JP5103050B2 - 電子線応用装置 - Google Patents

Description

本発明は，電子線を用いた半導体ウエハ検査装置に関し，特に試料表面の帯電状態の制御の高精度化方法および装置ならびにこれを用いた電子光学系調整方法および装置に関する。

電子線検査装置を用いて半導体ウエハ等の試料を検査する場合，ウエハ表面に形成されたパターン部への電荷の蓄積（これを帯電と呼ぶ）量を制御することによって，パターン形状画像や電気的な欠陥画像が得られる。特に欠陥画像を得る場合，欠陥部と正常部との間で生ずる帯電電位差によるコントラスト像（以下，電位コントラスト像と呼ぶ）を必要とするため，均一で高精度な電荷の蓄積量制御（帯電制御）が必要である。電子線照射による帯電制御を行うためには，ウエハの接地もしくはウエハへの電圧印加が必要であるが，ウエハ面に酸化膜等の絶縁膜が被覆されている場合，充分な接地がなされていないと，絶縁層が余分に帯電するため，パターン形状画像の帯電によるひずみや，電位コントラスト像のコントラスト不足の原因となる。そのためウエハを接地する必要があるが，従来この方法として，接地電極をウエハ面に接触することによりウエハを接地させ，余分な帯電を防止する方法が知られている。たとえば接地電極をウエハ面に接触する際，絶縁膜被覆されたウエハと接地電極間で発生する接触抵抗が問題となるが，特許文献１で開示されているように接地電極とウエハ間に一定の電流（表面活性化電流）を流すことにより接触抵抗値を低減する方法や，特許文献２で開示されているように，ウエハ面内で不要となる部分に電子線を照射し，局所帯電を発生させることによってウエハ周縁部で絶縁破壊を発生させ，その絶縁破壊部への接地により接触抵抗を低減する帯電防止方法がある。

特開2006-13049号公報 特開平3-194915号公報

検査試料であるウエハは，そのプロセスによって絶縁膜の種類や被覆量がさまざまであるため，ウエハの種類に応じて接触抵抗値を管理する必要がある。これはウエハ表面の抵抗値と，接地電極とウエハ間の接触抵抗値の比により，ウエハ表面の帯電量が決まるためである。特許文献１には，接地電極とウエハ間では20MΩ以下が望ましいことが記載されている。しかしながら実際の検査においては上述したように，電子線が照射されるウエハ表面の抵抗値と，接地電極とウエハ間の接触抵抗値の比が重要であり，本発明で対象としている半導体ウエハ検査装置で実施される大電流電子線による高速検査では，ウエハ表面の抵抗値によってはわずかな接触抵抗値であってもウエハ表面での帯電状態に変化が生じ，結果としてパターン形状画像の帯電によるひずみや，電位コントラスト像のコントラスト不足を生じるおそれがある。そのため，電子線が照射されるウエハ表面の抵抗値と，接地電極とウエハ間の接触抵抗値の比によって，電子光学系の光学条件や，通常試料直上に配置される帯電制御電極に印加する電圧を観察領域の帯電状態が最適になるよう制御する必要がある。

上記したように特許文献１で開示されている方法では，接地電極とウエハ間の接触抵抗値のみを管理しているため，実際の検査時において重要な，パターン部が形成された被検査領域を含むウエハ表面の抵抗値に応じた接地電極とウエハ間の抵抗値の制御がなされていないという課題があり，これによって，表面抵抗値のばらつきや接触抵抗値低減不足によるウエハ面での電位変動や面内の電位不均一といった問題が生ずる。

特許文献２で開示されている方法においても，検査領域外での電子線照射によって接触抵抗を低減する手法であるため，特許文献１と同様ウエハ表面の抵抗値との比較した接触抵抗値の管理がなされていないため，特許文献１と同様の課題がある。

上記の課題は，ウエハと接地電極間の接触抵抗値を計測する手段と，ウエハ表面抵抗値と関連するウエハ情報を入力する手段と，接触抵抗値とウエハ表面抵抗値の比較によって電子光学系の光学条件およびウエハ表面の帯電状態を制御する手段（帯電制御電極）とを有することによって，ウエハの最適な検査条件を容易に決めることが可能であるため，ウエハの安定したパターン形状画像や欠陥画像を得ることができる。

本発明により，ウエハ表面から接地電極間における抵抗値の管理およびこれによってウエハ表面の帯電を制御することが可能であり，安定したパターン形状画像や欠陥画像を得ることが可能となる。

（実施例１）
図１はウエハと接地電極間の接触抵抗値を計測する手段と，ウエハ表面の帯電による電位を制御する手段（帯電制御電極）と，全体を制御する制御手段とを有するSEM式半導体ウエハ検査装置の構成を示したものである。

電子線を用いた検査装置は主に電子光学系を真空に保ち，かつウエハなどの試料101を保持，移動させる試料室102，制御コンピュータ103，光学系コントロールユニット104，電源ユニット105により構成されている。ここで電子光学系の構成は，電子源101，コンデンサレンズ102。偏向器103，対物レンズ104からなる。ただしここでは代表的な電子光学系構成を図示したが，本発明はこれに限定されるものではなく，他の電子光学系を用いても利用可能である。電子源106より放出される電子線は，コンデンサレンズ107を通過し，偏向器108で曲げられ，対物レンズ109で収束されながら，試料（主に半導体ウエハ）101に照射される。電子光学条件は光学系コントロールユニット104，電源ユニット105により制御されている。試料101は接地電極を兼ねた試料ホルダ110により接地もしくは試料101への電圧印加がなされている。試料ホルダ110は同時に試料101を保持するためのホルダとしても機能している。本実施例では試料ホルダ110は試料裏面より接地しているが，側面，上面から接地してもかまわない。さらに試料表面の帯電を制御するための帯電制御電極111が試料上面に設置されている。

次に図２を用いて試料と試料ホルダ間の接触抵抗値を測定する構成と方法について述べる。試料101と各試料ホルダ201，202，203間には直流電源204，205，206と電流計207，208，209が設置されている。ここで試料101と各試料ホルダ201，202，203間の接触抵抗値をそれぞれR1，R2，R3とする。いま直流電源204，205，206を用いて電圧V1，V2，V3を印加する。このとき各電流計207，208，209で計測される電流をそれぞれI1，I2，I3とする。ここで印加する電圧V1，V2，V3の値は同じでもよいし，異なっても良い。また各電流計207，208，209で計測される電流I1，I2，I3が電流計の計測可能な値になるまで充分大きくなるように各電圧V1，V2，V3を調整してもよい。このとき次式が成り立つ。

V1=I1×(R1+R2)，
V2=I2×(R2+R3)，
V3=I3×(R3+R1)。

これを解けば接触抵抗値R1，R2，R3は次の式で独立に与えられる。

R1=(V1/I1-V2/I2+V3/I3)/2，
R3=(V1/I1+V2/I2-V3/I3)/2，
R3=(-V1/I1+V2/I2+V3/I3)/2。

以上から明らかなように本実施例では試料ホルダが３箇所以上あればよく，それ以上の個数でも同様の手法により個々の試料ホルダと試料間の接触抵抗値を測定することが可能となる。

また本実施例で述べた電源および電流計をすべて図１の制御コンピュータ103に接続することで，接触抵抗測定を自動化してもよい。

次に図３にしたがって，図１を用いて本実施例による半導体ウエハの欠陥検査レシピの概要を説明する。

まずステップ301において検査する試料101のウエハ表面抵抗値を規定するための情報（ウエハ情報）を制御コンピュータ103から入力する。ここで入力する項目は，試料101表面に形成されたパターン形状，パターン密度，工程名などで，あらかじめこれら情報に基づいて推定されるウエハ表面抵抗値の情報は，制御コンピュータ103に格納しておく。このあらかじめ格納されている情報と入力されたウエハ情報を比較することで，検査対象のウエハ表面抵抗値が規定される。次にステップ302で試料101を試料室102にロードし，ステップ303では接触抵抗を測定するためのモードに切り替える。ステップ303では各試料ホルダの抵抗値を図２を用いて詳述した上記方法で測定し，制御コンピュータ103に記録する。次にステップ305で測定された各試料ホルダの抵抗値と，ステップ101で規定されたウエハ表面抵抗値を比較し，ステップ306で，ステップ305の比較結果から電子光学系の光学条件および帯電制御電極111に印加する電圧を選択する。これは次の理由による。試料表面に形成される帯電量は，ウエハ表面抵抗値と試料と試料ホルダ間の接触抵抗値の比（以下，抵抗比と呼ぶ）によって規定される。これは帯電に必要な電荷を試料に注入した際，その電荷は抵抗比に応じて分配されるからである。そのため，同一の光学条件および帯電制御電極111への印加電圧であっても，抵抗比が異なれば，試料表面に形成される帯電状態は変化する。したがって抵抗比に応じて最適な電子光学系の光学条件および帯電制御電極111に印加する電圧を選択することで，検査を最適の条件で実施することが可能となる。ここで抵抗比の算出に用いる，試料ホルダの接触抵抗値は，ステップ303で測定し，制御コンピュータ103に格納した値のうち最も小さい接触抵抗値を用いればよい。次にステップ307において，ステップ306で決定した光学条件および帯電制御電極111への印加電圧を用いて，検査測定モードに切り替え，ステップ308で検査測定を実施し，測定が終了したら，ステップ309で試料をアンロードする。

本実施例を用いれば，検査に必要な電子光学系の光学条件と帯電制御電極への印加電圧をウエハに応じて検査に最適な状態にすることが可能になる。
（実施例２）
実施例１では，ウエハ表面抵抗値と接触抵抗値との比によって最適な検査条件を設定する方法および装置について詳細に述べたが，ウエハと試料ホルダ間の接触抵抗値は，ウエハ種類や接触面の状態によって，非常に大きくなることがある。そのためあらかじめ用意された光学条件と帯電制御電極への印加電圧では最適な検査条件が得られない可能性もある。この場合，接触抵抗値の管理，低減することが必要となる。そこで本実施例では，接触抵抗値の管理，低減方法およびその装置について詳述する。

図４はウエハ表面から接地電極までの接触抵抗値を管理，低減する機構を備えた電子線を用いた検査装置の概略構成図である。電子線を用いた検査装置は主に光学系を真空に保つカラム401，ウエハなどの試料を保持，移動させる試料室402，制御コンピュータ403，光学系コントロールユニット404，電源ユニット405により構成されている。カラム401内には代表的な光学系構成を図示したが，本発明はこれに限定されるものではなく，他の光学系を用いても利用可能である。電子源410より放出される電子線は，コンデンサレンズ411を通過し，偏向器412で曲げられ，対物レンズ413で収束されながら，試料（主にウエハ）414に照射される。光学条件は光学系コントロールユニット404，電源ユニット405により制御されている。試料414は接地電極415により接地もしくは試料414への電圧印加がなされている。接地電極415は同時に試料414を保持するためのホルダとしても機能している。本実施例では接地電極415は試料裏面より接地しているが，側面，上面から接地してもかまわない。本実施例では試料414に電圧を印加するための電源417を設けた。電流計416により電子線を照射した時の試料414と接地電極415から流れ出る吸収電流Irを測定し，電圧計418を用いて試料414の試料電圧を測定することによって接触抵抗値を計測する。試料電圧は電子線照射を行わないときの電圧V0とし，電子線照射を行っている時の電圧V1との差分より，接触抵抗値を算出する。接触抵抗値の算出式を示す。

接触抵抗値＝(V0−V1)／Ir

スイッチ419により試料414接触部の切り替えが可能で，各接地電極の接触抵抗値を測定することができる。電子線を照射したときの吸収電流と，試料電圧を測定することによって，実際の検査時に影響するウエハ表面から接地電極１５間の接触抵抗値を算出することができる。

図５は本実施例のフローチャートである。ステップ501において試料414を試料室402にロードし，ステップ502では接触抵抗を測定，低減するためのモードに切り替える。ステップ503，504では各接地電極の抵抗値R0，R2，…を測定し，最も接触抵抗の大きい接地電極を使用電極として選択する。このとき各接地電極の抵抗値のうち，許容される接触抵抗規定値内の電極があれば使用する電極とし，ステップ508である検査モードに移行する。許容される接触抵抗値は10MΩ以下が望ましい。大きい接触抵抗値を持つ電極を使用電極とすることにより，確実に抵抗値を低減することができる。本実施例では３つの接地電極から使用電極を選択する構成となっているが，接地電極の個数は限定されるものではなく，またここの接地電極の形状や接触面積が変化していてもかまわない。ステップ505において接触抵抗を低減するモードに切り替えられる。本実施例では低加速エネルギーの電子線を照射することにより試料414と選択された使用電極で絶縁破壊させる方式を用いた。低加速の電子線は試料414の表面の構造に関わらず試料414基板に蓄電されるため，接触抵抗部で照射される電子線の加速電圧に応じた電位差が生じる。電位差を大きくとるためには，初期の接触抵抗値は大きいほうがよい。照射する電子線の加速電圧を調整し，試料帯電電位を大きくすると，試料414と選択された使用電極接触部の絶縁破壊電圧に達したときに絶縁破壊が生じ，接触抵抗が低減する。図６に示すように，本実施例では約100eVのときに絶縁破壊し，接触抵抗値が0。6MΩまで低減している。ステップ506で加速電圧の調整をし，絶縁破壊を発生させる。ステップ507で再度，接触抵抗値の確認をし，接触抵抗値が規定の範囲内であればステップ508で検査モードに切り替え，検査を行う。規定の範囲外であれば，再度，接触抵抗を低減するステップ505に戻り，接触抵抗の低減を行う。さらに規定範囲外であれば使用電極の選択ステップ503に戻り，再度，使用電極の選択を行う。

本実施例を用いれば，検査に重要なウエハ表面から接地電極間の接触抵抗値を管理，低減することが可能となる。
（実施例３）
図７は電極面積が切り替え可能な接地電極と接触抵抗低減用の電子銃を備えた電子線を用いた検査装置の概略構成図である。接地電極720は多重同心円状の電極により構成されており，試料414への接触面積を切り替えることが可能である。各接触面積に応じた接触抵抗値を測定し，接触抵抗の大きな接地電極を使用電極として選択する。本実施例では効率よく接触抵抗を低減するために，電子銃は検査時に使用する電子線以外に，別途設置した接触抵抗低減用の電子銃721を用いる。電子銃721は試料室程度の真空度で使用可能なもので，低加速エネルギーで大電流の電子線を照射可能なものが望ましい。たとえばカーボンナノチューブタイプの電子銃などが望ましい。加速電圧調整用の電源ユニット722により，電子銃721より照射される電子線の加速エネルギーを調整し，試料414と接地電極720間で絶縁破壊を起こし，試料表面から設置電極720間の接触抵抗値を低減する。

本発明は電子線を用いた検査装置に利用可能である。

ウエハと接地電極間の接触抵抗値を計測する手段と，帯電制御電極と，全体を制御する制御手段とを有するSEM式半導体ウエハ検査装置の基本構成を示した図。 試料と試料ホルダ間の接触抵抗値を測定する構成と方法を示した図。 半導体ウエハの欠陥検査レシピの概要を説明するフローチャート。 接触抵抗の低減機能を備えた電子線を用いた検査装置の基本概略図。 接触抵抗の管理，低減方法におけるフローチャート。 １次電子線の照射エネルギーと接触抵抗値の関係を示す図である。 接触抵抗の低減機能を備えた検査装置の概略図である。

符号の説明

401…カラム，402…試料室，414…試料，415…接地電極，416…電流計，418…電圧計。

Claims (7)

1. 試料に所定の照射で一次電子線を照射し、該一次電子線照射により発生する二次荷電粒
   子を検出して検出信号を出力する電子光学系と、
   当該検出信号を用いて前記試料の計測または検査を行う電子線応用装置において、
   前記試料を保持する試料ホルダであって、前記試料を接地する複数の接地電極を備えた試料ホルダと、
   前記接地電極と前記試料との接触抵抗値を測定する手段と、
   前記電子光学系を制御する制御手段と、
   該制御手段を制御する制御コンピュータとを備え、
   該制御コンピュータは、前記接触抵抗値を元に前記電子光学系の照射条件を制御するこ
   とを特徴とする電子線応用装置。
2. 請求項１に記載の電子線応用装置において、
   前記試料の表面抵抗値と該試料の属性情報とを対比して格納する記憶手段と、
   前記試料の属性情報を前記制御コンピュータに設定入力する手段とを備え、
   前記制御コンピュータは、入力された属性情報を元に前記表面抵抗値を読み出して前記
   接触抵抗値と該表面抵抗値の比を計算し、当該比に基づき前記電子光学系を調整すること
   を特徴とする電子線応用装置。
3. 請求項１または２に記載の電子線応用装置において、
   前記試料ホルダに対して、前記試料と前記接地電極間に絶縁破壊を発生するための電
   圧を印加する電源を備えたことを特徴とする電子線応用装置。
4. 請求項１または２に記載の電子線応用装置において、
   前記試料に対して所定の加速電圧の一次電子線を照射することにより前記試料と前記接地電極間に絶縁破壊を発生させることを特徴とする電子線応用装置。
5. 請求項１または２に記載の電子線応用装置において、
   前記電子光学系は、前記試料ホルダに対向して配置された帯電制御電極を備え、
   前記前記照射条件として、前記一次電子線の照射エネルギー，電流値および前記帯電制
   御電極に印加する電圧のうち、少なくともいずれか１つを決定することを特徴とする電子
   線応用装置。
6. 請求項２に記載の電子線応用装置において、
   前記試料が、半導体ウェハ上にパターンが形成された試料であって、
   前記属性情報として、パターンの形状，パターン密度，前記半導体ウェハに対して施さ
   れた処理工程の工程名のうち、少なくともいずれか１つを用いることを特徴とする電子線
   応用装置。
7. 請求項４に記載の電子線応用装置において、
   前記接地電極と前記試料との接触抵抗値から絶縁破壊の成否を判断し、前記判断結果に基づき、検査の実施、または前記絶縁破壊の実施、または前記接地電極を選択することを特徴とする電子線応用装置。

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