(57)【要約】【課題】  半導体基板などの測定サンプルに対して照射する電子ビームのエネルギーレベルを容易に設定できる電流測定装置及び電流測定方法を提供する。【解決手段】  電子ビーム３が照射された測定サンプル４に生じる電流を測定する電流測定装置であって、電子ビーム３の放出が可能なように雰囲気制御されたチャンバー１と、電子ビーム３を設定されたエネルギーで放出する電子ビーム源２と、電子ビーム源２から放出された電子ビーム３を測定サンプル４の特定場所に照射する手段と、測定サンプル４に流れる電流について少なくとも増幅する電流測定回路（電流計５）と、前記電流測定回路と接地電位との間にバイアス電圧Ｖｍを印加する電圧印加手段とを有することを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子ビームが照射された測定サンプルに生じる電流を測定する電流測定装置であって、
電子ビームの放出が可能なように雰囲気制御されたチャンバーと、
電子ビームを設定されたエネルギーで放出する電子ビーム放出源と、
前記電子ビーム放出源から放出された電子ビームを測定サンプルの特定場所に照射する手段と、
前記測定サンプルに流れる電流について少なくとも増幅する電流測定回路と、
前記電流測定回路と接地電位との間に電圧を印加する電圧印加手段とを有することを特徴とする電流測定装置。
【請求項２】
電子ビームが照射された測定サンプルに生じる電流を測定する電流測定装置であって、
電子ビームの放出が可能なように雰囲気制御されたチャンバーと、
電子ビームを設定されたエネルギーで放出する電子ビーム放出源と、
前記電子ビーム放出源から放出された電子ビームを測定サンプルの特定場所に照射する手段と、
前記測定サンプルに容量結合している電極と、
前記電極に流れる電流について少なくとも増幅する電流測定回路と、
前記電流測定回路と接地電位との間に電圧を印加する電圧印加手段とを有することを特徴とする電流測定装置。
【請求項３】
電子ビームを測定サンプルに照射することにより生じる電流を測定する電流測定装置であって、
電子ビームの放出が可能なように雰囲気制御されたチャンバーと、
電子ビームを設定されたエネルギーで放出する電子ビーム放出源と、
前記電子ビーム放出源から放出された電子ビームを測定サンプルの特定場所に照射する手段と、
前記測定サンプルへの電子ビームの照射によって発生した散乱電子又は二次電子を回収する電極と、
前記電極に流れる電流について少なくとも増幅する電流測定回路と、
前記電流測定回路と接地電位との間に電圧を印加する電圧印加手段とを有することを特徴とする電流測定装置。
【請求項４】
前記電子ビーム放出源から放出された電子ビームの一部分を通過させるアパーチャを有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の電流測定装置。
【請求項５】
前記電子ビーム放出源から放出された電子ビームを第１のエネルギーレベルに加速する加速電極と、
前記加速電極に電圧を印加する加速電源と、
前記加速電極で加速された電子ビームの一部分を通過させるアパーチャと、
前記アパーチャを通過した電子ビームのエネルギーを第２のエネルギーレベルに変換する減速電極と、
前記減速電極に電圧を印加する減速電源とを有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の電流測定装置。
【請求項６】
前記電圧印加手段は、前記電流測定回路と接地電位との間に可変電圧を印加する可変電源を有してなることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の電流測定装置。
【請求項７】
前記電流測定回路の電流測定タイミングと同期して、前記電圧印加手段又は可変電源による電圧印加のタイミングを制御する制御手段を有することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の電流測定装置。
【請求項８】
前記電流測定回路の構成要素をなすものであるとともに、前記測定サンプルに流れる電流について増幅する演算増幅器と、
前記演算増幅器における正又は負入力端子に電圧を印加するバイアス電源とを有することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の電流測定装置。
【請求項９】
前記電流測定回路の構成要素をなすものであるとともに、前記測定サンプルに流れる電流について増幅する演算増幅器と、
前記演算増幅器における正又は負入力端子に可変電圧を印加する演算増幅器用可変電源と、
前記可変電源の出力電圧を制御する信号を出力する制御信号発生部とを有することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の電流測定装置。
【請求項１０】
電子ビームを測定サンプルに照射し、該測定サンプルに生じる電流を測定する電流測定方法であって、
前記測定サンプルに生じる電流について増幅する増幅回路を配置する手順と、
前記増幅回路と接地電位との間に電圧を印加する手順とを有することを特徴とする電流測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電流測定装置及び電流測定方法に関する。また、本発明は、電子ビームを利用して、半導体デバイス製造工程途中のプロセス評価などを行うのに好適な電流測定装置及び電流測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子ビーム照射時に流れる基板電流を用いて半導体デバイスのプロセス良否を評価する方法として基板電流法が知られている(例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。この方法は、例えばエッチングを終えた状態のウエハに対して、一定のエネルギーを持つ電子ビームを数秒の間、照射し、その時に生じる基板電流の大小あるいは極性からプロセスの状態を知る方法である。例えば電子ビームエネルギーとしては１ＫｅＶが利用され、電流量としてはピコアンペア（ｐＡ）の大きさを用いる。
【０００３】
この方法では、プロセス結果が同じである場合、同じ基板電流が生じ、プロセス結果が異なる場合、異なった電流が生じることでプロセス状態を把握できる。
【０００４】
以上のようにプロセスの相対的な変化を知る場合、照射電子ビームのエネルギーレベルは単一で良いが、絶対的なプロセス状態を調べるためには、種々の加速電圧を組み合わせて利用することが必要である。また、測定感度は電子ビームエネルギーによって変化するので最適な値を測定対象毎に見つける必要がある。このためには、図１４に示すように、電子ビーム源２から放出される電子ビーム３に加えられる加速電圧（高圧電源の電圧）Ｖｈを切り替えて使用していた。
【特許文献１】特許第３３３４７５０号公報
【特許文献２】特許第３２９２１５９号公報
【特許文献３】特許第３１７５７６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
基板電流から精密な測定を行うためには、複数のエネルギーレベルを有した電子ビームを利用することが必要である。つまり、全く同じ測定点に対して電子ビームのエネルギーレベルだけが異なる状態で測定を行うことが必要である。しかし、従来は、照射電子ビームのエネルギーレベルを変えるために電子ビーム発生装置の高圧電源の電圧を変更していた。高圧電源の電圧を変更すると、電子ビームの軸が大きく変化するため、全く同じ場所に正確に電子ビームを照射することが困難であった。そのため、従来の基板電流測定方法では、測定精度が低下するという課題があった。
【０００６】
また、測定感度を変化させるために非常に低いエネルギーレベルを有した電子ビームを使用する必要があるが、従来における高圧電源の電圧の変更だけでは、非常に低いエネルギーレベルの電子ビームを実現することは困難であった。また、従来方法としては、図１５に示すように半導体基板である測定サンプル４にバイアス電圧Ｖｂを印加する方法も知られていた。しかし、この方法では、電流計５と並列に電源２０が入るため、測定に必要な基板電流が電源２０を介してグランド（接地）に流れてしまう。このため実質的に電流計５に流れる電流が「０」となってしまい測定できない。そればかりか、電子ビーム３のエネルギーレベルを変えるために、電源２０により数キロボルトという電圧Ｖｂを測定サンプル４に加えると電流計５が破壊するなど、実用的には使えないという大きな課題があった。
【０００７】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的は、半導体基板などの測定サンプルに対して照射する電子ビームのエネルギーレベルを容易に設定できる電流測定装置及び電流測定方法を提供することにある。
また、本発明の目的は、測定サンプルして対してダメージを与えることなく、測定サンプルに流れる電流の測定について感度と精度を向上させことができる電流測定装置及び電流測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の電流測定装置は、電子ビームが照射された測定サンプルに生じる電流を測定する電流測定装置であって、電子ビームの放出が可能なように雰囲気制御されたチャンバーと、電子ビームを設定されたエネルギーで放出する電子ビーム放出源と、前記電子ビーム放出源から放出された電子ビームを測定サンプルの特定場所に照射する手段と、前記測定サンプルに流れる電流について少なくとも増幅する電流測定回路と、前記電流測定回路と接地電位との間に電圧を印加する電圧印加手段とを有することを特徴とする。
本発明によれば、電圧印加手段によって電流測定回路にバイアス電圧を印加することができる。これにより、測定サンプルの電位を制御することができる。そして、測定サンプルが電子ビーム照射で受ける実効エネルギーは、その電子ビームのエネルギーから測定サンプルの電位を引いた値となる。したがって、本発明は、電子ビーム放出源から高エネルギーの電子ビームを放出しても、測定サンプルが受ける実効エネルギーを小さくすることができる。そこで、本発明は、測定サンプルして対してダメージを与えることなく、測定サンプルに流れる電流の測定について感度と精度を向上させることができる。
【０００９】
また、本発明の電流測定装置は、電子ビームが照射された測定サンプルに生じる電流を測定する電流測定装置であって、電子ビームの放出が可能なように雰囲気制御されたチャンバーと、電子ビームを設定されたエネルギーで放出する電子ビーム放出源と、前記電子ビーム放出源から放出された電子ビームを測定サンプルの特定場所に照射する手段と、前記測定サンプルに容量結合している電極と、前記電極に流れる電流について少なくとも増幅する電流測定回路と、前記電流測定回路と接地電位との間に電圧を印加する電圧印加手段とを有することを特徴とする。
本発明によれば、測定サンプルに対して直接バイアス電圧を印加せずに、電流測定回路に印加した電圧により測定サンプルの電位を変化させることができる。そして、測定サンプルが受ける実効エネルギーは、照射された電子ビームのエネルギーから測定サンプルの電位を引いた値となる。したがって、本発明は、測定サンプルして対してダメージを与えることなく、測定サンプルに流れる電流の測定について感度と精度を向上させることができる。また、本発明は、測定サンプルと電流測定回路（又は電極）とを配線接続する必要がなく、測定サンプルの測定位置などへの設置及び取り外しが容易となり、実用性を高くすることができる。
【００１０】
また、本発明の電流測定装置は、電子ビームを測定サンプルに照射することにより生じる電流を測定する電流測定装置であって、電子ビームの放出が可能なように雰囲気制御されたチャンバーと、電子ビームを設定されたエネルギーで放出する電子ビーム放出源と、前記電子ビーム放出源から放出された電子ビームを測定サンプルの特定場所に照射する手段と、前記測定サンプルへの電子ビームの照射によって発生した散乱電子又は二次電子を回収する電極と、前記電極に流れる電流について少なくとも増幅する電流測定回路と、前記電流測定回路と接地電位との間に電圧を印加する電圧印加手段とを有することを特徴とする。
本発明によれば、電圧印加手段によって電流測定回路にバイアス電圧を印加することができる。これにより、測定サンプルの電位を制御することができる。そして、測定サンプルが電子ビーム照射で受ける実効エネルギーは、その電子ビームのエネルギーから測定サンプルの電位を引いた値となる。したがって、本発明は、電子ビーム放出源から高エネルギーの電子ビームを放出しても、測定サンプルが受ける実効エネルギーを小さくすることができる。ここで、低いエネルギーを有する電子ビームは、二次電子放出確率を向上させることができる。そこで、本発明は、測定サンプルへの電子ビーム照射により生じる電流の測定において、測定サンプルして対してダメージを与えることなく、感度と精度を向上させることができる。
【００１１】
また、本発明の電流測定装置は、前記電子ビーム放出源から放出された電子ビームの一部分を通過させるアパーチャを有することを特徴とする。
本発明によれば、電子ビームについてアパーチャを通過させることにより、エネルギーの揃った電子ビームを測定サンプルへ照射することができる。そこで、本発明は、測定サンプルの所望部位に高度に焦点の合った電子ビームを照射でき、高解像度に測定サンプルを検査することができる。
【００１２】
また、本発明の電流測定装置は、前記電子ビーム放出源から放出された電子ビームを第１のエネルギーレベルに加速する加速電極と、前記加速電極に電圧を印加する加速電源と、前記加速電極で加速された電子ビームの一部分を通過させるアパーチャと、前記アパーチャを通過した電子ビームのエネルギーを第２のエネルギーレベルに変換する減速電極と、前記減速電極に電圧を印加する減速電源とを有することを特徴とする。
本発明によれば、電子ビームについてアパーチャを通過させることにより、エネルギーの揃った電子ビームを測定サンプルへ照射することができる。さらに、本発明は、減速電極により、電子ビームを第１のエネルギーレベルから第２のエネルギーレベルに変換することができる。そこで、加速電極などで電子ビームのエネルギーをいくら高くしても、測定サンプルに到達する電子ビームのエネルギーは減速電極によって制御可能である。そこで、本発明は、測定サンプルへダメージを与えることを回避しながら、測定サンプルの所望部位に高度に焦点の合った電子ビームを照射でき、高解像度に測定サンプルを検査することができる。
【００１３】
また、本発明の電流測定装置は、前記電圧印加手段が、前記電流測定回路と接地電位との間に可変電圧を印加する可変電源を有してなることを特徴とする。
本発明によれば、電子ビーム放出源側の設定を変更せずに、可変電源の出力を変更することのみで、測定サンプルに照射する電子ビームの実効エネルギーレベルを変更することができる。したがって、非常に簡便且つ迅速に実効エネルギーレベルを変更することができる。また、本発明によれば、測定サンプルにおける同一箇所に異なる実効エネルギーレベルの電子ビームを迅速に照射でき、測定精度の向上を図れるとともに、測定のスループットを向上させることができる。
【００１４】
また、本発明の電流測定装置は、前記電流測定回路の電流測定タイミングと同期して、前記電圧印加手段又は可変電源による電圧印加のタイミングを制御する制御手段を有することを特徴とする。
本発明によれば、電流測定回路を介しての測定サンプルへのバイアス電圧印加のタイミングと、電流測定タイミングとを同期させることができる。これにより、電流測定において問題となるホワイトノイズなどを簡便に除去することができ、測定サンプルに流れる電流などの測定について感度及び精度をさらに向上させることができる。
【００１５】
また、本発明の電流測定装置は、前記電流測定回路の構成要素をなすものであるとともに、前記測定サンプルに流れる電流について増幅する演算増幅器と、前記演算増幅器における正又は負入力端子に電圧を印加するバイアス電源とを有することを特徴とする。
本発明によれば、例えば、演算増幅器の負入力端子に測定サンプルを電気的に接続し、演算増幅器の正入力端子にバイアス電圧を印加し、演算増幅器の出力と負入力端子との間に抵抗器を配置した構成とすることができる。このようにすると、バイアス電圧が演算増幅器の負入力端子を介して測定サンプルに印加される。そこで、本発明は、電子ビーム放出源から高エネルギーの電子ビームを放出しても、測定サンプルが受ける実効エネルギーを小さくでき、測定サンプルに対してダメージを与えることなく、測定サンプルに流れる電流の測定について感度と精度を向上させることができる。
【００１６】
また、本発明の電流測定装置は、前記電流測定回路の構成要素をなすものであるとともに、前記測定サンプルに流れる電流について増幅する演算増幅器と、前記演算増幅器における正又は負入力端子に可変電圧を印加する演算増幅器用可変電源と、前記可変電源の出力電圧を制御する信号を出力する制御信号発生部とを有することを特徴とする。
本発明によれば、制御信号発生部が出力する信号により、測定サンプルの電位を制御することができる。ここで、演算増幅器用可変電源が出力する可変電圧としては、サイン波、矩形波、ノコギリ波などの周期的な波形でもよく、トリガー的な波形でもよい。これらにより、本発明は、測定サンプルの属性などに応じて、最適な可変電圧を選んで電流測定などをすることができ、より高精度にプロセス評価などをすることができる。
【００１７】
また、本発明の電流測定方法は、電子ビームを測定サンプルに照射し、該測定サンプルに生じる電流を測定する電流測定方法であって、前記測定サンプルに生じる電流について増幅する増幅回路を配置する手順と、前記増幅回路と接地電位との間に電圧を印加する手順とを有することを特徴とする。
本発明によれば、増幅回路と接地電位との間に電圧を印加することにより、測定サンプルの電位を制御することができる。したがって、測定サンプルが電子ビーム照射で受ける実効エネルギーを、前記電圧によって小さくすることができる。そこで、本発明は、測定サンプルして対してダメージを与えることなく、測定サンプルに流れる電流の測定について感度と精度を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は、半導体基板などの測定サンプルに対して照射する電子ビームの実効エネルギーレベルを低くしながら、測定サンプルに流れる電流などの測定について感度及び精度を向上させることができる。したがって、測定サンプルに対してダメージを与えることなく、測定サンプルの属性等の測定について感度と精度を向上させることができる。
【００１９】
また、本発明は、電子ビームが照射された測定サンプルにおける実効エネルギーレベルを低くすることができるので、二次電子放出確率を向上でき、測定感度を高くすることができる。
【００２０】
また、本発明は、電子ビーム源などの設定を変えないで、測定サンプルにおける実効エネルギーレベルを大きく可変できるので、非常に早くエネルギーレベルを変更できる。したがって、例えば、測定サンプルにおける同じ箇所に異なるエネルギーレベルの電子ビームを迅速に照射することができ、測定精度を大幅に高めながら、測定のスループットを向上させることができる。
【００２１】
また、本発明は、測定サンプルに電子ビームを照射する態様として、電子ビーム源側及びバイアス電源側のそれぞれで各種設定をすることができる。したがって、測定サンプルにおける実効エネルギーレベルが同一であっても、電子ビーム照射及びバイアス電圧の態様として、いろいろな組み合わせをすることができる。その結果、平均的には同じエネルギーを持つ電子ビームのエネルギー分散状態及び空間分布についての調節が可能となり、用途に応じて最適な組み合わせを選んで、高精度な測定をすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
次に本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る電流測定装置の全体構成例を示す図である。本実施形態の電流測定装置は、チャンバー１と、電子ビーム源２と、電流計（電流測定回路）５と、バイアス電源（電圧印加手段）６と、ＸＹステージ９とを有して構成されている。また、図１において、測定サンプル４は本電流測定装置の測定対象となるものであり、測定サンプル４には電子ビーム３が照射される。例えば、半導体基板であるウエハなどが測定サンプル４となる。
【００２３】
チャンバー１は、電子ビーム３が放出できるように雰囲気制御するためのものである。チャンバー１内には、電子ビーム源２、測定サンプル４、電流計５、バイアス電源６及びＸＹステージ９が配置されている。電子ビーム源２は、設定された一定のエネルギーで電子ビーム３を放出するものである。ここで、電子ビーム源２が放出する電子ビーム３のエネルギーは、高圧電源の電圧（加速電圧）Ｖｈを可変することで変更可能となっている。それぞれの設定電圧は電圧値記憶手段によって、記憶されている。ＸＹステージ９は、電子ビーム源２から放出された電子ビーム３を測定サンプル４における所望の場所に照射するための位置決め機構であり、本発明の特定場所に照射する手段の一例である。電子ビームが照射される場所等も記憶手段によって記憶されている。
【００２４】
電流計５は、本発明の電流測定回路の一例である。すなわち、電流計５は、測定サンプル４に流れる電流について少なくとも増幅する回路を有し、測定サンプル４への電子ビーム照射時に生じる電流を測定するためのものである。また、電流計５は、実際には、機械的な指針による電流計ではなく、微小な電流を電圧信号などに変換して増幅する演算増幅器などを用いた電流測定回路で構成されている（以下、電流計５について同じ）。なお、電流測定回路の詳細については後述する。
バイアス電源６は、本発明の電圧印加手段の一例をなし、電流計５と基準電位（接地電位）との間に電圧Ｖｍを印加するものである。
【００２５】
本実施形態の電流測定装置は、測定サンプル４に直列に、電流計５及び電流計５バイアス用のバイアス電源６を接続した構成に特徴がある。ここで、電流計５のインピーダンスは非常に小さく、事実上ゼロとみなせる。したがって、測定サンプル４を直接バイアスしていないにも関わらず、電流計５に加えたバイアス電圧Ｖｍによって、測定サンプル４の電位を変化させることが可能となる。そこで、本実施形態によれば、測定サンプル４に対して、電子ビーム照射エネルギーＥｉｒから電流計５に加えるバイアス電圧Ｖｍを引いた実効エネルギーを有する電子ビーム照射が実現できる。
【００２６】
また、バイアス電圧Ｖｍを変化させることで、瞬時に、測定サンプル４における電子ビーム３のエネルギーレベルを変更することができる。また、ウエハ等の測定サンプル４の表面近傍でエネルギーの変換が行われるため、電子ビームエネルギーのレベル変更による電子ビームの経路の変化が非常に小さい。従って、例えば、パターンマッチング法などを使用した位置決めによって、数ｎｍオーダーの位置合わせを行った後に、測定サンプル４における電子ビームの実効エネルギーレベルをいろいろ変えながら、全く同じ場所（数ｎｍオーダーの位置合わせ精度）に繰り返し電子ビームを照射することが可能となる。
【００２７】
また、本実施形態の電流測定装置によれば、測定サンプル４を流れる電流が直接電流計５に入力されるので、従来のように電流計５に並列に電源を入れていた場合と比較して（図１５参照）、測定サンプル４で生じた微少な電流を非常に正確に測定できる。
【００２８】
［第２実施形態］
図２は、本発明の第２実施形態に係る電流測定装置を示す回路図である。図２において図１の構成要素と同一のものには同一符号を付けている。本実施形態と第１実施形態との相違点は、本実施形態では電極１０を有している点である。
【００２９】
すなわち、本実施形態の電流測定装置では、測定サンプル４の下に、その測定サンプル４との間で容量結合するプレート状の電極１０が付設されている構成に特徴がある。したがって、電極１０と測定サンプル４との間は交流的に接続されている。この電極１０は、測定サンプル４の裏面にあってもよいし、測定サンプル４の表面又は側面にあってもかまわない。電極１０を測定サンプル４の裏面に配置した場合、電極１０は測定サンプル４とほぼ同じ大きさを有することとして、非常に大きな容量を形成することができる。ここで、非常に大きな容量とは、例えば、測定サンプル４と電流測定装置の筐体との寄生容量等に比較して、非常に大きな容量という意味である。
【００３０】
本実施形態の電流測定装置は、測定サンプル４の下に設けられた電極１０に電流計５が直接接続されており、その電流計５に直列に電圧を加えるためのバイアス電源６が設けられている。測定系に存在する容量成分は、電極１０と測定サンプル４との間にできた容量と、測定サンプル４と測定装置筺体間に生じる寄生容量が主な成分となる。この中で、測定サンプル４と電極１０の間に生じる容量は圧倒的にほかの容量と比較して大きい。したがって、測定サンプル４を直接バイアスしていないにも関わらず、電流計５に加えたバイアス電圧Ｖｍによって測定サンプル４の電位を変化させることができる。そこで、本電流測定装置は、測定対象の測定サンプル４に対して、電子ビーム３の照射エネルギーＥｉｒから電流計５に加えるバイアス電圧Ｖｍを引いた実効エネルギーを加えることができる。また、本実施形態の電流測定装置によれば、測定サンプル４に電流計５を直接接続する必要がなく、実用性を高めることができる。
【００３１】
［第３実施形態］
図３は、本発明の第３実施形態に係る電流測定装置を示す回路図である。図３において図１の構成要素と同一のものには同一符号を付けている。本実施形態と第１実施形態との相違点は、本実施形態では加速電極１１と加速電源１１ａとアパーチャ１２とを有している点である。加速電極１１は、電子ビーム源２から放出された電子ビームを加速するものである。加速電源１１ａは、加速電極１１に加速電圧Ｖａを印加するものであり、加速電極１１におけるその加速の度合いを可変制御するものである。アパーチャ１２は、電子ビーム源２から放出されて加速電極１１で加速された電子ビームの一部分を通過させるものである。
【００３２】
光学の原理によれば、物体を見分ける指標となる分解能は利用する光の波長と同等程度であることが分かっている。電子ビームは波長が非常に短いことが特徴である。例えば、１００ｅＶの電子ビームでさえ波長は１オングストロームよりも小さい。しかしながら、実際に発生し得る電子ビームは大きなエネルギーの分散があり、波長から想定されるよりもはるかに低い分解能しか得ることができない。
【００３３】
図３に示す本実施形態の電流測定装置では、加速電極１１及び加速電源１１ａを用いて電子ビーム源２から飛び出た電子ビーム３を加速電圧Ｖａにより一旦非常に高いエネルギーレベルの状態にする。例えば、電子ビーム３を加速電極１１により５ｋＶ程度までエネルギーを増加させる。この状態で非常に小さな円筒形のアパーチャ１２を通過させ、エネルギーレベルの揃っている部分だけを取り出す。その後、図１に示す第１実施形態の場合と同様な構成により、測定サンプル４における実効的な電子ビーム照射エネルギーを下げる。
【００３４】
アパーチャ１２は、例えば数ミクロンの大きさを有しており、一種のエネルギーフィルターを構成する。電子ビーム源２から放出される電子ビームはチップと呼ばれる電子ビーム放出電極の広い範囲から放出される。放出される領域は数百オングストロームの範囲と小さな領域ではあるが、放出される場所によって電子ビームのエネルギーに差が生じる。この差が生じると、電子ビーム３をフォーカスした際に、収差が生じて異なった場所に焦点を結ぶため、像がぼけてしまう原因となる。これらは、測定精度を下げる原因になるので、できるだけ等しいエネルギーを持った電子ビーム３のみを測定に使用したいという要望がある。
【００３５】
本実施形態によれば、アパーチャ１２において、電子ビームにおけるエネルギーレベルが揃っている中心部のみが通過する。これにより、電子ビーム源２から電子ビームが放出された時のエネルギー分散に比べ非常に小さな分散を持つようになる。このような状態の電子ビーム３は電子ビームエネルギーが低くても良いフォーカスを実現できる。その後、電流計５に加えられた例えば４．５ｋＶというようなバイアス電圧Ｖｍにより、測定サンプル４が実際に受ける電子ビームエネルギーは５００ｅＶと小さなものになる。しかしながら、この電子ビーム３は非常にエネルギーレベルが揃っており、ビームがシャープにフォーカスするようになる。
【００３６】
これらにより、本実施形態の電流測定装置によれば、測定サンプル４の所望部位に高度に焦点の合った電子ビーム３を照射でき、高解像度に測定サンプル４を検査することができる。
【００３７】
［第４実施形態］
図４は、本発明の第４実施形態に係る電流測定装置を示す回路図である。図４において図１から図３の構成要素と同一のものには同一符号を付けている。本実施形態と第３実施形態との相違点は、本実施形態では電極１０を有している点である。
【００３８】
すなわち、本実施形態の電流測定装置では、測定サンプル４の下に、その測定サンプル４との間で容量結合するプレート状の電極１０が付設されている構成に特徴がある。したがって、電極１０と測定サンプル４との間は交流的に接続されている。電極１０は、測定サンプル４とほぼ同じ大きさを有しており、他の寄生容量と比較して非常に大きな容量を形成している。そして、測定サンプル４の下に設けられた電極１０には電流計５が直接接続されている。電流計５には、バイアス電源６によってバイアス電圧Ｖｍが印加されている。
【００３９】
このような構成により、測定サンプル４を直接バイアスしていないにも関わらず、電流計５に加えたバイアス電圧Ｖｍによって測定サンプル４の電位を変化させることができる。そこで、本電流測定装置は、測定対象の測定サンプル４に対して、電子ビーム３の照射エネルギーＥｉｒから電流計５に加えるバイアス電圧Ｖｍを引いた実効エネルギーを加えることができる。また、本実施形態の電流測定装置によれば、測定サンプル４に電流計５を直接接続する必要がなく、実用性を高めることができる。
【００４０】
また、本実施形態の電流測定装置によれば、電子ビーム３のエネルギー分散を小さくするためのエネルギーフィルターを加速電極１１及びアパーチャ１２で構成している。したがって、測定サンプル４の所望部位に高度に焦点の合った電子ビーム３を照射でき、高解像度に測定サンプル４を検査することができる。
【００４１】
［第５実施形態］
図５は、本発明の第５実施形態に係る電流測定装置を示す回路図である。図５において図１から図４の構成要素と同一のものには同一符号を付けている。本実施形態と第３実施形態との相違点は、本実施形態では減速電極１３と減速電源１３ａとを有している点である。減速電極１３は、アパーチャ１２を通過した電子ビーム３のエネルギーレベルに変換するものである。減速電源１３ａは、減速電極１３に電圧を印加するものである。
【００４２】
すなわち、本実施形態の電流測定装置では、加速電極１１によって電子ビームが加速されてエネルギー上昇する。その電子ビーム３はアパーチャ１２を通過してフィルタリングされる。その電子ビーム３は、減速電極１３によって減速され、測定サンプル４に照射する手前でエネルギーレベルが下げられる。
【００４３】
例えば、加速電極１１に印可する加速電圧Ｖａを１００ｋＶに設定し、減速電極１３に印加する減速電圧Ｖｄを９９ｋＶに設定する。すると、測定サンプル４の表面では実効的に１ｋｅＶのエネルギーを持つ電子ビームが得られる。さらに、この状態で電流計５に例えば９００Ｖのバイアス電圧Ｖｍを印加することにより、実効的に１００ｅＶのエネルギーを有する電子ビームを実現できる。５ｋＶを超える高加速状態からいきなり数百ｅＶのエネルギーを実現するためには、従来は非常に大きなバイアス電圧Ｖｍを電流計５に加えることが必要となり、実用上困難であった。
【００４４】
本実施形態の電流測定装置によれば、加速電極１１などにより電子ビーム３のエネルギーレベルがどのように高くなっても、減速電極１３を用いてそのエネルギーレベルを制御することができる。そのため、電流計５に加えるバイアス電圧Ｖｍを小さく設定することができる。
【００４５】
［第６実施形態］
図６は、本発明の第６実施形態に係る電流測定装置を示す回路図である。図６において図１から図５の構成要素と同一のものには同一符号を付けている。本実施形態と第５実施形態との相違点は、本実施形態では電極１０を有している点である。
【００４６】
すなわち、本実施形態の電流測定装置では、測定サンプル４の下に、その測定サンプル４との間で容量結合するプレート状の電極１０が付設されている構成に特徴がある。したがって、電極１０と測定サンプル４との間は交流的に接続されている。電極１０は、測定サンプル４とほぼ同じ大きさを有しており、他の寄生容量と比較して非常に大きな容量を形成している。そして、測定サンプル４の下に設けられた電極１０には電流計５が直接接続されている。電流計５には、バイアス電源６によってバイアス電圧Ｖｍが印加されている。
【００４７】
このような構成により、測定サンプル４を直接バイアスしていないにも関わらず、減速電極１３と電流計５に加えたバイアス電圧Ｖｍによって測定サンプル４の電位を変化させることができる。そこで、測定サンプル４に対して、電子ビーム３の照射エネルギーＥｉｒから減速電圧Ｖｄ及びバイアス電圧Ｖｍを引いた実効エネルギーを加えることができる。また、本実施形態の電流測定装置によれば、測定サンプル４に電流計５を直接接続する必要がなく、実用性を高めることができる。
【００４８】
［第７実施形態］
図７は、本発明の第７実施形態に係る電流測定装置を示す回路図である。図７において図１から図６の構成要素と同一のものには同一符号を付けている。本実施形態と第５実施形態との相違点は、本実施形態ではバイアス電源６を備えず、可変電源７と制御信号発生部８とを有している点である。可変電源７は、電流計５と接地電位との間に可変電圧を印加するものである。制御信号発生部８は、可変電源７の動作を制御する電圧制御信号を出力するものである。
【００４９】
すなわち、本実施形態の電流測定装置は、制御信号発生部８が出力する電圧制御信号によって、電流計５に印加するバイアス電圧Ｖｍを可変制御できる構成に特徴がある。制御信号発生部８は、自立発振的な交流信号発生装置でもよいし、外部のコンピュータ（図示せず）からのデジタルあるいはアナログ信号を基に電圧制御信号を生成する装置でもよい。
【００５０】
例えば、外部のコンピュータには本発明の電流測定装置を自動制御するためのプログラムが存在し、ある一定のシーケンスに基づいて、測定サンプル４に流れる電流の測定がなされる。例えば、測定サンプル４をなす測定対象ウエハが、先ず、ウエハカセットから１枚ずつ取り出されて、本電流測定装置にロボットによって搬入される。搬入されたウエハはアライメント機構により、正確な位置だしをされ、さらに精密な機械ステージを有するチャンバーに搬送される。
【００５１】
チャンバーに搬送されたウエハは光学的及び電子ビーム的手段により正確な位置だしが行われる。シーケンスには予めウエハのどの部分を測定するのか記録してあるので、そのシーケンスに従って機械ステージが動作し、電子ビーム３を照射する位置が定められる。必要により電子ビームを利用したパターンマッチングなどを行い、正確に測定対象位置を決定する。
【００５２】
決定された位置に対して、１回目の電子ビーム照射をバイアス電圧Ｖｍ１で行う。次いで、２回目の電子ビーム照射をバイアス電圧Ｖｍ２で行う。この２つのバイアス電圧時に得られる電流をそれぞれ測定して保存する。測定された電流値は適当に補正を掛けた後、所定の方程式に代入をして材料の厚みなどへ変換する。
【００５３】
［第８実施形態］
図８は、本発明の第８実施形態に係る電流測定装置を示す回路図である。図８において図１から図７の構成要素と同一のものには同一符号を付けている。本実施形態と第７実施形態との相違点は、本実施形態では電極１０を有している点である。
【００５４】
すなわち、本実施形態の電流測定装置では、測定サンプル４の下に、その測定サンプル４との間で容量結合するプレート状の電極１０が付設されている構成に特徴がある。したがって、電極１０と測定サンプル４との間は交流的に接続されている。電極１０は、測定サンプル４とほぼ同じ大きさを有しており、他の寄生容量と比較して非常に大きな容量を形成している。そして、測定サンプル４の下に設けられた電極１０には電流計５が直接接続されている。電流計５には、可変電源７によってバイアス電圧Ｖｍが印加されている。また、第７実施形態の電流測定装置と同じように、電子ビーム源２、加速電極１１、アパーチャ１２、減速電極１３などが設けられている。
【００５５】
本実施形態の電流測定装置では、第７実施形態の電流測定装置と同じように、電子ビーム源２から放出された電子ビーム３が加速電極１１に加えられた加速電圧Ｖａによって加速される。加速された電子ビーム３はアパーチャ１２を通過し、電子ビーム軸中心を形成する電子ビーム３のみが取り出される。軸中心を形成する電子ビーム３のエネルギーは、電子ビーム源２から放出された時に電子ビーム３が有するエネルギー分散に比べて格段に揃っている。エネルギーが揃った電子ビーム３は減速電極１３に加えられた減速電圧Ｖｄに応じて減速し、測定サンプル４の手前で低いエネルギーを有する状態となる。測定サンプル４の表面の電位は電流計５に印加されたバイアス電圧Ｖｍによって制御される。したがって、測定サンプル４の表面においては、減速電極１３で得られるエネルギーよりもさらに低いエネルギーを持つ電子ビーム３に変換される。
【００５６】
測定サンプル４は容量的に電流計５と接続されている。しかし、測定サンプル４と電極１０の間に生じる容量は、測定サンプル４と電子ビーム源２との間に生じる容量と比較して非常に大きい。そこで、電流計５に加えられたバイアス電圧Ｖｍはほとんど電子ビーム源２と測定サンプル４との間に実質的に加えられる。
【００５７】
［第９実施形態］
図９は、本発明の第９実施形態に係る電流測定装置を示す回路図である。図９において図１から図８の構成要素と同一のものには同一符号を付けている。本実施形態と第７実施形態との相違点は、制御信号発生部８が測定タイミング信号を出力する点である。すなわち、制御信号発生部８は、電流計５の電流測定タイミングと同期して、可変電源７によるバイアス電圧Ｖｍの印加のタイミングを制御する制御手段をなしている。
【００５８】
換言すれば、本実施形態の電流測定装置は、電流計５に可変電源７によりバイアス電圧Ｖｍを印加するタイミングと、電流計５が電流を測定するタイミングとを同期させるように構成されたことに特徴がある。
【００５９】
測定を行わない通常状態ではバイアス電圧Ｖｍは非印加又はあるグローバルに設定された電圧に維持されている。そして、電流計５で測定が実際に行われるタイミングに同期して、電流計５にバイアス電圧Ｖｍが印加される。バイアス電圧Ｖｍが印加されるタイミングは、非常に短い周期の交流信号であっても良いし、比較的長いオンオフ信号であってもかまわない。
【００６０】
本実施形態の電流測定装置によれば、電流計５を介しての測定サンプル４へのバイアス電圧Ｖｍの印加のタイミングと、電流測定タイミングとを同期させることができる。これにより、電流測定において問題となるホワイトノイズなどを簡便に除去することができ、測定サンプル４に流れる電流などの測定について感度及び精度をさらに向上させることができる。
【００６１】
［第１０実施形態］
図１０は、本発明の第１０実施形態に係る電流測定装置を示す回路図である。図１０において図１から図９の構成要素と同一のものには同一符号を付けている。本実施形態と第８実施形態との相違点は、本実施形態では電極１０を有している点である。
【００６２】
すなわち、本実施形態の電流測定装置では、測定サンプル４の下に、その測定サンプル４との間で容量結合するプレート状の電極１０が付設されている構成に特徴がある。したがって、電極１０と測定サンプル４との間は交流的に接続されている。電極１０は、測定サンプル４とほぼ同じ大きさを有しており、他の寄生容量と比較して非常に大きな容量を形成している。そして、測定サンプル４の下に設けられた電極１０には電流計５が直接接続されている。その他の構成部分と動作は、図９に示した第９実施形態の電流測定装置と同様である。
【００６３】
［第１１実施形態］
図１１は、本発明の第１１実施形態に係る電流測定装置を示す回路図である。図１１において図１から図１０の構成要素と同一のものには同一符号を付けている。本実施形態は上記の各実施形態の電流測定装置における電流計５の具体例としての電流測定回路５ａを示している。
【００６４】
電流測定回路５ａは、演算増幅器１４と、演算増幅器１４の正入力端子にバイアス電圧Ｖｍを印加するバイアス電源６と、演算増幅器１４の出力端子と負入力端子との間に配置された高抵抗器Ｒ１とを有してなる。演算増幅器１４の負入力端子には測定サンプル４が電気的に接続されている。
【００６５】
これらにより、電流測定回路５ａは演算増幅器１４を用いた電流電圧変換回路を構成している。測定すべき電流は演算増幅器１４の負入力端子に導入される。負入力端子は演算増幅器１４を構成するＦＥＴトランジスタのゲートに内部的には接続されており、演算増幅のための元信号となる。演算増幅器１４は２つの入力端子の電圧差がゼロボルトになるように動作する。そのため、負入力端子に入力された電流と同じ大きさになるように高抵抗器Ｒ１をバイアスする。このバイアスに必要な電圧が演算増幅器１４の出力となる。
【００６６】
一方、演算増幅器１４が正常に動作しているときは、演算増幅器１４の正入力端子と負入力端子間の電圧がゼロボルトになるように制御されている。従って、演算増幅器１４の正入力端子にバイアス電圧Ｖｍを加えると、そのバイアス電圧Ｖｍと負入力端子の電圧は同じになる。したがって、測定サンプル４に直接電圧を加えなくても、演算増幅器１４の正入力端子に電圧を加えることで、実質的に測定サンプル４の電位を変化させることができる。そこで、電子ビーム照射エネルギーＥｉｒから演算増幅器１４の正入力端子に印加されたバイアス電圧Ｖｍを引いたエネルギーに相当する電子ビームが測定サンプル４に照射される。
【００６７】
そこで、本実施形態の電流測定装置は、電子ビーム源２から高エネルギーの電子ビームを放出しても、測定サンプル４が受ける実効エネルギーを小さくでき、測定サンプル４に対してダメージを与えることなく、測定サンプル４に流れる電流の測定について感度と精度を向上させることができる。
【００６８】
［第１２実施形態］
図１２は、本発明の第１２実施形態に係る電流測定装置を示す回路図である。図１２において図１から図１１の構成要素と同一のものには同一符号を付けている。本実施形態と第１１実施形態との相違点は、本実施形態ではバイアス電源６を備えず、可変電源７と制御信号発生部８とを有している点である。可変電源７は、演算増幅器１４における正入力端子に可変電圧を印加する演算増幅器用可変電源をなすものである。制御信号発生部８は可変電源７の出力電圧を制御する電圧制御信号を出力するものである。
【００６９】
すなわち、本実施形態の電流測定装置は、演算増幅器１４に加えるバイアス電圧Ｖｍを制御信号発生部８からの電圧制御信号により可変とした構成に特徴がある。制御信号発生部８は、電圧制御信号を出力することで、測定サンプル４における電子ビームの実質的なエネルギーレベルを可変することができる。ここで、電圧制御信号によって可変制御されるバイアス電圧Ｖｍは、サイン波、矩形波又はノコギリ波などの周期的な信号でもよいし、トリガー的なワンショット信号でもよい。
【００７０】
これらにより、本実施形態の電流測定装置は、測定サンプル４の属性などに応じて、最適なバイアス電圧Ｖｍの印加形態を選んで電流測定などをすることができ、より高精度にプロセス評価などをすることができる。
【００７１】
［第１３実施形態］
図１３は、本発明の第１３実施形態に係る電流測定装置を示す回路図である。図１３において図１から図１２の構成要素と同一のものには同一符号を付けている。本実施形態と第１２実施形態との相違点は、制御信号発生部８がアパーチャ１２に対して照射タイミング制御信号を出力する点である。より具体的に述べると、アパーチャ上部に存在するブランキング電極に電圧を印加して電子ビームがアパーチャーを通り抜けないようにすることで、電子ビームの照射タイミングを決定する。あるいは、アパーチャー自身の大きさが電気信号によって変化する機構をもちいてもよい。
【００７２】
すなわち、本実施形態の電流測定装置は、演算増幅器１４に加えるバイアス電圧Ｖｍを電子ビーム照射タイミングと同期させることを特徴としている。制御信号発生部８は、測定サンプル４に流れる電流の測定を行うタイミングと同期して、アパーチャ１２における電子ビームの断続と可変電源７でのバイアス電圧Ｖｍとを制御する。
【００７３】
本実施形態の電流測定装置によれば、電子ビームのオンオフタイミングと、電流測定回路５ａでの測定タイミングとを同期させることによって、外部から測定系に入り込む非同期なノイズ（ホワイトノイズなど）を簡便に除去することが可能となる。
【００７４】
以上説明したように、本発明の電流測定装置においては、非常に低いエネルギーを持つ電子ビームを利用して測定することができる。低いエネルギーを有する電子ビームは、二次電子放出確率を向上させ、測定感度を高くすることができる。また、低いエネルギーを有する電子ビームは、測定サンプルに対してダメージを与えない。
【００７５】
また、本発明によれば、電子ビーム源の設定を変えることなく、電子ビームのエネルギーレベルを大きく変えられるので、高速で電子ビームのエネルギーレベルを変更できる。このため、電子ビームのエネルギーレベルを変更した後に同じ場所に電子ビーム照射できるので、複数のエネルギーレベルの電子ビームを用いて測定する場合、測定精度を著しく向上させることができ、またスループットを向上させることができる。
【００７６】
また、本発明によれば、１つの電子ビームエネルギーを設定するときに、電子ビーム源側及び電流測定回路側のそれぞれで、いろいろな条件の組み合わせができる。例えば、電子ビーム源に印加する高圧電源Ｖｈ、加速電圧Ｖａ、減速電圧Ｖｄ、バイアス電圧Ｖｍ、バイアス電圧Ｖｍの波形などを組み合わせることができる。その結果、平均的には同じエネルギーを持つ電子ビームのエネルギー分散状態や空間分布についての調節が可能なので用途に応じて最適な組み合わせの電子ビーム照射形態を選んで使用できる。
【００７７】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明の電流測定装置及び電流測定方法は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００７８】
例えば、上述の実施形態では、測定サンプルへの電子ビームの照射によりその測定サンプルに流れる電流を測定することとしたが、本発明はこれに限定されず、測定サンプルへの電子ビームの照射によって発生した散乱電子又は二次電子を回収する電極を設け、その電極に流れる電流について、上記実施形態と同様にして測定することとしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明は、電子ビームの照射により半導体基板などの測定サンプルに流れる電流などを測定する際に、測定サンプルして対してダメージを与えることなく、その測定について感度と精度を向上させるので、本発明は、各種の電流測定装置及び電流測定方法等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る電流測定装置を示す図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係る電流測定装置を示す図である。
【図３】本発明の第３実施形態に係る電流測定装置を示す図である。
【図４】本発明の第４実施形態に係る電流測定装置を示す図である。
【図５】本発明の第５実施形態に係る電流測定装置を示す図である。
【図６】本発明の第６実施形態に係る電流測定装置を示す図である。
【図７】本発明の第７実施形態に係る電流測定装置を示す図である。
【図８】本発明の第８実施形態に係る電流測定装置を示す図である。
【図９】本発明の第９実施形態に係る電流測定装置を示す図である。
【図１０】本発明の第１０実施形態に係る電流測定装置を示す図である。
【図１１】本発明の第１１実施形態に係る電流測定装置を示す図である。
【図１２】本発明の第１１実施形態に係る電流測定装置を示す図である。
【図１３】本発明の第１１実施形態に係る電流測定装置を示す図である。
【図１４】電流測定についての説明図である。
【図１５】従来の電流測定装置の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００８１】
１…チャンバー、２…電子ビーム源、３…電子ビーム、４…測定サンプル、５…電流計、５ａ…電流測定回路、６…バイアス電源、７…可変電源、８…制御信号発生部、９…ＸＹステージ、１０…電極、１１…加速電極、１１ａ…加速電源、１２…アパーチャ、１３…減速電極、１３ａ…減速電源、１４…演算増幅器
【図１】
2006186103.tif 000003
【図２】
2006186103.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2006186103.tif 000009
【図８】
2006186103.tif 000010
【図９】
2006186103.tif 000011
【図１０】
2006186103.tif 000012
【図１１】
2006186103.tif 000013
【図１２】
2006186103.tif 000014
【図１３】
2006186103.tif 000015
【図１４】
2006186103.tif 000016
【図１５】
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