(57)【要約】【課題】ウェハ等の基板に欠陥などを生じさせることなく、ウェハを帯電させることのできる半導体検査装置を提供する。【解決手段】電子ビームを用いた吸収電流測定方法を用いて、ウェハ２３のコンタクトホール界面状況や薄膜を評価する半導体検査装置において、ウェハ２３外から前記電子ビームを照射し、この照射によってウェハ２３または薄膜周辺に電子を間接的に照射させ、この後に、前記電子ビームをウェハ２３または薄膜等の測定点に照射して前記測定を行う。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子ビームを用いた吸収電流測定方法を用いて、ウェハのコンタクトホール界面状況や薄膜を評価する半導体検査装置において、
前記ウェハ外から前記電子ビームを照射し、この照射によって前記ウェハまたは薄膜周辺に電子を間接的に照射させ、この後に、前記電子ビームをウェハまたは薄膜等の測定点に照射して前記測定を行うことを特徴とする半導体検査装置。
【請求項２】
前記ウェハまたは薄膜を搭載するステージ上の一部に２次電子或いは反射電子の発生が大きい材料を用いた基準台を設け、該基準台に前記電子ビームを照射して、前記ウェハまたは薄膜に前記二次電子或いは反射電子を照射させることを特徴とする請求項１に記載の半導体検査装置。
【請求項３】
前記基準台の面への電子ビームの照射によって発生する２次電子或いは反射電子が前記ウェハまたは薄膜の中心位置に向かって照射するように、前記基準台の面を傾斜させたことを特徴とする請求項２に記載の半導体検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、特に半導体デバイスの製造工程を評価するために好適な半導体検査装置に関するものである。
【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（特許文献１参照）。
【０００３】
光学式としては、例えば、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)（特許文献２，非特許文献２，３参照)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４参照)が開発、実用化されている。
【特許文献１】国際公開２００８−５３５２４Ａ１
【特許文献２】特表２００６−５０５１１４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】矢野  資、他； 電位コントラスト欠陥検出とそのシミュレーション技術、LSIテスティングシンポジウム, 2006, pp59-64.
【非特許文献６】Hong Xiao, et al; A high Throughput Gray Level Measurement Method for Process Window Characterization/Production Monitor, LSIテスティングシンポジウム, 2006, pp65-70.
【非特許文献７】Topcon  HP
【非特許文献８】山田恵三, EB-Scopeシステムを用いたプロセス管理事例, 電子材料, 2006年6月, pp45-51.
【非特許文献９】M.Honda, et al; Electron-beam Substrate Current Monitoring Technique for Contact Process Optimization & Yield Enhancement, 2007 Advanced Metallization Conference, October 9-11, 2007, pp185-186.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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（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（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（非特許文献４)が開発、実用化されている。今後のLSIの微細化に伴い、上述した電子ビームを用いる検査・評価手法は、将来性のある有力な方法と考えられる。その理由としてEBの収束性、透過性、吸収性のメリットと制御性が挙げられる。しかしながら上記測定手法は、不良箇所の場所の特定や原因プロセスを特定するのには有力であるものの、各配線工程（製造ライン）直後での異常を検出するには最適な方法ではないと思われる。同時に、上記方法では不良解析や欠陥検出を行うために、ウェハ上に何らかの電極を形成する必要もある。
【０００５】
一方、各工程直後の検査にはEBI(Electron beam Inspection)（非特許文献５，６参照)を用いるのが一般的であるが、パターン寸法や形状の測定にとどまっている。例えば、今後最も重要と考えられる高アスペクトコンタクトホールの底部界面の不良解析には、新しい計測方法の提案が必要である。
【０００６】
本願発明者らは、ウェハ基板の裏面から直接EB吸収電流を測定し、薄膜やコンタクトホール径の計測・界面評価が可能であるEB-Scopeを開発し（非特許文献７参照)、その測定結果の評価を行ってきた。既にホール径では40nm程度の測定が可能なこと（非特許文献８参照)、SiO2の薄膜計測ではnmオーダの計測ができ、コンタクト抵抗５０〜２５０Ω程度の差を計測できることを報告した（非特許文献９参照）。
【０００７】
EB-Scopeを用いてコンタクトホール界面の評価を行った結果、EB-Scopeで測定した基板電流値（EB吸収電流値；今後EBS値と呼ぶ）は、明らかにコンタクトホール界面の情報を示していると考えられるデータが取れた。同時に、測定したEBS値をホール径で正規化する手法でデータを整理したところ(正規化EBS値)、正規化EBS値にプロセス異常と考えられるパターンが存在することが判明した。
【０００８】
一方、例えば特許文献２のように、ウェハ等の基板に予め電子ビームを照射しておき、基板電流値が一定に達した状態（安定した状態）で、電子ビームの強さを変えて、コンタクトホールなどを測定するための装置が知られている。
【０００９】
しかしながら、基板電流値が安定するまでウェハ等の基板に電子ビームを照射し続けなければならないため、かえって、ウェハ等表面に過大な帯電を生じたり、欠陥などを生じ易く、基板電流値も変動してしまうという問題も発生する。この結果、基板電流値を用いた測定では正確にウェハを検査することができない欠点があった。
【００１０】
そこで、本発明では、適当な電子ビームサイズでコンタクトホール或いは薄膜部分を照射し、その際に測定される吸収電流値を測定する前に、被測定対象のコンタクトホール或いは薄膜部分に電子ビームを直接照射してプリチャージを行うことなく、ウェハの周辺外から電子ビームを間接的にウェハ内部に一定時間照射した後に、上記測定を行うことで、ウェハ等の基板の測定点に過度な帯電や欠陥などを生じさせることなく、正確にウェハの吸収電流値を測定することができる半導体検査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】
【００１１】
請求項１の発明は、電子ビームを用いた吸収電流測定方法を用いて、ウェハのコンタクトホール界面状況や薄膜を評価する半導体検査装置において、
前記ウェハ外から前記電子ビームを照射し、この照射によって前記ウェハまたは薄膜周辺に電子を間接的に照射させ、この後に、前記電子ビームをウェハまたは薄膜等の測定点に照射して前記測定を行うことを特徴とする。
【００１２】
請求項２の発明は、 前記ウェハまたは薄膜を搭載するステージ上の一部に２次電子或いは反射電子の発生が大きい材料を用いた基準台を設け、該基準台に前記電子ビームを照射して、前記ウェハまたは薄膜に前記二次電子或いは反射電子を照射させることを特徴とする。
【００１３】
請求項３の発明は、前記基準台の面への電子ビームの照射によって発生する２次電子或いは反射電子が前記ウェハまたは薄膜の中心位置に向かって照射するように、前記基準台の面を傾斜させたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
この発明によれば、吸収電流測定を行う前に、ウェハ外から電子ビームを照射し、この照射によって生じる電子をそのウェハに帯電させるものであるから、ウェハまたは薄膜の測定点に直接電子ビームを照射する必要がなく、このため、測定前の帯電の際にウェハまたは薄膜の測定点に過度な帯電や欠陥を生じさせてしまうことがなく、ウェハや薄膜の吸収電流値を正確に測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
（発明の概要）
本発明者らは、ウェハ基板の裏面から直接、吸収電流(基板電流;ＥＢＳ)を高感度で測定し、ウェハ表面の薄膜やコンタクトホール径の計測、コンタクト底部の界面評価を行うことができるＥＢ-Ｓｃｏｐｅ(型名ＥＢＳ３０００)の開発を進めている。
【００１６】
既に、ホール径では４５ｎｍ以下の測定が可能なこと、ＳｉＯ２の薄膜計測ではｎｍオーダの計測ができ、コンタクト抵抗５０〜２５０Ω程度の差を計測できることが知られている。
【００１７】
ＥＢ-Ｓｃｏｐｅはコンタクトホール底部の界面状態の情報を得ることができるため、プロセス制御への活用が期待できる。各種ウェハを測定した結果、吸収電流(基板電流)は、明らかにコンタクトホール界面の情報を示していると考えられる。正規化ＥＢＳ手法を用いることによって、製造ラインでのプロセスモニター・制御の可能性も見出された。
【００１８】
以下、図面を参照しつつ本発明の原理を説明する。
（１）EB-Scopeの測定原理
図1はこの発明に係わるEB-Scopeの測定原理を示す。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・精度で計測することができる。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
【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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
［本発明が適用される半導体検査装置］
以下、本発明のデータ処理方法が適用される半導体検査装置について説明する。なお、この半導体検査装置の詳細な構成は、特許文献１（行番号００２４〜００６２）に記載されている。
【００３１】
図５に、本発明の一実施形態による半導体検査装置の構成を示す。この半導体検査装置は、測定対象物（試料）である半導体基板（以下、ウェハと言う）に電子ビームを照射し、この電子ビームによってそのウェハに誘起された基板電流を測定し、この基板電流からそのウェハに形成された微細構造の評価値を得ることを基本原理としている。パターンマッチングのためには放出される二次電子あるいは反射電子も利用する。
【００３２】
図５に示すように、測定対象ウェハ23がどのような素性ウェハか判別可能な固有IDを読めるように、ウェハ識別装置20を有している。測定対象ウェハ23上には、種々の半導体デバイスが形成されているが、それらは、ウェハ23上に予め設けられたグローバルアライメント座標系に従って、ショット座標、チップ座標が一義的に決定されている。これら座標系を用いて位置指定することにより、半導体ウェハ23上に形成された全ての半導体素子を一義的に決定することができる。
【００３３】
逆に、検出された不具合の位置もこの座標系を用いることによって一義的に決定される。これらの座標系を用いる事で、他の装置の出力する検査結果や電気テストの結果又は設計情報であるCAD情報と照合することもできる。
【００３４】
測定対象物（試料）であるウェハ23を収容するチャンバー26には、電子ビームEBを発生する電子銃（照射手段）10が取り付けられ、この電子銃10は電子ビーム源11を備え、この電子ビーム源11には高圧電源40が接続されている。電子銃10の内部には、電子ビーム源11からの電子流の放出方向に沿って、コンデンサレンズ12、アパチャー13、偏向レンズ14、対物レンズ15がこの順に配置されている。このうち、偏向レンズ14には偏向装置100が接続され、電子ビームEBを高精度で偏向可能となっている。また、対物レンズ15の下方に対物レンズ15とウェハ23との間の距離を測定するウェハ対物レンズ間距離測定装置16が設けられている。また、この電子銃10の電子ビームEBのエネルギー、電流量、フォーカス状態も任意に制御可能となっている。ウェハーウェハ23に電子ビームが照射されることによって生じる基板電流は、基板電流測定装置(電流測定装置)30によって測定され、二次電子、反射電子はそれぞれ二次電子反射電子検出装置24によって検出される。
【００３５】
チャンバー26の内部には、ウェハ23を移動及び一定位置に支持するためのＸＹステージ21とトレイ22とが収容され、トレイ22にはウェハ23が載置されている。電子銃10から放出される電子ビームEBは、トレイ22に載置されたウェハ23の表面に向けられており、ＸＹステージ21によりトレイ22を移動させることにより、ウェハ23に対する電子ビームEBの照射位置を調整することが可能となっている。
【００３６】
ここで、電子銃10から照射された電子ビームEBをnmオーダーの位置精度でウェハ23に照射するために、ＸＹステージ21により、固定された電子ビームEBの照射軸に対して相対的にウェハ23を移動するようになっている。ＸＹステージ21の駆動装置としてはパルスモーターや超音波モーター、リニアモーター又は圧電素子等が利用される。レーザ測長器やレーザースケール等の高精度測定技術を併用することにより、ＸＹステージ21上に載置されたウェハ23の位置精度は数nm程度に制御される。
【００３７】
また、ウェハ23を載置するトレイ22には、電流測定装置30が接続されており、ウェハ23に流れる基板電流がトレイ22を介して電流測定装置30により測定されるようになっている。電流測定装置30は、トレイ22に内蔵され、又は近傍に配置されており、外部からの電磁波ノイズをカットできるようになっている。
【００３８】
電流測定装置30としては、抵抗、電圧変換型の装置や交流アンプ、チャージアンプなど種々の形式を用いることができる。この電流測定装置30は、測定した基板電流値をデジタル信号にA／D（Analog／Digital）変換するA／D変換器を備えており、測定値をデジタルデータとして出力する。
【００３９】
また、この半導体検査装置は、2次元走査制御装置（パターンマッチングエンジンを含む）110、二次電子反射電子信号処理装置190、電流波形記憶装置120、波形整形装置130、波形画像認識処理装置140、表示装置150、データベース装置160を備え、これらは、コンピュータ等の情報処理装置上に構築されている。  このうち、2次元走査制御装置110は、電子ビームEBがウェハ23の表面を2次元的に走査するように偏向装置100を制御すると共に、電子ビームEBの照射位置を高精度に合わせるためのパターンマッチングに関する制御を担うものである。なお、本実施形態では、2次元的に走査するとは、ライン状の走査を一定の間隔で複数回にわたって繰り返すことを意味している。例えば、テレビ画面における水平走査および垂直走査と同様の概念である。このように走査された電子ビームからは二次電子又は反射電子像又は基板電流像が形成され、パターンマッチングに利用される。
【００４０】
一般的にウェハが試料室内に搬送されてきた場合、プラスに帯電していることが多いことが知られている。ウェハの表面がプラスに帯電している場合は、基板電流値は高く測定される。これはウェハ表面から放出された2時電子が、引き戻されるためである。反対に、もし、ウェハがマイナスに帯電している場合は、放出された2次電子が引き戻されることは無く、同時に2次電子の放出が加速される傾向も少ない。従って、ウエハ表面に若干の電子を照射してプラス帯電を解消することが測定の安定化に有効である。
【００４１】
図６は、ウェハ２３に間接的に電子を照射帯電させる方法を概念的に示した説明図である。図６において、２００はステージ２１に設けた基準台であり、この基準台２００は二次電子あるいは反射電子を多く発生させる材質（原子番号の大きい元素はより反射電子を多く放出する傾向にある）から形成され、また電子ビームＥＢが照射される面が傾斜面２０１となっている。この傾斜面２０１の角度は、電子ビームＥＢを基準台２００の傾斜面２０１に照射させた際に、発生する二次電子（または反射電子）の飛び出す方向Ｒがウェハ２３の中心位置２３ａに向くように設定されている。
【００４２】
ここでは、基準台２００の傾斜面２０１に対する電子ビームＥＢの入射角をθとすると、二次電子の出射角はほぼθとみなすことができるので、傾斜面２０１の垂直線Ｈに対して飛び出す方向Ｒが角度θなってウェハ２３の中心位置２３ａに向くように、傾斜面２０１の角度αや基準台２００の高さ（照射位置２０１ａの高さ）等を設定する。
【００４３】
先ず、上記の基板電流値（ウェハ２３の吸収電流値）の測定を行う前に、基準台２００の傾斜面２０１に電子ビームＥＢを照射して、ウェハ２３に間接的に電子を照射させる。この照射量は、照射時間を制御することにより適正となるようにする。
【００４４】
照射時間が所定時間になったら、上述のようにウェハ２３のコンタクトホールを照射して基板電流値の測定等を行う。
【００４５】
このように、基準台２００の傾斜面２０１に電子ビームＥＢを照射してウェハ２３のを帯電制御させるものであるから、その帯電制御の際に、従来行われていたウェハ２３の測定点での直接的な電子ビームの照射により、過度な帯電を生じさせたり損傷させてしまうことがない。また、基板電流値の測定の際、ウェハ２３がプラス帯電が解消されてされていることにより、ウェハ２３に衝突する電子ビームＥＢの速度を低減させたり、2次電子の引き戻し現象を低減させることができ、基板電流の測定精度を向上させることができる。
【００４６】
ウェハ２３に均一に電子ビームを照射させるためには、基準台２００を円筒状に形成し、この筒内にウェハ２３を配置し、電子ビームＥＢを傾斜面２０１の周方向に沿って照射させていくと良い。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【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】この発明の実施例の半導体検査装置の構成を示したブロック図である。
【図６】ウェハを帯電させる方法を概念的に示した説明図である。
【符号の説明】
【００４８】
１０    電子銃（照射手段）
２３    ウェハ
３０    電流測定装置
１４０  波形画像認識処理装置（演算処理装置）
２００  基準台
２０１  傾斜面
ＥＢ    電子ビーム
【図２ｂ】
2010118414.tif 000004
【図５】
2010118414.tif 000005
【図６】
2010118414.tif 000006
【図１】
2010118414.tif 000007
【図２ａ】
2010118414.tif 000008
【図３】
2010118414.tif 000009
【図４】
2010118414.tif 000010