JP5386636B2 - 走査電子顕微鏡及び試料観察方法 - Google Patents

Description

本発明は試料に電子線を照射して試料の検査，計測を行う走査電子顕微鏡、及び試料観察方法に関する。

近年、半導体素子の高集積化及び微細化に伴い、素子内の層間導通を得るためのコンタクトホールの開口径が微小化している。このため、コンタクトホールを形成するためのエッチングプロセスの難易度が高まっており、プロセス開発においてはコンタクトホールの良否を判断するための検査，計測が益々重要となってきている。

走査電子顕微鏡にてコンタクトホールの観察を容易ならしめる技術として、検査，計測を行う前に電子線を試料に予備照射して所望の帯電を予め形成しておき、画像取得時に照射する電子線によってコンタクトホールから電子を引き出すことで観察可能とする技術（以下、プリチャージまたは予備帯電）が知られており、例えば特許文献１に示されている。プリチャージで試料を正帯電させるには、一次電子線の照射量に対する二次電子発生量の比である二次電子発生効率δを１より大きくする必要がある。二次電子発生効率δは一次電子線の照射電位と相関があり、特許文献１にはコンタクトホールの観察時と異なる条件にて予備帯電処理を行い、帯電効率と処理時間を両立しながらコンタクトホールの観察を行う技術が示されている。

このような予備帯電処理においては、帯電の不均一性が電子線のドリフトを引き起すことがある。特許文献２には、帯電形成に用いる電子ビーム径を画像取得に用いる電子ビーム径より大きくする技術が示されている。

更に半導体メモリ素子の高集積化及び微細化に伴う、開発製造コストの過剰な増大を抑止する次世代デバイスとして、三次元集積化メモリ素子が知られており、例えば非特許文献１に示されている。

特開２０００−２００５７９号公報 特開２００９−９９５４０号公報

"Bit Cost Scalable Technology with Punch and Plug Process for Ultra High Density Flash Memory"2007 Symposium on VLSI Technology Digest of Technical Papers.p14

従来のプリチャージ技術は、一次電子線を試料上に走査させて帯電形成を行っており、基本的にはプリチャージの実行領域には入射角が同じ状態で電子線が照射されている。一方、走査電子顕微鏡で観察対象とする試料には、何らかの凹凸パターンが形成されたものが多い。従って、表面に凹凸構造を持つ試料を観察する場合、一次電子線の入射角によって、電子線が照射されない非照射領域が試料に形成されてしまい、均一な帯電状態を形成できないという課題がある。この課題は、凹凸の差が大きい試料、例えばアスペクト比の大きなコンタクトホールのような試料の画像を取得する場合に特に深刻となる。

本発明は、凹凸がある試料であっても試料面内で均一性の高い帯電形成が可能な走査電子顕微鏡あるいはプリチャージ方法を提供することを目的とする。

本発明では、画像を取得するべき領域を含む領域をプリチャージ領域と設定し、当該プリチャージ領域内で複数の方向から走査を行うことにより上記の課題を解決する。複数の方向からの走査に際しては、ある走査方向への走査と他の走査方向への走査とで、入射角が異なるように一次電子線の照射条件を設定してもよい。

または、試料に対する一次電子線の入射角を変えて、プリチャージ領域に複数回走査を行うことにより上記の課題を解決する。

あるいは、プリチャージ領域の一次電子線走査を行うに際し、当該プリチャージ領域が含まれるようなリング形状の走査領域を設定し、当該リング形状の内径が小さくなるように前記走査領域を変形しながらプリチャージを実行することにより上記の課題を解決する。

以上のプリチャージ手法を装置実装するに際しては、プリチャージに用いる電子線の傾斜角や、各走査方向での照射走査時間を設定可能とするとよい。

本発明によれば、従来のプリチャージ手法よりも均一性の高い帯電状態が形成でき、よって画質の高い画像を取得することが可能になる。

本発明を実施する走査電子顕微鏡の構成を示した説明図である。 コンタクトホール観察における従来技術の課題を示した説明図である。 実施例１における、プリチャージ中に一定時間毎に電子線の走査方向を切替える方法を示した説明図である。 コンタクトホール観察における実施例１の効果を示した説明図である。 実施例１における、本発明の効果を示した説明図である。 実施例２における、走査電子顕微鏡の構成を示した説明図である。 実施例２における、プリチャージ方法を示した説明図である。 実施例２における、プリチャージ方法を示した説明図である。 絶縁層とシリコン層が積層された試料を示した説明図である。 実施例３における、従来技術の課題を示した説明図である。 実施例３における、本発明の効果を示した説明図である。 実施例４におけるプリチャージ方法と、その効果を示した説明図である。 実施例４におけるプリチャージ方法と、その効果を示した説明図である。 実施例４におけるプリチャージ方法と、その効果を示した説明図である。 本発明を適用した装置の表示画面の一例を示した説明図である。 本発明を適用した装置の表示画面の一例を示した説明図である。

本発明のプリチャージ手法について以下の実施例１，２，３，４で説明し、本発明のプリチャージ技術を走査電子顕微鏡装置に適用したときの機能の選択を行う操作画面を実施例５で説明する。なお、ここでいう走査電子顕微鏡装置とは、走査電子顕微鏡を用いて画像を取得する装置であり、汎用の走査電子顕微鏡だけでなく、欠陥レビュー装置や外観検査装置が含まれる。

図１を用いて本実施例の走査電子顕微鏡の構成例を示す。図１は典型的なリターディング方式の走査電子顕微鏡装置の概略図である。引き出し電極１０２の印加電圧により、電子源１０１から引き出された電子線１０４は陽極１０３を通過して加速される。陽極で加速された電子線１０４はコンデンサレンズ１０５により集束されアパーチャ１０６にて所定の電流量となるように絞られる。更に、不図示のアライメントコイルや非点補正コイルにて軸や非点の補正が行われ、対物レンズ１０８にて試料１１０上に集束される。

電子線１０４は二段の偏向器１０７にて試料１１０上をＸ，Ｙ方向に二次元走査され、試料から生じた二次電子１１１は上方にある検出器１１２に引き込まれる。検出器１１２により検出される信号電子としては、反射電子を検出することもできる。二次電子１１１が検出器１１２内に設けられたシンチレータに衝突し生じる発光を光電子増倍管にて増幅し、制御部１１４にて輝度やコントラストの補正を行った後、表示部１１５に表示される画像の輝度情報とする。制御部１１４は走査電子顕微鏡各部の電流，電圧及び画像取得の制御を行う。尚、図１では偏向器１０７及び検出器１１２への接続以外は不図示としているが、実際には、制御部１１４は、コンデンサレンズ１０５や対物レンズ１０８といった他の電子光学要素にも接続されている。反射電子を検出する際には、金属製の反射板を設けて反射電子を二次電子に変換して検出を行っても良い。

対物レンズ１０８の通路には正の電圧を印加するブースタ電極１０９が設けられており、対物レンズ１０８を通過する電子線１０４を加速することで、対物レンズ１０８にて生じる色収差を低減させることができる。ブースタ電極１０９は二次電子１１１に対しては引き上げ電極として作用し、二次電子１１１を対物レンズ１０８の通路内に吸引する。

試料１１０にはリターディング電源１１３により、負の電圧が印加され、電子線１０４に対して減速作用を与える。試料１１０近傍まで高加速な状態で電子線１０４を通過させることで、電磁界ノイズの影響を受けにくくし、また各レンズを通過する際に生じる色収差を低減することにより先鋭な電子線１０４を得ることを可能とする。このようなリターディング方式の走査電子顕微鏡において、試料に入射する電子線１０４の加速電圧（Ｖ_LAND）は、以下のように表すことができる。

また、後に説明する試料の欠陥の検査・観察をする走査電子顕微鏡（欠陥レビュー装置）では、画像比較によって欠陥部分を判定し、さらなる高倍率で画像を撮像し欠陥の種類等の分類・解析を行う。このような欠陥レビュー装置は、通常、検査工程の前段階に、試料を高速で検査し欠陥候補を発見する外観検査装置を有し、当該外観検査装置と直接またはネットワークを介して接続されていることが多い。この外観検査装置で欠陥候補と判定された箇所について画像の撮像を行い、欠陥候補の箇所をより高倍率，高画質で撮像して観察する。このような欠陥レビュー装置では上記の走査電子顕微鏡の構成に加えて、外観検査装置からもらった欠陥候補データを格納しておく記憶手段１１６と、欠陥候補データに基づき視野移動を行う制御手段（図示省略）と、撮像した画像を比較解析する画像処理部１１７を備える。なお、走査電子顕微鏡の全体構成については以下の実施例２−４においても同様であり、実施例２−４では実施例１と同様の部分については説明を省略する。

次に、従来技術により走査電子顕微鏡にてコンタクトホール観察を行う方法を説明する。コンタクトホールの観察等のときには、画像取得の走査前に電子線を予め試料に照射し、所望の帯電形成することが必要になる場合がある。これをプリチャージという。プリチャージを行う領域は観察前に予めユーザに設定される。または画像取得を行う領域に合わせて自動的に設定される。このプリチャージを行う領域をプリチャージ領域と呼ぶ。プリチャージ領域は画像取得が必要な領域を含むように設定されるべきである。

電子線１０４の照射によって試料１１０に正負何れかの帯電を形成するには、電子線１０４の照射量に対する二次電子１１１の発生量の比である、二次電子発生効率δを考慮する必要がある。δ＝１の条件では、試料１１０に照射される電子数と放出される電子数が均衡しており、帯電は形成されない。δ＞１の条件では試料１１０から放出される電子数が上回るため、絶縁物表面は正に帯電する。一方、δ＜１の条件では試料１１０へ照射される電子数が上回るため、絶縁物表面は負に帯電する。試料表面の物質により異なるが、二次電子発生効率δは加速電圧（Ｖ_LAND）との相関があり、一般的に３０Ｖ付近および１ｋＶ付近でδ＝１、３０Ｖ以下および１ｋＶ以上ではδ＜１、３０Ｖ〜１ｋＶの範囲ではδ＞１となる。

試料１１０表面に正帯電を形成することにより、コンタクトホールの底で生じた二次電子１１１が試料１１０表面へと引上げられる。これにより、コンタクトホールの底で生じた二次電子１１１が検出されやすくなり、コンタクトホールの底の情報が得られるようになる。一方、負帯電時はコンタクトホールの底で生じた二次電子は帯電に妨げられて検出できないが、エッチング不良等により絶縁膜の非貫通部が存在する場合は、当該不良部の底で生じた二次電子のみ検出可能となり、欠陥検査用途に有効である。なお、本実施例を含め、以下の実施例は、正帯電または負帯電のどちらに帯電させるプリチャージ手法においても適用可能である。

以上説明したように、プリチャージは試料を正または負に帯電させるために画像取得前に行う電子線照射であって、プリチャージ時に電子線を照射したことによって発生する二次電子または反射電子は画像形成に不必要である。よってプリチャージ時には検出器１１２からの検出信号を画像形成に使用しないようにする。

プリチャージの処理時間を短縮するために、画像を取得する条件とは異なる条件にてプリチャージを実行する従来技術が特許文献１に記載されている。具体的には、二次電子発生効率δを好適な条件とするために、Ｖ_GUNあるいはＶ_RETを制御してＶ_LANDを変化させる技術や、コンデンサレンズ１０５のクロスオーバーを制御してアパーチャ１０６を通過する電子線１０４の電流量を変化させる技術である。帯電は二次電子発生効率と電子線１０４の電流量に比例して促進されるため、電流量を増加させることで所定の帯電電位に到達するまでの時間を短縮することができる。

以上説明した従来のプリチャージ手法の課題について図２を用いて説明する。なお試料としては、典型的なシリコンウェーハ２０１を用いたという前提で説明する。シリコンウェーハ２０１上には絶縁膜２０２が形成されており、絶縁膜２０２の一部がエッチングされ、コンタクトホールを成している。電子線２０３が二次電子発生効率δ＞１となる条件にて試料表面に照射されると、絶縁膜２０２のうち電子線２０３が照射された領域では正帯電２０４が形成される。一方、非照射領域では帯電が形成されないか、形成されたとしても照射領域との間に帯電電位の差ができる。

図２のように試料に対して電子線２０３が傾いて入射する場合、平坦な絶縁膜２０２表面では全域に正帯電２０４が形成されるが、コンタクトホール内では傾斜により電子線の非照射領域が生じ、コンタクトホール内の帯電が不均一となる。これにより、コンタクトホールの底で生じた不図示の二次電子は横方向の電界に影響を受け、絶縁膜２０２表面まで到達できずにコンタクトホール壁面で失われてしまい、コンタクトホールの底の情報が得られないことがある。また、入射する電子線２０３自体も横方向の電界に偏向作用を受け、コンタクトホールの開口部に対して底部の中心がオフセットし、傾斜したような画像となってしまう。電子線２０３の傾斜はアライメントコイルによる軸補正のための偏向等の他、電子線走査によっても生じ、走査電子顕微鏡の原理上不可避のものである。また、この傾斜の許容値はコンタクトホールのアスペクト比（開口径／深さ）が高まるほど厳しくなる。

以上のような課題は、半導体の欠陥レビューを目的とする欠陥レビュー装置では、特に製品性能に対して重大な影響を及ぼす。欠陥レビュー装置は、光学式あるいは電子線式の半導体検査装置にて得られた検査データに基づき、半導体試料（一般的にシリコンウェーハ）上の欠陥の高精細な画像を、自動かつ高速に取得する装置である。半導体検査装置の検査倍率に対し、欠陥レビュー装置の画像取得倍率は一般的に高倍率となるので、検査データから求めた欠陥位置の誤差補正が必要となる場合がある。その場合、一旦低倍率で画像を取得し、画像処理によって欠陥位置を特定してから、その位置を高倍率で画像を取得するという手順を取る。コンタクトホール観察時は、プリチャージにより帯電を形成した上で低倍率画像により欠陥部を探索し、その位置を中心として高倍率画像を取得するが、前記のような従来技術によると、電子線の傾斜があれば所望の画像を得られず、電子線の傾斜を回避しようとすれば処理時間を要してしまう。この問題は、観察対象である欠陥部の位置がプリチャージ後にしか分からない欠陥レビュー装置特有の問題である。

従来技術により、前記の電子線２０３傾斜の問題を回避するには、観察対象のコンタクトホールを電子線２０３が垂直入射する位置とすることが考えられる。理想的には、電子線２０３が垂直入射するのは偏向作用の働かない位置、即ち電子顕微鏡像（以下、画像とする）の中心である。しかし、実際にはアライメントコイルによる軸補正のための偏向等により、画像中心が必ずしも偏向が無い状態とならない場合が多い。この場合には、複数回帯電を形成することを目的とした電子線照射とコンタクトホール観察を繰り返し、電子線２０３が傾斜しない最適な位置を画像上で探索する必要があるが、観察手順が煩雑である上、処理時間が冗長となる課題が残る。

次に、図３−Ａを用いて本実施例のプリチャージ手法について説明する。本実施形態は、プリチャージ中に予め定めた時間毎に電子線の走査方向を切替える技術に関するものである。以下、このように電子線の走査方向を切替えることをラスターローテーションと呼ぶ。図３−Ａのように、所望の帯電形成条件とした電子線を、初期状態の電子線走査領域Ａ３０１へ電子線走査方向ａ３０２にて、時間ｔの間照射する。次に、電子線走査領域Ａ３０１を所定の角度θ３０５回転させ、次ステップの電子線走査領域Ｂ３０３へ電子線走査方向ｂ３０４にて、時間ｔの間照射する。以下、同様に電子線走査領域を角度θ３０５回転させ、時間ｔの間照射するステップを繰り返す。所定の終了条件を満たしたら、プリチャージ処理を終了する。終了判定には時間の他、角度θ３０５の和を適用しても良い。

図３−Ｂはコンタクトホールが連続配置された試料１１０上の部位において、図３−Ａに示したような方法を用いてプリチャージを実施する例を示したものである。プリチャージにより正帯電が形成されると、正常部３１１ではホール底部の輝度が高まるのに対し、欠陥部３１２では絶縁膜の残渣によりホール底部が非開口となっており、ホール底部の信号が得られず輝度が相対的に低くなる。このようにして、欠陥レビュー装置にて欠陥部の特定が可能となる。

図１に示すような典型的な走査電子顕微鏡では、Ｘ，Ｙの二方向に偏向器１０７が設けられ、ある基準となる電子光学条件で試料のＸ，Ｙ方向と走査方向が一致するように、偏向器１０７の向きが決定されている。一方で、コンデンサレンズ１０５のクロスオーバーを制御してアパーチャ１０６を通過する電子線１０４の電流量を変化させたり、試料１１０の高さ変化に対応するために対物レンズ１０８の電流量を変化させたりすると、レンズを通過する際の電子線１０４の回転角が変化するため、走査方向が試料１１０のＸ，Ｙ方向と一致しなくなってしまうことがある。このような走査方向の回転に対応するため、制御部１１４に設けられた偏向電流制御回路において回転角を反映するような制御が行われているのが一般的である。従来、コンタクトホール観察を目的としたプリチャージにおいては、試料１１０上のパターン形状に対して最適な走査方向となるように、ラスターローテーションにて対応することはあったものの、プリチャージ前あるいは後に行われるのみであり、従来技術の課題に示したような電子線傾斜の問題が存在した。一方、図３−Ａに示すプリチャージ手法では、プリチャージ中に回転角を随時変更しているので、一箇所に対して複数の走査方向からプリチャージの走査を行っており、従来のプリチャージ手法よりも試料面内で均一性の高い帯電形成が可能となる。尚、走査方向の回転には必ずしも制御部１１４の偏向電流制御回路を用いる必要は無く、例えば試料１１０を設置するステージに回転機構を備えたり、偏向器自体を回転させる機構を設けたりしても良い。但し、ラスターローテーションが画像中心対称に回転するのに対して、ステージや偏向器に機構を設ける場合は回転中心が画像中心と一致しなくなる恐れがあるため、コストや制御の煩雑さを考慮するとラスターローテーションによる方式の方が簡易である。また、電磁偏向器と別個に静電偏向器を設けても良い。

図４は、図２に示したコンタクトホールの構造に対し、図３−Ａに示したプリチャージ中にラスターローテーションを行う技術を適用した例である。シリコンウェーハ４０１上に形成された絶縁膜４０２に対し、プリチャージ処理において初期状態（ｔ＝０）の電子線照射方向４０３にてプリチャージが行われている。時間ｔが経過した後、照射方向を角度θ３０５回転させ、次ステップの電子線照射方向４０４にてプリチャージを時間ｔ行う。プリチャージ過程において、絶縁膜４０２の電子線が照射された領域では正帯電４０５が形成される。本実施例では、図示の都合上θ＝１８０°とする。電子線の照射方向を変更しながら照射することにより、図２のように一方向からの電子線照射では正帯電４０５が形成されなかった領域まで正帯電４０５が形成されるようになり、コンタクトホール内壁の正帯電４０５が均等となる効果が得られる。尚、上記実施例では回転角度θ＝１８０°としたが、言うまでもなく角度θは任意の値であって良く、また複数ステップを経た結果、角度θの和が３６０°以上、即ち視野が一周以上回転するような条件とすることも当然可能である。更に、各ステップの時間を一定とせず、ＧＵＩを通して照射方向によって個別に処理時間を設定しても良く、それによってあるステップの電子線照射がプリチャージ領域全体に及ばないうちに次ステップへ遷移する条件とすることも可能である。但し、各ステップの時間を一定としない場合は絶縁膜４０２の正帯電４０５が不均一となる恐れがあるため、試料に照射する電子線の電流量や電子線走査の速度を勘案して、条件を決定すると良い。

コンタクトホール内壁では、電子線照射によって発生した二次電子がコンタクトホールから脱出可能な仰角が限られるため、帯電量自体は必ずしも絶縁膜４０２表面と均一とならない可能性がある。しかし、この高さ方向の電位分布は、コンタクトホールの底で生じた二次電子に横方向の偏向を与えるものではなく、また電位分布自体が二次電子を絶縁膜４０２表面へ引上げる作用を与える場合もあるため、コンタクトホール観察に支障を与えない。以上のように、プリチャージ中にラスターローテーションを行うことで、従来技術によるコンタクトホール観察における電子線傾斜の問題を回避でき、コンタクトホール観察を簡便かつ高速に行うことが可能となる。また、電磁偏向器と別個に静電偏向器を設けても良い。

尚、以上の説明ではコンタクトホール観察を行う例を示したが、これは本発明の適用範囲を限定するものでは無い。試料上に絶縁膜に形成される立体構造には、コンタクトホールの他に溝形状等もあり、これらに本発明を適用しても以下の実施例で示すのと同様な効果が期待できるのは言うまでも無い。上記は以下の本発明の各実施形態についても同様である。

次に本発明の第一の実施例によらず従来技術の課題を解決する、本発明の第二の実施例について説明する。本実施例では、電子線の傾斜によるコンタクトホール内の帯電不均一を解決する手法として、プリチャージを実行するときに試料に対する電子線の入射角度を制御する方法を示す。本実施例では、プリチャージに用いる電子線を、試料上の一箇所に対して同じ走査方向から複数回走査する例を説明する。当該複数回の走査においては、前記一箇所に対して電子線の入射角度が異なる走査が含まれるように制御する。

図５は電子線傾斜技術を備えた電子顕微鏡を示す説明図である。なお、走査電子顕微鏡の全体構成については実施例１で説明した構成と同様であって、本実施例においても、アライナ，偏向器等を含む電子光学系の各構成部は、制御部によって制御される。図５の例では、対物レンズ５０３へと入射する電子線５０１の物点と一致するようにアライナ５０２が設けられており、対物レンズ５０３を通過した電子線５０１はアライナ５０２の偏向作用の有無によらず、試料５０４上で一点に収束される。この例では、電子線５０１はアライナ５０２にて偏向作用を受け、光軸５０５から外れた対物レンズ５０３の軸外へと入射された後、対物レンズ５０３の収束作用によって試料５０４に対して傾斜して入射する。この傾斜角度は、アライナ５０２での偏向角度に対物レンズ５０３の縮小率の逆数を乗じたものとなり、一般に電子顕微鏡では対物レンズ５０３の縮小率は１０倍〜１００倍程度と非常に大きいため、アライナ５０２の偏向量を大きくせずとも傾斜角を大きく取ることが可能である。

但し、複数の異なる電子光学条件にて画像を取得する装置では、全ての条件において対物レンズ５０３の物点が一致しない場合がある。このような場合はアライナ５０２を偏向方向が逆向きとなるように上下に２段設け、双方の偏向量比を制御して仮想的に偏向支点を対物レンズ５０３の物点と一致させ、電子線５０１の傾斜に伴う試料５０４面での偏向位置変化を防止するような制御方法とすべきである。また図５では図示の都合上、アライナ５０２は一組しかないがこれは本実施例の実施形態を制約することでは無いのは言うまでも無い。Ｘ，Ｙの二方向に傾斜制御可能なように複数組のアライナを設け、傾斜角（試料５０４の鉛直方向に対する角度）のみならず方位角（試料５０４を鉛直上方から見た場合に時計ないし反時計方向に回転する角度）も制御することが一般的である。なお、傾斜角と方位角を合わせて電子線の入射角ということにする。

傾斜角，方位角の設定、またはこれらの切替えタイミングについては予め固定値に設定されていてもよいし、後述するようにユーザが設定できるＧＵＩを表示部に表示してもよい。

次に、図６−Ａ，図６−Ｂを用いて本実施例のプリチャージ手法について説明する。本実施形態は、プリチャージ中に予め定めた時間毎に電子線の入射角度を切替える技術に関するものである。図６−Ａのように所望の帯電形成条件とした電子線６０１を、プリチャージ領域Ａ６０２に電子線走査方向ａ６０３にて照射する。この時電子線傾斜角θｔ６０４を一定として、方位角θ−ｄ１６０５にて時間ｔの間照射を行い、続いて図６−Ｂのように異なる方位角θ−ｄ２６０６にて時間ｔの間照射する。以下、同様に方位角を順次切替えながら時間ｔ照射するステップを繰り返し、所定の終了条件を満たしたらプリチャージ処理を終了する。尚、以上の繰り返し動作の際に設定される方位角は、図４で示すようにコンタクトホールに異なる電子線照射方向からプリチャージを実施する観点から、初期方位角θｄ−１６０５に対し１８０°異なる方位からのプリチャージを含むように設定すべきである。

このような技術を適用することで第一の実施例と同様、コンタクトホール内壁の正帯電４０５が均等化できるという効果が得られる。本実施例においては、試料上の一箇所に対する走査方向は同じであっても、複数の入射角度から電子線を入射することで、帯電形成を均一化することを可能としている。尚、本実施例では電子線傾斜技術を方位角の制御のみに使用する例を説明したが、これに加えて傾斜角度も時間に応じて変化させても良い。これにより、帯電形成の過程でプリチャージ領域内のパターン粗密等による帯電分布の不均一が生じた場合に、この不均一に起因する横方向の電界による電子線傾斜をキャンセルすることが可能となり、プリチャージに用いる電子線を所望の位置に所望の方向から照射することができるので、コンタクトホール内の帯電状態を均等に維持する効果が期待される。

以下、本実施例の説明を行うが、初めに、図７を用いて本実施例の課題および解決手段の原理説明を行う。図７−Ａはシリコンウェーハ７０１上に絶縁層７０２と不純物を含むシリコン層７０３が繰り返し形成され、最表面が絶縁膜７０４となっている試料である。このような試料に開口されたコンタクトホールに対し、従来技術により電子線傾斜のない状態としてプリチャージを実施すると、図７−Ｂのように最表面の絶縁膜７０４に正帯電７１１が形成される。従来技術によるプリチャージでは、正帯電の電界がコンタクトホールの底で発生した二次電子を引上げるように作用することで、コンタクトホール観察を可能としているが、図７の試料では中間層にシリコン層７０３が存在するため、この層に照射された電子線の電荷が急速に拡散して帯電が形成されず、電界がコンタクトホールの底まで浸透しない。従って、コンタクトホールの底で発生した二次電子のうち、低仰角二次電子７１２は試料表面まで到達できずコンタクトホール内壁で失われ、高仰角二次電子７１３のみ試料表面まで到達し、検出器の信号となり得る。

コンタクトホールのアスペクト比を２０とすると、幾何学的に試料表面まで到達可能な仰角成分は、

となる。実際には二次電子はリターディング電界やブースタ電極１０９による引き上げ電界，コンタクトホール内壁の帯電等の影響を受けるので、必ずしも式（２）の通りとはならないが、何れにせよ図７−Ｂの高仰角二次電子７１３に分類される二次電子の量は極めて少なく、コンタクトホール観察に不適切である。以上が図７のような試料に開口したコンタクトホール観察を行う上での従来技術の課題である。

次に図７−Ｃを用いて、本発明を適用した場合の効果を説明する。尚、本実施例のプリチャージには実施例１または実施例２のプリチャージ技術を使用することが可能である。本発明を適用することで、コンタクトホール内壁を均一に帯電するようなプリチャージが実施可能となり、最表面の絶縁膜７０４だけでなく、中間層の絶縁層７０２まで正帯電７２２が及ぶ。この結果、コンタクトホールの底で発生した二次電子には、試料表面方向への引き上げ作用が生じるだけでなく、接地電位となる中間層のシリコン層７０３で一度減速されることで集束作用が働く。これが中間層の数だけ繰り返されることで、試料表面へ到達し検出器の信号となる二次電子７２１の量が従来技術による場合に比べ飛躍的に増大する。電位を持つ絶縁層７０２を、電位を持たないシリコン層７０３が挟むように配置される構造は、走査電子顕微鏡では一般的に使用されている静電レンズのアインツェルレンズに類似している。

つまり、本実施形態に示すような絶縁物と半導体層が繰り返し形成されたような試料においては、本発明を適用することで試料内に静電レンズを形成し、コンタクトホールの底で生じた二次電子に集束作用を与えることで、従来技術では観察困難であった絶縁層７０２とシリコン層７０３が交互に配置されたデバイスの穴底観察が可能となる。

図７−Ｃのような正帯電７２２を形成するためには、コンタクトホール内壁へ電子線を照射することが必要なため、電子線を傾斜させることが求められる。但し、従来技術の課題の説明で示したように、電子線をレンズ中心に通すアライメントコイルによる軸補正によっても傾斜が発生するため、本発明の実施例１の技術を利用するだけで図７−Ｃのような正帯電７２２を形成することができる。ただし式（２）で示したように、アスペクト比の高いコンタクトホールでは数°以上の電子線傾斜があると、コンタクトホールの底付近の内壁に電子線照射が困難となることから、実施例１の技術に加えて電子線傾斜技術を用いると良い。尚、プリチャージ中に電子線の入射角（傾斜角または方位角）を随時変更する実施例２の技術を用いる場合であっても、傾斜角は上記の制約内に収まるよう制御する必要がある。

従来技術によるコンタクトホール観察においては、傾斜角度制御技術を適用した場合の効果は傾斜抑制に限定されるのに対し、本実施例のようにプリチャージ中にラスターローテーションを行う技術（実施例１）や、プリチャージ中に電子線傾斜角・方位角を切替える技術（実施例２）を用いることで、コンタクトホールのアスペクト比に合せて傾斜角度制御を行い、コンタクトホール内壁へ最適な正帯電７２２を形成することが可能となり、従来観察困難であった穴底の画像を取得することが可能となる。

第一の実施形態では、一般的な電子線走査方法、即ちＸ方向ラインを走査した後、走査位置をＹ方向にずらし、再びＸ方向ラインを走査する動作を繰り返しながらプリチャージを行い、走査方向を変化させてさらに同様にＸ，Ｙ方向走査を行っている。このようなＸ，Ｙ方向の電子線走査方法では、電子線が走査される回数が画像中心部で多くなり、正帯電のプロファイルがプリチャージ領域中心を頂点とする凸型となる。この場合、絶縁膜の種類や試料構造によって程度は異なるものの、正帯電領域の中心以外の領域では横方向の電界により電子線や二次電子が偏向され、観察に支障を来たす恐れがある。

本実施例では、第一の実施形態で説明したプリチャージを実行する際に、電子線の走査方向Ｘ，Ｙのうち一方向を固定し回転させることで形成されるリング状領域に分けて段階的にプリチャージすることで上記課題を解決している。このような電子線の走査方法をスパイラルスキャンと呼ぶ。

以下、図８を用いて本実施形態のプリチャージ手法について説明する。図８−Ａはプリチャージ時に電子線を照射する領域を示した図である。従来技術によるプリチャージの照射領域８０１のＹ方向を最上部ライン８０２に電子線が走査される状態に固定し、プリチャージを行いながらラスターローテーションにて３６０°回転させると、画像中心を中心としてプリチャージの照射領域８０１に外接する半径ｒ１ ８０５の円８０３から、プリチャージの照射領域８０１に内接する半径ｒ２ ８０６の円８０４を引いたリング状領域Ａ８０７にのみ、プリチャージ処理が可能となる。つまり、このような走査は、２次元走査パラメータのうち一方を固定値とすることで一次元走査（例えば最上部ライン８０２とし、この一次元走査ラインの中点が半径ｒ２ ８０６の円８０４に接して走査されることで達成される。上記のようにして一段目のプリチャージを行う。図８−Ａ下段にはこの時に形成される正帯電Ｖｓの模式図８０８を示す。このリング状領域Ａは観察対象の中心と同じ中心を持っており、最上部ライン８０２の長さと中心からの距離によって決定される。

電子線走査位置の固定には、電流制御回路の出力にオフセットを加算する方法の他、偏向器内に電子線走査用コイルとは別に偏向作用を持つ二段のコイルをＸ，Ｙの二方向分設け、それらに電流を静的に印加する方法が考えられる。前者は通常の偏向電流に加え、オフセット分の出力裕度を電流制御回路に設ける必要があるが、走査電子顕微鏡の構造が簡易であり、後者は各電流制御回路の最大出力が前者に比べ少なく済む一方、走査電子顕微鏡の構造が若干複雑となる。この他、静電偏向器を用いても良い。何れにせよ、帯電均一化による効果が大きい欠陥レビュー装置においては、光学式あるいは電子線式の半導体検査装置にて得られた検査データから求めた欠陥位置の誤差補正が必要となるため、必然的に画像視野をオフセットさせる機能を備えている。従って、本実施例の前提となる電子線の走査方向Ｘ，Ｙのうち一方向を特定の位置に固定することは、制御要素を新たに設けることなく実現可能である。

次に二段目のプリチャージを行う。図８−Ｂのように、始めのステップにて電子線走査を固定した位置８１１から、Ｙ方向に画像中心に向けてシフトした位置８１２に電子線走査を移動させる。この状態で始めのステップ同様に、ラスターローテーションを行うと新たにリング状領域Ｂ８１３に対してプリチャージが実施される。リング状領域Ｂ８１３にプリチャージを行っている間、始めのステップにて正帯電を形成したリング状領域Ａ８０７のうちリング状領域Ｂ８１３と重複しない領域Ｃ８１４にも正帯電が残留しているため、リング状領域Ｂ８１３へのプリチャージ後は領域Ｂ８１３と領域Ｃ８１４を合せた範囲に、図８−Ｂ下段に示す模式図８１５のような正帯電Ｖｓが形成される。

以上のようにＹ方向のシフトを順次行い段階的にプリチャージを実行し、最終的に図８−Ｃのように画像中心を通る位置８２２に電子線走査が到達する。この状態でラスターローテーションを行うと領域Ｄ８２３にプリチャージが実施され、それまでにプリチャージを実施した領域Ｅ６２４と合わせた範囲、即ち従来技術によるプリチャージの照射領域８０１を３６０°回転させた領域全域に、下段に示す模式図８２５のような正帯電Ｖｓが形成される。

本実施例で説明した電子線走査方法では、プリチャージ領域を半径方向に複数の同心なリング状に分けて処理できるため、それぞれのステップの処理時間を可変とすることで正帯電のプロファイルを制御可能となる。これにより、プリチャージ領域全面で均一な正帯電を形成することができ、この正帯電領域の中心以外の領域における横方向の電界による偏向の問題を回避できる。また、副次的な効果として従来技術に比べ帯電領域の面積が広がることで、電位按点の電位が高まる効果が期待できる。更に外側から内側へプリチャージを実施することで、逆の場合に比べてプリチャージ時に生じる電位按点の電位を高くでき、正帯電の到達電位を高めることが可能となる。

加えて、各ステップの処理時間を調整できるようにしてもよい。外側のリング状領域に内側のリング状領域より長い処理時間を設定することで、意図的にプリチャージ領域の外側を中心付近より高い電圧に正帯電させることで、プリチャージ領域中心を高倍観察する場合に、試料に戻る二次電子が観察領域外へ多く引寄せられることで、観察領域の帯電が長く持続する効果が得られる。この効果は、プリチャージ領域と観察領域の中心が一致するように運用されることの多いパターン測長装置（ＣＤ−ＳＥＭ）で特に有効である。各ステップの処理時間は予めユーザが画面に表示されたＧＵＩを通して設定できるようにしてもよいし、装置が自動的に設定してもよい。

以上のような複数の効果が見込めることから、本実施例では外側から内側へと電子線走査領域をシフトする例を示したが、これは本発明の適用方法を限定するものではなく、内側から外側へと電子線走査領域をシフトしても良い。また、各ステップの時間を可変とする例を示しているが、全ての時間を一定値としても良い。

また本実施例では説明のためリング状領域に分けるとしたが、必ずしもリング状領域を設定する必要はなく、プリチャージされる箇所に電子線が入射する方向が複数あるようなスキャン方法ならよい。例えばスキャンをＸ，Ｙともに一点に固定してラスターローテーションによってらせん状に連続的にスパイラルスキャンを行ってもよい。

また、何れのスキャン方法であっても、コンタクトホール内壁の帯電均一化の観点から電子線傾斜技術を用いて複数の方位から電子線が入射されるように制御するとよい。すなわち、図８−Ａ，図８−Ｂ，図８−Ｃに示した方法ではプリチャージ領域の任意の一箇所に対して２方向から電子線が走査されるが、この２方向は半径ｒ２の円と当該一箇所との位置関係によって決定され、当該一箇所に対して必ずしも３６０度全方向から電子線が照射されない。このため、図４で説明したようにコンタクトホールの全方向を均一に帯電させることが難しい場合がある。そこで、電子線の傾斜角や方位角を制御しながら上記のようなスキャン方法で当該一箇所に対して複数回走査することで、コンタクトホール内の帯電均一化とプリチャージ領域全体の帯電も均一化の両方を行うことができる。この場合、前記２方向の走査において異なる入射角となるように電子線を制御してもよいし、図８−Ａの領域Ａ８０７のようなリング状領域に対してラスターローテーションの回転角を３６０度以上として複数周にわたって当該リング状領域に帯電を行い一周毎または当該一箇所に対する一走査毎に入射角を制御してもよい。

以下、図９を用いて第五の実施形態を説明する。図９は実施例１−４を適用した図１の走査電子顕微鏡の表示部１１５に表示される、プリチャージ処理を制御するソフト画面の一例である。以下、この画面をプリチャージウィンドウと呼ぶ。図９−ＡのプリチャージウィンドウにはRotationチェックボタン９０１とBeam Tiltチェックボタン９０２及び傾斜角度入力部９０３が設けられている。Rotationチェックボタン９０１とBeam Tiltチェックボタン９０２が選択されることで、以下に述べる対応する機能が付加された状態でプリチャージを実施することが可能となる。

Rotationチェックボタン９０１が選択されると、プリチャージ中にラスターローテーションを行う機能がＯＮとなる。この状態でプリチャージを実行することにより、実施例１，４で示した処理のうち、少なくとも一方が実施される。実施例１で説明したラスターローテーションを選択するか、実施例４で説明したリング状プリチャージを選択するか選べるようにしてもよい。

Beam Tiltチェックボタン９０２が選択されると、実施例２で示したようにプリチャージ中に電子線の傾斜を行う処理が実施される。この際、傾斜角度入力部９０３に入力された角度となるよう、制御部１１４にて装置各部の制御が行われる。尚、電子線の傾斜のみでは実施例２で意図するような効果は現れないため、Beam Tiltチェックボタン９０２が選択された際はプリチャージ中に方位角切替えを行う機能もＯＮとなる。なお、方位角切替えのタイミングは予め設定されていてもよいが、方位角は少なくとも１８０度対称な角度を選択するようにするとよい。

次に図９−Ｂにて試料のアスペクト比情報を元に、電子線の傾斜角度を求める方法の例を説明する。図９−ＢにはBeam Tiltチェックボタン９０２に従属してAspect Ratio入力部９１１が設けられている。このAspect Ratio入力部９１１には試料１１０上に形成されたコンタクトホールのアスペクト比が入力され、幾何学的にコンタクトホールの底中央部に電子線を照射可能となる軌道を求める、以下の式に基づいて電子線の傾斜角度が計算される。

ここで、式（３）中のａは傾斜角度の補正値である。第三の実施形態の説明に示した通り、走査電子顕微鏡ではビームアライメント電子線傾斜は多少なり発生しており、また試料自体も完全に平坦では無く、また多少の傾斜が考えられるため、幾何学的な計算値のまま傾斜角度を決定するとコンタクトホールの底のうち、外周部にしか電子線照射を行えなくなる恐れがある。従って、本実施例のプリチャージ手法においては電子線の傾斜角度に一定の裕度を持たせるよう、補正値ａを加えた方が良い。補正値ａを決定するに当たっては、試料の材質や構造，電子光学条件によっても電子線の軌道が変化する点に留意し、それらに合せて条件を調整すべきである。また、この補正値はラスターローテーションの角度に応じて適宜調整することで、試料自体の傾斜を打ち消しながら最適な傾斜角度にてプリチャージを実行できる。

以上、本実施例の走査電子顕微鏡の表示部、及び電子線傾斜の角度制御方法の一例を示したが、本実施例の表記はそれ以外の方法を制約するものでない。例えば、各チェックボタンが選択された際にボタンの色を反転表示して判別を容易にしたり、チェックボタンの代わりにプルダウンメニューを用いたりしても良い。更に、電子線の傾斜角度を求める方法についても、本実施例に示したアスペクト比を入力パラメータとする方法以外に、膜厚を入力パラメータとする方法が考えられる。この場合、コンタクトホールの開口部の径を測長して求め、これを膜厚で除してアスペクト比を求めることができる。この方法はパターン測長を目的とするＣＤ−ＳＥＭでは自動測長機能を備えることが自明であるため、装置に新たな機能を付加すること無く自動で電子線の傾斜角度を決定することができる。

更に、開口部の径はプロセス条件によって変動することが考えられるため、観察点に合せて最適角度を求めることができる点も優位である。また上記の何れか、あるいは複数の方法について、条件をメモリに保存しておき必要に応じて読み出すことで、設定を簡便に行うプリセット機能を設けても良い。

１０１ 電子源
１０２ 引き出し電極
１０３ 陽極
１０４，２０３，５０１，６０１ 電子線
１０５ コンデンサレンズ
１０６ アパーチャ
１０７ 偏向器
１０８，５０３ 対物レンズ
１０９ ブースタ電極
１１０，５０４ 試料
１１１，７２１ 二次電子
１１２ 検出器
１１３ リターディング電源
１１４ 制御部
１１５ 表示部
１１６ 記憶手段
１１７ 画像処理部
２０１，４０１，７０１ シリコンウェーハ
２０２，４０２，７０４ 絶縁膜
２０４，４０５，７１１，７２２ 正帯電
３０１ 電子線走査領域Ａ
３０２，６０３ 電子線走査方向ａ
３０３ 電子線走査領域Ｂ
３０４ 電子線走査方向ｂ
３０５ 角度θ
３１１ コンタクトホール正常部
３１２ コンタクトホール欠陥部
４０３ 初期状態の電子線照射方向
４０４ 次ステップの電子線照射方向
５０２ アライナ
５０５ 光軸
６０２ プリチャージ領域Ａ
６０４ 電子線傾斜角
６０５，６１１ 方位角
７０２ 絶縁層
７０３ シリコン層
７１２ 低仰角二次電子
７１３ 高仰角二次電子
８０１ 従来技術によるプリチャージの照射領域
８０２ 最上部ライン
８０３，８０４ 円
８０５ 半径ｒ１
８０６ 半径ｒ２
８０７ 領域Ａ
８０８，８１５，８２５ 模式図
８１１ 始めのステップにて電子線走査を固定した位置
８１２ 次のステップにて電子線走査を固定する位置
８１３ 領域Ｂ
８１４ 領域Ｃ
８２１ 次のステップにて電子線走査を固定した位置
８２２ 最終ステップにて電子線走査を固定する位置
８２３ 領域Ｄ
８２４ 領域Ｅ
９０１ Rotationチェックボタン
９０２ Beam Tiltチェックボタン
９１１ Aspect Ratio入力部

Claims (13)

1. 試料に対して一次電子線を走査することにより前記試料のプリチャージを実行し、当該プリチャージが実行された試料上の領域に前記一次電子線を走査して得られる二次電子または反射電子を検出する走査電子顕微鏡において、
   前記一次電子線を前記試料に対して走査し、かつ前記検出された二次電子または反射電子に基づく信号を出力する電子光学系と、
   前記電子光学系を制御する制御部とを備え、
   当該制御部は、前記プリチャージの実行時には、該プリチャージの実行領域に対して、入射角の異なる複数の方向から前記一次電子線が走査されるように前記電子光学系を制御することを特徴とする走査電子顕微鏡。
2. 請求項１に記載の走査電子顕微鏡において、
   前記制御部は、前記一次電子線をＸＹ平面内で二次元走査させ、
   更に、当該二次元走査の走査領域を、前記プリチャージの実行領域の中心を回転中心とする平面内で回転させることを特徴とする走査電子顕微鏡。
3. 請求項１または２のいずれか１項に記載の走査電子顕微鏡において、
   前記プリチャージの実行時に行われる前記一次電子線の走査の向きが一定時間毎に変化することを特徴とする走査電子顕微鏡。
4. 請求項１に記載の走査電子顕微鏡において、
   前記試料に対する前記一次電子線の入射角度または前記試料のアスペクト比を設定するＧＵＩが表示される表示画面を備えることを特徴とする走査電子顕微鏡。
5. 試料上の所定領域に対して一次電子線を走査することにより当該所定領域のプリチャージを実行し、当該プリチャージの実行領域に含まれる領域に対して前記一次電子線を走査して当該走査領域の画像を取得する走査電子顕微鏡において、
   前記一次電子線を前記試料に対して走査する電子光学系と、
   前記電子光学系を制御する制御部とを備え、
   前記所定領域に対し当該所定領域を含むようなリング形状の走査領域を設定し、前記走査領域を変形しながら前記一次電子線を照射することにより、前記プリチャージを実行することを特徴とする走査電子顕微鏡。
6. 請求項５に記載の走査電子顕微鏡において、
   前記リング形状の走査領域を帯電処理する時間を前記リング形状の走査領域の外径毎に設定可能なＧＵＩが表示される表示画面を有することを特徴とする走査電子顕微鏡。
7. 請求項５に記載の走査電子顕微鏡において、
   プリチャージ処理の条件設定をするＧＵＩを有し、前記ＧＵＩは前記リング形状の走査領域を用いてプリチャージを行うモードの選択手段を有することを特徴とする走査電子顕微鏡。
8. 請求項５に記載の走査電子顕微鏡において、
   前記制御部は、前記設定されたリング形状の走査領域に対して、スパイラル走査を実行するよう前記電子光学系を制御することを特徴とする走査電子顕微鏡。
9. 試料に電子線を走査することによりプリチャージを実行し、前記プリチャージの実行領域に含まれる領域に対して前記電子線を走査して画像を取得する走査電子顕微鏡において、
   前記電子線を前記試料に対して走査する電子光学系と、
   前記電子光学系を制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、前記電子線の走査ラインの中点が所定の円周に接しながら、前記走査ラインを回転させて走査するように制御することを特徴とする走査電子顕微鏡。
10. 観察領域を含む領域をプリチャージ照射領域に設定するステップと、
    観察領域の中心と同心の第一のリング状領域を複数の走査方向から走査を行う第一のプリチャージステップと、
    前記第一のリング状領域と同心であって、前記第一のリング状領域とは異なる外径の第二のリング状領域を複数の走査方向から走査を行う第二のプリチャージステップと、
    前記第一のプリチャージステップと前記第二のプリチャージステップを繰り返すことにより、プリチャージ処理が完了した前記観察領域を観察するステップとを有する試料観察方法。
11. 試料に対して一次電子線を走査することにより前記試料のプリチャージを実行し、当該プリチャージが実行された試料上の領域に前記一次電子線を走査して得られる二次電子または反射電子を検出することで画像を取得する画像取得方法において、
    前記プリチャージは、該プリチャージの実行領域に対して、入射角の異なる複数の方向から前記一次電子線が走査されることによって行われることを特徴とする画像取得方法。
12. 試料上の所定領域に対して一次電子線を走査することにより当該所定領域のプリチャージを実行し、当該プリチャージの実行領域に含まれる領域に対して前記一次電子線を走査して当該走査領域の画像を取得する画像取得方法において、
    前記プリチャージは、前記所定領域に対し当該所定領域を含むようなリング形状の走査領域を設定し、前記走査領域を変形しながら前記一次電子線を照射することにより行われることを特徴とする画像取得方法。
13. 試料に電子線を走査することによりプリチャージを実行し、前記プリチャージの実行領域に含まれる領域に対して前記電子線を走査して画像を取得する画像取得方法において、
    前記プリチャージは、前記電子線の走査ラインの中点が所定の円周に接しながら、前記走査ラインを回転させて走査するように行われることを特徴とする画像取得方法。

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