JP2004177644A

JP2004177644A - Electron beam device, and manufacturing method of device using it

Info

Publication number: JP2004177644A
Application number: JP2002343473A
Authority: JP
Inventors: Mamoru Nakasuji; 護中筋; Takao Kato; 隆男加藤; Toru Satake; 徹佐竹; Shinji Nomichi; 伸治野路
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2002-11-27
Filing date: 2002-11-27
Publication date: 2004-06-24

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To detect even a small defect with high throughput. <P>SOLUTION: An electron beam discharged from an electron gun 41 is irradiated onto a mask 44 to be checked via an irradiation lens 43 to form a crossover nearby a main surface of an objective lens 45. The electron beam passed through the mask 44 forms an optical image on a vacuum window 48 having a fluorescent surface inside thereof via the objective lens 45 and a magnifying lens 46 and the optical image is focused onto a TDI camera 50 to be converted into an electrical signal. Then the electrical signal is converted into a mask image at an image forming circuit 54, so that a defect is detected at a defect detecting circuit 55. An LaB<SB>6</SB>cathode of the electron gun 41 operates under conditions of space charge limitations to reduce shot noises and to obtain high brightness, and a magnifying lens system is set at S/N>20, thereby even the defect not more than a half of an image size may be detected. The defect not more than the half of the image size may be detected even if the MIF(E0) is set>0.55. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の技術分野】
本発明は、電子線装置及び該装置を用いたデバイス製造方法に関し、より詳細には、最小線幅０．１μｍ以下のパターンを有するウエハあるいはマスクの欠陥等を検出するための電子線装置及びデバイス製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日、電子線を用いて、ウエハ又はマスクのパターンの欠陥を検出可能にした電子線装置が用いられている。
このような従来例の電子線装置においては、検出したい欠陥の寸法に等しいか、あるいはそれより小さい寸法の画素で画像形成を行い、形成された画像から欠陥検出を行っている。例えば、０．１μｍ線幅のパターンにおける０．０５μｍ以上の欠陥を検出しようとすると、画素寸法を０．０５μｍ以下に設定する必要がある。また、このとき、１００ＭＨｚのクロック周波数（走査速度）で欠陥を検出しようとすると、ｃｍ^２当たりの検出時間は、
１０^２／｛（５×１０^−５）^２×１００×１０^６｝
＝４００秒
＝約０．１１１時間
となる。したがって、１０ｃｍ平方（＝１００ｃｍ^２）を検出しようとすると、単純計算でも１１．１時間かかることになる。
【０００３】
上記においては、クロック周波数を１００ＭＨｚとしたが、これは、検出器の応答周波数が１００ＭＨｚより充分に大きい電子線装置の場合に採用可能なクロック周波数である。例えば、画素寸法程度の寸法の欠陥を検出するためには、以下の非特許文献１に記載されているように、Ｓ／Ｎ比が１５以上である必要があると言われている。
一方、応答周波数が余り高くない、例えばシンチレータとＰＭＴを組み合わせた２次電子検出器等においては、通常、１００ＭＨｚ以上のクロック周波数で走査が不可能である。したがって、このような２次電子検出器を用いた電子線装置においては、走査用のクロック周波数を１００ＭＨｚより低くせざるを得ないため、検査時間がより長時間となり、スループットが低下する。
【非特許文献１】
品田、他４名「ウエハ検査用高速大電流ＳＥＭ光学系」、ＬＳＩテスティングシンポジウム／２０００会議録、平成１２年１１月９〜１０日、Ｐ．１５１〜１５６
【０００４】
本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、半導体ウエハ及びマスク等のパターンの欠陥検出を行うための電子線装置において、画素寸法を大きくすることによりスループットを大きくし、しかも、小さな寸法の欠陥を高精度で検出することができる電子線装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記した本発明の目的を達成するために、第１の観点の本発明は、欠陥を検出するための電子線装置であって、画素寸法をパターンの最小線幅にほぼ等しく設定可能であり、かつ、最小線幅のラインアンドスペースパターンを走査したときの２次電子検出信号のＭＴＦが０．５５以上となるように構成したことにより、画素寸法の約１／２の寸法の欠陥を検出可能としたことを特徴とする電子線装置を提供する。
第２の観点の本発明は、欠陥を検出するための電子線装置であって、画素寸法をパターンの最小線幅にほぼ等しく設定可能であり、２次電子検出信号のＳ／Ｎ比が２０以上（ただし、雑音Ｎは３σ値）となるように構成したことにより、画素寸法の約１／２の寸法の欠陥を検出可能としたことを特徴とする電子線装置を提供する。
【０００６】
上記した第１及び第２の観点の本発明に係る電子線装置は、
電子銃から放出された電子線をメンブレンマスクあるいはステンシルマスクに照射し、マスクを透過した電子線を拡大し、２次電子検出画像を得るよう構成されているか、又は、
電子銃から放出された電子を細く絞って試料上を走査し、試料から放出される２次電子を検出し、２次元画像を形成し、該画像をダイ・ツー・ダイ又はセル・ツー・セルで比較して欠陥検出を行うよう構成されている
ことが好ましい。
これにより、欠陥検査のスループットがより向上する。
【０００７】
本発明はまた、上記した電子線装置を用いてプロセス途中及びプロセス完了後の一方又は両方で半導体ウエハの欠陥検査を行うことを特徴とする半導体デバイス製造方法も提供する。
【０００８】
【発明の実施の態様】
図１は、本発明の電子線装置における基本的原理（着眼点）を説明するためのグラフを示している。図１において、（Ａ）のグラフは、周期的パターンを走査したときに得られるＭＴＦと正規化空間周波数ｄｐｉｘ／（２ＣＤ）との関係を示し、（Ｂ）のグラフは、単一欠陥構造を観察したときの信号振幅であるＭＴＦ（＝ＭＴＦ（画素）：ここでは画素寸法が有限であることによる信号伝達関数をこのように表す）と正規化空間周波数ｄｐｉｘ／（２ｄｄｅｆ）との関係を示している。ただし、ｄｐｉｘは、画素寸法、ＣＤは周期的パターンの最小線幅であり、ｄｄｅｆは欠陥寸法である。
図１の（Ａ）のグラフに示すように、周期的構造に対しては、画素寸法ｄｐｉｘを最小線幅ＣＤの２倍に設定する（すなわち、ｄｐｉｘ／（２ＣＤ）＝１）と、ＭＴＦはゼロ、すなわち、信号振幅が０になってしまうが、画素寸法ｄｐｉｘを最小線幅ＣＤに等しく設定する（すなわち、ｄｐｉｘ／（２ＣＤ）＝０．５）と、ＭＴＦ＝０．６４が得られる。したがって、画素寸法ｄｐｉｘを最小線幅ＣＤにほぼ等しく設定しても、比較的大きいＭＴＦが得られることが分かる。
【０００９】
しかしながら、単一欠陥構造に対しては、ｄｐｉｘ＝２ｄｄｅｆに設定した場合、ｄｄｅｆの１／２の寸法のｄｄｅｆの欠陥に対しては、ｄｐｉｘ／２ｄｄｅｆ＝１となるため、図１の（Ｂ）のグラフに示すように、ＭＴＦ＝０．４１となる。ｄｄｅｆ＝１／３×ＣＤの欠陥に対しては、ＭＴＦ＝０．２１となる。
以上から明らかなように、画素寸法ｄｐｉｘを周期的パターンの最小線幅ＣＤにほぼ等しいように設定しても、周期的パターンを十分に検出可能であるが、一方、該パターン上の欠陥が小さい場合は、欠陥の検出精度が低下する。
【００１０】
ところで、図１の（Ａ）及び（Ｂ）のグラフにおけるＭＴＦの値は、画素寸法が有限であることによるＭＴＦ（＝ＭＴＦ（画素））であり、これ以外に、電子光学系の分解能が有限であることによるＭＴＦがある。ここでは、それをＭＴＦ（Ｅ０）で表す。そして、総合のＭＴＦは、
ＭＴＦ（総合）＝ＭＴＦ（画素）・ＭＴＦ（Ｅ０）
によって表すことができる。
したがって、画素寸法ｄｐｉｘを大きくして最小線幅ＣＤにほぼ等しくしたことによって生じる欠陥検出のＭＴＦ（画素）の低下を補うために、光学系の分解能によるＭＴＦ（Ｅ０）を大きくすれば、ＭＴＦ（総合）を大きく保つことができ、よって、高精度の欠陥検出ができることが分かる。
【００１１】
そこで、ＭＴＦ（画素）の低下を補うためのＭＴＦ（Ｅ０）の設定について説明する。
図２は、ＭＴＦ、（ＭＴＦ）^２、ビーム電流Ｉ、及び（ＭＴＦ）^２Ｉとビーム径／ＣＤとの関係を表すグラフである。ただし、図２におけるＭＴＦはＭＴＦ（Ｅ０）を意味している。レンズの収差として軸上色収差が優勢な場合、ビーム径を変化させると、ビーム電流Ｉはビーム径の４乗に比例して変化する（すなわち、Ｉ∝（ビーム径）^４）。一方、ラインアンドスペースを走査するとき、ＭＴＦのグラフに示すように、ビーム径を大きくするほど信号振幅すなわちＭＴＦが小さくなる。これらの関係から、ビーム径を大きくすると、大きいビーム電流が得られるが信号振幅が小さくなり、逆に、ビーム径を小さくすると、ビーム電流が小さくなるが大寸法のパターンを走査したときの信号振幅と同じ大きさの信号振幅が得られる。したがって、ビーム径に最適値が存在することが分かる。
【００１２】
そして、ビーム径の最適値を求めるには、ＭＴＦが例えば１／２になるのを補うためには、信号を（２倍）^２にする必要があり、したがって、（ＭＴＦ）^２・Ｉのグラフの最大となるときの条件が最適値である。そこで、（ＭＴＦ）^２・Ｉの最大値のときのＭＴＦの値を求めると、図２のグラフに示すように、ＭＴＦ＝０．３５となり、この値が最適値となる。例えば、このときのビーム径／ＣＤは約１．１であり、これを満足するようビーム径を設定することにより、ＭＴＦ（Ｅ０）＝０．３５を得ることができる。
【００１３】
ＭＴＦ＝０．３５のとき、図１に関連して説明した例の場合、すなわち、ｄｐｉｘ＝ＣＤで、ｄｄｅｆ＝ＣＤ／２の欠陥に対して、
０．３５×（０．６４／０．４１）＝０．５５
であるから、電子光学系の分解能によるＭＴＦ（Ｅ０）を０．５５以上にすれば、ＭＴＦ（画素）の０．６４から０．４１への低下分を補うことができる。これにより、欠陥が画素寸法（＝最小線幅）の１／２程度であっても、ＭＴＦ（総合）の低下を防止することができ、欠陥を適切に検出することができる。
【００１４】
また、上記のようにＭＴＦ（総合）の低下を防ぐ代わりに、パターン画像を得るときのＳ／Ｎ比を十分大きくすることにより、画素寸法よりも小さい欠陥を検出することもできる。画素寸法と同程度の寸法の欠陥検出を行うためには、上記した非特許文献１に記載されているように、１５以上のＳ／Ｎ比が必要であると言われている。これを基準にすると、画素寸法の１／２の欠陥を検出する場合のＭＴＦ（画素）は、０．４１／０．６４倍に低下するので、Ｓ／Ｎ比を、その逆数倍である
Ｓ／Ｎ
＝１５×０．６４／０．４１
＝２３．４
に設定しておけば、画素寸法（＝最小線幅）の１／２の欠陥を検出することができる。すなわち、Ｓ／Ｎ比を２０以上に設定すれば、画素寸法の約１／２程度の欠陥を検出することができる。
【００１５】
なお、画素寸法の１／３の欠陥（すなわち、ｄｐｉｘ／（２ｄｄｅｆ）＝１．５）を検出する場合、図１の（Ｂ）に示すように、ＭＴＦ（画素）は約０．２１である。したがって、
１５×０．６４／０．２１＝４５．７
のＳ／Ｎ比が得られれば、画素寸法の１／３の大きさの欠陥を検出することができる。
【００１６】
図３は、本発明の一実施形態の電子線装置の主要部を示した図である。該電子線装置は、それぞれが電子銃、１次電子光学系、及び２次電子光学系からなる複数のユニットを備えている。各ユニットの電子銃は、カソード３１、ヒータ３２、ウエーネルト３４、セラミックベース３５、アノード３６からなり、該電子銃から放出された電子線は、ダブルアノード（３５、３６）の凸レンズ作用でクロスオーバを成形開口板３８の開口に形成する。そして、該開口で成形された電子線は、コンデンサレンズ３９及び対物レンズ２９により縮小され、ウエハ等の試料２８上に規則的な位置関係で照射される。このとき、電子線は、偏向器３７及びＥ×Ｂ偏向器２４により試料２８上をラスタスキャンし、これにより、各ユニット毎に、電子線が試料上の所定領域を走査する。
【００１７】
電子線照射により試料２８から放出された２次電子は、Ｅ×Ｂ偏向器２４により偏向されて、２次電子光学系の軌道２７を進み、２次電子検出器４０に到達する。これにより、電子線は、２次電子検出器４０で検出され、その強度に対応する電気信号に変換される。得られた電子信号は、画像形成回路（不図示）によって処理され、これによりＳＥＭ画像が得られる。得られた画像を、欠陥検出回路（不図示）において、基準となる画像と比較すか、又は、別のチップの対応する場所又は同一チップの別のセルについて得られた複数の画像同士を比較することにより、欠陥検出が行われる。
【００１８】
複数のユニットそれぞれの対応するレンズ２９、３０は、セラミック基板に光軸となる複数の開口及び電極等が規則的に配置されて一体的に構成されている。複数のユニットそれぞれの対応する偏向器３７も同様である。
各ユニットの電子銃は、各々が機械的軸合わせ機構を備えており、これにより、ユニット毎に独立して、電子銃の軸合わせが可能である。軸合わせの際には、各ユニット毎に、電子銃から放出されたビームを見ながら、アノード電極３５にウオーブラ（周期的に変化する電圧）を印加し、偏向器３７を操作して成形開口板３８上を走査し、開口板２５で測定される吸収電流による明るい領域の移動に基づいて、ビームの光軸２５を調整する。
【００１９】
カソード３１は、ＬａＢ_６カソードであり、輝度が１×１０^６Ａ／ｃｍ^２ＳＲが得られ、１００ｎｍのビーム径で２０ｎＡのビーム電流が、ウエハ２８上に得られる。さらに、電子銃は空間電荷制限領域で動作するよう構成されており、これにより、ショット雑音低減係数Γ＝０．３を実現可能である。
図３に示した電子線装置において、各ユニットでのビームの走査を１００ＭＨｚのクロック周波数で行う場合、画素当たりの２次電子検出数Ｎは、以下のようになる。ただし、画素寸法に等しいか又はそれ以上の寸法の欠陥を検出する場合とする。

Ｓ／Ｎ比は、

（ただし、１／Γ^２＝１１．１に設定）
となる。上記したように、Ｓ／Ｎ比が１５以上であれば画素寸法に等しい１００ｎｍの欠陥が検出可能であり、従って、画素寸法以上の欠陥を高精度で検出することができる。
【００２０】
また、画素寸法よりも小さい欠陥を検出する場合について述べると、Ｓ／Ｎ＝９２．６の場合には、ＭＴＦ（画素）が低下したとしても、画素寸法の１／２あるいは１／３の寸法の欠陥を高精度で検出することができる。
【００２１】
また、ビーム径を１００ｎｍではなく４５ｎｍに設定すると、ビーム電流は０．８２ｎＡが得られる。そして、クロック周波数１００ＭＨｚで走査すると、
Ｓ／Ｎ＝１８．７５＞１５
が得られる。図２のグラフから、ビーム径／ＣＤ＝０．４５の場合、ＭＴＦ（Ｅ０）＝０．８５であり、また、図１の（Ｂ）のグラフから、ＭＴＦ（画素）＝０．４１であるから、総合のＭＴＦは、
ＭＴＦ（総合）
＝０．８５×０．４１
＝０．３５
となる。図２に関連して説明したように、ＭＴＦ＝０．３５は最適値である。したがって、この条件で画素寸法に等しい欠陥を検出することができる。また、欠陥寸法が半分になったことにより、ＭＴＦ（画素）＝０．４１に低下しても、ＭＴＦ（総合）＝０．３５を確保することができる。したがって、５０ｎｍ径の欠陥であっても検出することができる。
【００２２】
図４は、本発明に係る電子線装置の他の実施形態の主要部を示しており、この実施形態は、ステンシルマスクあるいはメンブレンマスクの欠陥検出装置として構成したものである。電子銃４１から放出された電子線は、コンデンサレンズ４２によりクロスオーバ５２を形成し、かつ、照射レンズ４３により拡大レンズ系の対物レンズ４５の主面近傍にクロスオーバを形成する。検査されるマスク４４は、対物レンズ４５の前段近傍に位置決めされる。照射レンズ４３は、その対物面に長方形開口を有する開口板５１が設けられており、この長方形開口により、マスク４４上の検査に必要十分な領域のみが照射されるようにする。
【００２３】
マスク４４は一様な強度で照射され、該マスクを透過した電子線は対物レンズ４５で拡大され、拡大レンズ４６の手前の位置５３に拡大像を形成する。そして、拡大レンズ４６でさらに拡大され、内面に蛍光面を有する真空窓４８に光の像を形成する。
そして、光学レンズ系４９により像の大きさが調整され、ＴＤＩカメラ５０に結像され、該カメラにより電気信号に変換される。そして、画像形成回路５４においてマスク像に変換され、その後、欠陥検出回路５５において欠陥が検出される。このとき、欠陥検出回路５５には、パターンデータメモリ５６から基準マスクパターンのデータが提供され、欠陥検出回路５５は、この基準マスクパターンと画像形成回路５４からのデータとを対比することにより、欠陥検出を行う。
【００２４】
電子銃４１は、ＬａＢ_６カソードを有し、空間電荷制限条件の下で動作するよう構成され、これにより、通常のショットキーカソードを採用したものと対比して、ショット雑音が１／２〜１／５に低減される。１×１０^３Ａ／ｃｍ^２ＳＲ（４．５ｋＶ）の輝度は容易に得られる。拡大レンズ系４５は、３ｍｒａｄの照射角α_０ｍで２０ｎｍのビーム径が得られているので、α_０＝２．５ｍｒａｄでマスク４４を照射すれば、５０ｎｍ平方の画素で得られる電子数Ｎ、及びＳ／Ｎ比は、以下のようになる。

この場合も、Ｓ／Ｎ＞２０であり、画素寸法の半分以下の欠陥を検出することができる。
【００２５】
次に、上記した電子装置を用いた、本発明に係る半導体デバイスの製造方法の実施形態の一例を説明する。
図５は、本発明の半導体デバイスの製造方法の一例を示すフロチャートである。この例の製造プロセスは、以下の各主工程を含む。
▲１▼ウエハを製造するウエハ製造工程（又は、ウエハを準備するウエハ準備工程）Ｓ１
▲２▼露光に使用するマスクを製作するマスク製造工程（又は、マスクを準備するマスク準備工程）Ｓ２
▲３▼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Ｓ３
▲４▼ウエハ上に形成されたチップを１個ずつ切り出し、動作可能にならしめるチップ組立工程Ｓ４
▲５▼切り出されたチップを検査するチップ検査工程Ｓ５
【００２６】
それぞれの主工程Ｓ１〜Ｓ５は、いくつかのサブ工程からなっている。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エハ・プロセッシング工程Ｓ３である。この工程Ｓ３では、設計された回路パターンをウエハ上に順次積層し、メモリやＭＰＵとして動作するチップを多数形成する。このウエハ・プロセッシング工程は、以下のサブ工程を含む。
▲１▼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）
▲２▼この薄膜層やウエハ基板を酸化する酸化工程
▲３▼薄膜層やウエハ基板等を選択的に加エするためのマスク（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
▲４▼レジスト・パターンに従って薄膜層や基板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）
▲５▼イオン・不純物注入拡散工程
▲６▼レジスト剥離工程
▲７▼さらに加工されたウエハを検査する検査工程（マスク製造工程Ｓ２で製造されたマスク等の検査も含む）
ウエハ・プロセツシング工程中のサブ工程は、必要な層数だけ繰り返し行われ、設計通りに動作する半導体デバイスを製造する。
【００２７】
図６は、図５のウエハ・プロセッシング工程の中核をなすリソグラフィ工程を示すフロチャートである。このリソグラフィ工程は、以下の工程を含む。
▲１▼前段の工程で回路パターンが形成されたウエハ上にレジストをコートするレジスト塗布工程Ｓ２１
▲２▼レジストを露光する露光工程Ｓ２２
▲３▼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Ｓ２３
▲４▼現像されたレジストパターンを安定化させるためのアニール工程Ｓ２４
【００２８】
上記した本発明に係る電子線装置を、上記チップ検査工程Ｓ７及びウエハ・プロセッシング工程Ｓ３中の検査工程の少なくとも一方に用いると、微細なパターンを有する半導体デバイスであっても、高スループットで検査を行うことができる。したがって、全数検査が可能となり、製品の歩留向上、欠陥製品の出荷防止が可能となる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明の電子線装置は以上のように構成されており、以下のような作用効果を奏することができる。
１．試料を走査するためのクロック周波数を例えば１００ＭＨｚ等の比較的高い周波数に設定しても、画素寸法の１／２又は１／３程度の欠陥を高精度で検出可能であり、したがって、高いスループットを保持したまま、比較的小さい欠陥も高精度で検出可能である。
２．逆に、検出したい欠陥の寸法の２倍以上に画素寸法を設定できるので、この意味においても高スループットを実現することができる。
３．シンチレータとＰＭＴとを用いた２次電子検出器等のように信頼性が高い２次電子検出器を採用可能であり、したがって、電子線装置の信頼性を高めることができる。
４．ステンシルマスクの欠陥を検出する場合、ＭＴＦが小さく、ＴＤＩから得られる信号のＳ／Ｎ比が良好であるので、画素寸法より小さい欠陥を容易に検出することができる。
５．本発明に係る電子線装置を半導体デバイスを製造する方法に適用して、マスク又はウエハの欠陥検査工程に用いると、微細なパターンを有する半導体デバイスであっても高スループットで検査を行うことができ、これにより、全数検査が可能となり、製品の歩留向上、欠陥製品の出荷防止が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電子線装置の基本的原理を説明するためのグラフであり、（Ａ）は、ＭＴＦ（画像）と正規化空間周波数との関係を表し、（Ｂ）は、ＭＴＦ（画像）と正規化空間周波数との関係を表している。
【図２】ＭＴＦ、ＭＴＦ^２、ビーム電流Ｉ、及び（ＭＴＦ）^２Ｉとビーム径／最小線幅との関係を示すグラフである。
【図３】本発明に係る電子線装置の一実施形態の概略構成を示す説明図である。
【図４】本発明に係る電子線装置の別の実施形態の概略構成を示す説明図である。
【図５】本発明に係る半導体デバイス製造方法を示すフローチャートである。
【図６】図５に示した半導体デバイス製造方法の内のリソグラフィ工程を示すフローチャートである。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an electron beam apparatus and a device manufacturing method using the apparatus, and more particularly, to an electron beam apparatus and a device for detecting a defect or the like of a wafer or a mask having a pattern with a minimum line width of 0.1 μm or less. It relates to a manufacturing method.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Today, an electron beam apparatus that can detect a defect in a pattern of a wafer or a mask using an electron beam is used.
In such a conventional electron beam apparatus, an image is formed with pixels having a size equal to or smaller than the size of a defect to be detected, and the defect is detected from the formed image. For example, to detect a defect of 0.05 μm or more in a pattern having a line width of 0.1 μm, it is necessary to set the pixel size to 0.05 μm or less. Further, at this time, when trying to detect a defect at a clock frequency (scanning speed) of 100 MHz, the detection time per cm ² is as follows.
10 ² / {(5 × 10 ⁻⁵ ) ² × 100 × 10 ⁶ }
= 400 seconds = about 0.111 hours. Therefore, when trying to detect a 10 cm square (= 100 cm ² ), it takes 11.1 hours even with a simple calculation.
[0003]
In the above description, the clock frequency is set to 100 MHz, which is a clock frequency that can be employed in the case of an electron beam device in which the response frequency of the detector is sufficiently higher than 100 MHz. For example, it is said that the S / N ratio needs to be 15 or more, as described in Non-Patent Document 1 below, in order to detect a defect having a size about the size of a pixel.
On the other hand, in a secondary electron detector or the like in which a response frequency is not so high, for example, a scintillator and a PMT are combined, it is generally impossible to scan at a clock frequency of 100 MHz or more. Therefore, in the electron beam apparatus using such a secondary electron detector, the clock frequency for scanning must be lower than 100 MHz, so that the inspection time becomes longer and the throughput is reduced.
[Non-patent document 1]
Shinada et al., “High-speed, high-current SEM optical system for wafer inspection”, LSI Testing Symposium / 2000 Minutes, November 9-10, 2000, 151-156
[0004]
The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to increase the throughput by increasing the pixel size in an electron beam apparatus for detecting a defect of a pattern such as a semiconductor wafer and a mask. Another object of the present invention is to provide an electron beam apparatus capable of detecting small-sized defects with high accuracy.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object of the present invention, the present invention according to a first aspect is an electron beam apparatus for detecting a defect, wherein a pixel size can be set substantially equal to a minimum line width of a pattern, In addition, since the MTF of the secondary electron detection signal when scanning the line and space pattern having the minimum line width is 0.55 or more, it is possible to detect a defect having a size of about half the pixel size. An electron beam device is provided.
According to a second aspect of the present invention, there is provided an electron beam apparatus for detecting a defect, wherein a pixel size can be set substantially equal to a minimum line width of a pattern, and an S / N ratio of a secondary electron detection signal is 20. An electron beam apparatus characterized in that it is configured so as to have the above (however, the noise N has a value of 3σ), so that a defect having a size of about 約 of a pixel size can be detected.
[0006]
The electron beam apparatus according to the first and second aspects of the present invention,
Irradiate the electron beam emitted from the electron gun onto a membrane mask or a stencil mask, enlarge the electron beam transmitted through the mask, and obtain a secondary electron detection image, or
The electron emitted from the electron gun is narrowed down and scanned over the sample, secondary electrons emitted from the sample are detected, a two-dimensional image is formed, and the image is formed on a die-to-die or cell-to-cell basis. It is preferable to perform the defect detection by comparing the above.
Thereby, the throughput of the defect inspection is further improved.
[0007]
The present invention also provides a method of manufacturing a semiconductor device, wherein a defect inspection of a semiconductor wafer is performed during or after a process using the above-described electron beam apparatus.
[0008]
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS
FIG. 1 shows a graph for explaining the basic principle (point of view) in the electron beam apparatus of the present invention. In FIG. 1, the graph (A) shows the relationship between the MTF obtained when scanning a periodic pattern and the normalized spatial frequency dpix / (2CD), and the graph (B) shows a single defect structure. The relationship between MTF (= MTF (pixel): a signal transfer function due to a finite pixel size as described above), which is the signal amplitude at the time of observation, and the normalized spatial frequency dpix / (2ddef) is shown. ing. Here, dpix is the pixel size, CD is the minimum line width of the periodic pattern, and ddef is the defect size.
As shown in the graph of FIG. 1A, for a periodic structure, if the pixel size dpix is set to twice the minimum line width CD (that is, dpix / (2CD) = 1), the MTF becomes When the pixel size dpix is set to be equal to the minimum line width CD (that is, dpix / (2CD) = 0.5), MTF = 0.64 is obtained although the signal amplitude becomes zero, that is, the signal amplitude becomes zero. Therefore, it can be seen that a relatively large MTF can be obtained even when the pixel size dpix is set to be substantially equal to the minimum line width CD.
[0009]
However, if dpix = 2ddef is set for a single-defect structure, dpix / 2ddef = 1 for a ddef defect having half the size of ddef, so that FIG. As shown in the graph, MTF = 0.41. For a defect of ddef = 1/3 × CD, MTF = 0.21.
As is apparent from the above, even if the pixel size dpix is set to be substantially equal to the minimum line width CD of the periodic pattern, the periodic pattern can be sufficiently detected, but the defect on the pattern is small. In such a case, the accuracy of defect detection decreases.
[0010]
Incidentally, the value of MTF in the graphs of FIGS. 1A and 1B is MTF (= MTF (pixel)) due to the finite pixel size, and in addition, the resolution of the electron optical system is finite. There is an MTF. Here, it is represented by MTF (E0). And the overall MTF is
MTF (overall) = MTF (pixel) · MTF (E0)
Can be represented by
Therefore, if the MTF (E0) based on the resolution of the optical system is increased to compensate for the decrease in the MTF (pixel) for defect detection caused by increasing the pixel size dpix and making it approximately equal to the minimum line width CD, the MTF ( It can be seen that the total) can be kept large, and thus, highly accurate defect detection can be performed.
[0011]
Therefore, the setting of MTF (E0) for compensating for the decrease in MTF (pixel) will be described.
FIG. 2 is a graph showing MTF, (MTF) ² , beam current I, and the relationship between (MTF) ² I and beam diameter / CD. However, MTF in FIG. 2 means MTF (E0). When the axial chromatic aberration is predominant as the lens aberration, when the beam diameter is changed, the beam current I changes in proportion to the fourth power of the beam diameter (that is, I∝ (beam diameter) ⁴ ). On the other hand, when scanning the line and space, as shown in the graph of MTF, as the beam diameter increases, the signal amplitude, that is, the MTF decreases. From these relationships, when the beam diameter is increased, a large beam current is obtained but the signal amplitude is reduced. Conversely, when the beam diameter is reduced, the beam current is reduced, but the signal amplitude when a large-sized pattern is scanned is reduced. A signal amplitude of the same magnitude as is obtained. Therefore, it can be seen that there is an optimum value for the beam diameter.
[0012]
In order to find the optimum value of the beam diameter, it is necessary to make the signal (2 times) ² in order to compensate for the MTF becoming, for example, 、. Therefore, the graph of (MTF) ² · I Is the optimal value. Then, when the value of MTF at the maximum value of (MTF) ² · I is obtained, as shown in the graph of FIG. 2, MTF = 0.35, which is the optimum value. For example, the beam diameter / CD at this time is about 1.1, and by setting the beam diameter so as to satisfy this, MTF (E0) = 0.35 can be obtained.
[0013]
When MTF = 0.35, in the case of the example described with reference to FIG. 1, that is, for a defect of dpix = CD and ddef = CD / 2,
0.35 × (0.64 / 0.41) = 0.55
Therefore, if the MTF (E0) based on the resolution of the electron optical system is set to 0.55 or more, the decrease in MTF (pixel) from 0.64 to 0.41 can be compensated. As a result, even if the defect is about 1/2 of the pixel size (= minimum line width), it is possible to prevent a decrease in MTF (overall) and to appropriately detect the defect.
[0014]
Further, instead of preventing the MTF (overall) from decreasing as described above, it is possible to detect a defect smaller than the pixel size by sufficiently increasing the S / N ratio when obtaining a pattern image. It is said that an S / N ratio of 15 or more is necessary in order to detect a defect having the same size as the pixel size, as described in Non-Patent Document 1 described above. Based on this, the MTF (pixel) when detecting a defect having a half of the pixel size is reduced to 0.41 / 0.64 times, so that the S / N ratio is a reciprocal multiple thereof. S / N
= 15 × 0.64 / 0.41
= 23.4
, It is possible to detect a defect that is １／ of the pixel size (= minimum line width). That is, if the S / N ratio is set to 20 or more, it is possible to detect a defect of about 1/2 of the pixel size.
[0015]
When detecting a defect of 1/3 of the pixel size (that is, dpix / (2ddef) = 1.5), as shown in FIG. 1B, the MTF (pixel) is about 0.21. . Therefore,
15 × 0.64 / 0.21 = 45.7
If the S / N ratio is obtained, a defect having a size of 1/3 of the pixel size can be detected.
[0016]
FIG. 3 is a diagram showing a main part of the electron beam apparatus according to one embodiment of the present invention. The electron beam device includes a plurality of units each including an electron gun, a primary electron optical system, and a secondary electron optical system. The electron gun of each unit is composed of a cathode 31, a heater 32, a Wehnelt 34, a ceramic base 35, and an anode 36. The electron beam emitted from the electron gun crosses over due to the convex lens action of the double anode (35, 36). It is formed in the opening of the forming opening plate 38. Then, the electron beam formed at the opening is reduced by the condenser lens 39 and the objective lens 29, and is irradiated on the sample 28 such as a wafer in a regular positional relationship. At this time, the electron beam is raster-scanned on the sample 28 by the deflector 37 and the E × B deflector 24, whereby the electron beam scans a predetermined area on the sample for each unit.
[0017]
Secondary electrons emitted from the sample 28 by electron beam irradiation are deflected by the E × B deflector 24, travel along the trajectory 27 of the secondary electron optical system, and reach the secondary electron detector 40. Thereby, the electron beam is detected by the secondary electron detector 40 and is converted into an electric signal corresponding to the intensity. The obtained electronic signal is processed by an image forming circuit (not shown), whereby an SEM image is obtained. The obtained image is compared with a reference image in a defect detection circuit (not shown), or a plurality of images obtained from a corresponding location on another chip or another cell on the same chip are compared. Thus, defect detection is performed.
[0018]
The lenses 29 and 30 corresponding to each of the plurality of units are integrally formed by regularly arranging a plurality of openings and electrodes serving as optical axes on a ceramic substrate. The same applies to the corresponding deflectors 37 of the plurality of units.
Each of the electron guns of each unit is provided with a mechanical alignment mechanism, whereby the alignment of the electron gun can be performed independently for each unit. When the axes are aligned, a wobble (a periodically changing voltage) is applied to the anode electrode 35 while observing the beam emitted from the electron gun for each unit, and the deflector 37 is operated to operate the forming aperture plate. 38, and adjusts the optical axis 25 of the beam based on the movement of the bright area due to the absorption current measured by the aperture plate 25.
[0019]
The cathode 31 is a LaB ₆ cathode, has a luminance of 1 × 10 ⁶ A / cm ² SR, and has a beam current of 20 nA with a beam diameter of 100 nm on the wafer 28. Further, the electron gun is configured to operate in the space charge limited region, whereby a shot noise reduction coefficient Γ = 0.3 can be realized.
In the electron beam apparatus shown in FIG. 3, when beam scanning in each unit is performed at a clock frequency of 100 MHz, the number N of secondary electrons detected per pixel is as follows. However, it is assumed that a defect having a size equal to or larger than the pixel size is detected.

The S / N ratio is

(However, 1 / Γ ² = 11.1)
It becomes. As described above, if the S / N ratio is 15 or more, a defect of 100 nm equal to the pixel size can be detected, and therefore, a defect larger than the pixel size can be detected with high accuracy.
[0020]
In the case where a defect smaller than the pixel size is detected, when S / N = 92.6, even if the MTF (pixel) is reduced, the size is reduced to 1/2 or 1/3 of the pixel size. Can be detected with high accuracy.
[0021]
When the beam diameter is set to 45 nm instead of 100 nm, a beam current of 0.82 nA is obtained. When scanning at a clock frequency of 100 MHz,
S / N = 18.75> 15
Is obtained. From the graph of FIG. 2, when the beam diameter / CD = 0.45, MTF (E0) = 0.85, and from the graph of FIG. 1B, MTF (pixel) = 0.41. From, the overall MTF is
MTF (Overall)
= 0.85 x 0.41
= 0.35
It becomes. As described in connection with FIG. 2, MTF = 0.35 is an optimal value. Therefore, a defect equal to the pixel size can be detected under this condition. Further, even when the defect size is reduced to half, the MTF (pixel) = 0.41, but the MTF (overall) = 0.35 can be ensured. Therefore, even a defect having a diameter of 50 nm can be detected.
[0022]
FIG. 4 shows a main part of another embodiment of the electron beam apparatus according to the present invention. This embodiment is configured as a defect detection apparatus for a stencil mask or a membrane mask. The electron beam emitted from the electron gun 41 forms a crossover 52 by the condenser lens 42 and forms a crossover near the main surface of the objective lens 45 of the magnifying lens system by the irradiation lens 43. The mask 44 to be inspected is positioned near the front stage of the objective lens 45. The irradiation lens 43 is provided with an aperture plate 51 having a rectangular opening on its object plane. With this rectangular opening, only an area on the mask 44 necessary and sufficient for inspection is irradiated.
[0023]
The mask 44 is irradiated with uniform intensity, and the electron beam transmitted through the mask is magnified by the objective lens 45 to form an enlarged image at a position 53 before the magnifying lens 46. Then, the image is further enlarged by the magnifying lens 46 to form an image of light on the vacuum window 48 having a fluorescent screen on the inner surface.
Then, the size of the image is adjusted by the optical lens system 49, an image is formed on the TDI camera 50, and the image is converted into an electric signal by the camera. Then, the image is converted into a mask image in the image forming circuit 54, and thereafter, a defect is detected in the defect detection circuit 55. At this time, the defect detection circuit 55 is provided with the data of the reference mask pattern from the pattern data memory 56, and the defect detection circuit 55 compares the reference mask pattern with the data from the image forming circuit 54 to obtain a defect. Perform detection.
[0024]
The electron gun 41 has a LaB ₆ cathode and is configured to operate under space charge limiting conditions, thereby reducing the shot noise by a factor of 2 to 1 as compared with a conventional Schottky cathode. / 5. A luminance of 1 × 10 ³ A / cm ² SR (4.5 kV) can be easily obtained. Since the magnifying lens system 45 has a beam diameter of 20 nm at an irradiation angle α ₀ m of ₃ mrad, if the mask 44 is irradiated at α ₀ = 2.5 mrad, the number of electrons N obtained in a 50 nm square pixel is And the S / N ratio are as follows.

Also in this case, S / N> 20, and a defect smaller than half the pixel size can be detected.
[0025]
Next, an example of an embodiment of a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention using the above-described electronic device will be described.
FIG. 5 is a flowchart showing an example of the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention. The manufacturing process of this example includes the following main steps.
(1) Wafer manufacturing process for manufacturing a wafer (or wafer preparation process for preparing a wafer) S1
{Circle around (2)} A mask manufacturing process for manufacturing a mask used for exposure (or a mask preparing process for preparing a mask) S2
(3) Wafer processing step S3 for performing necessary processing on the wafer
(4) Chip assembling step S4 for cutting out chips formed on the wafer one by one and making them operable
(5) Chip inspection step S5 for inspecting the cut chip
[0026]
Each of the main processes S1 to S5 includes several sub-processes. Among these main steps, the main step that has a decisive effect on the performance of the semiconductor device is the wafer processing step S3. In this step S3, designed circuit patterns are sequentially stacked on a wafer, and a number of chips that operate as memories and MPUs are formed. This wafer processing step includes the following sub-steps.
{Circle around (1)} A thin film forming step of forming a dielectric thin film or wiring portion serving as an insulating layer or a metal thin film forming an electrode portion (using CVD, sputtering, or the like)
(2) an oxidation step of oxidizing the thin film layer or the wafer substrate; (3) a lithography step of forming a resist pattern using a mask (reticle) for selectively processing the thin film layer or the wafer substrate; An etching process for processing a thin film layer or a substrate according to a resist pattern (for example, using a dry etching technique)
{Circle around (5)} Ion / impurity implantation / diffusion step {circle over (6)} Resist stripping step [7] inspection step for inspecting the further processed wafer (including inspection of the mask etc. produced in mask production step S2)
The sub-steps in the wafer processing step are repeatedly performed for a required number of layers to manufacture a semiconductor device that operates as designed.
[0027]
FIG. 6 is a flowchart showing a lithography step which is the core of the wafer processing step shown in FIG. This lithography step includes the following steps.
(1) A resist coating step S21 for coating a resist on a wafer on which a circuit pattern has been formed in the previous step
(2) Exposure step S22 for exposing the resist
{Circle around (3)} Development step S23 of developing the exposed resist to obtain a resist pattern
(4) Annealing step S24 for stabilizing the developed resist pattern
[0028]
When the above-described electron beam apparatus according to the present invention is used in at least one of the inspection steps in the chip inspection step S7 and the wafer processing step S3, even a semiconductor device having a fine pattern can be inspected at high throughput. It can be carried out. Therefore, 100% inspection can be performed, and the yield of products can be improved, and shipment of defective products can be prevented.
[0029]
【The invention's effect】
The electron beam apparatus of the present invention is configured as described above, and can provide the following operation and effect.
1. Even if the clock frequency for scanning the sample is set to a relatively high frequency, for example, 100 MHz, it is possible to detect a defect of about 又は or の of the pixel size with high accuracy, and thus to achieve high throughput. A relatively small defect can be detected with high accuracy while being held.
2. Conversely, since the pixel size can be set to twice or more the size of the defect to be detected, high throughput can be realized in this sense.
3. A highly reliable secondary electron detector such as a secondary electron detector using a scintillator and a PMT can be employed, and therefore, the reliability of the electron beam device can be improved.
4. When detecting a stencil mask defect, the MTF is small and the S / N ratio of the signal obtained from the TDI is good, so that a defect smaller than the pixel size can be easily detected.
5. When the electron beam apparatus according to the present invention is applied to a method of manufacturing a semiconductor device and used in a mask or wafer defect inspection step, even a semiconductor device having a fine pattern can be inspected at a high throughput. As a result, 100% inspection can be performed, thereby improving the yield of products and preventing shipment of defective products.
[Brief description of the drawings]
1A and 1B are graphs for explaining a basic principle of an electron beam apparatus according to the present invention, wherein FIG. 1A shows a relationship between an MTF (image) and a normalized spatial frequency, and FIG. (Image) and the normalized spatial frequency.
FIG. 2 is a graph showing the relationship between MTF, MTF ² , beam current I, and (MTF) ² I and beam diameter / minimum line width.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of an embodiment of an electron beam apparatus according to the present invention.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of another embodiment of the electron beam apparatus according to the present invention.
FIG. 5 is a flowchart showing a semiconductor device manufacturing method according to the present invention.
6 is a flowchart showing a lithography step in the semiconductor device manufacturing method shown in FIG.

Claims

An electron beam apparatus for detecting a defect, wherein a pixel size can be set substantially equal to a minimum line width of a pattern, and a secondary electron detection signal of a line and space pattern having a minimum line width is scanned. An electron beam apparatus characterized in that a defect having a size of about 1/2 of a pixel size can be detected by configuring the MTF to be 0.55 or more.

An electron beam apparatus for detecting a defect, wherein a pixel size can be set substantially equal to a minimum line width of a pattern, and an S / N ratio of a secondary electron detection signal is 20 or more (however, noise N is 3σ value) ), So that a defect having a size of about half the pixel size can be detected.

3. The electron beam apparatus according to claim 1, wherein the apparatus irradiates an electron beam emitted from an electron gun onto a membrane mask or a stencil mask, enlarges the electron beam transmitted through the mask, and generates a secondary electron detection image. An electron beam device characterized by being configured to obtain an electron beam.

3. The electron beam apparatus according to claim 1, wherein the apparatus scans the sample by narrowing down the electrons emitted from the electron gun, detects secondary electrons emitted from the sample, and forms a two-dimensional image. An electron beam apparatus configured to perform defect detection by comparing the images on a die-to-die or cell-to-cell basis.

A method of manufacturing a semiconductor device, wherein a defect inspection of a semiconductor wafer is performed using the electron beam apparatus according to any one of claims 1 to 4 during and / or after the completion of the process. Device manufacturing method.