JP4015352B2

JP4015352B2 - 荷電粒子ビームを用いた検査方法

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Publication number: JP4015352B2
Application number: JP2000276640A
Authority: JP
Inventors: 英利西山; 真理野副; 博之品田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-02-22
Filing date: 2000-09-07
Publication date: 2007-11-28
Anticipated expiration: 2020-09-07
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置や液晶等微細な回路パターンを有する基板製造方法及び装置に係わり、特に、半導体装置やフォトマスクのパターン検査技術に係わり、半導体装置製造過程での未完成な半導体ウエハ上の任意の部分における欠陥検査のための、荷電粒子ビームを使用した検査方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、半導体装置は、半導体ウエハ上にホトマスクで形成されたパターンをリソグラフィー処理およびエッチング処理により転写する工程を繰り返すことにより製造される。半導体装置の製造過程において、リソグラフィー処理やエッチング処理、その他の良否は、半導体装置の歩留まりに大きく影響を及ぼすため、異常や不良発生を早期にあるいは事前に検知することは重要である。特に、製造工程の初期の段階における、部分的に完成した半導体ウエハのコンタクトホールおよび配線の電気抵抗や電気容量を測定しておくことは、歩留まり向上のために重要なことである。これら電気的欠陥を検出する検査を行う従来の技術は以下のものがある。
【０００３】
一つは、先鋭化させたタングステン（Ｗ）針（先端の曲率半径：約０.１μｍ）を直接測定部に接触させるナノプローブ装置（特開平８−１６０１０９号公報）である。これは、電気抵抗の測定を行うものである。しかし、近年のパターン微細化に伴い、測定したい部分の大きさがＷ針と同程度もしくは小さくなり、測定は非常に困難なものとなっている。これに対応する手段として、Ｗ針の先端曲率半径を小さくすることが考えられる。しかし、その場合、先端が非常に柔らかくなるため、測定部への接触と同時に先端が変形してしまい、現実的な方法とはいえない。また、それ以外にも問題点として、接触抵抗があげられる。針と測定部が異種の物質、特に少なくとも一方が半導体の場合、ショットキー接合が生じ、その部分で電圧に依存した電気抵抗が生じるため正確な測定が出来なかった。
【０００４】
もう一つは、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡：Scanning Electron Microscope）を用いたものである。これは、特開平５−２５８７０３号公報、特開平１１−１２１５６１号公報、特開平６−３２６１６５号公報に開示されている。
【０００５】
特開平５−２５８７０３号公報は、検査画像と隣接するパターンの画像を比較して、電位コントラスト（明るさ）の異なる箇所を欠陥と判断し、欠陥を検出するものである。しかし、電気的特性（電気抵抗および電気容量）を求め、表示する手段がなかったため、その箇所が致命であるか非致命であるかを判断することが不可能であった。
【０００６】
特開平１１−１２１５６１号公報は、ウエハ上方にある制御電極によって、二次電子の放出の程度を制御し、ウエハ表面を正もしくは負に帯電させ、そのときの電位コントラスト像から正常部、低抵抗欠陥部、および高抵抗欠陥部を判別するものである。
【０００７】
この制御電極による二次電子の放出の制御は、特開昭５９−１５５９４１号公報に開示されている。例えば、正に帯電するように制御電極を調整した場合の電位コントラスト像は、低抵抗欠陥部（例えば、数百Ω以下の低抵抗）は明部、高抵抗欠陥部（電気抵抗：∞）は暗部、そして正常部は、低抵抗欠陥部よりも抵抗は大きいため、画像は明部であるが若干暗いものとなる。この画像の明暗から抵抗の大小を決定することが可能であるが、絶対値の算出はできない。また、リーク電流を測定することによって、電気抵抗の算出を行うことができたが、検査に時間を要し、高速に測定できなかった。
【０００８】
特開平６−３２６１６５号公報は、基板上の配線に電子ビームを照射させて生ずる帯電により、基板とアース間に誘導電流を発生させ、その時間変化を測定するものである。これにより、電気容量の大小を測定できるが、絶対値の測定は不可能であった。
【０００９】
また、このようなＳＥＭの電位コントラスト像を用いた検査では、ウエハの構造によっては正常部と欠陥部の電位コントラストの差が少なく、欠陥検出が困難となる場合もあった。例えば、回路にｐｎ接合をもつ場合、電子ビーム照射に伴う帯電がｐｎ接合に対して逆バイアスであれば、この部分は高抵抗となる。そのため、高抵抗な導通不良欠陥と判別が困難であった。
【００１０】
【発明が解決しようとしている課題】
上述したように、ナノプローブ装置では、針の先端よりも測定対象のほうが小さい場合もあるという問題や、針と試料の接触抵抗の問題があるため、試料によっては正確な電気抵抗を見積もれなかった。また、ウエハ全面検査には膨大な時間を必要とし、実質上不可能であった。ＳＥＭを用いた装置では、電位コントラスト像から電気抵抗や電気容量の大小を決定することは可能であったが、絶対値を見積もることは不可能であった。また、リーク電流測定によって抵抗値の算出が可能であったが、検査に時間を要し高速検査が不可能であり、ウエハの全面検査に非常に長い時間が必要であった。さらに、ウエハの構造によっては（例えば、ｐｎ接合を加工してある場合）、電位コントラスト像で正常部と欠陥部の判別が困難であった。
【００１１】
本発明の目的は、電位コントラスト像を取得するだけで電気抵抗および電気容量の値を高速に自動的に算出したり、ウエハ等の基板表面の電気抵抗および電気容量の分布や傾向を短時間に求められる検査方法および検査装置を提供することにある。また、ウエハの構造に対応した適切な検査条件を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、試料に荷電粒子ビームを照射した際に得られる荷電粒子ビーム画像（電位コントラスト像）が、照射領域とアース間の電気抵抗、電気容量、および照射時間に依存することを利用すればよい、ということを見出した。
【００１３】
そのメカニズムを、図２を用いて説明する。照射粒子として、電子を例にとり、その入射エネルギーＥＰＥを二次電子と後方散乱電子との和の放出効率σが１より大きい５００ｅＶ程度とする。通常、５０ｅＶ以下のエネルギーを持つものを二次電子、それ以上のエネルギーを持つものを後方散乱電子とすることが多い。絶縁体６０に、電子ビームを照射すると照射された領域６１は正に帯電し（ここでは、例として、４Ｖに帯電した場合を示す。）、表面にＵｓ［ｅＶ］のポテンシャル障壁が形成される。
【００１４】
そのため、図３の二次電子および後方散乱電子数の和ＮＳＥのエネルギーＥＳＥ分布に示すように、これよりも低いエネルギーの二次電子および後方散乱電子は放出されず、二次電子および後方散乱電子は放出しても絶縁体側へ引き戻される。引き戻される電子数をＮ₁とし、放出電子数をＮ₂として、引き戻されずに放出する二次電子および後方散乱電子の割合をσ_SEとすれば、σ_SE＝Ｎ₂／（Ｎ₁＋Ｎ₂）であり、実質上の放出効率σ_effは、σ_eff＝σ_SE×σであらわされる。電子ビーム照射と共に帯電電圧は上昇し、引き戻される二次電子および後方散乱電子の割合は増加していく。そのため、σ_effは徐々に減少し、最終的には、σ_effが１になる帯電電圧で安定することとなる。
【００１５】
一方、導電体で十分に電気抵抗が小さい場合、電子の供給が可能であるため帯電は緩和され、σとσ_effはほぼ等しい。そのため、絶縁体は暗く、導電体は明るく見える。
【００１６】
このことを利用して、電気抵抗の測定が可能であることを見出した例について述べる。用いた試料は、例えば、図４に示すようなシリコン（Ｓｉ）４０７上にＳｉＯ₂膜４０２が形成されたウエハに、タングステン（Ｗ）プラグ４００（直径０.２５μｍ）を埋め込んだコンタクトホール４０１の加工を行ったものである。各プラグは、プラグ底部のＳｉＯ₂（４０２）の残膜４０３に起因する電気抵抗を持っており、残膜があるものは高抵抗なオープン欠陥４０４、プラグ同士がつながっているものは低抵抗なショート欠陥４０５である。
【００１７】
電子輸送経路の電気抵抗Ｒ、電気容量Ｃを含む等価回路としては、図５を仮定した。電気容量Ｃはプラグの形状から１０^-17Ｆ（ファラッド）とした。電子ビーム照射条件は、図２３を仮定した。電子銃１０から放出される電子ビーム１９の初期エネルギーは１０ｋｅＶ、リターディング電極６３は接地、被検査基板９（ウエハ）にはリターディング電圧−９.５ｋＶを印加してある。そのため、電子ビームのウエハへの入射エネルギーＥＰＥは、５００ｅＶである。
【００１８】
その結果、検出される二次電子および後方散乱電子の数の和ＮＳＥの経時変化まは、図６のようになることを見出した。縦軸は検出されるＮＳＥを電子ビーム電流ＩＰ［Ａ］で割ったもの、横軸は電子ビームの照射時間Ｔｅ（もしくは走査電子ビームがプラグを横切る時間）とＩＰの積である。さらに、十分な時間が経過し、ＮＳＥが安定した状態での、ＮＳＥと電気抵抗Ｒの関係は図７のようになることを見出した。ただし、縦軸はＮＳＥをＩＰでわったもの、横軸はＲとＩＰの積である。電気抵抗Ｒを算出するためにはＮＳＥに変化が必要である。
【００１９】
このようなことから、このグラフから電気抵抗Ｒを算出するための電子ビームの電流ＩＰの条件は、０＜ｌｏｇ（Ｒ・ＩＰ）＜３であることを、本発明者らは、初めて見出した。図７のグラフは物質および試料形状に依存するが、変化分は僅かである。また、リターディング電圧Ｖ_Rを変化させたり、検査前に電子ビーム照射を行いプラグ周りを帯電（電圧Ｖ_B）させることにより、図８、９のようにＮＳＥを変えることができるため、高感度な検査条件が存在する。この計算予測を確認するために、各プラグに電子ビームを照射させ、各プラグからの二次電子および後方散乱電子の数の検出を行った。
【００２０】
その後、各プラグの電気抵抗をナノプローバにより測定した。プラグ最上層はＷであるため、ナノプローバのＷ針との接触抵抗は十分小さく出来る。その結果得られたＮＳＥの電気抵抗Ｒ依存性を、図１０に示した。ただし、縦軸はＮＳＥとビーム電流ＩＰの商であり、横軸は電気抵抗Ｒとビーム電流ＩＰの積である。図中、実線は計算値、○印は実験値である。このように計算値と実験値は一致することを見出すことができた。すなわち、このような二次電子および後方散乱電子の数の和の抵抗依存性計算によって、電位コントラスト像から抵抗値を算出可能であることを見出した。
【００２１】
次に、この半導体ウエハを用いて、電気容量の測定も可能であることを見出したので、そのことについて述べる。ビーム電流ＩＰは１００ｎＡとした。用いたプラグは、上記ナノプローブ法により確認した抵抗１０¹²Ω（オーム）以上のものを用いた。電子ビームの照射時間（もしくは電子ビームがプラグを横切る時間）を変化させることによって得られる検出されるＮＳＥの変化を計算結果と比較し、比較結果により電気容量を見積もる。実験結果と計算結果を図１１に示すように、計算結果において電気容量を１０^-17Ｆ（ファラッド）としたときのＮＳＥの経時変化は、実験結果をほぼ忠実に再現した。この値はプラグ形状等から算出した値とほぼ等しい。
【００２２】
さらに、ウエハの構造に対応した適切な検査条件を提供する方法について述べる。図８では、リターディング電圧ＶRを変化させることによってＮＳＥが変わることを示した。このとき、電子ビーム照射域の帯電電圧ＵＳ（Ｖ）も、図２４のように変化する。ここでは、検査のためにこの現象を利用した。例えば、ｐｎ接合を持つ回路パターンに電子ビームを照射してｐｎ接合が逆バイアス状態に帯電した場合、接合は高抵抗になるため、導通不良欠陥と判別が困難である。しかし、リターディング電圧を変化させることにより帯電電圧を増加させ、ｐｎ接合にブレークダウンを生じさせることによって抵抗値を減少可能である。この状態で検査を行えば、正常部と欠陥部の抵抗値の差が大きくなり、それら電位コントラスト像に差が生じ、検査が可能になる。
【００２３】
また、ｐｎ接合自身に欠陥があり逆バイアス方向の抵抗値が小さい場合、リターディング電圧を調整し、欠陥部のｐｎ接合のみをブレークダウンさせる帯電状態にする。このとき、正常部と欠陥部の抵抗値の差は増大され、それら電位コントラスト像に差が生じ、検査可能となる。ここでは、リターディング電圧を利用したが、それ以外の電子照射条件、例えば電子ビーム電流、電子ビームの試料への入射エネルギー、照射時間や照射回数を変化させることによっても、同様な効果を得ることができる。
【００２４】
以上のような手法により、電気抵抗および電気容量を見積もることが可能であることや、ウエハの構造に対応した適切な欠陥検出条件が提供できることを見出した。ここでは、電子ビームを用いたが、それ以外でもプラスイオン、マイナスイオン等のような荷電粒子ビームであれば同様のことは可能である。
【００２５】
実際の検査装置では、上記のような電気抵抗や電気容量の決定を次のように自動的に行う。
【００２６】
まず、半導体ウエハに荷電粒子ビームを一回もしくは数回走査させる。このとき、各走査時間を変化させてもよい。そして、発生した二次電子や後方散乱電子を検出器に取りこみ、取りこんだ電子数に比例した信号を発生させ、その信号をもとに各走査に対応した検査画像を形成させる。
【００２７】
次に、ワークステーションやパーソナルコンピュータ等の計算機で、荷電粒子ビームの電流値、照射エネルギー、走査時間、および走査回数、半導体ウエハ表面での電場、および二次電子や後方散乱電子の放出効率等を考慮し、電気抵抗や電気容量をパラメータとして画像を形成させる。そして、その画像が検査画像と一致するように電気抵抗や電気容量を決定する。
【００２８】
なお、この検査で、荷電粒子ビームの電流値を変化させることによって、電気抵抗の測定範囲を変化させることが可能である。さらに、画像取得の前の処理として、荷電粒子ビームをあらかじめ一定量照射させておくことや、半導体ウエハにリターディング電圧を加えることによって、測定感度を変えることができる。また、ウエハの構造に対応した適切な検査条件も提供することができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
本発明の第１の実施例になる検査装置の構成を図１に示す。検査装置１は、室内が真空排気される検査室２と、検査室２内に被検査基板９を搬送するための予備室（本実施例では図示せず）を備えており、この予備室は検査室２とは独立して真空排気できるように構成されている。また、検査装置１は上記検査室２と予備室の他に制御部６、画像処理部５から構成されている。検査室２内は大別して、電子光学系３、検出部７、試料室８、光学顕微鏡部４から構成されている。
【００３０】
電子光学系３は、電子銃１０、電子ビーム引き出し電極１１、コンデンサレンズ１２、ブランキング用偏向器１３、走査偏向器１５、絞り１４、対物レンズ１６、反射板１７、Ｅ×Ｂ偏向器１８から構成されている。検出部７のうち、検出器２０が検査室２内の対物レンズ１６の上方に配置されている。検出器２０の出力信号は、検査室２の外に設置されたプリアンプ２１で増幅され、ＡＤ変換機２２によりデジタルデータとなる。試料室８は、試料台３０、Ｘステージ３１、Ｙステージ３２、回転ステージ３３、位置モニタ用測長器３４、被検査基板高さ測定器３５から構成されている。
【００３１】
光学顕微鏡部４は、検査室２の室内における電子光学系３の近傍であって、互いに影響を及ぼさない程度離れた位置に設備されており、電子光学系３と光学顕微鏡部４の間の距離は既知である。そして、Ｘステージ３１またはＹステージ３２が電子光学系３と光学顕微鏡部４の間の既知の距離を往復移動するようになっている。光学顕微鏡部４は光源４０、光学レンズ４１、ＣＣＤカメラ４２により構成されている。画像処理部５は、画像記憶部４６、計算機４８より構成されている。取り込まれた電子ビーム画像あるいは光学画像、測定した電気抵抗および電気容量はモニタ５０に表示される。
【００３２】
装置各部の動作命令および動作条件は、制御部６から入出力される。制御部６には、あらかじめ電子ビーム発生時の加速電圧、電子ビーム偏向幅、偏向速度、検出装置の信号取り込みタイミング、試料台移動速度等々の条件が、目的に応じて任意にあるいは選択して設定できるよう入力されている。制御部６は、補正制御回路４３を用いて、位置モニタ用測長器３４、被検査基板高さ測定器３５の信号から位置や高さのずれをモニタし、その結果より補正信号を生成し、電子ビームが常に正しい位置に照射されるよう対物レンズ電源４５や走査偏向器４４に補正信号を送る。被検査基板９の画像を取得するためには、細く絞った電子ビーム１９を該被検査基板９に照射し、二次電子および後方散乱電子５１を発生させ、これらを電子ビーム１９の走査およびステージ３１、３２の移動と同期して検出することで被検査基板９表面の画像を得る。
【００３３】
電子銃１０には拡散補給型の熱電界放出電子源が使用されている。この電子銃１０を用いることにより、従来の、例えばタングステン（Ｗ）フィラメント電子源や、冷電界放出型電子源に比べて安定した電子ビーム電流を確保することができるため、明るさ変動の少ない電位コントラスト像が得られる。電子ビーム１９は、電子銃１０と引き出し電極１１との間に電圧を印加することで電子銃１０から引き出される。電子ビーム１９の加速は、電子銃１０に高電圧の負の電位を印加することでなされる。
【００３４】
これにより、電子ビーム１９は、その電位に相当するエネルギーで試料台３０の方向に進み、コンデンサレンズ１２で収束され、さらに対物レンズ１６により細く絞られて試料台３０上のＸ−Ｙステージ３１、３２の上に搭載された被検査基板９（半導体ウエハ、チップあるいは液晶、マスク等微細回路パターンを有する基板）に照射される。
なお、ブランキング用偏向器１３には、走査信号およびブランキング信号を発生する信号発生器４４が接続され、コンデンサレンズ１２および対物レンズ１６には、各々レンズ電源４５が接続されている。被検査基板９には、高圧電源３６により負の電圧（リターディング電圧）を印加できるようになっている。この高圧電源３６の電圧を調節することにより一次電子ビームを減速し、電子銃１０の電位を変えずに被検査基板９への電子ビーム照射エネルギーを最適な値に調節することができる。
【００３５】
被検査基板９上に電子ビーム１９を照射することによって発生した二次電子および後方散乱電子５１は、基板９に印加された負の電圧により加速される。被検査基板９上方に、Ｅ×Ｂ偏向器１８が配置され、これにより加速された二次電子および後方散乱電子５１は所定の方向へ偏向される。Ｅ×Ｂ偏向器１８にかける電圧と磁界の強度により、偏向量を調整することができる。また、この電磁界は、試料に印加した負の電圧に連動させて可変させることができる。Ｅ×Ｂ偏向器１８により偏向された二次電子および後方散乱電子５１は、所定の条件で反射板１７に衝突する。この反射板１７に加速された二次電子および後方散乱電子５１が衝突すると、反射板１７からは第二の二次電子および後方散乱電子５２が発生する。
【００３６】
検出部７は、真空排気された検査室２内の検出器２０、検査室２の外のプリアンプ２１、ＡＤ変換器２２、光変換手段２３、伝送手段２４、電気変換手段２５、高圧電源２６、プリアンプ駆動電源２７、ＡＤ変換器駆動電源２８、逆バイアス電源２９から構成されている。既に記述したように、検出部７のうち、検出器２０が検査室２内の対物レンズ１６の上方に配置されている。検出器２０、プリアンプ２１、ＡＤ変換器２２、光変換器２３、プリアンプ駆動電源２７、ＡＤ変換器駆動電源２８は、高圧電源２６により正の電位にフローティングしている。
【００３７】
上記反射板１７に衝突して発生した第二の二次電子および後方散乱電子５２は、この吸引電界により検出器２０に導かれる。
検出器２０は、電子ビーム１９が被検査基板９に照射されている間に発生した二次電子および後方散乱電子５１がその後加速されて反射板１７に衝突して発生した第二の二次電子および後方散乱電子５２を、電子ビーム１９の走査のタイミングと連動して検出するように構成されている。検出器２０の出力信号は、検査室２の外に設置されたプリアンプ２１で増幅され、ＡＤ変換器２２によりデジタルデータとなる。ＡＤ変換器２２は、検出器２０が検出したアナログ信号をプリアンプ２１によって増幅された後に直ちにデジタル信号に変換して、画像処理部５に伝送するように構成されている。検出したアナログ信号を検出直後にデジタル化してから伝送するので、高速で且つＳＮ比の高い信号を得ることができる。
【００３８】
なお、ここでの検出器２０として、例えば、半導体検出器を用いてもよい。
【００３９】
Ｘ−Ｙステージ３１、３２上には被検査基板９が搭載されており、検査実行時にはＸ−Ｙステージ３１、３２を静止させて電子ビーム１９を二次元に走査する方法と、検査実行時にＸ−Ｙステージ３１、３２をＹ方向に連続して一定速度で移動されるようにして電子ビーム１９をＸ方向に直線に走査する方法のいずれかを選択できる。ある特定の比較的小さい領域を検査する場合には前者のステージを静止させて検査する方法、比較的広い領域を検査するときは、ステージを連続的に一定速度で移動して検査する方法が有効である。なお、電子ビーム１９をブランキングする必要がある時には、ブランキング用偏向器１３により電子ビーム１９が偏向されて、電子ビームが絞り１４を通過しないように制御できる。
【００４０】
位置モニタ用測長器３４として、本実施例ではレーザ干渉による測長計を用いた。Ｘステージ３１およびＹステージ３２の位置が実時間でモニタでき、制御部６に転送されるようになっている。また、Ｘステージ３１、Ｙステージ３２、そして回転ステージ３３のモータの回転数等のデータも同様に各々のドライバから制御部６に転送されるように構成されており、制御部６はこれらのデータに基いて電子ビーム１９が照射されている領域や位置が正確に把握できるようになっており、必要に応じて実時間で電子ビーム１９の照射位置の位置ずれを補正制御回路４３より補正するようになっている。また、被検査基板毎に、電子ビームを照射した領域を記憶できるようになっている。
【００４１】
光学式高さ測定器３５は、電子ビーム以外の測定方式である光学式測定器、例えばレーザ干渉測定器や反射光の位置で変化を測定する反射光式測定器が使用されており、Ｘ−Ｙステージ上３１、３２に搭載された被検査基板９の高さを実時間で測定するように構成されている。本実施例では、スリットを通過した細長い白色光を透明な窓越しに被検査基板９に照射し、反射光の位置を位置検出モニタにて検出し、位置の変動から高さの変化量を算出する方式を用いた。この光学式高さ測定器３５の測定データに基いて、電子ビーム１９を細く絞るための対物レンズ１６の焦点距離がダイナミックに補正され、常に非検査領域に焦点が合った電子ビーム１９を照射できるようになっている。また、被検査基板９の反りや高さ歪みを電子ビーム照射前に予め測定しており、そのデータをもとに対物レンズ１６の検査領域毎の補正条件を設定するように構成することも可能である。
【００４２】
画像処理部５は、画像記憶部４６、計算機４８、モニタ５０により構成されている。上記検出器２０で検出された被検査基板９の画像信号は、プリアンプ２１で増幅され、ＡＤ変換器２２でデジタル化された後に光変換器２３で光信号に変換され、光ファイバ２４によって伝送され、電気変換器２５にて再び電気信号に変換された後に画像記憶部４６に記憶される。
【００４３】
画像形成における電子ビームの照射条件および、検出系の各種検出条件は、あらかじめ検査条件設定時に設定され、ファイル化されてデータベースに登録されている。計算機４８は、画像記憶部４６に入力された画像信号を読み出し、電子ビーム照射条件をもとに、すでに述べた画像信号レベルと表面帯電電圧の対応を計算し、画像信号レベルに対応する電気抵抗および電気容量を計算する。モニタ５０は、計算機４８で求めた電気抵抗および電気容量、画像記憶部４６に記憶された画像のいずれか、もしくはこれらを同時に表示する。
【００４４】
次に、検査装置１により被検査基板９として、例えば、図１２に示す部分的に完成した３００ｍｍφの半導体ウエハ（断面構造は図４と同様）について電気抵抗および電気容量を測定した場合の作用について説明する。まず、図１には記載されていないが、被検査基板の搬送手段により半導体ウエハは試料交換室へロードされる。そこでこの被検査半導体ウエハ９は試料ホルダに搭載され、保持固定された後に真空排気され、試料交換室がある程度の真空度に達したら検査のための検査室２に移載される。検査室２では、試料台３０、Ｘ−Ｙステージ３１、３２、回転ステージ３３の上に試料ホルダごと載せられ、保持固定される。
【００４５】
セットされた被検査半導体ウエハ９は、予め登録された所定の検査条件に基きＸ−Ｙステージ３１、３２のＸおよびＹ方向の移動により光学顕微鏡部４の下の所定の第一の座標に配置され、モニタ５０により被検査半導体ウエハ９上に形成された回路パターンの光学顕微鏡画像が観察され、位置回転補正用に予め記憶された同じ位置の同等の回路パターン画像と比較され、第一の座標の位置補正値が算出される。次に第一の座標から一定距離離れ第一の座標と同等の回路パターンが存在する第二の座標に移動し、同様に光学顕微鏡画像が観察され、位置回転補正用に記憶された回路パターン画像と比較され、第二の座標の位置補正値および第一の座標に対する回転ずれ量が算出される。この算出された回転ずれ量分、回転ステージ３３は回転し、その回転量を補正する。
なお、本実施例では回転ステージ３３の回転により回転ずれ量を補正しているが、回転ステージ３３なしで、算出された回転ずれの量に基き電子ビームの走査偏向位置を補正する方法でも補正できる。この光学顕微鏡画像観察においては、光学顕微鏡画像のみならず電子ビーム画像でも観察可能な回路パターンが選定される。また、今後の位置補正のために、第一の座標、光学顕微鏡画像観察による第一の回路パターンの位置ずれ量、第二の座標、光学顕微鏡画像観察による第二の回路パターンの位置ずれ量が記憶され、制御部６に転送される。
【００４６】
さらに、光学顕微鏡による画像が用いられて、被検査半導体ウエハ９上に形成された回路パターンが観察され、被検査半導体ウエハ９上の回路パターンのチップの位置やチップ間の距離、あるいはメモリセルのような繰り返しパターンの繰り返しピッチ等が予め測定され、制御部６に測定値が入力される。また、被検査半導体ウエハ９上における被検査チップおよびチップ内の被検査領域が光学顕微鏡の画像から設定され、上記と同様に制御部６に入力される。光学顕微鏡の画像は、比較的低い倍率によって観察が可能であり、また、被検査半導体ウエハ９の表面が、例えばシリコン酸化膜等により覆われている場合には下地まで透過して観察可能であるので、チップの配列やチップ内の回路パターンのレイアウトを簡便に観察することができ、検査領域の設定を容易にできるためである。
【００４７】
以上のようにして、光学顕微鏡部４による所定の補正作業や検査領域設定等の準備作業が完了すると、Ｘステージ３１およびＹステージ３２の移動により、被検査半導体ウエハ９が電子光学系３の下に移動される。被検査半導体ウエハ９が電子光学系３の下に配置されると、上記光学顕微鏡部４により実施された補正作業や検査領域の設定と同様の作業を電子ビーム画像により実施する。この際の電子ビーム画像の取得は、次の方法でなされる。
上記光学顕微鏡画像による位置合せにおいて記憶され補正された座標値に基き、光学顕微鏡部４で観察されたものと同じ回路パターンに、電子ビーム１９が走査偏向器４４によりＸＹ方向に二次元に走査されて照射される。この電子ビームの二次元走査により、被観察部位から発生する二次電子および後方散乱電子５１が、上述した電子検出のための各部の構成および作用によって検出されることにより、電子ビーム画像が取得される。既に光学顕微鏡画像により簡便な検査位置確認や位置合せ、および位置調整が実施され、且つ回転補正も予め実施されているため、光学画像に比べ分解能が高く高倍率で高精度に位置合せや位置補正、回転補正を実施することができる。
【００４８】
なお、電子ビーム１９を被検査半導体ウエハ９に照射すると、その箇所が帯電する。この帯電は、時々像を歪ませるため、検査にとって悪い影響を与える。検査の際にその帯電の影響を避けるために、上記位置回転補正あるいは検査領域設定等の検査前準備作業において、電子ビーム１９を照射する回路パターンは予め被検査領域外に存在する回路パターンを選択するか、あるいは被検査チップ以外のチップにおける同等の回路パターンを制御部６から自動的に選択できるようにしておく。これにより、検査時に上記検査前準備作業により電子ビーム１９を照射した影響が検査画像に及ぶことはない。
【００４９】
次に、被検査ウエハ上の任意の領域について電気抵抗および電気容量の測定が実施される。入射エネルギー５００ｅＶ、電子ビーム電流１００ｎＡで画像を取得した。そのときに得られた画像で、図１２に示すような直線に並ぶプラグ４００のＡＢ間の二次電子および後方散乱電子の信号を、図１３に示す。この図の各グラフは、プラグにビームが照射された時間Ｔｅを０．１５〜４０μｓまで変えたものである。電子照射時間Ｔｅと共に、いくつかのピークは減少しているが、十分大きなＴｅ（今回の場合は２．５μｓ以上）においては安定した信号が得られた。
【００５０】
このような状態において、図７で述べたような計算結果により電気抵抗を求めたところ、図１４のような１０⁷〜１０¹⁰Ω（オーム）範囲の値（右縦軸）が得られた。次に、図１３に示す矢印のピークの電子照射時間Ｔｅ変化から電気容量を求めた。図１５に示すピークの強度とＴｅの関係において、計算により電気容量を求めたところ１０^-17Ｆ（ファラッド）という値が得られた。以降、この動作が繰り返されることにより、すべての選択された検査領域について電気抵抗および電気容量の測定が実行されていく。
【００５１】
また、この装置において、リターディング電圧を変化させたり、画像取得前にあらかじめ電子照射を行い絶縁部をある程度帯電させることにより、プラグ正面に形成されるポテンシャルを変化させ、図８、９のように抵抗測定の感度を変更することが可能である。図８によると、リターディング電圧を下げることによって測定範囲を狭めることができる。図９によると、絶縁部の帯電によって測定範囲を狭めることができる。なお、ここでは荷電粒子ビームとして電子ビームを用いたが、その代わりにイオンビームを用いても同様の測定が可能である。
【００５２】
（実施例２）
第２の実施例では、第１の実施例で説明した検査装置を用いて電子ビーム画像を取得し、画像記憶部４６に画像を記憶し、隣接する同等の回路パターンの画像同士を計算機４８で比較して、差信号レベルが所定の値より大きかった場合に上記電子ビーム画像のある箇所を欠陥部として認識し、その欠陥位置を表示する。
【００５３】
装置の詳細な説明は第１の実施例で述べているので省略する。この欠陥位置の画像信号レベルより計算機４８で電気抵抗および容量を計算し、欠陥部が正常部に対してどの程度抵抗あるいは容量が異なるかを求める。該欠陥部の画像取得方法として、３つの方法がある。
【００５４】
第一の方法は、上記画像を比較する検査を実施し、終了後に再度欠陥発生座標へ移動し、検査と同じ条件で画像を取得し、該画像より計算する方法である。
【００５５】
第二の方法は、第一の方法と同様に検査実施後に再度欠陥発生座標に移動し、検査とは異なる電子ビーム条件で画像を取得し、この画像取得条件との画像信号レベルの対応により欠陥部の電気抵抗や容量を計算する方法である。この第二の方法においては、検査と異なる画像取得条件として、ビーム電流や走査速度、照射回数を変える等があり、そのなかの一つの方法で画像を取得し計算しても、複数の条件で画像を取得して計算してもよい。
【００５６】
第三の方法は、検査実施中に欠陥と判定された画像は自動的に保存し、欠陥部の画像信号を読み出して計算する方法である。この場合には、検査終了後に再度欠陥部に移動して画像を再取得する必要はない。
【００５７】
このようにして、第２の実施例で検査を実施し、欠陥部の電気的不良レベルを表示する検査方法の例を示す。図１６は、例として、３００ｍｍφの半導体ウエハの検査実施後の欠陥部を含む回路パターン（ａ）と、それに隣接する同等の回路パターン（ｂ）を示す。この中の任意の欠陥を画面から指定すると、図１７に示すように、欠陥部の画像が表示され、同時に欠陥部の電気抵抗Ｒと電気容量Ｃ（図中、▲１▼１０¹⁰Ω、１０^-16Ｆの欠陥部と、▲２▼１０⁸Ω、１０^-17Ｆの欠陥部）が表示される。リファレンスとして、正常部の電気抵抗（１０⁷Ω）と電気容量（１０^-17Ｆ）も同様に表示させることができる。
【００５８】
また、各電気抵抗Ｒおよび電気容量Ｃの値から、各欠陥部の種類が判定できる。例えば、上記▲１▼のような欠陥部は、リファレンスと比較して、抵抗Ｒの増加、容量Ｃの増加からして残膜による完全非導通であり、上記▲２▼のような欠陥部は、容量Ｃは変化していないにもかかわらず、抵抗Ｒが増加していることから、コンタクトホールの埋め込んだプラグ材質の不良と判定できる。
【００５９】
（実施例３）
第３の実施例は、第１の実施例で述べた検査装置を用いて、電子ビーム画像を取得しながら同時に回路パターン位置の画像明るさを所定の明るさと比較することにより、画像明るさより求まる所定の電気抵抗と異なる抵抗の回路パターンを欠陥として検出する検査方法および検査装置である。
【００６０】
まず、図１８において、被検査ウエハ１８１を検査装置内にロードし、あらかじめ登録してある電子ビーム照射条件および信号検出条件を設定する。試料台１８０には、所定の電子ビーム条件における抵抗があらかじめわかっている標準サンプル１８２が貼り付けてある。検査を開始する前にこの標準サンプルの画像を取得し、抵抗および容量と電子ビーム画像信号レベルの対応を校正する。
【００６１】
また、被検査ウエハ１８１の抵抗あるいは容量の設計値に基づき、所定の許容レベル範囲を決めて設定しておく。その後に、被検査ウエハ１８１の任意の領域について電子ビーム画像を取得し、検査時に取得した画像明るさ信号と設定された許容レベルとを比較して、許容レベルからはずれた回路パターンを欠陥として認識し検出する。
【００６２】
（実施例４）
第４の実施例は、第１の実施例で述べた装置を用い、第３の実施例で述べた方法により電子ビーム画像明るさと電気抵抗および容量の対応を校正し、設定された任意の領域について電子ビーム画像を取得し、抵抗のレベルに応じて色を変えたり、等高線で表示する検査方法および検査装置である。図１９に検査結果の例を示す。抵抗レベルに応じて色を変えたり等高線表示をすることにより、抵抗絶対レベルの分布が求まる。
【００６３】
（実施例５）
第５の実施例では、実施例１に記述した装置を用いて、電子ビームを走査させない条件で所定の回路パターン部に照射し、該回路パターンの信号レベルの変化により電気抵抗および電気容量を測定した例を示す。ここでは、被検査基板９の任意の場所から放出され、検出される二次電子および後方散乱電子の数の和ＮＳＥの経時変化を測定することにより、電気抵抗および電気容量を見積もる。そのために、まず前工程として細く絞った電子ビーム１９を、その場所近傍に走査させることにより、その電位コントラスト像を得る。
【００６４】
その後、その画像から、任意の場所に電子ビームを照射させるための偏向条件を設定し、その条件で電子ビームを照射させ検出される二次電子および後方散乱電子の数の和ＮＳＥの経時変化を得る。そのときに得られた結果が、図２０である。この値は、電気抵抗１０⁸Ω、電気容量１０^-17Ｆとした計算結果とよく合う。このように、電気抵抗、および電気容量を決定することができた。
【００６５】
（実施例６）
第６の実施例は、実施例１で述べた装置を用い、例えば、半導体ウエハ２１２のレジスト２１３の残膜２１４を検査する方法および装置である。第３の実施例で述べた方法により電子ビーム画像明るさと電気抵抗および容量の対応を校正し、設定された任意の領域について電子ビーム画像を取得し、残膜を抵抗のレベルに置き換えて表示する検査方法および検査装置である。図２１に、検査結果の一例として、検査画像２１０、および検査画像２１０のＡ−Ｂ間の予測されるウエハ断面構造２１１を示す。残膜２１４の程度に応じて色を変えたり等高線表示をすることが可能である。
【００６６】
（実施例７）
第７の実施例は、実施例１で述べた装置を用い、回路が形成された３００ｍｍφの半導体ウエハの反完成品を全面検査する方法、装置である。第２の実施例で述べた方法により数時間でウエハ全面検査した結果を、図２２に示す。ここでは、１０⁸Ω以上の抵抗をもつ部位を欠陥２２０として表示してある。
【００６７】
（実施例８）
回路パターンの欠陥検査で、このパターンの電気抵抗値が電圧依存性を持った場合（例えば、ｐｎ接合部や、ショットキー接合部を持つ場合）の、適切な検査条件を提供した例を示す。
【００６８】
図２５は、ｐｎ接合（５０１はｐ型Ｓｉ、５０２はｎ型Ｓｉ）をもつコンタクトホールの例を示す断面図である。このようなコンタクトホールの導通不良検査を、入射エネルギー５００ｅＶの電子ビーム（ＩＰ＝１００ｎＡ）を用いて行った。リターディング電圧０Ｖのときの電位コントラスト像を図２６に示す。コンタクトホールの電位コントラストが小さく、欠陥部との判別が不能であった。
【００６９】
この原因を解明するために、正常なコンタクトホール、残膜をもつコンタクトホールの抵抗値の電圧依存性を測定した。結果を図２７の左のグラフに示す。正常なコンタクトホールが５０３、残膜をもつコンタクトホールが５０４である。正常な５０３のグラフは、順バイアス（電圧は負）では抵抗値は小さく、逆バイアス（電圧は正）では抵抗値が大きい。しかし、逆バイアスでも４Ｖ以上印加すればブレークダウンが起こり抵抗値は減少することがわかった。この場合、残膜をもつコンタクトホールの抵抗値５０４は高抵抗であるため、正常部と欠陥部の抵抗値の差は十分大きくなる。
【００７０】
一方、実施例１では、リターディング電圧（もしくはウエハ近傍の電場）を変化させた場合、図８のようにＮＳＥの抵抗依存性が変化し、抵抗値測定感度を変えることが可能であることを示した。このとき、同時に電子ビーム照射域の帯電電圧も変化している。リターディング電圧ＶRを変化させた場合について、帯電電圧の抵抗依存性を図２４に示す。入射エネルギーは５００ｅＶであり、全電子放出効率は１より大きく、正に帯電する。リターディング電圧ＶRの減少（０→−２８．５ｋＶ）によって、帯電電圧が増加していることがわかる。リターディング電圧が０Ｖの場合の帯電電圧は、最大でも３Ｖ程度である。すなわち、正常なコンタクトホールも抵抗値が十分大きいためリーク電流は発生せず、その程度の電圧まで帯電し、抵抗値が１０¹⁸Ω程度になる。このとき、図２７の右のグラフからわかるように放出電子数は少なく、電位コントラスト像は暗くなり、導通不良部と判別不可能となる。そのため、図２６のような電位コントラスト像が得られたものであると考えられる。
【００７１】
検査を可能にするためには、ｐｎ接合にブレークダウンを起こさせるほどの帯電電圧を生じさせることによって、ｐｎ接合の抵抗値を減少させる方法を用いた。リターディング電圧を−２８．５ｋＶにすることによって最大帯電電圧が５Ｖ以上になるため（図２４）、ｐｎ接合にブレークダウンが起こり、抵抗値は十分減少（１０⁸Ω以下）することが予測される。そのため、正常部と導通不良部の抵抗値に差が生ずる。また、図２７の右のグラフから、それらの電位コントラスト像（ＮＳＥ）に十分な差がつき、検査が可能になると思われる。そこで、実際に、リターディング電圧を−２８．５ｋＶにして、電位コントラスト像を取得した（図２８）。その結果、正常部と欠陥部の電位コントラスト像に十分な差が生じ、実施例２のように、欠陥部を「欠陥」と表示することができた。このように、帯電電圧の抵抗値依存性と回路の電気特性から電子ビーム照射条件を決定することができた。
【００７２】
また、ｐｎ接合に欠陥を持つもの（残膜無し）の検査も可能である。例えば、ｐｎ接合のｎ拡散層の濃度が十分でないという欠陥を持つため、低い帯電電圧でブレークダウンが生じ、抵抗値が小さいというものについての検査例を示す。その抵抗値は、図２７の５０５のように、正常なものと比較して小さい。この場合、リターディング電圧０Ｖで、検査可能である。正常なｐｎ接合ではブレークダウンが起こらないため抵抗値が十分大きく、電位コントラスト像は暗い。一方、欠陥のあるｐｎ接合はブレークダウンが起こるため抵抗が小さく、電位コントラスト像は明るくなる。電位コントラスト像は図２９のようになった。このように検査条件を決定することができた。
【００７３】
以上の場合、リターディング電圧を変化させたが、これはウエハ近傍の電場を変化させることが目的である。そのため、リターディング電圧を変化させる代わりに、対向する電極もしくは周辺の電極の位置を変位させ、ウエハ近傍の電場を変化させても同等の効果が得られる。
【００７４】
また、ここでは、リターディング電圧をパラメータにした場合について考察したが、他の電子ビーム照射条件（ビーム電流、ビームエネルギー、照射時間等）に関しても同様に、試料の特性に依存した最適な条件が存在する。
【００７５】
以上詳述した、これらの実施例では、荷電粒子ビームとして電子ビームを用いたが、その代わりにイオンビームを用いても同様の測定が可能である。
【００７６】
【発明の効果】
以上のように、本発明の検査方法および装置によれば、回路パターンを有する半導体装置、等の部分的に完成した基板の検査において、従来の検査装置では不可能であった、微小部分の電気抵抗および電気容量の測定に実現することができた。本発明を基板製造プロセスへ適用することにより、電気抵抗や電気容量を見積もることができるため、基板製造プロセスにいち早く異常対策処理を講ずることができ、その結果、半導体装置その他の基板の不良率を低減し生産性を高めることができる。
【００７７】
また、上記測定により、異常発生をいち早く検知することができるので、多量の不良発生を未然に防止することができ、さらにその結果、不良の発生そのものを低減させることができるので、半導体装置等の信頼性を高めることができ、新製品等の開発効率が向上し、且つ製造コストが削減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の検査装置の一実施例を示す構成図。
【図２】電子ビーム照射にともなうウエハ表面の帯電およびポテンシャル障壁の形成の様子を示す図。
【図３】二次電子および後方散乱電子の数の和ＮＳＥのエネルギーＥＳＥ分布を示す図。
【図４】半導体ウエハの断面構造を含んだ模式図
【図５】図４のコンタクトホールの等価回路の例を示す図。
【図６】検出される二次電子および後方散乱電子の数の和ＮＳＥの経時変化を示す図。
【図７】検出される二次電子および後方散乱電子の数の和ＮＳＥの電気抵抗Ｒ依存性を示す図。
【図８】リターディング電圧ＶＲを変えた場合の検出される二次電子および後方散乱電子の数の和ＮＳＥの電気抵抗Ｒ依存性を示す図。
【図９】プラグ周りの帯電電圧ＶＢを変えた場合の検出される二次電子および後方散乱電子の数の和ＮＳＥの電気抵抗Ｒ依存性を示す図。
【図１０】検出される二次電子および後方散乱電子の数の和ＮＳＥの電気抵抗Ｒ依存性の計算値と実験結果の比較を示す図。
【図１１】検出される二次電子および後方散乱電子の数の和ＮＳＥの経時変化の計算値と実験値の比較を示す図。
【図１２】実施例１で用いた半導体ウエハと電位コントラスト像を示す図。
【図１３】図１２の半導体ウエハの電位コントラスト信号を示す図。
【図１４】図１３の電位コントラスト信号と計算により算出された電気抵抗値を示す図。
【図１５】図１３における矢印のピーク強度のビーム照射時間変化を示す図。
【図１６】実施例２で得られた検査画像１を示す図。
【図１７】実施例２で得られた検査画像２を示す図。
【図１８】実施例３で用いる抵抗標準サンプル付き試料台を示す図。
【図１９】実施例４で得られた検査画像を示す図。
【図２０】実施例５で得られた検出される二次電子および後方散乱電子の数の和の経時変化の検査結果および計算値を示す図。
【図２１】実施例６で得られた検査画像を示す図。
【図２２】実施例７で得られた検査画像を示す図。
【図２３】電子ビーム照射条件の一例を示す図。
【図２４】リターディング電圧を変化させた場合の帯電電圧の抵抗依存性を示す図。
【図２５】ｐｎ接合をもつコンタクトホールを加工したウエハ断面を示す図。
【図２６】リターディング電圧が適切でない場合の電位コントラスト像を示す図。
【図２７】ｐｎ接合の抵抗値電圧依存性を示す図。
【図２８】リターディング電圧が適切である場合の電位コントラスト像を示す図。
【図２９】リターディング電圧が適切である場合の電位コントラスト像を示す図。
【符号の説明】
１：回路パターン検査装置、２：検査室、３：電子光学系、４：光学顕微鏡部、５：画像処理部、６：制御部、７：検出部、８：試料室、９：被検査基板、１０：電子銃、１１：引き出し電極、１２：コンデンサレンズ、１３：ブランキング偏向器、１４：絞り、１５：走査偏向器、１６：対物レンズ、１７：反射板、１８：Ｅ×Ｂ偏向器、１９：電子ビーム、２０：検出器、２１：プリアンプ、２２：ＡＤ変換器、２３：光変換器、２４：光ファイバ、２５：電気変換器、２６：高圧電源、２７：プリアンプ駆動電源、２８：ＡＤ変換器駆動電源、２９：逆バイアス電源、３０：試料台、３１：Ｘステージ、３２：Ｙステージ、３３：回転ステージ、３４：位置モニタ測長器、３５：被検査基板高さ測定器、３６：リターディング電源、４０：白色光源、４１：光学レンズ、４２：ＣＣＤカメラ、４３：補正制御回路、４４：走査信号発生器、４５：対物レンズ電源、４６：画像記憶部、４８：計算機、５０：モニタ、５１：二次電子および後方散乱電子、５２：第二の二次電子および後方散乱電子、６０：絶縁体、６１：電子ビーム照射領域、６２：試料交換室、６３：リターデイング電極、１８０：試料台、１８１：ウエハ、１８２：抵抗標準サンプル、２１０：検査画像、２１１：断面予想図、２１２：Ｓｉ、２１３：レジスト、２１４：レジストの残部、２２０：欠陥、４００：プラグ、４０１：コンタクトホール、４０２：ＳｉＯ２、４０３：残膜、４０４：オープン欠陥、４０５：ショート欠陥、４０６：電子ビーム、４０７：Ｓｉ、５０１：ｐ型Ｓｉ、５０２：ｎ型Ｓｉ、５０３：正常なｐｎ接合の抵抗値の電圧依存性、５０４：導通不良コンタクトホールの抵抗値の電圧依存性、５０５：欠陥をもつｐｎ接合の抵抗値の電圧依存性。

Claims

荷電粒子ビームを用いた検査方法において、
回路パターンが形成された被検査基板表面の所望の領域に対して所定のビーム照射条件で荷電粒子ビームを走査する工程と、
前記荷電粒子ビームの照射により前記領域から発生した二次電子または後方散乱電子を検出する工程と、
前記検出した二次電子または後方散乱電子の情報を基に電位コントラスト像を形成する工程と、
前記荷電粒子ビームの照射条件及び前記二次電子または後方散乱電子の検出条件に基づき、前記荷電粒子ビームの照射箇所の電気抵抗または電気容量をパラメータとして前記荷電粒子ビームの走査領域の画像を形成し、当該形成された画像が前記電位コントラスト像と一致するように当該電気抵抗または電気容量を決定する工程とを備えることを特徴とする検査方法。
請求項１に記載の検査方法において、
前記被検査基板は回路パターンを有するウエハであって、
前記回路パターンの電気抵抗値が電圧依存性を有することを特徴とする検査方法。
請求項１に記載の検査方法において、
前記電気抵抗値または電気容量の値より前記被検査基板の欠陥の種類を特定する工程を備えることを特徴とする検査方法。
請求項１に記載の検査方法において、
前記電気抵抗または電気容量の値が等高線表示、あるいは該値に応じて色を変えて表示されることを特徴とする検査方法。
請求項１から４のいずれか一項に記載の検査方法において、
前記荷電粒子ビームは電子ビームであることを特徴とする検査方法。