(57)【要約】【課題】デバイス損傷を防止することが可能であり、低収差、高分解能若しくは高Ｓ／Ｎ比と、立体的なＳＥＭ像を得ることによる欠陥分類の容易さと、を両立させる。【解決手段】電子線装置は、１次電子線を放出する電子銃１ａと、負電源２０に接続された試料１９に、１次電子線を縮小結像させる減速電界対物レンズ１４と、該試料から放出された２次電子線を１次電子線から分離するように偏向させる静電偏向器１２と、該２次電子線を検出する検出器１６と、検出器出力信号から画像を形成する画像形成回路２２と、該画像から試料の欠陥検出を行う計算機２３と、を含んで構成される。欠陥レビュー時には、静電偏向器１２の偏向量を欠陥検出時より低下させた状態で１次電子線を試料に照射して試料１９の欠陥欠陥候補の２次電子画像を形成することにより立体的なＳＥＭ像が得られる。【選択図】      図１
2004200111.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
負の電圧が印加された試料に、１次電子線を低いエネルギーにして照射し、該試料から放出された２次電子線を分離器で１次電子線から分離するように偏向させ、該２次電子線を検出することにより画像形成することが可能な電子線装置において、
前記分離器は、前記試料から所定範囲の方向に放出された２次電子線のみを検出可能に偏向させるための偏向量を少なくとも１つ有し、
前記分離器を前記偏向量に設定した状態で前記試料の画像を形成することにより立体的なＳＥＭ像を得ることを可能とする、電子線装置。
【請求項２】
負の電圧が印加された試料に、１次電子線を低いエネルギーにして照射し、該試料から放出された２次電子線を検出して画像形成する、電子線装置において、
前記試料から放出された２次電子線のうち特定の方向へ放出された２次電子線の検出効率を低くすることにより、立体的なＳＥＭ像を得ることを特徴とする、電子線装置。
【請求項３】
熱電子放出カソードを有する電子銃から放出される電子線を細く絞って試料上を走査し、該試料から放出された２次電子の検出効率に放出方位角依存性を持たせることにより、立体的なＳＥＭ像を得る電子線装置において、
前記電子銃を空間電荷制限条件で動作させることを特徴とする、電子線装置。
【請求項４】
熱電子放出カソードを有する電子銃から放出された電子線を細く絞って試料上を走査し、該試料から放出される２次電子の検出効率に方位角依存性を持たせることにより、立体的なＳＥＭ像を得る電子線装置において、
前記電子銃は、輝度がラングミュア制限より一桁以上高輝度になる条件で動作されることを特徴とする、電子線装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電子線装置を用いて、ウェーハプロセス途中又は少なくとも１つのウェーハプロセス終了後のウェーハの欠陥候補の分類を行うことを特徴とする、デバイス製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば最小線幅０．１μｍ以下のパターンを有するウェーハ等の試料の欠陥候補を分類し、キラー欠陥かそうでないか等を評価するための電子線装置、並びに、当該電子線装置を用いたデバイス製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来、半導体ウェーハやマスク等の試料の欠陥を検出するため、細く絞った１次電子線のプローブを対物レンズ等で試料に結像させ、該試料から発生する２次電子を検出器で検出することにより、高分解能、高スループットで欠陥を検出する電子線装置が知られている。
【０００３】
このような電子線装置の中には、対物レンズと試料との間に２次電子検出器を設け、検出器側へ放出される２次電子を選択的に検出して立体的なＳＥＭ像を得る欠陥レビュー装置（第１の従来技術）が知られている。
【０００４】
また、第１の技術とは別に、試料に負の電圧を印加することによって電子線を減速し、低いエネルギーでウェーハに照射することによって、デバイスの損傷を防ぎ、試料から放出される２次電子は、対物レンズで加速し、Ｅ×Ｂ分離器で１次電子線から分離し、２次電子検出を行う電子線装置（第２の従来技術）も知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記第１の従来技術では、減速電界対物レンズを使えないため、高いビームエネルギーのままで試料を照射するか、或いは、元々低いエネルギーのビームを用いてデバイス損傷を防止したとしても収差が大きくなるため低い分解能で観察するしか方法が無かった。
【０００６】
一方、第２の従来技術では、電子線を試料に垂直に入射させ、全方位に放出された２次電子を検出するため、立体的なＳＥＭ像を得ることができず、欠陥の分類を行うのが難しいという問題点もあった。
【０００７】
本発明は、上記事実に鑑みてなされたもので、デバイス損傷を防止することが可能であり、低収差、高分解能若しくは高Ｓ／Ｎ比と、立体的なＳＥＭ像を得ることによる欠陥分類の容易さと、を両立させた電子線装置を提供することを目的とする。
【０００８】
更に、本発明は、上記電子線装置を用いて製造途中若しくは完成品の半導体デバイスを検査することによって、検査精度及びスループットの向上を図ったデバイス製造方法を提供することを別の目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の一態様は、負の電圧が印加された試料に、１次電子線を低いエネルギーにして照射し、該試料から放出された２次電子線を分離器で１次電子線から分離するように偏向させ、該２次電子線を検出することにより画像形成することが可能な電子線装置において、分離器は、試料から所定範囲の方向に放出された２次電子線のみを検出可能に偏向させるための偏向量を少なくとも１つ有し、分離器をその偏向量とした状態で試料の画像を形成することにより立体的なＳＥＭ像を得ることを可能としている。
【００１０】
本発明のこの態様の電子線装置によれば、分離器は、負の電圧を印加された試料に１次電子線を低いエネルギーにして照射し、その結果、上記偏向量に設定された分離器が、試料から放出された２次電子線を１次電子線から分離するように偏向させる。このとき、分離器は、試料から所定範囲の方向に放出された２次電子線のみを検出可能な軌道に沿って偏向させる。従って、このように偏向された２次電子線のみが検出されて画像形成され、この検出された２次電子線を放出した試料の部分において画像が明るくなる。これに対し、この軌道以外に偏向された２次電子線は、検出されず、よって、この２次電子線を放出した試料の部分において画像が暗くなる。例えば試料に段差パターンがある場合等には、この段差が凹であるか凸であるかによって画像の明暗のでき方が異なるようになる。即ち、立体情報を含むＳＥＭ像（立体的なＳＥＭ像）が得られる。
【００１１】
これに加えて、試料に負の電圧が印加されるので、１次電子線が減速されて試料に照射される。更には、１次電子線を試料上に縮小結像させる際に、減速電界対物レンズを用いることができる。この場合、１次電子線をより効率的に低エネルギーにして試料に照射することができる。従って、元々の１次電子線のエネルギーを高くして収差を抑えながら、試料に照射するときには低エネルギーにしてデバイス損傷を防止することができる。
【００１２】
本態様の電子線装置は、分離器が上記した偏向量のみを有する場合、試料の立体的画像を形成する装置として利用することができる。勿論、偏向量が複数個あったり、或いは、偏向量を連続的に変える機能を有するようにしてもよい。これにより、画像の明暗のでき方を微調整することができる。偏向量の変更は、例えば分離器の励起電圧及び励起電流を変えることによって実現することができる。本電子線装置が例えばＥ×Ｂユニット等の静電偏向器により２次電子線の経路を１次電子線の経路から所定角度偏向させる形式の場合には、Ｅ×Ｂユニットの励起電圧及び励起電流を低下させることにより、分離器の通常の偏向方向に沿った軌道を通る２次電子線のみが検出可能となり、その反対方向に逸れる２次電子線は十分に偏向されないため検出不可能となる。
【００１３】
更には、分離器は、全方位に放出された２次電子線の事実上全てを検出可能な軌道に沿って偏向できるようにしてもよい。即ち、本発明の電子線装置を従来の欠陥検出装置としても利用することができる。この欠陥検出装置は、事実上全ての２次電子を検出できるため、高いＳ／Ｎ比で欠陥候補を検出することができる。
【００１４】
この態様の電子線装置の好ましい使用法として、最初に、全方位に放出された全ての２次電子線を検出することにより高いＳ／Ｎ比で試料の欠陥候補の検出を行う。次に、この欠陥候補について、偏向量を変えることにより所定範囲の方向に放出された２次電子線のみを検出し、そのＳＥＭ画像を得、欠陥候補の分類即ち欠陥レビューを行う。これによって、より詳細な欠陥検出が可能となり、例えばキラー欠陥かそうでないか等を判断することができる。このように、本態様では、欠陥検出を行う装置と、欠陥レビューを行う装置とを分離器の偏向量を変えるのみで容易に切り替えすることもできる。
【００１５】
本発明の更なる態様では、負の電圧が印加された試料に、１次電子線を低いエネルギーにして照射し、該試料から放出された２次電子線を検出して画像形成する、電子線装置において、試料から放出された２次電子線のうち特定の方向へ放出された２次電子線の検出効率を低くすることにより、立体的なＳＥＭ像を得ることを特徴とする。
【００１６】
この態様によれば、試料から放出された２次電子線のうち特定の方向へ放出された２次電子線の検出効率を低くするため、上記態様と同じ原理で立体的なパターンに応じて明暗差を表すことができ、立体的なＳＥＭ画像を得ることができる。
【００１７】
本発明の別の態様によれば、熱電子放出カソードを有する電子銃から放出される電子線を細く絞って試料上を走査し、該試料から放出された２次電子の検出効率に放出方位角依存性を持たせることにより、立体的なＳＥＭ像を得る電子線装置において、電子銃を空間電荷制限条件で動作させることを特徴とする。
【００１８】
この態様によれば、２次電子の検出効率に放出方位角依存性を持たせることにより、上記態様と同じ原理で立体的なパターンに応じて明暗差を表すことができ、立体的なＳＥＭ像を得ることができる。更には、電子銃を空間電荷制限条件で動作させるため、ショット雑音を小さくしてＳ／Ｎ比を向上させることができる。これによって、小さい照射量で良好な画像を得ることができるので、照射量を小さくしてデバイス破壊を防止できるという効果が共に得られることとなる。
【００１９】
本発明の更に別の態様によれば、熱電子放出カソードを有する電子銃から放出された電子線を細く絞って試料上を走査し、該試料から放出される２次電子の検出効率を方位角依存性を持たせることにより、立体的なＳＥＭ像を得る電子線装置において、前記電子銃は、輝度がラングミュア制限より一桁以上高輝度になる条件で動作されることを特徴とする。
【００２０】
この態様によれば、２次電子の検出効率に放出方位角依存性を持たせることにより、上記態様と同じ原理で立体的なパターンに応じて明暗差を表すことができ、立体的なＳＥＭ像を得ることができる。更には、電子銃の輝度がラングミュア制限より一桁以上高輝度になる条件で動作されるため高分解能が得られる。
【００２１】
本発明のデバイス製造方法は、上記各態様の電子線装置を用いて、ウェーハプロセス途中又は少なくとも１つのウェーハプロセス終了後のウェーハの欠陥候補の分類を行うことを特徴とする。
【００２２】
本発明の他の利点及び作用効果は、以下の説明によって更に明らかとなる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の各実施形態を説明する。
（第１の実施形態；電子線装置）
図１には、本発明の第１の実施形態に係る電子線装置の概略構成が示されている。
【００２４】
図１に示す電子線装置は、１次電子線を放出する電子銃１ａを有する。この電子銃１ａは、１次電子線を放出するＬaＢ6単結晶（６ホウ化ランタン）カソード１と、放出された電流を制御するため電圧が印加されるウェーネルト電極２と、アノード３と、を備える。更に、電子銃１ａは、ウェーネルト電極２とアノード３との軸線位置を調節するための機械的軸合わせ機構４と、アノード３にウォーブラ電圧を印加するためのウォーブラ電源７と、を備えており、これにより、電源７からウォーブラ電圧をアノード３に印加してウェーネルト電極２とアノード３との軸合わせを行うようにしている。
【００２５】
また、電子銃１ａの下段には、アノード３と協働して、電子銃１ａから放出された１次電子線を集束してクロスオーバーを形成する静電レンズ５，６が配置されている。このクロスオーバーの位置には、成形開口８ａが形成された開口板８が配置され、１次電子線を所定寸法に成形する。
【００２６】
更に、成形された１次電子線を細いビームに縮小して試料１９上に結像させる縮小レンズ９及び対物レンズ１４が設けられている。なお、この対物レンズ１４は、１次電子線に対しては減速電界、試料１９で発生して対物レンズ１４に入る２次電子線に対しては加速電界を形成する。試料１９には、該試料に負電圧を印加するための負電源２０が接続されている。
【００２７】
また、細く絞られた１次電子線を試料１９上でラスタ走査するため、２段の静電偏向器１０、１３が配置されている。更に、対物レンズ１４により加速された２次電子を、１次電子線から分離させて偏向させる電磁偏向器１２が静電偏向器１３と同じＺ位置に設けられている。電磁偏向器１２は、サドル型に巻かれた偏向コイルの外側に円筒形のパーマアロイのコアを配置したユニットである。電磁界を選択的に与えると、一方向からその場に入射する電子ビームは偏向され、その反対方向から入射する電子ビームは，電界から受ける力と磁界から受ける力の影響が相殺される条件（ウィーン条件）を作ることが可能である。なお、電磁偏向器１２及び静電偏向器１３は、協働して２次電子を偏向させる分離器として機能する。これにより、分離器（電磁偏向器１２及び静電偏向器１３）に十分な偏向電流及び偏向電圧が与えられた場合、１次電子ビームは試料１９に向かって直進し、２次電子ビームは方向１５へと偏向される。なお、静電偏向器１０、１３、及び電磁偏向器１２は、走査制御電源１１と接続され、静電偏向器１０、１３の偏向電圧、並びに、電磁偏向器１２の偏向電流が制御される。
【００２８】
偏向方向１５には、２次電子線の強度を検出する検出器１６が配置されている。なお、図示していないが、２次電子線を検出器１６に結像させるための２次光学系を設けることもできる。また、検出器１６から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ２１と、該デジタル信号に基づいて試料１９の２次電子画像を形成する画像形成回路２２と、電子線装置全体を制御・管理すると共に、形成された２次電子画像から試料１９の欠陥候補を検出し、その欠陥候補を分類するための計算機２３と、が備えられている。なお、画像形成回路２２は、走査制御電源１１の走査波形が入力されるように偏向器１０に接続されている。
【００２９】
次に、第１の実施形態の電子線装置の作用を説明する。
最初に、図１の電子線装置は、試料１９の全体に亘って欠陥候補を検出する欠陥検出モードで動作する。このモードでは、ほぼ全方位に放出された２次電子線が方向１５に沿って偏向されてＳ／Ｎ比が高い画像が得られるように分離器（１２、１３）に十分な偏向電流及び偏向電圧が与えられた状態で、以下の通り、試料１９の全体が検査される。
【００３０】
即ち、ＬaＢ6カソード１から放出された１次電子線は、アノード３、静電レンズ４、５により成形開口８ａのところでクロスオーバーが形成され、該開口により成形される。成形された１次電子線は、縮小レンズ９及び対物レンズ１４により縮小され、細いビームとして試料１９に照射される。このように成形開口８ａの位置で形成された成形ビームを縮小するため、クロスオーバーより上で発生するクーロン効果等のビーム収差を事実上ゼロにすることができる。また、試料１９は、負電源２０により負電圧が印加されているので、試料１９に照射される１次電子線が減速され、低いエネルギーに落とされることによって、デバイスの損傷を防ぐことができる。
【００３１】
試料１９上に照射された細いビームは、２段の静電偏向器１０、１３により試料１９上を例えば１００ＭＨｚで高速ラスタ走査される。走査された試料１９の表面からは２次電子が放出され、対物レンズ１４により加速集束される。加速された２次電子は、十分な励起電流が供給されている電磁偏向器１２によって、その放出方向に拘わらず１次電子線から分離されるように方向１５に偏向され、検出器１６に到達する。検出器１６では、入ってきた２次電子線の強度が検出され、アナログ信号として出力され、ＡＤコンバータ２１によりデジタル信号に変換される。画像形成回路２２では、走査制御電源１１の走査波形を参照しながら該デジタル信号に基づいて試料１９の２次電子画像を形成する。計算機２３では、形成された２次電子画像から、試料１９の欠陥検出を行い、欠陥候補部に関する位置等の情報を図示しないメモリに記憶する。
【００３２】
この欠陥検出では、計算機２３が、例えば、そのメモリに予め蓄えられていた欠陥の存在しないウェーハの２次電子線基準画像と、実際に検出された２次電子線画像とを比較照合し、倍率補正、回転、平行移動補正を行った後、両者の類似度を算出する。例えば、類似度が閾値以下になった場合、「欠陥候補」と判定し、閾値を超える場合には「欠陥候補ではない」と判定する。
【００３３】
また、上記のように基準画像を用いる必要無しに、検出されたダイ同士の検出画像を比較することによっても欠陥部分を検出できる。この場合、パターンマッチングは平行移動補正のみを行えばよい。例えば、１番目に検出されたダイの画像及び２番目に検出された他のダイの画像が非類似であり、３番目に検出された別のダイの画像が１番目の画像と同じか又は類似と判断されれば、２番目のダイ画像が欠陥候補であると判定される。また、パターンを横切って走査したときの２次電子の強度信号が予め較正された所定のスレッショールドレベルを連続的に超える部分の幅を当該パターンの線幅として測定することができる。このように測定された線幅が所定の範囲内にない場合、当該パターンが欠陥候補であると判定することができる。
【００３４】
欠陥検出モードが終了した後、本電子線装置は、欠陥候補分類モードで動作することができる。このモードでは、上記の欠陥検出モードで検出された欠陥候補箇所について立体的なＳＥＭ画像を得るため、電磁偏向器１２及び静電偏向器１３の偏向電流及び偏向電圧を低下させ、その偏向量を落とした状態で試料１２の欠陥候補箇所の２次電子画像を得る。このときの２次電子画像の取得プロセスは上述と同様である。
【００３５】
分離器（１２、１３）の偏向量を低下させると、試料１９から放出された２次電子のうち図１の右側の方向に放出された２次電子は軌道１７付近に沿って進行する。軌道１７では、図１から明らかなように、検出器１６に到達する方向までは十分に偏向されず、よって検出器１６では検出されないことになる。これに対して、図１の左側方向に放出された２次電子は、軌道１８付近に沿って進行する。この場合、２次電子は、検出器１６に到達し、検出される。このように、特定方向（この例の場合、右側の方向）に放出された２次電子が検出されないようにしたので、欠陥候補の立体情報が得られるようになる。例えば、段差のあるパターンでは、これが凸パターンであった場合、図１の下図に示されるように、凸パターンの左側外壁から放出された２次電子は、軌道１８に沿って偏向されて検出され、右側外壁から放出された２次電子は、軌道１７に沿って偏向され検出されない。即ち、凸パターンでは、左側が明るくなり、右側が暗くなる画像が得られる。逆に凹パターンの場合では、図１の下図に示されるように、凹パターンの右側内壁から放出された２次電子は、軌道１８に沿って偏向されて検出され、左側内壁から放出された２次電子は、軌道１７に沿って偏向され検出されない。即ち、凹パターンでは、凸パターンとは逆に、右側が明るくなり、左側が暗くなる画像が得られる。
【００３６】
計算機２３は、図示しないメモリに立体的なＳＥＭ画像を分類する上で必要となる分類情報（例えば、上記した凹凸パターンについての明暗分布）を記憶しており、該分類情報と、実際に得られた欠陥候補箇所の２次電子画像の明暗分布とを比較し、該当した分類情報から、該欠陥候補の分類を行う。この欠陥候補の分類結果に基づいてキラー欠陥かそうでないか等を評価することができる。
【００３７】
なお、欠陥分類モードでは、計算機２３は、試料１９が載置される図示しないステージを水平面内で移動させて、欠陥検出モードで欠陥候補とされた箇所付近のみについて、順次画像取得するようにしてもよい。
【００３８】
以上のように、第１の実施形態では、低い１次電子線エネルギーの照射を行う装置において分離器（１２、１３）の偏向量を落とすというきわめて簡単な切替操作を行うことによって、立体的なＳＥＭ画像を低収差で得ることと、デバイス破壊の防止とを両立させている。
【００３９】
なお、上記例では、２つの偏向量を有する場合を示したが、３つ以上の偏向量を選択できたり、連続的に偏向量を変更できるようにしてもよい。また、２次電子検出器をｘ方向とｙ方向との２箇所以上に設け、２次電子がｘ方向の検出器又はｙ方向の検出器の方向に偏向されるように、分離器の偏向量を設定してもよい。
（第２の実施形態）
図２には、本発明の第１の実施形態に係る電子線装置の概略構成が示されている。
【００４０】
図２に示す電子線装置は、１次電子線を放出する電子銃３０を有する。電子銃３０は、カソード３１、ウェーネルト電極５２及びアノード３６を備えており、カソード３１は単結晶ＬaＢ6から作られ、グラファイトヒーター３２で加熱され、後述する空間電荷制限条件で動作される。絶縁碍子３３の表面がチャージアップすることによる雑音の増加を防ぐため、シールドリング３５が設けられ、絶縁物表面のポテンシャルがビーム通路、特にカソード付近に影響を与えない様にしている。ウェーネルト電極５２とアノード３６との軸合わせをビームが出ている状態で調整する機械的軸合わせ機構３４を設け、アノード３６にウォーブラ電源３７でウォーブラをかけながら軸合わせ機構３４を調整する。後述するように、この電子銃３０は、エミッション電流を特定の値に設定することによって、ラングミュア（Langmuir）制限で決まる値より１桁以上高輝度を得ることができる。
【００４１】
アノード３６に負の電圧を与えることによって凸レンズ作用を与え、電子銃３０のクロスオーバーを形成することができる。このクロスオーバーの位置には、成形開口３９ａが形成された成形開口板３９が配置され、１次電子線を所定寸法に成形する。３８は成形開口板３９への軸合わせ電極である。
【００４２】
更に、成形された１次電子線を細いビームに縮小して試料４７上に結像させる縮小レンズ４１及び対物レンズ４４が配置されている。縮小レンズ４１の下流には、ＮＡ開口４２ａが形成されたＮＡ開口板４２が配置され、１次電子線の収束半角を適切にする。４０はＮＡ開口板４２への軸合わせ偏向器である。
【００４３】
また、細く絞られた１次電子線を試料４７上でラスタ走査するため、２段の静電偏向器４３、４５が配置され、これらの偏向器には、走査制御電源４６が接続されている。
【００４４】
対物レンズ４４と試料４７との間には、該対物レンズ４４に隣接して２次電子線の強度を検出する検出器４８が配置されている。この検出器４８は、２次電子を引き付けることができるように電界を生じさせてもよい。対物レンズ４４の形状及び検出器４８との位置関係から容易に理解することができるように、図の右側方向に放出された２次電子は、図の左側方向に放出された２次電子よりも検出器４８により検出される効率が高い。即ち、第２の実施形態では、２次電子の検出効率に放出方位角依存性が持たせられている。
【００４５】
また、検出器４８から出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ４９と、該デジタル信号に基づいて試料４７の２次電子画像を形成する画像形成回路５０と、電子線装置全体を制御・管理すると共に、形成された２次電子画像から試料４７の欠陥候補を検出し、その欠陥候補を分類するためのＣＰＵ５１と、が備えられている。なお、画像形成回路５０は、走査制御電源４６の走査波形が入力されるように偏向器４３と接続されている。
【００４６】
上述のように本実施形態においては、ショット雑音を減少する１つの手段として、電子銃を空間電荷制限条件で動作するようにしたが、空間電荷制限条件でショット雑音が減少する理由及び電子銃を空間電荷制限条件に維持する方法について説明する。
【００４７】
電子銃の状態がカソード温度で決まっている状態、即ち温度制限領域で作動中の場合、電子銃が放出するショット雑音ｉnは、次式で表される（電気通信学会編「通信工学ハンドブック」Ｐ．４７１（１９５７年）を参照）。
【００４８】
ｉn2＝２ｅ・Ｉｐ・Ｂr                  （１）
（１）式において、ｉn2は雑音電流の２乗平均値、ｅは電子の電荷、Ｉpはアノード直流電流、Ｂfは信号増幅器の周波数帯域である。
【００４９】
これに対し、電子銃が空間電荷制限領域の場合は、
ｉn2＝Γ2２ｅ・Ｉｐ・Ｂr                  （２）
となる。（２）式において、Γ2は低減係数で１より小さい値である。
【００５０】
このように電子銃が空間電荷制限条件で動作すると、カソード近傍にバーチャルカソードと呼ばれるポテンシャルの谷が形成される。熱電子は、このポテンシャルの谷（電子にとっては障壁）を越えるエネルギーを持つもののみが電子銃電流となる。何かのきっかけで電流が多く流れると、この谷は深くなり、電流が流れ難くなる。即ち、ネガティブフィードバックがかかることになる。これが、ショット雑音が小さくなる理由である。
【００５１】
Γ2は、カソード温度が十分大きい場合、最小０．０１８程度になり、雑音電流は、温度制限領域の場合の１３％まで小さくなる。この場合のＳ／Ｎ比は、２次電子≒１次電子であると仮定すると、
Ｓ／Ｎ＝Ｉp／｛Γ（２ｅ・Ｉp・Ｂf）1/2｝
＝１／Γ・｛Ｉp／（２ｅ・Ｂf）｝1/2
＝ｎ1/2／（Γ・２1/2）            （３）
となる。Γ＝０．１３とすると、（３）式から、以下のＳ／Ｎ比が得られる。
【００５２】
Ｓ／Ｎ＝７．５（ｎ／２）1/2            （４）
（ｎ：２次電子個数／ピクセル）
即ち、空間電荷制限領域で動作する電子銃は、温度制限領域での電子銃（ショットキーカソードやＴＦＥ）に比べて、ピクセル当たりの２次電子数を５５倍（＝１／Γ2＝１／０．１３2）多く検出したのと等価となる。後者が前者よりも輝度が２桁程度大きいので、同じビーム径を想定すると、後者は前者よりも２桁大きいビーム電流が得られるが、Ｓ／Ｎ比は前者比で１／５５となる。言い換えると、空間電荷制限領域の電子銃では、温度制限領域の電子銃に比べて、測定時間が１００／５５≒１．８倍必要となるが、ドーズは１／５５で済むことになる。
【００５３】
電子銃が空間電荷制限領域で動作中であるか否かは、図３を参照して以下に説明する方法で調べることができる。
図３（Ａ）は、電子銃電流とカソード加熱電流との関係を表している。同図において、領域Ｐは、カソード加熱電流を増大させたとき電子銃電流の増加が少ない領域であり、この領域Ｐが空間電荷制限領域である。
【００５４】
また、図３（Ｂ）は、電子銃電流とアノード電圧との関係を表している。同図において、領域Ｑは、アノード電圧を増加させると電子銃電流が急速に増加する領域であり、この領域Ｑも空間電荷制限領域である。
【００５５】
以上より、電子銃のカソード加熱電流を増大させて電子銃電流を測定し、該電子銃電流の増加が小さい領域Ｐであるか、又は、電子銃のアノード電圧を増大させて電子銃電流を測定し、該電子銃電流が急激に変化している領域Ｑであれば、電子銃が空間電荷制限領域で動作中であると判定することができる。従って、電子銃を空間電荷制限領域で動作させるための条件を設定することができる。
【００５６】
次に、電子銃３０をラングミュア制限を超える輝度で動作させる制御について説明する。
図４には、（１００）方位の単結晶ＬaＢ6カソードを１８００°Ｋで動作したときの電子銃電流をウェーネルトバイアスで変えてシュミレーションしたときの、電子銃から放出される電子線の輝度が示されている。図４に示したように、７７５μＡ〜９３５μＡの電子銃電流の範囲で輝度が１×１０8Ａ／ｃｍ2Ｓｒを越えている。
【００５７】
従来、ＬaＢ6電子銃の輝度は、ラングミュアの限界値があり、通常のカソード温度及び１００ｋＶ以下の加速電圧では、１×１０7Ａ／ｃｍ2Ｓｒを越えることは絶対無いと考えられてきた。しかし、上記限界値が意味のあるのは、クロスオーバー径と、ビーム放出角との積が一定となる、所謂光学モデルの成立する範囲内である。従って、光学モデルが成立せず、層流モデルに近い場合には、ビームを集束することによって輝度は上限無く高くできると発明者は解釈している。
【００５８】
図４で、１×１０8Ａ／ｃｍ2Ｓｒ以上の輝度で使いたい場合、Ｉe＝７７５μＡから９３５μＡの範囲の電子銃電流で使用することができる。高電子銃電流側では、少し傾斜が小さくなっている。それでも傾斜が急であるから、少しでも電子銃電流が変化すると、輝度が変化するので、ビーム電流が変動する可能性が大きい。安定した制御を行うためには、カソード電流を測定し、ウェーネルト電極の図示しない電源にフィードバックし、電子銃電流が一定になるよう制御すればよい。
【００５９】
次に、第２の実施形態の電子線装置の作用を説明する。
ＬaＢ6カソード３１から放出された１次電子線は、アノード３６により成形開口３９ａのところでクロスオーバーが形成され、該開口により成形される。成形された１次電子線は、縮小レンズ４１により縮小され、ＮＡ開口４２ａにより成形された後、更に対物レンズ４４により縮小され、細いビームとして試料４７に照射される。従来のクロスオーバー縮小型ビームでは、細いビームの周辺に密度は小さいが全部の面積に亘って積分すると小さくはない量のビーム電流が存在していた。この周辺のビームは信号を増すことはできないが、ショット雑音を増すという問題があった。本実施形態の如き成形ビーム方式では、このような周辺ビームをカットすることができるので、Ｓ／Ｎ比を大きくできる。その上、電子銃３０は空間電荷制限条件で動作されているためショット雑音を更に小さくすることができる。
【００６０】
試料４７上に照射された細いビームは、２段の静電偏向器４３、４５により試料上を高速ラスタ走査される。発生した２次電子は、放出方位角依存性の検出効率を持たせた検出器４８により検出され、第１の実施形態と同様に、Ａ／Ｄ変換器４９でデジタル信号に変換され、画像形成回路５０でＳＥＭ像が作られ、ＣＰＵ５１で欠陥分類が行われる。検出器４８の検出効率に放出方位角依存性を持たせているため、第１の実施形態と同様の原理により、試料４７のパターンの立体的なＳＥＭ画像が簡単に得られる。それに加えて、本実施形態では例えばビーム電流３ｎＡで１００ＭＨｚで走査を行うのでピクセルあたりの電子数は（３×１０-9／１×１０8）／１．６×１０-19＝１８７．５個となる。成形ビームを用い、更に空間電荷制限条件で電子銃３０を動作させているので、この程度の電子数で十分Ｓ／Ｎ比の良い立体的なＳＥＭ画像が得られる。従って、欠陥レビュー中に本来欠陥でない部分のゲート酸化膜を破壊することがない。また、電子銃３０をラングミュア制限以上の高輝度を持つようにしているため、ＦＥ電子銃を使わなくとも高分解能で大電流のビームが得られる。
【００６１】
以上のように、第２の実施形態では、立体的なＳＥＭ画像を高分解能及び高Ｓ／Ｎ比で得ることと、デバイス破壊の防止とを両立させている。
（第３の実施形態；半導体デバイスの製造方法）
本実施形態は、上記実施形態で示した電子線装置を半導体デバイス製造工程におけるウェーハの欠陥検出、欠陥レビューに適用したものである。
【００６２】
デバイス製造工程の一例を図５のフローチャートに従って説明する。
この製造工程例は以下の各主工程を含む。
▲１▼  ウェーハ２０を製造するウェーハ製造工程（又はウェハを準備する準備工程）（ステップ１００）
▲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）（ステップ１０１）
▲３▼  ウェーハに必要な加工処理を行うウェーハプロセッシング工程（ステップ１０２）
▲４▼  ウェー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（ステップ１０３）
▲５▼  組み立てられたチップを検査するチップ検査工程（ステップ１０４）
なお、各々の工程は、更に幾つかのサブ工程からなっている。
【００６３】
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ェーハプロセッシング工程である。この工程では、設計された回路パターンをウェーハ上に順次積層し、メモリやＭＰＵとして動作するチップを多数形成する。このウェーハプロセッシング工程は以下の各工程を含む。
▲１▼  絶縁層となる誘電体薄膜や配線部、或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▼  形成された薄膜層やウェーハ基板を酸化する酸化工程
▲３▼  薄膜層やウェーハ基板等を選択的に加工するためにマスク（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ー工程
▲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▼  加工されたウェーハを検査する検査工程
なお、ウェーハプロセッシング工程は必要な層数だけ繰り返し行い、設計通り動作する半導体デバイスを製造する。
【００６４】
上記ウェーハプロセッシング工程の中核をなすリソグラフィー工程を図６のフローチャートに示す。このリソグラフィー工程は以下の各工程を含む。
▲１▼  前段の工程で回路パターンが形成されたウェーハ上にレジストをコートするレジスト塗布工程（ステップ２００）
▲２▼  レジストを露光する露光工程（ステップ２０１）
▲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（ステップ２０２）
▲４▼  現像されたパターンを安定化させるためのアニール工程（ステップ２０３）以上の半導体デバイス製造工程、ウェーハプロセッシング工程、リソグラフィー工程には周知の工程が適用される。
【００６５】
上記▲７▼のウェーハ検査工程において、本発明の上記各実施形態に係る電子線装置を用いた場合、微細なパターンを有する半導体デバイスでも、高スループットで高精度に評価でき、更には、欠陥候補の分類も可能となるため、製品の歩留向上及び欠陥製品の出荷防止が可能となる。
【００６６】
以上が上記各実施形態であるが、本発明は、上記例にのみ限定されるものではなく本発明の範囲内で任意好適に変更可能である。
例えば、試料として半導体ウェーハを例に掲げたが、これに限定されず、電子線によって欠陥を検出可能なパターン等が形成された任意の試料、例えばマスク等を評価対象とすることができる。
【００６７】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように本発明の電子線装置によれば、以下のような優れた効果が得られる。
【００６８】
請求項１の発明によれば、負の電圧が印加された試料に、１次電子線を低いエネルギーにして照射することによりデバイス損傷を防止することができる欠陥装置において、分離器の偏向量を変えるのみで立体的なＳＥＭ像を得る欠陥レビュー装置に容易に切り替えすることができる。従って、デバイス損傷を防止した上で、低収差即ち高分解能と、立体的なＳＥＭ像を得ることによる欠陥分類の容易さと、を両立させることができる。
【００６９】
請求項２の発明によれば、負の電圧が印加された試料に、１次電子線を低いエネルギーにして照射することによりデバイス損傷を防止することができる欠陥装置において、試料から放出された２次電子線のうち特定の方向へ放出された２次電子線の検出効率を低くすることにより、立体的なＳＥＭ像を得ることができる。従って、デバイス損傷を防止した上で、低収差即ち高分解能と、立体的なＳＥＭ像を得ることによる欠陥分類の容易さと、を両立させることができる。
【００７０】
請求項３の発明によれば、空間電荷制限条件で動作される熱電子放出カソードを有する電子銃から放出される電子線を細く絞って試料上を走査し、該試料から放出された２次電子の検出効率に放出方位角依存性を持たせるようにしたので、ショット雑音の低減に起因して少ない電子線照射量で凹凸の良くわかる立体的なＳＥＭ像が得られる。
【００７１】
請求項４の発明によれば、輝度がラングミュア制限より一桁以上高輝度になる条件で動作される熱電子放出カソードを有する電子銃から放出された電子線を細く絞って試料上を走査し、該試料から放出される２次電子の検出効率に方位角依存性を持たせるようにしたので、高分解能の立体的なＳＥＭ像が得られる。
【００７２】
請求項５の発明によれば、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電子線装置を用いて、ウェーハプロセス途中又は少なくとも１つのウェーハプロセス終了後のウェーハの欠陥候補の分類を行うようにしたので、欠陥製品の出荷防止が更に効率的に可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る電子線装置の概略構成図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る電子線装置の概略構成図である。
【図３】電子線装置の空間電荷制限条件の領域を説明するための図である。
【図４】（１００）方位の単結晶ＬaＢ6カソードを１８００°Ｋで動作したときの電子銃電流をウェーネルトバイアスで変えてシュミレーションしたときの電子線の輝度を示すグラフである。
【図５】半導体デバイス製造プロセスを示すフローチャートである。
【図６】図５の半導体デバイス製造プロセスのうちリソグラフィープロセスを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ａ    電子銃
１    ＬaＢ6単結晶のカソード
２    ウェーネルト電極
３    アノード兼静電レンズ上部電極
４    機械的軸合わせ機構
５    静電レンズ中央電極
６    静電レンズ下部電極
７    ウォーブラ電源
８    成形開口板
８ａ  成形開口
９    縮小レンズ
１０    静電偏向器
１１    走査制御電源
１２    電磁偏向器
１３    静電偏向器
１４    対物レンズ
１５    欠陥検出モードでの２次電子の偏向方向
１６    検出器
１７    欠陥レビューモードで検出されない２次電子の軌道
１８    欠陥レビューモードで検出される２次電子の軌道
１９    試料
２０    負電源
２１    Ａ／Ｄコンバータ
２２    画像形成回路
２３    計算機
３０    電子銃
３１    カソード
３２    グラファイトヒータ
３３    絶縁硝子
３４    機械的軸合わせ機構
３５    シールドリング
３６    アノード
３７    ウォーブラ電源
３８    成形開口への軸合わせ電極
３９    成形開口板
３９ａ  成形開口
４０    成形開口への軸合わせ電極
４１    縮小レンズ
４２    ＮＡ開口板
４２ａ  ＮＡ開口
４３    静電偏向器
４４    対物レンズ
４５    静電偏向器
４６    走査制御電源
４７    試料
４８    検出器
４９    Ａ／Ｄコンバータ
５０    画像形成回路
５１    ＣＰＵ
５２    ウェーネルト電極
【図１】
2004200111.tif 000003
【図２】
2004200111.tif 000004
【図３】
2004200111.tif 000005
【図４】
2004200111.tif 000006
【図５】
2004200111.tif 000007
【図６】
2004200111.tif 000008