JP5058489B2 - 試料表面検査装置及び検査方法 - Google Patents
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Description
従来は下層パターンと上層パターンの位置を合わせるための専用のマーク(オーバーレイマーク)を用い、光(光学顕微鏡等)を利用した位置合わせ等により行っていた(オーバーレイ検査)。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、半導体デバイスの製造過程の欠陥検査装置において従来にはない精度の良い欠陥検査装置及び検査(或いは評価)方法を実現することである。
本発明の他の目的は、電子ビームの試料面の照射領域のサイズをパターンのサイズより大きくすることによりオーバーレイの検査の精度を向上した写像型の表面検査装置或いは検査方法を提供することである。
請求項2に記載の発明によれば、検出器がEB−CCDであるってもよい。
また、半導体ウエハから発生される二次電子を検出する検出器は、MCPとTDI-CCDを備えていてもよい。
更に、電子を検出する検出器は上記MCPとTDI−CCDの他に蛍光板をMCPとTDI−CCDの間に備えていてもよい。
また、MCPとTDI−CCDの代わりにEB−TDIであってもよく、更にEB−CCDであってもよい
まず、オーバーレイ検査についての概念図を図1に示す。図1において、100はシリコン基板、101は酸化膜層、102は下層パターン、103は形成膜層、104は露光現像後のレジスト層を示す。半導体製造工程には多数のエッチング工程がある。エッチング工程はエッチングしたい形成膜例えば酸化膜103の上にレジストを塗布し、そのレジストを光若しくは電子ビームによって露光、現像してレジスト層104のように所望のパターン形成し、エッチングによりレジスト層のない部分の形成膜例えば酸化膜を除去することにより所望のパターンにするものである。
第一のエッチング工程で作られたパターン102の上に埋め込み、新たなる膜の形成工程があり、そこで形成された膜のエッチングが必要となる。このとき、前工程で作られたパターン(下層パターン)102とこれからエッチングするパターン(上層パターン)105が設計にしたがって一致していなくてはならない。そこで位置合わせ用のマークを用いて、下層パターン102と上層パターン105との一致性を検査する。
上層パターンのエッチングのため、下層パターンの上には既にレジストが塗布されており、下層パターンはこのレジストを通して観察若しくは観測しなくてはならない。 また、オーバーレイの検査では上層パターンと下層パターンは同時に観察若しくは観測できなくてはならない。
オーバーレイ検査では下層パターンは主にレジストや酸化膜の下に存在する場合が多い。場合によっては導電性を持った層の下にある場合もある。上層パターンはレジストの露光によって形成される場合が主であり、露光のみの場合とポストベークされた場合、現像までされた場合とがある。
図2において、本実施形態の試料表面の欠陥等の表面検査方法を行う装置が全体を1で示されている。同図において、2は一次電気光学系(以下単に一次光学系)、3は二次電気光学系(以下単に二次光学系)、4は検出系、5は公知の構造の防振台の上に設けられたステージ装置であり、これらはチャンバ12を画定するハウジング11内に収納されている。チャンバ12は図示しない装置により所望の雰囲気、例えば真空雰囲気に制御されるようになっている。
例えばウエハ、基板のような試料(以下この実施形態の説明では試料としてウエハを使用した例について説明する)Wは公知の構造、機能を有するステージ装置5のウエハ保持台51の上に、例えば真空チャック等の公知の手段により取り外し可能に固定されるようになっている。このウエハ保持台51は直交2軸方向すなわちX−Y方向の少なくとも一方向に連続的又はステップアンドリピート式に動くことができるように構成されている。防振台の防振構造は非接触型軸受けから構成されても良い。
電子ビームは、試料の照射領域のサイズが試料表面のパターン、特にオーバーレイパターンのパターンサイズより大きくなるように、一次光学系のレンズによって形成する。また電子ビームは、その形状が概ね円形若しくは楕円形になるように、またビーム強度分布が概ね均一になるように形成される。電子ビームはオーバーレイマークのほぼ中心に照射する。電子ビームの試料表面への照射は、図4に示されるように、一次光学系2の途中にあるブランキング用の電極23によって行われる。試料表面に電子ビームを照射する場合は電極の電圧を0V(ゼロボルト)若しくは軌道調整に必要な電圧にし、電子ビームを一次光学系の概ね中心を通す。電子ビームを試料表面に照射しない場合には、電子ビームが完全に一次光学系から外れるに十分な電圧をブランキング用の電極23に印加し、電子ビームを一次光学系を構成する外壁若しくは専用の電極24等に導き、試料表面には電子ビームが照射されないようにブランキングする。ブランキング用の電極は四重極子電極で構成される。電子ビームの偏向方向は、互いに直交するX方向又はY方向でも、或いは斜め方向(X方向の成分とY方向の成分を含む方向)でもかまわない。
電子ビームの照射位置を試料表面のオーバーレイマークの中心(図5で中心線O−Oで示す)から電子ビームの偏向方向(ブランキング方向)とは概ね反対方向にずらし(図5で中心線O′−O′)、試料表面の帯電状態の偏りをなくすように予め決める。また、ブランキングによる試料表面の帯電の偏りをより少なくするために、ブランキングの際電子ビームの引き出し用電極25(図4)の印加電圧を変更して、電子ビームの引き出し量を少なくする、又は引き出ししないようにすることもある。取得画像の対称性から、ブランキング方向はX方向又はY方向に行うほうが好ましい。
検出器41はMCP(マルチチャンネルプレート)と蛍光版及びTDI−CCD又はEB-CCD若しくはEB−TDIから構成されている。MCPで増倍された電子は、蛍光板にて光に変換され、この光信号がTDI−CCDに取り込まれ画像信号として出力される。 また、二次電子は直接EB−CCDに導入され画像信号に変換されてもよい。
なお、一次及び二次光学系、並びに検出系の各構成要素は公知の構造、機能を有するものであるから詳細な説明は省略する。
検出器がCCD若しくはEB−CCDの場合はステージは移動停止を繰り返すことも可能である.
ステージの位置は、図示しないが、常にレーザー干渉計によって公知の方法で測定されており、予め指定された目標値とレーザー干渉計にて測定された現在値との比較を行い、その残差に応じて残差を補正する信号を二次光学系3の静電レンズ制御ユニット(図示せず)に送る。ステージの移動、停止又はその間の速度斑、微少振動を、上記静電レンズにて二次電子の軌道を修正することによって補正し、検出器の検出面では常に安定した結像状態になるように補正する補正機構を有している。ステージ装置にはブレーキ(図示せず)が設けられていて、停止時にブレーキを用い停止し、停止中の微振動を抑制し若しくはなくすことも可能である。
検査はオフライン検査とオンライン検査の両方が選択可能で、オンライン検査の場合検査結果を半導体製造ラインに直接電気信号等信号線を通じてフィードバックすることも可能である。またオフライン検査の場合でも、検査結果を本検査装置の端末から直接入力して半導体製造ラインに電気信号等信号線を通じてフィードバックすることが可能である。半導体製造ラインのホストコンピューターと通信して、検査結果を製造工程の品質管理に用いてもよい。
試料表面検査装置1のチャンバ12に隣接して配置された予備環境室62は、半導体製造プロセスにおいて、ウエハが外部から搬入される時の環境からウエハ保持台51を有するステージ装置5が配置されたチャンバ12内の環境へと変化され、予備環境室62内及びチャンバ12内の環境が一致したとき、予備環境室62からウエハ保持台に検査前のウエハを搬入することが出来るようになっている。
具体的には、公知の防振構造を備えた防振台及びその上に配置されかつウエハ保持台51を有するステージ装置5が配置されたチャンバ12を画定するハウジング11と予備環境室62を画定するハウジング61との間にはゲート弁63が設けられ、チャンバ12と予備環境室62とはゲート弁53を介して選択的に連通或いは遮断可能になっている。更に、予備環境室62とチャンバ内のウエハを予備環境室へ導入するための別のゲート弁若しくはフランジを有していても良い。ここで、ウエハが予備環境室62とチャンバ12との間でゲート弁63を通して搬送されるとき、両者の環境はほぼ同一の環境(例えば、真空度10−4Pa〜10−6Pa程度の真空状態)に保たれている。
その後、チャンバ12と予備環境室62とを仕切っているゲート弁63を開け検査前のウエハWをウエハ保持台51へと搬入する(これをロードと呼ぶ)。検査前のウエハの前記搬入が終了すると、ゲート弁63を閉め、ウエハ保持台のある環境を検査に適した環境にし、検査を開始する。
検査が終了したウエハをウエハ保持台51から搬出し(これをアンロードと呼ぶ)、ウエハを次工程に搬送する場合には、搬入時と逆の動作をさせればよい。ここで、真空排気装置は、図2に示されるように、ターボ分子ポンプ66とドライルーツポンプ67との組み合わせが好ましいが、ドライルーツポンプの替わりにオイルミストトラップ若しくはモレキュラーシーブ付きのロータリーポンプであっても良い。
これは、電流密度の信号とブランキング信号からDose量(電子線の投与量でウエハ、基板等の試料上の単位面積当たりに照射される荷電量のことであり、以下Dose量として示す)を計算し、ブランキング信号によってEB-CCDの制御を行っている実施例である。
電子銃の電子電流値から電流密度Jeが算出される。この電流密度Jeとブランキング信号のブランキング解除時間τsからウエハ表面のDose量が計算される。
ここでDose量=Je・τs
試料表面すなわちウエハ表面の情報例えば、レジスト厚みd、比誘電率εrから単位面積あたりのウエハ表面の静電容量Cが求まる。
ここでC=εr・ε0/d (単位面積はcm2で計算、ε0は真空中の誘電率)
また、CV=Qより
ウエハ表面電圧の変化量ΔV=Q/C
ここでウエハ表面電圧とは、基板表面電圧或いは試料表面電圧とも呼ばれ、予め加えられたウエハ電圧と、ウエハに電子ビームが照射されたことにより加えられる電圧とを加え合わせた(重畳した)電圧を言う。
一方Qはウエハ表面に照射された総電子量なので、ランディングエネルギLE(keV)の時の二次電子放出率をγとすると
Q=Dose量・(1−γ)=Je・τs・(1−γ)となる。
よってウエハ表面電圧の変化量ΔV=Je・τs・(1−γ)・d/εr・ε0で表わされる。
したがって、ウエハ電圧(又はリターディング電圧)RTDは
RTD+ΔV=設計値(二次電子引き出し電圧)
を満たすように調整すればよい。
これは、EB−CCDの信号を基にブランキング信号を決め、そのブランキング信号と電流密度信号からDose量を決める場合の実施例である。
図10は、CCD若しくはEB−CCD又はTDI−CCDのStillモードによる1ショット撮像を連続して複数回行う場合のウエハ電圧とEB−CCDとブランキング信号との関係を示す。撮像毎にDose量が変わるので、その都度ウエハ電圧(リターディング電圧)を調整しなくてはならない。つまりウエハ電圧をその都度調整することで、常に同じ画像が得られることとなり、それらの画像を積算することで、よりS/N比の高い画像を取得することができ、画像解析の精度を向上させることが可能である。
なお、積算回数は任意の回数とすることができる。即ち、ウエハの条件等に応じた最適な積算回数を予め設定することができる。これによりウエハに応じた最適な検査条件で検査を実施することができる。
この様に、ウエハ電圧とウエハ表面電圧の変化分の和が二次光学系の結像条件を満たすようにDose量を調整することで、画像を取得することができる。露光時間とブランキング解除時間は相対的に任意に決めることが可能である。即ちブランキング解除時間が露光時間より長くてもよい。この場合Dose量の計算はτsの変わりに露光時間を代入する。
下層パターンが酸化膜やレジスト越しであり、上層パターンつまりレジスト露光が露光のみの場合若しくはポストベークまでの場合は、Dose量によるそれぞれのΔVは同じであるので、下層パターンの見易い条件と上層パターンが見易い条件の中間にウエハ電圧(リターディング電圧)を、あわせればよい。
上層パターンが現像までされている場合、上層パターンの見える原理は下層パターンが見える原理とはまったく違う。上層パターンは現像によってその表面に凹凸が存在するために、形状によるコントラストとして像を捕らえることが出来るので、この場合は下層パターンがよりよく見える条件にウエハ電圧(リターディング電圧)を合わせればよい。
また、上層パターンが潜像のように、試料表面に凹凸がない場合は、どちらか見易いパターンから先に画像を取得することが可能である。
ΔVをコントロールする方法として、レーザー光線の照射を行ってもよい。レーザー光線を照射することで、表面電位の上昇分を更に詳細にコントロールすることが出来る。レーザー光線を予め照射しておいてから電子ビームを照射する。レーザー光線の照射による量子効果で表面電位上昇分が変化しDose量のコントロールだけでは、微調整できなかった、試料表面の表面電位上昇分を調整し、より鮮明な画像を得ることが出来る。
レーザー光線の照射とRTDの調整とDose量による表面電位の調整はそれらを総合的に同時にコントロールすることも可能である。
3 二次光学系 4 検出系
5 ステージ装置
12 チャンバ 21 電子銃
23 E×Bフィルタ 41 検出器
42 記憶装置
Claims (4)
- 写像型電子線検査装置で試料表面を検査する方法において、電子銃から発生した電子ビームによる前記試料表面上の照射領域のサイズを、前記試料表面上のパターンサイズより大きくかつ概ね円形若しくは楕円形に形成し、前記電子ビームを前記試料表面上のパターンのほぼ中心に照射し、前記電子ビームの照射により前記試料表面から発生した二次電子を検出器の電子検出面で結像させ前記試料表面を検査し、
前記電子ビームが前記試料表面に照射されないようにするブランキングを、前記電子ビームの通路の途中に設けられたブランキング用電極の電圧を制御して電子ビームを偏向することによって行い、
前記電子ビームの照射位置を、前記試料表面上のパターンの中心から前記電子ビームのブランキングの偏向方向とは概ね反対方向にずらし、前記試料表面の帯電状態の偏りをなくす、ことを特徴とする試料表面検査方法。 - 請求項1に記載の試料表面検査方法において、前記検出器がEB−CCDであることを特徴とする試料表面検査方法。
- 請求項1又は2に記載の試料表面検査方法において、ブランキングの際、前記電子ビームの引き出し用電極の印加電圧を変更して、前記電子ビームの引き出し量を少なくする、又は引き出ししないようにすることを特徴とする試料表面検査方法。
- 請求項1から3のいずれかに記載の試料表面検査方法において、取得画像の対称性から、ブランキング方向はX方向又はY方向に行うことを特徴とする試料表面検査方法。
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