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技術 走査電子線装置およびそれを用いた寸法計測方法

出願人 株式会社日立ハイテクノロジーズ
発明者 矢野資早田康成福田宗行小貫勝則川野源鈴木直正
出願日 2011年12月13日 (10年2ヶ月経過) 出願番号 2011-271863
公開日 2013年6月24日 (8年8ヶ月経過) 公開番号 2013-125583
状態 特許登録済
技術分野 電子顕微鏡(3) 波動性または粒子性放射線を用いた測長装置 電子顕微鏡1 半導体等の試験・測定
主要キーワード 許容値データ 昇降回数 磁気履歴 目標誤差 標準高さ 自動計測装置 強度係数 アンダーフォーカス
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (20)

課題

アスペクト比の高い孔または溝の上部と底部の両方を高精度に計測する走査電子線装置を提供する。

解決手段

電子源1、偏向器5、対物レンズ7、リターディング電極8、ウエハ16を設置するステージ9、ステージ昇降機10、および制御部15とを有し、電子線17の照射によりウエハ16から発生する二次電子24を検出して画像を得る走査電子線装置において、制御部15は、電子線の加速電圧低加速電圧領域では、ウエハ16の高さ変動に対するフォーカス粗調整および精調整を対物レンズ7の励磁電流調整により行い、高加速電圧領域では、フォーカスの粗調整をステージ昇降機10による高さ調整により行い、精調整をリターディング電極8の電圧調整により行う。

概要

背景

本発明は、半導体デバイスの製造途中のウエハの深孔と深溝を自動的に計測する装置にかかわるものであり、はじめに半導体デバイスの製造工程において深孔と深溝が増えていることを説明し、その後に半導体デバイスの自動計測装置について説明する。

近年になり、半導体デバイスの製造工程では、高いアスペクト比の孔や溝の底の寸法計測重要性増している。例えば、非特許文献1や非特許文献2では、フラッシュメモリリソグラフィーコストを低減するために、導電膜絶縁膜を多数重ね、一括して、エッチングする方法が述べられており、これらの構造を製造する過程では孔や溝のアスペクト比は30以上となる。また、非特許文献3では、トランジスタソースドレインの間、すなわち、活性領域をゲート線で取り囲む構造が示されており、この構造を作る過程においても、孔や溝のアスペクト比は30以上となる。

半導体デバイスの量産工場においては、半導体デバイスの製造工程を管理するために、孔や溝のトップボトムの寸法を計測する。この寸法計測は走査電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)を用いて行うことができる。SEMでは、電子源から放出された電子加速し、励磁電流印加した対物レンズによって収束させてウエハ表面に照射する。これを電子線という。電子線の照射によってウエハからは二次電子が発生する。電子線を電磁気的な偏向によってウエハ表面上で走査させて二次電子信号強度を取得すると、ウエハの形状を反映した電子顕微鏡画像SEM画像)が得られる。このSEM画像と像の倍率からウエハの上のパターンの寸法を決定する。

電子線を用いてウエハ上のパターンの寸法を自動的に計測する走査電子線装置では、ウエハを設置したステージを水平に移動させ、所定の計測点に電子線を照射し、パターンの寸法を計測する。ウエハの反りやステージの傾きがあるので、ステージを水平移動させるとウエハの高さが変動する。ウエハの高さの変動は、焦点ズレ、すなわち、画像のボケを発生させ、パターン寸法の計測精度劣化させる。そのため、特許文献1に開示されているように、ワーキングディスタンス(WD)、あるいは、電磁レンズまたは静電レンズの強度を変化させて、焦点を合わせることになる。細かく述べると以下のとおりである。ウエハに電子線を照射して取得したSEM画像に基づいてフォーカスを合わせれば、画像のボケは解消するが、照射する電子が増えるのでウエハの帯電汚染、及び、レジストシュリンクといった障害を引き起こす。これら電子線照射に伴う障害を避けるためには、フォーカス合わせのための電子線照射時間を短縮すればよく、そのためには、SEM画像に基づいたフォーカスの前に、高さセンサでウエハ高さを計測し、予めフォーカスを粗調整すればよい。フォーカスの粗調整は、対物レンズの励磁電流の調整による電磁フォーカスにより行う。ウエハの高さに応じて励磁電流を調整するためには、焦点距離逆数、つまり、レンズ強度が常に励磁電流に比例することが望ましい。

概要

アスペクト比の高い孔または溝の上部と底部の両方を高精度に計測する走査電子線装置を提供する。電子源1、偏向器5、対物レンズ7、リターディング電極8、ウエハ16を設置するステージ9、ステージ昇降機10、および制御部15とを有し、電子線17の照射によりウエハ16から発生する二次電子24を検出して画像を得る走査電子線装置において、制御部15は、電子線の加速電圧低加速電圧領域では、ウエハ16の高さ変動に対するフォーカスの粗調整および精調整を対物レンズ7の励磁電流調整により行い、高加速電圧領域では、フォーカスの粗調整をステージ昇降機10による高さ調整により行い、精調整をリターディング電極8の電圧調整により行う。

目的

本発明が解決しようとする課題は、アスペクト比が30以上となる深孔、深溝を含む半導体を量産する場合に、その工程を管理する目的で、孔や溝の上部と底部、すなわち、トップとボトムの両方の寸法を計測することである

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
0件

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請求項1

電子源と、前記電子源から放出された電子線を偏向する偏向器と、前記電子線を収束する対物レンズと、リターディング電極と、ウエハを設置するステージと、制御部とを有し、前記電子線をウエハに照射しウエハから発生する二次電子を検出することによりウエハのSEM画像を得る走査電子線装置において、前記ステージまたは前記対物レンズを昇降可能とし、前記制御部は、ウエハの高さ変動に対するフォーカス粗調整を、前記ステージまたは前記対物レンズの昇降による機械フォーカスにより行うようにした走査電子線装置。

請求項2

請求項1に記載の走査電子線装置において、前記制御部は、電子線の加速電圧低加速電圧領域では、ウエハの高さ変動に対するフォーカスの粗調整および精調整を前記対物レンズの励磁電流調整による電磁フォーカスにより行い、高加速電圧領域では、ウエハの高さ変動に対するフォーカスの粗調整を、前記ステージまたは前記対物レンズの昇降による機械フォーカスにより行い、精調整を、前記リターディング電極に加えるリターディング電圧の調整による静電フォーカスブースティング電極に加えるブースティング電圧の調整による静電フォーカス、または、前記電子源の初期加速電圧の調整による静電フォーカスにより行うようにした走査電子線装置。

請求項3

請求項2に記載の走査電子線装置において、前記制御部は、ウエハへの電子線の加速電圧に応じて電子線の焦点高さとウエハ表面高さの差分を制御する手段を自動的に選択することを特徴とする走査電子線装置。

請求項4

請求項1に記載の走査電子線装置において、前記制御部は、ウエハへの電子線の加速電圧に応じて、前記ステージまたは前記対物レンズを昇降することにより、ウエハの表面と対物レンズの下端との距離で表されるワーキングディスタンス(WD)を設定することを特徴とする走査電子線装置。

請求項5

請求項1に記載の走査電子線装置において、前記ステージに設置したウエハの高さを計測するためのウエハ高さセンサを備える走査電子線装置。

請求項6

請求項1に記載の走査電子線装置において、前記ステージに設置したウエハの高さを計測するためのウエハ高さセンサと、前記対物レンズの高さを測定するための対物レンズ高さセンサを備える走査電子線装置。

請求項7

請求項5に記載の走査電子線装置において、前記制御部は、ウエハへの電子線の加速電圧に応じたウエハの標準高さデータを有し、前記ウエハ高さセンサを用いて測定したウエハの高さと標準高さとの高さ誤差を前記昇降可能なステージで低減する際の目標誤差データを有し、加速電圧に応じて前記目標誤差データの値が異なることを特徴とする走査電子線装置。

請求項8

請求項5に記載の走査電子線装置において、前記制御部は、ウエハへの電子線の加速電圧に応じたウエハの標準高さデータを有し、前記ウエハ高さセンサを用いて測定したウエハの高さと標準高さとの高さ誤差を前記昇降可能なステージで低減する際の目標誤差データを有し、少なくとも1つの高い加速電圧での前記目標誤差データの値が加速電圧の低い領域での許容値データの値より小さいことを特徴とする走査電子線装置。

請求項9

請求項5に記載の走査電子線装置において、前記制御部は、ウエハへの電子線の加速電圧に応じたウエハの標準高さデータを有し、前記ウエハ高さセンサを用いて測定したウエハの高さと標準高さとの高さ誤差を昇降可能なステージで低減する際の目標誤差データを有し、高さ誤差が前記目標誤差データの値以下である場合、加速電圧の低い領域では高さ誤差に従って電磁レンズの強度を設定し、加速電圧の高い領域では高さ誤差に従って静電レンズの強度を設定することを特徴とする走査電子線装置。

請求項10

請求項5に記載の走査電子線装置において、ウエハ高さセンサに代えてストッパーを設け、前記ステージを昇降させた際の前記ステージと前記ストッパーとの接触の有無に基づいてステージ高さを調整するようにした走査電子線装置。

請求項11

請求項6に記載の走査電子線装置において、前記制御部は、ウエハへの電子線の加速電圧に応じた前記対物レンズの標準高さデータを有し、前記対物レンズ高さセンサを用いて測定した前記対物レンズの高さと標準高さとの高さ誤差を昇降可能な対物レンズで低減する際の目標誤差データを有し、高さ誤差が前記目標誤差データの値以下である場合、加速電圧の低い領域では高さ誤差に従って電磁レンズの強度を設定し、加速電圧の高い領域では高さ誤差に従って静電レンズの強度を設定することを特徴とする走査電子線装置。

請求項12

電子源と、前記電子源から放出された電子線を偏向する偏向器と、前記電子線を収束する対物レンズと、リターディング電極と、ウエハを設置するステージと、制御部とを有し、前記電子線をウエハに照射しウエハから発生する二次電子を検出することによりウエハのSEM画像を得る走査電子線装置を用いた寸法計測方法であって、加速電圧を変化させてSEM画像を取得する際に、ウエハの孔や溝の上部を計測するために低加速の電子線を用いる場合は、ウエハの表面と対物レンズの下端との距離で表されるワーキングディスタンス(WD)を短縮して画像を取得し、ウエハの孔や溝の底部を計測するために高加速の電子線を用いる場合は、ウエハの高さ変動に対するフォーカスの粗調整を、前記ステージまたは前記対物レンズの昇降により前記ワーキングディスタンス(WD)を調整する機械フォーカスにより行って画像を取得し、得られたSEM画像から、ウエハの孔や溝の上部および底部の寸法を計測することを特徴とする走査電子線装置を用いた寸法計測方法。

請求項13

請求項12に記載の走査電子線装置を用いた計測方法において、ウエハの孔や溝の上部を計測するために低加速の電子線を用いる場合は、ウエハの高さ変動に対するフォーカスの粗調整および精調整を前記対物レンズの励磁電流調整による電磁フォーカスにより行うことを特徴とする走査電子線装置を用いた寸法計測方法。

請求項14

請求項12に記載の走査電子線装置を用いた計測方法において、ウエハの孔や溝の底部を計測するために高加速の電子線を用いる場合は、ウエハの高さ変動に対するフォーカスの精調整を前記リターディング電極に加えるリターディング電圧の調整による静電フォーカス、ブースティング電極に加えるブースティング電圧の調整による静電フォーカス、または、前記電子源の初期加速電圧の調整による静電フォーカスにより行うことを特徴とする走査電子線装置を用いた寸法計測方法。

請求項15

請求項12に記載の走査電子線装置を用いた計測方法において、ウエハの孔と溝の底部を計測するために高加速の電子線を用いる場合、ウエハを設置した前記ステージまたは前記対物レンズの昇降により前記ワーキングディスタンス(WD)を伸ばして、前記励磁コイル磁気飽和しない励磁電流で画像を取得することを特徴とする走査電子線装置を用いた寸法計測方法。

技術分野

0001

本発明は、半導体ウエハ上の微細パターンの寸法を計測する走査電子線装置およびそれを用いた寸法計測方法に関する。特に、アスペクト比の高い孔や溝の寸法を計測する走査電子線装置に関する。

背景技術

0002

本発明は、半導体デバイスの製造途中のウエハの深孔と深溝を自動的に計測する装置にかかわるものであり、はじめに半導体デバイスの製造工程において深孔と深溝が増えていることを説明し、その後に半導体デバイスの自動計測装置について説明する。

0003

近年になり、半導体デバイスの製造工程では、高いアスペクト比の孔や溝の底の寸法計測重要性増している。例えば、非特許文献1や非特許文献2では、フラッシュメモリリソグラフィーコストを低減するために、導電膜絶縁膜を多数重ね、一括して、エッチングする方法が述べられており、これらの構造を製造する過程では孔や溝のアスペクト比は30以上となる。また、非特許文献3では、トランジスタソースドレインの間、すなわち、活性領域をゲート線で取り囲む構造が示されており、この構造を作る過程においても、孔や溝のアスペクト比は30以上となる。

0004

半導体デバイスの量産工場においては、半導体デバイスの製造工程を管理するために、孔や溝のトップボトムの寸法を計測する。この寸法計測は走査電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)を用いて行うことができる。SEMでは、電子源から放出された電子加速し、励磁電流印加した対物レンズによって収束させてウエハ表面に照射する。これを電子線という。電子線の照射によってウエハからは二次電子が発生する。電子線を電磁気的な偏向によってウエハ表面上で走査させて二次電子信号強度を取得すると、ウエハの形状を反映した電子顕微鏡画像SEM画像)が得られる。このSEM画像と像の倍率からウエハの上のパターンの寸法を決定する。

0005

電子線を用いてウエハ上のパターンの寸法を自動的に計測する走査電子線装置では、ウエハを設置したステージを水平に移動させ、所定の計測点に電子線を照射し、パターンの寸法を計測する。ウエハの反りやステージの傾きがあるので、ステージを水平移動させるとウエハの高さが変動する。ウエハの高さの変動は、焦点ズレ、すなわち、画像のボケを発生させ、パターン寸法の計測精度劣化させる。そのため、特許文献1に開示されているように、ワーキングディスタンス(WD)、あるいは、電磁レンズまたは静電レンズの強度を変化させて、焦点を合わせることになる。細かく述べると以下のとおりである。ウエハに電子線を照射して取得したSEM画像に基づいてフォーカスを合わせれば、画像のボケは解消するが、照射する電子が増えるのでウエハの帯電汚染、及び、レジストシュリンクといった障害を引き起こす。これら電子線照射に伴う障害を避けるためには、フォーカス合わせのための電子線照射時間を短縮すればよく、そのためには、SEM画像に基づいたフォーカスの前に、高さセンサでウエハ高さを計測し、予めフォーカスを粗調整すればよい。フォーカスの粗調整は、対物レンズの励磁電流の調整による電磁フォーカスにより行う。ウエハの高さに応じて励磁電流を調整するためには、焦点距離逆数、つまり、レンズ強度が常に励磁電流に比例することが望ましい。

0006

特開2001−236915号公報

先行技術

0007

田中 他2名、「低ビットコストで大容量な3次元構造NAND型フラッシュメモリ」、東レビュー、 63、 28(2008年)
J. Kim他9名、”Novel Vertical-Stacked-Array-Transistor (VSAT) for ultra-high-density and cost-effectiveNANDFlash memory devices andSSD (Solid State Drive)”、VLSITech. Dig.、 186(2009年)
Digh Hisamoto、 “Impact of the VerticalSOIDELTA’ Structure on Planar Device Technology”、IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES、 38、 1419 (1991)

発明が解決しようとする課題

0008

本発明が解決しようとする課題は、アスペクト比が30以上となる深孔、深溝を含む半導体を量産する場合に、その工程を管理する目的で、孔や溝の上部と底部、すなわち、トップとボトムの両方の寸法を計測することである。トップの計測は低加速電子線で可能であるが、アスペクト比30の孔や溝の底を計測するには、高加速の電子線を照射し、底部で発生した反射電子を検出することになる。ところが、ボトム計測のために、加速電圧を上げると、新たに3つの小課題が生まれる。

0009

ボトム計測のために、加速電圧を上げると、電子線が収束しにくくなる。高加速の電子線を収束させるには、2つの方法があり、第1の方法はワーキングディスタンス(WD:Working Distance)を延長することであり、第2の方法は対物レンズの励磁電流を大きくすることである。
第1の方法をとる、すなわち、WDを延長すると、低加速電圧時に色収差球面収差が増えて分解能が劣化し、パターンの寸法計測精度も劣化する。

0010

第2の方法をとる、すなわち、励磁電流を大きくすると、2つの障害がある。
第1の障害は、ヒステリシス、すなわち、磁気履歴磁界強度への影響が強くなることである。この場合、レンズ強度も履歴に影響されることになり、励磁電流が分かっても、レンズ強度が分からない。レンズ強度が分からないと、像の倍率を決めることができず、パターンの寸法計測は不可能である。なお、励磁電流を変えるたびに対物レンズを消磁すれば、この障害を避けることができるが、加速電圧が大きく、ヒステリシスの強い場合には、消磁に要する時間が長くなり、寸法自動計測スループットは著しく低下する。

0011

第2の障害は励磁電流を大きくしていくと、対物レンズの磁路磁気飽和し、レンズ強度が上がらなくなることである。この場合、電子線の収束ができなくなり、パターン寸法の計測も不可能となる。

0012

以上をまとめると、低加速電圧時のトップの寸法計測と高加速電圧時のボトムの寸法計測を両立させるためには、次の3点が小課題となる。第1の小課題は低加速電圧時の分解能の劣化、第2の小課題は高加速電圧時の対物レンズのヒステリシスにより倍率が決定できないこと、第3の小課題は高加速電圧時に対物レンズの磁気飽和により電子線が収束できないことである。言い換えると、アスペクト比が30以上となる深孔または深溝のトップとボトムの両方の寸法計測において、電子線を収束させるために、特許文献1の方法を用いる、すなわち、WD、あるいは、電磁レンズまたは静電レンズの強度を変化させると、分解能の劣化、倍率が決定できないこと、対物レンズの磁気飽和により電子線が収束できないことの3つの小課題の少なくとも一つが発生する。

0013

本発明は、アスペクト比の高い孔または溝の上部と底部の両方の寸法を高精度に計測する走査電子線装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0014

本発明では、ステージを昇降可能とし、加速電圧に応じて最適なステージ高さを選択し、さらに、昇降可能なステージをウエハの高さ変動に対するフォーカス粗調整手段として用いることにより、3つの小課題を解決し、アスペクト比が30以上となる深孔と深溝のトップとボトムの両方の寸法の計測を可能とする。

0015

3つの小課題の解決方法を順に説明する。第1の小課題は、低加速電圧時にWDを短縮することにより解決する。つまり、低加速電圧時にWDを短縮することにより、色収差と球面収差が減らし、低加速電圧時の分解能の劣化を防ぐ。第2の小課題、すなわち、高加速電圧時の対物レンズのヒステリシスにより倍率が決定できないことは、ステージ昇降によるWD調整を高さ変動に対応したフォーカス粗調整手段として利用することにより解決する。第2の小課題の解決をより詳しく説明する。ステージ昇降によるWD調整を高さ変動に対応したフォーカス粗調整手段として利用すれば、高さ変動に対応したフォーカス粗調整のための励磁電流変更は不要となる。そのため、対物レンズの励磁電流の変更回数が激減し、励磁電流変更ごとに消磁しても、寸法計測のスループットを著しく悪化させることはない。消磁を含めて励磁電流を変更し、その後、励磁電流を変えなければ、レンズ強度と倍率は一定である。そして、倍率が一定であれば倍率制御が可能となる。第3の小課題、すなわち、高加速電圧時に対物レンズの磁気飽和により電子線が収束できないことは、高加速時にWDを伸ばし、磁気飽和しない小さな励磁電流で電子線を収束させることにより、解決する。

0016

以上の3つの小課題の解決により、広い範囲の加速電圧で、電子線の収束、ウエハ高さに対応したフォーカス粗調整、倍率制御が可能となり、より大きな課題、つまり、低加速によるトップの寸法計測と高加速によるボトムの寸法計測を可能とする。

0017

本発明の走査電子線装置の一例を挙げるならば、電子源と、前記電子源から放出された電子線を偏向する偏向器と、前記電子線を収束する対物レンズと、リターディング電極と、ウエハを設置するステージと、制御部とを有し、前記電子線をウエハに照射しウエハから発生する二次電子を検出することによりウエハのSEM画像を得る走査電子線装置において、前記ステージまたは前記対物レンズを昇降可能とし、前記制御部は、ウエハの高さ変動に対するフォーカスの粗調整を、前記ステージまたは前記対物レンズの昇降による機械フォーカスにより行うようにしたものである。

0018

また、本発明の走査電子線装置は、前記制御部は、電子線の加速電圧の低加速電圧領域では、ウエハの高さ変動に対するフォーカスの粗調整および精調整を前記対物レンズの励磁電流調整による電磁フォーカスにより行い、高加速電圧領域では、ウエハの高さ変動に対するフォーカスの粗調整を、前記ステージまたは前記対物レンズの昇降による機械フォーカスにより行い、精調整を、前記リターディング電極に加えるリターディング電圧の調整による静電フォーカスブースティング電極に加えるブースティング電圧の調整による静電フォーカス、または、前記電子源の初期加速電圧の調整による静電フォーカスにより行うようにしたものである。

0019

本発明の走査電子線装置を用いた寸法計測方法の一例を挙げるならば、電子源と、前記電子源から放出された電子線を偏向する偏向器と、前記電子線を収束する対物レンズと、リターディング電極と、ウエハを設置するステージと、制御部とを有し、前記電子線をウエハに照射しウエハから発生する二次電子を検出することによりウエハのSEM画像を得る走査電子線装置を用いた寸法計測方法であって、加速電圧を変化させてSEM画像を取得する際に、ウエハの孔や溝の上部を計測するために低加速の電子線を用いる場合は、ウエハの表面と対物レンズの下端との距離で表されるWDを短縮して画像を取得し、ウエハの孔や溝の底部を計測するために高加速の電子線を用いる場合は、ウエハの高さ変動に対するフォーカスの粗調整を、前記ステージまたは前記対物レンズの昇降によりWDを調整する機械フォーカスにより行って画像を取得し、得られたSEM画像から、ウエハの孔や溝の上部および底部の寸法を計測するものである。

発明の効果

0020

本発明により、アスペクト比の高い孔と溝のトップとボトムの寸法計測が可能となり、半導体ウエハの量産管理が容易になる。

図面の簡単な説明

0021

本発明の実施例1の装置構成を示す図。
ステージの昇降によるWD調整を説明する図。
ステージの昇降による機械フォーカスを説明する図。
電磁フォーカスと静電フォーカスを説明する図。
対物レンズの励磁電流の調整による電磁フォーカスを説明する図。
リターディング電圧の調整による静電フォーカスを説明する図。
加速電圧に対する励磁電流、WD、初期加速電圧、リターディング電圧の標準値の関係を説明する図。
本発明を適用せずにWDを短くした場合を説明する図。
本発明を適用せずにWDを長くした場合を説明する図。
加速電圧に対するWDの許容値の変化を説明する図。
加速電圧に対する励磁電流の補正量の変化を説明する図。
加速電圧に対するリターディング電圧補正量の変化を説明する図。
加速電圧に対する偏向信号強度係数の変化を説明する図。
パラメータを表示し修正する画面を示す図。
レシピ作成時のパラメータ表示画面を示す図。
WD変化を伴うレシピの作成と実行時のワーニングを示す図。
一枚のウエハの処理を示すフローチャート
一枚のSEM画像を取得する処理を示すフローチャート。
WD調整を示すフローチャート。
励磁電気系補正を示すフローチャート。
強励磁電気系補正を示すフローチャート。
WD調整のエラー画面を示す図。
SEM画像の表示画面を示す図。
輪郭を重ねてSEM画像を表示する画面を示す図。
実施例2におけるWD許容値を説明する図。
実施例3における対物レンズの昇降によるWD調整を説明する図。
実施例3における対物レンズの昇降による機械フォーカスを説明する図。
本発明の実施例3の装置構成を説明する図。
実施例4におけるブースティング電圧調整による静電フォーカスを説明する図。
実施例4における加速電圧による励磁電流、WD、初期加速電圧、ブースティング電圧の変化を説明する図。
実施例4におけるブースティング電圧補正量を説明する図。
実施例5における初期加速電圧調整による静電フォーカスを説明する図。
実施例5における加速電圧に応じた励磁電流、WD、初期加速電圧、リターディング電圧の標準値を説明する図。
実施例5における初期加速電圧補正量を説明する図。
実施例6におけるWD調整を示すフローチャート。
実施例7における加速電圧に応じた励磁電流、WD、初期加速リターディングの標準値を説明する図。
実施例8における加速電圧に応じた励磁電流とWDの標準値を説明する図。
実施例9における1枚のウエハの処理を示すフローチャート。
実施例10における拡大許容値を説明する図。
実施例10におけるWD調整を示すフローチャート。

0022

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

0023

図1に、本発明を適用した実施例1の装置の構成と各部の働きを説明する。

0024

実施例1の走査電子線装置は、図1に示すように、電子源1、コンデンサレンズ2、絞り3、ブランキング電極4、偏向器5、ブースティング電極6、対物レンズ7、リターディング電極8、ステージ9、ステージ昇降機10、二次電子検出器11、ウエハ高さセンサ12、光源13、画像処理ユニット14、制御部15から構成され、ウエハ16をステージ9に設置して使用する。

0025

電子源1から放出された電子線17は、コンデンサレンズ2により収束し、電子線の一部だけが絞り3を通過し、さらに、ブランキング電極4、偏向器5、ブースティング電極6、対物レンズ7を通過したのち、ウエハ16に照射される。

0026

電子線17は、電子源1からウエハ16に至るまでの間に、各電極に印加された電圧による加速と減速を受ける。以下では、各電極に印加する電圧の符号について説明し、電子線の加速と減速について説明する。

0027

電子源1には負の電圧、ブースティング電極6には正の電圧、リターディング電極8には負の電圧を印加する。本発明では、電子源1に印加する電圧、すなわち、初期加速電圧18、及び、リターディング電極に印加する電圧、すなわち、リターディング電圧19の値を表現するときには、絶対値で表す。例えば、リターディング電圧が1kVとあれば、リターディング電極に−1kVを印加することを意味する。なお、ブースティング電極6に印加する電圧は正なので、そのまま、表現する。

0028

電子源1からウエハ16に至るまでの間に、電子線17は、初期加速電圧18による加速、ブースティング電圧20による加速と減速、リターディング電圧19による減速を受ける。ここで、ブースティング電圧20による加速と減速は相殺するので、初期加速電圧18による加速とリターディング電圧19による減速が正味の加速電圧となる。以下では、初期加速電圧18とリターディング電圧19の差を加速電圧と呼ぶ。

0029

ここまで、各部品に印加する電圧と電流について述べたが、電子源1に印加する電圧、すなわち、初期加速電圧18、コンデンサレンズ2に印加する電流、ブランキング電極4の印加電圧22、ブースティング電極6の印加電圧、すなわち、ブースティング電圧20、対物レンズ7に印加する電流、すなわち、励磁電流23、リターディング電極8の印加電圧、すなわち、リターディング電圧19は可変である。また、ステージ9にはステージ昇降機10が設けられており、昇降可能となっており、対物レンズ7の下端からウエハ16の表面までの距離、すなわち、WDが可変となっている。

0030

ブランキング電極4と偏向器5の機能について説明する。
ブランキング電極4は、これに電圧を印加することにより、電子線17を曲げ、不要時に電子線の照射をとめるためのものであり、印加する電圧は正でも負でもよい。不要時に電子線の照射をとめることにより、電子線照射によるウエハ16の帯電、汚染、シュリンクが低減できる。なお、ブランキング電極4は、コイルに電流を印加し、磁界により電子線を曲げることによって代替できる。

0031

電子線17が偏向器5を通過する際には、偏向器5が発生させた磁場により、電子線17は、曲げられ、ウエハ16の所望の位置に照射される。ここで、偏向器5に印加する電流を偏向信号21と呼ぶ。なお、ここでは、偏向器5に電流を流す電磁偏向を説明したが、電圧を印加する静電偏向でもよい。

0032

対物レンズ7を通過する際には、磁界による収束作用を受け、電子線17はウエハ16の表面上で収束する。

0033

電子線17をウエハ16に照射すると、ウエハ16から二次電子24が放出される。二次電子24は、リターディング電圧19とブースティング電圧20により加速され、二次電子検出器11で検出される。二次電子検出器11は検出した二次電子の量に応じた信号を発生し、この信号は画像処理ユニット14に送られる。画像処理ユニット14では、偏向信号21と二次電子信号を対応させてSEM画像を構成する。

0034

ウエハ高さセンサ12は、光源13から発せられウエハ16で反射された光を受容することにより、ウエハ16の高さを測定する。図中の太い線は光路である。

0035

実施例1の装置の電子源1から画像処理ユニット14までの各部品は、制御部15によって統合的に制御される。特に、加速電圧に応じて、初期加速電圧18、ブースティング電圧20、リターディング電圧19、対物レンズ7の励磁電流23、ステージ昇降機10で調整し高さセンサ12で測定したウエハ高さが統合的に制御されることが本発明の特徴である。これら、本発明の特徴となる制御関係を図中に点線で示した。
以上で、装置の構成と各部の働きの説明を終わる。

0036

図2は、ステージの昇降によるWDの調整を説明するものである。この調整では、標準WDと実際のWDの許容値が、予め定められており、実際のWDと標準WDの差、すなわち、WD誤差がWD許容値より小さくなる、つまり、WDが許容範囲内に入るようにする。この図の上段では、ウエハ16が低すぎる、つまり、WDが長すぎるときに、ステージの上昇により、WDを許容範囲内にしている。また、この図の下段では、ウエハ16が高すぎる、つまり、WDが短すぎるときに、ステージの下降により、WDを許容範囲内にしている。なお、ウエハはステージに対して固定されているので、ステージが移動すれば、ウエハも移動する。実際のウエハ16の高さは、ウエハ高さセンサ12で測定する。

0037

ウエハ16の高さを変えることとWDを変えることは等価であることを補足する。具体的には、ウエハ16を高くすればWDは短くなり、ウエハ16を低くすればWDは長くなる。従って、WDが標準WDとなるときのウエハ16の高さを標準高さと呼び、WD許容値を高さ許容値と言い換えることができる。

0038

図3は、ステージの昇降によるWD調整を利用した機械フォーカスを説明するものである。この図では、左から順に、オーバーフォーカスジャストフォーカスアンダーフォーカスの状態であり、WDが短くなっている。オーバーフォーカスの状態ではウエハ16より上で電子線17が収束しており、ジャストフォーカスの状態ではウエハ16の表面で電子線17が収束しており、アンダーフォーカスの状態ではウエハ16の表面ではまだ電子線17が収束していない。なお、この図には、ブースティング電極6が描かれているが、これは、ステージ9と対物レンズ7のどちらが移動しているかを分かりやすくするためのものであり、機械フォーカスの機能には関係ない。また、ウエハ16はステージ9に固定されているので、ステージ9が移動すれば、ウエハ16も移動する。

0039

この図に示すステージ9の昇降による機械フォーカスでは、オーバーフォーカスの状態ならばステージ9を上昇させ、アンダーフォーカスの状態ならばステージ9を下降させることにより、WDを調整し、ジャストフォーカスの状態にする。

0040

図4では電磁フォーカスと静電フォーカスを大まかに説明し、図5図6では、これらをより詳しく説明する。

0041

図4は電磁フォーカスと静電フォーカスを大まかに説明するものである。WD調整後には、WDは許容範囲はいっているものの、電子線17が収束する高さ、すなわち、焦点高さとウエハ16の高さが一致していない。そこで、電磁フォーカスまたは静電フォーカスにより、焦点高さとウエハ16の高さを一致させる。このように、WD調整の後に電磁フォーカスまたは静電フォーカスを行うのは、機械的動作によるWD調整の精度を高めることが困難だからである。

0042

図5は、対物レンズの励磁電流23を調整することによる電磁フォーカスを説明するためのものであり、左から順に、オーバーフォーカス、ジャストフォーカス、アンダーフォーカスの状態である。オーバーフォーカスの状態では対物レンズ7の励磁電流23が大きすぎるのでこれを小さくし、アンダーフォーカスの状態では対物レンズ7の小さすぎる励磁電流23を大きくすることにより、対物レンズの強度を調整して、ジャストフォーカスの状態にする。

0043

図6は、リターディング電圧19を調整する静電フォーカスを説明するためのものである。リターディング電圧19を調整する静電フォーカスでは、オーバーフォーカスの状態では高すぎるリターディング電圧19を低くし、アンダーフォーカスの状態では低すぎるリターディング電圧19を高くすることにより、ジャストフォーカスの状態にする。

0044

図7には、加速電圧に対して、初期加速電圧18とリターディング電圧19、励磁電流23、WDの標準値が記されている。本発明では、ウエハ16の高さ変動に対するフォーカス手段を、粗調整と精調整の2段階に分けており、二重線になっている部分は、ウエハ16の高さ変動に対するフォーカスの粗調整または精調整の一方または両方の手段として用いられる部分である。また、本発明の装置では、図7に示した加速電圧に対する初期加速電圧、リターディング電圧、励磁電流、ウエハ高さの標準値を記憶させておき、丸のある加速電圧のみで使用する。なお、丸の間の値を補間することにより、丸のない部分の電圧で使用してもよいし、加速電圧の関数としてフィッティングした数式を用いてもよい。ただし、補間やフィッティングを行う場合、その精度が悪ければ、最終的に寸法計測の精度が悪くなる。なお、この説明に用いる加速電圧、3kV、10kV、20kV、30kVは一例であり、発明の内容を数値的に限定するものではない。

0045

以下では、図7を用いて、初期加速電圧18とリターディング電圧19の設定方法、及び、フォーカスの粗調整と精調整の方法が、加速電圧により変わることを説明する。

0046

加速電圧3kV以下では、色収差を低減し分解能を向上するために、初期加速電圧を3kVとし、リターディング電圧19で加速電圧を調整することとなる。対物レンズ7の励磁電流23の調整による電磁フォーカスは、大きな高さ変動にも小さな高さ変動にも対応できるので、ウエハ16の高さ変動に対するフォーカスの粗調整と精調整をかねている。

0047

加速電圧が3kVを超えると、色収差が減少するので、リターディング電圧19に分解能向上役割はなくなる。リターディング電圧19は、二次電子検出効率向上と静電フォーカスのオフセットの役割だけとなり、小さなものとなる。対物レンズ7の励磁電流23の調整による電磁フォーカスは、大きな高さ変動にも小さな高さ変動にも対応できるので、ウエハ16の高さ変動に対するフォーカスの粗調整と精調整をかねている。

0048

加速電圧が10kVを超えると、励磁電流23が大きくなり、ヒステリシスが大きくなる。従って、対物レンズ7の励磁電流23の調整による電磁フォーカスが不可となり、ステージ9の昇降によりWDを調整する機械フォーカスがウエハ16の高さ変動に応じたフォーカス粗調整とする。また、リターディング電圧19の調整による静電フォーカスがウエハ16の高さ変動に応じたフォーカス精調整となる。

0049

加速電圧が20kVを超えると、対物レンズ7の励磁電流23を増やしても、磁気飽和により対物レンズ7のレンズ強度が上がらない。そこで、加速電圧を上げるに従って、ステージ9を下げてWDを伸ばすこととなる。加速電圧が20kV以上でも、対物レンズ7の励磁電流23の調整による電磁フォーカスが不可となり、ステージ9の昇降によりWDを調整する機械フォーカスが、ウエハ16の高さ変動に応じたフォーカス粗調整とする。また、リターディング電圧19の調整による静電フォーカスがウエハ16の高さ変動に応じたフォーカス精調整となる。

0050

ここまで、初期加速電圧18とリターディング電圧19の設定方法、及び、フォーカスの粗調整と精調整の方法が、加速電圧により変わることを説明した。以下では、ここまでに述べたフォーカス方法分類し、加速電圧をフォーカス方法の関係をまとめておく。

0051

フォーカス方法を精度に基づいて分類すると、ウエハ16の高さ変動に対応した粗調整と精調整、及び、SEM画像に基づく微調整の3種となる。また、フォーカスの方式で分類すると、電磁レンズの強度を調整する電磁フォーカス、静電レンズの強度を調整する静電フォーカス、WDを調整する機械フォーカスの3種となる。本発明において、電磁フォーカスの具体的手段は対物レンズ7の励磁電流23を調整することであり、静電フォーカスの具体的手段はリターディング電圧19を調整することであり、機械フォーカスの具体的手段はステージ9の昇降によりWDを調整することである。図3〜6に示すように、電磁フォーカスと静電フォーカスでは、電子線の収束する高さ、すなわち、焦点高さが移動し、機械フォーカスではWDが変化する。

0052

加速電圧とフォーカス方法の関係をまとめておく。
加速電圧10kV以下では、ウエハ16の高さ変動に対応したフォーカスの粗調整も精調整も、対物レンズ7の励磁電流調整による電磁フォーカスを用いる。ステージ9の昇降によりWDを調整する機械フォーカスは用いない。ステージ9を昇降するのは、図7において加速電圧を30kVから3kVに変更した後のように、加速電圧の変更に伴い標準WDが変わったときだけである。

0053

加速電圧10kV以上では、ウエハ16の高さ変動に対応したフォーカス粗調整は、ステージ9の昇降によりWDを調整する機械フォーカスであり、ウエハ16の高さ変動に対応した精調整は、リターディング電圧19の調整による静電フォーカスとなる。電磁フォーカスをフォーカス調整の手段として用いることはない。

0054

以上のように、加速電圧が10kVを越えると、ヒステリシスが大きくなり、フォーカス方法が大きく変わる。以下では、図7に示すように、ヒステリシスが大きくなるときの励磁電流を閾励磁電流、また、このときの加速電圧を閾加速電圧と記す。この例では、閾加速電圧は10kVである。

0055

以上、加速電圧に応じて、初期加速電圧、リターディング電圧、対物レンズの励磁電流、WDの標準値が変わることを説明した。

0056

図8図9では、本発明の効果を明らかにするために、本発明を適用しない2つの場合について、本発明を適用した場合と比較しながら説明する。

0057

図8では、本発明を適用せず、WDを短くした場合を説明する。この図において、実線は本発明を適用しない場合を示し、点線は本発明を適用した場合である。本発明を適用しない場合は、ステージが昇降しないので、どの加速電圧もWDは一定となっている。そして、加速電圧10kV以上ではヒステリシスが発生し、ウエハ16の高さ変動に対応したフォーカスができなくなる。さらに、加速電圧が20kVを超えると電子線の収束が不可となる。いずれにせよ、パターンの寸法計測はできない。パターンの寸法計測ができるのは、加速電圧が10kV以下である。

0058

図9では、本発明を適用せず、WDを長くした場合を説明する。この図において、実線は本発明を適用しない場合を示し、点線は本発明を適用した場合である。本発明を適用しない場合は、ステージが昇降しないので、どの加速電圧もWDは一定となっている。そして、全ての加速電圧において、電子線の収束、及び、ウエハ16の高さ変動に対応した電磁フォーカスが可能となっている。しかし、WDは非常に長いものとなり、分解能は悪くなり、パターン寸法の計測精度は悪化する。
以上で、本発明を適用しない2つの場合の説明を終わる。

0059

図10〜13では、加速電圧を変えた時に、初期加速電圧とリターディング電圧、励磁電流、WDの標準値、及び、フォーカスの粗調整と精調整の方法の変化に伴い、二次的に、WDの許容値、励磁電流の補正量、リターディング電圧の補正量、偏向信号強度係数が変わることを示す。これらの値は、初期加速電圧やリターディング電圧と同様に、加速電圧と許容範囲の関係を装置に記憶させることとなる。

0060

図10は、加速電圧が10kV以下ではWDの許容値が大きく、加速電圧が10kVを超えるとWDの許容値が小さくなることを示している。この理由は、加速電圧が10kV以下では電磁フォーカスを行うので、WDのズレを電磁フォーカスで大きく補正できるからである。これに対し、加速電圧が10kV以上では、WDのズレを静電フォーカスで補正せねばならず、静電フォーカスでは大きな補正が期待できないからである。以上の理由により、加速電圧によって許容範囲が変わる。なお、ステージ昇降の精度が非常に高い場合、加速電圧にかかわらず、ステージの昇降精度をWDの許容範囲としてもよい。

0061

ここで、加速電圧が10kV以下のときにWDの許容値を大きくすることの利点を説明する。WDの許容値を大きくすると、ステージ昇降の精度を粗くすることができる。そして、ステージの昇降精度が粗くてよければ、ステージの昇降速度を上げ、スループットを向上させることができる。

0062

改めて、ウエハ16の高さを変えることとWDを変えることは等価であることを補足する。WDが標準WDとなるときのウエハ16の高さを標準高さと呼び、WD許容値を高さ許容値と言い換えることができる。

0063

図11は、実際のWDが標準より長いときと短いときの励磁電流補正量が、加速電圧によって変わることを示している。より詳しく説明すると、本発明では、加速電圧が10kV以下で、WD調整後に、ウエハ高さ変動に対するフォーカスの粗調整と精調整を兼ねて、電磁フォーカスを行う。電磁フォーカスの際には、ウエハ高さセンサ12で測定したウエハ16の高さから実際のWDを求め、標準WDと比べて、実際のWDが短ければ励磁電流を大きくし、実際のWDが長ければ励磁電流を小さくする。この電磁フォーカスにおける励磁電流の増減が励磁電流補正量である。ここで、実際のWDと標準WDの差、すなわち、WD誤差が大きいと、励磁電流補正量は大きくなる。また、加速電圧と励磁電流は概ね比例するので、加速電圧が高いほど励磁電流補正量も大きくなる。

0064

図12は、実際のWDが標準より長いときと短いときのリターディング電圧補正量が、加速電圧によって変わることを示している。より詳しく説明すると、本発明では、加速電圧が10kVを超えると、WD調整後に、ウエハ高さ変動に対するフォーカスの精調整として、静電フォーカスを行う。静電フォーカスの際には、標準WDと比べて、実際のWDが短ければリターディング電圧を大きくし、実際のWDが長ければリターディング電圧を小さくする。この静電フォーカスにおけるリターディング電圧の増減がリターディング電圧補正量である。ここで、WD誤差が大きいと、リターディング電圧補正量は大きくなる。また、加速電圧が高いほどリターディング電圧補正量も大きくなる。

0065

図13は、実際のWDが標準より長いときと短いときの偏向信号強度係数が、加速電圧によって変わることを示している。より詳しく説明すると、本発明では、WD調整の後、電磁フォーカス、または、静電フォーカスを行い、偏向信号強度係数を決定する。偏向信号強度係数は、偏向感度の逆数であり、ウエハ16上で電子線の着地位置単位長さ移動させるときに偏向器5に印加する電流である。この値により、電子線の着地位置と偏向信号の関係が正確に求まり、高精度な寸法計測が可能となる。加速電圧が高くなると電子線は曲がりにくくなるので、より大きな偏向信号を印加することになる、つまり、偏向信号強度係数は大きくなる。また、WDが短いときにも、偏向信号強度係数は大きくなる。

0066

図14〜16は、本発明の装置の機能の一部を示すもので、特に、励磁電流、WD、初期加速電圧、リターディング電圧の標準値、及び、WDの許容値、励磁電流補正量、リターディング補正量、偏向信号強度係数に関連した部分である。以下では、3つの機能、すなわち、第1に、これらの値を表示し修正する機能、第2にレシピ作成時にこれらの値を表示する機能、第3に一枚のウエハの処理中に標準WDが変わるレシピに関して、そのようなレシピが作成されたとき、または、そのようなレシピを実行する際にワーニングを出す機能を示す。

0067

図14は、加速電圧から求まる値、すなわち、励磁電流、WD、初期加速電圧、リターディング電圧の標準値、WDの許容値、励磁電流補正量、リターディング補正量、偏向信号強度係数を表示し修正する画面である。この図では、値が存在しない部分はハイフンで示している。値が存在しない部分は、ウエハ高さ設定誤差に対する励磁電流とリターディング電圧の補正量の部分に存在する。この機能は、装置の組み上げや月日の経過によって、表の中の値が変えねばならないときに必要となる。

0068

図15は、レシピ作成時に加速電圧を入力した際に、加速電圧から求まる値を表示する画面である。この画面において、ユーザーは、加速電圧の欄は変更できるが、加速電圧から求まる値の欄は変更できない。この機能により、ユーザーは寸法計測の条件を容易に確認できる。

0069

図16は、一枚のウエハの処理中に標準WDが変わるレシピに関して、そのようなレシピが作成されたとき、または、そのようなレシピを実行する際に表示するワーニングである。この機能の目的を説明する。WDを変えないレシピに比べて、WDを変えるレシピは実行に時間がかかる。そこで、低加速電圧でトップの寸法計測だけを行いたい時、つまり、WDを変える必要がない時に、ユーザーが誤ってWDの変わるレシピを作成したり実行したりするのを防ぐためである。

0070

図17〜24は、本発明の装置の処理を詳しく説明するためのものであり、図17〜21はフローチャート、図22エラー処理で使われるエラー画面、図23と24はSEM画像の表示に関するものである。

0071

図17〜21のフローチャートを説明するに当たり、予め、各フローチャートの関係を説明しておく。図17は一枚のウエハの処理のフローチャートで、図18〜21はその詳細である。図18は一枚の画像を取得する処理のフローチャートで、図17のフローチャートから呼び出される。図19〜21は、WD調整、及び、弱励磁電気系補正と強励磁電気系補正の処理のフローチャートで、図18のフローチャートから呼び出される。以下では、図19〜21のフローチャートから先に説明し、図17図18のフローチャートを後から説明する。

0072

図19は、WD調整の処理のフローチャートである。この処理は、図2に示したようにWDの高さと標準WDの差、すなわち、WD誤差がWD許容値より小さくなる、つまり、WDが許容範囲内に入るようにする処理である。この処理を開始する時点では、WDの標準値とWDの許容値が決まっている。この処理では、ウエハ16の高さをウエハ高さセンサ12で測定し、実際のWDを求める(S1901)。そして、実際のWDが許容範囲に入るまで、ステージ9の昇降を繰り返す(S1904)。WDが許容範囲入れば(S1902)、WDを記録する(S1905)。所定の昇降回数で、WDが許容範囲に入らなければ(S1903)、エラー処理を行う(S906)。エラー処理においては、図22に示すように、WDが許容範囲に入らなかった旨のメッセージを表示し、シーケンスを停止する。なお、このWD調整の処理の開始時にWD高さが許容範囲内にあれば、ステージの昇降をすることなく、この処理は終了する。なお、ウエハ16の高さを変えることとWDを変えることは等価であり、標準WDは標準高さ、WD許容値を高さ許容値と言い換えることができるのは、既に説明したとおりである。

0073

図20は、弱励磁電気系補正の処理のフローチャートである。この処理では、フォーカスの粗調整と精調整を兼ねて図5に示した電磁フォーカスを行い、フォーカスの微調整として図6に示した静電フォーカスを行う。この処理の開始時には、加速電圧とWD誤差が決まっている。はじめに、図11に示した関係に基づいて、加速電圧とWD誤差から励磁電流補正量を決定し、対物レンズ7の励磁電流を補正する(S2001)。以上で、フォーカスの粗調整と精調整を兼ねた電磁フォーカスは終了である。次に、図7に示した関係に基づいて、加速電圧から標準リターディング電圧を求め(S2002)、リターディング電極8に印加する(S2003)。その後、電子線の照射を開始し(S2004)、リターディング電圧調整による静電フォーカスを行う(S2005)。この際、計測点ではなく、計測点近くの点の画像で調整してもよい。これにより、測定点の帯電やダメージを減らすことができる。以上で、フォーカスの微調整としての静電フォーカスは終了であり、弱励磁電流電気系補正の処理も終了である。なお、画像信号に基づくフォーカス微調整は電磁フォーカスで行ってもよい。

0074

図21は、強励磁電気系補正のフローチャートである。この処理では、フォーカスの精調整とフォーカスの微調整のために、図6に示した静電フォーカスを行う。この処理の開始時には、加速電圧とWD誤差が決まっている。はじめに、図7に示した関係に基づいて、加速電圧から標準リターディング電圧を決定する(S2101)。その後、図12に示した関係に基づいて、加速電圧とWD誤差からリターディング電圧補正量を決定する(S2102)。標準リターディング電圧にリターディング電圧補正量を補正したリターディング電圧をリターディング電極8に印加する(S2103)。以上で、フォーカスの精調整としての静電フォーカスは終了である。その後、電子線の照射を開始し(S2104)、リターディング電圧調整による静電フォーカスを行う(S2105)。この際、計測点ではなく、計測点近くの点の画像で調整してもよい。これにより、測定点の帯電やダメージを減らすことができる。以上で、フォーカスの微調整としての静電フォーカスは終了であり、強励磁電流電気系補正の処理も終了である。

0075

図17は、一枚のウエハの処理のフローチャートであり、一枚のウエハの処理を大まかに表したものである。はじめに、ウエハをロードし(S1701)、ステージの水平移動により計測点に移動する(S1702)。レシピに従って加速電圧を決定し(S1703)、SEM画像を取得する(S1704)。加速電圧を変えながらこれらの処理を繰り返し、ひとつの計測点において、全ての加速電圧での撮像が終われば(S1705)、異なる加速電圧で撮像した像を並べて表示する(S1706)。ひとつの計測点での撮像が終われば、ステージ9を水平移動し、次の計測点で、撮像、寸法計測する。これら、ステージ9の移動と計測を繰り返し、全ての計測点の計測が終われば(S1707)、ウエハ16をアンロードする(S1708)。

0076

図23と24は、図17のフローチャートにおけるSEM画像の表示に関するものである。図17のフローチャートの表示の部分では、図23に示すように、ひとつの計測点について、異なる加速電圧のSEM画像を表示する。この際、加速電圧の変更に伴い視野がずれた場合は、アライメントマークのSEM画像や予め取得した加速電圧毎の典型的なSEM画像(図示しない)に基づいて、視野ズレを補正するとよい。さらに、図24に示すように、各加速電圧の画像から抽出した輪郭を重ねて表示してもよい。
以上で、一枚のウエハの処理の説明を終わる。

0077

図18は、一枚のSEM画像取得のフローチャートであり、図17のフローチャートのSEM画像の取得(S1704)から呼び出される。この処理の開始時点では加速電圧が決まっているので、図7の関係から、初期加速電圧、標準励磁電流、標準WD、WD許容値が決定できる。この処理では、はじめに2つのステップを行う。第1に、加速電圧から初期加速電圧を決定し、初期加速電圧を電子源1に印加する(S1801)。初期加速電圧を早めに印加するのは、電子銃が安定するまでに時間がかかるからである。第2に、加速電圧から標準励磁電流を決定し、対物レンズを消磁した後に、対物レンズに標準励磁電流を印加する(S1802)。ここで、標準励磁電流の印加を早めに行うのは、対物レンズが安定するまでの時間がかかるからである。以下の処理は、閾加速電圧と比較して、加速電圧が高い場合と低い場合で異なる。

0078

図18のフローチャートで、加速電圧が閾加速電圧より低い場合には、加速電圧から標準WDとWD許容値を決定し(S1807)、図19に示したWD調整の処理を行い(S1808)、WDを標準WDから許容範囲内に入れる。この処理は、常に、加速電圧の変更に伴う標準WD変更に対応する役割を果たす。その後、図20に示す弱励磁電気系調整の処理を行う(S1809)、つまり、フォーカスの粗調整と精調整を兼ねて図5に示した電磁フォーカスを行い、フォーカスの微調整として図6に示した静電フォーカスを行う。

0079

図18のフローチャートで、加速電圧が閾加速電圧より高い場合には、加速電圧から標準WDとWD許容値を決定し(S1804)、図19に示したWD調整の処理を行い、WDを標準WDから許容範囲内に入れる。標準WDとWD許容値の決定、及び、調整の処理は、加速電圧が閾加速電圧より低い場合と同じであるが、加速電圧が閾加速電圧より高い場合、WDはフォーカスの粗調整手段であり、図10に示すようにWD許容値は小さく設定される。WD調整の後には(S1805)、図21に示す強励磁電気系補正の処理を行う(S1806)、つまり、フォーカスの精調整とフォーカスの微調整のために、図6に示した静電フォーカスを行う。

0080

図18のフローチャートにおいて、弱励磁電気系調整、または、強励磁電気系調整が終わった後には、加速電圧とWD誤差が決定している。加速電圧は図18の処理の開始時から決まっているし、WD誤差はWD調整の処理時に決まる。図13の関係に基づき、加速電圧とWD誤差から偏向信号強度係数を求め、さらに、レシピで定めた倍率と偏向信号強度係数から偏向信号の振幅を決め、SEM画像を取得する。その後、電子線照射を停止し、リターディング電圧をゼロVにする(S1810)。さらに、取得した画像を表示し保存する。この処理で、電子線照射を停止するのは、電子線照射によるウエハ16の汚染、帯電などを避けるためである。また、リターディング電圧をゼロVにするのは、後にステージ9の昇降時の放電を避けるためである。

0081

以上、一枚のSEM画像の取得の処理が終われば、図17に示す一枚のウエハの処理に戻り、既に説明したように、加速電圧を変えながら図18の一枚の画像の取得の処理を繰り返し、ひとつの計測点での撮像が終われば、ステージ9を水平移動し、次の計測点で、撮像、寸法計測をする。これら、ステージ9の移動と計測を繰り返す。

0082

ここで、実施例1の走査電子線装置を用いたウエハの孔や溝の上部と底部の寸法計測について説明する。
例えば10kV以下の低加速電圧領域においては、図7に示されるようにWDを短い値に設定し、ウエハの高さ変動に対するフォーカスの粗調整および精調整を対物レンズの励磁電流調整による電磁フォーカスにより行う。低加速電圧時にWDを短縮することにより、色収差と球面収差を減らし、低加速電圧時の分解能の劣化を防ぐことができ、ウエハの孔や溝の上部を高精度で計測することができる。
例えば10kV以上の高加速電圧領域においては、ウエハの高さ変動に対するフォーカスの粗調整をステージの昇降によりWDを調整する機械フォーカスにより行う。また、フォーカスの精調整をリターディング電圧の調整による静電フォーカスにより行う。フォーカス調整手段として対物レンズの励磁電流調整による電磁フォーカスを用いないことにより、フォーカス粗調整のための励磁連流変更が不要となり、励磁電流変更によるヒステリシスの影響を避けることができ、ウエハの孔や溝の底部を短時間かつ精度良く計測することができる。
例えば20kV以上の更に高加速電圧領域においては、図7に示されるように、WDを伸ばして、励磁コイルが磁気飽和しない励磁電流とすることにより、磁気飽和の影響を避けることができ、ウエハの孔や溝の底部が計測できなくなるという障害を除くことができる。

0083

本実施例の走査電子線装置を用いた寸法計測方法は、電子源と、前記電子源から放出された電子線を偏向する偏向器と、前記電子線を収束する対物レンズと、リターディング電極と、ウエハを設置するステージと、制御部とを有し、前記電子線をウエハに照射しウエハから発生する二次電子を検出することによりウエハのSEM画像を得る走査電子線装置を用いた寸法計測方法であって、加速電圧を変化させてSEM画像を取得する際に、ウエハの孔や溝の上部を計測するために低加速の電子線を用いる場合は、WDを短縮して画像を取得し、ウエハの孔や溝の底部を計測するために高加速の電子線を用いる場合は、ウエハの高さ変動に対するフォーカスの粗調整を、前記ステージまたは前記対物レンズの昇降によりWDを調整する機械フォーカスにより行って画像を取得し、得られたSEM画像から、ウエハの孔や溝の上部および底部の寸法を計測するものである。

0084

この走査電子線装置を用いた計測方法において、ウエハの孔や溝の上部を計測するために低加速の電子線を用いる場合は、ウエハの高さ変動に対するフォーカスの粗調整および精調整を前記対物レンズの励磁電流調整による電磁フォーカスにより行う。

0085

また、この走査電子線装置を用いた計測方法において、ウエハの孔や溝の底部を計測するために高加速の電子線を用いる場合は、ウエハの高さ変動に対するフォーカスの精調整を前記リターディング電極に加えるリターディング電圧の調整による静電フォーカスにより行う。

0086

さらに、この走査電子線装置を用いた計測方法において、ウエハの孔と溝の底部を計測するために高加速の電子線を用いる場合、ウエハを設置した前記ステージの昇降によりWDを伸ばして、前記励磁コイルが磁気飽和しない励磁電流で画像を取得する。

0087

実施例1において、WD許容値を長WD側と短WD側を異なる値にしてもよい。特に、図25に示すように、長WD側の許容値は、短WD側の許容値より小さくするほうがよい。この理由は、長WD側の許容値を大きすぎると、加速電圧が高くWD調整後に静電フォーカスをする場合に、リターディング電圧を低くなりすぎ二次電子が検出できなくなることがあるからである。

0088

実施例1〜2において、ステージ昇降によるWD調整を対物レンズの昇降によるWD調整に変えてもよい。これに伴い、ステージ昇降によるWD調整を利用した機械フォーカスも対物レンズの昇降によるWD調整を利用した機械フォーカスとなる。

0089

図26は、対物レンズの昇降によるWDの調整を説明するものである。この図の上段では、WDが長すぎるときに、対物レンズ7の下降により、WDを許容範囲内にしている。また、この図の下段では、WDが短すぎるときに、対物レンズ7の上昇により、WDを許容範囲内にしている。

0090

図27は対物レンズの昇降によるWD調整を利用した機械フォーカスを示すものである。この図に示す対物レンズ7の昇降による機械フォーカスでは、オーバーフォーカスの状態ならば対物レンズを下降させ、アンダーフォーカスの状態ならば対物レンズを上昇させることにより、WDを調整し、ジャストフォーカスの状態にする。

0091

図28は、対物レンズを昇降させる場合の装置構成である。実施例1の場合と異なり、ステージ9は昇降しない。一方、対物レンズ昇降機25により対物レンズ7が昇降可能となり、対物レンズ高さセンサ27と、対物レンズ高さセンサ用の光源26が加わっている。これは、対物レンズを昇降させるときに、対物レンズの高さに誤差が生じるからである。WDは対物レンズ高さセンサ27で測定した対物レンズ7の高さと、ウエハ高さセンサ12で測定したウエハ16の高さから求める。図中の太い線は光路である。また、各部品は、制御部15によって統合的に制御される。特に、加速電圧に応じて、初期加速電圧18、ブースティング電圧20、リターディング電圧19、対物レンズ7の励磁電流23、対物レンズ7の高さが統合的に制御されることが本発明の特徴である。これら、本発明の特徴となる制御関係を図中に点線で示した。

0092

実施例1〜3において、リターディング電圧調整による静電フォーカスは、図29に示すブースティング電圧調整による静電フォーカスで代替できる。この場合、図30に示すように、装置は、加速電圧に対して標準ブースティング電圧を記憶しておく。ここで、図30の二重線部分はフォーカス手段として用いられる部分である。

0093

また、図31に示すブースティング電圧補正量も装置が記憶しておくことになる。

0094

実施例1〜3において、リターディング電圧調整による静電フォーカスは、図32に示す初期加速電圧調整による静電フォーカスで代替できる。この場合、図33に二重線で示すように、加速電圧が高いときには、ウエハ高さ変動に応じて、初期加速電圧を変えることとなる。また、図34に示すように、初期加速電圧補正量を装置が記憶しておくことになる。

0095

実施例1〜5において、ステージ9がストッパーと接触することによって、高精度にステージの高さを調整してもよい。この場合、ウエハ16の高さを測定するのではなく、ストッパーとの接触の有無に基づいて、ステージを昇降することとなり、WD調整の処理は図35に示すようになる。ただし、設定可能なWDの値は離散的、例えば、2種類になり、WD調整によるフォーカス粗調整機能を失うので、電磁フォーカスや静電フォーカスの負荷が大きくなる。

0096

実施例6において、図36に示すように、WDが少数、この場合2種類ですむように、設定可能な加速電圧を選ぶ。ここで、図36の二重線部分はフォーカス手段として用いられる部分である。このようにすれば、実施例6において、一旦大きくなった電磁フォーカスや静電フォーカスの負荷を和らげることができる。

0097

実施例6〜7において、図37に示すように、どの加速電圧でも、励磁電流が常に閾励磁電流より小さくなるように、WDを設定する。このようにすれば、どの加速電圧でも対物レンズの励磁電流調整によるフォーカスの粗調整と精調整が可能となる。この場合、図18のフローチャートにおいて、標準励磁電流が閾励磁電流より大きくなることはないので、図21に示す強励磁電気系調整の処理は不要となる。

0098

実施例1〜8において、図17に示した一枚のウエハの処理のフローチャートは、図38のフローチャートに置き換えることができる。この場合、同じ加速電圧で多数の計測点を撮像し、全ての計測点での撮像が終わってから、加速電圧を変える。この方法では、加速電圧の変更とそれに伴う標準WDの変更の回数が減り、WD調整の処理の回数も減るので、スループットが向上する。

実施例

0099

実施例9において、図39に示すように、WD許容値より大きな拡大WD許容値を設定し、拡大WD許容範囲も設定する。そして、加速電圧を変えずにウエハを水平移動させた後のように、標準WDが変わらなかった場合を例外処理とし、例外処理においては、拡大WD許容値によりWD調整を行う。このようにすると、WD調整の処理の回数がさらに減少し、スループットが向上する。この場合のフローチャートは図40に示すとおりとなる。

0100

1電子源
2コンデンサレンズ
3絞り
4ブランキング電極
5偏向器
6ブースティング電極
7対物レンズ
8リターディング電極
9ステージ
10 ステージ昇降機
11二次電子検出器
12ウエハ高さセンサ
13光源
14画像処理ユニット
15 制御部
16 ウエハ
17電子線
18初期加速電圧
19リタ−ディング電圧
20ブースティング電圧
21偏向信号
22 ブランキング電極の印加電圧
23励磁電流
24二次電子
25 対物レンズ昇降機
26 光源
27 対物レンズ高さセンサ。

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