(57)【要約】【課題】電子線装置において、画像の解像度を必要な値に確保しながら、二次電子の透過率を向上させる。【解決手段】電子線装置において、一次電子を複数の開口でマルチビームに分割し、マルチビームを対物レンズで縮小し、試料上を走査する。試料の走査点から放出された二次電子を対物レンズを通過後Ｅ×Ｂ分離器で一次電子から分離し検出する。前記マルチビームの各々により試料面から発生する二次電子を二次光学系において互いに独立に検出できる検出器を含む。試料面から試料面の法線に対して９０°以下の角度の方向へ放出される２ｅＶ以下の初速度を持つ二次電子がすべて二次光学系を通される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一の突起を有するカソードから放出された一次電子を複数の開口でマルチビームに分割し、該マルチビームを対物レンズで縮小し、試料上を走査し、試料の走査点から放出された二次電子を対物レンズを通過後Ｅ×Ｂ分離器で一次電子から分離し検出する電子線装置であって、
前記マルチビームの各々により試料面から発生する二次電子を二次光学系において互いに独立に検出できる検出器を含み、
試料面から試料面の法線に対して９０°以下の角度の方向へ放出される２ｅＶ以下の初速度を持つ二次電子がすべて二次光学系を通ることを特徴とする電子線装置。
【請求項２】
請求項１の電子線装置において、前記マルチビームの試料上におけるビーム径寸法は、画素寸法と同程度以上であり、マルチビームの最小間隔は画素寸法の２〜５倍であることを特徴とする電子線装置。
【請求項３】
請求項１の電子線装置において、前記二次光学系の倍率は、マルチビーム間の距離を１６０μｍ以上になるように拡大することを特徴とする電子線装置。
【請求項４】
請求項１の電子線装置において、前記一次光学系及び二次光学系の各々の光軸は、同一平面内にあり、マルチビームに対するＥ×Ｂ分離器の磁界による偏向量が電界による偏向量の約２倍であることを特徴とする電子線装置。
【請求項５】
電子線装置の制御方法であって、
（ａ）単一の突起を有するカソードから電子線を放出させるステップ、
（ｂ）前記電子線を複数の開口でマルチビームにするステップ、
（ｃ）前記マルチビームの各々を対物レンズで細く絞るステップ、
（ｄ）前記細く絞ったマルチビームで同時に試料上を走査するステップ、
（ｅ）走査点から放出される二次電子のうち少なくとも１０ｅＶ以下の初期エネルギーを有する二次電子は対物レンズを通過させるステップ、
（ｆ）前記二次電子をＥ×Ｂ分離器で一次光学系から分離するステップ、及び
（ｇ）前記マルチビームからの二次電子を独立に検出し独立的に信号処理するステップを含む電子線装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子線を使用し、最小線幅０．１μｍ以下のパターンを有するウエーハの評価を高スループットで行う電子線装置、及びそのような電子線装置の制御方法に関する。より詳細には、本発明は、一次電子からなるマルチビームによりパターンを走査し、マルチビームの各々によりウエーハから発生する二次電子を独立に検出できる検出器を備える電子線装置及びその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数の画素からなる領域に単一のカソードから放出された電子線を入射させ走査を行い、複数の画素からなる検出器で検出して画像形成を行う装置は、公知である（例えば、特許文献１参照）。公知の装置においては、ウエーハ上でビーム径Ｒを持った円形ビームをｘ方向にラスタ走査させながら、ウエーハを載せたステージをｙ方向へ移動させる。ビーム径Ｒは、０．１μｍの欠陥検出感度が要求されるならば、０．１μｍが必要である。ビームのラスタ走査に同期したピッチΔｘ、即ち、０．１μｍ毎に信号が画素に取込まれ、画像を形成する。ウエーハの全面を１００％の検出率で検査する、つまり間引きをしないと仮定すれば、ｙ方向のピッチΔｙもビーム径Ｒによって決まり、この場合は０．１μｍとなる。
【０００３】
【特許文献】
特開平７−２４９３９３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術においては、相隣る画素が互いに接している故に画素間を解像するため二次電子光学系が高解像度を必要とするので、二次電子光学系にＮＡ（ｎｕｍｅｒｉｃａｌ  ａｐｅｒｔｕｒｅ）開口を入れる必要がある。このため、試料から発する二次電子の透過率が悪いという問題点があった。本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、画像の解像度を必要な値に確保しながら、二次電子の透過率を向上させる手段を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の電子線装置は、単一の突起を有するカソードから放出された一次電子を複数の開口でマルチビームに変換し、マルチビームを対物レンズで縮小し、試料上を走査させる。試料の走査点から放出された二次電子が対物レンズを通過後Ｅ×Ｂ分離器で一次電子から分離され検出される。電子線装置は、マルチビームの各々により試料面から発生する二次電子を二次光学系において互いに独立に検出できる検出器を含み、試料面から試料面の法線に対して９０°以下の角度の方向へ放出される２ｅＶ以下の初速度を持つ二次電子が設計上はすべて二次光学系を通るように構成される。
【０００６】
本発明の電子線装置において、マルチビームの試料上におけるビーム径寸法は、画素寸法と同程度以上であり、隣接する２つのマルチビームの最小間隔は画素寸法の２〜５倍である。また二次光学系の倍率は、マルチビーム間の距離を１６０μｍ以上になるように拡大する。好ましくは、一次光学系及び二次光学系の各々の光軸は、同一平面内にあり、マルチビームに対するＥ×Ｂ分離器の磁界による偏向量が電界による偏向量の約２倍に設計されている。
【０００７】
本発明の電子線装置の制御方法は、（ａ）単一の突起を有するカソードから電子線を放出させるステップ、（ｂ）前記電子線を複数の開口でマルチビームに変換するステップ、（ｃ）前記マルチビームの各々を対物レンズで細く絞るステップ、（ｄ）前記細く絞ったマルチビームで同時に試料上を走査するステップ、（ｅ）走査点から放出される二次電子のうち少なくとも１０ｅＶ以下の初期エネルギーを有する二次電子は対物レンズを通過させるステップ、（ｆ）前記二次電子をＥ×Ｂ分離器で一次光学系から分離するステップ、及び（ｇ）前記マルチビームからの二次電子を独立に検出し独立的に信号処理するステップを含む。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の形態の電子線装置３０を示す概略構成図である。電子線装置３０は、カソード１、ウエーネルト２、第１アノード３及び第２アノード４により構成される電子銃３７を含む。カソード１は、０．５ｍｍ角程度の断面を有する単結晶ＬａＢ６の先端を９０度の角度を有する円錐形に研磨し、更にその先端を曲率半径が３０μｍの球の一部の形状にしたものである。ウエーネルト２は、カソード１の先端から０．３ｍｍ程度試料側にその下面がくる位置に組立てられこの電極に印可する電圧を変えることによって、電子銃３７の輝度とエミッタンスを制御する。
【０００９】
電子銃３７から放出された電子線４１は、コンデンサレンズ５で集束され、コンデンサレンズ５の下方のマルチ開口６によりマルチビーム４２に分割され、その後、一次光学系のＮＡ開口７にクロスオーバを形成する。コンデンサレンズ５の焦点距離は、それを通過した電子線がＮＡ開口７にクロスオーバを形成するように調整される。複数ビーム４２は、縮小レンズ８及び対物レンズ１３により試料Ｗの面（試料面）Ｗｓにそれぞれ細く絞られたマルチビーム４３を結像させる。
【００１０】
図１の電子線装置３０において、静電偏向器９及び１０によりマルチビーム４２を偏向し試料面Ｗｓを１００μｍ幅ほどで走査する。この場合、偏向されるマルチビーム４２の主光線は、図１において軌道２２を通る。試料Ｗには、−４ＫＶ程度の負電圧が印加される。図１において、試料Ｗから放出される二次電子線の主光線は、軌道２３を通る。マルチ開口６の並び方向はｙ方向（図１の座標をＣ１に示す）であり、走査方向はｘ方向（図１の紙面に垂直の方向）である。軌道２２及び２３は、図１の紙面に対し直角方向の面により形成される。図１では、走査偏向器９から試料面間についてはＣ２に座標を示すように９０°回転させて描いている。
【００１１】
Ｅ×Ｂ分離器１４による二次電子の偏向方向は、好ましくは偏向色収差を小さくするため、ｙ座標方向へ偏向される。Ｅ×Ｂ分離器が、一次電子線（マルチビーム４２、４３）の偏向色収差を発生させないようにするため、電磁偏向器１１の偏向量を静電偏向器９及び１０の偏向量の２倍になるようにした。その結果、一次電子線は、Ｅ×Ｂ分離器１４によって、電磁偏向器１１の偏向方向にその半分の角度だけ偏向されるので、軸合わせ偏向器２５によって予めＥ×Ｂ分離器１４への入射角を補正し、Ｅ×Ｂ分離器１４で偏向された後、対物レンズ１３の中心に主光線が入射するようにした。
【００１２】
勿論、一次光学系の構造をＥ×Ｂ分離器１４より上部で５°程度傾けても同じ効果が得られるが、構造を垂直に保ったまま主光線の軌道のみを軸合わせで調整する、即ちＥ×Ｂ分離器１４で５°偏向され、しかも対物レンズの中心を通るように調整する方が簡単である。Ｅ×Ｂ分離器１４による二次電子の偏向方向をマルチビームの並びの方向に合わせるのが一次電子線の収差を小さくするのに有効である。二次光学系の光軸２４については図１中の座標系をＣ３で示した。座標系Ｃ３において、ｚ’は、光軸２４の方向である。
【００１３】
図２は、本発明のＥ×Ｂ分離器の動作説明図であり、走査方向がｘ方向であるからＥ×Ｂ分離器で二次電子をｙ方向に偏向するから電界の方向をｙとした。図２において、マルチビーム４３を軸合わせコイル２５で偏向しその主光線が軌道３１を通るようにし、Ｅ×Ｂ分離器１４で、図２の左方向へ５度だけビームを振り戻し、対物レンズ１３の中心を通るようにする。例えば、５本のマルチビーム４３を使う場合、端から３個目のビームは、軌道３２を通り、本来の光軸から僅かにずれた位置へ入射する。このずれは、ＷＤ×５°であり、問題になる値ではない。二次電子の主光線は、軌道３４を通り、対物レンズ１３により曲げられ、Ｅ×Ｂ分離器１４により５度の３倍偏向され軌道３６を通る。軌道３６は、Ｅ×Ｂ分離器１４がない場合の軌道３５に対し１５°の角度をなす。
【００１４】
図３は、試料Ｗから±９０°の方向へ放出された二次電子の軌道のシミュレーション結果である。図３に示されるように、±９０°方向へ放出された二次電子は、対物レンズ１３によって、拡大像４１を作る。この倍率は、５６０μｍ／１８０μｍ≒３．１であるのに対して、角度は、２πラジアンの放出角が１５ｍラジアンの角度へ狭くなっている（１／１３３）。この計算例は、２ｅＶの初速度の場合である。
【００１５】
一般的には、
（ビーム間隔拡大率）・（開口角縮小率）＝｛（二次電子初速度）／（像点での二次電子エネルギー）｝０．５
となり、二次電子の大部分が含まれる１０ｅＶ以下の二次電子では、ビーム間隔拡大率がたとえ１倍でも開口角は、｛（１０ｅＶ）／（４．５ｋｅＶ）｝０．５＝１／２１となり、１／２０以下に小さくなる。従って、±９０°方向に放出された二次電子をすべて通すような二次光学系を作るのは、さほど困難ではない。その結果、二次電子の検出効率は、当然１００％に近づく。
【００１６】
二次電子は、Ｅ×Ｂ分離器１４で一次光学系から分離した後は、軌道２３を通り、拡大レンズ１５、１６でＭＣＰ（マイクロチャネルプレート）１７にマルチビームの像を作る。ＭＣＰ１７で電子数を増倍された二次電子はマルチアノード１８に流れ込み、各アノードに抵抗を介して接地され、その抵抗で発する電圧を独立したマルチビームの数の増幅器、Ａ／Ｄコンバータ、画像形成回路２１でＳＥＭ画像が作られる。ＭＣＰ１７とマルチアノード１８の出力面の間には電圧を印可する必要性から５００μｍ程度の間隙が設けられる。
【００１７】
ＭＣＰ１７から出た電子は、この間隙で１６０μｍ程度に広がる。クロストークが生じないようにするには、マルチビーム像の間隔を１６０μｍより十分大きくすればよい。画素の寸法を０．１μｍ、マルチビームの試料面におけるビーム間隔を０．２μｍ、二次光学系の倍率をＭとすれば、０．２Ｍ≧１６０μｍであるから、Ｍを８００倍とすればよい。
【００１８】
次に単一カソードの電子銃でどの程度のマルチビームを作ることができるかを予測する。図４は、カソード先端の曲率半径が３０μｍ、ダブルアノードの電子銃（２ａ：５ｋ）でウェーネルト電圧を変化させてシミュレーションした結果を示すグラフである。エミッタンスが大きく輝度も大きい条件が大電流のマルチビームを多数作るのに適している。図４のＡ点では、輝度が２×１０６Ａ／ｃｍ２ｓｒ、エミッタンスが３９μｍ・ｍｒａｄの値になっている。この値を基にビーム電流とビーム数を見積る（但しこれらの値は４．５ＫｅＶのビームエネルギーの場合である）。
【００１９】
４．５ＫＶの加速電圧から−４ＫＶのポテンシャルのウエーハにビームをあて、静電レンズで収差計算を行った結果を図５に示す。図５において、Ｃｘは軸上色収差、Ｃｔは倍率色収差、Ａｓは非点収差、Ｆｃｈは像面湾曲収差、Ｓｐは球面収差、Ｃｏはコマ収差を示す。曲線５１は、ビーム径寸法１１０ｎｍを得る場合、開口半角α（ｍｒａｄ）と、無収差の場合のビーム径寸法（ｎｍ）との関係を算出した曲線である。開口半角αは、ＮＡ開口７のレンズ８による像の半径をレンズと試料間の距離で割った値である。最大のビーム電流が得られるのは、曲線５１と直線５４の接点である点５２であるが、マルチビームを多く作るため、αを小さくした点５３を選ぶこととする。
【００２０】
４．５ＫＶにおける輝度２×１０６Ａ／ｃｍ２ｓｒは、５００ｅＶでは、２．２×１０５Ａ／ｃｍ２ｓｒとなる。
ビーム電流ｉ＝πα２Ｂ（０．１×１０−４ｃｍ）２＝π（２０×１０−３）２・２．２×１０５・（１×１０−５）２＝２７．６ｎＡ
エミッタンス３９μｍ・ｍｒａｄは、５００ｅＶでは、１１７μｍ・ｍｒａｄであり、最大ビーム間隔をＬｎｍとすると、
Ｌ・２０・ｍｒａｄ＝１１７μｍ・ｍｒａｄより、Ｌ＝５．８５μｍとなる。
【００２１】
ビーム最小間隔を０．５μｍ（５画素分）とし、ｙ軸方向に１列に並べると１１本のマルチビーム、２列にすると２２本のマルチビームを作ることができる。ショットキーカソード電子銃を使い、１００ｎＡのビーム電流、１００ＭＨｚのクロック周波数により欠陥検査に必要なＳ／Ｎ比の信号が得られると文献で報告されている。
【００２２】
本発明においては、ＬａＢ６カソードを空間電荷制限条件で使うので、Ｓ／Ｎ比はショットキーの場合より４倍向上し、ビーム電流が１／１６、即ち６．２５ｎＡで同じＳ／Ｎ比が得られる。６．２５ｎＡに比べ２７．６ｎＡは十分余裕があるので、１００ＭＨｚで動作する。ビーム数が１１〜２２本であるから、１０倍以上の検査速度が期待できる。
【００２３】
次に、図６及び図７のフローチャートを参照して、本発明の電子線装置を使用する半導体デバイス製造方法について説明する。本発明の電子線装置は、図６及び図７のフローチャートにおいて、プロセス途中あるいは完成後のウエハの評価を行うものである。
【００２４】
図６に示すように、半導体デバイス製造方法は、概略的に分けると、ウエハを製造するウエハ製造工程Ｓ１、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Ｓ２、露光に必要なマスクを製造するマスク製造工程Ｓ３、ウエハ上に形成されたチップを１個づつに切り出し、動作可能にするすチップ組立工程Ｓ４、及び、完成したチップを検査するチップ検査工程Ｓ５によって構成されている。これら工程はそれぞれ、幾つかのサブ工程を含む。
【００２５】
上記した工程の中で、半導体デバイスの製造に決定的な影響を及ぼす工程は、ウエハ・プロセッシング工程である。これは、この工程において、設計された回路パターンをウエハ上に形成し、かつ、メモリやＭＰＵとして動作するチップを多数形成するからである。
【００２６】
このように半導体デバイスの製造に影響を及ぼすウエハ・プロセッシング工程のサブ工程において実行されたウエハの加工状態を評価することが重要であり、該サブ工程について、以下に説明する。
【００２７】
まず、絶縁層となる誘電体薄膜を形成するとともに、配線部及び電極部を形成する金属薄膜を形成する。薄膜形成は、ＣＶＤやスパッタリング等により実行される。次いで、形成された誘電体薄膜及び金属薄膜、並びにウエハ基板を酸化し、かつ、マスク製造工程Ｓ３によって作成されたマスク又はレチクルを用いて、リソグラフィ工程において、レジスト・パターンを形成する。そして、ドライ・エッチング技術等により、レジスト・パターンに従って基板を加工し、イオン及び不純物を注入する。その後、レジスト層を剥離し、ウエハを検査する。このようなウエハ・プロセッシング工程は、必要な層数だけ繰り返し行われ、チップ組立工程Ｓ４においてチップ毎に分離される前のウエハが形成される。
【００２８】
図７は、図６のウエハ・プロセッシング工程のサブ工程であるリソグラフィ工程を示すフローチャートである。図６に示すように、リソグラフィ工程は、レジスト塗布工程Ｓ２１、露光工程Ｓ２２、現像工程Ｓ２３及びアニール工程Ｓ２４を含む。
【００２９】
レジスト塗布工程Ｓ２１において、ＣＶＤやスパッタリングを用いて回路パターンが形成されたウエハ上にレジストを塗布し、露光工程Ｓ２２において、塗布されたレジストを露光する。そして、現像工程Ｓ２３において、露光されたレジストを現像してレジスト・パターンを得、アニール工程Ｓ２４において、現像されたレジスト・パターンをアニールして安定化させる。これら工程Ｓ２１〜Ｓ２４は、必要な層数だけ繰り返し実行される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の電子線装置３０を示す概略構成図。
【図２】図２は、本発明のＥ×Ｂ分離器の動作説明図。
【図３】試料Ｗから±９０°の方向へ放出された二次電子の軌道のシミュレーション結果を示す概略図である。
【図４】カソード先端の曲率半径が３０μｍ、ダブルアノードの電子銃でウェーネルト電圧を変化させてシミュレーションした結果を示すグラフである。
【図５】４．５ＫＶの加速電圧から−４ＫＶのポテンシャルのウエハーにビームをあて、静電レンズで収差計算を行った結果のグラフである。
【図６】図６は、本発明に係る電子線装置を適用して半導体デバイスを製造する方法のフローチャートである。
【図７】図７は、図６に示したウエハ・プロセッシング工程のサブ工程であるリソグラフィ工程を示したフローチャートである。
【符号の説明】
１：カソード、２：ウエーネルト、３：第１アノード、４：第２アノード４、５：コンデンサレンズ、６：マルチ開口、７：ＮＡ開口、８：縮小レンズ、９：静電偏向器、１１：電磁偏向器、１３：対物レンズ、１４：Ｅ×Ｂ分離器、１５，１６：拡大レンズ、１７：ＭＣＰ（マイクロチャネルプレート）、１８：マルチアノード、１９；抵抗、２１：画像形成回路、２２、２３：軌道、２５：軸合わせ偏向コイル、３０：電子線装置、３１：軌道、３７：電子銃、４１：電子線、４２：マルチビーム、４３：細く絞られたマルチビーム、α：開口半角、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３：座標系、Ｃｘ：軸上色収差、Ｃｔ：倍率色収差、Ａｓ：非点収差、Ｆｃｈ：像面湾曲収差、Ｓｐ：球面収差、Ｃｏ：コマ収差、Ｍ：二次光学系の倍率、Ｒ：ビーム径、Ｗ：試料（ウエーハ）、Ｗｓ：試料面。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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