(57)【要約】【課題】  エッジビード除去の検査に適用することが可能であると共に、ウエハ上における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強調するための方法および装置を提供する。【解決手段】  シリコンまたはレジストのブリュースター角に近い照射角でｓ偏光成分およびｐ偏光成分を別々にウエハに照射し、ｓ偏光成分の反射光とｐ偏光成分の反射光との間の画像差を得る。【選択図】  図２
2005033177.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料面上の第１の材料と第２の材料との間の画像コントラストを強調する方法であって、前記第１の材料および前記第２の材料は互いに大きく異なる屈折率を有し、前記方法は、
（ａ）視準照射光を前記試料面に向けて照射角で提供する工程であって、前記照射角は前記試料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第１の材料と前記第２の材料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偏光成分を前記試料面に当てるために、前記視準照射光を偏光させる工程と、
（ｃ）前記試料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）前記第１の材料と前記第２の材料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。
【請求項２】
請求項１に記載の方法はさらに、前記工程（ｂ）および（ｃ）の前または後に、
（ｄ）前記視準照射光を偏光させることによって、前記視準照射光のｓ偏光成分を前記試料面に当てる工程と、
（ｅ）前記試料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、
前記第１の材料と前記第２の材料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（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。
【請求項３】
請求項２に記載の方法であって、
前記角度Θは、前記第１の材料および前記第２の材料のいずれかのブリュースター角にほぼ等しい、方法。
【請求項４】
請求項２に記載の方法であって、
前記第１の材料はシリコンで、前記第２の材料はレジストである、方法。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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偏光成分を前記試料面に当て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偏光成分を前記試料面に当て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。
【請求項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偏光成分を前記試料面に当て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偏光成分を前記試料面に当て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。
【請求項１０】
請求項２に記載の方法であって、
（１）前記試料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）前記試料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。
【請求項１１】
請求項２に記載の方法であって、
前記第１の材料と前記第２の材料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、前記試料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、前記試料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。
【請求項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。
【請求項１３】
請求項１２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。
【請求項１４】
請求項１３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。
【請求項１５】
請求項１３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。
【請求項１６】
請求項１３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。
【請求項１７】
請求項１６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。
【請求項１８】
請求項１６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。
【請求項１９】
請求項１３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。
【請求項２０】
請求項１３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。
【請求項２１】
請求項１３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。
【請求項２２】
請求項１３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。
【請求項２３】
試料面上の第１の材料と第２の材料との間の画像コントラストを強調するための装置であって、前記第１の材料および前記第２の材料は互いに大きく異なる屈折率を有し、前記装置は、
（ａ）前記視準二次元照射光を前記照射光の経路上に保持された前記試料面に向けて前記試料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照射源と、
（ｂ）前記照射源と前記試料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）前記試料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、前記第１の材料と前記第２の材料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前記反射光の画像を処理する画像処理プロセッサと
を備える装置。
【請求項２４】
請求項２３に記載の装置であって、
前記画像処理プロセッサは、前記試料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、前記試料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。
【請求項２５】
請求項２３に記載の装置であって、
前記照射源はレーザおよびビーム拡大器を含む、装置。
【請求項２６】
請求項２３に記載の装置であって、
前記照射源は白熱光および視準器を含む、装置。
【請求項２７】
請求項２３に記載の装置であって、
前記照射源は照射角を調整可能である、装置。
【請求項２８】
請求項２３に記載の装置であって、
前記偏光器はフィルタホイールを含む、装置。
【請求項２９】
請求項２３に記載の装置であって、
前記偏光器は４分の１波長板を含む、装置。
【請求項３０】
請求項２３に記載の装置であって、
前記画像検出器は撮像レンズおよびカメラを含む、装置。
【請求項３１】
請求項２３に記載の装置であって、
前記画像処理プロセッサは前記画像検出器に結合されたコンピュータを含む、装置。
【請求項３２】
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。
【請求項３３】
請求項３２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。
【請求項３４】
請求項３２に記載の装置を含むウエハ検査システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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：
ｔａｎΘBrewster＝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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１ａ】理想的なエッジビード除去の構造を示した図である。
【図１ｂ】実際的なエッジビード除去の断面を示した図である。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】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】
【００３１】
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
【図１ａ】
2005033177.tif 000003
【図１ｂ】
2005033177.tif 000004
【図２】
2005033177.tif 000005
【図３】
2005033177.tif 000006
【図４】
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【外国語明細書】
1. TITLE OF THE INVENTION
EDGE BEAD REMOVAL INSPECTION BY REFLECTOMETRY
2. DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Field of the Invention
This invention relates to integrated circuit wafer inspection tools, and in particular to a method and apparatus for inspecting a wafer for removal of an edge bead of resist.
Background of the Invention
During the manufacturing process for integrated circuits, lithography (which may include photolithography, e-beam lithography, or X-ray lithography) is generally utilized multiple times as part of patterning steps.  The standard method of applying the resist used for lithography is a spin-on method, whereby resist is applied at or near the center of a rotating wafer, causing the resist to spread outwards across the wafer.  
The fluid dynamics of spin-coating result in the formation of an "edge bead" of resist, which is located at the wafer edge and is several times as thick as the deposited layer.  This edge bead can cause significant problems later in the process if not removed, including flaking which becomes a particulate and contaminant source.  Edge beads which are not removed prior to resist development can remain even after a conventional wafer stripping process.  It has therefore become standard procedure to remove the edge bead immediately after spin-coating the wafer with resist.  This may be accomplished in several ways, including dispensing solvent at the wafer edge and/or optical resist exposure prior to resist development.  The removal of the edge bead, if done correctly, leaves a clear annulus of bare silicon at the edge of the wafer.  Figure 1a illustrates an idealized EBR geometry, including prior step stack 2 on wafer 4, resist 6 covering the top 8 and edge 10 of stack 2, and bare silicon region 12 (annular in shape) on the outside edge of wafer 4.  Actual resist profiles may be gradual rather than abrupt as shown in the figure.  The EBR annulus is generally between 1 and 5 mm in width, and should be accurately centered on the wafer.
One desired feature in optical inspection tools is the ability to do edge-bead removal (EBR) inspection. This includes detection of the position of the ring to determine its position and centering on the wafer, as well as determining if resist removal is complete.
Visual inspection of EBR relies on a color change at the resist edge. However, this method is inaccurate due to the differing absorption spectra and color appearances of various resists.  In addition, thin film and diffraction effects may alter the color appearance.  Further, if the resist does not have a sharp edge, the optical diffraction effects will be weakened.
Currently used methods for edge bead removal inspection in such inspection systems as the Viper system from KLA-Tencor Corp. utilize integrated reflectance spectra from unpolarized light to locate the edge ring where the resist has been removed.  This method has proven to work well for the first resist layer.  However, as illustrated in Figure 1b, actual edge profiles for multilayer structures can be considerably more complex than the idealized profile shown in Fig. 1a.  Slight differences in the centering or width of the resist region cleared at each step can result in a stepped profile 16 with multiple rings 18 of varying heights and materials underlying the resist.  This complicates the optical reflectance results and causes further inaccuracies in inspection.
Summary of the Invention
It is therefore an object of this invention to provide an improved integrated circuit manufacturing method and apparatus for edge bead removal inspection.
It is a further object of this invention to provide an improved integrated circuit manufacturing method and apparatus for edge bead removal inspection which is accurate for multilayer structures.
It is a further object of this invention to provide an integrated circuit manufacturing method and apparatus for edge bead removal inspection which is low cost and compatible with existing inspection systems.
Detailed Description of the Preferred Embodiments
My inventive method and apparatus provides an increased contrast between resist-covered regions of the wafer and regions without resist, in particular bare silicon regions.  This increased contrast improves resolution near the wafer edge, which is inherently a noisy area in terms of reflectance measurements.  The inventive method differs from standard ellipsometry, which generally utilizes a point light source, varying wavelengths and polarizations at a single spot.  Using ellipsometry, material layers, thicknesses, and indices of refraction can be determined locally.
In contrast, the present invention is an imaging method which increases contrast over an extended area.  The light source is required to be collimated, but may be extended rather than being a point source; e,g, it may be a spot or a line source.
Figure 2 illustrates the generic behavior expected for reflected light from a material (i.e., a silicon wafer) when the illuminating, i.e., incident light, is collimated and linearly polarized.  The figure is a graph of the  reflection coefficients from silicon as a function of angle of illumination from normal, for s-polarized and p-polarized incident light.  Wavelength for this data is 635 nm.  P-polarized light has an electric field vector in the plane of incidence defined by the propagation vector of the incident plane wave and the normal vector to the surface.  The electric field for p-polarized light therefore has a component normal to the surface.  S-polarized light has an electric field vector perpendicular to the plane of incidence, therefore its electric field is tangential to the surface and has no normal component.
As shown in Figure 2, the reflectivity curve 19 for s-polarized light from silicon increases monotonically as the angle of illumination increases from the normal.  This curve is qualitatively similar to the reflectivity curve for s-polarized light from most materials for flat sample surfaces: the numerical values depend on the index of refraction. However, the reflectivity curve 20 for p-polarized light decreases to zero at an angle known as the Brewster angle, which is approximately 77 degrees for silicon.  The Brewster angle is determined (for illumination through air of a material having index of refraction n) according to the equation
tan θBrewster=n 
Reflection coefficient curves from materials other than silicon will resemble those in Fig. 2 qualitatively, but having different values for the Brewster angle and thus different ratios of reflectivity between s-polarized and p-polarized light at various angles.  Variations will be the greatest between materials having greatly differing indices of refraction.
Silicon, having n = 4.6, has a Brewster angle of approximately 77 degrees from normal.  In contrast, resist typically has n approximately 1.5, resulting in a Brewster angle of approximately 56 degrees from normal.  An illustrative approximate reflectivity curve 21 for p-polarized light from resist is shown as a dotted line in Fig. 2.  
According to my inventive concept, a wafer is illuminated at the Brewster angle for silicon, and the reflected light image is observed in both s- and p- polarizations.  In a first embodiment, the image acquired in p- polarization is subtracted from that acquired in s- polarization, yielding an "image difference".  Note that for the bare silicon region, there will be little or no p-polarized reflected light at the silicon Brewster angle, therefore the image difference will be essentially the same as the s- polarized image.  In contrast, for the resist-covered region, the p-polarized light will be significantly reflected at the silicon Brewster angle, and the image difference will be significantly less bright than the s-polarized image.  Sensitivity is maximized by using the image difference method.  In this embodiment, identification of regions can be accomplished by thresholding the image differences, i.e, by assigning the characteristic that less than a certain difference is resist, and greater than a certain difference is bare silicon.  
In a second embodiment, image differences are not created, but the p-polarized images are compared in the different regions, for light incident at a Brewster angle.  For example, if the angle of incidence of the p-polarized light is the Brewster angle for silicon, the silicon regions will evidence little or no reflectance and will appear dark.  In contrast, at that angle, there is significant reflectance from the resist-covered regions, which will appear considerably brighter than the silicon regions.   Substantial contrast enhancement is thereby obtained using p-polarized light at the Brewster angle for silicon, as compared with the use of unpolarized light. 
Both embodiments of this method therefore provide artificially enhanced image contrast between the bare silicon regions and the resist-covered regions.  This enhanced contrast can help overcome the inherent noise present in the image near the wafer edge.  It can also improve performance when multiple edge rings are present from earlier process steps.
Alternative embodiments of the method utilize illumination angles other than the Brewster angle for silicon.   The contrast enhancement will be greatest, however, at illumination angles close to either the silicon Brewster angle or the resist Brewster angle.
Fig. 3 is a graph of an experimental intensity profile of reflected light across a silicon/resist transition, using collimated illumination (incandescent filtered light) at the silicon Brewster angle.  It is seen that an extremely sharp transition in reflectance occurs at the silicon/resist boundary, yielding enhanced image contrast.
An embodiment of an apparatus suitable for implementing the inventive method is shown in Fig. 4.
Silicon wafer 23 has prior step stack 22 thereon, and atop prior step stack 22 is patterned resist layer 24, which ideally completely covers top surface 26 and side surface 28 of prior step stack 22. Edge Bead Removal (EBR) annulus 30 near edge 32 of wafer 23 is ideally completely stripped of resist, with only bare silicon remaining.  Silicon wafer 23 is mounted on rotating pre-aligner 33.  Illumination source 34 may be an expanded laser beam produced by sending a beam from laser 36 through beam expander 38, or alternatively it may be a collimated incandescent light source or other collimated, two-dimensional light source.  Polarizer 40 may comprise a filter wheel and/or a quarter wave plate.
Reflected light 42 is captured by image detection system 44, which may comprise an imaging lens and a low-resolution CCD or camera.  Image processor 46 may comprise a frame grabber, USB interface, or Firewire interface leading into a computer. Analog imaging may also be done.  Using standard components, image resolution is expected to be on the order of 40 micron pixel size.
The aforementioned apparatus can be easily incorporated into a more complete edge inspection apparatus which inspects for criterion in addition to Edge Bead Removal.  For example, edge chipping, caused by wafer handling by equipment, is of concern.  A chipped wafer has a high probability of shattering in such later processing steps as anneal or deposition, which can contaminate a chamber or a whole lot of wafers.  Another edge effect which is of  concern is the presence of chips, defects, or unwanted deposits such as resist on the backside edge of the wafer.
An inclusive edge inspection module could combine the apparatus described above for the EBR, and could also incorporate illumination from another angle to inspect for edge chips.  Due to their irregular shape, chips cause a large amount of scattering, particularly in dark field. The additional illumination could come from a second light source, e.g., a laser or LED, or alternatively could use the same light source used for EBR if the angle of incidence or azimuthal angle could be adjusted.  Such an edge inspection system could be mounted on the pre-aligner and use a line camera for detection: In this way the rotation of the pre-aligner chuck would scan the line across the wafer to form the image.
Inspection of the wafer backside could be incorporated into the edge inspection system by displacing the camera or sensor slightly such that some of it looks at the topside edge area of the wafer for EBR and edge chips, but that some of it views the area slightly off the wafer.  A mirror could then be positioned such that the sensor portion off the wafer would collect reflected light off the back of the wafer to look for chips, defects, or deposits on the back edge of the wafer.
The edge inspection module as described above could be implemented into a standard inspection system at minimal cost: the only additions would be a small camera and a light source.
My inventive concept of utilizing differential reflectance from s- and p- polarized incident light from an extended collimated light source to enhance image contrast between silicon and resist-covered regions can be implemented inexpensively with standard components as described above.  The necessary apparatus could be manufactured separately and retrofitted into existing equipment or produced as OEM (Original Equipment Manufacturer).
Using my invention, image contrast between resist-covered regions and bare silicon regions is greatly enhanced.  This allows for more effective Edge Bead Removal inspection, especially at later stages when multiple layers have been patterned. The same method and apparatus could be used at other regions on the wafer for such applications as inspecting for complete development and removal of resist after exposure, or inspecting for complete etch or polish during processing.  Another possible use is to detect holes or voids in layers such as spin-on layers. The necessary criterion to allow for the use of my inventive method for the aforementioned applications is that the indices of refraction of the two materials in question be quite different from each other in order to enable the image enhancement. 
The invention is not intended to be restricted to the exact embodiments described above.  It should be apparent to those skilled in the art that modifications can be made without departing from the inventive concept.  For example, other image detection devices could be utilized, and collimated light sources other that expanded lasers or collimated incandescent light could be used, such as shaped fiber optic bundles.  The scope of the invention should be construed in view of the claims. 
3. BRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS
Figure 1a is an illustration of an idealized Edge Bead Removal geometry.
Figure 1b is an illustration of a realistic profile for Edge Bead Removal. 
Figure 2 is a graph of reflectance coefficients as a function of angle of illumination from normal, for silicon.
Figure 3 is a graph of reflected light intensity across a silicon/resist boundary using the inventive method.
Figure 4 is an illustration of an apparatus suitable for implementing the inventive method.
1.  A method of enhancing image contrast between a first material and a second material on a sample surface, said first and second materials having substantially different indices of refraction, comprising the steps of:
a) providing a collimated illumination beam directed toward said sample surface at an angle of illumination, said angle of illumination being at angle θ from a normal to said sample surface, said angle θ being selected such that the ratio of reflectivity between s-polarized light and p-polarized light is substantially different for said first material as compared to said second material at an angle of illumination equal to said angle θ;
b) polarizing said collimated illumination beam so as to yield a p-polarized portion of said collimated illumination beam impinging on said sample surface, and
c) detecting an image of reflected light from said p-polarized portion of said collimated illumination beam off of said sample surface; and
f) processing said image of reflected light from said p-polarized portion of said collimated illumination beam to enhance said image contrast between said first material and said second material.
2.  The method of claim 1, further comprising the steps of:
before or after steps b) and c),  
d) polarizing said collimated illumination beam so as to yield an s-polarized portion of said collimated illumination beam impinging on said sample surface;
e) detecting an image of reflected light from said s-polarized portion of said collimated illumination beam off of said sample surface; and wherein
said step f) of processing said image of reflected light from said p-polarized portion of said collimated illumination beam to enhance said image contrast between said first material and said second material further includes processing said image of reflected light from said s-polarized portion of said collimated illumination beam.
3.  The method of claim 2, wherein said angle θ is selected to be approximately equal to the Brewster angle of one of said first and said second material.
4.  The method of claim 2, wherein said first material is silicon and said second material is resist.
5.  The method of claim 2, wherein said collimated illumination beam is an extended two-dimensional beam.
6.  The method of claim 5, wherein said collimated illumination beam is an expanded laser beam.
7.  The method of claim 5, wherein said collimated illumination beam is a collimated incandescent beam.
8.  The method of claim 2, wherein said steps of 1) polarizing said collimated illumination beam so as to yield an s-polarized portion of said collimated illumination beam impinging on said sample surface and 2) polarizing said collimated illumination beam so as to yield a p-polarized portion of said collimated illumination beam impinging on said sample surface comprise passing said collimated illumination beam through a filter wheel. 
9.  The method of claim 2, wherein said steps of 1) polarizing said collimated illumination beam so as to yield an s-polarized portion of said collimated illumination beam impinging on said sample surface and 2) polarizing said collimated illumination beam so as to yield a p-polarized portion of said collimated illumination beam impinging on said sample surface comprise passing said collimated illumination beam through a quarter wave plate.
10.  The method of claim 2, wherein said steps of 1) detecting an image of reflected light from said s-polarized portion of said collimated illumination beam off of said sample surface and 2) detecting an image of reflected light from said p-polarized portion of said collimated illumination beam off of said sample surface comprise capturing said reflected light from said s-polarized portion of said collimated illumination beam and from said p-polarized portion of said collimated illumination beam with an imaging lens and a camera.
11.  The method of claim 2, wherein said step of processing said image of reflected light from said s-polarized portion of said collimated illumination beam and said image of reflected light from said p-polarized portion of said collimated illumination beam to enhance said image contrast between said first material and said second material comprises forming an image difference between said image of reflected light from said s-polarized portion of said collimated illumination beam off of said sample surface and said image of reflected light from said p-polarized portion of said collimated illumination beam off of said sample surface  .
12. A semiconductor manufacturing method for inspecting Edge Bead Removal of resist from atop a silicon wafer, said wafer having a surface with a first bare silicon portion and a second resist covered portion, comprising the steps of:  a) illuminating said wafer surface with a collimated illumination beam directed toward said wafer surface at an angle of illumination, said angle of illumination being at angle θ from a normal to said wafer surface, said angle θ being selected such that the ratio of reflectivity between s-polarized light and p-polarized light is substantially different for said resist as compared to said silicon at an angle of illumination equal to said angle θ;
b) polarizing said collimated illumination beam so as to yield a p-polarized portion of said collimated illumination beam impinging on said wafer surface;
c) detecting an image of reflected light from said p-polarized portion of said collimated illumination beam off of said wafer surface; and
f) processing said image of reflected light from said image of reflected light from said p-polarized portion of said collimated illumination beam to enhance said image contrast between said first bare silicon portion of said wafer surface and said second resist covered portion of said wafer surface.
13.  The method of claim 12, further comprising the steps of:
before or after steps b) and c),  
d) polarizing said collimated illumination beam so as to yield an s-polarized portion of said collimated illumination beam impinging on said wafer surface;
e) detecting an image of reflected light from said s-polarized portion of said collimated illumination beam off of said wafer surface; and wherein
said step f) of processing said image of reflected light from said p-polarized portion of said collimated illumination beam to enhance said image contrast between said first bare silicon portion of said wafer surface and said second resist covered portion of said wafer surface further includes processing said image of reflected light from said s-polarized portion of said collimated illumination beam.
14.  The method of claim 13 wherein said angle θ is the Brewster angle for silicon.
15.  The method of claim 13 wherein said angle θ is the Brewster angle for said resist.
16.  The method of claim 13, wherein said collimated illumination beam is an extended two-dimensional beam.
17.  The method of claim 16, wherein said collimated illumination beam is an expanded laser beam.
18.  The method of claim 16, wherein said collimated illumination beam is a collimated incandescent beam.
19.  The method of claim 13, wherein said steps of 1) polarizing said collimated illumination beam so as to yield an s-polarized portion of said collimated illumination beam impinging on said wafer surface and 2) polarizing said collimated illumination beam so as to yield a p-polarized portion of said collimated illumination beam impinging on said wafer surface comprise passing said collimated illumination beam through a filter wheel. 
20.  The method of claim 13, wherein said steps of 1) polarizing said collimated illumination beam so as to yield an s-polarized portion of said collimated illumination beam impinging on said wafer surface and 2) polarizing said collimated illumination beam so as to yield a p-polarized portion of said collimated illumination beam impinging on said wafer surface comprise passing said collimated illumination beam through a quarter wave plate.
21.  The method of claim 13, wherein said steps of 1) detecting an image of reflected light from said s-polarized portion of said collimated illumination beam off of said wafer surface and 2) detecting an image of reflected light from said p-polarized portion of said collimated illumination beam off of said wafer surface comprise capturing said reflected light from said s-polarized portion of said collimated illumination beam and from said p-polarized portion of said collimated illumination beam with an imaging lens and a camera.
22.  The method of claim 13, wherein said step of processing said image of reflected light from said s-polarized portion of said collimated illumination beam and said image of reflected light from said p-polarized portion of said collimated illumination beam to enhance said image contrast between said  first bare silicon portion of said wafer surface and said second resist covered portion of said wafer surface comprises forming an image difference between said image of reflected light from said s-polarized portion of said collimated illumination beam off of said wafer surface and said image of reflected light from said p-polarized portion of said collimated illumination beam off of said wafer surface.
23.  An apparatus for enhancing image contrast between a first material and a second material on a surface of a sample, said first and second materials having substantially different indices of refraction, comprising:
a) an illumination source  for providing said collimated two dimensional illumination beam to impinge, at an angle of illumination, on said sample surface held in the path of said illumination beam, said angle of illumination being at angle θ from a normal to said sample surface;
b) a polarizer positioned between said illumination source and said sample surface and in the path of said illumination beam, said polarizer being adjustable so as to choose between transmission of s-polarized light and p-polarized light;
c) an image detection system  for detecting an image of reflected light from said collimated illumination beam off of said sample surface; and
d) an image processor coupled to said image detection system, for processing said image of reflected light from said collimated illumination beam to enhance said image contrast between said first material and said second material.
24.  The apparatus of claim 23, wherein said image processor is configured to form an image difference between an image of reflected light from an s-polarized portion of said collimated illumination beam off of said sample surface and an image of reflected light from a p-polarized portion of said collimated illumination beam off of said sample surface.
25.  The apparatus of claim 23, wherein said illumination source comprises a laser and a beam expander.
26.  The apparatus of claim 23, wherein said illumination source comprises an incandescent light and a collimator.
27.  The apparatus of claim 23, wherein said illumination source is adjustable in angle of illumination.
28.  The apparatus of claim 23, wherein said polarizer comprises a filter wheel.
29.  The apparatus of claim 23, wherein said polarizer comprises a quarter wave plate.
30.  The apparatus of claim 23, wherein said image detector comprises an imaging lens and a camera.
31.  The apparatus of claim 23, wherein said image processor comprises a computer coupled to said image detector.
32.  A semiconductor manufacturing apparatus for inspecting Edge Bead Removal of resist from atop a silicon wafer, said wafer having a surface with a first bare silicon portion and a second resist covered portion, comprising:
a) an illumination source  for providing said collimated two dimensional illumination beam to impinge, at an angle of illumination, on said wafer surface held in the path of said illumination beam, said angle of illumination being at angle θ from a normal to said wafer surface;
b) a polarizer positioned between said illumination source and said wafer surface and in the path of said illumination beam, said polarizer being adjustable so as to choose between transmission of s-polarized light and p-polarized light;
c) an image detection system  for detecting an image of reflected light from said collimated illumination beam off of said wafer surface; and
d) an image processor coupled to said image detection system, for processing said image of reflected light from said collimated illumination beam so as to enhance said image contrast between said first bare silicon portion and said second resist covered portion of said sample surface.
33.  The apparatus of claim 32 wherein said image processor is configured to form an image difference between an image of reflected light from an s-polarized portion of said collimated illumination beam off of said wafer surface and an image of reflected light from a p-polarized portion of said collimated illumination beam off of said wafer surface.
34.  A wafer inspection system including the apparatus of claim 32.
1. ABSTRACT
A method and apparatus for enhancing image contrast between resist-covered and bare silicon regions of a wafer, applicable to Edge Bead Removal inspection.  The wafer is illuminated separately by s-polarized light and p-polarized light impinging at near the Brewster angle of silicon or resist, and an image difference between the reflected s-polarized light and the reflected p-polarized light is derived.
2. REPRESENTATIVE DRAWING
Fig. 2
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