JP2006516802A - 試料から放出された電子を用いることによって試料を検査するための写像投影型電子ビーム装置 - Google Patents

Abstract

高精度、高信頼性及び高スループットで試料上のパターンの欠陥を検査することができる装置及び該装置を用いた半導体製造方法が提供される。電子ビーム装置は、一次電子ビームを試料に照射し、試料から放出された反射電子の画像を検出器に形成することにより、試料の表面を観察し又は評価するための写像投影型電子ビーム装置である。電子衝撃型ＣＣＤ又は電子衝撃型ＴＤＩのような電子衝撃型検出器を、反射電子を検出するための検出器として用いる。反射電子は、試料から放出される二次電子と反射電子とのエネルギ差から選択的に検出される。一次電子ビームの照射によって試料表面に生じるチャージアップを除去するため、試料の表面は試料上に配置されたカバーで覆われ、カバーで覆われた試料上の空間にガスが供給される。ガスは試料表面と接触し、試料表面上のチャージアップを低減する。

Description

本発明は、電子ビームを試料表面に照射することによって試料表面の構造、電気的導通（電子ビーム・テスティング）等の検査、観察及び評価を行う電子ビーム装置、並びに、最小線幅０．１５μｍ以下のパターン上の欠陥を高精度、高信頼性且つ高スループットで検査するための装置及び方法に関する。

背景技術
基板の表面に電子ビームを照射し走査したときに放出される二次電子を検出し、その検出結果に基づいてウェーハ画像データを生成し、ウェーハ上の各ダイの画像データを隣接する画像データと相互に比較することによって欠陥を検出するようにし、ウェーハに存在する欠陥を検出する検査装置は公知である。また、一次電子ビームを基板に照射し、基板から放出された二次電子を二次レンズ系によって結像させる写像投影型の検査装置も知られている。

写像投影型の検査装置は大きな領域を同時に照射することができる。したがって、こうしたシステムは大幅に走査回数を低減し、ＳＥＭシステムに比較して高いスループットで試料の評価と観察を行うことができる。写像投影型検査装置のような電子ビーム装置は、試料から放出された二次電子を写像投影系を介して画像形成することによって、検出器に観察画像を取得する。しかし、こうしたビーム装置は、二次電子が試料の近傍で概ね数ｅＶという比較的低いエネルギしか持たず、したがって、帯電に起因する表面電位差、すなわち、配線等の導体とその間の絶縁体とにより発生する電位差の影響で画像形成時にドリフトし、観察画像が歪むという問題がある。

一方、反射電子、すなわち、電子ビームを照射された試料によって反射された電子は、入射エネルギすなわち２〜３ｋｅＶのエネルギと実質的に同じエネルギを持ち、これは二次電子のエネルギの約１００倍である。このため、反射電子が写像投影系によって結像されるならば、表面電位差によって容易に影響されることがなく画像歪みが限定された観察画像を取得することができる。しかし、反射電子の放出比は二次電子のそれよりもずっと低い。したがって、従来の検出システム、例えば、ＭＣＰ、蛍光スクリーン及びＣＣＤの組み合わせを用いて二次電子を検出する場合、Ｓ／Ｎ比は十分には高くなく、電子ビーム電流とＭＣＰゲインを上げることが必要であり、したがって、電子源とＭＣＰは早期に劣化するという問題がある。

二次電子に関しては、一次電子ビーム放射エネルギと二次電子放出効率σとは、例えば、一次電子ビームをＳｉＯ_２製の絶縁体に照射する場合、図１に示す関係にある。同図に示すように放射電子エネルギが約５０ｅＶという下限から１５００〜２０００ｅＶという上限までの範囲にあるとき、二次電子放出効率σは１以上であり、入射一次電子よりも多くの二次電子が放出される。したがって、絶縁体表面は正にチャージアップする。放射電子エネルギが上記の範囲の外にある場合、二次電子放出効率σは１より低く、絶縁体表面は負にチャージアップする。

こうしたチャージアップが増加すると、観察及び評価のために二次電子によって形成された画像に歪みが生じる。例えば、デバイス・ウェーハ上に形成された隣接するダイの画像間の比較によって欠陥検査を行う場合、欠陥の誤検出という問題、すなわち、誤った欠陥検出結果が得られるという問題が生じる。

負のチャージアップに関しては、キャピラリ・チューブを用い、試料上の観察位置にガスを局所的に供給し、ガス分子の試料表面との衝突によってガス分子が電子を付着してイオンとなることで試料表面の電荷を中和する方法が提案されている。しかし、こうした方法は、広い面積にビームを照射する写像投影型の電子ビーム装置では、試料の全面に均一にガスを供給することはできず、適していない。

正のチャージアップに関しては、タングステン等の熱フィラメント型電子源によって試料に電子を照射し、そのチャージアップを中和する方法も考えられる。しかし、その場合、絶縁体が正帯電から電荷ゼロの状態に移行し、さらに負帯電に進行してしまい易く、その制御は困難である。

発明の開示
特に、反射電子検出器として高感度な電子衝撃（EB: Electron Bombardment）型ＣＣＤ（以下、ＥＢ−ＣＣＤという）を用いるならば、電流量やＭＣＰゲインを従来と同レベルとしたまま、Ｓ／Ｎ比を改善することができ、また、従来のＭＣＰを使用する場合に発生した増倍揺らぎのない高感度画像を得ることが可能である。さらに、ＥＢ−ＣＣＤは該ＣＣＤへの電子の入射エネルギによって増倍ゲインが決定されるため、ＥＢ−ＣＣＤを使用すると、二次電子と反射電子とのエネルギ差を利用して、選択的に反射電子を取り出すことができる。

したがって、本発明の一つの目的は、上記の知見に基づいて、従来の検出装置の課題を解決するために、試料上のパターンの欠陥を高精度、高信頼性且つ高スループットで検査することができる電子ビーム装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、試料全面に亘りチャージアップのない状態で試料表面の観察、評価及び欠陥検出を行うことができる電子ビーム装置を提供することにある。
さらに、本発明の別の目的は、こうした電子ビーム装置を用いた半導体デバイス製造方法を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明の１つの特徴によると、
一次電子ビームを試料に照射し、該試料から放出される反射電子を検出器に結像させて試料の表面を観察又は評価するための写像投影型の電子ビーム装置であって、
反射電子を検出するための検出器として、電子衝撃型ＣＣＤ及び電子衝撃型ＴＤＩ等の電子衝撃型検出器を具備し、
反射電子が、前記試料から放出された反射電子と二次電子とのエネルギ差に基づいて選択的に検出される電子ビーム装置、
が提供される。

電子衝撃型検出器の出力を画像処理して評価及び検査のための画像を出力する画像処理機構を更に備え、一次電子ビームの試料への入射エネルギを変えることにより、電子衝撃型検出器のゲイン並びに評価及び検査のための画像の露光量を調節することが好ましい。

一次電子ビームの試料への入射エネルギが２〜４ｋｅＶに設定され、もって試料の表面を負に帯電させて試料の表面でのチャージアップによる画像歪みを低減することが好ましい。

一次電子ビームの試料でのランディング・エネルギを０．２〜４．０ｋＶに設定し、もって、反射電子と後方散乱電子を検出してＳ／Ｎ比を向上させることが好ましい。
電子衝撃型検出器を冷却して電子衝撃による発熱を低減するための冷却手段を更に備えることが好ましい。

本発明の他の特徴によると、
試料室内に配置された試料表面に一次電子ビームを照射し、試料表面から放出された二次電子に基づいて試料表面を評価する電子ビーム装置であって、
全試料表面を均一に覆うようにガスを供給する手段を具備し、
試料表面とガスとの接触により試料表面のチャージアップを低減する電子ビーム装置、
が提供される。

電子ビーム装置は、均一に供給されるガスにより、試料表面に生じるチャージアップを均一に低減することができる。具体的には、試料は試料室に設けられたステージ上に載置され、ガスを供給する手段はステージ上に載置された試料を覆うカバーを有する。少なくとも一つのガス導入口がカバーに設けられ、ガスは試料上のカバーによって囲まれる空間にガス導入口を介して供給される。それにより、試料表面、好ましくは試料表面全体がガスによって均一に覆われてチャージアップを低減する。

更に具体的には、一次電子ビームを発生する一次電子源とは別に、試料表面を電子で照射する電子源が設けられる。試料表面は、二次電子放出効率にしたがって正又は負に帯電する。いずれの場合も、まず試料表面は電子源からの電子照射によって負帯電状態に設定され、ガスによって帯電状態が中和される。一次電子源とは別に設けられた電子源は２〜４ＫｅＶの電子エネルギで電子を照射する。電子源はカーボン・ナノチューブ型の冷陰極電子源であることが好ましい。

本発明の更に別の特徴によると、
一次電子ビームを試料表面に照射し、該試料表面から放出される二次電子に基づいて試料表面を観察し評価する方法であって、
試料表面を均一に覆うようにガスを供給して、負にチャージアップした試料表面を中和する工程と、
ガスの圧力を０．０１〜０．１Ｐａに設定する工程と、
を含む方法、
が提供される。こうしたガス圧で試料表面は適切に中和される。

試料室に導入されるガスは、窒素、水蒸気、電子親和力を有するハロゲン・ガス、及びそれらの化合物のうちの一つであることが好ましい。また、上記方法は、一次電子ビームの発生源以外の電子源を用意し、電子源からの電子を前記試料に照射し、試料表面を負にチャージアップさせ、チャージアップをガスによって中和した後、一次電子ビームによる試料表面の評価を行うことが好ましい。

本発明によると、上記の電子ビーム装置及び方法を用いて、プロセス途中のウェーハの評価を行うことを含む半導体デバイス製造方法が更に提供される。この半導体デバイス製造方法は、試料表面に生じたチャージアップによって影響されることなく、適切なウェーハ評価を実施しながら、極めて効率よく半導体デバイスを製造することができることを保証する。

本発明のこれらの及び他の目的及び特徴は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読むことにより、一層明瞭に理解できるであろう。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明に係る電子ビーム装置の実施の形態を説明する。本発明は以下に記述する実施の形態に限定されるものではないことに注意すべきである。図において、同じ構成要素は同一の参照数字によって指示されている。

本発明に係る電子ビーム装置の一つの実施の形態において、高感度のＥＢ−ＣＣＤ又は電子衝撃型時間遅延積分（ＴＤＩ）装置（以下、ＥＢ−ＴＤＩという）を、従来の写像投影型の電子ビーム装置において反射電子検出器として用いる。基板が一次電子ビームで照射されたときに試料基板から放出された反射電子は、写像投影光学条件のもとでＥＢ−ＣＣＤのような二次光学系の検出器に結像される。

図２は、Ａｕ基板が一次電子ビームにより入射エネルギ１５５ｅＶで照射されたときの、ＡＵ基板から放出される電子のエネルギと放出効率とに関係する特性を示すグラフである（出典：ジョン．Ｔ．Ｌ．ソング編「K. Ura Electron Beam Interaction with Sample」、Electron Beam Technology、p.180、Plenum Press、New York、１９９３ 参照 ）。このグラフによると、電子の照射による二次電子のエネルギは、一般に、０〜５０ｅＶに分布しており、ほとんど全部の二次電子は、基板の電位がアース電位であるとき、数ｅＶのエネルギを有する。一方、反射電子は１５５ｅＶの近傍にエネルギ分布のピークを持ち、この値は入射電子のエネルギと実質的に等しい。したがって、試料から放出された二次電子は、低速で移動し、試料の近くに存在し、試料の帯電時に表面電位によって影響される。これに対し、反射電子は入射電子のエネルギと実質的に同じエネルギを有する。このため、反射電子を用いることにより、基板電子の表面電位による影響を受けず且つ歪みの無い試料画像を得ることができる。

試料基板から放出される二次電子を結像させる場合、エネルギが０〜５０ｅＶの範囲に分布している全ての電子を用いることになる。これに対して、試料基板から放出された反射電子を用いる場合には、前記のとおり、入射電子のエネルギ・ピークに対応する電子のみを使用するため、Ｓ／Ｎ比が不足してしまう。これを克服するよう、高感度のＥＢ−ＣＣＤ又はＥＢ−ＴＤＩを用いて反射電子の検出を行う。

図３は、電子の入射エネルギに対するＥＢ−ＣＣＤの増倍ゲインの関係を示すグラフである。反射電子のＥＢ−ＣＣＤへの入射エネルギは４ｋｅＶであるため、図３のグラフによると、反射電子の増倍ゲインは約２００となる。これに対して、二次電子は数ｋｅＶのエネルギを有するため増倍されず、したがって検出されない。このため、反射電子のみを検出することができる。検出器としてＥＢ−ＴＤＩを用い、試料基板を載置したステージを連続的に移動させると、試料の連続画像を形成することができ、これを使って試料の観察及び評価を行うことができる。

図４は、本発明に係る写像投影型の電子ビーム装置の一つの実施の形態の構成を概略的に示している。同図において、電子源１から放出された電子ビームは、ウェーネルト電極２、アノード（加速電極）３、静電レンズ４_１及びアパーチャ（又は正方形開口）５を通過し、さらに、２つの静電レンズ４_２、４_３を通過してからＥ×Ｂフィルタ６に入る。ウェーネルト電極２、アノード３、静電レンズ４_１、アパーチャ５、静電レンズ４_２、４_３及びＥ×Ｂフィルタ６は一次電子光学系を構成する。

Ｅ×Ｂフィルタ６で、電子ビームは電界及び磁界の作用によって進行方向を偏向され、Ｘ−Ｙ−θステージに載置された例えば８〜１２インチの大きさの接地されたウェーハ８を照射する。このときの電子ビームのエネルギは２〜４ｋｅＶ、好ましくは約４ｋｅＶである。ウェーハ８の表面には例えばＬＳＩ製造用の回路パターンが形成されている。

電子ビームの照射によって、ウェーハ８の表面からは、入射電子のエネルギと同等のエネルギを有する反射電子が放出される。この反射電子は二次電子光学系の１段静電レンズ９、２段静電レンズ１０及び３段静電レンズ１１のような幾つかの静電レンズによって５０〜５００倍に拡大されて、高感度ＥＢ−ＣＣＤ１２に結像される。ウェーハ８は接地電位にあり、ウェーハ８にはリターディング電位が印加されていないので、ウェーハ８から放出された二次電子は二次電子光学系に進入しない。また、図３により説明したように、ＥＢ−ＣＣＤ１２は増倍ゲイン特性を有するので、ＥＢ−ＣＣＤ１２により反射電子を選択的に検出することができる。

図４に示す電子ビーム装置を、ウェーハ上に形成されたパターンの欠陥検査を行う装置として使用する場合には、ＥＢ−ＣＣＤ１２から出力されるＣＣＤ画像が画像処理機構１３に供給されて処理される。処理された画像を用いてウェーハ上のパターンの欠陥の有無や欠陥の分類、判別を行う。例えば、ＬＳＩ製造工程中のウェーハであれば、セル中の構造の比較や、ダイとダイとの構造の比較によって欠陥部位を検出する。さらに、こうした欠陥検査を行った部位と、欠陥が検出された部位とを記憶しておき、検出された欠陥を分類、判別して製造工程の管理にフィードバックするようにしてもよい。

図４に示すように、ＥＢ−ＣＣＤ１２のゲインは入射電子のエネルギで決まるので、反射電子を検出する場合、一次電子のウェーハ８への入射エネルギを変化させることによって、ＣＣＤ画像の露光量を調整することができる。また、ＥＢ−ＣＣＤ１２にペルチェ素子等の冷却機構を設置することにより、ＥＢ−ＣＣＤ１２と入射する電子ビームとの衝突によって発生する熱を低減することができる。

図１に関連して既に説明したように、二次電子放出効率σが１より低い範囲では、入射電子よりも少ない数の二次電子が放出されるので、絶縁体の表面は負に帯電する。したがって、図４に示す電子ビーム装置の場合、電子源１から放出される電子がウェーハ８への入射時に１．５〜２．０ｋｅＶのエネルギを持っているならば、ウェーハ８の表面は負に帯電する。したがって、チャージアップ歪みの少ない観察及び／又は評価のための画像を得ることができる。

図４に示す電子ビーム装置を具体化した装置で実験を行うと、ウェーハ８の電位、すなわち、一次電子ビームのランディング・エネルギを−０．５〜−３ｋｅＶの範囲に、特に−２ｋｅＶに設定すると、反射電子の検出効率が向上し、Ｓ／Ｎ比の高い観察及び／又は評価のための画像を得ることができることが分かった。

図４に示す電子ビーム装置には高感度ＥＢ−ＣＣＤ１２が用いられる。これに代えて、高感度のＥＢ−ＴＤＩを用いることができる。ＥＢ−ＴＤＩを使用する場合には、ウェーハ８は接地されず、例えば、電子源１は−４ｋＶ、ウェーハ８は−２ｋＶの電位に設定される。その結果、ウェーハ８への入射電子のエネルギは２ｋｅＶに設定され、入射電子のエネルギに対応する２ｋｅＶのエネルギを持つ反射電子が生成される。この反射電子は、図４について既に説明したように、５０〜５００倍に拡大されてＥＢ−ＴＤＩに画像を形成する。一方、ウェーハ８から放出された二次電子は数ｅＶのエネルギしか持たないので、Ｅ×Ｂフィルタ６、アパーチャ５及び静電レンズ９に設定される条件でフィルタリングされ、ＥＢ−ＴＤＩの入射面には結像しない。上記の条件は以下に示すとおりである。

Ｅ×Ｂフィルタ６の電界：１９３７Ｖ
Ｅ×Ｂフィルタ６の磁界：１１１．８ｍＡ
アパーチャ５の径：６５μｍ
静電レンズ９：−１４３６Ｖ
静電レンズ１０：−３２２Ｖ
静電レンズ１１：−４９９Ｖ。

ＥＢ−ＴＤＩを使用した電子ビーム装置においては、ウェーハ８を載置したステージ７を連続的に移動させながらウェーハ８に電子ビームを照射することにより、連続的に撮像することができる。このときの具体的条件の一例は以下のとおりである。

ステージ７の移動速度：１０〜１００ｍｍ／秒
ＥＢ−ＴＤＩの画素数：４０９６×５１２（つまり５１２段の積算）
ライン周波数：２００〜５００ｋＨｚ
最小分解能：３０〜１００ｎｍ。

こうした連続撮像可能な電子ビーム装置を用いるとき、ステップ・アンド・リピートにより撮像を行うことができる。そのため、ＥＢ−ＣＣＤを用いるのと比較して、高速の撮像を実施して、より高いスループットを実現することができる。例えば、それぞれのピクセルが二次電子光学系によって分解可能な５０×５０ｎｍの大きさを有する８インチのウェーハからの連続撮像を、ステージ移動速度を１５ｍｍ／秒、ライン周波数を３００ｋＨに設定して行ったところ、検査時間は３時間であった。

図５は、本発明に係る写像投影型電子ビーム装置の他の実施の形態を示している。この装置は、（Ｘ−Ｙ−θ）ステージ２１を備え、その上に試料、例えば８〜１２インチのシリコン・ウェーハ２２が載置され、ウェーハ上にはＬＳＩ製造工程途中の回路パターンが形成されている。試料２２には、電子源２３から放出された一次電子ビームが一次電子光学系を介して照射される。一次電子光学系はウェーネルト電極２４、アノード２５、静電レンズ２７_１、２７_２、２７_３、及びＥＢフィルタのようなビーム・スプリッタ２８を有する。一次電子の照射により、試料２２の表面から二次電子が生成される。試料表面から放出された二次電子は、二次電子光学系を介して検出器に画像を形成する。二次電子光学系は写像光学系の静電レンズ２９、３０、３１を有する。二次電子はこれらの静電レンズによって５０〜５００倍に拡大されて下記の検出器に入る。

検出器は、マイクロチャンネル・プレート（ＭＣＰ）３２、蛍光スクリーン３３、リレー・レンズ３４、及びＴＤＩ（Time Delayed Integration）３５を有する。検出器に到来した二次電子はＭＣＰ３２によって増倍され、蛍光スクリーン３３によって光信号へ変換される。変換された二次元の光信号はリレー・レンズ３４によってＴＤＩ３５へ導かれ、画像として検出される。

試料２２は連続的に移動するので、二次元信号をＴＤＩ３５によって高速に取得することができる。画像処理装置３６はＴＤＩ３５からの出力を受け取り、試料２２の電子ファイルを作り、画像を用いることによって試料２２の欠陥を検出し、検出された欠陥を分類し、識別する。こうして取得された情報は製造管理へフィードバックされる。

ウェーハ等の試料２２から放出される二次電子の量の方が試料２２を照射した一次電子の量よりも少ないとき、すなわち、二次電子放出効率δが１以下のとき、試料２２の表面で、特に、絶縁体で作られた部分で、負のチャージアップが生じる。したがって、二次電子を用いて形成された観察及び評価のための画像に歪みが生じる可能性がある。逆に、二次電子放出効率δが１以上である場合、試料２２の表面は正にチャージアップし、負のチャージアップの場合と同じ問題が存在する。

こうしたチャージアップを除去するために、図５に示す実施の形態には、以下に説明する手段が設けられる。負のチャージアップに対処するために、図６に示すように、ステージ２１に載置された試料２２の全領域を覆うようにカバー３７を設ける。カバー３７にはガス導入口３８が形成される。図５に示すように、ガス導入口３８には、流量コントローラ３９を介して窒素タンク４０が接続される。試料２２の全表面上のチャージアップを均一に除去するためには、カバー３７へ窒素ガスをできるだけ均一に導入することが重要である。このために、複数個の、好ましくは８個のガス導入口３８をカバー３７の周囲に等間隔で設ける。それぞれのガス導入口３８の直径は約１ｍｍである。ガス導入口３８を通ってカバー３７に導入された窒素ガスの窒素分子は試料２２の表面と衝突し、試料２２の表面上の負の電荷を中和する。

試料２２の表面と接触するガスは窒素に限られるものではないことに注意すべきである。水蒸気、電子親和力の高いハロゲン・ガス又はそれらの化合物を用いることができる。こうして、試料２２は負に帯電した状態から電荷ゼロの状態に中和され、中和された状態を維持しながら一次電子ビームによって観察され、評価される。

二次電子放出効率δが１以上であり、試料が正にチャージアップされるならば、正のチャージアップを回避するために、図５に示すようにステージ２１の上方に、又は、図６に示すようにカバー３７の一部を形成するように、タングステン・フィラメントを有する熱電子源４１が設けられる。熱電子源４１は正にチャージアップした試料２２の表面に熱電子を照射する。こうして、試料２２の表面の正にチャージアップした状態は中和される。通常、制御された状態で熱電子によってチャージアップを中和することは困難である。したがって、図６に示すようにカバー３７を設け、試料２２にガスを接触させるのがよい。これにより、試料２２の表面の帯電状態を、熱電子源４１が照射する量や試料２２が照射される時間に依存することなく平衡状態にすることができる。こうして、試料２２はチャージアップのない状態で観察され、評価される。

［実施例１］
試料室全体を１．０Ｅ−５Ｐａ程度までターボ分子ポンプで排気した。その後、窒素タンク４０から窒素ガスを、レギュレータによって窒素ガス圧を約０．１ＭＰａまで低減し、流量コントローラ３９によって流量を５ｓｃｃｍに調節した後、ガス導入口３８を介してカバー３７へ導入した。導入されたガスはカバー３７内の圧力を４．０Ｅ−２Ｐａだけ増加させたが、例えば電子銃室や検出器等の高真空環境を必要とする容器は、差動排気機構によって図７に示すように高真空状態に維持された。図７において、ＭＣはカバー３７内の圧力を示し、ＥＯはＥ×Ｂ２８を含む電子光学系室内の圧力を示し、ＭＣＰはＭＣＰ３２と蛍光スクリーン３３とを含む検出器を含む室内の圧力を示す。

こうした圧力条件のもとで、タングステン・フィラメントを有する熱電子源４１は、約１秒の間、３ｋＶの入射エネルギと１．０Ｅ−４Ａ／ｃｍ２の電流密度を持つ熱電子で熱電子源４１の直下の２０×２０ｍｍの区域を予め照射する。次いで、窒素ガスを用いてウェーハを約３秒間中和する。その後、熱電子で照射された区域は、ウェーハが一次電子ビームによって照射される位置へ移動され、次いで３ｋｅＶのエネルギの一次電子ビームによって照射される。こうして放出された二次電子を使用して、上記の写像投影系によって観察及び評価のための画像を形成した。その結果、熱電子源４１からの電子で照射されて負に帯電していた試料２２は、窒素ガスの中和作用により、無帯電状態すなわち平衡状態に変化した。絶縁体のような材料が電子ビームによって照射されると、その材料は正に帯電する傾向がある。これを避けるために、熱電子源を用いて電子照射により、材料の表面を正に帯電した状態から無帯電状態を通って負に帯電した状態へ変化させる。しかし、こうしたプロセス（中和）を制御することは困難である。窒素ガスにおいて、試料での負帯電の進行を電子親和性によって阻止することができる。また、像高の高い周辺部や絶縁体の領域においてさえ、チャージアップや歪みのない良好な画像が取得された。この画像を用いてウェーハの欠陥を検査したところ、虚報率を大幅に低減されることが判明した。

［実施例２］
一層多くの窒素ガスを導入することによって、実施例１でのガス圧０．１Ｐａよりも高いガス圧で、実施例１と同じプロセスを実施した。ガス分子は試料２２と一層頻繁に接触するので、試料２２の表面上の電荷は除去され、試料表面は正に帯電した。０．０１Ｐａよりも低い圧力では、ウェーハは負に帯電し続けた。いずれの場合も、歪みのない良好な画像が取得されることが判明した。

［実施例３］
窒素よりも電子親和力の高いハロゲン・ガスを導入し、実施例１のプロセスを実施した。試料２２の表面で電荷が平衡になるのに要する時間が低減され、ウェーハ等の試料の検査のスループットを向上させることができることが分かった。

［実施例４］
タングステンのような熱フィラメントを持つ熱電子源４１の代わりにカーボン・ナノチューブ冷陰極源を用いることにより、一次電子ビームを試料２２に照射する前に試料２２に電子を照射した。この場合、熱フィラメントを有する熱電子源を用いたときより大きな試料領域を均一な電流密度分布で照射することができることが分かった。

ここで図８を参照すると、同図は、本発明に係る電子ビーム装置の他の実施の形態の構成を概略的に示している。この電子ビーム装置は走査電子ビーム型である。試料２２が上記の方法によって平衡状態になると、試料２２は走査電子ビームの直下の位置に移動される。電子銃５１から放出された電子はアノード５２によって加速され、アパーチャ５３及び静電レンズ５４_１、５４_２を通過して試料２２を照射する。電子銃５１から試料２２までの進行中に、電子ビームは走査コイル５５及び静電レンズ５４_２によって偏向され、所望の倍率で試料２２の表面を走査する。電子ビームの照射によって試料２２から放出された二次電子、後方散乱電子及び反射電子はホトマル等の検出器５６によって検出され、二次元画像が取得される。取得された画像は、ダイ・バイ・ダイ比較又は画像データとデータ画像との比較によって欠陥検査を行うために用いられる。

ここで、本発明に係る電子ビーム装置を用いた半導体デバイス製造方法を説明する。図９は、この製造方法の一例を示すフロー図で、この例の製造工程は次の各主工程を含む。なお、各主工程は幾つかのサブ工程からなる。

（１）ウェーハ６２を製造又は準備する工程６１、
（２）露光に使用するマスク（レチクル）７２を製造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）７１、
（３）必要な加工処理をウェーハに対して行うウェーハ・プロセッシング工程６３、
（４）ウェーハに形成された各チップを切り出して動作可能にするチップ組み立て工程６４、及び
（５）チップ組み立て工程６４で作られたチップ６５を検査するチップ検査工程６６。

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、ウェーハ・プロセッシング工程６３である。ウェーハ・プロセッシング工程においては、設計された回路パターンをウェーハ上に順次積層し、メモリやＭＰＵとして動作する多数のチップを形成する。ウェーハ・プロセッシング工程６３は次の工程を含む。

（ａ）絶縁層となる誘電体薄膜や、配線又は電極を形成する金属薄膜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）、
（ｂ）薄膜層やウェーハ基板を酸化する酸化工程、
（ｃ）薄膜層やウェーハ基板を選択的に加工するためのマスク（レチクル）７２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７３、
（ｄ）イオン・不純物注入・拡散工程、
（ｅ）レジスト剥離工程、
（ｆ）加工されたウェーハを検査する検査工程。

なお、ウェーハ・プロセッシング工程６３は必要な層数だけ繰り返し実施され、設計どおり動作する半導体デバイスが製造される。
図９のウェーハ・プロセシング工程６３の中核をなすのはリソグラフィー工程７３であり、図１０はリソグラフィー工程７３で実施される以下の工程を示している。

（ａ）前段の工程で回路パターンが形成されたウェーハ上にレジストをコーティングするレジスト塗布工程８１、
（ｂ）レジストを露光する露光工程８２、
（ｃ）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８３、
（ｄ）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８４。

以上説明した半導体デバイス製造工程、ウェーハ・プロセッシング工程６３及びリソグラフィー工程７３は周知のものであり、それらの工程についての説明は省略する。
本発明に係る電子ビーム装置をチップ検査工程６６に対して用いて欠陥検査を行うと、微細なパターンを有する半導体デバイスをスループット良く検査することができ、全数検査が可能となり、製品の歩留まりを向上させ、欠陥製品の出荷を防止することが可能になる。

産業上の利用可能性
これまでの説明から理解されるように、本発明は、試料表面の電位を均一化し、試料表面から放出される反射電子を検出することができるので、本発明は、収差と歪みの小さい放出電子像を得ることを可能とする。その結果、本発明は、信頼性の高い欠陥検出及び画像処理が達成できる点で格別の効果を奏する。

照射電子のエネルギと絶縁体の二次電子放出効率との関係を示す図である。 放出される二次電子のエネルギ分布を示す図である。 電子の入射エネルギとＥＢ−ＣＣＤの増倍ゲインとの関係を示す図である。 本発明に係る写像投影型電子ビーム装置の一つの実施の形態を概略的に示す図である。 本発明の他の実施の形態の構成を概略的に示す図である。 図５に示す装置において試料と該試料を覆うカバーとの断面図である。 電子ビーム装置の試料室に導入されるガスの流量と、試料室を含む室内の圧力とを示すグラフである。 本発明の更に別の実施の形態の構成を概略的に示す図である。 本発明に係る写像投影型電子ビーム装置を適用し得る半導体デバイス製造方法の一例のフローチャート図である。 図９のウェーハ・プロセッシング工程の中核をなすリソグラフィー工程を示すフローチャート図である。

Claims (15)

1. 一次電子ビームを試料に照射し、該試料から放出される反射電子を検出器に結像させて前記試料の表面を観察及び／又は評価するための写像投影型の電子ビーム装置であって、
   前記反射電子を検出するための前記検出器として、電子衝撃型ＣＣＤ及び電子衝撃型ＴＤＩ等の電子衝撃型検出器を具備し、
   前記検出器が、前記試料から放出された前記反射電子と二次電子とのエネルギ差に基づいて、選択的に前記反射電子を検出することができる電子ビーム装置。
2. 請求項１に記載の電子ビーム装置であって、
   前記電子衝撃型検出器の出力を処理して評価及び検査のための画像を出力する画像処理機構を更に備え、
   前記一次電子ビームの前記試料への入射エネルギを変えることにより、前記電子衝撃型検出器のゲイン及び前記評価及び検査のための画像の露光量を調節する電子ビーム装置。
3. 請求項１又は２に記載の電子ビーム装置であって、
   前記一次電子ビームの前記試料への入射エネルギが２〜４ｋｅＶであり、もって、前記試料の表面を負に帯電させて前記試料の表面でのチャージアップによる画像歪みを低減する電子ビーム装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一つに記載の電子ビーム装置であって、
   前記一次電子ビームの前記試料でのランディング・エネルギを０．２〜４．０ｋＶとし、もって、前記反射電子と後方散乱電子を検出することでＳ／Ｎ比を向上させる電子ビーム装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の電子ビーム装置であって、
   前記電子衝撃型検出器を冷却して電子衝撃による発熱を低減するための冷却手段を更に備える電子ビーム装置。
6. 試料室内に配置された試料表面を一次電子ビームで照射し、前記試料表面から放出された二次電子に基づいて前記試料表面を評価する電子ビーム装置であって、
   前記試料表面を均一に覆うようにガスを供給する手段を具備し、
   前記試料表面と前記ガスとの接触により前記試料表面のチャージアップを低減する電子装置。
7. 請求項６に記載の電子ビーム装置であって、
   前記試料が前記試料室に設けられたステージ上に載置され、
   ガスを供給する前記手段が、前記ステージ上に載置されたカバーを有し、前記カバーが少なくとも一つのガス導入口を有する電子ビーム装置。
8. 請求項６又は７に記載の電子ビーム装置であって、
   前記一次電子ビームを生成するための一次電子源とは別に設けられ、前記試料表面を電子で照射することができる電子源を更に備える電子ビーム装置。
9. 請求項８に記載の電子ビーム装置であって、前記一次電子源とは別に設けられた前記電子源が２〜４ｋｅＶのエネルギ・レベルで電子を照射する電子ビーム装置。
10. 請求項８又は９に記載の電子ビーム装置であって、
    前記一次電子源とは別に設けられた前記電子源がカーボン・ナノチューブ型の冷陰極電子源である電子ビーム装置。
11. 請求項１〜１０のいずれか一つに記載の電子ビーム装置を用いて、プロセス途中のウェーハの評価を行う工程を含む半導体デバイス製造方法。
12. 一次電子ビームを試料表面に照射し、該試料表面から放出される二次電子に基づいて前記試料表面を評価する方法であって、
    前記試料表面を均一に覆うようにガスを供給して、負にチャージアップした前記試料表面を中和する工程を含み、
    供給される前記ガスの圧力が０．０１〜０．１Ｐａの範囲にある方法。
13. 請求項１２に記載の方法であって、
    試料室に導入される前記ガスが、窒素、水蒸気、電子親和力を有するハロゲン・ガス、及びそれらの化合物からなる群から選択された一つである方法。
14. 請求項１２又は１３に記載の方法であって、
    前記一次電子ビームの発生源以外の電子源を用意し、該電子源からの電子を前記試料に照射し、もって、前記試料表面を負にチャージアップさせ、該チャージアップを前記ガスによって中和した後、前記一次電子ビームによる前記試料表面の評価を行う方法。
15. 請求項１２〜１４のいずれか一つに記載の試料評価方法を用いて、プロセス途中のウェーハの評価を行うことを含む半導体デバイス製造方法。

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