JPH1126530A

JPH1126530A - 回路パターンの検査装置及び検査方法

Info

Publication number: JPH1126530A
Application number: JP9183440A
Authority: JP
Inventors: 敦子 ▲高▼藤; Atsuko Takato; Mari Nozoe; 真理野副; Hiroyuki Shinada; 博之品田; Hisaya Murakoshi; 久弥村越; Yusuke Yajima; 裕介矢島; Kaoru Umemura; 馨梅村; Masaki Hasegawa; 正樹長谷川; Yasutsugu Usami; 康継宇佐見; Yutaka Kaneko; 金子　　豊; Katsuhiro Kuroda; 勝廣黒田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-07-09
Filing date: 1997-07-09
Publication date: 1999-01-29

Abstract

(57)【要約】【課題】半導体装置の製造過程で同一設計パターン中
の欠陥を電子線で検査する方法において、基板の種類と
加工工程に応じて形状検査と電位コントラストによる検
査のモードを選択し、速やかに誤りなく半導体ウェハを
高精度に検査する。【解決手段】基板表面近傍に二次電子収束電極を設
け、検査モードに応じて基板への印加電圧、走査信号、
一次ビーム加速電圧等を選択的に変えるスイッチを有
し、二次電子を衝突させる反射板を二次電子発生効率の
異なる２種類以上の材質で構成した。【効果】基板への印加電圧を低くしても二次電子の発
散・逸脱を防げる上に反射板で二次電子の初速度に応じ
た空間フィルタ効果が生じるため、所望のコントラスト
を有する二次電子像形成が可能となった。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置の検査方
法に係わり、特に半導体装置製造過程のウェハ上のパタ
ーン検査技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の製造過程においてウェハ上
に形成された回路パターンの欠陥を画像比較により検出
する検査装置として、電子線を用いたパターンの比較検
査装置が特開昭59-192943、J. Vac. Sci. Tech. B、 Vo
l. 9、 No.6、 pp. 3005 - 3009（1991）、J. Vac. Sc
i. Tech. B、 Vol. 10、 No.6、 pp. 2804-2809（199
2）、SPIE Vol.2439、 pp.174-183、および特開平5-258
703号の特許公報等に記載されている。そこでは、実用
的なスループットを得るために、非常に高速に画像を取
得する必要が有る。そして高速で取得した画像のＳＮを
確保するために通常の走査型電子顕微鏡の100倍以上(10
nA以上）の電流の電子ビームを用い、画像のSNを確保し
つつ実用的な検査速度を維持している。さらに、レジス
ト等の絶縁膜を伴った半導体基板が帯電の影響を受けな
いように、2keV以下の低加速電子線を照射している（電
子、イオンビームハンドブック（日刊工業新聞社）p622
-P623）。しかし、大電流でなおかつ低加速の電子線で
は空間電荷効果による収差が生じ高分解能な観察が困難
である。この問題を解決する方法として試料直前で高加
速電子線を減速し、試料上で実質的に低加速電子線とし
て照射する手法が知られている（例：特開平5-258703
号、特開平06-139985号公開広報、USP.5578821）。

【０００３】一方、回路パターンの欠陥を二次電子信号
の通常の形状コントラストの画像で検査するのではな
く、電位コントラストを強調した画像を用いて断線、短
絡、コンタクトホールの開口不良等を識別する検査の需
要も高まっている。電位コントラスト強調画像の取得に
ついては従来からよく知られており、例えばJournal of
Physics E、 1968、 s2、 Vol.1、 pp.902-906、SPIE V
ol.2439、 pp.174-183等に概略記載されている。

【０００４】以下、従来技術の電子光学系の概略を図14
により簡単に説明する。引き出し電極2の電圧により電
子銃1から出た一次電子線201はコンデンサレンズ3、走
査偏向器5、絞り6、対物レンズ9等を通過して収束、偏
向されて試料ステージ11、12上の半導体装置基板10に照
射される。この基板10には一次電子線減速用に電源58よ
り減速電圧(以下、リターディング電圧と称する)が印加
されている。基板10からは一次電子線201の照射により
二次電子202が発生する。二次電子202にはリターディン
グ電圧が加速電圧として作用し、二次電子202は数keVの
エネルギーに加速される。対物レンズ9の電子銃側には
隣接してEXB偏向器8が設けてある。このEXB偏向器8は一
次電子線201に対しては電界と磁界による偏向量が互い
に打ち消し合い、二次電子202に対しては両者の重ね合
わせで電子を偏向させる偏向器である。加速された二次
電子202はこのEXB偏向器8により偏向され、さらに検出
器13に外付けした吸引電極14と検出器13の間の吸引電圧
が形成する電界に引き寄せられて検出器13に入射する。
検出器13は半導体検出器で構成されている。二次電子20
2は半導体検出器に入射して電子正孔対を作り、これが
電流として取り出され電気信号に変換される。この出力
信号はさらにプリアンプ21で増幅されて画像信号用輝度
変調入力となる。以上の電子光学系の動作で基板上の一
領域の画像を得てから画像出力信号に一画面分の遅延を
かけ、第二の領域の画像を同様にして取得する。二つの
画像を画像比較評価回路で比較し、回路パターンの欠陥
部の検出を行う。

【０００５】

【発明が解決しようとしている課題】しかし、本回路パ
ターン検査装置には以下で説明する問題点がある。試料
表面の形状コントラスト像を高分解能に得るためには、
試料上の一点から発生する二次電子の発生量の変化を高
精度に検出する必要がある。したがって、発生する二次
電子を可能な限り効率よく検出器へ導き、検出する必要
がある。一方、試料表面に電位分布がある場合には試料
から発生した二次電子は表面近傍の電位分布に応じた速
度分布を持って出射する。この速度分布の情報が試料表
面の電位コントラストの情報であるから、電位コントラ
スト強調画像を得るためには二次電子の発生直後の速度
情報を保存することが必要になる。すなわち、二次電子
の発生量の変化ではなく発生後に空間的なフィルタを通
過するか否かが表面電位の情報となる。

【０００６】上記の従来技術では、試料基板から低速(5
0eV以内)で発生した二次電子に対して上記のリターディ
ング電界(数kV)が加速電界となり、二次電子の初速度に
よらずほぼ試料表面の法線方向上方へ加速する。したが
って二次電子は初速度によらず捕捉することが可能であ
り、この動作で形状コントラスト強調画像を得ることが
できる。但し、本従来技術ではより多くの二次電子を捕
捉するための捕捉方法については考慮されておらず、高
精度な形状コントラストを得ることは困難な状況であ
る。一方、この電子光学系において電位コントラスト強
調画像を得ようとすると、リターディング電圧を下げて
表面近傍の二次電子の速度の情報を保存する必要があ
る。しかし、低リターディング電圧の場合、試料から様
々な角度で発生する二次電子がそのままの方向へ発散し
検出器へ達する前に逸脱するので、二次電子信号量その
ものが低下して良好なコントラストを得ることが困難で
ある。

【０００７】以上のように、従来技術では、形状コント
ラスト強調画像と電位コントラスト強調画像を同一の電
子光学系で高精度に得ることは困難であった。したがっ
て、検査対象の基板の種類や加工工程に応じて所望のコ
ントラスト像での高精度な検査を選択することも不可能
であった。

【０００８】本発明の課題は上記の問題を解決し、通常
の形状コントラスト強調画像だけでなく電位コントラス
ト強調画像も同一の検査装置で高精度に取得し、検査対
象の基板の種類や加工工程に応じて検査モード選択を行
い、その結果得られた画像を自動比較検査し欠陥を速や
かに誤りなく検出することである。さらにその結果を半
導体装置の製造条件に反映し、半導体装置の信頼性を高
めるとともに不良率を低減することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、我々は回路パターンが形成された基板の第１、第
２の領域を一次電子線で走査する工程と、上記電子線の
収束工程と、上記一次電子線を減速させ上記一次電子線
により上記領域から二次的に発生する二次電子を加速さ
せる電子線加減速工程と、上記一次電子線に対しては電
界と磁界による偏向量がキャンセルし上記二次電子に対
しては電界と磁界の重ね合わせで偏向作用を及ぼす電磁
界を発生させる偏向工程と、上記二次電子の信号を検出
する工程と、検出された信号から上記領域の画像を得る
工程と、上記第１の領域の画像と上記第２の領域の画像
を比較する工程と、比較結果から回路パターンの欠陥判
定をする工程を含むことを特徴とする回路パターン検査
方法において、上記基板上で上記加減速工程と同時に上
記二次電子を収束させる工程と、上記基板の種類と加工
工程に応じて上記加減速工程と上記二次電子収束工程の
動作電圧および電流値を選択的に変更させる選択工程
と、上記選択工程と連動して上記一次電子線の加速電圧
と上記収束工程と上記偏向工程と上記EXB偏向工程の動
作電圧および信号の全てまたは一部を所望の値に変更し
て設定する制御工程とを有し、形状コントラスト像と電
位コントラスト像とを選択的に利用した検査を行えるこ
とを特徴とする回路パターン検査方法と装置を実現し
た。なお、上記二次電子の検出においては、試料からの
二次電子を固体片に当てて、固体片から新たに発生する
二次電子を検出器へ吸引する構成を実施した。この固体
片は二次電子発生効率が異なる２種類以上の材質で構成
した。また、絶縁体を安定した帯電状態で観察するため
に上記一次電子ビームを試料上で走査する前にあらかじ
め当該領域を別の電子線で照射する予備照射手段と工程
を備える検査も実施した。

【００１０】以上のような方法および装置を実施すれ
ば、通常の形状コントラスト像を取得したい場合には試
料に高リターディング電圧を印加し、それと連動して一
次電子線加速電圧を高くして空間電荷効果による径の拡
がりを抑えた一次電子ビームの照射を行い、発生する二
次電子を高速に加速して試料表面法線方向上方へ引き出
すことができる。このとき、試料直上に設けた二次電子
収束電極にリターディング電圧と同電圧を印加して二次
電子の発散を抑制する収束電界を形成し、最大限多数の
二次電子を上方へ引き出すことができる。一方、電位コ
ントラストを強調したい場合には試料に相対的に低いリ
ターディング電圧を印加し、低速の二次電子を発生させ
て空間フィルタをかけて表面電位情報を得ることができ
る。さらに、二次電子発生効率が異なる２種類以上の材
質で構成した反射板に二次電子を当て、反射板で生じる
新たな二次電子を検出器で捕捉するので、更なる空間フ
ィルタ効果が加わり表面電位情報はさらに強調できる。
この低リターディング電圧の場合は一次電子線の照射エ
ネルギーが相対的に増大して試料に損傷を与えることを
防ぐために、一次電子線の加速電圧も連動して下げる。
その結果空間電荷効果によるビームの拡がりも増大する
が、電位コントラストで見出すべき断線、短絡、開口不
良等の大きさはμmオーダーと通常の形状コントラスト
による欠陥検査に必要な分解能より大きく、一次電子線
のビーム径も形状コントラスト像取得時のビーム径より
大きくてよい。ビーム径の増大に合わせて走査速度を速
め、基板上を高速に検査することも可能にした。逆に、
走査速度を速めずに隣接する位置同士で二次電子信号か
ら加算平均を取るなどの演算処理を行い、高精度な電位
コントラスト像を得ることもできる。場合によっては、
ビーム径をそのまま増大させるのではなく、レンズの励
磁条件を変えて収束させてもよい。また、二次電子の加
速エネルギーが低くなるので検出器へ向けての二次電子
偏向量を変えないためにはExB偏向器の動作条件も連動
して変える必要が生じる。以上のように、リターディン
グ電圧を変えて所望のコントラストを強調して像形成す
るためには二次電子収束電極を動作させるとともに一次
ビームの加速電圧、レンズ励磁条件、走査偏向信号、Ex
B偏向器の動作条件等を連動して変える必要がある。そ
のため、本発明では観察する被検査基板の材質や加工工
程に応じて所望のコントラストを強調するための選択ス
イッチとそれに伴う所望の諸条件の変更を行う制御系を
有する構成とした。

【００１１】これらの効果があるので、本発明により、
同一の装置で形状コントラスト像だけでなく電位コント
ラスト強調画像も高精度に取得することができ、その結
果検査基板の種類と加工工程により検査モードを選択し
所望のコントラストの強調画像を得ることが可能とな
り、必要な検査を速やかに誤りなく実施可能な回路パタ
ーン検査装置と方法を得ることができた。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例の検査方
法、および装置の一例について、図面を参照しながら詳
細に説明する。

【００１３】（実施例１）本発明の第１の実施例を図１
〜図９により説明する。図１に装置の構成を示し、図２
に半導体装置の製造プロセスの概要を示す。図２のよう
に、半導体装置の製造プロセスでは多数のパターン形成
工程を繰り返している。パターン形成工程は大まかに、
成膜・感光レジスト塗布・感光・現像・エッチング・レ
ジスト除去・洗浄の各ステップにより構成されている。
この各ステップにおいて製造条件が最適化されていない
と半導体装置の回路パターンが正常に形成されない。例
えば図２の成膜工程で異常が発生するとパーテイクルが
発生し、ウェハ表面に付着し、孤立欠陥等が生じる。ま
た、レジスト塗布後感光時に、焦点や露光時間等の条件
が最適でないと、レジストに照射する光の量や強さが多
すぎる箇所・足りない箇所が発生し、短絡や断線、パタ
ーン細りを伴う。露光時のマスク・レチクル上に欠陥が
あると、同様のパターンの形状異常が発生しやすい。ま
た、エッチング量が最適化されていない場合およびエッ
チング途中に生成された薄膜やパーテイクルにより、短
絡や突起、孤立欠陥を始め、開口不良等も発生する。洗
浄時には、乾燥時の水切れ条件により、パターン角部そ
の他の箇所に異常酸化を発生しやすい。従って、ウェハ
製造プロセスでは、これらの不良が発生しないよう加工
条件を最適化する必要があるとともに、異常発生を早期
に検出し、当該工程にフィードバックする必要がある。
そこで、本実施例では図２に示したｎ番目のパターン形
成工程におけるレジスト感光・現像後に検査を適用する
例について記載する。

【００１４】まず、上記の不良を検出するための検査方
法および検査装置の概要について以下に述べる。

【００１５】本発明の基本概念は、基板の種類と加工工
程に応じて所望の検査モードを選択して検査することを
目的に、基板から発生する二次電子を通常の形状コント
ラスト像としてだけでなく、試料近傍での二次電子の速
度分布を信号化した電位コントラスト強調画像としても
高精度に取得することである。二次電子の初速度分布は
試料基板に印加するリターディング電圧を低くすること
で保存し、リターディング電圧を下げたことで生じる二
次電子の発散による逸脱は二次電子収束電極で防ぐ。低
リターディング電圧を印加しても試料に所望のビーム径
と照射エネルギーで一次ビームを照射するよう、一次ビ
ーム引き出し電圧、レンズ条件、走査変更条件等を連動
して変える。また、二次電子の加速電圧が変わるので二
次電子偏向条件も連動して変える。

【００１６】次に、実施例を詳細に説明する。

【００１７】図１に第１の実施例の構成図を示す。検査
装置は大別して電子光学系101、試料室10２、制御部10
3、画像処理部104より構成されている。電子光学系101
は電子銃1、電子線引き出し電極2、コンデンサレンズ
3、フ゛ランキンク゛用偏向器4、走査偏向器5、絞り6、シールド
パイプ7、EXB偏向器8、対物レンズ9、接地電極40、二次
電子収束電極41等により構成されている。シールドパイ
プ7には反射板300が設置されている。試料室102は、Ｘ
−Ｙステージ11、回転ステージ12、光学式高さ測定器2
3、位置モニタ用測長器24より構成されており、また２
次電子検出器13が対物レンズ9の上方にあり、二次電子
検出器13の出力信号はプリアンプ21で増幅されＡＤ変換
器22によりデジタルデータとなる。画像処理部104は画
像記憶部30a、b、演算部33、欠陥判定部34より構成され
ている。取り込まれた電子線画像及び光学画像は、モニ
タ32に表示される。検査装置各部の動作命令および動作
条件は、制御部103から入出力される。予め制御部103に
電子線発生時の加速電圧・電子線偏向幅・偏向速度・偏向
方向・試料台移動速度・検出器の信号取り込みタイミング
等々の条件が入力されている。この制御部103には検査
モード選択スイッチ36を接続し、検査モードに応じた動
作条件で制御を行う。具体的には被検査基板印加電圧電
源58と二次電子収束電極電源57を制御し、それに伴い電
子銃電源51、電子線引き出し電圧電源52、走査偏向信号
発生器53、ExB偏向器電源系54、対物レンズ電源55を所
望の動作条件に制御する。そのために上記諸条件をあら
かじめ適切な動作条件として制御部に入力しておき必要
に応じて変更させる。また、光学式高さ測定器23、位置
モニタ用測長器24の信号から補正信号を生成し、電子線
201が常に正しい位置に照射されるよう対物レンズ電源5
5や、走査信号発生器54に補正制御回路35から補正信号
を送る。

【００１８】電子銃1には拡散補給型の熱電界放出電子
源を用いた。これにより明るさ変動の少ない比較検査画
像が得られ、かつ電子線電流を大きくすることが可能な
ことから、高速な検査が可能になる。電子線201は引出
電極2に電圧を印加することで電子銃1から引き出され
る。電子線201の加速は電子銃1に高圧の負の電位を印加
することでなされる。これにより、電子線201はその電
位に相当するエネルギーで試料台11方向に進み、コンテ゛ンサ
レンス゛3で収束され、さらに対物レンズ9により細く絞られ
Ｘ−Ｙステージ11の上に搭載された被検査基板10（ウェ
ハあるいはチップ等）に照射される。被検査基板10には
被検査基板印加電圧電源58により負の電圧を印加できる
ようになっている。この被検査基板印加電圧電源58を調
節することにより被検査基板10への電子線照射エネルギ
ーを最適な値に調節することが容易となる。画像形成に
はXYステージ11を静止させ電子線201を二次元に走査す
る方法と、電子線は一次元のみ走査し走査方向と直交す
る方向にXYステージ11を連続的に移動する方法のいずれ
かを選択できる。ある特定の場所のみを検査する場合に
はステージを静止させて検査し、被検査基板10の広い範
囲を検査するときはステージを連続移動して検査すると
効率の良い検査が行える。

【００１９】被検査基板10の画像を取得するためには、
細く絞った電子線201を該被検査基板10 に照射し二次電
子を発生させ、これらを電子線201の走査およびステー
ジの移動と同期して検出することで被検査基板表面の画
像を得る。本発明で述べるような自動検査では検査速度
が速いことが必須となる。したがって通常のSEMのよう
にpAオーダのビーム電流を低速で走査したり、複数回走
査は行わない。そこで、通常のSEMに比べ約100倍以上の
たとえば100nAの大電流電子線を一回のみの走査により
画像を形成する構成とした。画像信号には一画像分の遅
延をかけて次の画像の取り込みと同期させて画像比較評
価を行い、回路基板上の欠陥探索を行った。

【００２０】基板10からの二次電子202は二次電子収束
電極41で発散を抑制されながら被検査基板10と接地電極
40が形成するリターディング電界により基板表面法線方
向上方へ加速される。そしてExB偏向器8へ達し、二次電
子202のみが反射板300方向へ偏向される。反射板300に
二次電子202が衝突すると衝突点から新たに第２の二次
電子203が発生し、検出器13と検出器周囲の吸引電極14
が形成する吸引電界により検出器13へ捕捉される。なお
反射板300は図３に示すように二次電子発生効率が異な
る３種類の材質で構成した。以上が本装置の構成と動作
の概略である。

【００２１】次に、上記の二次電子の性質について説明
する。一次電子線は固体に入射すると内部に進入しなが
らそれぞれの深さにおいて殻内電子を励起してエネルギ
ーを失っていく。またそれとともに一次電子線が後方に
散乱されて生じる反射電子が、やはり固体内で電子を励
起させながら表面へ向かって進む現象が生じる。これら
複数の過程を経て、殻内電子は固体表面から表面障壁を
越えて二次電子となり、0〜50eVのエネルギーを持って
真空中へ出る。一次電子線と固体表面のなす角が浅い場
合ほど、一次電子線の進入距離とその位置から固体表面
までの距離との比が小さくなり、二次電子が表面から放
出されやすくなる。したがって二次電子の発生は一次電
子線と固体表面の角度に大きく依存しており、二次電子
発生量が試料表面の形状コントラストとなる。二次電子
の検出信号量は次式のように示せる。

【００２２】(二次電子の検出信号量)=(二次電子の発生
量)*(捕捉効率)*(検出ゲイン)(1)したがって、形状コン
トラストは、(1)式の捕捉効率を100%にした場合に理想
的な高精度で得ることができる。

【００２３】一方、試料表面に電位分布が存在する場合
には二次電子は試料近傍の電位分布に応じた初速度分布
を持って出射する。すなわち、表面の電位分布は(1)式
の二次電子の発生量には寄与しない。二次電子は初速度
分布に応じて電子光学系内部で空間的なフィルタリング
を受け、(1)式の二次電子の捕捉効率が変化し、その結
果が電位コントラストとなる。ただし、厳密に言えば、
通常の二次電子像では以上の形状コントラストと電位コ
ントラストは混在している。

【００２４】以下、形状コントラストと電位コントラス
トをそれぞれ強調する手段と方法を説明する。形状コン
トラストを強調する検査モードを通常モード、電位コン
トラストを強調する場合を電位コントラストモードと称
する。図４に二次電子収束電極41周辺の電子光学系103
の一部分の拡大図を示す。接地電極40と基板10の間に設
置した二次電子収束電極41にはリターディング電圧と同
電位を印加しておく。その結果、図中に等電位線で示す
二次電子収束電界が形成される。二次電子収束電極41の
構造は図５に示すように、一次電子線の中心軸を軸とし
た中空の円錐台である。図中の中空部分は上端の口径a1
を下端の口径a2よりも大きくしてあり、また側面の母線
lを本実施例では直線とした。本実施例では、二次電子
収束電極41の寸法a1、a2は接地電極40の開口半径a0とa1
＝a0＋1mm、 a2＝a0ー1mmの関係となるように構成し
た。接地電極40と収束電極41は放電しないよう十分離し
た。

【００２５】この構成における通常モードでの動作を説
明する。検査モード選択スイッチ36で通常モードを選択
し、電子銃1への印加電圧を-12kVとして引き出し電極2
までの加速電界で一次電子線201を12kVまで加速する。
制御部103からの入力値に従い、偏向系5、レンズ系3、E
xB偏向器8も同時に適切な条件で動作する。一次電子線2
01は試料基板10へ照射され、まず第１の二次電子202を
発生させる。第１の二次電子202の発生時のエネルギー
は50eV以下であり、リターディング電圧-11.5kVを印加
した基板10と接地電極40の間で形成される二次電子加速
電界で急激に加速されて基板表面法線方向へ進む。具体
的には図６のように表面から-90°〜90°の拡がりを持
って出射した初期エネルギー2eVの二次電子202が表面か
ら高さ２mmまでに-10°〜10°の角度分布となり、拡が
り幅はおよそ１mm以内となる。さらに、より高い初期エ
ネルギーで表面から浅い角度で出射した二次電子202も
二次電子収束電極41と基板10が形成する収束電界によっ
て中心軸へと収束する力を受ける。こうして効率よく法
線方向へ引き出された二次電子202をExB偏向器8で検出
器13方向へ3°曲げ、反射板300に衝突させる。反射板30
0からは０〜50eVのエネルギーを持つ第２の二次電子203
が発生する。この第２の二次電子203は検出器13と検出
器に外付けした吸引電極14により生成される吸引電界に
よって検出器前面へ吸引される。検出器13はSiの半導体
検出器で構成し検出器および検出回路系全体を６kVにフ
ローティングし、吸引電極14は0V、検出器13の有効検出
面積は4πmm2として構成した。この動作により、試料か
ら生じた二次電子203の90%以上を捕捉することができ
る。第二の二次電子203は半導体検出器に入射して電気
信号化される。この電気信号はプリアンプ21でさらに増
幅されて画像輝度信号として取り込まれる。

【００２６】次に、電位コントラスト強調モードについ
て説明する。一次電子線201の照射エネルギーを通常モ
ードと同じ500eVとさせることにし、電子銃電源28から
一次電子線201を2kVで引き出し、リターディング電圧を
1.5kV印加した。一次電子線201は低速大電流ビームとな
るため空間電荷効果によりビーム径が拡がり、基板10上
で0.4mm程度に拡がるが、電位コントラストモードにお
ける被検査欠陥である断線、短絡、開口不良等もμmオ
ーダーと大きく、検査に支障はない。通常モードに比べ
電子ビーム径が２倍以上になるので本実施例では図７に
示すようにこれと連動させて走査速度を２倍にし検査の
高速化を図った。二次電子収束電極41には通常モード同
様リターディング電圧を印加する。二次電子202は図８
に示すように基板10表面から表面電位分布に応じた初速
度で出射する。リターディング電界により法線方向にも
加速されるがリターディング電圧が相対的に低いため、
二次電子202の初速度分布は一定の割合で保存されたま
ま上方へ導かれる。基板10表面に対して斜めに高エネル
ギーで出射する二次電子202は二次電子収束電極41近傍
の電界により反射され、斜め上方へ導かれる。また、リ
ターディング電圧が低いために二次電子202の速度の大
きさの分布も相対的に拡大される。したがって、図９に
示すようにこれらの二次電子202を上方へ引き出し、ExB
偏向器8で偏向するとExB偏向器8がエネルギーフィルタ
の役割を果たし、特定のエネルギーと軌道の傾きを持つ
二次電子202のみが通過できる。さらに、反射板300に衝
突して出てくる二次電子203は反射板上の出射位置に応
じて検出器13へ捕捉される場合と捕捉されない場合とに
分かれ、さらなる空間フィルタ効果を受けて信号化され
る。さらに、反射板300が図３に示すように二次電子発
生効率の異なる３種類の材質で構成してあるので、二次
電子の反射板への衝突位置により検出二次電子信号が変
化する。したがって更なるエネルギーフィルタの効果が
生じる。具体的には材質ごとの二次電子発生効率を10:1
00:1とし、図３の真ん中の部分に衝突した二次電子が最
も信号量が増幅されるような構成にした。また、二次電
子202の加速エネルギーが低くなることに対応して、二
次電子202の偏向量を変えないためにExB偏向器8への動
作条件も連動して変える。すなわち、低リターディング
電圧にし、二次電子収束電極41を動作させることと同時
に、一次電子ビーム201の加速エネルギー、照射エネル
ギー、照射ビーム径、走査偏向信号、二次電子偏向量を
所望の値で動作させるよう連動して諸条件を変える。こ
の動作条件は被検査基板10の種類と加工工程に応じて最
適な条件をあらかじめ入力しておいた。

【００２７】以上のような構成と動作を実現させ、検査
モードを選択して良質の画像を高精度に得られるように
なった。すなわち、同一の構成の電子光学系において通
常の形状コントラスト像による検査と電位コントラスト
強調画像による検査を検査モード選択して速やかに誤り
なく検査を行う検査装置が得られた。

【００２８】（実施例２）次に、図１０に示す第２の実
施例について説明する。第２の実施例は第１の実施例に
加えて被検査基板10に別の電子線302で予備照射を行う
装置である。絶縁体を含む基板ではあらかじめ一定量の
ビーム照射により安定した帯電状態を作っておくことで
二次電子信号が安定して得られるようになる。そこで予
備照射室105と予備照射用電子銃15、ステージ43等を設
置して一度大口径ビームで照射する。その他の動作は第
１の実施例と同じである。

【００２９】（実施例３）次に、図１１に第３の実施例
を示す。第１、第２の実施例では対物レンズ9を反射板3
00、二次電子検出器13、ExB偏向器8よりも被検査基板10
に近い位置に設置したが、本実施例では反射板300の上
方に設置し、長焦点のレンズとした。本構成によれば、
一次ビーム201を所望の径に収束させるための対物レン
ズ9の励磁条件によらずに二次電子202を一定条件で引き
出し、捕捉することが可能になる。その他の動作は第１
の実施例と同じである。

【００３０】以上、本発明の実施例について説明をした
が要はリターディング電圧を変化させても基板上で発生
した二次電子202を二次電子収束電極41で発散・逸脱を
抑えて検出器13で捕捉し、同時に他の条件を最適条件に
制御し、検査モードに応じて異なるコントラストによる
良好な画像が得られる検査装置または方法であればよ
く、二次電子収束電極41の構成は実施例に記載した構成
に限らない。発散する二次電子202を集めるために好適
な形状であればよい。上下端の開口径もほんの一例にす
ぎず、また側面の母線も直線である必要はなく、曲線で
構成してもよい。上記の実施例では二次電子収束電極41
を固定して用いたが、移動可能に設置してもよく、基板
10の状態に応じて最適な場所で収束電界を形成するもの
であればよい。このときの構成は図12に示すように円錐
台を周囲８点でローラー部材42により支持し、このロー
ラーを水平方向へ移動させることで電極41を上下方向へ
移動させる構成などが考えられる。二次電子収束電極41
に印加する電位も収束に好適な数値であればよく、被検
査基板10に応じてあらかじめテーブル化しておいてもよ
いし手で入力してもよい。また、本実施例では電位コン
トラスト強調画像を単独で用いたが、近辺のセルにおい
て高精度な形状コントラストを得ておいて、電位コント
ラスト強調画像を加減算して真の電位コントラスト画像
を得る検査手法であってもよい。また、電位コントラス
ト強調モードで欠陥検出された位置を記憶し、再度その
位置のみ通常検査を行い画像を格納する手法であっても
よい。また、実施例では電子ビームを太くしてその分高
速走査を行ったが、これも図13のように走査速度を早く
しないで隣接するビーム照射位置が重なり合うような走
査を行い、得られる信号値をそのまままたは加算平均し
て用い、高精度な電位コントラスト強調画像を得る手法
であってもよい。また、二次電子を捕捉する方法は反射
板方式に限らず、直接捕捉する方式であってもよい。も
ちろん、反射板を有して構成しながら二次電子を直接吸
引しても構わないし、検査モードに応じて捕捉方式をも
選択できるように動作させることもできる。また、検査
モードに応じて二次電子検出器の電圧を所望の値に変え
る動作を行ってもよい。さらに、本実施例では被検査基
板に負の高電圧をかけ、接地電極との間にリターディン
グ電界を形成したが、リターディング電界を形成できれ
ば他の構成にしてももちろん構わない。動作条件の制
御、選択手段も一部または全てを手で入力、調節する手
段であっても構わない。実施例に記した数値もほんの一
例であり、これに限らず実施できることは言うまでもな
い。

【００３１】

【発明の効果】本発明により、半導体装置の製造過程に
あるウェハ上の半導体装置の同一設計パターンの欠陥、
異物、残渣等を電子線により検査する方法において、半
導体ウェハの多種類の高精度かつ速やかな検査が可能と
なった。

【００３２】これにより、製造過程で発生した従来装置
で検出できない欠陥を早期に発見可能にし、半導体プロ
セスにフィードバックすることにより半導体装置の不良
率を低減し、信頼性を向上した。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の装置構成の説明図。

【図２】半導体装置製造プロセスフローの説明図。

【図３】実施例１の装置で用いる一部材の構成説明図。

【図４】実施例１の装置の部分構成の拡大説明図。

【図５】実施例１の装置で用いる一部材の構成説明図。

【図６】実施例１の装置における二次電子軌道の説明
図。

【図７】実施例１の装置における電子ビーム走査の説明
図。

【図８】実施例１の装置における二次電子軌道の説明
図。

【図９】実施例１の部分構成および二次電子軌道の説明
図。

【図１０】実施例２の部分構成説明図。

【図１１】実施例３の部分構成説明図。

【図１２】その他の実施形態における一部材の構成説明
図。

【図１３】その他の実施形態における電子ビーム走査の
説明図。

【図１４】従来技術の説明図。

【符号の説明】

1:電子銃 2引き出し電極 3:コンデンサレンズ 4:ブランキング用偏向器 5:走査偏向器 6:絞り 7:シールドパイプ 8:EXB偏向器 9:対物レンズ 10:被検査基板 11:X-Yステージ 12:回転ステージ 13:二次電子検出器 14:吸引電極 15:予備照射用電子銃 16:予備照射用レンズ 17:予備照射用偏向器 21:プリアンプ 22:AD変換器 23:光学式試料高さ測定器 24:位置モニタ用測長器 30a、b:画像記憶部 31:遅延回路 32:モニタ 33:演算部 34:欠陥判定部 35:補正制御回路 36:検査モード選択スイッチ 40:接地電極 41:二次電子収束電極 42:ローラー部材 43:予備照射用ステージ 51:電子銃電源 52:引き出し電極電源 53:走査信号発生器 54:ExB偏向器電源系 55:対物レンズ電源 57:二次電子収束電極電源 58:被検査基板印加電圧電源 101:電子光学系 102:試料室 103:制御部 104:画像処理系 105:予備照射室 201:一次電子線 202:第１の二次電子 203:第２の二次電子 300:反射板 301:予備照射室 302:予備照射用電子線。

───────────────────────────────────────────────────── 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)発明者矢島裕介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)発明者宇佐見康継茨城県ひたちなか市市毛882番地株式会社日立製作所計測器事業部内 (72)発明者金子豊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)発明者黒田勝廣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

【特許請求の範囲】

【請求項１】一次電子線を発生させる電子銃と上記電子
線を収束させるレンズ手段と上記電子線を基板で走査さ
せる偏向手段と、基板を保持する試料台と、上記一次電
子線を減速し上記一次電子線により上記基板から二次的
に生じる第１の二次電子の速度を変化させる電子線加減
速手段と、上記一次電子線に対しては電界と磁界による
偏向量がキャンセルし上記二次電子に対しては電界と磁
界の重ね合わせで偏向作用を及ぼす電磁界を発生させる
EXB偏向手段と、上記二次電子を衝突させる固体片と、
上記固体片から発生する第２の二次電子を検出する検出
器と、上記検出器で得た第２の二次電子信号を画像化す
る手段と、当該領域の画像を他の領域の画像と比較評価
する信号処理系を含む回路パターン検査装置において、
上記加減速手段の内部に上記二次電子を収束させる収束
電極と、上記加減速手段と上記二次電子収束電極とに印
加する電圧および電流値を選択的に変更させる選択手段
と、上記選択手段と連動して上記一次電子線の加速電圧
と上記レンズ手段と上記偏向手段と上記EXB偏向手段に
印加する電圧および信号の全てまたは一部を所望の値に
変更して設定する制御手段とを有し、形状コントラスト
像と電位コントラスト像とを選択的に利用した検査を行
う機能を備えたことを特徴とする回路パターン検査装
置。
【請求項２】請求項１記載の回路パターン検査装置にお
いて、上記第１の二次電子衝突用固体片が二次電子発生
効率が少なくとも２種類有している材質から構成されて
いることを特徴とする回路パターン検査装置。
【請求項３】一次電子線を発生させる電子銃と上記電子
線を収束させるレンズ手段と上記電子線を回路パターン
を有する基板の一領域上で走査させる偏向系と、上記一
次電子線を減速し上記一次電子線により上記基板から二
次的に生じる二次電子を加速する電子線加減速手段と、
上記一次電子線に対しては電界と磁界による偏向量がキ
ャンセルし上記二次電子に対しては電界と磁界の重ね合
わせで偏向作用を及ぼす電磁界を発生させるEXB偏向手
段と、上記二次電子を検出する検出器と、上記検出器で
得た二次電子信号を画像化する手段と、当該領域の画像
を他の領域の画像と比較評価する信号処理系を有して構
成した回路パターン検査装置において、上記基板上で上
記加減速手段の内部に位置を可変にして設置して上記二
次電子を収束させる電極と、上記基板の種類と加工工程
に応じて上記加減速手段と上記二次電子収束電極とに印
加する電圧および電流値を選択的に変更させる選択手段
と、上記選択手段と連動して上記一次電子線の加速電圧
と上記レンズ手段と上記偏向系と上記EXB偏向手段に印
加する電圧および信号と上記二次電子収束電極の位置の
全てまたは一部を所望の値に変更して設定する制御手段
とを有し、形状コントラスト像と電位コントラスト像と
を選択的に利用した検査を行う機能を備えたことを特徴
とする回路パターン検査装置。
【請求項４】請求項１記載の回路パターン検査装置にお
いて、上記一次電子線が上記基板の一領域を走査する前
に、当該領域をあらかじめ照射する別の電子線源を有し
て構成した回路パターン検査装置。
【請求項５】請求項１記載の回路パターン検査装置にお
いて、上記二次電子収束電極が上記基板と略同電位に印
加されていることを特徴とする回路パターン検査装置。
【請求項６】請求項１記載の回路パターン検査装置にお
いて、上記二次電子収束電極が上記一次電子線の中心軸
を軸とした中空の円錐台に類する回転体形状であること
を特徴とする回路パターン検査装置。
【請求項７】請求項１記載の回路パターン検査装置にお
いて、上記制御手段が上記二次電子検出器への印加電圧
および上記二次電子信号のゲインも制御可能であること
を特徴とする回路パターン検査装置。
【請求項８】一次電子線を発生させる電子銃と上記電子
線を収束させるレンズ手段と上記電子線を試料の一領域
上で走査させる偏向系と、上記一次電子線を減速し上記
一次電子線により上記試料から二次的に生じる二次電子
を加速する電子線加減速手段と、上記一次電子線に対し
ては電界と磁界による偏向量がキャンセルし上記二次電
子に対しては電界と磁界の重ね合わせで偏向作用を及ぼ
す電磁界を発生させるEXB偏向手段と、上記二次電子を
検出する検出器と、上記検出器で得た二次電子信号を画
像化する手段を有する試料観察装置であって、上記試料
上で上記加減速手段の内部に設けた上記二次電子を収束
させる電極を有し、上記二次電子収束電極が位置および
印加電圧可変であることを特徴とする試料観察装置。
【請求項９】回路パターンが形成された基板の第１、第
２の領域を一次電子線で走査する工程と、上記一次電子
線収束工程と、上記一次電子線を減速させ上記一次電子
線により上記領域から二次的に発生する第１の二次電子
を加速させる加減速工程と、上記一次電子線に対しては
電界と磁界による偏向量がキャンセルし上記第１の二次
電子に対しては電界と磁界の重ね合わせで偏向作用を及
ぼす電磁界を発生させる偏向工程と、上記第１の二次電
子を固体片に当てて第２の二次電子を発生させる工程
と、上記第２の二次電子の信号を検出する工程と、検出
された信号から上記領域の画像を得る工程と、上記第１
の領域の画像と上記第２の領域の画像を比較する工程
と、比較結果から回路パターンの欠陥判定をする工程を
含むことを特徴とする回路パターン検査方法において、
上記基板上で上記加減速工程と同時に上記第１の二次電
子を収束させる工程と、上記基板の種類と加工工程に応
じて上記加減速工程と上記二次電子収束工程の動作電圧
および電流値を選択的に変更させる選択工程と、上記選
択工程と連動して上記一次電子線の加速電圧と上記収束
工程と上記偏向工程と上記EXB偏向工程の動作電圧およ
び信号の全てまたは一部を所望の値に変更して設定する
制御工程とを有し、形状コントラスト像と電位コントラ
スト像とを選択的に利用した検査を行えることを特徴と
する回路パターン検査方法。
【請求項１０】請求項９記載の回路パターン検査方法に
おいて、上記第２の二次電子発生工程が上記固体片を二
次電子発生効率が異なる２種類以上の材質から構成する
ことにより上記第１の二次電子軌道に応じて上記第二の
二次電子の発生個数が変化する工程であることを特徴と
する回路パターン検査方法。
【請求項１１】回路パターンが形成された基板の第１、
第２の領域を一次電子線で走査する工程と、上記一次電
子線を減速させ上記一次電子線により上記領域から二次
的に発生する二次電子を加速させる電子線加減速工程
と、上記一次電子線に対しては電界と磁界による偏向量
がキャンセルし上記二次電子に対しては電界と磁界の重
ね合わせで偏向作用を及ぼす電磁界を発生させる偏向工
程と、上記二次電子の信号を検出する工程と、検出され
た信号から上記領域の画像を得る工程と、上記第１の領
域の画像と上記第２の領域の画像を比較する工程と、比
較結果から回路パターンの欠陥判定をする工程を含むこ
とを特徴とする回路パターン検査方法において、上記基
板上で上記加減速工程と同時に上記第１の二次電子を収
束させる工程と、上記基板の種類と加工工程に応じて上
記加減速工程と上記二次電子収束工程の動作電圧および
電流値を選択的に変更させる選択工程と、上記選択工程
と連動して上記一次電子線の加速電圧と上記収束工程と
上記偏向工程と上記EXB偏向工程の動作電圧および信号
の全てまたは一部を所望の値に変更して設定する制御工
程とを有し、形状コントラスト像と電位コントラスト像
とを選択的に利用した検査を行えることを特徴とする回
路パターン検査方法。
【請求項１２】請求項９から１１までのいずれかに記載
の回路パターン検査装置において、上記基板の第１また
は第２の領域を上記一次電子線が走査する前にあらかじ
め他の電子線が照射する工程を有することを特徴とする
回路パターン検査方法。
【請求項１３】請求項９から１２のいずれかに記載の回
路パターン検査装置において、上記選択工程が上記一次
電子線のビーム径が大きい場合には上記走査工程での走
査速度を高速にし、ビーム径が小さい場合には走査速度
を低速にさせる工程であることを特徴とする回路パター
ン検査方法。
【請求項１４】請求項９から１３のいずれかに記載の回
路パターン検査装置において、上記画像信号取得工程が
上記一次電子線のビーム径が大きい場合には隣接する上
記一次電子線照射位置同士の上記二次電子信号を演算処
理して用い、ビーム径が小さい場合には上記一次電子線
照射位置の上記二次電子信号をそのまま用いる工程であ
ることを特徴とする回路パターン検査方法。
【請求項１５】パターンを有する基板からの２次電子を
加速する手段と、前記２次電子を増幅し分離する反射板
と、前記反射板からの２次電子を検出する検出器を含む
ことを特徴する電子線を用いた検査装置。