JP4012429B2

JP4012429B2 - 電子線装置及びそれを用いたデバイス製造方法

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Publication number: JP4012429B2
Application number: JP2002130427A
Authority: JP
Inventors: 徹佐竹; 賢治渡辺; 努狩俣
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2002-05-02
Filing date: 2002-05-02
Publication date: 2007-11-21
Anticipated expiration: 2022-05-02
Also published as: JP2003323859A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、電子線装置及びその電子線装置を用いたデバイス製造方法に関し、詳しくは、最小線幅が０．１μm以下のデバイスパターンを有する試料（例えばウェハ等）の欠陥検査及び欠陥レビュー等を、高いスループットでかつ高い信頼性で行う電子線装置並びにその装置を使用してプロセス途中のウェハ等を検査することにより歩留まり率を向上させることができるデバイスの製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来から、電子銃から放出した電子線を矩形の電子ビームに成形し、その電子ビームをウェハの表面に照射し、ウェハ面から放出された二次電子の像を検出器で検出する電子線装置が提案されている。このような電子線装置では、電子銃が空間電荷領域で動作している場合には、電子銃のカソードから放出される電子線のショット雑音がΓ倍に低減されることがわかっていた。また、電子銃の輝度にはラングミュアの限界値という理論値があり、その値を大きく越えることはできないと考えられていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする一つの課題は、電子銃のカソードから放出された電子線のショット雑音の低減係数がΓである場合、試料に流れるビーム電流が非常に小さい場合にショット雑音がどのようになるかを調べ、その結果を有効に利用できる手段を提供することである。
一方、電子銃の輝度に関するラングミュアの限界値は本来、電子銃をレンズ系と考え、そのレンズ系が無収差の場合に達せられる値である。しかしながら、電子銃は実際にはタングステンフィラメントカソードのような非軸対称のカソードを有するので、巨大な収差を有する電子銃でも実験的にはラングミュアの限界値と同じ値が得られている。従って、電子銃の収差が小さければラングミュアの限界値を越える輝度は得られるものと考えられる。かかる事項を鑑み、本発明が解決しようとする別の課題は、ＬａＢ₆電子銃の軸対称性を利用してラングミュアの限界値を遙かに越える輝度を得ることができる条件を提供することである。
本発明が解決しようとする更に別の課題は、上記のような電子銃を備えた電子線装置を提供すると共に、その電子線装置を使用してプロセス途中の試料の欠陥を検査するデバイスの製造方法を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題は以下の手段により解決される。即ち、本願の電子線装置の発明の一つは、電子銃、コンデンサレンズ及び対物レンズを有する光学系と二次電子検出器とを備え、検査される試料には負の電圧を印加し、前記電子銃から放出された電子線を細く絞り試料上を走査し、走査点から放出された二次電子を少なくとも１個の電磁偏向器を有する分離器で前記光学系から分離して二次電子検出を行う電子線装置であって、前記電子銃は、先端の曲率半径が２５μｍ以上のＬａＢ₆で形成されたカソードを有するように構成されている。
本願の別の発明は、電子銃、コンデンサレンズ及び対物レンズを有する光学系と二次電子検出器とを備え、前記電子銃から放出された電子線を細く絞り試料上を走査し、走査点から放出された二次電子を少なくとも１個の偏向器を有する分離器で前記光学系から分離して二次電子検出を行う電子線装置であって、前記電子銃は、試料電流をＩｓとしたときのショット雑音が、
【式２】

を満たす条件で動作させるように構成されている。
本願の更に別の発明は、電子銃、コンデンサレンズ及び対物レンズを有する光学系と二次電子検出器とを備え、前記電子銃から放出された電子線を細く絞り試料上を走査し、走査点から放出された二次電子を少なくとも１個の偏向器を有する分離器で前記光学系から分離して二次電子検出を行う電子線装置であって、前記電子銃は、先端が球の一部の形状をした円錐形状であり、前記円錐の頂角が８０度以上であるように構成されている。
本願発明の一つの実施形態において、試料を保持する試料台を設け、前記試料台にはＳｉＣセラミックスの表面に膜形成及び研磨処理が行われたレーザミラーを設けている。
本願発明の別の実施形態において、試料を固定する静電チャックを備え、前記静電チャックは中央部及び周辺部の一部からなる電極と、周辺部の残りの部分からなる電極とを有し、試料をチャックするとき、まず前者の電極と試料との間に電圧が印加され、時間遅れの後、後者の電極と試料との間に電圧が印加されるように制御するように構成している。
本願の別の発明は、上記のような電子線装置を使用して、プロセス途中の試料を評価を行うようにしている。
【０００５】
【発明の実施の形態】
まず、試料に流れるビーム電流が非常に小さい場合に、カソードから放出された電子線のショット雑音が分配雑音でどのようになるかを検討する。カソードは空間電荷制限条件で動作するものとする。
カソードでのショット雑音
【数１】

は、
【式３】

ここで、Ｉo：カソード電流、ｅ：電荷、Γ：空間電荷制限条件によるショット雑音低減係数、Δｆ：増幅器の帯域幅、をそれぞれ意味する。
試料に流れるビーム電流をＩ_PEとすると、試料でのショット雑音
【数２】

は、
【式４】

ここで、
【数３】

は分配雑音であって次式で表せる。
【式５】

（３）式を（２）式に代入して、
【式６】

即ち、（１）式のＩoがＩ_PEに変わっただけの式となり、空間電荷制限条件によるショット雑音低減係数Γの利点を利用する事が可能であることが示された。
【０００６】
次に、上記検討結果を有効に利用し得る本発明による電子線装置について図面を参照して説明する。
図１（ａ）において、本発明の一つの実施形態による電子線装置１が模式的に示されている。この電子線装置１は、電子銃から放出された電子線を細く絞り、細く絞られた電子ビームを検査されるべき試料（例えばウェハ若しくはマスク等、本実施形態ではウェハとする）Ｗの表面上に照射する光学系（以下、単に光学系と呼ぶ）１０と、ウェハＷから放出された二次電子を検出する検出系３０と、ウェハＷを保持する試料台４０とを備えている。
光学系１０は、空間制限条件で電子線を放出する電子銃１１と、電子線を偏向する偏向器１２と，電子線を集束するレンズ１３と，偏向器１４及び１５と，対物レンズ１６とを備え、それらは、図１に示すように、ウェハＷの表面に垂直な方向に光軸Ａに沿って、電子銃１１を最上部にして順に配置されている。電子銃１１は、熱電子放出カソード（ＬａＢ₆カソード）１１１、ウェーネルト１１２，アノード１１３，ヒータ１１４，支持具１１５，碍子１１６，スペーサ１１７，及びカソード近傍の空間と絶縁物表面とを隔離するシールド板１１８，１１９とを有している。図１（ｂ）に示すように、電子銃カソード１１１はその先端が球の一部の形状をした円錐形状で形成され、この円錐形状のコーン角度θは８０度以上が好ましく、また、当該先端の球の一部の曲率半径は２５μｍ以上が好ましい。更に、円錐部と球面部との境界１２０が滑らかに遷移されるように加工することが好ましい。
検出系３０は、ＭＣＰ（マイクロチャネルプレート）３１と、アノード３２と、５０Ωの抵抗３３と、増幅・Ａ／Ｄ変換器３４と、画像形成装置３５とを備えている。
試料台４０は、２つの電極４１，４２を有する静電チャック４３を備え、この静電チャック４３によりウェハＷが平坦に固定されている。電極４２は静電チャックの中央部と周辺部の一部からなり、電極４１は周辺部の残りの部分を占めた構成となっている。ステージの上部４４は熱膨張係数が極めて小さいセラミックスで造られていて、その一部４４１がウェハＷの上面と同じ高さになるような略Ｌ字形の断面形状となっており、従って、レーザ光線源４５からのレーザ光線Cがウェハ面と同じ高さに入射される。ＳｉＣセラミックスの表面に膜形成及び研磨処理が行われたレーザ光線用の固定ミラー４６が対物レンズの外周部に設けられている。試料台をこのような構成としたことにより、試料位置を正確にレーザ干渉計で測定することができる。
【０００７】
上記構成の電子線装置１において、電子銃１１から放出された電子線は、カソード１１の背後に虚のクロスオーバを作る。この場合、クロスオーバを虚のクロスオーバとすることにより、ラングミュアの限界値を遙かに越える超高輝度を比較的広い範囲で達成できるような電子銃電流が流れるように、ウェネルト１１２に与える電圧を決定する。当該クロスオーバは、偏向器１２を通過し、レンズ１３と対物レンズ１６で集束されてビーム状に細く絞られ、ウェハＷに収束される。偏向器１４及び１５で電子ビームを偏向することにより、光軸Ａから外れたウェハＷの細長い視野を走査することができる。ウェハＷから放出された二次電子は偏向器１５で光軸Ａからから分離され光軸Ｂに沿って検出系３０に入射する。検出系３０に入射した二次電子はまずＭＣＰ３１に結像される。ＭＣＰ３１で結像した二次電子はそこで増幅され、アノード３２に吸収されて抵抗３３により電圧信号に変換される。変換された電圧信号は増幅・Ａ／Ｄ変換器３４を通過してデジタル信号に変換されて画像形成装置３５に入力され、二次元像として検出される。
【０００８】
次に、図２を参照して、本発明の電子線装置の光学系を用いた電子線転写装置について説明する。
本図において、電子線転写装置１００が模式的に示されており、この装置は、電子銃から放出された電子線を所定の形状（例えば、矩形）に成形し、成形された電子ビームをマスクを介して転写対象物（例えばウェハ）Ｗの表面上に照射し、マスクに形成されたパターンをウェハ上に転写する。
電子線転写装置１００は、電子線を放出する電子銃１１０と、電子線を集束するレンズ１２０と、電子線を例えば矩形の断面を有する電子ビームに成形する第一の成形開口１３０と、偏向器１４０と、レンズ１５０と、第二の成形開口１６０と、電子ビームを拡大する投影レンズ１７０と、NA開口１８０と、電子ビームを拡大する投影レンズ１９０と、二段の偏向器２００及び２１０とを備え、それらは、図２に示すように電子銃１１０を最上部にして順に、かつ電子銃から放出される電子線の光軸ＲがウェハＷに垂直になるように配置されている。NA開口１８０は投影レンズ１９０の焦点位置に配置されている。また、偏向器２１０とウェハＷの間にはマスクＭが配置されている。
電子銃１１０は、熱電子放出型のＬａＢ₆電子銃であり、ＬａＢ₆カソード１１１，グラファイトヒータ１１２、押さえ金具１１３、ウェーネルト電極１１４及びアノード１１５を備えている。電子銃１１０のウェーネルト電極１１４のバイアスをある程度深くすることにより、電子銃１１０を空間電荷制限領域内で制御することができる。
【０００９】
次に、上記構成の電子線転写装置１００の動作について説明する。
電子銃１１０は、グラファイトヒータ１１２に流す電流を調整して、空間電荷制限領域内で作動するように調整される。従って、電子線が発生させるショット雑音を大幅に小さくすることができる。電子銃１１０から放出された電子線は、レンズ１２０で集束され第一の成形開口１３０を一様に照射する。電子線は第一の成形開口１３０で電子ビームＣとして矩形に成形される。成形された電子ビームはレンズ１５０により第二の成形開口１６０に結像される。偏向器１４０を使用して第一の成形開口１３０の像と第二の成形開口１６０の重なりを調整することにより、電子ビームの照射寸法をウェハ上での１チップあるいは１チップの整数倍の寸法に調整することが可能である。照射寸法が調整された電子ビームは、二段の投影レンズ１７０及び１９０で拡大され、ウェハ上に結像される。
【００１０】
上述の通り、NA開口１８０は投影レンズ１９０の焦点位置に配置されているため、電子ビームＣはマスクＭ上にマスクＭに対して垂直に照射される。マスクＭを通過した電子ビームＣは光軸Ｒと平行であるため、マスクＭのパターンが正確にウェハ上に形成される。
また、電子銃が作るクロスオーバ像はＮＡ開口１８０と一致した位置に形成され、かつ第二の成形開口１６０の像がマスクと一致した位置に結像されているため、ケーラ照明条件が満たされている。従って、マスク上で強度分布が一様な照明ビームを得ることができる。
更に、二段の偏向器２００及び２１０を作動させて、マスクＭを照射する電子ビームＣと光軸Ｒとのなす角度θを調整することができる。従って、マスクＭとウェハＷの間の間隔をｄとすると、間隔ｄと上記角度θとの積θ×ｄだけマスクＭの像をウェハＷ上で移動させることができる。これにより、アライメントを行ったり、あるいはウェハのステージをステップ移動した後完全に停止するのを待たずして、ステージ移動をレーザ干渉計で読み取り角度θにフィードバックして転写を開始することができる。
【００１１】
本発明による電子線転写装置は次のような特徴を備えている。すなわち、
（１）電子銃から放出される電子線をマスクに照射しウェハ上にマスクのパターンを転写する電子線転写装置において、第一の成形開口１３０、第二の成形開口１６０の２枚の成形開口、及びそれらの間に偏向器１４０を設け、偏向器１４０を使用して第一の成形開口１３０の像と第二の成形開口１６０の重なりを調整することにより、マスクMを照射する電子ビームの断面寸法を変化させることができる。
（２）上記（１）のような構成の電子線転写装置において、電子銃のクロスオーバ像をNA開口１８０に結像させることができる。また、上述のように、マスクMに近い側の投影レンズ１９０とマスクMとの間に２段の偏向器２００，２１０を設け、マスクMを照射する電子ビームと光軸Ｒとの間の角度θを調整することができる。
（３）電子銃から放出される電子線をマスクに照射しウェハ上にマスクのパターンを転写する電子線転写装置において、電子銃１１０を空間電荷制限領域内で作動させ、この電子銃から放出される電子線で長方形のマスクMの全面を一様なビーム強度で照射するようにしている。
（４）上記（１）又は（３）のような構成の電子線転写装置において、２段の投影レンズ１７０及び１９０の間に、マスクMに近い側の投影レンズ１９０からその投影レンズ１９０の焦点距離だけ離れた位置にNA開口１８０を設け、マスクを照射する電子ビームが光軸Ｒに平行なビームとなるようにしている。
（５）上記（１）又は（３）のような構成の電子線転写装置において、レジストに与えるドーズを０．５μｃ／ｃｍ²以下にしてもショット雑音によるエッジラフネスを十分に小さくすることができる。
【００１２】
次に、図３及び図４を参照して本発明による電子線装置を用いた半導体デバイスの製造方法を説明する。
図３は本発明による半導体デバイスの製造方法の一実施例を示すフローチャートである。この実施例の工程は以下の主工程を含んでいる。
（１）ウェハを製造するウェハ製造工程（又はウェハを準備するウェハ準備工程）
（２）露光に使用するマスクを製造するマスクを製造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）
（３）ウェハに必要な加工処理を行うウェハプロセッシング工程
（４）ウェハ上に形成されたチップを一個づつ切り出し、動作可能にならしめるチップ組立工程
（５）できたチップを検査するチップ検査工程
なお、上記のそれぞれの主工程は更に幾つかのサブ工程からなっている。
【００１３】
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のが（３）のウェ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ハ上に順次積層し、メモリーやＭＰＵとして動作するチップを多数形成する。このウェハプロセッシング工程は以下の各工程を含んでいる。
（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）この薄膜層やウェハ基板を酸化する酸化工程
（３）薄膜層やウェハ基板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）加工されたウェハを検査する工程
なお、ウェ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。
【００１４】
図４は、図３のウェ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示すフローチャートである。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ハ上にレジストをコートするレジスト塗布工程
（２）レジストを露光する工程
（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
（４）現像されたレジストパターンを安定化するためのアニール工程
上記の半導体デバイス製造工程、ウェハプロセッシング工程、及びリソグラフィー工程については、周知のものでありこれ以上の説明を要しないであろう。
上記（７）の検査工程に本発明に係る欠陥検査方法、欠陥検査装置を用いると、微細なパターンを有する半導体デバイスでも、スループット良く検査できるので、全数検査が可能となり、製品の歩留まりの向上、欠陥製品の出荷防止が可能となる。
【００１５】
【発明の効果】
本発明の電子線装置によれば、以下のような効果を奏する。
（１）ＬａＢ₆カソードを有する電子銃で１×１０⁷Ａ／Ｌ²ｓｒ以上の高い輝度を電子銃電流の広い範囲で得ることができる。
（２）熱電子放出電子銃を空間電荷制限条件で使用することにより、ショット雑音を低減することができる。
（３）試料台を熱膨張係数が極めて小さいセラミックスで造ることにより、試料位置を正確にレーザ干渉計で測定することができる。
（４）ウェハ固定用のチャックの電極を２つに分割し、中央部の電極とウェハ間にまず電圧を印加し、その後周辺部の電極に電圧を印加するようにしたことにより、上方に向けて凸状の形状を有するウェハでも、平坦度に影響を及ぼすことなく良好にチャックすることができる。
（５）ショット雑音が小さいので少ないビーム電流でＳ／Ｎ比の良好な像を得ることができる。
（６）電子ビームの断面寸法をチップ寸法に容易に一致させることができ、電子ビームを走査させる必要性が少ないので短時間で１チップの露光ができる。
（７）ケーラ照明条件をみたすため、チップ内の照射量の一様性を向上させることができる。
また、本発明の電子線転写装置によれば、上記効果の他、以下のような効果を奏する。
（８）照射ビームはマスク上で光軸に平行であるため、マスクとウェハとの間の間隔が変動してもパターン誤差となることはない。
（９）２段階の偏向により、電子ビームの照射角度を調整することができるため、マスクとウェハを相対的に機械的に移動させなくても位置合わせすることができる。
（１０）ステージをステップ移動した後、ステージを完全に停止する前に転写を開始することができるので、高いスループットで転写することができる。
（１１）電子銃を空間電荷制限条件で作動させるため、ショット雑音が小さく、転写パターンのエッジラフネスを小さくすることができる。更に、ドーズが小さくてもエッジラフネスを小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明による電子線装置の実施形態を模式的に示す図である。
（ｂ）はカソードの先端の断面を示す図である。
【図２】本発明による電子線装置の光学系を用いた電子線転写装置を模式的に示した説明図である。
【図３】デバイス製造工程を示すフローチャートである。
【図４】リソグラフィー工程を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１：電子線装置１０：光学系
１１、１１０：電子銃１２：偏向器
１３：レンズ１４、１５：偏向器
１６：対物レンズ３０：検出系
３１：ＭＣＰ３２：アノード
３３：抵抗３４：増幅・Ａ／Ｄ変換器
３５：画像形成装置４０：試料台
４１，４２：電極４３：チャック
４４：ステージの上部４５：レーザ光線源
４６：固定ミラー１００：電子線転写装置
１２０：コンデンサレンズ１３０：第一の成形開口
１４０：偏向器１５０：投影レンズ
１６０：第二の成形開口１７０：投影レンズ
１８０：ＮＡ開口１９０：投影レンズ
２００、２１０：偏向器
Ｍ：マスクＷ：ウェハ

Claims

電子銃、コンデンサレンズ及び対物レンズを有する光学系と二次電子検出器とを備え、検査される試料には負の電圧を印加し、前記電子銃から放出された電子線を細く絞り試料上を走査し、走査点から放出された二次電子を少なくとも１個の偏向器を有する分離器で前記光学系から分離して二次電子検出を行う電子線装置であって、前記電子銃は、先端が球の一部の形状をした円錐形で形成され、前記球の曲率半径が２５μｍ以上のカソードを有し、前記電子線装置には試料を保持する試料台を設け、前記試料台にはレーザミラーが設けられ、レーザ光線源からのレーザ光線はウェハ面と同じ高さに入射され、レーザ光線用の固定ミラーが対物レンズの外周部に設けられていることを特徴とする、電子線装置。
電子銃、コンデンサレンズ及び対物レンズを有する光学系と二次電子検出器とを備え、前記電子銃から放出された電子線を細く絞り試料上を走査し、走査点から放出された二次電子を少なくとも１個の偏向器を有する分離器で前記光学系から分離して二次電子検出を行う電子線装置であって、前記電子銃のカソードは、先端が球の一部の形状をした円錐形状であり、前記円錐形状のコーン角が８０度以上であり、前記電子銃はカソードの背後に虚のクロスオーバーを形成するようにウェーネルト電圧が決定されており、前記電子線装置には試料を保持する試料台を設け、前記試料台にはレーザミラーが設けられ、レーザ光線源からのレーザ光線はウェハ面と同じ高さに入射され、レーザ光線用の固定ミラーが対物レンズの外周部に設けられていることを特徴とする、電子線装置。
請求項１又は２に記載の電子線装置において、試料を固定する静電チャックを備え、前記静電チャックは中央部及び周辺部の一部からなる電極と、周辺部の残りの部分からなる電極とを有し、前記試料をチャックするとき、まず前者の電極と試料との間に電圧が印加され、時間遅れの後、後者の電極と試料との間に電圧が印加されるように制御することを特徴とする、電子線装置。
請求項１ないし３のいずれかに記載の電子線装置を使用してプロセス途中のウェハの評価を行うことを特徴とする、デバイス製造方法。