JP2008096252A - 近接場検査方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体ウェーハの表面及び表面近傍の微小異物、構造的欠陥を、配線パターン等の影響を受けずに感度良くかつ迅速に検査する。
【解決手段】照光装置と、高屈折率の液体材料と、固体光学要素と、近接場光又は光線の散乱光を集光するレンズ系と、集光した散乱光を検出する光検出装置とを含む、半導体ウェーハの検査装置及び検査方法を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、被検査物の表面近傍の異物又は欠陥の検査装置及びその方法、特に半導体製造過程での未完成な半導体ウェーハの外観検査装置及びその方法に関する。

近年、半導体装置の多層化が進み、各層を積み上げるため、各層をＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing)等の研磨技術で平坦化している。このＣＭＰ等による平坦化に伴うスクラッチ等の加工歪みが半導体装置の歩留まりを落としたり、故障原因になる危険性が増している。しかしながら、従来の光学的手法を主にする検査方法では、観察する表面以外に背景となる下地の拡散層や配線パターンが映りこみや散乱を起こし、ノイズになることにより、必要とする欠陥信号品質を落とすことによる感度低下を招いている。

一方、各層の多くは透明な絶縁層で形成されているため、従来の光学的検査法では、特にスクラッチ（凹み）やクラック等の透明な欠陥は明視野法、暗視野法ともにコントラストが付きにくく、また下地のパターンに起因する不要な信号が重畳するため、さらに欠陥の検出感度の低下を招いている。このため、０．３ミクロン程度の比較的大きな欠陥でも十分な感度が得られていない。

下地背景の影響を受けにくい近接場を利用した検査装置の特許文献例としては、特許文献１（特開２０００−３０６２３５）、特許文献２（特開２００１−２２８０９４）が挙げられる。これらは、被検査物が半導体装置ではなく、ＣＤやＤＶＤ等のディスクであり、被検査物が異なるが、被検査物の表面から所定の距離だけ離して、空気より屈折率の大きな固体材料を設置し、その固体材料の底面で全反射するような角度で表面から光線を照射し、その材料から滲み出した近接場光が被検査物の表面近傍にある微小異物やスクラッチ、クラック等の加工歪みなどの欠陥によって散乱されて発生した散乱光を検出する装置を提案している（図４参照）。

図４は上記特許文献１及び２に開示された検査装置の概略断面を図示したものである。被検査物３８（ディスク基板）から所定の距離だけ離して固体材料３３を設置し、それに照光装置１２より光線１７を、固体材料の底面で全反射する角度θで照射する。これにより全反射面から近接場光１４が発生し、この近接場光と被検査物表面近傍の微小異物や欠陥（図示せず）との相互作用による散乱光を集光レンズ系１５で集光し、光検出装置１６で検出するものである。

被検査物が半導体装置である検査装置については、「Near Field Measurement of Nano-Particles on Patterned Wafers Surface」（吉岡ら、Second International Symposium on Standard Materials And Metrology for Nanotechnology予稿集Ｐ２−０８）（非特許文献１）及び「輪帯エバネッセント照明による回路パターン付きＳｉウエハの表面異物欠陥検出法に関する研究」（吉岡ら、精密工学会誌第７２巻、第７号、Ｐ８７８）（非特許文献２）において類似の装置が提案されている。

一方、半導体ウェーハ裏面から赤外光を斜めに照射し、半導体ウェーハ表面にできる近接場光を走査型プローブで高解像度に検出する手法が紹介されている（精密工学会誌、第６９巻、第９号）（非特許文献３）。

その他、特許文献３ではエバネッセント照明を用いた分子蛍光解析方法が、特許文献４ではエバネッセント光を利用した走査型近接場顕微鏡が、特許文献５では２種類の照明を用いて透明材料中の異常を検出する方法が、それぞれ開示されている。

また、特許文献７（特開平７−１６７７７５）等で紹介されている近接場顕微鏡は、用いる光の波長よりも短い開口径を持つプローブを被検査表面から一定の距離を離して走査するものである。

また、特許文献８（特開平７−２９７２４７）では、被検査物の表面に被検査物よりも屈折率の大きな透明固体材料を接触させ、或いは覆い、固体材料の底面で全反射する角度で表面から光線を照射し、固体材料底面から滲み出した近接場光が被検査物近傍にある微小異物やスクラッチ、クラック当の加工歪み等の欠陥によって散乱され、発生した散乱光を検出する検査方法を紹介している（図５参照）。

図５は上記特許文献８における検査装置の概略断面を図示したものである。被検査物４８（シリコン基板）に接触して設置された固体材料４３に、光線１７を固体材料底面で全反射する角度θで照射し、発生する近接場光１４との散乱光（図示せず）を検出する。

特開２０００−３０６２３５号公報 特開２００１−２２８０９４号公報 特開２００３−２９４６３１号公報 特開平７−１５９６９６号公報 特表２００１−５１９８９０号公報 特開２００２−５３８３９号公報 特開平７−１６７７７５号公報 特開平７−２９７２４７号公報 吉岡ら、「Near Field Measurement of Nano-Particles on Patterned Wafers Surface」、Second International Symposium on Standard Materials And Metrology for Nanotechnology予稿集Ｐ２−０８ 吉岡ら、「輪帯エバネッセント照明による回路パターン付きＳｉウエハの表面異物欠陥検出法に関する研究」、精密工学会誌、第７２巻、第７号、Ｐ８７８ 中島ら、「赤外エバネッセント光によるシリコンウエハ加工表面層欠出に関する研究（第１報）−理論的・実験的検討−」精密工学会誌、第６９巻、第９号、Ｐ１２９１

上記特許文献１及び２の方法においては、下地パターンの影響は小さくすることには成功しているが、被検査物表面から一定の距離を離して空気よりも屈折率の大きな固体材料（半球形状が多い）を掃引して検査するため、全反射面からの距離に従って指数関数的に減少する近接場光とは、被検査物表面上の異物に対しては相互作用により若干散乱光が生じても、被検査物内部のスクラッチやクラック等の欠陥に対しては距離が遠いため、散乱光（従って信号強度）が弱いという欠点がある。

また、特許文献１及び２並びに非特許文献１及び２の方法では、高屈折率材料と被検査物との間を所定の距離だけ離す必要があるが、この距離は１００ｎｍから２００ｎｍ以内のある距離と非常に短い中のある距離となり、この距離を一定にして広い範囲を同じ条件で検査することは、フォーカシング機構の高精度を要求するとともに、時間がかかる問題を有している。

非特許文献３の手法では、半導体ウェーハ上に下地パターンが形成された場合、これらの下地パターンが赤外光の進路を塞ぐことにより、表面の近接場光形成を阻害する。

特許文献７等で紹介されている近接場顕微鏡では、非常に小さなプローブ先端を走査するため、解像度は高いが検査時間が非常に長くなる問題を持っているため、スピードを要求される半導体プロセスのライン検査には不向きである。

また、特許文献８の方法では固体材料を被検査物に直接接触させているため、検査範囲を変更するには一旦固体材料を被検査物から引き離し、新たな検査箇所で被検査物に再度、直接接触させる必要がある。そのため、ＬＳＩウェーハの検査などの広範囲の検査には時間がかかり不適である。

以上から、半導体ウェーハの表面及び表面近傍の微小異物、構造的欠陥を、配線パターン等の影響を受けずに感度良くかつ迅速に検査する、近接場光を用いた検査方法及び装置が期待されている。

本発明の第１の側面は、被検査物よりも大きな屈折率を持ち該被検査物と接触させ又は覆う液体材料と、照射する光線が該液体材料の底面で全反射する角度で入射するよう配置された照光装置と、該光線を該角度で該液体材料中に導入する固体光学要素と、近接場光又は該光線の散乱光を集光するレンズ系及び集光した該散乱光を検出する光検出装置とを含むことを特徴とする、半導体ウェーハの検査装置である。

本発明の第２の側面は、前記固体光学要素は前記光線を透過し、屈折率が前記液体材料とほぼ同じであり、前記光線の入射角とほぼ同じ角度の入射面を持つ台形プリズム又は三角プリズムあるいは半球状の光学レンズである、半導体ウェーハの検査装置である。

本発明の第３の側面は、被検査物よりも大きな屈折率を持ち該被検査物と接触させ又は覆う液体材料と、照射する光線が該液体材料の底面で全反射する角度で直接該液体材料中に入射するよう配置された導光装置と、近接場光又は該光線の散乱光を集光するレンズ系及び集光した該散乱光を検出する光検出装置とを含むことを特徴とする、半導体ウェーハの検査装置である。

本発明の第４の側面は、前記液体材料は前記光線を透過し、屈折率が１．７以上で厚みが２００ｎｍ以上の液体である、半導体ウェーハの検査装置である。

本発明の第５の側面は、前記液体材料を被検査物の表面に供給する装置を備える、半導体ウェーハの検査装置である。

本発明の第６の側面は、前記液体材料を被検査物の表面から回収する装置をさらに備える、半導体ウェーハの検査装置である。

本発明の第７の側面は、被検査物の上に、該被検査物よりも屈折率の大きい液体材料を接触させ或いは覆うステップと、光線を該液体材料の底面で全反射する角度で照射して、該液体材料の底面に近接場光を発生させるステップと、該近接場光及び該光線の散乱光を集光し検出するステップとを含むことを特徴とする、半導体ウェーハの検査方法である。

上記のように、被検査物の上に、空間的又は時間的に連続的な設置が可能な液体材料を配置し、これに光線を照射することにより、液体材料と被検査物との境界面で近接場光を発生させることができ、その近接場光及び照射光線と微小異物や構造的欠陥との相互作用による散乱光を検出することにより、高感度で迅速な広範囲の連続検査が可能となる。

従来は近接場光を利用した検査方法であっても、被検査物の表面上の異物しか感度良く検査できず、また表面近傍のスクラッチ、クラック等の欠陥を同時に検査できても光学材料を接触させる必要があって検査範囲を変えるごとに光学材料を移動させるため、検査効率が悪かった。本発明によれば、近接場光発生箇所と欠陥箇所が同一或いは近接しているため、下地パターンの影響を受けることなく、強い欠陥信号を得ることができる。また、近接場光を発生させる位置を連続的に変えることができる液体材料を用いたこと及び表面上の異物と表面近傍のスクラッチ、クラック等の欠陥を同時に検査できることから、検査効率が大きく改善された。これにより、感度の良い近接場光を利用する検査を半導体ウェーハの検査に使用できることになり、半導体装置の歩留まりを向上させ、コストの低減化を図ることができる。

以下の実施例に即し、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の検査装置に係る実施例１の構成を示した概略断面図である。図１に示すように、半導体装置製造過程において、シリコン基板１０の上に、膜厚１００ｎｍから２００ｎｍ、屈折率がｎl＝１．５付近の透明の層間絶縁膜１１（ＢＰＳＧ膜等）が形成されている。本発明は、この部分の微小異物、スクラッチ、クラック等の検出を可能とする。

ここで、被検査物１８の層間絶縁膜１１の表面に液体材料１３を設置する。液体材料１３は層間絶縁膜１１よりも高屈折率の液体であり、ここに光線１７が照光装置１２から照射され、液体材料１３に入射する。光線１７の入射角θは、光線１７が液体材料１３の底面で全反射する角度である。照光装置１２は各種波長光源に応じた既知の装置であり、光源、導光装置等を含みうる。光線の種類は、検出すべき異物や欠陥の大きさにもよるが、可視光又はそれより短波長の光線が使用できる。光線１７が液体材料１３の底面で全反射すると、液体材料１３と被検査物である層間絶縁膜１１との界面を起点として層間絶縁膜側に、指数関数的に減衰し、１００ｎｍから２００ｎｍで消滅する、いわゆる近接場光（エバネッセンス光、消滅光ともいう）１４を発生させる。この近接場光１４は層間絶縁膜１１の表面近傍のクラック等の構造的欠陥（図示せず）と相互作用し、散乱光（図示せず）を発生する。対物レンズ、結像レンズ等を含みうる集光レンズ系１５は、この散乱光を集光し、光検出装置１６に導くものである。光検出装置１６は集光した散乱光の検出装置であり、可視光線を用いる場合はＣＣＤ等の撮像素子が利用でき、集光レンズ系１５及び光検出装置１６を１組とした光学顕微鏡等が考えられる。使用する光線の波長に合わせて既知の装置が使用可能である。また、照光装置（又は光線）、光検出装置はそれぞれ複数であっても良い。

液体材料１３は被検査物である層間絶縁膜１１上に直付けに設置する。検査感度を上げるため、液体材料１３はできるだけ照射光線を吸収しない透過材料であることが好ましい。また液体材料１３の底面で光線を全反射させるため、層間絶縁膜１１より屈折率が大きい必要がある。０．３ミクロンの欠陥を検出するための、回折限界的な必要条件を満たしている可視光線を用いる場合、液体材料１３としては、特許文献６（特開２００２−５３８３９）に開示されている、液状有機化合物にハロゲン化アンチモンを配合した高屈折率液体や、ＪＳＲ社のコード名「ＨＩＦ−００１」、三井化学株式会社の開発コード名「デルファイ」等の、低毒性、高透明性の高屈折率液体が使用でき、例えば屈折率ｎh＝１．７以上の高屈折率液体が好ましい。この高屈折率液体材料を、厚さ２００ｎｍ程度以上に層間絶縁膜１１の表面に塗布することが好ましい。こぼれないように枠を設けても良い。

被検査物１８を検査するためには、被検査物１８をＸＹステージ等に載せて、光検出装置１６に対するフォーカスを保ちながら被検査物１８の表面の任意の箇所又は全体を連続的に水平走査を行うことで達成される。

光線１７を液体材料１３に効果的に照射するため、屈折率が液体材料１３とほぼ同じであり、液体材料１３と接触させる固体光学要素１９を用いる。固体光学要素１９としては、検査感度を上げるため光線を透過し、かつ効果的に光線を液体材料中へ導入するため、必要な光線の入射角に対してほぼ直角に近い面を持つ、三角プリズム又は台形プリズムあるいは半球状の光学レンズを用いることが好ましい。

図１に示すように、液体材料１３の表面に液体材料１３と同程度の屈折率を持つ固体光学要素１９（実施例１では台形プリズム）を接触させる。この場合、固体光学要素１９の底面部と層間絶縁膜１１の表面との間に液体材料１３を連続的に供給する液体材料供給装置２４を備えることが好ましい。また、液体材料１３を連続的に回収する液体材料回収装置２５をさらに備えることが好ましい。液体材料の厚さはこれらの装置により設定される２００ｎｍ以上の値である。液体材料供給装置２４、液体材料回収装置２５は、例えば半導体製造工程における液浸露光装置に用いられる液体供給・回収装置が使用できる。

台形プリズム（固体光学要素）１９の斜面は、層間絶縁膜１１と液体材料１３から決まる全反射角度以上の角度を持つ。この台形プリズム１９の一方の斜面に対してほぼ直角にアルゴンレーザや平行化（コリメート）したランプの光線１７を当てると、台形プリズム１９の底面と液体材料１３の界面では台形プリズム１９の屈折率と液体材料１３の屈折率がほぼ同じであるので光線１７はほとんど透過し、層間絶縁膜１１と液体材料１３の界面ではスネルの法則に従って全反射が起こる。実施例１においては、層間絶縁膜１１の屈折率がｎl＝１．５、液体材料１３の屈折率がｎh＝１．７である場合、照射角度θがsin^−１(ｎl/ｎh)＝６２度よりも大きな角度で照射した場合に全反射が起こる。そして液体材料１３と被検査物である層間絶縁膜１１との界面を起点として層間絶縁膜側に近接場光１４を発生させる。

近接場光１４が発生している近接場の中にクラック等の空隙（図示せず）があった場合、この近接場光はクラックの境界によってその波面が乱されて散乱光（図示せず）を発生させる。この散乱光は通常の伝播光となり、遠隔地に伝わるようになる。従ってこの散乱光を通常の光学顕微鏡（集光レンズ系１５及びＣＣＤ等の光検出装置１６）で観察或いは検査を行うことができる。

この近接場光１４は前記の界面から離れるに従って、その強度が弱まるため、１００ｎｍ以上離れた所にあるシリコン基板１０上の配線パターン（図示せず）との相互作用はほとんどなく、従って配線パターンによる散乱光がほとんど発生せず、背景ノイズとなるシリコン基盤の配線パターンの欠陥信号への影響が小さくなる。

一方、界面付近に微小異物やスクラッチ（図示せず）がある場合、界面がその部分では平らでなくなり、微小な凹凸が存在することになり、その部分で照光装置からの光線が散乱される。この散乱光も前記と同様に通常の光学顕微鏡で観察或いは検査することができる。

被検査物の表面が絶縁膜のみではなく、一部に配線パターン（図示せず）が露出している場合がある。これは半導体装置製造過程の配線層形成段階でのＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing)工程では一般的である。この場合、これらの銅配線やアルミニウム配線の境界より内側（すなわち配線上）では、近接場光は発生せず通常の反射が起こっており、顕微鏡の観察範囲には反射光が入射しないので暗視野状態になり信号は検出されない。しかしそこにスクラッチや微小異物がある場合は、通常の散乱が起こり、光学顕微鏡で検出することができる。配線部では、光線に対して不透明であるので、下地のパターンの影響はもちろん受けることはない。

配線の境界（エッジ）は光線を回折し、その回折光が顕微鏡の観察範囲に入る場合、強い境界線の信号となり、異物やスクラッチ等の検出にとってはノイズ源になる場合があるが、配線の伸びている方向と、照明する方向とがなす角度が小さくなるほど境界からの回折光が顕微鏡観察範囲に入ってこなくなることから、照明する方向を選ぶことにより、その影響を小さくすることができる。配線が縦横に直交して配置されている場合、光線はその直交座標において４５度の角度で照射すると、配線境界からの回折光を最小にすることができ、欠陥信号感度を上げることができる。

なお、図１においては、液体材料１３を検査位置に連続的に供給・回収しながら、被検査物１８を移動させることにより連続的に検査範囲の走査を行っているが、液体材料１３を層間絶縁膜１１の表面にあらかじめ塗布した状態で固体光学要素１９を接触させ、光線を照射することも可能である。また、被検査物１８を固定し、照光装置等の他の構成要素を移動させて検査することも可能である。

図２は、本発明の検査装置に係る実施例２の構成を示した概略図である。実施例２においては、固体光学要素を用いる代わりに、光線１７を液体材料１３内部に照射するため、液体材料に直接接触させる光源部又は光源からのプローブ等の導光装置２２を用いる。この場合、接触面で光線が散乱しやすくなるが、至近距離で光線を照射することができ、また固体光学要素が不要となる。液体材料１３の底面で全反射した光線１７は、液体材料と空気との界面で再度全反射されるが検査には影響はない。液体材料を連続的に供給・回収しながらでも検査可能であることは実施例１と同様である。他の構成、効果は実施例１と同様である。

図３は、本発明の検査装置に係る実施例３の構成を示した概略図である。実施例３は、実施例２の導光装置２２の先端が液面位置より下に完全には入っていない場合である。この場合でも、液体材料１３の表面張力により、導光装置２２の先端は液体材料１３に完全に接触し、実施例２と同様の効果が得られる。

本発明による、実施例１に係る検査装置の概略断面図である。 本発明による、実施例２に係る検査装置の概略断面図である。 本発明による、実施例３に係る検査装置の概略断面図である。 固体材料の底面からの近接場光を用いる従来技術の検査装置の概略断面図である。 固体材料を被検査物に接触させた従来技術の検査装置の概略断面図である。

符号の説明

１０ シリコン基板
１１ 層間絶縁膜
１２ 照光装置
１３ 液体材料
１４ 近接場光
１５ 集光レンズ系
１６ 光検出装置
１７ 光線
１８、３８、４８ 被検査物
１９ 固体光学要素（台形プリズム）
２２ 導光装置
２４ 液体材料供給装置
２５ 液体材料回収装置
３３、４３ 固体材料

Claims (7)

1. 被検査物よりも大きな屈折率を持ち該被検査物と接触させ又は覆う液体材料と、照射する光線が該液体材料の底面で全反射する角度で入射するよう配置された照光装置と、該光線を該角度で該液体材料中に導入する固体光学要素と、近接場光又は該光線の散乱光を集光するレンズ系及び集光した該散乱光を検出する光検出装置とを含むことを特徴とする、半導体ウェーハの検査装置。
2. 前記固体光学要素は前記光線を透過し、屈折率が前記液体材料とほぼ同じであり、前記光線の入射角とほぼ同じ角度の入射面を持つ台形プリズム又は三角プリズムあるいは半球状の光学レンズであることを特徴とする、請求項１に記載の半導体ウェーハの検査装置。
3. 被検査物よりも大きな屈折率を持ち該被検査物と接触させ又は覆う液体材料と、照射する光線が該液体材料の底面で全反射する角度で直接該液体材料中に入射するよう配置された導光装置と、近接場光又は該光線の散乱光を集光するレンズ系及び集光した該散乱光を検出する光検出装置とを含むことを特徴とする、半導体ウェーハの検査装置。
4. 前記液体材料は前記光線を透過し、屈折率が１．７以上で厚みが２００ｎｍ以上の液体であることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一に記載の半導体ウェーハの検査装置。
5. 前記液体材料を被検査物の表面に供給する装置を備える、請求項１から４のいずれか一に記載の半導体ウェーハの検査装置。
6. 前記液体材料を被検査物の表面から回収する装置をさらに備える、請求項１から５のいずれか一に記載の半導体ウェーハの検査装置。
7. 被検査物の上に、該被検査物よりも屈折率の大きい液体材料を接触させ或いは覆うステップと、光線を該液体材料の底面で全反射する角度で照射して、該液体材料の底面に近接場光を発生させるステップと、該近接場光及び該光線の散乱光を集光し検出するステップとを含むことを特徴とする、半導体ウェーハの検査方法。

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