(57)【要約】【課題】半導体素子等の製造歩留まり向上のために必要な異物元素検査である電子線を照射して試料から発生するＸ線による元素分析を、高精度、高分解能、高速に実施できる電子顕微鏡またはＸ線分析装置及び試料の分析方法を実現することを目的とする。【解決手段】電子線の加速電圧に応じてＸ線計数率が１０００から２０００ｃｐｓになるように自動的に電流を増減する手段と、Ｘ線スペクトルの分析のためにデータベースに格納した参照スペクトルと照合する際に複数個のＸ線エネルギー範囲を設定し、各Ｘ線エネルギー範囲ごとに照合を実施する手段と、２個以上の異なる加速電圧の電子線で取得したＸ線スペクトルの比から観測される元素の分布を分析する手段を備える。【選択図】  図６
2004151045.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子源、電子ビームを集束するレンズを備える電子ビーム光学系と、電子ビーム光学系を制御する光学系制御装置と、試料を載置する試料台と、該電子ビームを該試料に照射して該試料から発生する電子を検出する電子線検出器と該試料から発生するＸ線を検出するＸ線検出器と両方の検出器からの信号を処理して、それぞれ試料の画像形成および元素分析を実施する処理装置を備える電子顕微鏡において、複数種類の標準的な物質のＸ線スペクトル（参照スペクトル）と各参照スペクトルに対応する物質名を含むラベルをデータとして有するデータベースを具備しており、試料のＸ線スペクトル（サンプルスペクトル）を前記データベース中の参照スペクトルと照合して前記サンプルスペクトルのスペクトル形状との一致度を計算し、一致度が高い前記データベース中の参照スペクトルを抽出し、抽出された参照スペクトルの前記ラベルから試料の物質を同定して分析を実施する際に、前記Ｘ線検出器のＸ線エネルギーに対する感度データを備え、かつ、サンプルスペクトルのピークを含むように複数個のＸ線エネルギー範囲を設定し、前記参照スペクトルに前記感度データを乗じた上で、前記設定したＸ線エネルギー範囲ごとに参照スペクトルの強度を前記サンプルスペクトルの強度に規格化して、そのサンプルスペクトルを規格化した参照スペクトルと照合し、かつ、各Ｘ線エネルギー範囲についてサンプルスペクトルと参照スペクトルとの一致度の高い順に参照スペクトルを一または複数個抽出し、そのラベルと一致度と前記規格化に用いた数値を出力する手段を有することを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項２】
請求項１記載のラベルと一致度と前記規格化に用いた数値を出力する機能が一致度の高い順に第１候補または第１候補から第２候補までまたは第１候補から第３候補までを出力することを特徴とした電子顕微鏡。
【請求項３】
２つ以上の異なる加速電圧で得たサンプルスペクトルの強度比を表示することを特徴とする請求項１記載の電子顕微鏡。
【請求項４】
請求項１記載の感度データが参照スペクトルを取得した時点に取得したシリコンウエハ等の標準試料のＸ線スペクトルと照合直前に取得した前記標準試料のＸ線スペクトルの強度比とすることを特徴とする請求項１記載の電子顕微鏡。
【請求項５】
電子源、電子ビームを集束するレンズを備える電子ビーム光学系と、電子ビーム光学系を制御する光学系制御装置と、試料を載置する試料台と、該電子ビームを該試料に照射して該試料から発生する電子を検出する電子線検出器と該試料から発生するＸ線を検出するＸ線検出器と両方の検出器からの信号を処理して、それぞれ、試料の画像形成および元素分析を実施する処理装置を備える電子顕微鏡において、複数種類の標準的な物質のＸ線スペクトル（参照スペクトル）と各参照スペクトルに対応する物質名を含むラベルをデータとして有するデータベースを具備し、試料上の複数個の観察点についてＸ線検出器により得た複数個のＸ線スペクトル（サンプルスペクトル）を格納する記憶装置を具備し、該複数個のサンプルスペクトル間の相互照合により該サンプルスペクトルを１個または複数個のグループに分類し、各グループの一つのサンプルスペクトルについて元素分析する手段を有することを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項６】
請求項５記載の相互照合をする際に、サンプルスペクトルのピークを含むように設定した１個または複数個のＸ線エネルギー範囲ごとにサンプルスペクトル間で相互照合する機能を有することを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項７】
電子源、電子ビームを集束するレンズを備える電子ビーム光学系と、電子ビーム光学系を制御する光学系制御装置と、試料を載置する試料台と、該電子ビームを該試料に照射して該試料から発生する電子を検出する電子線検出器と該試料から発生するＸ線を検出するＸ線検出器と両方の検出器からの信号を処理して、それぞれ、試料の画像形成および元素分析を実施する処理装置を備える電子顕微鏡において、前記Ｘ線検出器でＸ線を検出することにより単位時間当たりのＸ線発生個数を検出し、それに基づいて前記電子ビームの電流量をフィードバック制御する手段を有することを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項８】
試料からのＸ線発生個数が１秒間に１０００個から２０００個の範囲になるように電子ビームの電流量をフィードバック制御することを特徴とする請求項７記載の電子顕微鏡。
【請求項９】
電子源、電子ビームを集束するレンズを備える電子ビーム光学系と、電子ビーム光学系を制御する光学系制御装置と、試料を載置する試料台と、該電子ビームを該試料に照射して該試料から発生する電子を検出する電子線検出器と該試料から発生するＸ線を検出するＸ線検出器と両方の検出器からの信号を処理して、それぞれ試料の画像形成および元素分析を実施する処理装置を備える電子顕微鏡において、複数種類の標準的な物質のＸ線スペクトル（参照スペクトル）と各参照スペクトルに対応する物質名を含むラベルをデータとして有するデータベースを具備しており、試料のＸ線スペクトル（サンプルスペクトル）を前記データベース中の参照スペクトルと照合して前記サンプルスペクトルのスペクトル形状との一致度を計算し、一致度が高い前記データベース中の参照スペクトルを抽出し、抽出された参照スペクトルの前記ラベルから試料の物質を同定して分析を実施する際に、前記Ｘ線検出器のＸ線エネルギーに対する感度データを備え、かつ、サンプルスペクトルのピークを含むように複数個のＸ線エネルギー範囲を設定し、前記参照スペクトルに前記感度データを乗じた上で、前記設定したＸ線エネルギー範囲ごとに参照スペクトルの強度を前記サンプルスペクトルの強度に規格化して、そのサンプルスペクトルを規格化した参照スペクトルと照合し、かつ、各Ｘ線エネルギー範囲についてサンプルスペクトルと参照スペクトルとの一致度の高い順に参照スペクトルを一または複数個抽出し、そのラベルと一致度と前記規格化に用いた数値を出力することを特徴とする試料の分析方法。
【請求項１０】
電子源、電子ビームを集束するレンズを備える電子ビーム光学系と、電子ビーム光学系を制御する光学系制御装置と、試料を載置する試料台と、該電子ビームを該試料に照射して該試料から発生する電子を検出する電子線検出器と該試料から発生するＸ線を検出するＸ線検出器と両方の検出器からの信号を処理して、それぞれ、試料の画像形成および元素分析を実施する処理装置を備える電子顕微鏡において、複数種類の標準的な物質のＸ線スペクトル（参照スペクトル）と各参照スペクトルに対応する物質名を含むラベルをデータとして有するデータベースを具備し、試料上の複数個の観察点についてＸ線検出器により得た複数個のＸ線スペクトル（サンプルスペクトル）を格納する記憶装置を具備し、該複数個のサンプルスペクトル間の相互照合により該サンプルスペクトルを１個または複数個のグループに分類し、各グループの一つのサンプルスペクトルについて元素分析することを特徴とする試料の分析方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体デバイス、液晶デバイス、磁気ヘッド、等の電子デバイスやマイクロデバイス等の研究開発や製造における観察・分析・評価手段として利用される電子顕微鏡を備えた装置システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
メモリー等のデバイスを製造する場合、製造工程中に発生した異物が混入することがある。異物の例としてはエッチング残り、レジスト残りに代表される処理材料と処理容器の壁材料、ウェーハを固定する材料、真空ガスライン材料等に起因する異種粒子があげられる。これらの異物がウェーハに付着すると不良品が発生することがある。
【０００３】
ウェーハに付着した異物の元素組成を分析し、異物の種類からその発生源を追求し、その原因を取り除くことが、デバイス製造の歩留まりを上げるために重要である。
【０００４】
試料の元素組成情報を得る手段として電子線を照射して、発生するＸ線を検出する手法が知られている。Ｘ線は試料表面及び表面近傍の原子の電子が励起状態からより低いエネルギー状態に落ちるときに放出される特性Ｘ線と入射電子が制動されて放出される制動輻射による入射電子線のエネルギー以下の連続Ｘ線からなる。特性Ｘ線は励起状態によりＫ、Ｌ、及びＭ線で示される元素に固有なエネルギーをもつ。従って、スペクトルに現れるピークのエネルギーを解析することにより試料の元素組成を知ることができる。この方法はエネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＸまたはＥＤＳ）と呼ばれている。この方法による装置はオックスフォード  インスツルメント（Ｏｘｆｏｒｄ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ）、エダックス（ＥＤＡＸ）、サーモノラン  インスツルメント（ＴｈｅｒｍｏＮＯＲＡＮ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ）等の各社から市販されており、定性分析、定量分析の両方が可能になっている。ユーザーは得られたスペクトルを定性分析、定量分析により分析し、元素組成を知ることができる。
【０００５】
Ｘ線スペクトルから試料の組成を同定する別の例が、特開昭６３−１０８２５３（公知例１）に開示されている。複数個の既知物質の特性Ｘ線スペクトル（参照スペクトル）を記憶装置に登録しておき、未知物質のＸ線スペクトルを前記登録しておいた参照スペクトルと照合して物質を同定する方法が述べられている。
【０００６】
この方法によりウェーハ表面の異物を検査する例は、特開平８−１４４８１１（公知例２）に開示されている。この例では、反射電子の信号の強弱による像を観測することにより異物位置を決定し、異物のＸ線スペクトルを参照スペクトルと照合して異物の組成を同定可能にする構成について述べられている。
【０００７】
別の方法が特開２０００−３２１２２５（公知例３）に開示されている。これには、ウェーハ上の異物部分のＸ線スペクトルと異物のない部分のＸ線スペクトル（バックグラウンドスペクトル）から異物の正味のＸ線スペクトルを求め、データベースと照合して異物の材料組成を求める方法について述べられている。
【０００８】
上記の方法により求めた異物の情報をあらかじめ定めたカテゴリーに一般化し、登録することにより欠陥原因を特定する方法が特開２００１−６８５１８に開示されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
電子線は試料に入射すると、細く絞られていても、試料内で物質との相互作用を受けて拡散する。拡散領域の大きさは試料を構成する元素と電子線の加速電圧に依存する。図１８は加速電圧１５ｋＶと５ｋＶの電子線をシリコンＳｉ、タングステンＷの試料に照射したときの電子線拡散状況を示したモンテカルロ法による計算結果である。試料がシリコンの場合、拡散領域の大きさは加速電圧１５ｋＶの電子線で約４ミクロン、加速電圧５ｋＶの電子線で約０．４ミクロンである。電子線励起によりＸ線はほぼこの領域で発生する。すなわち観察されるＸ線スペクトルは電子線の照射点だけではなくこの拡散領域に含まれる物質の情報を反映したものになっている。従って、元素分析の空間分解能は照射する電子線のビームサイズではなくこの拡散領域の大きさで決定される。
【００１０】
近年、微細化を遂げた半導体素子の加工寸法はサブミクロンレベルになっており、素子特性を劣化させる異物の寸法も小さくなっている。図１９は製造途中工程の半導体素子構造と図１８に示したＳｉ中の電子線の拡散領域を照合した図である。小さな異物のＥＤＸ分析では、電子線が異物を透過して基板内に拡散する。このため、観察されるＸ線スペクトルは異物と基板（バックグラウンド）の情報を含んでおり、分析を困難にしている。特に、途中工程の基板では基板にパターン、すなわち、酸化膜、電極、誘電体膜等が形成されており、これらのはがれ物が異物になっている場合には、これらの物質と区別する必要がある。
【００１１】
また、バックグラウンドの影響を小さくするために、すなわち、拡散領域を小さくするために加速電圧を下げると励起できる特性Ｘ線が限定され、重なりのある特性Ｘ線ピークで元素同定する必要がある。一例を図２０により説明する。図２０はシリコンウエハ表面にある厚さ５０ｎｍのチタンＴｉ異物のＸ線スペクトルである。加速電圧１５ｋＶと５ｋＶの２つの電子線について得たものである。加速電圧１５ｋＶの場合、Ｘ線エネルギー（ｘ−ｒａｙ  ｅｎｅｒｇｙ）が４．５１ｋｅＶのところにＴｉ−Ｋ線ピークが観測されるが、加速電圧５ｋＶの場合ではこの特性Ｘ線を励起することができず、このピークは観測されない。この場合にはＸ線エネルギー０．４５ｋｅＶに観察されるＴｉ−Ｌ線によりチタン元素の存在を判定する。ところが、このＸ線エネルギー領域は酸素や窒素のＫ線ピークがあり、これらの元素が存在する場合にはピークが重なって観測されるので分析が困難とされていた。
また、加速電圧を低くした場合、２字電子像の観察には十分な電流でも、Ｘ線の発生量が少なく、たとえば、上記の例で加速電圧を１５ｋＶの設定から加速電圧のみを５ｋＶに変更した場合、１５ｋＶの加速電圧でＴｉ元素の同定に主に用いたＴｉ−ＫピークのＸ線発生量と比較して、Ｔｉ−ＬのＸ線の発生量は１０分の１であり、元素の同定精度が劣化するという問題があった。
【００１２】
さらに、従来の技術の項で述べた従来法には次のような問題がある。
【００１３】
市販のＸ線検出装置に付属している定性分析、定量分析ソフトによる分析はマニュアルであり、専門家でないユーザーが使用するには煩雑であり、プロセス工程の管理には不十分であり、自動的に異物の元素組成を出力するシステムが求められている。
公知例１および公知例２の方法は、一様な元素組成の試料に対しては有効であるが、基板上の小さな異物の場合には、図２１に示す様に同じ組成の異物でも異物の大きさ（厚さ）によりＸ線スペクトルが大きく異なりデータベースに格納した参照スペクトルと合致しないという問題があった。また、異物の厚さに応じたＸ線スペクトルを用意することも考えられるが、参照スペクトルの数が多くなり照合に時間がかかるという問題があった。さらに、Ｘ線検出器のばらつきや検出光学系の違いによりＸ線エネルギーに対する感度（分光感度）が異なるのが一般的で、データベースとして用意するＸ線スペクトルを装置ごとに用意する必要がある。また、時間経過と共に、Ｘ線窓の汚れ等が原因で分光感度が変わってしまい、Ｘ線スペクトルの照合に問題が発生することがある。
公知例３に開示されている方法はウェーハ上の異物部分のＸ線スペクトルと異物のない部分のＸ線スペクトル（バックグラウンドスペクトル）から異物の正味のＸ線スペクトルを求め、データベースと照合して異物の材料組成を求める方法であるが、異物の大きさによりバックグラウンドからのスペクトル成分が変化するので、すなわち、バックグランドと異物の単純な線形和でないので誤った結果が得られる可能性があるという問題があった。この問題の一例を図２２により説明する。図２２左図は元素Ａを成分とする構造物７０を内部に持つシリコンウエハ２０に電子線８を照射した場合を示す模式図である。電子線８はウェーハ２０の内部で半球型の領域７１に拡散し、構造物７０がこの領域内に存在するような場合に、観察されるＸ線スペクトルはシリコンと元素Ａの特性Ｘ線ピークからなる。一方、右図は同じシリコンウエハの表面に元素Ａからなる異物２２がある場合を示す。電子線の拡散領域は異物２２があるために左図に示した領域よりも小さい領域７１となる。この場合に得られるＸ線スペクトルもシリコンと元素Ａの特性Ｘ線ピークを持つ。右図と左図で得られるＸ線スペクトルがほとんど同じになる場合があり、この場合にバックグランドである左図の場合に得られたＸ線スペクトルで右図の場合のスペクトルを引き算するとピークが消えてしまうという問題があった。
上述の問題点に鑑み、本願の目的は、試料表面の異物の元素組成を高空間分解能、高精度、高スループットで分析できる電子顕微鏡またはＸ線分析装置及び試料の分析方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
以上に述べたような目的は、以下に示す構成により達成される。
（１）試料からのＸ線の発生個数が１秒間に１０００個から２０００個の範囲になるように該電子ビームの電流量を制御する機能を有することを特徴とする電子顕微鏡とする。
電子源、電子ビームを集束するレンズを備える電子ビーム光学系と、電子ビーム光学系を制御する光学系制御装置と、試料を載置する試料台と、該電子ビームを該試料に照射して該試料から発生する電子を検出する電子線検出器と該試料から発生するＸ線を検出するＸ線検出器と両方の検出器からの信号を処理して、それぞれ、試料の画像形成および元素分析を実施する処理装置を備える電子顕微鏡において、前記Ｘ線検出器でＸ線を検出することにより単位時間当たりのＸ線発生個数を検出し、それに基づいて前記電子ビームの電流量をフィードバック制御する手段を有することを特徴とする電子顕微鏡とする。さらに、試料からのＸ線発生個数が１秒間に１０００個から２０００個の範囲になるように電子ビームの電流量をフィードバック制御する。
【００１５】
これにより、ユーザーが手動で照射電流を調整する必要がなく、また、Ｘ線検出器の性能を損なうことなく大きなＸ線発生量を確保できる電子顕微鏡を提供できる。
（２）複数種類の標準的な物質のＸ線スペクトル（参照スペクトル）と各参照スペクトルに対応する物質名を含むラベルをデータとして有するデータベースを具備しており、試料のＸ線スペクトル（サンプルスペクトル）を前記データベース中の参照スペクトルと照合して前記サンプルスペクトルのスペクトル形状との一致度を計算し、一致度が高い前記データベース中の参照スペクトルを抽出し、抽出された参照スペクトルの前記ラベルから試料の物質を同定して分析を実施する際に、前記Ｘ線検出器のＸ線エネルギーに対する感度データを備え、かつ、サンプルスペクトルのピークを含むように複数個のＸ線エネルギー範囲を設定し、前記参照スペクトルに前記感度データを乗じた上で、前記設定したＸ線エネルギー範囲ごとに参照スペクトルの強度を前記サンプルスペクトルの強度に規格化して、そのサンプルスペクトルを規格化した参照スペクトルと照合し、かつ、各Ｘ線エネルギー範囲についてサンプルスペクトルと参照スペクトルとの一致度の高い順に参照スペクトルを一または複数個抽出し、そのラベルと一致度と前記規格化に用いた数値を出力する手段を有することを特徴とする電子顕微鏡とする。
さらに、上記の出力する機能が一致度の高い順に例えば、第３候補までを出力することを特徴とした電子顕微鏡とする。また、２つ以上の異なる加速電圧で得たサンプルスペクトルの強度比を表示することを特徴とする電子顕微鏡とする。さらに前記感度データが参照スペクトルを取得した時点に取得したシリコンウエハ等の標準試料のＸ線スペクトルと照合直前に取得した前記標準試料のＸ線スペクトルの強度比とする。
【００１６】
これにより、スペクトルピークが重なっている元素の分析や、異物および異物下方の大きさの異なる領域の基板からのＸ線スペクトルを照合することで、どの元素が異物に含まれているかの情報を得ることが可能になるなど、高感度、高精度な元素または物質の分析が可能な電子顕微鏡を提供できる。また、装置間の分光感度の差は標準試料を用いた構成曲線により較正できるので、用意しておくデータベースは１種類であらかじめ別の装置で取得したデータベースを無駄にすることなく拡充することが可能となる。また、同一装置でもＸ線窓の汚れ等により分光感度が変化しても標準試料を用いた較正曲線を取得することによりデータベースとの照合を有効に維持できる。
（３）試料上の複数個の観察点についてＸ線検出器により得た複数個のＸ線スペクトル（サンプルスペクトル）を格納する記憶装置を具備し、該複数個のサンプルスペクトル間の相互照合により該サンプルスペクトルを１個または複数個のグループに分類し、各グループの一つのサンプルスペクトルについて元素分析する手段を有することを特徴とする電子顕微鏡とする。
さらに、サンプルスペクトルのピークを含むように設定した１個または複数個のＸ線エネルギー範囲ごとにサンプルスペクトル間で相互照合する機能を有することを特徴とする電子顕微鏡。
【００１７】
さらに、上記相互照合により自動分類したあと分類したＸ線スペクトルについて元素分析することを特徴とする電子顕微鏡とする。
【００１８】
これにより、観察すべき異物点ごとに取得したＸ線スペクトルを、取得するごとにデータベースと照合することなく、代表的なスペクトルで分類することが可能となり、代表的なスペクトルについてのみデータベースと照合、または、定性分析、または定量分析を実施して、各異物の元素組成を短時間で分析できる電子顕微鏡を提供できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態である電子顕微鏡またはＸ線分析装置及び試料の分析方法の構成及びその動作を説明する。
＜実施の形態１＞
第１の実施例の装置構成と動作を図１、図２、図３、図４、および図５を用いて説明する。図１、図２は装置全体構成を、図３は走査電子顕微鏡光学系および試料台周辺の構成を詳細に示す。なお、本実施の形態では、本発明の電子顕微鏡のうちウェーハ対応装置を示す。また、図３は、図１の概略俯瞰断面を表しているが、説明の都合上、機器の向きや詳細には幾分の相違があるが本質的差ではない。図１において、装置システムの中心部には電子ビーム光学系１とＸ線検出器１６が真空試料室６０の上部に適宜設置されている。真空試料室６０の内部には試料となるウェーハ２０を載置する試料台２４が設置されている。２基の光学系３１及び４１は各々の中心軸がウェーハ２０表面付近で一点に交わるように調整されている。試料台２４にはウェーハ２０を前後左右に高精度で移動する機構を内蔵しており、ウェーハ２０上の指定箇所が電子ビーム光学系１の真下に来るように制御される。試料台２４は、さらに、回転、上下、あるいは傾斜する機能を有する。真空試料室６０には図示を省略した排気装置が接続され適切な真空に制御されている。尚、光学系１にも図示を省略した排気系を個別に備え適切な真空度に維持している。真空試料室６０内にはウェーハ導入手段６１、ウェーハ搬送手段６２を有する。真空試料室６０に隣接してウェーハ移載ロボット８２、カセット導入手段８１が配置されている。真空試料室６０の左隣には装置全体の一連の処理を制御管理する主操作制御部１００およびＸ線検出器制御部１０１を配備している。主操作制御部１００とＸ線検出器制御部１０１は相互にデータをやりといで切るようになっており、主操作制御部１００からＸ線検出器制御部１０１を制御することが可能となっている。
【００２０】
次に、本実施形態のウェーハ導入操作を概説する。ウェーハカセット２３がカセット導入手段８１のテーブルに置かれ、作業開始指令が操作制御卓１００から発せられると、ウェーハ搬送ロボット８２がカセット内の指定されたスロットから試料となるウェーハを引き出し、図２に示すオリエンテーション調整手段８３でウェーハ２０の向きを所定の位置に調整される。次に、ウェーハ２０はウェーハ搬送ロボット８２によりウェーハ導入手段６１上部のハッチ６４が開かれた時点でウェーハを載置台６３に乗せられる。ハッチ６４を閉じると、図示を省略した真空排気手段で排気した後、ウェーハ搬送手段６２が載置台６３のウェーハ２０を取り上げ、真空試料室６０内の試料台２４に載置する。尚、試料台２４にはウェーハ２０の反り矯正や振動防止のためウェーハ２０をチャックする手段を必要に応じて設ける。
【００２１】
次に、図３を用いて電子ビーム光学系とＸ線検出器を説明する。本発明の電子顕微鏡では、電子ビーム光学系１は、電子銃７、前記電子銃７から放出する電子ビーム８を集束する電子レンズ９、電子ビーム８の不要な裾部分をカットする絞り３、ブランキング電極４、ファラデーカップ５、電子ビーム走査偏向器１０、対物レンズ１１で構成される。ファラデーカップ５は電子ビーム８が通過するための孔を持ち、電子ビーム８の電流を測定するときのみブランキング電極５により電子ビーム８をファラデーカップの通過孔から偏向し、電子線をファラデーカップに入射させる。その他に、電子ビーム８をウェーハ２０に照射してウェーハ２０からの二次電子を検出するための二次電子検出器６、ウェーハ２０を載せる可動の試料台２４と電子ビーム８の照射時にウェーハ２０から放射されるＸ線を検出するためのＸ線検出器１６と、図示していないが試料からの反射電子を検出する反射電子検出器を備えている。電子ビーム光学系、試料台、２次電子検出器、反射電子検出器は主操作制御部１００により制御される。
【００２２】
次に、本実施形態で、ウェーハ２０導入後の主に元素組成評価の過程を概説する。
【００２３】
電子ビーム８がウェーハ２０に入射するとウェーハ２０の表面から表面形状を反映した２次電子と反射電子が発生するとともに、入射部近傍の元素組成に特有な特性Ｘ線を含むＸ線が発生する。試料台移動によりウェーハ２０上の所望の観測領域が電子光学系の真下に来るようにして、電子ビーム８を偏向レンズで面を走査し、ウェーハ２０からの２次電子または反射電子を検出して得られる２次電子像または反射電子像によりウェーハ２０上の異物を観察し、異物が観察領域の中央に位置する様に調整する。次に静止させた電子ビーム８を異物に照射して発生するＸ線をＸ線検出器１６で検出することによりＸ線スペクトルを得る。次にＸ線スペクトルを解析して異物の元素組成を求める。Ｘ線スペクトルおよび解析結果は操作制御部１００内の表示装置に表示されると共に、記憶装置に保存される様になっている。光学式の異物検査装置により求めたウェーハ２０上の異物の位置座標により試料台を制御して異物が観察領域内に入るようにできる。
【００２４】
電子ビーム８の加速電圧は図１８と図１９に示した様に、加速電圧が低いほどウェーハ２０の内部での拡散領域が小さくなる。ウェーハ２０上の異物を観察する場合には異物を突き抜けた電子がウェーハ２０内で拡散するため、異物の下近傍にある物質が背景雑音として混入する。
この観点から加速電圧は低い方が異物元素分析には都合が良い。特にウェーハ２０表面近傍にいくつかの元素から成る構造物が形成されている場合には有効である。一方、加速電圧が低くなると励起できる特性Ｘ線が限定されるため、分析できる元素も限定される。従って、サブミクロンの素子寸法の半導体素子が形成されている場合には数キロボルト（ｋＶ）の加速電圧が用いられる。
【００２５】
高精度に元素分析を行うには高エネルギー分解能で高計数のＸ線スペクトルが必要である。本実施例におけるＸ線検出器は冷却したシリコン半導体検出素子を用いているが、エネルギー分解能を損なわず、効率良くすなわち数え落しを少なく計測するためには一秒間に１０００から２０００個のＸ線が入射するようにするのが好ましい。１秒間のＸ線のカウント数をＸ線計数率と呼び、単位としてはｃｐｓ（ｃｏｕｎｔｓ  ｐｅｒ  ｓｅｃｏｎｄ）が一般的に用いられている。本発明の実施の形態ではＸ線計数率はＸ線検出器制御装置により測定できる様になっている。
【００２６】
シリコンウエハに同じ電流で加速電圧が１５ｋＶと５ｋＶの電子線を照射した場合、１５ｋＶの方のＸ線計数率が約１０倍大きい。従って、高計数率で観察するには加速電圧に応じて電流を調整する必要がある。
【００２７】
図４は電子光学系の条件設定を示す流れ図である。本発明の実施の形態ではまず加速電圧を設定した後、図４に示す様に電流を初期値例えば１００ｐＡに設定し、ウェーハ２０に照射し、主操作制御部１００はＸ線計数率をＸ線検出器信号処理部１０１から受け取る。主操作制御部１００はＸ線計数率の値に応じて電子ビーム８の電流を増減させる。この操作によりＸ線検出に最適な１０００から２０００ｃｐｓの計数率に設定する。但し、ビーム電流の最大値は装置によって決まるので、最大値を超えるような設定になった場合にはビーム電流は最大値に設定する。
【００２８】
図５は上記した電子光学系の条件設定の結果得られたシリコンウエハ表面にある厚さ５０ｎｍのチタンＴｉ異物のＸ線スペクトルである。図２０に示した５ｋＶのＸ線スペクトルと比較するとＸ線エネルギーが約０．４５ｋｅＶのところに現れるＴｉのＬ線のピークの高さ（背景Ｘ線信号レベルからのカウント数）が同じ計測時間で約１５０カウントと約一桁大きくなり分析に十分なピークの高さが得られ、信号雑音比の高い元素分析が可能となる。このため、高分解能かつ高精度な観察が可能となる。
＜実施の形態２＞
本発明による第２の実施の形態である電子顕微鏡またはＸ線分析装置及び試料の分析方法を図３、図６、図７、図８により説明する。図６はＸ線スペクトルの分析法を示す流れ図である。図７、図８はそれぞれ主制御操作部の表示装置に表示されるＸ線スペクトル、分析の出力結果である。
【００２９】
本実施の形態では、図３に示した構成においてＸ線検出器制御部１０１はＸ線スペクトルのピークのＸ線エネルギー値から候補となる元素を推定する定性分析機能と以下に述べる機能を有している。また、Ｘ線検出器制御部１０１は記憶装置を備えており、得られたＸ線スペクトルを参照するための複数個のＸ線スペクトル（参照スペクトル）を有するデータベースがその記憶装置に格納されている。個々の参照スペクトルには対応する試料名が付けられている。参照スペクトルは半導体製造において用いられるシリコン、酸素、銅、タングステン、金、チタン、タンタル、窒化チタンＴｉＮ、窒化タンタルＴａＮ、２酸化炭素ＳｉＯ２等の物質について用意されている。さらに、主操作制御部１００はＸ線検出器制御部１０１と情報を交換できるようになっており、Ｘ線検出器制御部１０１を制御したり、Ｘ線検出器制御部１０１から必要な情報を受け取り主操作制御部１００の表示装置に表示したり、記憶装置に情報を記憶する機能を有している。
【００３０】
図６に示した流れ図にしたがって、分析方法を説明する。実施の形態１で述べたようにして得た異物のＸ線スペクトルをまず定性分析し、図７に示したように、表示装置にＸ線スペクトルと定性分析結果を表示する。図７でＸ線スペクトルの各ピークの上に表示されている元素名が定性分析結果である。次に、データベースと照合するための領域を設定する。この照合するための領域をＲＯＩ（ｒｅｇｉｏｎ  ｏｆｉｎｔｅｒｅｓｔ）と呼ぶことにする。本実施の形態では図７に示すようにＸ線スペクトルの各ピークに対応する裾を含むようにして、かつ、複数個のＲＯＩを設定する。Ｘ線スペクトルのバックグラウンドに対して上側すなわちプラス側になっている部分をＲＯＩとする方法により設定する。ＲＯＩが設定されたら、図７の両端に矢印を持つ直線によりＲＯＩとそれに対応する番号を表示する（ＲＯＩハイライト）。図７に＃１と示したＲＯＩのようにＸ線スペクトルのピークが重なっている場合にはこれをひとつのＲＯＩとする。次に、設定したＲＯＩごとにＸ線検出器制御部１０１の記憶装置に格納したデータベース中のＸ線スペクトルと照合する（Ｍａｔｃｈｉｎｇ）。図８に照合結果を示す。ＲＯＩごとにその照合範囲と一致度の良い順に３個のリストを表示するようになっている。一致度は次の式で表されるχ２で評価される。
【００３１】
【数１】
2004151045.tif 000003
ここで、Ｔｉ、Ｌｉはそれぞれ照合されるＸ線スペクトルの値、データベース中の参照スペクトルの値である。また、ｍ１、ｍ２はそれぞれＲＯＩの始点エネルギー、終点エネルギーである。ａはＲＯＩ中のピークの高さを照合する参照スペクトルにそろえるための係数である。ＲＯＩ中に複数個のピークがある場合は最大のピークをそろえるようにする。χ２が小さいほど一致度が良いと推定し、一致度のよい順にχ２、ａ、参照スペクトルのラベルを結果として表示する。本例では設定したＲＯＩ以外に、取得した全エネルギー範囲における照合も実施し、図８の最下段に示すようにその結果を出力するようになっている。これは非常に厚い異物の分析に有効である。
【００３２】
図８のｂｅｓｔ、２ｎｄ、３ｒｄで示した欄が一致度の順を示す。ＴｉＮ（窒化チタン）というラベルの参照スペクトルに一番一致した事を示す。エネルギー領域の欄は各ＲＯＩの始値と終値を示し、単位はｋｅＶである。パラメーターａの値から対応する元素または物質の厚さに関する情報を得ることが可能となる。
【００３３】
主操作制御部１００は図８に示す情報と、２次電子像、反射電子像、位置情報をあわせて記憶装置に保存するとともに、位置情報と図８に示す情報を元にウェーハ上の異物の元素分布として表示する。また、工程との関連を示すデータベースとつき合わせて異物発生の原因に関する推定結果をユーザーに提供するようになっている。
【００３４】
以上に述べたように、本実施例では、得られたスペクトルをＲＯＩごとにデータベースの参照スペクトルと照合するので、同じ組成の異物でも異物の大きさ（厚さ）によりスペクトルが大きく異なりデータベースに格納した参照スペクトルと合致しないという問題を回避することが可能となる。これにより、厚さの異なる異物の参照スペクトルを用意する必要がないので、照合すべき参照スペクトルの数を少なくすることができるので照合を高スループットで実行できる。
【００３５】
加速電圧が５ｋＶの電子線で、タングステンの異物をＸ線測定した場合、タングステンに起因する特性Ｘ線ピークはシリコンやＴａ（タンタル）の特性Ｘ線ピークと重なってしまいスペクトルを観察しただけでは区別することが困難であるが、この方法により精度良く区別することが可能となった。
【００３６】
本実施の形態ではＲＯＩごとの照合において一致度が良い３個までの結果を表示するようにしたが、一致度の指標となるχ２があらかじめ設定した値以下の結果を表示するようにしても良い。また、ＲＯＩの設定は自動的に実行されるようになっているが、ユーザーが入力して設定する方法を併用しても良い。また、一致度の指標として式（１）で表現されるχ２を用いているが、両スペクトル間の残差の２乗和など、一致度の指標となる別の方法を用いても本発明の効果を損なうものではない。
＜実施の形態３＞
本発明の第３の実施の形態を図９により説明する。本実施の形態では、装置の構成は実施の形態１及び２で述べたものと同じであるが、分析方法が異なっている。
本発明の実施の形態では図９に示すようにまず、評価すべき複数個の異物のＸ線スペクトルをあらかじめ取得し、図３のＸ線検出器制御部１０１に備えられている記憶装置の指定した領域に保存する（異物Ｘ線スペクトル群）。各スペクトルは異物の位置座標に対応するラベルがつけられておりどのスペクトルがどの位置の異物に対応するか分かるように記憶されてようになっている。
【００３７】
つぎに異物Ｘ線スペクトル群のあるスペクトルについて実施の形態２で述べたようにＲＯＩを設定し、異物Ｘ線スペクトル群の他のスペクトルと照合することにより、一致度の良いスペクトル同士に分類する。次に分類されたスペクトル群からひとつを選び、実施の形態２の項で述べた手順に従って、データベースの参照スペクトルと照合を実施して、各分類に一致する参照スペクトルから元素、物質を分析する。
【００３８】
本実施の形態では、検査したすべての異物のＸ線スペクトルを参照スペクトルと照合するのではなく、異物のスペクトルをあらかじめ分類しておき、各分類のひとつのスペクトルについて参照スペクトルと照合して元素、物質名を分析するので、全体として高スループットで実行できる。この方法は検査の対象であるウェーハ上の異物がある原因により発生しており、ほぼ同じ物質からなる異物の検査の場合に特に有効である。
【００３９】
以上の実施の形態１から３において、取得したＸ線スペクトルをデータベースの参照スペクトルと照合する際に、Ｘ線検出器の分光感度が異なっていると照合の精度が低下する分光感度はＸ線検出器のＸ線検出素子とＸ線透過窓のばらつき、電子顕微鏡への装着位置（試料からＸ線検出素子までの距離、Ｘ線取出し角）、装着後のＸ線透過窓の汚染による透過率の低下等により変動する。図１５は異なるＸ線検出器を搭載した別の電子顕微鏡で取得した同じシリコンウエハ試料からのＸ線スペクトルの比を示す。
【００４０】
本発明の実施の形態では分光感度が異なることによる照合精度の低下を防ぐために、あらかじめ、図１５に示す様なデータベースの分光感度と測定時の分光感度の比を取得しておき、この分光感度比を考慮に入れて照合を行っている。さらに、Ｘ線窓の汚染や、Ｘ線検出器の交換により分光感度が変わることがあるので、定期的に新しい分光感度比を測定する様にすると良い。
【００４１】
これにより、データベースを装置ごとに用意する必要がなくなり、有効にデータベースを有効に活用することが可能となる。
【００４２】
また、データベースにはＸ線スペクトルのファイルをコピーすることにより容易に追加することができるようになっている。
＜実施の形態４＞
第４の実施の形態を図５、図１０、図１１、図１２、図１３、図１４により説明する。本実施の形態では異なる加速電圧の電子線照射により異物の元素組成を高精度で分析する例を示す。
【００４３】
本実施の形態では図１０の流れ図のように、まず、加速電圧５ｋＶの電子線でウェーハ上の異物のＸ線スペクトルを取得し、Ａと名前を付けてＸ線検出器制御部に備えられている記憶装置に記憶しておく。次に加速電圧３ｋＶで同じ異物のＸ線スペクトルを取得し、Ｂと名前をつけて同様に記憶しておく。
【００４４】
次にスペクトルＢとスペクトルＡの比Ｂ／Ａを計算し、データベースと比較することによりどの元素が異物の元素であり、その元素が下地の元素であるかの判定結果を表示する。
【００４５】
以下、実例で説明をする。図５、図１１はシリコンウエハ上の異物をそれぞれ加速電圧５ｋＶおよび３ｋＶの電子線を照射して得たスペクトルである。いずれのスペクトルにも３つの特徴的なピークが観測され、エネルギーが低い順に炭素、チタン、シリコンと同定される。図１３は図５、図１１に示したスペクトルの比を示す。参考のため、加速電圧３ｋＶの電子線に対応するスペクトルを図中の下側のグラフに示した。縦軸は見やすいように調整してある。横軸はＸ線エネルギーである。図１４はチタンとシリコンの一様な化合物の加速電圧５ｋＶと３ｋＶの電子線に対するＸ線スペクトルの比である。下側のスペクトルは加速電圧３ｋＶのものである。図１３と図１４を比較するとＸ線エネルギー０．４５ｋｅＶにあるチタンピークと１．７５ｋｅＶにあるシリコンのピークで傾向が違うことがわかる。すなわち、図１３と図１４はともに、ピークのない（背景Ｘ線）部分で右下がりの曲線をもつが、一様な分布の試料の場合（図１４）はチタンとシリコンのピークにおける比はこの曲線の下側にくぼみを持つ。これに対し、シリコンウエハ上の異物（チタン）の場合（図１３）ではチタンのピークにおいて、この曲線より上側にふくらみをもち、シリコンのピークではこの曲線より下側にくぼみを持つ。さらにこのくぼみは一様な試料の場合と比較してさらに深いくぼみとなっている。これから、チタンは異物の元素であり、シリコンは異物の下側にある物質という判定結果を表示する。
【００４６】
図１２はモンテカルロ法で計算したシリコン基板の上に厚さ５０ｎｍのチタンの薄膜をつけた試料内での電子の拡散を示す。図１２（ａ）が加速電圧３ｋＶ、（ｂ）が加速電圧５ｋＶの電子についての計算結果である。３ｋＶの電子はチタンの薄膜を抜けてシリコン基板まで拡散する割合が５ｋＶの電子と比較して多い。このため、３ｋＶの電子線照射によって発生するＸ線はより表面近傍の物質チタンからのＸ線によるものが多くなり、下地のシリコンからのＸ線は少なくなる。上記した図１３と図１４の差による判定結果は、このことを利用して導出したものである。
【００４７】
すなわち、本実施の形態によれば観測されたＸ線スペクトルの比から元素の分布に関する情報を提供することが可能となり、結果として異物の発生要因の探索をより正確に実行できる。
【００４８】
本実施の形態では２つの異なる加速電圧の電子線照射によるＸ線スペクトルによる異物の元素同定方法を示したが、３つの異なる加速電圧を用いた異物の元素同定方法を図１６、図１７を用いて説明する。図１６は本方法の原理を説明する図で、図１７はＸ線スペクトルの概略図である。本方法は図１６に示す様に検査の対象となる工程ではなく、その工程直前の異物２２が原因となる形状異常異物と呼ばれる異物の分析に有効である。図１６において、２１は検査対象である工程の一つ前の工程処理後の下地で、２６は検査対象の工程により形成された膜である。検査対象の工程直前に形成された異物２２により、形状異常となっている部分の断面図である。まず、（ａ）に示す様に、膜２６を通過しないように選択した加速電圧の電子線８を形状異常の部分に照射すると図１７（ａ）に示すように領域７１に電子線８は拡散し、膜７１の元素の特性Ｘ線ピーク７２のみが観測される。つぎに、図１６（ａ）の電子線より高い加速電圧を持つ電子線照射した場合を図１６（ｂ）に示す。加速電圧が高くなり、電子の拡散領域７１に示す様に異物２２内に電子線が拡散する。この場合には図１７（ｂ）に示す様に、膜２６の元素に対応するピークの他に異物２２の元素に対応した特性Ｘ線ピーク７３が観測される。つぎに、さらに高い加速電圧の電子線８を図１６（ｃ）に示す様に照射する。電子線は図１６（ｃ）に示す様に検査工程前の下地２１に拡散するようになり、図１７（ｃ）に示す様に下地２１の元素に対応する特性Ｘ線ピーク７４が観測される。この方法により異物２２の元素に貫する情報を得ることが可能となる。
【００４９】
【発明の効果】
本発明の実施例により、電子線を照射してウェーハ上の異物からのＸ線を高分解能、高効率で検出できる条件で観察することが可能となると共に、対象異物の元素を高空間分解能で観察するために有効な低加速電圧の電子線励起によるＸ線分析で問題となる励起できる特性Ｘ線ピークの制約と励起できる特性Ｘ線ピークの重なりがある場合、異物とその下地からのＸ線が混在している場合でも高精度な参照スペクトルとの照合が可能となり、また少ない参照スペクトルでも有効に分析が可能となる。また、観察される元素の試料内における分布に関する情報を得ることが可能となる。これにより高精度、高感度な元素分析が可能となり、一段と微細化が進むＬＳＩデバイス等の歩留まり向上のための異物検査を、高精度、高分解能で実施できる電子顕微鏡またはＸ線分析装置及び試料の分析方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施の形態における装置全体構成。
【図２】本発明の第一の実施の形態における装置全体構成で平面図。
【図３】本発明の第一の実施の形態における装置詳細構成。
【図４】本発明の第一の実施の形態における電子線照射条件の自動設定方法を示す流れ図。
【図５】本発明の第一の実施の形態において得られたＸ線スペクトルの例。
【図６】本発明の第二の実施の形態におけるスペクトル照合方法を示す流れ図。
【図７】本発明の第二の実施の形態における元素分析結果の出力表示例。
【図８】本発明の第二の実施の形態における元素分析結果の出力表示例。
【図９】本発明の第三の実施の形態における元素分析方法を示す流れ図。
【図１０】本発明の第四の実施の形態における元素分析方法を示す流れ図。
【図１１】本発明の第四の実施の形態において得られたＸ線スペクトルの例。
【図１２】本発明の第四の実施の形態における原理を示す図。
【図１３】本発明の第四の実施の形態におけるスペクトル比の例。
【図１４】本発明の第四の実施の形態における参照スペクトル比の例。
【図１５】本発明の実施の形態におけるスペクトル照合に用いる分光感度比の例。
【図１６】本発明の第四の実施の形態における別の応用例を示す原理図。
【図１７】本発明の第四の実施の形態における別の応用例におけるＸ線スペクトル。
【図１８】試料内の電子線拡散の原子番号および加速電圧依存性を示す断面図。
【図１９】試料内の電子線拡散領域と代表的な半導体素子構造の位置的関係を示す図。
【図２０】異なる加速電圧で得られたＸ線スペクトルの比較を示す図。
【図２１】ウェーハ表面に付着した異物のＸ線スペクトルの異物厚さ依存性を示す図。
【図２２】異物がない部分と異物がある部分のＸ線スペクトルを説明する試料断面図。
【符号の説明】
１…電子ビーム光学系、３…絞り、４…ブランキングコイル、５…ファラデーカップ、６…二次電子検出器、７…電子銃、８…電子ビーム、９…電子レンズ、１０…電子ビーム走査偏向器、１１…対物レンズ、１６…Ｘ線検出器、２０…ウェーハ、２１…下地、２２…異物、２３…カセット、２４…試料台、２５…試料台制御装置、２６…積層膜、２７…タングステンプラグ、２８…ＳｉＯ２層間絶縁膜、２９…シリコンナイトライド層、６０…真空試料室、６１…ウェーハ導入手段、６２…ウェーハ搬送手段、６３…載置台、６４…ハッチ、７０…構造物、７１…電子線拡散領域、７２、７３，７４、…特性Ｘ線ピーク、８１…カセット導入手段、８２…ウェーハ搬送ロボット、８３…オリエンテーション調整手段、１００…操作制御部、１０１…Ｘ線検出器制御部。
【図１】
2004151045.tif 000004
【図２】
2004151045.tif 000005
【図３】
2004151045.tif 000006
【図４】
2004151045.tif 000007
【図５】
2004151045.tif 000008
【図６】
2004151045.tif 000009
【図７】
2004151045.tif 000010
【図８】
2004151045.tif 000011
【図９】
2004151045.tif 000012
【図１０】
2004151045.tif 000013
【図１１】
2004151045.tif 000014
【図１２】
2004151045.tif 000015
【図１３】
2004151045.tif 000016
【図１４】
2004151045.tif 000017
【図１５】
2004151045.tif 000018
【図１６】
2004151045.tif 000019
【図１７】
2004151045.tif 000020
【図１８】
2004151045.tif 000021
【図１９】
2004151045.tif 000022
【図２０】
2004151045.tif 000023
【図２１】
2004151045.tif 000024
【図２２】
2004151045.tif 000025