JP4007305B2 - 電子顕微鏡の分解能評価方法および電子顕微鏡の調整方法 - Google Patents

Description

本発明は、電子顕微鏡の分解能、解像度等の定量評価を目的とする試料と、その試料用いて分解能、解像度等を評価する電子顕微鏡の分解能評価方法および調整方法および電子顕微鏡、及びその電子顕微鏡を用いた半導体製造方法に関するものである。

従来、電子顕微鏡の分解能の評価は、目視確認できる試料の２点間の距離で評価され、特開平５−４５２６５のようにカーボン上に金粒子を蒸着した試料を電子顕微鏡で観察し、分離されている二つの金粒子間の最小隙間を分解能としている。また電子顕微鏡の解像度評価は粒子境界のぼけ具合によって評価されている。

特開平５−４５２６５号公報

従来の分解能評価では、電子顕微鏡の撮像画像は金粒子などを撮像する際には
、金粒子の大きさ、形状にばらつきがあり、測定に個人差が生じ、さらにおなじ試料を再現することができないため正確な定量評価は望まれない。また電子顕微鏡で観察中の金粒子の隙間を正確に測定する方法がない。また、電子顕微鏡の分解能は装置ごとによって機差がある。このため半導体製造等の場合、複数の電子顕微鏡を用いて半導体各部の寸法を計測するような半導体の製造においてこれら電子顕微鏡間での観察像が異り、欠陥等が観察する電子顕微鏡によって見えたり
、見えなかったし、一元的かつ一定の管理値に基づいた製造が行えない等の問題がある。

本発明の目的は、上記課題を解決するようにした電子顕微鏡の分解能評価方法および電子顕微鏡の調整方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明では、電子顕微鏡の分解能評価方法において、２次電子または反射電子または透過電子等の２次荷電粒子の発生効率が異なる材料を表面に交互に複数配置して形成した繰返しパターンを有する試料に電子線を照射し、該電子線の照射により前記試料の表面から発生する２次荷電粒子を検出して前記試料の表面の２次荷電粒子像を得、該２次荷電粒子像の波形データをフーリエ変換を用いて周波数解析処理することにより電子顕微鏡の分解能の定量評価を行うようにした。

また、上記目的を達成するために、本発明では、電子顕微鏡の調整方法において、２次電子または反射電子または透過電子等の２次荷電粒子の発生効率が異なる材料を表面に交互に配置して形成した繰返しパターンを有する試料に電子顕微鏡から電子線を照射し、該電子線の照射により前記試料の表面から発生する２次荷電粒子を検出して前記試料の表面の２次荷電粒子像を得、該２次荷電粒子像の波形データをフーリエ変換を用いて周波数解析処理することにより前記電子顕微鏡の分解能を評価し、該評価した分解能に応じて前記電子顕微鏡の光学系または真空系または電子銃を調整するようにした。

本発明によれば、ＳＥＭの分解能、解像度を、あらかじめ寸法の分かった、多層薄膜試料を用いて、ＳＥＭによる撮像結果を周波数解析等の手段で定量的に評価することにより、ＳＥＭの性能や経時変化を正確に把握することが可能となる
。これは特に半導体検査など、複数のＳＥＭを用いる製造プロセスにおいて、ＳＥＭ間の個体差を低減し、検査の正確性を向上させることができる。

また本発明によれば作成された試料を用いてＳＥＭの性能を測定すれば、従来のカーボン上に金蒸着した試料を用いた場合に比べ、金粒子の大きさに性能が左右されず、常に定量的に安定した性能測定ができる。またＳＥＭ像の膨らみ量の測長から、分解能の自動計測ができる。

本発明の実施形態について図を用いて説明する。

図１は、本発明に係る分解能を測定して調整する電子顕微鏡の一実施の形態である走査形電子顕微鏡（以下ＳＥＭと呼ぶ）の概略構成を示す図である。電子光学系は、電子銃１３、偏向器１２および電磁レンズ１４等によって構成される。そして、電子銃１３から所望の加速電圧によって発せられる電子線８を電磁レンズ１４により集束させ、偏向器１２等によってＸ−Ｙ−Ｚステージ１７上に搭載された試料１上の表面を任意の順序で走査するように構成される。更に電子線の照射により試料１の表面において発生する２次電子または反射電子は検出器１５により検出され、画像入力装置１６に画像データとして入力される。被検査物である試料１は、Ｘ−Ｙ−Ｚステージ１７により３次元方向すべての方向に移動可能である。ステージ移動に同期した電子ビームの照射および画像入力が可能であり、ステージの移動は制御用計算機２０により制御される。図１では２次電子像を用いたＳＥＭの例を示しているが、試料を観察する手段は２次電子以外に、反射電子、透過電子等による像を用いてもよい。透過電子を検出するものは、ＳＴＥＭと称される。

ＳＥＭの分解能を評価するための試料２１について説明する。試料２１は、例えばＴａ膜とＳｉ膜、Ｗ膜とＣ膜、Ｒｕ膜とＣ膜、Ｍｏ膜とＢ4Ｃ膜、Ｗ膜とＳ
ｉ膜等のように原子番号の差異の大きい物質材料の薄膜を、メッキやＣＶＤ（Chemical Vaper Deposition)、ＰＶＤ(Physical Vaper Deposition) 等の公知の薄膜形成技術により単結晶シリコン基板上に厚さを制御して交互に積層して多層に形成し、この多層薄膜を形成した基板をへき開してその断面表面２２を用いる。これを撮像すると、２次電子の発生効率の違いから、例えば、Ｔａ膜、Ｗ膜
、Ｒｕ膜、Ｍｏ膜からの２次電子の発生効率が高く白、Ｓｉ膜、Ｃ膜、Ｂ4Ｃ膜
からの２次電子の発生効率が低く黒のコントラストの顕著な画像となる。

これらの物質を用いた多層薄膜の断面構造をえるためには、へき開面（結晶鉱物がある一定の方向に容易に割れて平滑な面すなわちへき開面を作る。）を利用
する等の方法があるが、評価する分解能に比べて断面表面２２の凹凸が大きすぎる場合には例えば１００ｎｍ以下の研磨粒子をすず製の定盤に埋没させ、そのすず製の定盤で断面２２を研磨し、断面２２の凹凸を数ｎｍ以下にする等の処理を行う。

ＳＥＭの分解能を調べるためには、例えば図２に示す試料２１ａを使用する。電子ビーム８の集束スポットの径より十分に大きな例えば１００ｎｍ程度の厚さのＴａ層２３ａとＳｉ層２３ｂとを作成した断面表面２２上を、ＳＥＭの電子銃１３から所望の加速電圧によって出て集束された電子ビームのスポットを走査したとき、電子ビームのエネルギー分布と検出器１５で検出されて画像入力装置１６に入力される２次電子の強度３２ａを模式すると図３に示すようになる。演算処理装置１９は、画像入力装置１６から入力される２次電子の強度信号３２ａについて例えば微分をとって微分信号３３を得ることにより、この微分信号３３から電子ビームのスポットがＴａ層２３ａとＳｉ層２３ｂとの境界面２４を走査し始める位置３５ｓと走査しおわる位置３５ｅを知ることができる。そして、演算処理装置１９は、この２つの位置３５ｓ、３５ｅの差をとることにより電子ビームの形状であるスポット径を求めることができる。また、演算処理装置１９は、２次電子の出力変化の微分が描く曲線３３の半値幅φ１等を電子ビーム径としてもよい。

電子ビーム径は、分解能と等価と見ることができ、これによりＳＥＭの性能を定量評価できる。この場合、２次電子の強度３２ａを、Ｂスプライン近似、あるいは微分信号３３を正規分布関数近似等により、近似することで、信号のノイズ成分を低減させ、電子ビーム径を再現性良く計測することが可能となる。この場合２つの層は例えばＳｉ基板上に必ずしも成膜プロセスでＳｉ層２３ｂとＴａ層２３ａとを交互に積層して作る必要はなく、２次電子の発生効率の差が顕著な複数の物質を圧着、接着等で積層してもよい。

ＳＥＭの分解能を測定するために図４に示す試料２１ｂを用いた場合の方法を説明する。この試料２１ｂは例えば電子ビーム径より十分に大きなＳｉ層２３ｂの間に例えば１ｎｍぐらいの薄いＴａ層２３ａを重ねて断面を形成したもので、この試料２１ｂの断面表面２２を、ＳＥＭの電子銃１３から所望の加速電圧によって出て集束された電子ビームのスポットを走査したとき、電子ビームのエネルギー分布と検出器１５で検出されて画像入力装置１６に入力される２次電子の強度３２ｂを模式すると図５に示すようになる。そして、演算処理装置１９は、このときの２次電子の出力の描く曲線からバックグラウンド（Ｓｉ層２３ｂから得られる２次電子の強度）の値を引けばその曲線は電子ビームがＴａの層を走査し始める位置３５ｓと走査しおわる位置３５ｅを知ることができる。この２つの位置３５ｓ、３５ｅの差からさらにＴａの膜厚を差し引くことにより電子ビームの径を算出することができる。この場合も図２に示した試料２１ａを用いたときと同じように半値幅φ２を算出し、その後にＴａの膜厚を差し引いて電子ビームの径としてもよい。この場合薄いＴａ層の膜厚を例えば０．５ｎｍ、２ｎｍ、３ｎｍと変化させ、その結果に応じた２次電子の発生強度の変化の状態から演算処理装置１９は、電子ビーム単体のエネルギー分布が精度良く求めることができる。

ＳＥＭの分解能、解像度を測定するために図６に示す試料２１ｃを用いた場合の方法を説明する。図６に示すように黒地に白の細いスリットパターンが描かれたような試料２１ｃを用いると、走査形電子顕微鏡で走査したときには、一般的な光学系において２つのピンホールを観察したときの回折像との光の強度分布と同様の信号が得られる。光学的には、岩波書店出版「波動光学」p359-377等に示されるように、レーリーによる解像限界が定義されており、このような信号の中央部の極小値が極大値の７４％以下のとき２つのピンホールの像は分離されているとみなしている。

この定義をＳＥＭに応用するために、図６に示す様な黒地に白の細いスリットパターン（縞模様パターン；例えば、黒地はＳｉ層で、白いスリットはＴａでけいせいする）が描かれたような試料２１ｃを作成する。スリットの間隔は例えば設定したい分解能の大きさと同じにして１ｎｍの分解能をもつＳＥＭに調整したい場合は１ｎｍに膜厚を制御して試料２１ｃを作成する。そして、演算処理装置１９は、図７に示すような、この試料２１ｃをＳＥＭで撮像したときに得られる２次電子の強度変化の信号３２ｃの最大値と中央部の極小値からバックグラウンド（Ｓｉ層２３ｂから得られる２次電子の強度）を差し引き、例えば極小値と最大値の比を取ったとき、７４％であったとき、分解能、もしくは解像限界が１ｎｍと定義することができる。

このような構成の試料を用いれば、スリットの間隔を変えることによって、評価する分解能を変えることができる。また異なった分解能または解像限界を有する各ＳＥＭに対して、上記の方法を用いて図１３に示すように異なったスリット間隔の試料で定量化しておけば、演算処理装置１９は、ある一定のスリット間隔の試料のみを用いて、分解能、解像限界を定量評価することができる。即ち、演算処理装置１９は、定量化しておいた分解能、解像限界とを関数近似等で図１２のように関連づけておき、性能評価チャートを作成しておけば、スリット間隔が例えば１ｎｍの同じ試料で極小値と最大値の値を計測することによって、分解能
、解像限界を定量評価することができる。

ＳＥＭの解像度を測定するために図８に示すような試料２１ｄを撮像し、フーリエ変換を用い周波数解析した場合の方法を説明する。

図８に示すように均等間隔に縞模様の観察像の得られる多層薄膜材料をＳＥＭで撮像した画面のデータを、演算処理装置１９において、１次元または２次元にフーリエ変換する。フーリエ変換によって得られるパワースペクトルについて、縞模様の周波数と信号強度の関係をグラフ化すると図９の様になる。なお、直流成分が最大となる原点は周波数が０であることを示す。

周波数は、原点を中心して左右に進むに従って、大きくなることを示す。そして、演算処理装置１９は、この縞模様の周波数でのピークの信号強度から解像度を定量的に評価できる。また演算処理装置１９は、直流成分の信号強度と縞模様のピークの信号強度の比または差から解像度を定量的に評価できる。即ち、縞模様のピークの信号強度が増大するに従って、直流成分の信号強度に近づくに従って、解像度が向上することを示している。

またＳＥＭの解像度を測定するために図８に示すような試料２１ｄを撮像し、ＣＴＦ（Contrast Transfer Function）を求めることもできる。この場合撮像した画面のデータの縞模様部分の最大輝度の値をmaxL、最小輝度の値をminLとしたとき、解像度を（maxL−minL）／（maxL＋minL）×１００ （％）の値で定量評価できる。

また図８に示す試料の場合、電子光学系の倍率、加速電圧が一定の場合、図１０、図１１に示すようにＳＥＭ像を観察すると白い部分の像が一定の大きさで膨張してみえる。例えば、ＳＥＭの電子光学系の倍率、加速電圧が、図１０のように１０nm間隔の縞状の試料を観察したときのＳＥＭ像で白いパターンの部分が１４nmと膨張して見えるとき、同じ条件で２０nm間隔の縞状の試料を観察すると、図１１に示すように、白い部分は２４nmに膨張して見える。このように膨張の大きさが同じであることから、この膨張の大きさを分解能と、例えば上記例では４nmを分解能と定義することもできる。

図１３に分解能、解像度を評価するサンプルの例を示す。図２、図４、図６、図８に示す縞パターンを１枚の試料上にならべることによって、サンプルを交換することなく複数の方法で分解能、解像度の評価を行うことができる。

図１４に試料１、分解能評価用の試料２１を取り付けるステージまたは試料ホルダー２４の一実施の形態を示す。例えば半導体検査に用いる場合、円形のウェハを取り付けるため四角いステージまたは試料ホルダー２４だと四隅に場所が空いている。この場所に例えば図１５に示す様な試料ホルダー４１を取り付ける。試料ホルダー４１は試料２１を間に挟む形で通電可能にしておく。試料２１は通常ＳＥＭで一度観察した時に生じる場所は帯電や、表面汚染のため再び使うことができないが、試料を例えば１０００℃以上に通電加熱すると帯電や、表面汚染が除去され、試料の交換回数が少なくなるか、または不要となる。

分解用評価用の試料５１の構成を図１６に示す。Ｓｉウエハー５２の上にＷ膜５３とＣ膜５４を、間隔Ａ５５間にＣ膜５４の膜厚を６ｎｍの寸法で、Ｗ膜５３の膜厚は３〜１０ｎｍ程度の寸法で繰り返して積層し、次に間隔Ｂ５６間にＣ膜５４の膜厚を５ｎｍの寸法で、Ｗ膜５３の膜厚は３〜１０ｎｍ程度の寸法で繰り返して積層し、次に間隔Ｃ５７間にＣ膜５４の膜厚を４ｎｍの寸法で、Ｗ膜５３の膜厚は３〜１０ｎｍ程度の寸法で繰り返して積層する。Ｗ膜５３膜厚は、必ずしも３〜１０ｎｍ程度でなくてもよいことは明らかである。そして、この試料５１をＳＥＭで観察した場合、そのＳＥＭ像を表示手段３０に表示することによって図１６に示すごとくＳＥＭ像５８のように見える。このＳＥＭ像５８を見ると
、間隔５７の部分は、本来４ｎｍずつＣ膜５４が積層していたにも関らず、Ｗ膜３が膨らみ、暗部であるＣ膜４が観察できなくなっている。この意味するところは、このＳＥＭは５ｎｍのものは、分離して観察できるが、４ｎｍのものは分離できない、すなわち分解能５ｎｍの性能だということが観察によってわかる。

ＳＥＭの分解能を測定する方法の別の例として、図１２のような解像度チャートを使用せずに、図１７に示す試料６１を用いる場合について説明する。

試料６１は、例えば次の様に作成する。Ｓｉウエハー６２の上にＲｕ膜６３
とＣ膜５４を、間隔Ａ６５間にＣ膜６４の膜厚を１０ｎｍの寸法で、Ｒｕ膜６３の膜厚は３〜１０ｎｍ程度の寸法で繰り返して積層し、次に間隔Ｂ６６間にＣ膜６４の膜厚を６ｎｍの寸法で、Ｗ膜６３の膜厚は３〜１０ｎｍ程度の寸法で繰り返して積層し、次に間隔Ｃ６７間にＣ膜６４の膜厚を５ｎｍの寸法で、Ｗ膜６３の膜厚は３〜１０ｎｍ程度の寸法で繰り返して積層する。Ｗ膜６３膜厚は、必ずしも３〜１０ｎｍ程度でなくてもよいことは明らかである。

例えば、この試料６１のＳＥＭ像を得た場合、そのＳＥＭ像に対してフーリエ変換すると、図８と同様のパワースペクトルが得られる。図８における縞模様の周波数での信号、この場合、間隔Ｄ６５、間隔Ｅ６６、間隔Ｆ６７の周波数成分のみを取り出す。これは図１８のフーリエ変換像８１に現れる複数のスポット８２を取り出すことになる。この複数のスポット８２を取り出し、フーリエ逆変換を行い、バンドパスフィルターをかけたＳＥＭ像を再現する。そのＳＥＭ像の輝度プロファイルが図１９である。

輝度の明暗の振幅が、間隔Ｄ６５、間隔Ｅ６６、間隔Ｆ６７の部分において、振幅Ｄ、振幅Ｅ、振幅Ｆの順に小さくなる。これは間隔が狭くなると完全に解像しなくなるためである。間隔Ｄが完全に解像しているとき、図１８の振幅Ｄと振幅Ｅ、振幅Ｆの比をとり、横軸を間隔（nm）、縦軸を振幅比（％）とするグラフ
にプロットすると、図２０のような解像度曲線または解像度直線が得られる。レイリーの光学的解像限界を適用すると、この曲線、または直線が２６％に下がる位置の横軸の値を解像限界、分解能と定義することができる。この２６％は目視相関実験等により機種ごとに変えても良い。

積層する材料の組合せとしてＷ膜／Ｃ膜以外には、Ｗ膜／Ｓｉ膜、Ｒｕ膜／Ｃ膜、Ｍｏ膜／Ｂ4Ｃ膜、Ｔａ膜／Ｓｉ膜などがある。

また、これらの材料の薄膜を形成する基板として、単結晶シリコン基板を用いたが、基板の材料は、これに限られるものではない。

これらＳＥＭの分解能用試料５１は、ＳＥＭ製作時の性能評価に使用できるばかりでなく、日常の点検やメンテナンス時の経時評価に使用することができる。

また前記の現象を利用すれば、演算処理装置１９において画像処理技術を加えて像の膨らみ量を自動測長することで、ＳＥＭの性能の１つである分解能の自動計測、および分解能の定量的評価ができる。このためＳＥＭに試料５１を搭載しておけば、装置自身がＳＥＭの分解能性能を常時管理することができる。

以上の説明は、一次元（Ｘ軸方向）について説明したが、２次元に個別に適用することができることは明らかである。また、加速電圧を変えると分解能も変化することは明らかである。

また、分解能が満足できない場合には、電子光学系１４を制御する条件設定値を入力手段３１を用いて入力することによってフォーカス条件を調整することができる。また真空制御系３２を制御する条件設定値を入力手段３１を用いて入力することによって真空度を調整することができる。電子銃１３の条件が悪い場合も考えられるので、その場合には電子銃１３を調整することが必要となる。

また演算処理処理装置１９に接続された記憶装置には分解能に関する履歴データが格納されているので、いつでも例えば表示手段３０を用いることによって、ユーザに知らせることができる。

走査形電子顕微鏡の概略構成図である。 ２つの層からなる性能評価試料の例を示す図である。 図１の試料による性能評価方法の説明図である。 １つの薄膜を２つの層で挟みこんだ性能評価試料の例を示す図である。 図３の試料による性能評価方法の説明図である。 ２つの薄膜を３つの層で挟みこんだ性能評価試料の例を示す図である。 図５の試料による性能評価方法の説明図である。 縞状に成膜した性能評価試料の例を示す図である。 周波数解析による性能評価方法の説明図である。 １０ｎｍ間隔で縞状に成膜した性能評価試料と撮像結果の説明図である。 ２０ｎｍ間隔で縞状に成膜した性能評価試料と撮像結果の説明図である。 ＳＥＭ分解能評価チャート図である。 性能評価サンプル構成例を示す図である。 試料ステージを示す図である。 通電加熱用試料ホルダーを示す図である。 本発明に係る２次電子の発生効率に差のある金属を、ある間隔ごとに寸法を変えて積層した試料の構成とＳＥＭ像とを示す図である。 本発明に係る２次電子の発生効率に差のある金属を、ある間隔ごとに寸法を変えて積層した試料の構成の例を示す図である。 解像度評価試料をフーリエ変換した像である。 ＳＥＭ像をフーリエ変換した後、バンドパスフィルターをかけて逆変換した像のプロファイルを示す図である。 ＳＥＭ分解能評価曲線を示す図である。

符号の説明

１…試料、８…電子線、１３…電子銃、１４…電磁レンズ、１５…２次電子検出器、１６…画像入力装置、１７…X-Y-Zステージ、１９…演算処理装置、２０
…制御用計算機、２４…試料ホルダー

Claims (4)

1. 電子顕微鏡の分解能評価方法であって、２次電子または反射電子または透過電子の何れかの２次荷電粒子の発生効率が異なる材料を表面に交互に複数配置して形成した繰返しの方向の幅寸法が既知の繰返しパターンを有する試料に電子線を走査して照射し、該電子線を走査して照射することにより前記試料の表面から各材料の2次荷電粒子発生効率に応じて発生する２次荷電粒子を検出して前記材料に応じて2次荷電粒子発生効率が異なることにより生ずる前記試料の表面のコントラストが顕著な２次荷電粒子像を得、該材料に応じたコントラストが顕著な２次荷電粒子像の波形データをフーリエ変換を用いて周波数解析処理して前記繰り返しパターンの周波数でのピークの強度信号から電子顕微鏡の分解能の定量評価を行うことを特徴とする電子顕微鏡の分解能評価方法。
2. 前記試料の表面には、繰返しパターンが複数形成されており、該複数のパターン間で、
   該繰返しパターンを構成する２次荷電粒子の発生効率が異なるそれぞれの材料のうちの少
   なくとも一方の材料の繰返しの方向の幅寸法が異なることを特徴とする、請求項１記載の
   電子顕微鏡の分解能評価方法。
3. 前記繰返しパターンが、タンタル（Ｔａ）とシリコン（Ｓｉ）とで形成されていること
   を特徴とする請求項１記載の電子顕微鏡の分解能評価方法。
4. 電子顕微鏡の調整方法であって、２次電子または反射電子または透過電子の何れかの２次荷電粒子の発生効率が異なる材料を表面に交互に配置して形成した繰返しパターンを有する試料に電子顕微鏡から電子線を走査して照射し、該電子線を走査して照射することにより前記試料の表面から各材料の2次荷電粒子発生効率に応じて発生する２次荷電粒子を検出して前記材料に応じて2次荷電粒子発生効率が異なることにより生ずる前記試料の表面のコントラストが顕著な２次荷電粒子像を得、該材料に応じたコントラストが顕著な２次荷電粒子像の波形データをフーリエ変換を用いて周波数解析処理して前記繰り返しパターンの周波数でのピークの強度信号から前記電子顕微鏡の分解能を評価し、該評価した分解能が満足できない場合には前記電子顕微鏡の光学系のフォーカス条件を調整することを特徴とする電子顕微鏡の調整方法。

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