JPS63299040A - 表面分析方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はＬＳＩ製造時のバタン検査等に用いられる荷電
ビーム装置を利用した表面分析法および表面分析装置に
関するものである。

［従来の技術］ 走査型電子顕微鏡ｃ以下ＳＥＭ）に代表される荷電ビー
ム装置は非接触かつ高分解能の表面観察手段として幅広
く用いられるようになってきた。このような荷電ビーム
装置の大きな適用分野としてＬＳＩ製造時のバタン検査
が考えられる。

ＬＳＩは主として、論理動作等を司どる能動素子部とＬ
ＳＩとしての機能を実現させるためにこれらを有機的に
結合する電極配線部とで構成され、各層がクエへ単位の
一括処理で形成される積層構造になっている。すなわち
％ＬＳＩは上記各層を形成する複数の工程を繰り返して
製造される。従って、ＬＳＩ製造完了時に目標とする電
気的特性と歩留りを確保するにはバタン形成工程（レジ
ストの露光・現像、エツチング等）完了毎にパタン検歪
を行うことが不可欠である。

このようなＬＳＩのバタン検査では、試料にダメージを
与えずに高精度な表面観察ができることが要求されるた
め、従来の光学顕微鏡の代わりに専らＳＥＭが用いられ
るようになフてきた。

第１２図はＳＥＭを用いたバタン検査装置の一般的構成
を示す。同図において、１は電子銃、２はコンデンサレ
ンズ、３は対物レンズ、４はアパーチャ、５は偏向器、
６はステージ、７はＬＳＩデバイス等の試料、８は電子
銃１から放出される電子ビーム、９は該電子ビームで試
料７を照射したとき試料の表面から放出される二次電子
、ｌＯは二次電子検出器、１１は電子銃１の直流電圧源
、１２と１３は各々コンデンサレンズ２および対物レン
ズ３を励磁する直流電流源、１４は偏向器５を制御する
走査回路、１５はステージ６の移動を制御するステージ
制御回路、１６はコンソールで、これを手動で操作する
ことにより、直流電圧源１１を介し電子ビーム８の加速
電圧を設定し、直流電流源１２と１３を介しコンデンサ
レンズ２および対物レンズ３の励磁な調整して電子ビー
ム８のビーム電流値の設定と焦点合わせをおこない、走
査回路１４とステージ制御回路１５を介して電子ビーム
８の試料フの表面における電子ビーム８の照射位置と走
査条件（方向、幅、速度）を設定する。１７は画像処理
装置、１８は画像処理装置内に設けられたＣＲＴ等の表
示器、１９は画像処理装置の制御装置である。

以下、第１２図を用いてバタン検査の手順を説明する。

コンソール１Ｂの走査により電子ビーム８で試料７の表
面すなわちＬＳＩデバイス表面を走査せ、これによって
放出される二次電子９を二次電子検出器ｌＯで収集し、
画像処理装置１７で各走査毎にＬＳＩデバイスのバタン
形状に対応して変化する二次電子波形を二値化して電子
ビーム８の走査領域に含まれるＬＳＩデバイスのバタン
の二値化画像データを形成し、制御装置１９により予め
画像処理装置１７内にロードされた電子ビーム８の走査
領域に含まれるＬＳＩデバイスのバタンの設計データと
比較照合し、ＬＳＩデバイスのバタン形状の良否を判定
する。

［発明が解決しようとする問題点］ 第１３図および第１４図は第１２図に示したバタン検査
装置の問題点を説明する図である。第１３図において、
１００は正常に形成された電極配線バタンを有する構造
である。ここで、１０１は基板、１０２は絶縁層、１０
３は絶縁層１０２上に形成された電極配線バタン、１０
４は第１２図における電子ビーム８が電極配線バタン１
０３を走査するときの走査線、１０５は電子ビーム８が
走査線１０４を走査するときに得られる電極配線バタン
７３の二次電子波形、１０６は二次電子波形を基準レベ
ルｖｔｈで二値化した波形で、この処理は上記したよう
に第１２図の画像処理装置１７で実行される。他方、第
１４図において１０７は電極配線バタン１０３上に例え
ばレジストなどの薄膜残りがある電極配線バタンを有す
る構造、１０８は薄膜残り、１０９は走査線１０４を走
査するときに得られる薄膜残りがある電極配線バタン１
０３の二次電子波形、１１０は二次電子波形の二値化波
形である。

さて、１０８に示すような薄膜残りは、不良デバイスの
原因となるためデバイス製造途中におけるバタン検査時
にその存在の有無を確実に把握することが重要である。

しかるに、二次電子波形な二値化してバタン形状の評価
をする上記従来方法では第１４図に示すように薄膜残り
がある電極配線バタンの二値化波形１００は正常に形成
された電極配線バタンの二値化波形１０６と同−梃なり
、薄膜残り１０８を検出することができなかった。また
、二値化する前の各々の二次電子波形１０５と１０９を
第１２図のＣＲＴ１８にＳＥＭ像として表示して比較し
ても薄膜残り１０８を検出することは困難であった。

本発明は上述した従来の欠点を克服し、バタン検査に使
用可能な荷電ビーム装置を用いた表面分析法および表面
分析装置を提供することを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ このような目的を達成するために本発明の表面分析法は
、加速電圧を変化させて荷電ビームを試料表面の被分析
部へ照射する工程と、被分析部から放出される二次電子
の時間による変動成分から定義される二次電子雑音量と
加・速電圧との相関特性を得る工程と、二次電子雑音量
を各加速電圧における荷電ビームのビーム電流値で除し
て正規化する工程と、荷電ビームの照射によって試料か
ら流出する電流を監視し、流出電流が零になる加速電圧
に対応する正規化二次雑音量音量で正規化された二次電
子雑音量の特性を再度正規化する工程と、再度正規化さ
れた二次電子雑音量の特性から試料面の被分析部の材質
を特定しまたは判定する工程とを含むことを特徴とする
。

また本発明の表面分析方法は一ビーム電流を一定に保ち
ながら加速電圧を変化させて荷電ビームを試料表面の被
分析へ照射する工程と、被分析部から放出される二次電
子の時間による変動成分から定義される二次電子雑音量
と加速電圧との相関特性を得る工程と、荷電ビームの照
射によって試料から流出する電流を監視し、二次電子雑
音量を流出電流が零になる加速電圧に対応する二次電子
雑音量で、正規化する工程と、正規化された二次電子雑
音量の特性から試料面の被分析部の材質を特定しまたは
判定する工程とを含むことを特徴とする。

本発明の表面分析装置は、荷電ビームを試料表面上の所
定部へ照射せしめる手段と、荷電ビームの加速電圧を変
化せしめる手段と、荷電ビームのビーム電流値を算出す
る手段と、荷電ビームの照射部から放出される二次電子
量を検出する手段と二次電子量の時間変化成分を二次電
子雑音量として検出する手段と、各加速電圧における荷
電ビーム照射時の二次電子雑音量をビーム電流値で除し
て正規化する第１の正規化手段と、荷電ビームの照射に
よって試料から流出する電流を監視し、流出電流が零に
なる加速電圧に対応する正規化二次雑音量によって、正
規化された二次電子雑音量を再度正規化する第２の正規
化手段とを含んでなることを特徴とする。

また本発明の表面分析装置は荷電ビームを試料表面上の
所定部へ照射せしめる手段と、荷電ビームの加速電圧を
変化せしめる手段と、荷電ビームの電流値を一定に保つ
手段と、荷電ビームの照射部から放出される二次電子量
を検出する手段と、二次電子量の時間変化成分を二次電
子雑音量として検出する手段と、荷電ビームの照射によ
って試料から流出する電流を監視し、二次電子雑音量を
流出電流が零になる加速電圧に対応する二次電子雑音量
によって正規化する正規化手段とを含んでなることを特
徴とする。

［作　用］ 本発明は荷電ビームを試料表面に走査して得られる二次
電子波形に重畳する二次電子雑音、すなわち二次電子の
時間的変化による高周波成分が試料表面の二次電子放出
比に比例することに著目してなされたものである。二次
電子放出比の荷電ビーム加速電圧依存性は材質によって
異なることが知られている０本発明は二次電子雑音量の
加速電圧依存性から被測定試料の表面材質の判定を行う
ものであり、表面の形状９寸法等のバタン検査に用いら
れてきた二次電子を利用して表面材質の判定が可能であ
る。

特に本発明によれば、試料表面から流出する吸収電流を
監視し、加速電圧に依存する二次電子雑音量を吸収電流
が零になる加速電圧に対する二次電子雑音量で正規化す
るので、二次電子雑音量の加速電圧依存性から測定系に
由来する項を消去できる。従って材質に固有の二次電子
放出比特性と等しい値をもつ正規化二次電子雑音量特性
を得て、材質の判定を行うことができる。

本発明により、製造途中にあるＬＳＩデバイスの表面分
析を、単一の検査装置でバタン形状評価と並行して実施
できる。

［実施例］ 以下に図面を参照して本発明の詳細な説明する。

本発明において、荷電ビームによる試料面の走査は必ず
しも必要でなく、固定点に荷電ビームを照射して分析を
行うことも可能であるが、ＳＥＭを利用した分析装置に
おいては走査ビームが一般的であるので、以下の説明は
主に走査ビームを例として行う。

Ｘ族■ユ 第１図は本発明の表面分析装置の実施例のブロック図、
第２図は二次電子雑音量の説明図、第３図は動作原理を
説明するための図で、二次電子雑音量、ビーム電流、第
１正規化雑音量、吸収電流、ゼロクロス回路出力および
第２正規化雑音量と荷電ビーム加速電圧との関係を示し
ている。

第１図において第１２図に示した従来例と同一部分は同
一参照番号を付して説明を省略する。２０は計算機で、
直流電源１１を制御し、荷電ビームの加速電圧を変化さ
せる。２０＾はプリンタ、２０Ｂは記憶装置である。２
１は二次電子雑音量を正規化し、かつ正規化された二次
電子雑音量を蓄積するための正規化処理回路で、その具
体的構成例は後述する。２２は雑音計でその入力はコン
デンサ２３を介し二次電子検出器１０の出力と交流結合
している。２４は試料表面からの吸収電流の零点を検出
するゼロクロス回路、２５は荷電ビームのビーム電流を
測定する電流計、２６はステージ６上に設置されたファ
ラデー・カップで、ファラデー・カップ２６と電流計２
５とで荷電ビームのビーム電流を測定する手段を構成す
る。２７はスイッチ、２７＾と２７Ｂはその接点を示す
、計算機２０は直流電圧源１１の他、直流電流源１２と
１３、走査回路１４、ステージ制御回路１５、画像処理
装置１７および正規化処理回路２１と接続し、これらを
一元的に制御するため制御信号・データの送受とデータ
の加工・蓄積等の処理を有機的に実行する。

第１２図に示した従来例の説明においては、二次電子雑
音を省略したが、実際には荷電ビームを試料表面に走査
して得られる二次電子波形には高周波の二次電子雑音が
重畳する。第１図において、電子ビーム８で同一成分か
らなる試料７の表面を照射すると試料の表面で二次電子
９が発生する。

第２図に示すように電子ビームの照射を試料表面の走査
範囲３０、すなわち点Ｘ、から点ｘ２までのライン走査
で行い、これによって放出される二次電子９を二次電子
検出器１０で収集しかつ増幅すると、第２図３１に示す
ように試料７の表面形状に対応した二次電子波形が得ら
れる。一般に、二次電子波形３１は試料７の表面形状に
対応して変化する低周波の信号成分３２に高周波の二次
電子雑音３３が重畳した波形になる。二次電子雑音は電
子ビーム８の試料７への照射時に試料表面で二次電子９
が放出される過程で発生するショット・ノイズと二次電
子検出器ｌＯ内の電子・光変換素子、光電子倍増管の各
々で発生するショット・ノイズと熱雑音が相加されたホ
ワイト・ノイズであることが知られている〔走査電子顕
微鏡の基礎と応用、日本電子顕微鏡学会関東支部綿、ｐ
４３、共立出版、１９１１３］　、従って、二次電子雑
音３３の二乗平均値（以下二次電子雑音量という）Ｎを
第１図の二次電子検出器ｌＯとコンデンサ２３を介して
交流結合した雑音計２２で測定すれば、その測定値すな
わち二次電子雑音量Ｎは次式で与えられる［雑音解析、
宮脇−男、ｐ３５、朝食書店、（１９６７）］　。

Ｎ冨２・ｅ−Ｉｇ・ΔＢ　　　　　（１）ここで、ｅは
電子の電荷、１ｇは二次電子検出器ｌＯで収集される信
号電流、ΔＢは二次電子検出器ｌＯ、コンデンサ２３お
よび雑音計２２で構成される検出系の帯域幅である。（
１）式は電子ビーム８の照射を第２図に示すように試料
表面の点Ｘ、から点Ｘ、までのライン走査で行う代わり
に試料表面上の任意の点に荷電ビーム照射点を固定し、
連続照射しても成り立つことは明らかである。

第１図において、計算機２０から直流電圧源１１゜直流
電流源１２と１３．走査回路１４．ステージ制御回路１
５および正規化処理回路２１へ電子ビーム８の照射条件
その他を送信し、電子ビーム８の加速電圧をｖＯ→ｖ１
→ｖ２と連続的に増加させた時、雑音計２２で測定した
二次電子雑音量Ｎが第３図３４に示すようにＮＯ→Ｎｌ
→Ｎ２と変化すれば、この特性上の各二次電子雑音量は
電子ビーム８の加速電圧Ｖｐのみならずビーム電流１ｐ
の関数になる。すなわち、（１）式において、信号電流
Ｉｇは一次電子の後方散乱を考慮しなければ、第１図の
試料７の照射領域からの二次電子量に比例するから Ｎ　、ＭＮ（Ｖｐ、Ｉｐ）−に−δ（Ｖｐ）・ｌｐ　　
　（２）ここで、Ｋは試料７の表面材質に依存しない定
数、δ（Ｖｐ）は電子ビーム８を加速電圧Ｖｐで照射し
た時の試料７の二次電子放出比である。二次電子一 放出比δ（Ｖｐ）は材料に固有の特性であり、δ（Ｖｐ
）の最大値およびδ（Ｖｐ）が最大となる加速電圧Ｖｐ
も材料固有の値をもつことが知られている。すなわち、
二次電子雑音量Ｎ　（Ｖｐ、Ｉｐ）は試料の照射領域か
らの試料固有の二次電子放出比δ（Ｖｐ）とビーム電流
Ｉｐに比例する。ビーム電ｔｔｌｐは電子ビーム２の加
速電圧をｖＯ→Ｖｌ−Ｖ２と連続的に増加させると電子
銃１の輝度が増大するため、第３図３５に示すように■
０→１１→Ｉ２と単調増加する。従って、各加速電圧Ｖ
ｐ毎に二次電子雑音量Ｎ　（Ｖｐ、Ｉｐ）を加速電圧Ｖ
ｐに対応したビーム電流Ｉｐで正規化すれば、第３図３
２に示す二次電子放出比に比例した雑音特性（第１正規
化雑音特性ｎｒ（Ｖｐ）とう）が得られる。第１正規化
雑音特性ｎｒ（Ｖｐ）はｎｒ（Ｖｐ）　ｘ［＊δ（ｖｐ
）−（３）で表される。Ｋはに−ｅ・ΔＢなる定数であ
る。第１正規化雑音特性ｎｒ（Ｖｐ）を得るための正規
化処理としては、以下の（ａ）　、　（ｂ）いずれを用
いてもよい。

（ａ）雑音計２２で測定した二次電子雑音量Ｎ　（Ｖｐ
。

Ｉｐ）を正規化処理回路２１で受信すると同時に、この
時試料７の表面の特定領域を走査している電子ビーム８
のビーム電流値１ｐを計算機２０から読み取って、二次
電子雑音量Ｎ　（Ｖｐ、Ｉｐ）をビーム電流値１ｐで割
る。

（ｂ）二次電子雑音量Ｎ　（Ｖｐ、Ｉｐ）の測定に先行
して、スイッチ２７を接点２７Ｂに切り替えてファラデ
ーカップ２６と電流計２５とを接続して電流値Ｉｐの加
速電圧依存特性を測定し、正規化処理回路２１内のメモ
リに特性を蓄積し、スイッチ２７を接点２７Ａに切り替
えて、二次電子雑音ＪｉｔＮ（Ｖｐ。

Ｉｐ）測定時に各加速電圧Ｖｐ毎に加速電圧Ｖｐに対応
するビーム電流１ｐをメモリから読み出して、二次電子
雑音量Ｎ　（Ｖｐ、Ｉｐ）をビーム電流値Ｉｐで割る。

第３図の３６は加速電圧ＶｐをＶＯ−Ｖｌ→ｖ２と連続
的に変化させて正規化処理回路で収集した第１正規化雑
音特性ｎｒ（Ｖｐ）である、第１正規化雑音特性ＰＧ→
Ｐ１→Ｐ２は（３）式より、試料７の二次電子放出比δ
（Ｖｐ）のに倍になっている。定数には上記式からδ（
Ｖｌ）−１なる加速電圧Ｖｌで電子ビーム８を照射した
時の正規化した二次電子雑音量ｎ　ｔ　（Ｖｌ）　（以
下特定加速電圧に対応する第１正規化雑音特性の正規化
した二次電子雑音量を第１正規化雑音量という。第２正
規化雑音量についても同様とする。）に等しい。

電子ビーム８の加速電圧ＶｐをｖＯ→Ｖｌ→ｖ２と連続
的に変化させた時、試料７の二次電子放出比δ（Ｖｐ）
が６（ＶＯ）＞　１−δ（Ｖｌ）−１−δ（Ｖ２）＜１
と変われば、吸収電流１ｓは第３図３７に示すようにｑ
Ｏ→Ｑｌ−０２と変化し、その極性は正から負に変化す
る。

吸収電流１ｓ＝　Ｏ（Ａ）になるＱｌではδ（Ｖｌ）−
１となり、この時ゼロクロス回路２４は第３図３８に示
す応答信号を出力する。正規化処理回路２１では応答信
号受信時に計算機２０から送信される電子ビーム８の加
速電圧信号と応答信号との論理積をとり加速電圧Ｖｌを
抽出する０次に既に正規化処理回路２１に蓄積された第
３図３６に示す第１正規化雑音特性ＰＯ−ＰＩ−Ｐ２か
ら加速電圧Ｖｌに対応する第１正規化雑音量ｎ＋（−ｎ
ｒ（Ｖｌ））を抽出する。正規化処理回路２１において
、第１正規化雑音量ｎ、で第１正規化雑音特性ｐＯ−ｈ
ｐｔ＝、ｐｚを再び正規化すれば、第３図３９に示すよ
うに試料７の二次電子放出比δ（Ｖｐ）と同形でかつ加
速電圧ｖ１で１になる第２正規化雑音特性ｎ　ｓ　（Ｖ
ｐ）が得られる。換言すると、（３）式より、第３図３
９に示す第２正規化雑音特性ｎ　ｓ　（Ｖｐ）は ｎ　、（Ｖｐ）　　”　ｎ　ｒ（Ｖｐ）　　／　ｎ　ｒ
（Ｖｌ）　　−δ（Ｖｐ）　　（４）となり、試料７の
二次電子放出比δ（Ｖｐ）と同一な特性になる。

先に述べたようにδ（Ｖｐ）は材質に固有な特性なので
、第２正規化雑音特性ｎ　＊　（Ｖｐ）を測定すること
によって、試料の表面材質を特定し、または表面材質が
特定の材質であるか否かの判定を行うことができる。

一次電子の後方散乱を考慮にいれ、二次電子放出比δ（
Ｖｐ）にかえて、二次電子放出比δ（Ｖｐ）と後方散乱
係数ηの和である全敗率ρを用いることもできる。この
時第２正規化二次電子雑音量特性は ｎ＊（Ｖｐ）　　＝ρ（Ｖｐ）　　　　　　　　（５）
となる、この場合の第２正規化雑音は一次電子のの後方
散乱に由来する雑音をも含むものである。

このようにすると、−次電子の後方散乱を考慮にいれた
、より正確な測定が可能になる。

次に正規化処理の具体例について説明する。

第４図は第１図に示した正規化処理回路２１の構成例を
示す、同図において、４０はメモリで４１はそのアドレ
ス領域、４２はデータ領域、４３はアドレスデコーダで
加速電圧値ｖｐを解読してこれに予め付与されたアドレ
スを指定する。データ領域４２では加速電圧値Ｖｐで指
定されるアドレスをもつメモリに第１正規化雑音特性ｎ
　ｔ　（Ｖｐ）または第２正規化雑音特性ｎ　ｓ　（Ｖ
ｐ）が記憶される。４４は第１の正規化手段と第２の正
規化手段を兼ねた除算器、４５は除算器の演算結果を収
納するレジスタ、４６は第１図の試料フの二次電子放出
比δ（Ｖｐ）＝１になる加速電圧値Ｖｌを記憶するレジ
スタ、４７は加速電圧値Ｖｌの時の第１正規化雑音量ｎ
、を記憶するレジスタである。４８は計算機２０から加
速電圧値Ｖｐを受信する信号線、４９は計算機２０から
ビーム電流値１ｐを受信する信号線、５０は第１図の雑
音計２２から二次電子雑音量Ｎ　（Ｖｐ、ｉｐ）を受信
する信号線、５１はゼロクロス回路２４からその応答信
号を受信する信号線、５２は計算機２０へ第２正規化雑
音特性ｎ　＃　（Ｖｐ）を送信する信号線である。５３
はメモリ４０の書き込みと読み出しを指定する制御線、
５４は除算器４４により信号線５０の二次電子雑音量Ｎ
　（Ｖｐ、Ｉｐ）を信号線４９のビーム電流値１ｐで正
規化するタイミングと共に、信号線５１のゼロクロス回
路２４からの応答信゛号と、信号線４８の加速電圧値Ｖ
ｐとの論理積で得られる加速電圧値Ｖｌをレジスタ４６
に収納するタイミングを指定する制御線、５５はレジス
タ４５に収納された演算結果をメモリ４０に書き込むタ
イミングを指定する制御線、５６はレジスタ４６の加速
電圧値ｖ１でメモリ４０をアクセスして第１正規化雑音
量ｎｌを読み出し、これをレジスタ４７に蓄積するタイ
ミングを指定する制御線、５７は信号線４８の加速電圧
値Ｖｐでメモリ４０をアクセスしてメモリに蓄積されて
いる第１正規化雑音特性ｎｒ（Ｖｐ）から加速電圧値Ｖ
ｐに対応する第１正規化雑音量ｎ　ｔ　（Ｖｐ）を読み
出し、除算器４４により第１正規化雑音量ｎ　ｔ　（Ｖ
ｐ）をレジスタ４７の第１正規化雑音量ｎ１で正規化す
るタイミングを指定する制御線、５８は信号線４８の加
速電圧値Ｖｐでメモリ４０をアクセスして該メモリに蓄
積されている第２正規化雑音特性ｎ　＃　（Ｖｐ）から
該加速電圧値ｖｐに対応する第２正規化雑音量ｎ５（Ｖ
ｐ）を読み出し、第２正規化雑音特性ｎ　ｓ　（Ｖｐ）
を計算機２０へ送信するタイミングを指定する制御線で
ある。

従って、信号線４８の各加速電圧値Ｖｐ毎に制御線５４
、制御線５５および制御線５３の書き込み指定を起動す
れば、メモリ４０に第１正規化雑音特性ｎ　ｔ　（Ｖｐ
）が蓄積されると共にレジスタ４６に加速電圧値Ｖｌが
蓄積できる０次に、制御線５６および制御線５３の読み
出し指定を起動すればレジスタ４７に第１正規化雑音量
ｎ、が収納される。さらに、信号線４８の各加速電圧値
Ｖｐ毎に制御線５３に読み出し指定、制御線５７、制御
線５５および制御線５３の書き込み指定を起動すれば、
メモリ４０に第１正規化雑音特性ｎｒ（Ｖｐ）を第１正
規化雑音量ｎ１で正規化した第２正規化雑音特性ｎ　ｓ
　（Ｖｐ）が蓄積される。最後に、信号線４８の各加速
電圧値ｖｐ毎に制御線５３の読み出し指定と制御線５８
を起動すれば、第２正規化雑音特性ｎ　ｓ　（Ｖｐ）を
計算機２０へ送信できる。

第５図は第１図に示した正規化処理回路２１の他の構成
例を示す、同図において、４０〜５８は第４図と同じも
のを示す。５９はビーム電流１ｐを各加速電圧値Ｖｐに
対応させて蓄積するメモリ、８０は第１図の電流計２５
で測定したビーム電流１ｐを受信する信号線、６１はビ
ーム電流１ｐをメモリ５９に書き込むタイミングを指定
する制御線である。

二次電子雑音量Ｎ　（Ｖｐ、Ｉｐ）の測定に先行して、
計算機２０でスイッチ２７を動作させると共に電子ビー
ム８の加速電圧Ｖｐを連続的に変化させ、各加速電圧Ｖ
ｐ毎に制御線６１．制御線５３の書き込み指定を起動す
れば、メモリ５９にはビーム電流１ｐの加速電圧依存特
性が蓄積される０次に、スイッチ２７を接点２７＾に戻
し、上記ビーム電流！ｐの測定時と同一の照射条件で試
料フの表面を照射し、各加速電圧Ｖｐ毎に制御線５３の
読み出し指定（ビーム電流Ｉｐの読み出し）、制御線５
４および制御線５３の書き込み指定を起動すれば、デー
タ部４２に第１正規化雑音特性ｎ　ｔ　（Ｖｐ）が蓄積
される。以降の動作は第４図の正規化処理回路と同様で
ある。

上述したように、−次電子の後方散乱を考慮しなくとも
良ければ、このようにして得られた第２正規化雑音特性
ｎ＊（’Ｖｐ）は試料７の二次電子放出比特性δ（Ｖｐ
）と一致する。従って第２正規化雑音特性ｎ５（Ｖｐ）
から試料７の表面材質を特定し、または試料７の表面材
質が特定の材質であるか否かの判定を行うこ遍がで診る
。この材質の特定または判定は、種々の材料について文
献から得られた二次電子放出比特性、またはあらかじめ
測定された二次電子放出比特性を用い、以下に示す処理
のいずれか一つ、あるいはそれらを組合せて行う。

処理ｌ：第２正規化雑音特性ｎ　＊　（Ｖｐ）と既知の
種々の材質の二次電子放出比δ（Ｖｐ）とを逐次照合す
る。

処理２：二次電子放出比δ（Ｖｐ）の最大値δｍは材質
固有の値をもつことに着目し、これに対応する第２正規
化雑音特性ｎ　［（Ｖｐ）の最大値を抽出し、既知の材
質のδＩと比較する。

処理３：δ（Ｖｐ）−δｌになる加速電圧Ｖ■も材質固
有の値をもつから、第２正規化雑音特性ｎ　ｓ　（Ｖｐ
）の最大値に対応する加速電圧を抽出し、既知の材質の
Ｖｍと比較する。

これらの照合・比較作業は手作業によっても良く、あら
かじめ測定した、あるいは文献から得られた種々の材質
の二次電子放出比特性δ（Ｖｐ）を記憶装置２０＾に記
憶させておき、所定のプログラムに従って計算機２０に
測定結果と記憶内容との照合、比較を行わせてもよい、
測定結果とともに、判定結果をプリンタで打ち出し、ま
たはＣＲＴに表示させることもできる。

測定系によって、−次電子の後方散乱を考慮しなければ
ならない場合は、上述したように（５）式を使用する。

この場合、測定値と比較すべき特性として、全敗率ρの
加速電圧依存特性ρ（Ｖｐ）を種々の標準試料について
あらかじめ実測しておけば、二次電子放出比δ（Ｖｐ）
を基準にした前述の比較操作と全く同様の操作で試料表
面の材質を特定し、または試料表面の材質が特定の材質
であるか否かの判定をすることができる。

第６図および第７図に本発明による測定結果の例を示す
、第６図は鯖＠について、第７図はＳｉｎ、について、
それぞれ正規化処理回路２１として第４図に示した回路
を有する第１図の装置を使用して測一定した第２正規化
雑音特性ｎ　＊　（Ｖｐ）　と全収率特性ρ（Ｖｐ）と
を比較して示している。

これら両図に示すように、第２正規化雑音特性ｎ　ｗ　
（Ｖｐ）　　と全収率特性ρ（Ｖｐ）とは良く一致し、
それぞれ材質に固有の特性を示す。従って第２正規化雑
音の特性から、例えばＬＳＩ製造の各過程において、５
ｉ０２絶縁層、　ＭＯ配線バタン部その他の特定が可能
であり、また配線バタン部上にレジストなどの薄膜残り
が存在する場合、薄膜残りを異物として確認できる。

第１図の装置において、正規化処理回路２１として、第
５図に示した回路を用いても、第６図および第７図に示
したのと全く同じ結果が得られた。

去】１１ス 第８図に本発明の他の実施例のブロック図を示す、第８
図において、第１図および第１２図と同一部分は同一参
照番号を付して説明を省略する。２８は荷電ビームの加
速電圧の連続的な変化に対し、荷電ビームのビーム電流
を一定にするビーム電流制御回路を示し、その具体的構
成例は後述する。

２９は二次電子雑音量を荷電ビームの加速電圧と対応さ
せて蓄積し、かつ試料からの吸収電流が零になる荷電ビ
ームの加速電圧に対応する二次電子雑音量で試料表面か
らの二次電子雑音の加速電圧依存特性を正規化する正規
化処理回路を示し、その具体的構成例は後述する。

第１９図において、３４＾は第１図における試料７の二
次電子雑音量の加速電圧依存特性、３７＾は試料からの
吸収電流の加速電圧依存特性、３８＾は第１図における
ゼロクロス回路２２の出力特性、３９Ａは試料からの吸
収電流が零になる荷電ビームの加速電圧に対応する二次
電子雑音で正規化した二次電子雑音量の加速電圧依存特
性（以下正規化二次電子雑音特性という）を示す。

計算機２０から直流電流源１１．ビーム電流制御回路２
１および偏向器１４へ電子ビーム８の照射条件信号等を
送信し、ビーム電流を一定にしたまま加速電圧をｖＯ→
ｖ１→ｖ２と連続的に変化させて電子ビーム８で試料７
の表面の特定領域を走査する。これと並行して、試料７
の表面から放出される二次電子９を二次電子検出器１０
で収集し、二次電子の交流雑音成分すなわち二次電子雑
音量をコンデンサ２４を介して雑音計２３で測定し、正
規化処理回路２９で測定値を電子ビーム８の加速電圧と
対応させて蓄積する。第９図の３４Ａはこのような手順
で得られる試料７の二次電子雑音量の加速電圧依存特性
を示す。

二次電子雑音量Ｎ　（Ｖｐ、Ｉｐ）は（２）式に示した
ように試料の二次電子放出比δ（Ｖｐ）とビーム電流Ｉ
ｐの積に比例する。従ってビーム電流ｉｐを一定にした
まま加速電圧をｖＯ→ｖ１→ｖ２と変化させて測定した
二次電子雑音量の加速電圧依存特性ＰＧ−ＰＩ−Ｐ２は
試料フの二次電子放出比δ（Ｖｐ）に比例する。

次に、二次電子雑音量の加速電圧依存特性を試料７の二
次電子放出比と同一になるように正規化する方法につい
て説明する。ビーム電流を一定にしたまま加速電圧をＶ
Ｏ−Ｖｌ→ｖ２と連続的に変化させて電子ビーム８で試
料７の表面の特定領域を走査すると共に、試料７→ステ
一ジ６→ゼロクロス回路２２→アースの直流回路に流れ
る吸収電流Ｉｓの変化をゼロクロス回路２２で監視する
。加速電圧ＶｐをｖＯ→Ｖｌ−Ｖ２と変化させた時、試
料７の二次電子放出比δ（Ｖｐ）が６（ＶＯ）＞　１−
”δ（Ｖｌ）−１−δ（ｖ２）〈１と変われば、吸収電
流１ｓは第９図３７＾に示すようにｑＯ→ｑ１→ｑ２と
変化し、その極性は正から負に変化する。吸収電流ＩＳ
＝　Ｏ（Ａ）になるＱｌではδ（Ｖｌ）＝１となり、こ
の時ゼロクロス回路２２は第９図３８八に示す応答信号
を出力する。正規化処理回路２５で応答信号を受信する
と同時に計算機２０から送信される電子ビーム８の加速
電圧信号と論理積をとり加速電圧Ｖｌを抽出する０次に
既に正規化処理回路２５に蓄積された二次電子雑音量の
加速電圧依存特性から、加速電圧ｖ１に対応する二次電
子雑音量Ｎ１を抽出し、Ｎｌで二次電子雑音量の加速電
圧依存特性３４＾を正規化すれば第９図３９＾に示す加
速電圧Ｖｌで１になる特性、すなわち試料７の二次電子
放出比δ（Ｖｐ）と同一な特性をもつ正規化二次電子雑
音特性ｎ　（Ｖｐ）が得られる。従って、正規化二次電
子雑音特性ｎ　（Ｖｐ）により試料７の表面材質を特定
できる。

第１０図は第８図に示したビーム電流制御回路２８の構
成例を示す、同図において７０は計算機２０から電子ビ
ーム８の加速電圧値Ｖｐを受信する信号線、７１は計算
機２０から電子ビーム８のビーム電流値１ｐを受信する
信号線である。７２はビーム電流値１ｐを加速電圧値Ｖ
ｐで割る除算器、７３は比１ｐ／Ｖｐとコンデンサレン
ズの倍率Ｍｃの対応表を記憶するメモリ、７４は比１ｐ
／Ｖｐと対物レンズの倍率Ｍｔの対応表を記憶するメモ
リ、７５は加速電圧値Ｖｐとコンデンサレンズの倍率Ｍ
ｃで指定されるコンデンサレンズの励磁電流１ｃを記憶
するメモリ、７６は加速電圧値Ｖｐと対物レンズの倍率
１で指定される対物レンズの励磁電流Ｉｔを記憶するメ
モリ、７７と７８は各々第８図に示した直流電流源１２
と１３にそれらが出力するべき励磁電流１ｃと励磁電流
Ｉｔを送信する信号線を示す。

さて、ビーム電流値Ｉｐｔ流値を一定にして加速電圧値
Ｖｐを可変にする時のレンズの励磁条件は（６）式で与
えられる［電子光学、裏　克己、ｐ１７８、共立出版（
１９７６）］　。

Ｍｃ−Ｍｔ＝　Ｋ、・ｍ　　　（６） ここで、五〇は第８図に示した電子光学系で決まる定数
である。他方、同じく第８図に示した電子光学系におけ
る結像条件からＭｃはＭｔの関数となる。

Ｍｃ＝　Ｆ　（Ｍｔ）　　　　　　　　（７）従って、
電子光学系の構成が決まれば、比１ｐ／Ｖｐ？ＭｃとＭ
ｔの組み合わせを一意的に指定する対応表を予め作製す
ることができる。このようにして構成したのが第１θ図
のメモリ７３と７４である。他方、対物レンズの励磁電
流１ｃはレンズ構成に応じて加速電圧値Ｖｐとコンデン
サレンズの倍率Ｍｃで一意的に決まり、この対応表も予
め作製することができる。対物レンズの励磁電流Ｉｔの
対応表も同様に予め作成することができる。メモリ３５
と３６はこれらの対応表を内蔵する。故に、第１Ｏ図の
ビーム電流制御回路を用いればビーム電流値ｔｐを一定
にして加速電圧値Ｖｐを可変にする時のレンズ制御が可
能になる。

第１１図は第８図に示した正規化処理回路２９の構成例
を示す。同図において、４０はメモリで４１はそのアド
レス領域、４２はデータ領域、４３はアドレスデコーダ
で加速電圧値Ｖｐを解読してこれに予め付与されたアド
レスを指定する。データ領域４２では加速電圧値Ｖｐで
指定されたアドレスのメモリに、加速電圧値Ｖｐに対応
して測定された二次電子雑音量、または加速電圧値Ｖｐ
に対応して正規化された二次電子雑音量が記憶される。

８４は試料７の二次電子放出比δ（Ｖｐ）＝１になる加
速電圧値Ｖｌを記憶するレジスタ、８５は加速電圧値ｖ
１の時の二次電子雑音量Ｎｌを記憶するレジスタ、８６
はメモリ４０に記憶された各二次電子雑音量をＮｌで割
る除算器、８７はその演算結果すなわち正規化された二
次電子雑音量を記憶するレジスタである。８８は雑音計
２３から二次電子雑音量を受信するデータ線、８ｇはゼ
ロクロス回路２２からその応答信号を受信する信号線、
９０は計算機２０から加速電圧値Ｖｐを受信する信号線
、９１は計算機２０へ正規化二次電子雑音特性を送信す
るデータ線、９２はメモリ４０の書き込みと読み出しを
指定する制御線、９３は各加圧電圧Ｖｐに雑音計２３で
測定された二次電子雑音量を、メそす４０内の加速電圧
値ＶＤで指定されるメモリに書き込み、かつゼロクロス
回路２２から、その応答時の加速電圧値Ｖｌをレジスタ
４４に書き込む第１ライト・モードを設定する制御線、
９４は８４内の加速電圧値Ｖｌでメモリ４０にアクセス
して二次電子雑音量Ｎ１を読み出し、これをレジスタ８
５に送信する第１リード・モードを設定する制御線、９
５は計算機２０からの加速電圧値Ｖｐで指定された二次
電子雑音量をメモリ４０から読み出し、除算器８６を起
動すると共にその結果をレジスタ８７へ送信する第２リ
ード・モードを設定する制御線、９６はレジスタ８７の
正規化二次電子雑音量をメモリ４０内の加速電圧値Ｖｐ
で指定されるメモリに書き込む第２ライト・モードを設
定する制御線、９７は加速電圧値ｖｐで指定されるメモ
リから正規化二次電子雑音量を読み出し、これを計算機
２０へ送信する第３リード・モードを設定する制御線で
ある。故に、計算機２０で第１ライト・モード−第１リ
ード・モード−第２リード・モード−第２ライド・モー
ド−第３リード・モードの順に動作モードを制御すれば
正規化二次電子雑音特性の作成と読み出しが可能となる
。

上述したように、このようにして得られた正規化二次電
子雑音特性（Ｖｐ）は材質に固有の二次電子放射比δ（
Ｖｐ）と同一の特性を有する。従って実施例１における
と同様に、下記の処理のいずれか一つ、あるいはそれら
を組合せて試料の表面材質の特定または表面材質が特定
の材質であるか否かの判定を行うことができる。

処理４：正規化二次電子雑音特性と既知の種々の材質の
二次電子放出比δ（Ｖｐ）とを逐次照合する。

処理５：二次電子放出比δ（Ｖｐ）の最大値６層は材質
固有の値をもつことに着目し、これに対応する正規化二
次電子雑音特性の最大値を抽出し、既知の材質のδｍと
比較する。

処理６：δ（Ｖｐ）＝δｍになる加速電圧ｖｆｆｉも材
質固有の値をもつから、正規化二次電子雑音特性の最大
値に対応する加速電圧を抽出し、既知の材質のＶ■と比
較する。

本実施例においても、−次電子の後方散乱を考慮にいれ
た測定を行うことが可能である６Ｍ０およびＳｉＯ２に
ついて正規化二次電子雑音量特性ｎ　（Ｖｐ）を全収率
特性ρ（Ｖｐ）と比較した結果は第６図および第７図に
示した実施例に結果と全く同じであった。

従って、本実施例も実施例１と全く同様の効果を有する
。また本実施例によれば、ビーム電流を一定にして二次
電子雑音量を測定することにより、正規化処理が１回で
良いという利点がある。

なお、上記各実施例は主として電子ビームを用いたバタ
ン検査装置について説明したが、イオンビーム等その他
の荷電ビームについても同様な手段と方法で実施できる
。また、これらの荷電ビームを用いたＬＳＩテスタや測
長機にも適用できることはいうまでもない。

〔発明の効果］ 以上説明したように本発明を用いれば、バタン検査装置
上に表面分析機能を実現できるためバタン検査の高精度
化がはかれ、ＬＳＩデバイス製造における歩留りの向上
に寄与できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例のブロック図、第２図は走査ビ
ームを用いた場合の二次電子雑音の説明図、 第３図は本発明の動作原理を示すための、二次電子雑音
量、ビーム電流、第１正規化雑音量吸収電流、ゼロクロ
ス回路出力および第２正規化雑音量と荷電ビーム加速電
圧との関係を示す線図、第４図および第５図はそれぞれ
第１の正規化処理回路の構成例を示すブロック図、 第６図および第７図はそれぞれ本発明による測定例を示
す線図、 第８図は本発明の他の実施例のブロック図、第９図は本
発明の動作原理を示すための、二次電子雑音量、吸収電
流、ゼロクロス回路出力および正規化二次電子雑音量と
荷電ビーム加速電圧との関係を示す線図、 第１０図はビーム電流制限回路の構成例を示すブロック
図、 第１１図は正規化処理回路の構成例を示すブロック図、 第１２図は従来のＳＥＭを用いたバタン検査装置の一般
的構成例を示す概要図、 第１３図および第１４図は従来装置における表面検査の
方法を示す図である。 １・・・電子銃、 ２・・・コンデンサレンズ、 ３・・・対物レンズ、　′ ４・・・アパーチャ、 ５・・・偏向器、 ６・・・ステージ、 ７・・・試料、 ８・・・電子ビーム、 ９・・・二次電子、 １０・・・二次電子検出器、 １１−・・直流電圧源、 １２．１３−・・直流電流源、 １４・・・走査回路、 １５・・・ステージの制御回路、 １６−・・コンソール、 １７・・・画像処理装置、 １ｇ−・・表示器、 １９・・・制御装置、 ２０−・・計算機、 ２１−・・正規化処理回路、 ２２−・・雑音計、 ２３・・・コンデンサ、 ２４・・・ゼロクロス回路、 ２５・・・電流計、 ２６−・・ファラデー・カップ、 ２７・・・スイッチ、 ４０・・・メモリ、 ４３・・・アドレスデコーダ、 ４４・・・除算器、 ４５．４６．４７・・・レジスタ、 ７２・・・除算器、 ７３．７４，７５．７６・・・メモリ、８４．８５．８
７・・・レジスタ、 ８６・・・除算器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）加速電圧を変化させて荷電ビームを試料表面の被分
   析部へ照射する工程と、 前記被分析部から放出される二次電子の時間による変動
   成分から定義される二次電子雑音量と前記加速電圧との
   相関特性を得る工程と、前記二次電子雑音量を前記各加
   速電圧における荷電ビームのビーム電流値で除して正規
   化する工程と、 前記荷電ビームの照射によって前記試料から流出する電
   流を監視し、該流出電流が零になる加速電圧に対応する
   正規化二次電子雑音量で前記正規化された二次電子雑音
   量の特性を再度正規化する工程と、 該再度正規化された二次電子雑音量の特性から前記試料
   面の被分析部の材質を特定しまたは判定する工程と を含むことを特徴とする表面分析方法。 ２）前記荷電ビームが微小領域を照射し、かつ時間とと
   もに照射位置を変える走査ビームであることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の表面分析方法。 ３）　ビーム電流を一定に保ちながら加速電圧を変化さ
   せて荷電ビームを試料表面の被分析へ照射する工程と、 前記被分析部から放出される二次電子の時間による変動
   成分から定義される二次電子雑音量と前記加速電圧との
   相関特性を得る工程と、前記荷電ビームの照射によって
   前記試料から流出する電流を監視し、前記二次電子雑音
   量を該流出電流が零になる加速電圧に対応する二次電子
   雑音量で、正規化する工程と、 該正規化された二次電子雑音量の特性から前記試料面の
   被分析部の材質を特定しまたは判定する工程と を含むことを特徴とする表面分析方法。 ４）前記荷電ビームが微小領域を照射し、かつ時間とと
   もに照射位置を変える走査ビームであることを特徴とす
   る特許請求の範囲第３項記載の表面分析方法。 ５）荷電ビームを試料表面上の所定部へ照射せしめる手
   段と、 前記荷電ビームの加速電圧を変化せしめる手段と、 前記荷電ビームのビーム電流値を算出する手段と、 前記荷電ビームの照射部から放出される二次電子量を検
   出する手段と、 該二次電子量の時間変化成分を二次電子雑音量として検
   出する手段と、 各加速電圧における荷電ビーム照射時の二次電子雑音量
   を前記ビーム電流値で除して正規化する第１の正規化手
   段と、 前記荷電ビームの照射によって前記試料から流出する電
   流を監視し、該流出電流が零になる加速電圧に対応する
   正規化二次雑音量によって、前記正規化された二次電子
   雑音量を再度正規化する第２の正規化手段と を含んでなることを特徴とする表面分析装置。 ６）前記荷電ビームが微小領域を照射し、かつ時間とと
   もに照射位置を変える走査ビームであることを特徴とす
   る特許請求の範囲第５項記載の表面分析装置。 ７）前記第１の正規化手段が、前記二次電子雑音量の検
   出と同時に算出された前記ビーム電流によって正規化を
   行うことを特徴とする特許請求の範囲第５項または第６
   項記載の表面分析装置。 ８）前記第１の正規化手段が蓄積機能を有し、前記ビー
   ム電流の前記加速電圧への依存特性をあらかじめ蓄積し
   、蓄積されたビーム電流値によって正規化を行うことを
   特徴とする特許請求の範囲第５項または第６項記載の表
   面分析装 置。 ９）荷電ビームを試料表面上の所定部へ照射せしめる手
   段と、 前記荷電ビームの加速電圧を変化せしめる手段と、 前記荷電ビームの電流値を一定に保つ手段 と、 前記荷電ビームの照射部から放出される二次電子量を検
   出する手段と、 該二次電子量の時間変化成分を二次電子雑音量として検
   出する手段と、 前記荷電ビームの照射によつて前記試料から流出する電
   流を監視し、前記二次電子雑音量を該流出電流が零にな
   る加速電圧に対応する二次電子雑音量によって、正規化
   する正規化手段とを含んでなることを特徴とする表面分
   析装置。 １０）前記荷電ビームが微小領域を照射し、かつ時間と
   ともに照射位置を変える走査ビームであることを特徴と
   する特許請求の範囲第９項記載の表面分析装置。