JP4062196B2

JP4062196B2 - Inspection method and inspection apparatus using electron beam

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Publication number: JP4062196B2
Application number: JP2003202164A
Authority: JP
Inventors: 裕子岩淵; 秀男戸所; 弘義森; 貢佐藤; 康継宇佐美; 幹雄市橋; 悟福原; 博之品田; 豊金子; 勝也杉山; 敦子 ▲高▼藤; 博遠山
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-07-28
Filing date: 2003-07-28
Publication date: 2008-03-19
Anticipated expiration: 2017-08-07
Also published as: JP2004031976A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電子ビームを用いた検査方法及び検査装置に係わり、特に、半導体装置の製造過程でウエハ上の回路等のパターンを検査するのに適した電子ビームを用いた検査方法及び検査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子ビームを用いた試料の観察装置としては走査電子顕微鏡（以下これをSEM という）があり、また、半導体装置の検査装置の一つとして測長用走査電子顕微鏡（以下これを測長ＳＥＭという）がある。しかし、通常のＳＥＭや測長ＳＥＭは、限られた視野を高倍率で観察するのには適しているものの、ウエハ上のどこに欠陥があるかを探すのには不向きである。なぜならば、そのような欠陥探索のためには非常に広い領域、すなわちウエハの全表面領域をくまなく検査する必要があるが、そのような広領域を上記のＳＥＭや測長ＳＥＭで検査する場合には非常に長い時間が必要である。したがって、これらのＳＥＭは半導体装置の製造過程で、製造タクトに同期した検査装置として使用するにはとても実用にならない。
【０００３】
このような問題を解決する装置として、画像比較を用いてウエハ上の欠陥を検出する電子ビームを用いた検査装置が知られている。この装置は、高電流電子ビームが用いられること、電子ビームを試料に照射しながら試料ステージを連続的に移動させること、高加速電圧が用いられること、試料には電子ビームを減速させて試料の帯電を防ぐリターディング電圧が印加されること、電子ビームの照射によって試料で発生する荷電粒子が対物レンズを通過してから検出されること（ＴＴＬ方式）、といった特徴をもっている。これによれば、試料であるマスクやウエハのパターンの欠陥検査を従来のＳＥＭよりも効率的に行うことができる可能性がある。なお、この関連の技術として、たとえば、特開平5−258703 号公報に記載されたものがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
試料から出てくる荷電粒子が対物レンズを通して検出されるといういわゆるＴＴＬ（Through The Lens）方式によれば、対物レンズと試料との間の距離を短くすることができる。これによって、対物レンズを短焦点で用いることができ、電子ビームの収差が少なく、高分解能な画像の取得が可能になる。しかし、一方で、検査速度の向上を阻害し、更に試料の高さが変化するとこれに伴って電子ビームの回転が大きく変化し、得られた画像が回転してしまうという無視できない不具合をもたらす。また、リターディング電圧が変化したときの荷電粒子の検出効率の変化が無視できないほどの影響になりうるという不利益をもたらす。
【０００５】
本発明の第一の目的は、検査の高速化を図ることができる電子ビームを用いた検査方法及び検査装置を提供することにある。
【０００６】
本発明の第二の目的は、画像の回転が少ない電子ビームを用いた検査方法及び検査装置を提供することにある。
【０００７】
本発明の第三の目的は、荷電粒子の検出効率の変化が少ない電子ビームを用いた検査方法及び検査装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の構成は、電子源から発生した電子ビームが対物レンズによって試料に収束され、試料が電子ビームで走査され、それによって試料から荷電粒子が発生するように電子ビームが偏向され、発生した荷電粒子が対物レンズと試料との間から荷電粒子検出器によって検出されて電気信号に変換され、この電気信号が画像信号として記憶され、この記憶された画像信号を用いて画像比較が実行され、試料の欠陥が検出されることからなる。
【０００９】
本発明の他の構成は、電子源から発生した電子ビームがクロスオーバを生じるように収束されるとともに、該クロスオーバと試料との間に配置された対物レンズによって試料に収束され、試料が電子ビームで走査され、それによって試料から荷電粒子が発生するように偏向され、発生した荷電粒子が対物レンズと試料との間から荷電粒子検出器によって検出されて電気信号に変換され、この電気信号が画像信号として記憶され、この記憶された画像信号を用いて画像比較が実行され、試料の欠陥が検出されることからなる。
【００１０】
本発明の他の構成は、電子源から発生した電子ビームがクロスオーバを生じるように収束されるとともに、該クロスオーバと試料との間に配置された対物レンズによって試料に収束され、試料が電子ビームで走査され、それによって試料から荷電粒子が発生するように偏向され、同時に試料が該試料の電子ビームによる走査の方向と実質的に直交する方向に連続的に移動され、発生した荷電粒子が対物レンズと試料との間から荷電粒子検出器によって検出されて電気信号に変換され、この電気信号が画像信号として記憶され、この記憶された画像信号を用いて画像比較が実行され、試料の欠陥が検出されることからなる。
【００１１】
上記画像比較は試料の欠陥を見つけ出すためのものであって、試料上のある領域の画像と別の領域の画像との比較を含むと共に、ある領域の画像と予め用意された基準の画像との比較をも含む。
【００１２】
本発明の望ましい実施例によれば、試料には電子ビームを減速する電圧が印加される。これは発生する荷電粒子に対しては該荷電粒子が平行化される傾向をもつような加速電圧として作用する。
【００１３】
本発明の望ましい実施例によれば、試料から発生した荷電粒子は互いに実質的に直交する偏向電界及び偏向磁界によって同じ方向に偏向される。これらの偏向電界及び偏向磁界による試料を照射する電子ビームの偏向量は、実質的に等しく、かつ、逆方向であるため、打消し合う。したがって、偏向電界及び偏向磁界による、試料を照射する方の電子ビームの偏向障害は実質的に存在しない。
【００１４】
本発明の望ましい実施例によれば、試料から発生した荷電粒子のうち２次電子は導電性の２次電子発生体を照射し、それによって該２次電子発生体は２次電子をさらに発生し、この発生した２次電子が荷電粒子検出器によって検出される。
【００１５】
本発明の望ましい実施例によれば、電子ビームはクロスオーバを支点としてブランキングされる。電子ビームがクロスオーバを持たない平行ビームの場合、ブランキングの最中に試料上の電子ビームによる照射位置が変化してしまい、照射領域に隣接した領域を帯電させてしまうという不具合があったが、本実施例では、ブランキングをクロスオーバを支点としているので試料上の電子ビームによる照射位置が変化せず、上記不具合を避けることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
〔実施例〕
図２に、半導体装置の製造プロセスのフローのブロック図を示す。同図からわかるように、半導体装置の製造に当たっては、半導体装置のウエハ上への多数のパターン形成ステップ５１〜５５が繰り返され、その各々のパターン形成ステップは大まかに成膜５６，レジスト塗布５７，感光５８，現像５９，エッチング６０，レジスト除去６１及び洗浄６２のステップからなる。各ステップにおいて製造条件が最適化されていないと、半導体ウエハの回路パターンが正常に形成されない。そこで、ステップ間に自動外観検査ステップ６３及び６４を設け、回路パターンの検査が実行される。
【００１７】
図３に、製造過程における半導体ウエハ上の回路パターンを走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した像の概略を示す。図３（ａ）は正常に加工されたパターン、図３（ｂ）は加工不良が発生したパターンを示す。たとえば図２の成膜５６のステップで異常が発生すると、パーティクルが半導体ウエハ表面に付着し、図３（ｂ）中の孤立欠陥Ａとなる。また、レジスト塗布後感光時に焦点や露光時間等の条件が最適でないと、レジストを照射する光の量や強さが多すぎる箇所や足りない箇所が発生し、図３（ｂ）中のショートＣや断線Ｅ，パターン細りや欠けＤを伴う。露光時のマスクやレチクル上に欠陥があると、同様のパターンの形状異常が発生しやすい。また、エッチング量が最適化されていない場合及びエッチング途中に生成された薄膜やパーティクルが存在した場合、ショートＣや突起Ｂ，孤立欠陥Ａをはじめ、開口不良Ｇも発生する。洗浄時には、乾燥時の水切れ条件によりパターン角部その他の箇所に異常酸化を発生しやすい上、光学顕微鏡では観察しづらい薄膜残りＦが発生する。したがって、ウエハ製造プロセスでは、これらの不良が発生しないよう加工条件を最適化する必要があると共に、異常発生を早期発見し、当該ステップにフイードバックする必要がある。
【００１８】
以上のような欠陥を検出するために、たとえば図２中の現像５９のステップの後、及び、レジスト除去６１のステップの後に自動外観検査が行われる。この検査に本発明による電子ビームを用いた検査装置が使用される。
【００１９】
図１は、本発明の実施例であり、電子ビームを用いた検査装置の構成の概略を示す縦断面図である。
【００２０】
図１において、電子銃１は電子源２，引出電極３及び加速電極４から構成される。電子源２と引出電極３の間には引出電圧Ｖ₁ が引出電源５によって印加され、これにより電子源２からは電子ビーム３６が引出される。加速電極４はアース電位に維持され、そして加速電極４と電子源２との間には加速電圧Ｖacc が加速電源６によって印加され、したがって、電子ビーム３６はこの加速電圧Ｖacc によって加速される。加速された電子ビームはレンズ電源７に接続された第１収束レンズ８によって、該第１収束レンズ８とレンズ電源７に接続された第２収束レンズである対物レンズ９との間にクロスオーバ１０が生じるように収束され、更に対物レンズ９によって、ステージ駆動装置（図示せず）及び位置モニタ用測長装置１１により水平移動可能にされた試料ステージ１２上の半導体ウエハ等の試料１３に収束される。すなわち、試料１３は収束された電子ビームによって照射される。図示していないが、以上の構成が電子ビームを照射するのに適するように真空を保った容器中に収納される。
【００２１】
試料１３には電子ビーム３６を減速させるリターディング電圧として負の電圧が可変減速電源１４によって印加され、更に、試料１３と対物レンズ９との間に設けられた電極３４に、試料１３に対して正の方向の電圧が印加され、したがって、電子ビーム３６はリターディング電圧によって減速される。通常、電極３４はアース電位とされ、リターディング電圧は可変減速電源１４を調整することによって任意に変えることができる。
【００２２】
第１収束レンズ８とクロスオーバ１０との間には絞り１５が配置されている。この絞り１５は余分な電子を遮断し、更に電子ビーム３６の開口角を決めるのに役立つ。クロスオーバ１０と対物レンズ９との間には電子ビーム走査用偏向器１６が配置され、これは収束された電子ビーム３６で試料１３を走査するように電子ビーム３６を偏向させる機能をもつ。電子ビーム走査用偏向器１６は対物レンズ９の中に設けられ、その偏向の支点と対物レンズ９の磁極ギャップの中心とが実質的に一致するようにしており、これにより、偏向歪を低減することができる。絞り１５と電子ビーム走査用偏向器１６との間には、電子ビーム３６をクロスオーバ１０が形成される位置において偏向してブランキングする、走査信号発生装置２４に接続されたブランキング用偏向器１７が配置されている。
【００２３】
電子ビーム３６をブランキングするために、クロスオーバ１０以外の点を支点として偏向すると、その偏向時に試料１３上の電子ビーム照射位置が移動してしまう。また、電子ビームが平行ビームである場合にブランキングすると、ブランキングの最中に絞り１５で遮断できない電子ビームが存在し、照射したくない隣接した領域をわずかながら照射してしまう。このように、ブランキングが始まって完了までの間中、本来電子ビームで照射されては好ましくない箇所が電子ビームで照射されることになる。これに対して、本発明の実施例では、ブランキング時には電子ビーム３６はクロスオーバ１０を支点として偏向されるので、試料１３上の電子ビーム照射位置は変化せず、したがって上述したような問題は生じない。
【００２４】
試料１３が収束された電子ビーム３６で照射され、走査されると、試料１３からは荷電粒子である２次電子及び反射電子が発生する。そのうちの２次電子３３は５０ｅＶ以下のエネルギーをもったものとして定義される。試料１３を照射する電子ビーム３６に対するリターディング電圧は、発生した２次電子に対しては正負の方向が逆になるため、加速電圧として作用する。したがって、発生した２次電子３３はリターディング電圧によって加速されるため、方向がほぼそろい、ほぼ平行ビームとなって、試料１３と対物レンズ９の間に配置されたＥ×Ｂ（イー・クロス・ビー）偏向器１８に入射する。Ｅ×Ｂ偏向器１８は２次電子３３を偏向する偏向電界を発生させる偏向電界発生器を含むと共に、試料１３を照射する電子ビームの前記偏向電界による偏向を打ち消す、前記偏向電界と直交する偏向磁界を発生させる偏向磁界発生器を含んでいる。この偏向磁界は２次電子３３に対しては前記偏向電界と同一方向への偏向作用をもつ。したがって、Ｅ×Ｂ偏向器１８によって発生される偏向電界及び偏向磁界は、試料１３を照射する電子ビームに悪影響を与えることなしに、加速された２次電子３３を偏向する。この偏向角をほぼ一定に維持するために、Ｅ×Ｂ偏向器１８によって発生される偏向電界及び偏向磁界をリターディング電圧の変更に連動して変えることができる。Ｅ×Ｂ偏向器１８は偏向電界及び偏向磁界を発生するものであるため、偏向電界及び偏向磁界発生器と呼ばれる場合もある。
【００２５】
Ｅ×Ｂ偏向器１８の偏向電界及び偏向磁界によって偏向された２次電子３３は導電性の２次電子発生体１９を衝撃ないしは照射する。２次電子発生体１９は対物レンズ９とＥ×Ｂ偏向器１８の間において電子ビームの軸の周りに配置され、かつその軸に沿って電子銃１の方に向かうにしたがって末広がりの円錐形状にされている。この２次電子発生体１９はＣｕＢｅＯで作られていて、入射電子数の約５倍の２次電子発生能をもつ。２次電子発生体１９から発生した第２の２次電子２０（これは５０ｅＶ以下のエネルギーをもつ）は荷電粒子検出器２１によって検出され、電気信号に変換される。
【００２６】
試料１３の高さは光学式試料高さ測定装置２２によりリアルタイムで測定されて、その測定結果は補正制御回路２３からレンズ電源７にフイードバックされ、それによって対物レンズ９の焦点距離がダイナミックに補正される。また、電子ビームの試料照射位置は位置モニタ用測長装置１１によって検出されて、その結果が補正制御回路２３から走査信号発生装置２４にフィードバックされ、それによって電子ビームの試料照射位置が制御される。
【００２７】
試料１３は図示しないステージ駆動装置によりＸ−Ｙ座標のＹ方向に連続的に移動され、一方、電子ビーム３６による試料１３の走査はＸ方向に、走査とブランキングとが交互に繰り返し行われる。試料１３が始点位置から終点位置まで連続移動し終わると、試料１３が電子ビームによる走査の幅に相当する量だけＸ方向に移動され、続けて試料１３の−Ｙ方向への連続移動が再開され、そしてその連続移動の間中、試料１３の電子ビーム３６によるＸ方向への走査とブランキングとが交互に繰り返される。このような動作が繰り返されることによって電子ビーム３６による試料１３の全面の走査が完了する。試料１３の電子ビーム３６による照射を時間的，空間的に均一にするために、各走査の帰線期間中、電子ビーム３６が試料１３に向けられないように、電子ビーム３６をブランキング用偏向器１７を用いて偏向してブランキングする。
【００２８】
荷電粒子検出器２１によって検出された第２の２次電子２０の電気信号は、増幅器２５により増幅され、Ａ／Ｄ変換器２６によりディジタル化される。そのディジタル化された信号は画像信号として記憶部２７及び２８に記憶される。具体的には、まず第１の検査領域の２次電子画像信号を記憶部２７に記憶する。次いで隣接する同一回路パターンの第２の検査領域の２次電子画像信号を記憶部２８に記憶しながら同時に記憶部２７の第１の検査領域の２次電子画像信号と比較する。更に、第３の検査領域の２次電子画像信号は記憶部２７に上書き記憶され、同時に記憶部２８の第２の検査領域の画像と比較する。これを繰り返し、すべての検査領域について画像信号の記憶及び比較を実行する。なお、記憶部２８に記憶された画像信号はモニタ３２に表示される。
【００２９】
画像比較は演算部２９及び欠陥判定部３０において行われる。すなわち、記憶部２７及び２８に記憶された２次電子画像信号については、すでに求めてある欠陥判定条件にもとづき、演算部２９で各種統計量，具体的には画像濃度値の平均，分散等の統計量，周辺画素間の差分値，ラングレス統計量，共起行列等を算出する。これらの処理が実行された後、その処理が施された画像信号は欠陥判定部３０に転送され、比較されて差分信号が抽出され、すでに求めて記憶してある欠陥判定条件を参照して欠陥信号とそれ以外の信号が分離される。
【００３０】
また、予め標準となる回路パターンの検査領域の２次電子画像信号を記憶部２７に記憶しておき、試料１３の回路パターンの検査領域の２次電子画像信号を記憶部２８に記憶しながら、記憶部２７の記憶画像信号と比較するようにしてもよい。すなわち、まず、予め制御部３１より良品の半導体装置について検査領域及び検査条件を入力し、そのデータにもとづき良品の検査を実行し、所望の領域の２次電子画像信号を記憶部２７に取り込んで記憶する。次に、検査対象である試料１３について同様の方法で検査し、その２次電子画像を記憶部２８に取り込み、記憶する。同時に、これと記憶部２７に記憶された良品の２次電子画像とを位置合わせ後比較することにより欠陥のみを検出する。この際、良品の半導体装置としては、試料１３における良品の部分あるいは試料１３とは別の良品ウエハあるいはチップを用いる。たとえば、試料１３において、回路パターンを形成する際に下層パターンと上層パターンが合わせずれを生じて形成したような不良を発生することがある。比較対象が同一ウエハあるいは同一チップ内の回路パターン同士であると、上記のようなウエハ全体に同様に発生した不良は見落としてしまうが、予め良品の画像信号を記憶し、それと試料１３の画像信号を比較することにより上記のような全体に発生した不良も検出することができるようになる。
【００３１】
検査装置各部に対する動作命令及び条件設定は制御部３１から行われる。したがって、制御部３１には加速電圧，電子ビームの偏向幅（走査幅）及び偏向速度（走査速度），試料ステージの移動速度，検出器の出力信号取り込みタイミング等々の条件が予め入力されている。
【００３２】
次に、本発明にもとづく電子ビームを用いた検査装置と通常の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）との違いについて、特に高速性の観点から説明する。
【００３３】
ＳＥＭは非常に限られた領域、たとえば数十μｍ角の領域、を高倍率で時間をかけて観察する装置である。半導体検査装置の一つである測長用走査電子顕微鏡（測長ＳＥＭ）でさえもウエハ上の複数点のみの観察及び測定を高倍率で行うにすぎない。これに対して、本発明の対象である画像比較にもとづく電子ビーム検査装置はウエハのような試料上のどこに欠陥があるかを探し出す装置である。したがって、非常に広い領域をくまなく検査しなければならないから、検査の高速性が極めて重要である。
【００３４】
一般に電子ビーム画像におけるＳ／Ｎ比は、試料を照射する電子ビームの単位画素当たりの照射電子数の平方根の値と相関がある。試料上の検出されるべき欠陥は、画素比較による検査が望ましい程度の微小欠陥であり、検査対象のパターンの大きさから検査装置に要求される分解能を０.１μｍ程度としたとき、この観点からと発明者らの経験とから、画像処理前の生画像のＳ／Ｎ比は１０以上、望ましくは１８以上であることが望ましい。また、そのような微小欠陥を検出対象とするためには、画素サイズは０.１μｍ程度であることが望ましい。一方、ウエハの回路パターンの検査に要求される検査時間は、製造プロセスのタクトを考慮すると、おおよそ２００sec／cm²程度であり、画像取得のみに要する時間は検査時間の約半分の１００sec／cm²程度である。これらの値から１画素当たりの所要時間は１０ｎsec となり、１画素当たりの必要電子数は約６０００個となり、これは電子ビーム電流が１００ｎＡであることに対応する。
【００３５】
以上のような事項を考慮して、本発明の実施例では、試料を照射する電子ビーム電流を１００ｎＡ、画素サイズを０.１μｍ、試料上での電子ビームのスポットサイズを０.０８μｍ、試料ステージ１２の連続移動速度を１０mm／sec にそれぞれ設定し、そしてこれらの条件下で、試料の同じ領域を電子ビームで一回だけ走査することで、２００sec／cm²程度の高速度検査を可能にしている。従来のＳＥＭや測長ＳＥＭでは、試料を照射する電子ビーム電流は数ｐＡから数百ｐＡ程度であるから、１cm² 当たりの検査時間は数百時間にもなり、したがってSEM や測長ＳＥＭは実質的に実用にならない。
【００３６】
また、本発明の実施例では、大電流電子ビームが得られ、高速度検査ができるように電子銃１の電子源２としては拡散補給型の熱電界放出電子源（Ｚｒ／Ｏ／Ｗ）が用いられている。更に、１画素当たりの所要時間が１０ｎsec であることはサンプリング時間が１００ＭＨｚであることに相当し、したがって荷電粒子検出器２１はそれに対応する高速応答速度をもつものであることが必要である。この条件を満たすように荷電粒子検出器２１はＰＩＮ型半導体検出器からなっている。
【００３７】
導電性が小さいか又はない試料の場合は、試料は電子ビームで照射されることによって帯電する。この帯電量は電子ビームの加速電圧に依存し、そのエネルギーを低くすることによって解決される。しかし、画像比較にもとづく電子ビーム検査装置では、１００ｎＡという大電流電子ビームが用いられるため、加速電圧を低くすると、空間電荷効果により収差（電子ビームの径方向への広がり）が増大し、０.０８μｍという試料上での電子ビームスポットサイズを得ることが困難となり、したがって分解能の低下は避けがたい。本発明の実施例では、空間電荷効果による分解能の低下及び変化を防止して０.０８μｍという試料上での電子ビームスポットサイズを安定に得るために、加速電圧Ｖacc は１０ｋＶ一定に設定されている。
【００３８】
画像の質は試料を照射する電子ビームのエネルギーによって大きく左右され、そしてそのエネルギーは試料の種類によって異なる。帯電しにくい試料や画像のコントラストを強調して回路パターンのエッジ部を特に知りたい試料の場合はエネルギーを大きくし、帯電しやすい試料の場合はエネルギーを小さくする。このため、検査されるべき試料の種類が変わるごとに最適な電子ビーム照射エネルギーを見つけ出して、設定する必要がある。
【００３９】
本発明の実施例では、試料を照射する電子ビームの最適照射エネルギーは、加速電圧Ｖacc を変えずに試料１３に印加される負の電圧、すなわち、リターディング電圧を変えることによって設定される。このリターディング電圧は可変減速電源１４によって変えることができる。
【００４０】
従来、試料１３から発生する荷電粒子は対物レンズ９を通して検出されていた。これは既述のように、ＴＴＬ（Through The Lens）方式と呼ばれる。ＴＴＬ方式によれば、対物レンズを短焦点で働かせることによって分解能をあげることができる。これに対して、本発明の実施例では、試料から発生する荷電粒子は、対物レンズ９の下で、具体的には対物レンズ９と試料１３の間で検出される。このため、対物レンズ９の焦点距離はＴＴＬ方式に比べて長い。すなわち、通常のＴＴＬ方式では対物レンズの焦点距離は５mm程度（短焦点）であるのに対して、本発明の実施例ではその値は４０mm（長焦点）に設定されている。このため、本発明の実施例によれば、試料１３の画像を取得するために行われる電子ビーム３６の偏向幅、すなわち、電子ビームによる走査幅を大きくすることができる。例えば、ＴＴＬ方式のビーム偏向幅は１００μｍ程度であるのに対して、本発明の実施例ではそれは５００μｍに設定されている。
【００４１】
既述のように、試料１３が始点位置から終点位置まで連続移動し終わると、試料１３は該試料の電子ビーム３６による走査幅に相当する量だけ移動され、再び連続移動を開始する。この移動に伴い、試料ステージが整定するまで検査を行うことができない時間が生じる。
【００４２】
図４に、試料ステージ１２のこの整定時間の積算値（単位sec ）と電子ビーム３６の偏向幅（単位μｍ）との関係を示す。この図から、偏向幅が１００μｍであるか５００μｍであるかによって試料ステージ整定時間の積算値に極端な差があることがわかる。すなわち、本発明の実施例によれば、試料ステージ整定時間を小さくすることができ、その分だけ検査速度の向上を図ることができる。
【００４３】
試料１３の表面は完全な平面ではないため、検査する領域が移動すると試料の高さも変化する。したがって、対物レンズ９の励磁を変化させて、常に試料１３に焦点を合わせる動作が必要である。従来のＴＴＬ方式では、対物レンズを短焦点で働かせるように強励磁する必要がある。しかし、強励磁の対物レンズでは試料の高さの変化に伴い、電子ビームの水平方向の回転によって画像の回転が生じるので、その補正が必要となる。これに対して本発明の実施例では、対物レンズ９は長焦点で作動されるように弱励磁される。例えば、Ｉを対物レンズの電流値（単位Ａ）、Ｎを対物レンズのコイルのターン数、Ｅを電子ビームのエネルギー（単位ｅＶ）とすると、ＩＮ／√Ｅ＝９程度に励磁される。このため、試料１３の高さの変化に伴い、焦点を微調整しても電子ビーム３６の回転，画像の回転は実質的に無視できる程度にしか発生しないので、その補正が不要となる。
【００４４】
図５に、２次電子検出効率（単位％）とリターディング電圧（単位ｋＶ）との関係を示す。同図中の曲線（１）は本発明の実施例によるもの、曲線（２）はＴＴＬ方式によるものである。既述のように、リターディング電圧は試料の種類によって変えられるべきである。また、リターディング電圧は２次電子に対して加速させる作用がある。図５において、２次電子検出効率は、リターディング電圧を変えると、ＴＴＬ方式の場合は大幅に変化してしまうのに対して、本発明の実施例の場合は、あまり変化しない。ＴＴＬ方式の場合は、試料から発生する２次電子が対物レンズの磁場を通り収束されるが、その軸方向の収束位置はリターディング電圧を変えることによって変化する。これが２次電子検出効率を大きく変えてしまう主たる原因である。本発明の実施例では２次電子３３が対物レンズ９の磁場を通らないので影響が小さい。したがって、本発明の実施例では、画像の回転が少なく、２次電子検出効率の変動が小さいので、検査画像の安定化をもたらす。
【００４５】
既述のように、試料１３から発生する２次電子３３は、リターディング電圧によって加速されてほぼ平行ビームとなるので、２次電子３３の収集率が向上する。その平行化された２次電子３３は、更に、Ｅ×Ｂ偏向器１８の偏向電界及び偏向磁界によってある角度、たとえば５°だけ偏向されて２次電子発生体１９を衝撃し、それによって更に第２の２次電子２０が大量に発生する。このように、２次電子の検出効率は、平行ビームと、２次電子発生体１９の衝撃によって、大幅に向上する。
【００４６】
試料１３の電子ビーム３６による走査は、試料１３をＹ方向に連続移動しながら電子ビーム３６をＸ方向に偏向させるが、走査とブランキングとを交互に繰り返すのでなく、走査を往復偏向させてもよい。この場合は、行きの偏向時の偏向速度（走査速度）と帰りの偏向時の偏向速度（走査速度）とが同じにされる。このようにすれば、ブランキング用偏向器１７を省略することができ、ブランキング時間分の節約が可能となる。しかし、この場合、以下に注意する必要がある。
【００４７】
試料１３の、電子ビーム３６の往復偏向の始めの部分と終わりの部分とが電子ビーム３６によって短時間に集中して照射される。すなわち、例えば、左から右へのＸ方向の走査の場合、照射領域の端部では電子ビームのＸ方向への移動が停止し、試料１３がＹ方向に走査幅だけ移動するのを待ってから、次の列を右から左へＸ方向へ移動して走査する。このＹ方向への移動を待っている間に、試料１３の端部がＹ方向に照射が続けられる。このため、帯電現象の時定数が非常に短い試料の場合は、その画像を取得したとき、その画像の明るさが不均一になってしまう。そこで、電子ビーム３６による照射量を試料１３の全面にわたってほぼ同じにするために、電子ビーム３６の偏向速度が走査の端部では走査の中心部よりも速くなるように、その偏向速度を制御するとよい。
【００４８】
なお、以上の説明では、画像形成のために試料１３から発生した２次電子３３を用いているが、電子ビーム３６の照射によって試料から後方散乱された反射電子を用いても、同様の効果を得ることが出来る。
【００４９】
【発明の効果】
本発明によれば、第一に、検査の高速化を図ることができる電子ビームを用いた検査方法及び検査装置を提供することができる。
【００５０】
第二に、画像の回転が少ない電子ビームを用いた検査方法及び検査装置を提供することができる。
【００５１】
第三に、荷電粒子の検出効率の変化が少ない電子ビームを用いた検査方法及び検査装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にもとづく実施例を示す電子ビームを用いた検査装置の構成の概念を示す縦断面図。
【図２】半導体装置の一般的な製造プロセスのフローを示すブロック図。
【図３】製造過程における半導体ウエハ上の回路パターンの一例をＳＥＭで観察した像の概略図。
【図４】試料ステージ整定時間と電子ビーム偏向幅との関係を示す相関図。
【図５】２次電子検出効率とリターディング電圧との関係を示す相関図。
【符号の説明】
１…電子銃、２…電子源、４…加速電極、６…加速電源、８…第１収束レンズ、９…対物レンズ、１０…クロスオーバ、１１…位置モニタ用測長装置、１２…試料ステージ、１３…試料、１４…可変減速電源、１５…絞り、１６…電子ビーム走査用偏向器、１７…ブランキング用偏向器、１８…Ｅ×Ｂ偏向器、１９…２次電子発生体、２０…第２の２次電子、２１…荷電粒子検出器、２２…光学式試料高さ測定装置、２３…補正制御回路、２４…走査信号発生装置、２９…演算部、３０…欠陥判定部、３１…制御部、３３…２次電子、３６…電子ビーム。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an inspection method and an inspection apparatus using an electron beam, and more particularly to an inspection method and an inspection apparatus using an electron beam suitable for inspecting a pattern of a circuit or the like on a wafer in the process of manufacturing a semiconductor device.
[0002]
[Prior art]
There is a scanning electron microscope (hereinafter referred to as SEM) as a sample observation apparatus using an electron beam, and a length measuring scanning electron microscope (hereinafter referred to as length measuring SEM) as one of inspection apparatuses for semiconductor devices. There is. However, a normal SEM or length measurement SEM is suitable for observing a limited field of view at a high magnification, but is not suitable for searching for a defect on a wafer. This is because, in order to search for such a defect, it is necessary to inspect a very wide area, that is, the entire surface area of the wafer, but when such a large area is inspected by the above-described SEM or length measurement SEM. Takes a very long time. Therefore, these SEMs are not practical for use as an inspection apparatus synchronized with the manufacturing tact in the process of manufacturing a semiconductor device.
[0003]
As an apparatus for solving such a problem, an inspection apparatus using an electron beam for detecting a defect on a wafer using image comparison is known. This device uses a high-current electron beam, continuously moves the sample stage while irradiating the sample with the electron beam, uses a high acceleration voltage, and decelerates the electron beam to the sample. It has the characteristics that a retarding voltage for preventing electrification is applied and that charged particles generated in the sample by irradiation with an electron beam are detected after passing through the objective lens (TTL method). According to this, there is a possibility that the defect inspection of the mask or wafer pattern as a sample can be performed more efficiently than the conventional SEM. An example of this related technique is described in Japanese Patent Laid-Open No. 5-258703.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
According to a so-called TTL (Through The Lens) method in which charged particles emerging from a sample are detected through an objective lens, the distance between the objective lens and the sample can be shortened. As a result, the objective lens can be used with a short focal point, the electron beam aberration is small, and high-resolution images can be acquired. However, on the other hand, the improvement in the inspection speed is hindered, and if the height of the sample is further changed, the rotation of the electron beam is greatly changed, resulting in a non-negligible problem that the obtained image is rotated. In addition, there is a disadvantage that a change in detection efficiency of charged particles when the retarding voltage is changed can have an influence that cannot be ignored.
[0005]
A first object of the present invention is to provide an inspection method and an inspection apparatus using an electron beam capable of increasing the inspection speed.
[0006]
A second object of the present invention is to provide an inspection method and an inspection apparatus using an electron beam with little image rotation.
[0007]
A third object of the present invention is to provide an inspection method and an inspection apparatus using an electron beam with little change in the detection efficiency of charged particles.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In the configuration of the present invention, the electron beam generated from the electron source is focused on the sample by the objective lens, the sample is scanned with the electron beam, and the electron beam is deflected so that charged particles are generated from the sample. Particles are detected between the objective lens and the sample by a charged particle detector and converted into an electrical signal, this electrical signal is stored as an image signal, image comparison is performed using the stored image signal, and the sample The defect is detected.
[0009]
In another configuration of the present invention, the electron beam generated from the electron source is converged so as to cause a crossover, and is converged on the sample by an objective lens disposed between the crossover and the sample. The beam is scanned so that charged particles are generated from the sample, and the generated charged particles are detected between the objective lens and the sample by a charged particle detector and converted into an electric signal, which is converted into an electric signal. It is stored as an image signal, and image comparison is executed using the stored image signal, and a defect of the sample is detected.
[0010]
In another configuration of the present invention, the electron beam generated from the electron source is converged so as to cause a crossover, and is converged on the sample by an objective lens disposed between the crossover and the sample. The beam is scanned and thereby deflected to generate charged particles from the sample, and at the same time, the sample is continuously moved in a direction substantially perpendicular to the direction of scanning of the sample by the electron beam. It is detected by the charged particle detector from between the objective lens and the sample and converted into an electrical signal, this electrical signal is stored as an image signal, an image comparison is performed using the stored image signal, and a defect in the sample is detected. Is detected.
[0011]
The image comparison is for finding a defect in the sample, and includes a comparison between an image of one area on the sample and an image of another area, and also compares an image of a certain area with a reference image prepared in advance. Includes comparisons.
[0012]
According to a preferred embodiment of the present invention, a voltage that decelerates the electron beam is applied to the sample. This acts on the generated charged particles as an accelerating voltage that tends to make the charged particles parallel.
[0013]
According to a preferred embodiment of the present invention, charged particles generated from a sample are deflected in the same direction by a deflection electric field and a deflection magnetic field substantially orthogonal to each other. Since the deflection amount of the electron beam that irradiates the sample by these deflection electric field and deflection magnetic field is substantially equal and in the opposite direction, they cancel each other. Therefore, there is substantially no obstacle in deflecting the electron beam irradiating the sample due to the deflection electric field and the deflection magnetic field.
[0014]
According to a preferred embodiment of the present invention, secondary electrons of charged particles generated from a sample irradiate a conductive secondary electron generator, whereby the secondary electron generator further generates secondary electrons. The generated secondary electrons are detected by the charged particle detector.
[0015]
According to a preferred embodiment of the present invention, the electron beam is blanked with the crossover as a fulcrum. When the electron beam is a parallel beam with no crossover, the irradiation position of the electron beam on the sample changes during blanking, and the region adjacent to the irradiation region is charged. In this embodiment, since the blanking is based on the crossover as a fulcrum, the irradiation position by the electron beam on the sample does not change, and the above-mentioned problems can be avoided.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
〔Example〕
FIG. 2 is a block diagram showing a flow of a semiconductor device manufacturing process. As can be seen from the figure, in manufacturing the semiconductor device, a large number of pattern forming steps 51 to 55 are repeated on the wafer of the semiconductor device, and each pattern forming step is roughly formed by film formation 56, resist coating 57, The process includes steps of photosensitivity 58, development 59, etching 60, resist removal 61, and cleaning 62. If the manufacturing conditions are not optimized in each step, the circuit pattern of the semiconductor wafer cannot be formed normally. Therefore, automatic visual inspection steps 63 and 64 are provided between the steps, and the circuit pattern is inspected.
[0017]
FIG. 3 shows an outline of an image obtained by observing a circuit pattern on a semiconductor wafer in a manufacturing process with a scanning electron microscope (SEM). FIG. 3A shows a pattern that has been processed normally, and FIG. 3B shows a pattern in which a processing defect has occurred. For example, when an abnormality occurs in the step of film formation 56 in FIG. 2, particles adhere to the surface of the semiconductor wafer and become an isolated defect A in FIG. Further, if the conditions such as the focus and the exposure time are not optimal at the time of light exposure after resist application, there are places where the amount and intensity of light irradiating the resist are excessive or insufficient, and short C in FIG. Or breakage E, pattern thinning or chipping D. If there is a defect on the mask or reticle at the time of exposure, the same pattern shape abnormality is likely to occur. In addition, when the etching amount is not optimized, and when a thin film or particles generated during the etching are present, the opening defect G including the short C, the protrusion B, and the isolated defect A also occurs. At the time of cleaning, abnormal oxidation is likely to occur at the corners of the pattern and other locations due to the condition of running out of water during drying, and a thin film residue F that is difficult to observe with an optical microscope is generated. Therefore, in the wafer manufacturing process, it is necessary to optimize the processing conditions so that these defects do not occur, and at the same time, it is necessary to detect the occurrence of abnormality early and feed back to the step.
[0018]
In order to detect the defects as described above, for example, an automatic appearance inspection is performed after the step of development 59 in FIG. 2 and after the step of resist removal 61. The inspection apparatus using the electron beam according to the present invention is used for this inspection.
[0019]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing an outline of the configuration of an inspection apparatus using an electron beam according to an embodiment of the present invention.
[0020]
In FIG. 1, the electron gun 1 includes an electron source 2, an extraction electrode 3, and an acceleration electrode 4. Between the electron source 2 and the extraction electrode 3, an extraction voltage V ₁ Is applied by the extraction power source 5, whereby the electron beam 36 is extracted from the electron source 2. The acceleration electrode 4 is maintained at the ground potential, and an acceleration voltage Vacc is applied between the acceleration electrode 4 and the electron source 2 by the acceleration power source 6, so that the electron beam 36 is accelerated by the acceleration voltage Vacc. The accelerated electron beam is crossed by a first converging lens 8 connected to the lens power source 7 between the first converging lens 8 and the objective lens 9 which is a second converging lens connected to the lens power source 7. And is converged by the objective lens 9 onto a sample 13 such as a semiconductor wafer on the sample stage 12 that is horizontally movable by a stage driving device (not shown) and a position monitor length measuring device 11. The That is, the sample 13 is irradiated with the focused electron beam. Although not shown, the above configuration is housed in a container that maintains a vacuum so as to be suitable for irradiation with an electron beam.
[0021]
A negative voltage as a retarding voltage for decelerating the electron beam 36 is applied to the sample 13 by the variable decelerating power supply 14, and the electrode 34 provided between the sample 13 and the objective lens 9 is applied to the sample 13. A positive direction voltage is applied, and thus the electron beam 36 is decelerated by the retarding voltage. Usually, the electrode 34 is at ground potential, and the retarding voltage can be arbitrarily changed by adjusting the variable deceleration power supply 14.
[0022]
A diaphragm 15 is disposed between the first converging lens 8 and the crossover 10. This diaphragm 15 blocks excess electrons and further serves to determine the aperture angle of the electron beam 36. An electron beam scanning deflector 16 is disposed between the crossover 10 and the objective lens 9, and has a function of deflecting the electron beam 36 so as to scan the sample 13 with the converged electron beam 36. The electron beam scanning deflector 16 is provided in the objective lens 9 so that the fulcrum of deflection and the center of the magnetic pole gap of the objective lens 9 substantially coincide with each other, thereby reducing deflection distortion. be able to. A blanking deflector connected to the scanning signal generator 24 that deflects and blanks the electron beam 36 at a position where the crossover 10 is formed between the diaphragm 15 and the electron beam scanning deflector 16. 17 is arranged.
[0023]
In order to blank the electron beam 36, if a point other than the crossover 10 is deflected as a fulcrum, the electron beam irradiation position on the sample 13 is moved during the deflection. In addition, if blanking is performed when the electron beam is a parallel beam, there is an electron beam that cannot be blocked by the diaphragm 15 during blanking, and the adjacent region that is not desired to be irradiated is slightly irradiated. In this way, during the period from the start of blanking to the completion, portions that are not preferably irradiated with an electron beam are irradiated with an electron beam. On the other hand, in the embodiment of the present invention, since the electron beam 36 is deflected with the crossover 10 as a fulcrum at the time of blanking, the electron beam irradiation position on the sample 13 does not change. Does not occur.
[0024]
When the sample 13 is irradiated with the focused electron beam 36 and scanned, secondary electrons and reflected electrons, which are charged particles, are generated from the sample 13. Of these, the secondary electrons 33 are defined as having an energy of 50 eV or less. The retarding voltage for the electron beam 36 that irradiates the sample 13 acts as an accelerating voltage because the positive and negative directions are reversed with respect to the generated secondary electrons. Accordingly, since the generated secondary electrons 33 are accelerated by the retarding voltage, the directions are almost aligned and become substantially parallel beams, so that E × B (e-cross • between the sample 13 and the objective lens 9 is arranged. B) The light enters the deflector 18. The E × B deflector 18 includes a deflection electric field generator for generating a deflection electric field for deflecting the secondary electrons 33, and cancels the deflection due to the deflection electric field of the electron beam irradiating the sample 13, and is a deflection orthogonal to the deflection electric field. A deflection magnetic field generator for generating a magnetic field is included. This deflection magnetic field has a deflection effect on the secondary electrons 33 in the same direction as the deflection electric field. Therefore, the deflection electric field and the deflection magnetic field generated by the E × B deflector 18 deflect the accelerated secondary electrons 33 without adversely affecting the electron beam that irradiates the sample 13. In order to maintain this deflection angle substantially constant, the deflection electric field and the deflection magnetic field generated by the E × B deflector 18 can be changed in conjunction with the change of the retarding voltage. Since the E × B deflector 18 generates a deflection electric field and a deflection magnetic field, it may be called a deflection electric field and a deflection magnetic field generator.
[0025]
The secondary electrons 33 deflected by the deflection electric field and the deflection magnetic field of the E × B deflector 18 impact or irradiate the conductive secondary electron generator 19. The secondary electron generator 19 is disposed between the objective lens 9 and the E × B deflector 18 around the axis of the electron beam, and has a conical shape that expands toward the electron gun 1 along the axis. Has been. The secondary electron generator 19 is made of CuBeO, and has a secondary electron generation capability that is about five times the number of incident electrons. The second secondary electrons 20 (which have energy of 50 eV or less) generated from the secondary electron generator 19 are detected by the charged particle detector 21 and converted into an electric signal.
[0026]
The height of the sample 13 is measured in real time by the optical sample height measuring device 22, and the measurement result is fed back from the correction control circuit 23 to the lens power supply 7, whereby the focal length of the objective lens 9 is dynamically corrected. The The electron beam sample irradiation position is detected by the position monitor length measuring device 11, and the result is fed back from the correction control circuit 23 to the scanning signal generator 24, whereby the electron beam sample irradiation position is controlled. .
[0027]
The sample 13 is continuously moved in the Y direction of the XY coordinates by a stage driving device (not shown), while the scanning of the sample 13 by the electron beam 36 is repeatedly performed in the X direction by scanning and blanking alternately. When the sample 13 finishes moving continuously from the start position to the end position, the sample 13 is moved in the X direction by an amount corresponding to the scanning width of the electron beam, and then the continuous movement of the sample 13 in the −Y direction is resumed. During the continuous movement, scanning of the sample 13 in the X direction by the electron beam 36 and blanking are repeated alternately. By repeating such an operation, scanning of the entire surface of the sample 13 by the electron beam 36 is completed. In order to make the irradiation of the sample 13 with the electron beam 36 temporally and spatially uniform, the electron beam 36 is deflected for blanking so that the electron beam 36 is not directed to the sample 13 during the blanking period of each scan. Deflection and blanking using the device 17.
[0028]
The electric signal of the second secondary electrons 20 detected by the charged particle detector 21 is amplified by the amplifier 25 and digitized by the A / D converter 26. The digitized signal is stored in the storage units 27 and 28 as an image signal. Specifically, first, the secondary electron image signal of the first inspection region is stored in the storage unit 27. Next, the secondary electron image signal of the second inspection area of the adjacent same circuit pattern is stored in the storage unit 28 and simultaneously compared with the secondary electron image signal of the first inspection area of the storage unit 27. Further, the secondary electron image signal in the third inspection area is overwritten and stored in the storage unit 27 and is simultaneously compared with the image in the second inspection area in the storage unit 28. This process is repeated to store and compare image signals for all inspection areas. The image signal stored in the storage unit 28 is displayed on the monitor 32.
[0029]
The image comparison is performed in the calculation unit 29 and the defect determination unit 30. That is, with respect to the secondary electron image signals stored in the storage units 27 and 28, based on the defect determination conditions that have already been obtained, the calculation unit 29 calculates various statistics, specifically the average and variance of image density values. Statistics, difference values between neighboring pixels, rungless statistics, co-occurrence matrix, etc. are calculated. After these processes are executed, the processed image signal is transferred to the defect determination unit 30 and compared to extract a difference signal, and a defect is determined with reference to the defect determination conditions already obtained and stored. The signal and other signals are separated.
[0030]
In addition, the secondary electron image signal of the inspection region of the standard circuit pattern is stored in the storage unit 27 in advance, and the secondary electron image signal of the inspection region of the circuit pattern of the sample 13 is stored in the storage unit 28, You may make it compare with the memory | storage image signal of the memory | storage part 27. FIG. That is, first, an inspection region and inspection conditions for a non-defective semiconductor device are input from the control unit 31 in advance, a non-defective product inspection is executed based on the data, and a secondary electron image signal in a desired region is taken into the storage unit 27. Remember. Next, the sample 13 to be inspected is inspected by the same method, and the secondary electron image is taken into the storage unit 28 and stored. At the same time, only a defect is detected by comparing this with a non-defective secondary electron image stored in the storage unit 27 after alignment. At this time, as a non-defective semiconductor device, a non-defective part of the sample 13 or a non-defective wafer or chip different from the sample 13 is used. For example, in the sample 13, when the circuit pattern is formed, there may be a defect such that the lower layer pattern and the upper layer pattern are formed with misalignment. If the comparison target is a circuit pattern on the same wafer or the same chip, a defect that has occurred on the entire wafer as described above is overlooked, but a good image signal is stored in advance, and the image signal of the sample 13 is stored. By comparing the above, it is possible to detect a defect that has occurred as a whole as described above.
[0031]
An operation command and condition setting for each part of the inspection apparatus are performed from the control unit 31. Therefore, conditions such as an acceleration voltage, a deflection width (scanning width) and a deflection speed (scanning speed) of the electron beam, a moving speed of the sample stage, and an output signal capturing timing of the detector are input to the control unit 31 in advance.
[0032]
Next, the difference between an inspection apparatus using an electron beam according to the present invention and a normal scanning electron microscope (SEM) will be described particularly from the viewpoint of high speed.
[0033]
The SEM is an apparatus for observing a very limited region, for example, a region of several tens of μm square over time with high magnification. Even a length-measuring scanning electron microscope (length-measuring SEM), which is one of semiconductor inspection apparatuses, only observes and measures only a plurality of points on a wafer at a high magnification. On the other hand, an electron beam inspection apparatus based on image comparison, which is an object of the present invention, is an apparatus that searches for a defect on a sample such as a wafer. Therefore, since a very wide area must be inspected all over, the speed of inspection is extremely important.
[0034]
In general, the S / N ratio in an electron beam image is correlated with the value of the square root of the number of irradiated electrons per unit pixel of the electron beam that irradiates the sample. The defect to be detected on the sample is a minute defect that is desirable to be inspected by pixel comparison. From this point of view, when the resolution required for the inspection apparatus is about 0.1 μm from the size of the pattern to be inspected. From the inventors' experience, the S / N ratio of the raw image before image processing is preferably 10 or more, and more preferably 18 or more. Further, in order to make such a micro defect a detection target, it is desirable that the pixel size is about 0.1 μm. On the other hand, the inspection time required for the inspection of the circuit pattern of the wafer is approximately 200 sec / cm in consideration of the tact of the manufacturing process. ² The time required only for image acquisition is about half of the inspection time, 100 sec / cm ² Degree. From these values, the required time per pixel is 10 nsec, and the required number of electrons per pixel is about 6000, which corresponds to an electron beam current of 100 nA.
[0035]
Considering the above matters, in the embodiment of the present invention, the electron beam current for irradiating the sample is 100 nA, the pixel size is 0.1 μm, the spot size of the electron beam on the sample is 0.08 μm, the sample stage By setting each of the 12 continuous movement speeds to 10 mm / sec and scanning the same area of the sample with the electron beam only once under these conditions, 200 sec / cm ² This makes high-speed inspection possible. In the conventional SEM and length measurement SEM, the electron beam current for irradiating the sample is about several pA to several hundred pA, so 1 cm ² The hit inspection time is several hundred hours, so SEM and length measurement SEM are practically not practical.
[0036]
In the embodiment of the present invention, a diffusion replenishment type thermal field emission electron source (Zr / O / W) is used as the electron source 2 of the electron gun 1 so that a high-current electron beam can be obtained and high-speed inspection can be performed. It is used. Furthermore, the required time per pixel of 10 nsec corresponds to a sampling time of 100 MHz, and therefore the charged particle detector 21 needs to have a corresponding high-speed response speed. The charged particle detector 21 is composed of a PIN type semiconductor detector so as to satisfy this condition.
[0037]
In the case of a sample with low or no conductivity, the sample is charged by being irradiated with an electron beam. This amount of charge depends on the acceleration voltage of the electron beam and can be solved by lowering the energy. However, since an electron beam inspection apparatus based on image comparison uses a high-current electron beam of 100 nA, if the acceleration voltage is lowered, aberration (expansion in the radial direction of the electron beam) increases due to the space charge effect. It becomes difficult to obtain an electron beam spot size on the sample of 08 μm, and therefore a reduction in resolution is unavoidable. In the embodiment of the present invention, the acceleration voltage Vacc is set to a constant value of 10 kV in order to prevent a decrease and change in resolution due to the space charge effect and to stably obtain an electron beam spot size of 0.08 μm on the sample. .
[0038]
The quality of the image depends greatly on the energy of the electron beam that illuminates the sample, and the energy varies with the type of sample. The energy is increased for a sample that is difficult to be charged or a sample for which the edge of the circuit pattern is particularly desired by enhancing the contrast of the image, and the energy is decreased for a sample that is easily charged. For this reason, it is necessary to find and set the optimum electron beam irradiation energy every time the type of sample to be inspected changes.
[0039]
In the embodiment of the present invention, the optimum irradiation energy of the electron beam for irradiating the sample is set by changing the negative voltage applied to the sample 13 without changing the acceleration voltage Vacc, that is, the retarding voltage. This retarding voltage can be changed by the variable deceleration power supply 14.
[0040]
Conventionally, charged particles generated from the sample 13 have been detected through the objective lens 9. As described above, this is called a TTL (Through The Lens) method. According to the TTL method, the resolution can be increased by operating the objective lens with a short focal point. On the other hand, in the embodiment of the present invention, charged particles generated from the sample are detected under the objective lens 9, specifically, between the objective lens 9 and the sample 13. For this reason, the focal length of the objective lens 9 is longer than that of the TTL method. That is, in the normal TTL method, the focal length of the objective lens is about 5 mm (short focus), whereas in the embodiment of the present invention, the value is set to 40 mm (long focus). Therefore, according to the embodiment of the present invention, it is possible to increase the deflection width of the electron beam 36 performed for obtaining the image of the sample 13, that is, the scanning width by the electron beam. For example, the beam deflection width of the TTL method is about 100 μm, whereas in the embodiment of the present invention, it is set to 500 μm.
[0041]
As described above, when the sample 13 finishes moving continuously from the start point position to the end point position, the sample 13 is moved by an amount corresponding to the scanning width of the sample by the electron beam 36 and starts to move again. This movement causes a time during which the inspection cannot be performed until the sample stage is set.
[0042]
FIG. 4 shows the relationship between the integrated value (unit: sec) of the settling time of the sample stage 12 and the deflection width (unit: μm) of the electron beam 36. From this figure, it can be seen that there is an extreme difference in the integrated value of the sample stage settling time depending on whether the deflection width is 100 μm or 500 μm. That is, according to the embodiment of the present invention, the sample stage settling time can be shortened, and the inspection speed can be improved accordingly.
[0043]
Since the surface of the sample 13 is not a perfect plane, the height of the sample changes when the region to be inspected moves. Therefore, it is necessary to constantly focus on the sample 13 by changing the excitation of the objective lens 9. In the conventional TTL system, it is necessary to perform strong excitation so that the objective lens works at a short focal point. However, in the strong excitation objective lens, the image is rotated due to the horizontal rotation of the electron beam with the change in the height of the sample, so that correction is necessary. On the other hand, in the embodiment of the present invention, the objective lens 9 is weakly excited so as to be operated at a long focal point. For example, when I is the current value of the objective lens (unit A), N is the number of turns of the coil of the objective lens, and E is the energy of the electron beam (unit eV), excitation is about IN / √E = 9. For this reason, as the height of the sample 13 changes, even if the focus is finely adjusted, the rotation of the electron beam 36 and the rotation of the image occur only to a degree that can be substantially ignored, so that the correction becomes unnecessary.
[0044]
FIG. 5 shows the relationship between secondary electron detection efficiency (unit%) and retarding voltage (unit kV). Curve (1) in the figure is according to the embodiment of the present invention, and curve (2) is according to the TTL system. As already mentioned, the retarding voltage should be varied depending on the type of sample. In addition, the retarding voltage has an effect of accelerating secondary electrons. In FIG. 5, when the retarding voltage is changed, the secondary electron detection efficiency changes greatly in the case of the TTL method, whereas it does not change much in the embodiment of the present invention. In the case of the TTL method, secondary electrons generated from the sample are converged through the magnetic field of the objective lens, but the convergence position in the axial direction is changed by changing the retarding voltage. This is the main cause of greatly changing the secondary electron detection efficiency. In the embodiment of the present invention, since the secondary electrons 33 do not pass through the magnetic field of the objective lens 9, the influence is small. Therefore, in the embodiment of the present invention, the rotation of the image is small and the fluctuation of the secondary electron detection efficiency is small, so that the inspection image is stabilized.
[0045]
As described above, since the secondary electrons 33 generated from the sample 13 are accelerated by the retarding voltage to become a substantially parallel beam, the collection rate of the secondary electrons 33 is improved. The collimated secondary electrons 33 are further deflected by an angle, for example, 5 °, by the deflection electric field and the deflection magnetic field of the E × B deflector 18 to impact the secondary electron generator 19, thereby further 2 secondary electrons 20 are generated in large quantities. As described above, the detection efficiency of the secondary electrons is greatly improved by the collimated beam and the impact of the secondary electron generator 19.
[0046]
The scanning of the sample 13 by the electron beam 36 deflects the electron beam 36 in the X direction while continuously moving the sample 13 in the Y direction. However, the scanning and blanking are not repeated alternately, but the scanning may be deflected reciprocally. Good. In this case, the deflection speed (scanning speed) at the time of forward deflection and the deflection speed (scanning speed) at the time of return deflection are made the same. In this way, the blanking deflector 17 can be omitted, and the blanking time can be saved. In this case, however, the following should be noted.
[0047]
The first part and the last part of the reciprocating deflection of the electron beam 36 of the sample 13 are concentrated and irradiated by the electron beam 36 in a short time. That is, for example, in the case of scanning from the left to the right in the X direction, the movement of the electron beam in the X direction stops at the end of the irradiation region and waits for the sample 13 to move in the Y direction by the scanning width. The next column is moved from right to left in the X direction and scanned. While waiting for the movement in the Y direction, the end of the sample 13 is continuously irradiated in the Y direction. For this reason, in the case of a sample having a very short time constant of the charging phenomenon, the brightness of the image becomes non-uniform when the image is acquired. Therefore, in order to make the irradiation amount of the electron beam 36 almost the same over the entire surface of the sample 13, the deflection speed is controlled so that the deflection speed of the electron beam 36 is higher at the scanning end portion than at the scanning center portion. Good.
[0048]
In the above description, the secondary electrons 33 generated from the sample 13 are used for image formation. However, the same effect can be obtained by using the backscattered electrons scattered from the sample by the irradiation of the electron beam 36. Can be obtained.
[0049]
【The invention's effect】
According to the present invention, first, it is possible to provide an inspection method and an inspection apparatus using an electron beam that can increase the inspection speed.
[0050]
Second, it is possible to provide an inspection method and an inspection apparatus using an electron beam with little image rotation.
[0051]
Third, it is possible to provide an inspection method and an inspection apparatus using an electron beam with little change in detection efficiency of charged particles.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing the concept of the configuration of an inspection apparatus using an electron beam according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram showing a flow of a general manufacturing process of a semiconductor device.
FIG. 3 is a schematic view of an image obtained by observing an example of a circuit pattern on a semiconductor wafer in a manufacturing process with an SEM.
FIG. 4 is a correlation diagram showing a relationship between a sample stage settling time and an electron beam deflection width.
FIG. 5 is a correlation diagram showing the relationship between secondary electron detection efficiency and retarding voltage.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Electron gun, 2 ... Electron source, 4 ... Acceleration electrode, 6 ... Acceleration power source, 8 ... 1st converging lens, 9 ... Objective lens, 10 ... Crossover, 11 ... Length measuring device for position monitor, 12 ... Sample stage 13 ... Sample, 14 ... Variable deceleration power source, 15 ... Aperture, 16 ... Electron beam scanning deflector, 17 ... Blanking deflector, 18 ... ExB deflector, 19 ... Secondary electron generator, 20 ... Second secondary electrons, 21 ... charged particle detector, 22 ... optical sample height measuring device, 23 ... correction control circuit, 24 ... scanning signal generator, 29 ... calculating unit, 30 ... defect determining unit, 31 ... Control unit, 33 ... secondary electrons, 36 ... electron beam.

Claims

An electron beam is generated, a crossover is generated between the convergent lens and the sample by the convergent lens, and the electron beam is sampled by the objective lens disposed between the crossover and the sample. And a voltage for decelerating the electron beam is applied to the sample, the sample is scanned with the electron beam, and the sample is continuously moved, and the electron beam is irradiated during a retrace period of the scanning. Then , the electron beam is blanked with the crossover as a fulcrum so as not to irradiate an unfavorable part , and the scanning of the electron beam and the blanking are repeated alternately during the continuous movement of the sample. generating a scan signal is converted into an electric signal by detecting the charged particles generated from the sample from between the sample and the objective lens, before Storing the electrical signals as image information, the image information compared to another second image information, inspection method using an electron beam and detecting a defect of the sample.

2. The inspection method using an electron beam according to claim 1, wherein a voltage for decelerating the electron beam is changed according to a type of the sample.

2. The deflection electric field for deflecting the charged particles in a predetermined direction, and the deflection magnetic field for deflecting the charged particles in that direction and canceling the deflection of the electron beam based on the deflection electric field. The inspection method using the electron beam characterized by generating.

2. The inspection method using an electron beam according to claim 1, wherein a secondary electron generator is irradiated with the charged particles, and secondary electrons are generated from the secondary electron generator.

An inspection apparatus using an electron beam for detecting a defect of a sample, an electron source for generating an electron beam, a converging lens for converging the generated electron beam so as to cause a crossover, and the converged electron beam An objective lens for focusing the sample on the sample, a power source for applying a deceleration voltage for decelerating the electron beam to the sample, an electron beam deflector for scanning the sample with the focused electron beam and deflecting the electron beam A sample moving device for continuously moving the sample during the scanning by the electron beam, and the electron beam so as not to irradiate an unfavorable portion when irradiated with the electron beam during a blanking period of the scanning. A blanking deflector for blanking with a crossover as a fulcrum, and scanning and blanking of the electron beam during the continuous movement of the sample. A scanning signal generator for generating a scanning signal so as to alternately repeat scanning, a charged particle detector for detecting the charged particles from between the objective lens and the sample and converting them into an electrical signal, and the electrical signal An inspection apparatus using an electron beam, comprising: a storage unit for storing image data as image information; and a comparator for comparing the image information with other image information to detect defects.

6. The inspection apparatus using an electron beam according to claim 5, wherein the power source has a function of changing the deceleration voltage in accordance with the type of the sample.

6. The inspection apparatus using an electron beam according to claim 5, wherein an electrode maintained at a potential in a positive direction with respect to the deceleration voltage is provided between the sample and the charged particle detector.

6. The deflecting electric field for deflecting the charged particles in a predetermined direction, and a deflecting magnetic field for deflecting the charged particles in that direction and canceling the deflection of the electron beam based on the deflecting electric field. An inspection apparatus using an electron beam, comprising: an electron beam deflector that generates an electron beam.

6. The inspection apparatus using an electron beam according to claim 5, further comprising a secondary electron generator that generates secondary electrons when irradiated with the charged particles.