JPH0834090B2 - 試料検査方法及びシステム - Google Patents

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. 、vol. 23、
No. 6、pp. 353-354 (1973年9月）、Wellsによる“Low
-Loss Image for Surface Scanning Electron Microsco
pe”、Appl. Phys. Litte.、vol. 19、No.7、pp. 232-2
35 (1971年10月）、Utterbackによる“Semiconductor D
imensional Metrology using the Scanning Electron M
icroscope”、Review of Progress in Quantitative No
ndestructive Evaluation、vol. 7B、pp. 1141-1151、P
lenum 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 at High Mag
nification”in Microbeam Analysis - 1984、ed、AD.
Romig、Jr. and D.B. Wiliams (San Francisco Pres
s)、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
ScanningElectron Microscope”、API、19、232-235
(1971年)及びL. Reimerによる“Scanning Electron Mic
roscopy”、Springer-Verlaz (Springer-Verlag、Berli
n 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“Semicondu
ctor Dimensional Metrology using the Scanning Elec
tron Microscope”及び Rosenfieldによる“Analysis o
f Line Width Measurement Techniques Using the Low
Voltage SEM”、SPIE 775、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McMullenの
“An Improved Scanning Microscope for Opaque Speci
mens”、Proc. Inst. Elec. Eng. (London) Pt. B 100
245-259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にはカラー（collar）つまり検出器装
着用環状支持手段２２が装着されている。この環状支持
手段は、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】環状支持手段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４４は、タング
ステン・メッシュ・スクリーン５８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４４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６
１．０ｍｍ）、２．５インチ（約６３．５ｍｍ）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４４用の絶
縁部６８内のトンネル６３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Ｃｅ
ｒａｍａｓｅａｌ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６６から成る。光
ファイバ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、光ファイバ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、検出器は環状
支持手段上に装着され、環状支持手段は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
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
イバの前面に適合する。光ファイバ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Ｋｅｖｌａｒ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２
０８、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 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 (56)参考文献 特開 昭61−88442（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−200546（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−219472（ＪＰ，Ａ)

Claims (18)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】試料からの高エネルギ後方散乱電子を生成
   するために、該試料表面に向けられた電子ビームを生成
   する走査電子顕微鏡と、 上記高エネルギ後方散乱電子を受けて収集するために、
   上記試料に向けられた開口部を有し、上記試料に応じて
   間隔をあけて置かれた、少なくとも２つの検出器と、 を含む、半導体試料検査システムであって、 上記各検出器は、 光ファイバ手段を装着されたハウジングと、 上記ハウジング内に突出する上記光ファイバ手段の一端
   部に装着されたシンチレータ検出器と、 上記開口部内で、上記シンチレータ検出器と同軸に配置
   された接地グリッドと、 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、上記接地グリッドと同軸に配置されたエネルギ・
   フィルタ・グリッドと、 を有することを特徴とする、半導体試料検査システム。
2. 【請求項２】上記各検出器は、 上記開口部と同軸に円錐状の外部円筒ハウジングと、 上記外部ハウジングと共形にテーパされ、上記外部ハウ
   ジングの開口部と同軸の開口部を有する、環状に円錐状
   の内部円筒ハウジングと、 を含み、 上記外部ハウジングと上記内部ハウジングは絶縁部によ
   って間隔を置かれ、 上記外部ハウジングの一端には上記接地グリッドが装着
   され、 上記内部ハウジングの一端には上記エネルギ・フィルタ
   ・グリッドが装着され、 上記内部ハウジングの他端には上記絶縁部と上記光ファ
   イバ手段を装着する手段とを有していることを特徴とす
   る、請求項１記載の半導体試料検査システム。
3. 【請求項３】上記各シンチレータ検出器は、上記光ファ
   イバ手段と心合わせして装着された高電圧電子コレクタ
   を含み、該コレクタは電子収集のためのテーパされた装
   着面と、上記光ファイバ手段を装着するためのスルーホ
   ールを有することを特徴とする、請求項１記載のシステ
   ム。
4. 【請求項４】上記各検出器は、１つの円筒ハウジングを
   含み、該ハウジングは、内面と外面に金属コーティング
   を施された絶縁材料を有し、 上記接地グリッドは上記ハウジングの上記内面の金属表
   面に装着され、上記エネルギ・フィルタ・グリッドは上
   記ハウジングの上記絶縁材料に装着されていることを特
   徴とする、請求項１記載のシステム。
5. 【請求項５】上記走査電子顕微鏡に検出器を装着する手
   段をさらに含む、請求項１記載のシステム。
6. 【請求項６】上記装着手段が、上記走査電子顕微鏡に装
   着された環状支持手段を含み、該環状支持手段に１組の
   アームが枢軸回転可能に装着され、上記各ハウジングが
   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
   ングを旋回できることを特徴とする、請求項５記載のシ
   ステム。
7. 【請求項７】密閉チャンバをさらに含み、 上記装着手段は、上記チャンバ壁から内側へ突出したア
   ームを含むことを特徴とする、請求項５記載のシステ
   ム。
8. 【請求項８】上記各アームは、上記ハウジングを枢軸回
   転可能に移動させる手段を含み、該移動によって、上記
   検出器の焦点が移動して上記電子ビームの焦点と一致す
   ることを特徴とする、請求項７記載のシステム。
9. 【請求項９】上記接地グリッドと上記エネルギ・フィル
   タ・グリッドとの間に電位差を生じさせる手段をさらに
   含む、請求項１記載のシステム。
10. 【請求項１０】高エネルギ後方散乱電子を生成するため
    に、電子ビームを生成し、試料表面に該電子ビームを合
    焦する、電子ビーム生成手段と、上記高エネルギ後方散乱電子を収集するように、 互いに
    間隔をあけて、上記試料に向けて置かれ、それぞれがエ
    ネルギ・フィルタ手段を有する、少なくとも２つの検出
    器と、 を含む試料検査システムであって、 上記各検出器は、一組の、共通の中心軸を持った、ほぼ
    共形の同心でテーパされた円錐状部材を含み、 内部円錐状部材は、シンチレータ及び上記エネルギ・フ
    ィルタ手段を保持し、 外部円錐状部材は接地グリッドを保持し、 上記各円錐状部材は、共通の中心軸で対称の開口部を有
    することを特徴とする、 定量分析のためのトポグラフィ・データを提供する、試
    料検査システム。
11. 【請求項１１】上記各検出器は、 ハウジングと、 上記ハウジングに配置され、上記試料に向けられた、光
    学手段と、 上記光学手段に装着された上記シンチレータと、 上記シンチレータと上記試料との間に配置された、上記
    接地グリッドと、 を含むことを特徴とする、請求項１０記載のシステム。
12. 【請求項１２】上記エネルギ・フィルタ手段は、上記シ
    ンチレータと上記接地グリッドとの間に配置された、静
    電抑制電位グリッドを含む、請求項１１記載のシステ
    ム。
13. 【請求項１３】上記光学手段は、上記試料の像を提供す
    る光ファイバを含む、請求項１１記載のシステム。
14. 【請求項１４】上記各検出器は、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、 上記接地グリッドは、上記内側の金属コーティングと電
    気的に接触して、上記シェルに装着されており、上記エ
    ネルギ・フィルタ手段は、上記絶縁材と接触して装着さ
    れていることを特徴とする、請求項１０記載のシステ
    ム。
15. 【請求項１５】上記シェルの一端に絶縁プラグと、該プ
    ラグ内に置かれた上記シンチレータとをさらに含む、請
    求項１４記載のシステム。
16. 【請求項１６】電子ビームを生成するステップと、 上記電子ビームを試料表面に合焦させて、高エネルギ後
    方散乱電子を生成するステップと、 互いに間隔をあけて上記試料に向けて置かれた、少なく
    とも２つの検出器によって、高エネルギ後方散乱電子
    を、該検出器の有する接地グリッドを介して収集するス
    テップと、 上記収集された高エネルギ後方散乱電子を、上記各検出
    器の有するエネルギ・フィルタ手段を介して検出し、出
    力信号を生成するステップと、 を含む試料検査方法。
17. 【請求項１７】上記出力信号を処理して、上記試料のト
    ポグラフィに関する３次元情報を提供するステップをさ
    らに含む請求項１６記載の方法。
18. 【請求項１８】上記接地グリッドと上記エネルギ・フィ
    ルタ手段とは、同軸に配置され、かつそれらの間に電位
    差を維持するステップを含むことを特徴とする請求項１
    ６記載 の方法。