JP4960393B2

JP4960393B2 - 荷電粒子線装置及び該装置を用いたデバイス製造方法

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Publication number: JP4960393B2
Application number: JP2009019535A
Authority: JP
Inventors: 涼田島; 賢治渡辺; 雅規畠山; 伸治野路
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 2009-01-30
Filing date: 2009-01-30
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2026-09-12
Also published as: JP2009140935A

Description

本発明は、荷電粒子線を試料の表面に照射することにより、試料表面の構造や電気的導通状態（電子ビームテスティング）等の検査、観察、評価を行う荷電粒子線装置、及び該装置を使用する半導体デバイス製造方法に関する。

従来、試料表面に荷電粒子線を照射して試料表面から放出される二次荷電粒子を検出し、その検出結果から画像を合成して試料表面の情報を得る荷電粒子線装置が知られている（例えば特許文献１参照）。

図４は、絶縁物に一次電子線を照射した場合の、一次電子線照射エネルギーと二次電子の放出効率σとの関係を示す。照射される一次電子線のエネルギーが約５０ｅＶ以上で１５００〜２０００ｅＶ以下の範囲では、二次電子の放出効率σが1以上となり、入射した一次電子線よりも多くの二次電子が放出される。このため、絶縁物の表面は正にチャージアップされる。しかし、一次電子線のエネルギーが上記範囲の上又は下にある場合には放出効率σが1以下となり、絶縁物の表面は負にチャージアップされる。このような正の又は負のチャージアップが大きくなると、二次電子から形成される観察・評価用の画像に歪みが生じ、試料表面の正確な情報が得られないという問題があった。

負へのチャージアップに対しては、キャピラリーチューブを用い、試料上の観察位置にガスを局所的に供給してガス分子を試料表面に衝突させ、この衝突によりガス分子と電子を結合させてガス分子をイオン化することによって試料表面の電荷を中和する方法が提案されている（例えば特許文献２参照）。しかし、広い面積に荷電粒子線を照射する写像投影方式の荷電粒子線装置では、荷電粒子線で照射される部分全体に均一にガスを供給することは不可能であるため、この中和方法は写像投影方式の荷電粒子線装置には適していない。

一方、正のチャージアップに対しては、タングステンなどの熱フィラメント型電子源によって試料に電子照射を行い、そのチャージアップを中和する方法も考えられるが、その場合、絶縁物が正帯電から電荷ゼロの状態に移行し、更に負帯電に進行してしまいやすく、その制御は困難であるという問題がある。

試料の表面にガスを均一に供給してチャージアップを低減する方法も提案されている（例えば特許文献３参照）。しかし、通常は試料の表面での圧力は０．０１〜０．１Ｐａという大きな値を有するので、試料表面に荷電粒子線を照射した場合には収差が発生してしまって、観察・評価用の画像にボケが発生する。このため、この方法は線幅０．１μｍ以下の試料の観察には適していない。しかも、チャンバ内の圧力も０．００１〜０．１Ｐａと高くなるため、チャンバ内が汚染され、高電圧が印加される部分に放電が発生するといった問題が存在する。

また、試料表面にレーザ光を照射してチャージアップを低減する方法も提案されている（例えば特許文献４参照）。しかし、レーザ光の照射強度が１０Ｗ／ｃｍ^２程度必要であるため、多大なエネルギーを消費し、非経済的である。
特開平５−２５８７０３号公報特開平１０−２７５５８３号公報特願２００３−２０１２６号特開２００３−３３１７７４号公報

本発明は、上記の課題を解決するために提案されたものであって、試料全体にわたりチャージアップのない状態で試料表面の観察及び評価を可能にした荷電粒子線装置及び該装置を使用した半導体デバイス製造方法を提供することを目的とする。

上記の書目的を達成するために、請求項１の発明は、
一次荷電粒子線を試料に向けて照射する手段と、
前記一次荷電粒子線の前記試料へ向けた照射によって前記試料の表面の情報を得た二次荷電粒子を検出器へ導く手段と、
前記検出器に導かれた前記二次荷電粒子を画像として合成する手段と、
を備える荷電粒子線装置であって、
前記試料の表面の帯電電荷量を計測する計測手段と、
前記計測手段によって計測された前記帯電電荷量に基づいて、前記試料の表面における帯電電荷量を低減又は消滅させる帯電解消手段と、
を具備し、
前記帯電解消手段が、前記試料の全体を覆うカバーと、前記試料に光を照射するために前記カバーに設けられた光源と、前記カバー内にガスを供給するためのガス供給手段と
を備え、前記帯電電荷量、導入ガスの電離確率、電気素量及び前記導入ガスの第一電離電圧に基づいて前記光源の強度を算出することを特徴とする荷電粒子線装置、
を提供する。

請求項２の発明は、前記一次荷電粒子線の電流密度を１０Ａ／ｃｍ^２以下に設定したことを特徴とする。
請求項３の発明は、前記一次荷電粒子線のエネルギーを１ｅＶ以上２０ｋｅＶ以下に設定したことを特徴とする。

請求項４の発明は、前記計測手段が、前記試料の表面における一次荷電粒子照射領域の電位を計測する手段を備えることを特徴とする。
請求項５の発明は、前記光源がレーザ光源と光源ランプとのうちのいずれかであり、前記レーザ光源からのレーザ光又は前記光源ランプからのインコヒーレント光の波長帯域が３００ｎｍ〜６００ｎｍ又はそれ以下であることを特徴とする。

請求項６の発明は、前記レーザ光又は前記インコヒーレント光の照射密度が１Ｗ／ｃｍ^２以上であることを特徴とする。
請求項７の発明は、前記試料を載置するためのステージを更に備え、前記カバーが、前記ステージ上に載置された前記試料を覆い且つ少なくとも一つのガス導入口を有することを特徴とする。

請求項８の発明は、前記カバーによって覆われた空間におけるガス圧が０．０００１〜０．１Ｐａであることを特徴とする。
請求項９の発明は、前記ガスが、窒素、水蒸気、電子親和力の高いハロゲン系のガス、及びそれらの化合物のうちのいずれかであることを特徴とする。

請求項１０の発明は、前記帯電解消手段が、前記計測手段の出力に基づいて、前記ガス供給手段によって供給されるガスの量と前記光源から発される光の強度とを制御する機構を更に備えることを特徴とする。

請求項１１の発明は、前記帯電解消手段が、前記試料の配線間の静電容量Ｃ［Ｆ］と前記計測手段によって計測された前記試料の表面電位Ｖ［Ｖ］とに基づき、前記試料の帯電電荷量Ｑ［ｃ］をＱ＝Ｃ×Ｖの式により求め、更に、前記帯電解消手段が、前記帯電電荷量、導入ガスの分子量、温度、前記導入ガスの電離確率、電気素量、チャージアップの時定数及び前記カバーの差動排気速度を基に導入ガス量を算出することを特徴とする。

請求項１２の発明は、前記帯電解消手段が、前記試料の配線間の静電容量Ｃ［Ｆ］と前記計測手段によって計測された前記試料の表面電位Ｖ［Ｖ］とに基づき、前記試料の帯電電荷量Ｑ［ｃ］をＱ＝Ｃ×Ｖの式により求めることを特徴とする。

請求項１３の発明は、請求項１〜１２のうちのいずれか1つに記載の荷電粒子線装置を用いて、プロセス途中のウエハ評価を行うことを特徴とする半導体デバイス製造方法を提供する。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る荷電粒子線装置の実施の形態を説明する。当業者は理解するように、以下に説明する実施の形態は単なる例示であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。なお、図１〜図３において、同一の参照数字は同じ又は同様の構成要素を指すものとする。

図１は、本発明に係る荷電粒子線装置の第１の実施の形態の構成を概略的に示しており、荷電粒子線装置は写像投影方式の電子ビーム装置として実現されている。この写像投影型電子ビーム装置は、直交する３つの軸の方向に移動可能且つ１つの軸の周りに回転可能なステージ１８を備えており、ステージ１８の上に試料（例えば、ＬＳＩ製造途中の回路パターンが形成されている８〜１２インチのシリコンウエハ）１９が載置される。この試料１９に対して、カソード1から放出された一次電子ビームが、ウェーネルト電極２、アノード３、アパーチャ５、静電レンズ４、Ｅ×Ｂフィルタ等のビームスプリッタ８を備える一次電子光学系を介して照射される。この照射により試料１９の表面から放出される二次電子（後方散乱電子及び反射電子を含む）は、二次電子光学系を構成する写像光学系の静電レンズ７、９、１０により５０〜１０００倍に拡大されて検出器Ｄに結像される。

検出器Ｄは、マイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）１１、蛍光板１２及びＴＤＩ（Time Delayed Integration）１３を備えている。二次電子はＭＣＰ１１により増倍され、蛍光板１２にて２次元の光信号に変換され、この２次元の光信号がＴＤＩ１３に導かれて画像として検出される。ステージ１８の上下方向及び左右方向の連続的移動と共に、その上に載置された試料１９も連続的に移動され、ＴＤＩ１３によって２次元画像信号が高速に取得される。ＴＤＩ１３から出力された画像信号は画像処理機構１４に供給され、画像処理機構１４において、試料１９の電子像が形成されるとともに試料１９の欠陥検出、欠陥分類判別がなされ、製造工程管理にフィードバックされる。

更に、図１に示す電子ビーム装置は、試料１９のチャージアップを解消するために、以下に説明する手段を有する。図１及び図２に示す如く、ステージ１８上に載置された試料１９全体を覆うように、カバー２０が設けられ、カバー２０にはガス導入口２１が形成され、ガス導入口２１に、流量調整器１６を介してガスボンベ１７が接続される。試料１９の表面全体において均一にチャージアップを解消するためには、カバー２０の内部にガスをなるべく均一に導入することが重要である。このため、ガス導入口２１は、カバー２０の周囲に等間隔に複数個（例えば８個）設けられることが望ましい。ガスボンベ１７から供給するガスとしては、Ｎ_２、Ｈｅ、Ａｒ、乾燥空気、ＳＦ_６、Ｘｅ、Ｎｅ、Ｈ_２、Ｏ_２などを用いることができる。

カバー２０の内部の適所には光源６が設置され、光源６から発せられた光により試料１９を照射する。この光の強度を調整するために光強度調整器２６が設けられる。光源６としては、レーザ光を発するレーザ光源とインコヒーレント光を発する光源ランプとのいずれかを用いることができる。レーザ光及びインコヒーレント光の波長帯域は３００ｎｍ〜６００ｎｍ又はそれ以下であることが望ましい。また、それらの照射密度は１Ｗ／ｃｍ^２以上であることが好ましい。レーザ光源としては例えばＨｅ−Ｃｄレーザを用いることができ、この場合、レーザ光の波長は５００ｎｍ以下であることが望ましく、特に３２５ｎｍ及び４２０ｎｍの２種類の波長のものがこのましい。また、照射強度は２Ｗ／ｃｍ^２以下、特に１Ｗ／ｃｍ^２以下が好ましく、照射面積は１ｍｍ^２以下であることが望ましい。その他のレーザ光源としては、レーザダイオード、ＹＡＧ、エキシマレーザ、ＴｉＡｌ_２Ｏ_３などを用いることができる。レーザ光の照射方法としては、連続照射方法、パルス照射方法などを用いることができる。

なお、図１における実施の形態においては1個の光源６しか用いていないが、光強度を高めるために、光源６を複数個設けることも有効である。この場合、試料１９の中心軸に関して対称に複数の光源を設置して、対称な方向からの複数の光によって試料１９を照射して照射効率を上げることができるようにしてもよい。

更に、試料１９の表面が一次電子ビームによって照射される領域の電位計測を行うために、カバー２０の内部には表面電位計２４が設けられる。ガス導入量及び光強度制御機構２５は、表面電位計によって計測された電位から試料１９の表面の帯電電荷量を算出するとともに、この帯電電荷量を低減し又は消滅するために必要な、カバー２０内へ導入されるべきガス量と光源６から発せられる光の強度とを算出し、この算出結果を設定値としてガス流量調整器１６及び光強度調整器２６に供給してそれらの制御を行う。

なお、試料１９の表面の帯電電荷量は、例えば、式Ｑ＝Ｃ×Ｖを用いて算出することができる。ただし、Ｑは帯電電荷量［ｃ］、Ｃは配線間の静電容量［Ｆ］、Ｖは表面電位［Ｖ］であり、配線間の静電容量は回路設計時に確定される。

帯電電荷量から導入ガス量を算出するには、例えば、式

を用いることができる。ただし、Ｇはガス導入量［Ｌ／ｓｅｃ］、Ｐは試料表面圧力［Ｐａ］、Ｓ_ｅｆｆはカバー２０の差動排気速度［Ｌ／ｓｅｃ］、Ｍは導入ガスの分子数、Ｔは温度［Ｋ］、ηは導入ガスの電離確率、ｑは電気素量［ｃ］、τはチャージアップの時定数［ｓｅｃ］である。また、帯電電荷量からレーザ強度を算出するには、例えば、式

を用いることができる。ただし、Ｗはレーザ強度［ｗ］、Ｖｇは導入ガスの第一電離電圧［Ｖ］、Ｎｍは導入ガスの単位体積当たりの分子数［個／ｃｍ^３］である。
そこで、ガスボンベ１７からガス導入口２１を介してカバー２０内へガスを導入し、カバー２０内がガス導入量及び光強度制御機構２５から出力される設定値に対応するガス圧力に達した後、光源６を起動して光の照射を開始する。こうして光源６から放出される光の強度も、ガス導入量及び光強度制御機構２５から出力される設定値に対応する。光源６からの光によって照射されたガスは、イオン化したガスとして試料１９の表面に達する。このような状態で一次電子ビームを試料１９に照射した場合、試料１９の表面に正負どちらのチャージアップが発生したとしても、光の照射によってイオン化されたガスの中和作用が働くため、試料１９の表面の電荷を平衡状態（すなわち、電荷ゼロの状態）とすることができる。また、光によって試料１９を直接照射することで、試料１９の表面の導電性を上げ、金属と絶縁物との表面電位の均一性を向上させることができるため、イオン化用のガスの中和作用との相乗効果により一層良好な電荷平衡状態が得られる。このため、図１に示す構成の電子ビーム装置を用いることにより、チャージアップ及び歪みのない良好な画像を得ることができる。

図３は、本発明に係る荷電粒子装置の第２の実施の形態の構成を概略的に示す図で、荷電粒子装置は走査型の電子ビーム装置として実現されている。なお、図３においては、図１及び図２におけると同一の又は同様の素子には同一の参照数字が付されている。

図３において、カソード１から放出された電子ビームはウェーネルト電極２を通過してからアノード３によって加速される。加速された電子ビームはアパーチャ５を通過し、静電レンズ４と走査コイル２３によって所望の倍率で試料１９の表面の走査を行う。電子ビームの照射により試料１９から放出された二次電子、後方散乱電子又は反射電子は、ホトマルなどの検出器２２によって検出され、二次元画像等の取得が可能となる。この実施の形態においても、図１及び図２に関して上述したような手段及び方法を用いて、試料１９の表面の電荷を平衡状態とすることにより、チャージアップ及び歪みのない良好な画像が得られる。

以下、本発明に係る荷電粒子装置の実施例について説明する。実施例１は図１に示す第１の実施の形態に関する実施例である。図１に示す写像投影方式の電子ビーム装置において、試料１９及びステージ１８を含む試料室（図示せず）の全体を１．０×１０^−６Ｐａ程度まで排気を行った後、ガスボンベ１７から窒素ガスをレギュレータ（図示せず）を介して０．１ＭＰａ程度に減圧し、流量調整器１６にて５ｓｃｃｍに調整した後、ガス導入口２１からカバー２０内に窒素ガスを導入した。このガス導入により、カバー２０内の圧力は１．０×１０^−３Ｐａ程度となる。一次電子光学系コラム、二次電子光学系コラム、検出器などの、動作環境が高真空であることが要求される箇所は、差動排気機構により１．０×１０^−５Ｐａ程度の高真空に維持した。

この圧力条件下において、レーザ光の強度を、窒素ガスをイオン化可能な値に設定した後、試料１９の一次電子ビーム照射領域付近にレーザ光を照射して試料表面の観察・評価用画像の取得を行った。レーザ光の照射によって窒素ガスはイオン化され、その中和作用によって試料１９の表面電荷はゼロに近づいて平衡状態とされた。この結果、特に像高の高い周辺部や絶縁物の領域においてもチャージアップ及び画像歪みのない良好な画像を得ることが出来た。

図１に示す電子ビーム装置において、上記実施例１における窒素に代えて、窒素よりも電子親和力の強いハロゲン系のガスを導入して前記プロセスを実施したところ、試料１９の表面の電荷が平衡状態に達するまでの時間を短縮することができ、ウエハなどの試料の検査を行う場合に検査を高スループット化できることがわかった。

以上、本発明に係る荷電粒子装置について詳述したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載から逸脱することなく、多くの変形や修正を行うことができる。

本発明は、試料表面の帯電電荷量を低減又は消滅させるようにしたので、画像歪みのない良好な画像を得ることができ、写像投影方式や走査型の荷電粒子装置に適用すると有効である。

本発明に係る荷電粒子装置の第1の実施の形態の構成を概略的に示す図である。図１におけるガス導入量及びレーザ強度制御機構の構成の一例を概略的に示す図である。本発明に係る荷電粒子装置の第２の実施の形態の構成を概略的に示す図である。ＳｉＯ２製の絶縁物に電子線を照射したときの、照射電子線のエネルギーと二次電子放出効率σとの関係を示すグラフである。

１：カソード、２：ウェーネルト電極、３：アノード、
４：静電レンズ、５：アパーチャ、６：光源、７：静電レンズ、８：Ｅ×Ｂフィルタ、９：静電レンズ、１０：静電レンズ、１１：マイクロチャンネルプレート、１２：蛍光板、１３：ＴＤＩ、１４：画像処理機構、１６：流量調整器、１７：ガスボンベ、１８：ステージ、１９：試料、２０：カバー、２１：ガス導入口、２２：検出器、２３：走査コイル、２４：表面電位計、２５：ガス導入量及び光強度制御機構、２６：光強度調整器

Claims

一次荷電粒子線を試料に向けて照射する手段と、
前記一次荷電粒子線の前記試料へ向けた照射によって前記試料の表面の情報を得た二次荷電粒子を検出器へ導く手段と、
前記検出器に導かれた前記二次荷電粒子を画像として合成する手段と、
を備える荷電粒子線装置であって、
前記試料の表面の帯電電荷量を計測する計測手段と、
前記計測手段によって計測された前記帯電電荷量に基づいて、前記試料の表面における帯電電荷量を低減又は消滅させる帯電解消手段と、
を具備し、
前記帯電解消手段が、前記試料の全体を覆うカバーと、前記試料に光を照射するために前記カバーに設けられた光源と、前記カバー内にガスを供給するためのガス供給手段と
を備え、前記帯電電荷量、導入ガスの電離確率、電気素量及び前記導入ガスの第一電離電圧に基づいて前記光源の強度を算出することを特徴とする荷電粒子線装置。
前記一次荷電粒子線の電流密度を１０Ａ／ｃｍ^２以下に設定したことを特徴とする、請求項１に記載の荷電粒子線装置。
前記一次荷電粒子線のエネルギーを１ｅＶ以上２０ｋｅＶ以下に設定したことを特徴とする、請求項１に記載の荷電粒子線装置。
前記計測手段が、前記試料の表面における一次荷電粒子照射領域の電位を計測する手段を備えることを特徴とする、請求項１に記載の荷電粒子線装置。
前記光源がレーザ光源と光源ランプとのうちのいずれかであり、
前記レーザ光源からのレーザ光又は前記光源ランプからのインコヒーレント光の波長帯域が３００ｎｍ〜６００ｎｍ又はそれ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の荷電粒子線装置。
前記レーザ光又は前記インコヒーレント光の照射密度が１Ｗ／ｃｍ^２以上であることを特徴とする、請求項５に記載の荷電粒子線装置。
前記試料を載置するためのステージを更に備え、
前記カバーが、前記ステージ上に載置された前記試料を覆い且つ少なくとも一つのガス導入口を有する
ことを特徴とする、請求項１に記載の荷電粒子線装置。
前記カバーによって覆われた空間におけるガス圧が０．０００１〜０．１Ｐａであることを特徴とする、請求項７に記載の荷電粒子線装置。
前記ガスが、窒素、水蒸気、電子親和力の高いハロゲン系のガス、及びそれらの化合物のうちのいずれかであることを特徴とする、請求項１に記載の荷電粒子線装置。
前記帯電解消手段が、前記計測手段の出力に基づいて、前記ガス供給手段によって供給されるガスの量と前記光源から発される光の強度とを制御する機構を更に備えることを特徴とする、請求項１に記載の荷電粒子線装置。
前記帯電解消手段が、前記試料の配線間の静電容量Ｃ［Ｆ］と前記計測手段によって計測された前記試料の表面電位Ｖ［Ｖ］とに基づき、前記試料の帯電電荷量Ｑ［ｃ］をＱ＝Ｃ×Ｖの式により求め、更に、前記帯電解消手段が、前記帯電電荷量、導入ガスの分子量、温度、前記導入ガスの電離確率、電気素量、チャージアップの時定数及び前記カバーの差動排気速度を基に導入ガス量を算出することを特徴とする、請求項１に記載の荷電粒子線装置。
前記帯電解消手段が、前記試料の配線間の静電容量Ｃ［Ｆ］と前記計測手段によって計測された前記試料の表面電位Ｖ［Ｖ］とに基づき、前記試料の帯電電荷量Ｑ［ｃ］をＱ＝Ｃ×Ｖの式により求めることを特徴とする、請求項１に記載の荷電粒子線装置。
請求項１〜１２のうちのいずれか1つに記載の荷電粒子線装置を用いて、プロセス途中のウエハ評価を行うことを特徴とする半導体デバイス製造方法。