JP2006003129A - 試料の検査装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体デバイスの製造工程における半導体素子等の試料の検査を行うために好適な装置および方法であって、構造が簡単で廉価で操作性が良好な試料の検査装置および方法を提供する。
【解決手段】 試料室２内に配置された試料１表面に電荷を与える電荷供給装置３と、試料１表面にガスを供給するガス供給装置４と、前記ガスが試料１表面に接触し試料１表面の電荷がガスに転化することにより生成されたイオンを加速する静電レンズ５と、加速され結像したイオンを撮像する検出器７とを備えた。
【選択図】 図１

Description

本発明は試料の検査装置および方法に係り、特に半導体デバイスの製造工程における半導体素子等の試料の検査に好適な検査装置および方法に関するものである。

半導体デバイスは、種々のプロセスを経て製造される。一般に、半導体ウエハ等の基板からスタートし、そこに膜形成、リソグラフィによるマスクパターンの形成、エッチング、それに引き続く熱処理等を反復することにより、複雑なデバイス構造が形成される。

半導体デバイスの製造工程において、プロセスとプロセスの間に、半導体ウエハの欠陥等を検査するための検査工程を設けている。そして、これらの検査は専用の検査装置により行っている。これらの検査装置の多くは、荷電粒子線や、ＵＶ光、Ｘ線などを一次ビームとして被検査体に照射し、そこから発生する二次粒子等の二次ビームを利用している。例えば、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）においては、電子銃から放出された電子ビーム（一次ビーム）を電子レンズで縮小して、半導体ウエハ面上に微小な電子ブローブを結像させ、半導体ウエハ面から放出された二次電子（二次ビーム）を二次電子検出器により検出してＳＥＭ像を得るようにしている。このように、検査装置の多くは、一次ビームと二次ビームとを利用しているため、光学系も一次ビーム用と二次ビーム用とが必要になり、装置が複雑で且つ高価なものになってしまう。

米国特許第６，３６５，８９７号明細書 米国特許第６，５５５，８１５号明細書

上述したように、半導体デバイスの製造工程で用いられる欠陥検査装置においては、一次ビームと二次ビームとを利用しているため、光学系も一次ビーム用と二次ビーム用とが必要になり、その構造が余りに複雑で、高価であり、操作性もあまり良くない、という問題点がある。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、半導体デバイスの製造工程における半導体素子等の試料の検査を行うために好適な装置および方法であって、構造が簡単で廉価で操作性が良好な試料の検査装置および方法を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明の試料の検査装置は、試料室内に配置された試料表面に電荷を与える電荷供給装置と、試料表面にガスを供給するガス供給装置と、前記ガスが試料表面に接触し試料表面の電荷がガスに転化することにより生成されたイオンを加速する静電レンズと、加速され結像したイオンを撮像する検出器とを備えたことを特徴とするものである。

本発明の試料の検査装置の一態様において、前記電荷供給装置は、熱電子を発生させることを特徴とする。
本発明の試料の検査装置の一態様において、前記電荷供給装置は、電磁波を発生させることを特徴とする。

また、本発明の試料の検査方法は、試料室内に配置された試料表面に電荷を与え、試料表面にガスを供給し、前記ガスが試料表面に接触し試料表面の電荷がガスに転化することにより生成されたイオンを加速し、加速され結像したイオンを検出器により撮像することを特徴とするものである。

本発明の試料の検査方法の一態様において、前記試料表面に与えられる電荷は、電子により与えられることを特徴とする。
本発明の試料の検査方法の一態様において、前記試料表面に与えられる電荷は、電磁波により与えられることを特徴とする。

上述した本発明に係る試料の検査装置および方法においては、半導体ウエハ等の試料上に供給されたガスが帯電した試料表面で電荷を受け取り、イオンになる。このイオンは、加速され結像される。そして、結像したイオンはＣＣＤ等の検出器により撮像される。イオンの加速は、静電レンズにより行われる。加速されたイオンを検出器に導くための電気光学系は四極子レンズを含んでおり、加速されたイオンは、複数の静電レンズによって検出器上に結像されることが好ましい。また、半導体ウエハ等の試料から発生されるイオンの検出器は、ＭＣＰ（マルチチャンネルプレート）とＴＤＩ−ＣＣＤ（後述する）を備えていてもよい。さらに、イオンの検出器は、上記ＭＣＰとＴＤＩ−ＣＣＤの他に、蛍光板をＭＣＰとＴＤＩ−ＣＣＤの間に備えていてもよい。

本発明によれば、半導体デバイスの製造工程において半導体素子等の試料の欠陥検査を、構造が簡単で廉価で操作性が良好な検査装置により行うことができる。

以下、本発明に係る検査装置の実施形態として、欠陥検査装置を図１乃至図６を参照して説明する。
図１および図２は、本発明の第１の実施形態に係る欠陥検査装置を示す図であり、図１は欠陥検査装置の全体構成を示す概略図であり、図２は欠陥検査装置の要部を示す概略図である。

本発明の欠陥検査装置は、半導体ウエハ等の試料を配置する試料室２と、試料室２内に配置された試料の表面に電荷を与える電荷供給装置３と、試料の表面にガスを供給するガス供給装置４と、試料の表面の電荷とガスとの接触により発生したイオンを加速する静電レンズ５と、静電レンズ５により加速されたイオンをさらに加速して集束させる二次電気光学系６と、集束したイオンを受けて画像を形成する検出器７とから構成されている。試料室２内には、半導体ウエハ等の試料を保持するホルダ１１が配置されており、ホルダ１１はＸ−Ｙ方向の少なくとも一方向に動くことができるステージ１２に固定されている。なお、以下の説明においては、被検査体である試料を半導体ウエハ１として説明する。

前記ステージ１２は防振台を備えた防振構造により支持されている。この防振構造は、オイルダンパ、防振ゴム、空気ばね等の振動吸収材を備えた構造のものでもよいし、電磁気力により防振台を非接触で支持する非接触型軸受を備えた構造のものでもよい。

電荷供給装置３は、熱電子放出型またはショットキー型の電子銃等の電子シャワーから構成されており、電子ビームを放出して、半導体ウエハ１の表面に電荷を与えるようになっている。

ガス供給装置４は、半導体ウエハ１の表面の近傍まで延びるガス供給ノズルから構成されており、このガス供給ノズルは、ガス供給源（図示せず）に接続されている。電荷供給装置３は、ガス供給装置４によりガスが供給される範囲と同等の範囲に電荷を供給するように配置されている。電荷供給装置３から供給される電子の量は、供給されるガスによって奪われる電荷の量とバランスし、半導体ウエハの帯電によって生じる電位が常に一定であり、その電位が半導体ウエハ上の素子を破壊しない程度になるように制御される。

静電レンズ５は、アパーチャー（開口）５ａを兼ねる電極から構成されている。このアパーチャー（開口）５ａの開口面積及び形状は検出器７を構成するＴＤＩ−ＣＣＤ（後述する）またはＣＣＤの画素に相当する領域になるように設定されている。そして、前記ガス供給ノズルからなるガス供給装置４から供給されるガスの供給領域は、イオン化したガスを加速する電極のアパーチャー（開口）５ａの開口面積とその形状によって定められ、このアパーチャー（開口）５ａの開口面積および形状と同じ、若しくはそれより広い範囲に均一にガスを供給するように設定されている。

二次電気光学系６は、複数枚の同軸上に配置された開口部を持つ電極、もしくは同軸上に配置された複数の電極群からなる電気的レンズから構成されている。そして、この電気的レンズは上下方向に複数段に配置されている。電気的レンズは、検査対象である半導体ウエハの表面情報を持つイオンを画像情報として拡大し、かつ半導体ウエハ上の位置情報および前記表面情報を失わないように、写像情報として、イオンを検出器７上に結像するように導くよう構成されている。

検出器７は、ＭＣＰ（マルチチャンネルプレート）と蛍光板とＴＤＩ−ＣＣＤとから構成されている。ここで、ＴＤＩとは、Time Delay and Integrationを云い、入射する光像がデバイス上を一定速度で移動する場合に、その動きに信号電荷の転送速度を同期させ、信号の蓄積と転送を同時に行うことを云う。検出器７においては、ＭＣＰでイオンは電子に変換され増倍される。ＭＣＰで増倍された電子は、蛍光板にて光に変換され、この光信号がＴＤＩ−ＣＣＤに取り込まれ画像信号として出力される。なお、ＭＣＰで増倍された電子は、蛍光板を介さずに直接ＥＢ−ＣＣＤに導入され画像信号に変換されてもよい。ここで、ＥＢ−ＣＣＤとは、Electron Bombardment CCDを云い、入射したフォトン（光子）を光電面で電子に変換し、その電子を数ｋＶの印加電圧で加速し、背面照射型ＣＣＤに衝突させ、その衝突エネルギーによって電子を倍増させるＣＣＤを云う。

また、本発明の欠陥検査装置においては、ガス供給装置４から供給されたガスが電子シャワーからなる電荷供給装置３から直接に電荷をもらわないように、半導体ウエハの付近の真空度は、電荷供給装置３と半導体ウエハ１間の距離より電子の平均自由行程の方が十分に長くなるように制御される。また、半導体ウエハ１とガス供給装置４、半導体ウエハ１と静電レンズ５、および半導体ウエハ１と電荷供給装置３のそれぞれの間で放電を起こさないように、ガス供給装置４から供給されるガス量を調整して半導体ウエハ１とガス供給装置４間および半導体ウエハ１と電荷供給装置３間の真空度（圧力）が制御される。

このガス量の調整および半導体ウエハ１とガス供給装置４間および半導体ウエハ１と電荷供給装置３間の真空度（圧力）の制御を実現するために、図２に示すように、半導体ウエハ１とガス供給装置４と電荷供給装置３の空間はそれぞれ差動排気構造がなされている。真空度（圧力）とガス量の調整、および半導体ウエハ１とガス供給装置４間および半導体ウエハ１と電荷供給装置３間の距離との関係は、パッシェンの法則にしたがってそのパラメータ（各間距離と電圧の積）が定められる。

この差動排気構造によって、イオン化したガスを引き出して検出器７に導く鏡筒（二次電気光学系）は、十分な真空度（圧力）を保つことができる。ここで鏡筒（二次電気光学系）に必要な真空度は１０^−４（Ｐａ）以下であり、好ましくは１０^−５（Ｐａ）であり、より好ましくは１０^−６（Ｐａ）以下である。

なお、試料室２に隣接し、検査前の半導体ウエハ１をステージ１２に搬入し、また検査後の半導体ウエハ１をステージ１２から搬出するための予備環境室２０が設置されている（後述する）。

上述した構成の欠陥検査装置においては、電荷供給装置３から半導体ウエハ１の表面に電荷が与えられると、ガス供給装置４から供給されたガスは、電荷供給装置３からは電荷を受けずに、半導体ウエハ上に帯電した電荷と接触することによりイオン化する。イオン化したガスは、アパーチャー５ａを兼ねる電極からなる静電レンズ５によって所定の運動エネルギーまで加速され、二次電気光学系６に導かれる。

二次電気光学系６には、イオンの運動エネルギーを均一にするためのバンドパスフィルターが設けられ、像の歪み、ボケ、感度を調整する。静電レンズ５により加速されたイオンは、二次電気光学系６の電気的レンズを経由して半導体ウエハ上の情報を持って、検出器７上に結像する。なお、符号１６はイオンの軌道を示す。

検出器７とステージ１２とは、同期装置１４により連動するように構成されており、半導体ウエハを保持するステージ１２は、ＴＤＩ−ＣＣＤからのタイミング信号に応じて連続的に動くことが可能になっている。また、ＴＤＩ−ＣＣＤではなく、ＣＣＤで信号を受ける場合には、ステージ１２は連続的な動きではなく、移動停止を繰り返すことも可能である。

検出器７によって得られた電気的画像情報は、記憶装置１５に記憶される。この記憶装置１５は、ＴＤＩ−ＣＣＤを制御するための制御部に含まれており、ＴＤＩ−ＣＣＤの制御タイミングと記憶タイミングとの同期がとられる。画像信号は、検出器７から画像処理装置（図示せず）に入力され、そこで信号処理がなされ欠陥個所の特定と、欠陥の種類を判別し、観測者に知らせると同時に記憶媒体に記憶させる。

図３は、本発明の第２の実施形態に係る欠陥検査装置を示す概略図である。第２の実施形態の欠陥検査装置においては、半導体ウエハ１に電荷を供給する電荷供給装置３としてＵＶ光を用いている。すなわち、電荷供給装置３は、図１における電子シャワーの代わりにＵＶ光用の光ファイバー３ａとＵＶ光源３ｂとから構成されており、半導体ウエハ近傍にＵＶ光を直接照射することにより半導体ウエハ１に電荷を与えている。

ＵＶ光源３ｂは、ＵＶ光の波長を約３８０ｎｍ〜約１０ｎｍまで可変であり、半導体ウエハ上に形成された半導体素子に照射するＵＶ光の波長を連続的もしくは段階的に変化させることができるようになっている。なお、ＵＶ光源３ｂは、ＵＶ光の波長を所望の波長に固定して半導体ウエハ上に形成された半導体素子に照射することもできる。

このようにＵＶ光の波長を変化させることにより、半導体ウエハ上に形成された半導体素子の物性の差に応じた電荷の与え方ができ、物性の違いに応じた半導体素子の欠陥検査を行うことができる。ここで、物性の違いとは、金属（アルミニウム、銅、金等）、半導体（Ｎ型、Ｐ型、ＧａＡｓ、窒化珪素等）、絶縁物（酸化珪素、酸化アルミ等）のことであり、それぞれの物性に応じた、電荷を与えるのに最適なＵＶ光の波長を選択できる機能を有していることを示す。

図４は、本発明の第３の実施形態に係る欠陥検査装置を示す概略図である。図４においては、電荷供給装置３、差動排気部、イオン引き出し部の詳細を示している。第３の実施形態では、電子シャワーからなる電荷供給装置３は、イオン引き出し電極兼アパーチャーからなる静電レンズ５やガス供給ノズルからなるガス供給装置４の中心線よりずれた位置に配置されている。また電荷供給装置３はステージの移動方向の上流側に設けてあり、ガスが供給されるより早く、予め早めに電子が半導体ウエハに供給されるように配置されている。ステージ１２がＸ方向，Ｙ方向の両方向に動く場合は、それぞれの方向に電荷供給装置３があってもよい。

ステージ１２のＸ方向，Ｙ方向の動きは、ＴＤＩ−ＣＣＤからの制御信号に同期して連続的または移動停止の繰り返し運動を行うことができる。また、ステージ１２のＸ方向，Ｙ方向の移動速度ｖ_ｘ，ｖ_ｙは、電子シャワーの位置からガス供給ノズルの中心の位置までの距離ｄと電子シャワーから供給される電子の量Ｉ₀と実際に画像を得るために必要な半導体ウエハ上に蓄積させる電荷の量Ｑによって定められる。
ここで、Ｑ＝ｄ・Ｉ₀／ｖ_ｘ
Ｑ＝ｄ・Ｉ₀／ｖ_ｙ
であるから、
ｖ_ｘ＝ｖ_ｙ＝ｄ・Ｉ₀／Ｑ
で求められる。

また、電子シャワーの代わりに、電子シャワーと同じ位置にＵＶ光用光ファイバーを設置し、ＵＶ光によって半導体ウエハに予め早めに電子を供給させることも可能である。

電子シャワーまたはＵＶ光用光ファイバーからなる電荷供給装置３によって電荷を与えられた半導体ウエハ１は、速度ｖ_ｘまたはｖ_ｙで移動する。半導体ウエハ１に与えられた電荷は、ガス供給装置４から供給されたガスに転化され、ガスはイオン化する。イオン化したガスは、アパーチャーを兼ねる電極からなる静電レンズ５によって所定の運動エネルギーまで加速され、二次電気光学系６に導かれる。加速されたイオンは、二次電気光学系６の電気的レンズを経由して検出器７上に結像する。二次電気光学系６および検出器７の構成は、図１及び図２に示す第１の実施形態において説明したものと同様である。

図５は、第１の実施形態および第２の実施形態において、検査前の半導体ウエハをステージ１２に搬入し、また検査後の半導体ウエハをステージ１２から搬出する予備環境室２０の詳細構造を示す概略図である。
予備環境室２０は、予備環境室２０の環境が試料室２の環境に一致したとき、予備環境室２０から検査前の半導体ウエハ１をホルダ１１とともに試料室２内に搬入することができるようになっている。

具体的には、防振構造により支持されたステージ１２のある環境（試料室２内の環境）と予備環境室２０はゲート弁２１にて仕切られている。予備環境室２０は、検査を受けるために、ウエハカセット２２等に収納されて搬送されてきた半導体ウエハ１を予備環境室２０に導入するための別のゲート弁もしくはフランジ２３を有している。ここで、防振構造を備えたステージ１２のある環境（試料室２内の環境）はほぼ同一の環境（真空度）に保たれている。

半導体製造プロセスにおいて、次工程に搬送される前に検査を受ける半導体ウエハ１は次工程に搬送するための環境で保持されているので、先ず予備環境室２０はこの次工程に搬送するための環境になるようにガス供給装置（図示せず）および真空排気装置２５によって制御される。真空排気装置２５は、ターボ分子ポンプ２５ａとドライルーツポンプ２５ｂにより構成されている。

次工程に搬送するための環境と予簿環境室２０の環境（真空度）が同じになったら、半導体ウエハ１を予備環境室２０へ導入するための別のゲート弁もしくはフランジ２３を開き、半導体ウエハ１を予備環境室２０内に導入し、前記真空排気装置２５およびガス供給装置を制御し、試料室２内の環境と同じ環境（真空度）にする。

その後、試料室２内の環境と予備環境室２０とを仕切っているゲート弁２１を開き、検査前の半導体ウエハ１をステージ１２上へと搬入する。検査前の半導体ウエハ１をステージ１２へ搬入し終えると、ゲート弁２１を閉じ、ステージ１２のある環境を検査に適した環境にし、検査を開始する。

検査が終了した半導体ウエハ１をステージ１２から搬出し、半導体ウエハ１を次工程に搬送する場合には、搬入時と逆の動作をすればよい。ここで、真空排気装置２５は、前述したように、ターボ分子ポンプ２５ａとドライルーツポンプ２５ｂの組み合わせが好ましいが、ドライルーツポンプの替わりにオイルミストトラップもしくはモレキュラーシーブ付きのロータリーポンプであっても良い。

図６は、第１の実施形態および第２の実施形態において、検査前の半導体ウエハの搬入と検査後の半導体ウエハの搬出とを同時に行えるように、試料室に隣接して予備環境室を２つ有している場合の構造を示す概略図である。
すなわち、図６に示す装置においては、試料室２の左右を挟むように２つの予備環境室２０，２０が配置されている。各予備環境室２０は、試料室２内の環境と同一になるようにガス供給装置（図示せず）および真空排気装置２５によって制御される。各予備環境室２０と試料室２との間には、ゲート弁２１が設けられている。図６に示す構成により、検査前の半導体ウエハ１を右側の予備環境室２０から試料室２内に搬入し、検査後の半導体ウエハ１を試料室２から左側の予備環境室２０に搬出することができるようになっている。

図１乃至図６を参照して本発明の実施形態について欠陥検査装置を例に挙げて説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されず、試料の欠陥に限らず、イオンを用いて試料の表面を検査する装置であればよく、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは言うまでもない。

本発明の第１の実施形態に係る欠陥検査装置の全体構成を示す概略図である。 本発明の第１の実施形態に係る欠陥検査装置の要部を示す概略図である。 本発明の第２の実施形態に係る欠陥検査装置を示す概略図である。 本発明の第３の実施形態に係る欠陥検査装置を示す概略図である。 第１の実施形態および第２の実施形態において、検査前の半導体ウエハをステージ１２に搬入し、また検査後の半導体ウエハをステージ１２から搬出する予備環境室の詳細構造を示す概略図である。 第１の実施形態および第２の実施形態において、検査前の半導体ウエハの搬入と検査後の半導体ウエハの搬出とを同時に行えるように、試料室に隣接して予備環境室を２つ有している場合の構造を示す概略図である。

符号の説明

１ 半導体ウエハ
２ 試料室
３ 電荷供給装置
３ａ 光ファイバー
３ｂ ＵＶ光源
４ ガス供給装置
５ 静電レンズ
５ａ アパーチャー（開口）
６ 二次電気光学系
７ 検出器
１１ ホルダ
１２ ステージ
１４ 同期装置
１５ 記憶装置
２０ 予備環境室
２１ ゲート弁
２２ ウエハカセット
２３ フランジ
２５ 真空排気装置
２５ａ ターボ分子ポンプ
２５ｂ ドライルーツポンプ

Claims (6)

1. 試料室内に配置された試料表面に電荷を与える電荷供給装置と、
   試料表面にガスを供給するガス供給装置と、
   前記ガスが試料表面に接触し試料表面の電荷がガスに転化することにより生成されたイオンを加速する静電レンズと、
   加速され結像したイオンを撮像する検出器とを備えたことを特徴とする試料の検査装置。
2. 前記電荷供給装置は、熱電子を発生させることを特徴とする請求項１記載の試料の検査装置。
3. 前記電荷供給装置は、電磁波を発生させることを特徴とする請求項１記載の試料の検査装置。
4. 試料室内に配置された試料表面に電荷を与え、
   試料表面にガスを供給し、
   前記ガスが試料表面に接触し試料表面の電荷がガスに転化することにより生成されたイオンを加速し、
   加速され結像したイオンを検出器により撮像することを特徴とする試料の検査方法。
5. 前記試料表面に与えられる電荷は、電子により与えられることを特徴とする請求項４記載の試料の検査方法。
6. 前記試料表面に与えられる電荷は、電磁波により与えられることを特徴とする請求項４記載の試料の検査方法。

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