, 상술한 바와같이 광학계를 갖는 검사 장치(1)로 관찰하는 경우, 산골짜기가 되는 피크의 콘트라스트가 최대가 되는 강도 프로파일은 오프-포커스량이 0.5 내지 0.6μm 인때 얻어진다. 그러므로, 검사 장치(1)에서 이상과 같은 레지스트 패턴(101)을 관찰하는 경우에는, 자외광용 대물렌즈(15)를 이동하여, 상기 자외광용 대물렌즈(15)와 가동 스테이지(2)상에 설치된 반도체 웨이퍼(100) 간의 거리가 자외광용 대물렌즈(15)의 촛점거리로부터 0.5 내지 0.6μm 정도 어긋난 오프-포커스상태가 되도록 설정한다.
오프-포커스량의 설정은 이상과 같이 자외광용 대물렌즈(15)를 이동함으로써 행하는 예에 한정되는 것이 아니라, 예를 들면, 제어용 컴퓨터(7)의 제어를 기초로 가동 스테이지(15)의 Z-스테이지를 구동하여, 반도체 웨이퍼(100)를 수직방향으로이동조작함으로써 행하도록 해도 좋다.
상술한 바와같이, 본 발명을 적용한 검사 장치(1)의 레지스트 패턴(101)의 선폭을 측정하는 경우, 예를들면, 레지스트 패턴(101)의 화상을 오프-포커스 상태로 촬상소자(4)에 의해 촬상하여, 이 화상을 화상처리용 컴퓨터(6)에 넣어 레지스트 패턴(101)에 대응한 강도 프로파일를 작성하여 이 강도 프로파일를 바탕으로 레지스트 패턴(101)의 선폭을 측정한다. 그래서, 미세한 레지스트 패턴(101)의 선폭의 측정을 정밀하게 행할 수 있다.
특히, 반도체 집적회로의 패턴은 최근에, 점점 미세화되고 있고, 선폭이 0.18μm 이하로까지 되고있다. 본 발명에 따른 검사 장치(1)에서는, 선폭이 0.18μm 이하의 대단히 미세한 레지스트 패턴(101)을 검사하는 경우라도, 레지스트 패턴(101)을 촬상할 때 오프-포커스량을 알맞은 값에 설정하면, 패턴 엣지에 대응한 피크를 갖는 강도 프로파일이 얻어진다. 이 강도 프로파일를 바탕으로, 선폭이 0.18μm 이하인 대단히 미세한 레지스트 패턴(101)의 검사를 정밀하게 행할 수 있다. 따라서, 이 검사 장치(1)는 미세화되고 있는 반도체 집적회로의 패턴의 검사을 행하는 데에 있어서 대단히 유용하다.
또한, 상기 검사 장치(1)는 레지스트 패턴(101)의 화상을 광학적에 촬상하여 이 레지스트 패턴(101)을 검사한다. 그러므로, 상기 검사 장치(1)는 주사전자현미경이나 원자간력 현미경과 같이 진공을 필요로 하지 않는다. 따라서, 이 검사 장치(1)에 의하면, 레지스트 패턴(101)의 검사은 간편하고 신속히 행할 수 있다.
상기 검사 장치(1)에 의해 작성되는 강도 프로파일로부터 요청되는 레지스트 패턴(101)의 선폭의 관찰치는 레지스트 패턴(101)의 선폭의 절대치와는 다른 값이다. 그러므로, 이 레지스트 패턴(101)의 선폭의 관찰치를 보정하여 그 절대치를 구하기위해서는, 절대치에 대한 관찰치의 비율을 미리 구하여 놓은 필요가 있다. 여기서, 레지스트 패턴(101)의 선폭의 관찰치와 절대치는 거의 직선 관계에 있기때문에, 레지스트 패턴(101)의 형상이나 검사조건 등이 변하지 않으면, 레지스트 패턴(101)의 선폭의 절대치에 대한 관찰치의 비율은 일정하다. 따라서, 검사 대상이 되는 레지스트 패턴(101)의 형상이 변하였을 때나 검사조건을 변경하였을 때에만, 주사 전자 현미경 등을 사용하여 레지스트 패턴(101)의 절대치를 측정하여, 레지스트 패턴(101)의 절대치에 대한 관찰치의 비율을 미리 구하여 놓으면, 검사 장치(1)에 의해 얻어지는 레지스트 패턴(101)의 선폭의 관찰치를 보정하여, 그 절대치를 간단하고도 신속하게 구할 수 있다.
이상의 설명은 반도체 웨이퍼(100)상에 형성된 레지스트 패턴(101)의 선폭을 측정하는 경우를 예로 들어 설명하였지만, 본 발명을 적용한 검사 장치(1)로서는, 요철 패턴을 갖는 모든 검사 대상의 검사를 정밀하게 행할 수 있다.

Claims (15)

  1. 요철 패턴을 갖는 검사 대상을 조명광으로 조명하는 조명수단과,
    상기 조명수단에 의해 조명된 검사 대상의 화상을 촬상하는 화상 촬상수단과,
    상기 조명수단에 의해 조명된 검사 대상으로부터의 반사광 또는 투과광을 상기 화상 촬상수단으로 유도하는 검출 광학계와,
    상기 화상 촬상수단에 의해 촬상된 상기 검사 대상의 화상을 바탕으로, 상기검사 대상의 요철 패턴에 대응하는 빛의 강도 프로파일를 작성하는 화상 처리수단을 포함하며;
    상기 검출 광학계는 상기 화상 처리수단이 상기 검사 대상의 요철 패턴의 오목부와 볼록부 사이의 경계 부분에 대응하는 피크를 갖는 빛의 강도 프로파일를 작성하도록, 상기 조명수단에 의해 조명된 검사 대상으로부터의 반사광 또는 투과광을 오프-포커스 상태로, 상기 화상 촬상수단으로 유도하는 검사 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 검사 대상은 오목부 또는 볼록부의 폭이 0.18 μm 이하인 요철 패턴을 갖고,
    상기 화상 처리수단이 오목부 또는 볼록부의 폭이 0.18 μm 이하인 요철 패턴의 오목부와 볼록부 사이의 경계부분에 대응하는 피크를 갖는 빛의 강도 프로파일를 작성하도록, 상기 검출 광학계의 오프-포커스량이 설정되는 검사 장치,
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 화상 처리수단이 상기 검사 대상의 요철 패턴의 오목부와 볼록부 사이의 경계부분에 대응한 피크의 콘트라스트가 최대가 되는 빛의 강도 프로파일를 작성하도록, 상기 검출 광학계(5)의 오프-포커스량이 설정되는 검사 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    작성한 강도 프로파일의 오목부와 볼록부 사이의 경계부분에 대응하는 피크를 상기 화상 처리수단에 의한 함수로 피팅하여, 상기 함수의 극치를 기준로 하여 상기 오목부 또는 볼록부의 폭의 관찰치를 검출하는 검사 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 화상 처리수단에 의해 검출된 오목부 또는 볼록부의 폭의 관찰치는 상기 오목부 또는 볼록부의 폭의 절대치 보다 크며,
    상기 화상 처리수단에 의해 검출된 오목부 또는 볼록부의 폭의 관찰치를 보정하여, 상기 오목부 또는 볼록부의 폭의 절대치를 구하는 검사 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 화상 처리수단에 의해 검출된 오목부 또는 볼록부의 폭의 관찰치의 변화의 비율이 상기 오목부 또는 볼록부의 폭의 절대치의 변화의 비율 보다 큰 검사 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 조명수단은 자외광을 조명광으로서 사용하여, 상기 검사 대상을 조명하는 검사 장치.
  8. 요철 패턴을 갖는 검사 대상을 조명광에 의해 조명하는 단계와,
    상기 조명광에 의해 조명된 검사 대상으로부터의 반사광 또는 투과광을 오프-포커스 상태로 화상 촬상수단으로 유도하여, 상기 검사 대상의 화상을 상기 화상 촬상수단에 의해 촬상하는 단계와,
    상기 화상 촬상수단에 의해 촬상된 상기 검사 대상의 화상을 바탕으로, 상기검사 대상의 요철 패턴의 오목부와 볼록부 사이의 경계부분에 대응하는 피크를 갖는 빛의 강도 프로파일를 작성하는 단계 및,
    얻어진 강도 프로파일를 바탕으로 상기 검사 대상의 요철 패턴의 상태를 검사하는 단계를 포함하는 검사 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 검사 대상은 오목부 또는 볼록부의 폭이 0.18μm 이하인 요철 패턴을 갖고,
    오목부 또는 볼록부의 폭이 0.18μm 이하인 요철 패턴의 오목부와 볼록부 사이의 경계부분에 대응하는 피크를 갖는 빛의 강도 프로파일이 얻어지도록, 상기 촬상소자에 유도될 상기 검사 대상으로부터의 반사광 또는 투과광의 오프-포커스량을 설정하는 검사 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 요철 패턴의 오목부와 볼록부 사이의 경계부분에 대응하는 피크의 콘트라스트가 최대가 되는 빛의 강도 프로파일이 얻어지도록, 상기 촬상소자에 유도될 상기 검사 대상으로부터의 반사광 또는 투과광의 오프-포커스량을 설정하는 검사 방법`
  11. 제 8 항에 있어서,
    얻어진 강도 프로파일의 오목부와 볼록부 사이의 경계 부분에 대응하는 피크를 함수로 피팅하여, 함수의 극치를 기준로 하여 상기 오목부 또는 볼록부의 폭의 관찰치를 검출하는 검사 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 오목부 또는 볼록부의 폭의 관찰치는 상기 오목부 또는 볼록부의 폭의 절대치 보다 크고,
    상기 오목부 또는 볼록부의 폭의 관찰치를 보정하는 것에 의해, 상기 오목부또는 볼록부의 폭의 절대치를 구하는 검사 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 관찰치를 보정하는 것에 의해 절대치를 얻도록, 요철 패턴의 절대치는 요철 패턴의 절대치에 대한 요철 패턴의 관찰치의 비율을 얻기 위해 주사 전자 현미경 등의 사용으로 미리 측정되고, 상기 비율을 바탕으로 검사에 의해 얻어진 관찰치는 절대치를 얻기위해 보정되는 검사 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 오목부 또는 볼록부의 폭의 관찰치의 변화의 비율이 상기 오목부 또는 볼록부의 폭의 절대치의 변화의 비율보다 큰 검사 방법.
  15. 제 8 항에 있어서,
    자외광을 조명광으로서 사용하여, 상기 검사 대상을 조명하는 검사 방법.
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