JP2001522054A

JP2001522054A - ２次電子放出顕微鏡検査のための装置及び方法

Info

Publication number: JP2001522054A
Application number: JP2000519454A
Authority: JP
Inventors: エイアドラー，デイヴィッド; ジェイウォーカー，デイヴィッド; バビアン，フレッド; ウルフ，トラヴィス
Original assignee: ケイエルエイ−テンコーコーポレイション
Priority date: 1997-11-05
Filing date: 1998-10-26
Publication date: 2001-11-13
Also published as: US6087659A; WO1999023684A1; DE69840813D1; WO1999023684A9; EP1029340B1; US6984822B2; AU1365799A; US20020104964A1; EP1029340A1; US5973323A; EP1029340A4; US20030205669A1; US6713759B2

Abstract

(57)【要約】電子ビームを用いて特に半導体装置であるがこれに限られない試料（Ｓ）の表面を検査するための装置及び方法が提供される。かかる技術は２次電子放出顕微鏡（ＳＥＥＭ）と称され、走査電子顕微鏡及び低エネルギー電子顕微鏡（ＬＥＥＭ）技術の両方に対して大きな利点を有する。特に、ＳＥＥＭ技術は並列マルチピクセル撮像に適したビーム幅を有する比較的高エネルギーの１次電子（１１）のビームを用いる。電子のエネルギーは、従来のＳＥＭによる速度よりも高速な撮像を達成し、ＬＥＥＭによる電荷中性を達成するために、電荷安定状態に近い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】［技術分野］本発明は概して対象の表面を顕微鏡を用いて検査するために電子ビームを使用
する装置及び方法に関連し、更に特定的には半導体装置中の層を検査することに
関する。

【０００２】［従来技術の説明］半導体の微細な表面構造を検査するために様々な方法が使用されてきた。この
らの方法は、半導体チップ製造の分野では、表面層における微細な欠陥が良品チ
ップと不良品チップの差となるため特に重要な適用を有する。中間絶縁層の穴又
はビアは、外側の２つの導電層間の電気接続のための物理的な導管を提供する。
これらの穴又はビアのうちの１つが目詰まりすれば、この電気接続を確立するこ
とは不可能となり、チップ全体が故障しうる。半導体層の表面の微細な欠陥の検
査はチップの品質制御を確実とするために必要である。

【０００３】電子ビームは、試料を検査する場合に他の機構に対して幾つかの利点を有する
。光ビームは約１００ｎｍ乃至２００ｎｍの内在的な分解能の限界を有するが、
電子ビームは数ナノメートル程度に小さい特性サイズを調査しうる。電子ビーム
は、静電要素及び電磁要素を用いてかなり容易に操作され、Ｘ線よりも確かに生
成し操作する。

【０００４】半導体欠陥検査中の電子ビームは、光学ビームほど多くの偽像を生成しない。
光学ビームは色雑音及び粒子構造の問題に敏感であるが、電子ビームは敏感でな
い。酸化物トレンチ及びポリシリコン線は、粒子構造に起因する光学ビームによ
り特に偽像を生じがちである。

【０００５】表面構造を検査するために電子ビームに関連する様々なアプローチが用いられ
てきた。低電圧の走査電子顕微鏡検査（ＳＥＭ）では、試料の表面を横切って１
次電子の狭いビームがラスタ走査される。走査ビーム中の１次電子は、サンプル
の表面に２次電子を放出させる。走査電子顕微鏡検査におけるビーム中の１次電
子は特定の既知の電子エネルギー（「Ｅ₂」と称される）に近いため、ＳＥＭ中では対応する電荷蓄積問題はなく、試料の表面は中性に維持される。しかしなが
ら、走査電子顕微鏡を用いた表面のラスタ走査は、表面の画素が順次に収集され
るため低速である。更に、ビームパターンを制御するために複雑で高価な電子ビ
ーム操縦系が必要とされる。

【０００６】他のアプローチは、観察されるべき試料の表面に対して光子が向けられ、光電
効果により表面から電子が放出されるものであり、光電子放出顕微鏡検査（ＰＥ
Ｍ又はＰＥＥＭ）と称される。しかしながら絶縁性の表面上では表面からの電子
の正味フラックスがあるため、これらの電子の放出は試料表面上に正の正味電荷
を発生する。試料は、放出される電子がなくなるまで又は電気的な絶縁破壊が生
ずるまで正に荷電し続ける。この電荷蓄積は絶縁体を撮像する際のＰＥＥＭの使
用を制限する。

【０００７】電子ビームを用いて表面を検査するための他の方法は、低エネルギー電子の比
較的幅の広いビームが使用の表面に入射するよう向けられ、試料から反射される
電子が検出されるものであり、低エネルギー電子顕微鏡（ＬＥＥＭ）として知ら
れている。しかしながらＬＥＥＭでは、電子が試料表面へ向けられるが全ての電
子が表面を離れるのに充分なエネルギーを有するわけではないため、同様の電荷
蓄積問題がある。ＬＥＥＭでは、負に荷電された電子が表面上に蓄積され、試料
に衝突しないよう更なる電子をはね返し、表面の歪み及びシャドウイングを生じ
させる。

【０００８】幾つかの従来技術の文献は電子顕微鏡において電子ビームを用いる様々なアプ
ローチを記載しているが、いずれも電荷蓄積問題が除去されると共に並列に撮像
することについて述べるものではない。これらのアプローチの１つは、Lee H. V
eneklasenにより「The Continuing Development of Low-Energy Electron Micro
scopy for Characterizing Surfaces」、Review of Scientific Instruments, 6
3(12),１９９２年１２月、第５５１３乃至５５３２頁に記載される。Veneklasen
は概して源と試料との間のＬＥＥＭ電子電位差はゼロ乃至数ｋｅＶの間で調整さ
れうることを記載しているが、荷電問題を認識しておらずこれに対する解法も提
案していない。Habliston外は、「Photoelectron Imaging of Cells: Photocond
uctivity Extends the Range of Applicability,」Biophysical Journal, Volum
e 69, １９９５年１０月、第１６１５乃至１６２４頁において、紫外線を用いた
光電子撮像において試料の荷電を低減させる方法を記載する。

【０００９】従って、電荷蓄積問題をなくし、大きな試料表面を検査する速度を増加させる
試料表面を調査するための電子ビームを使用した方法がなお必要とされている。

【００１０】［発明の概要］本発明は電子ビーム顕微鏡を用いて試料を検査するために電子ビームを用いる
ための２次電子放出電子顕微鏡（ＳＥＥＭ）と称される改善された装置及び方法
を提供する。装置は検出器アレイ上で並列に多数の画素を撮像し、それにより従
来の走査電子顕微鏡よりも高速且つ低雑音な性質を有する。電子ビーム走査系は
必要とされず、電子ビーム電流密度はそれほど高くなく、敏感な試料を損傷する
確率が低下される。

【００１１】本発明の方法は、特性エネルギー値を有する材料の試料を準備する段階と、並
列マルチピクセル撮像に適した幅を有する電子ビームを上記試料に入射するよう
に方向付ける段階と、上記試料の安定した静電荷バランスを維持する段階とを含
む。（「ピクセル」又は画素は、電子検出器の要素上の像の投影寸法によって決
められる）。ＳＥＥＭの１つの適用は、半導体装置の製造における欠陥の検出で
ある。他の適用は、生物学的な試料及び組織を含む他の材料を観察することであ
る。

【００１２】本発明は、ＬＥＥＭ及びＳＥＭ技術の幾つかの特性を組み合わせることにより
、試料表面構造を観察するための電子ビームを用いることに関する従来技術のア
プローチに関連する多くの問題を克服する。対象をラスタ走査する従来の走査電
子顕微鏡方法と比較して、本発明は対象を並列に撮像するために比較的幅の広い
電子ビームを使用する。本質的に、ＬＥＥＭの場合のように１次電子の比較的幅
の広いビームが使用されるが、これらの電子エネルギーはＳＥＭにおいて使用さ
れるものの特性である。１次電子ビームを試料材料の収量曲線の安定点における
エネルギーＥ₂に近く操作することにより、本発明はＬＥＥＭに関連付けられる試料表面上の電荷蓄積の問題を除去するという予期されていなかった利点を実現
する。対象の表面上の電荷蓄積は、放出された２次電子の数が入射する１次電子
の数に等しいときの電子エネルギーにおいて対象の表面上に電子ビームを向ける
ことによって制御される。

【００１３】ＳＥＥＭは試料全体に亘って狭いビームを走査する代わりに、表面に比較的幅
の広い電子ビームを向けるため、ＳＥＥＭはＳＥＭよりもかなり高速である。こ
れを数値的な見方にすると、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）における走査ビームのス
ポットサイズは典型的には約５ナノメートル乃至１００ナノメートル（５×１０ ^-9 メートル乃至１００×１０^-9メートル）である。２次電子放出顕微鏡（ＳＥＥ
Ｍ）における入射ビームのスポットサイズは、約１ミリメートル乃至１０ミリメ
ートル（１×１０^-3メートル乃至１０×１０^-3メートル）である。従って、ＳＥ
ＥＭにおけるスポットサイズはＳＥＭのものよりも１万乃至１００万倍大きいオ
ーダである。従ってＳＥＥＭは、ＳＥＭで可能な速度よりも迅速により大きい面
積を見ることができる。

【００１４】ＳＥＥＭにおける１次電子エネルギーはＳＥＭにおいて使用されるＥ₂点に近く、即ち約１乃至２ｋｅＶ（１０００電子ボルト）である。ＬＥＥＭでは、１次
電子エネルギーは材料のＥ₁点よりも０乃至−１００ｅＶだけ下の範囲にある。このように、表面は負に荷電する。

【００１５】ＳＥＥＭにおけるかなりの速度的な利点、即ち最大画素速度は、主に「休止時
間」及び「電流密度」によって制限される。ビームが所与の像を見ることを保留
せねばならない最小休止時間は像の許容可能な信号対雑音比によって決定される
。最大電流密度は利用可能な銃の明るさ及び可能な試料の損傷といった実際的な
要件によって決定される。ＳＥＭにおいて合焦された１次電子のビームは検査さ
れるべき表面全体に亘ってビームを走査せねばならないため、走査電子顕微鏡に
おける最大の実際の画素速度は１０億画素／秒（１００ＭＨｚ）以下である。２
次電子放出顕微鏡（ＳＥＥＭ）では、走査を行なう必要なしに試料の大きな２次
元領域が撮像される。ＳＥＥＭにおける最大画素速度は８０億画素／秒（８００
ＭＨｚ）よりも大きい。ＳＥＥＭにおけるビームの休止時間は従ってＳＥＭにお
けるものよりもかなり長くなり、これは高い信号対雑音比を維持しつつかなり低
い電流密度を可能とする。このようにＳＥＥＭは、より低い明るさの電子ビーム
源を必要とする一方で、より敏感な試料表面を観察する可能性を有する。

【００１６】［望ましい実施例の詳細な説明］図１は、本発明の２次電子放出顕微鏡検査（ＳＥＥＭ）装置の基本構造を示す
図である。電子銃源１０は、路１２に沿って１次電子ｅ₁のビーム１１を放出する。電子ビーム１１は、電子レンズ１３によってコリメートされ、路１２に沿っ
て進む。磁気ビーム分割器１４はコリメートされた電子ビーム１１を電子光学軸
ＯＡに沿って検査されるべき表面に対して垂直に入射するよう曲げる。電子対物
レンズ１５は、１次電子ｅ₁を、１乃至１０ｍｍの範囲のスポットサイズ及び試料Ｓ上に１ｋｅＶのオーダの入射エネルギーを有するビームへと合焦する。

【００１７】試料Ｓ上に入射する１次電子ｅ₁は、検査表面に対して垂直な軸ＯＡに沿って電子対物レンズ１５へ戻って進行する２次電子ｅ₂を発生し、２次電子ｅ₂は電子
対物レンズ１５において再びコリメートされる。磁気ビーム分割器１４は、電子
を撮像路１６に沿って進行するよう曲げる。撮像路１６に沿った電子ビームは、
投影電子レンズ１７によって、カメラ又は望ましくは時間遅延積分（ＴＤＩ）電
子検出器である電子検出器１９が設けられた像平面１８に合焦される。類似した
ＴＤＩ光学検出器の動作は、ここに参照として組み入れられるChadwick外の米国
特許第４，８７７，３２６号に開示される。像情報は、「背の薄い」ＴＤＩ電子
検出器１９から直接処理されてもよく、又は電子ビームは光ビームへ変換され任
意の光学系２０及びＴＤＩ光学検出器によって検出されてもよい。

【００１８】試料Ｓ上の電子ビームスポットのサイズは望ましくは１乃至２ミリメートルで
あることが望ましいが、より一般的には０．１乃至１００ミリメートルの範囲に
ある。試料及び像平面におけるこのビームのサイズは、分解能及び像を捕捉する
速度を制御するためにズーム結像系を用いて可変であってもよい。いずれの場合
も、エッジ効果を除去するため、ビームの幅は、像平面における検出器の特性寸
法よりも大きいべきであり、望ましくは少なくとも２倍である。

【００１９】図２は、ＬＥＥＭ、ＳＥＭ及びＳＥＥＭといった電子ビーム検査技術の電荷比
率対１次電子エネルギー特性を示すグラフである。収量比率ηは、表面によって
放出された電子の数ｅ₂を表面に入射する電子の数ｅ₁で割り算したものとして定
義される。従って、収量比率ηは、ηが１でないときはいつでも正味電荷蓄積が
あるため、検査される表面上の電荷蓄積の量を定義する。収量比率が１よりも大
きければ、入射する電子の数よりも多くの電子が放出され、表面において正の正
味電荷が生ずることを意味し、逆に収量比率が１よりも小さければ、放出される
電子の数よりも多くの電子が入射し、表面において負の正味電荷蓄積が生ずるこ
とを意味する。

【００２０】収量曲線Ｃは、典型的な試料材料について、様々な入射電子エネルギーＥにお
ける収量比率を定義する実験的に導出された数学的関数を示す。図２に示される
ように、線Ｌは電荷バランス、η＝１、を示す線であり、収量曲線Ｃ上で電荷バ
ランスが達成される、即ちｅ₂／ｅ₁＝１であるのは３つの点のみである。これら
の３つの点は、Ｅ₀＝０，Ｅ₁，Ｅ₂である。（エネルギーＥ₀＝０は、試料上に電
子が入射していない場合を示すため本発明の関心となるものではない）。領域Ｉ
では、線Ｌと収量曲線Ｃとの間で、ｅ₂がｅ₁よりも大きいため負の電荷の超過が
ある。領域ＩＩでは、線Ｌと収量曲線Ｃとの間で、ｅ₁がｅ₂よりも大きいため正
の電荷の超過があり、即ち入射する１次電子の数よりも多くの２次電子が放出さ
れる。領域ＩＩＩでは、線Ｌと収量曲線Ｃとの間で、電荷蓄積は再び負になる。

【００２１】図２より、収量曲線Ｃ上には、電荷バランスが存在する場所にただ２つの顕著
な点Ｅ₁及びＥ₂があることが分かる。ここで問題となるのは、点Ｅ₂のみが実際に安定であることである。即ち、試料表面上に入射する１次電子のエネルギーＥ
が、例えばΔＥ₁といった小さな量だけいずれかの方向に変化すれば、電荷バランスは急速に失われる。電荷バランスηは、＋ΔＥ₁の方向からＥ₁に接近したか
又は−ΔＥ₁の方向からＥ₁に接近したかに依存してますます負になるか又はます
ます正になる。点Ｅ₁はこの点において曲線Ｃの勾配が正であるため不安定である。しかしながら、点Ｅ₂はこの点において曲線Ｃの勾配が負であるため安定である。入射電子エネルギーがＥ₂から＋ΔＥ_２の方向又は−ΔＥ₂の方向への変動
は、ビームエネルギーを点Ｅ₂へ戻す傾向がある。Ｅ₁及びＥ₂の値は、二酸化ケイ素、アルミニウム、及びポリシリコンといった様々な材料について実験的に定
義されている。各材料は独自の特徴的な収量曲線Ｃを有するが、これらの収量曲
線の一般的な形状は図示されるようなものである。

【００２２】図２は、従来技術の電子ビーム検査の問題を図式的に示し、なぜ本発明のＳＥ
ＥＭ技術が予期されない利点を与えるものかを示す。低エネルギー電子顕微鏡（
ＬＥＥＭ）は電子エネルギーが１００ｅＶ又はそれ以下の場合は概してＥ₁よりも下で動作する。点Ｅ₁は不安定であるため、ＬＥＥＭは電荷蓄積の問題を受ける。走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）は、１−２ｋｅＶの範囲の電子エネルギーでは、
Ｅ₂のすぐ下で動作する。点Ｅ₂は安定であるため、ＳＥＭでは電荷蓄積に関する
問題は無かったが、ＳＥＭは走査を必要とするため動作速度が遅い。本発明以前
は、本発明のＳＥＥＭ技術によって認識されるように、エネルギーＥ₂においてＬＥＥＭ並列撮像系の比較的幅の広いビームを駆動するものはないと信じられて
きた。従って、本発明のＳＥＥＭ技術はＬＥＥＭの並列撮像をＳＥＭの電荷バラ
ンスと組み合わせることの利点を初めて認識したものである。

【００２３】図２のために、１次電子エネルギーは試料Ｓの表面において測定されるべきで
あることに注意することが重要である。電子対物レンズ１５によって合焦される
電子のエネルギーは、概して試料Ｓにおける電子のエネルギー（ランディングエ
ネルギーと称される）とは異なり、このランディングエネルギーはしばしば予測
が容易でない。ランディングエネルギーは、ビームの電流密度、試料の材料、及
び表面における電界といった因子に依存しうる。

【００２４】１次電子のランディングエネルギーは約Ｅ₂として選択されるが、概して収量曲線Ｃ上のＥ₂よりも下とされる。図２は、収量曲線Ｃが領域ＩＩ中で点Ｍにおいて相対的な最大を有することを示す。概して、電子のランディングエネルギー
は点Ｍと収量曲線Ｃ上のＥ₂との間で選択される。試料Ｓが複数の材料を含む場合、Ｅ₂値及び収量曲線Ｃは各材料について異なる。試料Ｓの中に複数の材料がある場合、ランディングエネルギーがいずれの材料についてもより多く荷電する
領域ＩＩＩにないよう、ランディングエネルギーは複数の材料の夫々のＥ₂値よりも下であるよう選択される。

【００２５】図３は、４つの技術、即ちＰＥＥＭ、ＬＥＥＭ、ＳＥＭ及びＳＥＥＭの差異及
び利点をまとめたチャートを示す。ＰＥＥＭは、放出される２次電子を発生する
ために１次電子の代わりに光子を使用する。ＰＥＥＭは、絶縁性の試料ターゲッ
ト材料を用いた場合は、２次電子が光子によって試料表面から払いのけられるが
、この２次電子の代わりとなる負に荷電された粒子が無いため、正の電荷蓄積の
問題を受ける。ＰＥＥＭの検査光子ビームは幅が広いものでありえ、並列撮像が
達成されうる。

【００２６】低エネルギー顕微鏡（ＬＥＥＭ）では、１次電子の幅の広いビームが検査表面
に投射され、並列撮像が達成されうる。これらの１次電子は比較的低いエネルギ
ーを有し、撮像方法は表面からのこれらの低エネルギー電子を反射することを含
む。低エネルギー電子のみが入射するため、１次電子は反射されるが２次電子は
殆ど放出されない。また、低エネルギーは、電子が試料空間から逃げるのに十分
なエネルギーを有さないため負の電荷蓄積を意味する。

【００２７】走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）では、電子ビームは狭いスポットサイズへと合焦さ
れるため、比較的低速なラスタ走査撮像が使用されねばならない。しかしながら
ＳＥＭは、収量曲線上の安定点であるエネルギーＥ₂において入射する高エネルギーの１次ソース電子を発生し、それにより電荷が中性である動作が得られる。
ＳＥＭでは、高エネルギーの１次電子が２次電子を発生させる。

【００２８】本発明の２次電子放出顕微鏡（ＳＥＥＭ）技術では、高エネルギーの１次電子
のビームはエネルギーＥ₂で試料表面に向けられる。１次電子の比較的幅の広いビームが導入されるため、ＳＥＭ撮像よりもかなり高速な並列撮像が可能である
。更に、これらの１次電子はエネルギーＥ₂で入射するため、試料は電荷が中性のままとされ、このようにＳＥＥＭはＬＥＥＭ及びＳＥＭの最も望ましい属性を
組み合わせたものである。

【００２９】図４、図５（ａ）及び図５（ｂ）は、走査電子顕微鏡検査及び２次電子放出顕
微鏡検査における夫々の撮像方法を比較するために示す図である。図４中、走査
電子顕微鏡は電子のビーム４１を発生し、これらを特性寸法Ｄを有する試料４２
の表面に向ける。ビーム４１は５乃至１００ナノメートル（５０乃至１０００オ
ングストローム）の範囲にある幅「ｗ」を有する。このビーム４１は、試料４２
の表面に亘って路４３によって表わされるパターンでラスタ走査される。（図中
、走査線の数はかなり少なく示されている）。ラスタ路４３に沿って進行するよ
うビーム４１を制御するため、検査系は電子ビーム４１を電磁的に偏向させる電
子ビーム操縦装置を含むことが望ましい。

【００３０】図５（ａ）及び図５（ｂ）は、本発明の２次電子放出顕微鏡検査における並列
撮像を示す図である。ビーム５４は電子銃源から発生され、ビーム５４は典型的
には試料５５の表面において約１乃至２ミリメートルである幅「Ｗ」を有する。
試料５５は、電子ビームの幅Ｗよりもはるかに大きい特性寸法Ｄを有する。ＳＥ
ＥＭでは、電子ビーム５４の幅はＳＥＭよりもはるかに大きいが、試料５５を走
査するために試料５５をビームに対して移動させる必要がありうる。しかしなが
ら、望ましい実施例では、ＳＥＥＭは試料５５のステージをビーム５４に対して
機械的に移動させることのみを必要とし、電磁的にビームを操縦するための電子
ビーム偏向系４１を必要としない。本発明のＳＥＥＭ検査系は、数千又は数百万
の画素を並列に撮像するため、ＳＥＭ検査系よりもはるかに高速に動作しうる。

【００３１】図５（ｂ）は、ビーム５４内での並列マルチピクセル撮像領域５６を図示する
ために試料５５上のビーム５４の撮像部分を拡大して示す図である。矩形の検出
器アレイ領域５６はビーム５４の中央領域を占め、撮像アパーチャを画成する。
（検出器アレイは、時間遅延積分（ＴＤＩ）又は非積分型のいずれかである）。
検出器アレイ５６は約５０万乃至１００万画素を並列に撮像する。

【００３２】従って、ＳＥＥＭは、検出器アレイ内の画素の数により、ＳＥＭよりも５０万
乃至１００万倍高速である。ＳＥＥＭが１つの画素を見るのに１ミリ秒かかると
すると、ＳＥＭは１００ＭＨｚにおいて同一のデータフレームを捕捉するのにそ
の画素に対してわずか１又は２ナノ秒を取りうる。従って、ＳＥＥＭ中の試料表
面における電流密度は、ＳＥＭにおける電流密度よりも１０⁶（即ち１００万）倍小さく、結果として試料の損傷はより少なくなる。良い像のために例えば１画
素当たり１０，０００の電子が必要とされれば、ＳＥＭは画素スポットに対して
１単位時間当たりより多くの数の電子を当てねばならない。ＳＥＥＭでは、１０
０万の画素が同時に撮像されるため、同じ数の電子がより長い時間に亘って拡散
される。

【００３３】ＳＥＥＭは、ＳＥＭよりも良い雑音減少特性を有する。１００ＭＨｚにおいて
、ＳＥＭは１ナノ秒につき１画素をサンプルする一方で、ＳＥＥＭは各画素を見
るのに１ミリ秒かかる。従ってＳＥＥＭは、１ｋＨｚ以上の雑音を平均化するが
、ＳＥＭは１００ＭＨｚ以上の雑音のみを平均化する。欠陥検出適用では、これ
はより少ない偽像及びより良い信号対雑音比を意味する。

【００３４】ＳＥＥＭは、試料５５をビーム５４に当てる（フラッディングする）がエッジ
効果を除去するためにビーム５４の中央部分のみを撮像することによって電荷制
御における更なる利点を得る。通常、撮像表面上の電荷の不均一性は、ビームの
偏向による撮像歪みをもたらす。ビーム径の円周の外側には電子フラックスは無
いため、試料表面はビーム５４のエッジにおいてビームの内側部分における表面
よりも均一でない電荷分布を有する。ビームが既に走査された領域における残留
荷電により、更なるエッジ効果がある。検出器アレイ領域５６の撮像領域よりも
大きい領域５４をフラッディングすることにより、これらの撮像歪みは回避され
る。ＳＥＭでは、ビーム径は更なるアパーチャを与えるためには小さすぎるため
、エッジ効果はこの方法では除去されえない。表面電荷蓄積の効果を低減するた
めの技術は、ここに参照として組み入れられるMonohanの米国特許第５，３０２，８２８号により教示される。

【００３５】本発明は、試料における電荷バランスを維持するための更なる手段を含みうる
。電子ビームエネルギーは概してこの電荷バランスを略維持するよう選択される
一方で、実際は電子ビームエネルギーを制御するだけでは充分でないことがある
。１つの可能性は、試料に電極を取り付けることによって補足的な電界を印加す
ることである。変動電圧制御は電極に電流を給電し、それにより電荷バランスの
安定性に対して更なる自由度を与える。他の可能性は、電荷バランスを制御する
ために、試料を含む真空チャンバの中にアルゴンといった低圧ガスを入れること
である。低圧ガスは試料への過剰な電荷の累積を防止するよう作用する。上述の
技術は試料の電荷安定性を維持する追加的な制御手段の例として与えられるもの
であるが、これに限られるものではなく、電荷制御を調整するための既存のまた
は今後発見される他の技術もありうる。

【００３６】これらの追加的な電荷制御手段は、上述のMonohanのフラッディング方法を用いてもよい。材料のＥ₂値に対する特定のエネルギーの電子ビームを使用することは、安定した電荷バランスを維持するための１次近似として作用する。フラッ
ディング、電極、及び／又は低圧ガスといった追加的な電荷制御手段の使用は、
この電荷バランスを維持するための２次近似として作用する。これらの１次及び
２次の電荷制御手段の組み合わせは、実際の電荷制御装置のために必要とされう
る。

【００３７】ＳＥＥＭ及びＳＥＭにおいて最大走査速度によって課せられる制限を比較する
ことが有用である。概して、ＳＥＭに対するＳＥＥＭの利点は以下の通りである
。

【００３８】（１）雑音が少ない。所与の試料領域に対してより長い像積分時間が得られる
。より長いサンプリング時間に亘って平均化することにより、雑音が少なくなる
。

【００３９】（２）像の歪みが少ない。撮像される領域よりも大きい試料上の領域をフラッ
ディングすることにより、撮像される領域についてより均一な電荷分布が維持さ
れ、エッジ効果歪みが除去される。

【００４０】（３）電流密度が低い。並列撮像及びより長い休止時間によって可能とされる
低い電流密度は、試料に対する損傷の可能性が低いことを意味する。

【００４１】（４）高速である。並列撮像は、ＳＥＥＭ内で同時に多くの画素（例えば１０
０万）が撮像されることを意味する。ＳＥＭでは一回に１画素ずつのみ撮像され
る。

【００４２】（５）高速走査電子部品がない。これらの走査系は複雑且つ高価であるが、Ｓ
ＥＥＭでは高速な並列撮像が行われるので必要とされない。

【００４３】図６（ａ）は、本発明の電子ビームがいかにして半導体装置の層間のビア内の
欠陥を検出するかを示す図である。半導体装置６０の中間製造段階が示されてい
る。本例では、半導体装置６０は、基板６１、基板６１上に堆積される金属層６
２、及び金属層６２の上に形成される絶縁層６３からなる。ビア又は穴６４，６
５は、絶縁層６３を貫通して金属層６２まで延在する。続く製造段階では、絶縁
層６３上に第２の金属層６６が形成され、ビア６４，６５は金属層６２と６６と
の間に電気接続を形成するよう導電性材料で充填される。しかしながら現在の製
造段階では、金属層６６はまだ堆積されておらず、単に点線として図示されてい
る。概して、ビア６４及び６５は絶縁層６３をエッチングすることによって形成
される。しかしながらビア６４は目詰まりしており、一方ビア６５は空である。
ビア６４は例えば異物で目詰まりするか、又はエッチング処理の不完全性により
目詰まりする。或いは、ビア６４は欠陥のあるビアを表わし、ビア６５は完全な
ビアを表わすものである。

【００４４】図６（ａ）は更に、半導体装置６０の表面に垂直に絶縁層６３へ入射する１次
電子のビーム６７を示す。層６３は絶縁材料であるため、層６３上での電子の移
動度は限られている。従って絶縁層６３はその表面上に電荷を収集する傾向があ
り、これはＬＥＥＭといった従来技術の検査技術に関連する電荷蓄積問題をもた
らした。しかしながら、本発明の２次電子放出顕微鏡検査（ＳＥＥＭ）技術では
、ビーム６７中の電子のエネルギーは、絶縁層６３の材料のＥ₂値に十分に近いよう選択される。従って、１次電子ビーム６７による照射時に、絶縁材料６３に
よって２次電子ビーム６８が発生され材料の表面６４上の電荷の蓄積は最小であ
る。２次電子ビーム６８は、絶縁層６３の表面に対して垂直方向に、１次電子ビ
ーム６７とは反対の向きに放出される。２次電子ビーム６８は欠陥ビア６４及び
完全なビア６５に関する情報を含み、この情報は光学系を通って戻り、検出され
、続いて操作者が半導体装置６０に欠陥があるか否かを判定することを可能とす
るよう処理される。

【００４５】図６（ｂ）は、続く製造段階における図６（ａ）の半導体装置６０の電子ビー
ム検査を示す図である。金属線６６ａ及び６６ｂは、ビア６４，６５を通じて金
属層６２を接続するよう図の平面に対して垂直方向に延在し、それによりライン
６６ａ，６６ｂと層６２との間に電気接点を与える。１次電子ビーム６７は半導
体装置６０上、特に金属線６６ａ，６６ｂ及び絶縁層６３上に入射する。金属線
６６ａ，６６ｂ及び絶縁層６３の検査のための撮像は、２次電子ビーム６８中に
符号化される荷電差動情報によって達成される。

【００４６】半導体産業におけるプロセス制御のモニタリングは、本発明の電子ビーム検査
により、このように粒子構造及び色雑音に起因した偽像を減少又は除去すること
により、光学ビーム検査と比較して改善される。欠陥が識別されると、欠陥が重
大なものであれば合焦されたイオンビーム注入といった手順によって修理される
。

【００４７】より一般的には、本発明の２次電子放出顕微鏡は、あらゆる半導体装置、薄膜
磁気ヘッド、半導体製造用の焦点板、又はフラットパネル（例えば液晶又は電界
効果）ディスプレイ中の欠陥を検査するために使用される。絶縁材料、半導体材
料、又は導電性材料、或いは超伝導体及びプラズマは、ＳＥＥＭによって撮像さ
れることが可能である。典型的な半導体製造プロセスは、ウェーハ設計のために
生成される焦点板パターンの紫外線減少投射と、それに続く装置の各層のための
化学的エッチングとを含む。或いは、半導体装置はイオンビーム又はエッチング
又は他のＣＭＰ処理によってパターニングされる。するとプロセス検査及び中間
生産物及び最終生産物のモニタリングは本発明の方法によって実行される。

【００４８】図７は、本発明の２次電子放出顕微鏡検査（ＳＥＥＭ）がいかにしてステージ
担体７７上の生物学的試料７０を観察するために適用されるかを示す図である。
生物学的試料７０は様々な特性７１，７２，７３及び７４を有する。例えば試料
７０は細胞壁７１，細胞核７２、原形質７３、及びミトコンドリア７４でありう
る。或いは、試料７０は筋肉７１、骨７２、液体７３、及び悪性細胞７４を含む
人体組織でありうる。１次電子のビーム７５は試料７０に対して垂直に入射する
。ビーム７５は細胞７０上の電荷蓄積を防止するため細胞７０の材料に特徴的な
平均Ｅ₂値のすぐ下のランディングエネルギーを有する。２次電子のビーム７６はビーム７５で細胞７０を照射したときに発生され、ビーム７６は電子光学系を
通って垂直に戻る。細胞７０に関する情報はビーム７６中に符号化され、検出さ
れ、細胞７０についての情報を得るために処理される。

【００４９】上述において本発明について一般的に述べたが、本発明の装置及び方法は様々
な適用に適合されうることが理解されるべきである。従って、本発明は請求項に
範囲にある全ての適合、変更、変形及び他の適用を網羅することが意図される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のＳＥＥＭ装置の基本的な構造を示す図である。

【図２】電荷バランス収量率と１次電子エネルギーとの間の関係を示すグラフである。

【図３】本発明のＳＥＥＭ技術を従来技術の電子ビーム検査技術と比較するチャートを
示す図である。

【図４】ＳＥＭの撮像方法を示す図である。

【図５】（ａ）及び（ｂ）は図４との比較のためにＳＥＥＭの撮像方法を示す図である
。

【図６】（ａ）はＳＥＥＭの電子ビームがいかにして絶縁層のビア内の欠陥（閉塞）を
検出するかを示す図であり、（ｂ）はＳＥＥＭの電子ビームがいかにしてビアを
接続する金属線を検査するかを示す図である。

【図７】ＳＥＥＭの電子ビームがいかにして生物学的試料を調査するために使用される
かを示す図である。

【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書

【提出日】平成１１年６月１日（１９９９．６．１）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ) ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者バビアン，フレッドアメリカ合衆国カリフォルニア州 95006 ボウルダー・クリークアゼイリア・サークル 140 (72)発明者ウルフ，トラヴィスアメリカ合衆国カリフォルニア州 95051 サンタ・クララカブリロ・アヴェニュー 2923 Ｆターム(参考） 2G001 AA03 AA09 BA07 CA03 GA01 GA06 GA12 HA13 JA02 JA03 JA15 KA03 LA01 LA11 MA05 RA04 SA02 SA12 4M106 AA02 BA02 CA38 DB00 DB04 DB05 DB12 DB18 DB30 5C033 NN01 NN02 NP01 NP05 NP06 UU02 UU03 UU04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】特性エネルギー値を有する材料の試料を準備する段階と、並列マルチピクセル撮像に適した幅を有する電子ビームを上記試料に入射する
ように方向付ける段階と、上記試料の安定した静電荷バランスを維持する段階とを含む、対象を検査するために電子ビームを使用する方法。
【請求項２】上記方向付け段階は、上記材料の特性エネルギー値よりも低
い又は略等しいエネルギーを有する上記電子ビームを使用する、請求項１記載の
方法。
【請求項３】上記方向付け段階は、上記材料の収量曲線の最大点よりも大
きいエネルギーを有する上記電子ビームを使用する、請求項２記載の方法。
【請求項４】上記試料は２つ以上の材料を含み、上記ビームは上記試料の
特性エネルギー値に近いエネルギーを有する、請求項１記載の方法。
【請求項５】上記方向付け段階は更に、上記電子ビームをコリメートし、
上記電子ビームを上記試料に合焦する、請求項１記載の方法。
【請求項６】像平面において上記試料からの２次電子ビームの像パターン
を検出する段階を更に含む、請求項１記載の方法。
【請求項７】上記方向付け段階は更に、上記２次電子ビームをコリメート
し上記像平面に合焦する、請求項６記載の方法。
【請求項８】上記方向付け段階は１次電子を上記試料へ方向付け、上記検出段階は上記試料によって発生された２次電子を検出する、請求項６記
載の方法。
【請求項９】上記試料は絶縁材料からなる、請求項１記載の方法。
【請求項１０】上記試料は半導体材料からなる、請求項１記載の方法。
【請求項１１】上記試料は導電性材料からなる、請求項１記載の方法。
【請求項１２】上記試料はプロセスモニタリングされている半導体ウェー
ハからなる、請求項１記載の方法。
【請求項１３】上記試料はプロセスモニタリングされている薄膜磁性材料
からなる、請求項１記載の方法。
【請求項１４】上記試料はプロセスモニタリングされている焦点板からな
る、請求項１記載の方法。
【請求項１５】上記試料はプロセスモニタリングされているフラットパネ
ルディスプレイからなる、請求項１記載の方法。
【請求項１６】上記試料は生物学的材料からなる、請求項１記載の方法。
【請求項１７】上記電子ビームは上記試料の表面において測定される１乃
至２ｋｅＶの範囲のエネルギーを有する、請求項１記載の方法。
【請求項１８】上記ビーム幅は検出器の投影寸法よりも大きい、請求項１
記載の方法。
【請求項１９】上記ビーム幅は０．１乃至１００ミリメートルの範囲にあ
る、請求項１記載の方法。
【請求項２０】上記像を捕捉する分解能及び速度を変化させるため試料像
の倍率を変更する段階を更に含む、請求項１記載の方法。
【請求項２１】上記静電荷バランスを維持するために追加的な制御を与え
る段階を更に含む、請求項１記載の方法。
【請求項２２】上記静電荷バランスは上記材料の上記特性エネルギー値を
上記電子ビームの電子ビームエネルギーに等しくすることによって維持される、
請求項１記載の方法。
【請求項２３】上記静電荷バランスは追加的な電荷制御手段を用いて上記
材料の上記特性エネルギー値を上記電子ビームの電子ビームエネルギーに等しく
することによって維持される、請求項１記載の方法。
【請求項２４】特性エネルギー値を有する材料の試料と、並列マルチピクセル撮像に適した幅を有し上記試料に方向付けられる電子ビー
ムの源とを含む、対象を検査するために電子ビームを使用する装置であって、上記試料の安定した静電荷バランスが維持される装置。
【請求項２５】上記電子ビームは、上記材料の特性エネルギー値よりも低
い又は略等しいエネルギーを有する、請求項２４記載の装置。
【請求項２６】上記エネルギーは上記材料の収量曲線の最大点よりも大き
い、請求項２５記載の装置。
【請求項２７】上記試料は２つ以上の材料を含み、上記ビームは上記試料
の特性エネルギー値に近いエネルギーを有する、請求項２４記載の装置。
【請求項２８】上記電子ビームをコリメートする電子コリメートレンズと
、上記電子ビームを合焦する電子合焦レンズとを更に含む、請求項２４記載の装
置。
【請求項２９】像平面において上記試料からの２次電子ビームの像パター
ンを検出する電子検出器を更に含む、請求項２４記載の装置。
【請求項３０】上記電子ビームをコリメートする電子コリメートレンズと
、上記電子ビームを上記像平面に合焦する電子合焦レンズとを更に含む、請求項
２４記載の装置。
【請求項３１】１次電子は上記試料へ方向付けられ、２次電子は上記試料によって発生され、検出される、請求項２４記載の装置。
【請求項３２】上記試料は絶縁材料からなる、請求項２４記載の装置。
【請求項３３】上記試料は半導体材料からなる、請求項２４記載の装置。
【請求項３４】上記試料は導電性材料からなる、請求項２４記載の装置。
【請求項３５】上記試料はプロセスモニタリングされている半導体ウェー
ハからなる、請求項２４記載の装置。
【請求項３６】上記試料はプロセスモニタリングされている薄膜磁性材料
からなる、請求項２４記載の装置。
【請求項３７】上記試料はプロセスモニタリングされている焦点板からな
る、請求項２４記載の装置。
【請求項３８】上記試料はプロセスモニタリングされているフラットパネ
ルディスプレイからなる、請求項２４記載の装置。
【請求項３９】上記試料は生物学的材料からなる、請求項２４記載の装置
。
【請求項４０】上記電子ビームは１乃至２ｋｅＶの範囲のエネルギーを有
する、請求項２４記載の装置。
【請求項４１】上記ビーム幅は検出器の投影寸法よりも大きい、請求項２
４記載の装置。
【請求項４２】上記ビーム幅は０．１乃至１００ミリメートルの範囲にあ
る、請求項４１記載の装置。
【請求項４３】上記電荷バランスを維持するための追加的な制御部を更に
含む、請求項２４記載の装置。
【請求項４４】上記静電荷バランスは上記材料の上記特性エネルギー値を
上記電子ビームの電子ビームエネルギーに等しくすることによって維持される、
請求項２４記載の装置。
【請求項４５】上記静電荷バランスは追加的な電荷制御手段を用いて上記
材料の上記特性エネルギー値を上記電子ビームの電子ビームエネルギーに等しく
することによって維持される、請求項２４記載の装置。
【請求項４６】特性エネルギー値を有する材料の試料と、並列マルチピクセル撮像に適した幅を有し上記試料に入射する１次電子ビーム
と、上記１次電子ビームをコリメートする電子コリメートレンズと、上記コリメートされたビームを上記試料に合焦し、上記試料によって発生され
る電子を２次電子ビームへコリメートする電子対物レンズと、上記コリメートされた２次電子ビームを像平面において合焦する電子合焦レン
ズと、上記像平面における上記合焦された２次電子ビームの像パターンを検出する電
子検出器と、上記１次電子ビームを上記電子対物レンズへ、上記２次電子ビームを上記電子
合焦レンズへ再方向付けする電子ビーム分割器とを含む、対象を検査するために電子ビームを使用する装置であって、上記試料において安定した静電荷バランスが維持される装置。
【請求項４７】特性エネルギー値を有する材料の試料と、並列マルチピクセル撮像に適した幅を有し上記試料に入射する１次電子ビーム
を発生する電子ビーム源手段と、上記電子ビームをコリメートする電子コリメートレンズ手段と、上記コリメートされたビームを上記試料に合焦し、上記試料によって発生され
る電子を２次電子ビームへコリメートする電子対物レンズ手段と、上記像平面における上記２次電子ビームの像パターンを検出する電子検出器手
段と、上記２次電子ビームを上記像平面において上記電子検出器手段に合焦する電子
投射レンズ手段と、上記１次電子ビームを上記電子対物レンズへ再方向付けし、上記２次電子ビー
ムを上記電子投射レンズ手段へ再方向付けする電子ビーム分割器手段とを含む、対象を検査するために電子ビームを使用する装置であって、上記試料の安定した静電荷バランスが維持される装置。
【請求項４８】特性エネルギー値を有する材料の試料手段と、並列マルチピクセル撮像に適した幅を有し上記試料に入射する１次電子ビーム
を発生する電子ビーム手段と、上記試料の安定した静電荷バランスを維持する手段とを含む、対象を検査するために電子ビームを使用する装置。
【請求項４９】上記電子ビームは、上記材料の特性エネルギー値よりも低
い又は略等しいエネルギーを有する、請求項４８記載の装置。
【請求項５０】上記エネルギーは上記材料の収量曲線の最大点よりも大き
い、請求項４９記載の装置。
【請求項５１】上記試料手段は２つ以上の材料を含み、上記ビームは上記
試料手段の特性エネルギー値に近いエネルギーを有する、請求項４８記載の装置
。
【請求項５２】上記電子ビームをコリメートする電子コリメートレンズ手
段と、上記電子ビームを合焦する電子合焦レンズ手段とを更に含む、請求項４８
記載の装置。
【請求項５３】像平面において上記電子ビームの像パターンを検出する電
子検出器手段を更に含む、請求項４８記載の装置。
【請求項５４】上記電子ビームをコリメートするための電子コリメートレ
ンズ手段と、上記像平面に上記コリメートされた電子ビームを合焦するための電
子合焦レンズ手段とを更に含む、請求項４８記載の装置。
【請求項５５】１次電子は上記試料手段へ方向付けられ、２次電子は上記試料手段によって発生され、検出される、請求項４８記載の装
置。
【請求項５６】上記試料手段は絶縁材料からなる、請求項４８記載の装置
。
【請求項５７】上記試料手段は半導体材料からなる、請求項４８記載の装
置。
【請求項５８】上記試料手段は導電性材料からなる、請求項４８記載の装
置。
【請求項５９】上記試料手段はプロセスモニタリングされている半導体ウ
ェーハからなる、請求項４８記載の装置。
【請求項６０】上記試料手段はプロセスモニタリングされている薄膜磁性
材料からなる、請求項４８記載の装置。
【請求項６１】上記試料手段はプロセスモニタリングされている焦点板か
らなる、請求項４８記載の装置。
【請求項６２】上記試料手段はプロセスモニタリングされているフラット
パネルディスプレイからなる、請求項４８記載の装置。
【請求項６３】上記試料手段は生物学的材料からなる、請求項４８記載の
装置。
【請求項６４】上記電子ビームは１乃至２ｋｅＶの範囲のエネルギーを有
する、請求項４８記載の装置。
【請求項６５】上記ビーム幅は検出器の投影寸法よりも大きい、請求項４
８記載の装置。
【請求項６６】上記ビーム幅は０．１乃至１００ミリメートルの範囲にあ
る、請求項４８記載の装置。
【請求項６７】上記電荷バランスを維持するための追加的な制御手段を更
に含む、請求項４８記載の装置。
【請求項６８】上記静電荷バランスを維持する手段は上記材料の上記特性
エネルギー値を上記電子ビームの電子ビームエネルギーに等しくすることによっ
て達成される、請求項４８記載の装置。
【請求項６９】上記静電荷バランスを維持する手段は追加的な電荷制御手
段を用いて上記材料の上記特性エネルギー値を上記電子ビームの電子ビームエネ
ルギーに等しくすることによって維持される、請求項４８記載の装置。