JP3608451B2 - Inspection apparatus and inspection method using a scanning electron microscope - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微細なパターンを有する半導体装置,基板,ホトマスク(露光マスク),液晶等を検査する走査電子顕微鏡を用いた検査装置および検査方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
コンピュータ等に使用されるメモリやマイクロコンピュータなどの半導体装置は、ホトマスクに形成された回路等のパターンを、露光処理,リソグラフィー処理,エッチング処理等により転写する工程を繰り返すことによって製造される。半導体装置の製造過程において、リソグラフィー処理,エッチング処理、その他の処理の結果の良否、異物発生等の欠陥の存在は、半導体装置の製造歩留まりに大きく影響を及ぼす。したがって、異常発生や不良発生を、早期に、あるいは、事前に検知するために、各製造工程の終了時に半導体ウエハ上のパターンの検査が実施されている。
【0003】
この半導体ウエハ上のパターンに存在する欠陥を検査する方法の一例として、半導体ウエハに光を照射して得られる光学画像を用いてパターンを比較する光学式外観検査装置が実用化されている。光学画像を用いた検査方法の例としては、特開平3−167456 号公報に記載されているように、基板上の光学照明された領域を時間遅延積分センサで結像し、その画像と予め入力されている設計特性とを比較することにより欠陥を検出する方法や、特公平6−58220号公報に記載されているように、画像取得時の画像劣化をモニタし、それを画像検出時に補正することにより安定した光学画像で比較検査を行う方法がある。
【0004】
このように、光学画像を用いた欠陥検査の方法は光学式外観検査装置として既に実用化されているが、以下のような問題点があった。すなわち、製造過程における半導体ウエハの検査の場合、光が透過してしまうシリコン酸化膜や感光性フォトレジスト材料を表面に有するパターンの検査の場合の異物や欠陥は検出することができない。また、光学系の分解能により検出限界以下となるエッチング残りや微小導通穴の非開口不良等は検出することができない。また、配線パターンの段差の底部に発生した欠陥も検出できない。
【0005】
上述のように、回路パターンの微細化や回路パターン形状の複雑化,材料の多様化に伴い、光学画像ではこのような欠陥の検出が困難であるため、光学画像よりも分解能の高い電子ビーム画像を用いて、パターン等の欠陥の検査方法およびその検査用の装置が実用化されてきている。
【0006】
例えば、特開昭59−192943号公報,特開平5−258703号公報,文献Sandland, et al., *An electron−beam inspection system for x−ray mask production*, J. Vac. Sci. Tech. B, Vol.9, No.6, pp.3005−3009 (1991)、文献Meisburger, et al., *Requirements and performance of an electron−beam column designed for x−ray mask inspection*, J. Vac. Sci. Tech. B, Vol.9, No.6, pp.3010−3014 (1991)、文献Meisburger, et al., *Low−voltage electron− optical system for the high−speed inspection of integrated circuits*, J.Vac.Sci. Tech. B, Vol.10, No.6, pp.2804−2808 (1992)、文献Hendricks, et al., *Characterization of a New Automated Electron−Beam Wafer InspectionSystem*, SPIE Vol. 2439, pp.174−183 (20−22 February, 1995))等に記載された技術が知られている。
【0007】
ウエハの口径増大と回路パターンの微細化に追随して高スループット且つ高精度な検査を行うためには、非常に高速に、高SN比(信号に対してノイズの割合が小さい)の画像を取得する必要がある。そのため、通常の走査型電子顕微鏡 (以下、SEMと呼ぶ)の100倍以上、例えば10nA以上の大電流電子ビームを用いて照射される電子数を確保し、高SN比を保持している。さらに、基板から発生する二次電子,反射電子の高速、且つ高効率な検出が必須である。
【0008】
また、レジスト等の絶縁膜を伴った半導体基板が帯電の影響を受けないように2KeV以下の低加速電子ビームを照射している。この技術については、日本学術振興会第132委員会編「電子・イオンビームハンドブック(第2版)」(日刊工業新聞社、1986年)622頁から623頁に記載がある。しかし、大電流で、かつ低加速の電子ビームでは空間電荷効果による収差が生じ、高分解能な観察が困難であった。
【0009】
この問題を解決する方法として、試料直前で高加速電子ビームを減速し、試料上で実質的に低加速電子ビームとして照射する手法が知られている。例えば、特開平2−142045号公報,特開平6−139985号公報に記載された技術がある。
【0010】
以上のようなSEMを応用した検査装置においては、以下に述べる二つの問題点がある。
【0011】
一つは、従来方式のSEMによる電子ビーム画像の形成方法では、極めて長い時間を要するため、半導体ウエハのほぼ全面にわたって回路パターンを検査するには極めて膨大な時間を要する。従って、半導体装置の製造工程等において実用的なスループットを得るためには、非常に高速に電子ビーム画像を取得する必要がある。この高速性のためには、前述した特開平5−258703 号公報に記載されたように、試料台を連続移動させながら電子ビームで試料を走査して画像を取得する方法が考えられる。また、高速に取得した電子ビーム画像のSN比を確保し、且つ所定の精度を維持する必要がある。
【0012】
もう一つの問題点は、光学式とは異なり、画像を構成する画素情報を一つずつ順番に検出してゆくため、取得する方向によってはディスプレイに表示される画像が反転してしまうことである。この問題は一般的なSEMにおいては、試料を固定し、常に決まった方向に電子ビームを走査するため、その方向とディスプレイ画面の走査方向の対応をとっておくことにより発生しない。しかしながら、検査装置の場合、一番目の問題の高速性を追求すると、試料台を連続移動させながら画像を取得する必要があるが、その移動方向によっては上記画像の反転が生じる可能性がある。このためユーザは、欠陥の位置や形,方向性などを誤って認識する恐れがあった。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたもので、光学画像では検出困難な欠陥を電子ビーム画像を用いて高精度に検出すると同時に、その際問題となる検査の高速性及び検査画面の視認性や正確性に優れた走査電子顕微鏡を用いた検査装置および検査方法を提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、試料に電子ビームを走査し、発生する二次荷電粒子の検出信号に基づいて生成される第一の画像と第二の画像とを比較し、試料のパターンの欠陥を検出する走査電子顕微鏡を用いた検査装置において、前記一次電子ビームの走査の方向とラインピッチの方向とを検出する制御部と、前記検出器からの信号に基づいて形成された画像が正立像になるように、前記制御部で検出された前記一次電子ビームの走査の方向とラインピッチの方向とに基づいて画像を表示する表示手段を備えることを特徴とする。
【0015】
また、本発明は、前記一次電子ビームの走査の方向によらず、前記検出器からの信号に基づいて形成された画像を常時所定の座標系に基づいて表示する表示手段と、前記試料台を空間的に移動させるステージ機構とを備え、前記第一の領域、及び前記第二の領域の画像のデータの取得が前記ステージ機構による前記試料台の移動に基づいて、同じ一組みの電子光学装置により遂行されるとともに、前記第1の領域と前記第2の領域の画像のデータを取得するに際して、前記ステージの移動方向を反転させることを特徴とする。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面を参照しながら説明する。
【0018】
(実施例1)
図1から図2に本発明の第一の実施例を示す。
【0019】
図1は本発明が適用される走査電子顕微鏡を用いた検査装置の一例であるSEM式外観検査装置1の構成を示す縦断面図である。SEM式外観検査装置1は、室内が真空排気される検査室2と、検査室2内に試料基板9を搬送するための予備室(本実施例では図示せず)とを備えており、この予備室は検査室2とは独立して真空排気できるように構成されている。また、SEM式外観検査装置1は上記検査室2と予備室の他に画像処理部5,制御部6,二次電子検出部7から構成されている。
【0020】
検査室2内は大別して、電子光学系機構3,試料室8,光学顕微鏡部4から構成されている。電子光学系機構3は、電子銃10,電子ビームの引き出し電極
11,コンデンサレンズ12、ブランキング偏向器13,絞り14、走査偏向器15,対物レンズ16、反射板17、EクロスB偏向器18から構成されている。二次電子検出部7のうち、二次電子検出器20が検査室2内の対物レンズ16の上方に配置されている。
【0021】
電子ビーム19の加速は、電子銃10に高電圧の負の電位を印加することでなされる。これにより、電子ビーム19はその電位に相当するエネルギーで試料台30の方向に進み、コンデンサレンズ12で収束され、さらに対物レンズ16により細く絞られて、試料台30の上のXステージ31,Yステージ32,回転ステージ33の上に搭載された試料基板9に照射される。試料基板9は半導体ウエハ,チップ、あるいは液晶,マスク等の微細回路パターンを有する基板である。ブランキング偏向器13には、走査信号およびブランキング信号を発生する走査信号発生器44が接続され、対物レンズ16には対物レンズ電源45が接続されている。
【0022】
二次電子検出器20の出力信号は、検査室2の外に設置されたプリアンプ21で増幅され、AD変換器22によりアナログ信号がデジタル信号に変換され、デジタルのデータが作成される。
【0023】
試料室8は、試料台30,Xステージ31,Yステージ32,回転ステージ
33,位置モニタ用測長器34,試料基板高さ測定器35から構成されている。光学顕微鏡部4は、検査室2の室内における電子光学系機構3の近傍であって、互いに影響を及ぼさない程度離れた位置に設備されており、電子光学系機構3と光学顕微鏡部4の間の距離は既知である。そして、Xステージ31またはYステージ32が電子光学系機構3と光学顕微鏡部4の間の既知の距離を往復移動するようになっている。光学顕微鏡部4は光源40,光学レンズ41,CCDカメラ42により構成されている。
【0024】
画像処理部5は、第一画像記憶部46,第二画像記憶部47,演算部48,欠陥判定部49より構成されている。取り込まれた電子ビーム画像あるいは光学画像はモニタ50に表示される。
【0025】
装置各部の動作命令および動作条件は、制御部6から入出力される。制御部6には、あらかじめ電子ビーム発生時の加速電圧,電子ビーム偏向幅,偏向速度,二次電子検出部7の信号取り込みタイミング,試料台30の移動速度等々の条件が、目的に応じて任意にあるいは選択して設定できるよう入力されている。制御部6は、補正制御回路43を用いて、位置モニタ用測長器34、試料基板高さ測定器35の信号から位置や高さのずれをモニタし、その結果により補正信号を生成し、電子ビームが常に正しい位置に照射されるよう対物レンズ電源45や走査信号発生器44に補正信号を送る。
【0026】
試料基板9の画像を取得するためには、細く絞った電子ビーム19を試料基板9に照射し、二次電子51を発生させ、これらを電子ビーム19の走査およびXステージ31,Yステージ32の移動と同期して検出することで、試料基板9の画像を得る。
【0027】
上記SEM式外観検査装置1では検査速度が速いことが必須となる。従って、通常の従来方式のSEMのようにpAオーダーの電流の電子ビームを低速で走査したり、多数回の走査および各々の画像の重ね合せは行わない。また、絶縁材料への帯電を抑制するためにも、電子ビーム走査は高速で一回あるいは数回程度にして多数回の走査は行わないようにする必要がある。そこで本実施例では、従来方式のSEMに比べて約100倍以上の、例えば100nAの大電流の電子ビームを一回のみ走査することにより、画像を形成する構成とした。
【0028】
電子銃10には拡散補給型の熱電界放出型電子源が使用されている。この電子銃10を用いることにより、従来の例えばタングステン・フィラメント電子源や、冷電界放出型電子源に比べて安定した電子ビーム電流を確保することができる。そのため、明るさ変動の少ない画像が得られる。また、この電子銃10により電子ビーム電流を大きく設定することができるため、後述するような高速検査を実現できる。
【0029】
試料基板9には、高圧電源36により負の電圧を印加できるようになっている。この高圧電源36の電圧を調節することにより、電子ビーム19を減速し、電子銃10の電位を変えずに、試料基板9への電子ビーム照射エネルギーを最適な値に調節することができる。
【0030】
試料基板9上に電子ビーム19を照射することによって発生した二次電子51は、試料基板9に印加された負の電圧により加速される。試料基板9の上方に、電界と磁界の両方によって電子ビーム19の軌道へは影響を与えずに二次電子の軌道を曲げるためのEクロスB偏向器18が配置され、これにより加速された二次電子51は所定の方向へ偏向される。EクロスB偏向器18にかける電界と磁界の強度により、この偏向量を調整することができる。また、この電界と磁界は、試料基板9に印加した負の電圧に連動させて可変させることができる。
【0031】
EクロスB偏向器18により偏向された二次電子51は、所定の条件で反射板17に衝突する。この反射板17は円錐形状をしており、その内側を通過し試料基板9に照射される電子ビーム19をシールドするシールドパイプの機能も有している。この反射板17に加速された二次電子51が衝突すると、反射板17からは数eVから50eVのエネルギーを持つ第二の二次電子52が発生する。
【0032】
二次電子検出部7には、真空排気された検査室2内に二次電子検出器20が設けられ、検査室2の外にプリアンプ21,AD変換器22,光変換手段23,光伝送手段24,電気変換手段25,高圧電源26,プリアンプ駆動電源27,
AD変換器駆動電源28,逆バイアス電源29が設けられている。
【0033】
二次電子検出部7のうち、二次電子検出器20が検査室2内の対物レンズ16の上方に配置されている。二次電子検出器20,プリアンプ21,AD変換器
22,光変換手段23,プリアンプ駆動電源27,AD変換器駆動電源28は、高圧電源26により正の電位にフローティングしている。反射板17に衝突して発生した第二の二次電子52は、この正の電位によってつくられた吸引電界により二次電子検出器20へ導かれる。
【0034】
二次電子検出器20は、二次電子51が反射板17に衝突して発生した第二の二次電子52を、電子ビーム19の走査のタイミングと連動して検出するように構成されている。二次電子検出器20の出力信号は、検査室2の外に設置されたプリアンプ21で増幅され、AD変換器22によりデジタルデータとなる。
【0035】
AD変換器22は、二次電子検出器20が検出したアナログ信号をプリアンプ21によって増幅した後に直ちにデジタル信号に変換して、画像処理部5に伝送するように構成されている。検出したアナログ信号を検出直後にデジタル化してから伝送するので、従来よりも高速で且つSN比の高い信号を得ることができる。
【0036】
Xステージ31,Yステージ32上には試料基板9が搭載されており、検査実行時にXステージ31,Yステージ32を静止させて電子ビーム19を二次元に走査する方法と、検査実行時にXステージ31,Yステージ32のいずれかを一方向に連続して一定速度で移動させて、電子ビーム19をその方向に対して直角方向に直線的に走査する方法とのいずれかを選択できる。ある特定の比較的小さい領域を検査する場合には前者の試料基板9を静止させて検査する方法が、比較的広い領域を検査するときは、試料基板9を連続的に一定速度で移動させて検査する方法が有効である。なお、電子ビーム19をブランキングする必要がある時には、ブランキング偏向器13により電子ビーム19が偏向されて、電子ビームが絞り14を通過しないように制御できる。
【0037】
Xステージ31およびYステージ32の位置をモニタする位置モニタ用測長器34として、本実施例ではレーザ干渉による測長計を用いた。Xステージ31およびYステージ32の位置が実時間でモニタでき、その結果が制御部6に転送されるようになっている。また、Xステージ31,Yステージ32,回転ステージ33のモータの回転数等のデータも同様に、各々のドライバから制御部6に転送されるように構成されており、制御部6はこれらのデータに基づいて電子ビーム19が照射されている領域や位置が正確に把握できるようになっている。したがって、必要に応じて実時間で電子ビーム19の照射位置の位置ずれを補正制御回路43で補正できるようになっている。また、試料基板9毎に、電子ビーム19を照射した領域を記憶できるようになっている。
【0038】
試料基板高さ測定器35は、光学式測定器、例えば、レーザ干渉測定器や反射光の位置で変化を測定する反射光式測定器が使用され、Xステージ31,Yステージ32に搭載された試料基板9の高さを実時間で測定できるように構成されている。本実施例では、スリットを通過した細長い白色光を透明な窓越しに試料基板9に照射し、反射光の位置を位置検出モニタにて検出し、位置の変動から高さの変化量を算出する方式を用いている。この試料基板高さ測定器35の測定データに基づいて、対物レンズ16の焦点距離がダイナミックに補正され、常に被検査領域に焦点が合った電子ビーム19を照射できるようになっている。また、試料基板9の反りや高さ歪みを電子ビーム照射前に予め測定しておき、そのデータをもとに対物レンズ16の被検査領域毎の補正条件を設定するように構成することも可能である。
【0039】
画像処理部5は第一画像記憶部46,第二画像記憶部47,演算部48,欠陥判定部49、モニタ50により構成されている。二次電子検出器20で検出された試料基板9の画像信号は、プリアンプ21で増幅され、AD変換器22でデジタル化された後に光変換手段23で光信号に変換され、光伝送手段24によって伝送され、電気変換手段25にて再び電気信号に変換された後に、第一画像記憶部46あるいは第二画像記憶部47に記憶される。演算部48は、第一画像記憶部46に記憶された画像信号と第二画像記憶部47に記憶された画像信号との位置合せ、信号レベルの規格化,ノイズ信号を除去するための各種画像処理を施し、双方の画像信号を比較演算する。欠陥判定部49は、演算部48にて比較演算された差画像信号の絶対値を所定のしきい値と比較し、所定のしきい値よりも差画像信号レベルが大きい場合に、その画素を欠陥候補と判定し、モニタ50にその位置や欠陥数等を表示する。
【0040】
以上、SEM式外観検査装置1の全体の構成について説明してきたが、以下に本発明の第一の実施例について述べる。
【0041】
図2は、本発明の画像データ転送方式の第一の実施例を示し、試料基板9の上面図とモニタ50に表示された画像の図である。図2には、試料基板9上の検査セル200を走査する方法の一例を示し、図では説明の簡便化のために、実際の回路パターンにかえて数字の“5”を用いている。
【0042】
図2において、従来方式のSEMと同様に、試料基板9が静止した状態で電子ビーム19を二次元に走査し、検査セル200の画像を形成する。そして、隣接した検査セル200の取得画像を図1に示した第一画像記憶部46または第二画像記憶部47に記憶し、演算部48で画像を比較し、欠陥判定部49で欠陥を判別している。
【0043】
図2中の紙面に対して上側の画像と下側の画像では、検査セル200の拡大図からわかるように、ラインピッチの方向が異なっている。すなわち、上側の画像は検査セル200の領域の紙面に対して左上から右方向への電子ビーム19の走査方向(X方向)で示されるように、まず1ライン走査され(画素ピッチが正とする)、次ラインはラインピッチ分だけ下側へ進めて(ラインピッチが負とする)、これを同様に繰り返す。この走査方法は、モニタ表示の走査方向201と同じ(これをラスタ走査方式と呼ぶ)であるため、電子ビーム19の走査方向で取得された画素データを順番にモニタ50へ送れば、図2の上側のモニタの画像501に示すように“5”の正立像を得ることができる。
【0044】
ここで、破線は、電子ビーム19の振り戻しの間を示し、実際は破線のように電子ビーム19が照射するのではなく、この期間は試料基板9に電子ビーム19が照射されないようにブランキングされている。これにより、試料基板9上に空間的,時間的に均一に電子ビームを照射することができる。ブランキングは、ブランキング偏向器13により電子ビーム19を偏向して、絞り14を通過しないようにする。
【0045】
一方、図2の下側の画像は、上述したラインピッチの方向が正であり、紙面に対して下方から上方へ電子ビーム19が走査される。このため、画素データを順番にモニタ50へ送ると、モニタの画像502に示すように、“5”の上下反転像が表示されてしまう。この時、図1の制御部6ではラインピッチが負から正に変わったことを検出できるため、ラインデータの転送順序を反転させることにより、モニタの画像503に示すように、“5”の正立像を得ることができる。
【0046】
すなわち、ライン数が10と仮定すると、図1に示した第一画像記憶部46または第二画像記憶部47の(10)(9)(8)(7)…の順に相当するポインタをあらかじめ用意しておき、そのポインタを先頭に(10)(9)(8)(7)…の順で走査データをモニタ50に転送すればよい。これにより、ユーザは欠陥の位置や形,方向性などを正しくかつ容易に把握することができるようになり、検査作業の能率を著しく向上させることができる。
【0047】
(実施例2)
本発明の第二の実施例を図3に示す。図3は図2と同様の図であり、本発明の画像データ転送方式の第二の実施例を示し、試料基板9の上面図とモニタ50に表示された画像の図である。試料基板9が静止した状態で電子ビーム19を二次元的に走査し、検査セル200の画像を形成している。
【0048】
図3中の上側のモニタの画像504は、図2に示したモニタの画像501と同様に、正立像が得られる状態を示し、下側のモニタの画像505は画素ピッチが反転して、左右反転したものとなっている。この場合においても、図1に示した制御部6で画素ピッチが正から負に変わったことを検出できるため、1ラインを構成する画素データの転送順序を反転させることにより、図2中のモニタの画像506では、“5”の正立像を得ることができる。
【0049】
すなわち、例えば10画素の場合と仮定すると、図1に示した第一画像記憶部46または第二画像記憶部47の各ラインの最後の画素データから逆に(10) (9)(8)(7)…の順で走査データをモニタ50に送信すればよい。モニタの画像506の上下左右が画像504と同じように表示されるので、ユーザは欠陥の位置や形,方向性などを正しくかつ容易に把握することができるようになり、検査作業の能率を著しく向上させることができる。
【0050】
(実施例3)
図4から図5に本発明の第三の実施例を示す。図4は、本発明の画像データ転送方式の第三の実施例を示し、試料基板9の上面図とモニタ50に表示された画像の図である。図5は、検査セルを電子ビームで走査する方向を示す上面図である。
【0051】
上述した第一の実施例及び第二の実施例に示したような試料基板9が静止した状態における電子ビーム19の二次元走査では、広領域をくまなく検査する場合には、画像取得領域毎に静止して電子ビームを走査する時間と、試料基板9の加速,減速,位置整定を加算した移動時間がかかり、検査時間全体では長時間を要してしまう。そこでより高速に検査を行うために、試料基板9を一方向に連続的に定速で移動しながら、電子ビーム19を試料基板9の移動方向と直交または交叉する向きに高速に一方向に走査することにより被検査領域の画像を取得する検査方法を用いるとよい。これにより、所定距離の一走査幅分の電子ビーム19の取得時間は、所定距離をステージが移動する時間のみとすることができる。
【0052】
図5は、検査セル200を電子ビーム19で走査する方向を示し、図5(a)において、図1に示したYステージ32がY方向に連続して定速移動している間、電子ビーム19はX方向に走査される。実線で示した一方向のみ電子ビーム19は走査され、破線で示した電子ビーム19の振り戻しの間は、試料基板9に電子ビーム19が照射されないようにブランキングする。これによって、試料基板9上に空間的,時間的に均一に電子ビーム19を照射することができる。ブランキングは、ブランキング偏向器13により電子ビーム19を偏向して、絞り14を通過しないようにする。
【0053】
また、Yステージ32のY方向への連続定速移動を考慮して、電子ビーム19はX方向でなく、Y方向にわずかに斜めに走査される。これによって、試料基板9の上での走査方向をX方向にすることができる。
【0054】
図5(b)には(a)と異なる走査の方法を示し、電子ビーム19が等速度で往復走査する場合である。試料基板9はY方向に連続して定速移動し、電子ビーム
19がX方向に一端から他端まで等速度で走査されると、試料基板9が電子ビームの走査幅の1ピッチ分だけY方向に送られ、次に電子ビーム19がX方向と反対方向に元の端まで等速度で走査される。この方法の場合には、電子ビーム19の振り戻し時間を省略することができる。
【0055】
また、この場合も、電子ビーム19はX方向でなく、Y方向への連続移動速度を考慮して、わずかに斜めに走査される。
【0056】
なお、電子ビーム19が照射されている領域または位置は、Xステージ31,Yステージ32に設置された位置モニタ用測長器34による測定データが時々刻々と制御部6に送信されることにより、詳細に把握される。本実施例では、レーザ干渉計を採用している。同様に、電子ビーム19が照射されている領域あるいは位置の高さの変動は、試料基板高さ測定器35による測定データが時々刻々と制御部6に転送されることにより、詳細に把握される。これらのデータに基づき、電子ビーム19の照射位置や焦点位置のずれを演算し、補正制御回路43によりこれらのずれを自動的に補正する。
【0057】
図4は、図5に示した試料基板9をY方向に連続的に定速で移動しながら、電子ビーム19を移動方向と直交または交叉する向きに高速にX方向に走査する場合の例である。試料基板9が移動することに伴う電子ビーム19の電子ビームの中心の移動方向210は図4に示すようになり、移動方向とは反対向きとなる。検査の高速化のため、試料基板9はできるだけ無駄な移動がなくなるようにジグザグ状に移動することになる。従って、図4中の上側の検査セル200のモニタの画像507は、試料基板9がY軸の正方向移動、電子ビーム19がその逆方向へ走査する場合(ラインピッチが負の状態)を示しており、下側のモニタの画像508,画像509は、試料基板9および電子ビーム19とも全く反対の方向に移動,走査する場合を示している。この結果は、図2に示した第一の実施例の、ラインピッチが反転した場合と全く同じであるが、本実施例の場合は、ラインピッチの反転を試料基板9の移動方向からも検出できる。すなわち、図1に示した制御部6は試料基板9の移動方向も管理しており、その情報も加味すれば、より正確な判断が下せることになる。これにより、ユーザは検査を高速化できるばかりでなく、欠陥の位置や形,方向性などを正しくかつ容易に把握することができるようになり、検査作業の能率を著しく向上させることができる。
【0058】
なお、第一の実施例,第二の実施例,第三の実施例とも、比較される2個の検査セルは、画素ピッチ,ラインピッチともにそれぞれ同じ方向であったが、本発明はこの条件に限定されるものではない。例えば、第三の実施例に示した試料基板9がジグザグ状に移動する場合、上端にある検査セルは上に、下端にある検査セルは下に隣り合う検査セルがないため、これらの検査セルの欠陥が判別できないことになる。したがって、上端にある検査セルは左右に隣接した上端同士,下端にある検査セルは左右に隣接した下端同士で、横方向で比較することによって欠陥が判別可能になるが、試料基板9の移動方向は他の検査セルの場合と異なることになる。このような場合にも本発明を適用して、モニタの画像の上下左右を変化させないようにするので、効率良く検査作業を進めることができる。
【0059】
また、試料基板9の移動方向が異なる検査セル同士の比較では、得られる像の質に差がある場合がある。このことを利用して、試料基板9の移動方向情報を図1に示した画像処理部5に送り、欠陥の比較,判別に役立てることもできる。
【0060】
なお、図1に示したSEM式外観検査装置1では、試料基板9のほぼ全面の検査の画像情報をすべて記憶することは、記憶容量が膨大に必要になるためあまり行われない。通常は、検査中に欠陥と認識された場所の画像のみを記憶しておき、検査終了後にその記憶された欠陥の位置を指定して、再度、試料基板9を電子ビーム19で走査して画像を取得し、再確認する場合が多い。この場合は、場所が特定されており、検査時間が長くないため、試料基板9をその場所に移動させ、静止させた状態で、電子ビーム19を二次元走査して画像を得る。このような場合には、本発明の第一の実施例および第二の実施例に示した方法でモニタの画像を表示させる。
【0061】
試料基板9のほぼ全面の検査に先立ち、検査条件を指定するための試し検査が行われる。この場合には、本発明の第三の実施例に示した方法でモニタの画像を表示させる。試し検査は、数ストライプまたは1チップ分の画像を第一画像記憶部46に一旦取り込み、取り込んだ画像に対して種々の検査パラメータを繰り返し変えて、画像をモニタしながら最適な検査パラメータを割り出す作業である。この試し検査はオフライン作業となるため、高速性はそれ程要求されないが、次の本検査と同じ検査方法を実施しなければならないため、第三の実施例と同じく試料基板9を往復移動させて検査する。試し検査の重要性は、例えば、試料基板9を上昇させる場合と降下させる場合とでXステージ31,Yステージ32の移動機構の機械的特性が微妙に異なって速度差が発生し、検査結果に影響を与える可能性の排除にある。試料基板9の移動方向は重要な評価ファクタと言える。
【0062】
また、検査パラメータとして、上記した試料基板9の移動の他、画素の横ずれ、画像の明るさ、画像フィルタの強弱などが挙げられる。これらの検査パラメータを適宜調整しながら、試料基板9の移動方向を変えて、取得画像を目視しながら、迅速に評価する。この場合に、試料基板9の移動方向によって表示画像が反転した場合、その補正が行われないと、ユーザは試し検査結果を誤認識する可能性がある。その結果、不適当な検査パラメータで長時間の本検査を行ってしまうことも考えられ、この誤認識による被害は甚大となる。本発明によれば、画像取得方向が変わっても、常に正立像を得ることができるので、上述のような被害を未然に防ぐことができるという大きな効果がある。
【0063】
(実施例4)
図6に本発明の第四の実施例を示す。図6は、本発明の画像データ転送方式の第四の実施例を示し、試料基板9の上面図とモニタ50に表示された画像の図である。試料基板9をX方向と逆方向に移動させながらY方向に電子ビーム19を走査し、試料基板9の端部では試料基板9をY方向に1ストライプ移動させて、次のストライプを、先程とは逆のX方向に試料基板9を移動させながらY方向に電子ビーム19を走査する。この方法は、前述の実施例とは90度走査方向が回転しており、試料基板9の内部構造や特性により、Y方向に電子ビームをあてた方が欠陥が検出し易い場合に実施する。
【0064】
図6の上側のモニタの画像510は、ラインピッチ方向がXの正方向であり、紙面に対して左側から右側へ電子ビーム19による走査ラインが送られる場合を示している。しかし、画素データを順番にモニタ50へ送ると、画像511に示すように、“5”の右回り90度回転像が表示されてしまう。この場合は、図1に示した制御部6では、この画素ピッチ,ラインピッチの状況を把握しているため、画素ピッチ降順毎にラインピッチ昇順でデータを送信させることにより、モニタの画像510では“5”の正立像を得ることができる。
【0065】
図6の下側の画像は、ラインピッチがXの負方向の場合であり、画素データを順番にモニタ50へ送ると、モニタの画像512に示すような上下左右の反転像になってしまう。これも画素ピッチ降順毎にラインピッチ降順でデータを転送させることにより、モニタの画像513では“5”の正立像を得ることができる。このように、本発明によれば、試料基板9の移動方向、電子ビーム19の走査の方向にかかわらず、モニタ50に正立像を常に表示させることができるので、ユーザは欠陥の位置や形,方向性などを正しくかつ容易に把握することができるようになり、検査作業の能率を著しく向上させることができる。
【0066】
また本実施例の内容は、第一または第二の実施例のように、試料基板9が静止した状態における電子ビーム19の二次元走査にもあてはめることができる。すなわち、第三の実施例にも記述したように、欠陥と認識された場所を二次元走査で再確認する場合、Y方向に高速走査しながらX方向に低速走査する時など、本実施例を実施すれば見易い正立像を得ることができる。なお、この際は、試料基板9をX方向に連続的に移動させて検査した場合でも、欠陥確認時には、本実施例ではなく第一または第二の実施例のように、X方向に高速走査,Y方向に低速走査の二次元走査を用いてもよい。
【0067】
本発明によって得られる効果を以下に示す。
【0068】
(1)光学画像とは異なり画素情報を一つずつ順番に検出してゆく電子ビーム画像は、取得する方向によってはモニタに反転して表示される可能性があり、ユーザは、欠陥の位置や形,方向性などを誤認識する恐れがあった。本発明によれば、如何なる条件においても常に正立像を表示することができ、視認性,正確性に優れた検査装置,検査方法を提供することができる。
【0069】
(2)本発明による検査装置を半導体製造プロセスへ適用することにより、異常発生を迅速に且つ正確に検知することができるので、多量の不良発生を未然に防止することができる。さらにその結果、不良の発生そのものを低減させることができるので、半導体装置等の信頼性を高めることができ、新製品等の開発効率が向上し、且つ製造コストが削減できる。
【0070】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、光学画像では検出困難な欠陥を電子ビーム画像を用いて高精度に検出できると同時に、その際問題となる検査の高速性及び検査画面の視認性や正確性に優れた走査電子顕微鏡を用いた検査装置および検査方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】SEM式外観検査装置の装置構成を示す縦断面図。
【図2】本発明の画像データ転送方式の第一の実施例を示し、試料基板の上面図とモニタに表示された画像の図。
【図3】本発明の画像データ転送方式の第二の実施例を示し、試料基板の上面図とモニタに表示された画像の図。
【図4】本発明の画像データ転送方式の第三の実施例を示し、試料基板の上面図とモニタに表示された画像の図。
【図5】検査セルを電子ビームで走査する方向を示す上面図。
【図6】本発明の画像データ転送方式の第四の実施例を示し、試料基板の上面図とモニタに表示された画像の図。
【符号の説明】
1…SEM式外観検査装置、3…電子光学系機構、5…画像処理部、6…制御部、7…二次電子検出部、9…試料基板、19…電子ビーム、20…二次電子検出器、43…補正制御回路、46…第一画像記憶部、47…第二画像記憶部、
49…欠陥判定部、50…モニタ、51…二次電子、52…第二の二次電子、
200…検査セル。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an inspection apparatus and an inspection method using a scanning electron microscope for inspecting a semiconductor device having a fine pattern, a substrate, a photomask (exposure mask), a liquid crystal, and the like.
[0002]
[Prior art]
A semiconductor device such as a memory or a microcomputer used for a computer or the like is manufactured by repeating a process of transferring a pattern such as a circuit formed on a photomask by an exposure process, a lithography process, an etching process, or the like. In the manufacturing process of a semiconductor device, the quality of the results of lithography processing, etching processing, and other processing, and the presence of defects such as generation of foreign matter greatly affect the manufacturing yield of the semiconductor device. Therefore, in order to detect the occurrence of abnormality or defect early or in advance, a pattern on the semiconductor wafer is inspected at the end of each manufacturing process.
[0003]
As an example of a method for inspecting a defect present in a pattern on a semiconductor wafer, an optical appearance inspection apparatus that compares patterns using an optical image obtained by irradiating a semiconductor wafer with light has been put into practical use. As an example of an inspection method using an optical image, as described in Japanese Patent Laid-Open No. 3-167456, an optically illuminated region on a substrate is imaged by a time delay integration sensor, and the image and the image are input in advance. As described in Japanese Patent Publication No. 6-58220, a method for detecting a defect by comparing with a design characteristic that has been used and Japanese Patent Publication No. 6-58220 monitor image deterioration at the time of image detection. Thus, there is a method of performing a comparative inspection with a stable optical image.
[0004]
As described above, the defect inspection method using an optical image has already been put into practical use as an optical appearance inspection apparatus, but has the following problems. That is, in the case of inspection of a semiconductor wafer in the manufacturing process, foreign matters and defects in the case of inspection of a pattern having a silicon oxide film or a photosensitive photoresist material on the surface through which light can be transmitted cannot be detected. Further, it is impossible to detect an etching residue that is below the detection limit or a non-opening defect of a minute conduction hole due to the resolution of the optical system. Further, it is impossible to detect a defect generated at the bottom of the step of the wiring pattern.
[0005]
As described above, with the miniaturization of circuit patterns, the complexity of circuit pattern shapes, and the diversification of materials, it is difficult to detect such defects in optical images, so electron beam images with higher resolution than optical images. Have been put to practical use as a method for inspecting defects such as patterns and an apparatus for the inspection.
[0006]
For example, JP 59-192943 A, JP 5-258703 A, Sandland, et al. , * An electro-beam inspection system for x-ray mask production *, J. et al. Vac. Sci. Tech. B, Vol. 9, no. 6, pp. 3005-3009 (1991), literature Meisburger, et al. * Requirements and performance of an electron-beam column designed for x-ray mask inspection *, J. Vac. Sci. Tech. B, Vol. 9, no. 6, pp. 3010-3014 (1991), literature Meisburger, et al. , * Low-voltage electron-optical system for the high-speed inspection of integrated circuits *, J. et al. Vac. Sci. Tech. B, Vol. 10, no. 6, pp. 2804-2808 (1992), Hendricks, et al. * Characterization of a New Automated Electron-Beam Wafer Inspection System *, SPIE Vol. 2439, pp. 174-183 (20-22 February, 1995)) and the like are known.
[0007]
To perform high-throughput and high-accuracy inspection following wafer diameter increase and circuit pattern miniaturization, images with a high S / N ratio (the ratio of noise to the signal is small) are acquired at a very high speed. There is a need to. Therefore, the number of electrons irradiated using a high-current electron beam of 100 times or more, for example, 10 nA or more of a normal scanning electron microscope (hereinafter referred to as SEM) is secured, and a high SN ratio is maintained. Furthermore, high-speed and highly efficient detection of secondary electrons and reflected electrons generated from the substrate is essential.
[0008]
Further, a low acceleration electron beam of 2 KeV or less is irradiated so that a semiconductor substrate with an insulating film such as a resist is not affected by charging. This technology is described in pages 622 to 623 of the “Electron / Ion Beam Handbook (2nd edition)” edited by the 132nd Committee of the Japan Society for the Promotion of Science (Nikkan Kogyo Shimbun, 1986). However, aberrations due to the space charge effect occur in a high-current and low-acceleration electron beam, and high-resolution observation is difficult.
[0009]
As a method for solving this problem, there is known a method in which a high acceleration electron beam is decelerated immediately before a sample and irradiated on the sample as a substantially low acceleration electron beam. For example, there are techniques described in JP-A-2-142045 and JP-A-6-139985.
[0010]
The inspection apparatus using the above SEM has the following two problems.
[0011]
For one, the conventional method of forming an electron beam image by SEM requires a very long time, and therefore it takes a very long time to inspect a circuit pattern over almost the entire surface of a semiconductor wafer. Therefore, in order to obtain a practical throughput in a semiconductor device manufacturing process or the like, it is necessary to acquire an electron beam image at a very high speed. In order to achieve this high speed, a method of acquiring an image by scanning the sample with an electron beam while continuously moving the sample stage as described in Japanese Patent Laid-Open No. 5-258703 can be considered. Moreover, it is necessary to ensure the SN ratio of the electron beam image acquired at high speed and to maintain a predetermined accuracy.
[0012]
Another problem is that unlike the optical type, the pixel information constituting the image is detected one by one in order, so that the image displayed on the display is inverted depending on the direction of acquisition. . This problem does not occur in a general SEM because the specimen is fixed and the electron beam is always scanned in a fixed direction, and the correspondence between the direction and the scanning direction of the display screen is kept. However, in the case of an inspection apparatus, in order to pursue the high speed of the first problem, it is necessary to acquire an image while continuously moving the sample stage. However, the image may be reversed depending on the moving direction. For this reason, the user may have erroneously recognized the position, shape, direction, etc. of the defect.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of such points, and at the same time, a defect difficult to detect in an optical image is detected with high accuracy using an electron beam image. Another object of the present invention is to provide an inspection apparatus and an inspection method using a scanning electron microscope excellent in accuracy.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above-mentioned object, the present invention scans a sample with an electron beam, compares a first image generated based on a detection signal of a secondary charged particle generated, and a second image, In an inspection apparatus using a scanning electron microscope that detects defects in the pattern of The control unit that detects the scanning direction of the primary electron beam and the direction of the line pitch, and the detection unit that detects the image formed based on the signal from the detector to be an erect image. Based on the scanning direction of the primary electron beam and the direction of the line pitch A display means for displaying is provided.
[0015]
The present invention also provides: Regardless of the scanning direction of the primary electron beam, display means for always displaying an image formed based on a signal from the detector based on a predetermined coordinate system, and a stage for spatially moving the sample stage And acquiring the image data of the first region and the second region based on the movement of the sample stage by the stage mechanism, and the same set of electron optical devices, When acquiring image data of the first area and the second area, the moving direction of the stage is reversed. It is characterized by that.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0018]
(Example 1)
1 to 2 show a first embodiment of the present invention.
[0019]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a configuration of an SEM
[0020]
The
11, a
[0021]
The
[0022]
The output signal of the
[0023]
The sample chamber 8 includes a
33, a position monitor
[0024]
The
[0025]
Operation commands and operation conditions of each part of the apparatus are input / output from the
[0026]
In order to acquire an image of the
[0027]
In the SEM
[0028]
The
[0029]
A negative voltage can be applied to the
[0030]
[0031]
The
[0032]
The secondary electron detector 7 is provided with a
An AD converter
[0033]
Of the secondary electron detector 7, the
22, the optical conversion means 23, the preamplifier
[0034]
The
[0035]
The
[0036]
The
[0037]
As the position monitor
[0038]
The sample substrate
[0039]
The
[0040]
The overall configuration of the SEM
[0041]
FIG. 2 shows a first embodiment of the image data transfer system of the present invention, and is a top view of the
[0042]
In FIG. 2, similarly to the conventional SEM, the
[0043]
As can be seen from the enlarged view of the
[0044]
Here, the broken line indicates the period during which the
[0045]
On the other hand, in the lower image in FIG. 2, the above-described line pitch direction is positive, and the
[0046]
That is, assuming that the number of lines is 10, pointers corresponding to the order of (10) (9) (8) (7)... In the first image storage unit 46 or the second
[0047]
(Example 2)
A second embodiment of the present invention is shown in FIG. FIG. 3 is a view similar to FIG. 2, and shows a second embodiment of the image data transfer system of the present invention, and is a top view of the
[0048]
The
[0049]
That is, for example, assuming the case of 10 pixels, the last pixel data of each line of the first image storage unit 46 or the second
[0050]
Example 3
4 to 5 show a third embodiment of the present invention. FIG. 4 shows a third embodiment of the image data transfer system of the present invention, and is a top view of the
[0051]
In the two-dimensional scanning of the
[0052]
FIG. 5 shows the direction in which the
[0053]
In consideration of the continuous constant speed movement of the
[0054]
FIG. 5B shows a scanning method different from that shown in FIG. 5A, in which the
When 19 is scanned in the X direction from one end to the other at a constant speed, the
[0055]
Also in this case, the
[0056]
The region or position where the
[0057]
FIG. 4 shows an example in which the
[0058]
In the first embodiment, the second embodiment, and the third embodiment, the two inspection cells to be compared are in the same direction in both the pixel pitch and the line pitch. It is not limited to. For example, when the
[0059]
Further, in comparison between inspection cells having different moving directions of the
[0060]
In the SEM
[0061]
Prior to the inspection of almost the entire surface of the
[0062]
In addition to the movement of the
[0063]
Example 4
FIG. 6 shows a fourth embodiment of the present invention. FIG. 6 shows a fourth embodiment of the image data transfer system of the present invention, and is a top view of the
[0064]
An
[0065]
The lower image in FIG. 6 is a case where the line pitch is in the negative direction of X, and when pixel data is sent to the
[0066]
The contents of this embodiment can also be applied to the two-dimensional scanning of the
[0067]
The effects obtained by the present invention are shown below.
[0068]
(1) Unlike an optical image, an electron beam image in which pixel information is sequentially detected one by one may be reversed and displayed on a monitor depending on the acquisition direction. There was a risk of misrecognizing the shape and direction. According to the present invention, an erect image can always be displayed under any conditions, and an inspection apparatus and inspection method excellent in visibility and accuracy can be provided.
[0069]
(2) By applying the inspection apparatus according to the present invention to the semiconductor manufacturing process, the occurrence of abnormality can be detected quickly and accurately, so that a large number of defects can be prevented in advance. As a result, the occurrence of defects itself can be reduced, so that the reliability of semiconductor devices and the like can be improved, the development efficiency of new products and the like can be improved, and the manufacturing cost can be reduced.
[0070]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, defects that are difficult to detect in an optical image can be detected with high accuracy using an electron beam image, and at the same time, the high speed of inspection and the visibility of the inspection screen, which are problematic in that case, An inspection apparatus and an inspection method using a scanning electron microscope with excellent accuracy can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a device configuration of an SEM type visual inspection apparatus.
FIG. 2 is a top view of a sample substrate and a diagram of an image displayed on a monitor, showing a first embodiment of the image data transfer system of the present invention.
FIG. 3 is a top view of a sample substrate and a diagram of an image displayed on a monitor, showing a second embodiment of the image data transfer system of the present invention.
FIG. 4 is a top view of a sample substrate and an image displayed on a monitor according to a third embodiment of the image data transfer system of the present invention.
FIG. 5 is a top view showing a direction in which an inspection cell is scanned with an electron beam.
FIG. 6 is a top view of a sample substrate and a diagram of an image displayed on a monitor, showing a fourth embodiment of the image data transfer system of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
49 ... Defect determination unit, 50 ... Monitor, 51 ... Secondary electron, 52 ... Second secondary electron,
200: Inspection cell.
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