JP2008166635A - 回路パターンの検査装置、および、回路パターンの検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
検査対象である回路パターンの構造または材質に応じて、帯電状態を制御することで、欠陥検査性能が向上した回路パターンの検査装置を提供する。
【解決手段】
回路パターンが形成された基板に電子線を照射して発生する二次電子を検出し、前記回路パターンの異常を検出する回路パターンの検査装置であって、基板を載置し連続的に移動するステージと、該ステージの移動中に該移動方向に対して略直角方向に電子線を繰り返し走査させる走査信号を走査偏向器へ与える走査信号発生器と、走査信号の繰り返しのうちの１回当りの走査時間を、回路パターンの構造または材質に応じて変更した制御信号を走査信号発生器へ送信する制御回路とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置や液晶等微細な回路パターンを有する基板の欠陥検査技術に係わり、特に半導体装置製造過程途中の半導体ウエハに代表される基板上のパターンの欠陥検査技術に関する。

半導体ウエハの検査を一例として説明する。半導体装置は、半導体ウエハ上にフォトマスクに形成されたパターンをリソグラフィー処理及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。したがって、このような製造過程における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各種装置が用いられている。

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や、半導体ウエハに電子線等の荷電粒子線を照射し、発生する二次電子や反射電子を検出し、その信号を画像化し、欠陥を検出する欠陥検査装置が実用化されている。

荷電粒子線を用いた場合に、半導体ウエハのパターンの構造や材質によって帯電する現象が発生する。この帯電現象によって、画像のコントラストが低下したり、欠陥の検出性能が低下するといった問題が生じる。現在、半導体の微細化に伴う構造，材質の多様化により、欠陥の検出性能はウエハの帯電状態に大きく左右されるので、半導体ウエハの帯電状態を、荷電粒子線のエネルギー，電流量，照射回数等の照射条件を変更制御したり、半導体ウエハから発生する二次電子の信号取り込みタイミングを変更して対応している（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−１７５３３３号公報

前述のように、半導体ウエハの帯電状態を制御するために、荷電粒子線のエネルギー，電流量，照射回数等の照射条件を変更制御しているが、荷電粒子線の照射条件だけでは、帯電をうまく制御できない構造、材質の半導体ウエハが存在するため、欠陥検査装置の欠陥検出性能を低下させてしまう。

本発明の目的は、検査対象である回路パターンの構造または材質に応じて、帯電状態を制御することで、欠陥検査性能が向上した回路パターンの検査装置を提供することを目的とする。

本発明の実施態様によれば、回路パターンが形成された基板に電子線を照射して発生する二次電子を検出し、前記回路パターンの異常を検出する回路パターンの検査装置であって、基板を載置し連続的に移動するステージと、該ステージの移動中に該移動方向に対して略直角方向に電子線を繰り返し走査させる走査信号を走査偏向器へ与える走査信号発生器と、走査信号の繰り返しのうちの１回当りの走査時間を、回路パターンの構造または材質に応じて変更した制御信号を走査信号発生器へ送信する制御回路とを備えたものである。

本発明によれば、検査対象である回路パターンの構造または材質に応じて、基板の帯電状態を制御して、欠陥検査性能を向上させることができる回路パターンの検査装置を得ることができる。

以下、本発明の一実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、荷電粒子線を用いた回路パターン検査装置の構成図であり、主要な構成を略縦断面図と機能図とで表している。回路パターン検査装置１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（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１は検査室２と予備室の他に画像処理部５から構成されている。

検査室２内は大別して、電子光学系カラム３，試料室８，光学顕微鏡室４から構成されている。電子光学系カラム３は、電子銃１０，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，絞り１４，走査偏向器１５，対物レンズ１６，反射板１７，ＥｘＢ偏向器１８，二次電子検出器２０から構成され、一次電子線１９を被検査基板９へ照射するとともに、被検査基板から発生した二次電子を検出する。

試料室８は、試料台３０，Ｘステージ３１，Ｙステージ３２，回転ステージ３３，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。

光学顕微鏡室４は、検査室２の室内における電子光学系カラム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配置されている。光学顕微鏡室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。電子光学系カラム３と光学顕微鏡室４の間の距離は既知であり、Ｘステージ３１又はＹステージ３２が電子光学系カラム３と光学顕微鏡室４の間の既知の距離を往復移動するようになっている。

二次電子検出部７は、二次電子検出器２０からの出力信号を増幅するプリアンプ２１，増幅信号をアナログからデジタルへ変換するＡＤ変換器２２を備え、それぞれを駆動するためのプリアンプ駆動電源２７，ＡＤ変換器駆動電源２８，逆バイアス電源２９と、これらに電気を供給する高圧電源２６を備える。増幅されたデジタル信号は光変換手段２３で光信号に変換され、光伝送手段２４を通って電気変換手段２５で電気信号に変換され、画像処理部５の記憶部４５へ送られる。なお、図示していないが、ＣＣＤカメラ４２で取得した光学画像も同様にして、画像処理部５へ送られる。

画像処理部５は、記憶部４５，画像処理回路４６，欠陥データバッファ４７，演算部
４８，全体制御部４９から構成されている。記憶部４５に記憶された信号は画像処理回路４６で画像化されるとともに、特定位置はなれた画像同士の位置合わせ，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、画像信号を比較演算する。演算部４８は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欠陥候補と判定し、インターフェース６にその位置や欠陥数等を送る。全体制御部４９はこれらの画像処理や演算を制御し、状況を補正制御回路６１へ送信する。

電子線画像あるいは光学画像は、インターフェース６の画像表示部５６に表示される。回路パターン検査装置１の各部の動作命令及び動作条件は、インターフェース６から指示命令が入力され、画像処理部５の全体制御部４９から補正制御回路６１へ送られる。インターフェース６では、一次電子線１９の発生時の加速電圧，偏向幅，偏向速度，二次電子検出部７の信号取り込みタイミング，Ｘステージ３１やＹステージ３２の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。インターフェース６は例えばディスプレイの機能を有し、マップ表示部５５には、検出された複数の欠陥の分布が、ウエハを模式的に表したマップの上に記号化されて表示される。画像取得指示領域５７は、検出された欠陥ごと、あるいは領域ごとに電子線画像あるいは光学画像を取得する指示を出す部分である。画像処理指示領域５８は、取得した画像の明るさ調整やコントラスト調整を指示する部分である。処理条件設定指示部５９は、一次電子線１９を被検査基板９に照射するときの偏向幅，偏向速度，対物レンズの焦点距離，焦点深度などの各種条件を設定する部分である。

補正制御回路６１は、一次電子線１９の発生時の加速電圧，偏向幅，偏向速度，二次電子検出部７の信号取り込みタイミング，Ｘステージ３１やＹステージ３２の移動速度等が、画像処理部５の全体制御部４９から送られた指示命令に従うように制御する。また、位置モニタ測長器３４，被検査基板高さ測定器３５の信号から被検査基板９の位置や高さをモニタし、その結果から補正信号を生成し、走査信号発生器４３や対物レンズ電源４４に補正信号を送り、一次電子線１９が常に正しい位置に照射されるように偏向幅，偏向速度，対物レンズの焦点距離，焦点深度を変える。

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・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。

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決まる。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に搭載された被検査基板９に照射される。

ブランキング偏向器１３，走査偏向器１５は、ブランキング信号及び走査信号を発生する走査信号発生器４３により制御される。ブランキング偏向器１３は、一次電子線１９が絞り１４の開口部を通過しないように一次電子線１９を偏向し、一次電子線１９の被検査基板９への照射を防ぐことができる。一次電子線１９は対物レンズ１６により細く絞られているので、走査偏向器１５により、被検査基板９上で走査される。

自動検査装置では検査速度が速いことが必須となる。従って、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、多数回の走査及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。そこで本実施例では、通常の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する構成とした。また、走査幅は例えば１００μｍとし、１画素は０.１μｍ^□ とし、１回の走査を１μｓで行うようにした。

対物レンズ１６には、対物レンズ電源４４が接続されている。コンデンサレンズ１２にも図示しないレンズ電源が接続されている。そしてこれらのレンズ強度はレンズ電源の電圧を変えることによって、補正制御回路６１で調整される。

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。リターディング電源３６の電圧を調節することにより、一次電子線を減速させ、電子銃１０の電位を変えることなしで被検査基板９への電子線照射エネルギーを調節することができる。

Ｘステージ３１，Ｙステージ３２の上には被検査基板９が搭載されている。検査実行時には、Ｘステージ３１，Ｙステージ３２を静止させ、一次電子線１９を二次元に走査する方法と、Ｘステージ３１を静止させ、Ｙステージ３２をＹ方向に連続して一定速度で移動させながら一次電子線１９をＸ方向に走査する方法とがある。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が、比較的広い領域を検査するときは、後者の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。

Ｘステージ３１またはＹステージ３２の一方を連続的に移動させながら、被検査基板９の画像を取得する場合、ステージの移動方向に対して略直角方向に一次電子線１９を走査し、被検査基板９から発生した二次電子を一次電子線１９の走査及びステージの移動と同期して二次電子検出器２０で検出する。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は所定の方向へ偏向される。ＥｘＢ偏向器１８に印加する電圧で磁界の強度を変え、偏向量を調整することができる。また、ＥｘＢ偏向器１８の電磁界は、被検査基板９に印加した負の電圧に連動させ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は、所定の条件で反射板１７に衝突する。この反射板１７は、被検査基板９に照射する一次電子線１９の偏向器１５のシールドパイプを兼ね、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が衝突すると、反射板１７からは数Ｖから５０ｅＶのエネルギーを持つ第二の二次電子が発生する。

位置モニタ測長器３４として、本実施例ではレーザ干渉を原理とした測長計をＸ方向とＹ方向に用い、Ｘステージ３１及びＹステージ３２の位置を一次電子線１９を照射しながら測定し、補正制御回路６１に送信されるように構成されている。また、Ｘステージ３１，Ｙステージ３２，回転ステージ３３の各駆動モータの回転数も各々のドライバ回路から補正制御回路６１に送信されるように構成されている。補正制御回路６１は、これらのデータに基づいて一次電子線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、一次電子線１９の照射位置の位置ずれを補正制御回路６１より補正する。また、一次電子線１９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には、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る。例えば、スリットを通過した細長い白色光を透明な窓越しに該被検査基板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が知られている。被検査基板高さ測定器３５は、Ｘステージ３１，Ｙステージ３２に搭載され、被検査基板９の高さを測定する。被検査基板高さ測定器３５の測定データに基づいて、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、常に非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一次電子線１９の照射前に予め測定し、そのデータに基づいて対物レンズ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。

図２はインターフェースのディスプレイに表示される画像の一例を示す画面図である。ディスプレイの画面の大きな領域には、マップ表示部５５と画像表示部５６が配置される。下方にはモード切替えボタン６０が配置され、「検査」「欠陥確認」「レシピ作成」
「ユーティリティ」の各モードを選択できる。「レシピ作成」モードは自動検査の条件を設定するモードである。「ユーティリティ」モードは、他のモードには現れない補助機能を呼び出すモードであり、通常は使用しない。

図３は被検査基板９の一次電子線１９の走査の制御を説明する概念図であり、図３(ａ)は被検査基板９の平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ部の拡大図、図３（ｃ）は図３
（ｂ）のＢ部の拡大図、図３（ｄ）は一次電子線１９の走査時間とＸ方向の位置との関係を表わす関係図である。

図３（ａ）に示すように、ステージを移動させながらステージ移動方向に直交する方向に一次電子線１９を走査させる。ステージが移動しているので、一次電子線１９は被検査基板９上を走査しながら図中の矢印で示す検査ストライプ１０１の方向に進むことになる。矩形で表示されたひとつひとつがチップ１０２であり、最終製品は矩形の境界で切断され、電気端子が接合される。

図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ部で囲んだチップ１０２のひとつを拡大したものであり、内部に複数のセル１０３が配置されている。一次電子線１９の走査の幅が１００μｍのとき、セル１０３の幅が１００μｍ以下であれば、セル１０３の一列を１回のステージ移動で走査できることになる。

図３（ｃ）は、図３（ｂ）のＢ部を拡大したもので、ひとつのセル１０３内にプラグ
１０４と呼ばれる回路が複数個並んでいる状況を示したものである。一次電子線１９は、サンプリング（１），サンプリング（２），サンプリング（３）というように順番にセル１０３を走査し、発生した二次電子信号が同時に検出され、画像化される。

図３（ｄ）は、一次電子線１９の走査時間とＸ方向の位置との関係を表わす関係図であり、サンプリング（１）についてＴ１時間（例えば１μ秒）とし、これを照射間隔として繰り返す。検査対象である回路パターンの構造または材質に応じて、一次電子線１９の照射により与える電子の量を制御する必要がある場合がある。この例を以下に示す。プラグ１０４に異常があった場合には、他のプラグと異なる帯電状態を示す。例えば、正常なプラグは背景とコントラストが明瞭であるのに対して異常なプラグは背景とのコントラストが明瞭でなく、正常な画像との差分をとると、この異常部を抽出することができる。ここで、図３に示したような走査を行った場合、一次電子線１９の照射対象によっては、帯電現象の影響により、画像のコントラストが低下してしまう場合がある。

図４，図５は、被検査基板９の一次電子線１９の走査の制御を説明する概念図である。図４は、図３（ｃ）および図３（ｄ）と同じく、走査時間Ｔ１を照射間隔として一次電子線１９の照射を繰り返しながら、発生する二次電子信号検出を実行する。検査対象のセル１０３に設けられたプラグ１０４が高抵抗の場合には、一次電子線１９の照射量によってはプラグ１０４への帯電状態が飽和状態になり、プラグ１０４とその周辺の間のコントラストが低下してしまう。すなわち、プラグ１０４が正常でも異常でも背景とのコントラストが明瞭でないので、異常なプラグを抽出するのが困難になる。

図５は、図４に対して１回の走査時間をＴ１と待ち時間Ｔ３とを加えたＴ２としたものである。待ち時間Ｔ３を加えたことにより、プラグ１０４の帯電飽和状態が軽減し、プラグ１０４と背景との間のコントラストが向上する。したがって、異常なプラグだけが背景とのコントラストが低下することになり、異常なプラグを容易に抽出することができる。このように、検査対象である回路パターンの構造または材質に応じて、一次電子線１９の照射により与える電子の量を制御する。

図６は、被検査基板９の一次電子線１９の走査の制御を説明する概念図であり、図６
（ａ）および図６（ｂ）は、図３（ｃ）および図３（ｄ）と同じく、走査時間Ｔ１で一次電子線１９の照射を繰り返しながら発生する二次電子信号検出をサンプリング周期Ｔ１で実行する。検査対象が高アスペクトレシオの深いプラグ１０４である場合に帯電しにくく、背景とのコントラストが大きくならない場合がある。このような場合には、一次電子線１９による照射エネルギーを増やして帯電を促進すれば、背景とプラグ１０４とのコントラストを大きくすることができる。一次電子線１９による照射エネルギーを増やすには、一次電子線１９の１回の走査当りの走査時間を長くする、電流量を増やす、照射回数を増やすことが考えられる。

図６（ｃ）に、一次電子線１９の１回の走査当りの走査時間を長くした場合の例を示す。１回の走査当りの一次電子線１９の走査時間を図６（ｂ）に示したＴ１より長いＴ２として照射間隔を長くし、単位面積あたりに照射される電子の数を増やして、帯電を促進するようにした。また、二次電子信号の検出サンプリング周期をＴ２とした。背景とプラグ１０４とのコントラストが大きくなるので、異常なプラグの検出が容易になるとともに、単位面積あたりに照射される電子の数が増えるので、画像のＳＮ比が向上するという効果も得ることができる。

このように、被検査基板の構造や材質により帯電が飽和状態になり検出信号が小さくなるものや、帯電しにくく多くの電子を必要とするものに対しても、上述のように帯電状態を制御することで、異常部と背景とのコントラストが明瞭になったり、ＳＮ比が向上したりして、欠陥の検出性能を向上させることができる。

以上述べたように、本実施例によれば、検査対象である回路パターンの構造または材質に応じて、一次電子線の照射により与える電子の量を制御することで、欠陥検出性能が向上する回路パターンの検査装置を提供することができる。

荷電粒子線を用いた回路パターン検査装置の構成図。 インターフェースのディスプレイに表示される画像の一例を示す画面図。 被検査基板９の一次電子線１９の走査の制御を説明する概念図。 被検査基板９の一次電子線１９の走査の制御を説明する概念図。 被検査基板９の一次電子線１９の走査の制御を説明する概念図。 被検査基板９の一次電子線１９の走査の制御を説明する概念図。

符号の説明

１ 回路パターン検査装置
２ 検査室
３ 電子光学系カラム
４ 光学顕微鏡室
５ 画像処理部
６ インターフェース
７ 二次電子検出部
８ 試料室
９ 被検査基板
４３ 走査信号発生器
４５ 記憶部
４６ 画像処理回路
４７ 欠陥データバッファ
４９ 全体制御部
５５ マップ表示部
５６ 画像表示部
６１ 補正制御回路
１０１ 検査ストライプ
１０２ チップ
１０３ セル
１０４ プラグ

Claims (7)

1. 回路パターンが形成された基板に電子線を照射して発生する二次電子を検出し、前記回路パターンの異常を検出する回路パターンの検査装置において、
   前記基板を載置し連続的に移動するステージと、
   該ステージの移動中に該移動方向に対して略直角方向に前記電子線を繰り返し走査させる走査信号を走査偏向器へ与える走査信号発生器と、
   前記走査信号の繰り返しのうちの１回当りの走査時間を、前記回路パターンの構造または材質に応じて変更した制御信号を前記走査信号発生器へ送信する制御回路とを備えたことを特徴とする回路パターン検査装置。
2. 請求項１の記載において、前記制御信号は、前記１回当りの走査時間に走査を停止する待ち時間を加算したものであることを特徴とする回路パターン検査装置。
3. 請求項１の記載において、前記制御信号は、前記１回当りの走査時間を変更前よりも長くしたものであることを特徴とする回路パターン検査装置。
4. 回路パターンが形成された基板の表面に電子線を照射する照射カラムと、
   該照射カラム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部と、
   該検出部によって検出された信号から画像化された画像を記憶する記憶部と、
   該記憶部に記憶された画像を、該画像と同一形状であって他の部位の画像と比較する比較部と、
   該比較部での比較結果から前記基板の欠陥の有無を判別する判別部と、
   前記照射カラムによる前記電子線を前記基板に照射する照射間隔を前記回路パターンの構造または材質に応じて変更する制御ユニットとを備え、
   前記検出部は、前記基板から発生する信号を検出する検出間隔を、前記照射間隔の変更に応じて変更することを特徴とする回路パターンの検査装置。
5. 請求項４の記載において、
   前記制御ユニットは、前記電子線の照射間隔を変更前よりも長くして欠陥検査を行うことを特徴とする回路パターンの検査装置。
6. 回路パターンが形成された基板の表面に電子線を照射し、
   該照射によって前記基板から発生する信号を検出し、
   該検出された信号から画像化された画像を記憶し、
   該記憶された画像を、該画像と同一形状であって他の部位の画像と比較し、該比較結果から前記基板の欠陥の有無を判別するとともに、
   前記電子線を前記基板に照射する照射間隔を前記回路パターンの構造または材質に応じて変更し、
   前記基板から発生する信号を検出する検出間隔を、前記照射間隔の変更に応じて変更することを特徴とする回路パターンの検査方法。
7. 請求項６の記載において、
   前記電子線の照射間隔は変更前よりも長くして欠陥検査を行うことを特徴とする回路パターンの検査方法。

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