JP2007212398A - 基板検査装置および基板検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】歪みが無く、コントラストの良い検出画像を取得する。
【解決手段】電子ビームを生成して試料Ｓに照射する電子銃部２０と、電子ビームの照射により前記試料の表面から発生した二次電子、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する電子検出部４０と、を含む電子ビーム装置１０を備える基板検査装置１において、イオンを生成し、電子銃１０部による電子ビームの照射に先立って試料Ｓにイオンを照射することにより、試料Ｓの表面層における局所的な電位差を解消する表面電位均一化装置１５０をさらに備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、基板検査装置および基板検査方法に関し、例えば電子ビームを用いた半導体パターン等の検査および観察を対象とする。

半導体パターンの欠陥検査に際して電子ビームを用いる手法が使用されている。具体的には、矩形状の電子ビームを電子照射手段にて形成して一次ビームとして試料に照射し、その試料表面に発生した二次電子、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。）を二次ビームとして写像投影光学手段にて電子検出部に拡大投影し、試料表面画像を得る手法が提案されている（例えば、特許文献１）。さらに、特許文献１に記載の手法に加え、一次ビームを電界磁界重畳型偏向器であるウィーンフィルタにて偏向させ、試料表面に対して垂直に入射させ、なおかつ二次ビームを同一のウィーンフィルタ内を直進させて写像投影光学手段に導入する方法も提案されている。

しかしながら、例えば特許文献２に開示の装置を用いて試料に一次ビームを照射すると、試料表面または表面近傍層の形状や材質に応じて、試料表面の電位に局所的な差が発生する。また、一次ビームの照射前でも、試料表面状態の帯電状況によって、表面電位に局所的な差が生じる。

例えば、金属配線部と配線間絶縁体部とが共存する集積回路ウェーハの試料表面において、絶縁体部の表面が正に帯電している場合や、絶縁体部の表面が負に帯電している場合は、金属配線部と絶縁体部との境界付近において、試料表面に対して平行でない局所的な電位勾配が発生する。この電位勾配は、上記境界付近の金属配線部内の箇所および絶縁体部内の箇所から放出した二次電子ビームが二次光学系でその軌道を制御されてＭＣＰ検出器に結像する際に、不正な偏向作用をもたらし、正確な写像投影を行うための理想的な電子ビーム軌道から外れて、歪曲した電子ビーム軌道になる。その結果、二次ビームの結像を妨げてしまい、二次電子ビーム検出画像の歪やコントラスト低下の原因となる。その結果、検査装置の欠陥検出性能の低下を招くという問題が生じていた。
特開平７−２４９３９３号公報 特開２００２−２２２６３５号公報

本発明の目的は、基板の表面電位勾配を低減することにより、歪みが無く、コントラストの良い検出画像が得られる基板検査方法および基板検査装置を提供することにある。

本発明は、以下の手段により上記課題の解決を図る。

即ち、本発明によれば、
電子ビームを生成して基板に照射する電子ビーム照射手段と、
前記電子ビームの照射により前記基板の表面から発生した二次電子、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前記基板表面の状態を表す画像を構成する信号を出力する電子検出手段と、
イオンを生成し、前記電子ビームの照射に先立って前記基板に照射する表面電位均一化手段と、
を備える基板検査装置が提供される。

また、本発明によれば、
電子ビームを生成して基板に照射する工程と、
前記電子ビームの照射により前記基板の表面から発生した二次電子、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前記基板表面の状態を表す画像を構成する信号を取得する工程と、
イオンを生成して前記電子ビームの照射に先立って前記基板に照射する工程と、
を備える基板検査方法が提供される。

本発明によれば、基板の表面電位が均一化され、歪みが無く、コントラストの良い検出画像を得ることができる。

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装置の実施の一形態を示すブロック図である。同図に示す基板検査装置１は、電子ビーム装置１０と、本実施形態において特徴的な表面電位均一化装置１５０とを備える。電子ビーム装置１０は、電子ビーム装置チャンバＣＲｅと、このチャンバＣＲｅの上に配設される電子ビーム鏡筒Ｂｒと、各種制御部２６，２７，５１〜５７，１５９と、電子検出部４０と、画像処理部７１と、試料であるウェーハ基板Ｓを支持するステージ６１と、ステージ駆動装置６３と、ホストコンピュータ８０と、表示部７３と、表面電位均一化装置チャンバＣＲｓと、電源１５３，１５４とを備える。

電子ビーム装置チャンバＣＲｅはステージ６１を収納し、図示しない真空ポンプに接続されて検査の間チャンバ内が高真空に維持される。電子ビーム装置チャンバＣＲｅはまた、ゲートバルブ１６１を介して表面電位均一化装置チャンバＣＲｓに接続される。

電子ビーム鏡筒Ｂｒは、一次光学系Ｏｐと二次光学系Ｏｓとウィーンフィルタ(Wien filter)４９とを含み、その頂面部に電子検出器４０が配設される。一次光学系Ｏｐは、電子銃部２０と４極子レンズ２５とを含む。

電子銃部２０は、長軸１００〜７００μｍ、短軸１５μｍの矩形の電子放出面をもつＬａＢ_６線状陰極２１、ウェーネルト(Wehnelt)電極２２、電子ビームの引き出しを行う陽極２３、光軸調整用の偏向器２４を含む。線状陰極２１、ウェーネルト電極２２、陽極２３および偏向器２４は、電子銃制御部２６に接続され、これにより、一次ビームＥｐの加速電圧、出射電流および光軸が制御される。四極子レンズ２５は、四極子レンズ制御部２７に接続され、その制御信号により電子ビームの絞り込みを行う。

線状陰極２１より放出した電子ビームは複数段の四極子レンズ２５によって収束され、一次ビームＥｐとしてウィーンフィルタ４９に対して斜めから入射する。一次ビームＥｐはウィーンフィルタ４９によって偏向され、試料であるウェーハＳに対して垂直な軌道を通る。一次ビームＯｐはその後、回転対称静電レンズであるカソードレンズ３１によってレンズ作用を受け、試料Sに対して垂直に照射される。

基板Ｓはステージ６１上に載置される。本実施形態の基板検査装置１では、図１において矢印Ｄｓで示すように、ステージ６１の移動により基板Ｓの表面が走査されるステージスキャン方式を採用している。ステージ６１は、ステージ電圧制御部５１に接続され、これにより基板Ｓに負電圧が印加できるようになっている。この機構は、一次ビームＥｐによる基板Ｓへの入射ダメージを低減し、一次ビームＥｐの照射によって、基板Ｓの表面の形状／材質／電位分布に応じて発生した二次電子等で構成される二次ビームＥｓのエネルギー向上を目的としたものである。

二次光学系Ｏｓは、回転対称静電レンズであるカソードレンズ３１、第二レンズ３２、第三レンズ３３、第四レンズ３４と、ウィーンフィルタ４９とカソードレンズ３１との間の二次光学系の光軸に垂直な平面Ｓ１内に配置された開き角絞り３５、第二レンズ３２と第三レンズ３３との間に設置された視野絞り３６と、を含む。

カソードレンズ３１、第二レンズ３２、第三レンズ３３、第四レンズ３４は、それぞれ二次光学系レンズ制御部５２、５４、５５、５６に接続され、これらの制御部によって制御され、一次ビームＥｐの照射により基板Ｓの表面から発生した二次電子等を導いて二次ビームＥｓとして投影結像を行う。二次ビームＥｓの倍率色収差を抑えるために平面Ｓ１の位置に開き角絞り３５を配置し、二次ビームＥｓについてカソードレンズ３１と第二レンズ３２とを合わせて１回の結像を行なっている。また、この構造では開き角絞り３５によって一次ビームＥｐの基板Ｓ上の照射領域を制限してしまうため、その解決策として、開き角絞り３５から基板Ｓに至るまでの一次ビーム軌道を、開き角絞り３５上に焦点をもつように入射させ、カソードレンズ３１によってレンズ作用を与え、基板Ｓに対して垂直に照射させるケーラー照明系にする手法を用いている。

電子検出部４０は、ＭＣＰ検出器４１、蛍光板４２、ライトガイド４３、および、ＣＣＤ等の撮像素子４４を含む。ＭＣＰ検出器４１に入射した二次ビームＥｓは、ＭＣＰ（Multi Channel Plate）により増幅されて蛍光板４２に照射され、そこで発生した蛍光像がライトガイド４３を介して撮像素子４４にて検出され、画像処理部７１を介して一次元または二次元の画像を構成する信号としてホストコンピュータ８０に転送され、画像データとして保存されるほか、画像処理等の欠陥検出処理、表示装置７３上への画像表示などが行われる。

ホストコンピュータ８０は、各種制御部２６，２７，５１〜５７，１５９，電源１５３，１５４と、画像処理部７１、ステージ駆動装置６３にも接続され、これらの部位を介して検査装置全体を制御する。

表面電位均一化装置１５０は、電子ビーム装置チャンバＣＲｅとゲートバルブ１６１で仕切られた表面電位均一化チャンバＣＲｓ内に設置される。電子ビーム装置チャンバＣＲｓの頂面にはガス導入ユニット１５８が設けられ、このガス導入ユニット１５８からガスが図１の破線矢印ＧＦｎに示すように表面電位均一化チャンバＣＲｓ内に流入し、排気口１６３にて排出される。このように、表面電位均一処理中、表面電位均一化チャンバＣＲｓ内では絶えず気体が滞ることなく流れるように制御されている。ガス流入ユニット１５８は、ガス流入ユニットコントローラ１５９に接続され、ガス流入ユニットコントローラ１５９から送られる制御信号に従いガス成分比や流量の調整を行う。

表面電位均一化装置１５０は、イオンを発生させる気体放電発生源となる第一電極１５１と第二電極１５２と、これらの電極１５１，１５２にそれぞれ接続されて電極１５１，１５２に電圧をそれぞれ印加する第一電極印加電源１５３、第二電極印加電源１５４と、をさらに含む。本実施形態において、第一電極１５１は丸棒の形状を有し、第二電極１５２はコの字の断面形状を有し、底面がメッシュ状に加工されている。

図２および図３を参照しながら、表面電位均一化装置１５０の動作原理を説明する。図２は基板Ｓの表面電位を負電位に均一化する場合の動作原理を示し、図３は基板Ｓの表面電位を正電位に均一化する場合における動作原理を示す。

まず、図２を参照にしながら基板Ｓの表面を負電位に均一化する動作原理について説明する。

第一電極印加電源１５３よりＶｈ（−数ｋＶ）の電圧を第一電極１５１に印加し、第二電極印加電源１５４よりＶｃ（０〜−数十Ｖ）の電圧を第二電極１５２に印加すると、第一電極１５１と第二電極１５２間で気体放電が起こり、電極間内の気体が電離してイオンが発生し、または極性を有するクラスタ粒子が発生する。発生したイオンのうち、負イオン１５５ｉおよび負極性クラスタ粒子１５５ｃは、第二電極１５２から第一電極１５１に向かう電界により第二電極１５２に向かって進行する。進行した負イオン１５５ｉおよび負極性クラスタ粒子１５５ｃは、第二電極１５２底部に形成されたメッシュ１５２ｂを通過した後に基板Ｓの表面へ到達し、基板Ｓ表面の正帯電部との電荷交換を行なったり、基板Ｓに付着したりして、基板Ｓの表面電位を負電位に均一化していく（図２（ａ））。基板Ｓの表面電位Ｖｓが第二電極印加電位Ｖｃと同じになり（図２（ｂ））、さらに基板Ｓの表面電位がＶｓ≦Ｖｃになると（図２（ｃ））、メッシュ１５２ｂから基板Ｓの表面に向かう電界が形成されることにより、メッシュ１５２ｂを通過した負イオン１５５ｉおよび負極性クラスタ粒子１５５ｃは、基板Ｓの表面に到達できなくなり、基板Ｓの表面電位はＶｓ（≒Ｖｃ）に保たれる。この表面電位均一化処理中は、基板Ｓをフローティング（Floating）状態にする必要がある。

次に、ウェーハ基板Ｓの表面を正電位に均一化する動作原理について図３を参照にしながら説明する。第一電極印加電源１５３からＶｈ（＋数ｋＶ）を第一電極１５１に印加し、第二電極印加電源１５４からＶｃ（０〜数十Ｖ）を第二電極１５２に印加すると、第一電極１５１と第二電極１５２間で気体放電が起こり、電極間内の気体が電離してイオンが発生し、または極性を有するクラスタ粒子が発生する。発生したイオンのうち、正イオン１５６ｉおよび正極性クラスタ粒子１５６ｃは第一電極１５１から第二電極１５２に向かう電界により第二電極１５２に向かって進行する。進行した正イオン１５６ｉおよび正極性クラスタ粒子１５６ｃは、第二電極１５２底部のメッシュ１５２ｂを通過した後に、正イオン１５６ｉおよび正極性クラスタ粒子１５６ｃが基板Ｓの表面へ到達し、基板Ｓ表面の負帯電部との電荷交換をおこなったり、基板Ｓに付着したりして、基板Ｓの表面電位を正電位に均一化していく（図３（ａ））。基板Ｓの表面電位Ｖｓが第二電極電位Ｖｃと同じになり（図３（ｂ））、さらに基板Ｓの表面電位がＶｓ≧Ｖｃになると（図３（ｃ））、メッシュ１５２ｂから基板Ｓ表面に向かう電界が形成され、これにより、メッシュ１５２ｂを通過した正イオン１５６ｉおよび正極性クラスタ粒子１５６ｃが基板Ｓ表面に到達できなくなり、基板Ｓの表面電位はＶｓ（≒Ｖｃ）に保たれる。図２に示す場合と同様に、この表面電位均一化処理中も、基板Ｓをフローティング（Floating）状態にする必要がある。

表面電位を０Ｖに均一化したい場合は、図２の負帯電均一化処理の後に、第二電極電圧Ｖｃを０Ｖに設定して図３の正帯電処理を行うか、または図３の正帯電処理の後に第二電極電圧Ｖｃを０Ｖに設定して図２の負帯電処理を行えばよい。

本実施形態の表面電位均一化装置１５０において、表面電位均一化を行うためのガス種は、正の表面電位を求めるためには正イオンとなるガス種（例えばＮ_２）を導入し、また、負の表面電位が望まれる場合には負イオンとなるガス種を（例えばＯ_２）導入すればよい。正負両方のイオン種を含む空気を導入することにより、簡易かつ低コストで装置を構成できる。しかし、大気中で気体放電を起こした場合、発生した窒化酸化物（ＮＯ_Ｘ）が大気中のＨ_２Ｏと反応してＨＮＯ_３となり、これらがウェーハ基板Ｓに付着して表面を汚染し、検査感度を低下させる恐れがある。その場合は、脱水した空気を表面電位均一化装置チャンバＣＲｓ内に導入して、表面電位均一化を行えば良い。

（２）基板検査方法
図４は、本実施形態の基板検査装置１を用いた基板検査方法の概略手順を示すフローチャートである。同図に示すように、まず、検査対象基板Ｓを表面電位均一化装置チャンバＣＲｓにロードする（Ｓ１）。次に、検査対象基板Ｓの表面のレイアウトや表面構造の材質等に基づいて画像を構成する信号が最も多く取得できるように、ＥＢ検査装置用の検査条件を決定する（Ｓ２）。次に、決定したＥＢ検査装置検査条件から検査対象基板Ｓの表面における帯電状況が予測できるので、画像の歪みが生じないように表面電位均一化条件を決定し、ホストコンピュータ８０から第一電極印加電源１５３、第二電極印加電源１５４、ガス流入ユニットコントローラ１５９に、各電極への印加電圧、ガス成分、ガス流量を設定するための指令信号を送る（Ｓ３）。例えば、ＥＢ検査条件が正帯電条件の場合は、ＥＢ検査時に表面電位が均一になるように表面負電位均一化条件に設定を行う。また、電子ビーム検査条件が負帯電条件の場合は、ＥＢ検査時に表面電位が均一になるように表面正電位均一化条件に設定を行う。次に、ホストコンピュータ８０から送られる指令信号に従い、第一電極印加電源１５３および第二電極印加電源１５４から第一電極１５１および第二電極１５２へ各電圧を印加し、ガス流入ユニットコントローラ１５９からガス流入ユニット１５８の制御を行う（Ｓ４）。これにより、表面電位均一処理を実施する（Ｓ５）。表面電位均一処理が終了すると、表面電位均一化装置チャンバＣＲｓ内の排気を実施する（Ｓ６）。次に、ゲートバルブ１６１を開けて、検査対象基板Ｓを電子ビーム装置１０のチャンバＣＲｅ内にロードする（Ｓ７）。次に、ゲートバルブ１６１を閉めた後、電子ビーム装置１０を用いて基板Ｓの検査を実施する（Ｓ８）。

本実施形態の基板検査方法による効果について図５〜７を参照しながらより具体的に説明する。

図５および図６は、従来の技術による問題点を説明する図である。両図に示すとおり、金属配線部ＭＷと配線間絶縁体部ＩＰが存在する集積回路ウェーハＳの表面において、図５のように絶縁体部ＩＰ表面が正に帯電している場合や、図６のように絶縁体部ＩＰ表面が負に帯電している場合は、金属配線部ＭＷと絶縁体部ＩＰとの境界ＢＤ付近で、ウェーハＳの表面に対して平行でない局所的な電位勾配が発生する。この電位勾配は、境界ＢＤ付近の金属配線部ＭＷ内の点Ｐ２および絶縁体部ＩＰ内の点Ｐ４から放出した二次電子ビーム軌道が二次光学系Ｏｓで制御されＭＣＰ検出器４１に結像する際に、不正な偏向作用を行い、電子ビーム軌道ＴＪ_ＩＰ２やＴＪ_ＩＰ４のような正確な写像投影を行うための理想的な電子ビーム軌道から外れて、ＴＪ_ＲＰ２やＴＪ_ＲＰ４のような曲がった電子ビーム軌道になる。その結果、二次ビームＥｓの結像を妨げてしまい、二次電子ビーム検出画像の歪やコントラスト低下の原因となる。

本実施形態の基板検査方法によれば、イオンおよびクラスタ粒子の照射により、絶縁体部ＩＰの電位は、金属配線部ＭＷに対して＋数Ｖまたは−数Ｖであった初期状態から次第に変化し、例えば図７に示すように、金属配線部ＭＷと同電位になる。この状態での二次ビーム軌道Ｅｓｐ２，Ｅｓｐ４は、正確な写像投影を行うための理想的な電子ビーム軌道ＴＪ_ＩＰ２，ＴＪ_ＩＰ４とそれぞれ同じになる。この結果、歪やコントラスト低下のない検出画像を取得することができる。

（３）半導体装置の製造方法
上述した基板検査方法を半導体装置の製造工程中で用いることにより、高い精度で基板を検査することができるので、より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できる。

より具体的には、製造ロット単位で半導体基板を抜き出し、抜き出された半導体基板に形成されたパターンを上述した基板検査方法により検査する。検査の結果、良品と判定された場合、検査された半導体基板が属する製造ロット全体について、引き続き残余の製造プロセスを実行する。この一方、検査の結果不良品と判定された場合でリワーク処理が可能な場合には、不良品と判定された半導体基板が属する製造ロットに対してリワーク処理を実行する。リワーク処理が終了すると、その製造ロットから半導体基板を抜き取って再度検査する。抜き取られた半導体基板が再検査により良品と判定されると、リワーク処理を終えたその製造ロットに対し残余の製造プロセスを実行する。また、リワーク処理が不可能な場合には、不良品と判定された半導体基板が属する製造ロットは廃棄し、不良発生原因を解析して設計担当や上流のプロセス担当等へフィードバックする。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記形態に限ることなくその技術的範囲内で種々適用できることは明らかである。例えば、上述した実施形態では、ウィーンフィルタを含む写像投影光学系を備える場合について説明したが、本発明はこれに限ることなく、これ以外のＥＢ（Electron Beam）装置およびＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）装置一般に適用可能である。また、ステージスキャン方式の基板検査装置について説明したが、偏向器を用いたビームスキャン方式の基板検査装置にも適用できることは勿論であり、また、これらのスキャン方式の両方を備える基板検査装置にも適用可能である。さらに、電極１５１，１５２等の形状やサイズも検査装置の仕様や検査目的に応じて適宜変更可能である。

本発明にかかる基板検査装置の実施の一形態を示すブロック図である。 図１に示す基板検査装置が備える表面電位均一化装置により基板の表面電位を負電位に均一化する場合の動作原理を示す説明図である。 図１に示す基板検査装置が備える表面電位均一化装置により基板の表面電位を正電位に均一化する場合の動作原理を示す説明図である。 図１に示す基板検査装置を用いた基板検査方法の概略手順を示すフローチャートである。 従来技術の問題点を説明する図である。 従来技術の問題点を説明する図である。 図４に示す基板検査方法の効果を説明する図である。

符号の説明

１：電子ビーム検査装置
１０：電子ビーム装置
２０：電子銃部
４０：電子検出部
１５０：表面電位均一化装置
１５１：第１電極
１５２：第２電極
Ｏｐ：一次光学系
Ｏｓ：二次光学系
Ｓ：基板
Ｖｈ：第１電極印加電圧
Ｖｃ：第２電極印加電圧

Claims (5)

1. 電子ビームを生成して基板に照射する電子ビーム照射手段と、
   前記電子ビームの照射により前記基板の表面から発生した二次電子、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前記基板表面の状態を表す画像を構成する信号を出力する電子検出手段と、
   イオンを生成し、前記電子ビームの照射に先立って前記基板に照射する表面電位均一化手段と、
   を備える基板検査装置。
2. 前記表面電位均一化手段は、前記電子ビームの照射により予測される前記基板表面の帯電状態に応じて前記イオンの極性および前記基板の表面電位の設定値を制御することを特徴とする請求項１に記載の基板検査装置。
3. 前記表面電位均一化手段は、
   前記基板に照射するイオンの極性と同極性の電圧が印加可能な第１の電極と、
   所望の基板表面電位とほぼ同等の電位から０電位までの間の電圧が印加可能な第２の電極と、を有する電極対を含むことを特徴とする請求項２に記載の基板検査装置。
4. 前記表面電位均一化手段は、大気中での気体放電により前記イオンを生成する、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の基板検査装置。
5. 電子ビームを生成して基板に照射する工程と、
   前記電子ビームの照射により前記基板の表面から発生した二次電子、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前記基板表面の状態を表す画像を構成する信号を取得する工程と、
   イオンを生成して前記電子ビームの照射に先立って前記基板に照射する工程と、
   を備える基板検査方法。

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