JPH1012684A

JPH1012684A - 半導体装置の検査方法及びその装置

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Publication number: JPH1012684A
Application number: JP8165550A
Authority: JP
Inventors: Maki Tanaka; 麻紀田中; Takashi Hiroi; 高志広井; Masahiro Watanabe; 正浩渡辺; Tomohiro Kuni; 朝宏久邇; Fumikazu Ito; 文和伊藤; Junzo Azuma; 淳三東; Akira Shimase; 朗嶋瀬; Kaoru Oogaya; 薫大鋸谷
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-06-26
Filing date: 1996-06-26
Publication date: 1998-01-16

Abstract

(57)【要約】【課題】チャージアップの影響を受けずに、試料を長時
間にわたって安定な電子線像を得ることが可能な、走査
電子顕微鏡を用いた検査方法およびその装置を提供す
る。【解決手段】電子シャワーあるいはイオンシャワーを被
検査ウェハ表面へ照射することによりチャージアップを
制御する。チャージアップの制御は検査条件、試料の材
質等に応じて制御用計算機20により行う。チャージアッ
プの状態が変化しない安定な電子線像を２次電子検出器
15により入力し、画像処理部19において比較検査を行
い、半導体装置の欠陥を検出する。【効果】試料表面のチャージアップによる電子線像への
影響を防止でき、電子線像を用いて長時間にわたり安定
な検査を実現できる。また、検査結果を半導体製造プロ
セスにフィードバックすることにより半導体装置の不良
率を低減し、信頼性を向上させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置の製造方
法に係わり、特に電子走査顕微鏡を用いた半導体装置の
パターン検査技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１に示すように、半導体装置の製造プ
ロセスは多数のパターン形成行程の繰り返しにより成
る。それぞれのパターン形成は、成膜、感光レジスト塗
布、感光、現像、エッチング、レジスト除去、洗浄の各
工程により構成されている。このそれぞれの工程におい
て製造条件が最適化されていなければ、半導体装置の回
路パターンが正常に形成されず、パターンに欠けや変形
が生じると不良品が発生することになる。これらの半導
体装置はウェハ処理工程終了後、電気的に検査され、フ
ェイルビット解析などの手法により不良発生原因を調査
しその対策を行う。しかし、このような手法は製造工程
の途中で不良が発生していても、その製品がウェハ処理
工程が終了するまで不良の発生が検知できないという不
都合があり、半導体装置の製造期間は通常数十日を要す
るため、このような手法では不良対策を行わないまま不
良製品を大量に製造してしまうといった問題があった。

【０００３】これに対し、図１に示すように製造プロセ
スの各工程において、製造過程の製品の検査を行えば、
装置の不具合等によりパターン欠陥が発生した場合も原
因究明・対策を早期に行える。その結果、不良製品の割
合を低下させ、生産効率を向上させることが可能とな
り、収益向上に大きく貢献できる。

【０００４】このような半導体装置の製造過程における
ウェハ上の回路パターンの欠陥検査は、被検査パターン
と良品パターンや被検査ウェハ上の同種のパターンとの
比較により行なわれており、寸法が0.5μm程度の欠陥の
検出が可能な光学顕微鏡画像を用いた検査装置が多く実
用化されている。半導体装置の回路パターン構造は非常
に微細で、既にその寸法が1 μm以下の製品も多く製造
されており、その検査についても0.1 μm 以下の寸法の
異物や欠陥を検出できる検査技術の必要性が高まってい
る。従来の光学顕微鏡に比べ、電子顕微鏡では原理的に
高い解像度を得ることができるため、このような半導体
装置の微細化への対応が期待されている。また、洗浄時
乾燥不良による異常酸化や、レジストなどの光学的に透
過な材質は従来の光学顕微鏡では観察が困難であるとい
った問題がある。これに対し、電子顕微鏡による電子線
像は一般に表面のみの観察であるので、透明な材質や反
射率の低い材質などに対してもパターン検査が可能とな
る。このような理由から、電子顕微鏡画像を用いた高感
度な検査技術の開発が行われている。

【０００５】電子顕微鏡は解像度の高い画像を得ること
が可能であるが、電子顕微鏡特有の帯電現象により画像
の質が不安定に変化するという問題点がある。これは電
子線照射により試料表面が帯電し、２次電子放出効率の
変化が生じるため得られる電子線像の質が変化するもの
であり、試料表面の帯電が進むと１次ビームを偏向させ
像に歪みを生じることもある。この帯電現象は試料が絶
縁材料のときに生じ、一般に絶縁材料が多く使用される
半導体装置の回路パターンの検査では大きな問題とな
る。

【０００６】図２はこのような帯電現象による電子線像
の変化の一例である。図２の矢印で示した順に被検査ウ
ェハを順次検査すると、撮像場所や時間により試料表面
の帯電状態が変化するため、得られる電子線像も変化す
る。図２において5と6では電子線像のパターンの明るさ
およびコントラストが変化しており、7ではパターンの
寸法も変化している。電子線画像を用いた欠陥検査の場
合には、図２に示すように試料表面へのチャージアップ
等により電子線像が時間変動するため、画像を１度空間
微分して明るさのドリフトの影響を少なくするなどの処
理を行ない、画像を比較する必要があった。

【０００７】さらに、図２の7のように明るさのみでな
く、その形状が時間変動する場合もあり、そのような場
合には形状の変化に対応するような処理も必要となる。
このような電子線像の時間変動がある場合には、長時間
の検査の間に得られる電子線像が変化するため、ウェハ
全面の比較検査は困難であり、ウェハ内の欠陥分布など
を得ることができないといった問題がある。半導体装置
の製造過程における回路パターンの外観検査はランダム
に発生する欠陥を検出するため、ウェハ全面にわたる検
査が要求される場合も多く、またウェハ内の欠陥分布は
欠陥発生原因の究明に非常に有効な情報である。常に安
定な条件での検査は半導体装置製造プロセスをモニタ
し、パターンの露光条件などの製造条件の不具合を早期
に発見するためにも不可欠である。

【０００８】試料のチャージアップが常に同じ状態で電
子線像を得る手段として特開昭63-218803がある。これ
は電子線照射開始から常に一定の時刻で電子線像の入力
を行うことにより、常に同じ帯電条件で電子線像を得る
ものであるが、これは電子線照射後の急激な電子線像の
変化に対応するための手段であり、長時間の検査により
ウェハ全体に生じる大域的な帯電状態の変化には対応す
ることができないため、長時間にわたる検査では安定し
た電子線像が得られないといった問題点がある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、コント
ラストの変化・反転など電子線像の明るさが大きく変化
する場合には単純な濃淡比較では検査が行えず、また一
般に画像処理で多く用いられている閾値処理においても
電子線像の時間変動がある場合は閾値の設定が非常に困
難となる。電子線像の明るさのみが変化する場合には、
空間微分画像を用いるなどの処理により明るさ変動の影
響を減少させることができるが、空間微分処理は画像中
に含まれるランダムノイズを強調してしまうため、この
ようなノイズが欠陥と誤認識されてしまう。また、図２
の7のようにパターン形状が変化してしまう場合には形
状の変化を許容するような処理が必要となるが、許容幅
を大きくとると実際のパターンの細り等の欠陥を検出す
ることが困難となる。このような欠陥は製造プロセスの
変動に起因するものも多く、早期に発見・対策すること
が必要であり、検出漏れは許されない。

【００１０】本発明の目的は試料上のチャージアップの
状態を制御することにより、電子線像の明るさや形状の
変化を抑制し、長時間の検査においても安定した電子線
像を得る手段を提供し、実現することにより、高感度で
信頼性の高い検査装置を実現することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的は、被検査ウェ
ハ上において、電子ビーム照射位置における帯電の状態
を制御し一定に保つことにより、常に同じ条件で電子線
像を得ることで達成される。

【００１２】図３に電子ビームの走査により試料の帯電
の状態が変化する様子を示す。a)はパターンが帯電して
いない場合、b)はパターン上に電荷が蓄積している場合
に電子ビームの走査によりパターンの帯電の状態が変化
する様子を示している。このように、電子ビームの走査
により試料上に電荷が蓄積されたりまた蓄積された電荷
が拡散したりすることにより、被検査ウェハ上に不均一
な帯電が生じ、図２に示したように電子線像に明るさ形
状などの変化が生じる。しかし、図３c)のように試料上
の電荷が飽和状態になっている場合には、そのパターン
上をさらに電子ビームが走査しても試料上の帯電の状態
は変化しない。また試料の電位を常に一定に保つことに
よっても、常に帯電の生じない状態の画像を得ることが
できる。

【００１３】このように帯電の状態の制御は試料を予め
故意に帯電させ、試料上の電荷を飽和状態にしたり、試
料表面に正あるいは負の電荷を与えることにより試料表
面に蓄積する電荷を中和したり、接地により試料を常に
アース電位に一定に保つことにより行なう。また、検査
中にこれらの操作を画像入力に対して決まったタイミン
グで行なうことにより、試料上の帯電が常に同じ状態と
なることが期待でき、毎回ほとんど同じ帯電状態で試料
の画像入力が行なえる。また、帯電状態の変化により電
子線像が変化するため、検査中に得られる電子線像を用
いれば試料の帯電状態をモニタすることも可能となる。

【００１４】このとき、試料上への帯電の状況は、材質
や形状等の被検査物の種類や電子ビームの加速電圧等の
検査条件などに依存するので、それらに応じて前記の帯
電状態の制御方法を決定する手段も必要である。

【００１５】このようにすれば、ウェハ上の各検査位置
における電子線像は長時間における検査においても常に
同じ条件で入力できる。そのため、長時間の間隔をおい
て撮像された画像や、異なるウェハ間で撮像された画像
内においても同種パターンの画像は欠陥部分以外はほと
んど同じものとなる。従って、これらを比較して、その
違いから欠陥部分を識別する検査装置においても、画像
の差信号から容易に欠陥部分のみの検出が可能となる。
それにより、良品部分を欠陥と見誤ることが少なくな
り、長時間にわたる検査においても高い検出感度を実現
することができる。また、常に安定な画像を得ることが
できるため長時間の検査が可能となり、ウェハの全面検
査やウェハ間にわたっての検査などが実現できる。この
ような検査装置の実現により、半導体の製造過程におい
て欠陥の発生原因究明および対策を速やかに行うことが
でき、その結果製品の歩留まり向上に貢献できる。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の第１の実施例を図４〜図
１３により説明する。図４は本発明に係る半導体パター
ン検査装置の構成図である。電子源13から発せられ細く
絞られた電子ビーム8は偏向器14により偏向され、試料
である半導体ウェハ1上面を任意の順序で走査できる。
電子線を照射された被検査ウェハ1から発生した２次電
子信号は２次電子検出器15により検出され、画像入力部
16に画像信号として入力される。被検査ウェハはＸ-Ｙ
ステージ17により移動可能であり、ステージ移動に同期
した電子ビームの照射および画像入力が可能である。

【００１７】画像信号とステージの位置測長部18より検
出される検査位置情報を基に画像処理部19により予め記
憶された良品パターンや被検査ウェハ上の異なる場所あ
るいは異なるウェハ上の同種パターンと比較して欠陥判
定を行う。電子光学系およびＸ-Ｙステージの動作は制
御用計算機20により制御される。予め制御用計算機に被
検査ウェハの製品名・工程名、電子ビームの加速電圧、
走査位置・速度、ステージ移動位置・速度、信号検出の
タイミングなどの条件を入力しておく。

【００１８】21は電子シャワー発生器であり、電子の照
射により試料表面を負に帯電させることができる。22は
メッシュ電極であり、電子シャワー発生器21から照射さ
れる電子シャワーによる電子が２次電子検出器15により
検出されるのを阻止し、２次電子のみの検出を可能にす
る。

【００１９】23はイオンシャワー発生器であり、イオン
の照射により試料表面を正に帯電させることができる。
電子シャワー発生器21およびイオンシャワー発生器23は
制御用計算機20により制御可能で、検査試料の種類によ
り電子及びイオンの照射量、電子シャワーの照射エネル
ギー、メッシュ電極の電圧等を適切な値に設定し、それ
ぞれの機能を適宜ON/OFFすることで試料表面の帯電の状
態を制御する。帯電状態の制御方法は制御用計算機より
マニュアルで設定も可能であるが、予め制御用計算機に
入力された検査条件より自動的な設定が可能である。

【００２０】また、ウェハチャック24には接地のための
針25が被検査ウェハ1に接触するように取り付けられて
おり、試料基板を常にアース電位に保つことができる構
造となっている。

【００２１】このような装置構成により試料表面の帯電
状態を制御し、時間変動の少ない常に安定な電子線像に
よるパターン検査を実現する。

【００２２】次にチャージ量の制御方法に関するより詳
細な実施例を示す。図５は２次電子放出能およびビーム
径の１次電子加速加速エネルギー依存性を示している。
２次電子放出能は試料の材質により変化するが、ほぼ50
0eVから1000eVの間で最大値をとる。２次電子放出能が
１以上になる検査条件26では試料から放出される２次電
子数が入射する１次電子数を上回るため試料表面は正に
帯電し、２次電子放出能が１以下の条件27では負に帯電
する。

【００２３】このことから、図５において検査条件が２
次電子放出能が１以上となる領域26においては正のチャ
ージアップを防止するため図６に示すように試料表面に
電子シャワー28による負のシャワー電子チャージ29を与
え、逆に２次電子放出能が１以下となる領域27において
は図７に示すようにイオンシャワー30による正のシャワ
ーイオンチャージ29を与えることにより試料の帯電を防
ぎ安定な２次電子像を得る。

【００２４】図５に示すように、ビーム径は１次電子加
速エネルギーに依存するので、検査時に所望のビーム径
を決定し、その条件での試料の２次電子放出能を用いて
チャージの制御の適切な方法を選択する。２次電子放出
能は試料表面の材質などをもとに決定する。

【００２５】図８は、電子シャワーによる帯電の制御方
法の詳細な実施例である。先の実施例で述べたように、
２次電子放出能が１以上の場合には試料表面に負の電荷
を与えることにより試料表面の帯電の状態を安定に保
つ。このとき、電子シャワーにより照射される電子シャ
ワー28と２次電子32の両方が２次電子検出器により検出
されるのを防ぐため、メッシュ電極22により電子シャワ
ーにより照射される電子を阻止する。

【００２６】図９は、放出される電子のエネルギー分布
を示しており、２次電子像は10eV程度の放出エネルギー
の電子を検出すれば得られる。このことより、放出電子
エネルギーが２次電子の放出エネルギーのピークより小
さい数eV以下の電子は２次電子検出器で検出されないよ
うにメッシュ電極に電圧をかけ、エネルギーフィルタ33
を形成し、メッシュ電極を通過できないような低いエネ
ルギーの電子を電子シャワー発生器により発生させて試
料表面に照射することで、電子ビームを試料表面に照射
しながら２次電子のみを検出することができる。

【００２７】このような電子シャワーの照射量、エネル
ギー、メッシュ電極の印加電圧はサンプルに応じて制御
用計算機により適切な値に設定する。反射電子像を入力
する場合も同様に、反射電子のみが検出されるように、
電子シャワーのエネルギーおよびメッシュ電極の電圧を
設定すればよい。

【００２８】図１０は、イオンシャワーによる帯電の制
御方法の詳細な実施例である。先の実施例で述べたよう
に、２次電子放出能が１以下の場合には、試料表面に正
の電荷を与えることにより試料表面の帯電の状態を安定
に保つ。このときイオンシャワーの照射量は、サンプル
に応じて制御用計算機により適切な値に設定する。電子
線画像入力時にこれらの電子シャワーあるいはイオンシ
ャワーの照射を行い、試料表面を常に同じ帯電状態に保
つことにより、同じ条件の電子線画像が得られるため、
長時間の検査においても比較検査が可能となる。

【００２９】また、電子線の照射を開始してチャージア
ップするまでの時間が比較的長い試料の場合は、検査開
始前に検査領域に予め電子あるいはイオンシャワーを十
分に照射し、試料表面を電荷が飽和する状態にした後で
電子線像の入力を開始することで安定した電子線像を獲
得することができる。このとき、これらのイオンあるい
は電子シャワーの照射と電子線像の入力のタイミングは
被検査パターンの導電率などを用いて適切な値に決定す
る。

【００３０】比較的導電性の高い試料は、試料内に入射
した電荷が拡散する速度が大きく、接地により被検査ウ
ェハ内の電位を常にアース電位に保つことにより電荷の
蓄積を防止することができ、帯電による電子線像の変化
を防ぐことができる。

【００３１】図１１〜図１３は被検査ウェハの接地方法
の実施例である。図１１はウェハの裏面に針を接触させ
て接地を行う方法である。図１１に示すように、ウェハ
チャック24に溝を作り、そこにウェハ裏面全体に均一に
接触するように針25を配置し、これらをアース電位に保
つ。複数の針で裏面全体に均一に接触することができる
ため、被検査ウェハ内の不均一な帯電を防止することが
できる。

【００３２】図１２は、ウェハの上面に針を接触させる
方法であり、アース電位に保った針35を試料表面の適切
な位置に立てる。ウェハのチャック方法によっては、測
方からの支持のみで、ウェハに対して下方向に力を加え
ない方法で固定する場合もあり、このような場合は、図
１１に示した手段では、ウェハ裏面を針に十分に接触さ
せることができない。ウェハ上面から針を接触させるこ
とによりウェハの固定方法によらず試料をアース電位に
保つことができる。

【００３３】図１３は、ウェハの側面にナイフエッジを
接触させる方法である。被検査ウェハの側面に鋭いナイ
フ状のエッジ30を接触させ、接地することによりウェハ
の電位を常にアース電位に保つ。この方法では、ウェハ
の固定法に拘わらず、ウェハ上面に傷をつけることな
く、被検査ウェハを常にアース電位に保つことができ
る。これらの手段はウェハチャック方法などに応じて適
宜選択する。

【００３４】次に、図４の検査装置を応用した検査方法
の第２の実施例について説明する。

【００３５】第１の実施例では、検査中電子あるいはイ
オンシャワーを常時検査領域に照射して検査を実施する
が、本実施例では、これらの照射のタイミングを変更し
て検査を行う。図１４は、被検査ウェハ上の任意の２領
域を検査する場合の電荷の状態の一例を示している。図
１４b)に示すように、検査領域D37の検査後検査領域Dへ
の電子線照射により、被検査ウェハ上に不均一な帯電が
生じ、次の検査領域E38の帯電の状態にも変化が生じ
る。図１４b)の状態で領域Eの電子線画像を入力する
と、領域Dと領域Eでは検査時の帯電状態が異なるため、
得られる画像にも明るさ等の変化が生じ、比較検査が困
難となる。

【００３６】このような問題を解決する手段として、本
実施例では、図１５に示す手順で電子線像入力を行う。
図５において、２次電子放出能が１以上となる１次電子
加速エネルギーの条件26で、検査を行う場合を仮定す
る。検査領域Dの電子線像入力前に、検査領域Dに電子シ
ャワー28を照射し、電荷39により試料表面を負に帯電さ
せ飽和状態とし、電子シャワーの照射を一度終了した
後、検査領域Dの画像を入力する。次に検査領域Eに電
子シャワー28を照射し、電荷40により試料表面を負に帯
電させ飽和状態とした後、電子シャワーの照射を終了
し、検査領域Eの画像を入力する。このようにして、常
に試料表面の帯電を飽和した状態で画像入力を開始する
ことにより、得られる電子線像は常に同じ帯電条件の画
像となる。電子シャワーの照射範囲およびタイミングに
ついては複数の検査領域の位置関係やその広さに応じて
適宜変更する。

【００３７】また、本実施例では電子線像入力時に電子
シャワーの照射を行わないため、メッシュ電極22による
エネルギーフィルタ33は不要となる。同様に図５におい
て２次電子放出能が１以下となる１次電子加速エネルギ
ーの条件33で検査を行う場合には電子シャワー29の代わ
りにイオンシャワー30の照射を行えば良い。

【００３８】次に、図４の検査装置を応用した検査方法
の第３の実施例について説明する。

【００３９】前記した第２の実施例では、検査領域の帯
電状態を予め飽和させた後検査を行ったが、本実施例で
は、検査中に得られる電子線像を処理することにより、
試料の帯電の状態をモニタし、その状態に応じて電子あ
るいはイオンシャワーを照射して帯電の状態を制御す
る。

【００４０】図１６a)に示す順序で連続して電子線像を
得て、検査を行う場合を考える。

【００４１】被検査パターンは、図4において、２次電
子放出能が１以上の条件26で検査を行っているものと仮
定する。得られる電子線像の回路パターンの明るさの検
査時刻tによる変化の例を、図１６b)に示す。

【００４２】41は帯電の制御を行わずに電子線の入力を
行った場合で、２次電子放出能が１以上であるので電子
線の走査により試料パターン表面が正にチャージアップ
し、検査時刻とともに像の明るさも変化する。このよう
に電子線像の明るさは帯電の状態の変化に伴い変化する
ので、本実施例ではこの像の明るさにより被検査物の帯
電の状態をモニタし、図１６b)42に示すようにこのパタ
ーンの明るさを一定に保つように帯電状態を制御しなが
ら検査を行う。

【００４３】図１７に帯電状態の制御方法の詳細を示
す。画像入力部16より入力された２次電子映像信号43を
処理し、回路パターンの明るさ44を得る。あらかじめ設
定しておいた回路パターンの明るさの目標値45と検出さ
れたパターンの明るさ44を比較し、その差46をもとに電
子シャワーの照射量47を決定する。図１６の例ではパタ
ーンが正に帯電することにより像が暗くなるので、検出
された明るさが目標値より小さい場合にはその差に応じ
た量の電子シャワーを照射し、大きい場合は照射は行わ
ない。

【００４４】このように電子線像から帯電の状態の変化
を得て、電子シャワーの照射量を決定することにより、
図１６b)42に示すように、電子線像の状態を一定に保つ
ことができ、安定な検査が実現できる。ここで、回路パ
ターンの電子線像の明るさ44は、得られる電子線像を回
路部分と下地部分に分割し、該回路パターン部のみの明
るさの平均を計算して得るものとする。

【００４５】本実施例では、回路部の明るさを用いた
が、被検査物の帯電の状態を反映するパラメータとし
て、電子線像全体の平均、回路部と下地部のコントラス
ト、回路部と下地部の面積の変化などを使用しても同様
の機能が実現できる。また、用いるパターンの明るさの
目標値45は予め被検査パターンの電子線像を撮像し、そ
の電子線像の明るさをもとに適切な値に設定する。

【００４６】また一般に、図１６b)41に示すように、一
般に電子線照射の開始直後には電子線像の明るさが急激
に変化する。この変化の大きさや時定数は試料により異
なるが、安定な制御を行うためには、この急激に変化す
る範囲を避けて明るさの目標値を設定することが望まし
い。またこのとき、検査開始時の電子線像の明るさを設
定した目標値に十分近い値にしておくことでさらに安定
な検査を実現することができる。目標値に十分近い明る
さの電子線像により検査を開始するためには、帯電状態
の制御を行わない状態41で電子線像の入力を開始し、電
子線像の明るさの変化をモニタして、目標値に十分近づ
いて(時刻t13)から帯電状態を42の状態になるよう制御
し、検査を開始すればよい。

【００４７】また、さらに確実に目標値に近づけるため
には、検査開始時に電子線像が設定した目標値になるよ
うに予め検査開始前に被検査試料にイオンシャワーを照
射すればよい。図１６b)42に示すように、時刻t11にイ
オンシャワーを照射して電子線像の明るさが目標値にな
ったら(時刻t12)検査を開始する。このようにすること
で、検査開始時から常に同じ帯電状態で検査を行うこと
ができる。

【００４８】同様に、図５において２次電子放出能が１
以下となる１次電子加速エネルギーの条件27で検査を行
う場合には、電子シャワーの代わりに、イオンシャワー
の照射を行えば良く、また検査開始時に電子シャワーを
用いることでさらに安定な検査を実現することができ
る。

【００４９】次に、第１の実施例とは異なる方法により
試料のチャージアップを防止する検査方法の、第４の実
施例について説明する。電子顕微鏡では、試料室内の真
空度が低いと、残留ガス分子による試料表面の汚染が問
題となるため、通常試料室内の真空度は高真空に保たれ
る。この試料室内にガスを導入して試料室内の真空度を
下げると（圧力を上げると）、入射電子の平均自由行程
が短くなり、入射電子の一部とガス分子が衝突してイオ
ン化するガス分子が増加する。従って、試料室内に不活
性ガス又は窒素ガスを導入して低真空（通常の電子ビー
ム照射雰囲気に比べて圧力の高い真空状態）又は大気圧
状態にすると、入射電子との衝突により発生する正イオ
ンにより試料表面の電子が中和され、帯電を防止するこ
とができる。導入するガスとして、不活性ガスや窒素ガ
スを用いることにより、試料汚染のない低真空を実現す
ることができる。

【００５０】本実施例の詳細を、図１８により説明す
る。試料室を差動排気チャンバ48とし、ガスボンベ49に
よりAr, Kr, Neなどの希ガスを供給することにより試料
室内の真空度を10-3〜数Pa程度の低真空に保つ。このと
き、電子光学系は高真空中に保たれている。 Ar, Kr, N
eなどの希ガスは物理吸着エネルギーが小さいため、試
料室内をこれらのガス雰囲気とすることで試料表面の汚
染を防ぐことができる。このようにして試料の汚染の生
じない状態で低真空を実現し、イオン化した残留分子に
より試料表面の電荷を中和することにより、常にチャー
ジアップのない電子線像を入力して検査を行うことがで
きる。

【００５１】なお、図１８では、導入した希ガスで試料
室内全体の圧力を上げるような構造になっているが、ガ
スボンベからの配管に接続するノズルを用いて、希ガス
を被検査ウエハ１の電子ビーム８を照射する場所の近傍
に上記した圧力又はそれよりも高い圧力で局所的に供給
し、電子ビーム８を照射する場所の近傍を局所的に高い
圧力にすることによっても、同様の効果を得ることがで
きる。この場合、試料室全体にガスを導入する場合に比
べて、試料室の圧力を低く維持することができるととも
に、試料室内に導入するガスの量を少なくすることもで
き、試料室内部の汚染をより少なくすることができる。

【００５２】更に、第５の実施例として、反射電子検出
時にプラズマを用いた手段により試料の帯電を防止する
検査の実施例について説明する。

【００５３】試料室内にプラズマを発生させ、プラズマ
中に被検査ウェハを設置すれば、プラズマ中の正および
負の電荷が試料表面の電荷を中和し、帯電を防止するこ
とができる。プラズマ内には様々なエネルギーを持つ電
子が存在するため、これらの電子と２次電子を分離する
ことは困難である。本実施例ではメッシュ電極22により
エネルギーフィルタ34を形成し、エネルギーの高い反射
電子のみを検出する手段について説明する。

【００５４】図１９に示すように、試料室を差動排気チ
ャンバ48とし、 Ar等の希ガス雰囲気とする。マグネッ
ト50によりECRポイントを形成し、発振器51より周波数
2.45GHz付近のマイクロ波52を発生し、試料室内にプラ
ズマ53を生成する。プラズマ内に存在する電子と、電子
ビーム照射により発生する反射電子を分離するためにプ
ラズマのエネルギーを反射電子以下に抑え、メッシュ電
極22に電圧をかけエネルギーフィルタ34を形成し、反射
電子54のみを反射電子検出器55により検出する。このよ
うな手段により常に試料のチャージアップのない安定な
状態での反射電子像を得ることができる。

【００５５】以上に説明したような手段を採用すること
により、走査電子顕微鏡を用いて試料の観察又は検査す
るときに、チャージアップによる電子線画像への影響を
防止することが可能となり、長時間にわたって安定した
電子線画像を得ることができるようになる。その結果、
走査電子顕微鏡で、試料上の微細なパターンを高精細に
かつ、再現性良く観察して検査することが可能になる。

【００５６】特に、本発明によれば、走査電子顕微鏡で
試料上の同じ位置を観察した時間的に異なる複数の電子
線画像を比較するとき、また、試料上の異なる位置の同
一パターン又は対応するパターンを観察した複数の電子
線画像を比較するときに、それぞれチャージアップの影
響を受けない安定した電子線画像を得ることができるの
で、信頼性の高い比較を行うことができるようになる。

【００５７】

【発明の効果】本発明によれば、長時間にわたる検査に
おいても試料の帯電状態を常に同じ条件にして電子線像
を入力することが可能となるため、常に再現性の良い電
子線像を得ることができる。そのため、長時間の間隔を
おいて撮像された電子線像や、異なるウェハ間で撮像さ
れた電子線像を用いる場合もエッジ検出や位置ずれ許容
などの複雑な処理を必要とせず、光学顕微鏡による検査
で多く用いられているパターン比較原理に基づく検査と
同様な検査が可能となり、長時間安定で高感度な検査が
可能となる。電子線像は従来の光学顕微鏡に比べ高い解
像度が実現可能であるため、微細化のすすむ半導体装置
に対しても適用可能な検査装置を実現できる。

【００５８】また、時間変動の無い安定な長時間検査の
実現により、ウェハ内の欠陥分布やウェハ間検査、半導
体製造プロセスのモニタなどが可能となる。これによ
り、半導体装置の不良発生原因の推定・早期対策が可能
となり、歩留向上に貢献することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】半導体装置の製造プロセスを示すフローチャー
ト図である。

【図２】帯電現象による電子線像の変化を示す図であ
る。

【図３】電子ビームの走査により試料の帯電の状態の変
化を示す試料の断面図である。

【図４】本発明に係る半導体装置の検査装置の略断面図
である。

【図５】２次電子放出能及びビーム径の１次電子加速エ
ネルギー依存性を示す図である。

【図６】本発明による試料への電子シャワーの照射状態
を示す試料の断面図である。

【図７】本発明による試料へのイオンシャワーの照射状
態を示す試料の断面図である。

【図８】本発明による電子シャワーを備えた検査装置の
略断面図である。

【図９】放出される電子のエネルギー分布を示す図であ
る。

【図１０】本発明によるイオンシャワーを備えた検査装
置の略断面図である。

【図１１】本発明による被検査ウエハの接地方法を示す
被検査ウエハとウエハチャック、試料台との略断面図で
ある。

【図１２】本発明による被検査ウエハの接地方法を示す
被検査ウエハとウエハチャック、試料台との略断面図で
ある。

【図１３】本発明による被検査ウエハの接地方法を示す
被検査ウエハとウエハチャック、試料台との略断面図で
ある。

【図１４】被検査ウエハ上の電荷の状態を示す被検査ウ
エハの平面図である。

【図１５】本発明による被検査ウエハ上の電子線像の入
力順序を示す被検査ウエハの平面図である。

【図１６】ａ）本発明による被検査ウエハ上の電子線像
の入力順序を示す被検査ウエハの平面図である。ｂ）電子線像の回路パターンの明るさの検査時刻ｔによ
る変化を示す図である。

【図１７】本発明による帯電状態の制御方法を示すフロ
ーチャート図である。

【図１８】本発明による第４の実施例を示す検査装置の
略断面図である。

【図１９】本発明による第５の実施例を示す検査装置の
略断面図である。

【符号の説明】

１……被検査ウェハ、８……電子ビーム、９……ビーム
走査、１２……パターン、１３……電子源、１４……偏
光器、１５……２次電子検出器、１６……画像入力部、
１９……画像処理部、２０……制御用計算機、２１…
…電子シャワー発生器、２２……メッシュ電極、２３…
…イオンシャワー発生器、２４……ウェハチャック、２
５……針、２６……２次電子放出能１以上となる１次電
子加速エネルギー領域、２７……２次電子放出能１以下
となる１次電子加速エネルギー領域、２８……電子シャ
ワー、３０……イオンシャワー、３２……２次電子、３
３……エネルギーフィルタ、３６……ナイフエッジ、３
９……電荷、４１……帯電状態を制御しない場合、４２
……帯電状態を制御する場合、４３……２次電子映像信
号、４４……回路パターンの明るさ、４５……回路パタ
ーンの明るさの目標値、４６……目標値との差、４７…
…電子シャワー照射量、４８……差動排気チャンバ、４
９……ガスボンベ、５０……マグネット、５１……発振
器、５２……マイクロ波、５３……プラズマ、５４……
反射電子、５５……反射電子検出器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者久邇朝宏神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者伊藤文和神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者東淳三神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者嶋瀬朗神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地株式会社日立製作所生産技術研究所内 (72)発明者大鋸谷薫東京都青梅市今井2326番地株式会社日立製作所デバイス開発センタ内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電子線像を用いた半導体装置の検査方法で
あって、前記半導体装置の被検査領域の帯電の状態を制御し、該帯電の状態を制御した状態で電子線を前記被検査領域
に照射し、該電子線の照射により前記被検査領域から発生する２次
電子を検出して前記被検査領域の２次電子像を得、該２次電子像に基づいて前記半導体装置の前記被検査領
域に形成された前記半導体装置の回路パターンの外観を
検査することを特徴とする半導体装置の検査方法。
【請求項２】電子線像を用いた半導体装置の検査方法で
あって、前記半導体装置の被検査領域に電子線を照射し、該電子線の照射により前記被検査領域から発生する２次
電子を検出して前記被検査領域の２次電子像を得、該２次電子像に基づいて前記被検査領域の帯電の状態を
モニタし、該モニタした結果に基づいて前記被検査領域の帯電の状
態を制御し、該帯電の状態が制御された状態で前記２次電子像に基づ
いて前記半導体装置の前記被検査領域に形成された前記
半導体装置の回路パターンの外観を検査することを特徴
とする半導体装置の検査方法。
【請求項３】前記半導体装置の被検査領域の帯電の制御
を、前記半導体装置に非接触な手段を用いて行うことを
特徴とする請求項１又は２の何れかに記載の半導体装置
の検査方法。
【請求項４】前記非接触な手段を用いて行うことが、前
記被検査領域に電子をシャワー状に照射することにより
行うことを特徴とする請求項３に記載の半導体装置の検
査方法。
【請求項５】前記非接触な手段を用いて行うことが、前
記被検査領域にイオンをシャワー状に照射することによ
り行うことを特徴とする請求項３に記載の半導体装置の
検査方法。
【請求項６】前記非接触な手段を用いて行うことが、前
記被検査領域の近傍にガスを導入することにより行うこ
とを特徴とする請求項３に記載の半導体装置の検査方
法。
【請求項７】前記非接触な手段を用いて行うことが、前
記被検査領域の近傍にプラズマを発生させることにより
行うことを特徴とする請求項３に記載の半導体装置の検
査方法。
【請求項８】前記半導体装置の被検査領域の帯電の制御
を、前記半導体装置に接触する手段を用いて行うことを
特徴とする請求項１又は２の何れかに記載の半導体装置
の検査方法。
【請求項９】電子線像を用いた半導体装置の検査方法で
あって、電子線を照射する前に前記半導体装置の少なくとも被検
査領域の帯電を飽和の状態にし、該帯電を飽和の状態にした被検査領域に前記電子線を照
射し、該電子線の照射により前期被検査料域から発生する２次
電子を検出し、該検出した２次電子から前記被検査領域の２次電子像を
得、該２次電子像に基づいて前記被検査領域に形成された前
記半導体装置の表面を検査することを特徴とする半導体
装置の検査方法。
【請求項１０】電子線像を用いた半導体装置の検査装置
であって、前記半導体装置の被検査領域に集束させた電子線を走査
して照射する電子線照射手段と、前記被検査領域の帯電の状態を制御する帯電制御手段
と、前記電子線照射手段で前記被検査領域に照射した前記電
子線により前記被検査領域から発生する２次電子を検出
して前記被検査領域の２次電子像を作成する２次電子像
作成手段と、前記帯電制御手段により前記被検査領域の帯電を制御し
た状態で前記電子線照射手段で前記電子線を前記被検査
領域に照射して前記２次電子像作成手段により得られる
２次電子像に基づいて前記被検査領域に形成された前記
半導体装置の回路パターンの外観を検査する外観検査手
段とを備えたことを特徴とする半導体の検査装置。
【請求項１１】電子線像を用いた半導体装置の検査装置
であって、前記半導体装置の被検査領域に電子線を照射する電子線
照射手段と、該電子線照射手段で照射した電子線により前記被検査領
域から発生する２次電子を検出して前記被検査領域の２
次電子像を作成する２次電子像作成手段と、該２次電子像作成手段で作成した前記被検査領域の２次
電子像に基づいて前記被検査領域の帯電の状態をモニタ
する帯電モニタ手段と、該帯電モニタ手段によりモニタした前記被検査領域の帯
電の状態に基づいて前記被検査領域の帯電の状態を制御
する帯電制御手段と、該帯電制御手段により前記被検査領域の帯電が制御され
た状態で前記２次電子像に基づいて前記半導体装置の前
記被検査領域に形成された前記半導体装置の回路パター
ンの外観を検査する外観検査手段とを備えたことを特徴
とする半導体装置の検査装置。
【請求項１２】前記帯電制御手段が、前記半導体装置に
非接触で前記被検査領域の帯電の制御を行うことを特徴
とする請求項１０又は１１の何れかに記載の半導体装置
の検査装置。
【請求項１３】前記帯電制御手段が、前記被検査領域に
電子をシャワー状に照射する電子シャワー照射手段であ
ることを特徴とする請求項１２に記載の半導体装置の検
査装置。
【請求項１４】前記帯電制御手段が、前記被検査領域に
イオンをシャワー状に照射するイオンシャワー照射手段
であることを特徴とする請求項１２に記載の半導体装置
の検査装置。
【請求項１５】前記帯電制御手段が、前記被検査領域の
近傍にガスを導入するガス導入手段であることを特徴と
する請求項１２に記載の半導体装置の検査装置。
【請求項１６】前記帯電制御手段が、前記被検査領域の
近傍にプラズマを発生させるプラズマ発生手段であるこ
とを特徴とする請求項１２に記載の半導体装置の検査装
置。
【請求項１７】前記帯電制御手段が、前記半導体装置に
接触して前記被検査領域の帯電の制御を行うことを特徴
とする請求項１０又は１１の何れかに記載の半導体装置
の検査装置。