JP2005024564A - 電子ビームを用いた検査方法及び検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
分解能を高めるとともに、高速化と信頼性の向上，小型化をはかった電子ビームを用いた検査方法及び検査装置を提供する。
【解決手段】
試料ステージを介して試料に電圧を印加し、電子ビームを試料に収束，走査し、走査の間試料ステージを連続的に移動し、試料から発生した荷電粒子を検出して試料の欠陥を検出するに際し、試料ステージとシールド枠との間に発生する放電の限界に基づいて試料ステージとシールド枠との間の寸法を決め、電子ビームの形状を補正する少なくとも６極のコイルを設け、試料の移動中に電子ビームのクロスオーバをブランキングの支点としてブランキング偏向し、試料に印加した電圧の大きさを試料の種類によって決定する。
【選択図】図１

Description

本発明は電子ビームを用いた検査方法及び検査装置に係わり、特に、半導体装置の製造過程でウエハ上の回路等のパターンを検査するのに適した電子ビームを用いた検査方法及び検査装置に関する。

半導体装置やマスク，レチクル等の製造プロセスで使用される回路パターンの検査装置には、光を照射してその反射をＣＣＤ等で検出して欠陥を検出する光学式検査装置が知られている。パターンの幅寸法が微細になってくると、光学式検査装置の分解能には限界がある。そこで、分解能の高い電子ビームを用いた検査装置が注目されてきている。

電子ビームを用いて試料を観察する装置のひとつには、走査電子顕微鏡(scanning
electron microscope, 以下これをＳＥＭという)がある。また、半導体装置を検査する装置のひとつには、測長用走査電子顕微鏡（critical dimension scanning electron
microscope, 以下これをＣＤＳＥＭという）がある。しかし、上記ＳＥＭやＣＤＳＥＭは、限られた視野を高倍率で観察するのには適しているものの、半導体ウエハの上のどこに欠陥があるかを探すのには不向きである。なぜならば、そのような欠陥探索のためには非常に広い領域、すなわち、直径２００mmから３００mmのウエハの全表面領域をくまなく検査する必要がある。しかし、そのような広い領域を、上記のＳＥＭやＣＤＳＥＭで検査する場合、非常に長い時間が必要である。その理由は、上記のＳＥＭやＣＤＳＥＭの電子ビームの電流が低いので走査速度が遅いからである。したがって、上記ＳＥＭやＣＤＳＥＭを半導体装置の製造プロセスの途中で検査に使用する場合、とても実用にならない検査時間を要してしまう。半導体装置の製造プロセスの途中の検査に使用する検査装置には、スループットとよばれる検査時間の高速化を備えることが必要である。

このような問題を解決する装置が、例えば、特開平５−２５８７０３号公報（特許文献１）に記載されている。この装置は画像比較を用いてウエハ上の欠陥を検出する検査装置である。この装置の特徴は、（ａ）大電流の電子ビームが用いられること、（ｂ）電子ビームを試料または基板に照射しながら試料ステージを連続的に移動させること、（ｃ）電子源で発生した電子ビームを加速させる場合、高加速電圧が用いられること、（ｄ）試料には電子ビームを減速させて試料の帯電を防ぐリターディング電圧が印加されること、
（ｅ）電子ビームの照射によって試料で発生する荷電粒子が対物レンズを通過してから検出されること（ＴＴＬ方式（Through The Lens type)）、である。この検査装置を使用すると、マスクやウエハのパターンの欠陥検査を従来のＳＥＭよりも効率的にかつ高速に行うことができる。

ＴＴＬ方式では、試料から出てくる荷電粒子が対物レンズを通して検出される。この構造によって、対物レンズと試料との間の距離を短くすることができる。そして、対物レンズを短焦点とすることができ、電子ビームの収差が少なくなり、高分解能な画像の取得が可能になる。しかし、試料の高さが変化すると、これに伴って電子ビームの回転が大きく変化し、得られた画像が回転してしまうという無視できない問題を有している。そのため、試料の高さ精度を確保しなければならず、検査速度の向上には限りがある。

また、上記特開平５−２５８７０３号公報（特許文献１）に記載されている検査装置は、電子ビームの電子のクーロン相互反発作用による焦点のぼけを避けるため、平行ビームを採用している。平行ビームでは、試料ステージ上の試料の移動中にブランキングしたとき、ブランキングの最中に、電子ビームの軌道の途中にある絞りで遮断できない電子ビームが存在し、照射する領域に隣接した照射したくない領域をわずかながら照射してしまう。このように、ブランキングが始まってから完了までの間中、本来、電子ビームで照射されては好ましくない箇所が電子ビームで照射されることになる。その結果、得られた画像は実際のものとは異なった画像になるという問題がある。

図１４に、ある半導体装置の製造プロセスにおける、ウエハを試料として、リターディング電圧と２次電子検出効率との関係の一例を示す。図１４中の（２）のＴＴＬ方式の場合には、リターディング電圧が小さくなると２次電子の検出効率が無視できないほど低下するという問題がある。試料から発生する２次電子は、対物レンズの磁場を通って収束する。２次電子の検出効率が低下する主な原因は、リターディング電圧を変えると電子ビームによる試料への照射エネルギーが変わり、２次電子の軸方向の収束位置が変化するからである。

そこで、２次電子の検出効率を低下させないために、リターディング電圧を大きくすることが考えられる。しかし、リターディング電圧を大きくすると、試料ステージにリターディング電圧が印加され、試料ステージの端部を取り囲むシールド枠が接地されているので、試料ステージの端部とシールド枠との間で放電が発生する。その結果、リターディング電圧の印加の効果が低下したり、ノイズが発生し電子ビームを不安定にさせたりして好ましくない。

また、試料はその材料の違いによって帯電のしやすさが異なるので、リターディング電圧の大きさは、試料の帯電のしやすさに応じて変えなければならない。

電子ビームの照射位置は、試料を搭載した試料ステージの位置を正確に測定し、その位置に基づいて決定される。試料ステージの位置の測定にはレーザ光を用いた干渉計が用いられる。これは試料ステージに取付けられたミラーにレーザ光を当て、反射した光の干渉をみてその位置の微少な変化量を測定するものである。一方、上述したリターディング電圧は、試料を搭載した試料ステージを介して試料に印加される。したがって、ミラーは試料ステージの２辺の端部に取付けられており、ミラーにもリターディング電圧が印加されることになるが、ミラーはガラス質のため、その端部に電界が集中し、近接したシールド枠等の他の部材が接地されているので、これらとの間で放電を発生してしまう可能性がある。なお、端部が鋭利な場合には、ガラス質でなくても放電しやすいので、同様である。

したがって、上述した、リターディング電圧が印加された試料ステージの端部とそれを取り囲んだシールド枠との間の放電ばかりでなく、試料ステージの位置測定用のミラーへの電界集中も考慮しなければならない。

このような高いリターディング電圧が印加された試料ステージの放電現象は、試料ステージとその周囲との間の寸法を充分に広くすれば防止できるので、装置の大きさを大きくすれば解決できる。しかし、半導体装置の製造プロセスでは、製造装置や検査装置をクリーンルームの内部へ設置する必要があり、クリーンルームの床面積が広いほど設備投資の金額が高くなる。そのため、その中で使用される検査装置には、高速化ばかりでなく、小型化による省スペースが望まれている。

一方、上述したような電子ビームを用いた検査装置では、その分解能を向上させていくと、試料上に照射されている電子ビームの横断面形状が、円形ではなく、その角が丸みを帯びた三角形になる。

例えば円形の試料を三角形の電子ビームで走査した場合、円形ではなくて三角形の像が得られることになる。また、本来の正常な電子ビームのビーム径が１画素のサイズとほぼ同程度の場合で説明すると、ビームが三角形になることで、元の１画素サイズには収まらず、周辺の数画素に電子ビームの裾が広がってしまう。つまり、その分だけビーム径が大きくなってしまうのである。したがって、試料を電子ビームで走査して得られた像は本来の大きさよりも大きくなってしまい、像としてはぼけが生じることになる。

本発明の対象とする検査装置は、２つのパターンを比較してその違っている部分を異常、あるいは欠陥として検出する。微細構造の中の欠陥を検出する場合、像のぼけは致命的であり、検出感度の低下と同じく、検出できない欠陥が生じる可能性がある。

電子ビームの断面形状が三角形になってしまう要因として、電子源であるチップの形状や、あるいは電子光学システムの収束レンズ等が完全な軸対称でないことが考えられる。したがって、高分解能を得られる装置であっても、これらの不具合が発生すると、正しい検査結果を得ることができない。

特開平５−２５８７０３号公報

本発明は、上述したような従来技術の問題点を解決し、分解能を高めるとともに、高速化と信頼性の向上，小型化をはかった電子ビームを用いた検査方法及び検査装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、試料ステージを介して試料に電圧を印加し、電子ビームを試料に収束，走査し、走査の間試料ステージを連続的に移動し、試料から発生した荷電粒子を検出して試料の欠陥を検出するに際し、試料ステージとシールド枠との間に発生する放電の限界に基づいて試料ステージとシールド枠との間の寸法を決める構成としたことを特徴とする。

また、本発明は、電子ビームの形状を補正する少なくとも６極のコイルを設けることを特徴とする。

また、本発明は、試料の移動中に電子ビームのクロスオーバをブランキングの支点としてブランキング偏向することを特徴とする。

また、本発明は、試料に印加された電圧の大きさを試料の種類によって決定することを特徴とする。

本発明によれば、分解能を高めるとともに、高速化と信頼性の向上，小型化をはかった電子ビームを用いた検査方法及び検査装置を得ることができる。

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。図２に、半導体装置の製造プロセスの手順のブロック図を示す。同図からわかるように、半導体装置の製造に当たっては、半導体装置のウエハ上への多数のパターン形成ステップ５１から５５が繰り返される。その各々のパターン形成ステップは、大まかに、成膜５６，レジスト塗布５７，感光５８，現像５９，エッチング６０，レジスト除去６１及び洗浄６２のステップからなる。各ステップにおいて製造条件が最適化されていないと、半導体ウエハの回路パターンが正常に形成されない。

そこで、ステップ間に外観検査ステップ６３または６４を設け、回路パターンの検査が実行される。この外観検査ステップ６３または６４で検査した結果、欠陥が判明したときは、欠陥が発生する要因となるプロセスのステップへ検査結果を反映させ、同様な欠陥の発生を抑制する。反映の仕方は、図２に示す欠陥管理システム６５によって、プロセスのステップ５６，５７，５８，５９の製造装置にデータを送信し、自動的に製造条件を変更させることも可能である。

図３に、製造過程における半導体ウエハ上の回路パターンを走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した像７０の例を示す。図３（ａ）は正常に加工されたパターン、図３（ｂ）は加工不良が発生したパターンを示す。たとえば図２の成膜５６のステップで異常が発生すると、パーティクルが半導体ウエハ表面に付着し、図３（ｂ）中の孤立欠陥Ａとなる。また、レジスト塗布後感光時に焦点や露光時間等の条件が最適でないと、レジストを照射する光の量や強さが多すぎる箇所や足りない箇所が発生し、図３（ｂ）中のショートＣや断線Ｅ，パターン細りや欠けＤを伴う。露光時のマスクやレチクル上に欠陥があると、同様のパターンの形状異常が発生しやすい。

また、エッチング量が最適化されていない場合及びエッチング途中に生成された薄膜やパーティクルが存在した場合、ショートＣや突起Ｂ，孤立欠陥Ａをはじめ、開口不良Ｇも発生する。洗浄時には、乾燥時の水切れ条件によりパターン角部その他の箇所に異常酸化を発生しやすい上、光学顕微鏡では観察しづらい薄膜残りＦが発生する。

したがって、ウエハ製造プロセスでは、これらの不良が発生しないよう加工条件を最適化する必要があると共に、異常発生を早期発見し、当該ステップにフィードバックする必要がある。

以上のような欠陥を検出するために、たとえば図２中の現像５９のステップの後、及び、レジスト除去６１のステップの後に外観検査６３，６４が行われる。この検査に本発明による電子ビームを用いた検査装置が使用される。

図１は、本発明の実施例であり、電子ビームを用いた検査装置の構成の概略を示す縦断面図である。

図１において、電子銃１は電子源２，引出電極３及び加速電極４から構成される。電子源２と引出電極３の間には引出電圧Ｖ１が引出電源５によって印加され、これにより電子源２からは電子ビーム３６が引出される。加速電極４はアース電位に維持され、そして加速電極４と電子源２との間には加速電圧Ｖacc が加速電源６によって印加され、したがって、電子ビーム３６はこの加速電圧Ｖacc によって加速される。

加速された電子ビームはレンズ電源７に接続された第１収束レンズ８によって、該第１収束レンズ８とレンズ電源７に接続された第２収束レンズである対物レンズ９との間にクロスオーバ１０が生じるように収束され、更に対物レンズ９によって、ステージ駆動装置（図示せず）及び位置モニタ用測長装置１１により水平移動可能にされた試料ステージ
１２上の半導体ウエハ等の試料１３に収束される。すなわち、試料１３は収束された電子ビームによって照射される。以上の構成は電子ビームを照射するのに適するように真空雰囲気を保った容器４３中に収納される。

試料１３には電子ビーム３６を減速させるリターディング電圧として負の電圧が試料ステージ１２を介して可変減速電源１４によって印加され、更に、試料１３と対物レンズ９との間に設けられた電極３４に、試料１３に対して正の方向の電圧が印加され、したがって、電子ビーム３６はリターディング電圧によって減速される。通常、電極３４はアース電位とされ、リターディング電圧は可変減速電源１４を調整することによって任意に変えることができる。

第１収束レンズ８とクロスオーバ１０との間には絞り１５が、クロスオーバ１０と電子ビーム走査用偏向器１６との間には絞り４１が配置されている。この絞り１５，絞り４１は余分な電子を遮断し、更に電子ビーム３６の開口角を決めるのに役立つ。

クロスオーバ１０と対物レンズ９との間には電子ビーム走査用偏向器１６が配置され、これは収束された電子ビーム３６で試料１３を走査するように電子ビーム３６を偏向させる機能をもつ。電子ビーム走査用偏向器１６は対物レンズ９の中に設けられ、その偏向の支点と対物レンズ９の磁極ギャップの中心とが実質的に一致するようにしており、これにより、偏向歪を低減することができる。

絞り１５と電子ビーム走査用偏向器１６との間には、電子ビーム３６をクロスオーバ
１０が形成される位置において偏向してブランキングする、走査信号発生装置２４に接続されたブランキング用偏向器１７が配置されている。

収束レンズ８の内側には、６極またはそれ以上の極数を有する非点補正コイル８１，非点補正コイル８２を設けている。電子源２，引出電極３，収束レンズ等が軸対称でない場合、試料１３に照射された電子ビームの横断面形状が円でなく三角形になってしまうことがある。そこで、収束レンズ８の部分に非点補正コイル８１，非点補正コイル８２を設け、電子ビームの三角形を円に補正する。これによって、高分解能な像が得られ、微細な欠陥を検出することが可能になる。

図４は、非点補正コイル８１，非点補正コイル８２の配置を示す平面図である。非点補正コイル８１，非点補正コイル８２が４極であると、例えば電子ビームにはＸ方向に延ばし、Ｙ方向に縮める力が働く。電子ビームの形状が三角形の場合、Ｘ方向とＹ方向への形状修正では、三角形は円にならない。そこで、図４に示すように、非点補正コイル８１，非点補正コイル８２を６極にし、三角形の三つの辺に延ばす力、三つの頂点に縮める力が働くようにすれば、三角形を円に修正できる。非点補正コイル８１，非点補正コイル８２の極数は、多ければ多いほど精度よく円へ修正できるが、コイルで発生すべき力とコイルを収める空間の大きさのバランスで、極数が決定される。

本発明による検査装置を用いて半導体ウエハ上に形成された回路パターンの検査手順を示すフローチャートを図５に示す。

はじめに、試料ステージ１２上へ試料１３が搭載された後、容器４１内へ試料ステージ１２が移動し、容器４１内の試料検査室が真空排気されるとともに、リターディング電圧が印加される。

試料１３が収束された電子ビーム３６で走査されると、試料１３からは荷電粒子である２次電子３３及び反射電子が発生する。そのうちの２次電子３３は５０ｅＶ以下のエネルギーをもったものとして定義される。

試料１３を照射する電子ビーム３６に対するリターディング電圧は、発生した２次電子に対しては正負の方向が逆になるため、加速電圧として作用する。したがって、発生した２次電子３３はリターディング電圧によって加速されるため、方向がほぼそろい、ほぼ平行ビームとなって、試料１３と対物レンズ９の間に配置されたＥ×Ｂ（イー・クロス・ビー）偏向器１８に入射する。

Ｅ×Ｂ偏向器１８はウィーン・フィルタとして知られた偏向器の一種であり、２次電子３３を偏向する偏向電界を発生させる偏向電界発生器を含むと共に、試料１３を照射する電子ビームの前記偏向電界による偏向を打ち消す、前記偏向電界と直交する偏向磁界を発生させる偏向磁界発生器を含んでいる。この偏向磁界は２次電子３３に対しては前記偏向電界と同一方向への偏向作用をもつ。したがって、Ｅ×Ｂ偏向器１８によって発生される偏向電界及び偏向磁界は、試料１３を照射する電子ビームに悪影響を与えることなしに、加速された２次電子３３を偏向する。

この偏向角をほぼ一定に維持するために、Ｅ×Ｂ偏向器１８によって発生される偏向電界及び偏向磁界をリターディング電圧の変更に連動して変えることができる。Ｅ×Ｂ偏向器１８は偏向電界及び偏向磁界を発生するものであるため、偏向電界及び偏向磁界発生器と呼ばれる場合もある。

Ｅ×Ｂ偏向器１８の偏向電界及び偏向磁界によって偏向された２次電子３３は導電性の２次電子発生体１９を衝撃ないしは照射する。２次電子発生体１９は対物レンズ９とＥ×Ｂ偏向器１８の間において電子ビームの軸の周りに配置され、かつその軸に沿って電子銃１の方に向かうにしたがって末広がりの円錐形状にされている。この２次電子発生体１９はＣｕＢｅＯで作られていて、入射電子数の約５倍の２次電子発生能をもつ。２次電子発生体１９から発生した第２の２次電子２０（これは５０ｅＶ以下のエネルギーをもつ）は荷電粒子検出器２１によって検出され、電気信号に変換される。

試料１３の高さは光学式試料高さ測定装置２２によりリアルタイムで測定されて、その測定結果は補正制御回路２３からレンズ電源７にフィードバックされ、それによって対物レンズ９の焦点距離がダイナミックに補正される。また、電子ビームの試料照射位置は位置モニタ用測長装置１１によって検出されて、その結果が補正制御回路２３から走査信号発生装置２４にフィードバックされ、それによって電子ビームの試料照射位置が制御される。

図６は試料１３の一例である半導体のウエハ４４を上方から見た平面図、図７はその一部分の拡大図である。ウエハ４４は図示しないステージ駆動装置によりｘ−ｙ座標のｙ方向に矢印ｙで示されるように連続的に移動され、一方、ウエハ４４の電子ビーム３６による走査はｘ方向に、矢印ｘで示されるように走査とブランキング偏向とが、ウエハ４４の移動中に交互に繰り返し行われる。

ウエハ４４の電子ビーム３６による照射を時間的，空間的に均一にするために、各走査の帰線期間中、電子ビーム３６がウエハ４４に向けられないように、電子ビーム３６を図１中に示したブランキング用偏向器１７を用いて偏向してブランキング偏向する。

電子ビーム３６による走査は、図６中のＡ点を開始点としてＢ点まで行われる。この走査の間、試料ステージ１２とともにウエハ４４はｙ方向に移動する。Ｂ点とＡ′点との間は図７に破線でしめしたように電子ビーム３６がブランキングされ、再び、Ａ′点から
Ｂ′点へ走査が開始される。このように、走査とブランキングとがウエハ４４の移動中に交互に繰り返し行われてＣ点からＤ点の間の走査まで行われる。

ウエハ４４が始点位置Ａ点から終点位置Ｄ点まで連続移動し終わると、ウエハ４４が電子ビーム３６による走査の幅ｗに相当する量だけｘ方向に移動され、続けてウエハ４４の−ｙ方向への連続移動が再開されて今回の開始点Ｃ点から終点Ｆ点まで移動され、そしてその連続移動の間中、ウエハ４４の電子ビーム３６によるｘ方向への走査とブランキングとが交互に繰り返される。

このような動作が繰り返されることによって、電子ビーム３６によるウエハ４４の全面の走査が完了する。

図８に、図１に示した電子ビーム３６のブランキングの形態の概念図を示す。

本実施例では、図１に示す電子ビーム３６のクロスオーバ１０を支点としてブランキング偏向しており、これを図８の（ａ）に示す。電子ビーム３６をブランキング偏向するために、クロスオーバ１０以外の点を支点として偏向すると、その偏向時にウエハ４４上の電子ビーム照射位置が移動してしまう。また、図８の（ｂ）に示すように、電子ビーム
３６が平行ビームである場合には、ブランキング偏向するとブランキングの最中に絞り
１５，絞り４１で遮断できない電子ビームが存在し、隣接した照射したくない領域をわずかながら照射してしまう。このように、ブランキング偏向が始まって完了までの間中、本来電子ビーム３６で照射されては好ましくない箇所が電子ビーム３６で照射されることになり、特に、分解能を高めたときに、このために誤った画像が得られることは問題である。

これに対して、本発明の実施例では、ブランキング偏向時には、電子ビーム３６はクロスオーバ１０を支点として偏向され、電子ビームが隣接領域を照射する事がなくなり、ウエハ４４上の電子ビーム照射位置の変化が避けられ、高精度の欠陥検出が可能になる。

試料１３またはウエハ４４の電子ビーム３６による走査は、ウエハ４４をｙ方向に連続移動しながら電子ビーム３６をｘ方向に偏向させるが、走査とブランキング偏向とを交互に繰り返すのでなく、走査を往復偏向させてもよい。この場合は、行きの偏向時の走査速度と帰りの偏向時の走査速度とが同じにされる。このようにすれば、ブランキング用偏向器１７を省略することができ、ブランキング時間分の節約が可能となる。しかし、この場合、以下に注意する必要がある。

図９は図７と同様ウエハ４４上の電子ビーム３６の走査方向を示すウエハ４４の一部分の拡大図である。ウエハ４４の電子ビーム３６の往復偏向の終わりの部分Ｂ点と始めの部分Ｂ′点とが電子ビーム３６によって短時間に集中して照射される。すなわち、例えば、左から右へのｘ方向の走査の場合、照射領域の端部Ｂ点では電子ビームのｘ方向への移動が停止し、ウエハ４４がｙ方向に走査幅だけ移動して始めの部分Ｂ′点へ来るのを待ってから、次の列を右から左へｘ方向へ移動して走査する。このＢ点−Ｂ′点間のｙ方向への移動を待っている間に、ウエハ４４の端部Ｂ点を中心とする領域とＢ′点を中心とする領域の間がｙ方向に照射が続けられる。このため、帯電現象の時定数が非常に短い試料の場合は、その画像を取得したとき、その画像の明るさが不均一になってしまう。そこで、電子ビーム３６による照射量をウエハ４４の全面にわたってほぼ同じにするために、電子ビーム３６の走査速度を図９中のＡ点−Ｂ点間よりもＢ点−Ｂ′点間の方が速くなるように、その走査速度を制御するとよい。

次に、図１に示した画像処理ユニット４２で行われる画像処理について説明する。

画像処理ユニット４２では、荷電粒子検出器２１からの電気信号から試料１３上の欠陥を検出する。荷電粒子検出器２１によって検出された第２の２次電子２０の量を変換した電気信号は、増幅器２５により増幅され、Ａ／Ｄ変換器２６によりディジタル化される。そのディジタル化された信号は画像信号として記憶部２７及び２８に記憶される。具体的には、まず第１の検査領域の２次電子画像信号を記憶部２７に記憶する。

次いで、隣接する同一回路パターンの第２の検査領域の２次電子画像信号を記憶部２８に記憶しながら同時に記憶部２７の第１の検査領域の２次電子画像信号と比較する。更に、第３の検査領域の２次電子画像信号は記憶部２７に上書き記憶され、同時に記憶部２８の第２の検査領域の画像と比較する。これを繰り返し、すべての検査領域について画像信号の記憶及び比較を実行する。なお、記憶部２８に記憶された画像信号はモニタ３２に表示される。

画像比較は、図１中に示した演算部２９及び欠陥判定部３０において行われる。すなわち、記憶部２７及び２８に記憶された２次電子画像信号については、すでに求めてある欠陥判定条件にもとづき、演算部２９で各種統計量、具体的には画像濃度値の平均，分散等の統計量，周辺画素間の差分値等を算出する。これらの処理が実行された後、その処理が施された画像信号は欠陥判定部３０に転送され、比較されて差分信号が抽出され、すでに求めて記憶してある欠陥判定条件を参照して欠陥信号とそれ以外の信号が分離される。

図１０は画像比較の一例を像７０を用いて説明するものであり、（ａ）は記憶部２７に記憶された２次電子画像信号、（ｂ）は記憶部２８に記憶された２次電子画像信号である。（ａ）の画像１と（ｂ）の画像２の信号の差をとると（ｃ）に示されるような差画像が得られ、これが欠陥として表示される。

また、予め標準となる回路パターンの検査領域の２次電子画像信号を記憶部２７に記憶しておき、試料１３の回路パターンの検査領域の２次電子画像信号を記憶部２８に記憶しながら、記憶部２７の記憶画像信号と比較するようにしてもよい。すなわち、まず、予め制御部３１より良品の半導体装置について検査領域及び検査条件を入力し、そのデータにもとづき良品の検査を実行し、所望の領域の２次電子画像信号を記憶部２７に取り込んで記憶する。次に、検査対象である試料１３について同様の方法で検査し、その２次電子画像を記憶部２８に取り込み、記憶する。同時に、これと記憶部２７に記憶された良品の２次電子画像とを位置合わせ後比較することにより欠陥のみを検出する。

このとき、良品の半導体装置としては、試料１３における良品の部分あるいは試料１３とは別の良品ウエハあるいはチップを用いる。たとえば、試料１３において、回路パターンを形成する際に下層パターンと上層パターンが合わせずれを生じて形成したような不良を発生することがある。比較対象が同一ウエハあるいは同一チップ内の回路パターン同士であると、上記のようなウエハ全体に同様に発生した不良は見落としてしまうが、予め良品の画像信号を記憶し、それと試料１３の画像信号を比較することにより上記のような全体に発生した不良も検出することができるようになる。

検査装置各部に対する動作命令及び条件設定は図１中の制御部３１から行われる。したがって、制御部３１には加速電圧，電子ビームの偏向幅（または走査幅）及び偏向速度
（または走査速度），試料ステージの移動速度，検出器の出力信号取り込みタイミング等々の条件が予め入力されている。

次に、本発明にもとづく電子ビームを用いた検査装置（以下本検査装置と略す）が従来の走査電子顕微鏡（以下ＳＥＭと略す）とどのような点が異なるのかを説明する。

ＳＥＭは非常に限られた領域、たとえば数十μｍ角の領域を高倍率で時間をかけて観察する装置である。半導体検査装置の一つである測長用走査電子顕微鏡（以下測長ＳＥＭと略す）でさえも、ウエハ上の限られた複数点のみの観察及び測定を高倍率で行うにすぎない。これに対して、本検査装置はウエハのような試料を対象とし、どこに欠陥があるかを探し出す装置である。したがって、非常に広い領域をくまなく検査しなければならないから、検査の高速性が極めて重要である。

図１１に１cm² 当りの画像取得時間と１画素（１ピクセル）の測定時間との関係を示す。また、図１２に１cm² 当りの画像取得時間と電子ビーム電流との関係を示す。

一般に電子ビーム画像におけるＳ／Ｎ比は、試料を照射する電子ビームの単位画素当たりの照射電子数の平方根の値と相関がある。試料上の検出されるべき欠陥は、画素比較による検査が望ましい程度の微小欠陥であり、検査対象のパターンの大きさから検査装置に要求される分解能を０.１μｍ 程度としたとき、画素サイズは０.１μｍ 程度とするが、この観点から、および、発明者らの経験から、荷電粒子検出器で検出された後で画像処理前の生画像のＳ／Ｎ比は１０以上であることが望ましい。一方、一般にウエハの回路パターンの検査に要求される検査時間はおおよそ２００sec／cm²程度であり、画像取得のみに要する時間を検査時間の約半分の１００sec／cm²程度と仮定すると、図１１に示すように、１画素当たりの所要時間は１０ｎsec 以下となる。また、１画素当たりの必要電子数は約６０００個となり、図１２より、電子ビーム電流が１００ｎＡ以上にする必要があることがわかる。なお、図１２において、ＳＥＭや測長ＳＥＭでは、１cm² 当りの画像取得時間が遅くても実用上問題ないので、電子ビーム電流は数百ｐＡ以下の低い値が採用されている。

以上のような事項を考慮して、本発明の実施例では、試料を照射する電子ビーム電流を１００ｎＡ，画素サイズを０.１μｍ，試料上での電子ビームのスポットサイズを０.０１μｍ以下である０.０８μｍ，試料ステージ１２の連続移動速度を１０mm／secにそれぞれ設定し、これらの条件下で、試料の同じ領域を複数回電子ビームで走査しなくても一回だけで２００sec／cm²程度の高速度検査を可能にしている。

従来のＳＥＭや測長ＳＥＭでは、試料を照射する電子ビーム電流は数ｐＡから数百ｐＡ程度であるから、１cm² 当たりの検査時間は数百時間にもなり、したがってＳＥＭや測長ＳＥＭをウエハ等の全面検査のために製造プロセスに用いることは実質的に実用にならない。

また、上記仕様の実施例では、大電流電子ビームが得られ、高速度検査ができるように電子銃１の電子源２としては拡散補給型の熱電界放出電子源やショットキータイプが用いられている。更に、１画素当たりの所要時間が１０ｎsec であることは、画像のサンプリング時間が１００ＭＨｚであることに相当し、したがって荷電粒子検出器２１はそれに対応する高速応答速度をもつものであることが必要である。この条件を満たすため、荷電粒子検出器２１には半導体検出器を採用するのが望ましい。

導電性が小さいか又は導電性がない試料の場合は、試料は電子ビームで照射されることによって帯電する。この帯電量は電子ビームの加速電圧に依存し、そのエネルギーを低くすることによって解決される。しかし、画像比較にもとづく電子ビーム検査装置では、
１００ｎＡという大電流電子ビームが用いられるため、加速電圧を低くすると、空間電荷効果により収差、すなわち、電子ビームの径方向への広がりが増大し、０.０８μｍ という試料上での電子ビームスポットサイズを得ることが困難となり、したがって分解能の低下は避けがたい。

図１３に、ビーム電流１００ｎＡ，試料照射エネルギー０.５ｋｅＶ のときの電子ビーム径と加速電圧との関係を示す。本発明の実施例では、空間電荷効果による分解能の低下及び変化を防止するとともに、試料上での電子ビームスポットサイズ０.０８μｍ を安定に得るために、図１３に示すように、加速電圧Ｖaccは１０ｋＶ一定に設定されている。

本検査装置によって得られる画像の質は、試料を照射する電子ビームのエネルギーによって大きく左右される。そのエネルギーは試料の種類によって変更される。帯電しにくい試料や、回路パターンのエッジ部を特に知りたい試料で画像のコントラストを強調する場合はエネルギーを大きくし、帯電しやすい試料の場合はエネルギーを小さくする。このため、検査されるべき試料の種類が変わるごとに、最適な電子ビーム照射エネルギーを見つけ出して設定する必要がある。

本発明の実施例では、試料を照射する電子ビームの最適照射エネルギーは、加速電圧
Ｖacc を変えずに試料１３に印加される負の電圧、すなわち、リターディング電圧を変えることによって設定される。このリターディング電圧は可変減速電源１４によって変えることができる。

図１４に、２次電子検出効率（単位％）とリターディング電圧（単位ｋＶ）との関係を示す。同図中の曲線（１）は本発明の実施例の長焦点方式によるもの、曲線(２)はＴＴＬ方式によるものである。既述のように、リターディング電圧は試料の種類によって変えられるべきである。また、リターディング電圧は２次電子に対して加速させる作用がある。図１４において、２次電子検出効率は、リターディング電圧を変えると、ＴＴＬ方式の場合は大幅に変化してしまうのに対して、本発明の実施例の場合は、あまり変化しない。
ＴＴＬ方式の場合は、リターディング電圧を５ｋＶ以上にする必要がある。ＴＴＬ方式の場合は、試料から発生する２次電子が対物レンズの磁場を通り収束されるが、その軸方向の収束位置はリターディング電圧を変えることによって変化する。これが２次電子検出効率を大きく変えてしまう主たる原因である。これに対して、本発明の実施例のでは２次電子３３が対物レンズ９の磁場を通らないので影響が小さい。したがって、本発明の実施例の長焦点方式では、画像の回転が少なく、２次電子検出効率の変動が小さいので、検査画像の安定化をもたらすという利点がある。

既述のように、試料１３から発生する２次電子３３はそのままでは広がってしまうが、リターディング電圧によって加速されてほぼ平行ビームとなるので、２次電子３３の収集効率が向上する。その２次電子３３は、更に、Ｅ×Ｂ偏向器１８の偏向電界及び偏向磁界によって、電子ビーム３６の中心軸に対してある角度、たとえば５°だけ偏向されて２次電子発生体１９を衝撃し、それによって更に第２の２次電子２０が大量に発生する。このように、２次電子の検出効率は、平行ビームと、２次電子発生体１９の衝撃によって、大幅に向上する。

試料１３から発生する荷電粒子が対物レンズ９を通過した後で検出される方式は、既述のように、ＴＴＬ方式と呼ばれる。このＴＴＬ方式によれば、対物レンズを短焦点で働かせることによって電子ビームの収差を少なくし、分解能をあげることができる。これに対して、本発明の実施例では、図１に示すように、試料１３から発生する荷電粒子３３は、対物レンズ９の下で検出される。このため、対物レンズ９の焦点距離はＴＴＬ方式に比べて長く設定されている。すなわち、従来のＴＴＬ方式では対物レンズの焦点距離は５mm程度であるのに対して、本発明の実施例ではその値は４０mm程度に設定されている。そして、電子ビームの収差を少なくするために、前述したように１０ｋＶの高加速電圧を採用している。

このため、本発明の実施例によれば、試料１３の画像を取得するために行われる電子ビーム３６の偏向幅、すなわち、電子ビーム３６による走査幅を大きくすることができる。例えば、従来のＴＴＬ方式のビーム偏向幅は１００μｍ程度であるのに対して、本発明の実施例では５００μｍまで設定可能である。

試料１３の表面は完全な平面ではないため、検査する領域が移動すると試料の高さも変化する。したがって、対物レンズ９の励磁を変化させて、常に試料１３の表面に焦点を合わせる動作が必要である。従来のＴＴＬ方式では、対物レンズを短焦点で働かせるように強励磁している。しかし、強励磁の対物レンズでは試料の高さの変化に伴い、電子ビームの流れが水平方向への回転を有しており、その結果、得られた画像の回転が生じるので、回転の補正が必要となる。これに対して本発明の実施例では、対物レンズ９は長焦点で作動されるように弱励磁される。例えば、Ｉを対物レンズの電流値（単位Ａ），Ｎを対物レンズのコイルのターン数，Ｅを電子ビームのエネルギー（単位ｅＶ）とすると、ＩＮ／
√Ｅ＝９程度に励磁される。このため、試料１３の高さの変化に伴って焦点を微調整しても、電子ビーム３６の回転や得られた画像の回転は、実質的に無視できる程度にしか生じないので、その補正は不要である。

なお、以上述べた本発明の実施例では、画像形成のために試料１３から発生した２次電子３３を用いているが、電子ビーム３６の照射によって試料から後方散乱された反射電子を用いて画像を形成しても、同様の効果を得ることができる。

図１３および図１４の説明で述べたように、リターディング電圧は試料によって変えるべきであり、本発明の実施例の場合は、試料照射エネルギーが０.５ｋｅＶ ，加速電圧が１０ｋＶのとき、リターディング電圧は９.５ ｋＶである。図１において、試料１３には試料ステージ１２を介して可変減速電源１４よりこのリターディング電圧が印加される。図１５に、図１に示した容器４３の試料ステージ１２の周辺の横断面図を示す。一点鎖線は試料ステージ１２の移動範囲である。図１５に示すように、リターディング電圧９.５ ｋＶが印加された試料ステージ１２は容器４３の内部の接地されたシールド枠８３の内側に収められているが、両者が接近しすぎると両者の間で放電し、リターディング電圧の効果が低下するばかりでなく、試料１３の表面の電界の乱れやノイズを発生させる。

図１６に、図１５に示した試料ステージ１２の一部分の放電限界を計算でシミュレーションした結果を示す。横軸はリターディング電圧、縦軸は試料ステージ１２の端部１２ａと容器４３の内部のシールド枠８３の端部８３ａとの間の隙間寸法Ｈである。図１６において、本発明の実施例の場合の条件であるリターディング電圧が９.５ ｋＶのとき、試料ステージ１２の端部１２ａと容器４３の内部のシールド枠８３の端部８３ａとの間に発生する放電は、図１５に示す両者の隙間寸法Ｈが３.５mm 以上あれば防止できることがわかる。実際の装置の設計では、隙間寸法Ｈは放電発生限界の隙間寸法Ｈよりも大きくする。本発明の実施例の場合、試料ステージ１２へ印加するリターディング電圧の設計上限を
１２ｋＶとしている。図１６よりこの時の隙間寸法Ｈは４.５mm であり、実際の限界値
３.５mmに対して１mmの余裕をもたせている。

以上のシミュレーションの結果、図１５において、隙間寸法Ｈを４.５mm とすると、直径３００mmのウエハを搭載できる試料ステージ１２の移動寸法Ｌは１１４１mm、シールド枠８３の幅寸法Ｍはその強度上３５mmであることから、試料ステージ１２が組み込まれる容器４３の幅寸法Ｗは１２２０mmとなる。実際には、シールド枠８３がむき出しになるわけではなく、シールド枠８３の外周に、例えば４０mm程の外側に囲い８４を設けるので、実際の装置の外側寸法は幅寸法Ｗの１２２０mmよりも大きくなり、１３００mmとなる。

また、試料ステージ１２の大きさは搭載するウエハの大きさによってかわり、その結果、移動寸法もかわる。直径２００mmのウエハの場合は、例えば移動寸法Ｌは９４１mmとなるので、試料ステージ１２が組み込まれる容器４３の幅寸法Ｗは１０２０mmとなり、例えば、囲いを含んだ装置の外側寸法は１１００mmとなる。

このように、試料ステージ１２の端部１２ａと容器４３の内部のシールド枠８３の端部８３ａとの間に発生する放電を防止できる間隙寸法Ｈを見出したので、装置の寸法を限界まで小さくすることができた。本発明の実施例の場合、上述したように、放電の発生を防止できる装置の最小寸法は、ウエハの直径が３００mmのときシールド枠８３に囲まれた部分の寸法Ｗが１２２０mm，ウエハの直径が２００mmのときシールド枠８３に囲まれた部分の寸法Ｗが１０２０mmであった。

試料ステージ１２は２次元方向に移動できるが、その移動量は図１に示したように位置モニタ用測長用装置１１で測定される。これには、レーザ光を用いた干渉計が用いられる。この干渉計は試料ステージ１２に設けられたミラーにレーザ光を当て、反射光を検出し、光の干渉を利用して微少な移動量を測定するものである。

図１７にミラー８５が取付けられた試料ステージ１２の斜視図を、図１８にミラー８５の斜視図を示す。試料ステージ１２にはリターディング電圧が印加されており、ミラー
８５はガラス質のため、その端部８５ａに電界が集中し、シールド枠８３等の接地された他の部材と放電を発生してしまうという問題がある。そこで、図１８に示すように、端部を金属カバー８６で覆い、端部に電界が集中しないようにした。これによって、その端部８５ａに電界が集中し、他の部材との放電の発生を防止できる。

以上述べたように、リターディング電圧を印加した試料ステージの放電やミラーの放電を防止して、装置寸法を最小限にすることができ、半導体製造プロセスの限られたクリーンルーム内に本装置を容易に設置できる。

本発明にもとづく実施例を示す電子ビームを用いた検査装置の構成の概略を示す縦断面図。 半導体装置の一般的な製造プロセスの手順を示すブロック図。 半導体ウエハの製造過程における半導体ウエハ上の回路パターンをＳＥＭで観察した像の例を示す図。 非点補正コイルの配置を示す平面図。 半導体ウエハ上に形成された回路パターンの検査手順を示すフローチャート。 ウエハを上方から見た平面図。 図６のウエハの一部分の拡大図。 電子ビームのブランキングの形態を示す概念図。 図７と同様ウエハの一部分の拡大図。 画像比較の一例を示す像の図。 試料表面の１cm² 当りの画像取得時間と１画素の測定時間との関係図。 試料表面の１cm² 当りの画像取得時間と電子ビーム電流との関係図。 電子ビーム径と加速電圧との関係図。 ２次電子検出効率とリターディング電圧との関係図。 容器の試料ステージの周辺の横断面図。 放電限界を計算でシミュレーションした結果を示す関係図。 試料ステージの斜視図。 ミラーの斜視図。

符号の説明

１…電子銃、２…電子源、４…加速電極、６…加速電源、８…第１収束レンズ、９…対物レンズ、１０…クロスオーバ、１１…位置モニタ用測長装置、１２…試料ステージ、
１３…試料、１４…可変減速電源、１５…絞り、１６…電子ビーム走査用偏向器、１７…ブランキング用偏向器、１８…Ｅ×Ｂ偏向器、１９…２次電子発生体、２０…第２の２次電子、２１…荷電粒子検出器、２２…光学式試料高さ測定装置、２３…補正制御回路、
２４…走査信号発生装置、２９…演算部、３０…欠陥判定部、３１…制御部、３３…２次電子、３６…電子ビーム、８１，８２…非点補正コイル、８３…シールド枠、８５…ミラー、８６…金属カバー。

Claims (2)

1. 電子ビームを試料に収束して走査し、該走査の間前記試料を連続的に移動し、前記試料から発生した荷電粒子を検出して前記試料の欠陥を検出する電子ビームを用いた検査方法において、前記電子ビームの断面形状を少なくとも６極のコイルによって補正することを特徴とする電子ビームを用いた検査方法。
2. 電子ビームを発生する電子源と、前記電子源で発生した電子ビームを試料に収束する収束レンズと、その収束された電子ビームで前記試料を走査する間前記試料を連続的に移動させる試料ステージと、前記試料から発生した荷電粒子を検出して前記試料の欠陥を検出する検出器とからなる電子ビームを用いた検査装置において、前記電子ビームの断面形状を補正する少なくとも６極のコイルを有することを特徴とする電子ビームを用いた検査装置。
   

Images