JP2023521988A - ３ｄデバイスの検査およびレビューのための電子ビームシステム - Google Patents

Abstract

３Ｄデバイスのウェハ検査およびレビューのための電子ビームシステムが、最大２０ミクロンの焦点深度を提供する。数百から数千電子ボルトの低い着陸エネルギーでウェハ表面またはサブミクロン台前半の表面欠陥を検査およびレビューするために、３つの磁界偏向器を備えたウィーンフィルタ不使用のビーム分離光学系を、エネルギーを増強する上部ウェーネルト電極と共に使用することができ、それによって対物レンズの球面収差係数と色収差係数が低減される。

Description

本開示は、電子ビームシステムに関する。

関連出願の相互参照
本願は、２０２０年４月１５日に出願され、米国出願番号６３／０１０，０９７が付与された仮特許出願に対する優先権を主張し、その開示を参照によりここに援用する。

半導体製造業界の発展により、歩留まり管理、とりわけ計測および検査のシステムに課せられる要求が大きくなっている。パターンの線幅（ＣＤ、Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）の微細化が進む中、歩留まりが高く高価値の製造を達成するため、時間についても短縮することが求められる。歩留まり上の問題を検出してからそれを修正するまでの総所要時間を最小限にすることが、半導体メーカの投資利益率を左右する。

ロジックデバイスやメモリデバイスなどの半導体デバイスの製造は、その半導体デバイスの様々な機能や複数の階層を形成するために、典型的には、１枚の半導体ウェハを多数の製造プロセスで処理することを含んでいる。例えば、リソグラフィとは、レチクルから、半導体ウェハ上に配置されたフォトレジストへの、パターンの転写に関わる一半導体製造プロセスである。半導体製造プロセスの例には他にも、化学機械研磨（ＣＭＰ）、エッチング、成膜、およびイオン注入が含まれるが、これらに限定されない。単一の半導体ウェハ上に製造された複数の半導体デバイスの配列は、個々の半導体デバイスに切り離され得る。

製造プロセスの歩留まりを高め、利益を高めるために、半導体製造の様々な段階で検査プロセスが使用されて、ウェハ上の欠陥を検出する。検査は、集積回路（ＩＣ）などの半導体デバイスの製造において常に重要な役割を果たしてきた。しかしながら、半導体デバイスの寸法が縮小するにつれて、より小さな欠陥がデバイス不良の原因となり得ることから、適格の半導体デバイスを順調に製造するために、検査がいっそう重要になる。例えば、半導体デバイスの寸法が縮小するにつれて、比較的小さい欠陥でさえも半導体デバイスに望ましくない逸脱を引き起こし得るため、さらに微小な欠陥の検出が必要になっている。

しかしながら、デザインルールが縮小するにつれて、半導体製造プロセスはその性能の限界にいっそう近づいて稼働している可能性がある。それに加えて、デザインルールが縮小するにつれて、より小さい欠陥がデバイスの電気的パラメータに影響する可能性があり、それによって検査がさらに繊細になっていく。デザインルールが縮小するにつれて、潜在的に歩留まりに関連する欠陥の、検査で検出される数が劇的に増加し、検査で検出される有害な欠陥の数もまた、劇的に増加する。したがって、ウェハ上でより多くの欠陥が検出され得る。全ての欠陥をなくすようにプロセスを修正することは、困難でありコストがかかり得る。デバイスの電気的パラメータおよび歩留まりに実際に影響を与える欠陥を判定すれば、プロセス制御方法ではそれらの欠陥に集中し、それ以外の欠陥をほぼ無視することができる。さらに、いっそう小さなデザインルールでは、プロセス起因の不良が時として、システマチックなものになる傾向がある。つまり、このプロセス起因の不良は、所定の設計パターンのところで発生する傾向がある。こういった設計パターンは、１つの設計内に数多く含まれる繰り返しパターンであることが多い。空間的にシステマチックな、電気関連の欠陥をなくすことは、歩留まりに影響し得る。

集積回路の製造に使用するシリコンウェハなどの部材の微細構造を作成または検査するには、一般に、集束電子ビームシステムが使用される。この電子ビームは、電子銃のエミッタから放出された電子で形成され、微細構造の検査のためウェハと相互作用する際に、微細なプローブとして機能する。

ナノ加工の２Ｄ平面プロセスは、半導体チップの発展に対応しようと試みるも、ＩＣ集積密度の高まりに伴う物理的な影響に起因したボトルネックに直面している。この２Ｄプロセスの欠点に対処するために、チップ加工の３Ｄ立体プロセスが開発された。３Ｄナノ加工プロセスの開発で重要なものが、３Ｄ ＮＡＮＤフラッシュメモリの設計と製造である。図１は、３Ｄ ＮＡＮＤフラッシュメモリの概略図を示す。図２は、図１の断面図であり、３Ｄ ＮＡＮＤフラッシュメモリデバイス内の積層されたビットとメモリホールをモデル化したものである。３Ｄ ＮＡＮＤフラッシュデバイスは、基板上に形成された多数の積層された薄膜（例えば、ＳｉおよびＳｉＯ_２薄膜）と、メモリホール（またはチャネルホール）とを含む。Ｓｉ薄膜はＳｉＯ_２薄膜と共にＮＡＮＤデバイスの１層を形成し、この積層された薄膜の１層が１つのメモリホールと共にＮＡＮＤフラッシュの１ビットを形成する。現在、９６層のＮＡＮＤフラッシュが市場に出回っており、近い将来には１２８層および最大２５６層のＮＡＮＤフラッシュデバイスが市場に出る予定である。

９６層のＮＡＮＤは、ＳｉおよびＳｉＯ_２の薄膜が１９２枚必要である。一般に使用される８ＧＢのＮＡＮＤフラッシュには、約８，３００万個のメモリホールが必要である（８ｅ９／９６＝８．３ｅ７）。完全なウェハを見ると、数千億のメモリホールがある。これらのメモリホールは全て、図２に示されているように、ナノエッチング技術で生成される。エッチング結果が良ければ、図２（ｃ）のようなメモリホールが形成されるはずである。しかし、技術の限界により、数百層の深さを有する数千億個のメモリホールの均一性の高いエッチング結果が常に得られるとは限らない。例えば、いくつかのメモリホールは、図２の（ａ）および（ｂ）のように、オーバエッチングまたはアンダーエッチングされ得る。他のメモリホールは、それぞれ図２の（ｄ）または（ｅ）のように、エッチング後に欠陥が残るか、または傾いてエッチングされ得る。したがって、３Ｄ ＮＡＮＤフラッシュメモリを開発するには、これらの数千億個のメモリホールの電子ビームによるウェハ検査およびレビューが必要になり得る。

図３は、集束電子ビームを使用して３Ｄ ＮＡＮＤメモリホールを検査するモデルを示している。３Ｄ ＮＡＮＤフラッシュによるメモリホールは、非常に高いアスペクト比（ＡＲ）が特徴である。ＡＲは、穴の深さＨに対する穴の直径Ｄの比率として定義される。例えば、Ｄ＝０．１μｍ、Ｈ＝２０μｍの場合、ＡＲ＝１：２００となる。Ｈ＝２０μｍという値は、１００層のＮＡＮＤフラッシュにとって、各薄膜の厚さがわずか０．１μｍであることを意味する。

光学的に言えば、ＡＲが非常に高いということはつまり、ウェハ検査およびレビューの実行に使用する電子ビームシステムの焦点深度（ＤＯＦ）が大きいということである。図３に示されているように、ＡＲが１：２００の実施例に対応するには、ビームの全ての電子をメモリホールの底部に当てるために、集束される電子ビームのＤＯＦは２０μｍより大きくする必要があり得る。つまり、図３のｄ（ｚ）がメモリホールの頂部から底部までの間における電子ビームスポットサイズであるとすると、このｄ（ｚ）は、全体の深さＨの全域にわたってＤより小さいことが求められる。

ＤＯＦが数十ミクロンの電子ビームシステムは、設計と実装が困難である。しかしながら、ウェハの検査、レビュー、線幅（ＣＤ）計測では、大ＤＯＦ電子ビームシステムが、３Ｄ ＮＡＮＤフラッシュだけでなく、３Ｄダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）電子装置や、その他全ての高アスペクト比（ＨＡＲ）デバイス（例えば、ディープトレンチロジックデバイスなど）にも使用され得る。

光子ビームは通常、ＨＡＲデバイスの検査およびレビューには使用されない。というのは、集束した光子ビームの開口数（ＮＡ）がかなり大きい（例えば、最大数十度）からである。ＮＡは、図３のビーム半角βに等しい。集束ビームのＤＯＦはＮＡに反比例し、したがって光子ビームのＤＯＦは非常に短くなる。

電子ビームシステムでは、信号として２次電子（ＳＥ）を使用する。それによってウェハ検査、レビュー、およびＣＤ測定を実行し、かつ／または完結させる。しかし、２次電子信号は材料の表面からの特性しか反映できない。２次電子は、エネルギーが低いこと（例えば、数電子ボルト）と、その放出極角が大きく、メモリホールの壁によって停止させられることから、ＨＡＲのメモリホールの底部からは脱出することができない。

電子ビームシステムではまた、信号として後方散乱電子（ＢＳＥ）を使用する。それによって図４に示されているように、ＡＲが比較的高いＤＲＡＭのコンタクトホールの底部、または数十層の薄膜が積層されたメモリホールの底部の検査およびレビューを行う。図４では、通常約１ｋｅＶ～２０ｋｅＶの範囲にある着陸エネルギー（ＬＥ）を有する一次ビームの電子が、メモリホールの底部に衝突している。着陸エネルギーと同じエネルギーを有するＢＳＥが生成されて、それらのエネルギーが比較的高く、放出極角が大きいことから、積層された薄膜材料を貫通し、その材料の上面から脱出する。積層された薄膜材料から貫通することによって脱出したＢＳＥは、ウェハ上の電子ビーム光学鏡筒に配置された１つまたは複数の検出器によって収集され得る。

ＨＡＲデバイスの検査および／またはレビューにＢＳＥ信号を使用する従来の電子ビームシステムは、欠点を有する。第１に、こういったシステムは利用が制限されている。電子ビーム電圧（またはビームエネルギー）が通常、３５ｋＶ未満または２５ｋＶ未満に制限され、あるいはウェハ上への電子ビームの着陸エネルギーが通常、３０ｋｅＶ未満に制限される。したがって、ＢＳＥエネルギーも通常３０ｋｅＶ未満に制限される。したがって、積層された薄膜材料は厚くすることができない。厚くすると、材料のバルクを貫通して外に出るためのＢＳＥの出力が不十分になる。これにより、このような電子ビームシステムは、３Ｄ ＮＡＮＤフラッシュデバイスの数十層の検査およびレビューに制限される。３Ｄ ＮＡＮＤフラッシュデバイスの数百層を検査およびレビューするには、約５０ｋｅＶ～１００ｋｅＶまでの電子ビーム着陸エネルギーが必要になり得る。

第２に、ＢＳＥ信号を使用する従来の電子ビームシステムでは、１次電子ビームのＤＯＦが制限される。ＤＯＦを大きくするには、集束電子ビームのＮＡ（すなわち、図３のビームの半角β）を小さくしたものが使用され得る。ビームエネルギーまたは着陸エネルギーが低いシステムは、複数の欠点を有する。ＮＡを小さくすると、１次電子間のクーロン相互作用による光学的なぼけが支配的になる。これは、電子ビームが細くなると電子密度が高くなるからである。光学系の像側に向かうほど、ＮＡが小さくまたは光学倍率が大きくなるため、電子銃レンズの収差が大きくなる。したがってウェハの位置での複合的な分解能が低下する。この銃レンズの収差は、ＮＡが小さい光学系では、銃レンズが静電レンズである場合はいっそう、対物レンズの収差よりも支配的になり得る。

図５（ａ）および５（ｂ）は、市販の電子ビームシステム（ビーム電圧１０ｋＶ、着陸エネルギー９ｋｅＶ）のモンテカルロシミュレーションを行うことによって、その電子ビームシステムの利用がどのように制限されるかを示している。１次電子は、ｘ方向とｙ方向に長い裾野を有して広く分布している。０．３×０．３μｍの大きなメモリホールでさえ、含まれる電子はホールの上部に９５％（図５（ａ））、底部に９７％（図５（ｂ））のみであり得（各図の「表示のパーセンテージ」）、ホールの上部がｚ＝－３．５μｍ、底部がｚ＝４．５μｍであることから、アスペクト比はＡＲ＝０．３：８．０＝１：２７にすぎない。ホールのサイズを０．１×０．１μｍに狭めると、アスペクト比はＡＲ＝１：８１まで高くなるが、外側の電子の多くはメモリホールの上部の縁で停止するはずである。これらの外側の電子はＢＳＥを生成し、メモリホールの底部からのＢＳＥ信号を汚染する。

ＢＳＥの収量は通常、ＳＥの収量よりもはるかに少ない。十分なＳＮ比を得るために、１次電子ビームのビーム電流を増加させてもよい。ただし、電子間のクーロン相互作用はこのビーム電流の影響をかなり受けやすく、それによって電子分布の裾野が急速に広がり、メモリホールの底部からの通常の信号がさらに汚染され得る。

米国特許出願公開第２０１６／０１６３５０２号 米国特許出願公開第２００９／０１７９１５１号 国際公開第２０１４／１４２７４５号

したがって、電子ビームを生成するための改善されたシステムおよび方法が必要とされる。

第１の実施形態で、一システムが提供される。上記システムは、電子ビームを生成する電子ビーム源と、上記電子ビームの光路上に配設されたビーム制限絞りと、上記電子ビームの光路上に配設された下部ウェーネルト電極と、上記電子ビームの光路上の、上記下部ウェーネルト電極と上記ビーム制限絞りの間に配設された上部ウェーネルト電極と、上記上部ウェーネルト電極の、上記下部ウェーネルト電極に面した表面に配設された環状検出器と、上記電子ビームの光路上の、上記上部ウェーネルト電極と上記ビーム制限絞りの間に配設された磁界集束レンズと、上記電子ビームの光路上の、上記上部ウェーネルト電極と上記集束レンズの間に配設された偏向器と、上記電子ビームの光路上の、上記偏向器と上記上部ウェーネルト電極の間に配設された磁界対物レンズコイルと、上記電子ビームの光路上に配設された接地管と、を含む。上記磁界集束レンズは、磁極片と集束レンズコイルとを含む。上記磁界対物レンズコイルは、上記接地管の周囲に配設される。

上記システムは、上記電子ビームの光路上の、上記集束レンズと上記ビーム制限絞りの間に配設された絞りを備え得る。

上記電子ビーム源は、半径１μｍ未満の先端を含み得る。

上記偏向器は磁界偏向器またはウィーンフィルタであり得る。一実施形態では、上記偏向器は磁界偏向器である。上記システムは、上部磁界偏向器および中間磁界偏向器をさらに備え得る。上記上部磁界偏向器は、上記電子ビームの光路上の、上記偏向器と上記磁界集束レンズの間に配設される。上記中間磁界偏向器は、上記電子ビームの光路上の、上記上部磁界偏向器と上記磁界偏向器の間に配設される。

上記上部磁界偏向器は、上記電子ビームを上記中間磁界偏向器に向かって偏向させるように構成され得る。上記中間磁界偏向器は、上記電子ビームを上記上部磁界偏向器の偏向方向と反対の方向に、上記磁界偏向器に向かって偏向させるように構成され得る。上記磁界偏向器は、上記接地管へと、上記電子ビームを偏向させ上記光路に沿ってコリメートするように構成され得る。

上記磁界偏向器、上記上部磁界偏向器、および上記中間磁界偏向器のそれぞれは、回転対称である８つの磁極片を有し得る。

上記システムは、上記中間磁界偏向器と上記磁界偏向器の間に配設されたサイド検出器を備え得る。上記サイド検出器は、少なくとも２次電子を収集するように構成され得る。

上記システムは、上記中間磁界偏向器と上記磁界偏向器の間に配設された電子ビームベンダをさらに備え得る。上記電子ビームベンダは、上記サイド検出器において後方散乱電子から２次電子を取り除くように構成され得る。

第２の実施形態で、一方法が提供される。上記方法は、電子ビーム源で電子ビームを生成することを含む。上記電子ビームは、ビーム制限絞りを介して方向付けられる。上記電子ビームは、その光路に沿って上記ビーム制限絞りの下流に配設された磁界集束レンズによって方向付けられる。上記電子ビームは、その光路に沿って上記磁界集束レンズの下流に配設された偏向器によって方向付けられる。上記電子ビームは、対物レンズによって方向付けられ、上記対物レンズは接地管、上部ウェーネルト電極、および下部ウェーネルト電極を含む。上記電子ビームは、上記下部ウェーネルト電極からウェハの表面に向かって方向付けられる。ウェハからの後方散乱電子は、上記上部ウェーネルト電極の表面に配設された環状検出器において受け取られる。上記上部ウェーネルト電極の上記表面は上記下部ウェーネルト電極に面している。

一例では、上記電子ビームは、ビーム電圧が５０ｋＶ～１００ｋＶであり、５０ｋｅＶ～１００ｋｅＶの着陸エネルギーを有する。

上記磁界集束レンズは、小焦点深度モードおよび大焦点深度モードを有する上記電子ビームを形成するように構成され得る。開口数は、上記大焦点深度モードの方が上記小焦点深度モードよりも小さくなり得る。

上記ウェハは３次元半導体構造を含み得る。

一例では、上記電子ビームの焦点深度は最大２０μｍである。

上記電子ビーム源は半径１μｍ未満の先端を含み得る。

上記偏向器は磁界偏向器またはウィーンフィルタであり得る。一例では、上記偏向器は磁界偏向器である。上記方法はさらに、上記電子ビームを、その光路上に沿って上記偏向器と上記磁界集束レンズの間に配設された上部磁界偏向器および中間磁界偏向器を介して方向付けることを含み得る。

上記上部磁界偏向器は、上記電子ビームを上記中間磁界偏向器に向かって偏向させるように構成され得る。上記中間磁界偏向器は、上記電子ビームを上記上部磁界偏向器の偏向方向と反対の方向に、上記磁界偏向器に向かって偏向させるように構成され得る。上記磁界偏向器は、上記接地管へと、上記電子ビームを偏向させ上記光路に沿ってコリメートするように構成され得る。

上記方法は、上記中間磁界偏向器と上記磁界偏向器の間に配設されたサイド検出器において２次電子を受け取ることを含み得る。

上記方法は、上記中間磁界偏向器と上記磁界偏向器の間で上記ウェハから戻ってきた電子を曲げ、それによって上記サイド検出器において後方散乱電子から２次電子を取り除くことを含み得る。

本開示の性質および目的を十分に理解するために、以下の詳細な説明を添付の図面と併せて参照されたい。

例示的な３Ｄ ＮＡＮＤフラッシュメモリの概略図である。 例示的な３Ｄ ＮＡＮＤフラッシュデバイスにおける積層されたビットおよびメモリホールのモデル図である。 例示的なＨＡＲメモリホールにおける集束電子ビームのプロファイルのモデル図である。 例示的なメモリホールの底部から材料を貫通し、その材料の上面から脱出するＢＳＥの概略図である。 ０．３×０．３μｍのメモリホールの頂部（ｚ＝－３．５μｍ）における１次電子の分布図である。 ０．３×０．３μｍのメモリホールの底部（ｚ＝４．５μｍ）における１次電子の分布図である。 電子ビームシステムの第１の実施形態を示す図である。 図６（ａ）の電子ビームシステムの第１の実施形態の光学系を示す図である。 ０．１×０．１μｍのメモリホールの頂部（ｚ＝－１０μｍ）における１次電子の分布図である。 ０．１×０．１μｍのメモリホールの底部（ｚ＝１０μｍ）における１次電子の分布図である。 ＢＳＥを検出するためのシステムの第２の実施形態を示す図である。 ３つの磁界偏向器を備えた電子ビーム分離光学系の第３の実施形態を示す図である。 図９の第３の実施形態における８極磁界偏向器を示す図である。 図９の第３の実施形態の８極磁界偏向器における等磁位線を示す図である。 低着陸エネルギーで使用するための図９の第３の実施形態におけるＳＥ／ＢＳＥの収集を示す図である。 低着陸エネルギー利用におけるＳＥ／ＢＳＥの光線追跡シミュレーションを示す図である。 電子ビームベンダの一実施形態を示す図である。 本開示による方法のフローチャートである。

特許請求の範囲に記載の主題については、特定の実施形態に関して説明するが、本明細書に記載の利点および特徴の全てを提供するものではない実施形態を含むそれ以外の実施形態もまた、本開示の範囲に含まれる。本開示の範囲から逸脱することなく、様々な構造、論理、プロセスステップ、および電子部品の変更を行うことができる。したがって、本開示の範囲は、添付の特許請求の範囲を参照することのみによって規定される。

ナノテクノロジの２Ｄ平面プロセスに欠点が多くみられるようになるにつれて、チップのナノ加工３Ｄ立体プロセスの開発が進みつつある。３Ｄ ＮＡＮＤフラッシュ、３Ｄ ＤＲＡＭ、３Ｄロジックのようなチップデバイスの多くが、製造中に検査およびレビューを必要とし得るメモリホール、チャネルホール、ステアケースの段、およびディープトレンチを含むように構成されている。例えば、９６層３Ｄ ＮＡＮＤフラッシュ用のウェハには、深さ数十ミクロンのメモリホールが数千億個存在する。

本明細書で開示する各実施形態は、３Ｄチップデバイスの高ＡＲ構造（例えば、ＡＲ＝１：１００以上）のための数十ミクロンのＤＯＦを提供することができる。これらの実施形態は、６０ｋＶ電子ビームシステムで、２０μｍのＤＯＦを提供することができる。これは、ＡＲ＝１：２００のウェハの検査およびレビューに適合する。これらの実施形態はまた、ウェハの表面を検査およびレビューするための高分解能のシステムを提供することもできる。この検査およびレビューでは、ＳＥとＢＳＥの像を同時に形成する。

従来のシステムの欠点に対処するために、一電子ビームシステムが、高い分解能と、電子分布の短い裾野と、高ＡＲ電子デバイスを検査およびレビューするための大きなＤＯＦを提供するように構成され得る。ビーム電圧（ＢＶ）が約５０ｋＶから１００ｋＶまで高められ得る。これは調整可能でもよい。この電圧によって、約５０ｋｅＶ～１００ｋｅＶの電子着陸エネルギーが可能になり得る。この機械的設計は、高電圧（ＨＶ）のアーク放電を回避し得る。ビーム電圧と着陸エネルギーを一組与えると、ビーム電流が増加させられ得る。それによってＢＳＥの生成量を増やし、スループットとＳＮ比を高める。最大のビーム電流の選択が、メモリホールの頂部の縁と底部の縁の両方に衝突する外側の電子を、例えば全１次電子の２％未満に制限することによって行われ得る。

図６（ａ）は、電子ビームシステム１００の第１の実施形態を示している。図６（ｂ）は、図６（ａ）の実施形態の光学系の概略図を示している。電子ビームシステム１００では、磁界銃レンズが使用され得る。この磁界銃レンズの使用により、銃レンズの収差を低減することができる。したがって、ＮＡが小さいまたはＤＯＦが大きい場合に光学倍率が高くなっても、ウェハ側における銃レンズからのぼけの影響はほとんどない。また、磁界銃レンズを使用することによって、所望のビーム電流を選択する目的で高電圧電子ビームの焦点を合わせたり外したりすることも可能になり得る。

電子ビームシステム１００は、電子ビーム１０３を生成する電子ビーム源１０１を含む。電子ビーム１０３はウェハ１１０に向かって方向付けられる。ウェハ１１０はプラテン上に配置され得る。電子ビーム源１０１は、半径が１μｍ未満、例えば約０．３μｍから１．０μｍ未満の先端を含み得る。電子ビーム源１０１はまた、引出器１１５、アノード１１６、銃磁界レンズコイル１１７、および銃磁界レンズ磁極片１１８を含み得る。これらの構成部品は、銃レンズ（ＧＬ）の一部であり得る。

熱電界放出（ＴＦＥ）電子源の先端の半径が小さいことにより（例えば、サブミクロン台前半）、高い輝度と、小さな仮想光源が得られ得る。光学倍率が高く（例えば、約１．０Ｘ）ＮＡが小さい光学系では、仮想光源の大きさが分解能の低下に影響を与え得る。色収差は、高ＢＶおよび高ＬＥの光学系ではそれほど重要ではないかもしれないが、光源エネルギーの広がりは、ＴＦＥ電子源の先端の半径が小さいことによって大きくなり得る。

ビーム制限絞り（ＢＬＡ）１０２が、電子ビーム１０３の光路上に配設される。ビーム制限絞り１０２は、特定の利用における最大のビーム電流を選択し得る。ビーム制限絞り１０２は、様々なビーム電流向けに約５０μｍ～約１００μｍの直径または断面長を有する絞りを含み得る。

絞り１０４が、電子ビーム１０３の光路上の、集束レンズ１０５とビーム制限絞り１０２の間に配設され得る。絞り１０４は、約１０μｍ～約３０μｍの直径または断面長を有し得る。クロスオーバ（ｘｏ）の位置は、銃レンズの強度に基づいて調整可能であり得る。絞り１０４は、鏡筒絞りであり得る。

磁界集束レンズ１０５が、電子ビーム１０３の光路上の、上部ウェーネルト電極１０７とビーム制限絞り１０２の間に配設される。例えば、磁界集束レンズ１０５は、電子ビーム１０３の光路上の、絞り１０４と偏向器１０６の間に配設され得る。磁界集束レンズ１０５は、磁極片１１１、集束レンズコイル１１２、およびシールド１２５を含み得る。

磁界集束レンズ１０５を使用すると、最適なＮＡか、ＤＯＦを大きくする場合は小さなＮＡかを選択することができる。静電集束レンズでは、高エネルギー電子ビームを集束させるには強さが不十分な場合がある。というのは、アーク放電の問題を回避するために、集束電圧が制限され得るからである。磁界集束レンズ１０５は、ビームをそれ以上に集束させることができる。磁界集束レンズ１０５は、磁極片１１１およびコイル１１２を含む。

偏向器１０６が、電子ビーム１０３の光路上の、上部ウェーネルト電極１０７と集束レンズ１０５の間に配設される。偏向器１０６は、磁界偏向器またはウィーンフィルタであり得る。

対物レンズ（ＯＬ）１１９が含まれ得る。磁界対物レンズコイル１１３が、電子ビーム１０３の光路上の、偏向器１０６と上部ウェーネルト電極１０７の間に配設される。接地管１１４が、その周囲に磁界対物レンズコイル１１３が配設されるように、電子ビーム１０３の光路上に配設される。接地管１１４は、電子ビーム１０３に面し得る。したがって接地管１１４は、電子ビーム１０３と磁界対物レンズコイル１１３の間に存在する。

対物レンズ１１９は、静電対物レンズと磁界対物レンズとを含む複合レンズである。対物レンズ１１９は、接地管１１４、上部ウェーネルト（ＵＷ）電極１０７、および下部ウェーネルト（ＬＷ）電極１０８を含む。上部ウェーネルト電極１０７および／または下部ウェーネルト電極１０８は、静電式であり得る。対物レンズ１１９は、対物レンズ磁極片１２０を飽和させることなくレンズ収差を最小限に抑える適当な作動距離を有し得る。一例では、上記作動距離は約１ｍｍ～３ｍｍである。着陸エネルギーが低い場合は（例えば、約０．１～１０ｋｅＶ）、約１ｍｍの作動距離が使用され得る。ＬＥが高い場合は（例えば、約３０～６０ｋｅＶ）、約３ｍｍの作動距離が使用され得る。対物レンズ１１９はまた、磁極片１２０およびコイル１１３を含み得る。一例では、下側の磁極片は、下部ウェーネルト（ＬＷ）電極１０８として使用され得る。

上部ウェーネルト電極１０７が、電子ビーム１０３の光路上の、下部ウェーネルト電極１０８とビーム制限絞り１０２の間に配置される。例えば、上部ウェーネルト電極１０７は、電子ビーム１０３の光路上の、偏向器１０６と下部ウェーネルト電極１０８の間に配設され得る。上部ウェーネルト電極１０７は、様々な利用に応じて、接地、負にフローティング、または正にフローティングされ得る。

上部ウェーネルト電極１０７は、正電圧で動作し得る。これは、対物レンズの色収差を減少させるため、クーロン相互作用の効果を減少させるため、またはＢＳＥの収集を助けるためである。上部ウェーネルト電極１０７の形状は、環状検出器１０９を収容するように構成され得る。環状検出器１０９は、ＢＳＥの収集効率を高めるために使用される。上部ウェーネルト電極１０７の中央の開口サイズは、約１ｍｍであり得る（図１２に示されているように）。これにより、全てのＳＥおよび角度の小さいＢＳＥが通過し、それらをサイド検出器１２３で収集することが可能になる。

下部ウェーネルト電極１０８が、電子ビーム１０３の光路上に配設される。下部ウェーネルト電極１０８は、ウェハ１１０にウェハ層の様々な検査に適した引出電界を印加し得る。この引出電界は、約０Ｖ／ｍｍ～２０００Ｖ／ｍｍにし得る。低い引出電界（例えば、約０～５００Ｖ／ｍｍ）は典型的には検査用であり、高い引出電界（例えば、約１０００～２０００Ｖ／ｍｍ）は典型的にはレビュー用である。

環状の検出器１０９が、上部ウェーネルト電極１０７の、下部ウェーネルト電極１０８に面した表面に配設される。環状検出器１０９は、ＢＳＥを収集できる検出装置である。光軸を中心とした環状検出器１０９は、メモリホールの底部で生成され積層薄膜材料を貫通したＢＳＥを収集することができる。光軸を中心とした環状検出器１０９（例えば、半導体検出器）は、上部ウェーネルト電極１０７の底部に埋め込まれてもよい。環状検出器１０９の作動領域はウェハ１１０に面することができ、その裏側は一般に、検出信号回路形成用に数百ボルト（例えば、約１００～３００Ｖ）にバイアスされ得る。

電子ビーム源１０１の先端の半径は、サブミクロン台前半であり得る。引出器１１５の電圧は、光源の十分な輝度および角度強度（angular intensity）が得られるように、先端のバイアスよりも高く設定され得る。先端から放出された電子は、アノード１１６によって約５０ｋＶ～１００ｋＶに加速され、磁界集束レンズ１０５によって集束されて、ビーム制限絞り１０２と絞り１０４の間に電子ビームのクロスオーバを形成する。絞り１０４は、ウェハ１１０に実際に届くビーム電流を選択することができる。図６（ａ）では、１次電子（ＰＥ）からＳＥおよび／またはＢＳＥを分離するためのウィーンフィルタまたは磁界偏向器が配置され得る。絞り１０４は、複数の絞りを含んだ独立した絞りロッドであり得る。１つの絞りが損傷または汚染された場合、その損傷または汚染された絞りに置き換わるように、別の絞りが移動させられ得る。

図６（ｂ）には、異なる利用のための２つの結像モードが存在し得る。１つの結像モードは、ＤＯＦが比較的小さい高分解能（ＲＥＳ）モードである。もう１つの結像モードは、分解能が比較的低い大ＤＯＦモードである。高分解能モードでは、集束レンズ１０５が、最適なＮＡ（例えば、図６（ｂ）のＮＡ_２）を形成するように電子ビーム１０３を集束させる。この最適なＮＡで、ウェハでの電子ビームスポットサイズが最小となる。大ＤＯＦモードでは、集束レンズ１０５が、ビームをさらに集束させてより小さなＮＡ（例えば、図６（ｂ）のＮＡ_１）を形成する。このＮＡでＤＯＦが最大となり、したがって、３Ｄ ＮＡＮＤ、３Ｄ ＤＲＡＭ、ディープトレンチロジックなどの高ＡＲデバイスの検査およびレビューの要件が満たされる。

図７（ａ）および７（ｂ）は、図６（ａ）の電子光学鏡筒の、大ＤＯＦモードによるモンテカルロシミュレーションの結果を示している。ここでビームエネルギーは６０ｋＶ、着陸エネルギーは５５ｋｅＶである。このシミュレーションでは、上部ウェーネルト電極は接地されている。図７（ａ）および７（ｂ）のシミュレーションでは、図５（ａ）および５（ｂ）と比較するために、ウェハでのビーム電流および引出電界が、図５（ａ）および５（ｂ）と同じに設定されている。

図７（ａ）および７（ｂ）では、１次電子が狭い範囲に分布しており、ｘ方向およびｙ方向の裾野が短い。これは、高いビーム電圧を有する電子間では、クーロン相互作用が低減するためである。図７（ａ）および７（ｂ）に示されているように、メモリホールサイズが０．１×０．１μｍと小さくても、含まれる電子はホールの上部（図７（ａ））と底部（図７（ｂ））でそれぞれ９８％を超え（各図の「表示のパーセンテージ」）、ホールの上部がｚ＝－１０μｍ、底部がｚ＝１０μｍであることから、アスペクト比はＡＲ＝０．１：２０＝１：２００と高い。この利用における２０μｍというＤＯＦは大きい。それでもその分解能は、２０～８０％と１２～８８％の電流の量で測定した図７（ａ）および７（ｂ）のスポットサイズを図５（ａ）および５（ｂ）のものと比較すると、図５（ａ）および５（ｂ）の分解能よりも良好である。

高い着陸エネルギー（例えば、約５０ｋｅＶ～１００ｋｅＶ）を有する電子がメモリホールの底部に衝突すると、同じ高エネルギーのＢＳＥが生成され、そのＢＳＥは、図４に示されているように数百の３Ｄ ＮＡＮＤ層の薄膜からなる積層材料を貫通して外へ出る。これらのＢＳＥは、１次電子ビーム鏡筒内にあるＢＳＥ検出器によって収集され得る。

図８は、ＢＳＥを検出するためのシステムの第２の実施形態である。ＢＳＥを検出するための、光軸を中心とした環状の検出器１０９は、少なくとも部分的に上部ウェーネルト電極１０７の内部に存在し得る。一例では、環状検出器１０９の表面がＢＳＥに対して露出し得る。別の例では、環状検出器１０９は、完全に上部ウェーネルト電極１０７の内部に存在し、ＢＳＥに対して露出していないが、それでもＢＳＥ収集は可能である。

上部ウェーネルト電極１０７は、フローティングされていても、接地されていてもよい。下部ウェーネルト電極１０８は、必要な引出電界をウェハに印加するために使用され得る。図７（ａ）および７（ｂ）と同じ条件を用いると、３Ｄ ＮＡＮＤのメモリホールの底部からのＢＳＥの光線追跡を行うシミュレーションは、高い収集効率を示している。したがって、極角が約１０度～６０度のＢＳＥが検出され得る。ＢＳＥの角度分布特性により、放出されるＢＳＥの総量のほとんどは、約１０～６０度の角度に含まれている。

図９は、３つの磁界偏向器を備えた電子ビーム分離光学系の第３の実施形態である。図９の実施形態では、偏向器１０６は磁界偏向器（ＭＤ－３）である。３Ｄ ＮＡＮＤメモリなどの高ＡＲデバイスを検査するために高エネルギーのＢＳＥを収集して使用するだけならば、ＰＥ（１次電子）からＢＳＥを分離するための従来のウィーンフィルタのような光学設計は必要ない。

上記システムはまた、上部磁界偏向器１２１（ＭＤ－１）および中間磁界偏向器１２２（ＭＤ－２）を含み、これらは、電子ビーム１０３の光路上の、偏向器１０６と磁界集束レンズ１０５の間に配設される。上部磁界偏向器１２１は、電子ビーム１０３の光路上の、偏向器１０６と磁界集束レンズ１０５の間に配設される。中間磁界偏向器１２２は、電子ビーム１０３の光路上の、上部磁界偏向器１２１と磁界偏向器１０６の間に配設される。

上部磁界偏向器１２１は、電子ビーム１０３を中間磁界偏向器１２１に向かって偏向させるように構成され得る。中間磁界偏向器は、電子ビーム１０３を上部磁界偏向器１２１の偏向方向と反対の方向に、磁界偏向器１０６に向かって偏向させるように構成され得る。上記磁界偏向器は、接地管１１４へと、電子ビーム１０３を偏向させ光路に沿ってコリメートするように構成される。

図６の構成からなる実施形態の動作には、２つの光学的モードがあり得る。１つのモードは、ＨＡＲのＮＡＮＤフラッシュメモリを検査およびレビューするための、ＮＡが小さい大ＤＯＦモードである。もう１つのモードは、ウェハ表面の物理的欠陥、またはウェハ表面下数十から数百ナノメートル内側における電位コントラスト欠陥の、検査およびレビューに最適なＮＡによる高分解能モードである。高分解能モードでは、全てのレンズ収差、および電子間のクーロン相互作用によって引き起こされる全てのぼけのバランスがとれている。ウェハ表面を検査するための着陸エネルギー（ＬＥ）は、数百から数千エレクトロンボルト内に低くすることが求められる。ＳＥが、検査およびレビューのために収集される信号であり得る。ＳＥは、放出エネルギーが低いため（例えば、数電子ボルト）、対物レンズによる磁場によって強く集束され得る。したがって、ＳＥは、必ずしも環状検出器によって十分に収集されるとは限らず、その代わりにサイド検出器によって収集され得る。

ＰＥからＳＥを分離するには、従来通りウィーンフィルタが使用される。ただし、ウィーンフィルタは、光源エネルギーの広がりにより、送り色ぼけを発生させ得る。この送り色ぼけを除去するには、もう一つのウィーンフィルタが使用され得る。それによって、光源エネルギーの広がりによって引き起こされる軌道のずれを補償するのである。これにより、所望の動作が実現できるが、光学系の複雑さが増し得る。

図９に示されているように、ウィーンフィルタ不使用の電子ビーム分離光学系を使用することができる。３つの磁界偏向器（上部磁界偏向器１２１、中間磁界偏向器１２２、および偏向器１０６）が、集束レンズ１０５と対物レンズ１１９の間に配置される。上部磁界偏向器１２１は電子ビーム１０３を光源から中間磁界偏向器１２２へと偏向させ、中間磁界偏向器１２２は電子ビーム１０３を偏向器１０６に向かって上記とは反対方向に偏向させ、偏向器１０６は電子ビーム１０３を偏向させて再び元に戻し、対物レンズ１１９へと光軸に沿ってコリメートする。上記の偏向角度は、サイド検出器１２３に関連付けられ得る。図１２または図１４では、ｘｏｚ平面内にサイド検出器１２３があるので、１次電子はそれと反対方向に同じｘｏｚ平面内で偏向される。この１次電子のｘｏｚの偏向に対しては、磁界偏向器の磁束の場がｙｏｚ平面にあり得る。つまり、図１１による磁界偏向器の回転角度は固定である。

上部磁界偏向器１２１、中間磁界偏向器１２２、および偏向器１０６はそれぞれ、同じ構造および／または構成を有し得る。これには、図１０および図１１に示されている構造および／または構成などがある。図１０は、磁界偏向器の断面図である。８つの磁極片が、８極偏向器として回転対称に配置されている。同じ巻き数のコイル巻（図１１の「Ｎ」）が各磁極片の周りに巻き付けられている。磁極片は図のように遮蔽される。コイルを流れる電流を適切に設定すると、偏向磁場の分布が広い領域でかなり均一になり得る。したがって、大きな角度の偏向によるコマぼけが最小限に抑えられる。図１１は、等磁位線を用いて、コイル電流がＩｘ＝１単位、Ｉｘｙ＝１／√２単位、およびＩｙ＝０単位として印加される均一な偏向磁界のシミュレーションを示している。図９に示されているように、ｘ軸の磁界の磁束が、ｙ軸の１次電子ビームを偏向させる。

着陸エネルギーが低くても、本明細書で開示する実施形態を使用すると、１次電子ビームの、像を形成させる分解能を高めることができる。というのは、ＮＡが大きく最適であると（図６（ｂ）のＮＡ_２）、電子間のクーロン相互作用が低減されるからである。総スポットサイズの半分は、対物レンズの収差によってもたらされ、もう半分はクーロン相互作用によってもたらされ得る。対物レンズの収差とクーロン相互作用の影響は、図９に開示されているように上部ウェーネルト電極１０７を使用することによってさらに低減され得る。上部ウェーネルト電極１０７は、エネルギー増強管と見なされ得る。上部ウェーネルト電極１０７に印加される電圧は、ビーム電圧より高いものであり得る。それと同じ引出電界が下部ウェーネルト電極１０８を介してウェハ１１０に印加されているとすると、シミュレーションによって、上部ウェーネルト電極１０７の電圧がビーム電圧よりも高いことにより、対物レンズ１１９の球面収差係数および色収差係数がより小さくなることと、クーロン相互作用効果も同時に低くなることが示される。

図９の構成の３つの磁界偏向器の実施形態では、光源エネルギーの広がりによりウィーンフィルタで通常発生する送り色ぼけをなくすことができる。ウィーンフィルタベースの光学系では、光源エネルギーの広がりによる軌道のずれを補償するために、もう１つ追加のウィーンフィルタが使用され得る。図９の３つの磁界偏向器構成では、最終的な合計磁界偏向角はゼロであり、それによって、光源エネルギーの広がり、電子ノイズ、および／または熱ノイズの全てによる電子の軌道のずれの合計がゼロになる。

図１２は、低い着陸エネルギーで使用するための図９の第３の実施形態におけるＳＥ／ＢＳＥの収集を示している。図１３は、低い着陸エネルギーに対するＳＥ／ＢＳＥの光線追跡シミュレーションを示している。サイド検出器１２３が、中間磁界偏向器１２２と磁界偏向器１０６の間に配設される。通常、偏向器１０６からのＳＥの偏向角θは約６°～１２°であり、つまり、偏向器１０６からサイド検出器１２３までの距離は約１００ｍｍ以上である。

サイド検出器１２３は、少なくともＳＥを収集するように構成される。サイド検出器１２３は、中間磁界偏向器１２２と磁界偏向器１０６の間に示されているが、上部磁界偏向器１２１と中間磁界偏向器１２２の間にあってもよい。サイド検出器１２３はまた、上部磁界偏向器１２１の上流にあってもよい。サイド検出器１２３は、半導体検出器、高速シンチレータ検出器、または他のシステムであり得る。

図１２および１３は、ＳＥ／ＢＳＥの収集を示している。ＰＥとＳＥの移動方向が反対であるため、図１２に角度θで示されているＳＥの偏向器１０６の偏向角度は、ＰＥと反対になる。サイド検出器１２３は、図１２の実施形態では、中間磁界偏向器１２２の下に配設されている。偏向器１０６の励起の選択は、所与のビーム電圧および着陸エネルギーに対して、ＳＥを角度θで偏向し、サイド検出器１２３の中心に向かって案内することが可能になるように行われ得る。この偏向器１０６の励起を考慮して、上部磁界偏向器１２１および中間磁界偏向器１２２の励起が、光源から放出されたビームを対物レンズの光軸に対してコリメートするように調整され得る。

数百から数千電子ボルトの低い着陸エネルギーで使用される高分解能では、低いエネルギーのＢＳＥも、図１３に示されている方法で収集され得る。全てのＳＥは、低い放出エネルギー（数ｅＶ）を有し、図１３の中央のビームに示されているように、対物レンズの磁場によって即座に細いビームに集束される。ＳＥは、偏向器１０６によって偏向され、サイド検出器１２３によって収集される。ＢＳＥは、それより高い放出エネルギー（着陸エネルギーと同じエネルギー）を有し、サイド検出器１２３および環状検出器１０９の両方によって収集され得る。極角（例えば、１０度未満）が小さいＢＳＥは、図１３のＢＳＥ－１の光線によって示されているように、集束され、加速されて上部ウェーネルト電極１０７の孔を通過し得る。ＢＳＥ－１の電子もやはり、サイド検出器１２３によって収集されて、明視野像を形成し得る。極角が大きい（例えば、４５度より大きい）ＢＳＥは、図１３のＢＳＥ－２の光線によって示されているように、環状検出器１０９によって収集されて、暗視野像を形成し得る。

図１４は、電子ビームベンダ１２４の一実施形態である。電子ビームベンダ１２４は、中間磁界偏向器１２２と磁界偏向器１０６の間、またはサイド検出器１２３に近接する他の位置に配設される。電子ビームベンダ１２４は、２つの円筒形の表面を有し、サイド検出器１２３においてＢＳＥからＳＥを取り除くように構成される。したがって、電子ビームベンダ１２４は、ＢＳＥからＳＥを取り除くために、またはその逆のために使用され得る。

ＳＥまたはＢＳＥは、サイド検出器１２３が配置されている場所に応じて曲げられ得る。例えば、図１４では、ビームは９０度曲げられる（偏向器１０６の偏向により約１０度、残りは電子ビームベンダ１２４により）。曲げ電圧は曲げ角度と無関係であり得るため、どの曲げ角度でも同じ電圧が使用され得る。曲げ電圧は、ＳＥ／ＢＳＥのエネルギーと電子ビームベンダ１２４の間隙に応じて決まり得る。この間隙が小さいほど、曲げ電圧は低くなる。上記間隙は、約８ｍｍ～１６ｍｍの範囲にあり得る。着陸エネルギーが低い、ＳＥを収集する用途では、曲げ電圧は２～３ｋＶであり得る。

図１２では、着陸エネルギーが低い利用のため、ＳＥビームとＢＳＥ－１ビームとのエネルギーの差は、わずか数百から数千電子ボルトと狭い。ＳＥとＢＳＥ－１の電子は、サイド検出器１２３で一緒に収集される可能性があり、それによって互いの結像信号が汚染される。図１４の電子ベンダ１２４を用いると、適切な曲げ電圧Ｖｂによって、ＢＳＥ－１ビームからＳＥビームが取り除かれ得る。ＳＥビームは、エネルギーがより低いためベンダによって大きめに偏向され、ＢＳＥ－１電子は出口絞りを通過してサイド検出器１２３に向かう。ＳＥもまた、ＢＳＥ－１ビームから選び出すことができる。その選択は、より低い曲げ電圧Ｖｂを使用することによって、ＢＳＥ－１ビームを小さめに偏向させて電子ビームベンダ１２４の円筒形の表面で停止させることによって行う。

ＳＥからＢＳＥを取り除く（またはその逆）という利点に加えて、電子ビームベンダ１２４を備える実施形態は、電子ビームベンダ１２４の出口とサイド検出器１２３の間に空間を設けることができる。この空間にローパスフィルタ、ハイパスフィルタ、またはバンドフィルタを構成することによって、ＳＥまたはＢＳＥのエネルギーフィルタ処理をさらに実施することができる。この処理は、ＳＥまたはＢＳＥのいずれかをサイド検出器１２３に向かって方向付ける前に行われ、それによって、欠陥の特性の分析と学習サイクルをより慎重に行うことができるようになる。

ＳＥ／ＢＳＥを９０度に曲げる場合、サイド検出器１２３は、電子ビームベンダ１２４の出口から特定の距離だけ離して配置され得る。信号処理光学系が、電子ビームベンダ１２４の出口とサイド検出器１２３の間に配置され得る。信号処理光学系は、ローパスエネルギーフィルタ、ハイパスエネルギーフィルタ、バンドパスエネルギーフィルタ、デスキャン偏向器、またはより詳細なウェハ欠陥の特徴を評価するための他のシステムであってもよい。図１２のように電子ビームベンダ１２４がなければ、ＳＥ／ＢＳＥを大きな角度で偏向させることができず、こういった信号処理光学系を収容するようにサイド検出器１２３を配置することはできない。

図１４の電子ビームベンダ１２４は、静電式でも磁界式でもよい。電子の曲げが一平面内で行われる場合、それと垂直な平面に磁束が方向付けられ得る。

図１５は、方法２００のフローチャートである。方法２００は、本明細書で開示する電子ビームシステムの一実施形態を使用して実行され得る。２０１で電子ビームが生成され、２０２でその電子ビームがビーム制限絞りを介して方向付けられる。この電子ビームは、ビーム電圧が５０ｋＶ～１００ｋＶであり得、５０ｋｅＶ～１００ｋｅＶの着陸エネルギーを有し得る。ビームエネルギーまたは着陸エネルギーの選択は、利用に応じて決まる。ビームエネルギーは通常、着陸エネルギーと等しいかそれよりも大きい。薄膜の層数が多い深いメモリホールの場合は、高いＢＳＥエネルギーが得られるように、より高い着陸エネルギーが使用され得る。これは、ＢＳＥが、厚く積層された薄膜を貫通して表面から脱出できるようにするためである。５０ｋｅＶは約９６～１２４層用であり得る。１００ｋｅＶは２５６層超用であり得る。

２０３で、電子ビームは、その光路に沿って上記ビーム制限絞りの下流に配設された磁界集束レンズを介して方向付けられる。２０４で、電子ビームは、その光路に沿って上記磁界集束レンズの下流に配設された偏向器を介して方向付けられる。上記偏向器は、磁界偏向器またはウィーンフィルタであり得る。２０５で、電子ビームは対物レンズを介して方向付けられる。上記対物レンズは、接地管、上部ウェーネルト電極、および下部ウェーネルト電極を含む。２０６で、電子ビームは、上記下部ウェーネルト電極からウェハの表面に向かって方向付けられる。電子ビームの焦点深度は最大２０μｍであり得る。上記ウェハは、３Ｄ ＮＡＮＤ、３Ｄ ＤＲＡＭ、３Ｄステアケースの段、または３Ｄディープトレンチロジックなどの３次元半導体構造を含み得る。２０７で、ウェハからの後方散乱電子が、下部ウェーネルト電極に面する上部ウェーネルト電極の表面に配設された環状検出器で受け取られる。

磁界集束レンズは、小焦点深度モードおよび大焦点深度モードを有する電子ビームを形成するように構成され得る。開口数は、大焦点深度モードの方が小焦点深度モードよりも小さい。

一例では、上記偏向器は磁界偏向器である。電子ビームはさらに、その光路に沿って上記偏向器と上記磁界集束レンズの間に配設された上部磁界偏向器および中間磁界偏向器を介して方向付けられ得る。上記上部磁界偏向器は、電子ビームを上記中間磁界偏向器に向かって偏向させるように構成され得る。上記中間磁界偏向器は、電子ビームを上記上部磁界偏向器の偏向方向と反対の方向に、上記磁界偏向器に向かって偏向させるように構成され得る。上記磁界偏向器は、接地管へと、電子ビームを偏向させ光路に沿ってコリメートするように構成され得る。

２次電子を、上記中間磁界偏向器と上記磁界偏向器の間に配設されたサイド検出器で受け取ることができる。ウェハから戻ってきた電子を、上記中間磁界偏向器と上記磁界偏向器の間で曲げることができ、それによって上記サイド検出器において後方散乱電子から２次電子を取り除く。電子ビームを曲げることにより、ＳＥからＢＳＥを取り除くことができ（またはその逆）、それによって、有用な信号から電子的な汚染が除去され得る。

本明細書に記載のシステムおよび方法の各実施形態は、深いメモリホールの検査およびレビューに使用され得る。例えば、６０ｋＶでの動作では、ＡＲ＝１：２００の用途のために、２０μｍのＤＯＦが提供される。これは、従来の設計よりも５倍以上優れている。高いＢＶと高いＬＥを使用しており、従来の相対的にＬＥが低いＢＳＥの収集と比較してＢＳＥはそれほど集束しないため、環状の検出器を使用して、高いＢＳＥ収集効率を実現することができる。ＢＳＥ信号が十分であるという利点により、使用するビーム電流を相対的に少なくすることができる。それによって、電子間のクーロン相互作用がさらに減り、ＤＯＦが大きく延びると同時に、電子分布の裾野が短くなる。

ウィーンフィルタ不使用の電子ビームを、３つの磁界偏向器を備えた光学系で分離し得る。この光学系は、最終的な合計偏向角がゼロの場合に、光源エネルギーの広がりと電子および／または熱のノイズとによる送り色収差をなくすことができる。

上部ウェーネルト電極が使用され得る。これは、ビームエネルギーを、ウェハに対して減速する前に増強（すなわち加速）するためである。それによって対物レンズの球面収差係数と色収差係数を低減する。ビームエネルギーの増強により、電子間のクーロン相互作用が同時に減少する。これにより、着陸エネルギーが低い用途での分解能が向上する。

方法２００は、３Ｄデバイス（例えば、３Ｄ ＮＡＮＤ、３Ｄ ＤＲＡＭ、３Ｄステアケースの段、および３Ｄディープトレンチロジック）の検査およびレビューに使用され得る。図６および図８の実施形態は、ＡＲ＝１：２００の３Ｄデバイスの検査およびレビューのために、最大２０ミクロンの大きなＤＯＦを提供する。これは、次世代の３Ｄ ＮＡＮＤメモリの数百層の開発に使用され得る。

数百から数千電子ボルトの低い着陸エネルギーでウェハ表面またはサブミクロン台前半の表面欠陥を検査およびレビューするために、本明細書で開示する実施形態は、図９～１１の３つの磁界偏向器を備えたウィーンフィルタ不使用のビーム分離光学系を使用することができ、エネルギー増強用の上部ウェーネルト電極が、対物レンズの球面および色収差係数を減少させることができる（図１２および１３）。電子ビームベンダが、ＳＥからＢＳＥを、またはＢＳＥからＳＥを取り除くことができる（図１４）。したがって、ＳＥとＢＳＥの高分解能の像形成および高い収集効率が同時に達成され得る。

電子ビームに関して説明したが、本明細書で開示する実施形態はまた、イオンビームまたは粒子ビームと共に使用され得る。

本開示を１つまたは複数の特定の実施形態に関して説明したが、本開示の範囲から逸脱することなく、本開示の他の実施形態が構成され得ることが理解されよう。したがって、本開示は、添付の特許請求の範囲およびその合理的な解釈のみによって限定されるとみなされる。

Claims (20)

1. 電子ビームを生成する電子ビーム源と、
   前記電子ビームの光路上に配設されたビーム制限絞りと、
   前記電子ビームの光路上に配設された下部ウェーネルト電極と、
   前記電子ビームの光路上の、前記下部ウェーネルト電極と前記ビーム制限絞りの間に配設された上部ウェーネルト電極と、
   前記上部ウェーネルト電極の、前記下部ウェーネルト電極に面した表面に配設された環状検出器と、
   前記電子ビームの光路上の、前記上部ウェーネルト電極と前記ビーム制限絞りの間に配設された磁界集束レンズであって、磁極片と集束レンズコイルとを含む磁界集束レンズと、
   前記電子ビームの光路上の、前記上部ウェーネルト電極と前記集束レンズの間に配設された偏向器と、
   前記電子ビームの光路上の、前記偏向器と前記上部ウェーネルト電極の間に配設された磁界対物レンズコイルと、
   前記電子ビームの光路上に配設された接地管であって、その周囲に前記磁界対物レンズコイルが配設された接地管と、
   を含むシステム。
2. 前記電子ビームの光路上の、前記集束レンズと前記ビーム制限絞りの間に配設された絞りをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
3. 前記電子ビーム源が、半径１μｍ未満の先端を含む、請求項１に記載のシステム。
4. 前記偏向器が磁界偏向器またはウィーンフィルタである、請求項１に記載のシステム。
5. 前記偏向器が磁界偏向器であり、上部磁界偏向器および中間磁界偏向器をさらに備え、前記上部磁界偏向器が、前記電子ビームの光路上の、前記偏向器と前記磁界集束レンズの間に配設され、前記中間磁界偏向器が、前記電子ビームの光路上の、前記上部磁界偏向器と前記磁界偏向器の間に配設される、請求項４に記載のシステム。
6. 前記上部磁界偏向器が、前記電子ビームを前記中間磁界偏向器に向かって偏向させるように構成され、前記中間磁界偏向器が、前記電子ビームを前記上部磁界偏向器の偏向方向と反対の方向に、前記磁界偏向器に向かって偏向させるように構成され、前記磁界偏向器が、前記接地管へと、前記電子ビームを偏向させ前記光路に沿ってコリメートするように構成される、請求項５に記載のシステム。
7. 前記磁界偏向器、前記上部磁界偏向器、および前記中間磁界偏向器のそれぞれが、回転対称である８つの磁極片を有する、請求項５に記載のシステム。
8. 前記中間磁界偏向器と前記磁界偏向器の間に配設されたサイド検出器をさらに備え、前記サイド検出器が、少なくとも２次電子を収集するように構成される、請求項５に記載のシステム。
9. 前記中間磁界偏向器と前記磁界偏向器の間に配設された電子ビームベンダをさらに備え、前記電子ビームベンダが、前記サイド検出器において後方散乱電子から２次電子を取り除くように構成される、請求項８に記載のシステム。
10. 電子ビーム源で電子ビームを生成することと、
    前記電子ビームをビーム制限絞りを介して方向付けることと、
    前記電子ビームを、その光路に沿って前記ビーム制限絞りの下流に配設された磁界集束レンズを介して方向付けることと、
    前記電子ビームを、その光路に沿って前記磁界集束レンズの下流に配設された偏向器を介して方向付けることと、
    前記電子ビームを対物レンズを介して方向付けることであって、前記対物レンズが接地管、上部ウェーネルト電極、および下部ウェーネルト電極を含むことと、
    前記電子ビームを前記下部ウェーネルト電極からウェハの表面に向かって方向付けることと、
    前記ウェハからの後方散乱電子を、前記上部ウェーネルト電極の表面に配設された環状検出器において受け取ることであって、前記上部ウェーネルト電極の前記表面が前記下部ウェーネルト電極に面していることと、
    含む方法。
11. 前記電子ビームは、ビーム電圧が５０ｋＶ～１００ｋＶであり、５０ｋｅＶ～１００ｋｅＶの着陸エネルギーを有する、請求項１０に記載の方法。
12. 前記磁界集束レンズが、小焦点深度モードおよび大焦点深度モードを有する前記電子ビームを形成するように構成され、開口数は、前記大焦点深度モードの方が前記小焦点深度モードよりも小さい、請求項１０に記載の方法。
13. 前記ウェハが３次元半導体構造を含む、請求項１０に記載の方法。
14. 前記電子ビームの焦点深度が最大２０μｍである、請求項１０に記載の方法。
15. 前記電子ビーム源が半径１μｍ未満の先端を含む、請求項１０に記載の方法。
16. 前記偏向器が磁界偏向器またはウィーンフィルタである、請求項１０に記載の方法。
17. 前記偏向器が磁界偏向器であり、さらに、前記電子ビームを、その光路上に沿って前記偏向器と前記磁界集束レンズの間に配設された上部磁界偏向器および中間磁界偏向器を介して方向付けることを含む、請求項１６に記載の方法。
18. 前記上部磁界偏向器が、前記電子ビームを前記中間磁界偏向器に向かって偏向させるように構成され、前記中間磁界偏向器が、前記電子ビームを前記上部磁界偏向器の偏向方向と反対の方向に、前記磁界偏向器に向かって偏向させるように構成され、前記磁界偏向器が、前記接地管へと、前記電子ビームを偏向させ前記光路に沿ってコリメートするように構成される、請求項１７に記載の方法。
19. 前記中間磁界偏向器と前記磁界偏向器の間に配設されたサイド検出器において２次電子を受け取ることをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
20. 前記中間磁界偏向器と前記磁界偏向器の間で前記ウェハから戻ってきた電子を曲げ、それによって前記サイド検出器において後方散乱電子から前記２次電子を取り除くことをさらに含む、請求項１９に記載の方法。

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