JP2019061915A - 荷電粒子線装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、１走査線内の既走査部に付着した帯電の未走査部に与える影響を抑制する荷電粒子線装置の提供を目的とする。【解決手段】上記目的を達成するために本発明では、第１の荷電粒子源から放出された第１の荷電粒子ビームを、試料上で走査する第１の走査偏向器を備えた第１の荷電粒子ビームカラムと、第２の荷電粒子源から放出された第２の荷電粒子ビームを、試料上で走査する第２の走査偏向器を備えた第２の荷電粒子ビームカラムとを備え、第１の荷電粒子ビームの照射点（１０２）に、第２の荷電粒子ビームの照射点（１０３）が追従するように、第１の荷電粒子ビームと第２の荷電粒子ビームを走査する荷電粒子線装置を提案する。【選択図】 図１

Description

本開示は、半導体デバイス等の試料の計測、或いは検査する荷電粒子線装置に係り、特に帯電の影響を抑制しつつ、計測や検査を行う荷電粒子線装置に関する。

走査電子顕微鏡等の荷電粒子線装置は、電子やイオン等の電荷を持つ粒子を試料に照射することによって得られる信号を検出する装置である。例えば、試料が絶縁膜で覆われていると、電荷が蓄積し、試料が帯電する。試料が帯電するとビームが偏向され、ビーム走査によって得られる画像の歪みや、画像のコントラストが低下するといった現象が発生する。

特許文献１には、観察用のビーム走査の振り戻し走査の際に、帯電除去用のビームを用いたビーム走査を行うことによって、観察用ビーム走査によって試料に付着する帯電を除去する荷電粒子線装置が開示されている。具体的には観察用ビームが試料を正帯電させるビームである場合、振り戻し走査のときには負帯電させるビームを用いた走査を行うことによって、帯電を相殺する手法が説明されている。

特開２００８−２６２８８２号公報

特許文献１に開示の手法によれば、観察用ビームの走査が終了した後、帯電除去用のビーム走査を行うため、その後は帯電の影響を抑制することができるが、１の走査線を走査している過程で付着した帯電が、同一走査線上を走査する観察用ビームに影響を与える点については何ら考慮されていない。即ち、同じ走査線軌道上の既走査部に付着した帯電が、未走査部を走査するビームに与える影響を抑制することができない。既走査部に付着した帯電によって、未走査部を走査するビームが偏向され、試料形状を正確に反映した画像を生成することができない場合がある。

以下に、１走査線内の既走査部に付着した帯電の未走査部に与える影響を抑制することを目的とする荷電粒子線装置を提案する。

上記目的を達成するための一態様として、荷電粒子源から放出される荷電粒子ビームの照射対象である試料が導入される試料室を備えた荷電粒子線装置であって、試料室には、第１の荷電粒子源から放出された第１の荷電粒子ビームを、試料上で走査する第１の走査偏向器を備えた第１の荷電粒子ビームカラムと、第２の荷電粒子源から放出された第２の荷電粒子ビームを、試料上で走査する第２の走査偏向器を備えた第２の荷電粒子ビームカラムが備えられ、第１の走査偏向器による前記第１の荷電粒子ビームの照射点に、第２の偏向器による第２の荷電粒子ビームの照射点が追従するように、第１の走査偏向器と前記第２の走査偏向器を制御する制御装置を備えた荷電粒子線装置を提案する。

また、上記目的を達成するための他の態様として、荷電粒子源から放出される荷電粒子ビームの照射対象である試料が導入される試料室を備えた荷電粒子線装置であって 試料室には、第１の荷電粒子源から放出された第１の荷電粒子ビームを、試料上で走査する第１の走査偏向器を備えた第１の荷電粒子ビームカラムと、第２の荷電粒子源から放出された第２の荷電粒子ビームを、第１の荷電粒子ビームによる走査領域に照射する第２の荷電粒子ビームカラムが備えられ、第１の荷電粒子ビームの走査領域に、第１の荷電粒子ビームを到達させながら走査しつつ、第２の荷電粒子ビームがミラー状態となるように、第１の荷電粒子ビームカラムと第２の荷電粒子ビームカラムを制御する制御装置を備えた荷電粒子線装置を提案する。

上記構成によれば、１走査線内の既走査部に付着した帯電の未走査部に与える影響を抑制することが可能となる。

像取得用のビーム走査に追従させて帯電除去用のビームを走査したときのビームの走査軌道を示す図。 像取得用走査及び帯電除去走査における走査信号のタイミングチャート。 電子ビームを照射するためのカラムを２つ有する走査電子顕微鏡の概要を示す図。 電子顕微鏡画像の取得工程を示すフローチャート。 観察領域を覆うように常に帯電除去走査を行うことを示す図

Ｓｉウェハ上に堆積されたＳｉＯ２膜などの絶縁膜を加工して作られた、コンタクトホールやｌｉｎｅ ＆ ｓｐａｃｅの寸法を計測する為に、走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＥＭ）が用いられている。ＳＥＭは試料への電子ビームの走査に基づいて得られる二次電子や後方散乱電子から画像を生成し、当該画像上のパターンの寸法等を計測する装置である。絶縁物に電子ビームを照射しているので、絶縁物が帯電し、ＳＥＭ像の歪や、コントラストが低下するなど、寸法計測に誤差を生じさせる。

以下に、ビーム走査時の走査線内でのリアルタイムな除電を行う走査電子顕微鏡について図面を用いて説明する。
以下に、主に、電子ビームを試料に照射するための第１の電子顕微鏡カラムと、当該第１の電子顕微鏡カラムと同じ位置に電子ビームを照射する第２の電子顕微鏡カラムを備えた走査電子顕微鏡であって、試料に負電圧を印加する負電圧印加電源と、前記第１と第２の電子顕微鏡カラムを制御する制御装置を備え、当該制御装置は、前記第１の電子顕微鏡カラムから放出される電子ビームと第１のランディング電圧で前記試料を走査するように制御すると共に、前記第２の電子顕微鏡カラムから放出される電子ビームをミラー状態とするような第２のランディング電圧で、前記第１のランディング電圧のビームに追従走査するように制御する走査型電子顕微鏡を説明する。

パターンの測定等を行うビームの走査に追従するように、除電用のビームを走査させることによって、走査線内での帯電の影響をリアルタイムに除去または抑制することが可能となる。このようなリアルタイム除電によれば、観察領域内のフォーカス条件を均一化しつつ、適正な除電処理を行うことがあるので、高画質画像を得ることが出来る。

電子ビーム走査による帯電を除去するためのリアルタイムなミラー除電走査に関して図１、図２を参照して説明する。図１のようにＳＥＭでは、観察対象領域１０１を1ラインごとに電子ビームで像取得用走査１０２を行い、二次電子及び後方散乱電子の少なくとも一方を取得する。

半導体デバイスの測定や検査を行う走査電子顕微鏡の中には、数十エレクトロンボルト（ｅＶ）から数キロエレクトロンボルト程度の比較的低加速のランディングエネルギーの電子ビームの走査に基づいて画像や信号波形を生成する装置がある。低加速の電子ビームでは、試料に入射する電子ビームに含まれる電子の量と試料から放出される電子の量の比率を示す二次電子放出効率δが１以上となり、試料から放出される電子が多くなることが多い。二次電子放出効率が１以上となる場合、帯電の無い状態と比較して試料に含まれる電子が不足することになるため、電子ビーム照射による帯電はプラスになる。そのため、観察用の電子ビームは、既に走査した同一走査線に発生したプラス帯電の影響を受けることになる。

即ち、電子ビームが自ら走査線軌道上に付着させた帯電によって偏向されることになる。特に同一走査線上に付着した帯電は照射して間もない帯電であり、十分な帯電緩和時間が経過していないことから、影響が顕著である。

そこで、本実施例ではランディング電圧がゼロ或いはその近傍である電子ビーム（試料に向かって照射されるものの試料に到達しないビーム）を、信号取得用の電子ビーム走査に追従させる。具体的には、画像形成或いは信号波形形成のための第１のビーム１０２に、ランディングエネルギーがゼロ或いはゼロ近傍の第２の電子ビーム１０３を、同一走査線軌道上で追従させる。また、好ましくは第１のビーム１０２と第２のビーム１０３の照射点間間隔を一定にしつつ、ビーム走査を行う。

このように、帯電を付着させるビーム（第１のビーム１０２）を尾行するように同一走査線上で帯電を除去するビーム（第２のビーム１０３）を走査させることによって、表面の帯電状態が電気的に中和され、前走査点での帯電の影響をリアルタイムで抑制することが可能となる。また、この除電方式では、観察用電子ビームに追従すればよく、走査方向は問わない。

図２は、第１のビーム１０２（像取得用走査に用いられるビーム）と、第２のビーム１０３（帯電除去用走査に用いられるビーム）の走査信号の一例を示す図である。図２に例示するように、第１のビームと同一の走査信号であって、所定時間（例えば１ピクセル間間隔、照射点を移動するのに要する時間）分、遅延させ、その照射点間間隔を維持させた走査信号によって第２のビームを走査する。即ち、帯電除去走査のＸ方向の走査信号及びＹ方向の走査信号を、像取得用走査の信号に対し任意の位相を遅らせることで、追従走査が可能となる。また、位相差を適切に選択することにより、ピクセル単位での除去方法に限らず、１ライン単位での除電やフレームごとの除電も可能である。

本実施例では、実施例１で説明したビーム走査を実現する走査電子顕微鏡について説明する。図３はカラムを二つ有する測長ＳＥＭを示したものである。測長ＳＥＭとは、試料上に形成されたパターンの寸法測定に特化した走査電子顕微鏡であり、本実施例では測長ＳＥＭを荷電粒子線装置の一例として説明する。

測長ＳＥＭは大きく分けて第１の電子顕微鏡カラム１０、試料室２０、試料準備室７０、第１のＳＥＭ制御部５０、測長システム制御部９０（制御装置）、真空排気システム部８０、ステージ制御部４０、第２の電子顕微鏡カラム１１０、第２のＳＥＭ制御部１５０で構成され、第１の電子顕微鏡カラム１０、第２の電子顕微鏡カラム１１０、試料室２０、試料準備室７０は真空排気システムにより真空排気されているものとする。試料準備室７０は予備排気室とも呼ばれ、試料交換時は大気開放され、大気開放時にはバルブ７１によって試料室２０と隔離される。第１の電子顕微鏡カラム１０と第２の電子顕微鏡カラム１１０は、両カラムのビーム光軸が試料室内の試料３上で交差するように、試料室２０に取り付けられている。

第１の電子顕微鏡カラム１０において、ＳＥＭ用電子銃電源５１から陰極１１と第一陰極（引き出し電極）に印加される電圧により、陰極１１から電子が引き出される。引き出された電子は、同じくＳＥＭ用電子銃電源５１から電圧が印加される第二陽極（加速電極）によって加速され、後段のレンズ系に進行する。なお、本実施例では、陰極１１、第一陽極、及び第二陽極からなる第１の電子源について説明するが、これに限られることはなく、例えば第一陽極と陰極１１との間にサプレッサ電極を設け、電子の拡がりを制限するようにしても良い。

第二陽極によって加速された一次電子線（電子ビーム）はレンズ制御部５２で制御されたコンデンサレンズ１２によって集束され、絞り１３を通過した後、と対物レンズ１６により試料表面上に微小スポットとして集束される。集束された一次電子線は、二段の偏向コイル１７（第１の走査偏向器）により、ウェハホルダ２１に支持された試料３上で二次元的に走査される。偏向コイル１７の走査信号は、図示しない入力装置により指定された観察倍率に応じて、測長システム制御部９０によりＳＥＭ制御部５０を介し、制御される。また測長システム制御部９０により電子ビームのＸＹ走査を制御する偏向制御部５３とリターディング電源４２を連動して制御することで、像取得用走査が可能となる。ステージ２２は試料上のビームの走査位置を移動させるために設けられており、少なくとも電子ビーム光軸をｚ方向と定義したときに、ｘ−ｙ方向で試料３を移動させることができる。ステージ２２は、ステージ駆動部４３、ステージコントローラ４４によって制御される。

一方、測長ＳＥＭでは、二次電子放出効率が１以上となるようにリターディング電源４２を制御することがある。よって試料を電子ビームで走査すると、試料はプラスに帯電する。帯電が発生した場合、試料はプラスにチャージアップし、ウェハ上のパターン形状を正確に反映していない二次電子像が形成されてしまう。

そこで、第２の電子源と第２の走査偏向器を備えた第２の電子顕微鏡カラム１１０を用いて、上記プラス帯電を除去するためのビーム走査を行う。具体的には図１に例示したように、除電用のビームを、帯電を付着させる信号取得用のビームに追従させるような走査を行う。その際、測長制御部９０によりリターディング電源４２と第２の電子銃電源１５２を連動させることで、第２のカラムから放出される１次電子線のランディング電圧を試料表面上でゼロとなり、ミラー状態となるように制御する。より具体的には、例えば、第１の電子顕微鏡カラム１０にて生成される電子ビームの試料３への到達エネルギーを５００ｅＶとするとき、第１の電子顕微鏡カラムの加速電極に印加する電圧を１．５ｋＶ、リターディング電圧を１．０ｋＶとする。そして、第２の電子銃電源１５２から第２の電子顕微鏡カラム１１０の加速電極に印加する電圧を１．０ｋＶとする。このような電圧設定により、信号取得用電子ビームの試料への到達エネルギーを５００ｅＶとしつつ、除電用の電子ビームをミラー電子とすることができる。

一方、第２の電子顕微鏡カラム１１０は、試料表面の法線方向に対し、傾斜して試料室に設置されているため、電子ビームはリターディング電圧印加によって試料３上に形成される減速電界の等電位面に対して、傾斜した方向から試料に向かって照射されることになる。更に、加速電圧より数ボルト程度、リターディング電圧を大きくした方が、より良くミラー電子を生成できる場合もある。よって、これらの条件を勘案して第２の電子顕微鏡カラム１１０の加速電圧を設定する。

電子銃１１１から引き出された１次電子ビームは、ランディング電圧がゼロであるため試料表面上でリターディング電圧によりミラー面に対し跳ね返される。その際、プラス帯電箇所のみミラー面の電位が変化することで、一次ビームの負電荷により試料表面のプラス帯電を電気的に中和することが可能となる。

第２の電子顕微鏡カラム１１０から放出された１次電子線は、第１のカラムと同様に、第２のコンデンサレンズ１１２によって集束され、第２の絞り１１３を通過した後、第２の対物レンズ１１６によって集束される。１次電子ビームの集束条件は、第二のレンズ制御部１５３によって制御される。集束ビームは、二段の偏向コイルにより走査される。ここで、測長制御部９０により、第一のカラムにおける偏向制御部５３と第二のカラムにおける偏向制御部１５１をと制御し、第二のカラムによる帯電除去走査を第１のカラムの像取得用走査に対し、位相を遅らせることで図１のような追従走査が可能となる。

また、像取得用走査により発生した２次電子とミラー電子を弁別するためには、エネルギーフィルタ１４を検出器１５の前に設置することで可能となる。より具体的には、試料から放出された２次電子は０〜５０ｅＶ程度の運動エネルギーを持つ電子であり、数ｅＶ〜数十ｅＶの信号量が多い。一方で、ミラー電子は試料表面上でほぼ０ｅＶの電子であるため、０〜数ｅＶのエネルギーを持つ電子の通過を制限するように、エネルギーフィルタへの印加電圧を設定すると良い。

実際の計測シーケンスについて図４を用いて説明する。まず観察領域（視野）を設定する。その後に、観察対象であるウェハ３に対する第一のカラムにおける像取得用条件を設定する。その後、像取得用条件により決定されるリターディング電圧と連動した帯電除去条件を第二のカラムにて設定する。その後、観察領域に移動した後に像取得走査と帯電除去走査を並列で行い、設定した計測領域全てを計測する。

第１のカラムのビーム走査に追従して第２のカラムのビーム走査を行っているため、観察用のビーム照射によって付着した帯電を、即座に除去することができる。また、第２のカラムに検出器を内蔵させることによって、第２のカラムで像観察を行うことも可能である。この場合、第１のカラムの加速電圧を、ミラー電子を生成する条件とすることによって、傾斜像生成時であっても帯電の影響をリアルタイムで抑制しつつ、ビーム走査を行うことが可能となる。

実施例１では、帯電除去用のビームを点として追従させたが、本実施例では面としてミラー電子を観察対象領域に照射するＳＥＭについて図５を参照して説明する。帯電除去ビーム照射領域における電子ビームの照射電流密度が試料表面の帯電量より十分に高い場合は、像取得用走査の視野を覆うように、帯電除去ビームを照射する。観察領域（即ち電子ビームの走査領域）が帯電除去ビームの照射領域に常に覆われている状態となるため、追従走査を必要とせず帯電除去を行うことが可能となる。このような帯電除去ビームの照射のために、第二のカラムのコンデンサレンズ１１２及び対物レンズ１１６を制御し、帯電除去ビームの照射領域の大きさを調整する。

なお、帯電量がある程度大きい場合は、局所的に集中して多くのミラー電子を発生させることができる実施例１、実施例２のような追従走査を行うことが望ましい。

３：ウェハ、１０：第一の電子顕微鏡カラム、11：第一の電子銃、１２：コンデンサレンズ、１３：絞り、１４：エネルギーフィルタ、１５：検出器、１６：第一のカラムの対物レンズ、１７：第一のカラムの偏向コイル、２０：試料室、２１：ウェハホルダ、２２：ステージ、３０：画像形成部、３１：ＡＤコンバータ、３２：光ファイバ、３３：画像処理部、３４：画像表示部、４０：ステージ制御部、４２：リターディング電圧制御部、４３：ステージ駆動部、４４：ステージコントローラ、５０：第一のＳＥＭ制御部、５１：ＳＥＭ用電子銃電源、５２：第一のレンズ制御部、５３：第一の偏向制御部、７０：試料準備室、７１：バルブ、８０：真空排気システム部、９０：測長システム制御部、１０１：観察領域、１０２：像取得用走査、１０３：帯電除去用走査、１１０：第二の電子顕微鏡カラム、１１１：第二の電子銃、１１２：第二のコンデンサレンズ、１１３：第二の絞り、１１６：第二の対物レンズ、１１７：第二の偏向コイル、１５０：第二のＳＥＭ制御部、１５１：第二の偏向制御部、１５２：第二のＳＥＭ用電子銃制御部、１５３：第二のレンズ制御部

Claims (9)

1. 荷電粒子源から放出される荷電粒子ビームの照射対象である試料が導入される試料室を備えた荷電粒子線装置において、
   当該試料室には、第１の荷電粒子源から放出された第１の荷電粒子ビームを、前記試料上で走査する第１の走査偏向器を備えた第１の荷電粒子ビームカラムと、第２の荷電粒子源から放出された第２の荷電粒子ビームを、前記試料上で走査する第２の走査偏向器を備えた第２の荷電粒子ビームカラムが備えられ、
   前記第１の走査偏向器による前記第１の荷電粒子ビームの照射点に、前記第２の偏向器による前記第２の荷電粒子ビームの照射点が追従するように、前記第１の走査偏向器と前記第２の走査偏向器を制御する制御装置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、
   前記制御装置は、前記第１の荷電粒子ビームが１の走査線軌道上を走査しているときに、前記第２の荷電粒子ビームが同じ走査線軌道上を走査するように、前記第１の走査偏向器と第２の走査偏向器を制御す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、
   前記制御装置は、１の走査線軌道上にて、前記第１の荷電粒子ビームの照射点と前記第２の荷電粒子ビームの照射点との間隔が所定の間隔に維持されるように、前記第１の走査偏向器と前記第２の走査偏向器を制御することを特徴とする荷電粒子線装置。
4. 請求項１において、
   前記試料、或いは当該試料を支持するステージに負電圧を印加する負電圧印加電源と、前記第１の荷電粒子ビームを加速する第１の加速電極に電圧を印加する第１の加速電圧電源と、前記第２の荷電粒子ビームを加速する第２の加速電極に電圧を印加する第２の加速電圧電源を備え、前記制御装置は、前記第１の荷電粒子ビームは試料に到達し、前記第２の荷電粒子ビームは試料に到達しないように、前記負電圧、第１の加速電圧、及び第２の加速電圧を印加することを特徴とする荷電粒子線装置。
5. 請求項１において、
   前記試料、或いは当該試料を支持するステージに負電圧を印加する負電圧印加電源と、前記第１の荷電粒子ビームを加速する第１の加速電極に電圧を印加する第１の加速電圧電源と、前記第２の荷電粒子ビームを加速する第２の加速電極に電圧を印加する第２の加速電圧電源を備え、前記制御装置は、前記第１の荷電粒子ビームは試料に到達し、前記第２の荷電粒子ビームは試料に到達しないように、前記負電圧、第１の加速電圧、及び第２の加速電圧を印加することを特徴とする荷電粒子線装置。
6. 請求項１において、
   前記制御装置は、前記第１の荷電粒子ビームが前記試料に到達し、前記第２の荷電粒子ビームがミラー状態となるように、前記第１の荷電粒子ビームカラムと前記第２の荷電粒子ビームカラムを制御することを特徴とする荷電粒子線装置。
7. 荷電粒子源から放出される荷電粒子ビームの照射対象である試料が導入される試料室を備えた荷電粒子線装置において、
   当該試料室には、第１の荷電粒子源から放出された第１の荷電粒子ビームを、前記試料上で走査する第１の走査偏向器を備えた第１の荷電粒子ビームカラムと、第２の荷電粒子源から放出された第２の荷電粒子ビームを、前記第１の荷電粒子ビームによる走査領域に照射する第２の荷電粒子ビームカラムが備えられ、
   前記第１の荷電粒子ビームの走査領域に、前記第１の荷電粒子ビームを到達させながら走査しつつ、前記第２の荷電粒子ビームがミラー状態となるように、前記第１の荷電粒子ビームカラムと前記第２の荷電粒子ビームカラムを制御する制御装置を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
8. 請求項７において、
   前記試料、或いは当該試料を支持するステージに負電圧を印加する負電圧印加電源と、前記第１の荷電粒子ビームを加速する第１の加速電極に電圧を印加する第１の加速電圧電源と、前記第２の荷電粒子ビームを加速する第２の加速電極に電圧を印加する第２の加速電圧電源を備え、前記制御装置は、前記第１の荷電粒子ビームは試料に到達し、前記第２の荷電粒子ビームは試料に到達しないように、前記負電圧、第１の加速電圧、及び第２の加速電圧を印加することを特徴とする荷電粒子線装置。
9. 請求項７において、
   前記第２の荷電粒子ビームを集束するレンズを備え、前記制御装置は、前記第１の荷電粒子ビームの走査領域を含む領域に前記第２の荷電粒子ビームを照射するように、前記レンズを制御することを特徴とする荷電粒子線装置。

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