JP2000188075A - 回路パターンの検査方法および検査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】半導体装置の製造過程等にあるウェハ上の同一
設計パターンの画像比較により欠陥、異物、残渣等を電
子線により検査する方法において、検出精度の高い検査
条件設定を効率よく行い、検査時間を短縮すると共に検
査の信頼性を向上する。 【解決手段】検査用の大電流高速画像形成用の電子光学
系とレビュー用の小電流高分解能の電子光学系の二つの
カラムを同一試料室上に設け、それぞれ独立に動作させ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体装置の製造方
法に係わり、特に半導体装置製造過程のウェハ上のパタ
ーン検査技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の製造過程でウェハ上に形成
された回路パターンの欠陥を検出する検査方法として、
１つのウェハ上の２つ以上のＬＳＩの同種パターンの画
像を光により取得し、それらを比較して検査する装置が
実用化されている。

【０００３】特に、電子線を用いたパターンの比較検査
装置が特開昭５９−１９２９４３号公報、ジャーナル
オブ バキューム サイエンス アンド テクノロジー
（J.Vac. Sci. Tech.） B, Vol. 9, No.6, pp. 3005 -
3009（1991）、J. Vac. Sci. Tech. B, Vol. 10, No.6,
Pp. 2511 - 2515（1992）、エスピーアイイー（ＳＰＩ
Ｅ）Vol.2439，および特開平５−２５８７０３号公報等
に記載されている。このような装置で実用的なスループ
ットを得るためには、非常に高速に画像を取得する必要
がある。そして高速で取得した画像のＳＮを確保するた
めに、通常の走査型電子顕微鏡の１００倍以上（１０ｎ
Ａ以上）の電子線電流を用い、実用的な検査速度を維持
しながら画像のＳＮを確保している。このとき、ビーム
径は通常の走査型電子顕微鏡に比べてかなり広がってお
り、０．０５μｍ〜０．２μｍ程度になっている。これ
は、ビーム電流が大きいために電子銃の輝度とクーロン
効果により制限される値である。

【０００４】このような電子光学系により取得した画像
信号は、適宜の画像処理系に送られ、隣接する同一パタ
ーン部の画像との間で比較検査が実施される。画像を比
較したときに異なる明るさの箇所が存在すれば、その部
分を欠陥とみなしてその座標を記憶する。このような構
成により、０．０５〜０．１μｍ程度のサイズの欠陥ま
で検出が可能である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の装置を使用
して検査を開始するときには、必要な各種多数のパラメ
ータをあらかじめ設定する必要がある。まず電子光学系
の設定パラメータには、電子線の照射エネルギ、画像を
形成する二次電子信号検出系のゲイン、画素サイズ、ビ
ーム電流などがある。一方、画像処理装置が隣接する同
一パターンの二つの画像を比較するときに、欠陥である
か否かを判断する閾値が存在する。この閾値を低く設定
すると欠陥検出感度は向上するが欠陥でない部分を欠陥
と見なしてしまう可能性が大きくなる。一方、閾値を上
げると検出感度は低下していく。

【０００６】上記パラメータは、検査対象のプロセスや
パターンサイズ、また検出したい欠陥の種類によって最
適値が異なる。したがって、検査前に試行検査を実施
し、検出された欠陥座標の画像を表示させ、検出したい
欠陥が検出されているかを確認しながら上記パラメータ
を最適なものに設定する必要がある。

【０００７】また、本検査の終了後に欠陥座標部の画像
を取得し、どのような欠陥が検出されたのかを作業者が
確認する必要性もある。すなわち、欠陥の存在を検出す
るために高速に画像を取得し、画像処理で欠陥を検出す
るだけでなく、通常の走査型電子顕微鏡と同様に、ある
特定の狭い視野を画像化し、それを目視で観察・確認す
るという機能も必須である。これを以下レビューと呼
ぶ。

【０００８】レビュー時には特に高速に画像を形成する
必要はない。一方、欠陥の有無だけでなく欠陥の形状や
種類もある程度認識できる必要があるため、高分解能画
像を取得できる必要がある。

【０００９】ところが従来の装置では、電子光学系が大
電流の高速走査による画像取得に最適な設計がなされて
おり、単に電子光学系の条件を変化させるだけでは充分
な分解能を得ることはできなかった。そのため、検出さ
れた欠陥が真の欠陥かそれともパラメータの設定が不適
当なことにより発生した誤検出であるのかを判定するた
めの精度が低かった。そのため、設定パラメータが必ず
しも最適な値に設定されずに検査が実行されることが多
かった。

【００１０】本発明の目的は、半導体装置の製造過程に
あるウェハ上の回路パターン等の同一設計パターン間の
画像情報の比較から、欠陥、異物、残渣等を電子線によ
り検査する方法および装置において、検査条件の設定を
効率よく実施でき、検査時間を短縮すると共に検査の信
頼性を向上させる方法および装置を提供することにあ
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明においては、検査
用の大電流高速画像形成用の電子光学系とレビュー用の
小電流高分解能の電子光学系の二つのカラムを同一試料
室上に設け、それぞれ独立に動作させることにより上記
課題を解決した。

【００１２】すなわち本発明の方法および装置は、一つ
の真空容器上に大電流の電子ビームを試料に照射可能な
大電流鏡体と小電流で上記大電流鏡体と比較して直径が
小さい電子ビームを照射可能な小電流鏡体が存在し、上
記鏡体はすべて電子ビームを発生する電子銃と電子ビー
ムを小さく絞るためのレンズ系を備え、かつ電子ビーム
を被検査試料に走査するための偏向器を備え、上記真空
容器内の試料を載せたステージを連続に移動させながら
同時に電子ビームを試料上に走査し、発生した二次的荷
電粒子を検出し、上記検出信号を上記試料の画像信号に
変換し、上記画像信号を用いてパターンの欠陥を検査す
る工程と、検査により検出された欠陥座標の位置を小電
流鏡体の直下に移動させ、欠陥の確認を実施し、その結
果から上記大電流鏡体による検査条件を変更し再び上記
検査を実施することを特徴とする。

【００１３】また、上記の構成において、上記小電流鏡
体の電子ビームは上記大電流鏡体の電子ビームより加速
電圧が低いことを特徴とする。

【００１４】また、また、上記の構成において、上記試
料とステージに電子ビームを照射直前で所望のエネルギ
に減速させるための負の電位を印加し、小電流鏡体によ
り試料の画像を観察するときには上記大電流鏡体で検査
するときよりも小さい負電位を印加することを特徴とす
る。

【００１５】また、上記の構成において、上記小電流鏡
体はＸ線検出器を備え、電子ビーム照射により放出され
るＸ線のエネルギから照射位置の材質を分析することを
特徴とする。

【００１６】また、上記の構成において、上記小電流鏡
体はエネルギフィルタを備え、電子ビーム照射により放
出される二次電子のエネルギをフィルタリングすること
で電子ビーム照射位置の電位を検出することを特徴とす
る。

【００１７】

【発明の実施の形態】（実施例１）図１は本発明の第１
の実施例の装置構成を示し、図２は上記装置の動作およ
び走査の流れを示す。

【００１８】検査装置は大別して検査用電子光学系１０
１、レビュー用電子光学系２００、試料室１０２、制御
部１０４、画像処理部１０５より構成されている。検査
用電子光学系１０１は電子銃１、電子線引き出し電極
２、絶縁碍子３、コンデンサレンズ４、ブランキング用
偏向器１７、走査偏向器８、絞り５、対物レンズ７によ
り構成されている。また２次電子検出器９が対物レンズ
７の下方にあり、二次電子検出器９の出力信号はプリア
ンプ１２で増幅され、ＡＤ変換器３０によりデジタルデ
ータに変換され、画像処理部１０５に送られる。

【００１９】レビュー用電子光学系は電子銃２０１、電
子線引き出し電極２０２、コンデンサレンズ２０４、走
査偏向器２０８、絞り２０５、対物レンズ２０７により
構成されている。また２次電子検出器２０９が対物レン
ズ２０７の上方にあり、二次電子検出器２０９の出力信
号はプリアンプ２１２で増幅され、ＡＤ変換器２３０を
へて低速画像表示回路２１８に送られる。

【００２０】試料室１０２は、ステージ２４、光学式試
料高さ測定器２９により構成されている。

【００２１】画像処理部１０５は画像記憶部１８および
１９、演算部２０、欠陥判定部２１より構成されてい
る。取り込まれた電子線画像および光学画像は、モニタ
２２に表示される。

【００２２】検査装置各部の動作命令および動作条件は
制御部１０４から入出力される。予め制御部１０４に電
子線発生時の加速電圧・電子線偏向幅・偏向速度・試料
台移動速度・検出器の信号取り込みタイミング等々の条
件が入力されている。また、光学式試料高さ測定器２９
の信号から補正信号を生成し、電子線６が常に正しい位
置に照射されるよう対物レンズ電源２６や、走査信号発
生器１３に補正信号を送る。

【００２３】図２は電子ビームによる半導体パターン外
観検査装置の走査および動作フローを示す図であり、こ
の図を用いて本発明による半導体ウェハのパターン外観
検査方法を説明する。

【００２４】まず、ウェハをロードした後、光学顕微鏡
により粗いアライメントを実施する。これは、電子線走
査画像では走査範囲が狭く、ローディング時の機械的な
位置決めだけではアライメントマークが電子線の走査範
囲内に入らない可能性があるからである。そこで、視野
の広い低倍率の光学顕微鏡によりおよそ数十μｍの精度
でアライメントを行う。

【００２５】次に電子光学系の条件設定を実施する。検
査するウェハのパターンの種類により電子ビームの照射
エネルギや画素サイズ、ビーム電流等を設定する。最適
な電子ビームの照射エネルギは、パターンの材質により
異なる。通常、導電性材料では高分解能が得られるよう
に数ｋｅＶ以上の高目のエネルギとし、絶縁物を含むパ
ターンでは帯電防止のために１．５ｋｅＶ以下に設定す
るとよい。

【００２６】次に特に注目したい欠陥サイズに応じた画
素サイズを設定する。無意味に画素サイズを小さくする
と検査所要時間が増大してしまう。次にビーム電流を設
定する。デフォルトの値は装置固有に存在するが、特に
帯電しやすいウェハでは小さめの電流に設定するとよ
い。また、検出したい欠陥のコントラストが大きいこと
が予めわかっていれば電流を小さめにすることで電子ビ
ームをより小さく絞ることが可能となり、高分解能の検
査ができる。

【００２７】次に検査するウェハの電子線による画像を
表示させ、焦点や非点収差の補正を実施する。これは画
像を取り込んで計算機上またはそれ専用の画像処理装置
により自動化することが可能である。

【００２８】以上の設定が終了したら、次に電子ビーム
による画像の精アライメントを実施する。これによりス
テージの座標系とウェハの座標系が正確に一致し、ステ
ージの座標をレーザ測長機等により計測することでウェ
ハ上の所望の位置を検査することが可能となる。次に、
検査したいエリアを制御用ワークステーションのディス
プレー等の制御用画面から入力する。

【００２９】次に試し検査を実施する。試し検査とは上
記で設定した各種パラメータが適当であるかを判断する
ために実施する。検査したいパターンの一部分を指定す
る。これが試し検査領域指定である。そして試し検査を
実施する。試し検査では電子ビームにより本番の検査と
同様の動作により画像を検出するが、画像処理回路を通
すことなくただ取得した画像をメモリにすべて取り込
む。

【００３０】次に、画像処理条件の設定を行う。この条
件は、画像処理装置が隣接する同一パターンの二つの画
像を比較するときに、欠陥であるか否かを判断する閾値
である。この閾値を低く設定すると欠陥検出感度は向上
するが欠陥でない部分を欠陥と見なしてしまう可能性が
大きくなる。一方、閾値を上げると検出感度は低下して
いく。ここで明るさ閾値とは輝度信号の相違の閾値であ
る。

【００３１】電子ビームによる画像は光学顕微鏡画像に
比べてざらつきが大きい（すなわち画像のＳＮ）。この
ため比較している検査対象物は同一で平均的な明るさは
同一でも、画素毎に見るとやや明暗のばらつきが存在す
る。したがって明暗の閾値を設け、画像を比較してその
閾値より大きく明暗の差が生じた場所のみを欠陥として
検出することで画像のざらつきを欠陥と認識しないよう
にしている。

【００３２】また、位置ズレ閾値とは、比較する二枚の
画像の位置合わせの不完全さを欠陥として誤認識しない
ようにするために設ける。画像の位置ズレがここで設定
した閾値程度は存在するとみなして、それ以上の差が生
じた場合のみを欠陥と判断する。フィルタ種類とは取得
した画像に施すフィルタであり、検出した画像のざらつ
きを軽減したりエッジを強調するために存在する。これ
はパターンの種類や検出したい欠陥に応じて最適なもの
を試行錯誤で選択する。

【００３３】以上のパラメータを設定した後、画像処理
を実施する。試し検査における画像処理では、すでに取
得した一連の画像を用いて比較検査を行う。この検査に
より欠陥が検出され、その座標が記憶され、制御画面上
に欠陥の場所を表示する。この時点で一つも欠陥が検出
されない場合、上記画像処理パラメータの閾値を下げて
感度を上げ、再びメモリ上の画像を用いて比較検査を実
施する。

【００３４】次に、試し検査で検出された座標の画像を
観察する。これがレビューである。すでにその部分の画
像はメモリに記憶されているので、まずその画像を制御
用ワークステーションのディスプレーや画像表示専用の
ディスプレー等に表示し目視でどのような欠陥が検出さ
れたかを観察する。ここでかなり大きな欠陥については
目視により簡単に欠陥の形状や種類等が判明する。しか
し、装置の性能限界に近い微細な欠陥やコントラストの
小さい欠陥は、目視では充分に明確に判定できない場合
が多い。

【００３５】そこで、レビュー専用の高分解能の電子光
学系の視野内に欠陥座標部を移動し、高分解能像をじっ
くりと観察する。これにより、試し検査で検出した欠陥
が、真の欠陥であるか否か、検出したかった欠陥である
か否かなどを容易に判別できる。その結果から、画像処
理のパラメータを再設定し、再びレビューすることを繰
り返すことで検出したい欠陥を確実に検出できる条件を
見いだすことができる。

【００３６】高分解能のレビュー用電子光学系が存在し
ない従来の装置では、大電流の電子ビームにより画像を
形成するように設計されており、目視で長時間観察する
と試料に電子ビームが大量に照射され、試料が破壊され
たり帯電により画像を観察できなくなったりする。ま
た、欠陥の有無を確認するのが目的であり、目視観察に
より欠陥の詳細を判断するには分解能が不十分である。

【００３７】従来では、このレビューと画像処理パラメ
ータ設定において試行錯誤を繰り返さざるを得ず、多大
な時間を要していた。ところが本発明によれば、レビュ
ー画面の画質がよいために画像処理パラメータの選択の
良否が正確に判断でき、試行錯誤の回数を格段に減少さ
せることができた。これにより有人作業の時間が大幅に
短縮され、総合的な装置稼働効率も向上した。

【００３８】条件設定のためのレビューが終了したら本
検査を開始する。この検査は無人で自動的に行われる。
この検査が終了したら再びレビューを実施する。このレ
ビューにより検出された欠陥が真の欠陥であるかを確認
した後にウェハをアンロードする。必要であれば他の分
析検査装置へ移動し、各種検査分析を行う。

【００３９】次に、本発明のポイントとなるレビュー用
電子光学系と検査用光学系の仕様、相違点と特徴につい
て説明する。

【００４０】検査用電子光学系とレビュー用電子光学系
の性能を比較したものが図３である。検査用の電子光学
系はウェハ全面の検査を実用的な時間で実行するために
非常に高速な画像取得が可能である。すなわち画素サイ
ズ０．１μｍ以下で１００μｍ角を画像形成する時間は
２０msec以下となっている。高速画像取得のためにステ
ージは連続的に移動しており電子ビームはその直交方向
に走査されるようになっている。さらに高速にかつ検査
に耐え得るＳＮの画像形成を実現するためにビーム電流
を２０ｎＡ以上得られるように設計した。

【００４１】具体的には、まず電子源から得られる電流
密度を、安定に得られる限界値である約１ｍＡ／ｓｒと
した。これは高分解能の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の
約２０倍である。さらにレンズの絞りを高分解能のＳＥ
Ｍと比較して大きいものを用い、電子源からの電子ビー
ムの取り込み角α（すなわち、電子源から広い角度を持
って放出される電子ビームのうち試料に照射される電子
ビームの開き角）を約２０倍とした。

【００４２】また、画像の周辺部が歪んだり分解能が中
心部と比べて低下したりすると検査感度が不均一になる
ために、電子ビームの走査領域に余裕を持たせる必要が
ある。そこで対物レンズの焦点距離や動作距離が通常の
高分解能ＳＥＭに比べかなり長いものを採用した。

【００４３】また、電子ビームの試料照射開き角βが大
きくなると焦点深度が浅くなってしまう。βは光学系全
体の倍率Ｍでαを割ったものとなるため、倍率Ｍはあま
り小さくすることができない。したがって、高分解能Ｓ
ＥＭにくらべてかなり大きい倍率となっている。

【００４４】以上の設計により、検査に必要な分解能を
確保した上で高速性に必要な大電流を得られるものとな
っている。この電子光学系は以上の説明にあるように単
純に電子ビーム電流を減じたとしても高分解能ＳＥＭと
同様の分解能が得られないことは光学系の倍率、対物レ
ンズの焦点距離や動作距離からも明らかである。

【００４５】一方、レビュー用の電子光学系では高速性
は要求されない。また観察したい場所の座標が正確にわ
かっているので視野は２０μｍあれば充分である。した
がって電子ビーム電流は小さくてよい。しかも対物レン
ズの焦点距離や動作距離も短くてよいこと、また光学系
の倍率を小さくできることにより通常の高分解能ＳＥＭ
と同様の高分解能画像を取得できる。

【００４６】以上で本発明の実施例の概要を説明した。
以下は、電子光学系の構成要素と各部の機能について説
明する。

【００４７】まず検査用電子光学系の構成要素とその動
作の詳細について説明する。電子源１には拡散補給型の
熱電界放出電子源であるＺｒ／Ｏ／Ｗ型電子源を用い
た。この電子源は長時間安定な電子放出が可能である。
しかも引出電圧を制御することで放射角電流密度を０．
０２ｍＡ／ｓｒ〜１ｍＡ／ｓｒの範囲で自由に設定でき
る。ただし電流密度を大きくすると放出電子のエネルギ
幅も増大するので色収差が増大する。

【００４８】検査用の電子光学系１０１はウェハ全面の
検査を実用的な時間で実行するために非常に高速な画像
取得が可能になっている。すなわち画素サイズ０．１μ
ｍ以下で１００μｍ角を画像形成する時間は２０msec以
下である。このためには、高速に画像を取得しても検査
に耐え得るＳＮを確保する必要があった。その実現には
電子ビーム電流を２０ｎＡ以上得る必要があった。そこ
で電子源１からの放出電子ビームの放射角電流密度は
０．５〜１ｍＡ／ｓｒの範囲で用いることとした。これ
により、明るさ変動の少ない画像が得られ、かつ電子ビ
ーム電流を大きくすることが可能となり高速検査が可能
となった。

【００４９】電子ビーム６は引出電極２に電圧を印加す
ることで電子源１から引き出される。電子ビーム６の加
速は電子源１に高圧の負の電位を印加することでなされ
る。検査用光学系１０１では加速電圧を１０ｋＶまたは
それ以上を設定できるようにした。これは大電流電子ビ
ームを使用するために上述した電子ビームのエネルギ幅
増大による色収差を抑制するためと、大電流電子ビーム
が相互作用することで広がってしまい絞れなくなる現象
（クーロン効果）を抑制するためである。

【００５０】電子線６は約１０ｋＶに相当するエネルギ
でステージ２４の方向に進み、コンデンサレンズ４で収
束され、さらに対物レンズ７により細く絞られステージ
２４の上に搭載された被検査基板１０（ウェハあるいは
チップ等）に照射される。偏向領域を１００μｍ角以上
とし周辺部においても歪みのない画像を取得するため
に、対物レンズ７と被検査基板１０の距離（動作距離）
を２５mmとした。その結果、対物レンズ７の焦点距離は
約３０mmと長くなっている。

【００５１】被検査基板１０には高圧電源２５により負
の電圧を印加できるようになっている。この高圧電源２
５を調節することにより被検査基板１０への電子線照射
エネルギを最適な値に調節することが容易となる。画像
形成には電子ビーム６は一次元のみ走査し走査方向と直
行する方向にステージ２４を連続的に移動する方法を採
用した。

【００５２】画像形成のための信号検出は以下のように
行われる。すなわち、試料１０に照射された電子ビーム
６により二次電子が発生する。この二次電子は試料１０
に印加された電位により急激に加速されるために検出器
９に直接引き込むことは不可能である。そこで被検査基
板１０と検出器９の間にＥ×Ｂ偏向器１４と変換電極１
１を設ける。

【００５３】ここで、上記Ｅ×Ｂ偏向器１４とは、電界
と磁界が直交した偏向器であり、上部から入射してくる
一次電子ビーム６に対しては磁界と電界の偏向作用が逆
方向でキャンセルするようになっており、下部から入射
してくる二次電子に対しては両者の偏向が足し合わされ
るようになっている偏向器である。

【００５４】二次電子はこのＥ×Ｂ偏向器１４により偏
向を受けた後変換電極１１に照射される。そして変換電
極１１から発生する二次電子を検出器９により検出す
る。検出器９には大電流高速検出を実現するためにＰＩ
Ｎ型半導体検出器を用いた。ここで検出された二次電子
信号はプリアンプ１２により増幅およびＡＤ変換器３０
によりＡＤ変換され、画像記憶部１８または１９に送ら
れる。

【００５５】ステージ２４の移動により被検査基板１０
を移動し、電子源１からの電子ビーム６で比較検査用の
画像を取得して比較検査を実行する。本発明で述べるよ
うな自動検査では検査速度が速いことが必須となる。し
たがって通常のＳＥＭのようにｐＡオーダのビーム電流
を低速で走査したり、複数回走査は行わない。そこで、
通常のＳＥＭに比べ約１００倍以上のたとえば１００ｎ
Ａの大電流電子線を一回のみの走査により画像を形成す
る構成とした。一枚の画像は1000×1000画素で１０msec
〜２０msecで取得するようにした。

【００５６】上記方法により、半導体パターンの隣接す
る同一パターン繰り返し部分の画像を演算部２０や欠陥
判定部２１にて高速に比較判定することで欠陥が検出さ
れる。

【００５７】次にレビュー用の電子光学系について述べ
る。

【００５８】電子源２０１には検査用電子光学系と同様
の拡散補給型の熱電界放出電子源であるＺｒ／Ｏ／Ｗ型
電子源を用いた。電流密度を大きくすると放出電子のエ
ネルギ幅も増大し色収差が増大する。レビュー用電子光
学系ではビーム電流は１００ｐＡ以下でよいので放射角
電流密度は０．０５ｍＡ／ｓｒ以下で用いることとし
た。これにより電子ビーム２０６のエネルギ幅は検査用
電子光学系の場合に比べ約１／３〜１／４に減少し、色
収差もそれだけ減少することになる。

【００５９】電子線２０６は引出電極２０２に電圧を印
加することで電子源２０１から引き出される。電子線２
０６の加速は電子源２０１に高圧の負の電位を印加する
ことでなされる。レビュー用光学系２００では加速電圧
を５００Ｖ〜１０ｋＶまで可変できるようにした。レビ
ュー用光学系２００では電流が小さくてよいため、上述
のように色収差が小さくまたクーロン効果も無視でき
る。したがって、低い加速電圧で十分小さいビーム径を
得られるので標準では加速電圧２ｋＶに設定した。

【００６０】電子線２０６は２ｋＶに相当するエネルギ
で試料台２４方向に進み、コンデンサレンズ２０４で収
束され、さらに対物レンズ２０７により細く絞られステ
ージ２４の上に搭載された被検査基板１０（ウェハある
いはチップ等）に照射される。対物レンズ２０７は被検
査基板１０に非常に接近させており、動作距離は５mmと
した。対物レンズ２０７の焦点距離は８mmである。これ
により収差の小さい対物レンズを実現できた。分解能は
ほとんどが色収差により決まっている。したがって検査
用の対物レンズに比べて収差係数は約１／４で電子ビー
ムのエネルギ幅が検査用光学系の約１／３であることか
ら、分解能は約１／１２となる。

【００６１】被検査基板１０は検査用とレビュー用で共
通であり、したがって高圧電源２５により負の電圧を印
加できる。この高圧電源２５を調節することにより被検
査基板２３への電子線照射エネルギを最適な値に調節す
ることができる。照射エネルギを変えることによりコン
トラストの異なる画像が得られるため、欠陥が形状相違
によるのか材質によるものであるかまたは電気的な導通
によるものなのかなどの情報を多角的に得ることができ
る。

【００６２】画像形成には電子ビーム２０６を二次元に
走査する。すなわちステージ２４は固定とする。被検査
基板１０に照射された電子ビーム２０６により発生する
二次電子は検査用光学系１０１と同様に被検査基板１０
に印加された電位により加速される。対物レンズ２０７
が被検査基板１０に非常に接近しているために検出器２
０９は対物レンズ２０７よりも上方に設けてあり、二次
電子は対物レンズ２０７の中心を通過させる。検査用光
学系１０１と比べて被検査基板１０に印加する電位は低
いため二次電子のエネルギは弱いが、検出器２０９に直
接引き込むことはやはり困難である。そこで変換電極２
１１に照射させ、そこから放出される二次電子を検出器
２０９により検出する。

【００６３】検出器２０９には通常のＳＥＭに使用され
ている、蛍光体と光電子増倍管を用いた検出器を用い
た。ここで検出された二次電子信号はプリアンプ２１２
により増幅され、ＡＤ変換器２３０でディジタル信号に
変換され、画像観察用のモニタ２２に表示するととも
に、必要に応じて画像ファイルとしてディスク等の外部
記憶装置２１９に記憶させたりプリントアウトできるよ
うになっている。

【００６４】以上で第１の実施例について説明したが、
各機能の数値は一例である。要は検査用の電子光学系と
くらべて約１／１０程度のビーム径を達成できるレビュ
ー用の電子光学系を検査用電子光学系と同一の試料室上
に並べて配置すること、そして試料台の平行移動のみで
迅速に検査とレビューの動作を切り替えられるようにす
ることが本発明の本質である。

【００６５】（実施例２）第２の実施例として第１の実
施例のレビュー用電子光学系２００の対物レンズ２０７
の下磁路にＸ線検出器２４０を組み込み、電子ビーム照
射により発生する特性Ｘ線を検出できるようにした。こ
れによりＥＤＸ分析が可能となり、レビュー時に欠陥の
材質を特定することが可能となった。図４は中心に穴の
空いたアンニュラー型のＸ線検出器を組み込んだ場合の
対物レンズ付近の図である。

【００６６】また対物レンズの動作距離を第１の実施例
よりもやや大きくしてＸ線分析器を対物レンズと試料の
間に挿入してもよい。

【００６７】（実施例３）電子ビームによる検査では、
形状の欠陥だけでなく電気的な導通非導通の検査が可能
である。導通している部分は帯電せず、非導通部分のみ
が帯電することにより発生する二次電子のエネルギや軌
道が変化し、画像の明るさが異なるからである。これ
は、大電流電子ビームの照射により特に大きなコントラ
ストとして発生する。ところがレビュー用電子光学系で
は電流が小さいために帯電の差が小さく、コントラスト
として表れにくい。そこで、二次電子のエネルギのわず
かな差でも高感度にフィルタリング可能な二次電子エネ
ルギフィルタを設けた。

【００６８】エネルギフィルタは対物レンズの上に設け
た。この分析器の図を図５に示す。半球状のメッシュ２
２０が対物レンズ２０７上方に二次電子軌道を遮るよう
に設けられている。メッシュ２２０の中央には一次電子
ビーム２０６が通過する穴が開けられている。このメッ
シュ２２０には電源２２１により被検査基板１０の電位
よりも±２０Ｖ程度の範囲の電位を与える。これにより
被検査基板の帯電の状況を画像化することができる。二
次電子は放出した場所の電位φを基準として約２ｅＶを
ピークとするエネルギ分布を持っている。したがって、
グランド電位から見た二次電子のエネルギのピークは
（−φ＋２）ｅＶとなる。

【００６９】例えば被検査基板１０にリターディング電
位が５００Ｖ印加されているとすると、二次電子エネル
ギのピークは５０２ｅＶとなる。もし、一次ビーム照射
位置が本来、基板と導通すべき場所であるにも関わらず
その部分だけパターン欠陥により非導通の場合にはその
部分がマイナスに帯電する。するとそこから放出される
二次電子のエネルギは帯電した電圧だけ高いことにな
る。帯電電圧を５Ｖとすると、５０７ｅＶである。そこ
でメッシュに−５０５Ｖを与えれば、帯電していない部
分からの二次電子の大部分は上記メッシュを通過するこ
とはできない。したがって帯電している部分のみが明る
く見えることになる。このようにしてわずかな帯電から
でも高コントラストの画像を得ることができる。

【００７０】ここではマイナスに帯電する場合のみを説
明したが、実際の半導体においては電子ビーム照射によ
る帯電のメカニズムは複雑であり、正に帯電する場合も
ある。その場合にはメッシュに与える電位をリターディ
ング電位と同電位またはややプラスとすればよい。その
場合は正に帯電するところが暗く、その他の部分は明る
くなる。

【００７１】このエネルギ分析器の分解能は約０．１Ｖ
程度を得ることができる。したがって、レビュー時には
電子ビーム電流が小さいために欠陥部の帯電量が小さく
ても電位によるコントラストが強調されるため欠陥の特
定が容易に可能である。

【００７２】

【発明の効果】本発明により、半導体装置の製造過程に
あるウェハ上の半導体装置の同一設計パターンの欠陥、
異物、残渣等を電子線により検査する方法において、検
査条件を効率よく設定することが可能となった。これに
より検査工程の高速化と共に検査結果の信頼性を向上さ
せることができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の検査装置の構成を示す縦断
面図。

【図２】本発明の実施例１の方法の走査および動作を示
すフロー図。

【図３】本発明の実施例１の装置の電子線光学系の仕様
の説明図。

【図４】本発明の実施例２の対物レンズ部の構造を示す
部分断面斜視図。

【図５】本発明の実施例３の検査装置の構成を示す縦断
面図。

【符号の説明】

１…電子源、２…引き出し電極、３…碍子、４…コンデ
ンサレンズ、５…絞り、６…電子ビーム、７…対物レン
ズ、８…走査偏向器、９…二次電子検出器、１０…被検
査基板、１１…変換電極、１２…プリアンプ、１３…走
査信号発生器、１４…Ｅ×Ｂ偏向器、１７…ブランキン
グ偏向器、１８…画像記憶部、１９…画像記憶部、２０
…演算部、２１…欠陥判定部、２２…モニタ、２４…ス
テージ、２５…高圧電源、２６…対物レンズ電源、２７
…補正制御回路、２９…光学式試料高さ測定器、３０…
ＡＤ変換器、１０１…検査用電子光学系、１０２…試料
室、１０４…制御部、１０５…画像処理部、２００…レ
ビュー用電子光学系、２０１…電子源、２０２…引き出
し電極、２０４…コンデンサレンズ、２０５…絞り、２
０６…電子ビーム、２０７…対物レンズ、２０８…走査
偏向器、２０９…検出器、２１１…変換電極、２１２…
プリアンプ、２１８…画像記憶部、２１９…外部記憶装
置、２２０…メッシュ、２２１…電源、２３０…ＡＤ変
換器、２４０…Ｘ線検出器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 21/66 Ｇ０１Ｒ 31/28 Ｌ (72)発明者 二宮 隆典 茨城県ひたちなか市市毛882番地 株式会 社日立製作所計測器事業部内 (72)発明者 岩淵 裕子 茨城県ひたちなか市市毛882番地 株式会 社日立製作所計測器事業部内 Ｆターム(参考） 2G032 AD08 AF07 AF08 AJ04 AK04 4M106 AA01 BA02 BA20 CA39 CA41 DB05 DB11 DB21 DJ14 5C033 AA05 DD02 FF03 GG03 JJ03 MM02 NP03 9A001 BB06 BZ05 HH23 KZ16 LL05

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一つの真空容器上に大電流の電子ビームを
   試料に照射可能な大電流鏡体と小電流で上記大電流鏡体
   と比較して直径が小さい電子ビームを照射可能な小電流
   鏡体が存在し、上記鏡体はすべて電子ビームを発生する
   電子銃と電子ビームを小さく絞るためのレンズ系を備
   え、かつ電子ビームを被検査試料に走査するための偏向
   器を備え、上記真空容器内の試料を載せたステージを連
   続に移動させながら同時に電子ビームを試料上に走査
   し、発生した二次的荷電粒子を検出し、上記検出信号を
   上記試料の画像信号に変換し、上記画像信号を用いてパ
   ターンの欠陥を検査する工程と、検査により検出された
   欠陥座標の位置を小電流鏡体の直下に移動させ、欠陥の
   確認を実施し、その結果から上記大電流鏡体による検査
   条件を変更し、再び上記検査を実施することを特徴とす
   る回路パターンの検査方法。
2. 【請求項２】上記小電流鏡体の電子ビームは上記大電流
   鏡体の電子ビームより加速電圧が低いことを特徴とする
   請求項１記載の回路パターンの検査方法。
3. 【請求項３】上記試料とステージに電子ビームを照射直
   前で所望のエネルギに減速させるための負の電位を印加
   し、小電流鏡体により試料の画像を観察するときには上
   記大電流鏡体で検査するときよりも小さい負電位を印加
   することを特徴とする請求項１または２記載の回路パタ
   ーンの検査方法。
4. 【請求項４】上記小電流鏡体はＸ線検出器を備え、電子
   ビーム照射により放出されるＸ線のエネルギから照射位
   置の材質を分析することを特徴とする請求項１ないし３
   のいずれか記載の回路パターンの検査方法。
5. 【請求項５】上記小電流鏡体はエネルギフィルタを備
   え、電子ビーム照射により放出される二次電子のエネル
   ギをフィルタリングすることで電子ビーム照射位置の電
   位を検出することを特徴とする請求項１ないし３のいず
   れか記載の回路パターンの検査方法。
6. 【請求項６】一つの真空容器上に大電流の電子ビームを
   試料に照射可能な大電流鏡体と小電流で上記大電流鏡体
   と比較して直径が小さい電子ビームを照射可能な小電流
   鏡体が存在し、上記鏡体はすべて電子ビームを発生する
   電子銃と電子ビームを小さく絞るためのレンズ系を備
   え、かつ電子ビームを被検査試料に走査するための偏向
   器を備え、上記真空容器内の試料を載せたステージを連
   続に移動させながら同時に電子ビームを試料上に走査し
   発生した二次的荷電粒子を検出することで上記試料を画
   像化し、上記画像を用いてパターンの欠陥を検査する工
   程と、検査により検出された欠陥座標の位置を小電流鏡
   体の直下に移動させ、欠陥の確認を実施し、その結果か
   ら上記大電流鏡体による検査条件を変更し再び上記検査
   を実施することを特徴とする回路パターンの検査装置。
7. 【請求項７】上記小電流鏡体の電子ビームは上記大電流
   鏡体の電子ビームより加速電圧が低いことを特徴とする
   請求項６記載の回路パターンの検査装置。
8. 【請求項８】上記試料とステージに電子ビームを照射直
   前で所望のエネルギに減速させるための負の電位を印加
   し、小電流鏡体により試料の画像を観察するときには上
   記大電流鏡体で検査するときよりも小さい負電位を印加
   することを特徴とする請求項６または７記載の回路パタ
   ーンの検査装置。
9. 【請求項９】上記小電流鏡体はＸ線検出器を備え、電子
   ビーム照射により放出されるＸ線のエネルギから照射位
   置の材質を分析することを特徴とする請求項６ないし８
   のいずれか記載の回路パターンの検査装置。
10. 【請求項１０】上記小電流鏡体はエネルギフィルタを備
    え、電子ビーム照射により放出される二次電子のエネル
    ギをフィルタリングすることで電子ビーム照射位置の電
    位を検出することを特徴とする請求項６ないし８のいず
    れか記載の回路パターンの検査装置。