JP2013140840A - 試料観察装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発見した欠陥の故障解析を行うために必要な試験片を、高品質で再現性よく短時間に、かつ低コストで製作できるウェーハ欠陥レビュー装置を提供する。
【解決手段】ウェーハ欠陥レビュー装置１００に、半導体ウェーハ２０１の表面に対して垂直方向に駆動可能で先端に圧痕針を固定した圧痕マーキング装置５００を付属させる。圧痕マーキングを施す位置はウェーハ欠陥レビュー装置で予め取得した欠陥の座標情報に基づいて決定し、圧痕マーキング機構の垂直方向の送り量はウェーハ欠陥レビュー装置に設けられているウェーハ表面の高さ検出センサ１０３で取得した高さ情報に基づいて決定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体ウェーハ上の異物や欠陥の周囲に目印となるマーキングを付与することのできるウェーハ欠陥レビュー装置に関する。

半導体デバイスの製造では、良品を淀みなく生産し続けることが求められる。生産個数が大量であるため、ある工程での不良発生が製品歩留りの低下に直接つながり、採算に大きく影響する。しかし、全く不良品なく生産できることは稀で、ある程度の不良品は必ず発生する。このため、欠陥や異物、加工不良をいかに早期に発見し、それらを低減するかが大きな課題となる。このため半導体デバイスの製造現場では、製造の過程でＣＤ−ＳＥＭを用いて線幅やホールの寸法を検査したり、ウェーハ欠陥レビューＳＥＭを用いて欠陥や異物の分類や分析などを行っている。これらの検査や分析により、不良原因の追及と不良品の撲滅に注力している。

一方、半導体ウェーハメーカにおいても、Ｓｉベアウェーハに対して異物や欠陥が含まれていないかを検査する取り組みが行われている。しかし、Ｓｉウェーハ上の異物や欠陥はサイズが小さいだけでなく、極めて平坦な面上に存在するために電子顕微鏡だけで効率よく特定することが困難であるため、レーザ顕微鏡などの光学顕微鏡が適用されている。そこで、最近ではＣＤ−ＳＥＭや欠陥レビューＳＥＭと光学顕微鏡を組み合わせた検査装置が一般的になっている。

また、近年では発見された異物や欠陥の原因を特定する故障解析技術の重要性が増してきている。この故障解析の一手法として、半導体ウェーハから数ｍｍから数ｃｍ角の試験片を作成し、例えば透過電子顕微鏡（ＴＥＭ：Transmission Electron Microscopy）による高分解能観察や、エネルギー分散Ｘ線分光法（ＥＤＳ：Energy Dispersive X-ray Spectrometry）や電子エネルギー損失分光法（ＥＥＬＳ：Electron Energy-Loss Spectroscopy）による元素分析等が行われている。

ところが、発見した異物や欠陥がうまく試験片に入るように加工することは容易ではないという問題がある。例えば、試験片加工にレーザや集束イオンビーム（ＦＩＢ：Focused Ion Beam）装置を用いる場合には高額な専用の装置が必要となるうえ、加工にも比較的長い時間を要する。また、あらかじめウェーハ内で検査すべき位置の見当が付いている場合には手動で劈開することもあるが、作業者の勘や経験に頼らざるを得ず、作業者の熟練度によって試験片の品質が左右されたりする。また、Ｓｉベアウェーハの場合には、もはや人間の目では割断する位置を特定することは難しいのが実情である。そこで、上記のような試料加工を行なう際、半導体ウェーハからチップ形状にするための位置合せ用の目印があると便利である。例えば特許文献１には、発見した欠陥や異物の周辺に各種の方法でマーキング加工を施し、後段の検査の際に容易に確認しうる目標物を配置する方法が開示されている。

特開２０００−２４１３１９号公報

特許文献１によれば、欠陥検出手段で検出した欠陥の位置座標を基準にして、その近傍にレーザ光や、イオンビーム、電子ビーム、メカニカルプローブによってマーキングし、試料を透過型電子顕微鏡で観察して、マーキングと欠陥との相対位置関係から、欠陥部を特定し、目的とする欠陥部を含む試料を作製する方法が開示されている。しかしながら、従来技術には、低コストで確実な圧痕針を用いたマーキング機構の具体的な開示がない。したがって、品質のよいマーキングを実際に短時間で再現性よく作成することが困難であった。

本発明の目的は、半導体ウェーハ上の異物や欠陥などを高速でレビューするウェーハ欠陥レビュー装置（光学式、電子式を含む）で発見した欠陥や異物の故障解析を行うために必要な試験片を、高品質で再現性よく短時間に、かつ低コストで製作可能なウェーハ欠陥レビュー装置を提供することである。

本発明では、ウェーハ欠陥レビュー装置に、検査対象である半導体ウェーハの表面に対して垂直方向に駆動可能で先端が針状の圧痕針を備える圧痕マーキング機構を付属させる。圧痕マーキングを施す位置は、ウェーハ欠陥レビュー装置で予め取得した異物や欠陥の座標情報に基づいて決定し、圧痕マーキング機構の垂直方向の送り量はウェーハ欠陥レビュー装置に設けられているウェーハ表面の高さ検出センサで取得した高さ情報に基づいて決定する。

圧痕マーキング機構は、半導体ウェーハの表面に対し垂直方向に移動可能な送り機構に対し概ね垂直に配置したレバーの先端に、ウェーハ表面に対し垂直な方向に圧痕針を固定した構成とし、レバーの送り機構に対する取り付け角度を調整可能とし、またレバーに圧痕針が試料と接触した際の押し付け力を計測する荷重計を設けるのが好ましい。

圧痕マーキング機構の垂直方向の送り速度は、高さ検出センサで取得した高さ情報に基づいて少なくとも２段階に調節するのが好ましく、それにより短時間で圧痕を付与することが可能となる。さらに、圧痕マーキング機構の垂直方向の送り量を荷重計の出力に基づき制御するのが好ましく、それにより再現性のよい圧痕形状を実現することができる。

本発明によれば、高品質なマーキングを容易に形成することが可能である。
上記した以外の、課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明によるウェーハ欠陥レビュー装置の全体構成例を示す。 圧痕マーキング装置の構成例を示す詳細図。 圧痕針の圧力と圧痕形状の大きさの関係を示す図。 割断チップの形状を示す図。 欠陥レビュー及び圧痕マーキングの動作フローを説明するフローチャート。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１に、本発明の実施例によるウェーハ欠陥レビュー装置の全体構成例を示す。以下では、ウェーハ欠陥レビュー装置として走査型電子顕微鏡欠陥レビュー装置を例にとって説明するが、本発明は光学式欠陥レビュー装置に対しても適用可能である。

走査型電子顕微鏡欠陥レビュー装置１００は、制御ＰＣ１０１、走査電子顕微鏡カラム１０２、高さ検出センサ１０３、表示モニター１０４、試料ステージ駆動モータ３０１、試料ステージ３０２、試料ステージボールねじ３０３、試料ステージガイド３０４、試料ステージ蓋３０５を有する。走査型電子顕微鏡欠陥レビュー装置１００は、上位装置で検査された半導体ウェーハ２０１を上位装置の検査座標データを基に試料ステージを駆動させ、異物あるいは欠陥（以下、両者を総称して単に欠陥という）の箇所を走査電子顕微鏡カラム１０２の視野に高速で移動させ、欠陥画像を取得して表示モニター１０４に表示させ、制御ＰＣ１０１に画像保存する。走査型電子顕微鏡欠陥レビュー装置１００は、欠陥レビュー終了後に後段の解析装置で解析したい欠陥部分を割断しチップ形状にする為の目標を、半導体ウェーハ２０１に形成する。そのために、圧痕マーキング装置５００にて、半導体ウェーハ２０１に圧痕針を押し当てて目標となる圧痕を形成する。

図２に、圧痕マーキング装置５００の詳細を示す。圧痕マーキング装置５００は、駆動モータ５０１、駆動ボールねじ５０２、駆動ガイド５０３、真空ベローズ５０４、アームシャフト５０５、圧痕針（バーコビッチ圧子）６０１、針アーム６０２、を備える。駆動モータ５０１は、駆動ボールねじ５０２を回転させ、駆動ガイド５０３のガイドによってアームシャフト５０５を昇降動作させる。アームシャフト５０５に固定されている針アーム６０２は、アームシャフト５０５の昇降動作に伴い上下動作する。針アーム６０２の先端には圧痕針（バーコビッチ圧子）６０１が固定されており、針アーム６０２の上下動作に伴い圧痕針６０１が上下動作し、半導体ウェーハ２０１に圧痕針６０１を押し当てて圧痕を形成する。

針アーム６０２には、ひずみゲージ７０１が組み込まれている。半導体ウェーハ２０１に圧痕針６０１を押し当てて圧痕を形成する際、ひずみゲージ７０１のひずみ量を目安に半導体ウェーハ２０１に圧痕針６０１を押し当てる圧力を制御することで、図３に示すように圧痕形状の大きさを制御する。例えば、図４に示すように、欠陥周辺を割断し、割断チップ９０４の形状に加工するための圧痕マークの場合、ひずみゲージ７０１の値を大きく設定することで高い圧力設定となり、圧痕マークが深く大きく形成され、目視で容易に確認出来る圧痕マーク９０１が形成される。また、割断チップ９０４中で欠陥箇所を特定する目的のためには、ひずみゲージ７０１の値を小さく設定し、欠陥の極めて近傍に圧痕針６０１を押し当てる。すると、低い圧力設定となり、圧痕が浅く小さく形成される。従って、欠陥に影響を及ぼすことのない小さな圧痕マーク９０３が欠陥の近傍に形成され、後段の解析装置に付属するアライメント顕微鏡などで容易に確認することが出来る。

なお、一つの欠陥に対して圧痕を付与する位置や個数は、欠陥位置に対して予め定めた方向、距離、個数とすることができる。欠陥の位置座標データは上位の欠陥検査装置から走査型電子顕微鏡欠陥レビュー装置１００に渡されていて既知であるため、特定の欠陥に対して圧痕を付与すべきことが決定されると、その欠陥に対して圧痕を形成すべき位置も計算により求めることができる。

圧痕を半導体ウェーハ２０１に形成する際、圧痕針６０１を半導体ウェーハ２０１に接触させる際の接触スピードは、例えば１００ｎｍ／ｓｅｃ以下と極めて低速にする必要がある。接触スピードが高速であると、圧痕周辺にクラック等が発生し、異物が発生したり欠陥にダメージを及ぼす可能性がある。一方、圧痕針６０１を低速の接触スピードで移動させる距離は極力短くしなければ、圧痕を形成させるのに要する時間が膨大となり、スループットが著しく低下する。換言すると、圧痕針６０１を予め半導体ウェーハ表面の極近くまで高速で接近させておいてから低速の接触スピードで降下させるようにしなければならない。そこで、本実施例では、走査電子顕微鏡欠陥レビュー装置１００に付属している高さ検出センサ１０３を用いて、予め半導体ウェーハ２０１の圧痕形成箇所の表面高さを計測することで、圧痕針６０１の先端を半導体ウェーハ２０１表面近傍に高速に移動させることを可能とした。その結果、圧痕針を極めて低速の接触スピードで移動する距離を短くすることができ、圧痕を形成するための時間を大幅に短縮することが可能となってスループットの向上に寄与する。

走査電子顕微鏡欠陥レビュー装置１００に付属している高さ検出センサ１０３と圧痕針６０１の高さ方向の位置合わせは、次のようにして行う。まず、走査電子顕微鏡欠陥レビュー装置１００のフォーカス原点位置を高さ検出センサ１０３で測定する。次に、試料ステージ３０２を駆動して、その測定点を圧痕マーキング装置５００の圧痕針６０１の直下に移動する。そして、圧痕針６０１を昇降させ、フォーカス原点位置に接触させる。その際の高さ検出センサ１０３と圧痕針６０１の高さ情報を記録し補正しておく。

図５は、本発明の実施例に基づく欠陥レビュー及び圧痕マーキングの動作フローを説明するフローチャートである。

上位装置で検査された半導体ウェーハ２０１を、圧痕マーキング装置を備える走査型電子顕微鏡欠陥レビュー装置に搬送する（Ｓ１１）。上位検査装置の検査データに基づき、搬送された半導体ウェーハ２０１を載せた試料ステージ３０２を高速で駆動し、欠陥箇所を走査電子顕微鏡カラム１０２の視野に移動させる（Ｓ１２）。次に、高さ検出センサ１０３で半導体ウェーハ２０１の表面高さを計測し、その情報を走査電子顕微鏡カラム１０２のフォーカス値の算出情報として適用することで、走査電子顕微鏡カラム１０２のフォーカスを瞬時に合わせる（Ｓ１３）。その後、欠陥位置の画像を取得し、欠陥レビューを行う（Ｓ１４）。欠陥レビューの結果に応じて、圧痕マーキングを実施するかどうか判定する（Ｓ１５）。

その欠陥を後段の解析装置にて観察させたい場合には、圧痕マークを欠陥周辺に形成し割断チップを形成するための準備に入る。すなわち、ステップ１５からステップ２１に進み、試料ステージ３０２を高速で圧痕マーキング装置５００の下部に移動させ、圧痕マークを形成させたい箇所の上方に圧痕針が位置するように試料ステージ３０２を微調整する（Ｓ２１）。次に、駆動モータ５０１によって駆動ボールねじ５０２を回転させ、駆動ガイド５０３のガイドによってアームシャフト５０５をホームポジション（原点位置）から降下させる。その際、その欠陥に対して走査電子顕微鏡カラム１０２のフォーカス値情報として適用した高さ検出センサ１０３による高さ情報を圧痕マーキング装置５００に適用し（Ｓ２２）、圧痕針６０１を半導体ウェーハ２０１表面の極めて近傍、例えばウェーハ表面上５μｍの高さまで高速移動、例えば１００μｍ／ｓｅｃで移動させる（Ｓ２３）。次に、圧痕針６０１の降下スピードを高速から低速に切り替え（Ｓ２４）、圧痕針６０１を低速、例えば１００ｎｍ／ｓｅｃで駆動し、半導体ウェーハ２０１に接触させる（Ｓ２５）。なお、本実施例では、圧痕針の下降スピードを高速と低速の２段階に制御したが、高速、中速、低速の３段階、あるいは高速と低速の間に２段階以上のスピードを設定して合計４段階以上に制御してもよい。

次に、針アーム６０２に組み込まれているひずみゲージ７０１の出力値を監視する。形成させたい圧痕マーク形状に合わせてひずみゲージ７０１の閾値は予め変更されている。割断チップ形成のための圧痕マークの場合、ひずみゲージ７０１の閾値は、例えば２００ｍＮと大きな値に設定されている。この設定では、大きな圧痕マーク９０１が形成される。また、割断チップ内で欠陥箇所を特定させるための圧痕の場合、ひずみゲージ７０１の閾値は、例えば５０ｍＮと小さく設定されている。この設定では、小さな圧痕マーク９０３が形成される。観察したい欠陥が比較的大きな場合などには、中くらいの大きさの圧痕マーク９０２を形成させることも出来る。ひずみゲージ７０１の出力値が設定閾値に達すると、圧痕針が停止する（Ｓ２６）。その後、圧痕針６０１を低速で上昇駆動させる（Ｓ２７）。

ここでも、ひずみゲージ７０１の出力値を監視し、ひずみゲージ７０１の出力値“０”を確認出来た段階で（Ｓ２８）、圧痕針６０１上昇スピードを高速に切り替えて更に上昇させる（Ｓ２９）。圧痕針６０１が原点待機位置に達すると、そこで停止させて待機させる（Ｓ３０）。

その後、次の欠陥レビューを行うかどうかを判定し（Ｓ１６）、行う場合には、ステップ１２に戻って試料ステージ３０２を次欠陥座標に移動させ、以下同様の手順で欠陥レビューを行なう。

ステップ１５の判定で、欠陥レビューの結果、圧痕マーキングの必要がない場合には、ステップ１６に進み、次の欠陥レビューを行うかどうかの判定を行う。ステップ１６の判定で、欠陥レビューが終了したと判定された場合には、半導体ウェーハ２０１を走査型電子顕微鏡欠陥レビュー装置より搬出し（Ｓ１７）、その半導体ウェーハに対する欠陥レビューと圧痕マーキングを終了する。走査型電子顕微鏡欠陥レビュー装置より搬出された半導体ウェーハは、表面に付与された圧痕をもとに割断チップ９０４の形状への加工が行われる。

適正な圧痕形状を付与するには、圧痕針６０１を半導体ウェーハ２０１に対して垂直に配置する必要がある。そこで、針アーム６０２をＺ方向及びθ方向に調整する機構を備える。この調整機構は、針先調整部（Ｚ方向）６０３と、針先調整部（θ方向）６０４とからなる。針先調整部（Ｚ方向）６０３は、針アーム６０２の根元付近に位置する回動軸の回りに針アーム６０２を微小角度回動させることにより、針アーム６０２の長軸を半導体ウェーハに投影してできる軸に沿う方向の圧痕形状を調整することができる。また、針先調整部（θ方向）６０４は、針アーム６０２をその長軸の回りに微小角度回動させることにより、針アームの長軸に垂直な方向の圧痕形状を調整することができる。

圧痕を形成する際、駆動モータ５０１が制御不能となった場合を考慮し、圧痕マーキング装置５００は、原点リミットセンサ８０１及び接触リミットセンサ８０２を備える。例えば、圧痕形成中に駆動モータ５０１が制御不能となった場合、接触リミットセンサ８０２により昇降リミット位置を監視し駆動モータ５０１の駆動電源をＯＦＦすることで、半導体ウェーハ２０１に異常圧力が加わらないようにする。さらに、機械的に下降位置を制限できる機械寸法とすることで、半導体ウェーハ２０１に異常圧力がかかって破損するのを防止する。

以上のように本実施例によれば、試料に電子線を照射して試料の観察を行う走査電子顕微鏡欠陥レビュー装置に対し、検査対象である半導体ウェーハの表面に対して垂直方向に駆動可能で先端が針状の圧痕マーキング機構を設け、マーキングを施す位置は欠陥レビュー装置で予め取得した異物や欠陥の座標情報から決定し、かつ圧痕マーキング機構の垂直方向の送り量は欠陥レビュー装置に設けたウェーハ表面の高さ検出センサで取得した高さ情報により決定されるので、高品質なマーキングを容易に得ることが可能である。

また、本実施例によれば、欠陥レビュー装置に備える圧痕マーキング機構を、半導体ウェーハの表面に対し垂直方向に移動可能な送り機構に対し概ね垂直に配置したレバー（針アーム）の先端に、ウェーハ表面に対し垂直な方向に圧痕針を固定する構成とし、このレバーの送り機構に対する取り付け角度を調整可能とし、またレバーに圧痕針が試料と接触した際の押し付け力を計測する荷重計を設けたので、低コストでマーキングが可能となる。

さらに、本実施例によれば、圧痕マーキング機構の垂直方向の送り速度を高さ情報にもとづき少なくとも２段階に調節するため、より短時間のうちに試料にマーキングを形成することが可能となる。

さらに、本実施例によれば、圧痕マーキング機構の垂直方向の送り量を荷重計の出力情報にもとづき制御するため、より再現性よく試料にマーキングを形成することが可能となる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１００ 走査型電子顕微鏡欠陥レビュー装置
１０１ 制御ＰＣ
１０２ 走査電子顕微鏡カラム
１０３ 高さ検出センサ
１０４ 表示モニター
２０１ 半導体ウェーハ
３０１ 試料ステージ駆動モータ
３０２ 試料ステージ
３０３ 試料ステージボールねじ
３０４ 試料ステージガイド
３０５ 試料ステージ蓋
５００ 圧痕マーキング装置
５０１ 駆動モータ
５０２ 駆動ボールねじ
５０３ 駆動ガイド
５０４ 真空ベローズ
５０５ アームシャフト
６０１ 圧痕針
６０２ 針アーム
６０３ 針先調整部（Ｚ方向）
６０４ 針先調整部（θ方向）
７０１ ひずみゲージ
７０２ フィードスルー
８０１ 原点リミットセンサ
８０２ 接触リミットセンサ
９０１ 圧痕マーク大
９０２ 圧痕マーク中
９０３ 圧痕マーク小
９０４ 割断チップ

Claims (4)

1. 半導体ウェーハの欠陥をレビューするウェーハ欠陥レビュー装置において、
   試料となる半導体ウェーハを載置して移動する試料ステージと、
   前記試料ステージ上に載置された前記試料の表面高さを検出する高さ検出センサと、
   圧痕針を前記試料の表面に対して垂直方向に駆動して試料表面にマーキングを施す圧痕マーキング機構とを備え、
   前記圧痕針により前記試料の表面にマーキングを施す位置は、前記ウェーハ欠陥レビュー装置で予め取得した前記試料上の欠陥の座標情報に基づいて求め、
   前記圧痕針の垂直方向の送り量は前記高さ検出センサで取得した前記試料の高さ情報により求め、
   前記座標情報に基づいて前記試料ステージを駆動し、前記高さ情報に基づいて前記圧痕マーキング機構を駆動することを特徴とするウェーハ欠陥レビュー装置。
2. 請求項１に記載のウェーハ欠陥レビュー装置において、
   前記圧痕マーキング機構は、前記試料の表面に対し垂直方向に移動可能な送り機構に対し概ね垂直に配置したレバーの先端に前記圧痕針が固定された構成を有し、
   前記レバーは前記送り機構に対する取り付け角度を調整可能であり、
   前記圧痕針が前記試料と接触した際の押し付け力を計測する荷重計が前記レバーに備えられていることを特徴とするウェーハ欠陥レビュー装置。
3. 請求項１に記載のウェーハ欠陥レビュー装置において、
   前記圧痕マーキング機構の垂直方向の送り速度を、前記高さ情報に基づき少なくとも２段階に調節可能であることを特徴とするウェーハ欠陥レビュー装置。
4. 請求項１に記載のウェーハ欠陥レビュー装置において、
   前記圧痕マーキング機構の垂直方向の送り量を前記荷重計の出力情報に基づき制御することを特徴とするウェーハ欠陥レビュー装置。

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