DE69325157T2

DE69325157T2 - Methode und vorrichtung zur oberflächenanalyse

Info

Publication number: DE69325157T2
Application number: DE69325157T
Authority: DE
Inventors: Tokuo 993-45 Kure; Katsuhiro 2-15-11 Kuroda; Yasushiro 4-14-29 Mitsui; Ken A304 Ninomiya; Hiroyasu E404 Shichi; Hideo 2196-313 Todokoro
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-09-28
Filing date: 1993-09-27
Publication date: 2000-01-20
Anticipated expiration: 2013-09-28
Also published as: JP3135920B2; EP0615123B1; DE69325157D1; WO1994008232A1; EP0615123A4; US5481109A; EP0615123A1

Description

TECHNISCHES GEBIET:

Die vorliegende Erfindung betrifft eine verbesserte Oberflächenanalysetechnik. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Oberflächenanalyseverfahren für die qualitative und quantitative Analyse von Rückständen auf der Oberfläche der zu analysierenden Proben und eine Vorrichtung zum Ausführen dieses Verfahrens.

STAND DER TECHNIK:

Die Verringerung der Größe von Halbleiterbauteilen erfordert das Entwickeln von brauchbaren Herstellungstechniken für Abmessungen unterhalb des Submikrometerbereichs. Zum Beispiel ist es bei der Herstellung von 256-Megabyte-DRAMs erforderlich, Kontaktlöcher mit 0,2 um Durchmesser und 2 um Tiefe auszubilden. Um Herstellungstechniken mit einem solchen Ausmaß an Präzision entwickeln zu können, ist es erforderlich, Techniken zum Bewerten der erreichten Präzision zu besitzen. Bei diesen Bewertungstechniken ist besonders eine zur qualitativen und quantitativen Analyse von Rückständen gefragt, die nach einem Trockenätzen auf der Oberfläche der Wafer verbleiben. Zur Analyse solcher Rückstände ist anzumerken, daß die Oberfläche der Wafer nicht notwendigerweise flach ist; es müssen auch Bereiche mit erheblichen Höhenunterschieden, wie sie durch die Kontaktlöcher symbolisiert werden, untersucht werden.
Bisher erfolgte die Untersuchung auf Rückstände an erheblich unebenen Flächen im allgemeinen durch Zerschneiden des bearbeiteten Wafers und durch Betrachten des Querschnittes mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM). Dieses Verfahren besitzt einige Nachteile. Ein Nachteil des Verfahrens ist, daß es zwar einfach ist, die Form der Rückstände zu be trachten, aber nicht, sie zu identifizieren. Ein anderer Nachteil ist, daß der untersuchte Wafer nicht wieder in den Herstellungsprozeß eingebracht werden kann. Ein weiterer Nachteil ist, daß das herkömmliche Verfahren nicht für die Beobachtung von Rückständen im Bereich von einigen Nanometern geeignet ist. Bei der Entwicklung von integrierten Gigabyte- Halbleiterbauteilen sind die erwähnten Nachteile kritisch, da sie die Ausbeute und die Analysegenauigkeit erheblich verschlechtern können.
Ein herkömmliches Verfahren, bei dem der Wafer zur Untersuchung nicht zerschnitten zu werden braucht, ist die sogenannte Fluoreszenz-Röntgenstrahl-Analyse. Die japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 243855/1988 beschreibt ein Beispiel für dieses Verfahren in der Form einer Analysevorrichtung, bei der geladene Teilchen verwendet werden. Bei der beschriebenen Vorrichtung wird ein Elektronenstrahl auf eine Probe eingestrahlt, und es werden die davon emittierten Fluoreszenz-Röntgenstrahlen beobachtet. Die Beobachtung der Fluoreszenz-Röntgenstrahlen erfolgt mit Hilfe von Kristallen, die bezüglich der Mittelachse des eingestrahlten Elektronenstrahls unter einem Winkel von 22 Grad angeordnet sind.
Bei der qualitativen und quantitativen Analyse auf Rückstände mit Fluoreszenz-Röntgenstrahlen ist es wichtig, wo die Einrichtung zum Beobachten der Röntgenstrahlen angeordnet ist. Das heißt, daß es erforderlich ist, eine Absorption der von der Probe emittierten Röntgenstrahlen dadurch zu vermeiden, daß die Beobachtungseinrichtung so angeordnet wird, daß die Stelle, von der die Röntgenstrahlen ausgesendet werden, direkt beobachtet wird. Es gibt jedoch keine festen Kriterien zum Anordnen der Einrichtung zum Beobachten von Fluoreszenz- Röntgenstrahlen, und dem wurde bisher auch wenig Aufmerksamkeit geschenkt. Zum Beispiel ist es bei der oben erwähnten Analysevorrichtung mit geladenen Teilchen und einer Anordnung des Kristalls unter 22 Grad relativ zu der Mittelachse des erzeugten Elektronenstrahls nicht möglich, mit dieser Winkel anordnung eine Absorption der von der Probe emittierten Fluoreszenz-Röntgenstrahlen völlig zu vermeiden. Insbesondere ist es mit der obigen Analysevorrichtung nicht möglich, DRAMs mit einer Kapazität von 4 Megabyte oder größer zu untersuchen, das heißt die in der Zukunft vor allem gefertigten Halbleiterbausteine, und eine qualitative und quantitative Analyse auf Oberflächenrückstände an der Probe durchzuführen.
Die JP-A-63-243855 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren für die Oberflächenanalyse, bei der ein beschleunigter und fokussierter Elektronenstrahl verwendet wird, die Oberfläche einer Probe zu bestrahlen. Die Probe emittiert Fluoreszenz-Röntgenstrahlen, und diese Röntgenstrahlen werden untersucht, um die Oberfläche der Probe zu analysieren. In der JP-A-63-243855 werden die Röntgenstrahlen unter 22º relativ zu der Achse des Elektronenstrahls emittiert.
Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, ein Oberflächenanalyseverfahren zur qualitativen und quantitativen Analyse von Rückständen auf der Oberfläche einer Probe (wie einem Wafer) mit hoher Genauigkeit und ohne Zerschneiden des Wafers zu schaffen sowie eine Vorrichtung zum Ausführen dieses Verfahrens.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Oberflächenanalyseverfahren zur Analyse von Rückständen in kleinen Löchern auf der Oberfläche einer Probe mittels Einstrahlen eines beschleunigten und fokussierten Elektronenstrahls in die kleinen Löcher und Beobachten der daraufhin emittierten Fluoreszenz-Röntgenstrahlen geschaffen, bei dem die Fluoreszenz-Röntgenstrahlen, die in bezug auf die Mittelachse des auf die Oberfläche auftreffenden Elektronenstrahls über den gesamten Winkelbereich von 0º, oder im wesentlichen 0º, bis αº emittiert werden, gemessen werden, wobei der Winkel definiert ist durch
tan α = (a/d),
wobei a multipliziert mit 2 den Innendurchmesser eines der kleinen Löcher und d dessen Tiefe darstellt.
Nach einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Oberflächenanalyseverfahren zur Analyse von Rückständen auf der Oberfläche einer Probe mittels Einstrahlen eines beschleunigten und fokussierten Elektronenstrahls auf die Probenoberfläche und Beobachten der daraufhin emittierten Fluoreszenz-Röntgenstrahlen geschaffen, bei dem die Fluoreszenz- Röntgenstrahlen gemessen werden, die in bezug auf die Mittelachse des auf die Oberfläche auftreffenden Elektronenstrahls über den gesamten Winkelbereich von 0º, oder im wesentlichen 0º, bis 20º emittiert werden.
Die zu analysierenden Rückstände können mindestens ein Atom einer Gruppe umfassen, die aus Kohlenstoff-, Sauerstoff- und Siliziumatomen besteht. Die Energie des Elektronenstrahls ist vorzugsweise derart, daß zur Emission von Fluoreszenz-Röntgenstrahlung aus der Probe zumindest ein Atom aus einer Gruppe angeregt wird, die aus Kohlenstoff-, Sauerstoff- und Siliziumatomen besteht. Die Energie des Elektronenstrahls ist vorzugsweise nicht größer als 5 keV oder nicht größer als das Zehnfache der Energie der zu messenden Fluoreszenz-Röntgenstrahlen.
Die Fluoreszenz-Röntgenstrahlen können mittels eines ringförmigen Röntgenstrahldetektors gemessen werden, der das Spektrum der Fluoreszenz-Röntgenstrahlen erfaßt und der eine koaxial um die Mittelachse des Elektronenstrahls angeordnete zentrale Öffnung aufweist. Mit dieser Anordnung kann der Elektronenstrahl durch die zentrale Öffnung des Röntgenstrahldetektors auf die Probenoberfläche gerichtet werden. Der Röntgenstrahldetektor kann innerhalb einer Elektronenlinse zur Fokussierung des Elektronenstrahls angeordnet sein.
Die Fluoreszenz-Röntgenstrahlen können mittels eines an der Mittelachse des Elektronenstrahls angeordneten Röntgenstrahldetektors gemessen werden, der die Fluoreszenz- Röntgenstrahlen spektral erfaßt. In diesem Fall kann der Elektronenstrahl abgelenkt werden, um den Röntgenstrahldetektor zu umgehen, bevor er auf die Probenoberfläche auftrifft.
Die Fluoreszenz-Röntgenstrahlen können mittels eines nahe der Mittelachse des Elektronenstrahls angeordneten Röntgenstrahlreflektors und mittels eines außerhalb der Mittelachse des Elektronenstrahls angeordneten Röntgenstrahldetektors gemessen werden, wobei der Röntgenstrahlreflektor die Fluoreszenz-Röntgenstrahlen reflektiert und diese dann vom Röntgenstrahldetektor spektral untersucht werden. Bei dieser Anordnung kann der Röntgenstrahlreflektor ein Totalreflektor sein, der die Fluoreszenz-Röntgenstrahlen totalreflektiert. Der Röntgenstrahlreflektor kann auch ein Planspiegel sein. Alternativ kann der Röntgenstrahlreflektor ein Zylinderspiegel, ein sphärischer Spiegel, ein toroidaler Spiegel oder ein nichtsphärischer Spiegel einschließlich eines Rotationskegels sein. Die Krümmung der reflektierenden Oberfläche des Röntgenstrahlreflektors kann erforderlichenfalls variabel sein. Natürlich können die Fluoreszenz-Röntgenstrahlen auch ohne Einsetzen des Röntgenstrahlreflektors erfaßt werden, wenn der Röntgenstrahldetektor, der sich in der Nähe und außerhalb der Mittelachse des Elektronenstrahls befindet, nur zum Erfassen der Fluoreszenz-Röntgenstrahlen verwendet wird.
Die Fluoreszenz-Röntgenstrahlen können mittels eines nahe der Mittelachse des Elektronenstrahls angeordneten Mehrschichtreflektors und mittels eines außerhalb der Mittelachse des Elektronenstrahls angeordneten Röntgenstrahldetektors gemessen werden, wobei der Mehrschichtreflektor die Fluoreszenz-Röntgenstrahlen spektral reflektiert und die spektral reflektierten Fluoreszenz-Röntgenstrahlen von dem Röntgenstrahldetektor erfaßt werden. Der Mehrschichtreflektor kann gedreht werden, um die spektralen Bedingungen für die Fluoreszenz-Röntgenstrahlen zu verändern, wobei der Röntgenstrahldetektor synchron mit der Drehung des Mehrschichtreflektors nachgestellt wird, um die spektral reflektierten Fluoreszenz-Röntgenstrahlen zu erfassen.
Die Fluoreszenz-Röntgenstrahlen können durch nahe der Mittelachse des Elektronenstrahls angeordnete Beugungsgitter sowie mittels eines außerhalb der Mittelachse des Elektronenstrahls angeordneten Röntgenstrahldetektors gemessen werden, wobei die Beugungsgitter die Fluoreszenz-Röntgenstrahlen spektral reflektieren und die spektral reflektierten Fluoreszenz-Röntgenstrahlen von dem Röntgenstrahldetektor erfaßt werden.
Der Röntgenstrahldetektor zum Erfassen der spektral vom Mehrschichtreflektor oder dem Beugungsgitter reflektierten Fluoreszenz-Röntgenstrahlen kann ein zweidimensionaler Detektor mit mehreren in zwei Dimensionen angeordneten Röntgenstrahldetektoreinheiten sein.
Der Elektronenstrahl kann unmittelbar vor dem Auftreffen auf die Probenoberfläche umgelenkt werden.
Vorzugsweise wird die Stelle auf der Probenoberfläche, auf die der Elektronenstrahl auftrifft, lokal erhitzt. Die lokale Erwärmung erfolgt vorzugsweise auf eine Temperatur zwischen 100ºC und 200ºC. Die lokale Erwärmung kann durch Fokussieren eines Lichtstrahls auf den zu erwärmenden Punkt erfolgen. Der Lichtstrahl für die lokale Erwärmung kann entweder ein sichtbarer oder ein infraroter Strahl sein.
Nach einem anderen Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zur Oberflächenanalyse mit einer Elektronenstrahl-Bestrahlungseinrichtung zum Einstrahlen eines feinfokussierten Elektronenstrahls in kleine Löcher auf der Probenoberfläche und mit einer Fluoreszenz-Röntgenstrahlen- Meßeinrichtung, um Fluoreszenz-Röntgenstrahlen zu messen, die auf die Bestrahlung mit dem Elektronenstrahl hin aus den kleinen Löchern emittiert werden, geschaffen, wobei die Fluoreszenz-Röntgenstrahlmeßeinrichtung das Spektrum der Fluoreszenz-Röntgenstrahlen erfaßt, die bezogen auf die Mittelachse des auf die Oberfläche auftreffenden Elektronenstrahls über den gesamten Winkelbereich von 0º, oder im wesentlichen 0º, bis αº emittiert werden, wobei der Winkel definiert ist durch
tan α = (a/d),
wobei a multipliziert mit 2 den Innendurchmesser eines der kleinen Löcher und d dessen Tiefe darstellt.
Nach einem anderen Aspekt der Erfindung wird eine Oberflächenanalysevorrichtung mit einer Elektroneneinstrahleinrichtung zum Einstrahlen eines fein fokussierten Elektronenstrahls auf die Oberfläche einer Probe und einer Fluoreszenz-Röntgenstrahlbeobachtungseinrichtung zum Beobachten der in Reaktion auf die Einstrahlung des Elektronenstrahls emittierten Fluoreszenz-Röntgenstrahlen geschaffen, bei der die Fluoreszenz-Röntgenstrahlbeoabachtungseinrichtung eine Funktion zum spektralen Erfassen der in bezug auf die Mittelachse des auf die Oberfläche auftreffenden Elektronenstrahls über den gesamten Winkelbereich von 0º, oder im wesentlichen 0º, bis 20º emittierten Fluoreszenz-Röntgenstrahlen umfaßt.
Bei einem bevorzugten erfindungsgemäßen Aufbau kann die Vorrichtung zur Oberflächenanalyse eine Meßeinrichtung zum Messen des Punktes auf der Probenoberfläche, auf den der Elektronenstrahl auftrifft, und eine Recheneinheit zum Berechnen des Abstandes zwischen zwei verschiedenen Punkten in bezug auf den mittels der Meßeinrichtung gemessenen Punkt der Probenoberfläche umfassen. Die Vorrichtung zur Oberflächenanalyse kann auch eine Einrichtung umfassen, die die zu analysierende Stelle auf der Probenoberfläche automatisch in Übereinstimmung mit Daten von auf der Probenoberfläche eingerichteten Musterkoordinaten bestimmt. Die Vorrichtung zur Oberflächenanalyse kann des weiteren auch eine Anzeigeeinrichtung umfassen, die sowohl die Daten der Musterkoordinaten als auch das beobachtete Bild eines Oberflächenbereichs einschließlich der zu analysierenden Stelle anzeigt. Die Anzeigeeinrichtung kann eine Funktion besitzen, um eine schematische Querschnittsansicht des Probenoberflächenbereichs anzuzeigen, der durch die Prozeßdaten bestimmt ist, die sich aus der Bearbeitung der zu analysierenden Probenoberfläche ergeben.
Es wird nun die Arbeitsweise der oben umrissenen Erfindung erläutert. Die Einstrahlung eines Elektronenstrahls auf eine Substanz bewirkt, daß davon Fluoreszenz-Röntgenstrahlen emittiert werden. Die Energie (Wellenlänge) der Fluoreszenz-Röntgenstrahlen ist jeweils für die Elemente, die die Substanz bilden, charakteristisch. Die Erfindung macht von dieser Eigenschaft Gebrauch und wird so ausgeführt, daß dadurch, daß die Energie der dabei erfaßten Fluoreszenz- Röntgenstrahlen gemessen wird, die Elemente identifiziert werden und damit auch die Substanz, die daraus besteht (d. h. es erfolgt eine qualitative Analyse). Auf der Basis der Emissionsintensität der erfaßten Fluoreszenz-Röntgenstrahlen macht es die Erfindung auch möglich, die Menge der beobachteten Substanz festzustellen (d. h. eine quantitative Analyse durchzuführen).
Die Festlegung, wie Fluoreszenz-Röntgenstrahlen zu beobachten sind, ist bei der Durchführung einer Analyse der Rückstände auf der erheblich unebenen Oberfläche eines Wafers, ohne ihn zu zerbrechen, wichtig. Die hauptsächlichen Rückstände aus den Prozessen der Halbleiterbausteinfertigung sind Siliziumoxidfilme und Fotolacke. Um solche Rückstände identifizieren zu können, ist die Erfassung von Elementen mit kleinen Ordnungszahlen wie C, O und Si erforderlich. Die bei der Einstrahlung eines Elektronenstrahls erzeugten C-Kα- Röntgenstrahlen und O-Kα-Röntgenstrahlen haben nur eine geringe Energie (< 1 keV). Das heißt, daß diese Fluoreszenz- Röntgenstrahlen ein Hindernis, das sich zwischen ihrer Quelle und der Einrichtung zum Messen davon befindet, nicht durchdringen können, weshalb solche Fluoreszenz-Röntgenstrahlen dann nicht erfaßt werden. Wie eine solche Situation auch unter schwierigen Bedingungen beherrscht wird, wird weiter unten genauer beschrieben.
Die Fig. 2 zeigt einen Elektronenstrahl 1, der auf ein kleines Loch h auf der Oberfläche einer zu untersuchenden Probe 2 fällt. Von dem Punkt auf dem Boden des Lochs, auf den der Elektronenstrahl einfällt, werden Fluoreszenz-Röntgenstrahlen 5 emittiert. Wie erwähnt, können die Fluoreszenz- Röntgenstrahlen 5 nur unter der Bedingung beobachtet werden, daß sich keine Hindernisse zwischen der Quelle der Strahlen und der Beobachtungseinrichtung befinden. Wie in der Fig. 2 gezeigt, lassen sich die Fluoreszenz-Röntgenstrahlen 5 daher nur in einem Bereich A beobachten (im folgenden als "nahe der Achse des Elektronenstrahls 1" bezeichnet). Der Winkel α ist definiert durch
tan α = (a/d),
wobei a multipliziert mit 2 den Innendurchmesser des kleinen Lochs und d dessen Tiefe darstellt. Ein Beispiel für ein solch kleines Loch h ist ein Kontaktloch für einen DRAM. Die Fig. 3 zeigt, wie sich der Winkel α mit dem Tiefenverhältnis (2a/d) des kleinen Loches für DRAMs mit verschiedenen Integrationsdichten verändert. Wie aus der Fig. 3 hervorgeht, müssen bei DRAMs mit einer Integrationsdichte von 4 Megabyte und größer, die in Zukunft die Mehrzahl der Halbleiterbausteine darstellen werden, die Fluoreszenz-Röntgenstrahlen innerhalb eines Winkels α von 20º beobachtet werden. Die Analysevorrichtung mit geladenen Teilchen, die in der japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. 243855/1988 beschrieben ist, weist zum Beispiel Kristalle für die Erfassung der Fluoreszenz-Röntgenstrahlen auf, die unter einem Winkel von etwa 22 Grad zur Mittelachse des einfallenden Elektronenstrahls angeordnet sind. Mit dieser Vorrichtung ist es daher nicht möglich, die Innenseite von Kontaktlöchern von DRAMs mit einer Integrationsdichte von 4 Megabyte oder größer zu untersuchen. Im Gegensatz dazu befindet sich bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Beobachten von Fluoreszenz-Röntgenstrahlen ein Teil oder die gesamte Röntgenstrahlen aufnehmende Fläche des Röntgenstrahldetektors innerhalb des Bereiches A, der in der Fig. 2 durch den Winkel α bezeichnet wird. Alternativ dazu, daß sich ein Teil oder alle der optischen Einrichtungen bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Beobachten von Fluoreszenz-Röntgenstrahlen in dieser Region A befinden, können die optischen Einrichtungen so ausgestattet sein, daß die Fluoreszenz-Röntgenstrahlen auf den Röntgenstrahldetektor geleitet werden. Die Beobachtungseinrichtung kann dabei auf verschiedene Weise ausgeführt sein, wie es später noch beschrieben wird. Die Verwendung einer solchen Beobachtungseinrichtung ermöglicht eine qualitative und quantitative Analyse der Rückstände nicht nur auf einer Probenoberfläche mit geringfügigen Erhebungen und Vertiefungen, sondern auch an erheblich unebenen Probenoberflächen.
Es wird nun auf die Beschleunigungsenergie für den Elektronenstrahl eingegangen. In einem Experiment wurde auf Siliziumoxidschichten mit verschiedenen Dicken Elektronenstrahlen mit einer Beschleunigungsenergie von 2 keV und solche mit einer Beschleunigungsenergie von 5 keV eingestrahlt. Die Fig. 4 zeigt, wie sich die Intensität der dabei ergebenden Fluoreszenz-Röntgenstrahlen (O-Kα-Strahlen mit einer Energie von etwa 0,5 keV) in Abhängigkeit von der Dicke der Oxidschicht ändert. Wie in der Fig. 4 gezeigt, ist die Intensität der Fluoreszenz-Röntgenstrahlen um so höher, je niedriger die Beschleunigungsenergie des Elektronenstrahls ist. Die Ausbeute an Fluoreszenz-Röntgenstrahlen ist eine Funktion der Beschleunigungsspannung des eingestrahlten Elektronenstrahls. Wenn die Energie der Fluoreszenz-Röntgenstrahlen mit E bezeichnet wird, neigt sich die Ausbeute davon einem Maximum zu, wenn die Beschleunigungsenergie des eingestrahlten Elektronenstrahls etwa gleich E multipliziert mit 3 ist (A. G. Michette: Optical Systems for Soft X-rays; Prenum Press, New York, 1986, Seite 22). Weitere Experimente ergaben, daß C-Kα- Röntgenstrahlen (mit einer Energie von etwa 0,3 keV), wenn sie erfaßt werden, auf das Vorhandensein von Fotolackrestschichten im Bereich von Nanometern hinweisen, wenn ein Elek tronenstrahl mit einer Energie von 1 bis 2 keV auf die Probe eingestrahlt wird. Es hat sich auch ergeben, daß die Einstrahlung eines Elektronenstrahls mit einer Energie von 2 bis 5 keV zur Erfassung von Fluoreszenz-Röntgenstrahlen, die von Silizium ausgesendet werden, optimal ist. Aus diesen Experimenten geht hervor, daß Rückstände wie solche aus Elementen mit kleinen Ordnungszahlen wie C, O und Si mit einer Dicke in der Größenordnung von Nanometern festgestellt werden können, wenn die Beschleunigungsenergie des eingestrahlten Elektronenstrahls auf 5 keV oder weniger beschränkt wird.
Es wird nun auf die räumliche Auflösung der Fluoreszenz-Röntgenstrahlanalyse eingegangen. Was primär eine Verschlechterung der räumlichen Auflösung bei der Analyse mit Fluoreszenz-Röntgenstrahlen bewirkt, ist das Vorhandensein von reflektierten Elektronen. Die Auswirkungen von reflektierten Elektronen wurde bei einem Experiment untersucht, bei dem mittels einer Siliziumoxidschicht auf einem Siliziumwafer ein Muster ausgebildet wurde, wobei ein 3 keV-Elektronenstrahl auf eine Stelle in einem Abstand x von der Seitenwand des Musters eingestrahlt wurde. Wenn die reflektierten Elektronen eine Abgabe von Fluoreszenz-Röntgenstrahlen (O-Kα- Röntgenstrahlen) aus der Seitenwand des Musters bewirkten, wurde deren Intensität gemessen. Wie in der Fig. 5 gezeigt, ergab die Einstrahlung des Elektronenstrahls an einer Stelle 25 nm (Abstand x) von der Seitenwand des Musters entfernt ausreichend niedrige Intensitätswerte für die ausgesendeten Fluoreszenz-Röntgenstrahlen (O-Kα-Röntgenstrahlen). Es stellte sich heraus, das die Auswirkungen der reflektierten Elektronen dabei vernachlässigbar waren. Ähnliche Ergebnisse wurden mit einem Elektronenstrahl mit einer Beschleunigungsenergie von 1,5 keV erhalten, der auf ein Fotolackmuster eingestrahlt wurde. Genauere Experimente ergaben, daß die Auswirkungen von Fluoreszenz-Röntgenstrahlen, die von reflektierten Elektronen hervorgerufen werden, im wesentlichen Null sind, wenn die Beschleunigungsenergie des eingestrahlten Elektro nenstrahls nicht größer ist als das 10-fache der Energie der erfaßten Fluoreszenz-Röntgenstrahlen. Die aus der Fig. 5 abzuleitende räumliche Auflösung ist (in der Größenordnung von Nanometern) ausreichend gut, verglichen mit der minimalen Strukturgröße von DRAMs (etwa 1 um für 4 Megabyte, 0,1 um für 4 Gigabyte). Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Technik ist daher bei der Analyse der Oberfläche von Halbleiterbausteinen, wie sie in der Zukunft entwickelt werden, vorteilhaft.
Wie beschrieben, wird bei der vorliegenden Erfindung ein Elektronenstrahl mit einer Beschleunigungsenergie von 5 keV oder weniger auf die Oberfläche einer Probe eingestrahlt, und es werden in der Nähe der Achse des Elektronenstrahls die Fluoreszenz-Röntgenstrahlen gemessen, die von der Probenoberfläche emittiert werden. Die Probe wird bei der Untersuchung nicht beschädigt, und es werden Rückstände an der Probenoberfläche in der Größenordnung von Nanometern qualitativ und quantitativ mit einer räumlichen Auflösung von 0,1 um oder besser analysiert.
Die obigen und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sowie die Art ihrer Ausführung gehen besser aus der folgenden Beschreibung und den Ansprüchen in Verbindung mit der Zeichnung hervor, die einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung zeigen. Die Erfindung selbst läßt sich besser daraus ersehen.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG:

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Oberflächenanalyse;
Fig. 2 ist eine schematische Schnittansicht dafür, wo ein Röntgenstrahldetektor in Verbindung mit der Erfindung anzuordnen ist;
Fig. 3 ist eine graphische Darstellung, wie sich verschiedene Parameter von DRAMs in Verbindung mit der Erfindung ändern;
Fig. 4 ist eine graphische Darstellung der typischen Abhängigkeit der Intensität von Fluoreszenz-Röntgenstrahlen von der Dicke von Siliziumoxidschichten;
Fig. 5 ist eine graphische Darstellung für die Änderung der Intensität von Fluoreszenz-Röntgenstrahlen, die von den Seitenwänden von Strukturen beim Einfallen von reflektierten Elektronenstrahlen auf die Wand emittiert werden;
Fig. 6 ist eine schematische Ansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Oberflächenanalyse;
Fig. 7 ist eine schematische Ansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Oberflächenanalyse;
Fig. 8 ist eine schematische Ansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Oberflächenanalyse;
Fig. 9 ist eine schematische Ansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Oberflächenanalyse;
Fig. 10 ist eine schematische Ansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Oberflächenanalyse;
Fig. 11 ist eine schematische Ansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Oberflächenanalyse;
Fig. 12 ist eine schematische Ansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Oberflächenanalyse;
Fig. 13 ist eine schematische Ansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Oberflächenanalyse;
Fig. 14 ist eine schematische Ansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Oberflächenanalyse;
Fig. 15 ist eine schematische Ansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Oberflächenanalyse;
Fig. 16 ist eine schematische Ansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Oberflächenanalyse;
Fig. 17(a), 17(b) und 17(c) sind schematische Schnittansichten für einige Prozesse bei der Herstellung von Halbleiterbauteilen unter Anwendung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 18 ist eine schematische Ansicht eines Anzeigeschirmes bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung; und
Fig. 19 eine schematische Ansicht einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Oberflächenanalyse.

BESTE ART DER AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG:

Es werden nun bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung beschrieben.

Erste Ausführungsform:

Die Fig. 1 zeigt die grundlegendste Ausführungsform der Erfindung. Wie in der Fig. 1 gezeigt, wird durch ein Loch 9 in der Mitte eines Röntgenstrahldetektors 8 ein beschleunigter Elektronenstrahl 1 senkrecht auf die Oberfläche einer Probe 2 (z. B. einen Halbleiterwafer) eingestrahlt. Der Durchmesser des Elektronenstrahls ist im Vergleich zu der Fläche der auf der Oberfläche der Probe 2 zu analysierenden Rückstände ausreichend klein (die Fläche entspricht z. B. dem Durchmesser eines kleinen Loches darauf). Die Beschleunigungsenergie des Elektronenstrahles 1 ist auf 5 keV oder weniger beschränkt. Der Elektronenstrahl 1 wird von Elektronenlinsen 3 und 11 fokussiert und beschleunigt. Das Loch 9 kann zwischen 0,1 und 5 mm Durchmesser haben.
Das Einstrahlen des Elektronenstrahls 1 auf die Oberfläche der Probe 2 bewirkt, daß von den Rückständen darauf Fluoreszenz-Röntgenstrahlen ausgesendet werden. Die emittierten Fluoreszenz-Röntgenstrahlen werden von einem Röntgenstrahldetektor 8 erfaßt, der koaxial zum Elektronenstrahl 1 angebracht ist. Der Röntgenstrahldetektor 8 kann eine Energieanalyse durchführen, er hat typisch die Form eines Festkörper-Röntgenstrahldetektors (SSD) oder eines Harpicons (Aufnahmeröhre). Der Detektor 8 kann sich irgendwo in der axialen Richtung des Elektronenstrahls 1 befinden; er kann sich zwischen den Elektronenlinsen 3 und 1 befinden, wie es in der Fig. 1 gezeigt ist, oder innerhalb der Elektronenlinse 3. Was bei der Anbringung des Röntgenstrahldetektors 8 wichtig ist, daß sich ein Teil oder die ganze Röntgenstrahlen aufnehmende Fläche innerhalb des Bereiches A befinden muß, der in der Fig. 2 angezeigt ist (wobei der Winkel α 20 Grad oder kleiner ist). Unter dieser Bedingung mißt der Röntgenstrahldetektor 8 die Fluoreszenz-Röntgenstrahlen 5 hinsichtlich der Energie und der Intensität, wodurch die Rückstände auf der Probenoberfläche qualitativ und quantitativ analysiert werden.
Zum Beispiel können Fluoreszenz-Röntgenstrahlen 6 mit hoher Energie wie Si-Kα-Strahlen eine Probensubstanz durchdringen, die mehrere Mikrometer dick ist. Fluoreszenz- Röntgenstrahlen mit solch hoher Energie können mit einem Röntgenstrahldetektor 4 erfaßt werden, der sich seitlich von der Stelle befindet, auf die der Elektronenstrahl eingestrahlt wird. Auch dieser Röntgenstrahldetektor kann in der Lage sein, die Energie zu analysieren, wie etwa ein Festkörper-Röntgenstrahldetektor. Ein Vergleich der Ausgangssignalintensität des Röntgenstrahldetektors 8 mit der des Detektors 4 ermöglicht es, die Abschwächungsrate der Fluoreszenz- Röntgenstrahlen 6 zu bestimmen, die durch die Probensubstanz gelaufen sind. Die so erhaltene Abschwächungsrate wird ihrerseits wieder dazu verwendet, die Transmissionslänge der Fluoreszenz-Röntgenstrahlen 6 in der Probensubstanz zu gewinnen. Die Transmissionslänge ermöglicht es dem Betrachter zum Beispiel, die Tiefe der kleinen Löcher auf der Oberfläche der Probe 2 zu erkennen.
Das Einstrahlen des Elektronenstrahls 1 auf die Oberfläche der Probe 2 bewirkt auch, daß Sekundärelektronen 7 davon ausgesendet werden. Es ist ein Detektor 10 vorgesehen, der diese Sekundärelektronen 7 erfaßt. Wenn der Elektronenstrahl 1 die Oberfläche der Probe 2 abtastet, ergibt die Erfassung der emittierten Sekundärelektronen 7 ein Sekundärelektronenbild der Probenoberfläche. Die Betrachtung des Sekundärelektronenbildes ermöglicht es festzustellen, wo sich die zu analysierenden Rückstände auf der Probenoberfläche befinden. Das wiederum erleichtert es, die Stelle festzulegen, die auf der Probenoberfläche untersucht werden soll.
Bei der ersten Ausführungsform der Erfindung werden der von der Oberfläche der Probe 2 emittierte Fluoreszenz- Röntgenstrahlen 5 nahe der Achse des darauf eingestrahlten Niedrigenergie-Elektronenstrahls 1 beobachtet. Dadurch können Rückstände auf einer erheblich unebenen Oberfläche der Probe genau und ohne Zerbrechen der Probe qualitativ und quantitativ erfaßt werden. Nach der nicht zerstörerischen Analyse kann die Probe (z. B. ein Halbleiterwafer) unbeschädigt wieder in den Herstellungsprozeß eingegliedert werden.

Zweite Ausführungsform:

Die Fig. 6 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform der Erfindung. Diese Ausführungsform umfaßt den Fall, daß ein Röntgenstrahldetektor 15 nicht mit einem Loch (entsprechend dem Loch 9 in der Fig. 1) in der Mitte zum Durchlassen des Elektronenstrahls 1 versehen werden kann. Die zweite Ausführungsform macht von einem Elektronenstrahlablenker 13 Gebrauch, der den Elektronenstrahl 1 in eine Richtung ablenkt, damit der Strahl am Gehäuse 14 des Röntgenstrahldetektors 15 vorbeigeht. Nach dem Passieren des Gehäuses 14 wird der Elektronenstrahl 1 von einem anderen Elektronenstrahlablenker 12 wieder in die andere Richtung abgelenkt. Im Ergebnis kehrt der Elektronenstrahl 1 zu seiner ursprünglichen optischen Achse zurück, um senkrecht auf die Oberfläche der Probe 2 zu fallen. Die Fluoreszenz-Röntgenstrahlen 5, die von der Probenoberfläche bei der Bestrahlung mit dem Elektronenstrahl 1 emittiert werden, werden vom Röntgenstrahldetektor 15, der sich auf der optischen Achse des Elektronenstrahls befindet, für die Energieanalyse erfaßt.
Das Gehäuse 14 mit dem Röntgenstrahldetektor 15 kann senkrecht zur optischen Achse des Elektronenstrahls 1 bewegt werden. Wenn die Position der zu untersuchenden Rückstände zum Beispiel anhand eines Sekundärelektronenbildes bestimmt wird, ermöglicht es diese Anordnung, das Gehäuse 14 seitlich von der optischen Achse wegzuziehen. Der Elektronenstrahl 1 kann dann die Oberfläche der Probe 2 zur Bestrahlung abtasten, während die Deflektoren 12 und 13 noch nicht dazu verwendet werden, den Elektronenstrahl 1 abzulenken (um den Röntgenstrahldetektor zu umgehen). Dadurch kann das Sekundärelektronenbild der Probenoberfläche beobachtet werden. Nachdem die zu untersuchende Stelle anhand des Sekundärelektronenbildes festgelegt ist, wird das Gehäuse 14 so nach vorne bewegt, daß sich der Detektor 15 in der optischen Achse befindet. Mit dem von den Ablenkern 12 und 13 (zur Umgehung des Röntgenstrahldetektors) abgelenkten Elektronenstahl 1 wird dann der Elektronenstrahl 1 auf die Zielposition auf der Oberfläche der Probe 2 eingestrahlt. Da der Elektronenstrahl 1 nicht abgelenkt ist, wenn die zu untersuchende Position anhand des Sekundärelektronenbildes festgelegt wird, kann die Zielposition mit hoher Auflösung bestimmt werden.
Die zweite Ausführungsform der Erfindung ermöglicht es, Rückstände auf der Probenoberfläche auch dann zu untersuchen, wenn in der Mitte des Röntgenstrahldetektors kein Loch für den Elektronenstrahl vorgesehen werden kann. Die anderen Auswirkungen der zweiten Ausführungsform sind die gleichen wie die der ersten Ausführungsform.

Dritte Ausführungsform:

Die Fig. 7 ist eine schematische Ansicht einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Diese Ausführungsform macht von einem Röntgenstrahlreflektor 16 zum Führen der Fluoreszenz-Röntgenstrahlen 5 von der Oberfläche der Probe 2 auf einen Röntgenstrahldetektor 17 Gebrauch. Das Einstrahlen des Elektronenstrahls 1 auf die Oberfläche der Probe 2 bewirkt, daß davon Fluoreszenz-Röntgenstrahlen 5 emittiert werden. Die emittierten Fluoreszenz-Röntgenstrahlen 5 von der Probenoberfläche werden vom Röntgenstrahlreflektor 16 reflektiert und erreichen den Röntgenstrahldetektor 17, der sich neben der optischen Achse des Elektronenstrahls befindet. Auch wenn der Röntgenstrahlreflektor 16 aus jedem geeigneten Material sein kann, ist bei der dritten Ausführungsform der Reflektor 16 mit einer lichtreflektierenden Oberfläche aus einer Gold- oder Platinschicht auf einem Siliziumwafer versehen. (Das abgeschiedene Gold oder Platin fördert die Reflektivität für die Röntgenstrahlen.) Auch wenn in der Fig. 7 der Röntgenstrahlreflektor 16 als Planspiegel dargestellt ist, kann alternativ ein Reflektor mit einer gekrümmten Oberfläche verwendet werden. Spiegel der letzteren Art umfassen Zylinderspiegel, sphärische Spiegel und nichtsphärische Spiegel wie Toroidspiegel oder Ellipsoidspiegel. Der Röntgenstrahlreflektor 16 kann an jeder geeigneten Stelle angebracht werden. Durch die Verwendung des Röntgenstrahlreflektors können die Fluoreszenz-Röntgenstrahlen 5 aus dem Bereich A der Fig. 2 effektiv zum Röntgenstrahldetektor 17 geführt werden, der sich neben der optischen Achse befindet. Die anderen Merkmale der dritten Ausführungsform sind die gleichen wie bei der ersten oder zweiten Ausführungsform. Die dritte Ausführungsform hat die gleichen Auswirkungen wie die erste Ausführungsform.

Vierte Ausführungsform:

Die Fig. 8 zeigt schematisch eine vierte Ausführungsform der Erfindung. Wie beschrieben wird bei den ersten bis dritten Ausführungsformen ein Röntgenstrahldetektor verwendet, der bei der Erfassung von Fluoreszenz-Röntgenstrahlen eine Energieanalyse durchführen kann. Alternativ kann die dritte Ausführungsform (Fig. 7) so angeordnet werden, daß der Reflektor 16 eine Wellenlängendispersionsfunktion aufweist. Es kann dann ein Röntgenstrahldetektor verwendet werden, der keine Energieanalysefunktion besitzt. Die vierte Ausführungsform umfaßt eine Anordnung dieser Art.
Wie in der Fig. 8 gezeigt, bewirkt das Einstrahlen des Elektronenstrahls 1 auf die Oberfläche der Probe 2, daß davon Fluoreszenz-Röntgenstrahlen 5 emittiert werden. Die emittierten Fluoreszenz-Röntgenstrahlen 5 werden von einem Reflektor 18 reflektiert, bevor sie von einem Röntgenstrahldetektor 19 erfaßt werden. Der Reflektor 18 weist an seiner Oberfläche einen reflektierenden Vielschichtfilm für die Röntgenstrahlreflexion auf. Der Reflektor 18 ist etwas neben der Mittelachse des Elektronenstrahls angeordnet (0,1 bis 2 mm entfernt), so daß die Einstrahlung des Elektronenstrahls 1 auf die Probenoberfläche nicht behindert ist. Alternativ kann eine Anzahl von Reflektoren vorgesehen sein, die die Mittelachse des Elektronenstrahls 1 umgeben. Der Reflektor 18 ist parallel zur Z-Achse drehbar an einer Mittelachse 23 angebracht. Die nicht gezeigte Drehung des Reflektors 18 erfolgt mittels eines Drehmechanismusses mit einem Schrittmotor oder dergleichen.
Der Mehrschichtreflektor ist ein Reflektor aus einer Anzahl von dünnen Schichten aus zwei verschiedenen Substanzen (z. B. Mo und Si), die alternativ und zyklisch auf einem Substrat abgeschieden sind. Wenn D für die Dicke eines Zyklusses der abgeschiedenen Schichtkomponente und θ für den Einfallswinkel der Röntgenstrahlen auf den Reflektor steht, werden nur die Röntgenstrahlen mit der Wellenlänge λ vom Röntgenstrahlreflektor reflektiert, die die Beziehung
2Dsinθ = λ
erfüllen. Wenn der Einfallswinkel θ der Röntgenstrahlen an einem Mehrschichtreflektor, dessen Zykluslänge D bekannt ist, variiert wird, ist es möglich, die Röntgenstrahlen spektral zu analysieren, die auf den Reflektor einfallen (d. h. eine Energieanalyse durchzuführen). Die Zykluslänge D des Mehrschichtreflektors beträgt vorzugsweise 1 bis 20 nm.
Die vierte Ausführungsform der Fig. 4 arbeitet nach diesem spektrometrischen Prinzip. Das heißt, daß der Reflektor 18 um die Mittelachse 23 gedreht wird, so daß sich der Einfallswinkel θ der Fluoreszenz-Röntgenstrahlen 5 auf den Reflektor 18 ändert. Der Röntgenstrahldetektor 19 wird so mit der Drehung des Reflektors 18 mitbewegt, daß die spektral vom Reflektor 18 reflektierten Fluoreszenz-Röntgenstrahlen 5 erfaßt werden. Die Bewegung des Detektors 19 erfolgt durch Verschieben eines Gestells 20, das den Detektor 19 enthält, an einer Führung 22. Das Verschieben des Gestells 20 wird durch einen nicht gezeigten Verschiebemechanismus gesteuert, der zum Beispiel synchron zur Drehung des Reflektors 18 einen Schrittmotor so aktiviert, daß die Bedingung
φ = 2θ
erfüllt ist, wobei φ den Winkel zwischen der Mittelposition des Detektors 19, gesehen von der Mittelachse 23 des Reflektors 18 einerseits und der Mittelachse des Elektronenstrahls 1 andererseits, darstellt. Es ist ein Kollimator 21 vorgesehen, der verhindert, daß nicht erforderliche Röntgenstrahlen den Röntgenstrahldetektor 19 erreichen.
Der Reflektor 18 der Fig. 8 weist eine leicht gekrümmte Oberfläche und damit die Fähigkeit zum Fokussieren auf. Der Reflektor muß jedoch diese Fokussiermöglichkeit nicht aufweisen. Was bei der vierten Ausführungsform wichtig ist, ist die Verwendung eines Mehrschichtreflektors zum spektralen Reflektieren von Fluoreszenz-Röntgenstrahlen. Der Reflektor 18 kann wie gewünscht und erforderlich geformt und angeordnet sein. Die vierte Ausführungsform weist die gleichen Effekte auf wie die erste Ausführungsform.

Fünfte Ausführungsform:

Die Fig. 9 zeigt schematisch eine fünfte Ausführungsform der Erfindung. Diese Ausführungsform ist ein weiteres Beispiel für einen Röntgenstrahldetektor, der keine Energieanalysefunktion besitzt.
Anstelle des Mehrschichtreflektors wird bei der fünften Ausführungsform ein Beugungsgitter 24 als optische Einrichtung für eine spektrale Bearbeitung verwendet. Die Fluoreszenz-Röntgenstrahlen 5, die von der Oberfläche der Probe 2 emittiert werden, treffen auf das Beugungsgitter 24, das für eine spektrale Beugung in der Nähe der Achse des Elektronenstrahls 1 angeordnet ist. Die gebeugten Fluoreszenz-Röntgenstrahlen werden von einem Detektor 25 erfaßt. Der Detektor 25 ist ein zweidimensionales Detektorarray mit einer großen Anzahl von Detektorvorrichtungen, die zweidimensional angeordnet sind. Auf diese Weise ermöglicht der Detektor 25 gleichzeitig eine spektrale Untersuchung mehrerer Wellenlängen. Das heißt, daß die fünfte Ausführungsform zur Ausführung einer Analyse weniger Zeit benötigt als die vierte Ausführungsform. Die anderen Aspekte der fünften Ausführungsform sind die gleichen wie bei der vierten Ausführungsform.

Sechste Ausführungsform:

Die Fig. 10 ist eine schematische Ansicht einer sechsten Ausführungsform der Erfindung. Diese Ausführungsform weist einen koaxialen Röntgenstrahldetektor 29 auf, der sich innerhalb einer Elektronenlinse 26 befindet, wobei der Detektor in der Lage ist, eine Energieanalyse durchzuführen. Der Elektronenstrahl 1, der durch eine Elektronenlinse 27 in die Elektronenlinse 26 eintritt, verläuft durch zwei Löcher, ein kleines Loch 28' im Gehäuse 28, das den Röntgenstrahldetektor 29 enthält, und ein Mittelloch 30 im Detektor 29. Nach diesen Löchern fällt der Elektronenstrahl 1 senkrecht auf die Oberfläche der Probe 2 ein. Die von der Probenoberfläche emittierten Fluoreszenz-Röntgenstrahlen 5 werden vom Röntgenstrahldetektor 29 erfaßt.
Auch wenn bei der sechsten Ausführungsform der Detektor 29 des Koaxialtyps zum Erfassen der Fluoreszenz-Röntgenstrahlen 5 verwendet wird, kann in der Elektronenlinse 26 auch der Reflektor 18 (Fig. 8) oder das Beugungsgitter 24 (Fig. 9) angebracht werden. Im diesem Fall ist es offensichtlich erforderlich, in der Elektronenlinse 26 genügend Platz zu lassen, damit die reflektierten oder gebeugten Fluoreszenz-Röntgenstrahlen 5 so durchlaufen können, daß die Röntgenstrahlen 5 den Detektor 19 oder 25 erreichen.
Da bei der sechsten Ausführungsform der Detektor 29 näher an der Probe 2 angebracht werden kann, kann eine höhere Signalintensität erhalten werden. Dadurch erhöht sich die Empfindlichkeit der Analyse, und es wird möglich, Rückstände mit geringeren Abmessungen festzustellen.

Siebte Ausführungsform:

Die Fig. 11 zeigt schematisch eine siebte Ausführungsform der Erfindung. Um die Rückstände in einem kleinen Loch auf der Probenoberfläche zu untersuchen, muß der Elektronenstrahl in der Form eines Punktstrahles in das Loch eingestrahlt werden, das einen Durchmesser im Submikrometerbereich hat. Wenn in der Vakuumkammer, in der sich die Probe befindet (d. h. in der Probenkammer), das Vakuum nicht ausreichend gut ist, kann die Punkteinstrahlung des Elektronenstrahls das bestrahlte Gebiet mit Kohlenstoffatomen und dergleichen verunreinigen. Die siebte Ausführungsform ist speziell dafür vorgesehen, um diese Art der Verunreinigung zu verhindern.
Die siebte Ausführungsform weist eine Heizeinrichtung zum Aufheizen der Oberfläche der Probe 2 auf, um diese Verunreinigung zu verhindern. Das heißt, daß eine Fokussierlinse 31 dazu verwendet wird, um Licht (z. B. sichtbares Licht oder Infrarotstrahlen) von einer Lichtquelle 32 zur Einstrahlung auf die Probenoberfläche zu fokussieren. Die Oberfläche der Probe 2 kann auf eine Temperatur zwischen 100 und 200ºC aufgeheizt werden. Es ist nicht erforderlich, die ganze Oberfläche der Probe 2 aufzuheizen; es braucht nur lokal ein begrenzter Bereich mit einem Durchmesser von einigen zehn Mikrometern bis zu 1 mm aufgeheizt zu werden, wobei der Bereich den Punkt beinhaltet, auf den der Elektronenstrahl 1 eingestrahlt wird. Das Aufheizen erfolgt einfach durch eine geeignete Fokussierlinse, die das Licht einer kommerziell erhältlichen Lichtquelle für einige zehn Sekunden auf die Probenoberfläche fokussiert.
Auch wenn bei der siebten Ausführungsform die Linse 31 zum Fokussieren des Lichts und zum Aufheizen verwendet wird, können stattdessen auch andere optische Einrichtungen zum Aufheizen verwendet werden. Zum Beispiel ermöglicht die Verwendung eines Totalreflektors eine Fokussierung ohne chromatische Aberration, was zum Aufheizen einer kleinen Fläche günstig ist. Es erübrigt sich zu bemerken, daß die Heizeinrichtung der siebten Ausführungsform zum Aufheizen der Oberfläche der Probe 2 auch bei jeder anderen Ausführungsform der Erfindung verwendet werden kann.
Da bei der siebten Ausführungsform der Erfindung der Punkt auf der Probenoberfläche, auf den der Elektronenstrahl eingestrahlt wird, aufgeheizt wird, ist es möglich, wegen der geringeren Kontamination Rückstände mit hoher Genauigkeit zu analysieren. Die siebte Ausführungsform ist besonders für eine hochgenaue Analyse von Rückständen geeignet, die Kohlenstoffatome etwa aus Fotolacken enthalten.

Achte Ausführungsform:

Die Fig. 12 zeigt schematisch eine achte Ausführungsform der Erfindung. Bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen verläuft der Elektronenstrahl 1 mit Ausnahme der zweiten Ausführungsform im wesentlichen gerade. Es gibt aber auch Fälle, bei denen das Anordnen des Röntgenstrahldetektors einfacher ist, wenn der Elektronenstrahl 1 etwas abgelenkt wird, bevor er auf die Oberfläche der Probe 2 trifft. Die achte Ausführungsform ist dafür vorgesehen, dieses Merkmal herzustellen.
Bei der achten Ausführungsform wird der Elektronenstrahl 1 leicht umgelenkt, unmittelbar bevor er nach den Elektronenlinsen 34 und 33 auf die Oberfläche der Probe 2 fällt. Die Ablenkung erfolgt zum Beispiel durch ein Magnetfeld B, das senkrecht zu der Ebene der Fig. 12 verläuft (in der Fig. 12 wurden die Einrichtungen zum Ausbilden des Magnetfeldes weggelassen, um die achte Ausführungsform besser darstellen zu können). Es wird angenommen, daß der abgelenkte Elektronenstrahl 1 im wesentlich senkrecht auf die Oberfläche der Probe 2 einfällt. Die beim Einstrahlen des Elektronenstrahls 1 von der Probenoberfläche emittierten Fluoreszenz- Röntgenstrahlen 5 werden von einem Detektor 35 erfaßt, der eine Energieanalyse durchführen kann. Als spektrale Bearbeitungseinrichtung für die Fluoreszenz-Röntgenstrahlen 5 kann auch der Mehrschichtreflektor 18 der vierten Ausführungsform oder das Beugungsgitter 24 der fünften Ausführungsform verwendet werden.
Auch wenn bei der achten Ausführungsform das Magnetfeld B verwendet wird, um den Elektronenstrahl 1 abzulenken, können auch andere Ablenkeinrichtungen vorgesehen werden. Was bei der achten Ausführungsform wichtig ist, ist, daß es das Ablenken des Elektronenstrahls 1 unmittelbar vor dem Einfallen auf die Oberfläche der Probe 2 ermöglicht, den Detektor 35 leicht anzuordnen. Dadurch wird es wiederum einfach, die Fluoreszenz-Röntgenstrahlen 5 zu erfassen, die in der Nähe der Achse des Elektronenstrahls 1, der auf die Probenoberfläche einfällt, emittiert werden.
Bei der achten Ausführungsform wird der Elektronenstrahl 1 abgelenkt, bevor er auf die Oberfläche der Probe 2 fällt, so daß viel Raum zur Verfügung steht, in dem der Detektor 35 leichter als zuvor angeordnet werden kann. Da bei dieser Ausführungsform mehr Arten von Röntgenstrahldetektoren verwendet werden können, ist der Aufbau der Ausführungsform einfacher.

Neunte Ausführungsform:

Die Fig. 13 ist eine schematische Ansicht einer neunten Ausführungsform der Erfindung. Während bei der achten Ausführungsform der Elektronenstrahl 1 umgelenkt wurde, unmittelbar bevor er auf die Oberfläche der Probe 2 fällt, kann der Elektronenstrahl 1 auch woanders umgelenkt werden. Die neunte Ausführungsform ist ein Beispiel, bei dem der Elektro nenstrahl 1 weiter weg von der Probenoberfläche abgelenkt wird.
Wie in der Fig. 13 gezeigt, wird der Elektronenstrahl 1 zwischen den Elektronenlinsen 36 und 3 umgelenkt. Nach dem Umlenken fällt der Elektronenstrahl 1 senkrecht auf die Oberfläche der Probe 2 ein. Die von der Oberfläche der Probe 2 emittierten Fluoreszenz-Röntgenstrahlen 5 (d. h. die nahe der Achse des umgelenkten Elektronenstrahls emittierten Fluoreszenz-Röntgenstrahlen) werden von einem Detektor 37 erfaßt, der direkt über der Probe 2 angeordnet ist. Wie bei der achten Ausführungsform wird der Elektronenstrahl 1 hier mittels des Magnetfeldes B umgelenkt. Die anderen Aspekte der neunten Ausführungsform sind die gleichen wie bei der achten Ausführungsform. Die neunte Ausführungsform weist die gleichen Effekte auf wie die achte Ausführungsform.

Zehnte Ausführungsform:

Die Fig. 14 zeigt schematisch eine zehnte Ausführungsform der Erfindung. Wenn bei der dritten Ausführungsform (Fig. 7) die Krümmung des Reflektors 16 variabel ist, ist es möglich, die von der Oberfläche der Probe 2 emittierten Fluoreszenz-Röntgenstrahlen 5 effektiver zu fokussieren. Die zehnte Ausführungsform ist ein Beispiel dafür, daß die Krümmung des Reflektors zum Erreichen dieses Effekts variabel ist.
Wie in der Fig. 14 gezeigt, ist das Material eines Reflektors 38 das gleiche wie das des Reflektors 16 der dritten Ausführungsform. Der Unterschied liegt darin, daß der Reflektor 38 in seiner Gesamtheit physikalisch flexibel ist. Ein Ende des Reflektors 38 ist einer Halterung 39 befestigt, die ihrerseits an einem bewegliche Arm 40 angebracht ist. Der Arm 40 kann in der durch einen Pfeil bezeichneten Richtung bewegt werden. Das andere Ende des Reflektors 38 bleibt frei; auf die Rückseite dieses Endes kann mit einem Feineinstellarm 41 gedrückt werden, dessen Bewegung in der Richtung des ge zeigten Pfeiles fein eingestellt werden kann. Die Krümmung des Reflektors 38 wird durch Betätigen des Feineinstellarmes 41 zum Einstellen der Position des freien Endes des Reflektors 38 wie gewünscht eingestellt. Wenn die Krümmung des Reflektors 38 verändert wird, ändern sich auch die Reflexionsrichtung und die Fokussiereigenschaften für die Fluoreszenz- Röntgenstrahlen 5. Dadurch ist es erforderlich, die Anbringungsstelle eines Detektors 42 entsprechend einzustellen, der eine Energieanalyse durchführen kann. Die Anbringungsstelle des Detektors 42 wird durch Bewegen des Gehäuses 43 für den Detektor 42 in der durch einen Pfeil bezeichneten Richtung bewirkt. Die übrigen Aufbauaspekte der zehnten Ausführungsform sind die gleichen wie bei der dritten Ausführungsform.
Da bei der zehnten Ausführungsform die Krümmung des Reflektors 38 variiert werden kann, ist es möglich, die Fluoreszenz-Röntgenstrahlen 5 wirkungsvoll auf den Detektor 42 zu fokussieren. Im Ergebnis verbessert sich die Empfindlichkeit der Rückstandsanalyse.

Elfte Ausführungsform:

Die Fig. 15 ist eine schematische Ansicht einer elften Ausführungsform der Erfindung. Zur Erweiterung der Anwendungsmöglichkeiten kann jede der ersten bis zehnten Ausführungsformen mit zusätzlichen Funktionen versehen werden. Die Zusatzfunktionen umfassen eine Funktion zum Messen der Länge von feinen Strukturen und eine Funktion zum weiteren Beschleunigen des Elektronenstrahls. Die elfte Ausführungsform stellt ein Beispiel für die Anwendung dieser Funktionen dar.
Wie in der Fig. 15 gezeigt, wird der Elektronenstrahl 1 aus einer Elektronenquelle 44 durch ein Elektronenlinsensystem 48 und 49 zur Einstrahlung auf die Oberfläche der Probe 2 in einer Probenkammer 46 beschleunigt und fokussiert. Es erübrigt sich zu bemerken, daß das Innere der Probenkammer 46 mittels eines Evakuierungssystems 49 auf ein hohes Vakuum evakuiert ist. Die von der Oberfläche der Probe 2 beim Be strahlen mit dem Elektronenstrahl 1 emittierten Fluoreszenz- Röntgenstrahlen 5 werden von dem Detektor 8 erfaßt. Der Detektor 8, der eine Energieanalyse durchführen kann, befindet sich zwischen dem Elektronenlinsensystem 48 und 49 und koaxial nahe am Elektronenstrahl 1. Das Erfassungssignal vom Detektor 8 wird von einer Steuerung 50 bearbeitet, bevor es zu einem Steuerprozessor 53 weitergegeben wird, der das Ergebnis der Analyse ausgibt.
Bei der elften Ausführungsform steuert eine Steuerung 51 die Betriebsbedingungen der Elektronenquelle 44 und des Elektronenlinsensystems 48 so, daß die Beschleunigungsenergie des Elektronenstrahls 1 zwischen 0,1 keV und 200 keV variiert werden kann, Bei niedriger Beschleunigungsenergie werden bei der elften Ausführungsform durch das Erfassen von Fluoreszenz-Röntgenstrahlen von der Probenoberfläche wie oben beschrieben Rückstände qualitativ und quantitativ erfaßt; bei hoher Beschleunigungsenergie (> 50 keV) stellt die elfte Ausführungsform ein Abtastbild der Oberfläche der Probe 2 mittels Erfassen von Sekundärelektronen und reflektierten Elektronen von der Probenoberfläche dar. Da die Elektronen mit hoher Beschleunigungsenergie leichter Substanzen durchdringen, ermöglicht es das Erfassen der reflektierten Elektronen zum Beispiel, die Innenseite der kleinen Löcher in der Probenoberfläche zu betrachten. Zum Erfassen der Sekundärelektronen und der reflektierten Elektronen von der Probenoberfläche wird ein Elektronendetektor 54 verwendet. Mit dieser Anordnung können zusätzlich zu der Betrachtung der Probenoberfläche die Elemente identifiziert werden, die diese bilden.
Die schematisch in der Fig. 15 gezeigte Vorrichtung schließt eine Funktion zum Messen der Längen feiner Strukturen ein. Die Messung der Längen feiner Strukturen wird mit zwei zusätzlichen Einrichtungen erreicht: Einer Einrichtung zum Messen des Punktes auf der Probenoberfläche, auf den der Elektronenstrahl eingestrahlt wird, und einer Einrichtung zum Erhalten des Abstandes zwischen zwei verschiedenen bestrahlten Stellen auf der Basis der Daten über den so gemessenen, bestrahlten Punkt. Eine typische Anordnung umfaßt die Steuerung 51 zum Steuern des Elektronenlinsensystems 48 und 49 so, daß bei der Abtastung der Oberfläche der Probe 2 mit dem Elektronenstrahl 1 der Steuerprozessor 53 ein Sekundärelektronenbild der Probenoberfläche auf seinem Anzeigeschirm zeigt. In diesem Fall ist die Beschleunigungsenergie des Elektronenstrahls 1 gleich 5 keV oder weniger. Das Betrachten des Sekundärelektronenbildes ermöglicht die Bestimmung zweier Punkte der feinen Struktur, deren Länge zu messen ist. Der Abstand zwischen den beiden Punkten (d. h. die Strukturlänge) ist durch das Ausmaß der Ablenkung des Elektronenstrahls 1 dazwischen bekannt oder durch das Ausmaß der Bewegung eines Gestells 55 dazwischen, das von der Steuerung 52 bewegt wird.
Neben einer qualitativen und quantitativen Analyse der Rückstände auf der Probenoberfläche kann mit der elften Ausführungsform die Form der jeweiligen Rückstände auf der Probenoberfläche betrachtet und die Größe der kleinen Löcher darauf gemessen werden. Die elfte Ausführungsform ergibt daher mehr allgemeine Informationen über feine Strukturen auf der Probenoberfläche als sonst erhältlich sind.

Zwölfte Ausführungsform:

Die Fig. 16 zeigt schematisch eine zwölfte Ausführungsform der Erfindung. Diese Ausführungsform ist ein Beispiel, bei dem die Oberflächenanalysevorrichtung der Erfindung beispielhaft mit einer Vorrichtung zum Herstellen von Halbleitern verbunden ist.
Wie in der Fig. 16 gezeigt, ist die erfindungsgemäße Oberflächenanalysevorrichtung 60 über einen Schieber 64 mit einem Weg 63 verbunden. Die Innenseite des Weges 63 ist entweder evakuiert oder wird unter einer kontrollierten Atmosphäre gehalten, etwa einer Stickstoffatmosphäre. Der Weg 63 weist zwei andere Enden auf, an denen über Schieber 65 und 66 Mikrofabrikationsvorrichtungen 61 und 62 angeschlossen sind. Bei der zwölften Ausführungsform ist die Mikrofabrikationsvorrichtung 61 eine Vorrichtung zum Ausbilden von Fotolackmustern und die Vorrichtung 62 eine Ätzvorrichtung.
Anhand der Fig. 17(A) bis 17(C) wird ein typischer Prozeß bei der Halbleiterherstellung mit der zwölften Ausführungsform beschrieben. Dieser Prozeß beinhaltet das Ausbilden von Kontaktlöchern 77 in einer nichtleitenden Schicht 72 über einem Wafer (Siliziumsubstrat) 70.
Zuerst wird die nichtleitende Schicht 72, in der Kontaktlöcher auszubilden sind, auf dem Wafer 70 abgeschieden. Auf der nichtleitenden Schicht 72 wird eine lichtempfindliche Fotolackschicht 71 aufgebracht. Der Wafer 70 wird dann zum Ausbilden eines Fotolackmusters in die Vorrichtung 61 zum Ausbilden eines Fotolackmusters eingebracht (Fig. 17(A)). Die Ausbildung des Fotolackmusters kann mittels bekannter Belichtungs- und Entwicklungsgeräte erfolgen. Die bekannten Belichtungsgeräte schließen Ultraviolett-Belichtungsgeräte und Elektronenlithographiegeräte ein und die bekannten Entwicklungsgeräte Naßentwicklungsgeräte und Trockenentwicklungsgeräte, die Sauerstoffplasma verwenden.
Nachdem er in der Vorrichtung 61 zum Ausbilden eines Fotolackmusters der Musterausbildung unterworfen wurde, wird der Wafer 70 auf dem Weg 63 zur Überprüfung in die erfindungsgemäße Oberflächenanalysevorrichtung 60 gebracht. Die Oberflächenanalysevorrichtung 60 unterscheidet gute Löcher 73 von schlecht ausgebildeten Löchern 74, in denen Rückstände verblieben sind. Auch wenn die Fig. 17(A) bis 17(C) schematische Schnittansichten sind, ist es in der Praxis nicht möglich, einen im Herstellungsprozeß befindlichen Wafer zur herkömmlichen Querschnittsuntersuchung zu zerschneiden. Insbesondere können Rückstände in einem tiefen Loch nur mittels der erfindungsgemäßen Oberflächenanalysevorrichtung 60 festgestellt werden.
Wenn festgestellt wird, daß der Wafer 70 schlecht ausgebildete Löcher 74 enthält, wird er zur weiteren Entwicklung entsprechend dem Ausmaß der festgestellten Rückstände noch einmal in die Vorrichtung 61 zum Ausbilden eines Fotolackmusters verbracht. Da der Wafer 70 durch ein Vakuum oder durch eine Stickstoffatmosphäre transportiert wird, besteht nicht die Gefahr, daß die Musteroberfläche nachteilig beeinflußt wird. Dadurch verbessert sich die Steuerbarkeit des zusätzlichen Entwicklungsprozesses. Wenn der Wafer durch die Atmosphäre transportiert würde, könnte durch die Oxidation der Fotolackmusteroberfläche und die Absorption von Feuchtigkeit darin der zusätzliche Entwicklungsprozeß unmöglich werden.
Wenn so ein zufriedenstellendes Fotolackmuster ausgebildet wurde, wird der Wafer 70 zum Trockenätzen der nicht- leitenden Schicht 72 in die Ätzvorrichtung 62 gebracht. Wenn die nichtleitende Schicht 72 eine Siliziumoxidschicht ist, wird der Wafer 70 einem Trockenätzen mit Freongas unterworfen. Es ist bekannt, daß die Geschwindigkeit des Trockenätzens bei kleinen, tiefen Löchern oft abfällt, mit dem Ergebnis von schlecht ausgebildeten Kontaktlöchern.
Nach dem Ätzen wird der Wafer 70 wieder zu der erfindungsgemäßen Oberflächenanalysevorrichtung 60 gebracht, um die Oberfläche zu untersuchen und zu analysieren. Wenn festgestellt wird, daß sich in einem geätzten Loch 77 des Wafers 70 noch Ätzrückstände 76 befinden, wie es in der Fig. 17 (B) gezeigt ist, wird der Wafer als schlecht geätzt beurteilt. Der schlecht geätzte Wafer 70 wird für eine Fortsetzung des Ätzens wieder in die Ätzvorrichtung 62 verbracht. Schließlich werden auf dem Wafer 70 gute Löcher (Kontaktlöcher) 77 ausgebildet, die vollständig frei von Ätzrückständen sind, wie es in der Fig. 17(C) gezeigt ist.
Wenn auf dem Wafer kleine Löcher ausgebildet werden, während der Bearbeitungszustand davon mit der erfindungsgemäßen Oberflächenanalysevorrichtung 60 überwacht wird, ist es möglich, bei der Herstellung von Halbleiterbauteilen, die frei von schlecht ausgebildeten Löchern (z. B. Kontaktlöchern) sind, eine hohe Ausbeute zu erzielen. Bei der Anordnung der Fig. 16 braucht die erfindungsgemäße Oberflächenanalysevorrichtung 60 nicht immer mit den Mikrofabrikationsvorrichtungen 61 und 62 verbunden zu sein; die einzelnen Vorrichtungen können auch nur dann über Schieber 61 und 62 verbunden werden, wenn dies erforderlich ist. Es erübrigt sich zu bemerken, daß auch andere Mikrofabrikationsvorrichtungen über einen weiteren Schieber 67 am Weg 63 mit der erfindungsgemäßen Oberflächenanalysevorrichtung verbunden werden können.

Dreizehnte Ausführungsform:

Die Fig. 18 ist eine schematische Ansicht einer dreizehnten Ausführungsform der Erfindung. Wenn auf dem Wafer mit der erfindungsgemäßen Oberflächenanalysevorrichtung mit Bezug zu Halbleiterbauteilmustern viele kleine Löcher zu überprüfen sind, kann das Ergebnis der Analyse effektiv wie folgt angezeigt werden:
Die dreizehnte Ausführungsform umfaßt das Darstellen eines realen Bildes 80 (Sekundärelektronenbild) des Musters auf der Waferoberfläche und eines Maskenmusterbildes 81 nebeneinander auf einem einzigen Schirm. Wenn mittels eines Analysepunktbestimmungsbereiches 82 die Koordinaten eines Analysepunktes 83 im Maskenmusterbild 81 bezeichnet werden, wird die Waferstufe entsprechend gesteuert, so daß das reale Bild 80 des entsprechenden Bereiches mit dem Analysepunkt 83 auf der Waferoberfläche sofort auf dem Schirm angezeigt wird. Es ist anzumerken, daß die Positionierung der Waferstufe im allgemeinen nicht besonders genau ist; die Waferposition ist im allgemeinen leicht aus der gewünschten Position verschoben. Dadurch wird eine Korrektur der Waferposition auf der Basis der Bildverarbeitung des realen Bildes 80 erforderlich, um ein reales Bild (Sekundärelektronenbild) 80 zeigen zu können, das mit dem Maskenmusterbild 81 zusammenfällt. Auf diese Weise werden aufeinanderfolgend Analysepunkte (z. B. Positionen der zu untersuchenden Löcher) im Maskenmusterbild 81 für die automatische folgende Analyse bezeichnet. Das Ergebnis der Analyse wird zum Beispiel farblich gekennzeichnet und auf einem Schirm dargestellt, wobei die wesentlichen Elemente angegeben werden, die erfaßt wurden. Auf dem gleichen Anzeigeschirm kann ein Kennzeichnungs- und Anzeigebereich 84 mit einer Legende für die gekennzeichnete Abbildung enthalten sein. Zur Anzeige der Analysepunkte können im Maskenmusterbild 81 und dem realen Bild (Sekundärelektronenbild) 80 Zeiger 83 vorgesehen sein. Diese Zeiger helfen bei einer der Reihe nach erfolgenden Überprüfung festzustellen, ob die Analysepunkte richtig gewählt sind oder nicht.
Die Fig. 19 ist eine schematische Ansicht einer anderen Oberflächenanalysevorrichtung, die die Erfindung enthält und die einen Maskeninformationsanzeigeschirm 95 umfaßt. Die Vorrichtung beinhaltet einen Analyseteil 90 und einen Steuer- und Anzeigebereich 91. Der Steuer- und Anzeigebereich 91 besteht aus einem Realbild-Anzeigeschirm 94 und einem weiten Anzeigeschirm 95 daneben. Der Realbild-Anzeigeschirm 94 zeigt ein reales Bild (Sekundärelektronenbild) der Oberfläche einer Probe 92 (eines Wafers) gemäß dem Erfassungssignal von einem Sekundärelektronendetektor 93. Der Anzeigeschirm 95 zeigt Maskeninformationen an. Da Halbleiterelemente eine sehr große Anzahl von Bauteilmustern aufweisen, ist die effektivste Art der Analyse der Waferoberfläche die, aufeinanderfolgend die Konstruktionsmuster (d. h. Maskenmuster) anzuzeigen, die der Position auf dem Wafer 92 entsprechen, und fortschreitend die gewünschten Analysepunkte in diesem Maskenmuster für die Analyse zu bezeichnen. Der Steuer- und Anzeigebereich 91 kann so aufgebaut sein, daß Prozeßinformationen für verschiedene Wafertypen enthalten sind. Wenn eine Schnittansicht jeder gewünschten Position in einem Maskenmuster auf dem Maskeninformationsanzeigeschirm 95 dargestellt wird, läßt sich das Ergebnis der Analyse effektiver überprüfen.
Wie oben in Verbindung mit einer Anzahl Ausführungsformen erläutert, werden bei der Erfindung verschiedene optische Elemente und Röntgenstrahldetektoren verwendet, um die von der Probenoberfläche ausgesendeten Fluoreszenz-Röntgenstrahlen zu untersuchen. Um die Fluoreszenz-Röntgenstrahlen effektiver zu erfassen, sind Einstelleinrichtungen zum Feineinstellen der Positionen der optischen Elemente und Detektoren erforderlich. Diese Einstelleinrichtungen können zusätzlich mit nicht gezeigten Mechanismen zum Feineinstellen der Positionen versehen werden. Es erübrigt sich zu bemerken, daß jede Kombination der obigen Ausführungsformen auch im Umfang der Erfindung liegt. Außerdem wird, auch wenn es nicht explizit angegeben ist, der Großteil der Einrichtungen zum Erzeugen und Erfassen von Fluoreszenz-Röntgenstrahlen ganz offensichtlich in einem Vakuum angeordnet. Wenn die Absorption der Fluoreszenz-Röntgenstrahlen durch die Teilchen in der Atmosphäre genügend gering ist, kann sich die Probe in einem relativ schlechten Vakuum befinden.
Wie im Detail beschrieben, wird erfindungsgemäß ein fokussierter Elektronenstrahl auf die Probenoberfläche eingestrahlt, und es werden die von Rückständen darauf ausgesendeten Fluoreszenz-Röntgenstrahlen nahe der Achse des Elektronenstrahls untersucht. Dadurch können auch auf einer erheblich unebenen Oberfläche der Probe die Rückstände darauf qualitativ und quantitativ mit hoher Genauigkeit untersucht werden. Da die erfindungsgemäße Oberflächenanalyse von nichtdestruktiver Art ist, kann die untersuchte Probe unbeschädigt in der Herstellungsprozeß zurückgegeben werden.
Da es offensichtlich viele verschiedene Ausführungsformen der Erfindung gibt, ohne daß vom Geist und Umfang der Erfindung abgewichen wird, ist die Erfindung nicht durch die speziellen Ausführungsformen davon beschränkt, sondern wird in den anhängenden Ansprüchen definiert.

Claims

1. Verfahren zur Oberflächenanalyse einer Probe (2) mittels Bestrahlung der Oberfläche der Probe (2) durch einen beschleunigten und fokussierten (3, 11) Elektronenstrahl (1) und Messung der daraufhin von der Oberfläche emittierten Fluoreszenz-Röntgenstrahlen,

dadurch gekennzeichnet, daß

der Elektronenstrahl in kleine Löcher auf der Oberfläche der Probe (2) gerichtet wird, um Rückstände innerhalb der kleinen Löcher zu analysieren, und daß

die Fluoreszenz-Röntgenstrahlen, die in bezug auf die Mittelachse des auf die Oberfläche auftreffenden Elektronenstrahls (1) über den gesamten Winkelbereich zwischen 0º, oder im wesentlichen 0º, bis αº emittiert werden, gemessen werden, wobei α definiert ist durch

tan α = (a/d),

wobei a multipliziert mit 2 den inneren Durchmesser eines der kleinen Löcher und d dessen Tiefe darstellt.

2. Verfahren zur Oberflächenanalyse einer Probe (2) mittels Bestrahlung der Oberfläche der Probe (2) durch einen beschleunigten und focussierten (3, 11) Elektronenstrahl (1) und Messung der daraufhin von der Oberfläche emittierten Fluoreszenz-Röntgenstrahlen, dadurch gekennzeichnet, daß Fluoreszenz-Röntgenstrahlen gemessen werden, die in bezug auf die Mittelachse des auf die Oberfläche auftreffenden Elektronenstrahls (1) bis zu einem Winkel von 20º emittiert werden, um dadurch Rückstände auf der Oberfläche der Probe (2) zu analysieren.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Rückstände mindestens ein Atom einer Gruppe umfassen, die aus Kohlenstoff-, Sauerstoff- und Siliziumatomen besteht.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Energie des Elektronenstrahls derart gewählt wird, daß zur Emission von Fluoreszenz-Röntgenstrahlung aus der Probe zumindest ein Atom aus einer Gruppe angeregt wird, die aus Kohlenstoff-, Sauerstoff- und Siliziumatomen besteht.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Energie des Elektronenstrahls höchstens 5 keV beträgt.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Energie des Elektronenstrahls höchstens das zehnfache der Energie der zu messenden Fluoreszenz-Röntgenstrahlen beträgt.

7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Fluoreszenz-Röntgenstrahlen mittels eines ringförmigen Röntgenstrahldetektors gemessen werden, der das Spektrum der Fluoreszenz-Röntgenstrahlen detektiert, und der eine koaxial um die Mittelachse des Elektronenstrahls angeordnete zentrale Öffnung aufweist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem der Elektronenstrahl durch die zentrale Öffnung des Röntgenstrahldetektors auf die Probenoberfläche gerichtet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Fluoreszenz-Röntgenstrahlen mittels eines auf oder nahe der Mittelachse des Elektronenstrahls angeordneten Röntgenstrahldetektors gemessen werden, der das Spektrum der Fluoreszenz-Röntgenstrahlen detektiert.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der Elektronenstrahl abgelenkt wird, um den Röntgenstrahldetektor zu umgehen, bevor er auf die Probenoberfläche auftrifft.

11. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der Röntgenstrahldetektor innerhalb einer Elektronenlinse zur Fokussierung des Elektronenstrahls angeordnet ist.

12. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Fluoreszenz-Röntgenstrahlen mittels eines nahe der Mittelachse des Elektronenstrahls angeordneten Röntgenstrahlreflektors und mittels eines außerhalb der Mittelachse des Elektronenstrahls angeordneten Röntgenstrahldetektors gemessen werden, wobei der Röntgenstrahlreflektor die Fluoreszenz-Röntgenstrahlen reflektiert und diese dann vom Röntgenstrahldetektor spektral untersucht werden.

13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der Röntgenstrahlreflektor ein Totalreflektor ist, der die Fluoreszenz-Röntgenstrahlen totalreflektiert.

14. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der Röntgenstrahlreflektor ein Planspiegel ist.

15. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der Röntgenstrahlreflektor ein Spiegel aus einer Gruppe ist, die aus zylindrischen, sphärischen, toroidalen und nicht sphärischen Spiegeln besteht, jeweils einschließlich eines Rotationskegels.

16. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Krümmung der reflektierenden Oberfläche des Röntgenstrahlreflektors variabel ist.

17. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Fluoreszenz-Röntgenstrahlen mittels eines nahe der Mittelachse des Elektronenstrahls angeordneten Mehrschichtreflektors und mittels eines außerhalb der Mittelachse des Elektronenstrahls angeordneten Röntgenstrahldetektors gemessen werden, wobei der Mehrschichtreflektor die Fluoreszenz-Röntgenstrahlen spektral reflektiert und die spektralreflektierten Fluores zenz-Röntgenstrahlen von dem Röntgenstrahldetektor detektiert werden.

18. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem der Mehrschichtreflektor gedreht wird, um die spektralen Bedingungen für die Fluoreszenz-Röntgenstrahlen zu ändern, wobei der Röntgenstrahldetektor synchron mit der Drehung des Mehrschichtreflektors nachgestellt wird, um die spektralreflektierten Fluoreszenz-Röntgenstrahlen zu detektieren.

19. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Fluoreszenz-Röntgenstrahlen durch nahe der Mittelachse des Elektronenstrahls angeordnete Beugungsgitter sowie mittels eines außerhalb der Mittelachse des Elektronenstrahls angeordneten Röntgenstrahldetektors gemessen werden, wobei die Beugungsgitter die Fluoreszenz-Röntgenstrahlen spektral reflektieren und die spektral reflektierten Fluoreszenz-Röntgenstrahlen von dem Röntgenstrahldetektor detektiert werden.

20. Verfahren nach Anspruch 17 oder 19, bei dem der Röntgenstrahldetektor ein zweidimensionaler Detektor mit mehreren in zwei Dimensionen angeordneten Röntgenstrahldetektor-Einheiten ist.

21. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Elektronenstrahl unmittelbar vor dem Auftreffen auf die Probenoberfläche abgelenkt wird.

22. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Stelle auf der Probenoberfläche, auf die der Elektronenstrahl auftrifft, lokal erhitzt wird.

23. Verfahren nach Anspruch 22, bei dem auf eine Temperatur zwischen 100ºC und 200ºC lokal erhitzt wird.

24. Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, bei dem auf die zu erhitzende Stelle ein Lichtstrahl fokussiert wird.

25. Verfahren nach Anspruch 24, bei dem der Lichtstrahl entweder ein sichtbarer oder ein infraroter Strahl ist.

26. Vorrichtung zur Oberflächenanalyse mit einer Elektronenstrahl-Bestrahlungseinrichtung, um einen feinfokussierten Elektronenstrahl in kleine Löcher auf der Probenoberfläche zu richten, und mit einer Meßeinrichtung, um Fluoreszenz-Röntgenstrahlen zu messen, die auf die Bestrahlung mit dem Elektronenstrahl (1) hin aus den kleinen Löchern emittiert werden,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Fluoreszenz-Röntgenstrahlmeßeinrichtung (8, 15, 17, 19, 25) das Spektrum der Fluoreszenz-Röntgenstrahlen detektiert, die bezogen auf die Mittelachse des auf die Oberfläche auftreffenden Elektronenstrahls über den gesamten Winkelbereich von 0º, oder im wesentlichen 0º, bis αº emittiert werden, wobei der Winkel α gegeben ist durch

tan α = (a/d),

wobei a multipliziert mit 2 den Innendurchmesser eines der kleinen Löcher und d dessen Tiefe darstellt, und wobei der Elektronenstrahl (1) auf die kleinen Löcher auf der Probenoberfläche gerichtet ist.

27. Vorrichtung zur Oberflächenanalyse mit einer Elektronenstrahl-Bestrahlungseinrichtung (3, 11), um einen feinfokussierten Elektronenstrahl (1) auf die Oberfläche einer Probe (2) zu richten und mit einer Fluoreszenz-Röntgenstrahlmeßeinrichtung (8, 15, 17, 19, 25), um Fluoreszenz-Röntgenstrahlen zu messen, die auf die Bestrahlung mit dem Elektronenstrahl (1) hin von der Oberfläche der Probe (2) emittiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß

die Fluoreszenz-Röntgenstrahlmeßeinrichtung (8, 15, 17, 19, 25) das Spektrum der Fluoreszenz-Röntgenstrahlen detek tiert, die in bezug auf die Mittelachse des auf die Oberfläche auftreffenden Elektronenstrahls (1) ber den gesamten Winkelbereich zwischen 0º, oder im wesentlichen 0º, bis 20º emittiert werden.

28. Vorrichtung nach Anspruch 26 oder 27, bei der die Energie des Elektronenstrahls derart gewählt wird, daß zur Emission von Fluoreszenz-Röntgenstrahlung aus der Probe zumindest ein Atom aus einer Gruppe angeregt wird, die aus Kohlenstoff-, Sauerstoff- und Siliziumatomen auf der Probenoberfläche besteht.

29. Vorrichtung nach Anspruch 26 oder 27, bei der die Energie des Elektronenstrahls höchstens 5 keV beträgt.

30. Vorrichtung nach Anspruch 26 oder 27, bei der die Energie des Elektronenstrahls höchstens das zehnfache der Energie der zu messenden Fluoreszenz-Röntgenstrahlen beträgt.

31. Vorrichtung nach Anspruch 26 oder 27, bei der die Fluoreszenz-Röntgenstrahlmeßeinrichtung einen ringförmigen Röntgenstrahldetektor umfaßt, der zur Energieanalyse fähig ist und eine koaxial um die Mittelachse des Elektronenstrahls angeordnete zentrale Öffnung besitzt, und bei der die Elektronenstrahl-Bestrahlungseinrichtung derart angeordnet ist, daß der Elektronenstrahl durch die zentrale Öffnung des Röntgenstrahldetektors auf die Probenoberfläche trifft.

32. Vorrichtung nach Anspruch 26 oder 27, bei der die Fluoreszenz-Röntgenstrahlmeßeinrichtung einen zur Energieanalyse fähigen Röntgenstrahldetektor umfaßt, der auf der Mittelachse des Elektronenstrahls angeordnet ist, und bei der die Elektronenstrahl-Bestrahlungseinrichtung derart angeordnet ist, daß der Elektronenstrahl abgelenkt wird, um den Röntgenstrahldetektor zu umgehen, bevor er auf die Probenoberfläche trifft.

33. Vorrichtung nach Anspruch 31, bei der die Elektronenstrahl-Bestrahlungseinrichtung eine Elektronenlinse zum Fokussieren des Elektronenstrahls umfaßt, wobei der ringförmige Röntgenstrahldetektor innerhalb der Elektronenlinse angeordnet ist.

34. Vorrichtung nach Anspruch 26 oder 27, bei der die Fluoreszenz-Röntgenstrahlmeßeinrichtung einen Röntgenstrahlreflektor umfaßt, der nahe der Mittelachse des auf die Probenoberfläche auftreffenden Elektronenstrahls angeordnet ist, sowie einen zur Energieanalyse fähigen Röntgenstrahldetektor, der die von dem Röntgenstrahlreflektor reflektierten Fluoreszenz-Röntgenstrahlen detektiert.

35. Vorrichtung nach Anspruch 34, bei der der Röntgenstrahlreflektor ein Totalreflektor ist, der die Fluoreszenz-Röntgenstrahlen totalreflektiert.

36. Vorrichtung nach Anspruch 34, bei der der Röntgenstrahlreflektor ein Planspiegel ist.

37. Vorrichtung nach Anspruch 34, bei der der Röntgenstrahlreflektor ein Spiegel aus einer Gruppe ist, die aus zylindrischen, sphärischen, toroidalen und nicht sphärischen Spiegeln besteht, jeweils einschließlich eines Rotationskegels.

38. Vorrichtung nach Anspruch 34, bei der die Fluoreszenz- Röntgenstrahlmeßeinrichtung eine Einheit zur Veränderung der Krümmung der Reflektionsoberfläche des Röntgenstrahlreflektors umfaßt.

39. Vorrichtung nach Anspruch 26 oder 27, bei der die Fluoreszenz-Röntgenstrahlmeßeinrichtung einen Mehrschicht-Röntgenstrahlreflektor umfaßt, der nahe der Mittelachse des auf die Probenoberfläche auftreffenden Elektronenstrahls angeord net ist, sowie einen Röntgenstrahldetektor, der die von dem Mehrschicht-Röntgenstrahlreflektor spektral reflektierten Fluoreszenz-Röntgenstrahlen detektiert.

40. Vorrichtung gemäß Anspruch 39, bei der die Fluoreszenz- Röntgenstrahlmeßeinrichtung eine Dreheinheit zur Drehung des Mehrschicht-Röntgenstrahlreflektors umfaßt, um den Einfallswinkel der Fluoreszenz-Röntgenstrahlen zu verändern, die auf den Mehrschicht-Röntgenstrahlreflektor fallen, sowie eine Verstelleinrichtung, die den Röntgenstrahldetektor in Übereinstimmung mit der Drehung des Mehrschicht-Röntgenstrahlreflektors derart verstellt, daß der Röntgenstrahldetektor die von dem Mehrschicht-Röntgenstrahlreflektor spektral reflektierten Fluoreszenz-Röntgenstrahlen detektierten kann.

41. Vorrichtung nach Anspruch 26 oder 27, bei der die Fluoreszenz-Röntgenstrahlmeßeinrichtung Beugungsgitter umfaßt, die nahe der Mittelachse des auf die Probenoberfläche auftreffenden Elektronenstrahls angeordnet sind, sowie einen Röntgenstrahldetektor, um die von den Beugungsgittern spektral reflektierten Fluoreszenz-Röntgenstrahlen zu detektieren.

42. Vorrichtung nach Anspruch 39 oder 41, bei der der Röntgenstrahldetektor ein zweidimensionaler Detektor mit mehreren in zwei Dimensionen angeordneten Röntgenstrahldetektor-Einheiten ist.

43. Vorrichtung nach Anspruch 26 oder 27, bei der die Elektronenstrahl-Bestrahlungseinrichtung eine Ablenkeinheit umfaßt, um den Elektronenstrahl unmittelbar vor dem Auftreffen auf die Probenoberfläche abzulenken.

44. Vorrichtung nach Anspruch 26 oder 27 mit einer Heizeinrichtung, um die Stelle auf der Probenoberfläche zu erhitzen, auf die der Elektronenstrahl trifft.

45. Vorrichtung nach Anspruch 44 bei der die Heizeinrichtung die Stelle der Probenoberfläche, auf die der Elektronenstrahl trifft, auf eine Temperatur zwischen 100ºC und 200ºC lokal erhitzt.

46. Vorrichtung nach Anspruch 44, bei der die Heizeinrichtung eine Bestrahlungseinrichtung umfaßt, um die Stelle auf der Probenoberfläche, auf die der Elektronenstrahl trifft, mit fokussiertem Licht zu bestrahlen.

47. Vorrichtung nach Anspruch 46, bei der die Bestrahlungseinrichtung eine Lichtquelle und eine Kondensorlinse umfaßt, die Licht von der Lichtquelle auf die zu erhitzende Stelle auf der Probenoberfläche fokussiert.

48. Vorrichtung nach Anspruch 46, bei der das Licht entweder aus sichtbaren oder aus infraroten Strahlen besteht.

49. Halbleiterelement, das unter Ausführung eines Verfahrens zur Oberflächenanalyse nach Anspruch 1 oder 2 zur qualitativen und quantitativen Analyse etwaiger Rückstände auf der Oberfläche des Wafers hergestellt ist.

50. Vorrichtung zur Oberflächenanalyse nach Anspruch 26 oder 27 mit einer Meßeinrichtung zur Abmessung der Stelle auf der Probenoberfläche, auf die der Elektronenstrahl trifft, und mit einer Recheneinheit zum Berechnen des Abstandes zwischen zwei verschiedenen Stellen in bezug auf die mittels der Abmeßeinrichtung gemessenen Stelle der Probenoberfläche.

51. Compositvorrichtung zur Herstellung von Halbleitern mit einer Vorrichtung zur Oberflächenanalyse nach Anspruch 26 oder 27, mit einer Bearbeitungsvorrichtung zur Feinbearbeitung einer Probenoberfläche und mit einer Transportvorrich tung, die die Probe zwischen der Oberflächenanalysevorrichtung und der Bearbeitungsvorrichtung transportiert.

52. Vorrichtung zur Oberflächenanalyse nach Anspruch 26 oder 27 mit einer Einrichtung, die die zu analysierende Stelle auf der Probenoberfläche automatisch in Übereinstimmung mit Daten von auf der Probenoberfläche eingerichteten Musterkoordinaten bestimmt.

53. Vorrichtung zur Oberflächenanalyse nach Anspruch 52 mit einer Anzeigeeinrichtung, die sowohl die Daten der Musterkoordinaten als auch das beobachtete Bild eines groben Oberflächenbereichs einschließlich der zu analysierenden Stelle anzeigt.

54. Vorrichtung zur Oberflächenanalyse nach Anspruch 53, bei der die Anzeigeeinrichtung eine Funktion besitzt, um eine schematische Querschnittsansicht des Probenoberflächenbereichs anzuzeigen, der durch die Prozeßdaten bestimmt ist, die sich aus der Bearbeitung der zu analysierenden Probenoberfläche ergeben.