JP2006080541A - 検出装置及びデバイス製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】大気と異なる環境内において、試料にビームを照射して発生した電子を検出することによって該試料に関する表面の微細形状を、精度良く取得する装置の提供。
【解決手段】センサー３２は、ＥＢ−ＴＤＩセンサーであり、真空中にて電子を直接センサー面に入射できる。該センサー３２は、パッケージに設置され、このパッケージがフィードスルー２２を構成する。従って、従来の検出系のような、光変換損失、光伝達時の収差・歪み、及びそれによる画像分解能劣化、検出不良、高コスト、大型になるといった欠点を解決する。
【選択図】図４

Description

本発明は、大気と異なる異環境内において、試料に照射ビームを照射し、試料から生じる二次放射線を検出し処理することにより、試料表面の微細形状（画像）を検出する検出装置に関する。試料表面の微細形状は、例えば半導体ウエハ表面の最小線幅０．１５μｍ以下の高密度パターンの欠陥である。また本発明は、そのような検出装置を用いる半導体デバイスの製造方法に関する。

電子ビームを真空チャンバ内へ放出する電子銃、静電レンズ群で構成される照明光学系、検査すべきウエハを支持するステージ、静電レンズ群で構成される写像投影光学系、及びセンサーを備える検出装置は公知である。公知の検出装置は、検出電子を増幅するＭＣＰ（マイクロチャネルプレート）、増幅された電子を光に変換する蛍光板、真空チャンバー内の真空系と外部とを中継し且つ蛍光板で変換された光学像を伝達するＦＯＰ（Fiber Optic Plate）、及びＦＯＰから出力された光学像を撮像するＣＣＤ（荷電結合素子）などの撮像素子を備え、真空チャンバ内の真空系を外部に対し密封し且つ電気信号を真空チャンバ内部からその外部へ伝達する。

図１及び図２は、従来の検出装置の概略構成図である。図１の検出装置１は、試料１０、例えば半導体ウエハ、を真空中に収容する真空容器２０、試料から放射される光を透過させるハーメチック（hermetic;密封）用ガラス板２１、大気中に配置されるレンズ３１、センサー３２、及びカメラ３３を備える。センサー３２により発生される試料の画像信号はカメラ３３に入力され画像データに変換される。画像データは、ダイ毎に比較する方法、即ち別個のウエハ上に配列されたダイ（チップ）の同一領域（観察画面）から得られるパターンの画像同士を比較する方法による試料の欠陥検査に用いられる（特開平５−２５８７０３号公報、特開平６−１８８２９４号公報）。

図２の検出装置２は、試料１０が二次電子１１を放射し、二次電子１１が蛍光板１９により光に変換される点を除き、図１の検出装置と同様である。即ち、図２の検出装置においては、一次電子線を試料１０に照射し試料１０から発生する二次電子１１がレンズ１２、増幅器１３を有する電子光学系を介し蛍光板１９に導入され、蛍光板１９により電子１１が光に変換される。蛍光板１９からの光がハーメチック用ガラス板２１を介し真空容器２０の外部へ案内され、レンズ３１を経てセンサー３２に導入される。センサー３２により試料の画像信号が発生され、その画像信号がカメラ３３へ入力され画像データに変換される。

図１及び図２に示す従来の検出装置は、真空容器の内外を区画するハーメチック用ガラス及びレンズを光線が通過し大気中のセンサーへ入射され試料表面の画像信号が得られるものであり、センサーへ届く光強度が減衰する欠陥がある。この減衰の比率は、例えば、１／２０乃至１／２である。従来の装置は、光強度の減衰に加え、ハーメチック用ガラス又はレンズによる光線の収差又は歪が発生し、精度の良い画像が得られないという問題を含む。また従来の装置は、光学部品又はその支持固定部品が多く、センサー、ハーメチック用ガラス及びレンズ相互の機械的位置ずれが生じ、精度の良い画像を取得できないという問題を含む。

更に図２の従来の電子光学系を用いる装置は、電子による画像情報を光に変換し検出するため、変換に伴い効率及び分解能が低下する問題を含む。本発明の目的は、従来装置の問題点を解消した検出装置を提供することにある。本発明の目的は、大気と異なる異環境内において、試料に照射ビームを照射し、試料から生じる二次放射線を検出し処理することにより、試料表面の微細形状（画像）を検出する検出装置において、分解能を向上させ、検査のスループットを向上させることである。本発明のその他の目的及び利点は、以下の説明において明らかにされる。

本発明の試料表面の微細形状を検出する検出装置は、電子ビームを試料に照射する電子銃と、試料表面の二次元像の領域から出て来た電子を直接照射して画像検出を行うＥＢ−ＴＤＩセンサーと、対象ダブレットレンズを含み、該試料表面の二次元の領域から出てきた電子を該ＥＢ−ＴＤＩセンサーに直接照射するように導く電子光学系と、を含むことを特徴とする。
上記本発明の検出装置において、前記検出装置は、試料を載置するステージを含み、前記ステージの移動により試料の検出領域全体に電子ビームを照射してもよい。 また、前記ステージは、前記ＥＢ−ＴＤＩセンサーの積算方向に同期して移動してもよい。更に、前記検出装置は、電子ビーム形状を整形する４極子レンズを含んでもよい。前記電子光学系には、ＥＢ−ＴＤＩセンサーの受光面の配列方向と試料の連続移動方向との角度補正を行う磁気レンズを含んでもよい。更にまた、前記試料の表面にはパターンが形成されており、前記ＥＢ−ＴＤＩセンサーにより検出されたパターンの画像同士を比較することによって半導体ウエハの欠陥を検出する情報処理部を含んでもよい。

フィードスルーは、通常、絶縁材の板部材の中に導電用ピンを貫通させたものであり、複数のピンを設けることにより複数の異なった信号を伝達することができる。またフィードスルーは、シール性能を有するので、異環境内外を分離する部位に使用可能であり、フランジ機構の任意の位置に溶接又はＯリングを介して接続される。真空容器へのフィードスルーの取付けは、図４のフランジ機構に限定されず、図３のはめ込み構造とすることもできる。照射ビームは、電子線、Ｘ線、Ｘ線レーザー、紫外線又は紫外線レーザーである。また、二次放射線は、二次電子、反射電子、後方散乱電子、光電子又は散乱光（反射光）である。異環境内と異環境外の圧力及びガス種は異なる。例えば、異環境内は真空であり、異環境外は大気中である。

フランジ機構及びフィードスルーは、前述の構造のものを使用できる。信号伝達性能を向上させるために、センサー及び信号伝達用ピンを統合するセンサーパッケージを用いることができる。センサーパッケージは、センサーの固定と配線を行うための台の機能を有する。センサー面のパッド電極とパッケージのパッドの間にボンダー等によりワイヤー配線等が形成される。フィードスルーの機能を備えるセンサーパッケージを使用すると、配線距離が減少され、伝達信号周波数特性（例えば２０〜３０％）の向上及びノイズの低減（例えば２０〜３０％）を行うことができる。

本発明のウエハの表面形状を検出する検出装置は、ウエハに電子線を照射する電子線照射手段、ウエハから生じる二次放射線を検出しウエハ表面の情報を含む検出信号を出力するセンサー、ウエハから生じる二次放射線をセンサーに照射する電子制御手段、センサーから出力される検出信号を処理する処理器、ウエハ及びセンサーを収容する真空チャンバ、並びにセンサーから処理器へ検出信号を伝達する伝達手段を含む。伝達手段は異環境内外を分離するフランジ機構を貫通して伸長する。電子制御手段は、例えばノイズカットアパーチャ（迷走電子等ノイズ成分になる電子や光をカットするためのアパーチャ）、電子増幅器を備える写像光学系を含む。

センサー、特にピン数及び配線数が多く（例えば１００本以上）、高速動作するセンサーを真空中に設置する場合、配線が長くなり信号伝達特性が劣化したり、真空中の放熱特性が悪いために動作温度が上がりＳ／Ｎ比（検出感度）が劣化したり、更にセンサーパッケージとフィードスルー（feed through）とを接続するピンの設置圧力が大きくなりセンサーパッケージを破損する等の問題が生じる。これらの問題は、フィードスルー部の内側表面にセンサーを配置し且つピンと組合うソケットコンタクトに弾性体を含むことにより解決される。

本発明の検出装置は、真空チャンバ内において、ウエハから放出される二次電子又は反射光をセンサーに照射する構成を備えて、光学レンズ、ＦＯＰ、ハーメチック用ガラス又はそれらの固定具を不要とし、検出装置の部品点数の低減、位置精度及び分解能の向上、センサーに伝達される光学特性劣化の解消、装置の低コスト化を実現しようとするものである。

本発明の検出装置において、センサーの電子入射面には、入射してくる電子の反射を防止する反射防止膜をコーティングする。反射防止膜だけではなく、受光素子の上面に電子透過性の絶縁膜がありその上部に導電性の反射防止膜をコーティングして用いることもできる。例えば、反射防止膜では、白金やチタン酸化膜などが考えられる。また、前述のように、異環境として真空中に限らず、例えば、光や電子が伝達できる場であれば、大気とはガス種の異なる環境や水中に設置して、画像検出を行うことが可能である。

照射ビームとしては、電子線、紫外線（ＵＶ光）、遠紫外線（ＤＵＶ光：真空紫外線領域の波長２００〜１０ｎｍを有する紫外線）、又はレーザー光を用いることができる。電子線を用いる場合は、試料から生じる反射電子、後方散乱電子、二次電子を用いて画像検出が行われる。ここで反射電子は、入射電子線電子とほぼ同じエネルギーを有する。紫外線、ＤＵＶ光、又はレーザー光を用いる場合は、光電子により画像検出がなされ、これらの光が試料表面に照射されたときに発生する散乱光が検出され、試料表面の欠陥検出を行うことができる。これらの光は、石英ファイバー又は中空ファイバーを用いることにより、試料表面へ又は試料表面からセンサーへ高効率で導入することができる。

また試料表面を照射する照射ビームは、電子線と、紫外線、遠紫外線、又はレーザー光との併用が有利である。電子線のみを照射するとき、試料表面の電位がチャージアップにより変化し均一な電子線照射ができなくなる場合があるが、紫外線、遠紫外線、又はレーザー光は、試料表面の電位に関係なく照射できるので、電子線と光を併用することにより、画像取得に用いる試料表面からの電子を安定し効率的に得ることができる。例えば、紫外線が照射されると、光電子が発生するだけでなく、準安定状態に励起された電子が多く形成されるため、そこへ一次電子ビームが照射されたときに自由電子が増え、その結果、二次電子の放出が効率良く行われる。本発明は、また上述の検出装置を用いてプロセス途中のウエハの欠陥を検査する工程を含む半導体デバイスの製造方法を開示する。

発明の実施の形態

図３〜図８は、本発明の各実施例の検出装置を示す概略構成図であり、これらの検出装置において、図１及び図２の検出装置の要素に対応する要素には、同じ符号が付され、重複説明を省略する。図３は、本発明の実施例の写像光学系を含む検出装置３の概略構成図であり、ＥＢ−ＣＣＤ（電子線検出用荷電結合素子）から成るセンサー３２が真空容器２０内に設置される。真空容器２０内には、電子光学系のレンズ（静電レンズ）１５、アパーチャ、スティグ（非点収差や球面収差の補正のための適切な電界分布を形成する素子）等が設置される。試料１０は、直径３００ｍｍのシリコンウエハであり、図示しない静電チャックによりステージ９に固定される。ステージ９は、ｘ、ｙ、ｚ方向移動及び回転（θ）移動ができる。

図３の検出装置３において、画像の検出は、試料１０の所定位置を検出するためステージ９を移動し、検出場所における倍率に対応した視野、例えば、２００×２００μｍの領域を倍率３００倍にて検出することにより遂行される。試料１０上の複数の場所を検出する場合には、この動作を高速で繰返し行う。真空容器２０内に配置されたＣＣＤから成るセンサー３２の発生する電気信号は、フィードスルー（feed through）２２を介し真空容器２０の外部へ導出されカメラ３３へ入力される。画像の比較は、比較したい領域に検出場所を移動して画像取得を繰返し、得られたデータを比較することによって行われる。

図４は、本発明の実施例の写像光学系を含む検出装置４の概略構成図である。センサー３２は、ＥＢ−ＴＤＩ（電子線検出用時間遅れ及び積算）センサーであり、真空中にて電子を直接センサー面に入射することができる。ＴＤＩセンサーは、ＴＤＩ（Time Delay and Integration：時間遅れ及び積算）駆動を行うことができるセンサー構造及び機能を有するＣＣＤセンサーのことであり、ラインスキャンを行う時に、ＴＤＩ駆動により信号を積算し、高感度、高信号量、連続移動撮像を可能とする。但し、ＴＤＩセンサーは、ＴＤＩ駆動ができるように、その構造及び回路は、通常のＣＣＤとは大きく異なる。ＴＤＩセンサーは、光信号を得ることにより、二次元像を形成する。本明細書において、ＥＢ−ＴＤＩセンサー３２は、電子を直接ＴＤＩセンサーに入射させて、チャージを蓄積及び積算して二次元像を形成することができるＴＤＩセンサーを意味する。

ＥＢ−ＴＤＩセンサー３２は、パッケージに設置され、パッケージがフィードスルー２２を構成する。パッケージのピンは、大気側においてカメラ３３に直接接続される。電子光学系１８は、例えばレンズ３段１５、１６、１７により、約５０〜５００倍の倍率で、ウエハ等の試料１０の表面の二次元情報を提供する。即ち、電子光学系１８は、二次元の領域から出てきた電子を拡大して、ＥＢ−ＴＤＩセンサー３２に直接照射する。ＥＢ−ＴＤＩセンサー３２を用いる場合、ステージ９（例えば、ｘ、ｙ及びθ方向の移動可能）に設置されたウエハ１０がＥＢ−ＴＤＩセンサー３２のセンサー面の積算方向（図１１、図１２の矢印Ｓ）に対応して連続移動され、ウエハ表面から放出された電子が写像投影型電子光学系等によりＥＢ−ＴＤＩセンサー３２へ入射される。ＥＢ−ＴＤＩセンサーにおいて積算段数分の電子が入射されて二次元像が形成される。図４の検出装置４は、従来の検出系における光変換損失、光伝達時の収差・歪み、及びそれによる画像分解能劣化、検出不良、高コスト、大型になるといった欠点を解決する。

図４の検出装置４において、ＥＢ−ＴＤＩセンサー３２の画素数が４０００×５００の場合、４０００のライン画素情報をステージ９の移動と共に、５００段連続に積算することにより、試料の１画素対応のセンサーチャージ強度を充分蓄積することができる。図４の検出装置４は、検出対象をシリコンウエハ及びその表面の半導体回路製造工程途中のパターン構造とし、電子線その他の照射ビームを照射し、ゴミ、導通不良、パターン不良、欠落等の欠陥の有無、状態判定、種類分別を行うことができる。ハーメチックガラス、ＦＯＰ（Fiber Optic Plate）、及びレンズを用いる従来装置では、それらの歪みや収差により、センサーの積算されるべき画素からズレが生じるため、精度の良い画像検出ができない。図４の検出装置４は、高分解能、高速、小型、低コスト化を実現する。

図５は、本発明の実施例の検出装置５の概略構成図である。検出装置５は、一次ビームとして紫外線４３を試料１０の表面へ入射し、入射点から放出される光電子を電子光学系１２のレンズ、アパーチャ、スティグ等により案内し電子画像を拡大し、センサー３２へ入射させる。センサー３２は、ＥＢ−ＣＣＤセンサー又はＥＢ−ＴＤＩセンサーにより構成される。一次ビームを構成する紫外線４３は、中空ファイバ４４により伝達され、電子光学系の中心付近の視野領域、例えば直径３００μｍの範囲に照射される。

図６は、本発明の実施例の検出装置６の概略構成図である。検出装置６は、一次ビームとして電子線４５及びレーザー光４６を併用する。電子線４５は、検出用電子光学系の光軸４９に合わせるように、Ｅ×Ｂフィルター４７により曲げられ、試料１０へ入射される。試料１０から放射される二次電子線１１は、Ｅ×Ｂフィルター４７を直進し、センサー３２へ案内される。センサー３２は、ＥＢ−ＴＤＩセンサーにより構成される。レーザー光４６は、ＹＡＧの４倍波又はエキシマレーザーである。エキシマレーザーは、中空ファイバにより導入される。

図７は、本発明の実施例の検出装置７の概略構成図である。検出装置７は、写像投影型電子ビーム検出装置であり、電子銃８１から放出された電子線８２は、正方形開口で成形され、２段のレンズ８３、８４で縮小され、Ｅ×Ｂフィルター８５の偏向中心面に１．２５ｍｍ角に結像される。Ｅ×Ｂフィルター８５で偏向された成形ビームは、レンズ８８、８９で１／５に縮小され、試料１０へ投影される。試料から放出されるパターン画像の情報を持つ二次電子又は反射電子は、４段のレンズ８９、８８、９２、９３で拡大され、センサー３２へ入射される。

レンズ８９とレンズ８８は、対称ダブレットレンズを形成し、レンズ９２とレンズ９３は、やはり対称ダブレットレンズを形成するので、４段のレンズ８９、８８、９２、９３は、無歪レンズを形成する。しかしながら、電極等が汚れると多少の歪みが発生するので、定期的に標準パターンを試料の表面へ入れ、歪みを測定し歪み補正のパラメーターを算出しておく。

一方、試料として酸化膜や窒化膜が選択的に形成されるウエハの場合は、光学系の歪みが補正されるのみでは不十分であるので、画像データを取得したとき、パターンエッジから代表的な点を選んでデータ画像と比較することによって歪みの補正を行う。その後、ダイバイダイ、即ち別個のウエハ上に配列されたダイ（チップ）の同一領域（観察画面）から得られるパターンの画像同士を比較する方法、あるいは画像データと画像データとの比較等で欠陥を検出する。本発明の検出装置は、直接電子を照射して画像検出を行うＥＢ−ＣＣＤセンサー又はＥＢ−ＴＤＩセンサーが真空中に設置されるため、高コントラスト、高分解能で画像取得ができ、且つ従来装置と比較すると光伝達損失の無い高スループット、低コスト化を実現できる。

［二次放射線が二次電子である場合］
図７の実施例において、二次放射線が二次電子である場合、照射電子ビームは、例えば、ビームエネルギが１０〜４０００ｅＶ、ビーム形状が半径ａ２５０μｍ、半径ｂ１００μｍの楕円形とされ、ウエハ表面に対しほぼ垂直方向に照射される。電流密度は、１×１０^-5〜１×１０^-1Ａ／ｃｍ²にされる。二次電子の放出量は、照射電子ビームの電流密度又は総電流値に対応した値である。二次電子放出比が１の場合、入射電子量と同じ量の二次電子量が放出される。二次電子のエネルギは、通常、０〜数ｅＶである。

写像光学系の試料面対センサー面の倍率が２００倍である場合、ウエハ上の視野（視野）が２００μｍ×５０μｍのとき、センサー面上の対応面積は、４０ｍｍ×１０ｍｍとなる。視野２００μｍ×５０μｍに照射された電流値が２μＡの場合で且つ放出率１のとき、放出された二次電子量は、２μＡである。放出された二次電子は、対物レンズ８９、ＮＡアパーチャ（図示しない）、及び対物レンズ８８を通過し、Ｅ×Ｂフィルター８５を直進条件にて通過する。その後、レンズ９２、レンズ９３により拡大されて、センサー面に入射する。

ＮＡアパーチャ（図示しない）は、透過率及び収差を制限する役割がある。透過率３％の場合、センサー面には、２μＡ×０．０３＝６０ｎＡの電流が入射する。センサーは、ＥＢ−ＴＤＩセンサー又はＥＢ−ＣＣＤセンサーが用いられる。ＥＢ−ＴＤＩセンサーを用いた場合は、連続移動しながら２次元画像の取得が可能である。ｘ、ｙ、θ、ｚ方向移動可能ステージに設置されたウエハは、センサーの積算方向に対応して連続移動され、ＥＢ−ＴＤＩセンサーのチャージの積算がなされて、画像取得がなされる。ＥＢ−ＴＤＩセンサーにおいては、例えば、ピクセルサイズが２０μｍ×２０μｍ、ピクセル数が２０００×５００であり、ピクセルは積算方向に５００段配置される。

［二次放射線が反射電子である場合］
図７の実施例において、二次放射線が反射電子である場合、照射電子ビームは、例えば、ビームエネルギが１０〜４０００ｅＶ、ビーム形状が半径ａ２５０μｍ、半径ｂ１００μｍの楕円形とされ、ウエハ表面に対しほぼ垂直方向に照射される。電流密度は、１×１０^-3〜５×１０^-1Ａ／ｃｍ²が使用される。反射電子の放出量は、照射電子ビームの電流密度又は総電流値に対応した値である。反射電子は、入射電子ビームエネルギーと同じエネルギーで試料表面から放出される電子が用いられる。反射電子放出比は、二次電子放出比に比べて低く、通常１／１０以下である。

写像光学系の試料面対センサー面の倍率が２００倍である場合、ウエハ上の視野（視野）が２００μｍ×５０μｍのとき、センサー面の対応面積は、４０ｍｍ×１０ｍｍとなる。視野２００μｍ×５０μｍに照射された電流値が２μＡの場合で且つ放出率０．１のとき、放出された反射電子量は、０．２μＡである。放出された反射電子は、対物レンズ８９、ＮＡアパーチャ（図示しない）、及び対物レンズ８８を通過し、Ｅ×Ｂフィルター８５を直進条件にて通過する。その後、レンズ９２、レンズ９３により拡大されて、センサー面に入射する。

ＮＡアパーチャ（図示しない）は、透過率及び収差を制限する役割がある。透過率１０％の場合、センサー面には、０．２μＡ×０．１＝２０ｎＡの電流が入射する。センサーは、ＥＢ−ＴＤＩセンサー又はＥＢ−ＣＣＤセンサーが用いられる。ＥＢ−ＴＤＩセンサーを用いた場合は、連続移動しながら２次元画像の取得が可能である。ｘ、ｙ、θ、ｚ方向移動可能ステージに設置されたウエハは、センサーの積算方向に対応して連続移動され、ＥＢ−ＴＤＩセンサーのチャージの積算がなされて、画像取得がなされる。ＥＢ−ＴＤＩセンサーおいては、例えば、ピクセルサイズが２０μｍ×２０μｍ、ピクセル数が２０００×５００であり、ピクセルは積算方向に５００段配置される。

図８は本発明の実施例の写像投影型電子線検出装置８の概略構成図である。図８の検出装置８において、図７の実施例と同様の部材には同じ符号を付して重複説明を省く、図８の検出装置８において、電子銃８１は複数の一次電子ビーム８２を放出する。放出された各一次電子ビーム８２は、レンズ８３及び８４を介して、電極８６及び磁石８７からなるＥ×Ｂ偏向器８５（ウィーンフィルタ８５）の偏向中心面にそれぞれ楕円状に結像する。即ち、各一次電子ビーム８２は、例えば、２段のレンズ８３及び８４によりウイーンフィルタ８５の偏向中心面に１０μｍ×１２μｍの楕円状に結像され、偏向器７５により図面に直交する方向にラスタスキャンされることにより、全体として、１ｍｍ×０．２５ｍｍの矩形領域（ウイーンフィルタ８５の偏向中心面上）を均一にカバーするよう結像される。

その後、一次電子ビームは、ウイーンフィルタ８５によって偏向され、レンズ８８で例えば１／５に縮小され、試料１０の２００μｍ×５０μｍをカバーするように、試料１０にほぼ垂直に照射される。このとき、複数の一次電子ビーム８２は、偏向器７５により、同時に、図面と直交する方向にスキャンされ、一方、試料１０を載置したステージ９は、＋ａ（又は−ａ）方向に連続的に移動され、これにより、全体として、試料１０の表面の矩形領域に均一に電子ビームが照射される。

なお、検出領域が広い場合、ステージ９の移動により、試料１０の検出領域のａ方向端部に一次電子ビーム８２が到達したとき、電子ビーム８２のスキャン幅だけ、スキャン方向（図面と直交する方向）にステージ９はステップ移動され、その後、前回とは逆の−ａ（又は＋ａ）方向にステージ９が連続移動される。このようなステージ９の移動及び偏向器７５による一次電子ビーム８２の走査を繰り返すことにより、試料１０の検出領域全体に電子ビームが均一に照射される。

図８の検出装置において、試料１０は、電子ビームが照射されることにより、それぞれの照射点から二次電子、後方散乱電子及び反射電子１１を放出する。放出された二次電子及び反射電子１１は、レンズ８９、８８、９２、及び９３により拡大され、磁気レンズ９４において、ＴＤＩ−ＣＣＤセンサー７９の受光面の配列方向と試料１０の連続移動方向ａとの角度補正が行われる。角度補正が行われた二次電子は、マイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）７６上に全体として矩形画像を結像する。この二次電子は、ＭＣＰ７６によって、１万〜数万倍に増感され、シンチレータすなわち蛍光部７７によって光に変換され、リレー光学系７８を経て、ＴＤＩ−ＣＣＤセンサー７９において、試料の連続移動速度に同期した電気信号となり、画像表示部８０において、連続した画像として表示される。

電子ビームは、試料１０の表面に、できるだけ均一にかつ照射むらを少なくして、例えば、矩形又は楕円状に照射されるように調整する必要がある。また、スループットを向上させるためには、より大きな照射電流で検出領域を照射する必要がある。これは、照射電流が多くなれば、その分、ステージの移動速度を増大させることができ、これにより、スループットが上昇するためである。

従来の電子線装置においては、１つの電子ビームを用いているため、電子ビームの照射むらが±１０％程度あり、また、電子ビームの照射電流は５００ｎＡ程度で少ないため、高スループットが得られないという問題があった。また、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）方式に比べて、写像投影型の電子線装置は、広い画像観察領域を一括して電子線照射するために、チャージアップによる結像障害が生じやすいと言う問題があった。
これに対して、図８の検出装置においては、複数の電子ビームを試料上に走査して照射しているので、１本の電子ビームを用いている従来の電子線装置に比べて、照射むらを、例えば１／３程度にまで減少させることができる。照射電流は、８本の電子ビームを用いる場合、試料表面で全体として、従来例の３倍以上を得ることができる。また、電子線の本数を増やすことにより、スループットをさらに向上させることができる。

図８には示してないが、本発明の電子線装置には、レンズの他に、ＮＡ絞り及び視野絞り等の各種の絞り、電子ビームの軸調整のための４極又はそれ以上の極を備えた偏向器（アライナー）、非点収差補正器（スティグメータ）、並びにビーム形状を整形する複数の４重極レンズ（４極子レンズ）等の、電子ビームの照明及び結像に必要なユニットを備える。

図１１は、ＥＢ−ＴＤＩセンサー７６のセンサー面９１における画素Ｐ１１〜Ｐｉｊを示す平面図である。図１１において、矢印Ｓは、センサー面９１の積算方向を示す。センサー７６の画素Ｐ１１〜Ｐｉｊは、積算方向に５００段（積算段数ｉ＝５００）、積算方向と垂直に４０００個（ｊ＝４０００）配置される。図１２は、ＥＢ−ＴＤＩセンサー７６と二次電子線の配置関係を示す概略構成図である。図１２において、矢印Ｓはセンサー面９１の積算方向を示し、矢印Ｔはウエハ１０を載せたステージ９の連続移動方向を示す。

図１２において、ウエハ１０から放射される二次電子線１１がある時間ウエハ１０の同一個所から放射されるとき、二次電子線１１は、ステージ９の矢印Ｓ方向の移動に伴って、写像投影型光学系１８上の一連の場所ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ・・ｉ（ｉは積算段数）に対して、ａ→ｂ→ｃ→ｄ→ｅ・・→ｉへ順次入射する。写像投影型光学系１８へ入射された二次電子線１１は、写像投影型光学系１８上の一連の場所ａ’、ｂ’、ｃ’、ｄ’、ｅ’・・ｉ’から順次放射される。このとき、ＥＢ−ＴＤＩセンサー７６の積算方向へのチャージ積算移動をステージ９の移動に同期させると、写像投影型光学系１８の場所ａ’、ｂ’、ｃ’、ｄ’、ｅ’・・ｉ’から放出される二次電子は、センサー面９１の同一個所へ順次入射され、積算段数ｉだけ、チャージを積算することが可能である。このようにして、センサー面９１の各画素Ｐ１１〜Ｐｉｊは、より多くの放射電子の信号を取得することが可能であり、それにより高いＳ／Ｎを実現し、且つ二次元（電子）像を高速で得ることが可能である。写像投影型光学系１８は、例えば３００倍の倍率を有する。この説明では、試料から放出される二次放射線のうち二次電子の場合で説明したが、他の二次放射線についても同様に取り扱うことが可能である。

図８に示した実施例において、図示しないが、情報処理部をＴＤＩ−ＣＣＤセンサー７９の後段に設け、その情報処理部により、ＴＤＩ−ＣＣＤセンサー７９で得られた画像情報を、複数のセル画像の比較、及び／又は複数のダイ画像の比較を行うことにより、試料表面の欠陥を検出し、検出された欠陥の形状等の特徴と位置座標、数を判定し、画像表示部に表示することもできる。
また、試料１０である半導体基板の酸化膜や窒化膜の表面構造が個々に相違している場合、又は加工工程が個々に異なっている場合、相違するそれぞれの試料毎に適切な照射条件を設定し、これにより得られた画像を画像表示部８０に表示して、欠陥を検出すればよい。

図９は、本発明の電子線検出装置を使用する半導体デバイス製造方法の例を示すフロー図である。図９の半導体デバイス製造方法は、以下の主工程を含む。（１）ウエハ５２を製造するウエハ製造工程５１又はウエハ５２を準備するウエハ準備工程、（２）露光に使用するマスク（レチクル）６２を製作するマスク製造工程６１又はマスクを準備するマスク準備工程、（３）ウエハに必要な加工を行うウエハプロセッシング工程５３、（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５４、（５）できたチップ５５を検出するチップ検出工程５６及び検出に合格したチップからなる製品（半導体デバイス）５７を得る工程。なお、これらの主程は、それぞれ幾つかのサブ工程を含む。図９の右方部分は、そのうちのウエハプロセッシング工程５３のサブ工程を示す。

上記（１）〜（５）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５３である。この工程では、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、以下の工程を含む。（６）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６４（ＣＶＤやスパッタリング等を用いる）。（７）この薄膜層やウエハ基板を酸化する酸化工程６４。（８）薄膜層やウエハ基板等を選択的に加工するためのマスク（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ー工程６３。（９）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６４（例えばドライエッチング技術を用いる）。（１０）イオン・不純物注入拡散工程６４。（１１）レジスト剥離工程。（１２）加工されたウエハを検査する検査工程。なお、ウエハプロセッシング工程５３は、必要な層数だけ繰り返し行い、設計通り動作する半導体デバイスを製造する。

図９のフロー図は、上記（６）、（９）及び（１０）をまとめて１つのブロック６４で示し、付加的なウエハ検査工程６５を含み、更に繰り返し工程をブロック６６で示す。上記（１２）の加工されたウエハを検査する検査工程に本発明の検出装置を用いることにより、微細なパターンを有する半導体デバイスでもスループットよく検査でき、全数検査が可能になり、製品の歩留まり向上、欠陥製品の出荷防止が可能である。

図１０は、図９の製造方法におけるリソグラフィ工程６３の詳細を示すフロー図である。図１０に示すように、リソグラフィ工程６３は、（１３）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被覆するレジスト塗布工程７１、（１４）レジストを露光する露光工程７２、（１５）露光されたレジストを現像してレジストパターンを得る現像工程７３、（１６）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７４から成る。なお、半導体デバイス製造工程、ウエハプロセッシング工程、及びリソグラフィ工程は、周知のものであるから、これ以上の説明は、省略する。

［発明の効果］
本発明の検出装置は、真空チャンバ内において、ウエハから生じる二次電子をセンサーに照射することにより、光学レンズ、ＦＯＰ、ハーメチック用ガラス又はそれらの固定具が不要であり、検出装置の部品点数の低減、位置精度及び分解能の向上、センサーに伝達される光学特性劣化の解消、装置の低コスト化を実現する。本発明は、例えば、コントラストを２−４倍向上させ、検出装置のコストを３０−５０％低減し、分解能を１．５−３倍向上させ、検出装置のサイズを約５０％減少させる等の利点を有する。本発明の検出装置により、試料表面の検査を高分解能で且つ高スループットで行うことができる。

従来の検出装置の概略構成図。 従来の検出装置の概略構成図。 本発明の実施例の検出装置３の概略構成図。 本発明の実施例の検出装置４の概略構成図。 本発明の実施例の検出装置５の概略構成図。 本発明の実施例の検出装置６の概略構成図。 本発明の実施例の検出装置７の概略構成図。 本発明の電子線検出装置８の概略構成図。 本発明の電子線検出装置若しくは検出方法又はそれらの組合わせを使用する半導体デバイス製造方法１例を示すフロー図。 図９の製造方法におけるリソグラフィ工程の詳細を示すフロー図。 ＥＢ−ＴＤＩセンサー７６のセンサー面９１における画素Ｐ１１〜Ｐｉｊを示す平面図。 ＥＢ−ＴＤＩセンサー７６と二次電子線の配置関係を示す概略構成図である。

符号の説明

１−８：検出装置、９：ｘｙｚθステージ、１０：試料、１１：二次放射線、１２：電子光学系レンズ、１３：電子増幅器、１４：電子軌道、１５：静電レンズ、１６，１７：レンズ、１８；電子光学系、１９：蛍光板、２０：真空容器、２１：ハーメチック用ガラス、２２：フィードスルー、３０：光、３１：レンズ、３２：センサー、３３：カメラ、４３：紫外線、４４：ファイバー、４５：一次電子線、４６：レーザー、４７：Ｅ×Ｂフィルター、４９：光軸、５３：ウエハプロセッシング工程、５６：チップ検査工程、６１：マスク製造工程、６３：リソグラフィ工程、７６：マイクロチャネルプレート、７７；蛍光部、７８：リレー光学系、７９：ＴＤＩセンサー、８０：画像表示部、８１：電子銃、８２：電子線、８３、８４：レンズ、８５：Ｅ×Ｂフィルター、８６：電極、８７：磁石、８８、８９：レンズ、９１：センサー面、９４：磁気レンズ。

Claims (6)

1. 試料表面の微細形状を検出する検出装置であって、
   電子ビームを試料に照射する電子銃と、
   試料表面の二次元像の領域から出て来た電子を直接照射して画像検出を行うＥＢ−ＴＤＩセンサーと、
   対象ダブレットレンズを含み、該試料表面の二次元の領域から出てきた電子を該ＥＢ−ＴＤＩセンサーに直接照射するように導く電子光学系と、
   を含むことを特徴とする検出装置。
2. 前記検出装置は、試料を載置するステージを含み、前記ステージの移動により試料の検出領域全体に電子ビームを照射することを特徴とする請求項１に記載の検出装置。
3. 前記ステージは、前記ＥＢ−ＴＤＩセンサーの積算方向に同期して移動することを特徴とする請求項１又は２に記載の検出装置。
4. 前記検出装置は、電子ビーム形状を整形する４極子レンズを含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の検出装置。
5. 前記電子光学系には、ＥＢ−ＴＤＩセンサーの受光面の配列方向と試料の連続移動方向との角度補正を行う磁気レンズを含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の検出装置。
6. 前記試料の表面にはパターンが形成されており、前記ＥＢ−ＴＤＩセンサーにより検出されたパターンの画像同士を比較することによって半導体ウエハの欠陥を検出する情報処理部を含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の検出装置。

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