JP5254046B2

JP5254046B2 - 電子顕微鏡及び観察方法

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Publication number: JP5254046B2
Application number: JP2008557958A
Authority: JP
Inventors: 武志添田
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2007-02-16
Filing date: 2007-02-16
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2027-02-16
Also published as: WO2008099501A1; US8299430B2; US20090272902A1; JPWO2008099501A1

Description

本発明は、３次元構造を持つ測定対象物を全体的且つ高精度に測定しうる電子顕微鏡及びそれを用いた観察方法に関する。

近年の電子デバイスの微細化に伴い、デバイス構造を評価する技術にも高精度化が求められている。評価技術の中でも、とりわけ透過型電子顕微鏡（Transmission Electron Microscope：ＴＥＭ）並びに走査透過型電子顕微鏡（Scanning Transmission Electron Microscope：ＳＴＥＭ）は、ナノメートルオーダまで電子線を絞れるため、高精密観察及び分析に有効な技術である。しかしながら、これらの手法は３次元デバイス構造の投影像、すなわち２次元情報しか得ることができず、電子の進行方向（試料の深さ方向）に関する情報を得ることはできない。

このため現状では、３次元構造を持つ電子デバイス構造を全体的に評価するためには、試料の切り出し方向を変えて観察する方法や、多方向から観察した像を３次元構築する方法（電子線トモグラフィ法）等が用いられていた。しかしながら、前者は複数の試料が必要であり、切り出すことにより情報量が不完全となることが問題であった。また、後者も目標物を中心に切り出す必要があり、加工時間の長さと情報量の欠落が問題であった。

一方、ＴＥＭ以外の手法としては、レーザー共焦点顕微鏡法や、集束イオンビームで加工しながらＳＥＭ観察して３次元構築する手法がある。しかしながら、これらの手法は像分解能がＴＥＭやＳＴＥＭに劣るため、微小構造の評価に用いることは困難であった。
特開平１０−２４６７０９号公報特開２００３−２４９１８６号公報特開２００６−０５９６８７号公報

一般に、２００ｋＶ程度の加速エネルギーを用いる汎用のＴＥＭやＳＴＥＭを用いる場合、評価試料は２００ｎｍ以下の厚さに加工される。これは、評価試料が厚くなると入射電子と材料との相互作用が増し、入射エネルギーが失われやすくなるからである。エネルギーを損失した電子はＴＥＭ像やＳＴＥＭ像において焦点ボケの成因となるため、例えばミクロンオーダの厚い試料を上述のような汎用のＴＥＭ装置やＳＴＥＭ装置で従来通りに観察すると、像が暈けてしまう。

さらに、電子デバイスの構造やサイズは様々なため、評価試料の厚さがミクロンオーダになると不必要な情報が混在する虞がある。例えば素子領域を評価する際の絶縁領域や、配線を評価する際の層間絶縁膜やカバー膜などからの情報がそれに該当する。同様に、ＴＥＭやＳＴＥＭの試料を補強するのに用いられる支持膜や包埋材料などは観察や分析に無関係なため、機械強度以外にはまったく機能しないことが理想的である。しかしながら、これら材料と入射電子との相互作用を避けることはできない。

このように、従来技術には、３次元構造を持つ電子デバイス構造を全体的且つ高精度に評価する手法が存在しなかった。このため、更なる電子デバイスの微細化に向けて、３次元構造を持つ電子デバイス構造を全体的且つ高精度に評価しうる技術が待望されていた。

本発明の目的は、３次元構造を持つ電子デバイス構造等を全体的且つ高精度に評価しうる電子顕微鏡及びそれを用いた観察方法を提供することにある。

本発明の一観点によれば、電子線を生成する電子銃と、前記電子線を所定の加速電圧に加速して試料に入射する加速器と、前記電子線の焦点位置が前記試料の測定しようとする領域の深さとなるように、前記加速器の前記加速電圧を制御する制御装置と、前記試料との相互作用によりエネルギーを損失して前記試料を透過した前記電子線のうち、特定のエネルギーの電子線を検出することにより、前記試料の測定しようとする前記領域の深さにおける前記電子線の透過像又は回折像を取得する検出器とを有し、前記制御装置は、前記特定のエネルギーが定格加速エネルギーに一致するように、前記試料に入射する前記電子線の加速エネルギーを制御することを特徴とする電子顕微鏡が提供される。

また、本発明の他の観点によれば、電子線を試料に入射し、前記試料を透過した電子線の透過像又は回折像を取得する電子顕微鏡を用いた観察方法であって、前記電子線の焦点位置が前記試料の測定しようとする領域の深さとなるように、前記試料に印加する前記電子線の加速エネルギーを制御し、前記試料との相互作用によりエネルギーを損失して前記試料を透過した前記電子線のうち、特定のエネルギーの電子線を検出することにより、前記電子線の損失エネルギー量に対応する前記試料の測定しようとする前記領域の深さにおける前記電子線の透過像又は回折像を取得を取得し、前記特定のエネルギーが、前記電子顕微鏡の定格加速エネルギーに一致するように、前記試料に入射する前記電子線の加速エネルギーを設定するすることを特徴とする観察方法が提供される。

本発明によれば、任意のエネルギー帯の電子線を選択して結像するので、試料の像観察したい任意の深さにおいて、焦点暈けの少ない明瞭な画像を得ることができる。また、試料に入射する電子線の加速エネルギーを、試料を透過した電子線の損失エネルギー分だけ増加することにより、試料を透過した電子線の電子エネルギーを電子顕微鏡の定格加速エネルギーに近づけるので、最適なレンズ条件で像観察を行うことができる。これにより、より焦点暈けの少ない明瞭な画像を得ることができる。

図１は、本発明の一実施形態による電子顕微鏡の構造を示す概略図（その１）である。図２は、本発明の一実施形態による電子顕微鏡の構造を示す概略図（その２）である。図３は、試料を透過した電子線のエネルギー損失スペクトルを示すグラフである。図４は、試料を透過した電子線における試料厚さと電子エネルギーとの関係を示すグラフである。図５は、加速電圧に損失エネルギー分の電圧を上乗せしない場合とした場合とにおけるエネルギー損失スペクトルを示すグラフである。図６は、測定対象の試料のモデルを示す概略図である。図７は、図６の試料の測定例を示す概略図である。図８は、本発明の一実施形態の変形例による電子顕微鏡の構造を示す概略図である。

符号の説明

１０…鏡筒
１２…電子銃
１４…加速電圧制御装置
１６…収束レンズ系制御装置
１８…走査レンズ系制御装置
２０…結像レンズ系制御装置
２２…試料台制御装置
２４…電子プリズム
２６…レンズ系制御用入力装置
２８…試料台制御用入力装置
３０…エネルギー選択絞り
３２…検出器
３４…処理装置
３６…入力装置
３８…外部記憶装置
４０…表示装置
４２…試料
５０…電子線
５２，５４…構造体

本発明の一実施形態による電子顕微鏡及び観察方法について図１乃至図７を用いて説明する。

図１及び図２は本実施形態による電子顕微鏡の構造を示す概略図、図３は電子強度と電子エネルギーとの関係を示すグラフ、図４は試料による電子線のエネルギー損失を示すエネルギー損失スペクトル、図５は加速電圧に損失エネルギー分の電圧を上乗せしない場合とした場合のエネルギー損失スペクトルを示すグラフ、図６は測定対象の試料のモデルを示す概略図、図７は図６の試料の測定例を示す概略図である。

はじめに、本実施形態による電子顕微鏡の構造について図１及び図２を用いて説明する。

図１に示すように、電子ビーム光学系を構成する鏡筒１０には、電子線を発生する電子銃１２と、電子銃から発せられた電子線の加速電圧を制御する加速電圧制御装置１４と、電子線を収束して試料に照射する収束レンズ系を制御する収束レンズ系制御装置１６と、試料に照射する電子線を走査する走査レンズ制御装置１８と、試料を透過した電子線を結像する結像レンズ系を制御する結像レンズ系制御装置２０と、電子線に対する試料の位置を制御する試料台制御装置２２と、試料を透過した電子線をそのエネルギーに応じて分散させる電子プリズム２４とが設けられている。

収束レンズ系制御装置１６及び結像レンズ系制御装置２０には、各レンズ系を制御する情報を入力するためのレンズ系制御用入力装置２６が接続されている。試料台制御装置２２には、試料台を制御する情報を入力するための試料台制御用入力装置２８が接続されている。

電子プリズム２４の出力側には、エネルギー選択絞り３０を介して、ＣＣＤカメラあるいはＳＴＥＭ検出器等の検出器３２が設けられている。エネルギー選択絞り３０は、電子プリズム２４を通過した所定範囲のエネルギーを有する電子線を選択的に透過して検出器３２に導入するためのものである。なお、本明細書では、電子プリズム２４及びエネルギー選択絞り３０を一括して分光器と呼ぶこともある。

加速電圧制御装置１４、エネルギー選択絞り３０及び検出器３２には、処理装置３４が接続されている。処理装置３４は、加速電圧制御装置１４、収束レンズ系制御装置１６、結像レンズ系制御装置２０、試料台制御装置２２、エネルギー選択絞り３０等を制御する制御装置として、また、検出器３２から入力される測定データの分析を行う分析装置として機能する。

処理装置３４には、外部から測定等に必要な情報を入力するための入力装置３６、測定データの分析に用いられるデータベース等を記憶する外部記憶装置３８、分析結果等を表示する表示装置４０等が接続されている。

このように、本実施形態による電子顕微鏡は、基本的にはＳＴＥＭ機能を有する電子顕微鏡である。本実施形態による電子顕微鏡の主たる特徴は、検出器３２の前段に、試料を透過した電子線を分光する電子プリズム２４と、電子プリズム２４により分光された電子線のうち特定エネルギー範囲の電子線を選択的に透過するエネルギー選択絞り３０とが設けられていることにある。

なお、電子顕微鏡の基本構成は、ＳＴＥＭではなくＴＥＭであってもよい。この場合、走査レンズ系（走査レンズ制御装置１８等）は不要である。

次に、本実施形態による電子顕微鏡を用いた観察方法について図１及び図２を用いて説明する。

まず、評価対象の試料４２を用意し、鏡筒１０内の試料台４４上に設置する。なお、本実施形態による観察方法では、通常のＴＥＭやＳＴＥＭの測定では厚すぎると考えられている１μｍ以上の膜厚、例えば１．５μｍ程度の膜厚を有する試料４２を用いることができる。

次いで、電子銃１２から放出された電子を、加速電圧制御装置１４により、汎用のＴＥＭやＳＴＥＭで用いられている加速電圧、例えば１００〜２００ｋＶで加速し、電子ビームを得る。なお、試料４２に与えるダメージを抑制する観点からは、汎用のＴＥＭ等で用いられている２００ｋＶ程度以下の加速電圧を用いることが望ましいが、それ以上の加速電圧、例えば１ＭＶ程度の加速電圧を用いてもよい。

次いで、試料台制御用入力装置２８及び試料台制御装置２２を介して試料台４４の位置を制御し、試料４２の電子ビームに対する傾斜角やユーセントリックを調整する。これにより、試料４２の関心領域の明（暗）視野ＳＴＥＭ像或いは明（暗）視野ＴＥＭ像を撮影できる状態にする。

次いで、試料４２を透過した電子ビームを電子プリズム２４に通し、エネルギー損失スペクトルを得る。

試料４２を透過した電子ビームは、試料４２内において様々な散乱過程を経ており、様々なエネルギーを有している。ここでは、このような電子を総称して、エネルギー損失電子と呼ぶこととする。電子線に磁場を印加すると、電子は磁場によるローレンツ力の影響を受け、各電子が有するエネルギーに応じて偏向される。すなわち、エネルギー損失の大きいエネルギー損失電子ほど偏向角は大きく、エネルギー損失の小さいエネルギー損失電子ほど偏向角は小さくなる（図２参照）。この原理が光の波長を分散するプリズムによく似ていることから、磁場の印加により電子線のエネルギー分光を行うこのような装置を電子プリズムと呼んでいる。

図３は、電子プリズム２４により分光された電子線の電子強度と電子エネルギーとの関係の一例を示すグラフ（エネルギー損失スペクトル）である。横軸は、入射エネルギー（加速エネルギー）から損失エネルギーを差し引いたエネルギー、すなわち試料４２通過後の電子エネルギーである。

次いで、電子プリズム２４を通過した電子線を、エネルギー選択絞り３０に導入する（図２参照）。電子プリズム２４で分光された電子線は、エネルギー損失の大きい電子ほど偏向角は大きく、エネルギー損失の小さい電子ほど偏向角は小さくなる。したがって、電子プリズム２４の出力側に、所定の偏向角に対応する位置にスリットを有する絞り（エネルギー選択絞り３０）を設けることで、任意のエネルギーを有する電子線を選択的に取り出すことができる。

次いで、エネルギー選択絞り３０を通過した任意のエネルギーを有する電子線を、検出器３２により検出する。

ＴＥＭやＳＴＥＭにおける焦点ボケは、エネルギーのズレ、すなわち色収差に起因する。したがって、結像に寄与する電子エネルギーを単エネルギー化することで、焦点ボケを低減することができる。この効果は、ＳＴＥＭよりもＴＥＭにおいて大きく現れる。ＴＥＭでは、電子が試料を透過した後も多段レンズにより拡大操作が行われるため、色収差の影響を受けやすいからである。

また、試料の強度を向上するために利用される支持膜や包埋材料、或いはデバイス構造に多用されるカバー膜などに電子線を入射すると、例えば図４に示すように、電子エネルギーは膜の厚さと相関を持つようになる。すなわち、図４に示すスペクトルの横軸は、試料の厚さの関数となる。

ここでいう試料の厚さとは、試料表面からの電子の侵入距離と同義である。したがって、エネルギー選択絞り３０によって任意のエネルギー帯の電子線を選択することで、焦点位置を試料の任意の深さに設定することができる。すなわち、試料４２の像観察したい深さに対応したエネルギー帯をエネルギー選択絞り３０により選択して像観察を行うことにより、試料４２の任意の深さにおける焦点ボケの少ない明瞭な画像を得ることができる。

さらに、試料が厚くなると電子は相互作用を起こしやすくなるため、エネルギー損失電子の強度は増大する。それに伴い、ＴＥＭやＳＴＥＭの検出器に導入される電子信号が増加し、ひいては厚い試料の観察や分析に有利になる。

汎用の電子顕微鏡では、例えば１２０ｋｅＶや２００ｋｅＶなどの特定の加速エネルギーを持つ電子に対してその光学的性能を最大限に引き出すことができるように、レンズ条件が設計されている。この加速エネルギーは、電子顕微鏡毎に固有のものであり、定格加速エネルギーと呼ばれている。定格加速エネルギーは、換言すれば、電子顕微鏡の光学的性能を最大限に引き出すことができる加速エネルギーである。

そのため、損失エネルギー量がゼロではない総ての電子は、レンズ条件に対してエネルギー的に最適とはいえない。試料を透過したエネルギー損失電子も多段レンズで集光することはできるが、最適レンズ条件ではないため定格加速エネルギーの電子線によって得られる分解能には及ばない。また、加速エネルギーを変更する度毎にレンズ条件を調整するのは時間を要するため実用的ではない。

そこで、本実施形態による観察方法では、加速エネルギーを損失エネルギー量と同期して昇圧することで、最適なレンズ条件を維持する。具体的には、観察対象の深さに対応するエネルギーを損失した透過電子線の電子エネルギーが電子顕微鏡の定格加速エネルギーになるように、透過電子線の損失エネルギー分の電圧を上乗せして電子線の加速エネルギーとする。

例えば、定格加速電圧が２００ｋＶの電子顕微鏡において、焦点を合わせたい位置（試料４２への侵入深さ）に対応する透過電子線の電子エネルギーが、例えば図５（ａ）に示すように１９９．９７ｋｅＶ（試料４２内で電子が０．０３ｋｅＶのエネルギーを失った状態）の場合、試料４２による損失分のエネルギー０．０３ｋｅＶを上乗せして、加速電圧を２００．０３ｋＶに昇圧する。ここで、加速エネルギーの上乗せは、図３のエネルギー損失スペクトルを高エネルギー側にシフトすることを意味する。これにより、焦点を合わせたい位置に対応する透過電子線の電子エネルギーは、例えば図５（ｂ）に示すように２００．０ｋｅＶとなり、レンズ系の調整を行うことなく、当該電子顕微鏡に最適なレンズ条件で像観察を行うことができる。

なお、このときのエネルギー選択絞り３０は、損失エネルギーがゼロ付近の電子線（加速エネルギーが電子顕微鏡の定格加速エネルギーに一致する電子線）を選択的に通過するように、エネルギー選択幅を設定すればよい。すなわち、試料４２の深さ方向の構造を観察する場合、エネルギー選択絞り３０が選択的に透過する電子線のエネルギー帯を電子顕微鏡の定格加速エネルギー近傍に固定しておき、試料４２の観察したい深さに応じて、加速電圧制御装置１４により加速する電子線の加速エネルギーを増加する。

このようにして試料４２の観察を行うことにより、試料４２の任意の深さにおいて焦点ボケの少ない明瞭な画像を得ることができる。

なお、試料４２内における焦点位置は、対物レンズによって制御してもよい。但し、この場合には、レンズ条件がエネルギー的に最適ではなくなるため、加速電圧を制御する場合と比較して分解能は劣化する。

図６は、試料４２の一例を示す概略図である。図６に示す試料４２は、深さＡの位置に形成された直方体状の構造物５２と、深さＢの位置に形成された円筒状の構造物５４とを有している。

図６に示す試料において、電子線５０を入射し、深さＡに対応する透過電子線の電子エネルギーが電子顕微鏡の定格加速エネルギーとなるように電子線の加速エネルギーを制御した場合、例えば図７（ａ）に示すような画像が得られる。すなわち、構造物５２の鮮明な画像と、構造物５４のぼけた画像とが重なった画像を得ることができる。一方、深さＢに対応する透過電子線の電子エネルギーが電子顕微鏡の定格加速エネルギーとなるように電子線の加速エネルギーを制御した場合、例えば図７（ｂ）に示すような画像が得られる。すなわち、構造物５４の鮮明な画像と、構造物５２のぼけた画像とが重なった画像を得ることができる。これら画像から鮮明な画像を抜き出す画像処理を行うことにより、試料４２の深さ方向の情報を分離することができる。

このように、本実施形態によれば、任意のエネルギー帯の電子線を選択して結像するので、試料の像観察したい任意の深さにおいて、焦点暈けの少ない明瞭な画像を得ることができる。また、試料に入射する電子線の加速エネルギーを、試料を透過した電子線の損失エネルギー分だけ増加することにより、試料を透過した電子線の電子エネルギーを電子顕微鏡の定格加速エネルギーに近づけるので、最適なレンズ条件で像観察を行うことができる。これにより、より焦点暈けの少ない明瞭な画像を得ることができる。

［変形実施形態］
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。

例えば、上記実施形態では、試料４２を透過した電子線を、電子プリズム２４及びエネルギー選択絞り３０を介して検出器３２に導入したが、電子プリズム２４及びエネルギー選択絞り３０は必ずしも必要はない。

ＳＴＥＭの場合、電子線が試料４２を透過した後にはＴＥＭのような拡大レンズが存在しないため、ＴＥＭの場合と比較して色収差の影響が小さい。このため、試料４２を透過した電子線を検出器３２によって直接検出した場合にも、ＴＥＭと比較して良好な画像を得ることができる。ただし、ＳＴＥＭの場合にも、上記実施形態に記載したように電子プリズム２４及びエネルギー選択絞り３０を用いて電子線のエネルギー帯を絞った方が、像の暈け除去効果は高い。

電子プリズム２４及びエネルギー選択絞り３０を用いない電子顕微鏡としては、例えば図８に示す装置構成を適用することができる。

また、電子線の加速エネルギーの昇圧幅を小さくすることで、焦点位置の移動量が減少する。この条件で焦点位置を連続的に変化させ、各条件で厚さの異なるスライス像を取得し、公知の方法で相互演算することで３次元画像を取得することができる。

また、上記実施形態では、厚さが１μｍを超えるような厚い試料の場合を例に説明したが、本発明による観察方法は、通常のＴＥＭやＳＴＥＭの測定に用いられる０．３μｍ程度以下の試料の測定に適用することもできる。このように試料が薄い場合、エネルギー損失する確率が減少し、厚い場合に比べてエネルギー分散幅がエネルギー選択幅に対して小さくなる。このとき本発明による観察方法を適用すると、すべての厚さで焦点を合わせることができる。電子は試料が厚くなるほどエネルギーを失いやすくなるが、例えば０．３μｍ以下の厚さではエネルギーをまったく失わない電子も微量ながら存在する。いま選択するエネルギー値を定格の２００ｋＶとすると、試料表面から裏面まですべての領域で焦点を合わせることができる。シグナル・ノイズ（Ｓ／Ｎ）比は表面ほど良く、厚くなるほど悪くなる。同様に、２００ｋＶ以外のエネルギーを選択しても、すべての領域で焦点を合わせることができる。選択エネルギーを変化させることで、Ｓ／Ｎ比の最高値を深さ方向に制御することができる。試料が１μｍ以上になると、エネルギー分散幅がエネルギー選択幅に対して十分に大きくなるので、試料全体で焦点を合わせることはできなくなる。

本発明による電子顕微鏡及びこれを用いた観察方法は、試料の像観察したい任意の深さにおいて、焦点暈けの少ない明瞭な画像を得ることができるものである。したがって、３次元構造を持つ電子デバイス構造等を全体的且つ高精度に評価するためにきわめて有用である。

Claims

電子線を生成する電子銃と、
前記電子線を所定の加速電圧に加速して試料に入射する加速器と、
前記電子線の焦点位置が前記試料の測定しようとする領域の深さとなるように、前記加速器の前記加速電圧を制御する制御装置と、
前記試料との相互作用によりエネルギーを損失して前記試料を透過した前記電子線のうち、特定のエネルギーの電子線を検出することにより、前記試料の測定しようとする前記領域の深さにおける前記電子線の透過像又は回折像を取得する検出器とを有し、
前記制御装置は、前記特定のエネルギーが定格加速エネルギーに一致するように、前記試料に入射する前記電子線の加速エネルギーを制御する
ことを特徴とする電子顕微鏡。
請求項１記載の電子顕微鏡において、
前記試料との相互作用によりエネルギーを損失して前記試料を透過した前記電子線のうち、前記試料の測定しようとする前記領域の深さに対応する前記特定のエネルギーの電子線を選別する分光器を更に有し、
前記検出器は、前記分光器により選別された前記特定のエネルギーの前記電子線を検出して、前記試料の測定しようとする前記領域の深さにおける前記電子線の透過信号又は回折信号を取得する
ことを特徴とする電子顕微鏡。
請求項１又は２記載の電子顕微鏡において、
前記加速器により加速した前記電子線を前記試料上で走査する走査レンズを更に有する
ことを特徴とする電子顕微鏡。
請求項１又は２記載の電子顕微鏡において、
前記試料を透過した前記電子線を多段レンズで拡大又は縮小する結像レンズを更に有することを特徴とする電子顕微鏡。
電子線を試料に入射し、前記試料を透過した電子線の透過像又は回折像を取得する電子顕微鏡を用いた観察方法であって、
前記電子線の焦点位置が前記試料の測定しようとする領域の深さとなるように、前記試料に印加する前記電子線の加速エネルギーを制御し、
前記試料との相互作用によりエネルギーを損失して前記試料を透過した前記電子線のうち、特定のエネルギーの電子線を検出することにより、前記電子線の損失エネルギー量に対応する前記試料の測定しようとする前記領域の深さにおける前記電子線の透過像又は回折像を取得し、
前記特定のエネルギーが、前記電子顕微鏡の定格加速エネルギーに一致するように、前記試料に入射する前記電子線の加速エネルギーを設定する
ことを特徴とする観察方法。
請求項５記載の観察方法において、
前記試料の厚さ方向の焦点位置を変えることにより、厚さの異なるスライス像を取得し、相互演算することで、３次元画像を取得する
ことを特徴とする観察方法。
請求項５記載の観察方法において、
前記電子線のエネルギー選択幅を大きくすることにより、前記試料の厚さ方向のすべての領域に焦点を合わせる
ことを特徴とする観察方法。