JP2007109490A - 荷電粒子線装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は荷電粒子線装置に関し、従来技術で問題になっていた破壊検査を非破壊検査とし、チャージアップによる異常コントラストを抑え正常な画像を取得することができる荷電粒子線装置を提供することを目的としている。
【解決手段】荷電粒子を試料に照射する第１の照射手段１９と、試料７から発生した電子を捕獲し、画像化する画像化手段と、試料７に電圧を印加する印加手段９とを備えた荷電粒子線装置において、前記第１の照射手段１９と異なるソースから上記と同じ試料に照射できるようにした第２の照射手段２０を供えて構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、試料にチャージされた電荷をディスチャージすることができるようにした荷電粒子線装置である。

絶縁体を含む半導体試料をＳＥＭ等の荷電粒子線装置で観察する場合、電子線照射により試料は帯電する。加速電圧で電子銃から出射された１次電子が、試料に到達した時の着地した時の着地加速電圧（ランディングエネルギー）に依存して、試料から放出される２次電子放出率は変化する。２次電子放出率σ＞１では、入射電子より試料表面から放出される電子量が多くなるため正に帯電する。σ＜１では、入射電子より試料表面から放出される電子量が少なくなるため負に帯電する。

試料が帯電した場合、ＳＥＭ観察時のＳＮの劣化、チャージアップによる異常コントラスト又は観察画像のゆがみ等が引き起こされる。よって、本来得たい正常画像を取得できず、異常画像が結果的に生成され、この異常画像により間違った判断をするおそれがある。また、半導体製造工程中のウエハを検査する際、自動で欠陥検出をする技術において、チャージアップによる異常コントラストは、欠陥情報を正確に抽出できない要因となる。

これまでに、試料表面の帯電状態を制御し、チャージアップによる異常コントラストを低減する画質改善手法が実用化されている。例えば、試料表面近傍を窒素ガスや酸素ガスで置換して画像取得する手法がある。ガスは、電子線との相互反応によりイオン化し、正電荷を持つ。この正電荷のイオンは、試料表面の負電荷と反応し、試料表面は中性状態を維持する。この場合、試料表面は中性状態なので、チャージアップによる異常コントラストを低減することができる。また、ガス置換の代わりに、正電荷のイオンで試料表面を照射し、ディスチャージする手法もある。また、電子線を照射してディスチャージする手法もある。

また、浅い角度から試料表面に電荷を注入するための大電流電子ビーム照射鏡筒と、２次電子画像を得るための観察用電子ビーム照射鏡筒を分離して設け、一定時間大電流電子ビームを照射した後、その部分に観察用電子ビームを照射して２次電子情報を検出する作業を実行し、続いて隣の部位に照射並びに検出の位置を順次シフトしていく走査によって電位差コントラストの顕微鏡画像を得て外観からでは判らない孤立パターンを検出する技術が知られている（例えば特許文献１参照）。

また、試料に帯電した電子を放出させるように、除電開始電圧から加速電圧を徐々に降下させ、負に帯電した試料が帯電無し、若しくは正に帯電されるまで加速電圧を連続的に印加する技術が知られている（例えば特許文献２参照）。また、試料に照射される電子ビームのビーム電流値、試料を透過する電子ビームの電流値を検出し、これら検出された各電流値に基づいて試料のチャージアップを判定し、チャージアップと判定した場合、簡易電子銃から試料に照射し、試料のチャージアップを除去する技術が知られている（例えば特許文献３参照）。

また、試料上に帯電した電荷を中和するための中和用ビームを発生する中和銃を供えた荷電粒子ビーム装置が知られている（例えば特許文献４参照）。
特開２０００−３４０６２８号公報（段落０００９〜００１２、図１〜図４） 特開２００３−３０３５６８号公報（段落００２３〜００３８、図１〜図６） 特開平８−１９５１８１号公報（段落００２０〜００４８、図１〜図３） 特開２０００−２６０３８３号公報（段落００２８〜００３５、図１）

ところで、半導体素子の微細化に伴い、ＳＥＭ又は半導体検査装置に高分解能化の要求がある。その一手段としてリターディング法がよく用いられる。リターディング法は、電子ソースに対して試料に負の電圧を印加し、静電レンズの作用を発生させることができる。このリターディング法が採用されている荷電粒子線装置において、チャージアップによる異常コントラストを低減する画質改善方法として従来技術のガス置換又はイオン照射を併用すると、以下の問題が発生する。

試料に数１０ｋＶの負の電圧が印加されている場合、正電荷のイオンは試料に対して加速され、試料と衝突する。従って、
・試料内に加速されたイオンが打ち込まれることがあり、試料内にイオンが滞在することによる物性の変化（イオン注入）、
・イオンにより試料表面がスパッタリングされることがあり、試料形状の変化（スパッタリング）、
・イオンと試料の相互作用に伴った格子欠陥の発生による物性変化（カスケード損傷）、
等により、試料の物性及び形状が変化するので画質改善は可能であるが、観察した試料は元の状態に戻らない。従って、例えば半導体検査において、イオンにより画質改善した場合、その観察したチップは破棄され、破壊検査となる。

これまで、ガス又はイオンによる半導体試料の画質改善方法について説明してきた。従来手法では、画質改善可能であるが観察したチップは物性及び形状が元に戻らないので、検査費用の増加を招く。本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、従来技術で問題になっていた破壊検査を非破壊検査とし、チャージアップによる異常コントラストを抑え正常な画像を取得することができる荷電粒子線装置を提供することを目的としている。

（１）請求項１記載の発明は、荷電粒子を試料に照射する第１の照射手段と、試料から発生した電子を捕獲し、画像化する画像化手段と、試料に電圧を印加する印加手段とを備えた荷電粒子線装置において、前記第１の照射手段と異なるソースから上記と同じ試料に照射できるようにした第２の照射手段を供えたことを特徴とする。
（２）請求項２記載の発明は、前記第２の照射手段は、前記第１の照射手段と交互に同一試料に荷電粒子ビームを照射することができるようにブランキング制御手段を設けたことを特徴とする。
（３）請求項３記載の発明は、前記第２の照射手段は、前記第１の照射手段と同時に試料に照射することができるブランキング制御手段を設けたことを特徴とする。
（４）請求項４記載の発明は、前記第２の照射手段の照射エリアは、前記第１の照射手段の照射エリアと同一、若しくはそれ以上の領域に照射できるようにしたことを特徴とする。
（５）請求項５記載の発明は、前記試料から発生した電子を捕獲し画像化する手段は、前記第１及び第２の照射手段により試料から発生した電子を捕獲し画像化するものであることを特徴とする。
（６）請求項６記載の発明は、前記第２の照射手段は、前記第１の照射手段の照射タイミングにおける試料電圧と同一、又は可変して照射することを特徴とする。

（１）請求項１記載の発明は、荷電粒子を試料に印加する第１の照射手段に加えて、第１の照射手段とは別に荷電粒子を試料に照射する第２の照射手段を設けたことにより、チャージアップによる異常コントラストを抑え、正常な画像を取得することができる荷電粒子線装置を提供することができる。
（２）請求項２記載の発明によれば、第１の照射手段と第２の照射手段からの荷電粒子を交互に試料に照射することにより、チャージアップした電荷をディスチャージすることができる。
（３）請求項３記載の発明によれば、第２の照射手段は第１の照射手段と同時に荷電粒子を照射することができ、画質を改善することができる。
（４）請求項４記載の発明によれば、第２の照射手段の照射手段を第１の照射手段の照射エリアと同一若しくはそれ以上の領域に照射することにより、試料にチャージされた電荷を確実にディスチャージすることができる。
（５）請求項５記載の発明によれば、前記第１の照射手段と第２の照射手段から照射された時の試料の反射電子を捕獲して画像化することができる。
（６）請求項６記載の発明によれば、前記第２の照射手段と第１の照射手段のタイミングをとり、試料にチャージされた電荷をディスチャージすることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態例を詳細に説明する。
図１は本発明の実施の形態例を示す構成図である。図において、１９は第１照射手段のカラム、２０は第２照射手段のカラムである。１は荷電粒子を放出する第１照射手段の荷電粒子源、２は荷電粒子源１から放出された電子線を集束する第１照射手段の集束レンズ、３は電子線を遮断する第１照射手段のブランキング、４は第１照射手段の開き角制御レンズ、５は試料から放出される電子を検出する放出電子検出器、６は第１照射手段の対物レンズ、７は電子線が照射される試料、８は該試料７をその上に載置する試料ステージである。９は試料ステージ８と接続され、試料電圧を印加する試料電圧印加用電源である。この電源はその出力電圧を可変できるようになっている。

１０は荷電粒子を放出する第２照射手段の荷電粒子源、１１は該荷電粒子源１０から放出される荷電粒子を集束する第２照射手段の集束レンズ、１２は第２照射手段のブランキング、１３は第２照射源の偏向器である。１４は第１照射手段及び第２照射手段のブランキング制御装置、１５は放出電子検出器５の出力を受けて演算処理を行なう画像演算装置、１６は画像を表示する画像表示ディスプレイ、１７は画像保存用のコンピュータであるサーバ、１８は装置の制御を行なう装置制御装置である。このように構成された装置の動作を説明すれば、以下の通りである。

第１照射手段のカラム１９で試料観察を行なう場合、通常のＳＥＭと同様に第１照射手段の荷電粒子源１のエネルギーと試料電圧印加用電源９のエネルギーからランディングエネルギーと照射電流が決定される。図示されていない走査用偏向器によって試料７上が照射され、照射領域から発生した放出電子は放出電子検出器５で捕獲され、画像演算装置１５にデータが転送される。該画像演算装置１５は、入力されたデータに所定の画像演算処理を行なう。このようにして演算処理された画像は、画像表示ディスプレイ１６に表示されたり、ディジタルデータとしてサーバ１７に転送される。

上記基本動作に対して、本発明で新たに追加した第２照射手段のカラム２０について説明する。第２照射手段は、第２照射手段の荷電粒子源１０と、第２照射手段の集束レンズ１１と第２照射手段のブランキング１２及び試料上に任意のエリアに任意のプローブ径で荷電粒子を照射する偏向器１３を有している。

第１照射手段、第２照射手段による照射タイミングを図２に示す。図２は照射タイミングを示す図である。（ａ）は水平ブランキングを、（ｂ）は垂直ブランキングをそれぞれ示す。先ず、第１照射手段の水平ブランキングに同期して第２照射手段のブランキングが動作する方法がある。第１照射手段のブランキングがオン（荷電粒子線が試料に照射されない状態）の時、第２の照射手段のブランキングはオフ（荷電粒子線が試料に照射される状態）され、試料７上に照射される。このように、第１照射手段と第２照射手段を交互にオフにすることにより、チャージアップした電荷をディスチャージすることができ、高画質の画像を得ることができる。

また、第１照射手段の垂直ブランキングに同期して第２照射手段のブランキングが動作する方法もある。第１照射手段のブランキングがオン（荷電粒子線が試料に照射されない状態）の時、第２照射手段のブランキングはオフ（荷電粒子線が試料に照射される状態）され、試料７上に照射される。

第１照射手段の水平ブランキングに同期される場合、第２照射手段による照射は、前記第１照射手段と同一又はより広い領域について行なう。第１照射手段の垂直ブランキングに同期される場合についても同様に、第２照射手段による照射は、前記第１照射手段と同一又はより広い領域について行なう。これにより、試料のディスチャージをより確実に行なうことができる。

第２照射手段のブランキングがオン（荷電粒子線が試料に照射されない状態）の時、第１照射手段の荷電粒子線が試料７に照射され、この時試料７から放出された電子は放出電子検出器５によって検出され、電気信号に変換される。電気信号に変換された信号は、Ａ／Ｄ変換器（図示せず）によりディジタルデータに変換された後、画像演算装置１５にデータが転送される。該画像演算装置１５は、入力データに所定の演算処理を加え、画像表示ディスプレイ１６に表示する。

本発明によれば、画像検出する前の段階で第２照射手段により、試料７に荷電粒子が照射され、試料の帯電をディスチャージするので、第１照射手段により試料７の画像を得る時には、帯電による影響がなくなり、コントラストのよい画像が得られる。

第２照射手段の荷電粒子のエネルギーは、第２照射手段の荷電粒子源１０のエネルギーと、試料７に印加される電圧によって決定される。第２照射手段のエネルギーは、第１照射手段のエネルギーに依存する。例えば、第１照射手段のエネルギーが２次電子放出率σ＜１の時、第２照射手段のエネルギーはσ＞１の条件で、第１照射手段のエネルギーが２次電子放出率σ＞１の時、第２照射手段のエネルギーはσ＜１の条件で行なうことが望ましい。試料に帯電した電荷を見かけ上０にするためである。

なお、試料によっては、第２照射手段のエネルギーは第１照射手段のエネルギーと同等であってもよい。図３は２次電子放出線の特性を示す図である。縦軸は２次電子放出率σ、横軸はランディングエネルギー（Ｖ）である。σ＝１の部分では、試料に入射する電子の数と試料から放出される電子の数が一致する（中性状態）。ランディングエネルギーを高い状態から少しずつ下げていくと、２次電子放射効率σは、図に示すように、１より小さい状態から１になり、その後１より大きくなり、再度１より小さくなる。ここで、第１の条件は、２次電子放出率が１より若干小さい条件で見る時のランディングエネルギーと、１より若干大きい領域で見る時のランディングエネルギーの値を示している。２次電子放射線がσ＝１より若干小さい場合には、電子の２次電子放出率が１より低い結果、試料の表面は僅かに負に帯電し、電子の２次電子放射率が１より高い場合には、試料の表面は正に帯電する。このように、試料の帯電状態が中性よりも若干正負に振れている状態で見ると、長期間安定した状態で画像を見ることができる。

この図より、第２照射手段により、試料表面の電荷を中性状態から少し正又は負に帯電させ、第１照射手段により試料表面は中性状態に向かう条件で照射することができることが分かる。この結果、試料表面が中性に近い状態となり、電荷のチャージによる画像の品質劣化がなくなり、画質改善がなされる。ここで、第１照射手段により正又は負に帯電した場合、第２照射手段により帯電状態を中性状態に保持することも行われる。第２照射手段の照射電流は、経験的に求めたり、実測した記録値を用いて、画質改善が最も顕著な条件を設定する。

第２照射手段の照射領域、同期のとりかた、エネルギー及び照射電流は、試料及び第１照射手段の条件に依存する。従って、それらの条件は経験的に求めたり、実測した記録値を用いたり、電子光学的シミュレーションにより求めた数値でもよい。これらの条件は、装置制御コンピュータ１８又は、図示していない観察条件データベースに登録しておき、繰り返し使用することができる。

なお、上記手段によっても画質が改善されない場合、第１及び第２照射手段のブランキングを同時にオフにし、双方の照射手段から荷電粒子が同時に試料に照射される状態で、画像取得するようにしてもよい。ただし、この場合、第２照射手段の荷電粒子線のエネルギーは第１照射手段のエネルギーと異なっていてもよいが、照射電流は第２照射手段の方が小さいことが望ましい。このようにすれば、画像の品質が向上する。

上述の実施の形態例では、第１照射手段と第２照射手段とを同期をとって試料に照射する場合について説明したが、双方の照射手段の同期を可変するようにしてもよい。これにより、試料にチャージされた電荷をディスチャージすることができる。

上述の実施の形態例では、荷電粒子線装置の荷電粒子として電子を用いた場合を例にとったが、本発明はこれに限るものではなく、その他の荷電粒子を用いることができる。
以上、説明したように、本発明によれば、絶縁物を含む半導体材料について非破壊で画質改善が可能となる。

本発明の一実施の形態例を示す構成図である。 照射タイミングを示す図である。 ２次電子放出線の特性を示す図である。

符号の説明

１ 第１照射手段の荷電粒子源
２ 第１照射手段の集束レンズ
３ 第１照射手段のブランキング
４ 第１照射手段の開き角制御レンズ
５ 放射電子検出器
６ 第１照射手段の対物レンズ
７ 試料
８ 試料ステージ
９ 試料電圧印加用電源
１０ 第２照射手段の荷電粒子源
１１ 第２照射手段の集束レンズ
１２ 第２照射手段のブランキング
１３ 第２照射手段の偏向器
１４ 第１及び第２照射手段のブランキング制御装置
１５ 画像演算装置
１６ 画像表示ディスプレイ
１７ サーバ
１８ 装置制御装置
１９ 第１照射手段のカラム
２０ 第２照射手段のカラム

Claims (6)

1. 荷電粒子を試料に照射する第１の照射手段と、
   試料から発生した電子を捕獲し、画像化する画像化手段と、
   試料に電圧を印加する印加手段
   とを備えた荷電粒子線装置において、
   前記第１の照射手段と異なるソースから上記と同じ試料に照射できるようにした第２の照射手段を供えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
2. 前記第２の照射手段は、前記第１の照射手段と交互に同一試料に荷電粒子ビームを照射することができるようにブランキング制御手段を設けたことを特徴とする請求項１記載の荷電粒子線装置。
3. 前記第２の照射手段は、前記第１の照射手段と同時に試料に照射することができるようにしたことを特徴とする請求項１記載の荷電粒子線装置。
4. 前記第２の照射手段の照射エリアは、前記第１の照射手段の照射エリアと同一、若しくはそれ以上の領域に照射できるようにしたことを特徴とする請求項１記載の荷電粒子線装置。
5. 前記試料から発生した電子を捕獲し画像化する手段は、前記第１及び第２の照射手段により試料から発生した電子を捕獲し画像化するものであることを特徴とする請求項１記載の荷電粒子線装置。
6. 前記第２の照射手段は、前記第１の照射手段の照射タイミングにおける試料電圧と同一、又は可変して照射することを特徴とする請求項１記載の荷電粒子線装置。

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