JPS6256807A

JPS6256807A - 電子ビ−ム測長装置

Info

Publication number: JPS6256807A
Application number: JP19578985A
Authority: JP
Inventors: Mikio Ichihashi; 幹雄市橋; Genya Matsuoka; 玄也松岡; Hisaya Murakoshi; 久弥村越
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1985-09-06
Filing date: 1985-09-06
Publication date: 1987-03-12

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】〔発明の利用分野〕本発明は電子ビームによるパタン寸法測定装置に係り、
特に、半導体基板上に形成された。絶縁物材料を含む微
小パタンに対して安定な検出信号を得るのに好適なビー
ム走査系とした電子ビーム測長装置に関する。

〔発明の背景〕

近年、半導体デバイスの微細化に伴って、電子ビームの
高解像度を利用したパタン寸法測定装置の開発が盛んで
ある。従来の文献〔例えばエム・ティ・ポスチク（Ｍ　
、　Ｔ　、　Ｐｏ５ｔｅｋ　）等によう走査電子顕微鏡
（ＳＣＡＮＩＮＧ　ＥＬＥＣＴＲＯＮ　ＭＩＣＲＯ５Ｃ
ＯＰＹ）誌。

１９８４、　ｍ　、　ｐｐ、１０６５−１０７４参照〕
には、半導体デバイスへの照射損傷の抑制や絶縁物材料
のチヤーシアツブ軽減の目的で、低加速電圧の一次電子
ビームの利用が必要であることが記載されている。

電子ビーム装置で一般的にチャージアップと呼ばれる「
負電位への帯電」は、帯電電圧が大きく（原理的には加
速電圧まで）、−次電子ビームの試料への入射すらでき
なくなるほどである。この「負の帯電」は低加速電子ビ
ームを用いれば避けることができる。しかし、低加速電
子ビームを用いると２種々の絶縁物で形成された半導体
デバイスでは、「正電位への帯電」が生じる。この状態
では一次電子ビームは正常に試料へ入射するが。

被測定パタンの寸法を与える二次電子発生量が平衡状態
に達するまで経時的に変化するため、微小寸法の測定に
誤差を生じる問題が従来の公知文献では認識されていな
い。

これを２図面を用いてさらに具体的に説明する。

第３図は、よく知られた。−次電子ビームの入射エネル
ギーＥＰに対する二次電子放出係数６の曲線である。δ
＝１となる入射エネルギーＥｌおよびＥ、は一般に物質
により異なるが、絶縁物では概略Ｅ　＋斗１００ｅＶ　
、　Ｅ１＃　ｉ　ｋｅν〜数ｋｅＶ程度である。

例えばＳ　ｊ、　０２では物理学ハンドブック（ｔｉａ
ｎｄｂｕｅｈｄｅｒ　Ｐｈｙｓｉｋ）、　ＸＸＩ、　ｐ
、２７４　（１９５６年）に記載された数値によればＥ
　１＝３０ｅＶ　、　Ｅ１＝２．３ｋｅＶである。

入射エネルギーがＥｌ又はＥ、であれば、入射する一次
電子数と発生する二次電子数どが丁度等しくなり、絶縁
物といえども帯電を生じない。ところが２通常の電子ビ
ーム装置ではＥｐ＞Ｅｘ（領域Ａ）であるのでδく１と
なり、入射電子数よりも二次電子数が小さくなり、絶縁
物表面に入射電子の蓄積、すなわち「負の帯電」が起こ
る。試料表面の負電位−Ｅｓにより、−次電子ビームは
実効的にＥａＥ３（ただしＥｏは加速電圧）で入射する
ことになる。この状況は、原理的にはＥＳ＝Ｅ０まで。

すなわち試料は加速電圧まで負に帯電する。この帯電と
試料表面からの電荷の放電とが不規則に繰返されるため
、安定な状態が得られない。以上からｔ　ＥＯ＜Ｅ！＋
　（領域Ｂ）まで加速電圧Ｅ。を低くすれば、いわゆる
チャージアップは生じないことがわかる。

ところが、この領域Ｂでは逆に、二次電子の発生量が入
射電子数を越えるために絶縁物表面は「正の帯電」を生
じる。この結果、試料は実効的にＥｘ　Ｅｏまで正電位
になる筈である。しかし現実の装置では、第４図に示す
ように、−次電子ビーム１により発生した二次電子２は
、対物レンズ３の磁極片や試料ステージ４および試料室
壁面（図示せず）のアース電位（＜Ｅｓ）で追い返され
て正電位の被測定試料５へ戻ってしまう、ただし。

二次電子は初速塵を持って放出されるので幾らかは試料
から発生し、試料表面はその平均初速度（〜１ｅＶ）程
度には正電位となって平衡状態が生じる。この状況は２
例えばアース電位を有する補助のグリッド電極２２が試
料近傍にある場合を想定すればより容易に理解できる。

ｒ正の帯電」は実際には電位変化が小さいので、外部的
には二次電子の発生量の経時的変化として現われてはい
るものの、「負の帯電」のような異常として観察されな
い。

以上の説明は、絶縁物の帯電現象としてよく知られてい
る現象について述べたが、しかし、電子ビーム測長装置
において、「正の帯電」により起こる誤測定またはその
解決法について言及しでいる公知文献はない。

電子ビーム測長装置で走査形電子顕微鏡像上でカーソル
線合わせて寸法測定する場合は、測定者のパタン認識に
よって「正の帯電」で生ずる輝度変化は重要な問題を生
じない。しかし、二次電子信号を検出しそれを波形処理
して寸法測定する場合、特に自動測定装置では誤測定を
生ずる。低加速電圧の電子ビームにより生ずる「正の帯
電」の実験例を用いて、さらに具体的に、説明する。第
５図（ａ）は、中央部の領域Ｃを高倍率走査しておいて
、低倍率に切換えた直後の二次電子信号波形である。第
５図（ｂ）は、対応する試料、すなわち下地絶縁物１８
．上に被測定図形１９が形成さ九た様子を示す断面図で
ある。第５図（ａ）の信号波形から同図（ｂ）の断面構
造を推定することは不可能である。すなわち、第５図（
ａ）の信号波形より寸法を、たとえばレベル処理、すな
わちスライスレベルＬＬ’　と信号波形との交点から寸
法を自動測定すると２通常は２個の交点が４個にもなり
誤測定の原因となる。信号波形を自動処理して寸法測定
する場合を考えると、隣接測定部からの影響で新しい測
定部での検出信号には、信号レベルや波形形状の変化を
生じるため、測定精度の低下や誤測定の原因となる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、前述した絶縁物の帯電を解決して２寸
法情報を与える安定な検出信号を得ることのできるビー
ム走査系を備えた電子ビーム測長装置を提供することに
ある。

〔発明の概要〕

本発明では、上記目的を達成するために、電子ビームを
試料上に集束する集束手段と、電子ビームを一次元又は
二次元に走査する偏向手段と、ビーム走査に伴って被測
定部より発生する二次電子信号等の位置情報信号を検出
する信号検出手段と。

この検出信号より試料パタン寸法を算出する信号処理手
段とを有する電子ビーム測長装置において。

寸法測定に先立って少なくとも被測定部を含む試料領域
を電子ビームで予備走査する予備走査手段を設けた構成
とする。

すなわち２本発明は、安定な検出信号とするためには２
被測定部分を含む試料領域を安定状態すなわち安定な帯
電状態にすればよい点に着目して。

寸法測定に入る直前に、被測定部分を含む試料領域を電
子ビームで予め走査して、二次電子放出に伴う試料表面
の平衡状態を形成させるビーム走査系を付加しようとす
るものである。

〔発明の実施例〕

以下２本発明の一実施例を第１図、第２図により説明す
る。第１図は実施例装置のブロック構成図、第２図は第
１図による測定手順のフローチャートである。電子ビー
ム１は対物レンズ３により。

試料ステージ４に搭載された被測定試料５上に細く集束
され、偏向器６Ｘ、６Ｙにより一次元又は二次元に走査
される。この電子ビーム１により発生する二次電子２は
信号検出器９によって検出され、信号増幅器１４で所定
のレベルに増幅されて表示装置１５の輝度変調信号とな
る。この表示装置！１５は、電子ビーム１を走査するた
めの偏向信号発生器１０に同期しており、試料表面の走
査像を表示する。また、前記した「正の帯電」を高速か
つ確実にするため被測定試料５の上方に、二次電子信号
の検出を妨げない位置に補助のグリッド電極２２が設け
である。

第２図のフローチャートをも用いて、パタン寸法測定の
手順を説明する。被測定試料５は試料ステージ４によっ
て、指定された測定位置へ移動される（ステップＳＬ）
。電子ビームの照射による試料の損傷を抑制するため、
ブランキング増幅器７を介してビームブランカ８に供給
されていたブランキング信号が解除されて、電子ビーム
１が試料に照射される（ステップＳ２）。この時、制御
部２０により切換回路１７Ｘ、１７Ｙの接点イが選ばれ
ると共に２次のステップＳ３における予備走査用の偏向
信号が形成される。偏向信号発生器１０が起動しディジ
タル偏向信号Ｘ、Ｙが発生され、これらが制御部２０よ
り指定された定数ａおよびｂと。

それぞれ掛算器１１Ｘ、ＩＩＹにおいて掛算される。

ここで、定数ａ、ｂは共に１より大きい値をもつ数であ
る。掛算器１１Ｘ、ＩＩＹ（７）出力ａＸ、ｂＹはＤ／
Ａ変換器１２Ｘ、’１２Ｙを通してアナログ量に変換さ
れた後、偏向増幅器１３Ｘ、１３Ｙを介して偏向器６Ｘ
、６Ｙに供給される。この予備走査により試料表面の電
位が平衡状態になるように、電子ビームの加速電圧、ビ
ーム電流、試料の構成材質。

被測定部の図形密度、測定位置の分布等によって上記定
数ａ、ｂはおよび繰返し走査回数ｎが決められて制御部
２０より指定される。つぎに、制御部２０は切換回路１
７Ｘ、１７Ｙを接点口の方に切換える。

これにより、電子ビーム１は測定用の偏向信号Ｘ。

Ｙで試料上を走査する（ステップＳ４）。被測定部の構
成物質および断面形状等に依存する二次電子信号が検出
され、この検出信号が信号増幅器１４より得られる。こ
の検出信号は、一般に、加算回路】６によって制御部２
０で指定される前記走査回数ｎだけ加算（ステップＳ５
）さら、信号／ノイズ比が改善される。これが終了する
と電子ビーム１は、制御部２０により、ブランキング増
幅器７．ビームブランカ８を介してブランキングされる
（ステップＳ６）。次いで、この検出信号を記憶（ステ
ップＳ７）した後２次の測定位置へ試料は移動される（
ステップＳｌ）。

寸法算出は、記憶した一次元の波形信号、又は二次元の
映像信号を表示装置１５に表示してカーソル線を合わせ
て測定することも、波形信号を自動処理して測定するこ
ともできる。なお、−次元の波形信号を得ようとする場
合には、又又はＹいずれか一方の偏向信号だけで電子ビ
ームは走査されることはいうまでもない。

以上は２本発明の一実施例を説明したもので。

発明の主旨を逸脱しない範囲で偏向信号系は他の構成と
することも可能である。また、偏向信号は測定走査用だ
けとして、予備走査用の偏向器を別に設ける構成として
も、同様の目的を達成することができる。また、補助の
グリッド電極２２は、第４図で説明したようにアース電
位の周辺部品で代用して取り除いてもよく、あるいはこ
の補助のグリッド電極２２に適当な電圧を印加して検出
効率を改善させることもできる。

〔発明の効果〕

以上説明したように１本発明によれば、被測定部に絶縁
物材料を有する測定試料に対しても安定な表面状態で位
置情報を与える＝次電子信号が検出できるようになり、
高精度な微小寸法の測定が可能となる。特に９波形信号
を処理して寸法算出を行う自動副長装置では、信号レベ
ル等の変動により生ずる誤測定が除去できるので大きな
効果を生ずる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すブロック構成図、第２
図は本発明における測定のフローチャート、第３図は二
次電子放出係数のエネルギー依存性曲線図、第４図は試
料の正電位への帯電の説明図、第５図は正電位の帯電に
よる信号変化を示す検出信号波形例を示す図である。〈符号の説明〉１・・・電子ビ・−ム　　　　２・・・二次電子３・・
・対物レンズ　　　　４・・・試料ステージ５・°・被
測定試料　　　　６Ｘ、６Ｙ・・・偏向器７・・・ブラ
ンキング増幅器８・・・ビームブランカ　　９・・・信号検出器１０・
・・偏向信号発生器　　１１Ｘ、ＩＩＹ・・・掛算器１
２Ｘ、　１２Ｙ・・・Ｄ／Ａ変換器１３Ｘ、１３Ｙ・・・偏向増幅器１４・・・信号増幅器　　　　１５・・・表示装置１６
・・・加算回路　　　　　１７Ｘ、１７Ｙ・・・切換回
路１８・・・下地絶縁物　　　　１９・・・被測定図形
２０・・・制御部　　　　　　２１・・・制御計算機２
２・・・グリッド電極代理人弁理士　　中　村　純之助１Ｐ１　　閏１０−−−イＪ＋た１信葉発Ｙｃ、Ｂ　　　　２２−−
−クーリ１．ドｉ−ｓ才３図矛４図２２−・−グリッド°を極

Claims

【特許請求の範囲】

（１）電子ビームを試料上に集束する集束手段と、電子
ビームを一次元又は二次元に走査する偏向手段と、ビー
ム走査に伴って被測定部より発生する二次電子信号等の
位置情報信号を検出する信号検出手段と、検出信号より
試料パタン寸法を算出する信号処理手段とを有する電子
ビーム測長装置において、寸法測定に先立って少なくと
も被測定部を含む試料領域を電子ビームで予備走査する
予備走査手段を設けたことを特徴とする電子ビーム測長
装置。
（２）前記信号検出手段が、試料の上方でかつ試料から
の位置情報の検出を妨げない位置に補助電極を導入した
信号検出手段であることを特徴とする特許請求の範囲第
１項記載の電子ビーム測長装置。
（３）前記予備走査手段が、偏向信号発生器からの偏向
信号を、予備走査時と寸法測定時とで切換えて前記偏向
手段に供給する偏向信号切換系を備えて予備走査を行う
ものであることを特徴とする特許請求の範囲第１項ある
いは第２項記載の電子ビーム測長装置。