(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料表面のある部分に一定時間大電流集束電子ビームを浅い入射角度で照射した後、試料表面各部位とアース間の電気伝導度の差に基づく電位差分布を発生させたその部分に高分解能の観察用電子ビームを異なる方向から照射して二次電子情報を検出する作業を実行し、続いて隣の部分に照射並びに検出作業の位置を順次シフトして行く走査によって観察領域の二次電子顕微鏡画像を得、該二次元画像に基づいて孤立パターンを検出する方法。
【請求項２】
試料ステージ上の試料に向けて集束電子ビームを照射する観察用電子ビーム照射鏡筒と、前記試料に対し、前記観察用電子ビーム照射鏡筒の電子ビームより浅い角度で集束電子ビームを照射する大電流集束電子ビーム照射鏡筒を別途配備してなる電子顕微鏡において、大電流集束電子ビームを照射する特定領域と照射のＯＮ／ＯＦＦタイミングを特定した後、観察用電子ビームを前記領域に対応するように照射する領域と照射のＯＮ／ＯＦＦタイミングを特定すると共に特定領域を順次シフトさせる制御手段と、前記観察用電子ビーム照射に基づく二次電子を検出する二次電子検出器と、二次元画像表示用のディスプレイとを備えたことを特徴とする孤立パターン検出用電子顕微鏡。
【請求項３】
二次電子検出器の前にエネルギーフィルタを配設し、該エネルギーフィルタには両ビーム走査と照射のＯＮ／ＯＦＦに関連付けて電圧が印加される請求項２に記載の孤立パターン検出用電子顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料上の孤立パターンを検出する方法並びにその装置に関し、特に半導体素子の孤立パターン検出技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
表面画像を得る外観検査からでは発見することができない半導体素子のコンタクト不良などによる孤立領域を電位コントラスト像で発見する方法が知られている。これは原理的には検査領域に低加速大電流の集束電子ビーム（本明細書では電子ビームという用語を集束電子ビームを意味するものとして用いる。）を走査して照射し、検査領域を観察するのであるが、低加速大電流の電子ビームを走査することで被検査体表面に照射負電荷を注入する。この表面に注入された電子は半導体素子の配線パターンを介してアースに流れるが、この電流値は経路の抵抗値に応じて異なる。そのため試料表面には各部位毎の対アース抵抗値に応じた電位差が生じることになる。試料表面に電位差が生じると、電子ビーム照射に基づく二次電子の発生効率の差となってあらわれるため、該電位差が輝度情報となった画像が得られ、この画像を観察することで外面からでは判らない半導体素子のコンタクト不良などによる孤立領域を見出すことが出来るというものである。
【０００３】
従来から知られていたこの方式の装置は、電位差を短時間で発生させるために大電流電子ビームを用い、周辺の絶縁物をチャージアップさせないために低加速電圧を用い、不良個所特定のために高分解能顕微鏡であることを同時に要求されるが、これらの要求は通常相反する要求項目であるため、その仕様を満足する走査型電子顕微鏡は極めて高価なものとなっていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の従来技術の問題点を解決するものであって、表面画像を得る外観検査からでは発見することができない半導体素子のコンタクト不良などによる孤立領域を電位コントラスト像で発見する方法において、低加速電圧で大電流電子ビームを照射できると共に高分解能の走査型電子顕微鏡を比較的安価に提供することを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の孤立パターンを検出する方法は、試料表面のある部分に一定時間大電流集束電子ビームを浅い入射角度で照射した後、試料表面各部位とアース間の電気伝導度の差に基づく電位差分布を発生させたその部分に高分解能の観察用電子ビームを異なる方向から照射して二次電子情報を検出する作業を実行し、続いて隣の部分に照射並びに検出作業の位置を順次シフトして行く走査によって観察領域の二次電子顕微鏡画像を得、該二次元画像に基づいて孤立パターンを検出するようにした。
本発明の孤立パターン検出用電子顕微鏡は、試料ステージ上の試料に向けて集束電子ビームを照射する観察用電子ビーム照射鏡筒と、前記試料に対し、前記観察用電子ビーム照射鏡筒の電子ビームより浅い角度で集束電子ビームを照射する大電流集束電子ビーム照射鏡筒を別途配備してなる電子顕微鏡において、大電流集束電子ビームを照射する領域と照射のＯＮ／ＯＦＦタイミングを特定した後、観察用電子ビームを前記領域に対応するように照射する領域と照射のＯＮ／ＯＦＦタイミングを特定する制御手段と、前記観察用電子ビーム照射に基づく二次電子を検出する二次電子検出器と、画像表示用のディスプレイとを備えたことを特徴とする。
更に、二次電子検出器の前にエネルギーフィルターを配設し、該エネルギーフィルタには両ビーム走査と照射のＯＮ／ＯＦＦに関連付けて電圧が印加される構成を採用した。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明は、図１Ａに断面で示すような外観からでは把握できない半導体素子等の孤立浮遊領域を検出しようとするもので、該試料には右側の導電部ときちんと接続した部分と左側に示したような導電部と未接触状態の部分が存在していたとして、該試料表面に大電流電子ビームを照射して電荷を注入すると、左側の導電部ときちんと接続した部分に注入された電荷は導電部を介してすぐにアースに流出するが、右側に示したような導電部と未接触状態の部分に注入された電荷は導電体に直接流れることは出来ず、両者間の抵抗値に対応した電流値で少しずつ流出することになる。さて照射電子ビームによる二次電子の発生効率についてであるが、縦軸に二次電子発生効率を表すものとして（二次電子量／一次電子量）の値を、横軸に加速電圧値（Ａｃｃ）をとってグラフで表すと、一般に図１Ｃに示されるような１ｋＶ以下の低加速電圧領域にピークがくる山型の二次曲線特性を示す。勿論この特性は試料によって差異があるが、ビーム電流は一定にしてビームの入射角を変えたときの定性的な特性として示す。ａが深い角度、ｂが浅い角度の入射である。そしてＣに図示されているように電子ビームが入射する角度が浅い方ｂが特性の山が高く発生効率１の点が高圧側に寄っている。これは試料表面に入射する角度が浅い方が電子が試料内に深く入り込まないで表面から多くの二次電子を放出するためと解される。試料表面の帯電効率を考えると１ｋＶ以下の低加速電圧で浅い入射角で照射した電子ビームが二次電子発生効率が高く有利であるので、本発明では電荷注入用の電子ビームは低加速電圧・大電流で浅い入射角で試料に照射させるようにしている。
【０００７】
さて、この際の電荷注入であるが、１ｋＶ以下の低加速電圧領域の電子ビームが使われるとＣのグラフから判るようにその領域では照射される一次電子の数よりも飛び出す二次電子の数の方が多くなる。そのため照射する電子の電荷は負であるけれど試料表面は結果的に正の電荷が帯電することになる。右側未接続部分の表面は注入された電荷が直に導電体に流出できず滞留し正電荷を帯びて正電位になる。設計上は同様の構造とされたものであるが、左側の正常部分の表面の電荷はアースに流出して零電位に、右側の異常部分の表面は電荷が残留して正電位になる。試料面に電位差が生じるとその部分からの二次電子の発生効率に差が生じ、その二次電子画像上には図１Ｂに示したように左正常部分は明るく右異常部分は暗く映ることになる。なお、他の半導体表面は絶縁状態であるので異常部分以上に暗くなる。
【０００８】
さて、電荷注入用として最適な電子ビームは１ｋＶ以下の低加速電圧で加速された数ｎＡ〜数μＡの大電流であって、観察用として最適な走査電子ビームは高〜低加速電圧で加速された数ｐＡ〜数ｎＡの電流が用いられる。本発明はこの異なる電子ビームの発生源を２系統にわけてそれぞれの条件に合わせて準備するようにしたことによって、双方の条件を満たす発生源を準備しなければならないという困難な課題から開放され、コストを大幅に削減できるのである。この両電子ビームは観察領域を例えばラスター状に主走査・副走査するようにされるが、別々に走査されるのではなく、同じ位置を照射するように同期がとられている。この主走査は図２のＡに示されるように一方向にコンスタントに掃引されるのであるが、ミクロ的に見ると図２Ｂに示すように階段状に走査される。すなわち一照射点に対し一定時間ｔ１の電荷注入用の大電流電子ビームが照射されると、Δｔ時間のブランクをおいてｔ２時間観察用の電子ビームが照射され、その間にその部分の電位に応じた二次電子が検出される。このｔ１＋Δｔ+ｔ２がこの部分の 作業時間であり、この１単位作業時間毎に両電子ビームの照射位置は隣にシフトするように走査される。電荷注入用の大電流電子ビームが照射されるｔ１とΔｔの時間の間観察用の電子ビームはブランキング手段によりビームが開口部を通らないように偏向され遮蔽される。またブランク時間Δｔと観察期間ｔ２の間は電荷注入用の大電流電子ビームが開口部を通らないように偏向される。
【０００９】
【実施例１】
図４は本発明の第１実施例の全体構成を示す概念図である。図３はそのブランキング動作を説明する図である。観察用電子ビーム２の照射鏡筒は電子銃１，電子ビームの加速、集束、走査手段の他にブランキング手段４とブランキングアパーチャー５とを含む電子光学系３とからなり、電荷注入用電子ビーム12の照射鏡筒は電子銃11，電子ビームの加速、集束、走査手段の他にブランキング手段14とブランキングアパーチャー15とを含む電子光学系13とからなっている。試料７が載置される試料ステージ６の面に対し、観察用電子ビーム２は深い入射角で照射されるように、電荷注入用電子ビーム12は浅い入射角で照射されるように両鏡筒が配設される。８は二次電子検出器であり、９は二次電子のエネルギーフィルターである。20は検出した二次電子の情報を信号処理する信号処理部であり、22は観察画像等を表示するディスプレイそして21はシステムを制御するコントローラである。
【００１０】
試料ステージ６に図１Ａに示したような半導体素子を載置し、該半導体素子の表面の１点に低加速大電流の電荷注入用電子ビーム12を照射鏡筒より照射する。この照射は半導体表面に帯電を起こさせその状態での二次電子顕微鏡像を得るためであるので、図１Ｃに図示されるように二次電子発生効率のよい１ｋＶ以下の低加速電圧領域の電子ビームが用いられ、浅い入射角度から該半導体表面に当てられる。この照射を受けた点では当てられた一次電子よりもはじき出される二次電子の数が多いため、電気的には正の電荷が注入されたことになる。この点が左側に図示したような正常部分の表面であれば、該電荷は直ちに下層の導電体を介してアースに流出してしまうものの、右側の異常部分の表面であったならば、該電荷は下層の導電体を介して直ちにアースに流出することができず半導体領域と導電体との間に介在する絶縁部分の抵抗値に応じて徐々に流出する。また、この照射点が絶縁部分であったならばその電荷は流出経路がなくそこに帯電したままとなる。以上のように電子ビームが照射された試料表面には該照射部分とアース間の抵抗値に応じた電荷が帯電することになる。
【００１１】
電荷注入用電子ビーム12は最初のｔ１時間照射点を照射し、Δｔ時間のブランクをおいて観察用の電子ビーム２がｔ２時間照射されて二次電子検出器８で二次電子が検出されるのであるが、これらのビームの照射と中断はブランキング手段４，14の制御によって実行される。具体的には図３に示したように観察用電子ビーム照射鏡筒と電荷注入用電子ビーム照射鏡筒にはそれぞれブランキング手段４，14とブランキングアパーチャー５，15があって、電子銃１，11からは連続して放出されている電子ビームをブランキング手段４，14によって偏向させることでブランキングアパーチャー５，15の開口を通過させないで遮断させるようにする。すなわち、最初のｔ１＋Δｔ時間の間観察用電子ビーム照射鏡筒のブランキング手段４に偏向信号を印加して電子ビームを偏向させ、ブランキングアパーチャー５の開口部を該ビームが通過できないで遮断された状態においておき、電荷注入用電子ビーム照射鏡筒のブランキング手段14にはΔｔ+ｔ２の時間偏向信号を 印加して電子ビームを偏向させ、ブランキングアパーチャー15の開口部を該ビームが通過できないで遮断された状態にすることで、図２Ｂに示したような一照射点に対し一定時間ｔ１の電荷注入用の大電流電子ビームの照射、Δｔ時間のブランクをおいたｔ２時間観察用の電子ビームの照射が実現される。ビーム照射にともない試料面からは二次電子が放出されるが観察画像を得るため二次電子検出器８での検出を必要とするのは、ｔ２の時間だけであるから、該二次電子検出器８の前にグリッドのようなエネルギーフィルター９を設置し、電荷注入用のビームが照射されている時間ｔ１は二次電子をブロックして検出器を飽和させないようにする。この二種類の電子ビームは別個の鏡筒の電子銃から連続して放出されているものをブランキング手段によるビームの通過／遮蔽制御によって試料面への照射／中断を行わせるようにしているため、従来の一つの鏡筒で電荷注入用と観察用を両立させた条件で電子ビームを制御してビーム照射を行わせるものに比べ、各々の照射ビームの最適条件で電子ビームを制御できるため操作性の面からも優れたものとなっている。
【００１２】
次にビーム走査であるが、両鏡筒からの電子ビームは試料面上の同一点に照射される必要があり、かつ図２に示されたように走査される。この両電子ビームは観察領域をラスター状に主走査・副走査するようにされるが、この主走査はテレビの水平走査と同様に図２のＡに示されるように一方向に一定速度で掃引されるのであるが、ミクロ的に見ると図２Ｂに示すように階段状に走査されることは前述のとおりである。すなわち、個々の照射点にはｔ１＋Δｔ+ｔ２の一単位作業 時間が割り当てられ、この時間が経過する毎に隣接する照射点にシフトするような走査がなされる。順次作業が進み主走査方向一ラインの作業が終了したならば、副走査方向に一つシフトした主走査方向の始点に偏向走査されることで観察領域全体の走査を実行する。このビーム走査と各単位作業時間における一定時間ｔ１の電荷注入用の大電流電子ビームの照射、Δｔ時間のブランクをおいたｔ２時間観察用の電子ビームの照射、そしてエネルギーフィルターは互いにシンクロナイズされて制御される必要があるが、この実施例ではコントローラ21からの指令に基づいて両鏡筒の偏向走査手段とブランキング手段４，14そしてエネルギーフィルター９がタイミング制御され適正に動作するように構成されている。
【００１３】
【発明の効果】
本発明は、表面画像を得た外観検査からでは発見することができない半導体素子のコンタクト不良などによる孤立領域を電位コントラスト像で発見する方法に関するものであり、観察用の高分解能の低加速電子ビームと電荷注入用の低加速大電流の電子ビームとを要するものであるが、この二種類の電子ビームを異なる鏡筒から得るようにしたことにより、通常相反する双方の条件を満たす高価な電子顕微鏡を必要とせず、比較的安価な装置によってその検査を実施できるものである。
また、電荷注入用の低加速大電流の電子ビームを浅い入射角から照射するようにしたので、試料表面の帯電効率がよく鮮明な二次電子画像が得られる。
更に、二種類の電子ビームは別個の鏡筒の電子銃から連続して放出されているものをブランキング手段によるビームの通過／遮蔽制御によって試料面への照射／中断を行わせるようにしたため、従来の一つの鏡筒で電荷注入用と観察用を両立させた条件で電子ビームを制御してビーム照射を行わせるものに比べ、各々の照射ビームの最適条件で電子ビームを制御できるため操作性の面からも優れたものとなっている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の動作原理を示す図で、Ａは試料に電子ビームが照射され場合の帯電状態を模式的に示した図、Ｂはその観察画像を示す図、Ｃは二次電子発生効率を示すグラフである。
【図２】本発明のビーム走査をを示す図で、Ａは主走査波形を示し、Ｂはその一部をミクロ的に示した図である。
【図３】本発明のビームブランキング動作を説明する図である。
【図４】本発明の実施例の主要構成を示す図である。
【符号の説明】
１，１１  電子銃
２，１２  電子ビーム
３，１３  電子光学系
４，１４  ブランキング手段
５，１５  ブランキングアパーチャー
６  試料ステージ
７  試料
８  二次電子検出器
９  エネルギィフィルター
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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