JP2635015B2

JP2635015B2 - 絶縁膜の観察方法および装置

Info

Publication number: JP2635015B2
Application number: JP6210991A
Authority: JP
Inventors: 茂行細木; 幹雄市橋; 恭雄和田; 忠輔棟方; 幸雄本多
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-09-05
Filing date: 1994-09-05
Publication date: 1997-07-30
Anticipated expiration: 2012-07-30
Also published as: JPH0778854A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電子ビームを用いて、
絶縁膜の欠陥を検査する絶縁膜の観察方法および装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】図１（イ）は検査すべき絶縁膜を有する
試料の断面図で、１は金属または半導体からなる基板、
２は絶縁膜、３は絶縁膜２上に任意の形状に孤立して形
成された金属または半導体である。図示のような試料
は、いわば半導体集積回路等の製造プロセスの途中にあ
る試料である。

【０００３】図１（ロ）は図１（イ）で示したような試
料の絶縁膜２の欠陥を検査する装置の概略斜視図で、４
は先端の直径が２０μｍ程度の金属探針、５は電圧計、
６は電流計、７は直流電源である。このような構成の検
査装置において、直流電源７により絶縁膜２の耐圧電圧
未満の電圧を印加し、金属探針４を金属または半導体３
に接触させて、絶縁膜２の絶縁性を電圧計５および電流
計６によって測定する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような検
査装置にあっては、金属探針４の機械的接触による限界
から、金属または半導体３の二次的大きさはおよそ１０
０μｍ四方以上に制限される。すなわち、金属または半
導体３の大きさが金属探針４の先端直径の２０μｍ以下
では、測定はまったく不可能である。

【０００５】図１（ハ）は、金属または半導体からなる
基板１に絶縁膜２のみが形成された試料の絶縁膜２の欠
陥検査装置を示す断面図で、この検査装置においては、
（Ｃａ、Ｉｎ）合金などの融点が低い金属８を絶縁膜２
上に押え付け、直流電源７により電圧を印加し、電圧計
５、電流計６によって絶縁膜２の絶縁性を測定する。し
かし、この検査装置は、絶縁膜２の平均的な絶縁性を検
査するものであり、絶縁膜２の欠陥の大きさ、数等を知
ることはできない。

【０００６】なお、半導体集積回路等の内部に形成され
る個々の素子、配線パターン形状は、現在すでにミクロ
ンオーダーに達しており、これらの微細化はさらに進行
しつつある。

【０００７】しかしながら、前述のように、従来の絶縁
膜の欠陥検査装置においては、欠陥の大きさ、数等の微
細な欠陥は摘出することはできない。したがって、この
ことは素子完成後の歩留りを悪くする一因になってい
る。

【０００８】本発明は、上記のような従来技術の実情に
鑑みてなされたもので、その目的は、絶縁膜の欠陥の大
きさ、数を検査することができる絶縁膜の観察方法およ
び装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】金属探針を用いて絶縁性
を検査するのは、前述のように限界にあり、他の方法に
よらなければならない。

【００１０】ところで、細く収束した電子ビームを検査
すべき試料上で走査し、この照射される電子ビームによ
り該試料から発生する二次電子によって、ブラウン管画
面上に像を表示する走査形電子顕微鏡（以下ＳＥＭと称
す；Scanning Electron Microscope）がある。このＳＥ
Ｍは、試料の微細な表面形状の観察をするもので、通常
のＳＥＭで上記目的を達成することは不可能である。一
般に、ＳＥＭの試料への入射電子エネルギーとしては１
０〜３０ｋｅＶ程度が用いられ、特に低いものでも３ｋ
ｅＶ程度である。このように高いエネルギーの電子を絶
縁膜に照射すると、後で詳しく述べるように該絶縁膜上
にチャージ・アップが起きて電子ビームが振られてしま
い、正確な像を得ることができない。また、単純にＳＥ
Ｍの電子ビームエネルギーをもつと低下させた場合は、
上記チャージ・アップ現象を低減することはできるにし
ても本質的には該現象が生ずること、および、一般に加
速電圧を下げると電子光学的理由により電子線源の輝度
が低下するため、二次電子像のＳ−Ｎ比が悪くなり、表
示画面を鮮明に観察することが困難となること、などの
理由によって、従来絶縁膜の欠陥に対応した情報を得る
ことはできていない。

【００１１】一方、ＳＥＭによって半導体試料を観察す
ると、高エネルギー電子の照射により半導体の損傷が起
きることが知られており、試料を破壊しないで観察する
ために、電子ビームの低エネルギー化が望まれている。

【００１２】前述の目的を達成するために、本発明の絶
縁膜の観察方法は、電子ビームを収束し、検査すべき絶
縁膜を有する試料上に前記電子ビームを走査し、前記電
子ビームを照射して前記絶縁膜の欠陥を検査する絶縁膜
の観察方法において、電子が前記絶縁膜を等価的に透過
する入射速度の前記電子ビームを照射して前記絶縁膜か
ら発生する二次電子を検出することによりパターンの形
状を検査し、電子が前記絶縁膜を等価的に透過しない入
射速度で、かつ、前記絶縁膜から発生する二次電子の発
生効率が１より大きい入射速度の前記電子ビームを照射
し、前記絶縁膜の電位が平衡となるようにして前記絶縁
膜から発生する二次電子を検出し、かつ、前記パターン
の形状と比較することにより前記絶縁膜の欠陥を検査す
ることを特徴とする。

【００１３】また、電子ビームを収束し、検査すべき絶
縁膜を有する試料上に前記電子ビームを走査し、前記電
子ビームを照射して前記絶縁膜の欠陥を検査する絶縁膜
の観察方法において、電子が前記絶縁膜を等価的に透過
する入射速度の前記電子ビームを照射して前記絶縁膜か
ら発生する二次電子を検出することによりパターンの形
状を検査し、前記電子ビーム照射時に前記絶縁膜から発
生する二次電子の発生効率が１より大きく、かつ、前記
絶縁膜表面の電位をその下にある基板の電位より正であ
る平衡状態に保ちつつ、さらに、電子が前記絶縁膜を等
価的に透過しない入射速度の前記電子ビームを照射して
前記絶縁膜から発生する二次電子を検出し、かつ、前記
パターンの形状と比較することにより前記絶縁膜の欠陥
を検査することを特徴とする。

【００１４】また、本発明の絶縁膜の観察装置は、電子
ビームを収束する収束手段と、欠陥を検査すべき絶縁膜
を有する試料上に前記電子ビームを走査する偏向手段
と、電子が前記絶縁膜を等価的に透過する入射速度と前
記電子ビーム照射時に前記絶縁膜から発生する二次電子
の発生効率が１より大きく、かつ、等価的に透過しない
入射速度の電子ビームを照射する手段と、前記絶縁膜の
電位を平衡にさせる電源と、前記絶縁膜から発生する二
次電子を検出する検出器とを具備することを特徴とす
る。

【００１５】また、前記試料の前記絶縁膜に電子を等価
的に透過させる第１の電源と、前記電子ビームの前記試
料への入射速度を、電子が前記絶縁膜を等価的に透過し
ない値まで減速する第２の電源と、前記第１の電源と前
記第２の電源とを切り換えるスイッチとを有することを
特徴とする。

【００１６】また、電子が前記絶縁膜を等価的に透過す
る入射速度の電子ビームを照射して前記絶縁膜から二次
電子を発生させ、前記検出器により検出した二次電子像
の倍率と、電子が前記絶縁膜を等価的に透過しない入射
速度の電子ビームを照射して前記絶縁膜から二次電子を
発生させ、前記検出器により検出した二次電子像の倍率
とをほぼ同一倍率に補正する倍率補正器を有することを
特徴とする。

【００１７】さらに、前記試料の前記電子ビームの照射
面に対向して配置し、かつ、前記絶縁膜表面の電位をそ
の下にある基板の電位より正である平衡状態に保つよう
な所定の電圧を印加する補助電極を有することを特徴と
する。

【００１８】

【作用】本発明は、低エネルギーの電子ビームを用い
て、微細な絶縁膜、半導体膜、金属膜等の種々の薄膜の
欠陥の大きさ、数等に対応する情報を得るもので、以
下、その原理について説明する。

【００１９】まず、例えば、絶縁膜の厚さおよび入射電
子エネルギーを具体的に示すため、金属または半導体の
基板１（図１）としてＳｉ単結晶板、絶縁膜２としてこ
のＳｉ単結晶板を熱酸化して得られるＳｉＯ₂膜を考え
る。

【００２０】図２は、この絶縁膜としてのＳｉＯ₂膜へ
入射する電子ビームエネルギー（ｅＶ）と、電子の最大
侵入深さＲｍａｘ（Å）との関係を示すグラフである
（引用文献：H.J.Fitting,Phys.Status Solidi 226,p.5
25(1974）。この電子の最大侵入深さとは、絶縁膜への
入射電子すなわち一次電子が多重散乱をしてエネルギー
損失し、エネルギーまたは速度的に拡散領域に達するま
での電子の侵入領域（深さ）すなわち等価的な透過領域
のことである。この等価的というのは、ある一つの入射
電子が絶縁膜をそのまま通り抜ける意味での透過のみを
指すのではなく、複数電子との衝突により入射電子その
ものではなく他の電子が透過することを含める。図２の
グラフにおいて、例えば、電子が１００ÅのＳｉＯ₂膜
を透過してＳｉ基板１に達するには３００ｅＶ以上のエ
ネルギーで電子ビームを照射しなければならないことが
わかる。

【００２１】一方、試料表面で入射電子ビームすなわち
一次電子により励起される二次電子の放射効率も一次電
子エネルギーに依存している。なお、二次電子放射効率
δ（Ｅ）は、一次電子数Ｎ_Pに対する二次電子数Ｎ_Sの比
で示される（δ（Ｅ）＝Ｎ_S／Ｎ_P）。図３は一次電子ビ
ームエネルギーＥ（ｅＶ）と二次電子放射効率δ（Ｅ）
との関係を示すグラフで、ＡはＳｉＯ₂、ＢはＰｏｌｙ
−Ｓｉに対する値を示す（引用文献：R.Kouath,Handbuc
h der Physik XXIp.232(1956）。

【００２２】図４（イ）〜（ホ）は、Ｓｉ基板１上にＳ
ｉＯ₂絶縁膜２が形成された試料について、一次電子ｅ_P
に対する二次電子ｅ_Sおよび該試料内部への散乱電子ｅ_d
の振舞いを模型的に示す図である。

【００２３】図４（イ）に示すように、例えば１００Å
の厚さのＳｉＯ₂絶縁膜２を考えるとき、一次電子ｅ_Pが
３００ｅＶ以上で加速された電子であれば、基板１へ到
達する散乱電子ｅ_dが存在するため、いわゆる“電子ビ
ーム誘起電導性（Electronbeam induced conductivit
y）”の現象に基づき、ＳｉＯ₂絶縁膜２表面の電位は基
板１の電位にほとんど等しくなり、絶縁膜２の表面にチ
ャージ・アップは起きない。

【００２４】図４（ロ）は、一次電子ｅ_Pが３００ｅＶ
以下でかつ二次電子放射効率δ（Ｅ）が１以上となる３
０ｅＶ以上で加速された電子の場合を示す。Ｎ_P（一次
電子ｅ_Pの個数）よりもＮ_S（二次電子ｅ_Sの個数）の方
が多いため、図４（イ）の場合のように散乱電子ｅ_dの
リークがないので、絶縁膜２の表面は正の電荷が増大し
チャージ・アップの状態となる。なお、このチャージ・
アップは時間の経過とともに増大する。

【００２５】図４（ロ）におけるチャージ・アップを防
止するには、図４（ハ）に示すように、試料上の空間の
該試料の電子ビーム照射面に対向して、金属メッシュ等
からなる補助電極９を設け、この補助電極９と基板１と
の間に直流電源１０を接続し、補助電極９に電位を与え
る。発生した二次電子のうち比較的エネルギーの高いも
のは、補助電極９に入射するか、補助電極９を通過して
試料表面の情報を持って二次電子検出器（図示せず）に
到達する。また、エネルギーの非常に低い電子は試料表
面へ逆戻りする。このような構成では、絶縁膜２の表面
と基板１との間には等価回路的にわずかなリーク電流が
あることになり、絶縁膜２の表面の電位は、平衡状態と
して基板１よりも僅かに正の側の電位を持つ。なお、図
示のように、直流電源１０は基板１の側を負、補助電極
９の側を正としてあるが、直流電源１０の電位の比較的
小さい場合は、正負が逆でも良く、また直流電源１０は
抵抗と置き換えても原理的には等しい。しかし、実用上
は図示のような接続が、二次電子の補集量を高める上で
都合良い。

【００２６】図４（ニ）に示すように、図４（ロ）また
は（ハ）と同じ条件で、絶縁膜２に欠陥がある場合、具
体的には絶縁膜２にピン・ホールがあるか、もしくは完
全な孔となっていなくても、絶縁膜２が一部薄い場合
は、その欠陥部分では等価的に図４（イ）と同様にな
る。すなわち、欠陥部分の表面電位は基板１と同電位に
なる。

【００２７】上記図４（ロ）〜（ニ）は、二次電子放射
効率δ（Ｅ)²が１以上の場合であったが、δ（Ｅ）＜１
の場合について図４（ホ）に示す。図３においては、一
次電子ビームエネルギーが２３００ｅＶ以上かあるいは
３０ｅＶ以下で加速された場合である。まず２３００ｅ
Ｖ以上の場合、散乱電子ｅ_dが基板１に達するときはδ
（Ｅ）が異なることによる発生二次電子数の割合が少な
いだけで図４（イ）と同様である。しかし、絶縁膜２が
厚くて、散乱電子ｅ_dが基板１に到達することができな
い場合、入射する一次電子数Ｎ_Pが、放出される二次電
子数Ｎ_Sよりも大なので、図４（ロ）とは逆に、絶縁膜
２の表面は負の電荷が増してチャージ・アップを起こ
す。しかし、この場合には、図４（ハ）のように補助電
極９を付加しても、このチャージ・アップは負電位なの
で防止することはできず、したがって絶縁膜２の表面電
位を一定値に保つことは不可能である。また、後者の３
０ｅＶ以下でも、絶縁膜２の厚さが異なるだけで、現象
は上記と同様である。その厚さとは、図２の外挿によれ
ば１０Å以下という極めて薄いものであり、通常絶縁膜
としては用いることのない領域である。

【００２８】以上を整理して記すと次のようになる。

【００２９】（１）入射する一次電子ｅ_Pのエネルギー
が高く、散乱電子ｅ_dが絶縁膜２を等価的に透過して基
板１に達する場合、絶縁膜２の表面電位は基板１の電位
にほぼ等しい（図４（イ））。

【００３０】（２）一次電子ｅ_Pのエネルギーが低く、
散乱電子ｅ_dが基板１を等価的に透過しない程度で、か
つ絶縁膜２からの二次電子発生効率δ（Ｅ）が１より大
である場合、絶縁膜２の表面電位は補助電極９を用いる
ことによって、基板１の電位より正である平衡状態に保
たれた電位を示す（図４（ロ）、（ハ））。

【００３１】（３）上記（２）の場合において絶縁膜２
にピンホール等の欠陥があれば、その欠陥箇所の表面電
位は、基板１の電位か、該電位にほぼ等しい電位を示す
（図４（ニ））。

【００３２】（４）一次電子ｅ_Pが絶縁膜２を等価的に
透過せず、かつ絶縁膜２からの二次電子発生効率δ
（Ｅ）が１より小である場合、絶縁膜２の表面電位は負
の側に変化し平衡状態に達することができない（図４
（ホ））。

【００３３】このような試料表面に、一次電子ｅ_Pが絶
縁膜２を等価的に透過しないエネルギーの一次電子ビー
ムを走査し、それにより発生する二次電子信号を検出す
ると、表面電位の差に基づく二次電子収量の差が敏感に
反映されるため、上記（２）および（３）の原理を利用
することにより、絶縁膜２の欠陥箇所と正常な部分を表
面電位の差として検出して区別することができる。

【００３４】図５は、絶縁膜２の上に孤立して金属また
は半導体３、例えばＰｏｌｙ−Ｓｉが形成されている試
料を検査する場合の本発明の原理を示す図で、９は補助
電極、１０は直流電源である。このような試料におい
て、絶縁膜２上の金属または半導体３の電位は、近傍の
絶縁膜２の表面電位と等しくなるため、金属または半導
体３の表面電位を表わす二次電子を検出することによっ
て、その絶縁性を知ることができる。ただし、二次電子
の収量そのものは、金属または半導体３に対するものと
なる（図３参照）。

【００３５】なお、上記の説明では、検査すべき薄膜と
して絶縁膜を例に挙げて説明したが、抵抗が約１ＭΩ以
下の導体を除く、基体上に設けた絶縁膜、金属膜、半導
体膜等、種々の薄膜を検査することができる。また、表
面に存在する薄膜のみならず、中間に存在する薄膜をも
検査することができる。また、基体も、該基体表面に設
ける薄膜との組み合わせによるが、半導体、金属、絶縁
物等何でもよい。例えば、絶縁物基板の場合は、表面薄
膜は半導体、金属となる。

【００３６】

【実施例】以下、本発明の実施例を図６〜９に基づいて
説明する。

【００３７】図６は、本発明の第１の実施例の電子ビー
ム検査装置の概略ブロック図である。この図において、
１１は電子ビーム源となる電界放射陰極で、尖針１１ａ
とこれに接合されたＷフィラメント１１ｂからなる。１
８は−１ｋＶ程度の直流高電圧の電源で、電界放射陰極
１１に電界放射のための電位を与える。１９はフィラメ
ント１１ｂを通電加熱し１１００℃近傍に保つための電
源である。１２はアノード、１２ａはアノード１２の絞
り孔で、電界放射陰極１１からは電子が放射角１／４ｒ
ａｄ程度で絞り孔１２ａに放射される。１３はアノード
１２の絞り孔１２ａを通過した電子ビーム束を収束する
ための収束手段すなわち磁気収束レンズ、２１は磁気収
束レンズの電源である。１４は非点収差補正コイル、２
０は非点収差補正コイル１４の電源、１５は電子ビーム
を走査するための偏向手段すなわち偏向コイル、２３は
偏向コイル１５の電源、１６は電子光学系鏡体、１７は
イオンポンプを含む排気手段、３２は磁気収束レンズ１
３により収束された電子ビームが照射される絶縁膜２を
持つ試料（ここでは図５に示した試料）、４３は試料
台、９は試料３２の上方周囲に配置された金属メッシュ
からなる補助電極、２６、２７は電源で、試料３２およ
び補助電極９に電圧を与えることにより、電界放射陰極
１１から照射される電子ビームの速度を所定の値まで減
速する減速手段となる。なお、電源２６、２７は、それ
ぞれスイッチＡおよびＢによって切換え可能になってい
る。

【００３８】２２は電子ビームの照射により試料３２か
ら発生する二次電子を捕集する二次電子検出器、２８は
増幅器、２９は絶縁膜２の欠陥に対応する情報信号を表
示するブラウン管を含む表示器である。

【００３９】２４は発振器、２５は倍率補正器、３０は
比較器、３１はパターン発生器であり、これらについて
は後で詳述する。なお、二次電子検出器２２、電源２
３、発振器２４、倍率補正器２５、増幅器２８、表示器
２９、比較器３０、パターン発生器３１により表示手段
が構成されている。

【００４０】以上、本発明の第１の実施例の各構成部分
について一とおり説明したが、次に上記電界放射陰極１
１についてさらに説明を加える。つまり、本発明を実施
するに当って一つの重要な点は、前述のように、絶縁膜
２を透過しない程度のエネルギーの電子ビームを用いる
ことである。絶縁膜２が薄い程、エネルギーの低い電子
ビームを用いなければならない。ところが、前述のごと
く電子光学の原則によって、一般にエネルギーが低けれ
ば電子ビームの輝度は低くなる。低速電子ビームにおい
て、できる限り小さい電子ビームのスポット径を得るに
は、電子ビーム源となる陰極に高輝度のものを用いる必
要がある。

【００４１】本実施例の電界放射陰極１１は、軸方位＜
１００＞の単結晶タングステンＷ線から電界研摩して尖
針１１ａを形成したもので、酸素を介してチタンＴｉの
単原子層の吸着状態を長時間加熱状態で維持できる熱電
界放射陰極である。この陰極は尖針表面において仕事関
数がＷより低いため、同じ曲率半径のＷ尖針と比較し
て、低い電圧で同様の電子ビーム電流が得られる。な
お、通常のＷ尖針では、尖針の表面清浄化のためにフラ
ッシングという瞬間高温加熱を行なうが、この操作のた
めに尖針の先端曲率半径を当初非常に小さくしても、加
熱による影響で先端が鈍化してしまう。これに対して、
本実施例のＴｉ吸着型の電界放射陰極１１は、高温のフ
ラッシング操作が不要であり、前述の尖針表面の仕事関
数が小さいことと合わせて、１ｋＶ程度の低い電圧で電
界放射が可能であり、また低い加速電圧にもかかわらず
電界放射であるために高輝度である。なお、このような
理由により、電源１８は−１ｋＶ程度の直流高電圧電源
を用いる。

【００４２】次に、本実施例において試料３２に入射す
る電子ビームのエネルギー（速度）が必要な値すなわ
ち、電子が試料３２の絶縁膜２を等価的に透過しない値
に減速する原理について説明する。すなわち、電源１８
の電圧が前述のように−１ｋＶであり、かつ試料３２の
電位が鏡体１６と同じ接地電位である場合、電界放射陰
極１１からは１ｋｅＶのエネルギーの電子ビームが試料
３２に入射する。ところが、試料３２に図示のように設
けた電子ビームの減速手段である電源２６によって減速
電位、例えば−９００Ｖを与えると、試料３２に入射す
る電子のエネルギーは１００ｅＶとなる。すなわち、電
源２６は減速電圧として例えば前述の−９００Ｖに設定
してあり、スイッチＡを操作することにより電子が試料
３２の絶縁膜２を等価的に透過しない値まで電子エネル
ギーの速度を減速する。また、電源２７は電子が絶縁膜
２を透過する電圧例えば−２００Ｖに設定してあり、し
たがって試料３２に入射する電子ビームのエネルギーは
８００ｅＶとなる。

【００４３】上記のように構成した本発明の第１の実施
例の電子ビーム検査装置において、その動作を説明す
る。減速手段である電源２６により必要な速度まで減速
された電子ビームが試料３２上に照射されると、二次電
子が発生するが、そのうち補助電極９を通過したものの
一部または大部分は二次電子検出器２２に捕集される。
それにより二次電子検出器２２から出力する検出電流
は、増幅器２８によって増幅され、表示器２９に入力さ
れる。また、発振器２４によって作られる偏向信号は、
電源２３により増幅され、電子ビームを走査する偏向コ
イル１５に与えられる。なお、発振器２４の偏向信号
は、表示器２９にも同期して与えられ、後に詳しく述べ
る二次元輝度変調表示、あるいは線状表示等の絶縁膜２
の欠陥に対応する情報信号が表示器２９に表示される。

【００４４】次に、本実施例の表示手段による一つの表
示例（上記二次元輝度変調表示）およびその表示による
測定結果を図７（イ）に基づいて説明する。図７（イ）
は、図６で示した本発明の第１の実施例の電子ビーム検
査装置の表示器２９の画面に表示された二次電子像を示
す図である。試料３２の断面構造は図５に示したものと
同様であり、基板１はＳｉ単結晶板、絶縁膜２は膜厚２
００ÅのＳｉＯ₂、金属または半導体３は膜厚３５００
ÅのＰｏｌｙ−Ｓｉである。さらに詳しくいえば、この
試料はＰｏｌｙ−Ｓｉが幅１μｍの線状に３μｍ間隔
で、いわゆるライン・アンド・スペースで構成された試
料である。図２にもとづいて２００ÅのＳｉＯ₂膜を透
過しない電子ビームのエネルギーは５００ｅＶ以下であ
るので、１００ｅＶの電子ビームを用いる。図７（イ）
は、試料３２ａへの入射エネルギーが１００ｅＶ（スイ
ッチＡ）の場合に表示器２９の画面に表示された二次電
子像で、前に図３をもとに説明した二次電子発生効率の
差から、Ｐｏｌｙ−Ｓｉの部分が黒く（二次電子信号が
弱い）、バックグラウンドである絶縁膜ＳｉＯ₂の部分
が白く（二次電子信号が強い）見える。なお、この図７
（イ）では、矢印で示した他と較べて白っぽいラインの
箇所があり、その部分の絶縁膜に欠陥があることを明白
にしている。なお、図７（ロ）については、後で述べ
る。

【００４５】なお、絶縁膜２の欠陥箇所の解析は、図７
（イ）の表示例で示した試料のようにパターンの単純な
もの、あるいは予めパターンが明確にわかっているもの
については、表示器２９の画面を目視することによって
判断できるが、複雑なパターンの場合には、図６に示し
たように予め入力されたパターンを発生するパターン発
生器３１および比較器３０を用いて、表示器２９に現わ
れる情報と比較することにより、欠陥箇所を知ることが
できる。

【００４６】また、パターン未知の試料における絶縁膜
の欠陥箇所の解析方法について図７（ロ）をもとに説明
する。すなわち、図６においてスイッチＢを操作するこ
とにより、例えば−２００Ｖに設定された電源２７によ
り試料３２に減速電圧を与える。すると、この試料３２
に入射する電子ビームのエネルギーは８００ｅＶとな
り、図２に基づいて５００ｅＶ以上であるので電子は試
料３２の絶縁膜２を透過する。ただし、図３に基づいて
２３００Ｖ以下であるのでチャージ・アップは起こさな
い。図７（ロ）は、電子ビームの減速電圧が電源２７に
より上記のように設定された場合に、表示器２９の画面
に表示された二次電子像を示す図であり、前述の図７
（イ）と同一試料の同一部分の二次電子像を示す。すな
わち、図７（ロ）において、欠陥箇所は見えず、試料に
もともと形成されているパターンの外形の情報のみを示
している。このように、欠陥箇所を見るには、電子が絶
縁膜を等価的に透過しないように設定された電源２６を
用い、試料のパターンを見るには、電子が絶縁膜を透過
するように設定された電源２７を用いる。したがって、
パターン未知の試料に対しては、スイッチＡとＢを切換
えることによって表示器２９に現われる２つの二次電子
像を比較することによって、欠陥箇所の判定が可能であ
る。なお、この際、１００ｅＶと８００ｅＶの試料３２
の入射エネルギーの差によって表示器２９の画面に現わ
れる像の倍率が異なってくる。したがって、同一倍率で
比較ができるように倍率補正器２５を用い、それぞれス
イッチＣとＤを電源２６および２７の切り換えに合わせ
て切り換える。このようにすることにより、図７
（イ）、（ロ）の像を表示器２９の画面において、等し
い倍率で比較することができる。

【００４７】さらに、上記のパターン発生器３１の代り
に、電子ビームエネルギーの高い場合と低い場合のいず
れかのパターン情報を記憶する記憶装置３１を設置し、
記憶装置３１および比較器３０を用いて表示器２９に欠
陥箇所の表示を行なうことができる。

【００４８】図８は、本発明の第２の実施例の電子ビー
ム検査装置の概略ブロック図である。図において、３３
は熱陰極、３４はウェーネルト電極、３５は電源、２６
は電子ビームの減速手段である電源、その他図６で示し
た第１の実施例同符号のものは同一部材を示す。熱陰極
３３は、第１の実施例の電界放射陰極１１と比較して輝
度が低いが、低加速電圧を印加して用いるとさらに輝度
が低下する。ここで、輝度の値を重視するのは、収束さ
れた電子ビームのスポット径をできるだけ小さくし、し
かもできるだけ大きい電流を得るためである。したがっ
て、このことを考慮すると、目的によっては熱陰極も低
加速電圧で使用できるといえる。すなわち、スポット径
がそれ程小さくなくても欠陥検査の機能を果す場合は充
分にある。本実施例では熱陰極の中で最も高い輝度を持
つ直熱型の六硼化ランタン（ＬａＢ₆）陰極を使用して
いる。

【００４９】このような構成の第２の実施例の電子ビー
ム検出装置において、熱陰極３３を電源１９によって加
熱し、１６００℃程度に保つ。そして、ウェーネルト電
極３４に電源３５により熱陰極３３の電位に対して負電
位を印加し、かつ直流高電圧の電源１８によって熱陰極
３３に電圧を印加すると、ウェーネルト電極３４とアノ
ード１２間に図示のようなクロスオーバーＥを作って電
子ビームが放射される。なお、電源１８に−１ｋＶ程度
の電源を用いると試料に印加される電位は、図６で示し
た第１の実施例と同様になる。また、この第２の実施例
も図示は省略したが第１の実施例と同様の表示手段等が
接続されるものであり、その機能も同様であるので説明
は省略する。

【００５０】図９は本発明の第３の実施例の電子ビーム
検査装置の概略ブロック図である。図において、１１は
電界放射陰極、３７は第１アノード、３８は第２アノー
ド、３９は第３アノード、４０、４１、４２、３６は電
源で４１、４２が電子ビームの減速手段の電源、その他
図６、図８と同符号のものは同一部材を示す。なお、本
実施例は、陰極として軸方位＜３１０＞のＷ電界放射陰
極を用いた場合である。この電界放射陰極１１は、電界
放射電圧として３〜６ｋＶ程度であり、第１アノード３
７との間に電源４０によって印加される電圧によって電
子ビームを放射する。なお、本実施例において試料３２
に入射するエネルギーは、（電源４１の電圧）で定めら
れる。すなわち、本実施例は、第１アノード３７、第２
アノード３８および第３アノード３９の組み合わせで、
電子ビームの減速作用と静電レンズ作用を行なわせるも
のである。なお、試料３２は接地電位とし、補助電極９
には電源３６によって最適な電位を与える。他の構成お
よび機能は図６の第１の実施例と同様なので説明は省略
する。

【００５１】なお、本発明の原理の説明および実施例に
おいて、基板１としてはＳｉ単結晶板、絶縁膜２として
はＳｉＯ₂、また絶縁膜２上に孤立して形成される金属
または半導体３としてはＰｏｌｙ−Ｓｉを用いて説明し
たが、他の物質の場合でも本発明の効果は変りない。

【００５２】また、図６に示した第１の実施例では、電
子ビームの入射速度を電子が検査すべき薄膜を等価的に
透過しない値まで減速する手段として減速電源２６を用
いたが、電子ビームの入射速度を電子が検査すべき薄膜
を等価的に透過しない値にあらかじめ設定しておけば、
減速電源２６は不要である。

【００５３】さらに、上記実施例では、試料表面のチャ
ージ・アップを防止するために、補助電極９（図６、図
８）、電源２６（図６）を設けたが、収束レンズおよび
試料との間の構成によっては、チャージの適度なバラン
スがとれ、チャージ・アップが防止できる場合があり、
この場合には当然図６、図８の補助電極９、図６の電源
２６は不要である。

【００５４】

【発明の効果】本発明によれば、絶縁膜を有する種々の
試料について、従来検査することができなかった絶縁膜
の欠陥の大きさ、数等を検知することができる。また、
従来は機械的接触により検査していたものを本発明は検
査すべき絶縁膜を電子が等価的に透過しない電子ビーム
を用いて非接触で検査を行なうので、脆弱な半導体試料
に対しても無損傷で検査することができる。したがっ
て、製造プロセスの途中で検査すべき素子の検査を行な
うことができ、検査終了後後続の製造プロセスを継続す
ることが可能である。また、本発明は電子ビームの微小
なスポット径に対応する０．１μｍ程度の微細な欠陥箇
所をも検知することができる。さらに、絶縁膜表面の電
位をその下にある基板の電位より正である平衡状態に保
つべく、試料の電子ビームの照射面に対向して配置した
補助電極へ所定の電圧を印加することにより、所定の値
の像コントラストが再現性よく得られる。このように、
本発明の効果は顕著である。

【図面の簡単な説明】

【図１】（イ）は検査すべき試料の断面図、（ロ）、
（ハ）は従来の検査装置の概略図である。

【図２】ＳｉＯ₂絶縁膜への入射電子ビームエネルギー
と電子の最大侵入深さとの関係を示すグラフである。

【図３】電子ビームエネルギーと二次電子放射効率との
関係を示すグラフである。

【図４】（イ）〜（ホ）は本発明の原理を説明する断面
模型図である。

【図５】本発明の原理を説明する断面模型図である。

【図６】本発明の第１実施例の電子ビーム検査装置の概
略ブロック図である。

【図７】（イ）、（ロ）は本発明の電子ビーム検査装置
のブラウン管表示器の画面に写し出された試料の二次電
子像の形状を示す図である。

【図８】本発明の第２実施例の電子ビーム検査装置の概
略ブロック図である。

【図９】本発明の第３実施例の電子ビーム検査装置の概
略ブロック図である。

【符号の説明】

２…絶縁膜、９…補助電極、１１、３３…陰極（電子ビ
ーム源）、１３…磁気収束レンズ（収束手段）、１５…
偏向コイル（偏向手段）、２６、２７、４１、４２…電
源（減速手段）、２９…表示器（表示手段）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｊ 37/26 Ｈ０１Ｊ 37/26 (72)発明者棟方忠輔東京都国分寺市東恋ヶ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者本多幸雄東京都国分寺市東恋ヶ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (56)参考文献特開昭52−58373（ＪＰ，Ａ) 特開昭48−95767（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−165943（ＪＰ，Ａ) 特開昭47−24959（ＪＰ，Ａ) 特開昭56−126933（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−196540（ＪＰ，Ａ) ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＳＣＩＥＮＴＩＦＩＣＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ（ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＰＨＹＳＩＣＳＥ），1968，ＳＥＲＩＥＳ２，ＶＯＬＵＭＥ１，Ｐ．1073−Ｐ．1079

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】電子ビームを収束し、検査すべき絶縁膜を
有する試料上に前記電子ビームを走査し、前記電子ビー
ムを照射して前記絶縁膜の欠陥を検査する絶縁膜の観察
方法において、電子が前記絶縁膜を等価的に透過する入射速度の前記電
子ビームを照射して前記絶縁膜から発生する二次電子を
検出することによりパターンの形状を検査し、電子が前
記絶縁膜を等価的に透過しない入射速度で、かつ、前記
絶縁膜から発生する二次電子の発生効率が１より大きい
入射速度の前記電子ビームを照射し、前記絶縁膜の電位
が平衡となるようにして前記絶縁膜から発生する二次電
子を検出し、かつ、前記パターンの形状と比較すること
により前記絶縁膜の欠陥を検査することを特徴とする絶
縁膜の観察方法。
【請求項２】電子ビームを収束し、検査すべき絶縁膜を
有する試料上に前記電子ビームを走査し、前記電子ビー
ムを照射して前記絶縁膜の欠陥を検査する絶縁膜の観察
方法において、電子が前記絶縁膜を等価的に透過する入射速度の前記電
子ビームを照射して前記絶縁膜から発生する二次電子を
検出することによりパターンの形状を検査し、前記電子
ビーム照射時に前記絶縁膜から発生する二次電子の発生
効率が１より大きく、かつ、前記絶縁膜表面の電位をそ
の下にある基板の電位より正である平衡状態に保ちつ
つ、さらに、電子が前記絶縁膜を等価的に透過しない入
射速度の前記電子ビームを照射して前記絶縁膜から発生
する二次電子を検出し、かつ、前記パターンの形状と比
較することにより前記絶縁膜の欠陥を検査することを特
徴とする絶縁膜の観察方法。
【請求項３】電子ビームを収束する収束手段と、欠陥を
検査すべき絶縁膜を有する試料上に前記電子ビームを走
査する偏向手段と、電子が前記絶縁膜を等価的に透過す
る入射速度と前記電子ビーム照射時に前記絶縁膜から発
生する二次電子の発生効率が１より大きく、かつ、等価
的に透過しない入射速度の電子ビームを照射する手段
と、前記絶縁膜の電位を平衡にさせる電源と、前記絶縁
膜から発生する二次電子を検出する検出器とを具備する
ことを特徴とする絶縁膜の観察装置。
【請求項４】前記試料の前記絶縁膜に電子を等価的に透
過させる第１の電源と、前記電子ビームの前記試料への
入射速度を、電子が前記絶縁膜を等価的に透過しない値
まで減速する第２の電源と、前記第１の電源と前記第２
の電源とを切り換えるスイッチとを有することを特徴と
する請求項３記載の絶縁膜の観察装置。
【請求項５】電子が前記絶縁膜を等価的に透過する入射
速度の電子ビームを照射して前記絶縁膜から二次電子を
発生させ、前記検出器により検出した二次電子像の倍率
と、電子が前記絶縁膜を等価的に透過しない入射速度の
電子ビームを照射して前記絶縁膜から二次電子を発生さ
せ、前記検出器により検出した二次電子像の倍率とをほ
ぼ同一倍率に補正する倍率補正器を有することを特徴と
する請求項３記載の絶縁膜の観察装置。
【請求項６】前記試料の前記電子ビームの照射面に対向
して配置し、かつ、前記絶縁膜表面の電位をその下にあ
る基板の電位より正である平衡状態に保つような所定の
電圧を印加する補助電極を有することを特徴とする請求
項３記載の絶縁膜の観察装置。