JP2002190268A - 電子線装置及び該装置を用いた半導体デバイス製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】マルチビーム型の電子線装置においてＳＥＭ倍
率を適切に変更する。 【解決手段】ウエハの検査領域２４の最大画素サイズの
データを得る場合、ステージを＋ｙ軸方向に連続移動さ
せながら、４本の電子ビームを同時にｘ軸方向に１２０
μｍ走査するｋとにより領域Ｒ１〜Ｒ４がラスタスキャ
ンされ、これら領域の画像データが得られる。重複走査
領域については両方の画像データの加算平均等により適
宜処理する。ｙ軸方向の終端まで全ての電子ビームが到
達すると、ステージを＋ｘ軸方向に４００μｍ移動させ
て２回目のラスタスキャンを開始し、これを反復する。
１／ｎ画素サイズの場合、１ビーム当たりの走査幅は最
大画素サイズの場合の１／ｎであり、ステージのｙ軸方
向への移動が１回完了する毎に、ステージをｘ軸方向に
ビーム・スポット間の間隔の１／ｎだけ移動させ、ｎ回
反復した後ステージをｘ軸方向にビーム・スポット間の
間隔×ビーム数だけ移動させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の技術分野】本発明は、最小線幅が０．１μｍ以
下のパターンを有する試料の欠陥検出、ＣＤ測定、電位
コントラスト測定、高時間分解能の電位測定等の評価
を、高スループットで行うための電子線装置、及び該装
置を用いた半導体デバイス製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】マルチビームを用いた電子線装置は、幾
つかのタイプのものが既に提案されている。しかしなが
ら、いずれのマルチビーム型の電子線装置も、ウエハ上
の標準的な大きさのパターンを評価するために用いるこ
とを意図しており、ウエハ上の細かいパターンを評価す
る場合にどのようにすべきかについて、全く考慮されて
いない。したがって、従来例の電子線装置を用いて、最
小線幅が０．１μｍ以下等の微細パターンを評価しよう
としても、ＳＥＭ倍率を適切に調整することができない
ため、ウエハ表面の正確な画像を得ることが困難であ
る。

【０００３】本発明は、このような従来例の問題点に鑑
みてなされたものであり、その目的は、マルチビームを
用いた電子線装置において、ＳＥＭ倍率を適切に変更す
ることができるようにすることである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明に係る、ステージをｙ軸方向に移動しつ
つ複数の電子ビームで同時に試料表面をｘ軸方向に走査
し、試料を評価する画像データを得る電子線装置におい
ては、標準の画素サイズでビームを走査する標準モー
ド、及び、標準の画素サイズの１／ｎ（ｎは２以上の整
数）の画素サイズでビームを走査する１／ｎモードを、
選択的に実行可能な走査制御手段を備えていることを特
徴としている。

【０００５】上記した本発明に係る電子線装置におい
て、走査制御手段は、好適には、標準モードにおいて
は、１ビーム当たりの走査幅は、隣接する電子ビームに
より試料上に形成されるビーム・スポット間の間隔以上
であり、ステージのｙ軸方向への移動が１回完了する毎
に、ステージをｘ軸方向にビーム・スポット間の間隔×
ビーム数だけ移動させ、その後、ステージをｙ軸方向に
移動させつつビームを走査することを反復し、１／ｎモ
ードにおいては、１ビーム当たりの走査幅は、標準モー
ドにおける１ビーム当たりの走査幅の１／ｎであり、ス
テージのｙ軸方向への移動が１回完了する毎に、ステー
ジをｘ軸方向にビーム・スポット間の間隔の１／ｎだけ
移動させ、それをｎ回反復した後に、ステージをｘ軸方
向にビーム・スポット間の間隔×ビーム数だけ移動さ
せ、その後、ステージをｙ軸方向に移動させつつビーム
を走査することを反復する。

【０００６】また、本発明に係る電子線装置において
は、複数の電子ビームを試料表面に照射する手段の一実
施形態として、単一のビームを走査する複数の鏡筒を有
しており、該鏡筒はそれぞれ、セラミック表面に金属コ
ーティングにより形成された電極を有する軸対称の静電
レンズを備えている。このような鏡筒を用いた場合、走
査制御手段は、１／ｎモードにおいては、１ビーム当た
りの走査幅が、標準モードにおける１ビーム当たりの走
査幅の１／ｎとなるように制御する。本発明はさらに、
上記した電子線装置を用いて、プロセス途中及び完了後
の半導体デバイスを評価することを特徴とする半導体デ
バイス製造方法も提供する。

【０００７】

【発明の実施の態様】図１は、本発明の一実施形態のマ
ルチビームを用いた電子線装置を示している。図１の電
子線装置において、電子銃のショットキー・シールド１
からＷ−Ｚｒのエミッタ２を、通常の使用条件より１０
０μｍ程度、突出させた状態に設定している。エミッタ
２の５つの方向、すなわち、エミッタ２の中心先端から
光軸方向、及び周辺の４つの部分からの４方向に電子ビ
ームが放射され、これら一次電子ビームは、コンデンサ
レンズ３によって集束され、円周上に４つの小さな開口
が設けられた第１のマルチ開口板４を照射する。光軸方
向の電子ビームは、第１のマルチ開口板４によって遮断
される。第１のマルチ開口板４の４つの開口を通過した
電子ビームは、縮小レンズ６の手前の点５にクロスオー
バを形成し、そして、縮小レンズ６及び対物レンズ８に
よって縮小され、試料ウエハ９上に結像される。静電偏
向器１６及びＥＸＢ偏向器７により、４つの一次電子ビ
ームが同時に、Ｘ−Ｙステージ（不図示）上に載置され
たウエハ９の表面をラスタスキャンされる。

【０００８】一次電子ビームの照射により、ウエハ９の
表面から二次電子ビームが放出され、該電子ビームは対
物レンズ８で加速され、ＥＸＢ偏向器７により一次光学
系から分離され、拡大レンズ１０、１１により第２のマ
ルチ開口板１２の検出面に結像する。そして、第２のマ
ルチ開口板１２の４つの開口を通過した二次電子ビーム
が、マルチ検出器１３によって検出される。これによ
り、電気信号に変換され、電気信号は画像形成回路１４
において画像形成される。図１において、１５はＣＰＵ
であり、レンズ系及びステージの制御を行うとともに、
画像形成回路１４において得られた画像を分析して、ウ
エハの欠陥検出、線幅測定等の評価を行う。

【０００９】図２は、第１及び第２の開口板４、１２の
開口の対応関係を示しており、図２に示すように、第１
及び第２の開口板の開口はそれぞれ、光軸を中心とする
同心円上に配置されている。第１の開口板４の４つの開
口４−１〜４−４は、高分解能のビーム形成を行うため
に小さい。第１の開口板４の４つの開口４−１〜４−４
は、ｘ軸上へ投射したときに、ほぼ等間隔となるように
配置されている。なお、第１の開口板４の４つの開口
は、ｘ軸上に投影した場合にほぼ等間隔となることを満
足すれば、必ずしも同心円上になくてもよい。また、他
の電子銃を用いた場合は、開口を４つに限定することな
く、任意の複数としてもよいことは言うまでもない。

【００１０】図１及び図２に示した電子線装置におけ
る、一次電子ビームによるウエハ９上のラスタスキャン
動作について、図３及び図４を参照して説明する。な
お、以下の説明においては、第１のマルチ開口板４の４
つの開口４−１〜４−４を通過してウエハに照射される
一次電子ビームのスポットＢ１〜Ｂ４それぞれの中心
は、それらをｘ軸上へ投影したときに１００μｍ離間し
ている場合を一例として説明し、図中の矢印は、ラスタ
スキャンが進行する方向、すなわちステージのｙ軸移動
方向とは逆の方向である。また、ラスタスキャンは、Ｃ
ＰＵ１５の制御下で実行され、かつ、画像形成装置１４
への画素データの取り込み速度は、ＣＰＵ１５のクロッ
ク速度によって決定されて一定であるとする。

【００１１】図３は、標準モードでウエハをラスタスキ
ャンする場合の走査手順を示している。標準モードでの
画素サイズは、０．１μｍである。走査を開始する場合
には、まず、ステージを調節して、ビーム・スポットＢ
１〜Ｂ４がウエハの検査領域２４の走査開始位置に生成
されるように位置決めする。そして、ステージを＋ｙ軸
方向に連続移動させながら、４本の電子ビームを同時に
ｘ軸方向に１２０μｍ走査する。したがって、２０μｍ
の重複して走査される部分（重複走査領域）がある。こ
れにより、ウエハの検査領域２４の領域Ｒ１〜Ｒ４が、
開口４−１〜４−４を通過した電子ビームによりそれぞ
れラスタスキャンされ、これら領域に対応する画像デー
タが、画像形成回路１４に供給されることになる。重複
走査領域については、画像形成回路１４において一方の
画像データを用いるか、又は両方の画像データの加算又
は加重平均を用いることにより、適宜処理する。一方の
画像データを用いる場合は、ウヘハ上のパターンをでき
るだけ横断しないように、境界を決定する。

【００１２】検査領域２４のｙ軸方向の終端まで全ての
電子ビームが到達すると、１回目のラスタスキャンが終
了し、ステージを＋ｘ軸方向すなわちビームの走査方向
にステップ移動させて、２回目のラスタスキャンを開始
する。なお、この例においては、１回目のラスタスキャ
ンによって走査された領域は、重複走査領域が２０μｍ
となるように設定したため、ｘ軸方向の幅が１００ｘ４
＋２０μｍとなり、さらに、１回目と２回目とのラスタ
スキャンでも２０μｍの重複走査領域となるようにする
ためには、ｘ軸方向に４００μｍステップ移動させるこ
とになる。そして、ステージをｙ軸方向の前回とは逆の
方向（−ｙ軸方向）に移動させつつ電子ビームをｘ軸方
向に１２０μｍ走査し、２回目のラスタスキャンを実行
する。このような工程を繰り返すことにより、検査領域
２４のすべてをラスタスキャンすることができる。

【００１３】図４は、１／ｎモードでウエハをラスタス
キャンする場合の例として、ｎ＝２の場合の走査手順を
示している。このモードでは、画素サイズが、標準モー
ドの場合の１／２の０．０５μｍとなる。画素サイズが
１／２に設定したい場合、ビーム間隔すなわちｘ軸方向
のスポットＢ１〜Ｂ４の隣接間隔を短時間で変更するこ
とは困難であるため、スポット間隔は図３の場合と同一
の１００μｍとする。したがって、画像形成回路１４へ
の画素データの取り込み速度が一定であることを考慮す
ると、ｘ軸方向への走査幅は必然的に図３の場合の１／
２となる。したがって、図４の例においては、＋ｙ軸方
向に連続移動させつつ電子ビームをｘ軸方向に６０μｍ
走査することになる。

【００１４】この１回目の走査では、スポット間隔が１
００μｍであるのに対して走査幅が６０μｍであること
から、隣接する領域Ｒ１とＲ２、Ｒ２とＲ３、Ｒ３とＲ
４のそれぞれの間に４０μｍの非走査領域Ｒ１２、Ｒ２
３、Ｒ３４が残る。そこで、１回目のラスタスキャンが
完了した時点、すなわち、すべての電子ビームが検査領
域２４のｙ軸方向の終端まで到達すると、ステージを距
離６０μｍだけ、＋ｘ軸方向にステップ移動させる。こ
の距離６０μｍは、図３の場合のｘ軸方向走査幅１２０
μｍの１／２である。そして、ステージを前回とは逆方
向（−ｙ軸方向）に連続移動させつつ４つの電子ビーム
をｘ軸方向に走査させる。これにより、非走査領域Ｒ１
２、Ｒ２３、Ｒ２４が走査され、かつ領域Ｒ４１も走査
される。

【００１５】このようにして２回目のラスタスキャンが
実行され、２回目のラスタスキャンが完了した状態は、
図３に示した画素サイズが０．１μｍの実施例における
１回目のラスタスキャンが完了した状態とほぼ同一とな
る。ただし、図４の実施例においては、重複走査領域が
図３の実施例の場合の１／２となり、１０μｍである。
そして、ステージを、図３に示した場合と同一の４００
μｍだけ＋ｘ軸方向にステップ移動させてから、３回目
のラスタスキャンを１回目のラスタスキャンと同様に実
行する４回目のラスタスキャンは２回目と同様になる。

【００１６】すなわち、図４に示した例においては、ス
テージのｘ軸方向へのステップ移動は、奇数回終了後は
１つの電子ビームの走査幅の１／２となり、偶数回終了
後は全ビームの走査幅となる。図４に示した例において
は、画素サイズが図３に示した標準モードの場合に対比
して１／２である場合について説明したが、画素サイズ
が標準モードの例えば１／３である場合には、３回すな
わち１往復半で図３の領域Ｒ１〜Ｒ４がラスタスキャン
されるよう制御すればよい。

【００１７】図１及び図２に示した電子線装置において
は、マルチビームを生成するために、第１及び第２のマ
ルチ開口板４及び１２を用いているが、電子線装置その
ものの外形が少なくともｘ軸方向に小さい場合は、単一
ビームを生成する電子線装置を用いてもよい。図５は、
このような小型の電子線装置を実現することができる静
電レンズを示している。該静電レンズは、図１の静電偏
向器１６に対応するものである。

【００１８】図５においては、静電レンズを、光軸４１
を含む面で切断した断面図として示しており、４０はＥ
字型断面を有するセラミックス製基体であり、上、中、
下の３枚の穴孔き円板を備えている。これらセラミック
ス製の穴孔き円板にはそれぞれ、ユニポテンシャルレン
ズの電極４２、４３、４４が金属コーティングにより形
成される。これら電極の内、上下の電極４２、４４はほ
ぼグランド電位となるように設定され、中央の電極４３
には正又は負の高電圧が供給される。該正又は負の高電
圧は、ハーメッチック電極４５から電極４３に供給され
る。４６は、金属がコーティングされずにセラミックス
が露出している部分であり、これら部分４６により、電
極４２〜４４が相互に絶縁されている。

【００１９】図５に示した静電レンズは、セラミックス
基体の一体構造として作成することができ、これによ
り、極めて小さい外径のレンズを構成することができ
る。したがって、単一ビーム型の電子線装置の電子銃、
ＥＸＢ偏向器等の光学系も小型に形成することにより、
電子線装置の光学系部分である鏡筒の外径を２０ｍｍ程
度にすることができ、この場合、理論的に鏡筒を２０ｍ
ｍ間隔に配置することが可能となる。そして、単一ビー
ムの鏡筒を用いた場合は、単一ビームであるため低収差
であり、偏向時に１本のビームに有効な偏向収差補正方
法を適用すればよいので、比較的大きな幅の偏向が可能
であり、よって、２．１ｍｍ程度の比較的大きな走査幅
に設定することができる。したがって、複数の鏡筒をｘ
軸方向に２０ｍｍ間隔に配置し、標準モードにおいて、
１つの鏡筒当たり、２．１ｍｍ（重複走査領域０．１ｍ
ｍ）の範囲を走査すれば、１０回の走査で隣接する鏡筒
間の検査領域を走査することができる。鏡筒をＭ個配置
すれば、１０回の走査で２０ｍｍｘＭの範囲を走査する
ことができることになる。よって、評価のスループット
を大幅に改善することができる。なお、この例において
は、１／ｎモード（画素サイズが標準モードの場合の１
／ｎ）においては、１回当たりの走査幅が２．１ｍｍ／
ｎとなる。

【００２０】次に、本発明の半導体デバイス製造方法に
ついて説明する。本発明の半導体デバイス製造方法は、
上記した評価装置を用いて、プロセス途中又は完了後の
半導体ウエハを評価することを特徴としている。半導体
デバイス製造方法について、図６及び図７のフローチャ
ートを参照して説明する。図６に示すように、半導体デ
バイス製造方法は、概略的に分けると、ウエハを製造す
るウエハ製造工程Ｓ１、ウエハに必要な加工処理を行う
ウエハ・プロセッシング工程Ｓ２、露光に必要なマスク
を製造するマスク製造工程Ｓ３、ウエハ上に形成された
チップを１個づつに切り出し、動作可能にするすチップ
組立工程Ｓ４、及び完成したチップを検査するチップ検
査工程Ｓ５によって構成されている。これら工程はそれ
ぞれ、幾つかのサブ工程を含んでいる。

【００２１】上記した工程の中で、半導体デバイスの製
造に決定的な影響を及ぼす工程は、ウエハ・プロセッシ
ング工程である。これは、この工程において、設計され
た回路パターンをウエハ上に形成し、かつ、メモリやＭ
ＰＵとして動作するチップを多数形成するからである。
このように半導体デバイスの製造に影響を及ぼすウエハ
・プロセッシング工程のサブ工程において実行されたウ
エハの加工状態を評価することが重要であり、該サブ工
程について、以下に説明する。

【００２２】まず、絶縁層となる誘電体薄膜を形成する
とともに、配線部及び電極部を形成する金属薄膜を形成
する。薄膜形成は、ＣＶＤやスパッタリング等により実
行される。次いで、形成された誘電体薄膜及び金属薄
膜、並びにウエハ基板を酸化し、かつ、マスク製造工程
Ｓ３によって作成されたマスク又はレチクルを用いて、
リソグラフィ工程において、レジスト・パターンを形成
する。そして、ドライ・エッチング技術等により、レジ
スト・パターンに従って基板を加工し、イオン及び不純
物を注入する。その後、レジスト層を剥離し、ウエハを
検査する。このようなウエハ・プロセッシング工程は、
必要な層数だけ繰り返し行われ、チップ組立工程Ｓ４に
おいてチップ毎に分離される前のウエハが形成される。

【００２３】図７は、図６のウエハ・プロセッシング工
程のサブ工程であるリソグラフィ工程を示すフローチャ
ートである。図７に示したように、リソグラフィ工程
は、レジスト塗布工程Ｓ２１、露光工程Ｓ２２、現像工
程Ｓ２３、及びアニール工程Ｓ２４を含んでいる。レジ
スト塗布工程Ｓ２１において、ＣＶＤやスパッタリング
を用いて回路パターンが形成されたウエハ上にレジスト
を塗布し、露光工程Ｓ２２において、塗布されたレジス
トを露光する。そして、現像工程Ｓ２３において、露光
されたレジストを現像してレジスト・パターンを得、ア
ニール工程Ｓ２４において、現像されたレジスト・パタ
ーンをアニールして安定化させる。これら工程Ｓ２１〜
Ｓ２４は、必要な層数だけ繰り返し実行される。

【００２４】本発明の半導体デバイス製造方法において
は、図１〜図５に関連して説明した評価装置を、加工途
中のウエハを評価するだけでなく、完成したチップを検
査するチップ検査工程Ｓ５において用いることにより、
微細なパターンを有する半導体デバイスであっても、歪
み、ぼけ等が低減された画像を得ることができるので、
ウエハの欠陥を確実に検出することができる。なお、評
価装置が近傍に配置される加工装置は、評価を必要とす
る加工を行うものであれば、どのような加工装置であっ
てもよい。

【００２５】本発明に係る電子線装置は、以上のように
マルチビーム方式を用いているので、評価のスループッ
トを向上させることができ、しかも、画素サイズを変更
した場合でも、適切に対処することができる。また、セ
ラミックス製基体を用いて静電レンズを形成することに
より単一ビーム形式の光学系の外径を小さくできるの
で、該光学系からなる鏡筒を多数同時にウエハ上に配置
することができ、したがって、評価のスループットを大
幅に向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る電子線装置の一実施形態を示した
説明図である。

【図２】図１に示した電子線装置に具備される第１及び
第２のマルチ開口板に設けた複数の開口の対応関係を示
す説明図である。

【図３】図１に示した電子線装置において、標準モード
でウエハをラスタスキャンする場合の動作を説明するた
めに説明図である。

【図４】図１に示した電子線装置において、１／２モー
ドでウエハをラスタスキャンする場合の動作を説明する
ための説明図である。

【図５】本発明に係る電子線装置の鏡筒の光学系として
採用可能な静電レンズの断面図である。

【図６】本発明に係る電子線装置を適用して半導体デバ
イスを製造する方法のフローチャートである。

【図７】図６に示したウエハ・プロセッシング工程のサ
ブ工程であるリソグラフィ工程を示したフローチャート
である。

【符号の説明】

１…ショットキーシールド ２…エミッタ ３…コ
ンデンサレンズ ４…第１のマルチ開口板 ６…縮小レンズ ７…Ｅ
ＸＢ分離器 ８…対物レンズ ９…ウエハ １０、１１…拡大レ
ンズ １２…第２のマルチ開口板 １３…マルチ検出器
１４…画像形成回路 １５…ＣＰＵ １６…静電偏向器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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） 2G001 AA03 BA07 CA03 DA08 GA06 HA13 JA01 JA02 JA04 JA11 JA20 KA03 LA11 MA05 PA11 RA04 RA08 SA01 SA04 4M106 AA01 BA02 CA39 DB04 DB05 DB12 DB18 DB30 DJ02 DJ04 DJ11 DJ21 5C033 FF03

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ステージをｙ軸方向に移動しつつ複数の
   電子ビームで同時に試料表面をｘ軸方向に走査し、試料
   を評価する画像データを得る電子線装置において、 標準の画素サイズでビームを走査する標準モード、及
   び、標準の画素サイズの１／ｎ（ｎは２以上の整数）の
   画素サイズでビームを走査する１／ｎモードを、選択的
   に実行可能な走査制御手段を備えていることを特徴とす
   る電子線装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の電子線装置において、走
   査制御手段は、 標準モードにおいては、１ビーム当たりの走査幅は、隣
   接する電子ビームにより試料上に形成されるビーム・ス
   ポット間の間隔以上であり、ステージのｙ軸方向への移
   動が１回完了する毎に、ステージをｘ軸方向にビーム・
   スポット間の間隔×ビーム数だけ移動させ、その後、ス
   テージをｙ軸方向に移動させつつビームを走査すること
   を反復し、 １／ｎモードにおいては、１ビーム当たりの走査幅は、
   標準モードにおける１ビーム当たりの走査幅の１／ｎで
   あり、ステージのｙ軸方向への移動が１回完了する毎
   に、ステージをｘ軸方向にビーム・スポット間の間隔の
   １／ｎだけ移動させ、それをｎ回反復した後に、ステー
   ジをｘ軸方向にビーム・スポット間の間隔×ビーム数だ
   け移動させ、その後、ステージをｙ軸方向に移動させつ
   つビームを走査することを反復するよう制御することを
   特徴とする電子線装置。
3. 【請求項３】 請求項１記載の電子線装置は、複数の電
   子ビームを試料表面に照射するために、単一のビームを
   走査する複数の鏡筒を有しており、走査制御手段は、１
   ／ｎモードにおいては、１ビーム当たりの走査幅が、標
   準モードにおける１ビーム当たりの走査幅の１／ｎとな
   るように制御することを特徴とする電子線装置。
4. 【請求項４】 請求項３記載の電子線装置において、各
   鏡筒は、セラミック表面に金属コーティングにより形成
   された電極を有する軸対称の静電レンズを備えているこ
   とを特徴とする電子線装置。
5. 【請求項５】 半導体デバイスの製造方法において、プ
   ロセス途中及び完了後の半導体デバイスを、請求項１〜
   ４いずれかに記載の電子線装置を用いて評価することを
   特徴とする半導体デバイス製造方法。