JP5054960B2 - 電子線を用いた試料の観察方法 - Google Patents

Description

本発明は、電子線を用いたパターンの観察方法、特にコンタクトホールの観察方法に関する。

特開２０００−２００５７９号公報には、電子顕微鏡を用いて試料を観察する際に、試料表面を正に帯電させて観察するプリチャージ法が記載されている。この方法においては、プリチャージの効果を上げるために広範囲すなわち低倍率で電子線照射を行っている。特表２００２−５２４８２７号公報には、観察や画像取得における電子線照射によって観察箇所の帯電が変化する場合に、観察条件と異なる条件で電子線を照射して観察箇所の帯電状態を制御するセットアップを行い、観察とセットアップを繰り返すことによって継続して観察を行う方法が記載されている。この方法は、画像取得時の帯電を打ち消すように電子線照射によってセットアップを行うため、セットアップと観察を繰り返し行う必要がある。

特開２０００−２００５７９号公報 特表２００２−５２４８２７号公報

近年、半導体デバイスのパターンの微細化に伴って、年々コンタクトホールの内径が小さくなってきており、高アスペクト比（コンタクトホールの内径と深さの比、アスペクト比＝深さ／内径）のパターンを観察し計測することが多くなってきた。アスペクト比の高いコンタクトホールの穴底観察では、プリチャージを行って試料表面を正に帯電させてから観察や測定を行っていた。従来のプリチャージの方法によると、アスペクト比の低いパターンの観察や、高アスペクト比のパターンでも一回だけの観察であれば可能であった。しかしながら、従来のプリチャージの方法では、観察すると観察箇所の帯電電位が低くなり、コンタクトホール自身が負に帯電しやすかった。特に、高アスペクト比のパターンでは、プリチャージを行っても一回しかパターン底が観察できなかったり、観察を繰り返すと見え方が大きく変化してしまうことがあり、安定した観察及び寸法計測が行えなくなってきた。

また、加速電圧や照射電流量を変えてもプリチャージの効果は向上するが、狭い範囲に電子線を照射する高倍率の観察や測定を行うと、プリチャージの効果が減少し、繰り返し観察することが困難になることがあった。そのため、単純にプリチャージの効果を上げても観察する条件によって、プリチャージの効果が減少するため、繰り返し安定して観察することができないことがあった。

そこで、本発明はプリチャージによって高アスペクト比のパターンを繰り返し安定して観察できる方法を提供することを目的とする。

高アスペクト比のパターンの繰り返し観察が困難になる要因としては、狭い範囲・高倍率の電子線照射による観察箇所の電位の低下が考えられる。狭い範囲・高倍率の電子線照射によって観察箇所の電位が低くなるが、この観察方法では二次電子が試料に押し戻されやすく、電位の低下がさらに起きる。そして、最終的にはパターン側壁や底が負に帯電するようになる。観察箇所が負に帯電して安定すると、再度プリチャージを行ってもパターン底から発生する二次電子は検出できなくなるため観察はできなくなる。そのため、パターンの底を繰り返し観察できるようにするためには、観察箇所の電位の低下を防ぐ必要がある。特にパターンの底や側壁から発生する二次電子の試料への出戻りが起こりにくい電場を形成して、観察箇所が負に帯電することを防ぐ必要がある。

本発明では、電子線の照射範囲を段階的に変更してプリチャージを行い、観察範囲周辺に緩やかな電位勾配を作ることにより、観察するパターンと観察範囲周辺の帯電電位を安定させる。観察箇所付近に緩やかな電位勾配を形成することによって、電子線照射によって発生した二次電子が試料に押し戻される現象が低減され、観察箇所の電位の低下が抑制され、二次電子を効率よく検出できるとともにプリチャージの効果が持続する。

本発明による試料の観察方法は、観察範囲を含む試料表面の第１の領域に電子線を照射する工程と、照射範囲を第１の領域より段階的に小さくして電子線照射を行う工程と、観察範囲に電子線を照射して観察する工程とを有する。更に、照射範囲を第１の領域より小さい範囲で段階的に大きくして電子線照射を行う工程を有するのが好ましい。電子線照射領域を段階的に変更する際には、電子線照射を中断せず、電子線照射を連続しながら変更するのが好ましい。電子線の照射範囲を変更する際に、加速電圧、スキャンスピード及び／又は照射電流量等の電子線照射条件を同時に変更してもよい。

また、本発明による試料の観察方法は、試料に形成されたコンタクトホールを観察する際に、コンタクトホールの周辺の試料表面に当該コンタクトホールを中心とする緩やかな電位勾配を形成する工程と、コンタクトホールに電子線を照射して観察する工程とを有する。電位勾配は、正の電位であって、コンタクトホール付近の電位が低い電位勾配である。

本発明によると、観察するパターンと観察範囲周辺の帯電電位を安定させることができるため、安定してパターン底を観察でき、また、繰り返し観察が可能となる。

最初に、従来のプリチャージ方法の問題点について説明する。図２は、従来のプリチャージ方法におけるコンタクトホールの高倍率観察時（狭い範囲に電子線を照射して観察する時）の帯電電位の変化を示す図である。図３は、コンタクトホールの底から発生する二次電子の軌道を示す説明図である。

試料表面の広範囲にプリチャージした直後は、図２（ａ）に示すように、試料表面の帯電電位２０２ａは全体的に高い。そして、高倍率の観察によって狭い範囲に電子線を照射すると、図２（ｂ）に示すように、帯電電位２０２ｂが観察範囲２０１で低下する。図３（ａ）に観察を開始したときの二次電子２０３の軌道を示すが、プリチャージ直後に観察すると試料表面１０１の帯電電位２０２ｂが高いため、コンタクトホール２０４の底から発生する二次電子２０３ａがその電位によって加速されて検出することができる。しかし、このとき観察箇所付近の電位も高いため、一部の二次電子２０３ｂが曲げられ、二次電子の試料への出戻りも起きる。

さらに観察のために観察範囲２０１への電子線照射を続けると、電子線照射による電位の低下で、二次電子を引き上げる力が小さくなる。これによって、発生する二次電子がさらに曲げられやすくなり、図３（ｂ）のように試料へ出戻りする二次電子２０３ｂが多くなる。二次電子の試料へ出戻りが多くなると、図２（ｃ）のように観察範囲２０１の帯電電位２０２ｃはますます低くなる。

そして、観察範囲２０１の帯電電位の低下が大きくなると、図３（ｂ）に示すように、次第にコンタクトホール２０４自身も負に帯電し始める。そして、コンタクトホール２０４自身が負に帯電すると、図２（ｄ）に示すような帯電電位２０２ｄになり、図３（ｃ）に示すように、二次電子２０３ｃはコンタクトホール２０４から脱出できずホール底の観察ができなくなる。

図４は、コンタクトホール２０４の観察画像２０５とその断面の模式図である。図４（ａ）はプリチャージ直後の状態を示し、図４（ｂ）はパターンが負帯電したときの状態を示している。特にコンタクトホール２０４の底の観察では、図４（ｂ）に示すように、コンタクトホール２０４の側壁が負に帯電するとコンタクトホール２０４の底からの二次電子２０３ｃが検出できなくなる。従って、コンタクトホール２０４の底や側壁を負に帯電させないようにプリチャージを行い、観察する必要がある。特に試料が絶縁体などの帯電しやすい材質の場合には、高倍率観察時の負の電荷が観察したパターン側壁に残ってしまい、再度プリチャージを行っても観察パターンの電位が低いままであるため、観察することができない。

そこで、本発明では、従来通り一度広範囲の試料表面を正に帯電させた後に、意図的に観察箇所に緩やかな電位勾配をつけることによって、高倍率観察したときにできる電位変化の影響を低減する。緩やかな電位勾配を作ることによって、発生した二次電子が曲げられたり、出戻りするのを低減できるため、観察箇所付近の電位の急激な低下を防ぐことができる。そのため、コンタクトホール自身が負に帯電することがなくなり、再度プリチャージして観察することも可能になる。

図１は、観察箇所付近に緩やかな電位勾配を作成する本発明のプリチャージ方法を用いた観察のフローチャートである。また、図８にプリチャージ範囲（電子線の照射範囲）の模式図を示す。

ステップ１１では、試料表面１０１に広範囲に電子線を照射して観察箇所を正に帯電させる。ここでは、試料表面１０１に大きな正帯電を形成する。まず、図８に示すように広範囲８０１に電子線を照射してプリチャージを行う。

すなわち、まず従来通り、広範囲もしくは低倍率でプリチャージを行って試料表面を正に帯電させる。ここで、広範囲の例としては、約２０μｍ×２０μｍから１００μｍ×１００μｍ程度、倍率の例としては１，０００〜５，０００倍程度を上げることができるが、必ずしもこれらの値に限定されるものではない。このように広範囲に電子線を照射してプリチャージを行うことによって正帯電を大きくでき、帯電電位を大きくすることができる。電子線照射を広範囲にするほど最大帯電量は大きくなる。特に試料表面を正にプリチャージする場合には、試料表面に入射する電子より励起される二次電子が多くなる条件で電子線照射を行うほど効果が大きい。また、一本のスキャン当たりの照射電流量は少ない方が正に帯電しやすい。そのため、高速スキャン、低照射電流、広範囲で電子線走査（スキャン）を繰り返す回数を多くするほど、正の帯電電位に効率よく上げることができる。

また、帯電電位を飽和させるためには電子線を繰り返し照射することが必要であり、照射時間を増やすことも正帯電のプリチャージの効果を上げるために必要である。また、電子線の照射量を多くするほど速く帯電電位が飽和するため、帯電電位の最大値が多少低くなってしまうが、照射電流量を増やすことによって高速にプリチャージすることができる。

試料表面を正にプリチャージすることによる効果は、試料表面とパターン底との電位差によってパターンの底から発生する二次電子が引き上げられるためパターンの底の観察が容易になることであるが、試料表面の帯電電位を大きくしただけでは、繰り返し観察回数を大きく改善することはできない。

そこで本発明では、ステップ１２において、観察箇所に緩やかな電位勾配を形成させるために、電子線の照射範囲を小さくして電子線照射を行う。このとき、電子線の照射範囲を徐々に小さくし、観察する範囲まで照射範囲を小さくする。ただし、このとき観察する倍率まで必ずしも上げて予備照射する必要はない。また、このとき照射範囲は段階的に変更、あるいは連続的に変更する。電子線照射を中断せずに行うと帯電電位がスムーズに変化するため、照射範囲変更の際に電子線照射は中断しない方がよい。

ステップ１２の処理を、プリチャージ範囲を示す図８を用いて説明すると、電子線の照射範囲を範囲８０１から範囲８０２、範囲８０３、範囲８０４の順に照射範囲を小さくして照射することになる。

電子線照射の範囲が大きいときには、帯電電位が大きくなるが、照射範囲を小さくしていくとスキャンスピードが遅くなり、単位面積あたりの照射量も多くなるため、帯電電位は低くなる。そのため、照射範囲を段階的あるいは連続的に小さくしていくことで、観察箇所周囲よりも観察箇所の帯電電位を低くすることができる。また、照射範囲にあわせて走査速度を変える方法以外の方法として、電子線の照射範囲にあわせて照射量を変更しても帯電状態・電位を制御することができる。これらの方法は併用してもよい。

ステップ１３では、電子線の照射範囲が小さくなった状態から、段階的あるいは連続的に照射範囲を大きくする。図８で説明すると、電子線の照射範囲を範囲８０４から範囲８０３、範囲８０２、範囲８０１の順で照射範囲を大きくする。このとき照射範囲はステップ１１の照射範囲よりも大きくする必要はなく、また、ステップ１１の照射範囲８０１よりも小さくてもよい。なお、このときも電子線照射を中断しないで照射範囲を変えるとよい。なお、ステップ１２からステップ１３に移るときは電子線照射を中断しないで行い、また、ステップ１３からステップ１２も電子線照射を中断しないで行うのが好ましい。

ステップ１３を行ってから、更にステップ１２とステップ１３を繰り返すと、安定した緩やかな電位勾配を形成することができ、安定した正の帯電電位ができる。ステップ１２とステップ１３を繰り返したあと、最後にステップ１３で観察前に広範囲８０１で電子線照射を行ってプリチャージすると、正帯電を大きくでき、ステップ１４で安定して観察が行える。

図５は、従来のプリチャージ（広範囲に１回プリチャージ）と本発明のプリチャージの帯電電位の違いを示す模式図である。広範囲に１回プリチャージした従来法の場合には、図５（ａ）に示すように、プリチャージした範囲の帯電電位２０２ｈは一様に高くなっていて電子線の照射範囲の境界でのみ急峻な電位勾配が存在する。そのため、観察範囲２０１と観察範囲の周囲は、同じ帯電電位２０２ｈになっている。一方、本発明のプリチャージでは、図５（ｂ）の帯電電位２０２ｉに示すように、観察範囲２０１を中心に観察範囲２０１付近の帯電電位はその周囲の帯電電位より低くなっている。

図６は、本発明のプリチャージによって観察領域の周囲に緩やかな電位勾配を形成したときの観察時の帯電電位の変化を示す図である。また、図７は、観察領域の周囲に緩やかな電位勾配があるときの観察時における二次電子の軌道と試料の帯電状態を示す図である。

図６（ａ）に示すように、観察箇所の帯電電位２０２ｅは周囲に比べて予め低くなっている。また、図６（ａ）に示すように観察箇所及び観察箇所付近の帯電電位２０２ｅが予め低くなっていることから、高倍率の観察によって図６（ｂ）のように帯電電位２０２ｆが少し低下しても、観察箇所周囲の電位も予め低くなっていることから、二次電子２０３ａの曲げられる量が少なく、二次電子の出戻りを抑制できる。そのため、観察範囲２０１において急激な帯電電位の低下は起こらないため、観察範囲２０１における帯電電位の低下を最小限に抑えることができる。従って、図６（ｃ）に示すようにコンタクトホール２０４の帯電電位２０２ｇを正に保つことができ、安定して観察を行うことができる。また、この方法ではコンタクトホール２０４の帯電電位は正なので、繰り返しコンタクトホール２０４の底を観察することができる。

また、高倍率で狭い範囲に電子線を照射している状態から電子線照射を中断すると、局所的に試料に入射していた電子がなくなることによって観察範囲２０１の帯電状態が変わるため、電子線照射を中断する場合には、一度、観察範囲よりも広い範囲を照射してから電子線照射を中断するとよい。そうすると帯電電位の低下が抑えられて、繰り返し観察もさらに安定して行える。

なお、上記の実施例では電子線照射によって試料表面を正に帯電させてプリチャージを行ったが、電子線照射以外の手法で観察箇所付近を帯電させて、緩やかな電位勾配を作成しても構わない。このようにして、観察箇所及び観察箇所周辺の電位を予めその周囲よりも低くすることによって、観察範囲やパターン自身へ二次電子の軌道が曲げられて試料へ押し戻される現象を低減することができる。これによって、パターンや観察箇所が負に帯電するのを低減でき、高倍率観察中及び観察後の電位の低下を低減することができる。そのため、本発明を用いることによって、安定してパターン底を観察でき、また、繰り返し観察を安定して行うことができる。

半導体デバイスなどの微細なパターンの底を観察及び計測する場合において、本発明を使用することによって、パターンの底を安定して観察及び測定を行うことができ、また、繰り返し観察及び測定を安定して行える。

本発明のプリチャージ方法を用いた観察のフローチャート。 従来のプリチャージ方法における観察時の帯電電位の変化を示す図。 従来のプリチャージ方法における観察時の二次電子の軌道と試料の帯電状態を示す図。 パターンの帯電状態と画像の見え方を示す図。 従来のプリチャージと本発明のプリチャージの帯電電位の違いを示す模式図。 本発明のプリチャージ方法を用いたときの観察時の帯電電位の変化を示す図。 本発明のプリチャージ方法を用いたときの二次電子の軌道と試料の帯電状態を示す図。 本発明のプリチャージ方法における電子線の照射範囲の模式図。

符号の説明

１０１：試料表面、２０１：観察範囲、２０２：帯電電位、２０３：二次電子、２０４：コンタクトホール、２０５：画像、２０６：入射電子

Claims (9)

1. 観察範囲を含む試料表面の第１の領域に試料表面を帯電させる電子線を照射する工程と、
   前記電子線の照射範囲を前記第１の領域より段階的に小さくして電子線照射を行うことによって、前記観察範囲に電位勾配を形成する工程と、
   前記電位勾配が形成された観察範囲に電子線を照射して観察する工程と
   を有することを特徴とする試料の観察方法。
2. 請求項１記載の試料の観察方法において、前記照射範囲を前記第１の領域より小さい範囲で段階的に大きくして電子線照射を行う工程を有することを特徴とする試料の観察方法。
3. 請求項１記載の試料の観察方法において、電子線を連続して照射しながら前記照射範囲を変更することを特徴とする試料の観察方法。
4. 請求項１記載の試料の観察方法において、試料に設けられたコンタクトホールの底を観察することを特徴とする試料の観察方法。
5. 請求項１記載の試料の観察方法において、前記観察をする前に前記観察範囲よりも広範囲に電子線を照射してから観察することを特徴とする試料の観察方法。
6. 請求項１記載の試料の観察方法において、前記電子線の照射範囲を変更する際に、電子線照射条件を同時に変更することを特徴とする試料の観察方法。
7. 請求項６記載の試料の観察方法において、前記電子線照射条件は、加速電圧、スキャンスピード及び／又は照射電流量であることを特徴とする試料の観察方法。
8. 試料に形成されたコンタクトホールを観察する試料の観察方法において、
   前記コンタクトホールの周辺の試料表面を帯電させる電子線を照射する工程と、
   前記電子線の照射範囲を段階的に小さくして電子線照射を行うことによって、前記コンタクトホールを中心とする緩やかな電位勾配を形成する工程と、
   前記電位勾配が形成されたコンタクトホールに電子線を照射して観察する工程と
   を有することを特徴とする試料の観察方法。
9. 請求項８記載の試料の観察方法において、前記コンタクトホールの周辺がそれより外側より低電位となるように電位勾配を形成することを特徴とする試料の観察方法。

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