(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料の表面層を検査する検査方法であって、前記試料に対して面状の電子ビームを照射する工程と、
前記試料から発生する二次ビームを所定面に結像させる工程とを有し、
前記二次ビームを前記所定面に結像させる結像条件が、前記電子ビームの照射による前記表面層の帯電状態に応じて異なると共に、該帯電状態が前記表面層の物理特性に対応することに基づいて、前記表面層の構造および材質の少なくとも一方を判別し、
前記試料の高さ変動を検出する工程と、
前記二次ビームを前記所定面に結像させる電子光学系への印加電圧を、前記高さ変動に応じて変化させることにより、その電子光学系の結像状態を保つ工程と
を有することを特徴とする検査方法。
【請求項２】
請求項１に記載の検査方法において、
前記所定面に結像された二次ビームに基づいて画像を取り込む工程と、
前記試料の中で同じパターンが形成された複数の領域に対して各々取り込んだ前記画像を、互いに比較する工程と
を有することを特徴とする検査方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子ビームを利用して試料の表面層を検査する検査方法に関し、特に、集積回路が形成された試料の表面層を検査する検査方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、集積回路は、多数の回路素子を相互接続した状態で１つの半導体基板上に一括形成したものである。そして、このような集積回路においては、半導体基板上の絶縁層に、半導体基板の拡散領域と配線層とを接続するためのコンタクトホールや、多層配線の配線層間を接続するためのビアホールが多数形成されている。これらのコンタクトホールやビアホールは通常、周知のフォトリソグラフィーとエッチング処理とを用いて絶縁層に形成される。
【０００３】
例えばコンタクトホールの形成時、エッチング処理は、絶縁層が完全に取り除かれ、絶縁層を貫通して半導体基板が露出したところで終了させることが望まれる。
しかし、エッチング処理は多数のコンタクトホールに対して同時に行われるため、いくつかのコンタクトホールでは、取り除くべき絶縁層の一部が底部に残留してしまい、半導体基板が完全に露出しないことがある。
【０００４】
このような欠陥コンタクトホールが存在する集積回路は、正常に動作しない不良品である。
従来より、半導体基板上の絶縁層に形成された多数のコンタクトホールを検査するために、破壊検査による断面観察や、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による表面観察が行われてきた。
【０００５】
ＳＥＭによれば、絶縁層に形成されたコンタクトホールのうち、底部まで完全に開口している正常コンタクトホールの画像のみを選択的に取り込むことができる。さらに、取り込んだ画像をテンプレート画像と比較することで、欠陥コンタクトホールを判別することもできる。
【０００６】
ＳＥＭによる表面観察は、電子ビーム照射時のチャージアップ状態が正常コンタクトホールと欠陥コンタクトホールとで異なり、かつチャージアップ状態によって試料から放出される二次電子の量が変わることを利用するものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、コンタクトホール形成時の開口不良を低減するためには、エッチング処理におけるオーバーエッチング量を増やすことが考えられる。しかし、オーバーエッチングは、半導体基板にダメージを与えてしまう。
【０００８】
このため、オーバーエッチング量は、できるだけ多くのコンタクトホールを完全に開口でき、かつ半導体基板へのダメージを最低限に抑えられるような値に設定されることが望ましい。
適切なオーバーエッチング量の設定に当たっては、あるオーバエッチング量で形成された多数のコンタクトホールのうち、何れが底部まで完全に開口した正常コンタクトホールかを全面にわたって検査し、この検査結果を製造プロセスにフィードバックすることが必要である。
【０００９】
しかしながら、上記した従来の断面観察では、試料を破壊しなければならないため、検査効率が悪く、試料の全面検査はとても望めない。
また、上記したＳＥＭによる表面観察では、電子銃から照射される電子ビームの径を電子光学系で充分に絞り込み、スポット状に集束した電子ビームで試料面上を走査するので、試料の全面検査を行うにはスループットが遅いという問題がある。
【００１０】
したがって、コンタクトホールが底部まで完全に開口しているか否かの検査は、部分的にしか行えないというのが現状である。
一方、半導体基板上の絶縁層に形成されたビアホールの場合、エッチング処理時に下地配線層の材料（例えばアルミ）がビアホールの内壁に付着することを防ぐため、下地配線層の上にバリア層（例えばＴｉＮ）を積層させていることが多い。
【００１１】
したがって、このようなビアホールの形成時には、下地配線層が露出しないようにバリア層を残した状態で、エッチング処理を終了しなければならない。
このため、エッチング処理の終了後、多数のビアホールの底部に残すべきバリア層がきちんと残っているか、バリア層が取り除かれて下地配線層が露出してしまっているかを検査したいという要求がある。
【００１２】
しかしながら、上記したＳＥＭによる表面観察では、ビアホールの底部がバリア層であるか下地配線層であるかを区別することはできない。現在のところ、ビアホール底部の材質検査に対応できる装置はない。
本発明の目的は、電子ビームを用い、集積回路が形成された試料の表面層を非破壊で高速に検査可能な検査方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様は、試料の表面層を検査する検査方法であって、試料に対して面状の電子ビームを照射する工程と、試料から発生する二次ビームを所定面に結像させる工程とを有し、二次ビームを所定面に結像させる結像条件が、電子ビームの照射による表面層の帯電状態に応じて異なると共に、該帯電状態が表面層の物理特性に対応することに基づいて、表面層の構造および材質の少なくとも一方を判別するものである。
【００１４】
このように、本発明の一態様では、電子ビームを面状に整形して試料に照射する。このとき、照射領域内の試料の表面層は、物理特性が共通する部分ごとに同じ帯電状態となる。二次ビームの結像条件は表面層の帯電状態によって異なるため、ある物理特性Ａの部分から発生した二次ビームが所定面に結像するように結像条件を設定したときには、別の物理特性Ｂの部分から発生した二次ビームは所定面に結像しない。
【００１５】
すなわち、表面層の物理特性が共通する部分からの二次ビームのみを、選択的に所定面に結像させることができる。また、結像条件の設定を変更することで、所定面に結像する二次ビームを、表面層の別の物理特性の部分から発生したものに切り換えることができる。その結果、表面層の構造および材質の少なくとも一方を判別できる。
【００１６】
さらに、照射領域内の試料の物理特性が共通する部分に対応する二次元画像が、そのまま所定面に投影されるため、電子ビームで試料面上を走査することなく、物理特性が共通する部分に対応する二次元画像を一括して取り込むことができる。したがって、本発明の一態様によれば、試料の表面層を非破壊で高速に検査することができる。
【００２１】
また、本発明の一態様は、試料の高さ変動を検出する工程と、二次ビームを所定面に結像させる電子光学系への印加電圧を、高さ変動に応じて変化させることにより、その電子光学系の結像状態を保つ工程とを含んでもよい。
したがって、本発明の一態様によれば、試料の高さ変動が生じた場合でも、結像状態を一定に保つことができる。したがって、試料自体に反りやうねりがある場合でも、試料の複数の領域から順次、表面層の物理特性（導通状態）が共通する部分に対応する二次元画像を選択的に取り込むことができ、試料の表面層を全面にわたって検査することが可能となる。
【００２２】
また、本発明の一態様によれば、当該検査方法を実現するために用いられる装置を簡単かつ安価に構成することができる。
【００２３】
また、試料を高さ方向とは直交する面内で移動させながら、試料の複数の領域から順次、上記の二次元画像を選択的に取り込むことができるので、試料の表面層の全面検査を高スループットで行うことができる。
また、本発明の一態様は、所定面に結像された二次ビームに基づいて画像を取り込む工程と、試料の中で同じパターンが形成された複数の領域に対して各々取り込んだ画像を、互いに比較する工程とを有してもよい。
【００２４】
このように、本発明の一態様では、取り込んだ複数の画像を互いに比較するだけで、テンプレート画像と比較することなく、パターン形成の良・不良を推測することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２６】
図１は、本実施形態の検査方法を実現するために用いられる検査装置１０の構成図である。
検査装置１０は、一次コラム２１と、二次コラム２２と、チャンバー２３とで構成されている。このうち一次コラム２１は、二次コラム２２の側面に対して斜めに取り付けられている。また、二次コラム２２の下部には、チャンバー２３が取り付けられている。
【００２７】
これら一次コラム２１，二次コラム２２，チャンバー２３は、真空排気系（不図示）と繋がっており、真空排気系のターボポンプにより排気されて、内部の真空状態が維持される。
ここで、一次コラム２１、二次コラム２２およびチャンバー２３の構成について各々説明する。
【００２８】
〔一次コラム〕
一次コラム２１の内部には、電子を加速して出射する電子銃２４が配置されている。この電子銃２４の陰極には、矩形陰極で大電流を取り出すことができるランタンヘキサボライト（ＬａＢ6）が用いられる。
【００２９】
また、一次コラム２１の内部には、電子銃２４から出射される電子ビーム（以下「一次ビーム」という）の光軸上に、３段構成の一次光学系２５が配置されている。一次光学系２５の各段は、回転軸非対称の四重極（または八重極）の静電レンズ（または電磁レンズ）にて構成される。
例えば、一次光学系２５の各段が、図２に示されるように、４つの円柱ロッド１〜４からなる静電レンズの場合、対向する円柱ロッド同士（１と３，２と４）が等電位に設定され、かつ互いに逆の電圧特性（１と３に＋Ｖｑ、２と４に−Ｖｑ）が与えられる。このような静電レンズは、いわゆるシリンドリカルレンズと同様、矩形陰極の長軸（Ｘ軸），短軸（Ｙ軸）各々で一次ビームの集束や発散を引き起こすものである。
【００３０】
したがって、一次光学系２５によれば、各静電レンズのレンズ電圧を最適化することによって、出射電子を損失することなく、一次ビームの断面を任意の形状（矩形状や楕円形状など）に整形することができる。図２には、一次ビームの断面が矩形状の場合が示されている。
さらに、一次コラム２１（図１）には、一次光学系２５の各静電レンズのレンズ電圧を制御すると共に、電子銃２４の加速電圧Ｖacを制御する一次コラム制御ユニット４５が接続されている。また、一次コラム制御ユニット４５は、ＣＰＵ４３に接続されている。
【００３１】
〔チャンバー〕
チャンバー２３の内部には、図１に示されるように、試料２８を載置するステージ２７と、試料２８の表面の高さを検出するＺセンサ２６とが設置されている。
このうちステージ２７には、ステージ制御ユニット４９が接続されている。このステージ制御ユニット４９は、ステージ２７をＸＹ方向に駆動すると共に、ステージ２７のＸＹ位置に応じたＸＹ位置信号をＣＰＵ４３に出力する。
【００３２】
なお、ステージ２７には、所定のリターディング電圧Ｖｒ（後述する）が印加されている。
また、Ｚセンサ２６は、図３に示されるように、試料２８の表面（試料面２８ａ）に向けて光を出射する発光素子５１と、発光素子５１からの出射光の光路上に配置されるコリメータレンズ５２と、試料面２８ａで反射した光の光路上に配置される集光レンズ５３と、２分割ディテクタ５４とから構成される。因みに、２分割ディテクタ５４は、図４に示されるように、２つの受光部５４ａ，５４ｂを有する。
【００３３】
このようなＺセンサ２６（図３）において、試料面２８ａからの反射光Ｌ１は、試料面２８ａの高さ（Ｚ位置）に応じて２分割ディテクタ５４の異なる位置に入射する。図３には、試料面２８ａのＺ位置がＺ１，Ｚ２，Ｚ３のとき、試料面２８ａからの反射光Ｌ１が２分割ディテクタ５４の位置ａ，ｂ，ｃに入射する様子が示されている。また、図４には、反射光Ｌ１と受光部５４ａ，５４ｂとの位置関係が示されている。
【００３４】
２分割ディテクタ５４は、受光部５４ａ，５４ｂ各々において反射光Ｌ１を受光し、受光量の差に基づく差信号を出力する。因みに、この差信号は、２分割ディテクタ５４における反射光Ｌ１の入射位置（ａ，ｂ，ｃ）、すなわち、試料面２８ａのＺ位置（Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３）に対応する。
なお、このＺセンサ２６には、Ｚセンサ制御ユニット４７（図１）が接続されている。このＺセンサ制御ユニット４７は、Ｚセンサ２６を駆動すると共に、２分割ディテクタ５４からの差信号を取得し、この差信号に基づいて、試料面２８ａのＺ位置に応じたＺ位置信号をＣＰＵ４３に出力する。
【００３５】
ＣＰＵ４３は、試料面２８ａのＺ位置の基準値を記憶している。このため、ＣＰＵ４３では、Ｚセンサ制御ユニット４７からのＺ位置信号に基づいて、検出された試料面２８ａのＺ位置と基準値との差を求め、試料面２８ａの高さΔＺを検出する。
なお、ディテクタ５４として、２分割ディテクタを示したが、これに限るものではなく、４分割ディテクタを用いたものでもよい。また、出射光を複数化して多点で計測する多点ＡＦ系を用い、試料面２８ａのＺ位置と傾斜とを検出するようにしてもよい。
【００３６】
〔二次コラム〕
二次コラム２２の内部には、図１に示されるように、試料２８から発生する二次ビーム（後述する）の光軸上に、カソードレンズ２９、ニューメニカルアパーチャ３０、ウィーンフィルタ３１、第２レンズ３２、フィールドアパーチャ３３、第３レンズ３４、第４レンズ３５および検出器３７が配置される。
【００３７】
このうちカソードレンズ２９は、例えば図５に示されるように、３枚の電極２９ａ，２９ｂ，２９ｃにて構成される。この場合、カソードレンズ２９の下（試料２８側）から１つ目の電極２９ａと２つ目の電極２９ｂとに電圧ＶCLが印加され、３番目の電極２９ｃはゼロ電位に設定される。
【００３８】
なお、このカソードレンズ２９には、電極２９ａ，２９ｂへの印加電圧ＶCLを制御するカソードレンズ制御ユニット５０（図１）が接続されている。
また、ニューメニカルアパーチャ３０は、開口絞りに相当するもので、上記カソードレンズ２９の開口角を決定する。その形状は、円形の穴が開いた金属製（Ｍｏ等）の薄膜板である。
【００３９】
このニューメニカルアパーチャ３０は、その開口部がカソードレンズ２９の焦点位置になるように配置されている。このため、ニューメニカルアパーチャ３０とカソードレンズ２９とは、テレセントリックな電子光学系を構成している。
ウィーンフィルタ３１は、電磁プリズムとして作用する偏向器であり、ウィーン条件（Ｅ＝ｖＢ。なお、ｖは荷電粒子の速度、Ｅは電界、Ｂは磁界を表し、Ｅ⊥Ｂである。）を満たす荷電粒子（例えば二次ビーム）のみを直進させ、それ以外の荷電粒子（例えば一次ビーム）の軌道を曲げることができる。
【００４０】
第２レンズ３２，第３レンズ３４，第４レンズ３５はすべて、ユニポテンシャルレンズまたはアインツェルレンズと呼ばれる回転軸対称型のレンズであり、それぞれ３枚の電極で構成されている（図７参照）。各レンズは通常、外側の２つの電極をゼロ電位とし、中央の電極に印加する電圧を変えることでレンズ作用が制御される。
【００４１】
また、第２レンズ３２と第３レンズ３４との間には、フィールドアパーチャ３３が配置されている。このフィールドアパーチャ３３は、光学顕微鏡の視野絞りと同様、視野を必要範囲に制限する。
また、検出器３７（図１）は、電子を加速増倍するＭＣＰ（マイクロチャネルプレート）３８と、電子像を光学像に変換する蛍光面３９および不図示の光学リレーレンズを有するＦＯＰ（ファイバオプティックプレート）４０と、光学像を撮像するＣＣＤカメラ４１とから構成される。
【００４２】
因みに、ＦＯＰ４０の光学リレーレンズは、蛍光面３９での光学像を約１／３に縮小してＣＣＤカメラ４１の撮像面に投影する。なお、ＦＯＰ４０は、ファイバオプティックプレートに限るものではなく、光学リレーレンズ系であればよい。
また、ＣＣＤカメラ４１は、撮像した光学像に基づく信号電荷を、例えば１／３０秒おきに読み出す。
【００４３】
なお、この検出器３７には、画像処理ユニット４２が接続されている。この画像処理ユニット４２は、ＣＣＤカメラ４１からの信号電荷をＡ／Ｄ変換したのち、内部のＶＲＡＭに格納して画像情報を作成し、ＣＰＵ４３に出力する。
さらに、二次コラム２２には、上記の第２レンズ３２，第３レンズ３４，第４レンズ３５の各レンズ電圧を制御すると共に、ウィーンフィルタ３１に印加する電磁界を制御する二次コラム制御ユニット４６が接続されている。
【００４４】
これら二次コラム制御ユニット４６，画像処理ユニット４２，カソードレンズ制御ユニット５０は、ＣＰＵ４３に接続されている。
なお、ＣＰＵ４３には、ＣＲＴ４４が接続されている。ＣＰＵ４３は、画像処理ユニット４２から出力される画像情報に基づいて、ＣＲＴ４４に画像を表示させる。また、ＣＰＵ４３は、画像情報をメモリに転送する。
【００４５】
次に、上記のように構成された検査装置１０における一次ビームおよび二次ビームの軌道などについて順に説明する。
〔一次ビーム〕
図５に示されるように、電子銃２４からの一次ビームは、一次光学系２５のレンズ作用を受けながらウィーンフィルタ３１の中心部に斜めに入射する。なお、図５には、矩形陰極のＸ方向断面に放出された電子の軌道とＹ方向断面に放出された電子の軌道とが示されている。
【００４６】
ウィーンフィルタ３１に入射した一次ビームは、ウィーンフィルタ３１の偏向作用により軌道が曲げられ、ニューメニカルアパーチャ３０の開口部に到達する。ここで、一次光学系２５のレンズ電圧の設定により、一次ビームはニューメニカルアパーチャ３０の開口部で結像するようになっている。
ニューメニカルアパーチャ３０の開口部で結像した一次ビームは、カソードレンズ２９を介して、試料面２８ａに照射される。ここで、ニューメニカルアパーチャ３０とカソードレンズ２９とはテレセントリックな電子光学系を構成しているため、カソードレンズ２９を通過した一次ビームは平行ビームとなる。その結果、試料面２８ａには一次ビームが垂直かつ均一に照射される。すなわち、光学顕微鏡で云うケーラー照明が実現される。
【００４７】
また、試料２８を載置するステージ２７には上記のリターディング電圧Ｖｒが印加されているため、カソードレンズ２９の電極２９ａと試料２８との間には、一次ビームに対して負の電界が形成される。したがって、カソードレンズ２９を通過した一次ビームは、試料面２８ａに到達するまでに減速される。このため、試料２８の破壊が防止される。
【００４８】
なお、検査装置１０内に散乱する不要な電子ビームは、ニューメニカルアパーチャ３０によって試料面２８ａに到達することが阻止される。このため、試料２８のコンタミネーションが防止される。
ところで、試料面２８ａにおける一次ビームの照射領域２４Ａは、一次光学系２５へのレンズ電圧を制御することにより整形され、図６に示されるように、例えば矩形状とされている。
【００４９】
このように、検査装置１０のステージ２７に載置された試料２８には、面状の一次ビームが照射される。なお、一次ビームの照射領域２４Ａ内に位置する試料２８には、その表面層の導通状態、および一次ビームの加速電圧Ｖacに応じてチャージアップ（帯電）が発生する（詳細は後述する）。
また、この照射領域２４Ａ内に位置する試料２８には、上記したＺセンサ２６の発光素子５１からの出射光が入射するようになっている。これにより、照射領域２４Ａ内での試料面２８ａの高さ変動ΔＺが、Ｚセンサ２６からの出力に基づいて検出される。
【００５０】
〔二次ビーム〕
試料２８に一次ビームが照射されると、その照射領域２４Ａ内の試料２８から、二次電子、反射電子、または後方散乱電子のうち、少なくとも１種からなる二次ビームが発生する（図７）。
この二次ビームは、照射領域２４Ａの二次元画像情報を有する。なお、上記のように一次ビームが試料面２８ａに対して垂直に照射されたので、二次ビームは影のない鮮明な像を有することになる。
【００５１】
ここで、試料２８を載置するステージ２７にはリターディング電圧Ｖｒが印加されているため、試料２８とカソードレンズ２９の電極２９ａとの間には、二次ビームに対して正の電界が形成される。したがって、試料２８から発生した二次ビームは、カソードレンズ２９に向けて加速される。
【００５２】
そして、二次ビームは、カソードレンズ２９によって集束作用を受け、ニューメニカルアパーチャ３０を通過すると共に、ウィーンフィルタ３１の偏向作用も受けずにそのまま直進し、第２レンズ３２を介してフィールドアパーチャ３３面（以下「基準面３３ａ」という）に結像する。
【００５３】
なお、ウィーンフィルタ３１に印加する電磁界を変えることで、二次ビームから、特定のエネルギー帯を持つ電子（例えば二次電子、反射電子、または後方散乱電子）のみを選択して通過させることができる。
そして、フィールドアパーチャ３３を通過した二次ビームは、後段に配置された第３レンズ３４と第４レンズ３５とによって集束や発散を繰り返し、検出器３７の検出面に再結像される。
【００５４】
このように、試料２８から発生した二次ビームは、カソードレンズ２９と第２レンズ３２とにより１回結像し、その後、第３レンズ３４と第４レンズ３５とにより１回ずつ結像する（合計３回結像）。なお、第３レンズ３４と第４レンズ３５とを合わせて１回の結像を行わせるようにしてもよい（合計２回結像）。
上記のように、試料２８から発生した二次ビームの結像を、カソードレンズ２９だけで行うのではなく、第２レンズ３２と合わせて行うことにより、レンズ収差の発生を抑えることができる。
【００５５】
また、フィールドアパーチャ３３は、後段の第３レンズ３４および第４レンズ３５と共に、不要な二次ビームを遮断して、検出器３７のチャージアップやコンタミネーションを防いでいる。ニューメニカルアパーチャ３０は、二次ビームに対しては、後段の第２レンズ３２〜第４レンズ３５のレンズ収差を抑える役割を果たしている。
【００５６】
このように、試料２８から発生して検出器３７の検出面に再結像した二次ビームは、検出器３７内のＭＣＰ３８を通過する際に加速増倍され、蛍光面３９で光に変換される。そして、蛍光面３９からの光は、ＦＯＰ４０を介してＣＣＤカメラ４１の撮像面に結像する。
なお、第３レンズ３４，第４レンズ３５は、基準面３３ａに得られた中間像を拡大投影するためのレンズである。したがって、試料面２８ａでの照射領域２４Ａの二次元像は、検出器３７の検出面に拡大投影される。
【００５７】
また、検出器３７の検出面に投影された照射領域２４Ａの二次元像（二次ビームの像）は、蛍光面３９において光学像に変換されたのち、ＦＯＰ４０を介してＣＣＤカメラ４１の撮像面にそのまま投影される。そして、この投影像は、上記の画像処理ユニット４２，ＣＰＵ４３（図１）を介して、ＣＲＴ４４に画像表示される。
【００５８】
ところで、上記の検査装置１０において、試料２８から発生した二次ビーム（図７）が基準面３３ａに結像するか否かは、試料２８とカソードレンズ２９との間の電位差Ｖscで決まる。この電位差Ｖscがある一定値Ｖsc０に保たれているとき、試料２８からの二次ビームが基準面３３ａに結像するとする。したがって、電位差Ｖscが一定値Ｖsc０から外れると、試料２８からの二次ビームは基準面３３ａに結像しない。
【００５９】
なお、この電位差Ｖscに関わる装置パラメータは、カソードレンズ２９への印加電圧ＶCLと、試料面２８ａからカソードレンズ２９の下端部（試料２８側の端部）２９ｄまでの距離ＷＤとである。これら印加電圧ＶCLと距離ＷＤとの組み合わせは、請求項の「結像条件」に対応する。
また、電位差Ｖscには、上記の装置パラメータ（印加電圧ＶCL，距離ＷＤ）の他、試料２８の表面層のチャージアップ状態も関係するが、詳細は後述する。
【００６０】
因みに、上記の装置パラメータのうち、距離ＷＤが変化した場合、この距離ＷＤの変化に基づく電位差Ｖscの変化分は、カソードレンズ２９への印加電圧ＶCLの調整によって補正することができる。
【００６１】
したがって、試料２８の表面層のチャージアップ状態が一定の場合には、距離ＷＤが変化しても、印加電圧ＶCLを調整することによって電位差Ｖscを一定値Ｖsc０に保ち、試料２８からの二次ビームを基準面３３ａに結像させることができる。
このようなフォーカス制御のため、ＣＰＵ４３には、距離ＷＤの変化量に対する印加電圧ＶCLの調整量が、制御テーブルとして予め与えられている。制御テーブルは、印加電圧ＶCLを変化させても、撮影倍率が変わらないようなレンズ条件に設定することが好ましい。
【００６２】
なお、距離ＷＤの変化は、ステージ２７のＸＹ移動時に、試料面２８ａの高さ変動ΔＺが生じたときに起こる。また、試料面２８ａの高さ変動ΔＺは、試料２８自体の反りやうねり、試料２８をステージ２７に取り付けたときに生じる傾き、ステージ２７自体の傾き、またはステージ２７の上下動などに起因する。
上記のＣＰＵ４３は、Ｚセンサ制御ユニット４７からの出力（Ｚ位置信号）に基づいて、試料面２８ａの高さ変動ΔＺを検出したのち、距離ＷＤの変化量を求め、上記の制御テーブルに基づいて印加電圧ＶCLの調整量を設定して、カソードレンズ制御ユニット５０に印加電圧信号を出力する。
【００６３】
次に、上記の検査装置１０（図１〜図７）を用い、試料２８の表面層を検査する方法について、検査対象となる試料２８の具体例を２通り挙げて説明する。
本実施形態の検査方法は、一次ビームの照射によって試料２８の表面層に発生するチャージアップ状態に応じて、試料２８からの二次ビームを基準面３３ａに結像させるための装置パラメータ（印加電圧ＶCL，距離ＷＤ）が異なると共に、このチャージアップ状態が試料２８の表面層の導通状態に対応することを利用するものである。この検査方法によれば、試料２８の表面層に形成された導通部と絶縁部とを判別することができる。
【００６４】
ここで、検査対象となる１つ目の試料２８について説明する。図８に示されるように、試料２８は、多数（図８では１０個）のコンタクトホール６３，６３，…が形成されたものである。
これら多数のコンタクトホール６３，６３，…は、周知のフォトリソグラフィーとエッチング処理とを用い、図９に示されるシリコン(Ｓｉ)基板６１上の絶縁層６２（例えばＳｉＯ2層）に一括形成される。
【００６５】
このため、コンタクトホール６３，６３，…の中には、図１０(ａ)に示されるように、絶縁層６２が完全に取り除かれ、絶縁層６２を貫通してＳｉ基板６１が露出した正常なコンタクトホール６３ａだけでなく、図１０(ｂ)に示されるように、底部に取り除くべき絶縁層６２の一部が残留してしまった欠陥コンタクトホール６３ｂも含まれる。
【００６６】
正常なコンタクトホール６３ａ（図１０(ａ)）のＳｉ基板６１が露出した底部を「露出部６１ａ」という。欠陥コンタクトホール６３ｂ（図１０(ｂ)）の底部に残留した絶縁層６２の一部を「残余部６２ａ」という。
そこで、試料２８の絶縁層６２に形成された多数のコンタクトホール６３，６３，…を検査するに当たり、試料２８に一次ビームを照射する。このとき、一次ビームの加速電圧Ｖacを、試料２８の絶縁層６２がチャージアップしやすい値に設定することが好ましい。
【００６７】
一次ビームの照射時、正常なコンタクトホール６３ａは、図１１(ａ)に示されるように、チャージアップしない。これは、底部が露出部６１ａ（すなわち導通部）だからである。
一方、欠陥コンタクトホール６３ｂは、一次ビームの照射時、図１１(ｂ)に示されるように、チャージアップする。これは、底部が残余部６２ａ（すなわち絶縁部）だからである。
【００６８】
ここで、一次ビームの照射領域２４Ａの中に、チャージアップしてない正常なコンタクトホール６３ａ（露出部６１ａ）と、チャージアップしている欠陥コンタクトホール６３ｂ（残余部６２ａ）とが、混在しているとする。
このとき、照射領域２４Ａ内の試料２８とカソードレンズ２９との間の電位差Ｖscは、照射領域２４Ａ内の試料２８のチャージアップ状態に応じて部分的に変化することになる。すなわち、残余部６２ａとカソードレンズ２９との間の電位差Ｖscが、露出部６１ａとカソードレンズ２９との間の電位差Ｖscから、チャージアップした分ΔＶscだけずれることになる。
【００６９】
したがって、上記した装置パラメータ（印加電圧ＶCL，距離ＷＤ）の設定を、露出部６１ａとカソードレンズ２９との間の電位差Ｖscが一定値Ｖsc０に保たれるようにした場合（例えば印加電圧ＶCL＝ＶCL１，距離ＷＤ＝ＷＤ１）、残余部６２ａとカソードレンズ２９との間の電位差Ｖscは一定値Ｖsc０から外れることになる。
【００７０】
このとき、図１２に示されるように、試料２８の露出部６１ａから発生した二次ビームは基準面３３ａに結像するが、残余部６２ａからの二次ビームは基準面３３ａに結像しない。その結果、ＣＲＴ４４には、露出部６１ａ（正常なコンタクトホール６３ａ）に対応する画像のみが鮮明に表示される。図１４に、露出部６１ａ（正常なコンタクトホール６３ａ）に対応する画像の例を示す。
【００７１】
一方、装置パラメータ（印加電圧ＶCL，距離ＷＤ）の設定を変更し、残余部６２ａとカソードレンズ２９との間の電位差Ｖscが一定値Ｖsc０に保たれるようにした場合（例えば印加電圧ＶCL＝ＶCL２（≠ＶCL１），距離ＷＤ＝ＷＤ１）、露出部６１ａとカソードレンズ２９との間の電位差Ｖscは一定値Ｖsc０から外れることになる。
【００７２】
このとき、図１３に示されるように、試料２８の残余部６２ａから発生した二次ビームは基準面３３ａに結像するが、露出部６１ａからの二次ビームは基準面３３ａに結像しない。その結果、ＣＲＴ４４には、残余部６２ａ（欠陥コンタクトホール６３ｂ）に対応する画像のみが鮮明に表示される。図１５に、残余部６２ａ（欠陥コンタクトホール６３ｂ）に対応する画像の例を示す。
【００７３】
因みに、露出部６１ａ（正常なコンタクトホール６３ａ）の画像が鮮明に表示されるときの装置パラメータ（印加電圧ＶCL１，距離ＷＤ１）と、残余部６２ａ（欠陥コンタクトホール６３ｂ）の画像が鮮明に表示されるときの装置パラメータ（印加電圧ＶCL２，距離ＷＤ１）との違いは、上記した残余部６２ａのチャージアップ分に基づく電位差ＶscのずれΔＶscに相当する。
【００７４】
このように、本実施形態の検査方法によれば、チャージアップしていない露出部６１ａ（正常なコンタクトホール６３ａ）の鮮明な画像（例えば図１４）と、チャージアップしている残余部６２ａ（欠陥コンタクトホール６３ｂ）の鮮明な画像（例えば図１５）とを、装置パラメータ（印加電圧ＶCL，距離ＷＤ）の設定変更により、別々に表示させることができる。
【００７５】
その結果、試料２８（図８）に形成された多数のコンタクトホール６３，６３，…の中で、正常なコンタクトホール６３ａ（図１０(ａ)）と、欠陥コンタクトホール６３ｂ（図１０(ｂ)）とを区別することができる。
また、照射領域２４Ａ内に位置する試料２８の中に存在する露出部６１ａ（正常なコンタクトホール６３ａ）の画像、または残余部６２ａ（欠陥コンタクトホール６３ｂ）の画像を、一括して取り込むことができるため、試料２８のコンタクトホール検査を非破壊で高速に行うことができる。
【００７６】
さらに、本実施形態の検査方法によれば、上記したＺセンサ２６からの出力に基づいて試料面２８ａの高さ変動ΔＺを常に管理しながら、ステージ２７をＸＹ移動させることによって、試料２８の複数の領域６５Ａ，６５Ｂ，…（図１６）から順次、上記した露出部６１ａ（正常なコンタクトホール６３ａ）に対応する画像のみ、または残余部６２ａ（欠陥コンタクトホール６３ｂ）に対応する画像のみを取り込むことができる。
【００７７】
例えば、初めに試料２８の領域６５Ａを照射領域２４Ａ内に位置させて、装置パラメータを印加電圧ＶCL＝ＶCL１，距離ＷＤ＝ＷＤ１に設定し、領域６５Ａの中に存在する露出部６１ａ（正常なコンタクトホール６３ａ）の画像を取り込んだとする（図１２の状態）。このとき、露出部６１ａとカソードレンズ２９との間の電位差Ｖscが一定値Ｖsc０に保たれる。なお、領域６５Ａの中に残余部６２ａ（欠陥コンタクトホール６３ｂ）が存在していても、その画像を取り込むことはできない。
【００７８】
そして、その後、ステージ２７のＸＹ移動により照射領域２４Ａ内に領域６５Ｂ（図１６）を位置させたときに、試料面２８ａの高さ変動ΔＺが生じて、距離ＷＤがＷＤ１から変化してしまったとする（図１７(ａ)，図１８(ａ)の状態）。この場合、印加電圧ＶCL＝ＶCL１に変化がなくても、距離ＷＤの変化に基づく電位差Ｖscの変化分が発生するので、露出部６１ａとカソードレンズ２９との間の電位差Ｖscは一定値Ｖsc０から外れてしまい、露出部６１ａからの二次ビームは基準面３３ａに結像しなくなる。その結果、領域６５Ｂ内に露出部６１ａ（正常なコンタクトホール６３ａ）が存在していても、その画像を取り込むことはできなくなる。
【００７９】
しかしながら、上記の検査装置１０では、試料面２８ａの高さ変動ΔＺによって距離ＷＤが変化しても、この距離ＷＤの変化に基づく電位差Ｖscの変化分は、印加電圧ＶCLの調整によって補正することができる。
このため、試料面２８ａの高さ変動ΔＺが生じた場合でも、露出部６１ａとカソードレンズ２９との間の電位差Ｖscを一定値Ｖsc０に保つことができる。このとき、露出部６１ａからの二次ビームは、図１７(ｂ)，図１８(ｂ)に示されるように、基準面３３ａに結像することになる。
【００８０】
したがって、領域６５Ｂ（図１６）においても、領域６５Ａのときと同様に、露出部６１ａ（正常なコンタクトホール６３ａ）の鮮明画像を取り込むことができる。
【００８１】
このように、本実施形態の検査方法によれば、試料面２８ａの高さ変動ΔＺを管理し、距離ＷＤの変化に基づく電位差Ｖscの変化分を補正しながら、試料２８の複数の領域６５Ａ，６５Ｂ，…（図１６）を順次、照射領域２４Ａ内に位置させる（すなわち面状の一次ビームで試料面２８ａ上を走査する）ことにより、試料２８上の所定パターンが形成されたダイ６５を全面にわたってコンタクトホール検査することができる。
【００８２】
その結果、ダイ６５の中に存在する露出部６１ａ（正常なコンタクトホール６３ａ）全ての鮮明画像を取り込むことができる。
なお、残余部６２ａ（欠陥コンタクトホール６３ｂ）についても同様に、試料面２８ａの高さ変動ΔＺを管理しながら一次ビームで試料面２８ａ上を走査することにより、ダイ６５の中に存在する全ての残余部６２ａ（欠陥コンタクトホール６３ｂ）の鮮明画像を取り込むことができる。
【００８３】
このときの装置パラメータ（印加電圧ＶCL，距離ＷＤ）の設定は、上記した露出部６１ａ（正常なコンタクトホール６３ａ）の画像取り込み時の装置パラメータ（印加電圧ＶCL，距離ＷＤ）とは、欠陥コンタクトホール６３ｂの残余部６２ａのチャージアップ分に基づく電位差ＶscのずれΔＶscだけ異なっている。
また、本実施形態の検査方法では、面状の一次ビームで試料面２８ａ上を走査するため、ダイ６５の全面検査（画像取り込み）を高スループットで行える。
【００８４】
ここで、試料２８の上には通常、同じパターンが形成された複数のダイ６５，６５，…が配列されている（図１９）。
本実施形態の検査方法によれば、これら複数のダイ６５，６５，…の全面検査も高スループットで行うことができ、試料２８を全面にわたってコンタクトホール検査できる。
【００８５】
その結果得られる試料２８全面に対する露出部６１ａ（正常なコンタクトホール６３ａ）の画像、または残余部６２ａ（欠陥コンタクトホール６３ｂ）の画像は、コンタクトホール形成時のオーバエッチング量を適切に設定する上で、非常に有効な情報となる。
さらに、実際の試料２８では、各ダイ６５の中に存在する多数のコンタクトホール６３，６３，…のうち、正常なコンタクトホール６３ａの数の方が、欠陥コンタクトホール６３ｂの数よりも圧倒的に多い。
【００８６】
したがって、装置パラメータ（印加電圧ＶCL，距離ＷＤ）の設定変更によって、取り込んだ２つの鮮明画像のうち、どちらが正常なコンタクトホール６３ａの画像か、欠陥コンタクトホール６３ｂの画像かを推測することができる。
さらに、試料面２８ａの高さ変動ΔＺを管理しながら一次ビームで試料面２８ａ上を走査し、取り込んだ複数のダイ６５，６５，…の画像を比較することにより、テンプレート画像と比較しなくても、画像の共通部分が正常なコンタクトホール６３ａであり、共通してない部分が欠陥コンタクトホール６３ｂであると推測できる。
【００８７】
次に、検査対象となる２つ目の試料２８について説明する。図２０に示されるように、２つ目の試料２８は、多数（図２０では１０個）のビアホール７４，７４，…が形成されたものである。
これら多数のビアホール７４，７４，…は、周知のフォトリソグラフィーとエッチング処理とを用い、図２１に示されるバリア層７２（例えばＴｉＮ層）上の絶縁層７３（例えばＳｉＯ2層）に一括形成される。バリア層７２は、エッチング処理時に下地配線層７１の材料（例えばアルミ）がビアホール７４の内壁に付着することを防ぐために、下地配線層７１の上に積層されたものである。
【００８８】
したがって、このようなビアホール７４の形成時には、下地配線層７１が露出しないようにバリア層７２を残した状態でエッチング処理を終了しなければならない。
【００８９】
しかし、多数のビアホール７４，７４，…の中には、図２２(ａ)に示されるように、絶縁層７３が完全に取り除かれ、絶縁層７３を貫通してバリア層７２が露出した正常なビアホール７４ａだけでなく、図２２(ｂ)に示されるように、残すべきバリア層７２が底部から取り除かれてしまった欠陥ビアホール７４ｂも含まれる。
【００９０】
正常なビアホール７４ａ（図２２(ａ)）の底部に残されたバリア層７２を「残余部７２ａ」という。欠陥ビアホール７４ｂ（図２２(ｂ)）の下地配線層７１が露出した底部を「露出部７１ａ」という。
そこで、試料２８の絶縁層７３に形成された多数のビアホール７４，７４，…を検査するに当たり、試料２８に一次ビームを照射する。このとき、一次ビームの加速電圧Ｖacを、試料２８のバリア層７２がチャージアップしやすい値に設定することが好ましい。
【００９１】
一次ビームの照射時、正常なビアホール７４ａは、図２３(ａ)に示されるように、チャージアップする。これは、底部が残余部７２ａ（すなわち絶縁部）だからである。
一方、欠陥ビアホール７４ｂは、一次ビームの照射時、図２３(ｂ)に示されるように、チャージアップしない。これは、底部が露出部７１ａ（すなわち導通部）だからである。
【００９２】
したがって、上述したコンタクトホール６３の場合と同様に、装置パラメータ（印加電圧ＶCL，距離ＷＤ）の設定を変更することにより、チャージアップしている残余部７２ａ（正常なビアホール７４ａ）の画像と、チャージアップしていない露出部７１ａ（欠陥ビアホール７４ｂ）の画像とを、別々に取り込むことができる。
【００９３】
その結果、試料２８（図２０）に形成された多数のビアホール７４，７４，…の中で、正常なビアホール７４ａ（図２２(ａ)）と、欠陥ビアホール７４ｂ（図２２(ｂ)）とを区別することができる。すなわち、ビアホール７４，７４，…の底部の材料を検査できる。
また、残余部７２ａ（正常なビアホール７４ａ）の画像、または露出部７１ａ（欠陥ビアホール７４ｂ）の画像を、一括して取り込むことができるため、試料２８のビアホール検査を非破壊で高速に行うことができる。
【００９４】
さらに、Ｚセンサ２６からの出力によって試料面２８ａの高さ変動ΔＺを常時管理し、一次ビームで試料面２８ａ上を走査することにより、試料２８のダイから、チャージアップしている残余部７２ａ（正常なビアホール７４ａ）の画像、またはチャージアップしていない露出部７１ａ（欠陥ビアホール７４ｂ）の画像を取り込むこともできる。
【００９５】
また、試料２８の複数のダイの全面検査も高スループットで行うことができ、試料２８を全面にわたってビアホール検査できる。
その結果得られる試料２８全面に対する残余部７２ａ（正常なビアホール７４ａ）の画像、または露出部７１ａ（欠陥ビアホール７４ｂ）の画像は、ビアホール形成時のオーバエッチング量を適切に設定する上で、非常に有効な情報となる。
【００９６】
なお、上述した実施形態では、欠陥コンタクトホール６３ｂの残余部６２ａ（図１１）、および正常ビアホール７４ａの残余部７２ａ（図２３）が、マイナスの電荷にチャージアップする例を示したが、その極性は一次ビームのエネルギー（加速電圧Ｖac）に応じて変化し、プラスの電荷にチャージアップすることもあり得る。本実施形態の検査方法は、チャージアップの極性に関わらず実行することができる。
【００９７】
さらに、上述した実施形態では、エッチング処理の終了後、コンタクトホール６３やビアホール７４を検査する場合を例に説明したが、コンタクトホール６３やビアホール７４にタングステンを充填した後でも同様に検査することができる。
【００９８】
また、上述した実施形態では、試料面２８ａの高さ変動ΔＺによって距離ＷＤが変化したとき、この距離ＷＤの変化に基づく電位差Ｖscの変化分を、印加電圧ＶCLの調整によって補正する例を説明したが、ステージ２７をＺ方向に駆動して試料面２８ａの高さを元に戻すことにより、電位差Ｖscの変化分を補正することもできる。
【００９９】
さらに、上述した実施形態では、距離ＷＤの変化に基づく電位差Ｖscの変化分を、カソードレンズ２９への印加電圧ＶCLを調整することで補正する例を説明したが、第２レンズ３２への印加電圧も合わせて調整に用いても構わない。また、第２レンズ３２への印加電圧だけを調整しても、電位差Ｖscの変化分を補正することができる。
【０１００】
さらに、上述した実施形態では、一次ビームの照射領域２４Ａを固定し、ステージ２７を駆動することにより、一次ビームを試料面２８ａ上で走査させる例を説明したが、この構成に限らない。例えば、一次コラム２１内の一次ビームの光軸上に偏向器を配置し、この偏向器への印加電圧を制御することにより、一次ビームの軌道を偏向させることが可能な装置であれば、照射領域２４Ａを試料面２８ａ上で移動させて、ステージ２７を停止させておくことにより、一次ビームを試料面２８ａ上で走査させることができる。
【０１０１】
また、上述した実施形態では、斜入射式のＺセンサ２６を用い、照射領域２４Ａと高さ変動ΔＺの検出箇所とを一致させたが、照射領域２４Ａと高さ変動ΔＺの検出箇所とが一致しないＺセンサ（例えばＴＴＬ検出方式）を用いて試料面２８ａの高さ変動ΔＺを常時管理することもできる。
さらに、電子ビームによる試料の検出前に、試料全面に対して高さ変動の検出を行い、試料全面のフォーカス制御量マップを予め作成してもよい。また、例えば、このとき電子ビーム軸に隣接する位置に光学顕微鏡を配置して、この光学顕微鏡によって試料の高さ変動を検出してもよい。また、高さ変動の検出は、まず大まかに試料の数箇所について高さ変動を検出し、それ以外のデータ空白箇所については補間処理で補ってもよい。
【０１０２】
また、上述した実施形態では、ＣＰＵ４３に予め与えた制御テーブルを用いてフォーカス制御を行う例を説明したが、それに限定されず、ＣＰＵ４３が逐一、距離ＷＤの変化量に対する印加電圧ＶCLの調整量を算出してもよい。
さらに、上述した実施形態では、一次コラム２１の電子光学系（一次光学系２５）と二次コラム２２の電子光学系（第２レンズなど）とを、ウィーンフィルタ３１で接合する例を挙げたが、独立に構成したものについても本発明の検査方法を適用できる。
【０１０３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、二次ビームの結像条件を選択的に設定するだけで、簡単かつ高速に試料の表面層を非破壊検査することができる。したがって、試料の表面層の検査を全面にわたって行うことができ、製造プロセスに対して非常に有用な検査結果をフィードバックすることが可能となる。その結果、集積回路の微細化に伴うデバイス構造の高層化によりプロセスマージンが少なくなっても、適切なプロセス条件の設定を確実に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の検査装置１０の構成を示す図である。
【図２】一次光学系２５の構成を示す図である。
【図３】Ｚセンサ２６を説明する図である。
【図４】Ｚセンサ２６を説明する図である。
【図５】一次ビームの軌道を示す図である。
【図６】一次ビームの照射領域２４Ａを説明する図である。
【図７】二次ビームの軌道を示す図である。
【図８】１つ目の試料２８を説明する平面図である。
【図９】１つ目の試料２８を説明する断面図である。
【図１０】試料２８に形成されたコンタクトホールを説明する断面図である。
【図１１】試料２８に形成されたコンタクトホールのチャージアップ状態を説明する断面図である。
【図１２】試料２８から発生した二次ビームの結像状態を説明する図である。
【図１３】試料２８から発生した二次ビームの結像状態を説明する図である。
【図１４】取り込まれた画像の例を示す図である。
【図１５】取り込まれた画像の例を示す図である。
【図１６】試料２８の複数の検査を示す図である。
【図１７】試料２８から発生した二次ビームの結像状態を説明する図である。
【図１８】試料２８から発生した二次ビームの結像状態を説明する図である。
【図１９】試料２８の複数のダイを示す図である。
【図２０】２つ目の試料２８を説明する平面図である。
【図２１】２つ目の試料２８を説明する断面図である。
【図２２】試料２８に形成されたビアホールを説明する断面図である。
【図２３】試料２８に形成されたビアホールのチャージアップ状態を説明する断面図である。
【符号の説明】
１０  検査装置
２１  一次コラム
２２  二次コラム
２３  チャンバー
２４  電子銃
２５  一次光学系
２６  Ｚセンサ
２７  ステージ
２８  試料
２９  カソードレンズ
３０  ニューメニカルアパーチャ
３１  ウィーンフィルタ
３２  第２レンズ
３３  フィールドアパーチャ
３３ａ  基準面
３４  第３レンズ
３５  第４レンズ
３７  検出器
３８  ＭＣＰ
３９  蛍光面
４０  ＦＯＰ
４１  ＣＣＤカメラ
４２  画像処理ユニット
４３  ＣＰＵ
４４  ＣＲＴ
４５  一次コラム制御ユニット
４６  二次コラム制御ユニット
４７  Ｚセンサ制御ユニット
４９  ステージ制御ユニット
５０  カソードレンズ制御ユニット
５１  発光素子
５２  コリメータレンズ
５３  集光レンズ
５４  ２分割ディテクタ
６１  シリコン基板
６２，７３  絶縁層
６３  コンタクトホール
７１  下地配線層
７２  バリア層
【図１】
0004288744.tif 000002
【図２】
0004288744.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
0004288744.tif 000006
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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