JPH0221552A - 電子ビーム装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要］ 半導体装置の内部の動作状態を観測することができる電
子ビーム装置に係り、特に短Ｗ、Ｄ（ワーキングデイス
タンス）を目的として、対物レンズ内または対物レンズ
より、電子ビーム源寄りにエネルギー分析器を設けたイ
ンレンズ分析器の改良に関し、 平面グリッドを有するインレンズ分析器の形式で、エネ
ルギー分析特性の二次電子放出角と放出位置に対する依
存性を最小にすることができ、その結果、高精度測定が
できる限り大きな領域で行なえる電子ビーム装置を実現
することを目的とし、電子ビームを試料面に入射する対
物レンズの内部に、いずれも平面メツシュ状の二次電子
引出グリッドと、二次電子を減速してそのエネルギーを
分析する分析グリッドとを具えてなる電子ビーム装置に
おいて、 前記試料面と分析グリッド間に分布する対物しンズ磁界
を、前記二次電子に対しては実質的に２つのレンズとし
て機能するようにし、さらに第１のレンズは第２のレン
ズの手前に二次電子試料像を結像し、第２のレンズの焦
点は、前記二次電子試料像に一致するように配置した構
成とする。

〔産業上の利用分野〕

本発明は半導体装置の内部の動作状態を観測することが
できる電子ビーム装置に係り、特に短ＷＤ（ワーキング
デイスタンス）を目的として、対物レンズ内または対物
レンズより、電子ビーム源寄りにエネルギー分析器を設
けたインレンズ分析器の改良に関するものである。

〔従来の技術〕

ＬＳＩ等の半導体装置においては、一般に入出力端子が
接続されている部分を除き、その内部における電子回路
の動作状態を外部から調べることは不可能である。

しかしながら、半導体装置の動作を解析したり、または
障害の調査を行う等の場合においては、内部回路の動作
状態を知る必要がある。この要求に対して、半導体装置
に電子ビームを照射したとき放出される二次電子が、照
射箇所の電位に相当するエネルギー（速度）を有するこ
とを利用して、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の電子ビー
ム鏡筒と同様の機構によって半導体装置面の各部を走査
し、発生する二次電子のエネルギーを分析することによ
り、その半導体装置における各部の電位分布を測定する
電子ビーム装置が開発されている。

このような電子ビーム装置における二次電子のエネルギ
ー分析器は、一般に試料に近接して設けることが望まし
いが、この場合、電子ビーム鏡筒は、所望の空間分解能
（０，数μｍ）を得るためには、対物レンズのＷＤを短
くする必要があるので、エネルギー分析器を対物レンズ
内または対物レンズより上方（電子ビーム源寄り）に設
けるインレンズ分析器の形式がとられる。

このような電子ビーム装置における二次電子のエネルギ
ーの分析は、二次電子を減速する電圧の与えられた減速
グリッドを設け、このグリッドを通過する二次電子を検
出することによって行われる（減速電界型分析器）。イ
ンレンズ、分析器の場合、エネルギー分析を行う減速（
分析）グリッドの形式として、半球状のグリッドを有す
るものと、平面状のグリッドを有するものとがある。半
球状のグリッドを有するものは、エネルギー分析精度は
良いが、レンズ上方に大きなスペースを必要とし、その
ため電子ビーム鏡筒の構成上の障害になるという問題を
有しいる。一方、平面状のグリッドを有するものは、小
型化は容易である反面、二次電子が、分析グリッドに斜
めに入射するため、エネルギー分析精度が悪いという問
題がある。

そこで、エネルギー分析を行なう分析グリッドを平面状
とした場合にも、電圧測定精度の良い電子ビーム装置が
要望される。

従来、このタイプのエネルギー分析器としては、試料面
から二次電子を引き出すための引出グリッドと、エネル
ギー分析用の分析グリッドとの両方を平面状に構成し、
単に対物レンズの内部に設けたもの（特開昭５８−１９
７６４４）や、さらに対物レンズ磁界あるいはコリメー
トグリッドにより、二次電子をフォーカスさせるように
したもの（特開昭５９９０３４９　）が公知である。

第４図は従来のエネルギー分析器の構成を示したもので
ある。同図において図示されない上方の電子ビーム源か
ら射出されて、対物レンズ１で収束された電子ビーム２
が、試料Ｌ　Ｓ　Ｉ　３の面に照射されるように構成さ
れている。対物レンズ１の試料面に近い部分に、試料Ｌ
ＳＩ３から放出される二次電子を加速して引き出すため
のメツシュ状の引出グリッド４が設けられている。引出
グリッド４には、適当な（数１００Ｖ）の正電位が与え
られている。引き出された二次電子は、引出グリッド４
の網目を通過して上方に向かい、対物レンズ上部に設け
られた同様なメツシュ状の分析（減速）グリッド５に達
し、分析グリッド５の電圧以上のエネルギーを有するも
のだけがこれを通り抜けて、二次電子検出器６によって
補足・検出されるようになっている。７は、この場合の
二次電子の軌道を示している。

〔発明が解決しようとする課題〕

第４図に示されたエネルギー分析器は、引出グリッド４
および分析グリッド５として、平面状のものを用いてい
る。二次電子軌道７は、一般に第５図に示される形状で
あって、対物レンズ１の磁界による収束作用（レンズ作
用）を受けて、光軸上の測定点から放出される二次電子
は、分析グリッド５への入射角は小さくなるが、光軸外
の測定点から放出される二次電子は、依然として全体的
に斜めに入射するため、測定点の位置により、エネルギ
ーの測定に誤差を生じる。

第５図は、従来のエネルギー分析器内における二次電子
軌道とエネルギー分析誤差を説明するものである。図に
おいて、（ａ）は対物レンズ１の磁界分布を示し、試料
面から電子ビーム源方向にとった距離Ｚ（ｍｍ）に対す
る対物レンズ軸上の磁束密度Ｂｚは、図示のように単一
のピークを有する。

二次電子は、このようなレンズ磁界と、引出グリッド４
、分析グリッド５のそれぞれの電位に基づいて生じる静
電界の重畳された空間を走行することによって、■）に
示すような二次電子軌道を描く。■は軸上から放出され
た二次電子に対するもの、■は軸外から放出された二次
電子に対するものである。また、共に５ｅＶの二次電子
がα＝０〜８０°の角度で放出される場合を例示してい
る。

ここで軸上放出■の場合は、分析グリッド５への入射角
は５°程度に抑えることは可能であるが、そうすると軸
外放出■の場合に、二次電子軌道が傾斜（〜１５°）し
てしまう。その結果、軸外にある測定点に対しては、二
次電子の分析グリッド５に対する垂直速度成分が小さく
なってしまい、本来通過できる二次電子が通過できなく
なり、エネルギー分析結果に誤差を生じることになる。

すなわち、高精度電圧測定可能領域が掻端に小さくなっ
てしまうという問題点を生じていた。

第５図において、（Ｃ）はエネルギー分析特性の一例を
示したものであって、分析電圧■Ｒ（ｖ）を変化させた
場合、理想的にはα＝０°　（軸上）で示される二次電
子信号出力が得られるのに対し、この分析器では、測定
点が軸上にある場合■と、軸外にある場合■で、分析特
性に大きなずれを生じることになる。この場合、測定点
によって生じる電圧測定誤差は、（Ｃ）における誤差電
圧■８で示され、約３■に達することが示されている。

本発明の技術的課題は、このような従来技術の問題点を
解決しようとするものであって、平面グリッドを有する
インレンズ分析器の形式で、エネルギー分析特性の二次
電子放出角と放出位置に対する依存性を最小にすること
ができ、その結果、高精度測定ができる限り大きな領域
で行なえる電子ビーム装置を実現することにある。

〔課題を解決するための手段〕

第１図は本発明による電子ビーム装置の基本原理を説明
する図であり、本発明の技術的手段を、第２図に示す実
施例を併用して説明する。

電子ビームを試料ＬＳＩ３等の面に入射する対物レンズ
ｌの内部に、引出グリッド４と分析グリッド５とを具え
てなる電子ビーム装置において、試料面８と分析グリッ
ド５間に存在する対物レンズ１の磁界分布を、二次電子
に対してＬｌとＬ２で示すような２つの磁界レンズとし
て機能するように構成する。二次電子に対する第１のレ
ンズＬ１は、二次電子を収束して、試料面８の二次電子
像ＳＩを第２のレンズＬ２の手前に結ぶようなレンズと
して機能し、第２のレンズＬ２は、その焦点が、前記試
料面像ＳＩと一致するように設定され、二次電子をコリ
メートして出射するように構成される。

〔作用］ 電子ビーム源からの電子ビームを、対物レンズｌを経て
、試料であるＬＳＩ３等の表面に入射すると、ＬＳＩ３
等の表面における各種電子回路部分、例えば配線等から
は、電子ビームの照射に応じて二次電子が放出されるが
、この場合、放出される二次電子は、その部位の電位に
相当するエネルギー【速度）をもっているので、この二
次電子の工；６ルギーを分析することによって、被試験
しＳｉ２等の各部における電位を調べることができる。

この際、対物レンズ１の内部に、平面状の二次電子引出
グリッド４と分析グリッド５とを設けるインレンズ分析
器形式の電子ビーム装置では、二次電子流７が、分析グ
リッド５に斜めに入射するため、二次電子放出部位の局
所電界に基づく放出角αの変動の影響を受けて、分析グ
リッド５に対する垂直速度成分が変化してエネルギー分
析誤差を生じる。

また、上記誤差を小さく抑えようと二次電子流７を平行
化（コリメート）し、放出角依存性を小さくすると、こ
んどは高精度測定可能領域が極端に小さくなってしまう
（放出位置依存性が大きくなる）。

そこで、試料面８と分析グリッド５間に分布する対物レ
ンズ１の磁界を、第１図（ｂ）に示すように、二次電子
に対しては、実質的に２つのレンズとして機能するよう
に設定することにより、軸外放出の二次電子の分析グリ
ッド５への入射角を常にほぼゼロとすることが可能とな
り、その結果、高精度測定可能領域を拡大することがで
きるようになる。

二次電子に対して実質的に２つのレンズとして機能する
磁界分布は、通常対物レンズ１の磁気回路に１つ設けら
れる磁気ギャップを２つとし、磁界分布の極大を２個所
形成することで、容易に実現することができる。あるい
は、中間にバッファグリッドを設け、二次電子の速度（
エネルギー）を制御することによっても容易に実現でき
る。

〔実施例］ 第２図は本発明による電子ビーム装置の一実施例を示す
部分断面斜視図である。この例では、試料面と分析グリ
ッド５間の対物レンズ１の磁気回路に、２つめギャップ
Ｇ１、Ｇ２が設けられており、第１図（ｂ）のように、
磁界分布には２つの極大ができる。この磁界分布におい
ては、１ｋｅＶ程度の電子ビーム源からの電子ビームに
対しては、単一のレンズとして機能し、引出グリッド４
により、数１００ｅＶに加速された二次電子に対しては
、そのエネルギーの違いのため２つのレンズとして機能
する。

この実施例装置によれば、第１図（ａ）のように、試料
面８の軸上から角度αで放出される電子は、第１のレン
ズＬ１により、二次電子試料像点ＳＩで一点に収束し、
次に第２のレンズＬ２により完全にコリメートされる（
α２＝０）。これは第２のレンズＬ２の焦点が、二次電
子試料像３１に一致させであるためである。

一方、軸上からγ５離れた点より放出される電子は、わ
ずかに角度をもって、第２のレンズＬ２を出射していく
。この角度θ２は、第１のレンズＬｌの倍率Ｍ、と距Ｍ
εによって決まり、無視しうる程度まで小さくできる。

したがって、第２のレンズＬ２の後方（上方）に分析グ
リッド５を配置すれば、広い範囲の試料面の二次電子を
精度よく分析できる。

第３図は、本実施例装置について、数値計算により解析
した結果であり、磁界分析を（ａ）〜（Ｃ）まで変化し
たときの二次電子の軌道を求めたものである。右側には
、計算結果より推定したレンズ系を模式的に示す。（ａ
）と（Ｃ）は、第２のレンズＬ２が正しく設定されてい
ないので、二次電子がコリメートできていない。これに
対して、（ｂ）は正しく設定された例であり、この場合
の誤差δＶ、は、０．２■と従来の１７１０以下に性能
が向上している。

なお、ここで説明した例では、２つのピークをもつ磁界
分布とバッファグリッドとも併用した例であるが、どち
らか一方でも同様な効果は得られる。

〔発明の効果］ 以上説明したように本発明によれば、平面からなる引出
グリッド４と分析グリッド５とを具えたエネルギー分析
器を有する電子ビーム装置において、対物レンズ１の磁
界分布を、二次電子に対しては実質的に２つのレンズと
して機能し、さらに第１のレンズＬ１は、第２のレンズ
Ｌ２の手前に、次電子試料像Ｓｌを結像し、第２のレン
ズＬ２の焦点は、前記試料像Ｓｌに一致するように設定
することによって、試料面から放出される二次電子のエ
ネルギー分析を行う際における、試料面からの二次電子
放出角および放出位置に対する依存性を小さ（すること
ができ、その結果、試料面における高精度電圧測定領域
を拡大することができる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明による電子ビーム装置の基本原理を説明
する図、第２図は本発明による電子ビーム装置の実施例
を示す部分断面斜視図、第３図は本発明の実施例装置に
おける二次電子の軌道を求めた例、第４図は従来の電子
ビーム装置の断面図、第５図は従来の電子ビーム装置に
おける二次電子軌道とエネルギー分析誤差を示す図であ
る。 図において、１は対物レンズ、３は試料ＬＳＩ、４は引
出グリッド、５は分析グリッド、６は二次電子検出器、
７は二次電子軌道、８は試料面、Ｌｌは第１のレンズ、
Ｌ２は第２のレンズをそれぞれ示す。 一＊施例 第２図 ｚ（ｍｍ） 木登日月の＃埋図 第１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、電子ビームを試料面に入射する対物レンズの内部に
   、いずれも平面メッシュ状の二次電子引出グリッドと、
   二次電子を減速してそのエネルギーを分析する分析グリ
   ッドとを具えてなる電子ビーム装置において、 前記試料面（８）と分析グリッド（５）間に分布する対
   物レンズ磁界を、前記二次電子に対しては実質的に２つ
   のレンズ（Ｌ１）（Ｌ２）として機能するようにし、さ
   らに第１のレンズ（Ｌ１）は第２のレンズ（Ｌ２）の手
   前に二次電子試料像（ＳＩ）を結像し、第２のレンズ（
   Ｌ２）の焦点は、前記二次電子試料像（ＳＩ）に一致す
   るように配置したことを特徴とする電子ビーム装置。 ２、２つのレンズ（Ｌ１）（Ｌ２）として機能させる手
   段は、分析グリッドと引出しグリッド間にバッファグリ
   ッドを設けるようにしたものであることを特徴とする請
   求項１記載の電子ビーム装置。