JP2007087639A - 電子線装置及びパターン評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 Ｚマップの作製を不要とし、高スループットを実現すると共に、高価なステージを必要とせず、また、軸上色収差を補正して大きい開口角を用いた電子光学系を用いてもフォーカスずれを少くして試料の評価ができる電子線装置を提供する。
【解決手段】 試料台を連続移動させパターン評価を行う電子線装置に於て、試料台の連続移動方向と直交する方向にはストライプ幅より大きく、試料台の連続移動方向には上記ストライプ幅の少くとも１／４の視野を有する電子光学系を有し、パターン評価に先立ち、試料台の移動方向にビームを移動させ、合焦条件を測定するための信号波形取得を行い、その結果得られた最適合焦条件でパターン評価を行う。
【選択図】 図１

Description

発明の属する技術分野

本発明は最小線幅０．１μｍ以下のパターンを有する基板の欠陥検査、ＣＤ測定、アライメント測定、その他の評価を高スループット、高信頼性で行う装置に関するものである。

従来の技術

上記の如き電子線装置では、高輝度電子銃を用い、小さい開口角でビームを細く絞って基板上を走査し画像取得が行われていた。開口角が小さいのでこの様な装置では焦点深度が深く、ウェーハ面の高さが数μｍ〜数１０μｍ変動しても画質が悪くならなかった。

従来技術の問題点

上記従来の技術では、被評価試料が微細パターンになってくると、検査速度が遅くなり過ぎる問題がある。そこで軸上色収差を補正して、大きい開口で動作させようとすると、大きい焦点深度が得られない問題点が発生してきた。

また超高精度のステージを用い、ウェーハの厚みむらに相当する試料面のＺマップを作ってダイナミックフォーカスを行う方法では、Ｚマップの作製時間が必要でありスループットを低下させると共にステージのＺ位置再現性に高精度が必要でステージが高価になり過ぎる問題も発生した。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、パターン評価を行う直前にフォーカス合せを行い、これによりＺマップの作製を不要とし、高スループットを実現すると共に、高価なステージを必要とせず、ビーム収束半角が３０ｍｒａｄ以上の大きい開口でもピンボケが生じない電子線装置を提供する事を目的とする。

発明が解決するための手段

上記目的を達成するため、請求項１の発明は、試料台を連続移動させパターン評価を行う電子線装置に於て、試料台の連続移動方向と直交する方向にストライプ幅より大きく、試料台の連続移動方向に上記ストライプ幅の少くとも１／４の視野を有する電子光学系を有し、試料台の連続移動方向にビームを移動させる偏向器と、合焦条件を測定するための信号波形取得装置とを有し、パターン評価に先立ち、試料台の移動方向にビームを移動させ、合焦条件を測定するための信号波形取得を行い、その結果得られた最適合焦条件でパターン評価を行う事を特徴とする。

また、請求項２の発明は、請求項１の電子線装置に於て、上記信号波形取得装置による信号波形取得は、少くとも３つの異る対物レンズ条件で信号波形取得を行う事を特徴とする。

また、請求項３の発明は、請求項１の電子線装置に於て、上記信号波形取得装置による信号波形取得は、レンズ条件を固定し、少くとも異る２条件の偏向中心でビームを走査して画像取得を行う事を特徴とする。

また、請求項４の発明は、請求項１の電子線装置に於て、上記信号波形取得装置による合焦条件の測定は、試料台のＺ位置変動データ或いは基板のＺ位置変動データと、電子光学系の焦点深度とから測定間隔を決める事を特徴とする。

また、請求項５の発明は、請求項１の電子線装置に於て、上記電子光学系は一次ビームの軸上色収差を補正するレンズを有し、ビームの収束半角を３０ｍｒａｄ以上の条件でパターン評価を行う事を特徴とする。

また、請求項６の発明は、試料台を連続移動させながらパターン評価を行う方法であって、次のステップ、すなわち、
電子光学系の焦点深度及びＺ位置変動の予測値とから１ストライプ内の合焦条件測定間隔を決めるステップ、
ストライプの合焦条件測定間隔分の走査時間と合焦条件測定及び算出時間からステージ速度を算出するステップ、
電子光学系のビームをストライプ幅の１／４以上試料台移動方向へ移動させるステップ、
対物レンズのレンズ条件を少なくとも３条件又は偏向中心を少くとも２条件変え１次元又は２次元の信号波形取得を行い、Ｚ位置を算出するステップ、
上記Ｚ位置に対応する合焦条件で上記測定間隔から決る距離だけ画像評価を行うステップ、
を有することを特徴とする。

さらに、請求項７の発明は、デバイスを製造する方法であって、
ウェーハを準備するステップと、
ウェーハプロセスを行うステップと、
請求項１〜６、７のいずれかに示した電子線装置又はパターン評価方法を用いてプロセス後のウェーハを評価するステップとからなり、
上記ステップを必要な数くり返すことによりデバイスに組み上げることを特徴とする。

発明の実施の形態

以下、添付図に沿って本発明の好適な実施の形態について述べる。
(電子線装置)
図１は本発明の実施の形態の電子線装置の該略図である。電子銃１から放出された電子線はコンデンサレンズ２で集束され、マルチ開口３を一様な強度で照射する。マルチ開口３を通過してマルチビームとなったビームは回転調整レンズ４と縮小レンズ５で２段に縮小され２２の位置に縮小像を作る。この位置は軸上色収差補正レンズ６の物点になり、このレンズは２３に等倍の負の軸上色収差を持つ像を作る。この像はさらに対物レンズ１０で縮小され試料１６上に縮小像を作る。［注：軸上色収差補正レンズ６は、１２極の電極兼磁極が放射状に形成されたウィーンフィルターで、物点２２から放出されたビームが一度フィルターの中央で結像し、さらに２３で等倍の像を作る様電磁界を与える。するとこのウィーンフィルターは非分散即ち、エネルギーの異なるビームも２３で同一ｘ，ｙ位置に結像する。この条件が非分散ウィーン条件と呼ばれ、電界と磁界が直交する様電磁界が与えられる。さらに、１２極子に４極子電界と４極子磁場を与えることによって負の軸上色収差係数を発生させることができる。すなわち、２３でエネルギーの高いビームが２３の電子銃側で結像し、エネルギーの低いビームが２３の試料側に結像する。この２３の像を対物レンズ１０で試料１６に結像させると対物レンズの正の軸上色収差のため、すべてのエネルギーの電子線が同じ場所に結像する。定量的には、軸上色収差補正レンズ６が作る負の軸上色収差係数の絶対値と、対物レンズの物点での軸上色収差係数とを一致させると、試料面１６で軸上色収差の無い像が得られる。］軸上色収差が有る場合は２０ｍｒａｄ以下に制限されていた開口角が軸上色収差補正をすることにより３０ｍｒａｄ以上と大きくしても２５ｎｍ以下の解像度が得られ、６０ｍｒａｄでも５０ｎｍ以下の解像度が得られる。６０ｍｒａｄとするとビーム電流が２０ｍｒａｄの場合の９倍の値が得られ、高速評価ができる。９は電磁偏向器から成るビーム分離器で、７の電磁偏向器によって偏向色収差を補正される。試料面上を走査するのは静電偏向器８と１３を用いて行う。パターン評価を行う時と、後述するようにフォーカス条件を変えてＺ位置(Ｚ方向位置、すなわち軸線方向位置)を測定する場合は試料面から３８．７ｍｍの位置２４を偏向中心とした。この値はコマ収差と偏向色収差の和が最小になる様シュミレーションによって求めた。また、後述するように信号波形を取得してＺ位置を測定する時は一次ビームが１１又は１２の軌道を取る様にし、１７又は１８を偏向中心とした。これらの位置は試料１６に近い位置である。軸対称レンズ１５には放電を起さない正の高電圧が印加され、球面収差を小さくした。１４は１００Ｖ前後の電圧で±５０μｍ程度のフォーカス位置を調整できるダイナミックフォーカス用の円筒電極である。［注：レンズの焦点距離を高速で変化させたい場合、電磁レンズの場合はダイナミックフォーカスコイルを設けて、そのコイル電流を変化させる方法が良く用いられる。１００Ｖ前後の電圧変化で焦点距離を必要な値変化できればより高速でダイナミックフォーカスができる。本実施例では、対物レンズの磁場がゼロでない場所に軸対称電極１４を設けることによってフォーカス調整を行なっている。すなわち、この電極に正の電圧を与えると、ここを通るビームエネルギーが若干高くなり、焦点距離は少し長くなり、逆に負の電圧を与えると集束力が少し強くなり、焦点距離は短くなる。］ビーム分離器９で分離された２次電子は拡大レンズ１９と２０で倍率を調整され、マルチ検出器２１で検出される。ここでレンズ２０は回転レンズが使われ、２次電子像の方向と検出器の並び方向が合される。

(Ｚ位置測定)
次に、図２及び図３を用いてパターン評価中にＺ位置を測定する方法について述べる。図３で３１はダイシングライン、３２は一つのストライプ、３３は電子光学系の視野で、例えば２００μｍ×５０μｍのサイズを有する、３４はダイのパターン領域である。試料は４５で示したｙ方向に連続移動している。視野３３がパターン領域３４に入ってくると、３５で示した様な２本の幅の異るｘ方向又はｙ方向パターンがある場所へビームを移動させ、そこで偏向器８，１３によりパターンの直角方向にビームを走査させる。その結果偏向中心が１７で示すように試料面１６より上にある場合は、ビームの走る方向が３６の実線で示した方向となり、図３の３８で示す様に最初に幅広パターンに相当する信号が出て次に幅狭パターンに相当する２次電子信号が得られたとする。次に偏向中心を１８で示すように試料面より下へ移動させ、同じ走査信号を与えると、ビームが走る方向が３７の点線で示した方向となり、２次電子信号は最初に幅狭パターンに相当する信号が出て次に幅広パターンに相当する信号が出るので３９で示した信号波形が得られる。線間隔ｌ_１を信号波形の電圧間隔Ｖ_１又はＶ_２で割算した値、即ち走査感度（μｍ／Ｖ）、を縦軸にプロットすると図２(ｂ)に示した様に直線上に乗る。［注：２段の偏向器で試料上を走査する時、上の偏向器８に与える電圧と、下の偏向器１３に与える電圧比を固定して電圧を変えることによって偏向中心を固定した状態で走査が行なわれる。偏向中心を変える時この電圧比を変えるが、片側の電圧を固定し、他側の電圧のみ変化させて電圧比を変えるとする。走査感度を定義する時、この固定した側の電圧で定義すると、偏向中心を変えても共通に走査感度が定義できる。偏向中心を試料から遠くへ設けると走査感度は大きくなり、また、偏向中心を試料より下側に設けると負の値になる。］ここで電圧Ｖは、偏向中心を変える時電圧を変えなかった側の偏向器に与える電圧である。この走査感度を示すのは直線になるので偏向位置は任意の２点でよい。Ｚ位置はこの直線が走査感度０を横切る点である。Ｚ位置と対物レンズの励起電圧との関係は予め測定しリスト化してあるのでＺ位置の値から対物レンズの励起電圧は上記リストから換算できる。

以上のパターン間隔を測定する方法では狭い幅の２本パターンが必要である。このようなパターンが無い時は、パターンエッジの信号波形の立上がりで測定してもよい。この場合は、以下に述べるように、レンズ条件、すなわち対物レンズ条件を変えて合焦条件を求める。

図３の４０で示したパターンエッジをエッジに直角方向にビームを走査した時の信号波形は、フォーカス条件を３条件変えて信号取得を行うと４１，４２，４３で示した波形が得られる。横軸をフォーカス条件を与える軸対称電極１３に与える電圧とし、縦軸に信号の立上がり幅４４を取りプロットすると図２(ａ)に示したような曲線が得られる。この曲線を２次曲線で近似すれば信号立ち上がり幅が最も狭い対物レンズの最適電圧値Ｖｏｐｔが得られる。このＶｏｐｔがＺ位置に対応している。したがって、対物レンズの電圧値をＶｏｐｔにして、次の測定までこの対物レンズの条件で評価を行なえばよい。すなわち、最小のボケでパターン評価ができる。

(Ｚ位置測定間隔／周期)
次に、ステージを連続移動させながら試料の評価を行う場合、何ｍｍ間隔でＺ位置を測定し、フォーカスを微調整する必要があるかについて述べる。この場合、まず焦点深度を見積る必要がある。図１に示した様に軸上色収差を補正する場合は３０ｍｒａｄ以上の開口角を利用する事ができる。その場合の焦点深度は、３０ｎｍのボケを許容するとして、焦点深度は３０ｎｍ／３０×１０^−３＝１μｍとなる。試料台或いは基板のＺ位置の変動要因は、ウェーハの厚みムラの変動と、ステージのＺ振動が主要因である。これらのＺ位置変動の予測値から次に示すように、合焦条件を測定する周期或いは測定回数を求める。

ウェーハの厚みムラの変動は周期が長いので、ステージのＺ振動でＺ位置測定の周期が決る。ステージをパターン評価を行う時の速度で移動させ、Ｚ方向に感度を有する加速度ピックアップをステージに取り付け、信号波形を振幅モードで測定する。この振幅波形が１μｍ変化するのに要するステージの走行距離を求め、その走行距離より短い間隔でＺ位置測定を行い、フォーカス合せを行えばよい。ステージがローラベアリング等、接触支持方式の場合は、１ｍｍ程度の間隔で測定すればよい。また、ステージがエアベアリング等、非接触支持方式の場合は、１００ｍｍ以上走行しても上下動は１μｍ以下であり、ウェーハの厚み変化の方が大きく、この場合はダイ毎に測定すればよい。

(ステージ速度及びビーム移動距離)
次にステージ速度の決め方について述べる。この場合、条件は、ビーム数１６、各ビームの走査ピクセル周波数５０ＭＨｚ／ｐｉｘ、走査整定時間：１０μｓ、ストライプ：２００μｍ、ピクセル寸法は５０ｎｍ角とする。また、１ｍｍ間隔のＺ位置測定周期とする。

合焦条件測定等の時間は偏向中心を変えずにレンズ条件を３条件変化させる方法が、偏向中心を変える方法より長いので、こちらの条件で見積もる。レンズ電圧の整定は、ダイナミックフォーカス用の電極１４に与える電圧を１００Ｖ程度変えるのみで１ｍｓとすると、３条件とＶｏｐｔにするのと合計で４回と、信号取得等で１ｍｓで、合計５ｍｓとする。

１ｍｍの距離ステージを移動させパターン評価行うのに要する時間は、

〔数１〕
[(1mm×200μm)/(16×50×10^-9 ×50×10^-9)]×20×10^-9s
+ [(10μm×100)/(50×10^-9m)]×20×10^-9s
+ [1mm/(16×50×10^-9)]×10μs
+ 5ms
= 0.1s + 0.004s + 0.0125s + 0.005s

ここで第１項は画素走査時間、第２項は信号波形取得時間、第３項は走査整定時間、第４項は焦点算出時間である。従ってステージ移動速度は

〔数２〕
１ｍｍ／（０．１＋０．００４＋０．０１２５＋０．００５）ｓｅｃ
＝８．５１ｍｍ／ｓｅｃ
と算出できる。

Ｚ位置測定用の走査時間とＺ位置算出時間０．００５秒間にステージが移動する距離は

〔数３〕
８．５１ｍｍ／ｓ×０．００５ｓ＝４２．５μｍ
である。

それ故、Z位置測定前に４２．５μmビームをｙ方向(ステージ移動方向)に移動させ、そこでZ位置測定を行うと、Z位置測定が終了するのに０．００５秒かかり、その間にステージが４２．５μm進んでいるから、すぐにパターン評価に入ることができる。

従ってｙ方向の視野寸法は４２．５μｍ以上必要である。この値はストライプ幅２００μｍの約１／４程度必要である事を示している。(注：上記条件に示すようにステージ速度はストライプ幅の関数である)
従って、Ｚ位置を測定する前に、ストライプ幅の１／４以上ビームを試料台移動方向へ移動させた後Ｚ位置測定を行う必要がある。

このようにすると、Z位置測定が終了した時、被評価パターンがｙ方向の視野中心に来るので評価をｙ方向の視野中心で行なうことができる。
なお、上記実施例では、ステージが１ｍｍ移動する時間からステージ速度を求めているが、ステージ速度は合焦条件測定間隔分の走査時間と合焦条件測定及び算出時間から求めればよい。

(半導体デバイス製造)
図４は、上記実施形態で示した電子線装置又はパターン評価方法を半導体デバイス製造工程におけるウェーハの評価に適用したものである。

デバイス製造工程の一例を図４のフローチャートに従って説明する。
この製造工程例は以下の各主工程を含む。
（１） ウェーハを製造するウェーハ製造工程（又はウェハを準備する準備工程）（ステップ１０）
（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）（ステップ１１）
（３） ウェーハに必要な加工処理を行うウェーハプロセッシング工程（ステップ１２）
（４） ウェー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（ステップ１３）
（５） 組み立てられたチップを検査するチップ検査工程（ステップ１４）
なお、各々の工程は、更に幾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ェーハプロセッシング工程である。この工程では、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として動作するチップを多数形成する。このウェーハプロセッシング工程は以下の各工程を含む。
（１） 絶縁層となる誘電体薄膜や配線部、或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） 形成された薄膜層やウェーハ基板を酸化する酸化工程
（３） 薄膜層やウェーハ基板等を選択的に加工するためにマスク（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
（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） 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。

上記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図５のフローチャートに示す。このリソグラフィー工程は以下の各工程を含む。
（１） 前段の工程で回路パターンが形成されたウェーハ上にレジストをコートするレジスト塗布工程（ステップ２０）
（２） レジストを露光する露光工程（ステップ２１）
（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（ステップ２２）
（４） 現像されたパターンを安定化させるためのアニール工程（ステップ２３）
以上の半導体デバイス製造工程、ウェーハプロセッシング工程、リソグラフィー工程には周知の工程が適用される。

上記（７）のウェーハ検査工程において、本発明の上記各実施形態に係る欠陥検査装置を用いた場合、微細なパターンを有する半導体デバイスでも、2次電子画像の像障害が無い状態で高精度に欠陥を検査できるので、製品の歩留向上、欠陥製品の出荷防止が可能となる。

なお、本発明によるパターン評価は、フォトマスクやレクチル、ウエハ等の試料の欠陥検査、線幅測定、合わせ精度、電位コントラスト測定等広く試料のパターン評価に適用することができる。
〔発明の効果〕

以上のように、本発明は、パターン評価を行う直前にフォーカス合せを行うことにより、Ｚマップの作製を不要とし、高スループットを実現すると共に、高価なステージを必要とせず、また、軸上色収差を補正して大きい開口角を用いた電子光学系を用いてもフォーカスずれを少くして試料の評価ができる電子線装置及びパターン評価方法が提供できる。

本発明の実施の形態の電子光学系を示す概略図である。 本発明の最適合焦条件を求める説明図である。 本発明のパターン評価方法の説明図である。 本発明の電子線装置を使用した半導体デバイス製造プロセスを示すフローチャートである。 図４の半導体デバイス製造プロセスのうちリソグラフィープロセスを示すフローチャートである。

符号の説明

１：電子銃、２：コンデンサ
３：マルチ開口、 ４：回転調整レンズ
５：縮小レンズ、 ６：軸上色収差補正レンズ
７：電磁偏向器、 ８，１３：静電偏向器
９：ビーム分離器、 １０：対物レンズ
１１，１２：軌道、 １４：ダイナミックフォーカス用電極
１５：軸対称レンズ、 １６：試料
１７，１８，２４：偏向中心、 １９，２０：拡大レンズ
２１：検出器、 ２２：縮小像
２３：軸上色収差補正レンズの像点、 ３１：ダイシングライン
３２：ストライプ、 ３３：視野
３４：ダイのパターン領域、 ３５：パターン
３６，３７：ビームの走査方向、 ３８，３９：二次電子信号
４０：パターンエッジ、 ４１，４２，４３：信号波形
４４：信号の立上がり幅

Claims (7)

1. 試料台を連続移動させパターン評価を行う電子線装置に於て、試料台の連続移動方向と直交する方向にストライプ幅より大きく、試料台の連続移動方向に上記ストライプ幅の少くとも１／４の視野を有する電子光学系を有し、試料台の連続移動方向にビームを移動させる偏向器と、合焦条件を測定するための信号波形取得装置とを有し、パターン評価に先立ち、試料台の移動方向にビームを移動させ、合焦条件を測定するための信号波形取得を行い、その結果得られた最適合焦条件でパターン評価を行う事を特徴とする電子線装置。
2. 請求項１の電子線装置に於て、上記信号波形取得装置による信号波形取得は、少くとも３つの異る対物レンズ条件で信号波形取得を行う事を特徴とする電子線装置。
3. 請求項１の電子線装置に於て、上記信号波形取得装置による信号波形取得は、レンズ条件を固定し、少くとも異る２条件の偏向中心でビームを走査して画像取得を行う事を特徴とする電子線装置。
4. 請求項１の電子線装置に於て、上記信号波形取得装置による合焦条件の測定は、試料台のＺ位置変動データ或いは基板のＺ位置変動データと、電子光学系の焦点深度とから測定間隔を決める事を特徴とする電子線装置。
5. 請求項１の電子線装置に於て、上記電子光学系は一次ビームの軸上色収差を補正するレンズを有し、ビームの収束半角を３０ｍｒａｄ以上の条件でパターン評価を行う事を特徴とする電子線装置。
6. 試料台を連続移動させながらパターン評価を行う方法であって、次のステップ、すなわち、
   電子光学系の焦点深度及びＺ位置変動の予測値とから１ストライプ内の合焦条件測定間隔を決めるステップ、
   ストライプの合焦条件測定間隔分の走査時間と合焦条件測定及び算出時間からステージ速度を算出するステップ、
   電子光学系のビームをストライプ幅の１／４以上試料台移動方向へ移動させるステップ、
   対物レンズのレンズ条件を少なくとも３条件又は偏向中心を少くとも２条件変え１次元又は２次元の信号波形取得を行い、Ｚ位置を算出するステップ、
   上記Ｚ位置に対応する合焦条件で上記測定間隔から決る距離だけ画像評価を行うステップ、
   を有することを特徴とするパターン評価方法。
7. デバイスを製造する方法であって、
   ウェーハを準備するステップと、
   ウェーハプロセスを行うステップと、
   請求項１〜６、７のいずれかに示した電子線装置又はパターン評価方法を用いてプロセス後のウェーハを評価するステップとからなり、
   上記ステップを必要な数くり返すことによりデバイスに組み上げることを特徴とするデバイス製造方法。

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