【手続補正書】
【提出日】平成16年7月5日(2004.7.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】  明細書
【発明の名称】  電子ビーム装置およびその装置を用いたデバイス製造方法
【特許請求の範囲】
【請求項１】  一次電子線を放出して試料を照射するための第１の照射手段と、
前記一次電子線で照射された前記試料の表面から放出された二次電子を結像させるための写像光学機構と、
前記二次電子を検出するための検出器と、
前記検出器からの信号を処理する画像処理機構と、
を具備することを特徴とする電子ビーム装置。
【請求項２】  請求項１に記載の電子ビーム装置であって、前記一次電子線の試料への入射エネルギーが２〜４ｋｅVであり、前記試料の表面の絶縁物を負帯電とすることでチャージアップを低減することにより、前記試料の観察、評価を行うことを特徴とする電子ビーム装置。
【請求項３】  請求項１または２に記載の電子ビーム装置であって、前記写像光学機構の分解能が０．１μｍ以下であり、且つ、視野の最大像高が５０μｍ以上であることを特徴とする電子ビーム装置。
【請求項４】  請求項１〜３のいずれか一つに記載の電子ビーム装置であって、前記一次電子線と前記二次電子とを分離するためのＥ×Ｂフィルタ等の分離手段を更に備えることを特徴とする電子ビーム装置。
【請求項５】  請求項１〜４のいずれか一つに記載の電子ビーム装置であって、前記検出器がＴＤＩ等のライン・センサを含むことを特徴とする電子ビーム装置。
【請求項６】  請求項１〜５のいずれか一つに記載の電子ビーム装置であって、電子線を放出して前記試料を照射するための第２の照射手段を更に備え、前記第２の照射手段で前記試料を照射した後に前記第１の照射手段で前記試料を照射して前記試料を観察することを特徴とする電子ビーム装置。
【請求項７】  請求項１〜６のいずれか一つに記載の電子ビーム装置であって、前記第２の照射手段からの電子線の試料への入射エネルギーが２〜４ｋｅＶであることを特徴とする電子ビーム装置。
【請求項８】  請求項１〜７のいずれか一つに記載の電子ビーム装置であって、前記試料に光を照射するためのレーザ光源又は（インコヒーレント光）光源ランプを更に備えることを特徴とする電子ビーム装置。
【請求項９】  請求項８に記載の電子ビーム装置であって、前記レーザ光又は前記光源ランプの波長帯域が３００〜６００ｎｍ又はそれ以下であることを特徴とする電子ビーム装置。
【請求項１０】  請求項９に記載の電子ビーム装置であって、前記レーザ光又は前記光源ランプの照射密度が１Ｗ／ｃｍ2以上であることを特徴とする電子ビーム装置。
【請求項１１】  請求項１〜１０のいずれか一つに記載の電子ビーム装置を用いて、プロセス途中のウェハの欠陥を検査することを特徴とするデバイス製造方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の属する技術分野】
【０００１】
この発明は、試料の表面の構造評価、拡大観察、材質評価、電気的導通状態等の検査・観察を効率的に行い、例えば最小線幅０．１５μｍ以下の高密度パターンの欠陥を高精度且つ高信頼性、高スループットで検査を行うことができる欠陥検出装置、ならびに該装置を用いてデバイス製造プロセス途中のパターン検査を行うデバイス製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、基板表面に電子ビームを照射してスキャンし、その基板から放出される二次電子を検出した結果からウェハ画像データを生成して、ウェハ上のダイ毎の画像データとそれに隣接するダイの画像データとを比較することによって、ウェハの欠陥を検出する検査装置が知られている。
【０００３】
上記のような従来のＳＥＭ技術を用いた方式や、写像投影型などの広い面積を同時に照明する方式においては、電子ビームを基板に照射することによって被検査基板が帯電するが、過度の停電が生じると、基板から放出された二次電子の検出から得た画像データに歪みが生じて虚の欠陥を検出する（虚報欠陥）という問題や、像が不明瞭になったり、絶縁破壊等のダメージが発生する等の問題があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、こうした従来の課題を解決するために提案されたものであって、この発明の目的は、歪みの少ない検査画像を得ることができ、信頼性の高い表面観察および欠陥検出を可能にする欠陥検出装置、および、該欠陥検出装置を用いてスループット良くプロセス途中のデバイスを検査するデバイス製造方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、この発明の一つの実施の形態においては、一次電子線をウェハ等の試料の表面に照射する電子源と、試料の表面から放出された二次電子を拡大倍率にて検出器に結像させる写像光学系と、検出器からの信号を処理する画像処理機構とを備える、写像型の欠陥検査装置であって、試料に対する入射電子線のエネルギーを２〜４ｋｅＶと最適化することにより、試料からの二次電子放出効率を１より小さくし、試料を負に帯電させることで画像歪みを大幅に低減する。このエネルギー領域においては、試料が金属と絶縁物との混成であるとき、試料の表面領域に適度の導電性が発生するので、金属と絶縁物との間において、帯電による極端な電位差を発生させることがない。したがって、試料の表面から放出された二次電子が光学系を経て検出器に結像されるとき、画像歪みと収差の小さい像を形成することができる。
【０００６】
なお、上記の範囲よりも小さいエネルギーでは導電性効果が不足するので、充分な歪みおよび収差の低減ができなくなる。また、一次電子線のエネルギーが上記の範囲を越えると、ジュール熱発生効果とダメージ発生効果とが過度になり、デバイス破壊が発生して検査に適さない。
【０００７】
導電性効果の発生に関しては、試料に入射する一次電子線と試料を構成する原子とのカスケード衝突によりエネルギー電子が発生し、試料の表面域に導電性が得られる。このとき、充分なエネルギー電子を得るためには、２〜４ｋｅＶ程度の入射電子エネルギーが必要となる。
【０００８】
また、試料の表面の導電性効果を得るためには、観察分析用の電子ビームの前に、電子照射を行うことも可能である。このときには、測定領域の前に第２の電子源を配置し、この第２の電子源によって試料に電子線を照射し、試料の表面の電位状態を平衡にしてから試料を測定場所に移動させ、第１の電子源による一次電子線の照射によって試料表面から二次電子を放出させ、その二次電子を光学系で検出器へ導いて観察・測定を行うことが望ましい。この場合には、導電性が与えられた状態で平衡になっている試料の表面から放出される二次電子の画像を得るので、収差および歪みの小さい電子像を得ることができる。
【０００９】
レーザと電子線とを試料に同時に照射することによって、試料の表面での導電性効果を高め、電子線の照射に比べて試料表面の電位をより均一にし、しかも低収差且つ低歪みの電子像を取得するようにしてもよい。
【００１０】
また、表面検査のスループットを高くするために、試料の表面から放出される二次電子を写像光学系で検出することが可能である。写像光学系を用いることにより、試料の表面から二次元的に放出された二次電子を同時に検出することが可能になるので、二次元電子像を高速に取得することが可能になる。この特性を利用すると、例えば、高スループットでウェハの欠陥検査を行うことも可能になる。上記の方法および装置を用いることにより、プロセス途中のウェハの欠陥を検査するデバイス製造が可能になる。
【００１１】
したがって、請求項１の発明は、
一次電子線を放出して試料を照射するための第１の照射手段と、
前記一次電子線で照射された前記試料の表面から放出された二次電を結像させるための写像光学機構と、
前記二次電子を検出するための検出器と、
前記検出器からの信号を処理する画像処理機構と、
を具備することを特徴とする電子ビーム装置、
を提供する。
【００１２】
請求項２の発明は、前記一次電子線の試料への入射エネルギーが２〜４ｋｅＶであることを特徴とする。
【００１３】
請求項３の発明は、前記写像光学機構の分解能が０．１μｍ以下であり、且つ、視野の最大像高が５０μｍ以上であることを特徴とする。
【００１４】
請求項４の発明は、前記一次電子線と前記二次電子とを分離するためのＥ×Ｂフィルタ等の分離手段を更に備えることを特徴とする。
【００１５】
請求項５の発明は、前記検出器がＴＤＩ等のライン・センサを含むことを特徴とする。
【００１６】
請求項６の発明は、電子線を放出して前記試料を照射するための第２の照射手段を更に備え、前記第２の照射手段で前記試料を照射した後に前記第１の照射手段で前記試料を照射して前記試料を観察することを特徴とする。
【００１７】
請求項７の発明は、前記第２の照射手段からの電子線の試料への入射エネルギーが２〜４ｋｅＶであることを特徴とする。
【００１８】
請求項８の発明は、前記試料にレーザ光又は光を照射するためのレーザ光源又は光源ランプを更に備えることを特徴とする。
【００１９】
請求項９の発明は、前記レーザ光又は光源ランプの波長帯域が３００ｎｍ又はそれ以下であることを特徴とする。
【００２０】
請求項１０の発明は、前記レーザ光の照射密度が１Ｗ／ｃｍ2以上であることを特徴とする。
【００２１】
請求項１１の発明は、請求項１〜１０のいずれかの発明における電子ビーム装置を用いて、プロセス途中のウェハの欠陥を検査することを特徴とするデバイス製造方法を提供する。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図８を用いて、この発明に係る電子ビーム装置の若干の実施の形態を詳述する。図１は、この発明に係る電子ビーム装置の第１の実施の形態を概略的に示しており、電子ビーム装置は、カソード１と、ウェーネルト電極２とアノード３とを有する電子源Ｓを有する。電子源Ｓから放出された一次電子線は、３段の静電レンズ４、５、６によって拡大、縮小され、正方開口板７によって断面が正方形になるよう整形される。こうして整形された一次電子線はＥ×Ｂフィルタ８によって試料９の方へ進行方向が曲げられる。こうして、一次電子線は試料９を照射する領域と照射エネルギーとを制御され、例えば、ビーム径が２００μｍ、照射エネルギーが３ｋｅＶとされて試料９を照射する。試料９はＬＳＩ製造途中の回路パターンが形成されている例えば８〜１２インチのシリコン・ウェハであり、ｘ−ｙ−θステージ１０上に置かれる。
【００２３】
一次電子線による照射によって試料９から放出された二次電子は、写像光学系をなす第１段の静電レンズ（ＴＬ）１１、第２段の静電レンズ（ＬＬ）１２および第３段の静電レンズ１３によって５０〜５００倍に拡大され、検出器Ｄに結像する。写像検出系の分解能は０．１μｍ以下で、視野の最大像高は５０μｍ以上であることが望ましい。検出器Ｄは、入射した二次電子を増倍するマイクロチャンネル・プレート１４と、マイクロチャンネル・プレート１４から出力された二次電子を２次元の光に変換する蛍光板１５と、蛍光板１５から発した２次元の光を中継するリレー・レンズ１６と、リレー・レンズ１６から出力された２次元の光を画像として検出するＴＤＩ（Ｔｉｍｅ  Ｄｅｌａｙｅｄ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）１７とを備えている。なお、ＴＤＩの代わりに、適宜のライン・センサを用いることができる。
【００２４】
こうして、マイクロチャンネル・プレート１４で増倍された二次電子は蛍光板１５で２次元の光に変換され、この２次元の光はリレー・レンズ１６でＴＤＩ１７に導かれ、画像として検出される。ｘ−ｙ−θステージ１０の連続的な移動に伴って試料９の異なる個所からの二次電子による２次元の画像を表す信号がＴＤＩ１７から出力されるので、画像信号の高速な取得が可能になる。このＴＤＩ１７からの画像信号は画像処理装置１８によって処理され、電子像の形成、欠陥検出、欠陥分類・判別がなされる。これによって、欠陥の部位が記憶され、欠陥検出および分類・判別がなされて製造工程の管理にフィードバックされる。
【００２５】
被被検査対象である試料９を、シリコン・ウェハとその表面に半導体回路製造工程途中のパターン構造があるとする。この工程または全工程を含めて、ゴミ、導通不良、パターン不良、欠落等の欠陥の有無、状態判定、種類分別を行うためには、試料９の表面に一次電子ビームを照射し、試料９の表面から放出される二次電子を検出して検査を行うことが必要である。
【００２６】
こうした検査対象のパターンは、タングステン、アルミ、銅等の金属とＳｉＯ2、Ｓｉ3Ｎ4またはＳｉＮ等の絶縁物の混成した表面構造をなしていることが多い。このような場合、金属と絶縁物とでは、二次電子放出特性または係数が異なるため、表面電位の差が大きくなる。そのため、パターン境界に極端な電位差が生じて、表面から二次電子が放出されなくなる場合やアーク放電が生じる場合がある。
【００２７】
図２は、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の放出効率σとの関係を示すグラフである。このグラフから、放出効率σが１より大きい範囲、すなわち照射電子線のエネルギーが５０から１５００〜２０００ｅＶの範囲では、入射した電子よりも多くの電子が放出されるので、絶縁物の表面は正に帯電されること、および、照射電子線のエネルギーを２〜３ｋｅＶとすると、絶縁物の表面に適度の導電性効果が生じて負に帯電し、金属との表面電位の差を小さくすることができることが分かる。そのため、図１の欠陥検出装置において電子源から放出される一次電子線のエネルギーを２〜３ｋｅＶに設定して試料９を照射し、試料９の表面から放出される二次電子を３段の静電レンズ１１〜１３からなるレンズ系で導いてＴＤＩ１７で検出することにより、低歪みおよび低収差を実現することができる。
【００２８】
図３は、この発明に係る電子ビーム装置の第２の実施の形態を概略的に示す図で、図１に示す第１の実施の形態と比較すると、第１の電子源Ｓに加えて、第２の電子源Ｓ’が設けられている点で相違する。第２の電子源Ｓ’は、試料９の表面に電子線を照射して試料９の表面の電位を平衡状態にしておくために使用される。こうして試料９の表面の電位を平衡状態にした後、試料９は測定位置に移動させられ、第１の電子源Ｓからの一次電子線の照射を受ける。以後の動作は図１について既に行ったものと同じであるので、ここでは繰り返さない。
【００２９】
第２の電子源Ｓ’としては、タングステン・フィラメント型の熱陰極源またはカーボンナノチューブ型の冷陰極源の前に順にウェーネルト電極２とアノード３を配列したものを使用することができる。このときには、試料９の表面での一次電子線は、照射領域成型用の開口板７を用いることによって、例えば１０μｍ〜１０ｍｍの照射領域を得ることができ、このときの照射エネルギーは０〜４ｋｅＶ、特に２〜４ｋｅＶに制御することが可能である。
【００３０】
図４は、この発明に係る電子ビーム装置の第３の実施の形態を概略的に示す図で、図１に示す第１の実施の形態と比較すると、電子源Ｓに加えて、レーザ光源Ｌが設けられている点で相違する。以下、相違点のみについて説明することとし、他は図１について説明したとおりであるので反復しない。
【００３１】
レーザ光源Ｌは、電子源Ｓとともに動作して試料９を一次電子線に加えてレーザ光１９によっても照射するために用いられる。レーザ光１９によって試料９を照射することで、試料９の表面の導電性効果を上げ、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。
【００３２】
レーザ光源Ｌとしては、例えばＨｅ−Ｃｄレーザを用いることができ、波長は５００ｎｍ以下、特に３２５ｍｍおよび４２０ｍｍの２種類であり、照射強度は２Ｗ／ｃｍ2、特に１Ｗ／ｃｍ2以下であり、照射面積は直径１ｍｍであることが望ましい。図４においては、１個のレーザ光源しか用いていないが、複数のレーザ光源によって試料９を照射することによって照射強度を上げるようにしてもよい。または、複数のレーザ光源により対称方向から試料９を照射することで、効率を上げることもできる。
【００３３】
図５は、この発明に係る欠陥検出装置の第４の実施の形態である写像投影型検査装置を概略的に示す図であり、図１に示す第１の実施の形態における構成要素と同じまたは同様の構成要素は同一の参照数字および参照符号で指示されている。
図５において、アノード３で加速されて電子源Ｓから放出された一次電子線は、静電レンズ４および正方形開口板５によって整形され、３段の四極子レンズ２０、２１、２２で縮小される。縮小された一次電子線は、Ｅ×Ｂフィルタ８で偏向されて該フィルタの偏向中心面に例えば１．２５ｍｍ角に結像される。Ｅ×Ｂフィルタ８で偏向された一次電子線は静電レンズ１１で例えば１／５に縮小されて試料９に投影される。このときの試料９の表面における一次電子線の照射エネルギーは例えば３ｋｅＶである。
【００３４】
一次電子線の照射によって試料９から放出された二次電子は、試料９の表面に形成されたパターンに関する情報を含んでおり、３段の静電レンズ１１、１２、１３によって拡大されて検出器Ｄに入射し、マイクロチャンネル・プレート１４に２次元画像を形成する。以後、既に図１について説明したとおり、マイクロチャンネル・プレート１４で増倍された二次電子は蛍光板１５で２次元の光に変換され、この２次元の光はリレー・レンズ１６でＴＤＩ１７に導かれて画像として検出される。ｘ−ｙ−θステージ１０の連続的な移動に伴って試料９の異なる個所からの二次電子による２次元の画像を表す信号がＴＤＩ１７から出力されるので、画像信号の高速な取得が可能になる。
【００３５】
２段目および３段目の静電レンズ１２、１３は対称タブレット・レンズを構成しているため、無歪みレンズとなっている。しかし、電極その他の部位が汚れてくると、歪みが多少発生するので、標準パターンから得られた画像と試料９から得られた画像とを定期的に比較して歪みを測定し、歪み補正のパラメータ電圧を算出して静電レンズ１２、１３にフィードバックすることが望ましい。
【００３６】
一方、酸化膜や窒化膜が選択的に形成されているウェハを試料９とした場合、光学系の歪みが補正されているだけでは不十分であり、検出器Ｄで試料９の照射領域の画像データを取得したとき、パターン・エッジから代表的な点を選択してその画像データを取得し、取得された画像データと基準となるデータ画像とを比較することによって歪み補正を行い、その後、ダイとダイとの比較あるいは画像と画像との比較を行って欠陥を検出することが必要である。
【００３７】
上記のとおり、試料９から放出された二次電子による画像検出を、第４の実施の形態においては写像投影型の電子線装置で行うが、これに代えて、走査型の電子線装置を用いることができ、図６はその一例を概略的に示している。同図において、カソード１から放出された一次電子線はアノード３で加速され、第１段の静電レンズ４と正方形開口板５で整形された後、第２段の静電レンズ５と走査コイル２３とを通過して試料９を照射する。第２段の静電レンズ５および走査コイル２３によって、試料９の表面における一次電子線の拡大倍率が設定され、走査コイル２３によって一次電子線は試料９の表面を走査する。
【００３８】
一次電子線の照射によって試料９から放出された二次電子、後方散乱電子線または反射電子はフォトマル等の電子検出器２４によって検出され、二次電子による２次元画像の取得を可能にする。こうしてダイ毎に取得された２次元画像を用いて、または、前記のように、パターン・エッジから得た画像データと基準のデータ画像との比較を行って、試料９に形成されたパターンの欠陥検出を行う。
【００３９】
以上、この発明に係る電子ビーム装置の若干の実施の形態を説明したが、これらの欠陥検出装置は半導体デバイスの製造に用いるのに適している。図７は、半導体デバイス製造方法の一例において行われる主工程を示すフローチャートであり、この例の製造方法は、
ウェハを製造する（または、ウェハを準備する）ウェハ製造工程Ｐ１、
露光に使用するマスクを製作するマスク製造工程（または、マスクを準備するマスク準備工程）Ｐ２、
ウェハに所要の加工処理を行うウェハ・プロセッシング工程Ｐ３、
ウェハに形成されたチップを１個ずつ切り出し、動作可能にならしめるチップ組み立て工程Ｐ４、および
出来上がったチップを検査するチップ検査工程Ｐ５
の、５つの主工程を含む。
【００４０】
これらの主工程は更にいくつかのサブ工程からなるが、その中で、半導体のデバイス性能に決定的な影響を及ぼす主工程がウェハ・プロセッシング工程Ｐ３である。このウェハ・プロセッシング工程Ｐ３においては、設計された回路パターンをウェハ上に順次積層して、メモリやマイクロプロセッサ・ユニットとして動作するチップを多数形成する。
【００４１】
ウェハ・プロセッサ工程Ｐ３は、点線の枠内に示すように、
絶縁層となる誘電体薄膜、配線部または電極部を形成する金属薄膜等を形成する薄膜形成工程（ＣＶＤやスパッタリング等を用いる）、
薄膜層やウェハ基板を酸化する酸化工程、
薄膜層やウェハ基板等を選択的に加工するためのマスク（レチクル）を用いてレジストのパターンを形成するリソグラフィ工程、
レジスト・パターンにしたがって、薄膜層やウェハ基板を加工するエッチング工程（例えば、ドライエッチング技術を用いる）、
イオン・不純物注入拡散工程、
レジスト剥離工程、
加工されたウェハを検査する検査工程、
のサブ工程を含む。なお、設計どおりに動作する半導体デバイスを製造するよう、ウェハ・プロセッシング工程Ｐ３は必要な層数だけ反復して実行される。
【００４２】
図８は、図７のウェハ・プロセッシング工程Ｐ３の中核をなすリソグラフィ工程の内容を示すフローチャートである。図に示すように、リソグラフィ工程は
前段の工程で回路パターンが形成されたウェハにレジストをコートするレジスト塗布工程Ｑ１、
レジストを露光する露光工程Ｑ２、
露光されたレジストを現像してレジストのパターンを得る現像工程Ｑ３、
現像されたレジスト・パターンを安定化させるためのアニール工程Ｑ４、
を含む。
【００４３】
上記の半導体デバイス製造工程Ｓ１、ウェハ・プロセッシング工程Ｓ３およびリソグラフィ工程は周知であり、ここでの説明は省略する。
【００４４】
加工されたウェハを検査する上記検査工程に、この発明に係る欠陥検査装置を適用することにより、微細なパターンを有する半導体デバイスでもスループット良く検査を行うことができるので、全数検査が可能になり、製品の歩留まりが向上し、欠陥製品の出荷が防止される。
【００４５】
【発明の効果】
以上、この発明に係る電子ビーム装置の若干の実施の形態に関する説明から理解されるように、この発明は、
試料の表面の電位を均一化することが可能である、
試料の表面から放出された電子線を用いて収差と歪みの小さい電子像を取得することができる、
試料の表面における欠陥の検出の信頼性を向上させることができる、
等の格別の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】
この発明に係る電子ビーム装置の第１の実施の形態を概略的に示す図である。
【図２】
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の放出効率σとの関係を示すグラフである
【図３】
この発明に係る電子ビーム装置の第２の実施の形態を概略的に示す図である。
【図４】
この発明に係る電子ビーム装置の第３の実施の形態を概略的に示す図である。
【図５】
この発明に係る電子ビーム装置の第４の実施の形態を概略的に示す図である。
【図６】
この発明に係る電子ビーム装置の第５の実施の形態を概略的に示す図である。
【図７】
半導体デバイス製造方法の一例において行われる主工程を示すフローチャートである。
【図８】
図７のリソグラフィ工程の内容を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１：カソード、  ２：ウェーネルト電極、  ３：アノード、  Ｓ：第１の電子源、  ４、５、６：静電レンズ、  ７：開口板、  ８：Ｅ×Ｂフィルタ、  ９：試料、  １０：ステージ、  １１、１２、１３：静電レンズ、  １４：マルチチャンネル・プレート、  １５：蛍光板、  １６：リレー・レンズ、  １７：ＴＤＩ、Ｄ：検出器、  １８：画像処理機構、Ｓ’：第２の電子源、  Ｌ：レーザ光源、  １９：レーザ光、  ２０、２１、２２：四極子レンズ、  ２３：走査コイル、  ２４：検出器