JP2005164608A

JP2005164608A - パターン欠陥検査方法及びパターン欠陥検査装置

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Publication number: JP2005164608A
Application number: JP2005001991A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Shinada; 博之品田; Hisaya Murakoshi; 久弥村越; Hideo Todokoro; 秀男戸所; Hiroshi Makino; 浩士牧野; Yoshihiro Anami; 義弘阿南
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2005-01-07
Filing date: 2005-01-07
Publication date: 2005-06-23
Anticipated expiration: 2022-01-09
Also published as: JP3950891B2

Abstract

【課題】
半導体装置の製造過程にあるウェハ上パターンの欠陥、異物、残渣および段差等を電子ビームにより検査する技術において、高分解能で、かつ検査速度の高速化を実現する欠陥検査装置を提供する。
【解決手段】
被検査半導体７の表面に電子ビームを減速させる電界を形成し減速電界により被検査半導体の表面に到達し得ないエネルギーの成分を含む、一定の面積を持った電子ビーム(面状の電子ビーム)を被検査半導体表面の極近傍で反射させて結像レンズ１１により結像し、被検査半導体表面の複数の領域の画像を取得して画像記憶部に記憶させる。この記憶された複数の領域の画像同士を比較することによって、上記領域内における欠陥の有無および欠陥の位置を計測する。
【選択図】図１

Description

本発明は、試料(半導体装置等)の表面状態を検査する方法および装置に関する。

半導体装置の製造過程において、ウエハ上に形成された回路パターンの欠陥を画像の比較検査により検出する方法として、点状に絞った電子ビームを走査するいわゆるＳＥＭ方式によるパターンの比較検査方法が、「特開昭５９−１９２９４３号公報」、「J. Vac. Sci. Tech. B、Vol.9、No.6、pp.3005-3009 (1991)」、「J. Vac. Sci. Tech. B、Vol.10、No.6、pp.2804-2808 (1992)」、「SPIE Vol.2439、 pp.174-183」、および「特開平０５−２５８７０３号公報」等に記載されている。

これらの技術は、光学顕微鏡の分解能以下となる微小なエッチング残りや微小パターン欠陥検出や微小導通孔の非開口不良等の電気的な欠陥の検出に活用されている。これらの技術では、実用的な検査速度を得るために非常に高速にパターンの画像を取得する必要が有る。そして、高速で取得した画像のＳ／Ｎ比を確保するために、通常の走査型電子顕微鏡の１００倍以上(１０ｎＡ以上)のビーム電流を用いている。

さらに、「特開平７−２４９３９３号公報」、「特開平１０−１９７４６２７号公報」、特開２０００−３４０１６０号公報」、「特開平１１−１０８８６４号公報」等には、矩形状の電子ビームを半導体ウエハに照射して反射電子や二次電子または逆電界の形成によりウエハに照射されずに反射される電子をレンズにより結像させる等、いわゆるプロジェクション方式により高速に検査する装置について記載されている。

また、試料に電位を与えて電子ビームが照射されずに表面近くで電界により反射される状況を作り出し、試料最表面の画像を取得する技術としてはミラー顕微鏡として知られている（例えば、「Rheinhold Godehardt、ADVANCES IN IMAGING AND ELECTRON PHYSICS、VOL.94、p.81-150」）。

特開昭５９−１９２９４３号公報特開平０５−２５８７０３号公報特開平７−２４９３９３号公報特開平１０−１９７４６２７号公報特開２０００−３４０１６０号公報特開平１１−１０８８６４号公報 J. Vac. Sci. Tech. B、Vol.9、No.6、pp.3005-3009 (1991) J. Vac. Sci. Tech. B、Vol.10、No.6、pp.2804-2808 (1992) SPIE Vol.2439、 pp.174-183 Rheinhold Godehardt、ADVANCES IN IMAGING AND ELECTRON PHYSICS、VOL.94、p.81-150

上記の電子ビームを用いた従来の検査技術では、ＳＥＭ方式、反射電子や二次電子のプロジェクション方式はいずれも下記の課題が残っていた。

まず、ＳＥＭ方式に関しては検査可能なＳ／Ｎ比を維持した画像を形成するために、電子ビームを一般のＳＥＭよりも大電流化している。しかし、電子ビームを点状に絞ってこの「点ビーム」を試料表面上で平面(２次元的)に走査しているがために高速化(検査時間の短縮)には限界があった。

また、採用する電子源の輝度や空間電荷効果等によって、電子ビームの大電流化にも限界がある。例えば、０.１μｍ程度の分解能を得ようとした場合は、電子ビーム電流は数百ｎＡ程度が理論限界であり、実際には１００ｎＡ程度が用いられ得るに過ぎない。画像のＳ／Ｎ比は、画像を形成するのに用いられる電子の数、すなわち、ビーム電流値と画像取得に要する時間との積により決まる。画像処理が正常に動作できる画像のＳ／Ｎ比を確保するにはビーム電流値が１００ｎＡで０.１μｍの場合、試料表面の面積１ｃｍ^２を検査するのに１００ｓｅｃ以上を必要とする。

一方、プロジェクション方式では、ＳＥＭ方式よりも大電流の電子ビームを一度に照射でき、かつ一括で画像を取得できるためＳＥＭ方式と比較して超高速に画像を形成できることが期待できる。ところが、二次電子の放出角度分布は広い角度に広がっており、しかもエネルギーも約１〜１０ｅＶと広がっている。このような電子を結像して試料の拡大像を形成するとき大部分の二次電子をカットしないと十分な分解能が得られないことが、「ＬＳＩテスティングシンポジウム/1999会議録、P142」に記載の図６から容易に判断することができる。これは試料から放出した二次電子を加速するための負の試料印加電圧と二次電子の結像分解能を示したものである。これによると試料印加電圧−５ｋＶのとき分解能はほぼ０.２μｍである。

そして、放出した二次電子がすべて画像形成に使用できるわけではなく、たとえば当該引用文献の計算では対物レンズ通過後の像面において１.１mradの開き角以下のビームを使用した場合となっている。この開き角の範囲内の二次電子は全体のたかだか１０％程度である。さらに結像に使用する二次電子のエネルギーの幅を１ｅＶで計算しているが、放出される二次電子のエネルギー幅は実際には数ｅＶ以上の幅を持って放出しており、高エネルギー側の裾野はおよそ５０ｅＶまで存在する。そのような幅広いエネルギー分布を持つ二次電子のうち、たかだか１ｅＶのエネルギー幅のもののみを抽出した場合はさらに数分の一になってしまう。

このように、電子ビームを面積ビームとして大電流を照射して一括で画像を形成しようとしても実際に画像形成に寄与できる電子の割合が低いために画像のＳ／Ｎ比を確保することが困難となり結局期待できるほどの検査時間の短縮は不可能である。反射電子を用いる場合も同様に照射ビーム電流に比べて二桁少ない放出量しか得られず、二次電子の場合と同様に高分解能と高速性の両立は困難である。

また、先に述べたミラー顕微鏡技術については、この技術を半導体ウエハの検査に適用する手法や装置に関してはこれまで報告がなかった。また、試料に向けられる電子ビームの軌道の方向性に関する制約がなく、広い角度をもって電子ビームが試料に照射されるため分解能がサブμｍ程度と現状の半導体を観察するには分解能が不充分であった。

本発明は、上述の点に着目してなされたものであり、ウエハ上に形成されたパターンにおける欠陥部分を、高分解能でかつ高速で検出する欠陥検査方法及び欠陥検査装置を提供することを目的とする。

本発明の目的は、以下の方法で達成できる。

すなわち、試料表面の複数の照射領域(面積領域)に、電子ビームを「点ビーム」としてではなく２次元的な広がりを持った「面積ビーム」（面状の電子ビーム）として順次照射する。ウエハには負の電位を印加する。この負の電位は、ウエハの最表面付近で大部分の電子ビームが戻される程度の値とする。具体的には電子源の電位よりも０.５Ｖ〜５Ｖ高い負の電位とする。これにより引き戻された電子を結像させる（以降、試料に衝突せずに電界により引き戻された電子を「引き戻された電子」または「ミラー電子」と呼ぶことにする。）。そして、上記複数の照射領域の拡大像を順次形成し、これら複数の照射領域の拡大像を電気的な画像信号に変換して、上記複数の照射領域についての画像信号同士を比較する。これにより上記各照射領域についてのパターン欠陥を高分解能でかつ高速に検出することが可能となる。

本発明の代表的な構成例を挙げると、先ず、本発明によるパターン欠陥検査方法は、２次元的な広がりを有する面状の電子ビームを、負の電位を印加された試料表面の複数の照射領域に順次照射し、前記試料に衝突せずに前記試料の表面付近で引き戻された電子を結像せしめて、前記複数の照射領域の拡大電子像を順次形成し、形成された前記複数の照射領域の拡大電子像を電気的な画像信号に変換して、前記複数の照射領域についての画像信号同士を比較することにより、前記試料に形成されたパターン欠陥を検出するよう構成したことを特徴とする。ここで、前記面状の電子ビームは、前記試料表面に対して進行方向を略平行にそろえ略垂直に入射するようにして、前記複数の照射領域の各々を照射するよう構成される。

また、本発明によるパターン欠陥検査装置は、電子源からの電子ビームを２次元的な広がりを有する面状の電子ビームとして試料表面の複数の照射領域に照射する第１の電子光学系と、前記試料に向けて照射した前記電子ビームを形成する電子が前記試料の最表面付近で引き戻されるような電界を発生させるための手段と、前記複数の照射領域から引き戻された電子を結像させて前記複数の照射領域の拡大像を形成するための第２の電子光学系と、前記複数の照射領域の拡大像をそれぞれ電気的な画像信号に変換して検出する画像信号検出手段と、検出された前記試料表面の複数の照射領域の画像信号同士を比較して各照射領域におけるパターン欠陥を検出するための画像信号処理手段とを有し、前記試料に形成されたパターン欠陥を検出するよう構成したことを特徴とする。

また、本発明によるパターン欠陥検査装置は、電子源からの電子ビームを２次元的な広がりを有する面状の電子ビームとして試料表面の複数の照射領域に照射する電子ビーム照射光学系と、前記面状の電子ビームを形成する電子の全てもしくは一部が前記試料の表面に衝突する直前で引き戻されるような電界を生じさせる手段と、前記複数の照射領域から引き戻された電子を結像させて前記複数の照射領域の拡大像を形成するための結像光学系と、前記試料を載置して前記複数の照射領域の各々に前記電子ビームが照射されるように前記試料を移動させるための試料移動ステージと、前記複数の照射領域の拡大像の各々を電気的な画像信号に変換して検出する画像信号検出手段と、検出された前記試料表面の複数の照射領域の画像信号同士を比較し、所定の閾値を上回る相違が存在するか否かを判定して各照射領域におけるパターン欠陥を検出する画像信号処理手段とを有してなることを特徴とする。

また、本発明によるパターン欠陥検査装置は、前記試料移動ステージの移動方向の所定位置に、試料のＳＥＭ画像を取得するための電子光学系を設けてなることを特徴とする。

前記第１の電子光学系または電子ビーム照射光学系は、電子ビームを発生する電子銃と、前記電子銃から放出した電子ビームを集束するコンデンサレンズと、前記コンデンサレンズと試料との間に配置された対物レンズと、電子ビーム偏向機構とを有し、前記コンデンサレンズによって前記対物レンズの電子源側の焦点面に前記電子ビームの焦点を配置して、前記試料表面に対して進行方向を略平行にそろえ略垂直に入射する面状の電子ビームを形成し、前記試料表面の複数の照射領域に照射するよう構成する。

試料に向けて照射した電子が試料最表面で引き戻されるような電界を発生させるための前記手段は、たとえば試料を保持する導電性の試料ホルダに所定の負電位を印加する電源で構成される。また、表面に絶縁膜を有する半導体等の試料においては、画像構成用の電子ビームの光軸から離れた場所に第２の電子銃を備え、画像形成前に試料に電子を照射する予備帯電制御手段を備える。さらに、試料と第２の電子銃の間に電位を印加できるグリッドを備え、そのグリッドに印加する電圧を制御しながら第２の電子銃を用いて試料に電子を照射する手段を備える。

また、試料移動ステージは、試料をほぼ等速度で連続的に移動させるよう設定することにより欠陥検査の高速化が実現できる。この場合、試料移動ステージの位置をモニタすることによって、試料表面への電子ビーム照射領域が所定時間、同一箇所となるよう制御する必要があることは云うまでもない。すなわち、連続移動する前記試料移動ステージの位置をリアルタイムに計測するステージ位置計測機構を備え、かつ、連続移動に伴い前記ステージ移動中に発生する位置変動を前記ステージ位置計測機構により測定し、前記電子ビーム照射光学系の前記電子ビーム偏向機構にフィードバックするようにして、前記電子ビームと前記試料との位置関係が、所定の方向にほぼ等速に移動するように構成する。

また、前記画像信号検出手段は、前記第２の電子光学系または結像光学系によって結像形成された照射領域の拡大電子像を蛍光板上に投射することによって光学像に変換し、この光学像を光学レンズまたは光ファイバーを介して光学画像検出素子上に結像させる。または、上記光学系で結像された拡大電子像を電子感応性を有する画像検出素子上に直接結像させるようにしてもよい。なお、画像検出素子としては、電荷結合型素子(ＣＣＤセンサ)、または時間遅延して入力した光信号を積分し出力する素子(ＴＤＩセンサ)を用いることができる。また、画像検出素子からの検出信号の読み出しは、並列に多チャンネルで読み出す方式とする。

本発明によれば、電子ビームを用いて、半導体装置等の試料表面の微細なパターン欠陥およびオープン、ショート、リーク等の電気的欠陥を高感度、高分解能で、かつ高速に画像化して検査することのできる検査方法および検査装置を実現する。

以下に、本発明の実施例について、図面を参照して詳細に説明する。

（実施例１）
図１に、本発明の動作原理を説明するために必要な最低限の構成要素を示したものである。電子源１より放出された電子ビームは、コンデンサレンズ２により収束されビームセパレータ３の周辺で、かつ対物レンズの前焦点面にクロスオーバを形成する。電子ビームは、ビームセパレータ３によりウェハ７に垂直な光軸に偏向される。ビームセパレータ３は上方からの電子ビームに対してのみ偏向作用を持つ。たとえば、電場と磁場を直行させたＥｘＢ偏向器を用いる。ビームセパレータ３により偏向された電子ビームは、対物レンズ６により試料（ウェハ）表面に垂直な方向にそろった面状の電子ビームが形成される。

試料（ウェハ）７には、電子ビームの加速電圧とほぼ等しいか、わずかに高い負の電位が電源９によって印加されており、ウェハ７の表面には形成された半導体パターン形状や帯電の状態を反映した電界が形成されている。この電界によって面状電子ビームの大部分がウェハ７に衝突する直前で引き戻され、ウェハ７のパターン情報を反映した方向や強度を持って上がってくる。

引き戻された電子ビームは、対物レンズ６により収束作用を受け、ビームセパレータ３は下方から進行した電子ビームに対しては偏向作用を持たないのでそのまま垂直に上昇し、結像レンズ１１により画像検出部１０３上にウェハ７表面の画像を結像させる。これにより、ウェハ７表面の局部的な帯電電位の変化や凹凸等の構造の違いが画像として形成される。この画像は電気信号に変換され画像処理部１０４に送られる。

ウェハ７に形成された半導体パターンの欠陥を検出するためには、画像処理部１０４により周辺の同一形状パターン部との画像比較や、あらかじめ取得された無欠陥部の画像との比較を行い、異なっている場所を欠陥として記憶する。ウェハ７はステージ（図示せず）に載置されており、ステージはステージ制御系３０により連続的に移動される。ステージ制御系３０とビーム制御系２８は連動しており、ステージの移動に伴って電子ビームの位置を偏向器（図示せず）により微調整しながら画像取得領域を連続的に移動させていく。

ウェハ７の表面に絶縁物が存在する場合には、電源９だけではウェハ７の表面電位を決定できない。そのために、ウェハ表面の電位を所望の電位に帯電させるための機能として予備帯電制御装置３２を備えている。ウェハ７表面に近接したグリッド電極へ電圧を印加しつつ電子ビームをウェハ７に照射することでウェハ７の表面の帯電電位を制御する装置である。その動作原理と構造については後述する。ウェハ７の表面を検査前にあらかじめ帯電させる場合には、この予備帯電制御装置３２の下を通過させて検査領域を所望の帯電電圧に設定した後に対物レンズ６の直下を通過させて画像を取得するようにする。

次に、ウェハ７の表面で電子ビームが引き戻され条件において、ウェハ表面の欠陥を画像化する原理について説明する。

図２は、ウェハ７の最表面付近の等電位線２０５に垂直入射した電子ビーム２０１が引き戻される様子を模式的に示したものである。ウェハ７の表面に存在する欠陥２０２により等電位線２０５は欠陥の存在する場所で不均一な形状になる。そこへ垂直入射した電子ビームはこれにより垂直に引き戻されず、図示のような角度をもって引き戻されてレンズ２０４に入射する。レンズ２０４は対物レンズ６と結像レンズ１１の動作を一枚の等価なレンズで示したものである。このレンズにより結像面２０３に像を形成すると、欠陥２０２の部分からの電子ビームが結像面の一箇所に集中し、その部分が周囲と比較して明るくなることが、図２からわかる。この画像から欠陥の存在と欠陥の位置を検出することが可能となる。

図３は、本発明におけるウェハの表面付近の等電位線３０５と、電子ビームの軌道３０６を数値シミュレーションした結果である。パターン断面部３０４には７０ｎｍの大きさの導電材料部３０２（白）と絶縁膜部３０１（斜線部）が存在し、中央の導電材料部（導通部）３０３のみ１Ｖでありその他の導電材料部は０Ｖであると仮定した。すなわち、中央の導電材料部のみ基板との導通が不充分であるために周囲と比べて１Ｖ正に帯電した場合を想定した。

電子ビームのエネルギーは、ウェハの電位を基準として−１ｅＶとした。すなわち、ウェハに印加する電位が−５０００Ｖである場合には電子ビームのエネルギーは４９９９ｅＶであるとして計算した。この場合、中央の電位の異なるパターンが形成する等電位線の乱れの影響を電子ビームが強く受け、垂直に入射したビームが大きく角度を持って反射していくのが示されている。

ウェハ表面の電界により引き戻された電子ビームの密度を計算したのが、図４である。図中「構造」欄に示すように３×３に並んだ部分が導電物であり、中央の電位のみを周囲から１Ｖ異なる電位とした。下図は、この場合に電子ビームのエネルギー幅（ΔＥ）を２ｅＶとして電子ビームの軌道計算を実施し、ウェハ表面から戻ってきた電子をプロットしたものである。点の密度が高いところが電子密度が高いところである。中央部に電子が集中し、電子密度が高い部分が存在することが示されており、図２で説明した原理により７０ｎｍ微細パターンの１Ｖの変化を検出でき、すなわち導通不良欠陥が検出できることを示している。

ここでは、ポイントビームを走査する方式や二次電子を結像する方式と比較して、本発明により検査速度がけた違いに向上することを説明する。電子ビームを用いた画像形成装置の場合、画像取得の速度を制限するものは最終的に画像に必要とされるＳ／Ｎ比に帰着する。画像のＳ／Ｎ比はすなわち画像を形成するのに使われる電子の数で決定される。また必要とされるＳ／Ｎ比は、検出すべき欠陥が画像に生じさせるコントラストの大きさで決まる。すなわち、欠陥コントラストを信号Ｃとすればそれよりもノイズが小さい必要がある。ノイズＮは信号の３σ値で定義される。σ値は照射電子数のショットノイズで決まり、１画素当たりに照射される電子数Ｓの平方根 (√Ｓ)となる。従って、ノイズＮは３√Ｓとなる。

従来のように電子ビームをウェハ７に衝突させてそのとき発生する二次電子を検出する場合には、さらに試料からの二次電子放出という確率過程が存在するために、二次電子放出をポアソン過程であると仮定すれば、ノイズＮはＮ＝(３√２)√Ｓとなる。そして、たとえば、欠陥コントラストＣが平均信号量Ｓの５％であるとすればＣ＝０.０５×Ｓとなり、ノイズＮはＮ≦０.０５×Ｓである必要があるため、Ｓ≧７２００となる。この考え方に基づき１ｃｍ^２あたりの検査時間Ｔを求めると、以下のようになる。
Ｔ＝(0.01/x)²・t
＝(1.6e-19・0.01²・(3√2)²)/(I・η・Ｃ²・Pix²) ・・・（１）
なお、ｔ＝((1.6e-19・(3√2)²)/(I・η・Ｃ²))・(x²/Pix²)
ここで、ｔはノイズをコントラストＣよりも小さくするために電子ビームが同一場所にとどまっていなければならない時間である。つまりＳＥＭ式の場合は電子ビームプローブが一画素を照射する時間である。また、面ビーム照射の場合はある一点にビームが向けられている必要がある時間でありこの時間をショット時間と呼ぶことにする。

Pixは必要な解像度、ｘは面積ビーム一辺の長さ(ＳＥＭ式の場合は画素サイズすなわちPixと同一)、Ｉはビーム電流、ηは画像形成に使用できる電子の効率である。一方、本発明においては電子ビームはウェハ７の表面に衝突することはなく電界により散乱されるだけなので二次電子放出に伴う確率過程は存在しない。したがって（１）式の√２が不要となり（２）式のようになる。
Ｔ＝(0.01/x)²・t
＝(1.6e-19・0.01²・(3)²)/(I・η・Ｃ²・Pix²) ・・・（２）
なお、ｔ＝((1.6e-19・(3)²)/(I・η・Ｃ²))・(x²/Pix²)
ここで、各方式におけるη、Ｃを見積もることにする。ＳＥＭ式の場合は照射した電子ビームとほぼ同数の二次電子が放出し、そのほぼ１００％を検出器に取り込むことができるためηはほぼ１である。

一方、面状の電子ビームをウェハ７に照射し、発生した二次電子を結像する二次電子プロジェクション方式においては、放出する二次電子のうちのごく限られた垂直方向成分の二次電子のみで結像しないと分解能が劣化してしまう。これを図５、図６により説明する。

図５は，結像に寄与する二次電子または反射電子の放出半角βに対する画像の分解能を求めたものである。すなわち、結像系に取り込む電子の半開角である。たとえば、放出角１００mrad以下の二次電子により画像を形成した場合の分解能は約１００ｎｍであることを示している。計算条件として、ウェハに照射する電子のエネルギーは５００ｅＶ、ウェハ表面は５ｋＶ/ｍｍの強電界下にあり、二次電子のエネルギー幅は５ｅＶである。二次電子のエネルギー分布は１０ｅＶ以上に広がって分布しているが、放出エネルギー２ｅＶを中心とした±２.５ｅＶの成分のみを結像に利用することとした。これは全二次電子のおよそ１/２に相当する。

また、反射電子は弾性散乱電子のみを考慮することとして、エネルギー幅は１ｅＶとした。これらの図から、二次電子において例えば分解能を４０ｎｍとするためには放出角２５mradとする必要があり、この場合放出角β内に二次電子が散乱される確率は約０.１％である。二次電子の放出効率（照射電子数に対する二次電子数の割合）はおよそ１とすると、二次電子結像型の場合のηは１/２×０.００１×１＝０.０００５となる。

一方、反射電子の場合に分解能を４０ｎｍとするためには、試料放出角（β）８０mradで、その角度内に反射電子の存在する確率は、図６から０.２％である。反射電子の放出効率（照射電子数に対する反射電子数の割合）は、参考文献「Image Formation in Low-Voltage Scanning Electron ｍicroscopy、SPIE、Bellingham、p.43、p67、1993」によると、照射エネルギー５００ｅＶにおいて０.０２〜０.０３程度である。したがって、反射電子結像型におけるηは、０.００２×０.０２５＝５ｅ-5とかなり小さい値となる。

一方、本発明においては、平坦なウェハ面において電子ビームがそのまま垂直上方に跳ね返されるためビームの開き角は照射ビームの角度ばらつきと同等で非常に小さい（数mrad）。図７は、これまでの説明をさらに理解するための説明図である。

図７中の左図に示すように、二次電子は試料から１８０度の広がりをもって真空中に放出されるのに対し、本発明においては、右図に示すようにすべての電子がほぼ真上に上ってくるため照射電子を有効に画像として利用することができる。一方、表面に凹凸や電位分布が存在する場合は垂直方向でなく、ある角度を持って上方に進むことになる。その場合は結像に直接寄与する電子の割合は減少するが、この角度の変化自体がウェハ表面の画像を形成する要因であるためコントラストが高くなる。すなわち、欠陥のコントラストＣが大きくなることと等価で、欠陥検出には有利となる。

結局、本発明においては、ηとＣは連動しており、ηを制限すればその分Ｃが増大することになる。厳密にはパターンの種類欠陥の種類によって異なるが、ここでは欠陥部において画像として検出できる信号は全電子の１/２とする。残りの１/２の信号はコントラストに寄与する分である。したがってη＝０.５、Ｃ＝０.５とする。

以上をまとめると、図８の（ａ）に示す表のようになる。この場合に、ビーム電流と検査時間の関係を表したものが、図８の（ｂ）である。なお、この関係は、Pix＝４０ｎｍで計算した。本発明が、他の方式と比較して圧倒的な短時間で検査可能であることがわかる。

次に、本発明の一実施例の構成について詳しく説明する。図９に、本発明の一実施例になる検査装置の構成を示す。本実施例による検査装置は、大別して、電子光学系１０１、試料室１０２、画像検出部１０３、画像処理部１０４および制御部１０５より構成されている。それぞれの部分について以下に説明する。

まず、電子光学系１０１について説明する。加速電源２３により負の高電位が与えられている電子源１から放出された加速電子ビームは、コンデンサレンズ２によって収束され、矩形開口を有する絞り４を照射する。電子源１には、Zr/O/W型のショットキー電子源を用いた。大電流ビーム（例えば、１.５μＡ）で、かつエネルギー幅が１.５ｅＶの均一な面状電子ビームを安定に形成できる。そして、ビームセパレータ３によってウェハ７の方向に偏向される。ビームセパレータ３は、電子源１からの入射電子ビームと試料からのミラー電子ビームの光路を分離するためのものである。コンデンサレンズ２は、クロスオーバを対物レンズ６の前焦点面に形成する。また、対物レンズ６によってウェハ７表面上に絞り４の像を形成するように絞りやレンズの配置を最適化してある。

これにより、ウェハ７表面に垂直な方向を向き、各電子同士の軌道がほぼ平行に揃ったビームで、かつ絞り４の開口形状に整形された面状の電子ビームが形成される。絞り４上での矩形絞り開口の大きさは、例えば１００μｍ角であり、対物レンズ６によってこれを１/２に縮小し、ウェハ７表面上では５０μｍ角の面状電子ビームが得られるようにした。この面状電子ビームは、照射系偏向器５によってウェハ７表面上の任意の位置に移動（または、走査）され得る。

対物レンズの前焦点面とクロスオーバ位置を完全に一致できなくてもある許容範囲内であれば問題ない。また、クロスオーバの大きさも理想的にはゼロであるが、実際は電子銃やコンデンサレンズの収差により有限の大きさを持っている。この大きさもある許容範囲であれば問題ない。このクロスオーバの位置を正確に制御し、しかも電子銃やコンデンサレンズの収差を十分に低減させた電子光学系では、試料入射角の広がりは０.５mrad以下に抑えることができた。この入射角広がりはミラー電子による試料表面の拡大像の分解能を決める要因のひとつであり以下の式で表される。

ｒ0＝β²・Zm ・・・（３）
ここで、ｒ0は入射角の広がりで決まる分解能、βは最大入射半角、Zmは電子を引き戻す電界が生じている距離である。

本実施例では、βは０.２５mrad、Zmは５ｍｍである。これを（３）式に代入すると、ｒ0は０.３ｎｍとなり、本実施例では分解能に影響を与えないことがわかる。したがって、ビーム電流は必要に応じてもっと増やすことが可能である。

なお、分解能が３０ｎｍ程度でも半導体の欠陥検出には十分であると考えられるので、Zmが５ｍｍとすれば、βは２.４mradまで許容できることになる。この場合は、対物レンズの前焦点面とクロスオーバの位置のずれやクロスオーバの大きさにはかなり余裕が生じる。

前焦点面でのビーム開き半角をαとし、対物レンズの焦点距離をｆ、クロスオーバの位置ずれをΔｆ、面状電子ビームの半径をＸとすれば、次の式が成り立つ
Δｆ＝ｆ・β/α ・・・（４）
α＝Ｘ／（２ｆ）・・・（５）
式（４）（５）から、例えば対物レンズの焦点距離ｆが１０ｍｍで面状ビームの大きさＸを４０μｍとしたときは、クロスオーバ位置のずれΔｆが１０ｍｍ程度ずれても問題ない。これを前焦点面でのビーム直径に換算すると約４０μｍとなる。いずれにしろ、電子ビームのクロスオーバを対物レンズの前焦点面の近傍に配置させることで十分な分解能を得られることがわかる。

ここで、ビームセパレータ３について簡単に説明する。ビームセパレータ３は、電子源１から放出された電子ビームをウェハ７の方向に電子ビームを偏向し、一方、ウェハ７から引き戻されたミラー電子は電子源１の方向ではなく結像レンズ１１の方向に偏向する。このような作用の偏向器には磁場による偏向器が最適である。磁場による偏向作用は電子の入射方向によって偏向作用の方向が異なるからである。

また、実施例２として図１０を用いて後述するが、結像レンズの光軸と対物レンズ６の光軸を一直線上に配置した光学系の場合は電場と磁場を直行させて、下からのミラー電子は直進させ、上からの電子ビームのみに偏向作用を持たせるＥｘＢ偏向器を用いる。

ウェハ７、ウェハ（試料）移動ステージ８には、電源９により、電子源１よりも僅かに高い（絶対値の大きい）負電位を印加する。具体的には０.５〜５Ｖだけ負電位にするのが良い。あまり高い負電位にすると画像の分解能が劣化する。また、あまり小さい電位では表面の凹凸や電位等のわずかな変化を極端に強いコントラストとして画像化してしまい、真に必要な欠陥のみを検出することが困難となってしまう。

ウェハ７表面に垂直に向けられた電子ビームは、上記の負電位によってウェハ７の手前で減速されてウェハ７表面の電界によって上方に引き戻される。この電子はウェハ７の表面の情報を反映していることは既に説明した。このミラー電子は、対物レンズ６により焦点を結び、ビームセパレータにより結像系偏向器１０および結像レンズ１１の方向に偏向される。そして結像レンズ１１によりウェハ７表面の状態を電子像として結像させる。この電子像を拡大レンズ１３、１４によって蛍光板１５上に拡大投影させることによって、ウェハ７表面のパターンや帯電状態を反映した蛍光像（顕微鏡像）を得ることができる。

この電子像のコントラストと分解能を向上するために、クロスオーバ面にコントラストアパーチャ１２を挿入できるようになっている。このコントラストアパーチャ１２によって、ウェハ７表面電場で引き戻されたときに垂直方向から大きく外れた電子を取り除くことにより画像の分解能とコントラストが強調できる。

本発明の画像形成原理において、ウェハ表面の帯電の微妙な違いを検出するための感度や画像の分解能は面状電子ビームのエネルギー幅によって決まってくる。これをシミュレーションにより比較した結果が、図１０である。図４と同様のパターンを仮定し、電子ビームのエネルギー幅（ΔＥ）を２ｅＶと４ｅＶの二通りの場合について得られる画像を比較した。

この結果によると、４ｅＶのエネルギー幅を仮定した場合、パターン中央部の電位の異なる部分のコントラストが認められない。半導体の微細化の進展を考慮したとき、図１０に示したような微細パターンにおいて１Ｖ程度の帯電電位の違いを欠陥として検出することが必要となってくる。したがって、本発明において用いる電子ビームのエネルギー幅は２ｅＶ以下であることが望ましいことがわかる。

前述のように、Zr/O/Wショットキー電子源を用いた本実施例においては、エネルギー幅が１.５ｅＶであるので問題ない。たとえば、もっとエネルギー幅の大きい電子源を用いた場合には、電子ビームの光路上にエネルギーフィルタを設け、電子源から電子が放出されてから最終的に画像が形成されるまでの間に電子のエネルギー幅を２ｅＶ以下にする必要がある。エネルギーフィルタは電子源からウェハ７の間に設けることが望ましいが、ウェハ７からのミラー電子に対してエネルギーフィルタリングを実施しても同様の効果は得られる。

本発明では、電子ビームがウェハ７に衝突することがない。したがって、原則的にはウェハ７表面に絶縁膜が存在していても表面が帯電することはない。したがって、帯電させない状態で検査を実施すれば、検出できる欠陥は形状欠陥（形状が正常部と異なっているもの）のみである。

しかし、電子ビームを用いた半導体パターンの欠陥検査において、導通不良や、絶縁されるべきものがショートしている、またはリーク電流が正常部と比べて大きいというような、いわゆる電気的欠陥と呼ばれているものを電子ビームの照射によって帯電させ、その電位の違いによって発生するＳＥＭ画像の電位コントラストにより検出する方法が行われている。

このような欠陥を高感度に検出できるように、本発明では検査画像を取得する前にあらかじめ帯電制御専用の電子ビームを照射する予備帯電制御装置を備えている。この装置によりウェハ７をあらかじめ所定の電位に帯電させてから検査を実施すれば、形状欠陥だけでなく導通不良部のような電気的欠陥を検出できる。以下、この動作と構成について説明する。

図１１は、予備帯電制御装置の動作原理を説明する図である。電子源４１は、大電流の電子ビームをある程度の広さ（数百μｍ〜数十ｍｍ）を持った面から放出する電子源である。たとえば、カーボンナノチューブを束ねた電子源やタングステンフィラメント熱電子源、あるいはLaB6電子源等を用いることが可能である。引出グリッド４２に引出電極４８により電圧引出電圧を印加して電子源４１から電子ビーム４３を放出させる。電子ビームは、制御グリッド４４を通過して絶縁膜４６に照射される。これにより二次電子４５が放出する。

この二次電子は、絶縁膜４６の表面の電位を基準としておよそ２ｅＶのエネルギーを持っている。絶縁膜表面が基板４７の電位と同等であれば電子ビームの照射エネルギーは加速電源４９の電圧であり、この電圧は二次電子放出効率が１以上となるような値に設定しておく。一般的な半導体デバイス用の絶縁膜材料では５００Ｖで良い。このとき、二次電子放出効率が１より大きいため、絶縁膜表面は正に帯電していく。

制御グリッド４４には制御電源５０が接続されており任意の正または負の電圧を印加できるようになっているので、絶縁膜表面の電位が制御グリッド４４の設定電位よりも正になり、二次電子が絶縁膜表面に引き戻されるようになると絶縁膜表面の正への帯電が止まる。このとき、絶縁膜表面の帯電電位は制御グリッドの電位よりやや低い（約２Ｖ）正の電位で安定することになる。制御グリッドの電位と等しくならないのは、二次電子がエネルギーを持っているためである。以上のような原理によって、絶縁膜４６表面の電位を制御グリッド４４の電位によって制御することが可能となる。

図１２は、カーボンナノチューブ電子源を用いた予備帯電制御装置の構成である。電子源４１は、碍子５１により真空内に保たれた状態で保持され、電位を印加できるようになっている。制御グリッド４４はウェハ７に面して配置され、引出グリッド４２が電子源５１から電子を引き出す。

図１３は、LaB6電子源を利用した予備帯電制御装置の構成である。LaB6電子源を顕微鏡に用いる場合は、ウェーネルト電極を用いて電子放出直後にクロスオーバを形成させるが、この場合は光源が小さい必要がないので代わりに引出電極４２’を設けている。

試料室１０２内では、２次元(Ｘ、Ｙ)方向に移動可能な試料移動ステージ８上にウェハ７が載置され、ウェハ７には電源９により前述のように電子ビームの大部分がウェハ７に衝突しないような負電位が印加されている。試料移動ステージ８にはステージ位置測定器２７が付設され、ステージ位置をリアルタイムで正確に計測している。これは、ステージ８を連続移動させながら画像を取得するためである。このステージ位置測定器２７には、例えばレーザ干渉計が用いられる。

また、半導体試料(ウェハ)表面の高さを正確に計測するために、光学的な試料高さ測定器２６も取りつけられている。これには、例えば、ウェハ表面上の検査すべき領域に斜め方向から光を入射させ、その反射光の位置変化からウェハ表面の高さを計測する方式のものを用いることができる。この他、試料室１０２には、検査領域の位置決め用に用いられる光学顕微鏡３１も付設されている。

次に、試料移動ステージ８の整定時間について述べる。ステージ８の移動方法をステッフ゜・アンド・リピート方式とすると、ステージ８の整定時間は、msec
オーダが必要となるため、画像Ｓ／Ｎ比を向上させて画像取得時間を短縮してもステージ移動に時間がかかってしまい検査時間を短縮することができない。従って、ステージ８の移動方法は、ステージが常にほぼ等速で移動している連続移動方式とした。これによりステージの整定時間による検査時間の制約はなくなる。ただし、ステージ８が連続移動していると、同一場所の画像を形成するのに必要な時間である１ショットの間にもステージ８が移動して、試料表面上での照射位置が変化してしまう。そこで、１ショットの間に照射位置が変化しないように、照射系偏向器５により照射電子ビームをステージ８の移動に追従させるようにした。また、静止座標系である電子光学系から見ると、電子ビーム照射位置は移動するから結像レンズ１１により作られる像１２も移動してしまう。この移動が生じないようにするために、結像系偏向器１０を照射系偏向器５と連動動作させるようにした。

次に、画像検出部１０３について説明する。画像検出には、散乱電子像１２の拡大像を光学像に変換するための蛍光板１５と光学画像検出素子（例えばＣＣＤ素子）１７とを光ファイバー束１６により光学結合させる。これにより蛍光板１５上の光学像を光学画像検出素子１７の受光面上に結像させる。光ファイバー束１６は、細い光ファイバーを画素数と同じ本数束ねたものである。また、上記光ファイバー束１６の代わりに光学レンズを用い、光学レンズによって蛍光板１５上の光学像を光学画像検出素子(ＣＣＤ)１７の受光面上に結像させるようにしてもよい。蛍光板１５の両面には電極３００と透明電極３０１を設け、両電極間に透明電極３０１側が正の高電圧を印加して電子ビームの散乱を防いでいる。光学画像検出素子(ＣＣＤ)１７は、その受光面上に結像された光学像を電気的な画像信号に変換して出力する。出力された画像信号は、画像処理部１０４に送られ、そこで画像信号処理が行われる。

次に、画像検出素子(ＣＣＤ)の読み取り時間について述べる。本実施例では、ＣＣＤ１７に蓄積された電荷を１２８チャンネルの読み出し口から８Ｍライン／秒の読出速度で多チャンネル並列読み出しできるようにした。１チャンネル１ライン当たりの画素数は８で、１ライン当たりの読み出所要時間は１２５nsecである。従って、１画素当たりの読み出所要時間は１２５nsec／８(画素)＝１６nsecとなる。これに対し、ＣＣＤからの画像データの読み出しが１チャンネル方式では、非常に高速での読み出しが必要となり、実現困難である。

本実施例では、ＣＣＤからの画像データの読み出し口を１２８チャンネルに分け、この１２８チャンネルで並列同時読み出しする方式とすることによって、１画素当たりの読み出し所要時間を１６nsecとし、十分実現可能な読出速度としている。これを模式的に示したのが、図１４である。

ＣＣＤ１７からの画像データの読出チャンネル数は１２８ｃｈであり、各チャンネル毎に８画素×１０２４ラインがあるから、このＣＣＤから一枚の画像データを読み出すに必要な時間は約１２５μsecとなる。すなわち、１ショット領域の画像信号を１２５μsecで取り込めることになり、画素サイズ５０ｎｍ、１ショット領域を５０μｍ角とすれば試料表面積１ｃｍ^２当たりの検査所要時間は５secとなる。

以上のように、画素サイズ５０ｎｍで検査した場合の従来方式による試料面積１ｃｍ^２当たりの検査所要時間約４００secに比べて、８０倍もの高速化が達成できた。また、本実施例では、検査所要時間を決めているのはＣＣＤ素子からの信号読み出し速度であるので、将来ＣＣＤ素子におけるより高速のデータ読み出し方式が実現されれば、さらなる検査の高速化が期待できる。

画像処理部１０４は、画像信号記憶部１８及び１９、演算部２０、欠陥判定部２１より構成されている。画像記憶部１８と１９は同一パターンの隣接部の画像を記憶するようになっており、両者の画像を演算部２０で演算して両画像の異なる場所を検出する。この結果を欠陥判定部２１により欠陥として判定しその座標を記憶する。なお、取り込まれた画像信号はモニタ２２により画像表示される。

装置各部の動作命令および動作条件は、制御部１０５内の制御計算機２９から入出力される。制御計算機２９には、予め電子ビーム発生時の加速電圧、電子ビーム偏向幅・偏向速度、試料ステージ移動速度、画像検出素子からの画像信号取り込みタイミング等々の諸条件が入力されている。ビーム制御系２８は、制御計算機２９からの指令を受けて、ステージ位置測定器２７、試料高さ測定器２６からの信号を基にして補正信号を生成し、電子ビームが常に正しい位置に照射されるように対物レンズ電源２５や走査信号発生器２４に補正信号を送る。ステージ制御系３０は、制御計算機２９から指令を受けて試料移動ステージ８を制御する。

次に、実際の検査手順について説明する。まず、光学顕微鏡３１と電子ビーム画像を用いてのアライメントの方法について説明する。ウェハ７をウェハ移動ステージ(Ｘ−Ｙ-θステージ)８上に載置し、光学顕微鏡３１の下へ移動する。モニタ２２によりウェハ７表面の光学顕微鏡画像を観察し、画面内の例えば中央に現れた任意のパターンを記憶する。この際、選択するパターンは電子ビーム画像上でも観察可能なパターンである必要がある。

次に、上記の光学顕微鏡画像を用いてウェハ７表面上の回路パターンがステージ移動方向と平行あるいは直交となるように、ウェハ移動ステージ８により回転補正を行う。回転補正時には、あるステージ位置におけるウェハ７表面上の回路パターンの任意のチップ内の任意のパターン部分の光学画像を取り込んでモニタ２２に表示させて、表示画面内の任意箇所にマーキングを付す。そして、その光学画像信号を記憶部１８に記憶させる。

次に、ウェハ７表面上の回路パターンの数チップ分の距離だけステージ８をｘ方向またはｙ方向に移動させ、新たなチップ内の先と同一のパターン部分の光学画像を取り込んでモニタ２２に表示させる。そして先のマーキング箇所に対応する箇所にやはりマーキングを付した後、その新たな光学画像信号を記憶部１９に記憶させる。次いで、演算部２０において、記憶部１８、１９に記憶された光学画像信号同士を比較演算して、両画像間でのマーキング箇所の位置ずれ量を算出する。このマーキング箇所の位置ずれ量と両画像間でのステージ移動量とから、ウェハ７の回転角度誤差を算出し、その分ステージ８を回転させて回転角度を補正する。以上の回転補正操作を数回繰り返して、回転角度誤差が所定値以下となるようにする。

さらに、光学顕微鏡画像を用いてウェハ７表面上の回路パターンを観察し、ウェハ上でのチップの位置やチップ間の距離(例えば、メモリセルのような繰り返しパターンの繰り返しピッチ)を予め測定し、その値を制御計算機２９に入力する。そして、ウェハ７表面上の被検査チップおよびそのチップ内の被検査領域をモニタ２２の光学顕微鏡画像上で設定する。光学顕微鏡画像は、比較的低倍率で観察が可能であり、また、ウェハ７表面の回路パターンが例えばシリコン酸化膜のような透明な膜で覆われている場合でもその下地まで観察可能である。したがって、チップ内回路パターンのレイアウト等が簡便に観察でき、検査領域の設定が簡便に行える。

次に、ウェハ７を電子光学系の下へ移動する。そこで、先に光学顕微鏡画像上で設定した被検査領域を含むと予想される領域の電子ビーム画像を取得する。この時、１ショット領域内に上記の被検査領域が入るようにする。この電子ビーム画像上においても、先の光学顕微鏡画像上においてマーキングしたのと同じ画面内に、先にマーキングした箇所のパターンが現れるようにステージ８を移動する。これにより、予め検査開始前に電子ビーム照射位置と光学顕微鏡観察位置との間の対応をつけ、かつ、画像取得位置を校正することができるようになる。そして、この電子ビーム画像上において、先に光学顕微鏡像上で行ったのと同様の操作を実施する。これにより、光学顕微鏡を用いての簡便な観察位置の確認や位置合わせ、および電子ビーム照射位置の調整が可能となる。

さらには、ある程度の回転補正も実施した後に、光学顕微鏡画像に比べて分解能が高く、高倍率画像を得ることのできる電子ビーム画像を用いてさらに高精度な回転補正ができるようになる。さらに、この電子ビーム画像を用いて、被検査領域または同一パターン領域を高倍率で高精度に観察確認・補正することができる。ただし、半導体ウェハ７の表面の全部(または一部)が絶縁物で覆われている場合には、絶縁物表面の帯電電位が基板電位と等しくなっていない可能性があるので画像取得前に呼び帯電制御装置３２によって表面の帯電電圧を制御しておく必要がある。

上記した検査条件の設定が完了したら、半導体ウェハ７表面上の被検査領域の一部を実際の検査条件と全く同一の条件で電子ビーム画像化し、被検査領域の材質や形状に依存した画像の明るさの情報およびそのばらつき範囲を算出しテーブルにして記憶する。そして、後の検査工程において該記憶テーブルを参照して実際に画像化検出された被検査領域内のパターン部分が欠陥であるか否かを判定する際の判定条件を決定する。

上記の手順によって被検査領域および欠陥判定条件の設定が完了したら、実際に検査を開始する。検査時には、試料(半導体ウェハ)７を搭載したステージ８はｘ方向に一定速度で連続移動する。その間、電子ビームは各１ショットの間ウェハ７表面上の同一照射領域(面積領域)を一定のショット時間（本実施例では、５０μsec以上）照射する。ステージ８は連続移動しているので、電子ビームは照射系偏向器５によってステージ８の移動に追従して偏向走査させる。

電子ビームの照射領域あるいは照射位置は、ステージ８に設けられたステージ位置測定器２７、試料高さ測定器２６等により常時モニタされる。これらのモニタ情報が制御計算機２９に転送されて詳細に位置ずれ量が把握され、かつこの位置ずれ量はビーム制御系２８によって正確に補正される。これにより、パターンの比較検査に必要な正確な位置合わせが高速・高精度で行われ得る。

また、半導体ウェハ７の表面高さを、電子ビーム以外の手段でリアルタイムに測定し、電子ビームを照射するための対物レンズ６や結像レンズ１１の焦点距離をダイナミックに補正する。電子ビーム以外の手段としては例えば、レーザ干渉方式や反射光の位置変化を計測する方式等による光学式の高さ測定器２６である。これにより、常に被検査領域の表面に焦点のあった電子ビーム像を形成することができる。また、予め検査前にウェハ７の反りを測定しておき、その測定データを基に上記の焦点距離補正をするようにして、実検査時にはウエハ７の表面高さ測定を行う必要がないようにしてもよい。

電子ビームをウェハ７表面に向け、ミラー電子によりウェハ７表面上の所望の被検査領域(面積領域)についての拡大光学像を蛍光板１５上に形成する。この拡大光学像をＣＣＤ素子１７により電気的な画像信号に変換し、この画像信号を画像処理部１０４に取り込む。そして、制御計算機２９からの指令を受けて制御部２８により与えられた電子ビーム照射位置に対応した面積領域についての電子ビーム画像信号として、記憶部１８(または１９)に格納する。

半導体ウェハ７表面上に形成された同一設計パターンを有する隣接チップＡ、Ｂ間でのパターンの比較検査をする場合には、先ず、チップＡ内の被検査領域についての電子ビーム画像信号を取り込んで、記憶部１８内に記憶させる。次に、隣接するチップＢ内の上記と対応する被検査領域についての画像信号を取り込んで、記憶部１９内に記憶させながら、それと同時に、記憶部１８内の記憶画像信号と比較する。さらに、次のチップＣ内の対応する被検査領域についての画像信号を取得し、それを記憶部１８に上書き記憶させながら、それと同時に、記憶部１９内のチップＢ内の被検査領域についての記憶画像信号と比較する。このような動作を繰り返して、全ての被検査チップ内の互いに対応する被検査領域についての画像信号を順次記憶させながら、比較して行く。

上記の方法以外に、予め、標準となる良品（欠陥のない）試料についての所望の検査領域の電子ビーム画像信号を記憶部１８内に記憶させておく方法を採ることも可能である。その場合には、予め制御計算機２９に上記良品試料についての検査領域および検査条件を入力しておき、これらの入力データに基づき上記良品試料についての検査を実行し、所望の検査領域についての取得画像信号を記憶部１８内に記憶する。次に、検査対象となるウェハ７をステージ８上にロードして、先と同様の手順で検査を実行する。

そして、上記と対応する検査領域についての取得画像信号を記憶部１９内に取り込むと同時に、この検査対象試料についての画像信号と先に記憶部１８内に記憶された上記良品試料についての画像信号とを比較する。これにより上記検査対象試料の上記所望の検査領域についてのパターン欠陥の有無を検出する。なお、上記標準（良品）試料としては、上記検査対象試料とは別の予めパターン欠陥が無いことが判っているウェハを用いても良いし、上記検査対象試料表面の予めパターン欠陥が無いことが判っている領域(チップ)を用いても良い。例えば、半導体試料(ウェハ)表面にパターンを形成する際、ウェハ全面にわたり下層パターンと上層パターン間での合わせずれ不良が発生することがある。このような場合には、比較対象が同一ウェハ内あるいは同一チップ内のパターン同士であると、上記のようなウェハ全面にわたり発生した不良(欠陥)は見落とされてしまう。

しかし、本実施例によれば、予め良品(無欠陥)であることが判っている領域の画像信号を記憶しておき、この記憶画像信号と検査対象領域の画像信号とを比較するので、上記したようなウェハ全面にわたり発生した不良をも精度良く検出することができる。

記憶部１８、１９内に記憶された両画像信号は、それぞれ演算部２０内に取り込まれ、そこで、既に求めてある欠陥判定条件に基づき、各種統計量（具体的には、画像濃度の平均値、分散等の統計量）、周辺画素間での差分値等が算出される。これらの処理を施された両画像信号は、欠陥判定部２１内に転送されて、そこで比較されて両画像信号間での差信号が抽出される。これらの差信号と、既に求めて記憶してある欠陥判定条件とを比較して欠陥判定がなされ、欠陥と判定されたパターン領域の画像信号とそれ以外の領域の画像信号とが分別される。

これまでに述べてきた検査方法および検査装置により、ウェハ７の表面の電位および形状の情報を反映した画像を形成し、対応するパターン領域についての画像信号を比較検査することによって、パターン欠陥の有無を検出することが可能となった。これにより、従来の電子ビームによる検査装置と比べ非常に高速な検査が可能になった。

（実施例２）
実施例１では、１ショットの電子ビーム照射領域の面積が５０μｍ×５０μｍとかなり大きいため、半導体試料の拡大像の周辺部に歪みが生じると云う問題や照射領域内でのビーム電流密度の均一性に問題が生じる場合がある。画像歪みや電流密度の不均一性が固定的に生じている場合には、光ファイバー束１６のファイバー素線配列に変化を付けることで補正可能である。また、画像信号の取得感度や画像処理に重みを付けることでも補正できるが、それらが時間的に変動する場合には、それらの方法では対応が困難となる。

本実施例では、１ショットの照射領域を５μｍ角として、１ショットの照射領域内では歪みや電流密度の不均一性の問題が生じないようにした。照射電子ビーム電流は１ショット当たり１μＡである。この時、電子ビームの照射時間は電子の結像効率ηを０.５とすると、先の(１)式より、１ショット当たりの照射時間ｔは、０.１８μsecとなる。ショット時間０.１８μsecで一つの照射領域(５μｍ角)を照射した後、電子ビームは照射系偏向器５により隣接する次の照射領域(５μｍ角)上に移動される。このようにして、次々に照射位置を移動して、ｘ方向１００μｍ×ｙ方向１００μｍの範囲全体を２０×２０＝４００ショットで照射する。

この時、ＣＣＤ素子１７上には、各１ショット毎に、その時の電子ビーム照射位置に対応した位置に拡大像が得られ、電子ビームの走査による電子ビーム照射位置の移動に応じてＣＣＤ素子に得られる拡大像位置も移動して行く。この様子を示したのが、図１５である。

ＣＣＤ素子１７には１０２４×１０２４画素のものを用いた。ＣＣＤ素子上での１画素はウェハ７表面上での５０ｎｍ角の領域に相当し、従って、ウェハ７表面上での１ショットの照射領域(５μｍ角)は、ＣＣＤ素子受光面上での１００×１００画素の領域（ＣＣＤ素子受光面全体の１／１００に相当する）となる。そして、ＣＣＤ素子の受光面全体で試料表面上の５０μｍ角の領域をカバーできるようにした。従って、試料表面上での５０μｍ角の領域の拡大像を得るためには、０.１８(μsec)×１００(ショット)＝１８(μsec)を要することとなる。

上述のようにして、ウェハ７表面上の５０μｍ角の領域の画像を１８μsecでＣＣＤ上に形成させたら、ＣＣＤに蓄積された画像信号をデジタル信号として画像記憶部１８に記憶させる。試料表面上の隣接する次の領域の画像信号を取得するためにはステージ８を５０μｍ移動させる必要がある。このステージ移動には、先の実施例１の場合と同様、ステージ８を一定速度で連続移動させる方式を採った。その際、照射電子ビームに対してステージ８があたかも静止しているかの状態になる様、照射系偏向器５によって照射電子ビームをステージ８の移動に追従させて偏向走査するようにした。これにより、ステージ８を移動・停止させる際に生じる無駄時間をゼロにした。

このステージ８の連続移動への照射電子ビームの追従走査に当たっては、ビーム制御系２８内で、ステージ位置測定器２７からの信号を参照して偏向補正信号を計算し、この偏向補正信号を照射系偏向器５に送り照射電子ビームの偏向を制御させる。さらに、電子ビームによる試料拡大像の歪みや位置ドリフト等に関する補正分も上記の偏向補正信号に重畳させることにより、これらの補正も行うようにした。また、照射系偏向器５と連動して結像系偏向器１０も動作させて、ＣＣＤ上での試料拡大像の位置が上記のステージ追従によるビーム位置移動の影響を受けないようにした。これにより、ステージ移動による無駄時間を無くし、高速・高精度の検査を実現することができた。なお、上記以後の欠陥検査のための画像処理等については、先の実施例１の場合と同様である。

以上説明した手順により検査を進めていくと、試料表面１ｃｍ^２当たりについての拡大像をＣＣＤ上に順次形成するに要する時間Ｔは０.７２secとなる。一方、先の実施例１の場合と同様に、ＣＣＤから一枚の画像(試料表面５０μｍ角についての画像)を読み出すのに１２５μsecが必要であるため、試料表面積１ｃｍ^２当たり５secが必要となる。ＣＣＤ素子における画像形成と画像信号の読み出しは並行して行われるから、検査に要する時間は、画像形成に要する時間と画像信号読み出しに要する時間との内何れか長い方の時間となる。本実施例では、画像形成所要時間より画像信号読み出し所要時間が長く、１ｃｍ^２当たり５secとなっており、従って、本実施例における試料表面積１ｃｍ^２当たりについての検査所要時間は５secとなる。

以上の説明では、１ショットの電子ビーム照射領域を５μｍ角の大きさに固定した場合について例示したが、半導体ウェハ７表面でのパターン繰り返しピッチに応じて、この電子ビーム照射領域の大きさを可変できるようにしても良い。上述したように、本実施例では、１ショットの電子ビーム照射領域をより小さく設定している。したがって、各照射領域間のつなぎ部分に多少の歪みが生じたとしても、常に同一箇所に同程度の歪みが生じることになり、相互比較すべき二つの画像上での歪みの現れ方も等しくなるため、歪みによる誤検出の問題が無くなる。これにより、信頼性の高いパターン欠陥検査が実現できる。

（実施例３）
本実施例では、試料表面画像を電気信号に変換する素子として、時間蓄積型のＣＣＤセンサを用いた。この素子はＴＤＩセンサと呼ばれるもので、光学式検査装置において一般的に使用されている。それ以外は、先の実施例２の場合と同様である。このＴＤＩセンサの動作概念を、図１６を参照して説明する。

ＴＤＩセンサでは、各受光領域で受光した光の強度に応じて生成された電荷をｘ方向のラインに移動させて行くと同時に、その移動先で受光した光の強度に応じて生成された電荷を順次足し合わせて行くように動作する。そして、受光面の最終ラインに達した時点で電気信号として外部に出力する。従って、ｘ方向の電荷の移動速度と受光面上の画像のｘ方向の移動速度を同一にすることで、画像がセンサ上を移動する間の信号を積分して出力することになる。

本実施例では、先の実施例１から実施例４の場合のＣＣＤセンサと同様に、信号読み出しを１２８チャンネルに分割しそれぞれ並行して読み出すことにより、読出速度を４Ｍライン／秒とした。また、受光領域の大きさは、ｘ方向に６４画素、ｙ方向に２０４８画素のものを用いた。１ラインのｘ方向長さは、試料表面上の５０ｎｍ、ｙ方向長さは約１００μｍに相当する。このとき、縦５０ｎｍ、横１００μｍの画像が４Ｍ／秒の速度で出力されることになるため、ステージの連続移動速度もこれと同じ速度(５０ｎｍ／２５０nsec＝２００ｍｍ／sec)としている。このように、検査領域のｘ方向移動はステージ８を移動させることにより行う。

一方、１ショットの照射領域は５μｍ角であるので、図１６のように、照射領域のｙ方向移動は電子ビームを走査して行う必要が生じる。すなわち、ステージ８がｘ方向に１ショット分（５μｍ）だけ移動する間に電子ビームをｙ方向に１００μｍ走査する必要がある。１ショットの所要時間を１.２５μsecとすると、ｙ方向に１００μｍ（２０ショット分）を走査するには２５μsec必要となる。一方、ステージ８のｘ方向移動速度は２００ｍｍ／secであるから、ステージ８がｘ方向に丁度１ショット分（５μｍ）移動するに要する時間は２５μsecとなる。このように、ｘ方向に１ショット分（５μｍ）のステージ移動に要する時間とｙ方向に２０ショット分（１００μｍ）の電子ビーム走査に要する時間とを一致させ、無駄時間が生じるのを防いでいる。この方法によって試料表面積１ｃｍ^２の画像を取得するには、上述の５μｍ×１００μｍの単位走査領域についての走査所要時間（２５μsec）の２×１０^５倍を要することになるので、試料表面積１ｃｍ^２当たりの検査所要時間は５secとなる。

上述したように、本実施例では、ＴＤＩセンサの信号出力速度から決まるステージの移動速度が２００ｍｍ／secであるから、十分ステージ移動による検査領域のｘ方向移動が可能である。しかもその間に電子ビームの検査領域上ｙ方向走査のための十分な時間を確保できる。また、本実施例では、検査速度を決めているのはＴＤＩセンサの信号出力速度であるため、この信号出力速度が改善されれば、さらに高速での検査が実現できる。

（実施例４）
本実施例は、ＳＥＭ画像が取得可能な電子光学系を採用したものである。図１７に、その構成を示す。

電子源２０１、コンデンサレンズ２０２およびＳＥＭ用対物レンズ２３３は、ＳＥＭの電子光学系を構成する要素をそのまま採用している。電子源２０１は、Zr/O/Wショットキー電子源を採用した。この電子源から引出した電子はビームセパレータ２４３により偏向を受け、静電セクタ型の電子偏向器２０５により代角度の変更を受けてビームセパレータ２０３に導かれ対物レンズ２０６に垂直入射する。電子ビームは対物レンズの前焦点面でクロスオーバを結んでおり対物レンズ２０６によりウェハ２０７の表面に垂直な方向にそろった面状電子ビームとなる。ウェハ２０７に印加する電圧や絞りの配置等に関しては実施例１と同等である。

本実施例では、ウェハ検査後に検出した欠陥の画像を詳細に観察したい場合に装置からウェハ７を取り出さずに高分解能なＳＥＭ画像を観察できることが特徴である。すなわち、ビームセパレータ２４３を動作させずに電子ビームを直進させるようにし、同時にウェハ移動ステージ２０８によりウェハ２０７をＳＥＭ用対物レンズ２３３の光軸下に移動すればウェハ２０７の任意の位置の観察が実行できる。なお、図中、２１１は結像レンズ、２１３、２１４は拡大レンズ、２２２はＳＥＭ用コンデンサレンズ、２２８はビーム制御系、２３２は予備帯電制御装置、２５２は試料室、２６３は画像検出部を示す。

この機能は、検出した欠陥の観察だけでなく検査前のウェハのパターン確認や検査条件設定、アライメント等でも活用できる。

本発明の第１の実施例になる検査装置の概略構成を示す図。本発明の原理を説明する図。本発明の原理を説明する図。本発明で得られる欠陥の画像例を示す図。従来例において画像形成に利用できる電子の効率を説明する図。従来例において画像形成に利用できる電子の効率を説明する図。従来例と本発明の画像形成に利用できる電子の効率の違いを説明する図。従来例と本発明のコントラスト（ａ）と検査時間（ｂ）を比較する図。本発明の第１の実施例の構成を説明する図。電子のエネルギー幅と欠陥検出感度の関係を説明する図本発明の第１の実施例における予備帯電制御装置の原理を説明する図。本発明の第１の実施例における予備帯電制御装置の一構成を説明する図。本発明の第１の実施例における予備帯電制御装置の他の構成を説明する図。本発明の第１の実施例における画像信号検出手段を説明する図。本発明の第２の実施例における画像信号検出手段を説明する図。本発明の第３の実施例における画像信号検出手段を説明する図。本発明の第４の実施例における電子光学系の構成を説明する図。

符号の説明

１：電子源、
２：コンデンサレンズ、
３：ビームセパレータ、
４：絞り、
５：照射系偏向器、
６：対物レンズ、
７：試料（ウェハ）、
８：ウェハ移動ステージ、
９：電源、
１０：結像系偏向器、
１１：結像レンズ、
１２：コントラストアパーチャ、
１３：拡大レンズ、
１４：拡大レンズ、
１５：蛍光板、１６：光ファイバー束、
１７：ＣＣＤ、
１８：画像記憶部、
１９：画像記憶部、
２０：演算部、
２１：欠陥判定部、
２２：モニタ、
２３：加速電源、
２４：走査信号発生器、
２５：対物レンズ電源、２６：試料高さ測定器、
２７：ステージ位置測定器、２８：ビーム制御系、
２９：制御計算機、３０：ステージ制御系、３１：光学顕微鏡、３２：予備帯電制御装置、
１０１：電子光学系、
１０２：試料室、
１０３：画像検出部、
１０４：画像処理部、
１０５：制御部、２０１：電子銃、２０２：コンデンサレンズ、２０３：ビームセパレータ、２０５：偏向器、２０６：対物レンズ、２０７：試料（ウェハ）、２０８：ウェハ移動ステージ、２１１：結像レンズ、２１３、２１４：拡大レンズ、２２２：ＳＥＭ用コンデンサレンズ、２２８：ビーム制御系、２３２：予備帯電制御装置、２３３：ＳＥＭ用対物レンズ、２４３：ビームセパレータ、２５２：試料室、２６３：画像検出部。

Claims

試料を載置する試料ステージと、該試料に対して電子ビームを照射する第１の電子光学系と、前記試料に照射した電子の一部もしくは全てが前記試料の最表面付近で反射されるような電界を発生する手段と、該電界により反射された電子を結像させて前記電子ビームの照射領域の像を形成する第２の電子光学系と、該得られた像を画像信号として検出する画像信号検出手段と、該得られた信号を処理して前記試料に存在する欠陥を検出する画像信号処理と、前記試料を帯電させる予備帯電制御装置とを備えたことを特徴とするパターン欠陥検査装置。