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JP2008233035A - 基板検査方法 - Google Patents

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JP2008233035A JP2007076957A JP2007076957A JP2008233035A JP 2008233035 A JP2008233035 A JP 2008233035A JP 2007076957 A JP2007076957 A JP 2007076957A JP 2007076957 A JP2007076957 A JP 2007076957A JP 2008233035 A JP2008233035 A JP 2008233035A
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Abstract

【課題】帯電の影響を低減しつつ、検出信号のS/N比・コントラストを向上させる。
【解決手段】電子ビームを用いた撮像に先立って被検査基板Sの表面に高抵抗の検査用薄膜F10を成膜し、該薄膜F10の材質、膜厚、構成および撮像装置の電子ビーム照射条件を、検査目的に応じた特性の検査画像が得られるように選択する。
【選択図】図4

Description

本発明は、基板検査方法に関し、例えば電子ビームを用いた基板検査およびパターン計測を対象とする。
半導体ウェーハの検査およびパターン計測においては、近年のデザインルールの微細化に伴い、高分解能の検査に有利な電子ビームによる検査・計測のニーズが高まっている。
ウェーハ表面は何らかの態様で帯電しており、このため、電子ビームを用いた基板検査においては、電子ビームの照射によりウェーハ表面で発生する二次電子、反射電子および後方散乱電子の少なくともいずれか(以下、単に「二次電子等」という)が検出器へ到達できる量に不均一が生じ、その結果、パターンの検査画像に歪みやボケ、陰り(シェーディング)が発生するという問題があった(例えば特許文献1の段落番号(0006)乃至(0011)並びに図10および図11参照)。また、ウェーハ表面層の材質や構造に応じてウェーハ表面に平行でない電位勾配が局所的に生じて二次電子等の軌道が曲げられて検出器へ到達できる量が低減し、このために検出感度が低下して欠陥判定ミスが増大するという問題もあった(例えば特許文献2の段落番号(0005)および(0006)並びに図15および図16参照)。これらの問題は、特に、レジスト等の絶縁材料で形成されるパターンの検査・計測の分野において顕著である。
特開平11−326247号公報 特開2004−354084号公報 特開2007−017599号公報
本発明の目的は、電子ビームの照射による基板への帯電の影響を低減するとともに、検査画像を構成する信号のS/N比(Signal to Noise ratio)およびコントラストを向上させることにある。
本発明によれば、
パターンが形成された被検査基板の表面に導電性の薄膜を成膜する工程と、
電子ビームを生成して前記薄膜が成膜された前記基板に照射する工程と、
前記基板の表面から放出される二次電子、反射電子および後方散乱電子の少なくともいずれかを検出して検査画像を構成する信号を出力する工程と、
所望の特性の検査画像が得られるように、前記薄膜の材質、膜厚および構成の少なくともいずれか、または、前記薄膜の材質、膜厚および構成の少なくともいずれか並びに前記撮像装置の電子ビーム照射条件を選択する工程と、
を備える基板検査方法が提供される。
本発明によれば、電子ビームの照射による基板への帯電の影響を低減するとともに、検査画像を構成する信号のS/N比およびコントラストを向上させることができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
(1)基板検査装置
図1は、本発明にかかる基板検査方法実施の形態に用いる検査装置の概略構成を示すブロック図である。図1に示す基板検査装置1は、電子顕微鏡ユニット10と成膜装置70と制御ユニット80とを備える。
成膜装置70は、検査ロットから無作為に抜き出された被検査基板Sに対し、後述する導電性薄膜を成膜する。電子顕微鏡ユニット10は、導電性薄膜が成膜された被検査基板Sに電子ビームを照射して被検査基板Sの表面から放出される二次電子、反射電子および後方散乱電子の少なくともいずれか(以下、単に「二次電子等」という)を検出し、二次元の検査画像を出力する。本実施形態において電子顕微鏡ユニット10は例えば撮像手段に対応する。
制御ユニット80は、電子顕微鏡ユニット10および成膜装置70に接続され、制御信号を生成して電子顕微鏡ユニット10および成膜装置70に供給する。この制御信号は、検査画像の特性を表す指標の優先度に応じて所望の特性の検査画像が得られるように、導電性薄膜の材質、膜厚および構成の少なくともいずれか、または、導電性薄膜の材質、膜厚および構成の少なくともいずれか並びに電子顕微鏡ユニット10の電子ビーム照射条件を選択することにより生成される。ここで、検査画像の特性を表す指標は、像歪み、像ぼけ、経時変化、S/N比およびコントラストを含む。また、電子顕微鏡ユニット10の電子ビーム照射条件は、電流密度と入射エネルギーを含む。なお、本実施形態において「S/N比」のうちのS(Signal)は検査画像の構成に寄与する二次電子等の信号量をいい、また、「S/N比」のうちのN(Noise)は、バックグラウンドノイズ等、検査画像の構成に寄与しない二次電子等の信号量をいう。
電子顕微鏡ユニット10は、電子ビーム鏡筒CLと、試料室CMと、各種電子光学系制御回路32,34,36,38と、被検査基板Sを支持するX−Yステージ22と、モータ24と、ステージ制御回路44と、検出器26と、信号処理装置52と、モニタ48と、制御コンピュータ60と、予め装置に内蔵された、または着脱可能な各種記録媒体MR2とを備える。
制御コンピュータ60は、記録媒体MR2の他、各種電子光学系制御回路32,34,36,38、ステージ制御回路44、信号処理装置52に接続され、これらの回路等を介して電子顕微鏡ユニット10全体を制御する。
電子ビーム鏡筒CLは、電子銃12と、コンデンサレンズ14と、走査レンズ16と、対物レンズ18とを含む。電子銃12は、電子銃制御回路32を介して制御コンピュータ60に接続され、電子銃制御回路32から制御信号を受けて電子ビームEBを生成し、被検査基板Sに照射する。コンデンサレンズ14は、コンデンサレンズ制御回路34を介して制御コンピュータ60に接続され、コンデンサレンズ制御回路34からの制御信号を受けて磁界または電界を励磁し、適切なビーム径となるように電子ビームEBを集束させる。対物レンズ18は、対物レンズ制御回路38を介して制御コンピュータ60に接続され、対物レンズ制御回路38からの制御信号により磁界または電界を励磁し、電子ビームEBが被検査基板S上にジャストフォーカスで照射するように電子ビームを再度集束させる。走査レンズ16は、走査レンズ制御回路36を介して制御コンピュータ60に接続され、走査レンズ制御回路36から制御信号を受けて、電子ビームEBを偏向するための電界または磁界を励起し、これにより、被検査基板Sを電子ビームEBで二次元的に走査する。モータ24は、X−Yステージ22に接続されるとともに、ステージ制御回路44を介して制御コンピュータ60に接続され、ステージ制御回路44から制御信号を受けて動作し、X−Yステージ22をX−Y平面内で移動させる。
検出器26は、電子ビームEBの照射によって被検査基板Sから発生する二次電子等を検出する。信号処理装置検出器52は、検出器26の出力信号を処理して被検査基板Sの表面の状態を表わす二次元像を構成するデータに変換して制御コンピュータ60に供給する。制御コンピュータ60は、送られた画像データをメモリMR2に格納する他、必要に応じてモニタ48のディスプレイに表示させる。
図1に示す基板検査装置1の動作を、本発明に係る基板検査方法の実施の形態として以下に説明する。
(2)基板検査方法
基板検査においては、パターンの欠陥の種類に応じて検査画像に求められる特性の優先順位が異なる場合がある。例えば、図2の(a)および(b)に示すような配線オープン欠陥や配線ショート欠陥などは欠陥のサイズが大きいため、レジストを構成する凸パターンと、レジスト間のシリコン表面をなす凹パターン底面との間での電位の差異に依拠するコントラストに優れた検査画像を取得することが検査の効率面から有利である。これは、パターンのある部位と他の部位との間で電位差が大きいほど電子ビームの照射により基板表面から放出する二次電子の初期エネルギーの差異が大きくなり、その結果、上記部位間で信号量の差が大きい画像、即ち、パターンコントラストの大きな画像を取得することができるからである(特許文献1参照)。しかしながら、上記電位差が大きすぎる場合、走査型の電子ビーム検査装置においては、被検査表面から放出した二次電子が、上記電位差によって再び被検査表面に追い戻されるために、検出器に到達する二次電子の量が減少し、これにより、パターンコントラストの低下、特にパターンエッジ部の陰り(シェーディング)が生じやすくなる。また、写像投影方式の電子ビーム検査装置においては、検出器に至るまでの二次電子等の軌道が大きく曲げられてしまう(特許文献2参照)などの理由により、検査画像に歪みやボケ、シェーディングが生じやすくなる。このため、検査画像に基づく検査・計測において誤判定や誤差が生じて検査・計測の性能を低下させる原因となる。このように、パターンコントラストを強調するためにはパターンの部位間で適度な電位差の存在が必要になる。この一方、エッジ部の解像度の高いパターン像を得てパターン輪郭(外形)の微小な形状欠陥を検査するためには、パターンエッジから放出される二次電子等が像形成において支配的になる状況が必要であり、この場合は、パターンコントラストを多少犠牲にしてもパターン部位間の電位差を低減する必要がある。このように、従来は、パターンコントラストを強調することと、それ以外のパターン像の質を向上させること(例えば歪み、ボケ、グラディエーションおよびコントラストムラを低減すること)とは一種のトレードオフの関係にあり、このため、これらを総合的に評価して検査計測性能が最高になる条件で成膜処理・検査計測条件を設定する必要がある。なお、同一の部位の中であっても、電位が不均一になると検出される二次電子等の量に差異が生じて検査画像の対応する領域内で明暗が生じ、検査・計測においてやはり誤判定・誤差が生じて、検査・計測の性能を低下させる原因となる。
図2の(c)および(d)に示すような配線細り欠陥や配線突起欠陥の場合は、欠陥のサイズが小さいため、パターンエッジから放出される二次電子等による像形成が支配的な検査画像を取得することが好ましい。なお、本願明細書においてパターンという用語は、凸パターンのみならず、凹パターンを表すためにも使用される点に留意されたい。これは、例えば基板表面に形成された材料をパターニングすることにより基板の上方へ突出する複数の凸状部材を形成した場合、凸状部材自身を凸パターンとみなすほか、隣り合う凸状部材と、これらの凸状部材間の基板表面領域と、を凹パターンとみなして隣り合う凸状部材の間の基板表面領域を凹パターンの底面とみなすこともできるからである。以下の説明では、凸状部材の頂面部をパターン頂面部と呼び、凹パターンの底面をパターン底面部と呼ぶ。
(i)第1の実施の形態
本実施形態は、電位差に起因するコントラストに優れた検査画像の取得を目的とするものであり、大きなサイズの欠陥の検出に好適な形態である。
図3は、被検査基板の一例を示す略示断面図である。同図に示すレジストパターン検査用基板S100は、シリコンウェーハWの上に形成された反射防止膜APと、反射防止膜AP上に形成されパターニングされたレジストRG1,RG2とを備える。
まず、図4に示すように、レジストパターン検査用基板S100を電子顕微鏡ユニット10の試料室CMに搬送する前に、成膜装置70によりスパッタリングや真空蒸着を用いて基板S100の表面に高抵抗膜である酸化チタン(TiO)膜F10を成膜する。
このように、電子ビームEBの照射前に被検査基板の表面に高抵抗の導電性薄膜を成膜することにより、シリコンウェーハWの表面への高抵抗膜の成膜による電位シールド効果により、シリコンウェーハW表面の電荷分布を打ち消す方向へ電子または正孔が移動し、これにより、電子ビームEBの照射時にパターン頂面部PT10とパターン底面部PB10との間で、全く成膜しない場合と比較して電位差を小さくすることができる。これにより、レジストのエッジ近傍で発生していた局所的な電位勾配が緩やかになるため、検出される二次電子等の信号量の低下や経時変化を抑えることができる。特に、図1に示す電子顕微鏡ユニット10のように撮像手段としてSEM装置を用いる場合は、検査画像の歪み・ぼけ・経時変化を抑制することができる。
さらに、制御ユニット80により酸化チタン(TiO)膜F10の比抵抗を制御することにより、パターン頂面部PT10とパターン底面部PB10での電子または正孔の移動量を制御でき、これらの間の電位差を安定的に発生させることができ、これにより、パターン頂面部PT10とパターン底面部PB10との間で電位コントラストが適度に強調された検査画像を取得することができる。酸化チタン(TiO)膜F10の比抵抗は、成膜温度の他、成膜工程において添加する酸素の量を制御ユニット80により調整することにより制御する。
このように、本実施形態によれば、被検査基板の表面に高抵抗の薄膜を成膜することにより、レジストRG1とパターン底面部PB10シリコンとの急峻な電位差が発生することを防止するとともに、適度な電位差を安定的に維持するので、検査画像の歪みやパターン境界でのグラデーションを回避しつつ、レジストRG1とパターン底面部PB10シリコンとの間で電位コントラストを強調することができる。これらの効果は、基板表面に成膜する膜の膜厚、比抵抗、二次電子放出比および電子顕微鏡ユニット10の電子ビーム照射条件(電流密度、入射エネルギー)を制御することにより最適化することができる。
本実施形態では基板表面の薄膜材質として酸化チタン(TiO)膜を取り上げたが、本発明はこれに限るものでは決して無く、他の金属、例えばタンタル(Ta),アルミニウム(Al)や、これらの金属酸化物である酸化タンタル(Ta)を用いることも可能である。また、スパッタリングや真空蒸着により炭素膜を成膜しても良い。炭素膜を用いる場合の比抵抗の制御は、炭素膜形成時に添加する水素の量を調整すればよい。
(ii)第2の実施の形態
本実施形態は、パターンエッジ部の解像度に優れたパターン検査画像の取得を目的とするものであり、パターン輪郭(外形)の微小な形状欠陥を検査するために好適な形態である。
まず、図3に示す基板S100に対して、成膜装置70により、スパッタリングまたは真空蒸着を用いて、基板表面にチタン(Ti)膜F12を成膜し、引き続いてチタン(Ti)膜F12の上に酸化チタン(TiO)膜F10をスパッタリングまたは真空蒸着を用いて成膜し、図5に示すように、金属膜と金属酸化膜との積層体で構成される薄膜を成膜する。なお、酸化チタン(TiO)膜F10の成膜に際して、チタン(Ti)膜F12の表面を酸素ラジカル等で酸化させた上に成膜してもよい。
本実施形態によれば、まず、高抵抗膜である酸化チタン(TiO)膜F10の成膜により、電位シールド効果から基板表面の電荷分布を打ち消す方向に電子または正孔が移動し、これにより帯電の不均一を解消し、ひいては表面電位差を低減することができる。その結果、検査画像における歪み・ぼけ・経時変化を抑えることができる。さらに、基板表面に接するチタン(Ti)膜F12を酸化チタン(TiO)膜F10の下に成膜することにより、酸化チタン(TiO)膜のみの場合と比較して、酸化チタン(TiO)/チタン(Ti)の積層体全体の抵抗値が下がるので、パターン頂面部PT12とパターン底面部PB12との間で電子が移動しやすくなり、これらの間における電位差を低減することが可能になる。これにより、例えば図4を参照して説明した第1の実施の形態においてパターン頂面部とパターン底面部との間の電位差が依然として大きい場合でも、これらの間の電位差を充分に低減することができ、各パターンエッジからの二次電子等による像形成が支配的になるので、パターンエッジ部の解像度が向上し、この結果、パターン輪郭(外形)の微小な形状欠陥を検査するために好適な検査画像を取得することができる。また、チタン(Ti)膜F12上に酸化チタン(TiO)膜F10を成膜するので、シリコンを介して接地されるチタン(Ti)膜だけを成膜する場合と比較して、二次電子等の放出量を増大させることができるので、検査画像のS/N比を向上させることができる。
ここで、酸化チタン(TiO)膜F10の厚さは、電子ビームEBの貫通を許容する厚さに設定すると、酸化チタン(TiO)膜F10中に電子が留まることがないので、電位変化を抑制することができる。
本実施形態では、検査用基板S100表面への成膜材料としてチタン(Ti)およびその上の酸化チタン(TiO)を選択した場合について説明したが、本発明はこれらの材質に限るものでは決して無く、チタン(Ti)に代えて導電性または半導電性を有する材料を使用することができ、酸化チタン(TiO)に代えて二次電子放出比の高い材料を使用することができる。例えばタンタル(Ta)またはアルミニウム(Al)をスパッタリングまたは真空蒸着により基板S100の表面に成膜した後に、酸化タンタル(Ta)または酸化アルミニウム(Al)を成膜すれば、成膜装置70において成膜源を共有するとこができるため、好都合である。
(iii)第3の実施の形態
本実施形態の特徴は、被検査基板の表面への高抵抗の薄膜の成膜に際してパターンの部位に応じて膜厚に変化を持たせる点にある。
図6は、本実施形態の基板検査方法の説明図である。図3に示すレジストパターン検査用基板S100の表面に酸化チタン(TiO)膜F16を成膜する際に、検査目的に応じてパターンの頂面部、側面部および底面部の間で膜厚を変化させる。各部の膜厚の制御には、例えば成膜装置70によるスパッタリング時のスパッタ粒子の入射方向を制御ユニット80により制御する。より具体的には、基板S100表面の酸化チタン(TiO)膜F16のパターン頂面部PT16、側面部PS16および底面部PB16の各膜厚をそれぞれTt、TsおよびTbとすると、電子ビーム検査時の検出信号量の低下・経時変化を防いで検査画像の歪み・ぼけ・経時変化を低減させるとともに、パターン頂面部PT16とパターン底面部PB16との間で電位差を安定的に発生させ、またはパターン頂面部PT16とパターン底面部PB16との間のコントラストが最大になるように、膜厚Tt、TsおよびTbを制御する。パターン側面部PS16の膜厚Tsが薄いほどパターン頂面部PT16のエッジから放出される二次電子等の量が増大するので、パターン頂面部PT16とパターン底面部PB16との電位差を安定的に発生させてパターンコントラストを強調するためにはパターン側面部PS16の膜厚Tsが重要になる。この一方、パターン頂面部PT16とパターン底面部PB16との間でパターンエッジ部の解像度を向上させてパターン輪郭(外形)の微小な形状欠陥を検査する場合には、パターン底面部PB16の膜厚Tbが重要になる。電位コントラストおよび表面形状コントラストともに良好な検査画像を得るためには、Tt>Tb>Tsの関係が適切であると思われる。
(iV)第4の実施の形態
本実施形態の特徴は、パターンコントラストおよびパターンエッジ部の解像度の双方において優れた検査画像の取得を可能にする多層構造で薄膜を構成する点にある。
本実施形態の基板検査方法の説明図を図7に示す。図7に示す試料は、まず、図3に示すレジストパターン検査用基板S100の表面にアルミニウム(Al)膜F20をスパッタリングや真空蒸着によって成膜し、さらにパターン頂面部PT20の上に酸化アルミニウム(Al)膜F22を選択的に成膜し、パターン底面部PB20には炭素膜F24を選択的に成膜する。
このような構造の多層膜を検査基板S100上に成膜することにより、まず、低抵抗のアルミニウム(Al)膜F20で基板S100の表面における帯電の不均一が解消されてパターン頂面部PT20とパターン底面部PB20との間の電位差を低減することができるので、検査画像の歪み・ぼけ・経時変化を抑制することができ、その結果、パターン像の質を向上させることができる。さらに、パターン頂面部PT20の材料として酸化アルミニウム(Al)を選択し、パターン底面部PB20の材料として炭素膜を選択することにより、パターン頂面部PT20とパターン底面部PB20との間で二次電子放出量に明確な差ができるので、パターンコントラストを強調することができる。本実施形態においては、パターン頂面部PT20に二次電子放出比が大きい材料を使用し、パターン底面部PB20に二次電子放出量の小さい材料を使用することでパターンコントラストを強調する効果を得ることができる。
例えば、電子顕微鏡ユニット10において照射する電子ビームEBのエネルギーを1keVとすると、酸化アルミニウム(Al)と炭素膜との二次電子放出比は、6:0.72である。従って、パターン頂面部PT20はパターン底面部PB20の約8.3倍もの検出信号を得ることができ、パターンコントラストに優れた検査画像を取得することができる。本実施形態において、パターンコントラストは、パターン頂面部PT20およびパターン底面部PB20から放出されて検出される二次電子等の量に依存し、これらの間の差異は、各部に成膜した薄膜の膜厚、比抵抗、二次電子放出比そして照射電子ビームの条件(電流密度、入射エネルギー)によって決定される。制御ユニット80によりこれらの因子を制御することにより、パターンコントラストを最大にすることが可能になり、その結果、検査・計測の性能を向上させることができる。なお、本実施形態では、パターン頂面部PT20に二次電子放出量の大きな材質を選択し、パターン底面部PB20に二次電子放出量の小さな材質を選択することによりパターンコントラストを強調したが、これとは逆に、パターン頂面部PT20に二次電子放出量の小さな材質を選択し、パターン底面部PB20に二次電子放出量の大きな材質を選択しても、同様にパターンコントラストを強調することができる。
(3)半導体装置の製造方法
上述した基板検査方法により被検査基板Sが良好と判定された場合は、被検査基板Sが属するロットの残余の基板に対して製造プロセスを実行すれば、高いスループットおよび歩留まりで半導体装置を製造することが可能になる。なお、下地層に影響を及ぼすことなく薄膜を剥離することができる場合は、検査の結果良好と判定された被検査基板S自身についても製造プロセスを実行して半導体装置を製造することができる。
本発明にかかる基板検査方法実施の形態に用いる検査装置の概略構成を示すブロック図である。 パターン欠陥の具体例を示す図である。 被検査基板の一例を示す略示断面図である。 本発明にかかる基板検査方法の第1の実施の形態を説明する図である。 本発明にかかる基板検査方法の第2の実施の形態を説明する図である。 本発明にかかる基板検査方法の第3の実施の形態を説明する図である。 本発明にかかる基板検査方法の第4の実施の形態を説明する図である。
符号の説明
1:基板検査装置
10:電子顕微鏡ユニット
70:成膜装置
80:制御ユニット
F10,F14,F16:酸化チタン(TiO)膜
F12:チタン(Ti)膜
F22:酸化アルミニウム(Al)膜
F24:炭素膜
PT10,PT16,PT20:パターン頂面部
PS16:パターン側面部
PB10,PB16,PB20:パターン底面部
Tt,Ts,Tb:膜厚
S,S100:被検査基板

Claims (5)

  1. パターンが形成された被検査基板の表面に導電性の薄膜を成膜する工程と、
    電子ビームを生成して前記薄膜が成膜された前記基板に照射する工程と、
    前記基板の表面から放出される二次電子、反射電子および後方散乱電子の少なくともいずれかを検出して検査画像を構成する信号を出力する工程と、
    所望の特性の検査画像が得られるように、前記薄膜の材質、膜厚および構成の少なくともいずれか、または、前記薄膜の材質、膜厚および構成の少なくともいずれか並びに前記撮像装置の電子ビーム照射条件を選択する工程と、
    を備える基板検査方法。
  2. 前記薄膜は、導電性の異なる複数の薄膜が少なくとも局所的に積層された積層体で構成されることを特徴とする請求項2に記載の基板検査方法。
  3. 前記積層体は、前記被検査基板の表面を全面的に覆うように第1の金属で成膜された第1の薄膜と、前記第1の薄膜を全面的に覆うように前記第1の金属の酸化膜で成膜された第2の薄膜と、を含むことを特徴とする請求項2に記載の基板検査方法。
  4. 前記積層体は、前記被検査基板の表面を全面的に覆うように金属膜で成膜された第1の薄膜と、前記パターンの頂面に選択的に成膜された第2の薄膜と、前記パターンの底面に選択的に成膜された第3の薄膜と、を含み、
    前記第2の薄膜の材質と前記第3の薄膜の材質とは、検出される前記信号の量に互いに差異が出るように選択されることを特徴とする請求項2に記載の基板検査方法。
  5. 前記薄膜は、前記パターンの部位に応じて膜厚が異なることを特徴とする請求項2に記載の基板検査方法。
JP2007076957A 2007-03-23 2007-03-23 基板検査方法 Withdrawn JP2008233035A (ja)

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