JPS61294748A - 荷電ビ−ム照射装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ＶＬＳＩなとの電子デバイスの微細なバタン
の寸法を荷電ビームを用いて測定する装置、走査型電子
顕微鏡、あるいは荷電ビームを用いた非接触試験装置に
おいて、ビーム照射によるチャージアップを抑制する荷
電ビーム照射装置に関するものである。

〔従来の技術〕

走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）は、微細なデバイスの観察
を行う手段として広く用いられている。

しかしＳＥＭ像をＩＩする場合、材質や加速電圧等の照
射条件に゛よってチャージアップを生じると。

像観察が困難になる０例えばチャージアップにより、あ
る部分が非常に明るくなったり、あるいは暗（なったり
すると、その周辺の形状観察やレジスト・エツチング残
りの検出等ができなくなる。

またＳＥＭを用いてバタン寸法を測定する装置としては
、特公昭５９−７６１に示された装置がある。

上記装置は、試料の走査像あるいは二次電子信号波形に
重ねて２つの可動位置マーカを表示させ、マーカ信号の
発生間隔からマーカ間の距離を算出するものである。こ
の方式では、まず二次元走査による走査像を見ながら測
定者が測定したい目的のパタンを選び出し１次に一次元
走査に切変えて二次電子信号波形を得る。該二次電子信
号波形に重なって２本のマーカが画面に表示される。上
記マーカが測定したい位置にくるように測定者がマーカ
の位置を調節したのち、上記マーカの間隔と倍率から距
離を算出する構成にな−っている０寸法を測定するには
二次電子信号量をデジタル値に変換し、配線部分を選び
出して−１，イ測定する。従来から特開昭５８−２１４
２５９にあるように、同一材質から出る二次電子の量が
電位によって異なることを利用して、電極電位の高低に
対応して２値化する方式がある。すなわち、外部から０
１５ｖというような電圧を印加し、バタンから出る二次
電子の量の違いによって、電位が異なるバタンや電位が
変化したバタンを、像観察によって識別するのが目的で
ある。この場合には外部から電圧を印加して測定してい
るために、チャージアップなどによるノイズが生じにく
い、しかし測長を行う場合には、二次電子放出量の材質
による違いを外部から電圧を印加せずに測定するので、
材質や照射条件によってチャージアップが生じやすく、
配線部分と下地材料とのエツジ部分を誤認識するおそれ
がある。例えばチャージアップがあり第９図（ａ）のよ
うな二次電子信号波形が得られた場合には、これを２値
化すると（ｂ）に示す信号波形になる。

本来はＬが配線幅であるが、ａを配線幅であると誤認識
してしまうおそれがある。このように、測定したい個所
とは異なる間隔を測定してしまうという欠点がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記のように、チャージアップはＳＥＭ像観察や寸法測
定の上で多くの場合大きな妨げになる。

従来は、加速電圧を変化させてチャージアップを生じな
いようにしている。・第１０図はその原理を示した図で
あり、電子ビームを照射した場合の二次電子放出比δの
加速電圧依存性を示している。一般に、δは加速電圧が
数百Ｖ程度のところでピークを持ち、ＳＥＭで一般に用
いられている加速電圧領域では加速電圧の増加にともな
ってδは減少する。δ〉１ならば入射電子よりも多くの
二次電子が放出されるので照射された物質は正に、また
δく１ならば負にチャージアップす、る、δ＝１ならば
チャージアップが生じない、従ってδ＝１となる加速電
圧を用いれば、チャージアップなしにＳＥＭ＠察を行う
ことができるが、加速電圧を変化させると、ビームの収
束状態が変り、ビーム軸調整、レンズ調整をその都度行
わなければならない欠点があった。

〔問題点を解決するための手段〕

従来の寸法測定装置や走査型電子顕微鏡は、電子ビーム
を走査させて照射する手段と、二次電子を検出する手段
と、二次電子検出量の走査信号に対する変化を検出する
手段を有していたが１本発明は上記に加えて試料台もし
くはデバイスの基板に電圧（基板電圧）を加える手段と
、上記基板電圧を制御する手段とを備えるようにしたも
のである。

〔作用〕

本発明は、従来のこの種の装置に加えて、試料台もしく
はデバイスの基板に電圧（基板電圧）を加える手段と、
上記基板電圧を制御する手段とを加えることによって、
上記基板電圧を変化させてチャージアップを抑制するこ
とにより、従来チャージアップを防止するために加速電
圧を変化させ、そのために必要としたレンズ等の調整を
なくしたものである。

〔実施例〕

つぎに本発明の実施例を図面とともに説明する。　′第
１図は本発明による荷電ビーム照射装置の一実施例を示
す構成図で、（ａ）は走査信号に対する二次電子検出量
の変化を測定者が観測しながら基板電圧を制御する装置
、（ｂ）は制御計算機により基板電圧を制御する装置、
第２図は本発明の装置で測定した結果を示し、（ａ）、
（ｂ）は５ｉｎ２上（７）Ａｆｉ配線バタン、（ｃ）、
（ｄ）はＳｉｏ、上ルジストパタンを示す図、第３図は
本発明の詳細な説明する図、第４図は効果例の走査型電
子顕微鏡写真を示す図、第５図は上記例の二次電子信号
の変化を示す図、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は基板電圧を
それぞれＯ１４、ＩＯＶにした場合を示す図、第６図は
他の効果例の走査型電子顕微鏡写真を示す図、第７図は
上記例の二次電子信号の変化を示す図で（ａ）、（ｂ）
は基板電圧が０と９ｖの場合を示す図、第８図は同目的
を達成する他の構成を示す図で、（ａ）と（ｂ）はそれ
ぞれ電極形状が異なっている。第１図において、１は電
子銃（図示せず）から発生した電子ビーム、２は電子ビ
ームを偏向するための偏向電極、３は偏向電源であり、
該偏向電源３で電子ビーム１を走査している。４は電子
デバイス、５は電子デバイス４を装填するためのステー
ジである。６は該ステージ５に電圧（基板電圧）を加え
るための電源である。７は電子デバイスから発生した二
次電子を検出するための二次電子検出器、８はアンプで
あり、１２は走査信号に対する二次電子検出量の変化を
表示するための表示装置である。なお、（ｂ）では偏向
電極２に加える電圧をＤＡコンバータ１０で制御して電
子ビーム１を走査するようになっている。二次電子検出
器７の出力信号はＡＤコンバータ９を介して制御計算機
１１に入力している。また上記制御計算機１１から基板
電源６をＤＡコンバータ１０を介して制御する構成にな
っている。

第２図は上記装置を用いて測定した結果の一例であり、
電子ビーム１をライン走査した場合の二次電子検出量の
変化を示した図である。第２図において（ａ）と（ｂ）
とはＳＯＯ人のＳｉｏ、上の最配線パタンを、同一ビー
ム電流で同一個所を１７４００倍で測定した結果である
。加速電圧は２ｋＶである。（Ｃ）と（ｄ）とは３００
人のＳｉｏ、上のレジストバタンを５００倍で、同一ビ
ーム電流で同一個所を測定した結果であり、加速電圧は
１ｋＶである。なお（ａ）と（ｃ）とは基板電圧を加え
ない場合である。チャージアップが生じているために、
舷やレジストのライン部分や下地のＳｉＯ□部分の信号
が一定にならず、なだらかに変化している。またＡｌｌ
やレジストの信号強度はラインによって異なっている。

これに対して（ｂ）と（ｄ）とはステージ５に基板電圧
を加えた場合である６基板電圧の大きさは、（ｂ）、（
ｄ）ともに８ｖである。この場合には、ライン部分や下
地部分の信号がほぼ一定となり、ラインによる信号強度
の違いもほとんどなく、チャージアップが生じていない
ために台形形状に近い波形が得られている。また（Ｑ）
の場合には、Ｓｉｏ、とレジスト部分の信号強度がほぼ
同じであるが、（ｄ）では変化している。このように基
板電圧によって材質の違いをはっきりさせる効果もある
。

つぎに本発明の詳細な説明する。一般に二次電子放出比
δは表面電位の関数になっており１表面電位が高いと表
面からの離脱確率が小さくなりδは小さくなる。従って
基板電圧が高いとδは減少する。電子ビーム照射によっ
て放出された二次電子あるいは反射電子は、周囲の電界
により二次電子検出器７またはウェハ４内の他の場所等
に捕えられる。第３図は二次電子検出量Ｓの表面電位依
存性を示した図である。表面電位が高いと発生した二次
電子、あるいは反射電子が鏡筒にあたって発生する二次
電子などが二次電子検出器７に到達しないで、ウェハ４
の方へ戻ってしまうためにＳが小さくなる。この場合ウ
ェハ４に捕えられる電子の量は、表面電位が高い場所は
ど多くなる。このため、表面電位が高い場所はど電子が
多く捕えられて表面電位がより多く減少するために、ウ
ェハ面内の電位は均一化してくる６また表面電位が高い
ほどウェハに捕えられる全電子の量は多くなり、ウェハ
面内の表面電位を均一化する効果が大きくなる。従って
ウェハの表面電位を全体的にあげると、表面電位が均一
化（チャージアップ抑制、コントラスト減少）する、ま
た表面電位が高いと、二次電子検出量Ｓは二次電子がウ
ェハに捕えられる分だけ減少するので、相対的に反射電
子の割合が増加する。このためチャージアップなどの電
位の影響が少ない像を得ることができるという効果があ
る。半導体、金属のウェハ表面に絶縁膜がない場合には
、ウェハを装填するステージに基板電圧を加えれば、表
面電位がそのまま変化する。また表面を絶縁体で覆われ
ているウェハでも、基板電圧を加えることで表面電位を
変化させることができる。すなわち、ビームの照射によ
り表面電位が変化すると、絶縁膜内に電界が生じ、基板
電圧が変ると容量結合により絶縁膜内の電界を介して表
面電位が変化する。このため表面が絶縁膜で覆われてい
るウェハに対しても基板電圧の変化によリチャージアッ
プを抑制することができる。その効果は、表面が絶縁膜
で覆われていない方が大きくなる。

第４図は本発明の効果を表わすための実施例の走査型電
子顕微鏡写真を示す図である。３００人のＳｉｎ、上に
あるＯ、Ｓ、厚のレジストバタンであり、加速電圧は１
ｋＶ、倍率は約５００倍でＩＩＨＩしている。

（ａ）は基板電圧がＯｖ、（ｂ）は基板電圧が１０Ｖの
場合である。（ａ）では右下が暗くなっているほか、レ
ジストや８１０８部分の明るさが一定でない、一方、（
ｂ）ではチャージアップが抑制されており、レジスト、
ｓｉｏ、各々の部分はほぼ同じ明るさになっており、ま
たエツジ部分もはっきりしている。

一般に基板電圧を増加させると、デバイス表面で平面的
に表面電位が均一化されて二次電子信号量が小さくなり
、その最大と最小の差も小さくなる。また基板電圧を高
くしすぎると、二次電子信号がなまって立上りがゆるや
かになってしまう。

このため基板電圧を高くしすぎない方がよい、その実施
例を示したのが第５図である。第５図は３００人のＳｉ
ｎ、上の２０ｍ幅、ＩＩＩｍ厚のレジストを。

加速電圧１ｋＶ、２５００倍で測定した場合である。

（ａ）、（ｂ）、（Ｃ）はそれぞれ基板電圧をＯ１４゜
１０Ｖと変化させた場合の二次電子信号量のライン走査
に対する変化を示している。Ｏｖのときはチャージアッ
プが生じており、レジストや８１０２部分の二次電子信
号量が一定になっていない、これに対して基板電圧が４
および１０ｖでは、レジストやＳｉｎ、部分の二次電子
信号量がほぼ一定になり。

チャージアップは生じていない、基板電圧が４ｖではほ
ぼ台形に近い形状が得られている。しかし基板電圧が１
０ｖでは立ち上りがゆるやかになり、レジスト部分の二
次電子信号波形が台形形状からずれてしまう０以上のこ
とからこのパタンについては、基板電圧を４ｖ印加すれ
ばチャージアップがなく、二次電子信号波形も台形に近
い状態で測定できるが、それ以上基板電圧を高くしても
信号波形が悪くなることがわかる。この孝うな現象はレ
ジストパタンに多く、その他の場合には、ある値以上の
基板電圧を加えていくとコントラストが減少していく。

基板電圧を加える方法は、コントラストが強すぎる場合
に、基板電圧を加えて最大値と最小値の差を小さくする
ことによりコントラストを最適化し、ＳＥＭ＠察を容易
にすることにも用いることができる。第６図はその実施
例を示した走査型電子顕微鏡写真を示す図で、３００人
のＳｉｎ、上にあるｐｏ　Ｑ　ｙ−Ｓ　ｉのスクライブ
ライン部分であり、１５０人の８１０２を形成したのち
ドライエツチングを行ったものである。加速電圧は２ｋ
Ｖ、倍率は１２７０倍で観察している。（ａ）は基板電
圧がＯｖの通常の場合、（ｂ）は基板電圧が７ｖの場合
である。

（ａ）ではコントラストが強すぎてＰＯＱ　ｙ−Ｓ　ｉ
部分しかｗ４察できないが、（ｂ）ではＳｉｎ、部分に
あるエツチング残りあるいはエツチングされた５ｉｎ２
膜のかすが残っているのが見えており、Ｓｉｎ、および
ＰＯＱ　ｙ−Ｓ　Ｌ双方の情報が得られている。一般に
二次電子信号量の最大値と最小値との差を小さくするに
は、通常、ビーム電流を減少させている。このビーム電
流を減少させる方法はチャージアップがない時にはよい
が、チャージアップを生じている場合には、上記のビー
ム電流を減少させる方法ではチャージアップを抑制する
ことができない、第７図はその効果を示すための実施例
であり、ビーム電流を変化させた時の二次電子信号量の
ライン走査に対する変化を示している。

５００人のＳｉＯ□上のＭ電極パタンを測定した場合で
あり、加速電圧は２ｋＶ１倍率は２５０倍である。

ビーム電流が多い・はど二次電子検出量も多くなる。

（ａ）は基板電圧がＯｖの場合でありチャージアップが
生じている。ビーム電流を減少させるとコントラストが
減少している。しかしビーム電流を減少させてもチャー
ジアップによりＭ配線やＳｉｎ、の二次電子信号量が一
定になっていない。

このためＭ配線とＳｉｎ、の区別がつきにくい部分があ
る。これに対して基板電圧に９ｖを加えた（ｂ）の場１
合には、Ｍ配線部分とＳｉｎ２部分のそれぞれの二次電
子信号量が一定になるとともに、コントラストも減少し
ている。またビーム電流を増してもチャージアップを生
じず、二次電子信号波形も台形形状であり、舷配線とＳ
ｉｎ、との区別が容易である。

つぎに基板電圧の制御方法について説明する。

測定者が走査型電子顕微鏡像を見ながら行う場合には、
チャージアップを生じているかどうかを見て、チャージ
アップが生じていれば正の基板電圧を印加する。このと
き画面全体が暗くなるので、全体の明るさが明るくなる
ように調整する。この調整は二次電子検出信号の出力電
圧に一定な電圧を加えればよい。この動作は基板電圧を
加えない場合にも必要な動作である。あるいは二次電子
信号量のライン走査に対する変化をＣＲＴで観測しなが
ら、配線パタンや下地材料の二次電子信号量が一定にな
るようにすればチャージアップを抑制できる。また二次
電子信号量の最大・最小の差がある値の中に入るように
調整すれば、走査型電子顕微鏡像を観測する場合にコン
トラストが適正になる。制御計算機により基板電圧を制
御する場合には、二次電子信号量の走査信号に対する変
化を制御計算機に取込んで、配線パタンや下地材料の二
次電子信号量が一定になるようにすれば、チャージアッ
プを自動的に抑制することができる。また、二次電子信
号量の最大・最小の差が、ある一定値の中にはいるよう
に調整すれば、走査型電子顕微鏡像を観測する場合にコ
ントラストが適正になる。

また本発明の荷電ビーム照射装置は、チャージアップが
生じない照射条件でビームを照射し、基板電圧に負の電
圧を加えてコントラストを強調することにより、計算機
による自動測定を容易にするように用いることもできる
。

上記実施例ではウェハ周辺の電界を変えることによって
、ウェハに捕えられる二次電子の量を変化させてチャー
ジアップを抑制する目的を達成するために、ステージも
しくは基板にバイアス電圧を加えている。しかし、ステ
ージもしくは基板をグランドレベルに接地し、ウェハの
上方の電極を設置して、該電極に逆のバイアス電圧を加
えてもよい、第８図はその例を示した図であり、（ａ）
は電子光学鏡筒２０の下に電極２２を絶縁物２１を介し
て設置し、上記電極２２に電源２３からバイアス電圧を
加える構成である。（ｂ）は電極２２がウェハ４を覆う
ように配置してあり、上記電極２２の一部。

すなわち二次電子検出器７の方向がメツシュ状に形成さ
れている。なおステージ５もしくは基板４はグランドレ
ベルに接地し、電子ビームの鏡筒全体の電位を−１０〜
ＩＯＶ程度浮かせることによっても同じ効果が得られる
ことは勿論である。

〔発明の効果〕

上記のように本発明による荷電ビーム照射装置は、荷電
ビームを走査して照射する手段と、上記照射により被測
定デバイスから発生する二次電子を検出する手段と、二
次電子検出量の走査信号に対する変化を検出する手段と
、上記被測定デバイスを装填する試料台またはデバイス
の基板自体に電圧を加える手段と、上記試料台またはデ
バイスの基板に加える電圧を制御する手段とを備えたこ
とにより、加速電圧を変えることなくチャージアップを
抑制することができる。また、その際基板に加える基板
電圧は、チャージアップを抑制する場合には正に、コン
トラストを強調する場合は負に加えるが、その大きさは
一１０〜ＩＯＶ程度であり。

この程度の電圧ではレンズａｍを行わずにチャージアッ
プを抑制することができるので、操作が極めて簡便であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による荷電ビーム照射装置の一実施例を
示す構成図で、（ａ）は走査信号に対する二次電子検出
量゛を観測しながら基板電圧を制御する装置、（ｂ）は
制御計算機により基板電圧を制御する装置、第２図は上
記装置で測定した結果ヲ示シ、（ａ）、（ｂ）４ｔＳｉ
Ｏ，上ノ舷配線バタン、（ｃ）、（ｄ）はＳｉｎ、上の
レジストバタンをそれぞ示す図、第３図は本発明の詳細
な説明するための図、第４図は本発明の効果例の走査型
電子顕微鏡写真を示す図、第５図は上記例の走査信号に
対する二次電子信号の変化を示す図で、（ａ）、（ｂ）
、（Ｃ）は基板電圧をそれぞれＯＶ、４ｖ、ＩＯＶに変
化させた場合を示す図、第６図は本発明の他の効果例の
走査型電子顕微鏡写真を示す図、第７図は上記例の走査
信号に対する二次電子信号の変化を示す図で、（ａ）、
（ｂ）はそれぞれ基板電圧がＯｖおよび９ｖの場合を示
す図、第８図は本発明と同目的を達成する他の構成を示
す図で、（ａ）は電子光学鏡筒の下に電極を設置したも
の、（ｂ）はウェハを覆うように電極を設置したもの、
第９図は従来技術の欠点を説明する図で、（ａ）は二次
電子信号波形、（ｂ）は２値化した信号波形、第１０図
は従来技術における二次電子放出比の加速電圧依存性を
示す図である。 １・・・電子ビーム　　　　２・・・偏向電極４・・・
被測定デバイス　　５・・・試料台６・・・バイアス電
源　　　７・・・二次電子検出器１１・・・制御計算機
　　　　１２・・・表示装置特許出願人　日本電信電話
株式会社 代理人弁理士　　中　村　純之助 矛１図 ＋１：＊＋１則　１２ニル千暮夏 矛２図 ＡＩｌ　　　５．、’０．　　ＡＩ　　Ｓ；０．　　Ａ
Ｉ　　Ｓ六入　ＡＩｌ　　　Ｓ、易Ａｌ５ｈｏ、　　　
　レジスト　　　５ｉ（ｈ　　　　１／”／２ト　　Ｓ
；　ｏｚ１’３図 ｆ９図 ↑１０９図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 荷電ビームを走査して照射する手段と、上記照射により
   被測定デバイスから発生する二次電子を検出する手段と
   、二次電子検出量の走査信号に対する変化を検出する手
   段と、上記被測定デバイスを装填する試料台またはデバ
   イスの基板自体に電圧を加える手段と、上記試料台また
   はデバイスの基板に加える電圧を制御する手段とを備え
   た荷電ビーム照射装置。