JP4370657B2

JP4370657B2 - 荷電粒子ビーム顕微鏡、欠陥検査装置及び半導体デバイスの製造方法

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Publication number: JP4370657B2
Application number: JP2000049305A
Authority: JP
Inventors: 宏西村
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2000-02-25
Filing date: 2000-02-25
Publication date: 2009-11-25
Anticipated expiration: 2020-02-25
Also published as: JP2001242104A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、荷電粒子ビームを用いた観察装置、半導体基板の欠陥検査装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体デバイスの検査等、物体表面の微小物の観察には、主として走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）が用いられてきた。しかしながら、ＳＥＭは電子ビーム観察面上の一点に照射し、照射点から発生する２次電子、反射電子や後方散乱電子を検出し、照射点を走査することにより画像を形成するものであり、観察に多大に時間がかかるという問題を有していた。これを解決する装置として、電子線を観察面に面状に照射し、その結果反射する電子及び後方散乱電子を加速して収束させ、電子光学系によりその像を拡大投影して撮像面に結像させ、電子強度分布を光強度分布変換し、光写像光学系を介して観察する装置が、特開平１０−１９７４６２号公報、特開平１１−６４２５６号公報に記載されている。
このうち、特開平１０−１９７４６２号公報に記載される装置においては、試料ステージを一方向に移動させながら撮像を行い、前記撮像面から得られてた二次元画像をＴＤＩアレイＣＣＤで検出することにより、高速・高感度でパターンの検査を行うようになっている。
【０００３】
また、特開平１１−６４２５６号公報に記載される装置においては、ウィーンフィルター（Ｅ×Ｂ）を用いることにより、斜め方向から発生させた一次電子ビームにより試料を垂直照明（落射照明）し、かつ、試料から発生する２次電子、反射電子等を、結像系（二次光学系）によって垂直上方に設けられた撮像面に結像させることができるようになっている。すなわち、Ｅ×Ｂをビームスプリッターとして使用している。
【０００４】
前述の特開平１１−６４２５６号公報に記載されるようなＥ×Ｂを用いた装置においては、照明用荷電粒子線を試料面に垂直に入射させ、かつ試料面の観察を垂直方向から行うことができるという特徴を有している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなシステムにおいて、前記Ｅ×Ｂは結像系（二次光学系）に対して収差が少なくなるように設計されるので、照明系（一次光学系）に対しては大きな収差を持つことが避けられず、その中でも特に非点収差が大きい。
【０００６】
一般に、一次光学系は、Ｅ×Ｂの後に設けられている開口絞り（ＮＡ）の中心位置に電子銃のクロスオーバー像を結像し、その後の光学系は、開口絞りの位置に結像された像を光源とするケーラー照明を構成するように設計されている。
【０００７】
しかしながら、一次光学系が荷電粒子源を開口絞りの位置に結像しようとしても、前記Ｅ×Ｂの非点収差のため結像特性が変更され、物体面で所定の照明視野、照度強度が得られないという問題点があった。
【０００８】
また、二次光学系の倍率を変化させた場合の照明サイズと、検出器として２次元ＣＣＤ及びＴＤＩＣＣＤを切り換えて使用する際の各ＣＣＤのアスペクト比に対応した照明視野のアスペクト比とを適切にすることができなかった。
【０００９】
即ち、照明視野のアスペクト比を変化させることができても、三重四極子では、
照明視野サイズは、所定の飛び々の値のみに設定できるだけであり、照明視野サイズに無駄が生じ、照明効率が適切ではなかった。
【００１０】
そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、照明視野のアスペクト比及び照明視野サイズを連続的に変化させることが可能な荷電粒子ビーム顕微鏡、欠陥検査装置及び半導体デバイスの製造方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための第一の手段は、少なくとも四極子からなる多極子レンズを複数段有する一次光学系を有し、荷電粒子源からの１次ビームをウィーンフィルター（Ｅ×Ｂ）を介して試料面（物体面）に所定の照明視野で照明する照明光学系と、前記照明された試料面（物体面）から発生する電子を、前記ウィーンフィルターを介して像面へ結像する写像投影光学系（二次光学系）と、前記複数段の多極子レンズのそれぞれに対する印加電圧を制御する一次コラム制御ユニットと、を備え、前記照明視野のアスペクト比及び視野サイズは、Ｘfocus、Ｙfocus、Ｘ倍率、Ｙ倍率の４つのパラメータによって決定され、
前記一次光学系の前記多極子レンズは、少なくとも四段配置され、前記一次コラム制御ユニットは、前記４つのパラメータを所望の値にするために、各パラメータに対応して前記少なくとも四段の前記多極子レンズのそれぞれを制御することを特徴とする荷電粒子ビーム顕微鏡（請求項１）である。
【００１２】
四重四極子レンズの各四極子レンズの印加電圧を制御し、Ｘfocus、ＹfocusをE×Bの非点収差にあわせつつ、Ｘ倍率、Ｙ倍率を変化させれば所望のアスペクト比の所望の照明サイズが得られる。
【００１３】
前記課題を解決するための第二の手段は、請求項１記載の荷電粒子ビーム顕微鏡を有してなることを特徴とする欠陥検査装置（請求項２）である。
【００１４】
前記課題を解決するための第三の手段は、請求項２記載の欠陥検査装置により中間製品又は完成品の検査を行う工程を有してなることを特徴とする半導体デバイスの製造方法（請求項３）である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態の例を図面を用いて説明する。
【００１６】
図１は、実施形態の一例である電子ビーム顕微鏡を使用した欠陥検査装置の例を示す全体構成図である。
【００１７】
欠陥検査装置は、一次コラム２０、二次コラム３０およびチャンバー４０を有している。
【００１８】
一次コラム２０の内部には、電子銃２１が設けられており、電子銃２１から照射される電子ビーム（一次ビーム）５０の経路に沿って、視野絞りFS1、四重四極子レンズ22〜25よりなる一次光学系が配置される。
【００１９】
また、チャンバー４０の内部には、ＸＹ方向に沿って移動可能なステージ４１が設置され、ステージ４１上には試料１１が載置される。
【００２０】
一方、二次コラム３０の内部には、試料１１から発生する二次ビーム６０の経路に沿って、カソードレンズＣＬ、開口絞りＡＳ、電磁プリズムとしてのウィーンフィルター（Ｅ×Ｂ（イー・クロス・ビー））３１、レンズ３２、３３，視野絞りＦＳ２、および検出器４２が配置される。このとき、カソードレンズＣＬから検出器４２までの間に配置される要素が二次光学系を構成している。
一方、検出器４２は電子を光に変換し、リレー光学系５５を通り、第二の検出器５６からの出力は、コントロールユニット４３に入力され、コントロールユニット４３の出力は、ＣＰＵ４５に入力される。
【００２１】
ＣＰＵ４５の制御信号は、一次光学系のレンズの電圧制御を行う一次コラム制御ユニット４６、二次光学系３３中の各レンズのレンズ電圧制御を行うと共に、Ｅ×Ｂに印加する電磁界制御を行う二次コラム制御ユニット４７およびステージ駆動機構４４に入力される。
【００２２】
また、ステージ駆動機構４４は、ステージの位置情報をＣＰＵ４５に伝達する。さらに、一次コラム２０、二次コラム３０、チャンバー４０は、真空排気系（不図示）につながれている。これより、一次コラム２０、二次コラム３０、チャンバー４０の内部は、真空排気系のターボポンプにより排気されて、真空状態が維持される。
【００２３】
電子銃２１からの電子ビーム（一次ビーム５０）は、一次光学系によるレンズ作用を受けて収束し、Ｅ×Ｂ３１へ向かう。２６、２７は偏向器である。
【００２４】
一次光学系22〜25を通過した一次ビーム５０は、Ｅ×Ｂ３１の偏向作用によりその軌道が曲げられる。Ｅ×Ｂ３１は、磁界と電界とを直交させ、電界をＥ、磁界をＢ、荷電粒子の速度をｖとした場合、Ｅ＝ｖＢのウィーン条件を満たす方向に移動する荷電粒子のみを直進させ、ウィーン条件を満たさない方向へ移動する荷電粒子の軌道を曲げるものである。図２に示すように、磁界をかける磁極３１（Ｂ）と電界をかける電極３１（Ｅ）を９０°ずらして配置すると、一次ビーム５０に対しては、磁界による力ＦＢと電界による力ＦＥとが同一方向に発生し、ビーム軌道は曲げられる。一方、二次ビーム６０に対しては、力ＦＢと力ＦＥとが逆方向に働いて、互いに相殺されるので二次ビーム６０はそのまま直進する。この構成自体は電子ビームをその加速電圧により偏向させるウィーンフィルタと同じであるが、本実施形態では電磁プリズム（ビームスプリッタ）として機能させている。
【００２５】
Ｅ×Ｂ３１を通過した一次ビームは開口絞りＡＳに達し、この開口絞りＡＳの位置で、電子銃のクロスオーバーの像を形成する。開口絞りＡＳを通過した一次ビームは、カソードレンズＣＬによるレンズ作用を受けて、試料１１上に達し、ケーラー照明条件が満たされた状態で試料１１を照明する。
【００２６】
二次光学系について説明する。図１において、一次ビームが照射された試料１１からは、二次ビーム６０として、試料１１の表面形状、試料１１の材質分布、電位の変化などに応じた分布の２次電子および反射電子が発生する。
【００２７】
この二次ビームは、カソードレンズＣＬによるレンズ作用を受けて、カソードレンズの焦点位置に配置される開口絞りＡＳを通過し、Ｅ×Ｂ３１に達する。前述したように、Ｅ×Ｂ３１によって形成される互いに直交した磁界Ｂと電界Ｅとは、試料１１からの二次ビームがウィーン条件を満たすように設定される。これにより、開口絞りＡＳを通過した二次ビームは、このＥ×Ｂ３１により偏向されずに複数の電子レンズ３２、３３へ向かう。なお、本実施形態では、一次ビームの軌道を曲げて、二次ビームを直進させるものを用いたが、それに限定されず、一次ビームの軌道を直進させ、二次ビームの軌道を曲げる電磁プリズムを用いても良い。
【００２８】
二次光学系３４の中には、視野絞りＦＳ２が設けられており、この視野絞りＦＳ２は、カソードレンズＣＬ及び電子レンズ３２の一部に関して試料１１と共役となっている。この視野絞りＦＳ２を介した二次ビーム６０は、さらに複数の電子レンズ３２を経て検出器４２へ到達する。３５〜３８は偏向器である。
【００２９】
このとき、検出器４２の検出面には、二次光学系により拡大された試料１１の像が形成される。なお、二次光学系中の電子レンズとしては、円形の電子レンズや四重極や八重極など種々のものを用いることができる。また、前記２次電子は、初期エネルギーが数eVと小さいため、前記ステージ４１、前記試料１１に電圧を印可し、前記ＣＬ第１電極との電位差により、該２次電子を加速することができる。一次ビームは減速される。
【００３０】
検出器４２は、電子を増幅するＭＣＰと、電子を光に変換する蛍光板と、真空系と外部とを隔てる真空窓から構成され、ＭＣＰ表面に結像した２次電子の像を二次元の光の像に変換する。この二次元光学像は、光学像を伝達させるためのレンズやその他の光学素子からなるリレー光学系５５を通り、第２の検出器５６（二次元ＣＣＤ等）で電気信号に変換されて、コントロールユニット４３に入力される。
【００３１】
コントロールユニット４３は、撮像素子５６から試料の画像信号を読み出し、ＣＰＵ４５に伝達する。
【００３２】
ＣＰＵ４５は、画像信号からテンプレートマッチング等によってパターンの欠陥検査を実施する。
【００３３】
また、ステージ駆動機構４４によりＸＹ方向に移動可能となっているステージ４１の位置は、ＣＰＵ４５により読み取られる。そして、ＣＰＵ４５は、ステージ駆動機構４４に駆動制御信号を出力し、ステージ４１を駆動させ、順次画像の検出、検査を行う。
【００３４】
なお、コントロールユニット４３が読み出した試料１１の画像信号をそのままディスプレイ４８に表示すれば、電子ビームに基づいて試料を観察するための観察装置となる。
【００３５】
一般的に、E×Bは、電極方向に凸のパワーをもち、磁極方向には収差の影響のパワーが発生する。もちろん、高次の収差があり、レンズの作用だけではない。しかし、支配的なのは、レンズ作用で、トーリック・レンズのように働く。レンズ作用に加えて非点収差があると考えてもよい。
【００３６】
図１に示す実施形態において、照明光学系（一次光学系）に四重四極子レンズ２２〜２５を用いているので、この四重四極子レンズ２２〜２５の各四極子レンズの印加電圧を変更することにより、特にスティグメータ等を用いることなしに、Ｅ×Ｂ３１の電極方向、磁極方向の結像位置を前記Ｅ×Ｂ３１のパワー及び非点収差に合わせることができる。よって、電子銃のクロスオーバーを前記開口絞りＡＳ上に結像し、カソードレンズ（ＣＬ）を介して試料をケーラー照明することができる。
【００３７】
また、照明光学系（一次光学系）に四重四極子レンズ２２〜２５を用いているので、照明視野のアスペクト比及び照明視野サイズを連続的に変化させることができる。その理由は次の通りである。
【００３８】
二次光学系の倍率を変化させると、最適な照明視野サイズが変わる。
【００３９】
また、ケーラー照明では、図３に示すように開き角θを変化させれば、照明視野が変化する。即ち、開き角θを変化させるためには、一次光学系の倍率を変化させればよい。
【００４０】
従って、二次光学系の倍率変化に対応して、一次光学系の倍率変化を行えばよい。
【００４１】
四極子レンズは、図４に示すように相対する電極に同一の電圧を、隣合う電極に極性が逆で絶対値が同一の電圧を印加することによってレンズ作用を持たせている。四極子レンズは、Ｘ方向、Ｙ方向のレンズパワーが異なるため、１つの四極子レンズは、１つのパタメータしかもたない。
【００４２】
照明視野のアスペクト比及び視野サイズは、Ｘfocus、Ｙfocus、Ｘ倍率、Ｙ倍率の４つのパラメータによって決定される。
【００４３】
前記４つのパラメータを所望の値にするために、各パラメータに対応して制御可能な四極子レンズを少なくとも４段備えることが必要となる。
【００４４】
前記四重四極子レンズの各四極子レンズの印加電圧を制御し、Ｘfocus、Ｙfocusを前記E×Bの非点収差にあわせつつ、Ｘ倍率、Ｙ倍率を変化させれば所望のアスペクト比の所望の照明サイズが得られる。
【００４５】
また、視野絞りFS1が円又は楕円のときは、円形ビーム、楕円ビーム、FS1が正方形、または長方形のときは矩形ビーム、長方形ビームでウエハ11を照明できる。
【００４６】
また、四重四極子レンズのかわりに四段以上の四極子、又は四段以上の八極子等の多極子でも良い。
【００４７】
さらに、荷電粒子ビームはイオンビームでも良い。また、検査装置でなく、半導体露光装置や、すべての荷電粒子源からのビームにより試料面（物体面）を照明し、像面へ結像する荷電粒子ビーム写像投影光学系に適用できる。
【００４８】
次に、本発明にかかる欠陥検査装置を用いて検査を行う工程を備える半導体チップ（所定の回路パターンを有するデバイス）を製造する方法について説明する。
【００４９】
図５は、半導体デバイズの製造工程を示す概略工程図である。
まず、シリコンウエハを用意し、シリコンウエハ上にシリコン酸化膜を形成する（成膜工程）。
【００５０】
シリコン酸化膜の形成方法としては、直接シリコンウエハを酸化する熱酸化法、
ＣＶＤ法、スパッタ法等の周知技術が用いられる。
【００５１】
なお、成膜工程で成膜する薄膜は後述するそれぞれ基本パターンによって異なり、アルミニウム等の導電膜、シリコン酸化膜等の絶縁膜、タングステン等の高融点金属膜等である。
【００５２】
次に、シリコン酸化膜が形成されたシリコンウエハ上にレジストを塗布し（感光基板）、投影露光装置のウエハステージに設置するとともに、マスクをマスクステージに設置する。
【００５３】
照明光学系から射出した光はマスクに入射し、投影結像光学系を介して、感光基板上にマスクに形成されたパターンの像を結像する（リソグラフィー工程）。
【００５４】
次に、所定のパターンが転写されたレジストを現像し、エッチング用マスクを形成する。エッチング用マスクに形成された開口に合わせてシリコン酸化膜をエッチングした後、エッチング用マスクを除去する（エッチング工程）。
【００５５】
また、シリコンウエハ中に不純物層を形成する場合があり、まず前述したリソグラフィー工程で不純物を導入する部分を開口したレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとしてイオン注入法によって下地に不純物（例えばＢ、Ｐ、Ａｓ）を導入する（ドーピング工程）。
【００５６】
このような方法（成膜工程、リソグラフィー工程、エッチング工程、ドーピング工程）を繰り返して、各基本パターン（例えば、MOSトランジスタの場合、素子分離領域（活性領域）を規定するパターン、ゲート電極のパターン、ソース／ドレイン領域を規定するパターン、素子間の電気的接続を行う配線の接続口（コンタクトホール）を形成するためのパターン、素子間の電気的接続のための配線パターン等）をウエハ上に順次積み重ねて半導体素子、集積回路を製造する。
【００５７】
成膜工程、リソグラフィー工程、エッチング工程、ドーピング工程の一連の工程後、実施形態にかかる欠陥検査装置を用いて欠陥検査を行う。
【００５８】
欠陥検査により不良品と判断された場合は、廃棄され、良品と判断された場合は、成膜工程、リソグラフィー工程、エッチング工程、ドーピング工程を経て次層パターンを形成する。
【００５９】
このようにして一連の各層のパターン形成後、実施形態にかかる欠陥検査装置を用いて検査を行う。
【００６０】
シリコンウエハ上の素子を電気的に接続する配線を形成する（メタライズ工程）。
【００６１】
シリコンウエハを個々のチップ（ダイス）に分割することを目的としてダイシングライン（チップとチップの間の隙間）に切り込みをいれる（ダイシング工程）。
【００６２】
最後に、半導体チップをパッケージに封入する（アセンブリ工程）。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明にかかる荷電粒子ビーム顕微鏡及び欠陥検査装置によれば、1次光学系（照明光学系）に対する電磁プリズム（E×B）の収差の影響をほぼ取り除くとともに、照明視野のアスペクト比及び照明サイズを連続的に変化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を荷電粒子ビーム写像投影光学系に適用した図である。
【図２】電磁プリズム（E×B）の作用を表す図である。
【図３】ケーラー照明時の電子線の開き角と、照明視野との関係を表す図である。
【図４】四極子レンズへの印加電圧を示す図である。
【図５】半導体デバイズの製造工程を示す概略工程図である。
【符号の説明】
１１・・・試料（ウエハ）
２０・・・一次コラム
２１・・・電子銃
２２〜２５・・・1次光学系（四重四極子レンズ）
２６、２７、３５、３６、３７、３８・・・偏向器
３０・・・二次コラム
３１・・・電磁プリズム（E×B）
３２、３３・・・二次光学系のレンズ
４０・・・チャンバー
４１・・・ステージ
４２・・・検出器
４３・・・コントロールユニット
４４・・・ステージ駆動機構
４５・・・ＣＰＵ
４６・・・一次コラム制御ユニット
４７・・・二次コラム制御ユニット
４８・・・ディスプレイ
５０・・・電子ビーム（一次ビーム）
５５・・・リレー光学系
５６・・・第２の検出器
６０・・・二次ビーム
ＦＳ１、ＦＳ２・・・視野絞り
ＡＳ・・・開口絞り
ＣＬ・・・カソードレンズ

Claims

少なくとも四極子からなる多極子レンズを複数段有する一次光学系を有し、荷電粒子源からの１次ビームをウィーンフィルター（Ｅ×Ｂ）を介して試料面（物体面）に所定の照明視野で照明する照明光学系と、
前記照明された試料面（物体面）から発生する電子を像面へ結像する写像投影光学系（二次光学系）と、
前記複数段の多極子レンズのそれぞれに対する印加電圧を制御する一次コラム制御ユニットと、を備え、
前記照明視野のアスペクト比及び視野サイズは、Ｘfocus、Ｙfocus、Ｘ倍率、Ｙ倍率の４つのパラメータによって決定され、
前記一次光学系の前記多極子レンズは、少なくとも四段配置され、
前記一次コラム制御ユニットは、前記４つのパラメータを所望の値にするために、前記４つのパラメータに対応して、前記少なくとも四段の前記多極子レンズのそれぞれを制御することを特徴とする荷電粒子ビーム顕微鏡。
請求項１記載の荷電粒子ビーム顕微鏡を有してなることを特徴とする欠陥検査装置。
請求項２記載の欠陥検査装置により中間製品又は完成品の検査を行う工程を有してなることを特徴とする半導体デバイスの製造方法。