JP3014986B2 - 走査電子顕微鏡 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、試料表面で電子線
スポットを走査して試料表面の走査像を得る走査電子顕
微鏡に係り、特に、低加速電圧領域で空間分解能の高い
走査像を得ることの可能な走査電子顕微鏡に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来より、半導体デバイス用試料におけ
るサブミクロンオーダー（１μｍ以下）のコンタクトホ
ールやラインパターンの観察用あるいは測長用として、
走査電子顕微鏡が用いられている。

【０００３】走査電子顕微鏡では、加熱形又は電界放出
形の電子源から放出された電子線を試料上で走査して二
次的に得られる信号（二次電子および反射電子）を検出
し、この二次信号を電子線の走査と同期して走査される
ブラウン管の輝度変調入力とすることで走査像（ＳＥＭ
像）を得ている。一般の走査電子顕微鏡では、負電位を
印加した電子源と接地電位にある陽極間で電子源から放
出された電子を加速し、接地電位にある検査試料に照射
している。

【０００４】近年、走査電子顕微鏡が半導体製造過程ま
たは完成後の検査過程（例えば電子線による電気的動作
の検査）で利用されるようになってきた結果、絶縁物を
帯電なしに観察することができるように、１０００Ｖ以
下の低加速電圧で１０ｎｍ以下の高分解能が要求される
ようになってきた。

【０００５】すなわち、半導体デバイス用試料は、一般
にＡｌやＳｉなどの導体部の上にＳｉＯ2 やＳｉＮなど
の電気絶縁物を積層して構成される。このような半導体
デバイス用試料に電子線を照射すると電気絶縁物表面が
負に帯電（以下、単にチャージアップと表現する場合も
ある）し、放出される二次電子の軌道が変化したり、一
次電子線そのものの軌道が変化するようになる。この結
果、ＳＥＭ像に異常コントラストが発生したり、ひどい
歪を生じる。

【０００６】このようなチャージアップに起因した像障
害は、コンタクトホールの観察やラインアンドスペース
の測長に重大な支障をきたすので、半導体製造プロセス
の評価が難しくなるばかりか、半導体デバイスそのもの
の品質を確保する上で大きな障害となる。このため、従
来では試料に照射される一次電子線のエネルギーが１Ｋ
ｅＶ以下である、いわゆる低加速ＳＥＭが用いられてい
た。

【０００７】ところが、上記した従来技術では次のよう
な問題点があった。すなわち、加速電圧が低くなると電
子線のエネルギばらつきに起因する色収差により分解能
が著しく低下し、高倍率での観察が難しくなる。また、
電子電流が少なくなると二次信号とノイズとの比（Ｓ／
Ｎ）が著しく低下し、ＳＥＭ像としてのコントラストが
悪くなり、高倍率、高分解能での観察が困難となる。特
に、超微細加工技術で作られた半導体デバイスなどで
は、コンタクトホールやラインパターンなどの凹部から
発生する信号が微弱となり、精細な観察や測長を行う上
で大きな障害となっていた。

【０００８】このような問題を解決する方法として、例
えば、アイ・トリプルイ−、第９回アニュアルシンポジ
ューム オン エレクトロン イオン アンド レ−ザ
ビ−ム テクノロジーのプロシ−デング、１７６頁から
１８６頁（IEEE 9th AnnualSymposium on Electron,Ion
and Laser Technology）では、電子源と接地電位にあ
る陽極間での加速電圧は高く設定し、接地電位にある対
物レンズと負電位を印加された検査試料の間に減速電界
を発生させて試料に照射する電子線は減速させることに
より、最終的に比較的低い加速電圧に設定し、色収差の
低減とチャージアップの防止とを両立させた走査電子顕
微鏡が提案されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記した従来技術で
は、半導体素子のように電気的な衝撃に弱い試料は電位
の急峻な変化によって破壊する可能性があるため、試料
の装着や交換時における印加電位のオン／オフを慎重に
行う必要があるなど、試料交換時等における取り扱が難
しいという問題があった。

【００１０】本発明の目的は、上記した従来技術の問題
点を解決し、対物レンズと試料との間に、電子線に対す
る減速電界を発生させる構造の走査電子顕微鏡におい
て、減速電界による素子の破損を防止することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明では、電子源から放出された一次電子線
を試料上で走査し、当該試料から発生した二次信号に基
づいて走査像を得る走査電子顕微鏡において、一次電子
線に対する減速電界を試料と対物レンズとの間に発生さ
せる減速電界発生手段と、前記試料と対物レンズとの間
に配置された制御電極と、前記制御電極に予定電圧を印
加する電圧印加手段とを設け、前記予定電圧を、試料と
制御電極との電位差が試料と対物レンズとの電位差より
も小さくなるような値に調節するようにした。

【００１２】上記した構成によれば、対物レンズと試料
との間に発生した電界が制御電極によって緩和されるの
で、素子の破損を防ぐことができ、その取扱いが極めて
容易になる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
を詳細に説明する。図１は、本発明が適用される走査電
子顕微鏡システムの概略構成図であり、当該システムは
走査電子顕微鏡本体１００および試料交換機構２００か
ら構成されている。図２は、図１の走査電子顕微鏡本体
１００の構成を示した図である。ここでは初めに、図
１、２を参照して本発明の前提技術である減速電界につ
いて説明する。

【００１４】図２において、陰極１、引出電極２、およ
び陽極３は電界放出型電子銃を構成し、陰極１と引出電
極２との間には引出電圧４が印加され、陰極１には加速
電圧５が印加される。陰極１から放出された電子線２０
ａは、引出電極２と接地電位にある陽極３との間に印加
された電圧でさらに加速される。このため、陽極３を通
過した電子線のエネルギ（加速電圧）は加速電圧５と一
致する。また、試料１８には試料ホルダ２１を介して負
の重畳電圧６が印加され、対物レンズ１７と試料１８と
の間には減速電界が形成されるため、試料１８に照射さ
れる電子線の加速電圧は、加速電圧５から重畳電圧６を
差し引いた電圧となる。

【００１５】陽極３を通過して加速された電子線２０ｂ
は、コンデンサレンズ７および対物レンズ１７によって
試料１８上に収束される。対物レンズ１７を通過した電
子線は、対物レンズ１７と試料１８との間に形成された
減速電界で減速され、実質的に加速電圧５から重畳電圧
６を差し引いた電圧に相当するエネルギで試料１８に到
達する。

【００１６】対物レンズ１７での電子線の開き角は、コ
ンデンサレンズ７の下方に配置された絞り８で決められ
る。絞り８のセンタリングは調整つまみ１０を操作する
ことにより行われる。加速された電子線２０ｂは上走査
コイル１１および下走査コイル１２で偏向され、試料１
８上では、減速電界によって減速された収束電子線２０
ｃがラスタ走査される。本システムでは、走査コイルを
２段構成とすることで走査された電子線が常に対物レン
ズ１７のレンズ中心を通るようにしている。

【００１７】試料１８は試料ホルダ２１で固定され、試
料ホルダ２１は、水平調整等の位置調整が可能な試料ス
テ−ジ１９上に絶縁台９を介して載置される。試料ホル
ダ２１には重畳電圧６が印加されている。減速された電
子線２０ｃが照射されて試料１８から発生した二次電子
２４は、対物レンズ１７と試料１８間に作られた減速電
界によって加速されて対物レンズ１７内に吸引され、さ
らに、対物レンズ１７の磁場の影響を受けて螺旋運動し
ながら上昇する。

【００１８】対物レンズ１７を通過した二次電子２４
は、対物レンズ１７と下走査コイル１２との間で電子線
通路外に設けられて正電位が印加されたた吸引電極１３
で吸引され、１０ｋＶ（正電位）が印加されたシンチレ
−タ１４によって吸引加速されてシンチレ−タを光らせ
る。発光した光はライトガイド１５で光増倍管１６に導
かれ電気信号に変換される。光増倍管１６の出力はさら
に増幅されブラウン管の輝度変調入力になるが、ここで
は図示を省略してある。

【００１９】このような構成の走査電子顕微鏡によれ
ば、コンデンサレンズ７、絞り８、対物レンズ１７を通
過するときの電子線（電子線２０ｂ）のエネルギは最終
段の電子線（電子線２０ｃ）のエネルギよりも高いの
で、色収差が改善され、高分解能が得られた。しかも、
試料に照射される一次電子線は減速されて低エネルギと
なっているので、試料のチャージアップも解消される。

【００２０】具体的には、加速電圧（５００Ｖ）のみを
印加した時に１５ｎｍであったビ−ム径が、加速電圧
（１０００Ｖ）と重畳電圧６（５００Ｖ）とを加算した
ことにより１０ｎｍに改善された。

【００２１】また、図１において、電界放出陰極１、引
出電極２、陽極３、コンデンサレンズ７、対物レンズ１
７、試料１８、試料ホルダ２１、絶縁台９、試料ステ−
ジ１９等の構成要素は真空筐体６１に納められている。
なお、真空排気系は図示を省略している。

【００２２】ここで、試料１８に負電圧が印加されてい
る状態では、試料交換機構７７による試料交換や真空筐
体６１を大気にすることは避けなければならない。換言
すれば、電子線が試料１８上で走査されているときだけ
重畳電圧６を印加するようにすればよい。

【００２３】そこで、本発明が適用されるシステムで
は、試料の装着・交換時の準備動作である、スイッチＳ
１が閉じて加速電圧５が印加されている第１の条件と、
陰極１と試料１８との間に設けられたバルブＧ１、バル
ブＧ２の両者が開いている第２の条件と、試料交換機構
７７が試料１８を試料ステ−ジ１９に載せるために通過
するバルブＧ３が閉じている第３の条件とが全て満され
たときのみ、スイッチＳ２が閉じて試料１８に重畳電圧
６が印加される制御が行われる。

【００２４】また、試料ホルダ２１と試料ステージ１９
とは放電抵抗Ｒを介して電気的に接続されおり、スイッ
チＳ２が開放されると試料１８にチャージされた電荷が
試料ホルダ２１、放電抵抗Ｒ、試料ステージ１９を介し
て一定の時定数のもとで速やかに放電され、試料１８の
電位が下がるようになっている。

【００２５】なお、陰極１の周囲の真空が設定値以上で
ある条件で加速電圧５が印加可能となる、あるいは真空
筐体６１の真空が設定値以上のときのみバルブＧ１、Ｇ
２が開放されるような通常のシ−ケンスが組まれている
ことは言うまでもない。

【００２６】また、上記したシステムでは、上述の３つ
の条件のすべてを満足したときに重畳電圧６が印加され
るものとして説明したが、これらの内の１つあるいは２
つの条件が満たされたときにスイッチＳ２が閉じるよう
にしても良い。

【００２７】図３は、本発明の第１実施形態である走査
電子顕微鏡のブロック図であり、前記と同一の符号は同
一または同等部分を表している。本実施形態では、強い
電界が印加されると不都合な試料を観察できるようにし
た点に特徴がある。

【００２８】半導体集積回路では、強電界で素子が破損
することがある。このような問題点を解決するために、
本実施形態では対物レンズ１７と試料１８との間に制御
電極３９を設けた。この制御電極３９に印加される電圧
は、負電位が印加された試料あるいは試料ステージと制
御電極３９との電位差の方が、試料あるいは試料ステー
ジと対物レンズ１７との間の電位差より小さくなるよう
に、電圧制御部４０によって調整される。

【００２９】本実施形態によれば、対物レンズ１７と試
料１８との間に発生した電界が制御電極３９によって緩
和され、素子の破損を防ぐことができる。

【００３０】図４は、本発明の第２実施形態である走査
電子顕微鏡の主要部のブロック図であり、前記と同一の
符号は同一または同等部分を表している。

【００３１】上記した第１実施形態では、二次電子２４
を吸引電極１３により電子通路外に取り出して検出して
いたが、本実施形態では、チャンネルプレ−ト検出器２
６を用いて二次電子を検出するようにした点に特徴があ
る。

【００３２】同図において、対物レンズ１７と下走査コ
イル１２との間には、中央孔３３を有する円板状チャン
ネルプレ−ト本体２５が設けられている。中央孔３３の
径は走査コイル１２で偏向された電子線２０ｂが衝突し
ない大きさに設定される。また、チャンネルプレ−ト本
体２５の下方にはメッシュ３４が設けられている。

【００３３】このような構成において、加速された電子
線２０ｂはチャンネルプレ−トの中央孔３３を通過した
後、対物レンズ１７で収束されて試料１８上に照射され
る。試料１８で発生した二次電子２４は対物レンズ１７
でレンズ作用を受け、発散しながら全面に置かれたメッ
シュ３４を通過してチャンネルプレ−ト２５に入射す
る。チャンネルプレ−ト２５に入射した二次電子２４は
チャンネルプレ−ト２５の両端に印加された増幅電圧２
８で加速、増幅される。増幅された電子２７はアノ−ド
電圧２９でさらに加速されてアノ−ド３７に捕獲され
る。

【００３４】捕獲された二次電子は増幅器３０で増幅さ
れた後、光変換回路３１で光３２に変換される。光３２
に変換するのは増幅器３０がチャンネルプレ−ト２５の
増幅電圧２８等でフロ−テングになっているためであ
る。光３２は接地電位の電気変換回路３５で再び電気信
号に変換され、走査像の輝度変調信号として利用され
る。この方式では二次電子ばかりでなく反射電子も検出
可能である。明らかな様に、本実施形態によっても前記
と同様の効果が達成される。

【００３５】図５は、本発明の第３実施形態である走査
電子顕微鏡の主要部のブロック図であり、前記と同一の
符号は同一または同等部分を表している。本実施形態で
は、所望の二次信号を選択的に検出できるようにした点
に特徴がある。

【００３６】同図において、チャンネルプレ−ト２５に
は、その電位を任意に制御できるフィルタ電圧３６が印
加される。例えば、フィルタ電圧３６を重畳電圧６より
もさらに１０ボルト程度の負電圧とすれば、試料から放
出された二次電子および反射電子のうち、二次電子はチ
ャンネルプレ−ト２５とメッシュ３３の間に作られた逆
電界で追い返され、エネルギの高い反射電子のみを選択
的に検出できるようになる。

【００３７】また、二次電子を追い返す限界のフィルタ
電圧３６を測定すれば、試料の電位を知ることも可能
で、このような機能を付加することにより、完成した半
導体素子の機能検査を行うことができるようになる。

【００３８】図６は、本発明の第４実施形態である走査
電子顕微鏡のブロック図であり、前記と同一の符号は同
一または同等部分を表している。

【００３９】上記した各４実施形態では、電界を利用し
て二次信号を偏向し、これを検出器で検出していたが、
本実施形態では、磁界および電界を利用して二次信号を
偏向するようにした点に特徴がある。

【００４０】加速電圧が大きくなって減速電界による最
終段における電子線の減速比が小さくなると、試料に照
射される一次電子線２０ｂと試料から放出される二次電
子２４とのエネルギ差が小さくなるので、二次電子２４
を吸引するために比較的大きな電界Ｅを吸引電極１３に
より発生させると、当該電界Ｅによって一次電子２０ｂ
も曲げられてしまう。

【００４１】本実施形態は、このような問題点を解決す
るためになされたもので、磁界による電子線の偏向方向
が電子線の進行方向によって異なることに着目し、電界
Ｅによる一次電子線２０ｂの偏向をキャンセルすると共
に二次電子２４の偏向量を補足するような磁界Ｂを発生
させるようにしている。

【００４２】すなわち本実施形態では、一次電子線２０
ｂが、吸引電極１３の発生する電界Ｅによる偏向方向と
は逆方向に偏向されるように磁界Ｂを発生させる。した
がって、磁界Ｂの強度を適宜に制御することにより、電
子線２０ｂの電界Ｅによる偏向がキャンセルされる。

【００４３】一方、二次電子２４に対しては、磁界Ｂに
よる偏向方向と電界Ｅによる偏向方向とが同一方向にな
るので、二次電子の偏向量が大きくなって二次電子の検
出が容易になる。

【００４４】図７は、本発明の第５実施形態である走査
電子顕微鏡のブロック図であり、前記と同一の符号は同
一または同等部分を表している。本実施形態では、単結
晶シンチレータを利用して二次信号を検出するようにし
た点に特徴がある。

【００４５】同図において、単結晶シンチレータ５５
は、例えば円筒形状のＹＡＧ単結晶を斜めに切断し、そ
の切断面に一次電子２０ｂを通過させるための開口部５
７を設けたものであり、その先端部には金属またはカー
ボン等の導電性薄膜５６がコーティングされており、接
地電位が与えられている。

【００４６】本実施形態では、コンデンサレンズ１２で
作られる一次電子線２０ｂのクロスオーバ５８が開口部
５７の近傍に来るようにし、対物レンズ１７による二次
電子２４のクロスオーバ５９は開口部５７から離れた位
置に来るようにする。このようにすれば、一次電子線２
０ｂは開口部５７に遮られることなく、二次電子２４も
効率良く検出できるようになる。

【００４７】なお、上記した第５実施形態では、シンチ
レータの発光部とライトガイドを共にＹＡＧ単結晶によ
り構成するものとして説明したが、二次電子を検出する
発光部のみをＹＡＧ単結晶で形成し、他の部分はガラス
や樹脂などの透明性部材で構成するようにしても良い。

【００４８】図８は、本発明の第６実施形態である走査
電子顕微鏡の主要部のブロック図であり、前記と同一の
符号は同一または同等部分を表している。

【００４９】本実施形態では、電子銃を構成する陽極を
省略し、接地された引出電極２と陰極１との間に印加さ
れた引出電圧４で電子線を加速する。引出電圧４で加速
された電子は対物レンズで１７で収束されて試料１８に
向かう。試料１８には加速電圧５の正極側が接続されて
いる。このとき、低加速電圧の領域では加速電圧５より
引出電圧４の方が高いので、電子線は対物レンズ１７と
試料１８の間で減速されて試料に到達する。電界放出陰
極を用いた典型的な例では、引出電圧が３ｋＶ、加速電
圧が１ｋＶである。このような構成によれば、陽極およ
び重畳電圧源が省略されるので、構成が簡素化される。

【００５０】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
試料に負電位を印加して対物レンズとの間に減速電界を
発生させることにより、試料に照射される電子線を減速
させて色収差の低減とチャージアップの防止とを両立さ
せた走査電子顕微鏡において、対物レンズと試料との間
に制御電極を設け、この制御電極３９に、試料あるいは
試料ステージと制御電極との電位差の方が、試料あるい
は試料ステージと対物レンズとの間の電位差より小さく
なるような負電圧を印加したので、対物レンズと試料と
の間に発生した電界が制御電極によって緩和され、素子
の破損を防ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明を適用した走査電子顕微鏡システムの
構成図である。

【図２】 図１の走査電子顕微鏡部の構成図である。

【図３】 本発明の第１実施形態である走査電子顕微鏡
の構成図である。

【図４】 本発明の第２実施形態である走査電子顕微鏡
の構成図である。

【図５】 本発明の第３実施形態である走査電子顕微鏡
の構成図である。

【図６】 本発明の第４実施形態である走査電子顕微鏡
の構成図である。

【図７】 本発明の第５実施形態である走査電子顕微鏡
の構成図である。

【図８】 本発明の第６実施形態である走査電子顕微鏡
の構成図である。

【符号の説明】

１…陰極、２…引出電極、３…陽極、４…引出電圧、５
…加速電圧、６…重畳電圧、７…コンデンサレンズ、８
…絞り、９…絶縁台、１０…調整つまみ、１１…上走査
コイル、１２…下走査コイル、１３…吸引電極、１４…
シンチレ−タ、１５…ライトガイド、１６…光増倍管、
１７…対物レンズ、１８…試料、１９…試料ステ−ジ、
２０…一次電子線、２１…試料ホルダ、２４…二次電
子、２５…チャンネルプレ−ト、２８…増幅電圧、２９
…アノ−ド電圧、３０…増幅器、３１…光変換回路、３
３…中央孔、３４…メッシュ、３５…電気変換回路、３
６…フィルタ電圧、３７…アノ−ド、３９…制御電極、
４０…電圧制御部、５５…単結晶シンチレータ、５６…
導電性薄膜、６１…筐体、７７…試料交換機構

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 37/28 H01J 37/20 H01J 37/244 H01J 37/248

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電子源から放出された一次電子線を試料
   上で走査し、当該試料から発生した二次信号に基づいて
   走査像を得る走査電子顕微鏡において、 一次電子線に対する減速電界を試料と対物レンズとの間
   に発生させる減速電界発生手段と、前記対物レンズよりも電子源側に配置された二次信号検
   出器と、 前記試料と対物レンズとの間に配置された制御電極と、 前記制御電極に予定電圧を印加する電圧印加手段とを具
   備し、 前記予定電圧は、制御電極の電位が対物レンズの電位と
   試料の電位との間の所定値になる値であることを特徴と
   する走査電子顕微鏡。
2. 【請求項２】 電子源から放出された一次電子線を試料
   上で走査し、当該試料から発生した二次信号に基づいて
   走査像を得る走査電子顕微鏡において、 前記試料および／または試料を配置する試料ホルダに負
   の電圧を印加する手段と、 前記対物レンズよりも電子源側に配置された二次信号検
   出器と、 前記試料と対物レンズとの間に配置された制御電極と、 前記制御電極に予定電圧を印加する電圧印加手段とを具
   備し、 前記予定電圧は、制御電極の電位が対物レンズの電位と
   試料の電位との間の所定値になる値であることを特徴と
   する走査電子顕微鏡。
3. 【請求項３】 前記負電圧を印加する手段は、 試料を固定する試料ホルダと、 試料ホルダを絶縁台を介して載置する試料ステ−ジと、 試料ホルダに負電圧を印加する手段とから成ることを特
   徴とする請求項２に記載の走査電子顕微鏡。
4. 【請求項４】 前記二次信号は、電子線通路外に設けら
   れたシンチレータによって検出され、当該シンチレータ
   と電子線通路との間には、二次信号を吸引する電位の供
   給された吸引電極が設置されたことを特徴とする請求項
   １ない し３のいずれかに記載の走査電子顕微鏡。
5. 【請求項５】 前記二次信号は、電子線通路となる開口
   を具備する検出面を備えた検出器によって検出されるこ
   とを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の走
   査電子顕微鏡。
6. 【請求項６】 前記二次信号は、単結晶シンチレータに
   よって検出されることを特徴とする請求項１ないし３の
   いずれかに記載の走査電子顕微鏡。