JP2002139464A

JP2002139464A - 半導体装置の検査方法および検査装置

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Publication number: JP2002139464A
Application number: JP2000340386A
Authority: JP
Inventors: Miyako Matsui; 都松井; Mari Nozoe; 真理野副; Isao Ochiai; 勲落合; Atsuko Takato; 敦子高藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-11-02
Filing date: 2000-11-02
Publication date: 2002-05-17

Abstract

(57)【要約】【課題】半導体製造工程中のウェハ上の欠陥を検査し、
上記欠陥部の組成情報を高速に取得し、得られた組成情
報から上記欠陥の発生プロセスや要因の特定を行い、プ
ロセスの最適化を短期間に行う。【解決手段】半導体製造工程中のウェハに数１００ｅＶ
以上１０ｋｅＶ以下のエネルギの電子線を走査・照射
し、発生した２次電子の画像から高速に欠陥検査を行
い、検出された欠陥部を特定し、上記の箇所に２ｋｅＶ
以上１０ｋｅＶ以下のエネルギの電子線を再び照射し、
発生したオージェ電子またはＸ線から上記欠陥部の組成
評価を同一装置内で行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電子線を用いた半導
体装置の検査技術に係わり、特に微細な回路パターンを
有する半導体ウェハ上の異物や欠陥を高速・高感度に検
出する検査技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の製造においてウェハの大口
径化と回路パターンの微細化が進められており、これに
対応して電子線を用いた高スループットかつ高精度なウ
ェハ検査技術が実用化されている。

【０００３】たとえば特開平１０−２９４３４５公報で
は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用い、通常の１００
倍以上の大電流ビーム（１０ｎＡ以上）によって基板か
ら発生する２次電子、反射電子の検出を行ない、高速か
つ高効率な欠陥検査を行う技術が開示されている。ま
た、特開平６−１３９９８５号公報では、表面電位差に
起因する２次電子線のコントラストを利用して欠陥検査
を行う方法が示されており、ここでは低加速電子線を照
射している。また、特開平５−２５８７０３号公報で
は、高分解能の像を得るために高加速電子線を試料直前
で減速して照射する手法が示されている。

【０００４】しかし、上記の従来技術においては、いず
れも形状不良、孔パターンの開口／非開口あるいは配線
ショート等を検査する方法についての記載はあるが、欠
陥部分などにおける組成評価方法に関する記述はなされ
ていない。

【０００５】他方、電子線を用いた一般的な組成評価法
として、オージェ電子分光法がある。この方法では、電
子線を照射したときに発生するオージェ電子のエネルギ
を測定して、その値から元素の分析を行うことができ
る。しかし、従来のオージェ電子分析法は、１次電子線
を偏向することによって走査できる範囲のみの評価であ
る上に計測時間がかかるので、回路パターンを持つウェ
ハ上を高速かつ高効率で評価することはできない。

【０００６】他の、電子線を用いた組成評価法として、
電子線を照射したときに発生する特性Ｘ線を測定して、
そのエネルギから元素分析を行う方法がある。しかし、
従来のＥＤＸ（Energy Dispersive X-ray Spectrome
ter）では、１次電子線を偏向することによって走査で
きる範囲のみの評価である上、計測時間がかかるので、
回路パターンを持つウェハ上の欠陥を高速かつ高効率で
評価することはできない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来の電子線検査装置
では、回路パターンを持つウェハ上からの２次電子像か
ら形状観察を行い、異物の有無や孔パターンの開口／非
開口を検査することが可能である。しかし、異物の組成
情報を得ることができなかったため、異物発生要因を特
定することが困難であった。また、孔パターンの非開口
には、エッチング不足による残さやエッチング生成物の
堆積等いくつかの要因があるが、組成情報を得ることが
できなかったため、その要因を特定することが困難であ
った。

【０００８】したがって、従来の検査方法で検出された
欠陥の要因を特定するためには、組成分析が可能な分析
装置で別途分析を行なう必要があった。このとき、大口
径ウェハ上の欠陥の位置を再確認した上で評価を行わな
くてはならないため、欠陥要因の特定に膨大な時間を費
やし、半導体装置製造の開発を遅らせる要因となってい
た。

【０００９】また、組成分析が可能な一般の分析装置で
は、ウェハをチップサイズに切断してから評価する必要
があるので、製造工程の途中で抜き取ったウェハを検査
した後、それを続きの工程に戻して半導体装置を製造す
ることはできなかった。しかも、従来の組成分析可能な
分析装置ではスキャン速度が遅く、スキャン範囲も狭い
ために、ウェハのような大面積における異物等の欠陥検
査に必要とされる高速な評価をすることはできなかっ
た。また、電子線を用いてエッチング工程後の孔パター
ンの検査を行うには、入射電子線に対して１８０度後方
に放出される電子線の信号を検出する必要があるが、従
来のオージェ電子分光装置等の分析装置は、１次電子線
と検出器が被検査物表面に対して異なる角度に設置され
ているので、孔底からの信号の検出は困難であった。こ
のため、エッチング工程後の孔パターンの非破壊評価は
困難であった。さらに、組成評価のみでは、配線ショー
ト等の電気的な欠陥を同時に検出することはできない。

【００１０】本発明の目的は、上記の課題を解決し、半
導体装置等の製造工程途中のウェハを検査する技術とし
て、高速に欠陥の組成情報を得る検査方法を提供するこ
とにある。さらに本発明の目的は、得られた組成情報か
ら異物の発生プロセスやその要因、孔底の非開口の要因
等、欠陥の発生するプロセスや要因の特定を行って、プ
ロセスの最適化を行うことに寄与する技術を提供するこ
とにある。さらに、半導体製造プロセスの管理におい
て、プロセス異常を早期に発見して対策することによっ
て、半導体装置の信頼性を高めるのに寄与する技術を提
供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】図２に数１００ｅＶ〜数
ｋｅＶのエネルギを持った電子線を固体表面に照射した
ときに表面から放出される電子線のエネルギスペクトル
の一例を示す。図のスペクトルにおいてピーク７１は２
次電子、ピーク６４はオージェ電子、ピーク７２は反射
電子による信号を示している。従来の電子線検査装置で
は、１次電子線によって発生したこれら２次電子、反射
電子、オージェ電子の全ての信号を検出していた。

【００１２】２次電子の放出個数Ｎｓｅは、一次電子線
の照射量Ｎ１と基板の被照射領域の２次電子放出効率σ
の積で表される。さらに、放出された電子Ｎｓｅのうち
検出可能な電子のみが信号として取得できるため、Ｎｓ
ｅに２次電子検出効率δを乗じた数が、２次電子信号量
Ｓｓｅとなる。２次電子は約５０ｅＶ以下の低エネルギ
で試料表面から放出されるので、２次電子の信号強度は
試料表面の帯電状態や試料近傍の電位状態に大きな影響
を受ける。この電位差による２次電子のコントラストを
利用して、電気的回路のショートや導通不良等の電気的
な欠陥等を検査することができる。

【００１３】次にオージェ電子について説明する。電子
等によって内殻電子がイオン化されてホールが生成され
ると、このホールはそのエネルギレベルよりも上のレベ
ルの電子で埋められ、同時にオージェ電子が放出され
る。したがってこのオージェ電子はエネルギレベル間の
エネルギ情報を持っているので組成分析が可能である。

【００１４】オージェ電子の放出効率Ｉはイオン化断面
積Ｃｉとオージェ電子放出確率Ｐａの積に比例する。Ｐ
ａは元素番号に依存し、軽元素ほど大きくなる。一方Ｃ
ｉは入射エネルギに依存し、入射エネルギをイオン化エ
ネルギの３〜５倍とすると、半導体装置の製造に使用さ
れる材料を構成する元素のイオンかエネルギは通常１ｋ
ｅＶ程度であるので、入射エネルギが３〜５ｋｅＶのと
き、オージェ強度は最大になる。このオージェ電子を検
出することによって、材料表面の組成を分析することが
一般的に行なわれている。

【００１５】さらに、後方散乱電子（反射電子）は入射
エネルギとほぼ同じエネルギで非弾性散乱されたもので
ある。この反射電子放出効率は原子番号が大きくなるに
したがって、増加する傾向を持っている。

【００１６】従来の電子線検査装置では、上記２次電
子、オージェ電子および反射電子全ての信号を検出して
いた。これら３つの成分の中で、２次電子は相対的な信
号強度が大きい。このため、従来は電位差によって生じ
るコントラストの変化に敏感であり、組成の情報を得る
ことはできなかった。

【００１７】本発明では検出電子のエネルギを分別する
手段、たとえばエネルギフィルタを持った検出器を配置
して、所望のエネルギのみの電子を検出する手段を設け
た。また、本発明ではある可変のしきい値でエネルギを
フィルタリングするための電極を設け、所望のエネルギ
を含む電子線による信号と、所望のエネルギを含まない
電子線による信号を検出し、検出された信号から所望の
エネルギの信号量を演算によって算出する手段を設け
た。

【００１８】さらに、フィルタリングするエネルギを変
化させてエネルギスペクトルを得るための手段を設け、
組成情報を得るための条件を検討した結果、試料からの
電子線のエネルギスペクトルは、前記図２のように低エ
ネルギ側から２次電子、試料表面材料の組成に応じたオ
ージェ電子、反射電子のピークが順に検出され、このう
ちの表面組成に対応するオージェ電子による信号のみを
上記所望のエネルギの信号量として検出できることを確
認した。この結果、本発明によれば大面積を高速で電子
線検査する装置を用い、しかも組成情報を得ることが可
能となった。検出するエネルギ範囲として、０以上２０
００ｅＶのエネルギの電子を検出する手段を設けること
により、半導体装置の回路パターンを構成するほぼすべ
ての元素の組成を評価できるようになった。

【００１９】さらに、所望のエネルギ範囲の電子を検出
し、特定のオージェ電子のみを検出し、マッピングを行
う機構を付加することによって、元素マッピングを行う
ことができるようになった。すなわち、本発明の方法お
よび装置によれば、エネルギフィルタを用いず、発生し
た全ての電子を検出して信号強度を稼いでウェハ等の大
面積を高速で検査し、上記検査で欠陥や異物等が発生し
た場所と形状を特定した後、所望の狭い領域のみを上記
のエネルギフィルタを用いて組成評価することによっ
て、大面積を高速に検査し、さらに欠陥の組成情報を得
ることが可能となる。

【００２０】また、大面積の電位コントラストを評価す
るときに、エネルギフィルタによって２次電子成分の一
部をフィルタリングすることによって、高精度な欠陥検
査を行った後、所望の局所領域での組成情報を得ること
が可能となる。

【００２１】従来の電子線検査装置では、欠陥の種類に
よって、検査に最適な入射電子エネルギを数１００ｅＶ
〜１０ｋｅＶの範囲で調整する必要があった。しかしな
がら、上述のようにオージェ強度は入射エネルギが３〜
５ｋｅＶで最大となる。したがって、電位コントラスト
と組成評価を行なう時の入射エネルギを変えることによ
り、高感度化が実現できる。しかし、入射エネルギ等、
電子の入射条件を変化させると照射位置が変化する。本
発明ではこの問題を解決して、電位コントラスト検査画
像で特定したウェハ上の位置に電子線を照射するため、
オージェ電子検出時の一次電子の光学系の設定とウェハ
上の位置との関連を検査前に評価し、照射位置を再現す
る機構を設けた。

【００２２】オージェ電子検出時の１次電子エネルギ
は、１ｋｅＶ〜１０ｋｅＶの範囲で設定できる機構を設
けた。これは、オージェ電子の放出効率を確保できると
同時に、電位コントラスト取得時の１次電子光学系の設
定からの変更を最小限にするためである。

【００２３】また、１次電子の位置を固定して一定時間
信号を蓄積することでオージェ電子の信号強度を上げる
ことができるが、絶縁膜や誘電膜を含む電子回路に電子
線を照射すると、表面の帯電や電子光学系の経時変化に
よって１次電子照射位置が徐々にシフトするとするとい
う問題がある。本発明ではこの課題を解決するために、
一定時間毎に全放出電子を検出したときの電子線画像を
取得し、あらかじめ記憶してある初期の画像と比較し
て、電子線のずれを算出し、電子線のずれを補正する機
構を設けた。

【００２４】次に、反射電子を用いて組成情報を得る方
法について述べる。入射エネルギが数１００ｅＶ〜数ｋ
ｅＶのときの２次電子のエネルギは、約５０ｅＶ以下で
あるのに対して、反射電子は入射エネルギに近い。した
がって５０ｅＶ以下の電子エネルギのフィルタリングを
行なうことによって反射電子の情報が得られる。反射電
子の信号強度は元素番号が大きくなるにしたがって増加
するので、照射ビーム径の空間分解能で組成分布を得る
ことができる。入射電子線の強度や信号の検出効率は、
電子光学系の調整によってわずかな誤差を生じるが、検
査表面の組成が既知である領域からの信号強度と比較す
ることで、信号強度の誤差を補正することができる。ま
た、反射電子のみの信号強度のマッピングを行う機能を
付加することによって、組成情報を得ることが可能にな
る。

【００２５】プローブとして電子線を用いて組成情報を
得る他の方法として、電子線を照射したときに生じる特
性Ｘ線をＸ線検出器で検出する方法がある。本発明で
は、電子線検査装置で発生させた特性Ｘ線を検出するた
めの手段を設け、特性Ｘ線のエネルギスペクトルと表面
の組成を得るための手段を設けた。この結果、電子線検
査装置を用いて、組成情報を得ることができるようにな
った。さらに、特定のエネルギの特性Ｘ線のみを検出
し、ある領域のマッピングを行う機構を付加することに
よって、元素マッピングを行うことができる。

【００２６】この結果、回路パターンを持つウェハ上か
らの２次電子像から形状観察を行い、異物の有無や孔パ
ターンの開口／非開口等の欠陥の有無を検査し、所望の
領域の組成情報を得られるようになる。さらに、あらか
じめ作成してある組成情報と欠陥発生要因の対応を記憶
したファイルから欠陥発生要因の判定を行う手段を設け
ることにより、組成情報から欠陥の発生要因を自動に判
定することが可能となる。たとえば、異物の組成情報か
ら異物発生要因を特定したり、孔パターンの非開口要因
を特定することが可能となる。具体例として、孔パター
ンの欠陥判定を行うために、ホール周囲を構成する元素
と下地を構成する元素のマッピングを行い、取得された
画像から欠陥の種類を自動判定するための手段を設け
た。

【００２７】また、本発明は非破壊での検査が可能であ
り、半導体製造工程途中で抜き取ったウェハの欠陥検査
および組成評価終了後、続きの工程にウェハを戻して半
導体を製造することができるようになる。さらに、得ら
れた組成情報から欠陥が発生するプロセス要因を早期に
特定できるようになるため、不良の原因を短期間で対策
することが可能となる。

【００２８】

【発明の実施の形態】（実施例１）図１に本発明の一実
施例による半導体ウェハ検査装置の構成を示す。本実施
例の検査装置は、電子光学系２、ステージ機構系３、ウ
ェハ搬送系４、真空排気系５、光学顕微鏡６、制御系
７、操作部８より構成されている。電子光学系２は、電
子銃９、コンデンサレンズ１０、対物レンズ１１、検出
器１２、エネルギフィルタ１３、偏向器１４、ウェハ高
さ検出器１５より構成されている。ステージ機構系３は
ＸＹステージ１６およびウェハを保持するためのホルダ
１７、上記ホルダ１７およびウェハ１８に負の電圧を印
加するためのリターディング電源１９より構成されてい
る。ＸＹステージ１６には、レーザ測長による位置検出
器（図示略）が取りつけられている。ウェハ搬送系４は
カセット載置部２０とウェハローダ２１と、上記ウェハ
ローダ２１とＸＹステージ１６間でウェハ１８を受け渡
しする手段（図示略）が設けられている。制御系７は、
信号検出系制御部２２、ブランキング制御部２３、ビー
ム偏向補正制御部２４、電子光学系制御部２５、ウェハ
高さセンサ検出系２６、ステージ制御部２７より構成さ
れている。操作部８は操作画面および操作部２８、画像
処理部２９、画像・検査データ保存部３０より構成され
ている。また、本装置は外部サーバ３１から遠隔操作を
行うこともできる。

【００２９】図３に上記図１の装置を用いた検査フロー
を示す。まず操作画面２８上でカセット内棚番号を指定
するなどして検査対象となるウェハを特定し（３２）、
電子ビーム電流、電子ビーム照射エネルギ、走査速度、
信号検出サンプリングクロック、走査サイズ、検査領
域、被検査ウェハに関する各種情報等の内容を検査条件
として入力する（３３）。ここではあらかじめデータベ
ース化された検査条件から所望の条件を用いることもで
きる。

【００３０】検査を開始すると、ウェハ１８を検査装置
に搬送する。ウェハ１８はカセットからウェハローダ内
に搬送された後、ウェハローダは真空排気される。その
後、既に真空排気されている検査室に導入される（３
４）。

【００３１】ウェハロード終了後、上記入力された検査
条件に基づき、電子光学系制御部２５から各部に電子線
照射条件が設定される。そして、ウェハホルダ１７上に
ビーム校正用パターンが電子光学系２の下に来るように
ステージ１６が移動する（３５）。その後、電子線画像
を取得し、焦点、非点および検出系の設定を調整して画
像のコントラスト等を調整する（３６）。同時にウェハ
１８の高さを高さ検出器１５から求め、ウェハ高さ検出
系２６によって高さ情報と電子ビームの合焦点条件の相
関を求める。これにより、この後の電子線画像取得時に
は毎回焦点合わせを行うことなく、ウェハ高さ検出の結
果から合焦点条件に自動調整することができる。

【００３２】上記電子線照射条件および画像調整が完了
したら、ウェハ１８上の２点からアライメントを行う
（３７）。被検査ウェハ１８を予め登録された光学顕微
鏡６下の所定の第１の座標に配置させ、被検査ウェハ１
８上に形成された回路パターンの光学顕微鏡画像を操作
画面２８内のモニタに表示し、位置回転補正用に予め記
憶された同じ位置の同等回路パターンの光学顕微鏡画像
と比較することで第１の座標の位置補正値を算出する。
次に、上記第１の座標において、光学顕微鏡画像から電
子線画像に切り替える。光学顕微鏡６と電子光学系２は
所定の距離だけ離れた位置に配置されており、上記距離
は既知のパラメータとして装置内に記憶されているた
め、光学顕微鏡画像と電子線画像は任意に切り替えるこ
とができる。電子線画像についても、光学顕微鏡画像と
同様にあらかじめ位置回転補正用に回路パターンの画像
を記憶してあり、上記記憶された電子線画像と取得した
電子線画像とを比較することにより、光学顕微鏡より精
密な第１の座標の位置補正値を算出することができる。

【００３３】次に、第１の座標から一定距離離れ、かつ
第１の座標と同等の回路パターンが存在する第２の座標
に移動し（３８）、同様に光学顕微鏡画像を取得し、位
置回転補正用に記憶された回路パターン画像と比較し、
第２の座標から位置補正値および第１の座標に対する回
転ずれ量を算出する。さらに、第２の座標においても同
様に電子線画像に切り替え、あらかじめ記憶された回路
パターンの電子線画像と比較し、より精密な第２の座標
の位置補正値を算出する。

【００３４】この算出された回転ずれ量および位置ずれ
量に基づき、制御部２５および電子ビーム偏向信号補正
部２４において電子ビームの走査偏向位置が回路パター
ンの座標に正確に対応するように補正される（３９）。
このようにして、被検査ウェハ１８のアライメントおよ
びキャリブレーションが完了したら、被検査ウェハ１８
の電子線画像を取得し、明るさの調整を実施する（４
０）。検査条件ファイルに基づき、電子線画像を取得す
る際には、電子ビーム電流や電子ビーム照射エネルギ、
エネルギフィルタ１３に印加する電圧や使用する検出器
１２、検出系のゲインが設定されており、これらのパラ
メータを設定して電子線画像を取得する。検査装置のば
らつきあるいは被検査ウェハ１８のばらつきが起因で、
電子線画像の明るさが所定の範囲の明るさ分布を示さな
い場合がある。このような場合には検出系のゲインおよ
びオフセット、取得階調等を再設定することにより適切
な明るさ分布になるように調整する。

【００３５】上記明るさ調整（４０）が完了したら、検
査を実行する（４１）。検査領域は、検査条件ファイル
にあらかじめ指定しておく。検査時には、Ｘ−Ｙステー
ジ１６を連続的に移動しながら電子ビームを被検査ウェ
ハ１８の所定の領域に照射し、電子線画像を逐次形成し
ながら画像信号を記憶部３０に記憶された信号と比較し
ながら、記憶部３０に逐次画像を記憶する（４３）。上
記検査においては、あらかじめ保存された検査条件ファ
イル（図示せず）により検出器１２の検査条件が設定さ
れている。検出器１２の前方に配置されているエネルギ
フィルタ１３に電圧を印加することもできる。欠陥と判
定された箇所は、上記欠陥箇所の座標、信号値および欠
陥サイズ等が自動的に記録され、操作画面２８内のウェ
ハマップ上の相当する箇所に「欠陥有り」のマークが表
示される。上記検査条件ファイルで指定された領域の検
査を終了したら、欠陥箇所を再度画像取得することがで
きる（４２）。

【００３６】検査終了後、欠陥箇所の組成評価を行う。
まず、オージェ電子を検出して組成評価を行う方法につ
いて説明する。組成評価位置は操作画面２８内のウェハ
マップおよび欠陥箇所の電子線画像から所望の位置を指
定する（４４）。次に組成評価条件として、電子線電
流、電子ビーム照射エネルギ等の入力を行う（４５）。
評価方法としては、たとえば電子ビームを走査させずに
一点を評価する一点照射法と電子線を走査させてある領
域内の元素マッピングを得る方法などを選択することが
できる。

【００３７】電子照射エネルギは、電子源９から出射さ
れた電子エネルギとリターディング電源１９によってウ
ェハ１８にかけられた電圧によって決定する。たとえ
ば、電子源からの出射エネルギが１０ｋｅＶの場合、リ
ターディング電源１９によってウェハ１８に０から−
９．７ｋＶの電圧をかけることによって、電子照射エネ
ルギは１０ｋｅＶから３００ｅＶまでの範囲で設定でき
る。上記ウェハ１８から放出された全電子によって欠陥
検出をする場合には、電子照射エネルギは、３００ｅＶ
から１０ｋｅＶまで設定でき、回路パターンや材料によ
って最適な条件設定が可能である。また、オージェ電子
を検出して組成評価を行うときには、同様に、電子源９
から出射された電子エネルギと、リターディング電源１
９によってウェハ１８にかけられた電圧によって、入射
電子のエネルギを２ｋｅＶから１０ｋｅＶに設定する。
欠陥検査のときの照射エネルギが３ｋｅＶから１０ｋｅ
Ｖの場合には、欠陥検査と同一照射エネルギを用いて組
成評価を行うが、３００ｅＶから２ｋｅＶ以下で欠陥検
査を行った場合には、照射エネルギを２ｋｅＶから１０
ｋｅＶ以下に設定する。

【００３８】欠陥検査時と組成評価時とで照射エネルギ
あるいは電子線の電流値が異なる場合には、再度照射電
子線のビーム校正を行う（４７）。まず、校正用パター
ン位置にウェハ１８を移動し（４６）、校正用パターン
の電子線画像を取得する。その画像から、電子光学系２
の焦点および非点、画像のコントラスト等を調整する
（４７）。

【００３９】ビーム校正が終了したら、欠陥検査で取得
した電子線画像と組成評価で用いる電子線照射条件での
電子線画像のアライメントを行う（４８）。まず組成評
価用照射エネルギの電子線画像について、あらかじめ記
憶された位置回転補正用回路パターンの電子線画像と取
得した電子線画像とを比較することにより、第１の座標
の位置補正値を算出する。次に、第１の座標から一定距
離離れ第１の座標と同等の回路パターンが存在する第２
の座標に移動し（４９）、光学顕微鏡画像を取得し、位
置回転補正用に記憶された回路パターン画像と比較し、
第２の座標から位置補正値および第１の座標に対する回
転ずれ量を算出する。さらに、第２の座標において電子
線画像に切り替え、あらかじめ記憶された回路パターン
の電子線画像と比較し、より精密な第２の座標の位置補
正値を算出する。上記算出された回転ずれ量および位置
ずれ量に基づき、この後制御部２５および電子ビーム偏
向信号補正部２４において電子ビームの走査偏向位置は
回路パターンの座標に対応するように補正される（５
０）。

【００４０】このようにして、被検査ウェハ１８のアラ
イメントが完了したら、組成評価条件入力時に指定した
欠陥箇所、あるいは所望の箇所が電子光学系２の下に来
るようにウェハ１８を移動して検査位置を設定し、組成
評価を開始する（５１）。

【００４１】まず、一点照射によって組成評価を行う方
法について説明する。組成評価条件としてエネルギ分解
能とエネルギ走査範囲、エネルギ走査回数等の条件を指
定する。これらの値は、照射エネルギに応じてあらかじ
め設定してあるファイル群から検索することができる。
指定されたエネルギ分解能とエネルギ走査範囲に応じ
て、検出器制御部２２でエネルギフィルタ１３および検
出器１２に印加する電圧を設定する。

【００４２】図４にエネルギフィルタ１３内の電極の電
圧設定方法の一例を示す。エネルギフィルタ１３として
は、静電半球型等の所望のエネルギのみの電子を検出す
る方法あるいはある可変のしきい値でエネルギをフィル
タリングする方法を用いることができる。例として、所
望のエネルギよりも高いしきい値でフィルタリングし、
検出された信号から所望のエネルギの信号量７６を演算
によって算出する方法について示す。ウェハ１８にかけ
る電圧を−Ｖｗとすると、フィルタ電極７３にかける電
圧を−Ｖｗ−Ｖｈ１に設定したとき、所望のエネルギを
含む信号７４を検出することができる。さらにフィルタ
電極７３にかける電圧を−Ｖｗ−Ｖｈ２に設定したと
き、所望のエネルギよりも高いエネルギの信号７５を検
出することができる。信号７４と信号７５の差から、所
望の信号７６を得ることができる。エネルギを走査する
ときは、フィルタ電極７３にかける電圧を走査して信号
を取得し、電極電圧を走査したときのスペクトルを取得
する。取得したスペクトルを微分演算することによっ
て、エネルギスペクトルを得ることができる。同様に、
所望のエネルギよりも低いしきい値でフィルタリング
し、検出された信号から所望のエネルギの信号量７６も
演算によって算出できる。

【００４３】評価領域が帯電しやすい材料であり、エネ
ルギスキャン回数が２回以上の場合には、検査ウェハ１
８の帯電状態やステージの振動等によって、信号測定中
に電子線照射位置がずれることが問題となる。評価領域
が帯電しやすい材料であり、測定時間が一定時間以上の
ときは、たとえば以下の方法でずれを補正する。すなわ
ち組成評価を開始したら、組成評価箇所を含むある領域
の電子線画像をエネルギフィルタ１３を使用しないで取
得・記憶する（５２）。その後、エネルギフィルタ１３
を使用して、エネルギスキャンを行う（５３）。測定さ
れたエネルギスペクトルは操作画面２８に逐次表示され
る（５４）。一定時間エネルギスキャンを繰り返して信
号を積算して検出した後、エネルギフィルタ１３を使用
しないで、組成評価開始時に取得した領域の電子線画像
を再び取得し（５５）、記憶された電子線画像と比較
し、ビームのずれを算出する。その後、制御部２５およ
び電子ビーム偏向信号補正部２４において電子ビームの
走査偏向位置を補正する（５６）。十分なエネルギスペ
クトルが得られるまで、エネルギ走査５３から１次ビー
ム補正５６までの工程をｎ回繰り返し、信号を積算して
測定を行う。電子線照射位置のずれが評価領域に対して
大きい場合は、あらかじめエネルギスキャンを行ったと
きのビームのずれ量を算出して、エネルギスキャンと同
時にビーム照射条件を補正しながら測定を行うこともで
きる。

【００４４】図５に測定されたエネルギスペクトルの一
例を示す。特定のエネルギに評価領域の表面の組成に対
応したオージェ電子のピーク６４がいくつか観察され
た。各元素のオージェ電子のエネルギは記憶部３０にあ
らかじめ記憶されており、検出されたそれぞれのピーク
エネルギに対応する元素を画面２８上に表示することが
できる。また、ピークの信号強度から検出された元素の
濃度を算出することもできる。

【００４５】次に、所望の領域で元素マッピングを行う
方法について説明する。マッピング条件として、検出元
素、あるいは、検出する電子のエネルギ、エネルギ分解
能ΔＥ、マッピング領域、電子線走査速度、測定時間等
を指定する（５７）。これらの値は、照射エネルギに応
じてあらかじめ設定してあるファイル郡から検索するこ
とができる。たとえば、エネルギ分解能ΔＥは１０ｅＶ
程度に設定されている。マッピング領域は、電子線画像
取得可能範囲内で、任意に指定することができる。測定
時間は測定中に変更することができる。検出する電子の
エネルギやエネルギ分解能ΔＥは、上記の一点照射評価
から得られたエネルギスペクトルから、操作画面２８上
で指定することもできる。マッピング条件で指定した元
素によって検出エネルギを決定することもできる。

【００４６】設定した検出エネルギとエネルギ分解能Δ
Ｅに応じて、検出系制御部２２でエネルギフィルタ１２
および検出器１３の電圧を設定・固定して、特定のエネ
ルギを持った電子線のみから画像を取得する（５８）。
電子線の走査回数を増加し、信号を積算して検出するこ
とによって、信号強度や検出感度を向上することができ
る。マッピング領域が帯電しやすい材料の場合や一定時
間以上画像を取得する場合は、上記一点照射による評価
と同様に、検査ウェハ１８の帯電状態やステージの振動
等によって、電子線照射位置が信号測定中にずれること
が問題となる。この電子線照射位置のずれを補正するに
は、上記一点評価の場合と同様に、一定時間毎にエネル
ギフィルタ１３を使用しないで放出された全電子による
画像を取得し（６０）、あらかじめ記憶された電子線画
像と比較し、電子光学系の設定を補正することによって
（６１）電子線のドリフトをなくしてマッピングを取得
することが可能である。また、電子線走査速度やブラン
キング時間を調整することによって、帯電等によるビー
ム照射位置のずれによる影響を少なくして、画像を取得
することもできる。

【００４７】組成情報を取得後、あらかじめ作成してあ
る組成情報と欠陥発生要因の対応を記憶したファイルか
ら欠陥発生要因の判定を行う手段を設けることにより、
組成情報から欠陥の発生要因を自動に判定することがで
きる。一例として、孔パターンの欠陥の種類を自動判定
する方法を示す。

【００４８】図６に本発明を用いた孔パターン検査を半
導体製造工程検査に適用する際の検査工程の一例を示
す。まず、コンタクトホールのフォト工程後の検査によ
り、マスク起因の不良を検出することができる。さら
に、コンタクトホールの検査はドライエッチングによっ
てコンタクトホールを形成し、レジストを除去した後に
適用する。コンタクトホールを形成する工程として、２
種類以上のドライエッチング工程がある場合は、最終の
ドライエッチング工程終了後に検査を行う。洗浄後に検
査を行う場合は、電子線照射によってコンタクトホール
に炭素（Ｃ）等のコンタミネーションを形成して不良を
発生させるので、検査後に再度洗浄を行う。

【００４９】図７にレジストアッシング後にコンタクト
ホール検査を行ったときの欠陥の自動判定フローを示
す。まず、マッピング条件として膜を構成する元素、た
とえばＳｉＯ₂の場合、酸素（Ｏ）またはシリコン（Ｓ
ｉ）、ホールの下地材料、たとえばシリコン基板の場合
はシリコン（Ｓｉ）を入力する。さらに、異物として想
定されうる元素、たとえば炭素（Ｃ）や窒素（Ｎ）等を
入力する。このとき、膜材料と下地材料を入力すると、
あらかじめ作成したファイル群からマッピングする元素
を自動決定することもできる。たとえば膜材料がシリコ
ン酸化膜（ＳｉＯ₂）、下地がシリコン（Ｓｉ）の場
合、シリコン（Ｓｉ）、酸素（Ｏ）および炭素（Ｃ）で
マッピングを取得する。

【００５０】上記の方法でこれらの元素についてのマッ
ピングを取得後、以下の方法で欠陥判定を行う。図８
に、コンタクトホールを形成したパターンの欠陥の電位
コントラスト像（ａ）とシリコン、酸素および炭素の各
マッピング像（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）を模式的に示し、
Ｓｉ基板が表面に出ている正常部６５とＳｉＯ₂がコン
タクトホールの底に残っている欠陥６６とＣ等の異物が
コンタクトホール底にある欠陥６７の判定方法の一例に
ついて説明する。

【００５１】同図（ａ）の電位コントラスト像から、欠
陥部６６と欠陥部６７が何らかの欠陥であることがわか
る。同図（ｂ）のＳｉのマッピング像を取得すると、欠
陥６６の信号強度は正常部６５の信号強度より小さくな
っていることがわかった。また、欠陥６７では、Ｓｉの
強度は最も小さくなっていることがわかった。これよ
り、欠陥６６および欠陥６７はエッチ残りあるいはホー
ル内に異物があることが判定される。同図（ｃ）の酸素
のマッピング像では、正常部６５と欠陥部６７での信号
強度が小さく、欠陥６６での信号強度が大きいことがわ
かる。これより、欠陥６６はエッチ残りであると判定さ
れる。さらに、同図（ｄ）の炭素のマッピング像では、
欠陥６７のみの信号が大きいことがわかる。これより、
欠陥６７はホール内に炭素の異物があると判定できる。

【００５２】さらに、コンタクトホールをチタン（Ｔ
ｉ）等でサリサイド化している場合、チタン（Ｔｉ）と
シリコン（Ｓｉ）の元素マッピングから、サリサイド化
の不良も判定することが可能である。このように、本発
明によればコンタクトホールの欠陥の要因を自動判定す
ることが可能となり、ドライエッチングプロセスへのフ
ィードバックを早期に行うことが可能となった。

【００５３】以上のように、本発明によれば、異物等の
欠陥の組成情報を得ることができるようになり、異物発
生のプロセスやその要因を特定することが迅速かつ容易
にできるようになった。また、ウェハ回路表面の組成マ
ッピングから得られた微小部の表面組成から、欠陥の原
因を同定できるようになり、半導体製造プロセスへのフ
ィードバックを早期に行うことが可能となった。

【００５４】（実施例２）第２の実施例は、上記第１の
実施例で欠陥検査後、所望の箇所の組成評価を電子線照
射時に放出される反射電子を検出して行う方法の一例で
ある。この方法では、あらかじめ全放出電子による欠陥
検査を行わなくでも、反射電子による検査のみで欠陥検
査を行うことが可能である。

【００５５】反射電子は２次電子と比較して高いエネル
ギを保ったまま放出され、その放出率は図９に示すよう
に原子番号依存性を持っている。検出された反射電子の
画像において、正常部と欠陥部の信号強度から、正常部
の組成Ｚ１と欠陥部の組成Ｚ２およびその空間分布を知
ることができる。反射電子のエネルギは表面の帯電電圧
より十分大きいので、反射電子から得られた電子線画像
のコントラストは、表面の帯電状態による影響は小さ
い。反射電子を用いて組成評価する方法を、図１を用い
て説明する。

【００５６】上記の欠陥検出の電子照射エネルギは、３
００ｅＶから１０ｋｅＶまで設定できるが、反射電子検
出時には回路パターンや材料によって、最適な条件を３
００ｅＶから１０ｋｅＶまでの範囲で再度設定可能であ
る。欠陥検査と反射電子による評価とで照射エネルギあ
るいは電子線の電流値が異なる場合には、照射ビーム校
正を再度行い、さらに欠陥検査で得られた電子線画像と
反射電子による電子線画像のアライメントを実施例１と
同様に行う。

【００５７】被検査ウェハ１８のアライメントが完了し
たら画像取得条件を入力する。画像取得領域として欠陥
検査で検出された欠陥部、あるいは電子線画像取得可能
範囲内で所望の箇所に設定することができる。検出電子
のフィルタリングエネルギのしきい値に対応して、エネ
ルギフィルタ１３の電圧を固定して画像を取得する。フ
ィルタリングのしきい値は、電子線照射エネルギ毎に自
動選択することも可能である。また、エネルギフィルタ
１３を用いて反射電子とオージェ電子の電子軌道を分離
し、それぞれに設置された二つの検出器で両者を同時に
分離検出することもできる。

【００５８】検出された反射電子による信号は、電子線
走査をｎ回したときの信号を積算することができる。こ
のとき、電子線走査速度やブランキング時間を調整する
ことによって帯電材料を含むウェハ回路上でも、帯電に
よるビーム照射位置のずれの影響を少なくして画像を取
得することができる。また、一定時間毎に放出された全
電子の画像を取得し、電子線のドリフトの補正を行うこ
ともできる。

【００５９】反射電子による画像を取得した後、信号強
度から元素の同定を行う。特定の信号強度が得られた画
素を表示することによって、元素マッピングを行うこと
ができる。あらかじめデータファイルとして記憶させて
ある電子線照射条件毎の電子線画像コントラストと元素
との関係から、組成の分布を表示することもできる。あ
らかじめ検査ウェハデータとして記憶させていた組成情
報と得られた画像の信号強度を比較することによって、
全体の信号強度を補正することもできる。また、エネル
ギフィルタ１３を使用しないで２次電子を含めた全電子
線画像を取得し、それとの比較によって全電子画像から
得られた帯電の情報と反射電子のみから得られた組成情
報とを比較することができる。

【００６０】（実施例３）第３の実施例は、上記第２の
実施例で欠陥検査後、所望の箇所の組成評価を電子線照
射時に放出される特性Ｘ線を検出して行う方法の一例で
ある。図１０に特性Ｘ線による組成評価用の電子線検査
装置の一実施例を示す。電子線を照射したときに放出さ
れる特性Ｘ線を検出することによって、所望の微小検査
領域の組成を評価することができる。

【００６１】図１に示した高さセンサ１５は、入射電子
線の光軸に対して回転した図１０では図示されない位置
に設置してあり、Ｘ線検出器６８と干渉することはな
い。Ｘ線検出器６８としては、エネルギ分散型を用い
た。ウェハ１８表面からの特性Ｘ線は、検出器６８のＸ
線ウィンドウ（図示せず）を透過して、ＳｉあるいはＧ
ｅ結晶（図示せず）に入射する。ＳｉあるいはＧｅから
発生した信号はプリアンプ６９によって増幅され、Ｘ線
信号変換部７０でエネルギスペクトルに変換され、画面
２８上に表示される。

【００６２】欠陥検査の電子照射エネルギは、３００ｅ
Ｖから１０ｋｅＶまで設定できるが、特性Ｘ線検出時に
は、最適な条件を１ｋｅＶから１０ｋｅＶまでの範囲で
再度設定可能である。欠陥検査と特性Ｘ線による評価と
電子線照射エネルギ、あるいは電子線の電流値が異なる
場合には、実施例１と同様に、ビーム校正を再度行い、
欠陥検査で取得した電子線画像と組成評価照射条件での
電子線画像のアライメントを行う。実施例１と同様に、
一点照射による組成評価、および、電子線を走査して組
成マッピングを行うことができる。帯電による電子線の
ドリフトを補正するには、実施例１および実施例２と同
様に行う。

【００６３】組成評価を開始して、検出されたＸ線のエ
ネルギスペクトルが得られると、特性Ｘ線によるピーク
が画面２８に表示される。原子番号に対応する特性Ｘ線
エネルギは、あらかじめデータファイルとして記憶され
ており、検出されたそれぞれのピークエネルギに対応す
る元素を同定し、画面上に表示することができる。電子
線を走査させてＸ線のエネルギスペクトルを得た後、検
出されたそれぞれの元素のマッピングを表示することが
できる。

【００６４】

【発明の効果】従来、主として２次電子の信号強度から
回路パターンを持つ半導体ウェハの形状観察および帯電
の相違を観察することによって、異物の有無や孔パター
ンの非開口等の欠陥を検査していたが、同じ装置を使っ
て欠陥の組成情報を得ることまではできなかった。本発
明によれば、ウェハの欠陥を高速に検査した後、微小な
欠陥の組成評価を即座に簡便に行うことが可能となる。
さらに、欠陥検査結果の画像から大口径ウェハ上での同
種の欠陥を分類した結果と併せることによって、一つの
欠陥の組成評価を行うだけで、同種の欠陥の分布を得る
ことが可能となった。

【００６５】この結果、本発明によれば欠陥の発生要因
を短期間で究明でき、半導体製造プロセスの開発期間を
大幅に短縮することが可能となった。さらに、不良発生
時に欠陥の発生要因を早期に解析することによって、歩
留まりを向上することが可能となった。また、本発明の
方法は非破壊で大面積ウェハ上の組成評価が可能となる
ため、製造工程途中で抜き取ったウェハの検査終了後、
続きの工程にウェハを戻して半導体を製造することが可
能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の半導体検査装置の概略縦断
面図。

【図２】固体表面から放出される電子線のエネルギスペ
クトル図。

【図３】本発明の一実施例の検査方法を示す工程フロー
図。

【図４】エネルギフィルタの電圧設定と検出される電子
のエネルギ分布の関係を示す説明図。

【図５】測定された電子のエネルギスペクトル図。

【図６】本発明をコンタクトホール検査に実施した一例
を示す工程フロー図。

【図７】コンタクトホールに検出された欠陥の自動判定
のためのフロー図。

【図８】コンタクトホールの電位コントラスト像と元素
マッピングの一例を示す図。

【図９】反射電子の放出率の原子番号依存性を示す図。

【図１０】本発明の一実施例のＸ線による組成評価用の
半導体検査装置の構成図。

【符号の説明】

２…電子光学系、３…ステージ、４…ウェハ搬送系、５
…真空排気系、６…光学顕微鏡、７…制御系、８…操作
部、９…電子銃、１０…コンデンサレンズ、１１…対物
レンズ、１２…検出器、１３…エネルギフィルタ、１４
…偏向器、１５…高さセンサ、１６…ＸＹステージ、１
７…ウェハホルダ、１８…ウェハ、１９…リターディン
グ電源、２０…ウェハカセット、２１…ウェハローダ、
２２…信号検出系制御部、２４…ブランキング制御部、
２４…ビーム偏向補正部、２５…電子光学系制御部、２
６…高さ検出系、２７…ステージ制御部、２８…操作画
面、２９…画像処理部、３０…データ保持部、３１…外
部サーバ、６５…正常部、６６…欠陥部、６７…欠陥
部、６８…Ｘ線検出器、６９…アンプ、７０…Ｘ線信号
変換器、７３…フィルタ電極、７４…所望のエネルギを
含む信号、７５…所望のエネルギを含まない信号、７６
…所望のエネルギの信号。

───────────────────────────────────────────────────── 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 Ｈ０１Ｌ 21/66 ＪＮ (72)発明者落合勲東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者高藤敦子東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内Ｆターム(参考） 2F067 AA54 AA62 BB01 BB04 CC17 HH06 JJ05 KK02 KK04 KK05 KK08 LL16 PP12 QQ02 RR35 UU32 UU33 2G001 AA03 AA09 BA05 BA07 BA09 BA15 CA03 FA06 GA01 GA06 GA09 HA01 HA07 HA13 JA02 JA11 JA13 KA01 KA03 LA11 MA05 NA03 NA07 PA11 4M106 AA01 BA02 CA16 CA39 CA41 CA70 CB21 DB04 DB05 DB12 DB18 DB30 DH01 DH24 DH25 DH33 DJ04 DJ07 DJ20 DJ21 DJ23

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回路パターンが形成された半導体装置基板
表面の第１、第２の領域に電子線を照射・走査する工程
と、電子線によって上記基板から２次的に発生する電子
線の信号を検出する工程と、検出された信号を画像化し
て表示する工程と、上記基板上の第１、第２の領域で得
た上記画像を比較して欠陥を検出する工程を含む検査方
法であって、上記２次的に発生した電子線のうち、特定
のエネルギを持つ電子線を選択的に検出する工程を有
し、欠陥部の組成情報を得て欠陥の判定をすることを特
徴とする半導体装置の検査方法。
【請求項２】請求項１記載の検査方法において、基板上
の第１、第２の領域で得た画像を比較して検出された欠
陥部を含み、上記第１、第２の領域よりも十分小さい第
３の領域に一次電子線を照射し、２次的に発生した電子
線のエネルギ分布を取得することを特徴とする半導体装
置の検査方法。
【請求項３】請求項２記載の検査方法において、上記第
３の領域からの電子線のエネルギ分布を取得する際に、
一定時間ごとに第３の領域を含む第４の領域に電子線を
照射・走査し、２次的に発生した電子線の画像から上記
第３の領域を判定し、１次電子線の照射位置のずれを補
償することを特徴とする半導体装置の検査方法。
【請求項４】微細パターンが形成された被検査基板表面
の任意の領域に電子線を照射・走査する手段と、電子線
によって上記基板から２次的に発生する電子線の信号を
検出する手段と、検出された信号を画像化して表示する
手段と、上記基板上の第１および第２の領域で得た上記
画像を比較して欠陥を検出する手段を含む検査装置であ
って、上記２次的に発生した電子線のうち、特定のエネ
ルギを持つ電子線を選択的に検出する手段を有し、上記
欠陥部の組成情報を得て欠陥の原因または種別を判定す
ることを特徴とする基板表面の検査装置。
【請求項５】請求項４記載の検査装置において、上記２
次的に発生した電子線のエネルギ分布取得可能範囲が２
０００ｅＶであることを特徴とする基板表面の検査装
置。
【請求項６】請求項１ないし３のいずれか記載の検査方
法において、上記２次的に発生した電子線のうち、所望
のエネルギを持つ電子を選択的に検出し、上記検出され
た信号を画像化して表示し、欠陥判定することを特徴と
する半導体装置の検査方法。
【請求項７】請求項１ないし３のいずれか記載の検査方
法において、上記２次的に発生した電子線を所望のしき
い値で分別するエネルギ分析手段によって、後方散乱電
子を検出し、上記後方散乱電子に基づく画像を比較し、
欠陥を検出することを特徴とする半導体装置の検査方
法。
【請求項８】回路パターンが形成された半導体装置基板
表面の第１、第２の領域に電子線を照射・走査する工程
と、電子線によって上記基板から２次的に発生する信号
を検出する工程と、検出された信号を画像化して表示す
る工程と、上記基板上の第１、第２の領域で得た上記画
像を比較して欠陥を検出する工程を含む検査方法であっ
て、上記２次的に発生した信号として特性Ｘ線を検出す
る工程と、上記特性Ｘ線から上記欠陥部の組成情報を得
る工程と、上記組成情報から欠陥判定をする工程を含む
ことを特徴とする半導体装置の検査方法。
【請求項９】請求項８記載の検査方法において、基板上
の第１、第２の領域で得た画像を比較して検出された欠
陥を含み、上記第１、第２の領域よりも十分小さい第３
の領域に１次電子線を照射し、２次的に発生した特性Ｘ
線のエネルギ分布を取得することを特徴とする半導体装
置の検査方法。
【請求項１０】請求項８記載の検査方法において、１次
電子線を照射・走査し、２次的に発生した上記特性Ｘ線
のうち、所望のエネルギを持つＸ線を検出し、上記検出
された信号を画像化して表示することを特徴とする半導
体装置の検査方法。
【請求項１１】請求項１ないし３および請求項６ないし
１０のいずれか記載の検査方法において、組成評価時の
１次電子線の照射エネルギが１ｋｅＶ〜１０ｋｅＶの範
囲であることを特徴とする検査方法。
【請求項１２】請求項１ないし３および請求項６ないし
１０のいずれか記載の検査方法において、基板上の第
１、第２の領域で得た画像を比較して検出された欠陥を
含み、第１、第２の領域よりも十分小さい第３の領域に
照射する１次電子線のエネルギを、第１、第２の領域を
照射した１次電子エネルギと異なる所望の値に設定し、
上記第３の領域に１次電子線を照射することを特徴とす
る半導体装置の検査方法。
【請求項１３】請求項１ないし３および請求項６ないし
１０のいずれか記載の検査方法において、上記２次的に
発生した電子線のうち、所望のエネルギを含むしきい値
で取得した電子線信号強度と、上記所望のエネルギを含
まないしきい値で取得した電子線信号強度から、演算に
よって所望のエネルギ幅の電子線信号強度を取得するこ
とを特徴とした半導体装置の検査方法。