(57)【要約】      （修正有）【課題】半導体デバイスや金属材料をはじめとする各種固体材料中の微小欠陥の位置や個数、サイズなどをナノメートルオーダの空間分解能で高速検査する。【解決手段】収束電子線装置に陽電子照射機能を搭載し、欠陥位置情報を収束電子線位置情報、欠陥の個数やサイズを電子と陽電子の対消滅で発生したγ線の検知情報から得、これら２次元分布情報をモニタ上に表示する。【選択図】  図１
2004340652.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子源と、陽電子源と、試料を載置する試料ステージと、
前記電子源から放射される電子線を集束し前記試料に照射する電子線照射機構と、
前記試料上における電子線の照射位置を制御する電子線位置制御機構と、
前記陽電子源から放射される陽電子線を試料に照射する陽電子線照射機構と、
前記電子線および陽電子線の照射により前記試料から発生する電磁波を検出する検出器と、
前記電子線の照射位置の情報と前記検出器の出力信号とを同期させ画像信号を生成する制御器と、
該画像信号を表示する表示手段を備えたことを特徴とする陽電子線応用装置。
【請求項２】
請求項１に記載の陽電子線応用装置において、
前記陽電子線を前記試料に対して走査させるスキャン手段を備えたことを特徴とする陽電子線応用装置。
【請求項３】
請求項１に記載の陽電子線応用装置において、
前記試料を冷却する手段を備えたことを特徴とする陽電子線応用装置。
【請求項４】
請求項１に記載の陽電子線応用装置において、
前記検出器として少なくとも２つのγ線検出器を用い、該少なくとも２つのγ線検出器を前記試料ステージを挟んで相対する位置に配置したことを特徴とする陽電子線応用装置。
【請求項５】
請求項１に記載の陽電子線応用装置において、
前記検出器がγ線検出器であることを特徴とする陽電子線応用装置。
【請求項６】
請求項５に記載の陽電子線応用装置において、
前記γ線検出器と陽電子源の間に配置されたγ線遮蔽手段を含むことを特徴とする陽電子線応用装置。
【請求項７】
請求項１に記載の陽電子線応用装置において、
前記陽電子線を収束する手段を備えたことを特徴とする陽電子線応用装置。
【請求項８】
請求項１に記載の陽電子線応用装置において、
前記試料ステージと前記電子線照射機構との間に配置された電子線減速器とを備えることを特徴とする陽電子線応用装置。
【請求項９】
請求項８に記載の陽電子線応用装置において、
前記電子線減速器は、ソレノイド型磁場発生装置を含むことを特徴とする陽電子線応用装置。
【請求項１０】
請求項１に記載の陽電子線応用装置において、
前記陽電子源として複数の陽電子線源と、
前記試料ステージと前記陽電子源との間に配置され、陽電子線の通過する開口を備えたシールドと、
前記複数の陽電子線源のうちの１の陽電子線源を、放射される陽電子が前記開口部を通過する位置に移動する移動手段とを備え、
前記複数の陽電子源は、各々種類の異なる核種を備えたことを特徴とする陽電子線応用装置。
【請求項１１】
請求項１に記載の陽電子線応用装置において、
電子線照射により試料から発生する二次電子を検出する二次電子検出器を有し、
前記画像表示手段は、前記画像信号に加えて二次電子像を表示することを特徴とする陽電子線応用装置。
【請求項１２】
請求項１に記載の陽電子線応用装置において、陽電子線の通過経路と電子線の通過経路が、前記試料ステージを挟んで互いに相対する位置に存在することを特徴とする陽電子線応用装置。
【請求項１３】
電子源と、陽電子源と、該電子源から放射される電子線を試料に照射する電子線照射機構と、試料上での該電子線照射位置を制御する位置制御機構と、該陽電子源から放射される陽電子線を試料に照射する陽電子線照射機構と、試料上での該陽電子線照射位置を制御する位置制御機構と、試料温度を制御する手段を有した試料位置制御機構と、γ線検出器と、該陽電子源と該γ線検出器の間に設置されるγ線遮蔽手段と、データ処理手段と、前記γ線検出器により検出された信号を画像表示する表示手段とを有し、
該データ処理手段は、該位置制御機構からの位置情報とγ線検出器により検出される信号強度情報との同期を取り、γ線強度の２次元分布を前記表示手段に表示することを特徴とした欠陥検査装置。
【請求項１４】
電子源と、陽電子源と、試料を載置する試料ステージと、前記電子源から放射される電子線を集束し前記試料に照射する電子線照射機構と、前記試料上における電子線の照射位置を制御する電子線位置制御機構と、前記陽電子源から放射される陽電子線を試料に照射する陽電子線照射機構と、前記電子線および陽電子線の照射により前記試料から発生する電磁波を検出する検出器と、前記電子線の照射位置の情報と前記検出器の出力信号とを同期させ画像信号を生成する制御器と、
該画像信号を表示する表示手段を備えたことを特徴とする欠陥検査装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子線と陽電子線を用い、半導体デバイスや金属材料をはじめとする各種固体材料中の微小欠陥の位置や個数、サイズなどを検査する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイス中の微少欠陥を検査する技術として、近年、陽電子が注目されてきている。陽電子は、電子とほぼ同等の質量を持ち、電子と反対の正荷電を有しているが、寿命が数１００ピコ秒（ピコ秒は１０−１２秒）と短いため自然界では安定に存在しないが、核反応により生成することができる。試料中の欠陥は局所的に負電荷に帯電している。従って、正電荷を持つ低エネルギーの陽電子は、欠陥位置でトラップされ、長寿命化することが知られている。陽電子は、試料入射後、数１００ピコ秒内に周囲の電子と衝突し、電子・陽電子の質量がγ線エネルギーに変換されることで、エネルギー５１１ｋｅＶのγ線に対消滅する（多くは２個のγ線を発生する）。なお、５１１ｋｅＶは、電子・陽電子の質量をエネルギー換算した値である。陽電子による評価は、高エネルギーγ線のパルスカウント測定であるため、電子線照射による電子線検出のようにプローブ自体が信号と競合するバックグラウンドになる場合と異なり、欠陥に対する高Ｓ／Ｎ・高感度評価が期待できる。このような陽電子による微小欠陥の評価にはいくつもの研究・発表や特許出願がなされている。
【０００３】
陽電子による評価方法を半導体試料の欠陥検査に応用する場合、検出できる欠陥のサイズが問題であり、分解能を向上するため、従来は、陽電子線の収束手段の改良に技術開発の焦点が当てられていた。特開平２０００−２９２３８０記載の「陽電子消滅分析装置」には、陽電子源から放射された陽電子線に薄膜を透過させることにより、単色かつ低エネルギー化する技術が開示されている。こうしてエネルギーの揃った低エネルギー陽電子線を電磁レンズで試料上に収束する。このとき、収束陽電子ビームを走査コイルにより試料上で走査することで、試料面上での２次元的な欠陥分布を評価できる。試料最表面は原子配列の不連続面であり、欠陥同様の電子状態である。しかし陽電子は試料表面では仕事関数分のエネルギーを得て試料外に放出される特性があり、試料表面で原子にトラップされる確率は低い。この特性により、陽電子を、モデレータと呼ばれる薄膜に入射させると、単色化された陽電子が再放出される。これにより、数百ＭｅＶ範囲で白色化されている陽電子は０．５ｅＶ以下に単色化され、放出方向も膜面に垂直に揃えられる。試料表面で原子にトラップされる確率は低いことから、目的とする試料内部の微小欠陥に敏感な評価が可能であることが期待されている。これは表面の評価に適する光やＳＴＭやＡＦＭに代表される微小プローブ技術にはない特長である。但し、再放出確率は１０−４程度であるため、単色陽電子の生成効率は低い。
【０００４】
一方、特開２００１−７４６７３号公報には、γ線検出器を対抗して配置し、対に配置された検出器で同時計測（ｃｏｉｎｃｉｄｅｎｃｅ計測）を行うことにより、検出信号のＳ／Ｎ比（Ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−Ｎｏｉｓｅ  ｒａｔｉｏ）を向上させる技術が開示されている。本技術によれば、陽電子線源から放射された陽電子は、電磁レンズで収束され試料に照射される。対消滅で発生したγ線は、対向して設置されたγ線検出器で検出される。すなわち、対消滅γ線は正反対方向に同時に放射されることを利用し、両検出器が同時に計測した事象を真のγ線信号とし、片方のみ計測した事象は宇宙線や検出器の電気ノイズなどのバックグラウンドとして処理することで、ＳＮを向上させることができる。これにより、数ナノメートル程度の微小結晶欠陥に関する情報、すなわち欠陥サイズの統計的分布を評価することができる。
【０００５】
図３には、従来技術による陽電子線欠陥評価装置の模式図を示す。陽電子源９から放射された陽電子線は、モデレータ１４と呼ばれる清浄表面を持つタングステン等の薄膜を透過することにより単色化される。単色でないと、色収差の影響で収束できないためである。民生用途として通常用いられる陽電子源は、ベータ崩壊を利用して陽電子を得る形式の線源が多い。この場合、得られる陽電子線のエネルギー分布は連続であり、単色化が重要となる。単色化した陽電子線を収束するためには、電磁レンズ１１が用いられる。単色化された陽電子線は、引き出し電極１７により引き出され、電磁レンズ１１で試料７面上に収束される。１５は、引出電極１７に電位差を与えるための電源であり、１６は、試料７と引出電極１７間に電位差を与えることにより、陽電子線を加速するための電源である。１２は陽電子線を試料の表面上に走査するためのスキャン手段であり、８はγ線検出器である。スキャン手段１２の２次元走査位置情報と、γ線検出器で検出される信号強度をデータ処理装置１３にてマッピングすることにより、γ線分布、すなわち欠陥量の２次元分布を可視化できる。
【０００６】
以上、従来技術で開示されたポイントを纏めると以下のようになる。
（１）陽電子線を試料に照射し、欠陥に滞在させる。欠陥位置で長寿命化させる。
（２）欠陥位置でエネルギーを失った陽電子が試料内の電子と対消滅し、γ線を発生する。
（３）γ線強度から欠陥数（密度）を測定する。
（４）収束した陽電子ビームを試料面上で走査する。走査位置情報とγ線強度の同期を取って２次元強度分布を描くことで、試料上の２次元欠陥分布を評価する。
（５）モデレータと呼ばれる金属薄膜を使い、これを透過させること陽電子線を単色化する。
（６）陽電子線強度を上げるため、加速器を使った核反応を利用する。
（７）陽電子源として、２２Ｎａ、６４Ｃｕ等のベータプラス崩壊する密封線源を用いる。
（８）γ線のＳＮを向上させるため、対に設置した検出器の同時計測（ｃｏｉｎｃｉｄｅｎｃｅ計測）を行う。すなわち、宇宙線や外来のバックグラウンドとなる放射線は、両検出器を同時に鳴らす確率は殆どゼロである。従って、対検出器で同時に計測したイベントを真のγ線イベントとし、同時でないイベントを計数しないアルゴリズムを用いることで、ＳＮを向上させることができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の技術では、数ナノメートル程度の微小欠陥のサイズと個数の２次元分布とを統計的に測定できた。ここでいう統計的分布とは、数１００ナノメートル領域内での平均的情報ということである。これは広い面積内で同様の状態を示す対象の評価には適用可能だが、たとえば半導体メモリのような電子デバイスでは、構造の最小単位である１ビットのトランジスタゲート長や配線構造が数１０ｎｍ以下（場合によっては数ナノメートル）であり、その中の分布を知りたいというような場合、１ナノメートルの空間分解能の実現が求められており、空間分解能が１桁〜３桁不足という問題が発生している。陽電子ビームをナノメートル径サイズに収束することは、上に示したようにモデレータを使った単色化と電子レンズによる収束で原理的には可能と考えられる。しかし単色化することにより陽電子強度が、線源から放出された陽電子強度の１／１０００から１／１０００００程度に弱まってしまうため、検出されるγ線の信号強度が弱くなり、結果的に測定感度の不足という問題を生み出してしまう。陽電子線強度を維持するため、線源として加速器を使った測定が試験的に実施されているものの、コストや測定回数の制限などの問題があり、半導体デバイス評価などの民生用途への展開はむずかしい。このように、分解能と感度は常に相反する要件であり、本発明の解決しようとする課題は、この分解能と感度とを両立した測定装置、測定手段および当該測定装置を用いた応用装置を実現することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、試料に対し陽電子と収束電子線とを照射することにより発生するγ線を検出することにより、分解能と感度の両立という課題を解決する。前述の通り、陽電子線を単色化すると強度が大幅に低下する。しかしながら、電子線の場合、単色電子源や収束電磁コイルなどの技術が開発されており、実用的な電子線強度を保ちつつビームのスポット径を小さくすることが可能である。そこで、陽電子線を試料の比較的広い領域に照射し、同時に収束電子線も試料に照射する。この方式により、γ線が発生する箇所の大きさを収束電子線のビームスポット径のオーダー程度に押さえることが可能であり、従来技術と比較して、十分な分解能を得ることができる。また、単色化しないため陽電子線の強度低下という問題も発生しない。従って、発生するγ線の強度低下も従来技術に比べて小さく押さえることが可能であり、よって、空間分解能と感度を実用範囲内で両立することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
［実施例１］
初めに、図２を用い陽電子による欠陥数計測法の原理を示す。本図では４つのケースについて記載した。すなわち、試料中に欠陥があるなし、試料に電子線のみと電子線・陽電子の両方が入射した場合のそれぞれの組み合わせ４通りである。試料中に入射した陽電子は、非弾性散乱を繰り返しながら試料中でエネルギーを損失していく。低エネルギー化した陽電子は、試料中の電子と対消滅する。すなわち、５１１ｋｅＶのγ線を通常２本放射し消滅する。
また、電子と対消滅せずに試料外に再放出される陽電子もある。ここで、試料に入射する陽電子強度をＮ１、電子と対消滅する確率をＰ１（０＜Ｐ１＜１）とすると、対消滅γ線強度は、Ｎ１Ｐ１であり、外部の再放出される陽電子線強度はＮ１（１−Ｐ１）で与えられる。一方、試料中に結晶欠陥が存在する場合、欠陥位置周辺が局所的に負電荷になるため、正電荷の陽電子がトラップされることが知られている。この場合、試料中に滞在する時間が長くなるため、陽電子と電子が出会う確率が増加し、対消滅の確率が増加する。ここで、試料中に結晶欠陥が存在する場合の対消滅確率をＰ２（０＜Ｐ２＜１）とすると、対消滅γ線強度は、Ｎ１Ｐ２であり、外部の再放出される陽電子線強度はＮ１（１−Ｐ２）で与えられる。γ線検出器で、陽電子照射時の放射されるγ線を計数すると、結晶欠陥のない試料（位置）に比べ、結晶欠陥のある試料（位置）の方が、γ線強度は大きくなり、その比率Ｃ１は、
Ｃ１＝Ｎ１Ｐ２／Ｎ１Ｐ１＝Ｐ２／Ｐ１で与えられる。ここで、Ｐ２＞Ｐ１であるため、Ｃ１＞１である。従来の技術の項で述べた方法は、原理的にこの比率Ｃ１をコントラストとして検知したものである。
【００１０】
一方、試料に陽電子と電子を同時に照射した場合を検討する。対消滅確率は、トラップされた低速陽電子の周辺にある電子密度に比例する。
試料中に欠陥がなく、電子線が同時に照射されたときの対消滅確率はＰ３（０＜Ｐ３＜１）、試料中に欠陥があり、電子線が同時に照射されたときの対消滅確率はＰ４（０＜Ｐ４＜１）とすると、測定されるγ線強度比Ｃ２は、Ｃ２＝Ｐ４／Ｐ３  で与えられる。ここでも、Ｐ４＞Ｐ３であるため、Ｃ２＞１である。一般に、欠陥の種類（サイズや電荷）にもよるが、シリコンの場合、Ｐ２は高々Ｐ１の２倍程度である。同様に、Ｐ４は高々Ｐ３の２倍程度であり、これから得られる結論は、欠陥のある箇所とない箇所から得られるγ線強度の比率は、高々２倍程度であり、電子線を入射しても変化しないということである。
【００１１】
次にγ線強度と信号ＳＮ（Ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−Ｎｏｉｓｅ  ｒａｔｉｏ）について検討する。γ線測定の場合、測定信号に含まれるノイズの影響は、通常無視できる程度に小さいので、信号ＳＮは検出されるγ線の信号強度により規定されると考えてよい。ノイズの原因としては、例えば宇宙線によるバックグラウンド等がある。一方、陽電子線は、通常核反応により生成させるため、十分な入射線量を確保することが難しい場合が多い。このため、信号ＳＮは、事実上、検出されるγ線強度の平方根に比例する値となる。従って、電子線照射のある場合の欠陥位置からの信号ＳＮ１は、ＳＮ１＝√Ｎ１Ｐ１である。同様に、電子線照射のない場合の欠陥位置からの信号ＳＮ２は、ＳＮ２＝√Ｎ１Ｐ２で与えられる。
【００１２】
欠陥位置周辺の電子線密度を各々Ｍ１、Ｍ２とすると、ＳＮ１＝√Ｎ１Ｍ１Ｐ、ＳＮ２＝√Ｎ１Ｍ２Ｐであり、ＳＮ２／ＳＮ１＝√（Ｍ２／Ｍ１）である。欠陥周辺の電子線密度は、典型的には１×１０１８／ｃｍ２程度であり、陽電子寿命時間（約２５０ｐｓ）電子線照射による発生する電子線密度は、典型的には１×１０２６／ｃｍ２程度である。従って、ＳＮ２／ＳＮ１＝１×１０４である。即ち、電子線照射により、陽電子信号のＳＮは１万倍向上することになる。これにより、従来法では不可能だった高感度欠陥評価が可能になる。
【００１３】
図１には、本実施例に係る陽電子線応用装置の図を示す。本実施例の陽電子線応用装置は、陽電子線と収束電子線とを試料に照射することを主な特徴とする。電子線と陽電子線の両方を照射する利点としては、対消滅確率が増加することによる発生γ線量の増加、それに伴う検出信号強度の増大による信号ＳＮの向上である。同時に、試料に照射する電子線を収束して、γ線の発生する領域の大きさをナノメートルレベルに押さえる。即ち、γ線位置は照射電子線位置により規定される。
【００１４】
電子源１から放射された電子線は、引き出し電極２に印加される引き出し電圧により引き出され、試料７と線源との間に形成される所定の経路上を通過して、電磁レンズ３が配置された領域に入射する。本実施例では、電子源として電界放射型電子源を用いた。引出電圧は、電子線源側に配置された引出電極の１と電磁レンズ側に配置された引出電極の２との間に、引出電圧源５により電位差を与えることにより発生させる。また、試料７と引出電極の２との間には加速電圧源６により所定の電位差が印加されており、経路上を通過する電子線はこの電位差により加速される。電子線を加速しているため、加速電圧は電子源側が負、試料側が正に電圧印加される。
加速された電子線は、電磁レンズ３により試料７上に収束される。電子線に関しては、単色化、収束電子光学系の技術が発達しており、スポット径を０．１ナノメートルに収束できる。電子線の収束径を小さくするためには、加速電圧をできるだけ大きくし、電子線を短波長化することが有効である。同時に、収差の小さい電磁レンズ３を用いることが有効であるが、高速な電子ほど試料内での散乱による広がりが大きいという問題もある。つまり、電子線の収束径と広がり径の間にはトレードオフの関係があり、加速電圧には最適値ないし最適範囲がある。本実施例では、加速電圧を０．１−１ｋＶ程度に設定したが、この値は、通常の電子顕微鏡で用いられる値よりも低めの値である。番号４は、電子線を試料上で走査するための走査手段である。これにより、電子線は収束したまま試料面上に走査される。走査手段４は直交した２方向に独立に制御される電場もしくは磁場を印加することで２次元的な走査を実現する。
【００１５】
一方、陽電子は陽電子源９から放射される。本実施例では、単色化せず電磁レンズ１１により試料７上に照射される。単色化しないため電磁レンズ１１では陽電子線を十分に収束できず、従って、強度低下の問題が発生しない。本実施例の陽電子線応用装置においては、陽電子線を収束しないため、電子線のように微小な照射領域は形成できず、従って、陽電子線の照射スポット位置からγ線の発生箇所を特定することはできない。しかし、欠陥位置を規定するγ線発生領域の位置情報は、走査手段４により得られる電子線スポットのスキャン位置情報から特定できるため問題ない。従って、原理的には陽電子用の電磁レンズ１１は不要であり、例えば、陽電子線の照射領域が非常に大きく、試料の全面に陽電子線を試料に照射するような構成であっても欠陥検出が可能である。但し、電子線と陽電子線の衝突確率を上げるために、できるだけ両者の照射領域は揃えることが望ましい。このため本実施例では、陽電子側にも第２の走査手段１２を設け、第１の走査手段４と第２の走査手段１２の走査位置との同期を取ることで、電子線と陽電子線の衝突確率を増大させることにした。従って、第２の走査手段を設けることにより、そうでない場合に比べて信号ＳＮを向上することができる。欠陥マッピングモニタ１３には制御器が内蔵されており、走査手段４，１１の同期は、当該制御器により行なったが、同期を取るための制御手段を別に設けても良い。
【００１６】
試料７を挟んで対向位置に１対のγ線検出器８を設置する。両検出器で同時に検知されたイベントのみ真のγ線として欠陥マッピングモニタ１３にて計数する。この計数値を像強度とし、走査手段４の２方向のスキャン位置情報を２次元位置情報としてマッピングすることで、欠陥マッピングモニタ１３では、欠陥位置と欠陥量の２次元分布を表示することにした。
【００１７】
１０はγ線遮蔽用シールドであり、陽電子が通過するための開口部を備えている。陽電子源９は一般に多くのバックグラウンドとなるγ線を発生するため、発生したγ線が直接γ線検出器８に入射することを防ぐための手段である。本実施例では、シールド１０の材料として、鉛を用いている。なお、図示されていないが、試料７の下には試料ステージが設けられており、試料は試料ステージ上に載置されている。
［実施例２］
図４には、第２の実施例を示す。試料の左側から収束電子線、試料の右側から陽電子線を照射する点は、図１の第１の実施例と同様である。本実施例では、低加速でできるだけ収束性を維持するため、試料直前に加速電子線を減速する減速メッシュ１８を設けた。そしてこの減速メッシュに引き出し電圧５や加速電圧６と逆符号の減速電圧１９を印加する。陽電子との対消滅を発生させるためには、試料は十分に低エネルギーである必要がある。また、試料内での散乱による入射電子線広がりを抑えるためにも電子線を低エネルギー化するのは有効である。低加速電圧で電磁コイル３にて収束するより、高加速で十分に収束させた後、減速した方が収束性は維持される。
同時に、本実施例では、陽電子の収束性についても考慮した。本実施例の装置においては、陽電子線のスポット径が広がらないようにしながら輸送する手段としてソレノイド型コイル２１を設け、線源９と電磁コイル１１との間の領域に配置した。ソレノイド型コイル２１では、コイル中心軸方向に磁場が形成されるため、コイル中心軸周りに陽電子は回転しながら輸送される。このため、広い角度に放射された陽電子は、拡散することなくソレノイド型コイル２１を通過し、効率良く電磁コイル１１に導かれる。ソレノイド型コイル２１の磁場強さは、強くするほど内部での陽電子の回転半径が小さくなり、電磁コイル１１に入射する際のビームスポット径も小さくできる。従って、ソレノイドコイル２１としてはなるべく発生磁界の大きなソレノイドを用いることが望ましい。
【００１８】
本実施例でも、実施例１と同様、陽電子源９からのγ線が直接γ線検出器８に入射しないようにシールド１０を設置する。加えて、本実施例では、放射された陽電子の方向を変えるためのマグネットを設けた。陽電子線の方向を変える構造とすることで、方向を変えない場合にソレノイド型コイル２１内部を通過してしまうγ線を、より効率よく遮蔽できる。本実施例では、陽電子線の方向をマグネット２０で９０曲げて電磁コイル１１内に導入しているが、曲げる角度は任意の角度で構わない。また、本実施例では、ソレノイドコイルを２つに分割し、第１のソレノイドコイルの後段にマグネットを配置したが、ソレノイドコイル自体を曲げても構わない。この場合、陽電子線がソレノイドコイルを通過する領域が、ソレノイドコイルを分割した場合に比べて実効的に長くなるため、陽電子線のビームスポットを絞るという観点からは有利である。
［実施例３］
近年の半導体デバイスでは、微細化に伴うデバイス内応力の高まりや、内部に酸化膜層を有するＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェハの採用などの新構造導入により、従来技術では観察できない微小欠陥が基板内部ないし基板上に形成される回路パターンに発生する確率が高くなっている。このような微少欠陥は、接合電流リークの要因になるため、結晶中の点欠陥や極微小欠陥の評価（有無、密度、位置同定等）が重要性を増している。例えば、透過電子顕微鏡  （ＴＥＭ：Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）では、母原子列５に対し１以上の比率で欠陥が存在しないと像コントラストが得られない。即ち、試料厚さを１ｎｍ以下にするか、欠陥が数個凝集している必要があり、従来の電子顕微鏡では、上記のような固体中の点欠陥、もしくは複数の欠陥が集まったクラスタ欠陥評価が困難であった。
【００１９】
また、微小欠陥の評価は半導体デバイス以外の分野においても重要である。例えば、アモルファス材料においては、層内のポア（直径数ナノメートルの微小空孔）が問題となっており、他にも、金属、樹脂材料といった種々の材料開発においても広く重要である。
【００２０】
図５には、本実施例の陽電子による半導体ウェハの非破壊欠陥検査装置の例を示す。検査装置の電子線側の機構は、電子銃１１１及び１次電子線加速電圧や引き出し電圧を制御する制御回路１１１’、照射レンズ１１２及びその電流値を制御する制御回路１１２’、コンデンサ絞り１１３及びコンデンサ絞りの穴位置を制御する制御回路１１３’、軸ずれ補正用偏向器１１４及びその電圧値を制御する制御回路１１４’、非点収差を補正するスティグメータ１１５及びその電流値を制御する制御回路１１５’、イメージシフト用偏向器１１６及びその電圧値もしくは電流値を制御する制御回路１１６’、走査用偏向器１１７及びその電圧値もしくは電流値を制御する制御回路１１７’、対物レンズ１１８及びその電流値を制御する制御回路１１８’、γ線検出器１１９及びその制御回路１１９’、試料ステージ１２０およびその位置を制御する制御回路１２０’、試料から放射された二次電子線１４１を検知する二次電子検出器１２１およびそのゲインやオフセットを制御する二次電子検出器制御回路１２１’、信号処理ソフトを搭載した計算機１２２、ＳＥＭ制御ソフトを搭載した計算機１２３から構成される。各制御回路は各計算機によってコマンド制御される。１２８は、生成されたγ線を示す。
【００２１】
電子銃１１１から１次電子線を引出し電圧Ｖ１で引出し、電子銃１１１とグラウンド間に印加した加速電圧Ｖ０で加速する。鏡体の光軸とほぼ平行な方向をＺ方向、光軸とほぼ直交する面をＸＹ平面とする。ここで、半導体ウェハ１４０を試料ステージ１２０に載せ、Ｚ方向より１次電子線１２６を入射する。照射レンズ１１２を用いて１次電子線１２６をｎｍオーダーまで収束させ、走査用偏向器１１７を用いて半導体ウェハ１４０上で走査させる。試料ステージ１２０のＸＹ移動機構にて半導体ウェハ１４０を移動させ、光学系調整用の視野を選択する。二次電子検出器１２１のゲインとオフセットを調整し、半導体ウェハ１４０の構造が観察し易い様に像コントラストを調整する。次ぎに、試料ステージ１２０のＺ位置調整、または対物レンズ１１８の制御値調整にて焦点を補正する。焦点を変化させながら、ＳＥＭ像がもっともシャープに観察できる様に手動で補正する。次ぎに、軸ずれを補正する。対物レンズ１１９にて焦点を変化させたときの像移動を検出し、像移動が最小になる様にコンデンサ絞り１１３の穴の位置、もしくは軸ずれ補正用偏向器１１４の制御値を調整し、１次電子線１２６の対物レンズ１１９の光軸からのずれ量を補正する。次ぎに、スティグメータ１１５を用いてビーム形状が真円に近づく様に非点を補正する。上記コントラスト補正、焦点補正、軸ずれ補正、非点補正を必要に応じて繰返し、最後に試料ステージ１２０を用いて撮影用の視野を選択し、対物レンズ１１８による焦点微調整と、二次電子検出器１２１のゲインとオフセットによる像コントラスト微調整を行う。
【００２２】
次に陽電子側の構成について説明する。本実施例では、陽電子源１４８は複数の線源を並べて構成した。各々の線源には、異なる核種の元素が格納されており、最大エネルギーの異なる陽電子線を放出する。陽電子源１４８には、ベータプラス崩壊する不安定核を用いるため、元素により、陽電子の最大エネルギーが異なる。例えば２２Ｎａでは５４０ｋｅＶ、６４Ｃｕでは６５０ｋｅＶ、６８Ｇｅでは１８８０ｋｅＶである。陽電子の最大エネルギーは、陽電子の試料侵入深さと関連がある。陽電子の試料中進入深さをＲ（μｍ）と、陽電子の最大エネルギー（ＭｅＶ）、試料の密度ｄ（ｇ／ｃｍ３）の間には、次の経験式がある。
Ｒ＝６０×（Ｅｍａｘ）２／３×ｄ−１
最大エネルギーの最も高い６８Ｇｅの場合、シリコンに対する陽電子の進入深さは数１０〜数１００μｍとなり、ウェハ内部まで陽電子線が侵入することがわかる。従って、本実施例のように、試料の裏面側から陽電子を照射し、表面側から収束電子を照射することで、ウェハを割断したり薄膜加工することなく、内部欠陥を評価できる。また、検査目的に応じて陽電子源１４８を選択することで、欠陥の深さに関する情報を得ることができる。
【００２３】
複数の陽電子源の上部には、陽電子線の通過経路に相当する部分のみ開口部を設けたシールド１４９を設置し、陽電子源可動機構１４６にて所望の陽電子源を前記開口部の下部に移動する。陽電子源可動機構１４６は、陽電子源可動機構制御回路１４６’により移動を制御される。この機構で、放射エネルギーの異なる線源を選択することにより、試料に照射する陽電子のエネルギーを選択することが可能となる。また、陽電子の通過経路上に、薄膜１４７やメッシュ電極１４３等の陽電子エネルギーの調節手段を設置することで、陽電子のエネルギーをさらに細かく調節できる。例えば、陽電子は薄膜１４７中では減速されるため、透過する陽電子線のエネルギーを薄膜の厚さに応じて調整できる。実際には、薄膜１４７は所定の基板上にアルミニウムや銅等の薄膜が形成された部品である。厚さの異なる薄膜が形成された基板を、制御したいエネルギーに応じて交換できるような構造にしても良い。また、メッシュ電極１４３には、メッシュ電極制御回路１４３’により任意電圧を印加することで、メッシュを通過した陽電子のエネルギーを調節できる。
【００２４】
薄膜１４７に陽電子を単色化する機能を持たせることも可能である。例えば、薄膜１４７の材料として清浄表面をもったタングステンなどの金属薄膜を用いると、透過陽電子線が単色化される。これにより、収束レンズ１４５を通過する陽電子線のスポット径をより小さくすることが可能である。但し、単色化により陽電子線の強度は低下するため、薄膜の材料は場合に応じて選択する必要がある。収束レンズ制御回路１４５’は、印加電圧の調整など、収束レンズ１４５の制御動作を行う。収束した陽電子線は、偏向コイル１４４および偏向コイル制御回路１４４’にて、半導体ウェハ１４０の任意の位置に照射できるものとする。
上記装置において、走査偏向器１１７は、図１の走査手段４に相当する。計算機１２２には信号処理ソフトが搭載されており、γ線検出器１１９の検出信号の強度を走査偏向器１１７の走査位置情報に同期させてマッピングすることで、欠陥位置の２次元分布に相当する画像信号を生成する。同時に、計算機１２２は表示画面を備えており、生成された画像信号を欠陥分布像として表示する。同様に、二次電子検出器１２１の出力も、走査偏向器１１７の走査位置情報と同期させ、表示画面上に二次電子像として表示する。二次電子像の画像信号の合成も計算機１２２で行う。これら欠陥分布像と二次電子像の位置情報とは表示画面上、左右に分けて同時表示することもできるが、重ねて表示しても良い。後者の場合、視認性が良く、目視による欠陥分布と試料構造情報の対比が行いやすい。
【００２５】
本実施例の試料ステージ１２０は、液体窒素、液体ヘリウムからの熱伝導、もしくはペルティエ素子等の電気的な冷却手段により、半導体ウェハ１４０の温度を制御できるものとする。半導体中では、自由電子が少ないため、結晶欠陥中に捕獲された陽電子のエネルギーは対消滅のほか、フォノン散乱にて緩和していく。このため、対消滅確率を増加させるためには、試料冷却によるフォノン散乱抑制が効果的である。欠陥サイズや欠乏電荷数により変化するが、冷却温度としては、３００Ｋから１０Ｋが適当である。冷却により対消滅確率が数１０％程度向上する。
【００２６】
以上、本実施例の陽電子応用装置は、半導体ウェハの非破壊欠陥検査装置として有効である。特に、本実施例の陽電子応用装置を半導体の製造ラインに設置すれば、被検査ウェハを破壊することなく製造工程の途中で欠陥検査を行なうことができ、製造歩留まり向上の上で非常に有効である。
【００２７】
【発明の効果】
本発明により、シリコンウェハをはじめとする結晶中の極微小欠陥の密度やサイズを、高空間分解能で非破壊検査・解析できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を示す図。
【図２】陽電子と電子照射による欠陥コントラストを説明する図。
【図３】陽電子を用いた従来の欠陥評価装置を示す図。
【図４】本発明の一実施例を示す図。
【図５】本発明の一実施例を示す図。
【符号の説明】
１：電子源、
２：引き出し電極、
３：電磁レンズ、
４：スキャン機能、
５：引き出し電圧、
６：加速電圧、
７：試料、
８：γ線検出器、
９：陽電子源、
１０：シールド、
１１：電磁レンズ、
１２：スキャン機能、
１３：欠陥マッピングモニタ、
１４：モデレータ、
１５：引き出し電圧、
１６：加速電圧、
１７：引き出し電極、
１８：減速メッシュ、
１９：減速電圧、
２０：マグネット、
２１：ソレノイド型コイル、
１１１：電子銃、
１１１’：電子銃制御回路、
１１２：照射レンズ、
１１２’：照射レンズ制御回路、
１１３：コンデンサ絞り、
１１３’：コンデンサ絞り制御回路、
１１４：軸ずれ補正用偏向器、
１１４’：軸ずれ補正用偏向器制御回路、
１１５：スティグメータ、
１１５’：スティグメータ制御回路、
１１６：イメージシフト用偏向器、
１１６’：イメージシフト用偏向器制御回路、
１１７：走査用偏向器、
１１７’：走査用偏向器制御回路、
１１８：対物レンズ、
１１８’：対物レンズ制御回路、
１１９：γ線検出器、
１１９’：γ線検出器制御回路、
１２０：試料ステージ、
１２０’：試料ステージ制御回路、
１２１：二次電子検出器、
１２１’：二次電子検出器制御回路、
１２２：信号処理ソフトを搭載した計算機、
１２３：ＳＥＭ制御ソフトを搭載した計算機、
１２６：１次電子線、
１２８：γ線、
１４０：半導体ウェハ、
１４１：二次電子線、
１４３：メッシュ電極、
１４３’：メッシュ電極制御回路、
１４４：偏向コイル、
１４４’：偏向コイル制御回路、
１４５：収束レンズ、
１４５’：収束レンズ制御回路、
１４６：陽電子源可動機構、
１４６’陽電子源可動機構制御回路、
１４７：薄膜、
１４８：陽電子源、
１４９：シールド。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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