JP2010015732A - 荷電粒子線装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
装置コストの上昇、及びスループットの低下を抑えつつ、温度変化による試料座標の情報を精度良く補正し、高い観察倍率で長時間検査が可能な荷電粒子線装置を提供する。
【解決手段】
試料座標系の座標値が既知であるアライメントパターンから発生する二次信号に基づいて試料の座標系とステージの座標系との間の位置ずれ量を算出し、座標補正データを生成するとともに、アライメントパターンから発生する二次信号を少なくとも１回検出し、座標補正データを更新する再アライメントを実行する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子顕微鏡，半導体ウェハの検査装置，イオンビーム観察装置等の荷電粒子線装置に関する。

近年、半導体製品の集積度は益々向上し、その回路パターンの更なる高精細化が要求されてきている。半導体ウェハに代表される回路パターンが形成される試料において、品質管理、歩留まり向上を目的に様々な検査手段が用いられている。例えば、荷電粒子線を照射して試料から得られる二次信号から回路パターンの寸法精度を測定したり、荷電粒子線を照射して試料から得られる二次信号から画像を生成し、回路パターンの欠陥、或いは付着異物を評価する走査型電子顕微鏡などが知られている。

回路パターンの線幅ルールとして、例えば３５ｎｍノードのデザインルールに対応させるためには、３０万倍以上の観察倍率が適用される場合がある。この時の観察視野範囲は一辺が０.５μｍ以下である。したがって、観察対象となる回路パターン或いは欠陥を、画面の中央付近に表示させるには、観察範囲の４分の１以下、例えば０.１μｍの精度で試料座標を認識する必要がある。また、ウェハ内に形成される全チップ内の特定のパターンについて、製造上欠陥が発生しやすい、或いは寸法管理する必要があるなどの理由から、定点観察が必要となるケースもある。

現状、ウェハサイズは直径３００mmが主流であるため、ウェハを載せる装置のステージはかなりの大型になる。同時に、スループット向上の観点から、ステージの高速化のための高出力駆動機構が必要となっている。しかし、高出力駆動機構のモータや駆動軸の発熱による温度上昇が発生し、発生した熱は部品と介して、試料、或いは試料周辺の温度変化を引き起こし、荷電粒子線を照射する座標が目標からずれるという問題を生じさせる。また、ウェハとステージとの間に温度差がある場合、時間と共に試料は膨張、或いは伸縮することで、上記のような問題に繋がる。更には、照射される荷電粒子線そのものも、ある程度熱エネルギーに変換され、温度変化が生じてしまう。これらの現象に対して、観察対象となる座標を観察範囲に納める為には、観察範囲を大きくすれば容易になるが、小さい観察対象の発見が困難になってスループットが低下するという問題も発生する。更に、直径４５０mmにウェハが大径化すると、温度変化による試料の座標ずれは、大きな問題となることが予想される。

従来、これらの熱膨張収縮による試料、或いは試料周辺の熱膨張を低減させる為の手法として、その温度を測定するとともに、ヒータのような熱源により温度を一定に保つように制御する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、予め試料に照射する荷電粒子線のエネルギーに基づく温度変化による試料の挙動をシミュレーション、或いは実験により求めて、座標ずれの補正を行う方法も知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０００−２６０６８３号公報 特開２００４−１２８１９６号公報

上述の特許文献１に記載された構成では、ウェハ等の試料、或いは試料周辺の温度を測定し、一定温度に制御するために高精度な温度センサと、ヒータ等の熱源、及びこれらを制御する為の制御部が必要であり、装置コストの増加は避けられない。また、制御対象となる試料、或いは部品の熱容量が大きい場合には、温度の時定数が大きく、一定にするための時間が長くかかってしまう。更に、熱源を複数設けることができない場合には、局所的な温度制御ができないため、結局試料の熱膨張にむらが生じ、試料座標が歪んでしまう可能性がある。

一方、温度変化による試料の座標を予測する方法については、装置が異なると条件が異なって精度の良い予測が困難であり、装置毎に基準となるデータを予め作成する場合には、手間がかかるという問題がある。

本発明は、装置コストの上昇、及びスループットの低下を抑えつつ、温度変化或いは振動による試料座標のずれを精度良く補正し、高い観察倍率で長時間検査が可能な荷電粒子線装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の実施態様は、ステージに設置された試料に荷電粒子線を照射して発生する二次信号を検出し、試料の像を表示装置へ表示する荷電粒子線装置において、試料の座標系における座標値が既知である試料上のアライメントパターンから発生する二次信号に基づいて、試料の座標系とステージの座標系との間の位置ずれ量を算出し、座標補正データを生成するとともに、アライメントパターンから発生する二次信号を少なくとも１回検出し、座標補正データを更新する再アライメントを実行する制御部とを備えたものである。

本発明によれば、装置コストの上昇、及びスループットの低下を抑えつつ、温度変化による試料座標のずれを低減でき、高い観察倍率で長時間の検査が可能な荷電粒子線装置を提供することができる。

本発明を適用した荷電粒子線装置として、例えば走査電子顕微鏡を例とした第１の実施例について、図１ないし図５を参照して説明する。

図１は、走査電子顕微鏡の概略構成を示す縦断面図である。走査電子顕微鏡の主要な構成は、電子線１２を発生させ試料１０へ照射する電子レンズ群から構成される電子光学系を収納し、真空に保つカラム１と、試料１０の所望の位置に電子線１２を照射するために、２次元方向に移動可能なステージ２１と、試料１０を載せたステージ２１を真空に保つための試料室２である。試料室２は、床振動を除振するマウント４を介して架台６でクリーンルーム等の床に設置される。試料室２は、真空ポンプ５により真空排気され、カラム１内も図示しない真空ポンプにより高真空度に保たれている。

試料室２には、試料１０を搬送する搬送ロボット３１が設置されたロードロック３が取付けられている。ロードロック３には、試料室２との隔離を行う真空側ゲートバルブ３２と、大気との隔離を行う大気側ゲートバルブ３３とが取付けられている。試料１０を試料室２へ搬送するときは、大気側ゲートバルブ３３を開け、搬送ロボット３１によって大気側から試料１０をロードロック３内に搬送する。次に大気側ゲートバルブ３３を閉め、ロードロック３内を図示しない真空ポンプにより真空排気する。真空度が試料室２内と同程度になったら、真空側ゲートバルブ３２を開け、搬送ロボット３１により試料１０を試料室２に設けられたステージ２１の上に搬送する。試料１０は、ステージ２１に取付けられている静電チャック２４により静電吸着されて保持される。搬送ロボット３１のアームが試料室２の内部まで伸びることにより、試料１０をステージ２１へ載せることができる。試料１０を装置の外へ搬送する場合は、逆の流れを辿る。

ステージ２１には棒状のバーミラー２２が取付けられており、試料室２に取付けられている干渉計２３との間の相対的な距離変化をレーザ測長することで、ステージ２１上の試料位置を管理することができる。干渉計２３で測定したデータが位置制御部７１へ送られ、ステージ２１の位置情報が生成され、ステージ２１を駆動するステージ制御部７２に送られる。ステージ制御部７２では、現在の位置と撮像する目標位置との偏差が無くなるようにフィードバック制御を行っている。フィードバック制御には、単純な位置フィードバックのみで行う制御や、ステージの速度情報とステージの位置偏差の積分情報を加えて応答速度と位置決め精度を向上させるＰＩＤ制御などを用いることができる。

試料１０の観察の目的や、欠陥や付着異物の抽出，検査の目的で、試料１０の目標位置には、カラム１内の電子銃１１により発生された電子線１２が照射され、試料１０で発生する二次電子や反射電子を検出し、画像化される。電子線１２は、収束作用を有する電子レンズ１３，電子レンズ１６によって細く絞られ、フォーカスを試料１０に合わせて照射される。細く絞られた電子線１２で試料１０の画像を生成するために、電子線１２は偏向器１４のうちの走査偏向器１４Ｂによって試料１０の表面を走査するように照射する。試料１０からは、電子線１２の照射によって二次電子や反射電子等の二次信号が発生し、検出器１５によって検出される。

走査偏向器１４Ｂは、偏向制御部１７で制御される。偏向制御部１７，電子レンズ１３，電子レンズ１６はカラム制御部７０により制御される。検出器１５で検出された二次信号のデータと走査偏向器１４Ｂの制御情報とは、画像制御部７３に伝達される。ここで偏向器の制御情報と得られた検出器からの情報を基に画像が生成されて、ディスプレイ７４に画像として映し出される。

試料室２の上方には試料１０の高さ検出を行うＺセンサ２５が取付けられており、試料１０の高さをモニタリングする。Ｚセンサ２５で得られた信号は、位置制御部７１で位置データに変換された後、カラム制御部７０に送信される。カラム制御部７０では、電子レンズ１３や電子レンズ１６の電子光学条件を変更し、試料１０の高さが変化しても電子線１２のフォーカスがずれないように処理される。

干渉計２３で測定したステージの位置情報は、カラム１の制御を行うカラム制御部７０へ送られ、電子線１２の偏向制御信号が補正される。偏向器１４は、電子線の偏向中心を試料位置に位置決めする位置偏向器１４Ａと、撮像するために荷電粒子線を高速で目的視野内で走査する走査偏向器１４Ｂとに分かれており、これらの偏向器は偏向制御部１７によって各々制御される。例えば、ステージの現在位置が目標座標より偏向範囲内でずれていた場合、その偏差を位置制御部７１からカラム制御部７０に伝達し、偏差が無い状態の偏向指令値に偏差分を補正量として加える。

図２は、ウェハ座標系とステージ座標系の関係を示す模式図である。ステージ座標系は装置固有の座標系であり、図２の例では、ステージ座標系の座標軸Ｘ８０，座標軸Ｙ８１は、ステージの原点Ｏを基準としている。ステージ座標系は、ウェハの位置や形状によらず常に一定である。一方、ウェハ座標系は形成されたパターンの位置によって決定される。ウェハ座標系の座標軸ｘ８２，座標軸ｙ８３は、ステージの原点ｏを基準としている。ウェハの座標系はウェハ毎に異なっており、パターンの形成されている精度により決定される。また、ウェハ座標系とステージ座標系の関係は、ステージに対するウェハの搭載精度により異なる。ウェハ１００上のひとつの点のウェハ座標系の座標値を、（ｘ１，ｙ１）と定義すると、以下のような、原点同士の位置関係，座標軸同士の角度関係に表すことができる。

Ｘ１＝ｍ（cosβ＋sinβtanα）・ｘ１−（ｎsinβ／cosα）ｙ１＋ａ
Ｙ１＝ｍ（sinβ＋cosβtanα）・ｘ１＋（ｎcosβ／cosα）ｙ１＋ｂ
ここで、
Ｘ１，Ｙ１：ステージ座標系の座標値
ｘ１，ｙ１：ウェハ座標系の座標値
ａ，ｂ：ステージ座標系とウェハ座標系の原点シフト量（Ｘ方向，Ｙ方向）
ｍ：ウェハ座標系のｘ方向スケール補正値
ｎ：ウェハ座標系のｙ方向スケール補正値
α：ウェハ座標系の直交誤差
β：ウェハ座標系とステージ座標系の角度誤差

このように、ウェハ搭載毎に２つの座標系の関係が変わり、さらに、ウェハ座標系自体がウェハ毎に異なるため、ウェハの検査においては、ウェハの画像を取得する前にアライメント動作を行う必要がある。アライメント動作は、ウェハ１００に形成された複数のアライメントパターン１０１を用いて行われる。

図３は、走査電子顕微鏡の従来のアライメントの手順を示すフローチャートである。はじめに、試料１０であるウェハをステージに搭載し（ステップ３０１）、低倍率の広範囲の視野で、ウェハの複数のアライメントパターンを撮像する（ステップ３０２）。アライメントパターンは、予め、形状，ウェハ座標系での座標が登録済みである。そして、目標位置の観察パターンを撮像した画像を用いて、ステージ座標系での観察パターンの座標を収集する（ステップ３０３）。得られた情報に基づいて、ステージ座標系に対するウェハ座標系での座標を算出する（ステップ３０４）。この算出される座標は、たとえば、原点同士の距離である原点オフセットと、各座標軸の回転角度とで表される。

観察した複数の観察パターンの座標について、互いの距離を算出し、設計値と比較することで、ステージ座標系を基準としたウェハの伸縮状態を補正値として算出する（ステップ３０５）。この値は、測長器の精度の理由で、ステージ座標系の距離が絶対的に正しいのではなく、あくまで相対的なスケール値であるので、スケール補正値とよぶ。ステージ座標系に対するウェハ座標系の位置、及びスケール補正値から、ウェハ座標系をステージ座標系に変換する座標補正データを算出する（ステップ３０６）。なお、ステージ座標系をウェハ座標系に変換する座標補正データを算出しても、意味は同様である。

以上の手順により、ステージ座標系に対するウェハ座標系基準の観察対象となる座標が、ステージ座標系へと変換され、所望の検査が可能となる。通常、アライメントパターンは、ウェハの座標系を精度良くステージ座標系に変換させる為に、少なくとも２個以上必要である。本実施例では、図２に示すように、アライメントパターン１０１が４個設けられ、ウェハ座標系のＸ座標軸，Ｙ座標軸の角度差，スケール補正値が測定できるよう、四方に配置されている。

図４は、観察範囲９１における観察対象９０の撮像画面図である。検査中にウェハ、或いはウェハ周辺に温度変化が生じた場合、ウェハが伸縮し、ステージの測長基準とウェハの位置との関係が変化する。図４に示す例では、ｘ方向にΔｘ，ｙ方向にΔｙの位置ずれが発生している。これにより、観察対象であるパターン或いは欠陥は、観察範囲の中心から離れた位置にシフトしてしまい、極端に温度変化が大きい場合は、観察範囲から外れてしまう。

図５は、図４と同じく、観察範囲９１における観察対象９０の撮像画面図である。従来は、図５（ａ）に示すように、検査装置から送信された観察対象９０の座標を観察視野の中心にして低倍率で撮像し、図５（ｂ）に示す基準となる参照画像，参照パターンと比較して観察対象９０の位置ずれを求め、この位置ずれを補正量として観察対象９０が観察視野の中心になるようにして、図５（ｃ）に示す高倍率の撮像を行う。この手順では、低倍率の参照画像の準備，低倍率での観察対象９０の撮像，参照画像との比較，位置ずれの演算，低倍率から高倍率への電子レンズ条件の変更と整定待ちという時間が必要である。

これに対して、本発明の実施例では、低倍率での撮像を行わず、アライメント動作を実施して位置ずれを補正することで高倍率での撮像を行い、さらに高倍率の参照画像や参照パターン、または設計データとのパターンマッチングにより位置ずれの補正を行って再アライメントを行い、これを繰り返すようにしている。これにより、ウェハ周辺の温度変化による位置ずれの補正の精度を低下させることなく、高倍率観察が可能となり、上述の低倍率撮像にともなう時間が一切不必要となって、スループットの大幅な向上をはかることができる。

再アライメント動作は、高倍率観察を始めて、ある一定の時間が経過した時に、アライメント動作を実行する方法が考えられる。再アライメントにより、座標補正データが更新され、再び観察を行うようにすると、座標の位置ずれがリセットされ、座標精度が向上した試料観察が可能となる。更新周期については、例えば１０分毎に実行のように、一定の観察時間毎に実行する方法、例えば１００回の観察毎に実行のように、一定の観察回数毎に実行する方法、予め設定したウェハの領域毎に実行する方法、予め設定したステージ移動距離毎に実行する方法が考えられる。

図６は、ウェハの平面図であり、ダイに対する観察の順序を模式的に矢印で表している。再アライメントのタイミングとして、時間ではなく、ウェハを複数の領域に分け、領域毎の観察が終了する毎に再アライメントを実行する方法も考えられる。例えば、図６に示すように、試料１０であるウェハを複数の領域Ａ，Ｂ，Ｃに分け、領域Ａの観察が終了し次の領域Ｂに移行するときと、領域Ｂから領域Ｃに移行するときに、アライメントを実行する方法がある。図中の矢印１０５は、観察順序を示している。

図７は、ステージ移動量の時間変化を表すタイムチャートである。ステージの駆動部からの発熱量が大きい場合には、一定距離毎のステージ移動終了後に、アライメントを実行する方法が適している。観察開始からのステージ移動量をモニタし、ある閾値Δｘを超えた時刻ｔに、アライメント動作を実行する。ステージ移動量の閾値Δｘは、ユーザが画面で入力して、任意に設定が可能である。

走査型電子顕微鏡が、設計データと観察パターンとの位置ずれを算出するパターンマッチングの機能を持っている場合、その機能を利用して、ひとつの観察毎に位置ずれを補正し、再アライメントを実行してもよい。この方式は、ひとつの観察毎にパターンマッチングによりずれ量をモニタするため、アライメント動作が正確に実行できるという利点がある。

また、位置ずれ量が予め設定された閾値を超えた場合に、再アライメントを実行し、座標補正データを更新する方法も考えられる。位置ずれ量の閾値は任意に設定してもよいが、図４に示すように、図中のｆｘとｆｙで表される観察範囲、または観察倍率に応じて自動的に設定するようにしてもよい。例えば、観察範囲の１／４のずれ量があったら、アライメントを実行するように設定しておく。

アライメント直後に撮像した画像は、比較的座標精度が良いが、観察を進めて時間が経過すると、前述した温度変化により、徐々に座標ずれが発生する。高倍率画像によるパターンマッチングを実施しながら、画像を取得していくことで、各々の座標でのずれ量を把握でき、補正を行うことができる。ずれ量は、座標の補正データに加味され、逐次補正データを更新しながら観察を繰り返す。

図８は、ウェハ上の観察対象とステージ座標系の関係を示す模式図であり、図中に示すウェハ形状は各々、参照パターンのウェハ座標系の概念形状１０３と、観察パターンのウェハ座標系の概念形状１０２を示している。図８には、ステージ座標軸Ｘ８０とステージ座標軸Ｙ８１に対して、ＣＡＤデータ等の設計データから生成される参照パターンのウェハ座標系を示す領域１０２と、実際に撮像された観察パターンのウェハ座標系を示す領域１０３が示されている。尚、参照パターン９６，９８は、ＣＡＤデータ等の設計データから生成されるため像取得する必要なく、既知の座標（ｘ１，ｙ１）（ｘ２，ｙ２）となる。一方、実際に撮像されて得られた観察パターン９５，９７の座標は（ｘ１′，ｙ１′）（ｘ２′，ｙ２′）で示される。更に、過去のウェハ中心１１１は、現在のウェハ中心１１０に変化している。

過去の観察パターン９７と過去の参照パターン９８のずれ量と、現在撮像した観察パターン９５と参照パターン９７のずれ量により、過去と現在のウェハ座標系の変化量が算出できる。具体的には、参照パターン９８のずれ量は、例えば、ある測定回数前の観察座標、或いは一定距離離れた座標、或いは一定時間前に観察した座標のずれ量である。以上により、ウェハ座標系の回転角θ，スケール補正値α、及びシフト量ΔＸ／ΔＹがそれぞれ計算できる。尚、今回は２点の観察パターンによる計算例について説明する。

まず、ウェハの回転変化については

θ＝tan^-1｛（ｙ２′−ｙ１′）／（ｘ２′−ｘ１′）｝
−tan^-1｛（ｙ２−ｙ１）／（ｘ２−ｘ１）｝

として表現できる。

また、ウェハのスケール変化については

α＝｛(ｘ２′−ｘ１′)²＋(ｙ２′−ｙ１′)²｝／｛(ｘ２−ｘ１)²
＋(ｙ２−ｙ１)²｝

として表現できる。

一方、ウェハ中心のシフト量についてはＸＹ平面内のスケール変化が一様であったと仮定する。これにより参照パターンのウェハ中心の座標と、２つの参照パターン９６，９８の座標関係と、観察パターンのウェハ中心の座標と、２つの観察パターン９５，９７の座標関係とが相似の関係となるため、スケール補正値αと回転角θを考慮することで、シフト量ΔＸ／ΔＹの計算が可能となる。

上記パラメータを基に、座標補正データを再度設定することができ、次の観察パターンと参照パターンの座標ずれを低減することが可能となる。座標補正データの更新を逐次実施することで、ウェハの観察始めから終わりまで、アライメント動作によるスループット低下を回避しつつ、座標精度の良い観察が実現できる。

また、より安定した座標の補正方法としは、上記のような１回の計算データだけではなく、過去数点の計算データを平均して、ウェハ中心のシフト量，回転角，スケール補正値等の各種パラメータを更新した方が、信頼性の高い座標補正データになる。

以上述べてきたように本発明によれば、装置コストの上昇、及びスループットの低下を抑えつつ、温度変化による試料座標のずれを低減することで、高い観察倍率で長時間の検査が可能な装置を提供できる。更に副次的な効果として、ステージ移動等の振動によりウェハが計測基準に対して位置ずれした場合ついても効果がある。従来のようにウェハ温度を一定する方法や、シミュレーションにより予測する従来の方法では、突発的なずれについては対応できないが、本発明では補正データを更新することで対応可能となる。

走査電子顕微鏡の概略構成を示す縦断面図。 ウェハ座標系とステージ座標系の関係を示す模式図。 走査電子顕微鏡のアライメントの手順を示すフローチャート。 観察範囲９１における観察対象９０の撮像画面図。 観察範囲９１における観察対象９０の撮像画面図。 ウェハの平面図。 ステージ移動量の時間変化を表すタイムチャート。 ウェハ上の観察対象とステージ座標系の関係を示す模式図。

符号の説明

１ カラム
２ 試料室
３ ロードロック
４ マウント
５ 真空ポンプ
６ 架台
１０ 試料
１１ 電子銃
１２ 電子線
１３ 電子レンズ
１４ 偏向器
１４Ａ 位置偏向器
１４Ｂ 走査偏向器
１５ 検出器
１６ 電子レンズ
１７ 偏向制御部
２１ ステージ
２２ バーミラー
２３ 干渉計
２４ 静電チャック
２５ Ｚセンサ
３１ 搬送ロボット
３２ 真空側ゲートバルブ
３３ 大気側ゲートバルブ
７０ カラム制御部
７１ 位置制御部
７２ ステージ制御部
７３ 画像制御部
７４ ディスプレイ
８０ ステージ座標軸Ｘ
８１ ステージ座標軸Ｙ
８２ ウェハ座標軸ｘ
８３ ウェハ座標軸ｙ
９０ 観察対象
９１ 観察範囲
１００ ウェハ
１０１ アライメントパターン

Claims (5)

1. ステージに設置された試料に荷電粒子線を照射して発生する二次信号を検出し、前記試料の像を表示装置へ表示する荷電粒子線装置において、
   前記試料の座標系における座標値が既知である前記試料上のアライメントパターンから発生する二次信号に基づいて、前記試料の座標系と前記ステージの座標系との間の位置ずれ量を算出し、座標補正データを生成するとともに、前記アライメントパターンから発生する二次信号を少なくとも１回検出し、前記座標補正データを更新する再アライメントを実行する制御部とを備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
2. 請求項１において、前記再アライメントの実行は、設定時間毎、設定観察回数毎、設定した試料領域毎、設定したステージ移動距離毎のいずれかであることを特徴とする荷電粒子線装置。
3. 請求項１において、前記制御部は、前記試料の座標系の座標値が既知である参照パターンと、該参照パターンと比較すべき観察パターンとの間の位置ずれ量を算出し、該位置ずれ量が予め定められた閾値を超えた場合に、前記再アライメントを実行し、前記座標補正データを更新することを特徴とする荷電粒子線装置。
4. 請求項３において、前記閾値は、観察範囲、または観察倍率に応じて自動的に設定されることを特徴とする荷電粒子線装置。
5. 請求項３において、前記位置ずれ量が予め定められた閾値を超えた場合に、少なくとも２個所の座標の位置ずれ量から、前記座標補正データを算出し、更新することを特徴とする荷電粒子線装置。

Images