(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウエハに形成された半導体デバイスパターンの領域に電子線を照射する電子光学カラムと、
前記電子線を前記ウエハに照射して発生する信号から前記半導体デバイスパターンの欠陥を検出する欠陥検出ユニットとを備え、
前記電子光学カラムは、前記欠陥の周辺であって収束イオンビーム装置で前記欠陥の位置が容易に確認できるような位置に、前記ウエハに前記電子線を照射してデポジションによりマークを付け、前記収束イオンビーム装置が前記マークに基づいて前記欠陥の位置を決定し、前記欠陥を含む微小試料片を前記ウエハから切り出して前記欠陥を観察して該欠陥の発生原因を究明することを特徴とする半導体デバイスパターンの検査装置。
【請求項２】
請求項１の記載において、前記欠陥の位置は、前記欠陥の周辺に付けられたマークの位置から前記欠陥までの前記ウエハに形成されたパターンの数を数えることによって決定されることを特徴とする半導体デバイスパターンの検査装置。
【請求項３】
半導体ウエハに形成された半導体デバイスパターンの第１および第２の領域に電子線を照射する電子光学カラムと、発生する二次電子を検出して照射領域の画像を形成し、前記第１の領域の画像と前記第２の領域の画像とを比較して前記半導体デバイスパターンの欠陥を検出する欠陥検出ユニットとを備え、前記電子光学カラムは検出した該欠陥の位置を示すマークを該欠陥の周辺の収束イオンビーム装置で前記欠陥の位置が容易に確認できるような位置に前記電子線を前記半導体ウエハに照射してデポジションにより形成することを特徴とする半導体デバイスパターンの検査装置。
【請求項４】
半導体ウエハに形成された半導体デバイスパターンの第１および第２の領域に電子光学カラムにより電子線を照射する工程と、該電子線の照射によって発生する二次電子を検出して照射領域の画像を形成する工程と、前記第１の領域の画像と前記第２の領域の画像とを比較して前記半導体デバイスパターンの欠陥を検出する工程と、該欠陥を検出する工程の後、該検出された欠陥の位置を示すマークを収束イオンビーム装置で前記欠陥の位置が容易に確認できるような前記欠陥の周辺の位置に前記電子光学カラムの電子線を前記半導体ウエハに照射してデポジションにより形成する工程とを備えたことを特徴とする半導体デバイスパターンの欠陥検査および不良解析方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、荷電粒子線を用いて半導体デバイスの回路パターンの欠陥を検査し、その不良原因を解析する半導体デバイスパターンの欠陥検査・不良解析方法，半導体デバイスパターンの欠陥検査・不良解析システム、および、それに用いられる半導体デバイスパターンの検査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体メモリや半導体集積演算素子に代表される半導体デバイスの高集積化に対応するため、回路パターンの微細化と多層化が急速に進み、新しいプロセス技術が採用されてきている。これに伴い、半導体ウエハに形成された半導体デバイスの下層の構造の各種欠陥に起因する半導体デバイスの製造歩留まりの低下が大きな問題となってきている。
【０００３】
図２は半導体デバイス１１の表面に近い部分の縦断面図である。例えば、図２に示すような半導体デバイス１１は製造工程の途中を示し、下地層２２の上方にプラグ２１を形成して、この後工程で形成される上層の配線層と下地層２２とを電気的に接続するようにしている。この工程において、プラグ２１と下地層２２との間の絶縁膜残さによる導通不良が発生する可能性がある。また、ゲート電極２３を形成するときに、ゲート電極２３の周辺に同じ電気伝導性の物質が形成されて、ゲート電極２３とプラグ２１間のショートや下地層２２間のショートなどが発生する可能性がある。
【０００４】
従来からの反射光を用いた検査装置では、半導体デバイスの内部のこれらの欠陥を検出することは困難であるため、図３に示すようなステップで欠陥の解析を行ってきている。
【０００５】
図３は、従来の半導体デバイスの欠陥検査のステップを示すフローチャートである。上述したように、半導体デバイス製造工程のうち、半導体デバイスのパターン形成が終了して、ウエハ前工程の途中での欠陥検出が困難であるため、ウエハ前工程（ステップ３０）の終了後のウエハからチップのひとつひとつを切り出す前に、電気的な機能テストであるプローブテスト（ステップ３１）を実施し、半導体デバイス、例えばメモリであれば、全ビットの良，不良を判定する。その後、不良ビットの座標を示すフェールビットマップを作成する(ステップ３２)。このフェールビットマップのデータを元にして、半導体ウエハから対象チップを切り出し、不良の発生の原因である欠陥部があると推定される製造工程の層まで、エッチングにより半導体デバイスの表面層を除去する工程（ステップ３３）を経た後、欠陥部を走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope）で観察し（ステップ３４）、不良の原因究明を行う。
【０００６】
あるいは、切り出したチップの欠陥部を縦方向に薄膜化して断面観察試料を作成し（ステップ３５）、透過型電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope)や走査透過型電子顕微鏡(Scanning Transmission Electron Microscope）を用いて、欠陥部位の断面を観察し（ステップ３６）、不良の原因究明を行う。しかし、いずれもウエハ前工程終了後のプローブテスト（ステップ３１）で初めて不良の発生とその場所が判明するため、不良の原因究明にいたるまでに数ヶ月を要することがあり、その間、製品の製造歩留りが悪いまま製造を続けることになるので、従来の検査の方法における経済的損失ははかりしれない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、ウエハ前工程の途中で半導体デバイスに形成されるパターンの欠陥を検出し、さらに、その欠陥部の抽出と観察を容易にすることにより、不良原因の解析精度を向上させ、欠陥発生から原因究明，対策までの期間を大幅に短縮できる半導体デバイスパターンの欠陥検査・不良解析方法，半導体デバイスパターンの欠陥検査・不良解析システム、および、半導体デバイスパターンの検査装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記本発明の目的を達成するため、本発明は、半導体ウエハに形成された半導体デバイスパターンの領域に電子線を照射する電子光学カラムと、電子線をウエハに照射して発生する信号から半導体デバイスパターンの欠陥を検出する欠陥検出ユニットとを備え、前記電子光学カラムは、欠陥の周辺であって収束イオンビーム装置で欠陥の位置が容易に確認できるような位置に、ウエハに電子線を照射してデポジションによりマークを付け、収束イオンビーム装置が前記マークに基づいて欠陥の位置を決定し、欠陥を含む微小試料片をウエハから切り出して欠陥を観察して該欠陥の発生原因を究明することを特徴とするものである。
【００１０】
また、欠陥位置あるいは近傍にマークを付けるか、あるいは、欠陥位置の座標を正確に求めるか、あるいは、パターンの基準位置から欠陥位置までの数を数えることによって、検出した欠陥の位置を後工程で容易に確認し、特定できる。
【００１１】
また、欠陥部を含む試料を透過型電子顕微鏡または走査透過型電子顕微鏡で観察するので、欠陥の形態が容易に判別でき、欠陥の発生原因を容易に、迅速に究明することが可能となる。
【００１２】
このシステムにより、ウエハ前工程の途中で、欠陥の検出とその発生原因の究明が可能となり、従来のようにプローブテストという最終工程まで待つ必要がなくなるため、欠陥の発見とその対策が短期間にできるようになる。したがって、半導体デバイスの開発時にはその期間を大幅に短縮できる。また、デバイス量産時には最終工程での不良発見よりも前で欠陥を発見でき、短期間で原因究明と対策ができるので、製造歩留りの低下による不良品の生産期間を大幅に短縮できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る半導体デバイスパターンの欠陥検査・不良解析システムの代表的な一例を、図面を用いて説明する。
【００１４】
図１は本発明の実施例における検査の手順を示すフローチャート、図４は半導体デバイスパターンの欠陥検査・不良解析システムに用いられる検査装置の外観を示す斜視図、図５は電子線式ウエハ外観検査装置の概略構造を示す縦断面図、図６は図１に示した検査の手順をさらに具体的に示すフローチャート、図７は図１に示した検査の手順の各々における試料の斜視図、図８は走査透過型電子顕微鏡の試料の斜視図である。また、図４（ａ）は、電子線式ウエハ外観検査装置、図４（ｂ）は収束イオンビーム(Focused Ion Beam)装置、図４（ｃ）は走査透過型電子顕微鏡の斜視図である。図１において、収束イオンビーム装置はＦＩＢ、透過型電子顕微鏡はＴＥＭ、走査透過型電子顕微鏡はＳＴＥＭと略されている。検査の手順は、図１において、半導体デバイスの製造工程の任意のときに図４（ａ）に示した電子線式ウエハ外観検査装置を用いて、ウエハ上の欠陥が検査される（ステップ１０１）。次に、図４（ｂ）に示した収束イオンビーム装置で、ウエハから欠陥部を含む微小試料片を切り出すマイクロサンプリングが行われる（ステップ１０２）。次に、同じ収束イオンビーム装置で、収束イオンビーム装置と透過型電子顕微鏡または走査透過型電子顕微鏡とで共通に使用できる試料ホルダ上に微小試料片が搭載され、微小試料片の欠陥部が、収束イオンビーム装置を用いて薄片化され、断面観察用の試料が作成される（ステップ１０３）。最後に、薄片化された試料が、透過型電子顕微鏡または図４（ｃ）に示した走査透過型電子顕微鏡などの薄膜断面観察装置を用いて観察され（ステップ１０４）、オペレータは電子線式ウエハ外観検査装置で検出された欠陥部の発生原因を明らかにする。
【００１５】
図５は、図４（ａ）に示した電子線式ウエハ外観検査装置の概略構造を示す縦断面図である。この装置は、特開平10−294345号公報や特開平11−51886 号公報などに記載されており、本体は電子光学カラム６０，真空排気室７０，試料室７１とから構成され、外部に制御ユニット７７などの附属装置が設けられている。
【００１６】
電子光学カラム６０は、主に、電子ビーム６２を発生させる電子源６１，電子ビーム６２をウエハ６５に収束させるコンデンサレンズ６３と対物レンズ６４，電子ビーム６２を偏向させるディフレクタ６６から構成されている。試料室７１には、ウエハ６５を載せるステージ７２，ウエハ６５のアライメントのために光でウエハ６５を観察する光学式顕微鏡７３，電子ビーム６２の照射によって発生する二次電子６７を検出するディテクタ６８から構成されている。ディテクタ６８で検出された信号は、画像形成ユニット７４で画像信号となり、バス７８を介して欠陥判別ユニット７５で画像を用いて欠陥が抽出され、モニタユニット６９に表示されたり、ＬＡＮ経由で外部のデータベースへ出力される。
【００１７】
画像形成ユニット７４で形成された画像信号はメモリ７６へ記憶され、次の信号から形成された画像信号と比較され、ふたつの画像の差異が欠陥として抽出され、モニタユニット６９に表示される。
【００１８】
このときの欠陥の位置情報は、光学式顕微鏡７３で確認されたステージ７２の位置情報に基づいて、電子ビーム６２が照射されるウエハ６５の位置が決定されるので、ステージ７２の位置情報と、モニタユニット６９上の電子ビーム画像とから決定できる。
【００１９】
これらの動作、ステージの動作，電子ビーム６２の偏向などは、制御ユニット７７のマイクロコンピュータで演算された制御信号で制御される。オペレータは、検査前にはウエハ６５の名前や履歴，検査条件や動作の指令を入力する。
【００２０】
このウエハ外観検査装置は、電子ビーム６２の電流、および、ウエハ６５へ到達するときの減速電圧が変えられるようになっており、これらの調整によって、光学式外観検査装置を用いた場合のようなウエハ６５の表面の観察からは検出できない、半導体デバイスの内部構造の欠陥に起因する不良を検出できる点に特徴がある。例えば、図２に示した非導通やショートなどの欠陥を電位コントラスト効果にて検出することが可能である。
【００２１】
図６において、ステップ４１の上記電子線式欠陥検査の後、ステップ４２で、ウエハの欠陥の位置情報を付ける。図７（ａ）において、ウエハ１０５上で検出された欠陥１０６の位置を、後工程の収束イオンビーム装置で位置が容易に確認できるように、欠陥位置の近傍にマークを付ける。または、欠陥位置あるいは近傍の座標を正確に求め、後工程の装置と座標を共通化する。あるいは、後工程の装置と座標変換を容易にする。
【００２２】
図７(ｂ)の例では、図２に示すプラグ２１が丸い形状のパターンとして表面に出ている場合であり、電位コントラスト効果により、図２に示す下地層２２に対して非導通であるプラグ２１が、他の正常なプラグに対して暗いパターンの欠陥１０６として検出されるケースを示している。欠陥抽出終了後、その欠陥１０６の位置を明確にするため、検査装置の電子ビームで欠陥部の周辺にマーク１０７を付ける。あるいは、検出され欠陥を電位コントラスト効果で確認できるレビュー装置を用いてマーク１０７を付けてもよい。
【００２３】
次に、図６のステップ４５で、前述の欠陥の位置情報に基いて、マイクロサンプリング機能を有する図４（ｂ）に示した収束イオンビーム装置を用いて、図７（ｃ）に示す欠陥１０６を含む微小試料片１０８をウエハ１０５から切断し、切り出す。そして、図７(ｄ)に示すように、微小試料片１０８を試料ホルダ１０９の上に搭載し、固定する。微小試料片１０８をＦＩＢ装置を用いてピックアップするマイクロサンプリング技術については、特開平5−52721号公報に記載された技術が知られている。
【００２４】
次に、収束イオンビーム装置で、図８に示すように、試料ホルダ１０９に搭載された状態で微小試料片１０８を薄片化して薄片化部１１０を作成する。
【００２５】
薄片化試料の断面観察用の透過型電子顕微鏡、または、図４（ｃ）に示した走査透過型電子顕微鏡と、収束イオンビーム装置とで、同一の試料ホルダ１０９を用いることにより、試料の薄片化加工と断面観察の作業性とが大幅に向上できる。この技術については、特開平6−103947 号公報に記載された技術が知られている。
【００２６】
微小試料片１０８のピックアップの方法については、上記したようにウエハ
１０５から直接サンプリングする方法もあるが、図６のステップ４３から４４に示すように、ウエハ１０５から欠陥部１０６を含むチップを切断して取り出し、続いてこのチップから同じようにＦＩＢを用いて微小試料片１０８をサンプリングすることも可能である。この場合も、欠陥部の位置を示すマークや座標情報をもとにして、効率良くピックアップする事が可能となる。
【００２７】
このようにして、ステップ４６の試料の薄片化加工と、ステップ４７の断面観察が実行される。
【００２８】
次に、図９を用いて、検出された欠陥の位置を示すマークを形成する手法を説明する。図９は、半導体デバイスパターンの一例の斜視図である。パターンは図７（ｂ）に示したプラグのパターンである。図４（ａ）に示した電子線式ウエハ外観検査装置において検出された欠陥１０６に対し、その周辺に、パターンの配列方向に一致させてＸ方向とＹ方向の２本のライン状のマーク１０７を、マーク１０７の部分に電子ビーム５２を照射し走査することで形成する。ウエハの上部にはカーボンなどを含むガスが存在するため、マーク１０７の部分に電子ビーム５２を照射し走査する事でデポジション現象が発生し、マーク１０７を形成することができる。
【００２９】
また、欠陥１０６の周辺にデポジション用のガス５１を供給し、マーク１０７の部分に電子ビーム５２を照射し走査することにより、デポジション用のガス５１が分解し、ウエハ上にマーク１０７を形成することもできる。デポジション用のガス５１を供給した方が、マーク１０７を確実に形成することができる。
【００３０】
上述した例のような欠陥の位置を示すマークを付けずに、欠陥の座標データによって位置を探索しようとする場合は、以下のような問題がある。一般に、電子線式ウエハ外観検査装置や収束イオンビーム装置の画像には、それぞれ歪みやスケールの誤差が存在している。これらの誤差を装置間で正確に補正する事は非常に困難である。繰返しピッチが０.１ ミクロンメートル以下の同じ形状の繰返しパターンから構成される半導体デバイスのパターンの場合、画像に誤差を有する電子線式ウエハ外観検査装置，収束イオンビーム装置を用い、座標データのみで欠陥部位を特定しようとすると、基準位置から欠陥までの距離を示す座標データでは、欠陥の隣の正常パターンを欠陥の位置であると誤認識する可能性がある。図４（ｂ）に示した収束イオンビーム装置を用いて欠陥を観察すると、電子線式ウエハ外観検査装置と同様、電位コントラスト効果により、欠陥個所からの信号と他の正常部からの信号とは異なって検出される場合が多い。従って、電子線式ウエハ外観検査装置で検出された欠陥の座標データにもとづいて、収束イオンビーム装置内でウエハまたはチップの位置決めを行って、収束イオンビーム装置の観察視野内に欠陥を入れ、次に、電位コントラスト効果により欠陥を明確に識別するようにする。このように、収束イオンビーム装置を用いれば、欠陥の位置を容易に見つけることが可能である。
【００３１】
また、電位コントラスト効果が十分には得れない試料の場合は、基準位置から欠陥までのパターンの数を数えることによって、欠陥を特定できる。半導体デバイスのパターンの場合、ある定められた周期で繰返し性のあるパターンが用いられる事が多い。代表的なものは、上層と下層とを接続するプラグを埋めるための開口パターンである。電子線式ウエハ外観検査装置では、欠陥の位置を示す基準位置からの座標データを用いて、欠陥位置までのパターンの繰返し数を算出し、収束イオンビーム装置では、基準位置からのパターンの繰返し数をカウントする事で欠陥の位置を特定する事ができる。パターンは１個ずつカウントするばかりでなく、いくつかのまとまりを一組としてカウントしてもよい。もちろん、このカウントはオペレータが実施してもよいが、画面上に表示された複数のパターンの中から前記欠陥を特定する欠陥特定ユニットを、装置に設けておく。
【００３２】
さらに、収束イオンビーム装置において、与えられる座標データを基準位置から欠陥の位置までのパターン繰返し数に変換し、対象とする試料の収束イオンビーム装置の観察画像を用いて、１画素サイズ当りのパターンの繰返しピッチ数から、画像歪みの補正量を算出し、その補正量をもとにして、基準位置から欠陥位置までの距離を、画素数を基準として欠陥位置を見出すようにして、画面上に表示された複数のパターンの中から前記欠陥を特定する欠陥特定ユニットを設けておく。
【００３３】
このように、電子線式ウエハ外観検査装置で欠陥を検出し、半導体デバイスの表面形状からだけでは検出できない欠陥に起因する不良部の位置を明確化できるため、その後の不良原因の解析精度や解析効率を向上できるという効果がある。また、電子線式ウエハ外観検査装置を用いて検出された欠陥を含む微小試料片を、収束イオンビーム装置を用いてサンプリングし、走査透過型電子顕微鏡などの薄片化部の断面観察装置と共通の試料ホルダに搭載する事で、効率良く不良原因を解析することが可能になる。
【００３４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、ウエハ前工程の途中で半導体デバイスに形成されるパターンの欠陥を検出し、さらに、その欠陥部の抽出と観察を容易にすることにより、不良原因の解析精度を向上させ、欠陥発生から原因究明，対策までの期間を大幅に短縮できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】検査の手順を示すフローチャート。
【図２】半導体デバイスの表面に近い部分の縦断面図。
【図３】従来の半導体デバイスの欠陥検査のステップを示すフローチャート。
【図４】半導体デバイスパターンの欠陥検査・不良解析システムに用いられる検査装置の外観を示す斜視図。
【図５】電子線式ウエハ外観検査装置の概略構造を示す縦断面図。
【図６】図１に示した検査の手順をさらに具体的に示すフローチャート。
【図７】図１に示した検査の手順の各々における試料の斜視図。
【図８】走査透過型電子顕微鏡の試料の斜視図。
【図９】半導体デバイスパターンの一例の斜視図。
【符号の説明】
１１…半導体デバイス、２１…プラグ、２２…下地層、２３…ゲート電極、５１…ガス、５２…電子ビーム、１０５…ウエハ、１０６…欠陥、１０７…マーク、１０８…微小試料片、１０９…試料ホルダ、１１０…薄片化部。
【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】
0003843671.tif 000008
【図８】
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【図９】
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