JP4178003B2

JP4178003B2 - 半導体回路パターンの検査装置

Info

Publication number: JP4178003B2
Application number: JP2002163701A
Authority: JP
Inventors: 博之品田; 久弥村越; 敦子高藤; 義弘阿南; 憲史谷本
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2002-06-05
Filing date: 2002-06-05
Publication date: 2008-11-12
Anticipated expiration: 2022-06-05
Also published as: JP2004014207A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置製造過程のウェハ上の回路パターンの検査に好適な電子線応用装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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には、例えば１つのウェハ上の２つ以上のＬＳＩの同種パターンの画像をＳＥＭにより取得し、それらを比較し、あらかじめ設定した閾値よりも明るさに差がある部分を回路パターンの欠陥として表示する欠陥検査装置が実用化されている。それら従来技術は、例として特開昭５９−１９２９４３号公報、特開平５−２５８７０３号公報、文献Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．Ｂ，Ｖｏｌ．９，Ｎｏ．６，ｐｐ．３００５−３００９（１９９１）、Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．Ｂ，Ｖｏｌ．１０，Ｎｏ．６，ｐｐ．２５１１−２５１５（１９９２），ＳＰＩＥＶｏｌ．２４３９，等に記載されている。
【０００３】
上記従来技術においては、実用的なスループットを得るために、非常に高速に画像を取得する必要がある。そして高速で取得した画像のＳＮ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）の電子線電流を用い、実用的な検査速度を維持しながら画像のＳＮを確保している。
【０００４】
また、上述のような電子線を用いた検査装置では、絶縁されているものは帯電が発生するので、光では検出できない欠陥、すなわち電気的欠陥が検出できるのがひとつの特徴である。電気的欠陥とは、導通すべき部分が電気的に絶縁されていたり、逆に絶縁されているべき箇所がショートしていたりする欠陥である。
【０００５】
特開平１０−２９４３４５には、特に絶縁物を含む回路パターンや電気的欠陥を高感度に再現性よく検査するために、ウェハ上の回路パターンを所望の電位に積極的に帯電させる手段について記述されている。これによると、大電流の電子ビームを一回のみ走査させて画像を取得することや、高分解能な検査画像を形成するために、電子ビームの主発生源以外に１個または複数個の電子源を備え、それらの電子源からの電子ビームのエネルギや照射量を制御してウェハ回路パターンに照射することで、所望の帯電電位に設定することが可能となると記されている。
【０００６】
また、電子ビームによるウェハ回路パターン検査によれば、回路パターンに設けられた層間の導通用の孔の非導通欠陥を電位コントラストにより高感度に検査できる。この技術に関しては、特開２０００−２０８５７９号公報等に記載されている。ここではウェハをあらかじめ所望の電位に帯電させるために画像形成に用いる電子ビームとは別個の電子源（フラッドガン）を設けている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記した、電子線により絶縁物を含むウェハ回路パターンの欠陥を安定にかつ高感度に検査するために、大電流の一回走査で画像を取得することが記されているが、回路パターンの電気的特性によっては、あらかじめ帯電させておかないと十分なコントラストが得られないものがあった。これを解決するには、複数の電子源を設ける必要があることが述べられている。
【０００８】
しかし、複数の電子源を設けることはそれだけ電子ビームの制御が困難となり装置も大型化する。また２つ以上の電子ビームを最適な条件でウェハ上の所望の領域に照射するためには制御系が電子源の数だけ必要となり装置価格の増加や調整の長時間化等問題が多かった。
【０００９】
本発明の課題は、従来の大電流一回走査では十分なコントラストが得られなかった半導体回路パターンにおいても複数の電子源を備えることなく画像形成用の電子源のみで、高速、安定かつ明暗コントラストの大きい良質の画像として取得し、その画像を自動比較検査し欠陥を誤りなく検出することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
電子線を発生する電子源と電子線を被検査半導体回路パターン上に集束する対物レンズと上記電子線の電流量を調整するための絞りと電子線を被検査半導体回路パターンの所望の位置に位置付けるための偏向器と絶縁物を含む上記被検査半導体回路パターンの第１と第２の領域の画像を電子線により取得した画像を比較することで上記被検査半導体回路パターンの欠陥を検査する装置において、上記絞りに、電子線の光軸中心にほぼ一致する位置に備えた中心孔と、中心孔の周囲に中心穴と比較して小さい孔を１個または複数個設ける。上記絞りの中心孔の中心と周囲の小さい孔の中心の距離は、周囲の小さい孔を通過した電子線が対物レンズ中心軸の十分外側を通過し、中心孔を通過した電子線が半導体回路パターン上に焦点を結ぶ場所よりも離れた位置に照射されるようにすることで課題を解決できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
まず、本発明がなされるきっかけとなった現象について説明し、本発明の動作原理を説明する。
【００１２】
電子ビームを用いて絶縁膜を含む半導体を観察するとき、絶縁膜表面は電子ビームの照射エネルギや表面の電界に応じた電荷を帯びる。通常、プラスに帯電したところは暗く、マイナスに帯電したところは明るいコントラストが生じる。これを電位コントラストと呼んでいる。
【００１３】
ＳＥＭを応用したウェハ検査装置では、前記したように検査時間短縮のために大電流（１００ｎＡ程度）の電子ビームを高速に一回だけ走査することで画像を形成している。このとき、電子ビームの焦点が外れた状態、すなわち径の大きな電子ビームでＳＥＭ画像を形成すると導電物と絶縁物の回路パターンの明るさの違いすなわちコントラストが強調されるという現象がしばしば発生した。コントラストが強調されることで微小な形状欠陥や導通不良欠陥が感度よく検出できることが期待される。
【００１４】
この原因は以下のように考えられる。導電物と絶縁物が混在する回路パターンでは、絶縁物が電子ビームの照射により帯電し、導電物がグランド電位を維持することで電位コントラストが発生する。小さい直径の電子ビームを走査する場合、絶縁物が十分帯電しきらない短い時間で電子ビームが隣の位置に移動してしまうため、画像形成時すなわち二次電子が発生したときの絶縁物の帯電電位は低い。一方、電子ビームの直径が大きい場合は、電子ビームが同一箇所を比較的長い時間照射することとなり、画像形成時の絶縁物の帯電電位は比較的高い。これがフォーカスをずらして電子ビームの直径を大きくした場合にコントラストが強調される原因と考えられる。
【００１５】
同様の原理で、あらかじめ電子ビームを照射しておき、十分に帯電させてから観察すれば、同様にコントラストの強い画像が得られるはずである。ところが、多数のウェハにおいて観察、または検査前に電子ビームを照射したのでは十分なコントラストが得られないという現象が発生した。これは、一度帯電しても時間が経過することで電荷が逃げてしまうためと考えられる。この電荷の逃げる時間はデバイスの構造や絶縁膜の種類によって決まると考えられる。
【００１６】
したがって、デフォーカスによるコントラスト強調が最も効果があることがわかる。しかし、フォーカスをずらした状態では半導体の微細な回路パターンを分離して高分解能に観察することが不可能になる。
【００１７】
本発明においては、中心部では直径の小さい鋭いピークを持ち、周辺部にはある程度広がった分布を持ちながら電流密度が小さく、中心のピークに含まれる電荷量と比較して、周辺部の電荷量が十分少ない分布を持った電子ビームを形成することで、上記の問題を解決した。
【００１８】
以下では、上記のような特徴を持った電子ビームを形成し、回路パターンを検査する装置の構成例を、図面を参照しながら詳細に説明する。
（実施例１）
本発明の基本概念は、穴を複数個備えた電流制限絞りを用いることで実現する。以下、図１に第１の実施例の構成図を示す。本実施例の検査装置は大別して電子光学系１０１、試料室１０２、制御部１０４、画像処理部１０５より構成されている。
【００１９】
電子光学系１０１は電子銃１、電子線引き出し電極２、コンデンサレンズ３、ブランキング用偏向器４、走査偏向器５、絞り６、対物レンズ７により構成されている。
【００２０】
試料室１０２は、Ｘ−Ｙステージ８、回転ステージ９、位置モニタ用測長器１０、被検査基板高さ測定器１１より構成されており、また二次電子検出器１２が対物レンズ７の上方にあり、二次電子検出器１２の出力信号はプリアンプ１３で増幅されＡＤ変換器１４によりデジタルデータとなる。
【００２１】
画像処理部１０５は画像記憶部１８・１９、演算部２０、欠陥判定部２１より構成されている。取り込まれた電子線画像および光学画像は、モニタ２２に表示される。
【００２２】
検査装置各部の動作命令および動作条件は、制御部１０４から入出力される。あらかじめ制御部１０４に電子線発生時の加速電圧・電子線偏向幅・偏向速度・試料台移動速度・検出器の信号取り込みタイミング等々の条件が入力されている。また、位置モニタ用測長器１０、被検査基板高さ測定器１１の信号から補正信号を生成し、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２６や走査信号発生器２８に補正信号を送る。
【００２３】
本実施例において、電子銃１には拡散補給型の熱電界放出電子源を用いた。これにより明るさ変動の少ない比較検査画像が得られ、かつ電子ビーム電流を大きくすることが可能で、高速検査が可能になる。電子線は引出電極２に電圧を印加することで電子銃１から引き出される。電子線の加速は電子銃１に高圧の負の電位を印加することでなされ、電子線はその電位に相当するエネルギで試料台８の方向に進み、コンデンサレンズ３で収束され、絞り６により通過する電流量が制限される。
【００２４】
図２に、上記絞り６の穴の構造の一例を示す。絞り６は、その中心に直径３０〜５０μｍ程度の中心孔６１、中心孔６１の周辺には１０μｍ以下の直径の周辺孔６２が１個ないし６個程度設けられている（図２では周辺孔６２が４個の場合を示した）。この絞り６の孔６１もしくは６２を通過した電子ビームは、対物レンズ４７により細く絞られ、Ｘ−Ｙステージ８の上に搭載された被検査基板２３（ウェハあるいはチップ等）に照射される。
【００２５】
被検査基板２３には高圧電源２５により負の電圧を印加できるようになっている。この高圧電源２５を調節することにより被検査基板２３への電子線照射エネルギを最適な値に調節することが容易となる。画像形成には、ＸＹステージ８を静止させ電子線２０１を二次元に走査する方法と、電子線は一次元走査し走査方向と直行する方向にＸＹステージ８を連続的に移動する方法のいずれかを選択できる。ある特定の場所を検査する場合にはステージを静止させて検査し、被検査基板２３の広い範囲を検査するときはステージを連続移動して検査すると効率のよい検査が行える。
【００２６】
試料室１０２に被検査基板２３が移動すると、電子銃１からの電子線２０１で比較検査用の画像を取得して比較検査を実行する。被検査基板２３の画像を取得するためには、細く絞った電子線２０１を上記被検査基板２３に照射し、二次電子および反射電子を発生させ、これらを電子線２０１の走査およびステージの移動と同期して検出することで被検査基板表面の画像を得る。
【００２７】
本発明で述べるような自動検査では、検査速度が速いことが必須となる。したがって通常のＳＥＭのようにｐＡオーダのビーム電流を低速で走査したり、複数回走査は行わない。そこで、通常のＳＥＭに比べ約１００倍以上の、例えば１００ｎＡの大電流電子線を一回だけ走査することにより画像を形成する構成とした。一枚の画像は１０００×１０００画素で、これを約１０ｍｓｅｃで取得するようにした。
【００２８】
上記構成において、絞り６の中心孔６１と周辺孔６２により被検査基板２３上の電子線の形状がどのようなものになるかを説明する。中心孔６１の半径をＲ_１、中心孔６１を通過した電子線３６の被検査基板２３上の照射角をα_１とする。また、周辺孔６２の中心孔６１の中心からの距離をＲ_２とし、周辺孔６２を通過した電子線３７の光軸中心からの角度をα_２とする。なお、被検査基板２３には高圧電源２５により負の電位が印加されており、電子線３６、３７は基板２３直前で減速されるため実際の照射角は基板２３直前で数倍に増大する。ここでは説明を簡単にするために、高圧電源２５がゼロ電位の場合について説明する。なお、負電位が印加されている場合は照射角等の値が一定の割合で拡大するだけである。
【００２９】
中心孔６１を通過した電子線３６はほぼ１００ｎＡの電流で被検査基板２３上の直径はおよそ０．１μｍまたはそれ以下になっている。この直径は、対物レンズ７とコンデンサレンズ３の球面収差と色収差およびビームの照射角で決まる回折収差、さらには空間電荷効果と電子源の光源の大きさで決定される。これらの収差のうち球面収差と色収差は絞り半径Ｒ_１が大きいほど増大し、回折収差と空間電荷効果は小さいほど増大する。中心孔６１の半径Ｒ_１は、電子線３６が所定のビーム電流（例えば１００ｎＡ）において、これらの収差が最小となるような条件に最適化されている。例えば１５〜２５μｍ程度である。
【００３０】
一方、周辺孔６２の中心からの距離Ｒ_２は収差の最適値Ｒ_１より非常に大きい。したがって周辺孔６２を通過した電子線３７は対物レンズ７の中心から大きく離れた角度を通過するために球面収差と色収差が大きくなる。特に球面収差は照射角の３乗に比例するために急激に大きくなる。球面収差とはレンズの中心軸から離れた軌道を通る電子線ほど焦点が短くなる収差と定義される。
【００３１】
これらの電子線の概念図を図３（ａ）と図３（ｂ）に示す。図３（ａ）は絞り６と対物レンズ７を含んだ図で、周辺孔６２を通過した電子線３７は中心孔６１を通過した電子線３６よりも手前に焦点を結んでいる。図３（ｂ）は、被検査基板２３の近傍を拡大した図で、電子線３７は電子線３６の周辺部を広がって照射することになる。
【００３２】
図３（ｃ）は被検査基板２３上に照射される電子の断面密度分布を示したものである。中心は鋭く立ちあがったピークを持ち、その周辺に小さなピークを持つことになる。ピークに含まれる電流は１００ｎＡ程度であり、周辺部のなだらかな分布に含まれる電流は、周辺孔６２の大きさを十分小さくすることにより１ｎＡ以下に小さくすることができる。なお、周辺孔６２を通過した電子線３７の位置が中心の電子線３６に対して、電子線の走査方向に存在するように周辺孔６２が配置されている。
【００３３】
以下、一例として具体的な数値を示す。対物レンズ７の球面収差係数をＣｓとし、中心孔６１を通過した電子線３６の被検査基板上の直径をｄ_１、電子線３７の光軸中心からの距離の２倍をｄ_２、ビーム直径をＤｄとする。これらの関係は以下の式により表すことができる。
【００３４】
【数１】

【数２】

【数３】

対物レンズの球面収差係数が３１０ｍｍ、絞り６の中心孔６１の半径Ｒ_１が２０μｍ、周辺孔６２の光軸からの距離Ｒ_２が１００μｍ、周辺孔６２の半径を１μｍとする。電子線３６の試料面上の開き角（半角）は４ｍｒａｄ、電子線３７の試料照射角は２０ｍｒａｄ、開き角（半角）は０．２ｍｒａｄとする。また、このときの電子線３６のビーム電流を１００ｎＡとすると。電子線３７の照射位置は光軸中心から約２．５μｍで、直径は２５ｎｍ程度となる。またこのとき周辺孔からのビーム電流は周辺孔ひとつあたり２５０ｐＡとなり、孔が４個の場合は合計１ｎＡで、中心の電子線３６の１００分の１となる。電子線３７の直径Ｄｄに関しては、球面収差以外の収差、特にレンズの軸外収差の影響も受けるため、実際はここで計算したよりかなり大きく０．２μｍ程度となった。
【００３５】
以上説明してきた構成により、絶縁物を含む半導体回路パターンを観察した例を説明する。
【００３６】
図４はＳｉ基板４０上に酸化膜３８と導通孔３９が形成されている構造を模式的に示したものである。ここでは導通孔３９にはタングステンが埋め込まれている場合について説明する。中心部の鋭いピークを持った大電流の電子線３６と、その周囲の電子線３７が左から右に走査されている。電子線３７が酸化膜３８をあらかじめ帯電させた後に電子線３６が照射されるため、このとき酸化膜３８がプラスに帯電された状態で二次電子が発生する。このため、この電界の作用を受け、試料の電位コントラストが明確に観察される。
【００３７】
このときの画像は、例えば図５のように酸化膜部分は十分に暗く、導通孔部分は十分に明るい像となる。仮に、非導通の欠陥孔があれば、その部分だけ酸化膜と同様に暗くなるために、すぐに欠陥として検出することが可能であった。
【００３８】
一方、図６は、中心部の電子線３６のみで観察した従来の構成での観察例である。電子線３６が照射されるまで電子線の照射を受けていないため、帯電が十分進まないうちに電子線３６が通過して画像を形成してしまう。したがって、酸化膜部と導通孔部の明るさにほとんど違いが認められず、仮に導通していない孔が存在しても検出することが困難であった。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、半導体の回路パターンの欠陥、異物、残渣等を電子線走査で検査する方法において、レジストパターンや酸化膜等の非導電性の表面を持った半導体ウェハの検査が可能となった。
【００４０】
これにより、製造過程で発生した従来装置で検出できない欠陥を発見可能にし、半導体プロセスにフィードバックすることにより、半導体装置の不良率を低減し、信頼性を向上した。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の半導体回路パターン検査装置の全体構成を示す図。
【図２】本発明の一実施例の電子線絞りの平面図。
【図３】本発明の原理および本発明による電子線の強度分布を示す図。
【図４】本発明の動作状態の説明図。
【図５】本発明の一実施例により取得した画像を示す図。
【図６】従来の装置で取得した画像を示す図。
【符号の説明】
１…電子銃、２引き出し電極、３…コンデンサレンズ、４…ブランキング用偏向器、５…走査偏向器、６…絞り、７…対物レンズ、８…Ｘ−Ｙステージ、９…回転ステージ、１０…位置モニタ用測長器、１１…光学式試料高さ測定器、１２…二次電子検出器、１３…プリアンプ、１４…ＡＤ変換器、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…被検査基板、２４…ステージ、２５…高圧電源、２６…対物レンズ電源、２７…補正制御回路、２８…走査信号発生器、３６…中心部の電子線、３７…周辺部の電子線、６１…中心孔、６２…周辺孔、１０１…電子光学系、１０２…試料室、１０３…予備室、１０４…制御部、１０５…画像処理部。

Claims

電子線を発生する電子源と、
前記電子線を走査する偏向器と、
対物レンズと、
回路パターンの形成された半導体ウェハを載置する試料台と、
前記電子線を前記試料に照射して発生した二次電子を検出する検出器と、
前記電子線を分割する絞りとを備え、
前記絞りによって分割された第一の電子線と第二の電子線を前記試料に照射して、該第二の電子線によって前記試料の所望の領域を帯電させ、
該帯電させた領域に前記第一の電子線を照射することを特徴とする半導体回路パターン検査装置。
請求項１に記載の半導体回路パターン検査装置において、
前記絞りは前記電子線の光軸上に配置された中心孔と、前記中心孔の周囲に中心孔よりも小さい孔を一個または複数個有することを特徴とする半導体回路パターン検査装置。
請求項１に記載の半導体回路パターン検査装置において、
前記第一の電子線の電流量と比較して、前記第二の電子線の電流量は小さいことを特徴とする半導体回路パターン検査装置。
請求項２に記載の半導体回路パターン検査装置において、
前記絞りの前記中心孔の中心と周囲の前記小さい孔の中心の距離は、周囲の前記小さい孔を通過した前記電子線が前記対物レンズ中心軸の外側を通過し、前記中心孔を通過した前記電子線が前記半導体回路パターン上に焦点を結ぶ場所よりも離れた位置に照射されることを特徴とする半導体回路パターン検査装置。
請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体回路パターン検査装置において、
前記絞りを通過した電子線の前記被検査試料上における電荷量の断面密度分布が、中心部に存在するピークと、当該ピークの周辺に存在する該ピークよりも小さなピークを備えることを特徴とする半導体回路パターン検査装置。