JP2000208576A

JP2000208576A - パタ―ン形成ずみの半導体基板における欠陥の検出

Info

Publication number: JP2000208576A
Application number: JP2029A
Authority: JP
Inventors: Christopher G Talbot; ジー．タルボットクリストファー; Chiwoei Wayne Lo; ウェインローチウェイ
Original assignee: Schlumberger Technologies Inc
Current assignee: Schlumberger Technologies Inc
Priority date: 1999-01-08
Filing date: 2000-01-07
Publication date: 2000-07-28
Also published as: FR2791777A1; US6914441B2; KR20000053413A; KR100648323B1; US6509750B1; US6252412B1; FR2791777B1; DE10000362A1; US20050200841A1; TW445561B; US20020166964A1; US7253645B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】機械式ＸＹステージ移動時間オーバーヘッド
を最小にする。【解決方法】全体にわたって実質的に一様な解像度の
視野を有する帯電粒子ビーム光学カラム６００をパター
ン形成ずみ基板６２２に対して位置づける過程と、視野
内にある基板の複数の小領域の上で画像を捕捉するよう
に、基板の走査を帯電粒子ビーム光学カラムを基板に対
して固定位置に維持したまま行う過程と、捕捉した画像
を基準画像と比較する過程とによって基板の欠陥を検出
する。全体にわたって実質的に一様な解像度の視野（FO
V）を有する大FOV画像形成システムの利用によって、機
械式ステージ６３２の移動を要することなく基板の広い
範囲にわたって画像の捕捉が可能になり、機械式ステー
ジ移動に伴う時間オーバーヘッドを低減できる。スルー
プットを上げるために複数のカラムを連動させることも
できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は半導体ウェーハな
どパターン形成ずみ基板の欠陥を帯電粒子ビームを用い
て検出することに関する。

【０００２】この出願は1997年７月15日提出の同時出願
中の米国特許出願第08/892,734号、1997年１月13日提出
の同米国特許出願第08/782,740号、1998年１月23日提出
の同米国特許出願第09/012,227号、この出願の原出願と
同日付の米国特許出願第09/226,962号「微小構造欠陥の
検出」、同米国特許出願第09/227,747号「形状特徴を利
用した欠陥検出」、および同米国特許出願第09/227,395
号「低電圧粒子ビームを用いた半導体検査用の電圧コン
トラスト方法及び装置」に関連し、これら出願をここに
参照して、それぞれの内容をこの明細書に組み入れる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】半導体デバイスの製造
において良品率の改善を達成するための最も経済的な手
法は、多数の製造工程の最終検査の段階でなくできるだ
け初めに近い段階で欠陥を検出することである。欠陥の
早期検出によって、多数のウェーハに影響が及ぶ前にそ
の欠陥を除去できる。そこで、半導体製造ラインの複数
の段階でウェーハ欠陥検査を行うのが現在では業界標準
になっている。現在、インライン欠陥検査の大部分はKL
A-Tencor社製21XXシリーズウェーハ検査装置など光学式
検査装置を用いて行っている。これら光学式検査装置は
高性能顕微鏡と、高速走査ステージと、遅延積分手段
と、高速CCDイメージセンサと、複数プロセッサ画像処
理コンピュータとを備える。一つのダイの光学像をそれ
と隣接する一つまたは二つのダイの像と画素ごとに比較
し、またはメモリセル格納ずみの光学像をそのセルの隣
接セルの光学像と比較するアルゴリズムが提供されてい
る。上記以外の光学式検査システムはApplied Material
社（旧社名Orbut）および日立製作所から市販されてい
る。

【０００４】しかし、これら光学式の欠陥検査装置は、
焦点深度が小さいことおよび回折による画像の鮮明度低
下のためにその性能が制限される。そのために、デザイ
ンルール0.35μm以下のプロセスで生ずる重度欠陥の50
％以上が光学式装置では検出不可能であることが判明し
ている。重度欠陥とは最終試験でのデバイスの電気的性
能に悪影響を及ぼす欠陥である。表面よりも下がった位
置にある欠陥を含む金属インターコネクト層などでこの
問題がさらに深刻になる傾向にある。これは慣用の光学
式検査装置の焦点深度が小さいことに起因するものであ
り、サブミクロンの特徴形状の画像化に必要な大口径対
物レンズに付きものの制約である。デバイス表面にない
欠陥は実質的に焦点はずれになり、したがって検出不可
能である。デバイス表面よりも下がった位置にある欠陥
の例として、多結晶シリコンゲート短絡、バイアホール
およびコンタクト断線、金属ストリンガーなどが挙げら
れる。これら欠陥は「断線」型または「短絡」型欠陥と
して現れる。また、光学式検査装置における回折に起因
する解像度低下は、最小臨界寸法（CD）0.25μm以下で
それら表面欠陥を検出不可能にする。それら欠陥の例と
して、0.1μm程度の粒子や最小CDまたはそれ以下の欠け
た形状または余分の形状などがある。

【０００５】慣用の走査電子顕微鏡（SEM）および電子
ビーム（Ｅビーム）欠陥検出システムはこれらの微小な
欠陥を検出できる。Ｅビーム欠陥検出システムは、基板
表面下の重度欠陥、すなわち断線型および短絡型の欠陥
の検出をそれら重度欠陥の電気的効果に起因する電圧コ
ントラスト変化の測定によって可能にする。詳細につい
ては、例えば、Journal of Vacuum Science and Techno
logy誌B8(6)（1990年11/12月）第2041−2044頁所載のT.
Aton他の論文「電荷の誘起した電圧コントラストによる
集積回路微小構造の検査」、30th Annual Proceeding R
eliability Physics 1992, IEEE（1992年３/４月）第30
4−308頁所載のK.Jenkins他の論文「非接触電子ビーム
帯電によるシリサイドプロセス欠陥の分析」、J.Thong
編の専門書「電子ビーム検査技術」第41頁、およびKLA
Yield Management Seminar（1996年）第506-2乃至506-1
1頁所載のT.Cassの論文「プロセス中のウェーハ上の電
気的欠陥の自動的検出のための電圧コントラスト効果の
利用」を参照されたい。

【０００６】しかし、慣用のSEMはウェーハ上の統計的
に有意な面積または有意な数の欠陥を十分に短い時間内
に網羅するには低速すぎる。この制約の主な原因は、全
体として自動化が欠けているほかに、データ収集プロセ
スが低速のシリアル処理であることである。また、新た
な画像形成位置に機械式ステージを動かすための所要時
間が画像形成時間に比較して長く、そのために自動化導
入で特徴づけてもスループットは制限される。

【０００７】KLA社のSEMSpecシステムは機械式走査ステ
ージを有する慣用の欠陥検査システムをベースにしてい
る。そのシステムは面積カバレッジ速度を上げるため
に、連続移動式高精度走査ステージを大電流ビームおよ
び広帯域検出器と組み合わせて用いている。この走査ス
テージはシステムスループットの主な制約原因であった
ステージ移動時間を短縮する。このSEMSpecシステムで
得られる総面積カバレッジ速度〜１cm２／時は、全自動
光学式欠陥検査装置の場合の１時間当たり千分の数cm２
よりは実質的に速い。詳細については、例えばMeisburg
er他名義の米国特許第5,502,306号および同第5,578,821
号を参照されたい。

【０００８】同時出願中の上記米国特許出願第08/782,7
40号および同第09/012,227号は、少なくとも導電体層に
ついて、より高い面積カバレッジ速度を達成するもう一
つの手法を開示している。すなわち、導電体層をプリチ
ャージしたのち、特徴形状が長くて細く平行なワイヤで
ある部分を「アンダーサンプル」するのである。例え
ば、図１は大部分が単一方向に向いた導電体１０５およ
び１１０などの導電体を有するIC層１００のプリチャー
ジ付き10Xアンダーサンプリングを図解する。試料表面
をプリチャージして10本の線のうち１本だけをサンプリ
ングする。電子（Ｅ）ビームサンプリング走査経路を参
照数字１１５で示す。通常の論理ICのレイアウトは、層
ごとに導電体を互いに直交する方向に向けて、すなわち
一つの層ではｘ方向に経路づけし次の層ではｙ方向に経
路づけして、導体経路づけ密度を最大にしている。プリ
チャージ付きアンダーサンプリング手法は、アンダーサ
ンプリング向きの特徴を備える層には多大の利点をもた
らす。それ以外の特徴を備える層、例えばバイアホー
ル、コンタクト、局部インターコネクト、メモリセルな
ど小さい形状特徴を有する層については、残念ながらそ
れほど効果的ではない。また、この手法では微小粒子や
パターンの欠けた部分または余分な部分の検出は難し
い。

【０００９】したがって、多くの場合、Ｅビームの欠陥
検出はアンダーサンプリングの場合でなく全画像形成の
場合だけ実用化可能になる。面積カバレッジ速度〜１cm
２／時で全画像形成を行うと、通常の直径200mmのウェ
ーハ全体を網羅するのに270時間程度かかるとみられ
る。スループットを改善するには、検査対象欠陥の数が
多いとみられるウェーハ上の領域を選択的にサンプルす
るのが望ましい。また、慣用の走査利用の光学式欠陥検
査システムおよび上記SEMSpecシステムの場合のように
検査対象ダイの画像と隣接ダイのみとの比較でなく任意
の基準ダイまたはデータベースとの比較ができるように
するのが望ましい。

【００１０】ダイの画像と任意の基準画像との比較を可
能にすることによって、ウェーハ表面領域のサンプリン
グの対象を特定の欠陥分布に適合させることができる。
例えば、ウェーハの中心部にある欠陥なしの可能性の大
きいダイをウェーハ端部のダイ、すなわち欠陥密度がよ
り高いとみられるダイと比較することによって、その種
の欠陥の検出の可能性を最大にする。図２は特定の欠陥
分布に適合させた新規な所望サンプリングのシナリオを
図解する。この例ではウェーハ２０５の中心２００を基
準に選び、欠陥を含んでいる可能性の高い外側ダイ２１
０と比較する。一つのダイと隣接ダイとの比較だけでは
欠陥全部を検出できる可能性は少ない。

【００１１】市販のＥビーム利用欠陥検出システムは、
一つのメモリセルをそれに隣接するセルと比較すること
によってメモリアレーだけを見ている。ダイと任意のダ
イとの比較を行うのに走査ステージ利用のシステムを用
いることもできるが、走査ステージのターンアラウンド
タイムがスループットを制約する主なオーバーヘッドで
あろう。図３Ａおよび３Ｂはステージのターンアラウン
ドタイムを図解する。

【００１２】図３Ａは走査対象のウェーハの領域３０５
に対して継続的に移動するステージ（図示してない）の
経路３００を示す。ステージが一定速度で移動している
間に画像データを捕捉する。データ捕捉の平均速度は、
機械式ステージが減速し方向反転し走査速度まで加速す
るのに必要な時間と、試料に対してビームを正しく位置
合わせするのに必要な時間とによって、低下する。図３
Ｂは継続移動式走査ステージの利用によって生じた過走
査を図解する。ウェーハ３１５の領域３１０を一定速度
で走査するには、ステージが走査対象領域３１０の端を
越えて動き、減速、反転、加速に備えなければならな
い。領域３１０に対するステージの走査経路を参照数字
３２０で示す。

【００１３】帯電粒子ビーム利用の欠陥検出システムを
半導体製造ラインに用いる目的は、ステージのオーバー
ヘッドを最小化または除去して、捕捉速度の制約をビー
ムの基本的物理条件だけにし、光学式装置で検出不可能
な欠陥（OUD）の検出に帯電粒子ビーム技術を最大限に
利用することである。

【００１４】概括的にいって、多様な基準画像源を利用
できるが、それら画像源には用途によって一長一短があ
る。最も柔軟性に富む手法は、スループットを犠牲にす
ることなく基準のサンプリングおよび選択に完全な柔軟
性を確保できる方法である。従来技術によって利用可能
なシステムはこの柔軟性を備えていない。所望の比較動
作を次に述べる。 (1)まず、セル相互間の比較は通常はメモリセルで用い
る。メモリアレーの中の各セルとの比較に完全な基準セ
ルを用いることができ、また各メモリセル（２個または
４個の対称配置セルのブロックなどの反復構造）をその
隣接セルと比較できる。 (2)次に、ダイ相互間比較はKLA213Xシステムなどの光学
式検査システムにおける通常の動作態様である。各ダイ
を走査プロセスの期間にその隣接ダイと比較する。それ
ら二つのダイのいずれの側に欠陥があるかを判定するた
めに三番目のダイを用いる。この手法はランダムな欠陥
の検出には有効であるが、マスクの高密度経路形成部分
における余分のパターンなど反復欠陥には有効でない。
概括的にいうと、ダイとダイとの効率的比較を三番目の
ダイを仲裁役にして行う機能を持たせるのが好ましい。
ダイと任意のダイとの比較は貴重である。すなわち、ユ
ーザが特定の種類の欠陥を含むウェーハの特定の領域を
標的にして、欠陥なしと見られるダイと比較できるから
である。この理由でウェーハ端部のダイとウェーハ中心
部のダイとの比較が望ましい。ウェーハ端部からのダイ
は中心部からのダイに比べて良品率が低い可能性が大き
いからである。 (3)ダイと既知良品ダイとの比較は、既知良品の基準ダ
イの画像またはそれ以外のデータを事前にメモリに蓄積
しておき、検査対象のダイをそれと比較することによっ
て行う。多量のデータ、すなわち数百ギガバイトのデー
タを必要とするが、ディスク装置の価格が下がってお
り、また電圧コントラスト画像のデータ圧縮の可能性が
ある。既知良品ダイとの比較では「仲裁」は不要であ
る。 (4)ダイとデータベースとの比較はKLA社製マスク検査シ
ステムの場合のようなマスクの検査について周知であ
る。見かけ上の特徴形状の各ダイを用いる手法の課題
は、どの形状特徴が接地状態にあるか、どの特徴形状が
負極性帯電モードで浮き状態にあるか、例えばどのｐ−
ｎ接合が負電圧で順方向バイアスされているかの判定の
ために、多層分のデータベースおよび対象回路の電気的
特性についての知識を必要とすることである。 (5)ブロック相互間の比較はダイ相互間の比較に類似す
るがダイの特定の一部だけを比較する。ダイの一部が既
知である場合や特定の種類の欠陥を含む可能性が高いと
みられるときにこの手法は有効である。すなわち、全面
的なダイ相互間比較に比べて所要時間を短縮できる。

【００１５】慣用のSEMカラムは、カラム光軸から通常
１μm乃至100μmの範囲の比較的小さい視野（FOV）に対
して最高の画像形成性能を確保するように最適化されて
いる。機械式ステージが、試料全体を視野の中に導入す
るように試料ウェーハとカラムとを相対的に移動させ
る。この手法はスループットが主な関心事でない用途で
は受容可能であり、市販のSEMはその考え方に基づいて
いる。帯電粒子利用の欠陥検査システムが電子（Ｅ）ビ
ームリソグラフィなどの目的で大視野にわたって動作す
ることは周知であるが、欠陥検査用としては知られてい
ない。例えば、IEEE Transactions on Electron Device
s誌第ED-26巻第４号（1979年４月）所載のH. Pfeiffer
の論文「VLSIデバイス量産用電子ビームリソグラフィの
最近の進歩」およびJournal of Vacuum Science Techno
logy誌19(4)1981年11月/12月号所載のN. Saitou他の論
文「可変形状電子ビームリソグラフィシステム，EB55：
２」を参照されたい。また、Talbot他名義の米国特許第
5,401,972号およびシュルンベルジェ社市販のIDSP2Xお
よびAMSシステムなどにみられるとおり、オーバーレイ
位置合せに大きいFOVを用いることは周知である。

【００１６】したがって、パターン形成ずみの基板の欠
陥の検出に改良したシステムおよび方法が必要である。

【００１７】

【課題を解決するための手段】パターン形成ずみの基板
の欠陥を検出するこの発明の方法は、全体にわたって実
質的に一様な解像度の視野（FOV）を有する帯電粒子ビ
ーム光学カラムをパターン形成ずみ基板に対して位置づ
ける過程と、前記視野（FOV）内にある前記パターン形
成ずみの基板の複数の小領域の上で画像を捕捉するよう
に、前記帯電粒子ビームによる前記パターン形成ずみ基
板の走査を前記帯電粒子ビーム光学カラムを前記パター
ン形成ずみ基板に対して固定位置に維持したまま行うこ
とによって前記帯電粒子ビーム光学カラムを動作させる
過程と、前記パターン形成ずみ基板の欠陥を検出するよ
うに前記捕捉した画像を基準と比較する過程とを含む。

【００１８】パターン形成ずみ基板の欠陥を検出するこ
の発明の装置は、帯電粒子ビーム光学カラムをパターン
形成ずみ基板に対して位置づける機械式ステージと、全
体にわたって実質的に一様な解像度の視野（FOV）を有
する帯電粒子ビーム光学カラムであって前記帯電粒子ビ
ームによる前記パターン形成ずみ基板の走査を前記パタ
ーン形成ずみ基板との位置関係を固定したまま行うこと
によって前記視野（FOV）内の前記パターン形成ずみ基
板の複数の小領域の上で画像を捕捉するように動作でき
る帯電粒子ビーム光学カラムと、前記パターン形成ずみ
基板の欠陥を検出するために前記捕捉した画像を基準と
比較する動作が可能な少なくとも一つのプロセッサとを
含む。

【００１９】この発明によるもう一つのパターン形成ず
み基板内欠陥検査方法は、全体にわたり実質的に一様な
解像度の100μm以上の視野（FOV）を有する帯電粒子ビ
ーム光学カラムをパターン形成ずみの基板に対して位置
づけする過程と、前記パターン形成ずみ基板の前記帯電
粒子ビームによる走査を前記帯電粒子ビーム光学カラム
を前記パターン形成ずみ基板に対して固定位置に維持し
たまま行うことによって前記視野（FOV）の実質的に全
体の画像を捕捉するように前記帯電粒子ビーム光学カラ
ムを動作させる過程と、前記パターン形成ずみ基板の欠
陥を検出するように前記捕捉した画像を基準と比較する
過程とを含む。

【００２０】この発明によるもう一つのパターン形成ず
み基板内欠陥検査装置は、帯電粒子ビーム光学カラムを
パターン形成ずみ基板に対して位置づけする機械式ステ
ージと、全体にわたり実質的に一様な解像度の100μm以
上の視野（FOV）を有する帯電粒子ビーム光学カラムで
あって、前記帯電粒子ビームによる前記パターン形成ず
み基板の走査を前記パターン形成ずみカラムとの位置関
係を固定したまま行うことによって前記視野（FOV）の
実質的に全体の画像を捕捉するように動作できる帯電粒
子ビーム光学カラムと、前記パターン形成ずみ基板の欠
陥を検出するために前記捕捉した画像を基準と比較する
動作が可能な少なくとも一つのプロセッサとを含む。

【００２１】この発明の上述の特徴およびそれ以外の特
徴は次に述べる実施例から当業者にはさらに明らかにな
るであろう。

【００２２】

【発明の実施の形態】電子（Ｅ）ビーム利用による欠陥
検出の目的は、システムによる画像データ捕捉のための
全体の所要時間に占める画像移動時間および安定化時間
オーバーヘッドの影響を最小にすることである。最も柔
軟性の高い画像形成動作モードにおけるシステムスルー
プットは、Ｅビームおよび試料の間の相互作用の物理的
側面以外の要因に制約されてはならない。また、ウェー
ハ上の任意のダイまたはダイ部分と同じウェーハ上の任
意のダイまたはダイ部分または別のウェーハからの蓄積
ずみ基準画像もしくはCADデータベースからの基準画像
との比較をシステムスループットの大幅な低下なしに行
うことができるのが望ましい。

【００２３】この発明の実施例では大視野（FOV）全体
にわたり実質的に一定の解像度を有する大視野（FOV）
対物レンズを用いて上記必要性に対処する。光学の分野
における質量なしのステージと同様のほぼ理想的な小型
ステージとしてＥビームを用いることによって機械式ス
テージのオーバーヘッドを最小にする。機械式ステージ
の位置の各々について、多数のサブ視野（サブFOV）で
画像を捕捉する。単一のサブFOVについての画像捕捉時
間に比べてＥビーム偏向、位置合わせおよび安定化時間
は無視できるので、一つの画像形成領域から次の画像形
成領域への移動に要する時間は実質的になくなる。機械
式ステージの各位置について多数の（数百におよぶ）サ
ブFOVを画像捕捉できるので、機械式ステージの移動お
よび安定化に要する時間は、数百のサブFOVを包含する
一つのFOV全部の画像捕捉時間合計に比べて無視でき
る。したがって、ステージ移動オーバーヘッドはウェー
ハの多数の領域で画像を捕捉するのに必要な時間の合計
のごく小さい部分になる。

【００２４】この発明による高速欠陥検出システムは加
工完了前の半導体ウェーハの検査に適している。このシ
ステムは機械式ステージの移動に伴う時間オーバーヘッ
ドを短縮するために大視野（FOV）対物レンズを用い
る。例えば１mm×１mmの領域に及ぶレンズの主FOVを数
百のサブFOVに分割する。このシステムは機械式ステー
ジの移動を要することなく各サブFOVの中の試料の画像
を捕捉できる。上記大FOV対物レンズのFOV全体にわたっ
て均一に効率的に二次電子を収集偏向するようにインレ
ンズ検出器を最適化する。画像捕捉の期間中実質的に継
続するステージ移動を用いた従来技術と区別するために
この明細書では上述の手法を「歩進画像化」手法と呼
ぶ。

【００２５】図４および図５はこの発明による画像捕捉
手法の原理を図解する。図４は歩進画像化手法における
大視野対物レンズを単一のダイからタイル状の画像を捕
捉するのに用いた例を示す。ウェーハの領域４００は検
査対象のダイまたはダイ部分を含む。領域４００は図示
のとおり例えば１mm×１mmの多数のサブ領域４０５に区
分できる。これらサブ領域の各々が大FOV電子（Ｅ）ビ
ームコラムの一つのFOVを表す。すなわち、試料ウェー
ハとＥビームカラムとの間の相対位置について、Ｅビー
ムカラムは対応の大FOVサブ領域上で画像を捕捉でき
る。サブ領域４１０上における画像捕捉に備えて機械式
ステージを位置づけて、通常は数百におよぶサブFOV領
域の上で画像を捕捉するようにＥビームを走査できる。
機械式ステージを静止状態に保持するので、サブFOV領
域内の画像捕捉用走査のためにサブFOV領域相互間をＥ
ビームでほぼ瞬間的に歩進することができる。

【００２６】図５はウェーハ５００上の欠陥検出用の画
像を捕捉するのに大FOV電子（Ｅ）ビームカラムを用い
た例を示す。この例では中心部のダイ５０５の画像を捕
捉して、端部のダイ５１０などいくつかのダイの画像と
の比較のための基準として用いている。機械式ステージ
を、それ以上の移動なしに大FOV電子（Ｅ）ビームカラ
ムでダイ部分５１５を画像形成できる位置まで動かす。
ダイ部分５１５は例えば数百におよぶ多数のサブFOV領
域を含む。ＥビームをサブFOV領域５２０などのサブFOV
領域の近傍に導いて、そのダイのそのサブFOV領域の画
像を捕捉するように走査を行う。

【００２７】この発明の実施例は比較的単純に実働化で
きる。従来技術の大FOVリソグラフィシステムは、FOV全
体にわたるビームの動きに伴うレンズ収差の変動の問題
を解消するために複雑な動的集束機構および収差補正機
構を用いている。この発明による欠陥検出には、そのよ
うな複雑な機構は不要である。特定の画像の捕捉に有限
の数のサブFOV領域画像を用いるに留まるからである。
したがって、各FOVにおける集束および収差の静的補正
に参照テーブル手法を用いることもできる。参照テーブ
ルの大きさを抑えるために参照テーブル構成値の相互間
を挿間することもできる。

【００２８】この発明による「歩進画像化」手法は、電
圧コントラスト画像利用の欠陥検出および慣用のＥビー
ムによる表面画像形成またはトポグラフィ画像形成利用
の欠陥検出に、スループット上の利点および実働化上の
利点をもたらすことができる。大FOVレンズおよび歩進
ステージを用いたシステムが、ウェーハ上の単一のダイ
の検査に小FOVレンズおよび継続走査ステージを用いた
従来技術のシステムに比べて、オーバーヘッド上の利点
およびスループット上の利点を備えることを次の例で示
す。

【００２９】

【表１】パターン形成ずみ基板の欠陥をＥビーム利用により検出
するこの発明のシステムを概略的に図６Ａおよび図６Ｂ
に示す。図６Ａはこのシステムのカラム、ステージおよ
び真空チェンバ部分を示す。図６Ｂは高レベルのシステ
ム構成を示す。図６Ａを参照すると、電子光学カラム６
００は、例えばジルコニウム−タングステン陰極付きの
新型走査電子顕微鏡（SEM）の大部分で現在使われてい
る種類の熱電界エミッション（TFE）電子銃などの電子
ビーム源６０２を備える。この電子源はイオンポンプ６
０４で直接に排気する電子銃（図示してない）を含む。
電子銃の中の高真空は、大部分の新型SEMの場合と同様
に、差動ポンピング開口（図示してない）によってカラ
ム６００の残余の部分およびチェンバから分離されてい
る。一次電子ビームの衝突エネルギーは、例えば700eV
乃至1.5keVの範囲で調節できる。試料へのビーム電流
は、電子ビーム集束電子レンズ６０６およびビーム制限
開口（図示してない）などにより、例えば500pA乃至10n
Aの範囲で、または25乃至50nAに至る範囲で0.1μm以下
のスポットサイズに調節できる。電子光学カラム６００
は、バイアス電源６１０付きのウェーハチャック６０８
およびバイアス源６１４付きの抽出電極６１２とともに
局部帯電制御モジュール（LCCM）を構成する。

【００３０】電子光学カラム６００は、可変軸浸漬レン
ズ（VAIL）などの大視野（FOV）対物電子レンズ６１６
を含む。対物レンズ６１６は市販のシュルンベルジェ社
ATEIDS5000型およびIDS1000型Ｅビーム欠陥検査システ
ムに用いてあるものと同様のVAILレンズで構成できる。
このレンズは試料を軸方向磁界が最大になる点の近傍に
保持する磁気浸漬型レンズとする。すなわち試料を「磁
気ボトル」内に保持して、強い捕捉用静電界をかけるこ
となくコリメーションと効率的二次電子捕捉とを可能に
する形式のレンズである。強力な捕捉電界は望ましくな
い。すなわち、強い捕捉電界は表面帯電を不安定にし、
電圧コントラスト向上のためのウェーハバイアス、抽出
電圧およびエネルギーフィルタを互いに独立に最適化す
ることを不可能にする可能性があるからである。このレ
ンズには、高解像度（例えば30−100nm）で大きいFOV
（例えば直径0.25mm乃至1.5mm）を達成するように偏向
前段コイルおよび偏向コイルの両方を設けることもでき
る。一つの実施例では直径0.25mm乃至1.5mmのFOVを50nm
以下の解像度で達成した。この発明と整合するVAILレン
ズの実施例を図８を参照して後述する。

【００３１】図６Ａに概略的に示すとおり、上記対物レ
ンズには、「レンズ内」フラッドガン６１８および投光
照明型ビームの偏向電極６２０、すなわち試料のプリチ
ャージのための幅広の大電流投光照明型電子ビームとそ
の試料上の導電体の帯電状態の精査用の高速画像形成の
ための低電圧高解像度一次画像形成ビームとの間の高速
多重化を可能にするフラッドガン６１８および偏向電極
６２０を備える。高速画像化は、例えば画素捕捉速度１
MHz乃至100MHzで行う。フラッドガンの具体例は上記米
国特許出願第08/782,740号および同第09/012,227号に記
載してある。フラッドガン６１８は、バイアス源６１０
付きのウェーハチャック６０８およびバイアス源６１４
付きの抽出電極６１２と組み合わされてグローバル帯電
制御モジュール（GCCM）を構成する。

【００３２】ウェーハ６２２の表面を一次電子でラスタ
走査するとその表面に二次電子およびそれ以外の二次粒
子が生ずる。これら二次電子および二次粒子はレンズ電
磁界で捕捉され、レンズの孔を通って戻り、Wienフィル
タ６２４によって一次電子から分離される。Wienフィル
タは交叉電磁界を有する。分離された二次電子は、Evah
art-Thornley検出器としても知られるシンチレータ−PM
T組合せなどの電子検出器６２６で検出する。これ以外
の検出器組合せも利用できる。投光照明型ビーム使用時
に生ずる強い二次電子電流による損傷または損耗を防ぐ
ために電子検出器４２に対する遮蔽部材を設けるのが好
ましい。検出器は試料の走査領域の画像の形成に使える
信号を供給する。

【００３３】図６Ａの実施例においては、バイアス源６
１４から抽出電極６１２へ、バイアス源６１０からウェ
ーハチャック６０８へ互いに独立のバイアス電圧をそれ
ぞれ供給している。ウェーハチャック６０８に加えるバ
イアス電圧が実効的にウェーハの基板に印加される。こ
れらバイアス電圧を必要に応じてコンピュータ制御によ
り互いに独立に設定して、画像形成中のウェーハの種類
および検出対象の欠陥の種類に応じた電圧コントラスト
最適化を達成する。上記米国特許出願第08/892,734号に
詳述したとおり、このシステムは正極性または負極性の
ウェーハ表面電圧を生ずるように動作できる。ウェーハ
のバイアス電圧を変動させてウェーハ表面へのビーム衝
突エネルギーを独立に変動させることもできる。この手
法は、例えばシリサイドなど薄層付きのウェーハにおい
て帯電漏洩によるビーム貫通を防止するために、解像度
低下を伴うことなく低衝突エネルギーを用いる場合に望
ましい。

【００３４】図６Ａの実施例では、レンズの孔には、バ
イアス電圧源６３０付きのエネルギーフィルタメッシュ
とも呼ばれる平板状フィルタ電極６２８を設ける。電極
６２８は、上記シュルンベルジェ社IDS5000型システム
およびIDS10000型システムの場合と同様に、減速電界電
子エネルギースペクトロメータとして作用する。このエ
ネルギーフィルタは、特定のエネルギー範囲、例えば零
乃至15eVの範囲のエネルギーでのウェーハからの二次電
子を捕捉することによって特定の種類のウェーハについ
ての電圧コントラストを最適化するのに用いることがで
きる。

【００３５】図６Ａの実施例は例えば直径300mmまでの
ウェーハの全表面の検査を可能にする慣用の高速ウェー
ハステージから成るＸ−Ｙステージ６３４を含む。ウェ
ーハ６２２は静電型チャックなどのウェーハチャック６
０８の上に支持する。ステージは通常真空中での動作に
適合し、不都合なビーム偏向を最小にするように非磁性
体から成り、クリーンルーム基準を充足していなければ
ならない。ステージの精度と画像目合せソフトウェアオ
ーバーヘッドとはトレードオフになる。この発明による
「歩進画像化」モードで重要なことは機械的移動後の安
定化時間を短くして高精度動作を達成することである。
すなわち、このステージはできるだけ広範囲の欠陥を検
出できるように、高速度動作および高精度走査動作およ
び歩進動作が可能でなければならない。例えば、このス
テージは、設定時間0.3秒以下、直線速度100mm／秒、位
置精度検出用レーザ干渉計帰還0.1μm以下の性能を備え
る。ステージ位置づけ高精度を確保するためにステージ
６３２と電子光学カラム６００との間の機械的通路は十
分な剛性を備える必要がある。一つの実施例では、真空
チェンバ６３６のルーフ部材６３４を外部Ｈ型フレーム
で補強した厚さ５インチのアルミニウム板で構成した度
量衡板としている。電子光学カラム６００および高精度
ステージ６３２を両者間の相対的移動を最小にするよう
に上記度量衡板に直接に取り付ける。ステージ電動機コ
ントローラ（図示してない）への高精度位置帰還のため
にレーザ干渉計（図示してない）を用いることができ
る。ステージ位置づけの微小な誤差は上記干渉計によっ
て検出できるほかＥビームの微小偏向によっても検出で
きる。

【００３６】図６Ａの実施例では真空チェンバ６３６を
ターボポンプ６３８および油なし支援ポンプ（図示して
ない）によって直接に排気する。真空チェンバ６３６
を、環境振動を消去しステージ６３２の急加速および急
減速による動きを予測消去する能動的振動分離プラット
フォーム６４０の上に設置する。ウェーハロードロック
サブシステム６４２をウェーハ詰替え時間の最短化およ
び主真空室の長時間にわたる高真空度維持（例えば１Ｅ
−６Torr）のために備える。真空チェンバの高真空度維
持によってウェーハの炭化水素汚染を最小に抑える。

【００３７】ウェーハロードロックサブシステム６４２
は、ウェーハ自動ロード／アンロードのためにウェーハ
ハンドリングロボットを通常備える。例えば、第１のロ
ボットがウェーハカセット６４４からロードロックチェ
ンバにウェーハを移動させる。ロードロックを駆動した
のち、真空チェンバ内の真空環境で動作中のロボットが
ウェーハを高精度ステージ６３２のチャック６０８の上
に載せる。このロードロックチェンバは、パイプライン
式動作および同時並行式ロード／アンロード動作を可能
にするように複数枚のウェーハを収容できるように設計
する。ウェーハロードロックサブシステム６４２はステ
ージ６３２に対する一応のウェーハ目合せ精度を確保す
るために光学式のウェーハ事前目合せ器を含む。

【００３８】高精度ステージ上へのウェーハ載置の目合
せ精度をさらに高めるために、光学顕微鏡と光学像をパ
ターン照合システムに供給するCCDビデオカメラとを有
する光学式事前目合せサブシステム６４６などの付加的
光学素子を用いることもできる。上記パターン照合シス
テムは、Cognex社ほかの製造業者から市販されているソ
フトウェア、すなわち高精度ステージに対するウェーハ
の実際の位置を算定するアプリケーションプログラムで
構成できる。Ｅビームを用いた目合せも可能な場合もあ
るが、プロセス中の半導体装置上の層の一部について
は、Ｅビーム画像の低コントラスト部に基準マークがウ
ェーハまたはダイ上で現れ得る。そのために、Ｅビーム
利用の目合せは信頼性を低下させることがあり得る。光
学顕微鏡はＳｉＯ２やＳｉ３Ｎ４などの絶縁層を透視で
き、目合せの信頼性を高める。

【００３９】図６Ｂを参照すると、画像処理サブシステ
ム６４８で画像位置合わせおよび画像比較のためのデー
タ処理を行う。このサブシステム６４８は、例えばマサ
チューセッツ州チェルムスフォード所在のMercury Comp
uter Systems社製マルチプロセッサアレーコンピュータ
で構成する。画像処理サブシステム６４８は、例えば30
0MHzPowerPCプロセッサ32個のアレーと、４ギガバイトR
AMと、基準画像および欠陥データ蓄積用の200ギガバイ
トディスク蓄積装置とを備える。画像処理サブシステム
６４８は、蓄積のためのセル相互間比較、ランダム論理
のためのダイ相互間比較およびダイ・基準間比較、コン
タクト間および層間認識のための形状特徴利用の比較な
ど一連の慣用の画像処理アルゴリズムを実行するように
プログラムできる。形状特徴利用の比較の詳細はこの出
願の原出願と同日付の上記米国特許出願第09/227,747号
に記載してある。

【００４０】図６Ｂに示した欠陥検出システム６５０
は、表示装置６５４とWindowsNTオペレーティングシス
テムおよびシステム制御ソフトウェア（図示してない）
搭載のPentiumを有するパーソナルコンピュータなどの
制御コンピュータ６５２を備える。また、欠陥検出シス
テム６５０は上記システム構成素子を動作させる信号を
供給するコンピュータ６５２により制御を受ける制御電
子回路６５６を備える。欠陥検出システム６５０には、
マルチレベルの使いやすいグラフィカルユーザインタフ
ェース（図示してない）を備えて、予め画定ずみの蓄積
欠陥検出レシピに基づく自動化製造ライン環境のオペレ
ータによる使用、または研究室もしくはプロセス開発環
境の技術者による使用をサポートするようにするのが有
利である。システム制御、画像処理、自動ビームセット
アップ、ビーム位置合わせ、自動焦点合わせ、および非
点収差自動補正などの機能のために慣用のソフトウェア
を備えることもできる。

【００４１】制御電子回路６５６は、例えば、イオンポ
ンプおよびTFE銃コントローラ６５８、真空シーケンサ
６６０、エアロボットコントローラ６６２、真空ロボッ
トコントローラ６６４、ロードロックコントローラ６６
６、ターボポンプコントローラ６６８および粗ポンプ
（予備ポンプ）コントローラ６７０を含む。

【００４２】図６Ｂの実施例では画像処理サブシステム
６４８は、電子光学カラムコントローラ６７４、ビデオ
ディジタイザ６７６、機械式ステージコントローラ６７
８、機械的ステージ位置およびビーム位置帰還のための
干渉計コントローラ６８０、画像信号を制御コンピュー
タ６５２に送って表示させる画像出力段６８２、および
VxWorksなどの実時間オペレーティングシステムを有す
る実時間制御コンピュータ６８４を含む画像捕捉処理電
子回路６７２の一部を構成する。電子検出器６２６（図
６Ａ）からの信号を低雑音画像増幅器６８６に供給す
る。この増幅器６８６は自動集束信号機能付きでその出
力信号をビデオディジタイザ６７６に供給する。

【００４３】Journal of Vacuum Science Technology誌
第12巻第６号1975年11月/12月号第1146−1150頁所載の
E.Munroの論文「電子ビームのための電磁レンズおよび
電磁偏向システムの設計および最適化」に記載されてい
るとおり、ラスタ走査では大FOVを達成すると同時にビ
ーム偏向を達成する設計が可能である。実現可能な設計
手法は四つのタイプ、すなわち(1)レンズ後続段におけ
る単一偏向、(2)レンズ前段二回偏向、(3)レンズ内単一
偏向および(4)レンズ内二回偏向に分けられる。重要な
点は、軸外れ収差を最小にするようにレンズの中心をビ
ームが通り抜けることである。この要件は、解像度を犠
牲にできない場合は実現可能な視野の大きさに制約を与
える。この制約を解消するために、Journal of Vacuum
Science Technology誌19(4)1981年11月/12月号第1058−
1063頁所載のH.Pfeiffer他の論文「大面積高解像度Ｅビ
ームリソグラフィ用の高度化偏向」に記載の可変軸レン
ズ（VAL）、Optik誌48（1977）第３号第255−270頁所載
のE.Goto他の論文「MOL（可動対物レンズ）：変更可能
な無収差システム」に記載の可動対物レンズ、Journalo
f Vacuum Science Technology誌Ｂ14(6)1996年11月/12
月号第3802−3807頁所載のM.Thomson著の論文「静電式
可動対物レンズおよび微小カラム用の最適化した偏向シ
ステム」に記載の上記以外の諸変形は、少なくともひと
組の前段偏向器を用いて中心軸をずれるように導き、ビ
ームの中心軸ずれの影響を補償してレンズの実効位置を
動的に動かす。

【００４４】ビームがレンズの中心軸から遠く外れる場
合は、レンズ電磁界に起因する強い反発力を受ける。こ
の反発力はビームをレンズ軸に引き戻す傾向がある。レ
ンズによる集束の基本的原因はそれである。この偏向力
はラスタ領域をごく微小にする一方、重度の収差、例え
ば軸ずれ動作についての横方向色収差、コマ収差、非点
収差などを生ずる。これら収差の補償または補正が大FO
Vレンズ設計の重要な要素であり、レンズ近傍にもうひ
と組の偏向器を配置することによって達成する。これら
偏向器はレンズの偏向磁界をオフセットまたは相殺する
電磁界を発生する。レンズは機械的（物理的）には固定
されていても光軸が動いたかのように振る舞う。軸ずれ
収差補正をこのように行うと、重度の収差で解像度を低
下させることなくFOVの拡大を実現することができる。

【００４５】図７Ａおよび図７Ｂは可動対物レンズ（MO
L）の原理を図解する。図７Ａに概略的に示したレンズ
７１０は集束ビーム７２０を試料７２５の表面に集束さ
せることのできるひと組の偏向コイル７１５を有する。
レンズの「実効」位置を点線の楕円７３０で示す。ビー
ムが偏向コイル７１５によって軸から外れる方向に偏向
を受けると収差が生ずる。図７Ｂに概略的に示したレン
ズ７５０は偏向コイル７５５ひと組と前置偏向コイル７
６０ひと組とを備える。ビーム７６５はコイル７５５に
よって事前に偏向を受けるので、レンズの実効位置は点
線の楕円７７０で示すとおりシフトする。図７Ｂのレン
ズはその光軸がずれたように動作し、軸ずれ収差を減少
させ試料７７５の大FOVに対して実質的に一定の解像度
をもたらす。

【００４６】この発明による大FOV対物レンズを含む電
子光学カラム８００の具体例を図８の断面図に示す。こ
の大FOV対物レンズはシュルンベルジェ社IDS5000Ｅビー
ム精査システムに使われているものと同様のレンズであ
る。IDS5000システムで必要な偏向コイルはひと組だけ
であるが、図８のレンズ構成は鞍状コイルとも呼ばれる
コイルふた組、すなわちビームを対物レンズの光軸から
そらす偏向前段コイル８０５、および上述の偏向電磁界
に対応してレンズ横方向電磁界を最適化して軸ずれ収差
を軽減するように電磁界を発生する偏向コイル８１０を
含む。この横方向電界の方向および大きさはレンズ中心
軸に対するビーム位置に比例するから、第２の偏向器で
発生した電磁界は、あらゆるレンズの設計で標準になっ
ているとおり、全収差を最小に抑えながら第１の偏向器
の電磁界をほぼ相殺するように調節する。動作の際は、
これら第１および第２の偏向器を継続的にラスタ走査し
て画像を発生する。これら二つのベクトル電磁界のバラ
ンスはこれら第１および第２の偏向コイルの間の固定巻
線比および固定回転角の利用により達成できる。これら
二つの偏向コイルの間の励起率および回転角を電子的に
設定することによって上記バランスを達成することもで
きる。レンズ設定のシュミレーションおよび最適化に
は、英国ロンドン市コーンウォールガーデンズ所在のME
BS Software社から市販されている帯電粒子光学シュミ
レーションパッケージを用いることができる。図８の実
施例はさらに位置合わせおよび非点収差補正コイル８１
５を含む。一次ビームは参照数字８２０で示してある。
電子光学カラム８００はFOV１mmで例えば0.1μm以下の
ビームスポットサイズを達成する。

【００４７】図８の実施例では、Ｅビームリソグラフィ
装置と対照的に、非垂直ビーム衝突角度の補正は試みて
ない。主な目的は、試料の種々の領域から画像を捕捉す
る際のシステムオーバーヘッドに対するステージ移動の
影響を最小にするように使用FOVを最大にすることであ
る。非垂直電子衝突角度を受容することによって、コリ
メータレンズが不要になり前段偏向器１個だけで済むの
で（すなわち、ビームがレズ光軸に非平行）、設計が単
純になる。ビーム衝突角度は垂直から15°以内であれば
よく、この範囲であれば現在のウェーハ検査用に受容で
きる。わずかのコントラスト変動でも標準画像処理ルー
チンの利用により画像規準化で補正できる。

【００４８】最終的スループットはショット雑音および
信号／画像平均化時間で制限されるので高い電子収集効
率がこの用途には重要である。この効率が低下すると、
スループットもそれに比例して低下する。この点につい
ての詳細は、この出願の原出願と同日付の米国特許出願
第09/227,395号に記載してあり、その出願をここに引用
してその内容をこの明細書に組み入れる。

【００４９】画像処理および画像目合せについてさらに
詳述すると、画像捕捉ののち画像目合せおよび比較を行
って欠陥を検出する。通常は各画像を位置ずれ補正のた
めに目合せして残留ステージ誤差を補正する。目合わせ
したあとの画像はいろいろの手法で比較できる。 (ア)すなわち、慣用の画像相互間減算、すなわち画像の
各画像を基準画像の対応画像から減算する。両者の差の
画像は、実際の欠陥（画像差）と重度欠陥でない画像相
互間微小誤差に起因する妨害とを示す。形状特徴浸食
（膨張および拡大）などの画像処理手法をそれら妨害情
報の最小化または消去に用いる。 (イ)形状特徴利用の比較手法、すなわちこの出願の原出
願と同日付の米国特許出願第09/227,747号に記載のとお
り画像を個々の形状特徴に分割してそれら形状特徴相互
間を比較する手法も採用できる。妨害欠陥と実際の欠陥
とがコンタクトやバイアホールなどのように同程度の大
きさのとき、この形状特徴利用の比較は有用である。空
間平均化によってショット雑音を画像の時間平均化によ
る達成値よりもさらに減らすことができる点も有利であ
る。より小さい電圧コントラスト差を妨害欠陥の検出速
度を上げることなく高信頼性で区別できる点も有利であ
る。

【００５０】この発明による欠陥検出方法および装置は
実働化の面でいくつかの利点を備える。 (ア)まず、ウェーハの小部分をシステムスループット低
下なしにサンプリングできる柔軟性を保ちながらステー
ジオーバーヘッドを最小にできることである。 (イ)次に、コスト高の走査ステージを不要とし、低コス
トで低精度のステージによる実働化を可能にすることで
ある。すなわち、高精度のステージエンコーダを不要に
する画像目合せを利用できるからである。 (ウ)次に、大FOVレンズの全FOVを用いたオンザフライの
動的集束および非点収差補正の必要性を避けるためにサ
ブFOVを用いていることである。上述のサブFOVの手法に
より、各サブFOVについてレンズ動作パラメータの単純
な参照テーブルを設定できる。 (エ) 静的参照テーブルで定義前のサブFOVを用い、特徴
づける前の段階の複数点相互間の挿間を併用して動的補
正を不要にしている。この手法は二つの偏向素子の間の
機械的位置合わせ誤差の補正に利用できる。同様にして
動的回転補正も不要にできる。 (オ) さらに、SEMSpecシステムなど従来のＥビーム利用
のウェーハ検査システムよりも実働化が簡単で低コスト
のシステムを実現できる。

【００５１】この発明と整合性を保って多様な動作シー
ケンスが可能であることが当業者には認識されよう。い
くつかの例を次に挙げる。１．プリチャージ用投光照明型ビームなしおよびステー
ジ位置ごとの複数画像形成なしの歩進画像化： (ア)ウェーハをロードし、真空チェンバを排気し、ウェ
ーハを位置合わせし、ダイを位置合わせする (イ)画像化パラメータ、集束、非点収差、画像化対象領
域をセットアップ (ウ)反復：画像を捕捉して蓄積、基準画像が得られる場
合（ステージ移動継続中）に捕捉画像と基準画像との目
合せ・両者間の比較・比較結果の出力、隣接位置への移
動 (エ)画像化対象の領域の完了まで反復 (オ)欠陥を出力または表示２．大FOV対物レンズによる歩進画像化（基準画像は同
様の手順により捕捉ずみと仮定）： (ア)ウェーハをロードし、真空チェンバを排気し、ウェ
ーハを位置合わせし（光ビームまたはＥビーム）、ダイ
を位置合わせする（光ビームまたはＥビーム） (イ)画像化パラメータ、エネルギー、電流、集束、非点
収差、画像化対象領域、ウェーハバイアス電圧、抽出電
極バイアス電圧、画像処理アルゴリズム（通常はウェー
ハレシピデータベースに蓄積されている）をセットアッ
プ (ウ)反復（ユーザの要求する領域について全画像を捕
捉、各ステージ位置について大FOV対物レンズで全画像
を捕捉）：サブFOVにビームを偏向、画像化パラメータ
（集束、非点収差、所定の参照テーブルからのＸＹオフ
セット）の設定／調節、フラッドガンでプリチャージ
（オプション）、サブFOV画像を捕捉して蓄積（例えば1
000×1000画素）、基準画像が得られる場合の捕捉画像
と基準画像との間の目合せ・両者間の比較・比較結果の
出力 (エ)そのステージ位置について全サブFOVの画像が捕捉さ
れるまで反復、現在のダイの検査が終了した場合は次の
隣接ＸＹステージ位置へ移動、ステージ安定化まで待つ (オ)画像化対象の領域の完了まで反復 (カ)欠陥を出力または表示（例えばKLA検査結果ファイル
欠陥ウェーハマップフォーマットで）。

【００５２】歩進画像化における位置合わせについて補
足説明すると、ステージ移動の低精度を補償するために
畳込みアルゴリズムまたはそれ以外の同様のアルゴリズ
ムを２乃至３個の画素について適用する。大FOVレンズ
の位置づけまたは目合せ反復可能性は高いので、この目
合せ過程を必要とするのは機械式ステージの移動位置の
各々について捕捉される数百のサブFOV画像のうち数個
の画像だけであろう。隣接画像からの目合せだけで多く
の場合は目合せに十分である。通常はひと組のサブFOV
画像の最初と最後の画像だけを目合せして、そのひと組
の中のそれ以外の画像すべてについて上記目合せずれ相
互間の挿間を行う。

【００５３】この発明の一つの実施例では、大FOV全体
（例えば全体にわたってほぼ一様な解像度の直径100mm
以上の領域）を、Ｅビームリソグラフィシステムで慣用
化されている動的非点収差および焦点補正を適用して単
一の画像として捕捉できる。その手法はサブFOV画像化
の実施例よりも具体化が複雑になるが、ステージオーバ
ーヘッドの問題は解消できる。

【００５４】これまでの実績から電圧コントラスト画像
利用の欠陥検出は有用な動作態様であることが判明して
いるが、多層ウェーハの一部の層の一部の欠陥は慣用の
SEM型画像形成でなければ検出できない。それら欠陥の
例として、余分のまたは欠けた形状、すなわち断線型で
も短絡型でもなく関連形状特徴の電圧コントラスト状態
を変化させない形状が挙げられる。これらの欠陥の探索
時には、ウェーハバイアスおよび抽出制御パラメータを
電圧コントラスト信号最大化達成のために調節すること
を行っていない点以外は、システム動作にほとんど差は
ない。バイアス電圧は零に設定するか、またはトポグラ
フィのコントラストを最大にする値に設定する。また、
パターン欠陥は回路形状特徴の大きさの最小臨界値より
も大幅に小さいこともあり、動作の信頼性の確保のため
に、より大きい倍率（μmあたりの画素数を増加させ
る）を必要とすることもある。実際の設定は検査対象の
材料および層によって変わる。

【００５５】この発明による単純な実働化では投光照明
型ビームの利用は必要でない。ウェーハへの投光照明型
ビーム照射によるウェーハのプリチャージ動作は、良好
な電圧コントラスト画像の形成によりビーム照射時間が
短くなること、画像形成領域およびその周囲領域におけ
るより一様な電荷分布のためにより一様なコントラスト
が得られることなどの利点を有する。画像形成領域の周
囲の領域における帯電の非均一性はFOV全体にわたるコ
ントラストのばらつきを生じさせ、偽の妨害欠陥を増加
させる。フラッドガン付きのシステムでは、単純な動作
態様は、集束ビームによる各サブFOVの画像の形成の前
に投光照明型ビームでそのサブFOVをプリチャージする
ことである。この動作は集束ビームによる帯電動作より
も高速の帯電動作を可能にして時間短縮をもたらすが、
サブFOVあたり数十乃至数百マイクロ秒の投光照明型ビ
ーム多重化オーバーヘッドを伴う。検査対象のウェーハ
の漏洩電流が画像形成対象の形状特徴の静電容量に比べ
て小さい場合は、複数のサブFOVへの投光照明型ビーム
の照射がサブFOVあたりの上記オーバーヘッドを低下さ
せ得る。検査対象の通常のウェーハの放電時定数は数十
ミリ秒乃至数秒であった。通常のフレーム速度は10ミリ
秒／フレーム乃至100ミリ秒／フレームであり、したが
ってサブFOV数個へのプリチャージ用投光照明型ビーム
照射は多重化オーバーヘッドの削減に実際的な手段であ
る。通常最も上側の金属層で形成されるボンディングパ
ッドや電源線などの大きい形状特徴に対しては、FOV全
体に対するプリチャージ用投光照明型ビーム照射が可能
である。上述のフラッドガンの具体例ではビームスポッ
トサイズを100μm程度とし、したがって投光照明型ビー
ムで直径１mm程度の大FOV対物レンズのFOV全体を網羅す
るようにラスタ走査しなければならない。

【００５６】Ｅビーム利用の欠陥検出システムの検査速
度の制約要因は、ビデオ信号が完全に信号処理され、画
像処理アルゴリズムが完全に最適化され、最良のサンプ
リング動作が適用されているとすると、試料へのビーム
電流の大きさである。上述の説明ではこの発明に整合性
ある単一カラム型の具体例を述べてきた。大型ウェーハ
（例えば直径200mm乃至300mmのウェーハ）に対してはこ
のシステムに二つ以上または四つ以上の電子ビームカラ
ムを取り付けて、システム全体の領域カバレッジ速度を
上げるように並列的に用いる。各カラムをサブFOVの画
像化のために歩進画像化モードで用いる。各カラムにそ
のカラム専用のサポート用電子回路および画像処理ハー
ドウェアを備える。単一カラムシステムよりもコスト高
であるが、複数カラムシステムは単一カラムシステム複
数個よりはコスト低廉である。すなわち、機械式ステー
ジ、真空チェンバ、ロボット、ユーザインタフェースコ
ンピュータなどを複数のカラムに共用にすることができ
るからである。

【００５７】図９はウェーハの複数領域を同時並行式に
画像化するように二つのカラムを二連組合せしたこの発
明の欠陥検出システムの概略的平面図である。カラム９
００および９０５を、Ｘステージ９２０およびＹステー
ジ９２５の上のウェーハチャック９１５に取り付けたウ
ェーハ９１０との相対位置で示してある。

【００５８】図１０はウェーハの複数領域の同時並行的
画像化のために四つのカラムを四連結合したこの発明に
よる欠陥検査システムの概略的平面図を示す。カラム１
０００、１００５、１０１０および１０１５をＸステー
ジ１０３０およびＹステージ１０３５上のウェーハチャ
ック１０２５に取り付けたウェーハ１０２０との相対位
置で示してある。

【００５９】図１１はウェーハの複数領域の同時並行的
画像化のために九つのカラムを九連結合したこの発明に
よる欠陥検査システムの概略的平面図を示す。カラム１
１００、１１０５、１１１０、１１１５、１１２０、１
１２５、１１３０、１１３５および１１４０をＸステー
ジ１１５５およびＹステージ１１６０上のウェーハチャ
ック１１５０に取り付けたウェーハ１１４５との相対位
置で示してある。

【００６０】図１２はウェーハの複数領域同時並行的画
像化のために二つのカラムを二連結合したこの発明によ
る欠陥検査システム１２００の概略図である。第１のカ
ラム１２０５は電子銃イオンポンプ１２１０、フラッド
ガン１２１５、検出器１２２０、および大FOV対物レン
ズ１２２５を備える。また、このカラム１２０５には、
制御電子回路１２３０と、表示装置１２５０付きの制御
コンピュータ１２４５にバス１２４０経由で接続した画
像捕捉処理電子回路１２３５とを備える。第２のカラム
１２５５も、電子銃イオンポンプ、フラッドガン、検出
器および大FOV対物レンズを同様に備える。また、第２
のカラム１２５５には、制御電子回路１２６０と、制御
コンピュータ１２４５にバス１２４０経由で接続した画
像捕捉処理電子回路１２６５とを備える。これらカラム
１２０５および１２５５は、真空チェンバ１２８５中の
Ｘ−Ｙステージ１２８０上のウェーハチャック１２７５
に搭載したウェーハ１２７０上の領域を画像化するよう
に同時並行的に動作できる。また、このシステムには、
真空チェンバ１２８５の排気のためのターボポンプ１２
８８、能動的分離プラットフォーム１２９０、ウェーハ
ハンドリング装置１２９２（真空ロードロックおよびウ
ェーハハンドリングロボット）およびウェーハカセット
１２９５をさらに備える。

【００６１】上述の説明はＥビーム利用の画像形成シス
テムを対象としているが、この発明によるシステムはＥ
ビームの代わりに水素イオンビームまたは上記以外の非
ガリウムイオンビームを利用することもできる。用語
「捕捉画像化」はＥビームだけでなくガリウムイオンビ
ーム以外のイオンビームにも用いることを意図するもの
である。

【００６２】上述の変形およびそれら以外の変形が請求
項記載の発明の真意および範囲を逸脱することなく可能
であることは当業者には明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

【図１】ほぼ全部が単一方向に向いた導電体を有するIC
層のプリチャージずみ10Ｘアンダーサンプリングの説明
図。

【図２】特定の欠陥分布に適合させた通常のサンプリン
グシナリオの説明図。

【図３】図３Ａは継続移動走査ステージ移動の説明図。
図３Ｂは継続移動走査ステージの利用による過走査の説
明図。

【図４】この発明による画像捕捉手法の説明図。

【図５】この発明による画像捕捉手法のもう一つの説明
図。

【図６Ａ】この発明による欠陥検査システムのカラム、
ステージおよび真空チェンバ部分の概略図。

【図６Ｂ】この発明による欠陥検査システムのより上位
の構成の概略図。

【図７】図７Ａは単一偏向コイルを有するレンズの実効
的レンズ位置を示す図。図７Ｂは二つの偏向コイルを有
する可動対物レンズの実効的レンズ位置を示す図。

【図８】この発明による欠陥検出システムに有用な大視
野（FOV）対物レンズの断面図。

【図９】ウェーハの複数の領域を同時並行的に画像化す
る二連組合せカラムを有するこの発明による欠陥検出シ
ステムの概略的平面図。

【図１０】ウェーハの複数の領域を同時並行的に画像化
する四連組合せカラムを有するこの発明による欠陥検出
システムの概略的平面図。

【図１１】ウェーハの複数の領域を同時並行的に画像化
する九連組合せカラムを有するこの発明による欠陥検出
システムの概略的平面図。

【図１２】ウェーハの複数の領域を同時並行的に画像化
する二連組合せカラムを有するこの発明による欠陥検出
システムの概略図。

【符号の説明】

	１００		IC層 	１０５，１１０	導電体 	１１５		電子ビーム走査経路 	２０５，３１５，５００	ウェーハ 	２００		ウェーハ中心 	３００，３２０	ステージ走査経路 	３０５，３１０	ウェーハ上の走査対象領域 	４００		領域 	４０５		サブ領域 	５０５		中心部のダイ 	５１０		端部のダイ 	５１５		ダイ部分 	５２０		サブ視野（FOV）領域 	６００		電子ビーム光学カラム 	６０２		熱電界放射電子銃 	６０４		イオンポンプ 	６０６		集束レンズ 	６０８		ウェーハチャック 	６１０，６１４，６３０	バイアス電源 	６１２		抽出電極 	６１６		大FOV対物レンズ 	６１８		フラッドガン（レンズ内） 	６２０		投光照明型ビーム（フラッドビー
ム）偏向電極 	６２２		ウェーハ 	６２４		Wienフィルタ 	６２６		電子検出器 	６３２		機械式高精度ステージ 	６３４		ルーフ部材 	６３６		真空チェンバ 	６３８		ターボポンプ 	６４０		能動的振動分離プラットフォーム 	６４２		ウェーハロードロックサブシステム 	６４４		ウェーハカセット 	６４６		前置目合せ用顕微鏡／CCDカメラ 	６４８		画像処理用プロセッサアレー（画像
処理サブシステム） 	６５０		欠陥検査システム 	６５２		制御コンピュータ 	６５４		表示装置 	６５６		制御電子回路 	６５８		イオンポンプ／TFE銃コントローラ 	６６０		真空シーケンサ 	６６２		エアロボットコントローラ 	６６４		真空ロボットコントローラ 	６６６		ロードロックコントローラ 	６６８		ターボポンプコントローラ 	６７０		粗ポンプコントローラ 	６７２		画像捕捉／処理電子回路 	６７４		電子光学カラムコントローラ 	６７６		100MHzビデオディジタイザ 	６７８		機械式ステージコントローラ 	６８０		位置情報帰還用干渉計コントローラ 	６８２		画像出力段 	６８４		実時間制御コンピュータ（VxWorks
実時間OS搭載） 	７１０，７５０	レンズ 	７１５		偏向コイル 	７２０，７６５	集束ビーム 	７２５		試料 	７３０，７７０	レンズの実効位置 	７５５		偏向コイル 	７６０		前置偏向コイル 	８００		電子ビーム光学カラム 	８０２		大視野（FOV）対物レンズ 	８０５		前置偏向コイル 	８１０		偏向コイル 	８１５		位置合わせ／非点収差補正コイル 	８２０		一次ビーム 	９００，９０５，１０００	カラム位置 	９１０，１０２０，１１４５	ウェーハ 	９１５，１０２５，１１５０	ウェーハチャック 	９２０，１０３０，１１５５	Ｘステージ 	９２５，１０３５，１１６０	Ｙステージ 	１２００	欠陥検査装置 	１２０５	カラム１ 	１２５５	カラム２ 	１２１０	電子銃イオンポンプ 	１２１５	フラッドガン 	１２２０	電子検出器 	１２２５	大FOV対物レンズ 	１２３０，１２６０	制御電子回路 	１２３５，１２６５	画像捕捉／処理電子回路 	１２４０	高速データリンク 	１２４５	制御コンピュータ 	１２５０	表示装置 	１２７０	ウェーハ 	１２７５	ウェーハチャック 	１２８０	機械式ステージ 	１２８５	真空チェンバ 	１２８８	ターボポンプ 	１２９０	能動的分離プラットフォーム 	１２９２	ウェーハハンドリング装置 	１２９５	ウェーハカセット

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１２年４月２８日（２０００．４．２
８）

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】全図

【補正方法】変更

【補正内容】

【図４】

【図１】

【図２】

【図３】

【図７】

【図９】

【図５】

【図６Ａ】

【図６Ｂ】

【図８】

【図１０】

【図１１】

【図１２】

───────────────────────────────────────────────────── 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）Ｈ０１Ｊ 37/20 Ｈ０１Ｊ 37/22 ５０２Ｈ 37/22 ５０２ 37/28 Ｂ 37/28 Ｇ０１Ｒ 31/28 Ｌ (72)発明者チウェイウェインローアメリカ合衆国カリフォルニア州 95008 キャンベル，オレステスウェイ 2035

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】パターン形成ずみの基板の欠陥を検出する
方法であって、 (a)全体にわたって実質的に一様な解像度の視野（FOV）
を有する帯電粒子ビーム光学カラムをパターン形成ずみ
基板に対して位置づける過程と、 (b)前記視野（FOV）内にある前記パターン形成ずみ基板
の複数の小領域の上で画像を捕捉するように、前記帯電
粒子ビームによる前記パターン形成ずみ基板の走査を前
記帯電粒子ビーム光学カラムを前記パターン形成ずみ基
板に対して固定位置に維持したまま行うことによって前
記帯電粒子ビーム光学カラムを動作させる過程と、 (c)前記パターン形成ずみ基板の欠陥を検出するように
前記捕捉した画像を基準と比較する過程とを含む方法。
【請求項２】前記帯電粒子ビーム光学カラムが電子ビー
ム源を含む請求項１記載の方法。
【請求項３】前記電子ビーム源が熱電界放射陰極を含む
請求項２記載の方法。
【請求項４】前記電子ビーム源がジルコニウム−タング
ステン陰極を含む請求項２記載の方法。
【請求項５】前記パターン形成ずみ基板に対する前記帯
電粒子ビーム光学カラムの位置を変えるように機械式ス
テージを動作させる過程と、前記パターン形成ずみ基板
の前記領域以外の領域から画像を捕捉するように前記過
程(a)、(b)および(c)を繰り返す過程とを含む請求項１
記載の方法。
【請求項６】前記機械式ステージの位置をレーザ干渉計
でモニタする過程をさらに含む請求項１記載の方法。
【請求項７】前記画像を捕捉するように前記帯電粒子ビ
ーム光学カラムを動作させる過程が電圧コントラスト画
像を捕捉する過程を含む請求項１記載の方法。
【請求項８】前記画像を捕捉するように前記帯電粒子ビ
ーム光学カラムを動作させる過程の前に、前記パターン
形成ずみ基板のプリチャージのために帯電粒子を前記パ
ターン形成ずみ基板に導く過程をさらに含む請求項１記
載の方法。
【請求項９】前記画像を捕捉するように前記帯電粒子ビ
ーム光学カラムを動作させる過程がトポグラフィ画像を
捕捉する過程を含み、前記比較する過程が前記パターン
形成ずみ基板のトポグラフィの欠陥を検出するように基
準画像と比較する過程を含む請求項１記載の方法。
【請求項１０】前記基準画像が前記パターン形成ずみ基
板の一部の画像を含む請求項１記載の方法。
【請求項１１】前記基準画像が蓄積ずみの基準画像を含
む請求項１記載の方法。
【請求項１２】前記基準画像がCADデータベースから発
生した画像である請求項１記載の方法。
【請求項１３】前記比較する過程が前記捕捉した画像の
形状特徴を基準画像の形状特徴と比較する過程を含む請
求項１記載の方法。
【請求項１４】前記捕捉した画像および前記基準画像が
それぞれ画素から構成され、前記比較する過程が前記捕
捉した画像を画素ごとに前記基準画像と比較する請求項
１記載の方法。
【請求項１５】前記画像を捕捉するように前記帯電粒子
光学カラムを動作させる過程の前に投光照明型ビームを
前記パターン形成ずみ基板に導く過程をさらに含む請求
項１記載の方法。
【請求項１６】前記投光照明型ビームを前記パターン形
成ずみ基板に導く過程が前記投光照明型ビームを前記視
野（FOV）のサブ領域に導くことを含む請求項１５記載
の方法。
【請求項１７】前記帯電粒子ビーム光学カラムが全体に
わたって実質的に一様な解像度の視野（FOV）を有する
可変軸浸漬型レンズ（VAIL）を含む請求項１記載の方
法。
【請求項１８】前記帯電粒子ビーム光学カラムが視野
（FOV）全体にわたって実質的に一様に二次電子を収集
して検出するレンズ内帯電粒子検出器を含む請求項１記
載の方法。
【請求項１９】視野(FOV)全体にわたって実質的に一様
な解像度の視野（FOV）を有する第２の帯電粒子ビーム
光学カラムをパターン形成ずみ基板に対して位置づける
過程と、前記視野（FOV）内にある前記パターン形成ず
み基板の複数の小領域の上で第２の画像を捕捉するよう
に前記第２の帯電粒子ビームによる前記パターン形成ず
み基板の走査を前記第２の帯電粒子ビーム光学カラムを
前記パターン形成ずみ基板に対して固定位置に維持した
まま行うことによって前記第２の帯電粒子ビーム光学カ
ラムを動作させる過程と、前記パターン形成ずみ基板の
欠陥を検出するように前記捕捉した第２の画像を基準と
比較する過程とをさらに含む請求項１記載の方法。
【請求項２０】パターン形成ずみ基板の欠陥を検出する
方法であって、 (a)全体にわたって実質的に一様な解像度の100μm以上
の視野（FOV）を有する帯電粒子ビーム光学カラムを前
記パターン形成ずみ基板に対して位置づける過程と、 (b)前記FOVの実質的に全体の画像を捕捉するように前記
パターン形成ずみ基板の前記帯電粒子ビームによる走査
を前記帯電粒子ビーム光学カラムを前記パターン形成ず
み基板に対して固定位置に維持したまま行うことによっ
て前記帯電粒子ビーム光学カラムを動作させる過程と、 (c)前記パターン形成ずみ基板の欠陥を検出するように
前記捕捉した画像を基準と比較する過程とを含む方法。
【請求項２１】パターン形成ずみ基板の欠陥を検出する
装置であって、パターン形成ずみの基板に対して帯電粒子ビーム光学カ
ラムを位置づける機械式ステージと、全体にわたって実質的に一様な解像度の視野（FOV）を
有する帯電粒子ビーム光学カラムであって前記帯電粒子
ビームによる前記パターン形成ずみ基板の走査を前記パ
ターン形成ずみ基板との位置関係を固定したまま行うこ
とによって前記視野（FOV）内の前記パターン形成ずみ
基板の複数の小領域の上で画像を捕捉するように動作で
きる帯電粒子ビーム光学カラムと、前記パターン形成ずみ基板の欠陥を検出するために前記
捕捉した画像を基準画像と比較できる少なくとも一つの
プロセッサとを含む装置。
【請求項２２】前記帯電粒子ビーム光学カラムが電子ビ
ーム源を含む請求項２１記載の装置。
【請求項２３】前記電子ビーム源が熱電界放射陰極を含
む請求項２２記載の装置。
【請求項２４】前記電子ビーム源がジルコニウム−タン
グステン陰極を含む請求項２２記載の装置。
【請求項２５】前記機械式ステージが前記パターン形成
ずみ基板に対する前記帯電粒子ビーム光学カラムの再位
置づけを前記パターン形成ずみ基板の前記領域以外の領
域から画像を捕捉するように行うことができる請求項２
１記載の装置。
【請求項２６】前記機械式ステージの位置をモニタでき
るレーザ干渉計をさらに含む請求項２１記載の装置。
【請求項２７】前記帯電粒子ビーム光学カラムが電圧コ
ントラスト画像を捕捉できる請求項２１記載の装置。
【請求項２８】前記画像を捕捉するように前記帯電粒子
ビーム光学カラムを動作させる前に、前記パターン形成
ずみ基板をプリチャージできる帯電粒子源をさらに含む
請求項２１記載の装置。
【請求項２９】前記帯電粒子ビーム光学カラムがトポグ
ラフィ画像を含む画像を捕捉することができ、前記プロ
セッサが前記パターン形成ずみ基板のトポグラフィの欠
陥を検出するように前記捕捉した画像を基準画像と比較
することができる請求項２１記載の装置。
【請求項３０】前記基準画像が前記パターン形成ずみ基
板の一部の画像を含む請求項２１記載の装置。
【請求項３１】前記基準画像が蓄積ずみの基準画像を含
む請求項２１記載の装置。
【請求項３２】前記基準画像がCADデータベースから発
生した画像を含む請求項２１記載の装置。
【請求項３３】前記プロセッサが前記捕捉した画像の形
状特徴を基準画像の形状特徴と比較できる請求項２１記
載の装置。
【請求項３４】前記基準画像が画素から構成され、前記
プロセッサが前記捕捉した画像を画素ごとに前記基準画
像と比較できる請求項２１記載の装置。
【請求項３５】前記帯電粒子光学カラムによる前記画像
の捕捉の前に投光照明型ビームを前記パターン形成ずみ
基板に導く投光照明型ビーム源をさらに含む請求項２１
記載の装置。
【請求項３６】前記投光照明型ビーム源が前記投光照明
型ビームを前記視野（FOV）のサブ領域に導く請求項３
５記載の装置。
【請求項３７】前記帯電粒子ビーム光学カラムが全体に
わたって実質的に一様な解像度の視野（FOV）を有する
可変軸浸漬型レンズ（VAIL）を含む請求項２１記載の装
置。
【請求項３８】前記帯電粒子ビーム光学カラムが視野
（FOV）全体にわたって実質的に一様に二次電子を収集
して検出するレンズ内帯電粒子検出器を含む請求項２１
記載の装置。
【請求項３９】全体にわたって実質的に一様な解像度の
視野（FOV）を有する第２の帯電粒子ビーム光学カラム
であって、前記視野（FOV）内にある前記パターン形成
ずみ基板の複数の小領域の上で追加の画像の捕捉を、前
記帯電粒子ビームによる前記パターン形成ずみ基板の走
査を前記帯電粒子ビーム光学カラムを前記パターン形成
ずみ基板に対して固定位置に維持したまま行うことによ
って行うことができる第２の帯電粒子ビーム光学カラム
と、前記パターン形成ずみ基板の欠陥を検出するように
前記捕捉した追加の画像を基準画像と比較できる少なく
とも一つのプロセッサとを含む第２の帯電粒子ビーム光
学カラムをさらに含む請求項２１記載の装置。
【請求項４０】パターン形成ずみ基板の欠陥の検査装置
であって、帯電粒子ビーム光学カラムをパターン形成ずみ基板に対
して位置づけする機械式ステージと、全体にわたり実質的に一様な解像度の100μm以上の視野
（FOV）を有する帯電粒子ビーム光学カラムであって、
前記帯電粒子ビームによる前記パターン形成ずみ基板の
走査を前記パターン形成ずみ基板との位置関係を固定し
たまま行うことによって前記視野（FOV）の実質的に全
体の画像を捕捉するように動作できる帯電粒子ビーム光
学カラムと、前記パターン形成ずみ基板の欠陥を検出するために前記
捕捉した画像を基準画像と比較できる動作が可能な少な
くとも一つのプロセッサとを含む装置。