JPH06215721A

JPH06215721A - 試料検査方法及びシステム

Info

Publication number: JPH06215721A
Application number: JP3044122A
Authority: JP
Inventors: Walter W Hildenbrand; ウォルター・ウィリアムズ・ヒルデンブランド; Steven G Utterback; スティーブン・グレッグ・アターバック
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1990-02-23
Filing date: 1991-02-18
Publication date: 1994-08-05
Anticipated expiration: 2011-03-29
Also published as: DE69104082D1; JPH0834090B2; DE69104082T2; EP0443410B1; EP0443410A2; EP0443410A3

Abstract

(57)【要約】【目的】収集効率が高く、エネルギ・フィルタリングを
行った後方散乱電子を使用した検査システムを提供す
る。【構成】少なくとも２つの検出器２６、２８、３０が試
料との間隔をとって配置される。各検出器は、光ファイ
バ・バンドル４４が装着されたキャニスタを備える。光
ファイバ・バンドルの端部にシンチレータ検出器が装着
される。キャニスタの開口には、シンチレータ検出器と
同軸に接地グリッドが装着される。シンチレータ検出器
と接地グリッドとの間にはエネルギ・フィルタが挟まれ
る。【効果】エネルギ・フィルタは、静電抑制電位グリッド
であり、高エネルギの後方散乱電子だけを検出すること
ができる。試料に対する検出器のジオメトリと、検出器
ハウジングの円錐形状により、ターゲット電子の収集効
率が最大になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、試料分析用のトポグ
ラフィ・データを得るために半導体素子の特性を検査す
る装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】文献では、半導体のトポグラフィ特性を
評価するツールとしてのＳＥＭ（走査電子顕微鏡）の用
法について充分に説明されている。参考文献としては、
Wellsらによる“Method for Examining Solid Specimen
s with Improved Resolutionin the Scanning Electron
Microscope （ＳＥＭ）”、Appl ．Phys ．Lett ．、v
ol ．23 、No ．6 、pp ．353-354 （1973 年9 月）、W
ells による“Low- Loss Image forSurface Scanning E
lectron Microscope ”、Appl ．Phys ．Litte ．、vol
．19 、No ．7 、pp ．232-235 （1971 年10 月）、Ut
terback による“Semiconductor Dimensional Metrolog
y using the Scanning Electron Microscope ”、Revie
w of Progress in Quantitative Nondestructive Evalu
ation、vol ．7B 、pp ．1141-1151 、Plenum Press
（1988 年）がある。

【０００３】一般に、ＳＥＭを用いた場合は、電子ビー
ムは検査対象の試料表面に衝突する。試料表面の細部
は、試料表面から生じた後方散乱電子または２次電子の
検出器によって把握できる。普通電子ビームは、顕微鏡
の光学電子系によって微細なスポットに集束され、試料
表面が走査される。様々な画像化手法と、走査パターン
を処理するコンピュータと併用すれば、試料のトポグラ
フィを詳細に調べることができる。

【０００４】また特許文献では、試料を検査するため
の、ＳＥＭ法を用いた機構が説明されている。米国特許
出願第３５３９９９９号明細書では、スロットのついた
１組のプレートが用いられ、これが、２次電子の収集が
最適化されるような電位で操作される。米国特許第３７
１４４２４号明細書では、収集グリッドとステージを電
気的に接続した標準的な２次電子検出器が用いられる。
このシステムは、低エネルギの２次電子だけが検出器に
届くように、印加された電界によって電流を低減する。
米国特許第４０１１４５０号明細書でも、補助電極とし
て電界が印加され、２次電子の強度とコントラストが高
められて試料が検査される。この機構は、２つ以上の収
集電極を使用することによって、電子を試料から検出器
の方へ誘導する電界を生成する。

【０００５】２次電子の収集については、米国特許第４
４４２３５５号明細書でも述べられている。この特許で
は、レンズ内の２次電子検出器に、ビーム軸と同心のパ
イプ電極がある。電子顕微鏡には、２次電子の加速電界
を生成するグリッドを採用している。米国特許第３７３
６４２４号明細書でも、２次電子が収集され、試料にお
いてフィルタリング誘電界を生成することによって検出
効率が高められる。試料電流検出器とステージが電気的
に接続されている。

【０００６】２次電子を検出するという難問は米国特許
第４７４３７５７号明細書で処理されている。試料とシ
ンチレータに挟まれた分割グリッドにより、検出の不均
一性が解消されている。これに代わるグリッドを用いた
手法は米国特許第４５９６９２９号明細書で提案されて
いる。この特許では、電子を検出器の方向へ誘導するこ
とによって検出効率を高めるために１対のグリッドが用
いられる。

【０００７】米国特許第３６３６３４４号明細書でもＳ
ＥＭを用いた試料検出機構が関係する。ここでは３つの
グリッドで、高さを調節できる電位バリヤが形成され、
試料の電位の異なる領域から生じた電子が識別される。
その意味で、この機構はエネルギ・フィルタ検出器であ
る。電子が通過する、いわゆる“ウィンドウ”が定義さ
れているが、採用されているのはフィルタ・グリッド
で、これにビームよりも高電位のバイアスがかけられ
る。したがって、このようなフィルタ・グリッドがあれ
ば、電子が通過して検出器の素子に達するのが妨げられ
る。このシステムは検出器を１個使用し、シンチレータ
を接地している。システムは３つのグリッドを採用し
て、試料表面の下部にまで達しており、位置の調整はで
きないようになっている。２次電子検出器として機能す
るものではなく、約１０ｋｅＶ未満の電圧では動作しな
い。

【０００８】このシステムが定量計測に向かないことは
重大である。これは、シンチレータが、フィルタリング
された試料のアクセスからずれているため、エネルギ帯
域と収集角度について電子の検出が不均一になるからで
ある。つまりシステムは、３次元測定が必要な環境で機
能するようには構成されていない。

【０００９】米国特許第４１７９６０４号明細書は、後
方散乱電子の収集・検出を扱い、検出された電子の、そ
のエネルギを基にした識別を可能にしている。この機構
では、電子を、損失率を抑えて収集でき、エネルギの識
別効率が高くなる。ただしこの機構は、電子は、ビーム
自体の電位よりも高い電位の方へバイアスがかけられた
フィルタ・グリッドを通過するという誤った仮定が基礎
になっている。これは不可能なことである。さらに同特
許は、システムが、４００メッシュのフィルタ・グリッ
ドで構成できるとしている。しかしこのようなグリッド
では、通過する電子数が約７５％減少することになる。
また、このシステムの検出器は、試料の表面よりも下に
伸びており、電子放射角の空間識別に使用する設計とは
なっていない。単一素子検出器が説明されているが、結
局このシステムは、立体測光による画像化には使用でき
ない。検出器の位置は調節できず、検出器の素子は常に
接地されたままである。したがってシステムを２次電子
検出器として使用することはできない。また、１０ｋｅ
Ｖ未満のビーム電圧では未処理のウェハの３次元計測に
も使用できない。

【００１０】従来の技術では様々な機構が定義されてい
るが、試料検査手法の高度化は、サイズの縮小が進む半
導体の改良と歩調を合わせてはいない。半導体のフィー
チャのサイズが０．５μｍ未満にまで縮小されると、Ｓ
ＥＭなどの非光学式検査手法は、半導体ウェハの検索と
測定においてますます重要な役割を担わなければならな
い。こうしたきわめて小さいフィーチャ・サイズでは、
従来の光学式検査手法は、検査の信頼性を高めるのに充
分な解像度を実現できない。ただし、ここで述べたＳＥ
Ｍには固有の課題があり欠点がある。たとえば、表面構
造の普通の２次電子画像化には（特にフィーチャ・エッ
ジ近傍において）不明確さが伴うため、正確な測定が可
能であっても、それは許容限度を超えた妥協に終わる。
また、ＳＥＭを使用すれば、ステージかまたは試料の位
置を変えることなく検査できる試料のサイズに物理的な
制約がかかる。

【００１１】図２に、試料及び２次電子と後方散乱電子
の生成に対する従来の検出器の配置を示す。これはＳＥ
Ｍ検出を目的に、従来の方法で素子を配置したものであ
る。ＳＥＭの極板により、１次電子ビーム（ＰＥ）が集
束する。ビームは、メタライゼーションやトレンチなど
のトポグラフィ・フィーチャ１２を持つ試料１０の表面
に衝突する。１次ビーム（ＰＥ）の半径は図２にＲと示
した。１次ビーム（ＰＥ）が衝突すると、２次電子が試
料１０から放出され、後方散乱電子も生成される。

【００１２】２次電子の放出とこれらの電子の行路は、
ラインＳＥ−Ｉ、ＳＥ−ＩＩ、ＳＥ−ＩＩＩで示した。
また、ＳＥＭの光学系からの２次電子ＳＥ−ＩＶの生成
にも注目したい。さらに、表面から生じる後方散乱電子
はＢＳＥ−Ｉ、ＢＳＥ−ＩＩと示した。後方散乱電子Ｂ
ＳＥ−ＩＩからは、これらの電子が極板に衝突するとき
に、反射した後方散乱電子ＢＳＥ−ＩＩＩだけでなく、
第３級２次電子ＳＥ−ＩＩＩも生じる。参考文献とし
て、K.W ．R ．Peters による“SEM Contrast atHigh M
agnification ”in Microbeam Analysis −1984 、ed
、AD ．Romig 、Jr．andD.B ．Wiliams （San Franc
isco Press ）、pp ．135-139 （1984 年）では、電子
の識別について、特に後方散乱が電子であると論じてい
る。これらの電子は、検出の前に散乱が起きないことか
ら“低損失”電子あるいは“無損失”電子とも呼ばれ
る。この点に関して、O.C ．Wells による“Low- loss
Image for Surface Scanning Electron Microscope
”、API 、19 、232-235 （1971 年）及びL ．Reimer
による“Scanning Electron Microscopy ”、Springer-
Verlaz （Springer -Verlag 、Berlin Heidelberg
）、139-142 （1985 年）では、この種の電子の特性が
論じられている。図２に示したような２次電子検出器に
よるこれらの電子の識別と収集で問題となるのは、試料
によって生じた２次電子と、他の要因から放出されたも
のとの識別である。これは従来の技術では未解決の問題
である。電子と物質の相互作用をモデル化すれば、問題
の難しさを緩和することも可能だが、これは、モデルに
必ず採用されるエネルギ損失式の適用性によって制約さ
れる。電子と、フォトレジストなどの有機物質との相互
作用の場合には、この式では充分な精度が得られないの
が通常である。さらに、基板の帯電などの効果は透過に
影響を与え、その様子を正しく予測することはできな
い。

【００１３】この問題を解決する上で前述のものよりも
望ましいアプローチは、検出された電子の起源の不確か
さをなくす電子検出法を開発することである。たとえ
ば、かなり有望な方法としては、微細な回路ラインなど
のフィーチャの側壁を通過する電子を除外すること、す
なわち図２にＢＳＥ−Ｉ（低損失電子または無損失電
子）と示したものを除くすべての電子を除外することで
ある。これが可能であれば、そのフィーチャの真のエッ
ジがどこにあるかを判定しやすくなる。この手法の有望
性については、先に挙げたUtterback による“Semicond
uctor DimensionalMetrology using the Scanning Elec
tron Microscope ”及びRosenfield による“Analysis
of Line Width Measurement Techniques Using the Low
VoltageSEM ”、SPIE775 、70 、（1987 年）で言及さ
れている。後方散乱電子のフィルタリングによって解像
度を高める方法は、かなり早い時期(1953 年) にMcMull
enの“An Improved Scanning Microscope for Opaque S
pecimens ”、Proc ．Inst ．Elec ．Eng ．（London
）Pt ．B100245-259 の中で提示されている。

【００１４】このように、従来の技術では原理や理論が
提示されてはいるが、技術面の弱さが解決されておら
ず、これが、上記のような概念を、オンラインで有効な
機構として、製造時の半導体検査の段取りに適用するの
を妨げている。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】この発明の目的は、こ
うした従来技術の欠点を考慮して、サブミクロンを基本
ルールとして利用できるＳＥＭ法を改良することにあ
る。

【００１６】この発明の目的には、試料検査用の２次元
データを得るためにエネルギのフィルタリングを行う検
出システムを実現することも含まれる。

【００１７】この発明の目的には、表面付近で検出を行
うために、小型で調節可能な、ＳＥＭに用いる複数の検
出システムを実現することも含まれる。

【００１８】この発明の目的には、表面のトポグラフィ
の次元計測を行うための複数の検出システムを提供する
ことも含まれる。

【００１９】

【課題を解決するための手段】この発明の目的は、これ
まではＳＥＭ計測技術において未定義であった認識をも
ってＳＥＭ法を利用することによって達成される。具体
的には、これまで、高エネルギのプローブ電子は、照射
されて物質を通過するときに連続的にエネルギを失うと
考えられていた。外部へ脱出する前にターゲットを通過
する照射電子は、他の電子よりも残存エネルギが少な
い。したがって、検出された後方散乱電子についてエネ
ルギのフィルタリングを行うことによって、検出器に対
して散乱・脱出する前に一定距離だけターゲットを通過
した電子だけを検出することが可能になる。

【００２０】これにより、側壁を通過したものなど、起
源が未知の電子を検出対象から外すことができる。ま
た、複数の検出器を構成することによって、正確なエッ
ジを検出することも可能になる。この発明に従ったエネ
ルギ・フィルタリングは、１組の後方散乱電子検出器の
前に静電抑制電位グリッドを置くことによって行える。
検出器自体は、収集効率が最大になり、信号対ノイズ比
が向上するように、大きい収集立体角をとる。

【００２１】ここで分かるように、一般にＳＥＭの分野
の技術者間には、低損失の後方散乱電子（ＢＳＥ−Ｉ）
により、電子の通過が抑えられることによって、表面を
細かく把握できるとの認識があるが、これを達成しよう
としたシステムの目標は、これまでは達成されていな
い。また、従来の技術では、ＢＳＥ−Ｉを利用すること
で、構造体のエッジの位置をきわめて正確に判定する手
段を実現できるとは認識されていなかった。この発明
は、下記の点を考慮して、半導体計測にＢＳＥ−１の検
出を応用するものである。

【００２２】（１）エネルギや軌道にかかわらず、収集
ウィンドウに入るすべての電子に対して、検出器が同じ
ように応答する必要があること。

【００２３】（２）試料が大きい場合にあるサイズが必
要なこと。

【００２４】（３）検出された信号の内容を最適化する
ために、試料との干渉と、試料に対する検出器の構成の
問題を解決する上で、位置の調節が必要なこと。

【００２５】（４）測定されたラインやトレンチの２つ
のエッジの各々に対して、信号のバランスをとり、信号
の収集と検出器の配置を最適化するために、複数の検出
器を使用すること。

【００２６】したがって、この発明で重要な点は、半導
体試料に特有の問題が解決されていることである。具体
的には、このような構造体の場合、絶縁層があると、表
面が帯電し、そのため任意の電子ビーム電圧で計測を行
えなくなる。ここで考慮している手法では、計測は、２
次電子を検出する際に、クロスオーバ・ポイントで行う
必要がある。ただし、半導体層の場合は、表面の帯電
は、２次電子の画像を充分歪ませるほど大きいが、これ
らの層の絶縁性は、電荷が、電子ビーム自体を乱すほど
の高い電位にまで堆積することはない性質のものであ
る。

【００２７】しかしこの発明では、クロスオーバ電圧は
どうあれ、画像を歪ませることなく任意の電圧で測定す
ることが可能である。また、これにより、ビーム電圧を
上げることができ、従来のＳＥＭをベースにした計測シ
ステムにはない大きなメリットが得られる。たとえば、
ビームがより安定し、解像度が向上する。この発明によ
れば、ＳＥＭ計測システムを自動化するという問題にも
容易に対応できる。クロスオーバ電圧を検出するために
ビーム電圧を試料に合わせて調節する必要がなくなるか
らである。つまり、所望の電圧をあらゆる計測に採用す
ることもできる。

【００２８】この発明の詳細については、添付の図面及
び実施例とあわせて説明する。

【００２９】

【実施例】図３は、試料１０の一部の側面と、特に断面
が側壁の金属ライン（アルミニウムが代表的）を示す。
図３の２次電子検出器１４、１６（ＳＥＤ）は対になっ
ている。

【００３０】図３に示すとおり、１次ビーム（ＰＥ）の
幅は約０．１μｍである。ビームが試料のトポグラフィ
に衝突すると、試料表面から後方散乱電子（図の１８）
が生じる。この発明に従い、全体がウェハである試料の
上部に位置するシステムによって、無損失すなわちエネ
ルギがフィルタリングされた収集効率の高い後方散乱電
子（ＢＳＥ−Ｉ）が検出される。試料は、検出システム
に対して傾けられる（通常４５゜）。また、後で指摘す
るように、検出システムは、ある素子を置き換えること
によって、光ファイバで焦点を合わせる２次電子検出器
としても使用できる。この検出器は、試料全体に対して
調節できるように位置づけられる。複数の検出器が用い
られるので、信号の強度とコントラストを高めるために
これら独立して構成された検出器を採用することによっ
て、システムを後方散乱電子かまたは２次電子の検出モ
ードで使用してもよい。

【００３１】図１はこのシステムの第１実施例を示す。
ＳＥＭカラム２０には装着カラー２２が装着されてい
る。このカラーは、ＳＥＭの対物レンズに装着され、調
節可能な検出器アーム２４を持つ。

【００３２】検出器アーム２４は３つの検出器２６、２
８、３０に装着位置を備える。図１には試料（図示な
し）上のターゲット焦点３２を示した。

【００３３】調節可能な検出器アーム２４は、アーム２
４とカラー２２をつなぐカプリング３４から成る。カプ
リングからは、アーム２４の端部に適合ソケット３８を
持つボール３６が突き出ている。このボールとソケット
の配置により、検出器２６、２８、３０の位置決めの際
に回転と３つの自由度が得られる。図では１つのアーム
２４との関係しか明らかでないが、各アームも同様の構
成であることは理解できよう。

【００３４】カラー２２の面取り部４０は、各検出器が
内側のターゲット焦点３２の方を向く角度になってい
る。

【００３５】検出器２６、２８、３０の細部は図４、図
５に示した。図式的には、図１に示したように、内部に
外装光ファイバ・バンドル４４を持つ検出器ハウジング
４２から成る。検出器に必要な、ハウジング５０の外壁
にある端子４８からの入力電圧は高圧コネクタ４６によ
って得られる。

【００３６】このアセンブリは、図１のアセンブリに示
した対になった光電子倍増管５２、５４で完全な形を成
す。一方の光電子倍増管は、２つの検出器２６、３０を
切り替え、もう一方は中央の検出器２８にのみ用いられ
る。

【００３７】図４、図５は、第１実施例に従った検出器
の細部を示す。図４は検出器２６を、図５は外装光ファ
イバ・バンドル４４を示す。まず図４とあわせて説明す
る。各検出器は、内部の同心位置にエネルギ・フィルタ
５６を持つ接地されたシールド・カバー４２から成る。
１組のタングステン・メッシュ・スクリーン５８が、シ
ンチレータ６０の前面に置かれる。外装光ファイバ・バ
ンドル４４は、タングステン・メッシュ・スクリーン５
８と同軸に配置され、シンチレータ６０は、電子コレク
タの端部と同心に配置される。

【００３８】図４に示すとおり、エネルギ・フィルタ
は、絶縁スペーサ６８によって光ファイバ・バンドル４
４に適合する同心のステンレス・シリンダ５６から成
る。シリンダの開口端は、タングステンの１００メッシ
ュ・スクリーン５８（２個）で覆われる。この２つのス
クリーンの間隔は１ミルとするのが望ましい。図４に示
すとおり、スクリーンの曲率半径は異なり、各々２．４
インチ（約６１．０ｍｍ）、２．５インチ（約６３．５
ｍｍ）である。これは、適当な抑制電位まで帯電すると
電子フィルタとして機能する。外側のシリンダ４２は、
絶縁スペーサ６９によって内側のシリンダ５６に適合す
る。外側のシリンダの開口端は、曲率半径２．０インチ
（約５０．８ｍｍ）のタングステンの１００メッシュ・
スクリーン（１個）で覆われる。

【００３９】高圧コネクタは、シンチレータ６０とエネ
ルギ・フィルタ５６とのカプリングを提供するために用
いられる。高圧コネクタ６２は、光ファイバ・バンドル
４４用の絶縁部６８内のトンネル６６を通る。シンチレ
ータ６０と内部エネルギ・フィルタ５６につながるこの
高圧コネクタは、図１に４８と示した高圧密封フィード
スルーＣｅｒａｍａｓｅａｌから作られる。

【００４０】図５は検出器素子の１つを示す。これは剛
性外装６８内に装着される光ファイバ・バンドル６６か
ら成る。光ファイバ・バンドル６６の端部には円筒状の
テフロン外装７０が摺動可能に装着される。図５に示す
とおり、外装７０の内部のジオメトリは、バンドル６６
に対応している。テフロン外装７０の端部７６には、１
面がアルミニウム被覆リンの水晶ウェハ７２が置かれ
る。高圧電子コレクタ７８が、テフロン外装７０の端部
に摺動可能に適合し、これによって水晶ウェハ７２が装
着される。こうして、図５に示すとおり、光ファイバ・
バンドル６６には、その外装６８に、テフロン外装７０
が装着され、外装７０は、水晶ウェハ７２と高圧電子コ
レクタ７８を担持する。

【００４１】図５の構成では、光ファイバ・バンドルの
端部により、高圧電子コレクタが２次電子検出器のシン
チレータとして機能するように同コレクタが担持され
る。

【００４２】図６はこの発明の第２実施例を示す。当業
者には明らかなように、この例は、検出器の配置の点で
図１とは異なる。後述するように、ＳＥＭとその電子系
の詳細は、図１と図６の第２実施例で同一である。

【００４３】ＳＥＭカラム２０は、電子ビーム８２を生
成する電子銃を備える。電子ビーム８２は２つの集光レ
ンズを通過する。集光レンズは、電子ビームを、それが
走査コイル８６を通過したとき集束するように働く。電
子ビーム８２は、走査コイルによって偏向し、ブランキ
ング・ロッド９０を挟んで対になった開口８８を通過す
る。ＳＥＭ技術のこのような面は当該分野では周知の内
容であり、本発明の一部ではなく、ここでは背景情報と
して記した。

【００４４】ハウジング５０（脱気される）は、図６に
示すとおり、対になった光電子倍増管（ＰＭＴ）５２、
５４を支持する。図６では電子系をＰＭＴ５２との関係
から示しているが、ＰＭＴ５４にもこれと同様のカプリ
ングが用いられることは当業者には明らかであろう。

【００４５】走査電子顕微鏡の電子系１００は、システ
ム電源を不意に投入するのを防ぐ安全インタロック１０
２などの制御機能を与える。対になった高圧カプラ１０
４は、高圧密封フィードスルーＣｅｒａｍａｓｅａｌ４
８を通して、ＰＭＴ５２、５４に必要な入力を与える。
電力は、調整可能な電源１０６を通してＰＭＴ５２、５
４に供給される。２つのＰＭＴの出力（切り替え可能）
は、信号処理系１０８へ供給され、処理系１０８は、出
力信号をアナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ１１
０とコンピュータ１１２へ供給する。

【００４６】第２実施例では、一方の光電子倍増管が２
つの検出器の間で切り替えられ、もう一方は、システム
の第３検出器を成すインライン検出器にのみ用いられ
る。

【００４７】Ａ／Ｄコンバータ１１０は、コンピュータ
１１２からの命令を受け取り、走査コイル８６とブラン
キング・ロッド９０へ信号を供給する。これによりビー
ムの駆動とブランキングが行われる。ビーム８２は、こ
の方法により、コンピュータ制御に応じて試料表面を走
査する。ディスプレイ１１４は、必要に応じてパラメー
タを出力・表示するのに用いられる。

【００４８】図６は第２実施例の、変更した検出器と変
更した配置機構を示す。第１実施例では、検出器はカラ
ー上に装着され、カラーはＳＥＭカラムに装着される。
この例では検出器は、装着ブラケットによってハウジン
グ壁に装着される。

【００４９】図７は、変更した検出器のほか、変更した
装着位置も示す。図７の検出器１２０は、外側に、接地
グリッド１２４を支持する円筒状の金属キャニスタ１２
２を備える。キャニスタには、検出器が試料１２８の表
面近くに位置づけられるように、円錐状の移行部があ
る。

【００５０】同心の内部キャニスタ１３０は、エネルギ
・フィルタ・グリッド１３２を支持する。外部キャニス
タ１２２と内部キャニスタ１３０のジオメトリは共形で
あり、絶縁スペーサ１３４によって分離される。

【００５１】絶縁部１３６は、シンチレータ検出器１４
０を持つ光ファイバ・バンドル１３８を支持する。この
電子コレクタと光ファイバ系の詳細については図８とあ
わせて述べる。

【００５２】図７の検出器は、一端に、梁１４２に連動
して回転する部材１４４を持つ梁１４２によって、真空
チャンバの壁面に装着される。検出器１２０は、部材１
４４に装着され、部材１４４とスイベル１４６の連動に
よって検出器１２０が適当な位置に移動できるように、
スイベル１４６によって調節できる。図７では、内部キ
ャニスタと外部キャニスタのフィードスルー配電カプリ
ング１４８、１５０は、シンチレータ検出器及び光ファ
イバ・バンドル１３８のチェイン・ライン１５４につな
がる配電フィードスルー１５２とともに示した。

【００５３】図７には電子検出器の捕捉角も示した。こ
の発明の主な目的は、電子エネルギ帯域０ないし２００
ｅＶの電子を捕捉するためにエネルギ・フィルタ・モー
ドの動作を行うことにある。電子ビーム８２は、図７に
示した焦点において試料１２８に衝突する。業界では通
例となっているが、試料１２８は、検出器に対して一定
の向きでステージ上に保持される。試料１２８は通常、
４５゜の位置に置かれる。無損失後方散乱電子すなわち
散乱（ＢＳＥ−Ｉ）が相当な数にのぼらない電子は、試
料表面から検出器１２０の方へ偏向する。接地グリッド
１２４は、捕捉角が約２８゜（図７では角度α）になる
ように構成される。エネルギ・フィルタ・グリッドは、
捕捉角が、図７に示すように検出器の中心線に対して約
１４゜（β）になるように、内部の円筒状の検出器内に
構成される。この発明の第２実施例（図７）では、検出
器を試料表面の水平線にかなり近づけることができる。
これにより高エネルギ後方散乱電子の収集効率が高ま
る。

【００５４】図８は、変更を加えたエネルギ・フィルタ
電子検出器の構成要素を示す。図５と同様、光ファイバ
・バンドル６８が用いられ、絶縁部１３６に装着され
る。絶縁部はスルーホール１３７を持ち、２つの異なる
開口が光ファイバ・バンドルの前面に適合する。光ファ
イバ・バンドルの端部には水晶ウェハ７２のアルミニウ
ム被覆リンが位置する。ウェハ７２は、高圧電子コレク
タ１６０によって、光ファイバ・バンドル６８に担持さ
れ、コレクタ１６０は、絶縁部１３６に共形に適合す
る。

【００５５】図８に示すとおり、コレクタ１６０は、図
５のコレクタ７８と構成が異なる。シンチレータのキャ
ップであるコレクタ１６０のこの先端が丸い形状によ
り、電子をシンチレータの前面に誘導しやすくなる。図
８に示したテーパを持つこの断面形状では、電子のカウ
ントと信号強度が向上し、収集効率が高まる。この形状
は試料の物理プロファイルをモデル化するのに用いられ
る。図１の例と同様、光ファイバ・バンドル６８は、シ
ステム焦点を試料表面に合わせるために用いられる。

【００５６】図９は、この発明の第３実施例を示す。こ
れは、検出器ハウジングの構造を考慮する限りでは図７
と異なる。先端の丸い高圧電子コレクタ１６０を持つ絶
縁部１３６に装着される光ファイバ・バンドルは、図８
のものと同じであることがわかる。これが図７と異なる
のは、キャニスタが１つしか採用されていないという点
である。このキャニスタ２００は、ガラスやＫｅｖｌａ
ｒなどの絶縁物から作られる。絶縁部２００は、内側と
外側の対になった金属コーティング２０２、２０４の基
板を成す。内部２０６は真空状態に保たれる。キャニス
タの内側にはエネルギ・フィルタ・グリッド２０８が、
入口には接地グリッド２１０が置かれる。接地グリッド
２１０は、内側の金属コーティング２０４と電気的に接
合され、エネルギ・フィルタ・グリッド２０８は、絶縁
部２００を介してハウジングと接合される。これにより
グリッド２０８、２１０は電気的に相互に絶縁した状態
に保たれる。

【００５７】図９の例では、前端が円錐状に絞られてい
るため、ウェハ表面と、ウェハ表面に対して約５゜の角
度で位置合わせができる。これにより電子の捕捉率がさ
らに向上する（シリコンの場合２００ｅＶ）。図９の例
の内部光学系は７と同一である。

【００５８】たとえば図６のシステムの動作は、ＳＥＭ
システムを従来どおりに用いた場合のように開始され
る。検出器は、この発明に従って、ＳＥＭを調節するた
めに、最初に２次電子検出モードで動作する。システム
が最初は、効率的な２次電子検出器となるように、外部
キャニスタ１２２と内部キャニスタ１３０はともに正電
圧に接続されされる。エネルギ・フィルタリングの場
合、２つの検出器は分離され、内部フィルタとシンチレ
ータの電位差は１２ｋＶに維持される。データの収集
は、２つのＰＭＴ５２、５４を使って行われ、一方のＰ
ＭＴは２つの検出器の間で切り替えられる。データ処理
はコンピュータ１１２が管理する。

【００５９】出力歪みを避けるためには、試料の高速走
査は行えない。走査レートが高すぎると、検出器と電子
系が遅れる。したがって、走査速度は、この発明に従っ
て、検出器の応答速度に応じた速度まで抑えられる。こ
の速度は、画像の歪み率が１％以上とならない速度が望
ましい。走査速度は、Ａ／Ｄコンバータ１１０を介した
コンピュータ１１２から走査コイル８６への入力によっ
て制御される。走査速度は、検出器電子系の累算時定数
を下回るように減速される。総合時定数は、適当な時定
数（通常は３μｓｅｃないし１０ｍｓｅｃの範囲）の信
号フィルタによって求められる。

【００６０】走査速度を遅くすることのもう１つのメリ
ットは、測定が行われたビーム位置と測定が記録された
ビーム位置との固有の時間差によって遅れる測定ではな
く、独立したステップで測定が行えるということであ
る。したがってこの発明では、従来の技術にみられた問
題すなわち時間差、ビーム走査レート、及び検出器電子
系が関係する測定歪みが解消される。

【００６１】このように、この検出機構では、複数の検
出器を組み合わせて試料面よりも上に配置でき、試料の
検出効率が向上するとともに、少なくとも２次元のデー
タが得られる。この発明で試料フィーチャのエッジ検出
効率が向上する理由は、構造、ビーム、及び検出器の幾
何学的関係にある。代表的な試料トポグラフィには、傾
斜したトレンチや側壁がある。このような構造では、上
端と下端の両方のエッジを測定することが大切である。
しかし１つの検出器では、上端と下端と両方のエッジの
ロケーションを測定することはできない。この発明で
は、第１の検出器により、定義された上端エッジが測定
され、下端エッジは第２の検出器によって定義・測定さ
れる。したがって２つの検出器からの測定点によって、
トポグラフィが正確に定義される。ここでは３つの検出
器から成るシステムを示したが、検出器を４つ以上使用
することも可能である。

【００６２】いうまでもなく、この発明には、この発明
の適用範囲から逸脱することなく変更を加えることがで
きる。

【００６３】

【発明の効果】本発明により、サブミクロンを基本ルー
ルとして利用できるＳＥＭ法が改良されて製造時の半導
体検査の段取りに適用できるようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例のシステムを示す図であ
る。

【図２】２次電子の生成と、試料からの２次電子及び後
方散乱電子の行路を説明した従来のＳＥＭ検出システム
を示す図である。

【図３】試料のジオメトリと、２次電子及び後方散乱電
子の生成をあらわす側面図である。

【図４】本発明の第１実施例に用いられる検出器の１つ
を示す図である。

【図５】本発明の第１実施例に従って用いられる光ファ
イバ検出器の側面分解図である。

【図６】本発明の第２実施例のシステムを示す図であ
る。

【図７】本発明の第２実施例に用いられる検出器の１つ
を示す図である。

【図８】本発明の第２実施例に従って用いられる光ファ
イバ検出器の側面分解図である。

【図９】本発明に従った第３実施例の検出器の側面図で
ある。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ウォルター・ウィリアムズ・ヒルデンブランドアメリカ合衆国ニューヨーク州、ブリュースター、バーチ・ヒル・エイカーズ（番地なし) (72)発明者スティーブン・グレッグ・アターバックアメリカ合衆国ニューヨーク州、ピークスキル、フェニックス・アベニュー 932番地

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体試料の表面に向けられる電子ビーム
を生成する走査電子顕微鏡と、該試料との間隔をとって
配置され、該試料に向けられた開口を持つ少なくとも２
つの検出器とを含み、各検出器が、光ファイバ手段が装
着されたハウジングと、該ハウジングに突き出した該光
ファイバ手段の端部に装着されたシンチレータ検出器
と、該開口内に配置され、該シンチレータ検出器と同軸
の接地グリッドと、該接地グリッドと同軸のエネルギ・
フィルタ・グリッドとを含む、半導体試料検査システム。
【請求項２】請求項１に記載のシステムであって、各シ
ンチレータ検出器が、光ファイバ手段と整列状態で装着
された高圧電子コレクタを含み、該コレクタが、電子収
集用のテーパつき装着面と、該光ファイバから光ウィン
ドウを与えるスルーホールとを持つ、半導体試料検査システム。
【請求項３】請求項１に記載のシステムであって、各検
出器が、外部円筒ハウジングと環状の内部円筒ハウジン
グとを含み、外部と内部の該ハウジングが絶縁材によっ
て分離され、接地グリッドが該外部ハウジングに、エネ
ルギ・フィルタ・グリッドが該内部ハウジングの一端に
各々装着され、該内部ハウジングがもう一端に絶縁材を
持ち、光ファイバ手段を装着するための手段を備える、半導体試料検査システム。
【請求項４】請求項３に記載のシステムであって、内部
と外部のハウジングが各々、共形の円錐状テーパを持
つ、半導体試料検査システム。
【請求項５】請求項１に記載のシステムであって、各検
出器が１つの円筒ハウジングを含み、該ハウジングが、
内面と外面に金属コーティングを施した絶縁材を含み、
接地グリッドが該ハウジングの内側の該金属面に装着さ
れ、エネルギ・フィルタ・グリッドが、該ハウジングの
該絶縁材に装着される、半導体試料検査システム。
【請求項６】請求項１に記載のシステムであって、検出
器を走査電子顕微鏡に装着する手段を含む、半導体試料検査システム。
【請求項７】請求項６に記載のシステムであって、装着
手段が、走査電子顕微鏡に装着されたカラーを含み、該
カラーに１組のアームが枢着可能に装着され、各ハウジ
ングが１つのアームに装着されることによって、検出器
の焦点が移動して電子ビームの焦点と一致するように該
ハウジングを旋回できる、半導体試料検査システム。
【請求項８】請求項６に記載のシステムであって、密閉
チャンバを含み、装着手段がチャンバ壁から内側へ伸び
たアームを含む、半導体試料検査システム。
【請求項９】請求項８に記載のシステムであって、各ア
ームが、ハウジングを枢着可能に移動させる手段を含む
ことによって、検出器の焦点が移動して電子ビームの焦
点と一致する、半導体試料検査システム。
【請求項１０】請求項１に記載のシステムであって、接
地グリッドとエネルギ・フィルタ・グリッドとの間に電
位差を生じさせる手段を含む、半導体試料検査システム。
【請求項１１】電子ビームを生成して該電子ビームを試
料の表面に向けるステップと、該試料の上に置かれた少なくとも２つの検出器におい
て、該試料からの高エネルギ後方散乱電子を検出して出
力信号を生成し、該出力信号を処理して、該試料のトポ
グラフィに関する３次元情報を提供するステップとを含
む、試料検査方法。
【請求項１２】請求項１１に記載の方法であって、半導
体試料をチャンバ内に置き、各検出器を該試料の表面上
の１点に対して整合するステップを含む、試料検査方法。
【請求項１３】請求項１１に記載の方法であって、各検
出器のエネルギ・フィルタ・グリッドと該各検出器の接
地グリッドとの間に電位差を維持するステップを含む、試料検査方法。
【請求項１４】高エネルギ後方散乱電子が発生するよう
に、電子ビームを生成して試料の表面に集束させる電子
ビーム生成手段と、上記試料との間隔をとり、該試料に向けられた少なくと
も２つの検出器と、上記検出器が上記高エネルギ後方散乱電子を収集するよ
うに、エネルギ・フィルタを提供する、該検出器のため
の手段とを含む、試料検査システム。
【請求項１５】請求項１４に記載のシステムであって、
各検出器が、ハウジングと、該ハウジング内に置かれ、
試料に向けられた光学式手段と、該光学式手段に装着さ
れたシンチレータと、該シンチレータと該試料との間に
位置する接地手段とを含む、試料検査システム。
【請求項１６】請求項１５に記載のシステムであって、
エネルギ・フィルタが、シンチレータと接地グリッドの
間に位置する静電抑制電位グリッドを含む、試料検査システム。
【請求項１７】請求項１５に記載のシステムであって、
光学式手段が、試料の画像を得るための光ファイバ・バ
ンドルを含む、試料検査システム。
【請求項１８】請求項１４に記載のシステムであって、
各検出器が、実質上同心の対になった部材を含み、内部
同心部材がシンチレータを保持し、エネルギ・フィルタ
提供手段と外部同心部材が接地グリッドを保持する、試料検査システム。
【請求項１９】請求項１４に記載のシステムであって、
各検出器が、内側と外側の表面に金属コーティングを施
した絶縁材から形成された円筒状の中空シェルを含み、
接地グリッドが該シェルに装着されて内側の該金属コー
ティングと電気的に接触し、エネルギ・フィルタ提供手
段が該絶縁材と接触して装着された、試料検査システム。
【請求項２０】請求項１９に記載のシステムであって、
シェルの一端に絶縁プラグと、該プラグ内に置かれたシ
ンチレータとを含む、試料検査システム。