JP5286094B2 - 荷電粒子線装置 - Google Patents

Description

本発明は、走査電子顕微鏡に代表される荷電粒子線装置に係り、特に試料を傾斜した方向から測定，検査することの可能な荷電粒子線装置に関する。

近年の半導体素子の微細化に伴い、製造装置のみならず、半導体素子の測定や検査（以下単に検査という）、或いは検査を行うための装置にもそれに対応した高精度化が要求されている。また、微細化とともに立体化・多層構造化が進んでおり、三次元的な検査技術の重要度が増している。通常、半導体ウェーハ上に形成したパターンの形状寸法が正しいか否かを評価するために、測長機能を備えた走査型電子顕微鏡（以下、測長ＳＥＭと称す）が用いられている。

測長ＳＥＭでは、ウェーハ上に電子線を照射し、得られた二次電子信号を画像処理し、その明暗の変化からパターンのエッジを判別して寸法を導き出している。また三次元的な検査、すなわち高さ方向の寸法を測定するためには、電子線をウェーハに対して傾斜させて照射することにより、得られた画像から寸法を算出している。従来、電子顕微鏡において傾斜像を得るには、試料ステージを傾斜させることが一般的であったが、近年はＳｉウェーハの大口径化が進んでいることから、電子線を傾斜させる方が合理的と判断されている。

この電子線の入射角度を制御する技術として、特許文献１に示すように偏向器を用いて電子線カラムのレンズ光軸に対して傾斜させ、このとき発生する非点や焦点ずれ、視野ずれを補正することで安定した光学条件で二次電子像を取得する技術がある。また、特許文献２に示すように、電子線カラムを試料ステージに対して傾斜させて装置に組付けた構成とし、回転ステージを備えて任意の方向から傾斜像を取得する技術がある。

特開２００５−３１０６０２号公報 特開２００７−１５８０９９号公報

特許文献１に示された技術によれば、従来のＸＹ２軸ステージであっても、電子線を任意の方向と角度で入射させることができるため、複雑な機構を追加することなく任意の傾斜像を取得できるが、欠点は大きな角度を振ることができないことである。例えば、Ｆｉｎ−ＦＥＴデバイスのゲートの高さを精度良く測定するためには、３０度の傾斜が必要であると考えられるが、電子ビームを、レンズ中心から外して試料に照射することになるため、ビームの傾斜角を大きくすると、取得される画像の分解能が低下する場合がある。

また、特許文献２に示された技術によれば、傾斜角はカラム取り付けの設計時に決められるために大角度も対応は可能である。しかし任意方向からの傾斜像を得ることを可能とするためにはＸＹステージ上に回転（θ）ステージが必要であり、このための案内と駆動系を組込むために重量増が避けられない。これに伴いステージ剛性の低下が発生して、わずかな振動にも共振してしまい、安定したＳＥＭ像を取得することが困難となってしまう。また、ステージがどの位置にいても回転が可能なように、真空対応の回転モータとロータリーエンコーダが必要となり、放熱対策や非磁性化を進めるにあたっての技術的課題が多い。

以下に、複数の傾斜方向からのビーム走査が可能な荷電粒子線装置であって、高分解能の維持と、ステージ構造の簡素化の両立を目的とする荷電粒子線装置を説明する。

上記目的を達成するための一態様として、試料を少なくとも２方向に移動させる試料ステージと、当該試料の２つの移動方向に対し、垂直な方向に荷電粒子線光軸を有する第１の荷電粒子光学系を備えた荷電粒子線装置において、前記試料ステージの移動方向に対し、傾斜した方向に荷電粒子線光軸を有する第２の荷電粒子光学系と、当該第１及び第２の荷電粒子光学系が取り付けられ、前記試料を、真空雰囲気内に保持する試料チャンバと、前記試料を、前記真空雰囲気内にて回転させると共に、前記第１の荷電粒子光学系光軸と平行な回転軸を持つ回転機構と、当該回転機構と前記試料ステージとの間で、前記試料を搬送する搬送機構を備えた荷電粒子線装置を提案する。

回転機構を、試料ステージと別体形成し、試料チャンバ内の真空雰囲気内にて、回転機構と、試料ステージと間の試料の搬送を可能とすることにより、試料ステージの簡素化が可能となると共に、複数方向からの傾斜荷電粒子光学系によるビーム照射を、当該傾斜荷電粒子光学系のレンズ中心からビームを偏向することなく実現できるため、高い分解能を維持しつつ、測定，検査を行うことが可能となる。

２つのカラム（電子顕微鏡鏡体）を備えた半導体デバイス検査装置の一例を説明する図。 図１に例示した半導体検査装置を用いた半導体デバイス検査方法のフローチャート。 図１に例示した半導体検査装置を電子ビームの照射方向から見た図（上視図）。 取得したＳＥＭ像内の寸法測定位置を例示した図。 Ｆｉｎ−ＦＥＴの高精度測定が可能な測定手法を説明する図。

以下の説明は、Ｘ−Ｙステージを備えた測長ＳＥＭ等の荷電粒子線装置の構造を複雑化することなく、Ｆｉｎ−ＦＥＴ等の三次元構造パターンに対応した傾斜角の大きいＳＥＭ像の取得を可能とする装置構成に関するものである。

そのような装置構成の一例として、鉛直方向とこれに対して傾斜している計２本の電子顕微鏡カラムを試料チャンバ上に設け、試料チャンバ側面の空間に移載アームと回転テーブルを設ける。傾斜像の方向を変える場合は、移載アームを用いて試料ステージから回転テーブルにウェーハを移動し、必要な角度だけ回転させた後に試料ステージに戻す。立体構造デバイスに対して検査を実施する場合は、鉛直カラムによりトップダウンのＳＥＭ像からＦｉｎの幅を測定しておき、同一点が傾斜カラムの視野に入るようステージを移動して、傾斜像からＦｉｎ高さを測定する。裏に隠れた方のＦｉｎ高さを測定する場合は、回転テーブルで９０度ウェーハを回転させた後にステージに戻すことで視点が移動するため、もう一方のＦｉｎ高さが測定できる。

上記構成によれば、回転テーブルを試料ステージから切り離して別置きとすることにより、ステージの構造を複雑化することなく任意の角度の傾斜像を得ることが可能となる。

以下、図面（図１〜図４）を参照しながら、本実施例に係る半導体デバイス検査装置および半導体デバイスの検査方法について詳細に説明する。

図１は、２つのカラム（電子顕微鏡鏡体）を備えた半導体デバイス検査装置の一例を説明する図である。真空ポンプ１に接続され、真空排気可能な試料チャンバ２の内部には、試料ステージ３が載置されている。試料ステージ３は、ベース４，センターテーブル５，トップテーブル６などから構成され、センターテーブル５はベース４上のＸ転がり案内７により拘束されている。これにより、一方向（Ｘ方向）に移動が可能となっており、センターテーブル５はベース４に取り付けたＸリニアモータ８により駆動される。センターテーブル５上には、Ｘ転がり案内７と直角に交差したＹ転がり案内９が同様に構成され、トップテーブル６はＹ転がり案内９に沿って、センターテーブル５に取り付けたＸリニアモータ８により同様に駆動される。ベース４とセンターテーブル５にはリニアスケール１０が取り付けられ、測定されたトップテーブル６の位置に基づいて、制御装置１１によりＸリニアモータ８を制御して所望の場所への位置決めを行う。トップテーブル６上には、静電チャック１２が搭載され、静電チャック１２の上にはウェーハ１３が吸着保持されている。

試料チャンバ２の上部には、電子線源となる電子銃１４，電子線１５の軌道を変える偏向器１６，電子線１５を収束させる電子レンズ１７，ウェーハ１３から放射される二次電子１８を取り込むための二次電子検出器１９などが組込まれたカラム（ａ）２０が搭載されている。二次電子検出器１９の信号は、制御部２１により信号処理され、観察用のＣＲＴ２２に送られる。カラム（ａ）２０は試料ステージ３の移動方向（Ｘ−Ｙ方向）に対して鉛直に取り付けられており、上方から見たトップダウン像を得ることができる。

カラム（ａ）２０の付け根部にはウェーハ１３の高さを測定可能な高さ検出器３１が搭載されている。これに対して、カラム（ｂ）２３は低倍の光学顕微鏡２４を挟んでカラム（ａ）２０と対称の位置に固定されており、かつウェーハ１３の法線方向に対して３０度の角度で、かつ試料ステージ３の移動方向に対して４５度の斜め方向に立てられており、傾斜像を得ることができる。

カラム（ａ）２０と、カラム（ｂ）２３にそれぞれ取り付けられた偏向器には、電子線を一次元的、或いは二次元的に、試料上で走査させるための信号が供給され、電子線は、対物レンズのレンズ中心を偏向支点として、試料上にて走査される。なお、レンズ中心は、電子光学系の光軸に一致している。電子光学系の光軸とは、電子線が偏向を受けない状態の電子線軌道である。

試料チャンバ２にはロードロックチャンバ２５が付属されており、この中にはウェーハ１３を支持する支持テーブル２６がある。ロードロックチャンバ２５と試料チャンバ２との仕切り、および大気側との仕切りとして、ゲートバルブ２７が設けられている。試料チャンバ２の中には、支持テーブル２６と静電チャック１２のそれぞれが保持するウェーハ１３を交換することができる搬送ロボット（ａ）２８が備えられている。試料チャンバ２の別の空間にはパルスモータ３２とロータリーエンコーダ３３で構成された回転テーブル２９が設けられ、静電チャック１２が保持するウェーハ１３を回転テーブル２９に移載するための２つめの搬送ロボット（ｂ）３０が組みつけられている。回転テーブルは、カラム（ａ）２０の電子光学系光軸と平行な回転軸を持ち、ウェーハ１３を３６０°回転可能に構成されている。

本実施例装置は、試料チャンバ２に、回転ステージを配置するための空間が接続されるように構成されているが、回転ステージ単体であれば、大きなスペースを必要としないため、試料室の大型化を抑制しつつ、試料ステージ３と回転テーブル２９を別体としたステージの構成が可能となる。この効果は、Ｘ−Ｙ方向においても、Ｚ方向においても言える効果である。回転を行うだけであれば、試料（ウェーハ）の径方向の大きさがあれば良いので、ゲートバルブや仕切りを設ける必要がなく、また、他の制約がなければ、回転テーブル２９に試料を配置した状態で試料の一部が、試料チャンバ２側に位置することも許容されるため、Ｘ−Ｙ方向への試料室の大型化を抑制することが可能となる。

また、試料ステージ３と回転テーブル２９を同じ高さ（試料チャンバ２の内部空間高さ内）に配列するような構成を為しているため、回転テーブル２９を設けたとしても、試料チャンバ２のＺ方向の寸法を拡張することなく、回転テーブル２９を配置することが可能となる。

次に、本発明の実施形態である半導体検査装置の動作について説明する。通常、ウェーハのパターン形状の検査方法として、所望のパターンがチップ内のどの位置にあるか、更に１枚のウェーハに対して配列されたどのチップのパターンを評価するのか、を座標にて予め登録しておく。検査時には、制御装置１１は自動的にその指定位置までステージ移動した後、電子線１５をウェーハ１３上に照射し、偏向器１６で走査して数万倍から数十万倍の二次電子像を取得し、ＣＲＴ２２上に表示する。この二次電子像の明暗の変化からパターンの形状を判別し、指定した形状（パターン線幅やピッチ、傾斜像からはパターン高さ等）の寸法値を算出する。その後、次のチップの指定位置に移動し、同様に画像取得を繰り返し行う。

次に、図２から図４を用いて、図１に例示した半導体検査装置による半導体デバイスの検査方法について説明する。

図２は、図１に例示した半導体検査装置を用いた半導体デバイス検査方法のフローチャートである。図３は、図１に例示した半導体検査装置を電子ビームの照射方向から見た図（上視図）である。図４は、取得したＳＥＭ像内の寸法測定位置を例示した図である。

図２のステップＳ１０により、検査すべきウェーハを図３のロードロックチャンバ２５にロードし、ステップＳ２０によりゲートバルブ２７を閉めて真空排気を行う。ステップＳ３０では、すでに検査が終了したウェーハがある場合は、そのウェーハとロードしたウェーハを、搬送ロボット（ａ）２８を用いて交換する。ステップＳ４０では、予め登録したウェーハアライメント点を光学顕微鏡２４で位置測定するために、光学顕微鏡２４の視野範囲に試料ステージ３を移動させ、ステップＳ５０により低倍でのウェーハアライメントを実行する。オフセットと回転量の補正を加えた新しい座標系に更新し、ステップＳ６０ではＳＥＭ像による中間倍アライメントを行うために、カラム（ａ）２０側の視野範囲に試料ステージ３を移動させる。ステップＳ７０により、ＳＥＭ像を用いた中間倍アライメントを実施し、より高精度なオフセットおよび回転量と、スケールの大きさを補正した座標系に更新する。

中間倍でのアライメントは、例えば位置合わせパターン等を用いたテンプレートマッチング等で行われ、カラム（ａ）２０にて取得された画像上にて、所望の位置を特定する。本実施例装置では、後述するように、カラム（ａ）２０でアライメントを行い、位置合わせが行われ、測定が行われた個所をカラム（ｂ）２３下に移動する。傾斜した光学系では、垂直光学系に比べて、広範囲に及ぶサーチ領域の中から、所定の個所を特定することは困難であるが、本実施例では中間倍でのアライメントをカラム（ａ）２０にて行っているため、広範囲のサーチ領域の中から目的の視野を特定することが可能となる。

ステップＳ８０では、予め登録しておいた検査ポイントに試料ステージ３を移動し、画像認識から検査すべき位置を特定して、図４ａに示す高倍のトップダウン像を取得する。このＳＥＭ像では例えばＦｉｎの幅Ｗを測定する。この後のステップでは同一点の傾斜像をカラム（ｂ）２３で取得するが、わずかな高さ方向の違いで座標のずれが発生するため、ステップＳ８０により各検査ポイント毎に高さ検出器３１を用いて高さデータを取得しておき、予め作成しておいた高さと座標ずれの関係式から座標系の補正を行う。

ステップＳ８０を検査ポイント分だけ繰り返し行った後は、ステップＳ９０によりカラム（ｂ）２３側の視野範囲に試料ステージ３を移動させ、高さデータ分の補正を加えた各検査ポイントの座標に位置決めを行う。カラム（ｂ）２３は図４ａの「ウェーハ回転角０度の方向」に傾斜しているため、ステップＳ１００にて得られる高倍の傾斜像は図４ｂに示すよう見え方となり、Ｆｉｎの高さＨ１を測定する。

この方向からは、Ｆｉｎの裏側のゲートとの境界（Ｈ２）が隠れて見えないため、この後のステップではウェーハを見える位置まで（この場合は９０度）回転させて測定する。検査ポイント分だけステップＳ１００を繰り返した後は、ステップＳ１１０によりウェーハ１３を搬送ロボット（ｂ）３０を用いて回転テーブル２９に移動させる。ステップＳ１２０にてウェーハ１３を設定した９０度だけ回転するようパルスモータ３２に信号を送る。ロータリーエンコーダ３３で所定の回転量を確認した後、試料ステージ３にウェーハ１３を戻す。これに合わせてステップＳ１３０では座標系の回転を行う。

ステップＳ１４０により再度、カラム（ａ）２０側の視野範囲に試料ステージ３を移動させ、ステップＳ１５０でＳＥＭ像による中間倍アライメントを行うことにより、回転テーブル２９での回転誤差を座標系に補正する。ステップＳ１６０にてカラム（ｂ）２３側の視野範囲に試料ステージ３を移動させ、ステップＳ１７０により検査ポイント位置での傾斜像を取得する。これにより、回転角０度では隠れていたＦｉｎの寸法Ｈ２の測定を行うことができ、Ｆｉｎ−ＦＥＴの検査すべき寸法の測定が完了する。この後はステップＳ１８０によりロードロックチャンバ２５を仕切るゲートバルブ２７を開き、ステップＳ１９０により搬送ロボット（ａ）２８を用いて、次に検査するためにロードしているウェーハと交換する。検査が終わったウェーハ１３はロードロックチャンバ２５の窒素ベント後にアンロードされる。

以上のように回転テーブルを試料ステージから切り離して別置きとすることにより、ステージの構造を複雑化することなく任意の角度の傾斜像を得ることができ、Ｆｉｎ−ＦＥＴのような立体構造のデバイスに対して必要な寸法を測定することが可能となる。

本実施例装置の構成は、Ｆｉｎ−ＦＥＴのようなデバイスを測定する場合に、更に優れた効果を発揮する。以下に図５を用いて、Ｆｉｎ−ＦＥＴの高精度測定が可能な測定手法について説明する。試料上に形成されたパターンに電子ビームを走査し、得られた電子（二次電子や反射電子）に基づいて、パターン寸法の測定を行う場合、パターンのエッジ方向に対して、電子ビームの走査線方向（Ｘ方向）が垂直となるように、電子ビームを走査することが望ましい。

検出された電子に基づいて、ラインプロファイルを形成し、当該ラインプロファイルに基づいて、測長を行う場合、エッジ方向に対し、走査線が斜めとなると、ラインプロファイルのピークが太くなり、高精度な測定が望めない場合がある。図２のステップ８０にて取得される信号は、走査線の方向を方向５１としたときに得られたものであるため、Ｆｉｎ−ＦＥＴデバイスのゲート電極の線幅を測定するのに適している。一方、Ｓ１５０後に、取得されるトップダウン像（図２では回転後のトップダウン像の取得ステップは図示されていない）は走査線の方向を方向５２としたときに得られるものであるため、ゲート電極下に配置されるチャネル領域の幅を測定するのに適している。

具体的には、（１）走査線方向を方向５１とした信号に基づくゲート電極幅の測長（Ｓ８０）→（２）視点５３の傾斜像に基づくゲート電極、或いはチャネル領域（バックサイド）の高さ測長（Ｓ１００）→（３）９０°回転→（４）走査線方向を方向５２とした信号に基づくチャネル領域（トップサイド）の測長→（５）視点５４の傾斜像に基づくゲート電極、或いはチャネル領域（バックサイド）の高さ測長（Ｓ１７０）を実施する。以上のように取得された信号の種類（走査線方向の相違）に応じて、測定対象パターンを変化させることで、Ｆｉｎ−ＦＥＴのように、パターンが垂直方向に交差するように形成されたデバイスの測定を高精度に実現することが可能となる。

１ 真空ポンプ
２ 試料チャンバ
３ 試料ステージ
４ ベース
５ センターテーブル
６ トップテーブル
７ Ｘ転がり案内
８ Ｘリニアモータ
９ Ｙ転がり案内
１０ リニアスケール
１１ 制御装置
１２ 静電チャック
１３ ウェーハ
１４ 電子銃
１５ 電子線
１６ 偏向器
１７ 電子レンズ
１８ 二次電子
１９ 二次電子検出器
２０ カラム（ａ）
２１ 制御部
２２ ＣＲＴ
２３ カラム（ｂ）
２４ 光学顕微鏡
２５ ロードロックチャンバ
２６ 支持テーブル
２７ ゲートバルブ
２８ 搬送ロボット（ａ）
２９ 回転テーブル
３０ 搬送ロボット（ｂ）
３１ 高さ検出器
３２ パルスモータ
３３ ロータリーエンコーダ

Claims (3)

1. 試料を少なくとも２方向に移動させる試料ステージと、当該試料の２つの移動方向に対し、垂直な方向に荷電粒子線光軸を有する第１の荷電粒子線光学系を備えた荷電粒子線装置において、
   前記試料の移動方向に対し、傾斜した方向に荷電粒子線光軸を有する第２の荷電粒子光学系と、
   前記第１及び第２の荷電粒子光学系が取り付けられ、前記試料ステージ上に配置された試料を、真空雰囲気内に保持する試料チャンバと、
   前記試料を、前記試料雰囲気内にて回転させると共に、前記第１の荷電粒子光学系光軸と平行な回転軸を持つ回転機構と、
   当該回転機構と前記試料ステージとの間で、前記試料を搬送する搬送機構と、
   当該搬送機構を制御する制御装置を備え、
   当該制御装置は、前記第２の荷電粒子光学系によって第１の方向から荷電粒子線を照射した後に、前記試料を前記回転機構に搬送し、当該試料を所定角回転した後に、前記試料ステージに前記試料を搬送し、前記第２の荷電粒子光学系によって前記第１の方向とは異なる第２の方向から前記試料に対して前記荷電粒子線を照射するように、前記搬送機構を制御することを特徴とする荷電粒子線装置。
2. 請求項１において、
   前記第２の荷電粒子光学系は、前記第１の荷電粒子光学系の荷電粒子光軸方向から見て、前記試料ステージの２つの移動方向に対し、４５°の方向に荷電粒子光軸が位置するように、前記試料チャンバに取り付けられることを特徴とする荷電粒子線装置。
3. 請求項１において、
   前記第１の荷電粒子光学系にて、アライメントを行った後に、前記試料ステージによって、前記試料を第２の荷電粒子光学系による荷電粒子線の照射位置に移動することを特徴とする荷電粒子線装置。

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