JP2001242104A

JP2001242104A - 荷電粒子ビーム顕微鏡、欠陥検査装置及び半導体デバイスの製造方法

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Publication number: JP2001242104A
Application number: JP2000049305A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Nishimura; 宏西村
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2000-02-25
Filing date: 2000-02-25
Publication date: 2001-09-07
Anticipated expiration: 2020-02-25
Also published as: JP4370657B2

Abstract

(57)【要約】【目的】照明視野のアスペクト比及び照明視野サイズを
連続的に変化させることが可能な荷電粒子ビーム顕微
鏡、欠陥検査装置及び半導体デバイスの製造方法を提供
する。【解決手段】荷電粒子源からの１次ビームを、多極子レ
ンズを有する一次光学系、ウィーンフィルター（Ｅ×
Ｂ）を介して試料面（物体面）に照明する照明光学系
と、該照明された試料面（物体面）から発生する電子を
像面へ結像する写像投影光学系（二次光学系）とを備え
た荷電粒子ビーム顕微鏡であって、前記一次光学系の多
極子レンズが、少なくとも四段配置されていることを特
徴とする荷電粒子ビーム顕微鏡。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、荷電粒子ビームを
用いた観察装置、半導体基板の欠陥検査装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体デバイスの検査等、物体表
面の微小物の観察には、主として走査型電子顕微鏡（Ｓ
ＥＭ）が用いられてきた。しかしながら、ＳＥＭは電子
ビーム観察面上の一点に照射し、照射点から発生する２
次電子、反射電子や後方散乱電子を検出し、照射点を走
査することにより画像を形成するものであり、観察に多
大に時間がかかるという問題を有していた。これを解決
する装置として、電子線を観察面に面状に照射し、その
結果反射する電子及び後方散乱電子を加速して収束さ
せ、電子光学系によりその像を拡大投影して撮像面に結
像させ、電子強度分布を光強度分布変換し、光写像光学
系を介して観察する装置が、特開平１０−１９７４６２
号公報、特開平１１−６４２５６号公報に記載されてい
る。このうち、特開平１０−１９７４６２号公報に記載
される装置においては、試料ステージを一方向に移動さ
せながら撮像を行い、前記撮像面から得られてた二次元
画像をＴＤＩアレイＣＣＤで検出することにより、高速
・高感度でパターンの検査を行うようになっている。

【０００３】また、特開平１１−６４２５６号公報に記
載される装置においては、ウィーンフィルター（Ｅ×
Ｂ）を用いることにより、斜め方向から発生させた一次
電子ビームにより試料を垂直照明（落射照明）し、か
つ、試料から発生する２次電子、反射電子等を、結像系
（二次光学系）によって垂直上方に設けられた撮像面に
結像させることができるようになっている。すなわち、
Ｅ×Ｂをビームスプリッターとして使用している。

【０００４】前述の特開平１１−６４２５６号公報に記
載されるようなＥ×Ｂを用いた装置においては、照明用
荷電粒子線を試料面に垂直に入射させ、かつ試料面の観
察を垂直方向から行うことができるという特徴を有して
いる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うなシステムにおいて、前記Ｅ×Ｂは結像系（二次光学
系）に対して収差が少なくなるように設計されるので、
照明系（一次光学系）に対しては大きな収差を持つこと
が避けられず、その中でも特に非点収差が大きい。

【０００６】一般に、一次光学系は、Ｅ×Ｂの後に設け
られている開口絞り（ＮＡ）の中心位置に電子銃のクロ
スオーバー像を結像し、その後の光学系は、開口絞りの
位置に結像された像を光源とするケーラー照明を構成す
るように設計されている。

【０００７】しかしながら、一次光学系が荷電粒子源を
開口絞りの位置に結像しようとしても、前記Ｅ×Ｂの非
点収差のため結像特性が変更され、物体面で所定の照明
視野、照度強度が得られないという問題点があった。

【０００８】また、二次光学系の倍率を変化させた場合
の照明サイズと、検出器として２次元ＣＣＤ及びＴＤＩ
ＣＣＤを切り換えて使用する際の各ＣＣＤのアスペクト
比に対応した照明視野のアスペクト比とを適切にするこ
とができなかった。

【０００９】即ち、照明視野のアスペクト比を変化させ
ることができても、三重四極子では、照明視野サイズ
は、所定の飛び々の値のみに設定できるだけであり、照
明視野サイズに無駄が生じ、照明効率が適切ではなかっ
た。

【００１０】そこで、本発明は、このような事情に鑑み
てなされたものであり、照明視野のアスペクト比及び照
明視野サイズを連続的に変化させることが可能な荷電粒
子ビーム顕微鏡、欠陥検査装置及び半導体デバイスの製
造方法を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
の第一の手段は、荷電粒子源からの１次ビームを、多極
子レンズを有する一次光学系、ウィーンフィルターを介
して試料面（物体面）に照明する照明光学系と、該照明
された試料面（物体面）から発生する電子を像面へ結像
する写像投影光学系（二次光学系）とを備えた荷電粒子
ビーム顕微鏡であって、前記一次光学系の多極子レンズ
が、少なくとも四段配置されていることを特徴とする荷
電粒子ビーム顕微鏡（請求項１）である。

【００１２】四重四極子レンズの各四極子レンズの印加
電圧を制御し、Ｘfocus、ＹfocusをE×Bの非点収差にあ
わせつつ、Ｘ倍率、Ｙ倍率を変化させれば所望のアスペ
クト比の所望の照明サイズが得られる。

【００１３】前記課題を解決するための第二の手段は、
請求項１記載の荷電粒子ビーム顕微鏡を有してなること
を特徴とする欠陥検査装置（請求項２）である。

【００１４】前記課題を解決するための第三の手段は、
請求項２記載の欠陥検査装置により中間製品又は完成品
の検査を行う工程を有してなることを特徴とする半導体
デバイスの製造方法（請求項３）である。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態の例を図
面を用いて説明する。

【００１６】図１は、実施形態の一例である電子ビーム
顕微鏡を使用した欠陥検査装置の例を示す全体構成図で
ある。

【００１７】欠陥検査装置は、一次コラム２０、二次コ
ラム３０およびチャンバー４０を有している。

【００１８】一次コラム２０の内部には、電子銃２１が
設けられており、電子銃２１から照射される電子ビーム
（一次ビーム）５０の経路に沿って、視野絞りFS1、四
重四極子レンズ22〜25よりなる一次光学系が配置され
る。

【００１９】また、チャンバー４０の内部には、ＸＹ方
向に沿って移動可能なステージ４１が設置され、ステー
ジ４１上には試料１１が載置される。

【００２０】一方、二次コラム３０の内部には、試料１
１から発生する二次ビーム６０の経路に沿って、カソー
ドレンズＣＬ、開口絞りＡＳ、電磁プリズムとしてのウ
ィーンフィルター（Ｅ×Ｂ（イー・クロス・ビー））３
１、レンズ３２、３３，視野絞りＦＳ２、および検出器
４２が配置される。このとき、カソードレンズＣＬから
検出器４２までの間に配置される要素が二次光学系を構
成している。一方、検出器４２は電子を光に変換し、リ
レー光学系５５を通り、第二の検出器５６からの出力
は、コントロールユニット４３に入力され、コントロー
ルユニット４３の出力は、ＣＰＵ４５に入力される。

【００２１】ＣＰＵ４５の制御信号は、一次光学系のレ
ンズの電圧制御を行う一次コラム制御ユニット４６、二
次光学系３３中の各レンズのレンズ電圧制御を行うと共
に、Ｅ×Ｂに印加する電磁界制御を行う二次コラム制御
ユニット４７およびステージ駆動機構４４に入力され
る。

【００２２】また、ステージ駆動機構４４は、ステージ
の位置情報をＣＰＵ４５に伝達する。さらに、一次コラ
ム２０、二次コラム３０、チャンバー４０は、真空排気
系（不図示）につながれている。これより、一次コラム
２０、二次コラム３０、チャンバー４０の内部は、真空
排気系のターボポンプにより排気されて、真空状態が維
持される。

【００２３】電子銃２１からの電子ビーム（一次ビーム
５０）は、一次光学系によるレンズ作用を受けて収束
し、Ｅ×Ｂ３１へ向かう。２６、２７は偏向器である。

【００２４】一次光学系22〜25を通過した一次ビーム５
０は、Ｅ×Ｂ３１の偏向作用によりその軌道が曲げられ
る。Ｅ×Ｂ３１は、磁界と電界とを直交させ、電界を
Ｅ、磁界をＢ、荷電粒子の速度をｖとした場合、Ｅ＝ｖ
Ｂのウィーン条件を満たす方向に移動する荷電粒子のみ
を直進させ、ウィーン条件を満たさない方向へ移動する
荷電粒子の軌道を曲げるものである。図２に示すよう
に、磁界をかける磁極３１（Ｂ）と電界をかける電極３
１（Ｅ）を９０°ずらして配置すると、一次ビーム５０
に対しては、磁界による力ＦＢと電界による力ＦＥとが
同一方向に発生し、ビーム軌道は曲げられる。一方、二
次ビーム６０に対しては、力ＦＢと力ＦＥとが逆方向に
働いて、互いに相殺されるので二次ビーム６０はそのま
ま直進する。この構成自体は電子ビームをその加速電圧
により偏向させるウィーンフィルタと同じであるが、本
実施形態では電磁プリズム（ビームスプリッタ）として
機能させている。

【００２５】Ｅ×Ｂ３１を通過した一次ビームは開口絞
りＡＳに達し、この開口絞りＡＳの位置で、電子銃のク
ロスオーバーの像を形成する。開口絞りＡＳを通過した
一次ビームは、カソードレンズＣＬによるレンズ作用を
受けて、試料１１上に達し、ケーラー照明条件が満たさ
れた状態で試料１１を照明する。

【００２６】二次光学系について説明する。図１におい
て、一次ビームが照射された試料１１からは、二次ビー
ム６０として、試料１１の表面形状、試料１１の材質分
布、電位の変化などに応じた分布の２次電子および反射
電子が発生する。

【００２７】この二次ビームは、カソードレンズＣＬに
よるレンズ作用を受けて、カソードレンズの焦点位置に
配置される開口絞りＡＳを通過し、Ｅ×Ｂ３１に達す
る。前述したように、Ｅ×Ｂ３１によって形成される互
いに直交した磁界Ｂと電界Ｅとは、試料１１からの二次
ビームがウィーン条件を満たすように設定される。これ
により、開口絞りＡＳを通過した二次ビームは、このＥ
×Ｂ３１により偏向されずに複数の電子レンズ３２、３
３へ向かう。なお、本実施形態では、一次ビームの軌道
を曲げて、二次ビームを直進させるものを用いたが、そ
れに限定されず、一次ビームの軌道を直進させ、二次ビ
ームの軌道を曲げる電磁プリズムを用いても良い。

【００２８】二次光学系３４の中には、視野絞りＦＳ２
が設けられており、この視野絞りＦＳ２は、カソードレ
ンズＣＬ及び電子レンズ３２の一部に関して試料１１と
共役となっている。この視野絞りＦＳ２を介した二次ビ
ーム６０は、さらに複数の電子レンズ３２を経て検出器
４２へ到達する。３５〜３８は偏向器である。

【００２９】このとき、検出器４２の検出面には、二次
光学系により拡大された試料１１の像が形成される。な
お、二次光学系中の電子レンズとしては、円形の電子レ
ンズや四重極や八重極など種々のものを用いることがで
きる。また、前記２次電子は、初期エネルギーが数eVと
小さいため、前記ステージ４１、前記試料１１に電圧を
印可し、前記ＣＬ第１電極との電位差により、該２次電
子を加速することができる。一次ビームは減速される。

【００３０】検出器４２は、電子を増幅するＭＣＰと、
電子を光に変換する蛍光板と、真空系と外部とを隔てる
真空窓から構成され、ＭＣＰ表面に結像した２次電子の
像を二次元の光の像に変換する。この二次元光学像は、
光学像を伝達させるためのレンズやその他の光学素子か
らなるリレー光学系５５を通り、第２の検出器５６（二
次元ＣＣＤ等）で電気信号に変換されて、コントロール
ユニット４３に入力される。

【００３１】コントロールユニット４３は、撮像素子５
６から試料の画像信号を読み出し、ＣＰＵ４５に伝達す
る。

【００３２】ＣＰＵ４５は、画像信号からテンプレート
マッチング等によってパターンの欠陥検査を実施する。

【００３３】また、ステージ駆動機構４４によりＸＹ方
向に移動可能となっているステージ４１の位置は、ＣＰ
Ｕ４５により読み取られる。そして、ＣＰＵ４５は、ス
テージ駆動機構４４に駆動制御信号を出力し、ステージ
４１を駆動させ、順次画像の検出、検査を行う。

【００３４】なお、コントロールユニット４３が読み出
した試料１１の画像信号をそのままディスプレイ４８に
表示すれば、電子ビームに基づいて試料を観察するため
の観察装置となる。

【００３５】一般的に、E×Bは、電極方向に凸のパワー
をもち、磁極方向には収差の影響のパワーが発生する。
もちろん、高次の収差があり、レンズの作用だけではな
い。しかし、支配的なのは、レンズ作用で、トーリック
・レンズのように働く。レンズ作用に加えて非点収差が
あると考えてもよい。

【００３６】図１に示す実施形態において、照明光学系
（一次光学系）に四重四極子レンズ２２〜２５を用いて
いるので、この四重四極子レンズ２２〜２５の各四極子
レンズの印加電圧を変更することにより、特にスティグ
メータ等を用いることなしに、Ｅ×Ｂ３１の電極方向、
磁極方向の結像位置を前記Ｅ×Ｂ３１のパワー及び非点
収差に合わせることができる。よって、電子銃のクロス
オーバーを前記開口絞りＡＳ上に結像し、カソードレン
ズ（ＣＬ）を介して試料をケーラー照明することができ
る。

【００３７】また、照明光学系（一次光学系）に四重四
極子レンズ２２〜２５を用いているので、照明視野の
アスペクト比及び照明視野サイズを連続的に変化させる
ことができる。その理由は次の通りである。

【００３８】二次光学系の倍率を変化させると、最適な
照明視野サイズが変わる。

【００３９】また、ケーラー照明では、図３に示すよう
に開き角θを変化させれば、照明視野が変化する。即
ち、開き角θを変化させるためには、一次光学系の倍率
を変化させればよい。

【００４０】従って、二次光学系の倍率変化に対応し
て、一次光学系の倍率変化を行えばよい。

【００４１】四極子レンズは、図４に示すように相対す
る電極に同一の電圧を、隣合う電極に極性が逆で絶対値
が同一の電圧を印加することによってレンズ作用を持た
せている。四極子レンズは、Ｘ方向、Ｙ方向のレンズパ
ワーが異なるため、１つの四極子レンズは、１つのパタ
メータしかもたない。

【００４２】照明視野のアスペクト比及び視野サイズ
は、Ｘfocus、Ｙfocus、Ｘ倍率、Ｙ倍率の４つのパラメ
ータによって決定される。

【００４３】前記４つのパラメータを所望の値にするた
めに、各パラメータに対応して制御可能な四極子レンズ
を少なくとも４段備えることが必要となる。

【００４４】前記四重四極子レンズの各四極子レンズの
印加電圧を制御し、Ｘfocus、Ｙfocusを前記E×Bの非点
収差にあわせつつ、Ｘ倍率、Ｙ倍率を変化させれば所望
のアスペクト比の所望の照明サイズが得られる。

【００４５】また、視野絞りFS1が円又は楕円のとき
は、円形ビーム、楕円ビーム、FS1が正方形、または長
方形のときは矩形ビーム、長方形ビームでウエハ11を照
明できる。

【００４６】また、四重四極子レンズのかわりに四段以
上の四極子、又は四段以上の八極子等の多極子でも良
い。

【００４７】さらに、荷電粒子ビームはイオンビームで
も良い。また、検査装置でなく、半導体露光装置や、す
べての荷電粒子源からのビームにより試料面（物体面）
を照明し、像面へ結像する荷電粒子ビーム写像投影光学
系に適用できる。

【００４８】次に、本発明にかかる欠陥検査装置を用い
て検査を行う工程を備える半導体チップ（所定の回路パ
ターンを有するデバイス）を製造する方法について説明
する。

【００４９】図５は、半導体デバイズの製造工程を示す
概略工程図である。まず、シリコンウエハを用意し、シ
リコンウエハ上にシリコン酸化膜を形成する（成膜工
程）。

【００５０】シリコン酸化膜の形成方法としては、直接
シリコンウエハを酸化する熱酸化法、ＣＶＤ法、スパッ
タ法等の周知技術が用いられる。

【００５１】なお、成膜工程で成膜する薄膜は後述する
それぞれ基本パターンによって異なり、アルミニウム等
の導電膜、シリコン酸化膜等の絶縁膜、タングステン等
の高融点金属膜等である。

【００５２】次に、シリコン酸化膜が形成されたシリコ
ンウエハ上にレジストを塗布し（感光基板）、投影露光
装置のウエハステージに設置するとともに、マスクをマ
スクステージに設置する。

【００５３】照明光学系から射出した光はマスクに入射
し、投影結像光学系を介して、感光基板上にマスクに形
成されたパターンの像を結像する（リソグラフィー工
程）。

【００５４】次に、所定のパターンが転写されたレジス
トを現像し、エッチング用マスクを形成する。エッチン
グ用マスクに形成された開口に合わせてシリコン酸化膜
をエッチングした後、エッチング用マスクを除去する
（エッチング工程）。

【００５５】また、シリコンウエハ中に不純物層を形成
する場合があり、まず前述したリソグラフィー工程で不
純物を導入する部分を開口したレジストパターンを形成
し、このレジストパターンをマスクとしてイオン注入法
によって下地に不純物（例えばＢ、Ｐ、Ａｓ）を導入す
る（ドーピング工程）。

【００５６】このような方法（成膜工程、リソグラフィ
ー工程、エッチング工程、ドーピング工程）を繰り返し
て、各基本パターン（例えば、MOSトランジスタの場
合、素子分離領域（活性領域）を規定するパターン、ゲ
ート電極のパターン、ソース／ドレイン領域を規定する
パターン、素子間の電気的接続を行う配線の接続口（コ
ンタクトホール）を形成するためのパターン、素子間の
電気的接続のための配線パターン等）をウエハ上に順次
積み重ねて半導体素子、集積回路を製造する。

【００５７】成膜工程、リソグラフィー工程、エッチン
グ工程、ドーピング工程の一連の工程後、実施形態にか
かる欠陥検査装置を用いて欠陥検査を行う。

【００５８】欠陥検査により不良品と判断された場合
は、廃棄され、良品と判断された場合は、成膜工程、リ
ソグラフィー工程、エッチング工程、ドーピング工程を
経て次層パターンを形成する。

【００５９】このようにして一連の各層のパターン形成
後、実施形態にかかる欠陥検査装置を用いて検査を行
う。

【００６０】シリコンウエハ上の素子を電気的に接続す
る配線を形成する（メタライズ工程）。

【００６１】シリコンウエハを個々のチップ（ダイス）
に分割することを目的としてダイシングライン（チップ
とチップの間の隙間）に切り込みをいれる（ダイシング
工程）。

【００６２】最後に、半導体チップをパッケージに封入
する（アセンブリ工程）。

【００６３】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明にかかる荷電
粒子ビーム顕微鏡及び欠陥検査装置によれば、1次光学
系（照明光学系）に対する電磁プリズム（E×B）の収差
の影響をほぼ取り除くとともに、照明視野のアスペクト
比及び照明サイズを連続的に変化させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を荷電粒子ビーム写像投影光学系に適用
した図である。

【図２】電磁プリズム（E×B）の作用を表す図である。

【図３】ケーラー照明時の電子線の開き角と、照明視野
との関係を表す図である。

【図４】四極子レンズへの印加電圧を示す図である。

【図５】半導体デバイズの製造工程を示す概略工程図で
ある。

【符号の説明】

１１・・・試料（ウエハ）２０・・・一次コラム２１・・・電子銃２２〜２５・・・1次光学系（四重四極子レンズ）２６、２７、３５、３６、３７、３８・・・偏向器３０・・・二次コラム３１・・・電磁プリズム（E×B）３２、３３・・・二次光学系のレンズ４０・・・チャンバー４１・・・ステージ４２・・・検出器４３・・・コントロールユニット４４・・・ステージ駆動機構４５・・・ＣＰＵ４６・・・一次コラム制御ユニット４７・・・二次コラム制御ユニット４８・・・ディスプレイ５０・・・電子ビーム（一次ビーム）５５・・・リレー光学系５６・・・第２の検出器６０・・・二次ビームＦＳ１、ＦＳ２・・・視野絞りＡＳ・・・開口絞りＣＬ・・・カソードレンズ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】荷電粒子源からの１次ビームを、多極子レ
ンズを有する一次光学系、ウィーンフィルター（Ｅ×
Ｂ）を介して試料面（物体面）に照明する照明光学系
と、該照明された試料面（物体面）から発生する電子を
像面へ結像する写像投影光学系（二次光学系）とを備え
た荷電粒子ビーム顕微鏡であって、前記一次光学系の多極子レンズが、少なくとも四段配置
されていることを特徴とする荷電粒子ビーム顕微鏡。
【請求項２】請求項１記載の荷電粒子ビーム顕微鏡を有
してなることを特徴とする欠陥検査装置。
【請求項３】請求項２記載の欠陥検査装置により中間製
品又は完成品の検査を行う工程を有してなることを特徴
とする半導体デバイスの製造方法。