JP2006349691A - 基板検査装置、基板検査方法および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】歪が無くコントラストに優れた検出画像を取得する。
【解決手段】電子ビームを生成して基板Ｓに一次ビームＢｐとして照射させる一次光学系１０と、一次ビームＢｐの照射を受けて基板Ｓから発生する二次電子等を検出し、基板Ｓの表面の一次元または二次元像となる信号を出力する電子検出部３０と、基板Ｓから発生する二次電子等を二次ビーム１８ｓとして電子検出部３０に像結像させる二次光学系２０とを備える基板検査システム１において、レーザ光Ｌを生成し、基板Ｓの表面の二次ビーム１８ｓが発生する箇所に照射させるレーザ光照射装置７０をさらに設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板検査装置、基板検査方法および半導体装置の製造方法に関し、例えば電子ビームを用いた半導体パターン等の観察または検査を対象とする。

半導体パターンの欠陥等を検査するために、電子ビームを用いた検査が近年行なわれており、例えば矩形状の電子ビームを電子ビーム照射手段にて生成して一次ビームとして試料に照射し、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の少なくともいずれかで構成される二次ビームを写像投影光学手段にて電子検出部に拡大投影し、試料表面画像を得る手法が開発されている（例えば特許文献１）。さらに、この手法に加えて一次ビームを電子ビーム偏向手段であるウィーンフィルタにて偏向させ、試料表面に対して垂直に入射させ、なおかつ二次ビームを同一のウィーンフィルタ内を直進させて写像光学投影手段に導入する方法も提案されている（例えば特許文献２）。

特開平７−２４９３９公報 特開平１１−１３２９７５号公報

しかしながら、例えば特許文献２に開示された検査工程においては、試料に一次ビームを照射すると、試料表面または表面近傍層の形状、材質によって、試料表面の帯電状況に局所的に差が生じ、その結果電位に局所的な差が発生することにより装置の検査特性が劣化する、という問題があった。この点を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、その重複説明を適宜省略する。

図１５に示すように、試料Ｓの表面に、互いに電位が異なる部分２０２と２０４とが存在する場合、部分２０２と部分２０４との境界面Ｃ１，Ｃ２近傍の上方領域Ｒ_Ｄ１，Ｒ_Ｄ２では、試料Ｓの表面に対して平行でない電位勾配が発生する。これらの電位勾配は、境界Ｃ１，Ｃ２の付近から放出した二次ビームが検査装置の二次光学系で制御されて検出器の検出面に結像する際に、二次ビームに対して不本意な偏向作用を及ぼし、適切な結像を妨げてしまい、検出画像の歪やコントラスト低下の原因となっていた。このような現象は、ＬＳＩ（Large Scale Integrated circuit）配線パターンの検査において特に顕著に現われる。ＬＳＩ配線においては、図１５に示す部分２０２がＳｉＯ_２などの絶縁体に相当し、部分２０４がタングステン（Ｗ）などの導体に相当し、電子ビームの照射時に絶縁体が帯電することにより導体部分との電位差が大きくなるからである。

このような局所的な電位差は、異なる材料間の境界面が互いに近接している場合に限られるものではない。例えば図１６に示すように、集積回路ウェーハの試料Ｓ上に金属配線部分２１２と配線間絶縁体部２１４が存在する場合でも、絶縁体部２１４の全二次電子放出比σが１以上になる入射エネルギーで一次ビームを照射すると、絶縁体部２１４の表面が正に帯電する。このような入射エネルギーは、例えば絶縁体部２１４の材質がＳｉＯ_２であれば、約５０〜約１ｋｅＶである。このとき、金属配線部２１２と絶縁体部２１４との境界２１６の近傍に、試料Ｓの表面に対して平行でない局所的な電位勾配が発生する。この電位勾配は、境界２１６付近の金属配線部内の点Ｐ２と絶縁体部内の点Ｐ４から放出した二次ビームの軌道が装置の二次光学系で制御されて検出器の検出面に結像する際に不本意な偏向作用として機能し、電子ビーム軌道ＴＪ_ＩＰ２やＴＪ_ＩＰ４のような正確な写像投影を行うための理想的な軌道から外れて、電子ビーム軌道ＴＪ_ＲＰ２やＴＪ_ＲＰ４のような曲がった軌道になる。その結果、二次ビームの適切な結像が妨げられ、二次ビームからの検出画像の歪やコントラスト低下の原因となっていた。

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、歪が無くコントラストに優れた検出画像の取得を実現する基板検査装置および基板検査方法、並びにこの基板検査方法を用いた半導体装置の製造方法を提供することにある。

以上詳述したとおり、本発明は、以下の効果を奏する。

即ち、本発明によれば、試料表面において局所的な電位差が生じる境界での歪やコントラスト低下を抑制した検査画像が得られるので、検査の精度をより一層向上させることが可能になる。

また、本発明によれば、高精度の検査画像が得られる基板検査方法を用いるので、より高い歩留まりで半導体装置を製造することができる。

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、
電子ビームを生成し、検査対象である基板に一次ビームとして照射させる電子ビーム照射手段と、
上記電子ビームの照射を受けて上記基板から発生した二次電子、反射電子および後方散乱電子の少なくとも一つを検出し、上記基板表面の一次元像または二次元像となる信号を出力する電子ビーム検出手段と、
上記二次電子、上記反射電子および上記後方散乱電子の少なくとも一つを二次ビームとして上記電子ビーム検出手段に像結像させる写像投影光学手段と、
電磁波を生成し、上記基板表面の上記二次ビームが発生する箇所に上記電磁波を照射させる電磁波照射手段と、
を備える基板検査装置が提供される。

また、本発明によれば、
電子ビームを生成し、表面に形成された絶縁体を有する検査対象である基板に上記絶縁体が負帯電する条件で照射させる電子ビーム照射手段と、
上記電子ビームの照射を受けて上記基板から発生した二次電子、反射電子および後方散乱電子の少なくとも一つを検出し、上記基板表面の一次元像または二次元像となる信号を出力する電子ビーム検出手段と、
上記二次電子、上記反射電子および上記後方散乱電子の少なくとも一つを上記電子ビーム検出手段に像結像させる写像投影光学手段と、
を備える基板検査装置が提供される。

また、本発明によれば、
電子ビームを生成し、検査対象である基板に一次ビームとして照射する工程と、
上記電子ビームの照射を受けて上記基板から発生した二次電子、反射電子および後方散乱電子の少なくとも一つを二次ビームとして投影して像結像させる工程と、
上記像結像した上記二次ビームを検出し、上記基板表面の一次元像または二次元像となる信号を出力する工程と、
電磁波を生成し、上記基板表面の上記二次ビームが発生する箇所に上記電磁波を照射させる工程と、
を備える基板検査方法が提供される。

また、本発明によれば、
電子ビームを生成し、表面に形成された絶縁体を有する検査対象である基板に上記絶縁体が負帯電する条件で照射させる電子ビーム照射工程と、
上記電子ビームの照射を受けて上記基板から発生した二次電子、反射電子および後方散乱電子の少なくとも一つを二次ビームとして投影して像結像させる工程と、
上記像結像した上記二次ビームを検出し、上記基板表面の一次元像または二次元像となる信号を出力する工程と、
を備える基板検査方法が提供される。

さらに、本発明によれば、
上述した基板検査方法を用いる半導体装置の製造方法が提供される。

以下、本発明の実施の形態のいくつかについて図面を参照しながら説明する。

（１）基板検査装置の第１の実施の形態
図１は、本発明にかかる基板検査装置の第１の実施の形態の概略構成を示すブロック図である。同図に示す基板検査装置１は、一次光学系１０、ウィーンフイルタ４１、二次光学系２０、電子検出部３０、画像信号処理部５８、ホストコンピュータ６０、表示部６２、ステージ４３、ステージ駆動装置４７、各種制御部１６，１７，および５１〜５７、並びに本実施形態において特徴的なレーザ光照射装置７２およびその電源７４を備える。

一次光学系１０は、電子銃部１１と複数段の四極子レンズ系１５とを含む。電子銃部１１は、長軸１００〜７００μｍ、短軸１５μｍの矩形の電子放出面をもつＬａＢ_６線状陰極１１２、ウェーネルト電極１１４、電子ビーム引き出しを行う陽極１１６、光軸調整用の偏向器１１８を有する。一次ビームＢｐの加速電圧、出射電流および光軸は、電子銃制御部１６により制御される。電子銃制御部１６は、ホストコンピュータ６０に接続されてその制御信号の供給を受ける。複数段の四極子レンズ１５は、複数段四極子レンズ制御部１７により制御され、線状陰極１１２から放出した一次ビームＢｐを収束し、ウィーンフィルタ４１に対して斜めから入射するようにその軌道を制御する。複数段四極子レンズ制御部１７もホストコンピュータ６０に接続されてその制御信号の供給を受ける。

ウィーンフイルタ４１は、ウィーンフイルタ制御部５３を介してホストコンピュータ一６０からの制御信号を受け、一次光学系１０から入射した一次ビームＢｐを偏向し、試料Ｓの表面に対してほぼ垂直に入射させる。ウィーンフイルタ４１を通過した一次ビームＢｐは、回転対称静電レンズであるカソードレンズ２１によるレンズ作用を受け、試料Ｓの表面に垂直に照射する。

試料Ｓは、ステージ４３に設置され、このステージ４３を介してステージ電圧制御部５１により負電圧が印加できるようになっている。この機構は、一次ビームＢｐによる試料Ｓへの入射ダメージを低減し、一次ビームＢｐの照射によって、試料Ｓ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で構成される二次ビームＢｓのエネルギー向上を目的としたものである。ステージ４３は、ステージ駆動装置４７から制御信号の供給を受け、本実施形態において例えば図１の矢印に示す方向Ｄｓｓに移動し、これにより試料Ｓの表面が一次ビームＢｐで走査される。

図２にウィーンフィルタ４１のより具体的な構成を示し、その作動原理を図３におよび図４に示す。図２に示すように、ウィーンフィルタ４１の場は、二次光学系の光軸（Ｚ軸）に垂直な平面（Ｘ−Ｙ平面）内で電界Ｅと磁界Ｂとを直交させた構造になっており、入射した電子ビームＢｐに対して、ウィーン条件ｑＥ＝ｖＢ（ｑは粒子電荷、ｖは直進する電子の速度）を満たす電子のみを直進させる働きをする。基板検査装置１では、図３に示すように、一次ビームＢｐに対して磁界による力ＦＢと電界による力ＦＥが同一方向に作用して、一次ビームＢｐが試料Ｓに対して垂直に入射するように偏向される。この一方、二次ビームＢｓに対しては、図４に示すように、ＦＢとＦＥが逆方向に作用し、なおかつウィーン条件ＦＢ＝ＦＥが成立しているため、二次ビームＢｓは偏向されることなく直進して２次光学系２０内に入射する。

図１に戻り、二次光学系２０は、回転対称静電レンズであるカソードレンズ２１、第二レンズ２２、第三レンズ２３、第四レンズ２４と、ウィーンフィルタ４１とカソードレンズ２１との間の二次光学系の光軸Ａｓに垂直な平面９内に配置された開き角絞り２５、第二レンズ２２と第三レンズ２３間に設置された視野絞り２６とを含む。カソードレンズ２１、第二レンズ２２、第三レンズ２３および第四レンズ２４は、カソードレンズ制御部５２、第二レンズ制御部５４、第三レンズ制御部５５、第四レンズ制御部５６によってそれぞれ制御され、二次ビームＢｓの投影結像を行う。これらのカソードレンズ制御部５２、第二レンズ制御部５４、第三レンズ制御部５５および第四レンズ制御部５６は、それぞれホストコンピュータ６０に接続されて各種の制御信号の供給を受ける。図１に示す装置構成では、二次ビームＢｓの倍率色収差を抑えるために水平面９の位置に開き角絞り２５を配置し、これにより、二次ビームＢｓをカソードレンズ２１と第二レンズ２２との組み合わせで１回の結像を行うようにしている。また、この構成では、一次ビームＢｓの試料Ｓ上への照射領域が開き角絞り２５によって制限されてしまうため、その解決策として、開き角絞り２５から試料Ｓまでの空間において一次ビームＢｐが開き角絞り２５上に焦点を持つように一次ビームＢｐの軌道を制御し、カソードレンズ２１によってレンズ作用を与えた上で試料Ｓに対してほぼ垂直に照射させるというケーラー照明系を採用している。

電子検出部３０は、ＭＣＰ（Micro Channel Plate）検出器３１、蛍光板３２、ライトガイド３３、および、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）等の撮像素子３４を含む。ＭＣＰ検出器３１に入射した二次ビームＢｓは、ＭＣＰによって増幅されて蛍光板３２に照射する。撮像素子３４は、蛍光板３２で発生した蛍光像をライトガイド３３を介して検出し、検出信号を画像信号処理部５８へ送る。画像信号処理部５８は、検出信号を処理して一次元像または二次元像を表わす画像データとしてホストコンピュータ６０に供給する。ホストコンピュータ６０は、供給された画像データを処理して表示部６２上へ画像表示する他、画像データを保存し、各種画像処理を用いて試料Ｓの欠陥の有無を検出し、欠陥が検出された場合にその程度を評価して出力する。

レーザ光照射装置７０は、二次光学系２０の近傍に設置され、レーザ光を発生させて試料Ｓに照射することにより、試料Ｓ表面の局所的な電位差を低減する。レーザ光照射装置７０は、本実施形態において電磁波照射手段を構成し、レーザ光Ｌを発生させるレーザ光源７２と、レーザ光源７２に電力を供給する電源７４とを含む。レーザ光軸ＡＬは、試料Ｓ表面と二次光学系の光軸Ａｓとの交点ＩＰ_０に交わるように設定され、これにより、レーザ光源７２から出射されるレーザ光Ｌは、一次ビームＢｐが照射されている試料Ｓ表面の検査領域の中心に照射する。このレーザ光軸ＡＬの調整は、例えばレーザパワーメータ等のレーザ検出センサを上述した交点ＩＰ_０の位置に配置し、その出力をモニタしてその値が最大になるようにレーザ光源を調整しながら行う。

検査時において、一次ビームＢｐが試料Ｓの表面に照射されると、試料Ｓの表面または表面近傍層の形状および材質に応じて、試料Ｓの表面の帯電量に局所的に差が生じる。特に、試料Ｓの表面に絶縁体が存在する場合は、帯電量が大きく、かつ、その電荷（電子及び正孔）は移動（中和）できずに滞留する場合が多い。

そこで、本実施形態では、レーザ光源７２からレーザ光Ｌを照射することにより、滞留する電荷またはその周辺の電荷がレーザ光Ｌのエネルギーを吸収し、これにより移動可能な状態になり、この結果（絶縁体全体の帯電量は変わらなくても）試料表面の帯電個所における局所的な帯電を減少し、局所的な電位差を低減させることが可能になる。

このような局所的な電位差を減少させる方法として、より具体的には、
１）絶縁体帯電箇所全体を導電化できるエネルギーをもつ電磁波を照射する方法
２）絶縁体の局在準位に捕獲された電子および正孔が移動可能となるエネルギーを与えられる電磁波を照射する方法
の他、
３）試料表面に存在する異種材質の境界付近の帯電を減少する方法
が挙げられる。以下、これらの方法を本発明にかかる基板検査方法の第１乃至第３の実施の形態として説明する。

（２）基板検査方法の第１および第２の実施の形態
図５は、本発明にかかる基板検査方法の第１および第２の実施の形態の説明図である。絶縁体ＩＳ１の紙面左側の表面は、正電荷により局所的に帯電している。また、絶縁体ＩＳ１の紙面右側の表面は、電子および正孔が局在準位に捕獲されて滞留している。なお、このような局所的な帯電や局在準位による電子および正孔の捕獲は絶縁体部分に限らず、半導体部分でも発生し得る。

図６は、絶縁体ＩＳ１のエネルギーバンド図を示す。絶縁体ＩＳ１に局所的に帯電した電荷を移動するためには、絶縁体のバンドギャップＥｇ以上のエネルギ−を有するレーザ光（電磁波）Ｌ１を照射して図５の紙面左側部分に示すように電子−正孔対（electron-hole pair）を発生させ、絶縁体ＩＳ１自体を導体状態にすればよい。このような状態にするために必要なレーザ光Ｌ１の波長λ１は、プランク定数をｈ、光速度をｃとすると、λ１＜ｈｃ／Ｅｇを満たす必要がある。例えば、上記絶縁体ＩＳ１が二酸化シリコンＳｉＯ_２であり、そのエネルギーギャップＥｇ＝９（ｅＶ）であるとき、このエネルギーギャップ以上のエネルギーを有するレーザ光Ｌ１の最長波長λｍは、
λｍ＝ｈｃ／Ｅｇ＝１３７（ｎｍ）
である。

また、図５の右側部分に示すように、絶縁体ＩＳ１には、電子や正孔を捕獲する局在準位ＬＬ１，ＬＬ２（図６の左側部分参照）が存在し、そこに捕獲された電子ｅ２および正孔ＨＬ２が絶縁体ＩＳ１の帯電状態に大きな影響を与えている。この局在準位ＬＬ１，ＬＬ２に捕獲された電子ｅ２および正孔ＨＬ２に対して、図５に示すようにレーザ光Ｌ２，Ｌ３をそれぞれ照射してそのエネルギーを吸収させることにより、電子ｅ２および正孔ＨＬ２をそれぞれ移動させる。これにより、局在電位への捕獲に起因する局所的な帯電を減少させ、局所的な電位差を低減させることが可能となる。より具体的には、図６に示すように電子ｅ２が捕獲されている局在準位ＬＬ１と伝導帯下端準位Ｅｃとの差Ｅｅ以上のエネルギーを有するレーザ光（電磁波）Ｌ２を照射すれば捕獲電子ｅ２が移動可能になる。このような状態にするために必要なレーザ光Ｌ２の波長λ２は、λ２＜ｈｃ／Ｅｅを満たす必要がある。同様に、正孔ＨＬ２が捕獲されている局在準位ＬＬ２と価電子帯上端準位Ｅｖとの差Ｅｈ以上のエネルギーを有するレーザ光（電磁波）Ｌ３を照射すれば、捕獲正孔ＨＬ２が移動可能となる。このような状態にするために必要なレーザ光Ｌ３の波長λ３は、λ３＜ｈｃ／Ｅｂを満たす必要がある。レーザ光の波長が短い程、装置の規模とコストがともに大きくなるが、一般的に、λ１＜λ２、λ１＜λ３となるため、上述した、捕獲電子ｅ２および正孔ＨＬ２の移動による絶縁体ＩＳ１の局所帯電減少で装置の性能に問題がない場合は、レーザ光照射装置７０のサイズとコストとを抑えることができる。これにより、装置のより一層の低コスト化、小型化を実現できる。

（３）基板検査方法の第３の実施の形態
本実施形態は、絶縁体と導体との境界付近、または絶縁体と半導体との境界付近における絶縁体の帯電を減少させる方法であり、この第３の実施の形態の検査方法を用いるだけでも、上記境界付近の局所的な電位差が低減するので、絶縁体の帯電個所を導電化しなくても、二次ビーム検出画像の歪やコントラストの低下を抑えることが可能になる。例えば、絶縁体が正に帯電している場合、この正帯電を中和するためには、金属または半導体から絶縁体へ電子を移動（注入）すればよい。図７に示す例では、金属ＭＬと絶縁体ＩＳ２との境界Ｃ３にレーザ光Ｌ４を照射することにより、金属ＭＬから絶縁体ＩＳ２へ電子を移動させている。

図８は、金属―絶縁体の接合のエネルギーバンド図を示す。金属ＭＬと絶縁体ＩＳ２との境界の接触電位障壁のエネルギーｅφ以上のエネルギーを有するレーザ光（電磁波）Ｌ４を上述の境界Ｃ３に照射し、金属ＭＬ内の電子ｅ４を絶縁体ＩＳ２に移動させればよい。このような状態にするために必要なレーザ光Ｌ４の波長λ４は、λ４＜ｈｃ／Ｅｂを満たす必要がある。ここで、例えば導体がシリコンＳｉ、絶縁体が二酸化シリコンＳｉＯ_２であり、Ｓｉ−ＳｉＯ_２接触部の電位障壁Ｅｂ＝３．５（ｅＶ）であるとき、この電位障壁以上のエネルギーを有するレーザ光Ｌ４の最長波長λｍは、
λｍ＝ｈｃ／Ｅｇ＝３５４（ｎｍ）
である。

一般的に、λ１＜λ４となるため、上記境界付近の絶縁体ＩＳ２の正帯電を中和することで装置の性能に問題がない場合は、レーザ光照射装置７０のサイズとコストとを抑えることができるので、より一層低コストで小型の装置を提供することができる。

なお、本実施形態では、試料Ｓ表面の局所的な電位差を低減するためにレーザ光照射装置７０を用いているが、検査する試料の材質や形状等に応じて他の電磁波を照射する装置、例えばＸ線照射装置や紫外線ランプ等を用いても良い。

（４）基板検査装置の第２の実施の形態
図９は、本発明にかかる基板検査装置の第２の実施の形態の概略構成を示すブロック図である。同図に示す基板検査装置２の特徴は、それぞれ電子ビームＥＢ１，２を生成して試料Ｓに照射する追加の電子ビーム照射装置８０，９０と、ＣＡＤデータ記憶装置６８と、電子ビーム照射条件処理装置６６と、電子ビーム照射条件記憶装置６４とをさらに備える点にある。基板検査装置２のその他の構成は、図１に示す基板検査装置１と実質的に同一である。

電子ビーム照射装置８０は、試料表面の検査時に、ステージスキャン方向Ｄ_ＳＳに対して、撮影領域内の任意の点が、二次光学系の光軸Ａｓと試料Ｓ表面との交点ＩＰ_０よりも、電子ビーム装置８０自身からの電子ビームの光軸Ａ_ＥＢ１と試料Ｓ表面との交点ＩＰ_１を先に通過する位置に配置される。同様に、電子ビーム照射装置９０は、ステージスキャン方向Ｄ_ＳＳに対して、撮影領域内の任意の点が、上記交点ＩＰ_１よりも、電子ビーム装置９０自身の電子ビーム光軸Ａ_ＥＢ２と試料Ｓ表面との交点ＩＰ_２を先に通過する位置に配置される。このような配置により、電子検出部３０により試料表面の二次電子像の信号を取得する前に、電子ビーム装置８０，９０によって試料表面の電位差を低減することが可能になる。以下、本実施形態では、交点ＩＰ_２、交点ＩＰ_１、および交点ＩＰ_０の順に試料表面が移動する例を取り上げて説明する。

電子ビーム照射装置８０は、Ｗフィラメント８２と、ウェーネルト電極８４と、陽極８６とを含む。Ｗフィラメント８２は、コイル形状を有し、電子ビームＥＢ１を発生させる。Ｗフィラメント８２は、本実施形態において電子ビームＥＢ１が試料Ｓの表面に垂直に照射されるように配置されている。ウェーネルト電極８４は、Ｗフィラメント８２から放出する電子ビームＥＢ１の放出量を制御する。また、陽極８６は、Ｗフィラメント８４から放出した電子ビームＥＢ１の引き出しを行う。Ｗフィラメント８２、ウェーネルト電極８４および陽極８６は、いずれも電子銃制御部８８に接続され、これにより制御される。

同様に、電子ビーム照射装置９０は、電子ビームＥＢ２を発生させるＷフィラメント９２と、ウェーネルト電極９４と、陽極９６とを含み、これらの構成要素は、電子ビーム照射装置８０のＷフィラメント８２、ウェーネルト電極８４、および陽極８６と同様に配置されて同様の機能を発揮する。従って、これらの構成要素については詳述しない。

ＣＡＤデータ記憶装置６８は、検査対象の試料Ｓのレイアウトパターンのデータと、各レイアウトパターンの電気的特性のデータとを格納する。電子ビーム照射条件処理装置６６は、ＣＡＤデータ記憶装置６８に格納されたデータを用いて一次ビームＢｐ、電子ビームＥＢ１およびＥＢ２の照射条件を検査に先立って予め算出する。電子ビーム照射条件記憶装置６４は、電子ビーム照射条件処理装置６６の算出結果を格納する。

（５）本発明にかかる基板検査方法の第４の実施の形態
まず、本実施形態による基板検査方法の原理について説明する。

二次ビームの検出画像の歪やコントラスト低下という問題を解決するためには、これらの原因となる試料表面における電位勾配を低減すれば良い。図１６に示した例で説明すると、絶縁体部２１４が負に帯電する条件にて一次ビームＢｐを試料Ｓの表面に照射し、金属配線部２１２と絶縁体部２１４との電位差を低減すれば良い。通常、金属と絶縁体の接触部においては接触電位が発生しており、一次ビームＢｐを照射していない状態でも、絶縁体の方が金属よりも数Ｖだけ正電位の状態にある。そこで、一次ビームＢｐを絶縁体が負に帯電する条件で照射すれば良い。

絶縁体が負に帯電する条件とは、例えば、絶縁体からの全二次電子放出比σが１未満になる入射エネルギーで一次ビームを照射することをいい、そのときの入射エネルギーの値は、例えば図１６に示したように絶縁体がＳｉＯ_２２１４であれば、図１０に示すように、約１ｋｅＶ以上または約５０ｅＶ以下である。電子ビームの照射によって発生する二次電子（ここでは反射電子および後方散乱電子を含む広義の二次電子）の量を増大させれば、画像を形成するための信号量が増えるので、画像形成までの時間が短くなる。即ち、検査時間を短くすることができる。従来は、検査のスループットを考慮して、このように全二次電子放出比δを１以上に設定する手法が用いられてきた。しかしながら、本実施形態では、従来の技術とは逆に、全二次電子放出比σ＜１で設定することにより、絶縁体を負に帯電させる。これにより、検出画像の精度を高めることができる。以下、このように絶縁体が負に帯電する条件で電子ビームを照射する工程を工程１と呼ぶ。

上述した工程１により、例えば図１６に示した試料Ｓについて述べると、絶縁体部２１４の電位は、金属配線部２１２に対して＋数Ｖであった初期状態から次第に減少し、図１１に示すように金属配線部２１２と同電位になる。この状態での二次ビーム軌道Ｂｓｐ２，Ｂｓｐ４は、正確な写像投影を行うための理想的な電子ビーム軌道ＴＪ_ＩＰ２，ＴＪ_ＩＰ４とそれぞれ同じになる。この結果、歪やコントラスト低下のない検出画像を取得することができる。

しかしながら、検査画像を取得する工程に先立って、試料Ｓの表面電位差を可能な限り小さくする工程を実行すると、試料表面の電位差を均一化するために時間が掛かかり、検査のスループットが低下してしまう。そこで、後に詳述するように、観察用の一次ビームＢｐとは別個の電子ビームを用い、一次ビームＢｐの照射に並行して一次ビームＢｐの照射直前に、試料Ｓの表面の検査領域に別個の電子ビームを予め照射してその領域の表面電位差を可能な限り小さくすることにより、待ち時間がほぼ無くなり、スループット低下の問題を解消することができる。本実施形態では、追加の電子ビーム照射装置８０，９０を用いてそれぞれ電子ビームＥＢ１，ＥＢ２による前処理を実行する。以下、この前処理工程を工程２と呼ぶ。

また、工程１及び工程２において、試料Ｓ表面での金属配線部２１２と絶縁体部２１４のレイアウトパターンや電気的特性により、表面電位差を最小にするために必要な電子ビームのドーズ量に差が生じるという問題がある。例えば、金属配線部２１２の占有率が大きい領域では、絶縁体部２１４から金属配線部２１２への電子のリーク量が多いため、表面電位差が最小になるまでは多量の電子ビーム照射を必要とする。また、金属配線部２１２と基板Ｓとが導通しているか否かに依存して、絶縁体部２１４からの電子のリーク量に差異が生じる。これらの問題は、試料Ｓの表面撮像時において同一視野内での表面電位不均一による画像歪み、フォーカスずれの原因となる。この問題を回避するためには、上述したレイアウトパターンや電気的特性に応じて、絶縁体部２１４が負に帯電する条件下でのより具体的な照射条件、例えば基板Ｓの単位面積当たりの電子ビームの総電流量や電子ビームの試料への入射エネルギーを調整してやればよい。例えば、金属配線部２１２の占有率が多い領域、金属配線部２１２が基板に導通している領域等では、絶縁体部２１４からの電子のリーク量が多いため、基板Ｓの単位面積当たりの電子ビームの総電流量を他の領域よりも多くしたり、全二次電子放出効率σがより小さくなる入射エネルギーにて電子ビーム照射を行えは良い。

また、工程１の前に、絶縁体が正帯電になる条件で電子ビームを照射しておくことも、試料の表面電位を均一化する手法として有効である。以下、このような前処理工程を工程３と呼ぶ。

図１２は、上述した負帯電条件で一次ビームＢｐを試料Ｓの表面に照射しすぎた場合の問題点を説明する図である。一次ビームＢｐを絶縁体部２１４に過度に照射した場合は、同図に示すように絶縁体部２１４が負帯電してしまい、金属配線部２１２よりも負電位になる場合がある。試料Ｓ表面の撮像時における同一画像内において、他の領域では表面電位の均一化が達成されていても、図１２に示すような領域ではそのレイアウトパターンや電気的特性に依存して絶縁体部２１４が負帯電状態になり、金属配線部２１２の電位に対して負電位になり、却って表面電位の均一状態が崩れてしまう、というケースが考えられる。このような場合でも、図１６に示した正帯電の場合と同様に、金属配線部２１２と絶縁体部２１４との境界２１６の付近に、試料Ｓの表面に対して平行でない局所的な電位勾配が発生する。この電位勾配は、境界２１６付近の金属配線部内の点Ｐ２および絶縁体部内の点Ｐ４からそれぞれ放出した二次電子が二次光学系２０で制御されてＭＣＰ検出器３１に結像する際に、不適切な偏向作用が働き、正確な写像投影を行うための理想的な電子ビーム軌道ＴＪ_ＩＰ２，ＴＪ_ＩＰ４から外れて、ビーム軌道ＴＪ_ＲＰ６，ＴＪ_ＲＰ８のような曲がった軌道になる。このような場合、工程１の処理に先立って絶縁体部２１４が正に帯電する条件で一次ビームＢｐを試料Ｓの表面に予め照射し、工程１において負帯電しやすい領域（例えば金属配線部２１２の占有率が小さい領域、または金属配線部２１２が基板と導通していない領域など）を工程３によって他の領域に先行して正帯電にさせておく。このような処理により、工程１において試料Ｓの表面撮像時に、試料Ｓの表面でのパターンレイアウトや電気的特性に依存して表面電位が局所的にばらつくという問題を回避することができる。

図９に示す基板検査装置２は、このような検査原理に従って動作する。以下、基板検査装置２の特徴的な動作をより具体的に説明する。

まず、検査に先立って、電子ビーム照射条件処理装置６６がＣＡＤデータ記憶装置６８から試料Ｓのレイアウトパターンデータと電気的特性のデータとを引き出し、試料Ｓ上の観察対象箇所、即ち、撮影領域が光軸Ａｓと試料Ｓ表面との交点ＩＰ_０に位置する時に、撮影領域内の表面電位が均一化されるように、または表面電位差が最小になるように、ステージ４３のそれぞれの位置での一次ビームＢｐ、電子ビームＥＢ１およびＥＢ２の照射条件を算出する。この算出結果は、電子ビーム照射条件記憶装置６４に記憶される。

次に、検査開始後に、ホストコンピュータ６０がステージ駆動装置４７から供給されるステージ４３の現在位置情報を参照しながら、そのステージ位置での電子ビームＥＢ２、電子ビームＥＢ１、一次ビームＢｐの照射条件を電子ビーム照射条件記憶装置６４から引き出す。さらに、ホストコンピュータ６０は、これらの照射条件のデータを電子ビーム装置制御部９８、電子ビーム装置制御部８８、電子銃制御部１６および複数四極子レンズ制御部１７に伝送し、電子ビーム装置９０、電子ビーム装置８０および一次光学系１０をそれぞれ制御して、電子ビームＥＢ２、電子ビームＥＢ１、および一次ビームＢｐの照射条件を調整する。これらの照射条件としては、図１３に示すように、例えば以下の５つのケースが考えられる。

（ケース１） 一次ビームＢｐを絶縁体負帯電条件にて照射する。電子ビームＥＢ１，ＥＢ２は照射しない。
（ケース２） 一次ビームＢｐを絶縁体負帯電条件にて照射する。電子ビームＥＢ１を絶縁体負帯電条件にて照射する。電子ビームＥＢ２は照射しない。
（ケース３） 一次ビームＢｐを絶縁体負帯電条件にて照射する。電子ビームＥＢ１を絶縁体正帯電条件にて照射する。電子ビームＥＢ２は照射しない。
（ケース４） 一次ビームＢｐを絶縁体負帯電条件にて照射する。電子ビームＥＢ１を絶縁体負帯電条件にて照射する。電子ビームＥＢ２を絶縁体正帯電条件にて照射する。
（ケース５） 一次ビームＢｐを絶縁体負帯電条件にて照射する。電子ビームＥＢ１を絶縁体正帯電条件にて照射する。電子ビームＥＢ２を絶縁体負帯電条件にて照射する。

このように、電子ビーム照射条件処理装置６６によって採用された試料表面電位均一化のための最適条件で試料Ｓを検査することにより、画像歪みやフォーカスずれのない高精度の検出画像を取得することができる。

以上の説明では、表面電位均一化のための追加の電子ビーム装置を２つ使用した形態を記載したが、これに限ることなく、例えば図１４に示す基板検査装置３のように、追加の電子ビーム装置を１つだけ備える場合や追加の電子ビーム装置を３つ以上備える場合（図示せず）でも、上述した手法を同様に適用することができる。

（６）半導体装置の製造方法
上述した基板検査工程を半導体装置の製造工程中で用いることにより、高い精度で基板を検査することができるので、より高い歩留まりで半導体装置を製造することができる。

以上、本発明の実施の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適用できることは明らかである。例えば、上述した実施形態では、ステージスキャン方式の基板検査装置について説明したが、偏向器を用いたビームスキャン方式の基板検査装置にも適用できることは勿論であり、さらに、これらのスキャン方式の両方を備える基板検査装置にも適用可能である。

本発明にかかる基板検査装置の第１の実施の形態を示すブロック図である。 図１に示す基板検査装置が備えるウィーンフィルタの具体的構成を示す斜視図である。 図２に示すウィーンフィルタの作動原理の説明図である。 図２に示すウィーンフィルタの作動原理の説明図である。 本発明にかかる基板検査方法の第１の実施の形態と第２の実施の形態を説明する模式図である。 図５に示す絶縁体のエネルギーバンドの説明図である。 本発明にかかる基板検査方法の第３の実施の形態を説明する模式図である。 図７に示す金属と絶縁体との接合部におけるエネルギーバンドの説明図である。 本発明にかかる基板検査装置の第２の実施の形態を示すブロック図である。 ＳｉＯ_２における電子ビームの入射エネルギーと全二次電子放出比との関係の一例を表わすグラフである。 本発明にかかる基板検査方法の第４の実施の形態による効果の説明図である。 負帯電条件で一次ビームを試料表面の絶縁体に照射しすぎた場合の問題点を説明する図である。 図９に示す基板検査装置の各電子ビーム照射条件の組み合わせを示す表である。 本発明にかかる基板検査装置の第３の実施の形態を示すブロック図である。 従来の技術による基板検査方法の問題点の説明図である。 従来の技術による基板検査方法の他の問題点の説明図である。

符号の説明

１〜３ 基板検査装置
９ 絞り位置面
１０ 一次光学系
１１ 電子銃部
１５ 複数段四極子レンズ
１６ 電子銃制御部
１７ 複数段四極子レンズ制御部
２０ 二次光学系
２１ カソードレンズ
２２ 第二レンズ
２３ 第三レンズ
２４ 第四レンズ
２５ 開き角絞り
２６ 視野絞り
３０ 電子検出部
３１ ＭＣＰ検出器
３２ 蛍光版
３３ ライトガイド
３４ 撮像素子
４１ ウィーンフィルタ
４１ａ，４１ｂ 電極
４１ｃ，４１ｄ 磁極
４３ ステージ
４７ ステージ駆動装置
５１ ステージ電圧制御部
５２ カソードレンズ制御部
５３ ウィーンフィルタ制御部
５４ 第二レンズ制御部
５５ 第三レンズ制御部
５６ 第四レンズ制御部
５７ ＭＣＰ検出系制御部
５８ 画像信号処理部
６０ ホストコンピュータ
６２ 表示部
６４ 電子ビーム照射条件記憶装置
６６ 電子ビーム照射条件処理装置
６８ ＣＡＤデータ記憶装置
７０ レーザ光照射装置
７２ レーザ光源
７４ 電源
８０，９０ 電子ビーム照射装置
８２，９２ Ｗフィラメント
８４，９４ ウェーネルト電極
８６，９６ 陽極
８８，９８ 電子銃制御部
１１２ 線状陰極
１１４ ウェーネルト電極
１１６ 陽極
１１８ 偏向器
２１２ 金属配線部
２１４ 絶縁体部
２１６ 境界
Ａ_ＥＢ１，Ａ_ＥＢ２ 電子ビームの光軸
ＡＬ レーザ光軸
Ａｓ 二次光学系光軸
Ｂｐ 一次ビーム
Ｂｓ 二次ビーム
Ｃ１，Ｃ２ 境界
ＣＢ 伝導帯
ｅ１〜ｅ４ 電子
ＨＬ１〜ＨＬ４ 正孔
ＩＬ２，ＩＬ４ 等電位線
ＩＳ１，ＩＳ２ 絶縁体
ＩＰ_０ 二次光学系の光軸と試料表面との交点
ＩＰ_１，ＩＰ_２ 電子ビームの光軸と試料表面との交点
Ｌ，Ｌ１〜Ｌ４ レーザ光
ＬＬ１，ＬＬ２ 局在準位
ＭＬ 金属
Ｓ 試料
ＴＪ_ＩＰ２，ＴＪ_ＩＰ４ 理想的な電子ビーム軌道
ＶＢ 価電子帯

Claims (17)

1. 電子ビームを生成し、表面に形成された絶縁体を有する検査対象である基板に前記絶縁体が負帯電する条件で照射させる電子ビーム照射手段と、
   前記電子ビームの照射を受けて前記基板から発生した二次電子、反射電子および後方散乱電子の少なくとも一つを検出し、前記基板表面の一次元像または二次元像となる信号を出力する電子ビーム検出手段と、
   前記二次電子、前記反射電子および前記後方散乱電子の少なくとも一つを前記電子ビーム検出手段に像結像させる写像投影光学手段と、
   を備える基板検査装置。
2. 前記絶縁体が負帯電する条件は、前記基板に入射する電子の量に対する、前記基板から放出される前記二次電子、前記反射電子および前記後方散乱電子の総量との比である全二次電子放出比が１未満となる条件である、ことを特徴とする請求項２に記載の基板検査装置。
3. 前記基板の所望の領域における表面電位差が最小になるように前記電子ビームを制御する電子ビーム照射条件制御手段をさらに備える、ことを特徴とする請求項１または２に記載の基板検査装置。
4. 前記基板は、表面に形成された金属および半導体の少なくとも一つをさらに有し、
   前記電子ビーム照射条件制御手段は、前記金属、前記半導体および前記絶縁体の少なくとも一つのパターンレイアウトまたは電気的特性に応じて前記基板表面の単位面積あたりの前記電子ビームの総電流量または前記電子ビームの前記基板への入射エネルギーを制御する、ことを特徴とする請求項３に記載の基板検査装置。
5. 前記電子ビーム照射手段は、
   前記電子ビームを生成して一次ビームとして前記基板の検査対象領域に照射する第１の電子ビーム照射手段と、
   前記電子ビームを生成して前記一次ビームの照射に先立って前記検査対象領域に照射させる第２の電子ビーム照射手段と、
   を含む、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の基板検査装置。
6. 前記絶縁体が正帯電する条件で前記電子ビームを生成し、前記一次ビームの照射に先立って前記基板に照射させる第３の電子ビーム照射手段をさらに備えることを特徴とする請求項５に記載の基板検査装置。
7. 前記電子ビーム照射手段は、前記電子ビームを一次ビームとして前記基板の検査対象領域に照射し、
   前記絶縁体が正帯電する条件で前記電子ビームを生成し、前記一次ビームの照射に先立って前記検査対象領域に照射させる第２の電子ビーム照射手段をさらに備える、
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の基板検査装置。
8. 前記絶縁体が正帯電する条件は、前記全二次電子放出比が１を超える条件である、ことを特徴とする請求項６または７に記載の基板検査装置。
9. 電子ビームを生成し、表面に形成された絶縁体を有する検査対象である基板に前記絶縁体が負帯電する条件で照射させる電子ビーム照射工程と、
   前記電子ビームの照射を受けて前記基板から発生した二次電子、反射電子および後方散乱電子の少なくとも一つを二次ビームとして投影して像結像させる工程と、
   前記像結像した二次ビームを検出し、前記基板表面の一次元像または二次元像となる信号を出力する工程と、
   を備える基板検査方法。
10. 前記絶縁体が負帯電する条件は、前記基板に入射する電子の量に対する、前記基板から放出される前記二次電子、前記反射電子および前記後方散乱電子の総量との比である全二次電子放出比が１未満となる条件である、ことを特徴とする請求項９に記載の基板検査方法。
11. 前記基板の検査対象領域における表面電位差が最小になるように前記電子ビームを制御する電子ビーム照射条件制御工程をさらに備える、ことを特徴とする請求項９または１０に記載の基板検査方法。
12. 前記基板は、表面に形成された金属および半導体の少なくとも一つをさらに有し、
    前記電子ビーム照射条件制御工程は、前記金属、前記半導体および前記絶縁体の少なくとも一つのパターンレイアウトまたは電気的特性に応じて前記基板表面の単位面積あたりの前記電子ビームの総電流量または前記電子ビームの前記基板への入射エネルギーを制御する工程を含む、ことを特徴とする請求項１１に記載の基板検査方法。
13. 前記電子ビーム照射工程は、
    前記電子ビームを生成して一次ビームとして前記基板の検査対象領域に照射する第１の電子ビーム照射工程と、
    前記電子ビームを生成して前記一次ビームの照射に先立って前記検査対象領域に照射する第２の電子ビーム照射工程と、
    を含む、ことを特徴とする請求項９乃至１２のいずれかに記載の基板検査方法。
14. 前記絶縁体が正帯電する条件で前記電子ビームを生成し、前記一次ビームの照射に先立って前記基板に照射させる第３の電子ビーム照射工程をさらに備えることを特徴とする請求項１３に記載の基板検査方法。
15. 前記電子ビーム照射工程は、前記電子ビームを一次ビームとして前記基板の検査対象領域に照射する第１の電子ビーム照射工程であり、
    前記絶縁体が正帯電する条件で前記電子ビームを生成し、前記一次ビームの照射に先立って前記検査対象領域に照射させる第２の電子ビーム照射工程をさらに備える、
    ことを特徴とする請求項９乃至１２のいずれかに記載の基板検査方法。
16. 前記絶縁体が正帯電する条件は、前記全二次電子放出比が１を超える条件である、ことを特徴とする請求項１４または１５に記載の基板検査方法。
17. 請求項９乃至１６のいずれかに記載の基板検査方法を用いる半導体装置の製造方法。

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