JP2004516631A

JP2004516631A - 特に半導体ウェーハ用の粒子光学検査装置

Info

Publication number: JP2004516631A
Application number: JP2002553074A
Authority: JP
Inventors: イェーマース，ディーデリク; エムクランス，ヤン
Original assignee: フェイカンパニ
Priority date: 2000-12-22
Filing date: 2001-12-11
Publication date: 2004-06-03
Also published as: WO2002052224A1; US20020079447A1; US6693278B2; EP1344018A1

Abstract

半導体の製造において、ウェーハ上の回路パターンを検査することが必要である。非常に小さい細部を有する回路（例えば、４０ｎｍ）では、検査は、電子ビームコラムによって実行することが可能であり、その場合、複数のウェーハが同時に検査され、信号がオンラインで比較される。本発明の検査装置では、各ウェーハＡ、Ｂ、及び、Ｃに対しより多くのビームコラムが設けられ、それにより高いフィードスルーレートを得る。検査はｘ−ｙ走査により行われ、ウェーハは直線運動に従って供給されるので、ウェーハのケア・エリア・フラクションのみを走査する可能性が与えられ、それにより、検査装置におけるウェーハに対し高いフィードスルーレートがもたらされる。

Description

【０００１】
本発明は、対象上のパターンの検査用装置に関連し、この装置は、
＊検査時に対象を担持するキャリアユニットと、
＊関連付けられる対象上の検査されるべきパターンを走査する少なくとも１つの粒子光学コラムを含む、各対象に対しての検査ユニットと、
＊第１の検査ユニットにおける粒子光学コラムにより生成される走査信号と、第２の検査ユニットにおける粒子光学コラムにより生成される走査信号とを比較する比較回路を含み、複数の対象上の対応するパターンを同時に検査するよう構成される。
【０００２】
上述したような種類の装置は米国特許第５，６４１，９６０号から公知である。
【０００３】
半導体産業において、ウェーハ上に書き込まれたパターンの検査、例えば、製造過程において発生した欠陥の検出に適した機器が必要である。このような欠陥により、製造される集積回路（ＩＣ）がうまく作動しない原因となる場合があるので、拒否されなければならない。ＩＣの最小の臨界寸法がますます小さくなってきているので、そのように小さな細部を依然として好適に識別可能な検査機器が利用可能であることが必要である。２００ｎｍの大きさのオーダである現在の最小細部の寸法は、約５０ｎｍの分解能を有する検査機器を必要とする。一般的に、この分解能は、近い将来において更に向上されなければならないことが予想されている。
【０００４】
可視光の領域で動作する光学機器はもはやそのような高分解能を達成するためには適切ではなくなっている。しかし、特に走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）である粒子光学機器を使用することにより、そのような小さな細部を好適に観察することが可能となる。
【０００５】
上述した米国特許は、対象上のパターンを検査する装置を説明するが、この装置は、半導体ウェーハ上の回路を検査するよう構成される。公知の装置には、検査に必要な信号を捕捉する時に回転するウェーハ用のキャリア又はステージを有するキャリアユニットが設けられる。各ウェーハに対し、ウェーハ検査を実行する電子光学ＳＥＭコラムの形である検査ユニットが設けられる。ウェーハの表面全体は、キャリアがコラムに対し回転し、検査時にはコラムがキャリアの回転軸に対し半径方向に動かされることにより、ＳＥＭコラムによって検査のためにアクセスされることが可能である。上述した公知の装置は、異なるウェーハ上の対応するパターンを同時検査するよう構成されるので、粒子光学コラムにより生成される走査信号は、比較回路によって比較され、これらの信号間の差が検出されると欠陥の存在を決定することができる。この比較は「リアルタイム」で行われることが可能であるので、信号を比較するための非常に大きなデータベースを形成して且つそれを管理する必要はなく、また、瞬間走査信号と格納データ間の時間のかかるデジタル比較演算を実行する必要もない。
【０００６】
公知の装置には、各ウェーハに対し１つのコラムしか設けられないので、この装置における検査は、比較的低いフィードスルーレート（ｆｅｅｄ−ｔｈｒｏｕｇｈｒａｔｅ）でしか行われない。このことは以下のように説明することができる。検査されるべきパターンの細部が小さくなるにつれて、各ウェーハに対し検査されなければならない細部の数も増加し、つまり、細部の縮小の二乗で増加する（ウェーハ寸法は同じ）。その結果、ウェーハ表面全体の検査は不要となり、最小の細部寸法が現れるパターン内の領域、即ち、いわゆるケア・エリア（ＣａｒｅＡｒｅａ）のみが検査される。そのようなケア・エリアが位置するパターン内の一部は、ケア・エリア・フラクション（ＣＡＦ）として知られ、一般的に１％の大きさのオーダ値を有する。検査時のフィードスルーレートは、ＣＡＦのみを検査することによりかなり増加することができるが、将来におけるウェーハ検査がウェーハの生産速度に対応する（これは、ウェーハのオンライン検査に必要である）には、ＣＡＦはかなり縮小されなければならず、従って、欠陥が発生しやすいパターンの部分を省略しなければならなくなる。当然、このような進展は望ましくない。
【０００７】
公知の装置におけるウェーハの検査は、ウェーハを検査コラムに対し回転することにより行われる。この回転移動時に通過するウェーハにはコラムにより生成され、検査走査の実行時にはコラムに対し静止している電子ビームが照射される。従って、キャリアが１回転するときに検査されるウェーハの領域は、円形の経路として形付けられる。より大きい領域、例えば、矩形の領域が検査されるべき場合は、そのような領域は、多数の隣接する円形経路から構成されなければならない。これは、多数のケア・エリアを依然として検査のために選択することが可能ではあるが、ケア・エリアの間に位置する円形経路の表面領域もカバーされなければならないということを意味する。従って、そのような中間領域を省いて走査時間を短くすることができない。
【０００８】
この走査方法は更に、回転速度（例えば、データ比較に使用される電子回路の処理速度）を制限する要因は、発生する最高速度、即ち、回転の円の外周における領域、即ち、コラムの最大ラジアル位置がある場所における速度に基づいているという欠点を有する。従って、この回転の最大円内の検査されるべき全ての領域では、速度は最適ではないので、装置は、検査されるべき領域のほとんどに対し不釣合いとなる。
【０００９】
本発明は、ますます回路密度が高くなっている半導体ウェーハのオンライン検査時におけるフィードスルーレートを維持する問題に対する解決策を提供することを目的とする。この為に、本発明の装置は、粒子光学コラムは、当該の粒子光学コラムによって生成される粒子ビームをｘ−ｙ偏向することにより、対象上のパターンのｘ−ｙ走査を実行するよう配置され、キャリアユニットは、対象に対し直線に進む直動フィードスルー方向を実現するよう配置されることを特徴とする。本発明の装置では、検査されるべき対象（ウェーハ）は検査コラムの下に配置されるが、それは、対象がコラムに対し所望の位置を占めるよう、対象は、キャリアのフィードスルー方向に対し垂直の方向（例えば、本願では、ｘ方向と称する）においてキャリア上で方向付けられて配置される。（直線に進む直動）フィードスルー方向（例えば、ｙ方向と称する）において、ウェーハは、フィードスルー距離を調節した結果、その方向において検査コラムに対し所望の位置を占めるよう検査コラムの下の好適な場所に配置される。所望のケア・エリアの走査はそのような位置決めの後に行われ、コラムにより生成される電子ビームは、通常の方法で検査されるべき領域全面を走査する。この走査は、電子ビームの制御下で行われるので、このような走査では、コラムに対し対象を物理的に回転させて移動するよりも実質的にかかる時間は少ない。
【００１０】
本発明の装置の実施例は、少なくとも１つの走査信号に、時間において線形に変動し、その期間は当該の走査信号の期間よりも長い周期信号を重ねるよう構成される。ＳＥＭによって検査されるべき領域の走査時に、電子ビームは２つの互いに垂直な方向、即ち、ｘ方向及びｙ方向において偏向される。この偏向は、時間変動する周期的な偏向信号をＳＥＭに供給することにより実現される。更なる線形信号が１つの又は両方の走査信号に重ねられると、検査のための走査動作だけでなく、検査領域全体の線形動作も実現される。この処置の結果、検査されるべき対象は、走査時にコラムに対し動かすことができるので、走査領域は動く対象と共に動くようにされることができる。従って、対象は、非常にゆっくりと、且つ、急激な変化なく供給され（ｆｅｄｔｈｒｏｕｇｈ）、このことは、特に、ウェーハ検査の場合において有利である。
【００１１】
本発明の装置の好適な実施例は、各検査ユニットには、少なくとも２つの粒子光学コラムからなるアレイが設けられ、粒子光学コラムは互いに対し固定位置を占めるよう構成される。
【００１２】
各検査ユニットは複数の粒子光学コラムを含むので、原則的には高いフィードスルーレートを達成することができる。しかし、このような高いレートは、異なる検査ユニットにおける対応するコラムが異なるウェーハの対応する領域を同時に検査することができる場合に可能である。一般的に、ウェーハ上のパターンの２つの対応する部分（つまり、異なるパターンにおける同様の構造を有する領域）間の距離は、２つの対応するコラム間の距離と同一ではない。この場合、リアルタイムのパターン比較は不可能である。コラムの位置のピッチを、検査されるべきＣＡＦのピッチに適応させる（つまり、コラムの位置を、検査ユニットの変量内にする）ことが考えられるが、この場合、装置は、コラムが固定された相対位置を有するよりも複雑となる。
【００１３】
しかし、利用可能な空間量による制限内において、各検査ユニット、つまり、各ウェーハに対し任意の大きい数の粒子光学コラムを選択することが可能であり、それにより、フィードスルーレートが依然として増加する。このことは以下の数値で示す例に基づいて説明する。例示的に、ＣＡＦは最大で１％であり、各検査ユニットに対し７個のコラム（１乃至７）が設けられ、３つのウェーハが同時に検査されると仮定する。これは、３つの検査ユニット（Ａ、Ｂ、Ｃ）があることを意味する。検査されるべきウェーハはこのような方法でキャリア上に供給され、コラムは、各ウェーハの対応する領域が検査されるような互いからの距離に配置されることが可能である。この場合、各検査ユニットの１つのコラム、例えば、コラムＡ１、Ｂ１、及び、Ｃ１が動作する。従って、この例では、２１個のコラムのうち、３個のコラムが同時に動作する。しかし、コラムＡ２、Ｂ２、及び、Ｃ２も同時に動作する、即ち、Ａ１、Ｂ２、及び、Ｃ３と同時に動作するよう検査されるべき領域を選択することにより、ＣＡＦをかなり増加することが可能となる。後者の例では、２１個のコラムのうち、６個のコラムが同時に動作する。同じことが他のコラムに対しても可能であるので、更に多くのコラムが同時に動作する。従って、ＣＡＦを縮小する必要なくフィードスルーレートを増加することができ、又は、ＣＡＦはフィードスルーレートを下げることなく増加することができる。
【００１４】
コラムは、検査走査の実行時には動かないので、コラムの互いに対する位置に関する不確かさは存在せず、検査時に達成可能な分解能の限界は、コラム自体の分解能によってのみ決定される。最新技術に従って、この分解能は、数ナノメートルの大きさのオーダであってよい。
【００１５】
本発明の装置の更なる好適な実施例には、少なくとも３つの検査ユニットが設けられる。この実施例は、走査信号の比較時において、３つの信号のうちどれが逸脱したものであるかを決定する、即ち、どのウェーハに欠陥があるのかを決定するのに単純な多数決を行うことができるという利点を提供する。
【００１６】
本発明の装置の更なる実施例における粒子光学コラムは、１つの直線に沿って配置され、キャリアユニットは、その直線の方向に対し垂直に延在するフィードスルー方向を、対象に対し実現するよう配置される。従って、各ウェーハの各点は、検査のためにコラムによって容易に到達され、フィードスルー方向におけるウェーハの位置決め精度は、直線に進むフィードスルーの場合は最大である。コラムが１つの直線に沿って配置され、ウェーハも１つの直線に沿って配置されると、ウェーハの位置決め精度は、直線方向において最大となる。
【００１７】
本発明の装置のもう１つの実施例における粒子光学コラムは、電子光学コラムとして構成され、電子光学コラムにおける光学素子は、静電素子として構成される。ＳＥＭの小型化のためには、例えば、ビーム偏向電極又は対物レンズといった静電光学素子を使用することが有利であり、というのは、これらは磁気素子よりも小さく構成されることが可能だからである。これは、冷却手段（特に、レンズコイル用の冷却ダクト）が必要性でないことと、レンズの磁気（鉄）回路は磁気飽和を回避するために所与の最小容積を有さなければならない事実によるものである。更に、最近では、試料空間における高い真空に対し要件が課されているので、磁気レンズの表面よりも静電電極（滑らかな金属表面として構成される）がより魅力的である。というのは、磁気レンズの表面には一般的に、コイル、ワイヤ、及び／又は、真空リングが設けられるからである。
【００１８】
本発明を、添付図面を参照しながら以下に詳細に説明する。図面では、対応する構成要素は対応する参照番号が付けられる。
【００１９】
本発明の概念を説明するために、図１は多数のウェーハＡ乃至Ｄと、各ウェーハに対する検査ユニットＩ_Ａ乃至Ｉ_Ｄを示し、各検査ユニットＩには７個の粒子光学コラム１乃至７が設けられ、関連付けられるウェーハ上の検査されるべきパターンを走査する。粒子光学コラムは、電子光学コラムとして構成される。電子光学コラム１乃至７は、各検査ユニットにおいて同じような方法で配置され、検査ユニットＩ_Ａ乃至Ｉ_ＤもウェーハＡ乃至Ｄに対し同じような方法で配置される。このことは、例えば、検査ユニットＩ_Ａにおけるコラム１は、検査ユニットＩＢにおけるコラム１のウェーハＢに対する位置と同じ位置をウェーハＡに対しとるということを意味する。
【００２０】
電子光学コラム１乃至７は、検査走査の実行時にはウェーハＡ乃至Ｄに対し固定位置をとり得、その場合ウェーハは、検査が内部で行われる検査装置全体に対し静止している。このことにより、検査走査時の検査装置の分解能を低下させてしまう機械振動の発生が阻止される。この場合におけるコラムは検査走査の実行時には動かない（また、検査されるべきパターンも動かない）ので、これらのパターンに対するコラムの位置に関し不確かさはない。従って、検査時に達成可能な分解能の限界は、コラム自体の分解能によって排他的に決定される。最新技術に従って、この分解能は、ほんの数ナノメートルの大きさのオーダであってよい。しかし、ウェーハは、コラムに沿って均等な速度で運搬されることも可能であり、その場合、コラムの画像領域は、ビーム偏向信号の適切な制御によってウェーハと共に動かされる。静止走査又は移動走査の選択は、検査が行われる他の状況と分解能に関して課される要求に依存する。
【００２１】
検査されるべきウェーハはこのような方法で供給され、コラムは、各ウェーハの対応する領域が検査されるような互いからの距離に配置されることが可能である。これは、パターンに欠陥がない場合は、各コラムは全く同一の画像を捕捉し、従って、同一の検出信号を生成することを意味する。検査されるべきパターンに対するコラムの機械的な配列が完全に完璧でない場合、このずれに対する必要な小さな補正は、コラムの偏向電極（図３参照）に固定ＤＣバイアスをかけることにより実現できる。従って、走査信号の不在時には、１次電子ビームは全て、各検査されるべき各パターンにおける全く同一の点に入射する。代替の補正方法では、比較時の１つ以上の検出信号に時間遅延を導入することにより完璧な機械配列からのずれを補償する。これは、理想の配列からの（僅かな）ずれは検出信号の時間シフトとして明らかとなるからである。というのは、検査されるべきパターンの画像は走査により捕捉されるからである。
【００２２】
図２は、本発明の好適な実施例を示す図であり、ここには３列のウェーハと、各ウェーハに対する粒子光学コラムからなる夫々の線形アレイを示す。図２において、検査されるべきウェーハの１組は３つのウェーハＡ、Ｂ、及び、Ｃから構成され、キャリアユニット８上の検査空間９に往復して供給される。ウェーハの実際の検査は、この検査領域内で行われる。ウェーハの検査は電子ビームによって行われるので、この検査空間は排気され、検査空間への又は検査空間からのウェーハの運搬は、真空又はロードロック１０及び１１を介し行われる。
【００２３】
実際の検査時には、検査空間９は３つのウェーハＡ、Ｂ、及び、Ｃと、各ウェーハに対する検査ユニットＩ_Ａ、Ｉ_Ｂ、及び、Ｉ_Ｃを収容する。検査ユニットＩにはそれぞれ、関連付けられるウェーハ上の検査されるべきパターンを走査する７個の電子光学コラム１乃至７が設けられ、全てのユニットは枠組み１２上に配置される。各検査ユニットにおける電子光学コラム１乃至７は、同一の方法で直線上に配置され、検査ユニットＩ_Ａ乃至Ｉ_Ｄも、ウェーハＡ乃至Ｃに対し同一の方法で配置される。これは、例えば、検査ユニットＩ_Ａにおけるコラム１は、検査ユニットＩ_Ｂにおけるコラム１のウェーハＢに対する位置と同じ位置をウェーハＡに対しとることを意味する。様々な検査ユニットにおける対応するコラムによって生成される走査信号は、比較回路（図２には表示せず）に供給され、そこで走査信号が比較される。このような種類の比較回路は、例えば、入力信号が等しいときにはゼロの出力信号を生成し、供給される入力信号が所与の閾値を超える差を示すときにはゼロ以外の出力信号を生成するように構成される差動増幅器によって形成され得る。
【００２４】
図３は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の形である、本発明に使用するための電子光学コラムの関連部分を示す。電子源、及び、電子光学コラムの一部を形成し、１次ビームを加速且つ制御するための他の全ての構成要素は、本発明には関連がないので省略する。１次ビーム２２は、ＳＥＭの光軸１３に沿って進行する。１次ビームはその進行過程において、ボア１７を介する検出器クリスタル１５、静電加速電極１９、第１の電気偏向電極２６、第２の電気偏向電極２５、対物レンズの一部を形成する第１の静電電極１４、及び、対物レンズの一部を形成する第２の静電電極１６を連続的に通過する。最後に１次ビームの電子は、検査されるべきウェーハ、例えば、図１及び図２に示すようなウェーハＡに到達する。
【００２５】
静電加速電極１９は、電極システム１９、１４、１６の一部を形成し、システムのうちの電極１４及び１６は、１次ビームを収束するコラムの対物レンズを形成する。電極１９は、１次ビーム用のボア１７が設けられた平らなプレートとして形付けられ、導電性の酸化物、例えば、酸化インジウム及び／又は酸化スズの形をとるシンチレーションクリスタル１５上に載せられる。電極１９は所望の電圧、例えば、９ｋＶに調節され得る。
【００２６】
第１の電気偏向電極２６及び第２の電気偏向電極２５は、１次ビームを偏向するビーム偏向システムの一部を形成する。２つの電極の夫々は、直線状の円形円筒の形をとる外部形状と、ビームの方向に先細りにされる円錐の形をとる内部形状を有する管状部として構成される。電極２６及び２５のそれぞれは、光軸を通る互いに垂直な面における２つのソー・カットにより４つの等しい部分に分割され、それにより、電極２６及び２５はそれぞれ、部分間に好適な電圧差が印加されると、ｘ方向及びｙ方向において電気的なダイポールフィールドを生成可能であり、その結果、１次ビームはウェーハＡ全面に亘って走査可能であり、検出器クリスタル１５の方向に進行する２次電子の経路に影響を与えることができる。
【００２７】
第１の電極１４及び第２の電極１６は、ＳＥＭの対物レンズを形成する電極システムを構成する。図３中の破線２０は更に、電気的な対物レンズフィールドによるレンズ効果（つまり、対物レンズの近軸中心）が局部集中（ｌｏｃａｌｉｚｅ）しているものと想定できる領域を示す。対物レンズ１４、１６は、電子源が一般的に非常に大きい縮小でウェーハ上に撮像されるよう１次ビームを収束する。
【００２８】
図３は、粒子光学機器における一部の電子経路のコースを示す。検出器、偏向電極、及び、対物レンズにより形成される組立体に入る１次ビーム２２（ビームは、図３において破線により示す）は、初めは光軸１３に沿って進行する。電極２６によって発生される電気偏向フィールドの影響により、ビームは光軸から離れるよう偏向され、その後、電極２５によって発生される反対の偏向フィールドの影響により再び光軸に向かうよう偏向される。その結果、１次ビームは、偏向電極２６及び２５のかなり下で光軸と交差する。ビーム偏向システムの配置、及び、ビーム偏向システムは２つの反対のフィールドで動作するという事実の結果、ティルティングポイントは、対物レンズの中心面２０内に位置することが達成され、従って、１次ビームの走査動作の大きさに関係なく、大きい視野、及び、最小の撮像誤差が得られる。この現象は図３において明確に観察することができる。図３において、１次ビームは、偏向フィールドによって偏向された後、中心面２０において光軸１３と交差する。
【００２９】
１次ビーム２２がウェーハＡに入射することにより、試料から２次電子が放出される。このような２次電子は、対物レンズ、偏向システム、及び、検出器電圧の電界の影響により上方向に進行する。図３はそのような２次電子の経路２４を示す。２次電子は対物レンズのボアの中に引き込まれ、その後、偏向フィールドの影響を受ける。電気偏向フィールドの効果は、図３中、経路２７として表す。
【００３０】
２次電子のビーム２７は、検出器１５内において電気信号を生成し、この信号は図３には示さない比較回路に供給される。
【図面の簡単な説明】
【図１】
多数のウェーハと各ウェーハに対する粒子光学コラムのアレイを示す図である。
【図２】
３列のウェーハと各ウェーハに対する粒子光学コラムの線形アレイを有する本発明の装置の好適な実施例を示す図である。
【図３】
本発明に従って使用するのに好適な粒子光学コラムを示す図である。

Claims

検査時に対象を担持するキャリアユニットと、
上記関連付けられる対象上の検査されるべきパターンを走査する少なくとも１つの粒子光学コラムを含む、各対象に対しての検査ユニットと、
第１の検査ユニットにおける上記粒子光学コラムにより生成される走査信号と、第２の検査ユニットにおける上記粒子光学コラムにより生成される走査信号とを比較する比較回路とが設けられ、
複数の対象上の対応するパターンを同時に検査するよう構成される、対象上のパターンを検査する装置であって、
上記粒子光学コラムは、当該の粒子光学コラムにより生成される粒子ビームをｘ−ｙ偏向することにより、上記対象上のパターンのｘ−ｙ走査を実行するよう配置され、
上記キャリアユニットは、上記対象に対し直線に進む直動フィードスルー方向を実現するよう構成されることを特徴とする装置。
上記装置は、最大期間を有する上記走査信号上に、時間において線形に変動し、その期間は上記当該の走査信号の期間よりも長い周期信号を重ねるよう構成される請求項１記載の装置。
上記検査ユニットにはそれぞれ、少なくとも２つの粒子光学コラムからなるアレイが設けられ、
上記粒子光学コラムは、互いに対し固定位置を占める請求項１又は２記載の装置。
上記装置には少なくとも３つの検査ユニットが設けられる請求項３記載の装置。
上記粒子光学コラムは１つの直線に沿って配置され、
上記キャリアユニットは、上記直線の方向に対し垂直に延在するフィードスルー方向を、上記対象に対し実現するよう配置される請求項３又は４記載の装置。
上記粒子光学コラムは電子光学コラムとして構成され、
上記粒子光学コラムにおける上記光学素子は、静電素子として構成される請求項１乃至５のうちいずれか一項記載の装置。