JP2007128738A - 帯電制御装置及び帯電制御装置を備えた荷電粒子線応用装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アスペクト比の大きいコンタクトホールの開口不良を検査する場合，プリチャージをしても，開口ホールと非開口ホール上部の等電位面の歪に差が現れないという問題があった。
【解決手段】試料基板の開口ホール底から光電子を放出させることができる波長の紫外光を照射することで，開口ホール側壁のみを帯電させ，開口ホールと非開口ホール直上に異なった等電位面を発生させる。この歪をミラー電子プロジェクション式検査装置で検査すれば，開口ホールと非開口ホールを区別でき，アスペクト比が高いホールの開口不良欠陥を検査することが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は，試料（半導体デバイス等）の表面状態を検査する方法および装置に関する。

現在，シリコンデバイスの製造ラインでは，工程途中のウェハを検査することが必要不可欠である。工程途中のウェハを検査することで，欠陥を早期に発見し，欠陥の発生原因となるプロセスを特定する判断材料となるからである。検査結果をプロセス条件にフィードバックすれば，欠陥数を低減し，ウェハ１枚から取得できるチップ数，歩留まりを改善することができる。

ウェハを検査し欠陥を発見する装置として，主に光学式検査装置と電子線式検査装置が用いられている。光学式検査装置は，原理としては光学顕微鏡と同様であり，異物，パターン欠陥などの形状欠陥を発見することができる。
また、光学式検査装置よりも微細な欠陥等が観察可能な装置として電子線式検査装置が注目されている。

電子線式検査装置には，ウェハ表面の像を得る方式として，SEM方式とプロジェクション方式の二方式が実用化されている。

SEM方式とは，例えば特許文献１に記載されているように、点状に絞った電子ビームでウェハを走査し二次電子像を比較検査することで欠陥を検出する方式である。

プロジェクション方式とは，例えば特許文献２に記載されているように、平面状に整形した電子ビームをウェハに照射し，反射電子や二次電子または逆電界によりウェハに照射されずに反射される電子（ミラー電子）をレンズにより結像し，その像から欠陥を検出する方式である。

また，上記以外の電子線応用装置として例えば特許文献３のようにミラー電子を結像し，ミラー電子像から欠陥を検出する電子線応用装置（ミラー電子プロジェクション式検査装置）もある。

特開平０５−２５８７０３号公報

特開２０００−３４０１６０号公報 特開２００４−１４４８５号公報

近年の設計ルールの微細化に伴い検出したい欠陥の形状も微細化することとなり、
その結果従来の光学式検査装置では微細化に伴う微小な形状欠陥や電気的欠陥が検出できないという問題があった。

また，SEM方式では微小な形状欠陥や電気的欠陥が検出可能であるが，電子ビームを点状に絞った「点ビーム」を試料表面上で平面(２次元的)に走査しているがために画像取得時間の観点から高速化(検査時間の短縮)には限界があった。加えてＳ／Ｎ比を確保しつつ，画像処理システムが正常に動作できる画像を取得するには，試料表面の面積１ｃｍ^２を検査するのに１００ｓｅｃ以上を必要としていた。このスループット場合，直径300mmのSiウェハ全面を検査するのに，約20時間かかってしまうという問題があった。

また，二次電子プロジェクション方式では，ＳＥＭ方式よりも大電流の電子ビームを一度に照射でき，かつ一括で画像を取得できるためＳＥＭ方式と比較して高速に画像を形成できることが期待できる。ところが、二次電子の放出角度分布は広い角度に広がっており，しかもエネルギーも約１〜１０ｅＶと広がっている。このような電子を結像して試料の拡大像を形成するとき大部分の二次電子をカットしないと十分な分解能が得られない。結像に寄与しない二次電子が多いということは，画像のＳ／Ｎが劣化するということであり，結局期待できるほどの検査時間の短縮は不可能である。

上記，ＳＥＭ方式，二次電子プロジェクション方式と比較してミラー電子プロジェクション方式では，点状ではなく面状の電子ビームを試料に照射できること，試料直上で反射されるミラー電子を結像できるという特長がある。面状電子ビームを照射できるのでスループットが高く，かつミラー電子のほとんどを結像できる為，Ｓ／Ｎが高い像が得られるという利点がある。ミラー電子プロジェクション式検査装置においてコンタクトホールの開口不良欠陥を検出しようとする場合，予めウェハに電子ビームを照射し，ウェハを帯電させる工程（プリチャージ）が不可欠である。ウェハを帯電させると，開口ホールと非開口ホール上部に歪が異なる電位面が発生する為，ミラー電子プロジェクション式検査装置で欠陥として検出できる。開口ホールと非開口ホール上部に異なる電位面が形成される理由は以下の通りである。
開口ホールに電子ビームが入射した場合，ホールに入射した電子はほとんどが基板に吸収される。その結果，開口ホール中の電位はほぼゼロのままであり，ホール上部に発生する電位面の歪は小さい。
一方，非開口ホールに電子ビームが入射した場合，電子は基板に吸収されず，ホール中に蓄積する。その結果，非開口ホール中の電位が下がり，ホール上部に発生する電位面が大きく歪む。しかし，アスペクト比が高い（アスペクト比８以上）すなわちホール径（幅）に対する深さの割合が大きいコンタクトホールの開口不良を検査する場合，プリチャージをしても，開口ホールと非開口ホール上部の等電位面の歪に差が現れないという問題がある。原因を以下に説明する。

アスペクト比が低いコンタクトホールでは，ホール底の帯電がホール上部に生じる等電位面に反映される。しかし，アスペクト比が高いコンタクトホールでは，ホール底よりもホール側壁の帯電がホール上部に生じる等電位面に反映される。つまり，ホールの開口，非開口に関わらず，同じプリチャージ処理をすれば，同じ等電位面が生じる。よって，等電位面の歪から開口不良を検出するミラー電子プロジェクション式検査装置では，アスペクト比が高いコンタクトホールの開口不良は検出できないという問題があった。

本発明は，上述の点に着目してなされたものであり，ウェハ上に形成された高アスペクトコンタクトホールの開口不良を，ミラー電子プロジェクション方式において高速かつ高精度に検出することを目的としている。

上記課題を解決する為，本発明では，ウェハ上部絶縁膜（シリコン酸化膜，シリコン窒化膜等）を透過し，コンタクトホール底（Si基板）から光電子を放出させることができる波長（１６０〜２５０nm）の紫外光を照射することで，開口ホール側壁のみを帯電させ，開口ホールと非開口ホール直上に異なった等電位面を発生させる。
また，紫外光を照射する際，特定の角度条件で照射しなければならない。本発明は，開口ホール底のSiから光電子を放出させることを目的としている為，ホール底まで紫外光が到達できない照射角度は除外する必要がある。ホール底まで紫外光が到達しない条件は二種類考えられる。一つは，試料と垂直に照射する場合である。この時，紫外光は自身の波長より直径が小さいホールには侵入できない為，ホール底まで紫外光が到達できない。よって，試料と垂直に紫外光を照射すると，上記課題は解決できない。もう一つは，試料表面で紫外光が全反射される場合である。この時，紫外光は試料表面で全反射されてしまう為，やはりホール底まで紫外光が到達できない。全反射される条件は，一般に１０°以下と言われており，この角度で紫外光を照射しても上記課題は解決できない。
以上のことから，高アスペクトコンタクトホールの開口不良を検出する為の紫外光照射条件は，波長が１６０ｎｍ〜２５０ｎｍ，照射角度が１０°〜８５°である。

上記手段を実現することで，高アスペクトコンタクトホール直上の等電位面に，開口ホールと非開口ホールで異なった歪を生じさせることができる。この歪をミラー電子プロジェクション式検査装置で検査すれば，開口ホールと非開口ホールを区別でき，アスペクト比が高いホールの開口不良欠陥を検査することが可能となる。

本実施例は，試料に特定の波長の紫外光を照射し，開口ホールと非開口ホールとの電位差を生じさせる紫外光源を備えた，ミラー電子プロジェクション式検査装置について説明する。図１にその構成を示す。電子源１から放出された電子線は，ビームセパレータ３によりウェハ７に垂直な光軸方向に偏向され，対物レンズ６によりウェハ表面.に垂直な方向にそろった面状の入射電子線５１が形成される。ウェハ７には，電子線の加速電圧とほぼ同じ負の電位が試料印加電源９によって印加されている。試料印加電源９は円孔レンズ電極４１とウェハ７の間の電位差を設定できるようになっており，円孔レンズ電極４１とウェハ７の間の減速電界を可変できるような構成である。円孔レンズ電極４１とウェハ７の間で入射電子線５１は急激に減速されて，ウェハ７の表面に形成された半導体パターン形状や帯電状態を反映した電界により入射電子線５１は試料に吸収されるか，試料の直上で向きを変えて反射電子線５２となる。反射電子線５２を拡大レンズ１３，１４でシンチレータ１５上に結像させ，光ファイバー１６を通してCCD１７でミラー電子像を電子データに変換する。電子データに変換されたミラー電子プロジェクション像は，画像記憶部１８に転送され，演算部１９で欠陥の有無を判定する。紫外光源３０は入射電子線５１と同軸に照射できるように取り付けられている。照射角度は，試料水平面（試料台表面）に対し１０°〜８５°の間であれば何度でもよい。

この装置でウェハ７上に形成されたアスペクト比８以上の開口，非開口ホールを観察する場合について説明する。図２に開口ホール２０５と非開口ホール２０４が混在しているウェハおよびウェハ直上の等電位面２０１を示す。図２(a)はウェハが帯電していない状態であり，ホール直上に発生する等電位面１０１の開口ホール２０５と非開口ホール２０４で差は無い。図２(a)に示すミラー電子プロジェクション像は図３(a)のようになり，開口ホールと非開口ホールの差は無いことがわかる。

次に電子線を照射してウェハを帯電させた場合における等電位面とミラー電子プロジェクション像について説明する。ウェハ上部から電子線を照射するとホール中まで電子が入射し，一部はホール中に残留する。残留している電子がホール直上の等電位面を歪ませる。ホールのアスペクト比が低い場合は，開口ホール中に残留している電子はSi基板２０３にリークするが，非開口ホールに残留している電子は，ホール底の絶縁膜を透過することができず，ホール中に残留し続ける。よって，開口ホールと非開口ホールの帯電に差が生じ，ホール上部の等電位面に差が出る為，ミラー電子プロジェクション像から開口，非開口ホールの区別ができる。しかし，アスペクト比が高い場合，ホール直上の等電位面はホール側壁の帯電で決まる為，図２(b)に示すようにホールの開口，非開口に関わらず同様の等電位面２０７が形成される。図２(b)のミラー電子プロジェクション像は図３(b)のようになり，開口ホールと非開口ホールの区別ができないことがわかる。

そこで，波長を限定した紫外光を照射することにより，開口ホール底のSi基板２０３のみから光電子を放出させホール側壁を帯電させる方法を用いると，開口ホールのみを選択的に帯電させることができる。非開口ホール底からは電子が放出されないので，非開口ホールは帯電しないからである。開口ホールと非開口ホールでホール直上の等電位面に差が現れている様子を図２(c)に示す。図2(c)のミラー電子プロジェクション像は図３(c)のようになり，開口ホールと非開口ホールを区別することが可能となる。

本実施例は，入射電子線５１と紫外光が同軸でウェハに照射される構成の実施例１と異なり，入射電子線５１と紫外光は異なる領域に照射される構成について説明する。構成を図４(a)(b)に示す。光軸とは異なる領域に紫外光を照射できる構成としている。

図４(a)は紫外光源３０の取り付け角度を示す図であり，ウェハ７に対する紫外光源３０の取り付け角度は紫外光が全反射されない角度（約１０°〜８５°）としている。紫外光源３０の取り付け角度をこの角度に限定する理由は，実施例１で説明したように，開口ホール底から光電子を放出させることができる条件だからである。

図４(b)は紫外光源３０のカラムに対する取り付け位置を示す図であり，カラムを中心としてウェハステージ８が移動するXY方向に紫外光源を取り付ける構成としている。ウェハ７を検査する際，ウェハステージ８をX方向もしくはY方向に連続的に移動させつつ，ミラー電子プロジェクション像を取得する。この位置に紫外光源を取り付けることで，ミラー電子プロジェクション像を取得する直前に，ウェハ７を帯電させることができる。検査と同時進行で，非開口ホールを検出する為に必要な帯電を形成できる為，検査のスループットを低下させないという効果がある。ここでは，電子光学系カラム９１を原点とし，ウェハステージ８の移動方向をXY軸として，XY方向に紫外光源を取り付けたが，同様の効果が得られる構成として，リング状の光源を用いる構成も考えられる。

また，本実施例に示す構成は，図１に示す入射電子線と紫外光が同軸で照射される構成と比較して，紫外光源の取付け角度を制限されないという利点がある。
図１に示す同軸照射構成の場合，図５に示す円孔レンズ５０１の形状によって，紫外光５０２の照射角度が制限を受けてしまう。しかし，図４(a)に示すように，電子光学系光軸４０１と軸をずらすことで，照射角度に制限を受けずに済むようになる。
また，図６(a)(b)に示すように，試料直上に電圧を印加できるメッシュ６０１や導電性蒸着膜付光学ガラス６０２を紫外光路に挿入し，ホール底から放出される光電子を引き上げるような電界を形成する構成をとることも可能となる。

本実施例では，Graphical User Interface（GUI）から検査条件を設定し，設定に従って本発明による検査装置が稼動する流れについて説明する。

検査装置は実施例１で説明した検査装置を用いるものとし，図１中のディスプレイ２０に表示されるGUIの例を図７に示す。また、GUIで表示される選択画面に対応した装置動作、ここではウェハ検査開始から終了までのシーケンスを図８に併せて示す。このGUI７０１では，装置の検査モード，検査領域，検査，検査結果，以上４種類の選択画面が表示される。
検査モード選択画面では，ウェハを検査する二つのモード，形状不良検査モード７０２と開口不良検査モード７０３を選択できる。すなわち検査したい欠陥の種類に応じて検査モードを任意に選択することが可能である。形状不良検査モード７０２は，ウェハ上の異物，パターンの形状不良を検出するのに適したモードであり，円孔レンズ４１とウェハ７との間の電界を強く設定し，分解能を上げる効果がある。開口不良検査モード７０３は，コンタクトホールの開口不良を検出するのに適したモードである。実施例２で説明したように，装置の検査と同時にもしくは事前に，紫外光照射により開口ホールの側壁を帯電させる工程を含んでいる。開口ホールの側壁のみが帯電し，開口ホールと非開口ホール直上の等電位面に差が生じるので，ミラー電子プロジェクション像で両者を区別できるという効果がある。
検査領域指定画面では，ウェハのどの領域を検査するかを設定する。
検査画面では，検査を実行している最中の検査領域を表示することができ，欠陥が検出されたら，適宜画面に表示される。
検査結果画面では，検査から判明した，欠陥の位置，欠陥のミラー電子プロジェクション画像，欠陥個数が表示される。欠陥の種類を形状不良７０４と開口不良７０５とに分けて表示することも可能であり，画面上でこれらの欠陥をクリックすると，画面右上部に欠陥のミラー電子プロジェクション像が表示される。

本実施例では，紫外光照射による帯電形成効果がウェハ上に形成されているパターンに依存しないよう，同一領域に複数の方向から紫外光を照射する構成について説明する。

本発明に用いている紫外光の波長は１６０ｎｍ〜２５０ｎｍであり，現在の半導体デバイスのパターンサイズより若干長い。パターンのサイズが波長より短くなると，パターンとパターンの間に侵入することができず，基板から光電子を放出させることができなくなる。特に半導体パターンは，ウェハ面内で水平直角に形成されている為，図４(b)に示すようなウェハステージの移動方向に沿った位置に紫外光源が配置されていると，紫外光照射による帯電効果が得られない場合がある。そこで，図９(a)に示すように，ウェハステージの移動方向に対してある角度αをつけて紫外光を照射できるよう，紫外光源B９０２を配置する。紫外光源B９０２は紫外光源A９０１とは異なる角度から紫外光を照射できる為，ウェハ上のパターンに依存せず，紫外光照射による帯電形成効果を得ることが可能である。

また，本実施例は，実施例２で説明した構成にも適用可能であり，その際は，図４に示した紫外光源各々について，ある角度をもった紫外光源を取り付けることで実現できる。

また，本実施例で示した，紫外光源A９０１と紫外光源B９０２はそれぞれ異なる波長を持つことも可能であり，波長を変えることで，パターンの寸法に依存しない構成となる。

本実施例では，検査に必要な紫外光照射時間を決定する為に，吸収電流をモニタし，その結果を検査時の制御パラメータとする検査方法について説明する。

例えば実施例１，３で説明したように，ウェハを検査しつつ紫外光照射する場合がある。この時，紫外光照射時間を適切な条件に設定する必要がある。照射時間の条件を決定する為に，紫外光照射時におけるウェハの吸収電流をモニタする方法について説明する。本発明では，紫外光照射により開口ホール底から光電子を放出させることにより，ホール側壁を帯電させる工程を含んでいる（図１０(b)）。しかし，帯電は，紫外光を照射しつづける限り進行するものではなく，基板から放出された光電子がホール直上の電位ポテンシャルを越えられなくなった時点で進行が止まる。この時，基板から放出された光電子は再び基板に吸収される為，電流は見かけ上，流れていない。

以上をまとめると，基板から光電子が放出されている間は電流が流れ，ホール側壁の帯電が進行するにつれて，光電子が基板に引き戻されるようになり，電流が流れなくなる。この時の基板吸収電流をモニタすると図１０(c)のようになる。

ウェハを検査する際は検査前に，検査対象領域の一部で基板吸収電流が止まるまでの時間を測定しておき，検査対象領域に紫外光が十分照射されるようウェハステージの速度を制御する。

ここまで説明した紫外光照射時間の測定およびステージ速度の設定を，ウェハ検査のシーケンスに組み込むと図１１のようになる。検査に必要な紫外光照射時間を測定しておくことで，照射時間不足による欠陥検出に必要な帯電不足，照射時間過剰による検査スループットの低下を防ぐ効果がある。

装置全体の構成を示す図。 試料の帯電状態を示す断面図。 試料の帯電状態を示す上面図。 カラムと紫外光源の取り付け位置を説明する図。 電子光学系光軸と紫外光照射角度を説明する図。 ウェハと光源の間に挿入する電極形状を説明する図。 検査モード状況を表すGUI画面。 検査モードに応じた装置の動作を説明するフローチャート。 パターンに応じた紫外光源照射角度を表す図。 正常・欠陥ホールが帯電する様子を説明する図。 開口不良モードにおいてステージ速度を設定する場合のフローチャート。

符号の説明

１：電子源
２：収束レンズ
３：ビームセパレータ
４：アライナ
５：アライナ
６：対物レンズ
７：ウェハ
８：ウェハステージ
１２：絞り
１３：拡大レンズ
１４：拡大レンズ
１５：シンチレータ
１６：光ファイバー
１７：ＣＣＤ
１８：画像記憶部
１９：演算部
２０：ディスプレイ
２３：加速電源
２５：対物レンズ電源
２６：紫外光源制御装置
２７：ステージ制御系
２８：ビーム制御系
２９：検査システム制御系
３０：紫外光源
４１：円孔レンズ電極
５１：入射電子線
５２：反射電子線
９１：電子光学系カラム
９２：試料室
９３：画像処理系
２０１：等電位面
２０２：シリコン酸化膜
２０３：シリコン基板
２０４：非開口ホール
２０５：開口ホール
２０６：電子
２０７：等電位面
３０１：ウェハ
３０２：開口ホール
３０３：非開口ホール
４０１：電子光学系光軸
４０２：リング状光源
５０１：円孔レンズ
５０２：紫外光路
５０３：電子光学系光軸
６０１：メッシュ
６０２：導電性蒸着膜付光学ガラス
６０３：電子光学系光軸
７０１：GUI画面
７０２：形状不良検査選択アイコン
７０３：開口不良検査選択アイコン
７０４：形状不良欠陥位置
７０５：開口不良欠陥位置
７０６：開口不良欠陥位置
９０１：紫外光源A
９０２：紫外光源B
９０３：Si基板
９０４：酸化膜
９０５：残渣
９０６：配線溝
９０７：紫外光A
９０８：紫外光B
１００１：Si基板
１００２：酸化膜
１００３：開口ホール
１００４：非開口ホール
１００５：紫外光
１００６：光電子。

Claims (11)

1. 試料を載置する試料ステージと，
   該試料に対して電子ビームを照射する電子光学系と，
   前記試料に照射した電子の一部もしくは全てが前記試料の最表面付近で反射されるような電界を発生する手段と，
   該電界により反射された電子を結像させる結像光学系と，
   該得られた像を画像信号として検出する画像信号検出手段と，
   該得られた信号を処理して前記試料に存在する欠陥を検出する画像信号処理手段と，
   前記試料を帯電させる帯電制御装置と，
   波長160nm〜250nmの紫外光を照射できる光源とを
   備えたことを特徴とする電子線応用装置。
2. 請求項１に記載の電子線応用装置において，前記試料ステージの水平面に対して10°〜85°の角度をなすように前記光源を載置していることを特徴とする電子線応用装置。
3. 請求項１に記載の電子線応用装置において，
   前記光源を複数載置していることを特徴とする電子線応用装置。
4. 請求項３に記載の電子線応用装置において，互いに異なる波長域の紫外光源を載置していることを特徴とする電子線応用装置。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の電子線応用装置において、
   前記複数の光源は前記試料ステージ表面に対してそれぞれ異なる角度に配置されていることを特徴とする電子線応用装置。
6. 請求項１に記載の電子線応用装置において、
   前記試料には開口ホールを有するパターンが形成されていることを特徴とする電子線応用装置。
7. 請求項６に記載の電子線応用装置において、
   前記試料における前記開口ホール径に対する深さの割合が８以上であることを特徴とする電子線応用装置。
8. 開口ホールを有するパターンが形成された試料の第一の領域に向けて電子ビームを照射する工程と，
   前記試料に照射した電子の一部もしくは全てが前記試料の最表面付近で反射されるような電界を発生させる工程と，
   該電界により反射された電子を結像させる工程と，
   該得られた像を画像信号として検出する工程と，
   該得られた信号を処理して前記試料に存在する欠陥を検出する工程と，
   波長160nm〜250nmの紫外光を前記第一の領域を含む第二の領域に対して照射する工程とを有することを特徴とするパターン検査方法。
9. 請求項８に記載のパターン検査方法において、
   前記欠陥の種類に応じて検査モードが選択可能であることを特徴とするパターン検査方法。
10. 請求項９に記載のパターン検査方法において，
    前記検査モードに応じて，検査に必要な紫外光照射時間を測定し，
    検査に必要な試料ステージ速度を設定し，
    第一の領域を検査する，
    ことを特徴とするパターン検査方法。
11. 荷電粒子線を試料に照射する荷電粒子線応用装置において、
    波長160nm〜250nmの紫外光を照射できる光源を備え，
    該光源は前記試料表面に対して10°〜85°の角度をもつように取り付けられている，
    ことを特徴とする荷電粒子線応用装置。
    

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