JP2007194126A

JP2007194126A - 走査電子顕微鏡

Info

Publication number: JP2007194126A
Application number: JP2006012744A
Authority: JP
Inventors: Kazumasa Tanii; 和真谷井; Yuji Kasai; 祐二葛西; Katsuhiro Sasada; 勝弘笹田; Hidekazu Seya; 英一瀬谷
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2006-01-20
Filing date: 2006-01-20
Publication date: 2007-08-02
Anticipated expiration: 2026-01-20
Also published as: US7514683B2; JP4616180B2; US20070235646A1

Abstract

【課題】試料室外と試料室内とで帯電電圧が異なるウェーハ表面の試料室内での帯電電圧を正確に、かつ、簡易迅速に自動測定することにより、高速なフォーカス合わせを行うことができる走査電子顕微鏡を提供する。
【解決手段】試料上方に配置されるリタ−ディング電圧を印加するための電極板を２つの部分に分割し、分割した各々の電極の電位を切り替えることにより、両電極板間の静電容量から試料の帯電電圧を測定し、当該測定結果に基づいて光学系を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、試料表面に電子ビームを走査し、試料から発生する二次電子を検出して、試料表面の走査像を得る走査電子顕微鏡に関するものである。

近年、半導体デバイスの高集積化及び微細化に伴い、半導体デバイスの製造工程における半導体素子の形状の評価や寸法の測定においては、光学顕微鏡に代わって走査電子顕微鏡が使われるようになっている。量産される半導体の測定を自動的にかつ高速に処理するためには、ウェーハ上の各測定点の検出を高速で行う必要があり、そのためには測定点に移動した後、パターン上で高速に電子線のフォーカスを合わせる必要がある。

電子光学系において、ウェーハ上へのフォーカス条件は、ウェーハに照射される電子の加速電圧及びウェーハ高さによって一意に決まる。そして、電子の加速電圧は、電子の引出電圧、電子を減速するためウェーハに印加されるリターディング電圧及びウェーハ表面の帯電電圧によって決まる。所望の加速電圧を得るためには、通常、引出電圧を一定に保った上で、ウェーハの帯電電圧に合わせリターディング電圧を制御する。例えば、試料室外で接地された静電電位計を用いてウェーハの電位を測定し、その測定結果をリターディング電圧の制御にフィードバックしてウェーハ帯電電圧の影響を打ち消すことにより、加速電圧を一定に保ち、フォーカス条件に影響を与えないようにすることができる。一方で、ウェーハ高さを測るためには、例えば特許文献１に記載されているように、レーザ光をウェーハに照射し、その反射光を利用してウェーハの高さを検出し、得られた高さ情報を電子光学系の一つである対物レンズにフィードバックし、測定点への移動が終了すると同時に、フォーカスするのに必要な励磁を対物レンズに印加する方法がとられている。上記の加速電圧及びウェーハ高さに対する制御を同時に行うことにより、任意の測定点への移動が完了すると同時に電子線のフォーカスを合わせることが可能となっている。

しかしながら、近年になって、試料室外と試料室内とで表面の帯電電圧が変化するウェーハが散見されるようになった。例えば、試料室外では帯電電圧がほとんどないものが、試料室内では数十ボルトから数百ボルトの電圧を帯びるウェーハもある。このような試料室外と試料室内とでの帯電量の差は、各ウェーハ固有の製造環境や帯電する層の膜厚などに左右されるため、同一の製造過程を経たウェーハであっても一定となるとは限らない。このようなウェーハについては、試料室外で静電電位計により測定した帯電電圧を基準にフォーカス条件を決めても、試料室内で帯電電圧が変化するとフォーカス条件が変化してしまうため、測定点においてフォーカスが合わず測定点の検出に失敗してしまう。結局、自動で測定を行うことができないため、オペレータによる補助的な操作が必要となってしまう。

このような問題を解決する手段として、例えば、リターディングフォーカスシステムがある。上記したように、ウェーハ上へのフォーカス条件はウェーハに照射される電子の加速電圧及びウェーハ高さによって決まるが、これはウェーハ高さが正しく測定できればウェーハ上にフォーカスが合うときの電子の加速電圧は一意に定まることを意味する。したがって、電子の引出電圧を一定に保ちながらリターディング電圧を変化させることによりフォーカス条件を変化させ、フォーカスがウェーハ上に合ったときの加速電圧、引出電圧値及びリターディング電圧値から測定点のウェーハ表面電位を逆算することができる。また、特許文献２に記載されているように、試料室内で試料に近接した場所に複数個の静電電位計を設置し、その測定結果に基づいた値をリターディング電圧にフィードバックする方法などが提案されている。
特開平１１−１２６５７３号公報特開２００１−５２６４２号公報特開平７−２４５０７５号公報特開２０００−１３３１９４号公報

しかしながら、上記の方法にはいくつかの問題がある。まず、ウェーハの帯電量はたとえ同一の製造過程を経ていても一定になるとは限らないため、リターディングフォーカスシステムにおいてリターディング電圧を変化させるときの振り幅は、常に帯電量の大きかった場合を想定して広く設定する必要があり、フォーカスを合わせるのに時間がかかってしまう。また、ウェーハの全測定点についてこのようなフォーカス合わせを繰り返し行う必要があるため、自動測定の高速化を大きく妨げることとなる。また、特許文献２に提案されている技術は、試料室内に新たに静電電位計を設置する必要があり煩雑である上に、試料室内の静電電位計の振動等が電子線に悪影響を及ぼすおそれもある。また、ウェーハのエッジ付近の帯電量測定を行いたい場合、観察点の周りに静電電位計プローブを複数個設置しても、実際にはウェーハ上から外れるプローブがあるため実用的ではない。さらに、複数個使用する電位計が常に同一の出力をするよう調整する作業が必要となり、煩雑である。また、特許文献３、４に記載された従来の走査電子顕微鏡においても、これらの問題は解決されていない。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、試料室外と試料室内とで帯電電圧が異なるウェーハ表面の試料室内での帯電電圧を正確に、かつ、簡易迅速に自動測定することにより、高速なフォーカス合わせを行うことができる走査電子顕微鏡を提供しようとするものである。

上記解決課題に鑑みて鋭意研究の結果、本発明者は、試料上方に配置されるリターディング電圧を印加するための電極板を２つの部分に分割し、分割した各々の電極の電位を切り替えることにより、両電極板間の静電容量から試料の帯電電圧を測定することができることに想到した。

すなわち、本発明は、電子線源と、前記電子線源からの電子線を照射する試料を保持するステージと、前記電子線を前記ステージに保持された試料上に集束させるための対物レンズと、前記試料と前記対物レンズとの間に配置された電子線の通過開口を有する電極板と、前記試料と前記電極板との間に電圧を印加して前記電子線源からの電子線を所望の電圧まで減速させるためのリターディング手段と、を備えた走査電子顕微鏡において、前記電極板は２以上の互いに絶縁された領域に分割されており、前記電極板の分割された領域のうち前記試料と電気的に接続された１の領域と他の領域との間の静電容量を測定し、その測定値に基づいて前記試料の帯電電圧を検出することを特徴とする走査電子顕微鏡を提供するものである。

本発明の走査電子顕微鏡は、また、前記試料の高さを検出する手段と、検出された前記試料の高さ情報に基づいて、前記リターディング手段及び前記対物レンズを制御して電子線の前記試料に対するフォーカス合わせを行う手段とをさらに備えていることを特徴とする。

本発明の走査電子顕微鏡において、前記電極板の分割された領域同士は絶縁材料を介して互いに接続されていることを特徴とする。

以上、説明したように、本発明の走査電子顕微鏡によれば、試料室外と試料室内とで帯電電圧が異なるウェーハ表面の試料室内での帯電電圧を正確に、かつ、簡易迅速に自動測定することができるので、高速なフォーカス合わせを行うことが可能となる。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の走査電子顕微鏡を実施するための最良の形態を詳細に説明する。図１〜図４は、本発明の実施の形態を例示する図であり、これらの図において、同一の符号を付した部分は同一物を表わし、基本的な構成及び動作は同様であるものとする。

図１は、本発明の走査電子顕微鏡の全体構成を概略的に示す図である。図１において、走査電子顕微鏡は、電子源2、引出電極3及び加速電極4を含む電子銃1から電子ビームを試料ステージ16上の試料15に照射する構成となっている。電子ビームの光路上には、電子ビームを試料ステージ16上の試料15上に集束させるべく、集束レンズ電源6により駆動される第１集束レンズ7及び第２集束レンズ8と、対物レンズ制御電源10により駆動される対物レンズ9とが配置されている。試料ステージ16は、ステージ駆動制御装置17によって駆動される。

この走査電子顕微鏡において、電子源2と引出電極3の間には、電子銃電源5により引出電圧V1が印加されており、この電圧によって電子源2から電子ビーム19が試料ステージ16上に向けて引き出される。アース電位に維持された加速電極4と電子源2との間には、電子銃電源5により加速電圧Vaccが印加されており、電子ビーム19はこの加速電圧Vaccによって加速される。加速された電子ビーム19は、第１集束レンズ7によって、第１集束レンズ7と第２集束レンズ8との間に第１クロスオーバ13が生じるように集束される。また、第１クロスオーバ13と第２集束レンズ8との間に設置された絞り板12によって、電子ビーム19の不要な領域が除去される。さらに、この電子ビーム19は、第２集束レンズ8によって、第２集束レンズ8と対物レンズ9との間に第２クロスオーバ14が生じるように集束される。さらに、この電子ビーム19は、対物レンズ9によって、試料ステージ16上の試料15に集束される。Zセンサ18により検出された試料15の高さ位置に関する情報が対物レンズ9にフィードバックされて、自動焦点合わせが行われる。

電子ビーム19の第２クロスオーバ14と対物レンズ9との間には、電子ビーム走査用偏向器11が配置されている。この電子ビーム走査用偏向器11は、集束された電子ビーム19で試料15を二次元的に走査できるように電子ビーム19を偏向させるためのものである。電子ビーム走査用偏向器11の走査信号は、観察倍率に応じて偏向器制御電源23により制御される。また、試料15には一次電子ビーム19を減速させるリターディング電圧として負の電圧が可変減速電源28によって印加される。リターディング電圧は、可変減速電源28を調整することにより任意に変えることができる。

集束された電子ビーム19によって試料15が照射され走査されると、試料15から二次電子20が発生する。発生した二次電子20は、検出器21により検出され、信号アンプ22で増幅される。増幅された検出信号は、制御演算部24を通じて描画部25に入力され、描画部25において可視信号に変換されて、試料像表示部26に試料の表面形状の画像として表示される。オペレータは、入力部27を介して上述の各ユニットの制御を行ったり、測定点の指定や寸法測定の指示を行ったりすることができる。

図２は、図１に示す走査電子顕微鏡におけるフォーカス合わせについて説明する図である。前述したとおり、ウェーハ上へのフォーカス条件は、ウェーハに照射される電子19の加速電圧及びウェーハ高さによって決まる。試料15が帯電していなければ、通常、図中の実線で示すように正確に試料15表面上にフォーカスを合わせることができる。しかしながら、試料15が帯電していると、破線で示すようにフォーカス合わせの位置が通常の場合から変動してしまう。フォーカス合わせの位置が試料表面上から変動するとフォーカスが合わず測定点の検出に失敗してしまうことになる。

図３は、従来の走査電子顕微鏡及び図１に示す走査電子顕微鏡における試料15周辺の拡大図である。図３（ａ）に示すように、従来の走査電子顕微鏡では、試料15の上方にリタ−ディング電圧を印加するための電極板29が配置されている。この構成では、電圧が可変減速電源28によって、電極板29と試料15とが同電位となるように制御されている。

これに対して、図３（ｂ），（ｃ）に示すように、本発明の走査電子顕微鏡では、電極板29の電子ビーム通過口を持つ部分とそれ以外の部分とを分割されており、それぞれ切り替え回路30及び切り替え回路31に接続されていることを特徴とする。図３（ｂ），（ｃ）に示す電極板29の平面図を、それぞれ図４（ａ），（ｂ）に示す。図４（ａ），（ｂ）において、電極板29の分割された部分同士は絶縁材料で接続されているものとする。あるいは、電極板29の分割された部分同士は離隔されており別々に保持されていてもよい。

本発明の走査電子顕微鏡では、図３（ｂ），（ｃ）に示すように、電極板29の電子ビーム通過口を持つ部分とそれ以外の部分とに接続された切り替え回路30及び切り替え回路31を適宜切り替えることにより、両部分の間の静電容量から試料15の帯電電圧を測定することができる。この測定結果により、フォーカス合わせを調整することができる。一方で、試料15の画像を取得する際には、切り替え回路30及び切り替え回路31を、ともに可変減速電源28に接続することにより、電極板29の電子ビーム通過口を持つ部分とそれ以外の部分とを同電位とすればよい。

こうして正確に測定された試料室内での試料15の帯電電圧の値に基づいて、各光学系を制御することにより、試料15上に正確かつ高速なフォーカス合わせを行うことができることとなる。

以下に、電極板29の分割された部分同士の静電容量から試料15の帯電量を算出する方法の具体例を示す。
事前準備
（１）Bareウェーハでの静電容量を算出する。 C=Q/V・・・式１
（２）BareウェーハでのC-V直線を算出する。
実測定時
（３）試料の静電容量を測定する。 C’=Q’/V・・・式２
（４）式１,２よりC’を算出する。 C’=C×Q’/Q・・式３
（CとQは（１）より既知でありQ’は Q’=Itより算出）
（５）C→C’による電圧変動を試料帯電電圧とし、（２）の関係式より算出する。

［記号の解説］
Q：Bareウェーハの電荷
Q’：試料の電荷
C：Bareウェーハの静電容量
C’：試料の静電容量
V：電圧
I：電流
t：時間

以上、本発明の走査電子顕微鏡について、具体的な実施の形態を示して説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。当業者であれば、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、上記各実施形態又は他の実施形態にかかる発明の構成及び機能に様々な変更・改良を加えることが可能である。

本発明の走査電子顕微鏡の全体構成を概略的に示す図である。図１に示す走査電子顕微鏡におけるフォーカス合わせについて説明する図である。従来の走査電子顕微鏡及び図１に示す走査電子顕微鏡における試料周辺の拡大図である。図３（ｂ），（ｃ）に示す電極板29の平面図である。

符号の説明

１…電子銃、２…電子源、３…引出電極、４…加速電極、５…電子銃電源、６…集束レンズ制御電源、７…第１集束レンズ、８…第２集束レンズ、９…対物レンズ、１０…対物レンズ制御電源、１１…電子ビーム走査用偏向器、１２…絞り、１３…第１クロスオーバ、１４…第２クロスオーバ、１５…試料、１６…試料ステージ、１７…ステージ駆動制御装置、１８…Ｚセンサ、１９…電子ビーム、２０…二次電子、２１…検出器、２２…信号アンプ、２３…偏向制御電源、２４…制御演算装置、２５…描画装置、２６…試料像表示装置、２７…入力装置、２８…リターディング電圧、２９…電極板、３０，３１…切り替え回路

Claims

電子線源と、
前記電子線源からの電子線を照射する試料を保持するステージと、
前記電子線を前記ステージに保持された試料上に集束させるための対物レンズと、
前記試料と前記対物レンズとの間に配置された電子線の通過開口を有する電極板と、
前記試料と前記電極板との間に電圧を印加して前記電子線源からの電子線を所望の電圧まで減速させるためのリターディング手段と、
を備えた走査電子顕微鏡において、
前記電極板は２以上の互いに絶縁された領域に分割されており、前記電極板の分割された領域のうち前記試料と電気的に接続された１の領域と他の領域との間の静電容量を測定し、その測定値に基づいて前記試料の帯電電圧を検出することを特徴とする走査電子顕微鏡。
前記試料の高さを検出する手段と、
検出された前記試料の高さ情報に基づいて、前記リターディング手段及び前記対物レンズを制御して電子線の前記試料に対するフォーカス合わせを行う手段とをさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の走査電子顕微鏡。
前記電極板の分割された領域同士は絶縁材料を介して互いに接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の走査電子顕微鏡。