JPH0471153A - 走査型電子顕微鏡の断面プロファイル表示方法 - 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断面プロファイルを観察する
走査型電子顕微鏡の断面プロファイル表示方法に関する
ものである。

〔従来の技術〕

−ＩＩＩに、従来の走査型電子顕微鏡の対物レンズは、
第８図（ａｌ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（以下、Ｂｚ：１１ｔ１
磁場強度と呼ぶ）を第８図（ｂ）に示す。

対物レンズは、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は純鉄などの磁性体で構成され、
起磁力を与えるコイル４４に電流を流して磁極４１−１
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、ら旋運動をしなからウェハから離脱
し、検出器に捕獲される。

検出器に捕獲された２次電子は、画像処理さ机ブラウン
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。

また、ＳＥＭ像をより３次元的に見るために分解能を上
げると共に焦点深度を深くすることが考えられる。

以下に、上記の原理を利用し切断した小さな被観察試料
を観察するような場合の従来技術例を説明する。

まず、半導体ウェハを切断し、第８図（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の中
間の最も縦磁場が強い位置に切断した小さな被観察試料
を挿入し、伸縮磁場のもとで観察する方法がある。同時
にこのときが焦点距離が最小となる位置で、最もレンズ
収差の小さくなる位置でもある。

従って、従来の技術を用いてサブミクロンルールでのラ
イン、スペース、コンタクトホールの微細構造パターン
の断面形状を観察する場合、被観察試料を切断して観察
していた。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、従来の前記構成では、ウェハを切断して断面観
察を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ず、半導体製造プロセスに
おける開発効率を低下させてしまう。

以上のように、従来の走査型電子顕微鏡では、（１）半
導体ウェアのように大きな被観察試料を切断することな
く観察するということ、その断面形状を知るということ
とを同時に達成することができない。

（２）半導体ウェハを切断してその断面形状を観察して
しまうと、次工程からの製造を続けることができない。

という問題があった。

本発明は、かかる点を鑑み、半導体ウェハなどの被観察
試料を切断することなく断面形状を観察可能にすること
を目的としている。このため、サイズの大きい半導体ウ
ェハなどを直接観察可能で、対物レンズのコイル電流と
焦点距離との関係を予め測定しておき、焦点深度を可及
的に浅くした状態で段階的に対物レンズのコイル電流を
変化させたときの像を検出し、このうちの焦点のあった
部分の画像を焦点距離に対応づけた断面プロファイルと
して表示するようにしている。

〔課題を解決するための手段〕

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、対物レンズ
のコイル電流と焦点距離との関係を予め測定しておき、
対物レンズの絞り径を可及的に大きくかつ焦点距離を小
さくして焦点深度を浅くした状態で、対物レンズのコイ
ル電流を段階的に変化させて当該被観察試料の像を焦点
距離に対応づけた断面プロファイル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の断面プロフ
ァイル表示方法である。

対物レンズのコイル電流と焦点距離との関係を予め測定
しておき、対物レンズの絞り径を可及的に大きくかつ焦
点距離を小さくして焦点深度を浅くした状態で、対物レ
ンズのコイル電流を段階的に変化させて当該被観察試料
の焦点が合致した画像（例えばＡＣ成分が所定閾値より
も大きい画像）を焦点距離に対応づけた断面プロファイ
ルを表示するようにしている。その結果、半導体ウェハ
などのように大きな被観察試料を切断することなく、断
面形状プロファイルを容品に観察することができる。

〔作用〕

本発明は、第３図、第４図などに示すように、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す
る際に、〔実施例〕 まず、第１図から第３図を用いて断面プロファイル表示
について説明する。

第１図において、■は、基準となるパターンの走査を行
う。

■は、基準補正を行う。これら■、■は、電子ビームを
走査して基準となるウェハで対物レンズのコイルに流れ
る電流値と、焦点距離との対応づけを行い、基準補正を
行う。具体的に言えば、基準となるパターンを走査して
焦点合わせしたときに、対物レンズのコイルに流れる電
流値と、この基準となるパターンに焦点合わせしたとき
の予め測定して求めておいた対物レンズの焦点距離との
対応関係の基準補正を行う。これ以降、対物レンズのコ
イル電流をもとに焦点距離を段階的に変化して電子プロ
ーブを走査し、そのときの画像を得ることができる。

■は、２次電子信号が大きくなる点での最短及び最長焦
点距離を把握する。これは、被観察試料、例えば半導体
ウェハ上のホールの端の上部に焦点を合わせたとき（検
出した２次電子信号のＡＣ成分が大きくなったとき）の
対物レンズのコイル電流から最短焦点距離を求め、次に
ホールの底部に焦点を合わせたときの対物レンズのコイ
ル電流から最長焦点距離を求める。

［相］は、最短焦点距離から、順次焦点距離が長くなる
傾向に対物レンズのコイルに流れる電流値を変化させる
。これは、例えば第３図（イ）の■ないし■に示すよう
に、半導体ウェハの上部から下部に向けて、焦点距離が
図示位置になるように対物レンズのコイル電流を段階状
に順次変化させると共に、電子ビームを走査したときの
２次電子信号を検出する。

■は、それぞれの段階で２次電子信号から得られる焦点
情報をメモリに蓄積する。これは、例えば第３凹（ロ）
２次電子波形に示すように、［相］で対物レンズのコイ
ルに流れる電流値を段階状に変化させつつ、電子ビーム
を走査したときに検出した２次電子信号をＡ／Ｄ変換し
てメモリに蓄積する（ＤＣ成分を低減したＡＣ成分を持
つ２次電子信号をメモリに蓄積する）。これら■、［相
］を２Ｒ回繰り返す（第３図例は、８回繰り返す）。

［相］は、メモリに蓄積された２″個の焦点情報を整理
して被観察試料の断面プロファイルを表示させる。

これは、例えば第３図（ロ）　２次電子波形のうちの所
定閾値以上の信号のみについて、第３図（イ）に示すよ
うに、■ないし■の焦点距離の位置に輝度変調して表示
し、断面プロファイルを表示する。

以上のように、対物レンズのコイル電流と、焦点距離と
の基準補正を行った後、例えば半導体ウェハのコンタク
トホールの上部から下部に向けて焦点距離を段階的に変
え、このときに電子ビームを走査して検出した２次電子
信号からＤＣ成分を低減したＡＣ成分を持つ信号（第３
図（ロ）２次電子波形）について所定閾値よりも大きい
部分の画像を抽出、即ち焦点があった位置の画像を抽出
し、この抽出した画像についてそれぞれ段階的に変化さ
れた焦点位置に輝度変調して表示し、第３図（イ）に示
す断面プロファイルを表示させる。尚、■でメモリに一
旦蓄積した後、［相］で断面プロファイルを表示したけ
れども、画面上に逐次表示し、当該画面の残光特性を利
用して断面プロファイルを観察するようにしてもよい、
また、■で検出する２次電子信号は、同じライン位置で
複数回、被観察試料を走査して検出した２次電子信号の
平均を求めてＳ／Ｎ比を向上させた断面プロファイルを
表示するようにしてもよい。

第２図は、本発明の動作説明図を示す。これは、第１図
における信号の流れを示す。

第２図において、■は、２次電子検出器であって、被観
察試料を電子ビームで走査したときに当該被観察試料か
ら放出された２次電子を検出する検出器である（第５図
２次電子検出器２４）。

＠は、Ａ／Ｄコンバータであって、２次電子検出器■に
よって検出したアナログの２次電子信号をディジタルの
信号に変換するものである。そして、ＣＰＵがこのＡ／
Ｄ変換した２次電子信号を取り込み、対物レンズのコイ
ル電流に対応づける。

０は、ＣＰＵであって、ここでは焦点情報の蓄積を行う
ものである。これは、Ａ／Ｄコンバータ＠によってディ
ジタルの２次電子信号に変換されたものを取り込み、こ
のときの対物レンズのコイル電流値に対応する予め測定
して求めた焦点距離に対応づけて蓄積、例えば第３図（
ロ）焦点距離■ないし■に対応づけて２次電子信号を蓄
積する。

［相］は、断面構造合成処理器であって、断面プロファ
イルを合成する処理を行うものである。例えば第３図（
ロ）焦点距離■ないし■の２次電子信号（ＤＣ成分を低
減したＡＣ成分、即ち電子ビームの焦点が合致した被観
察試料の部分に相当する２次電子信号）について、ある
閾値以上のものについて例えば第３図（イ）に示すよう
に、焦点距離■ないし■に対応づけた信号（輝度変調信
号）を生成する。

［相］は、ＣＲＴであって、断面プロファイル表示を行
うためのものである。これは、断面構造合成処理器［相
］によって焦点距離■ないし■に対応づけた信号（輝度
変調信号）をＣＲＴ上に第３図（イ）に示すように断面
プロファイルとして表示する。

第３図は、本発明に係る断面プロファイル説明図を示す
。

第３図（イ）は、半導体ウェハ上の２重段差のコンタク
トホールの断面プロファイル例を示す、この断面プロフ
ァイル例は、２重段差のコンタクトホールについて、上
部から底部まで８段階に分割してこれらの位置に電子ビ
ームの焦点が結ぶように対物レンズのコイル電流を段階
的に変化させ、そのときの２次電子信号について焦点距
離■ないし■の位置で所定閾値以上の信号について輝度
変調したものである。

第３図（ロ）は、２次電子波形を示す。これは、半導体
ウェハのコンタクトホールについて、上部から底部まで
８段階に対物レンズのコイル電流を段階的に変化させ、
そのときの２次電子信号（ＤＣ成分を低減したＡＣ成分
を持つ信号）である。ここでは、説明を判り易くするた
めに模式的にＡＣ成分を矩形で表している。実際は、こ
の部分は、コンタクトホールの内部の表面の構造（凹凸
など）に対応した振幅をもつＡＣ信号（あるいはＡＣＣ
信号像低減たＤＣ信号）である。

第４図は、本発明のメカ部の原理構成図を示している。

第４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１ｌ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５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で−様な強−縦磁
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１１３２１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５図を用いて、本発明のメカ部の構成を具体的に説明
する。

まず、全体の構成及び動作を説明する。

第５図において、電子銃１１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（第２図ＣＲＴ＠）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２１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
短焦点距離のもとで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３２Ｍ観察後、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プ７
）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５図において、電子銃１１は、電子線を放射するもの
である。

電子ビーム１２は、電子銃１１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は、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、かつ円錐
状で先端を平坦にした磁極である。

磁極１９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、電流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、対間
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は、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は、電子ビームをウェハ２２上に走査す
るものである。

調整ネジ２６．２６゛は、保持台２３上に固定具３１．
３１″で固定した平板磁極２Ｉの磁極１８に対する平行
度（即ち、対物レンズの軸方間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間
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
。

〔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、対
物レンズのコイルに流れる電流と焦点距離とを予め測定
しておき、被観察試料のホールなどについて段階的に焦
点距離を変えたときの画像をもとに断面プロファイルを
表示する構成を採用しているため、被観察試料の断面構
造を観察することができる。特にサブミクロンルールで
のライン、スペース、コンタクトホールの微細構造パタ
ーンを持つ半導体ウェハを切断することなく、断面形状
を断面プロファイルとして観察することが可能となる。

しかも、製造工程にあるウェハを一旦、本発明に係る走
査型電子顕微鏡を用いて断面プロファイルなどを観察し
た後、次工程から製造を続けることができ、半導体製造
工程およびその開発段階において、スルーブツトおよび
開発効率を非常に向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の動作説明フローチャートを示す。 第２図は、本発明の動作説明図を示す。 第３図は、本発明に係る断面プロファイル説明図を示す
。 第４図は、本発明のメカ部の原理構成図を示す。 第５図は、本発明のメカ部の１実施例構成図（被観察試
料中心部観察時）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
の説明図を示す。 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。 第８図は、従来技術の説明図を示す。 図中、１−１．１−２は磁極、２は被観察試料、７．２
１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、２４、［相］は２次電子
検出器、２６．２６゛は調整ネジ、２７．２８は移動台
、３１．３１”は固定具、■はＡ／Ｄコンバータ、［相
］はＣＰＵ、［相］は断面構造合成処理器、［相］はＣ
ＲＴを表す。 特許出願人　　松下電器産業株式会社

Claims (3)

【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、 対物レンズのコイル電流と焦点距離との関係を予め測定
   しておき、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
   照射する際に、対物レンズの絞り径を可及的に大きくか
   つ焦点距離を小さくして焦点深度を浅くした状態で、対
   物レンズのコイル電流を段階的に変化させて当該被観察
   試料の像を焦点距離に対応づけて順次検出し、これら検
   出した画像のうちの焦点が合致した部分の画像（例えば
   ＡＣ成分が所定閾値よりも大の部分の画像）について焦
   点距離に対応づけた断面プロファイルを表示するように
   構成したことを特徴とする走査型電子顕微鏡の断面プロ
   ファイル表示方法。
2. （２）被観察試料のうちの指示された上部および下部の
   範囲内について、上記対物レンズのコイル電流を段階的
   に変化させ、断面プロファイルを表示するように構成し
   たことを特徴とする請求項第（１）項記載の走査型電子
   顕微鏡の断面プロファイル表示方法。
3. （３）上記被観察試料として半導体ウェハを用い、当該
   半導体ウェハを切断することなく半導体ウェハ上の微小
   ホールなどの断面プロファイルを表示するように構成し
   たことを特徴とする請求項第（１）項、第（２）項記載
   の走査型電子顕微鏡の断面プロファイル表示方法。