JP4451475B2 - 試料面観察方法 - Google Patents

Description

本発明は、試料面観察方法に関し、特に、絶縁材料と導電性材料とを含む配線が形成された試料面を観察する試料面観察方法に関する。

従来から、半導体ウエハ等の試料面に電子ビームを照射し、試料面から放出された電子を検出してウエハ表面画像を取得し、これに基づいて半導体ウエハの開放欠陥や欠落欠陥等の欠陥を検出するようにした試料面観察方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

図１０は、半導体ウエハに形成されたコンタクトプラグの断面の例を示した図である。図１０（ａ）は、正常な、接地されたコンタクトプラグ３０の断面を示した図である。図１０（ａ）において、絶縁層４０内に３つのコンタクトプラグ３０が形成されており、総て絶縁層４０を貫通し、絶縁層４０の上下の層を電気的に接続している。一般的に、コンタクトプラグ３０は、絶縁層４０内にコンタクトホールを形成し、コンタクトホールにタングステンや銅プラグ等の導電性材料を充填することにより形成される。

図１０（ｂ）は、欠落欠陥のコンタクトプラグ３１を含むコンタクトプラグ３０の断面を示した図である。図１０（ｂ）において、図１０（ａ）で示した本来形成されるべき３つのコンタクトプラグ３０のうち、真ん中のコンタクトプラグ３１が形成されず、コンタクトプラグ３１が欠落した状態となっている。このように、欠落欠陥とは、例えば露光工程やエッチング工程などの際に、コンタクトホールが本来形成されるべき箇所に形成されない欠陥をいう。欠落欠陥は、コンタクトプラグ３１の上層と下層の導通が行われない原因となる。

図１０（ｃ）は、開放欠陥のコンタクトプラグ３２を含むコンタクトプラグ３０の断面を示した図である。図１０（ｃ）において、３つのコンタクトプラグ３０のうち、真ん中のコンタクトプラグ３２が不十分な状態で形成され、絶縁層４０を貫通して金属が充填されてはおらず、絶縁層４０の上下の層の電気的接続がなされない状態となっている。このように、開放欠陥とは、コンタクトプラグであるタングステンや銅プラグ等の導電性材料をコンタクトホールに形成する際に、導電性材料がコンタクトホールに適切に充填されていない欠陥をいう。開放欠陥は、コンタクトプラグ３２の上層と下層の導通が行われなかったり、または抵抗値が著しく上昇したりする原因となる。

従来の試料面観察方法では、図１０（ｂ）、（ｃ）に示した欠落欠陥や開放欠陥を、半導体ウエハの表面からウエハ表面画像を取得し、開放・欠落部位は正常なコンタクトプラグ３０を示す部位と比較してウエハ表面画像に濃淡の差異を生じることを利用して、欠落欠陥や開放欠陥を検出している。

図１１は、従来の試料面観察方法により取得したウエハ表面画像を示した図である。図１１（ａ）は、図１０（ａ）に示したような、正常に接地されたコンタクトプラグ３０が形成されたウエハ表面画像を示した図である。図１１（ａ）において、正常に接地されたコンタクトプラグ３０は、総て同一の濃度（輝度）で表示されている。

図１１（ｂ）は、図１０（ｂ）に示したような、欠落欠陥のコンタクトプラグ３１を含むコンタクトプラグ３０のウエハ表面画像を示した図である。図１１（ｂ）において、中央の欠落欠陥のコンタクトプラグ３１は、周囲の絶縁層４０と同一の濃度を示す。

図１１（ｃ）は、図１０（ｃ）に示したような、開放欠陥のコンタクトプラグ３２を含むコンタクトプラグ３０のウエハ表面画像を示した図である。図１１（ｃ）において、中央の開放欠陥のコンタクトプラグ３２の部位は、正常なコンタクトプラグ３０の部位と比較して濃淡の差異が生じ、正常のコンタクトプラグ３０の部位よりも、濃度が濃く表示されている。

このように、従来の試料面観察方法においては、欠落欠陥と開放欠陥の検出や分類を、ウエハ表面画像における白黒の濃淡など、階調差を基準として行っていた。

なお、他に、半導体デバイスウエハに形成された配線の導通不良を検出する方法として、半導体装置のＴＥＧ（Ｔｅｓｔ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｇｒｏｕｐ）領域に、行方向及び列方向の配線とこれに接続される所定の導電部を有する検査用の配線パターンを設け、導電部を電子ビームでスキャンし、導電部の電位差に起因する二次電子放出量の変化を検出し、電気的異常を迅速に検出するようにした半導体装置の検査方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００５−２３５７７７号公報 特開２００７−８０９８７号公報

しかしながら、上述の特許文献１に記載の構成では、コンタクトプラグ３０の材料や絶縁層４０の種類によっては、各部位の階調差が小さく、欠落欠陥や開放欠陥の検出が困難な場合があるという問題があった。また、特に開放欠陥については、開放欠陥を有するコンタクトプラグ３２の部位が、正常なコンタクトプラグ３０の部位よりも濃度が濃くなる（より黒くなる）場合と、薄くなる（より白くなる）場合とがあり、欠陥の検出や欠陥の種類を分類することが極めて困難であるという問題があった。

つまり、従来の試料面観察方法においては、欠落欠陥も開放欠陥も同じ条件で同時に欠陥検出を行っていたため、結果としていずれの欠陥も試料面画像中の正常なコンタクトプラグ３０との識別が困難で、欠陥検出が困難になるという事態を招いていた。

また、上述の特許文献２に記載の構成では、ＴＥＧにより半導体装置の製造状況の一般的検査を行うことは可能であるが、半導体装置に実際に形成された配線パターンにおける個別具体的な検査は別の手法によらねばならず、半導体装置の全面検査を行う場合には適用できないという問題があった。

そこで、本発明は、配線構造の欠陥検出において、欠陥部位と正常部位の階調差が大きく、白黒の濃淡の差が明確な試料面画像を取得し、欠陥の検出が容易な試料面観察方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、第１の発明に係る試料面観察方法は、絶縁材料と導電性材料を含む配線が形成された試料面に電子ビームを照射し、該試料面の構造情報を得た電子を検出することにより、試料面画像を取得して該試料面を観察する試料面観察方法であって、
前記電子ビームのランディングエネルギーが１００ｅＶ以下の領域において、前記試料面画像における前記絶縁材料と前記導電性材料との輝度差をなくすように前記ランディングエネルギーを調整し、
調整された前記ランディングエネルギーを有する前記電子ビームを前記試料面に照射して試料面画像を取得し、前記絶縁材料及び前記導電性材料の輝度と異なる輝度の点を、前記試料面の開放欠陥として検出することを特徴とする。

これにより、絶縁材料と導電性材料以外の部分を容易かつ確実に検出することができる。つまり、絶縁材料と導電性材料が混在し、抵抗値が変化した開放欠陥を周囲から浮かび上がらせ、開放欠陥を容易かつ確実に検出することができる。

第２の発明に係る試料面観察方法は、絶縁材料と導電性材料を含む配線が形成された試料面に電子ビームを照射し、該試料面の構造情報を得た電子を検出することにより、試料面画像を取得して該試料面を観察する試料面観察方法であって、
前記電子ビームのランディングエネルギーが１００ｅＶ以下の領域において、前記試料面画像における前記絶縁材料と前記導電性材料との輝度差が最大となるように前記ランディングエネルギーを調整し、
調整された前記ランディングエネルギーを有する前記電子ビームを前記試料面に照射して試料面画像を取得し、欠落欠陥を検出することを特徴とする。

これにより、欠落欠陥の周囲との識別が容易な試料面画像を取得することができ、欠落欠陥の検出を容易かつ確実にすることができる。また、絶縁性材料の識別が容易なミラー電子を利用し、効果的に欠落欠陥を検出することができる。

第４の発明は、第１〜３のいずれか一つの発明に係る試料面観察方法において、
前記電子ビームの前記試料面への照射は、複数回、漸次ランディングエネルギーを上げて行われ、前記絶縁材料及び前記導電性材料と前記開放欠陥との輝度差を上昇させることを特徴とする。

これにより、試料面画像のコントラストを更に明瞭にすることができ、欠陥の検出を更に容易かつ確実に行うことができる。
第５の発明に係る試料観察方法は、絶縁材料と導電性材料を含む配線が形成された試料面に電子ビームを照射し、該試料面の構造情報を得た電子を検出することにより、試料面画像を取得して該試料面を観察する試料面観察方法であって、
前記電子ビームのランディングエネルギーが１００ｅＶ以下の領域において、該ランディングエネルギーを変化させることにより、検出目的とする欠陥の種類に応じて取得する試料画像の階調調整を行い、前記検出目的とする欠陥に対応した試料画像を取得することを特徴とする。
これにより、ランディングエネルギーの調整により、容易に開放欠陥の検出に適した状態と、欠落欠陥の検出に適した状態を設定することができ、開放欠陥の検出モードと欠落欠陥の検出モードの切り替えを容易に行うことができる。

本発明によれば、試料面観察を容易にし、目的とする欠陥の検出を確実に行うことができる。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。

図１は、本発明を適用した実施例に係る試料面観察方法を実行するための電子ビーム装置１００の一例を示した全体構成図である。図１において、電子ビーム装置１００は、電子ビーム射出部６０と、一次電子光学系７０と、二次電子光学系８０と、電子検出部９０とを備える。

電子ビーム射出部６０は、電子ビームを生成して、射出するための手段である。電子ビーム射出部６０は、電子銃１と、ウェーネルト電極２と、アノード３とを備える。電子銃１のカソード電極（図示せず）から放出された電子ビームは、ウェーネルト電極２により放出電子の量が制御され、アノード３により加速され、一次電子光学系７０に入る。

一次電子光学系７０は、電子ビーム射出部６０から射出された電子ビームが、試料Ｗの表面に照射されるように導くための手段である。一次電子光学系７０は、静電レンズ４と、開口５と、複数段の四極子レンズ６と、Ｅ×Ｂ分離器７と、対物レンズ８とを備える。一次電子光学系７０は、電子ビーム射出部６０から射出された電子ビームを、静電レンズ４、開口５及び四極子レンズ６で調整及び整形し、Ｅ×Ｂ分離器７によって電子ビームの進行方向を変更して一次電子ビームがステージＳ上の試料Ｗの表面に垂直に入射するようにし、対物レンズ８により電子ビームを所望の断面形状に成形して試料面に照射する。

なお、試料Ｗは、試料面に絶縁材料と導電性材料を含んだ試料Ｗであれば、種々の試料Ｗを対象とすることができるが、本実施例に係る試料観察方法は、半導体ウエハ等の半導体装置を観察するのに好適である。

ステージＳは、水平面上で直交する２つの方向Ｘ、Ｙに移動可能であり、かつ必要に応じてＸＹ平面内で回転可能に構成されてもよい。これらの移動機能により、試料Ｗの表面は電子ビームにより走査されることが可能となる。

また、図示しないが、試料面の電位を調整する試料面電位調整手段が、ステージＳ付近に設けられていてもよい。上述の電子銃１のカソード電圧と、試料面電位を調整することにより、電子ビームが試料Ｗの表面に照射される際のランディングエネルギーを調整し、制御することができる。詳細は後述するが、本実施例に係る試料面観察方法においては、電子ビームが試料Ｗに照射される際のランディングエネルギーを調整することにより、試料Ｗの材料コントラストを調整する。よって、電子ビーム装置１００は、かかるランディングエネルギーを調整するための一手段として、例えば試料電位調整手段を備えていてもよい。

なお、電子ビーム射出部６０と一次電子光学系７０の動作により、電子ビームは試料面に照射され、電子ビーム照射工程が実行される。

二次電子光学系８０は、電子ビーム照射工程により試料面の構造情報を得た電子を、電子検出部９０に導くための手段である。二次電子光学系８０は、対物レンズ８と、Ｅ×Ｂ分離器７と、第１段コンデンサレンズ９と、第２段コンデンサレンズ１０とを備える。電子ビームの照射により、試料面の構造情報を得たミラー電子、反射電子や後方散乱電子を含む二次電子は、二次電子光学系８０を通過して、電子検出部９０へと導かれる。

なお、ミラー電子は、電子ビーム照射工程において試料Ｗに向けて照射された電子ビームが、試料面に衝突することなく反射した電子である。また、反射電子や後方散乱電子を含む二次電子は、電子ビーム照射工程において試料Ｗに電子ビームが照射され、試料面から放出された電子である。いずれの電子も、試料面の平面的及び／又は立体的な構造情報を得ているので、試料面の構造情報を取得するのに利用できる。

電子検出部９０は、試料面の構造情報を得た電子を検出し、試料面画像を取得するための手段である。電子検出部９０は、ＭＣＰ（Ｍｉｃｒｏ−Ｃｈａｎｎｅｌ Ｐｌａｔｅ）１１と、蛍光板１２と、ＴＤＩ−ＣＣＤ（Ｔｉｍｅ Ｄｅｌａｙ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ−Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）検出器１３と、画像処理部１４とを備える。ＭＣＰ１１は、入射した電子を増倍する電子増倍手段である。蛍光板１２は、ＭＣＰ１１から入射した電子を光信号に変換する。ＴＤＩ−ＣＣＤ検出器１３は、蛍光板１２からの光信号を受光し、光信号の大きさに応じて、電気信号に変換し、これを画像処理部１４に出力する。ここで、ＴＤＩ−ＣＣＤ検出器１３が蛍光板１２から受光する光は、試料面の構造情報を得た電子に基づく光であるので、試料面の構造に応じて光量が異なる。従って、ＴＤＩ−ＣＣＤ検出器１３が出力する電気信号は、試料面の構造に応じて電圧の異なる電気信号である。画像処理部１４は、受け取った電気信号をＡ／Ｄ変換し、デジタル画像を形成する。かかる動作は、試料面の走査期間を通じて行われ、その結果、画像処理部１４は、試料面の試料画像を出力することができる。

なお、かかる二次電子光学系８０及び電子検出部９０の動作により、試料面の構造情報を得た電子が検出され、試料面画像が取得される試料面画像取得工程が実行される。

例えば、このような電子ビーム装置１００を用いて、本実施例に係る試料面観察方法を実行することができるが、図１に示した電子ビーム装置１００は一例に過ぎず、種々の態様を適用してよい。試料面に電子ビームを照射する電子ビーム照射工程と、試料面の構造情報を得た電子に基づいて試料画像を取得する試料画像取得工程を実行することができれば、種々の態様の電子ビーム装置１００に対して本実施例に係る試料面観察方法を適用することができる。

次に、図２乃至図６を用いて、本実施例に係る試料面観察方法を説明する。

図２は、電子ビームのランディングエネルギーに応じた導電性材料と絶縁性材料の階調差の相違を示した図である。図２のグラフは、電子ビームを試料面に照射して試料面画像を取得する際、電子ビームが試料面に入射するランディングエネルギーを変化させ、そのとき取得される試料面画像における絶縁材料と導電性材料の輝度を測定することにより得られるグラフである。図２において、横軸は電子ビームが試料面に照射する際のランディングエネルギーＬＥ〔ｅＶ〕、縦軸は輝度〔ＤＮ〕を示している。

なお、ランディングエネルギーは、電子ビームが試料面に入射する際の着地加速電圧を意味し、電子銃１のカソード電位と、試料面の電位（リターディング電圧）との電位差で表すことができる。従って、例えば、図１に示した電子ビーム装置１００の場合には、電子銃１のカソード電圧及び／又は図示しない試料電位調整手段を制御することにより、ランディングエネルギーを調整することができる。

図２において、導体と絶縁物のランディングエネルギーに対する輝度の変化が示されているが、ランディングエネルギーが１００〔ｅＶ〕以上の領域では、絶縁物の輝度の方が、導体よりも大きな値となっている。

図３は、図２の円で括られた部分を拡大した図であり、図２と同様に、電子ビームのランディングエネルギーに応じた導電性材料と絶縁性材料の階調差の相違を示した図である。図３においては、ランディングエネルギーが１００〔ｅＶ〕以下の領域におけるランディングエネルギーの変化に対応した輝度変化が示されている。

図３において、ランディングエネルギーが１００〔ｅＶ〕以下の領域では、同一のランディングエネルギーに対して、導体が絶縁物よりも高い輝度を示す領域１と、導体と絶縁物の輝度がほぼ等しい領域２と、絶縁物が導体よりも高い輝度を示す領域３を含んでいることが分かる。

図３のグラフの上方に示すように、領域１は、例えばランディングエネルギー１０〔ｅＶ〕の点が該当し、かかる領域においては、導体の方が絶縁物より高い輝度を示すので、導体の濃度が白く、絶縁物の濃度が黒い試料画像が取得される。

同様に、領域２は、例えばランディングエネルギー３３〔ｅＶ〕の点が該当し、この領域では、導体と絶縁物の輝度が等しいので、導体及び絶縁物の双方の濃度が等しい灰色の試料画像が取得される。

領域３は、例えばランディングエネルギー１００〔ｅＶ〕の点が該当し、この領域においては、絶縁物の輝度の方が導体の輝度よりも高いので、絶縁物の濃度が白く、導体の濃度が黒い試料画像が取得される。

このように、電子ビームのランディングエネルギーを変化させることにより、取得される試料画像における導電性材料と絶縁材料の階調を変化させることができる。つまり、例えば、試料画像における導電性材料と絶縁材料の階調を同一にし、材料コントラストをゼロにしたい場合には、領域２に含まれるランディングエネルギー値を選択設定すれば、導電性材料と絶縁材料以外の配線材料の階調が異なる試料画像を取得することができる。

また、これとは逆に、試料画像における導電性材料と絶縁材料の階調の差を大きくし、材料コントラストを大きくしたい場合には、領域１又は領域３のうち、より導電性材料と絶縁材料の輝度差が大きい点を選択すればよい。更に、導電性材料の濃度を絶縁材料の濃度より小さくしたい場合には、領域１に含まれるランディングエネルギー値を選択設定し、逆に導電性材料の濃度を絶縁材料の濃度よりも大きくしたい場合には、領域３に含まれるランディングエネルギー値を選択設定すればよい。

このように、ランディングエネルギーに応じた導電性材料と絶縁材料の輝度の関係を利用すれば、取得する試料画像の材料に応じた階調調整を行うことができ、目的とする欠陥に対応した試料画像を取得することができる。

次に、図３に示したランディングエネルギーと材料に応じた輝度差のグラフを利用して、開放欠陥及び欠落欠陥を検出する試料観察方法について説明する。

図４は、図３における領域２のランディングエネルギーで試料面を観察した場合に取得された試料画像の例を示した図である。図４（ａ）は、正常なコンタクトプラグ３０が形成された試料面の試料画像の例を示した図である。図４（ａ）において、絶縁材料と導電性材料の輝度差がゼロとなるようなランディングエネルギーの領域で試料面を観察しているため、正常なコンタクトプラグ３０が形成された試料Ｗの試料表面層は、絶縁材料と導電性材料のみで構成されている状態であり、従って図４（ａ）に示すように輝度が一定の一色の試料画像が取得されることになる。

なお、かかる図３の領域２における、導電性材料と絶縁材料の輝度が等しい状態となるランディングエネルギーは、３３〔ｅＶ〕前後の低エネルギー領域においてである。かかる低ランディングエネルギー領域においては、電子ビームを試料面に照射した場合、試料面からミラー電子が反射される確率が高いことが、本発明者等により確かめられている。従って、本実施例に係る試料面観察方法においては、主にミラー電子を効果的に用いて試料面観察を行うが、試料面からは二次電子又は反射電子が放出されている場合もあり得、電子検出器４０においては、かかる二次電子又は反射電子も区別なく検出し、これらも併せて試料面画像取得に利用することができる。

図４（ｂ）は、開放欠陥のコンタクトプラグ３２が形成された試料面の試料面画像の例を示した図である。図４（ｂ）において、試料面画像の中央部のみ輝度が高くなり、濃度が小さく周囲から明瞭に浮き出た（区別できる）試料面画像となっている。この白く浮き出た部分が、開放欠陥を有するコンタクトプラグ３２の部分であり、絶縁材料と導電性材料の輝度を等しくすることにより、開放欠陥のコンタクトプラグ３２を明確に検出することができる。

なお、開放欠陥のコンタクトプラグ３２も、材料的には絶縁材料と導電性材料とから構成されているが、領域２においては、絶縁材料と導電性材料は、絶縁層４０が厚さ方向に各々の材料で充填された場合を基準にして輝度差がゼロになるように設定されている。従って、開放欠陥のコンタクトプラグ３２のように、絶縁材料と導電性材料が混在した状態では、その抵抗値も変化して両者と異なるので、図４（ｂ）に示すように、開放欠陥のコンタクトプラグ３２を浮き上がらせた試料面画像を取得することができる。また、電子ビームを用いて試料面観察を行う部分は、試料Ｗの表面に近い表面層の領域であり、かかる試料表面層を対象として、絶縁材料と導電性材料の輝度の状態調整は行われるので、このような試料面の厚さ方向の欠陥である開放欠陥も明確に検出することができる。更に、上述のミラー電子と反射電子又は二次電子が重畳されて検出されることにより、試料面画像は、従来よりも濃淡が強調され、よりコントラストが明瞭な画像を得ることができる。

このように、本実施例に係る試料面観察方法によれば、図４に示すように、試料面画像における絶縁材料と導電性材料の輝度が同一となる状態にランディングエネルギーを設定し、かかる状態で電子ビームを試料面に照射して試料面画像を取得することにより、試料Ｗの表面層に形成された開放欠陥のコンタクトプラグ３２を容易かつ確実に検出することができる。

図５は、図３の領域１のランディングエネルギーで試料面を観察した場合に取得される試料画像の例を示した図である。図５（ａ）は、正常なコンタクトプラグ３０が形成された試料面の試料面画像の例を示した図である。図３の領域１においては、導体が絶縁体よりも高い輝度を有するので、図５（ａ）において、タングステンや銅等の導電性材料が充填された正常なコンタクトプラグ３０は輝度が高くなり、周囲の絶縁層４０の部分は、輝度が低くなる。つまり、コンタクトプラグ３０の部位は濃度が小さく（白く）なり、絶縁層４０の部分は、濃度が大きく（黒く）なる。そして、領域１のランディングエネルギーの状態においては、導体と絶縁層の輝度差が大きいので、正常なコンタクトプラグ３０は、周囲の絶縁層４０から大きな濃度差で明確に区別される試料面画像が得られる。

図５（ｂ）は、欠落欠陥のコンタクトプラグ３１を含む試料面の試料面画像を示した図である。図５（ｂ）において、本来的には中央に形成されているべきコンタクトプラグ３１が形成されず、欠落欠陥となっている。欠落欠陥の場合には、コンタクトプラグ３１が全く形成されず、欠落欠陥の部分は絶縁材料となるため、周囲の絶縁層４０と同じ階調（輝度）で表示される。そして、この試料面画像を、正常コンタクトプラグ３０の画像と重ね合わせて対比することにより、欠落欠陥の位置が特定される。

なお、欠落欠陥のコンタクトプラグ３１の特定は、例えば、正常なコンタクトプラグ３０が、一定の間隔で規則正しく配列されている場合には、隣接する周囲の正常なコンタクトプラグ３０間の距離をそれぞれ算出し、この距離の値の異同を基準に欠落欠陥のコンタクトプラグ３１を検出することができる。

また、コンタクトプラグ３０が不規則に配列されている場合には、周囲の一定領域を含めた正常なコンタクトプラグ３０が形成された参照用の試料面画像を取得し、同一の領域について試料面画像を取得して参照用の試料面画像と比較し、パターンマッチングを行うことにより、画像の不一致から欠落欠陥のコンタクトプラグ３１の存在を検出することができる。

このように、欠落欠陥のコンタクトプラグ３１の検出のための試料面画像比較は、コンタクトプラグ３０の配列の規則性を利用して、コンタクトプラグ３１が形成されるべき位置でスポット的に行ってもよいし、周囲を含む試料面画像同士で行ってもよい。いずれの欠落欠陥検出においても、正常なコンタクトプラグ３０と欠落欠陥のコンタクトプラグ３１の輝度差が最大となる状態で電子ビームを試料面に照射し、試料面画像を取得しているので、両者の濃度差が大きい試料面画像を取得でき、欠落欠陥の検出を容易かつ確実に行うことができる。

図６は、図３の領域３のランディングエネルギーで試料面を観察した場合に取得される試料面画像の例を示した図である。領域３の状態では、試料面画像において、絶縁物の輝度が導体の輝度よりも高く、その輝度差が最大の状態である。

図６（ａ）は、正常なコンタクトプラグ３０が試料面に形成された試料Ｗの試料面画像を示した図である。図６（ａ）において、タングステンや銅等の導電性材料が充填された正常なコンタクトプラグ３０の位置は、輝度が小さく、濃度が大きい画像を形成している。一方、周囲の絶縁材料で形成された絶縁層４０は、輝度が大きく、濃度が白く表示されている。そして、導電性材料と絶縁材料の輝度差は最大であるので、白い絶縁層４０から黒く正常なコンタクトプラグ３０が明瞭に浮き出た試料面画像が取得されている。

一方、図６（ｂ）は、欠落欠陥のコンタクトプラグ３１が試料面に形成された試料Ｗの試料面画像を示した図である。図６（ｂ）において、中央の欠落欠陥のコンタクトプラグ３１の位置は、絶縁材料で形成されているので、周囲の絶縁層４０と同じ階調で表示される。なお、図５（ｂ）中、理解の容易のために仮想的な欠落欠陥のコンタクトプラグ３１の位置が示されているが、実際には、周囲の絶縁層４０と何ら境界のない画像として表示されることになる。

この取得された試料面画像においても、図５（ｂ）で説明したのと同様の手法により、欠落欠陥を検出することができる。つまり、正常なコンタクトプラグ３０が所定間隔で規則正しく配列されている場合には、欠落欠陥の位置の画像と周囲の正常なコンタクトプラグ３０の画像との比較を行うことにより、欠落欠陥を検出することができる。また、正常なコンタクトプラグ３０が不規則に配列されている場合であっても、試料面画像同士を比較してパターンマッチングを行うことにより、欠落欠陥を検出することができる。

図６に示した領域３の状態で欠落欠陥を検出する場合においても、導電性材料で形成された正常なコンタクトプラグ３０と、絶縁材料で形成された欠落欠陥のコンタクトプラグ３１の輝度差は最大の状態であるので、両者の階調差は大きく、明確かつ確実に欠落欠陥を検出することができる。

なお、欠落欠陥の検出の際、図３の領域１の導電性材料の輝度が絶縁材料の輝度よりも高い状態で試料面観察を行うか、領域３の絶縁材料の輝度が導電性材料の輝度よりも高い状態で試料観察を行うかは、用途に応じて適宜適切な方を適用してよい。いずれの態様においても、試料面画像における導電性材料と絶縁材料の輝度差は最大の状態であるので、目的とする欠落欠陥の検出を容易かつ確実に行うことができる。

次に、本実施例に係る試料観察方法の検出結果例について説明する。

図７は、ＴＤＩ−ＣＣＤ検出器１３の撮像領域（視野領域）と、電子ビーム１５の試料面上における位置関係を示した図である。このような、２次元領域を有する電子ビーム１５を用いて、加速電圧が−４０３３〔ｅＶ〕、試料面の電圧が−４０００〔ｅＶ〕、ランディングエネルギーが３３〔ｅＶ〕という条件で、試料面の観察を行った。ここで、加速電圧は電子銃１のカソードの電圧の意味であり、カソードの電圧又は試料面の電圧（リターディング電圧）を増減させることにより、ランディングエネルギーを調整した。この条件は、図３の領域２で示した条件と同様であるから、試料面画像の導電性材料と絶縁材料の輝度が等しい状態で電子ビーム１５を試料面に照射し、試料面画像を取得したので、図４で説明したように、開放欠陥のコンタクトプラグ３１が存在したときには、これが周囲と異なる階調で表示され、浮かび上がるような画像を取得して開放欠陥を検出することができた。

一方、欠落欠陥を検出する場合には、図７のような電子ビーム１５を用い、加速電圧を−４００１０〔ｅＶ〕、試料面の電圧を−４０００〔ｅＶ〕、ランディングエネルギーを１０〔ｅＶ〕とし、図３の領域１と同じ条件で試料面への電子ビーム１５の照射を行った。この場合には、図５で説明したように、正常なコンタクトプラグ３０は周囲の絶縁層４０から白く浮かび上がり、欠落欠陥のコンタクトプラグ３２の位置は、周囲と同じく黒く表示された試料画像を取得できた。この試料画像をもとに、欠落欠陥を検出するための画像比較を行い、欠落欠陥を検出することができた。

図８は、本実施例に係る試料観察方法を適用した欠陥検出結果を示した図である。図８において、動作条件１は、従来の試料観察方法により欠落欠陥と開放欠陥を検出した結果を示している。動作条件２は、本実施例に係る領域２の条件により、開放欠陥を検出した結果を示している。動作条件３は、本実施例に係る領域１の条件により、欠落欠陥を検出した結果を示している。なお、図８中、ＭＩＳＳＩＮＧは欠落欠陥、ＯＰＥＮは開放欠陥を示している。また、括弧内の数字は疑似欠陥の数を表している。

図８において、従来の試料観察方法による動作条件１では、欠落欠陥の検出率は７９．２％、開放欠陥の検出率は５３．３％である。一方、本実施例に係る試料観察方法による動作条件２では、欠落欠陥は検出されないが、開放欠陥は、１００％検出されている。同様に、本実施例に係る試料観察方法による動作条件３においては、開放欠陥は検出されないが、欠落欠陥は１００％検出されている。従来と比較し、検出率が向上し、更に疑似欠陥も検出されていないことが分かる。

このように、検出目的とする欠陥の種類に応じて電子ビーム１５の照射条件を変更し、開放欠陥又は欠落欠陥を検出するのに最適な状態で電子ビーム１５を試料面に照射することにより、目的とする欠陥を確実に検出することができる。

なお、開放欠陥を検出するのに好適な試料画像において絶縁材料と導電性材料の輝度が等しくなる状態と、欠落欠陥を検出するのに好適な試料画像において絶縁材料と導電性材料の輝度差が最大となる状態は、試料Ｗの材料構成や、配線パターンにより変わり得るので、試料Ｗの構成が大きく変更される場合には、ランディングエネルギーを変化させて、試料Ｗの試料画像における輝度の材料依存を把握し、最適な状態で試料観察を行うようにしてよい。

図９は、本実施例に係る試料観察方法の、変形例に係る態様について説明するための図である。図９において、横軸は電子ビーム１５の照射回数〔回〕、縦軸は欠陥輝度〔ＤＮ〕を示しており、電子ビーム１５の照射回数及びランデシィングエネルギーの変化に応じた試料面画像における欠陥輝度の変化を示した図である。

本実施例に係る試料観察方法において、電子ビームで間欠的に複数回試料を照射し、更にランディングエネルギーを漸次上げてゆくことにより、欠陥部位のコントラスト（階調差、輝度差）が上昇する。図９は、その状態変化を示している。つまり、ランディングエネルギーを１回目の電子ビーム１５の照射時が１４〔ｅＶ〕、２回目の照射時が１６〔ｅＶ〕、３回目の照射時が１８〔ｅＶ〕、４回目の照射時が２０〔ｅＶ〕と、電子ビーム１５を複数回試料面に照射するとともに、照射の度に漸次ランディングエネルギーを上昇させている。このような電子ビーム１５の照射を行うことにより、試料画像における欠陥輝度が１回目から４回目にかけて回数を重ねる毎に上昇していることが、図９より分かる。

この現象を利用し、変形例に係る試料観察方法においては、今まで説明したような輝度による開放欠陥又は欠落欠陥に適した状態を設定した後、最適な照射回数で電子ビームを照射し、その後欠陥検出を行うようにしてもよい。本変形例に係る試料観察方法によれば、より高精度な欠陥検出が可能となる。一方、照射回数を増加させ過ぎると、１回の試料観察に長時間を要し、スループットの低下を招くおそれがあるので、生産性を考慮し、適切なバランスで電子ビーム１５の照射回数を定めることが好ましい。本変形例においては、電子ビーム１５の照射回数が２〜４回の場合に、取得される試料画像の側面からもスループットの側面からも最適な欠陥検査を行うことができる。

なお、本実施例及び変形例においては、電子ビーム１５が複数画素分を照射できる２次元領域を有する電子ビーム１５を用いた、写像投影型の電子ビーム装置１００を利用して試料観察を行う方法について説明したが、これに限らず、例えば、細く１画素分に電子ビーム１５を絞った走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）に適用することもできる。ＳＥＭ型の電子ビーム装置を利用した場合には、電子ビームのエネルギーが高くなり、本実施例で説明したような低ランディングエネルギー領域の電子ビームを適用するのは困難であるので、領域２を用いた開放欠陥の検出は困難であるが、図２で示したランディングエネルギーが１００〔ｅＶ〕以上の領域であって、導体と絶縁物の輝度差が大きい領域を用いることにより、欠落欠陥の検出を容易かつ確実にすることができる。

以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

本実施例に係る試料面観察方法を実行するための電子ビーム装置１００の一例を示した全体構成図である。 ランディングエネルギーに応じた導電性材料と絶縁性材料の階調差を示した図である。 ランディングエネルギーが１００〔ｅＶ〕以下の領域の輝度変化を示した図である。 領域２の状態で取得された試料画像の例を示した図である。図４（ａ）は、正常なコンタクトプラグ３０が形成された試料面の試料画像を示した図である。図４（ｂ）は、開放欠陥のコンタクトプラグ３２が形成された試料面の試料画像を示した図である。 領域１の状態で試料面を観察した場合に取得される試料画像の例を示した図である。図５（ａ）は、正常なコンタクトプラグ３０が形成された試料面画像を示した図である。図５（ｂ）は、欠落欠陥のコンタクトプラグ３１を含む試料面画像を示した図である。 領域３の状態で試料面を観察した場合に取得される試料面画像の例を示した図である。図６（ａ）は、正常なコンタクトプラグ３０が形成された試料面画像を示した図である。図６（ｂ）は、欠落欠陥のコンタクトプラグ３１が形成された試料面画像を示した図である。 ＴＤＩ−ＣＣＤ検出器１３の撮像領域（視野領域）と、電子ビーム１５の試料面上における位置関係を示した図である。 本実施例に係る試料観察方法を適用した欠陥検出結果を示した図である。 本実施例に係る試料観察方法の、変形例に係る態様について説明するための図である。 半導体ウエハに形成されたコンタクトプラグの断面例を示した図である。図１０（ａ）は、正常な接地されたコンタクトプラグ３０の断面を示した図である。図１０（ｂ）は、欠落欠陥のコンタクトプラグ３１を含む断面を示した図である。図１０（ｃ）は、開放欠陥のコンタクトプラグ３２を含む断面を示した図である。 従来の試料面観察方法により取得したウエハ表面画像を示した図である。図１１（ａ）は、正常に接地されたコンタクトプラグ３０が形成されたウエハ表面画像を示した図である。図１１（ｂ）は、欠落欠陥のコンタクトプラグ３１を含むウエハ表面画像を示した図である。図１１（ｃ）は、開放欠陥のコンタクトプラグ３２を含むウエハ表面画像を示した図である。

符号の説明

１ 電子銃
２ ウェーネルト電極
３ アノード
４ 静電レンズ
５ 開口
６ 四極子レンズ
７ Ｅ×Ｂ分離器
８ 対物レンズ
９ 第１段目コンデンサレンズ
１０ 第２段目コンデンサレンズ
１１ ＭＣＰ
１２ 蛍光板
１３ ＴＤＩ−ＣＣＤ検出器
１４ 画像処理装置
１５ 電子ビーム
３０ 正常なコンタクトプラグ
３１ 欠落欠陥のコンタクトプラグ
３２ 開放欠陥のコンタクトプラグ
４０ 絶縁層
６０ 電子ビーム射出部
７０ 一次電子光学系
８０ 二次電子光学系
９０ 電子検出部
１００ 電子ビーム装置

Claims (5)

1. 絶縁材料と導電性材料を含む配線が形成された試料面に電子ビームを照射し、該試料面の構造情報を得た電子を検出することにより、試料面画像を取得して該試料面を観察する試料面観察方法であって、
   前記電子ビームのランディングエネルギーが１００ｅＶ以下の領域において、前記試料面画像における前記絶縁材料と前記導電性材料との輝度差をなくすように前記ランディングエネルギーを調整し、
   調整された前記ランディングエネルギーを有する前記電子ビームを前記試料面に照射して試料面画像を取得し、前記絶縁材料及び前記導電性材料の輝度と異なる輝度の点を、前記試料面の開放欠陥として検出することを特徴とする試料面観察方法。
2. 絶縁材料と導電性材料を含む配線が形成された試料面に電子ビームを照射し、該試料面の構造情報を得た電子を検出することにより、試料面画像を取得して該試料面を観察する試料面観察方法であって、
   前記電子ビームのランディングエネルギーが１００ｅＶ以下の領域において、前記試料面画像における前記絶縁材料と前記導電性材料との輝度差が最大となるように前記ランディングエネルギーを調整し、
   調整された前記ランディングエネルギーを有する前記電子ビームを前記試料面に照射して試料面画像を取得し、欠落欠陥を検出することを特徴とする試料面観察方法。
3. 前記欠落欠陥の検出は、取得した前記試料面画像を参照用の試料面画像と比較することにより行われることを特徴とする請求項２に記載の試料面観察方法。
4. 前記電子ビームの前記試料面への照射は、複数回、漸次ランディングエネルギーを上げて行われ、前記絶縁材料及び前記導電性材料と前記開放欠陥との輝度差を上昇させることを特徴とする請求項１に記載の試料面観察方法。
5. 絶縁材料と導電性材料を含む配線が形成された試料面に電子ビームを照射し、該試料面の構造情報を得た電子を検出することにより、試料面画像を取得して該試料面を観察する試料面観察方法であって、
   前記電子ビームのランディングエネルギーが１００ｅＶ以下の領域において、該ランディングエネルギーを変化させることにより、検出目的とする欠陥の種類に応じて取得する試料画像の階調調整を行い、前記検出目的とする欠陥に対応した試料画像を取得することを特徴とする試料面観察方法。
   

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