(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子源からの電子ビームを試料表面の一定の面積領域に拡げて照射する対物レンズを含む電子ビーム照射系と、対物レンズの先端近傍に配置され、正の電圧が印加される捕集電極と、試料に負の電圧を印加するための電圧印加手段と、電子ビームが照射された領域から得られる反射電子を結像して拡大像を形成する像形成手段と、像形成手段により形成された拡大像を画像信号に変換する画像信号取得手段と、画像信号取得手段により得られた画像信号と、設計パターンから作成された画像信号とを比較する手段とよりなる電子ビーム検査装置。
【請求項２】
前記対物レンズはセミインレンズ型の対物レンズであり、内側電極の内側に捕集電極が配置される請求項１記載の電子ビーム検査装置。
【請求項３】
前記比較手段は、画像信号取得手段により得られた画像信号と、設計パターンから作成され前記画像信号取得手段により得られた画像信号に対するスケールの違いや傾きの違いなどを補正した画像信号とを比較する手段である請求項１記載の電子ビーム検査装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体デバイスの検査に用いて好適な電子ビーム検査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の半導体デバイスの製造過程で、形成されたパターンの欠陥の検査を行い、その検査結果を製造プロセスにフィードバックし、半導体デバイス製造の歩留まりの向上を図っている。この欠陥とは、例えば、接続されるべきパターンが分離された状態であったり、逆に離れて形成されるべきパターンがショートしている等の欠陥や、異物の存在等である。
【０００３】
この欠陥検査のための装置としては、通常走査電子顕微鏡が用いられている。例えば、半導体デバイスの所定領域で一次電子ビームを走査し、この走査によって得られた信号に基づいて、２次電子像を取得し、この像によりパターン等の検査や異物の存在を検査するようにしている。
【０００４】
走査電子顕微鏡では、試料上に電子ビームを細く集束すると共に、試料上の所定範囲を電子ビームで走査するようにしている。試料に電子ビームを照射することによって２次電子が発生するが、この２次電子を検出し、この検出信号を一次電子ビームの走査と同期した陰極線管に供給し、試料の走査像を表示するようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記した走査電子顕微鏡を用いた欠陥検査では、所定領域ごとに細く絞った電子ビームを２次元的に走査する必要性から、検査時間が長時間とならざるを得ず、検査のスループット向上が強く要求されている。そのため、通常の走査電子顕微鏡に代え、反射電子顕微鏡を検査に用いることが提案されている。
【０００６】
このような反射電子顕微鏡の一例として、特開昭11-108864号公報記載の構成を挙げることができる。この公報記載の方式では、負の電位に保たれた半導体試料の表面に一定の面積を有した電子ビーム（面積ビーム）を照射し、試料表面からの反射電子を結像レンズにより結像させるようにしている。そして、半導体試料表面の複数の領域の画像を取得して、それぞれ記憶させ、記憶された画像同士をパターンマッチング等の手法を用いて比較し、領域内におけるパターンの欠陥の有無、および欠陥の位置の検査を行うようにしている。
【０００７】
上記した従来方式では、実物の画像を複数枚取得して記憶させねばならないが、このステップはウェハ内に含まれる極めて多くのパターンに対して行う必要があり、検査のスループット向上の妨げとなっている。また、反射電子を十分に捕獲する必要があるが、従来の対物レンズの形状では不十分である。なぜならば、反射電子の放出する角度分布は広い範囲に放出されるからである。
【０００８】
本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、その目的は、試料からの反射電子を効率よく捕獲できると共に、検査のスループットを向上させることができる電子ビーム検査装置を実現するにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明に基づく走査電子顕微鏡は、電子源からの電子ビームを試料表面の一定の面積領域に拡げて照射する対物レンズを含む電子ビーム照射系と、対物レンズの先端近傍に配置され、正の電圧が印加される捕集電極と、試料に負の電圧を印加するための電圧印加手段と、電子ビームが照射された領域から得られる反射電子を結像して拡大像を形成する像形成手段と、像形成手段により形成された拡大像を画像信号に変換する画像信号取得手段と、画像信号取得手段により得られた画像信号と、設計パターンから作成された画像信号とを比較する手段とよりなることを特徴としている。
【００１１】
請求項１記載の発明では、反射電子像と設計パターンから作成された画像とを比較して試料の欠陥の検査を行い、検査のスループットを向上させると共に、対物レンズの先端近傍に反射電子の捕集電極を設けるようにしたので、試料からの反射電子を効率よく捕獲して像を形成することができる。
【００１２】
請求項２記載の発明では、請求項１記載の電子ビーム検査装置において、対物レンズをセミインレンズ型の対物レンズとし、内側電極の内側に捕集電極を配置した。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明に基づく電子ビーム検査システムの一例を示している。図において試料１はステージ２の上に載置され、この試料１には試料バイアス電源３から負の電圧が印加されるように構成されている。ステージ２はモータドライバ４によって駆動されるモータ５により水平方向に移動可能とされている。ステージ２の位置はステージ位置センサ６により検出され、その検出信号はステージ位置測定器７に供給される。
【００１６】
試料１の上方には、試料１に照射される電子ビームのための対物レンズ８が配置されている。対物レンズ８は、例えば、レンズ磁界が試料１にまではみ出しているようなセミインレンズ方式のレンズ構成とされている。対物レンズ８の内側には、試料から発生する反射電子を効率よく集めるための捕集電極１１が設けられている。捕集電極１１には、捕集電極電源１２から正の電圧が印加される。
【００１７】
試料１には、電子銃１３から発生し加速された電子ビーム１４が照射されるが、電子銃１３からの電子ビーム１４は、収束レンズ１５によって収束され、ビームセパレータ１６に入射する。ビームセパレータ１６は電場と磁場との組み合わせにより、特定のエネルギーの電子は直進させ、その他のエネルギーの電子は曲げるように作用する。セパレータ１６に入射した電子ビームは、セパレータ１６によって直角に曲げられ、対物レンズ８に入射する。
【００１８】
電子ビームは対物レンズ８によって収束され、試料１の所定領域に照射される。この試料１に向けられた電子ビームは、試料１に印加された負の電圧により、試料１の表面近傍で反射される。反射された電子は、対物レンズ８の磁場と捕集電極１１の電場によって効率よく光軸上に集められる。反射電子は上方に引き出され、ビームセパレータ１６に入射する。ビームセパレータ１６の電場と磁場は、反射電子を直進させる強度に調整されており、反射電子はビームセパレータ１６を直進して中間レンズ１７に向かう。
【００１９】
中間レンズ１７によって収束された反射電子は、エネルギーフィルタ１８に入射し、特定エネルギーの反射電子のみがフィルタ１８を通過して投影レンズ１９に入射する。反射電子は投影レンズ１９によって反射電子に基づく像は蛍光板２０に投影される。蛍光板２０に投影された像は、ＣＣＤカメラ２１によって映像信号に変換される。ＣＣＤカメラ２１によって得られた試料像の信号は、第１の画像記憶メモリー２２に供給されて記憶される。
【００２０】
上記した試料バイアス電源３、対物レンズ８，捕集電極電源１１、収束レンズ１５，中間レンズ１７，エネルギーフィルタ１８，投影レンズ１９は、電子光学系制御回路２２によって制御される。更に、この電子光学系制御回路２３，モータドライバ４，ステージ位置測定器７は、制御コンピュータ２４によって制御される。
【００２１】
前記第１の画像記憶メモリー２２は、画像処理部２５内にあり、この画像処理部２５には、ＣＡＤなどであらかじめ得ている設計画像情報をストアする設計画像メモリー２６，設計画像メモリー２６にストアされた画像情報の一部あるいは全ての情報がストアされる第２の画像記憶メモリー２７も設けられている。更に、この画像処理部２５内には、第１の画像記憶メモリー２２に記憶された画像情報と、第２の画像記憶メモリー２７に記憶された画像情報とを比較演算する演算部２８と、演算部で演算された欠陥を判定する欠陥判定部２９，第１の画像記憶メモリー２２に記憶された画像をモニターするモニター３０が含まれている。
【００２２】
欠陥判定部２９で判定された結果は、データ収集部３１に送られ、データ収集部３１に接続されたメモリー３２に記憶保存される。なお、上記した構成で対物レンズ８の上部には偏向器３３が設けられ、電子ビーム１４の試料上の照射位置の調整を行うようにされている。また、電子光学系の各所には、不要な電子ビームや電子をカットするためにスリットが多数設けられている。このような構成の動作を次に説明する。
【００２３】
まず、欠陥検査を行う半導体ウエハ試料１がステージ２上に載置され、この試料の欠陥検査領域が電子ビーム光軸上に位置するようにステージ２はモータ５によって移動させられる。このステージ２の移動にあたっては、ステージ位置センサ６とステージ位置測定器７によってステージの位置が監視され、その結果、試料の欠陥検査領域が電子ビーム光軸上に位置される。なお、この状態で、試料１には試料バイアス電源３から１ｋＶ程度の負の電圧が印加される。なお、試料バイアス電源３からの電圧値は、電子光学系制御回路２３によって製御され、試料には最適な電圧が印加されるように構成されている。
【００２４】
この状態で、電子ビームカラムＣ内の電子銃１３から発生し加速された電子ビーム１４は、収束レンズ１５によって収束され、ビームセパレータ１６に入射する。電子ビーム１４はこのビームセパレータ１６によってほぼ直角に曲げられ、対物レンズ８に入射する。電子ビームは対物レンズ８によって収束され、所定の大きさの径を有した電子ビームが試料に向けられる。
【００２５】
試料１に向けられた電子ビームは、試料に印加されている負の電圧により試料表面近傍で反射される。反射された電子は、対物レンズ８の磁場と捕集電極１１による電場により集められ、加速されて上方に取り出される。この際、対物レンズ８の内側磁極の内側に配置された捕集電極１１には、数ｋＶの正の電圧が印加されている。この結果、試料からの反射電子は、この捕集電極による電場により効率よく集められる。
【００２６】
対物レンズ８の上方に取り出された反射電子は、ビームセパレータ１６内を直進し、中間レンズ１７と投影レンズ１４により試料の所定領域の反射電子像が蛍光板２０に拡大されて投影される。この際、反射電子は、エネルギーフィルタ１８を通過することで不要なエネルギーの電子が除去され、エネルギーのそろった反射電子が蛍光板２０上に結像されることになる。
【００２７】
蛍光板２０に結像された試料の反射電子像は、ＣＣＤカメラ２１によって映像信号に変換され、その信号は画像処理部２５内の第１の画像メモリー２２に供給されて記憶される。この画像メモリー２２に記憶された試料の反射電子像は、モニタ３０によって適宜観察することができる。この画像処理部２５内には設計画像メモリー２６があり、このメモリー２６内の画像情報の内、欠陥検査部分の画像データが第２の画像メモリー２７に供給されて記憶される。
【００２８】
この状態で、画像処理部２５内の演算部２８では、第１の画像メモリー２２内の画像信号と、第２の画像メモリー２７内の画像信号との比較演算を行う。この比較演算の一例としては、画像同士の相関係数を計算し、その係数を欠陥判定部２９に送る。欠陥判定部２９はその相関係数の大小によって試料の検査領域が正常か欠陥を有しているかを判定する。
【００２９】
この場合、欠陥判定部２９は閾値を有しており、この閾値の大小により欠陥判定を行う。更に、欠陥判定部２９は、演算部２８による演算結果に基づいて欠陥があった場合の欠陥の種類分けを行う。この種類分けの例としては、試料上に形成されたパターンがショートしているか、接続されているべきパターン同士がつながっておらず、オープンになっているかなどである。欠陥判定部２９によって得られた欠陥の有無の情報、あるいは、欠陥の種類の情報は、データ収集部３１を介してメモリー３２に送られて記憶される。このような欠陥検査は、偏向器３３によって電子ビームの照射位置を変えながら、あるいは、ステージ２を移動させて電子ビーム光軸上の試料部分を変えながら行われる。
【００３０】
ステージを移動させる場合には、ステップアンドリピート方式と連続走行方式のいずれの方式も使用することができる。連続走行方式の場合、電子ビームを試料の所定領域に一定時間照射させる必要があることから、制御コンピュータ２４がステージ位置測定器７からのステージ位置情報を電子光学系制御回路２３に送り、偏向器３３により、ステージの移動方向と逆の方向に電子ビームを偏向させる必要がある。
【００３１】
ＣＣＤカメラ２１としては、画素数の大きいものを用いることが好ましい。例えば、画素数が2048×2048のカメラを用いる場合、画像メモリー２２に画像信号をストアする際、ＣＣＤ領域を分割（例えば512×512ドットごとに分割）して並列に多チャンネルで読み出しが可能なものとすることにより、高速な画像の読み出しが可能となる。
【００３２】
図２は本発明の他の実施の形態を示す図である。この図２においては、一次電子ビームのカラム４０を垂直方向に配置し、反射電子の結像系を横に配置している。このような構成でも、図１と同様な作用効果が達成できる。
【００３３】
図３も本発明の他の実施の形態を示している。この形態では、設計画像メモリー２６の画像を第２の画像メモリー２７に送る際に、プリプロセス部４１を介している。これは、現実のパターンを直接設計パターンと比べると、スケールの違いや傾きの違い等が生じる。このため、設計画像メモリー２６からの画像データをプリプロセス部４１に送ってスケールの違いや傾きの違いなどを補正し、第２の画像メモリー２７に送るようにしている。
【００３４】
演算部２８では、通常、第１の画像メモリー２２に記憶された実画像か、第２の画像メモリー２７に記憶された基準画像のいずれかに対してスケール合わせやパターンの傾き合わせを行ってから、パターンマッチング処理を行うようにしているが、初回の演算でそのような処理を行った際、そのようなパターンマッチングに移る前に、必要なプリプロセスを行って画像メモリー２７に記憶しておく。このように構成すれば、演算部の負担が減少し、処理時間の短縮が計れることになる。このような走査は、数列のチップを検査した場合とか、ウエハを取り換えた場合などに定期的に行えばよい。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明では、反射電子像と設計パターンから作成された画像とを比較して試料の欠陥の検査を行い、検査のスループットを向上させると共に、対物レンズの先端近傍に反射電子の捕集電極を設けるようにしたので、試料からの反射電子を効率よく捕獲して像を形成することができる。
【００３７】
請求項２記載の発明では、請求項１記載の電子ビーム検査装置において、対物レンズをセミインレンズ型の対物レンズとし、内側電極の内側に捕集電極を配置したので、反射電子を効率よく捕獲して像を形成することができる。
【００３８】
請求項３記載の発明では、スケールの違いや傾きの違いなどを補正するプリプロセスを予め行なうことにより、演算部の負担が減少し、処理時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づく電子ビーム検査装置を示す図である。
【図２】本発明に基づく他の電子ビーム検査装置を示す図である。
【図３】パターンマッチングを行う他の電子ビーム検査装置を示す図である。
【符号の説明】
１  試料
２  ステージ
３、１２  電源
４  モータドライバ
５  モータ
６  センサ
７  ステージ位置測定器
８  対物レンズ
１１  捕集電極
１３  電子銃
１４  電子ビーム
１５  収束レンズ
１６  ビームセパレータ
１７  中間レンズ
１８  エネルギーフィルタ
１９  投影レンズ
２０  蛍光板
２１  ＣＣＤカメラ
２２  第１の画像メモリー
２３  電子光学系制御回路
２４  制御コンピュータ
２５  画像処理部
２６  設計画像メモリー
２７  第２の画像メモリー
２８  演算部
２９  欠陥判定部
３０  モニター
３１  データ収集部
３２  メモリー
【図１】
0003950618.tif 000002
【図２】
0003950618.tif 000003
【図３】
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