JP2009026620A - 小型カラム電子顕微鏡複合装置及び欠陥観察方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
任意の傾斜観察方向から傾斜レビュー画像を自動的に撮像することができる走査電子顕微鏡を実現する。
【解決手段】
本発明は、上記目的を達成するために、荷電粒子ビームを観察欠陥に照射し、観察欠陥の表面から放出される電子を検出して画像を取得するビームチルトが可能な電子顕微鏡と、当該電子顕微鏡カラムに任意の角度から撮像可能とする小型カラム電子顕微鏡を複数配置した構造とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、工業製品の欠陥の自動観察技術に関し、特に、欠陥検出後にその欠陥を詳細観察することが重要である半導体製品の前工程検査後の欠陥画像を多方向から容易に観察する方法に適用して有効な技術に関するものである。

荷電粒子線装置で試料、例えば半導体ウェハの欠陥や出来映えを観察する場合に、該欠陥の観察技術に関して、以下のような技術が知られている。

たとえば、半導体の微細化に伴い、半導体の前工程製造プロセスの制御はますます困難になってきており、従来、半導体試料１１の外観検査により検出された半導体欠陥の数の変動をもとにしたプロセス管理では、高い歩留まりで半導体を製造することができなくなってきている。そこで、外観検査装置による検査後に、検査時に得られた欠陥の画像をより詳細なレビュー装置で観察することが一般的に行われている。外観検査装置とは走査電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope）の一形態であり以下ＳＥＭと略す。

半導体は年々微細化されており、これに伴い新たなプロセスが導入されている。一般に、新たなプロセスの導入時には、そのプロセスに対するノウハウが蓄積されていないため、多くの欠陥が発生する。この欠陥の発生原因を解明するうえで、ＳＥＭによる斜方からの観察が重要である。たとえば、配線の側壁の観察をすることで、パターン系の欠陥の発生要因を推定することが可能な場合がある。また、異物のパターン、あるいは下地との接触部を観察することにより、その異物が前の工程で発生したものかを判断することが可能な場合がある。

新規のプロセスの導入時などに、未知の欠陥が発生した場合には、一般的に斜方向からのＳＥＭ観察をすることが一般的になってきている。ＳＥＭにおいて傾斜した画像を撮像する方法として、特許文献１にあるように、電子光学系より照射する荷電粒子ビームを偏向し、観察対象に荷電粒子ビームを照射する方向を傾斜させて傾斜画像を撮像する方法が提案されている。また、半導体欠陥を観察するＳＥＭであるレビューＳＥＭにおいては、傾斜観察を実現する方法として、ＳＥＭにより試料の任意の場所を観察できるように試料を移動させるステージ自体を傾斜させる方法や、ＳＥＭの電子光学系自体を機械的に傾斜させる方法が適用されている。

特開２０００−３４８６５８号公報

ところで、前記のような欠陥の観察技術に関して、本発明者らが検討した結果、以下のようなことが明らかとなった。

たとえば、前記のような従来技術では、いずれにおいても、以下に記述するような課題があり、特に量産ラインにおいて傾斜観察を利用することは困難であった。量産ラインでの傾斜観察においては、高いスループットを実現するために撮像時間をできるだけ短くすることと、検査装置が検出した欠陥の検出位置座標をもとに自動的に傾斜画像を撮像していくことが望まれている。

前述した、電子光学系より照射する荷電粒子ビームを偏向し、荷電粒子ビームの照射角度を変化させる方法における傾斜画像観察の課題は、対象に明確なエッジ構造がなく、撮像対象物の立体的な形状変化が緩やかに変化する場合には、対象物の立体形状を推定することが難しいことにある。

また、荷電粒子ビームの入射角度を偏向させる方法においては、その入射角度は試料の法線方向から±１５度程度までしか傾斜させることはできず、高解像度の画像を撮像する必要がある場合には、この傾斜角度は±１０度程度まで狭められてしまう。このように小さい傾斜においては、立体的な形状変化が緩やかに変化する対象での見え方はほとんど変化せず、その形状情報を得ることが困難である。

さらに、従来のレビューＳＥＭにおいて、電子光学系を機械的に傾斜させるものでは、傾斜角度の制約は少なく、たとえば０〜＋６０度程度までの傾斜観察を行うことが可能であり、この大きな傾斜角による撮像により、緩やかな立体形状の変化も顕在化させることが可能である。しかし、電子光学系を傾斜させるのに、例えば５分程度の時間がかかってしまい、高速に傾斜角度を切り替えることができない。さらに、ＳＥＭは試料および荷電粒子ビームの経路をすべて真空に保つ必要があり、気密性を保持したまま電子光学系を傾斜させる機構は複雑であり、高速に傾斜させることができないためである。

一方、ステージを傾斜させる方法では、ＳＥＭの電子光学系を傾斜させるよりは高速に傾斜させることができ、また傾斜角度の制約も少なく、電子光学系を機械的に傾斜させる方法と同程度の傾斜角度を実現することができるが、それでも傾斜に数十秒程度を必要とする。また、傾斜をさせることにより撮像する画像の位置が変化し、傾斜角度の異なる同一箇所の観察を行うことが困難である。さらに、ステージの傾斜機構は複雑であり、結果としてステージ重量を増加させることになり、ステージを移動させる際のレスポンスを低下させる。

また、レビューＳＥＭにおいては、検査装置が検出した欠陥のＳＥＭ像を連続的かつ自動的に撮像するＡＤＲ機能が一般的であるが、ステージのレスポンスの低下は、このＡＤＲの基本性能であるＡＤＲスループットを低下させてしまう。

さらに、従来技術のいずれの方法においても、更なる課題として自動的に傾斜画像を撮像するにあたり、どの方向から傾斜観察をするのかを自動的に決定することができないことが挙げられる。自動的な傾斜画像の撮像においては、立体的な構造を持つ半導体パターンのパターン部に付着する欠陥を撮像するために、欠陥が立体的な構造を持つパターンの死角に入らないように傾斜観察する方向を決定することが必要であるが、この決定方法についての検討は未だ知られておらず、傾斜観察方向を自動的に決定し、傾斜レビュー画像を自動的に撮像するレビュー方法は未だ実現されていない。

そこで、本発明は、任意の傾斜観察方向から傾斜レビュー画像を高速、かつ自動的に撮像することができる欠陥観察技術を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、荷電粒子ビームを観察欠陥に照射し、観察欠陥の表面から放出される電子を検出して画像を取得するビームチルトが可能な電子顕微鏡と、当該電子顕微鏡カラムに任意の角度から撮像可能とする小型カラム電子顕微鏡を複数配置した構造とする。

本発明によれば、任意の傾斜観察方向から傾斜レビュー画像を高速、かつ自動的に撮像することができる欠陥観察技術を提供できる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。ここでは、試料表面の異物や欠陥を検査する走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）に適用した例によって本発明を説明する。

図１により、本発明による欠陥検査方法を実現するための欠陥観察システムの構成の一例を説明する。図１は一般的形態の欠陥観察システムの構成図を示す。

本実施例の走査型電子顕微鏡は、陰極１，陽極２，集束レンズ４，絞り板５，導体板６，２次電子検出器７，偏向コイル８，反射電子検出器９，対物レンズ１０を有する。対物レンズ１０の下方に試料１１が配置されている。試料１１はＸＹ方向へ試料１１を移動することができるようにＸステージ１２，Ｙステージ１３のステージ機構上に配置される。ステージ機構は図に記載してないが、通常、試料１１をＸステージ１２上で回転させる回転機構を有する。反射電子検出器９の電子検出体は、シンチレータであってもよい。

本実施例の走査型電子顕微鏡は、更に、陰極１と陽極２間に印加する高電圧を制御する高電圧制御電源１６，集束レンズ４に流す電流を制御する集束レンズ制御電源１７，２次電子検出器７からの信号を増幅する２次電子増幅器１８，偏向コイル８に倍率に対応した走査信号を供給する偏向コイル制御部１９，反射電子検出器９からの信号を増幅する反射電子検出器２１，対物レンズ１０に流す電流を制御する対物レンズ制御電源２０，試料１１の拡大像を表示する画像表示装置２３、及び、走査型電子顕微鏡全体を制御するＣＰＵ２２を有する。

なお、試料１１を搬送する搬送システム，走査型電子顕微鏡を収容する真空容器などの図示は省略している。

陰極１と陽極２の間に高電圧を印加することによって、陰極１から放出した荷電粒子ビーム３は加速される。一次荷電粒子ビーム３は、集束レンズ４によって集束され、絞り板５によって不要なビーム領域が除去される。荷電粒子ビーム３は、２次電子導体板６の開口を通過し、偏向コイル８によって二次元的に走査される。一次荷電粒子ビーム３は、対物レンズ１０によって集束され、試料１１上に微小スポットを生成する。

一次荷電粒子ビーム３の照射によって試料１１から低エネルギーの信号電子である２次電子１４と高エネルギーの信号電子である反射電子１５が放出される。ここで低エネルギーの信号電子である２次電子１４のエネルギーは１０ｅＶ未満であり、高エネルギーの信号電子である反射電子１５のエネルギーは１０ｅＶ以上とする。２次電子１４は放射方向の指向性を有しない。２次電子１４によって試料１１の表面の輪郭，異なる材質の境界等の画像が得られるが、明瞭な凹凸像を得るのは困難である。一方、反射電子１５は試料１１の表面に対して傾斜した方向に放射される。即ち、放射方向の指向性を有する。反射電子１５によって試料１１の表面の凹凸像が得られる。

次に、荷電粒子ビーム３の偏向について説明する。荷電粒子ビーム３は偏向コイル８により、試料１１への照射角度が制御され、対物レンズ１０により収束されて、試料１１で発生した欠陥に対して角度θをもって照射される。そして欠陥からは、この結果、２次電子１４と反射電子１５が放出され、前述のとおり検出，増幅され画像として表示される。なお、反射電子１５は、反射電子検出器２１により検出され、反射電子検出器２１は異なる方向に設置されており、好ましくはビームの照射位置に対して点対象の関係で設置する。

ユーザは対象物の欠陥に対して鉛直方向から傾斜させた荷電粒子ビーム３の照射により、傾斜して撮像される２次電子像、および２枚の反射電子像を観察することができ、２枚の異なった方向から撮像した傾斜した反射電子像は従来の鉛直方向から荷電粒子ビーム３を照射した画像に比較して傾斜部の観察を容易にする。

図１では、反射電子像の反射電子検出器９を２つ備えた例を示したが、これは数を減らすことも、あるいは増やすことも可能である。反射電子像の反射電子検出器９を３つ以上にすることにより、より詳細に対象物の勾配方向を求めることが可能になる。反射電子像においては、検出強度の強弱は、対象の物性と、検出器の反射電子を検出する方向と、電子が照射された対象表面の法線方向との関係により反射電子の検出される強度が決定されるため、同一の素材で構成されている領域が推定できれば、その領域内の反射電子強度の分布をもとに対象物表面の勾配の推定が可能であるため、２次電子像に比較すると極めて容易に形状を推定できる。一方、２次電子検出器は、コンタクトホール内の欠陥がどの程度ホールを埋めているか、あるいはホール壁の出来ばえを観察するのに有効に機能させることができる。

本発明が適用される半導体製品の製造においては、試料１１である半導体ウェハが多数の工程により多層構造的にパターンが形成されていく。この多層構造を製造していく過程において、その製造プロセスをモニタリングするためにレイヤー毎に外観検査や、その外観検査で検出された欠陥のレビュー，欠陥種類ごとの分類が行われる。欠陥のレビュー方法としては、一般に、（１）検査装置が検査中に撮像した画像をレビューするもの、（２）検査装置の外観画像撮像器を用いて再度欠陥の画像を撮像するrevisit形のもの、（３）検査装置とは異なる、レビューＳＥＭ等のレビュー装置を用いてレビューするもの、などいくつかの方法が提案され、利用されている。

ここで、（３）のタイプのシーケンスをより詳細に説明すると、外観検査を行った後、検査対象において検出された欠陥の試料１１上の座標における外観を再度レビュー装置で画像撮像を行って欠陥画像を取得し、次いでその画像をユーザがマニュアルによって異物，パターン欠陥，スクラッチ等の欠陥クラス毎に分類し、各欠陥種における欠陥数，欠陥サイズの分布，試料１１上の欠陥発生位置の分布を解析し、製造プロセスの問題点を見つけている。

最近の半導体プロセスはますます微細化してきているため、その製造プロセスは最適な状態から多少ずれただけで不良が多発するようになってきており、新たなより微細なプロセスの適用においては、欠陥部の発生原因を推定することを目的に欠陥部の傾斜画像を撮像することが求められるようになってきている。

現在までに知られているＳＥＭにおいて、傾斜した画像を撮像する方法として、たとえばＳＥＭにおいて対象を傾斜して観察する方法としては、（Ａ）陰極１より照射する荷電粒子ビーム３を偏向し、荷電粒子ビーム３の照射角度を傾斜させて傾斜画像を撮像する方法（例えば特開２０００−３４８６５８号公報）、（Ｂ）ＳＥＭにより試料１１の任意の場所を観察できるように試料１１を移動させるように備えられているステージ自体を傾斜させる方法、（Ｃ）電子光学系自体を機械的に傾斜させる方法が適用されている。

しかし、既に述べてきているように、（Ａ）においては、傾斜角度を±１５度程度までしか変化させることができないという制約があり、欠陥部の傾斜観察には向かない。（Ｂ）と（Ｃ）においては、傾斜角を切り替える時間が長くかかり、短時間で多数の欠陥を観察することが要求される量産ラインでの適用に向かない。

そこで、本発明では、この課題を解決するために、まず（Ａ）±１５度程度のビーム偏向を行う技術と複数の小型カラム電子顕微鏡２４による異常物検出技術を組み合わせ、対象の立体的な特徴を顕在化させる傾斜観察方式を見出した。

次に、図２を用いて、本発明に用いる小型カラム電子顕微鏡２４について説明する。

小型カラム電子顕微鏡２４は、ＳＥＭとして必要な機能である陰極１，陽極２，集束レンズ４，偏向コイル８，対物レンズ１０を小型化し一体で構成している。実際に、直径１５mm，高さ５０mm程度の超小型の小型カラム電子顕微鏡２４が実現できており、しかも荷電粒子ビーム３の加速電圧が１ｋＶという低加速電圧において３ｎｍという高分解能が得られている。また、最近では、試料１１に荷電粒子ビーム３を照射し、放出される２次電子を検出する２次電子検出器が小型カラム電子顕微鏡２４に一体化されている小型カラム電子顕微鏡２４も実現されている。

次に図３，図４を用い本発明の実施形態の一つを説明する。

図３は本発明の実施形態の一例である電子光学系の試料１１近傍を拡大した断面図であり、図４は荷電粒子光学系を真上から見た概略図である。

本発明は通常の電子光学系カラム（以後、「本カラム」と記載する。）に複数の前記小型カラム電子顕微鏡２４を任意の角度に搭載することにより、試料１１の異常物の傾斜画像を簡単に撮像可能とする。

本実施例では３本の複数の小型カラム電子顕微鏡２４を用いて説明するが、複数の小型カラム電子顕微鏡２４は何本配置してもよく、設置角度も任意で良い。また、３本の小型カラム電子顕微鏡２４は、それぞれが同一箇所を撮像できるように構成されている。

つまり、本カラムから照射される荷電粒子ビーム３と複数の小型カラム電子顕微鏡２４から照射される電子線が試料の同一箇所を照射する構成となる。

本カラムから照射される荷電粒子ビーム３は、従来と同様に傾斜画像を取得する際は、荷電粒子ビーム３を偏向コイル８により、照射角度を制御し、対物レンズ１０により収束し、試料１１で発生した異常物に対して角度θをもって照射するが、荷電粒子ビーム３の傾斜角度は荷電粒子ビーム３方向に対し±１５°程度の電子ビーム偏向が通常である。

そして異常物からは、この結果、２次電子１４と反射電子１５が放出され、２次電子検出器７により検出する。一方、反射電子は、反射電子検出器９により検出する。

本発明では本カラム荷電粒子ビーム３方向に対し±１５°以上の角度で異常物の傾斜画像を取得するのに複数の小型カラム電子顕微鏡２４を用いる。

上記の通り小型カラム電子顕微鏡２４は、直径１５mm，高さ５０mm程度の超小型の電子光学系が実現できており、本カラム内に複数配置することが可能となった。

また、小型カラム電子顕微鏡２４も±１５°程度の電子線偏向機能を有しているため、複数の小型カラム電子顕微鏡２４を配置することにより、あらゆる角度から試料１１の異常物を観察することが可能となる。

小型カラム電子顕微鏡２４の電子線が照射され、放出される２次電子は小型カラム電子顕微鏡２４内に組込まれた２次電子検出器で検出が可能である。また、小型カラム電子顕微鏡２４内に２次電子検出器が組込まれていない構造の小型カラム電子顕微鏡２４を用いる場合は、本カラムの反射電子検出器９、もしくは２次電子検出器７を代替し２次電子を検出することも可能である。

次に図５，図６を用い本発明の実施形態の一つを説明する。

実施例２は実施例１と異なる小型カラム電子顕微鏡２４配置方法を説明する。

実施例１は複数の小型カラム電子顕微鏡２４を縦に並べる配置方法であり、試料１１の異常物を同一方向から観察する事が可能であったが、縦に並べるため、小型カラム電子顕微鏡２４の配置スペースが大きくなる事が懸念される。そのため、本カラムのワーキングディスタンスを短く設計することが困難となり、十分な分解能が得られない可能性が生じる。

実施例２では、上記問題を配慮し、複数の小型カラム電子顕微鏡２４を試料１１の異常物を異なる角度から観察するように配置することにより、小型カラム電子顕微鏡２４配置スペースを省略することが可能となる。

本実施例では、本カラム荷電粒子ビーム３方向に異なる角度で配置した複数の小型カラム電子顕微鏡２４はそれぞれ試料１１の異常物を異なる角度から観察することになるが、ステージの有する試料１１回転機構により試料１１を回転させ観察できるため、あらゆる方向から試料１１の異常物を観察可能となる。

図７，図８を用い、本発明の他の実施例を説明する。

実施例３は実施例１で懸念される複数カラムの配置スペースの問題を解決する実施例２と異なる小型カラム電子顕微鏡２４配置方法を示す。

実施例３は複数の小型カラムを同じ方向に配置するが、各小型カラム電子顕微鏡２４が異なる点を観察する構造となる。本構造により、各小型カラム電子顕微鏡２４の配置間隔が大きくなるため、配置スペースに余裕が生じる。その結果、本カラムのワーキングディスタンスを短く設計することが可能となる。本実施例では、各小型カラム電子顕微鏡２４が異なる点を観察するため、ステージ移動により、観察箇所をＸＹ移動させ、またステージの回転機構により試料１１を回転させることにより観察点をあらゆる角度から観察する事が可能となる。

上記発明により、傾斜観察画像を簡単にあらゆる角度から撮像可能となる。また、複数角度の取得画像の画像合成及び画像処理により、鮮明な３Ｄ画像を形成することが可能となる。

本発明は、半導体素子製造分野における検査用の電子顕微鏡に用いる傾斜画像取得に用いるのに好適である。

本発明による一実施形態の電子顕微鏡装置を示す概略構成図である。 本発明に使用する小型カラム電子顕微鏡の概略構成を表す断面図である。 図１の要部拡大した概略構成図である。 図３の構成を備えた電子顕微鏡を上方から見た平面図である。 図１の要部拡大した概略構成図である。 図５の構成を備えた電子顕微鏡を上方から見た平面図である。 図１の要部拡大した概略構成図である。 図７の構成を備えた電子顕微鏡を上方から見た平面図である。

符号の説明

１ 陰極
２ 陽極
３ 荷電粒子ビーム
４ 集束レンズ
５ 絞り板
６ 導体板
７ ２次電子検出器
８ 偏向コイル
９，２１ 反射電子検出器
１０ 対物レンズ
１１ 試料
１２ Ｘステージ
１３ Ｙステージ
１４ ２次電子
１５ 反射電子
１６ 高電圧制御電源
１７ 集束レンズ制御電源
１８ ２次電子増幅器
１９ 偏向コイル制御部
２０ 対物レンズ制御電源
２２ ＣＰＵ
２３ 画像表示装置
２４ 小型カラム電子顕微鏡
２５ 電子顕微鏡カラム

Claims (8)

1. 荷電粒子線を試料へ照射し、該試料から放出される二次粒子を検出して画像を取得する荷電粒子線装置において、
   前記荷電粒子線を前記試料へ照射する主カラムと、
   該主カラムの照射点へ向けて荷電粒子線を照射する複数の副カラムと、
   前記主カラムと前記複数の副カラムのうちのいずれかひとつのカラムによって前記試料へ荷電粒子線が照射されるように制御する制御手段とを備え、
   該副カラムは、前記照射点と前記主カラムの主軸とを実質的に含み前記試料に対して実質的に垂直な平面内に配置されることを特徴とする荷電粒子線装置。
2. 請求項１の記載において、
   前記副カラムの主軸は、前記試料に対してそれぞれ異なる角度を有することを特徴とする荷電粒子線装置。
3. 請求項１の記載において、
   前記主カラムの主軸を含み、前記平面に対して略直角方向の平面内に、さらに副カラムを設け、該副カラムは前記照射点へ向けて荷電粒子線を照射することを特徴とする荷電粒子線装置。
4. 請求項１の記載において、
   前記副カラムの外径は、前記主カラムよりも小さいことを特徴とする荷電粒子線装置。
5. 荷電粒子線を試料へ照射し、該試料から放出される二次粒子を検出して画像を取得する荷電粒子線装置において、
   前記荷電粒子線を前記試料へ照射する主カラムと、
   該主カラムの照射点からずらして荷電粒子線を照射する複数の副カラムと、
   前記主カラムと前記複数の副カラムのうちのいずれかひとつのカラムによって前記試料へ荷電粒子線が照射されるように制御する制御手段とを備え、
   該副カラムは、前記照射点と前記主カラムの主軸とを実質的に含み前記試料に対して実質的に垂直な平面内に配置されることを特徴とする荷電粒子線装置。
6. 請求項５の記載において、
   前記副カラムの主軸は、前記試料に対してそれぞれ異なる角度を有することを特徴とする荷電粒子線装置。
7. 請求項５の記載において、
   前記主カラムの主軸を含み、前記平面に対して略直角方向の平面内に、さらに副カラムを設け、該副カラムは前記照射点へ向けて荷電粒子線を照射することを特徴とする荷電粒子線装置。
8. 請求項５の記載において、
   前記副カラムの外径は、前記主カラムよりも小さいことを特徴とする荷電粒子線装置。

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