JP2005223355A

JP2005223355A - 回路パターン検査装置

Info

Publication number: JP2005223355A
Application number: JP2005107840A
Authority: JP
Inventors: Koichi Hayakawa; 功一早川; Hiroshi Ninomiya; 二宮　　拓
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2005-04-04
Filing date: 2005-04-04
Publication date: 2005-08-18

Abstract

【課題】
欠陥画像取得時に高分解能でかつ高Ｓ／Ｎの欠陥画像を高効率で得るのに適した回路パターン検査装置を提供すること。
【解決手段】
検査用一次電子線高速偏向制御回路４３と欠陥画像取得用一次電子線偏向制御回路５６はスイッチ５４により切り替えられる。スイッチ５４を検査用一次電子線高速偏向制御回路４３に接続することによりステージ移動に追従した高速偏向が可能となり、これによって回路パターンの検査が行われる。また、スイッチ５４を画像取得用一次電子線偏向制御５６に接続することにより低速偏向が可能となる。この状態は回路パターン検査後の自動欠陥分類時に維持される。したがって、欠陥画像取得時には高分解能でかつ高Ｓ／Ｎの欠陥画像を高効率で得ることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は回路パターン検査装置、特に半導体装置の製造過程においてウエハ上の回路パターンを検査するために用いるのに適した回路パターン検査装置に関する。

たとえば半導体装置は、半導体ウエハ上に、ホトマスクに形成されたパターンをリソグラフィー処理およびエッチング処理により転写する工程を繰り返すことにより製造される。半導体装置の製造過程において、リソグラフィー処理やエッチング処理その他の良否、異物発生等は、半導体装置の歩留まりに大きく影響を及ぼす。このため、異常や不良発生を早期にあるいは事前に検知するために製造過程の半導体ウエハ上のパターンを検査する方法は従来から実施されている。

半導体ウエハ上のパターンに存在する欠陥を検査する方法としては、半導体ウエハに白色光を照射し、光学画像を用いて複数のＬＳＩの同種の回路パターンを比較する欠陥検査装置が実用化されており、検査方式の概要は「月間セミコンダクタワールド」１９９５年８月号ｐｐ９６−９９（非特許文献１）に述べられている。また、光学画像を用いた検査方法では、特開平３−１６７４５６号公報（特許文献１）に記載されているように、基板上の光学照明された領域を時間遅延積分センサで結像し、その画像と予め入力されている設計特性を比較することにより欠陥を検出する方式や、特公平６−５８２２０号公報（特許文献２）に記載されているように、画像取得時の画像劣化をモニタし、それを画像検出時に補正することにより安定した光学画像での比較検査を行う方法がある。

しかし、このような光学式の検査方式で製造過程における半導体ウエハを検査した場合、光が透過してしまうシリコン酸化膜や感光性フォトレジスト材料を表面に有するパターンの残渣や欠陥は検出できない。また、光学系の分解能以下となるエッチング残りや微小導通穴の非開口不良は検出できない。さらに、配線パターンの段差底部に発生した欠陥は検出できない。

回路パターンの微細化、その形状の複雑化、さらにはその材料の多様化に伴い、光学画像による欠陥検出が困難になってきている。このため、光学画像よりも分解能の高い電子線画像を用いて回路パターンを比較検査する方法が提案されてきている。電子線画像により回路パターンを比較検査する場合に、実用的な検査時間を得るためには走査電子顕微鏡(Scanning Electron Microscopy、以下SEMと略す）による観察と比べて非常に高速に画像を取得する必要がある。そして、高速で取得した画像の分解能と画像のＳＮ比を確保する必要がある。

電子線を用いたパターンの比較検査装置として、J. Vac. Sci. Tech. B, Vol. 9，No.6, pp．3005−3009(1991)（非特許文献２）、J. Vac. Sci. Tech. B, Vol.10，No.6, pp. 2511−2515(1992)（非特許文献３）、および特開平５−２５８７０３号公報（特許文献３）とUSP5,502,306号明細書（特許文献４）に、通常のＳＥＭの１００倍以上（１０ｎＡ以上）の電子線電流をもった電子線を導電性基板（Ｘ線マスク等）に照射し、発生する二次電子、反射電子、透過電子のいずれかを検出し、その信号から形成された画像を比較検査することにより欠陥を自動検出する方法が開示されている。

また、絶縁物を有する回路基板を電子線で検査あるいは観察する方法としては、特開昭５９−１５５９４１号公報（特許文献５）および「電子、イオンビームハンドブック」（日刊工業新聞社）pp６２２−６２３（非特許文献４）に、帯電の影響を少なくするために、２ｋｅＶ以下の低加速電子線照射により安定な画像を取得する方法が開示されている。さらに、特開平２−１５５４６号公報（特許文献６）には半導体基板の裏からイオンを照射する方法、特開平６−３３８２８０号公報（特許文献７）には光を半導体基板の表面に照射することにより、絶縁物への帯電を打ち消す方法が開示されている。

また、大電流でなおかつ低加速の電子線では、空間電荷効果により高分解能な画像を得ることが困難となるが、これを解決する方法として、特開平５−２５８７０３号公報（特許文献３）に、試料直前で高加速電子線を減速し、試料上で実質的に低加速電子線として照射する方法が開示されている。

高速に電子線画像を取得する方法としては、試料台を連続的に移動しながら試料台上の半導体ウエハに電子線を連続照射し画像を取得する方法が特開昭５９−１６０９４８号公報（特許文献８）および特開平５−２５８７０３号公報（特許文献３）に開示されている。また、従来のＳＥＭで用いられてきた二次電子の検出装置として、シンチレータ（Ａｌ蒸着された蛍光体）とライトガイドと光電子増倍管による構成が用いられているが、このタイプの検出装置は、蛍光体による発光を検出するため、周波数応答性が悪く、高速に電子線画像を形成するには不適切である。この問題を解決するために、高周波の二次電子信号を検出する検出装置として、半導体検出器を用いた検出手段が特開平５−２５８７０３号公報（特許文献３）に開示されている。

特開平３−１６７４５６号公報特公平６−５８２２０号公報特開平５−２５８７０３号公報 USP5,502,306号明細書特開昭５９−１５５９４１号公報特開平２−１５５４６号公報特開平６−３３８２８０号公報特開昭５９−１６０９４８号公報「月間セミコンダクタワールド」１９９５年８月号ｐｐ９６−９９ J. Vac. Sci. Tech. B, Vol. 9，No.6, pp．3005−3009(1991) J. Vac. Sci. Tech. B, Vol.10，No.6, pp. 2511−2515(1992) 「電子、イオンビームハンドブック」（日刊工業新聞社）pp６２２−６２３

従来の装置にあっては、試料台を連続的に移動しながら試料台上の半導体ウェハに電子線を連続照射して二次電子を検出するために周波数応答性が悪いシンチレータ(Al蒸着された蛍光体)のかわりに周波数応答性がよい半導体検出器が用いられ、また、試料台移動に伴い高速に荷電粒子線照射偏向する回路が用いられていることにより、パターン検査後の欠陥画像取得時に分解能が高くＳ／Ｎが良い画像を得ることが困難である。また、検査後得られる欠陥画像から欠陥種別を分類する作業には人手による作業により膨大な時間がかかる。

本発明の目的は、欠陥画像取得時に高分解能でかつ高Ｓ／Ｎの欠陥画像を得るのに適した回路パターン検査装置を提供することにある。

本発明のもう一つの目的は、欠陥画像取得時に高分解能でかつ高Ｓ／Ｎの欠陥画像を得るとともに欠陥種別の分類を高効率で行うのに適した回路パターン検査装置を提供することにある。

本発明の更にもう一つの目的は、欠陥検査を高効率で行い、それによって半導体装置製造の高スループット化を図るのに適した回路パターン検査装置を提供することにある。

本発明の特徴は、回路パターンが形成された基板に荷電粒子線を照射する照射手段と、その照射によって前記基板から発生する信号を検出する検出手段と、前記荷電粒子線を偏向制御する第１の偏向制御手段と、前記検出された信号を画像化して記憶する記憶手段と、その記憶された画像を他の同一の回路パターンから形成された画像と比較する比較手段と、その比較結果から前記回路パターンに存在する欠陥を判別する判別手段とを備えた回路パターンの検査装置において、前記欠陥を検出する欠陥検出手段と、その欠陥検出のために前記第１の偏向制御手段とは異なる速度で前記荷電粒子線を偏向制御する第２の偏向制御手段と、前記検出された欠陥の画像を生成する欠陥画像生成手段とを含む回路パターン検査装置にある。

本発明の特徴は、もう一つの観点によれば、回路パターンが形成された基板に荷電粒子線を照射する照射手段と、その照射によって前記基板から発生する信号を検出する検出手段と、前記荷電粒子線を偏向制御する偏向制御手段と、前記検出された信号を画像化して記憶する記憶手段と、その記憶された画像を他の同一の回路パターンから形成された画像と比較する比較手段と、その比較結果から前記回路パターンに存在する欠陥を判別する判別手段と、前記を備えた回路パターンの検査装置において、前記回路パターンに存在する欠陥判別と前記欠陥の種別の自動判別とを並行して実行するようにした回路パターン検査装置にある。

本発明によれば、欠陥画像取得時に高分解能でかつ高Ｓ／Ｎの欠陥画像を得るのに適した回路パターン検査装置が提供される。

本発明によればまた、欠陥画像取得時に高分解能でかつ高Ｓ／Ｎの欠陥画像を得るとともに欠陥種別の分類を高効率で行うのに適した回路パターン検査装置が提供される。

本発明によればさらに、欠陥検査を高効率で行い、それによって半導体装置製造の高スループット化を図るのに適した回路パターン検査装置が提供される。

図１は本発明による回路パターン検査装置の一実施例を示す。回路パターン検査装置は、室内が真空排気される検査室２と、検査室２内に被検査基板９を搬送するための予備室（本実施例では図示せず）を備えており、この予備室は検査室２とは独立して真空排気できるように構成されている。また、回路パターン検査装置は検査室２と予備室の他に制御部６、画像処理部５を含む。検査室２内は大別して、電子光学系３、二次電子検出部７、試料室８、光学顕微鏡部４から構成されている。

電子光学系３は、電子銃１０、電子線引き出し電極１１、コンデンサレンズ１２、ブランキング偏向器１３、走査偏向器１５、絞り１４、対物レンズ１６、反射板１７、ＥｘＢ（イークロスビー）偏向器１８から構成されている。二次電子検出部７の二次電子検出器２０は検査室２内の対物レンズ１６の上方に配置されている。二次電子検出器２０の出力信号は、検査室２の外に設置されたプリアンプ２１で増幅され、ＡＤ変換機２２によりデジタルデータとなる。試料室８は、試料台３０、Ｘステージ３１、Ｙステージ３２、位置モニタ測長器３４、被検査基板高さ測定器３５から構成されている。

光学顕微鏡部４は、検査室２の室内における電子光学系３の近傍であって、互いに影響を及ぼさない程度離れた位置に設置されており、電子光学系３と光学顕微鏡部４の間の距離は既知である。そして、Ｘステージ３１またはＹステージ３２が電子光学系３と光学顕微鏡部４との間の既知の距離を往復移動するようになっている。光学顕微鏡部４は光源４０、光学レンズ４１、ＣＣＤカメラ４２により構成されている。画像処理部５は、第一画像記憶部４６、第二画像記憶部４７、演算部４８、欠陥判定部４９、欠陥自動分類装置６０より構成されている。取り込まれた電子線画像あるいは光学画像はモニタ５０に表示される。装置各部の動作命令および動作条件は制御部６から入力される。

制御部６には、予め電子線発生時の加速電圧、電子線偏向幅、偏向速度、二次電子検出装置の信号取り込みタイミング、試料台移動速度等の条件が、目的に応じて任意にあるいは選択して設定できるよう入力されている。制御部６は、偏向制御回路４３を用いて、位置モニタ測長器３４、被検査基板高さ測定器３５の信号から位置や高さのずれをモニタし、その結果より補正信号を生成し、電子線が常に正しい位置に照射されるよう対物レンズ電源４５や走査信号発生器４４に補正信号を送る。

被検査基板９の回路パターン（レジストパターン、ＣＯＮＴ開口パターン、エッチング後のFineパターン（拡散系）、エッチング後のFineパターン（配線系）など）の画像を取得するためには、細く絞った一次電子線１９を被検査基板９に照射して、二次電子５１を発生させ、該二次電子を一次電子線１９の走査およびステージ３１、３２の移動と同期して検出する。既述のように、自動検査では検査速度が速いことが望ましい。したがって、通常のＳＥＭのようにｐＡオーダーの電子線電流の電子線を低速で走査したり、多数回の走査および各々の画像の重ね合せは行わない。また、絶縁材料への帯電を抑制するためにも、電子線走査は高速で一回あるいは数回程度にする必要がある。そこで実施例では、通常ＳＥＭに比べ約１００倍以上の、例えば１００ｎＡの大電流電子線を一回のみ走査することにより画像を形成し、また、走査幅は１００μｍ、１画素は０.１μｍ^□とし、１回の走査を１μｓで行うようにしている。

電子銃１０には拡散補給型の熱電界放出電子源が使用されている。この電子銃１０を用いることにより、従来の例えばタングステン（Ｗ）フィラメント電子源や、冷電界放出型電子源に比べて安定した電子線電流を確保することができるため、明るさ変動の少ない電子線画像が得られる。また、この電子銃１０により電子線電流を大きく設定することができるため、後述するような高速検査を実現できる。

荷電粒子線である一次電子線１９は、電子銃１０と引き出し電極１１との間に電圧を印加することで電子銃１０から引き出される。一次電子線１９の加速は、電子銃１０に高電圧の負の電位を印加することでなされる。これにより、一次電子線１９はその電位に相当するエネルギーで試料台３０の方向に進み、コンデンサレンズ１２で収束され、さらに対物レンズ１６により細く絞られて試料台３０上のＸ、Ｙステージ３１、３２の上に搭載された被検査基板９（半導体ウエハ、チップあるいは液晶、マスク等微細回路パターンを有する基板）に照射される。

なお、ブランキング偏向器１３には、走査信号およびブランキング信号を発生する走査信号発生器４４が接続され、コンデンサレンズ１２および対物レンズ１６には、各々レンズ電源４５が接続されている。被検査基板９には、リターディング電源３６により負の電圧を印加できるようになっている。このリターディング電源３６の電圧を調節することにより一次電子線を減速し、電子銃１０の電位を変えずに被検査基板９への電子線照射エネルギーを最適な値に調節することができる。

被検査基板９上に一次電子線１９を照射することによって発生した二次電子５１は、被検査基板９に印加された負の電圧により加速される。被検査基板９の上方に、ＥｘＢ偏向器１８が配置され、これにより加速された二次電子５１は所定の方向へ偏向される。ＥｘＢ偏向器１８にかける電圧と磁界の強度により、偏向量を調整することができる。また、ＥｘＢ偏向器１８によって生成される電磁界は、試料に印加した負の電圧に連動して可変させることができる。ＥｘＢ偏向器１８により偏向された二次電子５１は、所定の条件で反射板１７に衝突する。この反射板１７は、試料に照射する電子線（以下一次電子線と呼ぶ）の偏向器のシールドパイプと一体で円錐形状をしている。この反射板１７に加速された二次電子５１が衝突すると、反射板１７からは数Ｖ〜５０ｅＶのエネルギーを持つ第二の二次電子５２が発生する。

二次電子検出部７は、真空排気された検査室２内において対物レンズ１６の上方に配置された二次電子検出器２０、並びに検査室２の外部に設けられたプリアンプ２１、ＡＤ変換器２２、光変換手段２３、光伝送手段２４、電気変換手段２５、高圧電源２６、プリアンプ駆動電源２７、ＡＤ変換器駆動電源２８、および逆バイアス電源２９から構成されている。二次電子検出器２０、プリアンプ２１、ＡＤ変換器２２、光変換手段２３、プリアンプ駆動電源２７、ＡＤ変換器駆動電源２８は、高圧電源２６により正の電位にフローティングしている。

反射板１７に衝突して発生した第二の二次電子５２は、その吸引電界により二次電子検出器２０へ導かれる。二次電子検出器２０は、一次電子線１９が被検査基板９に照射されている間に発生した二次電子５１がその後加速されて反射板１７に衝突して発生した第二の二次電子５２を、一次電子線１９の走査のタイミングと連動して検出するように構成されている。二次電子検出器２０の出力信号は、検査室２の外に設置されたプリアンプ２１で増幅され、ＡＤ変換器２２によりデジタル信号に変換される。ＡＤ変換器２２は、二次電子検出器２０が検出したアナログ信号をプリアンプ２１によって増幅した後に直ちにデジタル信号に変換して、画像処理部５に伝送するように構成されている。検出したアナログ信号を検出直後にデジタル化してから伝送するので、従来よりも高速で且つＳＮ比の高い信号を得ることができる。

Ｘ、Ｙステージ３１、３２上には被検査基板９が搭載されており、検査実行時には、Ｘ、Ｙステージ３１、３２を静止させて一次電子線１９を二次元に走査する方法と、検査実行時にＸ、Ｙステージ３１、３２をＹ方向に連続して一定速度で移動されるようにして一次電子線１９をＸ方向に直線に走査する方法とのいずれかを選択できる。ある特定の比較的小さい領域を検査する場合には前者のステージを静止させて検査する方法、比較的広い領域を検査するときは、ステージを連続的に一定速度で移動して検査する方法が有効である。

なお、一次電子線１９をブランキングする必要があるときには、ブランキング偏向器１３により一次電子線１９が偏向されて、電子線が絞り１４を通過しないように制御できる。

位置モニタ測長器３４として、実施例ではレーザ干渉による測長計が用いられている。これにより、Ｘステージ３１およびＹステージ３２の位置が実時間でモニタでき、制御部６に転送されるようになっている。また、Ｘステージ３１、Ｙステージ３２のモータの回転数等のデータも同様に各々のドライバから制御部６に転送されるように構成されており、制御部６はこれらのデータにもとづいて一次電子線１９が照射されている領域や位置が正確に把握できるようになっており、必要に応じて実時間で一次電子線１９の照射位置の位置ずれを補正制御回路４３より補正するようになっている。また、被検査基板毎に、電子線を照射した領域を記憶できるようになっている。

被検査基板高さ測定器３５は、電子ビーム以外の測定方式である光学式測定器、例えばレーザ干渉測定器や反射光の位置で変化を測定する反射光式測定器が使用されており、Ｘ、Ｙステージ上３１、３２に搭載された被検査基板９の高さを実時間で測定するように構成されている。実施例では、スリットを通過した細長い白色光を透明な窓越しに被検査基板９に照射し、反射光の位置を位置検出モニタにて検出し、位置の変動から高さの変化量を算出する方式を用いている。この被検査基板高さ測定器３５の測定データにもとづいて、一次電子線１９を細く絞るための対物レンズ１６の焦点距離がダイナミックに補正され、常に被検査領域に焦点が合った一次電子線１９を照射できるようになっている。また、被検査基板９の反りや高さ歪みを電子線照射前に予め測定しており、そのデータをもとに対物レンズ１６の検査領域毎の補正条件を設定するように構成することも可能である。

画像処理部５は第一画像記憶部４６と第二画像記憶部４７、演算部４８、欠陥判定部４９、モニタ５０により構成されている。二次電子検出器２０で検出された被検査基板９の画像信号は、プリアンプ２１で増幅され、ＡＤ変換器２２でデジタル化された後に光変換手段２３で光信号に変換され、光伝送手段２４によって伝送され、電気変換手段２５にて再び電気信号に変換された後に第一画像記憶部４６あるいは第二画像記憶部４７に記憶される。演算部４８は、この記憶された画像信号をもう一方の記憶部の画像信号との位置合わせ、信号レベルの規格化、ノイズ信号を除去するための各種画像処理を施し、双方の画像信号を比較演算する。欠陥判定部４９は、演算部４８にて比較演算された差画像信号の絶対値を所定のしきい値と比較し、所定のしきい値よりも差画像信号レベルが大きい場合にその画素を欠陥候補と判定し、モニタ５０にその位置や欠陥数等を表示する。

これまで回路パターン検査装置全体の構成について説明してきたが、このうちの二次電子５１の検出手段について、その構成と作用をさらに詳細に説明する。一次電子線１９は、固体に入射すると内部に進入しながらそれぞれの深さにおいて殻内電子を励起してエネルギーを失っていく。また、それとともに一次電子線が後方に散乱された反射電子が、やはり固体内で電子を励起させながら表面へ向かって進む現象が生ずる。これら複数の過程を経て、殻内電子は固体表面から表面障壁を超えて二次電子となり、数Ｖ〜５０ｅＶのエネルギーを持って真空中へ出る。一次電子線と固体表面のなす角度が浅いほど、一次電子線の進入距離とその位置から固体表面までの距離との比が小さくなり、二次電子が表面から放出されやすくなる。したがって、二次電子の発生は一次電子線と固体表面の角度に依存しており、二次電子発生量は試料表面の凹凸や材料を示す情報となる。

一次電子線１９は被検査基板９へ照射され、被検査基板９表面にて二次電子５１を発生させる。この二次電子５１は、被検査基板９に印加された負の高電圧により加速される。実施例では、被検査基板９に印加する負の電圧を３.５ｋeＶに設定している。二次電子５１は、加速されるとともに対物レンズ１６、ＥｘＢ偏向器１８により収束、偏向され、反射板１７に衝突する。

反射板１７は、検出器への印加電圧等が一次電子線に影響を及ぼずのを防止するためのシールドパイプと一体で３０度のテーパーの円錐状をなしている。材料はＣuＢeＯで、平均で照射電子数の約５倍の二次電子を放出させる構成として二次電子増倍効果を持たせている。加速された二次電子５１が衝突することにより、反射板１７からは数Ｖ〜５０ｅＶのエネルギーを持つ第二の二次電子５２が発生する。この第二の二次電子５２は、二次電子検出器２０と二次電子検出器２０に取り付けた吸引電極５３により生成される吸引電界により二次電子検出器２０前面へと吸引される。

実施例では、被検査基板９表面で発生した二次電子５１をＥｘＢ偏向器１８で二次電子検出器２０側へ約５度偏向させる構成としているので、ＥｘＢ偏向器１８にかける電圧と磁界、電極間隔は、被検査基板９に印加する負の高電圧が３.５ｋeＶの場合にはそれぞれ３５Ｖ、１.０×１０^−６Ｔ(テスラ）、１０mmとしている。この電磁界は、被検査基板９に印加する負の高電圧に連動して可変設定することができる。

以上の構成および条件により、〜５度程度の小角度偏向と、被検査基板９に印加する−３.５ｋｅＶの電圧による加速、対物レンズによる収束により、被検査基板９表面で発生した二次電子５１がＥｘＢ偏向器１８を通過する際に９５％以上が通過できるようにし、反射板１７にてこの９５％の二次電子５１が約５倍の量に増倍されて第二の二次電子５２が発生することができる。

二次電子検出器２０としては、実施例ではＰＩＮ型半導体検出器を用いている。ＰＩＮ型半導体検出器は通常のＰＮ型半導体検出器よりも応答性が速く、逆バイアス電源により逆バイアス電圧を印加することによりサンプリング周波数が〜１００ＭＨｚの高周波の二次電子信号を検出することができる。二次電子検出器２０および検出回路であるプリアンプ２１、ＡＤ変換器２２、光変換手段２３は６ｋｅＶにフローティングされ、吸引電極５３の吸引電圧は０Ｖに設定される。なお、二次電子検出器２０の有効な大きさは４mm 角である。

反射板１７で生じた第二の二次電子５２は、吸引電界により二次電子検出器２０へと吸引され、高エネルギー状態で二次電子検出器２０に入射して表面層で一定のエネルギーを消失した後に電子正孔対を生成し、電流となって電気信号に変換される。実施例で用いた二次電子検出器２０は、信号検出感度も非常に高く、表面層でのエネルギー損失を考慮すると、吸引電界により６ｋｅＶに加速されて入射した第二の二次電子５２は約１０００倍に増幅された電気信号になる。

二次電子検出器２０の出力電気信号はプリアンプ２１によりさらに増幅され、この増幅された信号（アナログ信号）はＡＤ変換器２２によりデジタル信号に変換される。ここではＡＤ変換器２２として１２ビット、クロック周波数１００ＭＨｚのものを用いている。ＡＤ変換器２２の出力は各ビット毎に光変換手段２３、光伝送手段２４、電気変換手段２５によりパラレルに伝送される。この構成によれば、個々の伝送手段はＡＤ変換器２２のクロック周波数と同じ伝送速度があれば良い。

光変換手段２３により光デジタル信号に変換された信号は光伝送手段２４により電気変換手段２５へ伝送され、ここで光デジタル信号から再び電気信号に変換され、画像処理部５へ送られる。このように光信号に変換してから伝送するのは、二次電子検出器２０から光変換手段２３までの構成要素が高圧電源２６により正の高電位にフローティングされているからであり、本実施例の構成により、高電位レベルの信号をアースレベルの信号に変換できる。また、実施例では、光変換手段２３として電気信号を光信号に変換する発光素子を、光伝送手段２４として光信号を伝送する光ファイバケーブルを、電気変換手段２５として光信号を電気信号に変換する受光素子を用いている。光ファイバケーブルは高絶縁材料で形成されているため、高電位レベルの信号をアース電位レベルの信号に容易に変換できる。さらに、デジタル信号を光伝送しているため、光伝送時における信号の劣化が全くない。その結果、従来の技術であるアナログ信号を光伝送する構成と比べてノイズの影響の少ない画像を得ることができる。これらの構成により、二次電子検出器２０への第二の二次電子５２の入射電流が１００ｎＡの場合に、サンプリング周波数１００ＭＨｚという高周波の二次電子信号をＳＮ比５０以上で検出することができるようになる。

なお、実施例では、二次電子検出器２０には逆バイアス電源２９により逆バイアス電圧が印加されているが、逆バイアス電圧を印加しない構成にしても良い。また、本実施例では二次電子検出器２０にＰＩＮ型半導体検出器を用いているが、他のタイプの半導体検出器、例えばショットキー型半導体検出器やアバランシェ型半導体検出器等を用いても良い。また、応答性、感度等の条件を満たせば、ＭＣＰ（マイクロチャネルプレート）を検出器として用いることも可能である。

次に、回路パターン検査装置により被検査基板９として製造過程のパターン加工が施された半導体ウエハを検査する場合の作用について説明する。まず、図１には記載されていないが、被検査基板９の搬送手段により半導体ウエハは試料交換室へロードされる。そこでこの被検査基板９は試料ホルダに搭載され、保持固定された後に真空排気され、試料交換室がある程度の真空度に達したら検査のための検査室２に移載される。検査室２では、試料台３０、Ｘ、Ｙステージ３１、３２の上に試料ホルダごと載せられ、保持固定される。

セットされた被検査基板９は、予め登録された所定の検査条件にもとづきＸ、Ｙステージ３１、３２のＸおよびＹ方向の移動により光学顕微鏡部４の下の所定の第一の座標に配置され、モニタ５０により被検査基板９上に形成された回路パターンの光学顕微鏡画像が観察され、位置回転補正用に予め記憶された同じ位置の同等の回路パターン画像と比較され、第一の座標の位置補正値が算出される。

次に第一の座標から一定距離離れ第一の座標と同等の回路パターンが存在する第二の座標に移動し、同様に光学顕微鏡画像が観察され、位置回転補正用に記憶された回路パターン画像と比較され、第二の座標の位置補正値および第一の座標に対する回転ずれ量が算出される。この算出された回転ずれ量は電子線の走査偏向量を補正する方法で補正できる。この光学顕微鏡画像観察においては、光学顕微鏡画像のみならず電子線画像でも観察可能な回路パターンが選定される。また、今後の位置補正のために、第一の座標、光学顕微鏡画像観察による第一の回路パターンの位置ずれ量、第二の座標、光学顕微鏡画像観察による第二の回路パターンの位置ずれ量が記憶され、制御部６に転送される。

さらに、光学顕微鏡による画像が用いられて、被検査基板９上に形成された回路パターンが観察され、被検査基板９上の回路パターンのチップの位置やチップ間の距離、あるいは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等が予め測定され、制御部６に測定値が入力される。また、被検査基板９上における被検査チップおよびチップ内の被検査領域が光学顕微鏡の画像から設定され、上記と同様に制御部６に入力される。光学顕微鏡の画像は、比較的低い倍率によって観察が可能であり、また、被検査基板９の表面が例えばシリコン酸化膜等により覆われている場合には下地まで透過して観察可能であるので、チップの配列やチップ内の回路パターンのレイアイトを簡便に観察することができ、検査領域の設定を容易にできるためである。

以上のようにして光学顕微鏡部４による所定の補正作業や検査領域設定等の準備作業が完了すると、Ｘステージ３１およびＹステージ３２の移動により、被検査基板９が電子光学系３の下に移動される。被検査基板９が電子光学系３の下に配置されると、光学顕微鏡部４により実施された補正作業や検査領域の設定と同様の作業を電子線画像により実施する。この際の電子線画像の取得は、次の方法でなされる。

光学顕微鏡画像による位置合せにおいて記憶され補正された座標値にもとづき、光学顕微鏡部４で観察されたものと同じ回路パターンに、一次電子線１９が走査信号発生器４４によりＸＹ方向に二次元に走査されて照射される。この電子線の二次元走査により、被観察部位から発生する二次電子５１が上記の二次電子検出のための各部の構成および作用によって検出されることにより、電子線画像が取得される。既に光学顕微鏡画像により簡便な検査位置確認や位置合せおよび位置調整が実施され、且つ回転補正も予め実施されているため、光学画像に比べ分解能が高く高倍率で高精度に位置合せや位置補正、回転補正を実施することができる。

なお、一次電子線１９を被検査試料９に照射すると、その箇所が帯電する。検査の際にその帯電の影響を避けるために、上記位置回転補正あるいは検査領域設定等の検査前準備作業において一次電子線１９を照射する回路パターンは予め被検査領域外に存在する回路パターンを選択するか、あるいは被検査チップ以外のチップにおける同等の回路パターンを制御部６から自動的に選択できるようにしておく。これにより、検査時に上記検査前準備作業により一次電子線１９を照射した影響が検査画像に及ぶことはない。

次に、検査が実施される。検査時に被検査基板９に照射する一次電子線１９の条件は以下の方法にて求める。まず、一般に電子線画像におけるＳＮ比は、試料に照射する電子線の単位画素あたりの照射電子数Ｓの平方根と相関がある。画像同士を比較検査する場合には、電子線画像のＳＮ比は正常部と欠陥部の信号量を検知できる値である必要があり、最低ＳＮ比は１０以上、好ましくは５０以上が必要である。前述のように、電子線画像のＳＮ比は、試料に照射する電子線の単位画素あたりの照射電子数Ｓの平方根と相関があるため、ＳＮ比１０を得るためには単一画素あたり少なくとも１００個以上の電子が必要となり、ＳＮ比５０を得るためには少なくとも２５００個以上の電子が照射されなくてはならない。

また、回路パターン検査方法を適用するねらいは、前述の通り光学式パターン検査方法では検出が不可能な微小の欠陥を検知することであり、すなわち微小な画素における画像間の差を認識する必要がある。これを達成するために、本実施例では画素サイズは０.１μｍとされる。したがって、最低限必要とされる単一画素あたりの電子数と上記画素サイズから、必要とされる単位面積あたりの電子線照射量は０.１６μＣ／cm^２、好ましくは４μＣ／cm^２となる。この電子照射量を通常のＳＥＭの電子線電流(数ｐＡから数百ｐＡ程度)により得ようとすると、例えば２０ｐＡの電子線電流によって１cm^２の領域に０.１６μＣ／cm^２の電子を照射するには８０００秒を要し、さらに４μＣ／cm^２の電子を照射するには２０万秒を要する。しかしながら、回路パターンの検査、例えば半導体ウエハの検査において要求される検査速度は６００ｓ／cm^２以下、好ましくは３００ｓ／cm^２以下であり、これよりも検査時間が長くなると半導体製造においては検査の実用性がきわめて低くなる。したがって、これらの条件を満たし、実用的な検査時間で必要な電子線を試料に照射するためには、電子線電流を最低でも２７０ｐＡ（１.６μＣ／cm^２、６００ｓ／cm^２）以上、好ましくは１３ｎＡ（４μＣ／cm^２、３００ｓ／cm^２）以上に設定する必要がある。そこで、実施例の回路パターンの検査方法では、１３ｎＡ以上の大電流電子線を用いて一回の走査により電子線画像を形成する。

通常のＳＥＭに比べ約１００倍以上の大電流（２７０ｎＡ以上、好ましくは１３ｎＡ以上）の電子線を用いてただ一回の走査によって電子線画像を形成することは、検査速度の点から必要とされるだけでなく、以下に述べる理由により、下地膜あるいは表面パターンが絶縁材料により形成された回路パターンを検査するのに必要である。

絶縁材料を有する回路パターンの電子線画像を通常のＳＥＭにより取得すると、帯電の影響により実際の形状とは異なる電子線画像が得られたり、視野倍率によりコントラストがまったく異なることが多い。これは、微弱な電子線電流（数ｐＡから数百ｐＡ）を局所的に繰り返し走査することにより、あるいは視野倍率を変える際に焦点や非点補正のために画像形成に必要な電子線量以上に電子線を局所的に走査することにより、電子線照射量がある一ヶ所に集中して照射され、その部分の帯電が不均等になるためである。その結果、絶縁材料で形成されたパターンの電子線画像の品質は、視野により全く異なってしまうので、このような画像は電子線画像を比較する検査には適用できない。したがって、絶縁材料を有する回路パターンについても導電性の材料の回路パターンと同様に検査できるようにするために、通常のＳＥＭに比べ約１００倍以上の大電流電子線を用いて一回の走査により電子線画像が形成される。すなわち、実施例では、単位面積あたり、および単位時間あたりの試料への電子線照射量が一定であって、比較検査を行うのに足る画質を形成するために必要な電子線量により、しかも、半導体ウエハ等の検査方法の実用性に適した走査速度により、電子線を一回走査することで電子線画像が取得される。そして、上記のように通常のＳＥＭに比べ約１００倍以上の大電流電子線を用いて一回の走査により絶縁材料を有する回路パターンの電子線画像を取得したことにより、一視野内の電子線画像を構成する各種回路パターンの構成材料や構造に依存して帯電量や画像のコントラストがそれぞれ異なることおよび同種の材料の同等のパターン同士では同様な画像コントラストが得られることが確認されている。なお、大電流電子線による走査は実施例では一回のみとしているが、実質的に前述の作用が実現される範囲内で数回の場合もあり得る。

実施例では図２に示すように上記回路パターン検査装置に欠陥画像取得用として欠陥観察用ＳＥＭに用いられている低速偏向（低速走査）可能な欠陥画像取得用一次電子線偏向制御回路５６、シンチレータ３３及び、シンチレータ用プリアンプ５８、高圧電源５９を追加している。欠陥画像取得時の欠陥画像はフレーム画像メモリ５５に記憶され、制御部６によりフレーム画像メモリ５５の欠陥画像は欠陥自動分類装置５７に転送され、欠陥自動分類装置６０からは自動欠陥分類された結果が制御部６に送られる。

シンチレータ３３はＡl蒸着された蛍光体とライトガイドと光電子増倍管により構成されており、捕らえられた二次電子は蛍光体で光に変換され、ライトガイドを通って光電子増倍管で増幅され、電気信号になる。シンチレータ３３は半導体検出と比較して周波数特性は悪いが感度が良いという利点をもつ。

４３は図１に示されている偏向制御回路で、ここでは検査用一次電子線偏向制御回路と呼ぶ。検査用一次電子線高速偏向制御回路４３と欠陥画像取得用一次電子線偏向制御回路５６はスイッチ５４により切り替えられる。スイッチ５４を検査用一次電子線高速偏向制御回路４３に接続することによりステージ移動に追従した高速偏向が可能となり、スイッチ５４を画像取得用一次電子線偏向制御５６に接続することにより低速偏向（低速走査）が可能となる。シンチレータ３３は、半導体検出器２０の反対側に追加しておりスイッチ５４により切替える。スイッチ５４を半導体検出器２０に接続すると高速に信号検出可能となり、スイッチ５４をシンチレータ３３に接続することにより信号はフレーム画像メモリ５５に送られ、フレーム画像を積算して、さらに良好な画像が取得可能となる。スイッチ５４の切替えに伴い、Ｅ×Ｂ偏向器による二次電子の偏向を反転する必要がある。

以上の回路パターン検査装置の構成により、回路パターン検査時はスイッチ５４で検査用一次電子線高速偏向制御４３、および半導体検出器２０に接続することによりステージ移動しながら一次電子線の高速偏向を実施して信号を検出することが可能となる。パターン検査終了後の欠陥画像検出時にはスイッチ５４をスロースキャン可能な一次電子線偏向制御５６、及びシンチレータ３３に接続することにより分解能が高くＳ／Ｎが良い欠陥画像を得ることができる。

図３は従来の回路パターン検査および欠陥画像検出のための処理の流れを示す。図３を参照しながら、本発明の説明に先立ってまずその処理の流れを説明するに、検査対象とするウェハをカセットセット（ステップ３０１）してカセット棚番、品種ファイル、工程ファイル、ウェハ情報の検査条件入力後（ステップ３０２）、ウェハローディング（ステップ３０３）を開始する。電子線照射、偏向補正、基準座標補正、焦点パラメータ補正の電子線絶対校正処理（ステップ３０４）を実施後、ウェハアライメントマーク位置へステージ移動してウェハアライメント処理（ステップ３０５）を実施する。次に、ゲイン調整して画像の明るさを決定する信号レベルキャリブレーション（ステップ３０６）を実施して、回路パターン検査（ステップ３０７）を開始する。

検査後、得られた欠陥位置にウェハ移動して欠陥画像を取得しながら欠陥種別を分類してカテゴリ番号を決定する欠陥確認処理（ステップ３０８）を実施する。欠陥分類が終了後、検査結果を指定された出力先に出力（ステップ３０９）してウェハアンロード（ステップ３１０）で検査を終了する。

従来例においては、回路パターン検査時および欠陥画像取得時ともに一次電子線は高速偏向（高速走査）され、また自動欠陥分類は行われ得ない。

図４は本発明にもとづく、回路パターン検査後の欠陥画像取得時の処理の流れを示す。すなわち、これは、回路パターン検査終了後に一次電子線を低速偏向状態に切り替えて得られた欠陥画像を使用してその欠陥の特徴量を抽出し欠陥の分類を自動的に行う処理の流れを示す。これは図３の欠陥確認ステップ３０８で実行することができる。すなわち、まず、回路パターン検査で得られた欠陥位置データより欠陥位置へステージ移動する（ステップ５０１）。欠陥画像を取得して（ステップ５０２）、欠陥自動分類装置５７へ転送する（ステップ５０３）。自動分類装置で得られた欠陥分類のカテゴリ番号を受信して（ステップ５０４）、欠陥検査データに格納する（ステップ５０５）。以上の動作を指定された欠陥データ数だけ繰り返すことにより自動分類処理が実現される。もちろん、以上の欠陥画像取得時は一次電子線は低速偏向状態にされる。

以上の実施例によれば、欠陥画像取得時に高分解能でかつ高Ｓ／Ｎの欠陥画像を得るとともに欠陥種別の分類を高効率で行うことができる。

以上の実施例では、欠陥自動分類を回路パターン検査後に行っているが、別の実施例では回路パターン検査処理と並行して欠陥自動分類を行うこともできる。この実施例は、一次電子線を高速偏向にしたままの状態で回路パターン検査と自動欠陥分類とを並行して行うもので、したがってこの場合は図２に示す実施例は用いられない。この実施例を図１および図５を参照して説明するに、まず、検査対象位置に向かってステージ移動を開始する（ステップ６０１）。検査対象位置で一次電子線の照射を開始して位置の異なる第１（ステップ６０２）、第２画像を第1、第２画像記憶部４６、４７に取得し記憶する（ステップ６０３）。演算部４８により第１、第２画像の差画像より欠陥位置を抽出する（ステップ６０４）。欠陥位置の第１及び、第２画像より欠陥の特徴量を欠陥判定部４９により抽出し、欠陥自動分類装置６０により欠陥を自動分類する（ステップ６０５）。この欠陥分類処理を実施しながら連続してステージ移動して検査実施することにより検査終了時には、欠陥位置と共に自動分類されたカテゴリ番号が同時に制御部６に格納される（ステップ６０６）。検査および自動分類が終了すると、ステージ移動が停止する（ステップ６０７）。

この実施例を使用すると、検査後の欠陥確認処理において人手による分類作業が軽減され、また、回路パターン検査と並列して欠陥自動分類処理が実行されるから、半導体装置製造の高スループット化を図ることが可能となる。

本発明による回路パターン検査装置の一実施例を示す構成図。本発明にもとづく回路パターン検査装置の一実施例の主要部の構成例を示す図。従来の回路パターン検査および欠陥画像取得のための処理の流れを示す図。本発明にもとづく回路パターン検査と欠陥自動分類のための一例としての処理の流れを示す図。本発明にもとづく回路パターン検査と欠陥自動分類のための別の例としての処理の流れを示す図。

符号の説明

２…検査室、３…電子光学系、４…光学顕微鏡部、５…画像処理部、６…制御部、７…二次電子検出部、８…試料室、９…被検査基板、１０…電子銃、１１…引き出し電極、１２…コンデンサレンズ、１３…ブランキング偏向器、１４…絞り、１５…走査偏向器、１６…対物レンズ、１７…反射板、１８…ＥｘＢ偏向器、１９…一次電子線、２０…二次電子検出器、２１…プリアンプ、２２…ＡＤ変換機、２３…光変換手段、２４…光伝送手段、２５…電気変換手段、２６…高圧電源、２７…プリアンプ駆動電源、２８…ＡＤ変換器駆動電源、２９…逆バイアス電源、３０…試料台、３１…Ｘステージ、３２…Ｙステージ、３３…シンチレータ、３４…位置モニタ測長器、３５…被検査基板高さ測定器、３６…リターディング電源、４０…白色光源、４１…光学レンズ、４２…ＣＣＤカメラ、４３…補正制御回路、４４…走査信号発生器、４５…対物レンズ電源、４６…第一画像記憶部、４７…第二画像記憶部、４８…演算部、４９…欠陥判定部、５０…モニタ、５３…吸引電極、５４…切替えスイッチ、５５…フレームメモリ、５６…欠陥画像取得用一次電子偏向制御、５７…欠陥自動分類装置、５８…プリアンプ、５９…高圧電源、６０…自動欠陥分類装置。

Claims

回路パターンが形成された基板に荷電粒子線を照射する照射手段と、その照射によって前記基板から発生する信号を検出する検出手段と、前記荷電粒子線を偏向制御する偏向制御手段と、前記検出された信号を画像化して記憶する記憶手段と、その記憶された画像を他の同一の回路パターンから形成された画像と比較する比較手段と、その比較結果から前記回路パターンに存在する欠陥を判別する判別手段と、前記を備えた回路パターンの検査装置において、前記回路パターンに存在する欠陥判別と前記欠陥の種別の自動判別とを並行して実行することを特徴とする回路パターン検査装置。