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技術 微小構造欠陥の検出

出願人 アプライドマテリアルズインコーポレイテッド
発明者 チウェイウェインローピエールペレス
出願日 2013年6月7日 (7年5ヶ月経過) 出願番号 2013-121159
公開日 2013年12月5日 (6年11ヶ月経過) 公開番号 2013-243368
状態 特許登録済
技術分野 半導体等の試験・測定 電子顕微鏡1 電子顕微鏡2 電子顕微鏡(3)
主要キーワード 基底部材 電圧コンタクト 地気電位 高アスペクト比形状 可変軸 接地導電体 浮き部分 充填工程前
関連する未来課題
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図面 (10)

課題

とくに貫通孔を含む微小構造欠陥の検出を行う方法および装置。

解決手段

コンタクト孔バイアホールのある領域を負極性帯電させるようにウェーハ220に帯電粒子ビームを導く過程と、帯電粒子ビームによる走査検出出力信号を発生するように二次粒子を検出しながら行う過程と、検出出力信号から貫通孔の見かけ上の寸法を判定する過程と、欠陥を検出するように貫通孔の見かけ上の寸法を基準情報と比較する過程とを含む。基準情報は慣用電圧コントラスト画像で構成でき、又コンタクト孔の所期物理的大きさ及びコンタクト孔の内部又は下の材料の電気的接続性を指示する設計データでも構成できる。ウェーハの帯電は、フラッドガン208からの電子フラッドをウェーハの表面に向けながら二次電子をウェーハに戻すようにエネルギーフィルタ206の電圧設定を行ったりすることにより行う。

概要

背景

半製品微小回路などの微小構造における欠陥の検出のための検査には種々の手法が使われている。例えば、光学式の検査システムでは微小回路の光学像を生成し、その画像を異常検出のために検査する。しかし、それら光学像では、ごく小さい形状特徴の特定を可能にするには解像度が不十分であり、電気的に有害な欠陥と無害な欠陥との区別が不十分であり、表面よりも低い位置にある欠陥の検出には焦点深度が不十分である。帯電粒子ビーム利用の検査システムは、最小臨界寸法0.35μm以下で製造した微小回路の検査の場合は、光学式検査手法に比べて有利である。帯電粒子ビーム利用による欠陥検査手法は、コンタクト孔ゲートおよび多結晶シリコン線などの微小な形状特徴を画像化するのに十分な解像度を備え、電圧コントラストに基づく重度の欠陥の検出に利用できる。浮いた導電体およびn型拡散領域に接続された導電体は接地導電体およびp型拡散領域に接続された導電体よりも高い電圧または低い電圧になる。電圧コントラスト画像では、後者は前者よりも通常暗い電気的欠陥は電圧コントラスト画像の中で形状特徴を初期値よりも明るくしたり暗くしたりするので検出できる。

概要

とくに貫通孔を含む微小構造の欠陥の検出を行う方法および装置。コンタクト孔やバイアホールのある領域を負極性帯電させるようにウェーハ220に帯電粒子ビームを導く過程と、帯電粒子ビームによる走査検出出力信号を発生するように二次粒子を検出しながら行う過程と、検出出力信号から貫通孔の見かけ上の寸法を判定する過程と、欠陥を検出するように貫通孔の見かけ上の寸法を基準情報と比較する過程とを含む。基準情報は慣用の電圧コントラスト画像で構成でき、又コンタクト孔の所期物理的大きさ及びコンタクト孔の内部又は下の材料の電気的接続性を指示する設計データでも構成できる。ウェーハの帯電は、フラッドガン208からの電子フラッドをウェーハの表面に向けながら二次電子をウェーハに戻すようにエネルギーフィルタ206の電圧設定を行ったりすることにより行う。

目的

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
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請求項1

半導体ウェーハ検査する方法であって(a)基板貫通孔のある前記ウェーハの領域を負極性帯電させるように前記ウェーハに帯電粒子ビームを導く過程と、(b)前記領域の帯電粒子ビームによる走査二次粒子を検出しながら検出出力信号を発生するように行う過程と、(c)前記検出出力信号から前記少なくとも一つの貫通孔見かけ上の寸法を算定する過程と、(d)欠陥を検出するように前記少なくとも一つの貫通孔の見かけ上の寸法を基準情報と比較する過程とを含む方法。

請求項2

前記基準情報が電圧コントラスト画像で構成されている請求項1記載の方法。

請求項3

帯電粒子を前記ウェーハに導く過程が電子フラッドを前記ウェーハの表面に向ける過程を含む請求項1記載の方法。

請求項4

帯電粒子を前記ウェーハに導く過程が帯電粒子ビームを前記ウェーハに向けながら二次電子を前記ウェーハに戻すようにエネルギーフィルタ電圧設定を行う過程を含む請求項1記載の方法。

請求項5

帯電粒子を前記ウェーハに導く過程が約50V以下のエネルギーの電子で前記ウェーハを照射する過程を含む請求項1記載の方法。

請求項6

微小構造を検査する方法であって、(a)微小構造を帯電させる過程と、(b)前記微小構造の少なくとも一つの形状特徴について見かけ上の寸法の情報を生ずるように前記微小構造を帯電粒子ビームで精査する過程と、(c)欠陥を検出するように前記見かけ上の寸法の情報を前記微小構造に関する基準情報と比較する過程とを含む方法。

請求項7

微小構造を帯電させる過程が前記少なくとも一つの形状特徴を負極性に帯電させるように帯電粒子を前記微小構造に導く過程を含む請求項6記載の方法。

請求項8

微小構造を帯電させる過程が電子フラッドを前記微小構造の表面に向ける過程を含む請求項6記載の方法。

請求項9

微小構造を帯電させる過程が、帯電粒子ビームで前記微小構造を精査しながら二次電子を前記微小構造に戻すようにエネルギーフィルタの電圧設定を行う過程を含む請求項6記載の方法。

請求項10

微小構造を帯電させる過程が約50V以下のエネルギーの電子で前記微小構造を照射する過程を含む請求項6記載の方法。

請求項11

前記微小構造を精査する過程が、前記見かけ上の寸法の情報の算定のもととなった前記微小構造の表面領域の電圧コントラスト画像を発生する過程を含む請求項6記載の方法。

請求項12

前記微小構造を精査する過程が帯電粒子による前記微小構造の表面領域の走査を、前記表面領域の電圧コントラスト画像を形成するように前記表面領域からの帯電粒子を検出しながら行う過程を含む請求項6記載の方法。

請求項13

前記見かけ上の寸法の情報を前記微小構造に関する基準情報と比較する過程が、前記少なくとも一つの形状特徴の見かけ上の寸法を所期寸法値と比較する過程を含む請求項6記載の方法。

請求項14

前記見かけ上の寸法の情報を前記微小構造に関する基準情報と比較する過程が、前記形状特徴の見かけ上の寸法がその形状特徴の内部または下の材料の所期の電気的接続可能性と整合しているか否かを判定する過程を含む請求項6記載の方法。

請求項15

前記見かけ上の寸法の情報を前記微小構造に関する基準情報と比較する過程が、前記少なくとも一つの形状特徴の見かけ上の寸法を慣用の電圧コントラスト画像の中の前記形状特徴と比較する過程を含む請求項6記載の方法。

請求項16

前記微小構造の慣用の電圧コントラスト画像を形成する過程をさらに含み、前記微小構造を精査する過程が前記微小構造の表面領域の形状特徴拡大電圧コントラスト画像を発生する過程を含み、前記見かけ上の寸法の情報を前記微小構造についての基準情報と比較する過程が前記慣用の電圧コントラスト画像の中の前記少なくとも一つの形状特徴の見かけ上の寸法を前記形状特徴拡大電圧コントラスト画像の中の前記少なくとも一つの形状特徴の見かけ上の寸法と比較する過程を含む請求項6記載の方法。

請求項17

微小構造を検査する装置であって、(a)微小構造を帯電させるように構成した帯電手段と、(b)前記微小構造の少なくとも一つの形状特徴に関する見かけ上の寸法の情報を生ずるために前記微小構造を帯電粒子ビームで精査するように構成した精査手段と、(c)欠陥を検出するために前記情報を前記微小構造に関する基準情報と比較するように構成した比較手段とを含む装置。

請求項18

前記帯電手段が前記少なくとも一つの形状特徴を負極性に帯電させるために帯電粒子を前記微小構造に導くように構成した帯電粒子源を含む請求項17記載の装置。

請求項19

前記帯電手段が電子フラッドを前記微小構造の前記表面に導く電子フラッドガンを含む請求項17記載の装置。

請求項20

前記帯電手段が帯電粒子ビーム源およびエネルギーフィルタ、すなわち前記帯電粒子ビーム源からの帯電粒子ビームによる前記微小構造の精査の期間中に二次電子を前記微小構造に戻すように構成した帯電粒子ビーム源およびエネルギーフィルタを含む請求項17記載の装置。

請求項21

前記帯電手段が約50V以下のエネルギーの電子で前記微小構造を照射するように構成した電子源を含む請求項17記載の装置。

請求項22

前記帯電手段が前記微小構造の表面領域の電圧コントラスト画像を生ずるように構成した帯電粒子ビーム源および検出器を含む請求項17記載の装置。

請求項23

前記精査手段が、前記微小構造の表面領域を帯電粒子ビームにより走査するように構成した帯電粒子ビーム源と前記表面領域からの帯電粒子を検出するように構成した検出器とを含み、前記表面領域の電圧コントラスト画像を生ずる請求項17記載の装置。

請求項24

前記比較手段が、前記少なくとも一つの形状特徴の見かけ上の寸法がその少なくとも一つの形状特徴の中または下の所期の電気的接続性と整合しているか否かを判定するように構成されている請求項17記載の装置。

請求項25

前記比較手段が、前記少なくとも一つの形状特徴の見かけ上の寸法がその少なくとも一つの形状特徴の中または下の材料の所期の電気的接続性と整合するか否かを判定するように構成されている請求項17記載の装置。

請求項26

前記比較手段が、前記少なくとも一つの形状特徴の見かけ上の寸法を慣用の電圧コントラスト画像の中の前記形状特徴の寸法と比較するように構成されている請求項17記載の装置。

請求項27

前記精査手段が前記微小構造の慣用の電圧コントラスト画像を発生するように構成され、前記精査手段が前記微小構造の表面領域の形状特徴拡大電圧コントラスト画像を発生するようにさらに構成され、前記比較手段が前記慣用の電圧コントラスト画像の中の前記少なくとも一つの形状特徴を前記形状特徴拡大電圧コントラスト画像の中の前記少なくとも一つの形状特徴と比較するように構成されている請求項17記載の装置。

請求項28

微小構造を検査する装置であって、(a)微小構造を帯電させる手段と、(b)前記微小構造の少なくとも一つの形状特徴について見かけ上の寸法の情報を生ずるように微小構造を帯電粒子ビームで精査する手段と、(c)欠陥を検出するように前記見かけ上の寸法の情報を前記微小構造に関する基準情報と比較する手段とを含む装置。

請求項29

微小構造を帯電させる手段が前記少なくとも一つの形状特徴を負極性に帯電させるように帯電粒子を前記微小構造に導く手段を含む請求項28記載の装置。

請求項30

微小構造を帯電させる手段が電子フラッドを前記微小構造の表面に向けるフラッドガンを含む請求項28記載の装置。

請求項31

微小構造を帯電させる手段が、前記微小構造に帯電粒子ビームを導く帯電粒子源と、前記帯電粒子ビームの前記微小構造への印加時に二次電子を前記微小構造に戻すように帯電させたエネルギーフィルタとを含む請求項28記載の装置。

請求項32

前記微小構造を帯電させる手段が、前記微小構造を50V以下のエネルギーの電子で前記微小構造を照射する照射ビーム源を含む請求項28記載の装置。

請求項33

前記微小構造を精査する手段が、前記微小構造の表面領域を帯電粒子ビームで走査する帯電粒子ビーム源と、前記見かけ上の寸法の情報の算定のもとになる電圧コントラスト画像を発生する二次電子検出器とを含む請求項28記載の装置。

請求項34

前記情報を前記微小構造に関する基準情報と比較する手段が前記少なくとも一つの形状特徴の見かけ上の寸法を所期の寸法と比較する手段を含む請求項28記載の装置。

請求項35

前記情報を前記微小構造に関する基準情報と比較する手段が前記少なくとも一つの形状特徴の見かけ上の寸法がその少なくとも一つの形状特徴の中または下の材料の所期の電気的接続性と整合するか否かを判定する手段を含む請求項28記載の装置。

請求項36

前記情報を前記微小構造に関する基準情報と比較する手段が前記少なくとも一つの形状特徴の見かけ上の寸法を慣用の電圧コントラスト画像の中の前記形状特徴の寸法と比較する手段を含む請求項28記載の装置。

請求項37

半導体ウェーハを検査する方法を実行するように帯電粒子ビームシステムを制御する命令を含むコンピュータ読取可能な媒体において、前記方法が、(a)基板貫通孔のある領域を負極性に帯電させるようにウェーハに帯電粒子ビームを導く過程と、(b)前記領域の帯電粒子ビームによる走査を二次粒子の検出により検出出力信号を発生しながら行う過程と、(c)前記検出出力信号から少なくとも一つの前記貫通孔の見かけ上の寸法を算定する過程と、(d)欠陥を検出するように前記少なくとも一つの貫通孔の見かけ上の寸法を基準情報と比較する過程とを含む方法である媒体。

請求項38

コンピュータ読取可能なプログラムコードであって帯電粒子ビームシステムを制御するためのプログラムコードを含むコンピュータに使用可能な媒体を含むコンピュータプログラムプロダクトにおいて、(a)前記帯電粒子ビームシステムに微小構造を帯電させるように構成したコンピュータ読取可能なプログラムコードと、(b)前記帯電粒子ビームシステムに前記微小構造を帯電粒子ビームで精査させて前記微小構造の少なくとも一つの形状特徴についての見かけ上の寸法の情報を生じさせるように構成したコンピュータ読取可能なプログラムコードと、(c)前記帯電粒子ビームシステムに前記見かけ上の寸法の情報を前記微小構造についての基準情報と比較させて欠陥を検出させるコンピュータ読取可能なプログラムコードとを含むコンピュータプログラムプロダクト。

技術分野

0001

この発明はとくに半製品微小回路における欠陥帯電粒子ビーム利用により検出する微小構造検査に関する。

0002

この出願は1997年7月15日提出の同時出願中の米国特許出願第08/892,734号、1997年1月13日提出の同米国特許出願第08/782,740号、1998年1月23日提出の同米国特許出願第09/012,227号、この出願の原出願と同日付の米国特許出願第09/226,967号「パターン形成ずみ基板の欠陥の検出」、同米国特許出願第09/227,747号「形状特徴を利用した欠陥検出」、および同米国特許出願第09/227,395号「低電圧粒子ビームを用いた半導体検査用の電圧コントラスト方法及び装置」に関連し、これら出願をここに参照して、それぞれの内容をこの明細書に組み入れる。

背景技術

0003

半製品微小回路などの微小構造における欠陥の検出のための検査には種々の手法が使われている。例えば、光学式の検査システムでは微小回路の光学像を生成し、その画像を異常検出のために検査する。しかし、それら光学像では、ごく小さい形状特徴の特定を可能にするには解像度が不十分であり、電気的に有害な欠陥と無害な欠陥との区別が不十分であり、表面よりも低い位置にある欠陥の検出には焦点深度が不十分である。帯電粒子ビーム利用の検査システムは、最小臨界寸法0.35μm以下で製造した微小回路の検査の場合は、光学式検査手法に比べて有利である。帯電粒子ビーム利用による欠陥検査手法は、コンタクト孔ゲートおよび多結晶シリコン線などの微小な形状特徴を画像化するのに十分な解像度を備え、電圧コントラストに基づく重度の欠陥の検出に利用できる。浮いた導電体およびn型拡散領域に接続された導電体は接地導電体およびp型拡散領域に接続された導電体よりも高い電圧または低い電圧になる。電圧コントラスト画像では、後者は前者よりも通常暗い電気的欠陥は電圧コントラスト画像の中で形状特徴を初期値よりも明るくしたり暗くしたりするので検出できる。

発明が解決しようとする課題

0004

しかし、幅に対して深さのあるコンタクト孔の底部などアスペクト比の大きい微小構造の電圧コントラスト画像を良品質で形成するのは難しい。電圧コントラスト画像は、接地した回路構造、n型拡散領域、p型拡散領域およびゲート領域相互間で明確なコントラスト差を通常呈するが、高アスペクト比の構造はそのような明確なコントラスト差は呈しない。すなわち、高アスペクト比構造の底部は、その構造の側壁による二次電子への障害およびそれに伴う側壁の帯電によって低いコントラストを呈する。

0005

それら高アスペクト比構造の例として、製造の中間段階におけるウェーハのコンタクト孔が挙げられる。接地領域、n型拡散領域、p型拡散領域およびゲート領域などの構造を形成したあと、それら構造を誘電体層被覆し、その誘電体層の適切な位置にコンタクト孔を形成して、後続工程による金属層が上記領域に電気的に接触するようにする。コンタクト孔のアスペクト比が上記のように大きいので、大ビーム電流利用により形成した電圧コントラスト画像は領域間を明確に区別するには不十分なコントラストになる。

0006

臨界寸法測定システムにおける走査電子顕微鏡などの帯電粒子ビームシステムは、側壁帯電を防止するようにコンタクト孔画像形成用ビーム電流をごく低い値にして動作できる。しかし、これによってシステムのスループットは制限され、電圧コントラストは低下する。すなわち、上記構造を帯電させるにはビーム電流が不十分になるからである。画像形成ショット雑音電子電荷不連続性に起因する電流変動)のために同様に低速になる。

0007

コンタクト孔など高アスペクト比構造の電子ビームによる画像化を、二つの信号検出サブシステム、すなわち一方をサブミクロン構造の上面での画像形成に最適化し他方を同構造の基底部での画像形成に最適化した二つの信号検出サブシステムを用いて行う手法が米国特許第5,493,116号に記載されている。これら検出サブシステムの発生した信号は、共焦点光学顕微鏡で得られる拡張焦点画像に類似した画像を生ずるように合成する。

0008

微小構造、とくに半製品微小回路の部分を含む半導体ウェーハにおける欠陥の検出のための改良型の方法および装置が必要である。

課題を解決するための手段

0009

この発明による微小構造欠陥の検査方法は、コンタクト孔やバイアホールなど基板貫通孔のある領域を負極性に帯電させるようにウェーハに帯電粒子ビームを導く過程と、前記領域の帯電粒子ビームによる走査二次粒子の検出により検出出力信号を発生しながら行う過程と、前記検出出力信号から前記貫通孔見かけ上の寸法を判定する過程と、欠陥を検出するように前記貫通孔の見かけ上の寸法を基準情報と比較する過程とを含む。上記基準情報は慣用の電圧コントラスト画像で構成でき、またコンタクト孔もしくはバイアホールの物理的大きさおよびコンタクト孔もしくはバイアホールの内部または下の材料の電気的接続性を指示する設計データでも構成できる。フラッドガンからの電子または一次ビームをウェーハの表面に向けることによって、または帯電粒子ビームをウェーハに向けながら二次電子をウェーハに戻すようにエネルギーフィルタ電圧設定を行うことによって、このウェーハを帯電させる。

0010

この発明による微小構造検査の上記以外の方法は、微小構造を帯電させる過程と、前記微小構造の形状特徴について見かけ上の寸法の情報を生ずるように前記微小構造を帯電粒子ビームで精査する過程と、欠陥を検出するように前記見かけ上の寸法の情報を前記微小構造に関する基準情報と比較する過程とを含む。前記微小構造を精査する過程は、帯電粒子による前記微小構造の表面領域の走査を、前記表面領域の電圧コントラスト画像を形成するように前記表面領域からの帯電粒子を検出しながら行う過程を含む。前記見かけ上の寸法の情報を前記微小構造に関する基準情報と比較する過程は、前記形状特徴の見かけ上の寸法を所期の値と比較することや、前記形状特徴の見かけ上の寸法がその形状特徴の内部または下の材料の所期の電気的接続可能性と整合しているか否かを判定することや、前記形状特徴の見かけ上の寸法を慣用の電圧コントラスト画像またはSEM画像の形状特徴の見かけ上の寸法と比較することなどによって構成できる。

0011

この発明の実施例には、微小構造検査装置、半導体ウェーハ検出方法を実施する帯電粒子ビームシステム制御用命令を含むコンピュータ読取可能な媒体の検査装置、微小構造検査のための帯電粒子ビームシステム制御用に具体化したコンピュータ読取可能なプログラムを含むコンピュータ読取可能な媒体から成るコンピュータプログラムプロダクトの検査装置などがある。

0012

この発明による上記の特徴および上記以外の特徴は図面を参照した次の説明から当業者にはよりよく理解されよう。

図面の簡単な説明

0013

この発明による方法の実施に有用な帯電粒子ビーム利用の欠陥検査システム概要図。
この発明による方法の実施に有用な帯電粒子ビーム光学カラム対物レンズ側の端部の部分的断面図。
互いに同程度の寸法で互いに異なる電気的接続性のウェーハコンタクト孔の従来技術による電圧コントラスト画像。
高アスペクト比コンタクト孔の例を含むウェーハの一部の断面図。
この発明に整合した方法で作成したウェーハ領域の形状特徴拡大電圧コントラスト画像。
近傍表面負極性帯電の状態で浮いたコンタクト孔、帯電させたコンタクト孔を取り囲むシュミレーションによる等電位線を示す図。
近傍表面負極性帯電の状態で帯電させたコンタクト孔を取り囲むシュミレーションによる等電位線を示す図。
近傍表面負極性帯電の状態で接地したコンタクト孔を取り囲むシュミレーションによる等電位線を示す図。
この発明による方法の主な特徴を示す流れ図。

実施例

0014

図1はこの発明による微小構造の検査の実施に有用な帯電粒子ビームシステムの概略図である。この出願の出願人が1997年7月15日付で提出した米国特許出願番号第08/892,734号記載のシステムもこの発明の実施に適している。図1において、真空チェンバ110は、試料プレート上に半導体集積回路(IC)ウェーハ114を保持するx,y,θウェーハハンドリングステージ112を内部に備える。ステージ112へのウェーハの装着およびステージ112からのウェーハの取外しを高速化するために、複数枚のウェーハを保持するウェーハカセット116と、ウェーハハンドリングロボット(図示してない)を真空中および空気中で動作させるウェーハロードブロック118とを備える。このシステムは、例えば、カリフォルニアサンホゼ所在のシュルンベルジェテクノロジーズ社自動化試験装置事業部から市販されているIDS10000システムなどのIC電子ビームプローブシステムに用いられているものと同様の走査電子顕微鏡カラム120を含む。カラム120は慣用の熱電界放射(TEF)電子ビーム源122を備える。この電子銃イオンポンプ124で直接に排気する。電子銃はカラム120のタブ分よりも高真空度になっており、最近のSEMの大部分の場合と同様に差動排気開口でカラム120の他部分から分離されている。一次ビーム衝突エネルギーは例えば700eVから1.5keVの範囲で調節できる。試料に流れるビーム電流は集束レンズビーム制限開口とにより例えば500pA乃至10nA以上の範囲で調節できる。カラム120は後述のウェーハチャックバイアス電圧および抽出電極との組合せで局部帯電制モジュール(LCCM)を形成する。

0015

カラム120は、シュルンベルジェ社製IDS5000型およびIDS10000型電子ビームプローブシステムに用いられているものと同じ構成の大視野(FOV)可変軸漬レンズ(VAIL)126を備えるのが望ましい。レンズ磁気浸漬型、すなわち試料を最大軸方向磁界点に保持する形式のもので構成する。すなわち、レンズ磁界が「磁気ボトル」として作用し、電子収集用高電界をかけることなくコリメーションと二次電子収集とを可能にする。そのような強い静電界は表面帯電を不安定にし、電圧コントラスト画像を強めるためにウェーハバイアス抽出電圧およびエネルギーフィルタを互いに独立に最適化することを不可能にする。例えば0.25mm乃至1.5mmの大きい高解像度(例えば30nm乃至100nm)視野(FOV)を達成するために、レンズに前置偏向コイルおよび偏向コイルの両方を備える。

0016

対物レンズ組立体は、「レンズ内」フラッドガン128およびビーム偏向電極130を備え、試料および導電体プリチャージ用の幅広大電流投光照明型ビームと、導電体帯電状態精査のための高速画像化(通常10MHz乃至100MHz)用高解像度一次ビームとの高速多重化を可能にする。フラッドガン構成は、例えば1998年1月23日提出の米国特許出願第09/012,277に記載してある。フラッドガン128および後述のウェーハチャックバイアス電圧並びに抽出電圧は大域帯電制御モジュールGCCM)を構成する。このGCCMは広範囲の帯電に用い、LCCMは局部化した帯電に用いる。

0017

一次電子により試料表面のラスタ走査に伴って発生する二次電子ほかの二次粒子を検出して検出信号を生じ、その検出信号を信号処理して試料の画像を形成する。これら二次電子はレンズ電磁界によって集められ、レンズの孔を通って戻り、Wienフィルタ交叉電磁界を有する)で一次電子ビームから分離される。次に、それら二次電子を、Evahart-Thornley検出器としても知られるシンチレータ二次電子増倍管(PMT)組合せなどから成る電子検出器132で検出する。例えば上記米国特許出願第09/012,277号記載のとおり、投光照明型ビーム使用時に生ずる強い二次電子電流による損傷または急速損耗を防ぐために、電子検出器には遮蔽体を設ける。

0018

ウェーハハンドリングステージ112は、概略的に図示したとおりバイアス電圧をバイアス電圧源136から受けるウェーハチャック134を含む。抽出電極138にもバイアス電圧を電圧源140から供給する。ウェーハチャック134および抽出電極138にそれぞれからかけられるこれらのバイアス電圧は互いに独立に供給し、画像形成中のウェーハの種類および検出対象の欠陥の種類に応じて電圧コントラスト最適化を達成するように電圧レベル設定する。上記米国特許出願第08/892,734号および同第09/012,277号に詳述したとおり、ウェーハ表面は正極性または負極性に帯電させることができる。ウェーハバイアス電圧を変動させてウェーハ表面へのビーム衝突エネルギーを独立に変動させることもできる。この手法は、例えばシリサイドなど薄層付きのウェーハにおいて帯電漏洩によるビーム貫通を防止するために、解像度低下を伴うことなく低衝突エネルギーを用いる場合に必要となる。

0019

レンズ126の孔には、上記シュルンベルジェ社IDS5000型システムおよびIDS10000型システムに用いてあるものと同様の減速電界電子エネルギースペクトロメータを備える。このスペクトロメータはエネルギーフィルタメッシュ電極144を備え、特定のエネルギー範囲、例えば乃至15eVの範囲のエネルギーでのウェーハからの二次電子を捕捉することによって特定の種類のウェーハについての電圧コントラストを最適化するのに用いることができる。

0020

高速ウェーハステージ112は、例えば直径300mmウェーハを取り扱うことができ、その全表面の検査を可能にする。ウェーハは、慣用の静電型チャックなどのウェーハチャック114の上に支持する。このステージは通常真空中での動作に適合し、不要のビーム偏向およびレンズ干渉の最小化のために非磁性体製であり、クリーンルーム基準を充足し、所要精度を達成できるものでなければならない。ステージ精度画像目合せ処理オーバーヘッドとはトレードオフの関係にある。スループット確保のために機械的移動のあとの安定化所要時間0.3秒以下、直線速度100ミリメートル/秒の高速高精度(検出用レーザ干渉計帰還0.1マイクロメートル以下)の性能を備えるのが望ましい。帰還精度0.1μm以下を達成するために、ステージとカラムとの間の機械式移動の通路は十分な剛性を備える必要がある。例えば、真空チェンバ110の天板146を度量衡板としてH形フレーム補強の厚さ5インチアルミニウム板で構成する。相対的動きを防ぐためにカラム120および高精度ステージ112をその度量衡板に直接に取り付ける。図示してないレーザ干渉計でステージ電動機コントローラ位置帰還信号を供給する。より微細位置誤差もこの干渉計で検出して制御電子回路の制御の下で微小ビーム偏向により補正する。

0021

真空チェンバ110は参照数字148でまとめて示したターボポンプおよび油なし支援ポンプによって直接に排気する。真空チェンバ110を、環境振動消去しステージ112の急加速および急減速による動き予測消去する能動的振動分離プラットフォーム150の上に設置する。ウェーハロードロックシステム118をウェーハ詰替え時間の最短化および主真空室の長時間にわたる高真空度維持(例えば1E−6Torr)のために備える。真空チェンバ110の高真空度維持によってウェーハの炭化水素汚染を最小に抑える。

0022

ウェーハ自動ロード/アンロードの完全自動化のために二つのウェーハロボット(図示してない)を備える。第1のロボットはウェーハロードロックチェンバ118からウェーハをウェーハカセット116に移動させる。そのロードロックチェンバを排気したのち、第2の真空ロボットがウェーハを高精度ステージ112上に載置する。ロードロックチェンバは数枚のウェーハを収容でき、パイプライン動作および同時並行ロード/アンロードを可能にする。このウェーハハンドリングサブシステムは、ウェーハステージ上の最小限のウェーハ前置目合せを確保するために光学式の前置目合せ装置をステージ112に備える。

0023

高精度ステージに搭載したウェーハの高精度目合せを容易にするためにCCDビデオカメラおよび画像化パターン照合システム付きの光学顕微鏡(例えばCognex社から市販されているものなど)を用いる。ある種の半導体プロセス中の層では、電子ビーム画像低コントラストでウェーハ基準線やダイ基準線が現れ、電子ビーム画像利用の目合せの信頼性を低下させる。光学顕微鏡はSiO2やSi3O4などの絶縁膜を透視するのに使えるので、目合せプロセスの信頼性が改善される。この手法はKLA社8100型システムやSchlumberger社IVS220型システムなどの臨界寸法走査電子顕微鏡(CD SEM)では標準的手法になっている。

0024

マサチューセッツチェルムスフォード所在のMercury Computer Systems社から市販されているマルチプロセッサアレー画像処理コンピュータシステムを画像目合せおよび比較に用いる。例えば、この画像処理コンピュータシステムは、ビデオ入力出力ボードと300MHzPowerPCプロセッサ32個のアレーと、4ギガバイトRAMと、基準画像および欠陥データ蓄積用の200ギガバイトディスク蓄積装置とを備える。画像処理コンピュータ152は、蓄積のためのセル相互間比較、ランダム論理のためのダイ相互間比較およびダイ・基準間比較、コンタクト間および層間認識のための形状特徴利用の比較など一連の慣用の画像処理アルゴリズムを実行するようにプログラムできる。形状特徴利用の比較の詳細はこの出願の原出願と同日付の上記米国特許出願第09/227,747号に記載してある。

0025

このシステムは表示装置156付きの制御コンピュータ154と入力出力デバイス(図示してない)とを含む。この制御コンピュータはWindowsNTオペレーティングシステムおよびシステム制御ソフトウェア(図示してない)搭載のPentium級のプロセッサと制御電子回路142および画像処理コンピュータ152とのバス158経由による信号授受のためのキーボードマウスなどのユーザインタフェースおよび制御ソフトウェアとを有するパーソナルコンピュータなどの制御コンピュータ154を備える。制御電子回路142は制御コンピュータ154による制御の下に動作し、上記システム構成素子を動作させる信号を供給する。図示を単純化するために制御用接続の詳細は図1には示してない。制御コンピュータ154には、マルチレベル使いやすいグラフィカルユーザインタフェースおよび予め画定ずみの蓄積欠陥検出レシピライブラリを備え、自動化製造ライン環境のオペレータによる使用および研究室もしくはプロセス開発環境の技術者による使用を容易にしている。システム制御画像処理、自動ビームセットアップビーム位置合わせ、自動焦点合わせ、および非点収差自動補正などの機能を制御コンピュータ154によるソフトウェア制御の下に自動化してある。

0026

GCCMの中のフラッドガン128を表面二次電子放射特性の二つのクロスオーバーエネルギーの間の電圧で動作させる場合は、試料表面は外部電界がなければ常に正極性に帯電する。抽出電極138は一つ以上の開口を備えるグリッドまたはプレートで構成できる。ウェーハをウェーハチャック114に電気的接触を保って載置する。このウェーハにその表面と垂直な電界をかけ、すなわち例えばウェーハチャック114および抽出電極138に互いに異なる電圧をかけることによって、このウェーハを帯電させる。投光照射型ビームすなわちフラッドビームによる照射動作の期間中に、被照射ウェーハ表面の電気的に浮いた部分はウェーハ表面に対して正または負極性に帯電する。LCCMは電子銃がフラッドガンでなく集束ビーム発生用電子銃である点以外はGCCMと同じである。集束ビームはGCCMによる投光照射型ビームよりも小さい領域または微小構造を選択的に帯電させることができる。

0027

試料の浮き部分を負極性に制御帯電させる代替手法は、試料に対して例えば20Vの超低電圧電子ビームで試料を投光型照射するやり方である。超低電圧電子ビームによる照射の期間には、試料表面は二次電子放射がごく少ないために負極性に帯電する。入来投光照射型電子ビームに反発力を与えるのに十分な負電位まで試料表面が帯電すると帯電は平衡状態に達する。超低電圧電子ビームが電子銃内集束されてなければならない。それら電子は試料表面への到達前に減速される。

0028

図2はSchlumberger社製IDS10000型システム採用のビーム光学カラムを変形したカラム200の対物レンズ側端部の部分断面図を示す。変形カラム200はカラム対物レンズ202と、二次電子検出器204と、この検出器204への到達二次電子のエネルギーの算定のための電圧に設定可能な電圧源(図示してない)に接続したエネルギーフィルタメッシュ206(例えば図1フィルタメッシュ144)とを備える。また、このシステムはEinzelレンズ(図示してない)付きのフラッドガン208と、電圧源210に接続したバイアス電極グリッド212と、試料プレート214と、ウェーハ220搭載の高精度ウェーハステージとを含む。GCCMの動作期間中は二次電子電流が過大になって検出器204を動作不能状態にすることがあり得る。これを回避するために、グリッド233(または開口プレートもしくは管)を検出器203の前段に配置することもできる。投光照明型ビーム照射中に二次電子検出器204への二次電子の侵入を防ぐようにグリッド232に負電圧をかけることもできる。また、大きい孔を有する金属プレート222(フラッディングマスクと呼ぶ)を対物レンズ200の入り口近傍に配置して電圧源(図示してない)に接続することもできる。投光照明型ビーム照射中の検出器204への二次電子侵入を防ぐために金属プレート222に負電圧をかけることもできる。

0029

図1および2に示してあるようなシステムはウェーハ表面の帯電を安全に、しかも調整された形で行うことができる。負極性電圧コントラストモードで動作する際には、ウェーハからの二次電子放射の反対向きに(二次電子をウェーハに引き戻すように)、例えば帯電制御バイアス電極138を接地しウェーハチャック114に正極性の電圧またはウェーハよりも電極138をより大きい負電位とする差電圧をかけることによって、電界を生じさせる。正極性電圧コントラストモードで動作する際には、ウェーハからの二次電子放射を助長する向きに(二次電子をウェーハから引き離すように)、例えば帯電制御バイアス電極138を接地しウェーハチャック114に負電圧またはウェーハよりも電極138をより大きい正電位とする差電圧をかけることによって電界を生じさせる。正極性電圧コントラストモードでは、エネルギーフィルタメッシュ144(206)に二次電子全部を捕捉するようにバイアス電圧をかけることができる。

0030

ウェーハ帯電ののち、微細に集束したビームを用いて表面電圧を精査する。被検構造物帯電電位はその構造物の下層回路への接続に左右されるので、従来の帯電粒子手法または光学顕微鏡手法では認識できない欠陥の検出にこの電圧コントラスト手法を用いることができる。一般的にいって、同一材料製の二つの構造物のコントラストの際には、より暗い色の部分がより高い正電位にある。例えば、正極性電圧コントラスト画像形成では、ウェーハ上で電気的に浮いた金属線接地金属線よりも暗い線として低電圧顕微鏡像に現れる。浮いた金属線の方が帯電動作によってより高い正電位に帯電するからである。

0031

負極性電圧コントラストを用いて充填ずみコンタクト付きウェーハを検査する際には、接地線に接続したコンタクトは、ゲート電位が負になり得るので、フローティングゲートに接続したコンタクトよりも暗い色になる。n型拡散領域または接地電位点に接続したコンタクトは、拡散接合における順方向バイアス拡散領域における電位の負極性転向を防ぐので同じコントラストになる。ゲートの短縮欠陥またはコンタクト・拡散領域間の断線欠陥は所期コントラストと異なるコントラストを呈するので検出できる。

0032

しかし、このコントラスト利用の欠陥検出手法は未充填コンタクト孔など高アスペクト比構造の底部の検査には適用困難である。コンタクト孔などの高アスペクト比微小構造は孔の内部に二次電子を捕捉する二次電子トラップとして作用し、そのためにコンタクト孔底部にその微小構造の上側面よりもずっと低いコントラストを呈する。そのために、コンタクト孔は下層電気接続に関係なく電圧コントラスト画像上で同じコントラスト(ごく暗い色)を呈する。上述のとおり正極性電圧コントラストモードで動作する(従来技術によるシステムの通常の動作と同様に)システムで捕捉した電圧コントラスト画像の例を図3に示す。図3は形状特徴305、310および315を備えるウェーハ領域の画像を示し、これら形状特徴はいずれも実質的に同一の物理的直径および深さを備え、各孔基底部における電気的接続性の互いに異なる材料から成る。図3のコンタクト孔表示は、一つのコンタクト孔の基底部にある材料はn型拡散領域に、もう一つのコンタクト孔の基底部にある材料はゲート領域に、さらにもう一つのコンタクト孔の基底部にある材料はp型拡散領域にそれぞれ接続されているものの、電気的接続性による区別を可能にするような特徴を含んでいない。ウェーハ表面を正極性に帯電させる図3のような慣用の電圧コントラスト画像形成では、未充填コンタクト孔基底部の材料の電気的接続性に関する情報は得られない。

0033

しかし、電気的接続性に従ったコンタクト孔相互間区別を可能にするやり方でこの発明に整合した電圧コントラスト画像形成を行うことは可能である。すなわち、この発明に整合した方法では、ウェーハを電圧コントラスト画像形成の前に負極性に帯電させる。画像形成パラメータを適切に調節すると、帯電させた構造の電界が電圧コントラスト画像の中の高アスペクト比形状特徴の外観に変化を生じさせる。すなわち、帯電した構造の誘起する電界が形状特徴の物理的寸法よりも外に広がるからである。高アスペクト比微小構造の検査をこのように行うシステムを構成することによって、大ビーム電流動作が可能になり、スループットが改善される。

0034

図4は高アスペクト比コンタクト孔の例を備えるウェーハ部分400の断面図を示す。基板405は酸化物層410で被覆する。酸化物層410を貫通するコンタクト孔415は多結晶シリコンゲートコンタクト420を露出させる。酸化物層410を貫通するコンタクト孔425はn型拡散領域430を露出させる。これらコンタクト孔415および425は実質的に等しい直径および深さを有するが、各々の基底部における材料は互いに異なる電気的接続性を備える。ウェーハ表面を、この構造の表面近傍点線で示したとおり、負極性に帯電させる。負極性に帯電した表面はコンタクト孔の各々の縁の周囲に電界を生じさせ、その電界が電圧コントラスト画像の中のコンタクト孔の外観を変化させる。各コンタクト孔の縁の電圧はコンタクト孔底部電圧にも影響されるので、電気的接続性の異なるコンタクト孔は電圧コントラスト画像の中で見かけ上の大きさが互いに異なってくる。ウェーハ表面の負極性帯電の際にコンタクト孔415底部の多結晶シリコンゲートコンタクト420は同様に負極性に帯電するが、コンタクト孔425底部のn型拡散領域430はその領域の順方向バイアス(その下のp−n接合オンさせる)のために地気電位近傍の電圧に留まる。コンタクト孔425の底部のn型拡散領域430の地気近傍の電位はコンタクト孔415の縁部に対するコンタクト孔425の縁部の電位を引き下げる。コンタクト孔425縁部における低下電位は、電圧コントラスト画像中でコンタクト孔415よりもコンタクト孔425の見かけ上の大きさを大きくする。すなわち、コンタクト孔縁部それぞれにおける電界の強さが異なるからである(電界の効果についてはより詳細に後述する)。

0035

図5は形状特徴505、510および515を示すウェーハ領域の電圧コントラスト画像であり、これら形状特徴はすべて図3に示したものと同じコンタクト孔の電圧コントラスト表示である。図5の画像は、ウェーハチャック経由でウェーハに−5Vをかけ帯電制御バイアス電極を接地電位にして負極性電圧コントラストモードでシステムを動作させて形成したものである。形状特徴505は最大直径を呈し、コンタクト孔底部の材料を地気電位点またはn型拡散領域に電気的に接続した場合に対応する。形状特徴510は中程度の直径を呈し、コンタクト孔底部の材料をゲート領域に電気的に接続した場合に対応する。形状特徴515は最小直径を呈し、コンタクト孔底部の材料をn型ウェル領域またはp型拡散領域に電気的に接続した場合に対応する。コンタクト孔はいずれも同じ物理的寸法を有するが、図5電圧コンタクト画像の中の表示は未充填コンタクト孔基底部材料の電気的接続性による区別を可能にする特徴を呈する。

0036

上述の効果、すなわち接地電位点またはn型拡散領域に電気的に接続したコンタクトが負極性電圧コントラスト画像の中で最大の寸法を呈し、n型ウェルまたはp型ウェル拡散領域のコンタクトが負極性電圧コントラスト画像の中で最小の寸法を呈する効果を、この明細書では電圧コントラスト誘発形状特徴拡大と呼ぶ。微小構造物表面の負極性帯電において適切なパラメータを用いると、電圧コントラスト画像の中の形状特徴の見かけ上の寸法はその形状特徴の電気的接続性に左右されるようになる。同一の物理的寸法をもつ形状特徴の電圧コントラスト画像中における見かけ上の寸法が電気的接続性の異常を表面化させる。コンタクト孔などの形状特徴の見かけ上の寸法を構造特徴に関する他の情報と比較するときにそれがとくに顕著になる。上記他の情報には、所期の物理的寸法および接続性(例えば、ウェーハおよび回路設計データから得られる)、微小構造の事前帯電なしに計測した電圧コントラスト画像中の見かけ上の形状特徴寸法(図3の場合のように)などがある。

0037

図3および図5に示されているコンタクト孔は、コンタクト孔基底部材料の電気的接続性を考慮に入れない従来技術による図3の電圧コントラスト画像の中では同じ外観を呈することが知られている。図3の電圧コントラスト画像からは、コンタクト孔の物理的寸法が互いにほぼ等しいと推論できる。しかし、図5の形状特徴拡大電圧コントラスト画像では、画像形成前の負極性表面帯電の効果によって、同じコンタクト孔が互いに異なる見かけ上の寸法を備えることがわかる。各コンタクト孔底部の材料の電気的接続性は、図5の形状特徴拡大電圧コントラスト画像の中のコンタクト孔表示の見かけ上の大きさから推論できる。

0038

各コンタクト孔の所期の電気的接続性はウェーハ設計データから得られ、したがって、所期の接続性と形状特徴拡大電圧コントラスト画像の中の形状特徴の見かけ上の寸法から推論される接続性との間の差を欠陥として認識することができる。欠陥は、その寸法がゲート領域における短絡、接地領域もしくはn型拡散領域へのコンタクトにおける断線、またはn型ウェル領域もしくはp型拡散コンタクト領域における断線もしくは短絡などの電気的欠陥によって所期値と異なっていれば容易に検出できる。これら見かけ上の寸法の差はコンタクト孔底部の材料の電気的性能に起因するので、これらの差はウェーハのIC完成品の電気的性能に影響を及ぼし、重度の欠陥を生じさせる可能性が高い。ウェーハ製造のコンタクト孔形成工程、すなわちコンタクト孔充填工程前の工程でそれら欠陥を検出すれば、そのウェーハ上のICの一部または全部を再加工して結果的に救済し、良品率の低下を未然に防止することができる。これら欠陥の検出がウェーハ完成まで遅れれば、その段階では再加工は既に不可能になっているから、ウェーハの全部または一部を喪失する結果になる。

0039

高アスペクト比微小回路形状特徴の検査を、形状特徴拡大電圧コントラスト画像を用い見かけ上の寸法(慣用の電圧コントラスト画像形成の場合のようにコントラストレベルでなく)によって行う手法には、少なくとも二つの著しい利点、すなわち高いスループットおよび帯電粒子ビームカラム構成の単純化という利点がある。スループットの向上は形状特徴拡大電圧コントラスト画像形成の場合、帯電粒子ビームカラムの動作を慣用の電圧コントラスト画像形成の場合よりも大ビーム電流で行うことができることに起因する。カラム構成の単純化は、コンタクト孔からの二次電子の抽出のための特定の構成要素を複雑な帯電粒子カラム構成に一体化する必要がないことに起因する。

0040

慣用の電圧コントラスト画像では、画像コントラストは表面電圧および表面構造結合構成(材料コントラストおよびトポグラフィのコントラスト)の畳込みによる。多くの場合、電圧分布は微小構造の結合構造合致する。しかし、導電体の電界はその形状を超えて延びるので、電圧分布および結合構造は合致するとは限らない。したがって、電気的欠陥の検出には電圧によるコントラストを結合構造によるコントラストよりも強めるのが望ましい。電圧によるコントラストだけが下層電気接続の影響を受けるからである。この点は従来の帯電粒子電圧コントラスト測定および顕微鏡に基づく手法、すなわち画像の物理的形状特徴の画像化に最適化された手法とは異なっている。図5の負極性電圧コントラスト画像の中のコンタクト孔は互いに異なる寸法を有する。すなわち、各コンタクト孔縁部近傍の酸化物表面の電位が、下層の電気的接続性で定まる各コンタクト孔底部材料の帯電電圧に影響されるからである。左側のコンタクト孔はゲート領域に接続されているので負に帯電する。右側のコンタクト孔は、n型拡散領域と基板との間の順方向バイアスのために電荷が基板に流出するので接地電位近傍に留まる。右側のコンタクト孔の縁部の周囲の電位は、コンタクト孔底部における帯電ずみ材料の誘起した電界がコンタクト孔の物理的寸法を超えて延び、右側コンタクト孔の縁を左側コンタクト孔の縁よりも明るいコントラストにするので、より大きい負極性電位になる。左側コンタクト孔の縁のより暗いコントラストは、図5に参照数字505で示すとおり、より大きい見かけ上の寸法になる。

0041

この点を図6A図6Bおよび図6Cにさらに図解する。これらの図は、各図の左に円筒状コンタクト孔を示し、そのコンタクト孔の周囲の電界等電位線のシュミレーション値をグラフで示す。これら図6A図6Bおよび図6Cにおいて電位および電荷は負極性である。図6Aは未帯電の浮いたコンタクト孔の周囲の電位を示し、この図においてコンタクト孔の壁は導電性接着剤バリア層で被覆してある。図6Aにおいて、表面は電荷密度−6×10−5クーロン/m2で帯電する。図6Bは帯電したコンタクト孔の周囲の電位を示す。図6Bにおいて、表面は電荷密度−6×10−5クーロン/m2で帯電し、コンタクト孔内には−1×10−16クーロン/m2の電荷がある。図6Cは接地したコンタクト孔の周囲の電位を示す。図6Cにおいて、表面は電荷密度−6×10−5クーロン/m2で帯電しており、コンタクト孔は基板に接地されている。コンタクト孔縁部近傍の電位は図6Bの帯電ずみ浮きコンタクト孔の場合が最も大きい負電位となり、図6C接地コンタクト孔の場合に最も小さい負電位となることが明らかである。縁部周囲がより小さい負電位である場合は電圧コントラスト画像の中のコンタクト孔周囲により暗い縁を生ずる。電圧コントラスト画像の中のコンタクト孔の見かけ上の寸法は、上記縁部およびコンタクト孔の電界の合成値のために物理的寸法よりも大きい。図6A図6Bおよび図6Cシュミレーション結果はコンタクト孔の見かけ上の大きさが下層の電気的接続およびコンタクト孔への注入電荷に大きく左右されることを示している。

0042

物理的寸法と異なる見かけ上の寸法に導く効果を最大にするように帯電制御パラメータを調節するのが好ましい。この最適化動作は帯電の最適化と画像形成の最適化との二つに分けられる。上述のシステムでは、帯電動作は一次(画像形成用)ビームまたは別個の投光照明型ビームで行うことができる。画像形成用ビームのみを用いる電圧コントラスト画像システムの場合は画像形成中に帯電動作を行う。

0043

上述の形状特徴拡大効果を最大にするには、表面帯電を適切に制御しなければならない。過度の表面帯電は形状特徴の認識を不可能にし、不十分な帯電は電気的に有害な欠陥の検出に必要な形状特徴拡大をもたらさない。上述のとおり、表面帯電の制御は、ウェーハチャックおよび帯電制御プレートへの印加電圧の制御、帯電面積/画像形成面積の制御およびエネルギーフィルタの制御によって達成できる。これら以外のパラメータ、すなわち一次ビーム電圧および投光照明型ビーム電圧、走査ローテーション(ウェーハに対する走査の方向)、および画素滞留時間なども制御パラメータとして採用できる。

0044

これらパラメータの表面帯電機構は次のとおりである。
(1)バイアス電圧:ウェーハチャックと帯電プレートとの間の電圧を用いて表面上の平衡帯電電位を制御する。帯電プレートとウェーハチャックとの間のバイアス電圧は放射二次電子の一部を反発して、バイアス電界の影響を打ち消すのに十分な負電位に表面が帯電するまでそれら二次電子を表面に戻らせる。物理的寸法は同じで、p型n型拡散領域、ゲート、分離ウェルなどへの下層接続の異なる微小構造を画像形成する際には、このシステムは正極性電圧コントラストモードで動作し、次に負極性電圧コントラストモードに切り替わり、これら微小構造の見かけ上の寸法の差が最大になるように上記バイアス電圧(ウェーハチャックに対する帯電プレート電圧)を調節する。調整開始時の通常のバイアス電圧は8Vである。調整範囲は通常0V乃至15Vになる。
(2)ビーム電流密度回路が接地電位点に抵抗接続できる場合、または表面絶縁体と接地電位点との間に漏洩経路がある場合は、電流密度が表面帯電に影響を及ぼす。最終的な帯電電位は、入力電流(フラッドガンおよび一次ビームによる電流)と漏洩電流(デバイスを通り抜ける)および散逸電子電流(二次電子および散乱一次電子)とが等しくなったときに得られる。電流密度が上がると平衡到達最終電圧を高くできる。調整開始時の通常の電流密度は1平方μmあたり0.2pA、すなわち例えば100μm×100μmの面積当たり2nAである。調整範囲は通常100μm×100μmの面積当たり0.5nAになる。
(3) 帯電/投光照明型照射/画像形成面積:表面帯電は、とくに表面の大きい部分が絶縁材料で被覆されている場合は、帯電面積/画像形成面積に左右される。ビーム照射領域の周囲の領域において排除された電荷が強い局部電界を生じ、それによってビーム照射領域の二次電子放射が減速され、負極性帯電をもたらす。帯電領域はこの局部電界強度を変えることができ、それによって最終帯電電位に影響を与えることができる。この領域面積(視野FOVと呼ぶ)を電流密度を一定に維持しながら調節する。調整範囲は1mm×1mm乃至10μm×10μmである。
(4)ビームエネルギー:ビーム照射領域における帯電は入力電荷(表面への一次ビーム注入および戻り二次電子による)および出力電荷(二次電子放射および表面漏洩による)の差に支配される。ビームエネルギーは、二次電子放射がビームエネルギーの関数であるので帯電を左右する。ビーム電圧は500V乃至1800Vの範囲で50V間隔で変化させ、形状特徴拡大効果が欠陥検出の目的に適したとき、すなわち見かけ上の寸法が下層電気接続性相違する構造について明白に異なったとき、その変化を止める。ビーム電圧を変動させる際にデバイスに損傷を生じさせることがないよう注意する必要がある。選んだビーム電圧が低すぎるか高すぎる場合(例えば、二次電子放射特性曲線の第1のクロスオーバー点E1よりも低いか、または第2のクロスオーバー点E2よりも高い場合、ここでE1およびE2は材料に左右され、表面処理に大きく影響を受ける)、表面は負極性に無調整状態で帯電する。極端な場合は、表面帯電がデバイスに損傷を与えるほどに強められる。この状態は、帯電制御機構が表面帯電を制御できなくなったときに生ずる。したがって、ビーム電圧の調整は低廉な廃棄可能な試験用ウェーハを用いて行うのが望ましい。この調整を通常のウェーハを用いて行う必要がある場合は、公表文献の中の最良のE1およびE2曲線をまずチェックし、それらE1およびE2の公表値の間のビーム電圧で動作させるのが望ましい。
(5)走査ローテーション:局部電界(対象領域から数μmの範囲内)は二次電子散逸率に影響を及ぼし、したがって帯電に影響を及ぼし得る。強い局部電界は同じ走査線走査で走査ずみの近傍の微小構造から生じ得る。それら微小構造の帯電直後の走査であるからである。走査ローテーションを変化させると、微小構造の帯電直後の近傍構造を変化させ、その微小構造の帯電条件を変化させ得る。ビーム照射開始時の照射角度は任意に選択できる。調整範囲は−180度乃至+180度である。最適角度の選択を確実にするようにあらゆる走査ローテーション向きを試行する。実際には、導電体線およびコンタクトの画像化が平行になるようにシステムを初期設定できるが、これは必要条件ではない。
(6)画素滞留時間:上述のとおり、局部電界は新たに帯電した微小構造により表面帯電に影響を及ぼす。これら帯電ずみの近傍微小構造への電圧は画素滞留時間の関数である。すなわち、画素滞留時間を変動させると微小構造の帯電が変動する。画素滞留時間の通常の開始時の値は0.1μs(秒)とし、形状特徴拡大効果を高めるように上記値から増加または減少させる。調整範囲は0.01μs乃至1μsである。

0045

上記帯電パラメータを設定したのち、形状特徴拡大効果をエネルギーフィルタの微調整によってさらに最適化する。電界拡大効果は帯電回路の物理的寸法を超えて延びる強い電界に捕捉された二次電子によってもたらされる。例えば、帯電ずみコンタクト孔からの電界は近傍の二次電子を減速させて二次電子検出器まで到達しないようにする。これによって、コンタクト孔周辺でコントラストが暗くなる。電界が二次電子捕捉に十分な強さを備えるに至らない場合もある。放射電子のエネルギーを低下させるのである。エネルギーフィルタの微調整によって、電界の微妙な変化を画像コントラストに反映させるのである。

0046

この発明による最適化手順を表1にまとめて示す。形状特徴拡大効果を最適化するようにこの手順を必要に応じて用いる。この表に挙げた手順全部を用いることなく受容可能な結果を得ることもできる。この表に記載した順序で手順を進めた場合、とくに数回の反復を伴った場合好結果が得られることが判明しているが、物理的寸法と異なる見かけ上の形状特徴寸法を生ずるように必要に応じて順序を変えることもできる。すなわち、これら手順の順序および各過程の詳細、並びに数値範囲は例示のためのものであって限定を意図するものではない。

0047

上記の最適化手順を完了すると、このシステムは電圧コントラスト誘起形状特徴拡大効果に基づく欠陥検出が可能な状態になる。未充填コンタクト孔を有する半製品ウェーハなどの微小構造の画像を最適化ずみパラメータでシステムを動作させることによって捕捉する。捕捉した画像の各々を基準と比較する。捕捉画像の形状特徴の見かけ上の寸法が基準の寸法と大幅に異なっている場合は欠陥が検出される。いくつかの比較手法を次に総括する。
(1)まず、セル相互間の比較は通常はメモリセルで用いる。(i)メモリアレーの中の各セルの画像を完全な(既知の良好な)基準セルと比較し、または(ii)各メモリセルの画像をその隣接セルと比較する。比較は個々のセルとセルとの間、2個または4個の対称配置セルのセクション反復構造の場合はセクション相互間で行うことができる。
(2)次に、ダイ相互間比較はKLA213Xシステムなどの光学式検査システムにおける通常の動作態様である。各ダイの画像を走査プロセスの期間にその隣接ダイの画像と比較する。次に、それら二つのダイのいずれの側に欠陥があるかを判定するために三番目のダイを用いる。この手法はランダムな欠陥の検出には有効であるが、マスクの高密度経路形成部分における余分のパターンなど反復欠陥の検出には有効でない。概括的にいうと(KLA社のSEMSpecシステムには該当しないが)、任意のダイの画像をそれ以外の任意のダイの画像と比較でき、任意の三番目のダイの画像を仲裁役に使うことができる。ダイと任意のダイとの比較は貴重である。すなわち、特定の種類の欠陥を含むウェーハの特定の領域を標的にして、欠陥なしと見られるダイと比較できるからである。例えばウェーハ端部のダイとウェーハ中心部のダイとの比較が望ましい。ウェーハ端部近傍からのダイは中心部からのダイに比べて良品率が低い可能性が大きいからである。
(3)既知良品の基準ダイの画像データまたはそれ以外のデータをメモリに蓄積しておき、検査対象のダイの画像との比較の対象である基準として用いる。画像データは多量の蓄積容量を要するが(例えば数十ギガバイト)ディスクおよびメモリのスペースの価格は下がっており、また電圧コントラスト画像のデータ圧縮の可能性がある。既知良品ダイとの比較では「仲裁」は不要である。
(4)ダイとデータベースとの比較はマスク検査システムに用いられているマスクの検査の手法と同等である。見かけ上の形状特徴拡大画像で用いる場合は、どの形状特徴が接地状態にあるか、どの特徴形状が負極性帯電モード浮き状態にあるか、すなわちどのp−n接合が負電圧で順方向バイアスされているかの判定のために、多層分のデータベースおよび対象回路電気的特性についての知識を必要とする。
(5)ブロック相互間の比較はダイ相互間の比較に実質的に同じであるがダイの特定の一部だけを比較する点で異なる。例えば、既知のダイまたは対象の特定の種類の欠陥を含む可能性が高いダイの特定の一部の画像を基準ダイの画像の対応部分と比較する。三番目のダイの画像を必要に応じて仲裁に用いる。この手法は全面的なダイ相互間比較に比べて所要処理時間を短縮できる。

0048

図7はこの発明による方法の主な特徴を示す流れ図である。ステップ705において上述の適切な帯電動作パラメータを用いて微小構造を帯電させる。図1を参照して上に述べた大域帯電制御モジュール(GCCM)や局部帯電制御モジュール(LCCM)を上記形状特徴の見かけ上の寸法の拡大を確実にするパラメータ設定で動作させることなどにより微小構造表面に帯電粒子を導くことによってこの過程を実施できる。例えば、微小回路の一つ以上のコンタクト孔などの高アスペクト比微小構造は、図1を参照して上述した適切な電界を用いて電子ビームまたは電子フラッドをかけることによって、負極性に帯電させる。

0049

ステップ710において、帯電ずみ微小構造を帯電粒子ビームで精査して微小構造の少なくとも一つの形状特徴に関する情報を得る。例えば集束電子ビームまたは集束イオンビームを微小構造にあてて二次粒子を検出し、電圧コントラスト画像を生ずる。帯電ずみの高アスペクト比形状特徴の中またはその下の材料の電気的接続性に左右される電圧コントラスト画像を生じさせる。例えば、実質的に同じ物理的寸法の負に帯電させたコンタクト孔構造は、その底面が接地電位点またはn型拡散領域に電気的に接続されている場合は電圧コントラスト画像の中で見かけ上の寸法が最大になり、上記底面がゲート領域に接続されている場合は電圧コントラスト画像の中で見かけ上の寸法が中程度となり、上記底面がnウェル領域またはpウェル領域に接続されている場合は電圧コントラスト画像の中で見かけ上の寸法が最小になる。

0050

ステップ715において、帯電ずみ微小構造の精査から得られる情報を微小構造に関する他の情報と比較してその微小構造の少なくとも一つの形状特徴の接続性を判定する。例えば、上記精査の段階で画像化された形状特徴(図5の場合のように)の見かけ上の寸法を、正極性に帯電ずみの同じ微小構造または基準微小構造(図3の場合のように)から得た電圧コントラスト画像中の見かけ上の寸法と比較して、電気的接続性を見かけ上の寸法の差から推論する。あるいは、精査により画像化した形状特徴の見かけ上の寸法(図5の場合のように)を、形状特徴設計値および所期の接続性を示すデータと比較する。見かけ上の形状特徴寸法が設計データと整合しない場合は、欠陥であると推論する。

0051

深さ対幅の比が1以上のコンタクト孔は高アスペクト比構成と考える。現在の慣用技術により製造した微小回路など通常の微小構造を帯電粒子ビームで検査するために、孔の深さは通常1μm乃至0.18μmの範囲にある。しかし、この発明の原理はアスペクト比がこれよりも大きいまたは小さい微小構造や上記範囲を外れた寸法の微小構造にも適用できる。

0052

この発明の実施例を半導体ウェーハの未充填コンタクト孔の精査と関連づけて上に説明してきたが、この発明による方法は、ウェーハの中のバイアホールなど電気的接続性が電圧コントラスト画像中の見かけ上の寸法に影響を及ぼす充填ずみコンタクト孔ほかの微小構造の検査にも使うことができる。コンタクト孔は基板(または基板内の拡散領域)またはゲート領域とのコンタクトの形成用に金属で充填するためのものであるが、バイアホールは金属層相互間、すなわち金属1の層と金属2の層の各々の導電体線相互間などのコンタクトの形成用に金属で充填するためのものである。この明細書に用いた用語「基板貫通」孔は導電材料で充填することを意図したコンタクト孔、バイアホールほかの絶縁層貫通孔を意味する。

0053

上述のとおり、図1のシステムはデータ蓄積装置44付きのコンピュータに制御される制御システム40で制御する。この発明による方法は、任意の形式のコンピュータプログラムプロダクトに具体化したコンピュータ読取可能な命令をコンピュータ42が実行することによって実施できる。コンピュータプログラムプロダクトには、コンピュータ読取可能な符号を蓄積または搬送するように構成された媒体や、コンピュータ読取可能な符号を埋め込んだ媒体が含まれる。CD-ROMディスク、ROMカードフロッピーディスク磁気テープハードディスクネットワーク上のサーバ、搬送波などがコンピュータプログラムプロダクトの例として挙げられる。上述の比較機能はコンピュータ42ほかの所望のシステムで実行できる。

0054

上述のシステムは例示のためのものであって限定を意図するものではない。この発明による実施例は任意のコンピュータシステムまたは情報処理環境を有する帯電粒子ビームシステムで実働化できる。請求項に記載したこの発明の真意と範囲を逸脱することなく多数の変形が可能であることは当業者に認識されよう。

0055

110…真空チェンバ
112…x,y,θウェーハハンドリングステージ
114…ウェーハ
116…ウェーハカセット
118…ウェーハロードブロック
120…走査電子顕微鏡カラム
122…電子ビーム源
124…イオンポンプ
126…可変軸浸漬レンズ(VAIL)
128…フラッドガン
130…ビーム偏向電極
132…電子検出器
134…ウェーハチャック
136,140…バイアス電圧源
142…制御電子回路
144…エネルギーフィルタメッシュ電極
148…排気ポンプ
150…振動分離プラットフォーム
152…画像処理コンピュータ
154…制御コンピュータ
200…電子ビーム光学カラム
202…対物レンズ
204…二次電子検出器
206…エネルギーフィルタメッシュ
208…フラッドガン
210…電圧源
212…バイアス電極グリッド
214…試料プレート
220…高精度ウェーハステージ

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