JP4484860B2

JP4484860B2 - パターン欠陥検査方法

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Publication number: JP4484860B2
Application number: JP2006291959A
Authority: JP
Inventors: 正樹長谷川; 久弥村越
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2006-10-27
Filing date: 2006-10-27
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2023-12-24
Also published as: JP2007088493A

Description

本発明は、半導体ウェハ上に作成された微細な回路の電気的欠陥を検査する方法および
装置に関する。

半導体デバイスの製造過程においてウェハ上に形成される回路パターンに存在する欠陥
を検査する方法として、光学式の検査方法とＳＥＭ方式による検査方法がある。
光学的検査方法では、ウェハ表面の画像を光学的に撮像し、画像解析により欠陥箇所を
特定する。ウェハ表面の欠陥検査を非常に高速に実行することができる。

ＳＥＭ式検査方法においては、点状に絞った電子ビームを回路パターンの形成されたウ
ェハ上に走査し、得られたＳＥＭ画像を比較検査することにより、回路パターンに存在す
る欠陥を検出する。ＳＥＭ方式による回路パターンの欠陥検査を用いることにより、光学
顕微鏡の分解能以下となる微小なエッチング残りや微小パターン欠陥検出、微小導通孔の
非開口不良等の電気的な欠陥を検出することができる。このようなＳＥＭ方式によるパタ
ーンの比較検査技術は、例えば、特開平０５−２５８７０３号公報等に記載されている。
ＳＥＭ式検査方法は、光学式の検査方法と比較して、電気的欠陥を検出できるという特
長を有しているものの，検査のスループットが光学式パターン欠陥検査装置に比べ著しく
低いという欠点がある。

また、ＳＥＭ式の欠陥検査においては、実用的な検査速度を得るために非常に高速に回
路パターンの画像を取得しなければならず、短時間のビーム照射で十分な画像のＳ／Ｎ比
を確保する必要がある。従って、ウェハに照射する電子ビームの電流値を、１０ｎＡ以上
程度と、通常の走査型電子顕微鏡において用いられるビーム電流よりも１００倍以上大き
くする必要がある。

特開平０５−２５８７０３号公報

上記のように、ＳＥＭ式の欠陥検査技術はスループットが低いという欠点がある。また
、以下に述べる通り、高速化には限界がある。
ＳＥＭ方式でスループットを向上するためには、照射する電子ビームの電流密度を大き
くする必要がある。撮像される画像の画質（例えばＳ／Ｎ比など）を検査可能な程度に維
持するためである。現状においても、電子ビームの電流密度を一般のＳＥＭよりもかなり
大きく設定しているが、電子源の輝度や空間電荷効果等によって、電流密度の増大には限
界がある。

また、ＳＥＭの分解能を大きくするためには照射する電子ビームのスポットサイズを小
さくする必要があるが、電子ビームの電流密度とスポットサイズはトレードオフの関係に
ある。例えば、０.１μｍ程度の分解能を得ようとした場合は、電子ビーム電流は数百ｎ
Ａ程度が理論限界であり、実際には１００ｎＡ程度となる。ビーム電流値が１００ｎＡで
分解能０.１μｍの場合、画像処理が正常に実行できる程度のＳ／Ｎ比を確保するとする
と、試料表面の面積１ｃｍ²を検査する時間は、１００ｓｅｃより短くすることはできな
い。

更にまた、像形成に二次電子を用いるＳＥＭ式検査装置の場合、二次電子の放出角度分
布が広い角度に広がっており、しかもエネルギーも約１〜１０ｅＶと広がっていることも
検査感度を落とす原因となる。試料印加電圧−５ｋＶのとき分解能はほぼ０.２μｍであ
る。そして、放出した二次電子がすべて画像形成に使用できるわけではなく、たとえば当
該引用文献の計算では対物レンズ通過後の像面において１.１mradの開き角以下のビーム
を使用した場合となっている。この開き角の範囲内の二次電子は全体のたかだか１０％程
度である。さらに結像に使用する二次電子のエネルギーの幅を１ｅＶで計算しているが、
放出される二次電子のエネルギー幅は実際には数ｅＶ以上の幅を持って放出しており、高
エネルギー側の裾野はおよそ５０ｅＶまで存在する。幅広いエネルギー分布のうちたかだ
か１ｅＶのエネルギー幅の二次電子のみを抽出しなければならず、結像に使える二次電子
の数はさらに数分の一になってしまう。

そこで、本発明は、電子線やイオンビーム等の荷電粒子線を被検査対象に照射し、回路
パターンの欠陥を検出する検査装置または検査方法において、電気的欠陥部分を高感度か
つ高速に検出できる欠陥検査方法及び欠陥検査装置を提供することを目的とする。

本発明の課題は、分解能をあえて低くして画像を撮像することにより実現可能である。
本発明の発明者らは、研究の結果、電気的な欠陥を特定するためであれば、高い分解能の
画像は必要ないことを見出した。以下、図面を用いて詳述する。

図３には、試料ウェハの表面付近の等電位線３０５を数値シミュレーションで求めた結
果を示す。パターン断面部３０４には７０ｎｍの大きさの導電材料部３０２（白）と絶縁
膜部３０１（斜線部）が存在し、導電材料部の内、中央のみ−１Ｖでありその他の導電材
料部は０Ｖであると仮定した。図３は試料の一部しか示していないが、実際には、導電材
料部３０２と絶縁膜部３０１とが、回路パターンに応じた種々の周期で図３の両側に広が
っていることになる。図３においては、中央の導電材料部のみ基板との導通が不充分であ
るために周囲と比べて１Ｖ負に帯電した場合を想定している。絶縁体部は−２Ｖ帯電して
いるとした。中央の電位の異なるパターンが形成する等電位線の乱れが、試料表面から離
れるにつれ微細な変化が緩和され、欠陥の上部に緩やかなピークを持つような分布に変化
している様子が示されている。注目すべきは、電気的欠陥近傍において電位が乱れている
範囲は、試料表面から離れるにつれパターンの大きさより広くなり、本図においてはパタ
ーンサイズのおよそ3倍の広がりとなることである。

従って、電気的な欠陥の有無と位置を特定するためであれば、回路パターン像そのもの
を結像する必要はなく、パターンサイズより大きな電位分布の歪を結像すればよい。すな
わち、欠陥検出のための電子光学系の分解能を下げても、微細なパターンの電気的欠陥を
検出することができる。電子光学系の分解能を下げると、パターンは像に明確には現れず
に電気的欠陥などで電位が歪んでいる箇所のみが像として現れるため、欠陥の検出は従来
のパターン比較とは異なり像の存在を検出するだけで良い。すなわち、像の輝度に対して
あらかじめ閾値を設定しておき、その設定値に対する大小により欠陥を判定できる。

更に、以上の方法を用いれば、画像検出器のピクセル数の縮小すなわち画像データの縮
小が可能となり、かつ、画像処理の必要なパターン像比較ではなく設定値との大小比較で
検出するので、欠陥検出処理を簡略化できる。従って、プロセッサ、画像処理用エンジン
などの画像処理手段に対する負担を減らすことができ、欠陥検出速度を格段に高速化する
ことが可能となる。

本発明によれば、電子ビームを用いて、半導体装置等の試料表面の微細なオープン、シ
ョート、リーク等の電気的欠陥を高感度で、かつ高速に検査することのできる検査方法お
よび検査装置を実現する。

本発明の一実施例の構成について以下に図面を参照して詳述する。

本実施例では、本発明をミラープロジェクション（ＭＰＪ）型の欠陥検査装置に対して
適用した例について説明する。初めに、ＭＰＪの原理と課題について説明する。
試料表面の複数の照射領域（面積領域）に、電子ビームを２次元的な広がりを持った面
状電子ビームとして照射し、さらに、ウエハに負の電位を印加しておく状況を考える。こ
の負の電位は、ウエハの最表面付近で大部分の電子ビームが戻される程度の値とする。具
体的には電子源の電位よりも０.５Ｖ〜５Ｖ高い負の電位とする。このとき照射ビームは
試料直前で反射され、試料に衝突せずに電界により引き戻される。この電子を以下では「
引き戻された電子」または「ミラー電子」と呼ぶ。

図２は、ウェハ７の最表面付近の等電位線２０５に垂直入射した電子ビーム２０１がミ
ラー電子となって引き戻される様子を模式的に示したものである。ウェハ７の表面に存在
する欠陥２０２により等電位線２０５は欠陥の存在する場所で不均一な形状になる。そこ
へ垂直入射した電子ビームはこれにより垂直に引き戻されず、図示のような角度をもって
引き戻されてレンズ２０４に入射する。レンズ２０４は実際の結像光学系における対物レ
ンズや結像レンズの動作を一枚の等価なレンズで模式的に示したものである。このレンズ
により結像面２０３に像を形成すると、欠陥２０２の部分からの電子ビームが結像面の一
箇所に集中し、その部分が周囲と比較して明るくなることが、図２からわかる。この画像
から電気的欠陥の存在と欠陥の位置を検出することが可能となる。ＭＰＪ方式では、ＳＥ
Ｍ方式よりも大電流の電子ビームを一度に照射でき、かつ一括で画像を取得できるため、
ＳＥＭ方式と比較して超高速に画像を形成できることが期待されている。

ところが、電子ビームの照射領域を拡げ、面ビームとして大電流を照射し一括で画像を
形成しようとしても、照射した電子が全てミラー電子として反射される訳では無く、かつ
生成されたミラー電子が全て画像形成に寄与するわけでもない。実験によれば、ミラー電
子の放出量は、照射ビーム電流に比べて二桁少ない放出量しかない。画像形成に寄与する
電子の割合が低いため必要な画像のＳ／Ｎ比を確保することは困難であり、高分解能と高
速性の両立は困難である。従って、従来のＭＰＪ方式の欠陥検査装置では、検査時間は結
局期待できるほどには短縮されていない。本実施例は、このような事実に鑑みてなされた
ものであり、ＭＰＪ検査装置において、スループットを大幅に向上することを目的とする
。

次に、図１に、本発明の一実施例になる検査装置の構成を示す。本装置は大別すると、
電子ビーム照射系１０１、ミラー電子結像光学系１０２、試料室１０３、画像検出部１０
４、画像処理部１０５および制御部１０６より構成されている。但し、本図では、真空排
気用のポンプやその制御装置、排気系配管などは略されている。９００は、画像処理部１
０５や制御１０６の制御パラメータを設定入力するための入力手段とディスプレイを備え
たコンピュータである。電子ビーム照射系１０１は、例えば、電子銃１、コンデンサレン
ズ２、Ｅ×Ｂ偏向器３、ビームを平行にする手段を主な要素とする。本実施例においては
、ビームを平行にする手段として対物レンズ８を用いている。他にも色々な構成要素が付
く場合もあるが、詳細は省略する。また、ミラー電子結像光学系１０２は、円孔電極１０
、対物レンズ８、Ｅ×Ｂ偏向器８、レンズ１２，１３を主な構成要素とする。ミラー電子
結像光学系１０２に関しても、他に色々な構成要素が付く場合もあるが、詳細は省略する
。

電子ビーム照射系１０１において、電子源１から放出された照射電子線１０７は、コン
デンサレンズ２によって収束され、かつ、Ｅ×Ｂ偏向器３により偏向されて、クロスオー
バー１０８を形成した後、対物レンズ８により平行束となって、試料ウェハ４上に照射さ
れる。電子源１には、Zr/O/W型のショットキー電子源を用いた。大電流ビーム（例えば、
１.５μＡ）で、かつエネルギー幅が１.５ｅＶ以下の均一な電子ビームを安定に形成でき
る。引き出し電極系５へは高電圧制御装置６により、電子源への引き出し電圧および引き
出された電子ビームへの加速電圧が供給され、引き出し電圧と加速電圧を調整できるよう
になっている。後述するようにビームセパレータとして機能するＥ×Ｂ偏向器３は、結像
電子線１０９の結像面１１０近傍に配置させるが、この配置では照射電子線１０７に対し
てＥ×Ｂ偏向器３で収差が発生する。この収差を補正するために照射系コンデンサレンズ
２とＥ×Ｂ偏向器３のあいだにもう一つ収差補正用のＥ×Ｂ偏向器７を配置させる構成と
する。

照射電子線１０７は、Ｅ×Ｂ偏向器３によってウェハ４に垂直な光軸に偏向されるが、
Ｅ×Ｂ偏向器３は、電子源側から試料側へ向かう方向からの電子線に対してのみ偏向作用
をもつため、ビームセパレータとして機能している。Ｅ×Ｂ偏向器３より偏向された照射
電子線１０７は、対物レンズ８により平行束となるため、SEMの様に試料上に数nmから数1
0nmの微細な照射スポットを形成するのではなく、数μｍから数10μｍといった大きな広
がりをもった領域を照射する、いわゆる“面ビーム”となる。Ｅ×Ｂ偏向器７によりセパ
レータＥ×Ｂ偏向器３の偏向収差が補正されるので、対物レンズ８の焦点面上には微細な
クロスオーバー１０８が形成され、平行性の良い照射電子線１０７を試料ウェハ４に照射
できる。

照射電子線１０７が照射する試料ウェハ４上の領域は、コンデンサレンズ２の強さ（例
えば磁界レンズの場合ではコイルの電流量）を調整し、たとえば５０μｍ×５０μｍ、１
００μｍ×２０μｍといった大きな面積とする。コンデンサレンズ２の強さは、装置ユー
ザがマニュアル調整しても良いし、コンデンサレンズに印加する電圧源の電圧をコンピュ
ータ９００に制御させることにより、自動制御することも可能である。その場合には、例
えば、装置ユーザが面ビームのサイズをコンピュータ９００に入力し、サイズに見合った
電圧に電源電圧を調整することにより、コンデンサレンズの自動制御が実行される。

試料室１０３内の試料移動ステージ９に搭載された試料ウェハ４近傍には円孔電極１０
が設置されており、円孔電極１０と試料ウェハ４との間には、電子線の加速電圧とほぼ等
しいか、僅かに高い（絶対値の大きい）負電位が試料印加電源１１によって印加されてい
る。照射電子線１０７は、この負電位によってウェハ４の手前で減速、反射されてミラー
電子として上方に引き戻される。このミラー電子はウェハ４上回路パターンの電気的欠陥
に関する情報を反映していることは既に説明した。このミラー電子は、対物レンズ８によ
り収束作用を受け、ビームセパレータとしてのＥ×Ｂ偏向器３は下方から進行した電子線
に対しては偏向作用を持たないので、そのまま垂直に上昇し、対物レンズ８、中間レンズ
１２、投影レンズ１３によって投影された像は画像検出部１０４によって電気信号に変換
される。

画像検出部１０４はシンチレータ１４、光学像伝達部１５、光学像検出器１６から成る
。上に拡大投影される。また、対物レンズ８、あるいは中間レンズ１２により形成される
電子回折像面上にコントラストアパーチャ１３を挿入できるようになっており、像のコン
トラストを調整し正常パターンの像を消して欠陥部のみを強調するように調整できる。画
像検出系１０４が取り込んだウェハ４表面の局部的な帯電電位の分布すなわち電気的欠陥
像は、画像処理部１０５に送られる。

本発明では、電子ビームがウェハ４に衝突することがないので、通常では試料ウェハは
帯電しない。しかし、電気的欠陥を検出するためには帯電させる必要があるため、帯電制
御装置１７を備えている。帯電制御装置は、カーボンナノチューブを束ねた電子源や、タ
ングステンフィラメント熱電子源、あるいはLaB₆電子源等を用いた、大電流電子ビームを
ある程度の広さ（数百μｍ〜数十ｍｍ）を持った面から放出する電子源を備えている。ウ
ェハの帯電状態を制御するためには、帯電用の電子ビームのウェハへの入射エネルギーを
調整する必要があり、そのための電極などが備えられている。帯電用電子ビームの電流値
や入射エネルギーについては、制御部１０６から与えることができ、欠陥検査に最適な条
件を与えられるようになっている。

本実施例では帯電制御装置として電子ビームを用いた構成を示したが、試料ウェハの帯
電手段としては、電子ビームのほかに紫外線から軟Ｘ線までの波長を持った光を用いても
良い。光を帯電手段として用いた場合、光は電子光学系やウェハ電位にはなんら影響を受
けないので、欠陥検査中の観察と光ビーム照射による帯電制御とを同時に行うことが可能
となる。

欠陥検査中の顕微鏡観察と同時に帯電を生じさせる手段としては、上記の光を用いた方
法のほかに、照射電子線１０７のもつエネルギー分布を利用することもできる。電子源１
から発生する電子のエネルギー分布はもともとエネルギーが1.5eV以下程度の広がりを持
ったピーク状をしている。そこで、円孔電極１１および試料ウェハ４に印加する電源１１
からの電圧を制御して、照射電子線１０７が反射される試料電位を照射電子線エネルギー
分布ピークの中に設定する。設定電位値より高いエネルギーを持った電子群は試料電位を
乗り越えて試料ウェハに入射する。

一方、設定電位より低いエネルギーを持った電子群は跳ね返され、ミラー電子として像
を形成するのに寄与する。試料に入射した電子によって試料は負に帯電する。一定量の電
子が注入された時点で新たに形成された負電位によって、入射電子の全てが反射されるよ
うになり、電子の注入は自動的にストップする。また、試料に注入された電子が逃げて帯
電量が小さくなると帯電による負電位が緩和され、再び入射電子が試料に注入され減少し
た帯電量を補給することになり、常に一定の帯電量を保つことができる。従って、試料電
位が照射電子線エネルギー分布ピークの中に含まれるように電源１１の電圧を設定すれば
、帯電制御装置１７を用いなくとも、観察と同時に帯電を行うことができる。最初に電子
を試料に注入するための設定電位の調整は、電源１１の電圧を電源6の供給する加速電圧
よりわずかに、正側にシフトさせる。このシフト量は、入射電子のエネルギー分布の幅よ
り小さい必要がある。最適のシフト量の値は、試料の材料によって異なる。

そこで、あらかじめ各材料に対して適当な値を測定しておき、テーブル化しておけば、
ユーザーは材料に関する条件を選択するだけで、装置は適当なシフト量をテーブルより設
定する。テーブルは、例えば制御部１０６やコンピュータ９００に格納することができる
。また、ユーザー自身による調整も可能である。これらは、各電源６、１１を制御する制
御部１０６を通して行う。

試料ウェハ上の欠陥のみを強調した像を得るために、照射光学系１０１と結像光学系１
０２の光学条件を調整する必要であるが、まず、本実施例の光学系における結像特性をシ
ミュレーションにより求めた結果を用い、どのような調整を行えばよいかを説明する。図
4に示したような、一辺７０ｎｍの矩形パターン４０１が５×５に配列されているモデル
を考える。この矩形パターンは上層の配線と下層の配線とを結ぶビアをモデル化している
。矩形と矩形の間は絶縁膜４０２である。とこの矩形パターンは正常には下層の配線と導
通が取れているが、中心の矩形パターン４０３の１個だけ導通がとれず、電気的に絶縁さ
れてしまっている。

このような場合、上記に示したような帯電制御装置１７などを用いて行うような帯電処
理を行うと、絶縁膜４０２と、不良である真ん中のパターン４０３が帯電して電位を形成
し、他の正常パターン４０１は下層と接続されているため０Ｖのままである。以下のシミ
ュレーションでは、正常パターンは０Ｖ、欠陥を有するパターン４０３の電位は−１Ｖ，
絶縁膜４０２の電位は−２Ｖとした。

図５にミラー電子結像光学系が蛍光板１４上に形成する像を、結像系のフォーカスを変
化させて求めた結果を示す。像５０１に対し、結像系のデフォーカスを大きくした像５０
２をみるとわかるように、微細な正常パターンの像はほぼ消失し、パターン欠陥部分の画
像信号強度だけ大きくなる。すなわち、結像光学系１０２の対物レンズ８のフォーカスを
変えることで、欠陥のみを強調した画像化することができる。

次に、ミラー電子結像系１０２ではなく、電子線照射系１０１の条件を変えた場合の像
の変化を図6に示す。この図では、パターンモデル６０４で示されているように、図4に示
したパターンモデルの中心３×３の配列部分のみを示している。像６０２は、像６０１に
比べて、照射電子線のエネルギー分布の幅（半値全幅）を大きくした場合の像である。ま
た、像６０３は、像６０１に比べ、照射電子線の平行度を低くしていったときの像を示し
ている。照射電子線のエネルギー幅を大きくし、また、入射電子線をわずかに収束あるい
は発散するようにして平行度を落とすと、正常パターンの持つ短い周期の変化は現れず、
欠陥に起因した歪んだ電位分布が形成するパターンサイズより長い周期の変化が像に現れ
ている。

照射電子線のエネルギー分布の幅を広げるには、電子源1として先端曲率半径の小さな
チップを選択しておくか、電子源１のチップに対する引き出し電圧を高くして引き出され
る電流量を大きくすると良い。また、コンデンサレンズ２のレンズ強さを弱くしてクロス
オーバー１０８の位置をより試料側に移動させることにより、クロスオーバー１０８の交
差角を小さくする。いずれの場合においても、電子間の相互作用がより顕著になり、エネ
ルギー分布の幅を広げることができる。一方、照射電子線の平行性を落とすには、コンデ
ンサレンズ２や収差補正用のＥＸＢ偏向器７などに与える電圧や電流を調整すればよい。
与える電圧値や電流値の組み合わせを、あらかじめ入射電子束の平行度に対して決めてテ
ーブル化しておけば、ユーザーは平行度を選択するだけで、制御部１０６がこれらの詳細
な調整を行う。以上のように、電子線照射系１０１の構成要素である、電子源１、コンデ
ンサレンズ2などの調整により、欠陥のみを強調した画像化することができる。

試料室１０３内では、試料移動ステージ９上にウェハ４が載置され、ウェハ４には電源
１１により前述のように電子ビームの大部分がウェハ４に衝突しないような負電位が印加
されている。試料移動ステージ９にはステージ位置測定器１８が付設され、ステージ位置
をリアルタイムで正確に計測している。これは、ステージ９を連続移動させながら画像を
取得するためである。このステージ位置測定器１８には、例えばレーザ干渉計が用いられ
る。

また、試料ウェハ４表面の高さを正確に計測するために、光学的な試料高さ測定器１９
も取りつけられている。これには、例えば、ウェハ表面上の検査すべき領域に斜め方向か
ら光を入射させ、その反射光の位置変化からウェハ表面の高さを計測する方式のものを用
いることができる。この他、試料室１０３には、検査領域の位置決め用に用いられるアラ
イメント装置２０も付設されている。アライメント装置２０には、たとえば光学顕微鏡や
レーザー干渉計などが用いられ、試料移動ステージ９の移動方向とウェハ４のパターンの
並び方向とを合わせる際に用いる。

次に、試料移動ステージ９の動作法について述べる。ステージ８の移動方法をステッフ
゜・アンド・リピート方式とすると、ステージ９の整定時間は、msecオーダが必要となる
ため、画像Ｓ／Ｎ比を向上させて画像取得時間を短縮してもステージ移動に時間がかかっ
てしまい検査時間を短縮することができない。従って、ステージ９の移動方法は、ステー
ジが常にほぼ等速で移動している連続移動方式とした。これによりステージの整定時間に
よる検査時間の制約はなくなる。ただし、ステージ９が連続移動していると、同一場所の
画像を形成するのに必要な時間である１ショットの間にもステージ９が移動し、ウェハ表
面上での照射位置が変化してしまう。そこで、１ショットの間に照射位置が変化しないよ
うに、照射系偏向器２１により照射電子ビームをステージ９の移動に追従させるようにし
た。ステージ9の移動と照射電子ビームの偏向の制御は、制御部１０６のステージコント
ローラ２２および、偏向器コントローラ２３を制御計算機２４により制御することにより
行う。

次に、画像検出部１０４について説明する。画像検出には、ミラー電子像を光学像に変
換するための蛍光板１４と光学画像検出素子１６とを光学像伝達系１５により光学結合さ
せる。本実施例では、光学像伝達系１５として、光ファイバー束を用いている。光ファイ
バー束は、細い光ファイバーを画素数と同じ本数束ねたものである。また、上記光ファイ
バー束の代わりに光学レンズを用い、光学レンズによって蛍光板１４上の光学像を光学画
像検出素子１６の受光面上に結像させるようにしてもよい。光学画像検出素子１６は、そ
の受光面上に結像された光学像を電気的な画像信号に変換して出力する。光学画像検出素
子１６としては、ＣＣＤ、ＭＣＰ（マイクロチャンネルプレート）、フォトダイオードな
どを用いることができる。また、取得される画像の分解能は欠陥の有無を判定する必要の
あるパターンのサイズより大きくとることができる。

たとえば７０ｎｍの矩形パターンでは、図６の像６０３などから判断して約3倍の２０
０ｎｍの分解能で十分である。本実施例の場合、光学画像検出素子１６の1ピクセルを２
００ｎｍ角に割り当てるとすると、照射電子線の照射領域５０μｍ角では、ピクセル数は
２５０×２５０でよい。さらにピクセルデータの読み出しチャンネルを複数設ければ、画
像データの取り込みを極めて高速に行える。また、時間蓄積型のＣＣＤを用いたＴＤＩセ
ンサを用いてもよい。

画像処理部１０５は、画像信号記憶部２５、欠陥判定部２６より構成されている。画像
記憶部２５は照射電子線の偏向データとステージの位置データを制御計算機２４から取得
し、画像データを試料ウェハ上の座標系に関係付けて記憶する。ウェハ上に座標付けされ
た画像データは、欠陥判定部２６によりあらかじめ設定された値と比較して欠陥を判定し
、その座標および、対応するピクセルの信号強度は制御計算機２４に送られ制御計算機２
４に記憶される。比較のための値は、制御計算機２４から設定される。

装置各部の動作命令および動作条件は、制御部１０６内の制御計算機２４から入出力さ
れる。制御計算機２４には、予め電子ビーム発生時の加速電圧、電子ビーム偏向幅・偏向
速度、試料ステージ移動速度、画像検出素子からの画像信号取り込みタイミング等々の諸
条件が入力されている。制御計算機２４からの指令を受けて、ステージ位置測定器１８、
試料高さ測定器１９からの信号を基にして補正信号を生成し、電子ビームが常に正しい位
置に照射されるように対物レンズ電源２７や偏向器コントローラ２３に補正信号を送る。
ステージ制御系２２は、制御計算機２９から指令を受けて試料移動ステージ８を制御する
。制御計算機２４は、役割を分担しインターフェースで結合された複数の計算機から構成
されていても良い。

次に、実際の検査手順について説明する。まず、アライメント装置２０を用いての試料
ステージとウェハのアライメントを行う。ウェハ４は、アライメント調整ステージ２８を
介してステージ９に載置されている。アライメント装置２０を用いてウェハ４表面上の回
路パターンがステージ移動方向と平行あるいは直交となるように、アライメント装置２０
によりアライメント状況を確認しながら、アライメント調整ステージ２８により回転など
のウェハ位置補正を行う。このアライメント作業を行うため、あらかじめウェハ上にマー
キングを施しておく。ウェハ４の位置と試料ステージ９との位置関係が決まったら、次に
照射電子線１０９との位置関係を調整する。ミラー電子は、表面の凹凸に対しても像を形
成するため、これを利用した。ウェハ４上、あるいは試料ステージ９上のいずれかに凹凸
で形成されたマークを施しておき、このマークを結像光学系１０２で像を取得する。これ
により、ウェハ４と、または、試料ステージ９と照射電子線１０７との位置関係を決める
ことができる。

上記した検査条件の設定が完了したら、試料ウェハ４表面上の被検査領域の一部を実際
の検査条件と全く同一の条件で電子ビーム画像化し、被検査領域の材質や形状に依存した
画像の明るさの情報およびそのばらつき範囲を算出し、被検査領域内のパターン部分が欠
陥であるか否かを判定する際の判定条件を決定する。

上記の手順によって被検査領域および欠陥判定条件の設定が完了したら、実際に検査を
開始する。検査時には、試料ウェハ４を搭載したステージ９は照射電子線１０７に垂直な
平面内で一定速度で連続移動する。その間、電子ビームは各１ショットの間ウェハ４表面
上の同一照射領域を一定のショット時間照射する。ステージ９は連続移動しているので、
電子ビームは照射系偏向器２１によってステージ９の移動に追従して偏向走査させる。

電子ビームの照射領域あるいは照射位置は、ステージ９に設けられたステージ位置測定
器１８、試料高さ測定器１９等により常時モニタされる。これらのモニタ情報が制御計算
機２４に転送されて詳細に位置ずれ量が把握され、かつこの位置ずれ量が補正されて電子
光学系にフィードバックされる。
また、試料ウェハ４の表面高さを、電子ビーム以外の手段でリアルタイムに測定し、電
子ビームを照射するための対物レンズ８や結像レンズ系の焦点距離をダイナミックに補正
する。電子ビーム以外の手段としては例えば、レーザ干渉方式や反射光の位置変化を計測
する方式等による光学式の高さ測定器１９である。これにより、常に被検査領域の表面に
焦点のあった電子ビーム像を形成することができる。また、予め検査前にウェハ４の反り
を測定しておき、その測定データを基に上記の焦点距離補正をするようにして、実検査時
にはウエハ４の表面高さ測定を行う必要がないようにしてもよい。

電子ビームをウェハ４表面に向け、ミラー電子によりウェハ４表面上の所望の被検査領
域(面積領域)についての拡大光学像をシンチレータ１４上に形成する。この拡大光学像を
光学像検出素子１６（たとえばＣＣＤ）により電気的な画像信号に変換し、この画像信号
を画像処理部１０５に取り込む。取り込んだ画像が、試験ウェハのどの位置に相当するか
は、上述のように調整時にあらかじめ決められている、試料ステージ９と照射電子線１０
７との位置関係を基に、ステージ位置測定器１８から得られる画像取得時のステージの位
置情報、照射系偏向器２１に与えられた偏向量情報とから、計算することができる。各画
像と得られたウェハ上での位置情報とをあわせて、記憶部２５内に記憶する。画像信号は
、欠陥判定部２６に取り込まれ、そこで、既に求めてある欠陥判定条件に基づき欠陥判定
がなされ、欠陥と判定されたウェハ上の位置座標が画像信号とともに制御計算機２４に送
られる。

これまでに述べてきた検査方法および検査装置により、ウェハ４の表面の電位情報を反
映した画像を形成し、対応するパターン領域についての画像信号を設定された閾値と比較
することによって、パターン欠陥の位置を検出することが可能となった。これにより、従
来の電子ビームによる検査装置と比べ非常に高速な検査が可能になった。

実施例１では、欠陥検出の位置精度を悪くてもパターンサイズの3倍程度以下に抑えて
いたが、単純に欠陥の有無のみを検査するだけであれば、さらに簡単な構成で本発明を実
施できる。本発明では、像として得られるものは、欠陥によって歪められた電位分布であ
る。したがって、正常部では像はなく、欠陥部のみに画像信号が大きくなる。欠陥の位置
についてそれほど精度を求めなければ、像の2次元的な画像強度分布を得るのではなくて
、像全体の強度で欠陥の有無をモニターできる。

本実施例では、１ショットの照射領域の大きさを５μｍ程度とし、ミラー電子を信号全
体の強度の大小のみを測定する単純な検出器を用いて信号化する。実施例1との大きな違
いは、CCDカメラなどの2次元位置座標ごとに信号強度を計測して像として出力する、すな
わち、位置敏感性のある検出器を用いてミラー電子像を得るのではなく、そのような位置
敏感性のない、すなわち、各画素ごと独立に信号読み出しができないタイプのＣＣＤやＭ
ＣＰ，フォトダイオード，あるいは，光電子増倍管などをもちいて、全ミラー電子の強度
のみを計測する点である。図7に通常のＳＥＭ式検査装置の構成に変更を施した実施例を
示す。本実施例では電子光学系と像検出系以外は実施例１と同様の構成を利用するため、
図には真空維持のための真空排気系、装置制御のための機器などは省略され、電子光学系
にかかわる部分のみ模式的に表してある。

通常のＳＥＭ式検査装置と同じように、電子銃２９からの照射電子線７０１は対物レン
ズ３０により試料ウェハ４に集束される。通常のＳＥＭ式検査では、パターンを十分判別
できるように電子ビームを細く絞る必要があるが、本実施例では、試料ウェハ4表面上で5
ミクロン程度のスポットになるように光学系を調整しておく。電子ビームの走査のために
は、静電偏向器３１をもちいる。静電偏向器３１は対物レンズ３０の焦点面上に配置され
ており、静電偏向器３１により偏向された照射電子線は試料に垂直に照射される。試料か
ら反射したミラー電子線は静電偏向器３１により再び偏向されるが、入射電子線と同じ方
向に偏向を受けるので、偏向器より上の入射電子線とミラー電子線の軌道は一致する。こ
の静電偏向器３１は必ずしも対物レンズ３０の焦点位置に配置する必要はなく、２つの静
電偏向器を組み合わせて用いて、この一組の静電偏向器の偏向支点が対物レンズ３０の焦
点面上にあればよい。

静電偏向器３１と電子銃２９との間には、Ｅ×Ｂ偏向器３２がセパレータとして設置し
てある。また、試料ウェハ４は、実施例１と同様に照射された電子ビームが試料ウェハ４
上の逆電界によって反射されるようにしておく。反射された電子ビームはミラー電子７０
２となってＥ×Ｂ偏向器３２により照射電子ビームの光軸からはずれ、結像レンズ３３に
より、検出器３４に結像される。照射電子線の偏向器として静電偏向器３１を用いること
により、検出器３４に入射する電子線は静電偏向器３１の影響を受けず、常に同一の光学
条件で検出器に入射する。また、試料ウェハ４の電位歪みの生じていない部分から反射さ
れた電子が検出器３４に入射しないよう、検出器３４の前にはアパーチャ３５が設置され
ている。

本実施例による検査の方法は、実施例１とほぼ同等であるが、欠陥の有無の判定につい
ては、検出器３４の出力値を、あらかじめ設定されている閾値と比較するのみである。単
一の信号を、設定値との大小比較だけなので、欠陥判定はきわめて高速に行うことができ
る。欠陥が存在したと判定された位置は、照射電子線７０１の偏向度と試料ステージ５９
の位置とから、照射電子線のスポットサイズ（本実施例では５μｍ程度）の精度では判明
しており、試料ウェハ上の欠陥分布などを出力するには十分である。
本実施例によれば、きわめて高速にウェハ上の欠陥の有無を検査でき、半導体デバイス
製造スループットを落とさずに、回路パターンの電気的な欠陥の発生状況をモニターでき
る。

本実施例では、第２のＳＥＭ鏡筒８０１ほかを備えることにより、詳細な欠陥検査を行
えるようにした例である。図８にその構成を示す。本図では、第1の実施例にＳＥＭ鏡筒
ほかを加えたが、第1の実施例の変わりに第2の実施例としても良い。
第1の実施例（または第2の実施例）により、欠陥の位置が判明したウェハに関して、特
に詳細な観察を行う必要がある場合、ウェハ転送機構３６によりＳＥＭ鏡筒８０１下の試
料ステージ３７にウェハが転送される。ウェハ転送機構３６は、試料室１０３から試料室
８０２への転送をウェハを真空の外に出すことなく転送できる機構を備えている。ＳＥＭ
鏡筒８０１では、電子銃３８から照射される電子線８０３が、レンズ３９により転送され
た試料ウェハ４０上に微細なスポットを形成する。偏向制御器４１で制御された偏向器４
２により電子線８０３を走査し、2次電子検出器４３からの信号により、ウェハ４０の像
を取得する。その際、観察の品質を上げるため、帯電制御を行ったり、二次電子検出位置
を変更したり、ウェハから出た2次電子が別の電極に衝突して発生する二次電子をもって
像を形成したり、といった手段が講じられても良い。

欠陥位置が判明したウェハが試料位置８０２に転送されると、制御部１０６から欠陥の
位置情報がＳＥＭ制御部４４に転送され、電子線８０３の走査領域を欠陥位置にするよう
、試料ステージ３７および偏向器４２を調整する。試料ステージ３７には、制御部１０６
から与えられるウェハ位置情報から、正しく電子線８０３の走査領域を決定できるよう、
転送されたウェハ４０の基準を決める位置合わせ機構などが備えられていることは言うま
でもない。

欠陥位置情報を元に、ＳＥＭ観察した像はＳＥＭ制御部４４にとりこまれ、モニタへの
出力、欠陥情報データとの照合による欠陥の詳細判定、などが行われる。観察位置の決定
や欠陥の詳細判定などは、オペレータがその都度マニュアルで行ってもよいし、ＳＥＭ制
御部４４が自動で行うようにしてもよい。
また、ＳＥＭ鏡筒８０１を用いた欠陥の詳細観察中も、別のウェハの欠陥検査を第1（
または第２）の実施例を用いて行うことができ、製造ラインにおける欠陥検査のスループ
ットを落とすことはない。
本実施例によれば、製造ラインの検査スループットを悪化させることなく、ウェハ上の
欠陥の詳細観察を行うことができる。

本発明の第１の実施例になる検査装置の概略構成を示す図。本発明の原理を説明する図。本発明の原理を説明する図。ミラー電子の結像状態を比較するためのモデルパターンを説明する図。ミラー電子の結像状態を比較する図。ミラー電子の結像状態を比較する図。本発明の第２の実施例になる検査装置の概略構成を示す図。本発明の第３の実施例になる検査装置の概略構成を示す図。

符号の説明

１：電子源、２：コンデンサレンズ、３：Ｅ×Ｂ偏向器、４：試料ウェハ、５：引き出し
電極系、６：電子源制御装置、７：Ｅ×Ｂ偏向器、８：対物レンズ、９：試料ステージ、
１０：円孔電極、１１：電源、１２：中間レンズ、１３：投影レンズ、１４：蛍光板、１
５：光学像伝達部、１６：光学像検出器、１７：帯電制御装置、１８：ステージ位置測定
器、１９：試料高さ測定器、２０：アライメント装置、２１：照射系偏向器、２２：ステ
ージコントローラ、２３：偏向器コントローラ、２４：制御計算機、２５：画像信号記憶
部、２６：欠陥判定部、２７：対物レンズ電源、２８：アライメント調整ステージ、２９
：電子銃、３０：対物レンズ、３１：走査偏向器、３２：Ｅ×Ｂ偏向器、３３：結像レン
ズ、３４：検出器、３５：アパーチャ、３６：ウェハ転送機構、３７：試料ステージ、３
８：電子銃、３９：レンズ、４０：転送されたウェハ、４１：偏向制御器、４２：偏向器
、４３：2次電子検出器、４４：ＳＥＭ制御部、１０１：電子線照射系、１０２：ミラー
電子結像系、１０３：試料室、１０４：画像検出部、１０５：画像処理部、１０６：制御
部、１０７：照射電子線、１０８：クロスオーバー、１０９：結像電子線、１１０：結像
面、２０１：電子線、２０２：欠陥、２０３：アパーチャ、２０４：レンズ、２０５：等
電位線、２０６：試料（ウェハ）、２０７：電源、３０１：絶縁体、３０２：配線パター
ン、３０３：非導通欠陥、３０４：試料（ウェハ）、３０５：等電位線、４０１：導体パ
ターン、４０２：絶縁体、４０３：欠陥パターン、５０１、５０２：像シミュレーション
結果、６０１、６０２、６０３：像シミュレーション結果、６０４：パターンモデル、７
０１：照射電子線、７０２：ミラー電子線、８０１：ＳＥＭ鏡筒、８０２：試料室、８０
３：電子線。

Claims

回路パターンが形成されたウェハを帯電させることにより前記回路パターン近傍に電位分布を形成し、
前記回路パターンの繰り返し周期より長い距離にわたる前記電位分布の歪を検出することにより、
前記回路パターンに含まれる電気的欠陥の有無を判別することを特徴とするパターン欠陥検査方法。
請求項１に記載のパターン欠陥検査方法において、
前記電位分布の歪が検出された箇所の位置情報から、前記電気的欠陥の位置を特定することを特徴とするパターン欠陥検査方法。
請求項１に記載のパターン欠陥検査方法において、
前記電位分布の歪が検出された箇所の電位強度を所定の閾値と比較することにより、前記電気的欠陥の有無を判別することを特徴とするパターン欠陥検査方法。
請求項１に記載のパターン欠陥検査方法において、
前記ウェハに面状の電子ビームを照射し、
前記面状の電子ビームの加速電位と帯電により前記ウェハ近傍に形成される電位との差を、
前記面状の電子ビームの一部が前記ウェハに接触せずに反射される大きさに設定し、
反射された前記面状の電子ビームを検出することにより前記電位分布を反映した画像を形成し、前記電位分布の歪が検出された箇所の電位強度を所定の閾値と比較することにより、前記電気的欠陥の有無を判別することを特徴とするパターン欠陥検査方法。
請求項４に記載のパターン欠陥検査方法において、
反射された前記面状の電子ビームを位置敏感性の検出器により検出することを特徴とするパターン欠陥検査方法。
請求項４に記載のパターン欠陥検査方法において、
反射された前記面状の電子ビームを、結像手段と絞りとによって位置敏感性を持たない検出器上に選択集束し、該位置敏感性を持たない検出器により反射された前記面状の電子ビームを検出することを特徴とするパターン欠陥検査方法。
請求項４に記載のパターン欠陥検査方法において、
反射された前記面状の電子ビームに対してデフォーカスを行ない、
デフォーカスされた前記面状の電子ビームを検出することにより、
前記電位分布を反映した画像を形成し、前記電位分布の歪が検出された箇所の電位強度を所定の閾値と比較することにより、前記電気的欠陥の有無を判別することを特徴とするパターン欠陥検査方法。
請求項４に記載のパターン欠陥検査方法において、
前記ウェハに対して入射する前記面状の電子ビームの平行度を調整し、
平行度の調整された前記面状の電子ビームを前記ウェハに対して入射し、
反射された前記面状の電子ビームを観測することにより、試料表面電位変化を観測することを特徴とするパターン欠陥検査方法。
請求項４に記載のパターン欠陥検査方法において、
前記面状の電子ビームのエネルギー幅を調整し、
前記面状の電子ビームを前記ウェハに対して入射し、
反射された前記面状の電子ビームを観測することにより、試料表面電位変化を観測することを特徴とするパターン欠陥検査方法。
請求項１から請求項９のいずれか１項に記載のパターン欠陥検査方法において、
電子線を照射することによって、前記ウェハを帯電させることを特徴とする、パターン欠陥検査方法。
請求項１から請求項９のいずれか１項に記載のパターン欠陥検査方法において、
紫外線から軟X線までの範囲内の波長を有する電磁波を照射することによって前記ウェハを帯電することを特徴とするパターン欠陥検査方法。
請求項４から請求項９のいずれか１項に記載のパターン欠陥検査方法において、
前記ウェハ近傍に形成される電位を、前記面状の電子ビームの持つエネルギー分布の広がりの中に設定することにより、前記面状の電子ビームの一部を前記ウェハ近傍に形成される電位によって反射させ、残りを前記ウェハに入射させることによって、前記ウェハを帯電させることを特徴とする、パターン欠陥検査方法。
請求項４に記載のパターン欠陥検査方法において、
前記面状の電子ビームを前記ウェハ上に走査する際に、
前記ウェハが戴置されたステージを連続的に移動させながら、前記面状の電子ビームの照射領域が、前記ウェハ上を前記ウェハを搭載するステージの移動方向と直交する方向に移動するように、前記面状の電子ビームを偏向させることを特徴とするパターン欠陥検査方法。