JP5553489B2 - 走査形電子顕微鏡、および走査形電子顕微鏡を用いた撮像方法 - Google Patents

Description

本発明は、収束された電子線を試料に走査することにより発生する二次信号を検出することで二次元像を得る、走査形電子顕微鏡に関する。特に、半導体などの基板上に形成されたパターンの計測や欠陥の観察を行う走査形電子顕微鏡に関する。

半導体デバイスは、フォトマスクに形成されたパターンを、リソグラフィー処理およびエッチング処理によりウェーハ上に転写する工程を繰り返すことにより製造される。このような製造プロセスにおいては、良好な歩留まりの早期な立ち上げ、及び、製造プロセスの安定な稼働の維持を実現することが重要である。このためには、ウェーハのインライン検査を行い、発見された欠陥を迅速に解析し、欠陥発生の原因究明と対策に活用することが必須である。検査結果を迅速に欠陥対策に結び付けるためには、多数の検出欠陥を高速にレビューして、発生原因別に分類する自動欠陥レビュー技術と分類技術が鍵となる。さらに、製造プロセスの微細化に伴い、半導体デバイスの製造歩留まりに影響を及ぼす欠陥サイズも微細化してきており、光学式のレビュー装置では、分解能の高いレビューが困難である。このため、高速、高分解能でレビューが可能な走査型電子顕微鏡（以下、ＳＥＭと略す場合がある）式のレビュー装置が製品化されている。また、近年の半導体素子の高集積化および微細化に伴い、ウェーハ上に多種多様なパターンが形成され、その形状や寸法の評価、測定が益々重要となっている。多数の測定点を高速にかつ安定に計測するために、高分解能での観察が可能な半導体パターンの計測用の走査形電子顕微鏡が製品化されている。

上記のような半導体素子用の走査形電子顕微鏡は、観察対象物を、まず広い視野角である低い観察倍率のＳＥＭ画像（以下、低倍像と呼ぶ）で探査し、観察対象物が画像中心となるようにセンタリングした後に、詳細観察のために観察倍率の高いＳＥＭ画像（以下、高倍像と呼ぶ）を取得する機能を有している。

ここで、低倍像には、観察対象物を探索しやすくするためには、深い焦点深度が必要であり、高倍像には、詳細な観察を行うための高分解能化が必要となっている。特許文献１（特開平１−２３６５６３号公報）と特許文献２（特開２００６−２９４３０１号公報）には、集束レンズの励磁を変化させて集束レンズの像点を移動させ、試料上に照射する電子線の開き角を変化させて、深い焦点深度を得ることが記載されている。前者は、倍率の切替えについて、記載されていないが、後者では、倍率に応じて電子線の開き角を変化させ、低倍像では深い焦点深度を、高倍像では高分解能像を得ることが記載されている。

特開平１−２３６５６３号公報 特開２００６−２９４３０１号公報

上述の特許文献１と特許文献２では、集束レンズの像点を移動させる手段として、電磁式レンズの励磁を変化させている。電磁式レンズの励磁を変化させるためにコイルの電流を変化させると、磁気余効などの影響により磁界の変化に遅れが生じたり、ヒステリシスの影響により再現性が低下したりする可能性がある。

半導体素子の検査装置としては、スループットも大きな要素である。電磁式レンズで、電子線の開き角を変えた場合、この切替えに時間を要してしまうので、スループットが低下する恐れがある。

本発明の第１の目的は、低倍像では深い焦点深度を、高倍像では高分解能像を得るために行う集束レンズの結像位置の移動を高速に行うことである。

本発明の第２の目的は、低倍像では深い焦点深度を、高倍像では高分解能像を得るために行う集束レンズの結像位置の移動の再現性を高めることにある。

本発明では、集束レンズが発生する磁界中に軸対称の電極を設置し、電極に電圧を印加して集束レンズの磁界を通過する一次電子のエネルギーを変化させて集束レンズの像点を移動することで目的を達成する。

すなわち、本発明による走査形電子顕微鏡は、電子線源から放出された電子線を収束するための集束レンズと、集束された電子線を試料上に微小スポットとして照射する対物レンズと、電子線を試料上に走査する走査コイルと、電子線照射によって試料から発生した試料信号を検出する検出器と、検出器にて検出された試料信号を画像として表示する表示部とを備え、集束レンズが発生する磁界中には軸対称の電極を設置して電圧を印加することにより、高速にかつ再現性良く集束レンズの像点を移動させることを特徴とする。

本発明によれば、低倍像では深い焦点深度を、高倍像では高分解能像を得るために行う集束レンズの像点の移動を高速にかつ再現性良く動作させることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図２以降の図において、図１と同じ機能部分には図１と同じ番号を付し、重複する説明を省略する。図１は、本発明による走査型電子顕微鏡の一例を示す概略断面図である。なお、図面では、走査型電子顕微鏡に必要な真空容器、ウェーハ搬送システムなどは省略している。陰極１と第一陽極２の間には、制御装置２２で制御される高電圧制御電源１５により電圧が印加され、所定のエミッション電流が陰極１から引き出される。陰極１と第二陽極３の間には制御装置２２で制御される高電圧制御電源１５により加速電圧が印加されるため、陰極１から放出された一次電子線４は加速されて後段のレンズ系に進行する。一次電子線４は絞り板５で不要な領域を除去され、レンズ制御電源１６で制御された集束レンズ６で結像位置２３に集束される。

その後、一次電子線４は、対物レンズ制御電源２０で制御された対物レンズ１１により試料１２上に微小スポットとして集束され、偏向コイル制御電源１９により制御された偏向コイル１０で試料１２上を二次元的に走査される。偏向コイル１０の走査信号は、観察倍率に応じて偏向コイル制御電源１９により制御される。一次電子線４の走査幅は、観察倍率により決定される。対物レンズ１１内に配置された加速電極２４に加速電圧制御電源２５により正電圧が印加されたり、試料１２または、試料１２を保持する試料保持器（図示せず）に、減速電圧制御電源より負電圧が印加されることにより、分解能向上が図られている。加速電極２４は対物レンズ１１の磁路と共用している場合もある。

一次電子線４の照射により試料１２から発生した二次電子や反射電子等の二次信号１３は、対物レンズ１１の上部に進行した後、一次電子線４が通過できる開口を有する導体板８に衝突させて、二次電子１４を発生させる。二次電子１４を検出器９で検出し、第一の増幅器１８で増幅させ、像表示装置２１で偏向コイル１０の走査信号と同期させて試料像として表示される。

この場合、集束レンズ６の集束条件及び絞り板５の穴径により、一次電子４の開き角αが決定される。一次電子線４の開き角αは、狭いほうが焦点深度は深くなるが、分解能は悪くなる。逆に、開き角αを広げると焦点深度は浅くなるが、分解能は良くなる。しかし、ある最適値の開き角αを境に、収差の影響から分解能は悪くなる。ここで、集束レンズ６によって発生する磁場中には軸対称の電極７が配置されている。この電極７に電圧を印加すると、集束レンズ６の磁場を通過する一次電子線４のエネルギーが変化して、一次電子線４の結像位置２３が変化する。具体的には、電極７に正電圧を印加すると、集束レンズ６を通過する一次電子線４が加速され、本来結像していた結像位置２３が対物レンズ１１側の結像位置２３’に変化することとなる。そのため、一次電子線４の試料１２上での開き角αは変化して、一次電子線４の焦点深度が変化する。電極７に正電圧を印加した場合は開き角αが狭くなるので、焦点深度が深くなる。

電極７に電圧を印加して集束レンズ６の結像位置２３を結像位置２３’に移動させると、対物レンズ１１の励磁条件が一定のままであると、試料１２へのフォーカスは合わなくなる。そのため、対物レンズ１１にてフォーカスを合わせなければならないが、対物レンズ１１のコイル電流を変化させて励磁条件を変更していては、高速で再現性のあるフォーカス設定ができなくなる。そこで、フォーカスを合わせるために対物レンズ１１の励磁を変化させるのではなく、加速電圧制御電源２５により加速電極２４に印加する正電圧を変化させることにより、試料１２へのフォーカス合わせを行う。この時、加速電極２４の電圧変化量は、結像位置２３から結像位置２３’への変化量を元に、制御装置２２のマイクロプロセッサ（図示せず）で計算される。また、減速電圧制御電源２６により試料１２に印加する負電圧を変更しても同様の結果を得ることができる。電極７への電圧印加と、加速電極２４に印加する正電圧または試料１２に印加する負電圧を変化させることを同時に行うことで、高速にかつ再現性よく開き角αの変更が可能になる。

半導体用の走査形電子顕微鏡に上記の技術を用いる場合、以下のようにする。一次電子線４の走査幅を広くした広い視野角である低い観察倍率の低倍像を取得するときには、フォーカス合わせを行わずとも観察対象物の探査が容易にできるように、深い焦点深度が達成できる条件を設定する。詳細観察のために一次電子線４の走査幅を狭くし、視野角を小さくした観察倍率の高い高倍像を取得する時には、高分解能が達成できる条件に開き角αの切替えを行うように条件を設定する。低倍像と高倍像の切替えは、スループットを重視すると、高速で再現性よく動作する必要がある。本発明によれば、その効果を十分に発揮できる。

低倍像と高倍像の切替え時に開き角αの切替えを行うと、視野のずれ、アライメントのずれ、非点補正量のずれが発生する可能性がある。視野のずれについては、開き角αを切替えたときの視野ずれ量を、電気的視野移動コイルを用いて補正することができる。電気的視野移動コイルは、図中には記載していないが、特開平１０−９７８３６号公報に記載されたように、イメージシフトコイルとして既知である。また、アライメントのずれは、対物レンズ１１の中心を通るようにアライメントを行うアライメントコイル（図示せず）によるアライメント量、またはそのずれ量を、それぞれ制御装置２２に記憶し、開き角αを切替えた時に用いるようにすれば、それぞれのずれを補正することが可能である。非点補正量のずれは、アライメントのずれと同様に、非点補正コイル（図示せず）の補正量を、制御装置２２に記憶、設定することにより補正が可能である。

これらのずれの補正量は、あらかじめ記憶させておいた値を使用することもできるし、観察前に測定して記憶することも可能である。半導体用の走査形電子顕微鏡の場合、観察前にずれの補正量を測定するのは自動的に行うことが要求される。自動的に補正量を取得するためには、図２に示すようなシーケンスにて実施すればよい。

図２は、開き角切替えによるずれ量を自動で取得するシーケンス図である。はじめに、特定のパターン位置に移動する（ステップ１００）。特定のパターンとは、後のステップで実施する自動軸調整、自動焦点合わせ、自動非点合わせの実施において、高精度で実行できるような専用のパターンを、ステージ機構２７の上にあらかじめ用意しておき、それを使用するようにする。次に、高倍像を取得するための高分解能が得られる開き角αの条件に設定する（ステップ１０１）。自動軸調整、自動焦点合わせ、自動非点合わせを実行し（ステップ１０２）、高倍像を制御装置２２のメモリへ保存し（ステップ１０３）、アライメント量と非点補正量を制御装置２２のメモリへ記憶する（ステップ１０４）。同じ倍率にて試料１２を移動することなく、低倍像を取得するための焦点深度が深い開き角αの条件で電極７に電圧を印加し、加速電極２４または試料１２に印加される電圧を変更することで、開き角αを切替える（ステップ１０５）。ここで開き角αの切替えを行った時の倍率は、後のステップで行う視野ずれ量の取得が正常に取得できるのであれば変更しても構わない。

開き角αの切替え後は、自動軸調整と自動非点合わせを実行し（ステップ１０６）、画像を制御装置２２のメモリに保存し（ステップ１０７）、アライメント量と非点補正量を制御装置２２のメモリへ記憶する（ステップ１０８）。ステップ１０３とステップ１０７にて保存された画像から、開き角αを切替えたときの視野移動量を得て（ステップ１０９）、制御装置２２のメモリに記憶する。更に、ステップ１０４とステップ１０８にて記憶された開き角αの切替え前後のアライメント量と非点補正量とからそれぞれのずれ量を得（ステップ１１０）、制御装置２２のメモリに記憶する。以上のステップを踏むことで、開き角αの切替えによる視野のずれ量を自動取得することが可能となる。

図３は、走査形電子顕微鏡の構造を示す縦断面図であり、本発明における第二の実施例の形態を示すものである。この構成は、図１における集束レンズ６を、第一集束レンズ６ａと第二集束レンズ６ｂの２段に置き換えたものである。第一集束レンズ６ａは、レンズ制御電源１６ａにより制御される。第二集束レンズ６ｂは、レンズ制御電源１６ｂにより制御される。第一集束レンズ６ａと第二集束レンズ６ｂの間には、絞り板５が配置されていて、一次電子線４の画像形成に不要な領域を除去される。その後、第二集束レンズ６ｂにて集束され、対物レンズ制御電源２５で制御された対物レンズ１１により、試料１２上に微小スポットとして集束される。第一集束レンズ６ａの結像位置２３を制御することにより、絞り板５を通過する一次電子線４の量を調整することで、試料１２に照射される一次電子線４の量を制御できる。また、第二集束レンズ６ｂの結像位置を制御することで、一次電子線４の開き角αを制御できる。

第一集束レンズ６ａの発生する磁場中には、軸対称の電極７が配置されている。この電極７に電圧を印加すると、第一集束レンズ６ａの磁場を通過する一次電子線４のエネルギーが変化して、一次電子線４の結像位置２３が変化する。具体的には、電極７に正電圧を印加すると、第一集束レンズ６ａを通過する一次電子線４は加速され、本来結像していた結像位置２３が絞り板５側の結像位置２３’に変化することとなる。そのため、絞り板５を通過する一次電子線４の量が増えることになり、試料１２上に照射される一次電子線４の量を増やすことになる。電極７に電圧を印加することにより、高速でかつ再現性よく一次電子線４の照射量を変更することが可能となる。

図４は、本発明における走査形電子顕微鏡の構造を示す縦断面図であり、第三の実施例の形態を示すものである。この構成の特徴は、図３における第二集束レンズ６ｂの発生する磁場中に軸対称の電極７ｂを配置したことである。開き角αは、第一集束レンズ６ａの結像位置２３ａ、絞り板５の穴径、および第二集束レンズの結像位置２３ｂにより決定される。第一集束レンズ６ａが発生する磁場中に配置された軸対称の電極７ａに電圧を印加すると、第一集束レンズ６ａの結像位置２３ａが変化し、一次電子線４の試料１２への照射量が変化する。ところが、第一集束レンズ６ａの結像位置２３ａが変化するため、開き角αも変化する。そこで、第二集束レンズ６ｂの発生する磁場中に配置された軸対称の電極７ｂに電圧を印加することで、開き角αを制御することができる。

同時に、対物レンズ１１の励磁条件が一定のままで加速電極２４または試料１２への印加電圧を制御して、フォーカス合わせを行う。ここで、変化させたい照射量から電極７ａの電圧変化量を計算し、変化させたい開き角αの量から電極７ｂの電圧変化量を計算し、さらに試料にフォーカスを合わせるために加速電極２４または試料１２への印加電圧を計算する。これら３つの電圧を制御することで、高速で再現性よく一次電子線４の照射量と開き角αを同時に変更することが可能となる。

以上述べた原理に基づき、観察用の走査形電子顕微鏡を用いて、半導体などの基板上の異物の観察や形成されたパターンの欠陥の観察を行う。図５は、欠陥候補を探索する手順を示すフローチャートである。異物や欠陥は光学式検査装置や電子顕微鏡を応用した電子線式検査装置で検出され、その座標が送信される。ここで、検出された欠陥は、詳細な解析が終了しておらず、真の欠陥かどうかがまだわからないので、欠陥候補と呼ぶことにする。基板は、上述の検査装置から観察用の走査形電子顕微鏡へ搬送され、予め設定された電子光学条件により、観察のための画像が撮像される。観察用の走査形電子顕微鏡では、欠陥候補の解析のために撮像するときの倍率は、欠陥候補の大きさの情報に基づいてそれが画像の視野内に納まるように設定され、欠陥候補を探索するときの倍率は、欠陥候補の大きさが画像の画素の大きさよりも大きく、かつ、欠陥候補が見つけ易いような広い領域の倍率に設定される。

はじめに、検査装置から送信された欠陥候補の座標に基づいて、低い倍率で欠陥候補を探索し検出する（ステップ５０１）。欠陥候補が検出されたなら、基板を移動させるか、一次電子線の走査の偏向範囲を調整するかにより、欠陥候補ができるだけ画像の視野の中心に位置するように調整する（ステップ５０２）。続いて、一次電子線の走査幅を小さくして高い倍率の画像を撮像する（ステップ５０３）。撮像が終了したら画像を保存するか、別途設けられた記憶装置へ画像を送信し（ステップ５０４）、次の欠陥候補がある場合には（ステップ５０５）、再び低い倍率に切替えて、次の欠陥候補を探索するステップ５０１に戻る。以上のステップを繰り返して、画像を取得する欠陥候補の撮像が終了したら、処理の完了を表示装置へ表示させる（ステップ５０６）。

このような低い倍率から高い倍率への切替えや、高い倍率から低い倍率への切替えのときに、上述した本発明の方法を用いることにより、低い倍率では深い焦点深度を得られるため欠陥候補の探索が容易になり、高い倍率では高分解能の画像を得ることができ、さらに、倍率の切替えを精度よく高速に行うことが可能となる。

本発明における走査形電子顕微鏡の構造を示す縦断面図。 開き角切替えによるずれ量を自動で取得するシーケンス図。 本発明における別の走査形電子顕微鏡の構造を示す縦断面図。 本発明における別の走査形電子顕微鏡の構造を示す縦断面図。 欠陥候補の探索の手順を示すフローチャート。

符号の説明

１：陰極、２：第一陽極、３：第二陽極、４：一次電子線、５：絞り板、６：集束レンズ、６ａ：第一集束レンズ、６ｂ：第二集束レンズ、７,７ａ,７ｂ：電極、８：導体板、９：検出器、１０：偏向コイル、１１：対物レンズ、１２：試料、１３：信号電子、１４：二次電子、１５：高電圧制御電源、１６,１６ａ,１６ｂ：集束レンズ制御電源、１７,１７ａ,１７ｂ：電極電圧制御部、１８：信号増幅器、１９：偏向コイル制御部、２０：対物レンズ制御電源、２１：像表示装置、２２：制御装置、２３,２３’,２３ａ,２３ａ’,２３ｂ,２３ｂ’：集束レンズ結像位置、２４：加速電極、２５：加速電圧制御電源、２６：減速電圧制御電源。

Claims (3)

1. 電子源から放出された電子線を集束するための第１の集束レンズと、
   前記第１の集束レンズにより励起される磁場中に設けられた軸対称な形状を有する第１の電極と、
   前記電子線源から放出され前記第１の集束レンズを通過した電子線を集束するための第２の集束レンズと、
   前記第２の集束レンズにより励起される磁場中に設けられた軸対称な形状を有する第２の電極と、
   前記第１の集束レンズと前記第２の集束レンズとの間の光軸を含む領域に配置された絞り板と、
   前記集束された電子線を試料上に微小スポットとして照射する対物レンズと、
   前記電子線を前記試料上で走査する走査コイルと、
   前記電子線の照射によって前記試料から発生した試料信号を検出する検出器と、
   前記対物レンズに設けられ、前記電子源から到達した一次電子線を加速させるための加速電極とを備え、
   前記第１の集束レンズ内の電極に所定の電圧を印加することにより、前記絞り板を通過する前記一次電子線の電子線量を制御し、
   前記第１の電極および前記第２の電極に対する印加電圧の変化量に基づいて求められた電圧分前記加速電極の電圧を変化させることにより、前記対物レンズのフォーカスを変更することなく、前記第２の集束レンズと前記対物レンズとの間にある前記第２の集束レンズの結像位置を変化させることを特徴とする走査形電子顕微鏡。
2. 電子源から放出された電子線を集束するための第１の集束レンズと、
   前記第１の集束レンズにより励起される磁場中に設けられた軸対称な形状を有する第１の電極と、
   前記電子源から放出され前記第１の集束レンズを通過した電子線を集束するための第２の集束レンズと、
   前記第２の集束レンズにより励起される磁場中に設けられた軸対称な形状を有する第２の電極と、
   前記第１の集束レンズと前記第２の集束レンズとの間の光軸を含む領域に配置された絞り板と、
   前記集束された電子線を前記試料上に微小スポットとして照射する対物レンズと、
   前記電子線を試料上で走査する走査コイルと、
   前記電子線の照射によって前記試料から発生した試料信号を検出する検出器と、
   前記試料または該試料を保持する試料保持部に、前記一次電子線を減速させるための負電圧を印加する手段とを備え、
   前記第１の集束レンズ内の電極に所定の電圧を印加することにより、前記絞り板を通過する前記一次電子線の電子線量を制御し、
   前記第１の電極および前記第２の電極に対する印加電圧の変化量に基づいて求められた電圧分前記試料または前記試料保持部へ印加される負電圧を変化させることにより、前記対物レンズのフォーカスを変更することなく、前記第２の集束レンズと前記対物レンズとの間にある前記第２の集束レンズの結像位置を変化させることを特徴とする走査形電子顕微鏡。
3. 請求項１または２において、
   前記検出器により検出された前記試料信号を画像として表示する表示部とを備えることを特徴とする走査形電子顕微鏡。

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