(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パターンが形成された試料に光を照明する照明光学系と、
前記パターンからの散乱光を受光する検出光学系と、
前記検出光学系の瞳面に配置され、前記パターンのフーリエ像を得る撮像素子と、
処理部と、を有し、
前記処理部は、（１）前記フーリエ像から直交ニコル像、及び平行ニコル像を得て、（２）前記直交ニコル像と正常なパターンの直交ニコル像との間の第１の比較を行い、（３）前記平行ニコル像と正常な平行ニコル像との間の第２の比較を行い、（４）前記第１の比較の結果、及び前記第２の比較の結果を使用して前記パターンの異常を検出する検査装置。
【請求項２】
請求項１に記載の検査装置において、
前記処理部は、前記第１の比較の結果と前記第２の比較の結果との論理和を得て、前記論理和に基づいて前記異常を検出する検査装置。
【請求項３】
請求項２に記載の検査装置において、
前記撮像素子は、複数の画素と、前記画素毎に配置されたフォトニック結晶素子を有する検査装置。
【請求項４】
請求項３に記載の検査装置において、
前記正常なパターンの直交ニコル像、及び前記正常なパターンの平行ニコル像は所定のテストウエハ、又は所定のシミュレーションを使用することで得られたものである検査装置。
【請求項５】
請求項４に記載の検査装置において、
前記所定のシミュレーションとは、時間領域差分法、又は厳密結合波解析法である検査装置。
【請求項６】
請求項５に記載の検査装置において、
前記異常の位置を受け取り、前記異常を検出した方式よりも分解能が高い方式で前記位置を観察する観察部を有する検査装置。
【請求項７】
請求項１に記載の検査装置において、
前記撮像素子は、複数の画素と、前記画素毎に配置されたフォトニック結晶素子を有する検査装置。
【請求項８】
請求項１に記載の検査装置において、
前記正常なパターンの直交ニコル像、及び前記正常なパターンの平行ニコル像は所定のテストウエハ、又は所定のシミュレーションを使用することで得られたものである検査装置。
【請求項９】
請求項８に記載の検査装置において、
前記所定のシミュレーションとは、時間領域差分法、又は厳密結合波解析法である検査装置。
【請求項１０】
請求項１に記載の検査装置において、
前記異常の位置を受け取り、前記異常を検出した方式よりも分解能が高い方式で前記位置を観察する観察部を有する検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体デバイスの製造におけるウェハなどの、パターンが形成された試料の検査装置、及び検査方法に関する。
【０００２】
例えば、いわゆるマクロ検査装置、及びマクロ検査方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
半導体デバイスの製造では、リソグラフィとエッチングによるパターンの形成を多数繰り返す。リソグラフィは、ウェハにレジストを塗布し、露光装置によりフォトマスクの像をレジストに転写し、レジストを現像してパターンを形成する技術である。
【０００４】
エッチングは、レジストのパターンをマスクにして、金属膜や酸化膜などの下地膜を選択的に除去する技術である。
【０００５】
パターンの形成においては、寸法（いわゆるCritical Dimension）と形状（側壁の角度や高さ）を正確に管理する必要がある。
【０００６】
パターンに異常が発生する主な原因は、露光装置では焦点位置ずれと露光量ばらつき、エッチング装置では反応ガスの密度むらなどである。
【０００７】
これらの原因によるパターンの異常は、多くの場合、数十μｍから数百μｍの領域全体で発生する。
【０００８】
そこで、露光装置とエッチング装置が正常に稼動しているか否かをモニタするには、数十μｍから数百μｍの領域全体でパターンの異常を検査する、いわゆるマクロ検査装置が使用されている。
【０００９】
マクロ検査装置は空間分解能が低いので、個々のパターンを観察することはできない。
【００１０】
しかし、スループットが高いので、製造ラインに流れる全数のウェハの、全面を検査できる利点がある。
【００１１】
従来のマクロ検査装置に関して、例えば特開平１１−７２４４３号公報（特許文献１）が知られている。特許文献１では、ウェハ全面に平行光を照明する。パターンからの回折光あるいは散乱光を受光し、結像面でウェハの像を撮像する。撮像した像と正常なウェハの像とを比較し、パターンの異常を検出する。照明光の波長を可変にすることにより、種々のパターン周期に対応して回折光を受光できるようにしている。
【００１２】
また、フォトマスク等の異物検査装置に関して、例えば特開平６−９４６３０号公報（特許文献２）が知られている。特許文献２では、被検面にスポットビームを照明し、受光レンズの瞳面の像を撮像する。パターンからの回折光と異物からの散乱光とを識別し、異物の有無を検出する。
【００１３】
その他の先行技術としては、特許文献３、及び特許文献４が挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開平１１−７２４４３号公報
【特許文献２】特開平６−９４６３０号公報
【特許文献３】特開２００８−１１６４０５号公報
【特許文献４】特開平６−０９４６３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
半導体デバイスの微細化に伴い、マクロ検査装置には、パターンの異常に対する検出感度の向上が要求されている。
【００１６】
しかし、繰り返しパターンの周期が波長の１／２以下になると、原理的に回折光は発生しない。よって、パターン周期の減少に対応して、従来技術で回折光を受光するには短波長化が不可欠である。
【００１７】
例えば、パターン周期８０ｎｍでは、波長を１５０ｎｍ程度とする必要がある。しかし、このような真空紫外領域では、屈折レンズを使用できないので、光学系の設計製作が難しくなる。また、光路を真空にする必要があるので、装置構成が複雑になる。
【００１８】
一方、回折光が発生しない波長でも、パターンのエッジラフネスなどにより散乱光が発生する。散乱光は回折光と異なり、広い角度範囲に発散するのが特徴である。しかし、特許文献１は散乱光の強度分布を十分には考慮していないので、検出感度をさらに向上するのは難しい。
【００１９】
一方、特許文献２はパターンからの回折光と異物からの散乱光の強度分布を考慮している。しかし、検出対象は異物であり、パターンの異常を検出する点については配慮がなされていない。
【００２０】
本発明の目的は、半導体デバイスの微細化に対応して、パターンの異常を高感度で検出可能な、マクロ検査装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明は例えば以下の特徴を有する。
【００２２】
本発明は、パターンが形成された該試料に光を照明する照明光学系と、該パターンの散乱光を受光する検出光学系と、該検出光学系の瞳面に配置され、該パターンのフーリエ像を撮像する撮像素子と該フーリエ像を正常なパターンのフーリエ像と比較し、該パターンの異常を検出する処理部と、を有することを特徴とする。
【００２３】
本発明は、該照明光学系は、該試料に所定の偏光の光を照明し、該撮像素子は、該パターンの散乱光の所定の偏光成分によるフーリエ像を撮像することを特徴とする。
【００２４】
本発明は、該撮像素子の前に偏光フィルタが配置されていることを特徴とする。
【００２５】
本発明は、該撮像素子は画素ごとにフォトニック結晶素子を有し、隣接する画素の偏光軸の方向が互いに異なることを特徴とする。
【００２６】
本発明は、該撮像素子は、該パターンの散乱光の互いに異なる偏光成分によるフーリエ像を同時に撮像し、該処理部は、該フーリエ像を正常なパターンのフーリエ像と比較することを特徴とする。
【００２７】
本発明は、該処理部は、該パターンのフーリエ像と正常なパターンのフーリエ像を部分領域に分割し、該部分領域ごとに比較することを特徴とする。
【００２８】
本発明は、正常なパターンのフーリエ像を格納していることを特徴とする。
【００２９】
本発明は、該処理部は、該フーリエ像から、直交ニコル像と平行ニコル像とを分離することを特徴とする。
【００３０】
本発明は、該処理部は、該平行ニコル像と正常なパターンの平行ニコル像との比較、および該直交ニコル像と正常なパターンの直交ニコル像との比較のうち少なくとも１つを行うことを特徴とする。
【００３１】
本発明は、該処理部は、該平行ニコル像と正常なパターンの平行ニコル像との比較結果、および該直交ニコル像と正常なパターンの直交ニコル像との比較結果の論理和をとることを特徴とする。
【００３２】
本発明は、パターンが形成された試料に光を照明する照明光学系と、該パターンの散乱光を複数の方向で受光する複数の受光系と、該散乱光の強度分布を正常なパターンの散乱光の強度分布と比較し、該パターンの異常を検出する処理部と、を有することを特徴とする。
【００３３】
本発明は、該照明光学系は、該試料に所定の偏光の光を照明し、該受光系は、該パターンの散乱光の所定の偏光成分を受光することを特徴とする。
【００３４】
本発明は、正常なパターンの散乱光の強度分布を格納していることを特徴とする。
【００３５】
本発明は、パターンが形成された該試料に光を照明する照明光学系と、該パターンの散乱光を受光する検出光学系と、該検出光学系の瞳面に配置され、該パターンのフーリエ像を撮像する撮像素子と、該フーリエ像を正常なパターンのフーリエ像と比較し、該パターンの異常の位置を検出する処理部と、を有する第１の検査装置と、前記検査装置から該異常の位置座標を受け取り、該位置の観察を行うことが可能であり、該検査装置よりも高い分解能を有する第２の検査装置と、を有することを特徴とする。
【００３６】
本発明は、パターンが形成された試料に光を照明する照明光学系と、該パターンの散乱光を複数の方向で受光する複数の受光系と、該散乱光の強度分布を正常なパターンの散乱光の強度分布と比較し、該パターンの異常の位置を検出する処理部と、を有する第１の検査装置と、前記検査装置から該異常の位置を受け取り、該位置の観察を行うことが可能であり、該検査装置よりも高い分解能を有する第２の検査装置と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００３７】
本発明によれば、パターンの異常を高感度で検出可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明に係る検査装置の第１の実施形態を示す図である。
【図２】フーリエ像の形成を示す図である。
【図３】リソグラフィ工程の検査におけるウェハの断面を示す図である。
【図４】パターン寸法の変化によるフーリエ像の部分領域ごとの強度変化を示す図である。
【図５】本発明に係る検査装置の第２の実施形態を示す図である。
【図６】偏光撮像素子の構成を示す図である。
【図７】照明光の方位角と偏光撮像素子の透過軸との関係を示す図である。
【図８】偏光検出における偏光撮像素子の画素の選択を示す図である。
【図９】偏光撮像素子で撮像したフーリエ像の処理方法を示す図である。
【図１０】本発明に係る検査装置の第３の実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下、図面を用いて実施例を説明する。
【実施例１】
【００４０】
本発明の第１の実施形態（以降、実施例１と称す。）では、半導体デバイスの製造におけるウェハを対象とする検査装置について説明する。
【００４１】
本実施例の検査装置の概略構成を図１に示す。本実施例の検査装置は、ウェハ１を搭載するステージ２，放電光源３，波長フィルタ４，第１の偏光フィルタ５，照明光学系６，検出光学系７，第２の偏光フィルタ８，撮像素子９，画像処理系１０，制御系１１、および操作系１２を有する。
【００４２】
放電光源３から、多波長あるいは広帯域の光が放射される。波長フィルタ４により所定の波長の光を透過させ、第１の偏光フィルタ５により所定の直線偏光とする。照明光学系６により平行光に変換し、ウェハ１を所定の入射角・方位角で照明する。照明領域のサイズは、必要な空間分解能に応じて、設定される。
【００４３】
照明光学系６からの照明によって、照明領域のパターン（以下、検査パターンと呼ぶ）から、散乱光が発散する。
【００４４】
検出光学系７はフーリエ変換光学系であり、図２に示すように、散乱光を受光し、瞳面でフーリエ像を形成する。正反射光は、瞳面の外に射出するので、フーリエ像に寄与しない。検査パターンの周期によっては、回折光が瞳面に入る場合があるが、特に問題は無い。第２の偏光フィルタ８により散乱光の所定の直線偏光成分を透過させ、瞳面に配置した撮像素子９によりフーリエ像を撮像する。撮像素子９としては、ＣＣＤ（電荷結合素子）イメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサ等を使用する。
【００４５】
本実施例１では、第１の偏光フィルタ５の透過軸と第２の偏光フィルタ８の透過軸との相対角度を変えることにより、照明光の偏光方向に対して、垂直な偏光成分（直交ニコル）を撮像したり、平行な偏光成分（平行ニコル）を撮像できる。つまり、本実施例１の検査装置は第１の偏光フィルタ５の透過軸と第２の偏光フィルタ８の透過軸との相対的な角度を変える構成を有する。
【００４６】
また、第２の偏光フィルタ８を光路から外し、偏光と関係無くフーリエ像を撮像することもできる。つまり、本実施例１の検査装置では、第２の偏光フィルタは光路に対し出し入れ可能に制御される。
【００４７】
次に、検出された検査パターンのフーリエ像はデジタル信号に変換され、画像処理系１０に伝送される。画像処理系１０には、上記の光学条件における、正常なパターンのフーリエ像が格納されている。ここで、正常なパターンとは、設計仕様のパターンからの寸法・形状の偏差が許容範囲にあるパターンの集合である。
【００４８】
検査パターンのフーリエ像を正常なパターンのフーリエ像と比較し、検査パターンの異常を検出する。より具体的には、基準パターンに対する検査パターンの偏差がある一定の値を超えるか否かによりパターンの異常を検出する。検査パターンに異常があれば、位置座標を制御系１１に伝送する。
【００４９】
そして、ステージを走査してウェハ全面を検査し、最後に、異常パターンの位置を操作系１２に表示する。
【００５０】
上記実施例の放電光源３は、水銀ランプやキセノンランプなどである。照明光の波長が固定で良ければ、可視光領域，紫外光領域、および遠紫外光領域で、レーザや発光ダイオードなどの固体光源を使用できる。この場合、波長フィルタは不要である。
【００５１】
また、上記実施例の検出光学系７は、レンズから成る屈折型、ミラーから成る反射型、ミラーとレンズを組み合わせた反射・屈折型、およびフレネルゾーンプレートなどの回折型を使用できる。
【００５２】
正常なパターンのフーリエ像は、テストウェハを用いて取得することができる。テストウェハとは、例えば露光装置によりフォトマスクのパターンをウェハに転写する際、露光領域ごとに焦点位置と露光量を変えて、種々の寸法・形状を作り込んだものである。また、正常なパターンのフーリエ像は、数値シミュレーションにより取得することもできる。パターンの形状・寸法と屈折率、および検査装置の光学条件を入力データとし、時間領域差分法（Finite Difference Time Domain）や厳密結合波解析法（Rigorous Coupled Wave Analysis）を用いて、高精度の予測が可能である。
【００５３】
次に、本実施例１の検査装置において、パターンの異常に対する検出感度が向上することを説明する。
【００５４】
リソグラフィ工程のレジスト現像後の検査における、ウェハの断面を図３に示す。検査対象のレジストパターンは、設計仕様に比べて寸法が７％細っている。
【００５５】
図４は、瞳面を２１個に分割した部分領域で、検査パターンのフーリエ像の強度と設計仕様のパターンのフーリエ像の強度を平均化し、両者の比を取った結果である。部分領域で平均化するのは、安定した出力を得るためである。
【００５６】
なお、部分領域の分割数は、画像処理系１０において適宜設定することができる。すなわち、画像処理系１０は瞳面の部分領域の分割数を変更することができる。
【００５７】
パターンを結像面で撮像する従来技術では、信号はフーリエ像全体の強度の平均に等価なので、寸法変動に対する信号の変化率は７％になる。
【００５８】
一方、本実施例１では、信号は部分領域ごとのフーリエ像の強度なので、寸法変動に対する信号の変化率は最大で３９％（網掛けで示す領域）になる。このように、フーリエ像を比較することにより、従来技術より検出感度が向上することが分かる。
【実施例２】
【００５９】
本発明の第２の実施形態（以降、実施例２と称す）を、図５に示す。実施例１と同じ構成の説明は省略する。
【００６０】
本実施例２では、第１の実施形態における偏光フィルタと撮像素子の替わりに、偏光撮像素子１３を使用する。
【００６１】
偏光撮像素子１３とは、図６に示すように、撮像素子の画素ごとにフォトニック結晶素子１５を配置したものである。偏光撮像素子１３は、隣接する４個の画素が１組になっており、それぞれの透過軸の方向は４５度ずつ異なっている。
【００６２】
図７に、パターンに対する照明光の方位角（ウェハ面内の角度）と偏光撮像素子の透過軸との関係を示す。
【００６３】
図８に示すように、本実施例２では、照明光のパターンに対する方位角が０度，４５度，９０度のいずれであっても、ｓ偏光またはｐ偏光の照明光に対して、１個の画素は垂直な偏光成分（直交ニコル）を検出し、１個の画素は平行な成分（平行ニコル）を検出することができる。また、本実施例２では、照明光の偏光方向に対して、残りの２個の画素は４５度方向の偏光成分を検出することもできる。
【００６４】
このように、本実施例２では、偏光撮像素子１３により、互いに異なる偏光成分の像を同時に撮像することができる。
【００６５】
次に、偏光撮像素子１３で撮像したフーリエ像の処理方法を図９に示す。
【００６６】
撮像した像から、所定の偏光軸の画素を選択し、直交ニコル像と平行ニコル像とを分離する。分離した画像の分解能は、撮像した画像の分解能の半倍になるが、フーリエ像を比較するには問題ない。検査パターンの直交ニコル像を、正常なパターンの直交ニコル像と比較し、異常を検出する。
【００６７】
また、検査パターンの平行ニコル像を、正常なパターンの平行ニコル像と比較し、異常を検出する。両方の結果の論理和をとり、検査パターンに異常があれば、位置座標を制御系に伝送する。
【００６８】
本実施例２は、実施例１に比べて、複数の光学条件で検査パターンと正常なパターンとを比較するので、異常を見逃す確率が減少する。また、複数の光学条件による比較結果を解析することにより、寸法の異常と形状の異常とを識別することも容易になる。
【実施例３】
【００６９】
本発明の第３の実施形態（以降、実施例３と称す。）を、図１０に示す。照明光学系より上流は第１の実施形態と同じなので、図では省略している。
【００７０】
本実施例３では、集光光学系１６と第２の偏光フィルタ８および光検出素子１７からなる受光系１８を、所定の仰角・方位角で複数配置する。
【００７１】
本実施例３では、所定の直線偏光の光により、ウェハを所定の入射角・方位角で照明する。検査パターンからは、散乱光が発散する。散乱光の所定の偏光成分をそれぞれの受光系で検出し、信号処理系１９に伝送する。
【００７２】
信号処理系１９で、複数の受光系からの受光信号に基づいて検査パターンの散乱光の強度分布を作成する。信号処理系１９には、上記の光学条件における、正常なパターンの散乱光の強度分布が格納されている。検査パターンの散乱光の強度分布を正常なパターンの散乱光の強度分布と比較し、検査パターンの異常を検出する。検査パターンに異常があれば、位置座標を制御系に伝送する。
【００７３】
本実施例３は実施例１に比べて、ＣＣＤイメージセンサのような撮像素子よりも感度が高い光電子増倍管を使用できるので、非常に微弱な散乱光を検出するのに有利である。また、受光系の空間配置の自由度が大きいので、低仰角の散乱光を受光できる利点もある。
【００７４】
以上説明したように、本発明の検査装置により、製造ラインに流れる全数のウェハの全面について、マクロ領域でのパターン異常を高感度で検出できる。
【００７５】
また、実施例１〜３の検査装置（第１の検査装置）で検出した異常を有するウェハを、実施例１〜３の検査装置の光学系よりも高い分解能の電子光学系を有する電子線検査装置（分解能が高ければ光学式検査装置でも良い）に搬送することもできる。電子線検査装置による観察では、すでに異常位置が特定されているので、異常パターンを詳細に観察可能である。
【００７６】
このようなマクロ検査装置で異常の位置を検出し、その位置に関する情報（ウェハ内における座標、チップ内における座標）を受け取り、その位置を電子線検査装置で観察する方法は、検査コストを抑えつつ製造歩留まりを向上するのに有効である。
【００７７】
以上、半導体デバイスの製造におけるウェハを対象に説明したが、本発明の検査装置は、磁気記憶媒体や液晶デバイスなどの、パターンが形成された試料に広く適用可能である。
【符号の説明】
【００７８】
１  ウェハ
２  ステージ
３  放電光源
４  波長フィルタ
５  第１の偏光フィルタ
６  照明光学系
７  検出光学系
８  第２の偏光フィルタ
９  撮像素子
１０  画像処理系
１１  制御系
１２  操作系
１３  偏光撮像素子
１４  画素
１５  フォトニック結晶素子
１６  集光光学系
１７  光検出素子
１８  受光系
１９  信号処理系
【図１】
0005593209.tif 000002
【図２】
0005593209.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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