(57)【要約】【課題】ラングミュア・リミットより高輝度の電子線を放出可能とする。【解決手段】電子銃１０のカソード１は、ＬａＢ６角柱の先端を９０°円錐形状に形成し、先端を球状に研磨することによって形成される。ウェーネルト２の表面はカソード１の先端より試料寄りに位置合わせされている。アノード４は接地され、カソード１には負の高電圧が印加される。電子線を引き出すための引き出し電極３がアノード４とウェーネルト２との間に設けられ、該電極３にはカソード電圧とアノード電圧との間の負電圧が印加される。引き出し電極３への印加電圧は電子線の輝度が最大となるように調整される。シールド板５〜７により、絶縁スペーサ８、９の帯電の影響がカソード１から放出される電子に及ぶことが低減され、これにより、電子銃１０を空間電荷制限領域で動作させたとき、ショット雑音を、温度制限条件の場合以下に減少することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子線装置に具備される電子銃であって、
先端が球状のカソードと、
ウェーネルトと、
アノードと、
引き出し電極と
を有し、ラングミュア・リミットより大きい輝度の電子線が得られることを特徴とする電子銃。
【請求項２】
請求項１記載の電子銃において、ラングミュア・リミットより大きい輝度が得られる電子銃電流が５００μＡ以下であるよう構成されていることを特徴とする電子銃。
【請求項３】
請求項１又は２記載の電子銃において、該電子銃はさらに、引き出し電極の位置又は電圧を調整する手段を備えていることを特徴とする電子線装置。
【請求項４】
請求項１〜３いずれかに記載の電子銃において、引き出し電極の光軸方向の厚さを、ウェーネルトと引き出し電極のカソード側面との間の距離、又は、引き出し電極とアノードとの間の距離より大きくしたことを特徴とする電子銃。
【請求項５】
半導体デバイスを製造する方法であって、請求項１〜４のいずれかに記載の電子銃を備えた電子線装置を用いて、プロセス途中又は完了後のウエハを評価するステップを備えていることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の技術分野】
本発明は、最小線幅０．１μｍ以下のパターンを有する半導体ウエハ等の試料の評価を高スループットで行う電子線装置に関し、さらにまた、その電子線装置を用いて半導体デバイスの製造を行う方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電子銃から放出される電子線の輝度には、ラングミュア・リミット（Ｌａｎｇｍｕｉｒ　ｌｉｍｉｔ）と呼ばれる最高値が存在し、さらに高い輝度を得るためには、電子銃のカソード温度を上げることにより、該ラングミュア・リミット値を増大させる必要があると考えられていた。
しかしながら、上記のようなラングミュア・リミットに関する理論は、電子銃を単一の無収差レンズと仮定した場合の理論であり、空間電荷効果による凹レンズが光軸上に無数に分布している現実の電子銃の場合に、該理論を適用できるかどうか不明である。
さらに、ラングミュア・リミットは、無収差の場合の場合に生じる最高値であるにもかかわらず、収差がある現実の電子銃では、ラングミュア・リミットの９倍もの輝度が実測されている。したがって、ラングミュア・リミットの理論は、収差のある電子銃の場合には必ずしも適用できるものではない。
【０００３】
本発明は、上記した従来の技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ラングミュア・リミットよりはるかに大きい輝度の電子線を放出することができる、電子線装置用の電子銃を提供することである。
本発明はまた、このような電子銃を備えた電子線装置を用いて半導体デバイスの欠陥検査等の評価を高スループットで行うことができる半導体デバイス製造方法を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明に係る、電子線装置に具備される電子銃においては、
先端が球状のカソードと、
ウェーネルトと、
アノードと、
引き出し電極と
を有し、ラングミュア・リミットより大きい輝度の電子線が得られることを特徴としている。
【０００５】
上記した本発明に係る電子銃において、好適には、ラングミュア・リミットより大きい輝度が得られる電子銃電流が５００μＡ以下であるよう構成されている。該電子銃はまた、引き出し電極の位置又は電圧を調整する手段を備えていることが好ましい。さらに、好適には、引き出し電極の光軸方向の厚さが、ウェーネルトと引き出し電極のカソード側面との間の距離、又は、引き出し電極とアノードとの間の距離より大きく設定されている。
【０００６】
本発明はまた、半導体デバイスを製造する方法を提供し、該方法は、上記した本発明に係る電子銃を備えた電子線装置を用いて、プロセス途中又は完了後のウエハを評価するステップを備えていることを特徴としている。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明は、電子銃電流による空間電荷が形成する凹レンズ作用による負の色収差又は負の球面収差が、電子銃が本来持っている球面収差又は色収差を一部打ち消すことができるようにすることにより、電子銃からの電子の高輝度化を計ることを特徴としている。以下に、図面を参照して詳細に説明する。
【０００８】
図１は、本発明の一実施の形態の電子線装置の電子銃１０の詳細説明図である。図１において、１はカソード、２はウェーネルト、３は引き出し電極、４はアノード、５〜７はシールド板、８及び９は絶縁スペーサである。これらにより、電子銃１０が構成されている。また、２０は電子光学鏡筒である。
カソード１は、０．５ｍｍ角のＬａＢ６角柱の先端部を９０°の円錐角の円錐形状に形成し、さらにその円錐形状の先端を３０μｍφ（直径）の球状に研磨することによって形成されている。ウェーネルト２は１．６ｍｍφの穴を有し、カソード１の先端より０．３μｍだけ試料よりの位置に、ウェーネルト２の表面が位置合わせされている。
【０００９】
アノード４は接地され、カソード１には負の高電圧が印加される。また、電子線を引き出すための引き出し電極３が、アノード４のカソード側に設けられており、該引き出し電極３には、カソード電圧とアノード電圧との間の負の電圧が印加される。引き出し電極３への印加電圧は、電子銃１０から放出される電子線の輝度を測定しつつ、その輝度が最大となるように調整することが好ましく、そのため、独立して調整可能な電源から供給されることが好ましい。
【００１０】
シールド板５〜７は、絶縁スペーサ８、９の帯電の影響がカソード１から放出される電子に及ばないようにするためのものであり、これらのシールド板を設けたことにより、この電子銃１０を空間電荷制限領域で動作させたとき、ショット雑音を本来の値、即ち、温度制限条件の場合のΓ倍（０．１＜Γ＜１．０）に減少することができる。すなわち、
ショット雑音量ｉｎ＝Γ（２ｅＩｅΔｆ）１／２
ただし、（２ｅＩｅΔｆ）１／２は、温度制限条件の場合の雑音量
【００１１】
本発明者は、図１に示した電子銃１０を用いてシミュレーション・テストを行い、輝度−電子銃電流の特性（電子銃電流依存特性）を計算した。このテストにおいては、電子銃１０のカソード電圧を２０ｋＶとし、また、引き出し電極３を設けない場合と設けた場合との両方について、電子銃電流を変更しつつ、輝度計算を行った。
その結果、引き出し電極３を設けない場合、電子銃電流が約１．５５ｍＡと大きいときに輝度が最大となった。輝度は、ラングミュア・リミットよりはるかに大きくなったが、高輝度が得られたときの電子銃電流が比較的大きい結果となった。電子銃電流が１ｍＡを超えると電源の負担が大きくなり、発熱が大きくなる等の問題が生じるので、引き出し電極３を設けない場合は、これらの対策を立てる必要がある。
【００１２】
シミュレーション・テストにおいては、引出し電極３を設けた場合、高輝度が得られたときの電子銃電流が約７５０μＡとなり、引き出し電極３を設けない場合の電子銃電流の半分以下であった。また、カソード電流密度も小さく、カソードを構成するＬａＢ６の寿命を大きくした状態で電子線装置を動作させることができる。これはウェーネルト２と引き出し電極３との間のポテンシャルが低いため、この領域でのビームエネルギーが低く、空間電荷効果が大きいためである。このような高輝度が得られる条件が、空間電荷効果による凹レンズ作用による負の球面収差が電子銃本来の正の球面収差と補正し合う条件であると言うことができるので、小さい電子銃電流でも必要な負の球面収差を生み出せると推定することができる。
【００１３】
また、図１に示したように、電子銃１０の引き出し電極３の光軸方向の厚みＬ１を、ウェーネルト２と引き出し電極３のカソード側面との間の距離Ｌ２より大きくすると、低いビームエネルギーで引き出し電極３のアノード側面までビームは走行するので、空間電荷効果により凹レンズ作用が大きく、大きい負の収差が得られ、したがって、小さい電子銃電流で超高輝度が得られることがシュミレーションにより得られた。
引き出し電極３の厚みＬ１を、この引き出し電極３のアノード側面とアノードとの間の距離Ｌ３より大きくしても、上記と同様の効果が得られる。
【００１４】
図２は、上記したシミュレーション・テストと同様な条件（ただし、カソード電圧を−３０ｋＶにした）で行ったシミュレーションの結果を示したグラフである。グラフ３１は引き出し電極３を設けない場合のシミュレーション結果を、グラフ３２は引き出し電極３を設けた場合のシミュレーション結果を示している。また、グラフ３３は引き出し電極３の厚みＬ１を厚くした場合のシミュレーション結果を示し、グラフ３４は該厚みＬ１をさらに厚くした場合のシミュレーション結果を示している。グラフ３１〜３３から明らかなように、いずれの場合も、グラフ３５で示したラングミュア・リミットを遥に超える輝度が電子銃から放射されることが分かる。また、グラフ３４の場合、電子銃電流が約２８０μＡでラングミュア・リミットを超えている。
なお、電子銃電流が５００μＡ以下で必要な高輝度が得られれば、一般には実用上問題がないので、上記したシミュレーションの結果は、ＬａＢ６カソードを用いても、十分の実用可能な電子銃を提供できることを示している。
【００１５】
以下、本発明に係る半導体デバイスの製造方法の実施形態の一例を説明する。
図３は、本発明の半導体デバイスの製造方法の一例を示すフロチャートであ
る。この例の製造プロセスは、以下の各主工程を含む。
▲１▼ウエハを製造するウエハ製造工程（又は、ウエハを準備するウエハ準備工程）Ｓ１
▲２▼露光に使用するマスクを製作するマスク製造工程（又は、マスクを準備するマスク準備工程）Ｓ２
▲３▼ウエハに必要な加工処理を行うウエハ・プロセッシング工程Ｓ３
▲４▼ウエハ上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立工程Ｓ４
▲５▼できたチップを検査するチップ検査工程Ｓ５
【００１６】
それぞれの主工程Ｓ１〜Ｓ５は、いくつかのサブ工程からなっている。これらの主工程の中で、半導体デバイスの性能に決定的な影響を及ぼす主工程がウエハ・プロセッシング工程Ｓ３である。この工程Ｓ３では、設計された回路パターンをウエハ上に順次積層し、メモリやＭＰＵとして動作するチップを多数形成する。このウエハ・プロセッシング工程は、以下のサブ工程を含む。
▲１▼絶縁層となる誘電体薄膜や配線部、あるい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）
▲２▼この薄膜層やウエハ基板を酸化する酸化工程
▲３▼薄膜層やウエハ基板等を選択的に加エするためのマスク（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
▲４▼レジスト・パターンに従って薄膜層や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）
▲５▼イオン・不純物注入拡散工程
▲６▼レジスト剥離工程
▲７▼さらに加エされたウエハを検査する検査工程
ウエハ・プロセツシング工程中のサブ工程は、必要な層数だけ繰り返し行われ、設計通りに動作する半導体デバイスを製造する。
【００１７】
図４は、図３のウエハ・プロセッシング工程の中核をなすりソグラフィ工程を示すフロチャートである。このリソグラフィ工程は、以下の工程を含む。
▲１▼前段の工程で回路パターンが形成されたウエハ上にレジストをコートするレジスト塗布工程Ｓ２１
▲２▼レジストを露光する露光工程Ｓ２２
▲３▼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Ｓ２３
▲４▼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Ｓ２４
【００１８】
上記した本発明に係る電子銃を備えた電子線装置を、上記チップ検査工程Ｓ７及びウエハ・プロセッシング工程Ｓ３中の検査工程に用いると、微細なパターンを有する半導体デバイスであっても、高スループットで検査を行うことができるので、全数検査が可能となり、製品の歩留向上、欠陥製品の出荷防止が可能となる。
【００１９】
【発明の効果】
本発明は上記したように構成され、以下のような作用効果を奏することができる。
ＬａＢ６カソードを用いた電子銃で、ラングミュア・リミットより遥に大きい輝度が比較的小さい電子銃電流で得られる。
電子銃電流が小さくても高輝度が得られるため、電源の容量が小さくてよく、よって、ビームによる発熱が小さく、安全に動作できる。
カソード曲率が３０μｍＲと大きいのでカソード電流密度が小さく、また、低い温度で動作できるため、カソード寿命を長くできる。
電子銃は空間電荷制限条件で動作しているのでショット雑音が小さく、したがって、高速走査を行ってもＳ／Ｎ比の良好な画像が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電子銃の一実施例を示す概略説明図である。
【図２】本発明に係る電子銃における、輝度の電子銃電流依存特性をシュミレーションした結果を示すグラフである。
【図３】本発明に係る半導体デバイスの製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図４】図３に示した半導体デバイスの製造方法の内のリソグラフィ工程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　　３・・引き出し電極
４・・アノード　　５〜７・・シールド板　　８、９・・絶縁スペーサ
１０・・電子銃　　２０・・電子光学鏡筒
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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