JP2008262882A

JP2008262882A - 荷電粒子線装置および荷電粒子線像生成方法

Info

Publication number: JP2008262882A
Application number: JP2007106654A
Authority: JP
Inventors: Hikari Koyama; 光小山; Yoshinori Nakayama; 義則中山; Yasunari Hayata; 康成早田; Tomoki Tei; 朝暉程; Tasuku Yano; 資矢野; Takashi Furukawa; 貴司古川
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2007-04-16
Filing date: 2007-04-16
Publication date: 2008-10-30

Abstract

【課題】電子ビーム照射に起因する帯電の影響を簡便な構成で除去する。
【解決手段】電子線走査の振り戻し変更時、一次電子線のランディングエネルギーを変えることで、帯電の影響を除去または抑制する。
【選択図】図２

Description

本発明は、表面が絶縁物で覆われている試料、例えば半導体装置または絶縁性の基板上に形成された微細な形状を、帯電に影響されずに計測する荷電粒子線装置および荷電粒子線像生成方法に関する。

Siウェハ上に堆積されたSiO₂膜などの絶縁膜を加工して作られた、コンタクトホールやline & space（以下、LS）の寸法を計測する為に、走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope、以下、SEM）で得られる、二次電子像からコンタクトホールやLSの寸法を計測している。

この際、絶縁物に電子ビームを照射しているので、絶縁物が帯電し、SEM像が歪んだり、コントラストが低下するなど、寸法計測に誤差を生じさせることが知られている。

上記問題を解決する為に、電子ビームで走査した領域（観察領域）の帯電を除去することを目的として、観察領域を含む、より広い領域に、帯電が除去されるような条件で電子ビームを照射する技術が公開されている（特許文献１）。特許文献１では、複数の画像を取得する際、１枚目の観察領域の帯電が２枚目の画像を取得する時の障害とならないように、画像を取得する間に電子ビームを照射することを特徴としている。

しかし、この方法では、１枚の画像を取得する最中に生じる帯電を除去することまでは、考慮されていない。電子ビームが絶縁体に照射している以上、１枚の画像を取得する最中にも帯電が生じ、その帯電により電子ビームが所望の位置に照射されず、結果として、試料形状を正確に反映した二次電子像が取得できない。

特表２００２−５２４８２７

上記のように、従来では、絶縁物のパターンを観察する際、走査が引き起す帯電により、一次電子ビームが振られ、歪んだ二次電子像が得られてしまうという問題があった。特に、二次電子像からパターンの寸法を計測するSEMでは、二次電子像が歪んでしまうと、計測値とパターンの実際の寸法との間にずれが生じ、正しい寸法が計測できなくなってしまう。

また、電子ビーム走査が引起す帯電を除去するには、イオンを照射する、紫外線を照射するなど、SEMとは別の機構を用いる必要がある。しかし、イオン照射機構や紫外線照射機構をSEMに取り付け、電子ビームによる帯電を除去させようとすると、イオン、紫外線照射機構の取り付け方法、およびその制御が複雑になってしまうという課題があった。

これらの問題を解決する為に、本発明では、二次電子像取得の為の電子ビーム走査（像取得走査）とは別に、帯電を除去する為の電子ビーム走査（帯電除去走査）をおこなう。具体的には、観察対象領域を、左から右に電子ビームが走査する像取得走査をおこない、観察領域の右から左に電子ビームを振り戻す際に、帯電除去走査をおこなう。この時、像取得走査と帯電除去走査では、電子ビームが試料に入射するエネルギーを変える。すなわち、像取得走査の際は、二次電子の収率が高く、高分解能を得られるリターディング電圧を印加し、帯電除去走査の際は、電子ビーム照射により帯電が除去されるリターディング電圧を印加する。

また、この方法は、リターディング電源をそなえていればよく、帯電を除去する為のイオン、紫外線照射機構が不要であるという利点もある。

振り戻し偏向時に帯電が除去されるため、撮像時間を増やすことなく画像のＳ／Ｎを向上できる。

SEMにおいて、電子ビーム走査による帯電を除去する為の像取得走査、帯電除去走査とリターディング電圧の設定方法を図１、図２を参照して説明する。SEMでは、観察領域の左上から右下まで、観察領域を1ラインずつ電子ビームで走査して、二次電子像を取得している。この時の、電子ビームを走査する走査信号のタイムチャートを図１に示す。電子ビームのX方向走査は、観察領域の左端から右端までを走査することの繰り返しであるから、図１に示すように、X方向走査信号は三角波の繰り返しとなる。X方向走査信号が上昇する時（図１中(a)の区間）は像取得に適したリターディング電圧（図１中のV_obs）を印加し、下降する時（図１中(b)の区間）は帯電除去に適したリターディング電圧（図１中のV_pre）を印加する。

図２には観察領域２０１上での、像取得走査２０２と帯電除去走査２０３の走査線を示している。実線が像取得走査２０２であり、点線が帯電除去走査２０３である。図２中では、像取得走査２０２と帯電除去走査２０３は、ある程度の距離をおいて描かれているが、実際は、重なっているか電子ビーム径程度しか、ずれていない。

このように、像取得走査と帯電除去走査を繰り返して、像を取得することで、電子ビームを走査することによる、二次電子像取得中の帯電を防ぎ、正確なパターン形状を反映した二次電子像を得ることができる。

図１中(b)の時間間隔が(a)の時間間隔より、極端に短い場合は、リターディング電圧はオフセットがV_obsで、パルス的に電圧V_preを出力するようなパルス電源を用いてもよい。

本実施例では、実施例１で説明した電子ビーム走査方法を用いた、SEM式半導体検査装置について説明する。

図３は、SEM式半導体検査装置を示したものである。検査装置は大きく分けてSEM筐体１０、試料室２０、試料準備室７０、SEM制御部５０、帯電制御システム部６０、検査システム制御部９０、真空排気システム部８０、ステージ制御部４０で構成され、SEM筐体１０、試料室２０、試料準備室７０は真空排気システム部８０により真空排気されているものとする。

まず、SEM式半導体パターン検査装置の基本的な構成について説明する。SEM筐体１０は、電子源１１、コンデンサレンズＡ１２、絞り１３、コンデンサレンズＢ１４、検出器１５、偏向器１６、対物レンズ１７、帯電制御電極１８で構成される。試料室２０はステージ２３、絶縁材２２、ウェハホルダ２１、ウェハ３で構成され、ウェハホルダ２１とウェハ３は接地されたステージ２３とは、絶縁材２２で電気的に絶縁されており、外部からリターディング電源４２で、電圧が印加できるようになっている。また、ステージ２３はＳＥＭ筐体１０の中心軸に対して、垂直方向に２次元的にウェハ３とウェハホルダ２１を動かすことができ、ステージ２３の移動は、ステージ制御部４０内のステージコントローラ４４、ステージ駆動部４３で制御される。SEM制御部５０はSEM用電子銃電源５１、レンズ制御部５２で構成される。

電子源１１から放出された電子ビームは、コンデンサレンズＡ１２、コンデンサレンズＢ１４、対物レンズ１７を用いてウェハ3上に焦点を結ぶよう調整される。このとき、ウェハ３に入射する電子ビームのエネルギーは、電子源１１に印加した陰極電圧とウェハ３に印加したリターディング電圧の差で決まり、リターディング電圧を変えることで、ウェハ３に入射する電子ビームのエネルギーを変えることができる。ウェハ３から発生した二次電子は加速され検出器１５に引き込まれる。ここで、走査像を形成するためには、電子ビームがウェハ３上を走査するよう偏向器１６で電子ビームを偏向し、検出器１５で取り込まれた二次電子をＡＤコンバータ部３１でデジタル信号に変換し、光ファイバ３２、画像処理部３３へ信号を送る。そして、画像処理部３３では走査信号と同期した二次電子信号のマップとして走査像を形成する。ここで、検出器１５とＡＤコンバータ部３１は正極性の高電圧にフローティングされているものとする。
画像処理部３３では、ウェハ３内で場所の異なる同一パターンの画像を比較し、欠陥部を抽出する。そして、抽出した欠陥の座標データと、欠陥部の画像を検査結果として記憶する。この検査結果は随時、画像表示部３４にてウェハ３内の欠陥分布、及び欠陥画像としてユーザが確認することができる。ここに示した半導体パターン検査装置では、常に最適な検査が行われるよう検査システム制御部９０が、検査するウェハのパターン及びプロセスの情報、検査条件、検査領域、欠陥検出の閾値等を記憶し、装置全体を一括に管理及び制御する。また、検査システム制御部９０が電子ビームのXY走査を制御する偏向制御部５３とリターディング電源４２を連動して制御することで、図２に示す電子ビーム走査を実現する。

SEM式半導体検査装置では、二次電子放出効率が1以上（図４中(a)の範囲）となるようにリターディング電圧を制御している為、試料を電子ビームで走査すると、試料はプラスに帯電する。二次電子像を１枚、取得するには、１０００回以上の電子ビーム走査を繰り返す為、試料はプラスにチャージアップしていき、ウェハ上のパターン形状６０１を正確に反映していない、異常な二次電子像６０３が得られてしまう。

そこで、実施例１で説明したように、リターディング電圧を試料のチャージアップが除去される値（図４中(b)の範囲）に設定して、電子ビームを振り戻す、つまり、帯電除去走査２０３をおこなうことで、試料のチャージアップを除去しつつ、ウェハ上のパターンを正確に反映した、正常な二次電子像６０２を取得することが可能となる。

本実施例では、実施例１で説明した電子ビーム走査方法を用いた、測長SEMについて説明する。

図５は測長SEMを示したものである。測長SEMは大きく分けてSEM筐体１０、試料室２０、試料準備室７０、SEM制御部５０、測長システム制御部９１、真空排気システム部８０、ステージ制御部４０で構成され、SEM筐体１０、試料室２０、試料準備室７０は真空排気システム部８０により真空排気されているものとする。

陰極と第一陽極に印加される電圧により陰極から放射された一次電子線は第二陽極に印加される電圧に加速されて後段のレンズ系に進行する。この一次電子線はレンズ制御部５２で制御されたコンデンサレンズA１２と対物レンズ１７により試料に微小スポットとして収束され、二段の偏向コイル１９で試料上を二次元的に走査される。偏向コイル１９の走査信号は、入力装置により指定された観察倍率に応じて、測長システム制御部９１によってSEM制御部５０を介し制御される。また、測長システム制御部９１は、電子ビームのXY走査を制御する偏向制御部５３とリターディング電源４２を連動して制御することで、図２に示す電子ビーム走査を実現することができる。

測長SEMでは、二次電子放出効率が１以上（図４中(a)の範囲）となるようにリターディング電圧を制御している為、試料を電子ビームで走査すると、試料はプラスに帯電する。二次電子像を１枚、取得するには、１０００回以上の電子ビーム走査を繰り返す為、試料はプラスにチャージアップしていき、ウェハ上のパターン形状６０１を正確に反映していない、異常な二次電子像６０３が得られてしまう。

本実施例では、実施例１で説明したリターディング電圧の制御範囲について説明する。

実施例１では、画像取得走査と帯電除去走査で別々のリターディング電圧を印加するが、それぞれの走査におけるリターディング電圧の差は、高々３ｋVでよい。これは、ほとんどの絶縁体について、入射エネルギーが３ｋVを超えると二次電子放出効率が１より小さくなることで説明できる。まず、画像取得走査時のリターディング電圧は電子ビームの入射エネルギーが、図４中(a)の範囲になるように設定されており、帯電除去走査時のリターディング電圧は、電子ビームの入射エネルギーが図４中(b)の範囲になるように設定されている。

例えば、画像取得走査時、電子ビームの加速電圧が５ｋV、リターディング電圧が４．５ｋVだとする。この時、電子ビームが試料へ入射するエネルギーは０．５ｋVである。帯電除去走査時にリターディング電圧を１．５ｋVに設定すれば、電子ビームの入射エネルギーは３．５ｋVとなり、二次電子放出効率が１以下となる図４中(b)の範囲に入る。よって、リターディング電圧を３ｋV変化させることで、画像取得走査によりプラスに帯電した試料を、帯電除去走査により帯電が除去された状態に戻すことが可能となる。

二次電子像を取得する時、試料への入射エネルギーが図４中(a)の範囲であるような１次電子ビーム加速電圧とリターディング電圧を設定しているSEMであれば、上記方法により、帯電除去走査をおこなう為のリターディング電圧の変化は３ｋVで十分であることがわかる。

本実施例では、所望の観察領域の二次電子像を取得する為の装置動作について、フローチャート（図７）を参照して説明する。

まず、二次電子像取得に先立って、観察領域を設定する。観察領域は、１点もしくは複数点設定する。次に観察条件を指定する。観察条件とは例えば、プローブ電流I_p、ランディングエネルギーE_land（加速電圧とリターディング電圧の差）、観察倍率、画像加算回数、ウェハ表面の絶縁膜の種類などである。次に観察設定領域にステージを移動させる。次に画像を取得する条件（画像取得走査）にて、電子ビームを１回だけ走査する。次に、画像取得走査が引起す帯電を除去するようなランディングエネルギーになるようにリターディング電圧を設定する。この時、観察条件設定で入力した絶縁膜種に応じて、リターディング電圧を設定する。次に、画像取得走査とは反対方向に帯電除去走査をおこなう。この画像取得走査と帯電除去走査を、所望の観察領域を全て走査するまで繰り返す。所望の観察領域の画像を取得した後、次の観察領域に移動する。上記動作を、設定した観察領域全ての画像を取得するまで繰り返す。所望の画像が全て取得できたら、終了する。

走査型電子顕微鏡の走査信号とリターディング電圧の変化を示すタイミングチャート。観察領域における像取得走査と帯電除去走査の走査方向を示す図。 SEM式半導体検査装置の概略図。入射エネルギーと二次電子放出効率の関係。測長SEMの概略図。パターン形状と二次電子像。二次電子像を取得する際の装置動作のフローチャート。

符号の説明

３：ウェハ、１０：SEM筐体、１１：電子源、１２：コンデンサレンズA、１３：絞り、１４：コンデンサレンズB、１５：検出器、１６：偏向器、１７：対物レンズ、１８：帯電制御電極、１９：偏向コイル、２０：試料室、２１：ウェハホルダ、２２：絶縁材、２３：ステージ、
３０：画像形成部、３１：ADコンバータ部、３２：光ファイバ、３３：画像処理部、３４：画像表示部、
４０：ステージ制御部、４２：リターディング電源、４３：ステージ駆動部、４４：ステージコントローラ、
５０：SEM制御部、５１：SEM用電子銃電源、５２：レンズ制御部、５３：偏向制御部、
６０：帯電制御システム部、６１：帯電制御装置、６２：制御電極電源、
７０：試料準備室、７１：バルブ、
８０：真空排気システム部、
９０：検査システム制御部、９１：測長システム制御部
２０１：観察領域、２０２：像取得走査、２０３：帯電除去走査
６００：コンタクトホール、６０１：パターン形状（上面図）、６０２：二次電子像（正常）、６０３：二次電子像（異常）。

Claims

電子ビームを走査して、試料から放出される二次電子信号から、二次電子像を取得する走査型電子顕微鏡において、
観察用のリターディング電圧を設定し、１回だけ試料上を電子ビームで走査した後、電子ビームを振り戻す際に、観察用のリターディング電圧とは異なるリターディング電圧を設定し、試料上を電子ビームで走査することを繰り返して、二次電子像を取得することを特徴とする走査型電子顕微鏡。
電子ビームを走査して、試料から放出される二次電子信号から、二次電子像を取得する二次電子像取得方法において、
観察用のリターディング電圧を設定し、試料上を電子ビームで１ライン走査し、
当該電子ビームを前記１ライン走査の開始位置に戻す際に、前記リターディング電圧を試料の帯電を除去するような電圧に再設定し、
前記１ライン走査と、リターディング電圧の再設定を繰り返すことにより、観察により生じた帯電を除去しつつ、前記二次電子像を取得することを特徴とする二次電子像取得方法。
請求項２に記載の二次電子像取得方法において、
前記リターディング電圧を試料の材質に応じて変化させることを特徴とする二次電子像取得方法。
請求項１に記載の走査型電子顕微鏡において、
観察用のリターディング電圧と電子ビームを振り戻す際のリターディング電圧の差が、３ｋＶ以内であることを特徴とする走査型電子顕微鏡。