JP4759228B2 - 反射率測定によるエッジビード除去の検査 - Google Patents

Description

本発明は、集積回路ウエハの検査ツールに関するものである。本発明は、特に、レジストのエッジビードを除去するためにウエハを検査する方法および装置に関するものである。

集積回路の製造工程では、一般的に、パターン形成の一環として、複数回に渡ってリソグラフィ（フォトリソグラフィ、電子ビームリソグラフィ、またはＸ線リソグラフィを含む）が実施される。リソグラフィのためのレジストを塗布する標準的な方法は、スピン方法である。この方法では、回転しているウエハの中心または中心近くにレジストが供給されるので、レジストはウエハ上を外に向かって広がる。

流体力学によってスピン塗布を実行するとウエハの端部にレジストの「エッジビード」を堆積層の数倍もの厚さに渡って形成されるという結果がもたらされる。このエッジビードが除去されないと、後の工程で、微粒子および汚染物質の原因になる剥離などの深刻な問題を生じる。レジストの現像前に除去されなかったエッジビードは、従来のウエハ剥ぎ取りの工程後も残留しつづける。したがって、エッジビードは、ウエハにレジストをスピン塗布した直後に除去することが標準的な手順になっている。エッジビードの除去は、ウエハの端部に溶剤を供給したり現像前にレジストを露光したりする手順を含む様々な方法で実現することが可能である。エッジビードの除去は、もし正しく実施されれば、ウエハの端部に剥き出しのきれいなシリコンの環を残すことができる。図１ａは、理想的なＥＢＲの構造を示している。この構造は、前の工程によって形成されたウエハ４上のスタック２と、スタック２の上部８および端部１０を覆うレジスト６と、ウエハ４の外端に位置する剥き出しのシリコン領域１２（環状である）とを含む。実際のレジストの断面は、図のように急ではなくもっと緩やかである。ＥＢＲの環は、一般に１〜５ｍｍの厚さを有し、ウエハの中心に対して正確に位置合わされていることが望ましい。

光学検査ツールは、望ましい特徴の１つとして、エッジビード除去（ＥＢＲ）の検査を行う機能を備える。この機能は、環の位置を検出し、ウエハ上における環の位置および中心合わせの程度（センタリング）を決定すること、そしてレジストの除去が完了したか否かを決定することを含む。

ＥＢＲの外観検査は、レジストの端部における色の変化に依存して行われる。しかしながら、吸収スペクトルおよび発色はレジストの種類に応じて異なるので、この方法は正確でない。また、発色は薄膜効果および回折効果によって変化する可能性がある。さらに、レジストの端部が鋭角でない場合は光回折効果が弱まってしまう。

ＫＬＡテンカー社によるＶｉｐｅｒシステムなどの検査システムにおいて、エッジビード除去の検査を行うために使用されている現行の方法は、レジストが除去された端部の環の位置を、非偏光からの総反射スペクトルを利用して決定する。この方法は、最初のレジスト層に対しては上手く機能することが証明されている。ただし、図１ｂに示されるように、実際の多層構造の端部は、図１ａに示された理想的な断面よりも遙かに複雑な断面を有する。したがって、除去されたレジスト領域の中心合わせの程度または幅の各工程ごとの僅かな差が、結果として、高さおよび材料の様々に異なる複数の環１８を下に有する階段状の断面１６をもたらす可能性がある。これは光の反射結果を複雑にするので、検査の精度をますます低下させる。

したがって、本発明の目的は、エッジビード除去を検査するための改良された集積回路製造方法および装置を提供することにある。

本発明のさらなる目的は、多層構造に対して正確である、エッジビード除去を検査するための改良された集積回路製造方法および装置を提供することにある。

本発明のさらなる目的は、低コストで且つ既存の検査システムに適合できる、エッジビード除去を検査するための改良された集積回路製造方法および装置を提供することにある。

本発明による方法および装置は、ウエハ上のレジストで覆われた領域とレジストで覆われていない領域との間のコントラストを強調する。レジストで覆われていない領域は、具体的には剥き出しのシリコン領域を指す。コントラストが強調されると、反射率測定の点から見て本質的に煩い領域であるウエハ端部近くの解像度が向上する。本発明による方法は、標準的な偏光解析法とは異なる。標準的な偏光解析法は、点光源、可変波長、および一点での偏光を利用するのが通常である。標準的な偏光解析法を使用すると、材料層、厚さ、および屈折率を局所的に決定することができる。

反対に、本発明による方法は、より広い面積に渡ってコントラストを強調する画像検査法である。光源を視準する必要はあるが、点光源よりも広い範囲をとらせることができる。例えば、面光源や線光源などが可能である。

図２は、照射光すなわち入射光が視準され且つ直線偏光されている場合に材料（すなわちシリコンウエハ）からの反射光がとると考えられる一般的な性質を示している。この図は、シリコンに対するｓ偏光入射光およびｐ偏光入射光の反射率を、法線からの照射角の関数でそれぞれに表したグラフである。このデータの波長は６３５ｎｍである。ｐ偏光の電場ベクトルは、入射平面波の伝搬ベクトルと試料面に対する法線ベクトルとによって規定される入射平面内に含まれる。したがって、ｐ偏光の電場は試料面に対して法線成分を有する。ｓ偏光は、入射平面に対して垂直な電場ベクトルを有するので、その電場は試料面に対して接線であり、したがって法線成分を有さない。

図２に示されるように、シリコンに対するｓ偏光の反射率曲線１９は、法線からの照射角の増大にともなって増加しつづける。試料面が平坦である場合は、ほぼどの材料に対するｓ偏光も同質の反射率曲線を示す。ただし、具体的な数値は屈折率に依存する。しかしながら、ｐ偏光の反射率曲線２０は、ブリュースター角として知られる角度でゼロになる。シリコンのブリュースター角は約７７度である。（屈折率ｎを有する材料に対して空気を通して光を照射する場合の）ブリュースター角は、下記の式：
ｔａｎΘ_Brewster＝ｎ
にしたがって決定される。シリコン以外の材料の反射率曲線は、図２の曲線と質的に似ているが、それぞれにブリュースター角の値が異なる。したがって、ｓ偏光とｐ偏光との間の反射率の比率も角度ごとに異なる。反射率の差は、屈折率の大きく異なる材料同士間で最大になる。

ｎ＝４．６のシリコンは、法線に対して約７７度のブリュースター角を有する。反対に、レジストはｎ＝約１．５であるのが通常であるので、そのブリュースター角は法線に対して約５６度である。図２には、例として、レジストからのｐ偏光のおおよその反射率曲線２１が点線で示されている。

本発明の概念にしたがうと、ウエハはシリコンのブリュースター角で光を照射され、ｓ偏光およびｐ偏光の両方に対してその反射光画像が観測される。第１の実施形態では、ｐ偏光から得られた画像をｓ偏光から得られた画像から差し引いて「画像差」を得る。剥き出しのシリコン領域では、シリコンのブリュースター角での照射からはほとんど若しくは全くｐ偏光が反射されないので、そこから得られる画像差はｓ偏光の画像と基本的に同一になる。反対に、レジストで覆われた領域では、シリコンのブリュースター角でかの照射からはかなりのｐ偏光が反射されるので、そこから得られる画像差はｓ偏光の画像よりもかなり暗くなる。この画像差方法は、感度を最大にして実施される。本実施形態は、画像差を閾値で区分けすることによって、すなわち画像差が特定の差未満である場合はレジストと見なし、画像差が特定の差を超える場合は剥き出しのシリコンと見なすことによって、領域を識別することができる。

第２の実施形態では、画像差を得るのではなく、ブリュースター角で光を入射させた際にｐ偏光から得られる画像を複数の領域間で比較する。例えば、ｐ偏光の入射角がシリコンのブリュースター角である場合は、シリコンの領域はほとんど若しくは全く反射を示さないので、その画像は暗くなる。反対に、同じ角度でも、レジストで覆われた領域からはかなりの反射を得られるので、その画像はシリコン領域の画像と比べてかなり明るくなる。このように、シリコンのブリュースター角でｐ偏光を入射させれば、非偏光を使用する場合と比べて両領域間のコントラストを大幅に強調することができる。

したがって、いずれの実施形態の方法でも、剥き出しのシリコン領域とレジストで覆われた領域との間の画像コントラストを人為的に強調することができる。この画像コントラストの強調は、ウエハの端部近くの画像に存在する固有なノイズを克服するのに有用である。この画像コントラストの強調は、また、先立つ処理工程の結果として端部に複数の環が存在する場合の性能を向上させることもできる。

他の実施形態の方法は、シリコンのブリュースター角以外の照射角を使用する。ただし、コントラストの強調は、照射角がシリコンのブリュースター角またはレジストのブリュースター角に近い場合に最大となる。

図３は、シリコンとレジストとの境界にシリコンのブリュースター角で視準光（白熱フィルタ光）を照射した際に得られた反射光の強度の実験断面を示したグラフである。グラフからわかるように、シリコンとレジストとの境界では反射率が急激に変化するので、強い画像コントラストを得られる。

図４は、本発明による方法を実現するのに適した装置の一実施形態を示している。

シリコンウエハ２３は先立つ工程によって得られたスタック２２をその上に有し、スタック２２の上にはパターン形成されたレジスト層２４がある。レジスト層２４は先立つ工程によって得られたスタック２２の上面２６および側面２８を完全に覆っていることが理想である。ウエハ２３の端部３２の近くに位置するエッジビード除去（ＥＢＲ）の環３０は、レジストを完全に剥ぎ取られ、剥き出しのシリコンのみを残していることが理想である。シリコンウエハ２３は、回転しているプリアライナ３３の上に搭載されている。照明源３４は、レーザ３６からの光線をビーム拡大器３８を通して送ることによって生成される拡大レーザ光であっても良いし、または、視準された白熱光源若しくは他の視準された二次元光源であっても良い。偏光器４０は、フィルタホイールおよび４分の１波長板の一方または両方を備えていて良い。

反射光４２は、画像検出システム４４によって捉えられる。画像検出システム４４は、結像レンズおよび低解像度ＣＣＤすなわちカメラを備えていて良い。画像処理プロセッサ４６は、コンピュータに通じるフレーム取り込み器、ＵＳＢインターフェース、またはＦｉｒｅｗｉｒｅインターフェースを備えていて良い。また、アナログ画像処理も実施可能である。標準的な構成部品を使用すると、画像の解像度はおよそ４０ミクロン画素である。

上記の装置は、エッジビード除去の検査だけでなく他の基準の検査も行う、より完全なエッジ検査装置にも容易に組み込むことができる。例えば、機器による取り扱いによるウエハ端部の破損が懸念される。破損されたウエハは、アニール工程やデポジション工程などの後の処理工程で深刻な問題を引き起こす可能性が高く、これは、チャンバまたは一式のウエハ全部を汚染する恐れがある。また、破損片の存在、欠陥の存在、またはウエハ裏面端部に不必要に堆積されたレジストの存在などによるエッジ効果も懸念される。

包括的なエッジ検査モジュールは、上述されたＥＢＲ用の装置を組み入れると共に、端部の破損片を検査するための別の角度からの照射を取り入れることもできる。破損片は形が不揃いであるので、特に暗視野の場合は大量の散乱を生じる。この追加の照明は、例えばレーザやＬＥＤなどの第２の光源から照射しても良いし、もし入射角若しくは方位角が調整可能である場合はＥＢＲ用の光源と同じ光源を使用しても良い。このようなエッジ検査システムは、プリアライナの上に搭載することができ、ラインカメラを使用して検出を行うことができる。こうすれば、プリアライナチャックの回転によってウエハの全面を走査し、それによって画像を形成することができる。

ウエハの裏面を検査する機能は、カメラすなわちセンサを少しだけずらし、その一部にウエハの上面の端部をＥＢＲおよび破損片用に観測させる一方で、別の一部にはウエハから僅かにずれた領域を観測させることによって、エッジ検査システムに組み入れることができる。そして、ミラーを配置し、ウエハからずれた領域を観測する一部のセンサにウエハの裏面から反射された反射光を収集させることによって、ウエハの裏面の端部に存在する破損片、欠陥、または堆積物を検査することができる。

上述されたエッジ検査モジュールは、最小限のコストで標準的な検査システムに組み入れることができる。追加されるのは、小型カメラと光源のみである。

拡大された視準光源からのｓ偏光入射光とｐ偏光入射光との間に存在する反射率の差を利用してシリコン領域とレジストで覆われた領域との間の画像のコントラストを強調する本発明による概念は、上述されたように、標準的な構成部品を使用して安価に実現することができる。必要な装置は別個に製造して後から既存の機器に取り付けても良いし、あるいは、ＯＥＭ（相手先商標製品製造）として作成しても良い。

本発明を使用すれば、レジストで覆われた領域と剥き出しのシリコン領域との間の画像コントラストを大幅に強調することができる。これは、特に複数の層がパターン形成された後寄りの工程において、より効果的にエッジビード除去を検査することを可能にする。同じ方法および装置は、露光後にレジストの現像および除去が完全になされたかを検査する用途や、または処理中にエッチングもしくは研磨が完全になされたかを検査する用途など、ウエハ上の他の領域に対して使用することもできる。もう１つ、スピンオン層などの層のなかの穴または空隙を検出する用途として使用することも可能である。本発明による方法を上記の用途で使用するためには、問題となる２種類の材料の屈折率を互いに大きく異ならせて画像を強調することが必要である。

本発明は、上述された実施形態に厳密に限定されるものではない。当業者ならば明らかなように、本発明の概念から逸脱しない範囲で各種の変更を加えることが可能である。例えば、他の画像検出装置を利用しても良いし、拡大レーザや視準白熱光以外に、成形光ファイバ束（shaped fiber optic bundles）などの他の視準光源を利用しても良い。したがって、本発明の範囲は、特許請求の範囲に照らして解釈されるものとする。

理想的なエッジビード除去の構造を示した図である。 実際的なエッジビード除去の断面を示した図である。 シリコンの反射率を法線からの照射角の関数として表したグラフである。 本発明による方法を使用した際にシリコンとレジストとの境界で反射光の強度が推移する様子を表したグラフである。 本発明による方法を実現するのに適した装置の図である。

符号の説明

２…スタック
４…ウエハ
６…レジスト
８…スタックの上部
１０…スタックの端部
１２…剥き出しのシリコンの環
１６…階段状の断面
１８…複数の環
２２…スタック
２３…シリコンウエハ
２４…レジスト層
２６…スタックの上面
２８…スタックの側面
３０…ＥＢＲの環
３２…ウエハの端部
３３…プリアライナ
３４…照明源
３６…レーザ
３８…ビーム拡大器
４０…偏光器
４２…反射光
４４…画像検出システム
４６…画像処理プロセッサ

Claims (14)

1. シリコンが剥き出しの第１の部分と、レジストで覆われた第２の部分とをともなった表面を有するシリコンウエハの上面から、レジストのエッジビード除去を検査するための半導体製造方法であって、
   （ａ）視準照射光を前記ウエハ表面に向けて照射角で照射する工程であって、前記照射角は前記ウエハ表面の法線からの角度Θで表され、前記角度Θは照射角に等しい場合にｓ偏光とｐ偏光との間の反射率の比率が前記レジストと前記シリコンとで大きく異なるように選択される、工程と、
   （ｂ）前記視準照射光のｐ偏光成分を前記ウエハ表面に照射するために前記視準照射光を偏光させる工程と、
   （ｃ）前記ウエハ表面で反射された前記視準照射光の前記ｐ偏光成分に基づく反射光の画像を検出する工程と、
   （ｆ）前記シリコンが剥き出しの第１の部分と前記レジストで覆われた第２の部分との間の前記画像コントラストを強調するために、前記視準照射光の前記ｐ偏光成分に基づく前記反射光の画像を処理する工程と
   を備える方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、さらに、前記工程（ｂ）および（ｃ）の前または後に、
   （ｄ）前記視準照射光のｓ偏光成分を前記ウエハ表面に照射するために前記視準照射光を偏光させる工程と、
   （ｅ）前記ウエハ表面で反射された前記視準照射光の前記ｓ偏光成分に基づく反射光の画像を検出する工程とを備え、
   前記シリコンが剥き出しの第１の部分と前記レジストで覆われた第２の部分との間の前記画像コントラストを強調するために前記視準照射光の前記ｐ偏光成分からの前記反射光の画像を処理する工程（ｆ）は、さらに、前記視準照射光の前記ｓ偏光成分に基づく前記反射光の画像を処理することを含む、方法。
3. 請求項２に記載の方法であって、
   前記角度Θはシリコンのブリュースター角である、方法。
4. 請求項２に記載の方法であって、
   前記角度Θは前記レジストのブリュースター角である、方法。
5. 請求項２に記載の方法であって、
   前記視準照射光は広範囲の二次元光である、方法。
6. 請求項５に記載の方法であって、
   前記視準照射光は拡大レーザ光である、方法。
7. 請求項５に記載の方法であって、
   前記視準照射光は視準白熱光である、方法。
8. 請求項２に記載の方法であって、
   （１）前記視準照射光のｓ偏光成分を前記ウエハ表面に照射するための前記視準照射光を偏光させる前記工程と、（２）前記視準照射光のｐ偏光成分を前記ウエハ表面に照射するために前記視準照射光を偏光させる前記工程とは、前記視準照射光をフィルタホイールに通すことを含む、方法。
9. 請求項２に記載の方法であって、
   （１）前記視準照射光のｓ偏光成分を前記ウエハ表面に照射するために前記視準照射光を偏光させる前記工程と、（２）前記視準照射光のｐ偏光成分を前記ウエハ表面に照射するために前記視準照射光を偏光させる前記工程とは、前記視準照射光を４分の１波長板に通すことを含む、方法。
10. 請求項２に記載の方法であって、
    （１）前記ウェハ表面で反射された前記視準照射光の前記ｓ偏光成分に基づく反射光の画像を検出する前記工程と、（２）前記ウェハ表面で反射された前記視準照射光の前記ｐ偏光成分に基づく反射光の画像を検出する前記工程とは、前記視準照射光の前記ｓ偏光成分に基づく前記反射光と、前記視準照射光の前記ｐ偏光成分に基づく前記反射光とを、撮像レンズおよびカメラで捉えることを含む、方法。
11. 請求項２に記載の方法であって、
    前記シリコンが剥き出しの第１の部分と前記レジストで覆われた第２の部分との間の前記画像コントラストを強調するために前記視準照射光の前記ｓ偏光成分に基づく前記反射光の画像と、前記視準照射光の前記ｐ偏光成分に基づく前記反射光の画像とを処理する前記工程は、前記ウエハ表面で反射された前記視準照射光の前記ｓ偏光成分に基づく前記反射光の画像と、前記ウエハ表面で反射された前記視準照射光の前記ｐ偏光成分に基づく前記反射光の画像との画像差を形成することを含む、方法。
12. シリコンが剥き出しの第１の部分と、レジストで覆われた第２の部分とをともなった表面を有しするシリコンウエハの上面から、レジストのエッジビード除去を検査するための半導体製造装置であって、
    （ａ）前記二次元の視準照射光を前記照射光の経路上に保持された前記ウエハ表面に、前記ウエハ表面の法線からの角度Θで表される照射角で当てるための照射源と、
    （ｂ）前記照射源と前記ウエハ表面との間であって且つ前記照射光の経路上に配置されると共に、ｓ偏光の透過とｐ偏光の透過との間で選択可能である偏光器と、
    （ｃ）前記ウエハ表面で反射された前記視準照射光に基づく反射光の画像を検出するための画像検出システムと、
    （ｄ）前記画像検出システムに結合されると共に、前記シリコンが剥き出しの第１の部分と前記レジストで覆われた第２の部分との間の前記画像コントラストを強調するために前記視準照射光に基づく反射光の前記画像を処理する画像処理プロセッサと
    を備える装置。
13. 請求項１２に記載の装置であって、
    前記画像処理プロセッサは、前記ウエハ表面で反射された前記視準照射光の前記ｓ偏光成分に基づく反射光の画像と、前記ウエハ表面で反射された前記視準照射光の前記ｐ偏光成分に基づく反射光の画像との画像差を形成するように構成される、装置。
14. 請求項１２に記載の装置を含むウエハ検査システム。

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