(57)【要約】【課題】欠陥の検出感度を向上させる。【解決手段】実施形態のパターン検査装置は、ステージ駆動手段と光源と検出手段と光学系とフォーカス位置変動手段と制御手段と判定手段とを含む。前記ステージ駆動手段は、検査対象のパターンが形成された基体を支持するステージを前記基体の表面に水平な方向に移動させる。前記検出手段は、前記基体からの反射光を検出して信号を出力する。前記光学系は、前記光源から照射された光を前記基体に導き、前記反射光を前記検出手段に導く。前記フォーカス位置変動手段は、照射された光の前記基体におけるフォーカス位置を前記基体の表面に垂直な方向に変動させる。前記制御手段は、前記ステージの移動と前記パターンの位置への前記光の照射とを対応させて前記フォーカス位置が変動するように前記ステージ駆動手段と前記フォーカス位置変動手段とを制御する。前記判定手段は、前記検出手段からの信号に基づいて前記パターンの欠陥の有無を判定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
検査対象のパターンが形成された基体を支持するステージと、
前記基体の表面に水平な方向に前記ステージを移動させるステージ駆動手段と、
前記基体に光を照射する光源と、
前記光を照射された前記基体からの反射光を検出して信号を出力する検出手段と、
前記光源から照射された光を前記基体に導き、前記基体からの反射光を前記検出手段に導く光学系と、
照射された光の前記基体におけるフォーカス位置を前記基体の表面に垂直な方向に変動させるフォーカス位置変動手段と、
前記ステージの移動と前記パターンの位置への前記光の照射とを対応させて前記フォーカス位置が変動するように前記ステージ駆動手段と前記フォーカス位置変動手段とを制御する制御手段と、
前記検出手段からの信号に基づいて前記パターンの欠陥の有無を判定する判定手段と、
を備えるパターン検査装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記パターンの設計データから前記パターンの位置を特定することを特徴とする請求項１に記載のパターン検査装置。
【請求項３】
前記光学系は、鏡筒に収納され、
前記フォーカス位置変動手段は、前記鏡筒を移動させることにより、前記フォーカス位置を変動させることを特徴とする請求項１または２に記載のパターン検査装置。
【請求項４】
前記フォーカス位置変動手段は、前記鏡筒を移動させるピエゾ素子を含むことを特徴とする請求項３に記載のパターン検査装置。
【請求項５】
前記フォーカス位置変動手段は、前記光源から照射された光の屈折率を電気的に変動させる素子を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のパターン検査装置。
【請求項６】
前記判定手段は、瞳面における前記反射光の強度分布から前記パターンの欠陥の有無を判定することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のパターン検査装置。
【請求項７】
前記光源は、波長幅が±数ｎｍ〜数十ｎｍのパルスレーザを照射することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載のパターン検査装置。
【請求項８】
前記光源は、中心波長幅が±数ｐｍ以下で、中心波長が互いに異なる複数のレーザを組み合わせて照射する広帯域光源であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載のパターン検査装置。
【請求項９】
検査対象のパターンが形成された基体に向けて光源から光を照射し、
照射光の前記基体におけるフォーカス位置を前記基体の表面に垂直な方向に変動させながら、前記基体の表面に水平な方向に前記基体の表面を前記照射光で走査し、
前記基体からの反射光を検出して得られる信号に基づいて前記パターンの欠陥の有無を判定する、
パターン検査方法。
【請求項１０】
前記パターンの設計データから前記パターンの位置を特定し、
前記照射光の前記基体におけるフォーカス位置は、前記パターンの位置で変動する、
ことを特徴とする請求項９に記載のパターン検査方法。
【請求項１１】
前記検査対象であるパターンは、互いに同一の形状および寸法を有するように異なるセルまたはダイに形成された第１および第２のパターンを含み、
前記欠陥の有無は、前記第１のパターンからの反射光を検出して得られた第１の画像と前記第２のパターンからの反射光を検出して得られた第２の画像とを比較するセル・ツー・セル比較またはダイ・ツー・ダイ比較により行われることを特徴とする請求項９または１０に記載のパターン検査方法。
【請求項１２】
前記第１および第２の画像は、デフォーカス画像を含むことを特徴とする請求項１１に記載のパターン検査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施の形態は、パターン検査装置およびパターン検査方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置、フラットパネルディスプレイ、ＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)などの分野においては、表面に微細なパターンが形成された構造体（以下、「微細構造体」と称する）がリソグラフィ技術などを用いて製造されている。  
このような微細構造体の検査に際し、光学式検査装置が使用されている。従来、光学式検査装置では、オートフォーカス機能によりフォーカス面をパターンの表面に固定し、ウェーハなどの基体の表面に対して水平方向に光を走査させてウェーハ表面からの反射光を検出器に結像し、得られたパターン画像を評価することにより、または欠陥が無い場所とある場所の反射率の違いを検出することで欠陥検査を実施している。
【０００３】
しかしながら、近年、微細構造体における微細化や高集積化の進展により、アスペクト比が高いパターンが形成されている。例えば高アスペクト比の溝パターンの場合、深さ方向の様々な位置で欠陥が発生する可能性があり、フォーカス面をパターンの表面に固定すると、欠陥に対してフォーカスが合わずウェーハ表面から正しい形状を反映した反射光が得ることが困難であるという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２６８１９９号公報
【特許文献２】特開２００３−０８３９０７号公報
【特許文献３】特開２００３−０９８１１３号公報
【特許文献４】特開２００３−２７１９２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、高アスペクト比のパターンに存在する欠陥の検出感度を向上させるパターン検査装置およびパターン検査方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態のパターン検査装置は、ステージと、ステージ駆動手段と、光源と、検出手段と、光学系と、フォーカス位置変動手段と、制御手段と、判定手段と、を含む。
【０００７】
前記ステージは、検査対象のパターンが形成された基体を支持する。
【０００８】
前記ステージ駆動手段は、前記基体の表面に水平な方向に前記ステージを移動させる。
【０００９】
前記光源は、前記基体に光を照射する。
【００１０】
前記検出手段は、前記光を照射された前記基体からの反射光を検出して信号を出力する。
【００１１】
前記光学系は、前記光源から照射された光を前記基体に導き、前記基体からの反射光を前記検出手段に導く。
【００１２】
前記フォーカス位置変動手段は、照射された光の前記基体におけるフォーカス位置を前記基体の表面に垂直な方向に変動させる。
【００１３】
前記制御手段は、前記ステージの移動と前記パターンの位置への前記光の照射とを対応させて前記フォーカス位置が変動するように前記ステージ駆動手段と前記フォーカス位置変動手段とを制御する。
【００１４】
前記判定手段は、前記検出手段からの信号に基づいて前記パターンの欠陥の有無を判定する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施の一形態によるパターン検査装置の概略構造を例示する模式図である。
【図２】比較例によるパターン検査装置の概略構造を例示する模式図である。
【図３】微細構造体の一例を示す斜視図および断面図である。
【図４】比較例によるパターン検査装置の欠点を例示する模式図である。
【図５】図１に示すパターン検査装置を用いてダイ・ツー・ダイ比較により欠陥検査を行う方法を例示する模式図である。
【図６】図１に例示するパターン検査装置において、ある欠陥からの反射率の波長依存性の一例を例示するグラフ図である。
【図７】深紫外光を生成するための基本光源ユニットを例示するための模式図である。
【図８】図７に例示する基本光源ユニットを用いた広帯域光源を例示するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について例示をする。なお、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。  
図１は、本発明の実施の一形態に係るパターン検査装置を例示するための模式図である。  
図２は、比較例によるパターン検査装置を例示するための模式図である。  
（１）比較例
まず、本発明者が発明をするに至った過程で検討を加えた比較例について例示をする。
【００１７】
図２に示す比較例によるパターン検査装置４００には、光源１００、ハーフミラーＨＭ、ウェーハステージ３００および検出器２００が設けられている。パターン検査装置４００には、オートフォーカス機能が設けられており、光源１００から照射されハーフミラーＨＭで反射した光Ｌ１００がウェーハＷの表面でジャストフォーカスとなるよう焦点位置が自動調整される。ウェーハＷの表面には検査対象であるパターンが形成されている。
【００１８】
そして、焦点位置が固定された状態で、ウェーハＷを載置するウェーハステージ３００をウェーハ面に水平な方向で移動させることにより、ウェーハ面に水平な方向でウェーハＷを光Ｌ１００で走査する。光Ｌ１００の照射によりウェーハから反射した光Ｌ２００をハーフミラーＨＭが透過させて検出器２００の検出面で結像させ、得られた信号から検査対象であるパターンの画像を形成し、この画像に基づいて欠陥の有無を判定する。
【００１９】
しかしながら、近年、微細構造体の微細化や高集積化のより一層の進展により、検査対象であるパターンのアスペクト比が高くなっている。
【００２０】
図３（ａ）は、このような微細構造体の一例を示す斜視図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）の微細構造体のＡ−Ａ切断線における断面図である。図３に例示する微細構造体では、ウェーハＷの上に形成された絶縁層に溝パターンＴＲが所定ピッチで形成されている。図３の例において溝パターンＴＲの溝幅は５０ｎｍであり、その深さは２０００ｎｍとなっている。すなわち、溝パターンＴＲのアスペクト比は２０００／５０＝４０となっており、このようなアスペクト比は今後より一層高くなる傾向にある。
【００２１】
このような高アスペクト比の溝パターンでは、図４の符号ＤＦ１，ＤＦ２に示すように、異なる深さの欠陥が形成される可能性がある。  
このような検査対象パターンに対して、図２に例示したパターン検査装置４００で欠陥検査を行う場合、欠陥の深さに応じてフォーカス面が異なるため、適切なパターン画像を取得することが困難である。図４に示すように、単層膜または積層膜５００の頂面、欠陥ＤＦ１の頂面、欠陥ＤＦ２の頂面のいずれの位置をジャストフォーカスとしても、他の位置（深さ）の照射対象物からは正しい形状を反映した反射光が返ってこないからである。
【００２２】
（２）実施の一形態
図１に戻り、本実施の形態によるパターン検査装置について説明する。  
図１に例示するパターン検査装置１には、光源１０、鏡筒２０、制御部３０、メモリＭＲ、ステージ４０、ステージコントローラ５０、検出器６０、信号処理部７０および欠陥判定部８０が設けられている。光源１０は光Ｌ１を照射する。鏡筒２０は、ハーフミラーＨＭおよび対物レンズ２２を含む光学系を含み、光Ｌ１をハーフミラーで反射してその光路をウェーハＷに向け、対物レンズ２２で焦点位置を制御してウェーハＷに照射させる。
【００２３】
対物レンズ２２は、電気的に屈折率を変えるＥＯ（Electric-Optical）素子で形成され、制御部３０から与えられる制御信号に従って光Ｌ１のフォーカス位置を変更する。鏡筒２０には、ピエゾ素子２４が設けられ、制御部３０から与えられる制御信号に従って鏡筒２０をウェーハＷの表面に垂直な方向で振動させる。本実施の形態において、制御部３０と、対物レンズ２２およびピエゾ素子２４の少なくともいずれかとは、例えばフォーカス位置変動手段に対応する。
【００２４】
ウェーハＷ上には単層膜または積層膜５００が形成され、単層膜または積層膜５００には、検査対象である溝パターンＴＲが形成されている。ウェーハＷは、本実施形態において例えば基体に対応する。  
光ＬはウェーハＷで反射し、反射光Ｌ２が鏡筒２０に入射する。鏡筒２０は反射光Ｌ２をハーフミラーＨＭを透過させて検出器６０に導き、検出器６０の検出面で光学像が結像される。
【００２５】
ステージ４０は、ウェーハＷを載置するとともに、ステージコントローラ５０から与えられる制御信号に従い、ウェーハＷをウェーハ面に水平な方向で移動させる。これにより、ウェーハＷはウェーハ面に水平な方向で光Ｌ１により走査される。ステージコントローラ５０は、制御部３０からの指令信号に従い、ステージ４０を駆動するための制御信号を生成する。ステージ４０、ステージコントローラ５０および制御部３０は、本実施の形態において、例えばステージ駆動手段に対応する。
【００２６】
検出器６０は、その検出面で結像した光Ｌ２を光電変換して検出信号を出力する。検出器６０は、例えば赤外ＣＣＤ（Charge Coupled Device）または光電子増倍管などにより構成される。ただし、これらに限定されるわけではなく、結像された像の光を光電変換できるものを適宜選択することができる。  
信号処理部７０は、検出器６０から与えられる検出信号を処理して溝パターンＴＲを含む単層膜または積層膜５００の表面の画像を生成する。欠陥判定部８０は、信号処理部７０から与えられる画像を処理し、例えばダイ・ツー・ダイ比較またはセル・ツー・セル比較により、溝パターンＴＲにおける欠陥の有無などを判定する。本実施の形態において、欠陥判定部８０は例えば判定手段に対応する。
【００２７】
メモリＭＲには、後述する欠陥検査方法を実行するための検査アルゴリズムが記述されたレシピファイルが格納され、また、三次元の位置情報を含む、検査対象である溝パターンＴＲの設計データベースが格納される。  
制御部３０は、メモリＭＲからレシピファイルを読み込んで、記述された検査アルゴリズムに従って上述した各種の制御信号を生成し、ステージコントローラ５０、対物レンズ２２、鏡筒２０のピエゾ素子２４へ与える。
【００２８】
次に、図１に示すパターン検査装置を用いて欠陥検査を行う方法について例示する。  
まず、図示しないアライメントパターンなどを用いてステージ４０のＸ−Ｙ座標系と、メモリＭＲに格納された設計データベース中のパターン位置情報との対応付けを行う。
【００２９】
次に、光源１０からウェーハＷへ光Ｌ１を照射しつつ、制御部３０が制御信号を生成し、ステージコントローラ５０を介して検査対象領域の溝パターンＴＲが光Ｌ１で順次に走査されるようにステージ４０を移動させる。そして、光Ｌ１が溝パターンＴＲの真上に位置する時、制御部３０が制御信号を生成して対物レンズ２２またはピエゾ素子２４に与え、これにより、光Ｌ１のフォーカス位置がウェーハＷの表面に垂直な方向で変化する。
【００３０】
そして、光Ｌ１がそれぞれのフォーカス位置で対物レンズ２２により集光されてウェーハＷへ照射されて反射し、溝パターンＴＲ内の異なる深さの光学像が検出器６０の検出面で結像し、信号処理部７０により、同一の溝パターンＴＲについて複数のパターン画像が生成され、欠陥判定部８０により欠陥の有無が判定される。
【００３１】
図５を参照しながらダイ・ツー・ダイ比較により欠陥を判定する方法を例示する。  
例えば図５の紙面左側に例示するダイ８０のように、例えば不純物などの影響から溝パターンＴＲ３においてＤ２の深さにまでしかエッチングができなかったために、欠陥ＤＦが存在するダイと、図５の紙面右側に例示するダイ９０のように、良好に加工され欠陥が存在しないダイと比較した場合を取り挙げる。
【００３２】
ステージ４０の移動により照射光が各溝パターンの位置に到来したタイミングで、例えば深さＤ１，Ｄ２，Ｄ３の箇所でそれぞれジャストフォーカスになるようフォーカス位置を変動させると、各溝パターンにおいて３枚のパターン画像が得られ、ダイ８０と９０とで６枚のパターン画像が得られる。
【００３３】
図５の例では、溝パターンＴＲ１とＴＲ１１、ＴＲ２とＴＲ１２、ＴＲ３とＴＲ１３，およびＴＲ４とＴＲ１４では互いに同一のパターン画像が得られるので、欠陥は検出されない。  
そして、溝パターンＴＲ３の深さＤ１について得られたパターン画像８０１と溝パターンＴＲ１３の深さＤ１について得られたパターン画像９０１とを対比すると、いずれもデフォーカス画像であるが、両者の間でほとんど差異が無く、欠陥は検出されない。
【００３４】
しかしながら、溝パターンＴＲ３の深さＤ２について得られたパターン画像８０２と溝パターンＴＲ１３の深さＤ２について得られたパターン画像９０２とを対比すると、パターン画像９０２はデフォーカス画像であるが、パターン画像８０２では画像の上下に延在するラインパターンが途中で短絡されている一方、パターン画像９０２ではこのような短絡が無い。従って、ダイ８０の溝パターンＴＲ３で欠陥ＤＦ３が存在すると判定される。
【００３５】
さらに、溝パターンＴＲ３の深さＤ３について得られたパターン画像８０３と溝パターンＴＲ１３の深さＤ３について得られたパターン画像９０３とを対比すると、パターン画像８０３は、デフォーカス画像となっているが、パターン画像９０１との間で著しい差異が見られ、結局は欠陥ＤＦ３が存在するものと判定される。本実施の形態において、パターン画像８０１〜８０３は例えば第１の画像に対応し、また、パターン画像９０１〜９０３は例えば第２の画像に対応する。
【００３６】
なお、以上の判定では、欠陥が存在しないダイ９０を参照したが、ダイ９０において欠陥が存在するかどうか不明の場合は、一般的なダイ・ツー・ダイ比較と同様に、もう一つのダイとの比較を含めた２回の比較により欠陥判定を行う。
【００３７】
このように、本実施の形態によれば、基体の表面に水平な方向のみならず、これに垂直な方向においてもフォーカス位置を変動させて検査対象のパターンを走査するので、高アスペクト比のパターンに存在する欠陥についても高い感度で検出することが可能になる。
【００３８】
以上、実施の一形態について説明したが、これに限るものでは決してなく、その技術的範囲内で種々変形して適用できることは勿論である。  
例えば上記実施の形態では、各溝パターンについて３枚のパターン画像を取得することとしたが、複数枚であれば、他の数量のパターン画像を取得して相互比較しても勿論よい。  
また、上記実施の形態では、検出器６０の検出信号からパターン画像を取得し、これに基づいて欠陥の有無を判定する例を取り上げたが、パターン画像を取得することなく、例えば検出信号の強度を比較することによっても欠陥の有無を判定することは可能である。この場合、例えば図１のパターン検査装置１の構成要素のうち、信号処理部７０を使用することなく検出器６０の検出信号を欠陥判定部８０に直接送り、これに基づいて欠陥判定部８０が欠陥の有無を検査する。
【００３９】
（３）薄膜の膜厚ばらつきに起因するノイズの回避
薄膜で形成されたパターンを検査対象とするパターン検査においては、薄膜の膜厚ばらつきによる光の干渉がノイズとなる。それを回避するため、パターン検査装置の光源として、膜厚ばらつきをキャンセルできる波長幅を有することが望ましい。より具体的には、±数ｎｍ以上の波長幅を有する光源が望ましく、それを実現するためには、例えばＴｉ：ｓａｐｐｈｉｒｅの３倍高調波でフェムト（１０−１５)秒オーダーのパルスレーザで波長２６０ｎｍ±数十ｎｍのものを用いればよい。
【００４０】
図６は、図１に例示のパターン検査装置について、ある欠陥からの反射率の波長依存性をシミュレーションにより求めたグラフ図である。薄膜干渉の影響から波長に依存して反射率は大きく変化する。そのため、図６に示す例では、波長２６０ｎｍ付近において反射率が低下してしまっている。そのため、通常の単一波長のレーザでは充分な感度が得られないことが分かる。そこで、例えば図１に例示のパターン検査装置において、光源１０として波長２６０ｎｍ±数十ｎｍのパルスレーザ光源を用いれば、図６の反射率変動の積分強度の平均が信号強度となる。これにより、膜厚変動に対してロバストなパターン検査が可能になる。
【００４１】
さらに、パルスレーザ光源に替えて、波長が互いに異なる複数のレーザが結合された広帯域光源を用いることもできる。
【００４２】
図７は、深紫外光を生成するための基本光源ユニットを例示するための模式図である。図７に示す基本光源ユニット６２０は、赤外レーザダイオード６２２と、直列に接続されたＳＨＧ（Second Harmonic Generation）素子６２４ａ，６２４ｂとを含む。赤外レーザダイオード６２２とＳＨＧ素子６２４ａ、ＳＨＧ素子６２４ａとＳＨＧ素子６２４ｂ間は光ファイバＯＦで光学的に接続される。赤外レーザダイオード６２２は、波長１０６４ｎｍ±０．２５ｎｍの赤外レーザを出射する。この赤外レーザが２つのＳＨＧ素子６２４ａ，６２４ｂにより４倍高調波が発生し、ＳＨＧ素子６２４ｂから深紫外光が出力される。
【００４３】
波長と波長幅との関係は、  
Δλ＝Δλ２６６ｎｍ ×（λ２６６ｎｍ×/λ１０６４ｎｍ）２ 
となるため、ＳＨＧ素子６２４ｂから出力される深紫外光は、約２６６ｎｍ±１．５ｐｍの波長幅を有する。  
図８（ａ）および（ｂ）は、図７に例示する基本光源ユニット６２０を複数用いて構成された広帯域光源を例示するための模式図である。
【００４４】
図８（ａ）に例示する広帯域光源６００は、１００個の基本光源ユニット６２０とコンバイナ６３０とを備える。各基本光源ユニット６２０の中心波長は温度制御により互いに異なるものとなっている。そして、中心波長が互いに異なる深紫外をコンバイナ６３０で結合することにより、所望の波長幅の光源を得ることができる。本例の広帯域光源６００では、波長幅±１．５ｎｍの光源が実現される。勿論、この波長幅に限られることなく、元の赤外レーザダイオード６２２の出射光の中心波長と基本光源ユニット６２０の数とを制御することにより、所望の波長幅の光源を得ることが可能になる。
【００４５】
また、図８（ｂ）に例示する広帯域光源７００は、１００個の基本光源ユニット６２０とホモジナイザ６４０とを備える。ホモジナイザ６４０は、１００個の基本光源ユニット６２０から出力される中心波長が互いに異なる複数の深紫外光の不均一な光強度分布を均一化する。ホモジナイザ６４０として、具体的には、屈折で光を曲げるアレイレンズを用いるものの他、ＤＯＥ（回折光学素子：Diffractive Optical Element）を用いて回折光で波面を制御するもの等を用いることができる。本実施形態において、ホモジナイザ６４０は例えば波面均一化光学系に対応する。
【符号の説明】
【００４６】
１０：光源、２０：鏡筒、２２：対物レンズ、２４：ピエゾ素子、３０：制御部、４０：ステージ、５０：ステージコントローラ、６０：検出器、７０：信号処理部、８０：欠陥判定部、６００，７００：広帯域光源、６２０：基本光源ユニット、６２２：赤外レーザダイオード、６３０：コンバイナ、６４０：ホモジナイザ、８０１〜８０３，９０１〜９０３：パターン画像、ＭＲ：メモリ
【図１】
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【図２】
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【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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