JP6117625B2 - 電子線検査装置及び電子線検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、電子線検査装置及び電子線検査方法に関する。

従来、例えば下記の特許文献１には、電子銃から放出された電子線を細く絞り、膜形成された試料上を走査し、走査点から放出された反射電子又は二次電子を検出して試料の膜内部に存在する欠陥を検出する電子線装置が記載されている。

また、下記の特許文献２には、試料表面を所望の電位に帯電させるための帯電工程を有し、所定電位に帯電させてから欠陥を画像化させ、欠陥の存在と欠陥の位置を検出することが可能となることが記載されている。

また、下記の特許文献３には、反射電子または二次電子で試料表面の段差を検出するために、試料に印加するリターディング電圧および中間電極の電圧を調整し、電界の大きさおよび勾配を変化させることが記載されている。

特開２００４−０３９３８３号公報 特開２００５−２９２１５７号公報 特開２０００−２８６３１０号公報

しかしながら、特許文献１，２に記載された技術は、いずれも試料の欠陥を検出するものであるが、欠陥の試料表面からの深さ方向の位置を検出することは全く想定していなかった。また、特許文献３に記載された技術も、ある領域内における欠陥の有無および面方向の欠陥の位置を検出するものであり、欠陥の深さ方向の位置を検出することは想定していなかった。このため、上記従来の技術では、試料表面の特定の部位の深さ方向の位置を検出することは困難である。

また、近時においては、Ｖ−ＮＡＮＤ等の３次元構造（立体構造）のトランジスタが出現し、半導体基板上に形成されるコンタクトホールのアスペクト比が増大している。このため、コンタクトホール内の欠陥を検出するため、半導体基板の深さ方向の位置を高精度に検出する要請が高まっている。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、試料の特定の部位の深さ方向の位置を検出することが可能な、新規かつ改良された電子線検査装置及び電子線検査方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、試料に電子線を照射する電子線照射部と、前記電子線の照射方向に電界を生じさせる電界発生部と、前記電子線の照射によって前記試料から放出され、前記電界によって加速された電子のエネルギーを分析するエネルギー分析部と、前記エネルギーの分析結果に基づいて、前記電子が放出された部位において、前記電子線の照射方向の深さ位置を検出する検出部と、を備える電子線検査装置が提供される。

上記構成によれば、電子線の照射によって試料から放出された電子は電界によって加速され、電子のエネルギーは、電子が放出された試料深さ方向の位置、つまり電子線の照射方向における位置で異なることになる。従って、放出された電子のエネルギーを分析することで、電子が放出された部位において、電子線の照射方向の深さ位置を検出することが可能となる。

前記検出部は、前記エネルギーの分析結果から得られる前記電子のエネルギーとスペクトル強度の関係に基づいて、欠陥の深さ位置を検出する。この構成によれば、試料から放出された電子は電界によって加速されるため、エネルギーの分析結果から得られる前記電子のエネルギーとスペクトル強度の関係は放出された部位の深さ位置に応じて異なることになる。従って、エネルギーの分析結果から得られる電子のエネルギーとスペクトル強度の関係に基づいて、欠陥の深さ位置を検出することが可能となる。

前記エネルギー分析部は、放出された前記電子のパスエネルギーを走査することで前記電子のエネルギーとスペクトル強度との関係を示す特性を取得し、取得した前記特性に基づいて前記電子のエネルギーを分析する。この構成によれば、放出された電子のパスエネルギーを走査することで電子のエネルギーとスペクトル強度との関係を示す特性が得られるため、取得した特性に基づいて電子のエネルギーを分析することが可能となる。

また、前記検出部は、前記特性において前記スペクトル強度にピークが生じる位置での前記電子のエネルギーに基づいて、前記深さ位置を検出する。この構成によれば、スペクトル強度にピークが生じる位置での電子のエネルギーを基準となる値と比較することによって、深さ位置を検出することが可能となる。

また、前記電子のエネルギーと前記深さ位置との相関関係を予め記憶する記憶部を備え、前記検出部は、前記記憶部に記憶された前記相関関係に基づいて、前記深さ位置を検出する。この構成によれば、電子のエネルギーと深さ位置との相関関係が予め記憶されるため、この相関関係に基づいて深さ位置を検出することが可能となる。

また、前記検出部は、分析した前記電子のエネルギーに基づいて、前記試料に生じた欠陥の前記深さ位置を検出する。この構成によれば、試料に生じた欠陥の深さ位置を検出することが可能となる。

また、前記電子線照射部は、前記試料に設けられた深溝の幅以上の大きさのビームで前記電子線を照射する。この構成によれば、深溝内の欠陥の深さ位置を確実に検出することが可能となる。

また、前記欠陥の座標を取得する座標取得部を備え、前記検出部は、前記座標取得部が取得した座標の前記欠陥について、前記深さ位置を検出する。この構成によれば、座標が取得された欠陥について、深さ位置を検出することができ、欠陥の座標と深さ位置を対応付けすることが可能となる。

また、前記電子線照射部が１の電子線カラムに設けられ、複数の前記電子線カラムを備える。この構成によれば、欠陥をより高速に検出することが可能となる。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、試料に電子線を照射するステップと、前記電子線の照射方向に電界を生じさせるステップと、前記電子線の照射によって前記試料から放出され、前記電界によって加速された電子のエネルギーを分析するステップと、前記エネルギーの分析結果に基づいて、前記電子が放出された部位において、前記電子線の照射方向の深さ位置を検出するステップと、を備える電子線検査方法が提供される。

上記構成によれば、電子線の照射によって試料から放出された電子は電界によって加速され、電子のエネルギーは、電子が放出された位置、つまり電子線の照射方向における位置で異なることになる。従って、放出された電子のエネルギーを分析することで、電子が放出された部位において、電子線の照射方向の深さ位置を検出することが可能となる。

前記検出するステップは、前記エネルギーの分析結果から得られる前記電子のエネルギーとスペクトル強度の関係に基づいて、欠陥の深さ位置を検出する。この構成によれば、試料から放出された電子は電界によって加速されるため、エネルギーの分析結果から得られる前記電子のエネルギーとスペクトル強度の関係は放出された部位の深さ位置に応じて異なることになる。従って、エネルギーの分析結果から得られる電子のエネルギーとスペクトル強度の関係に基づいて、欠陥の深さ位置を検出することが可能となる。

前記エネルギーを分析するステップは、放出された前記電子のパスエネルギーを走査することで前記電子のエネルギーとスペクトル強度との関係を示す特性を取得し、取得した前記特性に基づいて前記電子のエネルギーを分析する。この構成によれば、放出された電子のパスエネルギーを走査することで電子のエネルギーとスペクトル強度との関係を示す特性が得られるため、取得した特性に基づいて電子のエネルギーを分析することが可能となる。

また、前記深さ位置を検出するステップは、前記特性において前記スペクトル強度にピークが生じる位置での前記電子のエネルギーに基づいて、前記深さ位置を検出する。この構成によれば、スペクトル強度にピークが生じる位置での電子のエネルギーを基準値と比較することによって、深さ位置を検出することが可能となる。

また、前記電子のエネルギーと前記深さ位置との相関関係を予め記憶するステップを備え、前記深さ位置を検出するステップは、記憶された前記相関関係に基づいて、前記深さ位置を検出する。この構成によれば、電子のエネルギーと深さ位置との相関関係が予め記憶されるため、この相関関係に基づいて深さ位置を検出することが可能となる。

また、前記深さ位置を検出するステップは、分析した前記電子のエネルギーに基づいて、前記試料に生じた欠陥の前記深さ位置を検出する。この構成によれば、試料に生じた欠陥の深さ位置を検出することが可能となる。

また、前記電子線を照射するステップは、前記試料に設けられた深溝の幅以上の大きさのビームで前記電子線を照射する。この構成によれば、深溝内の欠陥の深さ位置を確実に検出することが可能となる。

また、前記欠陥の座標を取得するステップを備え、前記深さ位置を検出するステップは、取得した前記座標の前記欠陥について、前記深さ位置を検出する。この構成によれば、座標が取得された欠陥について、深さ位置を検出することができ、欠陥の座標と深さ位置を対応付けすることが可能となる。

また、前記電子線を照射する電子線照射部が１の電子線カラムに設けられ、複数の前記電子線カラムを使用する。この構成によれば、欠陥をより高速に検出することが可能となる。

本発明によれば、試料の特定の部位の深さ方向の位置を検出することが可能な電子線検査装置及び電子線検査方法を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る電子線検査装置の全体構成を示す模式図である概要図である。 電子線カラムの長手方向に沿った断面を示す概略構成図である。 電子線カラムの先端部分と試料を示す模式図である。 コンタクトホールＣ内での欠陥の深さ位置を変化させた場合に、それぞれの欠陥で発生した二次電子軌道の計算結果を示す模式図である。 コンタクトホールＣ内での欠陥の深さ位置を変化させた場合に、それぞれの欠陥で発生した二次電子軌道の計算結果を示す模式図である。 コンタクトホールＣ内での欠陥の深さ位置を変化させた場合に、それぞれの欠陥で発生した二次電子軌道の計算結果を示す模式図である。 コンタクトホールＣ内での欠陥の深さ位置を変化させた場合に、それぞれの欠陥で発生した二次電子軌道の計算結果を示す模式図である。 欠陥Ｐ，Ｑ，Ｒのそれぞれで発生した二次電子について、エネルギー分析器２１４で検出される二次電子のエネルギー（縦軸）とスペクトルの強さ（横軸）を示す特性図である。 欠陥Ｐ，Ｑ，Ｒのそれぞれの位置での電子線のエネルギー（縦軸）とスペクトルの強さ（横軸）を示す特性図である。 欠陥の位置（深さ）とエネルギーの値との関係を示す特性図である。 エネルギー分析器の構成の一例を示す模式図である。 エネルギーフィルタと検出器の構成を示す模式図である。 エネルギー分析器の別の構成例を示す模式図である。 エネルギー分析器の更に別の構成例を示す模式図である。 磁場レンズを用いた電子線カラムの構成を示す模式図である。 電子線検査装置による欠陥検査の処理を示すフローチャートである。 チャンバーユニット内に複数の電子線カラムを収容した実施形態を示す模式図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図１は、本発明の一実施形態に係る電子線検査装置１０００の全体構成を示す模式図である概要図である。電子線検査装置１０００は、チャンバーユニット１００と、このチャンバーユニット１００内に収容される１つの電子線カラム２００と、電子線カラム２００に接続される制御電源３００と、制御電源３００に接続されるコンピュータ４００とを備えている。

チャンバーユニット１００は、第１チャンバー（ウェハチャンバー）１０２、第２チャンバー（中間室チャンバー）１０４、および第３チャンバー（電子銃室チャンバー）１０６とから構成されている。第１チャンバー１０２、第２チャンバー１０４，第３チャンバー１０６は、互いに異なる真空度に設定可能な独立した空間を成し、かつ、互いに隣接して配されている。第１チャンバー１０２、第２チャンバー１０４、および第３チャンバー１０６は、それぞれ内部を所定の真空度にするための真空ポンプ１０８、１１０、１１２が接続されている。電子線カラム２００は、これら第１〜第３チャンバー１０２，１０４，１０６を貫通するように配置される。電子線カラム２００の構成は後ほど詳述する。

第１チャンバー１０２には、ウェハ（試料）Ｗを載置するためのステージ５００が配置されている。このステージ５００の一面に、被検査物であるウェハ（試料）Ｗが載置される。ステージ５００は、ウェハＷの主面に沿って任意の方向に移動可能に形成され、検査時には、ウェハＷを所定の方向に沿って所定の移動速度で移動させる。電子線カラム２００がウェハＷ上の欠陥を検出すると、ステージ５００の位置に基づいて欠陥の水平方向の座標が検出される。

制御電源３００は、電子線カラム２００に対して入力されるスキャン電圧を入力する。制御電源３００は、電子線カラム２００に対して割り当てられるように配置されている。制御電源３００から出力される信号として、例えば、高安定な電圧、電流に加え、高電圧電流、高周波電流などが挙げられる。また、それぞれの制御電源３００には、補正機構が更に備えられていることが好ましい。この補正機構は、例えば、制御電源３００から出力される信号、例えば高周波電圧の位相ずれの補正、走査信号の待機時間の補正、フィルターなど制御電流回路の切り替えなどを行う。

コンピュータ４００は、それぞれの電子線カラム２００に対する制御命令を入力し、また、ウェハＷに電子線を照射して得られる、配線パターンの形状を反映した二次電子線の出力信号（二次電子線）に基づいて、配線パターンの画像を形成する。なお、この画像形成による欠陥の検出を、通常の欠陥検出モードによる欠陥検出と称することとする。

また、コンピュータ４００は、二次電子線の出力信号に基づいて、欠陥の深さを検出する。このため、コンピュータ４００は、エネルギー分析部４０２、検出部４０４、記憶部４０６、座標取得部４０８を備えている。コンピュータ４００のこれらの構成要素は、ハードウェア（回路）、又は、ＣＰＵなどの中央演算処理装置とこれを機能させるためのプログラム（ソフトウェア）から構成されることができる。

図２は、電子線カラムの長手方向に沿った断面を示す概略構成図である。
電子線カラム２００は、外形形状が細長い略筒状の外装体２０２を備える。外装体２０２は、例えば金属の筒で構成されており、機械的に中心軸が確保された構造である。外装体２０２には、外装体２０２の内部を真空排気するためのガス抜き穴（図示略）が複数設けられている。ガス抜き穴によって、電子線ｅが通過する領域の真空度を高めることができる。

電子線カラム２００の外装体２０２内部には、複数の電子線光学要素が収容されている。即ち、外装体２０２の上から順に、電子銃２０４、コンデンサレンズ２０６、電子線絞り機構２０８、光軸調整機構２１０、ブランキング電極２１２、バルブ２１５、エネルギー分析器２１４、ビームスプリッター２１６、スキャン電極２１８、および対物レンズ２２０などが、外装体２０２の内部に備えられている。コンデンサレンズ２０６、電子線絞り機構２０８、光軸調整機構２１０、ブランキング電極２１２、ビームスプリッター２１６、スキャン電極２１８、および対物レンズ２２０などの各構成要素は、中心軸を中心として同心状に配置されている。

電子銃２０４は、例えば、ショットキー型、熱電界放出型電子銃が用いられる。電子銃２０４に加速電圧を調整して印加することにより、電子線（電子ビーム）ｅが放出される。コンデンサレンズ２０６、電子線絞り機構２０８は、電子銃２０４から放出された電子線ｅを集光し、所望の電流となるように調節する。光軸調整機構２１０は、ビームの非点補正、光軸上のビーム位置、試料上でのビーム照射位置を調整する。

エネルギー分析器２１４は、電子線ｅがウェハＷに照射され、ウェハＷの面に応じて放出された二次電子、オージェ電子、又は反射電子である二次電子線ｒを検出し、放出された電子のエネルギーを分析する。なお、二次電子線ｒは、電子線ｅの照射によって発生した二次電子、オージェ電子、反射電子を含むものとする。エネルギー分析器２１４のエネルギー分解能は、例えば１ｅＶ以下とする。ビームスプリッター２１６は、放出された二次電子線ｒを光軸から分離し、エネルギー分析器２１４へ導入する。

エネルギー分析器２１４が検出した検出信号は、電子線カラム２００の外部に取り出される。取り出されたエネルギー分析器２１４の検出信号は、例えば、プリアンプで増幅されＡＤ変換器によりデジタルデータとされ、コンピュータ４００に入力される。エネルギー分析器２１４、及びビームスプリッター２１６の詳細は後述する。

スキャン電極２１８は、外部から高周波の制御信号（電気信号）、例えば０〜４００Ｖの高周波電流を導入（印加）することにより、電子線ｅを偏向させる。スキャン電極２１８に任意の制御信号を印加することで電子線ｅが偏向し、ウェハＷの主面上で任意の方向に沿って電子線ｅを走査させることができる。こうした高周波の制御信号は、電子線カラム２００の外部からスキャン電極２１８に導入される。対物レンズ２２０は、スキャン電極１１８によって偏向された電子線ｅをウェハＷの主面上で集束させる。

このような構成により、電子銃２０２から放出された電子線ｅはウェハＷの主面上を走査され、回路パターンの形状、組成、帯電状況等を反映した二次電子、オージェ電子、又は反射電子である二次電子線ｒがエネルギー分析器２１４によって検出される。検出された二次電子線ｒの検出信号を、例えばプリアンプやＡＤ変換器を介してコンピュータ４００で処理することにより、ウェハＷの主面上に形成された回路パターン、欠陥の画像を得ることができ、通常の欠陥検出モードによりウェハＷ上の欠陥を検出することができる。更に、詳細は後述するが、本実施形態においては、欠陥の深さを検出することもできる。

これら電子線カラム２００内の電子線光学要素や、ステージ５００は、チャンバーユニット１００を構成する各チャンバーのうち、それぞれ必要とされる真空度に応じたチャンバーに収容される。即ち、電子線ｅを放出するために最も高い真空度を必要とする電子銃２０４やコンデンサレンズ２０６は、内部が最も高い真空度に設定される第３チャンバー１０６に配置される。また、電子線絞り機構２０８、光軸調整機構２１０、ブランキング電極２１２は、第３チャンバー１０６に次いで真空度の高い第２チャンバー１０４に配置される。そして、エネルギー分析器２１４、ビームスプリッター２１６、スキャン電極２１８、対物レンズ２２０、およびウェハＷを載置するステージ５００は、比較的真空度の低い第１チャンバー１０２に配置される。これによって、全ての電子線光学要素やステージ５００、ウェハＷを、電子線ｅを放出するため必要なレベルの高真空環境にする必要がなく、構成をより簡素にすることができる。

次に、本実施形態に係る欠陥の深さ検出について説明する。本実施形態において、試料としてのウェハＷの表面にはシリコン酸化膜などの酸化膜が形成され、酸化膜にはコンタクトホール等の深溝構造が形成されている。本実施形態の電子線検査装置１０００においては、酸化膜に形成されたコンタクトホール等の深溝構造を有するウェハＷ（試料）に対して、ウェハＷと対物レンズ２２０の先端の間に電界を印加する。この電界は、ウェハＷの酸化膜に形成された深溝構造に電位勾配を生じさせる。または、ウェハＷに一定の正の電荷を帯電させて電位勾配を生じさせても良い。

電子線ｅの照射によってウェハＷから放出された二次電子線ｒは、物質特有のエネルギーを有する。酸化膜内の深溝構造の異なる位置（深さ）にある欠陥は、電位勾配により異なるエネルギー差を持つことになるので、放出された電子のエネルギーを分析することで、欠陥の深さを検出することができる。なお、反射電子は入射時と放出時でエネルギーが補償されるため、エネルギー差を持たず、深さ検出に使用することはできない。

以下、本実施形態の電子線検査装置１０００で行われる深さ検出法について詳細に説明する。先ず、試料のウェハＷとしては、一例として、コンタクトホール等の深穴構造、深溝構造が形成された絶縁体部分を表面に有する半導体ウェハを用いる。なお、試料は半導体ウェハに限定されるものではなく、液晶基板、ＯＬＥＤ基板等であっても良い。特に、本実施形態は、絶縁体の厚みが１００ｎｍ以上の試料に適用して好適である。

図３は、電子線カラム２００の先端部分と試料Ｗを示す模式図である。図３に示すように、試料のウェハＷには、表面に絶縁膜（シリコン酸化膜ＳｉＯ_２）１０が形成され、絶縁膜１０には深穴としてのコンタクトホールＣが設けられている。一例として、コンタクトホールＣの深さは５００ｎｍとする。

図３に示すように、電子線検査装置１０００は、試料のウェハＷと対物レンズ２２０との間に所定の電圧を印加して電界を発生させる電界発生部１００２を有する。試料のウェハＷは、対物レンズ２２０に対して負の電圧が印加され、この結果、電子線の照射方向（コンタクトホールＣの深さ方向）に電界Ｅが発生する。図３に示す例では、計算の結果、コンタクトホールＣの深さ方向に４ｋＶ／ｍｍの電界が生じるように電圧が印加され、コンタクトホールＣの底と絶縁膜１０の表面との間のエネルギー差ｄＥが０．８ｅＶであった。また、図３に示すように、試料のウェハＷの表面と対物レンズ２２０との間には電界Ｅｆが発生する。電界Ｅは、誘電率εと絶縁膜１０の厚さより計算される。

コンピュータ４００には、エネルギー分析器２１４により検出された２次電子のスペクトル強度を表す信号Ｉｓと、エネルギーフィルタ２３０の調整電圧ＶＧが入力される。コンピュータ４００は、事前に入力された試料の材質、絶縁膜１０の厚みとワーキンギングディスタンス（対物レンズ２２０の先端からウェハＷまでの距離）、試料電圧、帯電量から、コンタクトホールＣ内の深さ位置における電位分布ならびに放出される二次電子線ｒのエネルギー差を算出する。

図３に示すように、コンタクトホールＣ内の異なる深さ位置に欠陥Ｐ，Ｑ，Ｒが存在するものとする。欠陥Ｐ，Ｑ，Ｒには、電子線ｅが照射され、欠陥の位置で二次電子線ｒが発生する。二次電子線ｒは、電界Ｅによって加速されて、電子線カラム２００のエネルギー分析器２１４によって検出される。

この際、欠陥Ｐ，Ｑ，Ｒのそれぞれで発生した二次電子は、欠陥Ｐ，Ｑ，Ｒのそれぞれから対物レンズ２２０までの距離が異なるため、電界Ｅによって異なるエネルギー増加を受けることになる。コンタクトホールＣ内の最も深い位置にある欠陥Ｐで発生した二次電子線ｒは、電界Ｅによって加速される距離が最も長いため、最も大きなエネルギーを有することになる。一方、コンタクトホールＣ内の最も浅い位置にある欠陥Ｒで発生した二次電子線ｒは、電界Ｅによって加速される距離が短いため、最も小さいエネルギーを有することになる。従って、このエネルギーの差に基づいて、コンタクトホールＣ内の欠陥の深さ位置を検出することが可能となる。

図４Ａ〜図４Ｄは、コンタクトホールＣ内での欠陥の深さ位置を変化させた場合に、それぞれの欠陥で発生した二次電子線ｒの軌道の計算結果（シミュレーション結果）を示す模式図である。ここで、図４ＡはコンタクトホールＣの底で発生した二次電子線ｒの軌道を、図４ＢはコンタクトホールＣの深さの中間よりもやや浅い位置で発生した二次電子線ｒの軌道を、図４ＣはコンタクトホールＣ内の絶縁膜１０表面に近い深さ位置で発生した二次電子線ｒの軌道を、図４Ｄは絶縁膜表面の位置で発生した二次電子線ｒの軌道を、それぞれ示している。図４Ａに示すように、コンタクトホールＲの底で二次電子線ｒが発生した場合、加速された二次電子はコンタクトホール側壁に衝突するために比較的細いビームとなって電子線カラム２００側へ進み、この場合に二次電子線ｒのエネルギーは最も高くなる。一方、図４Ｄに示すように、試料表面の位置で二次電子線ｒが発生した場合、加速されたビームは欠陥から放射状に広がり、この場合に二次電子線ｒのエネルギーは最も低くなる。

図５は、欠陥Ｐ，Ｑ，Ｒのそれぞれで発生した二次電子について、エネルギー分析器２１４で検出される二次電子線ｒのエネルギー（縦軸）とスペクトルの強さ（横軸）を示す特性図である。また、図６は、図５との比較のため、欠陥Ｐ，Ｑ，Ｒのそれぞれの位置での電子線ｅのエネルギー（縦軸）とスペクトルの強さ（横軸）を示す特性図である。図５及び図６において、欠陥Ｐ，Ｑ，Ｒのそれぞれの特性の横軸方向の値は本来同様であるが、欠陥Ｐ，Ｑ，Ｒによるそれぞれの特性の比較を容易にするため、各特性を横軸方向にずらして表示している。

図５及び図６に示すように、エネルギーとスペクトル強度の関係を示す特性には、２次電子(Secondary Electron)のピーク、オージェ電子(Auger Electron)のピーク、反射電子(Back Scattered Electron)のピークの３つが存在する。図６に示すように、欠陥Ｐ，Ｑ，Ｒのそれぞれの位置の特性では、欠陥Ｐ，Ｑ，Ｒのそれぞれで各ピーク（２次電子、オージェ電子）のエネルギーは同一である。

一方、図５に示すように、エネルギー分析器２１４で検出される特性では、欠陥Ｐで発生した二次電子線ｒのエネルギーは図６の欠陥Ｐの位置のエネルギーよりもＶｓ＋ｄＥだけ大きくなっている。これは、電界Ｅによって二次電子ｒが加速されて、二次電子線ｒのエネルギーが増加するためである。ｄＥは、電界Ｅと試料絶縁体部の誘電率、厚みから算出可能である。

また、図５に示すように、エネルギー分析器２１４で検出される特性では、欠陥Ｒで発生した二次電子線ｒのエネルギーは図６の欠陥ＲのエネルギーよりもＶｓだけ大きくなっている。すなわち、図５に示す特性において、欠陥Ｒで発生した二次電子線ｒのエネルギーは欠陥Ｐで発生した二次電子のエネルギーよりもｄＥだけ小さくなっている。これは、上述のように、欠陥Ｐで発生した２次電子の方が欠陥Ｒで発生した二次電子よりも電界Ｅによって加速される距離が長いことに起因している。なお、上述した計算例ではコンタクトホールＣの底と絶縁膜１０表面とのエネルギー差は０．８ｅＶであり、欠陥ＰはコンタクトホールＣの底に位置し、欠陥Ｒは絶縁膜１０の表面に位置しているため、ｄＥの値は０．８ｅＶに相当する。

従って、二次電子のピークの位置、オージェ電子のピークの位置でのエネルギーを欠陥Ｐと欠陥Ｒの特性で比較すると、欠陥Ｐの方が欠陥ＲよりもエネルギーがｄＥだけ高くなっている。従って、欠陥の深さとエネルギー分析器２１４で検出されるピークの位置との関係を予め取得しておくことで、エネルギー分析器２１４で検出されるピーク位置に基づいて欠陥の深さを検出することが可能である。

図７は、欠陥の深さ位置（横軸）とエネルギーの変化量（縦軸）との関係を示す特性図である。ここでは、絶縁膜１０として５５０ｎｍの厚みのシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）に４ｋＶ／ｍｍの電界を印加した場合の特性を示している。図７に示すように、ウェハＷの表面（絶縁膜１０の表面）とコンタクトホールＣの底とでは０．８ｅＶ程度のエネルギー差があり、欠陥の深さに比例してエネルギーが増加していることが判る。従って、二次電子のピーク位置、二次電子の立ち上がりの位置、オージェ電子のピークの位置を測定することで、欠陥の深さ位置を検出することが可能である。

一例として、ＳｉＯ_２に対するオージェスペクトルのピーク位置は、Ｓｉ（ＬＶＶ）では９２ｅＶ付近、Ｓｉ（ｋＬＬ）では１７３０ｅＶ付近、Ｏ（ＫＬＬ）では５００ｅＶ付近である。このため、図６に示すように、オージェスペクトルのピーク位置は、５０ｅＶ〜２０００ｅＶとなる。従って、二次電子のピーク位置、二次電子の立ち上がりの位置、オージェ電子のピークの位置を測定し、電界Ｅを印加していない場合のピーク位置と比較することにより、欠陥の深さを検出することができる。

図５に示す特性は、エネルギー分析器２１４によって検出される。図８は、エネルギー分析器２１４の構成の一例を示す模式図である。図８に示すように、エネルギー分析器２１４は、エネルギーフィルタ（リターディンググリッド）２３０と検出器２３２とから構成される。図８に示すように、欠陥Ｐ，Ｑ，Ｒで発生した二次電子は、最初にビームスプリッター２１６へ入射し、エネルギーフィルタ２３０を通過して検出器２３２に入射する。ビームスプリッター２１６は、磁場を図８の縦方向（紙面垂直方向）に印加し、電場を磁場と直交する方向（水平方向）に印加する。そして、ビームスプリッター２１６は、磁場と電場を最適に調整することにより、電子銃２０４から出射した電子線ｅを曲げることなく試料に到達させるとともに、発生した二次電子線ｒを電子線カラム２００の中心軸から外れる方向に曲げて検出器２３２に到達させる。なお、検出器２３２としては、半導体検出器、シンチレター＋光電子増倍管（ホトマル）、電子増倍管（チャンネルトロン）、マイクロチャンネルプレート等を用いることができる。いずれも、入力した電子を増幅し、電流信号として出力する。また、これらの検出器をアレー上に複数ならべることで並列化し、より高速でエネルギーを分析することも可能である。電流信号は、検出器２３２の後段のプリアンプで電圧化と増幅を行い、ＡＤ変換器によりデジタル化され、コンピュータ４００へ送られる。

エネルギーフィルタ２３０は、二次電子線ｒに負の電位ＶＧを印加し、二次電子線ｒのエネルギーに応じて検出器２３２へ入射させる機能を有する。エネルギーフィルタ２３０によってこの負の電位ＶＧを調整することで、通過する二次電子のエネルギー（パスエネルギー）が調整され、得られた曲線を微分することで、図５に示すようなエネルギーとスペクトル強度との関係を示す特性が取得される。

図９は、エネルギーフィルタ２３０と検出器２３２の構成を示す模式図である。図９に示すように、エネルギーフィルタ２３０は、水平方向に延在する４つのグリッド状（格子状）の電極２３０ａ，２３０ｂ，２３０ｃ，２３０ｄから構成される。中央の２つの電極２３０ｂ，２３０ｃには負の電位ＶＧ（調整電圧）が印加され、上端及び下端に位置する電極２３０ａ，２３０ｄは接地電位（ＧＮＤ）とされる。

また、検出器２３２は、入射した二次電子線ｒにより生じる電流Ｉｓを検出し、この電流Ｉｓは二次電子のスペクトル強度（図５の横軸に相当）を表す。そして、調整電圧ＶＧを変化させながら電流Ｉｓを検出し、縦軸にＶＧを、横軸にＩｓをプロットすると、図５に示す特性を得ることができる。図９に示すように、中心にはグランドに接地された筒２３４が設置されるため、一次ビームがＶＧの変化に影響されずにエネルギーフィルタ２３０を通過することが可能となる。なお、エネルギーウインドウは、一度に検出されるエネルギーの範囲であり、電極２３０ｂ，２３０ｃ間の電位差ＶＧとエネルギー分析器の形状、寸法で決まる値である。エネルギーウインドウは一定であり、パスエネルギーを走査することで、エネルギースペクトルが得られる。一例として、エネルギースペクトルを高分解で取得したい場合はエネルギーウインドウを小さく設定する。また、エネルギースペクトルを高速で得たい場合には、エネルギーウインドウを大きく設定する。

図１０は、エネルギー分析器２１４の別の構成例を示す模式図である。図１０に示す例では、エネルギー分析器２１４は、同心状の対向する２つの半球面から構成される通路２４０と検出器２４２とから構成される。ビームスプリッター２１６によって分離された二次電子線ｒは、通路２４０内に導入される。通路２４０の２つの半球面には、内球面にＶＧが、外球面にＶＧ＋ｄＶが印加される。検出器２４２はスリットを有し、入射した二次電子線ｒによる信号Ｉｓを検出し、この電流Ｉｓは二次電子のスペクトル強度（図５の横軸に相当）を表す。従って、図１０に示すエネルギー分析器２１４においても、調整電圧ＶＧを変化させながら電流Ｉｓを検出し、縦軸にＶＧを、横軸にＩｓをプロットすると、図５に示す特性を得ることができる。また、半球面の電位差ｄＶとエネルギー分析器２１４の形状（半径、角度、後方のスリット幅）により、二次電子のエネルギーウインドウ(エネルギー幅)が決まるため、ｄＶによりエネルギーウインドウを調整可能である。エネルギーを高分解で取得したい場合はエネルギーウインドウを小さく設定する。またエネルギースペクトルを高速に取得したい場合には、エネルギーウインドウを大きく設定する。このように、エネルギーフィルタ２３０は、エネルギー差から検出するエネルギーウインドウを設定する機能を有する。エネルギーウインドウは、例えばエネルギー差の１／１０以下に設定する。

図１１は、エネルギー分析器２１４の更に別の構成例を示す模式図である。図１１に示す例では、エネルギー分析器２１４は、セクターマグネット２５０と検出器２５２とから構成される。ビームスプリッター２１６によって分離された二次電子線ｒは、セクターマグネット２５０内に導入される。セクターマグネット２５０は、二次電子線ｒを挟んで図１１の紙面と直交する方向にＮ極とＳ極が配置された電磁石から構成される。検出器２５２は、入射した二次電子による電流Ｉｓを検出し、この電流Ｉｓは二次電子のスペクトル強度（図５の横軸に相当）を表す。図１１に示すエネルギー分析器２１４においても、セクターマグネット２５０の調整電流により決まるパスエネルギーＶＧを変化させながら電流Ｉｓを検出し、縦軸にＶＧを、横軸にＩｓをプロットすると、図５に示す特性を得ることができる。

以上のようにして取得された図５の特性に基づいて、欠陥の深さ位置が検出される。具体的には、コンピュータ４００のエネルギー分析部４０２は、電流Ｉｓと調整電圧ＶＧの入力を受けて図５に示す特性を取得する。そして、検出部４０４は、エネルギー分析部４０２が取得した図５に示す特性に基づいて、欠陥の深さ位置を検出する。また、コンピュータ４００の記憶部４０６には、予め取得された、欠陥の深さと図５の特性のピークにおけるエネルギーとの関係（図７の特性）が記憶されている。

また、コンピュータ４００の座標取得部４０８は、通常の欠陥検出モードにより欠陥が検出された場合に、ステージ５００の位置から試料の面方向における欠陥の座標を取得する。また、座標取得部４０８は、他の装置が検出した欠陥の座標を当該他の装置から取得しても良い。

図１２は、電子線カラムの長手方向に沿った断面を示す概略構成図であって、磁場レンズを用いた電子線カラム２００の構成を示す模式図である。図２に示す電子線カラム２００は静電レンズを用いているが、図１２に示す構成のように磁場レンズを用いることもできる。図１２に示す構成例では、図２のコンデンサレンズ２０６の代わりに磁場レンズを用いたコンデンサレンズ２７０が配置され、図２のブランキング電極２１２の代わりに磁場レンズを用いたコンデンサレンズ２７２が配置されている。また、図１２に示す構成例では、図２の対物レンズ２２０の代わりに磁場レンズを用いた対物レンズ２７４が配置されている。このように、磁場レンズを用いて電子線カラム２００を構成することも可能である。

次に、図１３のフローチャートに基づいて、電子線装置１０００による欠陥検査の処理について説明する。先ず、ステップＳ１０では、欠陥の位置に関する情報を取得する。ここでは、電子線装置１００が通常の欠陥検出モードによってウェハＷ上の欠陥を検出する。これにより、ステージ５００の位置に基づいて、コンタクトホールＣにゴミなどが付着して形成された欠陥の位置（座標）が取得される。なお、ここでは、電子線装置１０００の通常の欠陥検出モードによって欠陥の位置を検出するが、他の装置が欠陥を検出し、この装置から欠陥の位置（座標）を取得するようにしても良い。

次のステップＳ１２では、電子線カラム２００を通常の欠陥検出モードで検出した欠陥の位置に移動させ、欠陥を観察した後、通常の欠陥検出モードから欠陥の深さを検出する深さ検出モードへ切り換えを行う。次のステップＳ１４では、対物レンズと試料の間に深さ検出用の電界を発生させる。なお、ステップＳ１０の欠陥検出モードにおいても、電界を発生させている。次のステップＳ１５では、深さ検出モードにおいて、電子線ｅのビームをコンタクトホールＣへスポット照射する。若しくは、ビームをコンタクトホールＣの直径以上の一定のサイズでコンタクトホールＣへ照射する。

次のステップＳ１６では、ビームの照射により欠陥で発生した二次電子線ｒのエネルギーを分析する。この際、上述したようにエネルギー分析器２１４のパスエネルギー（調整電圧ＶＧ）を走査することで、図５に示すようなエネルギーとスペクトルの信号強度の関係を示す特性を取得する。そして、取得した特性に基づいて欠陥で発生した二次電子線ｒのエネルギーを分析する。

次のステップＳ１８では、取得した図５の特性から、二次電子線ｒのスペクトルのピークの位置（二次電子のピーク、オージェ電子のピーク）、スペクトルの立ち上がりの位置（０Ｖ付近）を検出する。次のステップＳ２０では、事前に規定厚みの絶縁体に対して欠陥の深さとエネルギーとの関係を測定したデータベースを参照し、ステップＳ１８で検出したピークの位置でのエネルギーに基づいて欠陥の深さを検出する。また、事前に入力された試料の絶縁膜１０の厚みとワーキングディスタンス（対物レンズ２２０の先端からウェハＷまでの距離）、試料電圧、帯電量から、コンタクトホールＣ内の欠陥の深さ位置における電位分布、ならびに放出される電子のエネルギー差を算出してもよい。

次のステップＳ２２では、通常の欠陥検出モードで検出した欠陥に対し、深さ検出モードで検出した深さを関連付ける。次のステップＳ２４では、次の欠陥に移動し、同様の手順で深さを検出する。

図１４は、チャンバーユニット１００内に複数の電子線カラム２００を収容した実施形態を示す模式図である。このように、チャンバーユニット１００内に複数の電子線カラム２００を収容することもできる。チャンバーユニット１００内に電子線カラム２００が複数配置される場合は制御電源３００も複数設けられ、制御電源３００は、１つの電子線カラム２００に対して１つの制御電源３００が割り当てられるように配置される。チャンバーユニット１００内に複数の電子線カラム２００を収容した場合は、複数の電子線カラム２００によりウェハＷのより広い範囲で欠陥を検出することができ、欠陥を迅速に検出することができる。

以上説明したように本実施形態によれば、電子線カラム２００の先端と試料（ウェハＷ）との間に電界Ｅを印加し、試料への電子線ｅの照射によって発生した二次電子線ｒを電界Ｅによって加速させることにより、試料における欠陥の深さ位置に応じて二次電子線ｒのエネルギーに差分を生じさせることができる。従って、欠陥で発生した二次電子線ｒのエネルギーのピーク位置を比較することで、欠陥の深さを検出することが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１０００ 電子線検査装置
１００２ 電界発生部
４００ コンピュータ
４０２ エネルギー分析部
４０４ 検出部
４０６ 記憶部
４０８ 座標取得部

Claims (18)

1. 試料に電子線を照射する電子線照射部と、
   前記電子線の照射方向に電界を生じさせる電界発生部と、
   前記電子線の照射によって前記試料から放出され、前記電界によって加速された電子のエネルギーを分析するエネルギー分析部と、
   前記エネルギーの分析結果に基づいて、前記電子が放出された部位において、前記電子線の照射方向の深さ位置を検出する検出部と、
   を備えることを特徴とする、電子線検査装置。
2. 前記検出部は、前記エネルギーの分析結果から得られる前記電子のエネルギーとスペクトル強度の関係に基づいて、欠陥の深さ位置を検出することを特徴とする、請求項１に記載の電子線検査装置。
3. 前記エネルギー分析部は、放出された前記電子のパスエネルギーを走査することで前記電子のエネルギーとスペクトル強度との関係を示す特性を取得し、取得した前記特性に基づいて前記電子のエネルギーを分析することを特徴とする、請求項１に記載の電子線検査装置。
4. 前記検出部は、前記特性において前記スペクトル強度にピークが生じる位置での前記電子のエネルギーに基づいて、前記深さ位置を検出することを特徴とする、請求項３に記載の電子線検査装置。
5. 前記スペクトル強度にピークが生じる位置での前記電子のエネルギーと前記深さ位置との相関関係を予め記憶する記憶部を備え、
   前記検出部は、前記記憶部に記憶された前記相関関係に基づいて、前記深さ位置を検出することを特徴とする、請求項４に記載の電子線検査装置。
6. 前記検出部は、分析した前記電子のエネルギーに基づいて、前記試料に生じた欠陥の前記深さ位置を検出することを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の電子線検査装置。
7. 前記電子線照射部は、前記試料に設けられた深溝の幅以上の大きさのビームで前記電子線を照射することを特徴とする、請求項６に記載の電子線検査装置。
8. 前記欠陥の座標を取得する座標取得部を備え、
   前記検出部は、前記座標取得部が取得した座標の前記欠陥について、前記深さ位置を検出することを特徴とする、請求項６又は７に記載の電子線検査装置。
9. 前記電子線照射部が１の電子線カラムに設けられ、複数の前記電子線カラムを備えることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の電子線検査装置。
10. 試料に電子線を照射するステップと、
    前記電子線の照射方向に電界を生じさせるステップと、
    前記電子線の照射によって前記試料から放出され、前記電界によって加速された電子のエネルギーを分析するステップと、
    前記エネルギーの分析結果に基づいて、前記電子が放出された部位において、前記電子線の照射方向の深さ位置を検出するステップと、
    を備えることを特徴とする、電子線検査方法。
11. 前記深さ位置を検出するステップは、前記エネルギーの分析結果から得られる前記電子のエネルギーとスペクトル強度の関係に基づいて、欠陥の深さ位置を検出することを特徴とする、請求項１０に記載の電子線検査方法。
12. 前記エネルギーを分析するステップは、放出された前記電子のパスエネルギーを走査することで前記電子のエネルギーとスペクトル強度との関係を示す特性を取得し、取得した前記特性に基づいて前記電子のエネルギーを分析することを特徴とする、請求項１０に記載の電子線検査方法。
13. 前記深さ位置を検出するステップは、前記特性において前記スペクトル強度にピークが生じる位置での前記電子のエネルギーに基づいて、前記深さ位置を検出することを特徴とする、請求項１２に記載の電子線検査方法。
14. 前記スペクトル強度にピークが生じる位置での前記電子のエネルギーと前記深さ位置との相関関係を予め記憶するステップを備え、
    前記深さ位置を検出するステップは、記憶された前記相関関係に基づいて、前記深さ位置を検出することを特徴とする、請求項１３に記載の電子線検査方法。
15. 前記深さ位置を検出するステップは、分析した前記電子のエネルギーに基づいて、前記試料に生じた欠陥の前記深さ位置を検出することを特徴とする、請求項１０〜１４のいずれかに記載の電子線検査方法。
16. 前記電子線を照射するステップは、前記試料に設けられた深溝の幅以上の大きさのビームで前記電子線を照射することを特徴とする、請求項１５に記載の電子線検査方法。
17. 前記欠陥の座標を取得するステップを備え、
    前記深さ位置を検出するステップは、取得した前記座標の前記欠陥について、前記深さ位置を検出することを特徴とする、請求項１５又は１６に記載の電子線検査方法。
18. 前記電子線を照射する電子線照射部が１の電子線カラムに設けられ、複数の前記電子線カラムを使用することを特徴とする、請求項１０〜１７のいずれかに記載の電子線検査方法。