JP4288744B2 - Inspection method - Google Patents

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子ビームを利用して試料の表面層を検査する検査方法に関し、特に、集積回路が形成された試料の表面層を検査する検査方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
周知のように、集積回路は、多数の回路素子を相互接続した状態で1つの半導体基板上に一括形成したものである。そして、このような集積回路においては、半導体基板上の絶縁層に、半導体基板の拡散領域と配線層とを接続するためのコンタクトホールや、多層配線の配線層間を接続するためのビアホールが多数形成されている。これらのコンタクトホールやビアホールは通常、周知のフォトリソグラフィーとエッチング処理とを用いて絶縁層に形成される。
【0003】
例えばコンタクトホールの形成時、エッチング処理は、絶縁層が完全に取り除かれ、絶縁層を貫通して半導体基板が露出したところで終了させることが望まれる。
しかし、エッチング処理は多数のコンタクトホールに対して同時に行われるため、いくつかのコンタクトホールでは、取り除くべき絶縁層の一部が底部に残留してしまい、半導体基板が完全に露出しないことがある。
【0004】
このような欠陥コンタクトホールが存在する集積回路は、正常に動作しない不良品である。
従来より、半導体基板上の絶縁層に形成された多数のコンタクトホールを検査するために、破壊検査による断面観察や、走査型電子顕微鏡(SEM)による表面観察が行われてきた。
【0005】
SEMによれば、絶縁層に形成されたコンタクトホールのうち、底部まで完全に開口している正常コンタクトホールの画像のみを選択的に取り込むことができる。さらに、取り込んだ画像をテンプレート画像と比較することで、欠陥コンタクトホールを判別することもできる。
【0006】
SEMによる表面観察は、電子ビーム照射時のチャージアップ状態が正常コンタクトホールと欠陥コンタクトホールとで異なり、かつチャージアップ状態によって試料から放出される二次電子の量が変わることを利用するものである。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、コンタクトホール形成時の開口不良を低減するためには、エッチング処理におけるオーバーエッチング量を増やすことが考えられる。しかし、オーバーエッチングは、半導体基板にダメージを与えてしまう。
【0008】
このため、オーバーエッチング量は、できるだけ多くのコンタクトホールを完全に開口でき、かつ半導体基板へのダメージを最低限に抑えられるような値に設定されることが望ましい。
適切なオーバーエッチング量の設定に当たっては、あるオーバエッチング量で形成された多数のコンタクトホールのうち、何れが底部まで完全に開口した正常コンタクトホールかを全面にわたって検査し、この検査結果を製造プロセスにフィードバックすることが必要である。
【0009】
しかしながら、上記した従来の断面観察では、試料を破壊しなければならないため、検査効率が悪く、試料の全面検査はとても望めない。
また、上記したSEMによる表面観察では、電子銃から照射される電子ビームの径を電子光学系で充分に絞り込み、スポット状に集束した電子ビームで試料面上を走査するので、試料の全面検査を行うにはスループットが遅いという問題がある。
【0010】
したがって、コンタクトホールが底部まで完全に開口しているか否かの検査は、部分的にしか行えないというのが現状である。
一方、半導体基板上の絶縁層に形成されたビアホールの場合、エッチング処理時に下地配線層の材料(例えばアルミ)がビアホールの内壁に付着することを防ぐため、下地配線層の上にバリア層(例えばTiN)を積層させていることが多い。
【0011】
したがって、このようなビアホールの形成時には、下地配線層が露出しないようにバリア層を残した状態で、エッチング処理を終了しなければならない。
このため、エッチング処理の終了後、多数のビアホールの底部に残すべきバリア層がきちんと残っているか、バリア層が取り除かれて下地配線層が露出してしまっているかを検査したいという要求がある。
【0012】
しかしながら、上記したSEMによる表面観察では、ビアホールの底部がバリア層であるか下地配線層であるかを区別することはできない。現在のところ、ビアホール底部の材質検査に対応できる装置はない。
本発明の目的は、電子ビームを用い、集積回路が形成された試料の表面層を非破壊で高速に検査可能な検査方法を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】
発明の一態様は、試料の表面層を検査する検査方法であって、試料に対して面状の電子ビームを照射する工程と、試料から発生する二次ビームを所定面に結像させる工程とを有し、二次ビームを所定面に結像させる結像条件が、電子ビームの照射による表面層の帯電状態に応じて異なると共に、該帯電状態が表面層の物理特性に対応することに基づいて、表面層の構造および材質の少なくとも一方を判別するものである。
【0014】
このように、本発明の一態様では、電子ビームを面状に整形して試料に照射する。このとき、照射領域内の試料の表面層は、物理特性が共通する部分ごとに同じ帯電状態となる。二次ビームの結像条件は表面層の帯電状態によって異なるため、ある物理特性Aの部分から発生した二次ビームが所定面に結像するように結像条件を設定したときには、別の物理特性Bの部分から発生した二次ビームは所定面に結像しない。
【0015】
すなわち、表面層の物理特性が共通する部分からの二次ビームのみを、選択的に所定面に結像させることができる。また、結像条件の設定を変更することで、所定面に結像する二次ビームを、表面層の別の物理特性の部分から発生したものに切り換えることができる。その結果、表面層の構造および材質の少なくとも一方を判別できる。
【0016】
さらに、照射領域内の試料の物理特性が共通する部分に対応する二次元画像が、そのまま所定面に投影されるため、電子ビームで試料面上を走査することなく、物理特性が共通する部分に対応する二次元画像を一括して取り込むことができる。したがって、本発明の一態様によれば、試料の表面層を非破壊で高速に検査することができる。
【0021】
また、本発明の一態様は、試料の高さ変動を検出する工程と、二次ビームを所定面に結像させる電子光学系への印加電圧を、高さ変動に応じて変化させることにより、その電子光学系の結像状態を保つ工程とを含んでもよい。
したがって、本発明の一態様によれば、試料の高さ変動が生じた場合でも、結像状態を一定に保つことができる。したがって、試料自体に反りやうねりがある場合でも、試料の複数の領域から順次、表面層の物理特性(導通状態)が共通する部分に対応する二次元画像を選択的に取り込むことができ、試料の表面層を全面にわたって検査することが可能となる。
【0022】
また、本発明の一態様によれば、当該検査方法を実現するために用いられる装置を簡単かつ安価に構成することができる。
【0023】
また、試料を高さ方向とは直交する面内で移動させながら、試料の複数の領域から順次、上記の二次元画像を選択的に取り込むことができるので、試料の表面層の全面検査を高スループットで行うことができる
また、本発明の一態様は、所定面に結像された二次ビームに基づいて画像を取り込む工程と、試料の中で同じパターンが形成された複数の領域に対して各々取り込んだ画像を、互いに比較する工程とを有してもよい
【0024】
このように、本発明の一態様では、取り込んだ複数の画像を互いに比較するだけで、テンプレート画像と比較することなく、パターン形成の良・不良を推測することができる。
【0025】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
【0026】
1は、本実施形態の検査方法を実現するために用いられる検査装置10の構成図である。
検査装置10は、一次コラム21と、二次コラム22と、チャンバー23とで構成されている。このうち一次コラム21は、二次コラム22の側面に対して斜めに取り付けられている。また、二次コラム22の下部には、チャンバー23が取り付けられている。
【0027】
これら一次コラム21,二次コラム22,チャンバー23は、真空排気系(不図示)と繋がっており、真空排気系のターボポンプにより排気されて、内部の真空状態が維持される。
ここで、一次コラム21、二次コラム22およびチャンバー23の構成について各々説明する。
【0028】
〔一次コラム〕
一次コラム21の内部には、電子を加速して出射する電子銃24が配置されている。この電子銃24の陰極には、矩形陰極で大電流を取り出すことができるランタンヘキサボライト(LaB6)が用いられる。
【0029】
また、一次コラム21の内部には、電子銃24から出射される電子ビーム(以下「一次ビーム」という)の光軸上に、3段構成の一次光学系25が配置されている。一次光学系25の各段は、回転軸非対称の四重極(または八重極)の静電レンズ(または電磁レンズ)にて構成される。
例えば、一次光学系25の各段が、図2に示されるように、4つの円柱ロッド1〜4からなる静電レンズの場合、対向する円柱ロッド同士(1と3,2と4)が等電位に設定され、かつ互いに逆の電圧特性(1と3に+Vq、2と4に−Vq)が与えられる。このような静電レンズは、いわゆるシリンドリカルレンズと同様、矩形陰極の長軸(X軸),短軸(Y軸)各々で一次ビームの集束や発散を引き起こすものである。
【0030】
したがって、一次光学系25によれば、各静電レンズのレンズ電圧を最適化することによって、出射電子を損失することなく、一次ビームの断面を任意の形状(矩形状や楕円形状など)に整形することができる。図2には、一次ビームの断面が矩形状の場合が示されている。
さらに、一次コラム21(図1)には、一次光学系25の各静電レンズのレンズ電圧を制御すると共に、電子銃24の加速電圧Vacを制御する一次コラム制御ユニット45が接続されている。また、一次コラム制御ユニット45は、CPU43に接続されている。
【0031】
〔チャンバー〕
チャンバー23の内部には、図1に示されるように、試料28を載置するステージ27と、試料28の表面の高さを検出するZセンサ26とが設置されている。
このうちステージ27には、ステージ制御ユニット49が接続されている。このステージ制御ユニット49は、ステージ27をXY方向に駆動すると共に、ステージ27のXY位置に応じたXY位置信号をCPU43に出力する。
【0032】
なお、ステージ27には、所定のリターディング電圧Vr(後述する)が印加されている。
また、Zセンサ26は、図3に示されるように、試料28の表面(試料面28a)に向けて光を出射する発光素子51と、発光素子51からの出射光の光路上に配置されるコリメータレンズ52と、試料面28aで反射した光の光路上に配置される集光レンズ53と、2分割ディテクタ54とから構成される。因みに、2分割ディテクタ54は、図4に示されるように、2つの受光部54a,54bを有する。
【0033】
このようなZセンサ26(図3)において、試料面28aからの反射光L1は、試料面28aの高さ(Z位置)に応じて2分割ディテクタ54の異なる位置に入射する。図3には、試料面28aのZ位置がZ1,Z2,Z3のとき、試料面28aからの反射光L1が2分割ディテクタ54の位置a,b,cに入射する様子が示されている。また、図4には、反射光L1と受光部54a,54bとの位置関係が示されている。
【0034】
2分割ディテクタ54は、受光部54a,54b各々において反射光L1を受光し、受光量の差に基づく差信号を出力する。因みに、この差信号は、2分割ディテクタ54における反射光L1の入射位置(a,b,c)、すなわち、試料面28aのZ位置(Z1,Z2,Z3)に対応する。
なお、このZセンサ26には、Zセンサ制御ユニット47(図1)が接続されている。このZセンサ制御ユニット47は、Zセンサ26を駆動すると共に、2分割ディテクタ54からの差信号を取得し、この差信号に基づいて、試料面28aのZ位置に応じたZ位置信号をCPU43に出力する。
【0035】
CPU43は、試料面28aのZ位置の基準値を記憶している。このため、CPU43では、Zセンサ制御ユニット47からのZ位置信号に基づいて、検出された試料面28aのZ位置と基準値との差を求め、試料面28aの高さΔZを検出する。
なお、ディテクタ54として、2分割ディテクタを示したが、これに限るものではなく、4分割ディテクタを用いたものでもよい。また、出射光を複数化して多点で計測する多点AF系を用い、試料面28aのZ位置と傾斜とを検出するようにしてもよい。
【0036】
〔二次コラム〕
二次コラム22の内部には、図1に示されるように、試料28から発生する二次ビーム(後述する)の光軸上に、カソードレンズ29、ニューメニカルアパーチャ30、ウィーンフィルタ31、第2レンズ32、フィールドアパーチャ33、第3レンズ34、第4レンズ35および検出器37が配置される。
【0037】
このうちカソードレンズ29は、例えば図5に示されるように、3枚の電極29a,29b,29cにて構成される。この場合、カソードレンズ29の下(試料28側)から1つ目の電極29aと2つ目の電極29bとに電圧VCLが印加され、3番目の電極29cはゼロ電位に設定される
【0038】
なお、このカソードレンズ29には、電極29a,29bへの印加電圧VCLを制御するカソードレンズ制御ユニット50(図1)が接続されている。
また、ニューメニカルアパーチャ30は、開口絞りに相当するもので、上記カソードレンズ29の開口角を決定する。その形状は、円形の穴が開いた金属製(Mo等)の薄膜板である。
【0039】
このニューメニカルアパーチャ30は、その開口部がカソードレンズ29の焦点位置になるように配置されている。このため、ニューメニカルアパーチャ30とカソードレンズ29とは、テレセントリックな電子光学系を構成している。
ウィーンフィルタ31は、電磁プリズムとして作用する偏向器であり、ウィーン条件(E=vB。なお、vは荷電粒子の速度、Eは電界、Bは磁界を表し、E⊥Bである。)を満たす荷電粒子(例えば二次ビーム)のみを直進させ、それ以外の荷電粒子(例えば一次ビーム)の軌道を曲げることができる。
【0040】
第2レンズ32,第3レンズ34,第4レンズ35はすべて、ユニポテンシャルレンズまたはアインツェルレンズと呼ばれる回転軸対称型のレンズであり、それぞれ3枚の電極で構成されている(図7参照)。各レンズは通常、外側の2つの電極をゼロ電位とし、中央の電極に印加する電圧を変えることでレンズ作用が制御される。
【0041】
また、第2レンズ32と第3レンズ34との間には、フィールドアパーチャ33が配置されている。このフィールドアパーチャ33は、光学顕微鏡の視野絞りと同様、視野を必要範囲に制限する。
また、検出器37(図1)は、電子を加速増倍するMCP(マイクロチャネルプレート)38と、電子像を光学像に変換する蛍光面39および不図示の光学リレーレンズを有するFOP(ファイバオプティックプレート)40と、光学像を撮像するCCDカメラ41とから構成される。
【0042】
因みに、FOP40の光学リレーレンズは、蛍光面39での光学像を約1/3に縮小してCCDカメラ41の撮像面に投影する。なお、FOP40は、ファイバオプティックプレートに限るものではなく、光学リレーレンズ系であればよい。
また、CCDカメラ41は、撮像した光学像に基づく信号電荷を、例えば1/30秒おきに読み出す。
【0043】
なお、この検出器37には、画像処理ユニット42が接続されている。この画像処理ユニット42は、CCDカメラ41からの信号電荷をA/D変換したのち、内部のVRAMに格納して画像情報を作成し、CPU43に出力する。
さらに、二次コラム22には、上記の第2レンズ32,第3レンズ34,第4レンズ35の各レンズ電圧を制御すると共に、ウィーンフィルタ31に印加する電磁界を制御する二次コラム制御ユニット46が接続されている。
【0044】
これら二次コラム制御ユニット46,画像処理ユニット42,カソードレンズ制御ユニット50は、CPU43に接続されている。
なお、CPU43には、CRT44が接続されている。CPU43は、画像処理ユニット42から出力される画像情報に基づいて、CRT44に画像を表示させる。また、CPU43は、画像情報をメモリに転送する。
【0045】
次に、上記のように構成された検査装置10における一次ビームおよび二次ビームの軌道などについて順に説明する。
〔一次ビーム〕
図5に示されるように、電子銃24からの一次ビームは、一次光学系25のレンズ作用を受けながらウィーンフィルタ31の中心部に斜めに入射する。なお、図5には、矩形陰極のX方向断面に放出された電子の軌道とY方向断面に放出された電子の軌道とが示されている。
【0046】
ウィーンフィルタ31に入射した一次ビームは、ウィーンフィルタ31の偏向作用により軌道が曲げられ、ニューメニカルアパーチャ30の開口部に到達する。ここで、一次光学系25のレンズ電圧の設定により、一次ビームはニューメニカルアパーチャ30の開口部で結像するようになっている。
ニューメニカルアパーチャ30の開口部で結像した一次ビームは、カソードレンズ29を介して、試料面28aに照射される。ここで、ニューメニカルアパーチャ30とカソードレンズ29とはテレセントリックな電子光学系を構成しているため、カソードレンズ29を通過した一次ビームは平行ビームとなる。その結果、試料面28aには一次ビームが垂直かつ均一に照射される。すなわち、光学顕微鏡で云うケーラー照明が実現される。
【0047】
また、試料28を載置するステージ27には上記のリターディング電圧Vrが印加されているため、カソードレンズ29の電極29aと試料28との間には、一次ビームに対して負の電界が形成される。したがって、カソードレンズ29を通過した一次ビームは、試料面28aに到達するまでに減速される。このため、試料28の破壊が防止される。
【0048】
なお、検査装置10内に散乱する不要な電子ビームは、ニューメニカルアパーチャ30によって試料面28aに到達することが阻止される。このため、試料28のコンタミネーションが防止される。
ところで、試料面28aにおける一次ビームの照射領域24Aは、一次光学系25へのレンズ電圧を制御することにより整形され、図6に示されるように、例えば矩形状とされている。
【0049】
このように、検査装置10のステージ27に載置された試料28には、面状の一次ビームが照射される。なお、一次ビームの照射領域24A内に位置する試料28には、その表面層の導通状態、および一次ビームの加速電圧Vacに応じてチャージアップ(帯電)が発生する(詳細は後述する)。
また、この照射領域24A内に位置する試料28には、上記したZセンサ26の発光素子51からの出射光が入射するようになっている。これにより、照射領域24A内での試料面28aの高さ変動ΔZが、Zセンサ26からの出力に基づいて検出される。
【0050】
〔二次ビーム〕
試料28に一次ビームが照射されると、その照射領域24A内の試料28から、二次電子、反射電子、または後方散乱電子のうち、少なくとも1種からなる二次ビームが発生する(図7)。
この二次ビームは、照射領域24Aの二次元画像情報を有する。なお、上記のように一次ビームが試料面28aに対して垂直に照射されたので、二次ビームは影のない鮮明な像を有することになる。
【0051】
ここで、試料28を載置するステージ27にはリターディング電圧Vrが印加されているため、試料28とカソードレンズ29の電極29aとの間には、二次ビームに対して正の電界が形成される。したがって、試料28から発生した二次ビームは、カソードレンズ29に向けて加速される。
【0052】
そして、二次ビームは、カソードレンズ29によって集束作用を受け、ニューメニカルアパーチャ30を通過すると共に、ウィーンフィルタ31の偏向作用も受けずにそのまま直進し、第2レンズ32を介してフィールドアパーチャ33面(以下「基準面33a」という)に結像する
【0053】
なお、ウィーンフィルタ31に印加する電磁界を変えることで、二次ビームから、特定のエネルギー帯を持つ電子(例えば二次電子、反射電子、または後方散乱電子)のみを選択して通過させることができる。
そして、フィールドアパーチャ33を通過した二次ビームは、後段に配置された第3レンズ34と第4レンズ35とによって集束や発散を繰り返し、検出器37の検出面に再結像される。
【0054】
このように、試料28から発生した二次ビームは、カソードレンズ29と第2レンズ32とにより1回結像し、その後、第3レンズ34と第4レンズ35とにより1回ずつ結像する(合計3回結像)。なお、第3レンズ34と第4レンズ35とを合わせて1回の結像を行わせるようにしてもよい(合計2回結像)。
上記のように、試料28から発生した二次ビームの結像を、カソードレンズ29だけで行うのではなく、第2レンズ32と合わせて行うことにより、レンズ収差の発生を抑えることができる。
【0055】
また、フィールドアパーチャ33は、後段の第3レンズ34および第4レンズ35と共に、不要な二次ビームを遮断して、検出器37のチャージアップやコンタミネーションを防いでいる。ニューメニカルアパーチャ30は、二次ビームに対しては、後段の第2レンズ32〜第4レンズ35のレンズ収差を抑える役割を果たしている。
【0056】
このように、試料28から発生して検出器37の検出面に再結像した二次ビームは、検出器37内のMCP38を通過する際に加速増倍され、蛍光面39で光に変換される。そして、蛍光面39からの光は、FOP40を介してCCDカメラ41の撮像面に結像する。
なお、第3レンズ34,第4レンズ35は、基準面33aに得られた中間像を拡大投影するためのレンズである。したがって、試料面28aでの照射領域24Aの二次元像は、検出器37の検出面に拡大投影される。
【0057】
また、検出器37の検出面に投影された照射領域24Aの二次元像(二次ビームの像)は、蛍光面39において光学像に変換されたのち、FOP40を介してCCDカメラ41の撮像面にそのまま投影される。そして、この投影像は、上記の画像処理ユニット42,CPU43(図1)を介して、CRT44に画像表示される。
【0058】
ところで、上記の検査装置10において、試料28から発生した二次ビーム(図7)が基準面33aに結像するか否かは、試料28とカソードレンズ29との間の電位差Vscで決まる。この電位差Vscがある一定値Vsc0に保たれているとき、試料28からの二次ビームが基準面33aに結像するとする。したがって、電位差Vscが一定値Vsc0から外れると、試料28からの二次ビームは基準面33aに結像しない。
【0059】
なお、この電位差Vscに関わる装置パラメータは、カソードレンズ29への印加電圧VCLと、試料面28aからカソードレンズ29の下端部(試料28側の端部)29dまでの距離WDとである。これら印加電圧VCLと距離WDとの組み合わせは、請求項の「結像条件」に対応する。
また、電位差Vscには、上記の装置パラメータ(印加電圧VCL,距離WD)の他、試料28の表面層のチャージアップ状態も関係するが、詳細は後述する。
【0060】
因みに、上記の装置パラメータのうち、距離WDが変化した場合、この距離WDの変化に基づく電位差Vscの変化分は、カソードレンズ29への印加電圧VCLの調整によって補正することができる。
【0061】
したがって、試料28の表面層のチャージアップ状態が一定の場合には、距離WDが変化しても、印加電圧VCLを調整することによって電位差Vscを一定値Vsc0に保ち、試料28からの二次ビームを基準面33aに結像させることができる。
このようなフォーカス制御のため、CPU43には、距離WDの変化量に対する印加電圧VCLの調整量が、制御テーブルとして予め与えられている。制御テーブルは、印加電圧VCLを変化させても、撮影倍率が変わらないようなレンズ条件に設定することが好ましい。
【0062】
なお、距離WDの変化は、ステージ27のXY移動時に、試料面28aの高さ変動ΔZが生じたときに起こる。また、試料面28aの高さ変動ΔZは、試料28自体の反りやうねり、試料28をステージ27に取り付けたときに生じる傾き、ステージ27自体の傾き、またはステージ27の上下動などに起因する。
上記のCPU43は、Zセンサ制御ユニット47からの出力(Z位置信号)に基づいて、試料面28aの高さ変動ΔZを検出したのち、距離WDの変化量を求め、上記の制御テーブルに基づいて印加電圧VCLの調整量を設定して、カソードレンズ制御ユニット50に印加電圧信号を出力する。
【0063】
次に、上記の検査装置10(図1〜図7)を用い、試料28の表面層を検査する方法について、検査対象となる試料28の具体例を2通り挙げて説明する。
本実施形態の検査方法は、一次ビームの照射によって試料28の表面層に発生するチャージアップ状態に応じて、試料28からの二次ビームを基準面33aに結像させるための装置パラメータ(印加電圧VCL,距離WD)が異なると共に、このチャージアップ状態が試料28の表面層の導通状態に対応することを利用するものである。この検査方法によれば、試料28の表面層に形成された導通部と絶縁部とを判別することができる。
【0064】
ここで、検査対象となる1つ目の試料28について説明する。図8に示されるように、試料28は、多数(図8では10個)のコンタクトホール63,63,…が形成されたものである。
これら多数のコンタクトホール63,63,…は、周知のフォトリソグラフィーとエッチング処理とを用い、図9に示されるシリコン(Si)基板61上の絶縁層62(例えばSiO2層)に一括形成される。
【0065】
このため、コンタクトホール63,63,…の中には、図10(a)に示されるように、絶縁層62が完全に取り除かれ、絶縁層62を貫通してSi基板61が露出した正常なコンタクトホール63aだけでなく、図10(b)に示されるように、底部に取り除くべき絶縁層62の一部が残留してしまった欠陥コンタクトホール63bも含まれる。
【0066】
正常なコンタクトホール63a(図10(a))のSi基板61が露出した底部を「露出部61a」という。欠陥コンタクトホール63b(図10(b))の底部に残留した絶縁層62の一部を「残余部62a」という。
そこで、試料28の絶縁層62に形成された多数のコンタクトホール63,63,…を検査するに当たり、試料28に一次ビームを照射する。このとき、一次ビームの加速電圧Vacを、試料28の絶縁層62がチャージアップしやすい値に設定することが好ましい。
【0067】
一次ビームの照射時、正常なコンタクトホール63aは、図11(a)に示されるように、チャージアップしない。これは、底部が露出部61a(すなわち導通部)だからである。
一方、欠陥コンタクトホール63bは、一次ビームの照射時、図11(b)に示されるように、チャージアップする。これは、底部が残余部62a(すなわち絶縁部)だからである。
【0068】
ここで、一次ビームの照射領域24Aの中に、チャージアップしてない正常なコンタクトホール63a(露出部61a)と、チャージアップしている欠陥コンタクトホール63b(残余部62a)とが、混在しているとする。
このとき、照射領域24A内の試料28とカソードレンズ29との間の電位差Vscは、照射領域24A内の試料28のチャージアップ状態に応じて部分的に変化することになる。すなわち、残余部62aとカソードレンズ29との間の電位差Vscが、露出部61aとカソードレンズ29との間の電位差Vscから、チャージアップした分ΔVscだけずれることになる。
【0069】
したがって、上記した装置パラメータ(印加電圧VCL,距離WD)の設定を、露出部61aとカソードレンズ29との間の電位差Vscが一定値Vsc0に保たれるようにした場合(例えば印加電圧VCL=VCL1,距離WD=WD1)、残余部62aとカソードレンズ29との間の電位差Vscは一定値Vsc0から外れることになる。
【0070】
このとき、図12に示されるように、試料28の露出部61aから発生した二次ビームは基準面33aに結像するが、残余部62aからの二次ビームは基準面33aに結像しない。その結果、CRT44には、露出部61a(正常なコンタクトホール63a)に対応する画像のみが鮮明に表示される。図14に、露出部61a(正常なコンタクトホール63a)に対応する画像の例を示す。
【0071】
一方、装置パラメータ(印加電圧VCL,距離WD)の設定を変更し、残余部62aとカソードレンズ29との間の電位差Vscが一定値Vsc0に保たれるようにした場合(例えば印加電圧VCL=VCL2(≠VCL1),距離WD=WD1)、露出部61aとカソードレンズ29との間の電位差Vscは一定値Vsc0から外れることになる。
【0072】
このとき、図13に示されるように、試料28の残余部62aから発生した二次ビームは基準面33aに結像するが、露出部61aからの二次ビームは基準面33aに結像しない。その結果、CRT44には、残余部62a(欠陥コンタクトホール63b)に対応する画像のみが鮮明に表示される。図15に、残余部62a(欠陥コンタクトホール63b)に対応する画像の例を示す。
【0073】
因みに、露出部61a(正常なコンタクトホール63a)の画像が鮮明に表示されるときの装置パラメータ(印加電圧VCL1,距離WD1)と、残余部62a(欠陥コンタクトホール63b)の画像が鮮明に表示されるときの装置パラメータ(印加電圧VCL2,距離WD1)との違いは、上記した残余部62aのチャージアップ分に基づく電位差VscのずれΔVscに相当する。
【0074】
このように、本実施形態の検査方法によれば、チャージアップしていない露出部61a(正常なコンタクトホール63a)の鮮明な画像(例えば図14)と、チャージアップしている残余部62a(欠陥コンタクトホール63b)の鮮明な画像(例えば図15)とを、装置パラメータ(印加電圧VCL,距離WD)の設定変更により、別々に表示させることができる。
【0075】
その結果、試料28(図8)に形成された多数のコンタクトホール63,63,…の中で、正常なコンタクトホール63a(図10(a))と、欠陥コンタクトホール63b(図10(b))とを区別することができる。
また、照射領域24A内に位置する試料28の中に存在する露出部61a(正常なコンタクトホール63a)の画像、または残余部62a(欠陥コンタクトホール63b)の画像を、一括して取り込むことができるため、試料28のコンタクトホール検査を非破壊で高速に行うことができる。
【0076】
さらに、本実施形態の検査方法によれば、上記したZセンサ26からの出力に基づいて試料面28aの高さ変動ΔZを常に管理しながら、ステージ27をXY移動させることによって、試料28の複数の領域65A,65B,…(図16)から順次、上記した露出部61a(正常なコンタクトホール63a)に対応する画像のみ、または残余部62a(欠陥コンタクトホール63b)に対応する画像のみを取り込むことができる。
【0077】
例えば、初めに試料28の領域65Aを照射領域24A内に位置させて、装置パラメータを印加電圧VCL=VCL1,距離WD=WD1に設定し、領域65Aの中に存在する露出部61a(正常なコンタクトホール63a)の画像を取り込んだとする(図12の状態)。このとき、露出部61aとカソードレンズ29との間の電位差Vscが一定値Vsc0に保たれる。なお、領域65Aの中に残余部62a(欠陥コンタクトホール63b)が存在していても、その画像を取り込むことはできない。
【0078】
そして、その後、ステージ27のXY移動により照射領域24A内に領域65B(図16)を位置させたときに、試料面28aの高さ変動ΔZが生じて、距離WDがWD1から変化してしまったとする(図17(a),図18(a)の状態)。この場合、印加電圧VCL=VCL1に変化がなくても、距離WDの変化に基づく電位差Vscの変化分が発生するので、露出部61aとカソードレンズ29との間の電位差Vscは一定値Vsc0から外れてしまい、露出部61aからの二次ビームは基準面33aに結像しなくなる。その結果、領域65B内に露出部61a(正常なコンタクトホール63a)が存在していても、その画像を取り込むことはできなくなる。
【0079】
しかしながら、上記の検査装置10では、試料面28aの高さ変動ΔZによって距離WDが変化しても、この距離WDの変化に基づく電位差Vscの変化分は、印加電圧VCLの調整によって補正することができる。
このため、試料面28aの高さ変動ΔZが生じた場合でも、露出部61aとカソードレンズ29との間の電位差Vscを一定値Vsc0に保つことができる。このとき、露出部61aからの二次ビームは、図17(b),図18(b)に示されるように、基準面33aに結像することになる。
【0080】
したがって、領域65B(図16)においても、領域65Aのときと同様に、露出部61a(正常なコンタクトホール63a)の鮮明画像を取り込むことができる。
【0081】
このように、本実施形態の検査方法によれば、試料面28aの高さ変動ΔZを管理し、距離WDの変化に基づく電位差Vscの変化分を補正しながら、試料28の複数の領域65A,65B,…(図16)を順次、照射領域24A内に位置させる(すなわち面状の一次ビームで試料面28a上を走査する)ことにより、試料28上の所定パターンが形成されたダイ65を全面にわたってコンタクトホール検査することができる。
【0082】
その結果、ダイ65の中に存在する露出部61a(正常なコンタクトホール63a)全ての鮮明画像を取り込むことができる。
なお、残余部62a(欠陥コンタクトホール63b)についても同様に、試料面28aの高さ変動ΔZを管理しながら一次ビームで試料面28a上を走査することにより、ダイ65の中に存在する全ての残余部62a(欠陥コンタクトホール63b)の鮮明画像を取り込むことができる。
【0083】
このときの装置パラメータ(印加電圧VCL,距離WD)の設定は、上記した露出部61a(正常なコンタクトホール63a)の画像取り込み時の装置パラメータ(印加電圧VCL,距離WD)とは、欠陥コンタクトホール63bの残余部62aのチャージアップ分に基づく電位差VscのずれΔVscだけ異なっている。
また、本実施形態の検査方法では、面状の一次ビームで試料面28a上を走査するため、ダイ65の全面検査(画像取り込み)を高スループットで行える。
【0084】
ここで、試料28の上には通常、同じパターンが形成された複数のダイ65,65,…が配列されている(図19)。
本実施形態の検査方法によれば、これら複数のダイ65,65,…の全面検査も高スループットで行うことができ、試料28を全面にわたってコンタクトホール検査できる。
【0085】
その結果得られる試料28全面に対する露出部61a(正常なコンタクトホール63a)の画像、または残余部62a(欠陥コンタクトホール63b)の画像は、コンタクトホール形成時のオーバエッチング量を適切に設定する上で、非常に有効な情報となる。
さらに、実際の試料28では、各ダイ65の中に存在する多数のコンタクトホール63,63,…のうち、正常なコンタクトホール63aの数の方が、欠陥コンタクトホール63bの数よりも圧倒的に多い。
【0086】
したがって、装置パラメータ(印加電圧VCL,距離WD)の設定変更によって、取り込んだ2つの鮮明画像のうち、どちらが正常なコンタクトホール63aの画像か、欠陥コンタクトホール63bの画像かを推測することができる。
さらに、試料面28aの高さ変動ΔZを管理しながら一次ビームで試料面28a上を走査し、取り込んだ複数のダイ65,65,…の画像を比較することにより、テンプレート画像と比較しなくても、画像の共通部分が正常なコンタクトホール63aであり、共通してない部分が欠陥コンタクトホール63bであると推測できる。
【0087】
次に、検査対象となる2つ目の試料28について説明する。図20に示されるように、2つ目の試料28は、多数(図20では10個)のビアホール74,74,…が形成されたものである。
これら多数のビアホール74,74,…は、周知のフォトリソグラフィーとエッチング処理とを用い、図21に示されるバリア層72(例えばTiN層)上の絶縁層73(例えばSiO2層)に一括形成される。バリア層72は、エッチング処理時に下地配線層71の材料(例えばアルミ)がビアホール74の内壁に付着することを防ぐために、下地配線層71の上に積層されたものである。
【0088】
したがって、このようなビアホール74の形成時には、下地配線層71が露出しないようにバリア層72を残した状態でエッチング処理を終了しなければならない。
【0089】
しかし、多数のビアホール74,74,…の中には、図22(a)に示されるように、絶縁層73が完全に取り除かれ、絶縁層73を貫通してバリア層72が露出した正常なビアホール74aだけでなく、図22(b)に示されるように、残すべきバリア層72が底部から取り除かれてしまった欠陥ビアホール74bも含まれる。
【0090】
正常なビアホール74a(図22(a))の底部に残されたバリア層72を「残余部72a」という。欠陥ビアホール74b(図22(b))の下地配線層71が露出した底部を「露出部71a」という。
そこで、試料28の絶縁層73に形成された多数のビアホール74,74,…を検査するに当たり、試料28に一次ビームを照射する。このとき、一次ビームの加速電圧Vacを、試料28のバリア層72がチャージアップしやすい値に設定することが好ましい。
【0091】
一次ビームの照射時、正常なビアホール74aは、図23(a)に示されるように、チャージアップする。これは、底部が残余部72a(すなわち絶縁部)だからである。
一方、欠陥ビアホール74bは、一次ビームの照射時、図23(b)に示されるように、チャージアップしない。これは、底部が露出部71a(すなわち導通部)だからである。
【0092】
したがって、上述したコンタクトホール63の場合と同様に、装置パラメータ(印加電圧VCL,距離WD)の設定を変更することにより、チャージアップしている残余部72a(正常なビアホール74a)の画像と、チャージアップしていない露出部71a(欠陥ビアホール74b)の画像とを、別々に取り込むことができる。
【0093】
その結果、試料28(図20)に形成された多数のビアホール74,74,…の中で、正常なビアホール74a(図22(a))と、欠陥ビアホール74b(図22(b))とを区別することができる。すなわち、ビアホール74,74,…の底部の材料を検査できる。
また、残余部72a(正常なビアホール74a)の画像、または露出部71a(欠陥ビアホール74b)の画像を、一括して取り込むことができるため、試料28のビアホール検査を非破壊で高速に行うことができる。
【0094】
さらに、Zセンサ26からの出力によって試料面28aの高さ変動ΔZを常時管理し、一次ビームで試料面28a上を走査することにより、試料28のダイから、チャージアップしている残余部72a(正常なビアホール74a)の画像、またはチャージアップしていない露出部71a(欠陥ビアホール74b)の画像を取り込むこともできる。
【0095】
また、試料28の複数のダイの全面検査も高スループットで行うことができ、試料28を全面にわたってビアホール検査できる。
その結果得られる試料28全面に対する残余部72a(正常なビアホール74a)の画像、または露出部71a(欠陥ビアホール74b)の画像は、ビアホール形成時のオーバエッチング量を適切に設定する上で、非常に有効な情報となる。
【0096】
なお、上述した実施形態では、欠陥コンタクトホール63bの残余部62a(図11)、および正常ビアホール74aの残余部72a(図23)が、マイナスの電荷にチャージアップする例を示したが、その極性は一次ビームのエネルギー(加速電圧Vac)に応じて変化し、プラスの電荷にチャージアップすることもあり得る。本実施形態の検査方法は、チャージアップの極性に関わらず実行することができる。
【0097】
さらに、上述した実施形態では、エッチング処理の終了後、コンタクトホール63やビアホール74を検査する場合を例に説明したが、コンタクトホール63やビアホール74にタングステンを充填した後でも同様に検査することができる。
【0098】
また、上述した実施形態では、試料面28aの高さ変動ΔZによって距離WDが変化したとき、この距離WDの変化に基づく電位差Vscの変化分を、印加電圧VCLの調整によって補正する例を説明したが、ステージ27をZ方向に駆動して試料面28aの高さを元に戻すことにより、電位差Vscの変化分を補正することもできる。
【0099】
さらに、上述した実施形態では、距離WDの変化に基づく電位差Vscの変化分を、カソードレンズ29への印加電圧VCLを調整することで補正する例を説明したが、第2レンズ32への印加電圧も合わせて調整に用いても構わない。また、第2レンズ32への印加電圧だけを調整しても、電位差Vscの変化分を補正することができる。
【0100】
さらに、上述した実施形態では、一次ビームの照射領域24Aを固定し、ステージ27を駆動することにより、一次ビームを試料面28a上で走査させる例を説明したが、この構成に限らない。例えば、一次コラム21内の一次ビームの光軸上に偏向器を配置し、この偏向器への印加電圧を制御することにより、一次ビームの軌道を偏向させることが可能な装置であれば、照射領域24Aを試料面28a上で移動させて、ステージ27を停止させておくことにより、一次ビームを試料面28a上で走査させることができる。
【0101】
また、上述した実施形態では、斜入射式のZセンサ26を用い、照射領域24Aと高さ変動ΔZの検出箇所とを一致させたが、照射領域24Aと高さ変動ΔZの検出箇所とが一致しないZセンサ(例えばTTL検出方式)を用いて試料面28aの高さ変動ΔZを常時管理することもできる。
さらに、電子ビームによる試料の検出前に、試料全面に対して高さ変動の検出を行い、試料全面のフォーカス制御量マップを予め作成してもよい。また、例えば、このとき電子ビーム軸に隣接する位置に光学顕微鏡を配置して、この光学顕微鏡によって試料の高さ変動を検出してもよい。また、高さ変動の検出は、まず大まかに試料の数箇所について高さ変動を検出し、それ以外のデータ空白箇所については補間処理で補ってもよい。
【0102】
また、上述した実施形態では、CPU43に予め与えた制御テーブルを用いてフォーカス制御を行う例を説明したが、それに限定されず、CPU43が逐一、距離WDの変化量に対する印加電圧VCLの調整量を算出してもよい。
さらに、上述した実施形態では、一次コラム21の電子光学系(一次光学系25)と二次コラム22の電子光学系(第2レンズなど)とを、ウィーンフィルタ31で接合する例を挙げたが、独立に構成したものについても本発明の検査方法を適用できる。
【0103】
【発明の効果】
以上説明したように、発明によれば、二次ビームの結像条件を選択的に設定するだけで、簡単かつ高速に試料の表面層を非破壊検査することができる。したがって、試料の表面層の検査を全面にわたって行うことができ、製造プロセスに対して非常に有用な検査結果をフィードバックすることが可能となる。その結果、集積回路の微細化に伴うデバイス構造の高層化によりプロセスマージンが少なくなっても、適切なプロセス条件の設定を確実に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施形態の検査装置10の構成を示す図である。
【図2】一次光学系25の構成を示す図である。
【図3】Zセンサ26を説明する図である。
【図4】Zセンサ26を説明する図である。
【図5】一次ビームの軌道を示す図である。
【図6】一次ビームの照射領域24Aを説明する図である。
【図7】二次ビームの軌道を示す図である。
【図8】1つ目の試料28を説明する平面図である。
【図9】1つ目の試料28を説明する断面図である。
【図10】試料28に形成されたコンタクトホールを説明する断面図である。
【図11】試料28に形成されたコンタクトホールのチャージアップ状態を説明する断面図である。
【図12】試料28から発生した二次ビームの結像状態を説明する図である。
【図13】試料28から発生した二次ビームの結像状態を説明する図である。
【図14】取り込まれた画像の例を示す図である。
【図15】取り込まれた画像の例を示す図である。
【図16】試料28の複数の検査を示す図である。
【図17】試料28から発生した二次ビームの結像状態を説明する図である。
【図18】試料28から発生した二次ビームの結像状態を説明する図である。
【図19】試料28の複数のダイを示す図である。
【図20】2つ目の試料28を説明する平面図である。
【図21】2つ目の試料28を説明する断面図である。
【図22】試料28に形成されたビアホールを説明する断面図である。
【図23】試料28に形成されたビアホールのチャージアップ状態を説明する断面図である。
【符号の説明】
10 検査装置
21 一次コラム
22 二次コラム
23 チャンバー
24 電子銃
25 一次光学系
26 Zセンサ
27 ステージ
28 試料
29 カソードレンズ
30 ニューメニカルアパーチャ
31 ウィーンフィルタ
32 第2レンズ
33 フィールドアパーチャ
33a 基準面
34 第3レンズ
35 第4レンズ
37 検出器
38 MCP
39 蛍光面
40 FOP
41 CCDカメラ
42 画像処理ユニット
43 CPU
44 CRT
45 一次コラム制御ユニット
46 二次コラム制御ユニット
47 Zセンサ制御ユニット
49 ステージ制御ユニット
50 カソードレンズ制御ユニット
51 発光素子
52 コリメータレンズ
53 集光レンズ
54 2分割ディテクタ
61 シリコン基板
62,73 絶縁層
63 コンタクトホール
71 下地配線層
72 バリア層
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an inspection method for inspecting a surface layer of a sample using an electron beam, and more particularly to an inspection method for inspecting a surface layer of a sample on which an integrated circuit is formed.
[0002]
[Prior art]
As is well known, an integrated circuit is formed on a single semiconductor substrate in a state where a large number of circuit elements are interconnected. In such an integrated circuit, a contact hole for connecting the diffusion region of the semiconductor substrate and the wiring layer and a number of via holes for connecting the wiring layers of the multilayer wiring are formed in the insulating layer on the semiconductor substrate. Has been. These contact holes and via holes are usually formed in the insulating layer using well-known photolithography and etching processes.
[0003]
For example, when forming the contact hole, it is desirable that the etching process be terminated when the insulating layer is completely removed and the semiconductor substrate is exposed through the insulating layer.
However, since the etching process is simultaneously performed on a large number of contact holes, in some contact holes, a part of the insulating layer to be removed may remain at the bottom, and the semiconductor substrate may not be completely exposed.
[0004]
An integrated circuit having such a defective contact hole is a defective product that does not operate normally.
Conventionally, in order to inspect a large number of contact holes formed in an insulating layer on a semiconductor substrate, cross-sectional observation by destructive inspection and surface observation by a scanning electron microscope (SEM) have been performed.
[0005]
According to SEM, it is possible to selectively capture only images of normal contact holes that are completely open to the bottom among the contact holes formed in the insulating layer. Furthermore, a defective contact hole can be determined by comparing the captured image with a template image.
[0006]
Surface observation by SEM utilizes the fact that the charge-up state during electron beam irradiation differs between a normal contact hole and a defective contact hole, and the amount of secondary electrons emitted from the sample varies depending on the charge-up state. .
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in order to reduce the opening defect at the time of forming the contact hole, it can be considered to increase the amount of over-etching in the etching process. However, overetching damages the semiconductor substrate.
[0008]
For this reason, it is desirable that the overetching amount be set to a value that can completely open as many contact holes as possible and that can minimize damage to the semiconductor substrate.
When setting an appropriate overetching amount, among the many contact holes formed with a certain amount of overetching, it is inspected over the entire surface whether it is a normal contact hole that is completely open to the bottom, and this inspection result is used in the manufacturing process. It is necessary to provide feedback.
[0009]
However, in the conventional cross-sectional observation described above, since the sample must be destroyed, the inspection efficiency is poor, and a full inspection of the sample cannot be expected.
In the surface observation by the SEM, the diameter of the electron beam irradiated from the electron gun is sufficiently narrowed down by the electron optical system, and the surface of the sample is scanned with the spot-focused electron beam. There is a problem that the throughput is slow to do.
[0010]
Therefore, in the present situation, it is only possible to inspect whether or not the contact hole is completely opened to the bottom.
On the other hand, in the case of a via hole formed in an insulating layer on a semiconductor substrate, a barrier layer (e.g., on the underlying wiring layer is prevented in order to prevent the material (e.g., aluminum) of the underlying wiring layer from adhering to the inner wall of the via hole during the etching process. TiN) is often laminated.
[0011]
Therefore, when such a via hole is formed, the etching process must be completed with the barrier layer left so that the underlying wiring layer is not exposed.
For this reason, after the etching process is finished, there is a demand to inspect whether a barrier layer to be left at the bottom of a large number of via holes remains properly or whether the underlying wiring layer is exposed by removing the barrier layer.
[0012]
However, in the surface observation by the SEM described above, it cannot be distinguished whether the bottom of the via hole is a barrier layer or a base wiring layer. At present, there is no device that can handle the material inspection of the bottom of the via hole.
An object of the present invention is to provide an inspection method capable of non-destructively inspecting a surface layer of a sample on which an integrated circuit is formed using an electron beam.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
  BookInventionOne aspectIs an inspection method for inspecting a surface layer of a sample, and includes a step of irradiating the sample with a planar electron beam, and a step of imaging a secondary beam generated from the sample on a predetermined surface, Based on the fact that the imaging conditions for imaging the secondary beam on the predetermined surface differ depending on the charged state of the surface layer by irradiation of the electron beam, and the charged state corresponds to the physical characteristics of the surface layer. In this case, at least one of the structure and the material is discriminated.
[0014]
  in this way,In one embodiment of the present inventionThen, the electron beam is shaped into a plane and irradiated onto the sample. At this time, the surface layer of the sample in the irradiation region is in the same charged state for each portion having common physical characteristics. Since the imaging condition of the secondary beam varies depending on the charged state of the surface layer, when the imaging condition is set so that the secondary beam generated from a part of a certain physical characteristic A forms an image on a predetermined surface, another physical characteristic The secondary beam generated from the portion B does not form an image on a predetermined plane.
[0015]
That is, only the secondary beam from the portion having the common physical characteristics of the surface layer can be selectively imaged on the predetermined surface. Further, by changing the setting of the imaging condition, the secondary beam that forms an image on the predetermined surface can be switched to one generated from another physical characteristic portion of the surface layer. As a result, at least one of the structure and material of the surface layer can be determined.
[0016]
  Furthermore, since a two-dimensional image corresponding to a portion having a common physical property of the sample in the irradiation area is projected as it is onto a predetermined surface, the portion having the same physical property is scanned without scanning the sample surface with an electron beam. Corresponding two-dimensional images can be captured at once. Therefore,One embodiment of the present inventionAccording to the method, the surface layer of the sample can be inspected at high speed without destruction.
[0021]
  One embodiment of the present inventionIsBy detecting the height variation of the sample and changing the voltage applied to the electron optical system that forms an image of the secondary beam on a predetermined surface according to the height variation, the imaging state of the electron optical system is changed. And a maintaining step.
  Thus, according to one aspect of the invention,Even if the sample height fluctuates, imagingStatusCan be kept constant. Therefore, even when the sample itself is warped or undulated, a two-dimensional image corresponding to a portion having a common physical property (conduction state) of the surface layer can be selectively captured sequentially from a plurality of regions of the sample. It becomes possible to inspect the entire surface layer.
[0022]
  According to one embodiment of the present invention,An apparatus used for realizing the inspection method can be configured easily and inexpensively.
[0023]
  In addition, since the above two-dimensional image can be selectively captured sequentially from a plurality of regions of the sample while moving the sample in a plane orthogonal to the height direction, it is possible to enhance the entire surface inspection of the sample. Can be done with throughput.
One embodiment of the present invention includesThere are a step of capturing an image based on a secondary beam imaged on a predetermined surface, and a step of comparing each captured image with respect to a plurality of regions in the sample where the same pattern is formed.May.
[0024]
  in this way,One embodiment of the present inventionThen, it is possible to infer good / bad pattern formation only by comparing a plurality of captured images with each other and without comparing with a template image.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0026]
  Figure1 is a configuration diagram of an inspection apparatus 10 used for realizing the inspection method of the present embodiment.
  The inspection apparatus 10 includes a primary column 21, a secondary column 22, and a chamber 23. Of these, the primary column 21 is attached obliquely to the side surface of the secondary column 22. A chamber 23 is attached to the lower part of the secondary column 22.
[0027]
The primary column 21, the secondary column 22, and the chamber 23 are connected to an evacuation system (not shown), and are evacuated by a turbo pump of the evacuation system to maintain an internal vacuum state.
Here, the configuration of the primary column 21, the secondary column 22, and the chamber 23 will be described.
[0028]
[Primary column]
An electron gun 24 that accelerates and emits electrons is arranged inside the primary column 21. The cathode of the electron gun 24 is a lanthanum hexabolite (LaB) that can extract a large current with a rectangular cathode.6) Is used.
[0029]
In addition, a primary optical system 25 having a three-stage configuration is disposed inside the primary column 21 on the optical axis of an electron beam (hereinafter referred to as “primary beam”) emitted from the electron gun 24. Each stage of the primary optical system 25 is configured by a quadrupole (or octupole) electrostatic lens (or electromagnetic lens) that is asymmetric about the rotation axis.
For example, when each stage of the primary optical system 25 is an electrostatic lens composed of four cylindrical rods 1 to 4 as shown in FIG. 2, the opposing cylindrical rods (1 and 3, 2 and 4) are equal to each other. A voltage characteristic that is set to a potential and opposite to each other (+ Vq for 1 and 3 and −Vq for 2 and 4) is given. Such an electrostatic lens, like a so-called cylindrical lens, causes focusing and divergence of the primary beam on the long axis (X axis) and the short axis (Y axis) of the rectangular cathode.
[0030]
Therefore, according to the primary optical system 25, by optimizing the lens voltage of each electrostatic lens, the section of the primary beam is shaped into an arbitrary shape (rectangular shape, elliptical shape, etc.) without losing emitted electrons. can do. FIG. 2 shows a case where the primary beam has a rectangular cross section.
Further, a primary column control unit 45 for controlling the lens voltage of each electrostatic lens of the primary optical system 25 and controlling the acceleration voltage Vac of the electron gun 24 is connected to the primary column 21 (FIG. 1). Further, the primary column control unit 45 is connected to the CPU 43.
[0031]
〔Chamber〕
As shown in FIG. 1, a stage 27 on which the sample 28 is placed and a Z sensor 26 that detects the height of the surface of the sample 28 are installed inside the chamber 23.
Among these, a stage control unit 49 is connected to the stage 27. The stage control unit 49 drives the stage 27 in the XY directions, and outputs an XY position signal corresponding to the XY position of the stage 27 to the CPU 43.
[0032]
Note that a predetermined retarding voltage Vr (described later) is applied to the stage 27.
Further, as shown in FIG. 3, the Z sensor 26 is disposed on a light emitting element 51 that emits light toward the surface (sample surface 28 a) of the sample 28 and an optical path of light emitted from the light emitting element 51. It comprises a collimator lens 52, a condensing lens 53 disposed on the optical path of light reflected by the sample surface 28a, and a two-divided detector 54. Incidentally, the two-divided detector 54 has two light receiving portions 54a and 54b as shown in FIG.
[0033]
In such a Z sensor 26 (FIG. 3), the reflected light L1 from the sample surface 28a is incident on different positions of the two-divided detector 54 in accordance with the height (Z position) of the sample surface 28a. FIG. 3 shows a state in which the reflected light L1 from the sample surface 28a is incident on the positions a, b, and c of the two-divided detector 54 when the Z position of the sample surface 28a is Z1, Z2, and Z3. FIG. 4 shows the positional relationship between the reflected light L1 and the light receiving parts 54a and 54b.
[0034]
The two-divided detector 54 receives the reflected light L1 at each of the light receiving portions 54a and 54b, and outputs a difference signal based on the difference in the amount of received light. Incidentally, this difference signal corresponds to the incident position (a, b, c) of the reflected light L1 in the two-divided detector 54, that is, the Z position (Z1, Z2, Z3) of the sample surface 28a.
The Z sensor 26 is connected to a Z sensor control unit 47 (FIG. 1). The Z sensor control unit 47 drives the Z sensor 26, acquires a difference signal from the two-divided detector 54, and sends a Z position signal corresponding to the Z position of the sample surface 28a to the CPU 43 based on the difference signal. Output.
[0035]
The CPU 43 stores a reference value for the Z position of the sample surface 28a. Therefore, the CPU 43 obtains the difference between the detected Z position of the sample surface 28a and the reference value based on the Z position signal from the Z sensor control unit 47, and detects the height ΔZ of the sample surface 28a.
In addition, although the 2 division detector was shown as the detector 54, it is not restricted to this, You may use a 4 division detector. Alternatively, the Z position and the inclination of the sample surface 28a may be detected by using a multi-point AF system that multi-measures the emitted light and measures at multiple points.
[0036]
[Secondary column]
As shown in FIG. 1, the secondary column 22 has a cathode lens 29, a numerical aperture 30, a Wien filter 31, a second filter on the optical axis of a secondary beam (described later) generated from the sample 28. A lens 32, a field aperture 33, a third lens 34, a fourth lens 35, and a detector 37 are arranged.
[0037]
  Among these, the cathode lens 29 is composed of three electrodes 29a, 29b, and 29c, as shown in FIG. 5, for example. In this case, the voltage VCL is applied to the first electrode 29a and the second electrode 29b from the bottom of the cathode lens 29 (sample 28 side), and the third electrode 29c is set to zero potential..
[0038]
The cathode lens 29 is connected to a cathode lens control unit 50 (FIG. 1) that controls the voltage VCL applied to the electrodes 29a and 29b.
The numerical aperture 30 corresponds to an aperture stop and determines the aperture angle of the cathode lens 29. The shape is a thin film plate made of metal (Mo or the like) having a circular hole.
[0039]
The numerical aperture 30 is arranged so that the opening is the focal position of the cathode lens 29. For this reason, the numerical aperture 30 and the cathode lens 29 constitute a telecentric electron optical system.
The Wien filter 31 is a deflector that acts as an electromagnetic prism and satisfies the Wien condition (E = vB, where v is the velocity of charged particles, E is an electric field, B is a magnetic field, and E⊥B). Only the charged particles (for example, secondary beam) can go straight, and the trajectory of other charged particles (for example, primary beam) can be bent.
[0040]
The second lens 32, the third lens 34, and the fourth lens 35 are all rotationally symmetric lenses called unipotential lenses or einzel lenses, and are each composed of three electrodes (see FIG. 7). . In each lens, the lens action is usually controlled by setting the outer two electrodes to zero potential and changing the voltage applied to the center electrode.
[0041]
A field aperture 33 is disposed between the second lens 32 and the third lens 34. This field aperture 33 limits the field of view to the required range, similar to the field stop of an optical microscope.
The detector 37 (FIG. 1) includes an FCP (fiber optic) having an MCP (microchannel plate) 38 for accelerating and multiplying electrons, a fluorescent screen 39 for converting an electron image into an optical image, and an optical relay lens (not shown). Plate) 40 and a CCD camera 41 for picking up an optical image.
[0042]
Incidentally, the optical relay lens of the FOP 40 reduces the optical image on the fluorescent screen 39 to about 1/3 and projects it on the imaging surface of the CCD camera 41. The FOP 40 is not limited to the fiber optic plate, and may be an optical relay lens system.
Further, the CCD camera 41 reads out signal charges based on the captured optical image, for example, every 1/30 seconds.
[0043]
An image processing unit 42 is connected to the detector 37. The image processing unit 42 A / D converts the signal charge from the CCD camera 41, stores it in an internal VRAM, creates image information, and outputs it to the CPU 43.
Further, the secondary column 22 includes a secondary column control unit for controlling the lens voltages of the second lens 32, the third lens 34, and the fourth lens 35 and for controlling the electromagnetic field applied to the Wien filter 31. 46 is connected.
[0044]
The secondary column control unit 46, the image processing unit 42, and the cathode lens control unit 50 are connected to the CPU 43.
A CRT 44 is connected to the CPU 43. The CPU 43 displays an image on the CRT 44 based on the image information output from the image processing unit 42. Further, the CPU 43 transfers the image information to the memory.
[0045]
Next, the trajectories of the primary beam and the secondary beam in the inspection apparatus 10 configured as described above will be described in order.
[Primary beam]
As shown in FIG. 5, the primary beam from the electron gun 24 is incident on the central portion of the Wien filter 31 obliquely while receiving the lens action of the primary optical system 25. FIG. 5 shows the trajectory of electrons emitted in the X-direction cross section of the rectangular cathode and the electron trajectory emitted in the Y-direction cross section.
[0046]
The primary beam incident on the Wien filter 31 has its trajectory bent by the deflection action of the Wien filter 31 and reaches the opening of the numerical aperture 30. Here, by setting the lens voltage of the primary optical system 25, the primary beam forms an image at the opening of the numerical aperture 30.
The primary beam imaged at the opening of the numerical aperture 30 is irradiated onto the sample surface 28 a via the cathode lens 29. Here, since the numerical aperture 30 and the cathode lens 29 constitute a telecentric electron optical system, the primary beam that has passed through the cathode lens 29 becomes a parallel beam. As a result, the sample beam 28a is irradiated with the primary beam vertically and uniformly. That is, Koehler illumination called an optical microscope is realized.
[0047]
Further, since the retarding voltage Vr is applied to the stage 27 on which the sample 28 is placed, a negative electric field is formed between the electrode 29a of the cathode lens 29 and the sample 28 with respect to the primary beam. Is done. Therefore, the primary beam that has passed through the cathode lens 29 is decelerated until it reaches the sample surface 28a. For this reason, destruction of the sample 28 is prevented.
[0048]
The unnecessary electron beam scattered in the inspection apparatus 10 is prevented from reaching the sample surface 28 a by the numerical aperture 30. For this reason, contamination of the sample 28 is prevented.
By the way, the primary beam irradiation area 24A on the sample surface 28a is shaped by controlling the lens voltage to the primary optical system 25, and has a rectangular shape, for example, as shown in FIG.
[0049]
As described above, the sample 28 placed on the stage 27 of the inspection apparatus 10 is irradiated with the planar primary beam. The sample 28 positioned in the primary beam irradiation region 24A is charged up according to the conduction state of the surface layer and the acceleration voltage Vac of the primary beam (details will be described later).
In addition, light emitted from the light emitting element 51 of the Z sensor 26 described above is incident on the sample 28 located in the irradiation region 24A. Thereby, the height variation ΔZ of the sample surface 28 a in the irradiation region 24 </ b> A is detected based on the output from the Z sensor 26.
[0050]
[Secondary beam]
When the sample 28 is irradiated with the primary beam, a secondary beam composed of at least one of secondary electrons, reflected electrons, and backscattered electrons is generated from the sample 28 in the irradiation region 24A (FIG. 7). .
This secondary beam has two-dimensional image information of the irradiation region 24A. Since the primary beam is irradiated perpendicularly to the sample surface 28a as described above, the secondary beam has a clear image with no shadow.
[0051]
Here, since the retarding voltage Vr is applied to the stage 27 on which the sample 28 is placed, a positive electric field is formed with respect to the secondary beam between the sample 28 and the electrode 29a of the cathode lens 29. Is done. Therefore, the secondary beam generated from the sample 28 is accelerated toward the cathode lens 29.
[0052]
  The secondary beam is focused by the cathode lens 29, passes through the numerical aperture 30, travels straight without being subjected to the deflection action of the Wien filter 31, and passes through the second lens 32 to the surface of the field aperture 33. (Hereinafter referred to as “reference surface 33a”).
[0053]
By changing the electromagnetic field applied to the Wien filter 31, only electrons having a specific energy band (for example, secondary electrons, reflected electrons, or backscattered electrons) can be selected and passed from the secondary beam. it can.
The secondary beam that has passed through the field aperture 33 is repeatedly focused and diverged by the third lens 34 and the fourth lens 35 that are arranged in the subsequent stage, and is re-imaged on the detection surface of the detector 37.
[0054]
Thus, the secondary beam generated from the sample 28 forms an image once by the cathode lens 29 and the second lens 32, and then forms an image once by the third lens 34 and the fourth lens 35 ( 3 times in total). The third lens 34 and the fourth lens 35 may be combined to perform one image formation (total two image formation).
As described above, the image formation of the secondary beam generated from the sample 28 is not performed by the cathode lens 29 alone, but is performed together with the second lens 32, so that the occurrence of lens aberration can be suppressed.
[0055]
The field aperture 33, together with the third lens 34 and the fourth lens 35 in the subsequent stage, blocks unnecessary secondary beams to prevent the detector 37 from being charged up or contaminated. The numerical aperture 30 plays a role of suppressing lens aberration of the second lens 32 to the fourth lens 35 in the subsequent stage with respect to the secondary beam.
[0056]
As described above, the secondary beam generated from the sample 28 and re-imaged on the detection surface of the detector 37 is accelerated and multiplied when passing through the MCP 38 in the detector 37, and converted into light by the phosphor screen 39. The Then, the light from the fluorescent screen 39 forms an image on the imaging surface of the CCD camera 41 via the FOP 40.
The third lens 34 and the fourth lens 35 are lenses for enlarging and projecting the intermediate image obtained on the reference surface 33a. Therefore, the two-dimensional image of the irradiation region 24A on the sample surface 28a is enlarged and projected on the detection surface of the detector 37.
[0057]
Further, the two-dimensional image (secondary beam image) of the irradiation area 24A projected on the detection surface of the detector 37 is converted into an optical image on the fluorescent screen 39, and then the imaging surface of the CCD camera 41 via the FOP 40. Is projected as it is. The projected image is displayed on the CRT 44 via the image processing unit 42 and the CPU 43 (FIG. 1).
[0058]
By the way, in the above-described inspection apparatus 10, whether or not the secondary beam (FIG. 7) generated from the sample 28 forms an image on the reference surface 33 a is determined by the potential difference Vsc between the sample 28 and the cathode lens 29. Assume that the secondary beam from the sample 28 forms an image on the reference surface 33a when the potential difference Vsc is maintained at a certain value Vsc0. Therefore, when the potential difference Vsc deviates from the constant value Vsc0, the secondary beam from the sample 28 does not form an image on the reference surface 33a.
[0059]
The apparatus parameters related to the potential difference Vsc are the applied voltage VCL to the cathode lens 29 and the distance WD from the sample surface 28a to the lower end portion (end portion on the sample 28 side) 29d of the cathode lens 29. The combination of the applied voltage VCL and the distance WD corresponds to the “imaging condition” in the claims.
The potential difference Vsc is related to the above-described device parameters (applied voltage VCL, distance WD) as well as the charge-up state of the surface layer of the sample 28. Details will be described later.
[0060]
Incidentally, among the above device parameters, when the distance WD changes, the change in the potential difference Vsc based on the change in the distance WD can be corrected by adjusting the voltage VCL applied to the cathode lens 29.
[0061]
Accordingly, when the charge-up state of the surface layer of the sample 28 is constant, even if the distance WD changes, the potential difference Vsc is maintained at the constant value Vsc0 by adjusting the applied voltage VCL, and the secondary beam from the sample 28 is maintained. Can be imaged on the reference surface 33a.
For such focus control, an adjustment amount of the applied voltage VCL with respect to the change amount of the distance WD is previously given to the CPU 43 as a control table. The control table is preferably set to lens conditions such that the imaging magnification does not change even when the applied voltage VCL is changed.
[0062]
The change in the distance WD occurs when the height fluctuation ΔZ of the sample surface 28a occurs during the XY movement of the stage 27. Further, the height variation ΔZ of the sample surface 28a is caused by warpage or undulation of the sample 28 itself, an inclination generated when the sample 28 is attached to the stage 27, an inclination of the stage 27 itself, or an up-and-down movement of the stage 27.
The CPU 43 detects the height variation ΔZ of the sample surface 28a based on the output (Z position signal) from the Z sensor control unit 47, obtains the amount of change in the distance WD, and based on the control table. An adjustment amount of the applied voltage VCL is set, and an applied voltage signal is output to the cathode lens control unit 50.
[0063]
Next, a method for inspecting the surface layer of the sample 28 using the above-described inspection apparatus 10 (FIGS. 1 to 7) will be described with two specific examples of the sample 28 to be inspected.
The inspection method of the present embodiment is an apparatus parameter (applied voltage) for forming an image of the secondary beam from the sample 28 on the reference plane 33a in accordance with the charge-up state generated in the surface layer of the sample 28 by irradiation of the primary beam. VCL, distance WD) are different, and the fact that this charge-up state corresponds to the conduction state of the surface layer of the sample 28 is utilized. According to this inspection method, it is possible to distinguish between a conductive portion and an insulating portion formed on the surface layer of the sample 28.
[0064]
Here, the first sample 28 to be inspected will be described. As shown in FIG. 8, the sample 28 has a large number (10 in FIG. 8) of contact holes 63, 63,.
These many contact holes 63, 63,... Are formed using an insulating layer 62 (for example, SiO 2) on the silicon (Si) substrate 61 shown in FIG.2Layer).
[0065]
Therefore, in the contact holes 63, 63,..., The insulating layer 62 is completely removed and the Si substrate 61 is exposed through the insulating layer 62 as shown in FIG. Not only the contact hole 63a but also a defective contact hole 63b in which a part of the insulating layer 62 to be removed remains at the bottom as shown in FIG.
[0066]
The bottom of the normal contact hole 63a (FIG. 10A) where the Si substrate 61 is exposed is referred to as an “exposed portion 61a”. A part of the insulating layer 62 remaining at the bottom of the defective contact hole 63b (FIG. 10B) is referred to as “residual portion 62a”.
Therefore, when inspecting a large number of contact holes 63, 63,... Formed in the insulating layer 62 of the sample 28, the sample 28 is irradiated with a primary beam. At this time, it is preferable to set the acceleration voltage Vac of the primary beam to a value at which the insulating layer 62 of the sample 28 is easily charged up.
[0067]
When the primary beam is irradiated, the normal contact hole 63a is not charged up as shown in FIG. This is because the bottom part is the exposed part 61a (that is, the conduction part).
On the other hand, the defect contact hole 63b is charged up as shown in FIG. 11B when the primary beam is irradiated. This is because the bottom portion is the remaining portion 62a (that is, the insulating portion).
[0068]
Here, normal contact holes 63a (exposed portions 61a) that are not charged up and defective contact holes 63b (remaining portions 62a) that are charged up are mixed in the primary beam irradiation region 24A. Suppose that
At this time, the potential difference Vsc between the sample 28 in the irradiation region 24A and the cathode lens 29 partially changes depending on the charge-up state of the sample 28 in the irradiation region 24A. In other words, the potential difference Vsc between the remaining portion 62a and the cathode lens 29 is deviated from the potential difference Vsc between the exposed portion 61a and the cathode lens 29 by ΔVsc.
[0069]
Therefore, when the device parameters (applied voltage VCL, distance WD) are set such that the potential difference Vsc between the exposed portion 61a and the cathode lens 29 is maintained at a constant value Vsc0 (for example, applied voltage VCL = VCL1). , Distance WD = WD1), and the potential difference Vsc between the remaining portion 62a and the cathode lens 29 deviates from the constant value Vsc0.
[0070]
At this time, as shown in FIG. 12, the secondary beam generated from the exposed portion 61a of the sample 28 forms an image on the reference surface 33a, but the secondary beam from the remaining portion 62a does not form an image on the reference surface 33a. As a result, only the image corresponding to the exposed portion 61a (normal contact hole 63a) is clearly displayed on the CRT 44. FIG. 14 shows an example of an image corresponding to the exposed portion 61a (normal contact hole 63a).
[0071]
On the other hand, when the setting of the apparatus parameters (applied voltage VCL, distance WD) is changed so that the potential difference Vsc between the remaining portion 62a and the cathode lens 29 is maintained at a constant value Vsc0 (for example, applied voltage VCL = VCL2). (≠ VCL1), distance WD = WD1), and the potential difference Vsc between the exposed portion 61a and the cathode lens 29 deviates from the constant value Vsc0.
[0072]
At this time, as shown in FIG. 13, the secondary beam generated from the remaining portion 62a of the sample 28 forms an image on the reference surface 33a, but the secondary beam from the exposed portion 61a does not form an image on the reference surface 33a. As a result, only the image corresponding to the remaining portion 62a (defective contact hole 63b) is clearly displayed on the CRT 44. FIG. 15 shows an example of an image corresponding to the remaining portion 62a (defective contact hole 63b).
[0073]
Incidentally, the device parameters (applied voltage VCL1, distance WD1) when the image of the exposed portion 61a (normal contact hole 63a) is clearly displayed and the image of the remaining portion 62a (defective contact hole 63b) are clearly displayed. The difference from the device parameters (applied voltage VCL2, distance WD1) at this time corresponds to the deviation ΔVsc of the potential difference Vsc based on the charge-up amount of the remaining portion 62a.
[0074]
As described above, according to the inspection method of the present embodiment, a clear image (for example, FIG. 14) of the exposed portion 61a (normal contact hole 63a) that is not charged up, and the remaining portion 62a (defect that is charged up). A clear image (for example, FIG. 15) of the contact hole 63b) can be displayed separately by changing the setting of the apparatus parameters (applied voltage VCL, distance WD).
[0075]
As a result, among the many contact holes 63, 63,... Formed in the sample 28 (FIG. 8), a normal contact hole 63a (FIG. 10A) and a defective contact hole 63b (FIG. 10B) are obtained. ).
Further, the image of the exposed portion 61a (normal contact hole 63a) or the image of the remaining portion 62a (defective contact hole 63b) existing in the sample 28 located in the irradiation region 24A can be captured in a lump. Therefore, the contact hole inspection of the sample 28 can be performed at high speed without destruction.
[0076]
Furthermore, according to the inspection method of the present embodiment, a plurality of samples 28 are moved by moving the stage 27 XY while constantly managing the height variation ΔZ of the sample surface 28a based on the output from the Z sensor 26 described above. In order from the regions 65A, 65B,... (FIG. 16), only the image corresponding to the exposed portion 61a (normal contact hole 63a) or only the image corresponding to the remaining portion 62a (defective contact hole 63b) is captured. Can do.
[0077]
For example, the region 65A of the sample 28 is first positioned in the irradiation region 24A, the apparatus parameters are set to the applied voltage VCL = VCL1, and the distance WD = WD1, and the exposed portion 61a (normal contact) present in the region 65A is set. Assume that the image of the hole 63a) is captured (state shown in FIG. 12). At this time, the potential difference Vsc between the exposed portion 61a and the cathode lens 29 is kept at a constant value Vsc0. Even if the remaining portion 62a (defect contact hole 63b) exists in the region 65A, the image cannot be captured.
[0078]
After that, when the region 65B (FIG. 16) is positioned in the irradiation region 24A by the XY movement of the stage 27, the height variation ΔZ of the sample surface 28a occurs, and the distance WD has changed from WD1. (The state shown in FIGS. 17A and 18A). In this case, even if the applied voltage VCL = VCL1 does not change, a change in the potential difference Vsc based on the change in the distance WD occurs, so the potential difference Vsc between the exposed portion 61a and the cathode lens 29 deviates from the constant value Vsc0. Thus, the secondary beam from the exposed portion 61a does not form an image on the reference surface 33a. As a result, even if the exposed portion 61a (normal contact hole 63a) exists in the region 65B, the image cannot be captured.
[0079]
However, in the above-described inspection apparatus 10, even if the distance WD changes due to the height variation ΔZ of the sample surface 28a, the change in the potential difference Vsc based on the change in the distance WD can be corrected by adjusting the applied voltage VCL. it can.
For this reason, even when the height variation ΔZ of the sample surface 28a occurs, the potential difference Vsc between the exposed portion 61a and the cathode lens 29 can be kept at a constant value Vsc0. At this time, the secondary beam from the exposed portion 61a forms an image on the reference surface 33a as shown in FIGS. 17 (b) and 18 (b).
[0080]
Therefore, a clear image of the exposed portion 61a (normal contact hole 63a) can be captured also in the region 65B (FIG. 16) as in the case of the region 65A.
[0081]
As described above, according to the inspection method of the present embodiment, the height fluctuation ΔZ of the sample surface 28a is managed and the change in the potential difference Vsc based on the change in the distance WD is corrected, while the plurality of regions 65A, 65B,... (FIG. 16) are sequentially positioned in the irradiation region 24A (that is, the sample surface 28a is scanned with a planar primary beam), thereby the die 65 on which the predetermined pattern is formed on the sample 28 is entirely exposed. The contact hole can be inspected over the entire area.
[0082]
As a result, it is possible to capture a clear image of all the exposed portions 61a (normal contact holes 63a) existing in the die 65.
Similarly, with respect to the remaining portion 62a (defect contact hole 63b), by scanning the sample surface 28a with the primary beam while managing the height variation ΔZ of the sample surface 28a, all of the remaining in the die 65 are also detected. A clear image of the remaining portion 62a (defective contact hole 63b) can be captured.
[0083]
The device parameters (applied voltage VCL, distance WD) set at this time are the same as the device parameters (applied voltage VCL, distance WD) at the time of image capture of the exposed portion 61a (normal contact hole 63a). A difference ΔVsc in potential difference Vsc based on the charge-up amount of the remaining portion 62a of 63b is different.
In the inspection method of the present embodiment, since the sample surface 28a is scanned with the planar primary beam, the entire surface inspection (image capture) of the die 65 can be performed with high throughput.
[0084]
Here, usually, a plurality of dies 65, 65,... In which the same pattern is formed are arranged on the sample 28 (FIG. 19).
According to the inspection method of this embodiment, the entire surface inspection of the plurality of dies 65, 65,... Can be performed with high throughput, and the sample 28 can be inspected over the entire surface.
[0085]
The image of the exposed portion 61a (normal contact hole 63a) or the image of the remaining portion 62a (defective contact hole 63b) with respect to the entire surface of the sample 28 obtained as a result is used to appropriately set the overetching amount when forming the contact hole. , Very useful information.
Further, in the actual sample 28, among the many contact holes 63, 63,... Existing in each die 65, the number of normal contact holes 63a is overwhelmingly larger than the number of defective contact holes 63b. Many.
[0086]
Therefore, by changing the setting of the apparatus parameters (applied voltage VCL, distance WD), it can be estimated which of the two captured images is the normal contact hole 63a image or the defective contact hole 63b image.
Further, the sample surface 28a is scanned with the primary beam while managing the height variation ΔZ of the sample surface 28a, and the captured images of the plurality of dies 65, 65,. Also, it can be estimated that the common part of the image is the normal contact hole 63a and the non-common part is the defective contact hole 63b.
[0087]
Next, the second sample 28 to be inspected will be described. As shown in FIG. 20, the second sample 28 has a large number (10 in FIG. 20) of via holes 74, 74,.
These many via holes 74, 74,... Are formed using an insulating layer 73 (for example, SiON) on the barrier layer 72 (for example, TiN layer) shown in FIG.2Layer). The barrier layer 72 is laminated on the base wiring layer 71 in order to prevent the material (for example, aluminum) of the base wiring layer 71 from adhering to the inner wall of the via hole 74 during the etching process.
[0088]
Therefore, when such a via hole 74 is formed, the etching process must be completed with the barrier layer 72 left so that the underlying wiring layer 71 is not exposed.
[0089]
However, in the large number of via holes 74, 74,..., The insulating layer 73 is completely removed and the barrier layer 72 is exposed through the insulating layer 73 as shown in FIG. In addition to the via hole 74a, a defective via hole 74b in which the barrier layer 72 to be left is removed from the bottom as shown in FIG. 22B is also included.
[0090]
The barrier layer 72 left at the bottom of the normal via hole 74a (FIG. 22A) is referred to as “residual portion 72a”. The bottom of the defective via hole 74b (FIG. 22B) where the underlying wiring layer 71 is exposed is referred to as an “exposed portion 71a”.
Therefore, when inspecting a large number of via holes 74, 74,... Formed in the insulating layer 73 of the sample 28, the sample 28 is irradiated with a primary beam. At this time, it is preferable to set the acceleration voltage Vac of the primary beam to a value at which the barrier layer 72 of the sample 28 is easily charged up.
[0091]
When the primary beam is irradiated, the normal via hole 74a is charged up as shown in FIG. This is because the bottom portion is the remaining portion 72a (that is, the insulating portion).
On the other hand, the defective via hole 74b is not charged up as shown in FIG. 23B when the primary beam is irradiated. This is because the bottom portion is the exposed portion 71a (that is, the conduction portion).
[0092]
Therefore, as in the case of the contact hole 63 described above, by changing the setting of the device parameters (applied voltage VCL, distance WD), an image of the remaining portion 72a (normal via hole 74a) being charged up, and the charge The image of the exposed portion 71a (defective via hole 74b) that is not up can be captured separately.
[0093]
As a result, among the large number of via holes 74, 74,... Formed in the sample 28 (FIG. 20), normal via holes 74a (FIG. 22A) and defective via holes 74b (FIG. 22B) are formed. Can be distinguished. That is, the material at the bottom of the via holes 74, 74,.
In addition, since the image of the remaining portion 72a (normal via hole 74a) or the image of the exposed portion 71a (defective via hole 74b) can be captured at once, the via hole inspection of the sample 28 can be performed at high speed without destruction. it can.
[0094]
Further, the height fluctuation ΔZ of the sample surface 28a is always managed by the output from the Z sensor 26, and the sample surface 28a is scanned with the primary beam, so that the remaining portion 72a ( It is also possible to capture an image of a normal via hole 74a) or an image of an exposed portion 71a (defect via hole 74b) that is not charged up.
[0095]
In addition, the entire surface inspection of a plurality of dies of the sample 28 can be performed with high throughput, and the sample 28 can be inspected via holes over the entire surface.
The image of the remaining portion 72a (normal via hole 74a) or the image of the exposed portion 71a (defective via hole 74b) with respect to the entire surface of the sample 28 obtained as a result is very important for appropriately setting the overetching amount when forming the via hole. Valid information.
[0096]
In the above-described embodiment, the example in which the remaining portion 62a (FIG. 11) of the defective contact hole 63b and the remaining portion 72a (FIG. 23) of the normal via hole 74a are charged to a negative charge has been shown. Varies depending on the energy of the primary beam (acceleration voltage Vac) and may be charged up to a positive charge. The inspection method of the present embodiment can be executed regardless of the charge-up polarity.
[0097]
Furthermore, in the above-described embodiment, the case where the contact hole 63 and the via hole 74 are inspected after the etching process is described as an example. However, the inspection can be similarly performed after the contact hole 63 and the via hole 74 are filled with tungsten. it can.
[0098]
In the above-described embodiment, an example has been described in which when the distance WD changes due to the height variation ΔZ of the sample surface 28a, the change in the potential difference Vsc based on the change in the distance WD is corrected by adjusting the applied voltage VCL. However, the change in the potential difference Vsc can also be corrected by driving the stage 27 in the Z direction to restore the height of the sample surface 28a.
[0099]
Furthermore, in the above-described embodiment, the example in which the change in the potential difference Vsc based on the change in the distance WD is corrected by adjusting the applied voltage VCL to the cathode lens 29 has been described, but the applied voltage to the second lens 32 is described. Also, it may be used for adjustment. Even if only the voltage applied to the second lens 32 is adjusted, the change in the potential difference Vsc can be corrected.
[0100]
Further, in the above-described embodiment, the example in which the primary beam irradiation area 24A is fixed and the stage 27 is driven to scan the primary beam on the sample surface 28a has been described, but the configuration is not limited thereto. For example, if the deflector is arranged on the optical axis of the primary beam in the primary column 21 and the trajectory of the primary beam can be deflected by controlling the voltage applied to the deflector, irradiation is performed. By moving the region 24A on the sample surface 28a and stopping the stage 27, the primary beam can be scanned on the sample surface 28a.
[0101]
In the above-described embodiment, the oblique incidence type Z sensor 26 is used to match the irradiation area 24A and the detection position of the height fluctuation ΔZ, but the irradiation area 24A and the detection position of the height fluctuation ΔZ match. It is also possible to always manage the height fluctuation ΔZ of the sample surface 28a by using a Z sensor (for example, TTL detection method) that is not performed.
Furthermore, before the sample is detected by the electron beam, the height variation may be detected on the entire surface of the sample, and a focus control amount map for the entire surface of the sample may be created in advance. In addition, for example, an optical microscope may be disposed at a position adjacent to the electron beam axis at this time, and the height variation of the sample may be detected by the optical microscope. Further, the height variation may be detected by first detecting the height variation roughly at several points of the sample and compensating for other data blank portions by interpolation processing.
[0102]
In the above-described embodiment, the example in which the focus control is performed using the control table given in advance to the CPU 43 has been described. However, the present invention is not limited to this. It may be calculated.
Furthermore, in the above-described embodiment, an example in which the electron optical system (primary optical system 25) of the primary column 21 and the electron optical system (second lens or the like) of the secondary column 22 are joined by the Wien filter 31 has been described. The inspection method of the present invention can also be applied to an independent configuration.
[0103]
【The invention's effect】
  As explained above,BookAccording to the invention, the surface layer of the sample can be inspected nondestructively simply and at high speed only by selectively setting the imaging condition of the secondary beam. Therefore, the inspection of the surface layer of the sample can be performed over the entire surface, and a very useful inspection result can be fed back to the manufacturing process. As a result, appropriate process conditions can be reliably set even if the process margin is reduced due to the increase in the device structure accompanying the miniaturization of the integrated circuit.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of an inspection apparatus 10 according to an embodiment.
2 is a diagram showing a configuration of a primary optical system 25. FIG.
3 is a diagram illustrating a Z sensor 26. FIG.
4 is a diagram illustrating a Z sensor 26. FIG.
FIG. 5 is a diagram showing a trajectory of a primary beam.
FIG. 6 is a diagram illustrating a primary beam irradiation region 24A.
FIG. 7 is a diagram showing a trajectory of a secondary beam.
8 is a plan view illustrating a first sample 28. FIG.
9 is a cross-sectional view illustrating a first sample 28. FIG.
10 is a cross-sectional view illustrating a contact hole formed in a sample 28. FIG.
11 is a cross-sectional view illustrating a charge-up state of a contact hole formed in a sample 28. FIG.
12 is a diagram for explaining an imaging state of a secondary beam generated from a specimen 28. FIG.
13 is a diagram for explaining an imaging state of a secondary beam generated from a sample 28. FIG.
FIG. 14 is a diagram illustrating an example of a captured image.
FIG. 15 is a diagram illustrating an example of a captured image.
FIG. 16 is a diagram showing a plurality of inspections of a sample.
FIG. 17 is a diagram illustrating an imaging state of a secondary beam generated from a sample.
18 is a diagram for explaining an imaging state of a secondary beam generated from a sample 28. FIG.
19 shows a plurality of dies of a sample 28. FIG.
FIG. 20 is a plan view illustrating a second sample 28. FIG.
21 is a cross-sectional view illustrating a second sample 28. FIG.
22 is a cross-sectional view illustrating a via hole formed in a sample 28. FIG.
23 is a cross-sectional view illustrating a charge-up state of a via hole formed in a sample 28. FIG.
[Explanation of symbols]
10 Inspection equipment
21 Primary column
22 Secondary column
23 Chamber
24 electron gun
25 Primary optics
26 Z sensor
27 stages
28 samples
29 Cathode lens
30 New Menal Aperture
31 Vienna Filter
32 Second lens
33 Field aperture
33a Reference plane
34 Third lens
35 4th lens
37 Detector
38 MCP
39 phosphor screen
40 FOP
41 CCD camera
42 Image processing unit
43 CPU
44 CRT
45 Primary column control unit
46 Secondary column control unit
47 Z sensor control unit
49 Stage control unit
50 Cathode lens control unit
51 Light emitting device
52 Collimator lens
53 Condensing lens
54 Divided detector
61 Silicon substrate
62,73 Insulating layer
63 Contact hole
71 Underlying wiring layer
72 Barrier layer

Claims (2)

試料の表面層を検査する検査方法であって、前記試料に対して面状の電子ビームを照射する工程と、
前記試料から発生する二次ビームを所定面に結像させる工程とを有し、
前記二次ビームを前記所定面に結像させる結像条件が、前記電子ビームの照射による前記表面層の帯電状態に応じて異なると共に、該帯電状態が前記表面層の物理特性に対応することに基づいて、前記表面層の構造および材質の少なくとも一方を判別し、
前記試料の高さ変動を検出する工程と、
前記二次ビームを前記所定面に結像させる電子光学系への印加電圧を、前記高さ変動に応じて変化させることにより、その電子光学系の結像状態を保つ工程と
を有することを特徴とする検査方法。
An inspection method for inspecting a surface layer of a sample, the step of irradiating the sample with a planar electron beam;
Forming a secondary beam generated from the sample on a predetermined plane,
The imaging condition for imaging the secondary beam on the predetermined surface varies depending on the charged state of the surface layer by irradiation of the electron beam, and the charged state corresponds to the physical characteristics of the surface layer. Based on at least one of the structure and material of the surface layer ,
Detecting the height variation of the sample;
Maintaining an imaging state of the electron optical system by changing a voltage applied to the electron optical system that forms an image of the secondary beam on the predetermined surface according to the height fluctuation;
An inspection method characterized by comprising:
請求項に記載の検査方法において、
前記所定面に結像された二次ビームに基づいて画像を取り込む工程と、
前記試料の中で同じパターンが形成された複数の領域に対して各々取り込んだ前記画像を、互いに比較する工程と
を有することを特徴とする検査方法。
The inspection method according to claim 1 ,
Capturing an image based on a secondary beam imaged on the predetermined surface;
And a step of comparing the images captured for a plurality of regions where the same pattern is formed in the sample with each other.
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