(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一次光学系と、第二次光学系と、検出装置とを備え、前記第一次光学系に配置された電子銃から放出される電子線を試料に照射し試料表面から放出される二次電子を検出する電子線装置であって、
前記電子銃を熱電子放出電子銃とし、該電子銃はウェネルト電極を有し、
前記熱電子放出電子銃の前方に配置された成形開口と、
前記成形開口の前方に配置されたＮＡ開口とを有し、
更に、前記第一次光学系は、レンズ構造として、前記ＮＡ開口の前方に配置されたコンデンサレンズと、前記コンデンサレンズの前方に配置された対物レンズの２段のレンズのみを有し、
前記ウェネルト電極の電圧を、前記ＮＡ開口と一致した位置にクロスオーバーを形成するように、調整し、
前記コンデンサレンズの励起電圧を、前記対物レンズの主面の位置にクロスオーバーを形成するように調整し、前記熱電子放出電子銃からの電子線で照射された成形開口の像を２段のレンズで試料面上に結像するようにした、電子線装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電子線装置を有することを特徴とするデバイスの欠陥検査装置。
【請求項３】
請求項２に記載の欠陥検査装置を用いて、プロセス終了後のウェハの評価を行うことを特徴とするデバイスの製造方法。
【請求項４】
第一次光学系と、第二次光学系と、検出装置とを備えた電子線装置の、前記第一次光学系に配置されたウェネルト電極を有する熱電子放出電子銃から放出される電子線を試料に照射し、試料表面から放出される二次電子を検出する電子線検出方法であって、
前記熱電子放出電子銃の前方に成形開口を配置し、
前記成形開口の前方にＮＡ開口を配置し、
更に、前記第一次光学系に、レンズ構造として、前記ＮＡ開口の前方に配置されたコンデンサレンズと、前記コンデンサレンズの前方に配置された対物レンズの２段のレンズのみを配置し、
前記ウェネルト電極の電圧を、前記ＮＡ開口と一致した位置にクロスオーバーを形成するように、調整し、
前記コンデンサレンズの励起電圧を、前記対物レンズの主面の位置にクロスオーバーを形成するように調整し、前記熱電子放出電子銃からの電子線で照射された成形開口の像を２段のレンズで試料面上に結像するようにした、電子線検出方法。
【請求項５】
請求項４に記載の電子線検出方法において、
前記コンデンサレンズの前方に走査用の静電偏向器を配置し、
前記静電偏向器の前方にＥ×Ｂ分離器を配置し、
前記静電偏向器及び前記Ｅ×Ｂ分離器を偏向することにより、電子線を偏向させることを特徴とする電子線検出方法。
【請求項６】
請求項５に記載の電子線検出方法において、
前記静電偏向器及び前記Ｅ×Ｂ分離器は前記対物レンズの直上に偏向中心を置くように調整されていることを特徴とする電子線検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は電子線装置、その電子線装置を有するデバイスの欠陥検査装置      及びその欠陥検査装置を用いたデバイスの製造方法に関し、詳しくは、最小線幅が０．１μm以下のデバイスパターンを有する試料の評価を高いスループットでかつ高い信頼性で行える電子線装置、その電子線装置を有するデバイスの欠陥検査装置、及びその欠陥検査装置を用いてプロセス終了後のウェハを評価することにより歩留まりを向上させることができるデバイスの製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
最小線幅が０．１μm以下のデバイスパターンを有する試料の評価を行う電子線装置において、成形した電子線を細く絞って試料の上に照射し、試料から放出された二次電子を検出して試料を評価する電子線装置が提案されている。このような装置において、電子ビームを成形する光学系には少なくとも３段のレンズが使用されている。また、０．１μm以下の細い電子ビームを形成する場合にはクロスオーバ縮小型ビームが使用されている。更に、高い信頼性で評価を行うには電子ビームの強度を大きくする必要があり、０．１μm以下の大電流ビームを得るために熱電界放出電子銃（ＴＦＥ電子銃）が使われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＴＦＥ電子銃では熱電子放出電子銃（例えばＬａＢ６電子銃）に比べて３ないし１０倍のビーム電流を得ることができるが、電子線のショット雑音が大きいためＳ／Ｎ比があまり良くなく、高いスループットで試料の評価を行うことが困難である。
また、ＬａＢ６電子銃を使用したクロスオーバ縮小型ビームでは、ビーム電流を大きくすることができず、高いスループットで試料の評価を行うことが困難である。
更に、ＬａＢ６電子銃を使用した成形ビーム方式では３段以上のレンズが使用されているため鏡筒長が長く、軸合せ用の偏向器が余分に必要である。また、空間電荷効果も光路長さが長くなる分だけ大きくなり、良好な電子ビームの強度及び位置の安定度を得ることが困難であるという問題点がある。
【０００４】
本発明が解決しようとする一つの課題は、電子線のショット雑音を小さくしてＳ／Ｎ比を改善し、高いスループットで試料の評価を行うことことのできる電子線装置を提供することである。
本発明が解決しようとする別の課題は、ビーム電流を大きくすることができ、高いスループットで試料の評価を行うことを可能にする電子線装置を提供することである。
本発明が解決しようとする別の課題は、わずか２段のレンズで成形ビームを形成して高い安定度で制御するための電子光学鏡筒を造り、欠陥検査装置として完成された装置を提供することである。
本発明が解決しようとする更に別の課題は、上記のような電子線装置を用いてプロセス終了後の試料を評価するデバイスの製造方法を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題は以下の手段により解決される。即ち、電子銃から放出される電子線を試料に照射し試料表面から放出される二次電子を検出する電子線装置であって、前記電子銃を熱電子放出電子銃とし、前記熱電子放出電子銃の前方に成形開口及びＮＡ開口を配置し、前記熱電子放出電子銃からの電子線で照射された成形開口の像を２段のレンズで試料面上に結像するようにしている。なお、ここで「前方」とは電子線の進む方向に対して試料側をいう。
また、電子線装置の別の発明において、電子銃から放出される電子線を試料に照射し試料表面から放出される二次電子を検出する電子線装置であって、前記電子銃を熱電子放出電子銃とし、前記熱電子放出電子銃の前方に成形開口及びＮＡ開口を順に配置し、前記熱電子放出電子銃からの電子線が形成するクロスオーバを前記ＮＡ開口に結像させ、かつ前記熱電子放出電子銃からの電子線で照射された成形開口の像を試料面上に結像するようにしている。
【０００６】
また、電子線装置の別の発明において、電子銃から放出される電子線を試料に照射する第一次光学系を有し、試料表面から放出される二次電子を検出装置で検出する電子線装置であって、前記第一次光学系には成形開口及び２段のレンズを配置し、かつ前記２段のレンズの間にＥ×Ｂ分離器を配置し、前記電子銃からの電子線で照射された成形開口の像を２段のレンズで試料面上に縮小して結像し、試料表面から放出される二次電子を前記Ｅ×Ｂ分離器で第一次光学系から分離して前記検出装置に入射させるようにしている。
また、電子線装置の別の発明において、電子銃から放出される電子線を試料に照射する第一次光学系を有し、試料表面から放出される二次電子を検出装置で検出する電子線装置であって、前記第一次光学系には、成形開口、ＮＡ開口、コンデンサレンズ及び対物レンズを第一次光学系の光軸に沿って順に配置し、前記電子銃からの電子線のクロスオーバを前記電子銃のウェーネルトバイアスを制御することにより前記ＮＡ開口に一致させるようにしている。
また、電子線装置の別の発明において、電子銃から放出される電子線を試料に照射する第一次光学系を有し、試料表面から放出される二次電子を検出装置で検出する電子線装置であって、前記第一次光学系には、成形開口、コンデンサレンズ及び対物レンズを第一次光学系の光軸に沿って順に配置し、かつＮＡ開口を前記対物レンズに隣接して前記対物レンズの電子銃側に配置し、電子線のクロスオーバ像を前記ＮＡ開口に形成するようにしている。
【０００７】
本願の更に別の発明は、前記一つの発明又は別の発明による電子線装置を備えたデバイスの欠陥検査装置を提供する。
【０００８】
本願の更に別の発明は、前記欠陥検査装置を用いて、プロセス終了後のウェハの評価を行ってデバイスの製造を行うようにしている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明による電子線装置の実施形態を説明する。
図１において、本発明の実施形態による電子線装置１が模式的に示されている。この電子線装置１は、第一次光学系１０と、第二次光学系３０と、検出装置４０とを備えている。
第一次光学系１０は、電子線を試料Ｓに照射する光学系で、電子線を放出する電子銃１１と、軸合わせ用の静電偏向器１２と、成形開口１３と、軸合わせ用の静電偏向器１４、１５と、ＮＡ開口１６と、成形開口１３を通過した電子ビームを縮小するコンデンサレンズ１７と、走査用の静電偏向器１８と、Ｅ×B分離器１９と、対物レンズ２０と、軸対称電極２１とを備え、それらは、図１に示すように電子銃１１を最上部にして順に、かつ電子銃から放出される電子線の光軸Ａが試料の表面Ｓに垂直になるように配置されている。Ｅ×B分離器１９は静電偏向器１９１と、電磁偏向器１９２、１９３と、パーマロイコア１９４から構成されている。更に、この電子線装置１は、試料Ｓに負の電位を付与する電源２２を備えている。
本実施形態においては、電子銃１１は、熱電子放出型のＬａＢ６電子銃であり、ＬａＢ６カソード１１１，グラファイトヒータ１１２、支持金具１１３、ウェーネルト電極１１４及びアノード１１５を備えている。電子銃１１のウェーネルト電極１１４のバイアスをある程度深くすることにより、電子銃１１を空間電荷制限領域内で制御することができる。成形開口１３はその形状が正方形であり、ＮＡ開口１６の電子銃側に配置されている。また、２段のレンズ（即ち、コンデンサレンズ１７と対物レンズ２０）は共に、成形開口１３及びＮＡ開口１６よりも前方（即ち、電子線の進む方向に対して試料側）に配置されている。
【００１０】
第二次光学系３０は、試料Ｓから放出された二次電子を検出装置４０に導入する光学系で、Ｅ×Ｂ分離器１９の近くで光軸Ａに対して傾斜している光軸Bに沿って配置されている。
検出装置４０は検出器４０１を備えている。
【００１１】
次に、上記構成の電子線装置１の動作について説明する。
電子銃１１から放出された電子線Ｃは、電子銃１１のウェネルト電圧を調整することにより、ＮＡ開口１６と一致した位置にクロスオーバーＣ１を形成する。同時に、電子銃１１は、グラファイトヒータ１１２に流す電流を調整して、空間電荷制限領域内で作動するように調整される。従って、電子線が発生させるショット雑音を大幅に小さくすることができる。クロスオーバーＣ１を形成した電子線はあまり大きくない拡がり角度で発散し、コンデンサレンズ１７で集束されて対物レンズ２０の主面の位置にクロスオーバＣ２を形成する。この場合、電子線が対物レンズ２０の主面の位置にクロスオーバＣ２を形成するように、コンデンサレンズ１７の励起電圧が決定される。
一方、電子線により形成された成形開口１３の像は、コンデンサレンズ１７によりＣ３の位置に縮小されて結像し、更に、対物レンズにより試料Ｓの表面に０．１μｍ或いはそれ以下に縮小されて結像する。この調整はコンデンサレンズ１７の励起を変えることにより容易に行われる。
試料を走査する場合には、静電偏向器１８とＥ×Ｂ分離器の静電偏向器１９１とで２段階に偏向することにより行われる。この場合、対物レンズ２０の直上のＣ４の位置に偏向中心を置くことにより、偏向色収差、コマ収差及び非点収差の合計値を最小限にしている。
【００１２】
電子ビームにより試料Ｓが照射され、試料から放出された二次電子は、対物レンズ２０の加速電界で加速、収束され、Ｅ×B分離器１９で偏向されて第二次光学系３０に投入される。この場合、通常は、試料Ｓは電源２２により負の電圧が付与されているため、略全ての二次電子が対物レンズ２０を通過しＥ×B分離器１９で偏向される。二次電子は光軸Bに沿って移動し検出器４０１により検出される。
【００１３】
なお、対物レンズ２０の試料側に軸対称電極２１を配置し、この軸対称電極２１に正又は負の電圧を付与する電源２３及びそれらの切換スイッチ２４を設け、軸対称電極２１に試料よりも低い電圧を与えることによりフィルター作用を持たせるようにしてもよい。その場合には試料面のパターンの電位コントラストを得ることが可能となる。
更に、切換スイッチ２４をコンピュータで制御して、通常の走査電子顕微鏡画像を得たり、電位コントラスト画像を得たりすることにより欠陥検査を精度良く行うことが可能となる。従って、本発明による電子線装置をデバイスの欠陥検査装置に適用することができる。
【００１４】
図２は、本発明の電子線装置の別の実施形態を参考として示す図である。本図において、図１に示された実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付する。また、図１の実施形態の構成要素に対応する構成要素であるがそれとは異なる構成を有するものについては同じ符号の上に「’」の記号を付して表す。
本実施形態による電子線装置１’は図１の実施形態とは異なり、第一次光学系１０’及び検出装置４０’のみを備えている。
第一次光学系１０’は、図１の実施形態と同様の構造を有する電子銃１１と、軸合せ用の静電偏向器１２と、成形開口１３と、軸合せ用の静電偏向器１４と、成形開口１３を通過した電子ビームを縮小するコンデンサレンズ１７と、走査用の静電偏向器１８、２５と、ＮＡ開口１６と、対物レンズ２０とを備え、それらは電子銃１１を最上部にして、かつ電子銃から放出される電子線の光軸Ａが試料の表面Ｓに垂直になるように配置されている。
本実施形態の電子銃１１もウェーネルト電極のバイアスをある程度深くすることにより、電子銃を空間電荷制限領域内で制御することができる。
図２に明確に示されているように、ＮＡ開口１６は、対物レンズ２０に隣接して対物レンズの電子銃側に配置されている。また、図１の実施形態とは異なり、軸合わせ用静電偏向器は２段とし、Ｅ×B分離器及び軸対称電極は設けられていない。
【００１５】
本実施形態においては第二次光学系は特に設けられていず、後述するように試料Ｓから放出された二次電子は検出装置４０’の検出器４０１’の電界に引かれて直接検出器４０１’に入射する。
検出装置４０’は検出器４０１’、Ａ／Ｄ変換器、及び画像処理回路４０３を備えている。
【００１６】
本実施形態による電子線装置の上記構成においてその動作を説明する。電子銃１１から放出された電子線Ｃは、成形開口１３を通過し、成形開口１３とコンデンサレンズ１７の間の決められた位置にクロスオーバーＣ１’を形成し、クロスオーバーＣ１’からあまり大きくない拡がり角度で発散する。発散した電子線はコンデンサレンズ１７で集束され、ＮＡ開口１６にクロスオーバーＣ２’を形成する。クロスオーバーＣ２’を形成後、電子ビームは試料Sに向かって進み、対物レンズ２１により試料Ｓに向かう。成形開口１７の像はコンデンサレンズ１７と対物レンズ１６とにより縮小されて試料Ｓ上に結像する。
試料を走査する場合には、静電偏向器１８と静電偏向器２５とで２段階に偏向することにより行われる。
【００１７】
電子ビームにより試料Ｓが照射され、試料Ｓから放出された二次電子は、検出器４０１’の電界で偏向されて検出器４０１’に投入される。検出器４０１’は検出した二次電子をその強度を表す電気信号へ変換する。検出器から出力された電気信号はＡ／Ｄ変換器４０２によってデジタル信号に変換された後、画像処理回路４０３によって受信され、画像データへ変換される。この画像を標準パターンと比較することにより試料Ｓの欠陥を検出することができる。従って、本実施形態の電子装置もデバイスの欠陥検査装置に適用することができる。
【００１８】
次に、図３及び図４を参照して、本発明による、上記のような電子線装置を用いてプロセス終了後の試料を評価する半導体デバイスの製造方法を説明する。
図３は本発明による半導体デバイスの製造方法の一実施例を示すフローチャートである。この実施例の工程は以下の主工程を含んでいる。
（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）
（２）露光に使用するマスクを製造するマスクを製造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）
（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
（４）ウエハ上に形成されたチップを一個づつ切り出し、動作可能にならしめるチップ組立工程
（５）できたチップを検査するチップ検査工程
なお、上記のそれぞれの主工程は更に幾つかのサブ工程からなっている。
【００１９】
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のが（３）のウエ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エハ上に順次積層し、メモリーや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各工程を含んでいる。
（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）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）加工されたウエハを検査する工程
なお、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い、設計通り動作する半導体デバイスを製造する。
【００２０】
図４は、図３のウエ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示すフローチャートである。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エハ上にレジストをコートするレジスト塗布工程
（２）レジストを露光する工程
（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
（４）現像されたレジストパターンを安定化するためのアニール工程
上記の半導体デバイス製造工程、ウエハプロセッシング工程、及びリソグラフィー工程については、周知のものでありこれ以上の説明を要しないであろう。
上記（７）の検査工程に本発明に係る欠陥検査方法、欠陥検査装置を用いると、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できるので、全数検査が可能となり、製品の歩留まりの向上、欠陥製品の出荷防止が可能となる。
【００２１】
【発明の効果】
本発明によれば、以下のような効果を奏することが可能である。
（１）従来のような３段のレンズを使用する光学系と比較してレンズの段数を２段とすることができるため、レンズ軸合せ装置も１段少なくすることができる。従って、光路の長さが短くなり空間電荷効果による電子ビームのぼけが小さくなる。また、光学系に使用される部品点数、及びレンズ１段分と静電偏向器１段分の制御回路が少なくなるため、電子線装置の信頼性を向上させることができる。
（２）クロスオーバ縮小型ビームと比較して同一の電子ビーム寸法で、大きいビーム電流を得ることができる。
（３）電子銃を空間電荷制限領域で動作することができるので、電子線のショット雑音を大幅に小さくすることができ、それにより、二次電子の雑音も小さくすることができる。
（４）ＮＡ開口を縮小レンズより前方に配置したため、二次電子の検出器を対物レンズより前方に設けることができる。
（５）ＮＡ開口を対物レンズに隣接し配置する場合は、電子ビームのクロスオーバ位置を正確に位置決めする必要がなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施形態による電子線装置の光学系を模式的に示した説明図である。
【図２】  本発明の電子線装置の別の実施形態を参考として示す図である。
【図３】  デバイス製造工程を示すフローチャートである。
【図４】  リソグラフィー工程を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１、１’：電子線装置            １０、１０’：第一次光学系
１１：電子銃                      １２：静電偏向器（軸合わせ用）
１３：成形開口                    １４、１５：静電偏向器（軸合わせ用）
１６：ＮＡ開口                    １７：コンデンサレンズ
１８：静電偏向器                  １９：Ｅ×Ｂ分離器
２０：対物レンズ                  ２１：軸対称電極
２２、２３：電源                  ２４：切換スイッチ
２５：静電偏向器                  ３０：第二次光学系
４０、４０’：検出装置              ４０１、４０１’：検出器
４０２：Ａ／Ｄ変換器                ４０３：画像処理回路
【図１】
0003995479.tif 000002
【図２】
0003995479.tif 000003
【図３】
0003995479.tif 000004
【図４】
0003995479.tif 000005