JP2005061998A - Surface potential measuring method and sample observation method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of measuring the surface potential of a sample in a short time and acquiring a sample image with a reduction in the influence of surface potential. <P>SOLUTION: Secondary particles generated from the sample by irradiation with a charged particle beam are detected to acquire a sample image of a measuring area. The peak position of a luminosity histogram of pixels of the sample image is determined. The peak position is compared to the peak position of a reference luminosity histogram for a sample image having a known surface potential. From the amount of shift in the peak position, the difference between the surface potential of the measuring area and the known surface potential is determined. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、荷電粒子線装置に装填された試料の表面電位を測定する方法及び観察方法に関する。   The present invention relates to a method for measuring a surface potential of a sample loaded in a charged particle beam apparatus and an observation method.

電子線やイオンビーム等の荷電粒子線を用いて試料の観察、測定、加工を行う荷電粒子線装置として、走査型電子顕微鏡(SEM)や集束イオンビーム装置(FIB)が知られている。例えばSEMは、加速した電子線を集束レンズで細く絞って試料表面にラスター走査し、試料から発生した二次電子を電子線走査に同期して検出することにより、試料の表面形状を反映した試料像を取得する。試料に電子線を照射したときの二次電子発生率δは、試料の種類や表面状態、照射する電子線のエネルギーに依存して変化する。照射した電子量と二次電子発生量が等しい場合はδ=1、照射した電子量より多くの二次電子が発生する場合はδ>1、その逆はδ<1である。δ>1やδ<1の場合に、試料が半導体や絶縁体など電気抵抗率が大きいものであると、試料表面は電子線照射を行わない、本来試料が保持されている電位に対して相対的に正や負の電位となる場合がある。   Scanning electron microscopes (SEM) and focused ion beam devices (FIB) are known as charged particle beam devices that perform observation, measurement, and processing of samples using charged particle beams such as electron beams and ion beams. For example, SEM narrows the accelerated electron beam with a focusing lens, raster scans the sample surface, and detects secondary electrons generated from the sample in synchronization with the electron beam scan, thereby reflecting the sample surface shape. Get a statue. The secondary electron generation rate δ when the sample is irradiated with an electron beam varies depending on the type and surface state of the sample and the energy of the irradiated electron beam. Δ = 1 when the amount of irradiated electrons is equal to the amount of secondary electrons generated, δ> 1 when more secondary electrons are generated than the amount of irradiated electrons, and vice versa. When δ> 1 or δ <1, if the sample has a high electrical resistivity such as a semiconductor or an insulator, the surface of the sample is not irradiated with an electron beam and is relative to the potential at which the sample is originally held. May be positive or negative.

このように試料表面の電位が電子線の照射によって変化すると、本来設定していた電子線の制御条件、例えば試料に入射する電子のエネルギーやラスター走査範囲つまり倍率やフォーカス条件が適切でなくなる。これを解決するためにはリアルタイムで試料の表面電位を測定し、それを電子線の制御条件にフィードバックして倍率制御の再設定やフォーカスを修正する必要がある。   When the potential of the sample surface changes as a result of electron beam irradiation in this way, the originally set electron beam control conditions, such as the energy of the electrons incident on the sample, the raster scanning range, that is, the magnification and focus conditions, become inappropriate. In order to solve this, it is necessary to measure the surface potential of the sample in real time and feed it back to the electron beam control conditions to reset the magnification control and correct the focus.

表面電位の測定方法としては、微小な探針を測定箇所に直接接触させて電位を読み取る方法がある。また、ケルビン法を用いた非接触式の表面電位計が市販されている。他には、電子線をプローブとし、エネルギーフィルタを用いて、電圧を与えた半導体集積回路の配線の電位情報を反映した二次電子のエネルギー測定を行うことで、回路の電位を測定して回路の動作状況や不良解析を行うEBテスターの手法がある。また、SEMに二次電子のエネルギーを分別することのできるエネルギーフィルタを組み込んでEBテスターと同様に使用することもできる。WO01/75929に記載されているように、エネルギーフィルタの電位を試料表面電位付近で掃引すると同時に二次電子信号量を検出し、試料から出射する二次電子のエネルギーに対する二次電子信号量のプロファイルを取得し、前もって得られている既知の電位に設定した試料に対する同様のプロファイルと比較して、試料表面電位を特定できる特徴量、例えばプロファイルのピークの位置や勾配の相対的な変化量を求めることにより、試料の表面電位を算出することができる。
WO01/75929
As a method for measuring the surface potential, there is a method in which a minute probe is directly brought into contact with a measurement location to read the potential. A non-contact type surface electrometer using the Kelvin method is commercially available. In addition, the energy of secondary electrons reflecting the potential information of the wiring of the semiconductor integrated circuit to which the voltage is applied is measured using an energy filter with an electron beam as a probe. There is an EB tester method for analyzing the operation status and failure analysis. Further, an energy filter that can separate the energy of secondary electrons is incorporated into the SEM, and can be used in the same manner as the EB tester. As described in WO01 / 75929, the profile of the amount of secondary electron signals with respect to the energy of secondary electrons emitted from the sample is detected by simultaneously sweeping the potential of the energy filter in the vicinity of the sample surface potential. Is obtained, and compared with a similar profile for a sample set to a known potential obtained in advance, a characteristic amount capable of specifying the sample surface potential, for example, a relative change in the position of the profile peak or gradient is obtained. Thus, the surface potential of the sample can be calculated.
WO01 / 75929

SEMにおいて電子線を照射する試料上の領域(観察領域)は、広くてもせいぜい数百マイクロメートル角である。したがって、表面電位計のように表面電位を測定したい領域に対して非常に大きいサイズの探針を用いる場合には、探針の大きさ、測定感度や測定位置の問題から、電子線が照射されている領域の表面電位を電子線に影響を与えることなく測定することは出来ない。   The area (observation area) on the sample irradiated with an electron beam in SEM is at most several hundred micrometers square at most. Therefore, when using a probe with a very large size for the area where the surface potential is to be measured, such as a surface electrometer, the electron beam is irradiated due to problems with the probe size, measurement sensitivity, and measurement position. It is impossible to measure the surface potential of the area without affecting the electron beam.

また、エネルギーフィルタを介して、二次電子のエネルギー分別を行う場合には、検出方法が電位阻止型のエネルギーフィルタを用いた積分型にしても、エネルギー分散型のエネルギーフィルタを用いた微分型にしても、十分なS/Nで二次電子信号を検出するための条件を最適化するために、かつ二次電子のエネルギーに対する二次電子信号量のプロファイルを取得するために、エネルギーフィルタの電極電位あるいは磁場発生用コイル電流を掃引する必要があり、掃引に時間を要する。さらに、二次電子信号量を検出する手段が試料上に照射する電子線のラスター走査に同期して試料から発生する二次電子を検出して構築される画像を用いる場合には、画像の取得時間が加味されることになり、プロファイルの取得には装置のスループットを低下させるほどの無視できない時間が必要となる。   In addition, when the energy separation of the secondary electrons is performed via the energy filter, the detection method is changed to the differential type using the energy dispersion type energy filter, even if the detection method is the integration type using the potential blocking type energy filter. Even in order to optimize the conditions for detecting the secondary electron signal with sufficient S / N and to obtain a profile of the amount of secondary electron signal with respect to the energy of the secondary electron, the electrode of the energy filter It is necessary to sweep the potential or the coil current for generating the magnetic field, and it takes time for the sweep. Furthermore, if the means for detecting the amount of secondary electron signals uses an image constructed by detecting secondary electrons generated from the sample in synchronism with the raster scanning of the electron beam irradiated on the sample, the image is acquired. Time is taken into account, and the acquisition of a profile requires a time that cannot be ignored so as to reduce the throughput of the apparatus.

本発明は、試料の表面電位を短時間で測定できる方法を提供することを目的とする。また、本発明は表面電位の影響を低減した試料像を取得する方法を提供することを目的とする。   An object of this invention is to provide the method which can measure the surface potential of a sample in a short time. Another object of the present invention is to provide a method for obtaining a sample image with reduced influence of surface potential.

本発明では、試料の表面電位を特定するための特徴量として、試料像を構成する画素の輝度の階調と出現頻度の関係を表す輝度ヒストグラムのピーク位置を用いる。試料を保持するホルダー等を介して試料に電圧を印加している場合には、荷電粒子線照射によって試料から放出された二次粒子を、エネルギーフィルタを通して検出し、その検出信号によって試料像を形成する。エネルギーフィルタとしては、数枚の電極から構成された電位阻止型のハイパスフィルタを用いることができ、エネルギーフィルタリング作用を生じる電極には試料に印加した電圧と同じ電圧を印加する。試料に電圧を印加していない場合には、エネルギーフィルタは必ずしも必要ではない。   In the present invention, the peak position of the luminance histogram representing the relationship between the luminance gradation and the appearance frequency of the pixels constituting the sample image is used as the feature quantity for specifying the surface potential of the sample. When a voltage is applied to the sample through a holder that holds the sample, secondary particles emitted from the sample by charged particle beam irradiation are detected through an energy filter, and a sample image is formed by the detection signal. To do. As the energy filter, a potential-blocking high-pass filter composed of several electrodes can be used, and the same voltage as that applied to the sample is applied to the electrode that causes the energy filtering action. When no voltage is applied to the sample, the energy filter is not always necessary.

荷電粒子線が照射された試料上の点の電位が、帯電により、試料に印加した電位と異なる場合には、エネルギーフィルタでエネルギーフィルタリングされて二次粒子検出器にて検出される二次粒子量は、試料上の点が試料に印加した電位と同じ電位にある場合と異なる。さらに、試料上の電位が変化したときに得られる画像から輝度ヒストグラムを算出すると、二次粒子検出器での二次粒子の収量が変化することから、画像の輝度が変化して輝度ヒストグラムのピーク位置が試料上の電位の変化に伴ってシフトする。よって、このシフト量と試料上の電位との関係を予め求めておけば、ピーク位置のシフト量から試料上の電位が求められる。   If the potential of the point on the sample irradiated with the charged particle beam differs from the potential applied to the sample due to charging, the amount of secondary particles detected by the secondary particle detector after energy filtering by the energy filter Is different from the case where the point on the sample is at the same potential as the potential applied to the sample. Furthermore, if the luminance histogram is calculated from the image obtained when the potential on the sample changes, the yield of the secondary particles at the secondary particle detector changes, so the luminance of the image changes and the peak of the luminance histogram The position shifts as the potential on the sample changes. Therefore, if the relationship between the shift amount and the potential on the sample is obtained in advance, the potential on the sample can be obtained from the shift amount of the peak position.

本発明では、測定しようとする試料上の領域の電位の算出には、後述するように、電位が既知の導電性試料に対して得られた基準輝度ヒストグラム、又は試料上の電位が既知の領域における輝度ヒストグラム及びエネルギーフィルタを用いて測定される表面電位を用いる。エネルギーフィルタを用いて測定される表面電位は、例えば局所表面電位であり、エネルギーフィルタの設定電圧を、(試料から発生した二次電子のエネルギー)+(試料表面電位)として二次電子が阻止される電圧を測定する。基準輝度ヒストグラムは、全ての表面電位測定対象に対して汎用性を持たせるために、半導体デバイスのような配線などの表面構造をもたない、言い換えれば表面構造や複数の材質の影響によるコントラストを生じさせない試料を用いるのが好ましい。この場合、基準輝度ヒストグラムのピークは1つだけとなる。   In the present invention, for calculating the potential of the region on the sample to be measured, as described later, a reference luminance histogram obtained for a conductive sample having a known potential, or a region having a known potential on the sample. A surface potential measured using a luminance histogram and an energy filter is used. The surface potential measured using the energy filter is, for example, a local surface potential, and the secondary electron is blocked with the set voltage of the energy filter as (energy of secondary electrons generated from the sample) + (sample surface potential). Measure the voltage. The reference luminance histogram does not have a surface structure such as wiring like a semiconductor device in order to have versatility for all surface potential measurement objects, in other words, contrast due to the influence of the surface structure and multiple materials. It is preferable to use a sample that is not generated. In this case, the reference luminance histogram has only one peak.

なお、半導体デバイスの製造工程で用いられる検査用SEMではサブマイクロメートル幅の配線などの寸法測長を行う必要があり、観察対象は複数の材質、例えば半導体、絶縁体、金属や有機物の組合せが同一視野内に存在することが多く、二次電子の発生率の差により画像のコントラスト差も大きくなる。また、通常の観察倍率は数万倍以上になることから、これらの観察対象や観察倍率では画像の輝度ヒストグラムは複数のピークを持つことがあるが、表面電位測定点での輝度ヒストグラムのピークは1つであるのが望ましい。輝度ヒストグラムのピークを1つにするには、表面電位測定点での画像取得の倍率を十分高くして単一材質の構造のみが視野内に収まるようにするか、逆に十分な低倍率、例えば1〜2千倍程度で画像取得を行えばよい。   Note that the inspection SEM used in the manufacturing process of a semiconductor device needs to measure dimensions such as sub-micrometer width wiring, and the observation object is a combination of a plurality of materials, for example, semiconductors, insulators, metals and organic substances. In many cases, they exist within the same field of view, and the contrast difference of the image also increases due to the difference in the generation rate of secondary electrons. In addition, since the normal observation magnification is tens of thousands of times or more, the luminance histogram of the image may have a plurality of peaks at these observation objects and observation magnifications, but the peak of the luminance histogram at the surface potential measurement point is It is desirable to have one. In order to have one peak in the luminance histogram, the magnification of image acquisition at the surface potential measurement point should be sufficiently high so that only a single material structure fits within the field of view, or conversely, a sufficiently low magnification, For example, image acquisition may be performed at about 1 to 2000 times.

本発明による表面電位測定方法は、試料上の測定領域に荷電粒子線を走査して照射し、荷電粒子線の照射によって試料から発生した二次粒子を検出して測定領域の試料像を取得するステップと、試料像の画素の輝度ヒストグラムを算出し、そのピーク位置を求めるステップと、ピーク位置の情報に基づいて測定領域の表面電位を求めるステップとを含む。   The surface potential measurement method according to the present invention scans and irradiates a measurement region on a sample with a charged particle beam, detects secondary particles generated from the sample by irradiation of the charged particle beam, and acquires a sample image of the measurement region. A step of calculating a luminance histogram of the pixel of the sample image, obtaining a peak position thereof, and obtaining a surface potential of the measurement region based on the information of the peak position.

より具体的には、表面電位が既知の試料像に対する基準輝度ヒストグラムのピーク位置からの前記ピーク位置のシフト量を求めるステップと、そのシフト量から測定領域の表面電位と既知の表面電位との差を求めるステップとを有する。輝度ヒストグラムのピークのシフト量と試料上の電位との関係を利用するためには、試料像を取得する際に、調整可能なパラメータである二次粒子検出器の輝度やコントラストといった二次粒子信号増幅、画像の輝度ヒストグラムの設定条件、試料に照射する一次荷電粒子線の電流量を、基準輝度ヒストグラムを取得した時と同じにする必要がある。   More specifically, a step of obtaining a shift amount of the peak position from the peak position of the reference luminance histogram with respect to a sample image having a known surface potential, and a difference between the surface potential of the measurement region and the known surface potential from the shift amount. A step for obtaining. In order to use the relationship between the shift amount of the peak of the luminance histogram and the potential on the sample, secondary particle signals such as the luminance and contrast of the secondary particle detector, which are adjustable parameters, can be used when acquiring the sample image. Amplification, the setting condition of the luminance histogram of the image, and the amount of current of the primary charged particle beam applied to the sample must be the same as when the reference luminance histogram is acquired.

また、試料上の2つの領域の表面電位差を求めることもできる。その場合には、試料上の第1の測定領域の試料像から取得した第1の輝度ヒストグラムのピーク位置と、第2の測定領域の試料像から取得した第2の輝度ヒストグラムのピーク位置を求め、それら2つのピーク位置のシフト量から第1及び第2の測定領域の表面電位の差を求める。   Further, the surface potential difference between the two regions on the sample can be obtained. In that case, the peak position of the first luminance histogram acquired from the sample image of the first measurement region on the sample and the peak position of the second luminance histogram acquired from the sample image of the second measurement region are obtained. Then, the difference between the surface potentials of the first and second measurement regions is obtained from the shift amount of the two peak positions.

本発明による試料観察方法は、試料上の測定領域に走査電子顕微鏡の視野を移動するステップと、測定領域の表面電位を求めるステップと、走査電子顕微鏡の倍率を高倍率にし、測定領域内の測長部分の走査電子顕微鏡像を取得するステップと、取得した高倍率の走査電子顕微鏡像に基づいて測長部分を測長するステップとを含み、測定領域の表面電位は、前記した表面電位測定方法によって求め、走査電子顕微鏡の倍率を高倍率にする際に、求めた表面電位の情報を用いて倍率及びフォーカス条件を修正することを特徴とする。この方法によると、試料表面の帯電により生じる倍率の誤差を小さくして正確な測長を行うことができる。   The sample observation method according to the present invention includes a step of moving a scanning electron microscope field of view to a measurement region on a sample, a step of obtaining a surface potential of the measurement region, a magnification of the scanning electron microscope being set to a high magnification, and a measurement in the measurement region. A step of acquiring a scanning electron microscope image of the long portion and a step of measuring the length measurement portion based on the acquired high-magnification scanning electron microscope image, and the surface potential of the measurement region is the surface potential measuring method described above When the magnification of the scanning electron microscope is set to a high magnification, the magnification and focus conditions are corrected using information on the obtained surface potential. According to this method, it is possible to reduce the magnification error caused by the charging of the sample surface and perform accurate length measurement.

本発明による試料観察方法は、また、電気回路要素を含む半導体試料に電子線を照射し、電子線照射によって試料から発生した二次電子を二次電子検出器で検出して試料像を取得するステップと、観察領域内の所定領域の表面電位を求めるステップと、試料と二次電子検出器の間に配置されたエネルギーフィルタの電圧として、求めた表面電位を設定するステップとを含み、表面電位を前記した表面電位測定方法によって求めることを特徴とする。この方法によると、試料表面の帯電に基づく半導体回路の正常部と異常部を反映した画像のコントラストを選択的に強調することができる。   In the sample observation method according to the present invention, a semiconductor sample including an electric circuit element is irradiated with an electron beam, and a secondary electron generated from the sample by the electron beam irradiation is detected by a secondary electron detector to acquire a sample image. A step of obtaining a surface potential of a predetermined region in the observation region, and a step of setting the obtained surface potential as a voltage of an energy filter disposed between the sample and the secondary electron detector. Is obtained by the surface potential measurement method described above. According to this method, the contrast of the image reflecting the normal part and the abnormal part of the semiconductor circuit based on the charging of the sample surface can be selectively enhanced.

本発明によると、試料の荷電粒子線照射領域の表面電位測定時間を大幅に短縮できる。また、欠陥検査装置の欠陥検出率を向上させることができる。   According to the present invention, the surface potential measurement time in the charged particle beam irradiation region of the sample can be greatly shortened. In addition, the defect detection rate of the defect inspection apparatus can be improved.

以下では、試料に照射する一次荷電粒子線として電子線を用いた例について説明する。ただし、本発明は、試料に電子線ではなくイオンビームを照射して試料画像を取得する荷電粒子線装置に対しても同様に適用できるのは勿論である。   Hereinafter, an example in which an electron beam is used as the primary charged particle beam with which the sample is irradiated will be described. However, it goes without saying that the present invention can be similarly applied to a charged particle beam apparatus that acquires a sample image by irradiating a sample with an ion beam instead of an electron beam.

図1は、本発明による走査型電子顕微鏡の構成例を示す模式図である。引出し電極2に正の高電圧を印加することにより、電子源1から電子線3を取り出す。取り出された電子線3は、磁場を用いた集束レンズ系5や対物レンズ7により試料8上にフォーカスし、偏向器6によって試料8上の任意の領域を走査する。試料8には、試料電圧印加部15から、一次電子線3を減速させるための負のリターディング電圧が印加されている。ただし、本発明にとってリターディング電圧の印加は必須ではない。一次電子線3の照射によって試料8から発生した二次電子は電子源1の方向に加速され、偏向器6により偏向されてメッシュ状の電極で構成されたエネルギーフィルタ13を透過した後、アース電位にある反射板9に衝突し、低速の二次電子4に変換されて二次電子検出器11に取り込まれる。   FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration example of a scanning electron microscope according to the present invention. By applying a positive high voltage to the extraction electrode 2, the electron beam 3 is extracted from the electron source 1. The extracted electron beam 3 is focused on the sample 8 by the focusing lens system 5 and the objective lens 7 using a magnetic field, and an arbitrary region on the sample 8 is scanned by the deflector 6. A negative retarding voltage for decelerating the primary electron beam 3 is applied to the sample 8 from the sample voltage application unit 15. However, the application of the retarding voltage is not essential for the present invention. Secondary electrons generated from the sample 8 by irradiation with the primary electron beam 3 are accelerated in the direction of the electron source 1, deflected by the deflector 6, transmitted through the energy filter 13 composed of mesh-like electrodes, and then ground potential. It collides with the reflector 9 located in the above, is converted into low-speed secondary electrons 4 and is taken into the secondary electron detector 11.

エネルギーフィルタ13と反射板9の間にはウィーンフィルタ10が設置されており、一次電子線3の軌道に影響を与えることなく、反射板9で発生した二次電子4を二次電子検出器11に効率良く導く。二次電子検出器11から出力されるアナログ信号は画像表示部12に入力され、画像表示部12に試料像が表示される。画像表示部12はコンピュータを内蔵し、アナログ信号をデジタル変換して画像処理することができ、輝度ヒストグラムの算出も可能である。画像表示部12に表示された画像あるいは画像処理された画像は、画像表示部に内蔵された記憶装置あるいは外付けの記憶装置に保存される。   A Wien filter 10 is installed between the energy filter 13 and the reflecting plate 9, and the secondary electrons 4 generated by the reflecting plate 9 are removed from the secondary electron detector 11 without affecting the trajectory of the primary electron beam 3. Leads efficiently. An analog signal output from the secondary electron detector 11 is input to the image display unit 12, and a sample image is displayed on the image display unit 12. The image display unit 12 has a built-in computer, can convert an analog signal into a digital signal and perform image processing, and can calculate a luminance histogram. The image displayed on the image display unit 12 or the image processed image is stored in a storage device built in the image display unit or an external storage device.

二次電子検出器11は、二次電子をシンチレータで光に変換し、光を光電子増倍管及び電気回路的なアンプにより増幅して出力するものであり、光電子増倍管のゲイン、つまりは光電子増倍管のバイアス電圧とアンプのオフセット調整により画像のコントラストと輝度を変化させることができ、光電子増倍管のゲイン及びアンプのオフセットと増幅信号の大きさの関係は線形性をもつように調整されている。このような特性をもつ検出系であれば、シンチレータや光電子増倍管を用いない検出系、例えば半導体検出器を用いることもできる。なお、二次電子検出器の設置位置は、エネルギーフィルタ13の上方以外に、エネルギーフィルタと対物レンズ7の間や対物レンズの下方としてもよく、これらを組み合わせて複数の検出器を用いることも出来る。   The secondary electron detector 11 converts secondary electrons into light with a scintillator, amplifies the light with a photomultiplier tube and an electric circuit-like amplifier, and outputs the gain. The contrast and brightness of the image can be changed by adjusting the bias voltage of the photomultiplier tube and the offset of the amplifier, and the relationship between the gain of the photomultiplier tube and the offset of the amplifier and the magnitude of the amplified signal should be linear. It has been adjusted. As long as the detection system has such characteristics, a detection system that does not use a scintillator or a photomultiplier tube, for example, a semiconductor detector can be used. In addition to the position above the energy filter 13, the secondary electron detector may be installed between the energy filter and the objective lens 7 or below the objective lens, and a plurality of detectors may be used in combination. .

エネルギーフィルタ13は電位阻止方式の積分型フィルタであり、一次電子線3を通過させるパイプを中心に設けたメッシュ状の薄い金属板に、エネルギーフィルタ電圧印加部16にて、試料から発生して電子源1の方向に加速する二次電子を阻止できるような電圧を印加することで、二次電子のエネルギー分別が可能なものである。阻止電位を印加する電極の上下をアース電位の電極で挟み、阻止電位が一次電子線3の軌道に漏れ出さないように構成してある。   The energy filter 13 is a potential blocking type integral filter, which is generated from a sample by a energy filter voltage application unit 16 on a mesh-like thin metal plate provided around a pipe through which the primary electron beam 3 passes. By applying a voltage that can block secondary electrons accelerating in the direction of the source 1, energy separation of the secondary electrons is possible. The upper and lower electrodes to which the blocking potential is applied are sandwiched between the ground potential electrodes so that the blocking potential does not leak into the trajectory of the primary electron beam 3.

次に、本発明による表面電位の測定方法について説明する。ここでは、試料としてベア・シリコンウェーハを用いた場合について説明する。
図2は、エネルギーフィルタ13の印加電圧を試料電圧印加部15の印加電圧と同じとし、試料8のみの電位を変化させて得られた試料像の輝度ヒストグラムを表す図である。エネルギーフィルタ13の電位を−1200Vとした。各輝度ヒストグラムに対する試料電位は、グラフ左から−1165V,−1170V,−1175V,−1180V,−1185V,−1190Vであり、試料上の帯電が+35V,+30V,+25V,+20V,+15V,+10Vに対応する。
Next, the method for measuring the surface potential according to the present invention will be described. Here, a case where a bare silicon wafer is used as a sample will be described.
FIG. 2 is a diagram showing a luminance histogram of a sample image obtained by changing the potential of only the sample 8 with the applied voltage of the energy filter 13 being the same as the applied voltage of the sample voltage applying unit 15. The potential of the energy filter 13 was set to -1200V. The sample potential for each luminance histogram is -1165V, -1170V, -1175V, -1180V, -1185V, -1190V from the left of the graph, and the charge on the sample corresponds to + 35V, + 30V, + 25V, + 20V, + 15V, + 10V. .

図2から分かるように、各試料電位における輝度ヒストグラムの相対的な変化量はほぼ同じであり、その変化量は輝度ヒストグラムのピークシフト量17から算出でき、本実施例では試料電位の変化5Vに対して17階調の輝度ヒストグラムのピークシフトが観測された。本実施例は1画素あたりの輝度を256段階(8ビット)の階調数とした場合であり、階調数を12ビットや16ビットに設定した場合には1階調あたりの電圧の重みが変わり、本実施例ではそれぞれ5Vに対しては272階調、4352階調のシフトとなる。このように、予め既知の電位とした導体を試料とした試料像の輝度ヒストグラム(基準輝度ヒストグラム)のピーク位置を画像表示部12に記憶しておけば、任意の試料に対して基準輝度ヒストグラムからの輝度ヒストグラムのピークシフト量17を算出することができる。基準輝度ヒストグラムに対応する試料電位をR[V]、表面電位を求めたい試料の試料像の輝度ヒストグラムピークの基準輝度ヒストグラムピークからのシフト量をA[階調]とすると、本実施例の場合は、次式(1)により試料上の電子線照射領域の表面電位S[V]を算出することができる。
S[V]=R[V]+A[階調]×5[V]/17[階調] …(1)
As can be seen from FIG. 2, the relative change amount of the luminance histogram at each sample potential is almost the same, and the change amount can be calculated from the peak shift amount 17 of the luminance histogram. In this embodiment, the change in the sample potential is 5V. On the other hand, a peak shift of a luminance histogram of 17 gradations was observed. In this embodiment, the luminance per pixel is 256 gradations (8 bits), and when the gradation is set to 12 bits or 16 bits, the voltage weight per gradation is Instead, in this embodiment, the shift is 272 gradations and 4352 gradations for 5 V, respectively. Thus, if the peak position of the luminance histogram (reference luminance histogram) of a sample image using a conductor with a known potential in advance as a sample is stored in the image display unit 12, the reference luminance histogram can be obtained for an arbitrary sample. The peak shift amount 17 of the luminance histogram can be calculated. In the case of this embodiment, assuming that the sample potential corresponding to the reference luminance histogram is R [V], and the shift amount from the reference luminance histogram peak of the luminance histogram peak of the sample image of the sample whose surface potential is to be obtained is A [gradation]. Can calculate the surface potential S [V] of the electron beam irradiation region on the sample by the following equation (1).
S [V] = R [V] + A [gradation] × 5 [V] / 17 [gradation] (1)

上式(1)における“A[階調]×5[V]/17[階調]”の部分は装置定数と考えることができる。また、輝度ヒストグラムの表面電位変化に対するピークシフト量を固定値とするのではなく、各種の試料に対して基準輝度ヒストグラムの校正を行っておけば、より精度の高い電位測定が可能となる。   The part of “A [gradation] × 5 [V] / 17 [gradation]” in the above equation (1) can be considered as a device constant. Further, if the reference luminance histogram is calibrated for various samples instead of setting the peak shift amount with respect to the surface potential change of the luminance histogram as a fixed value, more accurate potential measurement can be performed.

さらに、基準試料を用いて予め測定した基準輝度ヒストグラムを用いなくても、表面電位測定を始める前に表面電位測定を行う試料で基準輝度ヒストグラムの代りとなる輝度ヒストグラムをピークが一つとなる条件で取得し、同時にエネルギーフィルタを用いてエネルギーフィルタリングされた二次電子の収量が予め決めておいた閾値となるエネルギーフィルタの電圧を取得することで表面電位を決定することができる。   Furthermore, even if a reference luminance histogram measured in advance using a reference sample is not used, a luminance histogram that replaces the reference luminance histogram in a sample for which surface potential measurement is performed before the surface potential measurement is started under the condition that the peak is one. The surface potential can be determined by acquiring the voltage of the energy filter that is obtained and at the same time the yield of secondary electrons that have been energy-filtered using the energy filter is a predetermined threshold value.

これは次のように説明できる。エネルギーフィルタ13の電位を一定として、試料8の電位が変化したときにエネルギーフィルタを透過して二次電子検出器11にて検出される二次電子の収量は、図3に示した二次電子収量カーブ22ように変化する。これとは逆に、試料の電位を一定としてエネルギーフィルタの電圧をエネルギーフィルタ電圧印加部16により変化させても該カーブが得られる。図3の横軸はエネルギーフィルタ13に印加する阻止電位に対して二次電子のもつ相対的なエネルギーであり、0が阻止電位と二次電子のエネルギーが一致する条件であるが、実際にはエネルギーフィルタのエネルギー分解能や二次電子のエネルギー分布により、0で完全にカットオフされるわけではない。よって、エネルギーフィルタの分解能や二次電子のエネルギー分布によって決まる誤差が許容値以内となるように二次電子がカットオフされるとみなされる電圧、つまり閾値を、例えば二次電子収量が二次電子収量の最大値の50%となる電圧に決めておけば、該カーブから試料表面電位を推測することが出来る。   This can be explained as follows. When the potential of the energy filter 13 is constant, the yield of secondary electrons that are transmitted through the energy filter and detected by the secondary electron detector 11 when the potential of the sample 8 changes is the secondary electrons shown in FIG. The yield curve 22 changes. On the contrary, the curve can be obtained even when the voltage of the energy filter is changed by the energy filter voltage application unit 16 while the potential of the sample is kept constant. The horizontal axis of FIG. 3 is the relative energy of the secondary electrons with respect to the blocking potential applied to the energy filter 13, and 0 is a condition where the blocking potential and the energy of the secondary electrons match. Due to the energy resolution of the energy filter and the energy distribution of the secondary electrons, it is not completely cut off at zero. Therefore, the threshold voltage, that is, the secondary electron yield, for example, the secondary electron yield is determined so that the error determined by the resolution of the energy filter and the energy distribution of the secondary electrons is within an allowable value. If the voltage is determined to be 50% of the maximum yield, the sample surface potential can be estimated from the curve.

このときの輝度ヒストグラムを基準輝度ヒストグラムとすることで任意点でのピークシフト量を測定することができ、任意点での表面電位を測定することも可能である。   By using the luminance histogram at this time as a reference luminance histogram, the peak shift amount at an arbitrary point can be measured, and the surface potential at an arbitrary point can also be measured.

これに加えて、表面電位測定点が同じパターンを繰り返し測定する場合には、基準輝度ヒストグラムの代りとなる輝度ヒストグラムの測定点を実際の測定点と同じパターンに選べば、材質による二次電子の発生率の違いによる二次電子収量の変化がなく、材質の違いによる影響を受け難くなる。よって、測定点の輝度ヒストグラムと該基準輝度ヒストグラムの代りとなる輝度ヒストグラムのプロファイルも相似となり、ピークシフト量と試料表面電位との対応もより正確なものとなる。前記方法にて基準輝度ヒストグラムの代りとなる輝度ヒストグラムの測定点の表面電位を測定すれば良い。   In addition to this, when repeatedly measuring a pattern with the same surface potential measurement point, if the measurement point of the luminance histogram that is used instead of the reference luminance histogram is selected to be the same pattern as the actual measurement point, the secondary electrons of the material There is no change in the yield of secondary electrons due to the difference in the generation rate, making it difficult to be affected by the difference in material. Therefore, the luminance histogram of the measurement point and the luminance histogram profile used instead of the reference luminance histogram are similar, and the correspondence between the peak shift amount and the sample surface potential is more accurate. What is necessary is just to measure the surface potential of the measurement point of the luminance histogram which is used instead of the reference luminance histogram by the above method.

さらに、輝度ヒストグラムに複数のピークを生じる条件で輝度ヒストグラムを取得しても、前記方法を用いて任意のピークのピークシフト量から表面電位を算出できることは明らかである。   Furthermore, even if a luminance histogram is acquired under conditions that cause a plurality of peaks in the luminance histogram, it is clear that the surface potential can be calculated from the peak shift amount of an arbitrary peak using the above method.

一方、試料の表面電位測定のための輝度ヒストグラムを取得するための画像取得は、二次電子検出系のゲインやオフセットやこれらの値に応じて画像の輝度ヒストグラム分布を決定するエッジ強調やガンマ補正などの処理を行っている場合には、それらの画像処理関数の設定と、二次電子発生率に影響する入射電子の加速電圧や照射電流量の設定は基準輝度ヒストグラムを取得する際に設定した条件と同一とすることが必要である。本実施例では二次電子検出器11の光電子増倍管の増幅率を決める印加電圧、光電子増倍管の出力であるアナログ信号のゲインとオフセット、複数の二次電子検出器の信号加算比率や画像の加算枚数及び入射電子の加速電圧や照射電流量の設定を、基準輝度ヒストグラム取得条件と同一とした。   On the other hand, the image acquisition for acquiring the brightness histogram for measuring the surface potential of the sample is the edge enhancement and gamma correction that determine the brightness histogram distribution of the image according to the gain and offset of the secondary electron detection system and these values. When processing such as, the setting of those image processing functions and the setting of the acceleration voltage and irradiation current amount of incident electrons that affect the secondary electron generation rate were set when acquiring the reference luminance histogram It is necessary to be the same as the conditions. In this embodiment, the applied voltage that determines the amplification factor of the photomultiplier tube of the secondary electron detector 11, the gain and offset of the analog signal that is the output of the photomultiplier tube, the signal addition ratio of the plurality of secondary electron detectors, The setting of the number of images to be added and the acceleration voltage and irradiation current amount of incident electrons was the same as the reference luminance histogram acquisition condition.

また、図2のように試料電位と輝度ヒストグラムのピークシフト量17がほぼ線形に変化するとみなせる領域は、許容できる誤差によって異なるが、図3に示した領域23のように二次電子収量がほぼ線形に変化し、二次電子検出器11での信号出力が試料電位の変化に対して線形に変化する領域である。しかし、たとえ輝度ヒストグラムのピークシフト量や二次電子検出器での信号出力に線形性が無くとも、予め図2に示したような関係を取得して、試料電位の変化と輝度ヒストグラムのピーク変化量の関係が一意的に求まるように近似式を作成すればよい。   Further, the region in which the sample potential and the peak shift amount 17 of the luminance histogram can be considered to change almost linearly as shown in FIG. 2 varies depending on an allowable error, but the secondary electron yield is almost as in the region 23 shown in FIG. This is a region in which the signal output from the secondary electron detector 11 changes linearly with respect to the change in the sample potential. However, even if the peak shift amount of the luminance histogram and the signal output from the secondary electron detector are not linear, the relationship as shown in FIG. 2 is acquired in advance, and the change in the sample potential and the peak change in the luminance histogram are obtained. What is necessary is just to create an approximate expression so that the relationship of quantity can be found uniquely.

つまり、試料の表面電位の変化量ΔVに対する輝度ヒストグラムのピークシフト量A[階調]の関係が関数F(A)を用いて近似的にΔV[V]=F(A)[V]で表される場合、式(1)の代わりに式(2)を用いて試料上の電子線照射領域の表面電位S[V]を算出することができる。R[V]は、基準輝度ヒストグラムを取得した基準試料の試料電位である。
S[V]=R[V]+F(A)[V] …(2)
That is, the relationship of the peak shift amount A [gradation] of the luminance histogram to the change amount ΔV of the surface potential of the sample is approximately expressed by ΔV [V] = F (A) [V] using the function F (A). In this case, the surface potential S [V] of the electron beam irradiation region on the sample can be calculated using the equation (2) instead of the equation (1). R [V] is the sample potential of the reference sample from which the reference luminance histogram is acquired.
S [V] = R [V] + F (A) [V] (2)

さらに本実施例では、図2の関係から基準輝度ヒストグラムとの比較で測定できる試料電位との差は最大30V程度であるが、基準輝度ヒストグラムの電位と試料電位の差がこれよりも大きな場合には、二次電子収量は図3に見られるように変化しない領域となるため、輝度ヒストグラムのピーク位置は右端もしくは左端に近い位置となり、輝度ヒストグラムのピークは試料電位の変化に追従しない飽和状態となる。その場合には、エネルギーフィルタ電圧印加部16からエネルギーフィルタ13に印加する電圧を、予め決められた電圧ステップで試料電位に対して正又は負に変化させて画像を取得して輝度ヒストグラムを算出し、基準輝度ヒストグラムのピークとのピークの位置の差が決められた所定の階調数以内となるようにすればよい。   Further, in this embodiment, the difference from the sample potential that can be measured by comparison with the reference luminance histogram is about 30 V at the maximum from the relationship of FIG. 2, but the difference between the potential of the reference luminance histogram and the sample potential is larger than this. Since the secondary electron yield is a region that does not change as seen in FIG. 3, the peak position of the luminance histogram is at the right end or near the left end, and the peak of the luminance histogram is in a saturated state that does not follow the change in the sample potential. Become. In that case, the voltage applied to the energy filter 13 from the energy filter voltage application unit 16 is changed positively or negatively with respect to the sample potential at a predetermined voltage step, and an image is acquired to calculate a luminance histogram. The difference between the peak position and the peak of the reference luminance histogram may be within a predetermined number of gradations.

この結果、設定されたエネルギーフィルタ電圧印加部16の電圧をV0[V]とし、基準輝度ヒストグラムと表面電位の測定点での輝度ヒストグラムのピークシフト量をA[階調]とすると、一般的には次式(3)から試料上の電子線照射領域の表面電位S[V]を算出することができる。
S[V]=R[V]+V0[V]+F(A)[V] …(3)
As a result, when the voltage of the set energy filter voltage application unit 16 is V 0 [V] and the peak shift amount of the luminance histogram at the reference luminance histogram and the surface potential measurement point is A [gradation], The surface potential S [V] of the electron beam irradiation region on the sample can be calculated from the following equation (3).
S [V] = R [V] + V 0 [V] + F (A) [V] (3)

本実施例の場合、式(3)は、式(4)のように表すことができる。
S[V]=R[V]+V0[V]+A[階調]×5[V]/17[階調] …(4)
In the case of the present embodiment, Expression (3) can be expressed as Expression (4).
S [V] = R [V] + V 0 [V] + A [gradation] × 5 [V] / 17 [gradation] (4)

例えば、電圧ステップを30V、電子線照射による表面電位の上昇を100Vとした場合には3,4回の画像取得を行うことになり、スループットは低下する。しかし、一旦条件が判明すれば同一試料、例えば同一ロットのウェーハを測定対象とする限り、各ロット毎に測定条件を記憶しておくことができるので、平均的にはスループットの低下は問題なくなる。   For example, if the voltage step is 30 V and the increase in surface potential due to electron beam irradiation is 100 V, three or four image acquisitions are performed, and the throughput is reduced. However, once the conditions are known, the measurement conditions can be stored for each lot as long as the same sample, for example, the wafers of the same lot, is used as the measurement target.

基準輝度ヒストグラムは、任意の試料の比較対象として用いるため、電位を既知とすることができ、単一コントラストの得られる、例えば表面がフラットな導体を試料として取得するのがよい。その場合、基準輝度ヒストグラムのピークは1つとなる。しかし、実際の試料から得られる輝度ヒストグラムには、例えば、パターン付試料から倍率1万倍で取得した試料像(図4(c))から算出した輝度ヒストグラム18のように、ピークが2つ発生する場合もある。このような場合、輝度ヒストグラムにピークが複数現れることの原因が、試料上の電位によるものか、材質による二次電子発生率の違いによるものか、エッジ効果と言われる観察対象となる構造のエッジ部での二次電子量の増加によるものなのか、判断が難しい。従って、基準輝度ヒストグラムの1つのみのピークと、実際の表面電位測定点での輝度ヒストグラムのピーク位置の相対的なシフトを比較するためには、表面電位測定点での輝度ヒストグラムのピークは1つであることが望ましい。輝度ヒストグラムのピークを1つにするには、表面電位測定点での画像取得の倍率を十分高くして単一材質の構造のみが視野内に収まるようにするか、十分な低倍率、例えば1〜2千倍程度で行えばよい。例えば、図4(b)に示すように、同じ試料から低倍率(1000倍)で取得した試料像から算出した輝度ヒストグラム19のピークは1つになる。   Since the reference luminance histogram is used as an object to be compared with an arbitrary sample, the potential can be known, and a conductor that has a single contrast, for example, a flat surface, is preferably obtained as a sample. In that case, the reference luminance histogram has one peak. However, in the luminance histogram obtained from an actual sample, two peaks are generated, as in the luminance histogram 18 calculated from a sample image (FIG. 4C) acquired from a patterned sample at a magnification of 10,000 times, for example. There is also a case. In such cases, the cause of the appearance of multiple peaks in the luminance histogram is due to the potential on the sample, the difference in the secondary electron generation rate depending on the material, or the edge of the structure to be observed, which is called the edge effect. It is difficult to judge whether this is due to an increase in secondary electron content. Therefore, in order to compare the relative shift of the peak position of the luminance histogram at the actual surface potential measurement point with only one peak of the reference luminance histogram, the peak of the luminance histogram at the surface potential measurement point is 1 Is desirable. In order to have one peak in the luminance histogram, the image acquisition magnification at the surface potential measurement point is sufficiently high so that only the structure of a single material is within the field of view, or a sufficiently low magnification such as 1 What is necessary is just to carry out by about 2,000 times. For example, as shown in FIG. 4B, the peak of the luminance histogram 19 calculated from a sample image acquired from the same sample at a low magnification (1000 times) is one.

低倍率で画像を取得すれば、1画素あたりの試料上面積は大きくなり、表面構造によるコントラストが平均化されて特定の構造や材質の影響が排除され、輝度ヒストグラムのピークは1つだけとなる。さらに、低倍率に設定するメリットとしては、低倍率で試料上の広範囲に電子線を照射することで、試料表面は均一に帯電が励起されて安定化することがあげられる。従って、低倍率での電子線照射後に画像を取得して輝度ヒストグラムを算出し、基準輝度ヒストグラムからのピーク位置の相対的なシフト量と表面電位との関係から試料上の表面電位を短時間で算出することができ、この後に高倍率としても低倍率で励起された帯電は維持されており、高倍率で電子線照射を行っても表面電位の変化はほとんど無いので、算出した表面電位から倍率やフォーカスの修正を行うことでより正確な寸法測長も可能となる。   If an image is acquired at a low magnification, the area on the sample per pixel increases, the contrast due to the surface structure is averaged, the influence of a specific structure or material is eliminated, and the luminance histogram has only one peak. . Further, as a merit of setting a low magnification, the surface of the sample is uniformly excited and stabilized by irradiating a wide area on the sample with an electron beam at a low magnification. Therefore, after obtaining an image after electron beam irradiation at a low magnification, a luminance histogram is calculated, and the surface potential on the sample can be quickly determined from the relationship between the relative shift amount of the peak position from the reference luminance histogram and the surface potential. After that, the charge excited at a low magnification is maintained even at a high magnification, and there is almost no change in the surface potential even when the electron beam irradiation is performed at a high magnification. It is possible to measure dimensions more accurately by correcting the focus and focus.

図5は、本発明による試料の表面電位測定及び試料観察の手順を示すフローチャートである。
まず、試料を保持する試料ステージ等の移動により測定点に視野を移動する(S11)。次に、倍率を1〜2千倍程度の低倍率に設定して試料表面を走査し、試料表面を帯電させる(S12)。そのままの倍率、あるいは必要があれば高倍率にして測定点の試料像を取得する(S13)。その後、取得画像から画素の輝度ヒストグラムを作成し(S14)、基準輝度ヒストグラムと比較してピークのシフト量を求める(S15)。輝度ヒストグラムのピーク位置が右端もしくは左端に近いかどうかをもとに輝度ヒストグラムが飽和しているかどうか判定し(S16)、飽和していなければ、算出したピークシフト量を上式(2)に当てはめて試料の表面電位を算出する(S17)。輝度ヒストグラムが飽和していれば、予め決めた電圧ステップでエネルギーフィルタの電圧を変更して輝度ヒストグラムの飽和を解消し(S18)、飽和のない輝度ヒストグラムから算出したピークシフト量を上式(3)に当てはめて試料の表面電位を算出する(S19)。このようにして、試料の測定点の表面電位が測定される。
FIG. 5 is a flowchart showing the procedure for measuring the surface potential of a sample and observing the sample according to the present invention.
First, the field of view is moved to the measurement point by moving the sample stage or the like that holds the sample (S11). Next, the magnification is set to a low magnification of about 1 to 2,000 times, the sample surface is scanned, and the sample surface is charged (S12). The sample image of the measurement point is acquired with the magnification as it is or, if necessary, at a high magnification (S13). Thereafter, a luminance histogram of pixels is created from the acquired image (S14), and a peak shift amount is obtained by comparison with the reference luminance histogram (S15). It is determined whether the luminance histogram is saturated based on whether the peak position of the luminance histogram is close to the right end or the left end (S16). If not, the calculated peak shift amount is applied to the above equation (2). Then, the surface potential of the sample is calculated (S17). If the luminance histogram is saturated, the voltage of the energy filter is changed at a predetermined voltage step to cancel the saturation of the luminance histogram (S18), and the peak shift amount calculated from the luminance histogram without saturation is expressed by the above equation (3 ) To calculate the surface potential of the sample (S19). In this way, the surface potential at the measurement point of the sample is measured.

次に、測定された表面電位の情報を用いてSEMの倍率やフォーカスの補正を行う(S20)。具体的には、一次電子線3のエネルギー、試料表面電位、対物レンズ電流や、対物レンズと試料との距離などの電子光学系のパラメータの設定条件から決まる一次電子線の軌道、つまりは倍率やフォーカス電流を予めコンピュータシミュレーションなどで求めておき、任意のパラメータ設定値について倍率やフォーカス電流を十分な精度を持った近似式にて算出する。   Next, the SEM magnification and focus are corrected using the measured surface potential information (S20). Specifically, the trajectory of the primary electron beam determined from the setting conditions of the parameters of the electron optical system such as the energy of the primary electron beam 3, the surface potential of the sample, the objective lens current, and the distance between the objective lens and the sample, that is, the magnification or The focus current is obtained in advance by computer simulation or the like, and the magnification and the focus current are calculated by an approximate expression having sufficient accuracy for an arbitrary parameter setting value.

コントラスト強調が必要な場合には、エネルギーフィルタ13の電圧に測定された表面電位の電圧を設定する(S22)。すると、エネルギーフィルタの電位よりも高いエネルギーを持った電子による像が得られ、試料表面の電位を反映した試料像が得られる。こうして倍率が高精度に設定され、フォーカスが補正されて適切なフォーカス状態となった試料像に対して測長や観察を行う(S23)。   When contrast enhancement is necessary, the voltage of the surface potential measured is set as the voltage of the energy filter 13 (S22). Then, an image with electrons having energy higher than the potential of the energy filter is obtained, and a sample image reflecting the potential of the sample surface is obtained. Thus, the magnification is set with high accuracy, and the length and observation are performed on the sample image in which the focus is corrected and an appropriate focus state is obtained (S23).

本発明によると、高速で簡便に電子線照射領域の表面電位を測定することができる。また、測定した表面電位をもとに、一次電子線3のエネルギーや軌道の変化を加味して、フォーカス及び倍率制御部14にて倍率やフォーカスの最適値を計算し、偏向器6や対物レンズ7に供給する電圧や電流を補正することが可能である。さらに、測定された表面電位をエネルギーフィルタ電圧印加部16にフィードバックすると、所望の電位部分にコントラストを付けることができ、半導体デバイスの欠陥検査に応用することができる。   According to the present invention, the surface potential of the electron beam irradiation region can be measured quickly and easily. Further, based on the measured surface potential, taking into account changes in the energy and orbit of the primary electron beam 3, the focus and magnification control unit 14 calculates the magnification and the optimum value of the focus, and the deflector 6 and the objective lens. 7 can be corrected. Furthermore, when the measured surface potential is fed back to the energy filter voltage application unit 16, a contrast can be given to a desired potential portion, which can be applied to a defect inspection of a semiconductor device.

例えば、半導体の欠陥検査の代表的なものとして、半導体の回路構成要素の1つであるコンタクトホールの開口、非開口の検査がある。図6はコンタクトホールに導体を埋め込んで上下層を電気的に接続するコンタクトの断面模式図であり、図6(a)は正常なコンタクトの断面模式図、図6(b)は異常コンタクトの断面模式図である。コンタクトホールの底部にエッチング不良により残渣が残っていると、コンタクトホールに金属を埋め込んだとき、図6(b)に示すように、本来接続されるべきコンタクトホールの上部と下部が電気的に接続されず不良となる。   For example, as a typical semiconductor defect inspection, there is an inspection of contact hole opening or non-opening which is one of semiconductor circuit components. FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a contact in which a conductor is buried in a contact hole to electrically connect upper and lower layers. FIG. 6A is a schematic cross-sectional view of a normal contact, and FIG. 6B is a cross-sectional view of an abnormal contact. It is a schematic diagram. If a residue remains due to poor etching at the bottom of the contact hole, when the metal is buried in the contact hole, the upper and lower portions of the contact hole to be originally connected are electrically connected as shown in FIG. 6B. It will be defective.

走査電子顕微鏡を用いて、正常なコンタクト24と異常コンタクト25に二次電子発生率が1以上となる加速電圧(約300〜1500[V])で電子線26を入射させると、帯電による表面電位はそれぞれ等電位線27,28で表したようになる。底部が基板配線29と非導通な異常コンタクト25は正に帯電する。このため、異常コンタクト25の上方には電位障壁が形成され、低い運動エネルギーを持つ二次電子30は試料側に引き戻され、二次電子検出器によって検出される電子量が低下する。正常なコンタクト24では、発生する二次電子31に対してこのようなことは起こらないので、結果的に電位コントラスト画像は欠陥部で暗となり正常部で明となる。   When the electron beam 26 is incident on the normal contact 24 and the abnormal contact 25 with an accelerating voltage (about 300 to 1500 [V]) that causes the secondary electron generation rate to be 1 or more using a scanning electron microscope, the surface potential due to charging is applied. Are represented by equipotential lines 27 and 28, respectively. The abnormal contact 25 whose bottom is not electrically connected to the substrate wiring 29 is positively charged. Therefore, a potential barrier is formed above the abnormal contact 25, and the secondary electrons 30 having low kinetic energy are drawn back to the sample side, and the amount of electrons detected by the secondary electron detector is reduced. In the normal contact 24, such a phenomenon does not occur with respect to the generated secondary electrons 31, and as a result, the potential contrast image becomes dark at the defective portion and becomes bright at the normal portion.

よって、正常なコンタクトの表面電位を測定して、エネルギーフィルタ13の電位を表面電位と同程度に設定すれば、正常部から発生した二次電子のみがエネルギーフィルタを通過することができ、不良部からの二次電子はカットされるため、より一層、暗部と明部のコントラストが強調された画像を取得することができる。さらに、正常部と欠陥部のコントラストが明確でS/Nが高いために、画像処理を行う上でも明暗をデジタル的に区別する二値化処理も確実に行うことができ、結果的に不良箇所の判別や検出効率が向上する。   Therefore, if the surface potential of a normal contact is measured and the potential of the energy filter 13 is set to the same level as the surface potential, only the secondary electrons generated from the normal part can pass through the energy filter, and the defective part Since secondary electrons from are cut off, it is possible to obtain an image in which the contrast between the dark part and the bright part is further enhanced. Furthermore, since the contrast between the normal part and the defective part is clear and the S / N is high, the binarization process for digitally distinguishing light and dark can be performed reliably even when performing image processing, resulting in defective parts. Discrimination and detection efficiency are improved.

本発明による走査電子顕微鏡の構成例を示す図。The figure which shows the structural example of the scanning electron microscope by this invention. 異なる試料の表面電位に対して取得した画像から算出した輝度ヒストグラムの説明図。Explanatory drawing of the brightness | luminance histogram computed from the image acquired with respect to the surface potential of a different sample. 異なる倍率に対して取得した画像から算出した輝度ヒストグラムの説明図。Explanatory drawing of the brightness | luminance histogram calculated from the image acquired with respect to different magnifications. ハイパス型のエネルギーフィルタを透過する二次電子の収量変化の説明図。Explanatory drawing of the yield change of the secondary electron which permeate | transmits a high pass type energy filter. 本発明による試料の表面電位測定及び試料観察の手順を示すフローチャート。The flowchart which shows the procedure of the surface potential measurement and sample observation of the sample by this invention. 電位コントラストの原理と欠陥検査についての説明図。Explanatory drawing about the principle of potential contrast and defect inspection.

符号の説明Explanation of symbols

1:電子源
2:引出し電極
3:一次電子線
4:二次電子
5:集束レンズ系
6:偏向器
7:対物レンズ
8:試料
9:反射板
10:ウィーンフィルタ
11:二次電子検出器
12:画像表示部
13:エネルギーフィルタ
14:フォーカス及び倍率制御部
15:試料電圧印加部
16:エネルギーフィルタ電圧印加部
17:輝度ヒストグラムのピークシフト量
24:正常なコンタクトホール
25:異常なコンタクトホール
26:コンタクトホールに照射される電子線
27:等電位線
28:等電位線
29:コンタクトホールに接続される導体の配線
30:二次電子の軌道
31:二次電子の軌道
1: electron source 2: extraction electrode 3: primary electron beam 4: secondary electron 5: focusing lens system 6: deflector 7: objective lens 8: sample 9: reflector 10: Wien filter 11: secondary electron detector 12 : Image display unit 13: energy filter 14: focus and magnification control unit 15: sample voltage application unit 16: energy filter voltage application unit 17: peak shift amount 24 of luminance histogram: normal contact hole 25: abnormal contact hole 26: Electron beam 27 irradiated to the contact hole 27: equipotential line 28: equipotential line 29: conductor wiring 30 connected to the contact hole 30: orbit of secondary electrons 31: orbit of secondary electrons

Claims (10)

試料上の測定領域に荷電粒子線を走査して照射し、荷電粒子線の照射によって試料から発生した二次粒子を検出して前記測定領域の試料像を取得するステップと、
前記試料像の画素の輝度ヒストグラムを算出し、そのピーク位置を求めるステップと、
前記ピーク位置の情報に基づいて前記測定領域の表面電位を求めるステップと
を含むことを特徴とする表面電位測定方法。
Scanning and irradiating a measurement region on the sample with a charged particle beam, detecting secondary particles generated from the sample by irradiation of the charged particle beam, and obtaining a sample image of the measurement region;
Calculating a luminance histogram of the pixels of the sample image and determining its peak position;
And obtaining a surface potential of the measurement region based on the information on the peak position.
請求項1記載の表面電位測定方法において、
表面電位が既知の試料像に対する基準輝度ヒストグラムのピーク位置からの前記ピーク位置のシフト量を求めるステップと、
前記シフト量から前記測定領域の表面電位と前記既知の表面電位との差を求めるステップとを有することを特徴とする表面電位測定方法。
In the surface potential measuring method according to claim 1,
Obtaining a shift amount of the peak position from the peak position of the reference luminance histogram for a sample image having a known surface potential;
And obtaining a difference between the surface potential of the measurement region and the known surface potential from the shift amount.
請求項2記載の表面電位測定方法において、前記測定領域の輝度ヒストグラムを取得するときの画像取得条件と、前記基準輝度ヒストグラムを取得するときの画像取得条件を同一とすることを特徴とする表面電位測定方法。   3. The surface potential measurement method according to claim 2, wherein the image acquisition condition when acquiring the luminance histogram of the measurement region is the same as the image acquisition condition when acquiring the reference luminance histogram. Measuring method. 請求項2又は3記載の表面電位測定方法において、前記基準輝度ヒストグラムに対応する表面電位R[V]、表面電位の変化量ΔVに対する輝度ヒストグラムのピークシフト量A[階調]の関係ΔV[V]=F(A)[V]を用い、次式によって測定領域の表面電位S[V]を求めることを特徴とする表面電位測定方法。
S[V]=R[V]+F(A)[V]
4. The surface potential measurement method according to claim 2, wherein the relationship between the surface potential R [V] corresponding to the reference luminance histogram and the peak shift amount A [gradation] of the luminance histogram with respect to the surface potential variation ΔV. ] = F (A) [V] and the surface potential S [V] of the measurement region is obtained by the following equation.
S [V] = R [V] + F (A) [V]
請求項1〜4のいずれか1項記載の表面電位測定方法において、試料に負電位を印加し、試料から発生された二次粒子を当該負電位と同じ電位に設定したエネルギーフィルタを介して検出することを特徴とする表面電位測定方法。   5. The surface potential measurement method according to claim 1, wherein a negative potential is applied to the sample, and secondary particles generated from the sample are detected through an energy filter set to the same potential as the negative potential. A method for measuring a surface potential. 請求項2又は3記載の表面電位測定方法において、試料から発生した二次粒子を試料に対して電圧V0[V]を印加したエネルギーフィルタを介して検出し、前記基準輝度ヒストグラムに対応する表面電位R[V]、表面電位の変化量ΔVに対する輝度ヒストグラムのピークシフト量A[階調]の関係ΔV[V]=F(A)[V]を用い、次式によって測定領域の表面電位S[V]を求めることを特徴とする表面電位測定方法。
S[V]=R[V]+V0[V]+F(A)[V]
4. The surface potential measurement method according to claim 2, wherein secondary particles generated from the sample are detected through an energy filter to which a voltage V 0 [V] is applied to the sample, and the surface corresponding to the reference luminance histogram. Using the relationship ΔV [V] = F (A) [V] of the peak shift amount A [gradation] of the luminance histogram with respect to the potential R [V] and the change amount ΔV of the surface potential, the surface potential S of the measurement region is expressed by A method for measuring a surface potential, wherein [V] is obtained.
S [V] = R [V] + V 0 [V] + F (A) [V]
請求項1〜6のいずれか1項記載の表面電位測定方法において、前記測定領域として前記輝度ヒストグラム中に複数のピークを生じさせない程度の広い領域を設定することを特徴とする表面電位測定方法。   The surface potential measurement method according to claim 1, wherein a wide region that does not cause a plurality of peaks in the luminance histogram is set as the measurement region. 請求項1記載の表面電位測定方法において、
試料上の第1の測定領域の試料像から取得した第1の輝度ヒストグラムのピーク位置を求めるステップと、
試料上の前記第1の測定領域と異なる第2の測定領域の試料像から取得した第2の輝度ヒストグラムのピーク位置を求めるステップと、
前記2つのピーク位置のシフト量から前記第1及び第2の測定領域の表面電位の差を求めることを特徴とする表面電位測定方法。
In the surface potential measuring method according to claim 1,
Obtaining a peak position of a first luminance histogram acquired from a sample image of a first measurement region on the sample;
Obtaining a peak position of a second luminance histogram acquired from a sample image of a second measurement region different from the first measurement region on the sample;
A surface potential measurement method, wherein a difference in surface potential between the first and second measurement regions is obtained from a shift amount of the two peak positions.
試料上の測定領域に走査電子顕微鏡の視野を移動するステップと、
前記測定領域の表面電位を求めるステップと、
走査電子顕微鏡の倍率を高倍率にし、前記測定領域内の測長部分の走査電子顕微鏡像を取得するステップと、
取得した高倍率の走査電子顕微鏡像に基づいて前記測長部分を測長するステップとを含み、
前記測定領域の表面電位は、請求項1〜8のいずれか1項記載の表面電位測定方法によって求め、走査電子顕微鏡の倍率を高倍率にする際に、前記求めた表面電位の情報を用いて倍率及びフォーカス条件を修正することを特徴とする試料観察方法。
Moving the scanning electron microscope field of view to the measurement area on the sample;
Obtaining a surface potential of the measurement region;
A step of obtaining a scanning electron microscope image of a length measurement portion in the measurement region, with a high magnification of the scanning electron microscope,
Measuring the length measurement portion based on the acquired high-magnification scanning electron microscope image,
The surface potential of the measurement region is obtained by the surface potential measurement method according to any one of claims 1 to 8, and when the magnification of the scanning electron microscope is set to a high magnification, information on the obtained surface potential is used. A sample observation method, wherein the magnification and focus conditions are corrected.
電気回路要素を含む半導体試料に電子線を照射し、電子線照射によって試料から発生した二次電子を二次電子検出器で検出して試料像を取得するステップと、
前記観察領域内の所定領域の表面電位を求めるステップと、
試料と前記二次電子検出器の間に配置されたエネルギーフィルタの電圧として前記求められた表面電位を設定するステップとを含み、
前記表面電位を、請求項1〜8のいずれか1項記載の表面電位測定方法によって求めることを特徴とする試料観察方法。

Irradiating a semiconductor sample including an electric circuit element with an electron beam, detecting secondary electrons generated from the sample by electron beam irradiation with a secondary electron detector, and obtaining a sample image;
Obtaining a surface potential of a predetermined region in the observation region;
Setting the determined surface potential as a voltage of an energy filter disposed between a sample and the secondary electron detector,
The sample observation method characterized by calculating | requiring the said surface potential with the surface potential measuring method of any one of Claims 1-8.

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