JPH03108243A - 走査型電子顕微鏡及びそれを用いた観察方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、対物レンズによって収束した電子ビームを被
観察試料に照射してこれの像を観察する走査型電子顕微
鏡及びそれを用いた観察方法に関するものである。

〔従来の技術〕

一般に、従来の走査型電子顕微鏡の対物レンズは、第５
図（イ）−１ａ）に示す構造を持っている。

また、この構造における軸上の軸方向磁場強度Ｂ２＋（
以下、縦磁場強度と呼ぶ）を第５図（イ）−（ｂ）に示
す。

対物レンズは一通常、電子ビームの通路４３を共通の軸
とした円筒対称の形となっている。磁極４１−１．４１
−２をつなぐ磁路４１ば純鉄などの磁性体で構成され、
起磁力を与えるコイル４４に電流を流して磁ｉ！１４１
−１と磁極４１−２との間に磁場を発生させている。こ
の磁場を通過する電子ビームは、収束作用を受けて観察
対象であるウェハ（半導体基板）４２の観察面４６に衝
突し、２次電子を発生させている。このようにして発生
した２次電子は、対物レンズにより発生した縦磁場と軸
方向に印加された電界の両方の作用（ローレンツ力）を
受け、軸方向に沿って、ら旋運動をしながらウェハから
藺脱し、検出器に捕獲される。

検出器に捕獲された２次電子は、画像処理されブラウン
管に表示される。

従来の技術において、走査型電子顕微鏡の分解能を高め
ようとする場合、試料表面から発生する２次電子に一様
かつ強い縦磁場を印加することと、レンズ収差を極力小
さくすることが考えられる。

以下に、上記の原理を利用した３つの従来技術例を挙げ
る。

第１の従来技術例は、第５図（イ）−（ａ）の構造を持
つ走査型電子顕微鏡において、磁極４１−１．！：磁極
４１−２との中間位置に被観察試料：ウェハ４２を出来
る限り近（に配置することによりレンズ収差の小さな歪
の少ない像を得ようとする方法である。この場合、比較
的大きな試料を観察することができるが、下部磁極４１
−２が障害となって、磁極の中間位置に被観察試料を近
づけるには限界がある。そのために分解能を飛躍的に向
上させることは、困難である。

第２の従来技術例は、第５図（イ）−（ａ）の構造を持
つ走査型電子顕微鏡の磁極４１−１と磁極４１−２との
中間の最も縦磁場が強い位置に被観察試料を挿入し、強
縦磁場のもとで観察する方法である。同時にこのときが
焦点距離が最も小さ（なる位置で、最もレンズ収差の小
さくなる位置である。ところが、この場合、切断された
小さな被観察試料しか観察することしか出来ないという
欠点を持っている。

第３の従来技術例は、上述の２つの従来技術例の持つ欠
点を平均的に解決した、第５図（ロ）−（ａ）に示す構
造を持つ対物レンズである。この構造は、第１及び第２
の従来技術例のちょうど中間的な構造と言える。この場
合も、レンズ収差を低減しなから強縦磁場のもとでＳ／
Ｎの高い２次電子信号を検出することが狙いである。と
ころが、被観察試料が半導体ウェハの場合、第５図（ロ
）−（ａ）の構造を実現するためには、磁気回路が非常
に大きくなり、そのため強′ａ磁場を得にくいという欠
点がある（第５図（ロ）−（ｂ）　）。

Ｓ／Ｎの低下は、２次電子の収率の低下により生ずるも
のである。２次電子の収率の低下は、縦磁場強度が小さ
いことによって、縦磁場強度に反比例するサイクロトロ
ン半径（ラーマ−半径）力く大きくなるため、一部の２
次電子が被観察微細構造の側壁に衝突することによって
生じる。この様子を第６図（ａ）に示す、第６図は、縦
磁場強度による２次電子の振る舞いの差異を示している
。

特に、サブミクロン以下の凹凸の深い微細構造パターン
を観察するとき、上記現象が顕著となる。

こめ現象を防止するために、第３の従来技術例に、さら
に積極的に強縦磁場を印加する方法が、１９８８年春の
第３５回応用物理学会関係連合講演会＜３１３−Ｈ−３
＞において、ＮＴＴ　　ＬＳＩ研究所から発表されてい
る。しかし、この装置は、従来の走査型電子顕微鏡の対
物レンズに補助コイルを設け、磁場を増強しただけの装
でである。

したがって、従来の技術を用いて、サブミクロン以下の
凹凸の深い微細構造パターン（トレンチ溝、コンタクト
ホール等々）を観察する場合、最も高解像度で観察した
り、寸法測定を行うために、被観察試料を切断し、第２
の従来技術例で示した方法を使用していた。

第７図は、半導体製造工程における、ＳＥＭ観察シーケ
ンス図を示す。従来の技術では、ウェハを切断し断面観
察しなければならないため、観察に用いたウェハを再び
製造工程に戻すことができなかった。そのため、半導体
製造プロセスにおけるスループントや歩留まりが低下し
、開発効率が悪くなるという問題点があった。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら上記のような構造では、被観察試料が半導
体ウェハ（−船に直径：２インチ以上のウェハが使用さ
れている）の場合、試料としてのサイズが大きいことと
、軸方向に垂直な面内で移動可能な移動台を内蔵した構
造が必要となるために、対物レンズの磁路が障害となっ
て、ウェハを切断せずに、第５図（イ）−＜ａ）の磁極
４１−１とｍ１４１−２との中間の位置に挿入すること
ができなかった（第２の従来技術例）。

また、第３の従来技術例、第５図（ロ）−（ａ）のよう
に、ウェハを磁極間に入れる構造にでき、ウェハを固定
した軸方向に垂直な面内で移動可能な移動台を内蔵でき
たとしても、ウェハ全表面を観察するためにはウェハサ
イズの倍の可動範囲が必要となってしまう、そのため、
対物レンズの磁路のサイズが巨大となってしまい実現が
困難であるという問題があった。さらに、移動台の移動
に伴い印加磁場強度が変化することが考えられるため、
実現性がなかった。ただし、このような構造にすること
によって、ウェハ表面においては第５図（イ’）−（ａ
）に示す従来の構造よりも大きな縦磁場が得られるが、
磁極４１−１と磁極４１−２の距離が大きくなるため最
大縦磁場強度を太き（することが非常に困難になる。そ
のため、十分なサイクコトロン半径縮小効果が得られな
かった。

以上のように、従来の走査型電子顕微鏡では、半導体ウ
ェハを切断することなく観察するということを同時に達
成することができないという間邪点を有していた。

本発明は、かかる点を鑑み、半導体ウェハを切断するこ
となく高分解能観察が可能で、かつ磁路の巨大化を防止
すると同時に、ウェハのような巨大サイズ試料の任意の
被観察部において、−様な弾縮磁場を印加可能な構造を
もった対物レンズ（第１図）を有する走査型電子顕微鏡
を提供すると同時に、半導体ウェハを切断することなく
、半導体ウェハ表面の任意の位置の凹凸の深いサブミク
ロン以下の微細構造を明瞭な画像で高分解能観察する方
法を提供することを目的とする。

［課題を解決する手段〕 本発明は、軸対称で中心に電子ビームを通過させる穴を
持ち、かつ円錐状で先端を平坦とした第１のｍｉと、 この第１の磁極に対向して軸と垂直な面内に移動可能な
第２の平板磁極を持つ対物レンズを備え、上記第１の磁
極の穴を通過する電子ビームを収束して上記第２の平板
磁極上に搭載した被観察試料に照射し、当該被観察試料
の像を観察するように構成したことを特徴とする走査型
電子顕微鏡と、この走査型電子顕微鏡を用いて、半導体
ウェハを切断することなく半導体ウェハ上の微細構造を
観察することを特徴とする半導体ウェハ観察方法である
。

〔作用〕

本発明は、第１図（ａ）及び第２図に示すように、軸対
称で中心に電子ビームを通過させる穴を持ち、かつ円錐
状で先端を平坦とした磁極１−１、及びこの磁極１−１
に対向して軸と垂直な面内で移動可能な平板磁極７から
対物レンズを構成し、磁極１−１の穴を通過する電子ビ
ームを収束して平板磁極７上に搭載した被観察試料に照
射し、この被観察試料の像を観察するようにしている。

また、試料移動台上に平板磁極７を搭載すると共に磁極
１−１との間の平行度を調整する調整機構を設けるよう
にしている。このような構造にすることにより、−様か
つ強力な縦磁場を得ることができ短焦点距離構造となる
。このときのｍ磁場強度を第り図山）に示す。

したがって、対物レンズを構成する磁極のうちの１つを
移動可能な平板磁極とし、これに被観察試料を搭載して
観察することにより、ウェハのような巨大サイズの試料
全面において、短焦点距離のもとて高分解能で観察する
ことが可能となる。

その結果、ウェハ全面において、凹凸の深い微細構造を
明瞭かつ高コントラストな画像で観察できるようになる
。

なお、半導体ウェハ以外の微細構造の観察においても同
様の効果が得られる。

〔実施例〕

次に、第１図から第４図を用いて本発明の１実施例の構
成及び動作を順次詳細に説明する。

第１図は、本発明の原理構成図を示している。

第１図において、磁路１は、対物レンズを構成する磁路
であって、コイル４に電流を流して発生させた起磁力の
通路である。

磁極１−１は、軸対称で中心に穴を持ち、かつ円錐状で
先端を平坦に構成した磁極であって、電子ビームを収束
する磁場を形成するものである。

磁極１−２は、磁路を形成する磁極である。

通路３は、電子ビームの通路である。

コイル４は、電流を流して励磁するものである。

平板磁極７は、水平移動可能であって、磁極１−１に平
行に設けたものである。この平板磁極７上に被観察試料
２を搭載して電子ビームを収束して照射し、発生させた
２次電子を補集して２次電子像を表示させるようにして
いる。

以上のように、対物レンズの平板磁極７を水平移動可能
とし、これに被観察試料２を搭載して電子ビームを照射
し、２次電子像などを表示することにより、短焦点距離
のもとてウェハなどの巨大サイズの被観察試料２の全面
を容易に高分解能観察することが可能となる。

また、第２図下部平板磁極２１とウェハを一体に固定し
、下部平板磁極自身を移動させることにより、ウェハの
ような巨大サイズの試料の任意の位置て−様な弾線磁場
を印加することができる。

本発明の対物レンズを用いたときの、２次電子の振る舞
い方を第６図（ｂ）に示す、従来の場合の第６図（ａ）
と比較して分かるように、縦磁場強度ＩＢ２１を強くす
ることにより、サイクロトロン半径が小さくなり、２次
電子の微細構造側壁衝突によるＳ／Ｎ低下を大幅に改善
できる。

第２図及び第３図を用いて、本発明を具体的に説明する
。第２図は、第１図の対物レンズの部分を詳細に示した
ものである。

まず、全体（７）４１成及び動作を説明する。

第２図において、電子銃１）から放射した電子ビーム１
２は、軸合せコイル１３によって軸合せし、集束レンズ
１４によって収束し、絞り１６を経由して対物レンズ１
７に入射する。対物レンズ１７によって更に収束された
電子ビームはウェハ２２を照射すると共にこの照射点を
偏向コイル２５によって走査し、ウェハ２２から放出さ
れた２次電子を２次電子検出器２４によって検出し、図
示外のデイスプレィ上で輝度変調していわゆる２次電子
像を表示する。この際、対物レンズの下側の平板磁極２
１を水平移動可能とし、対物レンズの磁極間に被観察試
料である当該ウェハ２２を配置して短焦点距離のもとて
２次電子を収集して２次電子像を表示させることにより
、高分解能の状態で巨大サイズのウェハを全面に沿って
容易に観察することが可能となる。

以上のように、ウェハのような巨大サイズの試料の凹凸
の深い微細構造を観察できるようになると、ウェハを切
断する必要がなくなるため、半導体製造工程において大
きな効果が得られる。第７図に示すように、半導体製造
工程途中のウェハをＳＥＭ［察後、再び次の工程に戻す
ことができるため、半導体製造工程におけるスルーブツ
トと歩留まりが大幅に向上する。その結果、半導体製造
における開発効率が、非常に向上する。

以下において、更に詳細に説明する。

第２図及び第３図において、電子銃１）は、電子線を放
射するものである。

電子ビームＩ２ば、電子銃ＩＩから放射された電子ビー
ムである。

軸合せコイル１３は、電子ビームの軸を合わせるもので
ある。

集束レンズ１４ば、電子ビームを収束する磁界レンズで
ある。

集束コイル１５は、電流を流して集束レンズ１４に起磁
力を与え、レンズ作用を生成するものである。

絞り１６は、不要な電子ビームを遮断するものである。

対物レンズ１７は、電子ビームをウェハ２２に収束する
磁界レンズである。

磁極１８は、軸対称であって中心に穴を持ち、かつ円誰
状で先端を平坦にした磁極である。

磁ｐｉ１９は、平板磁極２１に対する磁気ループを構成
するための磁極である。

コイル２０は、ｔｔｉを流して対物レンズ１７に起磁力
を与え、レンズ作用を生成するものである。

平板磁極２１は、本実施例に係わるものであって、対向
する磁極１８に平行に移動可能な平板状の磁極である。

ウェハ２２は、被観察試料である。

保持台２３は、平板磁極２１を平行に保持する台である
。

２次電子検出器２４ば、電子ビームをウェハ２２に照射
して発生させた２次電子を補集して検出するものである
。

偏向コイル２５ば、電子ビームをウェハ２２上に走査す
るものである。

ＩＩ整木ネジ２６２６′は、保持台２３上に固定具３１
．３１″で固定した平板磁極２１の磁極１８に対する平
行度（即ち、対物レンズの軸方向に垂直な平面に対する
平行度）を調整する機構である。

移動台２７．２８は、保持台２３を対物レンズの軸方向
に垂直な平面に平行な面内で移動可能な台である。

試料室３０は、ウェハ２２などを収める真空の室である
。

次に、第２図及び第３図構成の動作を説明する。

第２図及び第３図において、対物レンズ１７を構成する
コイル２０に電流を流すことにより、発生した起磁力が
図中点線を描いたループに印加される。このループのう
ち、電子ビームに対して対物レンズとして有効に作用す
る磁場は、磁極１８と、平板磁極２１との間に発生する
軸対称のものだけである。磁極１９と、平板磁極２１と
の間は、磁気的にループを構成するためのものである。

ここで、平板磁極２１は、当該平板磁極２１上に搭載し
たウェハ２２を平行移動して電子ビームの照射位置に移
動させて観察する際に、磁８ｉ１Ｂと当該平板磁極２１
との間の電子ビームに作用する磁場が変化しないように
、ウェハ２２のサイズよりも十分大きなサイズを持つよ
うに構成されている。

第３図に、被観察試料（ウェハ）の端部を観察する際の
磁極１Ｂ、１９及び平板磁極２１の位置関係を示す、磁
極１９と、平板磁極２１との間の間隔ｄの５倍以上の大
きさだけ、ウェハ２２のサイズよりも、平板磁極２１の
サイズを大きくしである。

具体的に説明すると、ウェハの外径をＤｋ、ｍ極１９と
平板磁極２１との間隔をｄ、磁極１９の外径をり、とす
ると、平板磁極２１の外径は、（ＤＨ＋Ｄａ　＋　１０
　ｄ）以上とする６例えばウェハが６インチ（１５０ｍ
、ｍ）　、磁極１９の外径を１００ｍｍ、間隔ｄを６ｍ
ｍとすると、平板磁極２１の直径ば３ＬＯｍｍ以上とな
る。

また、平板磁極２１上には、被観察対象のウェハ２２が
密着して置かれ、固定具３１．３１’によって固定され
ている。更に、当該平板磁極２１は、平面度を保つため
に十分な厚さと強度を持つ保持台２３に密着する構成と
している。保持台２３は、磁極１８に対する平板磁ｐｉ
２１の平行性を調整するために、調整ネジ２６．２６°
によって調整可能な態様で移動台２７．２８に固定され
ている。この調整は、移動台２７．２８を移動させたと
きに、２次電子像を観察あるいは光学顕微鏡を使用して
観察点の高さが変化しないようにしている。

また、第３図において、ウェハ２２から放出された２次
電子は、磁極１Ｂと平板磁極２１とによって生成された
磁場によって取り込まれ、図中上方に向かって回転しつ
つ移動し、正の電圧が印加されている２次電子検出ｒ＆
２４によって補集されるため、２次電子の補集効率を極
めて高くすることが可能となる。このため、明るい良質
の２次電子像を表示することができる。

なお、第２図、第３図ｔＪ、料室３０及び電子ビームの
通路は、電子ビームの走行を邪魔しないように、図示外
の真空排気系によって排気するようにしている。また、
ウェハ２２を挿入及び取り出しを行うウェハ搬送機構な
どが具備されている。磁極１８、平板磁極２２などの磁
気回路は、高透磁率材料（例えば純鉄、コバルト鉄、パ
ーマロイなど）を使用するようにしている。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、対物レンズを構
成する磁極のうちの１つを移動可能な平板磁極とし、こ
れに被観察試料を搭載して対物レンズの磁極間に当該被
観察試料を配置する構成を採用しているため、 （１）短焦点距離にしてレンズ収差を小さくできる。

（２）被観察試料が、半導体ウェハのように大きくても
、磁路が巨大にならず、−様な強磁場を効率よく発生さ
せることができる。

（３）　　被観察試料が−様な強磁場中であるため、発
生した２次電子を高効率で検出することができる。

（４）２次電子の収集効率が飛曜的に向上するために、
１次電子ビーム量を減らしても良質の２次電子像が得ら
れ、ひいては、１次電子ビーム量の低減により、被観察
試料の帯電による画像劣化を防止できる。

Ｃ３）２次電子の収集効率が高いために、被観察試料面
に深い凹凸があっても、明る（良質な高分解能２次電子
像を容易に観察することが可能となる。

（６）半導体ウェハを切断することなく、高分解能観察
できる。

以上より、ウェハのような巨大サイズの試料を短焦点距
離のもとで、高分解能で明るい良質の２次電子像を容易
に観察することができるようになる。その結果、アスペ
クト比５を越えるトレンチ溝（幅：　０．２〜０．７μ
ｍ、深さ２３〜５μｍ）や、コンタクト・ホールなどの
微細構造を表面から底部まで明瞭な画像で高分解能観察
可能となる。さらに、ウェハを切断することなく、高分
Ｍｔａ、！ｌ察可能になることによって、製造工程途中
にあるウェハを、−旦、走査型電子ｗ４微鏡で観察した
後に、次工程から製造を続けることができるようになる
ため、半導体製造工程やその開発段階において、極めて
スループットが向上する。

したがって、本発明が半導体製造業に与える効果は、非
常に大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の原理構成図を示す。 第２図及び第３図は、本発明の１実施例構成図であり、
それぞれ被観察試料中心部観察時及び被観察試料端部観
察時の構成を示す。 第４図は、本発明に係る要因構成図を示す。 第５図は、従来技術の説明図を示す。 第１ｒｊ！Ｊ（ｂ＋及び第５図（イ）−（ｂｌ！：第５
１ｆｆｌ　（０）伽）は、軸方向位置２の関数として軸
上の縦磁場強度１Ｂｚｌ（磁場の軸方向強度）を示す。 第６図は縦磁場強度による２次電子の振舞い方の差異の
説明図、第７図は半導体製造工程におけるＳＥＭ観察シ
ーケンス図を示す。 図中、１−１．１−２はＭ１極、２ば被観察試料、７．
２１は平板磁極、４．２０はコイル、１７は対物レンズ
、２２はウェハ、２３は保持台、２６．２６゛は調整ネ
ジ、２７．２８は移動台、３１．３１°は固定具を表す
。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）対物レンズによって収束した電子ビームを被観察
   試料に照射してこれの像を観察する走査型電子顕微鏡に
   おいて、 軸対称で中心に電子ビームを通過させる穴を持ち、かつ
   円錐状で先端を平坦とした第１の磁極と、この第１の磁
   極に対向して軸と垂直な面内に移動可能な第２の平板磁
   極とを持つ対物レンズを備え、 上記第１の磁極の穴を通過する電子ビームを収束して上
   記第２の平板磁極上に搭載した被観察試料に照射し、当
   該被観察試料の像を観察するように構成したことを特徴
   とする走査型電子顕微鏡。
2. （２）請求項第（１）項において、試料移動台上に第２
   の平板磁極を搭載すると共に上記第１の磁極との間の平
   行度を調整する調整機構を設けたことを特徴とする走査
   型電子顕微鏡。
3. （３）請求項第（１）項、第（２）項において、被観察
   試料から放出された２次電子を上記第１の磁極の穴を逆
   上った位置に設けた２次電子検出器によって検出し、２
   次電子像を表示するように構成したことを特徴とする走
   査型電子顕微鏡。
4. （４）対物レンズによって収束した電子ビームを被観察
   試料に照射してこれの像を観察する走査型電子顕微鏡を
   用いた半導体ウェハの観察に際し、軸対称で中心に電子
   ビームを通過させる穴を持ち、かつ円錐状で先端を平坦
   とした第１の磁極と、この第１の磁極に対向して軸と垂
   直な面内に移動可能な第２の平板磁極とを持つ対物レン
   ズを備え、 上記第１の磁極の穴を通過する電子ビームを収束して上
   記第２の平板磁極上に搭載した被観察試料に照射し、当
   該被観察試料の像を観察するように構成した走査型電子
   顕微鏡を用いて、半導体ウェハを切断することなく半導
   体ウェハ上の微細構造を観察することを特徴とする半導
   体ウェハ観察方法。