JP2004192906A

JP2004192906A - 電子顕微鏡

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Publication number: JP2004192906A
Application number: JP2002358146A
Authority: JP
Inventors: Ichiro Ando; 一郎安藤; Nobuo Iida; 信雄飯田; Masao Inoue; 雅夫井上; Atsushi Matsumoto; 温松本
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2002-12-10
Filing date: 2002-12-10
Publication date: 2004-07-08

Abstract

【課題】半導体ウエハ等の欠陥検査による高スループットの直接写像観察と、高分解能での走査像観察機能を備えた電子顕微鏡を提供すること。
【解決手段】本発明の電子顕微鏡は、電子銃と、電子銃から発生した一次電子ビームを試料へ細く集束した第１の状態とそれよりも広がった第２の状態で選択的に照射しうる複数の電子レンズから成る電子光学系と、試料上での一次電子ビームの照射位置を移動させるための電子ビーム偏向手段と、試料に一次電子ビームが照射された結果試料から発生した２次電子を検出する２次電子検出器と、像検出器と、ビームセパレータとから成る。ビームセパレータは、電子銃から発生し電子光学軸に沿ってビームセパレータに入射した一次電子ビームは常に電子光学軸に沿ってビームセパレータを出射し、試料から発生し一次電子ビームと逆向きに入射する２次電子は電子光学軸から離れる異なった第１及び第２の方向に選択的に偏向可能である。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子ビームを用いた半導体ウエハ等の欠陥や異物の検査に適した電子顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子の高集積化に伴い、半導体ウエハに形成される回路パターンの微細化に対する欠陥や異物等の検出に要求される分解能及び感度は、高くなっている。従来の光を試料に照射して反射光から欠陥等を検査する方法では、その分解能に限界がある。そこで、光学式に替わり電子線を回路パターンに照射し、発生する二次電子や反射電子、透過電子等を検出して、回路パターンの欠陥や異物を検出する検査装置として、例えば、走査電子顕微鏡や透過型又は反射型の電子顕微鏡が実用化されている。
【０００３】
走査電子顕微鏡は、対象領域全体を細く絞った電子ビームでくまなく走査することにより一枚の画像を取得するので、画像の取得には一定の時間を要する。従って、半導体基板の検査のスループットは、走査電子顕微鏡の画像取得の速度による制約がある。
【０００４】
このため、透過型又は反射型電子顕微鏡のような直接写像方式を用いることで、スループットを高めるアイデアがいくつか報告されている。直接写像を用いると、走査電子顕微鏡のように逐次走査を行う必要がなく、画像取得の高速度化が図れる。
【０００５】
例えば、特開平１１−１３２９７５号公報、発明名称「電子ビームを用いた検査方法及びその装置」では、試料表面に電子ビームを垂直に入射して１次元像又は２次元像を結像させ、回路パターンの欠陥を検出する直接写像方式の反射電子顕微鏡を提案している。
【０００６】
半導体基板の検査装置としての反射電子顕微鏡では、ある所定の面積を持った、例えば矩形状の電子ビームを電子ビーム照射手段にて形成して一次ビームとして試料に照射し、その試料表面の形状の変化に応じて発生した二次電子（以下、本明細書では二次電子と反射電子を総称して２次電子と呼ぶこととする）を取り出して写像投影手段にて電子検出部に拡大投影し、試料表面のパターン形状を反映した電子画像を得る。この取得した試料パターン像は、例えば標準試料の試料パターン像と比較し、差がある場合にその差の部分が回路パターンの欠陥であると検出される。
【特許文献１】
特開平１１−１３２９７５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記に述べたような従来の反射電子顕微鏡では、半導体ウエハの回路パターンの欠陥検査として電子ビームの電流量を大きくして、試料の広い範囲を同時に照射して、試料像を直接写像方式で検出することにより高いスループットで検査ができるが、回路パターンの欠陥を検出した後、その欠陥の原因究明のための詳細観察には、高い分解能でその欠陥の形状を確認することが必要とされる。従来の反射電子顕微鏡では高分解能で形状観察することには限界があり、通常は、他の高分解能走査電子顕微鏡に試料を移し変えて、回路パターンの欠陥の箇所の原因究明の解析を行っている。
【０００８】
本発明の目的は、半導体ウエハ等の欠陥検査において、高スループットで欠陥箇所を検出するための直接写像観察機能と、検出された欠陥箇所を高分解能で走査像観察する機能の両方の観察機能を備えた電子顕微鏡を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、本発明の電子顕微鏡は、電子銃と、電子銃から発生した一次電子ビームを試料へ細く集束した第１の状態とそれよりも広がった第２の状態で選択的に照射しうる複数の電子レンズから成る電子光学系と、試料上での一次電子ビームの照射位置を移動させるための電子ビーム偏向手段と、前記第１の状態で試料に一次電子ビームが照射された結果試料から発生した２次電子を検出する２次電子検出器と、前記第２の状態で試料に一次電子ビームが照射された結果試料から発生した２次電子が導入される像検出器と、前記電子光学系の試料に最も近い対物レンズよりも上流側の電子光学軸上に配置されるビームセパレータとから成り、ビームセパレータは、電子銃から発生し電子光学軸に沿ってビームセパレータに入射した一次電子ビームは常に電子光学軸に沿ってビームセパレータを出射し、試料から発生し一次電子ビームと逆向きにビームセパレータに入射する２次電子は電子光学軸から離れる異なった第１及び第２の方向に選択的に偏向可能であり、且つ第１の方向に偏向された２次電子が前記２次電子検出器に入射して検出され、第２の方向に偏向された２次電子が前記像検出器に入射して検出されるように構成されることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明に基づく直接写像と走査像との観察機能を備えた電子顕微鏡の概略構成を示す図である。この電子顕微鏡は、真空に維持された電子光学系１０１、写像検出系１０２、試料室１０３、及び、これらを制御する制御系より構成される。
【００１１】
電子光学系１０１は、電子銃１、集束レンズ２、複数の絞り形状を切換機構（図示せず）で選択することができる絞り３、ビームセパレータ４、対物レンズ５と、欠陥観察の高分解能走査像を得るための、走査コイル１２、２次電子検出器１３とから構成されている。なお、ビームセパレータ４の詳細な機構および動作は、図２を用いて後述する。
【００１２】
写像検出系１０２は、欠陥検査用の試料１０表面のパターンを反映した直接写像を得るための、像投影レンズ６、蛍光板７、ライトガイド８、撮像カメラ９とから構成されている。試料室１０３には、半導体ウエハ等の試料１０が試料ステージ１１上に載置されている。
【００１３】
これらを制御するための電子光学系１０１の制御系には、電子銃１の加速電圧、ビーム電流、ビーム出射角などの制御する電子銃電源２１、集束レンズ２及び対物レンズ６の励磁電流を制御するレンズ電源２２，２５、ビームセパレータ４を制御するビームセパレータ制御部２４と、２次電子検出器７の信号検出用のプリアンプ１４及び画像信号処理装置１５等が設けられている。写像検出系１０２の制御系には、投影レンズのレンズ電流を制御する投影レンズ電源２６、画像信号処理装置２９が設けられている。また、装置全体を制御するため、パソコン等のコンピュータから成る制御装置２０、及び表示装置２８を備えている。
【００１４】
始めに、欠陥箇所検出として直接写像観察するための基本動作について説明する。電子銃１から発生した電子ビームＥｂは、集束レンズ２によって収束され、絞り３を照射する。なお、絞り３は、予め制御装置２０より直接写像に適した比較的大きな矩形開口を有する絞りに選択設定されている。絞り３を通過した電子ビームＥｂは、ビームセパレータ４、対物レンズ６によって、試料１０表面上に所定の面積を持った矩形絞り開口の結像を形成して照射される。この試料１０には電子ビームの照射エネルギーを減速するために高圧電源２７より負電圧が印加されている。このように、試料１０に負電圧を印加して試料１０直前で電子ビームＥｂを減速させる方法をリターディング法と称する。このリターディング法では、高いエネルギーを持った電子ビームＥｂを対物レンズ５領域を通過させることにより、対物レンズ５から受ける収差を低減させることができる。また、電子ビームＥｂの試料１０への入射エネルギーを抑えて試料１０のダメージを低減することができる。
【００１５】
所定の面積を持った矩形電子ビームＥｂは、上記の負電圧によって試料１０の手前で減速されて試料１０に照射され、試料１０より二次電子Ｓｅが発生する。この二次電子Ｓｅは、ビームセパレータ４を介して左に９０°曲げられ写像検出系１０２に入射する。
【００１６】
図２にビームセパレータ４の構成の一例を示す。このビームセパレータ４は、Ｚ軸（電子光学軸）に沿って電場、磁場及び電場（Ｅ＋Ｂ＋Ｅ）の順に近接配置された３つの場を有する。具体的には、Ｚ軸を挟んで対向配置され、Ｚ軸に直交するＸ軸方向の偏向電場を発生するための第１の一対の電極３０ａ、３０ｂと、紙面に対して垂直方向（Ｙ軸方向）に貫通する磁束を発生する一対の磁極３１と、電極３０ａ、３０ｂと同様にＺ軸を挟んで対向配置される第２の一対の電極３２ａ、３２ｂを備えている。図中のＥｂとＳｅはビームセパレータ４を通過する一次電子ビームＥｂ（実線）と試料１０より発生した二次電子Ｓｅ（点線）の軌跡を示している。図２（ａ）と（ｂ）に示すように、ビームセパレータ４を通過する電子の軌跡は、電界と磁界の極性を変えることにより偏向することができる。この電子の軌跡の偏向は、電場と磁場の極性と強度をビームセパレータ制御部２４を通じて制御装置２０によって制御される。
【００１７】
本実施例で直接写像像観察を行う際には、図２（ａ）に示すように、Ｚ軸に沿ってビームセパレータに入射した一次電子ビームＥｂ（実線）は、電極３０ａ、３０ｂにより発生されるＸ軸方向偏向電場によりＸ軸（＋）方向に偏向された後磁場内で円運動し、更に電極３２ａ、３２ｂにより発生される偏向電場による偏向を受けてＺ軸に沿って出射される。この一方、試料１０より発生した二次電子Ｓｅ（点線）は、この二次電子に対して磁界による力と電界による力とが同一方向に作用して９０°偏向され、Ｘ軸（＋）方向に出射される。
【００１８】
その結果、図１に示すように、ビームセパレータ４より出射し写像検出系１０２の光軸に沿って入射した二次電子Ｓｅは、投影レンズ６によって蛍光板７上に拡大投影され、試料１０表面のパターンを反映した光学像が得られる。蛍光板７上の光学像（試料像）は、ライトパイプ８を介して撮像カメラ９に伝送され、撮像カメラ９は、その光学像を電気的な画像信号に変換して出力する。出力された画像信号は、画像信号処理装置２９に入力されて各種の信号処理がなされた後、画像データとして制御装置２０に送られる。制御装置２０は、この画像データを表示部２８に試料のパターン像として表示する。
【００１９】
以上、直接写像観察方式において得られた試料上の所定領域のパターン像は、予め制御装置２０において記憶されている標準試料のパターン像と比較され、差が有る場合にその差の部分が回路パターンの欠陥であると検出される。
【００２０】
次に、欠陥箇所を走査像で観察するための基本動作について説明する。欠陥箇所を観察する場合には、通常の走査電子顕微鏡と同程度の高い分解能での像観察が必要とされるため、電子ビームＥｂの電流を数ｐＡから数百ｐＡ程度とし、電子ビームＥｂ径を試料１０上でｎｍオーダに細く絞る必要がある。このため、制御部２０によって、絞り３は比較的小さな円形のものが選択されると共に電子銃１からの電子ビームＥｂの電流や、集束レンズ２、絞り３、対物レンズ５等の電子光学条件も高分解能走査像観察の設定条件に設定されるように電子銃電源２１，レンズ電源２２，２５を介して制御する。また、走査コイル１２には、走査信号発生回路２３から観察倍率に応じた２次元走査信号が供給される。
また、制御装置２０は、ビームセパレータ４の電界と磁界の極性が、図２（ｂ）に示すように、直接写像観察時（図１（ａ）に示す）とは反転するようにビームセパレータ制御部２４を介して変更する。これにより、Ｚ軸に沿って入射した一次電子ビームＥｂは、磁界による力と電界による力とが図２（ａ）とは逆方向に作用して図２（ｂ）に示すようにＺ軸に沿って出射される。一方、試料より発生した二次電子Ｓｅ’は、この二次電子Ｓｅ’に対して磁界による力と電界による力とが同一方向に作用して９０°偏向され、Ｘ軸の（−）に沿って出射される。その結果、図１に示すように、ビームセパレータ４を出射した二次電子Ｓｅ’は２次電子検出器１３で検出できるようになる。
【００２１】
このような走査像観察条件の下で、走査コイルに走査信号を供給して、試料の対象領域を一次電子ビームＥｂにより走査すれば、試料１０より発生した二次電子Ｓｅ’は、ビームセパレータ４により偏向され、２次電子検出器１３に入射して検出される。２次電子検出器１３は図示していながシンチレータと光電子増倍管とを組み合わせた構造を有しており、先端に設けられた円形のシンチレータの周囲部分にはリング状の電極が設けられ、その電極には二次電子Ｓｅ’を引き寄せる正の１０ｋＶ程度の電圧が印加されている。２次電子検出器１３からの検出信号は、プリアンプ１４を介して画像信号処理装置１５に入力され、所望の画像処理が施される。画像処理が施された画像信号は、制御装置２０に入力され試料１０の高分解能の走査像として表示装置２８に表示して、欠陥箇所に対して構造の欠陥の解明を行う。
【００２２】
以上、本発明によって、同一の光学鏡体を用いて直接写像観察による高速の回路パターンの欠陥検査と、走査電子顕微鏡による高分解能の欠陥観察との両立させることができる。従来のように、欠陥の観察の際、他の走査型電子顕微鏡に試料を移し変える必要がなくなった。
【００２３】
以上本発明の一実施例について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものでない。例えば、表示装置２８には、欠陥検査の直接写像と欠陥観察の走査像を単独でも、同時にでも表示できる。また、上記実施例では、ビームセパレータとして電場−磁場−電場の順序で近接配置されるものを用いたが、磁場−電場−磁場の順序で近接配置される形式、あるいは電場と磁場が重畳される形式のビームセパレータを用いることができる。それらの場合でも、２次電子の振り分けは電場及び磁場の極性を反転させることにより可能である。
【００２４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、回路パターンの欠陥検査に反射型電子顕微鏡として高速検査と、欠陥の観察に走査型電子顕微鏡として高分可能観察の両方の目的を満足できる電子顕微鏡が実現された。
【００２５】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の直接写像と走査像とを選択的に観察可能な電子顕微鏡の基本構成を示す機能ブロック図である。
【図２】本発明のビームセパレータの動作説明図である。
【符号の説明】
１…電子銃、２…集束レンズ、３…絞り、４…ビームセパレータ、５…対物レンズ、６…像投影レンズ、７…蛍光板、８…ライトガイド、９…撮像カメラ、１０…試料、１１…試料ステージ、１２…走査コイル、１３…２次電子検出器、１４…プリアンプ、１５、２９…画像信号処理装置、２０…制御装置、２１…電子銃電源、２２、２５…レンズ電源、２３…走査信号発生回路、２４…ビームセパレータ制御部、２６…投影レンズ電源、２７…高圧電源、２８…表示装置

Claims

電子銃と、電子銃から発生した一次電子ビームを試料へ細く集束した第１の状態とそれよりも広がった第２の状態で選択的に照射しうる複数の電子レンズから成る電子光学系と、試料上での一次電子ビームの照射位置を移動させるための電子ビーム偏向手段と、前記第１の状態で試料に一次電子ビームが照射された結果試料から発生した２次電子を検出する２次電子検出器と、前記第２の状態で試料に一次電子ビームが照射された結果試料から発生した２次電子が導入される像検出器と、前記電子光学系の試料に最も近い対物レンズよりも上流側の電子光学軸上に配置されるビームセパレータとから成り、ビームセパレータは、電子銃から発生し電子光学軸に沿ってビームセパレータに入射した一次電子ビームは常に電子光学軸に沿ってビームセパレータを出射し、試料から発生し一次電子ビームと逆向きにビームセパレータに入射する２次電子は電子光学軸から離れる異なった第１及び第２の方向に選択的に偏向可能であり、且つ第１の方向に偏向された２次電子が前記２次電子検出器に入射して検出され、第２の方向に偏向された２次電子が前記像検出器に入射して検出されるように構成されることを特徴とする電子顕微鏡。
前記ビームセパレータは、接近又は重畳して配置される互いに直交する方向を有する偏向電場及び磁場とから構成され、磁場及び偏向電場の極性の切換により２次電子の偏向方向を２方向に切換可能であることを特徴とする請求項１記載の電子顕微鏡。