JPWO2006126576A1 - 微細領域撮像装置及び微細領域撮像方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、外来ノイズや基板電流の直流レベルの変化の影響を受けにくく、高解像度で高速スキャンが可能な微細領域撮像装置を提供することを目的とする。本発明による微細領域撮像装置は、撮像対象物である半導体ウェハ１０に電子ビームＸを照射する電子ビーム照射部１０２と、電子ビームＸの照射によって発生した基板電流ｉの交流成分を検出する電流検出部１１０と、電流検出部１１０の出力ｏｕｔに基づいて、半導体ウェハ１０の表面状態を示す画像データを生成する画像データ生成部１２０とを備える。本発明は、電子ビームＸの照射によって発生した基板電流ｉをそのまま検出するのではなく、その交流成分を検出していることから、初期帯電によって電流ドリフトが発生したとしても、その影響を受けることなく、正しく撮像を行うことが可能となる。また、振動・熱雑音・不要輻射（ＥＭＩ）などの外来ノイズの影響も受けにくくなる。

Description

本発明は微細領域撮像装置及び微細領域撮像方法に関し、特に、電子ビームなどの荷電粒子線を半導体ウェハなどの撮像対象物に照射することによって、その表面状態を示す画像データなどを生成するための微細領域撮像装置及び微細領域撮像方法に関する。

電子ビームなどの荷電粒子線の照射によって撮像対象物の微細な表面を認識する装置としては、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）などが知られており、中でも走査型電子顕微鏡は、半導体ウェハの評価装置として広く用いられている。例えば、基板上の層間絶縁膜にビアホールを形成した後、走査型電子顕微鏡を用いて半導体ウェハの表面を撮影すれば、ビアホールが正しく形成されているか否かを画像によって評価することが可能となる。

しかしながら、走査型電子顕微鏡による半導体ウェハの評価では、アスペクト比の大きなビアホールの底部構造を正しく観察することが難しく、このため、このようなビアホールの底部に残存するエッチング残渣などの異物を発見することは困難であった。この問題を解決するため、近年、半導体ウェハに電子ビームを照射し、これにより半導体ウェハに流れる基板電流を検出することによってビアホールなどの評価を行う技術が提案されている（特許文献１〜３参照）。

図９は、基板電流を検出する従来の微細領域撮像装置による撮像原理を説明するための図であり、（ａ）は撮像対象となる半導体ウェハの略部分断面図、（ｂ）は得られる基板電流ｉの波形を示すグラフ、（ｃ）は基板電流ｉを微分することによって得られる微分出力ｄの波形を示すグラフである。

図９（ａ）に示す半導体ウェハ１０は、素子分離領域１１及びゲート電極１２を有しており、これらの上に層間絶縁膜１３が形成された構造を有している。層間絶縁膜１３にはスルーホール１３ａが形成されており、このスルーホール１３ａを介して素子分離領域１１の一部及びゲート電極１２の一部が露出した状態となっている。

このような構造を有する半導体ウェハ１０に電子ビームＸを照射し、これにより半導体ウェハ１０に流れる基板電流ｉを検出すると、図９（ｂ）に示すように、半導体ウェハ１０の表面状態に応じて基板電流ｉが変化する様子が観察される。つまり、層間絶縁膜１３に覆われた領域においては、電子ビームが層間絶縁膜１３によって遮られることから、基板電流ｉは微量のトンネル電流が観察される程度であるが、スルーホール１３ａによって露出した領域においては、電子ビームＸが基板内に達し、その量に応じた基板電流ｉが観察されることになる。このとき、スルーホール１３ａによって露出した領域のうち、ゲート電極１２が形成されている領域においては、電子ビームＸが効率よく基板に達することから、大きな基板電流ｉが得られることになるが、電子ビームＸのパワーをある程度強めに設定しておけば、図９（ｂ）に示すように、素子分離領域１１に相当する位置においても、ある程度の大きさを有する基板電流ｉが観察されることになる。

そして、得られた基板電流ｉの値を微分すれば、図９（ｃ）に示すように、基板電流ｉが変化した部分において、その変化量及び変化の方向に応じた微分出力ｄが得られることになる。したがって、この微分出力ｄの波形を参照すれば、半導体ウェハ１０の表面における各種境界部分を認識することが可能となり、これを解析することによって、例えばスルーホール１３ａの径（図９（ａ）に示す範囲Ａに相当）や、スルーホール１３ａとゲート電極１２とのオフセット量（図９（ａ）に示す範囲Ｂに相当）を特定することが可能となる。
特開２００２−８３８４９号公報 特開２００４−２３５４６４号公報 特開２００５−６４１２８号公報

しかしながら、従来の微細領域撮像装置では、電子ビームの照射により得られる基板電流ｉをそのまま検出していることから、振動・熱雑音・不要輻射（ＥＭＩ）などの外来ノイズの影響を受けやすいという問題があった。また、何らかの原因によって基板電流ｉの直流レベルが変化（電流ドリフト）すると検出精度が大幅に低下し、正しい検出を行うことができなくなるという問題があった。

さらに、従来の微細領域撮像装置は、必ずしも解像度及びスキャン速度が十分ではなく、このため、半導体ウェハなどを広範囲に亘って撮像しようとすると、非常に長い時間がかかるという問題もあった。

したがって、本発明の目的は、外来ノイズや、基板電流の直流レベルの変化の影響を受けにくい微細領域撮像装置及び微細領域撮像方法を提供することである。

また、本発明の他の目的は、高解像度で高速スキャンが可能な微細領域撮像装置及び微細領域撮像方法を提供することである。

微細領域撮像装置を改良すべく、本発明者が鋭意研究を重ねた結果、基板電流の直流レベルの変化（電流ドリフト）は、半導体ウェハなどの撮像対象物の裏面（電子ビームなどの荷電粒子線を照射する面とは反対側の面）が絶縁膜で覆われている場合において極めて顕著であることが判明した。この現象についてさらなる研究を重ねた結果、撮像対象物の初期帯電が電流ドリフトの原因であることを本発明者は突き止めた。つまり、帯電している撮像対象物に電子ビームなどを照射した場合、ゆっくりと流れ出す初期帯電電荷が基板電流に加算され、その結果、基板電流の直流レベルが時間とともにゆっくり変化することが判明したのである。

したがって、電流ドリフトの発生を防止するためには、何らかの方法で初期帯電を取り除く（すなわち除電する）ことが考えられる。しかしながら、イオナイザーなどを用いて除電する方法では、イオナイザーからの発塵によって半導体ウェハ上に塵が付着し、歩留まりを低下させてしまうばかりか、イオナイザーを用いた除電後に帯電が生じれば、結果的に電流ドリフトは発生してしまう。また、電子ビームの照射中に半導体ウェハの側面から常に除電するという方法も考えられるが、半導体ウェハの側面状態には大きなばらつきが存在するため、安定した除電を行うことは困難であるとともに、除電動作によって半導体ウェハの側面が僅かに破損し、これがパーティクルとなって歩留まりを低下させることも考えられる。

このように、初期帯電を除電する方法には様々な問題がある。そこで、本発明者は、初期帯電を除電するのではなく、初期帯電によって電流ドリフトが発生したとしても、その影響を受けずに正しく撮像を行うことができる方法を模索した。

本発明は、このような研究の結果なされたものであって、本発明による微細領域撮像装置は、撮像対象物に荷電粒子線を照射する照射手段と、前記荷電粒子線の照射によって発生したエネルギー信号の交流成分を検出する検出手段と、前記検出手段の出力に基づいて、前記撮像対象物の表面状態を示すデータを生成するデータ生成手段とを備えることを特徴とする。

また、本発明の一側面による微細領域撮像方法は、照射位置を連続的又は断続的に変化させながら撮像対象物に荷電粒子線を照射し、これにより発生したエネルギー信号の交流成分を検出し、前記エネルギー信号の交流成分に基づいて、前記撮像対象物の表面状態を示すデータを生成することを特徴とする。また、本発明の他の側面による微細領域撮像方法は、照射位置を連続的又は断続的に変化させながら交流変調された荷電粒子線を撮像対象物に照射し、これにより発生したエネルギー信号を復調することによって、前記撮像対象物の表面状態を示すデータを生成することを特徴とする。

本発明は、従来の微細領域撮像装置及び微細領域撮像方法とは異なり、荷電粒子線の照射によって発生した基板電流などのエネルギー信号をそのまま検出するのではなく、その交流成分を検出することによって撮像対象物の表面状態を認識していることから、初期帯電によって電流ドリフトが発生したとしても、その影響を受けることなく、正しく撮像を行うことが可能となる。また、振動・熱雑音・不要輻射（ＥＭＩ）などの外来ノイズの影響も受けにくくなり、その結果、高精度な撮像を行うことが可能となる。ここで、「エネルギー信号」とは、荷電粒子線の照射によって発生した透過電子、２次電子、反射電子等を指す。

本発明は、半導体ウェハの検査に応用することが好適であり、この場合、荷電粒子線としては電子ビームを用いることができ、撮像対象物である半導体ウェハを流れる基板電流（透過電子）をエネルギー信号として検出することができる。半導体ウェハとしては、裏面に絶縁膜が形成された半導体ウェハを用いることができる。上述の通り、裏面に絶縁膜が形成された半導体ウェハは、初期帯電の影響により基板電流の直流レベルが時間とともにゆっくり変化する電流ドリフトが生じるが、本発明によれば、その影響を排除した正確な撮像を行うことが可能となる。

荷電粒子線の出力は一定出力であっても構わないし、基準信号に基づいて交流変調されていても構わない。前者の場合、検出手段は、エネルギー信号を増幅するアンプと、アンプの出力から少なくとも直流成分を除去するフィルターとを含むことにより、エネルギー信号の交流成分を検出することができる。後者の場合、検出手段は、交流変調されたエネルギー信号を復調することにより、エネルギー信号の交流成分を検出することができる。

また、後者の場合、荷電粒子線の高周波変調によって分解能が大幅に向上することから、従来に比べ、スキャン速度などを飛躍的に高めることが可能となる。これにより、撮像に要する時間（信号取得時間）を大幅に短縮することが可能となる。

このように、本発明によれば、外来ノイズや電流ドリフトの影響が大幅に低減されることから、撮像対象物の表面状態をより正確に撮像することが可能となる。また、荷電粒子線の出力を基準信号に基づいて交流変調すれば、高解像度で高速スキャンを行うことが可能となり、信号取得時間を大幅に短縮することが可能となる。したがって、本発明を半導体ウェハの検査に適用すれば、微細でアスペクト比の大きいスルーホールが多数形成された半導体ウェハに対する検査精度及び検査速度を飛躍的に改善することが可能となる。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の好ましい第１の実施形態による微細領域撮像装置１００の構成を示す模式図である。

図１に示すように、本実施形態による微細領域撮像装置１００は、撮像対象物である半導体ウェハ１０の表面状態を観察するための装置であり、半導体ウェハ１０を載置する移動ステージ１０１と、半導体ウェハ１０の主面１０ａに荷電粒子線の一種である電子ビームＸを照射する電子ビーム照射部１０２と、電子ビームＸの照射位置などを制御するための制御部１０３と、電子ビームＸの照射位置を検出するための位置検出部１０４と、電子ビームＸの照射によって発生した基板電流ｉをエネルギー信号として検出する電流検出部１１０と、位置検出部１０４の出力ｐ及び電流検出部１１０の出力ｏｕｔに基づいて、半導体ウェハ１０の表面状態を示す画像データを生成する画像データ生成部１２０と、画像データ生成部１２０によって生成された画像データを表示する表示部１２１によって構成されている。

半導体ウェハ１０は、配線層や層間絶縁膜、スルーホールなどが形成された主面１０ａが電子ビーム照射部１０２側を向くよう、移動ステージ１０１上に載置される。半導体ウェハ１０の裏面１０ｂには絶縁膜１０ｃが形成されており、このため、製造プロセス中や搬送中に生じる摩擦などによって、帯電しやすい状態となっている。

半導体ウェハ１０が載置される移動ステージ１０１は、制御部１０３による制御によって水平方向に移動可能に構成されており、また、電子ビーム照射部１０２も、制御部１０３による制御によって、電子ビームＸの照射位置を連続的に移動可能、すなわちスキャン可能に構成されている。移動ステージ１０１の移動は機械的に行うことができ、電子ビーム照射部１０２による電子ビームＸの照射位置の移動は、図示しない偏向電極へ電圧を印加し、これによって電子ビームに与える電界を変化させることによって行うことができる。これにより、電子ビームＸは、半導体ウェハ１０の主面１０ａの所望の位置に照射することが可能であるとともに、スキャン速度を所望の速度とすることができる。また、電子ビームＸの照射エネルギーや照射電流量についても、制御部１０３が電子ビーム照射部１０２を制御することによって、調整される。半導体ウェハ１０上における電子ビームＸの実際の照射位置は、位置検出部１０４によって検出され、これにより得られた位置情報ｐは、画像データ生成部１２０に供給される。尚、高い解像度を得るためには、半導体ウェハ１０上における電子ビームＸの径をできるだけ小さく絞り込むことが好ましく、具体的には、０．２ｎｍ程度に絞ることが好ましい。

一方、基板電流を検出する電流検出部１１０は、図１に示すように、オペアンプＯＰを用いた電流検出ヘッド１１１と、電流検出ヘッド１１１の出力を受けるセカンドアンプ１１２と、セカンドアンプ１１２の出力を受ける直流カットフィルター１１３によって構成されている。

電流検出ヘッド１１１は、オペアンプＯＰと、オペアンプＯＰの出力端と反転入力端子との間に接続された抵抗Ｒによって構成され、オペアンプＯＰの反転入力端子に供給される電流量を検出する電流計として機能する。図１に示すように、電流検出ヘッド１１１の入力端（オペアンプＯＰの反転入力端子）は、半導体ウェハ１０の裏面１０ｂに接続されており、これにより、電子ビームＸの照射によって生じる基板電流ｉを検出し、これを増幅することができる。セカンドアンプ１１２は、電流検出ヘッド１１１の出力をさらに増幅するために用いられ、したがって、電流検出ヘッド１１１とセカンドアンプ１１２は、一つのアンプを構成していると考えることができる。直流カットフィルター１１３は、セカンドアンプ１１２の出力から直流成分を除去する回路であり、これによって、セカンドアンプ１１２の出力から交流成分が抽出されることになる。

画像データ生成部１２０は、直流カットフィルター１１３によって抽出された基板電流ｉの交流成分ｏｕｔと、位置検出部１０４によって検出された電子ビームＸの照射位置を示す出力ｐを受け、これらに基づいて半導体ウェハ１０の表面状態を示す画像データを生成する。生成された画像データは表示部１２１に表示され、これによって、半導体ウェハ１０の表面状態を確認することができる。

以上が、本実施形態による微細領域撮像装置１００の構成である。次に、本実施形態による微細領域撮像装置１００の動作について説明する。

図２は、本実施形態による微細領域撮像装置１００の動作を説明するための図であり、（ａ）は撮像対象となる半導体ウェハ１０の一部分を拡大して示す略部分断面図、（ｂ）は得られる基板電流ｉの波形を示すグラフ、（ｃ）は電流検出部１１０の出力信号ｏｕｔの波形を示すグラフである。

図２（ａ）に示すように、本例による半導体ウェハ１０は、層間絶縁膜２１及び金属配線２２を有しており、これらの上に層間絶縁膜２３が形成された構造を有している。層間絶縁膜２３にはスルーホール２３ａが形成されており、このスルーホール２３ａを介して金属配線２２の一部が露出した状態となっている。金属配線２２は図示しない他のスルーホールによって下層のシリコン基板に接続されている。また、層間絶縁膜２３に設けられたスルーホール２３ａは、テーパー状となっている。これは、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）などのドライエッチングにおいては、エッチング対象物（ここでは層間絶縁膜２３）を完全に垂直エッチングすることは困難であり、多少の角度を持ってエッチングされるためである。したがって、スルーホール２３ａの開口部の径Ｄ１よりも、スルーホール２３ａの底部の径Ｄ２の方がやや小さくなる。

このような形状を持ったスルーホール２３ａを通過するよう、一定出力の電子ビームＸをスキャンすると、図２（ｂ）に示すように、電子ビームＸによって基板電流ｉが誘起され、これが電流検出ヘッド１１１に入力される。基板電流ｉの波形は、図２（ｂ）に示すように、層間絶縁膜２３に覆われた領域においてはほとんどゼロであるが、スルーホール２３ａによって露出した領域においては、電子ビームＸによって誘起された基板電流ｉが観察される。尚、金属配線２２としては、ゲート電極に接続される配線のように、シリコン基板とは接続されていない配線もあるが、ゲート酸化膜は非常に薄いことから（例えば数ｎｍ）、電子ビームＸによって誘起された電子はトンネル電流としてゲート酸化膜に流れ込み、シリコン基板に到達する。尚、シリコン基板を直接露出させるスルーホールに対してスキャンを行った場合も、当然ながら、スルーホールによって露出した領域をスキャンする際に基板電流ｉが観察される。

このとき、スルーホール２３ａがテーパー状となっており、スキャンによって側壁２４に電子ビームＸが照射されることから、この部分を電子ビームＸが通過する際、基板電流ｉは所定の傾きを持って変化することになる。また、スルーホール２３ａによって露出した領域には金属配線２２が形成されているため、電子ビームＸが当該領域を通過する際には、大きな基板電流ｉが検出される。

このような波形を持った基板電流ｉは、図１に示す電流検出部１１０に入力され、電流検出ヘッド１１１及びセカンドアンプ１１２によって増幅された後、直流カットフィルター１１３によって交流成分の抽出が行われる。したがって、電流検出部１１０の出力信号ｏｕｔは、図２（ｃ）に示すように、基板電流ｉの変化部分のみが取り出された波形となり、基板電流ｉが全く変化しない部分、或いは、基板電流ｉがほとんど変化しない部分では、基板電流ｉの絶対値（直流レベル）にかかわらず、出力信号ｏｕｔの出力は実質的にゼロとなる。

具体的には、スキャンにより電子ビームＸがスルーホール２３ａに侵入する際には、側壁２４において垂直方向に見た層間絶縁膜２３の膜厚が徐々に減少することから、所定の傾きを持って増大する基板電流ｉの変化が取り出され、同様に、スキャンにより電子ビームＸがスルーホール２３ａから脱出する際には、側壁２４において垂直方向に見た層間絶縁膜２３の膜厚が徐々に増大することから、所定の傾きを持って減少する基板電流ｉの変化が取り出されることになる。その他の部分、すなわち、スルーホール２３ａの外部（層間絶縁膜２３の平坦部）や、スルーホール２３ａの底部（金属配線２２の表面）においては、基板電流ｉの絶対値は異なるものの、当該部分において基板電流ｉに変化は生じないため、出力信号ｏｕｔの出力はゼロとなる。

したがって、スルーホール２３ａを上面から見た平面図である図３（ａ）に示すように、スルーホール２３ａの複数箇所をスキャンすれば、電流検出部１１０からは、図３（ｂ）に示すようにスルーホール２３ａの側壁２４を示す出力信号ｏｕｔが得られることになる。尚、図３（ｂ）では、出力信号ｏｕｔが観測される領域をハッチングによって模式的に示している。この出力信号ｏｕｔは、上述の通り、位置情報を示す位置検出部１０４の出力ｐとともに画像データ生成部１２０へ供給され、これらに基づいて、スルーホール２３ａの形状を示す画像データが生成される。

このように、本実施形態では、電流検出部１１０内の直流カットフィルター１１３を用いて、基板電流ｉに含まれる直流成分を除去し、交流成分のみを取り出していることから、半導体ウェハ１０の初期帯電や、振動・熱雑音・不要輻射（ＥＭＩ）などの外来ノイズによって基板電流ｉの直流レベルが変動した場合であっても、その影響をほぼ完全に排除し、スルーホール２３ａの形状を正しく認識することが可能となる。

また、従来の微細領域撮像装置のように、基板電流ｉの絶対値を取得した後、これを微分することによって基板電流ｉの変化を捉える方法では、基板電流ｉの絶対値を常にモニタする必要があるため、信号処理能力などの限界によって電子ビームＸのスキャン速度が大幅に制限されるものの、本実施形態によれば、基板電流ｉの変化のみをモニタすれば足りることから、従来よりも電子ビームＸのスキャン速度を高めることができ、スループットを改善することが可能となる。

次に、本発明の好ましい第２の実施形態について説明する。

図４は、本発明の好ましい第２の実施形態による微細領域撮像装置２００の構成を示す模式図である。

図４に示すように、本実施形態による微細領域撮像装置２００は、上記実施形態による微細領域撮像装置１００と類似の構成を有しているが、発振回路２０１が追加されている点、並びに、電流検出部１１０が電流検出部２１０に置き換えられている点において、上記実施形態による微細領域撮像装置１００と異なる。その他の構成については、上記実施形態による微細領域撮像装置１００と同様であることから、同一の構成要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

発振回路２０１は、所定の周波数を持った基準信号ｃ（キャリア信号）を生成する回路であり、生成された基準信号ｃは、電子ビーム照射部１０２及び電流検出部２１０に共通に供給される。基準信号ｃとしては正弦波又は矩形波を用いることができ、その周波数については、電子ビームＸの照射位置の連続的な変化、すなわちスキャンによって得られる基板電流ｉの周波数よりも十分に高い周波数であれば、特に限定されるものではない。一例として、電子ビームＸのスキャンによって得られる基板電流ｉの周波数が数ｋＨｚである場合、基準信号ｃの周波数としては、１００〜２００ｋＨｚ程度に設定すればよい。基準信号ｃの周波数が高いほど、本実施形態による微細領域撮像装置２００の分解能が向上し、その結果スキャン速度を高めることが可能となる。但し、基準信号ｃの周波数を高くしすぎると、電子ビームＸの変調や電流検出部２１０における信号処理が困難となるおそれがあることから、この点を考慮しつつ、できるだけ高い周波数に設定することが好ましい。

このような基準信号ｃを受けた電子ビーム照射部１０２は、この基準信号ｃに基づいて電子ビームＸを交流変調（高周波変調）する。つまり、基準信号ｃの周波数が１００ｋＨｚであれば、電子ビームＸについても１００ｋＨｚのパルス状ビームとする。本実施形態においても、半導体ウェハ１０上における電子ビームＸの径はできるだけ小さく絞り込むことが好ましい。

また、電流検出部２１０は、図４に示すように、オペアンプＯＰ及び抵抗Ｒを用いた電流検出ヘッド１１１と、電流検出ヘッド１１１の出力及び基準信号ｃを受けるミキサー２１１と、ミキサー２１１の出力を受けるハイカットフィルター２１２と、ハイカットフィルター２１２の出力を受けるセカンドアンプ１１２によって構成されている。

ミキサー２１１は、電流検出ヘッド１１１の出力と基準信号ｃとを乗算することにより、基準信号ｃによって高周波変調された電流検出ヘッド１１１の出力を復調する役割を果たす。すなわち、基準信号ｃを用いた同期検波を行う。復調されたミキサー２１１の出力はハイカットフィルター２１２に入力され、これによって不要な高周波成分が除去される。

以上が、本実施形態による微細領域撮像装置２００の構成である。次に、本実施形態による微細領域撮像装置２００の動作について説明する。

図５は、本実施形態による撮像方法を説明するための図であり、（ａ）は撮像対象となる半導体ウェハ１０の一部分を拡大して示す略部分断面図、（ｂ）は得られる基板電流ｉの波形を示すグラフ、（ｃ）は電流検出部２１０の出力信号ｏｕｔの波形を示すグラフである。

図５（ａ）に示す半導体ウェハ１０の形状は、図２（ａ）で示した形状と同じである。このような形状を有する半導体ウェハ１０に電子ビームＸを照射すると、図５（ｂ）に示すような基板電流ｉの波形が得られる。つまり、本実施形態では、電子ビーム照射部１０２によって照射される電子ビームＸが高周波変調されていることから、得られる基板電流ｉもパルス状の波形となる。ここで、パルス状である基板電流ｉのピーク値は、それぞれ半導体ウェハ１０の表面形状に応じた値となる。このようなパルス状の基板電流ｉをミキサー２１１によって復調し、ハイカットフィルター２１２によって不要な高周波成分を除去すれば、図５（ｃ）に示すように、パルス状である基板電流ｉのピーク値をつないだ波形、すなわち、半導体ウェハ１０の表面形状を示す波形が得られる。

そして、この出力信号ｏｕｔは、上述の通り、位置情報を示す位置検出部１０４の出力ｐとともに画像データ生成部１２０へ供給され、これらに基づいて、スルーホール２３ａの形状を示す画像データが生成される。

このように、本実施形態では、照射する電子ビームＸを高周波変調し、得られた基板電流ｉを同期検波方式によって復調していることから、振動・熱雑音・不要輻射（ＥＭＩ）などの外来ノイズの影響を極めて受けにくくなる。具体的には、従来の微細領域撮像装置に比べて、このような外来ノイズの影響を１／２０以下に低減することが可能となる。また、電流検出部２１０は、基板電流ｉの高周波成分を検出していることから、理論上、直流レベルの変動の影響を受けることが無くなる。

しかも、本実施形態による微細領域撮像装置２００は、上記実施形態と異なり、入力信号である電子ビームＸの絶対値を定義することができることから、テーパー状のスルーホール２３ａのように、スキャンによって基板電流ｉの量が連続的に変化する領域のみならず、スルーホール２３ａの底部のように、スキャンによって基板電流ｉが全く変化しない部分、或いは、基板電流ｉがほとんど変化しない部分の情報を得ることも可能となる。したがって、基準信号ｃの周波数をより高くすることによって解像度を高めれば、スルーホール２３ａの底部に残存する残渣などを認識することも可能となる。残渣は、例えば金属配線２２の材料としてアルミニウム（Ａｌ）を用いた場合、その両表面（上面及び下面）にバリアメタルとして窒化チタン（ＴｉＮ）などが形成されることがあり、このチタンの酸化物などが残渣となることがある。

つまり、図６（ａ）に示すように、スルーホール２３ａの底部に残渣２５が残存している場合、高周波変調された電子ビームＸによってこれをスキャンすれば、残渣２５に相当する部分において基板電流ｉのピーク値が低下する結果、図６（ｂ）に示すように、電流検出部２１０より得られる出力信号ｏｕｔの波形にもこれが反映され、残渣２５に対応したレベル低下２５ａが生じることから、残渣２５を画像化することが可能となる。尚、このような残渣２５の画像化は、従来の微細領域撮像装置によっても原理的には可能であるが、従来の微細領域撮像装置の解像度では、複雑な形状を持った微細な残渣２５を正しく画像化することは極めて困難である。これに対し、本実施形態による微細領域撮像装置２００では、電子ビームＸを高周波変調し、得られた基板電流ｉを同期検波方式により復調していることから、解像度が極めて高く、このような残渣２５の画像化を実現することが可能となる。

具体的には、スキャン速度にもよるが、本実施形態による微細領域撮像装置２００では１０ｎｍ以下の分解能を得ることができ、スキャン速度をある程度遅くすれば、１ｎｍ程度の分解能を得ることができる。従来の微細領域撮像装置では、スキャン速度を最低に設定したとしても分解能は５０〜１００ｎｍ程度であることから、本実施形態による微細領域撮像装置２００は従来に比べ１０倍〜１００倍程度の分解能が得られることになる。

また、分解能が非常に高いことから、スキャン速度を高めることが可能となり、これにより、撮像に要する時間（信号取得時間）を大幅に短縮することが可能となる。具体的には、要求される分解能や、基準信号ｃの周波数にもよるが、従来の微細領域撮像装置に比べ、１００倍以上高速な撮像が可能となる。

また、スキャン速度を高めれば、単位面積あたりの照射電流量が低下する点を考慮すれば、電子ビームＸの照射電流量を従来に比べて大幅に高めることが可能となる。具体的には、電子ビームＸを高周波変調しない従来の微細領域撮像装置では、スキャン速度にもよるが、電子ビームＸの照射電流量は１〜３ｐＡ程度（照射エネルギー：１．５ｋｅＶ）が一般的であり、低速スキャン時にそれ以上の電流を印加すると半導体ウェハが損傷するおそれがある。これに対し、本実施形態による微細領域撮像装置２００によれば、高速スキャンにより、電子ビームＸの照射電流量を１ｎＡ程度（照射エネルギー：１．５ｋｅＶ）まで高めることが可能となる。もちろん、電子ビームＸの照射電流量が高ければ、その分、高い解像度を得ることが可能となる。また、電子ビームＸの照射電流量を高めれば、得られる基板電流ｉもその分大きくなることから、オペアンプなどを用いた電流検出ヘッド１１１の応答速度を大幅に高めることが可能となる。この点も、高速なスキャンに大きく寄与する。

次に、本発明の第３の実施形態について説明する。

本実施形態による微細領域撮像装置の構成は、図４に示した第２の実施形態による微細領域撮像装置２００とほぼ同様であるが、交流変調された電子ビームＸをスキャンするのではなく、その照射位置を断続的に移動させながら、得られる基板電流ｉの交流成分を検出する点において相違している。つまり、図７に示すように、交流変調された電子ビームＸを所定のエリア３０に一定時間（例えば数秒間）照射し続けた後、照射位置を次のエリア３１に移動させ、同じく一定時間、交流変調された電子ビームＸを照射し続ける。このような照射位置の断続的な変化を繰り返しながら交流変調された基板電流ｉの検出を行い、これを復調することによって出力信号ｏｕｔを生成する。一つの照射位置における基板電流ｉの検出は、複数回、例えば１００回程度行い、その平均値を当該照射位置における基板電流値として採用することが好ましい。

一回の照射エリア３０，３１，３２・・・の径については、第１及び第２の実施形態とは異なり、１又は２以上のビアホールを包含可能な大きさ、例えば、直径１００ｎｍ〜数μｍ程度に設定する。この場合、得られる基板電流ｉには各照射エリア３０，３１，３２・・・の全体的な状態が反映されるため、基板電流ｉからは、照射エリア内に含まれる個々のビアホールなどの状態までは分からない。したがって、本実施形態にて得られる出力信号ｏｕｔは、照射エリア内の画像を示すデータではなく、照射エリア内の全体的な表面状態を示すデータとなる。しかしながら、例えば、図８に示すように、異なるチップ領域４０，４０・・・の同一箇所４１，４１・・・に順次電子ビームＸを照射し、これにより得られる基板電流ｉの分布図を作成すれば、半導体ウェハ４２上のどの領域にビアホールの不良などが発生しているかを知ることが可能となる。そして、必要であれば、不良の存在する照射エリア内を第１又は第２の実施形態による方法で詳細に調査し、個々のビアホールの状態などを画像化すればよい。

本実施形態においても、照射する電子ビームＸを交流変調し、電流検出部２１０にて同期検波していることから、電流ドリフトの影響がなくなるとともに、振動・熱雑音・不要輻射（ＥＭＩ）などの外来ノイズの影響を極めて受けにくくなる。また、一回の照射エリア３０，３１，３２・・・の径が大きいことから、ウェハ全体に対する計測を短時間で行うことが可能となる。

尚、本実施形態では、電子ビームＸの照射位置が連続的に変化せず、測定中に電子ビームＸの照射位置が一旦固定されることから、基準信号ｃの周波数としては、第２の実施形態のように高周波とする必要はなく、数十Ｈｚ程度の低周波であっても構わない。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

例えば、上記実施形態では、荷電粒子線として電子ビームを用いた場合を例に説明したが、本発明がこれに限定されるものではなく、イオンビームなど他の荷電粒子線を用いることも可能である。また、撮像対象物についても半導体ウェハに限定されるものではない。また、本発明は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）や透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）にも応用し得るものである。例えば、本発明を走査型電子顕微鏡に応用する場合、電子ビームの照射によって発生した２次電子をエネルギー信号として捉え、その高周波成分を検出すればよい。

本発明の好ましい第１の実施形態による微細領域撮像装置１００の構成を示す模式図である。 第１の実施形態による微細領域撮像装置１００の動作を説明するための図であり、（ａ）は撮像対象となる半導体ウェハ１０の一部分を拡大して示す略部分断面図、（ｂ）は得られる基板電流ｉの波形を示すグラフ、（ｃ）は電流検出部１１０の出力信号ｏｕｔの波形を示すグラフである。 （ａ）はスルーホール２３ａの平面図であり、（ｂ）は出力信号ｏｕｔが得られる領域を示す平面図である。 本発明の好ましい第２の実施形態による微細領域撮像装置２００の構成を示す模式図である。 第２の実施形態による微細領域撮像装置２００の動作を説明するための図であり、（ａ）は撮像対象となる半導体ウェハ１０の一部分を拡大して示す略部分断面図、（ｂ）は得られる基板電流ｉの波形を示すグラフ、（ｃ）は電流検出部２１０の出力信号ｏｕｔの波形を示すグラフである。 （ａ）はスルーホール２３ａの底部に残渣２５が残存している半導体ウェハ１０の略部分断面図、（ｂ）は電流検出部２１０の出力信号ｏｕｔの波形を示すグラフである。 本発明の好ましい第３の実施形態における電子ビームＸの照射方法を説明するための図である。 異なるチップ領域４０，４０・・・の同一箇所４１，４１・・・に電子ビームＸを照射する方法を説明するための図である。 基板電流を検出する従来の微細領域撮像装置による撮像原理を説明するための図であり、（ａ）は撮像対象となる半導体ウェハの略部分断面図、（ｂ）は得られる基板電流ｉの波形を示すグラフ、（ｃ）は基板電流ｉを微分することによって得られる微分出力ｄの波形を示すグラフである。

符号の説明

１０ 半導体ウェハ
１０ａ 半導体ウェハの主面
１０ｂ 半導体ウェハの裏面
１０ｃ 絶縁膜
１１ 素子分離領域
１２ ゲート電極
１３，２１，２３ 層間絶縁膜
２２ 金属配線
１３ａ，２３ａ スルーホール
２４ 側壁
２５ 残渣
１００，２００ 微細領域撮像装置
１０１ 移動ステージ
１０２ 電子ビーム照射部
１０３ 制御部
１０４ 位置検出部
１１０，２１０ 電流検出部
１１１ 電流検出ヘッド
１１２ セカンドアンプ
１１３ 直流カットフィルター
１２０ 画像データ生成部
１２１ 表示部
２０１ 発振回路
２１１ ミキサー
２１２ ハイカットフィルター

Claims (8)

1. 撮像対象物に荷電粒子線を照射する照射手段と、前記荷電粒子線の照射によって発生したエネルギー信号の交流成分を検出する検出手段と、前記検出手段の出力に基づいて、前記撮像対象物の表面状態を示すデータを生成するデータ生成手段とを備えることを特徴とする微細領域撮像装置。
2. 前記荷電粒子線は電子ビームであり、前記エネルギー信号は前記撮像対象物を流れる電流であることを特徴とする請求項１に記載の微細領域撮像装置。
3. 前記撮像対象物は裏面に絶縁膜が形成された半導体ウェハであり、前記検出手段は前記絶縁膜を介して前記半導体ウェハを流れる基板電流を検出するものであることを特徴とする請求項２に記載の微細領域撮像装置。
4. 前記照射手段は、一定出力の前記荷電粒子線を照射するものであり、前記検出手段は、前記エネルギー信号を増幅するアンプと、前記アンプの出力から少なくとも直流成分を除去するフィルターとを含んでいることを特徴とする請求項１に記載の微細領域撮像装置。
5. 前記照射手段は、基準信号に基づき交流変調された前記荷電粒子線を照射するものであり、前記検出手段は、交流変調された前記エネルギー信号を復調することを特徴とする請求項１に記載の微細領域撮像装置。
6. 前記検出手段は、前記基準信号と高周波変調された前記エネルギー信号を乗算するミキサーと、前記ミキサーの出力から不要な周波数成分を除去するフィルターとを含んでいることを特徴とする請求項５に記載の微細領域撮像装置。
7. 照射位置を連続的又は断続的に変化させながら撮像対象物に荷電粒子線を照射し、これにより発生したエネルギー信号の交流成分を検出し、前記エネルギー信号の交流成分に基づいて、前記撮像対象物の表面状態を示すデータを生成することを特徴とする微細領域撮像方法。
8. 照射位置を連続的又は断続的に変化させながら、交流変調された荷電粒子線を撮像対象物に照射し、これにより発生したエネルギー信号を復調することによって、前記撮像対象物の表面状態を示すデータを生成することを特徴とする微細領域撮像方法。

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