JP5530811B2 - Scanning electron microscope - Google Patents

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本発明は、試料面上に収束した電子線を走査して測長や検査解析を行う傾斜カラム付の走査電子顕微鏡装置に関する。   The present invention relates to a scanning electron microscope apparatus with an inclined column that performs length measurement and inspection analysis by scanning an electron beam converged on a sample surface.

近年、半導体の微細化技術が進み、ＦｉｎＦＥＴのような３次元構造をもつ新しい半導体が実用化されつつある。これにともない半導体の研究や生産において使用される検査装置、測長装置には真上からの観察ではよく見えない垂直に近い角度のデバイスの側壁、凹部の底面などの微細な３次元形状を観察したいという要求がでてきている。特に高い分解能を求められる半導体の検査、測長の目的には電子線をもちいた走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ； ＳＥＭ）が用いられている。たとえば測長電子顕微鏡（Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ＳＥＭ； ＣＤ−ＳＥＭ）は加速電圧１ｋＶ以下で２ｎｍ程度の高い分解能を有する。このような装置で上記３次元形状を観察するには真上からでなく、斜めからの視点で観察する傾斜観察が必要になる。傾斜観察の手法には（１）試料を傾斜させる(例えば、特許文献１)、（２）カラムを傾斜させる(例えば、特許文献２、特許文献３)、（３）電子線を傾斜照射する(例えば、特許文献４)などの手法が提唱されている。更に、特許文献５や特許文献６には直立、傾斜の２つの電子光学系をもつ電子線装置の例が開示されている。 In recent years, semiconductor miniaturization technology has advanced, and new semiconductors having a three-dimensional structure such as FinFETs are being put into practical use. As a result, the inspection equipment and length measurement equipment used in semiconductor research and production observe minute three-dimensional shapes such as the side walls of devices near the vertical and the bottom surfaces of recesses, which are not clearly visible when viewed from directly above. There is a demand to do it. Especially semiconductor inspection required high resolution, a length measuring scanning electron microscope for the purpose which uses an electron beam of (S canning E lectron M icroscope; SEM) is used. For example, a length measurement electron microscope (Critical Dimension SEM; CD-SEM) has a high resolution of about 2 nm at an acceleration voltage of 1 kV or less. In order to observe the three-dimensional shape with such an apparatus, it is necessary to perform an oblique observation in which the observation is performed from an oblique viewpoint, not from directly above. For the tilt observation technique, (1) the sample is tilted (for example, Patent Document 1), (2) the column is tilted (for example, Patent Document 2, Patent Document 3), and (3) an electron beam is tilted ( For example, a technique such as Patent Document 4) has been proposed. Further, Patent Documents 5 and 6 disclose examples of electron beam apparatuses having two upright and inclined electron optical systems.

特開２００１−１８５０６６号公報JP 2001-185066 A 特開２００１−５６３０６号公報JP 2001-56306 A 特開平１０−２２８８７９号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-228879 特開２０００−３４８６５８号公報JP 2000-348658 A 米国特許第６８１２４６２号明細書US Pat. No. 6,812,462 特開２００６−３１３６８０号公報JP 2006-313680 A

特許文献１に開示されている上記（１）の試料を傾ける方法では、例えば直径が３００ｍｍあるウェハを搭載する試料ステージ全体を傾斜させる方法では、非常に大きな機構と試料室の空間が必要であり、傾斜するために時間もかかる。特許文献２や３に記載の上記（２）のカラムを傾斜させる方法では、カラムを傾斜するために時間がかかり、スループットが劣る。また、特許文献４に記載の上記（３）の試料表面に対して電子線を傾斜させる場合は電子線を試料に傾斜照射するとレンズ収差のために走査スポットがぼけるので、分解能が損なわれる。電子光学系の工夫で収差を補正したとしても、分解能を損なわずに対応できるのは傾斜角５度程度までであり、それ以上の例えば３０度もの大角度傾斜が必要となると補正が困難であり、良好な分解能が得られない。そのため、特許文献５や６に記載の直立カラム・傾斜カラムの２カラム方式が現実的と考えられる。そこで、発明者等は２カラム方式について更に検討した。   In the method of tilting the sample described in (1) disclosed in Patent Document 1, for example, in the method of tilting the entire sample stage on which a wafer having a diameter of 300 mm is mounted, a very large mechanism and a space for the sample chamber are required. It takes time to incline. In the method of tilting the column (2) described in Patent Documents 2 and 3, it takes time to tilt the column, and the throughput is inferior. Further, when the electron beam is tilted with respect to the sample surface of (3) described in Patent Document 4, when the electron beam is tilted onto the sample, the scanning spot is blurred due to lens aberration, so that the resolution is impaired. Even if the aberration is corrected by devising the electron optical system, it is possible to cope with the resolution without impairing the resolution up to about 5 degrees, and it is difficult to correct if a large angle inclination of 30 degrees or more is required. Good resolution cannot be obtained. For this reason, the two-column system of upright columns and inclined columns described in Patent Documents 5 and 6 is considered realistic. Therefore, the inventors further examined the two-column system.

半導体ウェハ検査・測長用電子顕微鏡装置において、試料に照射するために加速した電子線を試料に負電圧をかけて減速するリターディングの手法により、ランディング電圧１ｋＶ以下で２ｎｍ以下程度の低加速超高分解能計測が実現している。しかし、これと同程度の分解能で傾斜３０度程度の大角度傾斜観察も可能な装置を実現することは困難である。その理由は、試料傾斜、カラム傾斜どちらの場合でも、リターディング法を行うため試料に負電圧を印加すると、試料−対物レンズ間に傾斜電界が生じ、一次電子、２次電子とも偏向して、正常なＳＥＭ像を得ることができなくなるからである。傾斜観察にリターディング法を使わず、試料−対物レンズ間が無電界の場合、加速電圧１ｋＶ以下で２ｎｍ程度の低加速超高分解能を実現するためには作動距離（ワーキングディスタンス；ＷＤ）を１ｍｍ程度にまで近づけなければならない。そこで、この状態で直立カラムでのトップダウン観察（試料の上からの観察）にリターディング法を使ったところ、試料に負電圧が印加され、傾斜カラム対物レンズ−試料間で放電を起こしてしまうという新たな課題が生じることが判明した。   In a semiconductor wafer inspection / measurement electron microscope apparatus, a retarding technique in which an electron beam accelerated to irradiate a sample is decelerated by applying a negative voltage to the sample, and a low acceleration ultra-low of about 2 nm at a landing voltage of 1 kV or less. High resolution measurement has been realized. However, it is difficult to realize a device capable of large-angle tilt observation with a tilt of about 30 degrees with the same resolution. The reason is that, in both cases of sample tilt and column tilt, when a negative voltage is applied to the sample in order to perform the retarding method, a tilt electric field is generated between the sample and the objective lens, and both the primary electrons and the secondary electrons are deflected. This is because a normal SEM image cannot be obtained. When the retarding method is not used for tilt observation and there is no electric field between the sample and the objective lens, the working distance (working distance; WD) is 1 mm in order to achieve a low acceleration ultra-high resolution of about 2 nm at an acceleration voltage of 1 kV or less. Must be close to the extent. Therefore, in this state, when the retarding method is used for top-down observation (observation from the top of the sample) on an upright column, a negative voltage is applied to the sample, causing a discharge between the inclined column objective lens and the sample. It has been found that a new problem arises.

この課題に関しては特許文献１〜６のいずれにも開示されていない。また、特許文献５や特許文献６においては複数カラムの傾斜観察用装置が開示されているがリターディング法への言及はなく、特に傾斜観察での高分解能化の手法についてはふれられていない。   This problem is not disclosed in any of Patent Documents 1-6. Further, Patent Document 5 and Patent Document 6 disclose a multi-column tilt observation apparatus, but there is no mention of a retarding method, and no mention is made of a technique for increasing the resolution particularly in tilt observation.

本発明の目的は、直立カラムを用いて得られるトップダウン像と同程度の高分解能の傾斜像を得ることのできる傾斜カラム付の走査電子顕微鏡装置を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a scanning electron microscope apparatus with an inclined column capable of obtaining an inclined image with a resolution as high as a top-down image obtained using an upright column.

直立カラムと傾斜カラムの少なくとも２本のカラムを持つ装置において、対物レンズの磁極先端を磁極本体から分離、電気的に絶縁し、直立カラムでトップダウン像を観察する場合は、試料および傾斜カラム磁極先端を負の同電位にしてリターディング観察をおこなう。傾斜カラムで傾斜像を観察する場合は試料および傾斜カラム磁極先端をアース電位にする。   In an apparatus having at least two columns, an upright column and an inclined column, the magnetic pole tip of the objective lens is separated from the magnetic pole body, electrically insulated, and a top-down image is observed with the upright column. Retardation is observed with the tip at the same negative potential. When observing an inclined image with an inclined column, the sample and the tip of the inclined column magnetic pole are set to ground potential.

直立カラムでトップダウン像を観察するときには低加速で高分解能を得るために試料にリターディング電圧をかける。このとき傾斜カラム対物レンズ磁極先端−試料間は同電位なのでここでは放電しない。一方傾斜観察の場合には傾斜カラム対物レンズ−試料間には電界がかからないので、傾斜カラム磁極先端は試料の極近傍１ｍｍ以下程度まで近づけて設けることが可能で、直立カラムと同程度の超高分解能を得ることができる。   When observing a top-down image on an upright column, a retarding voltage is applied to the sample in order to obtain high resolution with low acceleration. At this time, since the electric potential between the tip of the inclined column objective lens magnetic pole and the sample is the same, no discharge occurs here. On the other hand, in the case of tilted observation, since no electric field is applied between the tilted column objective lens and the sample, the tip of the tilted column magnetic pole can be provided close to about 1 mm or less in the vicinity of the sample pole. Resolution can be obtained.

本発明の第一の実施例に係る、半導体計測(測長)・傾斜観察のための走査電子顕微鏡装置の概略図である。1 is a schematic diagram of a scanning electron microscope apparatus for semiconductor measurement (length measurement) and tilt observation according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第二の実施例に係る、半導体計測・分析・傾斜観察のための走査電子顕微鏡装置の概略図である。It is the schematic of the scanning electron microscope apparatus for semiconductor measurement, analysis, and inclination observation based on the 2nd Example of this invention. 本発明の第一の実施例に係る走査電子顕微鏡装置における傾斜カラム対物レンズ先端部の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the inclination column objective-lens front-end | tip part in the scanning electron microscope apparatus which concerns on the 1st Example of this invention. 傾斜カラムにおけるＷＤと分解能との相関図である。It is a correlation diagram of WD and resolution in an inclined column. 観察試料の一例（ラインパターン）の斜視図である。It is a perspective view of an example (line pattern) of an observation sample. 測長及び外観検査の処理フローを示す図である。It is a figure which shows the processing flow of length measurement and an external appearance test | inspection. 本発明の第三の実施例に係る走査電子顕微鏡装置の概略図である。It is the schematic of the scanning electron microscope apparatus which concerns on the 3rd Example of this invention.

第１の実施例について図１、図３〜図６を用いて説明する。図１は本実施例に係る半導体計測(測長)・傾斜観察のための傾斜カラム付の走査電子顕微鏡装置の概略構成図を示す。本実施例での傾斜カラムの傾斜角度は３０度であるが、５度〜４５度で有効である。本実施例では直立カラムにより測長のためのトップダウン画像を取得し、トップダウン画像でわからない側壁などの観察および、トップダウン画像で発見された残渣や異物などを観察・分析するために傾斜カラムを使用する。同時に同一視野を観察することはしない。   A first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 3 to 6. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a scanning electron microscope apparatus with an inclined column for semiconductor measurement (length measurement) and inclination observation according to the present embodiment. In this embodiment, the tilting angle of the tilting column is 30 degrees, but it is effective at 5 to 45 degrees. In this example, an upright column is used to acquire a top-down image for length measurement, and an inclined column is used to observe side walls and the like that are not known in the top-down image, and to observe and analyze residues and foreign substances found in the top-down image. Is used. Do not observe the same field of view at the same time.

先ず、直立カラム１００について説明する。直立カラム１００内に配置される電子源１としてはタングステンの単結晶に酸化ジルコニウムを拡散させたショットキー電子源を使用する。電子源１を加熱し、引き出し電極３との間に＋２ｋＶ程度の電圧を印加することにより、ショットキー電子を放出させることができる。サプレッサー電極２には負電圧が印加されショットキー電子源１の先端以外から放出される電子を抑制する。   First, the upright column 100 will be described. As the electron source 1 arranged in the upright column 100, a Schottky electron source in which zirconium oxide is diffused in a single crystal of tungsten is used. By heating the electron source 1 and applying a voltage of about +2 kV to the extraction electrode 3, Schottky electrons can be emitted. A negative voltage is applied to the suppressor electrode 2 to suppress electrons emitted from other than the tip of the Schottky electron source 1.

引き出し電極３の穴を出た電子は第一陽極４、第二陽極５で形成される静電レンズにより加速、収束され電子線となる。その電子線は、続いて第一コンデンサーレンズ６、コンデンサー絞り７、第二コンデンサーレンズ８を経てセミインレンズ型の対物レンズ９に至り、試料１３面上でスポットを形成する。   Electrons exiting the hole of the extraction electrode 3 are accelerated and converged by an electrostatic lens formed by the first anode 4 and the second anode 5 to become an electron beam. The electron beam then passes through the first condenser lens 6, the condenser diaphragm 7, and the second condenser lens 8 to reach the semi-in-lens objective lens 9, and forms a spot on the surface of the sample 13.

そのスポットは、スキャンコイル１０でその電子線を走査することにより試料１３上で走査される。その際試料１３から発生する２次電子あるいは反射電子は反射板２０に入射する。そのとき反射板２０で発生または反射する電子は検出器１１で検出され、輝度信号に変換される。輝度信号をスキャン(走査)と同期してディスプレイ上で画像化することにより試料１３表面の形状や組成の情報が得られる。   The spot is scanned on the sample 13 by scanning the electron beam with the scan coil 10. At this time, secondary electrons or reflected electrons generated from the sample 13 enter the reflecting plate 20. At that time, electrons generated or reflected by the reflector 20 are detected by the detector 11 and converted into luminance signals. Information on the shape and composition of the surface of the sample 13 is obtained by imaging the luminance signal on the display in synchronization with scanning.

対物レンズ９の上磁極１２にはブースター電源２１により正電圧が印加され、試料１３（半導体ウェハ）にはリターディング電源１４により試料ステージ１７を介して負電圧が印加される。これらにより対物レンズ９に加速されて入射する電子線は、試料１３直前で減速される。このとき対物レンズ９の色収差の影響はリターディングのないときより相対的に軽減され、小さいスポット径が得られるので、高分解能観察が可能になる。   A positive voltage is applied to the upper magnetic pole 12 of the objective lens 9 by a booster power source 21, and a negative voltage is applied to the sample 13 (semiconductor wafer) via a sample stage 17 by a retarding power source 14. As a result, the electron beam accelerated and incident on the objective lens 9 is decelerated immediately before the sample 13. At this time, the influence of the chromatic aberration of the objective lens 9 is relatively reduced as compared with the case where there is no retarding, and a small spot diameter is obtained, so that high-resolution observation is possible.

試料１３上を走査される電子線により発生する２次電子は試料１３表面の帯電に影響されて検出器１１への到達率が変化する。安定した画像を得るためには試料１３表面の帯電を安定させることが必要であり、帯電制御板１５を試料１３の近傍上方に設けて、帯電制御電源１６によりリターディング電圧と同電圧または少し異なる電位を与えて２次電子の試料への戻り量を調整することにより試料１３の帯電を制御する。帯電制御板１５と試料１３との間の静電容量を変化させないため、試料１３のどこを観察していても常に試料全体を覆えるほど帯電制御板１５の径は試料１３より大きいことが望ましい。   The secondary electrons generated by the electron beam scanned on the sample 13 are affected by the charge on the surface of the sample 13 and the arrival rate to the detector 11 changes. In order to obtain a stable image, it is necessary to stabilize the charge on the surface of the sample 13. A charge control plate 15 is provided in the vicinity of the sample 13 and the same voltage as the retarding voltage or slightly different by the charge control power supply 16. The charging of the sample 13 is controlled by adjusting the return amount of the secondary electrons to the sample by applying a potential. In order not to change the electrostatic capacitance between the charge control plate 15 and the sample 13, it is desirable that the diameter of the charge control plate 15 is larger than the sample 13 so that the entire sample can always be covered no matter where the sample 13 is observed. .

試料１３を載せる試料ステージ１７は少なくとも水平方向への移動と、水平面内での回転が可能であり、高さ方向の微調整機構をそなえておいてもよい。半導体ウェハの装置への導入はゲートバルブ１８を開いて試料ローディング装置１９によりおこなう。   The sample stage 17 on which the sample 13 is placed can move at least in the horizontal direction and rotate in a horizontal plane, and may have a fine adjustment mechanism in the height direction. The semiconductor wafer is introduced into the apparatus by opening the gate valve 18 and using the sample loading apparatus 19.

次に、傾斜カラムについて説明する。傾斜カラム２００の電子銃２２は前記直立カラムに使用したものと同じものあるいは、直立カラムより最高加速電圧の高い電子銃を用いる。対物レンズ２４は単磁極型として、試料に１ｍｍ以下程度まで近づけることが可能な、先端形状が鋭角のコーン状のものである。図３に傾斜カラム対物レンズ２４の詳細を示す。傾斜カラム対物レンズ２４は単磁極型レンズであり、先端磁極２５を分離絶縁してある。パーマロイあるいは純鉄製の磁路２４１は、先端部に段をつけてある。これは先端磁極との間を電気的に絶縁し、磁気的には対向面積を多くしてつながりをよくするためである。この段の部分に絶縁材の薄いカラー２４２を介して先端磁極を絶縁ネジ２４３により取り付ける。リターディング電圧を絶縁できるだけの絶縁材の厚みが必要だがテフロン（登録商標）などを使えばカラーの厚みは０．２ｍｍ程度でよい。   Next, the inclined column will be described. The electron gun 22 of the inclined column 200 is the same as that used for the upright column or an electron gun having a higher maximum acceleration voltage than the upright column. The objective lens 24 is a single magnetic pole type and has a cone shape with an acute tip that can be brought close to the sample to about 1 mm or less. FIG. 3 shows details of the inclined column objective lens 24. The inclined column objective lens 24 is a single magnetic pole type lens, and the tip magnetic pole 25 is separated and insulated. The magnetic path 241 made of permalloy or pure iron has a stepped end. This is to electrically insulate the tip magnetic pole, and magnetically increase the facing area to improve the connection. A tip magnetic pole is attached to this step portion with an insulating screw 243 through a thin collar 242 made of an insulating material. The thickness of the insulating material that can insulate the retarding voltage is necessary, but if Teflon (registered trademark) is used, the thickness of the collar may be about 0.2 mm.

試料から発生した２次電子は対物レンズ２４の内を通りＥｘＢ型偏向器２３で軌道を曲げられて検出器１１で検出される。帯電制御板１５には対物レンズ２４の絶縁された先端磁極２５が通る穴が開いており、先端磁極２５は帯電制御板１５よりも試料に近づけることにより短焦点動作で高分解能を得る。この点について図４を用いて説明する。図４は傾斜カラムにおけるワーキングディスタンス（ＷＤ）と分解能との相関図（計算）である。ＷＤが小さければほぼ比例して分解能もよくなることが期待され、できるだけ対物レンズ先端と試料を近づける工夫が必要なことがわかる。ＷＤを1ｍｍ程度とすることにより直立カラムと同程度の分解能を得ることができる。   Secondary electrons generated from the sample pass through the objective lens 24, have their trajectories bent by the ExB deflector 23, and are detected by the detector 11. The charge control plate 15 has a hole through which the insulated tip magnetic pole 25 of the objective lens 24 passes, and the tip magnetic pole 25 is closer to the sample than the charge control plate 15 to obtain a high resolution with a short focus operation. This point will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a correlation diagram (calculation) between the working distance (WD) and the resolution in the inclined column. If the WD is small, it is expected that the resolution will be improved in proportion to the WD, and it can be seen that it is necessary to devise a technique for bringing the tip of the objective lens and the sample as close as possible. By setting the WD to about 1 mm, the same level of resolution as that of the upright column can be obtained.

傾斜像観察は帯電制御板１５と先端磁極２５、試料１３を同電位にした状態で行われる。傾斜カラム２００で傾斜像を観察する場合にはリターディングを使用しない（試料１３や帯電制御板１５に電圧を印加しない）ので、試料１３から放出される２次電子、反射電子を効率よく捕捉するため対物レンズ２４内部の内筒２４４には電源２４５により＋数Ｖから＋１００Ｖ程度の正電圧が印加される。図３に示すように内筒の外側には絶縁筒２４６およびその外側にスキャンコイル２４７などコイル類が置かれている。内筒の内側を進んだ２次電子は筒の上方に置かれているＥｘＢ偏向器２３に入射し、方向を曲げられて２次電子検出器１１で検出される。反射電子は反射板２０に当たった後、３次電子を発生し、それが２次電子検出器１１で検出される。先端磁極はパーメンダーあるいはパーマロイあるいは純鉄製で絶縁カラーを介して絶縁ネジで対物レンズ磁路に固定される。   Oblique image observation is performed with the charge control plate 15, the tip magnetic pole 25, and the sample 13 at the same potential. When observing the tilted image with the tilted column 200, no retarding is used (no voltage is applied to the sample 13 or the charge control plate 15), so secondary electrons and reflected electrons emitted from the sample 13 are efficiently captured. Therefore, a positive voltage of about + several V to +100 V is applied to the inner cylinder 244 inside the objective lens 24 by the power source 245. As shown in FIG. 3, an insulating cylinder 246 is disposed outside the inner cylinder, and coils such as a scan coil 247 are disposed outside the insulating cylinder 246. The secondary electrons that have traveled inside the inner cylinder enter the ExB deflector 23 placed above the cylinder, are bent in direction, and detected by the secondary electron detector 11. After the reflected electrons hit the reflecting plate 20, tertiary electrons are generated and detected by the secondary electron detector 11. The tip magnetic pole is made of permender, permalloy, or pure iron, and is fixed to the objective lens magnetic path with an insulating screw through an insulating collar.

傾斜観察の回転方位は試料ステージ１７が回転機能を持つので、任意に選ぶことができる。直立カラム１００と傾斜カラム２００は試料チャンバー２６を共有している。傾斜カラム２００の対物レンズ磁場は試料１３面上に漏れており、戻り磁場も含めて、直立カラム１００の対物レンズ９の磁場に影響を与えないよう、両カラムは十分な距離を隔てて設置される。そのために同一視野のトップダウン像と傾斜像を同時に撮ることはこの実施例ではしない。本実施例の傾斜カラムにおいて、対物レンズの中でその磁極先端が試料に最も近い。磁極先端と試料との距離は帯電制御板と試料との距離よりも短い。   The rotation direction for tilt observation can be arbitrarily selected because the sample stage 17 has a rotation function. The upright column 100 and the inclined column 200 share the sample chamber 26. The objective lens magnetic field of the inclined column 200 leaks on the surface of the sample 13, and both columns are installed at a sufficient distance so as not to affect the magnetic field of the objective lens 9 of the upright column 100 including the return magnetic field. The Therefore, it is not in this embodiment that a top-down image and an inclined image of the same field of view are taken simultaneously. In the inclined column of this embodiment, the tip of the magnetic pole is closest to the sample in the objective lens. The distance between the magnetic pole tip and the sample is shorter than the distance between the charge control plate and the sample.

直立カラムでトップダウン像を観察する場合は、試料１３および傾斜カラム先端磁極２５を帯電制御電源１６およびリターディング電源１４を使って負の同電位にしてリターディング観察をおこなう。なお、±１００Ｖの範囲以内であれば同電位とする。傾斜カラムで傾斜像を観察する場合は試料１３および傾斜カラム先端磁極２５を、帯電制御電源１６およびリターディング電源１４を出力オフにしてアース電位にする。なお、アース電位に対して±５０Ｖの範囲以内であればアース電位とする。   When observing a top-down image with an upright column, retarding observation is performed by setting the sample 13 and the tilted column tip magnetic pole 25 to the same negative potential using the charging control power supply 16 and the retarding power supply 14. In addition, if it is within the range of ± 100V, the same potential is used. When observing the tilted image with the tilted column, the sample 13 and the tilted column tip magnetic pole 25 are set to ground potential by turning off the charging control power source 16 and the retarding power source 14. In addition, if it is within a range of ± 50 V with respect to the ground potential, the ground potential is set.

トップダウン像観察時に、異物や欠陥のある位置座標を記憶しておき、後でステージを移動および回転してその座標位置を傾斜カラム２００直下にセットし、傾斜カラム２００を使って異物や欠陥の任意の方向からの傾斜像を観察することができる。図５に観察試料の一例（ラインパターン）の斜視図を示す。パターンの根元のダレａや、異物ｂ、パターンの垂直立ち上がり角度ｃなどは真上からの観察Ｖと、傾斜観察Ｓを組み合わせることにより、より正確に評価することが可能になる。   When observing the top-down image, the position coordinates with foreign matter and defects are stored, the stage is moved and rotated later, and the coordinate position is set immediately below the inclined column 200. An inclined image from an arbitrary direction can be observed. FIG. 5 shows a perspective view of an example (line pattern) of the observation sample. The sagging a at the base of the pattern, the foreign matter b, the vertical rising angle c of the pattern, and the like can be evaluated more accurately by combining the observation V from above and the tilt observation S.

直立カラム１００は計算機３０５により直立カラム制御装置１０１を介して加速電圧、レンズ電流、偏向、画像検出など画像取得のための電子光学系が制御される。傾斜カラム２００も同様に計算機３０５により傾斜カラム制御装置２０１を介して電子光学系が制御される。リターディング電源１４、帯電制御電源１６は同様に計算機３０５により試料電圧制御装置４０１を介して制御される。即ち、トップダウン像を観察する場合、計算機３０５は、試料１３、傾斜カラム先端磁極２５及び帯電制御板１５を負の同電位とするように試料電圧制御装置４０１を介してリターディング電源１４及び帯電制御電源１６を制御する。また、傾斜像を観察する場合、計算機３０５は、試料１３、傾斜カラム先端磁極２５及び帯電制御板１５をアース電位とするように試料電圧制御装置４０１を介してリターディング電源１４及び帯電制御電源１６を制御する。   The upright column 100 is controlled by a computer 305 through an upright column control device 101 and an electron optical system for image acquisition such as acceleration voltage, lens current, deflection, and image detection. In the inclined column 200, the electron optical system is similarly controlled by the computer 305 via the inclined column control device 201. The retarding power supply 14 and the charging control power supply 16 are similarly controlled by the computer 305 via the sample voltage controller 401. That is, when observing a top-down image, the computer 305 uses the retarding power supply 14 and the charging via the sample voltage control device 401 so that the sample 13, the inclined column tip magnetic pole 25, and the charge control plate 15 have the same negative potential. The control power supply 16 is controlled. When observing the tilted image, the computer 305 causes the retarding power supply 14 and the charging control power supply 16 to pass through the sample voltage control device 401 so that the sample 13, the tilted column tip magnetic pole 25, and the charging control plate 15 are set to the ground potential. To control.

他に図示していないが真空排気シーケンス、試料ステージ１７、試料ローディング装置１９などそれぞれに制御装置を持ち、それらの制御装置も計算機３０５により制御される。   Although not shown in the drawings, the evacuation sequence, the sample stage 17, the sample loading device 19 and the like each have a control device, and these control devices are also controlled by the computer 305.

次に、本実施例に係る走査電子顕微鏡装置を用いて試料に形成したパターンの測長及び外観検査を行う例について図６を用いて説明する。図６は測長外観検査の処理フローを示す図である。   Next, an example in which length measurement and appearance inspection of a pattern formed on a sample is performed using the scanning electron microscope apparatus according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a diagram showing a processing flow of length measurement appearance inspection.

先ず、試料（ウェハ）１３を試料ローディング装置１９にセットし入力端末３００から操作者が測長条件（電子線照射エネルギー、リターディング電源電圧設定、帯電制御電源電圧設定、測長検査する領域指定、データ取得地点の点数、寸法計測の条件などを入力する。次にスタートを入力すると、ウェハが電子顕微鏡内にロードされる。ビーム校正では先に入力した条件で電子線を出し、次に自動アライメントプログラム(公知)が動作してアライメントを行う。ここで画像取得できる状態になるので、次に設定時に入力された計測位置にステージが移動され、トップダウン画像が取得され、その画像をもとに計算機により寸法計測が行われる。次にその画像が外観検査プログラム(公知)にかかり、異物や想定寸法と違う値が検出された異常結果を抽出し記憶装置３０１に保存する。これをすべての計測位置について計測が終わるまで繰り返した後、抽出された異常結果を出した位置座標にステージが移動し、リターディング電位、帯電制御電位をアース電位にもどし、傾斜カラムで傾斜画像を取得する。   First, the sample (wafer) 13 is set in the sample loading device 19, and the operator uses the input terminal 300 to measure the length (electron beam irradiation energy, retarding power supply voltage setting, charging control power supply voltage setting, length measurement inspection area designation, Enter the number of data acquisition points, dimensional measurement conditions, etc. Next, when you enter start, the wafer is loaded into the electron microscope.In beam calibration, an electron beam is emitted under the previously entered conditions, and then automatic alignment is performed. The program (known) operates to perform alignment, and the image can be acquired here, so the stage is moved to the measurement position input at the time of setting, and a top-down image is acquired. Dimension measurement is performed by the computer, and then the image is applied to the appearance inspection program (known), and a foreign object or a value different from the assumed dimension is detected. The results are extracted and stored in the storage device 301. This is repeated until all the measurement positions are measured, and then the stage moves to the position coordinates where the extracted abnormal results are output, and the retarding potential and the charge control potential are set. Return to ground potential and acquire tilt image with tilt column.

その後トップダウン画像と傾斜画像をもとに異物分類プログラムにより異物分類がなされ、検査結果のデータとして記憶装置３０１に保存される。その後ウェハがアンロードされ測長外観検査が終了する。これにより、良好な測長結果及び直立カラムと同等の分解能を有する傾斜画像を取得することができた。   Thereafter, foreign matter classification is performed by the foreign matter classification program based on the top-down image and the tilted image, and is stored in the storage device 301 as inspection result data. Thereafter, the wafer is unloaded and the length measurement appearance inspection is completed. As a result, it was possible to obtain a tilted image having a good length measurement result and a resolution equivalent to that of an upright column.

以上述べたように、本実施例によれば、試料、傾斜カラム磁極先端及び帯電制御板を所望の同電位に制御可能な制御手段を有することにより、直立カラムを用いて得られるトップダウン像と同程度の高分解能の傾斜像を得ることのできる傾斜カラム付の走査電子顕微鏡装置を提供することができる。   As described above, according to the present embodiment, a top-down image obtained using an upright column can be obtained by having a control means capable of controlling the sample, the tilted column magnetic pole tip, and the charge control plate to a desired same potential. It is possible to provide a scanning electron microscope apparatus with an inclined column that can obtain an inclined image with the same high resolution.

第２の実施例について、図２を用いて説明する。なお、実施例１に記載され、本実施例に未記載の事項は特段の事情がない限り本実施例にも適用することができる。   A second embodiment will be described with reference to FIG. Note that the items described in the first embodiment and not described in the present embodiment can be applied to the present embodiment unless there are special circumstances.

図２は本実施例に係る半導体計測・分析・傾斜観察のための走査電子顕微鏡装置の概略図である。実施例１と同様な２本カラムの直立カラム１００には左右に検出器１１が取り付けられている。傾斜をもった反射板３０により反射電子の試料１３からの出射方向によって、検出器毎に、検出されない出射方向ができるので、画像は陰影をおびる。試料１３上に異物や欠陥があると、左右検出器１１の陰影像が顕著に異なるので、それを利用して異物、欠陥の自動分類をおこなう。また本直立カラム１００では左右検出器１１の出力を合成してトップダウン画像を形成しパターン測長をすることもできる。   FIG. 2 is a schematic diagram of a scanning electron microscope apparatus for semiconductor measurement / analysis / tilt observation according to the present embodiment. The detector 11 is attached to the right and left in the upright column 100 of the two columns similar to the first embodiment. Since the reflection plate 30 having an inclination causes an emission direction that is not detected for each detector according to the emission direction of the reflected electrons from the sample 13, the image is shaded. If there is a foreign object or a defect on the sample 13, the shadow image of the left and right detectors 11 is remarkably different. In the upright column 100, the output of the left and right detectors 11 can be combined to form a top-down image and pattern length measurement can be performed.

傾斜カラム２００では、実施例１と同様に傾斜観察をおこなうだけでなく、ＥＤＳ（Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ−ｒａｙ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）分析器３３がついており、トップダウン観察で検出した異物の元素分析をおこなう。ＥＤＳ分析に高加速電圧が必要な場合があり、本実施例では傾斜カラムの電子銃、鏡体レンズ系は標準的な汎用ＳＥＭと同様、加速電圧３０ｋＶまで対応している。   The tilted column 200 is not only tilted in the same manner as in the first embodiment, but also includes an EDS (Energy Dispersive X-ray Spectrometer) analyzer 33 to perform elemental analysis of the foreign matter detected in the top-down observation. In some cases, a high acceleration voltage is required for EDS analysis. In this embodiment, the electron gun and the lens system of the tilted column are compatible with an acceleration voltage of 30 kV as in the case of a standard general-purpose SEM.

本実施例に係る走査電子顕微鏡を用い、トップダウン像を観察する場合、計算機３０５は、試料１３、傾斜カラム先端磁極２５及び帯電制御板１５を負の同電位とするように試料電圧制御装置４０１を介してリターディング電源１４及び帯電制御電源１６を制御し、傾斜像を観察する場合、計算機３０５は、試料１３、傾斜カラム先端磁極２５及び帯電制御板１５をアース電位とするように試料電圧制御装置４０１を介してリターディング電源１４及び帯電制御電源１６を制御して半導体計測・分析・傾斜観察を行ったところ、異物の元素分析ができ、また良好な測長結果及び直立カラムと同等の分解能を有する傾斜画像を取得することができた。   When observing a top-down image using the scanning electron microscope according to the present embodiment, the calculator 305 uses the sample voltage control device 401 so that the sample 13, the inclined column tip magnetic pole 25, and the charge control plate 15 have the same negative potential. When the retarding power supply 14 and the charging control power supply 16 are controlled via the control unit and the tilted image is observed, the computer 305 controls the sample voltage so that the sample 13, the tilted column tip magnetic pole 25 and the charge control plate 15 are at the ground potential. When the semiconductor power measurement, analysis, and tilt observation are performed by controlling the retarding power supply 14 and the charge control power supply 16 via the apparatus 401, the elemental analysis of the foreign matter can be performed, and the good length measurement result and the resolution equivalent to the upright column can be obtained. An inclined image having

以上述べたように、本実施例によれば、試料、傾斜カラム磁極先端及び帯電制御板を所望の同電位に制御可能な制御手段を有することにより、直立カラムを用いて得られるトップダウン像と同程度の高分解能の傾斜像を得ることのできる傾斜カラム付の走査電子顕微鏡装置を提供することができる。また、分析器を備えることにより、異物の元素分析を行うことができる。   As described above, according to the present embodiment, a top-down image obtained using an upright column can be obtained by having a control means capable of controlling the sample, the tilted column magnetic pole tip, and the charge control plate to a desired same potential. It is possible to provide a scanning electron microscope apparatus with an inclined column that can obtain an inclined image with the same high resolution. Moreover, the elemental analysis of a foreign material can be performed by providing an analyzer.

第３の実施例について、図７を用いて説明する。なお、実施例１又は２に記載され、本実施例に未記載の事項は特段の事情がない限り本実施例にも適用することができる。   A third embodiment will be described with reference to FIG. Note that the matters described in the first or second embodiment and not described in the present embodiment can be applied to the present embodiment unless there are special circumstances.

図７は本実施例に係る、帯電制御板を含まない走査電子顕微鏡装置の概略図である。帯電しにくい試料、大電流電子線を必要としない検査をもっぱら行う場合には帯電制御板は必要ない。この場合は直立カラム１００で試料１３にリターディング電圧をかけながらトップダウン像を観察し、傾斜カラム２００で傾斜観察を行う場合はリターディング電圧をオフにして試料を接地電位にして傾斜観察を行う。   FIG. 7 is a schematic view of a scanning electron microscope apparatus according to the present embodiment that does not include a charge control plate. A charge control plate is not required when performing a test that does not require a sample that is difficult to be charged or a large current electron beam. In this case, a top-down image is observed while applying a retarding voltage to the sample 13 with the upright column 100, and when tilt observation is performed with the tilt column 200, tilt observation is performed with the retarding voltage turned off and the sample set to the ground potential. .

トップダウン像を観察する場合、計算機３０５は、試料１３及び傾斜カラム先端磁極２５を負の同電位とするように試料電圧制御装置４０１を介してリターディング電源１４を制御し、傾斜像を観察する場合、計算機３０５は、試料１３及び傾斜カラム先端磁極２５をアース電位とするように試料電圧制御装置４０１を介してリターディング電源１４を制御して測長外観検査を行ったところ、良好な測長結果及び直立カラムと同等の分解能を有する傾斜画像を取得することができた。   When observing the top-down image, the computer 305 controls the retarding power supply 14 via the sample voltage controller 401 so that the sample 13 and the inclined column tip magnetic pole 25 have the same negative potential, and observes the inclined image. In this case, the computer 305 performs a length measurement appearance inspection by controlling the retarding power supply 14 via the sample voltage control device 401 so that the sample 13 and the inclined column tip magnetic pole 25 are set to the ground potential. The result and the tilt image with the same resolution as the upright column could be acquired.

以上述べたように、本実施例によれば、試料及び傾斜カラム磁極先端を所望の同電位に制御可能な制御手段を有することにより、直立カラムを用いて得られるトップダウン像と同程度の高分解能の傾斜像を得ることのできる傾斜カラム付の走査電子顕微鏡装置を提供することができる。また、帯電しにくい試料の場合等では帯電制御板を省くことができ構成がシンプルな走査電子顕微鏡を提供することができる。   As described above, according to the present embodiment, by having a control means capable of controlling the sample and the tip of the tilted column magnetic pole to the desired same potential, it is as high as a top-down image obtained using an upright column. It is possible to provide a scanning electron microscope apparatus with an inclined column that can obtain an inclined image of resolution. Further, in the case of a sample that is difficult to be charged, the scanning control microscope can be provided because the charge control plate can be omitted.

以上、本願発明を詳細に説明したが、以下に主な発明の形態を列挙する。
（１）第１の電子源を備えた傾斜カラムと、第２の電子源を備えた直立カラムと、前記第１及び前記第２の電子源からの電子が照射可能な試料ステージとを備えた走査電子顕微鏡装置であって、
前記傾斜カラムの対物レンズの磁極の前記試料ステージに近い先端部が本体部から分離され電気的に絶縁されており、前記試料ステージ上に載置される試料と前記傾斜カラムの前記先端部とを同電位とする機構を有することを特徴とする走査電子顕微鏡装置。
（２）傾斜カラムと、直立カラムと、試料ステージと、前記試料ステージに載置される試料の直上となる位置に前記試料の帯電を制御するために可変電圧を印加できる帯電制御板とを備えた電子線装置であって、
前記傾斜カラムの対物レンズの磁極の前記試料ステージに近い先端部は、本体部から分離され電気的に絶縁されており、
前記傾斜カラムの前記先端部は、前記試料との距離が前記帯電制御板と前記試料との距離よりも短くなるように配置されるものであることを特徴とする走査電子顕微鏡装置。
（３）傾斜カラムと、直立カラムと、試料ステージと、これらを制御する計算機とを備えた走査電子顕微鏡装置であって、
前記傾斜カラムの対物レンズの磁極の前記試料ステージに近い先端部は、本体部から分離され電気的に絶縁されており、
前記計算機は、前記直立カラムを用いてトップダウン像を観察する場合、前記試料ステージに載置される試料と前記先端部とが負の同電位となるように、前記傾斜カラムを用いて傾斜像を観察する場合、前記試料と前記先端部とがアース電位となるように制御するものであることを特徴とする走査電子顕微鏡装置。 Although the present invention has been described in detail above, the main invention modes are listed below.
(1) An inclined column provided with a first electron source, an upright column provided with a second electron source, and a sample stage capable of irradiating electrons from the first and second electron sources. A scanning electron microscope apparatus,
The tip part of the magnetic pole of the objective lens of the tilted column close to the sample stage is separated from the main body part and electrically insulated, and the sample placed on the sample stage and the tip part of the tilted column are A scanning electron microscope apparatus having a mechanism for setting the same potential.
(2) An inclined column, an upright column, a sample stage, and a charge control plate capable of applying a variable voltage to control the charge of the sample at a position directly above the sample placed on the sample stage. An electron beam device,
The tip portion of the magnetic pole of the objective lens of the inclined column close to the sample stage is separated from the main body and electrically insulated,
The scanning electron microscope apparatus, wherein the tip of the inclined column is arranged so that a distance from the sample is shorter than a distance between the charge control plate and the sample.
(3) A scanning electron microscope apparatus comprising an inclined column, an upright column, a sample stage, and a computer for controlling them,
The tip portion of the magnetic pole of the objective lens of the inclined column close to the sample stage is separated from the main body and electrically insulated,
When observing a top-down image using the upright column, the calculator uses the inclined column so that the sample placed on the sample stage and the tip end have the same negative potential. When observing the scanning electron microscope apparatus, the sample and the tip are controlled so as to be at a ground potential.

１…電子源、２…サプレッサー電極、３…引き出し電極、４…第一陽極、５…第二陽極、６…第一コンデンサーレンズ、７…コンデンサー絞り、８…第二コンデンサーレンズ、９…対物レンズ、１０…スキャンコイル、１１…検出器、１２…上磁極、１３…試料、１４…リターディング電源、１５…帯電制御板、１６…帯電制御電源、１７…試料ステージ、１８…ゲートバルブ、１９…試料ローディング装置、２０…反射板、２１…ブースター電源、２２…電子銃、２３…ＥｘＢ型偏向器、２４…対物レンズ、２５…先端磁極、２６…試料チャンバー、３０…反射板、３３…ＥＤＳ分析器、１００…直立カラム、１０１…直立カラム制御装置、２００…傾斜カラム、２０１…傾斜カラム制御装置、２４１…磁路、２４２…絶縁カラー、２４３…絶縁ネジ、２４４…内筒、２４５…電源、２４６…絶縁筒、２４７…スキャンコイル、３００…入力端末、３０１…記憶装置、３０５…計算機、４０１…試料電圧制御装置。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Electron source, 2 ... Suppressor electrode, 3 ... Extraction electrode, 4 ... 1st anode, 5 ... 2nd anode, 6 ... 1st condenser lens, 7 ... Condenser diaphragm, 8 ... 2nd condenser lens, 9 ... Objective lens DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Scan coil, 11 ... Detector, 12 ... Upper magnetic pole, 13 ... Sample, 14 ... Retarding power supply, 15 ... Charge control board, 16 ... Charge control power supply, 17 ... Sample stage, 18 ... Gate valve, 19 ... Sample loading device, 20 ... reflector, 21 ... booster power supply, 22 ... electron gun, 23 ... ExB type deflector, 24 ... objective lens, 25 ... tip magnetic pole, 26 ... sample chamber, 30 ... reflector, 33 ... EDS analysis 100 ... upright column, 101 ... upright column controller, 200 ... inclined column, 201 ... inclined column controller, 241 ... magnetic path, 242 ... insulating collar, 243 Insulating screw, 244 ... inner cylinder, 245 ... power supply, 246 ... insulating cylinder, 247 ... scan coils, 300 ... input terminal, 301 ... storage device, 305 ... machine, 401 ... sample voltage controller.

Claims (8)

傾斜カラムと、直立カラムと、試料ステージと、前記試料ステージに載置される試料の直上となる位置に前記試料の帯電を制御するために可変電圧を印加できる帯電制御板とを備えた電子線装置であって、
前記傾斜カラムの対物レンズの磁極の前記試料ステージに近い先端部は、本体部から分離され電気的に絶縁されており、
前記傾斜カラムの前記先端部は、前記試料との距離が前記帯電制御板と前記試料との距離よりも短くなるように配置されるものであることを特徴とする走査電子顕微鏡装置。 Comprising a tilting swash column, a straight standing column, a specimen stage, and a charge control plate a variable voltage can be applied to control the charging of the sample immediately above a position of a sample placed on the sample stage An electron beam device,
The tip portion of the magnetic pole of the objective lens of the inclined column close to the sample stage is separated from the main body and electrically insulated,
The tip portion of the front Symbol gradient column scanning electron microscope the distance between said sample and said der Rukoto one arranged to be shorter than the distance between the sample and the charge control plate. 前記試料ステージが水平面内の移動と水平面内での回転機能を有し、
前記試料ステージに載置される前記試料に形成されたパターン寸法の計測とパターン外観検査または前記試料上の異物検査を行うために用いられるものであることを特徴とする請求項１に記載の走査電子顕微鏡装置 Before Symbol sample stage will have a rotation function in the movement and the horizontal plane of the horizontal plane,
According to claim 1, characterized in der Rukoto those used to perform particle inspection on the measurement and pattern appearance inspection or the sample of the sample to form the pattern dimension to be placed on the sample stage Scanning electron microscope 傾斜カラムと、直立カラムと、試料ステージと、これらを制御する計算機とを備えた走査電子顕微鏡装置であって、
前記傾斜カラムの対物レンズの磁極の前記試料ステージに近い先端部は、本体部から分離され電気的に絶縁されており、
前記計算機は、前記直立カラムを用いてトップダウン像を観察する場合、前記試料ステージに載置される試料と前記先端部とが負の同電位となるように、前記傾斜カラムを用いて傾斜像を観察する場合、前記試料と前記先端部とがアース電位となるように制御するものであり、
前記試料と前記先端部とは、リターディング電源に接続され、
前記リターディング電源は、前記計算機に接続された試料電圧制御装置に接続されており、
前記計算機は、前記試料と前記先端部とが所望の同電位となるように、前記試料電圧制御装置を介して前記リターディング電源を制御するものであることを特徴とする走査電子顕微鏡装置。 A scanning electron microscope apparatus comprising an inclined column, an upright column, a sample stage, and a computer for controlling them ,
The tip portion of the magnetic pole of the objective lens of the inclined column close to the sample stage is separated from the main body and electrically insulated,
When observing a top-down image using the upright column, the calculator uses the inclined column so that the sample placed on the sample stage and the tip end have the same negative potential. Is to control the sample and the tip to be ground potential,
The sample and the tip are connected to a retarding power source,
The retarding power source is connected to a sample voltage control device connected to the computer,
Wherein the computer, such that the sample and the tip is desired equipotential, scanning electron microscope and wherein the through the sample voltage control device is shall be controlling the retarding power supply. 前記傾斜カラムは、前記試料から放出される２次電子、反射電子を効率よく捕捉するための捕獲手段を更に有することを特徴とする請求項３記載の走査電子顕微鏡装置。 The inclined column, secondary electrons emitted from the sample, according to claim 3 Symbol mounting of the scanning electron microscope and further Yusuke characterized Rukoto capture means for capturing backscattered electrons efficiently. 前記捕獲手段は、前記傾斜カラムの対物レンズの内部に配置されることを特徴とする請求項４記載の走査電子顕微鏡装置。 It said trapping means is a scanning electron microscope apparatus according to claim 4, wherein Rukoto is disposed inside the objective lens of the inclined column. 前記先端部と前記本体部とは絶縁材の薄いカラーで絶縁されていることを特徴とする請求項３記載の走査電子顕微鏡装置。 The tip portion and the scanning electron microscope of claim 3, wherein that you have been insulated with a thin collar of insulating material and the body portion. 前記直立カラムは、前記試料からの電子を反射する傾斜をもった反射板と、前記反射板からの電子を検出する検出器とを有することを特徴とする請求項３記載の走査電子顕微鏡装置。 The upright column, a scanning electron microscope according to claim 3, wherein Rukoto that Yusuke a reflector having an inclined reflecting electrons from the sample, and a detector for detecting electrons from the reflection plate apparatus. 前記傾斜カラムは、元素分析器を有することを特徴とする請求項３記載の走査電子顕微
鏡装置。 The inclined column, scanning electron microscope apparatus according to claim 3, wherein Rukoto which have a elemental analyzer.
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