JP4028864B2 - Pattern defect inspection method and inspection apparatus - Google Patents

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Description

本発明は、試料（半導体装置等）の表面状態を検査する方法および装置に関し、特に、電子ビームを用いて、半導体装置表面の微細なパターン欠陥を高感度、高分解能で、かつ高速に画像化して検査することのできる検査方法および検査装置
に関する。 The present invention relates to a method and apparatus for inspecting the surface state of a sample (semiconductor device or the like), and in particular, an electron beam is used to image fine pattern defects on the surface of a semiconductor device with high sensitivity, high resolution, and high speed. The present invention relates to an inspection method and an inspection apparatus that can be inspected.

半導体装置の製造過程において、ウェハ上に形成された回路パターンの欠陥を比較検査して検出する検査方法として、１つのウェハ上の２つ以上の同種ＬＳＩパターンの画像を光を用いて取得し、これら複数の画像を比較してパターン欠陥の有無等を検査する方法があり、既に実用化されている。この検査方法の概要は「月刊セミコンダクタワールド」１９９５年８月号，ｐｐ.１１４−１１７に述べられている。このような光学的検査方法で半導体装置の製造過程におけるパターン欠陥を検査した場合、光が透過してしまうシリコン酸化膜や感光性レジスト材料等の残渣は検出できなかった。また、光学系の分解能以下となるエッチング残りや微小導通孔の非開口不良等も検出できなかった。   In the manufacturing process of a semiconductor device, as an inspection method for comparing and detecting a defect of a circuit pattern formed on a wafer, an image of two or more similar LSI patterns on one wafer is obtained using light, There is a method of inspecting the presence or absence of a pattern defect by comparing the plurality of images, and has already been put into practical use. An outline of this inspection method is described in “Monthly Semiconductor World” August 1995, pp. 114-117. When pattern defects in the manufacturing process of a semiconductor device were inspected by such an optical inspection method, residues such as a silicon oxide film or a photosensitive resist material that could transmit light could not be detected. In addition, it was not possible to detect etching residue that was below the resolution of the optical system, non-opening defects of minute conduction holes, and the like.

このような光学的検査方法における問題点を解決するために、電子線を用いたパターンの比較検査方法が、特開昭５９−１９２９４３号公報、 J. Vac. Sci. Tech. B, Vol.9, No.6, pp.3005-3009 (1991)、 J. Vac. Sci. Tech. B, Vol.10,No.6, pp.2804-2808 (1992)、SPIE Vol.2439, pp.174-183、および特開平０５−２５８７０３号公報等に記載されている。そこでは、実用的な検査速度を得るために非常に高速にパターンの画像を取得する必要が有る。そして、高速で取得した画像のＳ／Ｎ比を確保するために、通常の走査型電子顕微鏡の１００倍以上(１０ｎＡ以上)のビーム電流を用いている。   In order to solve such problems in the optical inspection method, a pattern comparison inspection method using an electron beam is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 59-192943, J. Vac. Sci. Tech. B, Vol. , No. 6, pp. 3005-3009 (1991), J. Vac. Sci. Tech. B, Vol. 10, No. 6, pp. 2804-2808 (1992), SPIE Vol. 2439, pp. 174- 183, and Japanese Patent Laid-Open No. 05-258703. In this case, it is necessary to acquire a pattern image at a very high speed in order to obtain a practical inspection speed. In order to secure an S / N ratio of an image acquired at high speed, a beam current that is 100 times or more (10 nA or more) that of a normal scanning electron microscope is used.

「月刊セミコンダクタワールド」１９９５年８月号，ｐｐ.１１４−１１７“Monthly Semiconductor World” August 1995, pp. 114-117 J. Vac. Sci. Tech. B, Vol.9, No.6, pp.3005-3009 (1991)J. Vac. Sci. Tech. B, Vol. 9, No. 6, pp. 3005-3009 (1991) J. Vac. Sci. Tech. B, Vol.10, No.6, pp.2804-2808 (1992)J. Vac. Sci. Tech. B, Vol.10, No.6, pp.2804-2808 (1992) SPIE Vol.2439, pp.174-183SPIE Vol.2439, pp.174-183 特開昭５９−１９２９４３号公報JP 59-192943 A 特開平０５−２５８７０３号公報JP 05-258703 A

上記した電子線を用いた従来の検査技術では、検査可能なＳ／Ｎ比を維持した画像を形成するために、電子ビームを大電流化している。しかし、電子ビームを点状に絞ってこの「点ビーム」を試料表面上で平面状(２次元的)に走査しているがために、高速化(検査時間の短縮)には限界があった。また、使用電子源の輝度や空間電荷効果等によって、使用電子ビームの大電流化にも限界がある。例えば、０.１μｍ 程度の分解能を得ようとした場合は、使用電子ビーム電流は数百ｎＡ程度が理論限界であり、実際には、１００ｎＡ程度が用いられ得るに過ぎない。   In the conventional inspection technique using the above-described electron beam, the electron beam is increased in current in order to form an image that maintains an inspectable S / N ratio. However, since the electron beam is focused into a point shape and this “point beam” is scanned in a planar (two-dimensional) manner on the sample surface, there is a limit to speeding up (reducing the inspection time). . Also, there is a limit to increasing the current of the used electron beam due to the brightness of the used electron source, the space charge effect, and the like. For example, when an attempt is made to obtain a resolution of about 0.1 μm, the used electron beam current has a theoretical limit of about several hundred nA, and in practice, only about 100 nA can be used.

画像のＳ／Ｎ比は、画像を形成するのに用いられる電子の数、すなわち、ビーム電流値と画像取得に要する時間との積により決まる。画像処理が可能なレベルのＳ／Ｎ比を確保する必要があることを考慮すると、ビーム電流値が１００ｎＡで０.１μｍ の分解能を得ようとすると、試料表面の面積１ｃｍ2 を検査するのに約１００ｓｅｃ以上を必要とする。一方、前述した従来の光学式検査装置では、検査面積１ｃｍ2 当りの検査所要時間が約５ｓｅｃ程度と非常に高速であった。 The S / N ratio of an image is determined by the number of electrons used to form an image, that is, the product of the beam current value and the time required for image acquisition. Considering that it is necessary to secure an S / N ratio at a level that allows image processing, an attempt to obtain a resolution of 0.1 μm at a beam current value of 100 nA is used to inspect an area of 1 cm 2 on the sample surface. About 100 sec or more is required. On the other hand, in the above-described conventional optical inspection apparatus, the time required for inspection per 1 cm 2 of the inspection area is as high as about 5 seconds.

従って、本発明の目的は、電子ビームを用いたパターンの比較検査方法の検査所要時間を従来の光学式検査方法のそれと同等か、またはそれ以上に高速化することである。   Accordingly, an object of the present invention is to speed up the time required for inspection of a pattern comparison inspection method using an electron beam to be equal to or faster than that of a conventional optical inspection method.

上記した本発明の目的、すなわち電子ビームを用いたパターン比較検査方法の高速化は、試料表面の複数の照射領域(面積領域)に、電子ビームを「点ビーム」としてではなく２次元的な広がりを持った「面積ビーム」として順次照射し、これら複数の照射領域(面積領域)からの後方散乱電子または二次電子を結像させて上記複数の照射領域の拡大像を順次形成し、これら複数の照射領域の拡大像を電気的な画像信号に変換して、上記複数の照射領域についての画像信号同士を比較することにより上記各照射領域についてのパターン欠陥を検出することによって達成される。   The above-described object of the present invention, that is, the speeding up of the pattern comparison inspection method using the electron beam, is to spread the electron beam into a plurality of irradiation areas (area areas) on the sample surface in a two-dimensional manner rather than as “point beams”. Are sequentially irradiated as an “area beam” with the image, and backscattered electrons or secondary electrons from the plurality of irradiation regions (area regions) are imaged to sequentially form enlarged images of the plurality of irradiation regions. This is achieved by detecting a pattern defect for each of the irradiation regions by converting the enlarged image of the irradiation region into an electrical image signal and comparing the image signals for the plurality of irradiation regions.

すなわち、本発明のパターン欠陥検査方法においては、電子源からの電子ビームを所謂「面積ビーム」として半導体試料表面の複数の照射領域(面積領域)に順次照射し、これら複数の照射領域からの後方散乱電子または二次電子を電子光学的に結像させて上記複数の照射領域の拡大像を順次形成させ、これら複数の照射領域の拡大像を順次電気的な画像信号に変換して記憶させ、上記複数の照射領域についての記憶画像信号同士を比較することにより上記各照射領域についてのパターン欠陥を検出するようにしている。本方法によれば、従来のような各照射領域(面積領域)内での「点ビーム」の２次元走査が不要であるので、検査時間の大幅な短縮が可能となり、欠陥検査の高速化が可能となる。   That is, in the pattern defect inspection method of the present invention, an electron beam from an electron source is sequentially irradiated to a plurality of irradiation regions (area regions) on the surface of the semiconductor sample as a so-called “area beam”, and the back from these irradiation regions. Scattered electrons or secondary electrons are imaged electro-optically to form enlarged images of the plurality of irradiation regions sequentially, and the enlarged images of the plurality of irradiation regions are sequentially converted into electrical image signals and stored. By comparing the stored image signals for the plurality of irradiation areas, the pattern defect for each of the irradiation areas is detected. According to this method, since the conventional two-dimensional scanning of the “point beam” in each irradiation region (area region) is unnecessary, the inspection time can be greatly shortened, and the speed of defect inspection can be increased. It becomes possible.

また、本発明によるパターン欠陥検査装置は、電子源からの電子ビームを面積ビームとして半導体試料表面に照射し該照射領域(面積領域)からの後方散乱電子または二次電子を結像させて上記照射領域の拡大像を形成するための電子光学系と、上記半導体試料を載せて該半導体試料表面上の所望位置に上記電子ビームが照射されるように上記半導体試料を移動させるための試料移動ステージと、上記拡大像を電気的な画像信号に変換して検出する画像信号検出手段と、該画像信号検出手段により検出された上記半導体試料表面の複数の照射領域についての画像信号同士を比較して各照射領域におけるパターン欠陥を検出するための画像信号処理手段とによって構成されることができる。   Further, the pattern defect inspection apparatus according to the present invention irradiates the surface of a semiconductor sample with an electron beam from an electron source as an area beam, forms an image of backscattered electrons or secondary electrons from the irradiation region (area region), and performs the irradiation. An electron optical system for forming an enlarged image of a region; a sample moving stage for moving the semiconductor sample so that the electron beam is irradiated to a desired position on the surface of the semiconductor sample by placing the semiconductor sample; The image signal detecting means for detecting the magnified image by converting it into an electrical image signal, and comparing the image signals for the plurality of irradiation areas on the surface of the semiconductor sample detected by the image signal detecting means, And image signal processing means for detecting a pattern defect in the irradiation region.

なお、上記試料に負電位を印加することにより上記試料表面に照射される電子ビームを減速して、この減速された電子ビームが上記試料表面に入射するようにするか、または、この減速された電子ビームが上記試料表面には入射せずにその極近傍で反射されるようにするのが有効である。   The electron beam applied to the sample surface is decelerated by applying a negative potential to the sample so that the decelerated electron beam is incident on the sample surface, or the decelerated electron beam is incident on the sample surface. It is effective to reflect the electron beam in the vicinity of the sample without entering the sample surface.

また、上記試料移動ステージは、上記試料をほぼ等速度で連続的に移動させるよう動作設定することにより、欠陥検査のより高速化が実現できる。この場合、上記試料移動ステージの位置をモニタするステージ位置モニタ手段を備えることによって、上記試料表面への電子ビーム照射領域が、所定時間の間、試料表面上の同一箇所となるよう制御する必要があることは云うまでもない。   Further, the operation of the sample moving stage is set so that the sample is continuously moved at substantially the same speed, so that a higher speed of defect inspection can be realized. In this case, by providing stage position monitoring means for monitoring the position of the sample moving stage, it is necessary to control the electron beam irradiation area on the sample surface to be the same location on the sample surface for a predetermined time. It goes without saying that there is.

さらに、上記の画像信号検出手段は、上記電子光学系によって結像形成された上記照射領域の拡大電子像を蛍光板上に投射することによって光学像に変換し、この光学像を光学レンズまたは光ファイバーを介して光学画像検出素子上に結像させる。または、上記電子光学系で結像された拡大電子像を電子感応性を有する画像検出素子上に直接結像させるようにしてもよい。なお、画像検出素子としては、電荷結合型素子(ＣＣＤセンサ)、または時間遅延して入力した光信号を積分し出力する素子(ＴＤＩセンサ)を用いることができる。また、画像検出素子からの検出信号の読み出しは、並列に多チャンネルで読み出す方式とする。   Further, the image signal detecting means converts an enlarged electronic image of the irradiated area formed by the electron optical system onto a fluorescent plate to convert it into an optical image, and this optical image is converted into an optical lens or an optical fiber. Through the optical image detecting element. Alternatively, an enlarged electron image formed by the electron optical system may be directly formed on an image sensing element having electron sensitivity. As the image detection element, a charge-coupled element (CCD sensor) or an element (TDI sensor) that integrates and outputs an optical signal input with a time delay can be used. In addition, reading of detection signals from the image detection element is performed in a multi-channel reading method in parallel.

一方、電子ビームを同時に照射することにより同時に得られる半導体試料表面の拡大像の大きさが画像検出素子の受光面の大きさとほぼ等しくなるように設定する方法がより簡便である。その一方、半導体試料表面の拡大像の大きさが画像検出素子の受光面に比べて小さくなるように上記電子ビームの照射領域の大きさを設定して、該電子ビームを上記半導体試料表面上で走査することによって、該画像検出素子の受光面全体に一定の時間をかけて上記拡大像が投射されるようにして、上記電子ビームの走査信号には照射位置と照射範囲の変動要因を補正する信号を重畳させるようにすることによって、さらに高精度化を達成できる方法もある。   On the other hand, a method of setting the size of the magnified image of the surface of the semiconductor sample simultaneously obtained by simultaneously irradiating the electron beam to be substantially equal to the size of the light receiving surface of the image detection element is simpler. On the other hand, the size of the irradiation region of the electron beam is set so that the size of the magnified image on the surface of the semiconductor sample is smaller than the light receiving surface of the image detection element, and the electron beam is projected on the surface of the semiconductor sample. By scanning, the enlarged image is projected on the entire light-receiving surface of the image detection element over a certain period of time, and the variation factor of the irradiation position and irradiation range is corrected in the scanning signal of the electron beam. There is also a method in which higher accuracy can be achieved by superimposing signals.

また、半導体試料に照射する電子ビームを減速し、試料に照射される時の電子ビームのエネルギー値を減速前のエネルギー値に比べて十分に小さくして、この減速後の電子ビームの照射により試料表面から発生する後方散乱電子のエネルギー分散が結像系の分解能に影響を及ぼさない範囲となるようにするために、上記半導体試料に負電位を印加する。または、電子ビームの照射により発生する後方散乱電子または二次電子をエネルギー分別するためのフィルタを備え、ある特定のエネルギー幅の後方散乱電子または二次電子のみを結像させることによって、高速検査の課題を解決すると同時に、分解能をも向上させることができる。   In addition, the electron beam applied to the semiconductor sample is decelerated, and the energy value of the electron beam when irradiated onto the sample is made sufficiently smaller than the energy value before deceleration, and the sample is irradiated by this electron beam irradiation after deceleration. A negative potential is applied to the semiconductor sample so that the energy dispersion of backscattered electrons generated from the surface does not affect the resolution of the imaging system. Alternatively, a filter for separating the energy of backscattered electrons or secondary electrons generated by irradiation of an electron beam is provided, and only the backscattered electrons or secondary electrons having a specific energy width are imaged, so that high-speed inspection can be performed. At the same time as solving the problem, the resolution can be improved.

本発明によれば、電子線によるウェハパターン検査装置の検査速度が飛躍的に高速化する。   According to the present invention, the inspection speed of the wafer pattern inspection apparatus using an electron beam is remarkably increased.

以下に、本発明の実施の形態につき、実施例を挙げて詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to examples.

〈実施例１〉
図１に、本発明の一実施例になる検査装置の概略構成を示す。本実施例による検査装置は、大別して、電子光学系１０１、試料室１０２、画像検出部１０３、画像処理部１０４および制御部１０５より構成されている。 <Example 1>
FIG. 1 shows a schematic configuration of an inspection apparatus according to an embodiment of the present invention. The inspection apparatus according to the present embodiment is roughly composed of an electron optical system 101, a sample chamber 102, an image detection unit 103, an image processing unit 104, and a control unit 105.

先ず、電子光学系１０１について説明する。加速電源２３により負の高電位が与えられている電子源１から放出された加速電子ビームは、コンデンサレンズ２によって収束され、矩形開口を有する絞り４を照射する。なお、この電子ビームは、絞り４上を照射する前に、電磁偏向器３によって偏向を受ける。電磁偏向器３は、電子源１からの入射電子ビームと試料からの反射電子（後方散乱電子または二次電子）ビームの光路を分離するためのものである。絞り４の矩形絞り開口を通過した入射電子ビームは、対物レンズ６によって結像されて、半導体試料７表面上に矩形絞り開口の像を形成する。絞り４上での矩形絞り開口の大きさは例えば４００μｍ角であり、対物レンズ６によってこれを１／４に縮小し、試料７表面上では１００μｍ角の絞り開口像（照射領域）が得られるようにする。この絞り開口像（照射領域）は、照射系偏向器５によって試料７表面上の任意の位置に移動（または、走査）され得る。電子源１には、先端部が平面状でその平面状部分が１０μｍφ以上のＬaＢ6熱電子源を用いた。これによって、試料７表面上での広い面積（照射領域）にわたって均一に電子ビームを照射することが可能となる。 First, the electron optical system 101 will be described. The acceleration electron beam emitted from the electron source 1 to which a negative high potential is applied by the acceleration power source 23 is converged by the condenser lens 2 and irradiates the diaphragm 4 having a rectangular opening. This electron beam is deflected by the electromagnetic deflector 3 before being irradiated on the diaphragm 4. The electromagnetic deflector 3 is for separating the optical paths of the incident electron beam from the electron source 1 and the reflected electron (backscattered electron or secondary electron) beam from the sample. The incident electron beam that has passed through the rectangular aperture of the aperture 4 is imaged by the objective lens 6 to form an image of the rectangular aperture on the surface of the semiconductor sample 7. The size of the rectangular aperture on the aperture 4 is 400 μm square, for example, and this is reduced to ¼ by the objective lens 6 so that an aperture aperture image (irradiation area) of 100 μm square can be obtained on the surface of the sample 7. To. This aperture opening image (irradiation area) can be moved (or scanned) to an arbitrary position on the surface of the sample 7 by the irradiation system deflector 5. As the electron source 1, a LaB 6 thermal electron source having a flat tip portion and a flat portion of 10 μmφ or more was used. This makes it possible to irradiate the electron beam uniformly over a wide area (irradiation region) on the surface of the sample 7.

試料７、試料移動ステージ８には、電源９により、電子源１よりも低い（絶対値の小さい）負電位、または僅かに高い（絶対値の大きい）負電位を印加する。電子源１の電位よりも僅かに低い負電位を印加するのは、試料７からの後方散乱電子を用いて検査する場合であり、その場合には、入射電子ビームは、上記の負電位によって試料７の手前で減速されて試料７表面に向かい、試料７表面の原子によって後方散乱される。この後方散乱電子を電磁偏向器３、結像系偏向器１０を介して結像レンズ１１に導き散乱電子像１２として結像させる。さらに、この散乱電子像１２を拡大レンズ１３、１４によって蛍光板１５上に拡大投影させることによって、試料７表面のパターンを反映した蛍光像（顕微鏡像）を得ることができる。   A negative potential lower (smaller absolute value) or slightly higher (larger absolute value) than the electron source 1 is applied to the sample 7 and the sample moving stage 8 by the power source 9. A negative potential slightly lower than the potential of the electron source 1 is applied when inspection is performed using backscattered electrons from the sample 7. In this case, the incident electron beam is applied to the sample by the negative potential. 7 is decelerated before 7 and travels toward the surface of the sample 7 and is backscattered by atoms on the surface of the sample 7. The backscattered electrons are guided to the imaging lens 11 through the electromagnetic deflector 3 and the imaging system deflector 10 to form a scattered electron image 12. Furthermore, a fluorescent image (microscopic image) reflecting the pattern of the surface of the sample 7 can be obtained by magnifying and projecting the scattered electron image 12 on the fluorescent plate 15 by the magnifying lenses 13 and 14.

試料室１０２内では、２次元(Ｘ，Ｙ，θ)方向に移動可能な試料移動ステージ８上に試料７が載置され、試料７には電源９により上記したような負電位が印加されている。試料移動ステージ８にはステージ位置測定器２７が付設され、ステージ位置をリアルタイムで正確に計測している。これは、ステージ８を連続移動させながら画像を取得するためである。このステージ位置測定器２７には例えばレーザ干渉計が用いられる。また、半導体試料(ウェハ)表面の高さを正確に計測するために、光学的な試料高さ測定器２６も取りつけられている。これには、例えば、ウェハ表面上の検査すべき領域に斜め方向から光を入射させ、その反射光の位置変化からウェハ表面の高さを計測する方式のものを用いることができる。
この他、試料室１０２には、検査領域の位置決め用に用いられる光学顕微鏡３０も付設されている。 In the sample chamber 102, the sample 7 is placed on a sample moving stage 8 that can move in a two-dimensional (X, Y, θ) direction, and a negative potential as described above is applied to the sample 7 by a power source 9. Yes. A stage position measuring device 27 is attached to the sample moving stage 8 to accurately measure the stage position in real time. This is for acquiring images while continuously moving the stage 8. For example, a laser interferometer is used for the stage position measuring device 27. In addition, an optical sample height measuring device 26 is attached in order to accurately measure the height of the surface of the semiconductor sample (wafer). For example, a system in which light is incident on an area to be inspected on the wafer surface from an oblique direction and the height of the wafer surface is measured from a change in position of the reflected light can be used.
In addition, the sample chamber 102 is also provided with an optical microscope 30 used for positioning the inspection region.

次に、画像検出部１０３について説明する。画像検出には、散乱電子像１２の拡大像を光学像に変換するための蛍光板１５と光学画像検出素子（例えばＣＣＤ素子）１７とを光ファイバー束１６でもって光学結合させることにより、蛍光板１５上の光学像を光学画像検出素子１７の受光面上に結像させる。光ファイバー束１６は、細い光ファイバーを画素数と同じ本数束ねたものである。また、上記光ファイバー束１６の代わりに光学レンズを用い、該光学レンズによって蛍光板１５上の光学像を光学画像検出素子(ＣＣＤ)１７の受光面上に結像させるようにしてもよい。蛍光板１５の両面には電極３００と透明電極３０１を設け、両電極間に透明電極３０１側が正の高電圧を印加して電子ビームの散乱を防いでいる。   Next, the image detection unit 103 will be described. For image detection, a fluorescent plate 15 for converting an enlarged image of the scattered electron image 12 into an optical image and an optical image detection element (for example, a CCD element) 17 are optically coupled by an optical fiber bundle 16, whereby An optical image is formed on the light receiving surface of the optical image detection element 17. The optical fiber bundle 16 is a bundle of thin optical fibers equal to the number of pixels. An optical lens may be used in place of the optical fiber bundle 16, and an optical image on the fluorescent plate 15 may be formed on the light receiving surface of the optical image detection element (CCD) 17 by the optical lens. Electrodes 300 and transparent electrodes 301 are provided on both surfaces of the fluorescent plate 15, and the transparent electrode 301 side applies a positive high voltage between the two electrodes to prevent scattering of the electron beam.

光学画像検出素子(ＣＣＤ)１７は、その受光面上に結像された光学像を電気的な画像信号に変換して出力する。出力された画像信号は、画像処理部１０４に送られ、そこで画像信号処理が行なわれる。   The optical image detection element (CCD) 17 converts the optical image formed on the light receiving surface into an electrical image signal and outputs it. The output image signal is sent to the image processing unit 104, where image signal processing is performed.

画像処理部１０４は、画像信号記憶部１８及び１９、演算部２０、欠陥判定部２１より構成されている。なお、取り込まれた画像信号はモニタ２２により画像表示される。装置各部の動作命令および動作条件は、制御部１０５内の制御計算機２９から入出力される。制御計算機２９には、予め電子線発生時の加速電圧、電子線偏向幅・偏向速度、試料ステージ移動速度、画像検出素子からの画像信号取り込みタイミング等々の諸条件が入力されている。ビーム制御系２８は、制御計算機２９からの指令を受けて、ステージ位置測定器２７、試料高さ測定器２６からの信号を基にして補正信号を生成し、電子線が常に正しい位置に照射されるように対物レンズ電源２５や走査信号発生器２４に補正信号を送る。   The image processing unit 104 includes image signal storage units 18 and 19, a calculation unit 20, and a defect determination unit 21. The captured image signal is displayed on the monitor 22 as an image. Operation commands and operation conditions of each part of the apparatus are input / output from the control computer 29 in the control unit 105. The control computer 29 is preliminarily inputted with various conditions such as an acceleration voltage at the time of generating an electron beam, an electron beam deflection width / deflection speed, a sample stage moving speed, and an image signal capturing timing from the image detection element. The beam control system 28 receives a command from the control computer 29, generates a correction signal based on the signals from the stage position measuring device 27 and the sample height measuring device 26, and the electron beam is always irradiated to the correct position. Thus, a correction signal is sent to the objective lens power supply 25 and the scanning signal generator 24.

以下に、本検査装置の動作条件を示すことによって、従来の電子ビームによるパターン検査装置と比べてどの程度の検査の高速化が図れたかについて述べる。画像比較検査法によってパターン欠陥の検査をするには、画像のＳ／Ｎ比が１０以上必要である。ここに云うＳ／Ｎ比の「Ｓ」は電子の平均信号量，「Ｎ」は信号の３σ値で定義される。σ値は照射電子数のショットノイズで決まり、１画素当りに照射される電子数Ｓの平方根(√Ｓ)となる。従って、Ｓ／Ｎ比はＳ／(３√Ｓ)＝√Ｓ／３となる。これにさらに試料からの電子放出を考慮すると、Ｓ／Ｎ比は√Ｓ／(３√２)となる。例えば、約１８のＳ／Ｎ比を得るためにはＳ≧６２５０となり、一画素当り６２５０個の電子を照射する必要がある。一方、欠陥検査に必要な分解能は０.１μｍ 以下である。従って、電子ビームを点状に絞り、これを試料表面上で走査して行く従来方法では、電子ビームを０.１μｍ 以下に絞る必要がある。このような微細なビームを作るには電子源の輝度と空間電荷効果によりビーム電流値には限界があり、ビーム電流値Ｉとしては高々１００ｎＡ程度しか得られない。照射ビーム電流が１００ｎＡでは、１秒間当り１００(ｎＡ)／(１.６×１０-19(Ｃ))＝６.２５×１０+11個の電子が照射されることになる。従って、１画素当り６２５０個の電子照射を行なうには１０ｎｓｅｃの照射時間が必要である。そうすると、面積１ｃｍ2を検査するのには(１ｃｍ／０．１μｍ)2×１０ｎｓｅｃ＝１００ｓｅｃの検査時間が必要となる。 The following describes how the inspection speed can be increased compared with the conventional pattern inspection apparatus using an electron beam by showing the operating conditions of the inspection apparatus. In order to inspect the pattern defect by the image comparison inspection method, the S / N ratio of the image needs to be 10 or more. The S / N ratio “S” here is defined by the average signal amount of electrons, and “N” is defined by the 3σ value of the signal. The σ value is determined by the shot noise of the number of irradiated electrons, and is the square root (√S) of the number of electrons S irradiated per pixel. Accordingly, the S / N ratio is S / (3√S) = √S / 3. In addition, considering the electron emission from the sample, the S / N ratio is √S / (3√2). For example, in order to obtain an S / N ratio of about 18, S ≧ 6250, and it is necessary to irradiate 6250 electrons per pixel. On the other hand, the resolution required for defect inspection is 0.1 μm or less. Therefore, in the conventional method in which the electron beam is squeezed into a dot shape and scanned on the sample surface, it is necessary to squeeze the electron beam to 0.1 μm or less. In order to produce such a fine beam, the beam current value is limited by the brightness of the electron source and the space charge effect, and the beam current value I can be obtained only about 100 nA at most. When the irradiation beam current is 100 nA, 100 (nA) / (1.6 × 10 −19 (C)) = 6.25 × 10 +11 electrons are irradiated per second. Therefore, an irradiation time of 10 nsec is required to perform irradiation of 6250 electrons per pixel. Then, in order to inspect an area of 1 cm 2 , an inspection time of (1 cm / 0.1 μm) 2 × 10 nsec = 100 sec is required.

一方、本実施例の検査装置の場合には、一辺がｘの正方形の領域にビーム電流Ｉの電子ビーム(面積ビーム)を照射する(これを１ショットと呼ぶことにする)。それによって照射電流のη倍の後方散乱電子が放出されたとする。この後方散乱電子により試料表面の拡大像を形成し、分解能０.１μｍ の画像として画像検出素子(ＣＣＤ)で検出する場合を考える。比較条件として、０.１μｍ 角当りからの必要な信号数(後方散乱電子数)は従来例と同じ６２５０個とする。１ショットの所要時間をｔ、面積１ｃｍ2 を検査するに必要な時間をＴとすると、ｔは次式で表わされる。 On the other hand, in the case of the inspection apparatus according to the present embodiment, an electron beam (area beam) having a beam current I is irradiated onto a square region having one side x (this is referred to as one shot). As a result, backscattered electrons that are η times the irradiation current are emitted. Consider a case where an enlarged image of the sample surface is formed by the backscattered electrons and detected by an image detection element (CCD) as an image having a resolution of 0.1 μm. As a comparison condition, the necessary number of signals (number of backscattered electrons) per 0.1 μm square is 6250 as in the conventional example. Assuming that the time required for one shot is t and the time required to inspect an area of 1 cm 2 is T, t is expressed by the following equation.

６２５０＝[Ｉ・η・ｔ／(１.６×１０-19)]・[１×１０-7／ｘ]2
∴ ｔ＝０.１・[ｘ2／(Ｉ・η)] ・・・(１)
また、Ｔは次式で表わされる。 6250 = [I · η · t / (1.6 × 10 −19 )] · [1 × 10 −7 / x] 2
∴ t = 0.1 · [x 2 / (I · η)] (1)
T is expressed by the following equation.

Ｔ＝(０.０１／ｘ)2・ｔ
∴ Ｔ＝１×１０-4・(ｔ／ｘ2)＝１×１０-5・[１／(Ｉ・η)] ・・・(２)
この式に、実際の値を代入して、検査所要時間Ｔを求める。 T = (0.01 / x) 2 · t
∴ T = 1 × 10 −4 · (t / x 2 ) = 1 × 10 −5 · [1 / (I · η)] (2)
By substituting an actual value into this equation, the required inspection time T is obtained.

本実施例では、１ショット１００μｍ×１００μｍの面積領域を１００μＡの面積ビームで照射した。画像検出素子(ＣＣＤ)には、１０２４×１０２４の画素を持つものを用い、該ＣＣＤ素子上での一画素が試料上での０.１μｍ 角に対応するように電子光学系およびＣＣＤ素子への結像光学系の倍率を設定した。この場合、画像の周辺部では歪みが発生するので、この歪みが補正されるように、光ファイバー束１６の代わりに光学レンズを用いる場合は、非球面レンズを用いることとした。さらに、これで補正しきれない歪みを画像処理により補正してから使用した。ここで、上式中のη値を０.２ とすると、１ショットの所要時間ｔは５０μｓｅｃとなり、また、面積１ｃｍ2 当りの検査所要時間Ｔを計算すると、０.５ ｓｅｃとなる。このように、照射電子数のショットノイズから要求される
検査所要時間は飛躍的に短縮され、高速検査が可能になることが判る。 In this example, an area region of 100 μm × 100 μm per shot was irradiated with an area beam of 100 μA. An image detection element (CCD) having a pixel of 1024 × 1024 is used, and an electron optical system and a CCD element are connected so that one pixel on the CCD element corresponds to a 0.1 μm square on the sample. The magnification of the imaging optical system was set. In this case, since distortion occurs in the peripheral portion of the image, an aspheric lens is used when an optical lens is used instead of the optical fiber bundle 16 so that the distortion is corrected. Furthermore, distortion that could not be corrected with this was corrected by image processing before use. Here, if the η value in the above equation is 0.2, the required time t for one shot is 50 μsec, and the required inspection time T per 1 cm 2 of the area is 0.5 sec. Thus, it can be seen that the required inspection time required from the shot noise of the number of irradiated electrons is drastically reduced, and high-speed inspection is possible.

次に、試料移動ステージ８の整定時間について述べる。ステージ８の移動方法を例えばステッフ゜・アンド・リピート方式とすると、ステージ８の整定時間はｍｓｅｃオーダが必要となるため、十分に検査時間を短縮することができない。従って、ステージ８の移動方法は、ステージが常に等速で移動している連続移動方式とした。これによりステージの整定時間による検査時間の制約はなくなる。ただし、ステージ８が連続移動していると、１ショット時間例えば５０μｓｅｃの間にもステージ８が移動して、試料表面上での照射位置が変化してしまう。そこで、１ショットの間に照射位置が変化しないように、偏向器５により照射電子ビームをステージ８の移動に追従させるようにした。また、静止座標系である電子光学系から見ると、電子ビーム照射位置は移動しているから結像レンズ１１に
より作られる像１２も移動してしまう。この移動が生じないようにするために、偏向器１０を偏向器５と連動動作させるようにした。 Next, the settling time of the sample moving stage 8 will be described. If the moving method of the stage 8 is a step-and-repeat method, for example, the settling time of the stage 8 needs to be on the order of msec, so that the inspection time cannot be shortened sufficiently. Therefore, the moving method of the stage 8 is a continuous moving method in which the stage is always moving at a constant speed. This eliminates the restriction of the inspection time due to the stage settling time. However, if the stage 8 is continuously moved, the stage 8 also moves during one shot time, for example, 50 μsec, and the irradiation position on the sample surface changes. Accordingly, the irradiation electron beam is caused to follow the movement of the stage 8 by the deflector 5 so that the irradiation position does not change during one shot. Further, when viewed from the electron optical system which is a stationary coordinate system, the electron beam irradiation position is moved, so that the image 12 formed by the imaging lens 11 is also moved. In order to prevent this movement, the deflector 10 is operated in conjunction with the deflector 5.

次に、画像検出素子(ＣＣＤ)の読み取り時間について述べる。本実施例では、ＣＣＤ１７に蓄積された電荷を３２チャンネルの読み出し口から１Ｍライン／秒の読出速度で多チャンネル並列読み出しできるようにした。１ライン当りの画素数は３２で、１ライン当りの読出所要時間は１μｓｅｃである。従って、１画素当りの読出所要時間は１(μｓｅｃ)／３２(画素)＝３２ｎｓｅｃとなる。これに対し、ＣＣＤからの画像データの読み出しが１チャンネル方式では１画素当りの読出所要時間が１ｎｓｅｃと非常に高速での読み出しが必要となり、現在の技術では実現不可能である。本実施例では、ＣＣＤからの画像データの読み出し口を３２チャンネルに分け、この３２チャンネルで並列同時読み出しする方式とすることによって、１画素当りの読出所要時間を３２ｎｓｅｃとし、十分実現可能な
読出速度としている。これを模式的に示したのが図３である。ＣＣＤ１７からの画像データの読出チャンネル数は３２ｃｈであり、各チャンネル毎に３２画素×１０２４ラインがあるから、このＣＣＤから一枚の画像データを読み出すに必要な時間は約１ｍｓｅｃとなる。すなわち、１００μｍ角の１ショット領域の画像信号を１ｍｓｅｃで取り込めることになり、試料表面積１ｃｍ2 当りの検査所要時間は１０ｓｅｃとなる。以上のように、従来方式による試料面積１ｃｍ2 当りの検査所要時間１００ｓｅｃに比べて、１０倍もの高速化が達成できた。また、本実施例では、検査所要時間を決めているのはＣＣＤ素子からの信号読出速度であるので、将来ＣＣＤ素子におけるより高速のデータ読出方式が実現されれば、さらなる検査の高速化が期待できる。 Next, the reading time of the image detection element (CCD) will be described. In this embodiment, the charges accumulated in the CCD 17 can be read out in parallel from the 32 channel readout port at a readout speed of 1 M lines / second. The number of pixels per line is 32, and the required readout time per line is 1 μsec. Therefore, the required readout time per pixel is 1 (μsec) / 32 (pixel) = 32 nsec. On the other hand, when the image data is read from the CCD in the 1-channel method, it is necessary to read out at a very high speed of 1 nsec per pixel, which is impossible with the current technology. In this embodiment, the readout port for image data from the CCD is divided into 32 channels, and the parallel readout is performed in these 32 channels, so that the required readout time per pixel is 32 nsec, and a sufficiently realizable readout speed. It is said. This is schematically shown in FIG. Since the number of channels for reading image data from the CCD 17 is 32 channels and there are 32 pixels × 1024 lines for each channel, the time required to read one piece of image data from the CCD is about 1 msec. That is, an image signal of one shot area of 100 μm square can be taken in 1 msec, and the time required for inspection per 1 cm 2 of the sample surface area is 10 sec. As described above, the speed can be increased by 10 times as compared with the time required for the inspection of 100 sec per 1 cm 2 of the sample area according to the conventional method. In this embodiment, the time required for the inspection is determined by the signal reading speed from the CCD element. Therefore, if a higher-speed data reading method in the CCD element is realized in the future, further inspection speed is expected. it can.

以上では、検査速度の改善効果について説明したが、その他の特長についても述べる。本実施例では、半導体試料７に負の高電圧を印加して、照射電子ビームを試料表面の直前で急激に減速して照射している。これにより、次に示すような特長が得られる。すなわち、電子ビームを固体試料に照射すると二次電子や反射電子が発生する。二次電子は、入射電子が固体中の電子にエネルギーを与えて、このエネルギー付与された固体中の電子が真空中に放出されるものである。このために、二次電子の持つエネルギーの拡がりは大きい。一方、反射電子は、入射電子が固体中の原子核や電子と相互作用してその軌道を変え、再び真空中に放出する電子である。この時、相互作用が弾性散乱のみであれば、入射エネルギーと同じエネルギーの反射電子が放出される。これを模式的に表わしたのが、図２で
ある。入射電子のエネルギーが高いと、固体内部に奥深く侵入する電子が増えるため、真空中に再び放出する反射電子は少数である。さらに、非弾性散乱が増加するために、低エネルギー側に広い裾野を引きエネルギーの広がりが大きくなる(同図(ａ))。エネルギーの広がりが大きい電子を電子光学系により結像する場合には、色収差により分解能が低下するという問題が生じる。一方、低エネルギーの電子を照射する場合には、弾性散乱の割合が増加するため、低エネルギー側の裾野が減少し、また、二次電子の放出も減少するがため、同図(ｂ)に示すようになる。すなわち、本実施例では、エネルギーの低い電子を試料表面に入射させることで、まずエネルギーの広がりの大きい二次電子の放出を抑え、かつ反射電子すなわち後方散乱電子の放出割合を増加させ、さらに後方散乱電子のエネルギー
の広がりをも小さく抑えることができるため、高分解能の画像を形成することができるという特長がある。 In the above, the effect of improving the inspection speed has been described, but other features will also be described. In the present embodiment, a negative high voltage is applied to the semiconductor sample 7 and the irradiated electron beam is irradiated by decelerating immediately before the sample surface. Thereby, the following features are obtained. That is, when the solid sample is irradiated with an electron beam, secondary electrons and reflected electrons are generated. Secondary electrons are those in which incident electrons give energy to electrons in the solid and the energized electrons in the solid are emitted into the vacuum. For this reason, the energy spread of secondary electrons is large. On the other hand, the reflected electrons are electrons that interact with nuclei and electrons in the solid to change their orbits and are emitted again into the vacuum. At this time, if the interaction is only elastic scattering, reflected electrons having the same energy as the incident energy are emitted. This is schematically shown in FIG. If the energy of the incident electrons is high, more electrons penetrate deep inside the solid, so that a small number of reflected electrons are emitted again into the vacuum. Furthermore, since inelastic scattering increases, a wide base is drawn on the low energy side, and the spread of energy becomes large ((a) in the figure). When an electron having a large energy spread is imaged by an electron optical system, there arises a problem that the resolution is lowered due to chromatic aberration. On the other hand, when irradiating low-energy electrons, the ratio of elastic scattering increases, so the base on the low-energy side decreases and the emission of secondary electrons also decreases. As shown. That is, in this embodiment, by making electrons having low energy incident on the sample surface, first, the emission of secondary electrons having a large energy spread is suppressed, and the emission ratio of reflected electrons, that is, backscattered electrons is increased. Since the spread of energy of scattered electrons can be suppressed to be small, there is a feature that a high-resolution image can be formed.

次に、実際の検査に当っての手順について説明する。まず、光学顕微鏡３０と電子線画像を用いてのアライメントの方法について説明する。試料７を試料移動ステージ(Ｘ−Ｙ−θステージ)８上に載置し、光学顕微鏡３０の下へ移動する。モニタ２２により試料７表面の光学顕微鏡画像を観察し、画面内の例えば中央に現われた任意のパターンを記憶する。この際、選択するパターンは電子線画像上でも観察可能なパターンである必要がある。   Next, a procedure for actual inspection will be described. First, an alignment method using the optical microscope 30 and an electron beam image will be described. The sample 7 is placed on a sample moving stage (XY-θ stage) 8 and moved below the optical microscope 30. An optical microscope image of the surface of the sample 7 is observed by the monitor 22, and an arbitrary pattern appearing in the center of the screen is stored. At this time, the pattern to be selected needs to be a pattern that can be observed on the electron beam image.

次に、上記の光学顕微鏡画像を用いて試料(半導体ウエハ)７表面上の回路パターンがステージ移動方向と平行あるいは直交となるように、Ｘ−Ｙ−θステージ８により回転補正を行なう。回転補正時には、あるステージ位置におけるウエハ７表面上の回路パターンの任意のチップ内の任意のパターン部分の光学画像を取り込んでモニタ２２に表示させて、表示画面内の任意箇所にマーキングを付した後、その光学画像信号を記憶部１８に記憶させる。次に、ウエハ７表面上の回路パターンの数チップ分の距離だけステージ８をｘ方向またはｙ方向に移動させ、新たなチップ内の先と同一のパターン部分の光学画像を取り込んでモニタ２２に表示させ、先のマーキング箇所に対応する箇所にやはりマーキングを付した後、その新たな光学画像信号を記憶部１９に記憶させる。次いで、演算部２０におい
て、記憶部１８，１９に記憶された光学画像信号同士を比較演算して、両画像間でのマーキング箇所の位置ずれ量を算出する。このマーキング箇所の位置ずれ量と両画像間でのステージ移動量とから、ウエハ７の回転角度誤差を算出し、その分ステージ８を回転させて回転角度を補正する。以上の回転補正操作を数回繰り返して、回転角度誤差が所定値以下となるようにする。さらに、光学顕微鏡画像を用いてウエハ７表面上の回路パターンを観察し、ウエハ上でのチップの位置やチップ間の距離(例えば、メモリセルのような繰返しパターンの繰返しピッチ)を予め測定し、その値を制御計算機２９に入力する。そして、ウエハ７表面上の被検査チップおよびそのチップ内の被検査領域をモニタ２２の光学顕微鏡画像上で設定する。光学顕微鏡画像は、比較的低倍率で観察が可能であり、また、ウエハ７表面の回路パターンが例えばシリコン酸化膜のような透明な膜で覆われている場合でもその下地まで観察可能であるので、チップ内回路パターンのレイアウト等が簡便に観察でき、検査領域の設定が簡便に行なえる。 Next, using the optical microscope image, rotation correction is performed by the XY-θ stage 8 so that the circuit pattern on the surface of the sample (semiconductor wafer) 7 is parallel or orthogonal to the stage moving direction. At the time of rotation correction, an optical image of an arbitrary pattern portion in an arbitrary chip of a circuit pattern on the surface of the wafer 7 at a certain stage position is captured and displayed on the monitor 22, and marking is performed at an arbitrary position in the display screen The optical image signal is stored in the storage unit 18. Next, the stage 8 is moved in the x direction or y direction by a distance corresponding to several chips of the circuit pattern on the surface of the wafer 7, and an optical image of the same pattern portion as the tip in the new chip is captured and displayed on the monitor 22. After marking the part corresponding to the previous marking part, the new optical image signal is stored in the storage unit 19. Next, the arithmetic unit 20 compares the optical image signals stored in the storage units 18 and 19 to calculate the amount of misalignment of the marking portion between the two images. The rotation angle error of the wafer 7 is calculated from the positional deviation amount of the marking portion and the stage movement amount between both images, and the rotation angle is corrected by rotating the stage 8 correspondingly. The above rotation correction operation is repeated several times so that the rotation angle error becomes a predetermined value or less. Furthermore, the circuit pattern on the surface of the wafer 7 is observed using the optical microscope image, and the position of the chip on the wafer and the distance between the chips (for example, the repeated pitch of the repeated pattern such as a memory cell) are measured in advance. The value is input to the control computer 29. Then, the inspected chip on the surface of the wafer 7 and the inspected area in the chip are set on the optical microscope image of the monitor 22. Since the optical microscope image can be observed at a relatively low magnification, and even when the circuit pattern on the surface of the wafer 7 is covered with a transparent film such as a silicon oxide film, the ground can be observed. In addition, the layout of the circuit pattern in the chip can be easily observed, and the inspection area can be easily set.

次に、試料(ウエハ)７を電子光学系の下へ移動する。そこで、先に光学顕微鏡画像上で設定した被検査領域を含むと予想される領域に電子線を照射して電子線画像を取得する。この時、１ショットの電子線照射領域内に上記の被検査領域が入るようにする。この電子線画像上においても、先の光学顕微鏡画像上においてマーキングしたのと同じ画面内位置に先にマーキングした箇所のパターンが現われるようにステージ８を移動することで、予め検査開始前に、電子線照射位置と光学顕微鏡観察位置との間の対応をつけ、かつ、電子線照射位置を校正することができるようになる。そして、この電子線画像上において、先に光学顕微鏡像上で行なったのと同様の操作を実施する。これにより、光学顕微鏡を用いての簡便な観察位置の確認や位置合せおよび電子線照射位置の調整、さらには、ある程度
の回転補正も実施した後に、この光学顕微鏡画像に比べて分解能が高く、高倍率画像を得ることのできる電子線画像を用いての高精度な回転補正ができるようになる。さらに、この電子線画像を用いて、被検査領域または同一パターン領域を高倍率で高精度に観察確認・補正することができる。ただし、半導体ウエハ７の表面の全部(または一部)が絶縁物で覆われている場合には、電子線を照射するとこの絶縁物が帯電して、一度電子線を照射した場所は検査できなくなってしまう場合がある。そこで、上記のような検査に先だっての検査条件設定のための電子ビーム照射は、実際には検査を行なう予定のない領域であってかつ被検査領域と同じパターンを有する場所を選択して行なうようにすればよい。 Next, the sample (wafer) 7 is moved below the electron optical system. Therefore, an electron beam image is acquired by irradiating an electron beam to a region that is expected to include the region to be inspected set on the optical microscope image. At this time, the region to be inspected is placed in the one-shot electron beam irradiation region. Also on this electron beam image, by moving the stage 8 so that the pattern of the previously marked part appears at the same position in the screen as that marked on the previous optical microscope image, Correspondence between the irradiation position of the beam and the observation position of the optical microscope can be established, and the irradiation position of the electron beam can be calibrated. Then, on this electron beam image, the same operation as that previously performed on the optical microscope image is performed. As a result, after confirmation of simple observation position using an optical microscope, alignment and adjustment of the electron beam irradiation position, as well as a certain degree of rotation correction, the resolution is higher than that of this optical microscope image. High-precision rotation correction can be performed using an electron beam image from which a magnification image can be obtained. Furthermore, using this electron beam image, it is possible to confirm and correct the observation region or the same pattern region with high magnification and high accuracy. However, when the entire surface (or part) of the semiconductor wafer 7 is covered with an insulator, the insulator is charged when irradiated with an electron beam, and the location once irradiated with the electron beam cannot be inspected. May end up. Therefore, the electron beam irradiation for setting the inspection conditions prior to the inspection as described above is performed by selecting a place that is actually not planned to be inspected and has the same pattern as the inspection target area. You can do it.

上記した検査条件の設定が完了したら、半導体ウエハ７表面上の被検査領域の一部を実際の検査条件と全く同一の条件で電子線画像化し、被検査領域の材質や形状に依存した画像の明るさの情報およびそのばらつき範囲を算出しテーブルにして記憶する。そして、後の検査工程において該記憶テーブルを参照して実際に画像化検出された被検査領域内のパターン部分が欠陥であるか否かを判定する際の判定条件を決定する。   When the above inspection conditions are set, a part of the inspection area on the surface of the semiconductor wafer 7 is converted into an electron beam image under exactly the same conditions as the actual inspection conditions, and an image depending on the material and shape of the inspection area is obtained. Brightness information and its variation range are calculated and stored in a table. Then, a determination condition for determining whether or not the pattern portion in the inspection region actually imaged and detected in the subsequent inspection process is defective is determined.

上記の手順によって被検査領域および欠陥判定条件の設定が完了したら、実際に検査を開始する。検査時には、試料(半導体ウエハ)７を搭載したステージ８はＸ方向に一定速度で連続移動する。その間、電子線は各１ショットの間ウエハ７表面上の同一照射領域(面積領域)を一定のショット時間（本実施例では、５０μｓｅｃ以上）照射する。ステージ８は連続移動しているので、電子ビームは偏向器５によってステージ８の移動に追従して偏向走査させる。   When the setting of the inspection area and the defect determination condition is completed by the above procedure, the inspection is actually started. At the time of inspection, the stage 8 on which the sample (semiconductor wafer) 7 is mounted continuously moves in the X direction at a constant speed. In the meantime, the electron beam irradiates the same irradiation region (area region) on the surface of the wafer 7 for each shot for a certain shot time (in this embodiment, 50 μsec or more). Since the stage 8 is continuously moving, the electron beam is deflected and scanned by the deflector 5 following the movement of the stage 8.

電子線の照射領域あるいは照射位置は、ステージ８に設けられたステージ位置測定器２７、試料高さ測定器２６等により常時モニタされ、これらのモニタ情報が制御計算機２９に転送されて詳細に位置ずれ量が把握され、かつこの位置ずれ量はビーム制御系２８によって正確に補正される。これにより、パターンの比較検査に必要な正確な位置合わせが高速・高精度で行なわれ得る。   The irradiation region or irradiation position of the electron beam is constantly monitored by a stage position measuring device 27, a sample height measuring device 26, etc. provided on the stage 8, and the monitor information is transferred to the control computer 29 to be shifted in detail. The amount is grasped, and this positional deviation amount is accurately corrected by the beam control system 28. As a result, accurate alignment required for pattern comparison inspection can be performed at high speed and high accuracy.

また、半導体ウエハ７の表面高さを、電子ビーム以外の手段、例えば、レーザ干渉方式や反射光の位置変化を計測する方式等による光学式の高さ測定器２６でリアルタイムに測定し、電子ビームを照射するための対物レンズ６や結像レンズ１１の焦点距離をダイナミックに補正することにより、常に被検査領域の表面に焦点のあった電子ビーム像を形成することができる。また、予め検査前にウエハ７の反りを測定しておき、その測定データを基に上記の焦点距離補正をするようにして、実検査時にはウエハ７の表面高さ測定を行なう必要がないようにしてもよい。   Further, the surface height of the semiconductor wafer 7 is measured in real time by means other than an electron beam, for example, an optical height measuring device 26 using a laser interference method, a method for measuring a change in the position of reflected light, or the like. By dynamically correcting the focal lengths of the objective lens 6 and the imaging lens 11 for irradiating the beam, an electron beam image always focused on the surface of the inspection area can be formed. Further, the warpage of the wafer 7 is measured in advance before the inspection, and the above focal length correction is performed based on the measurement data, so that it is not necessary to measure the surface height of the wafer 7 during the actual inspection. May be.

電子線を半導体ウエハ７表面に照射し、反射電子(後方散乱電子)によりウエハ７表面上の所望の被検査領域(面積領域)についての拡大光学像を蛍光板１５上に形成し、さらにこの拡大光学像をＣＣＤ素子１７により電気的な画像信号に変換し、この画像信号を画像処理部１０４に取り込む。そして、制御計算機２９からの指令を受けて制御部２８により与えられた電子線照射位置に対応した面積領域についての電子線画像信号として、記憶部１８(または１９)に格納する。   The surface of the semiconductor wafer 7 is irradiated with an electron beam, and a magnified optical image of a desired region to be inspected (area region) on the surface of the wafer 7 is formed on the fluorescent plate 15 by reflected electrons (backscattered electrons). The image is converted into an electrical image signal by the CCD element 17, and this image signal is taken into the image processing unit 104. Then, it receives an instruction from the control computer 29 and stores it in the storage unit 18 (or 19) as an electron beam image signal for an area region corresponding to the electron beam irradiation position given by the control unit 28.

半導体ウエハ７表面上に形成された同一設計パターンを有する隣接チップＡ、Ｂ間でのパターンの比較検査をする場合には、先ず、チップＡ内の被検査領域についての電子線画像信号を取り込んで、記憶部１８内に記憶させる。次に、隣接するチップＢ内の上記と対応する被検査領域についての画像信号を取り込んで、記憶部１９内に記憶させながら、それと同時に、記憶部１８内の記憶画像信号と比較する。さらに、次のチップＣ内の対応する被検査領域についての画像信号を取得し、それを記憶部１８内に上記したチップＡ内の被検査領域についての記憶画像信号に上書き記憶させながら、それと同時に、記憶部１９内のチップＢ内の被検査領域についての記憶画像信号と比較する。このような動作を繰返して、全ての被検査チップ内の互いに対応する被検査領域についての画像信号を順次記憶
させながら、比較して行く。 In the case of performing a pattern inspection between adjacent chips A and B having the same design pattern formed on the surface of the semiconductor wafer 7, first, an electron beam image signal for a region to be inspected in the chip A is captured. And stored in the storage unit 18. Next, an image signal for the inspection region corresponding to the above in the adjacent chip B is captured and stored in the storage unit 19, and at the same time, compared with the stored image signal in the storage unit 18. Further, an image signal for the corresponding inspection area in the next chip C is acquired, and the stored image signal for the inspection area in the chip A is overwritten and stored in the storage unit 18 at the same time. Then, a comparison is made with the stored image signal for the region to be inspected in the chip B in the storage unit 19. Such an operation is repeated, and comparison is performed while sequentially storing image signals for corresponding inspection regions in all inspection chips.

上記の方法以外に、予め、標準となる良品（欠陥のない）試料についての所望の検査領域の電子線画像信号を記憶部１８内に記憶させておく方法を採ることも可能である。その場合には、予め制御計算機２９に上記良品試料についての検査領域および検査条件を入力しておき、これらの入力データに基づき上記良品試料についての検査を実行し、所望の検査領域についての取得画像信号を記憶部１８内に記憶する。次に、検査対象となる試料７をステージ８上にロードして、先と同様の手順で検査を実行し、上記と対応する検査領域についての取得画像信号を記憶部１９内に取り込むと同時に、この検査対象試料についての画像信号と先に記憶部１８内に記憶された上記良品試料についての画像信号とを比較して、上記検査対象試料の上記所望の検査領域についてのパターン欠陥の有無を検出する。
なお、上記標準（良品）試料としては、上記検査対象試料とは別の予めパターン欠陥が無いことが判っている試料(ウエハ)を用いても良いし、上記検査対象試料表面の予めパターン欠陥が無いことが判っている領域(チップ)を用いても良い。例えば、半導体試料(ウエハ)表面にパターンを形成する際、ウエハ全面にわたり下層パターンと上層パターン間での合わせずれ不良が発生することがある。このような場合には、比較対象が同一ウエハ内あるいは同一チップ内のパターン同士であると、上記のようなウエハ全面にわたり発生した不良(欠陥)は見落とされてしまうが、本実施例によれば、予め良品(無欠陥)であることが判っている領域の画像信号を記憶しておき、この記憶画像信号と検査対象領域の画像信号とを比較することにより、上記したようなウエハ全面にわたり発生した不良をも精度良く検出することができる。 In addition to the above method, it is also possible to adopt a method in which an electron beam image signal of a desired inspection region for a standard non-defective sample (having no defect) is stored in the storage unit 18 in advance. In that case, the inspection area and the inspection condition for the non-defective sample are previously input to the control computer 29, the inspection for the non-defective sample is executed based on these input data, and the acquired image for the desired inspection area is obtained. The signal is stored in the storage unit 18. Next, the sample 7 to be inspected is loaded on the stage 8, and the inspection is executed in the same procedure as described above, and the acquired image signal for the inspection region corresponding to the above is taken into the storage unit 19, By comparing the image signal for the sample to be inspected with the image signal for the non-defective sample previously stored in the storage unit 18, the presence or absence of a pattern defect in the desired inspection region of the sample to be inspected is detected. To do.
In addition, as the standard (non-defective) sample, a sample (wafer) that is known to have no pattern defect in advance, which is different from the sample to be inspected, may be used. An area (chip) that is known to be absent may be used. For example, when a pattern is formed on the surface of a semiconductor sample (wafer), misalignment failure may occur between the lower layer pattern and the upper layer pattern over the entire wafer surface. In such a case, if the comparison target is a pattern in the same wafer or the same chip, the defect (defect) generated over the entire surface of the wafer as described above is overlooked. , The image signal of an area known to be non-defective (no defect) is stored in advance, and the generated image is generated over the entire wafer surface by comparing the stored image signal with the image signal of the inspection target area. It is possible to accurately detect such defects.

記憶部１８、１９内に記憶された両画像信号は、それぞれ演算部２０内に取り込まれ、そこで、既に求めてある欠陥判定条件に基づき、各種統計量（具体的には、画像濃度の平均値，分散等の統計量）、周辺画素間での差分値等が算出される。これらの処理を施された両画像信号は、次いで欠陥判定部２１内に転送されて、そこで比較されて両画像信号間での差信号が抽出され、既に求めて記憶してある欠陥判定条件を参照して欠陥判定がなされ、欠陥と判定されたパターン領域の画像信号とそれ以外の領域の画像信号とが分別される。   Both image signals stored in the storage units 18 and 19 are respectively taken into the calculation unit 20, where various statistics (specifically, average values of image density) are calculated based on the already determined defect determination conditions. , Statistics such as variance), difference values between neighboring pixels, and the like are calculated. The two image signals subjected to these processes are then transferred to the defect determination unit 21 where they are compared and a difference signal between the two image signals is extracted, and the defect determination conditions already obtained and stored are determined. The defect is determined with reference to the image signal of the pattern area determined to be a defect and the image signal of the other area.

これまでに述べてきた検査方法および検査装置により、半導体試料７から発生する反射電子（後方散乱電子や二次電子）による画像を形成し、互いに対応するパターン領域についての画像信号を比較検査することによって、パターン欠陥の有無を検出することが可能となった。これにより、従来の電子線による検査装置と比べ非常に高速な検査が可能になった。   By using the inspection method and inspection apparatus described so far, an image is formed by backscattered electrons (backscattered electrons and secondary electrons) generated from the semiconductor sample 7, and the image signals of the pattern areas corresponding to each other are comparatively inspected. Thus, it is possible to detect the presence or absence of pattern defects. As a result, the inspection can be performed at a very high speed as compared with the conventional electron beam inspection apparatus.

〈実施例２〉
上記の実施例１では、１ショットの電子ビーム照射領域の面積が１００μｍ×１００μｍとかなり大きいため、半導体試料の拡大像の周辺部に歪みが生じると云う問題や照射領域内でのビーム電流密度の均一性に問題が生じる場合がある。画像歪みや電流密度の不均一性が固定的に生じている場合には、光ファイバー束１６のファイバー素線配列に変化を付けることで補正可能であるし、また、画像信号の取得感度や画像処理に重みを付けることでも補正できるが、それらが時間的に変動する場合には、それらの方法では対応が困難となる。本実施例では、１ショットの照射領域を５μｍ角として、１ショットの照射領域内では歪みや電流密度の不均一性の問題が生じないようにした。照射電子ビーム電流は１ショット当り５μＡである。この時、電子ビームの照射時間は電子の散乱効率 ηを０.２
とすると、先の(１)式より、１ショット当りの照射時間ｔは、２.５ μｓｅｃとなる。ショット時間２.５ μｓｅｃで一つの照射領域(５μｍ角)を照射した後、電子ビームは偏向器５により隣接する次の照射領域(５μｍ角)上に移動される。このようにして、次々に照射位置を移動して、ｘ方向１００μｍ×ｙ方向１００μｍの範囲全体を２０×２０＝４００ショットで照射する。 <Example 2>
In Example 1 described above, since the area of the one-shot electron beam irradiation region is as large as 100 μm × 100 μm, there is a problem that distortion occurs in the peripheral portion of the enlarged image of the semiconductor sample, and the beam current density in the irradiation region. There may be problems with uniformity. When image distortion and nonuniformity of current density occur in a fixed manner, it can be corrected by changing the fiber array of the optical fiber bundle 16, and image signal acquisition sensitivity and image processing can be corrected. It is also possible to correct by weighting, but when they fluctuate in time, it is difficult to cope with them. In this embodiment, the one-shot irradiation area is set to 5 μm square, and problems of distortion and non-uniformity of current density are prevented from occurring in the one-shot irradiation area. The irradiation electron beam current is 5 μA per shot. At this time, the electron beam irradiation time is set to an electron scattering efficiency η of 0.2.
Then, from the above equation (1), the irradiation time t per shot is 2.5 μsec. After irradiating one irradiation area (5 μm square) with a shot time of 2.5 μsec, the electron beam is moved onto the next adjacent irradiation area (5 μm square) by the deflector 5. In this way, the irradiation position is moved one after another, and the entire range of 100 μm in the x direction and 100 μm in the y direction is irradiated with 20 × 20 = 400 shots.

この時、ＣＣＤ素子１７上には、各１ショット毎に、その時の電子ビーム照射位置に対応した位置に拡大像が得られ、電子ビームの走査による電子ビーム照射位置の移動に応じてＣＣＤ素子に得られる拡大像位置も移動して行く。この様子を示したのが図４である。ＣＣＤ素子１７には１０２４×１０２４画素のものを用いた。ＣＣＤ素子上での１画素は試料７表面上での０.１ μｍ角の領域に相当し、従って、試料７表面上での１ショットの照射領域(５μｍ角)は、ＣＣＤ素子受光面上での５０×５０画素の領域（ＣＣＤ素子受光面全体の１／４００に相当する）となる。そして、ＣＣＤ素子の受光面全体で試料表面上の１００μｍ角の領域をカバーできるようにした。従って、試料表面上での１００μｍ角の領域の拡大像を得るためには ２.５(μｓｅｃ)×４００(ショット)＝１(ｍｓｅｃ)を要することとなる。   At this time, an enlarged image is obtained on the CCD element 17 for each shot at a position corresponding to the electron beam irradiation position at that time, and the CCD element is moved according to the movement of the electron beam irradiation position by scanning the electron beam. The magnified image position obtained also moves. This is shown in FIG. A CCD element 17 having 1024 × 1024 pixels was used. One pixel on the CCD element corresponds to an area of 0.1 μm square on the surface of the sample 7, and therefore, an irradiation area (5 μm square) of one shot on the surface of the sample 7 is on the light receiving surface of the CCD element. Of 50 × 50 pixels (corresponding to 1/400 of the entire CCD light receiving surface). The entire light receiving surface of the CCD element can cover a 100 μm square area on the sample surface. Accordingly, 2.5 (μsec) × 400 (shot) = 1 (msec) is required to obtain an enlarged image of a 100 μm square region on the sample surface.

上述のようにして、試料７表面上の１００μｍ角の領域の画像を１ｍｓｅｃでＣＣＤ上に形成させたら、該ＣＣＤに蓄積された画像信号をデジタル信号として画像記憶部１８に記憶させる。試料表面上の隣接する次の領域の画像信号を取得するためにはステージ８を１００μｍ移動させる必要がある。このステージ移動には、先の実施例１の場合と同様、ステージ８を一定速度で連続移動させる方式を採った。その際、照射電子ビームに対してステージ８があたかも静止しているかの状態になる様、偏向器５によって照射電子ビームをステージ８の移動に追従させて偏向走査するようにした。これにより、ステージ８を移動・停止させる際に生じる無駄時間をゼロにした。このステージ８の連続移動への照射電子ビームの追従走査に当っては、ビーム制御系２８内で、ステージ位置測定器２７からの
信号を参照して偏向補正信号を計算し、この偏向補正信号を偏向器５に送り照射電子ビームの偏向を制御させる。さらに、電子線による試料拡大像の歪みや位置ドリフト等に関する補正分も上記の偏向補正信号に重畳させることにより、これらの補正も行なうようにした。また、偏向器５と連動して偏向器１０も動作させて、ＣＣＤ上での試料拡大像の位置が上記のステージ追従によるビーム位置移動の影響を受けないようにした。これにより、ステージ移動による無駄時間を無くし、高速・高精度の検査を実現することができた。なお、上記以後の欠陥検査のための画像処理等については、先の実施例１の場合と同様である。 As described above, when an image of a 100 μm square region on the surface of the sample 7 is formed on the CCD in 1 msec, the image signal accumulated in the CCD is stored in the image storage unit 18 as a digital signal. In order to acquire the image signal of the next adjacent region on the sample surface, it is necessary to move the stage 8 by 100 μm. For this stage movement, as in the case of the first embodiment, the stage 8 is continuously moved at a constant speed. At that time, the deflecting device 5 deflects and scans the irradiation electron beam by following the movement of the stage 8 so that the stage 8 is as if it is stationary with respect to the irradiation electron beam. As a result, the dead time generated when the stage 8 is moved and stopped is reduced to zero. In the follow-up scanning of the irradiation electron beam to the continuous movement of the stage 8, a deflection correction signal is calculated with reference to a signal from the stage position measuring device 27 in the beam control system 28, and this deflection correction signal is calculated. The deflector 5 is sent to control the deflection of the irradiation electron beam. Further, these corrections are also made by superimposing corrections related to distortion of the magnified specimen image due to the electron beam and position drift on the deflection correction signal. In addition, the deflector 10 is also operated in conjunction with the deflector 5 so that the position of the magnified sample image on the CCD is not affected by the beam position movement due to the stage following. This eliminates wasted time due to moving the stage and enables high-speed and high-precision inspection. Note that image processing and the like for defect inspection after that are the same as those in the first embodiment.

以上説明した手順により検査を進めていくと、試料表面１ｃｍ2 当りについての拡大像をＣＣＤ上に順次形成するに要する時間Ｔは１０ｓｅｃとなる。一方、先の実施例１の場合と同様に、ＣＣＤから１Ｍライン／秒の読出速度で画像信号を読み出すので、一枚の画像(試料表面１００μｍ角についての画像)を読み出すのに１ｍｓｅｃが必要であるため、試料表面積１ｃｍ2 当り１０ｓｅｃが必要となる。ＣＣＤ素子における画像形成と画像信号の読み出しは並行して行なわれるから、検査に要する時間は、画像形成に要する時間と画像信号読み出しに要する時間との内何れか長い方の時間となる。本実施例では、画像形成所要時間と画像信号読出所要時間とが、双方共に試料表面積１ｃｍ2 当り１０ｓｅｃと、互いに等しくなっており、従って、本実施例における試料表面積１ｃｍ2 当りについて
の検査所要時間は１０ｓｅｃとなる。 When the inspection proceeds according to the procedure described above, the time T required to sequentially form enlarged images per 1 cm 2 of the sample surface on the CCD becomes 10 sec. On the other hand, as in the case of the first embodiment, the image signal is read from the CCD at a reading speed of 1 M line / second, so that it takes 1 msec to read one image (image with respect to the sample surface of 100 μm square). Therefore, 10 sec is required per 1 cm 2 of the sample surface area. Since image formation and image signal readout in the CCD element are performed in parallel, the time required for inspection is the longer of the time required for image formation and the time required for image signal readout. In this embodiment, the time required for image formation and the time required for image signal readout are both equal to 10 sec per 1 cm 2 of the sample surface area. Therefore, the required time for inspection per 1 cm 2 of the sample surface area in this embodiment. Is 10 sec.

本実施例では、先の実施例１の場合に比べ、１ショット当りの電子ビーム照射面積が小さく、従って照射ビーム電流も小さくて済むので、電子源１としては、先の実施例１の場合の先端部を広げたＬａＢ6 電子源に比べ、より先端の尖ったＬａＢ6 電子源を用いた。なお、本実施例では、ＬａＢ6 電子源に代えて熱電界放出型の電子源、例えばＺｒ/Ｏ/Ｗ電子源を用いることもできる。 In the present embodiment, the electron beam irradiation area per shot is smaller than in the case of the previous embodiment 1, and therefore the irradiation beam current can be reduced. Therefore, the electron source 1 is the same as that of the previous embodiment 1. compared with LaB 6 electron source spread the tip, with more distal pointed LaB 6 electron source. In this embodiment, a thermal field emission type electron source such as a Zr / O / W electron source can be used in place of the LaB 6 electron source.

以上の説明では、１ショットの電子ビーム照射領域を５μｍ角の大きさに固定した場合について例示したが、半導体試料７表面でのパターン繰り返しピッチに応じて、この電子ビーム照射領域の大きさを可変できるようにしても良い。上述したように、本実施例では、１ショットの電子ビーム照射領域をより小さく設定しているので、各照射領域間のつなぎ部分に多少の歪みが生じたとしても、常に同一箇所に同程度の歪みが生じることになり、相互比較すべき二つの画像上での歪みの現われ方も等しくなるため、歪みによる誤検出の問題が無くなる。これにより、信頼性の高いパターン欠陥検査が実現できる。   In the above description, the case where the one-shot electron beam irradiation region is fixed to a size of 5 μm square is illustrated, but the size of the electron beam irradiation region can be changed according to the pattern repetition pitch on the surface of the semiconductor sample 7. You may be able to do it. As described above, in this embodiment, since the one-shot electron beam irradiation area is set to be smaller, even if some distortion occurs in the connection portion between the irradiation areas, the same position is always the same. Distortion will occur, and the appearance of distortion on the two images to be compared with each other will be equal, eliminating the problem of false detection due to distortion. Thereby, highly reliable pattern defect inspection can be realized.

〈実施例３〉
本実施例では、試料表面画像を電気信号に変換する素子として、時間蓄積型のＣＣＤセンサを用いた。この素子はＴＤＩセンサと呼ばれるもので、光学式検査装置において一般的に使用されている。それ以外は、先の実施例２の場合と同様である。このＴＤＩセンサの動作概念を図５を参照して説明する。ＴＤＩセンサでは、各受光領域で受光した光の強度に応じて生成された電荷をｘ方向のラインに移動させて行くと同時に、その移動先で受光した光の強度に応じて生成された電荷を順次足し合わせて行くように動作する。そして、受光面の最終ラインに達した時点で電気信号として外部に出力する。従って、ｘ方向の電荷の移動速度と受光面上の画像のｘ方向の移動速度を同一にすることで、画像がセンサ上を移動する間の信号を積分して出力することになる。 <Example 3>
In this embodiment, a time accumulation type CCD sensor is used as an element for converting a sample surface image into an electric signal. This element is called a TDI sensor and is generally used in an optical inspection apparatus. The rest is the same as in the case of the second embodiment. The operation concept of this TDI sensor will be described with reference to FIG. In the TDI sensor, the electric charge generated according to the intensity of the light received in each light receiving area is moved to the line in the x direction, and at the same time, the electric charge generated according to the intensity of the light received at the destination is changed. It works to add up sequentially. Then, when the final line of the light receiving surface is reached, it is output to the outside as an electrical signal. Accordingly, by making the movement speed of the charge in the x direction equal to the movement speed of the image on the light receiving surface in the x direction, the signals during the movement of the image on the sensor are integrated and output.

本実施例では、先の実施例１、実施例２の場合のＣＣＤセンサと同様に、信号読み出しを３２チャンネルに分割しそれぞれ並行して読み出すことにより、読出速度を１Ｍライン／秒とした。また、受光領域の大きさは、ｘ方向に６４画素、ｙ方向に１０２４画素のものを用いた。１ラインのｘ方向長さは、試料表面上の０.１ μｍ，ｙ方向長さは約１００μｍに相当する。このとき、縦０.１ μｍ、横１００μｍの画像が１Ｍ／秒の速度で出力されることになるため、ステージの連続移動速度もこれと同じ速度(０.１μｍ／１μｓｅｃ ＝１００ｍｍ／ｓｅｃ)としている。このように、検査領域のｘ方向移動はステージ８を移動させることにより行なう。一方、１ショットの照射領域は５μｍ角であるので、図５のように、照射領域のｙ方向移動は電子線を走査して行なう必要が生じる。すなわち、
ステージ８がｘ方向に１ショット分（５μｍ）だけ移動する間に電子ビームをｙ方向に１００μｍ走査する必要がある。１ショットの所要時間を ２.５μｓｅｃとすると、ｙ方向に１００μｍ（２０ショット分）を走査するには５０μｓｅｃ必要となる。一方、ステージ８のｘ方向移動速度は１００ｍｍ／ｓｅｃであるから、ステージ８がｘ方向に丁度１ショット分（５μｍ）移動するに要する時間は５０μｓｅｃとなる。このように、ｘ方向に１ショット分（５μｍ）のステージ移動に要する時間とｙ方向に２０ショット分（１００μｍ）の電子ビーム走査に要する時間とを一致させ、無駄時間が生じるのを防いでいる。この方法によって試料表面積１ｃｍ2 の画像を取得するには、上述の５μｍ×１００μｍの単位走査領域についての走査所要時間（５０μｓｅｃ）の２×１０5 倍を要することに
なるので、試料表面積１ｃｍ2 当りの検査所要時間は１０ｓｅｃとなる。なお、ＴＤＩセンサからの信号出力速度が上記した例の２倍の２Ｍライン／秒を実現できれば、検査所要時間はその半分の５ｓｅｃとなる。 In the present embodiment, like the CCD sensor in the first embodiment and the second embodiment, the signal reading is divided into 32 channels and each is read in parallel, so that the reading speed is set to 1 M line / second. The size of the light receiving area was 64 pixels in the x direction and 1024 pixels in the y direction. The length of one line in the x direction corresponds to 0.1 μm on the sample surface, and the length in the y direction corresponds to about 100 μm. At this time, since an image of 0.1 μm in length and 100 μm in width is output at a speed of 1 M / sec, the continuous moving speed of the stage is also the same speed (0.1 μm / 1 μsec = 100 mm / sec). Yes. In this way, the inspection area is moved in the x direction by moving the stage 8. On the other hand, since the irradiation area of one shot is 5 μm square, it is necessary to move the irradiation area in the y direction by scanning an electron beam as shown in FIG. That is,
While the stage 8 moves by one shot (5 μm) in the x direction, it is necessary to scan the electron beam by 100 μm in the y direction. If the time required for one shot is 2.5 μsec, 50 μsec is required to scan 100 μm (20 shots) in the y direction. On the other hand, since the moving speed of the stage 8 in the x direction is 100 mm / sec, the time required for the stage 8 to move exactly one shot (5 μm) in the x direction is 50 μsec. As described above, the time required for moving the stage for one shot (5 μm) in the x direction and the time required for the electron beam scanning for 20 shots (100 μm) in the y direction are matched to prevent the generation of dead time. . To obtain an image of the sample surface area 1 cm 2 by this method, 2 × 10 Since 5 times so that the required sample surface area 1 cm 2 per scan time required for the unit scan area of 5 [mu] m × 100 [mu] m described above (50 .mu.sec) The required time for inspection is 10 sec. If the signal output speed from the TDI sensor can realize 2M lines / second which is twice that of the above example, the time required for the inspection is half that of 5 seconds.

上述したように、本実施例では、ＴＤＩセンサの信号出力速度から決まるステージの移動速度が１００ｍｍ／ｓｅｃであるから、十分ステージ移動による検査領域のｘ方向移動が可能であり、しかもその間に電子ビーム走査による検査領域のｙ方向走査のための十分な時間を確保できる。また、本実施例では、検査速度を決めているのはＴＤＩセンサの信号出力速度であるため、この信号出力速度が改善されれば、さらに高速での検査が実現できる。   As described above, in this embodiment, the stage moving speed determined from the signal output speed of the TDI sensor is 100 mm / sec. Therefore, the inspection area can be sufficiently moved in the x direction by moving the stage. Sufficient time can be secured for scanning the inspection area in the y direction. In this embodiment, since the inspection speed is determined by the signal output speed of the TDI sensor, if this signal output speed is improved, the inspection can be performed at a higher speed.

〈実施例４〉
先の実施例１〜３では、半導体試料表面に減速した電子線を照射していたが、本実施例では、電子線が試料表面に入射せずに試料表面直前で反射されてしまうように、試料表面に電子線の加速電圧よりも僅かに高い負電位を印加する。試料表面画像の形成には、この試料直前で反射された電子を用いる。その他は、先の第１の実施例の場合と全く同様である。近年半導体プロセスにＣＭＰ、ＣＭＬ等の表面研磨加工プロセスが導入されつつあり、半導体試料表面の凹凸が平坦化される傾向にある。本実施例では、このような平坦化プロセス後の表面の微妙な凹凸を、先の実施例１の場合に比較して、非常に感度よく検出することができる。すなわち、本実施例の特徴は、先の実施例１、２、３に比べ、試料に印加する負電圧をより高くして、照射電子が実際には半導体試料内に入射せずに、試料表面
に存在している原子核や電子と相互作用して試料表面の直前で反射されてしまうような条件に設定していることである。かかる条件の下で検査することにより、表面の微妙な凹凸の変化として現われるプロセスの欠陥を実施例１の場合よりもさらに感度良く検出できる等の利点が得られる。 <Example 4>
In the previous examples 1 to 3, the semiconductor sample surface was irradiated with the decelerated electron beam, but in this example, the electron beam was reflected just before the sample surface without entering the sample surface. A negative potential slightly higher than the acceleration voltage of the electron beam is applied to the sample surface. For the formation of the sample surface image, electrons reflected immediately before the sample are used. Others are exactly the same as in the case of the first embodiment. In recent years, surface polishing processes such as CMP and CML are being introduced into semiconductor processes, and the unevenness of the surface of a semiconductor sample tends to be flattened. In the present embodiment, such subtle unevenness on the surface after the flattening process can be detected with higher sensitivity than in the case of the first embodiment. That is, the feature of this example is that the negative voltage applied to the sample is higher than in the previous examples 1, 2, and 3, and the irradiated electrons are not actually incident on the semiconductor sample, and the sample surface In other words, the condition is set such that the sample is reflected immediately before the sample surface by interacting with the nuclei and electrons existing in the sample. By inspecting under such conditions, it is possible to obtain an advantage that a process defect that appears as a subtle unevenness of the surface can be detected with higher sensitivity than in the first embodiment.

〈実施例５〉
先の実施例１〜４においては、蛍光板を用いて電子線画像を光学像に変換した後に、光センサ（ＣＣＤやＴＤＩ）センサで画像検出していた。本実施例では、電子線に対し直接感度のあるセンサ５７を用いることにより、先の実施例１〜４における蛍光板と光ファイバー束とを省略したものである。その構成図を図６に示す。センサ５７の断面構造は、通常の光センサの受光面の最表面に数百オングストロームの導電膜を施したものである。これにより、試料表面の電子線による画像を直接に検出できるので、先の実施例１〜４におけるような光ファイバー束(または、それに代わる光学レンズ)や蛍光板等が不要となり、装置構成が簡単になることで誤差要因が減少し、より信頼性の高い検査が可能となる。 <Example 5>
In the previous Examples 1 to 4, an image was detected by a photosensor (CCD or TDI) sensor after an electron beam image was converted into an optical image using a fluorescent screen. In the present embodiment, the fluorescent plate and the optical fiber bundle in the first to fourth embodiments are omitted by using the sensor 57 having direct sensitivity to the electron beam. The configuration diagram is shown in FIG. The cross-sectional structure of the sensor 57 is obtained by applying a conductive film of several hundred angstroms on the outermost surface of the light receiving surface of a normal optical sensor. This makes it possible to directly detect an electron beam image on the surface of the sample, eliminating the need for an optical fiber bundle (or an optical lens in place thereof), a fluorescent plate, etc. as in the first to fourth embodiments, and simplifying the apparatus configuration. As a result, error factors are reduced, and more reliable inspection is possible.

〈実施例６〉
先の実施例１〜３，および５では、半導体試料７に負の電位を印加し、試料に照射される電子のエネルギーを小さくすることで、試料から放出される後方散乱電子のエネルギー分散を小さくする効果が得られるようにしていた。本実施例では、新たにエネルギーフィルタ３１を半導体試料７から結像レンズ１１に到る間に設けて、検査画像を形成する電子のエネルギー分散をさらに小さくしている。その装置構成例を、図７に示す。エネルギーフィルタ３１には、静電偏向と電磁偏向とを組み合わせたウィーンフィルタと呼ばれるものを用いた。このウィーンフィルタは、ある特定エネルギーの電子ビームに対して静電偏向作用と電磁偏向作用とが相殺し合ってビームを偏向させずに直進させるよう機能する。従って、このエネルギーフィルタ３１の後段の結像レンズ１１の後方に絞り３２を設ける
ことによって、特定のエネルギーの電子ビームのみがこの絞り３２の開口を通過して試料電子線像を形成するようにすることができる。従って、結像レンズ１１や拡大レンズ１３、１４での色収差が低減され、センサ５７(または蛍光板１５)上に形成される画像の分解能が向上すると云う効果がある。 <Example 6>
In the previous Examples 1 to 3, and 5, by applying a negative potential to the semiconductor sample 7 and reducing the energy of electrons irradiated on the sample, the energy dispersion of backscattered electrons emitted from the sample is reduced. The effect to do was obtained. In this embodiment, a new energy filter 31 is provided between the semiconductor sample 7 and the imaging lens 11 to further reduce the energy dispersion of electrons forming the inspection image. An example of the apparatus configuration is shown in FIG. As the energy filter 31, a so-called Wien filter that combines electrostatic deflection and electromagnetic deflection was used. This Wien filter functions so that an electrostatic deflection action and an electromagnetic deflection action cancel each other with respect to an electron beam having a specific energy, so that the beam advances straight without being deflected. Therefore, by providing a stop 32 behind the imaging lens 11 at the rear stage of the energy filter 31, only an electron beam having a specific energy passes through the opening of the stop 32 to form a sample electron beam image. be able to. Therefore, there is an effect that the chromatic aberration in the imaging lens 11 and the magnifying lenses 13 and 14 is reduced, and the resolution of the image formed on the sensor 57 (or the fluorescent plate 15) is improved.

〈実施例７〉
本実施例では、先の実施例５(図６)、実施例６(図７)において利用した電子線に対し感度のあるセンサ５７と同様の機能を有し中心にビーム通過孔が設けられた絞り兼センサ２０４を、丁度半導体試料７における電子線照射領域の逆空間像(フーリエ変換像)が形成される位置に設置した。この絞り兼センサ２０４からの電子線強度分布像（信号）は、信号切換装置２０５を介して画像処理部１０４内の画像記憶部１８，１９に入力されるようにしてある。すなわち、この信号切換装置２０５は、制御計算機２９からの制御信号を受けて絞り兼センサ２０４からの画像信号およびＣＣＤ１７からの画像信号の何れか一方を選択して画像処理部１０４内の画像記憶部１８，１９に供給するよう機能する。 <Example 7>
In this example, the same function as that of the sensor 57 having sensitivity to the electron beam used in Example 5 (FIG. 6) and Example 6 (FIG. 7) is provided, and a beam passage hole is provided at the center. The diaphragm / sensor 204 was installed at a position where an inverse aerial image (Fourier transform image) of the electron beam irradiation region in the semiconductor sample 7 was formed. The electron beam intensity distribution image (signal) from the diaphragm / sensor 204 is input to the image storage units 18 and 19 in the image processing unit 104 via the signal switching device 205. That is, the signal switching device 205 receives a control signal from the control computer 29 and selects either the image signal from the diaphragm / sensor 204 or the image signal from the CCD 17 to select an image storage unit in the image processing unit 104. 18 and 19 to serve.

半導体試料７表面の電子線照射領域の逆空間像(フーリエ変換像)は、試料表面から同一散乱角で放出した後方散乱電子が対物レンズ６により一点に結像される面に形成される。一般に半導体試料表面に形成された回路パターンは規則正しい繰り返し構造を基本としているため、その逆空間像は少数のスポットや線から成る単純なものである。従って、互いに異なる領域の逆空間像間での比較は、それぞれ対応する実空間像間での比較よりも容易である。そこで、この逆空間像比較を用いることにより、実空間像比較を利用する場合に比べ、電子線照射領域内における欠陥の有無の判定をより効率的かつ高信頼度で実行できる。しかし、言うまでもなく、上述したような逆空間像の比較からは電子線照射領域内のどの位置に欠陥が存在しているのかを特定することはできない。そこで、本実施例では、
先ず、絞り兼センサ２０４からの逆空間像信号を用いての比較検査によって簡便かつ迅速に検査対象領域内での欠陥の有無を判定し、次いで、ＣＣＤセンサ１７からの実空間像信号を用いての比較検査によって、その欠陥の存在位置を正確に同定できるようにした。これにより、実空間像比較による詳細な欠陥位置同定に先立って欠陥発生領域の概略を簡便に知ることができ、欠陥検査の効率化が達成される。 An inverse space image (Fourier transform image) of the electron beam irradiation region on the surface of the semiconductor sample 7 is formed on a surface where backscattered electrons emitted from the sample surface at the same scattering angle are imaged at one point by the objective lens 6. In general, since a circuit pattern formed on the surface of a semiconductor sample is based on a regular repeating structure, its inverse aerial image is simple consisting of a small number of spots and lines. Therefore, comparison between inverse aerial images in different regions is easier than comparison between corresponding real aerial images. Therefore, by using this inverse aerial image comparison, it is possible to execute the determination of the presence / absence of a defect in the electron beam irradiation region more efficiently and with higher reliability than in the case of using real space image comparison. However, it goes without saying that it is impossible to specify at which position in the electron beam irradiation region the defect exists from the comparison of the inverse aerial images as described above. Therefore, in this embodiment,
First, the presence / absence of a defect in the inspection target area is determined simply and quickly by comparison inspection using the reverse aerial image signal from the diaphragm / sensor 204, and then the real aerial image signal from the CCD sensor 17 is used. By using the comparative inspection, the position of the defect can be accurately identified. Thereby, prior to detailed defect position identification by real space image comparison, the outline of the defect occurrence area can be easily known, and the efficiency of defect inspection is achieved.

ここで、絞り兼センサ２０４を設置する位置は、電子線照射領域の逆空間像が形成される位置でさえあれば、必ずしも本実施例のように対物レンズの後段位置のみに限定されないことは云うまでもない。また、先の実施例１〜６においても本実施例と同様な構成変更を行なうことによって、本実施例と同様な効果を実現できることも云うまでもない。   Here, as long as the position where the diaphragm / sensor 204 is installed is a position where an inverse aerial image of the electron beam irradiation region is formed, it is not necessarily limited to the subsequent position of the objective lens as in the present embodiment. Not too long. In addition, in the first to sixth embodiments, it is needless to say that the same effect as that of the present embodiment can be realized by performing the same configuration change as that of the present embodiment.

本発明の第１の実施例になる検査装置の概略構成図。1 is a schematic configuration diagram of an inspection apparatus according to a first embodiment of the present invention. 本発明の効果を説明するための放出電子のエネルギー分布図。FIG. 4 is an energy distribution diagram of emitted electrons for explaining the effect of the present invention. 本発明の第１の実施例になる検査装置の一構成要素であるＣＣＤセンサの動作説明図。FIG. 3 is an operation explanatory diagram of a CCD sensor which is one component of the inspection apparatus according to the first embodiment of the present invention. 本発明の第２の実施例による検査装置の動作説明図。Operation | movement explanatory drawing of the test | inspection apparatus by the 2nd Example of this invention. 本発明の第３の実施例になる検査装置の一構成要素であるＴＤＩセンサの動作説明図。Explanatory drawing of operation | movement of the TDI sensor which is one component of the inspection apparatus which becomes the 3rd Example of this invention. 本発明の第５の実施例になる検査装置の概略構成図。The schematic block diagram of the test | inspection apparatus which becomes a 5th Example of this invention. 本発明の第６の実施例になる検査装置の概略構成図。The schematic block diagram of the test | inspection apparatus which becomes the 6th Example of this invention. 本発明の第７の実施例になる検査装置の概略構成図。The schematic block diagram of the test | inspection apparatus which becomes the 7th Example of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

１…電子源、２…コンデンサレンズ、３…偏向器、４…絞り、５…照射系偏向器、６…対物レンズ、７…試料、８…Ｘ−Ｙ−θステージ、９…電源、１０…結像系偏向器、１１…結像レンズ、１２…電子像、１３…拡大レンズ、１４…拡大レンズ、１５…蛍光板、１６…光ファイバー束、１７…ＣＣＤ、１８…画像記憶部、１９…画像記憶部、２０…演算部、２１…欠陥判定部、２２…モニタ、２３…加速電源、２４…走査信号発生器、２５…対物レンズ電源、２６…試料高さ測定器、２７…ステージ位置測定器、２８…ビーム制御系、２９…制御計算機、３０…光学顕微鏡、３１…エネルギーフィルタ、３２…絞り、５７…電子線画像センサ、１０１…電子光学系、１０２…試料室、１０３…画像検出部、１０４…画像処理部、１０５…制御部、２０４…絞り兼センサ、２０５…信号切換装置、３００…電極、３０１…電極。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Electron source, 2 ... Condenser lens, 3 ... Deflector, 4 ... Diaphragm, 5 ... Irradiation system deflector, 6 ... Objective lens, 7 ... Sample, 8 ... XY-theta stage, 9 ... Power supply, 10 ... Imaging system deflector, 11 ... Imaging lens, 12 ... Electronic image, 13 ... Magnifying lens, 14 ... Magnifying lens, 15 ... Fluorescent plate, 16 ... Optical fiber bundle, 17 ... CCD, 18 ... Image storage unit, 19 ... Image storage , 20 ... arithmetic unit, 21 ... defect determination unit, 22 ... monitor, 23 ... acceleration power supply, 24 ... scanning signal generator, 25 ... objective lens power supply, 26 ... sample height measuring instrument, 27 ... stage position measuring instrument, DESCRIPTION OF SYMBOLS 28 ... Beam control system, 29 ... Control computer, 30 ... Optical microscope, 31 ... Energy filter, 32 ... Aperture, 57 ... Electron beam image sensor, 101 ... Electron optical system, 102 ... Sample chamber, 103 ... Image detection part, 104 ... Image processing unit, 105 ... Section, 204 ... diaphragm and sensing, 205 ... signal switching device, 300 ... electrode, 301 ... electrode.

Claims (13)

試料に対して面状の電子ビームを照射する照射光学系と、
前記試料を保持する試料ステージと、
前記面ビーム照射領域から発生する後方散乱電子または二次電子を結像させ、電気的な画像信号として出力する結像光学系と、
該画像信号を処理して前記試料の欠陥を検出する画像処理部とを有し、
前記結像光学系は、
前記後方散乱電子または二次電子を結像させて電子像を形成する結像レンズと、
当該電子像を光学像に変換する手段と、当該光学像周辺部の歪みを補正する補正手段と、当該周辺部の歪みが補正された光学像を結像して前記電気的な画像信号に変換する光学画像検出素子とを備えた画像検出部を有することを特徴とする欠陥検査装置。 An irradiation optical system for irradiating a specimen with a planar electron beam;
A sample stage for holding the sample;
An imaging optical system that forms an image of backscattered electrons or secondary electrons generated from the surface beam irradiation region and outputs an electrical image signal;
An image processing unit for processing the image signal to detect defects in the sample ,
The imaging optical system is
An imaging lens that forms an electron image by imaging the backscattered electrons or secondary electrons ;
Means for converting the electronic image into an optical image, correction means for correcting distortion in the peripheral portion of the optical image, and forming an optical image in which distortion in the peripheral portion is corrected and converting it into the electrical image signal A defect inspection apparatus comprising an image detection unit including an optical image detection element . 請求項１に記載の欠陥検査装置において、The defect inspection apparatus according to claim 1,
前記歪み補正手段が非球面レンズであることを特徴とする欠陥検査装置。The defect inspection apparatus, wherein the distortion correction means is an aspheric lens. 請求項２に記載の欠陥検査装置において、The defect inspection apparatus according to claim 2,
前記非球面レンズにより補正しきれない歪みを、前記画像処理部により補正することを特徴とする欠陥検査装置。A defect inspection apparatus, wherein distortion that cannot be corrected by the aspheric lens is corrected by the image processing unit. 請求項１から３のいずれか１項に記載の欠陥検査装置において、In the defect inspection apparatus according to any one of claims 1 to 3,
画像検出部は、前記電子像を光学像に変換する手段として蛍光板を備えることを特徴とする欠陥検査装置。The defect detection apparatus, wherein the image detection unit includes a fluorescent plate as means for converting the electronic image into an optical image. 請求項１から４のいずれか１項に記載の欠陥検査装置において、
前記面状の電子ビームと、当該面状電子ビームの照射領域から発生する後方散乱電子または二次電子とを分離する分離手段とを備えたことを特徴とする欠陥検査装置。 In the defect inspection apparatus according to any one of claims 1 to 4,
A defect inspection apparatus comprising: the planar electron beam; and a separating unit that separates backscattered electrons or secondary electrons generated from an irradiation region of the planar electron beam. 請求項１から５のいずれか１項に記載の欠陥検査装置において、
前記面状の電子ビームを形成するためのコンデンサレンズおよび対物レンズを備えたことを特徴とする欠陥検査装置。 In the defect inspection apparatus according to any one of claims 1 to 5,
A defect inspection apparatus comprising a condenser lens and an objective lens for forming the planar electron beam. 請求項１から６のいずれか１項に記載の欠陥検査装置において、
前記試料に照射された面状電子ビームが試料に入射せずに反射されるような電圧を前記試料ステージに印加する電源を備え、前記後方散乱電子または二次電子に替えて、試料に入射させずに反射された電子を検出して前記欠陥検出を行うことを特徴とする欠陥検査装置。 The defect inspection apparatus according to any one of claims 1 to 6,
A power source that applies a voltage to the sample stage so that the planar electron beam irradiated on the sample is reflected without entering the sample; and instead of the backscattered electrons or secondary electrons, the sample electron beam is incident on the sample. A defect inspection apparatus for detecting the defect by detecting electrons reflected without any defects. 試料に対して面状の電子ビームを照射し、Irradiate a specimen with a planar electron beam,
当該照射により発生する後方散乱電子または二次電子を結像して、前記面状電子ビームの照射領域の電子線像を形成し、Imaging backscattered electrons or secondary electrons generated by the irradiation to form an electron beam image of the irradiation region of the planar electron beam,
当該電子線像を光学像に変換し、Converting the electron beam image into an optical image,
該光学像周辺部の歪みを補正し、Correcting distortion in the periphery of the optical image,
当該歪みの補正された光学像を結像して電気的な画像信号に変換し、An optical image with the distortion corrected is imaged and converted into an electrical image signal,
当該画像信号を用いて、前記試料の欠陥を検出することを特徴とする欠陥検査方法。A defect inspection method, wherein a defect of the sample is detected using the image signal. 請求項８に記載の欠陥検出方法において、The defect detection method according to claim 8,
前記光学像周辺部の歪みを非球面レンズにより補正することを特徴とする欠陥検査方法。A defect inspection method, wherein distortion of the peripheral portion of the optical image is corrected by an aspheric lens. 請求項９に記載の欠陥検出方法において、The defect detection method according to claim 9,
前記非球面レンズよる補正では取りきれない歪みを前記画像信号の信号処理により補正することを特徴とする欠陥検査方法。A defect inspection method, wherein distortion that cannot be removed by correction by the aspheric lens is corrected by signal processing of the image signal. 請求項９または１０に記載の欠陥検査方法において、The defect inspection method according to claim 9 or 10,
試料に照射された面状電子ビームが試料に入射せずに反射されるような電圧を前記試料に印加し、A voltage is applied to the sample such that the planar electron beam irradiated on the sample is reflected without entering the sample,
前記後方散乱電子または二次電子に替えて、当該反射された電子を検出して前記欠陥検出を行うことを特徴とする欠陥検査方法。A defect inspection method, wherein the defect detection is performed by detecting the reflected electrons instead of the backscattered electrons or secondary electrons. 請求項９から１１のいずれか１項に記載の欠陥検出方法において、The defect detection method according to any one of claims 9 to 11,
前記面状の電子ビームと前記後方散乱電子または二次電子を分離し、当該分離された後方散乱電子または二次電子を結像して前記電子線像を形成することを特徴とする欠陥検査方法。A defect inspection method comprising: separating the planar electron beam from the backscattered electrons or secondary electrons; and imaging the separated backscattered electrons or secondary electrons to form the electron beam image. . 請求項９から１２のいずれか１項に記載の欠陥検出方法において、The defect detection method according to any one of claims 9 to 12,
前記試料上の一の面状電子ビーム照射領域から得られる画像信号と、An image signal obtained from one planar electron beam irradiation region on the sample;
他の面状電子ビーム照射領域から得られる画像信号とを比較して、前記一の面状電子ビーム照射領域に存在する欠陥を検出することを特徴とする欠陥検査方法。A defect inspection method, wherein a defect present in the one planar electron beam irradiation region is detected by comparing with an image signal obtained from another planar electron beam irradiation region.
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