(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の面に開口部が周期的に形成された半導体ウェハの検査装置であって、
前記半導体ウェハの前記一方の面と反対側の他方の面の法線から傾斜した第１の方向に向けて光を出射し、前記他方の面を照明する照明装置と、
前記照明装置から第１の方向に出射された光の正反射方向の近傍位置に配置され、前記照明装置で照明可能な照明領域の長手方向に沿って配列された受光画素で前記照明領域からの光をレンズを介して受光する検出器と、
前記半導体ウェハと前記照明領域の位置を相対移動して、走査を行う走査手段と、を備えた検査装置。
【請求項２】
前記照明装置が、前記照明領域の長手方向に沿って配列された複数の光源を有することを特徴とする請求項１に記載の検査装置。
【請求項３】
前記照明装置が導光板と拡散板を備え、
前記光源からの照明光が前記導光板の内部で全反射を繰り返しながら伝播し、
前記導光板から出射した照明光が前記拡散板によって拡散されることを特徴とする請求項２に記載の検査装置。
【請求項４】
前記照明装置が、
光源と、
前記光源からの光を偏向することで、前記照明領域の長手方向に沿って走査するスキャナと、
前記スキャナで走査された光を屈折して、前記半導体ウェハに対する前記光の入射角度を一定にするレンズと、を備える請求項１に記載の検査装置。
【請求項５】
前記照明装置が、前記開口部の幅よりも長い波長の光を照射することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の検査装置。
【請求項６】
前記検出器が、前記半導体ウェハの前記他方の面で正反射した正反射光を受光しないように配置され、前記開口部の底面からの反射光と隣接する前記開口部の領域からの反射光との合成波を検出する請求項１〜５のいずれか１項に記載の検査装置。
【請求項７】
前記検出器の受光量に応じて、前記半導体ウェハのＣＤを測定する請求項１〜６のいずれか１項に記載の検査装置。
【請求項８】
前記照明装置からの光が、前記半導体ウェハを透過する波長の光であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に検査装置。
【請求項９】
前記照明装置からの光が、シリコンを透過する赤外光であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に検査装置。
【請求項１０】
一方の面に周期的に形成された開口部を有する半導体ウェハの検査方法であって、
前記半導体ウェハの前記一方の面と反対側の他方の面の法線から傾斜した第１の方向に向けて光を出射する照明装置で、前記他方の面を照射するステップと、
前記照明装置から第１の方向に出射された光の正反射方向の近傍位置に配置され、前記照明装置で照明可能な照明領域の長手方向に沿って配列された受光画素を有する検出器によって、前記照明領域からの光をレンズを介して受光するステップ、
前記半導体ウェハと前記照明領域の位置を相対移動して走査を行った時の前記検出器の受光結果に基づいて検査を行うステップと、を備えた検査方法。
【請求項１１】
前記照明装置が、前記照明領域の長手方向に沿って配列された複数の光源を有することを特徴とする請求項１０に記載の検査方法。
【請求項１２】
前記照明装置が導光板と拡散板を備え、
前記光源からの照明光が前記導光板の内部で全反射を繰り返しながら伝播し、
前記導光板から出射した照明光が前記拡散板によって拡散されることを特徴とする請求項１１に記載の検査方法。
【請求項１３】
前記照明装置が、
光源と、
前記光源からの光を偏向することで、前記照明領域の長手方向に沿って走査するスキャナと、
前記スキャナで走査された光を屈折して、前記半導体ウェハに対する前記光の入射角度を一定にするレンズと、を備える請求項１０に記載の検査方法。
【請求項１４】
前記照明装置が、前記開口部の幅よりも長い波長の光を照射することを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか１項に記載の検査方法。
【請求項１５】
前記検出器が、半導体ウェハの前記他方の面で正反射した正反射光を受光しないように配置され、前記開口部の底面からの反射光と隣接する前記開口部の領域からの反射光との合成波を検出する請求項１０〜１４のいずれか１項に記載の検査方法。
【請求項１６】
前記検出器の受光量に応じて、前記半導体ウェハのＣＤ欠陥領域を検出する請求項１０〜１５のいずれか１項に記載の検査方法。
【請求項１７】
前記照明装置からの光が、前記半導体ウェハを透過する波長の光であることを特徴とする請求項１０〜１６のいずれか１項に検査方法。
【請求項１８】
前記照明装置からの光が、シリコンを透過する赤外光であることを特徴とする請求項１０〜１７のいずれか１項に検査方法。
【請求項１９】
請求項１０〜１８のいずれか１項に記載の欠陥検査方法により、前記半導体ウェハを検査する検査ステップと、
前記検査ステップの検査結果に応じて良否判定を行うステップと、を有する半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検査装置、検査方法、及び半導体装置の製造方法に関し、特に詳しくは半導体ウェハの検査装置、検査方法及びそれを用いた半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
メモリの低コスト化を目的として、大容量メモリ技術ＢｉＣＳ（Ｂｉｔ  Ｃｏｓｔ  Ｓｃａｌａｂｌｅ  Ｍｅｍｏｒｙ）が提案されている。この大容量メモリ技術ＢｉＣＳでは、例えば、シリコンウェハ上にシリコン膜とシリコン酸化膜を交互に形成した多層構造が形成され、その多層構造にアスペクトレシオの高い微細なメモリホールが形成される（例えば、特許文献１、非特許文献１）。
【０００３】
メモリの性能劣化を防ぐため、メモリホールを均一に形成することが求められる。しかしながら、例えば、リソグラフィー工程やエッチング工程での製造ばらつきによって、メモリホールの底部の形状、あるいはメモリホールのテーパ角にばらつきが生じてしまうことがある。しかしながら、アスペクトレシオが高い場合、メモリホールの底部の形状やテーパ角については非破壊で高速に検査することが困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−９４０９号公報
【特許文献２】特開平５−１５７７０１号公報
【特許文献３】特開２０１０−１４５４７号公報
【特許文献４】特開平９−３１１１０９号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】半導体加工形状シミュレーション技術と大容量メモリＢｉＣＳ  東芝レビューＶｏｌ．６６  Ｎｏ．５（２０１１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献２には、半導体ウェハの裏面側から赤外光を照射して、光学的結像作用を実行する装置が開示されている。しかしながら、赤外光の波長が微細なメモリホール（開口部）に比べて長いため、十分な分解能を得ることができず、観察、検査を行うことが困難である。
【０００７】
特許文献３には、第１の方向に研削された被研削面を有する研削物の表面検査方法が開示されている。この表面検査方法では、棒状のヒータを用いて斜め方向から被研削面に赤外光を照射して、その回折光をサーモグラフィによって検出している。しかしながら、特許文献３が検出するびびりマークの高低差は、数μｍ程度であり、メモリホールのような微細パターンに利用することは困難である。すなわち、数十ｎｍ程度の微細なパターンでは、十分に解像することができないため、検査することが困難である。
【０００８】
特許文献４には、セラミック基板や焼結金属体などのクラック欠陥を検査する装置が開示されている。この装置では、半導体レーザ光源を１次元に配置したアレイ状光源と投影レンズによって、点線状に強度を変化させた照明を行っている。そして、照明領域から離れた撮像領域から放射される光をラインセンサで撮像している。さらに、ポリゴンミラーを用いて走査することが開示されている（段落００４５）しかしながら、この装置では、サブミクロン程度のクラック欠陥を、数μｍから数十μｍの画素分解能で検出している（段落００３４）。従って、この装置では、数十ｎｍ程度の微細なパターンを、十分に解像することができないため、検査することが困難である。このように、微細なホール（開口部）が形成された半導体ウェハでは、解像することができないため、開口部の底面の大きさなどに基づいて検査することが困難である。
【０００９】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、微細な開口部が周期的に形成されている半導体ウェハを検査することができる検査装置、検査方法、及び半導体装置の製造方法を提供することを目的とする
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の態様に係る検査装置は、一方の面に開口部が周期的に形成された半導体ウェハの検査装置であって、前記半導体ウェハの前記一方の面と反対側の他方の面の法線から傾斜した第１の方向に向けて光を出射し、前記他方の面の照明領域を照明可能な照明装置と、前記照明装置から第１の方向に出射された光の正反射方向の近傍位置に配置され、前記照明領域の長手方向に沿って配列された受光画素で前記照明領域からの光をレンズを介して受光する検出器と、前記半導体ウェハと前記照明領域の位置を相対移動して、走査を行う走査手段と、を備えたものである。このようにすることで、開口部内に光が進入できないような微細なパターンであっても、検査することができる。
【００１１】
本発明の第２の態様に係る検査装置は、上記の検査装置であって、前記照明装置が、前記照明領域の長手方向に沿って配列された複数の光源を有することを特徴とするものである。このようにすることで、高い光量で照明することができるため、高い感度の検査を短時間で行うことができる。
【００１２】
本発明の第３の態様に係る検査装置は、上記の検査装置であって、前記照明装置が導光板と拡散板を備え、前記光源からの光が前記導光板の内部で全反射を繰り返しながら伝播し、前記導光板から出射した光が前記拡散板によって拡散されることを特徴とするものである。これにより照明領域を均一に照明することができる。
【００１３】
本発明の第４の態様に係る検査装置は、上記の検査装置であって、前記照明装置が、光源と、前記光源からの光を偏向することで、前記照明領域の長手方向に沿って走査するスキャナと、前記スキャナで走査された光を屈折して、前記半導体ウェハに対する前記光の入射角度を一定にするレンズと、を備えるものである。このようにすることで、照明光の角度の拡がりを抑えることができるため、高い感度で検査することができる。
【００１４】
本発明の第５の態様に係る検査装置は、上記の検査装置であって、前記照明装置が、前記開口部の幅よりも長い波長の光を照射することを特徴とするものである。このようにすることで、解像することができない微細な開口部の底部のパターンを検査することができる。
【００１５】
本発明の第６の態様に係る検査装置は、上記の検査装置であって、前記検出器が、半導体ウェハの前記他方の面で正反射した正反射光を受光しないように配置され、前記開口部の底面からの反射光と隣接する前記開口部の領域からの反射光との合成波を検出するものである。このようにすることで、開口部の底面の大きさの変化などに対して、感度の高い検査を行うことができる。
【００１６】
本発明の第７の態様に係る検査装置は、上記の検査装置であって、前記検出器の受光量に応じて、前記半導体ウェハのＣＤを測定するものである。このようにすることで、ＣＤ欠陥領域を高い精度で検出することができる。
【００１７】
本発明の第８の態様に係る検査装置は、上記の検査装置であって、前記照明装置からの光が、前記半導体ウェハを透過する波長の光であることを特徴とするものである。これにより、開口部の底部を検査することができる。
【００１８】
本発明の第９の態様に係る検査装置は、上記の検査装置であって、前記照明装置からの光が、シリコンを透過する赤外光であることを特徴とするものである。これにより、シリコンウェハに形成された開口部の底部を検査することができる。
【００１９】
本発明の第１０の態様に係る検査方法は、一方の面に開口部が周期的に形成された半導体ウェハの検査方法であって、前記半導体ウェハの前記一方の面と反対側の他方の面の法線から傾斜した第１の方向に向けて光を出射する照明装置で、前記他方の面を照明するステップと、前記照明装置から第１の方向に出射された光の正反射方向の近傍位置に配置され、前記照明装置で照明可能な照明領域の長手方向に沿って配列された受光画素を有する検出器によって、前記照明領域からの光をレンズを介して受光するステップ、前記半導体ウェハと前記照明領域の位置を相対移動して走査を行った時の前記検出器の受光結果に基づいて検査を行うステップと、を備えたものである。このようにすることで、開口部内に光が進入できないような微細なパターンであっても、検査することができる。
【００２０】
本発明の第１１の態様に係る検査方法は、上記の検査方法において、前記照明装置が、前記照明領域の長手に沿って配列された複数の光源を有することを特徴とするものである。このようにすることで、高い光量で照明することができるため、高い感度の検査を短時間で行うことができる。
【００２１】
本発明の第１２の態様に係る検査方法は、上記の検査方法であって、前記照明装置が導光板と拡散板を備え、前記光源からの照明光が前記導光板の内部で全反射を繰り返しながら伝播し、前記導光板から出射した照明光が前記拡散板によって拡散されることを特徴とするものである。これにより照明領域を均一に照明することができる。
【００２２】
本発明の第１３の態様に係る検査方法は、上記の検査方法において、前記照明装置が、光源と、前記光源からの光を偏向することで、前記照明領域の長手方向に沿って走査するスキャナと、前記スキャナで走査された光を屈折して、前記半導体ウェハに対する前記光の入射角度を一定にするレンズと、を備えるものである。このようにすることで、照明光の角度の拡がりを抑えることができるため、高い感度で検査することができる。
【００２３】
本発明の第１４の態様に係る検査方法は、上記の検査方法において、前記照明装置が、前記開口部の幅よりも長い波長の光を照射することを特徴とするものである。このようにすることで、解像することができない微細な開口部の底部のパターンを検査することができる。
【００２４】
本発明の第１５の態様に係る検査方法は、上記の検査方法において、前記検出器が、半導体ウェハの前記他方の面で正反射した正反射光を受光しないように配置され、前記開口部の底面からの反射光と隣接する前記開口部の領域からの反射光との合成波を検出するものである。このようにすることで、開口部の底面の大きさの変化などに対して、感度の高い検査を行うことができる。
【００２５】
本発明の第１６の態様に係る検査方法は、上記の検査方法において、前記検出器の受光量に応じて、前記半導体ウェハのＣＤを測定するものである。このようにすることで、ＣＤ欠陥領域を高い精度で検出することができる。
【００２６】
本発明の第１７の態様に係る検査方法は、上記の検査方法であって、前記照明装置からの光が、前記半導体ウェハを透過する波長の光であることを特徴とするものである。これにより、開口部の底部を検査することができる。
【００２７】
本発明の第１８の態様に係る検査方法は、上記の検査方法であって、前記照明装置からの光が、シリコンを透過する赤外光であることを特徴とするものである。これにより、シリコンウェハに形成された開口部の底部を検査することができる。
【００２８】
本発明の第１９の態様に係る半導体装置の製造方法は、上記の欠陥検査方法により、試料であるパターン基板を検査する検査ステップと、前記検査ステップの検査結果に応じて良否判定を行うステップと、を有するものである。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、周期的に開口部が形成された半導体ウェハを検査することができる検査装置、検査方法、及び半導体装置の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】検査対象の一例である半導体ウェハの構成を示す側面断面図である。
【図２】実施の形態にかかる検査装置を模式的に示す側面図である。
【図３】実施の形態にかかる検査装置の照明装置を示す上面図である。
【図４】実施の形態にかかる検査装置の別の照明装置を示す図である。
【図５】開口部の幅が狭い時の合成波面を示す図である。
【図６】開口部の幅が広い時の合成波面を示す図である。
【図７】照明領域からの光の角度分布と、検出器が受光する受光角度範囲を示す図である。
【図８】半導体ウェハのＣＤに対する受光強度を示す図である。
【図９】実施の形態に係る検査装置の変形例を示す側面図である。
【図１０】実施の形態にかかる検査装置の照明装置の変形例を示す上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
本発明の実施の形態にかかる検査装置は、一方の面に周期的に開口部が形成されている検査対象を検査するものである。まず、本発明に係る検査装置の検査対象の一例である半導体ウェハの構造について図１を用いて説明する。図１は、例えば、ＢｉＣＳ用の半導体ウェハの構造を示す側面断面図である。
【００３２】
半導体ウェハ１０は、シリコンウェハであり、シリコン基板１１と、エッチストップ膜１２と、多層膜１３と、開口部１４と、を備えている。以下の説明において、半導体ウェハ１０の多層膜１３が形成された側の面を表面側とし、その反対側を裏面側とする。従って、図１の上側が裏面側であり、下側が表面側である。
【００３３】
シリコン基板１１上には、例えば、ＳｉＮからなるエッチストップ膜１２が形成されている。そして、エッチストップ膜１２上には、多層膜１３が形成されている。多層膜１３は、例えば、ＳｉＯとアモルファスシリコンが交互に繰り返し形成された多層構造を有している。多層膜１３には、エッチストップ膜１２まで到達する開口部１４が設けられている。エッチストップ膜１２は、多層膜１３をエッチングする際のエッチストッパとして機能し、開口部１４の底面はエッチストップ膜１２の表面となる。
【００３４】
多層膜１３には、複数の開口部１４が規則的に配列されている。開口部１４は、例えば幅５０ｎｍ程度のメモリホールである。複数の開口部１４が２次元アレイ状に配列されている。例えば、同じ大きさの開口部１４が等間隔で周期的に配列されている。ここで、隣接する開口部１４の間の領域を非エッチング領域１５とする。非エッチング領域１５は、多層膜１３が残存する領域であり、開口部１４と非エッチング領域１５は交互に配列されている。なお、開口部１４はラインアンドスペースを形成するための、溝状の開口部１４であってもよい。この場合、所定の幅の微細な溝が紙面と垂直な方向に沿って形成されることで、開口部１４となる。
【００３５】
図２を用いて、半導体ウェハ１０の検査装置の構成を説明する。図２は、検査装置の構成を模式的に示す側面図である。なお、図２において、紙面と垂直な方向をＹ方向、紙面中の横方向（左右方向）をＸ方向とし、紙面中の縦方向（上下方向）をＺ方向とする３次元直交座標系を用いて説明を行う。ここでは、半導体ウェハ１０の裏面と平行な面がＸＹ面となり、半導体ウェハ１０の裏面の法線方向がＺ方向となる。
【００３６】
検査装置は、ステージ２１と、照明装置２２と、検出器（ラインセンサ）２３と、を備えている。また、検出器２３の前には、レンズ２４が取り付けられている。ステージ２１の上には、検査対象となる半導体ウェハ１０が載置されている。半導体ウェハ１０は、ＸＹ平面と平行になるように配置され、半導体ウェハ１０の表面側、すなわち開口部１４側が下向きとなっている。複数の開口部１４がＸ方向に沿って配列されている。また、ステージ２１の上には、照明装置２２と、検出器２３とが設けられている。なお、図２では、半導体ウェハ１０の構成に付いて、一部省略して図示している。
【００３７】
照明装置２２は、半導体ウェハ１０の縦長の照明領域を照明可能な照明装置である。照明装置２２は、半導体ウェハ１０の裏面側から、Ｙ方向を長手方向とする照明領域を照明する。ここで、照明装置２２は、ＸＺ平面において、半導体ウェハ１０裏面に対して斜め方向から照明光を照射するため、検査のための光学系が暗視野光学系となる。すなわち、ＸＺ平面において、照明装置２２は、Ｚ方向から傾斜した方向に配置されている。ここで、照明装置２２から半導体ウェハ１０に向けて照射される照明光の伝播方向を入射方向３１とすると、入射方向３１はＺ方向から傾斜している。例えば、入射方向３１は、照明装置２２から出射する照明光の主光線の方向である。
【００３８】
照明光の波長を１１００〜１７００ｎｍの範囲から選択することが好ましく、１２００〜１５５０ｎｍの範囲から選択することがより好ましい。この波長帯の赤外光は、例えばシリコンに対して透明であるため、開口部１４の底面まで照明光が到達する。なお、照明光の波長は、シリコン基板１１に対して透明な波長であればよい。
【００３９】
ここで、照明装置２２の一例について、図３を用いて説明する。図３は、照明装置２２の構成と照明装置２２で照明可能な照明領域を模式的に示す図である。図３の左側には照明装置２２の構成が模式的に示され、右側には照明装置２２からの赤外光で照明可能な照明領域３４の上面図が示されている。照明装置２２は、近赤外光を出射する光源２５を複数有している。光源２５は、例えば、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）である。複数の光源２５は、Ｙ方向に沿って１列に配列されている。光源２５のそれぞれは、点光源であり、照明光を例えば±１０°程度の拡がり角で出射する。これにより、半導体ウェハ１０の裏面には、照明領域３４が形成される。ここでは、Ｙ方向を長手方向とする楕円状の領域が照明領域３４となっている。そして、半導体ウェハ１０の裏面上における照明領域３４の一部が検出器２３で検出される受光領域３５となる。すなわち。検出器２３で検出される受光領域３５は、照明領域３４の中に含まれる。より具体的には、照明領域３４によって均一に照明することができる領域の少なくとも一部が受光領域３５となる。受光領域３５は、Ｙ方向に沿ったライン状の領域である。もちろん、受光領域３５の幅は特に制限されるものではない。
【００４０】
複数の光源２５を用いることで、高い光量で照明することができるため、高い感度の検査を短時間で行うことができる。なお、複数の光源２５からの照明光が重なりあって、照明領域３４の中で照明光が照射されない暗部が無くなるように照明することが好ましく、さらには、照明領域３４全体を均一に照明することが好ましい。なお、ＬＥＤの代わりに指向性の高いＬＤ（Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ）や他の光源を用いても良い。すなわち、長手方向がＹ方向となる照明領域３４を照明できる光源２５であればよい。
【００４１】
さらに、長手方向を有する照明領域３４をより均一にするための照明装置２２に付いて、図４を用いて説明する。図４（ａ）は、照明装置２２の構成を示す上面図であり、図４（ｂ）は照明装置２２の構成を示す側面図である。図４に示す照明装置２２は、光源２５と導光板４１と拡散板４２と絞り４３を備えている。光源２５は図３で示した構成と同様の構成であり、所定の角度拡がりを持った照明光を出射する。そして、複数の光源２５が透明な導光板４１の一側面（光入射面）に沿って配列されている。従って、複数の光源２５が導光板４１の光入射面に向けて、照明光を照射する。導光板４１の内部に入射した照明光は、導光板４１の内部で全反射を繰り返しながら、伝播していく。これにより、照明光強度の空間分布が均一化される。そして、導光板４１の光出射面（光入射面と反対側の側面）には拡散板４２が配置されている。導光板４１の光出射面から出射した照明光は拡散板４２で拡散される。拡散板４２を用いることで、照明光の角度分布が均一化される。そして、拡散板４２で拡散された照明光は、絞り４３を通過して、半導体ウェハ１０に入射する。このようにすることで、強度分布及び角度分布が均一な照明光を照射することができる。図４に示した照明装置２２を、図２に示した検査装置の入射方向３１に沿って配置する。例えば、導光板４１が入射方向３１と平行に配置し、導光板４１の光出射面を入射方向３１と垂直に配置する。
【００４２】
図２の説明に戻る。半導体ウェハ１０上に配置された検出器２３は、例えば、ＩｎＧａＡｓ等の半導体光センサであり、半導体ウェハ１０からの赤外光を検出する。検出器２３は、Ｙ方向に沿って複数の画素が配列されているラインセンサである。検出器２３で検出可能なＹ方向の幅は、照明領域３４の長手方向（Ｙ方向）の長さに対応している。これにより、照明装置２２で照明された照明領域３４からの反射光（散乱光）を、検出器２３で検出することができる。検出器２３は、図３で示した受光領域３５からの反射光を受光する。また、検出器２３の前側には、レンズ２４が取り付けられている。従って、検出器２３は、レンズ２４を介して照明領域３４からの光を受光する。例えば、レンズ２４の光軸は、検出器２３の受光面と垂直になっている。レンズ２４の瞳を通過した光が検出器２３の受光面に入射し、レンズ２４の瞳の外側に入射した光は、検出器２３で受光されない。これにより、検出器２３の受光面に入射する光の入射角度を制限することができる。すなわち、検出器２３の受光面に入射する光の入射角度を所定の角度範囲とすることができる。
【００４３】
検出器２３は、照明光の正反射方向３３からずれた位置に配置されている。ここで、検出器２３が配置されている方向を受光方向３２とする。受光方向３２は、正反射方向３３から微小にずれており、半導体ウェハ１０からの正反射光が入射しないようになっている。従って、Ｙ方向を長手方向とする照明領域３４から出射して、正反射方向３３と異なる受光方向３２に進む反射光（散乱光）が検出器２３で受光されている。受光方向３２は、レンズ２４の光軸と一致している。また、正反射方向３３は、半導体ウェハ１０の欠陥などがない平坦な箇所で入射光が正反射する方向である。
【００４４】
ステージ２１は、例えば、ＸＹステージであり、半導体ウェハ１０の裏面における照明位置を変化させることができる。例えば、ステージ２１をジグザグに移動させていくことにより、半導体ウェハ１０の全体をスキャンすることができる。具体的な一例として、照明装置２２が、Ｙ方向に沿った照明領域３４を照明した状態で、＋Ｘ方向にステージ２１を移動させていく。これにより、Ｙ方向に延びた照明領域３４を幅方向とする帯状の領域が検査される。そして、半導体ウェハ１０の端部までＸ走査したら、所定距離だけＹ方向にずらす。そして、照明領域３４をＹ方向に１ライン分ずらした後、−Ｘ方向に走査する。これを繰り返していくことで、半導体ウェハ１０の全体を検査することができる。もちろん、ステージ２１ではなく、照明装置２２と検出器２３を同期して移動させることで、走査しても良い。これにより、半導体ウェハ１０全体の像を取得することができる。
【００４５】
半導体ウェハ１０の裏面や、シリコン基板１１とエッチストップ膜１２との界面等の平面からの反射光の角度は、照明角と等しくなる。すなわち、半導体ウェハ１０の裏面に対する照明光の入射角（ＸＺ平面においてＺ方向と入射方向３１の成す角）は、反射角（ＸＺ平面において、Ｚ方向と正反射方向３３の成す角）と等しくなる。一方、エッチストップ膜１２の上面（開口部１４側の面）から反射光は、非エッチング領域１５におけるエッチストップ膜１２と多層膜１３との界面からの反射光と開口部１４の底面からの反射光との合成波となる。開口部１４の開口幅は５０ｎｍ程度であり、照明光の波長に比べて非常に小さい。このため、照明光は、開口部１４に進入せずに反射し、その反射光の位相は開口幅に依存する。その結果、開口部１４のＣＤ（Ｃｒｉｔｉｃａｌ  Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）変化に対して、非エッチング領域１５からの反射光と開口部１４からの反射光の合成波の反射角が変化する。
【００４６】
ここで、開口部１４の底面（ボトム）のＣＤ変化によって、合成波面が変化する様子について、図５、及び図６を用いて説明する。図５、図６は、照明光が垂直に入射する場合の合成波面を模式的に示す図である。図５は、開口部１４のＣＤが小さい場合を示し、図６はＣＤが大きい場合を示している。なお、説明の簡略化のため、図５、図６では、半導体ウェハ１０のシリコン基板１１及びエッチストップ膜１２を省略して図示している。
【００４７】
ＣＤが小さい場合、反射波面がより平坦になるため、開口部１４からの反射光と非エッチング領域１５からの反射光との位相のずれが小さくなる。一方、ＣＤが大きい場合、ＣＤが小さい場合と比べて、開口部１４からの反射光と非エッチング領域１５からの反射光との位相のずれが大きくなるため、合成波面の角度が変化する。このため、斜め入射にした場合にＣＤに応じて合成波の反射角度が変化する。
【００４８】
本実施形態では、合成反射角度領域の一部が受光できる角度に、照明装置２２と検出器２３とを配置している。具体的には、半導体ウェハ１０の裏面からの反射光や、シリコン基板１１とエッチストップ膜１２との界面からの正反射光を受光せずに、かつ、合成波の一部を受光する位置に検出器２３が配置されている。例えば、半導体ウェハ１０の多層膜１３において、同じ開口幅の開口部１４が一定のピッチで配列されるように設計されていたとする。開口部１４の開口幅が設計値通りである領域をスキャンしている間は、検出器２３の受光量がほぼ一定で変化しない。一方、開口部１４の開口幅が設計値からずれている領域では合成波の反射角度が変化する。このため、検出器２３に入射する合成波の光量が変化する。このように設置することで、ＣＤ変化に対して敏感な感度特性を持たせることが可能である。さらに、本実施形態では、ライン照明と１次元センサを用いているため、常に理想的な照明角及び検出角を維持して画像を取得することができる。
【００４９】
上記のように検査を行うことで、製造プロセスのバラツキ等の起因する開口部１４のばらつきを検査することができる。開口部１４の底部の大きさに応じて、検出器２３での受光量が変化する。開口部１４の底部のＣＤを測定することができ、ＣＤ検査を行うことが可能になる。例えば、検出器２３での受光量がしきい値よりも高くなった領域、あるいはしきい値以下となった領域を開口部１４のＣＤ欠陥（ＣＤエラー）領域と判定することができる。また、Ｙ方向を長手方向とする照明領域３４を一度に検査しているため、高速かつ非破壊で検査することができる。
【００５０】
次に、照明領域３４からの反射光の角度分布と、検出器２３の受光角度範囲について、図７を用いて説明する。図７は、反射光の角度分布を示すグラフであり、横軸が光の反射角、縦軸が反射光の強度を示している。図７では、半導体ウェハ１０に開口部１４のパターンがない領域からの正反射光４１と、開口部１４が小さい領域からの反射光４２と、開口部が大きい領域からの反射光４３が示されている。
【００５１】
図７に示すように、正反射光４１、反射光４２、反射光４３のいずれも、反射角度が入射角と同じ角度で光強度がピークとなる。ここで、反射角度が入射角と同じ角度とは、図２に示したように入射角度と反射角度が法線に対して対称となっていることであり、より具体的には反射光の角度が正反射方向３３と一致していることを言う。開口部１４のパターンがない領域からの正反射光４１が最も急峻なピークとなり、正反射光４１は反射角が入射角と同じ角度からずれると急激に減少する。なお、正反射光４１のピークの幅は、入射光の角度分布、及び半導体ウェハ１０の裏面の平坦性に依存している。反射角４２、及び反射角４３は、正反射光４１に比べてブロードなピークとなっている。さらに、入射角と同じ角度の近傍では、反射光４２の光強度が反射光４３の強度よりも高くなっている。
【００５２】
ここで、検出器２３の受光面に入射する光の受光角度範囲４５を入射角と同じ角度からずらして配置する。具体的には、開口部１４が小さい領域からの反射光４２の強度と開口部１４が大きい領域からの反射光４３の強度が異なっている角度範囲を受光角度範囲４５に設定する。こうすることで、開口部１４の底部の大きさに応じて、検出器２３の受光強度が変化する。ここでは、開口部１４の底部が小さい時の受光強度が、開口部１４の底部が大きい時の受光強度よりも高くなる。すなわち、受光角度範囲４５の全体において、開口部１４が小さい領域からの反射光４２の強度が、開口部１４が大きい領域からの反射光４３の強度よりも大きくなっている。一方、受光角度範囲４５が入射方向と同じ角度を含んでいると、正反射光４１が入射してしまう。開口部１４のパターンがない領域からの正反射光は、図７に示したように反射光４２、４３と比べて高いピークを持つ。従って、検出器２３の受光強度は、正反射光の強度に大きく依存し、開口部１４の底部の大きさ変化による受光強度の変化が相対的に小さくなる。よって、正反射光４１がピークとなる角度（入射角と同じ角度）を含まないように受光角度範囲４５を設定することが好ましい。受光角度範囲４５を図７にように設定すると、ＣＤと受光強度の関係は図８に示すようになる。図８から分かるように、ＣＤに応じた受光強度（受光量）の変化が大きくなり、高感度に測定することができる。検出器２３の受光強度の変化によって開口部１４の底部のＣＤを測定することができる。検出器２３の受光方向３２を正反射方向３３からわずかにずらすことで、開口部１４の底部のＣＤを測定することができる。なお、受光角度範囲４５の幅は、レンズ２４の瞳の大きさ等によって調整すればよい。
【００５３】
ステージ２１を走査して検査を開始する前に、照明装置２２と検出器２３とを最適な角度に配置することが好ましい。例えば、検出器２３の設置角度を正反射方向３３から徐々にずらしながら、半導体ウェハ１０からの反射光を検出する。そして、検出器２３で検出される光が一定値を下回ったら、正反射光が入射しなくなったと判断し、その位置で検出器２３を固定する。なお、検出器２３ではなく、照明装置２２の位置を調整しても良く、照明装置２２と検出器２３の両方の位置を調整しても良い。このように、照明装置２２と検出器２３の少なくとも一方の位置を調整することで、開口部１４の底部の大きさに応じたコントラスト変化が急峻に現れる。よって、より感度の高い検査を行うことができる。検出感度を高くするために、検出器２３を正反射方向の近傍位置に配置することが好ましい。ここで、正反射方向の近傍位置とは、半導体ウェハ１０の裏面からの正反射光が入射しない位置で、正反射方向３３からわずかにずれた正反射方向３３の近傍である。特に、正反射光が入射しない位置で、できる限り正反射方向３３に近づけて配置することが好ましい。こうすることで、反射光の角度変化に対して、より高い感度での検査を行うことができる。
【００５４】
なお、照明装置２２にテレセントリック光学系を設けて、平行光束を照射するようにしてもよい。この場合、照明光の角度広がりがなくなるため、開口部１４の大きさの違いによる反射光（散乱光）の角度変化が顕著となり、より感度の高い測定を行うことができる。
【００５５】
さらに、図９に示すように、照明光の入射方向３１をブリュースタ角としても良い。ブリュースタ角とする場合、照明光をＰ偏光とすることが好ましい。これにより、半導体ウェハ１０の裏面での反射光をなくすことができるため、受光量の減少を防ぐことができ、より感度の高い測定を行うことができる。もちろん、照明光の偏光状態や入射方向３１の角度は、半導体ウェハ１０の裏面の状態等に応じて、最適なものを実験的に求めても良い。もちろん、照明光の偏光状態をＰ偏光に限らず、Ｓ偏光としても良い。さらには、他の偏光状態としても良く、無偏光の照明光を用いても良い。
【００５６】
（変形例）
図１０を用いて、照明装置２２の変形例の構成に付いて説明する。図１０は、別の照明装置２２の構成を示す上面図である。なお、照明装置２２以外の基本的構成については、図２と同様であるため説明を省略する。照明装置２２は、光源２５と、レンズ２６と、ポリゴンミラー２７と、レンズ２８と、を備えている。
【００５７】
本変形例では、ＬＥＤ光源２５を一列に配列せずに、光源２５を１つだけ設けている。光源２５は、例えば、ＬＤ（Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ）光源であり、指向性の高い照明光を出射する。照明光の波長は、例えば、１２００〜１５５０ｎｍの範囲から選択することができる。光源２５から出射した照明光は、レンズ２６で屈折されて平行光束となる。そして、レンズ２６で屈折された照明光はポリゴンミラー２７に入射する。ポリゴンミラー２７は、所定速度で回転している。従って、ポリゴンミラー２７で照明光が反射されることで、照明光がＹ方向に偏向される。そして、ポリゴンミラー２７で反射された照明光はレンズ２８によって屈折される。
【００５８】
この構成により、ポリゴンミラー２７での偏向角によらず、半導体ウェハ１０に入射する照明光の入射角度が同じになる。すなわち、ライン状の照明領域３４のＹ方向位置によらず、照明光の入射方向３１が一定になる。このようにすることで、平行光線でライン状の照明領域３４を照明することができる。必要な領域のみを照明することができるため、検出器２３の受光量を高くすることができる。なお、ポリゴンミラー２７により走査を行う場合、ポリゴンミラー２７の偏向による走査速度をステージ２１による走査速度よりも十分速くする。さらに、ポリゴンミラー２７による走査周期を、検出器２３の撮像時間以下にすれば、１走査線で、ライン状の照明領域３４を撮像することができる。具体的には、ポリゴンミラー２７の走査周期を検出器２３の１走査期間の整数倍とすることが好ましい。もちろん、ポリゴンミラー２７に限らず、ガルバノミラーなどの他のスキャナで変更させて、Ｙ方向に走査しても良い。さらに、ポリゴンミラー２７で走査された光を拡散する拡散板を配置しても良い。拡散板をレンズ２８の後段に配置することで、干渉性の高いＬＤを光源２５として用いた場合であっても、スペックルノイズを低減することができる。
【００５９】
なお、検査対象となる半導体ウェハ１０としては、例えば、等ピッチで形成されたシリコン深堀エッチングパターン、ＢｉＣＳのゲート電極膜を有するウェハを挙げることができる。シリコン以外の半導体ウェハに対して、検査を行う場合、半導体ウェハの材料に応じて波長、角度を選択すればよい。さらに、上記の検査欠陥に応じて良否判定を行うことで、半導体装置の生産性を向上することができる。例えば、半導体チップとして切り出される領域の良否判定を行い、不良と判定された領域を含む半導体チップについては用いないものとし、良判定とされた領域から切り出される半導体チップのみを用いるようにすれよい。このようにすることで、生産性を向上することができる。また、上述した各構成を適宜組み合わせて用いても良い。例えば、図３、図４、図８のいずれの照明装置２２であっても、入射方向３１を図７に示したようにブリュースタ角としてもよい。また、半導体ウェハ１０の表面側から照明光を照射して、観測すれば、開口部の表面側のＣＤを測定することができる。この場合、光源を可視光源に切り替えて、可視光で照明するようにしても良い。すなわち、裏面からの観測と、表面からの観測で光源の波長を変えても良い。
【符号の説明】
【００６０】
１０  半導体ウェハ
１１  シリコン基板
１２  エッチストップ膜
１３  多層膜
１４  開口部
２１  ステージ
２２  照明装置
２３  検出器（ラインセンサ）
２５  ＬＥＤ光源
２６  レンズ
２７  ポリゴンミラー
２８  レンズ
３１  入射方向
３２  受光方向
３３  正反射方向
３４  照明領域
４１  導光板
４２  拡散板
４３  絞り
【図１】
0005548848.tif 000002
【図２】
0005548848.tif 000003
【図３】
0005548848.tif 000004
【図４】
0005548848.tif 000005
【図５】
0005548848.tif 000006
【図６】
0005548848.tif 000007
【図７】
0005548848.tif 000008
【図８】
0005548848.tif 000009
【図９】
0005548848.tif 000010
【図１０】
0005548848.tif 000011