WO2014021019A1 - 荷電粒子線装置 - Google Patents

荷電粒子線装置 Download PDF

Info

Publication number
WO2014021019A1
WO2014021019A1 PCT/JP2013/067022 JP2013067022W WO2014021019A1 WO 2014021019 A1 WO2014021019 A1 WO 2014021019A1 JP 2013067022 W JP2013067022 W JP 2013067022W WO 2014021019 A1 WO2014021019 A1 WO 2014021019A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
void
image
acceleration voltage
contrast
charged particle
Prior art date
Application number
PCT/JP2013/067022
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
直磨 坂
小原　健二
大博 平井
Original Assignee
株式会社 日立ハイテクノロジーズ
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社 日立ハイテクノロジーズ filed Critical 株式会社 日立ハイテクノロジーズ
Priority to US14/417,647 priority Critical patent/US9177757B2/en
Priority to KR1020147036134A priority patent/KR101730919B1/ko
Publication of WO2014021019A1 publication Critical patent/WO2014021019A1/ja

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02—Details
    • H01J37/22—Optical, image processing or photographic arrangements associated with the tube
    • H01J37/222—Image processing arrangements associated with the tube
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L22/00—Testing or measuring during manufacture or treatment; Reliability measurements, i.e. testing of parts without further processing to modify the parts as such; Structural arrangements therefor
    • H01L22/10—Measuring as part of the manufacturing process
    • H01L22/12—Measuring as part of the manufacturing process for structural parameters, e.g. thickness, line width, refractive index, temperature, warp, bond strength, defects, optical inspection, electrical measurement of structural dimensions, metallurgic measurement of diffusions
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02—Details
    • H01J37/04—Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the discharge, e.g. electron-optical arrangement or ion-optical arrangement
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/26—Electron or ion microscopes; Electron or ion diffraction tubes
    • H01J37/261—Details
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/26—Electron or ion microscopes; Electron or ion diffraction tubes
    • H01J37/28—Electron or ion microscopes; Electron or ion diffraction tubes with scanning beams
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L22/00—Testing or measuring during manufacture or treatment; Reliability measurements, i.e. testing of parts without further processing to modify the parts as such; Structural arrangements therefor
    • H01L22/30—Structural arrangements specially adapted for testing or measuring during manufacture or treatment, or specially adapted for reliability measurements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/04—Means for controlling the discharge
    • H01J2237/049—Focusing means
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/06—Sources
    • H01J2237/063—Electron sources
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/22—Treatment of data
    • H01J2237/221—Image processing
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/244—Detection characterized by the detecting means
    • H01J2237/2448—Secondary particle detectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/245—Detection characterised by the variable being measured
    • H01J2237/24571—Measurements of non-electric or non-magnetic variables
    • H01J2237/24585—Other variables, e.g. energy, mass, velocity, time, temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/245—Detection characterised by the variable being measured
    • H01J2237/24592—Inspection and quality control of devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/26—Electron or ion microscopes
    • H01J2237/2602—Details
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/26—Electron or ion microscopes
    • H01J2237/28—Scanning microscopes
    • H01J2237/2803—Scanning microscopes characterised by the imaging method
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/26—Electron or ion microscopes
    • H01J2237/28—Scanning microscopes
    • H01J2237/2813—Scanning microscopes characterised by the application
    • H01J2237/2817—Pattern inspection
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Definitions

  • the present invention relates to a charged particle beam apparatus for inspecting defects generated in a semiconductor device manufacturing process.
  • Cu copper having a low resistivity
  • a diffusion prevention film (barrier metal) and an electroplating base conductive film (Cu seed) are sequentially formed in a trench (wiring groove) formed in an insulating film by sputtering, and then Cu wiring is embedded by electroplating. While forming.
  • Cu wiring embedding characteristics are determined by the seed layer coating shape and electrolytic plating embedding ability, but there is a limit to the embedding ability in the fine shape, and it is difficult to completely embed without defects in the fine width trench, and void defects occur. May occur.
  • voids are detected using SEM after the planarization step (CMP).
  • CMP planarization step
  • the FIB + SEM / TEM method In order to detect voids, the FIB + SEM / TEM method must be applied, which combines cross-section processing of the wiring portion by FIB (focused ion beam apparatus) and void detection by TEM or SEM.
  • FIB + SEM / TEM method it is possible to reliably identify voids by observing the cross-section of the wiring created by FIB with SEM or TEM.
  • this method can be used for partial or complete destructive inspection. The problem was that much time was required for preparation and observation.
  • there is a demand for a void detection method that can be applied to in-line inspections and can be detected easily at high speed at high speed.
  • CMP chemical mechanical polishing
  • Patent Document 1 as a technique for detecting a crystal defect corresponding to a grain and a defect of a plug and a via wiring using a TEM, the crystal defect is observed by observing the same portion by changing a plurality of electron beam incident directions in the TEM. Techniques to do this are disclosed.
  • the CMP method which is a conventional technique for identifying grain defects, requires time and complete destruction of the entire wafer.
  • the probe test method only estimates the presence or absence of voids from the resistance value, and cannot know the location and size of voids in the wiring, and ultimately detects fine voids and voids inside the wiring.
  • it was necessary to process with a FIB so that the cross section of the wiring can be observed and observe with a SEM or TEM.
  • the present application includes a plurality of means for solving the above-mentioned problems.
  • an electron optical system that focuses and irradiates a sample with an electron beam, and a secondary generated from the sample by irradiation with the electron beam.
  • a detector that detects electrons or reflected electrons and an image processing unit that detects a defect by comparing a plurality of images, and the electron optical system applies a plurality of electron beams to the same portion of the sample.
  • the image processing unit distinguishes between a grain and a void based on a contrast change amount of the same portion in a plurality of images acquired corresponding to each of the plurality of acceleration voltages.
  • the void contrast is a contrast that occurs because the penetration depth of the electron beam into the sample changes depending on the presence or absence of a void, and as a result, the amount of reflected electrons emitted at the void presence or absence changes. Since the penetration length becomes longer at the site where the void is present in the sample, the amount of reflected electron emission is reduced. On the other hand, the part without the void has a shallow penetration depth, and the amount of reflected electrons emitted is larger than the part without the surrounding void. In the SEM image, the contrast is relatively lower than the peripheral part, and the void is a black spot with low brightness. Can be observed.
  • the grain size is not uniformly formed due to the non-uniform flow of the Cu electroplating solution and the variation in the coating shape, and grains having different crystal orientations are generated in the wiring.
  • Grain having a specific orientation with a large orientation difference from the surrounding crystal causes an electronic channeling phenomenon.
  • the brightness decreases like a void, and the grain and void having a specific orientation have the same SEM observation region. If present, the grain and void cannot be clearly distinguished.
  • the amount of BSE released from the sample changes.
  • the probability of incident electrons colliding with Cu atoms decreases, and the penetration length of incident electrons increases, resulting in the amount of reflected electrons emitted from the sample surface.
  • the crystal orientation is inclined with respect to the incident electron direction, so that the luminance value becomes low and the image looks dark.
  • the probability that the incident electrons collide with Cu atoms increases, the penetration length of the incident electrons decreases, and as a result, the amount of reflected electrons emitted increases.
  • the signal amount increases, the luminance value becomes high and looks bright.
  • grains having a specific crystal orientation are observed as dark contrast in the BSE image like the voids, the observation of the voids is hindered.
  • the CMP method of the prior art is a technique that can repeatedly detect polishing and visual inspection of a wafer and detect voids using an SEM or an optical inspection device.
  • inspection of the entire wafer takes time and completeness. Destructive inspection.
  • the probe test method only estimates the presence or absence of voids from the resistance value, and cannot know the location and size of voids in the wiring, and ultimately detects fine voids and voids inside the wiring. Required a partial or complete destructive inspection by FIB + SEM / TEM method.
  • Patent Document 1 discloses a laser-induced method for detecting Cu voids by utilizing the fact that changes in electrical resistance due to heat generation during laser irradiation differ depending on the failure location. Yes.
  • an increase in electrical resistance caused by a temperature rise when laser irradiation is performed is regarded as a change in observation current, and brightness conversion is performed in synchronization with beam scanning, whereby a void occurrence location and a grain are captured as an image.
  • an optical inspection apparatus such as a laser induced method
  • there is a limit to the spatial resolution due to the induced laser wavelength and it is difficult to apply to fine wiring (100 nm or less).
  • One of the objects of the present invention is to focus on the fact that the contrast corresponding to the brightness in the SEM image of the grain and void of the Cu wiring changes depending on the electron beam irradiation acceleration voltage, and automatically and quickly without destroying the sample.
  • An object of the present invention is to provide an observation method capable of distinguishing and detecting grains and voids.
  • the charged particle beam apparatus widely includes apparatuses that take an image of a sample using a charged particle beam.
  • an inspection apparatus using a scanning electron microscope, a review apparatus, and a pattern measurement apparatus can be given.
  • FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a schematic configuration of an electron microscope.
  • An imaging apparatus 8 improved so that a scanning electron microscope (SEM) can be used for defect review of a circuit pattern formed on a semiconductor wafer, defect inspection for sequentially inspecting a predetermined portion in a chip, and circuit pattern quality inspection.
  • the vacuum is maintained between the generation of the electron beam EB and the semiconductor wafer WF, and the electron source 9, condenser lenses 10 and 11, deflection scanning coil 12, objective lens 13, astigmatism correction coil 14, and XY stage 15.
  • Two backscattered electron detectors 27 and 28 having different take-in angles from the secondary electron detector 25 are provided.
  • a storage device 16 for storing various data, a display 17 for displaying images and inspection results, an input device 18 for inputting operation instructions for the device, and an image calculation for generating and calculating a sample image Unit 20, A / D converter 21 for A / D converting the signal from the detector, electron optical system controller 22 for controlling each component included in the electron optical system, stage controller 23 for controlling the stage, electron source A high voltage stabilized power supply 24 connected to 9 is installed.
  • the overall control unit 19 is provided with an image processing server 26 that performs defect detection processing and pattern quality evaluation.
  • An external image processing server 33 is connected via a network as necessary.
  • the charged particle beam device may include a control unit that controls the operation of each part and an image generation unit that generates an image based on a signal output from the detector (illustrated). (Omitted).
  • the control unit and the image processing unit may be configured as hardware by a dedicated circuit board, or may be configured by software executed by a computer connected to the charged particle beam apparatus. When configured by hardware, it can be realized by integrating a plurality of arithmetic units for executing processing on a wiring board or in a semiconductor chip or package.
  • the semiconductor wafer WF to be inspected is mounted on the XY stage 15.
  • a control signal from the overall control unit 19 is sent to the stage control unit 23, sent from the stage control unit 23 to the XY stage 15, and the movement of the XY stage 15 is controlled in the X and Y directions.
  • the electron beam EB emitted from the electron source 9 is converged by the condenser lenses 10 and 11 and the objective lens 13, and is scanned on the semiconductor wafer WF by the deflection scanning coil 12, thereby irradiating the semiconductor wafer WF to be inspected.
  • the secondary electrons obtained from the semiconductor wafer WF by this irradiation are detected by the secondary electron detector 25, the reflected electrons are detected by the reflection detector 27 and the reflected electron detector 28, and the analog signal is detected by the A / D converter 21. After being converted into a digital signal, digital image data (SEM image) of the semiconductor wafer WF is generated and displayed on the display 17.
  • SEM image digital image data
  • the SEM image generated by the secondary electron detector 25 is referred to as an SE image
  • the SEM image generated by the reflected electron detector 27 and the reflected electron detector 28 is referred to as a BSE image.
  • An electron microscope that performs defect review and pattern inspection includes at least one backscattered electron detector in order to perform unevenness determination using shading information obtained from backscattered electron signals.
  • the imaging device 8 used in the embodiment of the present invention is provided with two reflected electron detectors 27 and a reflected electron detector 28 having different reflected electron take-in directions.
  • Image processing such as defect detection processing is performed by the image processing server 26.
  • the operator inputs optical conditions such as acceleration voltage and beam current, defect detection conditions such as sensitivity and threshold for detecting defects, the inspection target chip of the semiconductor wafer WF, and inspection coordinates in the chip, using the input device 18. Items are entered and registered as recipes and stored in the storage device 16.
  • the overall control unit 19 Based on the inspection coordinate position registered in the recipe, the overall control unit 19 sends a stage movement command to the stage control unit 23 so that the inspection position falls within the field of view of the imaging device 8, and the XY stage 15 moves and is designated. Take an image with the magnification setting. This image is called an observation image. Further, if necessary, an image of the same part of a chip adjacent to the chip where the observation part exists in the semiconductor wafer WF is taken with a specified magnification setting. This part is a part where the same pattern as the observation part is formed, and this image is called a reference image. The reference image may be generated from the observation image when the observation target pattern is a cell formed by a repetitive pattern.
  • a reference image is generated by combining a plurality of images acquired in the inspection for the purpose of increasing inspection sensitivity and shortening the inspection time.
  • a reference image artificially created using CAD data or the like can be used instead of an actual SEM image.
  • Defect detection processing is performed by the image processing server 26 by comparing the acquired observation image with the reference image.
  • the acquired image data is transferred to the external image processing server 33 via the network, and the external image processing server 33 performs image evaluation for quantifying defect detection processing, the quality of the semiconductor pattern, and the like.
  • the acceleration voltage of the electron beam EB emitted from the electron source 9 is controlled by the voltage applied to the extraction electrode 40.
  • the acceleration voltage is controlled by taking a method of controlling the applied voltage of the extraction electrode 40 as an example.
  • the acceleration voltage control method may take various forms regardless of the method of controlling the acceleration voltage. It is sufficient if the acceleration voltage irradiated to the semiconductor wafer WF can be controlled.
  • It is also possible to control the acceleration voltage by providing an electrode for accelerating and decelerating the electron beam in the electron beam irradiation path.
  • a first acceleration voltage is set (202).
  • the field of view of the imaging device 8 is moved to the inspection position by moving the XY stage (204) based on the inspection position information previously registered in the recipe as the inspection condition, and an observation image is captured. (205).
  • the XY stage is moved to each inspection position sequentially, observation images at all inspection positions are acquired, and the observation image acquisition flow at the first acceleration voltage is completed. (206).
  • the second acceleration voltage is set, and in the same way as the observation image acquisition flow at the first acceleration voltage, the observation images are taken for all the inspection positions observed at the first acceleration voltage, and the second acceleration voltage is obtained.
  • the observation image acquisition flow with the voltage ends (207).
  • the wafer is unloaded (208).
  • a plurality of acceleration voltages to be sequentially imaged can be set by the user as inspection information in the recipe, and the third acceleration voltage, the fourth acceleration voltage, and the plurality of acceleration voltages are registered in the recipe as inspection conditions. The flow is repeatedly executed with a plurality of acceleration voltages set as the third acceleration voltage and the fourth acceleration voltage.
  • observation image acquisition flow is an example, and the order is not limited as long as observation images obtained by imaging the same portion with a plurality of acceleration voltages can be acquired.
  • an acceleration voltage is set (304) and an observation image is acquired (305), then set to the next acceleration voltage (306), and a plurality of accelerations are repeated.
  • an XY stage movement (303) to the next inspection position may be performed.
  • the optical axis may be shifted, and as a result, the field of view observed with the SEM may move. Therefore, the amount of field shift between known acceleration voltages may be corrected in advance when the acceleration voltage is changed.
  • the wafer alignment after changing the acceleration voltage may be executed.
  • acceleration voltage affects the contrast between voids and grains.
  • the void contrast is the difference in brightness caused by the difference in the amount of reflected electrons emitted from the site where the void is present and the region where there is no void around it.
  • the grain contrast is the difference in crystal orientation of each site. This is the difference in luminance value that occurs.
  • the cause of the difference in brightness will be described in detail.
  • the penetration length of primary electrons becomes longer, and the sample surface penetrates deeper than the site where no void exists.
  • the signal amount of the reflected electrons emitted from the pixel decreases, and as a result, the luminance of the pixel in the SEM image decreases and the part becomes black.
  • the electron channeling phenomenon is less likely to occur, and the amount of reflected electrons emitted from the sample surface decreases as the penetration length increases.
  • the grain having the crystal orientation described above has lower brightness and darker in the SEM image.
  • a decrease in luminance at a site where voids or grains exist means that an increase in contrast in the SEM image indicates that the luminance difference from the surrounding region.
  • the void contrast depends on the acceleration voltage and the depth of existence
  • the magnitude of the grain contrast depends on the acceleration voltage and the crystal orientation of the grain. Although the contrast varies depending on the sheath orientation, it basically shows different changes depending on the acceleration voltage.
  • FIG. 4 shows voids A (22), voids B (23), and voids C (24) having different depth positions existing in the Cu wiring surrounded by the insulating film when the acceleration voltage E0 is changed from 300 V to 20 kV.
  • An example of a change in contrast between grain A (25) and grain B (26) having different crystal orientations is shown.
  • the horizontal axis is the acceleration voltage
  • the vertical axis is the contrast value. It means that the larger the contrast value is, the larger the difference in luminance value between the relevant part and its peripheral part is, and it becomes easier to observe and detect voids. When no void is present, the contrast value is 1 regardless of the acceleration voltage.
  • FIG. 5 is a longitudinal sectional view of the Cu wiring in which the void A (22), the void B (23), the void C (24), the grain A (25), and the grain B (26) shown in FIG. Show.
  • the void A (22) is located in the upper part of the wiring
  • the void B (23) is located in the middle of the wiring
  • the void C (24) is located in the lower part of the wiring.
  • Grain A (25) and grain B (26) have different crystal orientations.
  • FIG. 4 shows that the contrast of the void A (22), the void B (23), and the void C (24) increases as the acceleration voltage increases.
  • the penetration length of the primary electrons is short, and the contrast tends to increase in the range of 5 kV to 7 kV. The maximum value can be obtained.
  • the void C (24) exists deep in the lower part of the wiring, the penetration length of the primary electrons needs to be long, and contrast cannot be obtained in the range of 5 kV to 7 kV, rising from 7 kV to 10 kV. Get the highest contrast value.
  • the penetration length of primary electrons becomes longer than the depth of the Cu wiring, so the contrast between the voids A, B, and C decreases.
  • Grain A (25) and Grain B (26) have different contrast values depending on the crystal orientation, but both tend to have maximum contrast when the acceleration voltage is 5 kV, and the change in contrast is small compared to voids at 5 kV or higher. .
  • the contrast values of grains and voids greatly depend on the acceleration voltage, and each has a characteristic tendency. It can also be seen that the dependency of the contrast value on the acceleration voltage varies depending on the depth at which the void exists.
  • the grain A can be observed at an acceleration voltage up to 5 kV with respect to the Cu wiring in which the void C (24) and the grain A (25) are both present in the imaging visual field shown in FIG. 4, the void C can be observed. (24) cannot be observed because no contrast is obtained. In the range of acceleration voltage from 10 kV to 20 kV, void C (24) and grain A (25) can be observed, but the contrast between void C (24) and grain A (25) is approximately the same. In the defect detection process based on the comparison inspection using the observation image and the reference image picked up with the same acceleration voltage, a void C (24) is detected in order to detect the contrast change amount of the difference image between the observation image and the reference image. And grain A (25) are detected as the same defect. Therefore, it can be seen that it is important to repeatedly image the same portion and compare the images with a plurality of acceleration voltages that provide a difference in contrast sufficient for detection.
  • the optimum acceleration voltage to be selected as a plurality of acceleration voltages is an acceleration voltage at which the contrast change amount of the void is large while the contrast change amount of the grain is small.
  • each void and each grain shown in FIG. 4 exist it is desirable to select from 3 to 7 kV and 10 to 20 kV.
  • the contrast observed at 5 kV and 10 kV is small due to grain.
  • the contrast change amount is large, it can be identified as a void.
  • At least two acceleration voltages are required, but it is desirable to image the same part with three or more acceleration voltages in order to distinguish voids and grains with high accuracy. For example, by adding 20 kV at which the void contrast decreases to 3 kV or 10 kV at which voids cannot be observed, the determination accuracy for distinguishing voids and grains can be increased. Further, if imaging is performed with a large number of acceleration voltages, the depth position can be specified from the characteristics of the acceleration voltage and the contrast change.
  • the captured observation images are temporarily stored in the storage device 16 and then transferred to the image processing server 26, where difference processing is performed between the observation images captured at different acceleration voltages.
  • difference processing is performed between the observation images captured at different acceleration voltages.
  • a detection process is performed in which grains and voids are distinguished and detected.
  • the difference process and the detection process may be processed in real time in parallel with the imaging of the observation image, or may be transferred to the external image processing server 33 after the inspection and processed offline. It goes without saying that these processes can be processed in real time while the image capturing flow is being executed by the external image processing server 33.
  • FIG. 6 is used for a void detection processing method by distinguishing voids and grains. This will be described in detail below. Extraction of the void region using the observation image 61 imaged at the first acceleration voltage 5 kV and the observation image 62 imaged at the second acceleration voltage 10 kV is performed by difference processing.
  • the observation image 61 includes grains 65
  • the observation image 62 includes grains 66 and voids 67.
  • An intermediate difference image 67 is generated by performing a difference process on these images.
  • a difference image 64 obtained by binarizing the intermediate difference image 63 with an appropriate threshold value is generated, and a void region 69 is obtained.
  • void region 69 is obtained in general, in an SEM image, depending on the optical conditions to be observed, the surface structure, the material, and the material, there may be a case where voids and grains cannot obtain sufficient contrast necessary for detection.
  • various image processes are performed on the observation image 61 and the observation image 62 before the generation of the intermediate difference image 63 for the purpose of increasing detection sensitivity and accuracy. For example, in the case of having a plurality of detectors, when a plurality of images formed by a plurality of detectors are combined, or when the observation image 61 and the observation image 62 have different brightness and contrast, Adjust the contrast and brightness. Non-uniformity in contrast and brightness of the entire SEM image caused by charging of the sample is corrected as necessary. When the imaging positions of the observation image 61 and the observation image 62 are shifted, alignment processing is performed when a difference image is created.
  • a void area 68 configured in units of pixels appears in the intermediate difference image 63 configured by the contrast value (luminance value) of the difference between the observed image 61 and the observed image 62.
  • the brightness value of the void area 68 in the intermediate difference image 63 is amplified based on the sensitivity setting registered in advance in the recipe.
  • the size of the void area in the difference image 64 is determined by the sensitivity and the threshold parameter registered in advance in the recipe. Normally, a value that can detect the void to be detected is set.
  • only a region to be detected in the observation image is set as a target of the difference process.
  • only the void in the Cu wiring is the detection target. Therefore, the detection target region can be effectively detected by limiting to the Cu wiring 601 only.
  • the distinction between voids and grains has been described as a main specific example, but it is naturally possible to distinguish between a void at a depth desired to be detected and a void at other depths by a similar method.
  • the void depth can be determined by comparing and referring to the contrast value of the void that can be obtained from the intermediate difference image and a table that stores the relationship between the void depth and the contrast value in advance.
  • the same portion is imaged with a plurality of acceleration voltages, and the difference processing of the plurality of captured images is performed, voids existing in the Cu wiring can be detected separately from the grains. Accordingly, the time required for optimizing the process conditions of the wiring process of the semiconductor device can be shortened by inspecting the entire wafer in a short time in a non-destructive manner in a void generated in the metal wiring process of the semiconductor device.
  • each of the above-described configurations, functions, processing units, processing means, and the like may be realized by hardware by designing a part or all of them with, for example, an integrated circuit.
  • Each of the above-described configurations, functions, and the like may be realized by software by interpreting and executing a program that realizes each function by the processor.
  • Information such as programs, tables, and files for realizing each function can be stored in a recording device such as a memory, a hard disk, an SSD (Solid State Drive), or a recording medium such as an IC card, an SD card, or a DVD.
  • control lines and information lines indicate what is considered necessary for the explanation, and not all the control lines and information lines on the product are necessarily shown. Actually, it may be considered that almost all the components are connected to each other.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Testing Or Measuring Of Semiconductors Or The Like (AREA)
  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)

Abstract

本発明は、走査型電子顕微鏡像における半導体の銅配線のグレインとボイドのコントラストが電子線照射加速電圧によって変化することに着目した欠陥検査装置である。本発明の荷電粒子線装置は、試料の同じ箇所に対して電子線を複数の加速電圧で照射し、前記複数の加速電圧のそれぞれに対応して取得された複数の画像（６１，６２）における同じ箇所のコントラスト変化量に基づいて、グレイン（６５，６６）とボイド（６７）とを区別する。これにより、試料を破壊することなく、自動で高速にグレインとボイドを区別して検出することができる。

Description

荷電粒子線装置
　本発明は、半導体デバイス製造過程で生じた欠陥を検査するための荷電粒子線装置に関する。
　近年、半導体デバイスの配線材料として、デバイスの動作周波数を高速化する目的で、配線遅延を減らす手段の一つとして抵抗率の低い銅（Ｃｕ）が用いられている。Ｃｕ配線プロセスは絶縁膜に形成したトレンチ（配線溝）に拡散防止膜（バリアメタル）と電界メッキの下地導電膜（Ｃｕシード）をスパッタリング法で順次形成した後、電界メッキ法でＣｕ配線を埋め込みながら形成する。Ｃｕ配線の埋め込み特性はシード層の被覆形状や電解めっきの埋込み能力などで決まるが、微細形状への埋込み能力には限界があり、微細幅のトレンチでは欠陥のない完全埋込みが困難でボイド欠陥が生じる場合がある。特に配線内部にボイド欠陥が生じた場合は断線や配線抵抗の増加、エレクトロマイグレーション耐性の低下を招くことから、Ｃｕ配線の埋込み不良は配線の信頼性、強いては半導体デバイス性能に係わる重大な問題になるため、Ｃｕ配線中のボイドをインラインで検出する技術が求められている。さらに、プロセス起因で生じるボイドをインラインで検出し、その結果をプロセス条件にフィードバックするためには非破壊で短時間に検出する必要がある。
　ボイドは配線内部に存在するため、通常の半導体デバイス検査で用いられる暗視野および明視野の光学式検査装置では検出することはできない。通常は平坦化工程（ＣＭＰ）後にＳＥＭを用いてボイドを検出する。ＳＥＭを用いて配線内部に存在するボイドを検出するためには、高エネルギーの電子線は試料の内部まで侵入することができる５ｋＶ以上の高加速電圧の電子線を照射する必要がある。しかし、高加速電圧下では、ボイドと同時に結晶粒（グレイン）のコントラストが現れるため、ＳＥＭ画像だけではグレインとボイドを区別することが困難になる場合がある。ボイドを検出するためには、ＦＩＢ（集束イオンビーム装置）による配線部分の断面加工とＴＥＭあるいはＳＥＭによるボイド検出を組み合わせたＦＩＢ＋ＳＥＭ／ＴＥＭ法を適用しなければならない。ＦＩＢ＋ＳＥＭ／ＴＥＭ法では、ＦＩＢで作成された配線断面をＳＥＭ やＴＥＭ で観測することによってボイドを確実に特定することが可能であるが、本方法は部分的または完全な破壊検査のうえ、試料の準備と観察に多大の時間が要することが課題であった。以上のことからインライン検査に適用可能な非破壊で高速で簡便に検出できるボイド検出方法が望まれている。
　ボイドを検出する従来技術として 化学機械研磨（ＣＭＰ）に依るウェーハ平面ポリッシュと光学式の外観検査装置によるボイド検出を組み合わせたＣＭＰ法がある。また、配線部の電気抵抗を測定し、ボイドが存在すると電気抵抗が大きくなることからＣｕボイドを検出するプローブテスト法などが挙げられる。
　特許文献１では、ＴＥＭを用いてグレインに相当する結晶欠陥やプラグおよびビア配線の欠陥を検出する技術として、ＴＥＭにおいて電子線入射方向を複数変化させて同一箇所を観察することによって結晶欠陥を観察する技術が開示されている。
特開２０００－２４３３３８号公報（ＵＳ６５４８８１１）
　グレイン欠陥を特定するための従来技術であるＣＭＰ法はウェーハ全体の検査には時間を要するうえ完全な破壊である。また、プローブテスト法では抵抗値からボイドの有無を推測するにすぎず、配線中のボイド発生箇所やその大きさについて知ることはできず、最終的に微細なボイドや配線内部のボイドの検出には、ＦＩＢで配線断面を観察できるよう加工してＳＥＭやＴＥＭで観察することが必要であった。
　上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
　本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、電子線を集束して試料に照射する電子光学系と、前記電子線の照射によって前記試料から発生する二次電子又は反射電子を検出する検出器と、複数の画像を比較して欠陥を検出する画像処理部と、を有し、前記電子光学系は前記試料の同じ箇所に対して前記電子線を複数の加速電圧で照射し、前記画像処理部は、前記複数の加速電圧のそれぞれに対応して取得された複数の画像における前記同じ箇所のコントラスト変化量に基づいて、グレインとボイドを区別することを特徴とする。
　本発明によれば、非破壊検査で微小なボイドの発生領域を特定することができる。
　上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
本実施形態の概略構成図である。 撮像フローを示す図である。 撮像フローを示す図である。 ボイドとグレインのコントラストと加速電圧の関係を示す図である。 ボイドとグレインがそれぞれ存在するＣｕ配線の縦断面図である。 ボイドとグレインを区別してボイド検出処理の方法を説明する図である。
　まず、本発明の課題についてさらに詳しく説明する。
　従来のＳＥＭによるボイド検出は、観察時にＣｕのグレインとボイドを区別することができない理由を以下に説明する。
　ボイドのＳＥＭ像における視認性は、ボイドのコントラストによって決まる。ボイドコントラストとは、ボイドの有無によって試料内への電子線の侵入深さが変わり、結果として、ボイド有無部で反射電子の放出量が変わるために生じるコントラストである。試料内にボイドがある部位は、侵入長が長くなるため、反射電子放出量は減少する。一方、ボイドがない部位は、侵入深さが浅く、周辺のボイドが存在しない箇所より反射電子放出量が多くなり、ＳＥＭ像では周辺部位より相対的にコントラストは下がり、ボイドは低輝度の黒点として観察することができる。
　しかし、Ｃｕ配線の埋め込み過程においては、Ｃｕの電界めっき液の不均一な流れや被覆形状のばらつきによって、グレインのサイズは均一に形成されず、配線内に結晶方位の異なるグレインが生じる。周囲の結晶との方位差が大きい特定の方位を有したグレインは電子チャネリング現象が生じ、ＳＥＭ画像においてはボイドと同じように輝度が下がり、特定の方位を有したグレインとボイドが同一ＳＥＭ観察領域に存在する場合は、グレインとボイドを明確に区別することができない。
　これについてさらに詳細に説明する。電子チャネリング現象が生じると、試料から放出されるＢＳＥの量は変化する。例えばＣｕ結晶方位が電子線入射方向に対して並行に近づくと、入射電子はＣｕ原子との衝突する確率が減少し、入射電子の侵入長は長くなり、結果として試料表面からの反射電子放出量は減少し、ＳＥＭ像においては信号量が減るため、輝度値が低くなり、暗く見える。一方入射電子方向に対して、結晶方位が傾きを有している場合、入射電子はＣｕ原子との衝突する確率が増加し、入射電子の侵入長は短くなり、結果として反射電子放出量は増加する。ＳＥＭ像においては信号量が増えるため、輝度値が高くなり、明るく見える。このように特定の結晶方位を持ったグレインはＢＳＥ像において、ボイドと同様に暗いコントラストとして観測されるため、ボイドの観察を妨げていた。
　従来技術のＣＭＰ法はウェーハの研磨と外観検査を繰り返し行って、ＳＥＭや光学式検査装置を用いてボイドを検出することができる手法であるが、ウェーハ全体の検査には時間を要するにうえ完全な破壊検査である。また、プローブテスト法では抵抗値からボイドの有無を推測するにすぎず、配線中のボイド発生箇所やその大きさについて知ることはできず、最終的に微細なボイドや配線内部のボイドの検出には、ＦＩＢ＋ＳＥＭ／ＴＥＭ法による部分的または完全な破壊検査が必要であった。
　従来のボイドとグレインを区別して検出する技術として、例えば特許文献１ではレーザー照射時の発熱による電気抵抗の変化が故障箇所によって異なることを利用してＣｕボイドを検出するレーザー誘起法が示されている。
　この手法では、レーザー照射したときの温度上昇によって生じる電気抵抗の増大を観測電流の変化として捉え、ビーム走査と同期させて輝度変換することにより、ボイド発生箇所とグレインを画像として捉える。しかし、レーザー誘起法のような光学式の検査装置では、誘起レーザー波長に起因する空間分解能に限界があり、微細配線（１００ｎｍ以下）への適用は困難である。さらに配線の微細化によって配線抵抗値の増大により、ボイドやグレインによって生じる微弱な抵抗値変化を観測することは困難である。
　以上述べたように、高速で高感度かつ非破壊でボイドを検出し、ウェーハ全体を検査可能なボイド検査方法は無い。本発明の目的の一つは、Ｃｕ配線のグレインとボイドのＳＥＭ像における輝度に相当するコントラストが電子線照射加速電圧によって変化することに着目して、試料を破壊することなく、自動で高速にグレインとボイドを区別して検出することができる観察方法を提供することにある。
　以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、荷電粒子線装置の一例として走査型電子顕微鏡を用いた例を説明するが、これは本発明の単なる一例であって、本発明は以下説明する実施の形態に限定されるものではない。本発明において荷電粒子線装置とは荷電粒子線を用いて試料の画像を撮像する装置を広く含むものとする。荷電粒子線装置の一例として、走査型電子顕微鏡を用いた検査装置、レビュー装置、パターン計測装置が挙げられる。
　図１は、電子顕微鏡の概略構成を示す縦断面図である。走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を半導体ウェーハに形成された回路パターンの欠陥レビューやチップ内の予め指定された箇所を順次検査する欠陥検査や回路パターンの出来栄え検査に使用できるように改良した撮像装置８は、電子ビームＥＢの発生から半導体ウェーハＷＦまでの間が真空に保たれ、電子源９、コンデンサレンズ１０、１１、偏向走査用コイル１２、対物レンズ１３、非点収差補正コイル１４、ＸＹステージ１５、二次電子検出器２５と取り込角度の異なる二つの反射電子検出器２７、２８が設けられている。また、真空装置の外部には、各種データを記憶する記憶装置１６、画像や検査結果を表示するディスプレイ１７、装置の動作指示を入力する入力装置１８、試料の画像を生成や演算をする画像演算部２０、検出器からの信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部２１、電子光学系に含まれる各部品を制御する電子光学系制御部２２、ステージを制御するステージ制御部２３、電子源９に接続された高電圧安定化電源２４が設置されている。全体制御部１９には欠陥検出処理やパターン出来栄え評価を行う画像処理サーバ２６が設けられている。また必要に応じてネットワークを介して外部画像処理サーバ３３が接続されている。
　システムの構成はこれに限られず、システムを構成する装置の一部または全部が共通の装置であってもよい。また、荷電粒子線装置にはこのほかにも各部分の動作を制御する制御部や、検出器から出力される信号に基づいて画像を生成する画像生成部が含まれている場合もある（図示省略）。制御部や画像処理部は、専用の回路基板によってハードウェアとして構成されていてもよいし、荷電粒子線装置に接続されたコンピュータで実行されるソフトウェアによって構成されてもよい。ハードウェアにより構成する場合には、処理を実行する複数の演算器を配線基板上、または半導体チップまたはパッケージ内に集積することにより実現できる。ソフトウェアにより構成する場合には、コンピュータに高速な汎用ＣＰＵを搭載して、所望の演算処理を実行するプログラムを実行することで実現できる。このプログラムが記録された記録媒体により、既存の装置をアップグレードすることも可能である。また、これらの装置や回路、コンピュータ間は有線又は無線のネットワークで接続され、適宜データが送受信される。
　検査対象となる半導体ウェーハＷＦは、ＸＹステージ１５に搭載される。全体制御部１９からの制御信号がステージ制御部２３に送られ、ステージ制御部２３からＸＹステージ１５に送られ、ＸＹステージ１５がＸ、Ｙ方向に移動制御される。電子源９から発射された電子ビームＥＢは、コンデンサレンズ１０、１１、対物レンズ１３によって収束され、偏向走査用コイル１２によって半導体ウェーハＷＦ上をスキャンされることにより、検査対象の半導体ウェーハＷＦに照射され、この照射によって半導体ウェーハＷＦから得られる二次電子が二次電子検出器２５で、反射電子が反射検出器２７と反射電子検出器２８で検出され、Ａ／Ｄ変換部２１でアナログ信号からデジタル信号へ変換処理されて、半導体ウェーハＷＦのデジタル画像データ（ＳＥＭ画像）が生成され、ディスプレイ１７に表示される。以下、二次電子検出器２５で生成されたＳＥＭ画像をＳＥ像、反射電子検出器２７と反射電子検出器２８で生成されたＳＥＭ画像をＢＳＥ像と呼ぶ。欠陥のレビューやパターン検査をする電子顕微鏡は、反射電子信号から得られる陰影情報で凹凸判定を行うため、少なくとも一つ以上の反射電子検出器を備えている。本発明の実施形態で用いる撮像装置８は反射電子取り込方位の異なる二つの反射電子検出器２７と反射電子検出器２８が備えられている。欠陥検出処理などの画像処理は画像処理サーバ２６で行われる。欠陥検査ではオペレータは入力装置１８において、加速電圧やビーム電流などの光学条件、欠陥を検出するための感度や閾値などの欠陥検出条件、半導体ウェーハＷＦの検査対象チップとチップ内の検査座標の入力項目を入力し、それらはレシピとして登録され記憶装置１６に保存される。
　全体制御部１９では、レシピに登録された検査座標位置に基づいて、検査位置が撮像装置８の視野に入るようにステージ制御部２３にステージ移動命令を送り、ＸＹステージ１５が移動し、指定した倍率設定で撮像する。この画像を観察画像という。また必要に応じて半導体ウェーハＷＦ内の観察部位が存在するチップに隣接したチップの同部位を指定した倍率設定で撮像する。この部位は観察部位と同じパターンが形成されている部位であり、この画像を参照画像と呼ぶ。参照画像は観察対象パターンが繰り返しパターンで形成されるセルの場合は、観察画像から生成される場合もある。また、複数のチップにおいてチップ内の同一箇所を検査する定点検査においては、検査感度を高める目的や検査時間を短縮する目的で、検査で取得した複数の画像を合成することによって参照画像を生成する。さらに、参照画像を実際のＳＥＭ画像ではなく、ＣＡＤデータ等を用いて人為的に作り出した参照画像を用いることもできる。取得した観察画像と参照画像の画像比較による欠陥検出処理が画像処理サーバ２６で行われる。また必要に応じて取得した画像データは、ネットワークを介して外部画像処理サーバ３３へ転送され、外部の画像処理サーバ３３で欠陥検出処理や半導体パターンの出来栄えなどを定量化する画像評価が行われる。
　電子源９から発射された電子ビームＥＢの加速電圧は引出電極４０の印加電圧によって制御される。本実施形態では、加速電圧の制御は引出電極４０の印加電圧を制御する方式を例に説明するが、加速電圧の制御方法は問わず様々な形態をとってもよく、電子線照射の過程で最終的に半導体ウェーハＷＦに照射される加速電圧を制御できればよい。例えば、半導体ウェーハＷＦに負の電圧を印加して、電子ビームＥＢを半導体ウェーハＷＦに入射する直前で減速させるリターディング方式によっても半導体ウェーハＷＦに照射される加速電圧を制御することが可能である。また、電子線照射経路に電子ビームを加速および減速させる電極を設けることによっても加速電圧を制御することが可能である。
　次に前述の装置での実施を例にとり、本実施例における自動欠陥観察時の画像取得フローを図２を用いて説明する。ウェーハをロード後（２０１）、第一の加速電圧を設定する（２０２）。ウェーハアライメント（２０３）を行った後、予め検査条件としてレシピに登録された検査位置情報に基づいてＸＹステージの移動（２０４）により、検査位置へ撮像装置８の視野を移動し、観察画像を撮像する（２０５）。
　以降、次の検査位置があれば、ＸＹステージの移動により、各検査位置へ順次移動し、全ての検査位置の観察画像を取得して、第一の加速電圧での観察画像取得フローが終了する（２０６）。次に第二の加速電圧に設定し、第一の加速電圧での観察画像取得フローと同じように、第一の加速電圧で観察した全ての検査位置について観察画像を撮像し、第二の加速電圧での観察画像取得フローが終了する（２０７）。その後、ウェーハをアンロードする（２０８）。順次撮像する複数の加速電圧は、ユーザが検査情報としてレシピで設定することができ、第三の加速電圧、第四の加速電圧と複数の加速電圧が検査条件としてレシピに登録されている場合は、第三の加速電圧、第四の加速電圧と設定した複数の加速電圧で前記フローが繰り返し実行される。
　前述の観察画像取得フローは一例であり、同一箇所を複数の加速電圧で撮像した観察画像を取得できるのであれば、その順序は問わない。例えば、図３に示すように、検査位置へ移動後（３０３）、加速電圧を設定（３０４）し観察画像を取得（３０５）した後、次の加速電圧に設定し（３０６）繰り返し複数の加速電圧で同一箇所を撮像した後、次の検査位置があれば（３０７）、次の検査位置へＸＹステージ移動（３０３）するというフローでもよい。また通常光学条件を変更すると光軸がずれ、結果としてＳＥＭで観察する視野が移動してしまう場合があるため、加速電圧変更時に予め既知の加速電圧間の視野ずれ量を補正してもよいし、加速電圧変更後のウェハアライメントを実行してもよい。
　ここで、本発明の特徴である複数の加速電圧の決定方法と複数の加速電圧で同一箇所を撮像する理由について説明する。加速電圧はボイドとグレインのコントラストに影響を与えることは先に述べた。ＳＥＭ画像におけるボイドのコントラストは、ボイドが存在する部位とその周辺のボイドが存在しない部位から放出される反射電子量の差で生じる輝度の差で、グレインのコントラストは部位ごとの結晶方位の相違で生じる輝度値の差である。
　輝度の差が生じる原因について詳細に説明する。ボイドが配線内部に存在する部位においては、電子の試料内における侵入を妨げる物質が存在しないため、一次電子の侵入長は長くなり、ボイドが存在しない部位より深く侵入し、試料表面すなわち配線の表面から放出される反射電子の信号量は減少し、結果としてＳＥＭ画像において画素の輝度は下がり、当該部位は黒くなる。一方、試料に入射する一次電子線と平行の結晶方位を持ったグレインにおいては、電子チャネリング現象が生じにくくなり、侵入長が長くなることにより試料表面から放出される反射電子量は減少する。前述の結晶方位を有したグレインはＳＥＭ画像において輝度が下がり当該部位は暗くなる。ボイドやグレインが存在する部位における輝度の低下は、周辺部位との輝度差はＳＥＭ画像においてコントラストの上昇を意味する。以上より、ボイドのコントラストは加速電圧と存在深さに依存し、グレインのコントラストの大きさは加速電圧とグレインの結晶方位に依存することから、ボイドとグレインのコントラストは、そのサイズや存在する深さや結晶方位の違いによってコントラストの大小はあるものの、基本的に加速電圧に依存してそれぞれ異なる変化を示す。
　ボイドとグレインのコントラストと加速電圧の関係について、線幅が３０ｎｍ、深さが６０ｎｍの微細Ｃｕ配線を例に、図４を用いて詳細に説明する。図４は加速電圧Ｅ０を３００Ｖから２０ｋＶまで変更したときの、絶縁膜で囲まれたＣｕ配線に存在する深さ位置の異なるボイドＡ（２２）、ボイドＢ（２３）、ボイドＣ（２４）と結晶方位の異なるグレインＡ（２５）とグレインＢ（２６）のコントラストの変化の例を示している。横軸は加速電圧で縦軸はコントラスト値である。コントラスト値が大きいほど、当該部位とその周辺部位との輝度値の差が大きいことを意味しており、ボイド観察や検出が容易になる。なお、ボイドが存在しない場合は加速電圧に依らずコントラスト値は１となる。
　図４で図示されたボイドＡ（２２）とボイドＢ（２３）とボイドＣ（２４）とグレインＡ（２５）とグレインＢ（２６）がそれぞれ存在するＣｕ配線の縦断面図を、図５に示す。ボイドＡ（２２）は配線の上部に位置し、ボイドＢ（２３）は配線中部に位置し、ボイドＣ（２４）は配線下部に位置している。グレインＡ（２５）とグレインＢ（２６）は結晶方位がそれぞれ異なっている。図４からボイドＡ（２２）とボイドＢ（２３）とボイドＣ（２４）は加速電圧の上昇につれてコントラストが上昇していることがわかる。ボイドＡ（２２）はボイドＢ（２３）より配線表面に近接する位置に存在するため、一次電子の侵入長は短くてすみ、５ｋＶから７ｋＶの範囲でコントラストが上昇する傾向を示し、１０ｋＶでその最大値を得ることができる。一方、ボイドＣ（２４）は配線下部の深い位置に存在するため、一次電子の侵入長が長い必要があり、５ｋＶから７ｋＶの範囲ではコントラストを得ることはできず、７ｋＶから上昇し、１０ｋＶで最も高いコントラスト値を得る。１０ｋＶ以上の加速電圧では一次電子の侵入長がＣｕ配線の深さより長くなるため、ボイドＡとＢとＣのコントラストは低下していく。グレインＡ（２５）とグレインＢ（２６）は結晶方位の差異によってコントラスト値は異なるものの、どちらも加速電圧が５ｋＶでコントラストが最大となる傾向を示し、５ｋＶ以上ではボイドと比べコントラストの変化は小さい。
　以上述べたように、グレインとボイドのコントラスト値は加速電圧に大きく依存し、それぞれ特徴的な傾向を有していることが分かる。また、ボイドの存在する深さによってもコントラスト値の加速電圧依存性は異なることが分かる。
　図４で示した、ボイドＣ（２４）とグレインＡ（２５）が撮像視野内に両方とも存在するＣｕ配線に対して５ｋＶまでの加速電圧では、グレインＡを観察することはできるが、ボイドＣ（２４）はコントラストが得られず観察できない。また、加速電圧１０ｋＶから２０ｋＶの範囲では、ボイドＣ（２４）とグレインＡ（２５）が観察可能であるが、ボイドＣ（２４）とグレインＡ（２５）のコントラストはおおよそ同等になり、従来の同一加速電圧で撮像した観察画像と参照画像を用いた比較検査による欠陥検出処理においては、観察画像と参照画像の差画像のコントラストの変化量に閾値を設けて検出するため、ボイドＣ（２４）とグレインＡ（２５）は同一の欠陥として検出されてしまう。そのため、検出するのに十分なコントラストの差が得られる複数の加速電圧で繰り返し同一の箇所を撮像し、画像を比較することが重要であることがわかる。
　複数の加速電圧として選択されるのに最適な加速電圧は、グレインのコントラスト変化量が小さいのに対してボイドのコントラスト変化量が大きくなる加速電圧である。図４で図示した各ボイドおよび各グレインが存在する例では、３～７ｋＶと１０～２０ｋＶの内から選択することが望ましい。例えば、５ｋＶと１０ｋＶで観察された変化量が小さいコントラストはグレイン起因によるものと容易に推測できる。逆にコントラスト変化量が大きい場合、ボイドと特定することができる。
　複数の加速電圧は少なくとも二つ以上必要であるが、高精度にボイドとグレインを区別するためには３つ以上の加速電圧で同一箇所を撮像することが望ましい。例えば、ボイドを観測することができない３ｋＶや１０ｋＶに対してボイドのコントラストが低下する２０ｋＶを加えることで、ボイドとグレインを区別する判定精度を高めることができる。さらに、多くの加速電圧によって撮像すれば、加速電圧とコントラスト変化の特性から深さ位置を特定することも可能である。
　以上述べたように、ボイドとグレインを区別するためには、加速電圧に対するグレインとボイドに特徴的なコントラスト変化に基づいてボイドとグレインを検出する必要があることがわかる。
　次に複数の加速電圧で撮像した観察画像を用いたボイドおよびグレイン検出処理について述べる。撮像した観察画像は一旦記憶装置１６に保存された後、画像処理サーバ２６に転送され、異なる加速電圧で撮像した観察画像同士で差分処理が行われる。差分処理の結果得られる差画像から、グレインとボイドを区別して検出する検出処理が行われる。差分処理および検出処理は、観察画像の撮像と平行してリアルタイムで処理してもよいし、検査後に外部画像処理サーバ３３へ転送し、オフラインで処理してもよい。これらの処理は、外部画像処理サーバ３３で画像撮像フロー実行中にリアルタイムに処理できることは言うまでもない。
　ここで本実施形態における、第一の加速電圧５ｋＶと第二の加速電圧１０ｋＶで同一箇所を撮像した画像を用いた例として、ボイドとグレインを区別してボイド検出処理の方法について、図６を用いて以下詳細に説明する。第一の加速電圧５ｋＶで撮像した観察画像６１と第二の加速電圧１０ｋＶで撮像した観察画像６２とを用いたボイド領域の抽出は差分処理により行われる。観察画像６１にはグレイン６５が存在し、観察画像６２にはグレイン６６とボイド６７が存在する。これらの画像を差分処理によって中間差画像６７を生成する。その後、中間差画像６３を適切なしきい値で二値化された差画像６４を生成し、ボイド領域６９を得る。しかし、一般的に、ＳＥＭ画像においては、観察する光学条件や表面構造や材質および材料によっては、ボイドとグレインは検出に必要な十分なコントラストが得られない場合がある。
　中間差画像６３を生成時に必要に応じて、中間差画像６３の生成前に観察画像６１と観察画像６２に対して、検出感度や精度を高める目的で、様々な画像処理が行われる。例えば、複数の検出器を有している場合、複数の検出器で形成された複数の画像を合成することや、観察画像６１と観察画像６２の明るさやコントラストが異なる場合、それぞれの画像に対してコントラストや明るさの調整が行われる。試料の帯電によって生じるＳＥＭ画像全体のコントラストや明るさのムラは必要に応じて補正される。観察画像６１と観察画像６２の撮像位置がずれている場合は差画像を作成するときに位置合わせ処理を行う。
　また、観察画像６１と観察画像６２の差分のコントラスト値（輝度値）で構成された中間差画像６３にはピクセル単位で構成されたボイド領域６８が現れる。観察画像６１と観察画像６２の中間差画像６３において輝度値の変化量が大きい部位がボイドとして検出することができる。中間差画像６３におけるボイド領域６８の輝度値は予めレシピに登録した感度の設定に基づいて増幅される。差画像６４におけるボイド領域の大きさは予めレシピに登録した感度としきい値パラメータによって決まる。通常は検出対象のボイドが検出可能な値を設定する。また必要に応じて検査感度を向上させる目的で、観察画像内の検出したい領域のみを差分処理の対象とする。例えば、本実施例ではＣｕ配線中のボイドのみが検出対象であるので、検出対象領域はＣｕ配線６０１のみに限定すると効果的に検出できる。
　図６ではボイドとグレインの判別を主な具体例として説明したが、同様の方法により、検出対象としたい深さにあるボイドとそれ以外の深さにあるボイドを判別することも当然可能である。例えば、中間差画像から得ることができるボイドのコントラスト値とあらかじめボイドの深さとコントラスト値の関係が保存されたテーブルとを比較参照することによってボイドの深さを判別することができる。
　以上述べた方法によれば、複数の加速電圧で同一の箇所を撮像し、撮像した複数の画像の差分処理をするため、Ｃｕ配線中に存在するボイドをグレインと区別して検出することができる。これにより、半導体デバイスのメタル配線工程で生じるボイドをインラインで非破壊かつウェーハ全体を短時間で検査することで、半導体デバイスの配線工程のプロセス条件の最適化に要する時間を短縮することができる。
　なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
　また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。
　また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
６８　ボイド領域
６９　ボイド領域

Claims (6)

  1. 　電子線を集束して試料に照射する電子光学系と、
    　前記電子線の照射によって前記試料から発生する二次電子又は反射電子を検出する検出器と、
    　複数の画像を比較して欠陥を検出する画像処理部と、を有し、
    　前記電子光学系は前記試料の同じ箇所に対して前記電子線を複数の加速電圧で照射し、
    　前記画像処理部は、前記複数の加速電圧のそれぞれに対応して取得された複数の画像における前記同じ箇所のコントラスト変化量に基づいて、グレインとボイドを区別することを特徴とする荷電粒子線装置。
  2. 　請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
    　前記複数の加速電圧は、グレインの前記電子線の加速電圧変化に対するコントラスト依存性とボイドの前記電子線の加速電圧変化に対するコントラスト依存性との差に基づいて決められることを特徴とする荷電粒子線装置。
  3. 　請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
    　前記複数の画像は、第一の加速電圧で撮像された第一の画像と前記第一の加速電圧とは異なる第二の加速電圧で撮像された第二の画像とを少なくとも含み、
    　前記第一の加速電圧におけるボイドとグレインとのコントラストの差は、前記第二の加速電圧におけるボイドとグレインとのコントラストの差よりも大きく、
    　前記画像処理部は、前記第一の画像と前記第二の画像を比較することで前記第一の画像と前記第二の画像の差を求め、前記差の領域をボイドと判定することを特徴とする荷電粒子線装置。
  4. 　電子線を集束して試料に照射する電子光学系と、
    　前記電子線の照射によって前記試料から発生する二次電子又は反射電子を検出する検出器と、
    　複数の画像を比較して欠陥を検出する画像処理部と、を有し、
    　前記電子光学系は前記試料の同じ箇所に対して前記電子線を複数の加速電圧で照射し、
    　前記画像処理部は、前記複数の加速電圧のそれぞれに対応して取得された複数の画像における前記同じ箇所のコントラスト変化量に基づいて、前記試料の表面から予め指定された深さにあるボイドを判別することを特徴とする荷電粒子線装置。
  5. 　請求項４に記載の荷電粒子線装置において、
    　前記複数の加速電圧は、第一の深さにあるボイドの前記電子線の加速電圧変化に対するコントラスト依存性と前記第一の深さとは異なる第二の深さにあるボイドの前記電子線の加速電圧変化に対するコントラスト依存性との差に基づいて決められることを特徴とする荷電粒子線装置。
  6. 　請求項４に記載の荷電粒子線装置において、
    　前記複数の画像は、第一の加速電圧で撮像された第一の画像と前記第一の加速電圧とは異なる第二の加速電圧で撮像された第二の画像とを少なくとも含み、
    　前記第一の画像および前記第二の画像は、少なくとも第一のボイドの像と、前記第一のボイドとは異なる深さにある第二のボイドの像を含み、
    　前記第一の加速電圧における第一のボイドと第二のボイドとのコントラストの差は、前記第二の加速電圧における前記第一のボイドと前記第二のボイドとのコントラストの差よりも大きく、
    　前記画像処理部は、前記第一の画像と前記第二の画像を比較することで前記第一の画像と前記第二の画像の差を求め、前記差の領域を第一のボイドまたは第二のボイドと判定することを特徴とする荷電粒子線装置。
PCT/JP2013/067022 2012-08-03 2013-06-21 荷電粒子線装置 WO2014021019A1 (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US14/417,647 US9177757B2 (en) 2012-08-03 2013-06-21 Charged particle beam apparatus
KR1020147036134A KR101730919B1 (ko) 2012-08-03 2013-06-21 하전 입자선 장치

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012-172473 2012-08-03
JP2012172473A JP5836221B2 (ja) 2012-08-03 2012-08-03 荷電粒子線装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2014021019A1 true WO2014021019A1 (ja) 2014-02-06

Family

ID=50027709

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2013/067022 WO2014021019A1 (ja) 2012-08-03 2013-06-21 荷電粒子線装置

Country Status (5)

Country Link
US (1) US9177757B2 (ja)
JP (1) JP5836221B2 (ja)
KR (1) KR101730919B1 (ja)
TW (1) TWI484169B (ja)
WO (1) WO2014021019A1 (ja)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9564291B1 (en) * 2014-01-27 2017-02-07 Mochii, Inc. Hybrid charged-particle beam and light beam microscopy
WO2019028017A1 (en) * 2017-08-01 2019-02-07 Applied Materials Israel Ltd. EMPTY DETECTION METHOD AND INSPECTION SYSTEM
US11443915B2 (en) 2017-09-26 2022-09-13 Asml Netherlands B.V. Detection of buried features by backscattered particles
IL273391B1 (en) 2017-09-29 2024-10-01 Asml Netherlands B V Improved imaging control in sample testing
JP6896667B2 (ja) 2018-03-14 2021-06-30 株式会社日立ハイテク 荷電粒子線装置、断面形状推定プログラム
WO2020095531A1 (ja) * 2018-11-08 2020-05-14 株式会社日立ハイテク 荷電粒子線装置の調整方法及び荷電粒子線装置システム
WO2020194575A1 (ja) * 2019-03-27 2020-10-01 株式会社日立ハイテク 荷電粒子線装置
CN112201586A (zh) * 2020-09-16 2021-01-08 上海华力集成电路制造有限公司 晶圆缺陷源在线定位方法及其定位系统

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000243338A (ja) * 1999-02-22 2000-09-08 Hitachi Ltd 透過電子顕微鏡装置および透過電子検査装置並びに検査方法
JP2002313862A (ja) * 2001-04-13 2002-10-25 Mitsubishi Electric Corp 半導体装置の検査方法および検査装置
JP2004239877A (ja) * 2003-02-10 2004-08-26 Renesas Technology Corp 回路パターンの検査方法および半導体装置の製造方法
JP2009087893A (ja) * 2007-10-03 2009-04-23 Ebara Corp 試料面観察方法
WO2010052854A1 (ja) * 2008-11-05 2010-05-14 株式会社日立ハイテクノロジーズ 荷電粒子線装置

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6538249B1 (en) * 1999-07-09 2003-03-25 Hitachi, Ltd. Image-formation apparatus using charged particle beams under various focus conditions
JP4014917B2 (ja) * 2002-04-11 2007-11-28 株式会社キーエンス 電子顕微鏡及び電子顕微鏡の操作方法
JP2004212355A (ja) * 2003-01-09 2004-07-29 Hitachi Ltd バイオ電子顕微鏡及び試料の観察方法
JP5016993B2 (ja) 2007-06-27 2012-09-05 タテホ化学工業株式会社 酸化マグネシウム粒子凝集体及びその製造方法
JP2009117541A (ja) 2007-11-05 2009-05-28 Tokyo Electron Ltd 基板検査方法、基板検査装置及び記憶媒体

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000243338A (ja) * 1999-02-22 2000-09-08 Hitachi Ltd 透過電子顕微鏡装置および透過電子検査装置並びに検査方法
JP2002313862A (ja) * 2001-04-13 2002-10-25 Mitsubishi Electric Corp 半導体装置の検査方法および検査装置
JP2004239877A (ja) * 2003-02-10 2004-08-26 Renesas Technology Corp 回路パターンの検査方法および半導体装置の製造方法
JP2009087893A (ja) * 2007-10-03 2009-04-23 Ebara Corp 試料面観察方法
WO2010052854A1 (ja) * 2008-11-05 2010-05-14 株式会社日立ハイテクノロジーズ 荷電粒子線装置

Also Published As

Publication number Publication date
TW201415013A (zh) 2014-04-16
JP5836221B2 (ja) 2015-12-24
JP2014032833A (ja) 2014-02-20
TWI484169B (zh) 2015-05-11
KR20150014994A (ko) 2015-02-09
US9177757B2 (en) 2015-11-03
KR101730919B1 (ko) 2017-04-27
US20150170875A1 (en) 2015-06-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5836221B2 (ja) 荷電粒子線装置
JP4812484B2 (ja) ボルテージコントラストを伴った欠陥をレビューする方法およびその装置
JP4528014B2 (ja) 試料検査方法
JP5164317B2 (ja) 電子線による検査・計測方法および検査・計測装置
JP3973372B2 (ja) 荷電粒子線を用いた基板検査装置および基板検査方法
US20020100872A1 (en) Electron beam inspection method and apparatus and semiconductor manufacturing method and its manufacturing line utilizing the same
WO2016002003A1 (ja) 基板検査装置及び方法
JP2001313322A (ja) 荷電粒子ビームによる検査方法および検査装置
KR101709433B1 (ko) 시료 관찰 장치
TW201346254A (zh) 用於偵測埋藏缺陷之方法及裝置
JP2007281136A (ja) 半導体基板および基板検査方法
JP2010118564A (ja) パターンの検査装置、およびパターンの検査方法
JPWO2017017745A1 (ja) 欠陥判定方法、及びｘ線検査装置
JP5525919B2 (ja) 欠陥検査方法および欠陥検査装置
JPWO2014104191A1 (ja) 荷電粒子線装置及びその欠陥分析方法
JP4728361B2 (ja) 荷電粒子線を用いた基板検査装置および基板検査方法
JP4136883B2 (ja) 欠陥観察方法
JP2002353279A (ja) 回路パターン検査方法とその装置
JP2005181347A (ja) 回路パターンの検査装置、検査システム、および検査方法
JP6033325B2 (ja) 半導体検査装置、及び荷電粒子線を用いた検査方法
JP4147233B2 (ja) 電子線装置
JP2006024921A (ja) 荷電粒子ビームによる検査方法および検査装置
JP2003133379A (ja) 半導体装置の検査装置及び半導体装置の製造方法
JP2002014062A (ja) パターン検査方法およびその装置
JP2014143031A (ja) 荷電粒子線装置および試料観察方法

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 13825317

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 20147036134

Country of ref document: KR

Kind code of ref document: A

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 14417647

Country of ref document: US

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 13825317

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1