JP3110727B2 - 電子線装置の観察方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は走査型の電子線装置
の観察方法に係り、特に、高アスペクト比のトレンチや
コンタクトホール等の底部の観察に好適な電子線装置の
観察方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年の半導体集積回路技術の進歩に伴っ
て、回路素子が３次元方向に形成されるようになり、例
えば、試料表面にはコンタクトホール、容量性キャパシ
タや素子間分離のための深い孔や溝（以下、コンタクト
ホールで代表する）が形成されるようになってきてい
る。

【０００３】ところが、このようなコンタクトホール内
に電子線を照射してその底部を観察しようとすると、コ
ンタクトホールの底部から放出された２次電子はコンタ
クトホールの側壁に衝突して捕捉されてしまう。したが
って、２次電子がコンタクトホールから脱出することが
できず、検出器まで到達できないので、コンタクトホー
ルの底部を観察することができないという問題があっ
た。

【０００４】このような問題点を解決するために、例え
ば特開昭６２−９７２４６号公報では、２次電子をコン
タクトホールから引き出すための電極を対物レンズと試
料表面との間に設ける技術が提案されている。また、特
開昭６３−２７４０４９号公報では、対物レンズの磁極
内に設けた円筒形状の電極に正の電圧を印加して２次電
子を対物レンズの電子源側に導く技術が提案されてい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記した従来の電子線
装置では、追加的に設けられた電極の吸引作用により強
く加速された２次電子が、もともと強く加速されている
反射電子と同様に検出器に入射される。したがって、検
出器では試料から放出された反射電子および２次電子は
同様に検出することができる。

【０００６】ここで、試料から放出される全ての電子の
うち、試料表面から放出される電子については、エネル
ギの高い反射電子はもちろん、エネルギ差のある２次電
子もエネルギの高低にかかわらず大部分が検出器に到達
し得る。なお、２次電子の電子線量（放出量）は反射電
子のそれに比べて多いため、試料表面から放出される電
子の大部分は２次電子となる。

【０００７】これに対して、コンタクトホール底部から
も反射電子および２次電子が試料表面と同様に発生する
が、エネルギの低い２次電子はコンタクトホールから脱
出しにくいため、コンタクトホールから脱出して試料像
の形成に寄与するのは反射電子とエネルギの高いごく一
部の２次電子のみとなる。すなわち、試料表面およびコ
ンタクトホールから放出される電子の大部分は２次電子
となり、試料像には２次電子の影響が強く反映されるこ
とになる。

【０００８】したがって、表示装置の輝度を試料表面に
合わせて低く抑えると、信号の大部分が反射電子である
コンタクトホール底部は黒く表示されるのみで観察でき
ない。これに対して、輝度をコンタクトホール底部に合
わせて高くすると、信号の大部分が２次信号である試料
表面は真っ白になってしまう。このように、上記した従
来技術では、コンタクトホール底部と試料表面とを同時
に観察することが難しいという問題があった。さらに、
コンタクトホール底部は一般的に導電体であるため、コ
ンタクトホール内からは、絶縁体である試料表面からよ
りも多くの反射電子が放出される。したがって、反射電
子を選択的に検知すれば、コンタクトホール内を良好な
コントラストで観察することができるにもかかわらず、
従来は２次電子のみを選択的に検出することが難しかっ
た。

【０００９】本発明の目的は、上記した従来技術の課題
を解決し、コンタクトホール底部と試料表面とを同時
に、かつ良好に観察し得る電子線装置の観察方法を提供
することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明は、試料表面の所望領域で電子線を走査
し、当該所望領域から発生した電子を検出器で検出して
当該所望領域の試料像を得る電子線装置の観察方法にお
いて、コンタクトホールあるいは深溝を含む試料領域で
電子線を走査し、当該走査領域から発生した電子のう
ち、少なくとも一部の２次電子を、前記試料と検出器と
の間に配置したグリッド電極に負電圧を印加することに
より試料側へ追い返し、前記走査領域から発生した電子
のうち、反射電子およびエネルギの高い２次電子を前記
検出器で検出し、前記コンタクトホールあるいは深溝を
含む領域の試料像を得ることを特徴とする。

【００１１】上記した構成によれば、エネルギの低い２
次電子すなわち試料表面から放出された２次電子の大部
分はグリッド電極により追い返され、検出器には反射電
子とエネルギの高い２次電子のみが検出されることにな
る。そして、反射電子およびエネルギの高い２次電子の
みに着目すれば、その放出量は試料表面であるかコンタ
クトホール底部であるかにかからわず同等なので、検出
器へは試料表面から放出された電子とコンタクトホール
底部から放出された電子とがバランス良く入射され、試
料表面およびコンタクトホール底部を同時かつ良好に観
察することができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の観察方法が適用
される電子線測長装置の対物レンズ２および２次電子検
出器３０近傍の断面図である。

【００１３】電子線６は対物レンズ２によって試料１２
上で収束される。対物レンズ２は、その漏れ出し磁場が
試料１２の表面で最大磁束密度を示すように、下磁極２
ｂの孔径が上磁極２ａの孔径よりも大きい下磁極開放形
となっている。このような対物レンズを用いれば、試料
１２をレンズ間隙の中に設置するインレンズ方式と同様
に短焦点レンズが得られ、球面収差係数や色収差係数が
著しく小さくなり、高分解能を得ることができる。

【００１４】対物レンズ２の上磁極２ａには、その磁極
開口部の内側を貫通し、試料対向端にフランジ部７ｆを
有すると共に内部に電子線通過口を有する円筒形状の第
１電極７が絶縁膜２０を介して設置されている。

【００１５】第１電極７の上側開口部には、２次電子１
３を検出器３０側に引き出すためのグリッドメッシュ７
ａが張られている。グリッドメッシュ７ａの中央には、
電子線６の偏向通路を妨げないように開口部が設けられ
ている。この第１電極７は導入端子９を介して直流電源
１０に接続されている。

【００１６】第１電極７の上部には、リング状の第２電
極８が設置されており、第１電極７の場合と同様、その
下側開口部には、中央に開口部を有するグリッドメッシ
ュ８ａが張られている。この第２電極８は、導入端子９
を介して直流電源１１に接続されている。

【００１７】第２電極８の上部すなわち対物レンズ２の
電子源側には、アース電極３、シンチレータ４、および
ライトガイド５により構成された２次電子検出器３０が
設置されている。シンチレータ４には＋１０ｋＶの高電
圧が印加され、２次電子が加速されるようにしている。

【００１８】図２は、対物レンズ２および第１、第２電
極７、８の相互作用により、２次電子が対物レンズ２の
磁極開口部を通過して電子源側（検出器３０側）へ引き
出される様子を模式的に表した図であり、前記と同一の
符号は同一または同等部分を表している。

【００１９】対物レンズ２は、上記したように、その漏
れ出し磁場が試料の表面１２ａで最大磁束密度を示すよ
うに下磁極開放形となっているので、観察領域近傍に
は、図中点線で示したような磁界Ｂが発生し、この磁界
Ｂにより、試料面１２ａ付近を中心線とするレンズ作用
が生じる。

【００２０】このような構成において、試料１２に電子
線が照射され、コンタクトホール５０の開口部近傍の試
料表面から放出された２次電子は、第１電極７による電
界によって上方へ引き上げられる。このとき、２次電子
は対物レンズ２によるレンズ作用によって中心軸Ｘ上に
収束されるので、この２次電子は第１電極７に引き込ま
れることなく上方へ引き上げられる。さらに、この２次
電子は第１および第２電極７、８による電界によって対
物レンズの電子源側へ導かれる。

【００２１】一方、コンタクトホール５０内では、前記
試料表面で最大磁束密度を示す磁界Ｂと第１電極７によ
る電界とが重畳され、コンタクトホール５０の底部５０
ａから放出された２次電子１３は、磁界Ｂにより収束さ
れると同時に第１電極７による電界に引き上げられてコ
ンタクトホール５０を脱出する。コンタクトホール外に
脱出した２次電子１３は、対物レンズ２によるレンズ作
用によって中心軸Ｘ上に収束されるので、試料表面の正
電荷に引き寄せられることなく、上方へ引き上げられ
る。

【００２２】この結果、試料１２から放出された２次電
子１３は、第１電極７の電子線通過口、グリッドメッシ
ュ７ａの開口部等を経て対物レンズ２の電子源側へ引き
上げられ、検出器３０に検出されるようになる。

【００２３】上記した構成によれば、コンタクトホール
５０の開口部近傍から放出された２次電子、あるいはコ
ンタクトホールの底部５０ａから発生してコンタクトホ
ール外へ脱出した２次電子は、対物レンズが試料面に発
生する収束磁界により中心軸上へ収束されるので、第１
電極７に引き込まれたり試料表面の正電荷に捕らえられ
てしまうことなく、対物レンズの電子源側に導かれる。
したがって、検出器３０では、２次電子を効率良く検出
することが可能になる。また、本実施形態では特に下磁
極開放形の対物レンズを採用したので、焦点距離を長く
することなく、コンタクトホール内で磁界Ｂと電界とを
重畳させることができる。さらに、下磁極開放形の対物
レンズを採用したことにより、大型試料（例えば、大型
ウエハ）においても、そのコンタクトホール内で磁界Ｂ
と電界とを重畳させることができる。

【００２４】さらに、２次電子が効率良く引き上げられ
ると試料表面のチャージアップが防止されるので、特
に、コンタクトホール５０の底部５０ａから放出される
２次電子１３を効率良く引き上げられるようになってコ
ンタクトホール底部の高分解能観察が可能になる。

【００２５】図３(a) は、上記した電子線測長装置が測
定対象としている試料の断面図である。シリコン基板１
２−１の主表面には二酸化シリコン膜１２−２が形成さ
れ、その上にはレジスト膜１２−３が積層されている。
レジスト膜１２−３を塗付し、光または電子線で露光し
て現像すると、レジスト部に露光パターンが形成され
る。さらに、エッチング処理を施すと二酸化シリコン膜
１２−２の不要部分がエッチングされ、シリコン基板１
２−１まで達するホール２０が形成される。同図(b) は
(a) のレジスト膜１２−３を除去した状態を示してい
る。

【００２６】図４は、上記した電子線測長装置が測定対
象としている他の試料の断面図であり、前記と同一の符
号は同一または同等部分を表している。図４の断面図
は、シリコン基板上にシリコン酸化膜１２−２を形成
し、その上にアルミニウム薄膜１２−４を蒸着して導体
膜を作り、その上にレジスト材１２−３を塗付して露光
し、シリコン酸化膜１２−２まで達するコンタクトホー
ルが形成された状態を示している。

【００２７】このような導体および絶縁体による層構造
の試料に電子線６が照射されると、コンタクトホールの
底部から２次電子１３が発生する。この時、試料１２の
表面からも２次電子が発生するが、電子線６の入射電子
数より放出される２次電子の方が多い場合には試料表面
が正に帯電する。発明者等の実験結果によれば、試料表
面を正に帯電させる条件は、加速電圧を１ｋＶ以下とし
て電子線量を１０-11Ａ以下にすることである。

【００２８】なお、加速電圧を１ｋＶ以上にして、レジ
スト膜１２−３の表面を負に帯電させると、底５０ａか
らの２次電子はこの表面の負の電位に妨げられて脱出で
きず、全く検出できなくなることが実験的に確認されて
いる。

【００２９】上記した観察方法によれば、レジスト膜１
２−３あるいは二酸化シリコン膜１２−２の表面の帯電
状態を正に保つことができるので、コンタクトホール底
部から発生した２次電子１３を効率良く外部へ脱出させ
ることができる。

【００３０】なお、本実施形態では所望の観察領域を例
えば５万倍程度に拡大して観察した後、例えば５０００
倍程度に倍率を下げて、当該所望の観察領域を含む広い
領域を観察する。このとき、先に５万倍で観察した領域
が、その周辺よりも全体に暗くなっていれば、試料の表
面が正に帯電していると判断する。その理由は、試料表
面が正に帯電していると、試料表面から放出された２次
電子の多くが正の電位に引っぱられ、２次電子の検出量
が低下するためである。

【００３１】所望の観察領域が、その周辺よりも暗くな
っているか否かは、オペレータがＣＲＴを参照して判断
したり、あるいは２次電子検出器３０による検出信号に
基づいて判断すれば良い。また、２次電子検出器３０に
よる検出信号に基づいて判断するのであれば、試料表面
が正に帯電しているか否かを、表示あるいは音等の適宜
の手段によりオペレータに告知するようにしても良い。

【００３２】このようにして所望の観察領域が正に帯電
していることが確認されたならば、再び倍率を５万倍に
戻して観察を行う。また、負に帯電していることが確認
されれば、適宜の手段を講じて観察領域を正に帯電さ
せ、その後、観察を行うようにすれば良い。なお、第１
電極７に印加される電圧は、電子線６の加速電圧によっ
ても異なるが５０Ｖ以上が効果的であり、３００Ｖ〜３
５０Ｖでは差異がなくなることが実験により確認され
た。

【００３３】第２電極８には、アース電位から＋５０Ｖ
までの範囲の電圧を印加することにより、２次電子検出
効率を低下させることなく、コンタクトホールの底部５
０ａから２次電子信号を検出することができた。実際に
は、各種の試料でも第２電極８への印加電圧を３０Ｖ程
度に固定して使用しても良い。

【００３４】また、第２電極８に負の電圧を印加すれ
ば、エネルギの低い２次信号、すなわち試料表面から放
出された２次信号の大部分が試料側に追い返され、エネ
ルギの高い２次電子や反射電子のみが検出される。ここ
で、エネルギの高い２次電子および反射電子のみに着目
すれば、試料表面とコンタクトホール底部とで放出量が
同等なので、第２電極８に負電圧を印加しない場合と比
べてコンタクトホール底部からの信号が相対的に大きく
なり、コンタクトホール底部を観察するのに良好な画像
を得ることができる。

【００３５】なお、良好が画像は電子線を１０フレーム
／秒以上の高速走査することにより得られ、１フレーム
／秒のような低速走査では、単位面積当たりの電子線照
射量が増えて実質的に電子線量が増えたことになるの
で、試料表面に負の帯電が生じ、孔の底を観察すること
ができなかった。

【００３６】この事実は、高速走査によって電子線走査
領域での試料表面の帯電状態が一様に正に保たれること
によると考えられ、コンタクトホール内の観察には高速
走査が必要であることが実験により確認された。実際の
装置では、テレビ周波数での走査として３０フレーム／
秒を選択すれば、電源周波数と同期した走査ができ、ま
た経済的である。

【００３７】

【発明の効果】本発明によれば、試料と検出器との間に
配置したグリッド電極に負電圧を印加することによりエ
ネルギの低い２次電子を試料側へ追い返すようにしたの
で、検出器では反射電子およびエネルギの高い２次電子
のみを選択的に検知することができる。そして、反射電
子およびエネルギの高い２次電子のみに着目すれば、そ
の放出量は試料表面であるかコンタクトホール底部であ
るかにかからわず同等なので、試料表面およびコンタク
トホール底部を同時かつ良好に観察することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 電子線測長装置の部分断面図である。

【図２】 図１の構成による２次電子の動きを模式的に
表した図である。

【図３】 試料の構造の一例を示した断面図である。

【図４】 試料の構造の他の一例を示した断面図であ
る。

【符号の説明】

２…対物レンズ、６…入射電子線、７…第１電極、８…
第２電極、９…導入端子、１０、１１…直流電源、１２
…試料、１３…２次電子、３０…２次電子検出器、５０
…コンタクトホール

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岩本 寛 茨城県ひたちなか市市毛882番地 株式 会社日立製作所 計測器事業部内 (72)発明者 戸所 秀男 茨城県ひたちなか市市毛882番地 株式 会社日立製作所 計測器事業部内 (72)発明者 菰田 孜 茨城県ひたちなか市堀口字長久保832番 地２ 日立計測エンジニアリング株式会 社内 審査官 中村 直行 (56)参考文献 特開 昭63−138640（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−52370（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 37/244 H01J 37/22 H01J 37/28

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電子源より放出された電子線を試料表面
   の所望領域で走査し、当該所望領域から得られる電子
   を、前記電子線を収束するための対物レンズより前記電
   子源側に配置された検出器で検出して、前記所望領域の
   試料像を得る電子線装置による試料観察方法において、前記試料と対物レンズとの間で、前記所望領域から得ら
   れる電子を前記対物レンズより電子源側に導く電界を形
   成すると共に、試料表面で最大磁束密度を示す磁場を形
   成し、 前記電界および磁場が形成された状態で、コンタクトホ
   ールあるいは深溝を含む所望領域で電子線を走査し、 当該走査領域から放出される電子のうち、少なくとも一
   部の２次電子を、前記試料と検出器の間に配置したグリ
   ッド電極に負電圧を印加することにより試料側へ追い返
   し、前記走査領域から放出された電子のうち、反射電子
   および／またはエネルギの高い２次電子を前記検出器で
   検出し、前記コンタクトホールあるいは深溝を含む所望
   領域の試料像を得ることを特徴とする電子線装置による
   試料観察方法。
2. 【請求項２】 電子源と、当該電子源より放出された電
   子線を試料表面の所望領域で走査するための走査偏向器
   と、前記電子線を収束するための対物レンズと、当該対
   物レンズより電子源側に配置された電子検出器を備えた
   電子線装置において、 下磁極の孔径が上磁極の孔径よりも大きく、当該下磁極
   より試料側で最大収束磁場を形成する対物レンズと、 前記試料と対物レンズとの間で、前記所望領域から放出
   される電子を前記対物レンズより電子源側に導く電界を
   形成する電界形成手段と、 前記試料と検出器の間に配置されて負の電圧を印加さ
   れ、前記所望領域から放出された電子の内、少なくとも
   一部の２次電子を前記試料側に追い返し、反射電子およ
   び／またはエネルギの高い２次電子を選択的に通過させ
   るグリッド電極とを備えたことを特徴とする電子線装
   置。