特許 6036680 検査装置および半導体装置の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6036680

(24)【登録日】2016年11月11日

(45)【発行日】2016年11月30日

(54)【発明の名称】検査装置および半導体装置の製造方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/956 20060101AFI20161121BHJP

   H01L 21/66 20060101ALI20161121BHJP

【ＦＩ】

   G01N21/956 A

   H01L21/66 J

【請求項の数】14

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2013-501012(P2013-501012)

(86)(22)【出願日】2012年2月17日

(86)【国際出願番号】JP2012053865

(87)【国際公開番号】WO2012115013

(87)【国際公開日】20120830

【審査請求日】2014年11月6日

(31)【優先権主張番号】特願2011-40926(P2011-40926)

(32)【優先日】2011年2月25日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000004112

【氏名又は名称】株式会社ニコン

(74)【代理人】

【識別番号】100099793

【弁理士】

【氏名又は名称】川北 喜十郎

(74)【代理人】

【識別番号】100154586

【弁理士】

【氏名又は名称】藤田 正広

(72)【発明者】

【氏名】工藤 祐司

【審査官】 小野寺 麻美子

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００９−０９８０５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１５１６２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２４９０８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−００８７７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２９４１９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０４６０１１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２１／８４ − Ｇ０１Ｎ ２１／９５８

Ｈ０１Ｌ ２１／６４ − Ｈ０１Ｌ ２１／６６

Ｇ０１Ｂ １１／００ − Ｇ０１Ｂ １１／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

周期性を有するパターンが形成された基板に、前記基板に対し透過性を有する照明光で照明する照明部と、
前記照明光が前記パターンで回折して該照明光で照明された側に反射する反射回折光を受光して第１の検出信号を出力可能な反射回折光検出部と、
前記照明光が前記パターンで回折し該照明光で照明された側とは対向する裏面側に透過する透過回折光を受光して第２の検出信号を出力可能な透過回折光検出部と、
前記第１の検出信号と前記第２の検出信号との少なくとも一方の信号に基づいて前記パターンの状態を検出する状態検出部とを備え、
前記状態検出部は、前記第１の検出信号に基づいて前記基板表面付近の前記パターンの状態を検出し、前記第２の検出信号に基づいて前記パターンの深さ方向の状態を検出することを特徴とする検査装置。

【請求項2】

前記状態検出部が前記第１の検出信号と前記第２の検出信号の両方の信号に基づいて前記パターンの状態を検出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】

前記パターンは前記基板の表面から該表面と直交する方向に向かう深さを有するパターンであり、
前記状態検出部は、前記第１の検出信号と前記第２の検出信号との一方の検出信号に基づいて前記パターンの前記表面付近の状態を検出し、他方の検出信号に基づいて前記パターンの深さ方向の状態を検出することを特徴とする請求項１または２に記載の検査装置。

【請求項4】

前記受光する反射回折光の波長が、前記受光する透過回折光の波長よりも短いことを特徴とする請求項３に記載の検査装置。

【請求項5】

前記透過回折光検出部を透過回折光の向きに応じて駆動する駆動部を備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の検査装置。

【請求項6】

前記照明光が略平行光であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の検査装置。

【請求項7】

前記照明光が０．９μｍ以上の波長の赤外線を含むことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の検査装置。

【請求項8】

前記反射回折光検出部と前記透過回折光受光部との少なくとも一方が受光する光の波長を選択する波長選択部を備えることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の検査装置。

【請求項9】

前記第１の検出信号と前記第２の検出信号との少なくとも一方の信号と、前記パターンの状態とを関連づけて記憶する記憶部をさらに備えることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の検査装置。

【請求項10】

前記透過回折光検出部、前記照明部、前記基板のうち少なくとも二つが、所望の次数の透過回折光を受光するように傾動可能であることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の検査装置。

【請求項11】

前記基板を保持するホルダをさらに備え、
前記ホルダは、前記略平行な照明光の入射面に直交する傾動軸の周りに傾動可能に構成され、
前記透過回折光検出部、前記照明部及び前記反射回折光検出部が前記傾動軸の周りに回動可能に構成されていることを特徴とする請求項６に記載の検査装置。

【請求項12】

前記照明光が１．１μｍの波長の赤外線を含むことを特徴とする請求項７に記載の検査装置。

【請求項13】

前記照明部は、前記照明光の光路上に挿入可能に配置された偏光板を有する請求項１から１２のいずれか一項に記載の検査装置。

【請求項14】

基板の表面に所定のパターンを露光することと、前記露光が行われた前記パターンに応じて基板の表面にエッチングを行うことと、前記露光もしくは前記エッチングが行われて表面に前記パターンが形成された基板の検査を行うこととを有した半導体装置の製造方法であって、
前記基板の検査が請求項１から１３のいずれか一項に記載の検査装置を用いて行われることを特徴と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、３次元実装等に用いられる基板の検査装置およびこれを用いた半導体装置の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体装置の進化、付加価値増大の手段として、半導体装置の微細化とともにＴＳＶ（Through Silicon Via：シリコン貫通電極）を用いた３次元実装技術が注目され、活発に開発されている。半導体チップを積層し、ＴＳＶを介して上下に接続することで、実装密度を向上させることができる。さらに、それに留まらず、高速化、低消費電力化などのメリットがあり、高機能かつ高性能のシステムＬＳＩを実現することができる。一方、ＴＳＶを用いたデバイスの製造においては、ＴＳＶが適切に形成されているか確認するための検査が欠かせない。ＴＳＶ形成のためには、アスペクト比が高くて深い穴（以後、このような穴をＴＳＶ用ホールパターンと称する）を掘る必要があり、そのためのエッチングに高度な技術と十分なプロセス管理が要求される。ＴＳＶ用ホールパターンは周期パターンであるので、回折効率の変化を検出することによってパターンの検査が可能である。

【0003】

従来、この種の検査装置として、被検査基板からの回折光を受光するために、被検査基板と照明系または受光系の光軸とのなす角が可変であるように構成された装置が知られている。また、被検査基板を傾動させて回折光を受光しパターンの異常（欠陥）を検出する装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】米国特許第６６４６７３５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、従来の装置においては、照明光としてシリコンウェハに対し透過性を有さない可視光や紫外光を用いているので、回折光が基板表面のごく浅い部分から発生する。そのため、基板表層での形状変化に基づく異常（欠陥）しか検出できず、ＴＳＶ用ホールパターンのような深さが数十μｍから百μｍにも及ぶ深いパターンに対しては、各ホールの、深さ方向に変化する形状変化を捉えることができない。

【0006】

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、パターンの深さ方向の形状変化を検出可能な検査装置およびこれを用いた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】

【0007】

このような目的達成のため、第１の発明に係る検査装置は、周期性を有するパターンが形成された基板に、前記基板に対し透過性を有する照明光で照明する照明部と、前記照明光が前記パターンで回折して該照明光で照明された側に反射する反射回折光を受光して第１の検出信号を出力可能な反射回折光検出部と、前記照明光が前記パターンで回折し該照明光で照明された側とは対向する裏面側に透過する透過回折光を受光して第２の検出信号を出力可能な透過回折光検出部と、前記第１の検出信号と前記第２の検出信号との少なくとも一方の信号に基づいて前記パターンの状態を検出する状態検出部とを備えている。そして、前記状態検出部は、前記第１の検出信号に基づいて前記基板表面付近の前記パターンの状態を検出し、前記第２の検出信号に基づいて前記パターンの深さ方向の状態を検出する。

【0008】

なお、上述の検査装置において、前記状態検出部が前記第１の検出信号と前記第２の検出信号の両方の信号に基づいて前記パターンの状態を検出してもよい。

【0009】

また、上述の検査装置において、前記パターンは前記基板の表面から該表面と直交する方向に向かう深さを有するパターンであってもよく、前記状態検出部は、前記第１の検出信号と前記第２の検出信号との一方の検出信号に基づいて前記パターンの前記表面付近の状態を検出してもよく、他方の検出信号に基づいて前記パターンの深さ方向の状態を検出してもよい。

【0010】

また、上述の検査装置において、前記受光する反射回折光の波長が、前記受光する透過回折光の波長よりも短くてもよい。

【0011】

また、上述の検査装置において、前記状態検出部は、前記第１の検出信号に基づいて前記基板表面付近の前記パターンの状態を検出してもよく、前記第２の検出信号に基づいて前記パターンの深さ方向の状態を検出してもよい。

【0012】

また、上述の検査装置において、前記透過回折光検出部を透過回折光の向きに応じて駆動する駆動部を備えてもよい。

【0013】

また、上述の検査装置において、前記照明光が略平行光であってもよい。

【0014】

また、上述の検査装置において、前記照明光が０．９μｍ以上の波長の赤外線を含むようにしてもよい。

【0015】

また、上述の検査装置において、前記反射回折光検出部と前記透過回折光受光部との少なくとも一方が受光する光の波長を選択する波長選択部を備えてもよい。

【0016】

また、上述の検査装置において、前記第１の検出信号と前記第２の検出信号との少なくとも一方の信号と、前記パターンの状態とを関連づけて記憶する記憶部をさらに備えてもよい。

【0017】

また、上述の検査装置において、前記透過回折光検出部、前記照明部、前記基板のうち少なくとも二つが、所望の次数の透過回折光を受光するように傾動可能であってもよい。

【0018】

また、上述の検査装置において、前記基板を保持するホルダをさらに備えてもよく、前記ホルダは、前記略平行な照明光の入射面に直交する傾動軸の周りに傾動可能に構成されてもよく、前記透過回折光検出部、前記照明部及び前記反射回折光検出部が前記傾動軸の周りに回動可能に構成されていてもよい。

【0019】

また、上述の検査装置において、前記照明光が１．１μｍの波長の赤外線を含んでもよい。また、上述の検査装置において、前記照明部は、前記照明光の光路上に挿入可能に配置された偏光板を有してもよい。

【0020】

また、本発明に係る半導体装置の製造方法は、基板の表面に所定のパターンを露光することと、前記露光が行われた前記パターンに応じて基板の表面にエッチングを行うことと、前記露光もしくは前記エッチングが行われて表面に前記パターンが形成された基板の検査を行うこととを有した半導体装置の製造方法であって、前記検査工程が本発明に係る検査装置を用いて行われるようになっている。

【0021】

また、本発明に関連する検査装置は、周期性を有するパターンが形成された基板に、赤外領域の照明光を照明する照明部と、前記照明光が前記パターンで回折し該照明光で照明された側とは対向する裏面側に透過する透過回折光を受光して検出信号を出力可能な透過回折光検出部と、前記透過回折光検出部が受光する透過回折光の回折次数と入射条件との少なくとも一方を選択可能な選択部と、前記検出信号に基づいて前記パターンの状態を検出する状態検出部とを備えている。そして、前記選択部は、前記照明光の前記基板への入射条件を変更する際にそれぞれの入射条件において同一次数の回折光を受光するように、前記入射条件に応じて、前記透過回折光検出部、前記照明部、前記基板のうち少なくとも二つが、傾動する。

【0022】

なお、上述の検査装置において、前記選択部は、前記透過回折光検出部、前記照明部、前記基板のうち少なくとも二つが、傾動可能であってもよい。

【発明の効果】

【0023】

本発明によれば、パターンの深さ方向の形状変化を検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】検査装置の概要構成図である。

【図2】ウェハの平面図である。

【図3】（ａ）は正常なホールパターンの断面図であり、（ｂ）はホール径が変化したホールパターンの断面図であり、（ｃ）は先細りのホールパターンの断面図である。

【図4】反射回折光および透過回折光の一例を示す模式図である。

【図5】半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0025】

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。本実施形態の検査装置を図１に示しており、この装置によりシリコン基板であるウェハ５の表面全体を一度に検査する。本実施形態の検査装置１は、ウェハホルダ１０と、照明部２０と、反射回折光検出部３０と、透過回折光検出部４０と、制御部５０と、信号処理部５１と、モニター５２とを備えて構成される。ウェハ５は、検査対象となる加工処理（例えば、エッチング処理）の後、加工装置（例えば、エッチング装置）から不図示の搬送装置によりウェハホルダ１０上に搬送される。なおこのとき、検査対象となるウェハ５は、ウェハ５のパターンもしくは外縁部に設けられた基準マーク（ノッチやオリエンテーションフラット等）を基準としてアライメントが行われた状態で、ウェハホルダ１０上に搬送される。なお、ウェハ５として、例えば、厚さ７２５μｍの円盤状のシリコン基板を用いることができる。しかしながら、ウェハ５の寸法、形状等はあくまでも例示に過ぎず、本発明を限定するものではない。

【0026】

略円盤形に形成されたウェハ５の表面には、図２に示すように複数の露光ショット６が形成され、各ショット６に周期性を有するＴＳＶ用ホールパターン７が形成されている。なお、ＴＳＶ用ホールパターン７は、シリコン（Ｓｉ）からなるベアウェハに規則的な配置で穴が形成された構造となっている。

【0027】

ウェハホルダ１０は、ウェハ５を透過する光を遮らないように、例えば、ウェハ５の外周部に合わせた円環状に形成されて、ウェハ５の端部を保持するようになっている。また、ウェハホルダ１０に設けられたチルト機構１１により、ウェハホルダ１０に保持されたウェハ５を、ウェハ５の中心を通る軸ＲＣを中心にチルト（すなわち、照明光の入射面と垂直な軸周りに傾動もしくは揺動）させることが可能であり、照明光の入射角を調整できるようになっている。なお、ウェハ５の端部を保持する場合にウェハ５を水平にすると自重により中央付近を最下点として撓むことがある。回折検査の場合、撓みが発生すると回折光の方向が揃わないため好ましくない。このような撓みを避けるためには、ウェハ５を平面が重力方向と平行になるように支持すればよい。また、ウェハ５を水平に近い状態で保持する必要がある場合に、従来の真空チャック式ウェハホルダを用いると、吸着溝の角部による散乱光がノイズとなってしまう。そのような場合は、ウェハ５を吸着溝のない平面に載置し、静電チャック等で保持することもできる。

【0028】

照明部２０は、照明光を射出する光源部２１と、光源部２１から射出された照明光をウェハ５の表面に向けて反射させる照明ミラー２３とを有して構成される。光源部２１は、紫外線から近赤外線までの波長を選択可能な波長選択部２２を有しており、照明光として波長選択部２２により選択された所定の波長を有する発散光束を射出する。光源部２１から照明ミラー２３へ射出された発散光束（照明光）は、光源部２１の射出部が凹面鏡である照明ミラー２３の焦点面に配置されているため、照明ミラー２３によりほぼ平行な（テレセントリックな）光となってウェハホルダ１０に保持されたウェハ５の表面全体に照射される。また、照明部２０は、照明光を偏光させるための偏光板２５を有している。この偏光板２５は、照明部２０の光路上に挿抜可能で、且つ照明部２０の光軸を中心に回転可能に構成されている。図１の二点鎖線で示すように照明部２０の光路上に挿入された状態で、照明光を任意の方向に偏光させることが可能である。

【0029】

反射回折光検出部３０は、凹面鏡である第１の受光ミラー３１と、第１のレンズ３２と、第１の２次元撮像素子３３とを有して構成される。ウェハ５のＴＳＶホールパターン７で回折して照明光で照明された側に反射した回折光（以下、反射回折光と称する）は、平行光のまま第１の受光ミラー３１に入射する。第１の受光ミラー３１で反射した反射回折光は収束光束となり、第１のレンズ３２によりほぼ平行な光束となって第１の２次元撮像素子３３上にウェハ５の像を形成する。このとき、第１の受光ミラー３１と第１のレンズ３２とが協働してウェハ５と第１の２次元撮像素子３３とを共役に結んでいるため、第１の２次元撮像素子３３によりウェハ５の像を撮像することができる。そして、第１の２次元撮像素子３３は、撮像面上に形成されたウェハ５の像を光電変換して画像信号（第１の検出信号）を生成し、生成した画像信号を、制御部５０を介して信号処理部５１に出力する。

【0030】

なお、ウェハ５からは、例えば図４に示すように、異なる次数の複数の反射回折光が発生する。本実施形態では、ウェハ５はウェハホルダ１０とともに前述の軸ＲＣ（図１を参照）を中心にチルト（傾動）可能となっており、ウェハ５のチルト角（傾き角）を変化させることにより、照明光の入射角および反射回折光の出射角（検出角度）を一度に変化（増減）させることができるので、所望の特定次数の反射回折光を反射回折光検出部３０に導くことができる。

【0031】

透過回折光検出部４０は、凹面鏡である第２の受光ミラー４１と、第２のレンズ４２と、第２の２次元撮像素子４３とを有して構成される。本実施形態において、光源部２１の波長選択部２２は、照明光の波長として１．１μｍの波長を選択可能である。この波長では、シリコンウェハの透過率が高くなるため、透過回折光検出部４０により、ウェハ５のＴＳＶホールパターン７で回折して照明光で照明された側とは対向する裏面側に透過した回折光（以下、透過回折光と称する）を検出することが可能となる。

【0032】

ウェハ５のＴＳＶホールパターン７から発生した透過回折光は、平行光束のまま第２の受光ミラー４１に入射する。第２の受光ミラー４１で反射した透過回折光は集光されて、第２のレンズ４２によりほぼ平行光となって第２の２次元撮像素子４３上にウェハ５の像を形成する。このとき、第２の受光ミラー４１と第２のレンズ４２とが協働してウェハ５と第２の２次元撮像素子４３とを共役に結んでいるため、第２の２次元撮像素子４３によりウェハ５の透過像を撮像することができる。そして、第２の２次元撮像素子４３は、撮像面上に形成されたウェハ５の像を光電変換して画像信号（第２の検出信号）を生成し、生成した画像信号を、制御部５０を介して信号処理部５１に出力する。

【0033】

なお、ウェハ５からは、例えば図４に示すように、異なる次数の複数の透過回折光がウェハ５に対し反射回折光と対称な方向に発生する。本実施形態では、図１の二点鎖線等で示すように、透過回折光検出部４０に設けられた透過光検出部駆動部４６によって、透過回折光検出部４０全体が一体的に前述の軸ＲＣ（図１を参照）を中心に回転（傾動）可能に構成されている。そのため、ウェハ５をチルト（傾動）させるとともに、透過回折光検出部４０全体を回転（傾動）させて、照明光の入射角および透過回折光の出射角（検出角度）を変化させることにより、所望の入射角での所望の特定次数の透過回折光を透過回折光検出部４０に導くことができる。また、照明部２０は、照明光駆動部２６により、一体的に照明光が軸ＲＣ向いた状態を保ったまま傾動することでウェハ５への照射角を変更することができる。また、反射回折光検出部３０は、反射光検出部駆動部３６により、一体的に軸ＲＣ方向からの回折光を受光可能な状態を保ったまま、異なる複数の次数の回折光を受光可能なように傾動することができる。なお、照明光駆動部２６、反射光検出部駆動部３６及び透過光検出部駆動部４６は、それぞれ制御部５０に内蔵された記憶部に記憶されたレシピ（照射角や透過光受光角及び反射光受光角を記憶したシーケンス）に基づいて制御部５０の指令を受けて駆動される。なお、以降特に説明がない場合は、各駆動及び各処理は、制御部５０に内蔵された記憶部に記憶されたレシピに基づいて行われる。また、制御部５０は不図示の入力装置と接続されており、操作者が入力装置を使って透過回折光の検出と反射回折光の検出との何れか一方もしくは両方を選択してレシピに登録できるよう構成されている。

【0034】

なお図１では、反射回折光検出部３０および透過回折光検出部４０を同一面内に記載しているため、透過回折光検出部４０の回転可能範囲が狭く見える。これに対し、例えば、第１のレンズ３２および第１の２次元撮像素子３３が紙面奥になるように第１の受光ミラー３１を紙面垂直方向に傾けて配置し、第２のレンズ４２および第２の２次元撮像素子４３が紙面手前になるように第２の受光ミラー４１を紙面垂直方向に傾けて配置すれば、両者の干渉が無くなり広い角度で透過回折光検出部４０の回転が可能となる。

【0035】

制御部５０は、ウェハホルダ１０およびチルト機構１１、光源部２１、第１および第２の２次元撮像素子３３，４３、各駆動部２６，３６，４６、信号処理部５１およびモニター５２等の作動をそれぞれ制御する。信号処理部５１は、第１の２次元撮像素子３３または第２の２次元撮像素子４３から入力された画像信号に基づいて、ウェハ５の画像（デジタル画像）を生成する。そして、信号処理部５１の処理に基づくウェハ５上のＴＳＶホールパターン７の像がモニター５２に表示される。なお、ウェハ５上のＴＳＶホールパターン７は第１および第２の２次元撮像素子３３，４３の画素よりも微細なパターンのため、ＴＳＶホールパターン７の形が表示されるわけではなく、画像の明るさの情報が得られるだけである。

【0036】

このとき、パターンの周期構造の状態（例えば、ホール径等）に異常(欠陥)があれば、回折効率に変化が起きるために回折光量が変化して、２次元撮像素子上の像の強度が変化する。従って、ウェハ５上の複数のパターン７（露光ショット６）の中に正常なパターンと異常なパターンがあれば、モニター５２でそれぞれの明るさが違って見えることになる。そこで、予めＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）等により測定し、正常であることが確認されているパターンの明るさを記憶しておけば、明るさの異なるパターンがあった場合にどちらが正常なパターンであるかの識別が可能となる。また、或る一つのパターン７（露光ショット６）内で部分的に異常があった場合にも検出が可能である。

【0037】

本実施形態では、信号処理部５１と電気的に接続された記憶部５３に、正常なパターンの画像データ（信号強度等）が予め記憶されており、信号処理部５１は、ウェハ５の画像を生成すると、ウェハ５上のパターン７の画像データと記憶部５３に記憶された正常なパターンの画像データとを比較して、ＴＳＶホールパターン７における異常（欠陥）の有無を検査する。そして、信号処理部５１による検査結果がモニター５２に表示される。

【0038】

ここで、透過回折光検出部４０の必要性について述べる。反射回折光を利用した検査では、可視光のようなシリコンウェハに対して透過性を有さない照明光を用いると、ウェハ５の表層で回折光が発生し、ホールの深い部分には光が到達しない。そのため、ホールの深さ方向に形状変化があった場合には回折効率が変化しない。具体的に言えば、図３（ａ）に示すような正常なホールパターン７ａに対して、図３（ｂ）に示すようなホール径が変化したホールパターン７ｂでは回折効率が変化するため異常（欠陥）として検出可能である。しかしながら、図３（ｃ）に示すような先細りのホールパターン７ｃでは表層のホール径が同じであるため回折効率がほとんど変化せず異常（欠陥）として検出できない。一方、照明光として約０．９μｍより長い波長の光を用いて透過回折光検出部４０により透過回折光を検出すれば、ウェハ５の表層だけでなくホールの深い部分を含んだホールパターン全体で回折するため、図３（ｃ）に示すような形状変化でも回折効率が変化するため異常（欠陥）として検出することが可能となる。なお、照明光として約０．９μｍよりも長い波長の光で照明した場合、透過回折光と同時に反射回折光も発生する。また、ホールパターンの開口部はエッジ状になっているため比較的強い反射回折光が発生する。この現象を利用して、例えば約０．９μｍの波長の光で照明して、反射回折光に基づいて基板表面付近のホールパターンの状態を、透過回折光に基づいてホールパターンの深さ方向の状態を検出することができる。つまり透過回折光と反射回折光の両方の情報に基づいてホールの深さ方向の状態（異常又は欠陥の有無など）を検出することができる。

【0039】

以上のように構成される検査装置１を用いたウェハ５の検査について説明する。なお予め、不図示の搬送装置により、検査対象となるウェハ５を表面が上方を向くようにウェハホルダ１０上に搬送しておく。また、搬送の途中で不図示のアライメント機構によりウェハ５に形成されているＴＳＶホールパターン７の位置情報を取得しており、ウェハ５をウェハホルダ１０上の所定の位置に所定の方向で載置することができる。

【0040】

反射回折光を利用した検査を行う場合、まず、制御部５０の指令に基づいて波長選択部２２により選択された所定の波長（例えば、０．４３６μｍの波長）を有する照明光が光源部２１から照明ミラー２３へ射出され、照明ミラー２３で反射した照明光が平行光となってウェハホルダ１０に保持されたウェハ５の表面全体に照射される。このとき、光源部２１から射出される照明光の波長に基づき、ウェハホルダ１０に保持されたウェハ５のチルト角（傾き角）を調整することにより、規則的に形成された所定ピッチの繰り返しパターン（ＴＳＶホールパターン７）からの回折光を反射回折光検出部３０で受光しウェハ５の像を形成することができる。具体的には、不図示のアライメント機構を利用してウェハ５上の繰り返しパターンの繰り返し方向を求め、ウェハ５の表面上における照明方向（照明部２０から反射回折光検出部３０へ向かう方向）とパターン７の繰り返し方向とが一致するようにウェハ５を配置しておき、チルト機構１１によりウェハ５をチルト（傾動）させて、パターン７のピッチをＰとし、ウェハ５の表面に照射する照明光の波長をλとし、照明光の入射角をθ１とし、ｎ次回折光の出射角をθ２としたとき、次の数式１を満足するように設定を行う。

【0041】

【数1】

【0042】

なおこのとき、制御部５０の指令に基づいて回折条件サーチを利用して回折条件を求め、回折光が得られるように上記の設定を行うようにしてもよい。回折条件サーチとは、正反射以外の角度範囲でウェハ５のチルト角（傾き角）を段階的に変化させてそれぞれのチルト角で画像を取得し、画像が明るくなる、すなわち回折光が得られるチルト角を求める機能のことを指す。

【0043】

ウェハ５のＴＳＶホールパターン７で発生した反射回折光は、第１の受光ミラー３１で反射して、第１のレンズ３２を通過して第１の２次元撮像素子３３に達し、第１の２次元撮像素子３３上にウェハ５の像（反射回折光による像）が結像される。第１の２次元撮像素子３３は、撮像面上に形成されたウェハ５の像を光電変換して画像信号（第１の検出信号）を生成し、生成した画像信号を、制御部５０を介して信号処理部５１に出力する。

【0044】

信号処理部５１は、第１の２次元撮像素子３３から入力された画像信号に基づいて、ウェハ５の画像（デジタル画像）を生成する。また、信号処理部５１は、ウェハ５の画像を生成すると、ウェハ５上のパターン７の画像データと記憶部５３に記憶された（反射回折光での）正常なパターンの画像データとを比較して、ＴＳＶホールパターン７における異常（欠陥）の有無を検査する。なお、パターン７の検査は、露光ショット６ごとに行われ、検査対象となるパターン７と正常なパターンとの信号強度の差が所定の閾値よりも大きい場合に、異常と判定する。一方、信号強度の差が閾値よりも小さければ、正常と判定する。そして、信号処理部５１による検査結果およびウェハ５上のパターン７の像がモニター５２に表示される。

【0045】

一方、透過回折光を利用した検査を行う場合、まず、波長選択部２２により選択された所定の波長（例えば、１．１μｍの波長）を有する照明光が光源部２１から照明ミラー２３へ射出され、照明ミラー２３で反射した照明光が平行光となってウェハホルダ１０に保持されたウェハ５の表面全体に照射される。このとき、光源部２１から射出される照明光の波長と、ウェハホルダ１０に保持されたウェハ５のチルト角（傾き角）と、透過回折光検出部４０の回転角を調整することにより、ＴＳＶホールパターン７からの回折光を透過回折光検出部４０で受光しウェハ５の像を形成することができる。具体的には、不図示のアライメント機構を利用して、ウェハ５の表面上における照明方向（照明部２０から反射回折光検出部３０へ向かう方向）とパターン７の繰り返し方向とが一致するようにウェハ５を配置しておき、チルト機構１１によりウェハ５をチルト（傾動）させるとともに、透過光検出部駆動部４６により透過回折光検出部４０を回転（傾動）させて、前述の数式１を満足するように設定を行う。

【0046】

なおこのとき、回折条件サーチを利用して回折条件を求め、回折光が得られるように上記の設定を行うようにしてもよい。この場合の回折条件サーチとは、正反射以外の角度範囲でウェハ５のチルト角（傾き角）および透過回折光検出部４０の回転角を段階的に変化させてそれぞれのチルト角および回転角で画像を取得し、画像が明るくなる、すなわち回折光が得られるチルト角および回転角を求める機能のことを指す。

【0047】

ウェハ５のＴＳＶホールパターン７で発生した透過回折光は、第２の受光ミラー４１で反射して、第２のレンズ４２を通過して第２の２次元撮像素子４３に達し、第２の２次元撮像素子４３上にウェハ５の像（透過回折光による像）が結像される。第２の２次元撮像素子４３は、撮像面上に形成されたウェハ５の像を光電変換して画像信号（第２の検出信号）を生成し、生成した画像信号を、制御部５０を介して信号処理部５１に出力する。

【0048】

信号処理部５１は、第２の２次元撮像素子４３から入力された画像信号に基づいて、ウェハ５の画像（デジタル画像）を生成する。また、信号処理部５１は、ウェハ５の画像を生成すると、ウェハ５上のパターン７の画像データと記憶部５３に記憶された（透過回折光での）正常なパターンの画像データとを比較して、ＴＳＶホールパターン７における異常（欠陥）の有無を検査する。そして、信号処理部５１による検査結果およびウェハ５上のパターン７の像がモニター５２に表示される。

【0049】

このように、本実施形態によれば、透過回折光検出部４０が設けられるため、透過回折光検出部４０で検出した透過回折光を利用して、パターン７の深さ方向の形状変化を検出することが可能となり、検査精度を向上させることができる。

【0050】

また、ウェハ５の表面に薄膜が存在する場合にも、本実施形態の透過回折光を利用した検査が有効である。例えば、ホールパターンが形成されたマスク層（薄膜）をハードマスクとして用いてウェハをエッチングし、ＴＳＶ用ホールパターン７を形成する方法がある。これは、ＴＳＶ用ホールパターン７をエッチングする際に、ウェハ上にＳｉＯ_２などのマスク層を形成し、その上にフォトレジストを塗布し、露光装置でホールパターンを露光し、現像後にマスク層をエッチングして、マスク層にホールパターンを形成するものである。このとき、ハードマスクを剥離せずにＴＳＶ用ホールパターン７を検査したい場合がある。このような場合には、ウェハの上に薄膜が存在する状態となるため、反射回折光を利用して検査を行うと、ハードマスクの膜厚ムラに起因する薄膜干渉効果を受けて膜厚起因の像強度ムラが発生し、ＴＳＶ用ホールパターン７の形状変化を検出することができない。一方、透過回折光を利用した検査であれば、薄膜があっても単に透過するだけであるから（ＳｉＯ_２などのマスク層の反射率は一般に数％であり、透過光は残りの９０％以上となるため）、薄膜干渉効果の影響を受けずに撮像して検査することが可能となる。

【0051】

また、本実施形態によれば、ウェハ５および透過回折光検出部４０がそれぞれ傾動可能であるため、同一次数で入射角の異なる透過回折光を利用した検査が可能である。例えば、＋１次の透過回折光を受光して撮像する際、照明光の入射角を変化させると回折角は変化する。本実施形態のように、ウェハ５と透過回折光検出部４０が傾動可能な構成であれば、照明光の入射角が異なる同じ次数の透過回折光を受光することができる。そのため、前述の回折条件サーチを利用して照明光の入射角を色々変えて検査し、異常（欠陥）に対して回折効率が変化しやすい入射角を選択すればホールパターンの深さ方向に伸びる壁への入射角を調整でき感度の高い回折条件に設定でき、検査精度を向上させることができる。

【0052】

なお、同様のことは照明部２０を傾動させることによっても可能であり、照明部２０、透過回折光検出部４０、およびウェハ５のうち少なくとも２つが相対的に傾動可能であることが必要である。なお、照明部２０を傾動させるには、前述の軸ＲＣを中心に、照明光駆動部２６により照明部２０全体を一体的に傾動（回転）させるようにしてもよく、ウェハ５との間の照明部２０の光軸が傾動（回転）するように、光源部２１および照明ミラー２３をそれぞれ変位させるようにしてもよい。また、透過回折光検出部４０は、透過光検出部駆動部４６により一体的に傾動（回転）可能に構成されているが、ウェハ５との間の透過回折光検出部４０の光軸が傾動（回転）するように、第２の受光ミラー４１と、第２のレンズ４２と、第２の２次元撮像素子４３とをそれぞれ変位させる構成であればよい。

【0053】

また、本実施形態によれば、反射回折光検出部３０によって撮像された像と透過回折光検出部４０によって撮像された像の両方の強度分布（第１および第２の検出信号）をそれぞれ信号処理して、ＴＳＶ用ホールパターン７の状態を検出することできる。前述したように、可視光などのウェハ５に対して透過性を有さない波長を有する照明光で照明した反射回折光を用いると、ホールの表層部だけの状態を検出することができる。また、ウェハ５に対し透過性のある波長を有する照明光で照明した透過回折光を用いると、ホールの深さ方向の状態も検出することができる。そのため、両者を組み合わせて信号処理すれば、異常（欠陥）の種類を特定することができる。例えば、反射回折光と透過回折光の両方で異常と判定されたものは、図３（ｂ）に示すようにホール径が全体的に変化した異常（欠陥）である。また、反射回折光では異常ではなく、透過回折光では異常であると判定されたものは、図３（ｃ）に示すように、表面のホール径には変化が無く、深さ方向に形状が変化する異常（欠陥）であると言える。このように、反射回折光と透過回折光の組み合わせにより異常（欠陥）の種類を特定することが可能となる。また、透過回折光と反射回折光で異なる次数の回折光を受光して組み合わせることも可能である。

【0054】

このとき、本実施形態のように波長選択部２２が照明部２０（光源部２１）に設けられていると、透過回折光の場合と反射回折光の場合で照明波長を変えて別々に撮像しなければならない。これに対し、反射回折光検出部３０および透過回折光検出部４０に波長選択部を設ければ、照明光として白色光あるいは複数の波長が混合された光（例えば、複数の輝線を有するランプ等の光）を用いることにより、透過回折光と反射回折光で異なる波長の回折光を受光して同時に撮像することが可能となる。また、本実施形態では１つの照明部と２つの検出部（透過回折光検出部と反射回折光検出部）を設けたが、図１の透過回折光検出部４０に換え、透過回折用照明部（構造は照明部２０と同様）を設けることにより、１つの検出部（反射回折光検出部３０）により反射回折光による像と透過回折光による像の両方を撮像することもできる。なお、２つの照明部を設ける場合、光源は１つとし光路（例えば光ファイバ）を切り替えることができる。

【0055】

なお、上述の実施形態において、照明光の波長を１．１μｍとしたが、約０．９μｍ以上であれば透過回折光の検出が可能である。波長が長い方がウェハの透過率が高まるため都合が良いが、波長が長すぎると撮像素子の感度が落ちてしまうため、本実施形態では波長を１．１μｍとした。しかし、最適な波長は、ウェハの透過率と撮像素子の波長感度特性との兼ね合いで決まるため、この波長に限るものではない。なお、近赤外線に対しては、撮像素子の感度が低下し信号雑音比（signal-noise ratio）が低下する場合があるので、必要に応じて冷却型撮像素子を用いて信号雑音比を高めることができる。

【0056】

また、上述の実施形態において、ウェハ５の全体を撮像するように構成されているが、これに限られるものではなく、ウェハ５の一部を撮像するように構成しても構わない。ただし、一つのパターン７（露光ショット６）内での部分的な異常を捉えるためには、少なくとも露光ショット６よりも大きな領域を撮像することができる。この場合は、ウェハ５内の撮像位置を変えるための機構が必要になる。

【0057】

また、上述の実施形態において、照明ミラー２３と、第１および第２の受光ミラー３１，４１として、凹面鏡を用いているが、これに限られるものではなく、レンズで置き換えることも可能である。また、上述の実施形態においては光源を内蔵しているが、外部で発生した光をファイバー等で取り込むようにしても良い。

【0058】

また、上述の実施形態において、反射回折光検出部３０が傾動可能に構成されてもよい。ウェハ５と反射回折光検出部３０が傾動可能な構成であれば、照明光の入射角が異なる同じ次数の反射回折光を受光することができるので、透過回折光検出部４０の場合と同様に、検査精度を向上させることができる。反射回折光検出部３０を傾動させるには、前述の軸ＲＣを中心に、反射光検出部駆動部３６により反射回折光検出部３０全体を一体的に傾動（回転）させるようにしてもよく、ウェハ５との間の反射回折光検出部３０の光軸が傾動（回転）するように、第１の受光ミラー３１と、第１のレンズ３２と、第１の２次元撮像素子３３とをそれぞれ変位させる構成であればよい。なお、反射回折光に関しては、照明部２０、反射回折光検出部３０、およびウェハ５のうち少なくとも１つが傾動可能であることが必要であるが、照明部２０、反射回折光検出部３０、およびウェハ５のうち少なくとも２つが傾動可能であれば、照明光の入射角が異なる同じ次数の反射回折光を受光することができる。

【0059】

また、上述の実施形態において、ウェハ５を表面が上方を向くようにウェハホルダ１０上に載置しているが、これに限られるものではなく、裏面が上方を向くようにしてもよい。

【0060】

また、上述の実施形態において、ＴＳＶホールパターン７を例に挙げて説明を行ったが、検査対象はこれに限るものではなく、基板の表面から該表面と直交する方向に向かう深さを有するパターンであればよい。例えば、ホールパターンに限らず、ライン・アンド・スペースパターンであってもよい。また、上述の実施形態では検査対象としてシリコンウェハに設けられたＴＳＶの検査を説明したが、ガラス基板上に液晶回路が設けられた液晶基板にも適用可能である。また、上述の各実施形態において、二次元撮像素子３３，４３によって検出された画像信号に基づいてウェハ５の検査を行う信号処理部５１を備えた検査装置を例に説明したが、これに限られるものではなく、このような検査部を備えずに、二次元撮像素子３３，４３により取得したウェハ５の画像を観察する観察装置においても、本発明を適用可能である。

【0061】

続いて、上述した検査装置１によりウェハ５の検査が行われる半導体装置の製造方法について、図５に示すフローチャートを参照しながら説明する。図５のフローチャートは、３次元積層型の半導体装置におけるＴＳＶ形成プロセスを示している。このＴＳＶ形成プロセスにおいて、まず、ウェハ（ベアウェハなど）の表面にレジストを塗布する（ステップＳ１０１）。このレジスト塗布工程では、レジスト塗布装置（図示せず）を用いて、例えば、ウェハを回転支持台に真空チャック等で固定し、ノズルから液状のフォトレジストをウェハの表面に滴下した後、ウェハを高速回転させて薄いレジスト膜を形成する。

【0062】

次に、レジストが塗布されたウェハの表面に、所定のパターン（ホールパターン）を投影露光する（ステップＳ１０２）。この露光工程では、露光装置を用いて、例えば、所定のパターンが形成されたフォトマスクを通して、所定波長の光線（紫外線などのエネルギー線）をウェハ表面のレジストに照射し、マスクパターンをウェハ表面に転写する。

【0063】

次に、現像を行う（ステップＳ１０３）。この現像工程では、現像装置（図示せず）を用いて、例えば、露光部のレジストを溶剤で溶かし、未露光部のレジストパターンを残す処理を行う。これにより、ウェハ表面のレジストにホールパターンが形成されることになる。

【0064】

次に、レジストパターン（ホールパターン）が形成されたウェハの表面検査を行う（ステップＳ１０４）。現像後の検査工程では、表面検査装置（図示せず）を用いて、例えば、ウェハの表面全体に照明光を照射して、レジストパターンで生じた回折光によるウェハの像を撮像し、撮像したウェハの画像からレジストパターン等の異常の有無を検査する。この検査工程において、レジストパターンの良否を判定し、不良の場合はレジストを剥離してレジスト塗布工程からやり直すアクション、すなわちリワークを行うか否かの判断を行う。リワークが必要な異常（欠陥）が検出された場合、レジストを剥離し（ステップＳ１０５）、ステップＳ１０１〜Ｓ１０３までの工程をやり直す。なお、表面検査装置による検査結果は、レジスト塗布装置、露光装置、および現像装置にそれぞれフィードバックされる。

【0065】

現像後の検査工程で異常が無いことを確認すると、エッチングを行う（ステップＳ１０６）。このエッチング工程では、エッチング装置（図示せず）を用いて、例えば、残っているレジストをマスクにして、下地のベアウェハのシリコンの部分を除去し、ＴＳＶ形成用の穴を形成する。これにより、ウェハ５の表面にＴＳＶ用ホールパターン７が形成される。

【0066】

次に、エッチングによりパターン７が形成されたウェハ５の検査を行う（ステップＳ１０７）。エッチング後の検査工程は、上述の実施形態に係る検査装置１を用いて行われる。この検査工程において、異常が検出された場合、判別された異常の深さを含む異常の種類及び異常の程度に応じて、露光装置の露光条件（変形照明条件・フォーカスオフセット条件等）やエッチング装置のどの部分を調整するのか、そのウェハ５を廃棄するかどうか、もしくは、そのウェハ５をさらに割って断面観察するなどの詳細な解析が必要かどうか、が判断される。エッチング後のウェハ５に重大かつ広範囲な異常が発見された場合、リワークできないので、そのウェハ５は廃棄されるか、もしくは断面観察などの解析に回される（ステップＳ１０８）。

【0067】

エッチング後の検査工程で異常が無いことを確認すると、穴の側壁に絶縁膜を形成し（ステップＳ１０９）、絶縁膜を形成した穴の部分に、例えばＣｕ等の導電性材料を充填する（ステップＳ１１０）。これにより、ウェハ（ベアウェハ）に３次元実装用貫通電極が形成される。

【0068】

なお、エッチング後の検査工程における検査結果は、主として露光装置やエッチング装置にフィードバックされる。穴の断面形状の異常や、穴径の異常が検出されたときは露光装置のフォーカスやドーズ調整のための情報としてフィードバックを行い、深さ方向の穴形状の異常や穴深さの異常はエッチング装置調整のための情報としてフィードバックを行う。ＴＳＶ形成プロセスにおけるエッチング工程では、アスペクト比（深さ／直径）が高い（例えば、１０〜２０となる）穴を形成しなければならないので、技術的に難易度が高く、フィードバックによる調整は重要である。このように、エッチング工程では、垂直に近い角度で深い穴を形成することが要求され、近年では、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching：反応性イオンエッチング）という方式が広く採用されている。エッチング後の検査の場合、エッチング装置に異常がないかを監視して、異常を検出したらエッチング装置を止めて調整するというフィードバック運用が主に行われる。エッチング装置を調整するためのパラメータとして、例えば、縦方向と横方向のエッチングレート比を制御するパラメータや、深さを制御するパラメータ、ウェハ面内での均一性を制御するパラメータなどが考えられる。

【0069】

なお、現像後の検査工程が実施されていれば、レジスト塗布装置、露光装置、および現像装置の異常は基本的に現像後の検査工程で検出されるが、現像後の検査工程が実施されていない場合や、エッチングしてみて初めて分かるこれらの装置の問題が発見された場合には、各装置へのフィードバック（各装置の調整）が行われる。

【0070】

一方、エッチング後の検査工程における検査結果を、以降の工程にフィードフォワードすることも可能である。例えば、エッチング後の検査工程でウェハ５の一部チップが異常（不良）と判定された場合、その情報は、前述の検査装置１からオンラインを通じてプロセスを管理するホストコンピュータ（図示せず）に伝えられて記憶され、以降のプロセスにおける検査・測定でその異常部分（チップ）を用いないなどの管理に使われたり、また最終的にデバイスが完成した段階で無駄な電気的テストを行わないことなどに活用される。また、エッチング後の検査工程における検査結果から、異常部分の面積が大きいときは、それに応じて絶縁膜形成やＣｕ充填のパラメータを調整して良品部分への影響を軽減する、などして用いることができる。

【0071】

本実施形態による半導体装置の製造方法によれば、エッチング後の検査工程が前述の実施形態に係る検査装置１を用いて行われるため、パターン７の深さ方向の形状変化を検出することが可能となり、検査精度が向上することから、半導体装置の製造効率を向上させることができる。

【0072】

なお、上述のＴＳＶ形成プロセスにおいて、ウェハ上に素子を形成する前の最初の段階でＴＳＶを形成しているが、これに限られるものではなく、素子を形成してからＴＳＶを形成してもよく、素子形成の途中でＴＳＶを形成してもよい。なおこの場合、素子形成過程でイオンの打ち込みなどがされる結果、赤外線に対する透明度が低下するが、完全に不透明になるわけではないので、透明度の変化分を考慮して波長選択や照明光量の調整をすればよい。また、このような方式の生産ラインであっても、ラインの条件出し及びＱＣ目的として、ベアウェハにＴＳＶを形成し検査を行うようにすれば、イオンの打ち込みによる透明度の低下に影響されない検査が可能である。

【産業上の利用可能性】

【0073】

本発明は、半導体装置の製造において、エッチング後の検査工程で用いられる検査装置に適用することができる。これにより、検査装置の検査精度の向上させることができ、半導体装置の製造効率を向上させることができる。

【符号の説明】

【0074】

１ 検査装置
５ ウェハ５
７ ＴＳＶホールパターン
１０ ウェハホルダ
１１ チルト機構
２０ 照明部
２２ 波長選択部
３０ 反射回折光検出部
４０ 透過回折光検出部
４６ 透過光検出部駆動部
５０ 制御部
５１ 信号処理部（状態検出部）
５３ 記憶部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】