WO2010052854A1 - 荷電粒子線装置 - Google Patents

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    • H10P74/20—Testing or measuring during manufacture or treatment of wafers, substrates or devices characterised by the properties tested or measured, e.g. structural or electrical properties
    • H10P74/203—Structural properties, e.g. testing or measuring thicknesses, line widths, warpage, bond strengths or physical defects

Definitions

  • the present invention relates to a charged particle beam apparatus technology using a charged particle beam, and more particularly to an inspection technology for detecting an abnormal pattern shape of a semiconductor wafer substrate and an electrical defect of a device in a semiconductor inspection device using a charged particle beam.
  • the device structure is increasingly miniaturized and multilayered, and the structure is becoming more complex.
  • a technique for detecting an electrical defect such as a conduction defect directly connected to the defect of the semiconductor device with high sensitivity is required.
  • Defects that need to be detected are diversified such as resist pattern exposure pattern defects, contact hole conduction defects, plug embedding defects, and alignment errors during stacking.
  • There is a defect inspection technique using an electron beam for the needs in the manufacturing process of such a semiconductor device. This defect inspection technique acquires a secondary electron image of a circuit pattern by detecting secondary electrons emitted from a wafer when the electron beam is focused and scanned on a semiconductor wafer.
  • the detection of the normal part and the defective part utilizes the charging of the semiconductor wafer that occurs when the electron beam is irradiated. A difference in charge amount occurs between the normal part and the defective part, and the detected amount of secondary electrons changes, so that a contrast can be obtained between the normal part and the defective part. This contrast is called defect contrast.
  • a voltage is applied to the charge control electrode placed on the semiconductor wafer, and the secondary electrons generated during electron beam irradiation are used to adjust the polarity and amount of charge.
  • a control method and a method in which a wafer is charged in advance using an electron source capable of irradiating a large current and a large area and then inspected using an inspection electron beam. For example, when the wafer surface is positively charged, secondary electrons emitted from the hole bottom of the opened contact hole are extracted from the hole bottom by the positive charge of the surface. The opened contact hole in the normal part becomes brighter than the surrounding insulating film, and a pattern contrast can be formed.
  • the insulating film on the bottom of the hole is positively charged in the same manner as the wafer surface, so that the electric field drawn from the bottom of the hole is weakened.
  • the non-open contact hole has the same brightness as the surrounding insulating film, and the contrast between the normal part and the defective part becomes the defect contrast.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2003-151483 is known as a method for improving defect contrast using a charge control technique other than electron beams.
  • a charge control technique other than electron beams.
  • the amount of charge changes depending on the resistance value of the device. Therefore, it is necessary to obtain the pattern contrast by switching the polarity of the voltage applied to the electrode for charge control according to the type of bonding.
  • the variation in resistance value of the junction becomes variation in the pattern contrast of the plug, and the defect contrast deteriorates.
  • Patent Document 1 discloses a method of reducing pattern resistance by irradiating a bonding layer with ultraviolet light to improve pattern contrast.
  • the ultraviolet light uses a wavelength that is transmitted through the insulating film and absorbed by Si.
  • the irradiated ultraviolet light passes through the insulating film formed on the wafer and reaches the Si layer.
  • Ultraviolet light absorbed by the Si layer creates electron-hole pairs at the junction and makes the junction conductive, thus reducing the resistance. Since the junction resistance is negligible, a uniform pattern contrast can be obtained regardless of the type of junction. In addition, since variations can be ignored by reducing the resistance of the joint, the pattern contrast is stable and high-sensitivity defect inspection is possible.
  • the conventional semiconductor inspection method using an electron beam has the following problems.
  • FIG. 8A shows a cross-sectional view of a sample in which contact holes are formed in a three-layer structure.
  • the electron beam 102 irradiates the layer surface of the sample with the electron beam 102 and the layer surface is charged by secondary electrons emitted from each layer.
  • FIG. thus, in the charging control method using the electron beam 102, a substantially uniform electric field strength (strength proportional to the slope of the graph of FIG. 8A (b)) is formed from the hole bottom of the hole pattern to the wafer surface.
  • FIG. 4B is a diagram showing the relationship between the depth direction of the sample and the potential in the depth direction in a state where the lowermost layer is grounded and the uppermost layer is charged to 10 V by an electron beam.
  • the amount of signal from the hole depends on the electric field strength distribution generated in the vertical direction of the hole.
  • the electric field strength distribution is uniform from the hole bottom to the surface, secondary electrons from each layer can be obtained uniformly.
  • the contrast was weak, and it was difficult to extract only the pattern contrast of a specific layer included in the middle. That is, the pattern contrast between the intermediate layer 104 and the lowermost layer 105 is weak as shown in FIG. 5C, which is a secondary electron image obtained by observing the contact hole from the upper surface of the sample, and it is difficult to clearly identify it.
  • FIG. 4A is a cross-sectional view taken along the line AA ′ in FIG.
  • the pattern contrast of a specific layer it is important to control the charge distribution from the specific layer to the surface and increase the electric field strength from the specific layer to the surface layer.
  • pattern contrast is improved by utilizing conduction by ultraviolet light irradiation, only the sidewall layer can be made conductive and charging can be suppressed.
  • sufficient pattern contrast cannot be obtained only by conduction.
  • the intermediate layer is formed by irradiating light 62 that is transmitted through the hole upper layer and absorbed by the intermediate layer as shown in FIG. 8C (a). Only the sidewall layer can be made conductive to suppress charging.
  • the electric field strength can be reduced to almost zero by reducing the resistance of the sidewall layer as shown in FIG.
  • the electric field strength from the sidewall layer to which the pattern contrast is to be improved to the upper surface of the hole can be made larger than the conventional one ((b) in FIG. 8A), and at the same time, the electric field strength from the sidewall layer to the hole surface is increased. It can be made lower than the conventional one ((b) in FIG. 8A).
  • secondary electrons emitted from the sidewall layer are easily drawn out to the detector side, and secondary electrons emitted from the hole surface are hardly drawn out to the detector side, and the pattern contrast is larger than the conventional one. It is considered to be.
  • it is possible to improve the pattern contrast compared to the conventional method by conducting the intermediate layer with ultraviolet light there is a problem that it is very difficult to determine the defect because a sufficient pattern contrast cannot be obtained as before.
  • An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and to provide a charged particle beam apparatus that can control charging of a sample having various structures at high speed and stably and detect a specific defect with high sensitivity.
  • a typical apparatus of the present invention is as follows.
  • the charged particle beam apparatus includes a light irradiation system capable of simultaneously irradiating light in a first wavelength band and light in a second wavelength band, which are different from each other in the same region.
  • Another representative apparatus includes a charged particle gun, a sample holder for placing a sample, and a charged particle beam irradiated from the charged particle gun to the sample placed on the sample holder.
  • a particle optical system a detector for detecting secondary electrons generated by irradiating the charged particle beam to the sample, and an image processing unit for image processing of the secondary electron signal detected by the detector;
  • a light irradiation system for irradiating the sample placed on the sample holder with light, and the light irradiation system integrates the optical paths of the light in the first wavelength band and the light in the second wavelength band having different wavelength bands from each other
  • a charged particle beam apparatus including a beam splitter.
  • Another representative apparatus is a charged particle beam apparatus that inspects a sample having a structure in which at least a first layer, a second layer, and a third layer are sequentially stacked from above.
  • a sample holder for mounting, light in a first wavelength band absorbed by the first layer, and a first light transmitted through the first layer and the second layer and absorbed by the third layer
  • a light irradiation system for simultaneously irradiating light in the second wavelength band, the first layer positively charged by irradiation with light in the first wavelength band, and the third layer by irradiation with light in the second wavelength band
  • a charged particle optical system that irradiates a charged particle beam emitted from a charged particle gun to the second layer that is negatively charged by the photoelectron and is generated by the photoelectron, and the charged particle beam is the first layer and the second layer.
  • a detector for detecting secondary electrons generated by irradiating the layer, and a signal of the secondary electrons detected by the detector.
  • a plurality of wavelengths can be irradiated simultaneously, and the pattern contrast can be improved.
  • the pattern contrast it is possible to provide an apparatus capable of observation, measurement, and inspection using a highly accurate and sensitive charged particle beam.
  • the block diagram which shows an example of the semiconductor inspection apparatus of this invention The block diagram which shows an example of the light irradiation optical system of this invention.
  • Explanatory drawing which shows an example of the effect in this invention
  • Explanatory diagram showing an example of the effect of the studied technology
  • Explanatory drawing which shows the method of determining an irradiation wavelength with an absorptance curve.
  • Explanatory drawing which shows an example of the effect of the layer structure of a test object.
  • the block diagram which shows the flow which determines irradiation conditions using a database.
  • the block diagram which shows GUI which sets light irradiation conditions.
  • Explanatory drawing which shows an example of the effect of the layer structure of a test object.
  • the wavelength means the wavelength of the peak of the intensity distribution in the output intensity distribution of the light
  • the wavelength band means the output of 1 / e or more with respect to the peak output obtained by standardizing the output intensity distribution of the light. Is the range of wavelengths.
  • Example 1 In this embodiment, an example will be described in which an alignment failure of an intermediate layer is detected when a hole pattern is formed on a wafer to be inspected as a sample with an electron beam (charged particle beam) apparatus.
  • the electron beam apparatus 1 includes an electron optical system 2, a stage mechanism system 3, a wafer transfer system 4, a vacuum exhaust system 5, a control system 6, an image processing system 7, an operation unit 8, a light irradiation system 9, and a light irradiation condition measurement system 10. It is configured.
  • the electron optical system 2 includes an electron gun 11, a condenser lens 12, an objective lens 13, a detector 14, a deflector 15, and an electrode 16 on the wafer.
  • the light irradiation condition measurement system 10 includes an absorptivity meter 17 and a surface potential meter 18.
  • the stage mechanism 3 includes an XY stage 19, a wafer holder (sample holder) 20, and a wafer 21.
  • the control system 6 includes a beam control unit 22, a detection system control unit 23, a deflection control unit 24, an electron lens control unit 25, a retarding voltage control unit 26, an electrode control unit 27, a light irradiation condition measurement control unit 28, and a light irradiation control unit. It is composed of 29.
  • the image processing system 7 includes an image processing unit 30 and an image storage unit 31.
  • the light 32 introduced into the vacuum in the housing covering the electron optical system is irradiated to the wafer 21 which is the inspection target sample, and at the same time, the electron beam is irradiated, and the defect is detected from the detected secondary electron image. Perform an inspection.
  • a configuration example of the light irradiation system 9 is shown in FIG.
  • the light source 34 a light source including a wavelength of 133 nm or more and 1064 nm or less was used.
  • a mercury lamp, an excimer lamp, a wavelength tunable laser, or the like can be used.
  • the light emitted from the light source is split into two lights by splitting the light path of the light into two using the beam splitter 35.
  • the divided light can be controlled by changing the wavelength band using the wavelength selection filters 36 and 37 disposed in the respective optical paths.
  • An etalon filter was used as the filter.
  • An etalon filter is a general filter that can select a wavelength according to the angle of light incident on the filter. These filters can individually control the angle with respect to the incident light, and can set the wavelength band for each light divided by the control from the light irradiation control unit 29.
  • the wavelength selection filters 36 and 37 use etalon filters having different filter widths, and the wavelength selection width is changed by changing the selection wavelength range. In this embodiment, an etalon filter is used. However, a combination of wavelength selection filters and a spectroscopic element can be used, and the present invention is not limited to this embodiment.
  • light energy control elements 38 and 39 are arranged in the respective optical paths, and continuous ND (Neutral-Density) filters are used as these control elements.
  • the continuous ND filter is a filter whose transmittance varies depending on the position of light to be irradiated, and energy can be controlled by moving the filter position. Not only a continuous type but also a revolver type ND filter can be used. In this embodiment, an ND filter is used. However, an attenuator or a wedge plate can be used, and the present invention is not limited to this embodiment.
  • shutters 40 and 41 for shielding light are arranged in the respective light paths.
  • the irradiation time of light passing through each optical path and the presence or absence of irradiation can be controlled by opening and closing the shutters 40 and 41.
  • An optical chopper can also be used as a device for controlling the irradiation time.
  • These wavelength selection filter, energy adjustment element, and shutter can be controlled independently by the light irradiation controller 29.
  • the individually set light is integrated into one optical path by the beam splitter 42, and the beam shape of the light to be irradiated can be collectively controlled using the beam shape control element 43.
  • a microlens array is used for the beam shape control element 43.
  • the beam shape can be arbitrarily set regardless of the electron beam scanning region.
  • Other beam shape control elements include a down collimating optical system using a mirror lens, and the present embodiment is not particularly limited to a microlens array or a down collimating optical system.
  • the light emitted from the single light source is branched by the beam splitter 35, and after the wavelength band, energy, and presence / absence of irradiation of each branched light are controlled, the light path is changed by the beam splitter 42. It is configured so that the inspection sample (wafer) in the vacuum can be irradiated as light 32.
  • FIG. 2 a configuration example of a light irradiation system 9 different from that shown in FIG. 2 is shown in FIG.
  • two types of light sources 130 and 131 for example, a halogen lamp and a mercury lamp
  • Control elements 132 and 133 and shutters 134 and 135 are included. Since the configuration and role of each energy control element and shutter have been described with reference to FIG. 2, description thereof is omitted here.
  • laser light is used as the light source, there are a method using higher-order wavelength conversion and a method using parametric oscillation.
  • One type of light source may be provided as 130 and 131, and wavelength selective filters 36 and 37 may be provided as shown in FIG.
  • Light 32 is introduced into a vacuum using a high transmittance vacuum window to ultraviolet region, such as quartz or MgF 2.
  • the light introduced into the vacuum can be incident on the wafer substantially coaxially with the electron optical system by the reflector 33 installed on the axis of the electron optical system 2.
  • the reflecting plate 33 is configured by applying an aluminum coating or a coating with high reflectivity by a dielectric multilayer film. In this embodiment, an optical system that vertically irradiates light is employed.
  • the absorptivity meter 17 that measures the absorptance of each layer formed on the wafer is configured to measure the amplitude and polarization angle of the light when the irradiated light is reflected by the wafer.
  • the absorption coefficient can be calculated from the measurement results of the amplitude and the polarization angle based on the principle of spectroscopic ellipsometry.
  • a spectroscope is used as means for measuring the amplitude of light for each wavelength, and the polarization angle can be measured using a polarizer.
  • the surface potential system 18 a non-contact surface potential meter was used.
  • the absorptivity meter 17 is not an indispensable component of the present apparatus. For example, there are cases where the absorption coefficient has already been measured outside the apparatus and is already known, or the absorption coefficient is empirically determined by process conditions. . In this case, it is not necessary to determine the absorption coefficient in a vacuum in the inspection apparatus, and the absorption rate meter 17 can be omitted from the apparatus configuration. Further, as an example of the light irradiation system, an example in which a beam splitter 42 for integrating optical paths as shown in FIGS. 2 and 3 is provided.
  • the beam splitter 42 may not be provided. It is also possible to adopt a configuration in which different light sources are used and the light is incident on the wafer from different directions. In other words, any light irradiation system capable of simultaneously irradiating light having different wavelength bands to a predetermined same region on the surface of the wafer may be used, and the optical paths may not be integrated before being irradiated into the vacuum. However, when the optical paths are integrated, it is not necessary to control the light irradiation area and the beam shape control element independently, so that there is an advantage that the light irradiation control can be easily and highly accurately performed. .
  • FIG. 5 shows an inspection flow.
  • the basic information of the wafer includes a layout pattern and the inspection information includes an inspection area, an inspection condition, and a light irradiation condition.
  • Inspection conditions include an electron beam current to be irradiated, incident energy, scanning speed, and scanning area.
  • the light irradiation conditions include wavelength, irradiation energy, irradiation pulse, irradiation region, light absorption rate of the material to be inspected, etc. (step 110).
  • the wafer 21 is introduced into the preliminary sample chamber (not shown) by the transfer system 4 and evacuated and then introduced into the inspection chamber ( Step 111).
  • the light irradiation control unit 29 sets the light irradiation condition based on the light irradiation condition which is the inspection information input in step 111 (step 112).
  • the electron beam irradiation conditions are set based on the inspection conditions input in step 112. At the time of this setting, the electron beam focal point, astigmatism, and the like are also calibrated using the electron beam calibration pattern (step 113). After calibration of the electron beam, the wafer position is detected, and the wafer position and rotation amount are aligned (step 114). After the alignment, the shutters 40 and 41 in the light irradiation system 9 are opened, and adjustment of the brightness and contrast of the secondary electron image acquired by the detection system 14 while irradiating light, so-called calibration is performed (step 115).
  • step 116 inspection is started based on the inspection area (step 116), the shutters 40 and 41 in the light irradiation system 9 are opened, and light is emitted from the irradiated area by moving the stage while irradiating light.
  • the secondary electron image is acquired as an inspection image (step 117).
  • the image processing system 7 acquires secondary electron images from two identical pattern layout portions in different areas, and performs image comparison inspection using one of the secondary electron images as a reference image corresponding to a normal portion and the other as an inspection image.
  • the difference image of each image is acquired (step 118).
  • both images need not be secondary electron images, and a difference image may be acquired using CAD data as a reference image.
  • a defect position is extracted from the abnormal brightness of the difference image (step 119), and an inspection result is output (step 120). That is, when the difference signal of the difference image is equal to or greater than a certain value, it is determined that the position of the difference signal is defective. On the other hand, when the difference signal is less than the certain value, it is assumed that there is no defect. Determined. In this way, the presence or absence of a defect is determined from the value of the difference signal of the difference image, that is, the abnormal brightness, and is output as the inspection result. After the inspection is completed, the wafer 21 is unloaded by the transfer system 4 and the process is completed (step 121).
  • the wafer 32 is irradiated with light 32, and the absorption rate (absorption coefficient) is measured by the absorption rate meter 17 (step 122).
  • the filter angle of the wavelength selection filters 36 and 37 is changed by a signal from the light irradiation control unit 29 so as to be equal to or less than the absorption rate set in the light irradiation condition, and the wavelength band of each light to be irradiated is adjusted (step 123).
  • the irradiation wavelength is set (step 124).
  • the irradiation energy is calibrated by measuring the surface potential of the irradiation area with the surface potentiometer 18 (step 125) and setting the light energy control elements 38 and 39 to the light irradiation control unit so as to satisfy the surface potential set in the light irradiation conditions. Rotate at 29 to adjust and set the irradiation energy (steps 126, 127). In addition, the light irradiation area is also adjusted in this series of flows. Thereafter, electron beam irradiation conditions are set (step 113). As described above, when the light absorption rate of the material to be inspected is known, the measurement of the absorption rate can be omitted.
  • each member of the light irradiation system 9 is controlled through the light irradiation control unit 29, and the light wavelength band, irradiation energy, and irradiation region suitable for the inspection wafer are set. Further, the presence / absence of irradiation of light of different wavelength bands and the irradiation time can also be set by controlling the shutter of the light irradiation control unit 29.
  • FIG. 7 shows the layer structure of a sample wafer.
  • the surface layer 44 has a three-layer structure of an intermediate layer 45 and a lowermost layer 46.
  • the surface layer 44 is SiO 2
  • the intermediate layer 45 is Si 3 N 4
  • the lowermost layer 46 is Si.
  • This drawing SiO 2 is selectively etched using the resist pattern pattern of the contact hole is formed on the SiO 2 surface layer 44 as a mask, after further Si 3 N 4 intermediate layer 45 is selectively etched It is sectional drawing of the wafer at the time of contact hole formation.
  • this is a well-known layer structure used when a contact is made with a diffusion layer to a transistor of a DRAM memory cell.
  • the Si 3 N 4 intermediate layer 45 by selective etching to be smaller than the hole diameter of the SiO 2 surface layer 44, than the hole diameter of the SiO 2 surface layer 44 the Si 3 N 4 intermediate layer 45 The hole diameter is shown to be small.
  • FIG. 8A shows the potential distribution on the hole axis (see FIG. 8A (b)) and the resulting secondary electron image (see FIG. 8A (c)) when the electron beam 102 is irradiated to charge the sample surface.
  • charge formation with an electron beam charges are accumulated on the surface of the sample. Therefore, the potential gradient from the intermediate layer 104 to the surface layer 103 is weak, and the electric field strength is small. Therefore, the contrast of the region 49 showing the intermediate layer in the hole in the secondary electron image is weak, and pattern recognition is difficult.
  • FIG. 8A shows the potential distribution on the hole axis (see FIG. 8A (b)) and the resulting secondary electron image (see FIG. 8A (c)) when the electron beam 102 is irradiated to charge the sample surface.
  • the potential gradient from the intermediate layer 104 to the surface layer 103 is weak, and the electric field strength is small. Therefore, the contrast of the region 49 showing the intermediate layer in the hole in the secondary electron image is weak, and pattern recognition is difficult.
  • FIG. 8B is a schematic diagram of a sample cross section when the light irradiation of a plurality of wavelength bands is performed by the charged particle beam apparatus of the present invention, the potential distribution on the Hall axis (see FIG. 8B (b)), and the obtained secondary.
  • An electronic image see FIG. 8B (c) is shown.
  • light 50 in the first wavelength band having a wavelength absorbed by the surface layer 103, the surface layer 103, and the intermediate layer 104 are transmitted and absorbed by the lowermost layer 105.
  • the sample is irradiated with second light 51 having a wavelength band different from the first wavelength band.
  • the light of the first wavelength band is absorbed by the surface layer 103 to form a positive charge on the surface layer 103, and the light of the second wavelength band is absorbed by the lowermost layer 105 to absorb photoelectrons from the lowermost layer 105.
  • the photoelectrons are emitted and injected into the intermediate layer 104, thereby negatively charging the intermediate layer 104.
  • FIG. 8B (b) shows the relationship between the sample depth direction and the charged potential when such a phenomenon occurs and the surface layer 103 is positively charged and the intermediate layer 104 is negatively charged. This figure is a relationship diagram when the surface of the surface layer 103 is positively charged to 10V.
  • the intermediate layer 104 is negatively charged, so that the potential in the layer becomes negative compared to the lowermost layer 105 at a specific location (for example, ⁇ 2 V). Therefore, the potential gradient from the intermediate layer 104 to the surface layer 103 is larger than the conventional potential gradient, and the electric field strength can be larger than the conventional one.
  • the potential gradient from the lowermost layer 105 to the intermediate layer 104 can be a negative gradient, and the direction of the electric field can be reversed.
  • the potential gradient from the lowermost layer 105 to the intermediate layer 104 can be a negative gradient, and the direction of the electric field can be reversed.
  • the contrast between the region 104 indicating the intermediate layer in the hole and the region 105 indicating the lowest layer in the hole is increased, and the defective portion 106 that is poorly aligned is obtained in the prior art. It can be easily recognized as compared to the secondary electron image. As a result, defects in the intermediate layer can be detected with high sensitivity.
  • the shutters 40 and 41 switch the presence / absence of irradiation of the light in the first wavelength band and the light in the second wavelength band with the shutters 40 and 41, thereby changing the first wavelength. It is possible to inspect the surface layer 103 by positively charging the surface layer 103 with band light, and to inspect the intermediate layer 104 by simultaneously irradiating light in the first and second wavelength bands. It is also possible to perform defect inspection of different layers with this apparatus by switching the presence or absence of irradiation from the design data.
  • the surface layer 103 is SiO 2
  • the intermediate layer 104 is Si 3 N 4
  • the lowermost layer 105 is Si.
  • the absorption rate was measured by the absorption rate meter 17 using the configuration of this example.
  • the vertical axis represents the normalized absorption rate of an arbitrary case, and the horizontal axis represents the wavelength. The higher the absorption rate, the easier the light having a specific wavelength is absorbed.
  • the horizontal axis is the axis whose wavelength increases as it goes to the left.
  • This measurement result shows that the light absorptance depends on the wavelength depending on the material, and also shows that the light absorptance depends on the wavelength depending on the film formation method even for the same material. I understand.
  • the light of the first wavelength band selects the wavelength band 60 of 170 to 180 nm, and when the surface layer 103 is created by thermal oxidation, the first wavelength As the band light, a wavelength band 61 of 133 to 170 nm is selected.
  • the wavelength band 59 of 200 to 220 nm is selected.
  • the wavelength band to be selected is determined by the relationship between the wavelength and the absorptance.
  • a wavelength band having a high absorption rate that is easily absorbed by the surface layer 103 is selected, and as the light in the second wavelength band, the surface layer 103 and the intermediate layer 104 are selected.
  • a wavelength band that is not easily absorbed (is easily transmitted), has a low absorption rate, and is easily absorbed by the lowermost layer 105 is selected.
  • the measurement of the absorptance and the result were demonstrated, as above-mentioned, it is not necessary to measure an absorptivity with this apparatus, and the combination of the wavelength band suitable for the relationship between the absorptivity and the wavelength of each layer, or this inspection. If known, the first wavelength band and the second wavelength band can be determined using known information.
  • the irradiation energy setting for each wavelength band in step 126 will be described here. While irradiating only the light in the first wavelength band and measuring the surface potential using the charging potentiometer 18, the irradiation energy is adjusted so as to reach the target charging potential. Thereafter, the light of the second wavelength band is irradiated, and the irradiation energy of the second light is adjusted so that the pattern contrast of the layer to be detected is greater than or equal to a certain value. In this way, the surface potential can be set to the target value by adjusting in two steps, such as the adjustment of the irradiation energy of the light in the second wavelength band after the adjustment of the irradiation energy of the light in the first wavelength band. It is possible to adjust the irradiation energy of light so as to obtain a satisfactory pattern contrast.
  • the light irradiation system 9 has a structure in which the combination of the first wavelength band and the second wavelength band can be changed in order to support an arbitrary layer structure. .
  • the structure can change the combination of the first wavelength band and the second wavelength band. .
  • the irradiation energy can be set independently.
  • wavelength bands when inspecting a sample having a specific layer structure or a structure having only a specific film formation method, it is suitable for the layer structure in advance without changing the wavelength band combination. It can also be fixed to a combination of different wavelength bands.
  • the first wavelength band is within a range of 133 to 180 nm. What is necessary is just to set it as the combination of a predetermined wavelength band and the light of a predetermined wavelength band from the range of 200 to 220 nm as a 2nd wavelength band.
  • the wavelength range of light is assumed to be a wavelength with a peak wavelength of 100 nm to 1064 nm in consideration of materials used in semiconductors. The effects of the present invention can be obtained even when a laminated film is formed with layers of various materials.
  • the first wavelength band 100 and the second wavelength band light 101 are light including a plurality of long and short wavelengths with a peak wavelength as shown in FIG. 4 as the center.
  • a broad wavelength band having a wavelength width of several tens to several hundreds of nm, or light having a narrow wavelength band of several nm to several tens of nm such as laser light can be used.
  • the wavelength band in the output range of 1 / e or more with respect to the standardized peak output is shown.
  • light having different wavelength bands means light in a wavelength band that does not overlap each other with an output of 1 / e or more with respect to the peak output of each light.
  • FIG. 10 shows the layer structure of the wafer to be inspected.
  • a surface layer 72, an intermediate layer 73, and a lowermost layer 74 have a three-layer structure.
  • the surface layer 72 is a resist film
  • the intermediate layer 73 is an antireflection film (BARC)
  • the lowermost layer 74 is Si.
  • the sample differs from the sample described in Example 1 in that the intermediate layer 73 is not opened.
  • the alignment defect inspection has been described.
  • the second embodiment is an example adapted to the inspection of the defective opening.
  • the normal portion 75 is exposed and opened leaving the BARC layer, and the defect portion 76 shows a state of defective opening because the resist film remains.
  • both the resist layer and the BARC layer are insulative, and are similarly charged. Therefore, the hole bottom is charged in both the normal part and the defective part.
  • it is a secondary electron image with almost no difference in brightness only by the charge control method using an electron beam. It was difficult to obtain contrast.
  • the defect contrast can be improved by using the light 77 in the first wavelength band and the light 78 in the second wavelength band of the apparatus described in the first embodiment for this defective opening.
  • the light 77 in the first wavelength band selects light in the wavelength band that is easily absorbed by the surface layer 72, and the light 78 in the second wavelength band is hardly absorbed by the surface layer 72 and the intermediate layer 73 (is easily transmitted). And light having a wavelength band that is easily absorbed by the lowermost layer 74 is selected.
  • the surface layer 72 can be positively charged and the intermediate layer 73 can be negatively charged. In the prior art, it is difficult to obtain defect contrast because the normal part and the defective part are positively charged.
  • the normal part can be negatively charged and the defective part can be positively charged. Therefore, secondary electrons from the normal part are easily drawn out to the detector side, the contrast with the defective part is improved, and the defect of the opening defect can be detected with high accuracy.
  • Example 3 the inspection of a sample to be inspected, which is different from the first and second embodiments, will be described using the apparatus described in the first embodiment.
  • the layer structure of the wafer is shown in FIG.
  • the surface layer 86 has a three-layer structure of an intermediate layer 87 and a lowermost layer 88.
  • the surface layer 86 is SiO 2
  • the intermediate layer 87 is a diffusion (bonding) layer
  • the lowermost layer 88 is Si.
  • the intermediate (bonding) layer 87 is a diffusion layer and a plug is embedded in the contact hole.
  • the alignment defect inspection is described.
  • the opening defect inspection is described.
  • the third embodiment is an example adapted to the detection of the plug short defect of the wafer on which the plug pattern is formed.
  • the normal portion is a plug portion embedded in the surface layer 86 on the left side of FIG. 13 and the plug and the intermediate layer 87 are electrically connected.
  • the defective portion is a plug portion embedded in the surface layer 86 on the right side of the figure, and the plug is not electrically connected to the intermediate layer 87 because the plug is embedded in the contact hole having a defective opening. .
  • the defect contrast can be improved by using the light 89 in the first wavelength band and the light 84 in the second wavelength band of the apparatus described in the first embodiment for this plug short defect.
  • the light in the first wavelength band is selected from the light in the wavelength band that is easily absorbed by the surface layer 86, and the light 90 in the second wavelength band is difficult to be absorbed by the surface layer 86 (is easily transmitted) and is intermediate.
  • Light having a wavelength band that is easily absorbed by the layer 87 is selected.
  • photoelectrons can be emitted from the surface layer, the surface can be positively charged, and the intermediate layer 87, which is a junction, can be obtained using light 84 in the second wavelength band.
  • the charging of the plug in the defective part it is difficult for the charging to be eased because electrons do not easily flow due to a defect. Therefore, when the electron beam for inspection is irradiated due to the difference in charge amount, the detected amount of secondary electrons emitted from the plug surface is different, and the brightness difference between the normal part and the defective part can be obtained. And the defect portion are improved, and defects such as plug short-circuit defects can be detected with high accuracy.
  • the energy of the light 90 in the second wavelength band is adjusted first to adjust the conductive energy of an appropriate bonding layer. Whether the bonding layer is conductive or not is determined by measuring the current flowing through the bonding layer using a current meter mounted on the retarding voltage control unit 26 to determine whether the energy is appropriate.
  • the light 89 in the first wavelength band is irradiated while irradiating the light 90 in the adjusted second wavelength band, and the light 89 in the first wavelength band is set so that the pattern contrast is greater than or equal to a certain value. The energy is adjusted.
  • Example 4 a means for selecting a wavelength band of light irradiated by the apparatus described in Embodiment 1 will be described.
  • the selection flow of the wavelength band of the irradiation light when the information on the absorptivity for each layer material is previously databased will be described.
  • FIG. 12 shows a GUI (Graphical User Interface) registered in the workstation mounted on the operation unit 8.
  • the type of defect to be inspected can be input. For example, an opening failure or alignment failure.
  • the layer structure of the sample to be inspected can be input. For example, a three-layer structure or a four-layer structure.
  • a layer to be inspected can be input. For example, a surface layer and an intermediate layer.
  • the layer structure and the induced phenomenon are registered and automatically called to the layer structure setting window 80 (step 140).
  • “Photoelectron” indicates that light is absorbed by the corresponding layer
  • “transmission” indicates that light is transmitted by the corresponding layer.
  • the absorption rate data is called from the database in which the absorption rate for each material is registered in advance (step 141), and the filter angles of the wavelength selection filters 36 and 37 are changed by a signal from the light irradiation control unit 29. (Step 142).
  • the irradiation amount is calculated from the quantum efficiency registered in the database and the irradiation area of each wavelength band, and the light energy control elements 38 and 39 are rotated from the light irradiation control unit 29 to determine the energy (step 143). ). Further, a secondary electron image 84 is acquired, and it is confirmed by image analysis that a desired pattern contrast is obtained.
  • the absorptance data display window 81 displays each absorptance data (for example, wavelength-absorptivity data in FIG. 9), and the wavelength band irradiated on the display window can be adjusted.
  • each absorptance data for example, wavelength-absorptivity data in FIG. 9
  • the wavelength band irradiated on the display window can be adjusted.
  • the pattern contrast of the layer to be inspected is insufficient, the energy is adjusted. The energy adjustment is determined from the charge amount and the pattern contrast as described in the first embodiment.
  • the energy of light in the first wavelength band is set so that the potential falls within an error range of 0.5 V or less with respect to the set charging potential.
  • the energy of light in the second wavelength band is adjusted while measuring the pattern contrast, and the maximum value at which the pattern contrast is maximized is determined and set.
  • the energy of light in the second wavelength band may be adjusted first depending on the layer structure of the inspection sample and the inspection defect to be processed.
  • the setting result is displayed in the charge amount data display window 82 and the pattern contrast data display window 83.
  • the charge amount of the layer can be grasped from the charge amount data display window.
  • the pattern contrast data display window shows the dependence of the contrast energy on the energy of the light so that the contrast in the adjusted energy of the light is an appropriate contrast or the energy of the light that further improves the contrast. It is possible to grasp whether there is.
  • the charge amount data display and pattern contrast data display can confirm the increase in irradiation energy amount and the deterioration of the light source and optical system from abnormal characteristic curves.
  • the degraded optical path can be identified depending on whether there is an abnormality.
  • the condition of the irradiating light is displayed in the condition result display window 85 and incorporated in the inspection flow.
  • the secondary electron image 84 is displayed in real time as a GUI. Therefore, it is possible to grasp the contrast state of the secondary electron image 84 in the result of the condition of the light to be irradiated. Further, in the condition result display window 85, the operator can input an arbitrary numerical value, and the light irradiation system 9 can be controlled by the input number. Further, the secondary electron image 84 under the input conditions is also displayed in real time, so that the contrast can be adjusted.
  • the inspection for the defective opening in the second embodiment will be described as an example.
  • the defect type setting window 79 a mode for inspecting a defective opening of a wafer having a three-layer structure was selected, and in the layer structure setting window 80, a three-layer structure of resist, BARC, and Si was selected.
  • the phenomenon induced by light for each layer is configured to be automatically determined by the type of defect and the designation of the layer, but can be changed by the operator in the layer structure setting window 80.
  • the wavelength at which photoelectrons are emitted from the resist the wavelength absorbed by the resist
  • the surface layer is positively charged.
  • the Si layer absorbs the light in the second wavelength band, thereby releasing photoelectrons from the Si layer and negatively charging the BARC layer. And a method of making the BARC layer conductive by absorbing light in the second wavelength band.
  • the absorption rate data display window 81 can call up and display the absorption rate data for each material and manufacturing method registered from the database.
  • the results measured with the absorptivity meter 17 and the surface potential meter 18 for each material and manufacturing method, and data disclosed by the material manufacturer are registered in the database.
  • the absorption data shows that the wavelength that makes BARC conductive is high in the resist, so it is difficult for the resist to absorb, and there is no appropriate wavelength that is easily absorbed by BARC. It can be judged that improvement cannot be expected.
  • the wavelength of light that passes through the resist and BARC and is absorbed by Si and emits photoelectrons from Si has a low absorptance at resist and BARC, and can effectively suppress the charging of BARC. It can be judged from the absorption rate data displayed in 81. For this reason, a wavelength that transmits the resist and BARC as light in the second wavelength band, is absorbed by Si, and emits photoelectrons from Si is selected.
  • the wavelength bands of the first light and the second light are automatically extracted from the absorptivity database.
  • the first light is light in the wavelength band of 160 to 180 nm
  • the second light is 240 to 300 nm. It became light of the wavelength band.
  • Examples 1 to 4 have been described.
  • the wavelength band to be selected is selected from an ultraviolet region of 100 nm to 400 nm or less absorbed by SiO 2 or Si, visible light of 400 nm to 700 nm or less that transmits SiO 2, and a near infrared of 700 nm to 1100 nm or less that transmits Si.
  • the pattern contrast can be controlled according to the layer from which the defect is to be extracted and the type of the defect to be detected.
  • the absorptance changes depending on the material constituting the wafer layer and the manufacturing method, there is a problem that it is difficult to select the light irradiation conditions. Therefore, means for measuring the absorption rate of each layer and means for measuring the charge amount formed by light irradiation are provided.
  • the wavelength band to irradiate can be selected according to the result of the absorptance measured for each wavelength for each layer.
  • the irradiation energy can be controlled according to the measurement result of the charge amount of the light irradiation unit, the stability and reproducibility of the pattern contrast can be improved.
  • Electron beam apparatus 2 ... Electro-optic system, 3 ... Stage mechanism system, 4 ... Wafer conveyance system, 5 ... Vacuum exhaust system, 6 ... Control system, 7 ... Image processing system, 8 ... Operation part, 9 ... Light irradiation System: 10 ... Light irradiation condition measurement system, 11 ... Electron gun, 12 ... Condenser lens, 13 ... Objective lens, 14 ... Detector, 15 ... Deflector, 16 ... Electrode on wafer, 17 ... Absorbance meter, 18 ... Surface potentiometer, 19 ... XY stage, 20 ... Wafer holder, 21 ... Wafer, 22 ... Beam control unit, 23 ...
  • defect type setting window 80 ... layer structure 81 ... Absorption rate data display window, 82 ... Charge amount data display window, 83 ... Pattern contrast data display window, 84 ... Secondary electron image, 85 ... Condition result display Window, 86 ... Surface layer, 87 ... Intermediate layer, 88 ... Bottom layer, 89 ... First wavelength band, 90 ... Second wavelength band, 100 ... First wavelength band, 101 ... Second wavelength Wavelength band, 102 ... electron beam, 103 ... surface layer, 104 ... intermediate layer, 105 ... bottom layer, 106 ... defect, 130 ... light source, 131 ... light source, 132 ... energy control element, 133 ... energy control element, 134 ... Shutter, 135 ... Shutter.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Testing Or Measuring Of Semiconductors Or The Like (AREA)
  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)

Abstract

　荷電粒子線を用いて半導体製造工程途中の回路パターンを持つウェハ上の欠陥の位置や種類を検査する荷電粒子線装置において、回路パターンの特定の層の検査に必要なパターンコントラストを得るのが困難であった。 荷電粒子源11の荷電粒子線を用いて、半導体製造工程途中の回路パターンをもつウェハ上の欠陥の位置や種類を検査するにあたって、ホルダ20に設置されたウェハに光照射系9から互いに異なる波長帯の光を照射すると同時に荷電粒子線を照射し、画像のコントラストを向上させ、高感度に検査を行う。

Description

荷電粒子線装置
　本発明は荷電粒子線を用いた荷電粒子線装置技術にかかわり、特に荷電粒子線を用いた半導体検査装置において、半導体ウェハ基板のパターン形状異常や、デバイスの電気的欠陥を検出する検査技術に関する。
　半導体デバイスの高集積化に伴い、デバイス構造はますます微細化、多層化し、その構造は複雑化している。半導体デバイスの製造工程では、歩留まりを向上させるため、半導体デバイスの不良に直結する導通不良などの電気的な欠陥を高感度に検出する技術が必要である。検出が求められる欠陥は、レジストパターンの露光パターン不良、コンタクトホールの導通不良、プラグの埋め込み不良、積層時のアライメント不良といったように多様化している。このような半導体デバイスの製造工程におけるニーズに対して、電子線を用いた欠陥検査技術がある。この欠陥検査技術は、電子線を半導体ウェハ上に収束、走査した時に、ウェハより放出される二次電子を検出することによって回路パターンの二次電子画像を取得する。正常部と欠陥部の検出には、電子線を照射したときに生じる半導体ウェハの帯電を利用する。正常部と欠陥部では帯電量に違いが生じ、二次電子の検出量が変化するため、正常部と欠陥部でコントラストが得られる。このコントラストを欠陥コントラストという。
　欠陥コントラストを向上させ、高感度に検査する方法として、半導体ウェハ上に設置した帯電制御用の電極に電圧を印加し、電子線照射時に生じる二次電子を用いて、帯電の極性や帯電量を制御する方法や、大電流かつ大面積を照射することが可能な電子源を用いて、あらかじめウェハを帯電させ、その後、検査用の電子線を用いて検査を行う方法が知られている。例えばウェハ表面を正に帯電させた場合、開口したコンタクトホールの穴底から出た二次電子は、表面の正帯電によって穴底から引出される。開口した正常部のコンタクトホールは、周辺の絶縁膜よりも明るくなり、パターンコントラストが形成できる。
　一方、コンタクトホールの穴底に絶縁膜が残された欠陥部では、ウェハ表面と同様に穴底の絶縁膜も正に帯電するため、穴底から引き出す電界が弱まる。非開口なコンタクトホールは、周辺の絶縁膜と同様の明るさとなり、この正常部と欠陥部の明暗差が欠陥コントラストとなる。
　一方、電子線以外の帯電制御技術用いて欠陥コントラストを向上させる方法として、特開2003-151483（特許文献１）が知られている。CMOSなどのトランジスタを含む半導体ウェハにおけるプラグの非導通不良の検査では、半導体ウェハに作りこまれたｐ型とn型の接合部が問題となる。電子線による帯電制御法では、デバイスの抵抗値によって帯電量が変化するため、接合の種類に応じて帯電制御用の電極に印加する電圧の極性を切替えて、パターンコントラストを得る必要があった。また接合が持つ抵抗値のばらつきがプラグのパターンコントラストのばらつきとなり、欠陥コントラストが劣化するという問題もある。
　特許文献１には、接合層に紫外光を照射することによって接合を低抵抗化し、パターンコントラストを向上させる方法が示されている。紫外光は、絶縁膜は透過し、Siに吸収される波長を利用する。照射した紫外光は、ウェハ上に形成された絶縁膜は透過し、Si層まで到達する。Si層に吸収された紫外光は接合部で電子、正孔対を作り出し、接合部を導電化するため、低抵抗化する。接合の抵抗は無視できるため、接合の種類によらず、均一なパターンコントラストを得ることができる。また接合部の低抵抗化によってばらつきも無視できるため、パターンコントラストが安定し、高感度な欠陥検査が可能である。
特開2003-151483号公報
　複数の層で構成されたウェハにおいて、高い欠陥コントラストを得るには、欠陥が含まれる層で高いパターンコントラストを得ることが重要である。しかし、従来の電子線を用いた半導体検査方法は以下のような課題を有していた。
　図８Ａに示すように電子線102を用いた帯電制御法では、ウェハ表面でしか帯電を作り出すことができない。図８Aでは、三層構造にコンタクトホールが形成された試料の断面図を示し、電子線102により電子線が試料の層表面に照射され、各層から放出された二次電子により層表面が帯電している状態を示す図である。このように電子線102を用いた帯電制御方法では、ホールパターンの穴底からウェハ表面までほぼ均一な電界強度（図８Aの（ｂ）のグラフの傾きに比例する強度）が形成される。同図（ｂ）では、最下層が接地され、最上層が電子線により１０Vに帯電されている状態の深さ方向の試料の深さ方向と電位との関係図である。ホールからの信号量はホールの縦方向に生じる電界強度分布に依存し、穴底から表面まで均一な電界強度分布を持つ場合、各層からの二次電子が均一に得られるため、各層間のパターンコントラストは弱く、中間に含まれる特定の層のパターンコントラストのみを抽出することが困難であった。つまり、コンタクトホールを試料上面から観察した二次電子画像である同図（ｃ）に示すように中間層104と最下層105とのパターンコントラストが弱く、明確に識別することが困難であった。そのため、106に示すアライメント欠陥、他のホール内に見えている中間層104と最下層105との境界である２本の平行線が106のホール内には１本しか見えていないことからアライメントずれ等に起因する欠陥が生じているもののパターンコントラストが弱いため欠陥判定が困難であった。なお、同図（ａ）は、同図（ｃ）のＡ－Ａ´の実線部分の断面図である。
　特定の層のパターンコントラストを得る場合、特定の層から表面までの帯電分布を制御し、特定の層から表面層間の電界強度を強くすることが重要である。例えばコンタクトホールが形成されたウェハにおいてゲートのサイドウォールのような中間層のアライメント不良を検査する場合、サイドウォール層からホール上面までの帯電分布を制御することが重要である。紫外光照射による導電化を利用してパターンコントラストを向上させる場合、サイドウォール層のみを導電化させ、帯電を抑制することができるが、導電化だけでは十分なパターンコントラストを得ることができない。特に露出領域の少ないサイドウォールのミスアライメントを検出するには、高いパターンコントラストを得ることが重要である。例えば、紫外光照射による導電化を利用する技術では、図８Cの（ａ）に示すようにホール上層を透過し、かつ、中間層に吸収される光62を照射することで、中間層であるサイドウォール層のみを導電化させ、帯電を抑制することができる。
　これにより、同図の（ｂ）に示すようにサイドウォール層の低抵抗化により電界強度をほぼ０にすることができる。これにより、パターンコントラストを向上させたいサイドウォール層からホール上面までの電界強度を従来（図８Ａの（ｂ））よりも大きくすることができると同時に、サイドウォール層とホール表面までの電界強度を従来（図８Ａの（ｂ））よりも低くすることができる。この結果、サイドウォール層から放出される二次電子が検出器側に引き出され易くなると共に、ホール表面から放出される二次電子が検出器側に引き出され難くなり、パターンコントラストが従来よりも大きくなると考えられる。しかし、この紫外光による中間層導電化では従来手法よりもパターンコントラストの改善が望めるものの、以前として十分なパターンコントラストは得られないため、欠陥判定が非常に困難であるという課題がある。
　本発明の目的は、上記課題を解決し、様々な構造を持つ試料の帯電を高速、安定に制御し、特定の欠陥を高感度に検出する荷電粒子線装置を提供することにある。
　本願発明の代表的な装置は、以下のとおりである。荷電粒子銃と、試料を載置するための試料ホルダと、試料ホルダに載置された該試料に荷電粒子銃から照射される荷電粒子線を照射する荷電粒子光学系と、該荷電粒子線が該試料に照射されることにより発生する二次電子を検出する検出器と、検出器により検出される該二次電子の信号を画像処理する画像処理部と、試料ホルダに載置された該試料の同一領域に互いに波長帯の異なる第１の波長帯の光と第２の波長帯の光とを同時に照射可能な光照射系とを備える荷電粒子線装置である。
　また、別の代表的な装置は、荷電粒子銃と、試料を載置するための試料ホルダと、試料ホルダに載置された該試料に荷電粒子銃から照射される荷電粒子線を照射する荷電粒子光学系と、該荷電粒子線が該試料に照射されることにより発生する二次電子を検出する検出器と、検出器により検出される該二次電子の信号を画像処理する画像処理部と、試料ホルダに載置された該試料に光を照射する光照射系とを備え、光照射系は、互いに波長帯の異なる第１波長帯の光と第２波長帯の光との光路を統合するビームスプリッタを備える荷電粒子線装置である。
　また、別の代表的な装置は、少なくとも第１層、第２層、第３層が上方から順に積層された構造を有する試料を検査する荷電粒子線装置において、荷電粒子銃と、該試料を載置するための試料ホルダと、該第１層に吸収される第１の波長帯の光と、該第１層および該第２層を透過し、かつ、該第３層に吸収される第２の波長帯の光とを同時に照射する光照射系と、第１の波長帯の光の照射により正に帯電した該第１層と、第２の波長帯の光の照射により該第３層に光電子が発生し該光電子により負に帯電した該第２層とに荷電粒子銃から照射される荷電粒子線を照射する荷電粒子光学系と、該荷電粒子線が該第１層および該第２層に照射されることにより発生する二次電子を検出する検出器と、検出器により検出される該二次電子の信号を画像処理する画像処理部とを有することを特徴とする荷電粒子線装置である。
　本願発明によれば、複数の波長を同時に照射することができ、パターンコントラストを向上させることができる。このパターンコントラストの向上により、高精度、高感度な荷電粒子線を用いた観察、計測、検査が可能な装置を提供することができる。
本発明の半導体検査装置の一例を示す構成図。 本発明の光照射光学系の一例を示す構成図。 本発明の光照射光学系の別の一例を示す構成図。 照射する波長帯の一例示す説明図。 本発明における検査フローの一例を示す構成図。 本発明における光照射条件設定フローの一例を示す構成図。 検査対象の層構造の一例示す説明図。 従来技術の説明図。 本発明における効果の一例を示す説明図 検討した技術における効果の一例を示す説明図 吸収率カーブにより照射波長を決定する方法を示す説明図。 検査対象の層構造を効果の一例を示す説明図。 データベースを用いて照射条件を決定するフローを示す構成図。 光照射条件を設定するGUIを示す構成図。 検査対象の層構造を効果の一例を示す説明図。
　以下、本発明の実施例を、図面を用いて説明する。本明細書では、荷電粒子線装置全般に適応することが可能であるが、説明の便宜上、荷電粒子の一部である電子を用いた電子線装置について説明する。荷電粒子線装置として理解する場合には、電子を荷電粒子に置き換えて本明細書の記載を参酌すれば良い。なお、電子以外の荷電粒子として例えばイオンが考えられ、イオンを用いたイオン装置においても適用することができる。また、本明細書にて、波長とは、光の出力強度分布において強度分布のピークの波長を言い、波長帯とは光の出力強度分布を規格化したピーク出力に対し１／ｅ以上の出力となる波長の範囲を言う。
（実施例１）
　本実施例では、電子線（荷電粒子線）装置で、試料として被検査ウェハにホールパターンが形成されている場合の、中間層のアライメント不良を検出する一例について述べる。本実施例における電子線装置の構成例を図１に示す。電子線装置１は電子光学系2、ステージ機構系3、ウェハ搬送系4、真空排気系5、制御系6、画像処理系7、操作部8、光照射系9、光照射条件測定系10により構成されている。電子光学系2は、電子銃11、コンデンサレンズ12、対物レンズ13、検出器14、偏向器15、ウェハ上の電極16により構成されている。光照射条件測定系10は吸収率計17、表面電位計18により構成されている。ステージ機構系3はXYステージ19、ウェハホルダ（試料ホルダ）20、ウェハ21により構成されている。制御系6はビーム制御部22、検出系制御部23、偏向制御部24、電子レンズ制御部25、リターディング電圧制御部26、電極制御部27、光照射条件測定制御部28、光照射制御部29により構成されている。画像処理系7は画像処理部30、画像記憶部31により構成されている。
　本実施例では、電子光学系を覆う筐体内の真空内に導入された光32を、検査対象試料であるウェハ21に照射すると同時に、電子線を照射し、検出された二次電子画像から欠陥検査を行う。光照射系9の構成例を図２に示す。光源34は133nm以上1064nm以下の波長を含む光源を用いた。光源は水銀ランプ、エキシマランプ、波長可変レーザ等を用いることができる。光源より放出された光は、ビームスプリッタ35を用いて光の光路が2本に分岐されることで2本の光に分割される。分割された光は夫々の光路に配置された波長選択フィルタ36、37を用いて、波長帯を変更し、制御することができる。
　なお、フィルタにはエタロンフィルタを用いた。エタロンフィルタはフィルタに入射する光の角度によって波長を選択することができる一般的なフィルタである。これらのフィルタは、入射する光に対する角度を個々独立に制御することができ、上記光照射制御部29からの制御により分割された光ごとに波長帯を設定することができる。また波長選択フィルタ36、37はフィルタの幅の異なるエタロンフィルタを使用し、選択波長のレンジを変えることによって、波長選択幅を変化する構成にしている。本実施例ではエタロンフィルタを用いたが、波長選択フィルタの組み合わせや、分光素子を用いることも可能で、本実施例に限定されるものではない。また、光のエネルギ制御素子38、39を夫々の光路に配置し、これらの制御素子として、連続型のND（Neutral Density）フィルタを用いた。連続型のNDフィルタは照射する光の位置によって透過率が変化するフィルタであり、フィルタ位置を移動させることによってエネルギを制御することができる。連続型だけではなく、レボルバ式のNDフィルタを用いることもできる。本実施例ではＮＤフィルタを用いたが、アッテネータやウェッジプレートを用いることも可能で本実施例に限定されるものではない。
　さらに図２で図示するように、夫々の光の光路に光を遮蔽するシャッタ40、41を配置している。夫々の光路を通過する光の照射時間や照射の有無はシャッタ40、41の開閉で制御することができる。照射時間を制御する装置として光チョッパを用いることもできる。これらの波長選択フィルタ、エネルギ調整素子、シャッタは光照射制御部29より各々独立に制御することができる。個々に条件設定された光はビームスプリッタ42によりひとつの光路に統合され、ビーム形状制御素子43を用いて照射する光のビーム形状を一括して制御することができる。本実施例ではビーム形状制御素子43にマイクロレンズアレイを用いた。ビーム形状は電子線走査領域にかかわらず任意に設定することができる。他のビーム形状制御素子として、ミラーレンズによるダウンコリメート光学系などがあり、本実施例では特にマイクロレンズアレイやダウンコリメート光学系に限定されるものではない。このように、単一の光源より放出された光が、ビームスプリッタ35により光路の分岐がなされ、それぞれ分岐した光の波長帯、エネルギ、照射の有無が制御された後に、ビームスプリッタ42により光路が統合され、光32として真空内の検査試料（ウェハ）に照射するこができる構成となっている。
　次に、図２とは別の光照射系9の構成例を図３に示す。図２の単一の光源とは異なり出力波長域が違う2種類の光源130、131（たとえばハロゲンランプと水銀ランプなど）を用意し、光路を分岐するビームスプリッタ35を介さずに、個別にエネルギ制御素子132、133とシャッタ134、135を含む構成とした。夫々のエネルギ制御素子およびシャッタの構成や役割は図２で説明したためここでの説明は省略する。なお、光源にレーザ光を利用する場合には、高次の波長変換を利用した方式や、パラメトリック発振を利用する方式がある。なお、１種類の光源を夫々130、131として設け、図２のように波長選択フィルタ36、37を設ける構成にしても良い。
　次に真空中に統合された光が導入され、試料に到達するまでについて説明する。光32は石英やMgF2などの紫外域まで透過率の高い真空窓を利用し真空中に導入する。真空内に導入された光は、電子光学系2の軸上に設置された反射板33により、ほぼ電子光学系と同軸にウェハに向かって落射することができる。反射板33はアルミニウムコートや、誘電多層膜による反射率の高いコーティングを施すことにより構成されている。本実施例では光を垂直落射する光学系を採用したが、対物レンズ下面からウェハに斜めに照射する構成や、ミラーによる照射角度制御やガルバノミラーによる走査を行うことも可能である。ウェハに形成された各層の吸収率を測定する吸収率計17は、照射された光がウェハで反射したときの光の振幅と偏光角度が測定できる構成とした。分光エリプソメトリの原理により振幅と偏光角度の測定結果から、吸収係数を算出することができる。波長ごとの光の振幅を測定する手段として分光器を利用し、偏光角度は偏光子を用いて計測することができる。表面電位系18には非接触の表面電位計を用いた。
　なお、吸収率計17は本装置の必須の構成ではない、例えば、既に吸収係数が装置外部で測定されていて既知の場合や、経験的にプロセス条件により吸収係数が求まっている場合が考えられる。この場合には、あえて検査装置内の真空内で吸収係数を求める必要がなく、吸収率計17は装置構成から除くことができる。また、光照射系として、図２や図３のように光路を統合するビームスプリッタ42を設ける例を示した。
　しかし、この光照射系では望ましい構造を実施例として示したに過ぎず、様々な構成の変更を行うことができる。例えば、ビームスプリッタ42を設けないことも可能である。夫々別々の光源を用い、別々の方向からウェハに向かって落射する構成とすることも出来る。つまり、ウェハの表面の所定の同一領域に互いに波長帯の異なる光を同時に照射可能な光照射系であれば良く、真空内に照射される前に光路が統合されていなくても良い。但し、光路を統合した場合には、しない場合に比べて、光の照射領域やビーム形状制御素子を独立に制御する必要がないため、光の照射制御が容易かつ高精度に行えるという利点がある。
　次に、図１の装置を用いた欠陥検出方法について検査フローにしたがって説明する。
  図５に検査フローを示す。操作部8から、あらかじめ作成、登録したウェハの基本情報、検査情報を入力する。ウェハの基本情報はレイアウトパターン等があり、検査情報は検査領域、検査条件、光照射条件がある。検査条件は照射する電子ビーム電流、入射エネルギ、走査速度、走査領域がある。光照射条件は波長、照射エネルギ、照射パルス、照射領域、検査対象となる材料の光の吸収率等がある（ステップ110）。ウェハの基本情報、検査情報の入力（検査条件設定）の後、ウェハ21は搬送系4により、予備試料室（図示せず）に導入され、真空排気された後に、検査室に導入される（ステップ111）。ウェハロード後、ステップ111で入力した検査情報である光照射条件に基づき光照射制御部29により光の照射条件が設定される（ステップ112）。
　光の照射条件の設定後、ステップ112で入力した検査条件に基づき電子線照射条件が設定される。この設定時には、電子ビーム校正用のパターンを用いて電子ビームの焦点、非点等の校正も行われる（ステップ113）。電子ビームの校正後、ウェハの位置を検出し、ウェハ位置や回転量のアライメントが行われる（ステップ114）。アライメント後、光照射系9内のシャッタ40、41を開け、光を照射しながら検出系14で取得する二次電子画像の明るさとコントラストの調整、いわゆるキャリブレーションが行われる（ステップ115）。キャリブレーション終了後、検査領域に基づき検査を開始し（ステップ116）、光照射系9内のシャッタ40、41を開け、光を照射しながらステージ移動により、光が照射されている領域から放出される二次電子画像を検査画像として取得する（ステップ117）。画像処理系7により、異なる領域の2つの同一パターンレイアウト部から夫々二次電子画像を取得し、両二次電子画像の一方を正常部に相当する参照画像、他方を検査画像として画像比較検査を行い、夫々の画像の差画像を取得する（ステップ118）。
　なお、両画像が二次電子画像である必要はなく、CADデータを参照画像として差画像を取得してもかまわない。この差画像の異常明度から、欠陥位置が抽出され（ステップ119）、検査結果が出力される（ステップ120）。つまり、この差画像の差信号が一定値以上の場合には、この差信号の位置に欠陥があるものとして判定され、一方、差信号が一定値に満たない場合には、欠陥がないものとして判定される。このように差画像の差信号の値、つまり異常明度から欠陥の有無が判定され、検査結果として出力される。検査終了後、搬送系4によりウェハ21をアンロードし、終了する（ステップ121）。
　次に、今回の発明のポイントとなる光の照射条件の設定(ステップ112)の詳細フローについて、図６を用いて説明する。まずウェハに光32を照射し、吸収率計17により吸収率（吸収係数）を測定する（ステップ122）。光照射条件で設定した吸収率以下になるように、波長選択フィルタ36、37のフィルタ角度を光照射制御部29からの信号により変更し、照射する夫々の光の波長帯調整し（ステップ123）、照射波長の設定を行う（ステップ124）。照射エネルギの校正は、照射領域を表面電位計18により表面電位を測定し（ステップ125）、光照射条件で設定した表面電位を満たすように、光のエネルギ制御素子38、39を光照射制御部29で回転させて、照射エネルギを調整し、設定する（ステップ126、127）。また、この一連のフローで、光の照射領域の調整も行われる。そして、その後、電子線照射条件の設定が行われる（ステップ113）。なお、上述したように、検査対象となる材料の光の吸収率が既知の場合には、吸収率の測定を省略することもできる。以上のフローにより、光照射制御部29を介して、光照射系9の各部材を制御し、検査ウェハに適した光の波長帯、照射エネルギ、照射領域が設定される。また、互いに異なる波長帯の光の照射の有無、照射時間についても、光照射制御部29のシャッタの制御により設定することもできる。
　次に、本実施例の電子線装置を用いて、中間層のアライメント不良を検出する際の光照射条件の設定方法と検査方法、パターンコントラストが向上する原理について説明する。図７に、試料であるウェハの層構造について示した。表面層44は中間層45、最下層46の三層構造で構成されており、例えば、表面層44はSiO2、中間層45はSi3N4、最下層46はSiである。この図面は、SiO2表面層44上にコンタクトホールのパターンが形成されたレジストパターンをマスクとしてSiO2を選択的にエッチングし、さらにSi3N4中間層45が選択的にエッチングされた後のコンタクトホール形成時のウェハの断面図である。特にDRAMのメモリセルのトランジスタへの拡散層にコンタクトを取る場合に用いられる周知の層構造である。この場合、選択的なエッチングによりSi3N4中間層45がSiO2表面層44のホール径よりも小さく形成されるため、SiO2表面層44のホール径よりもSi3N4中間層45のホール径が小さくなるよう図示されている。
　図８Ａに電子線102を照射し試料表面を帯電させたときのホール軸上の電位分布（図８Ａ（ｂ）参照）と、得られる二次電子画像（図８Ａ（ｃ）参照）を示した。電子線による帯電形成では試料表面に電荷が蓄積されるため、中間層104から表面層103までの電位勾配は弱く、電界強度が小さい。よって二次電子画像でホール内の中間層を示す領域49のコントラストが弱く、パターン認識が困難である。一方、図８Ｂに本発明の荷電粒子線装置による複数の波長帯の光照射を行った場合の試料断面の模式図とホール軸上の電位分布（図８Ｂ（ｂ）参照）と得られる二次電子画像（図８Ｂ（ｃ）参照）を示した。
　図８Ｂ（a）に模式的に示されるように、表面層103に吸収される波長を持つ第一の波長帯の光50と、表面層103、中間層104を透過し、最下層105に吸収される第一の波長帯とは互いに異なる波長帯の第二の光51を試料に照射する。第一の波長帯の光が表面層103に吸収されることで表面層103に正帯電を形成し、第二の波長帯の光が最下層105に吸収されることで最下層105から光電子を放出し、その光電子が中間層104に注入されることで中間層104を負帯電させる。これらの正帯電並びに負帯電は、それぞれ照射される第一の波長帯の光50のエネルギにより光電子が表面層103から真空中に放出される現象と、第二の波長帯の光51のエネルギにより光電子が最下層105から中間層104に放出・注入される現象により形成される。このような現象が生じ、表面層103が正帯電、中間層104が負帯電となった場合の試料深さ方向と帯電電位との関係を図８B（ｂ）に示す。この図では、表面層103の表面が１０Vに正帯電した場合の関係図である。図に示すように、中間層104は負帯電により層内の電位が特定の場所で最下層105に比べ負の電位となる（例えば－２V）。そのため、中間層104から表面層103までの電位勾配は従来の電位勾配が大きくなり、電界強度が従来よりも大きくすることができる。
　また、これと同時に最下層105から中間層104までの電位勾配を負の勾配にすることができ、電界の向きを逆方向にすることができる。このような電位分布を形成されることにより、検査用の電子線の中間層104への照射により放出される二次電子は大きな電界強度により検出器側に勢いよく引き出されると同時に、検査用の電子線の最下層105への照射により放出される二次電子は負の電界により最下層105へ引き戻され検出器側に引き出され難くなる。よって、図８B（ｃ）の二次電子画像でホール内の中間層を示す領域104とホール内の最下層を示す領域105のコントラストが強くなり、アライメント不良である欠陥部106が従来技術での二次電子画像に比べ容易に認識することができる。これにより、中間層における欠陥を高感度に検出することができるようになる。
　また、従来の電子線の照射による試料の表面の帯電では、検査用の電子線の照射により表面の帯電量が変化し、コントラストが安定し難いという別の課題もあるが、本発明に係る装置では、検査用の電子線の照射する間においても、検査対象となる領域に第一の波長帯の光と第二の波長帯の光とを同時に照射することができるため、正帯電量と負帯電量の電荷量を安定させることが可能となる。そのため、従来の電子線による帯電形成よりも画像のコントラストが安定するという利点がある。
　また、本発明に係る装置の光照射系には、シャッタ40、41第一の波長帯の光と第二の波長帯の光の照射有無をシャッタ40、41で切り替えることによって、第一の波長帯の光で表面層103を正帯電させて表面層103の検査を行い、第一と第二の波長帯の光を同時に照射することによって中間層104の検査を行うことが可能で、例えばデバイスの設計データから照射の有無を切り替えて、異なる層の欠陥検査を本装置で行うことも可能である。
　次に光の照射条件設定方法について述べる。例えば、表面層103はSiO2、中間層104はSi3N4、最下層105はSiである。本実施例の構成を用いて吸収率計17により吸収率を計測した。Siの吸収率カーブ55、Si3N4の吸収率カーブ56、CVD法によるSiO2の吸収率カーブ57、熱酸化によるSiO2の吸収率カーブ58の測定結果を図９に示す。縦軸は、任意スケースの規格化された吸収率を示し、横軸は波長を示す。吸収率が高い程、特定の波長を有する光が吸収され易いことを示している。
　なお、横軸は、左側に行くに従って波長が大きくなる軸である。この測定結果から材料によって、光の吸収率が波長に依存することを示していると共に、同一の材料であっても成膜方法によって、光の吸収率が波長に依存することを示していることがわかる。表面層103がCVD法で作成されている場合、第一の波長帯の光は170以上180nm以下の波長帯60を選択し、表面層103が熱酸化で作成されている場合、第一の波長帯の光は133以上170nm以下の波長帯61を選択する。最下層105に吸収される波長帯の第二の光は200以上220nm以下の波長帯59を選択する。選択する波長帯は、波長と吸収率との関係により決定される。
　つまり、第一の波長帯の光としては、表面層103に吸収され易い、吸収率の高い波長帯を選択し、第二の波長帯の光としては、表面層103と中間層104に対して吸収され難い（透過し易い）、吸収率の低い波長帯であり、かつ、最下層105に吸収され易い、吸収率の高い波長帯を選択する。なお、吸収率の計測とその結果について説明したが、上述した通り、本装置で吸収率を測定しなくともよく、各層の吸収率と波長との関係又は本検査に適した波長帯の組み合わせが既知の場合には、既知の情報を用いて、第一の波長帯と第二の波長帯を決定することができる。
　次に、ここで、ステップ126の各波長帯の照射エネルギ設定について説明する。第一の波長帯の光のみ照射し、帯電電位計18を用いて表面電位を計測しながら、目標の帯電電位になるように照射エネルギを調整する。その後第二の波長帯の光を照射し、検出したい層のパターンコントラストが一定値よりも大きい若しくは最大になるように第二の光の照射エネルギを調整する。このように第一の波長帯の光の照射エネルギの調整後に第二の波長帯の光の照射エネルギの調整というように二段階で調整することで、表面電位を目標値に設定できると共に、最適なパターンコントラストとなるような光の照射エネルギを調整することができる。
　以上、検査対象の試料を表面層44がSiO2、中間層45がSi3N4、最下層46がSiとして説明したが、層構造は任意の組み合わせの層構造を有する試料についても適応することができるため、光照射系9は、任意の層構造に対応できるようにするため、第一の波長帯と第二の波長帯の波長帯の組み合わせを変更することが可能な構造になっている。また、層の成膜方法や膜厚などによっても光の吸収率が変化するため、第一の波長帯と第二の波長帯の波長帯の組み合わせを変更することが可能な構造になっている。また、パターンコントラストは夫々の光の照射エネルギにも依存するため夫々独立して照射エネルギを設定できる構造になっている。但し、波長帯の組み合わせについては、特定の層構造や特定の成膜方法のみの構造を有する試料の検査を実行する場合には、波長帯の組み合わせを変更できる構造にしなくとも予め層構造に適した波長帯の組み合わせに固定しておくことも出来る。
　具体的には、表面層44がSiO2、中間層45がSi3N4、最下層46がSiと決まっている場合には、第一の波長帯として１３３以上１８０ｎｍ以下の波長帯の範囲から所定の波長帯と、第二の波長帯として２００以上２２０ｎｍ以下の波長帯の範囲から所定の波長帯の光の組み合わせとしておけば良い。また、本明細書で光の波長の範囲は、半導体で用いられる材料を考慮し、ピーク波長が１００ｎｍ以上１０６４ｎｍ以下の波長を想定しており、本装置において上記範囲の波長帯の光を出力できれば、様々な材料の層で積層膜を形成した場合にでも、本発明の効果を得ることができる。
　ここで、本明細書での第一の波長帯と第二の波長帯について、図４を用いて説明する。第一の波長帯100と第二の波長帯の光101とは、図４に示すようなピーク波長を中心として、長短の波長を複数含む光である。ここでは、波長の幅が数１０ｎｍから数１００ｎｍのブロードな波長帯や、レーザ光のように数ｎｍから数１０ｎｍの狭い波長の幅をもつ波長帯の光を用いることができる。本明細書で波長帯の数値に明言するときには、規格化したピーク出力に対し１／ｅ以上の出力の範囲の波長帯を示す。また、本明細書で互いに波長帯が異なる光という場合には、それぞれの光のピーク出力に対し１／ｅ以上の出力で互いに重ならない波長帯の光のことを示す。
　つまり、図４に示すように、１／ｅ未満の出力で重なる波長が存在してもよい。１／ｅ未満の出力であれば、ほとんど層の帯電に寄与しないためである。一方、１／ｅ以上の出力で互いに重なる場合には、実質的に単一の波長帯の光とみなされ、正帯電となる表面層と負帯電となる中間層とで導電化現象が起き、電位がほぼ同一の電位になる場合がある。この場合には、所望のパターンコントラストが得られないため、１／ｅ以上の出力で互いに重ならない波長帯の光の照射エネルギ、波長帯を選択する必要がある。
　以上の荷電粒子線装置より、多層構造を持つウェハにおいて、特定の層のパターンコントラストから、欠陥コントラストを飛躍的に向上させることができるようになった。その結果、半導体製造工程の歩留まり管理や早期不良検出に貢献できるようになった。
（実施例２）
　本実施例では、実施例１で説明した装置を用いて、実施例１とは異なる検査対象の試料の検査について説明する。検査対象となるウェハの層構造について図１０示した。表面層72、中間層73、最下層74の三層構造で構成されており、表面層72はレジスト膜、中間層73は反射防止膜（BARC）、最下層74はSiである。中間層73が開口していない点において、実施例１で説明した試料とは異なる。実施例１ではアライメント欠陥の検査について説明したが、本実施例２では開口不良の検査に適応した例である。正常部75はBARC層を残して露出され開口している状態であり、欠陥部76はレジストの膜が残存しており開口不良の状態を示している。通常の電子線による帯電ではレジスト層もBARC層も絶縁層であるため同様に帯電する。そのため、正常部、欠陥部ともに穴底が帯電することになる。開口不良の検査の場合には、穴底の帯電の有無によって正常部と欠陥部の明度差を得るため、電子線を用いた帯電制御法のみではほとんど明度差がない二次電子画像であり欠陥コントラストを得ることが困難であった。
　そこでこの開口不良に対して、実施例１で説明した装置の第一の波長帯の光77と第二の波長帯の光78を用いて欠陥コントラストを向上させることができる。第一の波長帯の光77は、表面層72に吸収され易い波長帯の光を選択し、第二の波長帯の光78は、表面層72、中間層73に吸収され難く（透過しやすく）、かつ、最下層74に吸収され易い波長帯の光を選択する。このような波長帯の光を選択することで、表面層72を正帯電させることができ、中間層73を負帯電させることができる。従来技術では、正常部と欠陥部とが正帯電となるため欠陥コントラストを得ることが困難であった。一方、本装置を用いた技術では、正常部を負帯電させ、欠陥部を正帯電させることができるため正常部のホール内の電界強度が従来よりも大きくなる。そのため、正常部からの二次電子が検出器側に引き出され易くなり、欠陥部とのコントラストが向上し、高精度で開口不良の欠陥を検出することができる。
（実施例３）
　本実施例では、実施例１で説明した装置を用いて、実施例１及び２とは異なる検査対象の試料の検査について説明する。ウェハの層構造について図１３に示した。表面層86、中間層87、最下層88の三層構造で構成されており、表面層86はSiO2、中間層87は拡散（接合）層、最下層88はSiである。中間（接合）層87が拡散層である点及びコンタクトホールにプラグが埋め込まれている点において、実施例１及び２で説明した試料とは異なる。実施例１ではアライメント欠陥の検査、実施例２では開口不良の検査について説明したが、実施例３ではプラグパターンが形成されているウェハのプラグショート不良の検出に適応した例である。正常部は図１３左側の表面層86に埋め込まれたプラグ部分でありプラグと中間層87とが電気的に接続されている。一方、欠陥部は図右側の表面層86に埋め込まれたプラグ部分であり開口不良のコンタクトホールにプラグが埋め込まれた状態になっているためプラグと中間層87とが電気的に接続されていない。
　一般的なプラグ検査では正常なプラグは導電膜と電気的に接続されているので、導電膜を介して接地した状態であり、電荷がプラグに蓄積されず帯電しない。一方、ショートや非開口、プラグ中にボイドが存在した場合、プラグが接地しない状態であり、電荷がプラグに蓄積され帯電される。そのため、プラグの帯電、非帯電といった帯電量の差により、検査用の電子線を照射した際に、プラグ表面から放出される二次電子の検出量が異なり、正常部と欠陥部の明暗差を得ることができる。
　しかし、図１３に示すようにプラグが拡散層である中間層87に接続されている場合には、最下層88と中間層87との間でp-n接合により電気的に接続されない状態となる。そのため、正常部であってもプラグに電荷が蓄積され、電子線を用いた帯電制御法のみではほとんど明度差がない二次電子画像であり欠陥コントラストを得ることが困難であった。そこでこのプラグショート不良に対して、実施例１で説明した装置の第一の波長帯の光89と第二の波長帯の光84を用いて欠陥コントラストを向上させることができる。第一の波長帯の光は、表面層86に吸収され易い波長帯の光を選択し、第二の波長帯の光90は、表面層86に吸収され難く（透過し易く）、かつ、中間層87に吸収され易い波長帯の光を選択する。このような波長帯の光を選択することで、表面層から光電子を放出させ、表面を正に帯電させることができ、さらに第二の波長帯の光84を用いて接合部である中間層87を導電化させることができる。このとき導電化と同時に中間層87から正常部となるプラグに電子が流入し、正常部のプラグの帯電緩和がなされる。
　一方、欠陥部のプラグの帯電については、不良により電子が流入し難いため帯電緩和がなされ難い。そのため、帯電量の差により、検査用の電子線を照射した際に、プラグ表面から放出される二次電子の検出量が異なり、正常部と欠陥部の明暗差を得ることができ、正常部と欠陥部とのコントラストが向上し、高精度でプラグショート不良等の欠陥を検出することができる。
　次に、第一の波長帯の光89と第二の波長帯の光90のエネルギ調整について、説明する。本実施例３では、先に第二の波長帯の光90のエネルギを調整し、適切な接合層の導電化エネルギを調整する。接合層の導電化はリターディング電圧制御部26に搭載された電流計により接合層の導電化によって流れる電流を計測することにより適切なエネルギかの判断がなされる。次に、調整した第二の波長帯の光90を照射しながら第一の波長帯の光89を照射し、パターンコントラストが一定値よりも大きい若しくは最大になるよう第一の波長帯の光89のエネルギの調整が行われる。
　以上の方式より、プラグ構造を持つウェハにおいて、作用が異なる複数の光を照射することによって欠陥コントラストを向上させることができるようになった。その結果、半導体製造工程の歩留まり管理や早期不良検出に貢献できるようになった。
（実施例４）
　本実施例では、実施例１で説明した装置の照射する光の波長帯の選択手段について、説明する。この実施例では特に吸収率計17を用いる代わりに、層材料毎の吸収率の情報を予めデータベース化した場合における照射光の波長帯の選択フローについて説明する。データベースを用いることで、二次電子画像の取得の際に逐一所定の材料における光の吸収率を測定することなく光照射系9の制御をデータベースに蓄積された情報に基づき高いコントラストの二次電子画像の取得を行うことができる。この選択フローを図１１に示す。また、操作部8に搭載されているワークステーションに登録されているGUI（Graphical User Interface）を図１２に示す。
図１２に示す欠陥種類の設定ウィンドウ79で、検査する欠陥の種類を入力することができるようになっている。例えば開口不良やアライメント不良などである。また、検査する試料の層構造が入力することができるようになっている。例えば三層構造、四層構造などである。また、検査対象となる層を入力することができるようになっている。例えば表面層、中間層などである。このように、検査する欠陥の種類と層の指定ができるようになっている。そして、その欠陥の種類や工程に応じて、層構造や誘起現象が登録されており、層構造の設定ウィンドウ80に自動的に呼び出される（ステップ140）。なお、「光電子」は対応する層で光が吸収されることを示し、「透過」は対応する層で光が透過することを示す。そして、予め装置と接続され、材料毎の吸収率が登録されているデータベースから吸収率データを呼び出し（ステップ141）、波長選択フィルタ36、37のフィルタ角度を光照射制御部29からの信号により変更する（ステップ142）。エネルギ調整はデータベースに登録されている量子効率と各波長帯の照射面積から照射量を算出し、光照射制御部29から光のエネルギ制御素子38、39を回転させ、エネルギを決定する（ステップ143）。さらに二次電子画像84を取得し、所望のパターンコントラストが得られていることを画像解析により確認する。
　検査したい層のパターンコントラストが得られない場合、図１２に示す条件設定ツールを用いて調整する。吸収率データ表示ウィンドウ81には各吸収率のデータ（例えば、図９の波長－吸収率のデータ）が表示され、表示ウィンドウ上で照射する波長帯が調整できる。特にレシピ作成時は、膜の製法やメーカ間の材料の違いによる吸収率の変化量を補正することが重要で、吸収率データから容易に照射波長帯を決定できることがレシピ作成時間の短縮につながる。検査したい層のパターンコントラストが不足している場合、エネルギの調整を行う。エネルギの調整は実施例１で説明したように帯電量とパターンコントラストから判断する。設定した帯電電位に対して0.5V以下の誤差範囲内に入る電位になるように第一の波長帯の光のエネルギを設定する。第二の波長帯の光のエネルギはパターンコントラストを測定しながらエネルギを調整し、パターンコントラストが最大になる極大値を判断し設定する。
　なお、必ずしも最大である必要はなく、パターンコントラストの一定値以上を判断し設定してもよい。また、実施例３で説明したように検査試料の層構造や対象となる検査欠陥によっては、第二の波長帯の光のエネルギを先に調整してもよい。
設定時の結果は帯電量データ表示ウィンドウ82、パターンコントラストデータ表示ウィンドウ83に表示される。帯電量データ表示ウィンドウのより、層の帯電量が把握できるようになっている。また、パターンコントラストデータ表示ウィンドウにより、コントラストの光のエネルギの依存性が分かるようになっており、調整された光のエネルギにおけるコントラストが適切なコントラストとなっているか、さらにコントラストを向上させる光のエネルギが存在するかを把握できるようになっている。また、帯電量のデータ表示やパターンコントラストのデータ表示によって、照射エネルギ量の増加や、異常な特性カーブから光源や光学系の劣化を確認することができ、帯電量データとパターンコントラストデータのどちらに異常があるかによって、劣化している光路を特定することができる。照射する光の条件は条件結果表示ウィンドウ85に表示され、検査フローの中に組み込まれる。
　また、GUIとして、二次電子画像84がリアルタイムで表示されるようになっている。そのため、照射する光の条件結果における二次電子画像84のコントラストの状態を把握することができる。また、条件結果表示ウィンドウ85では、操作者が任意の数値を入力することができるようにもなっており、入力された数位により、光照射系9の制御を行うこともできる。また、入力された条件における二次電子画像84もリアルタイムで表示されることにより、コントラストの調整を行うことができる。
　ここで具体例について説明する。ここでは実施例２の開口不良の検査を例に挙げて説明する。欠陥種類の設定ウィンドウ79で三層構造のウェハの開口不良を検査するモードを選択し、層構造の設定ウィンドウ80でレジスト、BARC、Siの三層構造を選択した。層ごとに光で誘起させる現象は欠陥の種類と層の指定で自動的に決定されるよう構成されているが、層構造の設定ウィンドウ80内で操作者側が変更することも可能である。第一の波長帯の光（第一の光）はレジストから光電子を放出する波長（レジストに吸収される波長）を選択し、表面層を正帯電させる。高いパターンコントラストを得るには実施例２で述べたように同時にBARC層の帯電を抑える必要がある。BARC層の帯電を抑えるため、第二の波長帯の光（第二の光）として、Si層に第二の波長帯の光を吸収させることでSi層から光電子を放出しBARC層を負帯電させる方法と、BARC層に第二の波長帯の光を吸収されることで導電化させる方法が考えられる。
　そこで、両方法のいずれかの方法が適当なのかを吸収率データ表示ウィンドウ81に表示される吸収率データにより判断する。吸収率データ表示ウィンドウ81はデータベースから登録されている材質、製法ごとの吸収率データを呼び出して表示させることができる。材質、製法ごとに吸収率計17、表面電位計18で測定した結果や、材料メーカから開示されているデータをデータベースに登録している。吸収率データからBARCを導電化させる波長はレジストでの吸収率が高いため、レジストに吸収され難く、かつ、BARCに吸収され易い適切な波長が存在しないことが分かり、二次電子画像のコントラストの向上が見込めないことが判断できる。
　一方、レジストとBARCを透過し、Siに吸収されSiから光電子を放出させる光の波長はレジストとBARCでの吸収率が低く効果的にBARCの帯電を抑制することができることが吸収率データ表示ウィンドウ81に表示された吸収率データから判断できる。そのため、第二の波長帯の光としてレジストとBARCを透過し、Siに吸収されSiから光電子を放出させる波長を選択した。第一の光と第二の光の波長帯は、吸収率のデータベースから自動的に抽出され、第一の光は160以上180nm以下の波長帯の光で、第二の光は240以上300nm以下の波長帯の光となった。
　以上の方式より、多層構造を持つウェハにおいて、データベースから最も欠陥コントラストを向上させる照射条件を判断することができ、欠陥コントラストを向上させることができるようになった。その結果、半導体製造工程の歩留まり管理や早期不良検出に貢献できるようになった。
　以上より、実施例１～４について説明した。本発明では照射する光の波長帯を複数選択することにより、各層ごとに、正帯電、負帯電、導電化の現象を誘起することができる。選択する波長帯はSiO2やSiで吸収させる100nm以上400nm以下の紫外領域や、SiO2を透過させる400nm以上700nm以下の可視光、さらにSiを透過させる700nm以上1100nm以下の近赤外から選択する必要がある。誘起する現象を組み合わせて最適な電界分布を作り出すことができるため、欠陥を抽出したい層や検出したい欠陥の種類に応じてパターンコントラストを制御することが可能である。
　また、ウェハの層を構成している材質や、製法に応じて吸収率が変化するため、光の照射条件の選択が困難であるという課題があった。そこで、各層の吸収率を測定する手段と、光照射によって形成する帯電量を測定する手段を設けた。各層ごとの波長別に測定した吸収率の結果に応じて、照射する波長帯を選択することができる。また、光照射部の帯電量の測定結果に応じて照射エネルギを制御することができるため、パターンコントラストの安定性、再現性を高めることが可能となる。
1…電子線装置、2…電子光学系、3…ステージ機構系、4…ウェハ搬送系、5…真空排気系、6…制御系、7…画像処理系、8…操作部、9…光照射系、10…光照射条件測定系、11…電子銃、12…コンデンサレンズ、13…対物レンズ、14…検出器、15…偏向器、16…ウェハ上の電極、17…吸収率計、18…表面電位計、19…XYステージ、20…ウェハホルダ、21…ウェハ、22…ビーム制御部、23…検出系制御部、24…偏向制御部、25…電子レンズ制御部、26…リターディング電圧制御部、27…電極制御部、28…光照射条件測定制御部、29…光照射制御部、30…画像処理部、31…画像記憶部、32…光、33…反射板、34…光源、35…ビームスプリッタ、36…波長制御素子、37…波長制御素子、38…エネルギ制御素子、39…エネルギ制御素子、40…シャッタ、41…シャッタ、42…ビームスプリッタ、43…ビーム形状制御素子、44…表面層、45…中間層、46…最下層、49…中間層を示す領域、50…第一の波長帯の光、51…第二の波長帯の光、53…中間層を示す領域、55…Siの吸収率カーブ、56…Si3N4の吸収率カーブ、57…CVD法によるSiO2の吸収率カーブ、58…熱酸化によるSiO2の吸収率カーブ、59…200以上220nm以下の波長帯、60…170以上180nm以下の波長帯、61…150以上170nm以下の波長帯、62…中間層に吸収される光、72…表面層、73…中間層、74…最下層、75…正常部、76…欠陥部、77…第一の波長帯の光、78…第二の波長帯の光、79…欠陥種類の設定ウィンドウ、80…層構造の設定ウィンドウ、81…吸収率データ表示ウィンドウ、82…帯電量データ表示ウィンドウ、83…パターンコントラストデータ表示ウィンドウ、84…二次電子画像、85…条件結果表示ウィンドウ、86…表面層、87…中間層、88…最下層、89…第一の波長帯の光、90…第二の波長帯の光、100…第一の波長帯、101…第二の波長帯、102…電子線、103…表面層、104…中間層、105…最下層、106…欠陥部、130…光源、131…光源、132…エネルギ制御素子、133…エネルギ制御素子、134…シャッタ、135…シャッタ。

Claims (20)

  1. 　荷電粒子銃と、
    　試料を載置するための試料ホルダと、
    　前記試料ホルダに載置された該試料に前記荷電粒子銃から照射される荷電粒子線を照射する荷電粒子光学系と、
    　該荷電粒子線が該試料に照射されることにより発生する二次電子を検出する検出器と、
    　前記検出器により検出される該二次電子の信号を画像処理する画像処理部と、
    　前記試料ホルダに載置された該試料の同一領域に互いに波長帯の異なる第１の波長帯の光と第２の波長帯の光とを同時に照射可能な光照射系とを備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
  2. 　請求項１記載の荷電粒子線装置において、
    　前記光照射系は、前記第１の波長帯の光と前記第２の波長帯の光の光路を統合するビームスプリッタを備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
  3. 　請求項１記載の荷電粒子線装置において、
    　前記第１の波長帯と前記第２の波長帯との波長帯の組み合わせは、変更可能であることを特徴とする荷電粒子線装置。
  4. 　請求項１記載の荷電粒子線装置において、
    　前記第１の波長帯の光と前記第２の波長帯の光は、それぞれの光のピーク出力に対し１／ｅ以上の出力で互いに重ならない波長帯の光であることを特徴とする荷電粒子線装置。
  5. 　請求項４記載の荷電粒子線装置において、
    　前記第１の波長帯の光と前記第２の波長帯の光は、それぞれ１３３ｎｍ以上１８０ｎｍ以下、２００ｎｍ以上２６６ｎｍ以下の波長帯の光であることを特徴とする荷電粒子線装置。
  6. 　請求項１記載の荷電粒子線装置において、
    　前記光照射系は、光源と、前記光源から放出された光の光路を分岐する第１のビームスプリッタと、前記第１のビームスプリッタにより分岐された夫々の光の光路に設けられた波長帯の変更を行うフィルタと、前記夫々の光の光路を統合する第２のビームスプリッタとを備え、前記第１の波長帯の光と前記第２の波長帯の光は、前記第２のビームスプリッタから照射される光であることを特徴とする荷電粒子線装置。
  7. 　請求項６記載の荷電粒子線装置において、
    　前記第１のビームスプリッタと前記第２のビームスプリッタとの間の前記第１の波長帯の光と前記第２の波長帯の光の光路の夫々に、光の出力エネルギを調節するフィルタと、光を遮蔽するシャッタとを備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
  8. 　請求項１記載の荷電粒子線装置において、
    　さらに、前記光照射系から照射される光により該試料の所定の層における光の吸収率を測定する吸収率計を備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
  9. 　請求項１記載の荷電粒子線装置において、
    　さらに、該試料を構成する層情報を入力する表示装置と、前記第１の波長帯と前記第２の波長帯との組み合わせを制御する光照射制御部を有し、前記表示装置により入力された層情報に基づき、前記光照射制御部は、前記第１の波長帯と前記第２の波長帯とが所望の組み合わせとなるよう前記光照射系を制御することを特徴とする荷電粒子線装置。
  10. 　請求項９記載の荷電粒子線装置において、
    さらに、所定の層材料と光の波長に対する吸収率との情報を蓄積されたデータベースを有し、前記光照射系の制御は、前記データベースに蓄積された該情報に基づき行われることを特徴とする荷電粒子線装置。
  11. 　請求項１記載の荷電粒子線装置において、
    　前記第１の波長帯の光と前記第２の波長帯の光の一方は、該試料に含まれる所定の層の対して負帯電させる光であることを特徴とする荷電粒子線装置。
  12. 　荷電粒子銃と、
    　試料を載置するための試料ホルダと、
    　前記試料ホルダに載置された該試料に前記荷電粒子銃から照射される荷電粒子線を照射する荷電粒子光学系と、
    　該荷電粒子線が該試料に照射されることにより発生する二次電子を検出する検出器と、
    　前記検出器により検出される該二次電子の信号を画像処理する画像処理部と、
    　前記試料ホルダに載置された該試料に光を照射する光照射系とを備え、
    　前記光照射系は、互いに波長帯の異なる第１波長帯の光と第２波長帯の光との光路を統合するビームスプリッタを備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
  13. 　請求項１２記載の荷電粒子線装置において、
    　前記光照射系は、光源と、前記光源から放出された光の光路を分岐する前記ビームスプリッタとは異なる第２のビームスプリッタと、前記第２のビームスプリッタにより分岐された夫々の光の光路に設けられた波長帯の変更を行うフィルタと、を備え、前記光照射系は、前記第１の波長帯の光と前記第２の波長帯の光とを統合して該試料に光を照射することを特徴とする荷電粒子線装置。
  14. 　請求項１２記載の荷電粒子線装置において、前記ビームスプリッタと前記第２のビームスプリッタとの間の前記第１の波長帯の光と前記第２の波長帯の光の光路の夫々に、光の出力エネルギを調節するフィルタと、光を遮蔽するシャッタとを備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
  15. 　請求項１２記載の荷電粒子線装置において、
    前記第１の波長帯の光と前記第２の波長帯の光は、それぞれの光のピーク出力に対し１／ｅ以上の出力で互いに重ならない波長帯の光であることを特徴とする荷電粒子線装置。
  16. 　請求項１２記載の荷電粒子線装置において、
    　前記第１の波長帯の光と前記第２の波長帯の光の一方は、該試料に含まれる所定の層の対して負帯電させる光であることを特徴とする荷電粒子線装置。
  17. 　少なくとも第１層、第２層、第３層が上方から順に積層された構造を有する試料を検査する荷電粒子線装置において、
    　荷電粒子銃と、
    　該試料を載置するための試料ホルダと、
    　該第１層に吸収される第１の波長帯の光と、該第１層および該第２層を透過し、かつ、該第３層に吸収される第２の波長帯の光とを同時に照射する光照射系と、
    　前記第１の波長帯の光の照射により正に帯電した該第１層と、前記第２の波長帯の光の照射により該第３層に光電子が発生し該光電子により負に帯電した該第２層とに前記荷電粒子銃から照射される荷電粒子線を照射する荷電粒子光学系と、
    　該荷電粒子線が該第１層および該第２層に照射されることにより発生する二次電子を検出する検出器と、
    　前記検出器により検出される該二次電子の信号を画像処理する画像処理部とを有することを特徴とする荷電粒子線装置。
  18. 　請求項１７記載の荷電粒子線装置において、
    　さらに、該第１層～第３層を構成する材料を夫々入力する表示装置と、前記第１の波長帯と前記第２の波長帯との組み合わせを制御する光照射制御部を有し、前記表示装置により入力された該材料の情報に基づき、前記光照射制御部は、前記第１の波長帯と前記第２の波長帯とが所望の組み合わせとなるよう前記光照射系を制御することを特徴とする荷電粒子線装置。
  19. 　請求項１７記載の荷電粒子線装置において、
    　前記画像処理部により画像処理された画像により欠陥検査を行うことを特徴とする荷電粒子線装置。
  20. 　請求項１７記載の荷電粒子線装置において、
    　前記第１の波長帯の光と前記第２の波長帯の光は、それぞれの光のピーク出力に対し１／ｅ以上の出力で互いに重ならない波長帯の光であることを特徴とする荷電粒子線装置。
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