JP5336683B2 - 微小構造欠陥の検出 - Google Patents
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Description
(1) バイアス電圧:ウェーハチャックと帯電プレートとの間の電圧を用いて表面上の平衡帯電電位を制御する。帯電プレートとウェーハチャックとの間のバイアス電圧は放射二次電子の一部を反発して、バイアス電界の影響を打ち消すのに十分な負電位に表面が帯電するまでそれら二次電子を表面に戻らせる。物理的寸法は同じで、p型n型拡散領域、ゲート、分離ウェルなどへの下層接続の異なる微小構造を画像形成する際には、このシステムは正極性電圧コントラストモードで動作し、次に負極性電圧コントラストモードに切り替わり、これら微小構造の見かけ上の寸法の差が最大になるように上記バイアス電圧(ウェーハチャックに対する帯電プレート電圧)を調節する。調整開始時の通常のバイアス電圧は8Vである。調整範囲は通常0V乃至15Vになる。
(2) ビーム電流密度:回路が接地電位点に抵抗接続できる場合、または表面絶縁体と接地電位点との間に漏洩経路がある場合は、電流密度が表面帯電に影響を及ぼす。最終的な帯電電位は、入力電流(フラッドガンおよび一次ビームによる電流)と漏洩電流(デバイスを通り抜ける)および散逸電子電流(二次電子および散乱一次電子)とが等しくなったときに得られる。電流密度が上がると平衡到達最終電圧を高くできる。調整開始時の通常の電流密度は1平方μmあたり0.2pA、すなわち例えば100μm×100μmの面積当たり2nAである。調整範囲は通常100μm×100μmの面積当たり0.5nAになる。
(3) 帯電/投光照明型照射/画像形成面積:表面帯電は、とくに表面の大きい部分が絶縁材料で被覆されている場合は、帯電面積/画像形成面積に左右される。ビーム照射領域の周囲の領域において排除された電荷が強い局部電界を生じ、それによってビーム照射領域の二次電子放射が減速され、負極性帯電をもたらす。帯電領域はこの局部電界強度を変えることができ、それによって最終帯電電位に影響を与えることができる。この領域面積(視野FOVと呼ぶ)を電流密度を一定に維持しながら調節する。調整範囲は1mm×1mm乃至10μm×10μmである。
(4) ビームエネルギー:ビーム照射領域における帯電は入力電荷(表面への一次ビーム注入および戻り二次電子による)および出力電荷(二次電子放射および表面漏洩による)の差に支配される。ビームエネルギーは、二次電子放射がビームエネルギーの関数であるので帯電を左右する。ビーム電圧は500V乃至1800Vの範囲で50V間隔で変化させ、形状特徴拡大効果が欠陥検出の目的に適したとき、すなわち見かけ上の寸法が下層電気接続性の相違する構造について明白に異なったとき、その変化を止める。ビーム電圧を変動させる際にデバイスに損傷を生じさせることがないよう注意する必要がある。選んだビーム電圧が低すぎるか高すぎる場合(例えば、二次電子放射特性曲線の第1のクロスオーバー点E1よりも低いか、または第2のクロスオーバー点E2よりも高い場合、ここでE1およびE2は材料に左右され、表面処理に大きく影響を受ける)、表面は負極性に無調整状態で帯電する。極端な場合は、表面帯電がデバイスに損傷を与えるほどに強められる。この状態は、帯電制御機構が表面帯電を制御できなくなったときに生ずる。したがって、ビーム電圧の調整は低廉な廃棄可能な試験用ウェーハを用いて行うのが望ましい。この調整を通常のウェーハを用いて行う必要がある場合は、公表文献の中の最良のE1およびE2曲線をまずチェックし、それらE1およびE2の公表値の間のビーム電圧で動作させるのが望ましい。
(5) 走査ローテーション:局部電界(対象領域から数μmの範囲内)は二次電子散逸率に影響を及ぼし、したがって帯電に影響を及ぼし得る。強い局部電界は同じ走査線走査で走査ずみの近傍の微小構造から生じ得る。それら微小構造の帯電直後の走査であるからである。走査ローテーションを変化させると、微小構造の帯電直後の近傍構造を変化させ、その微小構造の帯電条件を変化させ得る。ビーム照射開始時の照射角度は任意に選択できる。調整範囲は−180度乃至+180度である。最適角度の選択を確実にするようにあらゆる走査ローテーション向きを試行する。実際には、導電体線およびコンタクトの画像化が平行になるようにシステムを初期設定できるが、これは必要条件ではない。
(6) 画素滞留時間:上述のとおり、局部電界は新たに帯電した微小構造により表面帯電に影響を及ぼす。これら帯電ずみの近傍微小構造への電圧は画素滞留時間の関数である。すなわち、画素滞留時間を変動させると微小構造の帯電が変動する。画素滞留時間の通常の開始時の値は0.1μs(秒)とし、形状特徴拡大効果を高めるように上記値から増加または減少させる。調整範囲は0.01μs乃至1μsである。
(1)まず、セル相互間の比較は通常はメモリセルで用いる。(i)メモリアレーの中の各セルの画像を完全な(既知の良好な)基準セルと比較し、または(ii)各メモリセルの画像をその隣接セルと比較する。比較は個々のセルとセルとの間、2個または4個の対称配置セルのセクションの反復構造の場合はセクション相互間で行うことができる。
(2)次に、ダイ相互間比較はKLA213Xシステムなどの光学式検査システムにおける通常の動作態様である。各ダイの画像を走査プロセスの期間にその隣接ダイの画像と比較する。次に、それら二つのダイのいずれの側に欠陥があるかを判定するために三番目のダイを用いる。この手法はランダムな欠陥の検出には有効であるが、マスクの高密度経路形成部分における余分のパターンなど反復欠陥の検出には有効でない。概括的にいうと(KLA社のSEMSpecシステムには該当しないが)、任意のダイの画像をそれ以外の任意のダイの画像と比較でき、任意の三番目のダイの画像を仲裁役に使うことができる。ダイと任意のダイとの比較は貴重である。すなわち、特定の種類の欠陥を含むウェーハの特定の領域を標的にして、欠陥なしと見られるダイと比較できるからである。例えばウェーハ端部のダイとウェーハ中心部のダイとの比較が望ましい。ウェーハ端部近傍からのダイは中心部からのダイに比べて良品率が低い可能性が大きいからである。
(3)既知良品の基準ダイの画像データまたはそれ以外のデータをメモリに蓄積しておき、検査対象のダイの画像との比較の対象である基準として用いる。画像データは多量の蓄積容量を要するが(例えば数十ギガバイト)ディスクおよびメモリのスペースの価格は下がっており、また電圧コントラスト画像のデータ圧縮の可能性がある。既知良品ダイとの比較では「仲裁」は不要である。
(4)ダイとデータベースとの比較はマスク検査システムに用いられているマスクの検査の手法と同等である。見かけ上の形状特徴拡大画像で用いる場合は、どの形状特徴が接地状態にあるか、どの特徴形状が負極性帯電モードで浮き状態にあるか、すなわちどのp−n接合が負電圧で順方向バイアスされているかの判定のために、多層分のデータベースおよび対象回路の電気的特性についての知識を必要とする。
(5)ブロック相互間の比較はダイ相互間の比較に実質的に同じであるがダイの特定の一部だけを比較する点で異なる。例えば、既知のダイまたは対象の特定の種類の欠陥を含む可能性が高いダイの特定の一部の画像を基準ダイの画像の対応部分と比較する。三番目のダイの画像を必要に応じて仲裁に用いる。この手法は全面的なダイ相互間比較に比べて所要処理時間を短縮できる。
112…x,y,θウェーハハンドリングステージ
114…ウェーハ
116…ウェーハカセット
118…ウェーハロードブロック
120…走査電子顕微鏡カラム
122…電子ビーム源
124…イオンポンプ
126…可変軸浸漬レンズ(VAIL)
128…フラッドガン
130…ビーム偏向電極
132…電子検出器
134…ウェーハチャック
136,140…バイアス電圧源
142…制御電子回路
144…エネルギーフィルタメッシュ電極
148…排気ポンプ
150…振動分離プラットフォーム
152…画像処理コンピュータ
154…制御コンピュータ
200…電子ビーム光学カラム
202…対物レンズ
204…二次電子検出器
206…エネルギーフィルタメッシュ
208…フラッドガン
210…電圧源
212…バイアス電極グリッド
214…試料プレート
220…高精度ウェーハステージ
Claims (22)
- 半導体ウェーハを検査する方法であって
(a)少なくとも一つの貫通孔のある前記ウェーハの領域を負極性に帯電させるように前記ウェーハに低エネルギー帯電粒子を導く過程であって、前記貫通孔は、コンタクト孔、バイアホール又は前記半導体ウェーハの絶縁層を貫通する孔であって、電気的接続性を有する材料上に配置されるものである、過程と、
(b)前記負極性に帯電した領域の帯電粒子ビームによる走査を、二次粒子を検出して検出信号を発生しながら行う過程と、
(c)前記検出信号から前記少なくとも一つの貫通孔の見かけ上の直径を算定する過程であって、前記貫通孔を取り囲む表面電位に起因して、前記貫通孔の見かけ上の直径が前記貫通孔の物理的直径とは異なる、過程と、
(d)欠陥を特定するように前記貫通孔の見かけ上の直径を、(1)前記貫通孔の物理的直径および前記貫通孔の下の材料の電気的接続性を指示する設計データ、(2)正極性に帯電したウェーハの電圧コントラスト画像の少なくとも一方である基準情報と比較する過程とを含む方法。
- 低エネルギー帯電粒子を前記ウェーハに導く過程が、電子フラッドを前記ウェーハの表面に向ける過程を含む請求項1記載の方法。
- 低エネルギー帯電粒子を前記ウェーハに導く過程が、帯電粒子ビームを前記ウェーハに向けながら二次電子を前記ウェーハに戻すようにエネルギーフィルタの電圧設定を行う過程を含む請求項1記載の方法。
- 低エネルギー帯電粒子を前記ウェーハに導く過程が、50eV以下のエネルギーの電子で前記ウェーハを照射する過程を含む請求項1記載の方法。
- 半導体ウェーハ内に含まれる孔構造を検査する方法であって、
(a)前記孔構造の少なくとも一つの高アスペクト比コンタクト孔を負極性に帯電させるように帯電粒子を前記孔構造に導く過程と、
(b)前記孔構造の少なくとも一つの高アスペクト比コンタクト孔について見かけ上の寸法を得るために前記帯電した孔構造を帯電粒子ビームで精査する過程であって、前記高アスペクト比コンタクト孔を取り囲む表面電位の結果として、前記見かけ上の寸法が前記高アスペクト比コンタクト孔の実際の物理的寸法とは異なり、前記表面電位が、前記高アスペクト比コンタクト孔の下の材料の電気的接続性に影響され、前記高アスペクト比コンタクト孔の幅に対する前記高アスペクト比コンタクト孔の深さの比は1より大きい、過程と、
(c)欠陥を特定するように前記見かけ上の寸法を、(1)前記高アスペクト比コンタクト孔の物理的大きさおよび前記高アスペクト比コンタクト孔の下の材料の電気的接続性を指示する設計データ、(2)正極性に帯電したウェーハの電圧コントラスト画像の少なくとも一方である基準情報と比較する過程と
を含む方法。
- 前記孔構造を帯電させる過程が、電子フラッドを前記孔構造の表面に向ける過程を含む請求項5記載の方法。
- 前記孔構造を帯電させる過程が、前記帯電粒子ビームで前記帯電した孔構造を精査しながら二次電子を前記孔構造に戻すようにエネルギーフィルタの電圧設定を行う過程を含む請求項5記載の方法。
- 前記孔構造を帯電させる過程が、50eV以下のエネルギーの電子で前記孔構造を照射する過程を含む請求項5記載の方法。
- 前記孔構造を精査する過程が、前記見かけ上の寸法の算定のもととなった前記孔構造の表面領域の電圧コントラスト画像を発生する過程を含む請求項5記載の方法。
- 前記孔構造を精査する過程が、帯電粒子ビームによる前記孔構造の表面領域の走査を、前記表面領域の電圧コントラスト画像を形成するように前記表面領域からの帯電粒子を検出しながら行う過程を含む請求項5記載の方法。
- 前記見かけ上の寸法を前記孔構造に関する基準情報と比較する過程が、前記少なくとも一つの高アスペクト比コンタクト孔の見かけ上の寸法を所期の寸法と比較する過程を含む請求項5記載の方法。
- 前記見かけ上の寸法を前記孔構造に関する基準情報と比較する過程が、前記少なくとも一つの高アスペクト比コンタクト孔の見かけ上の寸法が前記少なくとも一つの高アスペクト比コンタクト孔の内部または下の材料の所期の電気的接続性と整合しているか否かを判定する過程を含む請求項5記載の方法。
- 半導体ウェーハ内に含まれる孔構造を検査する装置であって、
(a)前記孔構造の少なくとも一つの高アスペクト比コンタクト孔を負極性に帯電させるために帯電粒子を前記孔構造に導くように構成した帯電粒子源を含む帯電部と、
(b)前記孔構造の少なくとも一つの高アスペクト比コンタクト孔について見かけ上の寸法を得るために前記帯電した孔構造を帯電粒子ビームで精査するように構成した精査部であって、前記高アスペクト比コンタクト孔を取り囲む表面電位の結果として、前記見かけ上の寸法が前記高アスペクト比コンタクト孔の実際の物理的寸法とは異なり、前記表面電位が、前記高アスペクト比コンタクト孔の下の材料の電気的接続性に影響され、前記高アスペクト比コンタクト孔の幅に対する前記高アスペクト比コンタクト孔の深さの比は1より大きい、精査部と、
(c)欠陥を特定するために前記見かけ上の寸法を、(1)前記高アスペクト比コンタクト孔の物理的大きさおよび前記高アスペクト比コンタクト孔の下の材料の電気的接続性を指示する設計データ、(2)正極性に帯電したウェーハの電圧コントラスト画像の少なくとも一方である基準情報と比較するように構成した比較部と
を含む装置。
- 前記帯電部が、電子フラッドを前記孔構造の表面に導くように構成した電子フラッドガンを含む請求項13記載の装置。
- 前記帯電部が、帯電粒子ビーム源と、前記帯電粒子ビーム源が前記帯電粒子ビームにより前記帯電した孔構造を精査しながら、二次電子を前記孔構造に戻すように構成したエネルギーフィルタとを含む請求項13記載の装置。
- 前記帯電部が、50eV以下のエネルギーの電子で前記孔構造を照射するように構成した電子源を含む請求項13記載の装置。
- 前記精査部が、帯電粒子ビーム源と、前記孔構造の表面領域の電圧コントラスト画像を生ずるように構成した検出器とを含む請求項13記載の装置。
- 前記精査部が、前記孔構造の表面領域を帯電粒子ビームにより走査するように構成した帯電粒子ビーム源と、前記表面領域の電圧コントラスト画像を形成するように前記表面領域からの帯電粒子を検出するように構成した検出器とを含む請求項13記載の装置。
- 前記比較部が、前記少なくとも一つの高アスペクト比コンタクト孔の見かけ上の寸法を所期の寸法と比較するように構成されている請求項13記載の装置。
- 前記比較部が、前記少なくとも一つの高アスペクト比コンタクト孔の見かけ上の寸法が前記少なくとも一つの高アスペクト比コンタクト孔の中または下の材料の所期の電気的接続性と整合するか否かを判定するように構成されている請求項13記載の装置。
- 請求項1記載の半導体ウェーハを検査する方法を実行するように帯電粒子ビームシステムを制御する命令を蓄積したコンピュータ読取可能な媒体。
- コンピュータ読取可能なプログラムコードであって帯電粒子ビームシステムを制御するためのプログラムコードをコンピュータに実行させるコンピュータプログラムにおいて、
(a)前記帯電粒子ビームシステムに、半導体ウェーハ内に含まれる孔構造の少なくとも一つの高アスペクト比コンタクト孔を負極性に帯電させるように構成したコンピュータ読取可能なプログラムコードであって、前記孔構造が少なくとも一つの高アスペクト比コンタクト孔を有し、前記高アスペクト比コンタクト孔の幅に対する前記高アスペクト比コンタクト孔の深さの比は1より大きい、コンピュータ読取可能なプログラムコードと、
(b)前記帯電粒子ビームシステムに前記帯電した孔構造を帯電粒子ビームで精査させて前記孔構造の前記少なくとも一つの高アスペクト比コンタクト孔についての見かけ上の寸法を得るように構成したコンピュータ読取可能なプログラムコードであって、前記高アスペクト比コンタクト孔を取り囲む表面電位の結果として、前記見かけ上の寸法が前記高アスペクト比コンタクト孔の実際の物理的寸法とは異なり、前記表面電位が、前記高アスペクト比コンタクト孔の下の材料の電気的接続性に影響される、コンピュータ読取可能なプログラムコードと、
(c)前記帯電粒子ビームシステムに前記見かけ上の寸法を、(1)前記高アスペクト比コンタクト孔の物理的大きさおよび前記高アスペクト比コンタクト孔の下の材料の電気的接続性を指示する設計データ、(2)正極性に帯電したウェーハの電圧コントラスト画像の少なくとも一方である基準情報と比較させて欠陥を特定するように構成したコンピュータ読取可能なプログラムコードと
を含むコンピュータプログラム。
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