JP2018190851A - コンタクトホールの欠陥検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電位コントラスト像を用いてコンタクトホールの欠陥を正確に検出することができる方法を提供する。【解決手段】本方法は、異なる時点で生成された複数の電位コントラスト像を取得し、各電位コントラスト像上の複数のコンタクトホールそれぞれの平均輝度を計算し、各電位コントラスト像上の複数のコンタクトホールの平均輝度の平均値である輝度指標値を計算し、各電位コントラスト像上の各コンタクトホールの平均輝度と、その電位コントラスト像について計算された輝度指標値との差分を計算し、複数のコントラスト像内の同じ位置にあるコンタクトホールについてそれぞれ計算された差分の合計を計算し、差分の合計を欠陥しきい値と比較し、差分の合計が欠陥しきい値よりも大きいコンタクトホールを欠陥として検出する。【選択図】図３

Description

本発明は、コンタクトホールの欠陥検出方法に関し、より具体的には、例えば、設計データに基づき製造された、半導体集積回路（ＬＳＩ）や液晶パネルを構成する絶縁膜に形成されたコンタクトホールの欠陥検出方法に関する。

半導体集積回路の製造工程におけるウェーハの検査には、走査型電子顕微鏡により生成された電位コントラスト像を用いた配線欠陥検出方法がある。例えば、特許文献１には、コンタクトホールにおける欠陥検査に用いるための技術が開示されている。

コンタクトホールとは半導体集積回路の各層間の絶縁膜に開けられた空孔であり、コンタクトホールに充填されたメタル配線を通し各層間の回路を電気的に接続する。コンタクトホールの底が絶縁膜を抜けずに下層の導電層にまで達していない場合、メタル配線で回路を接続することができず欠陥となる。

特許文献１の方法によると、電位コントラスト像において正常なコンタクトホールと比較して、コンタクトホールの輝度が高い、または低いかどうかを判定することでコンタクトホールの欠陥を検出する。

特開平１０−２９４３４４号公報

しかしながら、回路の物性によって電気特性は変わるため、電子ビームによって絶縁膜に生じた電位分布が平衡状態になるまである程度の時間がかかる。電位コントラスト像はある時点の電位分布を反映するため、正常なコンタクトホールと欠陥のあるコンタクトホールとの間に輝度差が現れないことがある。

そこで、本発明は、電位コントラスト像を用いてコンタクトホールの欠陥を正確に検出することができる方法を提供する。

本発明の一態様は、異なる時点で生成された複数の電位コントラスト像を取得し、各電位コントラスト像上の複数のコンタクトホールそれぞれの平均輝度を計算し、各電位コントラスト像上の前記複数のコンタクトホールの平均輝度の平均値である輝度指標値を計算し、各電位コントラスト像上の各コンタクトホールの平均輝度と、その電位コントラスト像について計算された輝度指標値との差分を計算し、前記複数のコントラスト像内の同じ位置にあるコンタクトホールについてそれぞれ計算された差分の合計を計算し、前記差分の合計を欠陥しきい値と比較し、前記差分の合計が前記欠陥しきい値よりも大きいコンタクトホールを欠陥として検出することを特徴とするコンタクトホールの欠陥検出方法である。

本発明の好ましい態様は、前記複数の電位コントラスト像を取得する工程は、予め設定された期間内で一定の時間間隔で生成された複数の電位コントラスト像を取得する工程であることを特徴とする。

本発明によれば、異なる時間に生成された電位コントラスト像上のコンタクトホールの輝度を使用してコンタクトホールの欠陥を検出する。よって、時間経過に伴ってコンタクトホールの輝度が変動しても、コンタクトホールの欠陥を正確に検出することができる。

検査装置の一実施形態を示す模式図である。 検査装置の画像生成装置の一実施形態を示す模式図である。 コンタクトホールの欠陥検出方法の一実施形態を示すフローチャートである。 図３に示すフローチャートのステップ１の概念図である。 図３に示すフローチャートのステップ２の概念図である。 図３に示すフローチャートのステップ３の概念図である。 図３に示すフローチャートのステップ４の概念図である。 絶縁膜に形成された複数のコンタクトホールの平面図である。 図８のＡ−Ａ線断面図である。 電位コントラスト像を生成し始めた時点でのウェーハ表面の断面図である。 底面に絶縁膜の残滓が存在するコンタクトホールに電子ビームが照射された直後の状態を示す模式図である。 電位コントラスト像を生成し続けた結果、絶縁膜内に電位差が無くなった状態を示す模式図である。 電位コントラスト像をさらに生成し続けた結果、コンタクトホールの底面を構成する絶縁膜の残滓内に正電荷層ができた状態を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、検査装置の一実施形態を示す模式図である。本実施形態における検査装置は、主制御部１、記憶装置２、入出力制御部３、入力装置４、表示装置５、印刷装置６、および画像生成装置７を備える。

主制御部１はＣＰＵ（Central Processing Unit）等により構成され、装置全体を統括的に制御する。主制御部１には記憶装置２が接続されている。記憶装置２は、ハードディスク、フレキシブルディスク、光ディスク等の形態をとることができる。また、主制御部１には、入出力制御部３を介して、キーボード、マウス等の入力装置４、入力データ、計算結果等を表示するディスプレイ等の表示装置５、および検査結果等を印刷するプリンタ等の印刷装置６が接続されている。

主制御部１は、ＯＳ（Operating System）等の制御プログラム、コンタクトホール検査のためのプログラム、および所要データ等を格納するための内部メモリ（内部記憶装置）を有し、これらプログラム等によりコンタクトホール検査およびサンプリングポイント抽出を実現している。これらのプログラムは、フレキシブルディスク、光ディスク等に記憶しておき、実行前にメモリ、ハードディスク等に読み込ませて実行されるようにすることができる。

図２は、検査装置の画像生成装置７の一実施形態を示す模式図である。図２に示すように、画像生成装置７は、照射系装置１０と試料室２０と２次電子検出器３０とから構成されている。本実施形態では、画像生成装置７は走査型電子顕微鏡である。

照射系装置１０は、電子銃１１と、電子銃１１から放出された１次電子を集束する集束レンズ１２と、電子線（荷電粒子線）を，Ｘ方向，Ｙ方向に偏向するＸ偏向器１３およびＹ偏向器１４と、対物レンズ１５とから構成されている。試料室２０はＸ方向，Ｙ方向に可動のＸＹステージ２１を備えている。試料室２０にはウェーハ搬送装置４０によって試料であるウェーハＷが搬出入されるようになっている。

照射系装置１０においては、電子銃１１から放出された１次電子は集束レンズ１２で集束された後に、Ｘ偏向器１３およびＹ偏向器１４で偏向されつつ対物レンズ１５により集束されて試料であるウェーハＷの表面に照射される。

ウェーハＷに１次電子が照射されるとウェーハＷからは２次電子が放出され、２次電子は２次電子検出器３０により検出される。集束レンズ１２および対物レンズ１５はレンズ制御装置１６に接続され、このレンズ制御装置１６は制御コンピュータ５０に接続されている。２次電子検出器３０は画像取得装置１７に接続され、この画像取得装置１７も同様に制御コンピュータ５０に接続されている。２次電子検出器３０で検出された２次電子強度が画像取得装置１７によって電位コントラスト像に変換される。歪みの無い最大の電位コントラスト像を取得できる１次電子の照射領域を視野と定義する。

Ｘ偏向器１３およびＹ偏向器１４は、偏向制御装置１８に接続され、この偏向制御装置１８も同様に制御コンピュータ５０に接続されている。ＸＹステージ２１は、ＸＹステージ制御装置２２に接続され、このＸＹステージ制御装置２２も同様に制御コンピュータ５０に接続されている。またウェーハ搬送装置４０も同様に制御コンピュータ５０に接続されている。制御コンピュータ５０は、操作コンピュータ６０に接続されている。

図３は、コンタクトホールの欠陥検出方法の一実施形態を示すフローチャートである。コンタクトホールの欠陥検出は、図１に示す主制御部１によって実行される。主制御部１は、予め設定された期間内の異なる時点で生成された複数の電位コントラスト像を画像生成装置７から取得する（ステップ１）。一実施形態では、予め設定された期間内において一定の時間間隔で生成された複数の電位コントラスト像を画像生成装置７から取得してもよい。

次に、主制御部１は、複数の電位コントラスト像の１枚ごとに、コンタクトホールそれぞれの輝度の平均値である平均輝度を計算する（ステップ２）。次に、主制御部１は、各電位コントラスト像上の前記複数のコンタクトホールの平均輝度の平均値である輝度指標値を計算する（ステップ３）。主制御部１は、各電位コントラスト像上の各コンタクトホールの平均輝度と、その電位コントラスト像について計算された輝度指標値との差分を計算する（ステップ４）。主制御部１は、複数のコントラスト像内の同じ位置にあるコンタクトホールについてそれぞれ計算された差分の合計を計算する（ステップ５）。さらに、主制御部１は、差分の合計を欠陥しきい値と比較し、差分の合計が欠陥しきい値よりも大きいコンタクトホールを欠陥として検出する（ステップ６）。差分の合計が欠陥しきい値よりも小さい場合は、主制御部１はコンタクトホールに欠陥がないと判定する。

図４は、図３のステップ１の概念図である。主制御部１は、予め設定された期間内の異なる時点ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４で生成された複数の電位コントラスト像Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４を画像生成装置７から取得する。図４に示すように、複数の電位コントラスト像Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４は、時間軸に沿って生成されたものである。電位コントラスト像Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４は、一定の時間間隔で生成されたものでもよい。

電位コントラスト像Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，Ｉ４のそれぞれには、複数のコンタクトホールの像、すなわち第１コンタクトホール１０１，第２コンタクトホール１０２，第３コンタクトホール１０３，および第４コンタクトホール１０４のそれぞれの像が含まれている。本実施形態では、４枚の電位コントラスト像が取得されるが、コンタクトホールの欠陥検出に用いられる電位コントラスト像の数は本実施形態に限らない。例えば、主制御部１は、４枚よりも多い電位コントラスト像を取得してもよい。

図５は図３のステップ２の概念図である。主制御部１は、電位コントラスト像Ｉ１のコンタクトホール１０１，１０２，１０３，１０４それぞれの輝度の平均値である平均輝度１０１Ａ１，１０２Ａ１，１０３Ａ１，１０４Ａ１を計算する。同様に、主制御部１は、電位コントラスト像Ｉ２のコンタクトホール１０１，１０２，１０３，１０４それぞれの平均輝度１０１Ａ２，１０２Ａ２，１０３Ａ２，１０４Ａ２を計算し、電位コントラスト像Ｉ３のコンタクトホール１０１，１０２，１０３，１０４それぞれの平均輝度１０１Ａ３，１０２Ａ３，１０３Ａ３，１０４Ａ３を計算し、電位コントラスト像Ｉ４のコンタクトホール１０１，１０２，１０３，１０４それぞれの平均輝度１０１Ａ４，１０２Ａ４，１０３Ａ４，１０４Ａ４を計算する。

図６は、図３のステップ３の概念図である。主制御部１は、電位コントラスト像Ｉ１の全平均輝度１０１Ａ１〜１０４Ａ１の平均値である輝度指標値Ｉ１Ａを計算する。同様に、主制御部１は、電位コントラスト像Ｉ２の全平均輝度１０１Ａ２〜１０４Ａ２の平均値である輝度指標値Ｉ２Ａを計算し、電位コントラスト像Ｉ３の全平均輝度１０１Ａ３〜１０４Ａ３の平均値である輝度指標値Ｉ３Ａを計算し、電位コントラスト像Ｉ４の全平均輝度１０１Ａ４〜１０４Ａ４の平均値である輝度指標値Ｉ４Ａを計算する。

図７は、図３のステップ４の概念図である。主制御部１は、電位コントラスト像Ｉ１の第１コンタクトホール１０１の平均輝度１０１Ａ１と、その電位コントラスト像Ｉ１について計算された輝度指標値Ｉ１Ａとの差分ｄ１を計算する。同様に、主制御部１は、電位コントラスト像Ｉ２の第１コンタクトホール１０１の平均輝度１０１Ａ２と、その電位コントラスト像Ｉ２について計算された輝度指標値Ｉ２Ａとの差分ｄ２を計算し、電位コントラスト像Ｉ３の第１コンタクトホール１０１の平均輝度１０１Ａ３と、その電位コントラスト像Ｉ３について計算された輝度指標値Ｉ３Ａとの差分ｄ３を計算し、電位コントラスト像Ｉ４の第１コンタクトホール１０１の平均輝度１０１Ａ４と、その電位コントラスト像Ｉ４について計算された輝度指標値Ｉ４Ａとの差分ｄ４を計算する。

さらに、主制御部１は、第１コンタクトホール１０１について算出された差分ｄ１，ｄ２，ｄ３，ｄ４の合計を計算し（ステップ５）、計算された合計と、予め設定された欠陥しきい値とを比較する（ステップ６）。差分の合計が欠陥しきい値よりも大きい場合は、主制御部１は第１コンタクトホール１０１に欠陥があると判定する。

同様に、主制御部１は、第２コンタクトホール１０２，第３コンタクトホール１０３，および第４コンタクトホール１０４についても、平均輝度と、対応する輝度指標値との差分を計算し、算出された差分の合計を上記欠陥しきい値と比較する。

本実施形態によれば、異なる時間に生成された電位コントラスト像上のコンタクトホールの輝度がコンタクトホールの欠陥検出に使用されるので、主制御部１は、時間経過に伴ってコンタクトホールの輝度が変動しても、コンタクトホールの欠陥を正確に検出することができる。

コンタクトホールの輝度は、走査型電子顕微鏡が電位コントラスト像を作成している間に変化することがある。この現象について、図８乃至図１３を用いて説明する。図８乃至図１３は、各コンタクトホールの輝度変化、特にコンタクトホール底面に絶縁膜の残滓がある場合における輝度変化の物理現象を説明した概念図である。図８は、絶縁膜１２０に形成されたコンタクトホール１１０を示す平面図である。図８に示すように、コンタクトホール１１０はマトリクス状に並んでいる。

図９は、図８のＡ−Ａ線断面図である。絶縁膜１２０の下には導電層１２１がある。コンタクトホール１１０−２は、絶縁膜１２０を貫通せず下層の導電層１２１に達していない。コンタクトホール１１０−２の底面には絶縁膜１２０の残滓１２０ａが存在する。

電位コントラスト像は、電子ビームを図８に示す絶縁膜１２０の左上から右下へラスタスキャンを行うことで生成される。よって、図１０に示すように、電位コントラスト像の生成し始め時点においては、電子ビームの照射に起因して、コンタクトホール１１０−１の左側の絶縁膜１２０の上部には正電荷層ができ、絶縁膜１２０の中部には負電荷層ができる。これは電子ビームの特性である。一方、コンタクトホール１１０−１の右側の絶縁膜１２０には、電子ビームがまだ当たっていないので、正電荷層および負電荷層は形成されない。

コンタクトホール１１０の底面に当たった電子ビームによって発生した２次電子が２次電子検出器３０（図２参照）で検出されると、電位コントラスト像上のコンタクトホール１１０の輝度は高くなる。しかしながら、図１０に示す場合は、コンタクトホール１１０−１の左側の絶縁膜１２０の側面と、コンタクトホール１１０−１の右側の絶縁膜１２０の側面との間には、正電荷層に起因した電位差が存在する。２次電子は、正電荷層が形成された左側の絶縁膜１２０の側面に引き寄せられ、２次電子検出器３０に到達しない。結果として、電位コントラスト像上のコンタクトホール１１０−１の輝度は低くなる。

図１１は、底面に絶縁膜１２０の残滓１２０ａが存在するコンタクトホール１１０−２に電子ビームが照射された直後の状態を示す模式図である。コンタクトホール１１０−２の底面には絶縁膜１２０の残滓１２０ａが存在する。一般に、絶縁材料は、導電材料よりも多くの２次電子を放出する。したがって、電子ビームが残滓１２０ａに照射されると、多くの２次電子がコンタクトホール１１０−２の底面から放出される。しかしながら、コンタクトホール１１０−２の左側と右側の絶縁膜１２０には電位差が存在し、２次電子は、正電荷層が形成された左側の絶縁膜１２０の側面に引き寄せられ、２次電子検出器３０に到達しない。結果として、電位コントラスト像上のコンタクトホール１１０−２の輝度は低くなる。

図１２は、電位コントラスト像を生成し続けた結果、絶縁膜１２０内に電位差が無くなった状態を示す模式図である。コンタクトホール１１０−１およびコンタクトホール１１０−２の底面から放出された２次電子は、電位差が存在しないので絶縁膜１２０の側面に引き寄せられない。よって、２次電子は、絶縁膜１２０の中部にある負電荷層からの反発さえ通過すれば、絶縁膜１２０の上部の正電荷層により上方へと加速され、２次電子検出器３０により検出される。コンタクトホール１１０−２の底面には絶縁膜１２０の残滓１２０ａがあるので、より多くの２次電子がコンタクトホール１１０−２の底面から放出される。結果として、電位コントラスト像上のコンタクトホール１１０−２の輝度は高くなる。

図１３は、電位コントラスト像をさらに生成し続けた結果、コンタクトホール１１０−２の底面を構成する絶縁膜１２０の残滓１２０ａ内に正電荷層ができた状態を示す模式図である。コンタクトホール１１０−２への電子ビーム照射により発生した２次電子は、残滓１２０ａ内の正電荷層に引き寄せられてしまい、２次電子検出器３０に到達しない。結果として、電位コントラスト像上のコンタクトホール１１０−２の輝度は低くなる。

このようなメカニズムにより、欠陥のあるコンタクトホールの電位コントラスト像内の輝度は、電位コントラスト像の生成時間の経過とともに変化する。本実施形態によれば、異なる時間に生成された電位コントラスト像上のコンタクトホールの輝度がコンタクトホールの欠陥検出に使用される。結果として、主制御部１は、時間経過に伴ってコンタクトホールの輝度が変動しても、コンタクトホールの欠陥を正確に検出することができる。

上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。

１ 主制御部
２ 記憶装置
３ 入出力制御部
４ 入力装置
５ 表示装置
６ 印刷装置
７ 画像生成装置
１０ 照射系装置
１１ 電子銃
１２ 集束レンズ
１３ Ｘ偏向器
１４ Ｙ偏向器
１５ 対物レンズ
１６ レンズ制御装置
１７ 画像取得装置
２０ 試料室
２１ ＸＹステージ
２２ ＸＹステージ制御装置
３０ ２次電子検出器
４０ ウェーハ搬送装置
５０ 制御コンピュータ
６０ 操作コンピュータ
１１０，１１０−１，１１０−２，１１０−３ コンタクトホール
１２０ 絶縁膜
１２１ 導電層

Claims (2)

1. 異なる時点で生成された複数の電位コントラスト像を取得し、
   各電位コントラスト像上の複数のコンタクトホールそれぞれの平均輝度を計算し、
   各電位コントラスト像上の前記複数のコンタクトホールの平均輝度の平均値である輝度指標値を計算し、
   各電位コントラスト像上の各コンタクトホールの平均輝度と、その電位コントラスト像について計算された輝度指標値との差分を計算し、
   前記複数のコントラスト像内の同じ位置にあるコンタクトホールについてそれぞれ計算された差分の合計を計算し、
   前記差分の合計を欠陥しきい値と比較し、
   前記差分の合計が前記欠陥しきい値よりも大きいコンタクトホールを欠陥として検出することを特徴とするコンタクトホールの欠陥検出方法。
2. 前記複数の電位コントラスト像を取得する工程は、予め設定された期間内で一定の時間間隔で生成された複数の電位コントラスト像を取得する工程であることを特徴とする請求項１に記載のコンタクトホールの欠陥検出方法。
   
   

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