(57)【要約】【課題】  本発明は、電子ビームを走査することによって、試料の帯電量、或いは焦点調整量を測定するに際し、電子ビーム走査による帯電蓄積に基づく帯電量誤差、或いは焦点ずれを抑制可能な方法及び装置の提供を目的とする。【解決手段】  上記目的を達成するために、本発明の一態様によれば、試料上の電子ビームの走査個所を移動しつつ、エネルギーフィルタへの印加電圧を変化させることで、帯電量を測定、或いは試料への印加電圧を制御する帯電測定方法、焦点調整方法、或いは走査電子顕微鏡を提案する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料に電子ビームを走査することによって検出される電子に基づいて、当該試料の帯電を測定する帯電測定方法において、
前記試料から放出される電子をエネルギーフィルタリングするエネルギーフィルタを備え、前記試料に対する異なる個所への電子線照射ごとに、前記エネルギーフィルタに異なる電圧を印加することで、前記エネルギーフィルタへの印加電圧の変化に対する前記検出される電子の量の変化を示す第１の波形を形成し、当該第１の波形と、予め取得された第２の波形を比較することによって、前記第１の波形を取得した試料の帯電量を測定することを特徴とする帯電測定方法。
【請求項２】
請求項１において、
前記第２の波形は、前記電子ビームの照射領域が導電性の試料に対する電子ビーム照射によって取得されるものであることを特徴とする帯電測定方法。
【請求項３】
電子源と、当該電子源から放出された電子ビームを走査する走査偏向器と、前記試料への電子ビーム走査に基づいて得られる電子を検出する検出器と、前記試料から放出される電子についてエネルギーフィルタリングを行うエネルギーフィルタと、当該エネルギーフィルタへの印加電圧を制御する制御装置を備えた走査電子顕微鏡において、
前記制御装置は、前記試料に対する異なる個所への電子線照射ごとに、前記エネルギーフィルタに異なる電圧を印加することで、前記エネルギーフィルタへの印加電圧の変化に対する前記検出される電子の量の変化を検出し、所定の検出電子量が得られたときの前記印加電圧に基づいて、前記試料の帯電量、或いは前記試料に印加する印加電圧を算出することを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項４】
請求項３において、
前記制御装置は、前記試料に印加する電圧を一定にした状態で、前記試料に対する異なる個所への電子ビーム照射を行うよう前記試料への印加電圧を制御することを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項５】
請求項３において、
前記制御装置は、前記印加電圧と、予め記憶された電圧値との差異に基づいて、前記試料の帯電量、或いは前記試料に印加する印加電圧を算出することを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項６】
請求項３において、
前記制御装置は、前記検出量が所定の閾値以下になったときに、当該電子検出を中止し、前記帯電量、或いは試料に印加する印加電圧を算出することを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項７】
請求項３において、
前記制御装置は、前記試料の中央で帯電の測定を行い、当該帯電電圧が所定の閾値以下の場合には、帯電測定を中止し、所定の閾値を超える場合には、帯電測定を継続することを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項８】
請求項３において、
前記制御装置は、試料上の複数領域の帯電測定の結果に基づいて、当該帯電の分布を前記試料表面方向の距離の関数を求め、当該関数に基づいて、前記試料上の任意の個所の帯電電圧を計算することを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項９】
請求項８において、
前記制御装置は、前記関数に基づいて、前記試料に印加する電圧を計算することを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項１０】
試料に電子ビームを走査することによって検出される電子に基づいて、前記電子ビームの焦点を調整する焦点調整方法において、
前記試料から放出される電子をエネルギーフィルタリングするエネルギーフィルタを備え、前記試料に対する異なる個所への電子線照射ごとに、前記エネルギーフィルタに異なる電圧を印加することで、前記エネルギーフィルタへの印加電圧の変化に対する前記検出される電子の量の変化を示す第１の波形を形成し、当該第１の波形と、予め取得された第２の波形を比較することによって、前記試料に印加する負電圧を計算することを特徴とする焦点調整方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、帯電測定方法、焦点調整方法、及び走査電子顕微鏡に係り、特に半導体用にウェハ上に形成されたパターンの寸法や形状を自動でかつ高精度に計測あるいは観察するための帯電測定方法、焦点調整方法、及び走査電子顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体素子の高集積化および微細化に伴い、ウェハ上に多種多様なパターンが形成され、その形状や寸法の評価、測定が益々重要となっている。多数の測定点を自動、高速かつ高精度で測定するためには、まず測定点の検出を如何に高速で処理できるかが重要であり、そのためには測定点に移動した際にパターン上にフォーカスが合っていることが必須である。
【０００３】
また、高精度にパターン寸法を測定するためには、ウェハがもつ帯電圧を考慮した正確な加速電圧から観察倍率を算出し、測定を行う必要がある。電子光学系において、ウェハ上へのフォーカス条件は電子ビームの加速電圧、ウェハの高さから決定される。
【０００４】
電子ビームの加速電圧は、電子源から電子ビームを引き出す際の引出電圧、電子ビームを減速するためウェハに印加されるリターディング電圧、ウェハ表面の帯電電圧によって定まる。帯電量等に依らず、所望の加速電圧を得るため、引出電圧を一定に保った状態で、ウェハの帯電電圧等に応じて試料の印加電圧をコントロールする技術が、引用文献１、２、及び３に説明されている。
【０００５】
帯電量等に応じて試料に印加する負電圧（リターディング電圧）をコントロールする技術は、リターディングフォーカスとも呼ばれ、電子ビームの引出電圧を一定に保ちながらリターディング電圧を変化させることによりフォーカス条件を変化させ、フォーカスがウェハに合ったときのリターディング電圧と、引出電圧値、ウェハの高さから測定点のウェハ帯電圧を逆算することができる。
【０００６】
また、特許文献４には、エネルギーフィルタを備えた走査電子顕微鏡において、試料に電子ビームを照射した状態にて、エネルギーフィルタへの印加電圧を徐々に変化させ、そのときに得られるエネルギーフィルタへの印加電圧の変化に対する検出される電子量の推移を示すグラフ波形（以下、Ｓカーブと称することもある）に基づいて、試料表面の帯電を計測する技術が説明されている。
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−５２６４２号公報
【特許文献２】特開２００１−２３６９１５号公報
【特許文献３】特開平４−２２９５４１号公報
【特許文献４】特開２００６−１９３０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
近年になって接地しても残留する固定的な帯電をもつウェハが散見されるようになった。この固定的帯電の原因は例えばスピンコーターによるレジスト塗布時の摩擦でレジスト内部の有極性物質が分極し電位が固定するのであるとか、プラズマを使用したエッチング処理による帯電であると言われている（この固定的帯電は、ウェハの広い領域（例えばウェハの全面）に亘って付着する帯電であるため、以下の説明では大域帯電と称することもある）。
【０００９】
また、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）技術を使用する場合、ウェハに絶縁膜を形成し、絶縁膜上に半導体パターンを形成するため、数百ボルトの帯電が発生する場合がある。
【００１０】
特許文献１乃至３に説明されているようなリターディングフォーカス技術によれば、試料表面の帯電によらず、フォーカス条件を調整することが可能であるが、リターディング電圧を変化させることによって、試料帯電が変化する可能性があるため、正確な測定ができない場合がある。特に大域帯電や、絶縁層に形成される表面電位は、試料に印加されるリターディング電圧の変化に伴い、その帯電量が変化する場合がある。一方、ウェハの帯電は到達する電子ビームの加速電圧を変化させるため、ウェハ上へのフォーカス条件および得られる二次電子像の観察倍率も変化する。この場合、電子ビーム照射時のウェハ帯電圧を正しく測定し、フォーカス条件、観察倍率にフィードバックを行わないと、測定点の高速検出、高精度なパターン寸法の測定ができない。
【００１１】
また、リターディングフォーカスは、画像の鮮鋭度等の評価に基づいて、適正なリターディング電圧を設定する技術であるため、試料上に鮮鋭度が評価できるパターンが形成されていないと適用が難しい。
【００１２】
一方、特許文献４に説明されているように、エネルギーフィルタへの印加電圧を変化させたときに得られるＳカーブを用いて、帯電量を測定する技術では、Ｓカーブを取得するために、複数回電子ビームを走査する必要がある。特に大域帯電は、電子ビーム照射によって付着する帯電（以下、局所帯電と称することもある）とは、異種の帯電であり、電子ビームの照射に基づく帯電が付着すると、真の大域帯電を正確に測定することが困難になるという問題がある。
【００１３】
本発明は、電子ビームを走査することによって、試料の帯電量、或いは焦点調整量を測定するに際し、電子ビーム走査による帯電蓄積に基づく帯電量誤差、或いは焦点ずれを抑制可能な方法及び装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を達成するために、本発明の一態様によれば、試料上の電子ビームの走査個所を移動しつつ、エネルギーフィルタへの印加電圧を変化させることで、帯電量を測定、或いは試料への印加電圧を制御する帯電測定方法、焦点調整方法、或いは走査電子顕微鏡を提案する。
【００１５】
以上のような構成によれば、帯電量等を測定するために、エネルギーフィルタへの印加電圧を変化させている過程において、電子ビーム走査による帯電蓄積を抑制することが可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
以上のような構成によれば、電子ビーム走査による帯電の蓄積を極小化して、もともと試料に付着していた帯電の情報を高精度に測定できる。また、焦点調整を行う場合にも正確な帯電情報に基づく高精度な焦点調整を行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に説明する走査電子顕微鏡は、一次電子線を試料に照射すると試料から発生する二次電子がもつエネルギーを測定し、その結果から一次電子が照射された領域の帯電圧を算出する。その際エネルギーの測定はパターン寸法の自動測定時と同様、一定のリターディング電圧を印加したまま行えるので、自動測定時と同じ条件下での正しい帯電圧測定を行うことができる。
【００１８】
またウェハの帯電は大域帯電電圧ΔＶｇと局所帯電電圧ΔＶｓに大別できる。大域帯電電圧ΔＶｇとはフォーカスと倍率両方に影響を与える広い領域の帯電を意味するのに対し、局所帯電電圧ΔＶｓは試料上の同一領域に一次電子の照射を続けると蓄積するような、倍率のみに影響を与える狭い領域の帯電を意味する。フォーカスを合わせるにはΔＶｇのみを正しく測定する必要があるが、二次電子のエネルギーから算出できるのはΔＶｇと
ΔＶｓの和であるため、ΔＶｓを極力零に抑えるための発明も同時に必要となる。
【００１９】
二次電子はパターンの有無に関わらず常に発生するため、リターディングフォーカスシステムのようにパターンの自動検出を事前に行う必要もなく、高速にウェハ帯電圧を測定することが可能である。
【００２０】
以下、図面を用いて本発明の実施形態について述べる。
【００２１】
図１に、走査電子顕微鏡の概略図を示す。電子源から引き出された一次電子１（電子ビーム）は、コンデンサレンズ５で絞られた後、走査偏向器６によりウェハ上を二次元走査される。一次電子は、試料ステージ９を介して試料８に印加されたリターディング電圧
Ｖｒにより減速され、かつ対物レンズ７のレンズ作用で収束されてウェハ上に照射される。
【００２２】
一次電子１がウェハに照射されると二次電子２が発生し、二次電子２はリターディング電圧Ｖｒにより電子源方向に加速される。二次電子２は変換電極９にあたり、新たに変換電極９から発生した二次電子３が二次電子検出器１０で捕捉され、二次電子３の量に応じて二次電子検出器の出力Ｉが変化する。この出力Ｉに応じてディスプレーの輝度調整を行う。なお、図１の説明では、試料から放出された二次電子を変換電極にて一旦変換して検出する例について説明するが、無論このような構成に限られることはなく、例えば、加速された二次電子、或いは後方散乱電子の軌道上に、電子増倍管や検出器の検出面を配置するような構成とすることも可能である。
【００２３】
制御装置１４は、試料に印加する負電圧（リターディング電圧）や、エネルギーフィルタのメッシュ電極８に印加する電圧を制御可能な構成となっている。また、制御装置１４は、以下に説明するような制御を自動で行うためのプログラムを記憶するための図示しない記憶媒体が内蔵されている。
【００２４】
本実施例では、大域帯電電圧ΔＶｇの計測手段として二次電子のエネルギーフィルタを備える。例えば、変換電極９の下にメッシュ電極８を設置し、ウェハに帯電がない場合に印加されるリターディング電圧Ｖｒを基点としてメッシュ電極８の印加電圧Ｖｅを走引し、二次電子の信号量変化（いわゆるＳカーブ）を計測する。
【００２５】
図２に計測されるＳカーブの例を示す。横軸は、メッシュ電極８への印加電圧Ｖｅ、縦軸は電子検出量Ｉである。表面が導電性の試料で測定したＳカーブと、実試料の観察点でのＳカーブを比較することで、シフト電圧から大域帯電電圧ΔＶｇと局所帯電電圧ΔＶｓの和が求まる。通常、大域帯電電圧ΔＶｇは倍率で約５０ｋ倍まで、試料上のＦＯＶで約２.７mm 四方以上の広範囲に分布する帯電を意味する。局所帯電電圧ΔＶｓは倍率で約
５００倍以上、試料上のＦＯＶで約０.２７mm 四方以下の狭い範囲の帯電の変化を意味する。また５０〜５００倍は、局所帯電から大域帯電への遷移倍率といえる。大域帯電電圧が正しく計測できれば、試料の物理的な高さを計測するセンサと組み合わせて自動フォーカス合わせが可能となる。試料高さを計測するセンサは、光源１１と、受光部１３を含み、光源１１から放出されたレーザー光１２の反射位置に応じて、試料の高さを計測するように構成されている。
【００２６】
なお、基準となるＳカーブを作成するための標準試料として、試料表面が、実際の測定対象の試料と同等の組成であり、且つ大域帯電が付着していない試料を採用することも可能である。上記したように、大域帯電は半導体製造プロセスの中で、蓄積されるものであり、そのようなプロセスを経ずに且つ、試料表面の構成が同等の試料があれば、それを、基準Ｓカーブを作成するための標準試料とすることが可能である。
【００２７】
図３にスキャン前後の試料帯電圧の変化を示す。局所帯電電圧ΔＶｓはウェハ上の同一領域のスキャンを繰り返した場合に発生するため、今までスキャンしたことのない領域をＳカーブの計測に使用すれば、ΔＶｓはほぼ零とみなせる。従ってエネルギーフィルタによる大域帯電電圧ΔＶｇのみの計測が可能である。
【００２８】
図４に実際にΔＶｓを増加させずにＳカーブを描く方法を示す。計測したい場所の周辺で、局所帯電電圧ΔＶｓが安定し、かつ大局帯電電圧ΔＶｇに影響を与えない２７〜270ミクロン四方程度の領域をＳカーブのプロットに必要な計測点数分に細かく分ける。例えばＳカーブのプロットに計９点の計測が必要である場合、一測定あたりの領域を９〜９０ミクロン四方にしてもよいし、横に９等分してもよい。
【００２９】
そして図５の大域表面帯電計測フローのように、エネルギーフィルタへの印加倍率と、１測定に使うスキャン領域を同時にずらしながら各条件下における画像の平均輝度を算出する。使用する領域にパターンが存在しなくても平均輝度は算出できるので、従来のパターン検出、画像処理を伴うオートフォーカスよりも高速にフォーカスの粗調整ができる。平均輝度が一定の閾値以下になったら計測を中止し、すぐにシフト電圧の算出に移るようにしておけば、さらなる高速化が可能となる。
【００３０】
なお、図４の例では、マトリクス状に帯電測定用の走査位置を配列したが、これに限られることはなく、例えば走査位置を一次元的に配列することも可能である。特に大域帯電は、試料中心を最大として、試料の縁に行くに従って徐々に電位が減少していくような帯電である。即ち、円形状のウェハの場合、帯電が同心円状に分布していることになる。このような帯電を高精度に測定するためには、ウェハの周方向に帯電測定用の走査位置を配列することが望ましい。特に、実際の測長、検査位置と、同じ半径位置、或いはウェハの半径方向に延びる直線に対する垂線に沿って、走査位置を配列することが望ましい。
【００３１】
このように走査位置を配列することによって、大域帯電がほぼ同じ値を示す位置を選択的に、帯電測定用の走査位置として設定することができる。無論誤差が許容できる範囲で、ウェハの半径方向にも走査位置を配列し、マトリクス状にすることも可能である。
【００３２】
以上のようにして得られた基準となるＳカーブと、測定対象試料から得られたＳカーブを比較することによって、帯電量（ΔＶｇ＋ΔＶｓ）を測定することが可能となる。上述の例によれば、ΔＶｓの増加を極小化することができるため、極めて正確なΔＶｇを得ることができる。なお、具体的なΔＶｇの算出法として、基準Ｓカーブと、測定対象試料から得られたＳカーブを微分したときに得られる２つのピーク間の電位差を求めることが考えられる。
【００３３】
以上のような演算によれば、仮に２つのＳカーブ間の二次電子検出量に、大きな乖離があったとしても正確に、その電位差を特定することが可能となる。なお、この演算法以外でも特定の電子検出量が得られるメッシュ電圧間の差異を演算することで、ΔＶｇを測定することが可能である。また、本例ではΔＶｇを帯電測定個所の大域帯電量としているが、他に何等かの変動要素がある場合、その値が予め特定されている場合は、その所定量
ΔＶｃとΔＶｇの加算結果を帯電量とすることも勿論可能である。
【００３４】
更に、ΔＶｇ、或いはΔＶｇ＋ΔＶｃをリターディングフォーカスのためのフォーカス量として、リターディング電圧に印加することも可能である。また、ΔＶｇ相当のフォーカスを、対物レンズ７への励磁電流に置き換えて、励磁電流を変化させることによって、焦点調整を行うことも可能である。そのために制御装置１４は、ΔＶｇと励磁電流Ｉobjとの関係を予めテーブルとして記憶しておき、算出されたΔＶｇに従って、励磁電流を求めるような構成としても良い。
【００３５】
図６にパターン寸法の自動計測シーケンスの実行中に大域表面帯電を計測し、リターディング電圧Ｖｒを変更することでフォーカス、倍率を補正する方法を示す。通常はウェハ中心が一番帯電しているためウェハ中央で大域表面帯電を計測し、ある閾値の範囲内であれば帯電無しとして通常のシーケンスに戻る。閾値を超えれば帯電ありと判断し、最適な大域表面帯電近似関数Ｖｇｆ（ｒ）が求まるまで計測を繰り返す。大域表面帯電近似関数Ｖｇｆ（ｒ）とは大域表面帯電がウェハ中心からの距離ｒに応じて一定と仮定することにより、Ｎ個の計測結果からウェハの表面電位分布をＶｇ（ｒ）＝ｋ1・ｒ2(N-1)＋ｋ2・
ｒ2(N-2)＋…＋ｋN-1・ｒ2＋ｋNの高次偶関数で近似することを示す。計測結果が増えるにつれて近似関数の次数、精度が向上する。
【００３６】
大域表面帯電の計測は、パターン寸法の自動計測シーケンスの実行中にステージ移動が発生する場合のみ行うようにする。大域表面帯電の計測のためだけのステージ移動を抑えることで、パターン寸法の自動計測シーケンスのスループットに与える影響を抑えることができる。また走査偏向器を利用して、実際のパターン寸法計測に使用する領域と重ならない領域で大域表面帯電の計測を行うことにより、局所表面帯電がパターン寸法計測の誤差を引き起こすことを防ぐ。
【００３７】
大域表面帯電近似関数Ｖｇｆ（ｒ）と実際の計測値が一定の閾値以内に収まるようになったら近似関数の精度が十分得られたとして、これ以降の計測を行わない。また最終的な近似関数が得られるまでの間も、その途中の式から次の計測点のおおよその帯電圧が予想できるわけであるから、次の計測の際にリターディング電圧Ｖｒとにフィードバックする形でエネルギーフィルタの電圧を振る範囲の最適化を行ってもよい。そうすることで計測自体の信頼性、高速化をより高めることが可能となる。
【００３８】
以上、本発明の一態様によれば、リターディング電圧を印加した状態にて、当該リターディング電圧を変化させることなく、正確な大域帯電の測定が可能となる。リターディング電圧の変化は、帯電量の変化を誘起することになるため、リターディング電圧を変化させない状態で、帯電量を測定できる本例の手法は非常に有効である。
【００３９】
また、エネルギーフィルタを用いて、試料表面の電位を測定する場合、エネルギーフィルタへの印加電圧を変化させて、その際の二次電子量の変化をみる必要があるため、その間、電子ビームを照射し続けなければならなかったが、上記本発明の一態様によれば、異なる走査個所に対して電子ビームを照射することによって、上記二次電子量の変化を検出するようにしているため、局所的な帯電蓄積による大域帯電の測定誤差を低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】走査電子顕微鏡の概略図。
【図２】エネルギーフィルタへの印加電圧Ｖｅの変化に対する二次電子検出器の出力Ｉの推移を示すグラフ。
【図３】電子ビーム走査前後の帯電の変化を説明する図。
【図４】局所帯電を抑制しつつ大域帯電を測定するためのスキャン方法を説明する図。
【図５】大域帯電を測定する過程を示すフローチャート。
【図６】帯電している可能性のある試料を自動測定する過程を示すフローチャート。
【符号の説明】
【００４１】
１  一次電子線
２  二次電子
３  変換電極で発生した二次電子
４  電子源
５  コンデンサレンズ
６  走査偏向器
７  対物レンズ
８  試料
９  試料ステージ
１０  二次電子検出器
１１  レーザー発行器
１２  レーザー光
１３  ポジションセンサ
１４  制御装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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