DE69231213T2

DE69231213T2 - Elektronenstrahlgerät

Info

Publication number: DE69231213T2
Application number: DE69231213T
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Iwamoto; Tsutomu Komoda; Akimitsu Okura; Tadashi Otaka; Issei Tobita; Hideo Todokoro
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Science Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Science Systems Ltd
Priority date: 1991-11-27
Filing date: 1992-11-25
Publication date: 2001-03-01
Anticipated expiration: 2012-11-26
Also published as: EP0548573B1; DE69224506T2; EP0949653B1; US5412209A; EP0810629A1; EP0548573A3; EP0949653A2; DE69224506D1; EP0810629B1; DE69233781D1; DE69231213D1; EP0949653A3; EP0548573A2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft ein Rasterelektronenmikroskop, das zum Ausführen einer Betrachtung oder einer Längenmessung eines Kontaktlochs oder eines Leitungsmusters durch Aufstrahlen eines Elektronenstrahls auf eine Probe für ein Halbleiterbauteil geeignet ist, um einen Halbleiter-Herstellprozess zu bewerten, und sie betrifft ein Verfahren für ein derartiges Rasterelektronenmikroskop.
Rasterelektronenmikroskope wurden bisher zur Betrachtung oder Längenmessung eines Kontaktlochs oder eines Leitungsmusters in der Submikrometer-Größenordnung (unter 1 um) in einer Probe eines Halbleiterbauteils verwendet.
Einhergehend mit den jüngsten Fortschritten in der Technik integrierter Halbleiterschaltungen bestand die Tendenz, Schaltungselemente dreidimensional auszubilden, so dass z. B. Kontaktlöcher und tiefe Löcher und Gräben (nachfolgend durch Kontaktlöcher repräsentiert) zur Trennung von Kondensatoren und Elementen in der Probenoberfläche ausgebildet werden.
Übrigens treffen, wenn ein Elektronenstrahl in das Innere eines Kontaktlochs gestrahlt wird, um den Boden des Kontaktlochs zu betrachten, die meisten vom Boden des Kontaktlochs emittierten Sekundärelektronen auf die Seitenwand des Kontaktlochs und werden durch diese eingefangen, wodurch verhindert ist, dass sie aus dem Kontaktloch entweichen können, wie es herkömmlicherweise betrachtet wird. Demgemäß ist das Kontaktloch als Ersatz für einen Faradaykäfig anzusehen.
Als Vorgehensweise eines Verfahrens zum Erfassen von Sekundärelektronen in einem Kontaktloch mit hohem Wirkungsgrad ist z. B. in JP-A-62-97246 eine Technik vorgeschlagen, gemäß der eine Elektrode zum Herausziehen von Sekundärelektronen aus dem Kontaktloch zwischen einer Objektivlinse und der Probenoberfläche angebracht wird, um nahe der Probenoberfläche ein positives elektrisches Feld zu erzeugen, und durch dieses positive elektrische Feld werden Sekundärelektronen herausgezogen.
Auch schlägt JP-A-63-274049 eine Technik vor, gemäß der eine in einem Polstück einer Objektivlinse angeordnete Zylinderelektrode mit einer positiven Spannung versorgt wird, um nahe der Probenoberfläche ein positives elektrisches Feld zu erzeugen, damit die in der Probenoberfläche erzeugten Sekundärelektronen wirkungsvoll herausgezogen und zur, einer Elektronenquelle zugewandten, Seite einer Objektivlinse geführt werden. Die Erfinder in der vorliegenden Sache haben versucht, ein Kontaktloch unter Verwendung eines Geräts mit dem in der obigen Literaturstelle beschriebenen Aufbau zu betrachten, jedoch gelang es ihnen nicht, ein hervorragendes Bild zu erzielen. Anders gesagt, konnte das Innere des Kontaktlochs nicht betrachtet werden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Rasterelektronenmikroskop und ein Betriebsverfahren für dieses zu schaffen, bei denen ein Aufladen einer Probenoberfläche vermieden wird, um ein deutliches Betrachtungsbild zu ermöglichen.
Diese Aufgabe ist durch ein Rasterelektronenmikroskop gemäß dem Anspruch 1 und ein Betriebsverfahren gemäß dem Anspruch 3 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind in abhängigen Ansprüchen offenbart.
Das Aufladen der Probenoberfläche hängt davon ab, aus welchen Zusammensetzungen der elektrische Leiter und der elektrische Isolator bestehen, jedoch hat es sich durch von den Erfindern in der vorliegenden Sache ausgeführte Experimente gezeigt, dass selbst dann, wenn bei einer Bildvergrößerung MO für eine gewünschte Beobachtung eine Aufladung auftritt, die zufriedenstellende Beobachtung verhindert, ein deutliches Beobachtungsbild mit hohem S/R-Verhältnis ohne Aufladung für eine Dauer dadurch erzielt werden kann, dass ein Elektronenstrahl mit einer Bildvergrößerung eingestrahlt wird, die einmal auf eine geringere Bildvergrößerung verringert ist, und danach ein Elektronenstrahl mit einer Bildvergrößerung eingestrahlt wird, die auf die Bildvergrößerung MO für die gewünschte Beobachtung zurückgestellt ist.
Dieser Effekt kann dadurch verstanden werden, dass die Vorstellung konstruiert wird, dass selbst bei festgehaltenem Probenstrom Ip der Elektronenstrahl-Bestrahlungsbereich bei geringer Bildvergrößerung ML erweitert ist, um die Elektronenstrahl-Bestrahlungsmenge pro Einheitsfläche wesentlich zu senken, wodurch die Probenoberfläche positiv geladen wird, weswegen aufgrund dieser vorangehenden positiven Ladung der Probenoberfläche selbst bei anschließender Verringerung der Bildvergrößerung auf die Bildvergrößerung MO, bei der die Tendenz einer negativen Aufladung besteht, zeitweilig in einem Zeitintervall, in dem der positiv geladene Zustand auf den negativ geladenen Zustand wechselt, ein Ladungsgleichgewicht errichtet ist.
Demgemäß kann durch Einspeichern eines während der Periode, in der die Aufladung verschwunden ist, erhaltenen Beobachtungsbilds in einen Bildspeicher oder durch Fotografieren des Beobachtungsbilds, um eine Aufzeichnung desselben zu hinterlassen, ein deutliches Beobachtungsbild mit hohem S/R- Verhältnis erzielt werden.
Ferner zeigte es sich durch von den Erfindern in der vorliegenden Sache ausgeführte Versuche, dass, im Gegensatz zum obigen, selbst dann, wenn wegen eines Aufladens bei der Bildvergrößerung MO für eine gewünschte Beobachtung keine zufriedenstellende Beobachtung möglich ist, die Aufladung für eine Dauer unberücksichtigt bleiben kann und ein deutliches Beobachtungsbild mit hohem S/R-Verhältnis wie im vorgehenden Fall dadurch erhalten werden kann, dass ein Elektronenstrahl mit einer Bildvergrößerung, die einmal auf eine Bildvergrößerung MH über der Bildvergrößerung MO erhöht wurde, und danach die Beobachtung bei einer Bildvergrößerung erfolgt, die auf die Bildvergrößerung MO zurückgestellt wurde, auf einen Teil eines vorbestimmten Beobachtungsgebiets gestrahlt wird.
Dieser Effekt kann nicht durch die obige Interpretation erläutert werden, jedoch haftet vermutlich eine während der Bestrahlung mit hoher Bildvergrößerung MH erzeugte Verunreinigung an der Probenoberfläche an, um das Isoliervermögen der Probenoberfläche zu beeinträchtigen, weswegen selbst dann, wenn die Bildvergrößerung anschließend auf die Bildvergrößerung MO rückgestellt wird, bei der die Probenoberfläche zu negativer Aufladung neigt, kaum eine Aufladung erfolgt.
Demgemäß kann, wie oben beschrieben, ein hervorragendes Beobachtungsbild dadurch erzielt werden, dass ein Elektronenstrahl für eine vorbestimmte Zeit mit einer Bildvergrößerung ML unter der ursprünglich für die gewünschte Beobachtung verwendeten Bildvergrößerung MO oder mit einer Bildvergrößerung MH über der Bildvergrößerung MO eingestrahlt wird, mit anschießender Rückstellung der Bildvergrößerung auf die ursprüngliche Bildvergrößerung MO für die gewünschte Beobach tung.
Zusätzlich zu einem Elektronenstrahl können auch andere Strahlen geladener Teilchen, wie ein Ionenstrahl verwendet werden, vorausgesetzt, dass dieser Strahl geladener Teilchen dahingehend von Wirkung ist, Sekundärelektronen aus einer Probe zu erzeugen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Diese und andere Aufgaben und technische Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen leicht ersichtlich.
Fig. 1 ist eine Teilschnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines längenmessenden Elektronenstrahlgeräts;
Fig. 2 ist ein Diagramm zum schematischen Veranschaulichen der Bewegung von Sekundärelektronen im Gerät der Fig. 1;
Fig. 3A und 3B sind Schnittansichten, die ein Beispiel für den Aufbau einer Probe zeigen;
Fig. 4 ist eine Schnittansicht, die ein anderes Beispiel für den Aufbau einer Probe zeigt;
Fig. 5 ist ein Blockdiagramm, das den Aufbau eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Rasterelektronenmikroskops zeigt;
Fig. 6 ist eine perspektivische Ansicht, die ein anderes Ausführungsbeispiel einer Vorspannungselektrode zeigt;
Fig. 7 ist ein Blockdiagramm, das ein anderes Ausführungsbei spiel eines erfindungsgemäßen Rasterelektronenmikroskops zeigt;
Fig. 8 ist ein schematisches Diagramm, das ein anderes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rasterelektronenmikroskops zeigt;
Fig. 9 ist ein schematisches Diagramm, das ein anderes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rasterelektronenmikroskops zeigt;
Fig. 10 ist eine vergrößerte Teilansicht zur Fig. 9;
Fig. 11 ist ein schematisches Diagramm, das ein anderes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rasterelektronenmikroskops zeigt;
Fig. 12 ist ein Diagramm zum Erläutern des Verhaltens einer Ladung in einem Kontaktloch;
Fig. 13 ist ein Diagramm, das ein mit dem Gerät der Ausführungsbeispiele erhaltenes Bild zeigt;
Fig. 14 ist ein Kurvenbild, das die Beziehung zwischen dem Ausgangssignal eines Sekundärelektronendetektors und der Energiesteuerungsspannung zeigt;
Fig. 15 ist ein Flussdiagramm zum Erläutern eines Betriebs des Geräts der Ausführungsbeispiele;
Fig. 16 ist ein Flussdiagramm zum Erläutern eines anderen Betriebs des Geräts der Ausführungsbeispiele;
Fig. 17 ist ein Flussdiagramm zum Erläutern noch einen anderen Betriebs des Geräts der Ausführungsbeispiele;
Fig. 18 ist ein schematisches Diagramm, das ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rasterelektronenmikroskops zeigt;
Fig. 19 ist ein schematisches Diagramm, das noch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rasterelektronenmikroskops zeigt; und
Fig. 20 ist ein schematisches Diagramm, das noch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rasterelektronenmikroskops zeigt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Fig. 1 ist eine Schnittansicht, die die Nachbarschaft einer Objektivlinse 2 und eines Sekundärelektronendetektors 30 bei einem Ausführungsbeispiel eines längenmessenden Elektronenstrahlgeräts zeigt.
Ein Elektronenstrahl 6 wird durch die Objektivlinse 2 auf eine Probe 12 fokussiert. Die Objektivlinse 2 ist vom Typ mit offenem unterem Polstück, bei dem der Lochdurchmesser eines unteren Polstücks 2b größer als der eines oberen Polstücks 2a ist, damit der Streufluss der Objektivlinse 2 an der Oberfläche der Probe 12 die maximale Magnetflussdichte zeigt. Unter Verwendung dieses Typs einer Objektivlinse kann eine kurze Fokussierlinse erhalten werden, wie im Fall eines linseninternen Systems, bei dem die Probe 12 auf andere Weise innerhalb eines Linsenspalts angeordnet ist, wodurch gewährleistet ist, dass der Koeffizient der sphärischen Abberation und der Koeffizient der chromatischen Abberation merklich gesenkt werden können und hohe Auflösung erzielt werden kann.
Als diese Objektivlinse wurde eine Objektivlinse (Typ S-6100) verwendet, wie sie in ein von Hitachi, Ltd. eingebautes längenmessendes Elektronenstrahlgerät eingebaut ist.
Am oberen Polstück 2a der Objektivlinse 2 ist über einen Isolierfilm 20 eine erste Elektrode 7 mit Zylinderform angebracht, die entlang der Innenwand der Öffnung des oberen Polstücks verläuft und einen der Probe gegenüberstehenden Endflansch 7f aufweist, um so einen inneren Elektronenstrahlkanal auszubilden.
Eine obere Öffnung der ersten Elektrode 7 ist mit einem Gitternetz 7a zum Herausziehen von Sekundärelektronen 13 zum Detektor 30 versehen. Das Gitternetz 7a ist in seiner Mitte mit einer Öffnung versehen, die den Ablenkpfad des Elektronenstrahls 6 nicht stört. Die erst Elektrode 7 ist über einen Eingangsanschluss 9 mit einer Gleichspannungsversorgung 11 verbunden.
Eine zweite Elektrode 8 mit Ringform ist über der ersten Elektrode 7 angeordnet, und wie im Fall der ersten Elektrode 7 ist ihre untere Öffnung mit einem Gitternetz 8a mit einer mittleren Öffnung bedeckt. Die zweite Elektrode 8 ist über den Eingangsanschluss 9 mit einer Gleichspannungsversorgung 11 verbunden.
Über der zweiten Elektrode 8, d. h. auf derjenigen Seite der Objektivlinse 2, die einer Elektronenquelle zugewandt ist, ist der Sekundärelektronendetektor 30 mit einer Masseelektrode 3, einem Szintillator 4 und einem Lichtleiter 5 angeordnet. Der Szintillator 4 wird mit einer Hochspannung von +10 kV versorgt, um Sekundärelektronen zu beschleunigen.
Die Objektivlinse 2 und die erste und zweite Elektrode 7 und 8 wirken miteinander zusammen, um dafür zu sorgen, dass Se kundärelektronen durch die Polstücköffnung der Objektivlinse 2 laufen und dann zur Elektronenquelle (zum Detektor 30) herausgezogen werden, wobei das Verhalten der Sekundärelektronen schematisch in Fig. 2 veranschaulicht ist, in der dieselben Bezugszahlen wie in Fig. 1 identische oder entsprechende Teile kennzeichnen.
Da die Objektivlinse 2 beim vorliegenden Ausführungsbeispiel vom Typ mit offenem unterem Polstück ist, wie bereits beschrieben, damit das magnetische Streufeld der Objektivlinse 2 die maximale Magnetflussdichte an der Oberfläche 12a der Probe zeigt, wird nahe dem Beobachtungsbereich ein Magnetfeld 8 erzeugt, das in Fig. 2 als gestrichelte Kurve dargestellt ist, und dieses Magnetfeld B führt zur Funktion einer Linse mit einer Mittelebene (Linsenebene) nahe der Probenoberfläche 12a.
Mit dem obigen Aufbau wird ein Elektronenstrahl auf die Probe 12 gestrahlt, um Sekundärelektronen von einem Oberflächenabschnitt nahe einer Öffnung eines Kontaktlochs 50 zu emittieren, und diese Sekundärelektronen werden durch ein von der ersten Elektrode 7 erzeugtes elektrisches Feld nach oben gezogen. Dabei werden die Sekundärelektronen, beim vorliegenden Ausführungsbeispiel, durch die durch die Objektivlinse 2 erzeugte Linsenwirkung auf die Mittelachse X fokussiert, um nach oben herausgezogen zu werden, ohne zur ersten Elektrode 7 gezogen zu werden. Die Sekundärelektronen werden ferner durch die Wirkung von durch die erste und zweite Elektrode 7 und 8 erzeugten elektrischen Feldern zur der Elektronenquelle zugewandten Seite der Objektivlinse gezogen.
Andererseits werden von der Bodenfläche 50a des Kontaktlochs 50 emittierte Sekundärelektronen 13 durch das elektrische Feld wegen der ersten Elektrode 7 nach oben gezogen, um aus dem Kontaktloch 50 zu entweichen. Die das Kontaktloch verlassenden Sekundärelektronen 13 werden durch die Linsenwirkung der Objektivlinse 2 auf die Mittelachse X fokussiert, um nach oben herausgezogen zu werden, ohne zu positiven Ladungen auf der Probenoberfläche gezogen zu werden.
Im Ergebnis werden die von der Probe 12 emittierten Sekundärelektronen 13 zur der Elektronenquelle zugewandten Seite der Objektivlinse 2 durch den Elektronenstrahlkanal der ersten Elektrode 7 und die Öffnung des Gitternetzes 7a hochgezogen und durch den Detektor 30 erfasst.
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel werden aus der Nähe der Öffnung des Kontaktlochs 50 emittierte Sekundärelektronen oder am Boden 50a des Kontaktlochs erzeugte und aus dem Kontaktloch entweichende Sekundärelektronen durch das von der Objektivlinse an der Probenoberfläche erzeugte fokussierende Magnetfeld auf die Mittelachse fokussiert, so dass sie zur der Elektronenquelle zugewandten Seite der Objektivlinse geführt werden ohne zur ersten Elektrode 7 herausgezogen zu werden oder durch positive Ladungen an der Probenoberfläche eingefangen zu werden. Demgemäß kann der Detektor 30 die Sekundärelektronen mit hohem Wirkungsgrad erfassen.
Ferner verhindert das wirkungsvolle Hochziehen von Sekundärelektronen ein Aufladen der Probenoberfläche, um das wirkungsvolle von, insbesondere, Sekundärelektronen 13 zu fördern, die vom Boden 50a des Kontaktlochs 50 emittiert wurden, um eine Beobachtung des Bodens des Kontaktlochs mit hoher Auflösung zu ermöglichen.
Fig. 3A ist eine Schnittansicht einer Probe, die das Objekt bildet, das durch das längenmessende Elektronenstrahlgerät gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zu messen ist. An der Hauptfläche eines Siliciumsubstrats 12-1 ist ein Sili ciumdioxidfilm 12-2 ausgebildet, auf den ein Resistfilm 12-3 auflaminiert ist. Wenn der beschichtete Resistfilm 12-3 Licht oder einem Elektronenstrahl ausgesetzt und entwickelt wird, wird im Resistabschnitt ein Belichtungsmuster ausgebildet. Ferner wird eine Ätzbehandlung angewandt, um einen überflüssigen Teil des Siliciumdioxidfilms 12-2 abzuätzen, um so ein das Siliciumsubstrat 12-1 erreichendes Loch 50 auszubilden. Dann wird der Resistfilm 12-3 der Fig. 3A entfernt, wie es in Fig. 3B dargestellt ist.
Fig. 4 ist eine Schnittansicht einer anderen Probe, die ein Objekt bildet, das durch das längenmessende Elektronenstrahlgerät gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zu messen ist, und dieselben Bezugszahlen wie sie zuvor verwendet wurden kennzeichnen identische oder entsprechende Teile.
Wie es in der Schnittansicht der Fig. 4 dargestellt ist, ist ein Siliciumoxidfilm 12-2 auf einem Siliciumsubstrat hergestellt, ein Aluminiumdünnfilm 12-4 ist aus der Dampfphase auf dem Film 12-2 abgeschieden, um einen leitenden Film zu bilden, und darauf ist ein Resistmaterial 12-3 aufgetragen, das Licht ausgesetzt wurde, um so ein den Siliciumoxidfilm 12-2 erreichendes Kontaktloch zu bilden.
Wenn auf eine Probe mit einer Laminarstruktur aus einem Leiter und einem Isolator, wie oben, ein Elektronenstrahl 6 aufgestrahlt wird, werden am Boden des Kontaktlochs Sekundärelektronen 13 erzeugt. Dabei werden Sekundärelektronen auch an der Oberfläche der Probe 12 erzeugt, und wenn die Anzahl emittierter Sekundärelektronen größer als die Anzahl einfallender Elektronen im Elektronenstrahl 6 ist, wird die Probenoberfläche positiv geladen. Entsprechend Ergebnissen von Versuchen, wie sie durch die Erfinder in der vorliegenden Sache ausgeführt wurden, wird die Probenoberfläche unter der Bedingung positiv geladen, dass die Beschleunigungs spannung auf 1 kV oder weniger eingestellt wird und die Elektronenstrahlstärke auf 10&supmin;¹¹A oder weniger eingestellt wird.
Experimentell hat es sich herausgestellt, dass dann, wenn die Beschleunigungsspannung auf mehr als 1 kV eingestellt wird, um die Oberfläche des Resistfilms 12-3 negativ zu laden, durch das negative Potenzial an der Oberfläche verhindert wird, dass Sekundärelektronen vom Boden 50a entweichen, und es können überhaupt keine erfasst werden.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel können, da der Ladezustand an der Oberfläche des Resistfilms 12-3 oder des Siliciumdioxidfilms 12-2 positiv gehalten werden kann, am Boden des Kontaktlochs erzeugte Sekundärelektronen 13 mit hohem Wirkungsgrad aus dem Kontaktloch entweichen.
Die positiv geladene Probenoberfläche kann dadurch erkannt werden, dass ein gewünschter Beobachtungsbereich mit einer Vergrößerung von z. B. dem 50000-fachen beobachtet wird und danach ein größerer Bereich einschließlich des gewünschten Beobachtungsbereichs dadurch betrachtet wird, dass die Bildvergrößerung auf z. B. das 5000-fache verringert wird, um sicherzustellen, dass der zuvor mit dem 50000-fachen betrachtete Bereich dunkler als seine Nachbarschaft ist.
Dies beruht auf der Tatsache, dass dann, wenn die Probenoberfläche geladen ist, die meisten von der Probenoberfläche emittierten Sekundärelektronen durch das positive Potenzial angezogen werden, was die Erfassungsmenge an Sekundärelektronen verringert.
Ob der gewünschte Beobachtungsbereich dunkler als seine Nachbarschaft ist oder nicht, kann entweder durch die Bedienperson bestimmt werden, die eine CRT (Kathodenstrahlröhre) betrachtet, oder auf Grundlage eines Erfassungssignals vom Sekundärelektronendetektor 30. Wenn die Entscheidung auf Grundlage des Erfassungssignals vom Sekundärelektronendetektor 30 erfolgt, kann die Tatsache, ob die Probenoberfläche positiv geladen ist oder nicht, der Bedienperson unter Verwendung einer geeigneten Einrichtung wie einer Anzeige oder von Schall mitgeteilt werden.
Nachdem die Tatsache klargestellt wurde, dass der gewünschte Beobachtungsbereich positiv geladen ist, wird die Bildvergrößerung erneut auf das 50000-fache zurückgestellt und es wird die Beobachtung ausgeführt. Wenn ein negativ geladener Zustand klargestellt wird, kann der Beobachtungsbereich unter Verwendung einer geeigneten Einrichtung positiv geladen weiden, und es folgt die Beobachtung.
Durch Versuche wurde gezeigt, dass dann, wenn eine Spannung von 50 V oder mehr an die erste Elektrode 7 angelegt wird, wirkungsvolle Ergebnisse erzielt werden können, jedoch abhängig von Werten der Beschleunigungsspannung für den Elektronenstrahl 6, und dass für 300 V bis 350 V kein Unterschied auftritt.
Durch Anlegen einer Spannung, die innerhalb des Bereichs zwischen dem Massepotenzial und +50 V zur zweiten Elektrode 8 fällt, konnten Sekundärelektronen vom Boden 50a des Kontaktlochs ohne Beeinträchtigung des Wirkungsgrads der Sekundärelektronen-Erfassung erfasst werden.
Im praktischen Gebrauch kann die an die zweite Elektrode 8 angelegte Spannung für verschiedene Proben auf ungefähr 30 V fixiert werden. Wenn die zweite Elektrode 8 mit einer negativen Spannung versorgt wird, fällt das Sekundärelektronensignal insgesamt, jedoch können nur Sekundärelektronen und Reflektionselektronen höherer Energie erfasst werden, was es ermöglicht, Signale mit relativ hoher Energie zu erfassen, die am Boden eines Lochs oder eines tiefen Grabens reflektiert werden. Demgemäß wachsen Signale vom Boden relativ langsam an und es kann ein Bild erzielt werden, das zur Beobachtung des Bodens zufriedenstellend ist.
Ein hervorragendes Bild konnte durch Durchrastern des Elektronenstrahls mit einer Rate von 10 oder mehr Vollbilder/Sekunde erzielt werden, jedoch war während des Durchrasterns mit einer niedrigen Rate wie 1 Vollbild/Sekunde die Elektronenstrahl-Einstrahlungsmenge pro Einheitsfläche erhöht, wodurch die Elektronenstrahlstärke erheblich erhöht war, so dass die Probenoberfläche negativ geladen wurde, was die Beobachtung des Bodens eines Lochs verhinderte.
Denkbarerweise beruht diese Tatsache auf einem Effekt dahingehend, dass der Ladungszustand der Probenoberfläche durch Durchrastern mit hoher Rate in einem Elektronenstrahl-Durchrasterbereich gleichmäßig positiv gehalten wird, und das Erfordernis eines Durchrasterns mit hoher Rate zum Beobachten des Inneren eines Kontaktlochs wurde experimentell bestätigt. In einem praxisgerechten Gerät werden 30 Vollbilder/Sekunde in Anpassung an die Durchrasterung mit der Fernsehfrequenz gewählt, um für ein Durchrastern synchron mit der Spannungsversorgungsfrequenz zu sorgen und um wirtschaftlichen Erfordernissen zu genügen.
Wie oben im Einzelnen angegeben, kann gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein am Boden eines Kontaktlochs oder eines tiefen Grabens erzeugtes Sekundärelektronensignal während eines Halbleiter-Herstellprozesses mit hohem Wirkungsgrad erfasst werden, und es kann ein hervorragendes Bild erhalten werden, das zur qualitativen Untersuchung einer Bearbeitung in einem Halbleiterprozess ausreichend wirksam ist.
Genauer gesagt, konnte gemäß dem vorliegenden Ausführungs beispiel der Boden eines feinen, tiefen Lochs, das über einem Siliciumsubstrat ausgebildet war und einen Durchmesser von 0,45 um am Lochboden, einen Durchmesser von 0,9 um an der oberen Öffnung und eine Tiefe von 1,9 um aufwies, beobachtet werden.
Fig. 5 ist ein Blockdiagramm, das den Gesamtaufbau eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Rasterelektronenmikroskops zeigt. Ein praxisbezogenes Gerät verfügt über eine Abpumpeinrichtung zum Erzeugen von Vakuum im als Elektronenstrahlkanal verwendeten Geräteinnenraum, jedoch sind in Fig. 5 nur Komponenten veranschaulicht, die zum Beschreiben der Erfindung erforderlich sind.
Ein von einer Elektronenquelle 101 emittierter Elektronenstrahl 121 wird durch eine Kondensorlinse 102 fokussiert und durch eine Ausrichtspule 103 einer optischen Ausrichtung unterzogen. Eine Astigmatismusspule 104 korrigiert eine astigmatische Aberration des Elektronenstrahls 121, und eine Ablenkspule 105 lenkt den Elektronenstrahl 121 ab und rastert ihn durch.
An einem oberen Polstück 109a einer Objektivlinse 109 ist eine Vorspannungselektrode 107 mit Zylinderform angebracht, die entlang der Innenwand einer Öffnung des oberen Polstücks verläuft und einen einer Probe gegenüberstehenden Endflansch 107f aufweist, um so einen inneren Elektronenstrahlkanal zu bilden.
Die obere Öffnung der Vorspannungselektrode 107 ist mit einem Gitternetz (nicht dargestellt) bedeckt, um Sekundärelektronen 122 zu einem Detektor 106 hin herauszuziehen. Das Gitternetz ist in seiner Mitte mit einer Öffnung versehen, dieldän Ablenkpfad des Elektronenstrahls 121 nicht stört.
Über der Vorspannungselektrode 107 ist eine Steuerelektrode 108 in Ringform angeordnet, und wie im Fall der Vorspannungselektrode 107 ist ihre untere Öffnung mit einem Gitternetz (nicht dargestellt) mit mittlerer Öffnung bedeckt.
Nachdem der Elektronenstrahl 121 durch die Steuerelektrode 108 und die Vorspannungselektrode 107 gelaufen ist, wird er durch die Objektivlinse 109 fokussiert und auf eine in einer Probenkammer 110 platzierte Probe 120 gestrahlt. Von der Probe 120 erzeugte Sekundärelektronen 122 werden vom Detektor 106 erfasst.
Die Elektronenquelle 101 ist mit einer Elektronenquellen- Spannungsversorgung 111 verbunden, die Kondensorlinse 102 mit einer Kondensorlinse-Spannungsversorgung 112, die Ausrichtspule 103 mit einer Ausrichtspule-Spannungsversorgung 113, die Astigmatismusspule 104 mit einer Astigmatismusspule-Spannungsversorgung 114, die Ablenkspule 105 mit einer Ablenkspule-Spannungsversorgung 115, die Vorspannungselektrode 107 mit einer Vorspannungselektroden-Spannungsversorgung 117, die Steuerelektrode 108 mit einen Steuerelektroden-Spannungsversorgung 118 und die Objektivlinse 109 mit einer Objektivlinse-Spannungsversorgung 119. Der Detektor 106 ist mit einer Detektorspannungsversorgung 116 verbunden, die dem Detektor 106 Spannung zuführt und ein Erfassungsignal vom Detektor 106 vermittelt.
Die oben angegebenen Spannungsversorgungen werden über eine Schnittstelle (I/F) 123 durch Signale von einer zentralen Verarbeitungseinheit (CPU) 124 gesteuert. In die zentrale Verarbeitungseinheit 124 werden von einer Tastatur 125 verschiedene Arten von Daten eingegeben. Ein Erfassungssignal vom Detektor 106 wird über die Schnittstelle 123 an die zentrale Verarbeitungseinheit 124 geliefert und als Bild auf der Bildanzeigeeinrichtung 126 angezeigt.
Mit der zentralen Verarbeitungseinheit 124 sind Speicher 130a und 130b verbunden, in die vorab die folgenden Daten eingespeichert werden.
(1) Datengruppe A: Steuerdaten, die dann verwendet werden, wenn die Ausgangsspannungen der Vorspannungselektroden-Spannungsversorgung 117 und der Steuerelektroden-Spannungsversorgung 118 beide 0 (null) V sind und sie bestehen aus Folgendem:
(a) der Ausrichtspule 103 zugeführter Spulenstrom;
(b) der Astigmatismusspule 104 zugeführter Spulenstrom; und
(c) der Ablenkspule 105 bei einer gewünschten Bildvergrößerung zugeführter Spulenstrom.
(2) Datengruppe B: Steuerungsdaten, die dann verwendet werden, wenn die Ausgangsspannungen der Vorspannungselektroden- Spannungsversorgung 117 und der Steuerelektroden-Spannungsversorgung 118 vorbestimmte Spannungen V1 und V2 sind, und sie bestehen aus Folgendem:
(a) der Ausrichtspule 103 zugeführter Spulenstrom;
(b) der Astigmatismusspule 104 zugeführter Spulenstrom;
(c) der der Ablenkspule 105 bei einer gewünschten Bildvergrößerung zugeführte Spulenstrom;
(d) ein Gleichstrom, der dem Ablenkspulenstrom zu überlagern ist, um eine Bildverschiebung zu korrigieren;
(e) ein Inkrement des Linsenstroms, wie an die Objektivlinse 109 geliefert; und
(f) eine Änderung des Hintergrundpegels, wie zum Korrigieren von Bilddaten erforderlich.
Da in der Datengruppe A registrierte Steuereinzeldaten, die den individuellen Spannungsversorgungen zugeführt werden, für verschiedene Werte der Bildvergrößerung verschieden sind, werden die an die einzelnen Spannungsversorgungen ge lieferten Steuereinzeldaten in einem Datentabellenformat unter Verwendung von Vergrößerungen als Parameter registriert.
Da in der Datengruppe B registrierte Steuereinzeldaten, die an die einzelnen Spannungsversorgungen geliefert werden, für verschiedene Werte der Bildvergrößerung und der Spannungen V1 und V2 verschieden sind, werden die an die einzelnen Spannungsversorgungen gelieferten Steuereinzeldaten in einem Datentabellenformat unter Verwendung von Vergrößerungen und Spannungen V1 und V2 als Parameter registriert.
Beim obigen Aufbau werden, wenn eine Beobachtung eines normalen Musters ausgeführt wird, die Ausgangsspannungen der Vorspannungselektroden-Spannungsversorgung 117 und der Steuerelektroden-Spannungsversorgung 118 auf 0 (null) V eingestellt. Die zentrale Verarbeitungseinheit 124 wählt die Datengruppe A zum Steuern der einzelnen Spannungsversorgungen entsprechend Einzeldaten in der Datengruppe A aus.
Wenn eine Beobachtung des Inneren eines Kontaktlochs ausgeführt wird, werden die Ausgangsspannungen der Vorspannungselektroden-Spannungsversorgung 117 und der Steuerelektroden- Spannungsversorgung 118 auf die Spannung V1 (z. B. +300 V) bzw. V2 (z. B. +30 V) eingestellt. Die zentrale Verarbeitungseinheit 124 wählt die Datengruppe B zum Steuern der einzelnen Spannungsversorgungen entsprechend den Einzeldaten in der Datengruppe B aus.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden Steuerdaten einzelner Komponenten, wie zum Erzielen des besten Abtastbilds erforderlich, automatisch abhängig davon ausgewählt, ob auf der Probenoberfläche ein positives elektrisches Feld erzeugt wird oder nicht, und daher kann das Funktionsvermögen drastisch verbessert werden.
Während für das vorstehende Ausführungsbeispiel beschrieben ist, dass sowohl an die Vorspannungselektrode 107 als auch die Steuerelektrode 108 Spannungen zum Erzeugen eines positiven elektrischen Felds an der Probenoberfläche angelegt werden, ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt, sondern es kann eine Spannung nur an die Vorspannungselektrode 107 angelegt werden, während die Steuerelektrode 108 dauernd mit Masse (0 V) verbunden ist.
In diesem Fall wird der effektive Bereich, über den das von der Vorspannungselektrode 107 erzeugte elektrische Feld den Elektronenstrahl 121 beeinflusst, durch die Steuerelektrode 108 im Wesentlichen aufgehoben, und demgemäß ist es nicht erforderlich, in der Datengruppe B Steuerdaten betreffend den Spulenstrom zu registrieren, der für die Ausrichtspule 103 (oben als (a) angegeben) erforderlich ist, und betreffend einen zusätzlichen Gleichstrom, der dem Ablenkspulenstrom zur Korrektur einer Bildverschiebung überlagert wird (oben als (d) angegeben).
Fig. 6 ist ein Diagramm, das ein anderes Beispiel für die Konstruktion der Vorspannungselektrode 107 zeigt, und in dieser Figur bezeichnen dieselben Bezugszahlen wie im vorstehenden Fall identische oder entsprechende Teile.
Dieses Ausführungsbeispiel zeigt das Merkmal, dass eine Vorspannungselektrode 107 in vier Teilelektroden (X1, X2, Y1 und Y2) in der Richtung der optischen Achse eines Elektronenstrahls so unterteilt ist, dass von den Teilelektroden X1, X2, Y1 und Y2 erzeugte positive elektrische Felder voneinander verschieden sein können.
Elektroden 107 und 108 sind in ihren mittleren Abschnitten mit Löchern 171 und 172 zum Durchlassen eines Elektronenstrahls 121 versehen, und die Kanallöcher 171 und 172 sind von Gittern 107b und 108b umgeben, die Sekundärelektronen hindurchtreten lassen.
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist beschrieben, dass die Vorspannungselektrode 107 in vier Segmente unterteilt ist, jedoch ist die Erfindung nicht allein hierauf beschränkt, sondern die Elektrode kann in zwei oder sechs Segmente unterteilt sein.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel können an die mehreren Teilelektroden angelegte Spannungen unabhängig gesteuert werden, und daher können durch Einstellen der Relativbeziehung zwischen an die jeweiligen Teilelektroden angelegte Spannungen und Absolutwerten der Spannungen eine Ausrichtung (oben als (a) angegeben) und eine Bildverschiebekorrektur (oben als (b) angegeben), wie sie andernfalls in der Datengruppe B eingetragen sind, weggelassen werden.
Fig. 7 ist ein Blockdiagramm, das den Aufbau eines anderen Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Rasterelektronenmikroskops zeigt, und in der Figur kennzeichnen dieselben Bezugszahlen wie im vorstehenden Fall identische oder entsprechende Teile.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel zeigt das Merkmal des Hinzufügens einer Ablenkkorrekturspule 127 und einer Ablenkkorrekturspulen-Spannungsversorgung 128 zur in Zusammenhang mit Fig. 5 erläuterten Konstruktion.
Die Ablenkkorrekturspulen-Spannungsversorgung 128 ist mit einer Schnittstelle 123 verbunden, und ihr Ausgangsstrom wird durch eine zentrale Verarbeitungseinheit 124 gesteuert. In der zentralen Verarbeitungseinheit 124 werden vorab Steuerdaten betreffend das Ausmaß und die Richtung der Ablenkung eines Elektronenstrahls gespeichert, wie zum Korri gieren einer Bildverschiebung und einer Fehlausrichtung erforderlich, die dann auftreten können, wenn positive Spannungen an die Vorspannungselektrode 107 und die Steuerungselektrode 108 angelegt werden.
Wenn bei diesem Aufbau keine positive Spannung an die Vorspannungselektrode 107 und die Steuerelektrode 108 angelegt wird, wird auch der Ausgangsstrom der Ablenkkorrekturspulen- Spannungsversorgung 128 auf Null eingestellt.
Wenn an die Vorspannungselektrode 107 und die Steuerelektrode 108 positive Spannungen angelegt werden, wird die Ablenkkorrekturspulen-Spannungsversorgung 128 so gesteuert, dass Ströme zum Korrigieren der Bildverschiebung und der Fehlausrichtung auf Grundlage der Steuerdaten eingespeist werden.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann eine Korrektur der Ausrichtung und Bildverschiebung, die ansonsten unter Verwendung von in die Datengruppe (mit in (a) und (b) angegeben) eingetragenen Einzeldaten erfolgt, unter Verwendung der speziell vorhandenen Korrekturspule 127 ausgeführt werden, weswegen die Menge an Steuerdaten verringert werden kann.
Wie oben beschrieben, werden gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel Steuerdaten einzelner Komponenten, die zum Erhalten eines Abrasterbilds erforderlich sind, automatisch abhängig davon ausgewählt, ob an der Probenoberfläche ein positives elektrisches Feld erzeugt wird oder nicht, und daher kann das Betriebsfunktionsvermögen drastisch verbessert werden.
Fig. 8 ist ein schematisches Diagramm, das noch ein anderes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rasterelektronenmikroskops (REM) zeigt. Hier ist ein REM vom TTL(through the lens = durch die Linse hindurch)-Typ dargestellt, bei dem von einer Probe 203 erzeugte Sekundärelektronen 204, die durch ein Loch 213 in einem Objektivlinsen-Polstück gelaufen sind, durch einen Sekundärelektronendetektor 201 erfasst werden, der über einer Objektivlinse 200 angeordnet ist.
In der Figur wird ein Elektronenstrahl 207, der von einer Elektronenkanone 206 vom Feldemissionstyp aus einer Feldemissionskathode 206a und einer elektrostatischen Linse 206b emittiert wird, durch eine Kondensorlinse 208 und die Objektivlinse 200 auf eine sehr feine Elektronensonde 210 auf der Oberfläche der auf einem Probentisch 209 gehaltenen Probe 203 fokussiert. Die Elektronensonde 210 wird durch Ablenken des Elektronenstrahls 207 mittels einer durch eine Abrasterspannungsversorgung 212 aktivierten Ablenkspule 211 auf der Probenoberfläche durchgerastert.
Sekundärelektronen 204, die durch das Durchrastern der Elektronensonde 210 von der Probenoberfläche erzeugt werden, werden durch ein Magnetfeld der Objektivlinse eingefangen, um durch das Polstückloch 213 zu laufen, und dann werden sie zum Sekundärelektronendetektor 201 geführt. Ein Erfassungssignal vom Sekundärelektronendetektor 201 wird durch eine Verstärkerschaltung 214 verstärkt und als Videosignal an eine Kathodenstrahlröhre (nachfolgend als CRT abgekürzt) 215 geliefert.
Die Bildvergrößerung eines zu betrachtenden Bilds wird durch Ändern der Durchrasterbreite der Elektronensonde 210 auf der Probenoberfläche durch eine Vergrößerungsänderungsschaltung 216 eingestellt, um das Verhältnis zwischen dieser Durchrasterbreite und der Schirmbreite auf der CRT einzustellen. Eine Vergrößerungssteuerungseinrichtung 205 steuert die Vergrößerungsänderungsschaltung 216 und die Durchrasterspannungsversorgung 212 in solcher Weise, dass der Elektronen strahl für eine vorbestimmte Zeit niedrigerer Bildvergrößerung (ML) oder größerer Bildvergrößerung (MH) als der Bildvergrößerung (MO) für die gewünschte Betrachtung auf die Probenoberfläche gestrahlt wird, und danach wird die Bildvergrößerung auf die Bildvergrößerung (MO) für die gewünschte normale Betrachtung zurückgestellt.
Anstelle einer Steuerung durch die Vergrößerungssteuerungseinrichtung 205 können die Bildvergrößerung und Bestrahlungszeit (Timer) durch die Bedienperson für eine Probe, die zum Aufladen neigt, von Hand eingestellt werden, oder sie können durch Auswählen eines Menüs eingestellt werden, das vorab in ein Softwareprogramm eingeschlossen wurde.
Fig. 15 ist ein Flussdiagramm zum Erläutern eines Beobachtungsverfahrens durch das auf die obige Weise aufgebaute REM.
In einem Schritt S10 wird eine gewünschte Beobachtungs-Bildvergrößerung MO eingestellt. In einem Schritt S11 wird die Bestrahlungszeit t1 bei geringer Bildvergrößerung ML eingestellt. In einem Schritt S12 ändert die Vergrößerungsänderungsschaltung 216 die Durchrasterbreite der Elektronensonde 210 auf der Probenoberfläche, um die Bildvergrößerung von der Beobachtungs-Bildvergrößerung MO auf die geringe Bildvergrößerung ML umzuschalten.
In einem Schritt S13 wird der Elektronenstrahl für die o. g. Bestrahlungszeit t1 mit der Bildvergrößerung ML eingestrahlt, und danach wird die Bildvergrößerung in einem Schritt S14 durch die Vergrößerungssteuerungseinrichtung 215 von der geringen Bildvergrößerung ML auf die Beobachtungs- Bildvergrößerung MO umgeschaltet. In einem Schritt S15 wird der Elektronenstrahl auf die Probe gestrahlt.
In einem Schritt S16 stellt die Bedienperson das Beobachtungsbild durch Betrachten der CRT klar. Wenn eine Beobachtung oder Längenmessung zulässig ist, geht das Programm zu einem Schritt S17 weiter, in dem eine Beobachtung oder Längenmessung ausgeführt wird, wohingegen dann, wenn eine Beobachtung oder Längenmessung schwierig auszuführen ist, das Programm zum Schritt S11 zurückkehrt und die vorigen Verarbeitungen wiederholt werden.
Fig. 16 ist ein Flussdiagramm, das ein anderes Beobachtungsverfahren zeigt, und in Schritten, die mit denselben Bezugszahlen wie vorstehend bezeichnet sind, werden entsprechende Verarbeitungen ausgeführt, die hier nicht beschrieben werden.
In einem Schritt S11a wird die Bestrahlungszeit t2 bei großer Bildvergrößerung MH eingestellt. In einem Schritt S12a ändert die Vergrößerungsänderungsschaltung 216 die Durchrasterbreite der Elektronensonde 210 auf der Probenoberfläche, um die Bildvergrößerung von der Beobachtungsvergrößerung MO auf die hohe Vergrößerung MH einzustellen.
In einem Schritt S13a wird der Elektronenstrahl für die o. g. Bestrahlungszeit t2 mit der Bildvergrößerung MH eingestrahlt, und danach wird die Bildvergrößerung in einem Schritt S14a von der hohen Vergrößerung MH auf die Betrachtungsvergrößerung MO umgeschaltet.
Fig. 17 ist ein Flussdiagramm, das noch ein anderes Beobachtungsverfahren zeigt, und in Schritten, die mit denselben Bezugszahlen wie im Vorstehenden gekennzeichnet sind, werden entsprechende Verarbeitungen ausgeführt, die hier nicht beschrieben werden.
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der Elektronen strahl zunächst für die Zeit t3 mit hoher Vergrößerung MH eingestrahlt, dann wird die Bildvergrößerung auf geringe Vergrößerung ML umgeschaltet, bei der der Elektronenstrahl für die Zeit t4 eingestrahlt wird, und danach wird die Bildvergrößerung auf die Beobachtungsvergrößerung MO zurückgestellt, bei der eine Beobachtung oder Längenmessung ausgeführt wird.
In jedem oben beschriebenen Beobachtungsmodus kann die Beobachtung eines Abrasterbilds während den Bestrahlungsperioden für geringe Vergrößerung ML und hohe Vergrößerung MH entweder zulässig oder unzulässig sein. In der Praxis wird die geringe Vergrößerung vorzugsweise auf ML = MO/50 bis MO/100 eingestellt, und die hohe Vergrößerung MH wird vorzugsweise auf MH ≥ 3MO eingestellt.
Fig. 9 ist ein schematisches Diagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen REM, und in der Figur bezeichnen dieselben Bezugszeichen wie im Vorstehenden identische oder entsprechende Teile.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel zeigt das Merkmal, dass zum Anlegen eines elektrischen Felds an die Probenoberfläche zum Herausziehen von Sekundärelektronen 204, die aus einem tiefen Graben wie einem Kontaktloch erzeugt wurden, und um sie wirkungsvoll zu einem Sekundärelektronendetektor 201 zu leitet, eine Elektrisches-Feld-Steuerelektrode 218, eine Energiesteuerelektrode 221 und eine Elektrisches-Feld- Steuereinrichtung 217 zum Steuern dieser Steuerelektroden vorhanden sind. Eine Objektivlinse 202 erzeugt ein Magnetfeld zum Fokussieren der Sekundärelektronen aus dem tiefen Loch.
Fig. 10 ist eine Schnittansicht, die zum detaillierten Erläutern der Elektrisches-Feld-Steuerelektrode 218 und der Ener giesteuerelektrode 221 von Nutzen ist.
Die Elektrisches-Feld-Steuerelektrode 218 ist konzentrisch zu einem Polstückloch 213 eine Objektivlinse 202 so angebracht, dass sie einer Probe 203 gegenübersteht. Über der Elektrisches-Feld-Steuerelektrode 218 ist ein ebenes Gitter 219 mit einem Elektronenstrahl-Durchtrittsloch angebracht.
Das Gitter 219 ist nicht immer erforderlich, jedoch wirkt es so, dass es die kinetische Energie von Sekundärelektronen mittelt, die in schräger Richtung hochgezogen werden und einen Winkel zur Mittelachse bilden. Das Gitter 219 kann Halbkugelform aufweisen.
Die Elektrisches-Feld-Steuerelektrode 218 wird mit einer Steuerspannung (VB1) 220 für das elektrische Feld von außerhalb des Vakuums versorgt. Die Steuerspannung VB1 wird auf einen Wert eingestellt, der niedriger als die Beschleunigungsspannung eines Primärelektronenstrahls 207 ist, und es handelt sich um einen positives Potenzial in Bezug auf die Probe 203. In der Praxis kann sich der Wert vorzugsweise auf bis zu 100 bis 350 V belaufen.
Über der Elektrisches-Feld-Steuerelektrode 218 ist die zweite Steuerelektrode (Energiesteuerelektrode) 221 angeordnet. Diese Elektrode spielt die Rolle des Auswählens von Elektronen, die durch die Elektrisches-Feld-Steuerelektrode 218 gelaufen sind (Sekundärelektronen und Reflektionselektronen), und zwar abhängig von deren kinetischer Energie, und des Führens ausgewählter Elektronen mit hohem Wirkungsgrad zum Sekundärelektronendetektor 201.
Die Energiesteuerelektrode 221 verfügt ebenfalls über ein Elektronenstrahl-Durchlaufloch, dessen optische Achse (Mittelachse) mit der Objektivlinse gemeinsam vorliegt, und ein ebenes (oder halbkugeliges) Gitter 222. Die Energiesteuerelektrode 221 wird von außerhalb des Vakuums mit einer Energiesteuerspannung (VB2) 223 versorgt. Der Wert der Steuerspannung VB2 ist im Bereich von -20 bis +40 V variabel, um eine Energieunterscheidung zwischen Sekundärelektronen und Reflektionselektronen zu ermöglichen. Die zwei Steuerelektroden 218 und 221 sind durch einen Isolator 224 elektrisch gegen Masse 225 isoliert.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden von der Probe 203 erzeugte Sekundärelektronen durch ein elektrisches Feld aufgrund der Steuerspannung VB1 sicher nach oben gezogen, sie werden dazu veranlasst, durch die Elektrisches- Feld-Steuerelektrode 218 zu laufen, während sie unter dem Einfluss des Magnetfelds der Objektivlinse einer Schraubenbahn folgen, und dann werden sie einer Energieerkennung durch die Energiesteuerelektrode 221 unterzogen, um mit hohem Wirkungsgrad zum Sekundärelektronendetektor 201 geleitet zu werden.
Fig. 11 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die o. g. Steuerelektroden 218 und 221 in einem Rasterelektronenmikroskop vom sogenannten Intralinsensystem angeordnet sind, bei dem eine Probe 203 in einem Polstückspalt einer Objektivlinse 202 positioniert ist. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel können ebenfalls ähnliche Effekte wie sie bereits beschrieben wurden, erzielt werden.
Wenn ein Sondenstrom Ip von 4pA bei einer Beschleunigungsspannung von 700 V unter Verwendung der in Zusammenhang mit Fig. 10 erläuterten Konstruktion bei einer Fotoresistfläche einer Halbleiterbauteil-Probe angewandt wird, werden Messergebnisse erhalten, die die Beziehung zwischen der Steuerspannung VB2 und dem Ausgangssignal des Sekundärelektronendetektors angeben, wobei die Steuerspannung VB1 als Parame ter verwendet wird, wie es beispielhaft in der Fig. 14 dargestellt ist.
Es ist erkennbar, dass dann, wenn die Steuerspannung VB1 bei einen Bildvergrößerung vom 1000-fachen zunimmt, der Spitzenwert des Ausgangssignals des Sekundärelektronendetektors zur positiven Seite der Steuerspannung VB2 hin verschoben wird, was anzeigt, dass das Potenzial auf der Probenoberfläche gesteuert werden kann und Ladungen leichter ins Gleichgewicht gebracht werden können, wenn die Steuerspannung VB1 angelegt wird, als dann, wenn dies nicht der Fall ist.
Ergebnisse von von den Erfindern in der vorliegenden Sache ausgeführten Versuchen haben gezeigt, dass dann, wenn ein tiefes Loch mit einem Seitenverhältnis von 3 oder mehr, das in der Kontaktlochfläche eines Halbleiterbauteils aus SiO&sub2; und Fotoresist auf einem Si-Substrat ausgebildet ist, mit dem in Zusammenhang mit der Fig. 9 beschriebenen REM unter der Bedingung beobachtet wird, dass die Bildvergrößerung MO das 50000-fache ist, die Bildvergrößerung ML das 1000-fache ist, die Bildvergrößerung MH das 150000-fache ist und der Probenstrom Ip 3pA beträgt, die Form und die Größe des Lochbodens deutlich beobachtet werden können.
Diese Probe hat eine Querschnittsform wie sie z. B. in Fig. 12 dargestellt ist. Bei der herkömmlichen Technik wird ein Grabenabschnitt (b) des Fotoresists negativ geladen, und von SiO&sub2; und Si unter dem Fotoresist erzeugte Sekundärelektronen werden durch ein starkes negatives Feld im Grabenabschnitt abgeschirmt und daran gehindert, ein Loch nach oben zu verlassen, mit dem Ergebnis, dass die Beobachtung von Konturen (d) und (c) von SiO&sub2; und Si nicht möglich ist. Anders gesagt, wird eine Messung der Größe des Lochbodens und eine Erkennung von Rückständen am Lochboden unmöglich.
Im Gegensatz hierzu tritt, wenn, wie beim vorliegenden Ausführungsbeispiel, die unter Bezugnahme auf die Flussdiagramme der Fig. 15 bis 17 beschriebenen Beobachtungsverfahren verwendet werden und Steuerspannungen VB1 und VB2 angelegt werden, ein Ladungsausgleich auf, wie er im Grabenabschnitt (a) dargestellt ist, um zu gewährleisten, dass von SiO&sub2; und Si erzeugte Sekundärelektronen mit hohem Wirkungsgrad erfasst werden können und ein Betrachtungsbild mit hohem Kontrast erhalten werden kann.
Wenn das Beobachtungsverfahren gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel nicht verwendet wird, nimmt der Bestrahlungsstrom (Elektronenstrahl-Bestrahlungsmenge IQ) pro Einheitsfläche mit der Bildvergrößerung (MO) für die normal gewünschte Betrachtung zu, um das Ladungsgleichgewicht zu stören, so dass keine Erfassung von Sekundärelektronen vom Lochboden möglich ist und der Kontrast gering ist.
Wenn die Beobachtungs-Bildvergrößerung (MO) erniedrigt wird, um hohen Kontrast zu erzielen, ist der auf der CRT beobachtbare Lochdurchmesser verringert. Z. B. wird ein Lochdurchmesser von 0,5 um bei einer Bildvergrößerung vom 25000-fachen mit höchstens ungefähr 12,5 mm beobachtet, was es schwierig macht, den Lochboden genau zu betrachten.
Wenn jedoch die vorliegende Erfindung angewandt wird, kann für eine vorbestimmte Zeit Kontrast in Grenzabschnitten (d) und (c) von SiO&sub2; und Si erhalten werden, wie es in Fig. 13 dargestellt ist. Von den Erfindern in der vorliegenden Sache ausgeführte Versuche haben gezeigt, dass unter Verwendung dieses Beobachtungsverfahrens die für die normal gewünschte Beobachtung verwendbare Bildvergrößerung (MO) auf das Doppelte oder mehr erhöht werden kann.
Fig. 18 ist ein schematisches Diagramm, das ein weiteres Aus führungsbeispiel eines erfindungsgemäßen REM zeigt, und in der Figur kennzeichnen dieselben Bezugszahlen wie im Vorstehenden identische oder entsprechende Teile.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel zeigt das Merkmal des Bereitstellens einer Sondenstrom-Erfassungsschaltung 226 zum Erfassen des Sondenstroms, einer Optimale-Vergrößerung-Anzeigeschaltung 227, die auf einen Wert des erfassten Sondenstroms reagiert, um einen Vergrößerungsbereich anzuzeigen, in dem keine Tendenz einer Aufladung besteht, und einer Stromsteuerschaltung 228 zum Steuern der Sondenstromstärke in solcher Weise, dass bei einer spezifizierten Bildvergrößerung kaum eine Aufladung auftritt.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel zieht Nutzen aus der Tatsache, dass das Aufladen an der Probenoberfläche vom Elektronenstrahl-Bestrahlungsausmaß IQ abhängt, und die Sondenstrom-Erfassungsschaltung 226 kann z. B. als Faradaykäfig konzipiert werden, der in einem Teil eines Probentischs 209 vorhanden ist, um eine Messung einer Stromstärke in der Größenordnung von 1 uA bis 0,5 pA von außerhalb des Vakuums zu ermöglichen.
Die Optimale-Vergrößerung-Anzeigeschaltung 227 liefert auf einer Bedienkonsole (nicht dargestellt) oder einer CRT 215 eine analoge oder digitale Anzeige, die einen Bereich von Vergrößerungen anzeigt, die für einen erfassten Probenstrom optimal sind. Alternativ kann die Konstruktion dergestalt sein, dass sie auf ein vorab programmiertes Menue reagiert, um Probenströme und Vergrößerungen anzuzeigen, die für verschiedene Arten von Proben optimal sind.
Die Probenstrom-Steuerschaltung 228 wird dann verwendet, wenn der Probenstrom geändert wird, um zu einer Bildvergrößerung MO für die praktisch gewünschte Beobachtung zu pas sen, und beim Betätigen einer Bedientaste (nicht dargestellt), führt sie eine solche Steuerung aus, dass eine Hochspannungsversorgungs-Steuerschaltung 229 für eine Elektronenkanone 206 so betrieben wird, dass die Stärke des Elektronenstrahls 207 so geändert wird, dass der erforderliche Probenstrom erhalten wird.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann ein Sondenstrom, der nicht dazu ausreicht, für Ausladung zu sorgen, auf konstante Weise gezogen werden, um die Erzeugung eines deutlichen Beobachtungsbilds zu ermöglichen, und außerdem kann er dazu verwendet werden, die Bedingungen für Probenschäden und die Elektronenoptik festzulegen.
Fig. 19 ist ein schematisches Diagramm, das noch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen REM zeigt, und in der Figur bezeichnen dieselben Bezugszahlen wie im Vorstehenden identische oder entsprechende Teile.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel zeigt das Merkmal des Bereitstellens einer Steuerschaltung 230 für gleichzeitige Anzeige mit verschiedenen Bildvergrößerungen zum gleichzeitigen Anzeigen von Bildern mit verschiedenen Bildvergrößerungen auf derselben CRT 215. Anstatt Bilder auf derselben CRT anzuzeigen, können Bilder mit verschiedenen Bildvergrößerungen gleichzeitig auf mehreren CRTs angezeigt werden.
Das Funktionsprinzip der Steuerschaltung 230 zum gleichzeitigen Anzeigen von Bildern mit verschiedenen Vergrößerungen ist z. B. in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 46- 24459, der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 52-20819 oder der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 51-36150 beschrieben.
Wie es aus dem zuvor beschriebenen Grundkonzept der Erfin dung deutlich ist, wird, gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, die Probenoberfläche durch Abrasterung für eine Beobachtung mit geringer Bildvergrößerung positiv geladen, jedoch negativ, wenn sie für Beobachtung mit hoher Bildvergrößerung abgerastert wird, und daher kann die Beobachtung immer unter Bedingungen mit Ladungsausgleich ausgeführt werden.
Fig. 20 ist ein schematisches Diagramm, das noch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen REM zeigt, und in der Figur kennzeichnen dieselben Bezugszahlen wie im Vorstehenden identische oder entsprechende Teile.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel zeigt das Merkmal des Bereitstellens von Steuerelektroden 218 und 221, wie in Zusammenhang mit den Fig. 9 und 10 beschrieben, in einem REM mit sogenanntem linsenexternem System mit einem Sekundärelektronendetektor 201, der unter einer Objektivlinse 302 angeordnet ist. Die Elektrisches-Feld-Steuerelektrode 218 und die Energiesteuerelektrode 221 sind über einen Isolator 224 an einem Probentisch 209 befestigt. Das vorliegende Ausführungsbeispiel zeigt den Vorteil, dass die Intensität eines an die Probenoberfläche angelegten elektrischen Felds sich selbst dann nicht ändert, wenn der Arbeitsabstand und der Neigungswinkel des Probentischs geändert werden.
Die Erfindung ist in keiner Weise auf die insoweit dargelegten Ausführungsbeispiels der Fig. 8 bis 10 beschränkt, und sie kann ähnliche Wirkungen selbst dann erzielen, wenn sie bei einem Rasterelektronenmikroskop angewandt wird, bei dem der Elektronendetektor aus einem Ringdetektor oder einem Kanalplattendetektor besteht, der unmittelbar über der Probe oder der Objektivlinse konzentrisch zur optischen Achse angeordnet ist.
Wie oben beschrieben, können gemäß den Ausführungsbeispielen der Fig. 8 bis 10 die folgenden günstigen Wirkungen erzielt werden:
(1) Durch Einstrahlen eines Elektronenstrahls auf die Oberfläche für eine vorbestimmte Zeit mit geringerer oder größerer Bildverstärkung als einer gewünschten Beobachtungs-Bildverstärkung mit anschließendem Zurückstellen der Bildverstärkung auf die gewünschte Beobachtungs-Bildverstärkung sowie durch Einstrahlen eines Elektronenstrahls kann zeitweilig ein Ladungsgleichgewicht eingestellt werden, und diese Periode kann zur Bildbeobachtung genutzt werden, um ein Beobachtungsbild hoher Auflösung und hoher Bildvergrößerung zu erzeugen.
(2) Durch Anlegen eines elektrischen Felds an die Probenoberfläche können von der Probenoberfläche unter der Elektronenstrahl-Einstrahlung erzeugte Sekundärelektronen wirkungsvoll zum Sekundärelektronendetektor gelenkt werden, um ein Abrasterbild mit hohem S/R-Verhältnis zu erzeugen.
(3) Da die Relativbeziehung zwischen einem Probenstrom, der nicht dazu in der Lage ist, eine Aufladung auf der Probenoberfläche hervorzurufen, und der Bildvergrößerung bestimmt wird, damit ein Probenstrom, der zu einer gewünschten Beobachtungs-Bildvergrößerung passt, oder eine Beobachtungs- Bildvergrößerung, die zu einem gewünschten Probenstrom passt, leicht erhalten werden können, können auf einfache Weise optimale Beobachtungsbedingungen erhalten werden, die zur Probe, zur Bildvergrößerung und zum Probenstrom passen.
(4) Durch gleichzeitiges Ausführen eines Abrastervorgangs für geringe Bildvergrößerung und eines Abrastervorgangs für hohe Bildvergrößerung kann eine Beobachtung immer im Zustand mit Ladungsgleichgewicht ausgeführt werden.
Die Erfindung wurde im Einzelnen beschrieben, jedoch ist zu beachten, dass verschiedene Änderungen, Ersetzungen und Alternativen daran vorgenommen werden können, ohne vom Grundgedanken und Schutzumfang der durch die beigefügten Ansprüche definierten vorliegenden Erfindung abzuweichen.

1) Nach Bezugszeichen geordnete Übersetzung von Figurenbeschriftungstext

11 Gleichspannungsversorgung
111 Elektronenquelle-Spannungsversorgung
112 Kondensorlinse-Spannungsversorgung
113 Ausrichtspule-Spannungsversorgung
114 Astigmatismusspule-Spannungsversorgung
115 Ablenkspule-Spannungsversorgung
116 Detektorspannungsversorgung
117 Vorspannungselektrode-Spannungsversorgung
118 Steuerelektrode-Spannungsversorgung
119 Objektivlinse-Spannungsversorgung
125 Tastatur
128 Ablenkkorrekturspule-Spannungsversorgung
130a Datengruppe A
130b Datengruppe B
205 Vergrößerungssteuerungseinrichtung
212 Durchraster-Spannungsversorgung
227 Optimale-Vergrößerung-Anzeigeschaltung
228 Sondenstrom-Steuerschaltung
229 Hochspannungsversorgungs-Steuerschaltung
230 Steuerschaltung zur gleichzeitigen Anzeige von Bildern mit verschiedenen Vergrößerungen
S10 gewünschte Beobachtungs-Bildvergrößerung MO einstellen
S11 Bestrahlungszeit t1 bei der geringen Bildvergrößerung ML einstellen (Fig. 15)
S11 Bestrahlungszeit t4 bei der geringen Bildvergrößerung ML einstellen Fig. 17)
S11a Bestrahlungszeit t2 bei der großen Bildvergrößerung MO einstellen (Fig. 16)
S11a Bestrahlungszeit t3 bei der großen Bildvergrößerung MO einstellen (Fig. 17)
S12 Bildvergrößerung von MO auf ML umschalten
S12a Bildvergrößerung von MO auf MH umschalten
S13 Elektronenstrahl für t1 Sekunden bei der Vergrößerung ML einstrahlen (Fig. 15)
S13 Elektronenstrahl für t4 Sekunden bei der Vergrößerung ML einstrahlen (Fig. 17)
S13a Elektronenstrahl für t2 Sekunden bei der Vergrößerung MH einstrahlen (Fig. 16)
S13a Elektronenstrahl für t3 Sekunden bei der Vergrößerung MH einstrahlen (Fig. 17)
S13b Bildvergrößerung von MH auf ML umschalten
S14 Bildvergrößerung von ML auf MO umschalten
S14a Bildvergrößerung von MH auf MO umschalten
S15 Elektronenstrahl einstrahlen
S16 Ist Beobachtung/Längenmessung zulässig?
S17 Beobachtung/Längenmessung bei der Bildvergrößerung MO ausführen

(2) Übersetzung von alphabetisch geordnetem Beschriftungstext (aus Fig. 12)

Aspect Ratio // Seitenverhältnis
End // Ende
Energy Control Voltage // Energiesteuerspannung
Secondary Electron Detector Output (arbitrary unit) // Sekundärelektronen-Ausgangssignal (willkürliche Einheit)
Low Magnification // geringe Vergrößerung
N // Nein
Photoresist // Fotoresist
Screen // Schirm
Substrate // Substrat
Start // Start
V // Ja

Claims

1. Rasterelektronenmikroskop, um einen Elektronenstrahl- Punkt (121) in einem Beobachtungsbereich auf einer Probe (203) zu scannen und ein aus dem Beobachtungsbereich sekundär erzeugtes Signal abzugreifen, um ein Beobachtungsbild zu erzeugen, aufweisend:

eine erste Bildvergrößerungs-Einstelleinrichtung (124) zum Einstellen einer gewünschten Beobachtungs-Bildvergrößerung (MO),

eine zweite Bildvergrößerungs-Einstelleinrichtung (124) zum Einstellen mindestens einer Bildvergrößerung (MOL); die geringer als die Beobachtungs-Bildvergrößerung (MO) ist, und/oder einer Bildvergrößerung (MH), die größer als die Beobachtungs-Bildvergrößerung (MO) ist, und

eine Einrichtung (124), um eine Bildbeobachtung mindestens in einem Beobachtungsmodus unter ersten bis dritten Beobachtungsmodi durchzuführen, unter denen der erste Beobachtungsmodus so ausgestaltet ist, daß ein Elektronenstrahl über eine vorbestimmte Zeitspanne (t&sub1;) bei der geringen Bildvergrößerung (ML) eingestrahlt wird und eine Bildbeobachtung danach bei der Beobachtungs-Bildvergrößerung (MO) durchgeführt wird, der zweite Beobachtungsmodus so ausgestaltet ist, daß ein Elektronenstrahl über eine vorbestimmte Zeitspanne (t&sub2;) bei der großen Bildvergrößerung (MH) eingestrahlt wird und eine Beobachtung danach bei der Beobachtungs-Bildvergrößerung (MO) durchgeführt wird, und der dritte Modus so ausgestaltet ist, daß ein Elektronenstrahl für eine erste vorbestimmte Zeitspanne (t&sub3;) bei der geringen Bildvergrößerung (ML) und dann für eine zweite vorbestimmte Zeitspanne (t&sub4;) bei der großen Bildvergrößerung (MH) eingestrahlt wird und eine Beobachtung danach bei der Beobachtungs-Bildvergrößerung (MO) durchgeführt wird.

2. Rasterelektronenmikroskop nach Anspruch 1, wobei die geringe Vergrößerung (ML) bezüglich der Beobachtuns-Bildver größerung (MO) im Bereich von MO/50 bis MO/100 und die große Vergrößerung (MH) bezüglich der Beobachtungs-Bildvergrößerung (MO) auf MH ≥ 3MO eingestellt wird.

3. Beobachtungsverfahren für ein Rasterelektronenmikroskop, um einen Elektronenstrahl-Punkt (121) in einem Beobachtungsbereich auf einer Probe (120) zu scannen und ein aus dem Beobachtungsbereich sekundär erzeugtes Signal abzugreifen, um ein Beobachtungsbild zu erzeugen, mit folgenden Schritten:

Einstellen einer gewünschten Beobachtungs-Bildvergrößerung (MO),

Einstellen mindestens einer Bildvergrößerung (ML), die geringer als die Beobachtungs-Bildvergrößerung (MO) ist, und/oder einer Bildvergrößerung (MH), die größer als die Beobachtungs-Bildvergrößerung (MO) ist, und

Durchführen einer Bildbeobachtung in einem Beobachtungsmodus unter ersten bis dritten Beobachtungsmodi, von denen der erste Beobachtungsmodus so eingerichtet ist, daß ein Elektronenstrahl für eine vorbestimmte Zeitspanne (t&sub1;) bei der geringen Bildvergrößerung (ML) eingestrahlt wird und eine Bildbeobachtung danach bei der Beobachtungs-Bildvergrößerung (MO) vorgenommen wird, der zweite Beobachtungsmodus so eingerichtet ist, daß ein Elektronenstrahl für eine vorbestimmte Zeitspanne (t&sub2;) bei der großen Bildvergrößerung (MH) eingestrahlt wird, und eine Beobachtung danach bei der Beobachtungs-Bildvergrößerung (MO) durchgeführt wird, und der dritte Modus so eingerichtet ist, daß ein Elektronenstrahl für eine erste vorbestimmte Zeitspanne (t&sub3;) bei der geringen Bildvergrößerung (ML) und dann für eine zweite vorbestimmte Zeitspanne (t&sub4;) bei der großen Bildvergrößerung (MH) eingestrahlt wird und eine Bildbeobachtung danach bei der Beobachtungs- Bildvergrößerung (MO) durchgeführt wird.

4. Beobachtungsverfahren nach Anspruch 3, wobei die geringe Vergrößerung (ML) bezüglich der Beobachtungs-Bildvergrößerung (MO) im Bereich von MO/50 bis MO/100 und die große Bildver größerung (MH) bezüglich der Beobachtungs-Bildvergrößerung (MO) auf MH ≥ 3MO eingestellt wird.

5. Beobachtungsverfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei eine Beobachtung eines Rasterbilds während der Einstrahlungszeitspannen bei geringer Vergrößerung (ML) und großer Vergrößerung (MH) in jedem Beobachtungsmodus entweder erlaubt oder nicht erlaubt sein kann.