(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子ビームを発生し、その発生した電子ビームを対物レンズによって試料に収束するとともに、該電子ビームを減速する電圧を前記試料に印加し、
その収束された電子ビームで前記試料を走査し、
該走査の間前記試料を連続的に移動し、
前記試料の移動中に該試料の高さを測定し、測定された前記試料の高さの変化に伴い前記対物レンズが長焦点で作動されるように、前記対物レンズを前記電子ビームの回転による画像の回転が実質的に無視できる程度に励磁して焦点の微調整を行い、
前記試料の移動中に該試料の位置を測定して前記電子ビームの走査位置を制御し、前記試料から発生した荷電粒子を前記対物レンズと前記試料との間から検出して電気信号に変換し、
該電気信号が有する画像情報を記憶し、その記憶された画像情報を用いて画像比較を実行し、前記試料の欠陥を検出することを特徴とする電子ビームを用いた検査方法。
【請求項２】
請求項１の記載において、
前記電子ビームを減速する電圧を前記試料の種類に応じて変更することを特徴とする電子ビームを用いた検査方法。
【請求項３】
請求項２の記載において、
前記荷電粒子を予め定められた方向に偏向する偏向電界と、その方向に前記荷電粒子を偏向し、かつ、前記偏向電界にもとづく前記電子ビームの偏向を打ち消す偏向磁界とを発生することを特徴とする電子ビームを用いた検査方法。
【請求項４】
請求項２の記載において、
前記荷電粒子で２次電子発生体を照射し、該２次電子発生体から２次電子が発生することを特徴とする電子ビームを用いた検査方法。
【請求項５】
電子ビームを発生し、その発生した電子ビームを対物レンズによって試料に収束するとともに、該電子ビームを減速する電圧を前記試料に印加し、
その収束された電子ビームで前記試料を走査するとともに前記試料を連続的に移動し、
前記試料の移動中に該試料の高さを測定し、測定された前記試料の高さの変化に伴い前記対物レンズが長焦点で作動されるように、前記対物レンズを前記電子ビームの回転による画像の回転が実質的に無視できる程度に励磁して焦点の微調整を行い、
前記試料から発生した荷電粒子を前記対物レンズと前記試料との間から検出して電気信号に変換することを特徴とする電子ビームを用いた検査方法。
【請求項６】
請求項５の記載において、
前記電気信号は第１の画像情報を有し、
該第１の画像情報を記憶し、該第１の画像情報とは別の第２の画像情報と比較することを特徴とする電子ビームを用いた検査方法。
【請求項７】
請求項５の記載において、
前記電気信号は第１の画像情報を有し、
該第１の画像情報を記憶し、該第１の画像情報とは別の予め記憶された基準画像情報と比較することを特徴とする電子ビームを用いた検査方法。
【請求項８】
請求項５の記載において、
前記電子ビームを減速する電圧を試料の種類に応じて変更することを特徴とする電子ビームを用いた検査方法。
【請求項９】
請求項５の記載において、
前記荷電粒子を予め定められた方向に偏向する偏向電界と、その方向に前記荷電粒子を偏向し、かつ、前記偏向電界にもとづく前記電子ビームの偏向を打ち消す偏向磁界とを発生することを特徴とする電子ビームを用いた検査方法。
【請求項１０】
請求項５の記載において、
前記荷電粒子で２次電子発生体を照射し、該２次電子発生体から２次電子が発生することを特徴とする電子ビームを用いた検査方法。
【請求項１１】
電子ビームを発生し、
その発生した電子ビームを収束レンズによって該収束レンズと試料の間にクロスオーバを発生させ、
前記電子ビームを前記クロスオーバと前記試料との間に配置された対物レンズによって試料に収束するとともに、該電子ビームを減速する電圧を前記試料に印加し、
前記電子ビームで前記試料を走査するとともに前記試料を連続的に移動し、
前記試料の移動中に該試料の高さを測定し、測定された前記試料の高さの変化に伴い前記対物レンズが長焦点で作動されるように、前記対物レンズを前記電子ビームの回転による画像の回転が実質的に無視できる程度に励磁して焦点の微調整を行い、
前記試料から発生する荷電粒子を前記対物レンズと前記試料との間から検出して電気信号に変換することを特徴とする電子ビームを用いた検査方法。
【請求項１２】
請求項１１の記載において、
前記電気信号は第１の画像情報を有し、該第１の画像情報を記憶し、該第１の画像情報とは別の第２の画像情報と比較することを特徴とする電子ビームを用いた検査方法。
【請求項１３】
請求項１１の記載において、
前記電気信号は第１の画像情報を有し、該第１の画像情報を記憶し、該第１の画像情報とは別の予め記憶された基準画像情報と比較することを特徴とする電子ビームを用いた検査方法。
【請求項１４】
請求項１１の記載において、
前記電子ビームを前記クロスオーバを支点としてブランキングすることを特徴とする電子ビームを用いた検査方法。
【請求項１５】
請求項１１の記載において、
前記電子ビームを減速する電圧を前記試料の種類に応じて変更することを特徴とする電子ビームを用いた検査方法。
【請求項１６】
請求項１１の記載において、
前記荷電粒子を予め定められた方向に偏向する偏向電界と、その方向に前記荷電粒子を偏向し、かつ、前記偏向電界にもとづく前記電子ビームの偏向を打ち消す偏向磁界とを発生することを特徴とする電子ビームを用いた検査方法。
【請求項１７】
請求項１１の記載において、
前記荷電粒子で２次電子発生体を照射し、該２次電子発生体から２次電子が発生することを特徴とする電子ビームを用いた検査方法。
【請求項１８】
試料の欠陥を検出する電子ビームを用いた検査装置であって、
電子ビームを発生する電子源と、
その発生した電子ビームを試料に収束させる対物レンズと、
前記電子ビームを減速する減速電圧を前記試料に印加する電源と、
前記電子ビームで前記試料を走査する電子ビーム偏向器と、
該走査の間、前記試料を連続的に移動する試料移動装置と、
前記試料の移動中に該試料の高さを測定する高さ測定装置と、
測定された前記試料の高さの変化に伴い前記対物レンズが長焦点で作動されるように、前記対物レンズを前記電子ビームの回転による画像の回転が実質的に無視できる程度に励磁して焦点の微調整を行う補正制御回路と、
前記電子ビームの走査によって発生する荷電粒子を前記対物レンズと前記試料との間から検出して電気信号に変換する荷電粒子検出器とを備えたことを特徴とする電子ビームを用いた検査装置。
【請求項１９】
請求項１８の記載において、
前記電気信号は画像情報を有し、
該画像情報を記憶する記憶装置と、前記画像情報にもとづいて画像比較を実行する比較器とを備えたことを特徴とする電子ビームを用いた検査装置。
【請求項２０】
請求項１８の記載において、
前記電源は前記試料の種類に応じて前記減速電圧を変更する機能を有することを特徴とする電子ビームを用いた検査装置。
【請求項２１】
請求項２０の記載において、
前記減速電圧に対して正方向の電位に保たれた電極を前記試料と前記荷電粒子検出器との間に設けたことを特徴とする電子ビームを用いた検査装置。
【請求項２２】
請求項１８の記載において、
前記荷電粒子を予め定められた方向に偏向する偏向電界と、その方向に前記荷電粒子を偏向し、かつ、前記偏向電界にもとづく前記電子ビームの偏向を打ち消す偏向磁界とを発生する電子ビーム偏向器を備えたことを特徴とする電子ビームを用いた検査装置。
【請求項２３】
請求項１８の記載において、
前記荷電粒子によって照射されて２次電子を発生する２次電子発生体を備えたことを特徴とする電子ビームを用いた検査装置。
【請求項２４】
試料の欠陥を検出する電子ビームを用いた検査装置であって、
電子ビームを発生する電子源と、
その発生した電子ビームをクロスオーバが生じるように収束する収束レンズと、
その収束された電子ビームを試料に収束する対物レンズと、
前記電子ビームを減速する減速電圧を前記試料に印加する電源と、
前記収束された電子ビームで前記試料を走査する電子ビーム偏向器と、
前記電子ビームによる走査の間、前記試料を連続的に移動する試料移動装置と、
前記試料の移動中に該試料の高さを測定する高さ測定装置と、
測定された前記試料の高さの変化に伴い前記対物レンズが長焦点で作動されるように、前記対物レンズを前記電子ビームの回転による画像の回転が実質的に無視できる程度に励磁して焦点の微調整を行う補正制御回路と、
前記荷電粒子を前記対物レンズと前記試料との間から検出して電気信号に変換する荷電粒子検出器とを備えたことを特徴とする電子ビームを用いた検査装置。
【請求項２５】
請求項２４の記載において、
前記電気信号は画像情報を有し、
該画像情報を記憶する記憶装置と、
前記画像情報にもとづいて画像比較を実行する比較器とを備えたことを特徴とする電子ビームを用いた検査装置。
【請求項２６】
請求項２４の記載において、
前記電子ビームを前記クロスオーバを支点としてブランキングするブランキング用偏向器を備えたことを特徴とする電子ビームを用いた検査装置。
【請求項２７】
請求項２４の記載において、
前記電源は前記試料の種類に応じて前記減速電圧を変更する機能を有することを特徴とする電子ビームを用いた検査装置。
【請求項２８】
請求項２７の記載において、
前記減速電圧に対して正方向の電位に保たれた電極を前記試料と前記荷電粒子検出器との間に設けたことを特徴とする電子ビームを用いた検査装置。
【請求項２９】
請求項２４の記載において、
前記荷電粒子を予め定められた方向に偏向する偏向電界と、その方向に前記荷電粒子を偏向し、かつ、前記偏向電界にもとづく前記電子ビームの偏向を打ち消す偏向磁界とを発生する電子ビーム偏向器を備えたことを特徴とする電子ビームを用いた検査装置。
【請求項３０】
請求項２４の記載において、
前記荷電粒子によって照射されて２次電子を発生する２次電子発生体を備えたことを特徴とする電子ビームを用いた検査装置。
【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検査方法及び検査装置に係わり、特に、半導体装置の製造過程でウエハ上の回路等のパターンを検査するのに適した電子ビームを用いた検査方法及び検査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子ビームを用いた試料の観察装置としては走査電子顕微鏡(以下これをＳＥＭという)があり、また、半導体装置の検査装置の一つとして測長用走査電子顕微鏡（以下これを測長ＳＥＭという）がある。しかし、通常のＳＥＭや測長ＳＥＭは、限られた視野を高倍率で観察するのには適しているものの、ウエハ上のどこに欠陥があるかを探すのには不向きである。なぜならば、そのような欠陥探索のためには非常に広い領域、すなわちウエハの全表面領域をくまなく検査する必要があるが、そのような広領域を上記のＳＥＭや測長
ＳＥＭで検査する場合には非常に長い時間が必要である。したがって、これらのＳＥＭは半導体装置の製造過程で、製造タクトに同期した検査装置として使用するにはとても実用にならない。
【０００３】
このような問題を解決する装置として、画像比較を用いてウエハ上の欠陥を検出する電子ビームを用いた検査装置が知られている。この装置は、高電流電子ビームが用いられること、電子ビームを試料に照射しながら試料ステージを連続的に移動させること、高加速電圧が用いられること、試料には電子ビームを減速させて試料の帯電を防ぐリターディング電圧が印加されること、電子ビームの照射によって試料で発生する荷電粒子が対物レンズを通過してから検出されること（ＴＴＬ方式）、といった特徴をもっている。これによれば、試料であるマスクやウエハのパターンの欠陥検査を従来のＳＥＭよりも効率的に行うことができる可能性がある。なお、この関連の技術として、たとえば、特開平５−
２５８７０３号公報に記載されたものがある。
【０００４】
【特許文献１】特開平５−２５８７０３号公報。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
試料から出てくる荷電粒子が対物レンズを通して検出されるといういわゆるＴＴＬ
（Through The Lens）方式によれば、対物レンズと試料との間の距離を短くすることができる。これによって、対物レンズを短焦点で用いることができ、電子ビームの収差が少なく、高分解能な画像の取得が可能になる。しかし、一方で、検査速度の向上を阻害し、更に試料の高さが変化するとこれに伴って電子ビームの回転が大きく変化し、得られた画像が回転してしまうという無視できない不具合をもたらす。また、リターディング電圧が変化したときの荷電粒子の検出効率の変化が無視できないほどの影響になりうるという不利益をもたらす。
【０００６】
本発明の第一の目的は、検査の高速化を図ることができる電子ビームを用いた検査方法及び検査装置を提供することにある。
【０００７】
本発明の第二の目的は、画像の回転が少ない電子ビームを用いた検査方法及び検査装置を提供することにある。
【０００８】
本発明の第三の目的は、荷電粒子の検出効率の変化が少ない電子ビームを用いた検査方法及び検査装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の構成は、電子ビームを発生し、その発生した電子ビームを対物レンズによって試料に収束するとともに、該電子ビームを減速する電圧を試料に印加し、その収束された電子ビームで試料を走査し、該走査の間試料を連続的に移動し、試料の移動中に試料の高さを測定し、測定された試料の高さの変化に伴い対物レンズが長焦点で作動されるように弱励磁して焦点の微調整を行い、試料の移動中に該試料の位置を測定して電子ビームの走査位置を制御し、試料から発生した荷電粒子を対物レンズと試料との間から検出して電気信号に変換し、該電気信号が有する画像情報を記憶し、その記憶された画像情報を用いて画像比較を実行し、試料の欠陥を検出するものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、第一に、検査の高速化を図ることができる電子ビームを用いた検査方法及び検査装置を提供することができる。
【００１１】
第二に、画像の回転が少ない電子ビームを用いた検査方法及び検査装置を提供することができる。
【００１２】
第三に、荷電粒子の検出効率の変化が少ない電子ビームを用いた検査方法及び検査装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図２に、半導体装置の製造プロセスのフローのブロック図を示す。同図からわかるように、半導体装置の製造に当たっては、半導体装置のウエハ上への多数のパターン形成ステップ５１〜５５が繰り返され、その各々のパターン形成ステップは大まかに成膜５６，レジスト塗布５７，感光５８，現像５９，エッチング６０，レジスト除去６１及び洗浄６２のステップからなる。各ステップにおいて製造条件が最適化されていないと、半導体ウエハの回路パターンが正常に形成されない。そこで、ステップ間に自動外観検査ステップ
６３及び６４を設け、回路パターンの検査が実行される。
【００１４】
図３に、製造過程における半導体ウエハ上の回路パターンを走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した像の概略を示す。図３（ａ）は正常に加工されたパターン、図３（ｂ）は加工不良が発生したパターンを示す。たとえば図２の成膜５６のステップで異常が発生すると、パーティクルが半導体ウエハ表面に付着し、図３（ｂ）中の孤立欠陥Ａとなる。また、レジスト塗布後感光時に焦点や露光時間等の条件が最適でないと、レジストを照射する光の量や強さが多すぎる箇所や足りない箇所が発生し、図３（ｂ）中のショートＣや断線Ｅ，パターン細りや欠けＤを伴う。露光時のマスクやレチクル上に欠陥があると、同様のパターンの形状異常が発生しやすい。また、エッチング量が最適化されていない場合及びエッチング途中に生成された薄膜やパーティクルが存在した場合、ショートＣや突起Ｂ，孤立欠陥Ａをはじめ、開口不良Ｇも発生する。洗浄時には、乾燥時の水切れ条件によりパターン角部その他の箇所に異常酸化を発生しやすい上、光学顕微鏡では観察しづらい薄膜残りＦが発生する。したがって、ウエハ製造プロセスでは、これらの不良が発生しないよう加工条件を最適化する必要があると共に、異常発生を早期発見し、当該ステップにフィードバックする必要がある。
【００１５】
以上のような欠陥を検出するために、たとえば図２中の現像５９のステップの後、及び、レジスト除去６１のステップの後に自動外観検査が行われる。この検査に本発明による電子ビームを用いた検査装置が使用される。
【００１６】
図１は、本発明の実施例であり、電子ビームを用いた検査装置の構成の概略を示す縦断面図である。
【００１７】
図１において、電子銃１は電子源２，引出電極３及び加速電極４から構成される。電子源２と引出電極３の間には引出電圧Ｖ1 が引出電源５によって印加され、これにより電子源２からは電子ビーム３６が引出される。加速電極４はアース電位に維持され、そして加速電極４と電子源２との間には加速電圧Ｖacc が加速電源６によって印加され、したがって、電子ビーム３６はこの加速電圧Ｖacc によって加速される。加速された電子ビームはレンズ電源７に接続された第１収束レンズ８によって、該第１収束レンズ８とレンズ電源７に接続された第２収束レンズである対物レンズ９との間にクロスオーバ１０が生じるように収束され、更に対物レンズ９によって、ステージ駆動装置（図示せず）及び位置モニタ用測長装置１１により水平移動可能にされた試料ステージ１２上の半導体ウエハ等の試料１３に収束される。すなわち、試料１３は収束された電子ビームによって照射される。図示していないが、以上の構成が電子ビームを照射するのに適するように真空を保った容器中に収納される。
【００１８】
試料１３には電子ビーム３６を減速させるリターディング電圧として負の電圧が可変減速電源１４によって印加され、更に、試料１３と対物レンズ９との間に設けられた電極
３４に、試料１３に対して正の方向の電圧が印加され、したがって、電子ビーム３６はリターディング電圧によって減速される。通常、電極３４はアース電位とされ、リターディング電圧は可変減速電源１４を調整することによって任意に変えることができる。
【００１９】
第１収束レンズ８とクロスオーバ１０との間には絞り１５が配置されている。この絞り１５は余分な電子を遮断し、更に電子ビーム３６の開口角を決めるのに役立つ。クロスオーバ１０と対物レンズ９との間には電子ビーム走査用偏向器１６が配置され、これは収束された電子ビーム３６で試料１３を走査するように電子ビーム３６を偏向させる機能をもつ。電子ビーム走査用偏向器１６は対物レンズ９の中に設けられ、その偏向の支点と対物レンズ９の磁極ギャップの中心とが実質的に一致するようにしており、これにより、偏向歪を低減することができる。絞り１５と電子ビーム走査用偏向器１６との間には、電子ビーム３６をクロスオーバ１０が形成される位置において偏向してブランキングする、走査信号発生装置２４に接続されたブランキング用偏向器１７が配置されている。
【００２０】
電子ビーム３６をブランキングするために、クロスオーバ１０以外の点を支点として偏向すると、その偏向時に試料１３上の電子ビーム照射位置が移動してしまう。また、電子ビームが平行ビームである場合にブランキングすると、ブランキングの最中に絞り１５で遮断できない電子ビームが存在し、照射したくない隣接した領域をわずかながら照射してしまう。このように、ブランキングが始まって完了までの間中、本来電子ビームで照射されては好ましくない箇所が電子ビームで照射されることになる。これに対して、本発明の実施例では、ブランキング時には電子ビーム３６はクロスオーバ１０を支点として偏向されるので、試料１３上の電子ビーム照射位置は変化せず、したがって上述したような問題は生じない。
【００２１】
試料１３が収束された電子ビーム３６で照射され、走査されると、試料１３からは荷電粒子である２次電子及び反射電子が発生する。そのうちの２次電子３３は５０ｅＶ以下のエネルギーをもったものとして定義される。試料１３を照射する電子ビーム３６に対するリターディング電圧は、発生した２次電子に対しては正負の方向が逆になるため、加速電圧として作用する。したがって、発生した２次電子３３はリターディング電圧によって加速されるため、方向がほぼそろい、ほぼ平行ビームとなって、試料１３と対物レンズ９の間に配置されたＥ×Ｂ（イー・クロス・ビー）偏向器１８に入射する。Ｅ×Ｂ偏向器１８は２次電子３３を偏向する偏向電界を発生させる偏向電界発生器を含むと共に、試料１３を照射する電子ビームの前記偏向電界による偏向を打ち消す、前記偏向電界と直交する偏向磁界を発生させる偏向磁界発生器を含んでいる。この偏向磁界は２次電子３３に対しては前記偏向電界と同一方向への偏向作用をもつ。したがって、Ｅ×Ｂ偏向器１８によって発生される偏向電界及び偏向磁界は、試料１３を照射する電子ビームに悪影響を与えることなしに、加速された２次電子３３を偏向する。この偏向角をほぼ一定に維持するために、Ｅ×Ｂ偏向器１８によって発生される偏向電界及び偏向磁界をリターディング電圧の変更に連動して変えることができる。Ｅ×Ｂ偏向器１８は偏向電界及び偏向磁界を発生するものであるため、偏向電界及び偏向磁界発生器と呼ばれる場合もある。
【００２２】
Ｅ×Ｂ偏向器１８の偏向電界及び偏向磁界によって偏向された２次電子３３は導電性の２次電子発生体１９を衝撃ないしは照射する。２次電子発生体１９は対物レンズ９とＥ×Ｂ偏向器１８の間において電子ビームの軸の周りに配置され、かつその軸に沿って電子銃１の方に向かうにしたがって末広がりの円錐形状にされている。この２次電子発生体１９はＣｕＢｅＯで作られていて、入射電子数の約５倍の２次電子発生能をもつ。２次電子発生体１９から発生した第２の２次電子２０（これは５０ｅＶ以下のエネルギーをもつ）は荷電粒子検出器２１によって検出され、電気信号に変換される。
【００２３】
試料１３の高さは光学式試料高さ測定装置２２によりリアルタイムで測定されて、その測定結果は補正制御回路２３からレンズ電源７にフィードバックされ、それによって対物レンズ９の焦点距離がダイナミックに補正される。また、電子ビームの試料照射位置は位置モニタ用測長装置１１によって検出されて、その結果が補正制御回路２３から走査信号発生装置２４にフィードバックされ、それによって電子ビームの試料照射位置が制御される。
【００２４】
試料１３は図示しないステージ駆動装置によりＸ−Ｙ座標のＹ方向に連続的に移動され、一方、電子ビーム３６による試料１３の走査はＸ方向に、走査とブランキングとが交互に繰り返し行われる。試料１３が始点位置から終点位置まで連続移動し終わると、試料
１３が電子ビームによる走査の幅に相当する量だけＸ方向に移動され、続けて試料１３の−Ｙ方向への連続移動が再開され、そしてその連続移動の間中、試料１３の電子ビーム
３６によるＸ方向への走査とブランキングとが交互に繰り返される。このような動作が繰り返されることによって電子ビーム３６による試料１３の全面の走査が完了する。試料
１３の電子ビーム３６による照射を時間的，空間的に均一にするために、各走査の帰線期間中、電子ビーム３６が試料１３に向けられないように、電子ビーム３６をブランキング用偏向器１７を用いて偏向してブランキングする。
【００２５】
荷電粒子検出器２１によって検出された第２の２次電子２０の電気信号は、増幅器２５により増幅され、Ａ／Ｄ変換器２６によりディジタル化される。そのディジタル化された信号は画像信号として記憶部２７及び２８に記憶される。具体的には、まず第１の検査領域の２次電子画像信号を記憶部２７に記憶する。次いで隣接する同一回路パターンの第２の検査領域の２次電子画像信号を記憶部２８に記憶しながら同時に記憶部２７の第１の検査領域の２次電子画像信号と比較する。更に、第３の検査領域の２次電子画像信号は記憶部２７に上書き記憶され、同時に記憶部２８の第２の検査領域の画像と比較する。これを繰り返し、すべての検査領域について画像信号の記憶及び比較を実行する。なお、記憶部２８に記憶された画像信号はモニタ３２に表示される。
【００２６】
画像比較は演算部２９及び欠陥判定部３０において行われる。すなわち、記憶部２７及び２８に記憶された２次電子画像信号については、すでに求めてある欠陥判定条件にもとづき、演算部２９で各種統計量，具体的には画像濃度値の平均，分散等の統計量，周辺画素間の差分値，ラングレス統計量，共起行列等を算出する。これらの処理が実行された後、その処理が施された画像信号は欠陥判定部３０に転送され、比較されて差分信号が抽出され、すでに求めて記憶してある欠陥判定条件を参照して欠陥信号とそれ以外の信号が分離される。
【００２７】
また、予め標準となる回路パターンの検査領域の２次電子画像信号を記憶部２７に記憶しておき、試料１３の回路パターンの検査領域の２次電子画像信号を記憶部２８に記憶しながら、記憶部２７の記憶画像信号と比較するようにしてもよい。すなわち、まず、予め制御部３１より良品の半導体装置について検査領域及び検査条件を入力し、そのデータにもとづき良品の検査を実行し、所望の領域の２次電子画像信号を記憶部２７に取り込んで記憶する。次に、検査対象である試料１３について同様の方法で検査し、その２次電子画像を記憶部２８に取り込み、記憶する。同時に、これと記憶部２７に記憶された良品の２次電子画像とを位置合わせ後比較することにより欠陥のみを検出する。この際、良品の半導体装置としては、試料１３における良品の部分あるいは試料１３とは別の良品ウエハあるいはチップを用いる。たとえば、試料１３において、回路パターンを形成する際に下層パターンと上層パターンが合わせずれを生じて形成したような不良を発生することがある。比較対象が同一ウエハあるいは同一チップ内の回路パターン同士であると、上記のようなウエハ全体に同様に発生した不良は見落としてしまうが、予め良品の画像信号を記憶し、それと試料１３の画像信号を比較することにより上記のような全体に発生した不良も検出することができるようになる。
【００２８】
検査装置各部に対する動作命令及び条件設定は制御部３１から行われる。したがって、制御部３１には加速電圧，電子ビームの偏向幅（走査幅）及び偏向速度（走査速度），試料ステージの移動速度，検出器の出力信号取り込みタイミング等々の条件が予め入力されている。
【００２９】
次に、本発明にもとづく電子ビームを用いた検査装置と通常の走査電子顕微鏡(ＳＥＭ)との違いについて、特に高速性の観点から説明する。
【００３０】
ＳＥＭは非常に限られた領域、たとえば数十μｍ角の領域、を高倍率で時間をかけて観察する装置である。半導体検査装置の一つである測長用走査電子顕微鏡（測長ＳＥＭ）でさえもウエハ上の複数点のみの観察及び測定を高倍率で行うにすぎない。これに対して、本発明の対象である画像比較にもとづく電子ビーム検査装置はウエハのような試料上のどこに欠陥があるかを探し出す装置である。したがって、非常に広い領域をくまなく検査しなければならないから、検査の高速性が極めて重要である。
【００３１】
一般に電子ビーム画像におけるＳ／Ｎ比は、試料を照射する電子ビームの単位画素当たりの照射電子数の平方根の値と相関がある。試料上の検出されるべき欠陥は、画素比較による検査が望ましい程度の微小欠陥であり、検査対象のパターンの大きさから検査装置に要求される分解能を０.１μｍ 程度としたとき、この観点からと発明者らの経験とから、画像処理前の生画像のＳ／Ｎ比は１０以上、望ましくは１８以上であることが望ましい。また、そのような微小欠陥を検出対象とするためには、画素サイズは０.１μｍ 程度であることが望ましい。一方、ウエハの回路パターンの検査に要求される検査時間は、製造プロセスのタクトを考慮すると、おおよそ２００sec／cm2程度であり、画像取得のみに要する時間は検査時間の約半分の１００sec／cm2程度である。これらの値から１画素当たりの所要時間は１０ｎsec となり、１画素当たりの必要電子数は約６０００個となり、これは電子ビーム電流が１００ｎＡであることに対応する。
【００３２】
以上のような事項を考慮して、本発明の実施例では、試料を照射する電子ビーム電流を１００ｎＡ、画素サイズを０.１μｍ、試料上での電子ビームのスポットサイズを０.０８μｍ、試料ステージ１２の連続移動速度を１０mm／sec にそれぞれ設定し、そしてこれらの条件下で、試料の同じ領域を電子ビームで一回だけ走査することで、２００sec／cm2程度の高速度検査を可能にしている。従来のＳＥＭや測長ＳＥＭでは、試料を照射する電子ビーム電流は数ｐＡから数百ｐＡ程度であるから、１cm2 当たりの検査時間は数百時間にもなり、したがってＳＥＭや測長ＳＥＭは実質的に実用にならない。
【００３３】
また、本発明の実施例では、大電流電子ビームが得られ、高速度検査ができるように電子銃１の電子源２としては拡散補給型の熱電界放出電子源（Ｚｒ／Ｏ／Ｗ）が用いられている。更に、１画素当たりの所要時間が１０ｎsec であることはサンプリング時間が100ＭＨｚであることに相当し、したがって荷電粒子検出器２１はそれに対応する高速応答速度をもつものであることが必要である。この条件を満たすように荷電粒子検出器２１は
ＰＩＮ型半導体検出器からなっている。
【００３４】
導電性が小さいか又はない試料の場合は、試料は電子ビームで照射されることによって帯電する。この帯電量は電子ビームの加速電圧に依存し、そのエネルギーを低くすることによって解決される。しかし、画像比較にもとづく電子ビーム検査装置では、１００ｎＡという大電流電子ビームが用いられるため、加速電圧を低くすると、空間電荷効果により収差（電子ビームの径方向への広がり）が増大し、０.０８μｍ という試料上での電子ビームスポットサイズを得ることが困難となり、したがって分解能の低下は避けがたい。本発明の実施例では、空間電荷効果による分解能の低下及び変化を防止して０.０８μｍ という試料上での電子ビームスポットサイズを安定に得るために、加速電圧Ｖacc は１０
ｋＶ一定に設定されている。
【００３５】
画像の質は試料を照射する電子ビームのエネルギーによって大きく左右され、そしてそのエネルギーは試料の種類によって異なる。帯電しにくい試料や画像のコントラストを強調して回路パターンのエッジ部を特に知りたい試料の場合はエネルギーを大きくし、帯電しやすい試料の場合はエネルギーを小さくする。このため、検査されるべき試料の種類が変わるごとに最適な電子ビーム照射エネルギーを見つけ出して、設定する必要がある。
【００３６】
本発明の実施例では、試料を照射する電子ビームの最適照射エネルギーは、加速電圧
Ｖacc を変えずに試料１３に印加される負の電圧、すなわち、リターディング電圧を変えることによって設定される。このリターディング電圧は可変減速電源１４によって変えることができる。
【００３７】
従来、試料１３から発生する荷電粒子は対物レンズ９を通して検出されていた。これは既述のように、ＴＴＬ（Through The Lens）方式と呼ばれる。ＴＴＬ方式によれば、対物レンズを短焦点で働かせることによって分解能をあげることができる。これに対して、本発明の実施例では、試料から発生する荷電粒子は、対物レンズ９の下で、具体的には対物レンズ９と試料１３の間で検出される。このため、対物レンズ９の焦点距離はＴＴＬ方式に比べて長い。すなわち、通常のＴＴＬ方式では対物レンズの焦点距離は５mm程度（短焦点）であるのに対して、本発明の実施例ではその値は４０mm（長焦点）に設定されている。このため、本発明の実施例によれば、試料１３の画像を取得するために行われる電子ビーム３６の偏向幅、すなわち、電子ビームによる走査幅を大きくすることができる。例えば、ＴＴＬ方式のビーム偏向幅は１００μｍ程度であるのに対して、本発明の実施例ではそれは５００μｍに設定されている。
【００３８】
既述のように、試料１３が始点位置から終点位置まで連続移動し終わると、試料１３は該試料の電子ビーム３６による走査幅に相当する量だけ移動され、再び連続移動を開始する。この移動に伴い、試料ステージが整定するまで検査を行うことができない時間が生じる。
【００３９】
図４に、試料ステージ１２のこの整定時間の積算値（単位sec ）と電子ビーム３６の偏向幅（単位μｍ）との関係を示す。この図から、偏向幅が１００μｍであるか５００μｍであるかによって試料ステージ整定時間の積算値に極端な差があることがわかる。すなわち、本発明の実施例によれば、試料ステージ整定時間を小さくすることができ、その分だけ検査速度の向上を図ることができる。
【００４０】
試料１３の表面は完全な平面ではないため、検査する領域が移動すると試料の高さも変化する。したがって、対物レンズ９の励磁を変化させて、常に試料１３に焦点を合わせる動作が必要である。従来のＴＴＬ方式では、対物レンズを短焦点で働かせるように強励磁する必要がある。しかし、強励磁の対物レンズでは試料の高さの変化に伴い、電子ビームの水平方向の回転によって画像の回転が生じるので、その補正が必要となる。これに対して本発明の実施例では、対物レンズ９は長焦点で作動されるように弱励磁される。例えば、Ｉを対物レンズの電流値（単位Ａ）、Ｎを対物レンズのコイルのターン数、Ｅを電子ビームのエネルギー（単位ｅＶ）とすると、ＩＮ／√Ｅ＝９程度に励磁される。このため、試料１３の高さの変化に伴い、焦点を微調整しても電子ビーム３６の回転，画像の回転は実質的に無視できる程度にしか発生しないので、その補正が不要となる。
【００４１】
図５に、２次電子検出効率（単位％）とリターディング電圧（単位ｋＶ）との関係を示す。同図中の曲線（１）は本発明の実施例によるもの、曲線（２）はＴＴＬ方式によるものである。既述のように、リターディング電圧は試料の種類によって変えられるべきである。また、リターディング電圧は２次電子に対して加速させる作用がある。図５において、２次電子検出効率は、リターディング電圧を変えると、ＴＴＬ方式の場合は大幅に変化してしまうのに対して、本発明の実施例の場合は、あまり変化しない。ＴＴＬ方式の場合は、試料から発生する２次電子が対物レンズの磁場を通り収束されるが、その軸方向の収束位置はリターディング電圧を変えることによって変化する。これが２次電子検出効率を大きく変えてしまう主たる原因である。本発明の実施例では２次電子３３が対物レンズ９の磁場を通らないので影響が小さい。したがって、本発明の実施例では、画像の回転が少なく、２次電子検出効率の変動が小さいので、検査画像の安定化をもたらす。
【００４２】
既述のように、試料１３から発生する２次電子３３は、リターディング電圧によって加速されてほぼ平行ビームとなるので、２次電子３３の収集率が向上する。その平行化された２次電子３３は、更に、Ｅ×Ｂ偏向器１８の偏向電界及び偏向磁界によってある角度、たとえば５°だけ偏向されて２次電子発生体１９を衝撃し、それによって更に第２の２次電子２０が大量に発生する。このように、２次電子の検出効率は、平行ビームと、２次電子発生体１９の衝撃によって、大幅に向上する。
【００４３】
試料１３の電子ビーム３６による走査は、試料１３をＹ方向に連続移動しながら電子ビーム３６をＸ方向に偏向させるが、走査とブランキングとを交互に繰り返すのでなく、走査を往復偏向させてもよい。この場合は、行きの偏向時の偏向速度（走査速度）と帰りの偏向時の偏向速度（走査速度）とが同じにされる。このようにすれば、ブランキング用偏向器１７を省略することができ、ブランキング時間分の節約が可能となる。しかし、この場合、以下に注意する必要がある。
【００４４】
試料１３の、電子ビーム３６の往復偏向の始めの部分と終わりの部分とが電子ビーム
３６によって短時間に集中して照射される。すなわち、例えば、左から右へのＸ方向の走査の場合、照射領域の端部では電子ビームのＸ方向への移動が停止し、試料１３がＹ方向に走査幅だけ移動するのを待ってから、次の列を右から左へＸ方向へ移動して走査する。このＹ方向への移動を待っている間に、試料１３の端部がＹ方向に照射が続けられる。このため、帯電現象の時定数が非常に短い試料の場合は、その画像を取得したとき、その画像の明るさが不均一になってしまう。そこで、電子ビーム３６による照射量を試料１３の全面にわたってほぼ同じにするために、電子ビーム３６の偏向速度が走査の端部では走査の中心部よりも速くなるように、その偏向速度を制御するとよい。
【００４５】
なお、以上の説明では、画像形成のために試料１３から発生した２次電子３３を用いているが、電子ビーム３６の照射によって試料から後方散乱された反射電子を用いても、同様の効果を得ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明にもとづく実施例を示す電子ビームを用いた検査装置の構成の概念を示す縦断面図。
【図２】半導体装置の一般的な製造プロセスのフローを示すブロック図。
【図３】製造過程における半導体ウエハ上の回路パターンの一例をＳＥＭで観察した像の概略図。
【図４】試料ステージ整定時間と電子ビーム偏向幅との関係を示す相関図。
【図５】２次電子検出効率とリターディング電圧との関係を示す相関図。
【符号の説明】
【００４７】
１…電子銃、２…電子源、４…加速電極、６…加速電源、８…第１収束レンズ、９…対物レンズ、１０…クロスオーバ、１１…位置モニタ用測長装置、１２…試料ステージ、
１３…試料、１４…可変減速電源、１５…絞り、１６…電子ビーム走査用偏向器、１７…ブランキング用偏向器、１８…Ｅ×Ｂ偏向器、１９…２次電子発生体、２０…第２の２次電子、２１…荷電粒子検出器、２２…光学式試料高さ測定装置、２３…補正制御回路、
２４…走査信号発生装置、２９…演算部、３０…欠陥判定部、３１…制御部、３３…２次電子、３６…電子ビーム。
【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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