JPH06310075A

JPH06310075A - 走査型電子顕微鏡

Info

Publication number: JPH06310075A
Application number: JP5100685A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Ninomiya; 健二宮; Katsuhiro Kuroda; 勝広黒田; Tokuo Kure; 得男久▲禮▼; Hideo Todokoro; 秀男戸所; Sadao Terakado; 貞夫寺門; Fumio Mizuno; 文夫水野; Satoru Yamada; 悟山田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-04-27
Filing date: 1993-04-27
Publication date: 1994-11-04

Abstract

(57)【要約】【目的】半導体製造プロセスにおける半導体ウエハ用観
察装置を提供する。【構成】試料４に電子線３を照射して、電子線照射によ
り試料４表面から放出される電子５を、シンチレータ６
および検出器７を用いて検出する。電子線３のエネルギ
は、０.５〜１００ｋｅＶの範囲内で任意に設定可能で
ある。【効果】電子線のエネルギを観察対象あるいは目的に応
じて設定できるため、観察対象を容易に発見でき、かつ
孔や溝内部を詳細に観察できる。さらに、試料の損傷を
最小限に抑えることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電子線を用いた観察技術
に係り、特に、半導体ウエハの微細加工形状や残留物の
観察が可能な装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】電子線で試料表面を走査し、この走査に
より発生する２次電子を検出する走査型電子顕微鏡（Ｓ
ＥＭ）は，工学の分野で広く活用されている。特に、半
導体産業では、加工形状や残留物の観察に不可欠な装置
となっている。このような観察では、絶縁物の帯電を避
けるために、２ｋｅＶ以下のエネルギを持つ電子線が多
用されている。

【０００３】半導体プロセスで用いられるウエハ表面に
は、コンタクトホールに代表される孔（あるいは溝）も
多数形成されている。たとえば、今後の半導体素子の主
流である１６ＭｂＤＲＡＭでは、孔の直径は０.５μ
ｍ、深さは１.５〜２μｍである。先に述べた低エネル
ギ電子線を用いる走査型電子顕微鏡（低加速ＳＥＭ）で
は、電子線照射により孔内で発生した２次電子が孔の内
壁に遮られるため、２次電子は検出器に到達できず、孔
内部の観察が困難となっていた。これに対し、近年、電
子線のエネルギを５０ｋｅＶ以上に高めて、反射電子や
反射電子により形成される３次電子を検出することによ
り、孔内部が明瞭に観察できる走査型電子顕微鏡（高加
速ＳＥＭ）が提案された。この方法の原理については、
たとえば、特開平4−149944 号公報に詳しく開示されて
いる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】図２に示したコンタク
トホール１５の観察を例に、低加速ＳＥＭと高加速SEM
の利用法を整理する。低加速ＳＥＭでは、試料の帯電な
く表面１０の形状を詳細に観察できる。しかし、このＳ
ＥＭでは、底面１２からの２次電子１６が内壁１７に遮
られて検出できず、底面１２の観察は難しい。これに対
し、高加速SEMでは、底面１２で反射した反射電子１３
が十分なエネルギを有するため、内壁１７を貫通して表
面１０から外に飛び出す。この反射電子１３が表面１０
を通過する際に、再び、電子（３次電子１４）が発生す
る。反射電子１３や３次電子１４は底面１２の情報を有
しており、これら電子を検出することにより、底面１２
（あるいは底面１２に付着した残留物）を観察すること
ができる。これまでは、表面１０の観察は低加速ＳＥＭ
を用いて、底面１２の観察は高加速ＳＥＭを用いて、別
々に行われていた。

【０００５】このように、高加速ＳＥＭでは、孔底面の
観察が可能である。しかし、この装置では、表面１０と
底面１２がほぼ同じコントラストでモニタ画面上に同時
に映しだされる。さらに、その観察原理から明らかなよ
うに、表面だけでなく、下層の金属配線等も同時に観察
されモニタ画面上に表示される。このため、モニタ画面
上に表示された像が複雑になり、表示された像の上下関
係も判定しにくく、高加速ＳＥＭのみの観察では何が観
察されているのかわかりにくいという問題点があった。
この結果、素子の設計パタンとの比較が難しく、孔や溝
の内部に残留物が検出されても、不良個所の同定に時間
がかかっていた。さらに、このように観察対象物の同定
に長時間の観察が必要となるため、高エネルギ電子線の
長時間照射による試料の損傷が発生しやすいという問題
点も生じていた。

【０００６】高加速ＳＥＭを用いる方法に対し、先に低
加速ＳＥＭで試料表面を観察した後、高加速ＳＥＭで孔
内を観察する方法もある。しかし、この方法では、二つ
の異なった装置を用いるため、装置間の試料移動や各装
置への試料導入，装置の真空排気、さらには同一の観察
領域を捜しだすことに時間がかかっていた。従って、２
つの装置を用いる方法は、半導体製造プロセスで用いる
方法としては極めて不便である。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに、本発明では、一つの装置で、試料に照射する電子
線のエネルギを、観察対象あるいは目的に応じて０．５
〜１００ｋｅＶの範囲で任意に切替可能とした。

【０００８】

【作用】図２の表面１０を観察する（たとえば分析位置
を同定する）場合には、電子線のエネルギを低く設定す
る。この場合、低加速ＳＥＭと同様に、試料表面のみを
観察することができるので、モニタ画面に表示される像
が単純になり、どの場所を観察しているのかを容易に知
ることができる。また、電子線のエネルギも低いため、
試料の損傷が発生しない。このようにして観察すべき孔
や溝を発見した後、その内部を観察する場合には、電子
線のエネルギを高く切替えて観察する。これらの観察順
序を入れ替えて、高エネルギ電子線で表面および内部を
同時に観察した後に、低エネルギ電子線により得られる
試料表面の像から観察箇所の同定を行ってもよい。本発
明の本質は、低加速ＳＥＭの機能と高加速ＳＥＭの機能
とを合わせ持つ観察機能を有し要望に応じて低加速，高
加速に切替えて観察できる装置を提供することにある。

【０００９】次に、この観察で用いる電子線のエネルギ
に関して述べる。半導体素子の最少寸法は既にサブμｍ
の領域に入っている。このような素子を観察するために
は高（空間）分解能が必要である。また、半導体素子製
造プロセスでは種々の材料が用いられる。酸化物や窒化
物等の絶縁膜、あるいはレジスト等に電子線を照射する
と、電子線のエネルギによってはこれら材料が帯電し
て、得られる２次電子像の画質が大幅に低下することが
ある。これらの事実を考慮すると、電子線のエネルギ値
の下限を決定する要因は、分解能と試料の帯電状態であ
ると結論できる。

【００１０】図３にＳＥＭ分解能の電子線エネルギ依存
性の測定結果を示した。破線は通常ＳＥＭの、実線はイ
ンレンズ方式高分解能ＳＥＭの分解能を示している。一
般に、ＳＥＭを半導体製造プロセスに適用するには、観
察対象の最小寸法の１／１０以下の分解能が必要であ
る。半導体素子の主流である１６Ｍｂ以降のＤＲＡＭの
素子最小寸法が０.５μｍ以下であることを考慮する
と、ＳＥＭの分解能は少なくとも０.０５μｍ以下でな
ければならない。この分解能を得るために必要な電子線
のエネルギは、図３から、約０.５ｋｅＶであればよい
ことがわかる。

【００１１】また、絶縁物試料を用いた測定から、電子
線のエネルギが２ｋｅＶ以上になると、試料表面が急激
に帯電することもわかった。すなわち、帯電の影響を少
なくして絶縁物試料を観察するには、電子線のエネルギ
は２ｋｅＶ以下でなければならない。以上から、絶縁物
試料を高分解能で帯電なく観察するには、電子線のエネ
ルギを０.５〜２ｋｅＶにすればよいと結論できる。も
ちろん、この結論は試料が絶縁物の場合であり、半導体
や金属試料の場合には試料の帯電が生じないため、より
高いエネルギの電子線を用いることができる。

【００１２】電子線のエネルギの上限値は、以下のよう
に決定される。特開平4−149944 号公報に示されている
ように、表面１０からの３次電子の、底面１２からの２
次電子に対する割合は、電子線のエネルギが５０〜１０
０ｋｅＶで最大になる。従って、底面１２からの信号を
検出する（すなわち、底面１２を観察する）場合、電子
線のエネルギの上限値は１００ｋｅＶで十分である。さ
らに、電子線のエネルギの上限値を１００ｋｅＶにする
ことにより、１００ｋｅＶ以上のエネルギの電子線を用
いる場合に比べて、試料に与える損傷をより小さくする
ことも可能になる。

【００１３】以上から、本発明における電子線のエネル
ギ切替えは、０.５〜１００ｋｅＶが最良であると結論
できる。

【００１４】本発明によれば、従来二つの異なった装置
が必要であった観察を一つの装置でできるため、前述の
従来技術の問題点がすべて解消できる。すなわち、観察
対象あるいは目的に応じて電子線のエネルギを変化させ
ることにより、表面はもとより孔や溝の内部を観察で
き、加工形状や残留物の観察を迅速かつ容易に行うこと
ができる。また、素子の設計パタンとの比較を短時間で
簡単に行うことができる。この結果、試料に与えるエネ
ルギも少なくなり、試料の損傷も最小限に抑えることが
できる。

【００１５】

【実施例】

＜実施例１＞本発明の最も基本的な実施例を図１に示し
た。電子源１からの電子が電子レンズ２で加速，集束さ
れて、所定のエネルギを有する電子線３が生成される。
この電子線３の照射により試料４で発生する電子５（２
次電子，３次電子等）は、シンチレータ６で光に変換さ
れ、検出器７で検出される。電子５を効率的に集めるた
め、シンチレータ６には電源９により高電圧（１〜１０
ｋＶ）が供給されている。

【００１６】試料４の表面の観察を行う場合には、電子
線３のエネルギを２ｋｅＶ以下に設定して、電子線３で
試料４の表面上を走査する。この走査も電子レンズ２を
用いて行うことができる。ここで、試料４が絶縁物以外
の場合には、帯電が生じないため、より高いエネルギを
有する電子線を用いることもできる。これらの表面観察
により、詳しく観察すべき孔や溝を見つけだすことがで
きる。

【００１７】これらの内部を観察する場合には、電子線
３のエネルギを５０ｋｅＶ以上に増加させればよい。こ
のエネルギの増加は、制御電源８から電子レンズ２に供
給される高電圧を変化させて行われる。本発明における
電子線３のエネルギ範囲は０.５〜１００ｋｅＶであ
る。電子レンズ２は、この範囲にエネルギをもつ集束電
子線を生成可能な電子レンズ系である。

【００１８】本発明によれば、観測対象あるいは目的に
応じて試料に照射する電子線のエネルギを設定できるた
め、観測物の同定が容易であり、かつ孔や溝の内部も簡
単に観測できる。この結果、観測パタンと設計パタンと
の比較が容易にでき、不良箇所を迅速に把握することが
可能になる。

【００１９】＜実施例２＞反射電子を用いても、試料表
面や試料内部の像を形成することができる。図４にその
実施例の一例を示した。

【００２０】電子線３のエネルギが低いときには、試料
４の表面への電子線の照射により、試料４の表面から２
次電子２１が発生する。２次電子２１は検出器１８を用
いて検出される。検出器１８の構成は、実施例１で述べ
たようなシンチレータ６と検出器７の組み合わせでよ
い。２次電子の検出により、試料表面の像を得ることが
できる。これに対し、電子線３のエネルギを大きくして
孔内部の観察を行う場合には、反射電子検出器１９もし
くは検出器１８を用いる。あるいは、両方の検出器を使
用してもよい。反射電子検出器１９は、ｐｎ接合やショ
ットキー接合を用いた半導体検出器、あるいはシンチレ
ータ等の蛍光を用いた検出器を使用している。２０は上
記検出器１９用の電源である。また、図には示されてい
ない、２次電子や３次電子を検出器１８に効率よく導く
ために、電子レンズ２の内部あるいは下方に電子吸引用
の電極が設置されている。電子線３のエネルギの変更
は、実施例１と同じく制御電極８を用いて行われる。電
子線３のエネルギ可変範囲に関しては、実施例１と同じ
である。

【００２１】本実施例によれば、反射電子も像形成に用
いることができるため、よりＳ／Ｎのよい観察を行うこ
とができる。

【００２２】

【発明の効果】本発明によれば、試料に照射する電子線
のエネルギを、観測対象あるいは目的に応じて０．５〜
１００ｋｅＶの範囲内で設定できるため、試料表面を高
分解能で帯電なく観察でき、かつ孔や溝の内部も観察で
きる。この結果、観測パタンと設計パタンとの比較を容
易、かつ、迅速に行うことができ、簡単に不良個所を発
見することができる。また、試料の損傷も最小限に抑え
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す装置のブロック図。

【図２】試料に照射される電子線と発生電子の関係を示
す説明図。

【図３】ＳＥＭ分解能の電子線エネルギ依存性を示す特
性図。

【図４】本発明の他の実施例を示す装置のブロック図。

【符号の説明】

１…電子源、２…電子レンズ、３…電子線、４…試料、
５…電子、６…シンチレータ、７…検出器、８…制御電
源、９…電源。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者戸所秀男茨城県勝田市市毛882番地株式会社日立製作所計測器事業部内 (72)発明者寺門貞夫茨城県勝田市市毛882番地株式会社日立製作所計測器事業部内 (72)発明者水野文夫東京都青梅市今井2326番地株式会社日立製作所デバイス開発センタ内 (72)発明者山田悟東京都青梅市今井2326番地株式会社日立製作所デバイス開発センタ内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料に加速，収束した電子線を照射し、そ
の照射により発生する電子を検出して試料を観察する走
査型電子顕微鏡において、電子線のエネルギを０.５ｋ
ｅＶ以上１００ｋｅＶ以下の範囲内で任意に設定する手
段を設けたことを特徴とする走査型電子顕微鏡。
【請求項２】請求項１において、溝もしくは孔がその表
面に形成された試料の観測で、溝もしくは孔の内部を観
測する場合の電子線のエネルギが、試料表面を観測する
場合の電子線のエネルギ以上である走査型電子顕微鏡。
【請求項３】請求項１または２において、走査像を形成
する信号が、上記電子線の照射により発生する２次電
子、あるいは反射電子、あるいは反射電子により生成さ
れる３次電子、もしくはこれら電子の組合せである走査
型電子顕微鏡。
【請求項４】溝もしくは孔がその表面に形成された試料
に加速，収束した電子線を照射し、その照射により発生
する電子を検出して上記試料を観察する走査型電子顕微
鏡において、上記試料の観測領域に絶縁物が含まれる場
合、試料表面を観察する場合の電子線のエネルギが０.
５ｋｅＶ以上２ｋｅＶ以下であり、溝もしくは孔の内
部を観察する場合の電子線のエネルギが５０ｋｅＶ以上
１００ｋｅＶ以下であることを特徴とする走査型電子顕
微鏡。