WO1994008232A1 - Method and apparatus for surface analysis - Google Patents

Description

糸田 » 表面分析方法および装置 〔技術分野〕

本発明は表面分析技術の改良に係 り 、 特に、 被分析 試料の表面上に存在している残留物の定性， 定量分析 に適 した表面分析方法および該方法を実施するための 装置に関するものである。

〔背景技術〕

半導体素子の高集積化を推進するためには、 ディ 一 プサブミ ク ロ ン以下の レベルでの微細加工技術を確立 しなければな らない。 例えば、 2 5 6 M b D R A Mの 製作では、 直径 0 . 2 μ πι、 深さ 2 mの コ ンタ ク ト ホールの加工が要求されている。 このよ う な高精度の 加工技術を確立するためには、 微細加工の正確さ を計 測， 検査する技術が必要である。 これ ら技術の う ち、 ドライエッチング後の残留物 （残膜） の種類と量と を 分析可能な技術が特に必要と されている。 この残留物 分析において留意すべき点は、 ウェハ表面は必ずしも 平坦ではな く 、 先のコ ンタ ク トホールの例に象徴され るよ う に、 起伏が大きい箇所での分析も 要にな る と 云う点である。 従来、 起伏の大きな箇所における残留物分析は、 加 ェ後のウェハを割って、 その断面を走査型電子顕微鏡 ( S E M ) で観察する こ と によ り行われていた。 し か し、 この方法には、 単なる形状観察であるため残留物 の種類の同定が不可能である こ と、 ウェハを割っ て し ま う ため観察後の ウェハを製造プロセスに戻せない こ と、 また、 数 n mオーダの極微量の残膜の観察が困難 である こ と、 等の問題点があっ た。 G b 以降の半導体 集積回路素子の開発では、 歩留ま り や分析精度の低下 を意味する上記問題点は致命的である。

一方、 ウェハを割る こ と な く 分析可能な分析方法と して蛍光 X線分析法がある。 この分析法の一例と して は、 例えば特開昭 6 3 — 2 4 3 8 5 5号公報に開示さ れた荷電粒子分析装置がある。 この分析装置では、 試 料に電子線を照射して、 電子線照射によ り発生 した蛍 光 X線を観測する。 蛍光 X線の観測には、 照射電子線 の中心軸と 2 2度の角度で配置さ れた分光結晶が用い られている。

蛍光 X線を用いて残留物を定性， 定量分析するため には、 蛍光 X線の観測手段の設置位置が重要である。 すなわち、 発生 した蛍光 X線の吸収を避けるために、 蛍光 X線の発生位置が直視でき る場所に観測手段を設 置しなければな らない。 しかし、 蛍光 X ¾ 観測手段の 設置位置に関 しては、 これまで明確な基準がな く 、 注 意が払われていなかっ た。 例えば、 先に述べた荷電粒 子分析装置では、 分光結晶が 2 2度の角度で配置され ているが、 このよ うな角度では発生した蛍光 X線の吸 収を避ける こ と ができない場合がある。 特に、 今後の 半導体素子の主流である 4 M b以降の D R A Mに関し ては、 この荷電粒子分析装置では、 試料表面上の残留 物の定性， 定量分析は不可能である。

〔発明の開示〕

したがって、 本発明の 目的は、 ウェハを割る こ とな く して、 試料表面上の残留物を高精度に定性， 定量分 祈する ことの可能な表面分析方法およびその方法を実 施するための装置を提供する ことである。

上記目的を達成するため、 本発明においては、 試料 表面に加速， 集束された電子線を照射して該電子線の 照射によ リ試料表面から放射される蛍光 X線を観測す る こ と によっ て上記試料表面に存在する残留物の分析 を行う表面分析方法において、 上記電子線の照射によ リ上記試料表面から放射される蛍光 X線を上記電子線 の中心軸に対して近軸の方向から観測する こ と を特徴 と している。

すなわち、 本発明によれば、 試料表面に存在する微 細孔の内部に加速， 集束された電子線を 射して該電 子線の照射によ リ上記微細孔の内部から放射される蛍 光 X線を観測する こ と によって上記微細孔の内部に存 在する残留物の分析を行う表面分析方法において、 上 記微細孔の内径を 2 a 深さ を d と したと き、 上記電子 線の照射によ り上記微細孔の内部から放射される蛍光 X線を上記電子線の中心軸から t a η α = ( a / d ) で定義される角度 α の範囲内 （近軸方向） において観 測する こ と を特徴とする表面分析方法が提供される。

また、 本発明によれば、 試料表面に加速， 集束され た電子線を照射して該電子線の照射によ リ試料表面か ら放射される蛍光 X線を観測する こ と によっ て上記試 料表面に存在する残留物の分析を行う表面分析方法に おいて、 上記電子線の照射によ り試料表面から放射さ れる蛍光 X線を上記電子線の中心軸から角度 2 0度の 範囲内 （近軸方向） で観測する こ と を特徴とする表面 分析方法が提供される。

こ こで、 分析対象と しての上記残留物は炭素原子， 酸素原子およびシ リ コ ン原子の う ちのいずれかを含む 残留物である こ と ができ る。 また、 上記電子線のエネ ルギ一は、 炭素原子， 酸素原子およびシ リ コ ン原子の う ちのいずれかを励起してその蛍光： 線を放射させる こ と のでき るエネルギーに選択されるのがよ い。 具体 的には、 上記電子線のエネルギーは、 5 k e V以下で ある こ と が望ま し く 、 さ ら には、 観測す き蛍光 X線 のエネルギーの 1 0倍以下である こ と が望ま しい。 また、 上記の蛍光 X線の観測は、 上記電子線の中心 軸と 同軸に配置された中央に開孔を有する 円環状の X 線検出器を用いて上記蛍光 X線を分光 して検出する こ と によっ て行われる こ と ができ る。 この場合、 上記電 子線は、 上記 X線検出器の中央開孔を通して上記試料 表面に照射される こ と ができ る。 また、 上記 X線検出 器は、 上記電子線を集束させるための電子レ ンズの内 側に配置される こ と ができ る。

また、 上記の蛍光 X線の観測は上記電子線の中心軸 上に設け られた X線検出器を用いて上記蛍光 X線を分 光 して検出する こ と によっ て行われる こ と もでき る。 この場合には、 上記電子線は上記 X線検出器が設け ら れている位置において該 X線検出器を迂回する よ う に 偏向された上で上記試料表面に照射される こ と ができ る。

さ ら に、 上記の蛍光 X線の観測は上記電子線の中心 軸の近傍に設け られた X線反射鏡によっ て上記蛍光 X 線を反射させ、 この反射された蛍光 X線を上記電子線 の中心軸外に設け られた X線検出器によっ て分光検出 する こ と によっ て行われる こ と もでき る。 この場合、 上記 X線反射鏡は上記蛍光 X線を全反射させる全反射 鏡である こ と ができ る。 また、 上記 X線反射鏡は、 平 面鏡であっ ても よい し、 円筒面鏡、 球面 、 ト ロ イ ダ ル鏡または回転二次曲面から構成される非球面鏡であ つてもよい。 さ ら に、 上記 X線反射鏡の反射面の曲率 を可変に構成する こ と もでき る。

さ ら にまた、 上記の蛍光 X線の観測は、 上記電子線 の中心軸の近傍に設け られた多層膜反射鏡によっ て上 記蛍光 X線を分光反射させ、 この分光反射された蛍光 X線を上記電子線の中心軸外に設け られた X線検出器 によっ て検出する よ う に構成する こ と もでき る。 さ ら に、 上記の多層膜反射鏡を回転させる こ と によっ て上 記蛍光 X線に対する分光条件を変化させ、 該多層膜反 射鏡の回転に同期して上記 X線検出器を上記多層膜反 射鏡によっ て分光反射された蛍光 X線を検出でき る位 置に移動させる よ う に構成する こ と もでき る。

さ ら にまた、 上記の蛍光 X線の観測は、 上記電子線 の中心軸の近傍に設け られた回折格子によっ て上記蛍 光 X線を分光反射させ、 この分光反射された蛍光 X線 を上記電子線の中心軸外に設け られた X線検出器によ つ て検出する よ う に構成する こ と もでき る。

なお、 上記した多層膜反射鏡や回折格子によって分 光反射された蛍光 X線を検出するための X線検出器は 複数の X線検出素子を二次元的に配列 してなる二次元 検出器とする こ と ができ る。

また、 上記電子線は、 それが上記試料表面に入射す る直前において偏向されてから上記試料表面に照射さ れるよ う に構成する こ と ができ る。 さ ら に、 上記試料表面上の上記電子線によっ て照射 されている領域を局所的に加熱する こ と が望ま し く 、 この場合の加熱温度は 1 0 0〜 2 0 0 °Cとするのが望 ま しい。 上記の局所的な加熱は、 加熱すべき領域に集 光された光を照射する こ と によっ て行なわれる こ と が でき る。 また、 加熱のために照射する光は、 可視光ま たは赤外光である こ と ができ る。

また、 本発明によれば、 試料表面に存在する微細孔 の内部に細 く 集束された電子線を照射せしめる電子線 照射手段と、 上記電子線の照射によっ て上記微細孔の 内部から放射される蛍光 X線を観測する蛍光 X線観測 手段と を備えてなる表面分析装置において、 上記の蛍 光 X線観測手段は、 上記微細孔の内径を 2 a ， 深さ を d と したと き、 上記微細孔の内部に照射さ れる上記電 子線の中心軸から t a n c = ( a / d ) で定義される 角度 α の範囲内に放射された上記蛍光 X線を分光 して 検出する機能を備えたものである こ と を特徴とする表 面分析装置が提供される。

本発明によれば、 また、 試料表面に細く 集束された 電子線を照射せ しめる電子線照射手段と 、 上記電子線 の照射によって上記試料表面から放射される蛍光 X線 を観測する蛍光 X線観測手段と を備えてな る表面分析 装置において、 上記の蛍光 X線観測手段は、 上記試料 表面に照射される上記電子線の中心軸から角度 2 0度 の範囲内に放射された上記蛍光 X線を分光 して検出す る機能を備えたものである こ と を特徴とする表面分析 装置が提供される。

さ ら にまた、 上記した本発明によ る表面分析装置に は、 試料表面上における上記電子線の照射位置を測定 する手段、 この測定された照射位置を基に して異なる 二つの照射位置間の距離を算出する手段と を さ ら に備 えさせる こ と ができ る。 さ ら にまた、 上記 した本発明 によ る表面分析装置には、 試料表面に形成されたパタ —ンの座標データ に基づいて試料表面上の分析位置を 自動設定する手段を さ らに備えさせる こ と ができ る。 さ ら には、 上記したパタ ーンの座標データ と上記した 分析位置を含む試料表面領域の観察像と を同時に表示 する こ と のでき る表示手段を さ ら に備えさせる こ と が でき る。 上記の表示手段は、 分析すべき試料表面に施 された表面処理のプロセスデータ に基づいて指定され た試料表面領域における断面模式図を表示する機能を さ らに備えているものである こ と ができ る。

上述した本発明の構成によ る作用について説明する と以下の と お りである。

物質に電子線を照射する と 、 蛍光 X線が発生する。 この蛍光 X線のエネルギー （波長） は元素に固有であ るため、 上記蛍光 X線のエネルギー分析 'を行う こ と に よ り 、 元素の同定、 従っ て物質の同定を行う こ と がで きる （定性分析） 。 また、 この蛍光 X線の発生強度か ら物質の量を把握する こ と ができ る （定量分析） 。

ウェハを割る こ と な く 起伏の大きな箇所でも残留物 の分析を可能にするためには、 蛍光 X線の観測方法が 重要である。 半導体素子製造プロセスにおける主要残 留物は、 S i 酸化膜やフォ ト レジス トである。 これ ら の残留物を同定するためには、 c 、 0 、 S i 等の軽元 素を検出 しなければな らない。 電子線照射によ り 発生 した C Κ α線や 0 K c 線は、 そのエネルギーが小さ い ため （ぐ I k e V ) 、 蛍光 X線の発生位置と蛍光 X線 の観測手段との間に障害物がある場合にはこの障害物 の内部を透過できないため、 これらの蛍光 X線を検出 する こ と は不可能である。 最も観測条件の厳しい微細 孔を例に と り 、' この様子を さ ら に詳し く 説明する。

第 2 図に、 被分析試料 2 の表面にある微細孔 h 内に 電子線 1 が入射している様子を示す。 微細孔 h の底面 の電子線照射位置からは蛍光 X線 5 が放出される が、 先に述べたよ う に、 この蛍光 X線 5 の観測は、 その発 生位置と観測手段と の間に障害物がない と云う条件の 下で行われなければな らない。 すなわち、 第 2 図にお いて領域 A内の方向 （以下では、 電子線 1 に対して近 軸の方向と呼ぶ） から蛍光 X線 5 を観測する こ と が必 要である。 こ こで、 角 α は微細孔 h の直径 2 a と深さ d と から t a n ct = ( a Z d ) によ り定義される角度 である。 微細孔 h の代表例と して D R A Mのコ ンタ ク トホールを例にと り 、 こ の角 α の推移を微細孔 h のァ スぺク ト比 （ 2 a Z d ) と共に第 3 図に示 した。 第 3 図から明 ら かなよ う に、 今後の半導体素子の主流であ る 4 M b 以降の D R A Mに関 しては、 角 α が 2 0度以 下の領域内で蛍光 X線を観測する必要がある。 例えば 特開昭 6 3 - 2 4 3 8 5 5号公報に示された荷電粒子 分析装置においては、 蛍光 X線検出用の分光結晶が入 射電子線の中心軸に対して約 2 2度の角度でもっ て配 置されているため、 4 M b以降の D R A Μにおける コ ンタ ク トホール内部の分析に適用する こ と は不可能で ある。 これに対し、 本発明における蛍光 X線の観測手 段にあっ ては、 X線検出器の受光面の一部も し く は全 部、 あるいは'、 X線検出器へ蛍光 X線を導 く ための光 学素子の一部も し く は全部が、 第 2 図の角 α で規定さ れる領域 Α内に設置される よ う に配慮されている。 こ のよ う な観測手段と しては様々な方式のものが考え ら れる が、 それ らの詳細については後揚の実施例の中で 説明する。 このよ う な観測手段を用いる こ と によ り 、 起伏の小さ い試料表面はも と よ り微細孔等を有する起 伏の大きな試料表面についても、 残留物の定性， 定量 分析が可能と なる。

次に電子線の加速エネルギーについて-述べる。 S i 酸化膜に加速エネルギーが 2 k e V と 5 k e Vの電子 線を照射 して、 発生 した蛍光 X線 （〇 κ _α線、 ェネル ギー約 0 . 5 k e V ) の強度の酸化膜厚依存性を測定 した結果を第 4 図に示す。 第 4 図から明 ら かなよ う に 電子線の加速エネルギーが低い方がよ り大きな蛍光 X 線強度が得られる こ と がわかる。 蛍光 X線の収量は照 射電子線の加速エネルギーの関数であ り 、 蛍光 X線の エネルギーを E とする と、 その収量は照射電子線の加 速エネルギーが 3 E程度の と こ ろで最大値を と る傾向 tこ め な ( A . G . ichette; Optical systems i or soft X-rays； Prenum Press , New York , 1986； p . 22 )。 さ らに実験を重ねた結果、 フォ ト レジス 卜の検出に用 いる C K a線 （エネルギー約 0 . 3 k e V ) に関 して は、 l〜 2 k e Vの電子線照射によ り 、 n mオーダの 厚さ の フ ォ ト レジス 卜残膜の検出が可能であ る こ と が わかっ た。 また、 S i からの蛍光 X線の検出には、 2 〜 5 k e Vの電子ビーム照射が最適であ る こ と も判つ た。 これ らの実験から明 らかなよ う に、 C , 0， S i 等の軽元素を含む残留物の検出に際しては照射電子線 の加速エネルギーを 5 k e V以下に制限する こ と によ り n mオーダの厚さ のものでも検出が可能と なる。 最後に、 蛍光 X線分析の空間分解能について説明す る。 蛍光 X線分析において空間分解能を低下させる主 要因は反射電子である。 この反射電子の 響を調べる ため、 S i ウェハ上に S i 酸化膜でパタ ーン を形成し パタ ーン側壁から距離 ； C だけ離れた位置に 3 k e Vの 電子線を照射して、 反射電子によ りパタ ーン側壁から 放出される蛍光 X線（Ο Κ α線）の強度を測定した。 第 5 図に示したよ う に、 パタ ーン側壁から距離 ： ε = 2 5 n mの所に電子線を照射しても、 蛍光 X線（Ο Κ α線） の発生強度は小さ く 、 反射電子の影響は無視でき る こ と がわかっ た。 また、 レジス トパタ ーンに対しても照 射電子線の加速エネルギーが 1 . 5 k e Vにおいて上 記と 同様の結果が得られた。 さ ら に詳しい実験から、 照射電子線の加速エネルギーを検出 し ょ う とする蛍光 X線のエネルギーの 1 0倍以内に抑える こ と によ り 、 反射電子によって生 じ る蛍光 X線の影響をほぼ完全に 取 り除く こ と ができ る こ と がわかっ た。 第 5 図から帰 結される空間分解能 （ l O n mオーダ） は、 D R A M のパタ ーン最小寸法 （ 4 M b で約 1 m， 4 G b で約 0 . 1 μ ) に比べ十分に小さ い。 したがっ て、 本分 析技術は今後の半導体素子の表面分析に最適である。

以上述べたよ う に、 加速エネルギーが 5 k e V以下 の電子線を試料表面に照射して、 発生する蛍光 X線を 照射電子線に対して近軸の方向から観測する こ と によ り 、 試料を割る こ と な く して、 n mオーダの厚さ の極 微量残留物 （残膜） を 0 . l m以下の空間分解能で もっ て定性， 定量分析でき る こ と がわかっ た。

本発明のさ らに他の特徴並びに奏する作用効果につ いては、 以下の実施例についての説明の中で順次明 ら かにされよ う 。

〔図面の簡単な説明〕

第 1 図は、 本発明の一実施例になる表面分析装置の 概略構成図，

第 2 図は、 本発明における X線検出器の設置位置を 説明するための断面模式図，

第 3 図は、 D R A Mに関する各種パラ メ ータ の推移 を説明するための曲線図，

第 4 図は、 蛍光 X線強度の S i 酸化膜厚依存性を示 す曲線図，

第 5 図は、 反射電子によっ てパタ ン側壁か ら放出さ れる蛍光 X線の強度を示す曲線図，

第 6 図は、 本発明の他の一実施例になる表面分析装 置の概唣構成図，

第 7 図は、 本発明のさ ら に他の一実施例になる表面 分析装置の概唣構成図，

第 8 図は、 本発明のさ ら に他の一実施例になる表面 分析装置の概略構成図，

第 9 図は、 本発明のさ ら に他の一実施例になる表面 分析装置の概略構成図，

第 1 0 図は、 本発明のさ ら に他の一実 ^例になる表 面分析装置の概略構成図， 第 1 1 図は、 本発明のさ ら に他の一実施例になる表 面分析装置の概唣構成図，

第 1 2 図は、 本発明のさ ら に他の一実施例になる表 面分析装置の概唣構成図，

第 1 3 図は、 本発明のさ ら に他の一実施例になる表 面分析装置の概¾構成図，

第 1 4 図は、 本発明のさ ら に他の一実施例になる表 面分析装置の概略構成図，

第 1 5 図は、 本発明のさ ら に他の一実施例になる表 面分析装置の概略構成図，

第 1 6 図は、 本発明のさ らに他の一実施例になる表 面分析装置の概略構成図，

第 1 7 図は、 本発明のさ ら に他の一実施例における 半導体装置の製造工程を示す断面模式図，

第 1 8 図は、 本発明のさ ら に他の一実施例における 表示画面の構成を示す模式図，

第 1 9 図は、 本発明のさ ら に他の一実施例になる表 面分析装置の概略構成図， である。

〔発明を実施するための最良の形態〕

以下に、 本発明の実施例につき図面を参照して具体 的に説明する。

ぐ実施例 1 > - 第 1 図に、 本発明の最も基本的な一実施例を示す。 第 1 図において、 加速された電子線 1 が X線検出器 8 の中央部に設け られた開孔 9 を通過して試料 2 (例え ば、 半導体ウェハ） の表面に垂直に照射さ れている。 こ こで、 電子線 1 の ビーム径は試料 2表面上における 分析すべき残留物の堆積領域の大き さ （例えば試料表 面に形成された微細孔の直径） に比べて十分小さ く 選 定され、 電子線 1 の加速エネルギーは 5 k e V以下に 制御されている。 電子線 1 の集束および加速は電子 レ ンズ 3 および 1 1 によ り行われている。 なお、 開孔 9 の直径は、 0 . 1 〜 5 m m程度でよい。

電子線 1 の照射によ り 、 試料 2表面上の残留物から 蛍光 X線 5 が発生する。 この蛍光 X線 5 は、 電子線 1 と 同軸に設け られた X線検出器 8 で検出される。 X線 検出器 8 は、 X線固体検出器 （ S S D ) ゃハ一ピコ ン

(撮像管） 等に代表される よ う なエネルギー分析機能 を有する検出器である。 検出器 8 の電子線軸方向にお ける設置場所に関 しては任意である。 第 1 図に示され ている よ う に電子レ ンズ 3 と 1 1 と の中間部に設けて も よい し、 電子 レ ンズ 3 の内側に設置しても よい。 X 線検出器 8 の設置に関 して重要な点は、 X線検出器 8 の受光面の全部も し く は一部が、 第 2 図に示 した領域

(角 α が 2 0度以下の領域） Α内に収ま る よ う にする こ とである。 このよ う な条件の下で、 X線検出器 8 で 蛍光 X線 5 のエネルギーおよび強度を測定する こ と に よ り試料表面上の残留物の定性， 定量分析ができ る。 例えば S i Κ α線等の高いエネルギーをもつ蛍光 X 線 6 は、 数 μ πι程度の厚みを有する試料物質中を透過 する こ と ができ る。 このよ う な髙エネルギーの蛍光 X 線については電子線照射位置の側方に設置された X線 検出器 4 を用いても検出が可能である。 この X線検出 器 4 もやは リ エネルギ一分析機能を備えた X線固体検 出器な どでよい。 さ ら に、 X線検出器 8 および 4 から の出力信号強度を比較する こ と によ り 、 試料物質中を 透過する こ と によ る蛍光 X線 6 の減衰率を知る こ と が でき る。 この減衰率から蛍光 X線 6 の試料物質中での 透過距離を求める こ と が可能であ り 、 さ ら に この透過 距離から例えば試料 2表面上に存在する微細孔の深さ を知る こ と が可能である。

電子線 1 の照射によ り 、 試料 2表面から二次電子 7 が放出される。 検出器 1 0 はこの二次電子 7 を検出す るためのものである。 電子線 1 で試料 2 の表面上を走 查しながら、 この二次電子 7 を検出する こ と によ り 、 試料 2 の表面の二次電子像を得る こ と ができ る。 この 二次電子像を観察する こ と によ り 、 試料表面上におけ る分析すべき残留物の存在位置を容易に把握でき、 そ れに基づいて試料表面上での分析位置の設定が容易に でき る。

本実施例によれば、 低エネルギー電子線 1 の照射に よっ て試料 2表面から放出される蛍光 X線 5 を照射電 子線 1 の近軸方向から観測でき るため、 表面起伏の大 きな試料でも、 試料を割る こ と な く 、 その表面残留物 を高精度で定性， 定量分析する こ と が可能である。 従 つ て、 分析後に試料 （例えば半導体ウェハ） を再び製 造プロセスに戻してやる こ と が可能と なる。

<実施例 2 >

第 6 図に、 本発明の他の一実施例を示す。 本実施例 は、 X線検出器 1 5 の中央部に電子線 1 を通過させる ための開孔 （第 1 図における開孔 9 ) を設ける こ と が できない場合についてのものである。 本実施例では、 電子線偏向器 1 3 を用いて、 検出器 1 5 のハウ ジング 1 4 を避ける よ う に電子線 1 を偏向させている。 ノヽゥ ジング 1 4 の側面を通過 した電子線 1 は、 電子線偏向 器 1 2 によっ て今度は逆方向に偏向され元の軌道 （光 軸） 上に戻され、 試料 2 の表面に垂直に照射される。 電子線 1 の照射によ リ試料表面から発生 した蛍光 X線 5 は、 光軸上に設け られた X線検出器 1 5 によっ て検 出され、 エネルギー分析される。

X線検出器 1 5 を納めたハウジング 1 4 は図中の矢 印で示すよ う に光軸に対 して直角方向に移動可能に構 成されている。 これによ り 、 例えば二次電子像を用い て分析すべき残留物の位置を把握する場^には、 ハウ ジング 1 4 を光軸上から側方に退けかつ偏向器 1 2 ， 1 3 によ る電子線 1 の偏向 （迂回） を行わせずに、 電 子線 1 を試料 2 の表面上に走査しながら照射する こ と によっ て、 試料 2表面の二次電子像を観察する こ と が でき る。 この二次電子像の観察によっ て分析位置を把 握した後、 ハウジング 1 4 を前進させて検出器 1 5 を 光軸上に位置させ、 偏向器 1 2， 1 3 によっ て電子線 1 を偏向 （迂回） させて、 試料 2表面上の分析位置に 電子線 1 を照射する。 このよ う に、 二次電子像の観察 によ る分析位置の把握時には電子線 1 を偏向 （迂回） させないよ う にする こ と によって、 髙分解能での分析 位置の把握ができる。

本実施例によれば、 X線検出器の中央部に電子線の 通過孔を設ける こ と ができない場合でも、 試料表面上 の残留物の分析が可能である。 その他の効果は実施例 1 の場合と 同 じである。

ぐ実施例 3 >

第 7 図に、 本発明のさ ら に他の一実施例を示す。 本 実施例は、 試料 2表面からの蛍光 X線 5 を X線検出器 1 7 に導 く のに X線反射鏡 1 6 を利用 した例である。 電子線 1 の照射によ り試料 2表面から放出された蛍光 X線 5 は、 X線反射鏡 1 6 で反射され、 電子線軸 （光 軸） を外れた場所に設置されている X線検出器 1 7 に 導かれる。 X線反射鏡 1 6 の材質は任意 ある が、 本 実施例では、 S i ウェハに金も し く は白金を蒸着して X線の反射面と している （金や白金の蒸着は X線の反 射率を高めるのに効果的である） 。 図では X線反射鏡 1 6 は平面鏡である が、 表面に曲率を持たせた反射鏡 を用いても よ い。 例えば、 円筒面鏡や球面鏡、 あるい は ト ロ イ ダル面鏡や楕円面鏡等の非球面鏡の使用も可 能である。 反射鏡 1 6 の設置位置に関 しては、 必要に 応じて任意に選択でき るもの とする。 このよ う に、 X 線反射鏡を用いる こ と によ り 、 第 2 図に示 した領域 A 内の蛍光 X線 5 を効率良く 光軸外に設置された X線検 出器 1 7 に導く こ と ができ る。 その他に関 しては、 実 施例 1 も し く は実施例 2 の場合と 同 じである。

本実施例においても、 実施例 1 の場合と 同等の効果 が得られる。

ぐ実施例 4 >

第 8 図に、 本発明のさ ら に他の一実施例を示す。 先 の実施例 1〜 3 では、 エネルギー分析機能をもっ た X 線検出器を蛍光 X線の検出に用いた。 し かし、 実施例 3 (第 7 図） における反射鏡 1 6 に波長分散機能を持 たせる こ と によ り 、 エネルギー分析機能を有 しない X 線検出器を使用する こ と も可能である。 本実施例はこ のよ う な場合の一構成例である。

第 8 図において、 電子線 1 の照射によ り試料 2表面 から放出された蛍光 X線 5 は反射鏡 1 8 -によっ て反射 され X線検出器 1 9 によっ て検出される。 反射鏡 1 8 はその表面に X線用の多層反射膜を形成した反射鏡で ある。 こ こで、 反射鏡 1 8 は電子線 1 の試料表面への 照射の妨げにな らないよ う に、 電子線 1 の中心軸から 若干 （ 0 . l 〜 2 m m ) 離れて設置されている。 電子 線 1 の中心軸を挾むよ う に して複数個の反射鏡を設置 しても よい。 反射鏡 1 8 は z 軸に平行な中心軸 2 3 の 回 り に回転可能である。 この回転は （図には示されて いないが） パルスモータ等を用いた回転機構によ り行 われるもの とする。

多層膜反射鏡は、 異なる 2種類の物質 （例えば M o と S i ) を薄膜状に して基板上に交互に周期的に積み 重ねてなる反射鏡である。 この積み重ねの 1 周期の厚 みを D と し X線の反射鏡への斜入射角を Θ とする と、 2 D s i η 0 = λ なる関係式を満たすよ う な波長 ； L を 持っ た X線のみが反射される。 従っ て、 周期長 D が既 知である多層膜反射鏡を用いて X線の入射角 Θ を変化 させる こ と ができれば、 該反射鏡に入射する X線の分 光 （エネルギー分析） が可能になる。 こ こで、 多層膜 の周期長 D と しては 1 〜 2 0 n mの範囲内に選定する のが適当である。

第 8 図に示した実施例では、 上述した分光原理を採 用 している。 すなわち、 反射鏡 1. 8 をその中心軸 2 3 の回 り に回転させる こ と によ り 、 蛍光 X線 5 の反射鏡 1 8 への入射角 Θ を変化させている。 さ ら に、 この回 転に伴い検出器 1 9 の位置を移動させる こ と によ り 、 反射鏡 1 8 で分光反射された蛍光 X線 5 を検出 してい る。 検出器 1 9 の移動は、 検出器 1 9 を載せたステ一 ジ 2 0 をガイ ド 2 2 に沿っ て移動させる こ と によ り行 われる。 このステージ 2 0 の移動は、 反射鏡 1 8 の中 心軸 2 3 から見て検出器 1 9 の中心位置と電子線 1 の 中心軸と がなす角を と したと き、 = 2 0 なる関係 が常に成立する よ う に、 反射鏡 1 8 の回転に同期 して 例えばパルスモータ等を用いた移動機構 （図示せず） によ り制御されている。 なお、 コ リ メ一タ 2 1 は、 不 要な X線が検出器 1 9 に到達するの を防止するための ものである。

第 8 図に示された反射鏡 1 8 は、 その表面に若干の 曲率を与えて集光作用 を持たせてある が、 このよ う な 集光作用 を持たせる こ と は必ずしも必要ではない。 本 実施例の本質は、 多層膜反射鏡を用いて蛍光 X線を分 光させる こ と にある。 反射鏡 1 8 の形状および設置位 置に関 しては、 必要に応じて任意に選択、 変更でき る もの とする。

本実施例においても、 実施例 1 の場合と 同等の効果 が得られる。

ぐ実施例 5 >

第 9 図に、 本発明のさ らに他の一実施 3を示す。 本 実施例もエネルギー分析機能を持たない X線検出器を 使用 した場合の一構成例である。

本実施例では、 上記 した多層膜反射鏡の代 り に回折 格子 2 4 を分光用光学素子と して用いている。 試料 2 表面から放出された蛍光 X線 5 は、 電子線 1 の近軸方 向に配置された回折格子 2 4 に入射して分光され、 検 出器 2 5 によっ て検出される。 こ の検出器 2 5 は多数 の検出素子を二次元状に配列してなる二次元検出素子 ア レーであ り 、 これによ り多波長のスペク トル観測を 同時に行う こ と ができ る。 このため、 先の実施例 4 に 比べて、 分析に要する時間を短く でき る と い う利点が ある。 その他に関 しては、 実施例 4 の場合と 同様であ る。

<実施例 6 >

第 1 0 図に、 本発明のさ ら に他の一実施例を示す。 本実施例は、 電子レンズ 2 6 の内側にエネルギー分析 機能を有する同軸型の X線検出器 2 9 を設置した例で ある。 電子レ ン ズ 2 7 中を通過 して電子レ ン ズ 2 6 中 に入射した電子線 1 は、 X線検出器 2 9 を保持してい るハウジング 2 8 にあけ られた小孔 2 8 ， および検出 器 2 9 の中央開孔 3 0 を通過 して、 試料 2 の表面に垂 直に照射される。 試料表面からの蛍光 X線 5 は検出器 2 9 で検出される。

本実施例では蛍光 X線 5 の検出用に同 ifi型の検出器 2 9 を用いている が、 先の実施例で挙げた反射鏡 1 8 (第 8 図）や回折格子 2 4 (第 9 図）を電子レ ンズ 2 6 の 内側に設置する こ と も可能である。 この場合、 反射ま たは回折された蛍光 X線 5 が検出器 1 9 または 2 5 に 到達でき る よ う に、 電子 レ ンズ 2 6 の内部に蛍光 X線 5 を通過させるための空間を確保する必要がある こ と は云う までもない。

本実施例では、 検出器 2 9 を試料 2 の近 く に設置で き るため、 その分よ り大きな信号強度が得 られる。 こ の結果、 分析感度が向上 し、 よ り微量の残留物の分析 が可能と なる。

ぐ実施例 7 >

第 1 1 図に、 本発明のさ ら に他の一実施例を示す。 微細孔内の残留物を分析するためには、 サブミ ク ロ ン オーダ一の直径の微細孔内に電子線をポィ ン ト ビーム と して照射しなければな らない。 試料が設置されてい る真空室 （試料室） 内の真空度が悪い場合には、 この 電子線のポイ ン ト ビーム照射によ り 、 照射領域に炭素 原子等によ るコ ンタ ミ ネ一ショ ンが発生する場合があ る。 本実施例は、 このコ ンタ ミ ネ一シヨ ンの発生を防 止するための一構成例である。

本実施例においては、 上記したコ ンタ ミ ネ一シ ョ ン の発生を防ぐために、 試料 2 の表面を加熱する手段を 設けた。 具体的には、 光源 3 2 からの光—（例えば可視 光あるいは赤外線） を集光 レ ンズ 3 1 で集光 して試料 2 の表面に照射する構成を採っている。 試料 2表面の 加熱温度は、 1 0 0〜 2 0 0 °C程度とするのがよい。 また、 試料 2 の全表面を加熱する必要はな く 、 電子線 1 の照射領域を含む数 1 0 i m 0 〜 ： L m m 0 程度の限 定された領域を局所的に加熱するだけでよい。 この程 度の加熱は、 市販の光源からの光を レンズで集光する こ と によ り 、 数秒〜数十秒の加熱時間で容易に行う こ と ができ る。

本実施例では加熱用の光の集光に レンズ 3 1 を用い たが、 他の集光用光学素子の使用も勿論可能である。

ヽ 例えば、 全反射鏡を用いれば色収差な く 集光でき るの で、 微小部の加熱に便利である。 なお、 本実施例にお いて示した試料 2表面の加熱手段は、 本発明の他の全 ての実施例の装置構成に対しても付設可能である こ と は云う までもない。

本実施例によれば、 試料表面への電子線の照射中に その照射領域を加熱する こ と ができ るため、 コ ンタ ミ ネ一ショ ンの影響を低減した精度の良い残留物分析が でき る。 と く に、 レジス ト等の炭素原子を含んだ残留 物の高精度分析に好都合である。

ぐ実施例 8 >

第 1 2 図に、 本発明のさ ら に他の一実施例を示す。 これまで述べた実施例では、 実施例 2 の ¾合を除いて 電子線 1 の軌道はほぼ直線状でぁっ た。 し かし、 電子 線 1 が試料 2表面に到達する以前にその軌道を緩やか に曲げる こ とで、 X線検出器の設置が簡単になる場合 がある。 本実施例は、 このよ う な場合の一構成例であ る。

本実施例では、 電子レンズ 3 4， 3 3 を通過 した電 子線 1 が試料 2表面に入射する直前で、 該電子線 1 を 緩やかに偏向させている。 この偏向には、 例えば図に 示すよ う に紙面に対して垂直方向に磁場 B を形成すれ ばよい （本実施例の本質を明確に示すために、 磁場の 形成手段は図示省略してある） 。 偏向後の電子線 1 は 試料 2 の表面にほぼ垂直に入射するもの とする。 電子 線 1 の入射によ リ試料 2表面から放射された蛍光 X線 5 は、 エネルギー分析機能を備えた検出器 3 5 で検出 される。 蛍光 X線 5 の分光手段と して実施例 4 で用い た多層膜反射鏡 1 8 や実施例 5 で用いた回折格子 2 4 を使用する こ と も可能である。

本実施例では、 電子線 1 の偏向に磁場 B を用いたが 磁場以外の偏向手段を採用する こ と もでき る こ と は勿 論である。 本実施例の本質は、 電子線 1 が試料 2 の表 面に入射する直前で電子線 1 を偏向する こ と によ り 、 検出器 3 5 の設置条件を簡単に し、 試料 2 に入射する 電子線 1 と近軸方向に放射される蛍光 X線 5 を容易に 検出でき る よ う に した点にある。 ―

本実施例によれば、 電子線 1 を偏向させて試料 2 の 表面に入射させているため、 検出器 3 5 の設置空間 を よ り大き く と る こ と ができ、 検出器 3 5 の設置が容易 になる。 その結果、 使用可能な X線検出器の範囲も広 がるため、 装置構成が容易になる。

ぐ実施例 9 >

第 1 3 図に、 本発明のさ らに他の一実施例を示す。 先の実施例 8では、 電子線 1 を試料 2表面の直前で偏 向 していた。 しかし、 この電子線 1 の偏向 を他の部分 で行っ ても同等の効果が得られる。 本実施例は、 その よ う な装置構成の一例である。

第 1 3 図では、 電子レンズ 3 6 と電子レ ンズ 3 と の 間で電子線 1 の偏向を行わせている。 偏向後の電子線 1 は試料 2 の表面に垂直に入射せしめ られる。 試料 2 表面からの蛍光 X線 （偏向後の電子線軸に対して近軸 方向に放射された蛍光 X線） 5 は、 試料 2 の真上に設 け られた検出器 3 7 によって検出される。 なお、 実施 例 8 の場合と 同 じ く 、 電子線 1 の偏向には磁場 B を用 いている。 その他に関 しては、 実施例 8 の場合と 同 じ である。

本実施例においても、 実施例 8 の場合と 同等の効果 が得られる。

ぐ実施例 1 0 >

第 1 4 図に、 本発明のさ ら に他の一実;^例を示す。 実施例 3 (第 7 図）において、 反射鏡 1 6 の曲率が可変 であれば、 試料 2表面からの蛍光 X線 5 を よ り効率良 く 集光する こ と ができ る。 本実施例は、 反射鏡の曲率 を可変に した装置構成の一例である。

第 1 4 図において、 反射鏡 3 8 の材質は先の実施例 3 における反射鏡 1 6 のそれと 同 じである。 ただし、 本実施例の場合には反射鏡 3 8 は全体が可撓性を持つ よ う に作られている。 反射鏡 3 8 の一端は支持台 3 9 に固定され、 支持台 3 9 は矢印で示す方向に移動可能 な可動アーム 4 0 に取付け られている。 反射鏡 3 8 の 他端は自 由端であ り 、 その背面を矢印方向に微小移動 可能な微動アーム 4 1 を用いて押圧でき る構造となつ ている。 この微動アーム 4 1 を操作して反射鏡 3 8 の 自 由端位置を調節する こ と によ り 、 反射鏡 3 8 の曲率 を任意に設定でき る。 反射鏡 3 8 の曲率を変化させる と 、 蛍光 X線 5 の反射方向と集光状態と が変化するた め、 それに合わせてエネルギー分析可能な検出器 4 2 の設置位置を調節する こ と が必要になる。 この調節は 検出器 4 3 を格納しているハウジング 4 3 を矢印で示 す方向に移動させる こ と によ り行われる。 その他の構 成に関 しては、 実施例 3 の場合と 同 じである。

本実施例によれば、 反射鏡 3 8 の曲率が可変である ため、 蛍光 X線 5 を効率良 く 集光 して、 検出器 4 2 に 入射させる こ と ができ る。 この結果、 残留物分析の分 析感度が向上する。 <実施例 1 1 >

第 1 5 図に、 本発明のさ らに他の一実施例を示す。 先の実施例 1〜 1 0で述べた分析装置に他の機能を付 加する こ と によ り 、 分析装置と しての汎用性を広げる こ と ができ る。 付加する機能と しては、 微細パタ ンの 寸法測定の機能 （測長機能） や電子線の高加速化の機 能が考え られる。 本実施例はそのよ う な多機能化を計 つ た装置構成の一例である。

第 1 5 図において、 電子源 4 4 からの電子線 1 は、 電子レンズ系 4 8、 4 9 によ り加速， 集束されて、 試 料室 4 6 内に置かれた試料 2 の表面に照射される。 試 料室 4 6 の内部は真空排気系 4 7 によっ て髙真空に排 気されている こ とは云う までもない。 電子線 1 の照射 によ り試料 2表面から放出された蛍光 X線 5 は、 電子 レ ンズ系 4 8 と 4 9 と の間の検出器室 4 5 内に電子線 1 に対して同軸かつ近軸方向に設置されたエネルギー 分析機能を有する検出器 8 によっ て検出される。 検出 器 8 からの検出信号は、 コ ン ト ローラ 5 0 で処理され た上で、 制御 · 処理装置 5 3 に送られ、 そ こで分析結 果が表示される。

本実施例では、 制御装置 5 1 によ り電子源 4 4 およ び電子レンズ系 4 8 の動作条件を制御する こ と によつ て電子線 1 の加速エネルギーを 0 . 1 k e V〜 2 0 〇 k e Vの間で自由に変化させる こ と ができ る よ う に構 成されている。 低加速エネルギーの場合には、 これま で述べてきたよ う に蛍光 X線を検出する こ と によ リ残 留物の定性 · 定量分析が可能であ り、 高加速エネルギ ― ( > 5 0 k e V ) の場合には、 試料 2表面からの二 次電子や反射電子を検出する こ と によ リ試料 2表面の 走査像を表示させる こ と ができる。 特に、 高加速エネ ルギ一の電子は物質内部を透過する能力が髙いため、 反射電子を検出するこ と によ り 、 例えば試料表面に存 在する微細孔の内部形状を観察する こ と ができ る。 こ の二次電子や反射電子の検出には電子検出器 5 4 が用 いられる。 この結果、 試料表面の形状観察に加え、 そ の形状を構成している元素の種類等の同定も可能とな る。

第 1 5図に示された装置には、 微細パターンの測長 機能も付加されている。 微細パターンの寸法測定は、 試料表面上における電子線の照射位置を測定する手段 と、 測定された照射位置データ を基に して異なる二つ の照射位置間の距離を求める手段と を付加する こ と に よって達成される。 具体的には、 例えば以下に述べる よ う に して行われる。 制御装置 5 1 を用いて電子レン ズ系 4 8， 4 9 を制御する こ と によ り 、 電子線 1 で試 料 2表面上を走査して、 制御 · 処理装置 5 3 の表示画 面上に試料 2表面の二次電子像を映し出 。 この場合 の電子線 1 の加速エネルギーは 5 k e V以下でよい。 この二次電子像を観察する こ と によっ て、 寸法測定す べき微細パタ ーン上の 2点を指定し、 こ の 2点間での 電子線 1 の偏向量も し く は制御装置 5 2 によって駆動 制御されるステージ 5 5 の移動量から上記 2点間の距 離 （パタ ーン寸法） を知る こ と ができ る。

以上述べたよ う に、 本実施例では、 試料表面上の残 留物の定性 ， 定量分析に加え、 残留物の形状観測ゃ微 細孔の寸法測定も可能である。 この結果、 試料表面上 の微細パタ ーンに関 してよ り総合的な情報を得る こ と が可能である。

ぐ実施例 1 2 >

第 1 6 図に、 本発明のさ ら に他の一実施例を示す。 本実施例は、 本発明による表面分析装置を半導体な ど の製造装置に接続して用いる場合の一例である。

第 1 6 図において、 本発明によ る分析装置 6 0 にゲ — トバルブ 6 4 を介して搬送経路 6 3 が接続されてい る。 搬送経路 6 3 の内部は真空排気される 力、、 または 窒素ガスなどの制御された雰囲気に保たれる。 搬送経 路 6 3 の他の 2端には、 それぞれゲー トバルブ 6 5、 6 6 を介して、 微細加工装置 6 1、 6 2 が接続されて いる。 本実施例では、 微細加工装置 6 1 と して レ ジス トパタ ーン形成装置を、 微細加工装置 6 2 と してエツ チング装置を接続した。 - 本実施例の装置構成によ る半導体製造工程の一例を 第 1 7 図を用いて説明する。 こ こ に例示する工程は、 ウェハ（シ リ コ ン基板） 7 0上に設け られた絶縁膜 7 2 にコ ンタ ク 卜孔 7 7 を形成するための工程である。 先ず、 ウェハ 7 0上にコ ンタ ク ト孔を形成すべき絶 縁膜 7 2 を堆積し、 さ ら にその上に感光性の レジス ト 層 7 1 を塗布した上で、 該ウェハ 7 0 を レジス トパタ —ン形成装置 6 1 内に導入 し、 レジス トパタ ーン形成 を行う （同図 （ a ) ) 。 この レジス トパタ ーン形成に は周知の露光， 現像装置を用いる こ と ができ る。 例え ば、 露光装置には、 紫外線露光装置や電子線描画装置 などが知られており 、 また、 現像装置には、 湿式現像 装置や酸素プラズマによ る ドライ現像装置などが知ら れている。

レジス トパタ ーン形成装置 6 1 内でパタ ーン形成処 理されたウェハ 7 0 は、 次いで搬送経路 6 3 を経由 し て本発明によ る表面分析装置 6 0 内に導入されて検査 される。 これによ り 、 良好な開口部 7 3 と残膜 7 5 の ある不良開口部 7 4 と の判別ができ る。 第 1 7 図は断 面模式図である が、 製造プロセス途上の ウェハは断面 を切 り 出 して観察する と云う訳には行かない。 特に深 い開口内の残膜は本発明の表面分析装置 6 0 によっ て 初めて検出が可能となるのである。

不良開口 7 4 が在る と判定されたウェハは再度 レ ジ ス 卜パターン形成装置 6 1 内に戻され、 残膜量に応じ た追加現像が行なわれる。 この際、 ウェハの搬送は真 空や窒素雰囲気の下で行われているので、 搬送時にパ タ ーン表面の変質が起らず、 追加処理の制御性が向上 する。 ウェハを大気中緞送する と、 レジス トパタ ーン 表面の酸化や湿気の吸着が生 じ追加処理が行えな く な る場合がある。

このよ う に して良好な レジス トパタ ーン を形成した 後、 ウェハ 7 0 をエッチング装置 6 2 内に移 して絶縁 膜 7 2 の ドライエッチングを行う 。 絶縁膜 7 2 がシ リ コ ン酸化膜である場合にはフ レオンガスを用いた ドラ ィエッチングで加工する。 こ こで、 一般に微細で深い 開口の ドライエッチングでは、 エッチング速度が低下 して しばしば開口不良を生 じる こ と が知られている。 エッチング処理されたウェハ 7 0 は、 再び本発明に よる表面分析装置 6 0 内に搬入されて、 表面の分析検 查が行われる。 その結果、 同図 （ b ) に示すよ う にェ ツチング形成された開口 7 7 内にエッチング残膜 7 6 が在る場合には、 エッチング不良と判定される。 エツ チング不良と判定されたウェハ 7 0 は、 再度エツチン グ装置 6 2 内に戻され、 追加のエッチング処理が行わ れる。 かく して、 同図 （ c ) に示すよ う にエッチング 残膜の全く ない良好な開口（コ ンタ ク ト孔） 7 7 が得ら れる。 - このよ う に、 本発明による表面分析装置 6 0 によつ て加工状態をモニタ ー しながら微細開口の加工を行な う こ と によっ て、 微細な開口 （例えばコ ンタ ク ト孔） を有する半導体装置を、 不良開口 を生 じる こ と な く 、 歩留ま り 良く製造する こ と ができ る。 なお、 第 1 6 図 の装置構成において、 本発明によ る表面分析装置 6 0 と微細加工装置 6 1， 6 2 と は必ずしも常に接続され ている必要はな く 、 ゲー トバルブ 6 5， 6 6 を介して 必要な時だけ接続するよ う に してもよい。 また、 必要 に応じて、 搬送経路 6 3 に設け られた予備のゲー 卜バ ルブ 6 7 を介して、 その他任意所望の微細加工装置を 本発明による表面分析装置 6 0 と接続する よ う に して も良いこ と は云う までもない。

ぐ実施例 1 3 >

第 1 8 図に、 本発明のさ ら に他の一実施例を示す。 本発明の表面分析装置で半導体装置パタ ーンに対応し た多数の孔の開口状況を判別する場合には、 次に述べ るよ う な分析結果の表示方法を用いるのが効果的であ る。

すなわち、 本実施例では、 ウェハ表面のパタ ーンの 実像 （二次電子像） 8 0 とマスクパタ ーン像 8 1 と を 一つの表示画面上に並べて表示させる。 マスクパタ ー ン像 8 1 上における分析点 8 3 の座標を分析点指定部 8 2で指定する と、 直ちに ウェハ表面上における分析 点 8 3 を含む対応領域の実像 8 0 が表示画面上に表示 される よ う に、 ウェハステージの動き が連動制御され ている。 この際ウェハステージの位置精度は通常は完 全ではな く 、 ウェハ位置が指定位置から少しずれるの で、 マスクパタ ーン像 8 1 に合致する実像 （二次電子 像） 8 0 が表示される よ う に、 実像 8 0 の画像処理に 基づいてウェハ位置の補正を行な う 。 このよ う に して マスクパタ ーン像 8 1 上で分析点位置 （例えば分析す べき孔の位置） を次々 と指定し、 順次自動分析する。 分析結果は、 主に検出された物質が何である かによつ て、 画面上に色分けな どの手法で分類して表示する。 この分類表示の内訳を示す分類表示部 8 4 も同 じ表示 画面上に設けておく のがよい。 また、 分析点の位置を 示す表示マーク 8 3 をマスクノ、。タ ーン像 8 1 上や実像 (二次電子像） 8 0上に入れておく こ と によっ て、 分 析位置が正 しいかどう かを逐次確認でき る。

第 1 9 図に、 マスク情報表示画面 9 5 を有する分析 装置の一構成例を示す。 本実施例の装置は分析部 9 0 と制御表示部 9 1 と からなっている。 制御表示部 9 1 においては、 二次電子検出器 9 3 からの検出信号に基 づいて試料 （ウェハ） 9 2表面の実像 （二次電子像） を表示する実像表示画面 9 4 に隣接してそれと は別の 表示画面 9 5 を設けて、 この表示画面 9 5上にマスク 情報を表示させている。 半導体装置の素'子パタ ーン数 は非常に膨大なものであるので、 ウェハ 9 2 の位置と 連動 して対応する設計パタ ーン （マスクパタ ーン） を 次々 と表示させ、 このマスクパタ ーン上で所望の分析 点を次々 と指定する こ と によって、 ウェハの表面分析 を行っ てい く のが最も効率が良い。 さ ら に、 制御表示 部 9 1 には、 ウェハ品種毎のプロセス情報を入力でき るよ う に しておき、 マスクパタ ーン上で指定 した位置 の断面図をマスク情報表示画面 9 5上に表示する よ う にする と、 分析結果の解析がよ り効率的に行える。

以上、 種々 の実施例を挙げて説明 してきたよ う に、 本発明では、 試料表面から放出された蛍光 X線を観測 するために、 様々な光学素子や X線検出器を用いた。 よ り効果的に蛍光 X線を検出するためには上記の光学 素子や検出器の位置を微調整する手段が必要である。 これらの調整手段は図示さ れていないが、 必要に応じ て位置調整用微動機構を取付ける こ と ができ るもの と する。 なお、 これまでに挙げた実施例の種々 の組合せ も本発明に含まれる こ とは云う までもない。 さ ら に、 個々 の実施例では述べなかっ たが、 蛍光 X線の発生お よび検出に必要な手段の大部分は真空中に設置されて いる こ と は云う までもない。 なお、 大気中の粒子によ る蛍光 X線の吸収が少ない場合には、 試料を比較的低 真空下に設置する こ と も可能である。

以上詳述したと こ ろから明 らかなよ う に、 本発明に よれば、 収束した電子線を試料表面に照射し、 試料表 面上の残留物から放出される蛍光 X線を電子線の近軸 方向から観測でき る。 このため、 表面起伏の小さ な試 料はも と よ り、 表面起伏の大きな試料に対しても試料 表面上の残留物について高精度の定性， 定量分析が可 能になる。 さ ら に、 本発明によ る表面分析方法は、 非 破壊分析法であるため、 分析後の試料を再び製造プロ セスに戻 してやる こ と ができる。

Claims

請求の範囲

1 . 試料表面に存在する微細孔の内部に加速， 集束さ れた電子線を照射して該電子線の照射によ リ上記微細 孔の内部から放射される蛍光 X線を観測する こ と によ つ て上記微細孔の内部に存在する残留物の分析を行う 表面分析方法において、 上記微細孔の内径を 2 a ， 深 さ を d と したと き、 上記電子線の照射によ り上記微細 孔の内部から放射される蛍光 X線を上記電子線の中心 軸から t a n ct = ( a / d ) で定義される角度 α の範 囲内において観測する こ と を特徴とする表面分析方法

2 . 試料表面に加速， 集束された電子線を照射して該 電子線の照射によ リ試料表面から放射される蛍光 X線 を観測する こ と によっ て上記試料表面に存在する残留 物の分析を行う表面分析方法において、 上記電子線の 照射によ り試料表面から放射される蛍光 X線を上記電 子線の中心軸から角度 2 0度の範囲内で観測する こ と を特徴とする表面分析方法。

3 . 上記残留物が、 炭素原子， 酸素原子およびシ リ コ ン原子からなる群から選択された少な く と も一つの原 子を含む残留物である こ と を特徴とする請求の範囲第 1 項または第 2項に記載の表面分析方法。

4 . 上記電子線のエネルギーが、 炭素原子， 酸素原子 およびシ リ コ ン原子からなる群から選択された少な く と も一つの原子を励起してその蛍光 X線を放射させる こ と のでき るエネルギーである こ と を特徴とする請求 の範囲第 1項または第 2項に記載の表面分析方法。

5 . 上記電子線のエネルギーが、 5 k e V以下である こ と を特徴とする請求の範囲第 1 項または第 2項に記 載の表面分析方法。

6 . 上記電子線のエネルギーが、 観測すべき蛍光 X線 のエネルギーの 1 0倍以下である こ と を特徴とする請 求の範囲第 1 項または第 2項に記載の表面分析方法。

7 . 上記の蛍光 X線の観測は、 上記電子線の中心軸と 同軸に配置された中央に開孔を有する 円環状の X線検 出器を用いて上記蛍光 X線を分光 して検出する こ と に よっ て行われる こ と を特徴とする請求の範囲第 1 項ま たは第 2項に記載の表面分析方法。

8 . 上記電子線が、 上記 X線検出器の中央開孔を通し て上記試料表面に照射される こ と を特徴とする請求の 範囲第 7項に記載の表面分析方法。

9 . 上記の蛍光 X線の観測は、 上記電子線の中心軸上 に設け られた X線検出器を用いて上記蛍光 X線を分光 して検出する こ と によっ て行われる こ と を特徴とする 請求の範囲第 1 項または第 2項に記載の表面分析方法。

1 0 . 上記電子線が、 上記： 線検出器が設け られてい る位置において該 X線検出器を迂回する よ う に偏向さ れた上で、 上記試料表面に照射される こ と を特徴とす る請求の範囲第 9項に記載の表面分析方法。

1 1 . 上記 X線検出器が、 上記電子線を集束させるた めの電子レンズの内側に設置されている こ と を特徴と する請求の範囲第 8項に記載の表面分析方法。

1 2 . 上記の蛍光 X線の観測は、 上記電子線の中心軸 の近傍に設けられた X線反射鏡によっ て上記蛍光 X線 を反射させ、 この反射された蛍光 X線を上記電子線の 中心軸外に設け られた X線検出器によっ て分光 して検 出する こ と によっ て行われる こ と を特徴とする請求の 範囲第 1項または第 2項に記載の表面分析方法。

1 3 . 上記 X線反射鏡が、 上記蛍光 X線を全反射させ る全反射鏡である こ と を特徴とする請求の範囲第 1 2 項に記載の表面分析方法。

1 4 . 上記 X線反射鏡が平面鏡である こ と を特徴とす る請求の範囲第 1 2項に記載の表面分析方法。

1 5 . 上記 X線反射鏡が、 円筒面鏡、 球面鏡、 ト ロ イ ダル鏡および回転二次曲面から構成される非球面鏡か らなる群から選択されたいづれか一つである こ と を特 徴とする請求の範囲第 1 2項に記載の表面分析方法。

1 6 . 上記 X線反射鏡の反射面の曲率が可変である こ と を特徴とする請求の範囲第 1 2項に記載の表面分析 方法。

1 7 . 上記の蛍光 X線の観測は、 上記電子線の中心軸 の近傍に設け られた多層膜反射鏡によって上記蛍光 X 線を分光反射させ、 この分光反射された蛍光 X線を上 記電子線の中心軸外に設け られた X線検出器によっ て 検出する こ と によって行われる こ と を特徴とする請求 の範囲第 1 項または第 2項に記載の表面分析方法。

1 8 . 上記多層膜反射鏡を回転させる こ と によ り上記 蛍光 X線に対する分光条件を変化させ、 該多層膜反射 鏡の回転に同期して上記 X線検出器を分光反射された 蛍光 X線を検出できる位置に移動させる こ と を特徴と する請求の範囲第 1 7項に記載の表面分析方法。

1 9 . 上記の蛍光 X線の観測は、 上記電子線の中心軸 の近傍に設け られた回折格子によって上記蛍光 X線を 分光反射させ、 この分光反射された蛍光 X線を上記電 子線の中心軸外に設け られた X線検出器によっ て検出 する こ と によって行われる こ と を特徴とする請求の範 囲第 1項または第 2項に記載の表面分析方法。

2 0 . 上記の X線検出器は、 複数の X線検出素子を二 次元的に配列してなる二次元検出器である こ と を特徴 とする請求の範囲第 1 7項または第 1 9項に記載の表 面分析方法。

2 1 . 上記電子線は、 それが上記試料表面に入射する 直前において偏向されてから、 上記試料表面に照射さ れる こ と を特徴とする請求の範囲第 1 項または第 2項 に記載の表面分析方法。

2 2 . 上記試料表面上の上記電子線によっ て照射され ている領域を局所的に加熱する こ と を特徴とする請求 一 4 ] 一 の範囲第 1 項または第 2項に記載の表面分析方法。

2 3 . 上記の局所的な加熱によ る加熱温度は 1 0 0 〜 2 0 0 °Cである こ と を特徴とする請求の範囲第 2 2項 に記載の表面分析方法。

2 4 . 上記の局所的な加熱は、 加熱すべき領域に集光 された光を照射する こ と によっ て行なわれる こ と を特 徴とする請求の範囲第 2 2項または第 2 3項に記載の 表面分析方法。 ， 2 5 . 上記の光は、 可視光または赤外光である こ と を 特徴とする請求の範囲第 2 4項に記載の表面分析方法。 2 6 . 試料表面に存在する微細孔の内部に細 く 集束さ れた電子線を照射せしめる電子線照射手段と 、 上記電 子線の照射によっ て上記微細孔の内部から放射される 蛍光 X線を観測する蛍光 X線観測手段と を備えてなる 表面分析装置において、 上記の蛍光 X線観測手段は、 上記微細孔の内径を 2 a 深さ を d と したと き、 上記微 細孔内に照射される上記電子線の中心軸から t a n a = ( a / d ) で定義される角度 α の範囲内に放射され た上記蛍光 X線を分光 して検出する機能を備えたもの である こ と を特徴とする表面分析装置。

2 7 . 試料表面に細く 集束された電子線を照射せしめ る電子線照射手段と、 上記電子線の照射によっ て上記 試料表面から放射される蛍光 X線を観測 る蛍光 X線 観測手段と を備えてなる表面分析装置において、 上記 の蛍光 X線観測手段は、 上記試料表面に照射される上 記電子線の中心軸から角度 2 0度の範囲内に放射され た上記蛍光 X線を分光 して検出する機能を備えたもの である こ と を特徴とする表面分析装置。

2 8 . 上記電子線のエネルギーが、 試料表面に存在す る炭素原子、 酸素原子、 シ リ コ ン原子のう ちの少な く とも一つの原子を励起してその蛍光 X線を放射させる こ と のでき るエネルギーである こ と を特徴とする請.求 の範囲第 2 6項または第 2 7項に記載の表面分析装置。

2 9 . 上記電子線のエネルギーが、 5 k e V以下であ る こ と を特徴とする請求の範囲第 2 6項または第 2 7 項に記載の表面分析装置。

3 0 . 上記電子線のエネルギーが、 観測すべき蛍光 X 線のエネルギーの 1 0倍以下である こ と を特徴とする 請求の範囲第 2 6項または第 2 7項に記載の表面分析 装置。

3 1 . 上記蛍光 X線観測手段が、 上記試料表面に照射 される上記電子線の中心軸と 同軸状に配置された中央 に開孔を有する 円環状のエネルギー分析可能な X線検 出器を含んでお り 、 かつ、 上記電子線照射手段が、 上 記電子線を上記 X線検出器の中央開孔を通 して上記試 料表面に照射する よ う に構成されている こ と を特徴と する請求の範囲第 2 6項または第 2 7項に記載の表面 分析装置。

3 2 . 上記蛍光 X線観測手段が、 上記試料表面に照射 される上記電子線の中心軸上に設け られたエネルギー 分析可能な X線検出器を含んでお り 、 かつ、 上記電子 線照射手段が、 上記電子線を上記 X線検出器が設け ら れている位置において該 X線検出器を迂回する よ う に 偏向 して上記試料表面に照射する よ う に構成されてい る こ と を特徴とする請求の範囲第 2 6項または第 2 7 項に記載の表面分析装置。

3 3 . 上記電子線照射手段が、 上記電子線を集束させ るための電子レンズを含んでおり 、 かつ、 上記： X線検 出器が、 上記電子レンズの内側に設置されている こ と を特徴とする請求の範囲第 3 1 項に記載の表面分析装 置。

3 4 . 上記蛍光 X線観測手段が、 上記試料表面に照射 される上記電子線の中心軸の近傍に設置された X線反 射鏡と 、 該 X線反射鏡によっ て反射された蛍光 X線を 検出するためのエネルギー分析可能な X線検出器と を 含んでなる こ と を特徴とする請求の範囲第 2 6項また は第 2 7項に記載の表面分析装置。

3 5 . 上記 X線反射鏡が、 上記蛍光 X線を全反射させ る全反射鏡である こ と を特徴とする請求の範囲第, 3 4 項に記載の表面分析装置。

3 6 . 上記 X線反射鏡が、 平面鏡である こ と を特徴と する請求の範囲第 3 4項に記載の表面分析装置。

3 7 . 上記 X線反射鏡が、 円筒面鏡、 球面鏡、 ト ロ イ ダル面鏡および回転二次曲面から構成される非球面鏡 のう ちのいづれか一つである こ と を特徴とする請求の 範囲第 3 4項に記載の表面分析装置。

3 8 . 上記蛍光 X線観測手段が、 上記 X線反射鏡の反 射面の曲率を変化させる手段を さ らに含んでなる こ と を特徴とする請求の範囲第 3 4項に記載の表面分析装 置。

3 9 . 上記蛍光 X線観測手段が、 上記試料表面に照射 さ れる上記電子線の中心軸の近傍に設置さ れた多層膜 X線反射鏡と、 該多層膜 X線反射鏡によっ て分光反射 された蛍光 X線を検出する X線検出器と を含んでなる こ と を特徴とする請求の範囲第 2 6項または第 2 7項 に記載の表面分析装置。

4 0 . 上記蛍光 X線観測手段が、 上記多層膜 X線反射 鏡に対する上記蛍光 X線の入射角を変化させる よ う に 上記多層膜 X線反射鏡を回転させる回転手段と、 該多 層膜 X線反射鏡の回転に連動して上記 X線検出器を上 記多層膜 X線反射鏡によっ て分光反射された蛍光 X線 を検出でき る位置に移動させる移動手段と を さ ら に含 んでなる こ と を特徴とする請求の範囲第 3 9 項に記載 の表面分析装置。

4 1 . 上記蛍光 X線観測手段が、 上記試科表面に照射 される上記電子線の中心軸の近傍に設け られた回折格 子と 、 該回折格子によっ て分光反射された蛍光 X線を 検出する X線検出器と を含んでなる こ と を特徴とする 請求の範囲第 2 6項または第 2 7項に記載の表面分析 装置。

4 2 . 上記 X線検出器が、 複数の X線検出素子を二次 元的に配列 してなる二次元検出器である こ と を特徴と する請求の範囲第 3 9項または第 4 1 項に記載の表面 分析装置。

4 3 . 上記電子線照射手段は、 上記電子線が上記試料 表面に入射する直前において該電子線を偏向させるた めの偏向手段を さ らに含んでなる こ と を特徴とする請 求の範囲第 2 6項または第 2 7項に記載の表面分析装 置。

4 4 . 上記試料表面の上記電子線によっ て照射されて いる領域を局所的に加熱するための加熱手段を さ ら に 備えてなる こ と を特徴とする請求の範囲第 2 6項また は第 2 7項に記載の表面分析装置。

4 5 . 上記加熱手段は、 上記試料表面の上記電子線に よって照射されている領域を局所的に 1 0 0 〜 2 0 〇 °Cの範囲内の温度に加熱する手段である こ と を特徴と する請求の範囲第 4 4 項に記載の表面分析装置。

4 6 . 上記加熱手段は、 上記試料表面の上記電子線に よっ て照射されている領域に集光された を照射する 手段を含んでなる こ と を特徴とする請求の範囲第 4 4 項に記載の表面分析装置。

4 7 . 上記の光照射手段は、 光源と、 該光源からの光 を試料表面の加熱すべき領域に集光する集光 レンズと を含んでなる こ と を特徴とする請求の範囲第 4 6項に 記載の表面分析装置。

4 8 . 上記の光は、 可視光または赤外光である こ と を 特徴とする請求の範囲第 4 6項に記載の表面分析装置。

4 9 . 請求の範囲第 1 項または第 2項に記載の表面分 析方法を用いて ウェハ表面上に存在する残留物の定性， 定量分析を行う こ と によっ て製作されたこ と を特徴と する半導体素子。

5 0 . 試料表面上における上記電子線の照射位置を測 定する手段、 この測定された照射位置を基に して異な る二つの照射位置間の距離を算出する手段と を さ ら に 備えてなる こ と を特徴とする請求の範囲第 2 6項また は第 2 7項に記載の表面分析装置。

5 1 . 請求の範囲第 2 6項または第 2 7項に記載の表 面分析装置と、 上記試料表面を微細加工するための微 細加工装置と、 上記表面分析装置と上記微細加工装置 と の間で上記試料を搬送するための搬送装置と を備え てなる こ と を特徴とする半導体製造のための複合化装 置。

5 2 . 試料表面に形成されたパタ ーンの 標データ に 基づいて試料表面上の分析位置を 自動設定する手段を さ ら に備えてなる こ と を特徴とする請求の範囲第 2 6 項または第 2 7項に記載の表面分析装置。

5 3 . 上記 したパタ ーンの座標データ と上記した分析 位置を含む試料表面領域の観察像と を同時に表示する こ と のでき る表示手段を さ ら に備えてなる こ と を特徴 とする請求の範囲第 5 2項に記載の表面分析装置。 5 4 . 上記の表示手段は、 分析すべき試料表面に施さ れた表面処理のプロセスデータ に基づいて指定された 試料表面領域における断面模式図を表示する機能を さ ら に備えている こ と を特徴とする請求の範囲第 5 3項 に記載の表面分析装置。