JPH0843331A

JPH0843331A - Ｘ線分析方法および装置

Info

Publication number: JPH0843331A
Application number: JP6176415A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Ninomiya; 健二宮; Itsuki Sudo; 敬己須藤; Tokuo Kure; 得男久▲禮▼
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-07-28
Filing date: 1994-07-28
Publication date: 1996-02-16

Abstract

(57)【要約】【目的】微細孔底面の残膜を高精度に分析できるＸ線
分析装置を提供する。【構成】電子源１からの電子線８を加速、収束して試
料６表面に照射し、発生したＸ線９を検出ヘッド１１で
検出する。電子線８の照射位置の変化を偏向コイル５’
で補正すると共に、試料６への電子線８の入射電流量や
入射エネルギーの変化を補正することもできる。【効果】Ｘ線測定中の電子線照射位置や入射電流量、
入射エネルギーを一定に保つことができるため、残膜分
析を高精度に行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は表面分析技術に係り、特
に微細孔を有する試料表面の分析に優れたＸ線分析装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子の高集積化に伴い、高精度の
微細加工技術が要求されている。たとえば、２５６Ｍｂ
ＤＲＡＭの製作では、直径０．２μｍ、深さ約２μｍの
微細なコンタクトホールの加工が要求されている。この
ような高精度微細加工を行なうためには、加工の正確さ
を検査、判定できる計測技術が必要である。上記計測技
術のうち、コンタクトホール等微細孔底面の残留薄膜
（残膜）の有無を判定できる計測技術が特に重要視され
ている。コンタクトホール底面に残膜が存在する場合、
導通不良を引き越し重大なデバイス不良につながるから
である。

【０００３】微細孔底面の残膜の有無を検出する計測技
術として、微細孔内の分析方法および装置が特願平４−
２５７７８９号に開示されている。この分析装置では、
微細孔内の残膜に細く収束した電子線を照射して、電子
線照射により残膜から発生したＸ線（あるいは蛍光Ｘ
線）を観測する。このＸ線観測時に、電子線中心軸から
２０°以内にＸ線検出器のＸ線受光面の一部もしくは全
部を設置することにより、残膜からの低エネルギーＸ線
を検出でき、残膜の種類と膜厚の測定、すなわち残膜の
定性、定量分析が可能である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】定性、定量分析では、
分析の信頼性が重要である。残膜計測を例にとれば、残
膜の種類や膜厚を精度よく求めなければならない。たと
えば、残膜厚の測定では、１〜数ｎｍの測定精度が必要
である。このような高精度分析を行なうためには、試料
表面上での電子線の照射位置、試料表面への電子線入射
電流や入射エネルギーの安定性が不可欠である。

【０００５】電子線照射時に照射位置が変化した場合、
電子線が微細孔側壁に照射される可能性がある。残膜と
側壁とは同一物質で構成されることが多く、電子線が側
壁に照射されると残膜と同種のＸ線が発生するため、底
面に残膜が存在しない場合でも、残膜有と誤って判定す
る可能性がある。また、Ｘ線の発生強度は残膜に照射さ
れる電子線の電流や入射エネルギーの関数である。従っ
て、Ｘ線の測定中にこれらが変化するとＸ線の測定強度
が変化し、Ｘ線強度から求められる残膜厚の信頼性が大
幅に低下する。ここに述べた照射位置の変化や入射エネ
ルギーの変化に関しては、試料表面が帯電する試料、た
とえばフォトレジストのような絶縁物試料上に作られた
微細孔を観察する場合に特に顕著である。

【０００６】このように、電子線の照射位置や入射電
流、入射エネルギーの安定性が、残膜の高精度分析に不
可欠である。しかし、従来方法や装置では、これらの安
定性に対する配慮が成されていないため、測定の信頼性
が低く、高精度の残膜分析は困難である。本発明の目的
は、電子線照射位置や入射電流、入射エネルギーの変化
をＸ線の測定途中で測定、補正することにより、これら
の影響を最小限に抑え、残膜分析を信頼性よく行なうこ
とが可能なＸ線分析装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、試料表面への電子線の加速、収束手段、電子線照射
により発生したＸ線の観測手段、試料の保持手段と位置
制御手段、試料表面上の電子線照射位置のモニタ手段と
補正手段、試料への電子線入射電流と入射エネルギーの
モニタ手段と補正手段とを設けた。

【０００８】

【作用】特願平４−２５７７８９号で述べられているよ
うに、微細孔底面の残膜からのＸ線を検出するために
は、電子線中心軸から２０°の範囲内でＸ線を観測する
ことが不可欠である。本発明におけるＸ線の観測手段
も、Ｘ線受光面の一部もしくは全部がこの領域内に設置
されている。Ｘ線の観測手段としては、Ｘ線のエネルギ
ー分析が可能な手段であれば任意の観測手段でよい。た
とえば、Ｓｉ（Ｌｉ）のような固体（半導体）Ｘ線検出
器、あるいは多層膜反射鏡や回折格子とＸ線検出器との
組合せでよい。多層膜反射鏡や回折格子等の分光素子を
用いる場合には、これら分光素子のＸ線受光面の一部も
しくは全部、あるいはこれら分光素子にＸ線を導く光学
素子のＸ線受光面の一部もしくは全部が電子線中心軸か
ら２０°の範囲内に入るよう、分光素子や光学素子が設
置されているものとする。

【０００９】本発明では、試料表面上の電子線照射位置
のモニタ手段と補正手段とを用いて、（たとえば試料表
面が帯電した場合でも）微細孔底面の残膜に位置精度よ
く電子線を照射することが可能である。このモニタ手段
としては、たとえば、試料表面のＳＥＭ像（電子線走査
像）を観測して、観測された像同士の比較から像移動量
（すなわち電子線照射位置の変化量）を求める方法が考
えられる。また、電子線照射位置の補正手段としては、
電子線用の偏向コイルを用いればよい。具体的には、微
細孔底面への収束電子線の固定照射によるＸ線の測定途
中で、Ｘ線測定を中断して試料表面上で電子線を走査
し、試料表面のＳＥＭ像を観察する。次に、このＳＥＭ
像を１回前に観察されたＳＥＭ像と比較して像移動量を
求め、移動量に相当する距離だけ電子線を偏向して（す
なわち電子線照射位置を補正して）固定照射を行ない、
再びＸ線の測定を行なう。このようなＳＥＭ像観察と比
較、および電子線照射位置の補正をＸ線の測定途中に必
要回数自動的に行なうことにより、微細孔底面の所望の
位置に常に電子線を照射でき、微細孔側壁への不要な電
子線照射による分析精度の低下を防止することができ
る。

【００１０】上記説明では、像移動量の把握にＳＥＭ像
を用いたが、電子線走査に伴うＸ線のマッピングから得
られるＸ線像を観測して比較しても、像移動量の把握が
可能である。また、像移動量が大きい場合には、電子線
偏向の代わりに、試料の保持手段と位置制御手段（たと
えば電気的に制御された試料ステージ等）を用いて試料
そのものを微小移動して、電子線照射位置を補正するこ
ともできる。

【００１１】さらに、本発明では、電子線入射電流や入
射エネルギーの自動モニタ手段および自動補正手段を用
いて、Ｘ線測定途中で試料への電子線の入射電流や入射
エネルギーの補正が可能である。最も簡単な電子線入射
電流のモニタ、補正方法は、試料の保持手段を電気的に
浮かせて、試料に入射する電流をたとえば電流計を用い
て測定し、入射電流が一定になるように、電子源のフィ
ラメント電流や電子引き出し電圧を自動制御することで
ある。この方法は導電性試料に対して有効な方法であ
る。

【００１２】試料が絶縁物の場合には、上に述べた試料
電流の測定が困難なため、電子源から試料に至る電子線
経路途中にたとえばアパーチャ等を設置して、これに流
れる電流を測定すればよい。この場合、試料への入射電
流全体を測定する訳ではないが、入射電流の相対変化を
知ることは可能である。この相対変化をもとに、先に述
べたと同様の方法を用いて、入射電流を一定に保つこと
ができる。

【００１３】絶縁物試料に電子線を照射すると試料表面
が帯電して表面電位が変化するため、試料に入射する電
子線の実効エネルギーが変化する（通常の電子線照射装
置では、電子線の加速電圧すなわち入射エネルギーは、
試料表面が接地電位にあるとして設定されている）。本
発明では、この電子線入射エネルギーの自動測定および
自動補正も可能である。入射エネルギーのモニタ手段と
しては、試料の表面電位が測定可能な手段であればよ
い。たとえば、表面電位計を電子線照射領域の近傍に設
置すれば、試料表面の帯電による電位を容易に測定でき
る（試料への入射エネルギーはこの表面電位分だけ変化
している）。さらに、観測されたＸ線スペクトルにおけ
る制動輻射部分の最高エネルギー値から、表面電位を見
積もることもできる。電子線照射により試料から発生す
る制動輻射光（Ｘ線）のエネルギーの最高値は、試料へ
の電子線の入射エネルギー値に等しい。従って、制動輻
射光の最高エネルギー値をＸ線スペクトルから読み取る
ことにより、試料表面への電子線の入射エネルギーを求
めることが可能である。Ｘ線スペクトル観測手段の制御
装置に、必要な電子回路あるいは計算機プログラムを内
蔵することにより、最高エネルギー値の読み取りを容易
に行なうことができる。以上述べたような手段を用い
て、Ｘ線の測定途中に電子線入射エネルギー（実効加速
電圧）を自動測定し、最初の加速電圧設定値との差を求
め、電子線加速、収束手段にフィードバックすることに
より、試料表面への入射エネルギーを常に一定に保つこ
とができる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例を図を用いて説明す
る。

【００１５】＜実施例１＞本発明の最も基本的な実施例
の一例を図１に示した。図では、電子源１からの電子線
８が電極２、コンデンサレンズ３、対物レンズ４を通過
して、試料６に照射されている。ここで、電極２は電子
線８に所望の加速エネルギーを与えると同時に、コンデ
ンサレンズ３および対物レンズ４と組み合わされて一連
の電子レンズ系を構成し、微細電子線を形成する役目を
果たす。電子線８の照射により試料６から発生したＸ線
９は、コントローラ１４で制御されたＸ線検出器１０の
検出ヘッド１１（Ｘ線受光面）に入射して検出される。
先に述べたように、検出ヘッド１１の設置に関しては、
検出ヘッド１１の一部もしくは全部が電子線８の中心軸
から２０°以内（すなわちα≦２０°）に設置されるよ
う、Ｘ線検出器１０の電子レンズ系（鏡体）への挿入、
設置が工夫されている。

【００１６】本装置を用いて残膜計測を行なう手順を、
図２に示したシーケンスを用いて説明する。まず、試料
６表面の分析位置を定めるため、試料６表面のＳＥＭ像
を観察する（Ａ）。この観察では、制御装置１５からの
電子線走査信号をもとに制御回路１３で偏向コイル５を
制御して、電子線８で試料６の表面を走査し、電子線照
射に伴い発生する２次電子を検出器１２で検出する。制
御装置１５では、電子線８の照射位置に対応した２次電
子検出信号を用いてマッピングを行なうことにより、試
料６表面のＳＥＭ像を得ることができる。

【００１７】得られたＳＥＭ像の一例を図３に示した。
図３は、制御装置１５に接続された表示装置１７の画面
２１上に映し出された試料６表面のＳＥＭ像である。図
３（ａ）に示したように、この画面２１上で、残膜計測
すべき微細孔２２の中心にカーソル線２３を合わせて電
子線８の照射位置（すなわち分析位置、点Ｐ）を決定
（図２（Ｂ））した後、電子線８の固定照射を開始し、
先に述べたＸ線測定手段を用いてＸ線測定を行なう
（Ｃ）。ここで、電子線８の照射位置は制御装置１５に
接続された記憶装置１６に記憶されている。一定時間Ｘ
線測定を行なった後、コントローラ１４によりＸ線検出
器１０を制御してＸ線測定を中断し（Ｄ）、Ｘ線測定の
続行、終了を判断する。この判断に関しては、たとえ
ば、あらかじめＸ線測定の繰返し回数を制御装置１５に
入力しておき、この回数との比較で判断してもよい。Ｘ
線測定を続行する場合には、電子線８で試料６表面を再
び走査して、試料６表面のＳＥＭ観察を行う（Ｅ）。次
に、このＳＥＭ像を、時間的に最も直近で得られている
ＳＥＭ像（たとえば、図２において、ＳＥＭ像（Ｂ）、
あるいはＸ線測定を既に複数回繰り返している場合は、
１回前のＳＥＭ像（Ｅ））と比較することにより、その
間の像移動量（すなわち電子線８の照射位置の変化量）
を求めることができる（Ｆ）。

【００１８】この移動量の求め方を、図２（ｂ）を用い
て具体的に説明する。図２（ｂ）はＸ線測定中断後の試
料６表面のＳＥＭ像である。電子線８の固定照射前（図
２（ａ））には画面２１の中央にあった微細孔２２が、
電子線照射後には、画面２１の左下に移動している（こ
の原因は、たとえば、試料６表面の帯電等である）。こ
の微細孔２２の中心（点Ｐ）へのカーソル線２３の設定
は、記憶装置１６にあらかじめ記憶されたパタン情報を
もとに自動的に行なわれる。さらに、像移動後の微細孔
２２の中心位置が記憶装置１６に記憶される。制御装置
１５では、先に記憶されている微細孔２２の中心位置と
比較することにより、電子線８の固定照射後の像移動量
ｌと移動方向（図３（ｂ）矢印）とを求めることができ
る（図２（Ｆ））。この移動量と移動方向を補正するよ
うに、すなわち微細孔２２が画面２１の中心に来るよう
に、制御装置１５からの信号をもとに制御回路１３を介
して偏向コイル５’を制御して、電子線８の照射位置を
自動的に補正する（Ｇ）。その後、電子線８の固定照射
を再開してＸ線測定を行う。以上の操作を所望回数繰り
返すことにより、常に電子線８を所望の位置に確実に照
射しながらＸ線測定を行うことができる。ここで、偏向
コイル５、５’の位置に関しては、Ｘ線９の測定の妨げ
にならない限り、必要に応じて自由に変更可能であるも
のとする。

【００１９】本実施例では、Ｘ線測定中の電子線８の入
射電流や入射エネルギーの変化も自動的に測定、補正す
ることが可能である。試料６が設置されている試料ステ
ージ７は電気的に絶縁されており、試料６に入射する電
子線８の電流値を電流計１８で測定することができる。
電流計１８からの電流測定信号は制御装置１５に入力さ
れている。試料６への入射電流が変化した場合、制御装
置１５からの信号をもとに、コントローラ１９が電子源
１内のフィラメント電流あるいは電子引き出し電圧等を
制御して、試料６への入射電流を一定に保つことができ
る。

【００２０】電子線８の試料６への入射エネルギーを一
定に保つ方法としては、以下に述べる方法を採用してい
る。本実施例では、Ｘ線検出器１０で測定されるＸ線ス
ペクトルの制動輻射光の最高エネルギー値から、電子線
８の試料６への実効入射エネルギーを測定することがで
きる。この測定に必要な電子回路や計算機プログラム
は、コントローラ１４や制御装置１５に含まれている。
この入射エネルギーの測定値をもとに、たとえばコント
ローラ２０を制御して電極２への印加電圧を変化させる
ことにより、Ｘ線測定中の試料６への入射エネルギーを
一定に保つことができる。ここで、電極２はコンデンサ
レンズ３および対物レンズ４と共に、電子レンズ系を構
成している。従って、電極２への印加電圧を変化させた
場合、装置全体の像分解能（あるいは電子線８のビーム
径）や試料６への入射電流が変化する場合がある。この
ような場合には、制御装置１５を用いて、（図示されて
いないが）コンデンサレンズ３や対物レンズ４の励磁電
流や電子源１を同時に制御することにより、像分解能や
入射電流が変化しないように、装置全体を制御できるも
のとする。

【００２１】本実施例によれば、Ｘ線測定時における電
子線８の照射位置の変化を自動的に測定、補正すること
ができる。さらに、電子線８の試料６への入射電流や入
射エネルギーの変化も同じく自動的に測定、補正するこ
とができる。このため、これらの変化の影響を最小限に
抑え、微細孔底面の残膜分析を高精度に行うことができ
る。

【００２２】＜実施例２＞本発明の別の実施例を図４に
示した。図４では、電子線８の照射位置の補正を、偏向
コイル５’と試料ステージ３０とで行うことができる。
試料ステージ３０には制御装置１５で制御された移動機
構３１が設置されており、ｎｍオーダの微小移動が可能
である。偏向コイル５’と試料ステージ３０とを用いる
ことにより、照射位置の補正量が大きな場合にも対応で
きる。

【００２３】＜実施例１＞では、試料６に流れる電流を
直接測定して、試料６への入射電流が一定になるように
電子源１を制御していた。しかし、この方法は試料６が
導電性の試料である場合に限られ、試料６が絶縁材料か
ら構成されている場合には適用できない。本実施例で
は、この欠点を解消するため、アパーチャ板３２を用い
て電子線８の電流量の測定を行っている。この方法は電
子線８の全電流量を測定する方法ではなく、アパーチャ
板３２に流れ込む（部分的な）電流量を測定する方法で
ある。しかし、アパーチャ板３２に流れる電流量は電子
線８の電流量に比例しているため、本方法により電子線
８の電流量の変化を測定することが可能である。このよ
うな測定方法を用いることにより、試料６の材質によら
ずに電子線８の電流量の変化を測定することができ、Ｘ
線測定中の試料６への電子線８の入射電流を一定に保つ
ことができる。本実施例では、アパーチャ板３２をコン
デンサレンズ３の下方に設置しているが、Ｘ線測定を妨
げない限り、その設置位置を任意に選定できることは言
うまでもない。さらに、Ｘ線測定中の入射電流値の変化
を抑えるために、電子源１をＴＦＥ（熱電界放出型）電
子源にすることも可能である。ＴＦＥ電子源は他の電子
源に比べて極めて安定性がよいため、高精度のＸ線測定
が可能である。このＴＦＥ電子源を採用した場合でも、
実施例１と同じく、コントローラ１９を介して制御装置
１５により電子源１を制御可能であるものとする。その
他の部分に関しては実施例１と同じである。

【００２４】本実施例においても、＜実施例１と＞同じ
効果が得られる。

【００２５】＜実施例３＞実施例１および２では、Ｘ線
スペクトル中の制動輻射光の最高エネルギー値から、電
子線８の試料６への入射エネルギーを求めていた。しか
し、先に述べたように、試料６の表面電位からこの入射
エネルギーを求めることも可能である。本実施例はこの
ような実施例の一例である。

【００２６】図５に示された装置では、微小領域の表面
電位を測定できる表面電位計４０が、試料６表面の電子
線８の照射領域近傍に設置されている。具体的には、表
面電位計４０のプローブ用探針４１が、試料６表面の電
子線照射領域近傍に接触されている。この探針４１によ
り、電子線照射領域の表面電位の測定が可能であり、測
定結果は制御装置１５に出力されている。制御装置１５
では、この測定結果をもとに、試料６表面に対する電子
線８の実効入射エネルギーを計算して（すなわち、試料
６表面の電位分だけ実効入射エネルギーが変化してい
る）、入射エネルギーの変化分を補正するようにコント
ローラ２０を制御することができる。その他の部分に関
しては、他の実施例と同じである。

【００２７】本実施例においても、実施例１および２と
同等の効果を得ることができる。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、Ｘ線観測時における電
子線の照射位置や試料への入射電流の変化、あるいは電
子線の入射エネルギーの変化を自動的に測定して補正す
ることができる。この結果、これらの変化のＸ線測定へ
の影響を最小限に抑えることができ、微細孔底面の残膜
分析を高精度に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す装置構成図である。

【図２】本発明におけるＸ線測定のシーケンスを示す図
である。。

【図３】表示装置の画面上に表された微細孔のＳＥＭ像
を示す図である。

【図４】本発明の一実施例を示す装置構成図である。

【図５】本発明の一実施例を示す装置構成図である。

【符号の説明】

１…電子源１、２…電極、３…コンデンサレンズ、４…
対物レンズ、５、５’…偏向コイル、６…試料、７…試
料ステージ、８…電子線、９…Ｘ線、１０…Ｘ線検出
器、１１…検出ヘッド、１２…検出器、１３…制御回
路、１４…コントローラ、１５…制御装置、１６…記憶
装置、１７…表示装置、１８…電流計、１９、２０…コ
ントローラ、２１…画面、２２…微細孔、２３…カーソ
ル線、３０…試料ステージ、３１…移動機構、３２…ア
パーチャ板、３３…電流計、４０…表面電位計、４１…
探針。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電子線の加速手段、電子線の試料表面への
収束手段と照射手段、試料の微小移動手段、電子線照射
により発生したＸ線を電子線の中心軸から２０°の範囲
内で定義される領域内で測定可能なＸ線測定手段、試料
表面上での電子線照射位置の自動モニタ手段と自動補正
手段とを備えたことを特徴とするＸ線分析装置。
【請求項２】上記自動補正手段が、自動モニタ手段で測
定された電子線照射位置の変化を補正する方向に働くこ
とを特徴とする請求項１に記載のＸ線分析装置。
【請求項３】電子線照射位置の変化を、試料表面の２次
電子像のＸ線測定前後での比較から求めることを特徴と
する請求項２に記載のＸ線分析装置。
【請求項４】上記自動補正手段が制御された電子線の偏
向手段、もしくは制御された試料の微小移動手段である
ことを特徴とする請求項２に記載のＸ線分析装置。
【請求項５】試料への電子線入射電流の自動測定手段と
自動補正手段、および試料への電子線入射エネルギーの
自動測定手段と自動補正手段とを設けたことを特徴とす
る請求項１に記載のＸ線分析装置。
【請求項６】上記電子線入射電流の自動補正手段が、自
動測定手段で測定された入射電流の変化を補正する方向
に働くことを特徴とする請求項に５記載のＸ線分析装
置。
【請求項７】上記電子線入射電流の自動測定手段が、試
料に電気的に接続された電流測定手段、もしくは電子線
経路中に設置されたアパーチャとこれに接続された電流
測定手段であることを特徴とする請求項６に記載のＸ線
分析装置。
【請求項８】上記入射電流の自動補正手段が、電子源の
フィラメント電流あるいは電子源内部の電子引き出し電
流の調節手段であることを特徴とする請求項６に記載の
Ｘ線分析装置。
【請求項９】上記電子線入射エネルギーの自動補正手段
が、自動測定手段で測定された入射エネルギーの変化を
補正する方向に働くことを特徴とする請求項５に記載の
Ｘ線分析装置。
【請求項１０】上記電子線入射エネルギーの自動測定手
段が、試料の表面電位の測定手段、もしくはＸ線スペク
トル中の制動輻射光の最高エネルギー値の解析手段であ
ることを特徴とする請求項９に記載のＸ線分析装置。
【請求項１１】上記電子線入射エネルギーの自動補正手
段が電子線経路中に設置された制御電極であることを特
徴とする請求項９に記載のＸ線分析装置。