JPH0883589A

JPH0883589A - 走査型電子顕微鏡

Info

Publication number: JPH0883589A
Application number: JP6218454A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Ninomiya; 健二宮; Itsuki Sudo; 敬己須藤; Tokuo Kure; 得男久▲禮▼
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-09-13
Filing date: 1994-09-13
Publication date: 1996-03-26

Abstract

(57)【要約】【目的】半導体製造プロセスにおける半導体ウエハ用観
察装置を提供する。【構成】試料５に電子線１３を照射して、電子線照射に
より試料４表面から放出されるＸ線１４や電子１５を、
Ｘ線検出器７および検出器６を用いて検出する。電子線
１３のエネルギーは、３００ｋｅＶ以下の範囲内で任意
に設定可能である。【効果】電子線のエネルギーを観察対象あるいは目的に
応じて設定し、かつ２次電子、３次電子、反射電子や微
細孔底面からのＸ線を検出できるため、微細孔の内部形
状や残留膜を同一装置で詳細に観察できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電子線を用いた観察技術
に係り、特に半導体ウエハ上に設けられた微細孔（ある
いは溝）の微細加工形状や残留物の観察が可能な装置を
提供する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子製造プロセスの低コスト化が
必須になりつつある。この要求に応えるためには、素子
開発段階や量産段階でのデバイス不良の撲滅が重要であ
る。製造プロセスにおける微細加工の正確さを判定でき
る計測技術は、デバイス不良撲滅のキー技術である。

【０００３】半導体製造プロセスで用いられるウエハ表
面には、コンタクトホールに代表される微細孔（あるい
は溝）が多数形成されている。たとえば、今後の半導体
素子の主流である集積度１６Ｍｂ以上のＤＲＡＭでは、
微細孔の直径は０．５μｍ以下、深さは１．５〜２μｍ
である。デバイス不良の多くは、このコンタクトホール
に起因している。すなわち、コンタクトホールの内部形
状（凹凸）や底面に残留した薄膜が、導通不良などのデ
バイス不良を引き起こしている。

【０００４】コンタクトホールに起因するデバイス不良
を防止するため、近年、電子線のエネルギーを５０ｋｅ
Ｖ以上に高めて、反射電子や反射電子により形成される
３次電子を検出することにより、微細孔内部の形状が明
瞭に観察できる走査型電子顕微鏡（高加速ＳＥＭ）が提
案された。この方法の原理については、たとえば、特開
平４−１４９９４４に詳しく開示されている。この高加
速ＳＥＭは微細孔の内部形状を観察するには好都合な装
置である。しかしその反面、微細孔底面に薄膜が残留し
ている場合には、高加速ＳＥＭでは一様な平面としてし
か観察できないため、薄膜が残留しているかどうかを知
ることは不可能である。この欠点を補うために、低加速
（数ｋｅＶ）電子線照射により発生するＸ線を観察する
微細孔内の分析装置が開発されている。この装置の詳細
については、発明者らが既に出願した特願平４−２５７
７８９（平成４年９月２８日出願）に詳しく開示されて
いる。この分析装置では、電子線照射により発生するＸ
線を微細孔の真上方向に近い方向から観測できるため、
微細孔底面の残留薄膜を精度よく検出できる。しかし、
電子線の加速エネルギーが小さいため、微細孔内部の形
状観察は不可能である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上で述べたように、高
加速ＳＥＭでは、微細孔内部の形状観察が可能である。
しかし、微細孔の残留薄膜の検出は不可能である。一
方、低加速電子線を用いた微細孔内の分析装置では、微
細孔内部の形状観察は不可能であるが、残留薄膜の検出
が可能である。

【０００６】半導体素子の製造プロセスでは、微細孔を
観察する場合、微細孔内部の形状と薄膜残留状態とをほ
ぼ同時に、もしくは交互にあるいは連続して観察する場
合が多い。先に述べたように、デバイス不良の発生原因
の多くは微細孔の内部形状や残留膜であり、これらを多
面的に観察、分析する必要があるからである。しかし、
上に述べた従来装置ではこのような要求に十分応えるこ
とは難しい。すなわち、上に述べた装置では、形状観察
と残留膜の分析を別々の装置で行なうことが必要なた
め、同一対象物の観察、分析が極めて困難である。この
結果、形状が不良原因であるのか、残留膜が不良原因で
あるのかの判定が不可能である。また、装置間でのウエ
ハの移動が必要なため、移動途中におけるウエハ表面の
汚染や大気中残留物の付着が問題となる可能性が高い。
さらに、各装置における真空排気が必要となるため、計
測に要する時間も長くなるという問題点もある。このよ
うに、２つの装置を用いる方法は、半導体製造プロセス
で用いる方法としては極めて不便である。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに、本発明では、１つの装置で、試料に照射する電子
線のエネルギーを、観察対象あるいは目的に応じて３０
０ｋｅＶ以下で任意に設定可能にした。さらに、２次電
子、３次電子、および反射電子の検出器を設けると共
に、微細孔底面からのＸ線を検出可能な位置にＸ線検出
器を配置した。

【０００８】

【作用】微細孔の内部形状を観察する場合には、電子線
のエネルギーを高く設定する。この加速エネルギーとし
ては、特開平４−１４９９４４に詳しく開示されている
ように、５０ｋｅＶ以上でよい。この結果、本発明で
は、２次電子、３次電子、もしくは反射電子を検出でき
るため、微細孔内部の形状を詳細に観察できる。加速エ
ネルギーの上限は特に設ける必要はないが、現時点での
汎用電子顕微鏡技術や電源設備の大きさ、あるいは使い
勝手を考慮すると、３００ｋｅＶ以下が適当である。

【０００９】さらに、本発明では、Ｘ線検出器を用いて
微細孔底面の薄膜残留物の分析も可能である。この場合
の電子線の加速エネルギーは、おおむね５ｋｅＶ以下で
ある。これ以上のエネルギーでは、電子線が薄膜を透過
することが多く、厚さ数１０ｎｍの薄膜を検出すること
が困難になる可能性が高い(重元素等を主成分に持つ薄
膜では、５ｋｅＶ以上の加速エネルギーでもその検出が
可能である場合もある）。電子線のエネルギーに関して
は、薄膜の種類や厚さにより適切な値を選択できるもの
とする。具体的な電子線加速エネルギーの切り替え方に
ついては、実施例の項で述べる。

【００１０】次に、Ｘ線検出器の設置位置について述べ
る。発明者らが既に出願した特願平４−２５７７８９に
詳しく開示されているように、微細孔底面の主要残留膜
であるＳｉ酸化膜やレジスト膜からのＸ線を検出するた
めには、残留膜とＸ線検出器との間に障害物のない位置
にＸ線検出器を設置することが必要である。本発明で
は、特願平４−２５７７８９と同じく、電子線の中心軸
から２０°以内の領域内に、Ｘ線検出器のＸ線受光面の
一部もしくは全部が入るよう、Ｘ線検出器を設置してい
る。

【００１１】本発明によれば、従来２つの異なった装置
が必要であった観察を１つの装置でできるため、従来技
術の問題点がすべて解消できる。すなわち、観察対象あ
るいは目的に応じて電子線のエネルギーを変化させ電子
やＸ線を観測することにより、微細孔の内部形状観察は
もとより底面の残留膜の分析もでき、デバイス不良原因
を正確、迅速かつ容易に把握できる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明のいくつかの実施例を図を用い
て説明する。

【００１３】＜実施例１＞本発明の最も基本的な実施例
を図１に示した。電子源１からの電子が電子レンズ系
２、３で加速、収束されて、電子線１３がＸ線検出器７
に設けられた小孔を通過して試料５に照射されている。
電子線１３の加速エネルギーは５０ｋｅＶ以上である。
この電子線１３の照射により試料５で発生した電子１５
（２次電子、３次電子、反射電子等）は、検出器６で検
出される。電子１５を効率的に集めるため、検出器６に
は高電圧（１〜１０ｋＶ程度）が供給されている。電子
レンズ系２、３は、試料５表面上での電子線１３の走査
機能も有している。この電子線の走査は制御装置１０を
用いて行われる。制御装置１０からの電子線走査信号と
検出器６からの電子検出信号とは、信号処理装置１２に
入力されている。信号処理装置１２では、これら信号を
もとに試料５表面の走査像を作り、モニタに表示するこ
とができる。先に述べたように、電子線１３の加速エネ
ルギーが５０ｋｅＶ以上では、試料５表面に形成された
微細孔の内部形状の観察が可能である。

【００１４】本実施例では、微細孔の残留薄膜の分析も
可能である。この場合には、電子線１３の加速エネルギ
ーは概略５ｋｅＶ以下でよい。このような低エネルギー
電子線を収束させるための電子レンズ系４が、電子レン
ズ系３の内側に設置されている。電子レンズ系４を用い
る場合には、先に述べた電子レンズ系２、３の動作を止
めるか、あるいは電子レンズ系４の動作が最適になるよ
う電子レンズ系２、３の動作を調節することが必要であ
る。このようなレンズ系の動作切り替えや調節に関して
は、すべて制御装置１０を用いて行うことができる。低
エネルギーを有する電子線１３の照射により、微細孔の
残留膜からＸ線１４が発生する。このＸ線１４の分光、
検出にはＸ線検出器７を用いる。ここで、Ｘ線検出器１
４としては、固体Ｘ線検出器等でよい。Ｘ線検出器７の
設置に関しては、先に述べたように、Ｘ線検出器７のＸ
線受光面の一部もしくは全部が、電子線１３の中心軸か
ら２０°以内の領域に含まれるように設置されているも
のとする。Ｘ線検出器７からのＸ線検出信号は制御装置
８に送られ、解析される。具体的には、Ｘ線スペクトル
に現れた特性Ｘ線のエネルギーから残留膜の種類が、ま
たＸ線強度から膜厚がわかる。これらの解析結果は、Ｘ
線スペクトルと共に表示装置９に表示される。

【００１５】電子レンズ系４を用いても、電子線１３で
試料５の表面上を走査することができる。この電子線走
査も制御装置１０を用いて行われる。電子線１３の加速
エネルギーが小さい場合でも、試料５表面から電子１５
が放出されるため、検出器６を用いて電子１５を検出す
ることにより、試料５表面の走査像を得ることができる
（ただし、この場合は、電子線１３のエネルギーが小さ
いため微細孔内部の形状観察は困難である）。この走査
像をもとに、分析すべき微細孔の位置を同定することが
可能である。

【００１６】本実施例では、高加速エネルギー用の電子
レンズ系３の内側に、低加速エネルギー用の電子レンズ
系４が設置されている。しかし、この配置を逆転する、
あるいは電子レンズ系３の内部に電子レンズ系４を設置
してもよい。また、必要ならば、電子レンズ系２の内側
もしくは外側あるいは内部に、低加速エネルギー用の電
子レンズ系を設置することもできる。さらに、電子レン
ズ系２、３のみを用いて、５０ｋｅＶ以下の加速エネル
ギーを有する電子線を試料５表面に収束させることが可
能な場合には、電子レンズ系４は省略可能である。

【００１７】本発明によれば、同一装置において観測対
象あるいは目的に応じて試料に照射する電子線のエネル
ギーを設定できるため、微細孔内部の形状観察や底面の
残留薄膜の分析が簡単にできる。この結果、デバイス不
良原因を正確かつ迅速に把握することが可能になる。

【００１８】＜実施例２＞図４は本発明の別の実施例で
ある。実施例１は同軸型のＸ線検出器７を用いていた。
これに対し、本実施例では、Ｘ線検出器２１が格納容器
２２と共に、横方向から挿入されている。実施例１に比
べＸ線検出の信号強度は小さいものの、同軸型のＸ線検
出器７に比べ、Ｘ線検出器の製作が容易になるという利
点がある。このようなＸ線検出器２１を複数個配置すれ
ば、信号強度を向上させることができることは言うまで
もない。

【００１９】電子線１３の照射により発生した電子１５
は、電子レンズ系２、３の間に設置された検出器２５を
用いて検出される。この検出器の設置位置に関しては、
必要に応じて変更可能である。さらに、本実施例では、
実施例１に比べ、電子線の加速エネルギーが低い場合の
電子レンズ系の数を増やしている。具体的には、電子レ
ンズ系２３、２４、２７を用いて、低エネルギー電子線
の加速、収束を行なっている。図１に示した実施例に比
べ、調整の自由度が増えるため、電子線１３の制御がよ
り容易になるという利点がある。その他に関しては、実
施例１と同じである。

【００２０】本実施例においても実施例１と同等の効果
を得ることができる。

【００２１】＜実施例３＞同一の装置で観察、分析を行
なうという観点からは、図３に示した実施例も有効であ
る。本実施例は、複数の電子顕微鏡を１つの装置に複合
化した装置の一例である。

【００２２】図３から明らかなように、電子源１からの
電子線１３が、電子レンズ系３１、３３で加速、収束さ
れて試料５に照射されている。電子線１３の照射により
発生したＸ線１４は、Ｘ線検出器３２で検出される。こ
れらの装置構成により、微細孔の残留膜の検出、分析が
可能である。

【００２３】これに対し、微細孔の内部形状を観察する
場合には、電子線１３の照射を中止して、電子線３８の
照射を行なう。この際、電子線３８が試料５に垂直に入
射するように、試料５を回転することも可能である。高
加速電子線の照射により発生した電子３９は、検出器３
６で検出される。本実施例では、実施例の本質を示すた
めに、制御装置等の付属装置は描かれていない。しか
し、これらの付属装置が本発明に含まれることは、先の
実施例等から明らかである。

【００２４】本実施例によれば、装置は大きくなるもの
の、基本的には２つの独立した装置で構成される複合装
置であるため、電子レンズの設計等が容易になるという
利点がある。

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば、試料に照射する電子線
のエネルギーを、観測対象あるいは目的に応じて任意に
設定して、電子やＸ線を検出できるため、微細孔の内部
形状や残留膜を同一の装置で観察、分析できる。この結
果、デバイス不良の原因を正確、容易かつ迅速に把握で
き、製造プロセスへのフィードバックを的確に行なうこ
とができる。

【００２６】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す装置構成図である。

【図２】本発明の一実施例を示す装置構成図である。

【図３】本発明の一実施例を示す装置構成図である。

【符号の説明】

１電子源、２、３電子レンズ系、４電子レンズ
系、５試料、６検出器、７Ｘ線検出器、８制御
装置、９表示装置、１０、１１制御装置、１２信
号処理装置、１３電子線、１４Ｘ線、１５電子、
２１Ｘ線検出器、２２格納容器、２３、２４電子
レンズ系、２５検出器、２６制御装置、２７電子
レンズ系、３１電子レンズ系、３２Ｘ線検出器、３
３電子レンズ系、３４電子源、３５電子レンズ
系、３６検出器、３７電子レンズ系、３８電子
線、３９電子。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料に加速、収束した電子線を照射し、そ
の照射により発生する電子やＸ線を検出して試料を観
察、分析する走査型電子顕微鏡において、３００ｋｅＶ
以下のエネルギーを持つ電子線を収束可能な収束手段と
走査手段、上記発生電子の検出手段、および上記発生Ｘ
線を電子線の中心軸から２０°以内の領域で検出可能な
Ｘ線検出手段を同一装置内に備えた走査型電子顕微鏡。
【請求項２】上記Ｘ線の収束手段もしくは走査手段、あ
るいは収束手段と走査手段が、電子線の加速電圧により
切り替え可能な電子レンズ系から構成される請求項１記
載の走査型電子顕微鏡。
【請求項３】上記Ｘ線の収束手段もしくは走査手段、あ
るいは収束手段と走査手段が、電子線の加速電圧に対応
した複数の電子レンズ系から構成され、かつこれら電子
レンズ系の働きが電子線の加速電圧に応じて自動調整さ
れる請求項１記載の走査型電子顕微鏡。
【請求項４】孔もしくは溝がその表面に形成された試料
の観測において、孔もしくは溝の内部構造を観測する場
合の電子線のエネルギーが、孔もしくは溝底面の薄膜を
分析する場合の電子線のエネルギー以上である請求項１
から３記載の走査型電子顕微鏡。
【請求項５】走査像を形成する信号が、上記電子線の照
射により発生する２次電子、あるいは反射電子、あるい
は反射電子により生成される３次電子、もしくはこれら
電子の組合せ、あるいは電子線照射により発生するＸ線
である請求項１から３記載の走査型電子顕微鏡。