JP4824527B2

JP4824527B2 - 試料分析装置

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Publication number: JP4824527B2
Application number: JP2006297764A
Authority: JP
Inventors: 肇平簡野; 紘民小池; 徹東条
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 2006-11-01
Filing date: 2006-11-01
Publication date: 2011-11-30
Anticipated expiration: 2026-11-01
Also published as: JP2008116246A; US20080121799A1

Description

本発明は、厚さが厚い試料の分析に用いるのに好適な試料分析装置に関する。

従来から、試料分析装置には、半導体材料としてのウエハからなる試料の表面に荷電粒子としての電子ビームを照射して発生するカソードルミネッセンスを検出し、このカソードルミネッセンスに基づき試料の分析を行うものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

この試料分析装置では、電子ビームが照射された試料の裏面から放出されたカソードルミネッセンスを検出している。また、２次電子等も検出して、試料の形状等に対応づけて半導体結晶のルミネッセンス像を表示し、残膜の有無やその位置を検出し、コンタクトホールの形状等も認識している。
特開平１０−３８８０５号公報

しかしながら、ウエハからなる試料には、図１に示すように、厚さが約８００μｍのシリコン等の絶縁性基盤１の表面に厚さが数オングストロームから数μｍの半導体層膜２が形成され、この半導体層膜２の表面にレジスト膜３が形成され、このレジスト膜３にコンタクトホール４が形成されているものがあり、このコンタクトホール４が規格に合致するように形成されているか否かを検査しなければならない場合がある。

ところが、その従来の試料分析装置では、カソードルミネッセンスを試料の裏面から検出する構成であるので、膜厚が厚い図１に示す構造のウエハでは、コンタクトホールが規格に合致するように形成されているか否かの検査を従来の試料分析装置を用いて行うことができないという不都合がある。

また、従来の試料分析装置では、試料の材質の同定が困難であるという不都合もある。

本発明は、上記の事情に鑑みて為されたもので、その目的は、厚さが厚い試料の分析に好適でかつ試料の材質の同定も行うことができる試料分析装置を提供することにある。

請求項１に記載の試料分析装置は、表面に部分的に凹部が存在する試料に荷電粒子を照射する照射系と、前記荷電粒子の照射に基づき前記試料の表面側から得られたルミネッセンスを集光する集光反射鏡部と、該集光反射鏡部に導かれたルミネッセンスを検出する光検出器と、前記試料の表面から反射された反射荷電粒子を検出する荷電粒子検出器と、該荷電粒子検出器の検出信号に基づき前記試料の形状を求めると共に前記光検出器の検出信号に基づき前記試料の材質を同定する信号処理部とを備え、
前記照射系は前記荷電粒子を前記試料に間欠的に照射するように制御され、前記信号処理部は前記荷電粒子の間欠照射終了時点から間欠照射開始時点までの期間における前記光検出器からの検出信号の減衰特性に基づき前記試料の同定を行うことを特徴とする。

請求項２に記載の試料分析装置は、前記試料がレジストが表面に設けられた半導体であり、前記凹部はコンタクトホールであることを特徴とする。

請求項３に記載の試料分析装置は、前記減衰特性が前記荷電粒子の間欠照射終了時点において前記光検出器から得られた検出信号の値が所定値に減少するまでの減衰時間であることを特徴とする。

請求項４に記載の試料分析装置は、前記減衰特性が前記荷電粒子の間欠照射終了時点において前記光検出器から得られた検出信号が所定値に減少するまでの減衰時間であり、前記信号処理部は、該減衰時間が前記所定値と比較して小さい場合には前記コンタクトホールが規格に合致しないと判断し、該減衰時間が前記所定値と比較して大きい場合には前記コンタクトホールが規格に合致すると判断し、又は、該減衰時間が所定値と比較して大きい場合には前記コンタクトホールが規格に合致しないと判断し、前記減衰時間が前記所定値と比較して小さい場合には前記コンタクトホールが規格に合致すると判断することを特徴とする。

請求項５に記載の試料分析装置は、前記ルミネッセンスが分光器又は分光プリズムによって分解されて前記光検出器に導かれ、該光検出器は波長毎に分解された検出信号を出力し、前記信号処理部は各波長毎に分解されたルミネッセンスの減衰時間に基づき前記試料の同定を行うことを特徴とする。

請求項６に記載の試料分析装置は、前記照射系が前記荷電粒子の加速電圧を変更可能であり、前記信号処理部は前記加速電圧を加味して前記試料の同定を行うことを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、厚さが厚い試料の分析に好適でかつ試料の材質の同定も行うことができる。

請求項２に記載の発明によれば、半導体の検査を行うのに好適で、特に、コンタクトホールが規格通りに製作されているかどうかの検査に好適である。

請求項３ないし請求項６に記載の発明によれば、半導体を構成する物質の同定を正確に行うことができる。

以下に、本発明に係わる半導体検査装置の発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。

図２において、１０は真空容器である。真空容器１０にはターボポンプ、イオンポンプ等の排気系１１が接続され、真空容器１０は高真空とされる。真空容器１０内には電子銃１２、電子線光学系１３、電子レンズ１４、電子線偏向器１５、ＸＹＺステージ１６、集光反射鏡部としての回転楕円反射鏡１７が設けられている。

電子銃１２、電子線光学系１３、電子レンズ１４、電子線偏向器１５は荷電粒子としての電子線Ｅｒを後述する試料に向けて照射する照射系として機能する。その電子銃１２は後述する信号処理部によって加速電圧が適宜変更される。

ＸＹＺステージ１６には図３に示す試料としてのウエハ１８が載置されている。このウエハ１８は例えば厚さが約８００μｍのシリコン等の絶縁性基盤１９の表面に厚さが数オングストロームから数μｍの第１半導体層膜２０が形成され、この第１半導体層膜２０の表面に第２半導体層膜２１が形成され、この第２半導体層膜２１の表面にレジスト膜２２が形成されている。そのウエハ１８にはこのレジスト膜２２から第１半導体層膜２０に向かって延びる凹部としてのコンタクトホール２３が形成されている。

電子銃１２の駆動モードには荷電粒子検出モード（常時駆動モード）とルミネッセンス検出モード（間欠駆動モード）とがあり、信号処理部２４によって駆動制御される。電子銃１２はまず信号処理部２４によって常時駆動され、これによって、電子線Ｅｒがウエハ１８に向かって発射される。電子線Ｅｒは電子線光学系１３、電子レンズ１４によって集束され、ウエハ１８にスポット状に照射される。電子線Ｅｒは電子線偏向器１５によってウエハ１８上での照射位置が変更され、ウエハ１８は電子線Ｅｒによって二次元的に走査される。

ウエハ１８はそのレジスト膜２２が形成された箇所から反射二次電子Ｅｒ’が放射され、この反射二次電子Ｅｒ’は荷電粒子検出器２５によって捕捉される。荷電粒子検出器２５の検出信号Ｓ１は信号処理部２４に入力される。

その信号処理部２４はその検出信号Ｓ１の出力に基づきウエハ１８の表面の形状を解析し、モニタ２６の画面に表示させる。コンタクトホール２３が存在する箇所は反射二次電子の量が少なくなるので、モニタ２６の画面上には図４に符号２７で示すようにコンタクトホール２３に対応する像が暗く表示される。

信号処理部２４は、その反射二次電子Ｅｒ’の量の少ない位置を二次元的に演算し、そのコンタクトホール２３の存在する位置を特定する。ついで、電子銃１２は信号処理部２４によって間欠駆動され、図５（ａ）に示す周期Ｔ１の間に所定時間Ｔ２の間、電子線Ｅｒがウエハ１８に向かって発射される。

レジスト膜２２は蛍光を発生する物性を有しないので、蛍光（ルミネッセンス）は発生しない。第１半導体層膜２０、第２半導体層膜２１は蛍光を発生する物性を有する材料を含んでいるので、第１半導体層膜２０、第２半導体層膜２１は電子線Ｅｒが当たると蛍光を発する。

その電子線Ｅｒの照射に基づき発生したルミネッセンスは試料の表面側に設けられた回転楕円反射鏡１７によって集光されかつ反射されて、真空容器１０の光学窓２７を介してハーフミラー２８に導かれる。

ハーフミラー２８はその約半分の量のルミネッセンスを透過させ、残りの約半分の量のルミネッセンスを反射する。その反射ルミネッセンスはレンズ２９に導かれ、このレンズ２９に導かれた反射ルミネッセンスはテレビカメラ３０に結像され、このテレビカメラ３０により得られた画像はモニタ２６に表示される。

そのハーフミラー２８を通過したルミネッセンスはレンズ３１を介して分光器（又は分光プリズム）３２に導かれ、波長毎のルミネッセンスに分解される。その各波長毎に分解されたルミネッセンスは光検出器３３に導かれ、各波長毎のルミネッセンスの強度が光検出器３３によって検出される。

その光検出器３３はその検出信号Ｓ２を信号処理部２４に向かって出力する。半導体材料に含まれている蛍光材料は物質によって、その減衰特性が異なる。

すなわち、図５（ａ）に示すように、電子線Ｅｒを試料に向けて間欠的に照射すると、図５（ｂ）に示すように電子線Ｅｒの間欠照射終了時点ｔ１から間欠照射開始時点ｔ２までの期間Ｔ３において光検出器３３から出力される検出信号Ｓ２が減衰する。

ここでは、信号処理部２４は、電子線Ｅｒの間欠照射終了時点ｔ１において光検出器３３から出力された検出信号Ｓ２がそのピーク値Ｓmaから１０分の１の値（所定値）に減少するまでの減衰時間ｔｒを減衰特性として測定して記憶手段としてのメモリ（図示を略す）に記憶させる。

また、信号処理部２４は、図６に示すように、各波長λ１、λ２毎にルミネッセンスのピーク値Ｓmaを測定し、各波長毎のルミネッセンスのピーク値を比較して、最大ピーク値をメモリ（図示を略す）に記憶させる。

下記に示す表１はその蛍光材料毎のルミネッセンスの減衰時間ｔｒとピーク波長と電子銃１２に印加する加速電圧との関係を示している。

例えば、表１から蛍光材料Ｚｎ_２ＳiＯ_４：Ｍn、ＺｎＳ：Ｃuと蛍光材料ＺｎＯとでは、最大ピーク値にはほとんど差はないが、減衰特性としての減衰時間ｔｒに著しい差異があることがわかる。

従って、信号処理部２４によって、光検出器３３から得られた検出信号Ｓ２の値が所定値（例えばピーク値Ｓｍａから１／１０）に減少するまでの減衰時間ｔｒを測定することにより、試料の材質を同定することができる。

すなわち、蛍光材料毎の減衰時間ｔｒ、ピーク波長、λ１、λ２を予め既知の値としてメモリに記憶させておき、実際の測定により得られた減衰時間ｔｒ、ピーク波長λをメモリに記憶された蛍光材料毎の既知の値と比較することによって、試料の材質の同定を行うことができる。

ここでは、減衰時間ｔｒによって試料の材質の同定を行うことにしたが、減衰形状等の減衰特性によって試料の材質の同定を行うこともできる。

また、蛍光材料によっては、ルミネッセンスを発生し易い加速電圧があり、加速電圧を加味して試料の同定を行うことにしても良い。

また、この試料検出装置は図３に示すウエハ１８の検査にも用いられる。

図３（ａ）には、ウエハ１８に形成されたコンタクトホール２３がレジスト膜２２を貫通して第２半導体層膜２１に達しているが、第１半導体層膜２０には到達していない状態（符号Ｑ１で示す）と、コンタクトホール２３がレジスト膜２２と第２半導体層膜２１とを貫通して第１半導体層膜２０の表面２０ａに丁度達した状態（符号Ｑ２で示す）と、コンタクトホール２３がレジスト膜２２と第２半導体層膜２１とを貫通して第１半導体層膜２０の表面２０ａに達してはいるがコンタクトホール２３の内部に残渣３４が存在している状態（符号Ｑ３で示す）と、コンタクトホール２３がレジスト膜２２と第２半導体層膜２１とを貫通して第１半導体層膜２０の表面２０ａから更に第１半導体層膜２０の奥部に達している状態（符号Ｑ４で示す）とが示されている。

このようなウエハ１８の場合には、図３（ｂ）〜図３（ｅ）に示すルミネッセンスによる蛍光像が得られる。

すなわち、符号Ｑ１で示すコンタクトホール２３の場合には、図３（ｂ）に示すように、モニタ２６の画面上には、コンタクトホール２３の底部２３ａに存在する第２半導体層膜２１からのルミネッセンスによる蛍光像ＬＧ１が得られる。この蛍光像ＬＧ１の中央部分は若干暗く周辺輪郭部分は中央部分に較べて明るい。コンタクトホール２３の周囲の壁からのルミネッセンスが存在するからである。

また、符号Ｑ２で示すコンタクトホール２３の場合には、図３（ｃ）に示すように、モニタ２６の画面上にはコンタクトホール２３の底部（第１半導体層膜２０の表面２０ａ）２３ｂに存在する第１半導体層膜２０からのルミネッセンスによる蛍光像ＬＧ２とコンタクトホール２３の壁を構成する第２半導体層膜２１からのルミネッセンスによる蛍光像ＬＧ１とが得られる。

第１半導体層膜２０と第２半導体層膜２１とは含まれている蛍光物質が異なるので、ルミネッセンスの波長が異なる。各波長が混在するルミネッセンスは分光器（又は分光プリズム）３２により分解されて光検出器３３に導かれる。信号処理部２４はその光検出器３３からの検出信号Ｓ２に基づきコンタクトホール２３が第１半導体層膜２０の表面２０ａに達しているか否かを判断する。

すなわち、信号処理部２４は各コンタクトホール２３が存在する箇所で電子銃１２を間欠駆動し、図５（ａ）の期間Ｔ２に示す間、照射系は電子線Ｅｒをコンタクトホール２３に向けて照射する。第１半導体層膜２０、第２半導体層膜２１を構成する物質は既知であり、間欠照射した際の減衰時間ｔｒも既知であるので、例えば、減衰時間ｔｒが所定値と比較して小さい場合にはコンタクトホール２３が規格に合致しないと判断し、減衰時間ｔｒが所定値と比較して大きい場合にはコンタクトホール２３が規格に合致すると判断する。

場合によっては、減衰時間ｔｒが所定値と比較して大きい場合にはコンタクトホール２３が規格に合致しないと判断し、減衰時間ｔｒが所定値と比較して小さい場合にはコンタクトホール２３が規格に合致すると判断する構成としても良い。

また、ルミネッセンスの波長に基づきコンタクトホール２３が規格に合致しているか否かを判定できる。

更に、符号Ｑ３で示すコンタクトホール２３の場合には、コンタクトホール２３に残渣３４が存在している。残渣３４がレジスト材料の場合には、図３（ｄ）に示すように、残渣３４が存在する部分の像ＬＧ３が暗くなるので、コンタクトホール２３内に残渣３４が存在すると判断できる。

また、残渣３４が第１半導体層膜２０、第２半導体層膜２１を構成する蛍光材料と異なる蛍光材料の場合には、第１半導体層膜２０、第２半導体層膜２１により得られるルミネッセンスの波長と異なる波長のルミネッセンスが得られるので、コンタクトホール２３内に蛍光材料を含む残渣３４が存在すると判断される。

符号Ｑ４で示すコンタクトホール２３の場合には、コンタクトホール２３の底部２３ｂが第１半導体層膜２０の奥部に存在している。従って、コンタクトホール２３の底部２３ｂに存在する第１半導体層膜２０からのルミネッセンスによる蛍光像ＬＧ２とコンタクトホール２３の奥部の壁を構成する第１半導体層膜２０からのルミネッセンスによる蛍光像ＬＧ３とコンタクトホール２３の壁を構成する第２半導体層膜２１からのルミネッセンスによる蛍光像ＬＧ１とが得られる。従って、蛍光像ＬＧ３の強度と蛍光像ＬＧ１の強度とを比較することによって、コンタクトホール２３が規格通りに形成されているか否かを判断できる。

ここでは、信号処理部２４は、電子レンズ１４を制御して電子線Ｅｒの合焦位置を変更する機能を有する。

図７の符号Ｑ５、Ｑ６で示すように、電子線Ｅｒがレジスト膜２２の表面２２ａに集束しているときには、コンタクトホール２３に電子線Ｅｒが照射されると、コンタクトホール２３の底部２３ｂでは符号Ｑ７で示すように電子線Ｅｒが広がっているので、電子線Ｅｒによって励起される二次電子Ｅｒの量が少なく、かつ、コンタクトホール２３からその外部に放出される二次電子Ｅｒ’の量も少ないので、既述したように、コンタクトホール２３の像２７が周囲よりも暗く表示される（図４参照）。

信号処理部２４は、そのコンタクトホール２３の位置を特定した後、荷電粒子検出モード（二次電子検出モード）から、ルミネッセンス検出モードに切り換えられる。信号処理部２４は、光検出器３３からの検出信号Ｓ２の出力に基づいてその検出信号Ｓ２が増大する方向に電子レンズ１４を制御する。これによって、電子線Ｅｒが図８に示すようにコンタクトホール２３の底部２３ｂに合焦される。

これによって、モニター２６の画面には、図９に示すように、コンタクトホール２３の鮮明な蛍光像ＬＧ４が得られる。

すなわち、信号処理部２４が、荷電粒子検出器２５からの検出信号Ｓ１の出力レベルが所定値以上のときにウエハ１８の表面への照射であると判定し、検出信号Ｓ１の出力レベルが所定値未満のときにコンタクトホール２３への照射であると判断して、信号処理部２４によって、電子レンズ１４を制御して電子線Ｅｒの合焦位置を調節する構成とすれば、厚さが厚い試料の分析に好適でかつ凹部の形状が鮮明な画像を得ることができる。

試料の構造の一例を示す部分断面図である。本発明に係わる試料分析装置の要部構成を示す図である。本発明に係わる試料の一例を示す図であって、（ａ）は試料に形成されている各種のコンタクトホールの拡大部分断面図、（ｂ）はコンタクトホールがレジスト膜を貫通して第２半導体層膜に達しているが、第１半導体層膜には到達していない状態のときに得られる蛍光像を示す模式図、（ｃ）はコンタクトホールがレジスト膜と第２半導体層膜とを貫通して第１半導体層膜の表面に丁度達した状態のときに得られる蛍光像を示す模式図、（ｄ）はコンタクトホールがレジスト膜と第２半導体層膜とを貫通して第１半導体層膜の表面に達してはいるがコンタクトホールの内部に残渣が存在している状態のときに得られる蛍光像を示す模式図、（ｅ）はコンタクトホールがレジスト膜と第２半導体層膜とを貫通して第１半導体層膜の表面から更に第１半導体層膜の奥部に達している状態のときに得られる蛍光像を示す模式図である。荷電粒子の二次反射電子によって得られた像の一例を示す図である。電子線の間欠照射の一例を示す模式図であって、（ａ）は電子線の間欠照射の期間を示す図であって、（ｂ）は電子線の間欠照射によって発生したルミネッセンスの減衰特性を示す説明図である。ルミネッセンスの波長と信号強度との関係を示すグラフである。電子線が試料の表面に合焦している状態を示す模式図である。電子線が試料のコンタクトホールの底部に合焦している状態を示す模式図である。コンタクトホールの底部に合焦した電子線によって得られる蛍光像の模式図である。

符号の説明

１７…回転楕円反射鏡（集光反射鏡部）
１８…ウエハ（試料）
２４…信号処理部
２５…荷電粒子検出器
３３…光検出器

Claims

表面に部分的に凹部が存在する試料に荷電粒子を照射する照射系と、前記荷電粒子の照射に基づき前記試料の表面側から得られたルミネッセンスを集光する集光反射鏡部と、該集光反射鏡部に導かれたルミネッセンスを検出する光検出器と、前記試料の表面から反射された反射荷電粒子を検出する荷電粒子検出器と、該荷電粒子検出器の検出信号に基づき前記試料の形状を求めると共に前記光検出器の検出信号に基づき前記試料の材質を同定する信号処理部とを備え、
前記照射系は前記荷電粒子を前記試料に間欠的に照射するように制御され、前記信号処理部は前記荷電粒子の間欠照射終了時点から間欠照射開始時点までの期間における前記光検出器からの検出信号の減衰特性に基づき前記試料の同定を行うことを特徴とする試料分析装置。
前記試料は、レジストが表面に設けられた半導体であり、前記凹部はコンタクトホールであることを特徴とする請求項１に記載の試料分析装置。
前記減衰特性が前記荷電粒子の間欠照射終了時点において前記光検出器から得られた検出信号の値が所定値に減少するまでの減衰時間であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の試料分析装置。
前記減衰特性が前記荷電粒子の間欠照射終了時点において前記光検出器から得られた検出信号が所定値に減少するまでの減衰時間であり、前記信号処理部は、該減衰時間が前記所定値と比較して小さい場合には前記コンタクトホールが規格に合致しないと判断し、該減衰時間が前記所定値と比較して大きい場合には前記コンタクトホールが規格に合致すると判断し、又は、該減衰時間が所定値と比較して大きい場合には前記コンタクトホールが規格に合致しないと判断し、前記減衰時間が前記所定値と比較して小さい場合には前記コンタクトホールが規格に合致すると判断することを特徴とする請求項２に記載の試料分析装置。
前記ルミネッセンスは分光器又は分光プリズムによって分解されて前記光検出器に導かれ、該光検出器は波長毎に分解された検出信号を出力し、前記信号処理部は各波長毎に分解されたルミネッセンスの減衰時間に基づき前記試料の同定を行うことを特徴とする請求項３に記載の試料分析装置。
前記照射系は前記荷電粒子の加速電圧を変更可能であり、前記信号処理部は前記加速電圧を加味して前記試料の同定を行うことを特徴とする請求項３に記載の試料分析装置。