JP4759146B2 - Apparatus and method for secondary electron emission microscope with double beam - Google Patents

Apparatus and method for secondary electron emission microscope with double beam Download PDF

Info

Publication number
JP4759146B2
JP4759146B2 JP2000620658A JP2000620658A JP4759146B2 JP 4759146 B2 JP4759146 B2 JP 4759146B2 JP 2000620658 A JP2000620658 A JP 2000620658A JP 2000620658 A JP2000620658 A JP 2000620658A JP 4759146 B2 JP4759146 B2 JP 4759146B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
sample
electrons
electron
energy
range
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2000620658A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2003500821A (en
Inventor
ベネクラセン・リー
アドラー・デイビッド
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
KLA Corp
Original Assignee
KLA Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from US09/354,948 external-priority patent/US6087659A/en
Application filed by KLA Corp filed Critical KLA Corp
Priority claimed from US09/579,867 external-priority patent/US6586733B1/en
Priority claimed from PCT/US2000/014583 external-priority patent/WO2000072355A1/en
Publication of JP2003500821A publication Critical patent/JP2003500821A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4759146B2 publication Critical patent/JP4759146B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/26Electron or ion microscopes; Electron or ion diffraction tubes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/004Charge control of objects or beams
    • H01J2237/0041Neutralising arrangements
    • H01J2237/0044Neutralising arrangements of objects being observed or treated
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/25Tubes for localised analysis using electron or ion beams
    • H01J2237/2505Tubes for localised analysis using electron or ion beams characterised by their application
    • H01J2237/2538Low energy electron microscopy [LEEM]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/26Electron or ion microscopes
    • H01J2237/262Non-scanning techniques

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Testing Or Measuring Of Semiconductors Or The Like (AREA)
  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に、物体の表面を微視的に検査するため、より詳細には、半導体デバイス内の層を検査するために電子ビームを用いる装置および方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体の微細構造の検査には、様々な方法が用いられてきた。半導体チップ製造分野においては、表層の微細な欠陥によってチップが機能するか否かが決まるため、これらの検査は、その分野では重要な地位を占めている。例えば、間にある絶縁層の穴すなわちバイアはしばしば、外側にある2つの導電層間を電気的に接続するための物理的なコンジットを提供する。これらの穴すなわちバイアが、十分にエッチングされていないか、もしくは異物に塞がれている場合、電気的な接続を確立できず、チップ全体が機能しないことがある。半導体層の表面にある微細な欠陥の検査は、チップの適切な機能を保証するために必要である。
【0003】
電子ビームは、他のサンプル検査機構をしのぐいくつかの利点を持っている。光ビームでは、本質的に約100nm〜200nmが解像度の限界であるが、電子ビームは、数ナノメータほどの形状サイズを検査できる。電子ビームは、静電素子および電磁素子によってかなり容易に操作され、確実に、X線よりも生成および操作が容易である。
【0004】
半導体の欠陥検査において、電子ビームは、光学ビームほど多くの偽陽性(素子に欠陥があると誤って認識されること)を生じることはない。光学ビームは、カラーノイズや結晶粒組織の問題に敏感であるが、電子ビームは、それらの問題に敏感ではない。特に、酸化物トレンチとポリシリコン配線は、結晶粒組織ゆえに光学ビームでは偽陽性が出る傾向にある。
【0005】
表面構造の検査のために、電子ビームを用いた様々なアプローチがなされてきた。低電圧走査型電子顕微鏡(SEM)では、一次電子の狭いビームが、表面にわたってラスタ走査され、二次電子が放出される。走査型電子顕微鏡のビーム内の一次電子が、ある特定の既知の電子エネルギ(E2とする)に近い場合、SEMに関しては電荷蓄積の問題が最小限であるため、サンプルの表面は、比較的中性のままになる。しかしながら、表面の各ピクセルを順番に取得してゆくため、走査型電子顕微鏡によるラスタ走査は遅い。さらに、ビームのパターンを制御するために、複雑で高価な電子ビーム操作システムが必要である。
【0006】
別のアプローチは、光電子放射顕微鏡(PEMもしくはPEEM)と呼ばれる。その方法では、対象となるサンプルの表面に光子が当てられ、光電効果によって、その表面から電子が放出される。しかしながら、絶縁作用のある表面では、その表面からの正味の電子フラックスがあるため、これらの電子の放出は、サンプル表面上に正味の正電荷を生成する。サンプルは、放出電子がなくなる、すなわち電子崩壊が起こるまで、正に荷電し続ける。この電荷蓄積は、絶縁材料を画像化する際に特に問題である。
【0007】
電子ビームを用いて表面を検査する別の方法は、低エネルギ電子顕微鏡(LEEM)として知られている。その方法では、低エネルギ電子の比較的広いビームが、サンプル表面に入射するように方向付けられ、サンプルから反射した電子が検出される。しかしながら、サンプル表面に当てられた電子すべてがその表面から離れるのに十分なエネルギを持っているわけではないため、LEEMは、同様の電荷蓄積の問題を抱え、その問題により、サンプルにさらなる電子が衝突することが妨げられ、その表面の像が歪んだり、影ができたりする。
【0008】
いくつかの従来技術に関する出版物が、顕微鏡で電子ビームを用いる様々なアプローチを論じているが、電荷蓄積の問題を低減もしくは排除した上で並列画像化を用いる方法を確定したものはない。これらのアプローチの内の一つは、「The Continuing Development of Low-Energy Electron Microscopy for Characterizing Surfaces」、Review of Scientific Instruments、63(12)、1992年12月、5513〜5532ページにLee H. Veneklasenによって記述されている。Vaneklasenは一般に、電子発生源とサンプル間のLEEMの電子ポテンシャル差は、0から数keVまでの間で調節できると述べているが、荷電の問題を認識しておらず、その解決法も提示していない。
【0009】
それゆえ、サンプル表面の検査に電子ビームを用いる方法および装置で、電荷蓄積の問題を最小限にすると共にサンプル表面の検査速度を増加させたものが求められている。
【0010】
【発明の概要】
したがって、本発明は、並列画像化のための装置および方法を提供することにより、上述の問題に対処する。一般的に言うと、第1のビームは、サンプルの比較的広い範囲の画像を生成するために用いられる。並列画像化は、比較的広いビームを用いることにより実現される。第1のビームよりも衝突エネルギが低い第2のビームは、第1のビームから生じることのあるサンプル上の正電荷蓄積を低減するために用いることができる。
【0011】
一実施形態では、サンプルを検査するための装置が開示されている。その装置は少なくとも、第1の範囲のエネルギレベルを持つ第1の電子ビームをサンプルの第1の領域に方向付けるよう構成された第1の電子ビーム発生器と、第2の範囲のエネルギレベルを持つ第2の電子ビームをサンプルの第2の領域に方向付けるよう構成された第2の電子ビーム発生器とを備える。サンプルの第2の領域は、少なくとも部分的に第1の領域と重なっており、エネルギレベルの第2の範囲は、第1の電子ビームによって引き起こされる電荷蓄積が抑制されるように、第1の範囲と異なっている。その装置は、さらに、サンプルと第1および第2の電子ビームとの相互作用の結果としてサンプルから生じる二次電子を検出するよう構成された検出器を備える。好ましい実施形態では、第1の電子ビームは、並列マルチピクセル画像化に適した幅を持ち、第1および第2の電子ビーム発生器は、第1および第2のビームを同時に発生させるよう構成されている。
【0012】
別の実施形態では、荷電粒子のビームに表面を曝露する際に表面の荷電を抑制するための方法が開示されている。表面は、第1のビーム内の第1の電子群に曝露される。第1の電子群は、第1の範囲内のエネルギを持っている。表面は、第2のビーム内の第2の電子群に曝露される。第2の電子群は、第1の範囲とは異なる第2の範囲内のエネルギを持っている。エネルギの第2の範囲は、表面に衝突する第2の群の電子を提供し、その表面の正電荷を減らすような範囲に前もって決定されている。好ましい実施形態では、表面は、前記第1の電子群と前記第2の電子群に同時に曝露される。
【0013】
本発明には、いくつかの利点がある。例えば、この装置および方法は、多数のピクセルに対する検出器アレイ上での並列画像化を可能とするため、従来の走査型電子顕微鏡およびその方法よりも高速でノイズが小さいという特性を持つ。さらに、電子ビーム走査システムは必要なく、電子ビーム電流の密度はそれ程高くないため、傷のつきやすいサンプルを傷つける可能性が低減されている。
【0014】
本発明のこれらおよび他の特徴と利点は、以下に続く本発明の詳説と本発明の原理を例示的に示す添付図面においてさらに詳細に提示されている。
【0015】
【発明の実施の形態】
ここで、本発明の具体的な実施形態を詳細に参照する。これらの具体的な実施形態の例は、添付図面に示されている。本発明は、これらの具体的な実施形態に即して説明されるのだが、説明された実施形態に本発明を限定する意図がないことは理解されるだろう。逆に、添付された特許請求の範囲によって規定される本発明の趣旨および範囲内に含まれるような代替物、修正物、等価物を網羅することを意図している。以下の説明では、本発明の完全な理解を促すために、数多くの詳細が示されている。 本発明は、これらの詳細の一部もしくはすべてがなくとも実施可能である。そのほか、本発明が不必要に不明瞭となるのを避けるため、周知の工程動作の説明は省略している。
【0016】
図1は、本発明の一実施形態にしたがって二重ビームを有する二次電子放射顕微鏡(SEEM)装置100の基本的な構成を示す図である。SEEM100は、それぞれ軌道12および7に沿って一次電子e1のビームを放射する2つの電子銃発生源10および8を備える。
【0017】
電子ビームはそれぞれ、電子レンズ13によってコリメートされ、その後も軌道12および7に沿って進む。次いで、磁気ビーム分離器14が、コリメートされた電子ビームの進路を曲げることにより、電子ビームは、検査されるサンプル9の表面に垂直な電子光学軸OAに沿って入射する。換言すれば、2本のビームは、ほぼ同時にサンプルの同じ領域に当たるよう方向付けられる。
【0018】
一方のビームの衝突エネルギは、サンプル表面の電荷のバランスを保つように選択される。一実施形態では、一方のビームは、1keVの水準の衝突エネルギを持っている。第1のビームの衝突エネルギは、サンプルの荷電が中性となるように選択されてよいが、ある種の材料(例えば、絶縁体)では、第1のビームが、サンプル表面上で正味の正電荷蓄積を生じさせる。すなわち、高エネルギのビームによって表面に発生される強い電界によって、電子がサンプルから失われるのである。それゆえ、高エネルギビームから生じるサンプル上の正電荷蓄積を低減するために、第1の高エネルギビームに併せて、衝突エネルギの低い第2のビームが用いられる。低エネルギビームは、約0eVのエネルギを持つことが好ましい。
【0019】
理論的に、第2のビームの衝突エネルギは、サンプルの表面電圧が所定の電圧値に固定されるように選択される。電圧の低いビームが用いられる際には、サンプルの表面は、ワイヤによって電極(すなわち、第2の低ビームの電子発生源)に電気的に接続されるようなものである。この電圧固定メカニズムは、基板材料の範囲が比較的広くても表面が荷電しないように、自動的に表面の電圧を固定する方法を提供する。
【0020】
一実施形態では、低エネルギビームは、約0eVの衝突エネルギを持つ。この値により、高エネルギビームから生じる正電荷蓄積の低減が容易になる。理論的に、低エネルギ内の電子は、二次もしくは後方散乱電子の放出を引き起こすほどのエネルギを持っていない。これらの低エネルギ電子は、それらがない場合に高エネルギビームによって引き起こされる表面荷電をすべて補償する。低エネルギ電子は、表面が正に荷電した際に表面に衝突し、この正電荷を排除する。表面の正の荷電が十分でないと、これらの電子は衝突しない。
【0021】
対物電子レンズ15は、一次電子e1の焦点を合わせ、2本の重複ビームを生成する。低エネルギビームは、高エネルギビーム以上の広さのスポットサイズを持つことが好ましい。すなわち、低エネルギビームは、高エネルギビームのスポットと同等であるかもしくはそれを包含するスポットに照射する。それゆえ、低エネルギビームは、高エネルギビームのスポット領域全体の正電荷蓄積を低減することを促進できる。ビーム焦点システムの照準ミスを補償するには、低エネルギビームに対してより広いスポットサイズが必要となる。
【0022】
2本のビームからサンプル9への電子ビームスポットのサイズは、0.1〜100ミリメートルの範囲であることが好ましく、約1〜2ミリメートルであればさらに好ましい。サンプルや画像化面でのビームのサイズは、解像度と画像取得率を制御するズーム画像化システムによって随意的に変えることができる。いずれにしても、周辺効果を排除することが望まれる場合には、ビームの幅は、画像面にある検出器よりも広い必要があり、検出器の固有面積の少なくとも2倍であることが好ましい。
【0023】
一次電子e1は、サンプル9に入射すると、電子e2(二次電子、後方散乱電子、もしくは反射電子)を発生させる。電子e2は、検査表面に垂直な軸OAに沿って対物電子レンズ15へと戻り、そこで再びコリメートされる。磁気ビーム分離器14は、画像軌道16に沿って進むように電子e2を曲げる。画像軌道16に沿って進む電子ビームは、投影電子レンズ19によって検出器20の画像化面に焦点を合わされる。
【0024】
検出器20は、二次電子の検出に適していればどのような形状でもよい。例えば、検出器20は、電子ビームを光ビームに変換するための電子画像化装置(例えば、YAGスクリーン20a)を備えていてもよい。次に、光ビームは、カメラもしくは好ましくは時間遅延集積(TDI)光検出器もしくは電子検出器20bによって検出されてもよい。TDI光検出器の動作は、Chadwick等のUSP 4,877,326に開示されており、参照によって本明細書に組み入れられている。あるいは、画像情報は、電子画像化装置すなわちYAGスクリーンを用いずに「背面薄型(back thinned)」TDI電子検出器から直接的に処理されてもよい。TDI検出器から集められた信号を処理し、他のデータと比較することにより、基板を検査し、起こりうる欠陥と他の形状を識別および/または区別することができる。そのような処理と比較は、ダイツーダイモードで実行することができる。そのモードでは、選択された半導体ダイの名目上同一の部分が、他のものと比較され、その差異が欠陥を表すことになる。そのような処理と比較は、代わりにもしくは追加としてアレイモードで実行することができる。そのモードでは、単一の半導体ダイ上の繰り返しアレイの名目上同一の部分が、他のものと比較され、その差異が欠陥を表すことになる。また、そのような処理と比較は、ダイツーデータベースモードで実行することができる。そのモードでは、基板の検査部分からのデータ(例えば、画像)が、参照データベースから引き出された対応データと比較される。参照データベースは、基板の検査部分の画像生成に用いられるデータベースから引き出されてもよいし、そのデータベースと同一であってもよい。あるいは、参照データベースは、部分繰り返しもしくは予測どおりに変化する設計を持つアレイ、その他の繰り返し構造、試験構造のような構造の予測画像に対応する他のルールから引き出すこともできる。
【0025】
図2は、LEEM、SEM、SEEMのような単一入射電子ビーム検査技術の一次電子エネルギ特性に対して電荷比を示したグラフである。生成比ηは、表面によって放出された電子の数e2を表面に入射した電子の数e1で割って求められる。それゆえ、ηが一定の値でなければ必ず、正味の電荷蓄積が生じるであろうから、生成比ηは、検査される表面の電荷蓄積の量を規定する。生成比が1よりも大きい場合には、入射するよりも放出される電子の方が多く、その結果、表面に正味の正電荷が存在することが示唆され、逆に、生成比が1よりも小さい場合には、放出されるよりも表面に入射する電子の方が多く、その結果、負の電荷が蓄積することが示唆される。
【0026】
生成カーブCは、実験的に求められた数学関数であり、典型的なサンプル基板に対して、様々な入射電子エネルギEでの生成比を規定する。図2に示すように、線分Lは、電荷平衡η=1を示す線分であり、電荷バランスが実現する、すなわちe2/e1=1となるのは生成カーブCの3点のみである。これらの3点は、E0=0、E1、E2である。(エネルギE0=0は、電子がサンプルに入射しない状態を示すため、本発明の趣旨に沿わない)。線分Lと生成カーブCの間の領域Iでは、e1よりもe2が大きいため、過剰な負電荷が存在する。線分Lと生成カーブCの間の領域IIでは、e2よりもe1が大きいため、過剰な正電荷が存在する。すなわち、入射する一次電子よりも放出される二次電子の方が多い。線分Lと生成カーブCの間の領域IIIでは、電荷の蓄積が再び負になる。
【0027】
図2から、生成カーブCには、E1およびE2の2点しか、電荷バランスが存在しうる特異点がないことがわかる。問題は、実際に安定しているのは点E2のみであるということである。すなわち、サンプル表面に入射する一次電子のエネルギEが、E1からいずれかの方向に少量すなわちΔE1だけ変化した場合、電荷バランスは即座に失われる。電荷バランスηは、E1が+ΔE2からまたは−ΔE2から接近されると、それに応じて、次第に負もしくは正になり、ビームエネルギを点E2に戻してしまう。E1およびE2の値は、二酸化ケイ素、アルミニウム、ポリシリコンなどの様々な基板から実験的に決定された。基板はそれぞれ、固有の生成カーブを持つが、これらの生成カーブの全体的な形は図に示したとおりである。
【0028】
図2は、電子ビーム検査の過去の技術に関する問題を図で示し、親出願に説明されているSEEM技術が予想外の利点を提供する理由を示すものである。低エネルギ電子顕微鏡(LEEM)は一般に、100eV以下の電子エネルギを用いてE1未満で動作した。点E1は不安定なので、LEEMには、電荷蓄積の問題があった。走査型電子顕微鏡(SEM)は、安定であるE2のすぐ下の値で動作したので、SEMには電荷蓄積の問題はなかったが、走査が必要なため、まさに低速である。本発明以前には、本発明のSEEM技術によって認識されるように、比較的高いエネルギ(例えば、E2)でLEEM並列画像化システムの比較的広いビームを発することは誰も考えなかったと思われる。したがって、本発明のSEEM技術は、LEEMの並列画像化とSEMの電荷バランスを組み合わせるという利点を最初に認識したものである。
【0029】
理論上は、E2で比較的広いビームを作動させることができるのだが、サンプル上で電荷蓄積を起こすことなしに安定した衝突エネルギ(例えば、E2)で広いビームを維持することは困難であろう。E2の値は、材料の組成によって決まるため、ビームがサンプル上を移動し、材料組成の異なる様々な構造を越える際に必然的に変化する。それゆえ、SEEM装置が、サンプルの第1の材料上の最初のビーム位置に対してE2で動作するよう初めに構成されたとしても、ビームがサンプル上の異なる材料を横切る際に、衝突エネルギはE2からずれるだろう。したがって、本発明は、発生しうる電荷蓄積を補償するために、低衝突エネルギの第2のビームを提供する。
【0030】
第2のビームが正電荷蓄積を補償するから、電荷蓄積を最小限に抑えるという目的から第1のビームをE2で動作させる必要はないという利点がある。高エネルギビームは、E1とE2の間で動作することが好ましく、E1とE2の間の生成ピークで動作することがさらに好ましい。表面の電圧が、選択された範囲に固定されるように、ビームのエネルギとフラックスを適切に選択することによって、局所的な電荷平衡が自動的に確立されてもよい。高エネルギビームのエネルギは、サンプル表面に正荷電の効果が発生するように選択されてもよい(例えば、生成比が1より大きくなるように)。それゆえ、高エネルギビームは、入射する高エネルギビームから吸収されるよりも多くの二次および後方散乱電子を表面から放出させる。例えば、ほとんどの材料に対して、約100eVから約2000eVの範囲の衝突エネルギが用いられてよい。低エネルギビームのエネルギは、ビームが正に荷電したサンプル表面に引き付けられ、そのような正の電荷を打ち消すように選択される。高エネルギビームの少なくとも2倍の電流密度を持つ低エネルギビームが、サンプル表面の電圧の平衡を維持するのに上手く働くと思われる。それゆえ、そのような低エネルギビームが好ましい。低エネルギビームと組み合わせて高エネルギビームを構成、使用するためのいくつかの実施形態が、上に参照された2000年5月15日提出の米国仮出願の中に説明されている。その出願は、完全に本明細書に組み入れられる。
【0031】
上述の目的のためには、一次電子のエネルギがサンプルの表面で計測される必要があることに注意すべきである。対物電子レンズ15によって焦点を合わせられた電子のエネルギは一般に、衝突エネルギと呼ばれるサンプル上での電子のエネルギとは異なる。この衝突エネルギは、予測が容易でないことが多い。衝突エネルギは、ビームの電流密度、サンプルの材料、表面の電界のような要素によって決まる。
【0032】
図3は、4つの技術、PEEM、LEEM、SEM、SEEMの違いと利点をまとめた表である。PEEMは、一次電子の代わりに光子を用いて二次電子を放出させる。PEEMについては、光子によって二次電子がサンプル表面からはじき出されるため、絶縁サンプルの目標材料上に正電荷蓄積が生じるという問題があるが、これらの二次電子に置き換わる負の荷電粒子はない。PEEMの検査光子ビームは、広くてもよいため、並列画像化が実現できる。
【0033】
低エネルギ電子顕微鏡(LEEM)では、一次電子の広いビームが、検査される表面に発射され、並列画像化が実現できる。これらの一次電子は、比較的エネルギが低く、画像化方法は、表面からこれらの低エネルギ電子を反射する工程を含んでいる。低エネルギ電子のみが入射するため、一次電子は反射されるが、二次電子はほとんど放出されない。また、これらの電子は、サンプル表面から脱出するのに十分なエネルギを持っていないため、低エネルギは、負電荷の蓄積を示唆するものである。
【0034】
走査型電子顕微鏡(SEM)では、電子ビームの焦点が、狭いスポットサイズに合わせられるため、比較的低速のラスタ走査画像化を用いる必要がある。しかしながら、SEMは、生成カーブの安定点E2で入射するエネルギの高い一次ソース電子(source electron)を発生させることで、電荷中性化の動作を実現する。エネルギの高い一次電子は、SEM内で二次電子を発生させる。
【0035】
本発明の二次電子放射顕微鏡(SEEM)技術では、エネルギの高い一次電子のビームは、あるエネルギでサンプル表面に向けられる。比較的広い一次電子のビームが導入されるため、SEM画像化よりもかなり高速な並列画像化が可能となる。さらに、サンプルの荷電が中性を保つように、これらの一次電子は、エネルギE2で入射することもでき、かなり低いエネルギの電子と共に入射することもできる。このように、SEEMは、LEEMとSEMの最も好ましい特性を兼ね備えている。
【0036】
図4および5は、走査型電子顕微鏡と二次電子放射顕微鏡それぞれの画像化方法を比較して示したものである。図4において、走査型電子顕微鏡は、電子のビーム41を発生させ、固有の面積Dを持つサンプル42の表面に方向付ける。ビーム41は、5〜100ナノメータ(50〜1000オングストローム)の範囲の幅「w」を持つ。このビーム41は、サンプル42の表面を横切って経路43で示されるパターンでラスタ走査される。(走査線の数は、図解のために大幅に減らされている)。ラスタ経路43に沿って移動するようにビーム41を制御するために、検査システムが、電子ビーム41を電磁気的に偏向させるための電子ビーム操作装置を備えることが好ましい。静電偏向を代わりに用いてもよいし、併せて用いてもよい。
【0037】
図5は、本発明の二次電子放射顕微鏡検査技術の並列画像化を示す。ビーム54は、電子銃発生源から発せられ、サンプル55の表面の上では、通例約1〜2ミリメートルの幅「W」を持つ。サンプル55は、固有の面積Dを持つが、それは、電子ビームの幅Wよりもはるかに大きい。SEEMでは、電子ビーム54の幅がSEMよりもはるかに大きいが、それでも、サンプル55を走査するためにビームに対してサンプル55を動かすことは、可能かつ必要であろう。しかしながら、好ましい実施形態では、SEEMは、ビーム54に対してサンプル55の台を機械的に動かすだけでよく、ビーム41を電磁気的に操作する電子ビーム偏向システムは必要としない。もちろん、電磁気および/または静電偏向が、用いられてもよく、台の振動を補償したり、曲がった軌道に沿って広いビームを操作したりする場合には有効だろう。本発明のSEEM検査システムは、数千ないし数百万のピクセルを並列で画像化するため、SEM検査システムよりもはるかに高速で動作できる。
【0038】
図5は、さらに、ビーム54内の並列マルチピクセル画像化領域56を示すために、サンプル55上のビーム54の画像化部分の拡大図を示している。長方形の検出器アレイ領域56は、ビーム54の中央部分を占め、画像化アパーチャを規定している。(検出器アレイは、時間遅延集積(TDI)もしくは非集積タイプのいずれかである。検出器アレイ56は、約50万〜100万ピクセルを並列で画像化する。
【0039】
したがって、SEEMは、検出器アレイ内のピクセルの数によって、SEMの50万〜100万倍高速である。SEEMが1つのピクセルを見るのに1ミリ秒を費やすとすれば、SEMは、100MHzで同じデータフレームを取り込むのにそのピクセルに対して1ないし2ナノ秒しか費やすことができない。したがって、SEEM内のサンプル表面の電流密度は、SEMの106倍(すなわち、100万倍)小さく、その結果、サンプルの損傷が小さい。例えば、良好な画像を得るためにピクセルあたり10,000の電子が必要であるとすれば、SEMは、単位時間あたりにさらに大量の電子をピクセルスポットに当てる必要がある。SEEMでは、同時に100万ピクセルが画像化されるため、より長い時間にわたって同数の電子が放出される。
【0040】
さらに、SEEMは、SEMよりも優れたノイズ低減特性を持っている。100MHzでは、SEMは、1ナノ秒で各ピクセルを見るが、SEEMは、1ミリ秒で各ピクセルを見る。したがって、SEEMが、1kHzより上のノイズを平均化するのに対し、SEMは、100MHzより上のノイズしか平均化できない。このことは、欠陥検出の用途では、偽陽性がより少なく、信号対ノイズ比がより優れていることを表す。
【0041】
第1の高エネルギのビームと共に第2の低エネルギのビームを用いて電荷蓄積を抑制する好ましい方法に加えて、SEEMは、サンプル55にビーム54を過剰に照射し(flooding)、周辺効果を排除するためにビーム54の中央部のみを画像化することによって電荷抑制においてさらなる利点を得ることができる。通例、画像化する表面の電荷が不均一であると、ビームの偏向によって画像に歪みが生じる。ビーム直径の境界の外には電子フラックスがないため、ビーム54周辺のサンプル表面は、ビーム内部の表面ほど電荷の分布が均一ではない。ビームがすでに走査された領域に荷電が残るため、さらなる周辺効果がある。検出器アレイ領域56の画像化範囲よりも広い範囲54にビームを過剰に照射することにより、これらの画像化の歪みは回避される。SEMでは、さらに開口するにはビームの直径が小さすぎるため、周辺効果は、この方法によっては排除できない。表面の電荷蓄積の影響を低減するためのさらなる方法は、MonahanのUSP 5,302,828に開示されており、参照によって本明細書に組み入れられる。
【0042】
本発明は随意的に、サンプルの電荷バランスを保つためのさらに別の追加手段を含んでいてもよい。1つの可能性としては、サンプルに電極を取り付けて補助的な電界を印加する方法がある。電圧制御が、電極に電流を供給することにより、電荷バランスの安定性に対してさらなる自由度を持たせる。もう1つの可能性としては、サンプルを含む真空チャンバ内にアルゴンなどの低圧ガスを導入し、電荷バランスを制御する方法がある。低圧ガスは、サンプルへの過度の電荷の蓄積を防ぐ働きを持つ。上述の技術は、サンプルの電荷の安定性を保つための追加抑制手段の例示であって、包括的なものではなく、電荷抑制の制御のために別のそのような技術が存在してもよいし後に発見されてもよい。
【0043】
上記Monahanの過剰照射(flooding)法と共に、これら追加の電荷抑制手段が随意的に用いられてもよい。材料のE2値に対してある特定のエネルギの電子ビームを用いることは、安定した電荷バランスを保つための1つの方法である。二次低エネルギビーム、過剰照射、電極、および/または、低圧ガスのような追加もしくは代替の電荷抑制手段を用いることにより、この電荷バランスを保つための別の方法が提供される。これらの1次的および2次的な電荷抑制機構が、電荷抑制装置に対して随意的に組み合わされてもよい。
【0044】
SEEMおよびSEMの最大走査率によって課せられる制限を比較すると有用である。SEMを凌ぐSEEMの利点を以下にまとめる。
ノイズが少ない。与えられたサンプル範囲に対して、より長い画像積分時間が得られる。より長いサンプリング時間にわたって平均化を行うため、ノイズが少なくなる。
画像の歪みが少ない。画像化されるよりも広いサンプル上の範囲に過剰照射することにより、より均一な電荷分布が、画像化される範囲において保たれ、周辺効果による歪みが排除される。
より低い電流密度。より低い電流密度は、並列画像化とより長い滞留時間によって可能となるが、これは、サンプル損傷の可能性が低減されることを意味する。より速い。並列画像化とは、SEEMにおいて多数(例えば、100万)のピクセルが同時に画像化されることを意味する。SEMでは、同時に1つのピクセルしか画像化されない。
高速走査エレクトロニクスが不要。これらの走査システムは、複雑かつ高価であるが、より速い並列画像化を行うため、SEEMでは不要である。
【0045】
図6Aは、本発明の一実施形態にしたがって、半導体デバイスの層間のバイアにおける欠陥が検出される方法を示している。半導体デバイス60製造の途中の段階が示されている。この例では、半導体デバイス60は、基板61と、基板61に蒸着された金属層62と、金属層62全体に形成された絶縁層63からなっている。バイアすなわち穴64、65は、絶縁層63を貫通して金属層62に達するよう示されている。製造の次の段階では、絶縁層63全体にわたって第2の金属層66が形成され、バイア64、65は、導電材料で満たされ、金属層62と66の間の電気的接続を形成する。しかしながら、製造のこの段階では、金属層66はまだ蒸着されていないので、点線で示している。一般的に、バイア64および65は、絶縁層63をエッチングすることにより形成される。しかしながら、図では、バイア64が閉塞され、バイア65が閉塞されていないように示されている。例えば、バイア64は、異物で塞がれることもあるし、エッチングプロセスが不完全なことにより塞がれることもある。いずれにしても、バイア64は欠陥のあるバイアであり、バイア65は完全なバイアである。
【0046】
図6Aは、さらに、半導体デバイス60表面に垂直に絶縁層63へ入射する一次電子のビーム67を示している。このビーム63は、エネルギの高い電子を持つ第1のビームとエネルギの低い電子を持つ第2のビームとを組み合わせたものである。層63は絶縁材料なので、層63上での電子の移動度は制限される。それゆえ、絶縁層63は、その表面に電荷を集める傾向があり、これによって、LEEMのような従来の検査技術に関連する電荷蓄積の問題が生じる。しかしながら、本発明の二次電子放射顕微鏡(SEEM)技術では、エネルギの低いビームが、層63の荷電の抑制に適したエネルギを持っている限りは、ビーム67内のエネルギの高い電子のエネルギは、絶縁層63の材料のE2値に十分に近い値に選択されてもよいし、異なるエネルギであってもよい。それゆえ、一次電子ビーム67による照射の際に、材料の表面63での電荷の蓄積が最小限の状態で、二次電子ビーム68が絶縁材料63によって発生される。ビーム67内の低エネルギ電子のエネルギは、高エネルギ電子から生じるサンプル表面上の電荷蓄積を最小限にするように選択される。
【0047】
反射(returning)電子ビーム68は、絶縁層63の表面に垂直方向で一次電子ビーム67と逆向きに放出される。反射電子ビーム68は、欠陥バイアと完全なバイア64、65に関する情報を含んでおり、この情報は、光学システムを逆戻りして検出され、次いで、半導体デバイス60に欠陥があるか否かをオペレータが決定できるように処理される。
【0048】
図6Bは、次の製造段階における図6Aの半導体デバイス60の電子ビーム検査を示している。金属配線66aおよび66bが、紙面に垂直な方向に伸び、バイア64、65を介して金属層62に接続することにより、配線66a、66bおよび層62の間の電気的な接続を提供する。一次電子ビーム67は、半導体デバイス60、詳しくは、金属配線66a、66bおよび絶縁層63に入射する。金属配線66a、66bおよび絶縁層63の表面の検査画像化は、反射電子ビーム68から得られる電圧コントラスト情報によって実現できる。
【0049】
したがって、半導体工業のためのプロセス制御モニタリングは、本発明の電子ビーム検査を用いれば、結晶粒組織およびカラーノイズを低減もしくは排除することによって光学ビーム検査に比べて改善される。欠陥が認識されると、その欠陥が重大な場合には、集束イオンビームインプランテーションなどの手段を用いて修正されてもよい。また、基板の検査から得られた情報は、続いて製造される半導体デバイスの生産量改善に利用することもできる。本発明のSEEMシステムは、必要であれば、半導体ウエハ製造装置の一部として現場で用いることもできる。その装置においては、処理の前後もしくは処理中にウエハを検査し、ウエハの取り扱いと、検査および処理ステーション間の移動のために共通のロボットを用いることが可能である。また、SEEMは、イオンインプランテーションもしくは蒸着のような他の製造工程のためにさらに用いられる真空チャンバ内に配置することもできる。検査から得られたデータは、自動プロセス制御を改善するために、次の処理ステーションに送ることもできるし、前の処理ステーションに戻すこともできる。
【0050】
高および低エネルギ照射ビームからの画像は、様々な種類の情報を含んでいるため、分離されることが好ましい。二重ビームSEEMにおける低エネルギの反射画像(mirror image)と高エネルギの散乱画像を分離する1つの新しい手段は、同期検波の原理を利用している。このモデルでは、低エネルギビームと高エネルギビームは、重ね合わせられずに、交互にオン・オフされる(切り替えられる)。画像は、所望の反射もしくは散乱画像が存在するときにのみ記録される。切り替えサイクルの所望でない期間には、画像ビームも遮断される。
【0051】
低エネルギビームからの所望の電荷バランスを保つために、2つの画像間の切り替え速度をある特定の条件に合うように選択することができる。表面電位の変化(電荷蓄積)速度dV/dtは、吸収(Ja)および散乱(Js)電流密度間の差Ja−Js(電荷/秒/平方センチメートル)と、表面面積の平方センチメートルあたりの表面層の静電容量Cに依存し、dV/dt=(Ja−Js)/Cと表される。ΔVが、1サイクル中で許容可能な表面電位の増加(約0.1V)である場合には、ビームは、Δt<C・ΔV/(Ja−Js)未満の期間で切り替えられる必要がある。画像要素に対する切り替え期間Δtが、十分に短い場合には、一方のビームのみに由来する画像が観察されても、画像は、2つのビームが実際に重ね合わせられているかのように振舞うだろう。上述の画像サブトラクション法に比べて、この方法は、所望でない画像からのコントラストだけでなく、ノイズも拒絶できるという利点がある。
【0052】
この動作モードでは、照射ビームと画像ビームの両方が電子光学的にオン・オフされる(遮断される)必要がある。一実施形態では、電子銃の制御グリッドが2つの電圧間で切り替えられることにより、照射ビームが遮断される。グリッドにかけられる負へのバイアスが、陰極からの電子の離脱を防ぐのに十分である場合に、ビームはオフとなる。グリッドにそれよりも正のバイアスがかけられると、ビームはオンとなる。別の実施形態では、画像面で偏向(偏向は、磁気的、静電気的、もしくはその両方によって実現される)され、その結果、ビームは、遮断されない必要がある場合にのみ、アパーチャを通過する。画像を分離するために、これらの遮断方法の両方が、二重ビームSEEMに用いられてもよい。
【0053】
本発明の別の実施形態では、異なる特性を持つ画像を生成するために、反射モードと二次/後方散乱モードの両方が、連続的に用いられている。この実施形態では、前出の実施形態のように、各々の種類の画像が連続的に生成される。しかしながら、切り替えサイクルに不必要な部分がないため、画像ビームは遮断されない。代わりに、観察下の基板の形状を決定するために、各々の種類の画像が用いられる。例えば、半導体検査の「アレイモード」もしくは「ダイツーダイモード」では、ダイの第1の部分の反射モード画像が、(アレイモード用の)同じダイからのアレイの対応部分の反射モード(mirror mode)画像、もしくは(ダイツーダイモード用の)別のダイの対応部分と比較される。次いで、二次/後方散乱画像に対して、同様のダイツーダイ比較もしくはアレイ比較を実行することができる。両方の種類の比較から得られた情報は、半導体基板の欠陥をよりよく識別し特徴付けるために用いることができる。ダイツーダイモード比較の詳細な説明は、共通割り当ての(commonly assigned)USP 5,502,306で見ることができる。
【0054】
さらに一般的には、本発明の二次電子放射顕微鏡は、任意の半導体デバイス、薄膜磁気ヘッド、半導体製造用レチクル、フラットパネル(例えば、液晶もしくは電界効果)ディスプレイの欠陥検査に用いられる。絶縁材量、半導体材料、導電材料、もしくは超伝導体やプラズマでさえ、SEEMを用いて画像化することが可能である。典型的な半導体製造プロセスは、ウエハの設計図に対して生成されたレチクルパターンの紫外線縮小投影と、それに続く各デバイス層の化学エッチングを含む。あるいは、半導体デバイスは、イオンビームやエッチングを用いて、またはCMP処理によってパターンを形成される。次いで、中間および最終生成物のプロセス検査とモニタリングが、本発明の方法で実行される。また、本発明のSEEMシステムは、欠陥の再検査に用いることもできる。再検査では、以前に検査されたウエハが再検査され、そこに位置する欠陥が特徴付けられてもよい。
【0055】
図7は、本発明の二次電子放射顕微鏡(SEEM)を、ステージキャリア77上の生物サンプル70の検査に応用する方法を示している。生物サンプル70は、様々な形状71、72、73、74を持っている。例えば、サンプル70は、細胞壁71と、細胞核72と、原形質73と、ミトコンドリア74とを含む細胞でもよい。あるいは、サンプル70は、筋肉組織71と、骨組織72と、体液73と、悪性の細胞74とを含むヒト組織でもよい。一次電子のビーム75は、サンプル70に垂直に入射する。反射電子のビーム76は、ビーム75による細胞70への照射によって発生され、電子光学システムを通って垂直に戻る。細胞70に関する情報は、ビーム76にエンコードされ、検出、処理されて、細胞70に関する情報が得られる。
【0056】
以上では,理解を明確にする目的で本発明を詳細に説明したが,添付した特許請求の範囲の範囲内で,一定の変更および修正を加えられることは明らかである。また、本発明によるプロセスおよび装置の実装方法に多くの代替方法が存在することに注意すべきである。したがって、本実施形態は、例示的なものであって、制限的なものではないと考えられ、本発明は、本明細書に示した詳細に限定されず、添付の特許請求の範囲および等価物の範囲内で修正可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施形態にしたがって、二重ビームを有する二次電子放射顕微鏡(SEEM)装置の基本的な構成を示す図である。
【図2】 単一ビームを有するシステムでの電荷バランス生成比と一次電子エネルギとの関係を示すグラフである。
【図3】 本発明のSEEM技術と従来技術の電子ビーム検査技術を比較する表である。
【図4】 SEMの画像化方法を示す図である。
【図5】 図4との比較のためにSEEMの画像化方法を示す図である。
【図6A】 SEEMの電子ビームが、絶縁層のバイアにある欠陥(閉塞物)を検出する方法を示す図である。
【図6B】 SEEMの電子ビームが、バイアに接続する金属配線を検査する方法を示す図である。
【図7】 SEEMの電子ビームが、生物サンプルの研究に用いられる方法を示す図である。
【符号の説明】
7 軌道
8 電子銃発生源
9 サンプル
10 電子銃発生源
12 軌道
13 電子レンズ
14 磁気ビーム分離器
15 対物電子レンズ
16 画像軌道
19 投影電子レンズ
20 検出器
20a YAGスクリーン
20b 時間遅延集積光検出器もしくは電子検出器
41 ビーム
42 サンプル
43 経路
54 ビーム
55 サンプル
56 並列マルチピクセル画像化領域、検出器アレイ領域
60 半導体デバイス
61 基板
62 金属層
63 絶縁層
64 バイア
65 バイア
66 第2の金属層
67 一次電子ビーム
68 二次電子ビーム、反射電子ビーム
70 生物サンプル
71 形状、細胞壁、筋肉組織
72 形状、細胞核、骨組織
73 形状、原形質、体液
74 形状、ミトコンドリア、悪性の細胞
75 一次電子ビーム
76 反射電子のビーム
77 ステージキャリア
100 二次電子放射顕微鏡装置
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates generally to an apparatus and method for using an electron beam to inspect a surface of an object microscopically, and more particularly to inspect a layer in a semiconductor device.
[0002]
[Prior art]
Various methods have been used to inspect the fine structure of a semiconductor. In the field of semiconductor chip manufacturing, these inspections occupy an important position in this field because whether or not the chip functions is determined by minute defects on the surface layer. For example, the intervening insulating layer holes or vias often provide a physical conduit to electrically connect the two outer conductive layers. If these holes or vias are not sufficiently etched or blocked by foreign material, an electrical connection cannot be established and the entire chip may not function. Inspection of minute defects on the surface of the semiconductor layer is necessary to ensure proper functioning of the chip.
[0003]
Electron beams have several advantages over other sample inspection mechanisms. In the light beam, the resolution limit is essentially about 100 nm to 200 nm, but the electron beam can inspect a shape size of several nanometers. Electron beams are manipulated fairly easily by electrostatic and electromagnetic elements, and are certainly easier to generate and manipulate than x-rays.
[0004]
In semiconductor defect inspection, the electron beam does not produce as many false positives as the optical beam. Optical beams are sensitive to color noise and grain structure problems, whereas electron beams are not sensitive to these problems. In particular, oxide trenches and polysilicon interconnects tend to be false positives in the optical beam due to the grain structure.
[0005]
Various approaches using electron beams have been made to inspect surface structures. In a low voltage scanning electron microscope (SEM), a narrow beam of primary electrons is raster scanned across the surface and secondary electrons are emitted. If the primary electrons in the scanning electron microscope beam are close to a certain known electron energy (denoted E2), the surface of the sample is relatively medium due to minimal charge accumulation problems for SEM. Remain sex. However, raster scanning with a scanning electron microscope is slow because each pixel on the surface is acquired sequentially. Furthermore, a complex and expensive electron beam manipulation system is required to control the beam pattern.
[0006]
Another approach is called a photoelectron emission microscope (PEM or PEEM). In that method, photons are applied to the surface of the sample of interest, and electrons are emitted from the surface by the photoelectric effect. However, on an insulating surface, there is a net electron flux from that surface, so the emission of these electrons generates a net positive charge on the sample surface. The sample continues to be positively charged until there are no emitted electrons, ie, electron decay occurs. This charge accumulation is particularly a problem when imaging insulating materials.
[0007]
Another method of inspecting a surface with an electron beam is known as a low energy electron microscope (LEEM). In that method, a relatively wide beam of low energy electrons is directed to enter the sample surface and electrons reflected from the sample are detected. However, LEEM has a similar charge storage problem because not all electrons hit the sample surface have enough energy to leave the surface, which causes additional electrons to the sample. The collision is prevented, and the surface image is distorted and shadows are formed.
[0008]
Several prior art publications discuss various approaches using an electron beam in a microscope, but none has established a way to use parallel imaging while reducing or eliminating the problem of charge accumulation. One of these approaches is described by Lee H. Veneklasen in “The Continuing Development of Low-Energy Electron Microscopy for Characterizing Surfaces”, Review of Scientific Instruments, 63 (12), December 1992, pages 5513-5532. is described. Vaneklasen generally states that the LEEM electron potential difference between the electron source and the sample can be adjusted between 0 and several keV, but is not aware of the charging problem and presents a solution. Not.
[0009]
Therefore, there is a need for a method and apparatus that uses an electron beam to inspect a sample surface that minimizes charge accumulation problems and increases the inspection speed of the sample surface.
[0010]
SUMMARY OF THE INVENTION
Accordingly, the present invention addresses the above-mentioned problems by providing an apparatus and method for parallel imaging. Generally speaking, the first beam is used to generate a relatively wide range image of the sample. Parallel imaging is achieved by using a relatively wide beam. The second beam, which has a lower collision energy than the first beam, can be used to reduce positive charge accumulation on the sample that can result from the first beam.
[0011]
In one embodiment, an apparatus for inspecting a sample is disclosed. The apparatus includes at least a first electron beam generator configured to direct a first electron beam having a first range of energy levels to a first region of the sample, and a second range of energy levels. And a second electron beam generator configured to direct a second electron beam having the second electron beam to a second region of the sample. The second region of the sample at least partially overlaps the first region, and the second range of energy levels is such that the charge accumulation caused by the first electron beam is suppressed. It is different from the range. The apparatus further comprises a detector configured to detect secondary electrons arising from the sample as a result of the interaction of the sample with the first and second electron beams. In a preferred embodiment, the first electron beam has a width suitable for parallel multi-pixel imaging, and the first and second electron beam generators are configured to generate the first and second beams simultaneously. ing.
[0012]
In another embodiment, a method for suppressing surface charge upon exposing the surface to a beam of charged particles is disclosed. The surface is exposed to a first group of electrons in the first beam. The first electron group has energy within the first range. The surface is exposed to a second group of electrons in the second beam. The second electron group has energy in a second range different from the first range. The second range of energy is predetermined to provide a second group of electrons that impact the surface and reduce the positive charge on the surface. In a preferred embodiment, the surface is exposed to the first group of electrons and the second group of electrons simultaneously.
[0013]
The present invention has several advantages. For example, the apparatus and method has the property of being faster and less noisy than conventional scanning electron microscopes and methods because it allows parallel imaging on a detector array for a large number of pixels. Furthermore, the need for an electron beam scanning system is not required and the density of the electron beam current is not so high, reducing the possibility of scratching sensitive samples.
[0014]
These and other features and advantages of the present invention are presented in more detail in the following detailed description of the invention and the accompanying drawings which exemplify the principles of the invention.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Reference will now be made in detail to specific embodiments of the invention. Examples of these specific embodiments are illustrated in the accompanying drawings. While the invention will be described in conjunction with these specific embodiments, it will be understood that it is not intended to limit the invention to the described embodiments. On the contrary, the intent is to cover alternatives, modifications and equivalents as included within the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. In the following description, numerous details are set forth to provide a thorough understanding of the present invention. The present invention may be practiced without some or all of these details. In addition, in order to avoid unnecessarily obscuring the present invention, descriptions of well-known process operations are omitted.
[0016]
FIG. 1 is a diagram illustrating a basic configuration of a secondary electron emission microscope (SEEM) apparatus 100 having a dual beam according to an embodiment of the present invention. The SEEM 100 has primary electrons e along the trajectories 12 and 7, respectively. 1 Are provided with two electron gun sources 10 and 8.
[0017]
Each electron beam is collimated by an electron lens 13 and then travels along tracks 12 and 7. The magnetic beam separator 14 then bends the path of the collimated electron beam so that the electron beam is incident along the electron optical axis OA perpendicular to the surface of the sample 9 to be examined. In other words, the two beams are directed to strike the same area of the sample almost simultaneously.
[0018]
The impact energy of one beam is selected to balance the charge on the sample surface. In one embodiment, one beam has a collision energy of the 1 keV level. The impact energy of the first beam may be selected such that the charge on the sample is neutral, but for certain materials (eg, insulators), the first beam has a net positive on the sample surface. Causes charge accumulation. That is, electrons are lost from the sample by the strong electric field generated on the surface by the high energy beam. Therefore, in order to reduce the positive charge accumulation on the sample resulting from the high energy beam, a second beam with low collision energy is used in conjunction with the first high energy beam. The low energy beam preferably has an energy of about 0 eV.
[0019]
Theoretically, the collision energy of the second beam is selected such that the surface voltage of the sample is fixed at a predetermined voltage value. When a low voltage beam is used, the surface of the sample is such that it is electrically connected to the electrode (ie, the second low beam electron source) by a wire. This voltage locking mechanism provides a way to automatically fix the voltage on the surface so that the surface is not charged even with a relatively wide range of substrate materials.
[0020]
In one embodiment, the low energy beam has a collision energy of about 0 eV. This value facilitates the reduction of positive charge accumulation resulting from the high energy beam. Theoretically, electrons in low energy do not have enough energy to cause the emission of secondary or backscattered electrons. These low energy electrons compensate for any surface charge caused by the high energy beam in the absence of them. Low energy electrons impact the surface when the surface is positively charged and eliminate this positive charge. If the surface is not sufficiently positively charged, these electrons will not collide.
[0021]
The objective electron lens 15 has primary electrons e. 1 To produce two overlapping beams. The low energy beam preferably has a spot size wider than that of the high energy beam. That is, the low energy beam irradiates a spot that is equivalent to or includes the spot of the high energy beam. Therefore, a low energy beam can help reduce positive charge accumulation across the spot area of the high energy beam. Compensating for misfocusing of the beam focus system requires a wider spot size for low energy beams.
[0022]
The size of the electron beam spot from the two beams to the sample 9 is preferably in the range of 0.1 to 100 millimeters, more preferably about 1 to 2 millimeters. The size of the beam at the sample or imaging surface can be optionally varied by a zoom imaging system that controls the resolution and image acquisition rate. In any case, if it is desired to eliminate the peripheral effects, the beam width needs to be wider than the detector in the image plane and is preferably at least twice the intrinsic area of the detector. .
[0023]
Primary electron e 1 Is incident on the sample 9, the electron e 2 (Secondary electrons, backscattered electrons, or reflected electrons) are generated. E 2 Returns to the objective lens 15 along an axis OA perpendicular to the inspection surface, where it is collimated again. The magnetic beam separator 14 moves along the image trajectory 16 with electrons e 2 Bend. The electron beam traveling along the image trajectory 16 is focused on the imaging surface of the detector 20 by the projection electron lens 19.
[0024]
The detector 20 may have any shape as long as it is suitable for detecting secondary electrons. For example, the detector 20 may include an electronic imaging device (for example, a YAG screen 20a) for converting an electron beam into a light beam. The light beam may then be detected by a camera or preferably a time delay integrated (TDI) photodetector or electronic detector 20b. The operation of a TDI photodetector is disclosed in Chadwick et al. USP 4,877,326, which is incorporated herein by reference. Alternatively, the image information may be processed directly from a “back thinned” TDI electronic detector without using an electronic imaging device or YAG screen. By processing the signal collected from the TDI detector and comparing it with other data, the substrate can be inspected to identify and / or distinguish between possible defects and other shapes. Such processing and comparison can be performed in a die-to-die mode. In that mode, the nominally identical portion of the selected semiconductor die is compared with the other, and the difference represents a defect. Such processing and comparison can be performed in array mode instead or in addition. In that mode, the nominally identical portion of the repeating array on a single semiconductor die is compared to the other, and the difference represents a defect. Also, such processing and comparison can be performed in a die-to-database mode. In that mode, data (eg, an image) from the inspection portion of the substrate is compared with corresponding data derived from a reference database. The reference database may be derived from a database used for generating an image of the inspection portion of the substrate or may be the same as the database. Alternatively, the reference database can be derived from other rules that correspond to predicted images of structures such as partial repeats or arrays with designs that change as predicted, other repetitive structures, or test structures.
[0025]
FIG. 2 is a graph showing charge ratio versus primary electron energy characteristics of single incident electron beam inspection techniques such as LEEM, SEM, and SEEM. The production ratio η is the number of electrons emitted by the surface e 2 The number of electrons incident on the surface e 1 It is calculated by dividing by. Therefore, if η is not a constant value, net charge accumulation will occur, so the generation ratio η defines the amount of charge accumulation on the surface being examined. When the production ratio is greater than 1, more electrons are emitted than incident, which suggests that there is a net positive charge on the surface, conversely, the production ratio is greater than 1. If it is small, more electrons are incident on the surface than are emitted, suggesting that negative charges accumulate.
[0026]
The generation curve C is a mathematical function obtained experimentally, and defines generation ratios at various incident electron energies E with respect to a typical sample substrate. As shown in FIG. 2, the line segment L is a line segment indicating the charge balance η = 1, and the charge balance is realized, that is, e 2 / E 1 Only 3 points on the generation curve C are set to = 1. These three points are E 0 = 0, E 1 , E 2 It is. (Energy E0 = 0 does not conform to the spirit of the present invention because it indicates a state in which electrons do not enter the sample). In the region I between the line segment L and the generation curve C, e 1 Than e 2 Is so large that there is an excessive negative charge. In region II between line segment L and generation curve C, e 2 Than e 1 There is an excessive positive charge. That is, more secondary electrons are emitted than incident primary electrons. In the region III between the line segment L and the generation curve C, the charge accumulation becomes negative again.
[0027]
From FIG. 2, the generation curve C has E 1 And E 2 It can be seen that there are only two singular points where charge balance can exist. The problem is that point E is actually stable. 2 It is only that. That is, the energy E of primary electrons incident on the sample surface becomes E 1 A small amount in either direction, ie ΔE 1 If it only changes, the charge balance is lost immediately. The charge balance η is E 1 Is + ΔE 2 Or -ΔE 2 As it approaches, gradually becomes negative or positive, and the beam energy is reduced to point E. 2 Will return to. E 1 And E 2 The value of was experimentally determined from various substrates such as silicon dioxide, aluminum and polysilicon. Each substrate has its own generation curve, but the overall shape of these generation curves is as shown in the figure.
[0028]
FIG. 2 illustrates a problem with the prior art of electron beam inspection and illustrates why the SEEM technique described in the parent application provides an unexpected advantage. A low-energy electron microscope (LEEM) generally uses an electron energy of 100 eV or less to produce E 1 Worked with less than. Point E 1 Is unstable, and LEEM has a problem of charge accumulation. The scanning electron microscope (SEM) is stable E 2 The SEM had no charge accumulation problem because it operated at a value just below, but it is just slow because it requires scanning. Prior to the present invention, a relatively high energy (eg, E 2 It seems that no one thought about emitting a relatively wide beam of the LEEM parallel imaging system. Thus, the SEEM technology of the present invention was the first to recognize the advantage of combining LEEM parallel imaging and SEM charge balance.
[0029]
In theory, E 2 Can operate a relatively wide beam, but with stable collision energy (eg, E 2 ) Would be difficult to maintain a wide beam. E 2 The value of depends on the composition of the material and therefore inevitably changes as the beam moves over the sample and crosses various structures with different material compositions. Therefore, even if the SEEM device is initially configured to operate at E2 with respect to the first beam position on the first material of the sample, the collision energy will be as the beam traverses different materials on the sample. E 2 It will be out of place. Accordingly, the present invention provides a second beam of low collision energy to compensate for possible charge accumulation.
[0030]
Since the second beam compensates for positive charge accumulation, the first beam is referred to as E for the purpose of minimizing charge accumulation. 2 There is an advantage that it is not necessary to operate with. The high energy beam is E 1 And E 2 Preferably between E and E 1 And E 2 It is further preferred to operate at a production peak between. Local charge balance may be automatically established by appropriate selection of the beam energy and flux such that the surface voltage is fixed to a selected range. The energy of the high energy beam may be selected such that a positively charged effect occurs on the sample surface (eg, the production ratio is greater than 1). Thus, the high energy beam causes more secondary and backscattered electrons to be emitted from the surface than is absorbed from the incident high energy beam. For example, for most materials, collision energies in the range of about 100 eV to about 2000 eV may be used. The energy of the low energy beam is selected so that the beam is attracted to the positively charged sample surface and cancels such positive charge. A low energy beam with a current density at least twice that of a high energy beam appears to work well to maintain a voltage balance on the sample surface. Such a low energy beam is therefore preferred. Several embodiments for configuring and using a high energy beam in combination with a low energy beam are described in the US provisional application filed May 15, 2000 referenced above. That application is fully incorporated herein.
[0031]
It should be noted that for the purposes described above, the energy of the primary electrons needs to be measured at the surface of the sample. The energy of the electron focused by the objective electron lens 15 is generally different from the energy of the electron on the sample, called the collision energy. This collision energy is often not easy to predict. The collision energy depends on factors such as the current density of the beam, the material of the sample, and the electric field on the surface.
[0032]
FIG. 3 is a table summarizing the differences and advantages of the four technologies, PEEM, LEEM, SEM, and SEEM. PEEM emits secondary electrons using photons instead of primary electrons. The problem with PEEM is that secondary electrons are ejected from the sample surface by photons, resulting in the problem of positive charge accumulation on the target material of the insulating sample, but there are no negatively charged particles that replace these secondary electrons. Since the inspection photon beam of PEEM may be wide, parallel imaging can be realized.
[0033]
In a low energy electron microscope (LEEM), a wide beam of primary electrons is launched onto the surface to be inspected and parallel imaging can be achieved. These primary electrons are relatively low energy and the imaging method includes a step of reflecting these low energy electrons from the surface. Since only low-energy electrons are incident, primary electrons are reflected, but secondary electrons are hardly emitted. Also, these electrons do not have enough energy to escape from the sample surface, so low energy is indicative of negative charge accumulation.
[0034]
In a scanning electron microscope (SEM), the focus of the electron beam is adjusted to a narrow spot size, so it is necessary to use relatively slow raster scanning imaging. However, the SEM is the stable point E of the generation curve. 2 The operation of charge neutralization is realized by generating high-energy primary source electrons. High energy primary electrons generate secondary electrons in the SEM.
[0035]
In the secondary electron emission microscope (SEEM) technique of the present invention, a beam of high energy primary electrons is directed at a sample surface with a certain energy. Due to the introduction of a relatively wide beam of primary electrons, parallel imaging can be performed much faster than SEM imaging. In addition, these primary electrons can be incident with energy E2 and can be incident with much lower energy electrons so that the charge of the sample remains neutral. Thus, SEEM has the most preferable characteristics of LEEM and SEM.
[0036]
4 and 5 compare the imaging methods of the scanning electron microscope and the secondary electron emission microscope, respectively. In FIG. 4, a scanning electron microscope generates a beam of electrons 41 and directs it to the surface of a sample 42 having a specific area D. Beam 41 has a width “w” in the range of 5 to 100 nanometers (50 to 1000 angstroms). This beam 41 is raster scanned in a pattern indicated by path 43 across the surface of sample 42. (The number of scan lines has been greatly reduced for illustration). In order to control the beam 41 to move along the raster path 43, the inspection system preferably comprises an electron beam manipulator for electromagnetically deflecting the electron beam 41. Electrostatic deflection may be used instead or in combination.
[0037]
FIG. 5 shows parallel imaging of the secondary electron emission microscopy technique of the present invention. The beam 54 is emitted from an electron gun source and has a width “W” typically about 1-2 millimeters above the surface of the sample 55. Sample 55 has a unique area D, which is much larger than the width W of the electron beam. In SEEM, the width of the electron beam 54 is much larger than in the SEM, but it may still be possible and necessary to move the sample 55 relative to the beam to scan the sample 55. However, in the preferred embodiment, the SEEM need only mechanically move the stage of the sample 55 relative to the beam 54 and does not require an electron beam deflection system that electromagnetically manipulates the beam 41. Of course, electromagnetic and / or electrostatic deflection may be used and may be useful when compensating for table vibrations or manipulating a wide beam along a curved trajectory. Since the SEEM inspection system of the present invention images thousands to millions of pixels in parallel, it can operate much faster than the SEM inspection system.
[0038]
FIG. 5 further shows an enlarged view of the imaging portion of the beam 54 on the sample 55 to illustrate the parallel multi-pixel imaging region 56 within the beam 54. A rectangular detector array region 56 occupies the central portion of the beam 54 and defines an imaging aperture. (The detector array is either a time delay integrated (TDI) or non-integrated type. The detector array 56 images approximately 500,000 to 1 million pixels in parallel.
[0039]
Thus, SEEM is 500,000 to 1 million times faster than SEM, depending on the number of pixels in the detector array. If the SEEM spends 1 millisecond to see a pixel, the SEM can only spend 1 to 2 nanoseconds for that pixel to capture the same data frame at 100 MHz. Therefore, the current density on the sample surface in the SEEM is 10 times that of the SEM. 6 Double (ie, 1 million times) smaller, resulting in less sample damage. For example, if 10,000 electrons are required per pixel to obtain a good image, the SEM needs to apply a larger amount of electrons to the pixel spot per unit time. In SEEM, one million pixels are imaged at the same time, so the same number of electrons are emitted over a longer period of time.
[0040]
Furthermore, SEEM has better noise reduction characteristics than SEM. At 100 MHz, the SEM sees each pixel in 1 nanosecond, while the SEEM sees each pixel in 1 millisecond. Thus, SEEM averages noise above 1 kHz, whereas SEM can only average noise above 100 MHz. This represents fewer false positives and better signal-to-noise ratio for defect detection applications.
[0041]
In addition to the preferred method of suppressing charge accumulation using a second low energy beam in conjunction with a first high energy beam, the SEEM floods the sample 55 with the beam 54, eliminating peripheral effects. An additional advantage in charge suppression can be obtained by imaging only the central portion of the beam 54 to do so. Typically, if the surface charge to be imaged is non-uniform, the image will be distorted by beam deflection. Since there is no electron flux outside the beam diameter boundary, the sample surface around the beam 54 is not as uniformly distributed in charge as the surface inside the beam. There is a further peripheral effect since the charge remains in the area where the beam has already been scanned. By irradiating the beam over an area 54 wider than the imaging area of the detector array area 56, these imaging distortions are avoided. In SEM, the peripheral effect cannot be eliminated by this method because the diameter of the beam is too small to open further. Additional methods for reducing the effects of surface charge accumulation are disclosed in Monahan USP 5,302,828, which is incorporated herein by reference.
[0042]
The present invention may optionally include further additional means for maintaining the charge balance of the sample. One possibility is to attach an electrode to the sample and apply an auxiliary electric field. Voltage control provides more freedom for charge balance stability by supplying current to the electrodes. Another possibility is to introduce a low pressure gas such as argon into the vacuum chamber containing the sample to control the charge balance. The low pressure gas serves to prevent excessive charge accumulation in the sample. The above technique is illustrative of additional suppression means for maintaining the charge stability of the sample and is not exhaustive and there may be other such techniques for controlling charge suppression. It may be discovered later.
[0043]
These additional charge suppression means may optionally be used in conjunction with Monahan's flooding method. Using an electron beam of a certain energy relative to the E2 value of the material is one way to maintain a stable charge balance. By using additional or alternative charge suppression means such as secondary low energy beams, over-irradiation, electrodes, and / or low pressure gases, another way to maintain this charge balance is provided. These primary and secondary charge suppression mechanisms may optionally be combined with the charge suppression device.
[0044]
It is useful to compare the limitations imposed by the SEEM and SEM maximum scan rates. The advantages of SEEM over SEM are summarized below.
There is little noise. Longer image integration times are obtained for a given sample range. Noise is reduced due to averaging over longer sampling times.
There is little distortion of image. By over-illuminating the area on the wider sample than is imaged, a more uniform charge distribution is maintained in the area to be imaged and distortions due to peripheral effects are eliminated.
Lower current density. Lower current density is possible due to parallel imaging and longer dwell times, which means that the potential for sample damage is reduced. Faster. Parallel imaging means that a large number (eg 1 million) of pixels are imaged simultaneously in SEEM. In SEM, only one pixel is imaged at a time.
No need for fast scanning electronics. These scanning systems are complex and expensive but do not require SEEM because they provide faster parallel imaging.
[0045]
FIG. 6A illustrates a method in which defects in vias between semiconductor device layers are detected in accordance with one embodiment of the present invention. The stages in the process of manufacturing the semiconductor device 60 are shown. In this example, the semiconductor device 60 includes a substrate 61, a metal layer 62 deposited on the substrate 61, and an insulating layer 63 formed on the entire metal layer 62. Vias or holes 64, 65 are shown through the insulating layer 63 to reach the metal layer 62. In the next stage of manufacture, a second metal layer 66 is formed throughout the insulating layer 63 and the vias 64, 65 are filled with a conductive material to form an electrical connection between the metal layers 62 and 66. However, at this stage of manufacture, the metal layer 66 has not yet been deposited and is shown in dotted lines. In general, the vias 64 and 65 are formed by etching the insulating layer 63. However, in the figure, the via 64 is shown closed and the via 65 is not closed. For example, the via 64 may be plugged with foreign matter or may be plugged due to an incomplete etching process. In any case, via 64 is a defective via and via 65 is a complete via.
[0046]
FIG. 6A further shows a beam 67 of primary electrons incident on the insulating layer 63 perpendicular to the surface of the semiconductor device 60. This beam 63 is a combination of a first beam having high energy electrons and a second beam having low energy electrons. Since the layer 63 is an insulating material, the mobility of electrons on the layer 63 is limited. Therefore, the insulating layer 63 tends to collect charge on its surface, which creates charge accumulation problems associated with conventional inspection techniques such as LEEM. However, in the secondary electron emission microscope (SEEM) technique of the present invention, as long as the low energy beam has an energy suitable for suppressing charging of the layer 63, the energy of the high energy electron in the beam 67 is , E of the material of the insulating layer 63 2 A value close enough to the value may be selected, or a different energy may be used. Therefore, upon irradiation with the primary electron beam 67, the secondary electron beam 68 is generated by the insulating material 63 with minimal charge accumulation on the surface 63 of the material. The energy of the low energy electrons in beam 67 is selected to minimize charge accumulation on the sample surface resulting from the high energy electrons.
[0047]
A returning electron beam 68 is emitted in a direction perpendicular to the surface of the insulating layer 63 and opposite to the primary electron beam 67. The reflected electron beam 68 contains information about the defect vias and complete vias 64, 65 that are detected back through the optical system and then the operator can determine whether the semiconductor device 60 is defective. Processed so that it can be determined.
[0048]
FIG. 6B shows an electron beam inspection of the semiconductor device 60 of FIG. 6A in the next manufacturing stage. The metal wirings 66a and 66b extend in a direction perpendicular to the paper surface and connect to the metal layer 62 via the vias 64 and 65, thereby providing an electrical connection between the wirings 66a and 66b and the layer 62. The primary electron beam 67 is incident on the semiconductor device 60, specifically, the metal wirings 66 a and 66 b and the insulating layer 63. Inspection imaging of the surfaces of the metal wirings 66 a and 66 b and the insulating layer 63 can be realized by voltage contrast information obtained from the reflected electron beam 68.
[0049]
Thus, process control monitoring for the semiconductor industry is improved compared to optical beam inspection by reducing or eliminating grain structure and color noise using the electron beam inspection of the present invention. Once a defect is recognized, if the defect is significant, it may be corrected using means such as focused ion beam implantation. Information obtained from the inspection of the substrate can also be used to improve the production amount of semiconductor devices to be subsequently manufactured. The SEEM system of the present invention can be used in the field as part of a semiconductor wafer manufacturing apparatus, if necessary. In the apparatus, it is possible to inspect a wafer before and after processing or during processing, and use a common robot for handling the wafer and moving between the inspection and processing stations. The SEEM can also be placed in a vacuum chamber that is further used for other manufacturing processes such as ion implantation or evaporation. The data obtained from the inspection can be sent to the next processing station or returned to the previous processing station to improve automatic process control.
[0050]
The images from the high and low energy irradiation beams contain various types of information and are preferably separated. One new means of separating low energy mirror images and high energy scattered images in dual beam SEEMs utilizes the principle of synchronous detection. In this model, the low energy beam and the high energy beam are switched on and off alternately without being superimposed. The image is recorded only when the desired reflection or scattering image is present. During the undesired period of the switching cycle, the image beam is also interrupted.
[0051]
In order to maintain the desired charge balance from the low energy beam, the switching speed between the two images can be selected to meet certain conditions. Surface potential change (charge accumulation) rate dV / dt is determined by absorption (J a ) And scattering (J s ) Difference J between current densities a -J s (Charge / second / square centimeter) and the capacitance C of the surface layer per square centimeter of the surface area, dV / dt = (J a -J s ) / C. If ΔV is an acceptable increase in surface potential (approximately 0.1 V) in one cycle, the beam is Δt <C · ΔV / (J a -J s ) Needs to be switched in less than a period. If the switching period Δt for the image element is sufficiently short, the image will behave as if the two beams are actually superimposed, even if an image derived from only one beam is observed. Compared to the image subtraction method described above, this method has the advantage that it can reject not only unwanted contrast but also noise.
[0052]
In this mode of operation, both the illumination beam and the image beam need to be electro-optically turned on and off (blocked). In one embodiment, the irradiation beam is interrupted by switching the control grid of the electron gun between two voltages. The beam is turned off when the negative bias applied to the grid is sufficient to prevent the detachment of electrons from the cathode. When the grid is more positively biased, the beam is turned on. In another embodiment, the image plane is deflected (deflecting is accomplished magnetically, electrostatically, or both) so that the beam only passes through the aperture if it needs to be unobstructed. Both of these blocking methods may be used for dual beam SEEM to separate the images.
[0053]
In another embodiment of the present invention, both the reflection mode and the second order / backscatter mode are used sequentially to produce an image with different characteristics. In this embodiment, each type of image is continuously generated as in the previous embodiment. However, the image beam is not blocked because there are no unnecessary parts in the switching cycle. Instead, each type of image is used to determine the shape of the substrate under observation. For example, in "array mode" or "die-to-die mode" for semiconductor inspection, the reflection mode image of the first part of the die is the reflection mode (mirror mode) of the corresponding part of the array from the same die (for array mode). ) Compared to image or corresponding part of another die (for die-to-die mode). A similar die-to-die comparison or array comparison can then be performed on the secondary / backscatter image. Information obtained from both types of comparisons can be used to better identify and characterize defects in the semiconductor substrate. A detailed description of the die-to-die mode comparison can be found in commonly assigned USP 5,502,306.
[0054]
More generally, the secondary electron emission microscope of the present invention is used for defect inspection of any semiconductor device, thin film magnetic head, semiconductor manufacturing reticle, flat panel (eg, liquid crystal or field effect) display. Insulating material quantities, semiconductor materials, conductive materials, or even superconductors and plasmas can be imaged using SEEM. A typical semiconductor manufacturing process involves UV reduction projection of a reticle pattern generated for a wafer design, followed by chemical etching of each device layer. Alternatively, the semiconductor device is patterned using an ion beam, etching, or a CMP process. Process inspection and monitoring of the intermediate and final products are then performed with the method of the present invention. The SEEM system of the present invention can also be used for defect re-inspection. In re-inspection, a previously inspected wafer may be re-inspected and the defects located there may be characterized.
[0055]
FIG. 7 shows a method of applying the secondary electron emission microscope (SEEM) of the present invention to the inspection of the biological sample 70 on the stage carrier 77. The biological sample 70 has various shapes 71, 72, 73, 74. For example, the sample 70 may be a cell including a cell wall 71, a cell nucleus 72, a protoplasm 73, and a mitochondrion 74. Alternatively, the sample 70 may be human tissue including muscle tissue 71, bone tissue 72, body fluid 73, and malignant cells 74. The primary electron beam 75 enters the sample 70 perpendicularly. The reflected electron beam 76 is generated by irradiation of the cell 70 with the beam 75 and returns vertically through the electron optical system. Information about the cell 70 is encoded into the beam 76, detected and processed to obtain information about the cell 70.
[0056]
While the invention has been described in detail for purposes of clarity of understanding, it will be apparent that certain changes and modifications may be made within the scope of the appended claims. It should also be noted that there are many alternative ways of implementing the process and apparatus according to the present invention. Accordingly, the embodiments are considered to be illustrative and not restrictive, and the invention is not limited to the details shown herein, but the appended claims and equivalents. It can be corrected within the range.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram illustrating a basic configuration of a secondary electron emission microscope (SEEM) apparatus having a double beam according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing the relationship between charge balance generation ratio and primary electron energy in a system with a single beam.
FIG. 3 is a table comparing the SEEM technology of the present invention and the conventional electron beam inspection technology.
FIG. 4 is a diagram illustrating an SEM imaging method.
FIG. 5 is a diagram showing a SEEM imaging method for comparison with FIG. 4;
FIG. 6A is a diagram showing a method in which a SEEM electron beam detects a defect (occlusion) in a via of an insulating layer.
FIG. 6B is a diagram showing a method of inspecting a metal wiring connected to a via by an electron beam of SEEM.
FIG. 7 shows how a SEEM electron beam is used to study biological samples.
[Explanation of symbols]
7 orbit
8 Electron gun source
9 samples
10 Electron gun source
12 orbit
13 Electron lens
14 Magnetic beam separator
15 Objective electron lens
16 Image trajectory
19 Projection electron lens
20 Detector
20a YAG screen
20b Time delay integrated photodetector or electronic detector
41 beam
42 samples
43 Route
54 Beam
55 samples
56 Parallel multi-pixel imaging area, detector array area
60 Semiconductor devices
61 substrates
62 Metal layer
63 Insulation layer
64 Bahia
65 Bahia
66 Second metal layer
67 Primary electron beam
68 Secondary electron beam, reflected electron beam
70 biological samples
71 Shape, cell wall, muscle tissue
72 Shape, cell nucleus, bone tissue
73 Shape, protoplasm, body fluid
74 Shape, mitochondria, malignant cells
75 Primary electron beam
76 Backscattered electron beam
77 Stage carrier
100 Secondary electron emission microscope

Claims (20)

サンプルを検査するための装置であって、
第1の範囲のエネルギレベルを持つ第1の電子ビームを前記サンプルの第1の領域に向けるよう構成された第1の電子ビーム発生器と、
第2の範囲のエネルギレベルを持つ第2の電子ビームを前記サンプルの第2の領域に向けるよう構成された第2の電子ビーム発生器とを含み、
前記サンプルの前記第2の領域は、前記第1の領域と少なくとも一部で重なっており、エネルギレベルの前記第2の範囲は、前記第1の範囲と異なり、その結果、前記第1の電子ビームによって引き起こされる電荷蓄積が抑制され、
さらに、前記サンプルと前記第1および第2の電子ビームとの相互作用の結果として前記サンプルから生じる二次電子を検出するよう構成された検出器を備え、
前記第2のビームのエネルギレベルの前記第2の範囲は、前記第1のビームのエネルギレベルの前記第1の範囲より低く、かつ電子が前記サンプルの表面に集積されることにより、前記第1の電子ビームによって引き起こされる正電荷の蓄積を低減するよう選択される
装置。
A device for inspecting a sample,
A first electron beam generator configured to direct a first electron beam having an energy level in a first range to a first region of the sample;
A second electron beam generator configured to direct a second electron beam having an energy level in a second range to a second region of the sample;
The second region of the sample overlaps at least partially with the first region, and the second range of energy levels is different from the first range, so that the first electrons The charge accumulation caused by the beam is suppressed,
Furthermore, example Bei a detector configured to detect secondary electrons generated from the sample as a result of the interaction between the sample and the first and second electron beams,
The second range of energy levels of the second beam is lower than the first range of energy levels of the first beam, and electrons are accumulated on the surface of the sample, so Selected to reduce the accumulation of positive charge caused by the electron beam
apparatus.
請求項1に記載の装置であって、前記第1の電子ビームは、並列マルチピクセル画像化に適した幅を有する、装置。  The apparatus of claim 1, wherein the first electron beam has a width suitable for parallel multi-pixel imaging. 請求項1もしくは請求項2に記載の装置であって、前記第1および第2の電子ビーム発生器は、前記第1および第2のビームを同時に発生させるよう構成されている、装置。  3. An apparatus according to claim 1 or claim 2, wherein the first and second electron beam generators are configured to generate the first and second beams simultaneously. 請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の装置であって、前記第1の電子ビームは、約0.1〜100ミリメートルの範囲で前記サンプル上のスポットサイズを生成するように適合された幅を持つ、装置。  4. An apparatus according to any preceding claim, wherein the first electron beam is adapted to generate a spot size on the sample in the range of about 0.1 to 100 millimeters. A device with a width. 請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の装置であって、前記第1の電子ビームは、約1〜2ミリメートルの範囲で前記サンプル上のスポットサイズを生成するように適合された幅を持つ、装置。  4. An apparatus as claimed in any preceding claim, wherein the first electron beam has a width adapted to produce a spot size on the sample in the range of about 1-2 millimeters. Have a device. 請求項1ないし請求項5のいずれかに記載の装置であって、エネルギレベルの前記第1の範囲は、前記第1のビームについて衝突エネルギの値が約1keVとなるよう選択され、エネルギレベルの前記第2の範囲は、前記第2のビームについて衝突エネルギが約0eVとなるよう選択される、装置。6. The apparatus according to any of claims 1-5, wherein the first range of energy levels is selected such that a collision energy value for the first beam is about 1 keV. The second range is selected such that the collision energy for the second beam is about 0 eV. 請求項1ないし請求項6のいずれかに記載の装置であって、前記第2のビームを受ける前記サンプルの前記第2の領域は、前記第1のビームを受ける前記サンプルの前記第1の領域を完全に包含する、装置。  7. The apparatus according to claim 1, wherein the second region of the sample that receives the second beam is the first region of the sample that receives the first beam. Completely encompassing the device. 請求項1ないし請求項7のいずれかに記載の装置であって、前記第1および第2の電子ビーム発生器は、
前記第1の電子ビームを発生させるよう構成された第1の電子銃発生源と、
前記第2の電子ビームを発生させるよう構成された第2の電子銃発生源と、
前記第1および第2の電子ビームを前記サンプルへと方向付けるよう構成された磁気ビーム分離器と、
前記第1および第2のビームの焦点を前記サンプルに合わせるよう構成された対物レンズの形状を取る、装置。
The apparatus according to any one of claims 1 to 7, wherein the first and second electron beam generators include:
A first electron gun source configured to generate the first electron beam;
A second electron gun source configured to generate the second electron beam;
A magnetic beam separator configured to direct the first and second electron beams to the sample;
An apparatus that takes the form of an objective lens configured to focus the first and second beams on the sample.
請求項1ないし請求項8のいずれかに記載の装置であって、前記検出器は、
前記二次電子の焦点を画像面に合わせるための投影電子レンズと、
二次電子を受け取り、前記二次電子を光子に変換するよう、前記画像面の中に構成された電子画像化装置と、
前記光子を受け取り、前記サンプルの画像を生成するよう構成された光学検出器の形状を取る、装置。
9. The apparatus according to any one of claims 1 to 8, wherein the detector is
A projection electron lens for focusing the secondary electrons on the image plane;
An electronic imaging device configured in the image plane to receive secondary electrons and convert the secondary electrons into photons;
An apparatus that takes the form of an optical detector configured to receive the photons and generate an image of the sample.
請求項9に記載の装置であって、前記光学検出器は、カメラもしくは時間遅延集積検出器の形状である、装置。  10. Apparatus according to claim 9, wherein the optical detector is in the form of a camera or a time delay integrated detector. 請求項1ないし請求項8のいずれかに記載の装置であって、前記検出器は、
前記二次電子の焦点を画像面に合わせるための投影電子レンズと、
前記二次電子を受け取って検出するよう、前記画像面の中に構成された背面薄型遅延集積検出器の形状を取る、装置。
9. The apparatus according to any one of claims 1 to 8, wherein the detector is
A projection electron lens for focusing the secondary electrons on the image plane;
An apparatus that takes the form of a backside thin delay integrated detector configured in the image plane to receive and detect the secondary electrons.
請求項1ないし請求項11のいずれかに記載の装置であって、前記第2のビームのエネルギレベルの前記第2の範囲は、前記サンプルの表面を所定の電圧値に固定することにより、電荷蓄積が前記サンプルの前記表面から開放されるよう選択される、装置。  12. The apparatus according to claim 1, wherein the second range of the energy level of the second beam is obtained by fixing the surface of the sample at a predetermined voltage value. An apparatus wherein the accumulation is selected to be released from the surface of the sample. 荷電粒子のビームに表面を曝露する際に前記表面の荷電を抑制するための方法であって、
第1のビーム内の第1の電子群に前記表面を曝露する工程を含み、
前記第1の電子群は、第1の範囲内のエネルギを持ち、
さらに、第2のビーム内の第2の電子群に前記表面を曝露する工程を含み、
前記第2の電子群は、前記第1の範囲より低い第2の範囲内のエネルギであり前記表面に衝突する前記第2の電子群から、前記表面の正電荷を減らすための電子を提供するように、前記表面に衝突する前記第2の電子群の前記第2の範囲のエネルギを事前に決定する、方法。
A method for suppressing charge of a surface upon exposure of the surface to a beam of charged particles, comprising:
Exposing the surface to a first group of electrons in a first beam;
The first group of electrons has an energy in a first range;
Further comprising exposing the surface to a second group of electrons in the second beam;
The second electronic group, is the energy within the second lower than the first range, from the second group of electrons impinging on said surface, the child conductive for reducing the positive charges of the surface so as to provide, Ru determined Teisu the energy of the second range of said second group of electrons impinging on the surface in advance, method.
請求項13に記載の方法であって、前記表面は、前記第1の電子群と前記第2の電子群に交互に曝露される。 14. The method of claim 13 , wherein the surface is alternately exposed to the first group of electrons and the second group of electrons. 請求項13もしくは請求項14に記載の方法であって、さらに、前記第1のビームもしくは前記第2のビームのみに由来する前記表面からの二次電子を検出する工程を含む、方法。15. A method according to claim 13 or claim 14 , further comprising detecting secondary electrons from the surface derived from the first beam or the second beam only. 請求項13ないし請求項15のいずれかに記載の方法であって、前記第1のビームは、電子ビーム顕微鏡の入射ビームである、方法。 16. A method according to any of claims 13 to 15 , wherein the first beam is an incident beam of an electron beam microscope. 請求項13ないし請求項16のいずれかに記載の方法であって、前記第2の電子群は、焦点が合わされていないビームの形で供給される、方法。 17. A method as claimed in any of claims 13 to 16 , wherein the second group of electrons is provided in the form of an unfocused beam. 請求項17に記載の方法であって、前記焦点が合わされていないビームは、前記第1のビームが入射する前記基板の領域よりも広い領域にわたって前記基板に入射する、方法。 18. The method of claim 17 , wherein the unfocused beam is incident on the substrate over a region that is wider than the region of the substrate on which the first beam is incident. 請求項13ないし請求項18のいずれかに記載の方法であって、さらに、前記表面を不活性ガスに曝露する工程を含む、方法。19. A method according to any of claims 13 to 18 , further comprising exposing the surface to an inert gas. 請求項19に記載の方法であって、前記不活性ガスは、陽イオンを含み、前記イオンは、前記表面に衝突し、前記表面から過剰な負電荷を運び去る、方法。 20. The method of claim 19 , wherein the inert gas comprises a cation, and the ion impacts the surface and carries away excess negative charge from the surface.
JP2000620658A 1999-05-25 2000-05-25 Apparatus and method for secondary electron emission microscope with double beam Expired - Fee Related JP4759146B2 (en)

Applications Claiming Priority (7)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US13574299P 1999-05-25 1999-05-25
US60/135,742 1999-05-25
US09/354,948 US6087659A (en) 1997-11-05 1999-07-16 Apparatus and method for secondary electron emission microscope
US09/354,948 1999-07-16
US09/579,867 US6586733B1 (en) 1999-05-25 2000-05-25 Apparatus and methods for secondary electron emission microscope with dual beam
US09/579,867 2000-05-25
PCT/US2000/014583 WO2000072355A1 (en) 1999-05-25 2000-05-25 Apparatus and methods for secondary electron emission microscopy with dual beam

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2003500821A JP2003500821A (en) 2003-01-07
JP4759146B2 true JP4759146B2 (en) 2011-08-31

Family

ID=41180684

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2000620658A Expired - Fee Related JP4759146B2 (en) 1999-05-25 2000-05-25 Apparatus and method for secondary electron emission microscope with double beam

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP4759146B2 (en)
DE (1) DE60043103D1 (en)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101110224B1 (en) * 2003-01-27 2012-02-15 가부시끼가이샤 도시바 Mapping-projection-type electron beam apparatus for inspecting sample by using electrons reflected from the sample
TWI473140B (en) * 2008-04-11 2015-02-11 Ebara Corp Sample observation method and apparatus, and inspection method and apparatus using the same
WO2011151116A1 (en) * 2010-06-03 2011-12-08 Carl Zeiss Sms Gmbh A method for determining the performance of a photolithographic mask

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05205688A (en) * 1992-01-28 1993-08-13 Toshiba Corp Scan type electron microscope
JPH06243814A (en) * 1993-02-16 1994-09-02 Jeol Ltd Scanning electron microscope
JPH0714537A (en) * 1993-06-22 1995-01-17 Hitachi Ltd Measuring method by scanning electron microscope
JPH07153411A (en) * 1993-11-29 1995-06-16 Nikon Corp Electron beam observing method and device therefor
JPH10275583A (en) * 1997-03-28 1998-10-13 Jeol Ltd Device for analyzing sample containing insulating material
WO1999023684A1 (en) * 1997-11-05 1999-05-14 Kla-Tencor Corporation Apparatus and method for secondary electron emission microscope

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05205688A (en) * 1992-01-28 1993-08-13 Toshiba Corp Scan type electron microscope
JPH06243814A (en) * 1993-02-16 1994-09-02 Jeol Ltd Scanning electron microscope
JPH0714537A (en) * 1993-06-22 1995-01-17 Hitachi Ltd Measuring method by scanning electron microscope
JPH07153411A (en) * 1993-11-29 1995-06-16 Nikon Corp Electron beam observing method and device therefor
JPH10275583A (en) * 1997-03-28 1998-10-13 Jeol Ltd Device for analyzing sample containing insulating material
WO1999023684A1 (en) * 1997-11-05 1999-05-14 Kla-Tencor Corporation Apparatus and method for secondary electron emission microscope

Also Published As

Publication number Publication date
DE60043103D1 (en) 2009-11-19
JP2003500821A (en) 2003-01-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6803572B2 (en) Apparatus and methods for secondary electron emission microscope with dual beam
US6087659A (en) Apparatus and method for secondary electron emission microscope
JP4996805B2 (en) Semiconductor wafer and mask inspection apparatus using a low energy electron microscope having two illumination beams
US8674317B2 (en) Sample surface inspection apparatus and method
JP3791095B2 (en) Circuit pattern inspection method and inspection apparatus
US6627884B2 (en) Simultaneous flooding and inspection for charge control in an electron beam inspection machine
US20030213893A1 (en) Electron beam apparatus and device manufacturing method using same
US11662323B2 (en) Method and system for inspecting an EUV mask
US6512227B2 (en) Method and apparatus for inspecting patterns of a semiconductor device with an electron beam
JPH0868772A (en) Apparatus and method for automatic mask inspection by using electron beam microscopy
EP1183707B1 (en) Apparatus and methods for secondary electron emission microscopy with dual beam
JP4759146B2 (en) Apparatus and method for secondary electron emission microscope with double beam
JP4274247B2 (en) Circuit pattern inspection method and inspection apparatus
JPH11260306A (en) Electron beam inspection apparatus and method therefor, apparatus applying charged particle beam and method therefor
JP4178003B2 (en) Semiconductor circuit pattern inspection system
JP2001124713A (en) Device and method for inspecting circuit pattern
JPH1126530A (en) Apparatus and method of inspecting circuit pattern
JP4090173B2 (en) Circuit pattern inspection device
JP2004349264A (en) Inspection device using electron beam

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20070514

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20100128

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20100202

A601 Written request for extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601

Effective date: 20100428

A602 Written permission of extension of time

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A602

Effective date: 20100511

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20100802

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20110510

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20110606

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140610

Year of fee payment: 3

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees