(57)【要約】【課題】  既存の帯電防止部材を基板電流値の制御にも兼用させ、装置全体の大型化を回避し、コストを掛けずに基板電流の安定化を図ることのできる電子ビームを用いた装置を提供する。【解決手段】  本発明の電子ビームを用いた装置は、鏡筒に配置された光学系を介して電子ビーム４１を試料２１に集束して照射する電子ビーム４１を用いた装置において、光学系と試料２１との間に、導電部を有すると共に電子ビームが通過する開口部を備えた板状部材１１０を備え、板状部材１１０は、試料面上の電子ビーム照射点から見て光学系の少なくとも一部を覆う大きさを有し、板状部材１１０が帯電防止機能を果たすように構成するとともに、板状部材１１０の導電部に電圧Ｖｃを印加し、電子ビーム４１を試料２１に照射した際に試料２１に流れる基板電流値ＩＡＣを測定し、基板電流値ＩＡＣが目標とする電流値になるように、板状部材１１０へ供給する電圧Ｖｃを制御する。【選択図】  図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
鏡筒に配置された光学系を介して電子ビームを試料に集束して照射する電子ビームを用いた装置において、
前記光学系と試料との間に、導電部を有すると共に電子ビームが通過する開口部を備えた板状部材を備え、
前記板状部材は、試料面上の電子ビーム照射点から見て前記光学系の少なくとも一部を覆う大きさを有し、前記板状部材が帯電防止機能を果たすように構成するとともに、前記板状部材の導電部に電圧を印加し、電子ビームを試料に照射した際に試料に流れる基板電流値を測定し、該基板電流値が目標とする電流値になるように、該板状部材へ供給する前記電圧を制御することを特徴とする電子ビームを用いた装置。
【請求項２】
前記試料がウエハであり、該ウエハの代表的な場所に電子ビームを照射し、該電子ビームの照射により生じる基板電流が一定値に保たれるように、前記板状部材に電圧を印加することを特徴とする請求項１記載の電子ビームを用いた装置。
【請求項３】
前記代表的な場所が、前記ウエハのコンタクトホールの近傍で、該コンタクトホールが存在しない場所であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電子ビームを用いた装置。
【請求項４】
導電部を有すると共に電子ビームが通過する開口部を備えて試料の帯電防止機能を有する板状部材と、前記電子ビームの照射により前記試料に生じる基板電流を検出する検出器と、該検出器により検出された基板電流が一定となるように前記板状部材に加える電圧を制御する制御回路と、を備えていることを特徴とする電子ビームを用いた装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子ビームを用いた半導体検査装置に関し、特に、電子ビームを用いて試料基板のチャージアップ（帯電）を防止し、基板電流値を制御する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学式や電子ビーム(ＥＢ)を用いたＬＳＩ配線の不良解析や欠陥検出が既に行われている。例えば、光学式としては、赤外レーザを試料に照射し電子-正孔対を発生させ、これらの発生キャリアによって流れる電流を測定するＯＢＩＣ法（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｂｅａｍ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｃｕｒｒｅｎｔ）（非特許文献1)がよく知られている。同様な手法でEBを試料面上に照射し流れる電流を測定するEBIC法(Electron Beam Induced Current)（非特許文献2、3)や、EB照射電流の一部が吸収される現象を測定するEBAC法(Electron Beam Absorbed  Current)（非特許文献4)が開発、実用化されている。
【０００３】
また、従来から、電子ビームを利用した半導体検査装置および半導体検査方法において、基板のチャージアップを防止する技術や、基板電流を測定する技術が公知である（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００７−１６５２１０号公報
【非特許文献１】K. Haraguchi；Microscopic Optical Beam Induced Current Measurement and their Applications, Proc. IEEE (IMEC’94), May10-12, Vol.2, 1994, pp693-699.
【非特許文献２】近藤 正、他； EBIC/OBICを用いたGaAsMMIC故障箇所特定解析事例, LSIテスティングシンポジウム, 2002, pp363268.
【非特許文献３】植木 悠介, 他； 電子ビーム吸収電流法による故障解析,  LSIテスティングシンポジウム, 2007, pp303-307.
【非特許文献４】野久尾  毅,  他； 電子ビーム吸収電流による半導体デバイス故障箇所検出方法に対する考察, LSIテスティングシンポジウム, 2007, pp293-296.
【非特許文献５】S. Ota, et al； Technology of Measuring Contact Holes Using Electric charge in a Specimen, JEOL news, Vol.37E, 2002, pp54-58.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、電子ビームをウエハ等の試料に照射し、試料に吸収される吸収電流(基板電流)を測定して、試料面の構造を解析する(例えば、コンタクトホールの形状やホール底の界面の状態を計測する)装置では、基板のチャージアップによる吸収電流(基板電流)の変化を正確に知る必要がある。
【０００５】
このような基板のチャージアップと吸収電流の関係は、非特許文献５に詳述されている。非特許文献5によれば、試料面の電界強度によって、流れる吸収電流(基板電流)が大きく変わることが示されている。
【０００６】
そのチャージアップはウエハの加工プロセス、ウエハの材料（表面やホール底の材料など）、搬送途中の環境によって大きく変ってくる。同時に、装置に使用される電子ビームの加速電圧や試料電流によっても、測定中にチャージアップが異なることになる。
【０００７】
このような現象を防止するとともに、正確な基板電流値を安定して制御するには、チャージの量を測定したり、チャージを無くするような方法を採用したりする必要がある。このため、複数の装置を装着しなければならず、結果的に装置全体が大型化し、コストが掛かりすぎる。
【０００８】
一方、ウエハ基板の画像の測定安定度を図るために、一般に、ウエハの上部に設けた板状部材が使われることが多い。画像観察時に発生した２次電子の捕捉効率を良くするために、基板がチャージしたとしても、板状部材に適当な電圧をかけて、２次電子の引き出しを一定にして画像の質の低下を防ぐ目的で使用される。
【０００９】
本発明は、既存の帯電防止部材を基板電流値の制御にも兼用させ、装置全体の大型化を回避し、コストを掛けずに基板電流の安定化を図ることのできる電子ビームを用いた装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１に記載の電子ビームを用いた装置は、鏡筒に配置された光学系を介して電子ビームを試料に集束して照射する電子ビームを用いた装置において、
前記光学系と試料との間に、導電部を有すると共に電子ビームが通過する開口部を備えた板状部材を備え、前記板状部材は、試料面上の電子ビーム照射点から見て前記光学系の少なくとも一部を覆う大きさを有し、前記板状部材が帯電防止機能を果たすように構成するとともに、前記板状部材の導電部に電圧を印加し、電子ビームを前記試料に照射した際に該試料に流れる基板電流値を測定し、該基板電流値が目標とする電流値となるように、該板状部材へ供給する前記電圧を制御することを特徴とする。
【００１１】
請求項２に記載の電子ビームを用いた装置は、前記試料がウエハであり、該ウエハの代表的な場所に電子ビームを照射し、該電子ビームの照射により生じる基板電流が一定値に保たれるように、前記板状部材に電圧を印加することを特徴とする。
【００１２】
請求項３に記載の電子ビームを用いた装置は、前記代表的な場所が、前記ウエハのコンタクトホールの近傍で、該コンタクトホールが存在しない場所であることを特徴とする。
【００１３】
請求項４に記載の電子ビームを用いた装置は、導電部を有すると共に電子ビームが通過する開口部を備えて試料の帯電防止機能を有する板状部材と、前記電子ビームの照射により前記試料に生じる基板電流を検出する検出器と、該検出器により検出された基板電流が一定となるように前記板状部材に加える電圧を制御する制御回路と、を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
ウエハ上のチャージを測定したり、帯電を防止するためのイオナイザーを用いたり、構造の徹底した見直し、空気流の流れの制御など、多くの対策を施したとしても、基板のチャージアップを完全に取り除くことは難しい。
【００１５】
本発明によれば、既存の帯電防止部材を基板電流値制御に兼用させたので、装置全体の大型化を回避し、コストを掛けないで安定した基板電流値を測定することができる。
【００１６】
帯電防止部材としての板状部材（ＣＰＰ）により、局所的な帯電の場合でも、近くにキャリブレーション用の代表的な場所で基板電流を測定し、その測定値を一定に保つように板状部材の電圧を変更することにより、常に、真値に近い状態での被測定物の基板電流値を測定することができる。
【００１７】
更に、ウエハ基板の画像の安定度を図るために、すなわち、画像観察時に発生した２次電子の捕捉効率を良くするために、試料がチャージしたとしても、板状部材に適宜の電圧を印加して、２次電子の引き出しを一定にして画像の質の低下を防ぐのにも帯電防止部材を利用できる。
（EB-Scopeの概要）
図1はこの発明に係わるEB-Scopeの測定原理を示している。このEB-ScopeはSEMと同じ構成であるが、ウェハ裏面から吸収電流（EBS値）を高感度・高精度で計測することができる。
【００１８】
この図１において、ＷＥＨはウェハ、ＣＯＮＨはコンタクトホール、ＣＯＮＨＤはコンタクトホール底を示している。電子ビームEBをスキャンすることによってコンタクトホールＣＯＮＨの直径を計測する測定モード、コンタクトホールＣＯＮＨの直径よりも若干大きなビーム径をコンタクトホールＣＯＮＨの部分に照射してEBS値を測定するモードがある。
【００１９】
電子銃Ｅ−Ｂｅａｍ  Ｇｕｎから電子ビームＥＢがウェハＷＥＨに照射されると、二次電子ＳＥが電子検出器ＰＭＴによって検出され、電子検出器ＰＭＴの出力はプリアンプＰre-AMPによって増幅されて表示装置に入力され、表示装置の画面Ｇｒに電子顕微鏡画像（ＳＥＭ像）が表示される。これによって被測定物の位置出しが可能である。位置出しが終了すると、例えばコンタクトホールＣＯＮＨの内部に電子ビームEBを照射（或いはスキャン）することで、吸収電流（基板電流）ＩＡＣが検出される。この基板電流ＩＡＣは基板電流増幅システムＳＣＡＳに入力され、この基板電流ＩＡＣも表示装置に入力され、表示装置の画面Ｇｒに基板電流に基づく画像が所定の処理によって表示される。なお、表１にはEBS3000の基本仕様が示されている。
【００２０】
【表１】
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図２（ａ）、図２（ｂ）はＥＢ-Ｓｃｏｐｅの測定モードを示す概念図である。図２（a)はコンタクトホールＣＯＮＨのサイズを測定するＬＳＭ(Ｌｉｎｅ ｓｃａｎ ｍｏｄｅ；フォーカスビームをスキャンするモード）を示している。図２（b)はコンタクトホール界面の評価を行うＢＬＭ(Ｂｌａｎｋｅｔ Ｍｏｄｅ；ビーム径を若干コンタクトホールより大きくして静止状態で測定を行うモード）を示している。測定モードは主としてこの二つであるが、これらの両方を兼ね備えた（ビーム径をホール径よりは小さくした状態でスキャン）測定を行うこともできる。
【００２１】
図２（ａ）に示すように、電子ビームＥＢによってスキャンすると、基板電流ＩＡＣが得られる。この基板電流ＩＡＣのプロファイルを微分すると、微分波形ＢＷが得られ、この微分波形ＢＷからコンタクトホールＣＯＮＨの直径φ、エッジの形状決定ができる。コンタクトホールＣＯＮＨがシングルホールの場合には、基板電流ＩＡＣのプロファイルは単一であるが、コンタクトホールＣＯＮＨがマルチホールの場合には、基板電流ＩＡＣのプロファイルは交流的な形状となる。
【００２２】
図２（ｂ）に示すように、電子ビームＥＢのビーム径を大きくして静止状態でウェハＷＥＨのコンタクトホールＣＯＮＨに照射すると、基板電流ＩＡＣが得られる。この基板電流ＩＡＣは、若干変動しているが、直流成分電流である。コンタクトホールＣＯＮＨがシングルホールの場合、電子ビームＥＢの直径は、コンタクトホールＣＯＮＨの直径φよりも若干大きいのが望ましい。コンタクトホールＣＯＮＨがマルチホールの場合、電子ビームＥＢの直径は、数個のコンタクトホールＣＯＮＨを含む直径とするのが望ましい。
【００２３】
これらの測定モードを駆使しながら、薄膜や図３に示すコンタクトホールＣＯＮＨの状態等を測定する。
【００２４】
その図３において、（ａ）はＣＯＮＨ絶縁層残渣、（ｂ）はＣＯＮＨポリマー残渣、（ｃ）はＣＯＮＨエッチストッパー加工状態、（ｄ）はＣＯＮＨストッパー貫通状態、（ｅ）は小さくて奇妙な形状のＣＯＮＨ、（ｆ）は薄膜層厚状態が観察できる模式図をそれぞれ示している。
【００２５】
一般的に、ウェハ基板ＷＥＨに吸収される電流ＩＡＣは、図４に示すように、
IＡＣ＝Ip−IS−IBS      ・・・・(1)
の式を用いて表わすことができる。
【００２６】
ここで、IpはウェハＷＥＨに入射する初期電流、 ISはウェハ基板ＷＥＨ外に放出される2次電子による電流、IBSは反射電子による電流である。EB-Scopeは加速電圧を数kＶ程度としているので、IBSは無視できると考えている。また、IS を“ウェハ基板ＷＥＨ外に放出される2次電子”と定義したのは、ウェハ基板表面ＷＥＨＳの帯電によって2次電子の引き戻しよる影響を考える必要があることを意味している。
【００２７】
既に、薄膜測定（SiO2膜）に関しては、シミュレーション結果との比較が行われており、EB照射による電子―正孔対の発生とそれらの発生キャリアによるSi基板に流れる電子を考え、定性的に膜厚数10nm程度までは、測定結果を良く説明できている。
【００２８】
また、EB進入深さより十分に厚い絶縁膜に関する帯電シミュレーションにおいても、ウェハ基板（ＷＥＨ）に流れ込む電流を計算した結果が示されている。絶縁膜ＩＮＳが存在してもウェハ基板ＷＥＨへの電子の流れが生じることから、EB-Scopeは様々な現象を測定できる可能性があると期待できる。
（実施例）
以下、本発明が適用される電子ビームを用いた装置を図面を参照しつつ説明する。
【００２９】
以下、本発明に係る電子ビームを用いた発明の装置の実施の形態について説明する。図５は荷電粒子ビーム装置の構造を示す断面図、図６は図５に示した荷電粒子ビーム装置の荷電粒子光学系下部を示す横断面図、図７は図６に示した帯電防止部材を示す図であり、（a）は縦断面図、（ｂ）は平面図である。
【００３０】
ここでは、荷電粒子ビーム装置として荷電粒子光学系を鏡筒１０内に配置した走査電子顕微鏡１００を例として説明する。この走査電子顕微鏡１００において、鏡筒１０の上部には電子線源１１が配置されている。この電子線源１１から発生した電子ビーム４１は、アライメントコイル１２（第1偏向手段）、スティグコイル１３（第２偏向手段）で偏向される。そして、電子ビーム41は対物レンズ１４（倍率調整手段）で倍率調整され、試料（ウエハ）２１上を走査する。そして、試料２１から発生する２次電子、反射電子などの荷電粒子４２は検出器３０で検出され、図示を略すモニター等の画像表示手段で試料像（走査画像）が表示される。
【００３１】
ここでは、走査電子顕微鏡１００の荷電粒子光学系には、板状材部材として帯電を防止する部材であると共に、ガスを導入する部材である帯電防止部材１１０が設けられている。この帯電防止部材１１０は、ＣＰＰ（Ｃｈａｒｇｅ ｐｒｅｖｅｎｔｉｖｅ ｐｌａｔｅ）と称される。ここでは、帯電防止部材１１0は試料２１の荷電粒子照射個所に向けてガスを放出する他、負の電圧が印加されるものとして構成される。なお、帯電防止部材110は、試料２１と共に、接地（アース）することもでき、同時に、荷電粒子光学系を配置した鏡筒１０全体を正電圧に印加することもできる。
【００３２】
ここでは、荷電粒子光学系の下部には対物レンズ１４が配置されている。対物レンズ１４はコイル１４１と磁極１４２と偏向器１４３とから構成されている。電子線源１１から発光された電子ビーム４１は、偏向器１４３で偏向され、コイル１４１で磁化された磁極１４２で集束され、試料２１に照射される。偏向器１４３は、例えば、８極静電偏向器である。試料２１は、試料ホルダ１２２に保持されている。
【００３３】
対物レンズ１４と試料２１の間には帯電防止部材１１０が配置されている。帯電防止部材１１０は、絶縁体で形成された固定部１２１を介して磁極１４２に取り付けられている。ここでは、帯電防止部材１１０の厚さは、数ｍｍ程度であり、対物レンズ１４、試料２１に接触することなく、対物レンズ１４と試料２１との極めて狭い間隙に配置されている。
【００３４】
すなわち、帯電防止部材１１０は光学系と試料２１との間に、導電部を有すると共に電子ビーム４１が通過する開口部１１３を備えている。
【００３５】
その帯電防止部材110は、試料２１面上の電子ビーム照射点から見て光学系の少なくとも一部を覆う大きさを有し、板状部材が帯電防止機能を果たす。
【００３６】
ここでは、帯電防止部材１１０には電圧Ｖｃが印加され、試料２１には試料ホルダ１２２を介して電圧Ｖｓが印加されている。ここで、各電圧Ｖｃ、Ｖｓは負電圧である。また、対物レンズ１４は接地（アース）されている。
【００３７】
帯電防止部材１１０は、図７に示すように、２枚の板材１１１，１１２を接合して構成され、中央に電子線透過用の開口部１１３を形成している。また、板材１１１，１１２の間には円周方向の流路１１４と、放射方向の４本の流路１１５とが形成され、これらの流路１１４，１１５は、開口部１１３周縁縁において４つの放出口１１６を形成している。
【００３８】
また、放出口１１６近傍の流路１１５は、試料２１面上の電子ビーム照射点へ向けて傾斜して形成されている。また、流路１１４はガス導入配管１１７に接続されており、図示していないガス供給装置から、窒素（Ｎ２）、アルゴン（Ａｒ）などの不活性ガス、または酸素（Ｏ２）、オゾン（Ｏ３）などのガスが供給される。なお、実施例では窒素（Ｎ２）を用いるものとしている。
【００３９】
試料２１としてのウエハの背面には基板電流検出器Ａ１が接続され、この基板電流検出器Ａ１の基板電流ＩＡＣは制御回路Ａ２に入力される。制御回路Ａ２は基準基板電流ＩＡＣ０と電子ビーム照射により得られる基板電流ＩＡＣと差の絶対値が大きくなったときには、その差が小さくなるように帯電防止部材１10に加える電圧Ｖｃを制御する。
【００４０】
その帯電防止部材110の電圧を調整することにより、試料21の基板電流値ＩＡＣが目標とする一定値となるように制御され、試料21の表面帯電量が制御され、２次電子を検出することにより得られる走査画像の品質の低下が防止される。
【００４１】
試料２１は好ましくはウエハであり、このウエハの代表的な場所に電子ビームを照射し、この電子ビームの照射により生じる基板電流を較正用の基準基板電流ＩＡＣ０として用いれば、試料21の基板電流値ＩＡＣの測定の安定化をより一層図ることができる。
【００４２】
そのウエハの代表的な場所は、測定しようとしているウエハのコンタクトホールの近傍で、且つ、このコンタクトホールが存在しない場所で帯電防止部材１１０の電圧を調整することが望ましい。このコンタクトホールの近傍で基準基板電流ＩＡＣ０を測定し、この値が常に一定となるようにウエハ全面のコンタクトホールの測定時に帯電防止部材１１０の電圧を調整する。或いは、都度、ウエハのコンタクトホール近傍で、コンタクトホールが存在しない場所での基板電流値を測定し、基準として決めたこの基板電流値ＩＡＣ０と同じ基板電流値が得られるように帯電防止部材１１０の電圧を調整することが望ましい。これにより、ウエハ全面でコンタクトホール内に照射したときに得られる基板電流ＩＡＣを正確に測定できる。
【００４３】
この発明の実施の形態では、光学系を有する荷電粒子ビーム装置について説明したが、これに限るものではなく、例えば、国際公開ＷＯ２００８−５２５２４Ａ１号公報に開示の半導体検査装置にも適用できる。
【００４４】
すなわち、帯電防止部材は、導電部を有すると共に電子ビームが通過する開口部を備えて試料の帯電防止機能を有すれば良く、電子ビームを用いた装置は、電子ビーム４１の照射により試料２１に生じる基板電流ＩＡＣを検出する検出器Ａ１と、この検出器Ａ１により検出された基板電流ＩＡＣが一定となるように帯電防止部材１１０に加える電圧を制御する制御回路Ａ２とを備えていれば良い。
【００４５】
また、制御回路Ａ２は必ずしも必要なものではなく、手動で電圧Ｖｃを制御する構成としても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】この発明の測定原理を示した概念図である。
【図２ａ】コンタクトホールの径を測定する測定モードを示す概念図である。
【図２ｂ】コンタクトホールの界面の評価を測定する測定モードを示す概念図である。
【図３】コンタクトホールの状態を示した説明図である。
【図４】ウェハ基板に吸収される電流を説明する概念図である。
【図５】実施の形態に係る荷電粒子ビーム装置の構造を示す断面図である。
【図６】図５に示した荷電粒子ビーム装置の荷電粒子光学系下部を示す横断面図である。
【図７】図６に示した帯電防止部材を示す図であり、（a）は縦断面図、（ｂ）は平面図である。
【符号の説明】
【００４７】
２１…試料
４１…電子線
１１０…帯電防止部材（板状部材）
Ｖｃ…電圧
【図２ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図１】
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【図２ａ】
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【図３】
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【図４】
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