TWI420096B - 電子束缺陷複查系統 - Google Patents

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TWI420096B TW098142688A TW98142688A TWI420096B TW I420096 B TWI420096 B TW I420096B TW 098142688 A TW098142688 A TW 098142688A TW 98142688 A TW98142688 A TW 98142688A TW I420096 B TWI420096 B TW I420096B
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Description

電子束缺陷複查系統
本發明係下列美國專利申請案的相關申請案：美國專利申請號12/024,033，申請日2008年1月31日，題為”Smart Defect Review for Semiconductor Integrated Circuit”；美國專利申請號12/257,304，申請日2008年10月23日，題為”A Charged Particle Beam Apparatus”(台灣專利公開號TW201021077 A1，「電子束裝置」)；美國專利申請號11/759,138，申請日2007年6月6日，題為”Optical Auto Focusing System and Method for Electron Beam Inspection Tool”；以及美國專利申請號12/232,834，申請日2008年9月25日，題為”Method for Regulating Scanning Sample Surface Charge in Continuous and Leap-and-Scan Mode Imaging Process”_(台灣專利公開號TW201013737 A1，「連續式及跳躍式成像掃描之樣本表面電荷調節方法」)。
本發明是相關於缺陷複查系統，特別是關於在半導體製程中一晶圓或一圖案微影光罩(pattern lithography reticle)之缺陷的複查取樣、缺陷複查、缺陷分類的裝置與方法；然而，本發明也可以具有更為廣泛的應用範圍。
一帶電粒子束裝置通常利用一掃描電子顯微鏡(scanning electron microscopy)，其技術內容已為半導體製造領域所熟知。在半導體製造過程中，缺陷通常發生在光罩或晶圓處，造成良率大幅降低；為此，缺陷檢查系統(defect inspection system)與缺陷複查系統(defect review system)是半導體生產管理上檢查缺陷所採用的兩種重要方法或系統。
一缺陷檢查系統所檢查的缺陷包含粒子污染、圖案異常(或缺陷)、製程所導致的異常。而缺陷檢查結果通常經由缺陷檢查系統傳送到缺陷複查系統，傳送的資訊通常是該受檢半導體元件中之圖案發生缺陷的所在位置，或是「缺陷地圖」(defect map)。缺陷複查系統根據缺陷地圖，以更大的放大倍率與更佳的解析度再檢查這些缺陷，然後以X光能譜散佈分析儀(Energy Dispersive Spectrometer，EDS)分析缺陷發生的原因。電子束(e-beam)缺陷複查系統不但可用來複查電子束缺陷檢查系統所傳送的缺陷地圖，通常也可以用來複查光學缺陷檢查系統(optical defect inspection system)所傳送的缺陷地圖。
除了更高解析度的圖像，缺陷複查系統也必須具有偵測缺陷之立體圖像的功能(可檢閱缺陷是突出或凹陷的形態)，以對缺陷進行構形分析(topography analysis)。另外，由電子撞擊樣品表面造成的晶圓表面電荷累積是另一個影響圖像品質的重要議題。
缺陷複查系統的軟體部分中，自動缺陷複查步驟是整個複查程序能否成功的關鍵技術。在載入缺陷地圖後的自動缺陷定位(automatic defect locating，ADL)、缺陷複查、缺陷分類(受檢晶粒與 其他晶粒比較或受檢晶粒與設計資料庫比較)是非常複雜與耗時的程序。
因此，亟需一缺陷複查系統與方法著重在改善上述議題，而本發明提供的缺陷複查系統即符合所求。
本案相關申請案，台灣專利公開號TW201021077 A1，揭露一種「電子束裝置」。在說明書提到，一實施例揭露一具有大尖端半徑之場發射陰極(field emission cathode)，藉以減少電子放射電流密度(electron emission current density)而不減少角密度(angular intensity)。另一實施例揭露，於陰極與陽極之間施加一跨越地電位的大加速電壓，藉在不降低角密度(angular intensity)下，減少總發射電流(total emission current)。另一實施例於聚光鏡(condenser lens)之前設置粒子束限制光圈(beam limit aperture)，藉以減少在粒子束限制光圈(beam limit aperture)之前所產生的Coulomb效應。另一實施例應用聚光鏡之激發電流(condenser lens excitation current)，藉以最佳化影像解析度而不改變探針電流(probe current)。另一實施例施加相對於地電位，高正偏壓於電子束管(high positive tube bias)與高負偏壓於樣本(high negative sample bias)上，藉以減少像差(objective aberration)與Coulomb效應。根據上述系統與方法採用並改良浸沒磁場減速掃瞄物鏡(Swinging Objective Retarding Immersion Lens：SORIL)系統，藉以緩和大視野或電性漂移時之像差。
根據上述系統與方法應用具有快速掃描能力之SORIL物鏡，並且於樣本與偵測裝置之間施加一大電壓差，藉以提供樣本檢查、複查、物質判定(material identification)之較佳之生產能力。此種設計使 得二次電子(secondary electron以較大動能撞擊偵測器，而得到較高偵測增益。後續可提供較高信噪比(signal to noise ratio)而有益於影像品質。
根據上述系統與方法提供形貌分析(topography analysis)之解決方案，該解決方案應用並修改一多通道偵測器(multi-channels detector)。由不同通道所得到的信號可整合產生一立體影像。最後可確認所偵測缺陷之形貌分析(topography analysis)。該系統與方法可大幅減少掃描時的軸向(on-axis)與偏軸像差(off-axis aberration)，而增加高解析度之視野。
TW201021077該案還提供一種帶電粒子束裝置，其包含一電子束源、電子束鏡筒(electron beam column)以及一偵測單元。該裝置具有高解析度、高產能以及物質判定能力，適合作為缺陷檢查或複查工具。一種使用掃描式電子顯微鏡，藉以進行樣本檢查與缺陷複查之帶電粒子束裝置。該裝置具有高解析度、高產能以及立體影像偵測。
為了藉由減少色像差(chromatic aberration)與降低電子束內電子間電荷交互作用效應，而得到最佳影像解析度，有多種方式可供應用。對於電子源來說，可選擇一氧化鋯/鎢場發射陰極(ZrO/W field emission cathode)作為電子源，該氧化鋯/鎢場發射陰極具有較大之槍尖尖端半徑，例如，尖端半徑介於1.2-1.6微米(micro)，而非傳統0.5微米之尖端半徑。當氧化鋯/鎢場發射陰極為一Schottky型熱發射源(Schottky type thermal emission source時，氧化鋯塗佈於鎢發射槍尖。相對於傳統槍尖，較大的陰極槍尖尖端半徑於陰極槍尖表面產生較小的電子密度，因此降低電子間電荷交互作用效應，而在電子源輸出 具有較小能量散佈之入射電子束(primary beam)。使用較大的陰極槍尖尖端半徑的缺點為虛擬源尺寸(virtual source size)增大，然後需要一較大的縮倍(demagnification)，才能在樣本上得到最小的光斑(beam spot)。一較大的縮倍(demagnification)需要一強大的浸沒物鏡(immersion object lens)或較長的陰極槍尖至物鏡距離。
另一個降低電子間電荷交互作用效應的方法是減少電子的數量。一實施例於聚光鏡(condenser lens)之前設置粒子束限制光圈(beam limit aperture)。這種設計可快速限縮電子束電流至所需要的微小探針電流(probe current)，而減少電荷交互作用效應。這種設計的一優點是入射電子束(primary beam)通過光圈後不會被聚光鏡(condenser lens)影響。因此，不同衝擊能量(landing energy)與不同探針電流(probe current)之影像解析度可藉由調整對應之聚光鏡激發電流(condenser excitation current)而最佳化。
如上所述，當電子以高動能移動時，可產生較小像差。一實施例直接施加一大加速電壓於陽極與陰極槍尖之間，如同美國專利申請案Chen et al.(US 12/130879，申請於2008/5/30)所揭露，該大加速電壓，例如，施加跨越地電位的15KV或更大電壓於陰極與陽極之間。這種設計提昇了樣本上相對於地電位之負偏壓之同時並降低了操作時樣本上發生微放電的可能性。例如，當陰極負偏壓設為-7KV，衝擊能量(landing energy)為3KeV時，相對於地電位之樣本偏壓由-12KV變成-4KV。
另一實施例也應用美國專利申請案Chen et al.(US 12/130879，申請於2008/5/30)所揭露之另一方法。藉由減少電子行進時間而降低電荷交互作用效應。於電子束管上施加一相對於地電位之正偏壓，該電子束管導引該入射電子束由電子源至樣本表面。電子束管之偏壓與陽極之電壓相同或相近。
關於物鏡，採用揭露於美國專利Chen et al.(US 6,392,231)之物鏡，藉以緩和像差。該浸沒磁場減速掃瞄物鏡(Swinging Objective Retarding Immersion Lens：SORIL)系統可大幅減少掃描時的軸向(on-axis)與偏軸像差(off-axis aberration)，而增加高解析度之視野。雖然浸沒磁場減速掃瞄物鏡可配備靜電偏轉裝置(electrostatic deflector)或磁性偏轉裝置(magnetic deflector)，該發明採用靜電偏轉裝置(electrostatic deflector)，藉以增加生產能力。
請參考第八圖與第十圖，控制電極486與控制電極686以具有高磁導率(magnetic permeability)之導電材質製成。該等控制電極被分別成型並設置為磁力物鏡482、682之外部極靴(polepiece)487、687之朝向光軸之延伸部。然而，控制電極486與控制電極686分別與外部極靴(polepiece)487、687電性絕緣。控制電極486與控制電極686被施加一電壓VCE藉以控制樣本表面的電場小於一預定值，其可確保不產生樣本微放電。一典型預設電場強度值為1.8KV/mm。另一方面，控制電極486與控制電極686之電壓VCE可以被動態調整，藉以補償因為電性漂移所產生的影像失焦。由於影像是藉由電子束照射樣本表面而成像，該系統需要同步每一個元件的施加電壓與激發電流。在該等元件的任何電性漂移將會造成電子束的光斑尺寸變化與影像失焦。當影像失焦時，控制電極486與控制電極686之電壓VCE動態進行微聚焦。在 相同激發電流下，該等控制電極486、686可增加SORIL物鏡系統之磁場強度。該等控制電極486、686可降低強制冷卻的迫切性，例如，於高激發電流操作之SORIL物鏡系統之水冷卻。
為呈現具有較佳成像像差之樣本表面立體影像，本發明採用美國專利申請案Wang et al.(US 11/668846)所揭露之多通道物鏡內閃爍探測器(multi-channels in-column scintillate detector)。為釋放(減少)工作距離，該閃爍探測器可以被多通道固態探測器(multi-channels solid state detector)或微通道板(micro channel plate：MCP)所取代。由樣本表面特徵之不同側所發射的電子可以被不同通道所收集。因此，由不同通道的信號可顯示不同方向所擷取的表面特徵影像，並且合成產生一立體影像，最後可確認所偵測缺陷之形貌分析(topography analysis)。
檢視激發電壓與位置圖可有助於瞭解帶電粒子成像系統(charge particle imaging system)。第八圖顯示本發明第一實施例之具有磁性偏轉裝置(magnetic deflector)之系統400之結構。電子束410由陰極槍尖(cathode tip)420發射，經過陽極430之電壓加速，穿過電子槍孔徑(gun aperture)440、粒子束限制光圈(beam limit aperture)442、電子束管(beam tube)450、聚光鏡(condenser lens)460以及改良之SORIL物鏡系統480，然後照射至樣本表面490。改良之SORIL物鏡系統480包含磁力物鏡(magnetic objective lens)482、設置於電子束管(beam tube)450外側之磁性偏轉裝置(magnetic deflector)484以及改良之控制電極486。由樣本表面490發射之二次電子(secondary electron)412由多 通道探測器(multi-channels detector)470收集，藉以形成偵測區域之立體影像。進行物質判定時，電子束410照射位置所產生之X射線414由能譜儀探測器(energy dispersive spectrometer detector：EDS)472收集，藉以呈現物質特性。
第九(a)圖至第九(c)圖顯示以磁性偏轉裝置(magnetic deflector)操作之帶電粒子束系統400之激發電壓與位置圖。第九(a)圖顯示檢查或複查樣本之一範例。施加15KV跨越地電位0V之電子束加速電壓於陰極Vc與陽極Va之間。電子束管偏壓Vb可設為與陽極相同之電壓。為避免樣本表面因電子束撞擊而損壞，電子束離開電子束管後，電子束藉由控制電極電壓Vce與樣本表面偏壓Vs而減速，達到預定之衝擊能量(landing energy)，例如，0.5KeV至5KeV。藉由能譜儀(energy dispersive spectrometer：EDS)進行缺陷化學成份之物質判定時，位於缺陷之電子衝擊能量(landing energy)分別設為10KeV與15KeV，且樣本表面偏壓設為0V。第九(b)圖顯示根據本案一實施例，以10KeV之衝擊能量(landing energy)進行EDS分析之激發電壓分佈之一範例；第九(c)圖顯示根據本案一實施例，以15KeV之衝擊能量(landing energy)進行EDS分析之激發電壓分佈之一範例。
第十圖顯示一種具有靜電偏轉裝置(electrostatic deflector)之系統600結構。電子束610由陰極槍尖(cathode tip)620發射，經過陽極630之電壓加速，穿過電子槍孔徑(gun aperture)640、粒子束限制光圈(beam limit aperture)642、較短之電子束管(beam tube)650、聚光鏡(condenser lens)660以及改良之SORIL物鏡系統680，然後照射至樣本表面690。改良之SORIL物鏡系統680包含磁力物 鏡(magnetic objective lens)682、設置於磁力物鏡(magnetic objective lens)682之中央孔(central bore)內部之靜電偏轉裝置(electrostatic deflector)684以及改良之控制電極686。由樣本表面690發射之二次電子(secondary electron)612由多通道探測器(multi-channels detector)670收集，藉以形成偵測區域之立體影像。進行物質判定時，電子束610照射位置所產生之X射線614由能譜儀探測器(EDS detector)672收集，藉以呈現物質特性。
第十一(a)圖至第十一(c)圖顯示以靜電偏轉裝置(electrostatic deflector)操作之帶電粒子束系統600之激發電壓與位置圖。第十一(a)圖顯示檢查或複查樣本之一範例。施加15KV跨越地電位0V之電子束加速電壓於陰極Vc與陽極Va之間。電子束管偏壓Vb可設為與陽極相同之電壓。當以地電位偏壓操作時，靜電偏轉裝置(electrostatic deflector)684較容易被激發。為避免樣本表面因電子束撞擊而損壞，電子束離開磁力物鏡(magnetic objective lens)682後，藉由控制電極電壓Vce與樣本表面偏壓Vs減速，達到預定之衝擊能量(landing energy)，例如，0.5KeV至5Kev。藉由能譜儀(EDS)進行缺陷化學成份之物質判定時，位於缺陷之衝擊能量(landing energy)分別設為10KeV與15KeV，且樣本表面偏壓設為OV。第十一(b)圖顯示根據本案一實施例，以10KeV之衝擊能量(landing energy)進行EDS分析之激發電壓分佈之一範例；第十一(c)圖顯示根據本案一實施例，以15KeV之衝擊能量(landing energy)進行EDS分析之激發電壓分佈之一範例。
本案相關申請案，台灣專利公開號TW201013737 A1，揭 露一種「連續式及跳躍式成像掃描之樣本表面電荷調節方法」，可於晶圓檢驗或複驗時，調節掃描樣本的表面電荷。
第十二圖所示為進行連續式掃描時，一實施例之主帶電粒子束槍與泛射式帶能量束槍之相關位置側視示意圖。舉例來說，氣體供應器230係設置用以產生包括氣體分子之氣流；泛射式帶能量束槍220係設置用以離子化氣體供應器230對於掃描路徑201中之第二區域203產生之氣體分子231。主帶電粒子束槍210發射主帶電粒子束211於掃描路徑201中之第一區域202。泛射式帶能量束槍220發射泛射式帶能量束221於掃描路徑201中之第二區域203。於一較佳實施例中，同時發射主帶電粒子束211與泛射式帶能量束221分別於掃描路徑201中之第一區域202與第二區域203。或者，於另一實施例中，輪流發射主帶電粒子束211與泛射式帶能量束221分別於樣本之掃描路徑201中之第一區域202與第二區域203。另外，泛射式帶能量束槍220所離子化之氣體分子231可攜帶與樣本表面被掃描而感應出之表面電荷相同或相反的電荷。因此，泛射式帶能量束槍220所離子化的氣體分子231可調節第二區域203以及主帶電粒子束211鄰近區域的表面電荷。
本案相關前案US7,767,982揭露一種光學自動聚焦系統。第十三圖顯示一種高度感應系統，可用於決定樣品141的高度。此系統將光束打至樣品表面上。樣品141可以是但不限於，一晶圓或半導體元件的一基板。系統包含一光源111，其產生一照明通量110。照明通量110經由透鏡組120a導向樣品141的表面。透鏡組120a可具有聚光透鏡(condenser lens)112、具有週期為6微米的線性光閘113、一投射透鏡114，以及一反射鏡115或其他本領域已知的透鏡。照明通量110可通 過光閘113，以入射角116將光閘影像投影在樣品141表面。入射角116可以是一斜角，例如4至7度。
至少部分的照明通量110被樣品141表面反射。系統可包含一收集系統，收集反射通量126。例如，收集系統可包含透鏡組120b，將反射通量126導向影像偵測器124。透鏡組120b可包含影像透鏡群121、反射鏡122或其他本領域已知的透鏡。
反射通量126撞擊影像偵測器124的表面，在偵測器表面形成黑和白的光閘圖案125。偵測器124可包含一位置偵測器(position sensitive detector，PSD)，將入射的光點轉換成位置資訊。光閘圖案125的投射位置與樣品141的高度相關。
本發明是相關於缺陷複查系統，特別是關於在半導體製程中一晶圓或一圖案微影光罩(pattern lithography reticle)之缺陷的複查取樣、缺陷複查、缺陷分類的裝置與方法；然而，本發明也可以具有更為廣泛的應用範圍。
上述目的可以利用比較一受複查的缺陷圖像與一由智慧型複查取樣過濾器所選取的參考圖像來達到。本發明一實施例揭露一叢集電腦系統，電腦之間以高速網路溝通與資料存取，可節省操作時間。在本發明另一實施例中，揭露一智慧型複查取樣過濾器，其根據取自設計資料庫的元件位置圖像或一取自標準晶粒中同結構的圖像，重新自動定位異常圖塊或缺陷並執行缺陷分類。並且，為了進一步節省時間，可只 針對關注區域執行缺陷取樣，排除了複查非關鍵缺陷的時間。
本發明一實施例的缺陷複查系統之鏡筒採用改良的SORIL物鏡以調節因為大掃描場及靜電漂移(electric drifting)引起的像差。另外，該鏡筒具有快速掃描圖像能力可提升處理量，並提供待檢樣品與偵測器之間的大電壓差，使得反射的第二電子束具有較大動能而增加其信號的增益值(Gain)、更大的訊雜比，可改善待檢缺陷圖像的品質。另外，該改良的SORIL物鏡採用多通道偵測器可得立體圖像以進行構形分析，以及配備X光能譜散佈分析儀可進行材料分析。
另外，本發明一實施例採用一光學自動對焦次系統以補償由於晶圓表面構形引起的些微高度變異；以及，本發明一實施例採用一表面電荷控制次系統以調節在複查過程中產生的表面電荷累積。
總之，本發明的缺陷複查系統採用智慧型複查取樣過濾器可使得缺陷定位與取樣更有效率，另外，採用圖像單元可產生高解析度的立體缺陷圖像、採用光學自動對焦次系統可針對晶圓表面構形對焦距做微調、採用X光能譜散佈分析儀進行材料分析、採用表面電荷控制次系統以調節在複查過程中產生的表面電荷累積而完成上述目的。
100‧‧‧先前自動缺陷複查系統
104‧‧‧顯微鏡圖案取像單元
106‧‧‧設定複查圖像參數
108‧‧‧設定缺陷複查取樣參數
110‧‧‧主電腦
112‧‧‧自動缺陷定位單元
114‧‧‧缺陷分類單元
116‧‧‧輸出數據至資料庫
200‧‧‧本發明自動缺陷複查系統
202‧‧‧載入單元
204‧‧‧掃描電子顯微鏡圖案取像單元
206‧‧‧設定複查圖像參數
208‧‧‧設定缺陷複查取樣參數
210‧‧‧主電腦
212‧‧‧智慧型複查取樣過濾器
214‧‧‧通用缺陷定位單元
216‧‧‧缺陷分類單元
218‧‧‧輸出數據至資料庫
220‧‧‧設計資料庫
300‧‧‧標準圖案晶圓
302‧‧‧晶粒
402‧‧‧切割線
404‧‧‧晶粒邊界
406‧‧‧關注區域1
408‧‧‧關注區域2
500‧‧‧改良SORIL系統
510‧‧‧電子束
512‧‧‧二次電子
514‧‧‧X-ray
520‧‧‧陰極
530‧‧‧陽極
540‧‧‧電子槍光圈
542‧‧‧限制光圈
550‧‧‧電子束管
560‧‧‧聚焦透鏡
570‧‧‧多通道偵測器
572‧‧‧EDS偵測器
580‧‧‧改良之浸沒磁場減速掃瞄物鏡
582‧‧‧磁物鏡
584‧‧‧靜電偏轉器
586‧‧‧控制電極
587‧‧‧外極靴
590‧‧‧樣品
600‧‧‧焦距控制次系統
611‧‧‧光源
613‧‧‧光柵
624‧‧‧數位相機
641‧‧‧取樣區域
700‧‧‧表面電荷控制次系統
702‧‧‧入射帶電粒子束
704‧‧‧泛射能束
706‧‧‧氣體分子
708‧‧‧第一區域
710‧‧‧第二區域
第八圖
400‧‧‧帶電粒子束裝置
410‧‧‧電子束
412‧‧‧二次電子
414‧‧‧X射線
420‧‧‧陰極槍尖
430‧‧‧陽極
440‧‧‧電子槍孔徑
442‧‧‧粒子束限制光圈
450‧‧‧電子束管
460‧‧‧聚光鏡
470‧‧‧多通道探測器
472‧‧‧能譜儀探測器
480‧‧‧SORIL物鏡系統
482‧‧‧磁力物鏡
484‧‧‧磁性偏轉裝置
486‧‧‧控制電極
487‧‧‧外部極靴
490‧‧‧樣本表面
第十圖
600‧‧‧帶電粒子束裝置
610‧‧‧電子束
612‧‧‧二次電子
614‧‧‧X射線
620‧‧‧陰極槍尖
630‧‧‧陽極
640‧‧‧電子槍孔徑
642‧‧‧粒子束限制光圈
650‧‧‧電子束管
660‧‧‧聚光鏡
670‧‧‧多通道探測器
672‧‧‧能譜儀探測器
680‧‧‧SORIL物鏡系統
682‧‧‧磁力物鏡
684‧‧‧靜電偏轉裝置
686‧‧‧控制電極
687‧‧‧外部極靴
690‧‧‧樣本表面
第十二圖
201‧‧‧掃描路徑
202‧‧‧第一區域
203‧‧‧第二區域
210‧‧‧主帶電粒子束槍
211‧‧‧主帶電粒子束
220‧‧‧泛射式帶能量束槍
221‧‧‧泛射式帶能量束
230‧‧‧氣體供應器
231‧‧‧氣體分子
第十三圖
110‧‧‧照明通量
111‧‧‧光源
112‧‧‧聚光透鏡
113‧‧‧線性光閘
114‧‧‧投射透鏡
115‧‧‧反射鏡
116‧‧‧入射角
120a‧‧‧透鏡組
120b‧‧‧透鏡組
121‧‧‧影像透鏡群
122‧‧‧反射鏡
124‧‧‧影像偵測器
125‧‧‧光閘圖案
126‧‧‧反射通量
141‧‧‧樣品
150‧‧‧電子束檢測系統
第一圖顯示先前技術之的缺陷複查系統功能圖；第二圖顯示本發明實施例的自動缺陷複查系統功能圖； 第三圖例示一標準的圖案晶圓；第三A圖顯示第三圖中”A”部分的放大圖；第四圖例示在切割線內的一晶粒內的一些關注地域；第五圖顯示根據本發明實施例之自動缺陷複查系統所採用的改良之SORIL鏡筒；第六圖顯示根據本發明實施例之自動缺陷複查系統所採用的光學自動對焦次系統；及第七圖顯示根據本發明實施例之自動缺陷複查系統所採用的表面電荷控制次系統。
第八圖顯示本案相關前案所揭露的帶電粒子束裝置。
第九(a)圖至第九(c)圖顯示本案相關前案所揭露以磁性偏轉裝置操作之帶電粒子束系統400之激發電壓與位置圖。
第十圖顯示本案相關前案所揭露的另一帶電粒子束裝置。
第十一(a)圖至第十一(c)圖顯示本案相關前案所揭露以靜電偏轉裝置操作之帶電粒子束系統600之激發電壓與位置圖。
第十二圖顯示相關前案所揭露，當進行連續式掃描時，主帶電粒子束槍與泛射式帶能量束槍之相關位置示意圖。
第十三圖顯示相關前案所揭露的高度偵測系統。
以下將詳述本案的各實施例，並配合圖式作為例示。除了些詳細描述之外，本發明還可以廣泛地施行在其他的實施例中，任何 所述實施例的輕易替代、修改、等效變化都包含在本案的範圍內，並以之後的專利範圍為準。在說明書的描述中，為了使讀者對本發明有較完整的了解，提供了許多特定細節；然而，本發明可能在省略部分或全部這些特定細節的前提下，仍可實施。此外，眾所周知的步驟或元件並未描述於細節中，以避免造成本發明不必要之限制。
本發明是相關於缺陷複查系統，特別是關於在半導體製程中一晶圓或一圖案微影光罩(pattern lithography reticle)之缺陷的複查取樣、缺陷複查、缺陷分類的裝置與方法；然而，本發明所揭露的系統或方法或運算程序等也可以應用在缺陷檢查系統。
第一圖顯示傳統的自動缺陷複查系統100，其包含下列步驟：(1)載入單元102載入一晶圓予掃描電子顯微鏡104、載入一缺陷檢查結果包含缺陷地圖給予主電腦110(其中缺陷檢查結果包含缺陷地圖是獲得自其他的檢查裝置)；(2)對位該晶圓並定義晶粒的原點；(3)選取缺陷的位置之偏差校正108；(4)設定入射電子束或光束的參數；(5)設定缺陷複查取樣條件；(6)自動缺陷定位(ADL)設定112執行自動缺陷定位；(7)複查圖像參數設定106；(8)缺陷分類單元114執行缺陷分類，其可以是自動、半自動或人工分類；(9)設定資料輸出規則與輸出位置並輸出至資料庫116；以及(10)卸載該晶圓。
其中，複查由一檢查裝置(例如一缺陷檢查系統)所找到的所有缺陷必須耗費許多時間，並且多數的時間耗費事實上是不需要的。
本發明的缺陷複查系統採用由Jau等在2008年1月31日申請的美國專利，申請號”12/024033”，題為”The Smart Review Sampling Filter”與”Universal Defect Location Unit”的技術內容， 以改善上述缺陷複查取樣、自動缺陷定位、缺陷分類的效能。
關於缺陷複查取樣原則，在半導體生產線的實務上最常見的作法是自檢查缺陷結果隨機選取50或100個缺陷進行複查，或更複雜的取樣法則包含以不同的缺陷尺寸或初步缺陷分類(rough bin)或缺陷叢集(defect cluster)等等為群組，隨機在各群組內選取一定百分比的缺陷進行複查。然而，此種取樣方法的問題是，無法避免所取樣複查的缺陷是為於晶圓上較為不重要的區域，或者是品質管制比較不關心的位置。因此，寶貴的複查時間可能浪費許多在複查這些並非關鍵的缺陷上。
第二圖顯示本發明實施例的自動缺陷複查系統200。其主要特徵之一是智慧型複查取樣過濾器(smart review sampling filter)212。在執行自動複查工作之前，所有的缺陷均先經過通用缺陷定位單元(universal defect location unit)214以取自設計資料庫220的資料分析。而缺陷取樣是根據智慧型複查取樣過濾器的處理結果來執行。缺陷取樣計劃與智慧型複查取樣過濾原則均在建立執行程序(recipe)時訂定。
根據本發明的智慧型複查取樣過濾器，可達到下列目的：(1)使用者可避免浪費寶貴時間去複查較不重要的位置，例如位於晶粒與晶粒之間的切割線(scribe line)上的缺陷，相反地，使用者可設定缺陷取樣計劃只複查位於定義為敏感區域的缺陷，例如具有高縱橫比(high aspect ratio)的接觸孔區域(contact area)；(2)可以顯示在特定元件上的缺陷分布，例如在SRAM上的缺陷分布，此特徵可幫助使用者評估其製程；(3)可以提供在選定區域或元件上的缺陷密度，例如在SRAM上的缺陷密度；(4)可標示出會影響後續疊層之缺陷，並取樣這 些缺陷作複查。
當受檢晶圓之圖案的特徵長度小於32nm以下，本發明的設計資料庫220的所需的暫存容量會變得很大，在一實施例中，設計資料庫220的容量超過200個十億位組(gigabyte)。在本發明一實施例中的缺陷複查系統是基於叢集電腦結構(clustering computer structure並使用高速資料存取(high speed data cache)。設計資料庫220可被設置在一電腦與電腦或儲存單元之間使用高速網路溝通的多個不同的電腦或儲存單元中。基於複查的缺陷位置資訊，每一電腦只存取與該缺陷位置相關的設計資料，而不需要將全部的設計資料庫載入一記憶體中。
在自動缺陷定位(ADL)步驟中最常見的問題是整個定位程序過於耗時。為了複查某晶粒一個缺陷，晶圓承台(stage)必須移動兩次(一次為了複查該晶粒的該缺陷，另一次為了複查參考晶粒相對於該缺陷的相同位置)並拍下三張圖像(第一張為低倍率參考晶粒的圖像，第二張為低倍率的缺陷圖像，第三張為高倍率的缺陷圖像)。
本發明自動缺陷複查系統200的另一主要特徵是通用缺陷定位單元(UDL)214，不論是無規則或規則的缺陷分布都可以被自動定位。缺陷定位單元(UDL)214的方法包含將取自圖像單元204的缺陷圖像(經由圖像轉換器2)與取自設計資料庫220的設計佈局(design layout，經由圖像轉換器1)作比較以迅速並精確的定位該缺陷的位置。
根據本發明前述的通用缺陷定位單元(UDL)214與智慧型複查取樣過濾器212與其方法，前述兩個常見的問題都可以被克服，因為：(1)根據本發明的方法，複查一缺陷時，承台所需移動的次數減少，可增加複查程序的處理量；(2)根據本發明的方法，從設計資料庫220直 接經由圖像轉換器1轉換的圖像不會受製程變異(process variation)也沒有重複缺陷，例如光罩缺陷或光學鄰近補償(Optical Proximity Compensation；OPC)的影響，本發明的系統與方法也提供了複查自晶粒圖像與設計資料庫的圖像比對所建立的缺陷檔案的能力。
如第二圖所示，關於缺陷分類步驟，智慧型複查取樣過濾器212提供使用者可以根據缺陷所在位置自動分類的機會。例如，通常在一晶粒上有兩種不同的接觸孔(contact)：一種是正規接觸孔(regular contact)而另一種是高縱橫比(HAR)接觸孔。本發明的智慧型複查取樣過濾器212會自動判斷該晶粒上的缺陷屬於蝕刻過度的正規接觸孔，或者是蝕刻不足的高縱橫比接觸孔，此兩種不同種類的缺陷對於製程而言代表有不同的意義。
另外，本發明的智慧型複查取樣過濾器212尚有另外一個功能。為了進一步減少處理時間，根據關鍵缺陷(customer’s defect of interest，DOI)定義受檢晶圓上的關注地域。關鍵缺陷可包含開路、短路、結面漏電、或電路上的微粒缺陷等。這些關鍵缺陷可以經由人工自一預設清單中選取或自動載入的方式，連同缺陷地圖，載入缺陷複查系統的主電腦210。之後，智慧型複查取樣過濾器212與通用缺陷定位單元(UDL)214隨即設定缺陷取樣計畫並據以執行取樣複查，取樣的母體只包含上述關注地域；因此，可有效率地大幅減少缺陷定位與圖像比對時間。
第三圖例示一標準的圖案晶圓300；第三A圖顯示第三圖中”A”部分的放大示意圖；第四圖例示一晶粒內部之關注地域示意 圖，關注地域1(406)、關注地域2(408)，以及未標示元件符號的關注地域3、關注地域4、關注地域n等。
當所有在敏感元件上被檢出的缺陷都被裝置上的自動缺陷重新定位(automatic defect relocation)程序找到後，經過複查確認後的缺陷可經由網路傳送警告或提醒訊息給相關人員。晶圓上之敏感元件亦可在智慧型複查取樣過濾器212定義。
圖像單元
本發明缺陷複查系統的圖像單元或圖像次系統採用由Chen等在2008年10月23日揭露的美國專利”A Charged Particle Beam Apparatus”，申請號為12/257,304，其為一改良之浸沒磁場減速掃瞄物鏡(Swing Objective Retarding Immersion Lens，SORIL)，且除了其原先具有的優點，如掃描圖像時具有較低的軸偏像差(off-axis aberration)、具有較廣的掃瞄範圍，本發明揭露的改良SORIL系統500尚具有下列優點。
第五圖顯示根據本發明實施例缺陷複查系統的改良SORIL系統500，其包含電子束510、二次電子512、X-ray514、陰極520、陽極530、電子槍光圈540、限制光圈542、電子束管550、聚焦透鏡560、多通道偵測器570、EDS偵測器572、改良之浸沒磁場減速掃瞄物鏡580、磁物鏡582、靜電偏轉器584、控制電極586、外極靴587、樣品590等等。本發明揭露的改良SORIL系統500利用下列方法增加圖像的解析度：(a)配備有一具有一大的槍尖半徑(tip radius)之場發射陰極(field emission cathode)520，可在不減少角發射強度(angular intensity)的條件下減少電子發射電流密度；(b)在陰極520與陽極530之間施加一跨越地電位的高加速電壓，藉此在不減少角強度的條件下降低電子發射電流；(c)將限制光圈(beam limit aperture)542設置在聚焦透鏡(condenser lens)560之前以減少庫倫效應(Coulomb effect)；(d)施加一高正向偏壓於電子束管550以減少接物像差(objective aberrations)與庫倫效應；(e)改良SORIL的外極靴(outer Polepiece)587以調節因為大掃描場及靜電漂移(electric drifting)引起的像差。
另外，本發明實施例中改良SORIL系統提供改良之多通道偵測器570做構形分析。不同通道的信號可結合產生一立體圖像，針對關鍵缺陷的進行構形分析。根據本發明實施例提供的系統與方法，可大幅減少在掃描圖像時產生的正軸與離軸像差，因此可提高掃描視野之解析度。另外，改良SORIL系統500設置X光能譜散佈分析儀(Energy Dispersive Spectrometer，EDS)之偵測器572來收集因電子束照射到的位置上發出的X-ray 517來做物質特性分析。
焦距控制次系統
在本發明的一實施例中，利用一光學自動對焦次系統600用於在掃描圖像時的焦距控制，其採用由Wang等在2007年6月6日在申請的美國專利，申請號11/759,183，題為”Optical Auto Focusing System and Method for Electron Beam Inspection Tool”，所揭露的技術內容。第六圖顯示前述的改良SORIL次系統與焦距控制次系統600。焦距控制次系統600包含一光源611將光柵613之影像投射在取樣區 域641上，被取樣區域反射的光柵影像被數位相機624接收後。再比較由數位相機624所接收的光柵影像與一先前接收之光柵影像在螢幕上的位置，並且由一軟體輔助判斷。因為光柵影像於螢幕上的位置是隨光束投射點的高度變動的，因此可以根據光柵影像於螢幕上的位置改變距離換算成取樣區域形貌高度的改變量以調整複查時入射電子束的焦距。以本方法所測得的晶圓表面高度，其誤差值落於正負三個標準偏差(3σ)內。
表面電荷控制次系統
第七圖顯示本發明實施例缺陷複查系統的表面電荷控制次系統700以及其與主要帶電粒子束702、第一區域708的相對位置。本發明缺陷複查系統的表面電荷控制次系統採用由Wang等在2008年9月25日揭露的美國專利”Method for Regulating Scanning Sample Surface Charge in Continuous and Leap-and-Scan Scanning Mode Imaging Process”，申請號為12/232,834，所揭露的技術內容，以控制在複查程序中產生的表面電荷累積。
在泛射能束704而不是入射粒子束702的照射區域，注入一氣體分子706。泛射能束704會將注入之氣體分子離子化，以此離子化之氣體分子來中和因帶電粒子束照射區域710而產生的表面電荷。通常在晶圓之檢測或複查程序中，泛射能束是入射帶電粒子束之前導步驟，因此待檢晶圓或待複查樣品的整個表面都在複查程序之前先調整妥當。在本發明一實施例中，可適當游離該氣體分子706之泛射能束704可包含，但不限定於，紫外光、雷射光、帶電粒子束或其他類似光束或粒子束；其次，氣體分子706被泛射能束704撞擊而離子化以調節那些因為 入射粒子掃瞄而聚積的區域表面電荷。在本實施例中，氣體分子可包含，但不限定於，惰性氣體，空氣，水氣，或其他氣體等。本發明實施例揭露的表面電荷控制次系統可在不影響圖像解析度與入射帶電粒子束鏡筒的真空系統條件下，完成待檢表面的電荷控制。
以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其他未脫離發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。
200‧‧‧自動缺陷複查系統
202‧‧‧載入單元
204‧‧‧圖像單元
206‧‧‧設定複查圖像參數
208‧‧‧設定缺陷複查取樣參數
210‧‧‧主電腦
212‧‧‧智慧型複查取樣過濾器
214‧‧‧通用缺陷定位單元
216‧‧‧缺陷分類單元
218‧‧‧輸出數據至資料庫
220‧‧‧設計資料庫

Claims (5)

  1. 一種缺陷複查裝置，包含：一圖像單元以完成一待檢圖案的圖像，該圖像單元是一浸沒磁場減速掃瞄物鏡次系統，該浸沒磁場減速掃瞄物鏡次系統包含一陰極、一陽極、一電子槍光圈、一限制光圈、一電子束管、一聚焦透鏡、一多通道偵測器、一EDS偵測器、一浸沒磁場減速掃瞄物鏡、一磁物鏡、一靜電偏轉器、一控制電極、一外極靴，其中，該陰極的槍尖半徑大到足以在不減少角發射強度的條件下減少電子發射電流密度，一跨越地電位的加速電壓被施加於該陰極與該陽極之間，該限制光圈被設置於該聚焦透鏡之前以減少庫倫效應，一正向偏壓被施加於於該電子束管以減少接物像差與庫倫效應；一聚焦次系統，在該待檢圖案進行表面構形分析之前執行焦距微調，其中該聚焦次系統比對接收自晶圓表面反射之一光柵圖像在螢幕上的位置變化以調整焦距；一表面電荷控制次系統，用於調節在複查程序中由於電子束照射造成的電荷累積，其中一氣體分子係注入在一泛射能束之照射區域而不是在複查之入射帶電粒子束之照射區域；一儲存單元用於儲存一設計資料庫；以及一主電腦，用於管理複查程序的缺陷定位、缺陷取樣、缺陷分類，其中該主電腦與該設計資料庫之間以高速網路連接。
  2. 如申請專利範圍第1項的缺陷複查裝置，其中該主電腦與該設計資料庫是基於高速網路架構下的叢集電腦系統。
  3. 一種缺陷複查系統，用於自動複查一晶圓上之半導體積體電路，該系統包含：一圖像單元以取得一待檢圖案的圖像，該圖像單元包含一浸沒磁場減速掃瞄物鏡次系統；一聚焦次系統，在該待檢圖案進行表面構形分析之前執行焦距微調，該聚焦次系統包含一光源以及一光柵，該光源將該光柵之影像投射在一晶圓表面上，其中該聚焦次系統比對接收自該晶圓表面反射之光柵圖像在螢幕上的位置變化以調整焦距；一表面電荷控制次系統，用於調節在複查程序中由於電子束照射造成的電荷累積，其中一氣體分子係注入在一泛射能束之照射區域而不是在複查之入射帶電粒子束之照射區域；一儲存單元用於儲存一設計資料庫；以及一主電腦，用於管理複查程序的缺陷定位、缺陷取樣、缺陷分類，其中該主電腦與該設計資料庫之間以高速網路連接。
  4. 如申請專利範圍第3項的系統，其中該缺陷定位與該缺陷取樣由一智慧型複查取樣過濾器執行。
  5. 如申請專利範圍第3項的系統，其中該缺陷分類由一通用缺陷定位單元執行。
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