JP4032036B2 - 欠陥検査装置 - Google Patents

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Description

本発明は、欠陥検査装置に関し、例えば電子ビームを用いた半導体パターン等の検査を対象とする。
矩形状の電子ビームを試料に照射し、その試料表面の形状/材質/電位の変化に応じて発生した二次電子、反射電子および後方散乱電子を拡大投影して試料表面画像を取得し、半導体パターンの欠陥検査に応用する手法が提案されている(例えば、特許文献1および2)。
従来の技術による写像投影型の電子ビーム欠陥検査装置を用いた一般的な欠陥検査方法の概略手順を説明する。まず、検査感度や電子ビーム条件等のパラメータを設定した後、検査を実行し、その後、検査結果の確認や感度最適化のため、欠陥として抽出された場所のレビューを行う。レビュー時は、真欠陥が擬似欠陥かを判別するために、検査時の倍率より高倍率にして撮像するのが望ましいので、検査感度をチェックし、感度が良好であれば検査を終了するが、感度が不十分であれば、パラメータ値を再度設定し直して十分な感度が得られるまで上記手順を繰り返す。
しかしながら、写像投影型の電子ビーム欠陥検査装置は、検査時の倍率に最適であるように本来設計されているため、高倍率・高分解能の撮像には不向きである。従って、例えば単一のビーム鏡筒で検査時とレビュー時との両方の倍率をカバーしようとすると、装置が巨大になるという問題がある。その他、レビュー用に別途ビーム鏡筒を搭載する方法もあるが、あまり望ましくない。
その他、例えば試料であるウェーハの真上に制御電極を設けたり、ウェーハを支持するステージをZ方向に移動可能にして、ウェーハと対物レンズとの距離(ワーキングディスタンス)を狭めることにより、装置を巨大化することなく観察倍率を高めることも可能である。
しかしながら、このような方法では、十分な分解能やS/Nを得ることができなかった。
特開平7−249393号公報 特開平11−132975号公報
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、高分解能のレビュー像を取得でき、暫定的な検査で検出された欠陥が真の欠陥であるか疑似欠陥であるかを容易に判定できる欠陥検査装置を提供することにある。
本発明は、以下の手段により上記課題の解決を図る。
即ち、本発明の第1の態様によれば、
荷電ビームを出射して一次ビームとして試料に照射する荷電ビーム出射手段と、
前記一次ビームの照射により前記試料から発生する二次荷電粒子、反射荷電粒子および後方散乱荷電粒子の少なくともいずれかの照射を受ける受光面を有する撮像素子を含み、前記試料の表面の状態を表す信号を出力する撮像手段と、
前記二次荷電粒子、前記反射荷電粒子および前記後方散乱荷電粒子の少なくともいずれかを二次ビームとして写像投影し、前記撮像素子の前記受光面に結像させる写像投影手段と、
欠陥が抽出された場合に、レビューの対象となる撮像領域をN(Nは2以上の自然数)個に分割したフレーム領域のサイズに対応したサイズで前記試料に照射するように前記一次ビームのビーム径を調整して前記撮像領域を走査し、それぞれが前記フレーム領域における試料の像を含む前記N枚のフレーム像を、観察倍率を高めることなく前記撮像手段に撮像させる制御手段と、
得られた前記N枚の前記フレーム画像から各フレーム領域における試料の画像を合成してレビュー像を作成する画像処理手段と、
前記レビュー像に基づいて前記試料の欠陥を判定する欠陥判定手段と、
を備える欠陥検査装置が提供される。
また、本発明の第2の態様によれば、
荷電ビームを出射して一次ビームとして試料に照射する荷電ビーム出射手段と、
前記一次ビームの照射により前記試料から発生する二次荷電粒子、反射荷電粒子および後方散乱荷電粒子の少なくともいずれかの照射を受ける受光面を有する撮像素子を含み、前記試料の表面の状態を表す信号を出力する撮像手段と、
前記二次荷電粒子、前記反射荷電粒子および前記後方散乱荷電粒子の少なくともいずれかを二次ビームとして写像投影し、前記撮像素子の前記受光面に結像させる写像投影手段と、
欠陥が抽出された場合に、レビューの対象となる撮像領域をN(Nは2以上の自然数)個に分割したフレーム領域のサイズに対応したサイズで前記試料に照射するように前記一次ビームのビーム径を調整して前記撮像領域を走査し、それぞれが前記フレーム領域における試料の像を含む前記N枚のフレーム画像を前記撮像手段に撮像させる制御手段と、
得られた前記N枚の前記フレーム画像から各フレーム領域における試料の画像を合成してレビュー像を作成する画像処理手段と、
前記レビュー像に基づいて前記試料の欠陥を判定する欠陥判定手段と、
を備え、
前記画像処理手段は、前記フレーム画像と同一のサイズを有し、各フレーム領域に応じた照明領域にそれぞれ窓が開けられた前記N枚のマスク画像を予め作成し、
前記レビュー像は、相互に対応する前記フレーム画像および前記マスク画像同士でそれぞれ論理積を取ることにより得られた前記N枚の画像を合成することにより作成される、
欠陥検査装置が提供される。
本発明によれば、分解能およびS/Nに優れたレビュー像を取得することができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の各図において同一の部分には同一の参照番号を付し、その重複説明は必要な場合にのみ行う。
(1)第1の実施の形態
図1は、本発明にかかる欠陥検査装置の実施の一形態の概略構成を示すブロック図である。同図に示す欠陥検査装置は、一次コラム2と、ステージチャンバ4と、二次コラム6と、TDI(Time Delay Integrator)センサ76と、制御部64と、ホストコンピュータ80と、真空ポンプP1〜P3とを備える。
ホストコンピュータ80は、例えば欠陥判定手段に対応し、制御部64を始めとして装置全体を制御するとともに、後述する欠陥検査方法により得られたレビュー像に基づき、暫定的な検査で得られた欠陥が真の欠陥か疑似欠陥であるかを判定する。制御部64は、例えば制御手段に対応し、各種制御信号を生成し、画像処理部78の他、電子銃、四極子レンズ18、一次ビーム偏向器22、対物レンズ54、ウィーンフィルタ30、第1および第2投影レンズ56,58および二次ビーム偏向器62に供給し、これらを制御する。
ステージチャンバ4は、検査対象であるパターンが形成されたウェーハWを上面で支持するステージ40を収納する。ステージ40は、制御部64からの制御信号によりX−Y−Zの3方向で移動できるように構成されている。真空ポンプP2は、ステージチャンバ4に接続されてその内部を高真空の状態にする。ステージ40には図示しない電源が接続され、ウェーハWに電圧が印加できる構造を有する。
一次コラム2は、電子銃と、四極子レンズ18と、一次ビーム偏向器22とを含む。電子銃と四極子レンズ18と一次ビーム偏向器22とは、例えば荷電ビーム出射手段に対応する。電子銃は、電子を放出する陰極12と、矩形開口を有するウエーネルト電極(Weh-nelt cylinder)14と、ビーム軸調整用の偏向器16とを有し、制御部64から与えられる制御信号によって加速電圧、エミッション電流および光軸が制御されながら一次ビームPBを出射する。一次コラム2は、ウェーハW表面の垂直方向に対して傾斜して配置される。このような構成により、一次ビームPBはウェーハWの表面に対して斜め方向からウィーンフィルタ30に入射する。ウィーンフィルタ30は、電界磁界重畳型偏向器の一つであり、一次コラム2を通って斜めに入射する一次ビームPBをウェーハWの試料面に対して垂直な方向に偏向してウェーハWに入射させる。
二次コラム6は、二次ビーム写像投影部とMCP(Micro Channel Plate)検出器72と蛍光面74とを収納する。二次ビーム写像投影部は、例えば写像投影手段に対応し、対物レンズ54と、アパーチャAPと、ウィーンフィルタ30と、例えば回転対称型静電レンズで構成される第1および第2投影レンズ56,58および二次ビーム偏向器62と、を含む。二次ビーム写像投影部は、一次ビームPBの照射を受けてウェーハWの表面から発生した二次電子、反射電子および後方散乱電子を磁界もしくは電界またはこれらの組み合わせにより、ステージチャンバ4から二次コラム6内へ導き、加速させながら二次ビームとして拡大投影してMCP検出器72に入射させる。なお、ウィーンフィルタ30は、ウェーハW側から入射した二次ビームSBに対しては、これを直進させる条件で制御されており、二次ビームSBはウィーンフィルタ30内を直進して、第1投影レンズ56および第2投影レンズ58により拡大投影される。二次ビーム偏向器72は、TDIセンサ76に同期してMCP検出器72の入射面が二次ビームSBで走査されるように、二次ビームSBを偏向する。
電子ビーム検出部は、例えば撮像手段に対応し、MCP検出器72と蛍光面74とTDIセンサ76とで構成される。MCP検出器72に入射した二次ビームSBは、MCP検出器72により入射面での電子量の4乗倍から5乗倍に増幅されて蛍光面74を照射する。これにより蛍光面74で発生した蛍光像をTDIセンサ76が検出して画像処理部78に供給する。本実施形態のTDIセンサ76は、STILLモードを有する。STILLモードとは、TDIセンサのタイミング信号を制御することにより、一般的なCCDセンサのように撮像するモードをいう。STILLモードを用いることにより、フレーム単位での撮像が可能になる。
画像処理部78は、例えば画像処理手段に対応し、検出された蛍光像の信号を処理し、ウェーハWの表面の状態を表わすSEM画像の画像信号として制御部64を介してホストコンピュータ80に供給する。画像処理部78は、後述するように、フレーム単位で撮像された画像を加算処理にて合成することができる。
次に、図1に示す欠陥検査装置を用いた欠陥検査方法のいくつかについて図2〜図5を参照しながら説明する。
図2は、本実施形態による欠陥検査方法の概略手順を示すフローチャートであり、図3〜図5は、図2に示す欠陥検査方法の説明図である。
まず、図3(a)に示すように、従来の技術による検査方法と同様に、照明ビームCS0で撮像エリアAR0の全面を照明しながらステージ40によるステージスキャンで検査エリア全体を撮像し(図2、ステップS1)、欠陥個所を抽出する(ステップS2)。次に、抽出された欠陥個所をN個の領域(以下、フレーム領域という)に等分割し(ステップS3)、このフレーム一つ分のサイズにビーム径を絞り、図3(b)に示すように、絞られた照明ビームCS1で欠陥個所である撮像エリアAR1をスキャン照明する(ステップS4)。図1に示す欠陥検査装置によりビーム径を小さく絞るためには、制御部64から制御信号を供給して四極子レンズ18を調整すれば可能である。照明ビームの欠陥個所へのスキャン照明は、一次ビーム偏向器22により行う。一括照明による検査実行時には、ステージ40を連続して移動させながらTDIセンサにて撮像するが、レビュー時では、ステージ40を静止したままでTDIセンサのSTILLモードを用いて撮像する。これにより、フレーム単位で画像を取得することができる。
スキャン照明によりTDIセンサのSTILLモードにてフレーム画像が連続して撮像される様子を図4に模式的に示す。同図(a)に示す撮像対象パターンPTに対して、ビームを連続的にスキャン照明することにより、同図(b)に示すフレーム画像FR1〜FRNを得ることができる。なお、一般的なSEM装置と同様に、スキャン照明を一度だけでなく、何度も繰り返た後に積算処理を行うことにより、レビュー画像のS/Nを高めることができる。
次に、図2に戻り、得られた撮像フレームFR1〜FRNの画像を画像処理にて合成する(ステップS6)。これにより、図5の模式図に示すように、撮像対象パターンPTに応じた合成像(レビュー像)Imrvを得ることができる。この画像処理は、図1に示す欠陥検査装置では画像処理部78が撮像フレームFR1〜FRNの画像データを加算することにより実行される。
最後に、得られたレビュー像Imrvを用いて、一括照明で抽出された欠陥の真偽を判定する(ステップS7)。この判定は、図1に示す欠陥検査装置のホストコンピュータ80により実行される。
レビュー時においても、例えば図3(c)に示す照明ビームCS2のように、検査時と同様に、抽出された欠陥個所の撮像エリアAR2全体に対して、一括照明で撮像することも可能である。しかしながら、一括照明よりもスキャン照明の方が空間電荷効果の影響を抑制できる点で優れているため、高分解能の画像を得ることができる。一般的にスキャン照明は、一括照明に比較して撮像時間を要するというデメリットがあるが、レビュー時では検査時のように速度を要求されないので、このようなデメリットが問題になることはない。
このように、本実施形態によれば、高分解能のレビュー像を得ることができる。
(2)第2の実施の形態
次に、本発明の第2の実施の形態について図6〜図12を参照しながら説明する。本実施形態による欠陥検査方法も、図1に示す欠陥検査装置を用いて実行することができる。
上述した第1の実施の形態では、スキャン照明によって得られたフレーム像を単純に加算することによりレビュー像を取得した。しかしながら、図6(a)の撮像対象パターンPTに対してスキャン照明により得られた図6(b)の撮像フレームFRimのうち、符号Imnに示す領域のように、フレーム像は、結像に寄与しないノイズ電子によるノイズ像を含む場合もある。このような場合に、各フレーム画像をそのまま加算すると、S/Nに劣るレビュー像になる。本実施形態では、マスク画像を準備し、加算処理に先立ってマスキング処理を実行することにより、レビュー像のS/Nを高める方法を提供する。
図7は、本実施形態の欠陥検査方法の概略手順を示すフローチャートである。
まず、従来の技術による検査方法と同様に、照明ビームCS0で撮像エリアAR0の全面を照明しながらステージ40によるステージスキャンで検査エリア全体を撮像し(ステップS11)、欠陥個所を抽出する(ステップS12)。次に、抽出された欠陥個所をN個のフレーム領域FR1〜FRNに分割し、各フレーム領域に応じて照明領域に窓を開けたマスク画像を作成する(ステップS13)。続いて、対応するフレーム画像とマスク画像同士でマスキング処理、即ち、論理積を取ることにより、ノイズの影響を除去した画像を作成する(ステップS15)。その後は、前述した第1の実施形態と同様に、マスキング処理後のN枚の画像を合成してレビュー像を取得し(ステップS16)、得られたレビュー像を用いて、一括照明で抽出された欠陥の真偽を判定する(ステップS17)。
マスキング処理の具体例を図8の模式図を用いて説明する。同図(a)では撮像対象パターンPTのコーナを起点とする連続スキャンにおいて最初のビーム照明により得られたフレーム画像FR1と、このフレーム画像FR1に対応して予め作成されたマスクMK1との間で論理積を取ることによりノイズ像Imnが除去され、マスキング処理後の画像FRm1が得られる様子が示されている。図8(b)では、フレーム画像FR1に続いて2番目のビーム照明により得られたフレーム画像FR2と、このフレーム画像FR2に対応して予め作成されたマスクMK2との間で論理積を取ることにより、マスキング処理後の画像FRm2が得られる様子が示されている。
図9は、一次ビーム偏向器用の偏向電圧と、TDIセンサのフレーム信号と、マスク画像との関係を示す説明図である。同図(a)は、図1に示す欠陥検査装置の一次ビーム偏向器22へ印加する偏向電圧(X方向およびY方向)とTDIセンサ76へ与えるフレーム信号T1〜T16との関係を示す。図9(b)は連続スキャンされる照明エリアAR1の位置とフレーム信号T1〜T16との関係を示す。さらに、図9(c)は、フレーム信号T1が与えられるときのマスク画像MK1を示す。図9(a)に示すように、偏向電圧は、TDIセンサ76へのフレーム信号T1〜T16にそれぞれ同期してステップ状に生成される。図9(a)と(b)との対比により明らかなように、本実施形態では、マスク画像のアンマスク領域(窓の部分)は、撮像エリアを4×4の領域に分割したサイズになっているが、照明エリアAR1のサイズは、このアンマスク領域のサイズよりも若干大きめになるように設定されている。これにより、ビーム照射の境界で画像の均一性に影響が及ぶことを防止することができる。図9に示す例では、撮像エリアの左上コーナから順に照明エリアが連続して移動するように偏向電圧を生成したが、これに限ることなく、図10に示す例のように、ランダムスキャンにより不規則な順序で照明エリアAR1が移動するように偏向電圧を生成しても良い。
このように、本実施形態によれば、分解能およびS/Nにおいてさらに優れたレビュー像を得ることができる。
(3)プログラム
上述した欠陥検査方法の一連の手順は、プログラムに組み込み、レシピファイルとしてSEM装置のコンピュータに読込ませて実行させても良い。これにより、画像処理可能なコンピュータを含む汎用のSEM装置を用いて上述した欠陥検査方法を実現することができる。また、上述した欠陥検査方法の一連の手順をSEM装置のコンピュータに実行させるプログラムとしてフレキシブルディスクやCD−ROM等の記録媒体に収納し、SEM装置のコンピュータに読込ませて実行させても良い。
記録媒体は、磁気ディスクや光ディスク等の携帯可能なものに限定されず、ハードディスク装置やメモリなどの固定型の記録媒体でも良い。また、上述した欠陥検査方法の一連の手順を組込んだプログラムをインターネット等の通信回線(無線通信を含む)を介して頒布しても良い。さらに、上述した欠陥検査方法の一連の手順を組込んだプログラムを暗号化したり、変調をかけたり、圧縮した状態で、インターネット等の有線回線や無線回線を介して、または記録媒体に収納して頒布しても良い。
(4)半導体装置の製造方法
上述した欠陥検査方法を用いて半導体装置を製造することにより、高いスループットおよび歩留まりで半導体装置を製造することが可能になる。
以上、本発明の実施のいくつか形態について説明したが、本発明は上記形態に限ることなく、その技術的範囲内で種々変形して適用することができる。例えば、上述した実施形態では、撮像エリアを4×4の領域に分割したが、分割数はこれに限ることなく求められる精度に応じて任意の数を設定することができる。また、上記実施形態では、荷電ビームとして電子ビームを用いる場合について説明したが、これに限ることなく、例えばイオンビームを用いる欠陥検査装置にも適用可能である。
本発明にかかる欠陥検査装置の実施の一形態の概略構成を示すブロック図である。 図1に示す欠陥検査装置を用いた欠陥検査方法の一例の概略手順を示すフローチャートである。 図2に示す欠陥検査方法の説明図である。 図2に示す欠陥検査方法の説明図である。 図2に示す欠陥検査方法の説明図である。 加算処理によりレビュー像を得る場合のノイズ電子の影響を示す模式図である。 図1に示す欠陥検査装置を用いた欠陥検査方法の他の例の概略手順を示すフローチャートである。 図7に示す欠陥検査方法の説明図である。 図7に示す欠陥検査方法の説明図である。 図7に示す欠陥検査方法の説明図である。
符号の説明
2 一次コラム
4 ステージチャンバ
6 二次コラム
12 陰極
14 ウエーネルト電極
16 ビーム軸調整用偏向器
18 四極子レンズ
22 一次ビーム偏向器
30 ウィーンフィルタ
40 ステージ
54 対物レンズ
56 第1投影レンズ
58 第2投影レンズ
62 二次ビーム偏向器
64 制御部
72 MCP検出器
74 蛍光面
76 TDIセンサ
78 画像処理部
80 ホストコンピュータ
AP アパーチャ
AR 照明エリア
CS1 照明ビーム
FR1〜FRN フレーム
FRM1,FRM2 マスキング処理後画像
MK1,MK2,MKr1 マスク画像
Imn ノイズ像
Imrv 合成像(レビュー像)
P1〜P3 真空ポンプ
PB 一次ビーム
PB 撮像対象パターン
SB 二次ビーム
W ウェーハ

Claims (5)

  1. 荷電ビームを出射して一次ビームとして試料に照射する荷電ビーム出射手段と、
    前記一次ビームの照射により前記試料から発生する二次荷電粒子、反射荷電粒子および後方散乱荷電粒子の少なくともいずれかの照射を受ける受光面を有する撮像素子を含み、前記試料の表面の状態を表す信号を出力する撮像手段と、
    前記二次荷電粒子、前記反射荷電粒子および前記後方散乱荷電粒子の少なくともいずれかを二次ビームとして写像投影し、前記撮像素子の前記受光面に結像させる写像投影手段と、
    欠陥が抽出された場合に、レビューの対象となる撮像領域をN(Nは2以上の自然数)個に分割したフレーム領域のサイズに対応したサイズで前記試料に照射するように前記一次ビームのビーム径を調整して前記撮像領域を走査し、それぞれが前記フレーム領域における試料の像を含む前記N枚のフレーム像を、観察倍率を高めることなく前記撮像手段に撮像させる制御手段と、
    得られた前記N枚の前記フレーム画像から各フレーム領域における試料の画像を合成してレビュー像を作成する画像処理手段と、
    前記レビュー像に基づいて前記試料の欠陥を判定する欠陥判定手段と、
    を備える欠陥検査装置。
  2. 荷電ビームを出射して一次ビームとして試料に照射する荷電ビーム出射手段と、
    前記一次ビームの照射により前記試料から発生する二次荷電粒子、反射荷電粒子および後方散乱荷電粒子の少なくともいずれかの照射を受ける受光面を有する撮像素子を含み、前記試料の表面の状態を表す信号を出力する撮像手段と、
    前記二次荷電粒子、前記反射荷電粒子および前記後方散乱荷電粒子の少なくともいずれかを二次ビームとして写像投影し、前記撮像素子の前記受光面に結像させる写像投影手段と、
    欠陥が抽出された場合に、レビューの対象となる撮像領域をN(Nは2以上の自然数)個に分割したフレーム領域のサイズに対応したサイズで前記試料に照射するように前記一次ビームのビーム径を調整して前記撮像領域を走査し、それぞれが前記フレーム領域における試料の像を含む前記N枚のフレーム画像を前記撮像手段に撮像させる制御手段と、
    得られた前記N枚の前記フレーム画像から各フレーム領域における試料の画像を合成してレビュー像を作成する画像処理手段と、
    前記レビュー像に基づいて前記試料の欠陥を判定する欠陥判定手段と、
    を備え、
    前記画像処理手段は、前記フレーム画像と同一のサイズを有し、各フレーム領域に応じた照明領域にそれぞれ窓が開けられた前記N枚のマスク画像を予め作成し、
    前記レビュー像は、相互に対応する前記フレーム画像および前記マスク画像同士でそれぞれ論理積を取ることにより得られた前記N枚の画像を合成することにより作成される
    欠陥検査装置。
  3. 前記一次ビームのビーム径は、前記窓のサイズよりも大きいサイズで前記一次ビームが前記試料に照射するように調整される、ことを特徴とする請求項2に記載の欠陥検査装置。
  4. 前記制御手段は、前記撮像素子のフレームレートに同期して前記撮像領域が前記一次ビームで走査されるようにステップ状の走査信号を生成して前記電子ビーム出射手段に供給する、ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の欠陥検査装置。
  5. 前記ステップ状の走査信号は、前記撮像領域が前記一次ビームにより不規則な順序で走査されるように生成されることを特徴とする請求項4に記載の欠陥検査装置。
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