JP2002157970A - 電子線を用いた評価装置及び方法、並びに、こうした装置及び方法を用いたデバイス製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 評価装置のスループットを大幅に向上させる
と共に、光学系を分解することなくクリーニングするこ
と。 【解決手段】 評価装置は、試料１０の表面に一次光学
系を介して複数の電子線を供給する電子ビーム生成手段
１〜９と、試料１０の表面から放出される二次電子線を
検出器１７に導く二次光学系１４、１５と、試料１０を
複数の電子線に対して相対的に移動させる移動手段１
２、Ｓとを具備する。複数の電子線の相互間隔は二次光
学系の分解能よりも大きい。一次光学系及び二次光学系
を分解することなく、有機的汚染をドライクリーニング
するため、酸素ガスを吹出すノズル２３がマルチ開口板
４の上側又は下側に設けられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、最小線幅が０．
１ミクロン以下のパターンの欠陥検査、ＣＤ測定、電位
コントラスト測定などを高時間分解能で実施するため
の、電子線を用いた評価装置及び方法に関する。さら
に、この発明は、こうした装置及び方法を用いたデバイ
ス製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイス製造用のＸ線マスクパタ
ーン或いは半導体ウェーハに形成された高密度のパター
ンの欠陥検出に、通常は走査型電子顕微鏡が使用されて
いる。しかし、走査型電子顕微鏡は細く絞った１本の電
子線で試料の表面を走査し、その試料から放出される二
次電子線を検出するものであるため、マスクパターンや
半導体ウェーハ上のパターンに対する評価スループット
が著しく低いという問題があった。

【０００３】この問題を解決するため、マルチ開口を用
いてマルチビームを生成し、ビーム本数だけスループッ
トを向上させることが考えられるが、この場合には、マ
ルチ開口が短時間で汚染物質で塞がれてしまい、ビーム
強度が低下するという新たな問題が生じている。

【０００４】一方、電子線描画装置などにおいては、光
学系を分解することなく鏡筒内部をクリーニングする工
程が提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、従来の技
術における上記の問題に鑑みて提案されたものであり、
この発明は、走査型電子顕微鏡方式の評価装置のスルー
プットを大幅に向上させること、および、マルチ開口が
塞がれても光学系を分解することなくクリーニングする
ことができる方法を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１の発明は、試料の表面に一次光学系手段
を介して複数の電子線を供給する電子ビーム生成手段
と、前記試料の表面から放出される二次電子線を検出器
群に導く二次光学系手段と、前記試料を前記複数の電子
線に対して相対的に移動させる移動手段と、を具備し、
前記複数の電子線の相互間隔を前記二次光学系手段の分
解能よりも大きくしたことを特徴とする、電子線を用い
た評価装置、を提供する。

【０００７】また、請求項２の発明は、複数の電子線を
試料に照射する一次光学系と、前記試料から放出される
二次電子線を複数の検出器へ導く二次光学系と、を具備
し、前記複数の電子線の間隔を前記二次光学系の分解能
よりも大きく設定し、前記一次光学系及び前記二次光学
系を分解することなく、汚染をドライクリーニングする
手段を有することを特徴とする、電子線を用いた評価装
置、を提供する。

【０００８】請求項３の発明は、こうした評価装置にお
いて、前記複数の電子線のそれぞれが前記一次光学系の
光軸から等しい距離にあり、前記複数の電子線を任意の
軸上に投影したときの、前記複数の電子線の間隔が実質
的に等しいことを特徴とする。

【０００９】請求項４の発明は、（ａ）試料の位置を測
定する工程と、（ｂ）一次光学系を介して複数の電子線
を前記試料に位置誘導する工程と、（ｃ）前記試料の表
面の所望の位置を前記複数の電子線で走査する工程と、
（ｄ）前記工程（ｃ）の結果として前記試料の表面が放
出された二次電子線を二次光学系によって検出群に導い
て検出する工程と、を具備し、前記複数の電子線の相互
間隔を前記二次光学系の分解能よりも大きくしたことを
特徴とする、電子線を用いた評価方法、を提供する。

【００１０】請求項５の発明は、上記の評価装置と評価
方法とのうち少なくとも一方を用いて、プロセス途中の
ウェーハの評価を行うことを特徴とするデバイス製造方
法、を提供する。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は、この発明に係る評価装置
に用いることができる電子線装置の一つの実施の形態の
構成を概略的に示す断面図である。同図において、電子
線装置は、１本の電子線を発生する電子銃１を備える。
電子銃１は、例えばＬａＢ₆単結晶からなるカソード
１’（図２の（イ）参照）から一次電子線を放出する。
カソード１’は電子線を放出する突起が円周上に配列さ
れた構造を有する。なお、図１に示すとおり、電子銃１
から放出される一次電子線の光軸に平行な方向をｙ方
向、これに垂直な方向をｘ方向とする。

【００１２】電子銃１からｙ方向に放出された電子線
は、コンデンサ・レンズ２によって収束され、点３にク
ロスオーバーを形成する。コンデンサ・レンズ２と点３
との間には、複数の小孔を有する第１のマルチ開口板４
（後述）が配置され、マルチ開口板４に入射した電子線
は複数の小孔により複数の電子線に分割される。

【００１３】マルチ開口板４によって形成された複数の
一次電子線は、それぞれの小孔４１〜４ｎ（図２の
（ロ））から送出されたかのように、点線で示す経路を
通って進行し、静電偏向器５によって向きを調整された
後、縮小レンズ６によってビーム寸法と間隔を縮小され
て点７に投影される。点７で合焦した後、複数の一次電
子線はウィーン・フィルタ８を通過して対物レンズ９に
入射する。対物レンズ９は複数の一次電子線のビーム寸
法を更に縮小してから試料１０に合焦させ、試料１０の
表面の複数の位置を照射する。試料１０は、走査のため
にｘ方向又はｙ方向に移動することができるステージＳ
の上に載置される。

【００１４】なお、対物レンズ９と試料１０との間に配
置された対称電極１１は、試料から放出された二次電子
を通したり、試料面に追い戻したりするために使用され
る。また、縮小レンズ６とウィーン・フィルタ８との間
には静電偏向器１２が配置される。静電偏向器１２は、
複数の一次電子線によって試料（例えば、半導体ウェ
ハ）１０の表面上を同時に走査するために一次電子線を
偏向させる。

【００１５】コンデンサ・レンズ２、縮小レンズ６、静
電偏向器５、１２、対称電極１１及び対物レンズ９を含
む光学系は一次光学系と呼ばれる。

【００１６】縮小レンズ６及び対物レンズ９の像面湾曲
収差の影響を無くすため、マルチ開口板４は、図２の
（ロ）に示すように、点Ｏを中心とする点線で示す円周
上に形成された複数の小孔４１、４２、４３、・・・
・、４ｎを有しており、これによって、電子銃１から放
出された電子線を複数の電子線に分割する。例えば、マ
ルチ開口板４は４個の開口を有するものでもよい。

【００１７】個々の小孔４１〜４ｎは例えば円形であ
り、その直径は１〜１０ミクロン程度の大きさである。
これらの小孔は、直径上の２つの小孔（図２の（ロ）に
おいては４１、４６）を通る線Ｘ−Ｘに垂直な線Ｙ−Ｙ
に平行で各小孔を通る線ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、
ｈ、ｉの相互の間隔が等しいように設定される。電子銃
１のカソード１’に設けられた複数の突起のそれぞれ
は、線Ｘ−Ｘと線ａ〜ｉとが交差する各位置と対応す
る。

【００１８】マルチ開口板４の位置は、電子銃１から放
出される一次電子線の強度が最も大きい位置に小孔４１
〜４ｎが位置するよう調整される必要がある。このた
め、マルチ開口板４は、マルチ開口板４を含む面内での
移動を可能にするＸＹステージ、マルチ開口板４を含む
面に垂直な方向での移動を可能にするＺステージ及びマ
ルチ開口板４を含む面の回転を可能にするθステージの
うちの少なくとも１つのステージ上に載置され、マルチ
開口板４によって形成される複数の電子線の強度が均一
になる又は最大になるように、マルチ開口板４を支持す
るＸＹステージ、Ｚステージ及びθステージのうちの少
なくとも一つのステージが調整される。

【００１９】図１に戻って、対物レンズ９によって試料
１０に合焦された一次電子線が試料１０の表面の複数の
個所を照射するのに応じて、照射された複数の個所のそ
れぞれから二次電子線が放出される。放出された二次電
子線は対物レンズ９の電界によって加速され且つ細く収
束された後、ウィーン・フィルタ８により一次電子線か
ら逸れる方向へ（図１においては、向かって右へ）偏向
される。こうしてウィーン・フィルタ８によって偏向さ
れた二次電子線は、点７よりも対物レンズ９に近い点１
３に合焦される。これは、それぞれの一次電子線が試料
１０の面上では５００ｅＶのエネルギーを有するのに対
して、二次電子線は数ｅＶのエネルギーしか持っていな
いためである。

【００２０】点１３に合焦された二次電子線は、拡大レ
ンズ１４、１５を含む二次光学系によって各二次電子線
間の間隔を拡大された後、検出用に複数の開口を有する
第２のマルチ開口板１６に合焦される。第２のマルチ開
口板１６は、第１のマルチ開口板４の小孔４１〜４ｎと
一対一に対応する、点線で示す複数の小孔１６１、１６
２、・・・・（図２の（ハ））を有しており、二次電子
線はマルチ開口板１６の小孔を通過して、マルチ開口板
１６の各小孔に対応してマルチ開口板１６の後方に設け
られた複数の検出器１７で検出される。検出器１７には
２０ｋＶ程度の電圧が印加されている。この電圧は、マ
ルチ開口板１６の各小孔において、凸レンズを形成する
電界を形成させるので、各小孔の近くに到達した二次電
子線は効率よく検出されることになる。

【００２１】それぞれの検出器１７は、入射した二次電
子線の強度を表す電気信号を出力する。それぞれの検出
器１７から出力された電気信号は、その対応の増幅器１
８によって増幅された後、画像処理部１９に入力されて
適宜の処理を受け、画像データに変換される。また、画
像処理部１９には、一次電子線を偏向させるための走査
信号が静電偏向器１２から供給されるので、画像データ
及び走査信号を用いて画像処理部１９は試料１０の面を
表す画像を形成する。

【００２２】形成された画像と標準のパターン画像とを
比較することにより、試料１０の面上の欠陥を検出する
ことができる。また、レジストレーションにより試料１
０の被評価パターンを一次光学系の光軸近くに移動させ
て、試料１０の被評価パターンの直角方向に一次電子線
でライン走査したときに検出される二次電子線に対応す
る信号を検出して、試料１０の面上の回路パターンの線
幅を評価する信号を取り出し、この信号を適宜に校正す
ることにより、試料１０の面上のパターンの線幅を測定
することができる。

【００２３】なお、第１の開口板４の複数の開口を通過
した一次電子線を試料１０の面上に合焦させ、試料１０
から放出された二次電子線を検出器１７検出する際、一
次光学系で生じる歪み、像面湾曲及び視野非点という３
つの収差による影響を最小にするよう、特に配慮するこ
とが必要である。また、複数の一次電子線のｘ方向にお
ける相互間隔を二次光学系の距離分解能よりも大きく取
ることにより、複数の一次電子線相互間のクロストーク
を無くすことができる。

【００２４】図１に示す電子線装置を用いて試料１０の
表面に形成されたパターンの欠陥を検査する等の評価を
行うには、静電偏向器１２とウィーン・フィルタ８連動
させ且つステージＳを移動させて、複数の一次電子線に
より試料１０の表面をｘ方向に走査しながら、試料１０
をｙ方向に連続的に移動させることにより、試料１０の
全表面を走査すればよい。すなわち、ステージＳを移動
させて試料１０を走査開始端に位置させた後、一次電子
線をｘ方向に且つ一次電子線の相互間隔よりも大きい振
幅で移動させながらステージＳをｙ方向に連続的に移動
させる。これにより、複数の一次電子線がｘ方向に走査
する距離に等しい幅ｗを有するｙ方向の領域が走査され
たことになり、該領域での走査に伴う信号が検出器１７
から出力される。

【００２５】次いで、ステージＳを幅ｗに等しい距離だ
けｘ方向にステップ移動させた後、複数の一次電子線で
幅ｗに等しい距離だけ試料１０をｘ方向に走査しながら
ステージＳをｙ方向に連続的に移動させる。これによ
り、上記領域に隣り合う幅ｗの領域がｘ方向及びｙ方向
に走査されたことになる。以下、同様の操作を反復する
ことによって試料１０の全表面の走査を行い、走査の結
果として検出器１７から得られた信号を処理すること
で、試料１０の評価を行うことができる。

【００２６】なお、ステージＳの移動を正確に制御する
ために、ステージＳにレーザー鏡２０を設けると共に固
定側にレーザー干渉計２１を設けて、レーザー干渉計２
１から出たレーザー光がレーザー鏡２１で反射されて再
びレーザー干渉計２１に戻る時間に基づいてステージＳ
の位置を算出するレーザー干渉型測距を採用することが
望ましい。

【００２７】試料１０が半導体ウェハであるときには、
上記の評価方法の代わりに、次のようにして試料１０の
評価を行ってもよい。すなわち、試料１０の表面の適所
にマーカーを設け、複数の一次電子線のうちマルチ開口
板４の一つの小孔で形成された電子線のみが前記マーカ
ーを走査するようにして、そのときの検出器の出力を取
り出し、マーカーの位置を検出する。これにより、試料
１０と一次電子線との位置関係を求めることができるの
で、試料１０の表面に形成された回路パターンのｘ、ｙ
方向の配置を予め求めておくことにより、当該回路パタ
ーンに合せて複数の一次電子線を正確に位置誘導し、回
路パターン上を走査することにより、試料１０上の回路
パターンの評価を行うことができる。

【００２８】ここで、第１のマルチ開口板４のドライク
リーニングについて説明する。既に説明したとおり、第
１のマルチ開口板４に形成された小孔４１〜４ｎの直径
は１〜１０ミクロン程度と小さく、図２の（ハ）に示す
ように、第２のマルチ開口板１６の小孔１６１、１６
２、・・・・に比べても遥かに小さい。したがって、ハ
イドロカーボンなどの有機的汚染物質で短時間のうちに
小孔４１〜４ｎの径が変わってしまうので、一次電子線
の強度が小孔によって違ってくるという不具合を生じ
る。この対策として、この発明においては、バルブ２２
を介して酸素ガス供給源（図示せず）に結合されたノズ
ル２３を、マルチ開口板４の上側又は下側になるよう電
子線装置の鏡筒の適所に取り付け、任意の小孔４１〜４
ｎが汚染物質、例えば有機的汚染物質で塞がれてきた適
宜の時点に、バルブ２２を開けて酸素ガスをマルチ開口
板４に吹き付けると同時に、電子銃１の近傍に設置され
た静電偏向器（図示せず）によって一次電子線を二次元
的に走査する。これによって一次電子線が酸素ガスを活
性化させるので、活性化された酸素ガスによって、小孔
を塞いでいた汚染物質をアッシングすなわちドライクリ
ーニングすることができる。

【００２９】この場合、マルチ開口板４の酸化を防止す
るために、マルチ開口板４を白金で作製し、又は、チタ
ンで作製してその上に白金メッキを施すことが望まし
い。また、ドライクリーニングを行うとき、電子銃１の
ウェーネルト電圧を浅くすることによって、面状又はシ
ート状の一次電子線を形成し、これでマルチ開口板４を
照射すると、短時間にドライクリーニングを完了するこ
とができる。

【００３０】図１及び図２に示す電子線装置を用いた評
価装置は、欠陥検査、線幅測定、合わせ精度測定、電位
コントラスト測定、欠陥レビュー又はストロボＳＥＭに
適用することが可能である。また、本発明に係る評価装
置はプロセス途中のウェハの評価を行うために使用する
ことができる。以下、プロセス途中のウェハの評価につ
いて説明する。半導体デバイスの製造工程は、図３に示
すように、（１）ウェハを製造するウェハ製造工程、
（２）露光に使用するマスクを製作する又は準備するマ
スク製造又は準備工程、（３）ウェハに必要な加工処理
を行うウェハプロセッシング工程、（４）ウェハ上に掲
載されたチップを１個ずつ切り出し、動作可能ならしめ
るチップ組立工程、（５）出来たチップを検査する検査
工程、の各主工程を含む。それぞれの工程は更に幾つか
のサブ工程からなっている。

【００３１】これらの主工程の中で、半導体デバイスの
性能に決定的な影響を及ぼす主工程がウェハプロセッシ
ング工程である。この工程では、設計された回路パター
ンをウェハ上に順次積層し、メモリやＭＰＵとして動作
するチップを多数形成する。このウェハプロセッシング
工程は、（３１）絶縁層となる誘電体薄膜や配線部、あ
るいは電極部を形成する金属薄膜等を形成する薄膜形成
工程（ＣＶＤやスパッタリング等を用いる）、（３２）
この薄膜層やウェハ試料を酸化する酸化工程、（３３）
薄膜層やウェハ試料等を選択的に加工するためにマスク
（レチクル）を用いてレジストのパターンを形成するリ
ソグラフィ工程、（３４）レジストパターンにしたがっ
て薄膜層や試料を加工するエッチング工程（例えばドラ
イエッチング技術を用いる）、（３５）イオン・不純物
注入拡散工程、（３６）レジスト剥離工程、（３７）更
に加工されたウェハを検査する検査工程、の各工程を含
む。

【００３２】なお、ウェハプロセッシング工程の中核を
なす（３３）のリソグラフィー工程は、前段の工程で回
路パターンが形成されたウェハ上にレジストをコーティ
ングするレジスト工程、レジストを露光する露光工程、
露光されたレジストを現像してレジストのパターンを得
る現像工程、及び、現像されたレジストのパターンを安
定化するためのアニール工程を含む。

【００３３】この発明に係る電子線装置は、（３７）更
に加工されたウェハを検査する検査工程において使用す
ることができる。

【００３４】

【発明の効果】以上、この発明に係る電子線装置の実施
の形態について説明したところから理解されるとおり、
この発明は、 １．複数の一次電子線を用いるので、スループットを一
次電子線の本数倍だけ向上させることが可能である、 ２．隣の電子線との距離が最も大きい電子線を用いて試
料の位置を検出するので、位置の検出を誤りなく行うこ
とが可能である、 ３．マルチ開口板の小孔が汚染物質によって塞がってき
ても、酸素ガス等の適宜の気体を吹き付けながら電子線
を照射することによって、汚染物質を除去することがで
きるので、鏡筒を分解する必要がない、等の格別の効果
を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る評価装置に用いることができる
電子線装置の一つの実施の形態の構成を概略的に示す断
面図である。

【図２】（イ）は、図１の電子銃における、円周上に並
んだカソード突起を横から見た図であり、（ロ）は図１
の第１のマルチ開口板の平面図であり、（ハ）は第１の
マルチ開口板と第２のマルチ開口板とに設けられた小孔
の相互位置関係を示す図である。

【図３】半導体デバイスの製造工程を説明するための図
である

【符号の説明】

１：電子銃、 ２：コンデンサ・レンズ、 ４：第１の
マルチ開口板、５：静電偏向器、 ６縮小レンズ、
８：ウィーン・フィルタ、９：対物レンズ、 １０：試
料、１１：対称電極、 １２：静電偏向器、１４、１
５：拡大レンズ、 １６：第２のマルチ開口板、 １
７：検出器、１９：画像処理部、 ４１〜４ｎ：小孔

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｊ 37/29 Ｈ０１Ｊ 37/29 Ｈ０１Ｌ 21/66 Ｈ０１Ｌ 21/66 Ｊ (72)発明者 中筋 護 東京都大田区羽田旭町11番１号 荏原マイ スター株式会社内 (72)発明者 野路 伸治 東京都大田区羽田旭町11番１号 株式会社 荏原製作所内 (72)発明者 佐竹 徹 東京都大田区羽田旭町11番１号 株式会社 荏原製作所内 Ｆターム(参考） 2F067 AA54 AA62 BB01 CC17 EE04 HH06 JJ05 KK04 LL19 MM06 PP12 QQ02 RR35 TT02 UU01 UU33 2G001 AA03 AA07 BA07 CA03 CA07 DA06 DA08 FA01 GA01 GA06 HA07 HA13 JA02 JA04 JA14 LA11 MA05 RA05 SA01 SA04 4M106 AA01 BA02 CA08 CA39 DB05 DB30 DJ04 5C033 FF03 UU04

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料の表面に一次光学系手段を介して複
   数の電子線を供給する電子ビーム生成手段と、 前記試料の表面から放出される二次電子線を検出器群に
   導く二次光学系手段と、 前記試料を前記複数の電子線に対して相対的に移動させ
   る移動手段と、を具備し、前記複数の電子線の相互間隔
   を前記二次光学系手段の分解能よりも大きくしたことを
   特徴とする、電子線を用いた評価装置。
2. 【請求項２】 複数の電子線を試料に照射する一次光学
   系と、 前記試料から放出される二次電子線を複数の検出器へ導
   く二次光学系と、を具備し、 前記複数の電子線の間隔を前記二次光学系の分解能より
   も大きく設定し、 前記一次光学系及び前記二次光学系を分解することな
   く、汚染をドライクリーニングする手段を有することを
   特徴とする、電子線を用いた評価装置。
3. 【請求項３】 前記複数の電子線のそれぞれが前記一次
   光学系の光軸から等しい距離にあり、 前記複数の電子線を任意の軸上に投影したときの、前記
   複数の電子線の間隔が実質的に等しいことを特徴とす
   る、請求項１又は２に記載の評価装置。
4. 【請求項４】 試料の評価方法であって、 （ａ）前記試料の位置を測定する工程と、 （ｂ）一次光学系を介して複数の電子線を前記試料に位
   置誘導する工程と、 （ｃ）前記試料の表面の所望の位置を前記複数の電子線
   で走査する工程と、 （ｄ）前記工程（ｃ）の結果として前記試料の表面が放
   出された二次電子線を二次光学系によって検出群に導い
   て検出する工程と、を具備し、前記複数の電子線の相互
   間隔を前記二次光学系の分解能よりも大きくしたことを
   特徴とする、電子線を用いた評価方法。
5. 【請求項５】 請求項１〜３のいずれかに記載の評価装
   置と請求項４に記載の評価方法とのうち少なくとも一方
   を用いて、プロセス途中のウェーハの評価を行うことを
   特徴とするデバイス製造方法。