WO2024127586A1 - 荷電粒子線装置及び試料の特性を推定する方法 - Google Patents

荷電粒子線装置及び試料の特性を推定する方法 Download PDF

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WO2024127586A1
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charged particle
particle beam
sample
beam device
irradiation
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PCT/JP2022/046201
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French (fr)
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保宏 白崎
夏規 津野
美南 内保
慎 榊原
一史 谷内
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株式会社日立ハイテク
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Definitions

  • the present invention relates to a charged particle beam device that irradiates a sample with a charged particle beam and a method for estimating the characteristics of the sample.
  • the present invention relates to an inspection method and a charged particle beam device that inspect the electrical characteristics or material characteristics of a sample.
  • Voltage contrast is a contrast that reflects the difference in the surface potential of a sample, and reflects the conductivity of the sample.
  • Technology that uses this voltage contrast method to inspect semiconductor devices for electrical characteristic defects has been put into practical use. In the inspection of electrical characteristic defects, defective locations are identified using the brightness of patterns such as wiring and plugs on the SEM image.
  • Brightness refers to the degree of brightness of an image or pixel signal acquired by a charged particle beam device, and is also called luminance.
  • the potential when irradiated with an electron beam is relatively low, resulting in high brightness, while in a low conductive pattern, the potential is high, resulting in low brightness. Therefore, defects with different conductivity can be detected from the difference in brightness of the image.
  • Patent Document 1 discloses a method for measuring dimensions, materials, and electrical characteristics by acquiring images under action beam irradiation conditions according to the inspection characteristics in an inspection device using an electron beam.
  • the resistance value of the object being measured is too small, the change in sample potential due to the presence or absence of an electrical defect during SEM observation is small, making it difficult to detect as a change in brightness on the SEM image.
  • the resistance value is too large, such as in the case of a dielectric film, the sample potential during SEM observation is high, causing the brightness change on the SEM image to saturate, making it difficult to obtain detection sensitivity.
  • the voltage contrast method has low sensitivity to electrical defects. Therefore, a technology that can inspect sample characteristics with high sensitivity is desired.
  • a charged particle beam device includes a charged particle source that irradiates a sample with a charged particle beam, a detector that detects secondary electrons generated from the sample by irradiation with the charged particle beam, a deflector that deflects the charged particle beam, and an image processing device that generates an image from irradiation position information of the charged particle beam on the sample and the detection intensity of the detector, and the image processing device acquires images of the sample in different charge states of the sample, measures feature amounts of characteristic shapes that occur at the boundaries of regions of different materials in each of the acquired images, and estimates electrical properties or material properties of the sample based on the feature amounts.
  • the electrical or material properties of a sample can be inspected with high sensitivity.
  • 1A and 1B are diagrams showing an example of a pattern of an observation sample and its SEM image (schematic diagram); 11A and 11B are diagrams for explaining a mechanism by which a third region is generated. 11A and 11B are diagrams for explaining a mechanism by which a third region is generated. 2 shows the potential distribution and the associated brightness distribution of the SEM images when the sample in FIG. 1 is observed under two different imaging conditions.
  • 1 is an example of the configuration of a charged particle beam device according to a first embodiment.
  • 1 is an example of the configuration of a charged particle beam device according to a first embodiment.
  • 4 is a flowchart showing an example of electrical characteristic measurement in the first embodiment.
  • 1 is an example of a GUI (Graphical User Interface) for setting imaging conditions in Example 1.
  • GUI Graphic User Interface
  • 13 is an example of a GUI that displays the results of the first embodiment.
  • 13 is an example of a GUI that displays the results of the first embodiment.
  • 13 is an example of a GUI that displays the results of the first embodiment.
  • 13 is an example of a GUI that displays the results of the first embodiment.
  • 13 is an example of a GUI that displays the results of the first embodiment.
  • 13 is an example of a GUI that displays the results of the first embodiment.
  • 13 is an example of a GUI that displays the results of the first embodiment.
  • This is a method for extracting feature quantities that indicate shape from the brightness profile of an SEM image.
  • This is a method for extracting feature quantities that indicate shape from the brightness profile of an SEM image.
  • FIG. 13 is an example of the configuration of a charged particle beam device according to a second embodiment.
  • 13 is an example of a GUI that displays imaging condition settings and results according to the second embodiment.
  • 13 is an example of a GUI that displays imaging condition settings and results according to the second embodiment.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining a mechanism used in measuring the energy offset at an interface between a semiconductor and a dielectric material.
  • 13 is an example of a GUI for displaying imaging condition settings and results according to the third embodiment.
  • 13 is an example of a GUI for displaying imaging condition settings and results according to the third embodiment.
  • 1 is an observation sample in Example 4 and its SEM image (schematic diagram).
  • 13 is an example of a GUI for displaying imaging condition settings and results according to the fourth embodiment.
  • 13 is an example of a GUI for displaying imaging condition settings and results according to the fourth embodiment. 13 is an example of a GUI for displaying imaging condition settings and results according to the fourth embodiment. 13 is an example of a GUI for displaying imaging condition settings and results according to the fourth embodiment.
  • Semiconductor devices are composed of conductive metal or semiconductor patterns and electrically insulated dielectric regions.
  • the boundaries of the dielectric regions in contact with the metal or semiconductor patterns are at the same potential as the pattern, so a potential gradient is generated in the dielectric regions. In other words, the potential of the pattern is also reflected in the dielectric regions in contact with the metal or semiconductor patterns.
  • the potential gradient in the dielectric region which depends on the pattern potential, can be measured as a brightness profile on a scanning electron microscope (SEM) image.
  • SEM scanning electron microscope
  • an electron beam is used as the charged particle beam.
  • any charged particle beam that can form an electric charge on a sample is not limited to an electron beam.
  • SEM scans the sample with an electron beam and detects the signal electrons from the sample to image the sample surface. The image obtained in this way is called an SEM image.
  • FIG. 1 shows a cross-sectional view, a top view, and an SEM image of the sample 100.
  • the cross-sectional view shows a cross section taken along line AA' in the top view.
  • the sample 100 is formed so that a contact plug 102 made of tungsten is surrounded by an interlayer film 101 made of a dielectric material such as SiO2 .
  • the resistance of the contact plug 102 to the wafer is >100 k ⁇ depending on the thickness of the interlayer film 101.
  • This resistance value R0 has a specification, and it is desirable to set it to, for example, 1 M ⁇ . For example, a resistance value R0 that differs from the specification value by 10% or more is determined to be defective.
  • the first region 111 and the second region 112 correspond to the interlayer film 101 and the contact plug 102, respectively.
  • the third region 113 exists at the boundary between the first region 111 and the second region 112, and is a part of the first region that extends from the boundary into the first region 111.
  • the potential of the contact plug 102 which becomes charged by electron beam irradiation during SEM observation, is estimated from the brightness of the second region 112, and the resistance value R0 with respect to the wafer substrate 103 is calculated or its magnitude is judged relative to a comparison target.
  • the change in brightness of the second region 112 due to differences in resistance value R0 is small, and the measurement sensitivity of the resistance value R0 may be low. Therefore, a method for measuring the resistance value R0 with even higher sensitivity is desired.
  • the resistance value R0 is calculated from the characteristic shape of the third region 113.
  • Figure 2A shows a cross-sectional view of sample 100 and the corresponding surface potential distribution during SEM imaging and brightness distribution on the SEM image.
  • Figure 2B shows an example of an electrical circuit model. The circuit model shows six representative positions on sample 100 and the electrical relationships between them.
  • Positions 201A to 204A are located on the surface of the interlayer film 101, position 205A is located on the surface of the contact plug 102, and position 206A is located on the wafer substrate 103.
  • Nodes 201B to 206B are circuit nodes corresponding to positions 201A to 206A.
  • Resistance R 1 is the resistance between the illustrated nodes, and is calculated from the resistivity ⁇ 1 of the interlayer film 101 and the coordinates of positions 201A to 204A. Sheet resistance may be used to represent the electrical characteristics of the interlayer film 101.
  • the distance of the insulating film between the nodes is assumed to be constant, and the resistance between nodes 201B to 205B is approximated to be resistance R 1 , which is the same value.
  • Resistance R 0 is the resistance between the contact plug 102 and the wafer substrate 103, and includes the resistance values of the interlayer film 101 and the contact plug 102 sandwiched therebetween.
  • the current sources connected to the nodes 201B to 205B represent the currents that flow when the positions 201A to 205A are irradiated with an electron beam.
  • the potentials of nodes 203B and 204B are higher than the potential of node 205B, which corresponds to the plug potential, and the potentials of nodes 201B and 202B, which are farther from contact plug 102, are even higher.
  • the potential of the surface of sample 100 becomes potential distribution 207, and there is a region outside contact plug 102 where the potential changes.
  • the brightness distribution of the SEM image acquired at potential distribution 207 becomes brightness distribution 208.
  • the brightness of the interlayer film 101 adjacent to the contact plug 102 is greater than that of the contact plug 102.
  • the potential of the interlayer film 101 at a position away from the contact plug 102 increases due to resistance based on resistance R1 .
  • the potential of the dielectric increases, secondary electrons are returned to the sample, and the brightness of the SEM image decreases. Due to the relationship between the sample potential and the secondary electron detection rate, the brightness distribution of the SEM image corresponding to the potential distribution 207 is brightness distribution 208.
  • the bright region outside the contact plug 102 is the third region 113.
  • the brightness and characteristic shape of the third region 113 depend on the resistance value R 1 , the resistance value R 0 , the electron beam current of the SEM, etc. If the relationship between the resistance value R 1 , the electron beam current, the sample potential, and the brightness of the SEM image is known, the resistance value R 0 can be estimated from the characteristic shape of the third region 113. However, as with a conventional SEM, the characteristic shape depends not only on the above electrical factors but also on geometric factors such as the plug shape of the contact plug 102.
  • the circuit model shown in this embodiment is a simple model, the resistance value along the surface of the sample 100 is expressed as one value, resistance value R 1 , but the measurement accuracy can be improved by using different resistance values according to the sample shape and position selection.
  • the positions and circuit nodes on the sample used in the calculation may be more or less than five.
  • the circuit model may be treated as a continuous potential shape expressed by an analytical formula, rather than potentials at discrete positions.
  • the charged particle beam device 401 includes a charged particle optical system (electron optical system), a stage mechanism system, a control device 411, and an input/output unit 412.
  • the control device 411 includes a beam control unit 414, an image processing unit 415, and a memory unit 413.
  • the charged particle optical system includes an electron source 402, a blanker 403 that pulses an electron beam 406 from the electron source 402, a deflector 404, an electron lens 405, and a signal electron detector 410.
  • the stage mechanism system includes an XY stage (specimen stage) 408 on which a sample 407 to be inspected is placed. The charged particle optical system and the stage mechanism system are placed in a vacuum, and are controlled by a beam control unit 414.
  • FIG. 4B shows an example of the configuration of the image processing unit 415.
  • the image processing unit 415 includes an image generation unit 416, an area saving unit 417, an area extraction unit 418, and a feature extraction unit 419.
  • the input/output unit 412 is a mouse, keyboard, and display required for inputting SEM observation conditions and displaying the results.
  • Information input from the input/output unit 412 and information output by the image processing unit 415 are stored in the memory unit 413. Based on the input information, the beam control unit 414 controls the charged particle optical system.
  • the control device 411 may include a processor (CPU), memory, auxiliary storage device, input/output ports, a network interface, and a bus.
  • the number of each component may be any number.
  • the processor functions as a beam control unit 414 and an image processing unit 415 that provide predetermined functions by executing processes according to a program loaded into the memory.
  • a volatile storage medium such as a DRAM may be used.
  • the auxiliary storage device stores data and programs used in the storage unit 413.
  • a non-volatile storage medium such as an HDD (Hard Disk Drive) or SSD (Solid State Drive) is used.
  • the input/output port is connected to output devices such as a keyboard, pointing device, and display (display device) of the input/output unit 412, and performs signal exchange between the control device 411 and the input/output unit 412.
  • the network interface enables communication with other information processing devices via a network. These components of the control device 411 are connected to each other via a bus so that they can communicate with each other.
  • An electron beam 406 emitted from an electron source 402 is focused by a lens 405 and irradiated onto a sample 407.
  • the irradiation position and irradiation range (ex. magnification) on the sample are controlled by a deflector 404.
  • the acceleration voltage, irradiation current, irradiation position, etc. of the electron beam 406 are controlled by a beam control unit 414 based on information input by the user via an input/output unit 412.
  • Signal electrons 409 generated when the electron beam 406 is irradiated onto the sample 407 are detected by the detector 410.
  • the detector 410 outputs a voltage signal according to the amount of signal electrons 409 detected.
  • the image generating section 416 of the image processing section 415 generates an SEM image by two-dimensionally arranging the output signal of the detector 410 in accordance with the irradiation position of the electron beam 406 on the sample 407.
  • the third region 113 of the SEM image is extracted from the SEM image by the region extracting section 418 based on the information stored in the region saving section 417, and the characteristic shape and its characteristic amount are calculated from the brightness profile by the feature amount extracting section 419.
  • the region saving unit 417 compares the SEM image with experimental image data of the sample, CAD data of the sample, or pattern data of the sample.
  • the experimental image data is a BSE image obtained by detecting signal electrons (backscattered electrons, BSE) with high energy of, for example, 50 eV or more. Even if the boundary defining the third region 113 is unclear in the secondary electron image, the third region 113 can be identified by using the clear boundary of the BSE image of the same field of view.
  • the output SEM image and feature values are stored in the memory unit 413 or displayed by the input/output unit 412.
  • FIG. 5 is a flow chart explaining the inspection procedure.
  • the user sets the electron beam conditions of the SEM.
  • the electron beam condition setting GUI 601 shown in FIG. 6 the user sets the SEM observation conditions such as the electron beam acceleration voltage, irradiation current, scanning speed, and magnification.
  • the input/output unit 412 receives the setting information and stores it in the memory unit 413.
  • step S502 the user sets variable parameters for acquiring SEM images under multiple conditions using the variable parameter setting GUI 602 shown in FIG. 6. Of the multiple conditions, only two are illustrated here.
  • the input/output unit 412 receives the setting information and stores it in the memory unit 413.
  • the electron beam modulation conditions are variable parameters in order to create different potential states of the sample.
  • the blanker 403 in FIG. 4 pulses the electron beam 406 and intermittently irradiates the sample 407.
  • Sequence diagram 701 shows the change over time of the electron beam current under condition 1.
  • the sample is irradiated with electron beam pulses of a fixed period and a fixed irradiation time.
  • Sequence diagram 702 shows the change over time of the electron beam current under condition 2.
  • the sample is irradiated with electron beam pulses of a fixed period and a fixed irradiation time.
  • the period under condition 1 is shorter than the period under condition 2, and the irradiation time (time width of each pulse) is the same.
  • SEM images of different sample charging states can be obtained. Note that either or both of the pulse period and irradiation time may differ between different irradiation conditions.
  • the variable parameters may be other parameters that can change the sample charging state, such as the electron beam irradiation current and scanning speed.
  • step 503 the user sets the feature values to be extracted from the SEM image using the feature value setting GUI 603 in FIG. 6.
  • the input/output unit 412 receives the setting information and stores it in the memory unit 413.
  • the edge width which is calculated based on Algorithm 1 specified by the user as the width of the characteristic shape of the third region, is selected as the feature value to be extracted.
  • the method of calculating the third region and the method of converting the characteristic shape into a width value are included in Algorithm 1.
  • step S504 the control device 411 acquires an SEM image based on the conditions set in S501 and S502. That is, the beam control unit 414 controls the charged particle optical system according to the setting information stored in the memory unit 413, and the image generation unit 416 of the image processing unit 415 generates an SEM image according to the detection by the detector 410.
  • the input/output unit 412 displays the SEM image.
  • Figure 8A shows an SEM image GUI 801 that displays an SEM image.
  • the SEM image is of the sample shown in Figure 1, and is under the condition that multiple contact plugs 102 are present within the field of view.
  • the area extraction unit 418 refers to the data in the area storage unit 417 and extracts an analysis area from the acquired SEM image.
  • FIG. 8B shows an SEM image GUI 802 that is generated by the area extraction unit 418 and displayed by the input/output unit 412.
  • analysis areas 803A and 803B for measuring the characteristic shape of the third area 113 are displayed. Two of the multiple analysis areas are indicated by the symbols 803A and 803B as examples.
  • the feature extraction unit 419 performs feature analysis.
  • the feature extraction unit 419 extracts a feature shape indicating the brightness of the SEM images of these analysis regions 803A and 803B, and displays it in the analysis profile GUI 803 via the input/output unit 412.
  • FIG. 8C shows an example of the analysis profile GUI 803.
  • the feature extraction unit 419 calculates the width of the feature shape and displays it in the analysis profile GUI 803.
  • step S507 the feature extraction unit 419 calculates the variable parameter dependency of the calculated feature and outputs it to the feature characteristic GUI 804 shown in FIG. 8D.
  • the feature extraction unit 419 generates a graph showing the relationship between the period, which is a variable parameter, and the width of the feature shape, and displays it in the feature characteristic GUI 804.
  • step S508 the feature extraction unit 419 calculates and outputs the electrical characteristics. Specifically, the feature extraction unit 419 applies a model specified by the user to the feature characteristics calculated in step S507, and outputs the electrical characteristic values using the necessary information input by the user.
  • the characteristic calculation GUI 805 in FIG. 8E shows a characteristic calculation GUI 805.
  • the user selects the "plug" model, which means the circuit model in FIG. 2B, and assumes or separately measures and inputs the resistivity ⁇ 1 , which is a parameter required for calculating the electrical characteristics, or the resistance value R 1 converted therefrom.
  • the feature quantity extraction unit 419 outputs the resistance value R 0 at which the feature quantity characteristic estimated by the model becomes close to the experimental value, that is, the resistance between the contact plug 102 and the wafer substrate 103.
  • the feature quantity characteristic is calculated from the relationship between the feature shape of the SEM image and the imaging conditions of the SEM image.
  • the brightness of a specific pixel or group of pixels in an SEM image is used to calculate electrical properties.
  • this embodiment analyzes the shape feature quantity, such as the width of a characteristic shape (value on the vertical axis).
  • the electrical characteristics of the contact plug can be calculated from the characteristic shapes of the third region of the SEM images under multiple conditions.
  • the presence or absence of a contact plug defect can be determined based on the calculated electrical characteristic values. Note that steps S503 and S504 can be performed in any order.
  • Figure 8F shows an example of an electrical characteristic wafer map GUI 806 that shows the distribution of resistance values across a wafer. It is possible to detect abnormalities in the film formation and processing equipment used in device manufacturing based on not only the absolute resistance value but also the distribution across the wafer.
  • Example 1 an example of calculating the electrical characteristics of the dielectric of sample 100 will be described. Steps up to step 507 are the same as described above and will therefore be omitted. As shown in feature characteristic GUI 807 in Figure 8G, in this example, the resistance value of the contact plug is input to the model in step S508, and the resistivity of the dielectric is calculated. The resistivity of the dielectric represents the electrical characteristics of the insulating film material. Therefore, depending on the input conditions, it is possible to calculate not only the electrical characteristics of the contact plug, but also the electrical characteristics of the interlayer film material around the contact plug.
  • the width of the characteristic shape was measured as the feature quantity for evaluating and extracting the characteristic shape of the third region 113.
  • the feature quantity of the characteristic shape is not limited to this.
  • Other example feature quantities are shown in FIG. 9A.
  • FIG. 9A shows an example of a characteristic shape of the third region 113.
  • the feature quantity may be the width 901, as well as the slope 902, a second derivative, or a fit parameter required for fitting the model equation 903.
  • the exponential function shown in Equation 1 may be used in fit 903 to obtain C1, which indicates the attenuation rate, as the feature amount.
  • a parameter extracted by fitting a Gaussian distribution shown in Equation 2 or an error function shown in Equation 3 to the attenuation portion of the brightness profile may be obtained as the feature amount.
  • the distance between two characteristic feature shapes shown in Distance 904 may be obtained as the feature amount.
  • the feature amount was evaluated from the horizontal feature shape of the third region occurring in the SEM image.
  • a vertical feature shape 905B or a diagonal feature shape 905C may be used, and feature shapes in multiple directions may be evaluated in each third region.
  • the area or circularity of the third region may be used as the feature amount instead of the feature shape.
  • the third region 113 may be a part of the second region 112 that extends from the boundary toward the second region 112, or may be a region that extends from the boundary to both sides of the first region 111 and the second region 112.
  • circuit model in FIG. 2B used in this embodiment is composed only of resistors and current sources
  • capacitance may be added to the circuit model to reflect transient changes in the sample potential caused by intermittent irradiation with the electron beam.
  • the capacitance value of the sample can be calculated by fitting the improved circuit model to the feature values calculated from the device configuration and inspection flow of this embodiment.
  • Example 1 features are extracted from the characteristic shape of a third region that occurs on an SEM image at and near the boundary between a first region (a dielectric region such as an interlayer film) and a second region (a conductor or semiconductor pattern such as a contact plug), and feature characteristics that depend on the SEM imaging conditions are calculated.
  • a first region a dielectric region such as an interlayer film
  • a second region a conductor or semiconductor pattern such as a contact plug
  • Example 1 the characteristic shapes of the third region in multiple sample charge states were evaluated by changing the conditions for electron beam irradiation.
  • the contact plug has high resistance or when the interlayer film is prone to accumulating charge due to trapping, irradiation with the electron beam leaves a charge history, making it difficult to reproducibly control the charge state.
  • a method for generating the third region with high accuracy is desired even for such samples.
  • a method for controlling the sample potential using a laser and evaluating the electrical characteristics is described.
  • Figure 10 shows the device configuration of this embodiment.
  • a laser 1001 is added to the basic device configuration of Figure 4.
  • the output, wavelength, deflection, and ON/OFF of the laser 1001 are controlled by the beam control unit 414.
  • the light 1002 output from the laser 1001 is irradiated at the same position on the sample 407 as the electron beam 406.
  • the laser 1001 outputs ultraviolet light with a wavelength of, for example, 400 nm or less. It is known that ultraviolet light neutralizes the insulating film that is charged by the electron beam and stabilizes the sample potential.
  • the sample potential is controlled using the laser 1001 to evaluate the third region 113, and the resistance between the contact plug 102 and the wafer substrate 103 is measured.
  • step S502 the light irradiation conditions are set as variable parameters as shown in the variable parameter setting GUI 1101 of FIG. 11A. Of the multiple conditions, two are shown.
  • Condition 1 has an irradiation intensity of 0 mW (non-irradiation), while condition 2 has an irradiation intensity of 100 mW, which has a static elimination effect on the sample.
  • the calculation results of the feature characteristics in step S507 and the electrical characteristics in step S508 by the feature extraction unit 419 are shown in the feature characteristics GUI 1102 in FIG. 11B.
  • the model selected in this embodiment is a circuit model that takes into account the charge removal effect of light irradiation (not shown). The model is fitted to the relationship between the laser intensity and the width of the feature shape, and the resistivity ⁇ 1 of the interlayer film is input, and the resistance value between the contact plug 102 and the wafer substrate 103 is calculated and output.
  • a laser is used to control the sample potential
  • the light source may be an LED, a white light source, or monochromatic white light obtained by using a monochromator.
  • Example 1 the electrical and material properties of the sample, such as the resistance value and resistivity, were calculated and inspected.
  • the band offset which is a property of the material interface (material property)
  • Figure 12 shows the physical phenomenon that occurs when light is irradiated onto a semiconductor/dielectric interface, and the brightness feature shape of the SEM image obtained at that time.
  • the sample is sample 100 in Figure 1.
  • Band offset is the difference in energy levels of two types of materials at the material interface.
  • the band offset is the difference in energy level between the valence band of the semiconductor and the conduction band of the dielectric. When light is irradiated, electrons in the valence band of the semiconductor absorb photons and are excited.
  • the energy of electrons excited by photons of wavelength ⁇ 1 is lower than the energy level of the conduction band of the dielectric.
  • the energy of electrons excited by photons of wavelength ⁇ 2, which is shorter than ⁇ 1 is higher than the energy level of the conduction band of the dielectric.
  • the width of the third region 1012B in the SEM image acquired under light condition 2 which allows for charge removal, is wider than the width of the third region 1012A in the SEM image acquired under light condition 1, which does not allow for charge removal.
  • the wavelength at which the internal photoelectron emission effect can occur is determined by the band offset, which reflects the material at the interface and its film quality. Therefore, the band offset can be calculated from the relationship between the third region of the SEM image and the wavelength of the irradiated light.
  • step S502 are set using the variable parameter setting GUI 1301 in FIG. 13A.
  • the variable parameters are the light irradiation conditions, and different wavelengths are set for each condition. In this example, only wavelengths of 350 nm and 400 nm are illustrated, but the wavelengths are not limited to these.
  • FIG. 13B An example of feature characteristics extracted by the feature extraction unit 419 from an SEM image captured according to variable parameters is displayed in the feature characteristic GUI 1302 in Figure 13B.
  • the horizontal axis of the displayed graph is wavelength
  • the vertical axis is the width of the SEM image feature shape.
  • the width becomes smaller, reflecting that the dielectric film has not been de-electrified.
  • PhotoEmi a model formula for the internal photoelectron emission effect, is selected and fitted to the feature characteristics.
  • the wavelength at which de-electrification of the dielectric film is possible i.e., the band offset, is determined and output.
  • the band offset which is a material property of the interface, was calculated from the dependence of the characteristic shape of the third region on the wavelength of the irradiated light.
  • the light source used in this embodiment may be any of an LED, a laser, or monochromatic white light using a monochromator, as long as the wavelength is variable or selectable.
  • the film quality of the contact plug or the dielectric adjacent to it can be inspected from the measurement of the band offset.
  • Figure 14 shows an example of sample 1401 to be inspected.
  • Figure 14 shows a cross-sectional view, a top view, and an SEM image acquired by an SEM of sample 1401. Note that the cross-sectional view shows a cross section along line AA' in the top view.
  • Sample 1401 has three regions of Si 1403-1405 with different doping concentrations formed on dielectric 1402. Si 1403 is n+ type, Si 1404 is a p-type close to intrinsic, and Si 1405 is p+ type, and the electrical properties of the three semiconductors are different.
  • the SEM image of sample 1401 shows three different brightness regions 1407-1409.
  • the SEM image has a contrast where p-type is bright and n-type is dark.
  • the interface between Si1403 and Si1404 and the interface between Si1404 and Si1405 are semiconductor junctions, and depletion layers occur in their vicinity. In the depletion layer region, the potential of the sample surface changes continuously, so the brightness changes gradually at the boundaries between the three brightness regions. It is known that when light is irradiated, a photovoltage occurs at the semiconductor junction, changing the potential of the semiconductor and the depletion layer. In this example, this phenomenon is used to examine the dopant concentration of the semiconductor.
  • the dopant concentration is one of the electrical properties that affect the resistance of a region.
  • step S502 different light irradiation conditions are set as variable parameters using the variable parameter setting GUI 1501 in FIG. 15A.
  • the wavelength was set to 600 nm, which is absorbed by Si.
  • the light irradiation intensity is changed for each condition.
  • the acquired SEM image and the results of the analysis region extraction in step S504 are shown in the SEM image GUI 1502 in FIG. 15B.
  • Three analysis regions 1503A to 1503C are shown.
  • the characteristic shape of one of these, analysis region 1503A is shown in the analysis profile GUI 1504 in FIG. 15C.
  • the stepped characteristic shape reflects the brightness of the three regions 1503A to 1503C.
  • the doping concentration of Si1404 is calculated from the light irradiation dependence of the interface position between Si1403 and Si1404.
  • the depletion layer at the interface is deformed by irradiating light, and the position between brightness regions 1407 and 1408 on the SEM image changes.
  • the boundary between brightness regions 1407 and 1408 is calculated by fitting error function 1505 of Equation 3 to the characteristic shape.
  • B2 in Equation 3 is a parameter that represents the boundary position.
  • Feature characteristic GUI 1506 in Figure 15D displays the relationship between the extracted parameter B2 and the light intensity, which is an imaging condition.
  • the user selects "PN Junc.”, which is a model of junction contrast. Since the feature characteristic of the model is determined only by the dopant concentration, the dopant concentration of Si1404 is calculated and displayed by fitting it to the acquired feature characteristic. As described above, the dopant concentration, which is a material characteristic of the semiconductor, was calculated from the dependence of the feature shape of the SEM image on the wavelength of the irradiated light.
  • Example 4 the quality of semiconductors used as contact plugs and transistor channel materials can be inspected by measuring the dopant concentration.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments, but includes various modified examples.
  • the above-described embodiments have been described in detail to clearly explain the present invention, and are not necessarily limited to those having all of the configurations described. It is also possible to replace part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment, and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment. It is also possible to add, delete, or replace part of the configuration of each embodiment with other configurations.
  • each of the above configurations, functions, processing units, etc. may be realized in hardware, for example by designing some or all of them as an integrated circuit.
  • each of the above configurations, functions, etc. may be realized in software by a processor interpreting and executing a program that realizes each function.
  • Information such as the programs, tables, files, etc. that realize each function can be stored in a memory, a recording device such as a hard disk or SSD (Solid State Drive), or a recording medium such as an IC card or SD card.
  • control lines and information lines shown are those considered necessary for the explanation, and do not necessarily show all control lines and information lines on the product. In reality, it can be assumed that almost all components are interconnected.

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Abstract

荷電粒子線装置は、荷電粒子線を試料に照射する荷電粒子源と、荷電粒子線の照射により試料から発生する二次電子を検出する検出器と、荷電粒子線を偏向する偏向器と、試料における荷電粒子線の照射位置情報と検出器の検出強度から画像を生成する画像処理装置と、を含む。画像処理装置は、試料の異なる帯電状態における試料の画像を取得し、取得した画像それぞれにおいて、異なる材料の領域の境界に発生する特徴形状の特徴量を測定し、特徴量に基づいて試料の電気又は材料特性を推定する。

Description

荷電粒子線装置及び試料の特性を推定する方法
　本発明は、試料に対して荷電粒子ビームを照射する荷電粒子線装置及び試料の特性を推定する方法に関する。特に、試料の電気特性又は材料特性を検査する検査方法及び荷電粒子線装置に関する。
　荷電粒子線装置、例えば走査電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、以下ＳＥＭと略す）は、集束した電子線によってナノメートルオーダの微細パターンが識別できる。ＳＥＭの観察法の一つに電位コントラスト法がある。電位コントラストは試料の表面電位の差を反映したコントラストであり、試料の導電性を反映している。この電位コントラスト法を用いた半導体デバイスの電気特性不良を検査する技術が実用化されている。電気特性不良の検査では、ＳＥＭ画像上の配線やプラグ等のパターンの明度を用いて不良個所を特定する。
　明度とは荷電粒子線装置で取得した画像または画素の信号の明るさの程度のことを表し、輝度ということもある。例えば、導電性が高いパターンでは電子線照射時の電位が相対的に低くなるため、明度は高くなり、導電性が低いパターンでは電位が高くなるため、明度は低くなる。よって画像の明度の差から導電性の異なる欠陥部を検出できる。電位コントラスト法による電気特性不良を検査する技術として、特許文献１には、電子線を用いた検査装置において、検査特性に応じた作用ビーム照射条件化下で画像取得することで寸法、材料、及び電気特性を測定する方法が開示されている。
国際公開第２０２２／０５９２０２号
　電位コントラスト法を用いる電気特性検査では、測定対象とするプラグや配線を構成する導体、又はそれらの層間膜を構成する誘電体の電気的欠陥がＳＥＭ観察時の試料電位に影響しＳＥＭ像上で明度差として現れる必要がある。
　しかし、測定対象の抵抗値が小さすぎる場合、ＳＥＭ観察時の電気的欠陥の有無による試料電位の変化が小さいためＳＥＭ像上の明度変化として検出することが困難である。また、誘電膜のように逆に抵抗値が大きすぎる場合、ＳＥＭ観察時の試料電位が高くＳＥＭ像上の明度変化が飽和してしまい検出感度が得られない。すなわち、ＳＥＭ観察時の試料電位変化が小さ過ぎる又は大きすぎる測定対象の場合、電位コントラスト法では電気的欠陥に対する感度が低い。従って、試料の特性を高感度に検査する技術が望まれる。
　本明細書の一態様に係る荷電粒子線装置は、荷電粒子線を試料に照射する荷電粒子源と、前記荷電粒子線の照射により前記試料から発生する二次電子を検出する検出器と、前記荷電粒子線を偏向する偏向器と、前記試料における前記荷電粒子線の照射位置情報と前記検出器の検出強度から画像を生成する画像処理装置と、を含み、前記画像処理装置は、前記試料の異なる帯電状態における前記試料の画像を取得し、前記取得した画像それぞれにおいて、異なる材料の領域の境界に発生する特徴形状の特徴量を測定し、前記特徴量に基づいて、前記試料の電気特性又は材料特性を推定する。
　本明細書の一実施例によれば、試料の電気又は材料特性を高感度に検査できる。その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
観察試料のパターンの例及びそのＳＥＭ画像（模式図）である。 第３領域が生じるメカニズムを説明するための図である。 第３領域が生じるメカニズムを説明するための図である。 図１の試料を２つの異なる撮像条件で観察した場合の電位分布とそれに伴うＳＥＭ画像の明度分布である。 実施例１の荷電粒子線装置の装置構成例である。 実施例１の荷電粒子線装置の装置構成例である。 実施例１における電気特性計測の一例を示すフローチャートである。 実施例１の撮像条件設定を行うＧＵＩ（Ｇｒａｐｈｉｃａｌ　Ｕｓｅｒ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）の一例である。 実施例１における２つの異なる撮像条件である。 実施例１の結果を表示するＧＵＩの一例である。 実施例１の結果を表示するＧＵＩの一例である。 実施例１の結果を表示するＧＵＩの一例である。 実施例１の結果を表示するＧＵＩの一例である。 実施例１の結果を表示するＧＵＩの一例である。 実施例１の結果を表示するＧＵＩの一例である。 実施例１の結果を表示するＧＵＩの一例である。 ＳＥＭ像の明度プロファイルから形状を示す特徴量の抽出方法である。 ＳＥＭ像の明度プロファイルから形状を示す特徴量の抽出方法である。 実施例２の荷電粒子線装置の装置構成例である。 実施例２の撮像条件設定及び結果を表示するＧＵＩの一例である。 実施例２の撮像条件設定及び結果を表示するＧＵＩの一例である。 半導体と誘電体の界面のエネルギーオフセット測定に用いるメカニズムを説明するための図である。 実施例３の撮像条件設定及び結果を表示するＧＵＩの一例である。 実施例３の撮像条件設定及び結果を表示するＧＵＩの一例である。 実施例４における観察試料及びそのＳＥＭ画像（模式図）である。 実施例４の撮像条件設定及び結果を表示するＧＵＩの一例である。 実施例４の撮像条件設定及び結果を表示するＧＵＩの一例である。 実施例４の撮像条件設定及び結果を表示するＧＵＩの一例である。 実施例４の撮像条件設定及び結果を表示するＧＵＩの一例である。
　以下、実施例について図面を参照しながら説明する。図面において、同一の部分には同一の参照番号を付し、その重複説明は適宜省略する。添付の図面は、それぞれ発明の説明とその理解を促すためのものであり、各図における形状や寸法、比などは実際の装置と異なる箇所がある点に留意されたい。
　半導体デバイスは、導電性を持つ金属や半導体のパターンと電気的に絶縁された誘電体領域を含んで構成されている。金属や半導体のパターンと接する誘電体領域の境界はパターンの電位と同電位であるから、誘電体領域に電位勾配が生じる。すなわち、パターンの電位は、金属や半導体のパターンと接する誘電体領域にも反映される。
　誘電体の二次電子放出量は電位に応じて変化することから、パターン電位に依存する誘電体領域内の電位勾配は、ＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）像上の明度プロファイルとして計測できる。すなわち、パターンと誘電体の境界におけるＳＥＭ像上の明度プロファイルの形状（特徴形状）を解析することでパターンの電位を算出し高感度な電気特性又は材料特性の検査が可能となる。
　以下の実施例では荷電粒子ビームとして電子線を用いる例を示す。ただし、帯電を試料に形成可能な荷電粒子ビームであれば電子線に限られない。電子線の試料への照射によって試料から信号電子が放出される。ＳＥＭは、電子線を試料上で走査させ、試料からの信号電子を検出することで試料表面を画像化する。これによって得られる画像をＳＥＭ画像と呼ぶ。
　図１に検査する試料１００の例を示す。図１は試料１００の断面図、上面図及びＳＥＭで取得したＳＥＭ画像である。なお、断面図は上面図のＡＡ’線に沿った断面を示している。試料１００は、タングステンで構成されたコンタクトプラグ１０２が、ＳｉＯ2等の誘電体が成膜された層間膜１０１に囲まれるように形成されている。
　コンタクトプラグ１０２とその下のウェハ基板１０３の間には薄い層間膜１０１があるため、ウェハに対するコンタクトプラグ１０２の抵抗は層間膜１０１の厚みに応じて＞１００ｋΩの値となる。この抵抗値Ｒ0には仕様があり、例えば１ＭΩであることが望ましい。例えば、抵抗値Ｒ0が仕様値と１０％以上異なる場合を不良と判断する。
　試料１００のＳＥＭ画像１１０には、３つの領域が存在する。第１領域１１１と第２領域１１２はそれぞれ層間膜１０１とコンタクトプラグ１０２に対応する。第３領域１１３は、第１領域１１１と第２領域１１２の境界に存在し、境界から第１領域１１１に広がる第１領域の一部である。
　従来の電位コントラスト法では、第２領域１１２の明度からＳＥＭ観察時の電子線照射により帯電するコンタクトプラグ１０２の電位を推定し、ウェハ基板１０３に対する抵抗値Ｒ0を算出または比較対象との大小を判断する。しかし、抵抗値Ｒ0の違いによる第２領域１１２の明度変化は小さく抵抗値Ｒ0の測定感度が低いことがある。そのため、さらに高い感度で抵抗値Ｒ0を測定する手法が望まれる。本明細書の一実施例では、第３領域１１３が抵抗値Ｒ0に依存することに着目し、第３領域１１３の特徴形状から抵抗値Ｒ0を算出する。
　図２Ａ及び図２Ｂを用いてＳＥＭ画像において第３領域１１３が生じるメカニズムを説明する。図２Ａに、試料１００の断面図とそれに対応したＳＥＭ撮像時の表面電位分布、ＳＥＭ画像上の明度分布を示す。図２Ｂに、電気回路的な回路モデルの例を示す。回路モデルは、試料１００の代表的な位置６点とそれらの電気的な関係を示す。
　位置２０１Ａ～２０４Ａは、層間膜１０１の表面、位置２０５Ａはコンタクトプラグ１０２の表面、位置２０６Ａはウェハ基板１０３に位置する。ノード２０１Ｂ～２０６Ｂは、位置２０１Ａ～２０６Ａに対応する回路のノードである。抵抗Ｒ１は図示したノード間の抵抗であり、層間膜１０１の抵抗率ρ１と位置２０１Ａ～２０４Ａの座標から算出される。層間膜１０１の電気的特性を表すのには、シート抵抗を用いてもよい。ここでは、ノード間の絶縁膜の距離を一定とし、ノード２０１B～２０５B間の抵抗は同一な値である抵抗Ｒ１であると近似した。抵抗Ｒ０は、コンタクトプラグ１０２とウェハ基板１０３の間の抵抗であり、間に挟まれた層間膜１０１とコンタクトプラグ１０２の抵抗値を含む。ノード２０１Ｂ～２０５Ｂに接続されている電流源は位置２０１Ａ～２０５Ａに電子線を照射した時に流れる電流を表すものである。
　プラグ電位に対応するノード２０５Ｂの電位に対して、ノード２０３Ｂ及び２０４Ｂの電位は高く、コンタクトプラグ１０２から遠いノード２０１Ｂ及び２０２Ｂの電位はさらに高い。すなわち、試料１００の表面の電位は電位分布２０７となり、コンタクトプラグ１０２の外側で電位が変化する領域がある。電位分布２０７において取得するＳＥＭ画像の明度分布は明度分布２０８となる。
　誘電体の二次電子放出量は導体より多いため、コンタクトプラグ１０２に隣接する層間膜１０１の明度はコンタクトプラグ１０２の明度より高い。コンタクトプラグ１０２から離れた位置の層間膜１０１は、抵抗Ｒ１に基づく抵抗により電位が上がる。誘電体は、電位が上がると二次電子が試料に戻されるため、ＳＥＭ画像の明度が下がる。試料電位と二次電子検出率の関係性から、電位分布２０７に対応するＳＥＭ画像の明度分布は明度分布２０８となる。
　コンタクトプラグ１０２の外側の明度が明るい領域が第３領域１１３である。第３領域１１３の明度及びその特徴形状は、抵抗値Ｒ１、抵抗値Ｒ０、ＳＥＭの電子線電流等に依存する。抵抗値Ｒ１、電子線電流、試料電位とＳＥＭ画像の明度の関係が既知であれば、第３領域１１３の特徴形状から抵抗値Ｒ０を推定できる。しかし、従来ＳＥＭ同様、特徴形状は上記の電気的な要因だけではなくコンタクトプラグ１０２のプラグ形状等の形状的な要因にも依存する。
　電気的な要素のみを抽出するためには形状的な要因を差し引く必要がある。そのため、本実施例が目的とする電気的な特性を抽出するためには２つ以上の電位分布２０７における第３領域１１３の特徴形状解析が必要である。
　図３に２つの異なるＳＥＭ撮像条件において発生する明度分布を示す。ＳＥＭ条件２では、ＳＥＭ条件１よりコンタクトプラグ１０２の帯電量が多く電位が高い。その結果、ＳＥＭ条件１における第３領域の幅３０１Ａは、ＳＥＭ条件２における第３領域の幅３０１Ｂより広い。この差分は試料の電気特性を反映しており、図２の回路モデルに基づいて解析することにより抵抗値Ｒ０を算出することができる。
　なお、本実施例で示した回路モデルは簡易モデルのため試料１００表面沿いの抵抗値を一つの値、抵抗値Ｒ１、で表したが、試料形状や位置の選択に合わせて異なる抵抗値を用いることで測定精度を向上することができる。また、計算に用いる試料上の位置及び回路ノードは５つより多くても少なくてもよい。回路モデルには、離散的な位置の電位ではなく、解析式で表現される連続的な電位形状として取り扱ってもよい。
　本実施例における装置構成の例を図４Ａに示す。荷電粒子線装置４０１は、荷電粒子光学系（電子光学系）、ステージ機構系、制御装置４１１、及び入出力部４１２を備えている。制御装置４１１は、ビーム制御部４１４と画像処理部４１５と記憶部４１３とを含む。
　荷電粒子光学系は、電子源４０２、電子源４０２からの電子線４０６をパルス化するブランカ４０３、偏向器４０４、電子レンズ４０５、信号電子検出器４１０を含む。ステージ機構系は検査対象である試料４０７が載置されるＸＹステージ（試料ステージ）４０８を含む。荷電粒子光学系及びステージ機構系は、真空内に配置されており、ビーム制御部４１４によって制御されている。
　図４Ｂは、画像処理部４１５の構成例を示す。画像処理部４１５は、画像生成部４１６、領域保存部４１７、領域抽出部４１８、特徴量抽出部４１９を含む。図４Ａに戻って、入出力部４１２は、ＳＥＭの観察条件入力や結果表示に必要なマウス、キーボード、ディスプレイである。入出力部４１２より入力される情報や画像処理部４１５によって出力される情報は記憶部４１３によって保存される。入力された情報に基づいてビーム制御部４１４は荷電粒子光学系を制御する。
　なお、制御装置４１１は、プロセッサ（ＣＰＵ）、メモリ、補助記憶装置、入出力ポート、ネットワークインタフェース、バスを含むことができる。構成要素それぞれの数は任意である。プロセッサは、メモリにロードされたプログラムに従って処理を実行することによって、所定の機能を提供するビーム制御部４１４や画像処理部４１５として機能する。メモリには、例えば、ＤＲＡＭのような揮発性記憶媒体を使用することができる。
　補助記憶装置は、記憶部４１３で使用するデータやプログラムを格納する。補助記憶装置には、例えばＨＤＤ（Ｈａｒｄ　Ｄｉｓｋ　Ｄｒｉｖｅ）やＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ　Ｓｔａｔｅ　Ｄｒｉｖｅ）のような不揮発性記憶媒体が用いられる。入出力ポートは、入出力部４１２のキーボード、ポインティングデバイス、ディスプレイ（表示装置）のような出力装置と接続され、制御装置４１１と入出力部４１２との間の信号のやり取りを実行する。ネットワークインタフェースは、ネットワークを介して他の情報処理装置と通信を可能にする。制御装置４１１のこれらの構成要素はバスにより互いに通信可能に接続されている。
　次に、ＳＥＭ画像の取得原理について説明する。電子源４０２より出射した電子線４０６は、レンズ４０５によって集束され、試料４０７に照射される。試料上の照射位置および照射範囲（ｅｘ．倍率）は、偏向器４０４で制御する。電子線４０６の加速電圧、照射電流や照射位置等は入出力部４１２よりユーザが入力した情報に基づいてビーム制御部４１４によって制御される。
　電子線４０６が試料４０７に照射されることによって発生する信号電子４０９は、検出器４１０によって検出される。検出器４１０は検出した信号電子４０９の量に応じた電圧信号を出力する。
　画像処理部４１５の画像生成部４１６は、試料４０７上の電子線４０６の照射位置に対応して検出器４１０の出力信号を二次元配列することでＳＥＭ画像を生成する。ＳＥＭ画像の第３領域１１３は、領域保存部４１７に保存されている情報をもとに領域抽出部４１８によってＳＥＭ画像から抽出され、特徴量抽出部４１９によって明度プロファイルから特徴形状及びその特徴量が算出される。
　領域保存部４１７が第３領域を判断するには、ＳＥＭ画像と、試料の実験画像データ、試料のＣＡＤデータ、又は試料のパターンデータ等を比較する。実験画像データは、例えば５０ｅＶ以上の高いエネルギーを持つ信号電子（反射電子、ＢＳＥ：　Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｅｄ　ｅｌｅｃｔｒｏｎ）の検出で取得するＢＳＥ像である。二次電子像で第３領域１１３を画定する境界が不明瞭であっても、同視野のＢＳＥ像の鮮明な境界を用いることで第３領域１１３を特定することができる。出力されたＳＥＭ画像や特徴量は記憶部４１３に保存されたり、入出力部４１２によって表示される。
　本実施例の具体的な検査手順を説明する。図５は、検査手順を説明するフローチャートである。最初にステップＳ５０１で、ユーザは、ＳＥＭの電子線条件を設定する。ユーザは、図６に示す電子線条件設定ＧＵＩ６０１を用いて、電子線の加速電圧、照射電流、走査速度、倍率等のＳＥＭ観察条件を設定する。入出力部４１２は、設定情報を受け取り、記憶部４１３に格納する。
　次にステップＳ５０２で、ユーザは、複数条件のＳＥＭ画像を取得するための可変パラメータ設定を図６に示す可変パラメータ設定ＧＵＩ６０２で行う。複数の条件から、ここでは２つのみを図示する。入出力部４１２は、設定情報を受け取り、記憶部４１３に格納する。本実施例では、試料の異なる電位状態を作るために電子線変調条件を可変パラメータとした。電子線変調条件で設定する周期と照射時間に基づいて、図４のブランカ４０３は電子線４０６をパルス化し、断続的に試料４０７に照射する。
　条件１と条件２における電子線の照射シーケンスを図７に示す。シーケンス図７０１は、条件１における、電子線電流の時間変化を示す。一定周期及び一定照射時間の電子線パルスが、試料に照射される。シーケンス図７０２は、条件２における、電子線電流の時間変化を示す。一定周期及び一定照射時間の電子線パルスが、試料に照射される。条件１の周期は、条件２の周期より短く、照射時間（各パルスの時間幅）は共通である。異なる周期を用いることで試料帯電状態が異なるＳＥＭ画像を取得できる。なお、異なる照射条件間で、パルスの周期と照射時間のいずれか一方又は双方が異なっていてもよい。可変パラメータは、電子線の照射電流や走査速度等の、試料帯電状態を変えることができる他のパラメータであってもよい。
　次にステップ５０３で、ユーザは、ＳＥＭ画像から抽出する特徴量設定を図６の特徴量設定ＧＵＩ６０３で行う。入出力部４１２は、設定情報を受け取り、記憶部４１３に格納する。本実施例では、抽出する特徴量として、第３領域の特徴形状の幅をユーザが指定したＡｌｇｏｒｉｔｈｍ１に基づいて算出するエッジ幅を選択してある。第３領域の算出方法や特徴形状を幅値に換算する方法等はＡｌｇｏｒｉｔｈｍ１に含まれる。
　ステップＳ５０４で、制御装置４１１は、Ｓ５０１～Ｓ５０２で設定した条件に基づいてＳＥＭ画像を取得する。つまり、ビーム制御部４１４は、記憶部４１３に保存されている設定情報に従って荷電粒子光学系を制御し、画像処理部４１５の画像生成部４１６は、検出器４１０での検出に応じたＳＥＭ画像を生成する。入出力部４１２は、そのＳＥＭ画像を表示する。図８ＡにＳＥＭ画像を表示するＳＥＭ画像ＧＵＩ８０１を示す。ＳＥＭ画像は図１に示す試料で、視野内に複数のコンタクトプラグ１０２が存在している条件である。
　次に、ステップＳ５０５で、領域抽出部４１８は、領域保存部４１７のデータを参照して、取得したＳＥＭ画像から解析領域抽出を行う。図８Ｂは、領域抽出部４１８が生成し、入出力部４１２で表示されるＳＥＭ画像ＧＵＩ８０２を示す。ＳＥＭ画像ＧＵＩ８０２において、第３領域１１３の特徴形状を測定するための解析領域８０３Ａ、８０３Ｂが表示される。複数の解析領域の内の二つが例として、符号８０３Ａ、８０３Ｂで指示されている。
　ステップＳ５０６において、特徴量抽出部４１９は、特徴量解析を行う。特徴量抽出部４１９は、これら解析領域８０３Ａ、８０３ＢのＳＥＭ画像の明度を示す特徴形状を抽出し、入出力部４１２を介して解析プロファイルＧＵＩ８０３に表示する。図８Ｃは、解析プロファイルＧＵＩ８０３の例を示す。本例において、特徴量抽出部４１９は特徴形状の幅を算出し、解析プロファイルＧＵＩ８０３において提示する。
　次に、ステップＳ５０７で、特徴量抽出部４１９は、算出された特徴量の可変パラメータ依存を算出し、図８Ｄに示す特徴量特性ＧＵＩ８０４に出力する。図８Ｄに示す例において、特徴量抽出部４１９は、可変パラメータである周期と特徴形状の幅との関係を示すグラフを生成して、特徴量特性ＧＵＩ８０４に表示する。
　最後に、ステップＳ５０８で、特徴量抽出部４１９は、電気特性を算出して出力する。具体的には、特徴量抽出部４１９は、ステップＳ５０７で算出された特徴量特性に、ユーザにより指定されたモデルを適用し、ユーザに入力された必要な情報を使用して、電気特性値出力する。
　図８Ｅは、特性算出ＧＵＩ８０５を示す。図８Ｅの特性算出ＧＵＩ８０５の例では、ユーザは、図２Ｂの回路モデルを意味する「プラグ」モデルを選択し、電気特性の算出に必要なパラメータである抵抗率ρ１又はそこから換算される抵抗値Ｒ１を仮定または、別途測定し、入力する。特徴量抽出部４１９は、モデルが推定する特徴量特性が実験値と近くなる抵抗値Ｒ0、すなわちコンタクトプラグ１０２とウェハ基板１０３の間の抵抗、を出力する。ここで、特徴量特性はＳＥＭ画像の特徴形状とＳＥＭ像の撮像条件の関係性から算出されることが本実施例の一つの特徴である。
　従来の電気特性検査に用いる電位コントラスト法は、ＳＥＭ画像の特定のピクセル又はピクセル群の明度を電気特性の算出に用いる。すなわち、従来手法が横軸撮像条件、縦軸明度の曲線を解析対象とするのに対して、本実施例では、特徴形状の幅等の形状特徴量を解析対象（縦軸の値）とする。
　以上により、複数条件のＳＥＭ画像の第３領域の特徴形状からコンタクトプラグの電気特性を算出できる。算出した電気特性値に基づいてコンタクトプラグ不良の有無を判断できる。なお、ステップＳ５０３とステップＳ５０４は順不同である。
　上記で説明したコンタクトプラグの電気特性値を半導体ウェハの面内で多数測定すれば面内分布が測定できる。図８Ｆは、抵抗値のウェハ内分布を示す電気特性ウェハマップＧＵＩ８０６の例を示す。抵抗の絶対値だけではなく、ウェハ内の分布によりデバイス製造に用いる成膜や加工装置の異常を検知することが可能である。
　実施例１の変形例として、試料１００の誘電体の電気特性を算出する例について説明する。ステップ５０７までは前述と同じであるため割愛する。図８Ｇの特徴量特性ＧＵＩ８０７で示すように、本例ではステップＳ５０８でモデルにコンタクトプラグの抵抗値を入力し、誘電体の抵抗率を算出する。誘電体の抵抗率は、絶縁膜の材料の電気特性を表す。よって、入力条件に応じて、コンタクトプラグの電気特性だけではなく、コンタクトプラグ周辺の層間膜の材料の電気特性を算出することが可能である。
　なお、本実施例では、第３領域１１３の特徴形状を評価し抽出する特徴量として特徴形状の幅を測定した。しかし、特徴形状の特徴量はそれに限られない。図９Ａに他の特徴量例を示す。図９Ａは第３領域１１３の特徴形状の例である。特徴量は、幅９０１の他、傾き９０２や二次微分、モデル式のフィット９０３に必要なフィットパラメータでもよい。
　例えば、数式１に示す指数関数式をフィット９０３に用いて減衰速度を示すC1を特徴量としてもよい。または、数式２に示すガウス分布や数式３に示す誤差関数を明度プロファイルの減衰部分にフィットして抽出するパラメータを特徴量としてもよい。または、距離９０４に示す２つの特徴的な特徴形状の間の距離を特徴量としてもよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　本実施例では、ＳＥＭ画像で発生する第３領域の横方向の特徴形状から特徴量を評価した。図９Ｂに示すように、横方向の特徴形状９０５Ａではなく、縦方向の特徴形状９０５Ｂや斜め方向の特徴形状９０５Ｃが使用されてもよいし、各第３領域で複数方向の特徴形状を評価してもよい。また、面積９０６に示すように、特徴形状ではなく、第３領域の面積や真円度を特徴量としてもよい。
　また、本実施例では、第３領域１１３の例として、第１領域１１１と第２領域１１２の境界から第１領域１１１側に広がる第１領域１１１の一部を使用した。しかし、この現象は、試料１００の材料及び形状に依存するため、これに限るものではない。第３領域１１３は境界から第２領域１１２に広がる第２領域１１２の一部でもよいし、境界から第１領域１１１と第２領域１１２の両側に広がる領域でもよい。
　また、本実施例で用いた図２Ｂの回路モデルは抵抗と電流源のみで構成されているが、電子線の断続的照射に起因する過渡的な試料電位変化を反映するために回路モデルに容量を加えてもよい。その場合、本実施例の装置構成及び検査フローより算出される特徴量に改良された回路モデルをフィットすることで試料の容量値が算出できる。
　実施例１を用いれば、第１領域（層間膜などの誘電体領域）と第２領域（コンタクトプラグなどの導体または半導体パターン）の境界及びその近傍でＳＥＭ画像上に発生する第３領域の特徴形状から特徴量を抽出し、ＳＥＭ撮像条件依存である特徴量特性を算出し、モデルと比較することでコンタクトプラグの電気特性やその周りの層間膜の材料特性を検査することができる。材料特性は、材料固有の性質のことであり、電気的応答を示す特性だけではなく、後述するバンドオフセット等の材料固有の特性を含む。
　実施例１では電子線の照射条件を変えることで複数の試料帯電状態における第３領域の特徴形状を評価した。しかし、コンタクトプラグの抵抗が高い場合やトラップにより層間膜が電荷を溜めやすい場合等、電子線を照射すると帯電履歴が残り、再現よく帯電状態を制御することが困難である。このようなサンプルにおいても精度よく第３領域を生成する方法が望まれる。本実施例では、レーザを用いて試料電位を制御し、電気特性を評価する方法を説明する。
　図１０に本実施例の装置構成を示す。図１０は、図４の基本装置構成にレーザ１００１が加わっている。レーザ１００１は、その出力、波長、偏向、ＯＮ／ＯＦＦがビーム制御部４１４によって制御されている。レーザ１００１より出力された光１００２は、試料４０７上の電子線４０６と同じ位置に照射される。レーザ１００１は、例えば、波長４００ｎｍ以下の紫外光を出力する。紫外光は、電子線によって帯電する絶縁膜を除電し試料電位を安定化することが知られている。本実施例では、レーザ１００１を用いて試料電位を制御し第３領域１１３の評価を行い、コンタクトプラグ１０２とウェハ基板１０３の間の抵抗を測定する。
　本実施例の検査手順について説明する。検査手順は図５とステップＳ５０２のみ異なる。ステップＳ５０２の可変パラメータ設定では、図１１Ａの可変パラメータ設定ＧＵＩ１１０１に示すように光の照射条件を可変パラメータとする。複数の条件の内、２つが図示されている。条件１の照射強度０ｍＷ（非照射）に対して条件２は照射強度が１００ｍＷであり、試料に対して除電効果が働く。
　特徴量抽出部４１９による、ステップＳ５０７の特徴量特性の算出とステップＳ５０８の電気特性の算出結果を、図１１Ｂの特徴量特性ＧＵＩ１１０２に示す。本実施例で選択するモデルは、光照射の除電効果を考慮した回路モデルである（図示なし）。レーザ強度と特徴形状の幅の関係にモデルをフィットし、層間膜の抵抗率ρ１を入力することでコンタクトプラグ１０２とウェハ基板１０３の間の抵抗値が算出され出力される。
　なお、本実施例では試料電位を制御するのにレーザを用いているが、光源はＬＥＤ、白色光源、又はモノクロメータを用いて単色化した白色光でもよい。実施例２を用いれば、電子線照射により帯電が安定しない試料においても電気特性の検査が可能となる。
　実施例１と２では、試料の抵抗値や抵抗率等の電気的及び材料特性を算出及び検査した。本実施例では、材料界面の特性（材料特性）であるバンドオフセットを測定する方法について説明する。
　図１２を用いてバンドオフセットを測定する原理を説明する。図１２は、光を半導体／誘電体界面に照射することによって生じる物理現象と、その時に得られるＳＥＭ画像の明度特徴形状を示す。試料は図１の試料１００である。バンドオフセットとは、材料界面における２種類の材料のエネルギー準位の差である。図１２においては、バンドオフセットは、半導体の価電子帯のエネルギー準位と誘電体の導電帯のエネルギー準位の差である。光を照射することにより、半導体の価電子帯に存在する電子は光子を吸収し励起される。
　光条件１では、波長λ１の光子によって励起される電子のエネルギーは誘電体の伝導帯のエネルギー準位より低い。光条件２でλ１より短い波長λ２の光子によって励起される電子のエネルギーは誘電体の伝導帯のエネルギー準位より高い。すなわち、波長λ２の光を試料に照射することで半導体から誘電体に電子の注入が可能である。この現象は内部光電子放出効果として知られている。
　実施例１のように誘電体が電子線により帯電している場合、λ２の波長の光を照射することで除電することが可能である。その結果、除電できない光条件１で取得するＳＥＭ画像の第３領域１０１２Ａの幅より除電が可能である光条件２で取得するＳＥＭ画像の第３領域１０１２Ｂの幅の方が広い。内部光電子放出効果が可能な波長は、界面の材料及びその膜質を反映したバンドオフセットで決まる。よって、ＳＥＭ画像の第３領域と照射する光の波長の関係からバンドオフセットが算出できる。
　バンドオフセットの算出手順について説明する。図５のステップＳ５０２とステップＳ５０８のみ実施例１と異なる。ここでは、差分であるこの二つのステップのみについて説明する。ステップＳ５０２の可変パラメータ設定は、図１３Ａの可変パラメータ設定ＧＵＩ１３０１を用いて行う。可変パラメータを光照射条件とし、条件毎に異なる波長を設定する。本実施例では、波長３５０ｎｍと４００ｎｍのみを図示するが、波長はそれに限らない。
　特徴量抽出部４１９が可変パラメータに応じて撮像したＳＥＭ画像から特徴量特性を抽出した例を、図１３Ｂの特徴量特性ＧＵＩ１３０２に表示する。表示されるグラフは横軸が波長、縦軸がＳＥＭ画像特徴形状の幅である。長波長条件だと幅が小さくなり、誘電膜が除電されていないことを反映している。このグラフには、内部光電子放出効果のモデル式である「ＰｈｏｔｏＥｍｉ．」が選択され、特徴量特性にフィットされる。その結果、誘電膜の除電が可能となる波長、すなわちバンドオフセット、が定まり出力される。
　以上、第３領域の特徴形状の照射光波長依存から界面の材料特性であるバンドオフセットを算出した。なお、本実施例に用いる光源は、波長が可変又は選択できればＬＥＤ、レーザ、モノクロメータを用いて単色化した白色光のどれを用いてもよい。実施例３によれば、バンドオフセットの測定から、コンタクトプラグまたは、それに隣接する誘電体の膜質検査が可能である。
　本実施例では、半導体のドーパント濃度を検査する手順について説明する。図１４に検査する試料１４０１の例を示す。図１４は試料１４０１の断面図、上面図及びＳＥＭで取得したＳＥＭ画像である。なお、断面図は上面図のＡＡ’線に沿った断面を示している。試料１４０１は、誘電体１４０２の上にドープ濃度が異なる３領域のＳｉ１４０３～１４０５が成膜されている。Ｓｉ１４０３はｎ＋型、Ｓｉ１４０４は真性に近いｐ型、Ｓｉ１４０５はｐ＋型であり、３つの半導体の電気特性は異なる。
　試料１４０１のＳＥＭ画像は３つの異なる明度領域１４０７～１４０９を示す。ＳＥＭ画像は、ｐ型が明るく、ｎ型が暗いコントラストとなる。Ｓｉ１４０３とＳｉ１４０４の間の界面及びＳｉ１４０４とＳｉ１４０５の間の界面は半導体接合でありその近傍では空乏層が生じる。空乏層領域は試料表面の電位が連続的に変化するため、３つの明度領域の境界はなだらかに明度が変化する。光を照射すると半導体接合では光起電流が発生し、半導体の電位及び空乏層が変わることが知られている。本実施例では、この現象を用いて半導体のドーパント濃度を検査する。ドーパント濃度は、領域の抵抗に影響する電気特性の一つである。
　半導体のドープ濃度検査において、実施例１のフローチャートとの差異のみについて説明する。ステップＳ５０２では、図１５Ａの可変パラメータ設定ＧＵＩ１５０１を用いて異なる光照射条件を可変パラメータとして設定する。波長はＳｉが吸収する６００ｎｍを設定した。条件毎に光の照射強度を変える。
　取得したＳＥＭ画像及びステップＳ５０４の解析領域抽出を行った結果を、図１５ＢのＳＥＭ画像ＧＵＩ１５０２に示す。３つの解析領域１５０３Ａ～１５０３Ｃが示されている。そのうちの一つである解析領域１５０３Ａの特徴形状を、図１５Ｃの解析プロファイルＧＵＩ１５０４に示す。階段状の特徴形状は、３つの領域１５０３Ａ～１５０３Ｃの明度を反映している。本実施例では、Ｓｉ１４０４のドープ濃度をＳｉ１４０３とＳｉ１４０４の間の界面の位置の光照射依存から算出する。
　前述したように、光を照射することによって界面の空乏層が変形し、ＳＥＭ画像上の明度領域１４０７と１４０８の間の位置が変わる。明度領域１４０７と１４０８の境界は、特徴形状に式３の誤差関数１５０５をフィットして算出する。数式３のＢ２が境界位置を表すパラメータである。
　図１５Ｄの特徴量特性ＧＵＩ１５０６では、抽出したパラメータＢ２と撮像条件である光強度の関係を表示する。ユーザは接合コントラストのモデルである「ＰＮ　Ｊｕｎｃ．」を選択する。モデルはドーパント濃度のみで特徴量特性が決まるため、取得した特徴量特性にフィットすることでＳｉ１４０４のドーパント濃度が算出され表示される。以上、ＳＥＭ画像の特徴形状の照射光波長依存から半導体の材料特性であるドーパント濃度を算出した。
　実施例４によれば、ドーパント濃度の測定から、コンタクトプラグやトランジスタのチャネル材として使われる半導体の品質検査が可能である。
　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、必ずしも説明したすべての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
　また、上記の各構成・機能・処理部等は、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、製品上必ずしもすべての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆どすべての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

Claims (14)

  1. 　荷電粒子線を試料に照射する荷電粒子源と、
    　前記荷電粒子線の照射により前記試料から発生する二次電子を検出する検出器と、
    　前記荷電粒子線を偏向する偏向器と、
    　前記試料における前記荷電粒子線の照射位置情報と前記検出器の検出強度から画像を生成する画像処理装置と、を含み、
    　前記画像処理装置は、
    　前記試料の異なる帯電状態における前記試料の画像を取得し、
    　前記取得した画像それぞれにおいて、異なる材料の領域の境界に発生する特徴形状の特徴量を測定し、
    　前記特徴量に基づいて、前記試料の電気特性又は材料特性を推定する、荷電粒子線装置。
  2. 　請求項１に記載の荷電粒子線装置であって、
    　前記取得した画像は、前記荷電粒子線の異なる照射条件における前記試料の画像である、荷電粒子線装置。
  3. 　請求項１に記載の荷電粒子線装置であって、
    　さらに、光を前記試料に照射する光源を含み、
    　前記取得した画像は、前記荷電粒子線及び前記光の少なくとも一方の照射条件が異なる、異なる照射条件における前記試料の画像である、荷電粒子線装置。
  4. 　請求項１に記載の荷電粒子線装置であって、
    　前記特徴量は、前記特徴形状の、幅、傾き、二次微分、面積、真円度及びフィット式のフィットパラメータの内の少なくとも一つを含む、荷電粒子線装置。
  5. 　請求項１に記載の荷電粒子線装置であって、
    　前記特徴量は前記取得した画像それぞれにおける、複数特徴形状間の距離である、荷電粒子線装置。
  6. 　請求項２に記載の荷電粒子線装置であって、
    　前記荷電粒子線の照射条件は、前記試料に照射する前記荷電粒子線のパルスの周期及び照射時間の少なくとも一方である、荷電粒子線装置。
  7. 　請求項３に記載の荷電粒子線装置であって、
    　前記荷電粒子線の照射条件は、前記試料に照射する前記荷電粒子線のパルスの周期及び照射時間の少なくとも一方である、荷電粒子線装置。
  8. 　請求項３に記載の荷電粒子線装置であって、
    　前記光の照射条件は、前記光の照射の有無である、荷電粒子線装置。
  9. 　請求項１に記載の荷電粒子線装置であって、
    　前記試料の電気特性又は材料特性は、抵抗値、容量値、抵抗率、バンドオフセット、及びドーパント濃度の内の少なくとも一つを含む、荷電粒子線装置。
  10. 　請求項１に記載の荷電粒子線装置であって、
    　前記画像処理装置は、ユーザにより指定されたモデルと前記特徴量との比較結果に基づき前記試料の電気特性又は材料特性を推定する、荷電粒子線装置。
  11. 　請求項１に記載の荷電粒子線装置であって、
    　前記画像処理装置は、前記異なる帯電状態それぞれの前記特徴量をグラフにおいて表示する、荷電粒子線装置。
  12. 　異なる材料の領域を含む試料の特性を推定する方法であって、
    　異なる帯電状態の試料上で荷電粒子線を走査させることで発生する二次電子から、前記異なる帯電状態それぞれの前記試料の画像を生成し、
    　前記画像それぞれにおいて、異なる材料の領域の境界に発生する特徴形状の特徴量を測定し、
    　前記異なる帯電状態の前記画像の前記特徴量に基づいて、前記試料の電気特性又は材料特性を推定する、方法。
  13. 　請求項１２に記載の方法であって、
    　前記異なる帯電状態の画像は、前記荷電粒子線の異なる照射条件で生成される、方法。
  14. 　請求項１２に記載の方法であって、
    　前記異なる帯電状態の画像は、前記荷電粒子線及び光の少なくとも一方の照射条件が異なる、異なる照射条件で生成される、方法。
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