JPH10221046A

JPH10221046A - 走査型荷電粒子顕微鏡

Info

Publication number: JPH10221046A
Application number: JP9023469A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Yoshimura; 俊之吉村; Hideo Todokoro; 秀男戸所; Makoto Esumi; 真江角; Tadashi Otaka; 正大高; Jiro Yamamoto; 治朗山本; Tsuneo Terasawa; 恒男寺澤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-02-06
Filing date: 1997-02-06
Publication date: 1998-08-21

Abstract

(57)【要約】【課題】チャージアップの防止、およびパターン表面物
質の同定を可能とした走査型荷電粒子顕微鏡を提供す
る。【解決手段】荷電粒子線の照射条件として少なくとも二
条件を送置使用者の操作により、もしくは自動的に変化
させて、この際に発生する信号を独立に取り込み、上記
信号の演算により観察試料表面の構造を表示する機構を
備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は荷電粒子線を用いた
走査型顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体素子の高集積化および微細
化に伴い、試料パターン表面形状の詳細な観察が益々重
要になっている。従来、表面形状観察には低加速荷電粒
子線の走査型荷電粒子顕微鏡が用いられてきた。ここで
荷電粒子としては、電子が主に用いられてきた。以下で
は走査型電子顕微鏡の場合について記述する。

【０００３】その方法は、以下の通りの機構に基づくも
のである。まず電子源から発生した低加速電子線を集束
し、試料表面に走査しながら照射する。この際に試料表
面付近から発生する、主に反射電子または二次電子を検
出器で検出する。そして検出信号を数値処理することに
より、または検出信号を表示装置の輝度変調信号として
入力することにより所望のパターンの形状を表示するこ
とが可能となる。これにより、走査型電子顕微鏡を用い
て現在では１ｎｍ以下の分解能が得られている。

【０００４】この方法は、反射電子または二次電子のコ
ントラストの大きい、特に段差や凹凸が含まれている試
料の観察に適しており、また試料に含まれるパターンの
寸法測定に用いることもできる。従来、走査型電子顕微
鏡は、試料を割り断面を露出させた試料断面の形状を評
価すること、試料上面からの観察像からパターンの寸法
を測定すること、同じく構造の試料上面からの観察像に
よりパターン形状を評価することなどに用いられてき
た。ここでは、主に表面の段差や凹凸部分の観察を目的
としている。

【０００５】ところで、パターン寸法の微細化が進行
し、要求される分解能や測定再現精度がますます微細化
するにつれて、以下の課題が重要視されるようになって
きた。すなわち、チャージアップ（帯電）の防止、およ
びパターン表面の物質同定という点である。

【０００６】一般に走査する電子（一次電子）の照射に
よって、被測定パターン表面部分から、試料と一次電子
の相互作用により二次電子が放出される。二次電子放出
係数は、一次電子の入射個数に対する二次電子の放出個
数の比として定義されている。ここでは放出された二次
電子が検出器で捕獲されて、二次電子信号として検知さ
れる。その二次電子放出係数は一次電子の加速電圧（入
射エネルギ）に依存し、図１のような変化を示す。観察
試料が導電性を有し、かつ試料が接地されている場合に
は、電荷が中和されるため帯電の影響はほとんどない。
しかし、試料が接地されておらず、また導電性試料が絶
縁体に挾まれた構造になっており、電荷が中和される機
構がない場合には、帯電の影響が発生する。図１に示す
ように加速電圧が小さいため、一次電子の入射エネルギ
が小さい「領域１」、および加速電圧が大きい「領域
３」では二次電子放出係数は１以下であり、観察試料が
絶縁体の場合、被測定パターン表面部分は実効的に負に
帯電する。一方、加速電圧が中間である「領域２」で
は、二次電子放出係数は１以上となり、被測定パターン
表面部分は実効的に正に帯電する。ここで観察試料が通
常の半導体素子形成用材料の場合には、Ｅ１は約１００
ｅＶであり、Ｅ２は１ｋｅＶから数ｋｅＶであることが
知られている。この内、特に前者の「負の帯電」は試料
表面の電荷分布状態を不安定とすること、さらにそれに
伴う一次電子の軌道変化が知られており、高精度な寸法
測定には大きな障害となる。

【０００７】電子線を用いたパターン測長方法として、
一般的に以下のような手順が取られる。測定すべき試料
としては、ここではレジストパターンとする。まず、図
２（ａ）の断面形状に示すような、基板２１上のレジス
トパターン２２に電子線２３を走査する。これにより、
検出器により検出される二次電子信号２４を図２（ｂ）
に示す。この際に一回の走査だけでなく、レジストパタ
ーン２２に沿った方向（紙面に垂直方向）に、わずかず
らして走査することを繰り返すことにより、各走査毎に
二次電子信号が得られる。また、同一点を繰り返して走
査することにより、二次電子信号２４を加算して信号／
雑音（Ｓ／Ｎ）比を増大することが可能となる。さらに
レジストパターン２２に沿った方向の指定された領域で
の二次電子信号２４を加算することにより、その領域内
での総合的な信号強度を得ることが可能となる。

【０００８】図２（ｃ）に示すように、加算後の二次電
子信号２５に信号処理系により、たとえば「最大傾斜
法」と呼ばれる信号処理を施すことによってパターン寸
法が決定される。すなわち、加算後の二次電子信号２５
の傾斜部分の最大傾斜を与える点２６および２７をレジ
ストパターン２２のエッジ部分（端部）と定義する。そ
して、測長装置は最大傾斜を与える点２６と２７の間の
距離をパターン寸法であると出力する。したがって、帯
電により二次電子信号が変化するとパターン寸法自体が
変動してしまうために、高精度な寸法測定が困難とな
る。

【０００９】さらに、試料表面が複数の物質からなって
いる場合、物質同定の要求が強まっている。たとえば、
積層構造の断面を観察する際に、それらの層の境界を観
察することが求められている。これにより、各々の積層
構造の厚みや形状についての情報を得ることができるか
らである。また、絶縁物にコンタクトホールなどの穴パ
ターンが形成されている場合、下層の金属層にコンタク
トホールが達しているか、あるいはコンタクトホールの
形成が不完全で金属層に達していないかを判定すること
が重要である。その判定のために、走査型電子顕微鏡を
用いることが要求されている。

【００１０】これらの課題については、５０ｋＶ以上の
高加速電子線を用いる方法が提案されている。５０ｋＶ
以上の高加速電子は高エネルギで帯電の影響が小さいた
めに、一次電子の軌道の変化は小さい。たとえば、特開
平5−290786 号公報に開示されているように、二つ以上
の異なる入射エネルギおよび／または入射角を有する粒
子線で観察された複数の試料像に基づいて、断層像およ
び／または立体像を形成する方法が知られている。ここ
では、たとえば低エネルギ（５０ｋＶ以上）の電子線照
射時の観察像と、同位置の高エネルギ（２００ｋＶ程度
と推定される）の電子線照射時の観察像を比較する。加
速電圧により電子線の試料中の侵入深さが異なることを
利用して、深さ方向の情報の差を取ることにより、断層
像あるいは立体像を得ることを目的としている。ここで
は試料を割って断面を形成する必要はないために、非破
壊で試料上面から断面像を得ることが可能となり、試料
の深さ方向の構造を識別する。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このように５
０ｋＶ以上の高加速の電子線を用いた観察の場合、入射
する一次電子のエネルギが高いために、一般に試料内に
欠陥を形成するなどのダメージを発生することが知られ
ている。したがって、試料内部の変化が引き起こされる
ために、一度観察した部分の素子特性は変化してしま
う。そこで、観察部分を用いた素子形成は困難であると
いう問題があった。

【００１２】また、５０ｋＶ未満の低加速の一定の加速
電圧を有する電子線を用いた従来の走査型電子顕微鏡で
は、二次電子のコントラストが小さく表面段差構造が含
まれない試料の場合には、物質の違いを識別することは
一般に困難である。このため、ウェットエッチングなど
により試料表面に何らかの段差を形成することが必要で
ある。たとえば、ポリＳｉ（多結晶シリコン）上にＳｉ
Ｏ₂(酸化膜）が形成された基板の断面構造を観察して、
その境界を観察することは困難であった。したがって、
この場合には両者のエッチング速度が異なる、たとえば
フッ化水素水溶液でウェットエッチングすることによ
り、試料表面（断面試料の場合には試料断面を指す）に
段差を形成して観察する必要がある。このために構造を
簡便に観察することは困難であった。

【００１３】以上のように、チャージアップ（帯電）の
防止、およびパターン表面の物質同定を満足する簡便な
観察方法は、これまでのところ提示されていない。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の課題を解
決するために、加速電圧５０ｋＶ未満の荷電粒子線を用
いた走査型荷電粒子顕微鏡で、照射条件として少なくと
も二条件を装置使用者の操作により、もしくは自動的に
変化させて、この際に発生する信号を独立に取り込み、
観察試料表面の構造を表示する機構を備えた走査型荷電
粒子顕微鏡を提示するものである。以下では、荷電粒子
線として電子線の場合について述べる。

【００１５】たとえば、照射条件として加速電圧を変化
させる場合について説明する。観察試料として帯電しや
すい試料を考える。第一の加速電圧で電子線を照射した
後に、第二の加速電圧で電子線を照射することを考え
る。図３に示す、二次電子放出係数の一次電子の加速電
圧依存性で、第一の加速電圧Ｖが二次電子放出係数は１
以下である「領域１」または「領域３」にあった場合、
被測定パターン表面部分は実効的に負に帯電する。ま
た、第二の加速電圧Ｖ′が二次電子放出係数は１以上で
ある「領域２」にあった場合、被測定パターン表面部分
は実効的に正に帯電する。したがって、ＶおよびＶ′に
おける電流値および照射時間が一定である場合、第二の
加速電圧Ｖ′における電子線照射後では、二次電子放出
係数の「１」からの差分の違いが実効的な帯電分として
残存する。たとえば、Ｖでは二次電子放出係数が０.８
０、Ｖ′では二次電子放出係数が１.１５の場合、実効
的に二次電子放出係数０.０５に相当した負の帯電が残
る。したがって、実効的な帯電を抑制した形態で試料を
観察することが可能となる。なお、ここでは二つの条件
について述べたが、三条件以上の場合でも同様のことが
言える。

【００１６】また、同様に二次電子放出係数の一次電子
の加速電圧依存性を示す図４（ａ）で、「領域３」に含
まれるＶａと、「領域２」に含まれるＶｂを仮定する。
そして二次電子放出係数が１となる加速電圧をＶ０とす
る。ここで、二次電子放出係数１の直線と、二次電子放
出係数の変化を表す曲線、および加速電圧Ｖａならびに
Ｖｂの直線で囲まれ、Ｖ０で分けられる二つの領域の面
積は互いに等しくなるようにＶａとＶｂを設定する。こ
こで加速電圧を一定の割合で連続的に変化させる条件の
もとでは、図形の面積が試料表面の帯電量に相当する。
Ｖ０からＶａの領域が負の帯電量であり、ＶｂからＶ０
の領域が正の帯電量である（厳密には照射時間に依存す
る）。したがって、ＶａからＶｂに連続的に加速電圧を
変化させた場合には、試料表面の帯電量は実効的に０と
なる。ＶｂからＶａに連続的に加速電圧を変化させた場
合でも、同様の議論ができる。そこで、横軸に加速電
圧、縦軸に試料表面の帯電量をプロットすると、図４
（ｂ）のような変化が生じることとなる。

【００１７】上記では加速電圧を連続的に変化させるこ
とを想定しているが、離散的に変化させる場合でも全く
同様の議論ができる。たとえばＶａからＶｂを等間隔に
分割して、その内の一つがＶ０を含むように設定し、各
加速電圧における照射時間を一定となるように変化させ
ることを考える。この場合には、図４（ａ），図４
（ｂ）の図形が離散的になるのみで、基本的には上記と
同様の議論ができる。実際の測定では、加速電圧の変化
を厳密に連続的に変化させることは困難であるため、離
散的な変化となるように調整することとなる。

【００１８】加速電圧の変化に伴い取り込まれる二次電
子信号、およびそれから規定される画像データも変化す
る。一般に帯電により形成される新たな電場により、一
次電子や二次電子は偏向され観察像ならびに輝度が大き
く変化する。そして、各加速電圧における二次電子信
号、およびそれから規定される画像データを記録する情
報蓄積部を設けることにより、各条件における結果をす
べて記録することが可能となる。したがって、図４
（ｂ）に対応して加速電圧がＶ０の際に、加速電圧の変
化に対する帯電量の変化が０となるために、二次電子信
号、およびそれから規定される画像データの変化も０と
なる。

【００１９】この原理を利用すれば、Ｖａのみが既知の
時に、加速電圧を変化させた際に二次電子信号、および
それから規定される画像データの変化が０となる加速電
圧がＶ０であり、帯電量が０のために二次電子信号、お
よびそれから規定される画像データが帯電の影響を受け
なくなった加速電圧、あるいは画像データの輝度が反転
して変化する加速電圧がＶｂであると決定することが可
能となる。さらに、帯電量が０である状態で、加速電圧
Ｖ０の電子線による観察を行うことにより、帯電の影響
がない試料観察が可能となる。さらに同一試料を多数測
定する必要がある場合には、測定当初より加速電圧をＶ
０に設定することによって、帯電の影響がない測定を可
能とする。

【００２０】また、加速電圧を変化させて試料に照射し
た場合、以下のことを見出した。一般に、加速電圧を上
昇させることにより、電子線は集束されて解像性が向上
する。ここで、たとえばポリＳｉ上に薄膜のＳｉＯ₂ が
形成された基板で加工されたラインパターンの断面構造
を観察した場合、加速電圧がたとえば３０ｋＶの際には
パターン形状は明瞭に判別できるが、両者の境界は見出
されなかった。しかし、加速電圧をたとえば３ｋＶとし
た際、解像性は低下するが両者の境界を判別することが
できた。これはポリＳｉとＳｉＯ₂ の二次電子放出係数
が、３０ｋＶではほとんど差を持たないのに対して、３
ｋＶではわずかに差が生じるために、画像データ上で輝
度の差として検知されたためであると考えられる。

【００２１】したがって図５に示すように、まず加速電
圧が高い場合に検出される画像１と、加速電圧が低い場
合に検出される画像２を各々記録しておく。高い解像性
を反映して画像１ではパターン輪郭は明瞭であるが、物
質の違いによる境界は判別できない。一方、画像２では
物質の違いによる境界を判別できるが、パターン輪郭は
画像１ほどには明瞭ではない（ここでの境界の明瞭さは
パターン輪郭の明瞭さ程度であり、図５で太線は輪郭が
ぼけることによる不明瞭さを示している）。同図で白い
部分はＳｉＯ₂ を示している。そこで、両者のデータを
加算して、輪郭部分のみを画像１のものを用い、パター
ン内部の情報は画像２のものを用いるように処理するこ
とによって、輪郭は明瞭であり、かつ境界が判別できる
画像３を得ることが可能となる。ここでの重ね合わせの
方法としては、たとえば両者の観察像の重心を一致させ
る方法、あるいはパターン輪郭（ぼけを含む）の中心線
を一致させる方法があげられる。

【００２２】次に、電子線の観察試料への照射時間を変
化させた場合について説明する。

【００２３】たとえば上面図が図６（ａ），ＡＡ′断面
図が図６（ｂ）に示すような構造を取り上げる。ここで
はＳｉ６１上に、レジスト６２が形成されており、レジ
スト６２に溝パターン６３が形成されている。ここで、
ある一定の倍率でパターンを上面から観察した場合、電
子線照射直後（観察部への移動直後に相当する）の画面
枠６４を持つ観察画面ではたとえば図６（ｃ）のように
見える。一方、この状態で、たとえば３０秒放置した場
合、レジスト６２の帯電を反映して、観察画面では図６
（ｄ）のように輝度が大きく変化した帯電したレジスト
６５が観察される。ここで溝パターン６３の部分は導電
性のＳｉ６１が露出しているために、帯電せず画像に変
化はない。ここで、もし溝パターン６３中にレジスト残
渣６６が残っている場合、帯電を発生するために図６
（ｅ）のように、電子線照射直後と比較して輝度変化が
生じるために判別できる。このように、導電性の異なる
物質の同定を行うことが可能となる。

【００２４】これと同様に、絶縁物にコンタクトホール
が形成されている場合、下層の金属層にコンタクトホー
ルが達しており、完全な加工が実現されている場合には
コンタクトホールの画像に変化はない。しかし、コンタ
クトホールの形成が不完全で金属層に達していない場合
には、照射時間の増大と共に上記のような輝度の変化が
検出される。したがって、コンタクトホール形成の判定
を行うことが可能となる。

【００２５】たとえば上面図が図７（ａ）、断面図が図
７（ｂ）に示すような構造を取り上げる。ここでは、素
子部分を含む下層構造を有するＳｉ７１上に、金属配線
Ａｌ（アルミニウム）７２が形成されており、ＳｉＯ₂
を主成分とする層間絶縁膜７３上にレジスト７４が形成
されている。そしてレジスト７４のコンタクトホールパ
ターンをマスクとして、エッチングにより層間絶縁膜７
３にコンタクトホールパターン７５が形成されている。
ここで、ある一定の倍率でパターンを上面から観察した
場合、電子線照射直後（観察部への移動直後に相当す
る）の画面枠７６を有する観察画面ではたとえば図７
（ｃ）のように見える。一方、この状態で、たとえば３
０秒放置した場合、層間絶縁膜７３およびレジスト７４
の帯電を反映して、観察画面では図７（ｄ）のように輝
度が大きく変化し、帯電したレジスト７７が観察され
る。ここでコンタクトホールパターン７５の部分は導電
性のＡｌ７２が露出しているために、帯電せず画像に変
化はない。ここで、もしコンタクトホールパターン７５
のエッチングが完全ではなく、層間絶縁膜のエッチング
残り７８がある場合には、電子線照射直後と比較して帯
電を発生するために図７（ｅ）のように、輝度変化が生
じるために判別できる。

【００２６】さらに、照射する電子線の電流値を変化さ
せて試料を観察した場合、以下のことが言える。上記で
は照射時間を変化させたが、これは実効的な電子個数を
増大させていることに相当する。したがって、同一箇所
を同一時間観察することを想定すると、電流値を増大さ
せた電子線の照射により、照射時間を増大させたことと
同一の効果が得られる。このため、観察時間を短縮する
ことが可能となる。

【００２７】なお、上記のように照射条件を変化させた
場合、電子光学系の調整が必要となる。特に加速電圧を
変化させた際には、電子線の軸，焦点、および非点の調
整が必須である。このため、上記の照射条件の変化に伴
い、電子光学系の調整を自動的に行う機構を付設するこ
とが、観察の高効率化のためには必須である。

【００２８】

【発明の実施の形態】

（実施例１）本発明の一実施例の装置構成を図８に示
す。電子銃８１の先端から、第一陽極８２により引き出
された電子線８３は、第二電極８４で加速される。ここ
では、加速電圧をたとえば１２００Ｖとする。電流量と
して、たとえば２ｐＡとする。そして対物レンズ８５に
より集束されて、試料台８６に設置された試料８７上に
照射される。ここで観察する対象としては、たとえば図
５に示すような、Ｓｉ基板上に形成された、厚さ３００
ｎｍ，幅１５０ｎｍのポリＳｉに、厚さ８０ｎｍのＳｉ
Ｏ₂ が積層されたラインパターンの断面とする。ここで
ビームブランカ８８により、照射不要の際には電子線８
３は遮断され、試料８７上に到達しない。また、偏向器
８９により、電子線８３は試料８７上で一次元的、また
は二次元的に走査される。

【００２９】電子線８３の照射により、試料８７表面近
傍から二次電子９０が発生する。この二次電子９０は、
二次電子検出器９１により検出され、信号増幅器９２に
より増幅されて、表示装置９３の輝度変調信号となる。
この表示装置９３は、電子線９３を走査するための偏向
信号発生器９４に同期しており、輝度変調信号は同期し
て照射された電子線８３による表面部分の二次電子像を
再現することとなる。ここでは図示していないが、対物
レンズ８５と試料台８６との間に、電子を減速する方向
に電界を印加する（対物レンズ８５が試料台８６に比べ
て高電位）ための機構が含まれていてもよい。これによ
り、入射電子の入射エネルギを低下させることが可能と
なる。

【００３０】表示装置９３には輝度変調信号の情報を蓄
積する記憶装置９５、そして情報を処理する演算処理装
置９６が付設されており、演算処理装置９６は走査一回
毎の検出信号を記憶装置９５から引き出し、加算，減算
などの演算処理を行うことができる。この記憶装置９５
には、後述のように測定に用いる多くの照射条件におけ
る電子光学系の最適条件の情報も記憶されている。ま
た、走査一回毎の検出信号ではなく、電子線の照射条件
毎の全データ（一枚の画像データに相当する）を処理す
ることも可能である。たとえば、加速電圧の異なる照射
条件での検出信号、あるいはそれによって得られる画像
データを比較，加減，不要部分を除去するなどの加工を
行うことができる。そして、すべての機能は制御装置９
７により制御されている。

【００３１】本発明では、この制御装置９７の機能に、
（１）装置使用者の要求に応じて、もしくは自動的に加
速電圧，照射時間，電流値といった照射条件を変更する
機能（２）照射条件の変更に伴う電子光学系の自動調整
機能が含まれている。測定に用いる多くの照射条件にお
ける、電子光学系の最適条件の情報が記憶装置９５にあ
らかじめ記録されており、制御装置９７に転送される。
この情報とは、レンズの励磁電流値，非点補正条件，偏
向オフセットなどの電子光学系を制御する信号を指す。
これにより、電子線の軸，焦点，非点の調整が可能とな
る。この記憶装置９５の部分は、必ずしも輝度変調信号
の情報を蓄積する部分と同じである必要はなく、ハード
ウェアとして別の装置であってもよい。そして、照射条
件の変更、および電子光学系の自動調整のための信号が
対物レンズ８５などの光学系構成要素に伝達されて、観
察を効率的に行うことを可能とする。

【００３２】具体的に図９のフローチャートを用いて、
測長手順を説明する。まず、試料台８６上の試料８７
は、試料台８６の移動により指定された位置へ移動する
（第一段階）。そして、装置使用者は加速電圧，照射時
間，電流値といった電子線の照射条件を設定する（第二
段階）。ここでは加速電圧の場合を述べる。たとえば、
第一の加速電圧として３０ｋＶを設定する。その設定に
従い、制御装置９７は最適な電子光学系の条件を対物レ
ンズ８５などの光学系構成要素に転送して、自動的に電
子光学系を調整する（第三段階）。そこで、電子線８３
が偏向器８９により、試料８７上で走査される（第四段
階）。ここでは走査前に、電子線の照射を抑えるため
に、ブランカ８８により電子線８３が遮断されていても
よい。そして、試料８６表面から発生した二次電子９０
は、二次電子検出器９１により検出される（第五段
階）。検出信号は信号増幅器９２により増幅されて、表
示装置９３の輝度変調信号となる。そしてこの輝度変調
信号は、記憶装置９５に一旦蓄積される（第六段階）。
ここでの情報は走査一回毎の検出信号でもよく、また電
子線の照射条件毎の全データ（一枚の画像データに相
当）でもよい。

【００３３】そして、装置使用者が照射条件を変化させ
た観察を必要と判断した場合には、第二から第六段階に
至る手順を再び行う。その際、走査一回毎の検出信号を
蓄積する場合には、各走査で走査方向とは垂直方向に、
あらかじめ与えられた僅かな距離（たとえば１ｎｍ）ず
つ移動させながら、走査してもよい。ここでは、第二の
条件としてたとえば加速電圧３ｋＶを設定し、第六段階
まで進める。

【００３４】演算処理装置９６は記憶装置９５から検出
信号を引き出し、検出信号、あるいはそれによって得ら
れる画像データを比較，加算，減算，不要部分を除去す
るなどの信号処理を施すことにより、試料表面の画像表
示あるいは寸法測定を行う（第七段階）。ここで、もし
必要と判断されるならば再び第二段階に戻り、新たな条
件における観察を行う。たとえば、比較的低加速電圧を
用いた観察で取得された画像データの比較により得られ
た、二次電子発生係数１の加速電圧（図４（ａ）におけ
るＶ０に相当）における観察を行うことにより、帯電の
影響のない試料観察が可能となる。

【００３５】再測定が必要でない場合には、３０ｋＶと
３ｋＶにおける画像データを重ね合わせる。前者はパタ
ーンの輪郭は明瞭であるが、ポリＳｉとＳｉＯ₂ の境界
は判別できない。一方、後者は境界を判別できるが、パ
ターンの輪郭は前者ほどには明瞭ではない。そこで輪郭
部分のみを３０ｋＶの画像データを用い、パターン内部
の情報としては３ｋＶの画像データを用いるように、演
算処理装置９６内で画像処理を行うことによって、図５
の画像３に相当する、パターン輪郭は明瞭であり、かつ
物質間の境界が判別できる画像を得ることができた（第
八段階）。

【００３６】これらの処理により、その点における測定
は終了し、試料台８６上の試料８７は他の指定された位
置へ移動し、第一段階からの手順を再び行う。もし、前
回求めた条件のみで観察すればよい場合には、設定条件
を変化させずに観察を進行すればよい。他の点での測定
が不要の場合には、測定を終了する。以上のような方法
により、物質間の境界を明らかにする高精度な試料観察
が実現できた。

【００３７】（実施例２）上記の実施例では試料の断面
構造についての観察であったが、同様にウェハ内の指定
された点におけるパターンの寸法測定を行うことも可能
である。すなわち、上記の第八段階が測長寸法表示に相
当する。

【００３８】測長機能を用いる場合では、演算処理装置
は、ある一定本数の検出信号を加算して、それにより得
られた信号について、たとえば上述の「最大傾斜法」に
よりパターン寸法を算出する機能を有する。ここでは、
たとえば測定試料としてＳｉ基板上の厚さ１５０ｎｍの
ポジ型レジストに形成された設計寸法で幅１５０ｎｍ，
高さ３００ｎｍのホールパターンとする。たとえば第一
に照射する電子線の加速電圧を１２００Ｖ，電流量を１
ｐＡと設定した。ここで、制御装置が機能して電子光学
系にはこの照射条件における最適条件が与えられ、自動
的な調整がなされる。この際に帯電の影響が発生したた
めに、レジスト上部の輝度が変化した。また、この際に
測定したホールパターンの寸法も、帯電の影響を受けて
照射時間と共に変化する様相を示した。

【００３９】次に第二に照射する電子線の加速電圧を６
００Ｖ，電流量を１ｐＡと設定した。ここでも、制御装
置が機能して電子光学系には上記の照射条件における最
適条件が与えられ、自動的な調整がなされる。この際に
帯電の影響が低減し、レジスト上部の輝度はほとんど変
化しない状態に戻り、照射時間の増大と共に再び帯電の
影響が発生し始めた。そこで、帯電の影響がほとんど消
失した時点でパターン寸法を測定したところ、幅１５
１.１２４ｎｍが得られた。

【００４０】次に電流値は変化させず、加速電圧を１２
００Ｖから６００Ｖまで、たとえば１００Ｖ毎に変化さ
せて０.１秒ずつ電子線を照射し、その際に得られる画
像データを逐一記憶装置に転送した。そして、照射終了
後に各加速電圧における画像データを比較したところ、
加速電圧９００Ｖでレジスト上部での輝度の変化が見か
け上消失していることが分かった（未照射部分との輝度
の違いは含まれる）。これは加速電圧９００Ｖで、帯電
量の変化がなくなる、すなわち二次電子放出係数が１に
等しくなることを示している。そこで、帯電量がほぼ消
失した６００Ｖの加速電圧の照射に引き続き、同一地点
における加速電圧９００Ｖでの測定を再び行ったとこ
ろ、幅１５１.１２４ｎｍの測定結果が得られた。そし
て、他の地点では、当初より加速電圧９００Ｖの測定を
行うことにより、帯電の影響のない高精度なパターン寸
法測定が可能となった。これらの一連の処理は測定者が
結果を見ながら装置を操作することにより行うこともで
きるが、制御装置で自動的に処理させることもできる。

【００４１】上記では電子線の走査から得られる検出信
号からの画像データを用いていたが、各走査毎のデータ
を用いてもよい。また一定の数のデータ（たとえば１０
本）を加算して、その加算後の検出信号からの測長値を
用いてもよい。一般に、加算処理によりＳ／Ｎ比が増大
し、安定な測長を実行することが可能となる。また、あ
らかじめ指定された領域での検出信号を加算することに
より、その領域内での総合的な検出信号が得られ、その
領域内での平均的な測長値を得ることが可能となる。

【００４２】（実施例３）上記の実施例では加速電圧を
変化させた場合における観察であったが、同様に電子線
の照射時間を変化させた場合における、ウェハ内の指定
された点におけるパターンの観察を行うことも可能であ
る。

【００４３】ここでは、たとえば測定試料としてＳｉ基
板上の厚さ１５０ｎｍのポジ型レジストに形成された設
計寸法で幅１５０ｎｍ，高さ３００ｎｍのホールパター
ンとする。たとえば照射する電子線の加速電圧を１００
０Ｖ，電流量を１ｐＡと設定した。ここで、制御装置が
機能して電子光学系にはこの照射条件における最適条件
が与えられ、自動的な調整がなされる。この際には、帯
電の影響が発生したために、照射開始直後と比較して、
照射時間たとえば３０秒後のレジスト上部の輝度は変化
した。この際に、画像データはたとえば１秒毎に取り込
まれて記憶装置に転送される。

【００４４】照射直後の画像データと、３０秒照射後の
パターンデータの比較を行うことにより次のことが分か
った。後者ではホールパターン中に輝度の変化した点が
観測された（図６（ｅ）中の６６に相当）。これはレジ
ストの残渣であると考えられる。このように、電子線の
照射時間の異なる画像データの比較により、帯電を利用
することによって、絶縁体の判別を行うことが可能とな
った。

【００４５】（実施例４）上記の実施例では電子線の照
射時間を変化させた場合における観察であったが、同様
に電子線の電流値を変化させた場合における、ウェハ内
の指定された点におけるパターンの観察を行うことも可
能である。

【００４６】ここでは、たとえば測定試料としてはＳｉ
基板上の厚さ２０ｎｍのＡｌ／厚さ１００ｎｍの層間絶
縁膜（材質は主にＳｉＯ₂ ）／１５０ｎｍのポジ型レジ
ストの積層構造に形成された設計寸法で幅１５０ｎｍ，
高さ１５０ｎｍのホールパターンとする。たとえば照射
する電子線の加速電圧を１１００Ｖ，電流量を１ｐＡ，
照射時間１秒と設定した。ここで制御装置が機能して、
電子光学系にはこの照射条件における最適条件が与えら
れ、自動的な調整がなされる。そして、照射終了後に電
流量のみ３ｐＡと変化させて照射した。ここで、制御装
置が機能して電子光学系にはこの照射条件における最適
条件が与えられ、自動的な調整がなされてもよい。この
際には、帯電の影響が発生したために、前者の場合と比
較して、後者ではレジスト上部の輝度は変化した。この
際に、画像データは各条件毎に取り込まれて記憶装置に
転送される。

【００４７】電流量１ｐＡでの画像データと、電流量３
ｐＡでの画像データの比較を行うことにより次のことが
分かった。後者ではホールパターン中に輝度の変化した
点が観測された（図７（ｅ）中の７８に相当）。これは
層間絶縁膜のエッチング残渣であると考えられる。この
ように、電子線の電流量の異なる画像データの比較によ
り、帯電を利用することによって、パターン形成状態の
判定を行うことが可能となった。

【００４８】（実施例５）上記の実施例では、パターン
判定と測長を別の機能として述べてきたが、両者を組み
合わせることは当然可能である。たとえば、低い加速電
圧でパターンの形成具合（実施例４で述べたコンタクト
ホールの形成不良の判定など）を判定した後に、高い加
速電圧でパターン測長を行うことは可能である（帯電量
の小さい加速電圧であることが望ましい）。

【００４９】あるいは、加速電圧，照射時間，電流量を
独立に制御してより望ましい観察を可能にしてもよい。
これらの制御は装置使用者が操作系に指示を与えること
により行ってもよいが、制御装置にプログラムして自動
的に行うことにより、より効率的な観察が可能となる。

【００５０】また上記の実施例では観察試料として、レ
ジスト，ポリＳｉ，ＳｉＯ₂ ,Ａｌの場合について述べ
たが、これらに限らないことは言うまでもなく、一般的
な絶縁体材料，半導体材料，金属材料についても適用で
きる。

【００５１】さらに以上の実施例では、荷電粒子線とし
て電子線の場合について述べたが、これに限られないこ
とは言うまでもない。Ｈ（水素），Ｇａ（ガリウム）な
どのイオンを用いた場合でも全く同様の考え方を適用す
ることが可能である。

【００５２】

【発明の効果】本発明によれば試料表面部分の詳細な構
造を観察することが可能となり、帯電の影響を低減でき
ることや物質の違いを識別できることから、高精度で簡
便な表面観察，パターンの高精度な寸法測長を実現する
ことに大きな効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】二次電子放出係数の一次電子の入射エネルギ依
存性を示す説明図。

【図２】電子線を用いたパターン測長方法の説明図。

【図３】帯電の効果を示す説明図。

【図４】一次電子の入射エネルギによる帯電量の変化を
示す説明図。

【図５】加速電圧が異なる際の画像データの重ね合わせ
を示す説明図。

【図６】電子線の照射時間を変化させた際の様子を示す
説明図。

【図７】電子線の照射時間を変化させた際の様子を示す
説明図。

【図８】本発明の一実施例の装置構成の説明図。

【図９】測長手順を示すフローチャート。

【符号の説明】

８１…電子銃、８２…第一陽極、８３…電子線、８４…
第二陽極、８５…対物レンズ、８６…試料台、８７…試
料、８８…ビームブランカ、８９…偏向器、９０…二次
電子、９１…二次電子検出器、９２…信号増幅器、９３
…表示装置、９４…偏向信号発生器、９５…記憶装置、
９６…演算処理装置、９７…制御装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大高正茨城県ひたちなか市市毛882番地株式会社日立製作所計測器事業部内 (72)発明者山本治朗東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者寺澤恒男東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】観察試料に集束した荷電粒子線を照射する
ためのレンズ系、上記観察試料を載せて移動するステー
ジ系、上記荷電粒子線を上記観察試料上で走査するため
に上記荷電粒子線を偏向するための偏向系、上記荷電粒
子線照射に伴って上記観察試料の表面部分から発生する
信号を捕獲する検出系、上記信号から得られる画像デー
タを表示する表示系を含む走査型荷電粒子顕微鏡におい
て、上記荷電粒子線を上記観察試料表面に照射するため
の照射条件として、少なくとも二条件を装置使用者の要
求により、もしくは自動的に変化させる機構系、およ
び、上記照射条件の変化に伴う荷電粒子光学系の調整を
自動的に行う機構系を備え、少なくとも二条件の上記照
射条件における上記信号を独立に取り込み、複数の上記
信号、もしくは上記信号から得られる複数の画像データ
の処理により、上記観察試料表面の構造を表示する機構
を備えたことを特徴とする走査型荷電粒子顕微鏡。
【請求項２】請求項１において、上記信号から上記観察
試料の所望のパターン形状寸法を算出する信号処理系を
備え、上記観察試料における所望の部分の寸法を計測す
る手段を有する走査型荷電粒子顕微鏡。
【請求項３】上記照射条件とは、少なくとも荷電粒子線
の加速電圧，観察試料への照射時間，電流値のいずれか
である請求項１または２に記載の走査型荷電粒子顕微
鏡。
【請求項４】上記荷電粒子光学系の調整とは、少なくと
も荷電粒子線の軸，焦点，非点のいずれかの調整である
請求項１または２に記載の走査型荷電粒子顕微鏡。
【請求項５】上記複数の上記信号、もしくは上記信号か
ら得られる複数の画像データの処理とは、上記信号、も
しくは上記画像データの特定のものの選択，重ね合わ
せ，加算，減算、あるいは比較である請求項１または２
に記載の走査型荷電粒子顕微鏡。
【請求項６】複数の上記信号、もしくは上記信号から得
られる複数の画像データの処理を行うことにより、最適
な照射条件を決定した後、上記照射条件において再び上
記粒子線を照射して観察試料を観察する機構を備えた請
求項１，２，３，４または５に記載の走査型荷電粒子顕
微鏡。
【請求項７】上記荷電粒子の加速電圧は５０ｋＶ未満で
ある請求項１，２，３，４，５または６に記載の走査型
荷電粒子顕微鏡。
【請求項８】上記荷電粒子は電子である請求項１，２，
３，４，５，６または７に記載の走査型荷電粒子顕微
鏡。