JP4286821B2 - 半導体デバイス検査装置 - Google Patents

Description

本発明は製造工程中の半導体デバイスの検査に関する。特に、電子ビームを照射したときに半導体デバイスに生ずる電流を測定することによりそのデバイスの良否を判定する半導体デバイス検査装置に関する。

製造工程中の半導体デバイスを非破壊で検査する技術として、コンタクトホールを通過して基板に達した電子ビームにより生じる電流を検出し、コンタクトホールの底部の位置や寸法を検出することが開示されている（例えば、特許文献１参照）。また、複数のコンタクトホールを含む領域に電子ビームを照射し、それらのホールを貫通した電流値により、その領域内における正常なコンタクトホールの割合を検査することが開示されている（例えば、特許文献２参照）。さらに、特願2000-311196、特願2000-332754には、特許文献１に開示された技術を利用した種々の技術が開示されている。
特開平１０−２８１７４６号公報 特開２０００−１７４０７７号公報

上述した従来技術は、基本的に、電子ビームの照射により生じた二次電子放出を補償するように流れる電流を測定するものである。このため、測定される電流値はピコアンペア以下と微小であり、測定条件や測定対象の半導体デバイスの構造あるいは材料、測定機器の時定数などにより、測定値に影響が出てしまう可能性がある。

本発明は、このような課題を解決し、外部からの雑音を減らして精度の高い非破壊検査が可能な半導体デバイス検査装置を提供することを目的とする。

本発明の第一の観点によると、電子ビームを半導体デバイスに照射してそのときに半導体デバイスに生じる電流を測定する半導体デバイス検査装置において、前記測定された電流の波形をあらかじめ設定された標準波形と比較する第１の比較手段と、前記第１の比較手段の比較結果が所定の範囲外である場合に、電子ビームを参照試料に照射してそのときに参照試料に生じる電流を測定する手段と、前記参照試料について測定された電流の波形をあらかじめ設定された標準波形と比較する第２の比較手段と、前記第２の比較手段の比較結果が所定の範囲外であるか範囲内であるかに応じて半導体デバイス検査装置の異常か半導体デバイスの検査領域の異常かを識別する手段とを有することを特徴とする半導体デバイス検査装置が提供される。

本発明の第二の観点によると、電子ビームを半導体デバイスに照射してそのときに半導体デバイスに生じる電流を測定する手段を有する半導体デバイス検査装置において、前記半導体デバイスに生じる電流を測定する手段によって測定された電流波形とあらかじめ設定された標準波形を比較する手段と、前記比較する手段の比較結果が所定の範囲外であるか範囲内であるかに応じて半導体デバイス検査装置の異常か否かを識別する手段とを有し、前記標準波形は波形の立ち上がりあるいは立ち下がり時のオーバーシュートおよびその後の減衰振動を含む過渡的波形のパターンであり、前記識別する手段は、前記比較する手段の比較結果があらかじめ定められた範囲を越えたときに装置異常と判断する手段を含むことを特徴とする半導体デバイス検査装置が提供される。

本発明の半導体デバイス検査装置は、測定された電流波形から、その測定結果がデバイス異常によるものか装置異常によるものかを識別することで、検査結果の信頼性を高めることができ、装置異常を早期に検出することができる。

次に、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は本発明の検査装置の実施形態を示すブロック構成図である。この装置は、電子ビーム２を発生する電子銃１、電子ビームを平行化するコンデンサレンズ３、ビーム形状を規定するアパーチャー４、半導体デバイスが形成された検査対象試料（ウェハ）５を保持し、この検査対象試料５を移動させることにより検査領域の決定および電子ビーム２の照射位置の走査を行う可動ステージ６、検査領域の下地の導電層に電子ビームが達することによりその導電層に生じる電流を測定する電極７および電流測定装置８、可動ステージ６の移動距離を測定する移動距離測定装置９、検査対象試料５、可動ステージ６および電極７と置き換えられて電子ビームの電流値を測定するファラデーカップ１０、電流測定装置８の測定結果のデータ処理および検査のための制御を行うコンピュータ等のデータ処理装置１１、可動ステージ６の移動を制御するステージ制御部１２、および電子ビームの加速電圧の変更や照射周期の変更その他の制御を行うビーム制御部１３を備える。

電子銃１から飛び出した電子ビーム２は、コンデンサレンズ３により一旦平行電子ビームに変換され、非常に小さな穴が設けられたアパーチャー４に照射される。アパーチャー４は金属等の導電体でできており、アパーチャー４に照射された電子がアパーチャー４に蓄積しないように、アースされている。アパーチャー４を通過した電子ビーム２は、アパーチャー４が規定しているのとほぼ同じ大きさの非常に細いビームとなり、検査対象試料５に照射される。加熱によってアパーチャー径が変化するのを防止するために、アパーチャーを冷却する構成とすることもできる。

検査対象試料５は電流収集用の電極７の上に載せられ、この電極７が可動ステージ６の上に載せられる。可動ステージ６の近傍には、干渉計などの原理によりこの可動ステージ６の移動距離をオングストロームオーダーで精密に測定する移動距離測定装置９が設けられる。移動距離測定装置９としては光学式の装置が一般的であるが、電磁波、電気抵抗あるいは容量を用いた装置、量子力学的効果を利用した装置など、距離に応じて変化する物理量を検出することを原理とする装置を用いることもできる。

検査対象試料５と電極７とを直流的に接触が取れるように接触配置してもよいし、検査対象試料５に照射する電子ビームが高周波数で変調されている場合には、容量結合により電流が測定できるので、電極７を検査対象試料５に隣接させるだけでもよい。一般的に半導体の製造工程においては、基板裏面は素子分離のための局所酸化膜を形成することが多いので、ウェハ裏面に絶縁膜が形成されていることが多い。そのような場合には、検査対象試料５と可動ステージ６との接触を図るために、容量結合ステージを用いることも効果的である。検査対象試料５の側面を利用して接続することも可能である。

測定するコンタクトホールの寸法が微細であるので、検査対象試料５は可動ステージ６上に平坦に載置されていることが必要である。このためには検査対象試料５の外周を例えばリング状の治具で押さえ込むことも有効である。

電極７で集められた電流は電流測定装置８によって測定される。測定結果はデジタル信号に変換されデータ処理装置１１へと出力される。データ処理装置１１は、各種のデータ処理を行い、特に、検査対象試料５上の検査領域のコンタクトホールあるいはビアホールが良好に形成されているかどうかを検査することができる。

ウェハを検査する場合、電子ビームの走査速度および微小電流を測定することに伴う測定系の時定数の問題から、ウェハ上のすべてのチップないしウェハのすべての領域を検査するには、かなりの時間がかかってしまう。これは、量産前の段階では必要になる場合もあるが、量産時のインライン検査に利用することはできない。そこで、複数のホールが存在するある程度の大きさの領域に一括して電子ビームを照射し、平均電流として測定することが考えられている。その場合、平均電流が小さければ、その領域の正常なホールの数が少ないことになり、その領域の良否を判断することができる。

図２および図３はホールを検査する場合に測定される電流波形の一例を示す。図２はホール径より細い電子ビームを走査したときにその走査位置に対応して測定される補償電流波形を示し、図３は複数のホールが存在する領域に一括して電子ビームを照射したときの補償電流波形を示す。細い電子ビームを走査することで、図２に示すように、ホールの位置に応じて補償電流の増加が観測され、ホールが正しくエッチングされているかどうかがわかる。一方、比較的広い領域に一括して電子ビームを照射した場合には、図３に示すように、電子ビームを照射している間、ホール底の総面積に応じた補償電流が観測される。観測された補償電流をＣＡＤデータから得られるその領域のホール数で規格化することで、ホール１個あたりの平均電流が求められる。

平均電流の測定を行う場合、測定対象の材料や構造によっては、ホールのない場合でも多量の電流が流れることがある。その場合、ホール領域の示す電流がバックグラウンドに隠されて正確な測定ができなくなってしまう。このようなバックグラウンドを補正する手段について以下に説明する。

図４はバックグラウンド補正手順を含むデバイス検査のフローを示す。図１および図４を参照して説明すると、まず、検査対象試料５上の１以上のホールが設けられた領域を検査領域に設定し、その領域に電子銃１からの電子ビーム２が順次または一括して照射されるように、ステージ制御部１２により可動ステージ６を制御する。データ処理装置１１では、このときの電流測定装置８の測定値を取り込み（Ｓ1）、それを記憶する（Ｓ２）。続いて、同じ検査対象試料５内で、ホールが形成されていないことを除いて同材料かつ同構造のダミー領域を選択し、同一条件で測定を行う（Ｓ３）。データ処理装置１１は、このダミー領域から得られた測定値をバックグラウンド値として取り込み、検査領域から得られた測定値から減算する（Ｓ４）。データ処理装置１１はさらに、この減算された値が所定の範囲内かどうかを調べ、範囲内であればその検査領域が良好であると判断する（Ｓ６）。減算された値が所定の範囲から外れている場合には、その領域にホールが正しく形成されていない不良があると判断する（Ｓ７）。

ここでは検査領域を最初に測定する例を示したが、ダミー領域を最初に測定してもよい。また、複数の検査領域からそれぞれ得られた測定値について、ひとつのダミー領域により得られたバックグラウンド値で補正することもできる。

図５は電流測定装置８の詳しい構成例を示す。この電流測定装置８は、電流測定用の電極７に接続された第一の電流計２１と、測定対象の半導体デバイスの近傍に設けられたアース電極２４に接続された第二の電流計２２と、電流計２１、２２の測定値の差を求める電流差動アンプ２３とにより構成される。二つの電流計２１、２２はその性能が同じである。電流差動アンプ２３はその利得あるいはオフセットをデータ処理装置１１から設定可能であり、二つの電流計２１、２２の測定値の差を正確に測定できる。

電子ビームを照射するには高真空が必要なことから、図１に示した検査対象試料５、可動ステージ６および電極７は、移動距離測定装置９およびファラデーカップ１０と共に、ひとつの真空筐体内に配置される。アース電極２４もまたこの筐体内に配置される。アース電極２４は筐体そのものであってもよい。電流測定装置８はそれ自体が雑音源となる可能性があるので、ここではすべて筐体外に配置している。雑音の影響を考えると、電極７およびアース電極２４と電流測定装置８との接続線は短いことが望ましく、場合によっては、電流測定装置８の少なくとも一部を筐体内に配置することも考えられる。

図５に示した構成例では、アース電極２４と電流計２２との間にバイアス電圧源２５が挿入される。このバイアス電圧源２５は、電流計２１、２２間にバイアス電圧を加えることにより、接触電流などによる誤差電流を相殺することができる。

また、電流測定用の電極７と電流計２１との間にバイアス電圧源を挿入し、電極７を介して検査対象試料の基板あるいは導電層に、バイアス電圧を印加することもできる。

異常な測定結果が得られたときには、通常は検査対象に不良があると考えられるが、場合によっては、検査装置の故障によることも考えられる。これらの識別について以下に説明する。

図６は装置故障を検出する手順を含むデバイス検査のフローを示す。まず、設定された検査領域の電流波形を測定する（Ｓ１１）。データ処理装置１１（図１参照）は、測定された電流波形をあらかじめ設定された標準波形と比較し（Ｓ１２）、その比較結果が所定の範囲内であれば（Ｓ１３）、検査領域は良品であるとし、測定された電流波形をデータベースに蓄積する（Ｓ１４）。標準波形との比較結果が所定の範囲外のときには、データ処理装置１１はステージ制御部１２およびビーム制御部１３に制御信号を出力し、電子ビームを参照試料に照射して電流波形を測定して（Ｓ１５）、その電流波形を標準波形と比較する（Ｓ１６）。比較結果が所定の範囲内であれば（Ｓ１７）、検査領域に不良があっと判断し、その不良領域の場所をデータベースに蓄積する（Ｓ１８）。参照試料の電流波形と標準波形との比較結果が所定の範囲外であれば、装置異常と考えられるので、測定データを廃棄するとともに、警報を出力する（Ｓ１９）。

測定された電流波形と標準波形との比較は、二つの波形間の相関（パターンマッチング）をとることにより行う。

参照試料としては、あらかじめ不良がないことが判明している試料を用いてもよく、ステージに付属した検査パターンを用いてもよい。

図７は装置異常の検出手順を含むデバイス検査のフローを示す。図６に示した例では、参照試料により得られた電流波形に基づいて異常の原因を識別していた。これに対して図７に示す例では、測定された電流波形そのものから異常原因を識別する。すなわち、測定される電流波形には、波形の立ち上がりあるいは立ち下がり時のオーバーシュートおよびその後の減衰振動を含む過渡的波形に、特定のパターンが現れる。このパターンは、エッチング不良であることが判明している試料でも変化することはない。そこで、あらかじめその特定パターンを調べて標準波形として記憶しておき、測定されたパターンと比較する（Ｓ２１、Ｓ２２）。比較結果が所定の範囲内であれば（Ｓ２３）、測定データを蓄積する（Ｓ２４）。オーバーシュートが異常に大きい、減衰振動にならず振動が続くなど、比較結果が所定の範囲からはずれたときには、装置異常と判断し、測定データを廃棄するとともに、警報を出力する（Ｓ２５）。

比較するパターンとしては、波形の立ち上がり時間、オーバーシュート量、オーバーシュートの期間、平坦期間、アンダーシュート量、アンダーシュートの期間、零点のオフセット、周波数分析値などが考えられる。

図８は電子ビームの電流値により測定値を補正することにより測定精度を高めたデバイス検査のフローを示す。まず、電子ビームが照射される位置に検査対象試料５の代わりにファラデーカップ１０（図１参照）を配置し、ビーム電流Ｉ１を測定する（Ｓ３１）。続いて、ファラデーカップ１０をビーム照射位置から外し、検査対象試料５に電子ビームを照射して、補償電流Ｊを測定する（Ｓ３２）。この測定の後、ファラデーカップ１０を用いてビーム電流Ｉ２を測定する（Ｓ３３）。補償電流Ｊをビーム電流Ｉ１、Ｉ２を用いて補正し、測定値を規格化する（Ｓ３４）。これをデータベースに蓄積する（Ｓ３５）。

電子ビームを利用した測定では、一般に、二次電子顕微鏡（SEM）や電子ビーム露光装置を利用して、あるいはこのような装置と同等の電子ビーム源を用いて、測定が行われる。このような装置の電子ビーム源は非常に安定に動作するように設計されており、１日の変動量は高々１％程度と通常の利用形態で問題になることはない。しかし、電子ビームを走査してホールの状況を検査する場合には、電流の変動量自体が1％程度である。このため、電子ビームの電流がわずかに変動しただけでも、補償電流の測定値に誤差が生じてしまう。

ビーム電流が変動する原因としては、ビーム源の温度、ビーム源の経年変化、ビーム源に供給される電力の変動などが考えられる。これらは装置依存性が高く、各装置でビーム電流を計測し、その変動のパターン、周期などを調査して補正の関数を決定する必要がある。

ビーム電流の変動周期が１枚のウェハに要する測定時間に比べて十分に長い場合には、図８に示したように、測定開始直前と直後にビーム電流値を測定し、その平均値、あるいはビーム電流値が時間とともに一定の割合で変化すると仮定して、補償電流の測定値を補正する。ビーム電流の変動周期が非常に長く補償電流の測定中にほとんど変化しない場合には、ビーム電流の測定は１枚のウェハに対して１回、あるいは、複数枚のウェハに対して前後２回またはその一方だけでもよい。

ビーム電流の変動が大きい場合には、補償電流の測定中に何度かビーム電流を測定し、その値により補償電流の測定値を補正する。

図９はデータ処理装置１１における電流値の取り込みのフローを示し、図１０は取り込みのタイミングを説明する図である。

補償電流を測定する場合、装置やウェハによりLCRの値が異なるため、取得できる波形の応答時間が変化し、定常状態となるまでの時間が変化する。ウェハごとにその応答時間を解析するとなると、それだけでかなりの時間が必要となってしまう。一方、装置や検査対象により応答の特性により違いはあるものの、例えば波形の立ち上がりからある程度（１秒程度）の測定を行えば平坦化した部分が含まれる。そこで、データ処理の時点でその部分の電流値を取り込んで処理する。これにより、計測条件設定の時間が短縮できる。

そのためには、あらかじめ、同じ種類のウェハごとに電子ビーム照射後の波形を観察し、安定したとみなせる領域、例えば変動が平均値から±５％以内の領域、を見つけ、電子ビームが入射されてから電流が安定するまでの待ち時間を記憶しておく。実際の測定時には、測定対象と同じ種類のウェハについて待ち時間のデータがあれば（Ｓ４１）それを利用し、個々の検査領域について、電子ビームが入射されてからその待ち時間が経過した後に電流値を取り込む（Ｓ４２）。待ち時間のデータがない場合には、そのウェハについて電子ビーム照射による電流波形を観察し（Ｓ４３）、波形が安定した領域を判定し（Ｓ４４）、波形安定までの待ち時間を記憶する（Ｓ４５）とともに、この待ち時間を用いて、そのウェハ内の各検査領域について電流値を取り込む（Ｓ４６）。

同じ種類のウェハであればLCRの値にあまり大きな違いは生じないため、測定に利用する部分を記憶して再利用することで、測定時間を短縮できる。

本発明の実施形態を示すブロック構成図。 ホール径より細い電子ビームを走査したときにその走査位置に対応して測定される補償電流波形の一例を示す図。 複数のホールが存在する領域に一括して電子ビームを照射したときの補償電流波形の一例を示す図。 バックグラウンド補正手順を含むデバイス検査のフローチャート。 電流測定装置の詳細を示すブロック構成図。 装置故障を検出する手順を含むデバイス検査のフローチャート。 装置異常の検出手順を含むデバイス検査のフローチャート。 電子ビームの電流値により測定値を補正するデバイス検査のフローチャート。 電流値取り込みのフローチャート。 取り込みのタイミングを説明する図。

符号の説明

１ 電子銃
２ 電子ビーム
３ コンデンサレンズ
４ アパーチャー
５ 検査対象試料
６ 可動ステージ
７ 電極
８ 電流測定装置
９ 移動距離測定装置
１０ ファラデーカップ
１１ データ処理装置
１２ ステージ制御部
１３ ビーム制御部

Claims (5)

1. 電子ビームを半導体デバイスに照射してそのときに半導体デバイスに生じる電流を測定する半導体デバイス検査装置において、
   前記測定された電流の波形をあらかじめ設定された標準波形と比較する第１の比較手段と、
   前記第１の比較手段の比較結果が所定の範囲外である場合に、電子ビームを参照試料に照射してそのときに参照試料に生じる電流を測定する手段と、
   前記参照試料について測定された電流の波形をあらかじめ設定された標準波形と比較する第２の比較手段と、
   前記第２の比較手段の比較結果が所定の範囲外であるか範囲内であるかに応じて半導体デバイス検査装置の異常か半導体デバイスの検査領域の異常かを識別する手段とを有することを特徴とする半導体デバイス検査装置。
2. 電子ビームを半導体デバイスに照射してそのときに半導体デバイスに生じる電流を測定する手段を有する半導体デバイス検査装置において、
   前記半導体デバイスに生じる電流を測定する手段によって測定された電流波形とあらかじめ設定された標準波形を比較する手段と、
   前記比較する手段の比較結果が所定の範囲外であるか範囲内であるかに応じて半導体デバイス検査装置の異常か否かを識別する手段とを有し、
   前記標準波形は波形の立ち上がりあるいは立ち下がり時のオーバーシュートおよびその後の減衰振動を含む過渡的波形のパターンであり、
   前記識別する手段は、前記比較する手段の比較結果があらかじめ定められた範囲を越えたときに装置異常と判断する手段を含む
   ことを特徴とする半導体デバイス検査装置。
3. 前記比較する手段は、波形を比較するための特徴量として、波形の立ち上がり時間、オーバーシュート量、オーバーシュートの期間、平坦期間、アンダーシュート量、アンダーシュートの期間、零点のオフセット、あるいは周波数分析値のうち少なくとも１つを利用することを特徴とする請求項２記載の半導体デバイス検査装置。
4. 前記半導体デバイスに生じる電流を測定する電流測定手段を有し、
   前記半導体デバイスが形成された検査対象試料と前記電流測定手段とが容量結合されていることを特徴とする請求項１記載の半導体デバイス検査装置。
5. 前記半導体デバイスに生じる電流を測定する電流測定手段を有し、
   前記電流測定手段が真空筐体内に配置されていることを特徴とする請求項１記載の半導体デバイス検査装置。

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