(57)【要約】【課題】半導体製造工程途中で高精度に層間膜の誘電率評価を行うことにより、配線工程やゲート工程などのプロセス条件の最適化を効率よく短期間で行う。【解決手段】工程途中の半導体装置に対して、電子エネルギ損失分光法を用いた誘電率計測法を適用することで、局所領域での誘電率を評価する。また、ＥＥＬＳスペクトル取得時の取り込み角度、および試料膜厚を計測して正確な取り込み角度および膜厚を用いてスペクトルの処理を行い、高精度な誘電率評価を行う。【選択図】図４
2010062255.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検査試料に電子線を照射する工程と、
電子線を照射した箇所を透過した電子線をエネルギ毎に検出する工程と、
検出した電子線の強度をエネルギ毎に表示する工程と、
電子線を照射したときのレンズ電流をモニタする工程と、
格子間隔が既知の標準試料に電子線を照射する工程と、
前記標準試料を透過した電子により形成される回折図形を検出する工程と、
前記回折図形を利用して取り込み角度を算出し、レンズ電流と取り込み角度を校正する工程と、
前記被検査試料に電子線を照射した時にモニタしたレンズ電流値から前記校正結果を利用して取り込み角度を補正する工程と、
前記算出された取り込み角度を元に前記被検査試料に電子線を照射して計測されたスペクトルの強度を補正する工程と、
取り込み角を補正した前記スペクトルの全エネルギの強度の総和をエネルギの損失していないゼロロスピークの強度の総和で除算し、前記除算した結果の対数を取った結果に基準とした定数を乗算して評価箇所の膜厚を計算する工程と、
前記計測された膜厚により前記スペクトルを補正する工程と、
膜厚を補正した前記スペクトルを用いて被検査試料の誘電率を評価する工程と、
試料を移動して電子線を試料の複数箇所に照射または電子線を偏向させて試料に照射しながら得られるスペクトルを一連の取り込み角、および膜厚の補正を行い、照射領域毎に誘電率を評価する工程とを有することを特徴とする半導体装置の解析方法。
【請求項２】
請求項１記載の半導体装置の解析方法において、
前記被検査試料の誘電率を輝度に変換してマッピングし、前記被検査試料の誘電率分布を表示する工程を有することを特徴とする半導体装置の解析方法。
【請求項３】
電子線をエネルギ毎に分光する電子分光器と、
前記電子分光器下流に設けられ、前記電子分光器の収差を補正する電磁レンズと、
前記電子分光器と前記電磁レンズとの間に設けられ、電子強度分布を検出する検出器とを備えたことを特徴とする半導体解析装置。
【請求項４】
請求項３記載の半導体解析装置において、
前記検出器に電子線を検出できるよう前記検出器と前記電子分光器との間に設けられ、電子線を偏向する偏向器を備え、
前記検出器は、
試料と相互作用しない電子が前記電子分光器を通過して前記電子分光器下流の前記電磁レンズを通過する光路以外に前記電子分光器焦点面の電子強度分布を検出することを特徴とする半導体解析装置。
【請求項５】
請求項３または４記載の半導体解析装置において、
前記電磁レンズの電流値または取り込み角度をモニタ上に表示し、前記電磁レンズの電流値または取り込み角度が所望の値以上または以下であった場合には警告をモニタ上に表示し、解析装置を制御する制御部にて解析を中断または所望のレンズ電流値または取り込み角度になるよう設定し再測定する制御手段を含んだことを特徴とする半導体解析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の解析技術に関し、特に、製造工程途中の半導体装置における層間膜などの誘電率の評価に有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の高速化、高集積化に伴い、たとえば、アルミニウム（Ａｌ）よりも低抵抗な銅（Ｃｕ）配線やＳｉＯ2 より低誘電率なＳｉＯＣ層間膜（Ｌｏｗ−ｋ膜）が用いられてきている。
【０００３】
しかし、Ｌｏｗ−ｋ膜はプロセス加工時のアッシングダメージによりプロセス加工後に誘電率が上昇、またはＣｕ元素のＬｏｗ−ｋ膜中への拡散により、誘電率が上昇するといった問題が明らかになってきた。
【０００４】
誘電率を計測する手法として、フーリエ変換赤外分光法などの光を用いた計測が知られている。しかしながら、光のプローブサイズはマイクロメートルオーダーであるため、半導体デバイス中のナノメートルオーダーの局所領域での評価ができない。
【０００５】
微小領域の誘電率計測手法として、プローブサイズをナノメートルオーダーに絞ることのできる電子顕微鏡を用いた電子エネルギ損失分光法（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｌｏｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＥＥＬＳ）が知られている。
【０００６】
ＥＥＬＳのスペクトルは、低エネルギ（数十ｅＶまで）の価電子励起スペクトル（ローロススペクトル）と高エネルギ（数ｋｅＶまで）側の内殻電子励起スペクトル（コアロススペクトル）の２つに分類される。
【０００７】
内殻電子励起によるコアロススペクトルは元素に固有のエネルギにピークを有するため、元素分析に用いられている（たとえば、特許文献１参照）。ローロススペクトルは、固体内価電子励起による電子エネルギのロススペクトルであり、ローロススペクトルをＫｒａｍｅｒｓ−Ｋｒｏｎｉｇ（Ｋ．Ｋ．）変換することによって誘電関数を得ることが知られている（たとえば、非特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−２６５８７９号公報
【非特許文献１】Ｅｇｅｒｔｏｎ（著），Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｌｏｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ  ｉｎ  ｔｈｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，１９８６，ｐｐ．２４１−２４７，ＩＳＢＮ  ０−３０６−４２１５８−５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところが、上記のような誘電率の計測技術では、次のような問題点があることが本発明者により見い出された。
【０００９】
すなわち、上述したように、光を用いて誘電率を評価した場合には、光のプローブサイズはマイクロメートルオーダーであるため、ナノメートルオーダーの局所領域の評価ができないという問題がある。
【００１０】
また、ナノメートルサイズのビーム径を得ることのできる電子顕微鏡を用いた電子エネルギ損失分光法（ＥＥＬＳ）を用いて誘電率を計測する方法では、屈折率の物理情報がある場合には局所領域の誘電率を計測することができたが、ダメージを受け屈折率が未知の物質の誘電率を計測することはできないという問題がある。
【００１１】
さらに、ＥＥＬＳを用いて未知物質の誘電率を計測する方法では、スペクトルを正確に処理するため、スペクトルの取り込み角、ならびに電子線の試料への照射角を把握しておくことが重要であるが、レンズ条件の変化に伴い、該スペクトルの取り込み角、および電子線の試料への照射角が変化するために測定精度が低くなってしまうという問題がある。
【００１２】
また、ＥＥＬＳのスペクトル強度を用いて誘電率を評価する技術において、同質の誘電率を有する層間膜であっても、膜厚が正確に計測できないために、膜厚の違いによりスペクトルの強度が変化するため、誘電率を正確に評価できないといった問題がある。
【００１３】
本発明の目的は、半導体製造工程途中で高精度に層間膜の誘電率評価を行うことにより、配線工程やゲート工程などのプロセス条件の最適化を効率よく短期間で行う技術を提供することにある。
【００１４】
本発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴については、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【００１６】
本発明は、被検査試料に電子線を照射する工程と、電子線を照射した箇所を透過した電子線をエネルギ毎に検出する工程と、検出した電子線の強度をエネルギ毎に表示する工程と、電子線を照射したときのレンズ電流をモニタする工程と、格子間隔が既知の標準試料に電子線を照射する工程と、標準試料を透過した電子により形成される回折図形を検出する工程と、回折図形を利用して取り込み角度を算出し、レンズ電流と取り込み角度を校正する工程と、被検査試料に電子線を照射した時にモニタしたレンズ電流値から校正結果を利用して取り込み角度を補正する工程と、算出された取り込み角度を元に被検査試料に電子線を照射して計測されたスペクトルの強度を補正する工程と、取り込み角を補正したスペクトルの全エネルギの強度の総和をエネルギの損失していないゼロロスピークの強度の総和で除算し、除算した結果の対数を取った結果に基準とした定数を乗算して評価箇所の膜厚を計算する工程と、計測された膜厚によりスペクトルを補正する工程と、膜厚を補正したスペクトルを用いて被検査試料の誘電率を評価する工程と、試料を移動して電子線を試料の複数箇所に照射または電子線を偏向させて試料に照射しながら得られるスペクトルを一連の取り込み角、および膜厚の補正を行い、照射領域毎に誘電率を評価する工程とを有するものである。
【００１７】
また、本発明は、被検査試料の誘電率を輝度に変換してマッピングし、被検査試料の誘電率分布を表示する工程を有するものである。
【００１８】
さらに、本発明は、電子線をエネルギ毎に分光する電子分光器と、該電子分光器下流に設けられ、電子分光器の収差を補正する電磁レンズと、電子分光器と電磁レンズとの間に設けられ、電子強度分布を検出する検出器とを備えたものである。
【００１９】
また、本発明は、前記検出器に電子線を検出できるよう検出器と電子分光器との間に設けられ、電子線を偏向する偏向器を備え、該検出器は、試料と相互作用しない電子が電子分光器を通過して該電子分光器下流の電磁レンズを通過する光路以外に電子分光器焦点面の電子強度分布を検出するものである。
【００２０】
さらに、本発明は、前記電磁レンズの電流値または取り込み角度をモニタ上に表示し、該電磁レンズの電流値または取り込み角度が所望の値以上または以下であった場合には警告をモニタ上に表示し、解析装置を制御する制御部にて解析を中断または所望のレンズ電流値または取り込み角度になるよう設定し再測定する制御手段を備えたものである。
【００２１】
また、本願のその他の発明の概要を簡単に示す。
【００２２】
局所領域の誘電率を評価するために、ビーム径をナノメートルサイズに絞ることの出来る電子顕微鏡を用いた電子エネルギ損失分光法を利用するものである。
【００２３】
また、ＥＥＬＳによる誘電率評価法を屈折率が未知の試料に適用するため、スペクトルの規格化処理で屈折率を利用した処理法を用いず、実施の形態１に示した式２の電子散乱式を用いてスペクトルの規格化処理を行うものである。
【００２４】
さらに、ＥＥＬＳのスペクトルを正確に処理するため、スペクトルの取り込み角の計測は以下のように行う。
【００２５】
格子間隔が既知の標準試料を用い、電子顕微鏡装置のレンズ電流を連続的に変化させたときのレンズ電流値および回折図形を記録し、回折図形から取り込み角度を算出し、レンズ電流値毎の取り込み角度を記憶し、次に、被検査半導体装置の解析する層間膜の箇所に電子線を照射してスペクトルを計測したときのレンズ電流値を記憶し、標準試料を用いて算出されたレンズ電流値毎のスペクトル取り込み角度の測定データと被検査半導体装置の層間膜を評価した電流値とから被検査箇所のスペクトル計測時の取り込み角を算出する。
【００２６】
また、電子線の試料への照射角については、電子線を試料へ照射する角度がスペクトルの取り込み角度に影響しないよう、コンデンサレンズとコンデンサ絞りを使って、０．５ｍｒａｄ程度以下とするものである。
【００２７】
さらに、試料膜厚の計測について、ＥＥＬＳのローロススペクトルの全体強度とゼロロススペクトルの強度を計測した値と後述する実施の形態１で示した式５を用いて、評価箇所ごとに膜厚を計測するものである。
【発明の効果】
【００２８】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
【００２９】
（１）半導体解析装置の装置変動に伴うＥＥＬＳのスペクトル強度のばらつきを補正することが可能となり、屈折率が未知である物質の誘電率を高分解能かつ高精度に評価することが可能となる。
【００３０】
（２）また、半導体装置の層間膜の誘電率評価技術を半導体プロセス開発へ適用することにより、製造工程途中で半導体装置の誘電率特性を高精度に評価できるため、半導体製品の開発効率を向上させ、且つ製造コストを削減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００３２】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１による誘電率の測定技術の説明図、図２は、一般的な誘電率評価方法の一例を示すフローチャート、図３は、本発明の実施の形態１による誘電率測定の変動要因の説明図、図４は、本発明の実施の形態１による半導体装置の誘電率評価を行う半導体解析装置の構成例を示すブロック図、図５は、ローロススペクトルの散乱角度分布の説明図、図６は、図４の半導体解析装置の操作例を示す説明図である。
【００３３】
本実施の形態１において、半導体製造工程途中で層間膜が形成された半導体装置における層間膜の誘電率の解析技術について説明する。
【００３４】
まず、電子エネルギ損失分光法（ＥＥＬＳ）を用いて誘電関数を得る上で測定再現性が低下する原因について説明する。
【００３５】
図１、および図２にＥＥＬＳを用いて、非特許文献１に示されている誘電関数を得るまでのフローを説明する。
【００３６】
始めに、図１（ａ）に示す計測したローロスのスペクトルからエネルギの損失していないゼロロスピークのバックグランドを除去する（ステップＳ００１）。次に、ステップＳ００１の処理で得られたスペクトルには多重散乱成分が含まれているため、その多重散乱の成分を除去して、図１（ｂ）に示す単一散乱スペクトルＳ（ω）を導出する（ステップＳ００２）。
【００３７】
ローロススペクトルにおける多重散乱成分の除去にはフーリエログ法が用いられる。そして、単一散乱スペクトルから、図１（ｄ）に示す損失関数と呼ばれるＩｍ［−１／ε（ω）］を導出する（ステップＳ００３）。
【００３８】
ここで、ε（ω）は式１の誘電関数を表し、Ｉｍ［−１／ε（ω）］は、−１／ε（ω）の虚数部を表している。最後に損失関数（Ｉｍ［−１／ε（ω）］）を用いてＫ．Ｋ．変換を行うことにより、図１（ｅ）、（ｆ）に示す誘電関数が得られる（ステップＳ００４）。
【００３９】
【数１】
2010062255.tif 000003
【００４０】
次に、測定再現性を阻害する要因であるステップＳ００３の単一散乱スペクトルから損失関数の導出法について説明する。ステップＳ００１，Ｓ００２，Ｓ００４のそれぞれの処理法は確立されており、ここでは省略する。詳細な処理方法については非特許文献１を参考にして頂きたい。
【００４１】
損失関数（Ｉｍ［−１／ε（ω）］）（図１（ｄ））は、式２に示すように、単一散乱スペクトルＳ（ω）の強度(図１（ｃ））に損失関数の絶対値と呼ばれる比例係数ｋを積算し、アパーチャー関数と呼ばれるＡｐ（ω）で規格化されたものである。損失関数の絶対値ｋとアパーチャー関数Ａｐ（ω）は、それぞれ、式３と式４のように記載される。
【００４２】
【数２】
2010062255.tif 000004
【００４３】
【数３】
2010062255.tif 000005
【００４４】
【数４】
2010062255.tif 000006
【００４５】
ここで、βはスペクトルの取り込み角度、θE は特性散乱角、ａ0 はボーア半径、ｍ0 は電子の静止質量、ｖは入射電子の速度、Ｉ0 はゼロロスビームの強度、ｔは試料の膜厚を表している。
【００４６】
実験条件と式３と式４からアパーチャー関数Ａｐ（ω）、および損失関数の絶対値ｋを求め、そして次に、式２を用いることにより、単一散乱スペクトル（図１（ｃ））から損失関数（図１（ｄ））が得られる。
【００４７】
上記記載の損失関数の絶対値ｋは、式３以外に屈折率を利用した式もあるが、屈折率の分からない物質に対しては適用できないため、ここでは説明を省略した。
【００４８】
次に測定再現性を低下させる原因について説明する。
【００４９】
前記の損失関数の導出において、式２〜式４を用いる。測定再現性の低下要因は、式２〜式４に含まれるパラメータから、スペクトルの取り込み角度（β）と試料の膜厚（ｔ）である。
【００５０】
他の要因として試料へ入射する電子速度のばらつきが考えられるが、入射電子速度のばらつきは加速電圧（Ｖ0 ）の変動（ΔＶ0 ）に起因するもので、加速電圧に対する変動（ΔＶ0 /Ｖ0 ）は、１０-6と非常に小さいことから、入射電子速度のばらつきは無視できる。
【００５１】
つまり、測定再現性を向上させるためには、スペクトル計測時のスペクトルの取り込み角度（β）と試料の膜厚（ｔ）を正確に把握しておくことが重要となる。スペクトルの取り込み角度（β）と試料の膜厚（ｔ）を変化させたときの誘電率変動量の計算結果を、図３に示す。
【００５２】
図３の計算結果は、同一の単一散乱スペクトルを用いて、取り込み角度（β）と試料の膜厚（ｔ）のパラメータを各々独立に変化させて複数の損失関数を導出し、前記複数の損失関数をＫ．Ｋ．変換処理して得られたものである。
【００５３】
誘電率測定ばらつきの取り込み角度（β）依存性の結果（図３（ａ））から、基準とした４ｍｒａｄから±１ｍｒａｄ変化した場合には、およそ５〜１０％程度変動することが予想された。
【００５４】
誘電率測定ばらつきの試料膜厚（ｔ）依存性の結果（図３（ｂ））から、試料の膜厚計測で５％の誤差があった場合、誘電率が５％変動することが予想された。このことから、ＥＥＬＳによる誘電率測定ばらつきを５％以下にするためには、スペクトル取り込み角度（β）を１ｍｒａｄ以下、試料膜厚の計測誤差を５％以下にする必要がある。
【００５５】
次に、本実施の形態における半導体装置の解析を行う半導体解析装置１の構成を図４に示す。
【００５６】
電子銃１ａから放出される電子線２はコンデンサレンズ３、コンデンサ絞り４、試料ステージ６に保持された試料５を透過し、対物レンズ７によって中間レンズ９上流の位置に結像される。
【００５７】
対物レンズ７は、簡易的に１枚のレンズとして図示しているが、実際には上磁極レンズと下磁極レンズから成り、試料５と該試料５の下流にある対物絞り８は、対物レンズ７の上磁極レンズと下磁極レンズの間に設置された構成となっている。
【００５８】
対物絞り８は、対物レンズ７の後焦点面が形成される位置に設置されている。試料５上に照射する電子線２の電子線広がり（ビーム径）をナノメートルサイズで且つ電子線２の照射角度が０．５ｍｒａｄ以下となるようコンデンサレンズ３の電流条件およびコンデンサ絞り４を用いている。
【００５９】
図５に、電子線の照射角度を変化させたときのローロス電子の角度分布を示す。
【００６０】
電子線の照射角度が０ｍｒａｄである場合には、ローロス電子の広がりはローロス電子の散乱角度が入射電子の進行方向に対して０．１ｍｒａｄ程度であり、電子線の入射角度が数ｍｒａｄである場合には、ローロススペクトルの散乱角度も数ｍｒａｄとなる。
【００６１】
電子線の照射角度を０．５ｍｒａｄ以下にしたのは、スペクトルの取込角度は数ｍｒａｄであるため、照射角度によるスペクトルの強度変化をなくすためである。試料の対物レンズ７で結像した像は、中間レンズ９、投影レンズ１０により拡大され検出器１１で検出される。
【００６２】
検出器１１を移動させて、試料５を透過した電子線２は、対物レンズ７、中間レンズ９、および投影レンズ１０を通過し、電子分光器１３によりエネルギ毎に分光されＥＥＬＳ検出器１５により検出される。
【００６３】
電子分光器１３の上流には、電子分光器１３の収差を補正するための電磁レンズ１２、電子分光器１３の下流には焦点面の電子強度分布を検出するための検出器３４、および電子分光器１３の焦点がＥＥＬＳ検出器１５にフォーカス、および投影するための電磁レンズ１４を設置している。
【００６４】
検出器３４は、光軸上に設置、または光軸以外に設置された構成となっており、軸上設置した場合にはスペクトル計測時に光軸から外れるための検出器駆動機構３６を有し、検出器３４は、光軸上以外に設置した場合には焦点面が検出器３４に入るように偏向器３５を設置する構成となる。
【００６５】
電磁レンズ１４は、簡易的に１枚レンズを記載しているが、フォーカス調整、ならびに拡大／縮小投影する４段レンズ構成となっている。このレンズは、以下に説明する制御手段１６を通して操作部２５により調整される。
【００６６】
制御手段１６は、電子銃制御部１７、コンデンサレンズ制御部１８、ステージ制御部１９、対物レンズ制御部２０、中間レンズ制御部２１、投影レンズ制御部２２、電子分光器収差補正レンズ制御部２３、および電子分光器焦点調整レンズ制御部２４から構成されている。
【００６７】
操作部２５は、画像表示部２６、スペクトル表示部２７、レンズ電流モニタ部２８、レンズ電流と画像と解析データを記憶する記憶部２９、演算処理部３０、ならびに図６に示す操作画面３１より構成される。
【００６８】
次に、ＥＥＬＳのスペクトルの取り込み角度について説明する。
【００６９】
試料５から出た電子のＥＥＬＳ検出器１５からみた立体角であるスペクトル取り込み角度３７は、試料の像面が検出器１１に投影される場合には対物レンズ７の焦点位置に設置された対物絞り８で制限されるため、対物絞り８の孔径で決定される。
【００７０】
そのため、スペクトルの取り込み角度は、格子間隔が既知試料を用いて、検出器１１に投影される回折像、または検出器１１に像面を結像した場合には電子分光器下流の焦点面を検出する検出器３４を用い、または、電磁レンズ１４により縮小してＥＥＬＳ検出器１５を用いることで計測できる。
【００７１】
通常、検出器１１で検出した回折像を用いて取り込み角度を算出する場合には、フィルムなどで回折像を記録し、次に大気開放し、そして現像といった複数の工程を要するために、データを読み出すまでに時間を要する。
【００７２】
一方、検出器３４やＥＥＬＳ検出器１５を利用する場合には、検出した信号を操作表示部２６に表示し、式２、式３、および式４の演算処理を演算処理部３０で実施するため、真空系の大気開放およびフィルムの現像と言った工程を省き、短時間での取り込み角度および高精度なスペクトル計測することが可能となる。
【００７３】
半導体解析装置１のレンズ条件が変化した場合には、対物絞り８の位置における回折像の回折点の間隔は変化するが、対物絞り８の孔径は物理的に変化しないために、実際の取り込み角度は変化する。
【００７４】
その結果、式２と式４に示したスペクトルの処理において正確なスペクトル取り込み角度を用いて処理しないために、測定精度が低下するといった問題があった。この問題を解決するために、本発明では半導体装置を電子線で照射してＥＥＬＳのスペクトルを取得する前後に格子間隔が既知試料の回折図形を利用してスペクトルの取り込み角度を正確に計測した。
【００７５】
また、レンズ電流を変えて得られる回折図形からレンズ電流ごとのスペクトル取り込み角度を予め求めて記憶部２９で記憶させ、半導体装置に電子線を照射してスペクトルを得た時のレンズ電流をレンズ電流モニタ部２８でモニタし、該スペクトルを取得した時のレンズ電流値と予め記憶させておいたレンズ電流値と取り込み角度の関係から、スペクトル計測時の取り込み角度を正確に計測できるようにした。
【００７６】
次に、膜厚（ｔ）の計測について説明する。
【００７７】
図７は、ＥＥＬＳ検出器１５で検出されるローロススペクトルの全体３２を表しており、斜線部分はエネルギの損失していないゼロロススペクトル３３である。計測されるローロススペクトルの全体３２の強度Ｉtotal とゼロロススペクトル３３の強度Ｉ0 を算出し、式５を利用することで、評価箇所の膜厚を計測することができる。
【００７８】
式５中のλ は平均自由工程を表しており、本実施の形態では、基準試料から得られた値を用いた。通常、透過型電子顕微鏡観察用の被検査試料は、均一な膜厚となるように薄片化したものを用いているが、複数の材質を含んだ被検査試料を均一に薄片化することは困難であるため、膜厚のばらつきは数十％以上になることもある。
【００７９】
この膜厚ばらつきによる測定ばらつきを数％以下するため、本発明では、評価箇所毎に実測されるローロススペクトルのゼロロス強度およびローロススペクトルの全強度結果を用いて演算処理部３０で式５の演算処理を行うことで、評価箇所毎に膜厚を正確に計測する。
【００８０】
【数５】
2010062255.tif 000007
【００８１】
それにより、本実施の形態１によれば、スペクトル計測時の取り込み角、および膜厚を正確に計測することができ、測定されるスペクトル毎に正確な取り込み角、ならびに膜厚を用いて、演算処理を行うことで測定精度の高い誘電率の評価を行うことができる。
【００８２】
（実施の形態２）
図８は、本発明の実施の形態２による誘電率評価技術の処理例を示すフローチャート、図９は、取り込み角度の計測法の説明図、図１０は、レンズ電流と取り込み角度の関係を表す説明図、図１１は、本発明の実施の形態２による誘電率評価技術の説明図、図１２は、本発明の実施の形態２による誘電率評価技術の説明図、図１３は、本発明の実施の形態２による半導体装置に適用した際の結果を示す説明図である。
【００８３】
本実施の形態２では、前記実施の形態１の半導体解析装置１（図１）を用いて、スペクトル取り込み角度、および試料膜厚を正確に計測してスペクトル処理を行い、半導体装置中に含まれる層間膜の誘電率を評価する技術について説明する。
【００８４】
検査方法について、図８のフローチャートを用いて説明する。
【００８５】
まず、格子間隔が既知の校正用試料を半導体解析装置１に搬入する（ステップＳ１０１）。続いて、電子光学系の調整とＥＥＬＳのスペクトル計測条件を設定し、回折図形を利用してスペクトルの取り込み角度を計測する（ステップＳ１０２）。
【００８６】
ここで、取り込み角度の計測例について説明する。
【００８７】
たとえば、取り込み角度の校正用試料にＳｉ結晶試料を用いた場合、図９に示すＳｉの回折図形３８を検出器１１で検出し、操作画面３１（図６）上に表示する。図９中に示した円状の輪郭部分３９は対物絞り８の孔部分の影であり、円状の輪郭部分３９外側の電子は取り除かれ、輪郭部分３９より内側を通過した電子がＥＥＬＳ検出器１５により検出される。
【００８８】
検出される電子の取り込み角度は、次の手順により計測することができる。
【００８９】
まず、回折図形３８中の０次回折点４０と（１１１）回折点４１との距離Ｒ1 ４２、Ｓｉ（１１１）の面間隔距離ｄ111 ＝３．１３６Å、加速電圧が３００ｋＶの時の電子線波長λ＝１．９７ｐｍから、式６を用いてカメラ長Ｌを計測する。
【００９０】
そして、先程求めたカメラ長Ｌ、回折図形３８中の０次回折点４０から対物絞りの輪郭部分３９までの距離Ｒ0 ４３、電子線波長λ＝１．９７ｐｍから、式６を用いてｄ0 を算出する。
【００９１】
そして、ｄ0 と電子線波長λ＝１．９７ｐｍから式７を用いて、θを求める。このθが、対物絞り８によって制限されるスペクトルの取り込み角（β）である。本発明の装置では、図６に示す操作画面３１上に設けた入力画面４５に入力された条件を元に前記一連の計算を演算処理部３０にて行って取り込み角度を計測し、操作画面３１上に取り込み角度（β）を出力、表示する構成となる。
【００９２】
つまり、操作画面３１上に設けた入力画面４５において加速電圧（または電子線の波長）の入力欄４６、既知面間隔に対応する回折点距離Ｒ1 ４２の入力欄４７、回折点距離に対応した格子面間隔ｄの入力欄４８、０次回折中心から対物絞り８の孔の部分の影に対応した輪郭部分３９までの距離Ｒ0 ４３の入力欄４９に各々の値を入力するだけで、操作画面３１上に取り込み角度（β）が表示される。
【００９３】
このため、電子顕微鏡のユーザーは複数の計算をせずに済むため、効率的で使い勝手のよいものとなる。上記した回折点間距離Ｒ0 ４３は、回折図形３８上の回折点それぞれの位置を指定することで、回折点間隔距離を演算処理部３０で計算して出力する構成をとっている。この回折点間の距離は、直線上の２点以上の回折点距離の平均をとってもよい。
【００９４】
【数６】
2010062255.tif 000008
【００９５】
【数７】
2010062255.tif 000009
【００９６】
次に、レンズ条件を変化させて得られる回折像を用いて取り込み角度を計測し、レンズ電流ごとの取り込み角度を記憶部２９に記憶する（ステップＳ１０３）。取り込み角度は、ステップＳ１０２の処理と同様の方法で計測する。
【００９７】
そして、図１０に示す記憶部２９で記憶した取り込み角度と電流値との関係を元に、操作部の操作画面３１上にレンズ電流値の出力表示５０、および取り込み角度の出力表示５１を設け、それぞれ表示しておく。
【００９８】
ステップＳ１０３の処理で用いるスペクトルの取り込み角度の校正用試料は、ステップＳ１０２の処理と同様の被検査半導体装置に含まれるＳｉ基板、または試料ステージ６に常時保持させた試料を用いてもよい。
【００９９】
次に、校正用試料を検査装置から搬出し、被検査半導体装置を半導体解析装置１に搬入して、再度前記した電子光学調整を行う（ステップＳ１０４）。被検査試料に含まれるＳｉ基板を用いた場合、または試料ホルダに予め設置したものを用いて取り込み角度の計測を行った場合には、ステップＳ１０４の処理は省略可能である。
【０１００】
続いて、電子線２を半導体試料５に照射して、試料から出た電子を電子分光器１３で分光し、ＥＥＬＳ検出器１５でローロススペクトルを検出する。このローロススペクトル取得時のレンズ電流をレンズ電流モニタ部２８でモニタし、記憶部２９で記憶する。また、照射した箇所も同時に記憶部２９で記憶する。
【０１０１】
被検査試料５に電子線２を照射した箇所（Ｘｎ，Ｙｎ）５３は、図４、および図１１に示した、電子線を偏向する偏向器５４の制御手段１６を用いて、走査する時間を利用して記憶する。
【０１０２】
この一連のスペクトル取得とレンズ電流モニタとレンズ電流の記憶を、電子線を偏向、または試料ステージ６を移動させながら行う（ステップＳ１０５）。このスペクトル計測時にレンズ電流値が所望の条件範囲からはずれた場合には、操作画面３１上に警告５２を表示してスペクトル計測を中断し、光学条件を所望のレンズ電流条件に設定し、スペクトルの再計測を行う。
【０１０３】
次に、評価箇所ごとにモニタしたレンズ電流値とステップＳ１０２の処理、ならびにステップＳ１０３の処理で得られたスペクトル校正用データから評価時のスペクトル取り込み角度を算出し（ステップＳ１０６）、また、評価箇所毎に得られたローロススペクトルのデータと式５を利用して演算処理部３０にて演算処理を行い、評価箇所毎の膜厚を算出する（ステップＳ１０７）。
【０１０４】
また、図１１を用いて、ステップＳ１０６，Ｓ１０７の処理の具体例を説明する。
【０１０５】
図１１の複数のスペクトル計測結果５５は、ステップＳＳ１０２〜Ｓ１０４の処理で得られた電子線を照射した箇所ごとのスペクトルとレンズ電流モニタ部２８でモニタしたレンズ電流値を示しており、記憶部２９で記憶されている。
【０１０６】
スペクトル計測結果５５−ｎは、電子線２を被検査試料５の箇所（Ｘｎ，Ｙｎ）５３を照射して得られたスペクトルとレンズ電流値を表している。スペクトル５５−ｎが計測された時の取り込み角度（βn ）は、スペクトル計測時のレンズ電流値（Ｉn ）とステップＳ１０３の処理で得られたスペクトル取り込み角度とレンズ電流値との関係（図１０）から、求めることができる。
【０１０７】
ステップＳ１０７の処理における膜厚計測は、前記実施の形態１で述べたように、計測されたスペクトル５５−ｎのゼロロススペクトルの強度とローロススペクトル強度を算出し、演算処理部３０にて式５の数式処理をすることで求められる。
【０１０８】
計測されたスペクトル毎にステップＳ１０６，Ｓ１０７の処理を行うことで、計測されたスペクトル毎に取り込み角と膜厚の値５６を得ることができる。
【０１０９】
次に、演算処理部３０にてローロススペクトルからのゼロロススペクトルの除去（ステップＳ１０８）、そして、単一散乱スペクトルを導出する（ステップＳ１０９）。単一散乱スペクトルの導出では、演算処理部３０にてフーリエログ法を用いた演算処理を行う。
【０１１０】
その後、図１２に示すステップＳ１０６〜Ｓ１０９の処理で得られた評価箇所毎の単一散乱スペクトル５７を、スペクトル取得時の取り込み角度（β）および膜厚（ｔ）を用いて式２、式３、および式４の処理を演算処理部３０にて行う。
【０１１１】
これにより、評価箇所毎に測定精度の高い損失関数Ｉｍ［−１／ε（ω）］を得ることができる（ステップＳ１１０）。そして、演算処理部３０にて、得られた評価箇所毎の損失関数Ｉｍ［−１／ε（ω）］を解析処理して、評価箇所毎の誘電関数の実数部５８、および誘電関数の虚数部５９を導出する。
【０１１２】
ここで、解析の演算処理に用いた処理には、Ｋ．Ｋ．（クラマース・クローニッヒ）解析処理を用いた。評価箇所（Ｘｎ，Ｙｎ）における誘電関数の実数部５８−ｎのエネルギが０の時の誘電関数の実数部の値（ε1 （０））６０−ｎを評価箇所毎に記憶し、輝度変換して表示する（ステップＳ１１１）。
【０１１３】
たとえば、図１３（ａ）に示した被検査試料のＳｉ基板６１とＳｉＯ2 ６３との間に形成されたＬｏｗ−ｋ材部６２の領域において、ステップＳ１０１〜Ｓ１１１の処理を実施することにより、図１３（ｂ）に示したようにＬｏｗ−ｋ材料領域の誘電率分布６４を得ることができる。
【０１１４】
図１３（ｃ）は、誘電率６６を輝度表示６５したものであり、図１３（ｃ）を参照することで、図１３（ｂ）のＬｏｗ−ｋ材においてＳｉＯ2 近傍では誘電率が４．０近くになっていることが一目で分かるようになった。
【０１１５】
ここで、図１３中における誘電率分布の輝度表示は、誘電率値を輝度表示にした一例を示したが、基準とした誘電率値からの誘電率変化量を輝度に変換して表示してもよい。また、誘電率の大きさや方向を矢印の長さ（太さ）や向きを使って表示してもよい。
【０１１６】
（実施の形態３）
図１４は、本発明の実施の形態３によるプロセス条件の異なる半導体装置に適用して得られた結果を示す説明図である。
【０１１７】
本実施の形態３では、前記実施の形態１，２を半導体装置の製造工程途中に適用し、半導体製造の開発段階のプロセスへフィードバックした例について説明する。
【０１１８】
ここでは、以下に記載しているように、層間膜形成プロセスのＬｏｗ−ｋ材に適用した例を示しているが、本発明は、Ｌｏｗ−ｋ材を用いた層間膜に限らず、Ｈｉｇｈ−ｋ材や他の材料にも適用可能である。
【０１１９】
３種類のプラズマイオン（プラズマイオン種Ａ、プラズマイオン種Ｂ,プラズマイオン種Ｃ）を用いたそれぞれの条件下でプラズマ処理した半導体装置の性能比較をするため、プロセスラインからウエハを抜き取り、本手法を用いて３種類の半導体製品の誘電率評価を行った。
【０１２０】
本手法で得られた３種類の半導体製品の測定結果を図１４に示す。
【０１２１】
図１４（ａ）〜（ｃ）は、プラズマイオン種Ａ、プラズマイオン種Ｂ、プラズマイオン種Ｃ条件下で処理された被検査試料、およびＬｏｗ−ｋ材部の誘電率分布像をそれぞれ示している。
【０１２２】
図１４（ａ）〜（ｃ）の下方は、被検査試料中のＳｉ基板６１ａ，６１ｂ，６１ｃをそれぞれ示しており、これらＳｉ基板６１ａ，６１ｂ，６１ｃの上方には、被検査試料中のＬｏｗ−ｋ材部分の誘電率分布６４ａ，６４ｂ，６４ｃをそれぞれ示している。
【０１２３】
また、誘電率分布６４ａ，６４ｂ，６４ｃの上方には、被検査試料中のＳｉＯ2 ６３ａ，６３ｂ，６３ｃをそれぞれ示している。図１４（ｄ）は、誘電率６６−１を輝度表示６５−１したものである。
【０１２４】
図１４の測定結果から、プラズマイオン種Ａ，Ｂ，Ｃ条件下の順に誘電率が上昇している結果が得られた。プラズマイオン種Ａ，Ｂ，Ｃ条件下の誘電率分布の計測結果から、プラズマイオン種Ａを用いたプラズマ処理のプロセスが最適であるとした。
【０１２５】
それにより、本実施の形態３では、半導体装置製造の工程途中段階で本手法を適用することにより、短期間で半導体装置開発のプロセスへフィードバックができるようになり、半導体装置の開発期間を短縮することができる。
【０１２６】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【０１２７】
本発明は、製造工程途中の半導体装置における層間膜などの誘電率の評価技術に適している。
【図面の簡単な説明】
【０１２８】
【図１】本発明の実施の形態１による誘電率の測定技術の説明図である。
【図２】誘電率評価方法の一例を示すフローチャートである。
【図３】本発明の実施の形態１による誘電率測定の変動要因の説明図である。
【図４】本発明の実施の形態１による半導体装置の誘電率評価を行う半導体解析装置の構成例を示すブロック図である。
【図５】ローロススペクトルの散乱角度分布の説明図である。
【図６】図４の半導体解析装置の操作例を示す説明図である。
【図７】本発明の実施の形態２による膜厚の測定技術の説明図である。
【図８】本発明の実施の形態２による誘電率評価技術の処理例を示すフローチャートである。
【図９】取り込み角度の計測法の説明図である。
【図１０】レンズ電流と取り込み角度の関係を表す説明図である。
【図１１】本発明の実施の形態２による誘電率評価技術の説明図である。
【図１２】本発明の実施の形態２による誘電率評価技術の説明図である。
【図１３】本発明の実施の形態２による半導体装置に適用した際の結果を示す説明図である。
【図１４】本発明の実施の形態３によるプロセス条件の異なる半導体装置に適用して得られた結果を示す説明図である。
【符号の説明】
【０１２９】
１  半導体解析装置
１ａ  電子銃
２  電子線
３  コンデンサレンズ
４  コンデンサ絞り
５  被検査半導体試料
６  試料ステージ
７  対物レンズ
８  対物絞り
９  中間レンズ
１０  投影レンズ
１１  検出器
１２  電磁レンズ
１３  電子分光器
１４  電磁レンズ
１５  ＥＥＬＳ検出器
１６  制御手段
１７  電子銃制御部
１８  コンデンサレンズ制御部
１９  ステージ制御部
２０  対物レンズ制御部
２１  中間レンズ制御部
２２  投影レンズ制御部
２３  電子分光器収差補正レンズ制御部
２４  電子分光器焦点調整レンズ制御部
２５  操作部
２６  画像表示部
２７  スペクトル表示部
２８  レンズ電流モニタ部
２９  記憶部
３０  演算処理部
３１  操作画面
３２  ローロススペクトル
３３  ゼロロススペクトル
３４  検出器
３５  偏向器
３６  検出器駆動機構
３７  スペクトル取り込み角度
３８  回折図形
３９  輪郭部分
４０  ０次回折点
４１  （１１１）回折点
４２  距離Ｒ1
４３  距離Ｒ0
４５  入力画面
４６  入力欄
４７  入力欄
４８  入力欄
４９  入力欄
５０  出力表示
５１  出力表示
５２  警告表示
５３  照射箇所
５４  偏向器
５５  スペクトル計測結果
５５−ｎ  スペクトル計測結果
５６  スペクトル計測結果
５７  単一散乱スペクトル
５７−ｎ  単一散乱スペクトル
５８  実数部
５８−ｎ  実数部
５９  虚数部
５９−ｎ  虚数部
６０  実数部の値
６０−ｎ  実数部の値
６１  Ｓｉ基板
６１ａ  Ｓｉ基板
６１ｂ  Ｓｉ基板
６１ｃ  Ｓｉ基板
６２  Ｌｏｗ−ｋ材部
６２ａ  Ｌｏｗ−ｋ材部
６２ｂ  Ｌｏｗ−ｋ材部
６２ｃ  Ｌｏｗ−ｋ材部
６３  ＳｉＯ2
６３ａ  ＳｉＯ2
６３ｂ  ＳｉＯ2
６３ｃ  ＳｉＯ2
６４  誘電率分布
６４ａ  誘電率分布
６４ｂ  誘電率分布
６４ｃ  誘電率分布
６５  輝度表示
６５-１  輝度表示
６６  誘電率
６６-１  誘電率
【図１】
2010062255.tif 000010
【図２】
2010062255.tif 000011
【図３】
2010062255.tif 000012
【図４】
2010062255.tif 000013
【図５】
2010062255.tif 000014
【図６】
2010062255.tif 000015
【図７】
2010062255.tif 000016
【図８】
2010062255.tif 000017
【図９】
2010062255.tif 000018
【図１０】
2010062255.tif 000019
【図１１】
2010062255.tif 000020
【図１２】
2010062255.tif 000021
【図１３】
2010062255.tif 000022
【図１４】
2010062255.tif 000023