JPS61161644A - 試料の正確な像を表わす合成信号を形成する装置 - 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】 Ａ、産業上の利用分野 本発明は走査型電子顕微ｉ（ＳＥＭ）に関するもので、
より詳細には、平坦面上の特徴的幾何形状を横切って電
子線を走査し、その結果束じる二次電子を向い合って配
置した１対の検出器で集めて検出し、 この１対の検出器を交互にオンおよびオフに切り換えて
第１および第２の電気信号を生成し、それを組み合わせ
て平坦面と特徴的幾何形状の向い合った両側下線との接
合部の強化された対称像を表す合成電気信号を生成し、
この強化像を使って半導体基板上の非常に狭い導電性コ
ーティングなどの非常に狭い特徴的幾何形状の幅を決定
するためのＳＥＭ装置および方法に関するものである。

Ｂ、開示の概要 電子線で、突出した縦方向の構造を有する平坦な表面を
横切って走査する。２個のＥ−Ｔシンチレータ・フォト
マルチプライヤ検出器をそれぞれ構造の両横に配置する
。第１の走査の間、１個の検出器のみがＯＮになり、Ｏ
Ｎの検出器から離れた側の構造の下縁に対応する明確な
振幅の凹みを有する第１の電子信号を発生する。次の走
査の間、他の検出器のみがＯＮになり、ＯＮの検出器か
ら離れた側の構造のもう一方の下縁に対応する明確な振
幅の凹みを有する第２の電子信号を発生する。

２つの信号を組合わせて、構造の２つの下縁の位置に正
確に対応する、強化され区分された２つの凹みを持つ波
形を有する合成信号を生成する。

Ｃ０従来技術 プレナムの［走査型電子顕微鏡検査およびＸ線微量分析
Ｊ　（Ｓｃａｎｎｉｎｇ　　ＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒ
ｏｓｃｏｐｙ　　ａｎｄ　　Ｘ−ｒａｙ　Ｍｉｃｒ。

Ａｎａｌｙｓｉｓ　）　（１９８１）の１４６〜１５１
ページはＥ−Ｔシンチレータのフォトマルチプライヤ電
子検出装置を用いる走査型電子顕微鏡の使用について記
載している。一般ＫＥ−Ｔ検出装置は円筒形であシ、衝
突する電子をフォトンに変換し、それをフォトマルチプ
ライヤ忙運んで捕集された電子の強さに応じた電気信号
を発生させるシンチレータ材料を含む。電子線が試料の
表面に衝突すると、二次電子と後方散乱（反射）ビーム
電子が試料から放出される。二次電子は平均３〜５ｅＶ
のエネルギで放射される。典型的なＳＥＭの場合、電子
線はたとえば２０　ＫｅＶ　のエネルギを有し、後方散
乱ビーム電子は、放射される二次電子よりはるかに高い
エネルギを有する。さらに、後方散乱電子は高い方向性
を有し、その方向は、Ｅ−Ｔ検出装置のファラデイ・ケ
ージの正バイアス電圧に影響されない。実際に、後方散
乱電子のみを検出する場合、ケージ・バイアス電圧は必
要としない。それは、Ｅ−Ｔ検出装置は、テーク・オフ
角が検出装置の収集立体角の範囲内にある後方散乱電子
をすべて集めるだめである。しかし、二次電子を集めた
い場合は、＋３００Ｖ程度の正のバイアス電位をファラ
デイ・ケージに印加する。

インダストリアル・リサーチ・アンド・デベロープメン
ト（Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　　Ｒｅ５ｅａｒｃｈ　　ａ
ｎｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　）、Ｖｏｌ、２２（１９
８０年６月１９日）の１１５ページには、Ｊ、　Ｊａｃ
ｋｍａｎが後方散乱ビーム電子を検出するだめ、複数の
Ｅ−Ｔ検出装置を使用することを述べている。光学スイ
ッチの使用により、これらの検出装置からの信号を個別
に見て非対称の検出を行い、加算して大型対称検出装置
と同等の結果を得たり、減算したりすることができる。

ジャーナル・オフ・フィジツクス（Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ
　　Ｐｈｙｓｉｃｓ　）、５ｅｃｔ、Ｅ、Ｓｃｉｅｎｔ
ｉｆｉｃＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ、　Ｖｏｌ、　７　　
（１９７４年１月）の４４１〜４４４ページには、斉藤
らは、半導体ウェーハ上に電子レジストによりサブミク
ロンのパターンを記録するディジタル・コンピュータ制
御の電子線微小製造ノステムについて記載している。電
子線の位置決めは、後方散乱電子を検出して、ウェーハ
上の位置決めまたは基準マークの位置を定めることによ
り行われる。

米国特許第４１７７３７９号明細書には、後方散乱電子
を光に変換するシンチレータと、この光を、対応する電
気信号に変換するコンバータを含む、電子顕微鏡または
電子線露出装置に使用する後方散乱電子検出装置が開示
されている。第５図および第６図は、電子線レジストを
用いたマスク・パターンの形成中に、電子線露出装置で
検出器を使って半導体基板に基準溝を位置決めすること
が示されている。

米国特許第４５０８４５７号明細書には、試料から放出
される二次電子と、試料から後方散乱するビーム電子に
よシ生成する二次電子とを、個別に検出する検出器を備
えた、電子線が試料に衝突する電子顕微鏡を開示してい
る。

米国特許第３９２０９９０号明細書には、イオン・ビー
ムを分析すべき材料の表面如当てるためのイオン・ビー
ム源と、特定の角度で、表面から後方散乱するイオンの
みを通過させるダイアフラム開孔と、通過した後方散乱
イオンの運動エネルギを測定する検出器とを備えたイオ
ン散乱分光計を開示している。

Ｄ９発明が解決しようとする問題点 本発明の第１の目的は、平坦な表面から突出した構造の
下縁の強化された対称電気信号像を得るための改良型装
置と方法を提供することにある。

関連する第２の目的は、半導体基板上の非常に狭い特徴
的形状の線幅を測定するだめの装置と方法を提供するこ
とにある。

Ｅ１問題点を解決するだめの手段 これらの目的は、ＳＥＭの電子線により、平坦な表面上
で縦方向に伸びる構造を横方向に走査することにより達
成される。２つのＥ−Ｔ検出器が縦方向の構造の両横に
設けられている。まず一方の検出器をＯＮに、他方の検
出器をＯＦ’Ｆ’にして、構造を横切る線に沿って電子
線を走査し、ＯＮの検出器から離れた側の構造の下縁か
ら集めた二次電子によって生成される明確振幅の変化を
示す波形の電気信号を発生させる。次に一方の検出器を
ＯＦＦに、他方の検出器をＯＮにして、同じ線に沿って
電子線を走査し、ＯＮの検出器から離れた側のもう一方
の下縁から集めた二次電子によって生成される明確な振
幅変化を示す波形の電気信号を発生させる。この２つの
電気信号を組合わせて、構造の２つの下縁に正確に対応
する強化された対称な振幅変化を示す波形の合成電気信
号を発生させる。この合成信号は、ＣＲＴモニタに送っ
て構　　　造の像を観察し、または処理した後コンピュ
ータ自動線幅測定アルゴリズムに送って線幅の測定を行
うことができる。電子線は、半導体等の走査される試料
が破壊されないようＫ、エネルギが十分低いものを選択
する。この２つのＥ−Ｔ検出器のファラデイ・ケージに
正のバイアス電圧を印加すると、構造の後側ないし離れ
た側の像が、この側をいし離れた側から放射される二次
電子によシ卓越的に生成する。明らかに、構造自体が構
造の後側ないし離れた側から後方散乱するビーム電子を
、遠い検出器から「隠しないし遮蔽」する。向き合った
各検出器にバイアスがかかるため、向き合った検出器た
よるビーム変位がゼロになるように、ディジタル走査線
を校正する必要がある場合がある。

Ｆ、実施例 第１図は、本発明の装置の部品の物理的な関係を示す略
図で、本発明の方法も示している。

さらに詳細に説明すると、ＳＥＭからの電子線１０が、
断面を示した試料１４を横方向に走査する。この試料は
、縦方向に伸びた構造、すなわち特徴的形状２０が突出
した平坦な表面１８を有する基板１６からなる。図に示
すように、構造すなわち特徴的形状２０は、平坦面１８
との接合部２４を形成する左縁２２と、平坦面１８との
接合部２８を形成する右縁２６を有する。縁部２２およ
び２６は傾斜しだ綴部として示しであるが、これらは垂
直であってもよい。電子線が衝突した表面から放射され
る二次電子の数は、電子線に平行な表面では最大であり
、電子線に垂直な表面で減少し、接合部２４および２８
で最小となる。

ＳＥＭ内には２個のＥ−Ｔシンチレータ・フォトマルチ
プライヤ検出器３ｏおよび３２が、それぞれの縦方向軸
が平坦面に平行で、縦方向に伸びた構造２０を横切る方
向の両横側にそれぞれ配置されている。左側のＥ−Ｔ検
出器３ｏを検出器Ａとし、右側のＥ−Ｔ検出器３２を検
出器Ｂとする。

コンピュータ３４は、本発明にもとづく検出器３０およ
び３２０オン・オフ動作を制御し、雨検出器３０および
３２から、各検出器が集めた電子の強さを表わす電気信
号の形のデータを受信し、下記に詳細に述べるように、
このデータを処理して、走査された構造の像を表わす強
化された対称最小合成信号、ないし線幅信号の形の合成
データを出力する。

従来のＳＥＭの比較的エネルギの高い電子線によって破
壊されるおそれのある半導体その他の試料の場合、電子
線エネルギが２，５ＫｅＶ　以下になるようにＳＥＭは
設計しなければならない。このような試料は、たとえば
、シリコン、アルミニウム、フォトレジスト等である。

しかし、高エネルギの走査電子線によって破壊されない
試料に対し、本発明は試料分析に用いる従来のＳＥＭに
見られろ２０〜３０ＫｅＶ　の電子線に本発明を適用す
ることができる。さらに、検出器３０および３２は平坦
な表面１８に平行であるように図示しであるが、その方
向はＳＥＭメーカが決めるもので、本発明の操作には重
要ではない。典型的なＳＥＭでは、検出器５０および３
２を固定し、試料は電子線１０によって横方向に走査さ
れるように、２個の検出器の間の適当な位置に置く。さ
らに、ケージ・バイアスは＋３００Ｖと示されているが
、＋３００Ｖまでのいかなる正電圧であってもよい。

本発明の方法、および第１図に示す装置の操作は、ＯＮ
のＥ−Ｔ検出器から離れた構造の各側面からのデータ信
号のみを使用することにより、構造の縁部の強化された
対称な合成像を形成する新しい原理に基づくものである
。第１図を参照すると、この原理は、検出器３０および
３２のうち１個だけをＯＮにして、線に沿って横に走査
し、次にもう一方の検出器だけをＯＮにして、同じ線に
沿って走査することにより達成される。宋明者は、検出
器ＡおよびＢからの波形がそれぞれ、ＯＮの検出器から
離れた側の構造の下縁に対応する点で明確な凹みを有す
ることを発見した。次に、この２個の検出器からの信号
波形を第２図のフロー・チャートに示すアルゴリズムに
よって組合わせ、試料１４の平坦な平面１８と構造の下
縁との接合部２４および２８に正確に対応する対称的な
明確な凹みを有する最小複合信号を発生する。

さらに詳しくいうと第１図に示す装置は、ＯＮのＥ−Ｔ
検出器から離れた側の構造の側面から集めた二次電子に
対応する検出器の信号と、凹凸のない表面からの通常の
信号のみを用いて、対称合成俊を形成する機能を行う。

まずコンピュータ３４は２個の向き合ったＥ−Ｔ検出器
３０および３２のうちの１個をＯＮにし、ビームの位置
の関数としてディジタル像の強さ値アレイを集める。次
にコンピュータはこの検出器をＯＦＦ’にし、もう一方
の検出器をＯＮＫして、第１のアレイ値にそれぞれ位置
的に対応する第２のディジタル値アレイを集める。２個
の検出器３０および５２からの対応するアレイ値を比較
し１，２つの値のうち低い方を第３のアレイに記憶させ
ることにより合成した「影Ｊの縁部の像が、形成される
。この２つの値が等しい場合には、コンピュータは第２
図のフロー・チャートに示すように、２つの値のいずれ
かを記憶する。第２図で、■Ａ’ｉは、位置すなわちア
ドレス１に記憶される検出器Ａからの強さの値、■Ｂｉ
　　は検出器Ｂからの同様の情報（検出器ＢがＯＮの場
合）、Ｋは検出器のバイアスによるオフセント・ビーム
のあらゆる変位に対する校正定数、■　、は合成像アレ
イである。

Ｉ マイクログラフと、コンピュータのライン走査プロファ
リングを調べて、この「影」の効果がＯＮの検出器から
離れた側の構造側面からのものであることが証明された
。この影は構造２ｏの後側ないし離れた側面から後方散
乱する電子が、さらに離れたＯＮの検出器に到達するの
が妨害ないし陰にされることで説明される。この影の効
果に加えて、検出器から引いた６００ｖの電界線が曲が
り、したがって弱まって、広範囲の高速エスケープ電子
が影響を受けず、しだがって第３図に示すように捕集さ
れなくなる傾向がある。二次電子は、エネルギが５　Ｑ
　ｅＶ未滴の電子と定義されるので、二次電子は検出器
の相対位置に関係なく捕集される。このように、影はさ
らに純粋に、エネルギの高い後方散乱ビーム電子のない
二次電子像であると見られる。

第４図は、構造２Ｇの断面と、検出器ＡおよびＢから得
られる記憶した信号と、本発明を実施することにより形
成される合成信号の関係を示す。

波形Ａは検出器Ａからの信号出力（検出器ＡがＯＮの場
合）を示し、ＯＮの検出器６０から離れた側の縁部２６
と、平坦面１８との接合部２８に対応する点で、明確な
凹み、すなわち振幅の減少がある。同様に波形Ｂは、次
の横方向の走査で検出器Ｂから得られる信号（検出器Ｂ
がＯＮ、検出器ＡがＯＦＦの場合）を示す。この場合は
、凹み４２はＯＮの検出器Ｂかも離れだ側の縁部２２と
、平坦な表面１８との接合部２４に対応する。波形Ｃは
上記のアルゴリズムによって波形ＡＢを合成した。強化
された対称最小合成信号を示す。すなわち、波形Ｃは、
波形ＡＢの相当する値のうち低いものを各点で選んで形
成したものである。必要があれば、波形ＡＢの高い方の
値を選んで、最大合成信号波形りを形成してもよい。

第５図は、検出器ＡおよびＢを交互にオン・オフし、検
出器のデータ信号を必要なアルゴリズムをも記憶するＲ
ＡＭに記憶させるのに必要な代表的な部品を示すブロッ
ク線図である。高電圧リレー４６は、検出器Ｂに動作電
圧とバイアス電圧を供給する常時閉の下部接点４８を有
する。検出器Ｂからのアナログ信号はＡＩ）コンバータ
によってディジタル信号に変換されて、入出力ボートに
供給され、入出力ポートは論理１の信号を線５０に出力
してリレー接点４８を開に、上部リレー接点５４を閉に
する。これにより検出器Ａに動作電圧が供給される。こ
のようにして、検出器は交互にオン・オフされてＳＥＭ
の電子線を連続的に走査させ、本発明に必要な検出器の
動作を行わせる。

信号はＲＡＭに記憶されており、ＭＰＵは上述の信号処
理、複合操作を行って、像信号または線幅測定を実現す
る。

Ｇ９発明の効果 本発明は２つの明確な問題を解決する。すなわち、従来
技術に見られる検出器によって生ずる信号の非対称を除
去し、コンピュータ自動線幅測定のため、走査された構
造の両側の下縁の像を強化する。本発明の主な特徴は、
検出器ＡおよびＢを、走査される構造の両横の位置に設
け、検出器を上記のように交互にオン・オフして連続的
に走査することである。各走査位置についての強さの値
は、各検出器毎に対応するＲＡＭの位置に記憶される。

２個の検出器からの信号出力が各位置で比較され、必要
とする結果に応じて新しい合成最小信号または最大信号
を形成する。この合成信号像は、検出器（および検出器
の方向の軸）によるバイアスには実質的に無関係である
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の装置の良好な実施例を示す略、　図で
、本発明の基本的方法も示している。 第２図は、２つのＥ−Ｔ検出器からの信号を組合わせて
、平坦な表面上の構造の走査された縁部の強化された対
称像を生成する最小合成信号を形成するのに用いるアル
ゴリズムを示すフロー・チャートである。 第３図は、不明確な結果が現われる原因を図示した略図
である。 第４図は、Ｅ−Ｔ検出器および走査される構造に関する
各種の理想的な信号波形を示した図で、２つのＥ−Ｔ検
出器からの電気信号を処理し、走査される構造の強化さ
れた対称像を生成する最小合成信号が形成される様子を
示す図である。 第５図は、本発明の方法にもとづく本発明の装置を操作
するだめの制御７ステムおよび信号処理システムの１形
態を示すブロック線図である。 １０・・・・電子線、１４・・・・試料、１６・・・基
板、２０　・・・特徴的形状、３０１３２・・・・検出
器、３４・・・コンピュータ。 出願人インターナショナル−ビジネス・マシーンズ拳コ
ーボレー／ヨン復代理人　弁理士　　篠　　　１）　　
文　　　雄本発明 ｊ［１図 フロー子ヤード 第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 試料の平坦な表面と、平坦な面上を縦方向に伸びた突出
   部の２つの縁部との接合部の正確な像を表わす信号を形
   成する装置であって、 検出した電子にそれぞれ対応する電子信号を発生させる
   ため、突出部の両横に配置した第１および第２の電子検
   出手段と、突出部を含めて平坦面を横切る線に沿って第
   １の電子線による走査中に、上記の第１の検出手段のみ
   が走査した表面から放出される電子を、二次電子を含め
   て検出し、上記の第１の検出手段のみが検出した電子を
   示す第１の電子信号を発生させ、突出部を含めて平坦面
   を横切る第２の電子線による走査中に、上記の第２の検
   出手段のみが走査した表面から放出される電子を、二次
   電子を含めて検出し、上記の第２の検出手段のみが検出
   した電子を示す第２の電子信号を発生させるように、上
   記の第１および第２の電子検出手段を制御する制御手段
   と、第１および第２の電気信号を組合わせて、２つの接
   合部の位置に正確に対応する明確な対称性を有する合成
   電気信号を発生させる信号処理手段とからなることを特
   徴とする試料の正確な像を表わす合成信号を形成する装
   置。