JP2008215969A - 荷電粒子線応用装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 マルチビーム型の半導体検査装置において、多様な特性を持つ試料に対して、高い欠陥検出感度と高い検査速度を両立させ得る荷電粒子線応用装置を提供する。
【解決手段】 試料上における一次ビームの配置を可変とし、さらに、試料の特性を元に、最適な検査仕様で高速に検査を行うためのビーム配置を抽出する。また、また、多数の光学パラメータおよび装置パラメータを最適化する。さらに、抽出された一次ビームの特性を測定し、調整する。
【選択図】 図１

Description

本発明は半導体プロセスにおいて用いられる、検査装置および計測装置に係り、特に高速且つ高精度な荷電粒子線応用装置に関する。

半導体プロセスにおいて、試料上に電子ビームやイオンビームなどの荷電粒子線（以下、一次ビームと呼ぶ）を照射し、発生した二次電子等の二次荷電粒子（以下、二次ビーム）の信号を取得し、試料上に形成されたパターンの形状や寸法を測定する電子線測長装置、欠陥の有無を調べる電子線検査装置などが用いられている。

このような荷電粒子線応用装置において、試料を処理する速度、即ち検査速度の向上は欠陥検出感度の向上とともに重要な課題である。この課題を克服するため、ビームの本数を複数にしたマルチビーム型の荷電粒子線応用装置が提案されている。例えば特願2006-144934号報では、単一の電子銃から放出される電子線を複数のビームに分割し、アレイ状に並べられたレンズにより個々に集束させることによって形成した複数のビームを、単一の光学素子を用いて試料上に投影、走査するマルチビーム型の電子線検査装置が開示されている。

特願2006-144934号公報

上記のように複数の一次ビームを単一の光学素子により試料上に走査するマルチビーム型の電子線検査装置を用いて、例えば半導体等の形状や欠陥の有無を調べる場合に、課題となるのが、試料を走査する一次ビームの大きさ（ビーム径）の低減である。マルチビーム型の電子線検査装置においても、シングルビーム型の電子線検査装置と同様、検査速度を向上させるために一次ビームの開き角や電流密度を大きくすると、収差やクーロン斥力によるビームぼけが増大するため、検査感度の低減に繋がってしまう。また、マルチビーム型においては、一次ビームがレンズなどの光学素子の中心から外れた軌道を描くことにより発生する軸外収差についても考慮しなくてはならない。

もう一つの課題は、複数のビームの照射によって試料から放出される二次ビームの分離検出である。N本の一次ビームの走査によって試料上のN箇所から同時に発生する二次ビームを分離し、それぞれを対応する検出器に入射させ、別々に検出できれば、S/N比良く信号を取得できる。反対に試料上のN箇所から発生する二次ビームを分離できなければ、二次ビームの一部が対応する検出器に入射せず、他の検出器に混入するため、混入分がノイズとなり、S/N比が悪くなる。したがって、試料上の複数箇所から放出される二次ビームを検出器上で互いに分離して分布させるよう、二次ビーム光学系を制御する必要がある。

これら二つの課題と一次ビームの配置との関係について説明する。一次ビーム径の観点からは、軸外収差を小さくするため、試料に照射される一次ビームが中心軸に近い方が有利である。一方、試料に照射される一次ビームと中心軸を近づけることにより、一次ビーム同士も互いに近づくことになるので、試料上の二次ビーム発生箇所地点の間隔が狭くなることにもなる。これにより、二次ビーム光学系を制御して、二次ビームを検出器上で互いに分離して分布させることが難しくなり、二次ビーム分離度（同一の一次ビームの照射により発生した全ての二次ビームのうち所定の検出器で検出されたものの割合）が低くなる場合がある。このように、一次ビームのビーム径低減と二次ビームの分離検出という二つの課題は、トレードオフの関係にあるといえる。

一方、半導体プロセスにおいては、ウェハの特性は品種、工程、ロット毎に異なり、高精度な処理を行うための処理条件も多様である。例えば、半導体検査装置においては、試料であるウェハの特性によって、高い欠陥検出感度を得るための検査仕様が変化する。ここで、検査仕様とは、検査の効果を直接的に決定する検査方法または検査条件のことである。例えば、パターンを形成する膜の材質や厚さ、およびパターンの構造によって、試料を走査するべき一次ビームの大きさ（ビーム径）や試料入射時のエネルギーなどを最適化することが、高い欠陥検出感度を得るために有効である。また、検出するべき欠陥によっても、最適な検査仕様が変化する。例えば、電気特性欠陥を検出するためには、試料に入射する一次ビームの電流密度や試料表面における電界強度を調整し、試料表面を所望の帯電状態にする必要がある。逆に、形状欠陥の検出においては、試料表面の帯電状態よりはむしろビーム径が欠陥検出感度を左右する。

本発明の目的は、上記のように多様な特性を持つ試料を、高精度且つ高速に処理し得る荷電粒子線応用装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第一の形態では、マルチビーム型の半導体検査装置において、試料上における一次ビームの配置を可変とし、さらに、試料の特性を元に、最適な検査仕様で高速に検査を行うためのビーム配置を抽出する。また、抽出された一次ビームの特性を測定し調整する。また、本発明の別の形態では、ビーム配置のみならず多数の光学パラメータおよび装置パラメータを可変とし、これらを最適化する。

本発明に依れば、高い欠陥検出感度と高い検査速度を両立させ得る荷電粒子線応用装置を実現できる。

以下、本発明の実施例について、図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施例を説明するための全図において、同一の要素には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

図１は本発明の第１の実施例に係るマルチビーム型の電子線検査装置の概略構成を示す図である。本装置の電子光学系は陰極101から放出され試料116まで到達する一次ビームを制御する一次光学系と、一次電子ビームと試料との相互作用により発生した二次ビームを制御する二次光学系とに分かれる。一点鎖線は、略回転対称に形成された光学系の対称軸が一致するべき軸であり、端的には荷電粒子光学カラムの機械的な中心軸と考えれば良い。一次電子ビーム光路の基準となる。以下、中心軸と呼ぶ。

まず、装置構成を説明する。陰極101は仕事関数の低い物質よりなる。陰極101に対して高い電位を陽極104に与えることにより、陰極101と陽極104の間には加速電界が形成される。電磁レンズ103はこの加速電界に磁場を重畳する。陽極104の下流には、コンデンサーレンズ106、同一基板に複数の開口を配列したアパーチャーアレイ107、ビーム選択アパーチャー108とそれを載置して移動するビーム選択ステージ109、複数の開口を有するレンズアレイ110、ウィーンフィルター111、対物レンズ112a、112b、偏向器113、接地電極114、および表面電界制御電極115が配置され、一次光学系を構成している。また、図示していないが、一次光学系には、電流制限用絞り、一次ビームの中心軸(光軸)調整用アライナー等も配置されている。

ステージ117は上にウェハ116を載置して移動する。ウェハ216には後述するように負の電位（以下、リターディング電位と称する）を印加する。図示していないが、ウェハ116とステージ117の間にはウェハと導通の取れた状態でウェハホルダが介在し、このウェハホルダにリターディング電源118を接続してウェハホルダ、およびウェハ116に所望の電圧を印加する構成としている。ステージ117上には電子光学条件の調整や調整状態の測定に用いる基準サンプル132、および電子ビームの電流量を測定するファラデーカップ133が備わっている。図示していないが、ファラデーカップ133には増幅器を介して、システム制御部126が接続されている。

表面電界制御電極115、接地電極114、対物レンズ112a、112b、ウィーンフィルター111は、二次光学系の一部でもある。二次光学系には、この他、二次ビーム軸調用アライナー121、二次ビーム集束用レンズ122等が配置されており、二次ビームを検出器123dおよび123fに入射させる役割を担っている。

検出器123dおよび123fには増幅回路124d、124f、A/D変換機125を介してシステム制御部126が接続され、信号検出系を構成している。なお、図１では検出器と増幅回路をそれぞれ2つずつ図示したが、形成しうる一次ビームの数に合わせて複数の検出器と増幅回路を備えている。

システム制御部126は、装置全体を統一的に制御する制御系の一部でもある。制御系は、システム制御部126、光学系制御回路127、選択ステージ制御回路128、走査信号発生回路129、ステージ制御回路130などからなる。陰極101、陽極104、コンデンサーレンズ106、レンズアレイ110、ウィーンフィルター111、対物レンズ112aおよび112b、リターディング電源118、および表面電界制御電源119は、光学系制御回路127を介して、システム制御部126に接続されている。また、図示していないが、二次ビーム軸調用アライナー122および二次ビーム集束用レンズ122もまた、光学系制御回路127を介して、システム制御部126に接続されている。ビーム選択ステージ109は選択ステージ制御回路128を介してシステム制御部126に接続されている。偏向器113は走査信号発生回路129を介してシステム制御部126に接続されている。ステージ117はステージ制御回路130を介してシステム制御部126に接続されている。システム制御部126には画像表示部131が接続している。

信号検出系もまたシステム制御部により制御されている。検出器123dおよび123fによる信号検出のタイミングは、システム制御部126が発生するクロック信号により決定される。即ち、二次ビームの信号は、クロック信号に同期して取り込まれ、1クロック内に取り込まれた信号が、検出信号により形成される画像の一画素分の輝度信号となる。一方、偏向器113が1クロック内に試料上で一次ビームを走査する量は、検出信号により形成される画像の1画素の幅に対応する。

また、図示していないが、信号処理系、システム制御部126、および各制御回路以外の構成要素は真空容器内に配置されており、真空排気して動作させていることは言うまでもない。また、真空外からウェハをステージ上に配置するウェハ搬送系が具備されていることも言うまでもない。

次に、装置の動作、および詳細について説明する。陰極101から放出された一次ビーム102は、電磁レンズ103による集束作用を受けながら陽極104の方向に加速され、陰極像105（ビーム径が極小になる点）を形成する。図示しないが、一般的な電子銃によく見られるように、陰極101と陽極104の間には引出電極が設けられ、また、陽極104の近傍には絞りが配置されている。陰極101、引出電極、電磁レンズ103、および陽極104の動作条件を変えることにより、絞りを通過する一次ビームの電流量や陰極像105の大きさを調節することが可能となっている。また、図示しないが陽極104の下流側には一次電子ビームの光軸を補正するアライナーが配置され、一次ビームが下流の電子光学系に対してずれている場合に補正できる構成となっている。コンデンサーレンズ106は陰極像105を光源とする一次ビームを平行に整える。107は同一基板に複数の開口を配列したアパーチャーアレイであり、本実施形態では、9つの開口を有する。アパーチャーアレイ107により、一次ビーム102は9本の検査用一次ビーム102a、102b、102c、102d、102e、102f、102g、102h、102iに分割される。尚、図１においては、9本の一次ビームは直線上に配置されているかのごとく描かれているが、実際には、中心軸に垂直な平面状に図２(a)に示すように、二次元的に配置されている。なお、図２(b)から図２(e)に示す各一次ビームの配置はいずれも回転対称であり、その回転対称中心は、図１の中心軸に一致する。

ビーム選択アパーチャー108は、複数の開口を有する板であり、ビーム選択ステージ109上に載置されている。選択ステージ制御回路128がシステム制御部126の制御により移動することにより、9本の一次ビーム102a、102b、102c、102d、102e、102f、102g、102h、102iとビーム選択アパーチャー108の開口の相対的な位置関係が調整される。即ち、9本の検査用一次ビームのうち、所望のビームのみがビーム選択アパーチャー108の開口を通過し、下流の光学系に入射するよう選択ステージ109の位置を制御する。本実施例では、図２(b)に示す配置Aから図２(e)に示す配置Dまでの4通りのビーム配置が候補となるよう、ビーム選択アパーチャー108の開口形状、ビーム選択ステージが設計されている。したがって、1本または2本または4本または8本の一次ビームの数が下流の光学系に入射し得る。図１では、2本の一次ビーム102dおよび102fが選択され、下流の光学系に入射している。

ここで、各ビーム配置と一次ビームのビーム径の関係について説明する。配置Aに相当する一次ビームの配置はシングルビームと同一であり、一次ビームが中心軸上に形成されており、軸外収差が発生しない。また、試料に照射される電流が少ないため、クーロン斥力によるビームボケも小さい。したがって、配置Aから配置Bの中では、試料上での一次ビームのビーム径が最も小さい配置である。これに対して、配置Bでは、一次ビームが中心軸から離れて形成されるため、軸外収差が発生し、また、一次ビームの電流の総量が2倍になるため、クーロン斥力によるビームボケも配置Aよりは大きくなる。したがって、試料上での一次ビームのビーム径は配置Aの場合に比べて大きい。配置Cでは、一次ビームの離軸距離が配置Bと等しいことから、軸外収差も等しいが、クーロン斥力によるビームボケは配置Bよりも大きくなるため、試料上での一次ビームのビーム径は配置Bの場合よりも大きくなる。さらに、配置Dでは、一次ビームの離軸距離が配置Bおよび配置Cよりも大きくなり、軸外収差も大きくなる上、クーロン斥力によるビームボケも配置Cよりも大きくなる。したがって、配置Aから配置Dの中では、試料上での一次ビームのビーム径が最も大きくなる。一方、検査速度は、ビームの本数の少ない配置Aが最も低く、ついで配置B、配置C、配置Dの順に高くなる。なお、検査速度は複数の一次ビームが単位時間当たりに走査する領域の面積で表すことができる。計測速度もほぼ同様の定義で表すことができる。

再び図１に戻って、装置の動作、および詳細について説明する。
選択された一次ビーム102dおよび102fはレンズアレイ110によって個別に集束される。レンズアレイ110は、それぞれ複数の開口を有する3枚の電極からなり、このうち中央の電極に電圧を印加することにより、開口部を通過する一次ビームに対してアインツェルレンズとして作用するものである。

レンズアレイ110により個別に集束された2本の一次ビーム102d、102fはウィーンフィルター111内を通過する。ウィーンフィルター111は一次ビームの入射方向に対して概略垂直な面内に互いに直交する磁場と電場を発生させ、通過する電子に対してそのエネルギーに対応した偏向角度を与えるものである。本実施形態においては、一次ビームが直進するように磁場と電場の強さを設定し、さらに、反対方向から入射する二次ビームに対しては所望の角度に偏向するように電磁場の強さを調節・制御する。また、ウィーンフィルター111の位置については、一次ビームに対する収差の影響を考慮して、影響を低減するためにレンズアレイ110により集束された一次ビームが集束する高さに合わせて配置している。112a、112bは1組の対物レンズでありそれぞれ電磁レンズである。レンズアレイ110により集束された一次ビームを試料116上に縮小投影する。

走査偏向用の偏向器113は、対物レンズ中に静電8極型で構成・設置されている。システム制御部126の制御により、走査信号発生回路129が所定の振幅・周波数で信号を発生する。この信号が偏向器113に入力されると、中を通過する一次ビームは、略同一方向に且つ略同一角度だけ偏向作用を受け、試料であるウェハ116をラスタ走査する。ウェハ116にはリターディング電源118により負の電位が印加されている。したがって、これと接地電位に接続された接地電極114の間には一次ビームを減速させる電界が形成されている。115は表面電界制御電極であり、円形の開口を有する板状の電極である。表面電界制御電極115の開口径、表面電界制御電極115と試料116の距離、および表面電界制御電極115に接続された表面電界制御電源119の出力電圧によって、試料116の表面における電界強度が決定される。

表面電界制御電源219a、219bは表面電界制御電極215に接続された電源である。リターディング電源118、および表面電界制御電源119は他の光学素子、即ち、陰極101、陽極104、コンデンサーレンズ106、レンズアレイ110、ウィーンフィルター111、対物レンズ112aおよび112bと同様に、光学系制御回路231を介してシステム制御部224により統一的に制御される。

ステージ117はステージ制御回路131により制御される。システム制御部126はウェハ116上の所定の領域を、ステージ進行方向に並んだ1ストライプずつ検査するべく、走査信号発生回路129およびステージ制御回路131を統一的に制御する。なお、本実施例の検査装置では、ステージが連続に移動していて、偏向走査とステージ移動の組合せにより、一次ビームが帯状の領域を順次走査するように制御されている。

一次ビームの照射により、試料117からは二次ビーム、反射電子等の二次ビームが発生する。図１では2本の一次ビーム102dおよび102fが試料に照射されるので、これらの一次ビームが照射した試料上2箇所からそれぞれ二次ビーム120dおよび120fが発生する。二次ビーム120dおよび120fは対物レンズ112aおよび112bの集束作用を受け、さらに二次ビームに対しては偏向作用を持つウィーンフィルター111により、一次ビームの軌道と分離される。その後、二次ビーム軸調用アライナー122により軌道を補正され、さらに二次ビーム集束用レンズ122の集束作用により、検出器123dおよび123fにそれぞれ到達する。検出器123dおよび123fにより検出された信号は増幅回路124dおよび124fにより増幅され、A/D変換機125によりデジタル化され、システム制御部126内の記憶装置126aに画像データとして一旦格納される。その後、演算部126bが画像の各種統計量の算出を行い、最終的には欠陥判定部126cが予め求めておいた欠陥判定条件に基づき欠陥の有無を判定する。判定結果は画像表示装置131に表示される。なお、本実施例の電子線応用装置を測長SEMとして使用する場合には、欠陥判定部126cに替わり、126a内に格納された画素データ（二次電子ないし反射電子の二次元強度分布データ）を元に測長を行う測長実行部が設けられることになる。

次に、図３のフローチャートを用いて、本実施例における検査を行う手順を説明する。オペレーターが画像表示装置132に表示されたスタートボタンをクリックする（ステップ301）と、検査を行うべきウェハが格納されているカセット（図示せず）を指定させるべく、入力画面が表示される。カセットの番号を入力する（ステップ302）と、ウェハID入力画面が表示される。オペレーターは、この画面を通じて、検査するべきウェハが属するロットIDおよびウェハIDを入力する（ステップ303）。これらのIDを元に、システム制御部126はウェハサイズ等を判断し、ウェハローダー（図示せず）を用いてウェハをステージ117上に搭載する（ステップ304）。

ステップ305では、システム制御部126が、ウェハIDを元に、検査するべきウェハの、品種、工程、パターンを形成する膜の材質や厚さ、パターン形状やパターンサイズ（設計寸法）などの情報を工程管理用のサーバーからダウンロードする。ここで、工程とは、検査（または計測）を行うウェハが、ウェハ上に形成される構造物（例えば、半導体デバイスや磁気ヘッド等）の製造プロセスをどの工程まで経ているかという情報であって、より具体的にはウェハ上のどのレイヤーまで形成されたかという情報に対応する。また、パターンとは、ウェハ上に形成される構造物のパターン（配線やコンタクトホールなど）のことである。または、画像表示装置131に表示されたウェハ情報入力画面を介して、オペレータがこれらの情報を入力してもよい。

ステップ306では、システム制御部126が、ステップ305でダウンロードした情報を元に、システム制御部126が、試料を走査するべき一次ビームのビーム径の許容範囲を決定する。

ステップ307では、システム制御部126が、全てのビーム配置の候補について、予め記憶された数式を用いて、試料上の一次ビームのビーム径と電流を計算する。さらに、電流の計算結果を元に、下表のように検査速度を試算する。

ステップ308では、システム制御部126が、ステップ306で決定した許容範囲を参照し、ビーム径が許容範囲を満たさない配置を候補から除外する。例えば、試料であるウェハに形成されたパターンサイズが大きく、一次ビームの径の許容範囲が60 nm以下である場合（ケースA）は、配置Aから4のいずれのビーム配置でも、許容範囲を満たす。しかし、ウェハに形成されたパターンサイズが小さく、一次ビームの径の許容範囲が40 nmである場合（ケースB）、配置Aと配置Bは許容範囲を満たすが、配置Cと配置Dは許容範囲を満たさないため、候補から除外される。

ステップ309では、システム制御部126が、ステップ308で除外されなかった候補の中から、最も検査速度が高いビーム配置を抽出する。例えば、配置Aから4が候補として残っているケースAでは、この中で最も検査速度の高い配置Dを抽出する。配置Aと配置Bのみ候補として残っているケースBでは、これら二つの配置の中で検査速度の高い配置Bを抽出する。抽出されたビーム配置は、システム制御部126内にログデータとして格納される。また、画像表示装置131に表示されてもよい。

ステップ310では、ステップ309で抽出されたビーム配置を実現するべく、システム制御部126が、選択ステージ制御回路128を介してビーム選択ステージを移動させる。即ち、アパーチャーアレイにより形成された一次ビームとビーム選択アパーチャ108の開口の相対的な位置関係を調整することにより、ビーム選択ステージ109上に載置されたビーム選択アパーチャー108の開口が所定のビームのみを下流の光学系に入射させ、残りを遮断する。

ステップ311では、ステップ310で下流の光学系に入射した一次ビームの光学調整を行う。ステージ117上に搭載された基準サンプル132、ファラデーカップ133等を用いて、ステップ310で選択されたN本の一次ビームのそれぞれに対して、ビーム径、電流などの特性を測定し、ビーム径が許容範囲内に収まっているかどうかを確認する。一次ビームが電子光学系に対してずれていると推定される場合は、アライナー（図示せず）を用いてこれを補正する。補正終了後、再度、ビーム径、電流などを測定し、画像表示装置131にN本の一次ビームそれぞれについて測定結果を表示する。また、アライナーに印加した電圧等の各光学系パラメータとビーム径、電流の測定結果をシステム制御部126内にログデータとして格納する。

ステップ312では、システム制御部126が光学系制御回路231を介して、ステップ310で下流の光学系に入射した一次ビームを試料115または基準サンプル132に照射し、発生した二次ビームが分離し、それぞれ所定の検出器に入射するよう、二次ビーム軸調用アライナー122に印加する電圧（または電流）、二次ビーム集束用レンズ122の焦点距離等を調整する。さらに増幅回路124dおよび124fのゲイン、オフセット等を調整し、A/D変換機125に入力する信号の波形を整える。

ステップ313では、画像表示装置131にアライメント用指示画面が表示され、オペレータがこの画面を通じてウェハ上のアライメントチップを複数点指定すると、装置がアライメントマークを自動的に検出し、ウェハに対するステージ座標の較正、すなわち、アライメントが実行される。

ステップ314では、試し検査を行う。ステップ313までで調整が行われた光学条件下で、所定のチップ内の小領域について試し検査を行う。図４(a)は、試し検査により測定された、試し検査領域内のパターンの画像の一例である。行列上に配列されたパターンのうち、正常に形成されたパターン401と形成不良パターン402とでは明るさが異なる。この画像の画素毎の明るさをヒストグラム表示したものが図４(b)である。403は正常に形成されたパターンに相当するピークであり、404は形成不良パターンに相当するピークである。

ステップ315では、これらの画像またはヒストグラムを元に、オペレーターが欠陥判定に用いる画像コントラストの閾値を設定する。図４(a)および(b)の例では、正常に形成されたパターン403と形成不良パターンに相当するピーク404との間に閾値405を設定することによって、感度良く欠陥を検出することができると予測される。

最適な閾値を設定した後、オペレーターは画像表示装置131に表示された検査ボタンをクリックし、本検査を行う（ステップ316）。システム制御部126は、検査を開始した時刻を記憶し、また、ステップ307で計算した検査速度を元に、検査終了時刻を予測し、画像表示装置131に表示する。

なお、本実施例においては、ステップ306において、システム制御部126が、試料を走査するべき一次ビームのビーム径の許容範囲を決定したが、ウェハに形成されたパターンが新しく設計された場合、または、パターン形成に新しいプロセスが適用された場合など、試料が検査の履歴がない品種である場合は、システム制御部126が自動的に一次ビームのビーム径の許容範囲を決定することができない可能性がある。このような場合は、画像表示装置131に表示した検査仕様入力画面を介して、オペレータが試料を走査するべき一次ビームのビーム径の許容範囲を入力してもよい。

また、本実施例においては、ステップ307において、システム制御部126が、ビーム配置を可変のパラメータとして、試料上の一次ビームのビーム径と電流を計算したが、例えば、異なる大きさの開口を備えたアパーチャーアレイを可動ステージの上に搭載すれば、アパーチャーにより切り出されるビームの開き半角を可変にすることができる。

このような場合は、システム制御部126はステップ307において、ビームの配置と開き半角の全ての組合せについて、一次ビーム径、電流、検査速度を計算すれば良い。例えば、ビーム配置が4通りあり、ビームの開き半角が3通りの値をとりうる場合、12通りの組合せがあるので、それぞれについて一次ビーム径、電流、検査速度を計算する。または、事前に測定されたデータを参照してもよい。そして、ステップ308では、12の組合せの中から、ビーム径が許容範囲を満たさない配置を候補から除外し、ステップ309では残った組合せの中で最も検査速度の高い組合せを抽出すればよい。

また、本実施例においては、ビーム選択アパーチャー108とこれを載置したビーム選択ステージ109を用いて、所定のビームのみを下流の光学系に入射させ、残りを遮断した。あるいは、複数の荷電粒子線をそれぞれ個別に作用するブランキング電極を用いても、本実施例と同様の効果を挙げることができる。

尚、本実施例では、電子線検査装置を例に、本発明の効果を説明したが、本発明の効果は試料上に形成されたパターンの寸法を測定する測長SEM、試料上に形成されたパターン内における欠陥の有無を調べる検査装置、試料上に形成されたパターンの欠陥を観察するレビューSEM等においても同様に得られる。また、イオン源で発生したイオンビームをマルチビーム化して試料に照射してSIM観察を行う場合においても同様の効果が得られる。

実施例1では、トレードオフの関係にある一次ビーム径の低減と二次ビームの分離検出という二つの課題のバランスを取るために、一次ビームの径が許容範囲を満たすビーム配置の候補の中から、最も検査速度の高いものを抽出した。本実施例では、実施例1を拡張し、一次ビームの配置のみならず、多数のパラメータを可変とする。これにより、試料に対して最適な検査仕様を設定した上で、最も高速に検査を行うことの出来る条件を探す。

以下、図１を用いて説明する。
発明が解決しようとする課題の項で述べたように、半導体検査装置においては、試料であるウェハの品種や工程によって、最適な検査仕様が変化する。ここで、検査仕様は、検出信号により形成される画像の分解能、一次ビームの試料入射時のエネルギーおよび電流密度、試料表面における電界強度などの仕様パラメータによって決定される。これらの、検査の効果を直接的に決定するパラメータを以下、仕様パラメータと呼ぶ。

これらの仕様パラメータは、一次ビームの加速電圧（陰極101と陽極104の電位差）、試料116に印加されたリターディング電圧、表面電界制御電極115に印加された電圧、各レンズ（電磁レンズ103、コリメータレンズ106、レンズアレイ110、対物レンズ112aおよび112b）の焦点距離、一次ビームの試料116上での走査幅などの光学系パラメータの他、システム制御部126が発生するクロック信号の周波数、検出信号により形成される画像の画素サイズ、ステージ移動速度などの制御系パラメータと以下のような関係によって結ばれている。

検出信号により形成される画像の分解能は、試料上を走査する一次ビームのビーム径、検出された二次ビームの信号を元に形成される画像の画素サイズのほか、検出される信号のS/N比によって決まる。

一次ビームのビーム径は、陰極101、引き出し電極（図示せず）、陽極104で構成される電子銃および電磁レンズ103の動作条件によっての動作条件によって決定される陰極像105の大きさのほか、各レンズ（電磁レンズ103、コリメータレンズ106、レンズアレイ110、対物レンズ112aおよび112b）の焦点距離とリターディング電圧、表面電界制御電極115に印加された電圧で決まる光学倍率、さらに、各光学素子発生する収差、クーロン斥力によるビームぼけの大きさによって決まる。従って、一次ビームの離軸距離や試料116上での一次ビームの走査幅、一次ビームの電流、開き角などとも関係する。

画素サイズは、一次ビームの試料116上での走査幅を一走査あたりの画素数で割った値である。S/N比は、イールド（一次ビームの入射量に対する二次ビームの発生量の比）を決める、試料入射時の一次ビームのエネルギーおよび試料表面を構成する膜の種類、一次ビームの電流密度および画素サイズ、走査速度のほか、二次ビーム分離度などによって決まる。

試料入射時の一次ビームのエネルギーは、一次ビームの加速電圧（陰極101と陽極104の電位差）と、試料116に印加されたリターディング電圧によって決定される。

一次ビームの電流密度は、上記1で決まる一次ビームのビーム径と、一次ビームの電流によって決まる。

試料表面における電界強度は、接地電極114および表面電界制御電極115の位置、形状と、試料116に印加されたリターディング電圧、表面電界制御電極115に印加された電圧によって決まる。

一方、検査速度は、ステージ移動速度と画素サイズによって決まる。ステージ移動速度は、走査幅と、走査速度と、走査信号発生回路129から偏向器113に与えられる偏向信号の整定時間によって決まる。

以上のように、各仕様パラメータおよび検査速度は、多数の光学系パラメータ、制御系パラメータ、ビーム配置によって決定される。したがって、試料に合わせて仕様パラメータを最適化するためには、上記の光学系パラメータ、制御系パラメータの組合せを調整する必要があるが、試料によって光学系パラメータや制御系パラメータを調整すると、二次ビームの通過経路の電磁界分布が変化するため、検出器上での二次ビームの分布が変化し、二次ビームの分離度が低下する場合がある。即ち、所定の検出器に入射せず、他の検出器に混入する二次ビームや、どの検出器にも入射しない二次ビームの割合が増える場合がある。

二次ビームの分離度と光学系パラメータおよびビーム配置の関係について、電気特性欠陥の検査を例に説明する。コンタクト導通不良や配線のショート、あるいはボイドのような、電気特性欠陥は、表面から見えないため、これらを検出するためには、電子の照射により試料表面の膜を帯電させ、画像のコントラストを得る検査方法が有効である。このように検査または計測に先立ち試料を予め帯電させる手法を予備帯電と呼ぶが、この予備帯電の効果を高めるためには、検査中、一次ビームにより試料上を走査する際に、試料表面の電界強度を充分に弱め、予備帯電による帯電の保持時間を長くすることが有効である。しかし、試料表面の電界には、試料から放出された二次ビームの進行方向を揃える作用もあるため、二次ビームの分離検出の観点からは試料表面の電界強度の低減が不利に働き、二次ビーム軸調用アライナー121、二次ビーム集束用レンズ122の調整をもってしても、二次ビーム分離度が低下する場合がある。したがって、図２(a)に示すような9つの開口により9本の一次ビーム形成しうる場合でも、試料上における一次ビームが、図２(d)および(e)に示した配置C、またはDをとると、二次ビーム分離度が低く充分なS/N比で二次ビームの検出を行えない場合がある。このような場合は二次ビームを充分に分離させるべく、一次ビームの本数を減らし、試料上における一次ビームの間隔を大きく取った方が有利な場合がある。即ち、配置Bの方が有利な場合がある。そして、検査中、試料表面の電界強度をさらに弱める必要がある場合は、配置Aのように一次ビームを1本とした方が、有利な場合がある。

また、これとは別の例で、ウェハのパターンを形成する膜が薄い場合などに、膜内で停止する一次ビームの割合を高めるために、試料に照射する一次ビームのエネルギーを充分に低くすることが、欠陥検出感度向上のために有効である場合がある。しかし、一次ビームのエネルギーを下げると、色収差やクーロン斥力などにより、一次ビームのビーム径が低下する場合がある。また、一次ビームのエネルギーを低下させるために、試料116に印加されたリターディング電圧を調整し、さらにそれに合わせて各レンズの焦点距離の調整を行うと、二次ビームの通過経路の電磁界分布が変化してしまう。この変化が大きい場合は、二次ビーム軸調用アライナー121、二次ビーム集束用レンズ122の調整では、二次ビームの軌道を補正しきれず、二次ビームの分離度が低下する場合がある。したがって、電気特性欠陥の検査を例と同様、一次ビームの本数を減らすなどして、一次ビームの間隔を大きくとる必要がある場合がある。

二次ビームの分離度の低下を防ぐための別の方法としては、二次ビーム光学系、即ち、ウィーンフィルター111から検出器123d、123fまでのいずれかの位置に二次ビームの取り込み角を制限する絞りを設け、二次ビームが所定の検出器以外によって検出されることを防ぐという方法がある。しかし、この方法は検出される信号のノイズを減少させるものの、信号量そのものも減少させるため、必ずしも有効とはいえない。

そこで、本実施例では、試料に対して最適な検査仕様と、充分なS/N比を得るための二次ビームの分離度を両立し、さらに、高速に検査を行うことができるよう、光学系パラメータ、制御系パラメータ、ビーム配置の組合せを最適化する。

図５のフローチャートを用いて、検査を行う手順を説明する。オペレーターが画像表示装置132に表示されたスタートボタンをクリックする（ステップ501）と、検査を行うべきウェハが格納されているカセット（図示せず）を指定させるべく、入力画面が表示される。カセットの番号を入力する（ステップ502）と、ウェハID入力画面が表示される。オペレーターは、この画面を通じて、検査するべきウェハが属するロットIDおよびウェハIDを入力する（ステップ503）。これらのIDを元に、システム制御部126はウェハサイズ等を判断し、ウェハローダー（図示せず）を用いてウェハをステージ117上に搭載する（ステップ504）。

ステップ505では、システム制御部126がウェハIDを元に、検査するべきウェハの、品種、工程、パターンを形成する膜の材質や厚さ、パターン形状やパターンサイズ（設計寸法）などの情報を工程管理用のサーバーからダウンロードする。または、画像表示装置131に表示したウェハ情報入力画面を介して、オペレータがこれらの情報を入力してもよい。

ステップ506では、オペレータが、画像表示装置131に表示された欠陥種指定画面を通じて、欠陥種を指定する。または、システム制御部126が、ステップ505で得たウェハ情報を元に、自動的に選択してもよい。ここで、欠陥種の指定とは、検出するべき欠陥が、「電気特性欠陥（コンタクト導通不良、配線のショートまたはボイドなど）」か「形状欠陥（欠け、突起など穴欠陥）または異物」か、を選択することである。

ステップ507では、システム制御部126が、ステップ505で得たウェハ情報と、ステップ506で選択された欠陥種を元に、仕様パラメータの許容範囲を決定する。ここで仕様パラメータとは、検査の効果を直接的に決定するパラメータであり、本実施例では、検出信号により形成される画像の分解能、一次ビームの試料入射時のエネルギーおよび電流密度、試料表面における電界強度である。

ステップ508では、システム制御部126が、内部の記憶領域に予め格納されていた数式を参照し、または内部の記憶領域に予め格納されていたテーブルを参照し、光学系パラメータ、制御系パラメータ、ビーム配置の全ての組合せに対して、各仕様パラメータの値と予測される検査速度を計算する。この時、ビーム配置を元に二次電子分離度が計算され、これを元に、分解能が計算される。計算により得られた各仕様パラメータの値と検査速度の予測値はシステム制御部126の内部の記憶領域に格納される。

ステップ509では、ステップ508で計算した各仕様パラメータがステップ507で決定した許容条件を満たすかどうかを、光学系パラメータ、制御系パラメータ、ビーム配置の全ての組合せに対して判定し、許容範囲を満たさない組合せを除外する。

ステップ510では、ステップ509で除外されなかった組合せの中から、最も検査速度の高い組合せを抽出する。これにより光学系パラメータ、制御系パラメータ、ビーム配置の組み合わせが決定される。抽出された各パラメータ、およびビーム配置は、システム制御部126内にログデータとして格納される。また、画像表示装置131に表示されてもよい。

ステップ511では、システム制御部126が、ステップ510で抽出された光学系パラメータ、制御系パラメータ、ビーム配置の組合せを実現するべく、光学系制御回路127、ステージ制御回路130、システム制御部126の演算部126b、走査信号発生回路129にステップ509で抽出された光学系パラメータ、制御系パラメータを入力する。また、ステップ509で抽出されたビーム配置を選択ステージ制御回路128に入力する。これにより、アパーチャーアレイにより形成された一次ビームのうち、所定のビームのみが下流の光学系に入射する。

ステップ512では、ステップ511で下流の光学系に入射した一次ビームの光学調整を行う。ステージ117上に搭載された基準サンプル132、ファラデーカップ133等を用いて、ステップ511で選択されたN本の一次ビームのそれぞれに対して、ビーム径、電流などを測定し、所望の値になっているかどうかを確認する。また、一次ビームが電子光学系に対してずれていると推定される場合は、アライナー（図示せず）を用いて一次ビームのずれを補正する。また、ステップ511により、一次ビームの加速電圧（陰極101と陽極104の電位差）、および、試料116に印加されたリターディング電圧の設定を変更した場合は、一次ビームが直進し、且つ、二次ビームが検出器の方向へ偏向されるよう、ウィーンフィルターの動作条件を調整する。光学調整後、画像表示装置131にN本の一次ビームについて、補正前後のビーム径、電流の測定結果が表示される。図６は補正後の測定結果の表示画面の例である。この例では、ステップ510でシステム制御部126が決定したビーム配置がビーム配置表示領域601に表示され、ステップ508でシステム制御部126が計算した検査速度が検査速度表示領域602に推定検査速度として表示されている。オペレータが測定結果タブ603をクリックすると、それぞれの一次ビームの試料上での電流およびビーム径が表示される。オペレータが光学パラメータタブ604をクリックすると、補正に用いられたアライナーに印加した電圧等の各光学パラメータが表示される。さらに、補正前後のビーム径、電流、および、アライナーに印加した電圧等の各光学系パラメータがシステム制御部126内にログデータとして格納される。

ステップ513では、ステップ511で下流の光学系に入射した一次ビームを試料115または基準サンプル132に照射し、発生した二次ビームが分離し、それぞれ所定の検出器に入射するよう、二次ビーム軸調用アライナー122に印加する電圧（または電流）、二次ビーム集束用レンズ122の焦点距離等を調整する。さらに増幅回路124dおよび124fのゲイン、オフセット等を調整し、A/D変換機125に入力する信号の波形を整える。

ステップ514では、画像表示装置131にアライメント用指示画面が表示され、オペレータがこの画面を通じてウェハ上のアライメントチップを複数点指定すると、装置がアライメントマークを自動的に検出し、ウェハに対するステージ座標の較正、すなわち、アライメントが実行される。

ステップ515では、所定のチップ内の小領域について試し検査を行う。

ステップ516では、試し検査の結果を元に、オペレーターが欠陥判定に用いる画像コントラストの閾値を設定する。

最適な閾値を設定した後、オペレーターは画像表示装置131に表示された検査ボタンをクリックし、本検査を行う（ステップ517）。システム制御部126は、検査を開始した時刻を記憶し、また、ステップ508で計算した検査速度を元に、検査終了時刻を予測し、画像表示装置131に表示する。

尚、本実施例ではステップ508で、光学系パラメータ、制御系パラメータ、ビーム配置の全ての組合せに対して、各仕様パラメータの値と予測される検査速度を計算し、ステップ509で、各組合せに対して許容条件を満たすかどうかを、判定したが、より処理時間を短縮するためには、仕様パラメータに強く影響を与える光学パラメータまたは装置パラメータから順に最適化を行い、対象の範囲を狭めても良い。

また、本実施例では、ステップ510で、最も検査速度の高い組合せを抽出したが、例えば、検査速度と他の仕様パラメータを組み合わせた判定式を用いれば、特定の仕様パラメータに重みをつけて光学系パラメータ、制御系パラメータ、ビーム配置の最適化を行うことができる。

または、ステップ510で、複数の組合せを候補として残し、ステップ516の試し検査において得られた画像からオペレータが最終的に判断し、最終的な光学系パラメータ、制御系パラメータ、ビーム配置を決定してもよい。または、オペレータまたはシステム制御部126が、画素毎の明るさのヒストグラム表示で、正常に形成されたパターンと形成不良パターンがよりよく分離する組合せを抽出することで、最終的な光学系パラメータ、制御系パラメータ、ビーム配置を決定してもよい。

本発明の第１の実施例を説明する電子線検査装置の概略構成を示す図。 (a)アパーチャーレンズアレイの開口の配置を説明する図。(b)ビーム配置Aを説明する図。(c)ビーム配置Bを説明する図。(d)ビーム配置Cを説明する図。(e)ビーム配置Dを説明する図。 本発明の第１の実施例を説明するフローチャート。 (a)試し検査により得られた画像の一例。(b) 画像の明るさのヒストグラム表示。 本発明の第2の実施例を説明するフローチャート。 光学調整結果を表示する画面。

符号の説明

101―陰極、102―一次ビーム、102a―一次ビーム、102b―一次ビーム、102c―一次ビーム、102d―一次ビーム、102e―一次ビーム、102f―一次ビーム、102g―一次ビーム、102h―一次ビーム、102i―一次ビーム、103―電磁レンズ、104―陽極、105―陰極像、106―コンデンサーレンズ、107―アパーチャーアレイ、108―ビーム選択アパーチャー、109―ビーム選択ステージ、110―レンズアレイ、111―ウィーンフィルター、112a―対物レンズ、112b―対物レンズ、113―偏向器、114―接地電極、115―表面電界制御電極、116―試料、117―ステージ、118―リターディング電源、119―表面電界制御電源、120d―二次ビーム、120f―二次ビーム、121―二次ビーム軸調用アライナー、122―二次ビーム集束用レンズ、123d―検出器、123f―検出器、124d―増幅回路、124f―増幅回路、125―A/D変換機、126―システム制御部、126a―記憶装置126a、126b―演算部、126c―欠陥判定部、127―光学系制御回路、128―選択ステージ制御回路、129―走査信号発生回路、130―ステージ制御回路、131―画像表示装置、
401―正常に形成されたパターン、402―形成不良パターン、403―正常に形成されたパターンに相当するピーク、404―形成不良パターンに相当するピーク、405―閾値、
601―ビーム配置表示領域、602―検査速度表示領域、603―測定結果タブ、604―光学パラメータタブ。

Claims (10)

1. 同一の荷電粒子線源で発生した荷電粒子線を複数の一次ビームに分離して試料に照射し、発生する二次ビームを検出して得られる検出信号を処理することにより、当該試料の検査または計測を行う機能を備えた荷電粒子線応用装置において、
   前記複数の一次ビームを形成して前記試料上に走査する一次光学系と、
   該複数の一次ビーム照射により発生する二次ビームを各々分離して検出する二次光学系と、
   前記荷電粒子線応用装置の制御手段とを備え、
   該制御手段は、前記試料の特性に応じて前記複数の一次ビームの少なくとも一部を選択して前記試料上に走査させるよう前記一次光学系を動作させることを特徴とする荷電粒子線応用装置。
2. 請求項１に記載の荷電粒子線応用装置において、
   前記制御手段は、前記試料に到達させる一次ビームの本数と配置に対応した二次ビームの検出分解能と検査速度あるいは計測速度とを計算し、
   前記試料の検査または計測を行うために必要な検出分解能を満たす配置で、最も前記検査速度ないし計測速度が高くなる配置を選択することを特徴とする荷電粒子線装置。
3. 請求項１に記載の荷電粒子線応用装置において、
   前記一次光学系は、前記複数の一次ビームのうち任意のビームを前記試料上に到達させる手段を備えたことを特徴とする荷電粒子線応用装置。
4. 請求項１に記載の荷電粒子線応用装置において、
   前記検出信号から前記走査領域の画像情報を形成する画像処理手段を備えたことを特徴とする荷電粒子線応用装置。
5. 請求項１に記載の荷電粒子線応用装置において、
   前記試料を載置する試料台と、当該試料台を前記一次ビームの照射位置に対して任意の位置に移動する試料ステージとを有し、
   前記制御手段は、前記試料の特性を元に当該試料ステージの移動速度を決定することを特徴とする荷電粒子線応用装置。
6. 請求項１に記載の荷電粒子線応用装置において、
   前記一次光学系は、前記複数の一次ビームを試料上に集束させる第一のレンズと、前記試料台にリターディング電位を印加する手段と、該試料表面における電界強度を調整するための電極と、前記複数の一次ビームを前記試料上で走査する走査偏向器とを備え、
   前記制御手段は、前記第一のレンズの焦点距離、前記電極への印加電圧、前記試料に印加される電圧、前記走査偏向器の荷電粒子線に対する走査幅または当該偏向器の走査速度のいずれかを、前記試料の特性に応じて変更することを特徴とする荷電粒子線応用装置。
7. 請求項４に記載の荷電粒子線応用装置において、
   前記二次光学系は、前記一次ビーム照射により発生する二次ビームの検出器と、当該二次ビームを検出器に導くための二次光学系とを備え、
   前記制御手段は、当該検出器での信号検出のタイミングを決定するクロック信号の周波数または前記形成画像の画素サイズのいずれかを、前記試料の特性に応じて決定することを特徴とする荷電粒子線応用装置。
8. 請求項７に記載の荷電粒子線応用装置において、
   前記二次光学系は、第二のレンズまたはアライナーと、
   該第二のレンズまたはアライナの調整手段とを備え、
   前記抽出手段により抽出された荷電粒子線の照射により、前記試料から発生した二次荷電粒子線を前記検出系により個別に検出するために、前記第二のレンズまたは前記アライナーを調整する手段を有することを特徴とする荷電粒子線応用装置。
9. 請求項５から７のいずれか１項に記載の荷電粒子線応用装置において、
   前記試料の特性として、品種、工程、パターンを形成する膜の材質、パターンを形成する膜の厚さ、パターンの形状、パターンサイズのいずれかを用いることを特徴とする荷電粒子線応用装置。
10. 請求項１に記載の荷電粒子線応用装置において、
    前記試料上に到達した一次ビームのビーム径及びビーム電流量を測定する測定手段と、
    当該測定手段の測定結果を元に前記一次ビームの電流量を調整する手段とを備えたことを特徴とする荷電粒子線応用装置。

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