JP4095510B2 - 表面電位測定方法及び試料観察方法 - Google Patents

Description

本発明は、荷電粒子線装置に装填された試料の表面電位を測定する方法及び観察方法に関する。

電子線やイオンビーム等の荷電粒子線を用いて試料の観察、測定、加工を行う荷電粒子線装置として、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）や集束イオンビーム装置（ＦＩＢ）が知られている。例えばＳＥＭは、加速した電子線を集束レンズで細く絞って試料表面にラスター走査し、試料から発生した二次電子を電子線走査に同期して検出することにより、試料の表面形状を反映した試料像を取得する。試料に電子線を照射したときの二次電子発生率δは、試料の種類や表面状態、照射する電子線のエネルギーに依存して変化する。照射した電子量と二次電子発生量が等しい場合はδ＝１、照射した電子量より多くの二次電子が発生する場合はδ＞１、その逆はδ＜１である。δ＞１やδ＜１の場合に、試料が半導体や絶縁体など電気抵抗率が大きいものであると、試料表面は電子線照射を行わない、本来試料が保持されている電位に対して相対的に正や負の電位となる場合がある。

このように試料表面の電位が電子線の照射によって変化すると、本来設定していた電子線の制御条件、例えば試料に入射する電子のエネルギーやラスター走査範囲つまり倍率やフォーカス条件が適切でなくなる。これを解決するためにはリアルタイムで試料の表面電位を測定し、それを電子線の制御条件にフィードバックして倍率制御の再設定やフォーカスを修正する必要がある。

表面電位の測定方法としては、微小な探針を測定箇所に直接接触させて電位を読み取る方法がある。また、ケルビン法を用いた非接触式の表面電位計が市販されている。他には、電子線をプローブとし、エネルギーフィルタを用いて、電圧を与えた半導体集積回路の配線の電位情報を反映した二次電子のエネルギー測定を行うことで、回路の電位を測定して回路の動作状況や不良解析を行うＥＢテスターの手法がある。また、ＳＥＭに二次電子のエネルギーを分別することのできるエネルギーフィルタを組み込んでＥＢテスターと同様に使用することもできる。ＷＯ０１／７５９２９に記載されているように、エネルギーフィルタの電位を試料表面電位付近で掃引すると同時に二次電子信号量を検出し、試料から出射する二次電子のエネルギーに対する二次電子信号量のプロファイルを取得し、前もって得られている既知の電位に設定した試料に対する同様のプロファイルと比較して、試料表面電位を特定できる特徴量、例えばプロファイルのピークの位置や勾配の相対的な変化量を求めることにより、試料の表面電位を算出することができる。
ＷＯ０１／７５９２９

ＳＥＭにおいて電子線を照射する試料上の領域（観察領域）は、広くてもせいぜい数百マイクロメートル角である。したがって、表面電位計のように表面電位を測定したい領域に対して非常に大きいサイズの探針を用いる場合には、探針の大きさ、測定感度や測定位置の問題から、電子線が照射されている領域の表面電位を電子線に影響を与えることなく測定することは出来ない。

また、エネルギーフィルタを介して、二次電子のエネルギー分別を行う場合には、検出方法が電位阻止型のエネルギーフィルタを用いた積分型にしても、エネルギー分散型のエネルギーフィルタを用いた微分型にしても、十分なＳ／Ｎで二次電子信号を検出するための条件を最適化するために、かつ二次電子のエネルギーに対する二次電子信号量のプロファイルを取得するために、エネルギーフィルタの電極電位あるいは磁場発生用コイル電流を掃引する必要があり、掃引に時間を要する。さらに、二次電子信号量を検出する手段が試料上に照射する電子線のラスター走査に同期して試料から発生する二次電子を検出して構築される画像を用いる場合には、画像の取得時間が加味されることになり、プロファイルの取得には装置のスループットを低下させるほどの無視できない時間が必要となる。

本発明は、試料の表面電位を短時間で測定できる方法を提供することを目的とする。また、本発明は表面電位の影響を低減した試料像を取得する方法を提供することを目的とする。

本発明では、試料の表面電位を特定するための特徴量として、試料像を構成する画素の輝度の階調と出現頻度の関係を表す輝度ヒストグラムのピーク位置を用いる。試料を保持するホルダー等を介して試料に電圧を印加している場合には、荷電粒子線照射によって試料から放出された二次粒子を、エネルギーフィルタを通して検出し、その検出信号によって試料像を形成する。エネルギーフィルタとしては、数枚の電極から構成された電位阻止型のハイパスフィルタを用いることができ、エネルギーフィルタリング作用を生じる電極には試料に印加した電圧と同じ電圧を印加する。試料に電圧を印加していない場合には、エネルギーフィルタは必ずしも必要ではない。

荷電粒子線が照射された試料上の点の電位が、帯電により、試料に印加した電位と異なる場合には、エネルギーフィルタでエネルギーフィルタリングされて二次粒子検出器にて検出される二次粒子量は、試料上の点が試料に印加した電位と同じ電位にある場合と異なる。さらに、試料上の電位が変化したときに得られる画像から輝度ヒストグラムを算出すると、二次粒子検出器での二次粒子の収量が変化することから、画像の輝度が変化して輝度ヒストグラムのピーク位置が試料上の電位の変化に伴ってシフトする。よって、このシフト量と試料上の電位との関係を予め求めておけば、ピーク位置のシフト量から試料上の電位が求められる。

本発明では、測定しようとする試料上の領域の電位の算出には、後述するように、電位が既知の導電性試料に対して得られた基準輝度ヒストグラム、又は試料上の電位が既知の領域における輝度ヒストグラム及びエネルギーフィルタを用いて測定される表面電位を用いる。エネルギーフィルタを用いて測定される表面電位は、例えば局所表面電位であり、エネルギーフィルタの設定電圧を、（試料から発生した二次電子のエネルギー）+（試料表面電位）として二次電子が阻止される電圧を測定する。基準輝度ヒストグラムは、全ての表面電位測定対象に対して汎用性を持たせるために、半導体デバイスのような配線などの表面構造をもたない、言い換えれば表面構造や複数の材質の影響によるコントラストを生じさせない試料を用いるのが好ましい。この場合、基準輝度ヒストグラムのピークは１つだけとなる。

なお、半導体デバイスの製造工程で用いられる検査用ＳＥＭではサブマイクロメートル幅の配線などの寸法測長を行う必要があり、観察対象は複数の材質、例えば半導体、絶縁体、金属や有機物の組合せが同一視野内に存在することが多く、二次電子の発生率の差により画像のコントラスト差も大きくなる。また、通常の観察倍率は数万倍以上になることから、これらの観察対象や観察倍率では画像の輝度ヒストグラムは複数のピークを持つことがあるが、表面電位測定点での輝度ヒストグラムのピークは１つであるのが望ましい。輝度ヒストグラムのピークを１つにするには、表面電位測定点での画像取得の倍率を十分高くして単一材質の構造のみが視野内に収まるようにするか、逆に十分な低倍率、例えば１〜２千倍程度で画像取得を行えばよい。

本発明による表面電位測定方法は、試料上の測定領域に荷電粒子線を走査して照射し、荷電粒子線の照射によって試料から発生した二次粒子を検出して測定領域の試料像を取得するステップと、試料像の画素の輝度ヒストグラムを算出し、そのピーク位置を求めるステップと、ピーク位置の情報に基づいて測定領域の表面電位を求めるステップとを含む。

より具体的には、表面電位が既知の試料像に対する基準輝度ヒストグラムのピーク位置からの前記ピーク位置のシフト量を求めるステップと、そのシフト量から測定領域の表面電位と既知の表面電位との差を求めるステップとを有する。輝度ヒストグラムのピークのシフト量と試料上の電位との関係を利用するためには、試料像を取得する際に、調整可能なパラメータである二次粒子検出器の輝度やコントラストといった二次粒子信号増幅、画像の輝度ヒストグラムの設定条件、試料に照射する一次荷電粒子線の電流量を、基準輝度ヒストグラムを取得した時と同じにする必要がある。

また、試料上の２つの領域の表面電位差を求めることもできる。その場合には、試料上の第１の測定領域の試料像から取得した第１の輝度ヒストグラムのピーク位置と、第２の測定領域の試料像から取得した第２の輝度ヒストグラムのピーク位置を求め、それら２つのピーク位置のシフト量から第１及び第２の測定領域の表面電位の差を求める。

本発明による試料観察方法は、試料上の測定領域に走査電子顕微鏡の視野を移動するステップと、測定領域の表面電位を求めるステップと、走査電子顕微鏡の倍率を高倍率にし、測定領域内の測長部分の走査電子顕微鏡像を取得するステップと、取得した高倍率の走査電子顕微鏡像に基づいて測長部分を測長するステップとを含み、測定領域の表面電位は、前記した表面電位測定方法によって求め、走査電子顕微鏡の倍率を高倍率にする際に、求めた表面電位の情報を用いて倍率及びフォーカス条件を修正することを特徴とする。この方法によると、試料表面の帯電により生じる倍率の誤差を小さくして正確な測長を行うことができる。

本発明による試料観察方法は、また、電気回路要素を含む半導体試料に電子線を照射し、電子線照射によって試料から発生した二次電子を二次電子検出器で検出して試料像を取得するステップと、観察領域内の所定領域の表面電位を求めるステップと、試料と二次電子検出器の間に配置されたエネルギーフィルタの電圧として、求めた表面電位を設定するステップとを含み、表面電位を前記した表面電位測定方法によって求めることを特徴とする。この方法によると、試料表面の帯電に基づく半導体回路の正常部と異常部を反映した画像のコントラストを選択的に強調することができる。

本発明によると、試料の荷電粒子線照射領域の表面電位測定時間を大幅に短縮できる。また、欠陥検査装置の欠陥検出率を向上させることができる。

以下では、試料に照射する一次荷電粒子線として電子線を用いた例について説明する。ただし、本発明は、試料に電子線ではなくイオンビームを照射して試料画像を取得する荷電粒子線装置に対しても同様に適用できるのは勿論である。

図１は、本発明による走査型電子顕微鏡の構成例を示す模式図である。引出し電極２に正の高電圧を印加することにより、電子源１から電子線３を取り出す。取り出された電子線３は、磁場を用いた集束レンズ系５や対物レンズ７により試料８上にフォーカスし、偏向器６によって試料８上の任意の領域を走査する。試料８には、試料電圧印加部１５から、一次電子線３を減速させるための負のリターディング電圧が印加されている。ただし、本発明にとってリターディング電圧の印加は必須ではない。一次電子線３の照射によって試料８から発生した二次電子は電子源１の方向に加速され、偏向器６により偏向されてメッシュ状の電極で構成されたエネルギーフィルタ１３を透過した後、アース電位にある反射板９に衝突し、低速の二次電子４に変換されて二次電子検出器１１に取り込まれる。

エネルギーフィルタ１３と反射板９の間にはウィーンフィルタ１０が設置されており、一次電子線３の軌道に影響を与えることなく、反射板９で発生した二次電子４を二次電子検出器１１に効率良く導く。二次電子検出器１１から出力されるアナログ信号は画像表示部１２に入力され、画像表示部１２に試料像が表示される。画像表示部１２はコンピュータを内蔵し、アナログ信号をデジタル変換して画像処理することができ、輝度ヒストグラムの算出も可能である。画像表示部１２に表示された画像あるいは画像処理された画像は、画像表示部に内蔵された記憶装置あるいは外付けの記憶装置に保存される。

二次電子検出器１１は、二次電子をシンチレータで光に変換し、光を光電子増倍管及び電気回路的なアンプにより増幅して出力するものであり、光電子増倍管のゲイン、つまりは光電子増倍管のバイアス電圧とアンプのオフセット調整により画像のコントラストと輝度を変化させることができ、光電子増倍管のゲイン及びアンプのオフセットと増幅信号の大きさの関係は線形性をもつように調整されている。このような特性をもつ検出系であれば、シンチレータや光電子増倍管を用いない検出系、例えば半導体検出器を用いることもできる。なお、二次電子検出器の設置位置は、エネルギーフィルタ１３の上方以外に、エネルギーフィルタと対物レンズ７の間や対物レンズの下方としてもよく、これらを組み合わせて複数の検出器を用いることも出来る。

エネルギーフィルタ１３は電位阻止方式の積分型フィルタであり、一次電子線３を通過させるパイプを中心に設けたメッシュ状の薄い金属板に、エネルギーフィルタ電圧印加部１６にて、試料から発生して電子源１の方向に加速する二次電子を阻止できるような電圧を印加することで、二次電子のエネルギー分別が可能なものである。阻止電位を印加する電極の上下をアース電位の電極で挟み、阻止電位が一次電子線３の軌道に漏れ出さないように構成してある。

次に、本発明による表面電位の測定方法について説明する。ここでは、試料としてベア・シリコンウェーハを用いた場合について説明する。
図２は、エネルギーフィルタ１３の印加電圧を試料電圧印加部１５の印加電圧と同じとし、試料８のみの電位を変化させて得られた試料像の輝度ヒストグラムを表す図である。エネルギーフィルタ１３の電位を−１２００Ｖとした。各輝度ヒストグラムに対する試料電位は、グラフ左から−１１６５Ｖ，−１１７０Ｖ，−１１７５Ｖ，−１１８０Ｖ，−１１８５Ｖ，−１１９０Ｖであり、試料上の帯電が＋３５Ｖ，＋３０Ｖ，＋２５Ｖ，＋２０Ｖ，＋１５Ｖ，＋１０Ｖに対応する。

図２から分かるように、各試料電位における輝度ヒストグラムの相対的な変化量はほぼ同じであり、その変化量は輝度ヒストグラムのピークシフト量１７から算出でき、本実施例では試料電位の変化５Ｖに対して１７階調の輝度ヒストグラムのピークシフトが観測された。本実施例は１画素あたりの輝度を２５６段階（８ビット）の階調数とした場合であり、階調数を１２ビットや１６ビットに設定した場合には１階調あたりの電圧の重みが変わり、本実施例ではそれぞれ５Ｖに対しては２７２階調、４３５２階調のシフトとなる。このように、予め既知の電位とした導体を試料とした試料像の輝度ヒストグラム（基準輝度ヒストグラム）のピーク位置を画像表示部１２に記憶しておけば、任意の試料に対して基準輝度ヒストグラムからの輝度ヒストグラムのピークシフト量１７を算出することができる。基準輝度ヒストグラムに対応する試料電位をＲ[Ｖ]、表面電位を求めたい試料の試料像の輝度ヒストグラムピークの基準輝度ヒストグラムピークからのシフト量をＡ[階調]とすると、本実施例の場合は、次式（１）により試料上の電子線照射領域の表面電位Ｓ[Ｖ]を算出することができる。
Ｓ[Ｖ]＝Ｒ[Ｖ]＋Ａ[階調]×５[Ｖ]／１７[階調] …（１）

上式（１）における“Ａ[階調]×５[Ｖ]／１７[階調]”の部分は装置定数と考えることができる。また、輝度ヒストグラムの表面電位変化に対するピークシフト量を固定値とするのではなく、各種の試料に対して基準輝度ヒストグラムの校正を行っておけば、より精度の高い電位測定が可能となる。

さらに、基準試料を用いて予め測定した基準輝度ヒストグラムを用いなくても、表面電位測定を始める前に表面電位測定を行う試料で基準輝度ヒストグラムの代りとなる輝度ヒストグラムをピークが一つとなる条件で取得し、同時にエネルギーフィルタを用いてエネルギーフィルタリングされた二次電子の収量が予め決めておいた閾値となるエネルギーフィルタの電圧を取得することで表面電位を決定することができる。

これは次のように説明できる。エネルギーフィルタ１３の電位を一定として、試料８の電位が変化したときにエネルギーフィルタを透過して二次電子検出器１１にて検出される二次電子の収量は、図３に示した二次電子収量カーブ２２ように変化する。これとは逆に、試料の電位を一定としてエネルギーフィルタの電圧をエネルギーフィルタ電圧印加部１６により変化させても該カーブが得られる。図３の横軸はエネルギーフィルタ１３に印加する阻止電位に対して二次電子のもつ相対的なエネルギーであり、０が阻止電位と二次電子のエネルギーが一致する条件であるが、実際にはエネルギーフィルタのエネルギー分解能や二次電子のエネルギー分布により、０で完全にカットオフされるわけではない。よって、エネルギーフィルタの分解能や二次電子のエネルギー分布によって決まる誤差が許容値以内となるように二次電子がカットオフされるとみなされる電圧、つまり閾値を、例えば二次電子収量が二次電子収量の最大値の５０％となる電圧に決めておけば、該カーブから試料表面電位を推測することが出来る。

このときの輝度ヒストグラムを基準輝度ヒストグラムとすることで任意点でのピークシフト量を測定することができ、任意点での表面電位を測定することも可能である。

これに加えて、表面電位測定点が同じパターンを繰り返し測定する場合には、基準輝度ヒストグラムの代りとなる輝度ヒストグラムの測定点を実際の測定点と同じパターンに選べば、材質による二次電子の発生率の違いによる二次電子収量の変化がなく、材質の違いによる影響を受け難くなる。よって、測定点の輝度ヒストグラムと該基準輝度ヒストグラムの代りとなる輝度ヒストグラムのプロファイルも相似となり、ピークシフト量と試料表面電位との対応もより正確なものとなる。前記方法にて基準輝度ヒストグラムの代りとなる輝度ヒストグラムの測定点の表面電位を測定すれば良い。

さらに、輝度ヒストグラムに複数のピークを生じる条件で輝度ヒストグラムを取得しても、前記方法を用いて任意のピークのピークシフト量から表面電位を算出できることは明らかである。

一方、試料の表面電位測定のための輝度ヒストグラムを取得するための画像取得は、二次電子検出系のゲインやオフセットやこれらの値に応じて画像の輝度ヒストグラム分布を決定するエッジ強調やガンマ補正などの処理を行っている場合には、それらの画像処理関数の設定と、二次電子発生率に影響する入射電子の加速電圧や照射電流量の設定は基準輝度ヒストグラムを取得する際に設定した条件と同一とすることが必要である。本実施例では二次電子検出器１１の光電子増倍管の増幅率を決める印加電圧、光電子増倍管の出力であるアナログ信号のゲインとオフセット、複数の二次電子検出器の信号加算比率や画像の加算枚数及び入射電子の加速電圧や照射電流量の設定を、基準輝度ヒストグラム取得条件と同一とした。

また、図２のように試料電位と輝度ヒストグラムのピークシフト量１７がほぼ線形に変化するとみなせる領域は、許容できる誤差によって異なるが、図３に示した領域２３のように二次電子収量がほぼ線形に変化し、二次電子検出器１１での信号出力が試料電位の変化に対して線形に変化する領域である。しかし、たとえ輝度ヒストグラムのピークシフト量や二次電子検出器での信号出力に線形性が無くとも、予め図２に示したような関係を取得して、試料電位の変化と輝度ヒストグラムのピーク変化量の関係が一意的に求まるように近似式を作成すればよい。

つまり、試料の表面電位の変化量ΔＶに対する輝度ヒストグラムのピークシフト量Ａ[階調]の関係が関数Ｆ(Ａ)を用いて近似的にΔＶ[Ｖ]＝Ｆ(Ａ)[Ｖ]で表される場合、式（１）の代わりに式（２）を用いて試料上の電子線照射領域の表面電位Ｓ[Ｖ]を算出することができる。Ｒ[Ｖ]は、基準輝度ヒストグラムを取得した基準試料の試料電位である。
Ｓ[Ｖ]＝Ｒ[Ｖ]＋Ｆ(Ａ)[Ｖ] …（２）

さらに本実施例では、図２の関係から基準輝度ヒストグラムとの比較で測定できる試料電位との差は最大３０Ｖ程度であるが、基準輝度ヒストグラムの電位と試料電位の差がこれよりも大きな場合には、二次電子収量は図３に見られるように変化しない領域となるため、輝度ヒストグラムのピーク位置は右端もしくは左端に近い位置となり、輝度ヒストグラムのピークは試料電位の変化に追従しない飽和状態となる。その場合には、エネルギーフィルタ電圧印加部１６からエネルギーフィルタ１３に印加する電圧を、予め決められた電圧ステップで試料電位に対して正又は負に変化させて画像を取得して輝度ヒストグラムを算出し、基準輝度ヒストグラムのピークとのピークの位置の差が決められた所定の階調数以内となるようにすればよい。

この結果、設定されたエネルギーフィルタ電圧印加部１６の電圧をＶ₀[Ｖ]とし、基準輝度ヒストグラムと表面電位の測定点での輝度ヒストグラムのピークシフト量をＡ[階調]とすると、一般的には次式（３）から試料上の電子線照射領域の表面電位Ｓ[Ｖ]を算出することができる。
Ｓ[Ｖ]＝Ｒ[Ｖ]＋Ｖ₀[Ｖ]＋Ｆ(Ａ)[Ｖ] …（３）

本実施例の場合、式（３）は、式（４）のように表すことができる。
Ｓ[Ｖ]＝Ｒ[Ｖ]＋Ｖ₀[Ｖ]＋Ａ[階調]×５[Ｖ]／１７[階調] …（４）

例えば、電圧ステップを３０Ｖ、電子線照射による表面電位の上昇を１００Ｖとした場合には３，４回の画像取得を行うことになり、スループットは低下する。しかし、一旦条件が判明すれば同一試料、例えば同一ロットのウェーハを測定対象とする限り、各ロット毎に測定条件を記憶しておくことができるので、平均的にはスループットの低下は問題なくなる。

基準輝度ヒストグラムは、任意の試料の比較対象として用いるため、電位を既知とすることができ、単一コントラストの得られる、例えば表面がフラットな導体を試料として取得するのがよい。その場合、基準輝度ヒストグラムのピークは１つとなる。しかし、実際の試料から得られる輝度ヒストグラムには、例えば、パターン付試料から倍率１万倍で取得した試料像（図４（ｃ））から算出した輝度ヒストグラム１８のように、ピークが２つ発生する場合もある。このような場合、輝度ヒストグラムにピークが複数現れることの原因が、試料上の電位によるものか、材質による二次電子発生率の違いによるものか、エッジ効果と言われる観察対象となる構造のエッジ部での二次電子量の増加によるものなのか、判断が難しい。従って、基準輝度ヒストグラムの１つのみのピークと、実際の表面電位測定点での輝度ヒストグラムのピーク位置の相対的なシフトを比較するためには、表面電位測定点での輝度ヒストグラムのピークは１つであることが望ましい。輝度ヒストグラムのピークを１つにするには、表面電位測定点での画像取得の倍率を十分高くして単一材質の構造のみが視野内に収まるようにするか、十分な低倍率、例えば１〜２千倍程度で行えばよい。例えば、図４（ｂ）に示すように、同じ試料から低倍率（１０００倍）で取得した試料像から算出した輝度ヒストグラム１９のピークは１つになる。

低倍率で画像を取得すれば、１画素あたりの試料上面積は大きくなり、表面構造によるコントラストが平均化されて特定の構造や材質の影響が排除され、輝度ヒストグラムのピークは１つだけとなる。さらに、低倍率に設定するメリットとしては、低倍率で試料上の広範囲に電子線を照射することで、試料表面は均一に帯電が励起されて安定化することがあげられる。従って、低倍率での電子線照射後に画像を取得して輝度ヒストグラムを算出し、基準輝度ヒストグラムからのピーク位置の相対的なシフト量と表面電位との関係から試料上の表面電位を短時間で算出することができ、この後に高倍率としても低倍率で励起された帯電は維持されており、高倍率で電子線照射を行っても表面電位の変化はほとんど無いので、算出した表面電位から倍率やフォーカスの修正を行うことでより正確な寸法測長も可能となる。

図５は、本発明による試料の表面電位測定及び試料観察の手順を示すフローチャートである。
まず、試料を保持する試料ステージ等の移動により測定点に視野を移動する（Ｓ１１）。次に、倍率を１〜２千倍程度の低倍率に設定して試料表面を走査し、試料表面を帯電させる（Ｓ１２）。そのままの倍率、あるいは必要があれば高倍率にして測定点の試料像を取得する（Ｓ１３）。その後、取得画像から画素の輝度ヒストグラムを作成し（Ｓ１４）、基準輝度ヒストグラムと比較してピークのシフト量を求める（Ｓ１５）。輝度ヒストグラムのピーク位置が右端もしくは左端に近いかどうかをもとに輝度ヒストグラムが飽和しているかどうか判定し（Ｓ１６）、飽和していなければ、算出したピークシフト量を上式（２）に当てはめて試料の表面電位を算出する（Ｓ１７）。輝度ヒストグラムが飽和していれば、予め決めた電圧ステップでエネルギーフィルタの電圧を変更して輝度ヒストグラムの飽和を解消し（Ｓ１８）、飽和のない輝度ヒストグラムから算出したピークシフト量を上式（３）に当てはめて試料の表面電位を算出する（Ｓ１９）。このようにして、試料の測定点の表面電位が測定される。

次に、測定された表面電位の情報を用いてＳＥＭの倍率やフォーカスの補正を行う（Ｓ２０）。具体的には、一次電子線３のエネルギー、試料表面電位、対物レンズ電流や、対物レンズと試料との距離などの電子光学系のパラメータの設定条件から決まる一次電子線の軌道、つまりは倍率やフォーカス電流を予めコンピュータシミュレーションなどで求めておき、任意のパラメータ設定値について倍率やフォーカス電流を十分な精度を持った近似式にて算出する。

コントラスト強調が必要な場合には、エネルギーフィルタ１３の電圧に測定された表面電位の電圧を設定する（Ｓ２２）。すると、エネルギーフィルタの電位よりも高いエネルギーを持った電子による像が得られ、試料表面の電位を反映した試料像が得られる。こうして倍率が高精度に設定され、フォーカスが補正されて適切なフォーカス状態となった試料像に対して測長や観察を行う（Ｓ２３）。

本発明によると、高速で簡便に電子線照射領域の表面電位を測定することができる。また、測定した表面電位をもとに、一次電子線３のエネルギーや軌道の変化を加味して、フォーカス及び倍率制御部１４にて倍率やフォーカスの最適値を計算し、偏向器６や対物レンズ７に供給する電圧や電流を補正することが可能である。さらに、測定された表面電位をエネルギーフィルタ電圧印加部１６にフィードバックすると、所望の電位部分にコントラストを付けることができ、半導体デバイスの欠陥検査に応用することができる。

例えば、半導体の欠陥検査の代表的なものとして、半導体の回路構成要素の１つであるコンタクトホールの開口、非開口の検査がある。図６はコンタクトホールに導体を埋め込んで上下層を電気的に接続するコンタクトの断面模式図であり、図６（ａ）は正常なコンタクトの断面模式図、図６（ｂ）は異常コンタクトの断面模式図である。コンタクトホールの底部にエッチング不良により残渣が残っていると、コンタクトホールに金属を埋め込んだとき、図６（ｂ）に示すように、本来接続されるべきコンタクトホールの上部と下部が電気的に接続されず不良となる。

走査電子顕微鏡を用いて、正常なコンタクト２４と異常コンタクト２５に二次電子発生率が１以上となる加速電圧（約３００〜１５００[Ｖ]）で電子線２６を入射させると、帯電による表面電位はそれぞれ等電位線２７，２８で表したようになる。底部が基板配線２９と非導通な異常コンタクト２５は正に帯電する。このため、異常コンタクト２５の上方には電位障壁が形成され、低い運動エネルギーを持つ二次電子３０は試料側に引き戻され、二次電子検出器によって検出される電子量が低下する。正常なコンタクト２４では、発生する二次電子３１に対してこのようなことは起こらないので、結果的に電位コントラスト画像は欠陥部で暗となり正常部で明となる。

よって、正常なコンタクトの表面電位を測定して、エネルギーフィルタ１３の電位を表面電位と同程度に設定すれば、正常部から発生した二次電子のみがエネルギーフィルタを通過することができ、不良部からの二次電子はカットされるため、より一層、暗部と明部のコントラストが強調された画像を取得することができる。さらに、正常部と欠陥部のコントラストが明確でＳ／Ｎが高いために、画像処理を行う上でも明暗をデジタル的に区別する二値化処理も確実に行うことができ、結果的に不良箇所の判別や検出効率が向上する。

本発明による走査電子顕微鏡の構成例を示す図。 異なる試料の表面電位に対して取得した画像から算出した輝度ヒストグラムの説明図。 異なる倍率に対して取得した画像から算出した輝度ヒストグラムの説明図。 ハイパス型のエネルギーフィルタを透過する二次電子の収量変化の説明図。 本発明による試料の表面電位測定及び試料観察の手順を示すフローチャート。 電位コントラストの原理と欠陥検査についての説明図。

符号の説明

１：電子源
２：引出し電極
３：一次電子線
４：二次電子
５：集束レンズ系
６：偏向器
７：対物レンズ
８：試料
９：反射板
１０：ウィーンフィルタ
１１：二次電子検出器
１２：画像表示部
１３：エネルギーフィルタ
１４：フォーカス及び倍率制御部
１５：試料電圧印加部
１６：エネルギーフィルタ電圧印加部
１７：輝度ヒストグラムのピークシフト量
２４：正常なコンタクトホール
２５：異常なコンタクトホール
２６：コンタクトホールに照射される電子線
２７：等電位線
２８：等電位線
２９：コンタクトホールに接続される導体の配線
３０：二次電子の軌道
３１：二次電子の軌道

Claims (9)

1. 試料上の測定領域に荷電粒子線を走査して照射し、荷電粒子線の照射によって試料から発生した二次粒子を検出して前記測定領域の試料像を取得するステップと、
   前記試料像の画素の輝度ヒストグラムを算出し、そのピーク位置を求めるステップと、
   前記ピーク位置の情報に基づいて前記測定領域の表面電位を求めるステップと、
   表面電位が既知の試料像に対する基準輝度ヒストグラムのピーク位置からの前記ピーク位置のシフト量を求めるステップと、
   前記シフト量から前記測定領域の表面電位と前記既知の表面電位との差を求めるステップと、を備え、
   前記基準輝度ヒストグラムに対応する表面電位Ｒ[Ｖ]、表面電位の変化量ΔＶに対する輝度ヒストグラムのピークシフト量Ａ[階調]の関係ΔＶ[Ｖ]＝Ｆ(Ａ)[Ｖ]を用い、次式によって測定領域の表面電位Ｓ[Ｖ]を求めることを特徴とする表面電位測定方法。
   Ｓ[Ｖ]＝Ｒ[Ｖ]＋Ｆ(Ａ)[Ｖ]
2. 請求項１記載の表面電位測定方法において、前記測定領域の輝度ヒストグラムを取得するときの画像取得条件と、前記基準輝度ヒストグラムを取得するときの画像取得条件を同一とすることを特徴とする表面電位測定方法。
3. 請求項１又は２に記載の表面電位測定方法において、前記荷電粒子線は電子線であり、試料に負電位を印加し、試料から発生された二次粒子を当該負電位と同じ電位に設定したエネルギーフィルタを介して検出することを特徴とする表面電位測定方法。
4. 試料上の測定領域に荷電粒子線を走査して照射し、荷電粒子線の照射によって試料から発生した二次粒子を検出して前記測定領域の試料像を取得するステップと、
   前記試料像の画素の輝度ヒストグラムを算出し、そのピーク位置を求めるステップと、
   前記ピーク位置の情報に基づいて前記測定領域の表面電位を求めるステップと、
   表面電位が既知の試料像に対する基準輝度ヒストグラムのピーク位置からの前記ピーク位置のシフト量を求めるステップと、
   前記シフト量から前記測定領域の表面電位と前記既知の表面電位との差を求めるステップと、を備え、
   試料から発生した二次粒子を試料に対して電圧Ｖ₀[Ｖ]を印加したエネルギーフィルタを介して検出し、前記基準輝度ヒストグラムに対応する表面電位Ｒ[Ｖ]、表面電位の変化量ΔＶに対する輝度ヒストグラムのピークシフト量Ａ[階調]の関係ΔＶ[Ｖ]＝Ｆ(Ａ)[Ｖ]を用い、次式によって測定領域の表面電位Ｓ[Ｖ]を求めることを特徴とする表面電位測定方法。
   Ｓ[Ｖ]＝Ｒ[Ｖ]＋Ｖ₀[Ｖ]＋Ｆ(Ａ)[Ｖ]
5. 請求項１〜４のいずれか１項記載の表面電位測定方法において、前記測定領域において、前記輝度ヒストグラム中にピークを１つだけ生じさせるように低倍率で前記荷電粒子線を照射することを特徴とする表面電位測定方法。
6. 請求項１記載の表面電位測定方法において、
   試料上の第１の測定領域の試料像から取得した第１の輝度ヒストグラムのピーク位置を求めるステップと、
   試料上の前記第１の測定領域と異なる第２の測定領域の試料像から取得した第２の輝度ヒストグラムのピーク位置を求めるステップと、
   前記２つのピーク位置のシフト量から前記第１及び第２の測定領域の表面電位の差を求めることを特徴とする表面電位測定方法。
7. 試料上の測定領域に走査電子顕微鏡の視野を移動するステップと、
   前記測定領域の表面電位を求めるステップと、
   走査電子顕微鏡の倍率を高倍率にし、前記測定領域内で測長すべき部分である測長部分の走査電子顕微鏡像を取得するステップと、
   取得した高倍率の走査電子顕微鏡像に基づいて前記測長部分を測長するステップとを含み、
   前記測定領域の表面電位は、請求項１〜６のいずれか１項記載の表面電位測定方法によって求め、走査電子顕微鏡の倍率を高倍率にする際に、前記求めた表面電位の情報を用いて倍率及びフォーカス条件を修正することを特徴とする試料観察方法。
8. 電気回路要素を含む半導体試料に電子線を照射し、電子線照射によって試料から発生した二次電子を二次電子検出器で検出して試料像を取得するステップと、
   前記観察領域内の所定領域の表面電位を求めるステップと、
   試料と前記二次電子検出器の間に配置されたエネルギーフィルタの電圧として前記求められた表面電位を設定するステップとを含み、
   前記表面電位を、請求項１〜６のいずれか１項記載の表面電位測定方法によって求めることを特徴とする試料観察方法。
9. 試料上の測定領域に荷電粒子線を走査して照射し、荷電粒子線の照射によって試料から発生した二次粒子を検出して前記測定領域の試料像を取得する試料像生成部と、
   前記試料像に対して画像処理を実行する画像処理部と、を備え、
   前記画像処理部は、前記試料像の画素の輝度ヒストグラムを算出してそのピーク位置を求め、前記ピーク位置の情報に基づいて前記測定領域の表面電位を求め、表面電位が既知の試料像に対する基準輝度ヒストグラムのピーク位置からの前記ピーク位置のシフト量を求め、前記シフト量から前記測定領域の表面電位と前記既知の表面電位との差を求め、前記基準輝度ヒストグラムに対応する表面電位Ｒ[Ｖ]、表面電位の変化量ΔＶに対する輝度ヒストグラムのピークシフト量Ａ[階調]の関係ΔＶ[Ｖ]＝Ｆ(Ａ)[Ｖ]を用い、次式によって測定領域の表面電位Ｓ[Ｖ]を求めることを特徴とする荷電粒子装置。
   Ｓ[Ｖ]＝Ｒ[Ｖ]＋Ｆ(Ａ)[Ｖ]

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