CN101273447B

CN101273447B - 半导体分析装置

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Publication number: CN101273447B
Application number: CN2005800516917A
Authority: CN
Inventors: 山田惠三
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 2005-09-29
Filing date: 2005-09-29
Publication date: 2010-06-16
Anticipated expiration: 2025-09-29
Also published as: CN101273447A

Abstract

本发明的课题是提供一种半导体分析装置，相对电子束量的变动，能够得到精度良好的测定值。本发明的半导体分析装置测定将电子束照射到半导体衬底上时在所述半导体衬底上感应出的衬底电流，包括：支撑半导体衬底的半导体衬底支撑单元、产生电子束的电子束产生单元、用于检测电子束照射量的电子束检测单元、测定在半导体衬底上感应出的衬底电流和由电子束检测单元检测出的电子束量的电流测定单元。

Description

半导体分析装置

技术领域

本发明涉及利用电子束的半导体分析装置，特别是涉及适合于评价半导体器件的制造工艺的半导体分析装置。更详细地说，本发明涉及的技术为，通过精度良好地测定照射到半导体衬底上的电子束的照射量，从而抑制电子束枪的电子束量随着逐年变化和环境变化而发生的变动对分析结果产生的影响。

背景技术

图10概略地示出了利用电子束的现有半导体分析装置的结构。该分析装置以管理半导体器件的制造工艺为目的，是用于分析形成在半导体衬底上的微细结构的装置，该装置将电子束照射到半导体衬底上，通过测定此时在半导体衬底上产生的衬底电流来分析半导体衬底上微细结构的形成状态。使用该分析装置可以以短期或长期等各种时间周期管理半导体器件的制造工艺。

这里，为了维持由这种半导体分析装置测定的衬底电流测定值的可靠度，该测定值的精度需要长期稳定，通常，测定值本身的变动量需要在1％以下。为了将电子束稳定化使得测定值的变动量在1％以下，就必须严格地将电子束源的温度维持在±0.1度的范围内。另一方面，因为电子束源本身为消耗部件，所以电子束的特性逐年变化，难以长期固定地维持电子束源的特性。

所以，如图10所示，以往为了监测照射到半导体衬底4上的电子束13的照射量而在托盘5的端部设置了法拉第杯8，对该法拉第杯8照射电子束，并通过用电流计B测定此时在法拉第杯8上出现的电流量，从而定期地管理电子束13的照射量。

这里，简单地说明图10所示的现有装置的结构。在真空腔室7的内部配置有安装在XY座标台6上的托盘5，该托盘5上载置有分析对象物半导体衬底4。该托盘5与电流计A连接，使得通过电流计A测定载置于托盘5上的半导体衬底4的衬底电流。另外，如上所述，在该托盘5的端部安装有法拉第杯8，该法拉第杯8与电流计B连接。电子束13的照射量由电流计B以电流量测定。

在真空腔室7的上部安装着具有电子束源1的电子枪11，该电子枪11的束方向对着托盘5上的半导体衬底4。在电子枪11的内部依次配置有聚光透镜2、光阑10和物镜3。对于电子束源1，由高压电源9供给高电压作为工作电压。

通常作为构成电子束源1的电子束放出元件，使用热场发射器。热场发射器是在前端锐利的钨电极表面上涂敷了用于降低功函数的ZrO(氧化锆)等，为了放出电子，在加热至约1800K的状态下利用。该热场发射器易受到真空状态或温度变化等微小环境变化的影响，具有被放出的电子束的性质或量随着环境变化而变动的特性。

另外，在这种半导体分析装置中，向半导体衬底照射的电子束量若换算为电流量，则相当于皮安级以下的极微弱的电流量。如此微弱的电子束照射量受到如上所述各种环境因素的影响而容易发生变动，如果电子束的照射量发生变动，则衬底电流的测定值也发生变动，其结果是测定精度降低。

所以，在利用电子束的这种半导体分析装置中，将衬底电流的测定值用电子束的照射量归一化(即，用衬底电流和电子束照射量的比表示测定结果)，这样，即使电子束的照射量发生变动，其影响也不会体现在测定值上。

因此，测定由电子束在半导体衬底上感应出的衬底电流的这种半导体分析装置与现有的扫描电子显微镜(SEM)不同，重要的是需要正确地知道电子束的照射量。这是因为，如果电子束的照射量不正确，则用该电子束的照射量归一化的衬底电流的测定值也会不正确。

专利文献1：日本特开2005-026449号公报

根据图10所示的现有技术，由于使用与在衬底电流的测定中所使用的电流计A不同的电流计B来测定电子束的照射量，所以，测定系统的特性之差表现为测定值的误差，不能精度良好地归一化衬底电流。

另外，根据上述的现有技术，为了测定电子束的照射量，每对一枚晶片或一个测定点完成衬底电流的测定之后，需要通过XY座标台6将电子束13的照射位置移至法拉第杯8的位置并对法拉第杯8照射电子束13。

因此，在衬底电流的测定中不能实时测定电子束的照射量，而只能大概知道电子束的照射量。因此，在衬底电流的测定中如果电子束的照射量发生变动，则其变动会照原样以误差表现在归一化的衬底电流的测定值上。

进而还有，根据上述的现有技术，在测定电子束的照射量时，由于需要将电子束的照射位置机械地移至托盘5上的法拉第杯8的位置，所以，测定作业变得繁杂，测定需要时间，测定作业的处理能力降低。

发明内容

本发明的半导体分析装置具有如下结构：对半导体衬底照射电子束，测定由所述电子束在所述半导体衬底上感应出的衬底电流，输出用所述电子束的照射量归一化该衬底电流得到的值，该装置包括：半导体衬底支撑单元，支撑所述半导体衬底；电子束产生单元，产生所述电子束；电子束检测器，用于检测所述电子束；和测定单元，为测定在所述半导体衬底上感应出的衬底电流和用所述电子束检测器检测出的电子束的照射量而共用，在所述衬底电流的测定前后，用所述电子束检测器检测由所述电子束产生单元产生的电子束，用所述测定单元测定用所述电子束检测器检测出的电子束的照射量，将用所述测定单元测定的所述电子束的照射量用于对所述衬底电流的归一化。

根据该结构，因为测定单元共用于在半导体衬底上感应出的衬底电流和由所述电子束检测器检测出的电子束的照射量这两个测定，所以，测定单元的特性(例如测定精度)对衬底电流以及电子束照射量的各测定值的影响相等。因此，用电子束的照射量归一化衬底电流得到的值中不会体现由测定单元的特性造成的影响。因此，用电子束的照射量能够精度良好地归一化衬底电流，而不会受到测定系统特性的影响。

本发明的半导体分析装置具有如下结构：对半导体衬底照射电子束，测定由所述电子束在所述半导体衬底上感应出的衬底电流，输出用所述电子束的照射量归一化该衬底电流得到的值，该装置包括：半导体衬底支撑单元，支撑所述半导体衬底；电子束源，放出电子；电子束限制部件，具有用于选择性地使从所述电子束源放出的电子流的一部分通过的贯通孔，限制所述电子流的通过并形成照射到所述半导体衬底的电子束；屏蔽部件，与所述电子束限制部件电绝缘，除所述贯通孔和围着该贯通孔的所述电子束限制部件上的规定区域以外，屏蔽从所述电子束源放出的所述电子流；第一测定单元，测定在所述半导体衬底上感应出的衬底电流；和第二测定单元，测定在所述电子束限制部件上感应出的电流。

根据该结构，电子流被照射到围着贯通孔的所述电子束限制部件上的规定区域上，结果，具有与实际照射到半导体衬底上的电子束极其相似特性的周围电子流被电子束限制部件检测，其电流量由第二测定单元测定。因此，第二测定单元的测定值与实际照射到半导体衬底上的电子束的照射量具有密切的相关关系，能够根据该第二测定单元的测定值知道实际电子束照射量。因此，在对实际照射到半导体衬底上的电子束不产生影响的情况下，能够在衬底电流的测定中实时掌握电子束的照射量，而且在衬底电流的测定中即使电子束的照射量发生变动，也能够精度良好地归一化衬底电流。

本发明的半导体分析装置具有如下结构：对半导体衬底照射电子束，测定由所述电子束在所述半导体衬底上感应出的衬底电流，输出用所述电子束的照射量归一化该衬底电流得到的值，该装置包括：半导体衬底支撑单元，支撑所述半导体衬底；电子束源，放出电子；电子束限制部件，具有用于选择性地使从所述电子束源放出的电子流的一部分通过的贯通孔，限制所述电子流的通过并形成照射到所述半导体衬底的电子束；电子束偏转单元，用于瞬时偏转所述电子束；电子束检测器，用于检测被所述电子束偏转单元偏转的电子束；第一测定单元，测定在所述半导体衬底上感应出的衬底电流；和第二测定单元，测定用所述电子束检测器检测出的电子束的照射量。

根据该结构，可以用电子束偏转单元将通过电子束限制部件的贯通孔的电子束的照射方向偏转至法拉第杯。因此，在测定实际照射到半导体衬底上的电子束的照射量时不需要用机械方式移动半导体衬底。因此，能够迅速地进行测定作业，能够提高测定作业的处理能力。

本发明的半导体分析装置具有如下结构：对半导体衬底照射电子束，测定由所述电子束在所述半导体衬底上感应出的衬底电流，输出用所述电子束的照射量归一化该衬底电流得到的值，该装置包括：半导体衬底支撑单元，支撑所述半导体衬底；电子束源，放出电子；电子束限制部件，具有用于选择性地使从所述电子束源放出的电子流的一部分通过的贯通孔，限制所述电子流的通过并形成照射到所述半导体衬底的电子束；屏蔽部件，与所述电子束限制部件电绝缘，除所述贯通孔和围着该贯通孔的所述电子束限制部件上的规定区域以外，屏蔽从所述电子束源放出的所述电子流；电子束偏转单元，用于瞬时偏转所述电子束；电子束检测器，用于检测被所述电子束偏转单元偏转的电子束；第一测定单元，测定在所述半导体衬底上感应出的衬底电流；第二测定单元，测定在所述电子束限制部件上感应出的电流；和第三测定单元，测定用所述电子束检测器检测出的电子束的照射量。

根据该结构，在对实际照射到半导体衬底上的电子束不产生影响的情况下，可以在衬底电流的测定中实时获取电子束的照射量，使用该电子束的照射量能够精度良好地进行衬底电流的归一化。而且，在不需要用机械方式移动半导体衬底的情况下，能够由电子束偏转单元将电子束的照射方向偏转至法拉第杯从而测定其照射量。因此，能够实时更新用于将由电子束限制部件检测出的电子束的照射量换算为照射到半导体衬底上的电子束的照射量的换算式，能够精度更好地归一化衬底电流。

根据本发明，因为共用测定手段来测定衬底电流和电子束量这两者，所以在不会受到测定系统特性差异影响的情况下，能够用电子束的照射量归一化衬底电流的测定值。因此，能够提高归一化的衬底电流的精度。

根据本发明，因为通过电子束限制单元(光阑)检测实际照射到半导体衬底上的电子束附近的电子流，所以可以在衬底电流的测定中实时地知道实际电子束照射量。因此，即使因电子束照射量的变动而衬底电流发生变动，由于使用造成该衬底电流变动的电子束的照射量来归一化该衬底电流的测定值，结果，在衬底电流的测定值中不会体现电子束变动的影响，能够精度良好地归一化衬底电流。而且，即使在经过长时间的衬底电流的测定作业中，也可以不用担心电子束的变动而测定衬底电流。因此，不需要电子束照射量的管理调整作业等，可以提高装置的有效运转率。

另外，根据本发明，因为可以在衬底电流的测定中实时地测定电子束的照射量，所以，即使电子束源发生突发电流增减现象，也能够立即检测出该现象引起的电子束照射量的变动。因此，不会受到由上述现象产生的噪声影响，能够进行稳定且精度良好的测定。

根据本发明，因为瞬时将电子束偏转从而测定电子束的照射量，所以在测定电子束的照射量时不需要以机械方式移动电子束的照射位置。因而可以大幅度地缩短电子束照射量的测定时间。

附图说明

图1是用于说明半导体分析装置的基本操作原理的图；

图2是本发明第一实施方式的半导体分析装置的结构的简要示意图；

图3A是用于说明本发明第一实施方式的分析装置的操作(第一操作例)的图；

图3B是用于说明本发明第一实施方式的分析装置的操作(第二操作例)的图；

图4是本发明第二实施方式的半导体分析装置的结构的简要示意图；

图5A是用于说明本发明第二实施方式的半导体分析装置的重要部分光阑(电子束限制单元)的第一结构例的图；

图5B是用于说明本发明第二实施方式的半导体分析装置的重要部分光阑(电子束限制单元)的第二结构例的图；

图5C是用于说明本发明第二实施方式的半导体分析装置的重要部分光阑(电子束限制单元)的第三结构例的图；

图5D是用于说明本发明第二实施方式的半导体分析装置的重要部分光阑(电子束限制单元)的第四结构例的图；

图5E是用于说明本发明第二实施方式的半导体分析装置的重要部分光阑(电子束限制单元)的第五结构例的图；

图6是用于说明本发明第二实施方式的半导体分析装置的校正方法的图；

图7是表示基于本发明第二实施方式的分析装置的校正方法得到的法拉第杯电流和光阑电流的对应关系的特性图；

图8是本发明第三实施方式的半导体分析装置的结构的简要示意图；

图9是本发明第四实施方式的半导体分析装置的结构的简要示意图；

图10是现有的半导体分析装置的结构的简要示意图。

符号的说明

1 电子束源 2 聚光透镜 3 物镜 4 半导体衬底(样品)

5 托盘 6 XY座标台 7 真空腔室 8 法拉第杯

9 高压电源 10 光阑 11 电子枪 12 二次电子检测器

13 电子束

具体实施方式

在说明本发明实施方式之前，说明成为本发明中的半导体分析装置的前提的操作原理。该操作原理通用于后述的各实施方式的半导体分析装置。

图1是用于说明成为本发明半导体分析装置的前提的操作原理的图。在图1中，“输入”是照射到分析对象物半导体衬底上的电子束量，“输出”是由照射到半导体衬底上的电子束在半导体衬底上感应出的衬底电流量。

当对半导体衬底照射一定的电子束作为“输入”时，在半导体衬底上感应出衬底电流。该衬底电流量取决于到达半导体衬底的电子束量，该到达半导体衬底的电子束量相应于上述电子束照射位置的半导体衬底上的微细结构的形成状态。例如，形成微细结构的多晶硅的膜厚较厚的部分因为电子束的通过量减少，所以到达衬底的电子束量变少，结果，由该电子束感应出的衬底电流变小。与此相反，微细结构的膜厚较薄的部位因为电子束的通过量增加，所以到达衬底的电子束量变多，结果，由该电子束感应出的衬底电流变大。

这样，到达半导体衬底的电子束感应出衬底电流作为上述“输出”，但该衬底电流量取决于到达半导体衬底的电子束量，而到达半导体衬底的电子束量受到半导体衬底上的微细结构的影响。因此，由到达半导体衬底的电子束感应出的衬底电流量能反映微细结构的形成状态，根据该衬底电流可以知道形成于半导体衬底上的微细结构的形成状态。

另外，如上所述，照射到半导体衬底上的电子束量若换算为电流则相当于约10pA的极微弱的电流量，受到环境变化的影响而容易发生变动。因此，不是将测定的衬底电流值本身作为最终的测定值输出，而是如图1所示，将作为“输出”的衬底电流量与作为“输入”的电子束照射量的比率(照射单位电子束量时的衬底电流量)，即，用电子束的照射量归一化照射电子束时所测定的衬底电流量所得到的值作为最终的测定值输出。

如上所述通过将归一化的值作为最终的测定值输出，从而不受电子束的照射量变动的影响，可以精度良好地分析半导体衬底上的微细结构。这是因为，当电子束的照射量发生变动时，由该电子束的照射而感应出的衬底电流量也同样发生变动，结果，归一化的值中不会体现电子束的变动。

如上所述，本发明的半导体分析装置的构成为，对半导体衬底照射电子束，测定由所述电子束在所述半导体衬底上感应出的衬底电流，输出用所述电子束的照射量归一化该衬底电流所得到的值。以上，对成为本发明半导体分析装置的前提的操作原理进行了说明。

下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

其中，对于各实施方式中通用的单元，附上了相同的符号。

(第一实施方式)

图2示出了本发明第一实施方式的半导体分析装置的结构。

如图2所示，本半导体分析装置包括：容纳分析对象物半导体衬底4的真空腔室7、配置在真空腔室7的上部的电子枪11、配置在真空腔室7的内部的托盘5及XY座标台6、设置在托盘5的端部的法拉第杯8、与上述托盘5和法拉第杯8双方电连接的电流计A。

在上述托盘5上载置半导体衬底4，托盘5和电子枪11之间的位置关系设置得可以使从电子枪11向该半导体衬底4的表面照射电子束13。另外，托盘5被安装在XY座标台6上，通过XY座标台6移动托盘5的位置，可以调整对半导体衬底4的电子束13的照射位置。另外，通过该XY座标台6移动托盘5的位置，还可以使电子束13的照射位置与法拉第杯8一致。

电子枪11包括电子束源1，电子束源1与高压电源9连接。另外，在电子枪11中，沿着来自上述电子束源1的电子流放出方向依次配置有聚光透镜2、光阑10和物镜3。进而，本半导体分析装置包括A/D变换器和计算机(未图示)，所述A/D变换器将用电流计A测定的电流值A/D变换为数字信号，所述计算机用于对A/D变换后的数字信号进行运算处理。该计算机还执行用于控制本装置各部分操作的处理。

如果说明与权利要求的对应关系，托盘5及XY座标台6构成支撑半导体衬底4的半导体衬底支撑单元，电子枪11构成产生电子束的电子束产生单元，法拉第杯8构成用于检测电子束的电子束检测器，电流计A构成测定单元，该测定单元为测定在半导体衬底4上感应出的衬底电流和由电子束检测器检测的电子束的照射量而共用。

接着，对本半导体分析装置的操作进行说明。

简要地说，本半导体分析装置用电流计A测定通过对半导体衬底4照射电子束13而在半导体衬底4上感应出的衬底电流的同时，同样地用电流计A测定通过对法拉第杯8照射电子束13而用法拉第杯8检测出的电流量(即，相当于电子束照射量的电流量)。即，电流计A被共用于在半导体衬底4上感应出的衬底电流的测定和由法拉第杯8检测出的电子束照射量的测定。然后，将衬底电流的测定值用电子束照射量的测定值归一化而得到的值作为最终的测定值输出。

接着，对本半导体分析装置的操作进行详细说明。

当新的半导体衬底4被载置到真空腔室7内的托盘5上时，在本装置的计算机的控制下，移动XY座标台6，使法拉第杯8位于电子枪11的正下方。此状态下，由电子枪11向法拉第杯8照射电子束13，获取法拉第杯8的SEM图像。然后，通过将获取的法拉第杯8的SEM图像与预先登记的模式匹配用模板进行比较，确定法拉第杯8的位置，以使得电子束13被照射到法拉第杯8的中心。

在确定完法拉第杯8的位置之后，仅以与实际对半导体衬底4照射时相同的量对法拉第杯8照射电子束13，并用与法拉第杯8连接的电流计A测定该电子束的照射量。

在上述的电子束照射量的测定结束之后，接着进行半导体衬底4的分析操作，即衬底电流的测定。具体为，在计算机的控制下，为了使电子束13被照射到半导体衬底4，通过调整XY座标台6的位置来确定半导体衬底4的位置。然后，对半导体衬底4上的测定点(分析对象的微细结构)照射电子束13，通过托盘5用电流计A测定因该电子束13的照射而在半导体衬底4上感应出的衬底电流。

如上所述，通过托盘5测定的衬底电流和通过法拉第杯8测定的电子束的照射量这两种测定值由同一电流计A测定，这两种测定值通过A/D变换器(未图示)变换为数字信号后，输入到计算机。输入到计算机的上述两种测定值保存在计算机的存储装置中。

接着，计算机读取保存在该存储装置中的上述两种电流测定值(衬底电流的测定值和电子束照射量的测定值)，将衬底电流的测定值用电子束照射量的测定值归一化而得到的值作为最终的测定值输出。具体为，用在电子束照射量的测定操作中测定的电子束照射量归一化(除)在衬底电流的测定操作中测定的衬底电流的测定值，并将该归一化得到的值作为最终的测定值输出。

通过如上方式用电子束量归一化测定的衬底电流值，可以排除因电子束照射量的变动对衬底电流测定值的影响。

在上述说明中，衬底电流的测定和电子束照射量的测定次数各为一次，但也可以将各种衬底电流的测定程序和电子束照射量的测定程序结合起来。

参照图3A、图3B，依次说明将衬底电流和电子束照射量的各测定程序结合的例子。

首先，在图3A的例子中，本半导体分析装置在一枚新的半导体衬底4的分析操作前后，用法拉第杯8测定从电子枪11照射出的电子束13的照射量。即，在一枚新的半导体衬底4的多个测定点的衬底电流的测定操作前后，用法拉第杯8测定从电子枪11照射出的电子束13的照射量。然后，采用在衬底电流的测定操作前后所进行的两次电子束照射量的平均值作为为归一化在各测定点测定的衬底电流值而使用的电子束照射量。

具体说明如下。在图3A的流程中，将半导体衬底4放置于本半导体分析装置中后(步骤SA1)，实施通过法拉第杯8进行的第一次电子束照射量的测定，并将该测定值保存于存储装置(步骤SA2)。接下来，将电子束照射到半导体衬底4的最初测定点从而进行第一次衬底电流的测定，并将该测定值保存于存储装置(步骤SA3)。接下来，将电子束照射到半导体衬底4的第二个测定点从而进行第二次衬底电流的测定，并将该测定值保存于存储装置(步骤SA4)。之后，再次实施通过法拉第杯8进行的第二次电子束照射量的测定，并将该测定值保存于存储装置(步骤SA5)，取出半导体衬底4(步骤SA6)。通过上述步骤，得到了一组在第一次和第二次电子束照射量的测定操作中的测定值(电子束照射量的测定值)和在第一次和第二次衬底电流的测定操作中的测定值(衬底电流的测定值)。

接下来，求出在衬底电流的测定操作之前进行的第一次电子束照射量的测定操作中得到的电子束照射量的测定值和在衬底电流的测定操作之后进行的第二次电子束照射量的测定操作中得到的电子束照射量的测定值的平均值。然后，用上述电子束照射量的平均值归一化(具体为除)上述各测定点的衬底电流的测定值，并将该归一化得到的各测定点的衬底电流值作为最终的测定值输出。

通过以上方式用电子束照射量的平均值归一化在各测定点测定的衬底电流值，从而即使电子束照射量在衬底电流的测定操作前后发生变动，也能够将该变动对归一化衬底电流值的影响抑制得小，相对于电子束照射量的变动，能够使归一化衬底电流值稳定。

还有，在上述图3A所示的例子中，衬底电流的测定点为两处，但也可以任意设定测定点的个数。

在图3B所示的例子中，交替进行电子束照射量的测定操作和衬底电流的测定操作，至于为归一化任意测定点的衬底电流值而使用的电子束照射量，采用在测定该测定点之前和之后所测定的各电子束量的平均值。

具体说明如下。在图3B的流程中，将半导体衬底4放置于本半导体分析装置中(步骤SB1)，实施通过法拉第杯8进行的第一次电子束照射量的测定，并将该测定值保存于存储装置(步骤SB2)。接下来，将电子束照射到半导体衬底4的最初测定点从而进行第一次衬底电流的测定，并将该测定值保存于存储装置(步骤SB3)。接下来，实施通过法拉第杯8进行的第二次电子束照射量的测定，并将该测定值保存于存储装置(步骤SB4)。

接下来，将电子束照射到半导体衬底4的第二个测定点从而进行第二次衬底电流的测定，并将该测定值保存于存储装置(步骤SB4)。之后，实施通过法拉第杯8进行的第三次电子束照射量的测定，交替进行通过法拉第杯8进行的测定和衬底电流的测定(未图示)。然后，在对最后的测定点进行衬底电流的测定之后，进行通过法拉第杯8进行的电子束照射量的测定，取出半导体衬底4。

用计算机对通过上述测定操作得到的衬底电流的测定值和电子束照射量的测定值进行运算处理，最终输出用电子束照射量归一化各测定点的衬底电流而得到的值。例如，在对根据第一次衬底电流的测定得到的衬底电流进行归一化时，使用通过法拉第杯8进行的第一次测定值和第二次测定值的平均值。而且，在对根据第二次衬底电流的测定得到的衬底电流进行归一化时，使用通过法拉第杯8进行的第二次测定值和第三次测定值的平均值。同样的，在对各测定点的衬底电流进行归一化时，使用在测定各测定点之前和之后通过法拉第杯8所测定的电子束照射量的平均值。

根据该例，与上述图3A所示的例子相比较，能够将电子束照射量的变动对归一化的衬底电流值的影响抑制得更小。

(第二实施方式)

图4示出了本发明第二实施方式的半导体分析装置的结构。

本半导体分析装置对半导体衬底4照射电子束，测定由该电子束在半导体衬底4上感应出的衬底电流，将用电子束照射量对该衬底电流进行归一化而得到的值作为测定值输出，包括：热场发射器41、抑制栅极42、引出极43、屏蔽罩44、光阑45、物镜46、电流计A1和电流计A2。电子束放出元件41与各种驱动电源Vex、Vf和Vb连接。

如果说明与权利要求的对应关系，托盘5构成半导体衬底支撑单元，热场发射器41构成电子束产生源，光阑45构成电子束限制部件，屏蔽罩44构成屏蔽部件，电流计A2构成第一测定单元，电流计A2构成第一测定单元。虽然图4中未示出，但在本实施方式中也与上述第一实施方式同样的，半导体衬底4载置在托盘5上，该托盘5安装在如图2所示的XY座标台6上。

这里，从热场发射器41放出的电子的量容易受到环境变化的影响，是不稳定的。例如，有时产生被称为肖特基噪声的突发的、非常高速的电流变动。另外，热场发射器41是通过在前端锐利的钨电极等表面上附着ZrO等材料而作成的。由于电极的前端形状、表面状态、或者ZrO的附着程度、进而发射器本身的温度容易发生变化，所以电子束照射量经常发生变化。因此，即使如上述第一实施方式用电子束照射量的平均值进行归一化，在电子束照射量发生突发变动时，也会发生在测定值上产生误差的情况。所以，为了应对电子束照射量的突发变动，需要实时地测定电子束照射量。因而，在本实施方式中提出了实时测定电子束照射量的装置，在包括光阑的其周围结构上具有特征。

下面，着眼于包括光阑的其周围结构进行说明。

图4中，从热场发射器41放出的电子流以各种能量向各方向飞出，大体分布为圆锥状。由于从该热场发射器41放出的电子流中混合着各种能量的电子，所以按照这种状态则会降低电子束的聚束性，不能得到高析像度。

所以，通过在中心形成数十微米的贯通孔45A的光阑45，从热场发射器41以圆锥状飞出的电子流之中，选择性地取出能量一致的中心部分作为电子束13使用。从热场发射器41放出的电子之中，实际被取出作为电子束13的电子的量为从热场发射器41放出的全部电子量的百万分之一以下。例如，从热场发射器41放出的全部电子量约为100微安，而以电子束实际照射到半导体衬底上的电子量约为10pA以下。通过如上方式使用具有微小贯通孔45A的光阑45对从空间上相同场所放出的电子束进行选择性抽取，使电子束中的电子能量一致，从而提高电子束的聚束性和分辨率。

如上所述，实际照射到半导体衬底上的电子束量相当于从热场发射器41放出的全部电子之中通过光阑45的贯通孔45A的少量电子量，该电子束量的变动对衬底电流的测定值产生影响。因此，如前述第一实施方式中的描述，为了确定对衬底电流的测定值进行归一化而使用的电子束照射量，希望能测定通过光阑45并实际照射到半导体衬底4上的电子束量。

但是，根据上述第一实施方式，不能在衬底电流的测定中测定电子束照射量，不能实时地测定半导体衬底4的衬底电流。所以，在本实施方式中，检测出实际照射到半导体衬底4上的电子束13的周围附近的电子束并被光阑45遮断的电子束，测定其电流值，从而间接掌握实际照射到半导体衬底4上的电子束量。

在本实施方式中，为了检测出照射到半导体衬底4上的电子束周围附近的电子束量，将具有比光阑45的贯通孔45A稍大的规定孔径的屏蔽罩44通过绝缘体安装在光阑45的一面(朝向热场发射器41的一面)。而且，将电流计A1连接于光阑45，屏蔽罩44接地。

图5示出了光阑45周围的详细结构。

该图中，在具有贯通孔的圆板状支撑体47上形成有光阑45，在光阑45的中心部形成有比支撑体47的上述贯通孔小的贯通孔45A，例如10μm至30μm左右。该贯通孔45A用于使从电子束源热场发射器41放出的全部电子流的一部分选择性地通过，利用该光阑45限制上述电子流的通过并形成上述电子束13。

光阑45连接有电流计A1，可以测定由上述电子流在光阑45上感应出的电流量。在光阑45的外周侧的支撑体47上通过绝缘体46形成有具有比贯通孔45A大的贯通孔的屏蔽罩44，通过该屏蔽罩44，除光阑45的贯通孔45A和围着该贯通孔45A的光阑45上的规定区域以外，屏蔽从热场发射器41放出的电子流。该屏蔽罩44接地的同时，对光阑45电绝缘。支撑体47的贯通孔、光阑45的贯通孔45A和屏蔽罩44的贯通孔的中心大致一致，通过光阑45的贯通孔45A的孔径，从上述热场发射器41放出的电子通过量得到限制。

如上所述，通过绝缘体46设置屏蔽罩44，从而与光阑45的贯通孔45A比较远离的区域的电子被屏蔽罩44屏蔽，同时，照射到位于贯通孔45A附近的光阑45上的规定区域(该例中为光阑45的表面)的电子束量则通过光阑45由电流计A1测定。另外，如果被屏蔽罩44屏蔽的电子积累到屏蔽罩44，则由该电子形成的电场有可能会对电子束轨道产生影响，但由于屏蔽罩44接地，所以在屏蔽罩44上不会积累电子，可以防止这种由电子造成的影响。

上述由电流计A1测定的电流量不是由照射到半导体衬底4的电子束13产生的电流量，而是由其周围附近的电子束产生的电流量，所以电流计A1的测定值不直接表示电子束13的照射量。但是，由于通过光阑45的贯通孔45A的电子束13和照射到围在贯通孔45A的周围附近的光阑45上的电子束的空间位置极其接近，所以这些电子束的特性(能量、相位等)极其相似。因此，基于例如贯通孔45A的面积和光阑45的表面积(电子流被照射的面积)的关系，就可以从电流计A1的测定值推定电子束13的照射量。

因此，根据本实施方式，由于检测特性与实际照射到半导体衬底4上的电子束13极其相似的周围附近的电子束，所以在不妨碍实际照射到半导体衬底4上的电子束13的照射的情况下，可以在衬底电流的测定中实时地掌握电子束13的照射量。

上述屏蔽罩44的贯通孔的大小优选为光阑45的贯通孔45A面积的2倍至10倍。由于屏蔽罩44的贯通孔的面积对照射到屏蔽罩44的电子束量有直接的影响，所以希望准确地形成屏蔽罩44的贯通孔。另外，优选的，作为屏蔽罩44的材料，掺杂硅等二次电子放出比接近1的材料(即，电子难以积累的材料)使用。

优选的，光阑45由导电材料构成，尤其在照射电子束时，将电子束有效地变换为电流的材料。根据材料的种类不同，有如下情况：即使照射电子束，也仅放出相同量的二次电子，电子束不能有效地变换为电流。所以，在本实施方式中，光阑45的材料使用例如钨(W)、铜(Cu)或铝(Al)。也可以通过在光阑45的表面(电子束的照射面)上形成细深的槽或坑，从而增加被光阑45吸收的电子量。

相反，光阑45的材料即使使用放出的二次电子多于照射的电子束量的材料(具有电子倍增效应的材料)，同样也可以灵敏度良好地检测出电子束13周围附近的电子束。这类材料可以列举金属氧化物、导电陶瓷等。光阑45及屏蔽罩44因为在使用时有时会被加热至100度以上，所以由耐热性材料构成。

下面，参照图5B对光阑周围的第二结构例进行说明。

图5B所示的例子在上述图5A的结构中，将屏蔽罩44及光阑45形成为法拉弟杯状。即，沿着屏蔽罩44的内周边和外周边分别形成壁部44B。这样形成壁部44B，从而可以防止打到屏蔽罩44的电子束向周围飞散，抑制对照射到光阑45上的电子带来的影响。同样的，也可以沿着光阑45的内周边形成壁部45B，从而防止对通过贯通孔45A的电子带来的影响。

图5C示出了光阑周围的第三结构例。

图5C所示的结构例中，在电子束通过的贯通孔60A的中心区域设有用于检测电子束的区域(电流测定区域)。即，该结构例中，由导电部件构成的支撑体60形成为大致圆环状，该支撑体60与电流计A1连接。支撑体60的一部分60B向贯通孔60A的中心以十字状延伸，该十字部分60B的交叉部分，即，支撑体60的贯通孔60A的中心区域设置有直径为几微米的圆板状电子束检测区域61。上述支撑体60的十字部分60B起到电子束检测区域61和支撑体60之间的配线作用，在电子束检测区域61中变换的电流通过十字部分60B由与支撑体60连接的电流计A1测定。在支撑体60的上部，通过绝缘体62形成有屏蔽罩63，该屏蔽罩63接地，以不会积累由电子束产生的电荷。

该结构例中，通过支撑体60的贯通孔60A中除电子束检测区域61和十字部分60B以外区域的电子束照射到半导体衬底上。这种微细的光阑结构可以使用近年的硅微细加工等蚀刻技术容易地形成。另外，如图5B所示的例子，也可以将屏蔽罩63形成为法拉第杯状。

图5D示出了光阑周围的第四结构例。

图5D所示的结构例在上述图5C的结构中还包括同心圆状的两个电子束检测区域70A和70B。根据该结构例，反映了电子束能量分布，可以精度更好地推定电子束量。即，上述从热场发射器41放出的电子束的能量服从以该束的中心为最大值的正态分布，该分布具有像同心圆状一样的性质。因此，在电子束的中心部分和其周围部分，严格地说，能量分布不同。图7所示的例子中，由于通过同心圆状的电子束检测区域70A和70B还可以检测出位于中心区域外侧的电子束，所以检测出的电子束的能量方差变小，而且，可以取大的电子束检测量的绝对值。因此，与上述图5C所示的例子相比较，可以更进一步精度良好地推定照射到半导体衬底上的电子束量。

电子束吸收区域61、70A和70B通过硅微细加工等形成，在其表面上覆盖电子束电流变换效率高的材料。如上所述，屏蔽罩63较佳地选择因电子束的照射而不积累电荷的材料，较佳地为硅等。另外，电子束检测区域61、70A、70B与屏蔽罩63电绝缘，屏蔽罩63接地。另外，如图5B所示的例子，屏蔽罩63也可以形成为法拉第杯状。

图5E示出了光阑周围的第五结构例。

图5E所示的例子在上述图5C所示的结构基础上还包括放射状的电子束检测区域71A～71F。这样放射状地形成电子束检测区域，从而可以精度更好地反映上述电子束的能量分布之后推定电子束量。该例中包括了四个电子束检测区域71A～71D，但不限定于此，可以适当地设置其数量以及配置位置。

上述图4以及图5A～图5E所示的第二实施方式中，由电流计A1测定的电子束量不是实际通过光阑并照射到半导体衬底上的电子束量，而是照射到光阑(或电子束检测区域)上的电子束量。因此，为了根据电流计A1的测定值获知实际照射到半导体衬底上的电子束量，需要预先掌握电流计1的测定值与通过光阑45的电子束量的对应关系，然后根据该预先规定的对应关系换算电流计A1的测定值。

下面，参照图6，说明将电流计A1的测定值换算为照射到半导体衬底4上的电子束的照射量的方法。为了进行该换算，需要掌握与光阑45连接的电流计1的测定值与通过光阑45的电子束量的对应关系。

图6示出了用于求出上述对应关系的装置结构。该图8所示的装置结构基本上与图4所示的装置结构相同，但不同点仅在于，在通过光阑45的电子束的照射位置上，代替半导体衬底配置了与电流计A2连接的法拉第杯80。

下面，利用图6所示的装置结构说明求出上述对应关系的步骤。

首先，将从热场发射器41放出的电子束量从零开始缓慢增加，此时用电流计A2测定照射到法拉第杯80上的电子束的电流量(以下称为法拉第杯电流)，同时，用电流计A1测定照射到光阑45上的电子束的电流量(以下称为光阑电流量)。将按照以上方式得到的电流计A1的测定值(光阑电流)和电流计A2的测定值(法拉第杯电流)进行绘图，得到图7所示的特性图。图7中，横轴表示光阑电流(电流计A1的测定值)，纵轴表示法拉第杯电流(电流计A2的测定值)。

因为两者大体上为直线关系，所以求出回归式，得到从光阑电流到法拉第杯电流的换算式。例如得到“光阑电流＝10×法拉第杯电流”的换算式。利用该换算式就可以根据电流计A1的测定值(光阑电流)推定照射到半导体衬底上的电子束的照射量。图7所示的光阑电流和法拉第杯电流的对应关系以如上换算式存储在本半导体分析装置的计算机中，计算机换算光阑电流的测定值，确定用于归一化上述衬底电流值的电子束照射量。

(第三实施方式)

图8示出了本发明第三实施方式的半导体分析装置的结构。

本半导体分析装置对半导体衬底4照射电子束，测定由所述电子束在所述半导体衬底上感应出的衬底电流，并将用所述电子束照射量归一化该衬底电流所得到的值作为测定值输出，包括：热场发射器41、抑制栅极42、引出极43、光阑106、消隐电极106、消隐控制装置107、法拉第杯108、物镜46、电流计A2和电流计A3。电子束放出元件41与各种驱动电源Vex、Vf和Vb连接。

这里，光阑105具有用于选择性地使从热场发射器41放出的电子流的一部分通过的贯通孔，是限制所述电子流的通过而形成照射到半导体衬底4的电子束的部件。该光阑105的贯通孔附近设置有消隐电极106，该消隐电极106与消隐控制装置107连接。消隐电极106在消隐控制装置107的控制下，使通过光阑105的电子束瞬间发生偏转。在被消隐电极106偏转的电子束的照射位置上设置与电流计A3连接的法拉第杯108。通过该法拉第杯108检测上述被偏转的电子束。

接着，对本实施方式的操作进行说明。

在测定半导体衬底4的衬底电流的通常操作中，不会由消隐电极106进行偏转，而是将通过光阑105的电子束直接照射到半导体衬底4上，此时产生的衬底电流由电流计A2测定。

在电子束照射量的测定操作中，在消隐控制装置107的控制下，由消隐电极106瞬时偏转通过光阑105的电子束，将其引导至法拉第杯108。被偏转的电子束的照射量用法拉第杯A3检测，并由电流计A3测定。即，根据该例，直接测定实际照射到半导体衬底4上的电子束13的照射量。

通常，测定半导体衬底上的测定点中的衬底电流的时间为1秒左右，但该测定前后或者根据需要由消隐电极106偏转电子束，使其入射至法拉第杯108。在该时机由电流计A3测定电流值。由电流计A3测定的值被存储于计算机(无图示)中，如上所述，用于由电流计A2测定的衬底电流的归一化。

根据本实施方式，与间接推定电子束照射量的上述第二实施方式相比较，可以直接测定电子束的照射量。而且，通过调节消隐操作(瞬时的偏转操作)的速度和时机，对半导体衬底的衬底电流的测定操作几乎不产生影响，可以瞬时测定电子束的照射量。例如，因为消隐速度能够以数兆赫以上的速度进行，所以可以在衬底电流的测定中将电子束瞬时偏转至法拉第杯108的方向并由电流计A3测定电流，在下一个瞬间将电子束的照射方向返回至半导体衬底4的方向并由电流计A2进行衬底电流的测定。

(第四实施方式)

图9示出了本发明第四实施方式的结构。

图9所示的半导体分析装置是将上述第二实施方式和第三实施方式结合的装置。

对本实施方式的操作进行说明。

本装置的操作为，第二实施方式的操作即根据照射到光阑45上的电子束量推定电子束照射量的操作的基础上，利用通过法拉第杯108测定的电子束照射量的电流值更新上述图7所示的光阑电流和法拉第杯电流的对应关系。

根据本实施方式，在衬底电流的测定空隙将电子束偏转至法拉第杯108，从而可以由电流计A3精度良好地测定通过光阑的电子束的照射量。于是，利用该电流计A3的测定值和电流计A1的测定值，就可以几乎实时地更新基于图7所示的光阑电流和法拉第杯电流的对应关系的换算式。因此，根据光阑电流可以快速且精度良好地换算出电子束的实际照射量，可以精度良好地推定电子束量。所以，可以精度更好地根据电子束量归一化衬底电流。

另外，根据本实施方式，与上述第二实施方式同样的，在衬底电流的测定中发生的实时高速电流变动可以视为光阑电流的变动由电流计A1测定，并利用该测定值作为归一化衬底电流的值，所以，可以立即应对因电子束的突发变动造成的测定值的变动。

以上，对本发明实施方式进行了说明，但本发明并不限于上述实施方式，当然，在不脱离本发明宗旨的范围内可以施加种种变更。例如，在上述实施方式中以使用电子束的分析装置为例进行了说明，但本发明并不限于此，本发明也可以适用于使用离子束的分析装置。

产业上的可利用性

本发明在用于半导体器件或其制造工艺中的分析、制造、测定或评价等的装置、以及半导体器件制造方法中有用。例如，在使用对晶片等半导体衬底照射电子束或离子束的技巧的分析技术、测定技术、评价技术、检测技术、以及半导体器件制造装置及方法的领域中，可以利用本发明。

Claims

1.一种半导体分析装置，对半导体衬底照射电子束，测定由所述电子束在所述半导体衬底上感应出的衬底电流，输出用所述电子束的照射量归一化该衬底电流得到的值，其特征在于，该装置包括：

半导体衬底支撑单元，支撑所述半导体衬底；

电子束源，放出电子；

电子束限制部件，具有用于选择性地使从所述电子束源放出的电子流的一部分通过的贯通孔，限制所述电子流的通过并形成照射到所述半导体衬底的电子束；

屏蔽部件，与所述电子束限制部件电绝缘，除所述贯通孔和围着该贯通孔的所述电子束限制部件上的规定区域以外，屏蔽从所述电子束源放出的所述电子流；

第一测定单元，测定在所述半导体衬底上感应出的衬底电流；和

第二测定单元，测定在所述电子束限制部件上感应出的电流。

2.一种半导体分析装置，对半导体衬底照射电子束，测定由所述电子束在所述半导体衬底上感应出的衬底电流，输出用所述电子束的照射量归一化该衬底电流得到的值，其特征在于，该装置包括：

半导体衬底支撑单元，支撑所述半导体衬底；

电子束源，放出电子；

电子束偏转单元，用于瞬时偏转所述电子束；

电子束检测器，用于检测被所述电子束偏转单元偏转的电子束；

第二测定单元，测定用所述电子束检测器检测出的电子束的照射量。

3.根据权利要求2所述的半导体分析装置，其特征在于，

所述电子束检测器为法拉第杯。

4.一种半导体分析装置，对半导体衬底照射电子束，测定由所述电子束在所述半导体衬底上感应出的衬底电流，输出用所述电子束的照射量归一化该衬底电流得到的值，其特征在于，该装置包括：

半导体衬底支撑单元，支撑所述半导体衬底；

电子束源，放出电子；

电子束偏转单元，用于瞬时偏转所述电子束；

第一测定单元，测定在所述半导体衬底上感应出的衬底电流；

第二测定单元，测定在所述电子束限制部件上感应出的电流；和

第三测定单元，测定用所述电子束检测器检测出的电子束的照射量。

5.一种半导体分析装置，对半导体衬底照射电子束，测定由所述电子束在所述半导体衬底上感应出的衬底电流，输出用所述电子束的照射量归一化该衬底电流得到的值，其特征在于，该装置包括：

半导体衬底支撑单元，支撑所述半导体衬底；

电子束产生单元，产生所述电子束；

电子束检测器，用于检测所述电子束；和

测定单元，为测定在所述半导体衬底上感应出的衬底电流和用所述电子束检测器检测出的电子束的照射量而共用，

在所述衬底电流的测定前后，用所述电子束检测器检测由所述电子束产生单元产生的电子束，用所述测定单元测定用所述电子束检测器检测出的电子束的照射量，将用所述测定单元测定的所述电子束的照射量用于对所述衬底电流的归一化。

6.根据权利要求1或4中任意一项所述的半导体分析装置，其特征在于，

在所述贯通孔的中心区域设置有电子束检测区域。

7.根据权利要求6所述的半导体分析装置，其特征在于，

在所述贯通孔设置有用于将在所述电子束检测区域检测出的电流输出至外部的配线部。

8.根据权利要求1或4中任意一项所述的半导体分析装置，其特征在于，

在所述贯通孔设置有同心圆状的电子束检测区域。

9.根据权利要求8所述的半导体分析装置，其特征在于，

10.根据权利要求1或4中任意一项所述的半导体分析装置，其特征在于，

在所述贯通孔设置有放射状的电子束检测区域。

11.根据权利要求10所述的半导体分析装置，其特征在于，

12.根据权利要求1或4中任意一项所述的半导体分析装置，其特征在于，

使用基于所述第二测定单元的测定值和照射到所述半导体衬底上的电子束的照射量之间的对应关系的规定换算式，将所述第二测定单元的测定值换算为所述电子束的照射量。

13.根据权利要求1或4中任意一项所述的半导体分析装置，其特征在于，

利用所述第二测定单元的测定值归一化所述第一测定单元的测定值。

14.根据权利要求1或4中任意一项所述的半导体分析装置，其特征在于，

所述屏蔽部件形成为法拉第杯状。

15.根据权利要求1或4中任意一项所述的半导体分析装置，其特征在于，

所述电子束限制部件形成为法拉第杯状。

16.根据权利要求1或4中任意一项所述的半导体分析装置，其特征在于，

所述屏蔽部件由具有吸收所述电子流的性质的材料构成。

17.根据权利要求1或4中任意一项所述的半导体分析装置，其特征在于，

所述屏蔽部件包含硅。

18.根据权利要求1或4中任意一项所述的半导体分析装置，其特征在于，

所述电子束限制部件为钨、铜和铝中的任意一个。

19.根据权利要求1或4中任意一项所述的半导体分析装置，其特征在于，

所述电子束限制部件为金属氧化物和导电陶瓷中的任意一个。