JP2005274240A - 欠陥検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な構成で高分解能のレビュー像を取得する。
【解決手段】 電子ビームを出射して一次ビームＰＢとしてウェーハＷに照射する電子銃を含む一次コラム２と、一次ビームＰＢの照射によりウェーハＷから発生する二次電子等の照射を受ける受光面を有するＴＤＩセンサ７６を含みウェーハＷの表面の状態を表す画像信号を出力する電子ビーム検出部と、上記二次電子等を二次ビームＳＢとして写像投影してＴＤＩセンサ７６の受光面に結像させる二次ビーム写像投影部と、画像処理部７８と、制御部６４と、ホストコンピュータ８０とを備える欠陥検査装置を用い、レビュー対象となる撮像エリアＡＲ１のサイズよりも小さなサイズでウェーハＷに照射するように一次ビームＰＢのビーム径を調整した上で撮像エリアＡＲ１を走査し、得られたフレーム画像ＦＲ１〜ＦＲＮを合成してレビュー像を作成する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、欠陥検査装置に関し、例えば電子ビームを用いた半導体パターン等の検査を対象とする。

矩形状の電子ビームを試料に照射し、その試料表面の形状／材質／電位の変化に応じて発生した二次電子、反射電子および後方散乱電子を拡大投影して試料表面画像を取得し、半導体パターンの欠陥検査に応用する手法が提案されている（例えば、特許文献１および２）。

従来の技術による写像投影型の電子ビーム欠陥検査装置を用いた一般的な欠陥検査方法の概略手順を説明する。まず、検査感度や電子ビーム条件等のパラメータを設定した後、検査を実行し、その後、検査結果の確認や感度最適化のため、欠陥として抽出された場所のレビューを行う。レビュー時は、真欠陥が擬似欠陥かを判別するために、検査時の倍率より高倍率にして撮像するのが望ましいので、検査感度をチェックし、感度が良好であれば検査を終了するが、感度が不十分であれば、パラメータ値を再度設定し直して十分な感度が得られるまで上記手順を繰り返す。

しかしながら、写像投影型の電子ビーム欠陥検査装置は、検査時の倍率に最適であるように本来設計されているため、高倍率・高分解能の撮像には不向きである。従って、例えば単一のビーム鏡筒で検査時とレビュー時との両方の倍率をカバーしようとすると、装置が巨大になるという問題がある。その他、レビュー用に別途ビーム鏡筒を搭載する方法もあるが、あまり望ましくない。

その他、例えば試料であるウェーハの真上に制御電極を設けたり、ウェーハを支持するステージをＺ方向に移動可能にして、ウェーハと対物レンズとの距離(ワーキングディスタンス)を狭めることにより、装置を巨大化することなく観察倍率を高めることも可能である。

しかしながら、このような方法では、十分な分解能やＳ／Ｎを得ることができなかった。
特開平７−２４９３９３号公報 特開平１１−１３２９７５号公報

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、高分解能のレビュー像を取得でき、暫定的な検査で検出された欠陥が真の欠陥であるか疑似欠陥であるかを容易に判定できる欠陥検査装置を提供することにある。

本発明は、以下の手段により上記課題の解決を図る。

即ち、本発明によれば、
荷電ビームを出射して一次ビームとして試料に照射する荷電ビーム出射手段と、
上記一次ビームの照射により上記試料から発生する二次荷電粒子、反射荷電粒子および後方散乱荷電粒子の少なくともいずれかの照射を受ける受光面を有する撮像素子を含み、上記試料の表面の状態を表す信号を出力する撮像手段と、
上記二次荷電粒子、上記反射荷電粒子および上記後方散乱荷電粒子の少なくともいずれかを二次ビームとして写像投影し、上記撮像素子の上記受光面に結像させる写像投影手段と、
レビューの対象となる撮像領域のサイズよりも小さなサイズで上記試料に照射するように上記一次ビームのビーム径を調整して上記撮像領域を走査し、上記撮像手段に複数のフレーム像を撮像させる制御手段と、
得られた複数の上記フレーム画像を処理してレビュー像を作成する画像処理手段と、
上記レビュー像に基づいて上記試料の欠陥を判定する欠陥判定手段と、
を備える欠陥検査装置が提供される。

本発明によれば、分解能およびＳ／Ｎに優れたレビュー像を取得することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の各図において同一の部分には同一の参照番号を付し、その重複説明は必要な場合にのみ行う。

（１）第１の実施の形態
図１は、本発明にかかる欠陥検査装置の実施の一形態の概略構成を示すブロック図である。同図に示す欠陥検査装置は、一次コラム２と、ステージチャンバ４と、二次コラム６と、ＴＤＩ（Time Delay Integrator）センサ７６と、制御部６４と、ホストコンピュータ８０と、真空ポンプＰ１〜Ｐ３とを備える。

ホストコンピュータ８０は、例えば欠陥判定手段に対応し、制御部６４を始めとして装置全体を制御するとともに、後述する欠陥検査方法により得られたレビュー像に基づき、暫定的な検査で得られた欠陥が真の欠陥か疑似欠陥であるかを判定する。制御部６４は、例えば制御手段に対応し、各種制御信号を生成し、画像処理部７８の他、電子銃、四極子レンズ１８、一次ビーム偏向器２２、対物レンズ５４、ウィーンフィルタ３０、第１および第２投影レンズ５６，５８および二次ビーム偏向器６２に供給し、これらを制御する。

ステージチャンバ４は、検査対象であるパターンが形成されたウェーハＷを上面で支持するステージ４０を収納する。ステージ４０は、制御部６４からの制御信号によりＸ−Ｙ−Ｚの３方向で移動できるように構成されている。真空ポンプＰ２は、ステージチャンバ４に接続されてその内部を高真空の状態にする。ステージ４０には図示しない電源が接続され、ウェーハＷに電圧が印加できる構造を有する。

一次コラム２は、電子銃と、四極子レンズ１８と、一次ビーム偏向器２２とを含む。電子銃と四極子レンズ１８と一次ビーム偏向器２２とは、例えば荷電ビーム出射手段に対応する。電子銃は、電子を放出する陰極１２と、矩形開口を有するウエーネルト電極（Ｗeh-nelt cylinder）１４と、ビーム軸調整用の偏向器１６とを有し、制御部６４から与えられる制御信号によって加速電圧、エミッション電流および光軸が制御されながら一次ビームＰＢを出射する。一次コラム２は、ウェーハＷ表面の垂直方向に対して傾斜して配置される。このような構成により、一次ビームＰＢはウェーハＷの表面に対して斜め方向からウィーンフィルタ３０に入射する。ウィーンフィルタ３０は、電界磁界重畳型偏向器の一つであり、一次コラム２を通って斜めに入射する一次ビームＰＢをウェーハＷの試料面に対して垂直な方向に偏向してウェーハＷに入射させる。

二次コラム６は、二次ビーム写像投影部とＭＣＰ（Ｍicro Ｃhannel Ｐlate）検出器７２と蛍光面７４とを収納する。二次ビーム写像投影部は、例えば写像投影手段に対応し、対物レンズ５４と、アパーチャＡＰと、ウィーンフィルタ３０と、例えば回転対称型静電レンズで構成される第１および第２投影レンズ５６，５８および二次ビーム偏向器６２と、を含む。二次ビーム写像投影部は、一次ビームＰＢの照射を受けてウェーハＷの表面から発生した二次電子、反射電子および後方散乱電子を磁界もしくは電界またはこれらの組み合わせにより、ステージチャンバ４から二次コラム６内へ導き、加速させながら二次ビームとして拡大投影してＭＣＰ検出器７２に入射させる。なお、ウィーンフィルタ３０は、ウェーハＷ側から入射した二次ビームＳＢに対しては、これを直進させる条件で制御されており、二次ビームＳＢはウィーンフィルタ３０内を直進して、第１投影レンズ５６および第２投影レンズ５８により拡大投影される。二次ビーム偏向器７２は、ＴＤＩセンサ７６に同期してＭＣＰ検出器７２の入射面が二次ビームＳＢで走査されるように、二次ビームＳＢを偏向する。

電子ビーム検出部は、例えば撮像手段に対応し、ＭＣＰ検出器７２と蛍光面７４とＴＤＩセンサ７６とで構成される。ＭＣＰ検出器７２に入射した二次ビームＳＢは、ＭＣＰ検出器７２により入射面での電子量の４乗倍から５乗倍に増幅されて蛍光面７４を照射する。これにより蛍光面７４で発生した蛍光像をＴＤＩセンサ７６が検出して画像処理部７８に供給する。本実施形態のＴＤＩセンサ７６は、ＳＴＩＬＬモードを有する。ＳＴＩＬＬモードとは、ＴＤＩセンサのタイミング信号を制御することにより、一般的なＣＣＤセンサのように撮像するモードをいう。ＳＴＩＬＬモードを用いることにより、フレーム単位での撮像が可能になる。

画像処理部７８は、例えば画像処理手段に対応し、検出された蛍光像の信号を処理し、ウェーハＷの表面の状態を表わすＳＥＭ画像の画像信号として制御部６４を介してホストコンピュータ８０に供給する。画像処理部７８は、後述するように、フレーム単位で撮像された画像を加算処理にて合成することができる。

次に、図１に示す欠陥検査装置を用いた欠陥検査方法のいくつかについて図２〜図５を参照しながら説明する。
図２は、本実施形態による欠陥検査方法の概略手順を示すフローチャートであり、図３〜図５は、図２に示す欠陥検査方法の説明図である。

まず、図３（ａ）に示すように、従来の技術による検査方法と同様に、照明ビームＣＳ０で撮像エリアＡＲ０の全面を照明しながらステージ４０によるステージスキャンで検査エリア全体を撮像し（図２、ステップＳ１）、欠陥個所を抽出する（ステップＳ２）。次に、抽出された欠陥個所をＮ個の領域（以下、フレーム領域という）に等分割し（ステップＳ３）、このフレーム一つ分のサイズにビーム径を絞り、図３（ｂ）に示すように、絞られた照明ビームＣＳ１で欠陥個所である撮像エリアＡＲ１をスキャン照明する（ステップＳ４）。図１に示す欠陥検査装置によりビーム径を小さく絞るためには、制御部６４から制御信号を供給して四極子レンズ１８を調整すれば可能である。照明ビームの欠陥個所へのスキャン照明は、一次ビーム偏向器２２により行う。一括照明による検査実行時には、ステージ４０を連続して移動させながらＴＤＩセンサにて撮像するが、レビュー時では、ステージ４０を静止したままでＴＤＩセンサのＳＴＩＬＬモードを用いて撮像する。これにより、フレーム単位で画像を取得することができる。

スキャン照明によりＴＤＩセンサのＳＴＩＬＬモードにてフレーム画像が連続して撮像される様子を図４に模式的に示す。同図（ａ）に示す撮像対象パターンＰＴに対して、ビームを連続的にスキャン照明することにより、同図（ｂ）に示すフレーム画像ＦＲ１〜ＦＲＮを得ることができる。なお、一般的なＳＥＭ装置と同様に、スキャン照明を一度だけでなく、何度も繰り返た後に積算処理を行うことにより、レビュー画像のＳ／Ｎを高めることができる。

次に、図２に戻り、得られた撮像フレームＦＲ１〜ＦＲＮの画像を画像処理にて合成する（ステップＳ６）。これにより、図５の模式図に示すように、撮像対象パターンＰＴに応じた合成像（レビュー像）Ｉｍｒｖを得ることができる。この画像処理は、図１に示す欠陥検査装置では画像処理部７８が撮像フレームＦＲ１〜ＦＲＮの画像データを加算することにより実行される。

最後に、得られたレビュー像Ｉｍｒｖを用いて、一括照明で抽出された欠陥の真偽を判定する（ステップＳ７）。この判定は、図１に示す欠陥検査装置のホストコンピュータ８０により実行される。

レビュー時においても、例えば図３（ｃ）に示す照明ビームＣＳ２のように、検査時と同様に、抽出された欠陥個所の撮像エリアＡＲ２全体に対して、一括照明で撮像することも可能である。しかしながら、一括照明よりもスキャン照明の方が空間電荷効果の影響を抑制できる点で優れているため、高分解能の画像を得ることができる。一般的にスキャン照明は、一括照明に比較して撮像時間を要するというデメリットがあるが、レビュー時では検査時のように速度を要求されないので、このようなデメリットが問題になることはない。

このように、本実施形態によれば、高分解能のレビュー像を得ることができる。

（２）第２の実施の形態
次に、本発明の第２の実施の形態について図６〜図１２を参照しながら説明する。本実施形態による欠陥検査方法も、図１に示す欠陥検査装置を用いて実行することができる。

上述した第１の実施の形態では、スキャン照明によって得られたフレーム像を単純に加算することによりレビュー像を取得した。しかしながら、図６（ａ）の撮像対象パターンＰＴに対してスキャン照明により得られた図６（ｂ）の撮像フレームＦＲｉｍのうち、符号Ｉｍｎに示す領域のように、フレーム像は、結像に寄与しないノイズ電子によるノイズ像を含む場合もある。このような場合に、各フレーム画像をそのまま加算すると、Ｓ／Ｎに劣るレビュー像になる。本実施形態では、マスク画像を準備し、加算処理に先立ってマスキング処理を実行することにより、レビュー像のＳ／Ｎを高める方法を提供する。

図７は、本実施形態の欠陥検査方法の概略手順を示すフローチャートである。

まず、従来の技術による検査方法と同様に、照明ビームＣＳ０で撮像エリアＡＲ０の全面を照明しながらステージ４０によるステージスキャンで検査エリア全体を撮像し（ステップＳ１１）、欠陥個所を抽出する（ステップＳ１２）。次に、抽出された欠陥個所をＮ個のフレーム領域ＦＲ１〜ＦＲＮに分割し、各フレーム領域に応じて照明領域に窓を開けたマスク画像を作成する（ステップＳ１３）。続いて、対応するフレーム画像とマスク画像同士でマスキング処理、即ち、論理積を取ることにより、ノイズの影響を除去した画像を作成する（ステップＳ１５）。その後は、前述した第１の実施形態と同様に、マスキング処理後のＮ枚の画像を合成してレビュー像を取得し（ステップＳ１６）、得られたレビュー像を用いて、一括照明で抽出された欠陥の真偽を判定する（ステップＳ１７）。

マスキング処理の具体例を図８の模式図を用いて説明する。同図（ａ）では撮像対象パターンＰＴのコーナを起点とする連続スキャンにおいて最初のビーム照明により得られたフレーム画像ＦＲ１と、このフレーム画像ＦＲ１に対応して予め作成されたマスクＭＫ１との間で論理積を取ることによりノイズ像Ｉｍｎが除去され、マスキング処理後の画像ＦＲｍ１が得られる様子が示されている。図８（ｂ）では、フレーム画像ＦＲ１に続いて２番目のビーム照明により得られたフレーム画像ＦＲ２と、このフレーム画像ＦＲ２に対応して予め作成されたマスクＭＫ２との間で論理積を取ることにより、マスキング処理後の画像ＦＲｍ２が得られる様子が示されている。

図９は、一次ビーム偏向器用の偏向電圧と、ＴＤＩセンサのフレーム信号と、マスク画像との関係を示す説明図である。同図（ａ）は、図１に示す欠陥検査装置の一次ビーム偏向器２２へ印加する偏向電圧（Ｘ方向およびＹ方向）とＴＤＩセンサ７６へ与えるフレーム信号Ｔ１〜Ｔ１６との関係を示す。図９（ｂ）は連続スキャンされる照明エリアＡＲ１の位置とフレーム信号Ｔ１〜Ｔ１６との関係を示す。さらに、図９（ｃ）は、フレーム信号Ｔ１が与えられるときのマスク画像ＭＫ１を示す。図９（ａ）に示すように、偏向電圧は、ＴＤＩセンサ７６へのフレーム信号Ｔ１〜Ｔ１６にそれぞれ同期してステップ状に生成される。図９（ａ）と（ｂ）との対比により明らかなように、本実施形態では、マスク画像のアンマスク領域（窓の部分）は、撮像エリアを４×４の領域に分割したサイズになっているが、照明エリアＡＲ１のサイズは、このアンマスク領域のサイズよりも若干大きめになるように設定されている。これにより、ビーム照射の境界で画像の均一性に影響が及ぶことを防止することができる。図９に示す例では、撮像エリアの左上コーナから順に照明エリアが連続して移動するように偏向電圧を生成したが、これに限ることなく、図１０に示す例のように、ランダムスキャンにより不規則な順序で照明エリアＡＲ１が移動するように偏向電圧を生成しても良い。

このように、本実施形態によれば、分解能およびＳ／Ｎにおいてさらに優れたレビュー像を得ることができる。

（３）プログラム
上述した欠陥検査方法の一連の手順は、プログラムに組み込み、レシピファイルとしてＳＥＭ装置のコンピュータに読込ませて実行させても良い。これにより、画像処理可能なコンピュータを含む汎用のＳＥＭ装置を用いて上述した欠陥検査方法を実現することができる。また、上述した欠陥検査方法の一連の手順をＳＥＭ装置のコンピュータに実行させるプログラムとしてフレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体に収納し、ＳＥＭ装置のコンピュータに読込ませて実行させても良い。

記録媒体は、磁気ディスクや光ディスク等の携帯可能なものに限定されず、ハードディスク装置やメモリなどの固定型の記録媒体でも良い。また、上述した欠陥検査方法の一連の手順を組込んだプログラムをインターネット等の通信回線（無線通信を含む）を介して頒布しても良い。さらに、上述した欠陥検査方法の一連の手順を組込んだプログラムを暗号化したり、変調をかけたり、圧縮した状態で、インターネット等の有線回線や無線回線を介して、または記録媒体に収納して頒布しても良い。

（４）半導体装置の製造方法
上述した欠陥検査方法を用いて半導体装置を製造することにより、高いスループットおよび歩留まりで半導体装置を製造することが可能になる。

以上、本発明の実施のいくつか形態について説明したが、本発明は上記形態に限ることなく、その技術的範囲内で種々変形して適用することができる。例えば、上述した実施形態では、撮像エリアを４×４の領域に分割したが、分割数はこれに限ることなく求められる精度に応じて任意の数を設定することができる。また、上記実施形態では、荷電ビームとして電子ビームを用いる場合について説明したが、これに限ることなく、例えばイオンビームを用いる欠陥検査装置にも適用可能である。

本発明にかかる欠陥検査装置の実施の一形態の概略構成を示すブロック図である。 図１に示す欠陥検査装置を用いた欠陥検査方法の一例の概略手順を示すフローチャートである。 図２に示す欠陥検査方法の説明図である。 図２に示す欠陥検査方法の説明図である。 図２に示す欠陥検査方法の説明図である。 加算処理によりレビュー像を得る場合のノイズ電子の影響を示す模式図である。 図１に示す欠陥検査装置を用いた欠陥検査方法の他の例の概略手順を示すフローチャートである。 図７に示す欠陥検査方法の説明図である。 図７に示す欠陥検査方法の説明図である。 図７に示す欠陥検査方法の説明図である。

符号の説明

２ 一次コラム
４ ステージチャンバ
６ 二次コラム
１２ 陰極
１４ ウエーネルト電極
１６ ビーム軸調整用偏向器
１８ 四極子レンズ
２２ 一次ビーム偏向器
３０ ウィーンフィルタ
４０ ステージ
５４ 対物レンズ
５６ 第１投影レンズ
５８ 第２投影レンズ
６２ 二次ビーム偏向器
６４ 制御部
７２ ＭＣＰ検出器
７４ 蛍光面
７６ ＴＤＩセンサ
７８ 画像処理部
８０ ホストコンピュータ
ＡＰ アパーチャ
ＡＲ 照明エリア
ＣＳ１ 照明ビーム
ＦＲ１〜ＦＲＮ フレーム
ＦＲＭ１，ＦＲＭ２ マスキング処理後画像
ＭＫ１，ＭＫ２，ＭＫｒ１ マスク画像
Ｉｍｎ ノイズ像
Ｉｍｒｖ 合成像（レビュー像）
Ｐ１〜Ｐ３ 真空ポンプ
ＰＢ 一次ビーム
ＰＢ 撮像対象パターン
ＳＢ 二次ビーム
Ｗ ウェーハ

Claims (5)

1. 荷電ビームを出射して一次ビームとして試料に照射する荷電ビーム出射手段と、
   前記一次ビームの照射により前記試料から発生する二次荷電粒子、反射荷電粒子および後方散乱荷電粒子の少なくともいずれかの照射を受ける受光面を有する撮像素子を含み、前記試料の表面の状態を表す信号を出力する撮像手段と、
   前記二次荷電粒子、前記反射荷電粒子および前記後方散乱荷電粒子の少なくともいずれかを二次ビームとして写像投影し、前記撮像素子の前記受光面に結像させる写像投影手段と、
   レビューの対象となる撮像領域のサイズよりも小さなサイズで前記試料に照射するように前記一次ビームのビーム径を調整して前記撮像領域を走査し、前記撮像手段に複数のフレーム像を撮像させる制御手段と、
   得られた複数の前記フレーム画像を処理してレビュー像を作成する画像処理手段と、
   前記レビュー像に基づいて前記試料の欠陥を判定する欠陥判定手段と、
   を備える欠陥検査装置。
2. 前記画像処理手段は、各フレーム画像に応じた非マスク領域をそれぞれ有する複数のマスク画像を予め作成し、
   前記レビュー像は、相互に対応する前記フレーム画像および前記マスク画像同士でそれぞれ論理積を取ることにより得られた複数の画像を合成することにより作成されることを特徴とする請求項１に記載の欠陥検査装置。
3. 前記一次ビームのビーム径は、前記非マスク領域のサイズよりも大きいサイズで前記一次ビームが前記試料に照射するように調整される、ことを特徴とする請求項２に記載の欠陥検査装置。
4. 前記制御手段は、前記撮像素子のフレームレートに同期して前記撮像領域が前記一次ビームで走査されるようにステップ状の走査信号を生成して前記電子ビーム出射手段に供給する、ことを特徴とする請求項２または３に記載の欠陥検査装置。
5. 前記ステップ状の走査信号は、前記撮像領域が前記一次ビームにより不規則な順序で走査されるように生成されることを特徴とする請求項４に記載の欠陥検査装置。