KR101730919B1

KR101730919B1 - 하전 입자선 장치

Info

Publication number: KR101730919B1
Application number: KR1020147036134A
Authority: KR
Inventors: 나오마 반; 겐지 오바라; 다케히로 히라이
Original assignee: 가부시키가이샤 히다치 하이테크놀로지즈
Priority date: 2012-08-03
Filing date: 2013-06-21
Publication date: 2017-04-27
Also published as: US9177757B2; WO2014021019A1; JP5836221B2; JP2014032833A; US20150170875A1; KR20150014994A; TWI484169B; TW201415013A

Abstract

본 발명은 주사형 전자 현미경 상(像)에 있어서의 반도체의 구리 배선의 그레인과 보이드의 콘트라스트가 전자선 조사 가속 전압에 의해 변화하는 것에 착목한 결함 검사 장치이다. 본 발명의 하전 입자선 장치는, 시료의 동일 개소에 대하여 전자선을 복수의 가속 전압으로 조사하고, 상기 복수의 가속 전압의 각각 대응하여 취득된 복수의 화상(61, 62)에 있어서의 동일 개소의 콘트라스트 변화량에 의거하여, 그레인(65, 66)과 보이드(67)를 구별한다. 이에 따라, 시료를 파괴하지 않고, 자동이며 고속으로 그레인과 보이드를 구별하여 검출할 수 있다.

Description

하전 입자선 장치{CHARGED PARTICLE BEAM DEVICE}

본 발명은 반도체 디바이스 제조 과정에서 발생한 결함을 검사하기 위한 하전 입자선 장치에 관한 것이다.

최근, 반도체 디바이스의 배선 재료로서, 디바이스의 동작 주파수를 고속화할 목적으로, 배선 지연을 줄이는 수단의 하나로서 저항률이 낮은 구리(Cu)가 사용되고 있다. Cu 배선 프로세스는 절연막에 형성한 트렌치(배선 홈)에 확산 방지막(배리어 메탈)과 전계 도금의 하지 도전막(Cu 시드)을 스퍼터링법으로 순차 형성한 후, 전계 도금법으로 Cu 배선을 메워 넣으면서 형성한다. Cu 배선의 매립 특성은 시드층의 피복 형상이나 전해 도금의 매립 능력 등으로 정해지지만, 미세 형상으로의 매립 능력에는 한계가 있으며, 미세폭의 트렌치에서는 결함이 없는 완전 매립이 곤란하며 보이드 결함이 발생하는 경우가 있다. 특히 배선 내부에 보이드 결함이 발생한 경우에는 단선이나 배선 저항의 증가, 일렉트로마이그레이션 내성의 저하를 초래하므로, Cu 배선의 매립 불량은 배선의 신뢰성, 나아가서는 반도체 디바이스 성능에 따른 중대한 문제가 되므로, Cu 배선 중의 보이드를 인라인에서 검출하는 기술이 요구되고 있다. 또한, 프로세스 기인으로 발생하는 보이드를 인라인에서 검출하고, 그 결과를 프로세스 조건에 피드백하기 위해서는 비파괴로 단시간에 검출할 필요가 있다.

보이드는 배선 내부에 존재하기 때문에, 통상의 반도체 디바이스 검사에서 사용되는 암시야 및 명시야의 광학식 검사 장치로는 검출할 수 없다. 통상은 평탄화 공정(CMP) 후에 SEM을 사용하여 보이드를 검출한다. SEM을 사용하여 배선 내부에 존재하는 보이드를 검출하기 위해서는, 고에너지의 전자선은 시료의 내부까지 침입할 수 있는 5㎸ 이상의 고가속 전압의 전자선을 조사할 필요가 있다. 그러나, 고가속 전압하에서는, 보이드와 동시에 결정립(그레인)의 콘트라스트가 나타나므로, SEM 화상만으로는 그레인과 보이드를 구별하는 것이 곤란해지는 경우가 있다. 보이드를 검출하기 위해서는, FIB(집속 이온빔 장치)에 의한 배선 부분의 단면(斷面) 가공과 TEM 혹은 SEM에 의한 보이드 검출을 조합시킨 FIB+SEM/TEM법을 적용해야 한다. FIB+SEM/TEM법에서는, FIB로 만들어진 배선 단면을 SEM이나 TEM으로 관측함으로써 보이드를 확실하게 특정하는 것이 가능하지만, 본 방법은 부분적 또는 완전한 파괴 검사와 함께, 시료의 준비와 관찰에 다대한 시간이 요하는 것이 과제였다. 이상으로부터 인라인 검사에 적용 가능한 비파괴로 고속으로 간편하게 검출할 수 있는 보이드 검출 방법이 요구되고 있다.

보이드를 검출하는 종래 기술로서 화학 기계 연마(CMP)에 의한 웨이퍼 평면 폴리시와 광학식의 외관 검사 장치에 의한 보이드 검출을 조합시킨 CMP법이 있다. 또한, 배선부의 전기 저항을 측정하고, 보이드가 존재하면 전기 저항이 커지므로 Cu 보이드를 검출하는 프로브 테스트법 등을 들 수 있다.

특허문헌 1에서는, TEM을 사용하여 그레인에 상당하는 결정 결함이나 플러그 및 비어 배선의 결함을 검출하는 기술로서, TEM에 있어서 전자선 입사 방향을 복수 변화시켜서 동일 장소를 관찰함으로써 결정 결함을 관찰하는 기술이 개시되어 있다.

일본국 특개2000-243338호 공보(US6548811)

그레인 결함을 특정하기 위한 종래 기술인 CMP법은 웨이퍼 전체의 검사에는 시간을 요하는 동시에 완전한 파괴이다. 또한, 프로브 테스트법에서는 저항값으로부터 보이드의 유무를 추측하는 것에 지나치지 않고, 배선 중의 보이드 발생 개소나 그 크기에 대해서 알 수 없고, 최종적으로 미세한 보이드나 배선 내부의 보이드의 검출에는, FIB로 배선 단면을 관찰할 수 있도록 가공하여 SEM이나 TEM으로 관찰하는 것이 필요했다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 예를 들면 특허청구범위에 기재된 구성을 채용한다.

본원은 상기 과제를 해결하는 수단을 복수 포함하고 있지만, 그 일례를 들면, 전자선을 집속하여 시료에 조사하는 전자 광학계와, 상기 전자선의 조사에 의해 상기 시료로부터 발생하는 2차 전자 또는 반사 전자를 검출하는 검출기와, 복수의 화상을 비교하여 결함을 검출하는 화상 처리부를 갖고, 상기 전자 광학계는 상기 시료의 동일 개소에 대하여 상기 전자선을 복수의 가속 전압으로 조사하고, 상기 화상 처리부는, 상기 복수의 가속 전압의 각각에 대응하여 취득된 복수의 화상에 있어서의 상기 동일 개소의 콘트라스트 변화량에 의거하여, 그레인과 보이드를 구별하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 비파괴 검사로 미소한 보이드의 발생 영역을 특정할 수 있다.

상기한 이외의 과제, 구성 및 효과는, 이하의 실시형태의 설명에 의해 밝혀진다.

도 1은 본 실시형태의 개략 구성도.
도 2는 촬상 플로우를 나타낸 도면.
도 3은 촬상 플로우를 나타낸 도면.
도 4는 보이드와 그레인의 콘트라스트와 가속 전압의 관계를 나타낸 도면.
도 5는 보이드와 그레인이 각각 존재하는 Cu 배선의 종단면도.
도 6은 보이드와 그레인을 구별하여 보이드 검출 처리의 방법을 설명하는 도면.

우선, 본 발명의 과제에 대해서 더 상세하게 설명한다.

종래의 SEM에 의한 보이드 검출은, 관찰 시에 Cu의 그레인과 보이드를 구별할 수 없는 이유를 이하에 설명한다.

보이드의 SEM상에 있어서의 시인성(視認性)은, 보이드의 콘트라스트에 의해 결정된다. 보이드 콘트라스트란, 보이드의 유무에 따라 시료 내에의 전자선의 침입 깊이가 바뀌고, 결과적으로, 보이드 유무부에서 반사 전자의 방출량이 바뀌기 때문에 발생하는 콘트라스트이다. 시료 내에 보이드가 있는 부위는, 침입 길이가 길어지기 때문에, 반사 전자 방출량은 감소한다. 한편, 보이드가 없는 부위는, 침입 깊이가 얕고, 주변의 보이드가 존재하지 않는 개소보다 반사 전자 방출량이 많아지고, SEM상에서는 주변 부위보다 상대적으로 콘트라스트는 내려가고, 보이드는 저휘도의 흑점으로서 관찰할 수 있다.

그러나, Cu 배선의 매립 과정에 있어서는, Cu의 전계 도금액의 불균일한 흐름이나 피복 형상의 편차에 의해, 그레인의 사이즈는 균일하게 형성되지 않고, 배선 내에 결정 방위가 서로 다른 그레인이 발생한다. 주위의 결정과의 방위차가 큰 특정 방위를 갖는 그레인은 전자 채널링 현상이 발생하고, SEM 화상에 있어서는 보이드와 같이 휘도가 내려가고, 특정 방위를 갖는 그레인과 보이드가 동일 SEM 관찰 영역에 존재하는 경우에는, 그레인과 보이드를 명확하게 구별할 수 없다.

이에 대해서 더 상세하게 설명한다. 전자 채널링 현상이 발생하면, 시료로부터 방출되는 BSE의 양은 변화한다. 예를 들면 Cu 결정 방위가 전자선 입사 방향에 대하여 병행으로 근접하면, 입사 전자는 Cu 원자와의 충돌할 확률이 감소하고, 입사 전자의 침입 길이는 길어져, 결과적으로 시료 표면으로부터의 반사 전자 방출량은 감소하고, SEM상(像)에 있어서는 신호량이 줄어들기 때문에, 휘도값이 낮아져, 어둡게 보인다. 한편 입사 전자 방향에 대하여, 결정 방위가 경사져 있는 경우, 입사 전자는 Cu 원자와의 충돌할 확률이 증가하고, 입사 전자의 침입 길이는 짧아져, 결과적으로 반사 전자 방출량은 증가한다. SEM상에 있어서는 신호량이 늘어나기 때문에, 휘도값이 높아져, 밝게 보인다. 이와 같이 특정 결정 방위를 가진 그레인은 BSE 상에 있어서, 보이드와 같이 어두운 콘트라스트로서 관측되므로, 보이드의 관찰을 방해하고 있었다.

종래 기술의 CMP법은 웨이퍼의 연마와 외관 검사를 반복하여 행하여, SEM이나 광학식 검사 장치를 사용하여 보이드를 검출할 수 있는 방법이지만, 웨이퍼 전체의 검사에는 시간을 요함과 동시에 완전한 파괴 검사이다. 또한, 프로브 테스트법으로는 저항값으로부터 보이드의 유무를 추측하는 것에 지나지 않고, 배선 중의 보이드 발생 개소나 그 크기에 대해서 알 수 없고, 최종적으로 미세한 보이드나 배선 내부의 보이드의 검출에는, FIB+SEM/TEM법에 의한 부분적 또는 완전한 파괴 검사가 필요했다.

종래의 보이드와 그레인을 구별하여 검출하는 기술로서, 예를 들면 특허문헌 1에서는 레이저 조사 시의 발열에 의한 전기 저항의 변화가 고장 개소에 의해 다른 것을 이용하여 Cu 보이드를 검출하는 레이저 유기법이 나타나 있다.

이 방법으로는, 레이저 조사했을 때의 온도 상승에 의해 발생하는 전기 저항의 증대를 관측 전류의 변화로서 파악하고, 빔 주사와 동기시켜서 휘도 변환함으로써, 보이드 발생 개소와 그레인을 화상으로서 파악한다. 그러나, 레이저 유기법과 같은 광학식의 검사 장치로는, 유기 레이저 파장에 기인하는 공간 분해능에 한계가 있으며, 미세 배선(100㎚ 이하)에의 적용은 곤란하다. 또한 배선의 미세화에 의해 배선 저항값의 증대에 따라, 보이드나 그레인에 의해 발생하는 미약한 저항값 변화를 관측하는 것은 곤란하다.

이상 설명한 바와 같이, 고속으로 고감도이며 비파괴로 보이드를 검출하고, 웨이퍼 전체를 검사 가능한 보이드 검사 방법은 없다. 본 발명의 목적의 하나는, Cu 배선의 그레인과 보이드의 SEM상에 있어서의 휘도에 상당하는 콘트라스트가 전자선 조사 가속 전압에 의해 변화하는 것에 착목하여, 시료를 파괴하지 않고, 자동이며 고속으로 그레인과 보이드를 구별하여 검출할 수 있는 관찰 방법을 제공하는 것에 있다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태에 대해서 설명한다. 또, 하전 입자선 장치의 일례로서 주사형 전자 현미경을 사용한 예를 설명하지만, 이것은 본 발명의 단순한 일례이며, 본 발명은 이하 설명하는 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 본 발명에 있어서 하전 입자선 장치란 하전 입자선을 사용하여 시료의 화상을 촬상하는 장치를 넓게 포함하는 것으로 한다. 하전 입자선 장치의 일례로서, 주사형 전자 현미경을 사용한 검사 장치, 리뷰 장치, 패턴 계측 장치를 들 수 있다.

도 1은 전자 현미경의 개략 구성을 나타낸 종단면도이다. 주사형 전자 현미경(SEM)을 반도체 웨이퍼에 형성된 회로 패턴의 결함 리뷰나 칩 내의 미리 지정된 개소를 순차 검사하는 결함 검사나 회로 패턴의 만듦새 검사에 사용할 수 있도록 개량한 촬상 장치(8)는, 전자빔(EB)의 발생으로부터 반도체 웨이퍼(WF)까지의 사이가 진공으로 유지되며, 전자원(9), 콘덴서 렌즈(10, 11), 편향 주사용 코일(12), 대물 렌즈(13), 비점수차 보정 코일(14), XY 스테이지(15), 2차 전자 검출기(25)와 취입 각도가 다른 두 개의 반사 전자 검출기(27, 28)가 마련되어 있다. 또한, 진공 장치의 외부에는, 각종 데이터를 기억하는 기억 장치(16), 화상이나 검사 결과를 표시하는 디스플레이(17), 장치의 동작 지시를 입력하는 입력 장치(18), 시료의 화상을 생성이나 연산을 하는 화상 연산부(20), 검출기로부터의 신호를 A/D 변환하는 A/D 변환부(21), 전자 광학계에 포함되는 각 부품을 제어하는 전자 광학계 제어부(22), 스테이지를 제어하는 스테이지 제어부(23), 전자원(9)에 접속된 고전압 안정화 전원(24)이 설치되어 있다. 전체 제어부(19)에는 결함 검출 처리나 패턴 만듦새 평가를 행하는 화상 처리 서버(26)가 마련되어 있다. 또한 필요에 따라 네트워크를 통하여 외부 화상 처리 서버(33)가 접속되어 있다.

시스템의 구성은 이것에 한정되지 않고, 시스템을 구성하는 장치의 일부 또는 전부가 공통 장치여도 된다. 또한, 하전 입자선 장치에는 이외에도 각 부분의 동작을 제어하는 제어부나, 검출기로부터 출력되는 신호에 의거하여 화상을 생성하는 화상 생성부가 포함되어 있는 경우도 있다(도시 생략). 제어부나 화상 처리부는, 전용의 회로 기판에 의해 하드웨어로서 구성되어 있어도 되며, 하전 입자선 장치에 접속된 컴퓨터로 실행되는 소프트웨어에 의해 구성되어도 된다. 하드웨어에 의해 구성하는 경우에는, 처리를 실행하는 복수의 연산기를 배선 기판 위, 또는 반도체칩 또는 패키지 내에 집적함으로써 실현할 수 있다. 소프트웨어에 의해 구성하는 경우에는, 컴퓨터에 고속인 범용 CPU를 탑재하여, 원하는 연산 처리를 실행하는 프로그램을 실행함으로써 실현할 수 있다. 이 프로그램이 기록된 기록 매체에 의해, 기존의 장치를 업그레이드하는 것도 가능하다. 또한, 이들 장치나 회로, 컴퓨터 사이는 유선 또는 무선의 네트워크로 접속되며, 적합한 데이터가 송수신된다.

검사 대상이 되는 반도체 웨이퍼(WF)는, XY 스테이지(15)에 탑재된다. 전체 제어부(19)로부터의 제어 신호가 스테이지 제어부(23)로 보내지고, 스테이지 제어부(23)로부터 XY 스테이지(15)로 보내지고, XY 스테이지(15)가 X, Y방향으로 이동 제어된다. 전자원(9)으로부터 발사된 전자빔(EB)은, 콘덴서 렌즈(10, 11), 대물 렌즈(13)에 의해 수속되며, 편향 주사용 코일(12)에 의해 반도체 웨이퍼(WF) 위를 스캔함으로써, 검사 대상의 반도체 웨이퍼(WF)에 조사되며, 이 조사에 의해 반도체 웨이퍼(WF)로부터 얻어지는 2차 전자가 2차 전자 검출기(25)로, 반사 전자가 반사 검출기(27)와 반사 전자 검출기(28)로 검출되며, A/D 변환부(21)로 아날로그 신호로부터 디지털 신호로 변환 처리되어서, 반도체 웨이퍼(WF)의 디지털 화상 데이터(SEM 화상)가 생성되며, 디스플레이(17)에 표시된다. 이하, 2차 전자 검출기(25)에서 생성된 SEM 화상을 SE상, 반사 전자 검출기(27)와 반사 전자 검출기(28)에서 생성된 SEM 화상을 BSE상이라고 한다. 결함의 리뷰나 패턴 검사를 하는 전자 현미경은, 반사 전자 신호로부터 얻어지는 음영 정보로 요철 판정을 행하기 위해서, 적어도 하나 이상의 반사 전자 검출기를 구비하고 있다. 본 발명의 실시형태에서 사용하는 촬상 장치(8)는 반사 전자 취입 방위가 서로 다른 두 개의 반사 전자 검출기(27)와 반사 전자 검출기(28)가 구비되어 있다. 결함 검출 처리 등의 화상 처리는 화상 처리 서버(26)에서 행해진다. 결함 검사에서는 오퍼레이터는 입력 장치(18)에 있어서, 가속 전압이나 빔 전류 등의 광학 조건, 결함을 검출하기 위한 감도나 역치 등의 결함 검출 조건, 반도체 웨이퍼(WF)의 검사 대상 칩과 칩 내의 검사 좌표의 입력 항목을 입력하고, 그들은 레시피로서 등록되어 기억 장치(16)에 보존된다.

전체 제어부(19)에서는, 레시피에 등록된 검사 좌표 위치에 의거하여, 검사 위치가 촬상 장치(8)의 시야에 들어가도록 스테이지 제어부(23)에 스테이지 이동 명령을 보내고, XY 스테이지(15)가 이동하여, 지정한 배율 설정으로 촬상한다. 이 화상을 관찰 화상이라고 한다. 또한 필요에 따라 반도체 웨이퍼(WF) 내의 관찰 부위가 존재하는 칩에 인접한 칩의 동(同)부위를 지정한 배율 설정으로 촬상한다. 이 부위는 관찰 부위와 같은 패턴이 형성되어 있는 부위이며, 이 화상을 참조 화상이라고 한다. 참조 화상은 관찰 대상 패턴이 반복 패턴으로 형성되는 셀인 경우에는, 관찰 화상으로부터 생성되는 경우도 있다. 또한, 복수의 칩에 있어서 칩 내의 동일 개소를 검사하는 정점 검사에 있어서는, 검사 감도를 높이는 목적이나 검사 시간을 단축할 목적으로, 검사로 취득한 복수의 화상을 합성함으로써 참조 화상을 생성한다. 또한, 참조 화상을 실제의 SEM 화상이 아니라, CAD 데이터 등을 사용하여 인위적으로 만들어 낸 참조 화상을 사용할 수도 있다. 취득한 관찰 화상과 참조 화상의 화상 비교에 의한 결함 검출 처리가 화상 처리 서버(26)에서 행해진다. 또한 필요에 따라 취득한 화상 데이터는, 네트워크를 통하여 외부 화상 처리 서버(33)로 전송되며, 외부의 화상 처리 서버(33)에서 결함 검출 처리나 반도체 패턴의 만듦새 등을 정량화하는 화상 평가가 행해진다.

전자원(9)으로부터 발사된 전자빔(EB)의 가속 전압은 인출 전극(40)의 인가 전압에 의해 제어된다. 본 실시형태에서는, 가속 전압의 제어는 인출 전극(40)의 인가 전압을 제어하는 방식을 예로 설명하지만, 가속 전압의 제어 방법은 상관없이 각종 형태를 취해도 되며, 전자선 조사의 과정에서 최종적으로 반도체 웨이퍼(WF)에 조사되는 가속 전압을 제어할 수 있으면 된다. 예를 들면, 반도체 웨이퍼(WF)에 음의 전압을 인가하여, 전자빔(EB)을 반도체 웨이퍼(WF)에 입사하기 직전에 감속시키는 리타딩 방식에 의해서도 반도체 웨이퍼(WF)에 조사되는 가속 전압을 제어하는 것이 가능하다. 또한, 전자선 조사 경로에 전자빔을 가속 및 감속시키는 전극을 설치함으로써도 가속 전압을 제어하는 것이 가능하다.

다음으로 상술의 장치에서의 실시를 예로 들어, 본 실시예에 있어서의 자동 결함 관찰 시의 화상 취득 플로우를 도 2를 사용하여 설명한다. 웨이퍼를 로드 후(201), 제1 가속 전압을 설정한다(202). 웨이퍼 얼라인먼트(203)를 행한 후, 미리 검사 조건으로서 레시피에 등록된 검사 위치 정보에 의거하여 XY 스테이지의 이동(204)에 의해, 검사 위치에 촬상 장치(8)의 시야를 이동하여, 관찰 화상을 촬상한다(205).

이후, 다음 검사 위치가 있으면, XY 스테이지의 이동에 의해, 각 검사 위치로 순차 이동하고, 모든 검사 위치의 관찰 화상을 취득하여, 제1 가속 전압에서의 관찰 화상 취득 플로우가 종료한다(206). 다음으로 제2 가속 전압으로 설정하고, 제1 가속 전압에서의 관찰 화상 취득 플로우와 같이, 제1 가속 전압으로 관찰한 모든 검사 위치에 대해서 관찰 화상을 촬상하여, 제2 가속 전압에서의 관찰 화상 취득 플로우가 종료한다(207). 그 후, 웨이퍼를 언로드한다(208). 순차 촬상하는 복수의 가속 전압은, 유저가 검사 정보로서 레시피로 설정할 수 있고, 제3 가속 전압, 제4 가속 전압과 복수의 가속 전압이 검사 조건으로서 레시피에 등록되어 있는 경우에는, 제3 가속 전압, 제4 가속 전압과 설정한 복수의 가속 전압으로 상기 플로우가 반복 실행된다.

상술의 관찰 화상 취득 플로우는 일례이며, 동일 개소를 복수의 가속 전압으로 촬상한 관찰 화상을 취득할 수 있는 것이면, 그 순서는 상관없다. 예를 들면, 도 3에 나타낸 바와 같이, 검사 위치로 이동 후(303), 가속 전압을 설정(304)하여 관찰 화상을 취득(305)한 후, 다음의 가속 전압으로 설정하여(306) 반복 복수의 가속 전압으로 동일 개소를 촬상한 후, 다음 검사 위치가 있으면(307), 다음 검사 위치로 XY 스테이지 이동(303)한다는 플로우여도 된다. 또한 통상 광학 조건을 변경하면 광축이 어긋나고, 결과적으로 SEM으로 관찰하는 시야가 이동해 버리는 경우가 있기 때문에, 가속 전압 변경 시에 미리 기지의 가속 전압 사이의 시야 편차량을 보정해도 되며, 가속 전압 변경 후의 웨이퍼 얼라인먼트를 실행해도 된다.

여기에서, 본 발명의 특징인 복수의 가속 전압의 결정 방법과 복수의 가속 전압으로 동일 개소를 촬상하는 이유에 대해서 설명한다. 가속 전압은 보이드와 그레인의 콘트라스트에 영향을 주는 것은 앞서 설명했다. SEM 화상에 있어서의 보이드의 콘트라스트는, 보이드가 존재하는 부위와 그 주변의 보이드가 존재하지 않는 부위로부터 방출되는 반사 전자량의 차로 발생하는 휘도의 차이며, 그레인의 콘트라스트는 부위마다 결정 방위의 상이로 발생하는 휘도값의 차이다.

휘도의 차가 발생하는 원인에 대해서 상세하게 설명한다. 보이드가 배선 내부에 존재하는 부위에 있어서는, 전자의 시료 내에 있어서의 침입을 방해하는 물질이 존재하지 않기 때문에, 1차 전자의 침입 길이는 길어지고, 보이드가 존재하지 않는 부위보다 깊게 침입하고, 시료 표면 즉 배선의 표면으로부터 방출되는 반사 전자의 신호량은 감소하고, 결과적으로 SEM 화상에 있어서 화소의 휘도는 내려가고, 당해 부위는 검어진다. 한편, 시료에 입사하는 1차 전자선과 평행한 결정 방위를 가진 그레인에 있어서는, 전자 채널링 현상이 생기기 어려워져, 침입 길이가 길어짐으로써 시료 표면으로부터 방출되는 반사 전자량은 감소한다. 상술의 결정 방위를 갖는 그레인은 SEM 화상에 있어서 휘도가 내려가 당해 부위는 어두워진다. 보이드나 그레인이 존재하는 부위에 있어서의 휘도의 저하는, 주변 부위와의 휘도차는 SEM 화상에 있어서 콘트라스트의 상승을 의미한다. 이상으로부터, 보이드의 콘트라스트는 가속 전압과 존재 깊이에 의존하고, 그레인의 콘트라스트의 크기는 가속 전압과 그레인의 결정 방위에 의존하므로, 보이드와 그레인의 콘트라스트는, 그 사이즈나 존재하는 깊이나 결정 방위의 차이에 따라 콘트라스트의 대소는 있지만, 기본적으로 가속 전압에 의존하여 각각 다른 변화를 나타낸다.

보이드와 그레인의 콘트라스트와 가속 전압의 관계에 대해서, 선폭이 30㎚, 깊이가 60㎚의 미세 Cu 배선을 예로, 도 4를 사용하여 상세하게 설명한다. 도 4는 가속 전압 E0을 300V∼20㎸까지 변경했을 때의, 절연막으로 둘러싸인 Cu 배선에 존재하는 깊이 위치가 다른 보이드A(22), 보이드B(23), 보이드C(24)와 결정 방위가 다른 그레인A(25)와 그레인B(26)의 콘트라스트의 변화의 예를 나타내고 있다. 횡축은 가속 전압이며 세로축은 콘트라스트 값이다. 콘트라스트 값이 클수록, 당해 부위와 그 주변 부위의 휘도값의 차가 큰 것을 의미하고 있으며, 보이드 관찰이나 검출이 용이해진다. 또, 보이드가 존재하지 않는 경우에는 가속 전압에 상관없이 콘트라스트 값은 1이 된다.

도 4에서 도시된 보이드A(22)와 보이드B(23)와 보이드C(24)와 그레인A(25)와 그레인B(26)가 각각 존재하는 Cu 배선의 종단면도를, 도 5에 나타낸다. 보이드A(22)는 배선의 상부에 위치하고, 보이드B(23)는 배선 중부에 위치하고, 보이드C(24)는 배선 하부에 위치하고 있다. 그레인A(25)와 그레인B(26)는 결정 방위가 각각 다르다. 도 4에서부터 보이드A(22)와 보이드B(23)와 보이드C(24)는 가속 전압의 상승에 따라서 콘트라스트가 상승하고 있는 것을 알 수 있다. 보이드A(22)는 보이드B(23)보다 배선 표면에 근접하는 위치에 존재하기 때문에, 1차 전자의 침입 길이는 짧아도 되며, 3㎸∼5㎸의 범위에서 콘트라스트가 상승하는 경향을 나타내고, 5㎸에서 그 최대값을 얻을 수 있다. 한편, 보이드C(24)는 배선 하부의 깊은 위치에 존재하기 때문에, 1차 전자의 침입 길이가 길 필요가 있으며, 5㎸∼7㎸의 범위에서는 콘트라스트를 얻을 수는 없고, 7㎸로 상승하고, 10㎸로 가장 높은 콘트라스트 값을 얻는다. 10㎸ 이상의 가속 전압에서는 1차 전자의 침입 길이가 Cu 배선의 깊이보다 길어지기 때문에, 보이드A와 B와 C의 콘트라스트는 저하되어 간다. 그레인A(25)와 그레인B(26)는 결정 방위의 차이에 따라 콘트라스트 값은 다르지만, 어느 쪽도 가속 전압이 5㎸로 콘트라스트가 최대가 되는 경향을 나타내고, 5㎸ 이상으로부터는 보이드와 비교하여 콘트라스트의 변화는 작다.

이상 설명한 바와 같이, 그레인과 보이드의 콘트라스트 값은 가속 전압에 크게 의존하고, 각각 특징적인 경향을 갖고 있는 것을 알 수 있다. 또한, 보이드가 존재하는 깊이에 따라서도 콘트라스트 값의 가속 전압 의존성은 다른 것을 알 수 있다.

도 4에서 나타낸, 보이드C(24)와 그레인A(25)가 촬상 시야 내에 양쪽 모두 존재하는 Cu 배선에 대하여 5㎸까지의 가속 전압에서는, 그레인A를 관찰할 수는 있지만, 보이드C(24)는 콘트라스트가 얻어지지 않고 관찰할 수 없다. 또한, 가속 전압 10㎸∼20㎸의 범위에서는, 보이드C(24)와 그레인A(25)가 관찰 가능하지만, 보이드C(24)와 그레인A(25)의 콘트라스트는 대략 동등해지고, 종래의 동일 가속 전압으로 촬상한 관찰 화상과 참조 화상을 사용한 비교 검사에 의한 결함 검출 처리에 있어서는, 관찰 화상과 참조 화상의 차화상의 콘트라스트의 변화량에 역치를 마련해서 검출하기 때문에, 보이드C(24)와 그레인A(25)는 동일 결함으로서 검출되어 버린다. 그 때문에, 검출하기에 충분한 콘트라스트의 차가 얻어지는 복수의 가속 전압으로 반복하여 동일 개소를 촬상하고, 화상을 비교하는 것이 중요한 것을 알 수 있다.

복수의 가속 전압으로서 선택되기에 최적인 가속 전압은, 그레인의 콘트라스트 변화량이 작은 것에 대해서 보이드의 콘트라스트 변화량이 커지는 가속 전압이다. 도 4에서 도시된 각 보이드 및 각 그레인이 존재하는 예로서는, 3∼7㎸와 10∼20㎸ 내로부터 선택하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 5㎸와 10㎸로 관찰된 변화량이 작은 콘트라스트는 그레인 기인에 의한 것이라고 용이하게 추측할 수 있다. 반대로 콘트라스트 변화량이 큰 경우, 보이드로 특정할 수 있다.

복수의 가속 전압은 적어도 두 개 이상 필요하지만, 고정밀도로 보이드와 그레인을 구별하기 위해서는 3개 이상의 가속 전압으로 동일 개소를 촬상하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 보이드를 관측할 수 없는 3㎸나 10㎸에 대하여 보이드의 콘트라스트가 저하하는 20㎸를 추가함으로써, 보이드와 그레인을 구별하는 판정 정밀도를 높일 수 있다. 또한, 많은 가속 전압에 의해 촬상하면, 가속 전압과 콘트라스트 변화의 특성으로부터 깊이 위치를 특정하는 것도 가능하다.

이상 설명한 바와 같이, 보이드와 그레인을 구별하기 위해서는, 가속 전압에 대한 그레인과 보이드에 특징적인 콘트라스트 변화에 의거하여 보이드와 그레인을 검출할 필요가 있는 것을 알 수 있다.

다음으로 복수의 가속 전압으로 촬상한 관찰 화상을 사용한 보이드 및 그레인 검출 처리에 대해서 설명한다. 촬상한 관찰 화상은 일단 기억 장치(16)에 보존된 후, 화상 처리 서버(26)로 전송되며, 다른 가속 전압으로 촬상한 관찰 화상끼리 차분 처리가 행해진다. 차분 처리의 결과, 얻어지는 차화상으로부터, 그레인과 보이드를 구별하여 검출하는 검출 처리가 행해진다. 차분 처리 및 검출 처리는, 관찰 화상의 촬상과 평행하여 리얼 타임으로 처리해도 되며, 검사 후에 외부 화상 처리 서버(33)로 전송하고, 오프라인으로 처리해도 된다. 이들 처리는, 외부 화상 처리 서버(33)로 화상 촬상 플로우 실행 중에 리얼 타임으로 처리할 수 있는 것은 말할 필요도 없다.

여기에서 본 실시형태에 있어서의, 제1 가속 전압 5㎸와 제2 가속 전압 10㎸로 동일 개소를 촬상한 화상을 사용한 예로서, 보이드와 그레인을 구별하여 보이드 검출 처리의 방법에 대해서, 도 6을 사용하여 이하 상세하게 설명한다. 제1 가속 전압 5㎸로 촬상한 관찰 화상(61)과 제2 가속 전압 10㎸로 촬상한 관찰 화상(62)을 사용한 보이드 영역의 추출은 차분 처리에 의해 행해진다. 관찰 화상(61)에는 그레인(65)이 존재하고, 관찰 화상(62)에는 그레인(66)과 보이드(67)가 존재한다. 이들 화상을 차분 처리에 의해 중간 차화상(67)을 생성한다. 그 후, 중간 차화상(63)을 적절한 역치로 2치화된 차화상(64)을 생성하고, 보이드 영역(69)을 얻는다. 그러나, 일반적으로, SEM 화상에 있어서는, 관찰하는 광학 조건이나 표면 구조나 재질 및 재료에 따라서는, 보이드와 그레인은 검출에 필요한 충분한 콘트라스트가 얻어지지 않는 경우가 있다.

중간 차화상(63)을 생성 시에 필요에 따라, 중간 차화상(63)의 생성 전에 관찰 화상(61)과 관찰 화상(62)에 대하여, 검출 감도나 정밀도를 높이는 목적으로, 각종 화상 처리가 행해진다. 예를 들면, 복수의 검출기를 갖고 있는 경우, 복수의 검출기로 형성된 복수의 화상을 합성하는 것이나, 관찰 화상(61)과 관찰 화상(62)의 밝기나 콘트라스트가 다른 경우, 각각의 화상에 대하여 콘트라스트나 밝기의 조정이 행해진다. 시료의 대전에 의해 발생하는 SEM 화상 전체의 콘트라스트나 밝기의 불균일은 필요에 따라 보정된다. 관찰 화상(61)과 관찰 화상(62)의 촬상 위치가 어긋나 있는 경우에는 차화상을 작성할 때에 얼라인먼트 처리를 행한다.

또한, 관찰 화상(61)과 관찰 화상(62)의 차분의 콘트라스트 값(휘도값)으로 구성된 중간 차화상(63)에는 픽셀 단위로 구성된 보이드 영역(68)이 나타난다. 관찰 화상(61)과 관찰 화상(62)의 중간 차화상(63)에 있어서 휘도값의 변화량이 큰 부위가 보이드로서 검출할 수 있다. 중간 차화상(63)에 있어서의 보이드 영역(68)의 휘도값은 미리 레시피에 등록한 감도의 설정에 의거하여 증폭된다. 차화상(64)에 있어서의 보이드 영역의 크기는 미리 레시피에 등록한 감도와 역치 파라미터에 의해 결정된다. 통상은 검출 대상의 보이드가 검출 가능한 값을 설정한다. 또한 필요에 따라 검사 감도를 향상시키는 목적으로, 관찰 화상 내의 검출하고자 하는 영역만을 차분 처리의 대상으로 한다. 예를 들면, 본 실시예에서는 Cu 배선 중의 보이드만이 검출 대상이므로, 검출 대상 영역은 Cu 배선(601)만으로 한정하면 효과적으로 검출할 수 있다.

도 6에서는 보이드와 그레인의 판별을 주된 구체예로서 설명했지만, 같은 방법에 의해, 검출 대상으로 하고자 하는 깊이에 있는 보이드와 그 이외의 깊이에 있는 보이드를 판별하는 것도 당연 가능하다. 예를 들면, 중간 차화상으로부터 얻을 수 있는 보이드의 콘트라스트 값과 미리 보이드의 깊이와 콘트라스트 값의 관계가 보존된 테이블을 비교 참조함으로써 보이드의 깊이를 판별할 수 있다.

이상 설명한 방법에 의하면, 복수의 가속 전압으로 동일 개소를 촬상하고, 촬상한 복수의 화상의 차분 처리를 하기 때문에, Cu 배선 중에 존재하는 보이드를 그레인과 구별하여 검출할 수 있다. 이에 따라, 반도체 디바이스의 메탈 배선 공정에서 발생하는 보이드를 인라인에서 비파괴하고 웨이퍼 전체를 단시간으로 검사함으로써, 반도체 디바이스의 배선 공정의 프로세스 조건의 최적화에 요하는 시간을 단축할 수 있다.

또, 본 발명은 상기한 실시예로 한정되는 것은 아니며, 각종 변형예가 포함된다. 예를 들면, 상기한 실시예는 본 발명을 이해하기 쉽게 설명하기 위해서 상세하게 설명한 것이며, 반드시 설명한 모든 구성을 구비하는 것에 한정되는 것은 아니다.

또한, 상기의 각 구성, 기능, 처리부, 처리 수단 등은, 그들의 일부 또는 전부를, 예를 들면 집적 회로로 설계하는 등에 의해 하드웨어로 실현해도 된다. 또한, 상기의 각 구성, 기능 등은, 프로세서가 각각의 기능을 실현하는 프로그램을 해석하고, 실행함으로써 소프트웨어로 실현해도 된다. 각 기능을 실현하는 프로그램, 테이블, 파일 등의 정보는, 메모리나, 하드디스크, SSD(Solid State Drive) 등의 기록 장치, 또는, IC 카드, SD 카드, DVD 등의 기록 매체에 둘 수 있다.

또한, 제어선이나 정보선은 설명상 필요하다고 생각되는 것을 나타내고 있으며, 제품상 반드시 모든 제어선이나 정보선을 나타내고 있다고는 할 수 없다. 실제로는 거의 모든 구성이 서로 접속되어 있다고 생각해도 된다.

68 보이드 영역
69 보이드 영역

Claims

전자선을 집속(集束)하여 시료에 조사하는 전자 광학계와,
상기 전자선의 조사에 의해 상기 시료로부터 발생하는 2차 전자 또는 반사 전자를 검출하는 검출기와,
복수의 화상을 비교하여 결함을 검출하는 화상 처리부를 갖고,
상기 전자 광학계는 상기 시료의 동일 개소에 대하여 상기 전자선을 복수의 가속 전압으로 조사하고,
상기 화상 처리부는, 상기 복수의 가속 전압의 각각에 대응하여 취득된 복수의 화상에 있어서의 상기 동일 개소의 콘트라스트 변화량의 크기의 차이에 의거하여, 그레인과 보이드를 구별하는 것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
제1항에 있어서,
상기 복수의 가속 전압은, 그레인의 상기 전자선의 가속 전압 변화에 대한 콘트라스트 의존성과 보이드의 상기 전자선의 가속 전압 변화에 대한 콘트라스트 의존성과의 차(差)에 의거하여 결정되는 것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
제1항에 있어서,
상기 복수의 화상은, 제1 가속 전압으로 촬상된 제1 화상과 상기 제1 가속 전압과는 다른 제2 가속 전압으로 촬상된 제2 화상을 적어도 포함하고,
상기 제1 가속 전압에 있어서의 보이드와 그레인의 콘트라스트의 차는, 상기 제2 가속 전압에 있어서의 보이드와 그레인의 콘트라스트의 차보다 크고,
상기 화상 처리부는, 상기 제1 화상과 상기 제2 화상을 비교함으로써 상기 제1 화상과 상기 제2 화상의 차를 구하고, 상기 차의 영역을 보이드로 판정하는 것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
전자선을 집속하여 시료에 조사하는 전자 광학계와,
상기 전자선의 조사에 의해 상기 시료로부터 발생하는 2차 전자 또는 반사 전자를 검출하는 검출기와,
복수의 화상을 비교하여 결함을 검출하는 화상 처리부를 갖고,
상기 전자 광학계는 상기 시료의 동일 개소에 대하여 상기 전자선을 복수의 가속 전압으로 조사하고,
상기 화상 처리부는, 상기 복수의 가속 전압의 각각에 대응하여 취득된 복수의 화상에 있어서의 상기 동일 개소의 콘트라스트 변화량의 크기의 차이에 의거하여, 상기 시료의 표면으로부터 미리 지정된 깊이에 있는 보이드를 판별하는 것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
제4항에 있어서,
상기 복수의 가속 전압은, 제1 깊이에 있는 보이드의 상기 전자선의 가속 전압 변화에 대한 콘트라스트 의존성과 상기 제1 깊이와는 다른 제2 깊이에 있는 보이드의 상기 전자선의 가속 전압 변화에 대한 콘트라스트 의존성과의 차에 의거하여 결정되는 것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
제4항에 있어서,
상기 복수의 화상은, 제1 가속 전압으로 촬상된 제1 화상과 상기 제1 가속 전압과는 다른 제2 가속 전압으로 촬상된 제2 화상을 적어도 포함하고,
상기 제1 화상 및 상기 제2 화상은, 적어도 제1 보이드의 상(像)과, 상기 제1 보이드와는 다른 깊이에 있는 제2 보이드의 상을 포함하고,
상기 제1 가속 전압에 있어서의 제1 보이드와 제2 보이드의 콘트라스트의 차는, 상기 제2 가속 전압에 있어서의 상기 제1 보이드와 상기 제2 보이드의 콘트라스트의 차보다 크고,
상기 화상 처리부는, 상기 제1 화상과 상기 제2 화상을 비교함으로써 상기 제1 화상과 상기 제2 화상의 차를 구하고, 상기 차의 영역을 제1 보이드 또는 제2 보이드로 판정하는 것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.