(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプルを検査するための装置であって、
第１の範囲のエネルギレベルを持つ第１の電子ビームを前記サンプルの第１の領域に向けるよう構成された第１の電子ビーム発生器と、
第２の範囲のエネルギレベルを持つ第２の電子ビームを前記サンプルの第２の領域に向けるよう構成された第２の電子ビーム発生器とを含み、
前記サンプルの前記第２の領域は、前記第１の領域と少なくとも一部で重なっており、エネルギレベルの前記第２の範囲は、前記第１の範囲と異なり、その結果、前記第１の電子ビームによって引き起こされる電荷蓄積が抑制され、
さらに、前記サンプルと前記第１および第２の電子ビームとの相互作用の結果として前記サンプルから生じる二次電子を検出するよう構成された検出器を備え、
前記第２のビームのエネルギレベルの前記第２の範囲は、前記第１のビームのエネルギレベルの前記第１の範囲より低く、かつ電子が前記サンプルの表面に集積されることにより、前記第１の電子ビームによって引き起こされる正電荷の蓄積を低減するよう選択される
装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置であって、前記第１の電子ビームは、並列マルチピクセル画像化に適した幅を有する、装置。
【請求項３】
請求項１もしくは請求項２に記載の装置であって、前記第１および第２の電子ビーム発生器は、前記第１および第２のビームを同時に発生させるよう構成されている、装置。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の装置であって、前記第１の電子ビームは、約０．１〜１００ミリメートルの範囲で前記サンプル上のスポットサイズを生成するように適合された幅を持つ、装置。
【請求項５】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の装置であって、前記第１の電子ビームは、約１〜２ミリメートルの範囲で前記サンプル上のスポットサイズを生成するように適合された幅を持つ、装置。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の装置であって、エネルギレベルの前記第１の範囲は、前記第１のビームについて衝突エネルギの値が約１ｋｅＶとなるよう選択され、エネルギレベルの前記第２の範囲は、前記第２のビームについて衝突エネルギが約０ｅＶとなるよう選択される、装置。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の装置であって、前記第２のビームを受ける前記サンプルの前記第２の領域は、前記第１のビームを受ける前記サンプルの前記第１の領域を完全に包含する、装置。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の装置であって、前記第１および第２の電子ビーム発生器は、
前記第１の電子ビームを発生させるよう構成された第１の電子銃発生源と、
前記第２の電子ビームを発生させるよう構成された第２の電子銃発生源と、
前記第１および第２の電子ビームを前記サンプルへと方向付けるよう構成された磁気ビーム分離器と、
前記第１および第２のビームの焦点を前記サンプルに合わせるよう構成された対物レンズの形状を取る、装置。
【請求項９】
請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の装置であって、前記検出器は、
前記二次電子の焦点を画像面に合わせるための投影電子レンズと、
二次電子を受け取り、前記二次電子を光子に変換するよう、前記画像面の中に構成された電子画像化装置と、
前記光子を受け取り、前記サンプルの画像を生成するよう構成された光学検出器の形状を取る、装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の装置であって、前記光学検出器は、カメラもしくは時間遅延集積検出器の形状である、装置。
【請求項１１】
請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の装置であって、前記検出器は、
前記二次電子の焦点を画像面に合わせるための投影電子レンズと、
前記二次電子を受け取って検出するよう、前記画像面の中に構成された背面薄型遅延集積検出器の形状を取る、装置。
【請求項１２】
請求項１ないし請求項１１のいずれかに記載の装置であって、前記第２のビームのエネルギレベルの前記第２の範囲は、前記サンプルの表面を所定の電圧値に固定することにより、電荷蓄積が前記サンプルの前記表面から開放されるよう選択される、装置。
【請求項１３】
荷電粒子のビームに表面を曝露する際に前記表面の荷電を抑制するための方法であって、
第１のビーム内の第１の電子群に前記表面を曝露する工程を含み、
前記第１の電子群は、第１の範囲内のエネルギを持ち、
さらに、第２のビーム内の第２の電子群に前記表面を曝露する工程を含み、
前記第２の電子群は、前記第１の範囲より低い第２の範囲内のエネルギであり、前記表面に衝突する前記第２の電子群から、前記表面の正電荷を減らすための電子を提供するように、前記表面に衝突する前記第２の電子群の前記第２の範囲のエネルギを事前に決定する、方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の方法であって、前記表面は、前記第１の電子群と前記第２の電子群に交互に曝露される。
【請求項１５】
請求項１３もしくは請求項１４に記載の方法であって、さらに、前記第１のビームもしくは前記第２のビームのみに由来する前記表面からの二次電子を検出する工程を含む、方法。
【請求項１６】
請求項１３ないし請求項１５のいずれかに記載の方法であって、前記第１のビームは、電子ビーム顕微鏡の入射ビームである、方法。
【請求項１７】
請求項１３ないし請求項１６のいずれかに記載の方法であって、前記第２の電子群は、焦点が合わされていないビームの形で供給される、方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載の方法であって、前記焦点が合わされていないビームは、前記第１のビームが入射する前記基板の領域よりも広い領域にわたって前記基板に入射する、方法。
【請求項１９】
請求項１３ないし請求項１８のいずれかに記載の方法であって、さらに、前記表面を不活性ガスに曝露する工程を含む、方法。
【請求項２０】
請求項１９に記載の方法であって、前記不活性ガスは、陽イオンを含み、前記イオンは、前記表面に衝突し、前記表面から過剰な負電荷を運び去る、方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に、物体の表面を微視的に検査するため、より詳細には、半導体デバイス内の層を検査するために電子ビームを用いる装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体の微細構造の検査には、様々な方法が用いられてきた。半導体チップ製造分野においては、表層の微細な欠陥によってチップが機能するか否かが決まるため、これらの検査は、その分野では重要な地位を占めている。例えば、間にある絶縁層の穴すなわちバイアはしばしば、外側にある２つの導電層間を電気的に接続するための物理的なコンジットを提供する。これらの穴すなわちバイアが、十分にエッチングされていないか、もしくは異物に塞がれている場合、電気的な接続を確立できず、チップ全体が機能しないことがある。半導体層の表面にある微細な欠陥の検査は、チップの適切な機能を保証するために必要である。
【０００３】
電子ビームは、他のサンプル検査機構をしのぐいくつかの利点を持っている。光ビームでは、本質的に約１００ｎｍ〜２００ｎｍが解像度の限界であるが、電子ビームは、数ナノメータほどの形状サイズを検査できる。電子ビームは、静電素子および電磁素子によってかなり容易に操作され、確実に、Ｘ線よりも生成および操作が容易である。
【０００４】
半導体の欠陥検査において、電子ビームは、光学ビームほど多くの偽陽性（素子に欠陥があると誤って認識されること）を生じることはない。光学ビームは、カラーノイズや結晶粒組織の問題に敏感であるが、電子ビームは、それらの問題に敏感ではない。特に、酸化物トレンチとポリシリコン配線は、結晶粒組織ゆえに光学ビームでは偽陽性が出る傾向にある。
【０００５】
表面構造の検査のために、電子ビームを用いた様々なアプローチがなされてきた。低電圧走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）では、一次電子の狭いビームが、表面にわたってラスタ走査され、二次電子が放出される。走査型電子顕微鏡のビーム内の一次電子が、ある特定の既知の電子エネルギ（Ｅ２とする）に近い場合、ＳＥＭに関しては電荷蓄積の問題が最小限であるため、サンプルの表面は、比較的中性のままになる。しかしながら、表面の各ピクセルを順番に取得してゆくため、走査型電子顕微鏡によるラスタ走査は遅い。さらに、ビームのパターンを制御するために、複雑で高価な電子ビーム操作システムが必要である。
【０００６】
別のアプローチは、光電子放射顕微鏡（ＰＥＭもしくはＰＥＥＭ）と呼ばれる。その方法では、対象となるサンプルの表面に光子が当てられ、光電効果によって、その表面から電子が放出される。しかしながら、絶縁作用のある表面では、その表面からの正味の電子フラックスがあるため、これらの電子の放出は、サンプル表面上に正味の正電荷を生成する。サンプルは、放出電子がなくなる、すなわち電子崩壊が起こるまで、正に荷電し続ける。この電荷蓄積は、絶縁材料を画像化する際に特に問題である。
【０００７】
電子ビームを用いて表面を検査する別の方法は、低エネルギ電子顕微鏡（ＬＥＥＭ）として知られている。その方法では、低エネルギ電子の比較的広いビームが、サンプル表面に入射するように方向付けられ、サンプルから反射した電子が検出される。しかしながら、サンプル表面に当てられた電子すべてがその表面から離れるのに十分なエネルギを持っているわけではないため、ＬＥＥＭは、同様の電荷蓄積の問題を抱え、その問題により、サンプルにさらなる電子が衝突することが妨げられ、その表面の像が歪んだり、影ができたりする。
【０００８】
いくつかの従来技術に関する出版物が、顕微鏡で電子ビームを用いる様々なアプローチを論じているが、電荷蓄積の問題を低減もしくは排除した上で並列画像化を用いる方法を確定したものはない。これらのアプローチの内の一つは、「The Continuing Development of Low-Energy Electron Microscopy for Characterizing Surfaces」、Review of Scientific Instruments、６３（１２）、１９９２年１２月、５５１３〜５５３２ページにLee H. Veneklasenによって記述されている。Vaneklasenは一般に、電子発生源とサンプル間のＬＥＥＭの電子ポテンシャル差は、０から数ｋｅＶまでの間で調節できると述べているが、荷電の問題を認識しておらず、その解決法も提示していない。
【０００９】
それゆえ、サンプル表面の検査に電子ビームを用いる方法および装置で、電荷蓄積の問題を最小限にすると共にサンプル表面の検査速度を増加させたものが求められている。
【００１０】
【発明の概要】
したがって、本発明は、並列画像化のための装置および方法を提供することにより、上述の問題に対処する。一般的に言うと、第１のビームは、サンプルの比較的広い範囲の画像を生成するために用いられる。並列画像化は、比較的広いビームを用いることにより実現される。第１のビームよりも衝突エネルギが低い第２のビームは、第１のビームから生じることのあるサンプル上の正電荷蓄積を低減するために用いることができる。
【００１１】
一実施形態では、サンプルを検査するための装置が開示されている。その装置は少なくとも、第１の範囲のエネルギレベルを持つ第１の電子ビームをサンプルの第１の領域に方向付けるよう構成された第１の電子ビーム発生器と、第２の範囲のエネルギレベルを持つ第２の電子ビームをサンプルの第２の領域に方向付けるよう構成された第２の電子ビーム発生器とを備える。サンプルの第２の領域は、少なくとも部分的に第１の領域と重なっており、エネルギレベルの第２の範囲は、第１の電子ビームによって引き起こされる電荷蓄積が抑制されるように、第１の範囲と異なっている。その装置は、さらに、サンプルと第１および第２の電子ビームとの相互作用の結果としてサンプルから生じる二次電子を検出するよう構成された検出器を備える。好ましい実施形態では、第１の電子ビームは、並列マルチピクセル画像化に適した幅を持ち、第１および第２の電子ビーム発生器は、第１および第２のビームを同時に発生させるよう構成されている。
【００１２】
別の実施形態では、荷電粒子のビームに表面を曝露する際に表面の荷電を抑制するための方法が開示されている。表面は、第１のビーム内の第１の電子群に曝露される。第１の電子群は、第１の範囲内のエネルギを持っている。表面は、第２のビーム内の第２の電子群に曝露される。第２の電子群は、第１の範囲とは異なる第２の範囲内のエネルギを持っている。エネルギの第２の範囲は、表面に衝突する第２の群の電子を提供し、その表面の正電荷を減らすような範囲に前もって決定されている。好ましい実施形態では、表面は、前記第１の電子群と前記第２の電子群に同時に曝露される。
【００１３】
本発明には、いくつかの利点がある。例えば、この装置および方法は、多数のピクセルに対する検出器アレイ上での並列画像化を可能とするため、従来の走査型電子顕微鏡およびその方法よりも高速でノイズが小さいという特性を持つ。さらに、電子ビーム走査システムは必要なく、電子ビーム電流の密度はそれ程高くないため、傷のつきやすいサンプルを傷つける可能性が低減されている。
【００１４】
本発明のこれらおよび他の特徴と利点は、以下に続く本発明の詳説と本発明の原理を例示的に示す添付図面においてさらに詳細に提示されている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
ここで、本発明の具体的な実施形態を詳細に参照する。これらの具体的な実施形態の例は、添付図面に示されている。本発明は、これらの具体的な実施形態に即して説明されるのだが、説明された実施形態に本発明を限定する意図がないことは理解されるだろう。逆に、添付された特許請求の範囲によって規定される本発明の趣旨および範囲内に含まれるような代替物、修正物、等価物を網羅することを意図している。以下の説明では、本発明の完全な理解を促すために、数多くの詳細が示されている。 本発明は、これらの詳細の一部もしくはすべてがなくとも実施可能である。そのほか、本発明が不必要に不明瞭となるのを避けるため、周知の工程動作の説明は省略している。
【００１６】
図１は、本発明の一実施形態にしたがって二重ビームを有する二次電子放射顕微鏡（ＳＥＥＭ）装置１００の基本的な構成を示す図である。ＳＥＥＭ１００は、それぞれ軌道１２および７に沿って一次電子ｅ1のビームを放射する２つの電子銃発生源１０および８を備える。
【００１７】
電子ビームはそれぞれ、電子レンズ１３によってコリメートされ、その後も軌道１２および７に沿って進む。次いで、磁気ビーム分離器１４が、コリメートされた電子ビームの進路を曲げることにより、電子ビームは、検査されるサンプル９の表面に垂直な電子光学軸ＯＡに沿って入射する。換言すれば、２本のビームは、ほぼ同時にサンプルの同じ領域に当たるよう方向付けられる。
【００１８】
一方のビームの衝突エネルギは、サンプル表面の電荷のバランスを保つように選択される。一実施形態では、一方のビームは、１ｋｅＶの水準の衝突エネルギを持っている。第１のビームの衝突エネルギは、サンプルの荷電が中性となるように選択されてよいが、ある種の材料（例えば、絶縁体）では、第１のビームが、サンプル表面上で正味の正電荷蓄積を生じさせる。すなわち、高エネルギのビームによって表面に発生される強い電界によって、電子がサンプルから失われるのである。それゆえ、高エネルギビームから生じるサンプル上の正電荷蓄積を低減するために、第１の高エネルギビームに併せて、衝突エネルギの低い第２のビームが用いられる。低エネルギビームは、約０ｅＶのエネルギを持つことが好ましい。
【００１９】
理論的に、第２のビームの衝突エネルギは、サンプルの表面電圧が所定の電圧値に固定されるように選択される。電圧の低いビームが用いられる際には、サンプルの表面は、ワイヤによって電極（すなわち、第２の低ビームの電子発生源）に電気的に接続されるようなものである。この電圧固定メカニズムは、基板材料の範囲が比較的広くても表面が荷電しないように、自動的に表面の電圧を固定する方法を提供する。
【００２０】
一実施形態では、低エネルギビームは、約０ｅＶの衝突エネルギを持つ。この値により、高エネルギビームから生じる正電荷蓄積の低減が容易になる。理論的に、低エネルギ内の電子は、二次もしくは後方散乱電子の放出を引き起こすほどのエネルギを持っていない。これらの低エネルギ電子は、それらがない場合に高エネルギビームによって引き起こされる表面荷電をすべて補償する。低エネルギ電子は、表面が正に荷電した際に表面に衝突し、この正電荷を排除する。表面の正の荷電が十分でないと、これらの電子は衝突しない。
【００２１】
対物電子レンズ１５は、一次電子ｅ1の焦点を合わせ、２本の重複ビームを生成する。低エネルギビームは、高エネルギビーム以上の広さのスポットサイズを持つことが好ましい。すなわち、低エネルギビームは、高エネルギビームのスポットと同等であるかもしくはそれを包含するスポットに照射する。それゆえ、低エネルギビームは、高エネルギビームのスポット領域全体の正電荷蓄積を低減することを促進できる。ビーム焦点システムの照準ミスを補償するには、低エネルギビームに対してより広いスポットサイズが必要となる。
【００２２】
２本のビームからサンプル９への電子ビームスポットのサイズは、０．１〜１００ミリメートルの範囲であることが好ましく、約１〜２ミリメートルであればさらに好ましい。サンプルや画像化面でのビームのサイズは、解像度と画像取得率を制御するズーム画像化システムによって随意的に変えることができる。いずれにしても、周辺効果を排除することが望まれる場合には、ビームの幅は、画像面にある検出器よりも広い必要があり、検出器の固有面積の少なくとも２倍であることが好ましい。
【００２３】
一次電子ｅ1は、サンプル９に入射すると、電子ｅ2（二次電子、後方散乱電子、もしくは反射電子）を発生させる。電子ｅ2は、検査表面に垂直な軸ＯＡに沿って対物電子レンズ１５へと戻り、そこで再びコリメートされる。磁気ビーム分離器１４は、画像軌道１６に沿って進むように電子ｅ2を曲げる。画像軌道１６に沿って進む電子ビームは、投影電子レンズ１９によって検出器２０の画像化面に焦点を合わされる。
【００２４】
検出器２０は、二次電子の検出に適していればどのような形状でもよい。例えば、検出器２０は、電子ビームを光ビームに変換するための電子画像化装置（例えば、ＹＡＧスクリーン２０ａ）を備えていてもよい。次に、光ビームは、カメラもしくは好ましくは時間遅延集積（ＴＤＩ）光検出器もしくは電子検出器２０ｂによって検出されてもよい。ＴＤＩ光検出器の動作は、Ｃｈａｄｗｉｃｋ等のＵＳＰ 4,877,326に開示されており、参照によって本明細書に組み入れられている。あるいは、画像情報は、電子画像化装置すなわちＹＡＧスクリーンを用いずに「背面薄型（back thinned）」ＴＤＩ電子検出器から直接的に処理されてもよい。ＴＤＩ検出器から集められた信号を処理し、他のデータと比較することにより、基板を検査し、起こりうる欠陥と他の形状を識別および／または区別することができる。そのような処理と比較は、ダイツーダイモードで実行することができる。そのモードでは、選択された半導体ダイの名目上同一の部分が、他のものと比較され、その差異が欠陥を表すことになる。そのような処理と比較は、代わりにもしくは追加としてアレイモードで実行することができる。そのモードでは、単一の半導体ダイ上の繰り返しアレイの名目上同一の部分が、他のものと比較され、その差異が欠陥を表すことになる。また、そのような処理と比較は、ダイツーデータベースモードで実行することができる。そのモードでは、基板の検査部分からのデータ（例えば、画像）が、参照データベースから引き出された対応データと比較される。参照データベースは、基板の検査部分の画像生成に用いられるデータベースから引き出されてもよいし、そのデータベースと同一であってもよい。あるいは、参照データベースは、部分繰り返しもしくは予測どおりに変化する設計を持つアレイ、その他の繰り返し構造、試験構造のような構造の予測画像に対応する他のルールから引き出すこともできる。
【００２５】
図２は、ＬＥＥＭ、ＳＥＭ、ＳＥＥＭのような単一入射電子ビーム検査技術の一次電子エネルギ特性に対して電荷比を示したグラフである。生成比ηは、表面によって放出された電子の数ｅ2を表面に入射した電子の数ｅ1で割って求められる。それゆえ、ηが一定の値でなければ必ず、正味の電荷蓄積が生じるであろうから、生成比ηは、検査される表面の電荷蓄積の量を規定する。生成比が１よりも大きい場合には、入射するよりも放出される電子の方が多く、その結果、表面に正味の正電荷が存在することが示唆され、逆に、生成比が１よりも小さい場合には、放出されるよりも表面に入射する電子の方が多く、その結果、負の電荷が蓄積することが示唆される。
【００２６】
生成カーブＣは、実験的に求められた数学関数であり、典型的なサンプル基板に対して、様々な入射電子エネルギＥでの生成比を規定する。図２に示すように、線分Ｌは、電荷平衡η＝１を示す線分であり、電荷バランスが実現する、すなわちｅ2／ｅ1＝１となるのは生成カーブＣの３点のみである。これらの３点は、Ｅ0＝０、Ｅ1、Ｅ2である。（エネルギＥ０＝０は、電子がサンプルに入射しない状態を示すため、本発明の趣旨に沿わない）。線分Ｌと生成カーブＣの間の領域Ｉでは、ｅ1よりもｅ2が大きいため、過剰な負電荷が存在する。線分Ｌと生成カーブＣの間の領域ＩＩでは、ｅ2よりもｅ1が大きいため、過剰な正電荷が存在する。すなわち、入射する一次電子よりも放出される二次電子の方が多い。線分Ｌと生成カーブＣの間の領域ＩＩＩでは、電荷の蓄積が再び負になる。
【００２７】
図２から、生成カーブＣには、Ｅ1およびＥ2の２点しか、電荷バランスが存在しうる特異点がないことがわかる。問題は、実際に安定しているのは点Ｅ2のみであるということである。すなわち、サンプル表面に入射する一次電子のエネルギＥが、Ｅ1からいずれかの方向に少量すなわちΔＥ1だけ変化した場合、電荷バランスは即座に失われる。電荷バランスηは、Ｅ1が＋ΔＥ2からまたは−ΔＥ2から接近されると、それに応じて、次第に負もしくは正になり、ビームエネルギを点Ｅ2に戻してしまう。Ｅ1およびＥ2の値は、二酸化ケイ素、アルミニウム、ポリシリコンなどの様々な基板から実験的に決定された。基板はそれぞれ、固有の生成カーブを持つが、これらの生成カーブの全体的な形は図に示したとおりである。
【００２８】
図２は、電子ビーム検査の過去の技術に関する問題を図で示し、親出願に説明されているＳＥＥＭ技術が予想外の利点を提供する理由を示すものである。低エネルギ電子顕微鏡（ＬＥＥＭ）は一般に、１００ｅＶ以下の電子エネルギを用いてＥ1未満で動作した。点Ｅ1は不安定なので、ＬＥＥＭには、電荷蓄積の問題があった。走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）は、安定であるＥ2のすぐ下の値で動作したので、ＳＥＭには電荷蓄積の問題はなかったが、走査が必要なため、まさに低速である。本発明以前には、本発明のＳＥＥＭ技術によって認識されるように、比較的高いエネルギ（例えば、Ｅ2）でＬＥＥＭ並列画像化システムの比較的広いビームを発することは誰も考えなかったと思われる。したがって、本発明のＳＥＥＭ技術は、ＬＥＥＭの並列画像化とＳＥＭの電荷バランスを組み合わせるという利点を最初に認識したものである。
【００２９】
理論上は、Ｅ2で比較的広いビームを作動させることができるのだが、サンプル上で電荷蓄積を起こすことなしに安定した衝突エネルギ（例えば、Ｅ2）で広いビームを維持することは困難であろう。Ｅ2の値は、材料の組成によって決まるため、ビームがサンプル上を移動し、材料組成の異なる様々な構造を越える際に必然的に変化する。それゆえ、ＳＥＥＭ装置が、サンプルの第１の材料上の最初のビーム位置に対してＥ２で動作するよう初めに構成されたとしても、ビームがサンプル上の異なる材料を横切る際に、衝突エネルギはＥ2からずれるだろう。したがって、本発明は、発生しうる電荷蓄積を補償するために、低衝突エネルギの第２のビームを提供する。
【００３０】
第２のビームが正電荷蓄積を補償するから、電荷蓄積を最小限に抑えるという目的から第１のビームをＥ2で動作させる必要はないという利点がある。高エネルギビームは、Ｅ1とＥ2の間で動作することが好ましく、Ｅ1とＥ2の間の生成ピークで動作することがさらに好ましい。表面の電圧が、選択された範囲に固定されるように、ビームのエネルギとフラックスを適切に選択することによって、局所的な電荷平衡が自動的に確立されてもよい。高エネルギビームのエネルギは、サンプル表面に正荷電の効果が発生するように選択されてもよい（例えば、生成比が１より大きくなるように）。それゆえ、高エネルギビームは、入射する高エネルギビームから吸収されるよりも多くの二次および後方散乱電子を表面から放出させる。例えば、ほとんどの材料に対して、約１００ｅＶから約２０００ｅＶの範囲の衝突エネルギが用いられてよい。低エネルギビームのエネルギは、ビームが正に荷電したサンプル表面に引き付けられ、そのような正の電荷を打ち消すように選択される。高エネルギビームの少なくとも２倍の電流密度を持つ低エネルギビームが、サンプル表面の電圧の平衡を維持するのに上手く働くと思われる。それゆえ、そのような低エネルギビームが好ましい。低エネルギビームと組み合わせて高エネルギビームを構成、使用するためのいくつかの実施形態が、上に参照された２０００年５月１５日提出の米国仮出願の中に説明されている。その出願は、完全に本明細書に組み入れられる。
【００３１】
上述の目的のためには、一次電子のエネルギがサンプルの表面で計測される必要があることに注意すべきである。対物電子レンズ１５によって焦点を合わせられた電子のエネルギは一般に、衝突エネルギと呼ばれるサンプル上での電子のエネルギとは異なる。この衝突エネルギは、予測が容易でないことが多い。衝突エネルギは、ビームの電流密度、サンプルの材料、表面の電界のような要素によって決まる。
【００３２】
図３は、４つの技術、ＰＥＥＭ、ＬＥＥＭ、ＳＥＭ、ＳＥＥＭの違いと利点をまとめた表である。ＰＥＥＭは、一次電子の代わりに光子を用いて二次電子を放出させる。ＰＥＥＭについては、光子によって二次電子がサンプル表面からはじき出されるため、絶縁サンプルの目標材料上に正電荷蓄積が生じるという問題があるが、これらの二次電子に置き換わる負の荷電粒子はない。ＰＥＥＭの検査光子ビームは、広くてもよいため、並列画像化が実現できる。
【００３３】
低エネルギ電子顕微鏡（ＬＥＥＭ）では、一次電子の広いビームが、検査される表面に発射され、並列画像化が実現できる。これらの一次電子は、比較的エネルギが低く、画像化方法は、表面からこれらの低エネルギ電子を反射する工程を含んでいる。低エネルギ電子のみが入射するため、一次電子は反射されるが、二次電子はほとんど放出されない。また、これらの電子は、サンプル表面から脱出するのに十分なエネルギを持っていないため、低エネルギは、負電荷の蓄積を示唆するものである。
【００３４】
走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）では、電子ビームの焦点が、狭いスポットサイズに合わせられるため、比較的低速のラスタ走査画像化を用いる必要がある。しかしながら、ＳＥＭは、生成カーブの安定点Ｅ2で入射するエネルギの高い一次ソース電子（source electron）を発生させることで、電荷中性化の動作を実現する。エネルギの高い一次電子は、ＳＥＭ内で二次電子を発生させる。
【００３５】
本発明の二次電子放射顕微鏡（ＳＥＥＭ）技術では、エネルギの高い一次電子のビームは、あるエネルギでサンプル表面に向けられる。比較的広い一次電子のビームが導入されるため、ＳＥＭ画像化よりもかなり高速な並列画像化が可能となる。さらに、サンプルの荷電が中性を保つように、これらの一次電子は、エネルギＥ２で入射することもでき、かなり低いエネルギの電子と共に入射することもできる。このように、ＳＥＥＭは、ＬＥＥＭとＳＥＭの最も好ましい特性を兼ね備えている。
【００３６】
図４および５は、走査型電子顕微鏡と二次電子放射顕微鏡それぞれの画像化方法を比較して示したものである。図４において、走査型電子顕微鏡は、電子のビーム４１を発生させ、固有の面積Ｄを持つサンプル４２の表面に方向付ける。ビーム４１は、５〜１００ナノメータ（５０〜１０００オングストローム）の範囲の幅「ｗ」を持つ。このビーム４１は、サンプル４２の表面を横切って経路４３で示されるパターンでラスタ走査される。（走査線の数は、図解のために大幅に減らされている）。ラスタ経路４３に沿って移動するようにビーム４１を制御するために、検査システムが、電子ビーム４１を電磁気的に偏向させるための電子ビーム操作装置を備えることが好ましい。静電偏向を代わりに用いてもよいし、併せて用いてもよい。
【００３７】
図５は、本発明の二次電子放射顕微鏡検査技術の並列画像化を示す。ビーム５４は、電子銃発生源から発せられ、サンプル５５の表面の上では、通例約１〜２ミリメートルの幅「Ｗ」を持つ。サンプル５５は、固有の面積Ｄを持つが、それは、電子ビームの幅Ｗよりもはるかに大きい。ＳＥＥＭでは、電子ビーム５４の幅がＳＥＭよりもはるかに大きいが、それでも、サンプル５５を走査するためにビームに対してサンプル５５を動かすことは、可能かつ必要であろう。しかしながら、好ましい実施形態では、ＳＥＥＭは、ビーム５４に対してサンプル５５の台を機械的に動かすだけでよく、ビーム４１を電磁気的に操作する電子ビーム偏向システムは必要としない。もちろん、電磁気および／または静電偏向が、用いられてもよく、台の振動を補償したり、曲がった軌道に沿って広いビームを操作したりする場合には有効だろう。本発明のＳＥＥＭ検査システムは、数千ないし数百万のピクセルを並列で画像化するため、ＳＥＭ検査システムよりもはるかに高速で動作できる。
【００３８】
図５は、さらに、ビーム５４内の並列マルチピクセル画像化領域５６を示すために、サンプル５５上のビーム５４の画像化部分の拡大図を示している。長方形の検出器アレイ領域５６は、ビーム５４の中央部分を占め、画像化アパーチャを規定している。（検出器アレイは、時間遅延集積（ＴＤＩ）もしくは非集積タイプのいずれかである。検出器アレイ５６は、約５０万〜１００万ピクセルを並列で画像化する。
【００３９】
したがって、ＳＥＥＭは、検出器アレイ内のピクセルの数によって、ＳＥＭの５０万〜１００万倍高速である。ＳＥＥＭが１つのピクセルを見るのに１ミリ秒を費やすとすれば、ＳＥＭは、１００ＭＨｚで同じデータフレームを取り込むのにそのピクセルに対して１ないし２ナノ秒しか費やすことができない。したがって、ＳＥＥＭ内のサンプル表面の電流密度は、ＳＥＭの１０6倍（すなわち、１００万倍）小さく、その結果、サンプルの損傷が小さい。例えば、良好な画像を得るためにピクセルあたり１０，０００の電子が必要であるとすれば、ＳＥＭは、単位時間あたりにさらに大量の電子をピクセルスポットに当てる必要がある。ＳＥＥＭでは、同時に１００万ピクセルが画像化されるため、より長い時間にわたって同数の電子が放出される。
【００４０】
さらに、ＳＥＥＭは、ＳＥＭよりも優れたノイズ低減特性を持っている。１００ＭＨｚでは、ＳＥＭは、１ナノ秒で各ピクセルを見るが、ＳＥＥＭは、１ミリ秒で各ピクセルを見る。したがって、ＳＥＥＭが、１ｋＨｚより上のノイズを平均化するのに対し、ＳＥＭは、１００ＭＨｚより上のノイズしか平均化できない。このことは、欠陥検出の用途では、偽陽性がより少なく、信号対ノイズ比がより優れていることを表す。
【００４１】
第１の高エネルギのビームと共に第２の低エネルギのビームを用いて電荷蓄積を抑制する好ましい方法に加えて、ＳＥＥＭは、サンプル５５にビーム５４を過剰に照射し（flooding）、周辺効果を排除するためにビーム５４の中央部のみを画像化することによって電荷抑制においてさらなる利点を得ることができる。通例、画像化する表面の電荷が不均一であると、ビームの偏向によって画像に歪みが生じる。ビーム直径の境界の外には電子フラックスがないため、ビーム５４周辺のサンプル表面は、ビーム内部の表面ほど電荷の分布が均一ではない。ビームがすでに走査された領域に荷電が残るため、さらなる周辺効果がある。検出器アレイ領域５６の画像化範囲よりも広い範囲５４にビームを過剰に照射することにより、これらの画像化の歪みは回避される。ＳＥＭでは、さらに開口するにはビームの直径が小さすぎるため、周辺効果は、この方法によっては排除できない。表面の電荷蓄積の影響を低減するためのさらなる方法は、MonahanのUSP  5,302,828に開示されており、参照によって本明細書に組み入れられる。
【００４２】
本発明は随意的に、サンプルの電荷バランスを保つためのさらに別の追加手段を含んでいてもよい。１つの可能性としては、サンプルに電極を取り付けて補助的な電界を印加する方法がある。電圧制御が、電極に電流を供給することにより、電荷バランスの安定性に対してさらなる自由度を持たせる。もう１つの可能性としては、サンプルを含む真空チャンバ内にアルゴンなどの低圧ガスを導入し、電荷バランスを制御する方法がある。低圧ガスは、サンプルへの過度の電荷の蓄積を防ぐ働きを持つ。上述の技術は、サンプルの電荷の安定性を保つための追加抑制手段の例示であって、包括的なものではなく、電荷抑制の制御のために別のそのような技術が存在してもよいし後に発見されてもよい。
【００４３】
上記Monahanの過剰照射（flooding）法と共に、これら追加の電荷抑制手段が随意的に用いられてもよい。材料のＥ２値に対してある特定のエネルギの電子ビームを用いることは、安定した電荷バランスを保つための１つの方法である。二次低エネルギビーム、過剰照射、電極、および／または、低圧ガスのような追加もしくは代替の電荷抑制手段を用いることにより、この電荷バランスを保つための別の方法が提供される。これらの１次的および２次的な電荷抑制機構が、電荷抑制装置に対して随意的に組み合わされてもよい。
【００４４】
ＳＥＥＭおよびＳＥＭの最大走査率によって課せられる制限を比較すると有用である。ＳＥＭを凌ぐＳＥＥＭの利点を以下にまとめる。
ノイズが少ない。与えられたサンプル範囲に対して、より長い画像積分時間が得られる。より長いサンプリング時間にわたって平均化を行うため、ノイズが少なくなる。
画像の歪みが少ない。画像化されるよりも広いサンプル上の範囲に過剰照射することにより、より均一な電荷分布が、画像化される範囲において保たれ、周辺効果による歪みが排除される。
より低い電流密度。より低い電流密度は、並列画像化とより長い滞留時間によって可能となるが、これは、サンプル損傷の可能性が低減されることを意味する。より速い。並列画像化とは、ＳＥＥＭにおいて多数（例えば、１００万）のピクセルが同時に画像化されることを意味する。ＳＥＭでは、同時に１つのピクセルしか画像化されない。
高速走査エレクトロニクスが不要。これらの走査システムは、複雑かつ高価であるが、より速い並列画像化を行うため、ＳＥＥＭでは不要である。
【００４５】
図６Ａは、本発明の一実施形態にしたがって、半導体デバイスの層間のバイアにおける欠陥が検出される方法を示している。半導体デバイス６０製造の途中の段階が示されている。この例では、半導体デバイス６０は、基板６１と、基板６１に蒸着された金属層６２と、金属層６２全体に形成された絶縁層６３からなっている。バイアすなわち穴６４、６５は、絶縁層６３を貫通して金属層６２に達するよう示されている。製造の次の段階では、絶縁層６３全体にわたって第２の金属層６６が形成され、バイア６４、６５は、導電材料で満たされ、金属層６２と６６の間の電気的接続を形成する。しかしながら、製造のこの段階では、金属層６６はまだ蒸着されていないので、点線で示している。一般的に、バイア６４および６５は、絶縁層６３をエッチングすることにより形成される。しかしながら、図では、バイア６４が閉塞され、バイア６５が閉塞されていないように示されている。例えば、バイア６４は、異物で塞がれることもあるし、エッチングプロセスが不完全なことにより塞がれることもある。いずれにしても、バイア６４は欠陥のあるバイアであり、バイア６５は完全なバイアである。
【００４６】
図６Ａは、さらに、半導体デバイス６０表面に垂直に絶縁層６３へ入射する一次電子のビーム６７を示している。このビーム６３は、エネルギの高い電子を持つ第１のビームとエネルギの低い電子を持つ第２のビームとを組み合わせたものである。層６３は絶縁材料なので、層６３上での電子の移動度は制限される。それゆえ、絶縁層６３は、その表面に電荷を集める傾向があり、これによって、ＬＥＥＭのような従来の検査技術に関連する電荷蓄積の問題が生じる。しかしながら、本発明の二次電子放射顕微鏡（ＳＥＥＭ）技術では、エネルギの低いビームが、層６３の荷電の抑制に適したエネルギを持っている限りは、ビーム６７内のエネルギの高い電子のエネルギは、絶縁層６３の材料のＥ2値に十分に近い値に選択されてもよいし、異なるエネルギであってもよい。それゆえ、一次電子ビーム６７による照射の際に、材料の表面６３での電荷の蓄積が最小限の状態で、二次電子ビーム６８が絶縁材料６３によって発生される。ビーム６７内の低エネルギ電子のエネルギは、高エネルギ電子から生じるサンプル表面上の電荷蓄積を最小限にするように選択される。
【００４７】
反射（returning）電子ビーム６８は、絶縁層６３の表面に垂直方向で一次電子ビーム６７と逆向きに放出される。反射電子ビーム６８は、欠陥バイアと完全なバイア６４、６５に関する情報を含んでおり、この情報は、光学システムを逆戻りして検出され、次いで、半導体デバイス６０に欠陥があるか否かをオペレータが決定できるように処理される。
【００４８】
図６Bは、次の製造段階における図６Ａの半導体デバイス６０の電子ビーム検査を示している。金属配線６６ａおよび６６ｂが、紙面に垂直な方向に伸び、バイア６４、６５を介して金属層６２に接続することにより、配線６６ａ、６６ｂおよび層６２の間の電気的な接続を提供する。一次電子ビーム６７は、半導体デバイス６０、詳しくは、金属配線６６ａ、６６ｂおよび絶縁層６３に入射する。金属配線６６ａ、６６ｂおよび絶縁層６３の表面の検査画像化は、反射電子ビーム６８から得られる電圧コントラスト情報によって実現できる。
【００４９】
したがって、半導体工業のためのプロセス制御モニタリングは、本発明の電子ビーム検査を用いれば、結晶粒組織およびカラーノイズを低減もしくは排除することによって光学ビーム検査に比べて改善される。欠陥が認識されると、その欠陥が重大な場合には、集束イオンビームインプランテーションなどの手段を用いて修正されてもよい。また、基板の検査から得られた情報は、続いて製造される半導体デバイスの生産量改善に利用することもできる。本発明のＳＥＥＭシステムは、必要であれば、半導体ウエハ製造装置の一部として現場で用いることもできる。その装置においては、処理の前後もしくは処理中にウエハを検査し、ウエハの取り扱いと、検査および処理ステーション間の移動のために共通のロボットを用いることが可能である。また、ＳＥＥＭは、イオンインプランテーションもしくは蒸着のような他の製造工程のためにさらに用いられる真空チャンバ内に配置することもできる。検査から得られたデータは、自動プロセス制御を改善するために、次の処理ステーションに送ることもできるし、前の処理ステーションに戻すこともできる。
【００５０】
高および低エネルギ照射ビームからの画像は、様々な種類の情報を含んでいるため、分離されることが好ましい。二重ビームＳＥＥＭにおける低エネルギの反射画像（mirror image）と高エネルギの散乱画像を分離する１つの新しい手段は、同期検波の原理を利用している。このモデルでは、低エネルギビームと高エネルギビームは、重ね合わせられずに、交互にオン・オフされる（切り替えられる）。画像は、所望の反射もしくは散乱画像が存在するときにのみ記録される。切り替えサイクルの所望でない期間には、画像ビームも遮断される。
【００５１】
低エネルギビームからの所望の電荷バランスを保つために、２つの画像間の切り替え速度をある特定の条件に合うように選択することができる。表面電位の変化（電荷蓄積）速度ｄＶ／ｄｔは、吸収（Ｊa）および散乱（Ｊs）電流密度間の差Ｊa−Ｊs（電荷／秒／平方センチメートル）と、表面面積の平方センチメートルあたりの表面層の静電容量Ｃに依存し、ｄＶ／ｄｔ＝（Ｊa−Ｊs）／Ｃと表される。ΔＶが、１サイクル中で許容可能な表面電位の増加（約０．１Ｖ）である場合には、ビームは、Δｔ＜Ｃ・ΔＶ／（Ｊa−Ｊs）未満の期間で切り替えられる必要がある。画像要素に対する切り替え期間Δｔが、十分に短い場合には、一方のビームのみに由来する画像が観察されても、画像は、２つのビームが実際に重ね合わせられているかのように振舞うだろう。上述の画像サブトラクション法に比べて、この方法は、所望でない画像からのコントラストだけでなく、ノイズも拒絶できるという利点がある。
【００５２】
この動作モードでは、照射ビームと画像ビームの両方が電子光学的にオン・オフされる（遮断される）必要がある。一実施形態では、電子銃の制御グリッドが２つの電圧間で切り替えられることにより、照射ビームが遮断される。グリッドにかけられる負へのバイアスが、陰極からの電子の離脱を防ぐのに十分である場合に、ビームはオフとなる。グリッドにそれよりも正のバイアスがかけられると、ビームはオンとなる。別の実施形態では、画像面で偏向（偏向は、磁気的、静電気的、もしくはその両方によって実現される）され、その結果、ビームは、遮断されない必要がある場合にのみ、アパーチャを通過する。画像を分離するために、これらの遮断方法の両方が、二重ビームＳＥＥＭに用いられてもよい。
【００５３】
本発明の別の実施形態では、異なる特性を持つ画像を生成するために、反射モードと二次／後方散乱モードの両方が、連続的に用いられている。この実施形態では、前出の実施形態のように、各々の種類の画像が連続的に生成される。しかしながら、切り替えサイクルに不必要な部分がないため、画像ビームは遮断されない。代わりに、観察下の基板の形状を決定するために、各々の種類の画像が用いられる。例えば、半導体検査の「アレイモード」もしくは「ダイツーダイモード」では、ダイの第１の部分の反射モード画像が、（アレイモード用の）同じダイからのアレイの対応部分の反射モード（mirror mode）画像、もしくは（ダイツーダイモード用の）別のダイの対応部分と比較される。次いで、二次／後方散乱画像に対して、同様のダイツーダイ比較もしくはアレイ比較を実行することができる。両方の種類の比較から得られた情報は、半導体基板の欠陥をよりよく識別し特徴付けるために用いることができる。ダイツーダイモード比較の詳細な説明は、共通割り当ての（commonly assigned）ＵＳＰ  ５，５０２，３０６で見ることができる。
【００５４】
さらに一般的には、本発明の二次電子放射顕微鏡は、任意の半導体デバイス、薄膜磁気ヘッド、半導体製造用レチクル、フラットパネル（例えば、液晶もしくは電界効果）ディスプレイの欠陥検査に用いられる。絶縁材量、半導体材料、導電材料、もしくは超伝導体やプラズマでさえ、ＳＥＥＭを用いて画像化することが可能である。典型的な半導体製造プロセスは、ウエハの設計図に対して生成されたレチクルパターンの紫外線縮小投影と、それに続く各デバイス層の化学エッチングを含む。あるいは、半導体デバイスは、イオンビームやエッチングを用いて、またはＣＭＰ処理によってパターンを形成される。次いで、中間および最終生成物のプロセス検査とモニタリングが、本発明の方法で実行される。また、本発明のＳＥＥＭシステムは、欠陥の再検査に用いることもできる。再検査では、以前に検査されたウエハが再検査され、そこに位置する欠陥が特徴付けられてもよい。
【００５５】
図７は、本発明の二次電子放射顕微鏡（ＳＥＥＭ）を、ステージキャリア７７上の生物サンプル７０の検査に応用する方法を示している。生物サンプル７０は、様々な形状７１、７２、７３、７４を持っている。例えば、サンプル７０は、細胞壁７１と、細胞核７２と、原形質７３と、ミトコンドリア７４とを含む細胞でもよい。あるいは、サンプル７０は、筋肉組織７１と、骨組織７２と、体液７３と、悪性の細胞７４とを含むヒト組織でもよい。一次電子のビーム７５は、サンプル７０に垂直に入射する。反射電子のビーム７６は、ビーム７５による細胞７０への照射によって発生され、電子光学システムを通って垂直に戻る。細胞７０に関する情報は、ビーム７６にエンコードされ、検出、処理されて、細胞７０に関する情報が得られる。
【００５６】
以上では，理解を明確にする目的で本発明を詳細に説明したが，添付した特許請求の範囲の範囲内で，一定の変更および修正を加えられることは明らかである。また、本発明によるプロセスおよび装置の実装方法に多くの代替方法が存在することに注意すべきである。したがって、本実施形態は、例示的なものであって、制限的なものではないと考えられ、本発明は、本明細書に示した詳細に限定されず、添付の特許請求の範囲および等価物の範囲内で修正可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態にしたがって、二重ビームを有する二次電子放射顕微鏡（ＳＥＥＭ）装置の基本的な構成を示す図である。
【図２】  単一ビームを有するシステムでの電荷バランス生成比と一次電子エネルギとの関係を示すグラフである。
【図３】  本発明のＳＥＥＭ技術と従来技術の電子ビーム検査技術を比較する表である。
【図４】  ＳＥＭの画像化方法を示す図である。
【図５】  図４との比較のためにＳＥＥＭの画像化方法を示す図である。
【図６Ａ】  ＳＥＥＭの電子ビームが、絶縁層のバイアにある欠陥（閉塞物）を検出する方法を示す図である。
【図６Ｂ】  ＳＥＥＭの電子ビームが、バイアに接続する金属配線を検査する方法を示す図である。
【図７】  ＳＥＥＭの電子ビームが、生物サンプルの研究に用いられる方法を示す図である。
【符号の説明】
７  軌道
８  電子銃発生源
９  サンプル
１０  電子銃発生源
１２  軌道
１３  電子レンズ
１４  磁気ビーム分離器
１５  対物電子レンズ
１６  画像軌道
１９  投影電子レンズ
２０  検出器
２０ａ  ＹＡＧスクリーン
２０ｂ  時間遅延集積光検出器もしくは電子検出器
４１  ビーム
４２  サンプル
４３  経路
５４  ビーム
５５  サンプル
５６  並列マルチピクセル画像化領域、検出器アレイ領域
６０  半導体デバイス
６１  基板
６２  金属層
６３  絶縁層
６４  バイア
６５  バイア
６６  第２の金属層
６７  一次電子ビーム
６８  二次電子ビーム、反射電子ビーム
７０  生物サンプル
７１  形状、細胞壁、筋肉組織
７２  形状、細胞核、骨組織
７３  形状、原形質、体液
７４  形状、ミトコンドリア、悪性の細胞
７５  一次電子ビーム
７６  反射電子のビーム
７７  ステージキャリア
１００  二次電子放射顕微鏡装置
【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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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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