JPH11224634A - 走査像形成方法および走査像形成装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】チャージアップによるＳＥＭ像の不安定化を回
避する。 【解決手段】電子線２の２次元走査とステージ６の連続
移動を所定の条件で併用することで、チャージアップを
均一化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、収束したビームを
走査状に移動させながら試料に照射し、試料から得られ
る信号をビーム照射位置と対応させながら検出すること
で画像を得る走査像形成技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、対象物（試料）の特定の特徴
（表面形状，不純物分布など）を画像として得るには、
これを検出することが可能な粒子線，光束などを収束し
たビームとして試料に照射し、これに起因して試料から
得られる信号をビーム照射位置と対応させながら検出す
る操作を、試料の観察領域内でビームを走査状に移動さ
せながら行う方法が用いられている。このような手順で
得られる画像は走査像と称され、そのもっとも典型的な
例に、走査型電子顕微鏡（以下ではこれをＳＥＭと称す
る）により得られる二次電子の走査像（以下ではこれを
ＳＥＭ像と称する）がある。

【０００３】ＳＥＭ像は、試料の表面形状を高分解能で
画像化したものと見なせるため、近年これを半導体ウエ
ハ上の回路パターンの検査に用いる試みが盛んである。
半導体集積回路装置の製造においては、導電性材料や難
導電性材料の堆積処理，リソグラフィ処理，エッチング
処理などにより半導体ウエハ上に回路パターンを形成す
る。半導体ウエハ上に形成された回路パターンの良否
は、半導体集積回路装置の製造歩留まりなどの生産性に
大きな影響を及ぼすため、半導体集積回路装置の製造工
程においては、このような半導体ウエハ上の回路パター
ンの検査が重要である。

【０００４】今日の半導体集積回路装置の高集積化に伴
い、半導体ウエハ上に形成される回路パターンは急速に
微細化している。このため、回路パターンの検査手段と
して、従来から用いられている光学式の検査装置よりも
高い分解能を有するＳＥＭを用いる方法が着目されるこ
ととなった。

【０００５】これに関連する技術としては、例えば、特
開平5−258703 号には、エックス線マスクやこれと同等
の導電性基板に形成されたパターンをＳＥＭを使用して
検査する方法とそのシステムが開示されている。

【０００６】また、特開昭59−160948号には、図２に示
したように、電子線（図２ではこれをビームと称してい
る）を一方向に走査し、半導体ウエハを設置したステー
ジをこれとは垂直な方向に連続的に移動させてＳＥＭ像
を生成し、これを用いて高速に回路パターンの検査を行
う手段が開示されている。

【０００７】さらに、特開昭63−218803号には、像取得
時の半導体ウエハへの電子線照射時間を精密に制御して
半導体ウエハのチャージアップや階調ドリフトが像質に
与える影響を低減し、検査に用いるＳＥＭ像の信頼性お
よび感度を向上させる手段が開示されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】一般に、半導体ウエハ
上の回路パターンは、導電性材料と難導電性材料の複雑
な組み合わせにより構成されている。このような回路パ
ターンに電子線を照射すると、難導電性材料部分に電荷
が蓄積する(チャージアップ)。このため、ＳＥＭ像の像
質が電荷蓄積量に依存して変動してしまい、再現性のあ
るＳＥＭ像が得られないという問題が生じる。

【０００９】この問題に対処するための手段としては、
例えば、上述した特開昭63−218803号にあるように電子
線の照射時間を精密に制御する方法が知られていた。し
かし、実際の検査の現場で電子線照射時間を精密に制御
することは事実上困難であり、しかも、本来試料の特性
に起因した問題であるチャージアップの対策を電子線照
射時間の制御のみで行うことは一般には難しかった。

【００１０】本発明の課題は、チャージアップを起こし
やすい試料においても像質の良好なＳＥＭ像を再現性良
く得ることを可能にし、さらに一般には、ビーム照射に
誘起される状態変化によって走査像が不安定化したり低
コントラスト化したりする傾向のある試料においても、
安定した走査像を得ることを可能にすることである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明では、上記課題を
解決するために、チャージアップが起こるとＳＥＭ像の
再現性が低下する原因に着目する。電子線照射により試
料表面に生成した電荷の量は、生成場所およびその周辺
の電気的，形状的な状態に依存している。このため、チ
ャージアップ状態は試料の各場所で不規則に異なってお
り、このような電荷分布の不規則性がＳＥＭ像を不安定
化させる主要因となっている。

【００１２】したがって、チャージアップがＳＥＭ像に
影響を与えることを回避するには、チャージアップの均
一化を図ることが有効である。これに対して、従来行わ
れていた半導体ウエハ上の回路パターンのＳＥＭ像によ
る検査では、上述した特開昭59−160948号のように、試
料上での電子線照射部分は既走査部分から未走査部分へ
と間隔ｄ（試料上）で順次移動していくため、両部分の
境界部分、即ちチャージアップ状態が最も不均一な領域
を電子線が走査する際にＳＥＭ像が生成されることとな
り、結果としてチャージアップの影響が顕著に現れてし
まっていた。そこで、本発明ではチャージアップ状態が
できるだけ均一となるような電子線走査方式を採用する
ことで、ＳＥＭ像に対するチャージアップの影響を回避
する。

【００１３】次に、この走査方法を図１により説明す
る。本方法では、図２で説明した従来法とは異なり、電
子線（図１ではこれをビームと称している）を等間隔Ｌ
でずらしながらＮ回走査する（図１にはＮ＝４の場合を
示してある）。さらに、電子線をＮ−１回ずらす（図１
には３回ずらす場合を示してある）方向とは逆向きに、
ステージを一定速度ｖで連続的に移動させる。

【００１４】本発明の本質は、このステージ移動速度を
ｖ＝（Ｌ／ｔ）（Ｎ−１）／｛Ｎ（ｋ−１）｝（ここで
ｔは上記電子線の１回の走査と振り戻しに要する合計時
間，ｋは２以上の自然数）に規定することである。この
ような条件下では、試料上での走査線間隔ｄが一定値ｄ
＝Ｌ（Ｎ−１）／｛Ｎ（ｋ−１）｝になるにもかかわら
ず、試料に順次照射される電子線の間隔は、続けてＮ−
１回がＬ(Ｎｋ−１)／｛Ｎ（ｋ−１）｝となる毎にｋ
（Ｎ−１）／（ｋ−１）となり、ｄのそれぞれＮ（ｋ−
１）／（Ｎ−１）倍，Ｎｋ倍となることである。

【００１５】図１には例としてＮ＝４，ｋ＝４の場合を
示してあるが、この場合には試料上での走査線間隔ｄは
ｄ＝Ｌ／４であるのに対して、試料に順次照射される電
子線の間隔はＬ（５／４）またはＬ×４となり、ｄのそ
れぞれ５倍，１６倍となる。これにより、図２で説明し
た従来法に比べて、順次照射される走査電子線の試料上
での間隔を大幅に広げることが可能となる。しかも、本
方式では、Ｎ回の（図１では４本）の電子線走査のうち
完全な未走査領域を走査するのはＮ番目（図１ではライ
ン４）だけとなり、他のＮ−１本（図１では３本）の電
子線は既に両側が走査された領域を走査することとな
る。本走査方式の以上のような効果により、本方式では
従来法に比べて走査部分のチャージアップ状態を均一に
することが可能となり、これを用いて生成したＳＥＭ像
では、従来法で生成したＳＥＭ像に比べてチャージアッ
プによる像質の低下を著しく低減できる。

【００１６】本発明においては、上記走査方式によりＳ
ＥＭ像を生成するために、さらに以下のような方法を用
いる。上記走査方式では、各走査で順次検出される二次
電子信号がそのまま試料上の隣接する領域での信号とは
ならないことが、図２で説明した従来の走査方式とは異
なっている。本発明において、試料上で間隔ｄで隣接す
る電子線走査部分に対応する信号を順次得ていくには、
Ｎ回の電子線の走査のうちｉ番目（１≦ｉ≦Ｎ）の走査
で得られる信号の出力よりｉ番目の部分走査像を生成す
る操作をＮ回の電子線走査の全てについて行い、かつｊ
番目（１≦ｊ≦Ｎ−１）の部分走査像の各走査線の後に
ｊ＋１番目の部分走査像の各走査線を並べる操作を１≦
ｊ≦Ｎ−１につき行えば良い。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図を
用いて説明する。図３は、本発明の実施例における装置
構成を示す図である。図３において、電子源，引き出し
電極，加速電極などで構成された電子銃１から放出され
た電子線２は、走査コイル３，収束電子光学系４を経た
後、充分収束されたビームとなった状態で試料５である
半導体ウエハに至る。この試料５を設置するステージ６
は可動式であり、試料５に電子線２を照射した状態でス
テージ移動装置７により高精度に移動することが可能に
なっている。そして、試料５の電子線２照射部分から発
生する二次電子または反射電子は、二次電子検出器８に
より検出される。

【００１８】同じく図５において、走査コイル３とステ
ージ移動装置７は走査制御装置９により統合的に制御さ
れる。また、走査像生成装置１０では、二次電子検出器
８からの信号と走査制御装置９からの走査状態に関する
情報をもとにＳＥＭ像を生成し、画像処理・欠陥解析装
置１１に送る。画像処理・欠陥解析装置１１では、得ら
れたＳＥＭ像の表示，記憶などと共に、試料５である半
導体ウエハ上の回路パターンに生じている欠陥をＳＥＭ
像から検出し、そのマッピングやデータファイル化など
を含む自動欠陥検査を行う。

【００１９】ここで、走査制御装置９は、電子線２の走
査と振り戻しおよびステージ６の移動とが、図１により
すでに説明した走査方式に合致するように、走査コイル
３とステージ移動装置７を制御する機能を備えている。
すなわち、電子線２は、等間隔でずらしながらＮ回走査
する。ここで、試料５位置での電子線２の走査間隔はＬ
とする。さらに、電子線２の走査位置をＮ−１回ずらす
方向とは逆向きに、ステージ６を速度（Ｌ／ｔ）（Ｎ−
１）／｛Ｎ（ｋ−１）｝（ここでｔは電子線２の１回の
走査と振り戻しに要する合計時間）で連続的に移動させ
る。このように電子線２とステージ６を制御することに
より、試料５上を一定間隔Ｌ（Ｎ−１）／｛Ｎ（ｋ−
１）｝で走査することができる。ここで、Ｎ，Ｌ，ｔな
どのパラメータは、上記条件が満たされる範囲で最適に
設定することが可能となっている。

【００２０】また、走査像生成装置１０は、Ｎ回の電子
線２の走査のうちｉ番目（１≦ｉ≦Ｎ）の走査で得られ
る信号の出力よりｉ番目の部分走査像を生成する操作を
Ｎ回の電子線走査の全てについて行い、かつｊ番目（１
≦ｊ≦Ｎ−１）の部分走査像の各走査線の後にｊ＋１番
目の部分走査像の各走査線を並べる操作を１≦ｊ≦Ｎ−
１につき行って完全な走査像を生成する機能を有する。

【００２１】このための走査像生成装置１０の構成を図
４に示す。図４において、走査像生成装置１０では、走
査制御装置９からの信号に基づき二次電子検出器８から
の二次電子信号をＮ回の電子線２走査に対応する信号に
分割し（信号分割）、分割されたそれぞれの信号から各
電子線走査による二次電子信号の部分走査像を生成し
（部分走査像生成）、それらの部分走査像を上記手順に
従って合成して完全な走査像を生成する（走査像生
成）。

【００２２】なお、ここで述べた実施例に留まらず、電
子線２を等間隔ＬでずらしながらＮ回走査することを繰
り返し、同時に、ステージ６を電子線２の走査位置をず
らす方向とは逆向きに速度（Ｌ／ｔ）（Ｎ−１）／｛Ｎ
（ｋ−１）｝（ここでｔは上記電子線の１回の走査と振
り戻しに要する合計時間，ｋは２以上の自然数）で連続
的に移動させることが可能であれば、そのための手段，
装置構成がいかなるものであっても、本発明の本質を損
なうことなくこれを実施できることは言うまでもない。
さらには、電子線２の代わりに他の粒子線，光線などの
ビームを使う場合、あるいは、信号が二次電子や反射電
子ではなく、透過電子，放出粒子，放出イオン，放出電
磁波，誘起電流、もしくはビーム照射に伴い試料５に生
じる任意の状態変化に伴う信号である場合でも、ビーム
の走査方式と信号の取り扱い手順が上の説明に合致して
いれば、本発明の本質を損なうことなくこれを実施でき
ることも言うまでもない。

【００２３】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば試料
５となる半導体ウエハのＳＥＭ像を、従来よりも遥かに
均一なチャージアップ状態で取得することが可能なの
で、信頼性の高い欠陥検査を行うことができる。しか
も、検査速度が従来法よりも低下することもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のビーム走査方法の一実施例の説明図。

【図２】従来のビーム走査方法の説明図。

【図３】本発明の一実施例の装置構成を示す斜視図。

【図４】本発明の一実施例の走査像生成部の構成を示す
ブロック図。

【符号の説明】

１…電子銃、２…電子線、３…走査コイル、４…収束電
子光学系、５…試料、６…ステージ、７…ステージ移動
装置、８…二次電子検出器、９…走査制御装置、１０…
走査像生成装置、１１…画像処理・欠陥解析装置。

フロントページの続き (72)発明者 村越 久弥 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 梅村 馨 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 長谷川 正樹 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 ▲高▼藤 敦子 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 牧野 浩士 東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ビームを試料に走査状に照射し、これに伴
   い上記試料で生じる状態変化を上記ビーム照射位置と対
   応させながら検出することで上記状態変化を反映した信
   号の走査像を形成する走査像形成方法において、上記ビ
   ームを等間隔ＬでずらしながらＮ回走査することを繰り
   返し、同時に、上記試料を上記ビームの走査位置をずら
   す方向とは逆向きに速度（Ｌ／ｔ）（Ｎ−１）／｛Ｎ
   （ｋ−１）｝（ここでｔは上記ビームの１回の走査と振
   り戻しに要する合計時間，ｋは２以上の自然数）で連続
   的に移動させることにより、上記試料上で間隔Ｌ（Ｎ−
   １）／｛Ｎ（ｋ−１）｝で上記ビームを走査させて走査
   像を形成することを特徴とする走査像形成方法。
2. 【請求項２】請求項１記載の走査像形成方法において、
   Ｎ回の上記ビームの走査のうちｉ番目（１≦ｉ≦Ｎ）の
   走査で得られる上記信号の出力よりｉ番目の部分走査像
   を生成する操作をＮ回のビーム走査の全てについて行
   い、ｊ番目（１≦ｊ≦Ｎ−１）の上記部分走査像の各走
   査線の後にｊ＋１番目の上記部分走査像の各走査線を並
   べる操作を１≦ｊ≦Ｎ−１につき行うことで完全な走査
   像を生成することを特徴とする走査像形成方法。
3. 【請求項３】請求項２記載の走査像形成方法において、
   上記ビームが収束電子線であることを特徴とする走査像
   形成方法。
4. 【請求項４】請求項３記載の走査像形成方法において、
   上記試料から放出される二次電子または反射電子の信号
   を検出することを特徴とする走査像形成方法。
5. 【請求項５】電子源，引き出し電極，加速電極などで構
   成された電子銃，走査コイル，収束電子光学系，試料を
   設置するステージ，上記試料に電子線を照射した状態で
   上記ステージを高精度に移動させるステージ移動装置，
   上記試料の上記電子線照射部分から発生する二次電子ま
   たは反射電子を検出する二次電子検出器から構成された
   走査像形成装置において、上記走査コイルと上記ステー
   ジ移動装置を統合的に制御する走査制御装置，上記二次
   電子検出器からの信号と上記走査制御装置からの走査状
   態に関する情報をもとに走査像（以下ではこれをＳＥＭ
   像と称する）を生成する走査像生成装置，上記ＳＥＭ像
   の表示，記憶などと共に、上記試料表面の欠陥をＳＥＭ
   像から検出し、そのマッピングやデータファイル化など
   を含む自動欠陥検査を行う画像解析装置を備え、さら
   に、上記走査制御装置は、上記電子線を等間隔Ｌ（上記
   試料上にて）でずらしながらＮ回走査することを繰り返
   し、さらに、上記電子線の走査位置をＮ−１回ずらして
   いく方向とは逆向きに、上記ステージを速度（Ｌ／ｔ）
   （Ｎ−１）／｛Ｎ（ｋ−１）｝（ここでｔは上記電子線
   の１回の走査と振り戻しに要する合計時間，ｋは２以上
   の自然数）で連続的に移動させる機能を有し、かつ、上
   記走査像生成装置は、Ｎ回の上記電子線の走査のうちｉ
   番目（１≦ｉ≦Ｎ）の走査で得られる上記信号の出力よ
   りｉ番目の部分走査像を生成する操作をＮ回の上記電子
   線走査の全てについて行い、かつｊ番目（１≦ｊ≦Ｎ−
   １）の上記部分走査像の各走査線の後にｊ＋１番目の上
   記部分走査像の各走査線を並べる操作を１≦ｊ≦Ｎ−１
   につき行う機能を備えていることを特徴とする走査像形
   成装置。