JP2000048752A

JP2000048752A - 電子ビ―ム検査装置とその調整用試料と調整方法およびコンタクトホ―ルの検査方法

Info

Publication number: JP2000048752A
Application number: JP11136532A
Authority: JP
Inventors: Seiichi Nakagawa; 清一中川
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 1998-05-27
Filing date: 1999-05-18
Publication date: 2000-02-18

Abstract

(57)【要約】【課題】開口径の小さい、例えば、０．０５μｍ以下
の径で高アスペクト比、例えば、１０〜１５のコンタク
トホールの開口不良等を高いスループットで検査するこ
とができる電子ビーム検査装置およびコンタクトホール
の検査方法を実現する。【解決手段】開き角制御レンズ３３は、対物レンズ３
８と連動して、ウエハ試料３２に入射する電子ビームＥ
Ｂの開き角を小さな角度、例えば、１０^-5〜１０ ^-6ｒａ
ｄに制御する。各レンズにより開き角等が制御される電
子ビームＥＢは、上段偏向器３５と下段偏向器３６によ
り、試料３２上で走査されるが、ウエハ試料３２の表面
を垂直走査するように２段偏向される。試料３２への電
子ビームの照射によって発生した２次電子あるいは反射
電子は、対物レンズ３８の後方焦点近傍に配置された検
出器３７により検出される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する分野】本発明は、半導体デバイスの製作
過程で形成されるコンタクトホールを電子ビームを用い
て検査するに最適な電子ビーム検査装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスの製造上歩留まりを向上
させることは極めて重要である。この歩留まりを悪化さ
せる要因として、ランダム要因とプロセス要因があるこ
とが知られている。

【０００３】ランダム要因は、半導体製造環境に関わる
クリーンルームの清潔度やウエハ搬送系、ウエハパター
ン焼き付け機（ステッパ）等からの発塵、エッチャの剥
離物の除去やウエハ洗浄機の洗浄不良に基づく、半導体
工程の種々の要因がからみ、不確定であり、予測し難い
要因によって発生するゴミに基因するものである。

【０００４】プロセス要因は、半導体設計に基づく理想
のチップの線幅、チップ配列、チップ構造に対して、実
際に形成された各パターンや構造が理想のサイズ等から
異なっていることに基因するものである。このプロセス
要因の解決のために、パターン付ウエハ検査装置が半導
体クリーンルームに、各プロセス工程ごとに使用されて
いる。

【０００５】このプロセス要因の検査の中で最近注目さ
れているものがコンタクトホールの検査である。この検
査のための装置としては、光検査装置と電子ビーム検査
装置が開発されている。

【０００６】光検査装置は、光の散乱を利用した方法、
光を検出して得た電気信号を空間フィルタを通して情報
処理したり、光による画像をパターンマッチング法で特
徴部を抽出したりする方法等を用いて、ゴミ、異物、配
線不良の検査を０．２μｍサイズまで検査できる。最
近、０．１〜０．０５μｍの径のコンタクトホールの検
査が可能な検査装置が発表されて注目されているもの
の、実際、どの程度のコンタクトホール径まで正確に開
口不良を検査できるか明らかではない。

【０００７】電子ビーム検査装置は、ウエハのパターン
寸法測長検査装置をユーザがコンタクトホール検査に利
用している。このケースでは、０．２μｍの径でアスペ
クト比３〜５程度まで検査できた報告があるが、０．２
μｍより小さく、アスペクト比１０〜１５のコンタクト
ホールの開口不良は検査できない。

【０００８】最近、走査電子顕微鏡の電子ビームを細く
収束して０．１μｍの径までのコンタクトホールを検査
できる、コンタクトホールの検査専用機が開発された。

【０００９】図１はこの検査装置の概要を示す図であ
る。１は図示していない電子銃から発生し加速された電
子ビームであり、電子ビーム１は電磁界レンズ２により
半導体ウエハ試料３（８〜１２インチ径）に細く集束さ
れると共に、電磁界偏向器４により走査される。この電
子ビーム１は試料に印加された負のバイアス電圧（例え
ば、１９ｋＶ）によって、０．５ｋＶ〜１．５ｋＶまで
減速され、電磁界レンズ２によりウエハ試料３上に形成
されたパターン上に０．０５μｍ径以下に集束される。

【００１０】電磁界偏向器４は、電子ビーム１を試料３
上のパターン上を図示した矢印方向に高速走査する。な
お、破線は電子ビームのブランキング期間を示してい
る。この偏向器４は、電子ビームを１走査幅を５１２画
素で、１画素当たり１００ＭＨｚで高速偏向する。

【００１１】５はステージであり、ステージ５上に試料
３が載せられると共に、ステージ５は、リニアーエンコ
ーダまたはレーザ干渉計によりその移動速度や位置を数
１０ｎｍで制御されるように構成されている。

【００１２】電子ビーム１を試料３に照射した結果発生
した２次電子（エネルギーは０から１０ｅＶ以下）は、
試料３と電磁界レンズ２との間に掛けられたバイアス電
圧により１９ｋｅＶまで加速され、電磁界レンズ２の上
部に配置されたウイーン・フィルタ（図示せず）に入射
する。ウイーン・フィルタは、入射電子ビーム１は偏向
せず、試料からの２次電子をおおよそ９０°偏向する。

【００１３】ウイーン・フィルタにより偏向された２次
電子は、２次電子検出器６によって検出される。検出器
６はショットキバリア・ダイオード検出器が用いられ、
１画素当たり１００ＭＨｚの応答を有した高速２次電子
検出器である。検出器６の出力信号は、増幅器７によっ
て増幅されるが、増幅器７は信号を１００ＭＨｚの応答
で増幅する。

【００１４】増幅器７によって増幅された信号は、ＡＤ
変換器８に供給されてデジタル信号に変換される。変換
された信号は信号分配器９に供給されるが、信号分配器
９は、電子ビーム１の偏向器４とステージ５の制御系の
リニアーエンコーダあるいはレーザ干渉計からの同期信
号により画像収集のタイミングに基づき収集されたＳＷ
ＡＴＨ画像（スワス画像：ステージはＹ方向に連続走行
し、電子ビームはこれと直交するＸ方向にのみ走査し、
得られた信号の連なりから５１２×５１２画素を一塊り
として切り出したもの）を複数の高速画像処理ボード１
０に分配する。

【００１５】高速画像処理ボード１０は複数枚設けられ
ており、それぞれは、画像分配器１１、画像メモリー１
２、欠陥特徴抽出器１３、欠陥検出器１４を有してい
る。各画像分配器１１は、電子ビーム１の偏向器４とス
テージ５の制御系のリニアーエンコーダあるいはレーザ
干渉計からの同期信号により画像収集のタイミングに基
づき収集されたスワス画像を定められた画像位置情報に
従い、画像メモリー１２に収納する。

【００１６】欠陥特徴抽出器１３は、画像メモリー１２
に収納された信号に基づき、特化したアルゴリズムを備
えており、このアルゴリズムに従い画像メモリー１２に
収納された信号に基づき画像の欠陥の特徴を抽出する。
欠陥検出器１４は、抽出された前後２画像の欠陥特徴を
比較（セル比較）し、あるいは、別のチップパターンと
の比較（ダイ比較）、あるいは、すでに収集された良品
のチップパターンまたはチップパターンの設計ＣＡＤデ
ータと比較（データ比較）のいずれかの方法で欠陥の大
きさと欠陥位置座標を特化したアルゴリズムで検出す
る。

【００１７】１５は欠陥検査結果器であり、各高速画像
処理ボード１０で平行高速演算処理された欠陥の大き
さ、位置座標とウエハ情報（例えば、ウエハ名、ロッ
ト、ウエハレシピィ）を統合し、結果を収納する。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】上記図１に示した検査
装置では、従来の走査電子顕微鏡の電子ビームをいかに
細く集束するかを念頭に開発されているため、コンタク
トホールのように開口径が小さいだけではなく、その穴
が開口径に比較して非常に深い場合には、不都合であっ
た。例えば、開口径０．０５μｍ以下でアスペクト比１
０〜１５のコンタクトホールの開口不良の検査まではで
きない。

【００１９】ところで、シリコン（Ｓｉ）基板上に形成
されたＳｉＯ₂ のコンタクトホールあるいはレジスト膜
のコンタクトホールを電子ビームで検査すると、酸化膜
あるいはレジスト膜での帯電を避けるために、電子ビー
ムが試料に入射するときの加速電圧は、２次電子放出率
δ≧１となるような加速電圧の領域である１ｋＶ以下と
している。また、試料の電子ビームによるダメージを最
小にするためにも、この加速電圧を０．８ｋＶ〜０．５
ｋＶで使用することが公知である。

【００２０】更に、ある検査装置では、試料上を０．８
ｋＶの加速電圧の電子ビームで高速走査（１００ＭＨ
ｚ）して試料の帯電を起こり難くし、また、他の検査装
置では、試料の帯電を対物レンズとウエハ試料との間の
直流電圧を調節して試料の帯電を起こり難くするように
している。

【００２１】上記した帯電防止の方法で用いられている
電子ビームは、一般の走査電子顕微鏡と同じように、加
速電圧が０．８ｋＶで数〜数１０ｎｍ径に細く絞られた
電子ビームが使用されている。このように電子ビームを
細く絞るためには、電子ビームの開き角は数ないし数１
０×１０^-3ｒａｄとなる。このように一般の走査電子顕
微鏡の電子ビームの形状はコーン状になっている。

【００２２】このような電子ビームを、図２に示すよう
な、例えば、Ｓｉ基板２０上のＳｉＯ₂ あるいはレジス
ト２１に形成された、０．１μｍ径で１〜１．５μｍ深
さ（アスペクト比＝１０〜１５）のコンタクトホール２
２上を走査すると、コンタクトホール２２の内壁に帯電
が生じる。

【００２３】この様子を図３を用いて説明する。試料に
照射される電子ビーム１は、コンタクトホール２２の内
壁側面に斜めに照射され（電子ビームの開き角が数ない
し数１０×１０^-3ｒａｄと大きいため、電子ビームの形
状がコーン状になっていて、斜めに照射する部分が内壁
側面に当たってしまうこと、および電子ビームの走査方
式が試料面に対してビームが厳密に垂直となるような走
査方式あるいは電子ビームがコンタクトホールの内壁側
面に平行になるような走査方式になっていないことの２
点による）、その部分で多くの２次電子を発生させて＋
に帯電させる。この結果、コンタクトホール２２の底部
から発生した２次電子ｓｅは、コンタクトホール２２の
側面における帯電によりその軌道を曲げられ、側面に吸
収されてコンタクトホール２２の上方の開口部へ脱出す
ることができなくなる。

【００２４】このような電子ビームの走査により得られ
た走査電子顕微鏡像のコンタクトホールの平面方向のコ
ントラストを図４に示し、断面方向の信号強度変化を図
５に示す。図４において、Ａはコンタクトホールの開口
部分であり、Ｂはエッジ効果で２次電子が多く放出され
て明るく表示される領域である。また、Ｃはコンタクト
ホール２２の底部からの２次電子がコンタクトホールの
側面にトラップされ、暗く表示される領域である。な
お、図５では横軸は電子ビームの走査位置、縦軸は２次
電子検出強度である。

【００２５】このような現象は、コンタクトホール２２
の開口径が０．１μｍより大きい場合、または、アスペ
クト比が３〜５である場合、コンタクトホール２２の側
面に電子ビームが斜め照射される領域が比較的小さくな
り、コンタクトホール側面の＋帯電が少なくなる。

【００２６】したがって、コンタクトホール２２の底部
からの２次電子は、上方の開口部に脱出できることにな
る。この結果、このコーン状の電子ビームでコンタクト
ホールの開口検査はできるものの、検査の限界が０．１
μｍ径では、アスペクト比３〜５程度となる。更に、コ
ンタクトホールの帯電状態が不安定のため、開口検査の
検出率が８０％以下と悪い。

【００２７】次に、コンタクトホールの底部にＳｉＯ₂
またはレジストの残膜（残渣）がある場合についてのコ
ントラスト発生機構について、図６〜図８を用いて説明
する。図６は帯電の様子を示しており、図３と同一部分
には同一番号が付されており、また、２３はＳｉＯ₂ ま
たはレジストの残膜である。

【００２８】コーン状の電子ビーム１で残膜２３を有し
たコンタクトホール２２を走査した場合、斜めに照射さ
れる部分の電子ビームがコンタクトホールの側面と残膜
に入射して２次電子を発生させ、コンタクトホール２２
の側面と残膜２３を＋に帯電させる。コンタクトホール
の側面は電子ビームが斜めに入射するため、残膜２３に
比べてより多くの２次電子を発生させるため、＋帯電電
圧は残膜２３よりも高くなる。

【００２９】残膜２３から発生した２次電子は、上方に
進むに従って側面の＋帯電電圧で上方斜め方向に加速さ
れる。更に、この２次電子は、コンタクトホール２２の
表面近傍（コンタクトホール近傍の試料表面の＋帯電電
圧は電子ビームがほぼ垂直入射であるため側面よりは低
い）で減速するが、２次電子検出器方向には脱出でき
る。

【００３０】このような現象により、得られる走査電子
顕微鏡像におけるコンタクトホールの平面方向のコント
ラストを図７に示す。図７において、Ａはコンタクトホ
ールの開口部分であり、Ｂはエッジ効果で２次電子が多
く放出されて明るく表示される領域である。また、Ｄは
コンタクトホール２２の底部であり、その部分からの２
次電子が多いために明るく表示される。なお、図８はコ
ンタクトホール２２の断面方向の信号強度変化を示して
いる。

【００３１】上記はコンタクトホールのアスペクト比が
３〜５程度の比較的小さな場合であるが、コンタクトホ
ールのアスペクト比が１０〜１５と大きくなると、上記
と同様に側面と残膜は＋に帯電するが、側面部の＋帯電
電圧は、アスペクト比３〜５と小さい場合に比べて高く
なる。これは、コンタクトホールの側面に斜めに入射す
る電子ビーム量が多くなり、発生する２次電子がより多
いことに基因する。

【００３２】したがって、残膜で発生した２次電子は上
方に進むに従って、側面の＋帯電電圧で上方斜め方向に
加速されるが、側面のより高い＋帯電電圧で軌道が曲げ
られ、コンタクトホールの側面に衝突する。

【００３３】この結果、残膜からの２次電子は、コンタ
クトホールの表面に脱出することができない。このとき
のコンタクトホールの平面方向のコンタトラストは、図
７のようにではなく図４のようにエッジ効果で明るい円
環の内径部が暗くなる。これは、２次電子がコンタクト
ホールの開口から脱出できないためである。もし、残膜
がとんでもなく厚くなったため実効のアスペクト比が３
〜５程度に小さくなれば、図７、図８で示す状態と同様
となるが、残膜が数１０ｎｍ以下と薄くなる（アスペク
ト比が１０〜１５となる）と、内径部が暗くなる。この
ことは、コンタクトホールのアスペクト比が大きくなる
と残膜の厚さに対応した２次電子コントラストが得られ
ないことを示す。

【００３４】本発明は、このような点に鑑みてなされた
もので、その目的は、開口径の小さい、例えば、０．０
５μｍ以下の径で高アスペクト比、例えば、１０〜１５
のコンタクトホールの開口不良等を高いスループットで
検査することができる電子ビーム検査装置およびコンタ
クトホールの検査方法を実現するにある。

【００３５】

【課題を解決するための手段】本発明に基づく電子ビー
ム検査装置は、電子銃と、電子銃からの電子ビームを試
料上に集束する対物レンズと、試料上で電子ビームを２
次元的に走査するための上段と下段の偏向器と、試料に
照射される電子ビームの開き角を制御するレンズと、試
料への電子ビームの照射によって発生した電子（２次電
子あるいは反射電子）を検出する検出器とを備えてお
り、電子ビームは、上段と下段の偏向器により、試料に
垂直入射の条件を保って走査されることを特徴としてい
る。

【００３６】これによって、電子ビームは、試料に照射
される電子ビームの開き角を制御するレンズによって開
き角が極めて小さくされ、上段と下段の偏向器により、
試料に垂直入射の条件を保って走査され、試料からの電
子（２次電子あるいは反射電子）は検出器により検出さ
れる。

【００３７】更に、試料に照射される電子ビームの開き
角は、１０^-5〜１０^-6ｒａｄとされ、また、試料に照射
される電子ビームの開き角を制御するレンズは、その開
き角を大きな角度から小さな角度まで制御することがで
き、観察モードのときには開き角を大きくするように切
り替えられ、検査モードのときには開き角を小さくする
ように切り替えられることを特徴としている。

【００３８】また更に、試料への電子ビームの照射によ
って発生した電子（２次電子あるいは反射電子）を検出
するほぼドーナツ状の検出器とを備えており、検出器は
電子ビームの光軸上で対物レンズの後方に配置されるこ
とを特徴としている。

【００３９】加えて、試料と対物レンズとの間に電界制
御レンズが配置され、試料と電界制御レンズ間の電圧が
０〜±１ｋＶの範囲で可変できるように構成されている
ことを特徴としている。

【００４０】本発明に基づくコンタクトホールの検査方
法は、コンタクトホールが多数形成された試料に対して
１０^-5〜１０^-6ｒａｄの開き角で電子ビームを照射する
と共に、電子ビームを試料に垂直入射の条件を保って２
次元的に走査し、この試料への電子ビームの照射によっ
て発生した電子（２次電子あるいは反射電子）を電子ビ
ームの光軸上で対物レンズの後方に配置されたほぼドー
ナツ状の検出器で検出するようにしたことを特徴として
いる。

【００４１】本発明に基づく電子ビーム検査装置の、電
子ビームの開き角と、垂直入射とを調整するための試料
と方法は、垂直な内壁を有する溝または孔と、異なる高
さに配置されたスケールとを有する試料であり、これを
用いて、調整することを特徴としている。

【００４２】更に、垂直な内壁を有する溝は、垂直な側
面を持つ２つの部材をその垂直な側面を互いに向き合わ
せて隙間を開けて配置したとき生じた間隙であること、
あるいは、垂直な内壁を有する溝は、その溝の方向が互
いに異なる方向に、複数配置されたことを特徴としてい
る。

【００４３】また更に、垂直な側面を持つ４つの直方体
を平面上に２列２行に、かつ互いに一定の間隔を開けて
配置したものと、異なる高さに配置されたスケールとを
有する試料であることと、およびこれを用いて、電子ビ
ームの開き角と、垂直入射とを調整することを特徴とし
ている。

【００４４】加えて、垂直な垂直な側面を持つ４つの直
方体は、Ｓｉ（１００）単結晶あるいはＧａＡｓ（１０
０）単結晶から切り出したものであり、スケールは、Ｎ
ｉ製のメッシュあるいはグレーティングあること、加え
て、垂直な垂直な側面を持つ４つの直方体の切り出す大
きさは、厚さ略０．６〜０．７ｍｍ、平面の一辺略１０
ｍｍ角であり、４つの直方体間の間隙は、０．１〜０．
２ｍｍであり、メッシュは２５〜１００μｍメッシュで
あり、スケールを配置する異なる高さは、一方は前記直
方体の上面の高さであり、他は直方体の下面の高さであ
ることを特徴としている。

【００４５】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。図９は本発明に基づく電子
ビーム検査装置を示しており、３０は電子銃である。電
子銃は、各種の電界放射型電子銃のごとく、平行性の良
い高輝度（例えば、１０⁷ Ａ／ｃｍ²．sterad）の電子
ビームを発生することができる。

【００４６】この電子銃３０は、加速電圧を選択するこ
とができ、パターン付きウエハのレジストやＳｉＯ₂な
どの酸化膜のコンタクトホール、あるいは、Ａｌ、Ｃｕ
などのパターンの配線等の欠陥検査を目的としているこ
とから、ウエハの電子ビームによる帯電を極力押さえる
ために、後述する試料に印加される減速電圧によって減
速されて、最終的に試料に照射される加速電圧として
は、主に１〜０．４ｋＶの範囲で使用される。なお、電
子銃３０には加速電圧や引出電圧等を制御するための制
御回路が設けられているが、それは省略されている。

【００４７】電子銃３０から発生し加速された電子ビー
ムは、集束レンズ３１によって集束される。この集束レ
ンズ３１は電界レンズでも磁界レンズでもいずれでも良
い。この集束レンズ３１は、ウエハ試料３２に照射され
る電子ビームＥＢのプローブ電流を約１０^-12 〜１０^-8
Ａの範囲で可変できる。

【００４８】３３は開き角制御レンズ（angular apertu
re control lens）であり、このレンズ３３は電界レン
ズでも磁界レンズでもいずれでも良く、電子ビームＥＢ
の試料３２への開き角とビーム径を制御する。３４は対
物レンズ絞りであり、絞りの開口穴が複数個備えられて
おり、そのいずれかが選択されるように構成されてい
る。絞り開口穴の形状は、円形、線形、四角、長方形な
どとされている。この絞り３４の取り付け位置は、図示
した位置以外に、開き角制御レンズ３３内であっても良
い。

【００４９】絞り開口穴の円形は、円形のコンタクトホ
ールの開口検査や微小異物の形態観察の際に選択されて
用いられる。また、線形、四角、長方形の絞りは、配線
不良の検査（ボルテージ・コントラスト：平面や立体に
配線された配線が途中で断線していると入射電子ビーム
で断線部の配線が帯電する）の際に選択されて用いられ
る。この線形、四角、長方形の絞りのときは、電子ビー
ムの走査方向をスキャンローテイション機能で配線図形
と一致させる。

【００５０】３５は上段のＸ−Ｙ偏向器、３６は下段の
Ｘ−Ｙ偏向器であり、そのいずれにもＸ−Ｙ方向のアラ
イメント機能が付属されている。この上段偏向器３５と
下段偏向器３６とにより、電子ビームＥＢはウエハ試料
３２上でＸ−Ｙの２次元方向に走査される。

【００５１】上段偏向器３５に付属しているアライメン
ト機能は、電子ビームの２次元的な走査の各位置で、電
子ビームがウエハ試料３２に垂直入射することを補償す
る。また、下段偏向器３６に付属しているアライメント
機能は、電子ビームＥＢの軸合わせ（電子ビームの位置
合わせ）を行うために備えられている。

【００５２】これら偏向器３５，３６は、静電型の偏向
器であり、ウエハ試料３２上を最大数１００μｍのライ
ン走査（１次元走査）と、数１００μｍのＸ−Ｙ面走査
（２次元走査）に切り換えができるように構成されてい
る。また、電子ビームの走査速度は、１ラインを最大４
０９６画素から５１２画素まで切り換えができる。

【００５３】１ラインを４０９６画素とした場合、走査
速度を、ＳＬＯＷ走査（２０ｍｓｅｃ／４０９６＝４．
８８μｓｅｃ／画素）からＴＶ走査（６３．５μｓｅｃ
／４０９６＝１５．５ｎｓｅｃ／画素）までとすること
ができる。また、１ラインを５１２画素とした場合、走
査速度を、ＴＶ走査（６３．５μｓｅｃ／５１２＝１２
４ｎｓｅｃ／画素）から１００ＭＨｚ（５．１２μｓｅ
ｃ／５１２＝１０ｎｓｅｃ／画素）までとすることがで
きる。従って、ＴＶ走査では肌理の細かい１ライン４０
９６画素から粗い１ライン５１２画素まで可変できる。
これによって、ＴＶ走査では、試料上の電子ビームの走
査幅が同じ場合、８倍の肌理細かさの選択幅があること
になる。更にまた、ＴＶ走査では、１ラインを５１２画
素で検査した後、ある注目視野とそれを含む近傍を同じ
肌理細かさで再検査しようとした場合、その注目視野の
８×８＝６４倍広い視野を同じ走査時間で検査すること
もできる。

【００５４】３７は上段偏向器３５と下段偏向器３６と
の間に配置された電子（２次電子あるいは反射電子）の
検出器であり、この検出器の形状は、光軸上に電子ビー
ムが通過する微小開口を有したほぼドーナツ状となって
いる。この検出器３７としては、ショットキーバリア
ー、ピンダイオード、アバランシュ等の半導体高速検出
器、あるいは、ＹＡＰ、プラスチックシンチレータ、化
合物半導体シンチレータなどとこれらの発光波長に適し
た光電子増倍管との組み合わせを用いることができる。
検出器３７の検出信号は、図９では図示していないが、
図１に示した増幅器７以下の欠陥検出の高速画像処理ユ
ニット（８〜１５）に供給される。

【００５５】３８は磁界型対物レンズであり、電子ビー
ムＥＢをウエハ試料３２上にフォーカス合わせをする。
３９は静電型の電界制御レンズであり、ウエハ試料３２
に対して０〜±１ｋＶの範囲で電圧を可変することがで
きる。そのために、電界制御レンズ３９と試料３２とに
は、それぞれ独立に所定の電圧が印加・調節されるよう
になっている。例えば、電界制御レンズ３９には−１０
ｋＶ〜−１１ｋＶの電圧が印加されている。また、試料
３２は図示していないステージ上に載置されているが、
試料とステージとの間は絶縁されており、例えば、試料
３２には−９ｋＶ〜−１１ｋＶの電圧が印加されてい
る。これらの減速電圧によって、電子ビームＥＢ（例え
ば、減速される前の電子ビームのエネルギーが１０ｋｅ
Ｖ〜１２ｋｅＶのとき）は所望の加速電圧１〜０．４ｋ
Ｖの範囲にまで減速されて試料３２に照射される。この
ような構成の動作を次に説明する。

【００５６】上記した構成で、集束レンズ３１により、
ウエハ試料３２に入射する電子ビームＥＢのプローブ電
流は変えられるが、このプローブ電流可変に連動して、
開き角制御レンズ３３、対物レンズ３８、対物レンズ絞
り３４は、図示していないマイクロプセッサーユニット
等により制御される。

【００５７】具体的には、図９に示した構成の電子ビー
ム検査装置は、「検査モード」と「観察モード」のいず
れかに切り換えができる。「検査モード」はコンタクト
ホールの検査や配線不良検査、微小異物検査を行う場合
に選択される。また、「観察モード」は、不良欠陥の形
態観察のために選択され、その際には、ウエハ試料３２
に照射される電子ビームは、一般の走査電子顕微鏡と同
様に開き角が大きな１０^-2〜１０^-3ｒａｄのコーン状の
電子ビームとなる。

【００５８】コンタクトホールの検査や配線不良検査の
ための「検査モード」が選択された場合、開き角制御レ
ンズ３３は、対物レンズ３８と連動して、ウエハ試料３
２に照射する電子ビームＥＢの開き角を小さな角度、例
えば、１０^-5〜１０^-6ｒａｄに制御され、電子ビームは
ほぼ平行ビームとなる。また、「観察モード」が選択さ
れた場合、開き角制御レンズ３３は、対物レンズ３８と
連動して、ウエハ試料３２に照射する電子ビームＥＢの
開き角を比較的大きな角度、１０^-2〜１０^-3ｒａｄに制
御され、電子ビームはコーン状となる。

【００５９】各レンズにより開き角等が制御される電子
ビームＥＢは、上段偏向器３５と下段偏向器３６によ
り、試料３２上で走査されるが、この電子ビームは対物
レンズ３８の後方焦点近傍をその偏向中心とし、かつ、
ウエハ試料３２の表面を垂直走査するように２段偏向さ
れる。

【００６０】なお、「検査モード」と「観察モード」間
の切換に際して、対物レンズ３８が磁場レンズの場合に
は像に回転が生じるため、上段偏向器３５と下段偏向器
３６に回転補正電流が走査電流に同期して加算される。

【００６１】上記「検査モード」が選択されたとき、電
子ビームの走査はＴＶ走査から１００ＭＨｚとされ、ま
た、「観察モード」が選択されたとき、電子ビームの走
査はＳＬＯＷ走査からＴＶ走査に切り替えられる。

【００６２】ところで、図示していないが、ウエハ試料
３２はＸ−Ｙステージ上に載置され、連続走行あるいは
ステップ・アンド・リピート（具体的には、試料上のあ
る所望の位置にＸ−Ｙステージを移動しそこで停止して
電子ビームの２次元走査で観察等を行い、それが完了し
たら、試料上の次の所望の位置に移動しそこで停止して
観察を行うことを繰り返す動作）で切り替えて制御され
るように構成されている。コンタクトホールの開口不良
検査、配線不良検査、微小異物検査は、検査のスループ
ットを高速処理するため、最大数１００μｍで電子ビー
ムをライン走査（１次元の走査）し、試料３２はステー
ジにより連続走行されて自動検査が実行される。通常、
この自動検査は「検査モード」で行われる。

【００６３】「観察モード」における観察時に欠陥部が
観察されたとき、その周辺を検査する必要が生じる。そ
のような時は、まず「観察モード」から「検査モード」
に切り替えるが、試料３２はステージによる連続走行で
はなく、ステップ・アンド・リピート駆動のままにして
おき、その欠陥部の場所の周辺での拡大検査をするよ
う、電子ビームＥＢを数１００μｍ四方のＸ−Ｙ面走査
（２次元の走査）で、かつ一辺４０９６画素で肌理細か
に欠陥検査される。

【００６４】あるいは、例えば一辺５１２画素のＴＶ走
査による「検査モード」で検査していて問題箇所等を見
つけたとき、その近傍を一辺４０９６画素のＴＶ走査に
切り換えて６４倍広い面積を、面積当たり同一画素数で
検査することもできる。

【００６５】更に、効率よくコンタクトホール検査や配
線不良検査を行うため、半導体設計上の予想される懸念
領域を、ＣＡＤの設計データに基づき位置情報を作成
し、例えば、懸念されるコンタクトホールを狙い撃ち、
あるいは、懸念される配線不良箇所のみにウエハ試料を
移動させ（ステージ移動はステップ・アンド・リピート
駆動となる）、「検査モード」で電子ビームＥＢをその
領域で２次元走査する。

【００６６】ウエハ試料３２への電子ビームＥＢの照射
により２次電子が発生するが、この２次電子は、試料３
２と電界制御レンズ３９および対物レンズ３８との間の
電圧、例えば、１１ｋＶで加速されて検出器３７に入射
する。

【００６７】このとき、電界制御レンズ３９の印加電圧
を試料より低い電圧にすれば、試料から発生する２次電
子のエネルギーの低い成分を選択的に除去することがで
きる。このようにすれば、試料上の帯電に影響され易い
エネルギーの低い２次電子をカットして、より信頼性の
高いデータを得ることができる。つまり、通常でも検出
器３７には２次電子の他に反射電子も検出されている
が、エネルギーの低い２次電子をカットすることによっ
て、検出される信号は反射電子の成分の割合が多くなり
る。検出電子のエネルギーが高いほど試料上の帯電の影
響が少ないから、このようにして得られた信号による走
査像は、試料上の帯電の影響が少ない、より信頼性の高
いデータとなるのである。

【００６８】この検出器３７の取り付け位置は、図９で
は上段偏向器３５と下段偏向器３６との間となっている
が、上段偏向器３５と対物レンズ絞り３４との間、ある
いは、下段偏向器３６と対物レンズ３８との間のいずれ
かでも良い。しかしながら、それらの位置のいずれかに
するかは、設計上のそれぞれの利点から選択することが
できるが、試料３２から発生した２次電子が検出器まで
に到達する時間は、試料から検出器までの距離におおむ
ね比例するので、下段検出器３６と対物レンズ３８との
間に取り付け、できる限り試料との距離を短くすること
が望ましい。

【００６９】この決定的な理由としては２つあるが、そ
の第１は上記したように、検出器までの２次電子の飛行
時間が短くできることで、後に述べるように、下段偏向
器３６で電子ビームＥＢを画素当たり１０ｎｓｅｃ相当
で高速走査したとき、２次電子の飛行時間は１０ｎｓｅ
ｃ未満で数ｎｓｅｃが望ましいためである。

【００７０】第２の理由は、対物レンズ３８の後方焦点
位置に検出器３７を配置できることである。この位置
は、電子ビームの偏向中心となるため、検出器の中心の
開口を、他の位置に検出器を取り付けた場合に比べて開
口面積を最小とすることができる。（電子ビームをＸ−
Ｙ走査する場合は、検出器の開口は四角形でよく、スワ
ス画像による欠陥検査は電子ビームがＸ−Ｙ走査のいず
れか一方のみの走査となるため、検出器の開口は線状に
近い長方形でよい。）したがって、試料３２上から発生
した２次電子の小角度放出（電子ビームの光軸に対する
角度）のものから、大角度放出までを検出することがで
きる。

【００７１】図１０はウエハ試料３２からの２次電子の
放出の様子を示したもので、Ｄは試料３２からの２次電
子の放出角度分布（放出角に対する放出強度分布）であ
る。また、Ｅ₁ は小角度放出２次電子の軌跡であり、Ｅ
₂ は大角度放出２次電子の軌跡である。

【００７２】しかしながら、コンタクトホールの底部か
らの２次電子について考慮すると、図１１に示すよう
に、開口径が０．１μｍで、アスペクト比１０〜１５の
コンタクトホール２２では、大角度放出２次電子Ｅ₂
は、コンタクトホールの側面に衝突して消失してしま
う。したがって、小角度放出の２次電子Ｅ₁ をより多く
検出するには、検出器３７の電子ビームが通過する開口
をできる限り小さい径にすることが必須の条件となる。
この結果、対物レンズ３８の後方焦点位置近傍に検出器
３７を配置することが最適となる。

【００７３】さて、ウエハ試料３２に照射される電子ビ
ームについて再度考察してみる。２つのモードすなわ
ち、検査モードと観察モードとで１つの対物レンズ絞り
径（例えば５０μｍ径）が選択されたとする。そうする
と、開き角制御レンズ３３と対物レンズ３８が連動して
制御され、試料３２に照射される電子ビームＥＢの開き
角は数１０^-2ｒａｄ〜１０^-6ｒａｄ、ビーム径は５ｎｍ
〜５０ｎｍの範囲で制御される。

【００７４】図１１に示す０．１μｍの開口径で、アス
ペクト比１０〜１５（０．１μｍ／２×１．０〜１．５
μｍ＝０．０５〜０．０３ｒａｄ）のコンタクトホール
２２において、残膜２３の良好なコントラストを得るに
は、電子ビームの開き角は、一般の走査電子顕微鏡の
０．０５〜０．０３ｒａｄの１／１０〜１／１００の３
×１０^-5〜１０^-6ｒａｄでなければならない。

【００７５】この理由は、図６で説明したように、一般
の走査電子顕微鏡の電子ビームは、開き角が数１０^-3ｒ
ａｄのコーン状の電子ビームであるため、コンタクトホ
ールの端部に差し掛かった瞬間に、斜め入射の電子ビー
ムがコンタクトホールの側面に衝突して＋に帯電させる
ためである。この帯電を避けるため、入射電子ビームの
開き角は、十分小さな１０^-5〜１０^-6ｒａｄでなければ
ならない。更に、入射電子ビームは、コンタクトホール
の側面に平行入射すること、すなわち、ウエハ試料３２
面に垂直入射でなければならない。

【００７６】ウエハ試料３２に電子ビームを垂直入射さ
せるためには、上段の偏向器３５と下段の偏向器３６と
によって電子ビームを走査すると共に、正確な垂直入射
を補償するため、コンタクトホールを２次電子で観察し
ながら、各偏向器に備えられたアライメント機能を用い
て、図７に示したエッジ効果によるリング状の明るいコ
ントラストが回転対称に見えるように調整することが必
要である。

【００７７】ところで、コンタクトホールの開口部を従
来の走査電子顕微鏡のコーン状の電子ビーム（ビーム径
は５〜８ｎｍ、開き角は数１０^-3ｒａｄで、ビーム電流
は５０〜２００ｐＡ）で観察すると、エッジ効果が強調
されるため（図３参照）、隣同志のコンタクトホールの
パターン比較を行おうとすると、図１２に示すように、
検出画素数が１２×１２〜７×７位は必要である。この
図１２でＢはコンタクトホールのエッジ効果で明るく表
示された部分であり、また、図示されているひとつの格
子は、ひとつの画素を示している。更に、範囲Ｓが必要
とされる画素の範囲となる。

【００７８】一方、本発明では、試料に照射する電子ビ
ームは平行性の良いビームであるため、すなわち、電子
ビームの開き角が１０^-5〜１０^-6ｒａｄ、ビーム径が２
５ｎｍ〜１００ｎｍ、ビーム電流が５０ｐＡ〜５ｎＡで
コンタクトホールの検査を行うので、図１３に示すよう
に、エッジ効果が低く押さえられてコンタクトホールの
内部Ｉのコントラストがほぼ均一となる。これらの効果
により、検出画素数の範囲Ｓを５×５以下とすることが
できる。

【００７９】この結果、検出画素数が従来に比べて２倍
に改善することができ、欠陥検査のパターン比較の演算
時間を半分にまで減少することができ、高いスループッ
トで検査を行うことが可能となる。なお、同様の効果
は、配線不良のボルテージ・コントラストの観察におい
ても得られる。

【００８０】なお、試料３２には−９ｋＶ〜−１１ｋＶ
の電圧が印加され、試料３２の前面に配置された静電レ
ンズである電界制御レンズ３９には、−１０ｋＶ〜−１
１ｋＶの電圧が印加されて、電界制御レンズ３９とウエ
ハ試料３２との間の電圧は、０〜±１ｋＶの範囲で可変
できることは先に述べた。この電界制御レンズの役割の
一つは、電子ビームＥＢでパターン付きウエハ試料を観
察しているときに、コンタクトホールの開口部が帯電し
てコンタクトホールのコントラストが阻害された場合、
電界制御レンズ３９の電圧を制御して、ウエハ試料の全
体とコンタクトホールの開口部の帯電を抑制し、コンタ
クトホールの開口部の良好なコントラストを得ることで
ある。

【００８１】このとき、ウエハ試料上の極く一部、例え
ば、１つのチップ内のコンタクトホールの開口部の帯電
とコントラストのみに注目して電界制御レンズの制御電
圧を設定する設定作業を時間を掛けて丹念に行ったとす
る。そしてそれに引き続いて、ウエハ試料内の他のチッ
プのコンタクトホールの検査を行うと、そこでは帯電が
発生している場合がある。つまり、特定の一部での時間
を掛けた設定作業によって、帯電の条件が微妙に変わっ
てしまったためである。従って、ウエハ試料上の１か所
のみではなく、例えば、ウエハの中心と四隅のチップを
観察して制御電圧を設定するような注意が必要である。

【００８２】次に、このような装置における、電子ビー
ムの開き角と垂直走査の検証法と調整法、および電子ビ
ームの径の検証法について、具体的に説明する。検証と
調整は適当な標準試料を用意して、これを用いて行われ
る。

【００８３】電子ビームの開き角と垂直走査の調整法
は、後述する（１）電子ビームの平行走査の調整法と
（２）電子ビームの垂直度の調整法を組み合わせて実施
し、必要ならば、これを２〜３回繰り返すことによって
完了する。電子ビームの開き角の検証法は、（２）電子
ビームの垂直度の調整法を利用することによって検証さ
れる。電子ビームの垂直走査の検証法は、（１）電子ビ
ームの平行走査の調整法と（２）電子ビームの垂直度の
調整法の双方を利用することによって検証される。ま
た、後述する（３）電子ビームの径の検証法は、上記電
子ビームの開き角と垂直走査の調整法が完了後に行わな
ければならない。

【００８４】図１４は、本発明に基づく電子ビーム検査
装置の電子光学系と標準試料との関係を示す図であり、
図９の一部に標準試料の断面を描き加えた図である。図
１５は標準試料を示す平面図である。図１６は試料駆動
ステージのＸ−Ｙ駆動方とウエハ試料および標準試料の
配置を示す平面図である。

【００８５】図１４において、１０１は標準試料を保持
する基板、１０２は電子ビームの走査幅を校正するため
のスケールであって、例えば、Ｎｉ製の１００μｍない
し２５μｍメッシュやグレーティング等である。このス
ケール１０２は基板１０１上に平面的に貼り付けられて
いる。１０３は、例えば、厚さが略０．７ｍｍのＳｉ
（１００）単結晶を略１０ｍｍ角に切り出したものや厚
さ略０．６ｍｍのＧａＡｓ（１００）単結晶を略１０ｍ
ｍ角の切り出したもので、それぞれの切り出し面が結晶
面と平行であって、互いに隣り合う切り出し面がほぼ正
確に直角になっている「直方体」である。この直方体１
０３は互いに隣り合う切り出し面がほぼ正確に直角にな
っているなら、他の物であってもよい。直方体１０３
は、直方体１０３の最も広い面のひとつが基板１０１の
上面に接するようにして、基板１０１上に貼り付けられ
ている。１０４はスケール１０２と同じ物が直方体１０
３上に平面的に貼り付けられている。

【００８６】１０５は電子ビーム、１０６は対物レン
ズ、１０７は下段偏向器、１０８は上段偏向器、１０９
は開き角制御レンズであり、本発明に基づく電子ビーム
検査装置の電子光学系を示す図９から検証法と調整法の
説明に必要な構成のみを抜き出している。

【００８７】電子ビーム１０５は、上段偏向器１０８と
下段偏向器１０７で偏向されて対物レンズ１０６に入射
し、対物レンズ１０６によって、ある電子ビーム開き角
とある電子ビーム入射角を保ちながら、例えば、直方体
１０３の上面に照射される。電子ビームの開き角と電子
ビーム径は、開き角制御レンズ１０９によって制御され
る。電子ビームの入射角は、上段偏向器１０８と下段偏
向器１０７によって制御される。なお、２次電子あるい
は反射電子等の検出器は、上段偏向器１０８と対物レン
ズ１０６との間に配置されているが省略してある。

【００８８】図１５は標準試料を示す平面図である。図
１５において、基板１０１には、直方体１０３が４個と
スケール１０２が貼り付けられ、スケール１０４が直方
体１０３のひとつに貼り付けられている。４つの直方体
１０３はそれぞれの切り出し面が互いに平行かつその間
隔が０．１〜０．２ｍｍになるように配置されている。
また、スケール１０２および１０４の目盛の方向（例え
ばメッシュの線の方向）は直方体１０３の側面の方向と
平行あるいは直交に合わせておく。

【００８９】図１６は試料駆動ステージのＸ−Ｙ駆動方
向とウエハ試料および標準試料の配置を示す平面図であ
る。図１６において、１１０は試料駆動ステージのＹ軸
の駆動方向を示し、１１１は試料駆動ステージのＸ軸の
駆動方向を示し、Ｚ軸その他の駆動軸は省略してある。
１１２は試料を保持するステージトップであり、Ｘ軸、
Ｙ軸等の駆動に伴って移動する。１１３はウエハ試料で
あり、ステージトップ１１２に脱着可能に取り付けられ
ている。１１４は、図１５に示した基板１０１上にスケ
ール１０２等が貼り付けられた標準試料であり、ステー
ジトップ１１２に固定的または脱着可能に取り付けられ
ている。

【００９０】このとき標準試料１１４の直方体１０３の
高さはウエハ試料１１３の高さと略一致するようになっ
ている。また、標準試料１１４の直方体１０３の切り出
し面の一方が試料駆動ステージのＸ軸の駆動方向と他の
切り出し面が試料駆動ステージのＹ軸の駆動方向と略一
致している。

【００９１】以下、このような標準試料１１４を用いて
の、検証法と調整法について順次説明する。図１７は電
子ビームの垂直走査の検証法と調整法を説明する図であ
る。図１８は電子ビームの平行走査の調整法の操作の手
順を示す図である。図１９は電子ビームの開き角の検証
法と調整法を説明する図である。図２０は電子ビームの
垂直度の調整法の操作の手順を示す図である。図２１は
電子ビームの垂直度を調整する際の走査像を示す図であ
る。図２２は電子ビームの径の検証法を説明する図であ
る。図２３は電子ビームの径を検証する際の走査像を示
す図である。

【００９２】図１７において、電子ビームは上段偏向器
１０８に入射し、上段偏向器１０８によって、角度θ
_upper偏向されて、下段偏向器１０７に入射し、下段偏
向器１０７によって、逆方向に角度θ_lower偏向され
る。従って、電子ビームは対物レンズ１０６に、角度θ
＝θ_upper＋θ_lowerで入射する。ここで、θ_upperが正
の角のとき、θ_lowerは負の角となる。続いて電子ビー
ムは、対物レンズ１０６のレンズ作用によって、逆方向
に角度θ偏向されれば、電子ビームは垂直となる。この
ようなとき、電子光学系の中心軸と電子ビームの交点
は、対物レンズ１０６の後方焦点と一致し、かつ走査の
間中不動である。そこで、上段偏向器１０８と下段偏向
器１０７によって作られる角度θ＝θ_upper＋θ_lowerが
対物レンズ１０６のレンズ作用による偏向角度と一致す
るように調整すればよいことになる。この調整作業は、
上段偏向器１０８と下段偏向器１０７にそれぞれ付属し
ているアライメント機能を用いて行う。即ち、アライメ
ント機能は、上段偏向器１０８のθ_upper偏向角と下段
偏向器１０７のθ_lower偏向角を独立に調整するより
は、図１７のように、上段偏向電源１２１と下段偏向電
源１２２に付属させて、（ａ）偏向角度比θ_lower／θ
_upperを調整できる偏向角比調整器１２３と、（ｂ）上
段偏向器１０８と下段偏向器１０７との双方あるいは一
方に掛けるバイアス電圧を調整できる偏向バイアス調整
器１２４の２組を用意するとよい。上記（ａ）偏向角比
調整器１２３を用いて、偏向角度比θ_lower／θ_upperを
調整すると、前述した走査の間中不動である点を電子光
学系の中心軸方向に移動させることができる。また、上
記（ｂ）偏向バイアス調整器１２４を用いて、上段偏向
器１０８と下段偏向器１０７との双方あるいは一方に掛
けるバイアス電圧を調整すると、走査の間中不動である
点を電子光学系の中心軸に垂直な面内で移動させること
ができる。

【００９３】（１）電子ビームの平行走査の調整法（図
１８参照）（ステップ１）電子ビームを、上段偏向器１０８と下段
偏向器１０７を用いてＸ−Ｙ方向の２次元走査を行な
い、図示しないＣＲＴ上に走査像を表示する。試料ステ
ージを駆動して、電子ビーム下に標準試料１１４のスケ
ール１０４が来るようにする。対物レンズ１０６を用い
て、電子ビームの焦点をスケール１０４上に合わせる。（ステップ２）ＣＲＴ上で、スケール１０４のＸおよび
Ｙ方向それぞれのひと目盛の長さ（例えばメッシュの線
から線への周期長さ）を記録する。（ステップ３）試料ステージを駆動して、電子ビーム下
に標準試料１１４のスケール１０２が来るようにする。
対物レンズ１０６を用いて、電子ビームの焦点をスケー
ル１０２上に合わせる。（ステップ４）ＣＲＴ上で、スケール１０２のＸおよび
Ｙ方向それぞれのひと目盛の長さを記録する。（ステップ５）上記ステップ１で記録したＣＲＴ上での
スケール１０４のＸのひと目盛の長さと上記ステップ２
で記録したＣＲＴ上でのスケール１０２のＸのひと目盛
の長さとが一致しているかを調べる。同じく、上記ステ
ップ１で記録したＣＲＴ上でのスケール１０４のＹのひ
と目盛の長さと上記ステップ２で記録したＣＲＴ上での
スケール１０２のＹのひと目盛の長さとが一致している
かを調べる。Ｘ、Ｙそれぞれが一致していれば、平行走
査の調整は完了する。（ステップ６）上記において、Ｘ、Ｙ双方、あるいは一
方が一致していなければ、それらが一致するように、前
述した、上段偏向器１０８と下段偏向器１０７に付属し
ている（ａ）偏向角度比θ_lower／θ_upperを調整するた
めのアライメント機能、偏向角比調整器１２３を用いて
偏向電圧を微調整する。ステップ２に戻る。図１９にお
いて、細線で示さる電子ビームの軌道は電子ビーム開き
角が大きい場合であり、太線で示さる電子ビームの軌道
は電子ビーム開き角が小さい場合である。電子ビーム
は、開き角制御レンズ電源１２０を介して、開き角制御
レンズ１０９で開き角が調節され、上段偏向器１０８と
下段偏向器１０７とで所定の偏向を受け、対物レンズ１
０６でフォーカスされ、所定の開き角で試料に照射され
る。このとき電子ビームの開き角が十分小さく、かつ試
料に垂直に照射されていれば、基板１０１に照射した電
子ビームは直方体１０３の側面に当たることなく、基板
１０１の上面に達することができる。（２）電子ビームの垂直度の調整法（図１９、２０およ
び２１）（ステップ１）電子ビームを、上段偏向器１０８と下段
偏向器１０７を用いてＸ−Ｙ方向の２次元走査を行な
い、ＣＲＴ上に走査像を表示する。試料ステージを駆動
して、電子ビーム下に標準試料１１４の直方体１０３の
ひとつが来るようにする。対物レンズ１０６を用いて、
電子ビームの焦点を直方体１０３上面に合わせる。（ステップ２）試料ステージを駆動して、図２１（Ａ）
のように、ＸおよびＹ方向に隣り合う４つの直方体１０
３のそれぞれの隅とその間隙部の走査像がＣＲＴ上に表
示されるようにする。そうすると、走査像は図２１
（Ｂ）に示す如く、４つの直方体１０３の上面のそれぞ
れの隅の像と間隙部即ち基板１０１の上面の像とが、直
方体１０３の各稜を境にして、隣り合って見えるはずで
ある。しかし、もし電子ビーム１０５開き角が大きかっ
たり、あるいは斜に照射されると、電子ビームが直方体
１０３の稜の近くの間隙部即ち基板１０１の上面に照射
させようとしても、電子ビームの一部が直方体１０３の
垂直面に当たってしまう。このため、図２１（Ｃ）ある
いは（Ｄ）のように、直方体１０３の稜部から間隙部へ
徐々に変化しているように見える「遷移部」ができてし
まう。電子ビームが垂直照射でも開き角が大きいと、対
称的な「遷移部」となる（図２１（Ｃ））。電子ビーム
が垂直照射でないと、それぞれの「遷移部」の幅が異な
り対称的でない（図２１（Ｄ））。（ステップ３）走査像において、もし直方体１０３の稜
部から間隙部へ移行が、上下左右十分に対称になってい
れば、即ち図２１（Ｃ）(図（Ｂ）の場合も含めて)の如
く見えれば、まず走査の垂直度の調整は終わりであり、
ステップ５に飛ぶ。もしそうでなければ、即ち図２１
（Ｄ）の如く見えれば、次のステップに移る。（ステップ４）図２１（Ｄ）の如くであれば、前述し
た、上段偏向器１０８と下段偏向器１０７に付属してい
るバイアス電圧を調整するためのアライメント機能、偏
向バイアス調整器１２４を用いて偏向電圧を微調整し
て、ステップ３に戻る。（ステップ５）走査像において、もし直方体１０３の稜
部から間隙部へ移行が、上下左右共十分急峻であれば、
即ち図２１（Ｂ）の如く見えれば、開き角の調整も終わ
りであり、走査の垂直度も含めて全ての垂直度の調整は
終わりである。もしそうでなければ、即ち図２１（Ｃ）
の如く見えれば、次のステップに移る。（ステップ６）図２１（Ｃ）の如くであれば、開き角制
御レンズ電源１２０を操作して、開き角制御レンズ１０
９の開き角を変えて、ステップ５に戻る。（３）電子ビームの径の検証法（図２２および２３）（ステップ１）電子ビームを、上段偏向器１０８と下段
偏向器１０７を用いてＸ−Ｙ方向の２次元走査を行な
い、ＣＲＴ上に走査像を表示する。試料ステージを駆動
して、電子ビーム下に標準試料１１４の直方体１０３の
ひとつが来るようにする。対物レンズ１０６を用いて、
電子ビームの焦点を直方体１０３上に合わせる。なお、
このとき図示しない非点補正装置を用いて電子ビームの
非点を十分に補正しておく。（ステップ２）直方体１０３のＹ（またはＸ）方向に平
行な稜部がＣＲＴ上の走査像のほぼ中央に来るように試
料ステージを駆動する。（ステップ３）上段偏向器１０８と下段偏向器１０７の
走査方式をＸ（またはＹ）方向の１次元走査（ライン走
査）に切り換え、ＣＲＴ上にラインプロファイルを表示
する。（ステップ４）直方体１０３のＹ（またはＸ）方向に平
行な稜部における、ラインプロファイルの変化から電子
ビーム１０５のＸ（またはＹ）方向の径を求める。な
お、上記説明では、標準試料として４個の直方体を用い
たが、直径０．１〜０．２ｍｍ程度で垂直な内壁を有す
る孔を穿った厚さ０．５〜０．７ｍｍ程度の板が得られ
れば更に望ましい。あるいは、４個の直方体の代用とし
て、垂直な側面を少なくとも１面持つ板２枚で、その垂
直面を互いに向かい合わせて間隙を設け、これを２組用
意して、それら間隙の向きを互いに直交させるように基
板上に配置してもよい。また、上記説明の電子ビームの
開き角と垂直走査の調整法と検証法および電子ビームの
径の検証法は、装置付属のコンピュータを利用して自動
化してもよい。

【００９４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、電子
ビームは、試料に照射される電子ビームの開き角を制御
するレンズによって開き角が極めて小さくされ、上段と
下段の偏向器により、試料に垂直入射の条件を保って走
査され、試料からの２次電子あるいは反射電子は、検出
器により検出されるように構成されている。

【００９５】その結果、コンタクトホールの側面におけ
る帯電を著しく減少させることができるため、従来困難
であった開口径の小さい、高アスペクト比のコンタクト
ホールであっても、コンタクトホールの底部の残膜のコ
ントラストを良好に観察することが可能となり、コンタ
クトホールの開口検査を正確に行うことができる。例え
ば、開口径が０．１μｍ以下でアスペクト比が１０〜１
５のコンタクトホールであってもその開口検査を行うこ
とができる。なお、本発明をプラグ付きコンタクトホー
ルや配線不良のボルテージ・コントラストの検査に用い
ても同様の効果が得られる。

【００９６】また、従来はコンタクトホールのエッジ周
辺のコントラストが大きく、必然的に検出画素数を大き
くせざるを得なくなり、全体の検査のスループットが低
くならざるを得なかったが、本発明では、エッジのコン
トラストが小さくなるので、検出画素数を少なくでき、
検査のスループットを従来の２倍以上とすることができ
る。

【００９７】更に、試料に対する電子ビームのドーズ量
（ｎＱ／画素）は、従来のコーン状の電子ビーム方式で
は１．５×１０^-6と大きな値となっていた。これに対し
て本発明では、特にコンタクトホールのような試料で、
平行ビームとすることによる像のコントラストが大幅に
改善された。このため実験結果によると、試料に対する
電子ビームのドーズ量は、７．５×１０^-8程度と１／２
０以下に改善することができる。このことは、ウエハ試
料への帯電を少なくすることに効果があると共に、試料
の電子ビームによる損傷を著しく軽減することに効果が
ある。

【００９８】更にまた、電子ビームの開き角を小さく、
例えば、１０^-5〜１０^-6ｒａｄとしているので、焦点深
度が１００μｍ以上となる。この結果、８インチ〜１２
インチの大口径のウエハ試料であっても、試料の反り
（ＳＥＭＩ規格では１００μｍ）や、パターニングのプ
ロセスでのウエハの表面凹凸があっても、試料の１か所
で電子ビームのフォーカス合わせを行えば、ウエハ試料
の全面を合焦点で検査することが可能となる。なお、特
に最近のコーン状の電子ビームでは開き角が大きいの
で、フォーカス許容量（デフォーカス量）は略±０．５
μｍ（焦点深度略１μｍ）である。したがって、ウエハ
試料の反りや表面凹凸があるため、同一試料であっても
各所でフォーカス合わせの動作を行わなければならな
い。

【００９９】更にまた、高速広領域１ライン４０９６画
素数のライン走査（１次元走査）と、Ｘ−Ｙ面走査（２
次元走査）を切り換えできることにより、観察中に欠陥
箇所を発見した場合には、直ちにその周辺の広領域をス
テージの移動なしに走査することができる。

【０１００】また、試料に照射される電子ビームの開き
角を制御するレンズは、その開き角を大きな角度から小
さな角度まで制御することができ、観察モードのときに
は開き角を大きくするように切り替えられ、検査モード
のときには開き角を小さくするように切り替えられるこ
とを特徴としている。その結果、同一装置でコーン状の
電子ビームにより微小異物検査や試料表面の形態観察を
行うことと、開き角を小さくしてコンタクトホールの検
査や配線不良検査を行うことができる。

【０１０１】更にまた、試料からの２次電子あるいは反
射電子は、対物レンズの後方に配置された検出器により
検出されるように構成されている。その結果、試料から
の２次電子あるいは反射電子を効率よく検出器に検出さ
れる。

【０１０２】更に加えて、試料と対物レンズとの間に電
界制御レンズが配置され、試料と電界制御レンズ間の電
圧が０〜±１ｋＶの範囲で可変できるように構成されて
いるので、コンタクトホールの開口部の帯電を抑制する
ことができる。

【０１０３】本発明に基づくコンタクトホールの検査方
法は、コンタクトホールが多数形成された試料に対して
１０^-5〜１０^-6ｒａｄの開き角で電子ビームを照射する
と共に、電子ビームを試料に垂直入射の条件を保って２
次元的に走査し、この試料への電子ビームの照射によっ
て発生した２次電子あるいは反射電子を電子ビームの光
軸上で対物レンズの後方に配置されたドーナツ状の検出
器で検出するようにしたことを特徴としている。したが
って、既に述べた本発明に基づく電子ビーム検査装置の
効果と同様な効果が得られる。

【０１０４】更に、本発明に基づく電子ビーム検査装置
の、電子ビームの開き角と、垂直入射とを調整するため
の試料と方法は、垂直な内壁を有する溝または孔と、異
なる高さに配置されたスケールとを有する試料であり、
これを用いて調整することを特徴としている。

【０１０５】更にまた、電子ビームの開き角と、垂直入
射とを調整する方法は、垂直な側面を持つ４つの直方体
を平面上に２列２行に、かつ互いに一定の間隔を開けて
配置したものと、異なる高さに配置されたスケールとを
有する試料であり、これを用いて調整することを特徴と
している。これによって、容易に試料が用意できると共
に、本発明に基づく電子ビーム検査装置の、電子ビーム
の開き角と、垂直入射とを調整する方法は、確実かつ容
易に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のコンタクトホールの開口検査を行う電子
ビーム検査装置の概略を示す図である。

【図２】コンタクトホールを示す図である。

【図３】コンタクトホールの内部側面における帯電を説
明するための図である。

【図４】コンタクトホールの平面方向のコントラストを
示す図である。

【図５】コンタクトホールの断面方向の信号強度変化を
示す図である。

【図６】コンタクトホールの底部に残膜が残った時のコ
ンタクトホールのコントラスト発生メカニズムを説明す
るための図である。

【図７】コンタクトホールの平面方向のコントラストを
示す図である。

【図８】コンタクトホールの断面方向の信号強度変化を
示す図である。

【図９】本発明に基づく電子ビーム検査装置の電子ビー
ム光学系を示す図である。

【図１０】試料からの大角度２次電子の発生と、小角度
２次電子の発生の様子を示す図である。

【図１１】高アスペクト比のコンタクトホールの底部か
らの大角度２次電子の発生と、小角度２次電子の発生の
様子を示す図である。

【図１２】従来方式におけるコンタクトホールのコント
ラスト像と画素数との関係を示す図である。

【図１３】本発明方式におけるコンタクトホールのコン
トラスト像と画素数との関係を示す図である。

【図１４】本発明に基づく電子ビーム検査装置の電子ビ
ーム光学系と装置の検証法・調整法のための標準試料の
関係を説明する図である。

【図１５】本発明に基づく電子ビーム検査装置の検証法
・調整法のための標準試料を示す平面図である。

【図１６】本発明に基づく電子ビーム検査装置の検証法
・調整法を説明するための試料ステージのＸ−Ｙ駆動方
向とウエハ試料および標準試料の配置を示す平面図であ
る。

【図１７】本発明に基づく電子ビーム検査装置の電子ビ
ームの垂直走査の検証法と調整法を説明する図である。

【図１８】本発明に基づく電子ビーム検査装置の電子ビ
ームの垂直走査の調整法の操作の手順を示す図である。

【図１９】本発明に基づく電子ビーム検査装置の電子ビ
ームの開き角の検証法と調整法を説明する図である。

【図２０】本発明に基づく電子ビーム検査装置の電子ビ
ームの開き角の調整法の操作の手順を示す図である。

【図２１】本発明に基づく電子ビーム検査装置の電子ビ
ームの開き角を調整する際の走査像を示す図である。

【図２２】本発明に基づく電子ビーム検査装置の電子ビ
ームの径の検証法の操作の手順を示す図である。

【図２３】本発明に基づく電子ビーム検査装置の電子ビ
ームの径の検証の際の走査像を示す図である。

【符号の説明】

３０電子銃３１集束レンズ３２、１１３ウエハ試料３３、１０９開き角制御レンズ３４対物レンズ絞り３５、１０８上段偏向器３６、１０７下段偏向器３７検出器３８、１０６対物レンズ３９電界制御レンズ１０１基板１０２、１０４スケール１０３直方体１１４標準試料１２０開き角制御レンズ電源１２１上段偏向器電源１２２下段偏向器電源１２３偏向角比調整器１２４偏向バイアス調整器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｌ 21/66 Ｇ０１Ｎ 1/28 Ｇ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電子銃と、電子銃からの電子ビームを試
料上に集束する対物レンズと、試料上で電子ビームを２
次元的に走査するための上段と下段の偏向器と、試料に
照射される電子ビームの開き角を制御するレンズと、試
料への電子ビームの照射によって発生した電子を検出す
る検出器とを備えており、電子ビームは、上段と下段の
偏向器により、試料に垂直入射の条件を保って走査され
る電子ビーム検査装置。
【請求項２】試料に照射される電子ビームの開き角
は、１０^-5〜１０^-6ｒａｄとされている請求項１記載の
電子ビーム検査装置。
【請求項３】試料に照射される電子ビームの開き角を
制御するレンズは、その開き角を大きな角度から小さな
角度まで制御することができ、観察モードのときには開
き角を大きくするように切り替えられ、検査モードのと
きには開き角を小さくするように切り替えられる請求項
１記載の電子ビーム検査装置。
【請求項４】観察モードのときの開き角の範囲は１０
^-2〜１０^-3ｒａｄであり、検査モードのときの開き角の
範囲は１０^-5〜１０^-6ｒａｄである請求項３記載の電子
ビーム検査装置。
【請求項５】前記偏向器は、上段の偏向器と下段の偏
向器の偏向角の比を変える機構と、上段と下段の偏向器
双方あるいは一方の偏向器の偏向角にバイアスを掛ける
機構を備えた請求項１ないし５記載の電子ビーム検査装
置。
【請求項６】電子銃と、電子銃からの電子ビームを試
料上に集束する対物レンズと、試料上で電子ビームを２
次元的に走査するための上段と下段の偏向器と、試料に
照射される電子ビームの開き角を制御するレンズと、試
料への電子ビームの照射によって発生した電子を検出す
るほぼドーナツ状の検出器とを備えており、検出器は電
子ビームの光軸上で対物レンズの後方に配置され、電子
ビームは、上段と下段の偏向器により、試料に垂直入射
の条件を保って走査される電子ビーム検査装置。
【請求項７】試料に照射される電子ビームの開き角
は、１０^-5〜１０^-6ｒａｄとされている請求項６記載の
電子ビーム検査装置。
【請求項８】試料と対物レンズとの間に電界制御レン
ズが配置され、試料と電界制御レンズ間の電圧が０〜±
１ｋＶの範囲で可変できるように構成された請求項６記
載の電子ビーム検査装置。
【請求項９】試料に照射される電子ビームの開き角を
制御するレンズは、その開き角を大きな角度から小さな
角度まで制御することができ、観察モードのときには開
き角を大きくするように切り替えられ、検査モードのと
きには開き角を小さくするように切り替えられる請求項
６記載の電子ビーム検査装置。
【請求項１０】観察モードのときの開き角の範囲は１
０^-2〜１０^-3ｒａｄであり、検査モードのときの開き角
の範囲は１０^-5〜１０^-6ｒａｄである請求項９記載の電
子ビーム検査装置。
【請求項１１】前記偏向器は、上段の偏向器と下段の
偏向器の偏向角の比を変える機構と、上段と下段の偏向
器双方あるいは一方の偏向器の偏向角にバイアスを掛け
る機構を備えた請求項６ないし１０記載の電子ビーム検
査装置。
【請求項１２】コンタクトホールが多数形成された試
料に対して１０^-5〜１０^-6ｒａｄの開き角で電子ビーム
を照射すると共に、電子ビームを試料に垂直入射の条件
を保って２次元的に走査し、この試料への電子ビームの
照射によって発生した電子を電子ビームの光軸上で対物
レンズの後方に配置されたほぼドーナツ状の検出器で検
出するようにしたコンタクトホールの検査方法。
【請求項１３】電子銃と、電子銃からの電子ビームを
試料上に集束する対物レンズと、試料上で電子ビームを
２次元的に走査するための上段と下段の偏向器と、試料
に照射される電子ビームの開き角を制御するレンズと、
試料への電子ビームの照射によって発生した電子を検出
する検出器とを備えており、電子ビームは、上段と下段
の偏向器により、試料に垂直入射の条件を保って走査さ
れる電子ビーム検査装置の、電子ビームの走査が平行走
査となるよう調整するための調整用試料であって、異な
る高さに配置されたスケールを備えた調整用試料。
【請求項１４】異なる高さに配置されたスケールは、
Ｎｉ製のメッシュあるいはグレーティングである請求項
１３記載の調整用試料。
【請求項１５】前記Ｎｉ製のメッシュは、２５〜１０
０μｍメッシュであり、スケールを配置する異なる高さ
の差は、略０．６〜０．７ｍｍある請求項１４記載の調
整用試料。
【請求項１６】電子銃と、電子銃からの電子ビームを
試料上に集束する対物レンズと、試料上で電子ビームを
２次元的に走査するための上段と下段の偏向器と、試料
に照射される電子ビームの開き角を制御するレンズと、
試料への電子ビームの照射によって発生した電子を検出
する検出器とを備えており、電子ビームは、上段と下段
の偏向器により、試料に垂直入射の条件を保って走査さ
れる電子ビーム検査装置の、（ａ）電子ビームが垂直入
射となるよう調整すること、および（ｂ）開き角を調整
するための調整用試料であって、前記試料表面に対して
垂直な内壁を有する溝または孔を備えた調整用試料。
【請求項１７】垂直な内壁を有する溝は、垂直な側面
を持つ２つの部材をその垂直な側面を互いに向き合わせ
て隙間を開けて配置したとき生じた間隙である請求項１
６記載の調整用試料。
【請求項１８】垂直な内壁を有する溝は、その溝の方
向が互いに異なる方向に、複数配置された請求項１６記
載の調整用試料。
【請求項１９】垂直な内壁を有する溝は、垂直な側面
を持つ４つの直方体を平面上に２列２行に、かつ互いに
一定の間隔を開けて配置した請求項１６記載の調整用試
料。
【請求項２０】電子銃と、電子銃からの電子ビームを
試料上に集束する対物レンズと、試料上で電子ビームを
２次元的に走査するための上段と下段の偏向器と、試料
に照射される電子ビームの開き角を制御するレンズと、
試料への電子ビームの照射によって発生した電子を検出
する検出器とを備えており、電子ビームは、上段と下段
の偏向器により、試料に垂直入射の条件を保って走査さ
れる電子ビーム検査装置の、（ａ）電子ビームの走査が
平行走査となるよう調整すること、（ｂ）電子ビームが
垂直入射となるよう調整すること、および（ｃ）開き角
を調整することのための調整用試料であって、垂直な側
面を持つ４つの直方体を平面上に２列２行に、かつ互い
に一定の間隔を開けて配置したものと、異なる高さに配
置されたスケールとを共に備えた調整用試料。
【請求項２１】垂直な側面を持つ４つの直方体は、Ｓ
ｉ（１００）単結晶あるいはＧａＡｓ（１００）単結晶
から切り出したものであり、スケールは、Ｎｉ製のメッ
シュあるいはグレーティングである請求項２０記載の調
整用試料。
【請求項２２】垂直な側面を持つ４つの直方体の切り
出す大きさは、厚さ略０．６〜０．７ｍｍ、平面の一辺
略１０ｍｍ角であり、４つの直方体間の間隙は、０．１
〜０．２ｍｍであり、メッシュは２５〜１００μｍメッ
シュであり、スケールを配置する異なる高さは、一方は
前記直方体の上面の高さであり、他は直方体の下面の高
さである請求項２１記載の調整用試料。
【請求項２３】電子銃と、電子銃からの電子ビームを
試料上に集束する対物レンズと、試料上で電子ビームを
２次元的に走査するための上段と下段の偏向器と、試料
に照射される電子ビームの開き角を制御するレンズと、
試料への電子ビームの照射によって発生した電子を検出
する検出器とを備えており、電子ビームは、上段と下段
の偏向器により、試料に垂直入射の条件を保って走査さ
れる電子ビーム検査装置の、電子ビームの走査が平行走
査となるよう調整するため調整方法であって、電子ビー
ムを走査して異なる高さに配置されたスケールの目盛を
計測して、双方の値を比較し、値が一致しない場合は、
前記上段と下段の偏向器の偏向角の比を変えて双方の値
が一致するように調整する電子ビーム検査装置の調整方
法。
【請求項２４】電子銃と、電子銃からの電子ビームを
試料上に集束する対物レンズと、試料上で電子ビームを
２次元的に走査するための上段と下段の偏向器と、試料
に照射される電子ビームの開き角を制御するレンズと、
試料への電子ビームの照射によって発生した電子を検出
する検出器とを備えており、電子ビームは、上段と下段
の偏向器により、試料に垂直入射の条件を保って走査さ
れる電子ビーム検査装置の、（ａ）電子ビームが垂直入
射となるよう調整すること、および（ｂ）開き角を調整
することのため調整するため調整方法であって、電子ビ
ームを走査して前記試料表面に対して垂直な内壁を有す
る溝または孔の内壁による影響の有無および度合いを計
測して、影響の度合いが試料平面上の方向によって異な
るときは、前記上段と下段の偏向器双方あるいは一方の
偏向器の偏向角に掛けたバイアスの値を調整して、影響
の度合いが試料平面上の方向によって異ならないように
調整し、更に、影響が有るときは、前記開き角を制御す
るレンズを調整して開き角をより小さくする電子ビーム
検査装置の調整方法。
【請求項２５】電子銃と、電子銃からの電子ビームを
試料上に集束する対物レンズと、試料上で電子ビームを
２次元的に走査するための上段と下段の偏向器と、試料
に照射される電子ビームの開き角を制御するレンズと、
試料への電子ビームの照射によって発生した電子を検出
する検出器とを備えており、電子ビームは、上段と下段
の偏向器により、試料に垂直入射の条件を保って走査さ
れる電子ビーム検査装置の、（ａ）電子ビームの走査が
平行走査となるよう調整すること、（ｂ）電子ビームが
垂直入射となるよう調整すること、および（ｃ）開き角
を調整することのため調整するため調整方法であって、
電子ビームを走査して、異なる高さに配置されたスケー
ルの目盛を計測して、双方の値を比較し、値が一致しな
い場合は、前記上段と下段の偏向器の偏向角の比を変え
て双方の値が一致するように調整し、更に、電子ビーム
を走査して、垂直な側面を持つ４つの直方体を平面上に
２列２行に、かつ互いに一定の間隔を開けて配置した試
料を用いて、垂直な側面による影響の有無および度合い
を計測して、影響の度合いが試料平面上の方向によって
異なるときは、前記上段と下段の偏向器双方あるいは一
方の偏向器の偏向角に掛けたバイアスの値を調整して、
影響の度合いが試料平面上の方向によって異ならないよ
うに調整し、また更に、影響が有るときは、前記開き角
を制御するレンズを調整して開き角を変える電子る電子
ビーム検査装置の調整方法。
【請求項２６】前記調整は、まず（ａ）電子ビームの
走査が平行走査となるようになす調整を行い、次いで
（ｂ）電子ビームが垂直入射とする調整を行い、更に
（ｃ）開き角を調整する、の順に行われる請求項２５記
載の調整方法。
【請求項２７】前記調整は、必要に応じて複数回繰り
返し行われる請求項２６記載の調整方法。