(57)【要約】【課題】半導体製造工程途中のウエハを検査する技術として、回路パターンに電圧および温度等の電気的負荷をかけて信頼性評価を行う半導体検査方法を提供する。【解決手段】半導体製造工程途中の回路パターンを含むウエハに対して、電子線を所定の時間照射して、回路パターンを所定の帯電電圧に帯電させる工程（ステップ９９）と、レーザー照射等により回路パターン周りの領域を所定の温度に制御する工程（ステップ１０６）とにより、回路パターンに電気的負荷を印加する。そして、電気的負荷印加の前後において、回路パターンを含む領域に電子線を照射することで二次電子画像を取得し（ステップ９０）、この電気的負荷印加の前後の二次電子画像を比較判定することで、回路パターンおよびそれを含むウエハを検査する。【選択図】図１
2009252995.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回路パターンが形成された半導体基板表面に第１の電子ビームを照射する第１工程と、
前記第１の電子ビームの照射によって前記半導体基板から放出された第１の二次電子を検出する第２工程と、
前記第１の二次電子を基にして第１の電位コントラスト信号を取得する第３工程と、
前記第１の電子ビームを照射した回路パターンを含む領域に第２の電子ビームを所定量照射して前記回路パターンの一部に所定時間の電気的負荷を与える第４工程と、
前記第１の電子ビームを照射した回路パターンを含む領域に前記第１の電子ビームと同等の照射条件で第３の電子ビームを照射する第５工程と、
前記第３の電子ビームの照射によって前記半導体基板から放出された第２の二次電子を検出する第６工程と、
前記第２の二次電子を基にして第２の電位コントラスト信号を取得する第７工程と、
前記第１の電位コントラスト信号と前記第２の電位コントラスト信号の変化量から、前記回路パターンの電気的特性を判別および表示する第８工程とを有することを特徴とする半導体検査方法。
【請求項２】
請求項１記載の半導体検査方法において、
前記第８工程は、前記回路パターンの電気的特性のウエハ面内でのばらつきを表示することを特徴とする半導体検査方法。
【請求項３】
請求項１記載の半導体検査方法において、
前記第４工程で前記第２の電子ビームが照射される回路パターンの一部は、ゲート電極であり、前記第８工程によって、前記ゲート電極下の絶縁膜の耐久性が判別されることを特徴とする半導体検査方法。
【請求項４】
請求項１記載の半導体検査方法において、
前記第４工程では、不良を起こしやすいと推察される前記回路パターンの一部に前記第２の電子ビームを通過させることで疑似的にホットキャリアを発生させる処理が行われ、前記第８工程によって、前記回路パターンの一部の耐久性が判別されることを特徴とする半導体検査方法。
【請求項５】
請求項１記載の半導体検査方法において、
更に、前記第４工程の前に、前記回路パターンを所定の温度に調整する第９工程を有することを特徴とする半導体検査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に電子線を用いた半導体装置の検査方法に係わり、回路パターンを有する半導体ウエハ上の欠陥を検出する検査技術、半導体素子の電気特性の不良解析技術、信頼性評価技術、並びに欠陥検査を用いた半導体装置の製造技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子線を用いた回路パターンを有する半導体ウエハの評価方法として、ウエハの大口径化と回路パターンの微細化に対応して高スループットかつ高精度な検査を行う技術が実用化されている。例えば、特許文献１（特開平０６−１３９９８５号公報）で開示されているように、表面電位差に起因する二次電子線のコントラストを利用して欠陥検査を行う方法が知られている。電位コントラストから電気的欠陥を評価する方法として、例えば、特許文献２（特開平１１−１２１５６１号公報）には、電子線をウエハに照射して、ウエハ表面から発生する二次電子画像を取得する手法が記載されている。本手法では、電子線を照射することによって回路パターンを帯電させたときに生じる二次電子の電位コントラストによって回路パターンの電気的な欠陥を検査することができる。特に半導体のゲート酸化膜等の特性を評価する手法については、例えば、特許文献３（特開２００５−１０８９８４号公報）で開示されているように、電子線を１回または所定の間隔で複数回照射し、発生した二次電子の画像からリーク不良を特定する手法が知られている。
【０００３】
一方、近年のゲート絶縁膜の薄膜化及び、新プロセス導入に伴い、ＣＭＯＳ等のゲート酸化膜やメモリのトンネル酸化膜等の信頼性評価が重要となっている。これまでは、半導体回路の完成後にプローブを接触させて、半導体回路に電気的に負荷を与えた後に電気的特性の変化を評価して、信頼性の評価を行なっていた。信頼性の評価法としては、例えば、ＴＤＤＢ（Time Dependent Dielectric Breakdown）と呼ばれている手法があり、酸化膜に長時間電圧を印加したときの絶縁破壊特性が一般的に評価されている。他の信頼性評価法として、ホットキャリア効果によるＭＯＳ特性の劣化の評価が行なわれている。他の信頼性評価法としては、ＰＢＴＩ（Positive Bais Temperature Instability）、あるいはＮＢＴＩ（Negative Bais Temperature Instability）と呼ばれている手法で、高温で酸化膜に長時間正あるいは負の電圧を印加したときのＭＯＳ特性変化の評価が行なわれている。
【特許文献１】特開平０６−１３９９８５号公報
【特許文献２】特開平１１−１２１５６１号公報
【特許文献３】特開２００５−１０８９８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前述したような電子線を用いた欠陥検査手法を用いると、ウエハ上に形成した回路パターンの電気特性を半導体製造工程途中で非接触、非破壊で高速に検査することが可能となる。しかし、この手法では、回路パターンに電気的な負荷をかけた後に、電気特性の変化を検査するといった信頼性評価を行うことができなかった。このため、従来においては、半導体製造工程途中（所謂インライン）で信頼性評価を行うことが困難となっていた。
【０００５】
一方、従来においては、例えば半導体製造工程後のプローブ検査内で信頼性評価を行っている。しかし、この場合、パッドにプローブを接触させて素子に電気的負荷をかけた後、プローブをパッドに接触させて電気特性を評価していたため、半導体回路全体の信頼性は評価することができたが、実際に回路パターンのどの場所が故障して素子特性が劣化したのか知ることはできなかった。このため、不良箇所を特定・解析して不良原因を究明するまでに時間を費やし、半導体開発期間を遅らせる要因となっていた。すなわち、例えば、信頼性低下の原因が半導体製造工程の初期の段階で発生した場合、この段階で不良が発生しても半導体回路が完成して電気テストを実施するまで検知することができず、不良発生から対策実施まで時間を要していた。このため、対策に数ヶ月レベルの膨大な時間を費やし、半導体開発期間を遅らせる要因となっていた。
【０００６】
本発明は、このようなことを鑑みてなされたものであり、本発明の前記ならびにそれ以外の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
そこで、本発明者らは半導体製造工程途中で信頼性評価を行う方法を検討した。この結果、信頼性評価時に半導体回路に与える電気的負荷に対応する負荷を電子線照射によって与えることにより、擬似的に回路パターンの信頼性評価を半導体製造工程途中に行うことが可能であることを見出した。例えば、ゲートパターンについて、ＴＤＤＢ特性を評価する場合について説明する。
【０００８】
ＴＤＤＢ特性は酸化膜に長時間電圧を印加したときの絶縁破壊特性であり、例えば、図２のような特性として示される。時間Ｔｌはゲート絶縁膜が絶縁破壊するまでの時間である。ＴＤＤＢは、式（１）に示すように、ゲート絶縁膜に印加するストレス電界Ｅｏｘと温度Ｔａによって加速されることが知られている。
【０００９】
Ｔｌ＝Ａ・１０−βＥｏｘ・ｅｘｐ（Ｅａ／ｋＴａ）      （１）
ここで、βは電界加速係数、Ｅａは温度加速係数、ｋはボルツマン係数である。回路パターンの温度Ｔａは絶対温度であり、Ａは定数である。または、ＴＤＤＢの絶縁破壊特性は式（２）で表されることもある。
【００１０】
Ｔｌ＝Ａ・ｅｘｐ（−Ｂ／Ｅｏｘ）・ｅｘｐ（Ｅａ／ｋＴａ）      （２）
このように、半導体製造工程途中で回路パターンの信頼性評価をするためには、ウエハに所定の時間安定にストレス電界Ｅｏｘを印加するための手段、さらに、回路パターンの温度Ｔａを調整するための手段が必要である。このような電気的負荷を半導体製造工程途中のウエハに印加し、回路パターンの信頼性を検査するための手段ついて、以下に述べる。
【００１１】
第一の手段として、ウエハ上の回路パターンに電子線を照射してウエハ表面を正または負に所定の時間、帯電させるための手段を設けた。例えば、図４に示すように、ウエハに所望の時間、電子線を照射するための電子光学系を設けた。さらに、ウエハ上面に所望の電圧をかけてウエハ表面の帯電電圧を制御するための電極３４ａ，３４ｂを設けた。この電極３４ａ，３４ｂに電圧をかけてウエハ上面に形成される電界を調整することにより、電子線をウエハに照射したときに生成される二次電子の軌道を制御し、ウエハ表面の帯電を制御することが可能となった。例えば、ウエハ表面を正に帯電させる場合、ウエハからの二次電子の放出効率が１以上となる照射エネルギーで一次電子線を照射する。このとき、ウエハ上面の電極３４ａ，３４ｂに正の電圧をかけると、例えば図５に示すように、ウエハ表面から発生した二次電子１１２は効率的にウエハ上面に引き出され、ウエハ表面は正に帯電する。一方、ウエハ表面を負に帯電させる場合、ウエハ上面の電極３４ａ，３４ｂに負の電圧をかけると、ウエハ表面から発生した二次電子１１１は再びウエハ表面に引き戻されて負に帯電する。所定の領域に所定時間安定に電子線を照射する機能を設けた。これにより、半導体製造工程途中のウエハの所望のパターンに所望の時間、所望の電界をかけることが可能となった。
【００１２】
第二の手段として、ウエハ上の回路パターンの所望の位置に電子線照射による負荷を印加するための手段を設けた。例えば、第一の手段と同様に、ウエハに所望のエネルギーを持つ電子線を所望量、パターン上の所定の位置にある小さい領域に電子線を照射するための電子光学系を設けた。まず、電気的負荷を与える前の初期状態の検査として二次電子画像を取得し、取得した二次電子画像から、負荷を印加する領域を決定する。そして、回路パターンの所定の位置に、エネルギーと照射量を調整した電子線を通過させることによって、回路パターンの所定の領域に負荷を与えて信頼性を評価する。回路パターンの一部に電子線を照射することで、回路パターンの局所に負荷を印加することが可能となり、信頼性低下の原因を早期に推定することが可能となる。例えば、図３に示すゲートパターンの場合、ゲート電極１２３のエッジ部分（１２２）のみに電子線を照射して、エッジ部分（１２２）に選択的に負荷をかけることができ、信頼性劣化の原因がゲートのエッジ部分（１２２）に起因するものかどうかを評価することができる。繰り返しパターンの同一箇所を認識し、同一条件で電子線を照射するための機能を設けた。
【００１３】
第三の手段として、ウエハ上の所望の回路パターンの温度を制御するための手段を設けた。例えば図４に示すように、所望のパターンにレーザー光を照射して温度を制御するための機能を設けた。表面の温度を制御するために、レーザー光はパルス状で照射することもできる。さらに、パターン温度を計測する温度計を設け、レーザー光の出力を自動調整するための機構を設けた。また、第一の手段あるいは第二の手段で述べた電子線照射と第三の手段であるレーザー光照射はウエハ上の同一パターンに行うことが可能な構成となっており、回路パターンの温度制御を行いながら電子線照射によるストレス電圧印加も同一パターン上で行なうことが可能となった。
【００１４】
第四の手段として、第一、第二、第三の手段で述べた電気的負荷印加手段によって被検査ウエハの回路パターンに負荷を印加する前後で二次電子画像取得用の電子線をウエハに照射し、発生する二次電子の電位コントラストを取得し、回路パターンの電気特性を評価するための機能を設けた。まず、図４に示すように、第一、第二、第三の手段で述べた電気的負荷印加手段によって負荷を印加する際のＸＹステージ１６上の位置と電子線照射によって発生する二次電子の電位コントラストを取得する際のＸＹステージ１６上の位置との間を精度良く移動するための機構を設けた。さらに、電気的負荷を印加する時の電子線照射領域と二次電子画像取得時の電子線照射領域を精密に一致するように調整して電子線を照射するためのアラインメント機能等を設けた。これにより、電子線照射による負荷印加前後の電位コントラストを高速に取得し、精度良く比較評価することが可能となった。さらに、電気的負荷印加を行なったパターンの二次電子画像を取得し、取得した二次電子画像から回路パターンの電気特性を評価し、ストレス印加による回路特性の経時変化を表示するための手段を設けた。
【発明の効果】
【００１５】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すると、半導体装置の信頼性の不具合を早期に検出でき、製造コストの低減などが実現可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。また、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００１８】
まず、半導体製造工程途中のウエハをＴＤＤＢ評価する手法及び装置の一例について説明する。本実施の形態における半導体検査装置（信頼性検査装置）の構成例を図４に示す。半導体検査装置１は、検査用システム５０と負荷印加用システム５１、ステージ機構系３、ウエハ搬送系４、真空排気系５、光学顕微鏡６、操作系８で構成されている。
【００１９】
検査用システム５０は、電子光学系２、制御系７より構成されている。電子光学系２は、電子銃９ａ、コンデンサレンズ１０ａ、対物レンズ１１ａ、電極３４ａ、検出器１２ａ、エネルギーフィルタ１３ａ、偏向器１４ａ、ウエハ高さ検出器１５ａより構成されている。制御系７は、信号検出系制御部２２、ブランキング制御部２３、ビーム偏向補正制御部２４、電子光学系制御部２５、ウエハ高さセンサ検出系２６、ステージ制御部２７、電極制御部３３より構成されている。
【００２０】
負荷印加用システム５１は、電子光学系５２、ウエハ温度調整系５６、負荷印加制御系５７より構成されている。電子光学系５２は、電子銃９ｂ、コンデンサレンズ１０ｂ、対物レンズ１１ｂ、電極３４ｂ、検出器１２ｂ、エネルギーフィルタ１３ｂ、偏向器１４ｂ、ウエハ高さ検出器１５ｂより構成されている。負荷印加制御系５７は、信号検出系制御部７２、ブランキング制御部７３、ビーム偏向補正制御部７４、電子光学系制御部７５、ウエハ高さセンサ検出系７６、電極制御部７７、レーザー光学系制御部７８、温度制御部７９より構成されている。ウエハ温度調整系５６は、レーザー光源６６、レーザー光学系６７、温度計６８で構成されている。このように、負荷印加用システム５１は、検査用システム５０に温度調整手段（ウエハ温度調整系５６、レーザー光学系制御部７８、温度制御部７９）が加わったような構成となっている。この半導体検査装置１は、検査用システム５０と負荷印加用システム５１を分離し、検査と負荷印加とを並行して行うことでスループットの向上を図っているが、一つの共有システムを設け、検査と負荷印加とを順番に行うように構成することも可能である。
【００２１】
ステージ機構系３は、ＸＹステージ１６と、ウエハ１８を保持するためのホルダ１７と、ホルダ１７およびウエハ１８に負の電圧を印加するためのリターディング電源１９より構成されている。ＸＹステージ１６には、レーザー測長による位置検出器が取りつけられている。検査用システム５０の電子光学系２と負荷印加システム５１の電子光学系５２、またはウエハ温度調整系５６、または光学顕微鏡６との間の距離は既知となっており、ＸＹステージ１６が前記既知の距離を往復移動するようになっている。すなわち、負荷印加システム５１と検査用システム５０の間を位置精度良くウエハ１８が行き来できるようになっている。ウエハ搬送系４は、カセット載置部２０とウエハローダ２１とＸＹステージ１６間をウエハ１８が行き来できるようになっている。操作系８は、操作画面および操作部２８、画像処理部２９、画像・検査データ保存部３０、演算部３１、外部サーバ３２より構成されている。
【００２２】
このような半導体検査装置１を用いてＴＤＤＢ検査を行う手法について、検査フローに従って説明する。図１に検査フローの一例を示す。
【００２３】
まず、ウエハ１８をセットし、操作画面２８上で検査するウエハ１８のカセット内の棚番号を指定する（ステップ８０）。そして、被検査ウエハ１８の情報として、ショットマトリクス、ゲート面積、ゲート酸化膜厚等のパターン情報を操作画面から入力する（ステップ８１）。次いで、操作画面から各種検査条件を入力する。電気特性検査条件として、電子ビーム電流、電子ビーム照射エネルギー、走査速度および信号検出サンプリングクロック、１画面あたりの視野サイズ、１画面あたりの画像取得回数、画像処理に用いる取得画像、検査領域、被検査ウエハ１８に関する各種情報等の条件を入力する（ステップ８２）。また、電気的負荷印加条件として、電気的負荷印加時の電子ビーム電流、電子ビーム照射エネルギー、走査速度、１画面あたりの視野サイズ、電子線スキャン回数、電子ビーム照射時間、ウエハ上面の電極３４ｂの電圧、ウエハ表面の帯電電圧、回路パターンの制御温度、電気的負荷印加時間等の条件を入力する（ステップ８３）。なお、被検査パターンに局所的に電気的負荷を加える場合は、予め取得した二次電子画像に対して電子線を照射する領域を指定する。
【００２４】
さらに、ステップ８２，８３においては、複数枚のウエハ１８を自動的に続けて検査するかどうか、または同じウエハ１８を異なる検査条件で続けて検査するかどうか等の内容を入力する。個々のパラメータを入力することも可能であるが、通常はパターン情報、検査領域、電気的負荷印加条件を指定すれば、検査したいパターン情報に応じて、上記各種検査パラメータの組み合わせが検査条件ファイルとしてデータベース化されて画像・検査データ保存部３０に記憶されており、検査条件ファイルを選択して入力するだけでよい。これらの条件入力が完了したら、検査をスタートする。
【００２５】
自動検査をスタートすると、まず、設定されたウエハ１８が、半導体検査装置１内に搬送される。該被検査ウエハ１８は、カセット載置部２０からアーム、予備真空室等を含むウエハローダ２１によりホルダ１７上に載置され、保持固定されてホルダとともにウエハローダ２１内で真空排気され、既に真空排気系５で真空になっている検査室に搬送される（ステップ８４）。ウエハがロードされたら、上記入力された検査条件に基づき、電子光学系制御部２５が、各部に電子線照射条件を設定する。その後、半導体検査装置１は、ホルダ１７上に載置されたビーム校正用パターンが電子光学系２の下にくるようにＸＹステージ１６を移動し（ステップ８５）、ビーム校正用パターンの電子線画像を取得し、該画像より焦点及び非点収差の調整を行う（ステップ８６）。続いて、被検査ウエハ１８上の所定の箇所を対象として、ウエハ１８の電子線画像を取得し、コントラスト等を調整する。ここで、電子線照射条件等を変更する必要が生じた場合にはパラメータを変更し、再度ビーム校正を実施することも可能である。また、ウエハ１８の高さをウエハ高さ検出器１５より求め、ウエハ高さセンサ検出系２６により高さ情報と電子ビームの合焦点条件の相関を求め、その後の電子線画像取得時には毎回焦点合わせを実行することなく、ウエハ高さ検出器１５の結果より合焦点条件に自動的に調整することも可能である。
【００２６】
電子線照射条件および焦点及び非点収差調整が完了したら、ウエハ１８上の２点以上の点によりアライメントを実施する。検査においては、ウエハ１８内あるいはチップ内の設定された領域を高精度に視野出しする必要がある。そこで、半導体検査装置１は、欠陥部の視野出しを実行する前に予め登録したアライメント条件およびアライメント画像を用いて、自動的にアライメントを実行する（ステップ８７）。アライメントが完了したら、アライメント結果に基づき回転や座標値を補正し、次に、ホルダ１７上に載置された第二の校正用パターンに移動する。第二の校正用パターンは、予め正常に接合が形成されたトランジスタまたは、トランジスタに相当するパターンであり、該パターンを用いて正常部の明るさを校正する。この結果をふまえて、ウエハ１８上に移動し、ウエハ上のパターン箇所の画像を取得し、明るさ調整すなわちキャリブレーションを実施する（ステップ８８）。
【００２７】
キャリブレーションが完了したら、半導体検査装置１は、検査を開始する（ステップ８９）。検査が開始されると、半導体検査装置１は、指定された検査条件で指定された領域に電子線を走査しながら、二次電子画像を取得し（ステップ９０）、二次電子画像を保存する（ステップ９１）。二次電子画像取得時には、ステップアンドリピートで画像取得を行うこともできる。続いて、取得した二次電子画像を元に欠陥判定を行う（ステップ９２）。この際に、取得した二次電子画像の明るさのばらつきからリーク電流のばらつきを評価することもできる。また、二次電子画像取得時にリアルタイムで画像処理を実施し、欠陥判定を行なうこともできる。検査状況は操作画面２８に表示され、且つ検査データをデータ変換部を介して外部サーバ３２などに出力する（ステップ９３）。
【００２８】
ここで、二次電子画像を用いて欠陥判定を行う方法について説明する。例えば、図５に電子ビームをゲートパターンに照射したときの帯電状態を示す説明図を示す。まず、上記半導体検査装置の検査用電子光学系を用いて電子ビームを照射する。ゲート電極１１０を正に帯電させる場合には、電子ビームの照射エネルギーはゲート電極の二次電子放出効率が１以上になる条件を選択する。前記条件で電子ビームを照射すると、照射した電子ビームよりも多くの二次電子が発生してゲート電極は正に帯電する。ゲート電極が正に帯電すると、エネルギーの低い二次電子１１１はウエハ表面に引き戻されるが、エネルギーの高い二次電子１１２は検出器に到達する。
【００２９】
ここで、ウエハ上面に設置された電極３４ａ，３４ｂにかける電圧によってウエハ上面の電界が決定され、二次電子の軌道が制御されてウエハ表面に戻る二次電子と検出される二次電子が制御される。従って、電子線の照射エネルギー等の電子線の照射条件とウエハ上面の電界によってゲート電極１１０の帯電電圧を制御することができる。このようにして、ゲート電極１１０の帯電電圧が制御されて二次電子画像のコントラストが形成される。ゲート絶縁膜１１３が絶縁破壊している場合、ゲート電極１１０に電子線を照射しても、ゲート絶縁膜１１３を通してＳｉ基板１１４から電流が瞬時に供給されるため、ゲート電極１１０は帯電しない。このため、ゲート絶縁膜１１３が絶縁破壊しているゲート電極１１０は正常のゲート電極の二次電子画像よりも明るく観察される。従って、ゲート絶縁膜１１３のリーク電流によって二次電子画像の明るさは変化する。
【００３０】
図６には取得した二次電子画像のゲート電極部分の信号強度の累積度数分布を示す。このように、信号強度の分布から、被検査パターンの主分布と明るい二次電子画像として検出された落ちこぼれが評価できた。欠陥と判定するためのしきい値１１５を設定することにより、欠陥を検出することができた。
【００３１】
被検査パターンの初期状態の検査が終了したら、信頼性評価のための電気的負荷印加を行う。まず、半導体検査装置１は、ＸＹステージ１６を制御し、ウエハ１８を負荷印加用システム５１内の所定の位置に移動する。次に、上記入力された電気的負荷印加条件に基づき、電子光学系制御部７５が各部に電子線照射条件を設定する。そして、ホルダ１７上に載置されたビーム校正用パターンが電子光学系５２下にくるようにＸＹステージ１６を制御し（ステップ９４）、ビーム校正用パターンの電子線画像を取得し、該画像より焦点及び非点収差の調整を行う（ステップ９５）。その後、被検査ウエハ１８上の所定の箇所に移動し、ウエハ１８の電子線画像を取得し、コントラスト等を調整する。ここで、電子線照射条件等を変更する必要が生じた場合にはパラメータを変更し、再度ビーム校正を実施することも可能である。また、ウエハ１８の高さをウエハ高さ検出器１５ｂより求め、ウエハ高さセンサ検出系７６により高さ情報と電子ビームの合焦点条件の相関を求め、この後の電子線画像取得時には毎回焦点合わせを実行することなく、ウエハ高さ検出器１５ｂの結果より合焦点条件に自動的に調整することもできる。
【００３２】
電子線照射条件および焦点及び非点収差調整が完了したら、ウエハ１８上の２点以上の点によりアライメントを実施する（ステップ９６）。検査においては、ウエハ１８内あるいはチップ内の設定された領域を高精度に視野出しする必要がある。そこで、半導体検査装置１は、欠陥部の視野出しを実行する前に予め登録したアライメント条件およびアライメント画像を用いて、自動的にアライメントを実行する。このアライメントにより、検査用システム５０での検査用二次電子画像取得時における電子線照射領域と、負荷印加用システム５１での電気的負荷を印加する場合における電子線照射領域との対応を精密にとることが可能となる。
【００３３】
アライメントが完了したら、アライメント結果に基づき回転や座標値を補正し、次に、ホルダ１７上に載置された第二の校正用パターンに移動する。第二の校正用パターンは、予め正常に接合が形成されたトランジスタまたは、トランジスタに相当するパターンであり、該パターンを用いて正常部の明るさを校正する。この結果をふまえて、ウエハ１８上に移動し、ウエハ上のパターン箇所の画像を取得し、明るさ調整すなわちキャリブレーションを実施する（ステップ９７）。なお、キャリブレーションは、最初に一度実施すればよく、後述するステップ１０１からステップ９０へと戻るループ処理に伴った２回目以降の場合は、当該処理を省略し、最初に実施した際に得た設定値を用いることができる。
【００３４】
キャリブレーションが完了したら、半導体検査装置１は、ＸＹステージ１６を制御し、電気的負荷を印加する領域が電気的負荷印加用の電子光学系５２直下にくるようにウエハ１８を移動する（ステップ９８）。なお、前述したように、例えば、検査用システム５０が負荷印加用システムを共有する構成とする場合には、電気的負荷を印加する領域が電子光学系２直下にくるようにウエハ１８を移動する。
【００３５】
次いで、半導体検査装置１は、電気的負荷印加を開始し、指定された検査条件で指定された領域に指定された時間電子線を照射・走査する（ステップ９９）。この際に、温度を制御する必要がある場合には、電子線照射と同時にレーザー光照射を行うことにより、電気的負荷印加領域のウエハ温度を制御することができる（ステップ１０６）。ステップ９９における電子線照射条件は、パターン表面が所望の帯電電圧になるように設定される。電子ビームを用いてパターン表面を所望の帯電電圧に制御する手法は、上記検査画像取得時にパターン表面を帯電させた手法と同一であり、電子線の照射エネルギー等の電子線の照射条件とウエハ上面の電極３４ｂにかける電圧を調整することによってゲート電極１１０の帯電電圧を制御することができる。電気的負荷を印加する場合には、電子線として、スポットビームを照射領域に走査することもできるし、照射領域に対してブロードに広げた形成ビームを照射することもできる。また、パターン表面が所望の帯電電圧に帯電されているか随時確認し、帯電電圧が許容値を外れている場合には、再度電子線照射条件およびウエハ上面の電極電圧を再設定することができる。
【００３６】
ここで、ウエハ表面の帯電電圧を測定する方法の一例について説明する。ここでは、検出器１２ｂの前段に設置されたエネルギーフィルタ１３ｂを用いて帯電電圧を測定する手法の一例を説明する。図７に、二次電子画像の信号強度のフィルタ電圧依存性と帯電電圧との関連を示す。まず、エネルギーフィルタ１３ｂの電圧を、検出する二次電子のエネルギーよりも十分高い値に設定し、二次電子画像を取得する。次に、フィルタ電圧の値をステップ幅ΔＶｆずつ変化させて設定し、二次電子画像を取得する。二次電子画像が十分暗くなるまでフィルタ電圧の設定と二次電子画像取得を繰り返して、図７に示したような二次電子画像の信号強度のフィルタ電圧依存性１１６を取得する。導電性材料でできたベアウエハ等、帯電電圧が０Ｖである試料での二次電子画像の信号強度のフィルタ電圧依存性１１７を予め取得しておき、これとの間のシフト量を算出することによって、帯電電圧Ｖｃを測定することができる。その他、ケルビンプローブ等の手段を用いて帯電電圧を取得することもできる。
【００３７】
次に、電気的負荷印加用の電子線照射領域と検査用の電子線照射領域との関連を述べる。図８に電気的負荷印加領域１１９と検査領域１１８の関係の一例を示す。図８は、大量のパターンを同時に電気的負荷印加する場合について示してあり、一度に広い領域に電子線を照射することによって、短時間に大量のパターンに均一な負荷を与えることができる。検査パターンが少量の場合や、１枚のウエハ上で異なる電気的負荷印加条件の検査を行う場合には、検査領域１１８と電気的負荷印加領域１１９とをほぼ同等に設定することもできる。
【００３８】
また、これまでは電子線照射によって生じる帯電電圧によって電気的負荷を与える場合について述べたが、所望の領域に電子線を通過させることによってパターンに電気的負荷を与えることもできる。この手法では、例えば、ホットキャリア効果の評価を擬似的に行なうことができる。ホットキャリア効果は、ＭＯＳＦＥＴのドレイン近傍の電界が非常に大きくなることによって高速に加速された電子が発生し、この電子によって高エネルギーの電子および正孔の一部がゲート酸化膜に注入されてさらにホットキャリアを発生する現象のことである。入射電子線、あるいは入射電子線によって発生した二次電子をゲート酸化膜に注入することにより、擬似的にホットキャリア効果を発生させることができる。この場合の入射電子線のエネルギーとして、例えば、ゲート電極の厚さ以上の飛程となる電子線のエネルギーが有効である。
【００３９】
所望の領域に電子線を通過させる手法で電気的負荷を印加する場合には、パターンの局所に負荷を与えることが可能である。図９に、ゲートパターンに局所的に負荷を印加する場合の検査領域１２１と電気的負荷印加領域１２２との関連の一例を示す。図９に示すように、検査領域１２１よりも小さな領域への電気的負荷印加を行うことができる。例えば、ゲートパターンの場合、例えば、ゲート電極１２３のエッジ付近に電気的負荷を与えた場合とゲート電極１２３全体に電気的負荷を与えた場合とを比較することによって、回路パターンにおける信頼性低下を起こしやすい場所を特定することができる。または、ゲートパターン下のアクティブ領域１２４と素子分離領域１２５の境界領域と、ゲート電極１２３全体に電気的負荷を与えた場合とを比較することによって、信頼性低下を起こしやすい場所を特定することができる。このように、局所的に電気的負荷を与える場合には、負荷を与えるパターンの近傍で、予め登録したアライメント条件およびアライメント画像を用いて、自動的にアライメントを実行することもできる。
【００４０】
また、前述したような電子線照射による電気的負荷印加の際には温度制御を行なうことも可能である（ステップ１０６）。すなわち、ウエハを加熱する手段として、レーザー光を電気的負荷印加領域を含む領域に照射できる構造を設けた。例えば、レーザー光源６６から出射されたレーザー光は図８に示した様に、例えば、電気的負荷印加用電子ビームが照射される領域よりも広い領域１２０に照射される。レーザー光源６６としては、例えば半導体レーザ等を用いることができる。回路パターンの温度を調整するために、レーザーの出力、および、レーザーパルスの間隔を調整する。温度調整は、温度計６８がリアルタイムでレーザー照射部の温度を計測し、計測した温度に従って、温度制御部７９がレーザーの出力およびレーザーパルスの間隔を調整することで行われる。検査パターンに直接レーザー光を照射した場合、温度上昇以外に検査パターンに影響を及ぼす可能性がある場合がある。このような場合は、電子線照射部から少し離れた領域、または、ウエハ裏面からレーザー照射することにより、間接的にパターンの温度を制御することもできる。
【００４１】
なお、ウエハ１８を加熱する他の手法として、例えばＸＹステージ１６にヒーターを埋め込んだ構造とし、電子線照射前に温度調整を行うこともできる。検査中にパターンの温度を変えた場合には、電子線照射領域に微妙な位置ずれが生じて、所定のパターンに電気的負荷を印加できなかったり、所定のパターンの検査画像が取得できない場合がある。このような場合は、レーザー光照射領域１２０等の温度を制御した領域内で予め登録したアライメント条件およびアライメント画像を用いて、自動的にアライメントを実行するとよい。
【００４２】
このようにして１回目の電気的負荷印加が終了すると、半導体検査装置１は、ウエハ１８を再び検査用システム５０内の所定のステージ位置に移動して、電気的負荷印加後の検査を行う（ステップ１０１）。２回目以降の検査は電気的負荷印加前と同じ条件で行うことが望ましい。電気的負荷印加時の残留帯電の影響がある場合は、検査前に除電処理を施す（ステップ１００）。除電方法としては、例えば、検査時と逆の極性の帯電になるような電子線照射条件で電子線を照射する方法、あるいは、紫外光を照射して帯電除去処理を施す方法などが挙げられる。２回目以降の検査画像取得時には、ビーム調整（ステップ８６）、ウエハアライメント（ステップ８７）、キャリブレーション（ステップ８８）を省略することができる。検査画像を取得したら、再び負荷印加用システム５１にウエハ１８を移動し（ステップ９４）、電子線照射および温度調整により電気的負荷印加を行う（ステップ９９）。図１０に、ストレス印加と検査画像取得のタイミングの関係を示す。このように、検査と負荷印加とを繰り返して、検査データを取得する。
【００４３】
また、検査状況は随時、操作画面２８に表示され、検査データは画像・検査データ保存部３０に保存される。検査が終了したら（ステップ１０２）、各検査データを纏めた検査結果ファイルが画像・検査データ保存部３０に生成され（ステップ１０３）、また、ウエハ１８がアンロードされる（ステップ１０４）。検査結果ファイルは、操作画面２８に表示することができ（ステップ１０５）、また、外部サーバ３２等に出力することもできる。検査結果の表示例を図１１に示す。図１１は、前述したような検査によって得られたＴＤＤＢ特性の表示例である。図１１に示すように、演算部３１等を用いて前述した検査データを集計および判別処理することで、電気的負荷印加時間に伴う不良率の変化を評価できるようになる。
【００４４】
さらに、演算部３１等を用いて前述した検査データを集計および判別処理することで、不良のショット内分布やウエハ面内分布の情報を操作画面２８等に表示することもできる。図１２に、不良箇所のウエハ面内分布１２６の表示例を示す。このように、例えば、落ちこぼれパターン部分１２７を電気的負荷印加時間によって分類して表示することができる。具体的には、まず、第１段階として、前述したステップ９０等の処理により、ウエハ面内のそれぞれ異なる箇所に配置された複数の回路パターンを対象として、各回路パターン毎に、電気的負荷印加前の二次電子画像のコントラスト（第１電位コントラスト）を取得する。次いで、第２段階として、前述したステップ９９等の処理により、各回路パターンに電気的負荷を印加した後、ステップ９０等の処理に戻って、電気的負荷印加後の二次電子画像のコントラスト（第２電位コントラスト）を取得する。その後は、この第２段階の処理が繰り返し行われ、これに伴い、電気的負荷印加時間が蓄積されることになる。演算部３１等は、この第２段階の処理が行われる毎に、ステップ９２等の処理により、第１電位コントラストと第２電位コントラストの差分値を比較判定し、この差分値が予め定めたしきい値よりも大きくなった場合に、該当する回路パターンを故障と判別する。そして、演算部３１等は、この故障と判別した時点での電気的負荷印加時間の蓄積時間を、該当する回路パターンのＴＤＤＢ特性の実力値と判断する。図１２は、このようにして得られたウエハ面内における各回路パターンの実力値の分布を表示したものである。また、同様にして、図１２に示すように、ショット１２８内の拡大表示もすることができる。
【００４５】
ＴＤＤＢ特性では、通常絶縁破壊を起こしたパターンを不良としているが、デバイスの種類によってリーク電流にしきい値を設け、しきい値以上のリーク電流となったパターンを不良として表示することもできる。例えばウエハ周辺で不良が多発したり、ショット周辺やパターン密度が疎な箇所で不良が発生する場合がある。このような分布の特徴を的確に把握して、不良発生の原因を特定し、早期にプロセス改善等の対策を行なうために上記結果表示が有益となる。この結果、不良発生のプロセスやその要因を早期に特定することができるようになり、半導体製造プロセスへのフィードバックを早期に行うことが可能となり、早期に製造プロセスを立ち上げ、早期に製品の歩留まりを向上できるようになる。
【００４６】
以上、本実施の形態の半導体検査方法を用いることによる主要な効果を纏めると以下のようになる。
【００４７】
まず、半導体製造工程途中のウエハにおいて、信頼性の評価を行なうことが可能となった。例えば、ＴＤＤＢ、ＰＢＴＩ、あるいはＮＢＴＩ、ホットキャリア効果によるＭＯＳ特性の劣化等の信頼性の評価が可能となった。また、例えば、電子線照射によってホットキャリアを生成するような電気的負荷の印加法により、従来の印加法よりも負荷印加時間を短縮することができるため、評価時間を短くすることが可能となった。また、回路パターンに局所的に負荷を印加できるようになったため、回路パターンのどの部分が信頼性劣化原因となっているか評価可能となり、対策の効率が大幅に向上した。また、回路パターンを最後まで作成しなくても、製造工程途中で信頼性評価できるようになったことから、プロセス条件最適化を実施する際に、プロセスの良否を即座に判定できるため、対策の効率が大幅に向上し、その結果半導体製造プロセスの開発期間および歩留まり向上期間を大幅に短縮することができるようになった。
【００４８】
また信頼性劣化のウエハ面内分布が即座に分かるので、インラインでの他の検査結果との対応や基板製造プロセスのウエハ面内分布との対応が高速、高精度に把握できるので、基板製造プロセスにいち早く異常対策処理を講ずることができ、その結果半導体装置その他の基板の不良率を低減し生産性を高めることが可能となった。さらに、異常発生をいち早く検知して、従来よりも早期に対策を講ずることが可能となったので、多量の不良発生を未然に防止し、半導体装置の信頼性を高めることができるようになった。この結果、新製品等の開発効率が向上し、且つ、製造コストが削減できるようになった。
【００４９】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明の一実施の形態による半導体検査方法は、特に、半導体装置の前工程プロセス内で行われるインライン検査工程に適用して有益な技術であり、これに限らず、不良品発生時の解析技術としてや、プロセス開発時の評価技術としてなど半導体装置の評価方法として広く適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の一実施の形態による半導体検査方法において、その検査フローの一例を示す図である。
【図２】ＴＤＤＢ特性の一例を示す説明図である。
【図３】本発明の一実施の形態による半導体検査方法において、ゲートパターンへの電気的負荷印加法の一例を示す説明図である。
【図４】本発明の一実施の形態による半導体検査方法において、それに用いる半導体検査装置の一例を示す構成図である。
【図５】本発明の一実施の形態による半導体検査方法において、ゲートパターンに電子線を照射したときの帯電状態を一例を示す説明図である。
【図６】本発明の一実施の形態による半導体検査方法において、ゲート電極部分での二次電子画像の信号強度の累積度数分布を示す説明図である。
【図７】本発明の一実施の形態による半導体検査方法において、二次電子画像の信号強度のフィルタ電圧依存性を示す説明図である。
【図８】本発明の一実施の形態による半導体検査方法において、電気的負荷印加領域と検査領域の関係の一例を示す説明図である。
【図９】本発明の一実施の形態による半導体検査方法において、ゲートパターンエッジ部分のみに電気的負荷を印加する場合の検査領域と電気的負荷印加領域との関連の一例を示す説明図である。
【図１０】本発明の一実施の形態による半導体検査方法において、電気的負荷印加と検査画像取得のタイミングの一例を示す説明図である。
【図１１】本発明の一実施の形態による半導体検査方法において、ＴＤＤＢ特性評価結果の表示例を示す説明図である。
【図１２】本発明の一実施の形態による半導体検査方法において、ＴＤＤＢ特性評価結果の不良箇所のウエハ面内分布の表示例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００５２】
１  半導体検査装置
２  電子光学系
３  ステージ機構系
４  ウエハ搬送系
５  真空排気系
６  光学顕微鏡
７  制御系
８  操作系
９ａ，９ｂ  電子銃
１０ａ，１０ｂ  コンデンサレンズ
１１ａ，１１ｂ  対物レンズ
１２ａ，１２ｂ  検出器
１３ａ，１３ｂ  エネルギーフィルタ
１４ａ，１４ｂ  偏向器
１５ａ，１５ｂ  ウエハ高さ検出器
１６  ＸＹステージ
１７  ホルダ
１８  ウエハ
１９  リターディング電源
２０  カセット載置部
２１  ウエハローダ
２２  信号検出系制御部
２３  ブランキング制御部
２４  ビーム偏向補正制御部
２５  電子光学系制御部
２６  ウエハ高さセンサ検出系
２７  ステージ制御部
２８  操作画面
２９  画像処理部
３０  画像・検査データ保存部
３１  演算部
３２  外部サーバ
３３  電極制御部
３４ａ，３４ｂ  電極
５０  検査用システム
５１  負荷印加用システム
５２  電子光学系
５６  ウエハ温度調整系
５７  負荷印加制御系
６６  レーザー光源
６７  レーザー光学系
６８  温度計
７２  信号検出系制御部
７３  ブランキング制御部
７４  ビーム偏向補正制御部
７５  電子光学系制御部
７６  ウエハ高さセンサ検出系
７７  電極制御部
７８  レーザー光学系制御部
７９  温度制御部
１１０  ゲート電極
１１１，１１２  二次電子
１１３  ゲート絶縁膜
１１４  Ｓｉ基板
１１５  しきい値
１１６  被検査パターンのフィルタ電圧依存性
１１７  帯電していないパターンのフィルタ電圧依存性
１１８  検査領域
１１９  電気的負荷印加領域
１２０  レーザー光照射領域
１２１  検査領域
１２２  電気的負荷印加領域
１２３  ゲート電極
１２４  アクティブ領域
１２５  素子分離領域
１２６  ウエハ面内分布
１２７  落ちこぼれパターン部分
１２８  ショット
【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６】
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【図７】
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【図８】
2009252995.tif 000010
【図９】
2009252995.tif 000011
【図１０】
2009252995.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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