JPH08329875A - 走査型電子顕微鏡及びその試料像表示方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、試料上面からの走査型電子顕微鏡
での観察のみで、試料の深さ方向の情報を特定し、三次
元試料構造表示を行うことを目的とする。 【構成】 複数の入射エネルギーの電子線照射による二
次電子像をそれぞれ取り込み、その差画像から内部構造
物付近でのボケ量を算出する。予め求めておいたボケ量
と深さの関係のテーブルを参照し、差画像から求めたボ
ケ量と同じになる深さを得る。この深さ情報と先の二次
電子像とにより試料の三次元構造を表示する。 【効果】 試料の非破壊観察で三次元構造表示すること
ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は走査型電子顕微鏡に関
し、特に半導体集積回路等の試料構造の観察において、
非破壊での三次元構造の表示を提供する試料像表示技術
に関する。

【０００２】

【従来の技術】試料の微細構造の観察などの分野では、
数百ｅＶ以上の電子線を用いた走査型電子顕微鏡等の試
料像表示装置が用いられている。走査型電子顕微鏡で
は、一般に、入射一次電子と試料との相互作用で発生す
る二次電子を検出して試料像としている。これは、試料
の電子線を当てた側から見た形状を表示するものなの
で、試料の深さ方向の情報は像のコントラストとしては
現れるが、試料の内部構造物の深さ等の測定は不可能で
ある。

【０００３】このような深さ方向の立体像／断面像の表
示については、特開平５−２９０７８６号公報に、試料
に照射した粒子線が再度前記試料と相互作用した結果生
じる二次電子像（反射電子に起因した二次電子像）を主
たる像信号とする走査試料像表示装置において、二つ以
上の異なる入射エネルギーの像に基づいて表示する方法
が記載されている。ここでは、図２に示すように、入射
エネルギーによって試料内への電子線の侵入深さが異な
ることを利用し、低エネルギー電子線照射時の像と高エ
ネルギー電子線照射時の像の差画像から深さ方向の情報
を得て立体像としている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、前記特開平
５−２９０７８６号公報に記載されている従来技術で
は、試料の内部構造物の深さを特定するには、電子線の
侵入深さを該内部構造物の深さを含む範囲で変化させる
必要がある。このため、入射エネルギーの値を種々に変
えた像を多数取らなければならないという問題があっ
た。

【０００５】例えば、図２において試料内での侵入深さ
がｄである入射エネルギーの電子線１ａで得た像Ａと侵
入深さがｄ’である入射エネルギーの電子線１ｂで得た
像Ａ’から内部構造物２ｂの位置がｄより深くｄ’より
浅いことは分かる。しかし、その位置を特定するには、
電子線１ａと電子線１ｂの間の入射エネルギー値を持つ
いくつかの電子線を照射し、内部構造物２ｂにちょうど
到達する入射エネルギーの電子線を見つけ、その電子線
の侵入深さから内部構造物２ｂの位置を特定しなければ
ならない。

【０００６】また、前記特開平５−２９０７８６号公報
に記載されている従来技術では、反射電子に起因した二
次電子像を基にしているので、照射直後の電子線と試料
の相互作用により発生する二次電子像（一次電子に起因
した二次電子像）が主な信号となる表面段差の深さなど
を得ることはできない。

【０００７】さらに、図２に示すように内部構造物の厚
みが異なった場合、入射エネルギーの異なる電子線の差
画像からだけではその厚みを特定できない。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の課題は、試料に照
射する電子線の入射エネルギーを逐次変えて得られる複
数（入射エネルギー毎）の二次電子像（又は二次元電子
検出データ）の差から、試料に入射した電子線の当該試
料の内部構造物付近での散乱によるぼやけの程度（ボケ
量）を求め、予め求めた試料内の深さと二次電子像のボ
ケ量の関係を示すデータから構造物の深さを算出するこ
とにより解決される。

【０００９】このため本発明では、試料を保持する試料
保持手段と、電子線を放射する電子源を含み且つ電子線
を加速して試料に走査しながら照射する電子線照射手段
と、電子線が試料と作用して生じる二次電子を検出する
検出手段と、これにより検出された二次電子の強度に基
づき像（試料像）を形成し表示する像表示手段からなる
走査型電子顕微鏡において、電子線照射手段には電子線
の加速電圧設定値を変化させる加速電圧変化手段を備
え、像表示手段には上述の電子線照射手段を加速電圧設
定値毎に試料への電子線の照射（走査）を行うように制
御する機能と、加速電圧設定値毎の電子線走査により検
出された二次電子の電子線走査方向に対する強度勾配
（即ちボケ量）の差に基づき試料の殊に三次元構造の像
を形成し表示する機能を持たせる。

【００１０】また本発明では、試料に電子線を走査しな
がら照射し、この電子線が試料と作用して生じる二次電
子を検出する電子線走査工程と、二次電子の検出信号に
基づき試料像を形成し表示する試料像表示工程とからな
る走査電子顕微鏡の試料像表示方法において、電子線走
査工程は試料への電子線の入射エネルギーを変えて設定
し且つ設定された入射エネルギー設定値毎に二次電子検
出データの取り込むことを繰り返して行い、さらに試料
像表示工程は電子線の入射エネルギー設定値の異なる二
次電子検出データ間の差に基づき試料内での電子線の広
がり値（即ち、ボケ量を決める値）を算出し、その一方
で予め求めておいた試料内深さ情報と試料内に入射した
電子の広がりとの対応データを参照して算出された電子
線の広がり値に対応する試料内深さ情報を求め、入射エ
ネルギーの異なる電子線照射で得られた二次電子検出デ
ータ間の差に基づく深さ情報と入射エネルギー設定値毎
の二次電子検出データから試料の三次元構造の像を形成
し表示するようにする。試料内深さ情報と該試料内に入
射した電子の広がりとの対応データは、既知の段差構造
を有する試料に電子線を走査した時に得られる二次電子
検出信号強度の裾引き量（電子線走査方向に対する変化
勾配）から求めるとよく、また厚さが既知の内部構造物
を含む試料について求めてもよい。

【００１１】

【作用】入射電子は、散乱により試料内で広がる。この
入射電子線の広がりにより、内部構造物の真上以外の位
置に照射した電子線も一部が内部構造物によって散乱さ
れる。これが二次電子強度のボケとなって現れる。

【００１２】入射電子の広がりの程度は入射エネルギー
によって異なるため、二次電子強度のボケ量も入射エネ
ルギーに依存する。例えば、図３に示すように、深さｄ
における広がりがｒである電子線１ａと、電子線１ａよ
り入射エネルギーが高いため深さｄでの広がりがｒより
小さいｒ’である電子線１ｂでの照射を考える。電子線
１ａの照射結果の二次電子強度Ｂでは、内部構造物２か
ら離れた位置から裾引き（電子線の走査位置が内部構造
物２に近づくに従い徐々に強度が大となる傾向）が現れ
る。二次電子強度Ｂだけでは、この裾引きが試料の形状
や他の内部構造物（２以外に存在しうるもの）による場
合がある。しかし、電子線１ｂの照射結果の二次電子強
度Ｂ’では、裾引き量が小さい（強度変化が急峻であ
る）ことから、二次電子強度Ｂの裾引きは入射電子線の
内部構造物２による散乱に起因したぼやけ（所謂ボケ）
であることがわかる。このボケ量を利用し、予め求めた
電子線１ａと１ｂそれぞれの深さ毎のボケ量のテーブル
（対応データ）を参照して内部構造物２の深さを特定す
ることができる。

【００１３】また、段差形状試料の深さも二次電子強度
の裾引き量から求めることができる。例えば、図４
（１）においては平坦部では電子線の当てられた部分５
のみが二次電子放出面となる。しかし、図４（２）、
（３）のように照射位置が段差部に近づくと、段差側壁
も二次電子放出面５’となる。このため、図４（４）の
二次電子強度に裾引き、即ちボケが現れる。段差の下段
側では、却って段差により二次電子放出面が塞がれてい
るので二次電子検出強度が落ちている。このボケ量は、
段差深さが異なると図５のように変化する。このボケ量
から予め求めた段差深さ毎とのボケ量のテーブルを参照
することにより、与えられた試料の深さを特定すること
ができる。ここでも、得られた二次電子強度の裾引き
が、試料の形状や構造によるものであるか、ボケによる
ものであるかを入射エネルギーの異なる電子線照射によ
る二次電子像の比較により特定する。

【００１４】上述の試料内部における入射電子線の振舞
を利用した本発明による試料像の観察方法について、そ
の例を図１３に模式的に示す。この図では、試料の電子
線照射（走査）面に対して浅いところに内部構造物ａが
深いところに内部構造物ｂが夫々存在している。これに
対して、ａの像はｂに比べて強い二次電子線により（濃
く）出ている。また、走査電子線の加速電圧（即ち、試
料への入射エネルギー）を低くした場合（左の像）、内
部構造物の輪郭に沿って薄くぼやけた領域が目立つ。こ
の領域が、上述のボケである。ここで内部構造物ｂのボ
ケ領域を例に低加速電圧像と高加速電圧像を比べると、
試料表面に照射される電子の走査方向に対する二次電子
検出強度の変化勾配の緩急が加速電圧に依存しているこ
とがわかる。一方、内部構造物ａに比べて深さ方向に厚
いｂのボケ量の方が大きい。従って、本発明では走査電
子線の加速電圧の異なる像（又は、二次電子検出デー
タ）から試料内部に存在する構造物の試料表面からの深
さや厚みを算出し、これに基づき試料の三次元構造の像
（上に示したような模式図）を構築する。

【００１５】ここで、深さ毎のボケ量のデータは、深さ
位置や厚みが分かっている内部構造物のある試料や高さ
の分かっている段差形状試料を用いた電子線照射実験
や、試料の内部構造物又は段差構造を仮想した計算機シ
ミュレーションで求めておく。

【００１６】計算機シミュレーションでは、一次電子の
軌跡からその広がり量を深さ毎に求めて、二次電子像の
ボケ量としてもよい。

【００１７】

【実施例】以下、本発明を実施例１〜４を用いて説明す
る。

【００１８】各実施例では、図１４に示す走査型電子顕
微鏡を用いたので、その構成についてまず説明する。走
査型電子顕微鏡の本体は、真空筐体２０内部に設けられ
た電子線照射手段（電子線源２１、電子線引出し電極２
２、電子線加速レンズ２３、電子線収束レンズ２４、電
子線偏向電極２５、対物レンズ２６からなる）と、試料
２７を保持する手段（試料ホルダ２８、傾斜機構２９、
位置制御機構３０からなる）と、照射電子線の試料２７
への入射により発生した二次電子を検出する検出手段
（電子検出器）３１で構成される。この他にも、試料２
７表面から発生した電磁波（Ｘ線等）を検出する検出器
３２がある。本体の周辺には、電子検出器３１の信号増
幅器３３や電子線偏向電極２５の制御器３４、電子線加
速電圧制御器３５（電子源２１から電子線加速レンズ２
３までの印加電圧を制御）が備わっている。像表示手段
の機能は電子計算機３６に持たせ、この電子計算機は電
子線偏向電極制御器３４からの制御信号と電子検出器３
１からの二次電子信号とを受けて、双方のデータを対応
させて二次電子像（又は、二次電子検出データ）を作成
し記憶する。また電子計算機３６は電子線加速電圧制御
器３５を制御し、走査電子線の加速電圧を所望の値に設
定し、加速電圧設定値毎に試料２７表面で電子線を走査
するよう電子線偏向電極制御器３４へコマンド信号を送
り且つこの電子線走査毎に二次電子検出データを取り込
み、これらの（加速電圧設定値毎の）二次電子検出デー
タから試料の三次元構造を構築する機能も有する。

【００１９】＜実施例１＞実施例１では、内部構造物の
深さ位置を非破壊で求める場合について述べる。試料構
造は、図７に示すようにＳｉ基板１０の上のＷ配線９を
ＳＯＧ８が覆っている。このＳＯＧ８の膜厚を、３０ｋ
ｅＶと２００ｋｅＶの電子線で試料上部から観察するこ
とにより特定する。その処理手順を図１に示す。

【００２０】まず、図１のボケ量と深さの関係のテーブ
ル６を計算機シミュレーションにより求めた。３０ｋｅ
Ｖの電子線を仮定し、種々のＳＯＧの膜厚下のＷ配線エ
ッジの二次電子強度の計算結果から、図８のようにボケ
量ｔとＳＯＧ膜厚ｓの関係のデータテーブルが得られ
た。

【００２１】次に、図１の処理手順７ａにより、観察試
料に３０ｋｅＶと２００ｋｅＶの電子線を照射して二次
電子像を取り込んだ。処理手順７ｂに従ってコントラス
ト合わせを行い、各入射エネルギーの二次電子強度が図
９のＤ，Ｄ’のようになった。３０ｋｅＶの二次電子像
Ｄに現れた裾引きｔ１は、２００ｋｅＶの二次電子像
Ｄ’では現れていない。すなわち、これはＷ配線形状に
よるものではなく、３０ｋｅＶ電子線のＳＯＧ膜内での
広がりのためである。２００ｋｅＶの電子線では、ボケ
はほとんどないので、Ｄ’のピーク（即ち、位置０．０
μｍにおける「肩」）がＷ配線端と考えられる。処理手
順７ｃにおいて、二次電子強度ＤとＤ’の差からの３０
ｋｅＶでのＷ配線位置におけるボケ量０．５μｍを得
た。処理手順７ｄにより、先に求めたボケ量と深さの関
係のテーブル６（図８）を参照した結果、ボケ量が０．
５μｍの場合にＳＯＧ膜厚が１．０μｍということがわ
かった。この深さ方向情報と二次電子像Ｄ，Ｄ’を用い
て試料の立体像を表示した（処理手順７ｅ）。

【００２２】＜実施例２＞実施例２では、Ｓｉ基板の段
差の深さを上部からの観察のみの非破壊で求める場合に
ついて説明する。

【００２３】まず、ボケ量と深さの関係のテーブル６を
作成した。高さが０．１μｍから２．０μｍまで０．１
μｍづつ変化している段差のあるＳｉ基板を用意した。
このＳｉ基板を３０ｋｅＶと５０ｋｅＶの入射エネルギ
ーの電子線で走査して二次電子強度を得た。図４（４）
のような二次電子強度のピーク値から微分値０となる位
置までの値をボケ量とし、図６のような段差深さｓとボ
ケ量ｔの関係を示すデータテーブルを作成した。

【００２４】実施例１と同様に図１に示す処理手順で、
段差深さの分かってないＳｉ基板の観察を非破壊で行っ
た。試料上面を３０ｋｅＶと５０ｋｅＶの電子線で走査
して得られた二次電子強度を、平坦部でコントラスト合
わせを行った結果、図１０のようになった。３０ｋｅＶ
の二次電子強度Ｃの裾引きは５０ｋｅＶの場合の二次電
子強度Ｃ’では小さくなっているので、試料構造の凹凸
や内部構造物の形状によるものではないことが分かる。

【００２５】２つの二次電子強度Ｃ，Ｃ’の裾引き量の
差を求めたところ、０．２５μｍであった。図６のボケ
量ｔと深さｓのテーブルを参照すると、ボケ量の差が
０．２５μｍとなるのは深さ０．６μｍの場合である。
即ち、この試料の段差深さは０．６μｍであることが分
かった。この深さのデータを用いて試料の立体像表示を
得ることができた。

【００２６】＜実施例３＞実施例３では、図１１のよう
にＷ配線９を覆うポリＳｉ１１の膜厚を、特定する場合
について述べる。

【００２７】試料表面がポリＳｉなので、入射電子の試
料内での広がりはＳｉとほぼ同じと考えられる。そこ
で、ボケ量と深さの関係のテーブル６は実施例２で求め
たものを用いた。

【００２８】実施例２と同様に試料上面を３０ｋｅＶと
５０ｋｅＶの電子線で走査して得られた二次電子強度の
裾引き量の差を求めたところ０．５μｍであった。図６
のボケ量ｔと深さｓのテーブルのボケ両差０．５μｍを
参照し、深さが０．８μｍであることが分かった。

【００２９】＜実施例４＞実施例４では、実施例１と同
じ試料の観察でＷ配線９の厚さを特定する場合について
述べる。

【００３０】ボケ量と深さの関係テーブル６を、Ｗの厚
さを種々に変えた計算機シミュレーションで求めた。

【００３１】試料に３０，５０，２００ｋｅＶの電子線
を照射し、各々のエネルギーで図１２に示す二次電子強
度Ｅ，Ｅ’，Ｅ”を得た。２００ｋｅＶの電子線ではボ
ケがほとんどないと考え、二次電子強度Ｅ”でＷエッジ
位置を求めた。そのエッジから二次電子強度Ｅ，Ｅ’の
裾引き量を求めた結果、各々０．４μｍ、０．２μｍで
あった。先に求めたボケ量と深さの関係テーブル６の中
から、３０ｋｅＶで０．５μｍ、５０ｋｅＶで０．３μ
ｍのボケ量となるＷ厚さを参照したところ、深さ１．０
μｍの位置の０．５μｍ厚のＷ配線であることが分かっ
た。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、試料の深さ方向の情報
を非破壊で得ることが可能となる。

【００３３】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の処理手順を示す流れ図である。

【図２】従来技術における立体像処理の概念図である。

【図３】入射エネルギーの異なる電子線での二次電子強
度ボケ量を説明する概念図である。

【図４】段差側壁からの二次電子放出による二次電子強
度のボケを説明する図である。

【図５】段差深さとボケ量の変化を説明する図である。

【図６】Ｓｉの深さ毎の３０ｋｅＶと５０ｋｅＶの電子
線のボケ量を表すグラフである。

【図７】実施例１及び実施例４の観察試料の断面図であ
る。

【図８】ＳＯＧの深さ毎の３０ｋｅＶ電子線のボケ量を
表すグラフである。

【図９】３０ｋｅＶと２００ｋｅＶの電子線で走査した
時の二次電子強度を示す図である。

【図１０】３０ｋｅＶと５０ｋｅＶの電子線で走査した
時の二次電子強度を示す図である。

【図１１】実施例３の観察試料の断面図である。

【図１２】３０ｋｅＶ、５０ｋｅＶと２００ｋｅＶの電
子線で走査した時の二次電子強度を示す図である。

【図１３】本発明による試料像観察方法を模式的に説明
する図である。

【図１４】実施例１〜４で用いた走査型電子顕微鏡の概
略構成図である。

【符号の説明】

１，１ａ，１ｂ…走査電子線、２，２ａ，２ｂ…内部構
造物、３…電子線浸入領域、４…試料、５…二次電子放
出面、６…テーブル、７ａ〜７ｄ…処理手順、８…ＳＯ
Ｇ、９…Ｗ配線、１０…Ｓｉ基板、１１…ポリＳｉ。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】試料を保持する試料保持手段と、電子線を
   放射する電子源を含み且つ該電子線を加速して該試料に
   走査しながら照射する電子線照射手段と、該電子線が該
   試料と作用して生じる二次電子を検出する検出手段と、
   該検出手段により検出された二次電子の強度に基づき像
   を形成し表示する像表示手段からなり、上記電子線照射
   手段は上記電子線の加速電圧設定値を変化させる加速電
   圧変化手段を有し、上記像表示手段は上記電子線照射手
   段を該加速電圧設定値毎に上記試料に電子線を走査しな
   がら照射するように制御し、且つ該加速電圧設定値毎の
   電子線走査により検出された二次電子の該電子線走査方
   向に対する強度勾配の差に基づき上記試料の像を形成し
   表示することを特徴とする走査型電子顕微鏡。
2. 【請求項２】試料に電子線を走査しながら照射し、該電
   子線が該試料と作用して生じる二次電子を検出する電子
   線走査工程と、該二次電子の検出信号に基づき試料像を
   形成し表示する試料像表示工程とからなり、上記電子線
   走査工程は上記試料への電子線の入射エネルギーを変え
   て設定し且つ該入射エネルギー設定値毎に二次電子検出
   データの取り込むことを繰り返し、上記試料像表示工程
   は該入射エネルギー設定値の異なる二次電子検出データ
   間の差に基づき上記試料内での該電子線の広がり値を算
   出し、予め求められた試料内深さ情報と該試料内に入射
   した電子の広がりとの対応データを参照して該算出され
   た電子線の広がり値に対応する試料内深さ情報を求め、
   且つ該二次電子検出データ間の差に基づく深さ情報と該
   入射エネルギー設定値毎の二次電子検出データから試料
   の三次元構造の像を形成し表示することを特徴とする試
   料像表示方法。
3. 【請求項３】上記試料内深さ情報と該試料内に入射した
   電子の広がりとの対応データは、既知の段差構造を有す
   る試料に電子線を走査した時に得られる二次電子検出信
   号強度の裾引き量から求めたことを特徴とする請求項２
   に記載の試料像表示方法。
4. 【請求項４】上記試料内深さ情報と該試料内に入射した
   電子の広がりとの対応データは、厚さが既知の内部構造
   物を含む試料について求めたことを特徴とする請求項２
   に記載の試料像表示方法。