微細領域撮像装置及び微細領域撮像方法
【課題】半導体ウェハなど撮像対象物の表面状態をより正確に認識可能な微細領域撮像装置提供する。
【解決手段】半導体ウェハ１０に電子ビームＸを断続的に照射する電子ビーム照射部１０２と、電子ビームＸの照射によって半導体ウェハ１０に流れる基板電流ｉを、電子ビームＸの照射タイミングと連動して検出する電流検出部１１０と、電流検出部１１０の出力ｏｕｔに基づいて、半導体ウェハ１０の表面状態を示すデータを生成する画像データ生成部１２０とを備える。これにより、基板電流ｉに含まれる複数の成分が時間的に分離されることから、半導体ウェハ１０の現在の照射位置における表面状態を正しく表す情報のみを選択的に取り出すことができ、その結果、半導体ウェハ１０の表面状態をより正確に認識することが可能となる。
【解決手段】半導体ウェハ１０に電子ビームＸを断続的に照射する電子ビーム照射部１０２と、電子ビームＸの照射によって半導体ウェハ１０に流れる基板電流ｉを、電子ビームＸの照射タイミングと連動して検出する電流検出部１１０と、電流検出部１１０の出力ｏｕｔに基づいて、半導体ウェハ１０の表面状態を示すデータを生成する画像データ生成部１２０とを備える。これにより、基板電流ｉに含まれる複数の成分が時間的に分離されることから、半導体ウェハ１０の現在の照射位置における表面状態を正しく表す情報のみを選択的に取り出すことができ、その結果、半導体ウェハ１０の表面状態をより正確に認識することが可能となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は微細領域撮像装置及び微細領域撮像方法に関し、特に、電子ビームを半導体ウェハなどの撮像対象物に照射することによって、その表面状態を示す画像データなどを生成するための微細領域撮像装置及び微細領域撮像方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子ビームの照射によって撮像対象物の微細な表面を認識する装置としては、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）などが知られており、中でも走査型電子顕微鏡は、半導体ウェハの評価装置として広く用いられている。例えば、基板上の層間絶縁膜にビアホールを形成した後、走査型電子顕微鏡を用いて半導体ウェハの表面を撮影すれば、ビアホールが正しく形成されているか否かを画像によって評価することが可能となる。
【０００３】
しかしながら、走査型電子顕微鏡による半導体ウェハの評価では、アスペクト比の大きなビアホールの底部構造を正しく観察することが難しく、このため、このようなビアホールの底部に残存するエッチング残渣などの異物を発見することは困難であった。この問題を解決するため、近年、半導体ウェハに電子ビームを照射し、これにより半導体ウェハに流れる基板電流を検出することによってビアホールなどの評価を行う技術が提案されている（特許文献１〜３参照）。
【０００４】
図１０は、基板電流を検出する従来の微細領域撮像装置による撮像原理を説明するための図であり、（ａ）は撮像対象となる半導体ウェハの略部分断面図、（ｂ）は得られる基板電流ｉの波形図、（ｃ）は基板電流ｉを微分することによって得られる微分出力ｄの波形図である。
【０００５】
図１０（ａ）に示す半導体ウェハ１０は、素子分離領域１１及びゲート電極１２を有しており、これらの上に層間絶縁膜１３が形成された構造を有している。層間絶縁膜１３にはスルーホール１３ａが形成されており、このスルーホール１３ａを介して素子分離領域１１の一部及びゲート電極１２の一部が露出した状態となっている。
【０００６】
このような構造を有する半導体ウェハ１０に電子ビームＸを照射し、これにより半導体ウェハ１０に流れる基板電流ｉを検出すると、図１０（ｂ）に示すように、半導体ウェハ１０の表面状態に応じて基板電流ｉが変化する様子が観察される。つまり、層間絶縁膜１３に覆われた領域においては、電子ビームが層間絶縁膜１３によって遮られることから、基板電流ｉは微量のトンネル電流が観察される程度であるが、スルーホール１３ａによって露出した領域においては、電子ビームＸが基板内に達し、その量に応じた基板電流ｉが観察されることになる。このとき、スルーホール１３ａによって露出した領域のうち、ゲート電極１２が形成されている領域においては、電子ビームＸが効率よく基板に達することから、大きな基板電流ｉが得られることになるが、電子ビームＸのパワーをある程度強めに設定しておけば、図１０（ｂ）に示すように、素子分離領域１１に相当する位置においても、ある程度の大きさを有する基板電流ｉが観察されることになる。
【０００７】
そして、得られた基板電流ｉの値を微分すれば、図１０（ｃ）に示すように、基板電流ｉが変化した部分において、その変化量及び変化の方向に応じた微分出力ｄが得られることになる。したがって、この微分出力ｄの波形を参照すれば、半導体ウェハ１０の表面における各種境界部分を認識することが可能となり、これを解析することによって、例えばスルーホール１３ａの径（図１０（ａ）に示す範囲Ａに相当）や、スルーホール１３ａとゲート電極１２とのオフセット量（図１０（ａ）に示す範囲Ｂに相当）を特定することが可能となる。
【特許文献１】特開２００２−８３８４９号公報
【特許文献２】特開２００４−２３５４６４号公報
【特許文献３】特開２００５−６４１２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来の微細領域撮像装置では、電子ビームを連続的に照射していることから、得られる基板電流ｉには、目的とする情報以外の多くの情報が重畳している可能性があった。このため、従来の微細領域撮像装置では、半導体ウェハなど撮像対象物の表面状態を必ずしも正確に認識することはできなかった。
【０００９】
本発明は、このような問題を解決すべくなされたものであって、半導体ウェハなど撮像対象物の表面状態をより正確に認識可能な微細領域撮像装置及び微細領域撮像方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
微細領域撮像装置を改良すべく、本発明者が鋭意研究を重ねた結果、電子ビームの照射により生じる基板電流は、複数の電流成分が合成されたものであることが判明した。つまり、基板電流には、静電誘導による電荷、電子ビームにより直接注入された電子、電離衝突によって発生した電子及び正孔などによる電流が合成されていることが分かった。
【００１１】
このうち、静電誘導による電荷は光速で移動するため、電子ビームの照射後最も早く現れるが、その値には、半導体のバリアハイト、キャリア濃度、導電型（ｐ型／ｎ型）、界面準位などの情報が含まれ、撮像対象物の表面状態とは直接関係のない情報が多く混在している。このため、撮像対象物の表面を撮像するためには、不必要な電流成分であると言える。これに対し、電子ビームにより直接注入された電子や、電離衝突によって発生した電子及び正孔は、撮像対象物中の絶縁膜厚や移動度などによって決まるため、撮像対象物の表面状態に関する情報をほぼ正確に有している。
【００１２】
しかしながら、正孔の移動度は電子の移動度と比べて著しく遅いことから、電子ビームを連続的に照射しながらスキャンすると、異なる照射位置にて発生した電子と正孔が混在して観察されることになる。この問題を解決するためには、電子の移動による電流と、正孔の移動による電流を時間的に分離すればよい。
【００１３】
本発明は、このような技術的知見に基づきなされたものであって、本発明による微細領域撮像装置は、撮像対象物に電子ビームを断続的に照射する照射手段と、前記電子ビームの照射によって前記撮像対象物に流れる電流を、前記電子ビームの照射タイミングと連動して検出する検出手段と、前記検出手段の出力に基づいて、前記撮像対象物の表面状態を示すデータを生成するデータ生成手段とを備えることを特徴とする。また、本発明による微細領域撮像方法は、撮像対象物に電子ビームを断続的に照射し、これにより前記撮像対象物に流れる電流を前記電子ビームの照射タイミングと連動して検出し、これに基づいて、前記撮像対象物の表面状態を示すデータを生成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
このように、本発明によれば、基板電流に含まれる複数の成分が時間的に分離されることから、例えば、静電誘導による電荷や、電離衝突によって発生した正孔の影響を大幅に排除し、電子ビームにより直接注入された電子及び電離衝突によって発生した電子による電流を選択的に検出することができる。つまり、撮像対象物の現在の照射位置における表面状態を正しく表す情報のみを選択的に取り出すことができ、その結果、半導体ウェハなど撮像対象物の表面状態をより正確に認識することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。
【００１６】
図１は、本発明の好ましい実施形態による微細領域撮像装置１００の構成を示す模式図である。
【００１７】
図１に示すように、本実施形態による微細領域撮像装置１００は、撮像対象物である半導体ウェハ１０の表面状態を観察するための装置であり、半導体ウェハ１０を載置する移動ステージ１０１と、半導体ウェハ１０の主面１０ａに電子ビームＸを照射する電子ビーム照射部１０２と、電子ビームＸの照射位置を制御するための制御部１０３と、電子ビームＸの照射位置を検出するための位置検出部１０４と、制御パルスｐｕｌｓｅ１，ｐｕｌｓｅ２を生成する発振回路１０５と、基板電流ｉを検出する電流検出部１１０と、位置検出部１０４の出力である位置情報ｐ及び電流検出部１１０の出力である検出値ｏｕｔに基づいて、半導体ウェハ１０の表面状態を示す画像データｄａｔａを生成する画像データ生成部１２０と、画像データ生成部１２０によって生成された画像データｄａｔａを表示する表示部１２１によって構成されている。
【００１８】
半導体ウェハ１０は、配線層や層間絶縁膜、スルーホールなどが形成された主面１０ａが電子ビーム照射部１０２側を向くよう、移動ステージ１０１上に載置される。半導体ウェハ１０の裏面１０ｂはシリコンが露出していても構わないし、絶縁膜が形成されていても構わない。
【００１９】
半導体ウェハ１０が載置される移動ステージ１０１は、制御部１０３による制御によって水平方向に移動可能に構成されており、また、電子ビーム照射部１０２も、制御部１０３による制御によって、電子ビームＸの照射位置を移動可能に構成されている。移動ステージ１０１の移動は機械的に行うことができ、電子ビーム照射部１０２による電子ビームＸの照射位置の移動は、図示しない偏向電極へ電圧を印加し、これによって電子ビームに与える電界を変化させることによって行うことができる。これにより、電子ビームＸは、半導体ウェハ１０の主面１０ａの所望の位置に照射することができる。また、電子ビームＸの照射エネルギーや照射電流量についても、制御部１０３が電子ビーム照射部１０２を制御することによって調整される。半導体ウェハ１０上における電子ビームＸの実際の照射位置は、位置検出部１０４によって検出され、これにより得られた位置情報ｐは、画像データ生成部１２０に供給される。尚、高い解像度を得るためには、半導体ウェハ１０上における電子ビームＸの径をできるだけ小さく絞り込むことが好ましく、具体的には、０．２ｎｍ程度に絞ることが好ましい。
【００２０】
また、電子ビームＸの照射タイミングは、発振回路１０５から電子ビーム照射部１０２に供給される制御パルスｐｕｌｓｅ１によって制御される。つまり、電子ビーム照射部１０２は、半導体ウェハ１０に電子ビームＸを連続的に照射するのではなく、制御パルスｐｕｌｓｅ１に連動して断続的に照射する。具体的には、制御パルスｐｕｌｓｅ１がアクティブ（例えばハイレベル）であれば、電子ビーム照射部１０２は電子ビームＸの照射を行い、制御パルスｐｕｌｓｅ１が非アクティブ（例えばローレベル）であれば電子ビームＸの照射を中断する。
【００２１】
一方、基板電流ｉを検出する電流検出部１１０は、図１に示すように、オペアンプＯＰを用いた電流検出ヘッド１１１と、電流検出ヘッド１１１の出力を受ける同期検出回路１１２によって構成されている。
【００２２】
電流検出ヘッド１１１は、オペアンプＯＰと、オペアンプＯＰの出力端と反転入力端子との間に接続された抵抗Ｒによって構成され、オペアンプＯＰの反転入力端子に供給される電流量を検出する電流計として機能する。図１に示すように、電流検出ヘッド１１１の入力端（オペアンプＯＰの反転入力端子）は、半導体ウェハ１０の裏面１０ｂに接続されており、これにより、電子ビームＸの照射によって生じる基板電流ｉを検出し、これを増幅することができる。
【００２３】
同期検出回路１１２は、電流検出ヘッド１１１の出力をさらに増幅するとともに、基板電流ｉを同期検出するために用いられる。つまり、同期検出回路１１２には、電流検出ヘッド１１１の出力が連続的に供給されるのであるが、同期検出回路１１２は、これを増幅した検出値ｏｕｔを連続的に出力するのではなく、断続的に出力する。同期検出回路１１２による検出値ｏｕｔの出力タイミングは、発振回路１０５から同期検出回路１１２に供給される制御パルスｐｕｌｓｅ２によって制御される。本実施形態においては、制御パルスｐｕｌｓｅ１と制御パルスｐｕｌｓｅ２は同一信号である。したがって、同期検出回路１１２は、電子ビームＸが照射されている期間だけ、検出値ｏｕｔを出力する。このように、電流検出部１１０は、電子ビームＸの照射タイミングと同期して基板電流ｉ検出する。
【００２４】
画像データ生成部１２０は、同期検出回路１１２の検出値ｏｕｔと、位置検出部１０４によって検出された電子ビームＸの照射位置を示す位置情報ｐを受け、これらに基づいて半導体ウェハ１０の表面状態を示す画像データｄａｔａを生成する。生成された画像データｄａｔａは表示部１２１に表示され、これによって、半導体ウェハ１０の表面状態を確認することができる。
【００２５】
以上が、本実施形態による微細領域撮像装置１００の構成である。次に、電子ビームＸを照射した場合に半導体ウェハ１０に流れる基板電流ｉの各種成分について説明する。
【００２６】
図２は、半導体ウェハ１０に流れる基板電流ｉの各種成分を説明するための模式図である。図２に示すモデルは、半導体ウェハ１０がシリコン基板２１と絶縁膜（シリコン酸化膜など）１２によって構成されている状態を想定している。シリコン基板２１と絶縁膜２２との間には、電子ビームＸの照射によって生じた空乏層２３が広がっている。
【００２７】
図２に示すように、半導体ウェハ１０の絶縁膜２２に電子ビームＸを照射すると、発生のタイミングが異なる３種類の電流成分を観察することができる。最初に観察されるのは静電誘導による電荷ｅ０である。静電誘導による電荷ｅ０は光速で移動するため、これによる基板電流ｉ０は電子ビームＸを照射した瞬間に観察されるが、その後の照射期間中は観察されない。
【００２８】
次に観察されるのは、電子ビームＸにより直接注入された電子ｅ１及び電離衝突によって発生した電子ｅ１である。電子ビームＸにより直接注入された電子ｅ１は、ＦＮ（Fowler-Nordheim）トンネル電流又は直接トンネル電流による成分であり、ＦＮトンネル電流は、半導体ウェハ１０に形成された絶縁膜２２が比較的厚い場合に発生し、直接トンネル電流は、絶縁膜２２が比較的薄い場合に発生する。これら電子ｅ１が絶縁膜２２を通過する時間は、絶縁膜２２の膜厚、電子の移動度及び電界強度によって決まる。ここで、絶縁膜２２がシリコン酸化膜であるとすると、シリコン酸化膜中における電子の移動度は２．５×１０−３ｍ２／（Ｖ・ｓ）であるから、一例として、絶縁膜２２の膜厚が２０ｎｍ、電界強度が５．６５Ｖ／ｃｍであるとすると、電子ｅ１が絶縁膜２２を通過する時間は、約０．１４ｐｓとなる。したがって、この場合、半導体ウェハ１０の絶縁膜２２に電子ビームＸを照射すると、約０．１４ｐｓ後に電子ｅ１による基板電流ｉ１が観察されることになる。そして、電子ビームＸの照射停止によって電界が消失すると、電子ｅ１による基板電流ｉ１はほとんど観察されなくなる。
【００２９】
その次に観察されるのは、電離衝突によって発生した正孔ｅ２である。電離衝突による正孔ｅ２は、ＦＮトンネル現象により注入された電子ｅ１が電離衝突を起こした際に発生する。このように正孔ｅ２が絶縁膜２２を通過する時間は、絶縁膜２２の膜厚、正孔の移動度及び電界強度によって決まる。ここで、絶縁膜２２がシリコン酸化膜であるとすると、シリコン酸化膜中における正孔の移動度は２×１０−９ｍ２／（Ｖ・ｓ）であるから、上記の通り、絶縁膜２２の膜厚が２０ｎｍ、電界強度が５．６５Ｖ／ｃｍであるとすると、正孔ｅ２が絶縁膜２２を通過する時間は、約０．３６μｓとなる。したがって、この場合、半導体ウェハ１０の絶縁膜２２に電子ビームＸを照射すると、約０．３６μｓ後に正孔ｅ２による基板電流ｉ２が観察されることになる。一方、電子ビームＸの照射停止によって電界が消失すると、正孔ｅ２による基板電流ｉ２は大幅に減少する。
【００３０】
但し、絶縁膜２２に残留した正孔ｅ２は、拡散により裏面１０ｂ側へと移動することから、電子ビームＸの照射停止後も、正孔ｅ２による基板電流ｉ２は僅かに観察される。したがって、電子ビームＸの照射停止後、少なくとも電子ビームＸの照射中における正孔ｅ２の通過時間（上記の例では０．３６μｓ）と同等の期間は、正孔ｅ２の拡散による基板電流ｉ２が実質的に観察されるものと考えられる。
【００３１】
このように、半導体ウェハ１０に流れる基板電流ｉ（＝ｉ０＋ｉ１＋ｉ２）は、静電誘導による電荷ｅ０、電子ビームＸにより直接注入された電子ｅ１及び電離衝突によって発生した電子ｅ１、並びに、電離衝突によって発生した正孔ｅ２の３種類の成分に分けることができる。そして、これら３つの電流成分は、互いに異なるタイミングで観察されることから、基板電流ｉを時間的に分離すれば、各成分を抽出できるものと考えられる。本実施形態による微細領域撮像装置１００は、このような観点に基づき、電子ビームＸにより直接注入された電子ｅ１及び電離衝突によって発生した電子ｅ１の抽出を行う。これは、静電誘導による電荷ｅ０には、半導体ウェハ１０の表面状態とは直接関係のない情報が多く混在しているからであり、電離衝突による正孔ｅ２は、長時間かけてゆっくりと流れるため、情報として利用しにくいからである。
【００３２】
次に、本実施形態による微細領域撮像装置１００の動作について説明する。
【００３３】
図３は、本実施形態による微細領域撮像装置１００の動作を説明するための図であり、（ａ）は制御パルスｐｕｌｓｅ１，ｐｕｌｓｅ２の波形図、（ｂ）は電子ビームＸの照射波形図、（ｃ）は得られる基板電流ｉの波形図、（ｄ）は電流検出部１１０の出力である検出値ｏｕｔの波形図である。
【００３４】
図３（ａ）に示すように、制御パルスｐｕｌｓｅ１はアクティブ状態（ハイレベル）と非アクティブ状態（ローレベル）とが交互に現れるパルス波形を有している。このため、図３（ｂ）に示すように、電子ビームＸの波形も、照射期間Ｔ１と非照射期間Ｔ２とが交互に現れるパルス波形となる。照射期間Ｔ１の長さについては、電子ビームＸの照射によって絶縁膜２２中に生じた正孔ｅ２が絶縁膜２２を通過する時間（上記の例では０．３６μｓ）未満に設定することが好ましい。これは、正孔ｅ２の通過時間以上の期間に亘って電子ビームＸを照射すると、基板電流ｉに正孔ｅ２による電流成分が多く重畳してしまうからである。
【００３５】
一方、非照射期間Ｔ２の長さは、電子ビームＸの照射によって絶縁膜２２中に生じた正孔ｅ２が絶縁膜２２を通過する時間（上記の例では０．３６μｓ）以上に設定することが好ましい。これは、非照射期間Ｔ２を正孔ｅ２の通過時間未満に設定すると、次の照射期間Ｔ１中に観察される基板電流ｉに、前の照射期間中に発生した正孔ｅ２による電流成分が多く重畳してしまうからである。
【００３６】
このようなパルス状の電子ビームＸを半導体ウェハ１０に照射すると、図３（ｃ）に示すように、基板電流ｉの波形は、電子ビームＸの照射期間Ｔ１においてほぼ一定となり、電子ビームＸの非照射期間Ｔ２において漸減する波形となる。このうち、電子ビームＸの照射期間Ｔ１において観察されるのは、主に電子ビームＸにより直接注入された電子ｅ１及び電離衝突によって発生した電子ｅ１による電流成分ｉ１であり、非照射期間Ｔ２において観察されるのは、主に電離衝突によって発生した正孔ｅ２による電流成分ｉ２である。尚、静電誘導による電荷ｅ０の移動は瞬間的であることから、図３（ｃ）では、これによる電流成分ｉ０は無視してある。
【００３７】
このような波形を有する基板電流ｉは、図１に示す電流検出部１１０に供給され、電流検出部１１０に含まれる電流検出ヘッド１１１によって増幅される。そして、電流検出ヘッド１１１の出力は同期検出回路１１２に供給され、同期検出回路１１２は、これを断続的に増幅出力する。上述の通り、このような同期検出回路１１２の動作制御は、制御パルスｐｕｌｓｅ２によって行われる。
【００３８】
具体的には、図３（ｄ）に示すように、同期検出回路１１２は、制御パルスｐｕｌｓｅ２に同期して検出値ｏｕｔを出力する。上述の通り、本実施形態では、制御パルスｐｕｌｓｅ１と制御パルスｐｕｌｓｅ２は同一信号であることから、同期検出回路１１２は、電子ビームＸの照射タイミングと同期して検出値ｏｕｔを出力することになる。つまり、検出値ｏｕｔの出力期間は、照射期間Ｔ１と実質的に一致することになる。これにより、基板電流ｉに含まれる電流成分のうち、電子ビームＸにより直接注入された電子ｅ１及び電離衝突によって発生した電子ｅ１による電流成分ｉ１が抽出され、電離衝突によって発生した正孔ｅ２による電流成分ｉ２の多くは除去される。尚、電荷ｅ０の移動による電流成分ｉ０は、非照射期間Ｔ２から照射期間Ｔ１への切り替え時に瞬間的に発生するため、電子ビームＸの照射タイミングに同期して検出値ｏｕｔを出力するよう制御しても、装置１００の性能限界などにより、ほとんど観察されない。
【００３９】
このようにして電流成分ｉ１が抽出された検出値ｏｕｔは、図１に示す通り、位置検出部１０４の出力である位置情報ｐとともに画像データ生成部１２０へ供給され、これらに基づいて、画像データが生成される。
【００４０】
つまり制御部１０３は、図４に示すように、照射期間Ｔ１においては電子ビームＸの照射位置を所定のエリア３０に固定し、この状態で電流検出部１１０に検出値ｏｕｔを生成させる。そして、非照射期間Ｔ２において半導体ウェハ１０と電子ビームＸとの相対的な位置関係を変化させ、電子ビームＸの照射位置を次のエリア３１に移動させる。つまり、制御部１０３は、電子ビームＸを照射するたびに照射位置をエリア３０，３１，３２，３３・・・へと変化させる。これによって、半導体ウェハ１０上の表面状態を表示部１２１に表示することが可能となる。
【００４１】
但し、電子ビームＸを１回照射するたびに照射位置をエリア３０，３１，３２，３３・・・へと変化させることは必須でなく、１つのエリアに対して電子ビームＸを複数回照射し、その後、照射位置を次のエリアに移動させても構わない。この場合、１つのエリアに対する照射回数を例えば１００回とし、その平均値を当該照射位置における検出値ｏｕｔとして採用すればよい。これによれば、より高い解像度を得ることが可能となる。
【００４２】
図５は、本実施形態による微細領域撮像装置１００を用いてスルーホールを撮像する場合に得られる各種信号波形を説明するための図であり、（ａ）は撮像対象となる半導体ウェハ１０の一部分を拡大して示す略部分断面図、（ｂ）は電流検出部１１０より得られる検出値ｏｕｔの波形図、（ｃ）は画像データ生成部１２０の出力である画像データｄａｔａの波形図である。
【００４３】
図５（ａ）に示すように、本例による半導体ウェハ１０は、層間絶縁膜２４及び金属配線２５を有しており、これらの上に層間絶縁膜２６が形成された構造を有している。層間絶縁膜２６にはスルーホール２６ａが形成されており、このスルーホール２６ａを介して金属配線２５の一部が露出した状態となっている。金属配線２５は図示しない他のスルーホールによって下層のシリコン基板に接続されている。また、層間絶縁膜２６に設けられたスルーホール２６ａは、側壁２７がテーパー状となっている。これは、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）などのドライエッチングにおいては、エッチング対象物（ここでは層間絶縁膜２６）を完全に垂直エッチングすることは困難であり、多少の角度を持ってエッチングされるためである。したがって、スルーホール２６ａの開口部の径Ｄ１よりも、スルーホール２６ａの底部の径Ｄ２の方がやや小さくなる。
【００４４】
このような形状を有する半導体ウェハ１０に対し、断続的に電子ビームＸを照射しながら、その照射位置を変化させると、図５（ｂ）に示すような検出値ｏｕｔの波形が得られる。つまり、本実施形態では、電子ビーム照射部１０２によって照射される電子ビームＸがパルス状であり、且つ、電流検出部１１０は電子ビームＸのパルス波形に同期して検出値ｏｕｔを生成することから、得られる検出値ｏｕｔもパルス状の波形となる。ここで、パルス状である検出値ｏｕｔの各値は、それぞれ半導体ウェハ１０の表面形状に応じた値となる。
【００４５】
つまり、検出値ｏｕｔの絶対値は、図５（ｂ）に示すように、層間絶縁膜２６に覆われた領域においては低くなり、スルーホール２６ａによって露出した領域においては高くなる。これは、層間絶縁膜２６に覆われた領域と、スルーホール２６ａによって露出した領域とでは、電子ビームＸによって誘起される基板電流ｉの量が大きく異なるからである。尚、金属配線２５としては、ゲート電極に接続される配線のように、シリコン基板とは接続されていない配線もあるが、ゲート酸化膜は非常に薄いことから（例えば数ｎｍ）、電子ビームＸによって誘起された電子はトンネル電流としてゲート酸化膜に流れ込み、シリコン基板に到達する。
【００４６】
このようなパルス状の検出値ｏｕｔは、図１に示す画像データ生成部１２０に供給され、位置検出部１０４の出力である位置情報ｐとの関連づけが行われることにより、スルーホール２６ａの形状を示す画像データｄａｔａが生成される。
【００４７】
このように、本実施形態による微細領域撮像装置１００は、基板電流ｉに含まれる複数の電流成分を時間的に分離し、主に電子ビームＸにより直接注入された電子ｅ１及び電離衝突によって発生した電子ｅ１による電流成分ｉ１のみを抽出して検出値ｏｕｔを生成している。つまり、時間的に遅れて現れる電流成分ｉ２の影響を排除することができることから、電子ビームＸの現在の照射位置における表面状態を正しく認識することが可能となる。
【００４８】
したがって、１つのエリアに対して電子ビームＸを複数回照射などの方法によって解像度を高めれば、スルーホール２６ａの底部に残存する残渣などを認識することも可能となる。残渣は、例えば金属配線２５の材料としてアルミニウム（Ａｌ）を用いた場合、その両表面（上面及び下面）にバリアメタルとして窒化チタン（ＴｉＮ）などが形成されることがあり、このチタンの酸化物などが残渣となることがある。
【００４９】
つまり、図６（ａ）に示すように、スルーホール２６ａの底部に残渣２８が残存している場合、残渣２８に相当する部分において基板電流ｉのピーク値が低下する結果、電流検出部１１０より得られる検出値号ｏｕｔの波形にもこれが反映される。このため、図６（ｂ）に示すように、画像データ生成部１２０によって生成される画像データｄａｔａにも残渣２８に対応したレベル低下２８ａが生じることから、残渣２８を画像化することが可能となる。
【００５０】
尚、このような残渣２８の画像化は、従来の微細領域撮像装置によっても原理的には可能であるが、従来の微細領域撮像装置では、互いに異なる照射位置の情報をもった電流成分ｉ１と電流成分ｉ２とが混在した状態で検出を行っていることから、微細な領域を正確に撮像することは難しく、したがって、複雑な形状を持った微細な残渣２８を正しく画像化することは極めて困難である。これに対し、本実施形態による微細領域撮像装置１００では、電流成分ｉ１と電流成分ｉ２を分離していることから解像度が極めて高く、このような残渣２８の画像化を実現することが可能となる。
【００５１】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
【００５２】
例えば、上記実施形態では、電子ビームＸの照射タイミングと基板電流ｉの検出タイミングを一致させているが（図３参照）、両者が連動している限り、これらを完全に一致させることは必須でない。したがって、図７に示すように、電子ビームＸの照射タイミングを決める制御パルスｐｕｌｓｅ１よりも、基板電流ｉの検出タイミングを決める制御パルスｐｕｌｓｅ２のパルス幅を細くしても構わない。これによれば、電荷ｅ０の移動による電流成分を完全に除去することができるとともに、正孔ｅ２による電流成分ｉ０をより確実に除去することができる。
【００５３】
一方、電荷ｅ０の移動による電流成分ｉ０を検出する必要がある場合には、図８に示すように、電子ビームＸの照射タイミングを決める制御パルスｐｕｌｓｅ１よりも、基板電流ｉの検出タイミングを決める制御パルスｐｕｌｓｅ２の位相を僅かに早めればよい。これによれば、電荷ｅ０の移動による電流成分ｉ０を検出値ｏｕｔに混在させることができることから、バリアハイト、キャリア濃度、導電型（ｐ型／ｎ型）、界面準位など、電荷ｅ０の移動による電流成分ｉ０に含まれる情報を得ることが可能となる。
【００５４】
さらには、電子ビームＸの照射タイミングを決める制御パルスｐｕｌｓｅ１が１回活性するたびに、基板電流ｉの検出タイミングを決める制御パルスｐｕｌｓｅ２を複数回活性化させ、これにより、各電流成分をそれぞれ検出することも可能である。例えば、図９に示すように、制御パルスｐｕｌｓｅ１が立ち上がる前に活性化する第１パルス４１、制御パルスｐｕｌｓｅ１が立ち上がった後、立ち下がる前に活性化する第２パルス４２、並びに、制御パルスｐｕｌｓｅ１が立ち上がった後活性化する第３パルス４３によって１セットの制御パルスｐｕｌｓｅ２を構成する方法が考えられる。これによれば、第１パルス４１によって電荷ｅ０の移動による電流成分ｉ０を取得し、第２パルス４２によって電子ｅ１の移動による電流成分ｉ１を取得し、第３パルス４３によって正孔ｅ２の移動による電流成分ｉ２を取得することが可能となる。
【００５５】
尚、本発明の撮像対象としては、半導体ウェハに限定されるものではなく、電子ビームＸの照射によって撮像対象物に流れる電流を検出可能である限り、半導体ウェハ以外のものを撮像対象物とすることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の好ましい実施形態による微細領域撮像装置１００の構成を示す模式図である。
【図２】半導体ウェハ１０に流れる基板電流ｉの各種成分を説明するための模式図である。
【図３】微細領域撮像装置１００の動作を説明するための図であり、（ａ）は制御パルスｐｕｌｓｅ１，ｐｕｌｓｅ２の波形図、（ｂ）は電子ビームＸの照射波形図、（ｃ）は得られる基板電流ｉの波形図、（ｄ）は電流検出部１１０の出力である検出値ｏｕｔの波形図である。
【図４】電子ビームＸの照射エリアが移動する様子を説明するための図である。
【図５】微細領域撮像装置１００を用いてスルーホールを撮像する場合に得られる各種信号波形を説明するための図であり、（ａ）は撮像対象となる半導体ウェハ１０の一部分を拡大して示す略部分断面図、（ｂ）は電流検出部１１０より得られる検出値ｏｕｔの波形図、（ｃ）は画像データ生成部１２０の出力である画像データｄａｔａの波形図である。
【図６】（ａ）はスルーホール２３ａの底部に残渣２８が残存している半導体ウェハ１０の略部分断面図であり、（ｂ）は画像データｄａｔａの波形図である。
【図７】電子ビームＸの照射タイミングと基板電流ｉの検出タイミングの他の例を示す図であり、（ａ）は制御パルスｐｕｌｓｅ１の波形図、（ｂ）は制御パルスｐｕｌｓｅ２の波形図である。
【図８】電子ビームＸの照射タイミングと基板電流ｉの検出タイミングのさらに他の例を示す図であり、（ａ）は制御パルスｐｕｌｓｅ１の波形図、（ｂ）は制御パルスｐｕｌｓｅ２の波形図である。
【図９】電子ビームＸの照射タイミングと基板電流ｉの検出タイミングのさらに他の例を示す図であり、（ａ）は制御パルスｐｕｌｓｅ１の波形図、（ｂ）は制御パルスｐｕｌｓｅ２の波形図である。
【図１０】基板電流を検出する従来の微細領域撮像装置による撮像原理を説明するための図であり、（ａ）は撮像対象となる半導体ウェハの略部分断面図、（ｂ）は得られる基板電流ｉの波形図、（ｃ）は基板電流ｉを微分することによって得られる微分出力ｄの波形図である。
【符号の説明】
【００５７】
１０ 半導体ウェハ
１０ａ 半導体ウェハの主面
１０ｂ 半導体ウェハの裏面
１１ 素子分離領域
１２ ゲート電極
１３，２４，２６ 層間絶縁膜
１３ａ，２６ａ スルーホール
２１ シリコン基板
２２ 絶縁膜
２３ 空乏層
２３ａ スルーホール
２５ 金属配線
２７ 側壁
２８ 残渣
２８ａ 残渣によるレベル低下
３０〜３３ 照射エリア
４１ 第１パルス
４２ 第２パルス
４３ 第３パルス
１００ 微細領域撮像装置
１０１ 移動ステージ
１０２ 電子ビーム照射部
１０３ 制御部
１０４ 位置検出部
１０５ 発振回路
１１０ 電流検出部
１１１ 電流検出ヘッド
１１２ 同期検出回路
１２０ 画像データ生成部
１２１ 表示部
【技術分野】
【０００１】
本発明は微細領域撮像装置及び微細領域撮像方法に関し、特に、電子ビームを半導体ウェハなどの撮像対象物に照射することによって、その表面状態を示す画像データなどを生成するための微細領域撮像装置及び微細領域撮像方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子ビームの照射によって撮像対象物の微細な表面を認識する装置としては、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）などが知られており、中でも走査型電子顕微鏡は、半導体ウェハの評価装置として広く用いられている。例えば、基板上の層間絶縁膜にビアホールを形成した後、走査型電子顕微鏡を用いて半導体ウェハの表面を撮影すれば、ビアホールが正しく形成されているか否かを画像によって評価することが可能となる。
【０００３】
しかしながら、走査型電子顕微鏡による半導体ウェハの評価では、アスペクト比の大きなビアホールの底部構造を正しく観察することが難しく、このため、このようなビアホールの底部に残存するエッチング残渣などの異物を発見することは困難であった。この問題を解決するため、近年、半導体ウェハに電子ビームを照射し、これにより半導体ウェハに流れる基板電流を検出することによってビアホールなどの評価を行う技術が提案されている（特許文献１〜３参照）。
【０００４】
図１０は、基板電流を検出する従来の微細領域撮像装置による撮像原理を説明するための図であり、（ａ）は撮像対象となる半導体ウェハの略部分断面図、（ｂ）は得られる基板電流ｉの波形図、（ｃ）は基板電流ｉを微分することによって得られる微分出力ｄの波形図である。
【０００５】
図１０（ａ）に示す半導体ウェハ１０は、素子分離領域１１及びゲート電極１２を有しており、これらの上に層間絶縁膜１３が形成された構造を有している。層間絶縁膜１３にはスルーホール１３ａが形成されており、このスルーホール１３ａを介して素子分離領域１１の一部及びゲート電極１２の一部が露出した状態となっている。
【０００６】
このような構造を有する半導体ウェハ１０に電子ビームＸを照射し、これにより半導体ウェハ１０に流れる基板電流ｉを検出すると、図１０（ｂ）に示すように、半導体ウェハ１０の表面状態に応じて基板電流ｉが変化する様子が観察される。つまり、層間絶縁膜１３に覆われた領域においては、電子ビームが層間絶縁膜１３によって遮られることから、基板電流ｉは微量のトンネル電流が観察される程度であるが、スルーホール１３ａによって露出した領域においては、電子ビームＸが基板内に達し、その量に応じた基板電流ｉが観察されることになる。このとき、スルーホール１３ａによって露出した領域のうち、ゲート電極１２が形成されている領域においては、電子ビームＸが効率よく基板に達することから、大きな基板電流ｉが得られることになるが、電子ビームＸのパワーをある程度強めに設定しておけば、図１０（ｂ）に示すように、素子分離領域１１に相当する位置においても、ある程度の大きさを有する基板電流ｉが観察されることになる。
【０００７】
そして、得られた基板電流ｉの値を微分すれば、図１０（ｃ）に示すように、基板電流ｉが変化した部分において、その変化量及び変化の方向に応じた微分出力ｄが得られることになる。したがって、この微分出力ｄの波形を参照すれば、半導体ウェハ１０の表面における各種境界部分を認識することが可能となり、これを解析することによって、例えばスルーホール１３ａの径（図１０（ａ）に示す範囲Ａに相当）や、スルーホール１３ａとゲート電極１２とのオフセット量（図１０（ａ）に示す範囲Ｂに相当）を特定することが可能となる。
【特許文献１】特開２００２−８３８４９号公報
【特許文献２】特開２００４−２３５４６４号公報
【特許文献３】特開２００５−６４１２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来の微細領域撮像装置では、電子ビームを連続的に照射していることから、得られる基板電流ｉには、目的とする情報以外の多くの情報が重畳している可能性があった。このため、従来の微細領域撮像装置では、半導体ウェハなど撮像対象物の表面状態を必ずしも正確に認識することはできなかった。
【０００９】
本発明は、このような問題を解決すべくなされたものであって、半導体ウェハなど撮像対象物の表面状態をより正確に認識可能な微細領域撮像装置及び微細領域撮像方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
微細領域撮像装置を改良すべく、本発明者が鋭意研究を重ねた結果、電子ビームの照射により生じる基板電流は、複数の電流成分が合成されたものであることが判明した。つまり、基板電流には、静電誘導による電荷、電子ビームにより直接注入された電子、電離衝突によって発生した電子及び正孔などによる電流が合成されていることが分かった。
【００１１】
このうち、静電誘導による電荷は光速で移動するため、電子ビームの照射後最も早く現れるが、その値には、半導体のバリアハイト、キャリア濃度、導電型（ｐ型／ｎ型）、界面準位などの情報が含まれ、撮像対象物の表面状態とは直接関係のない情報が多く混在している。このため、撮像対象物の表面を撮像するためには、不必要な電流成分であると言える。これに対し、電子ビームにより直接注入された電子や、電離衝突によって発生した電子及び正孔は、撮像対象物中の絶縁膜厚や移動度などによって決まるため、撮像対象物の表面状態に関する情報をほぼ正確に有している。
【００１２】
しかしながら、正孔の移動度は電子の移動度と比べて著しく遅いことから、電子ビームを連続的に照射しながらスキャンすると、異なる照射位置にて発生した電子と正孔が混在して観察されることになる。この問題を解決するためには、電子の移動による電流と、正孔の移動による電流を時間的に分離すればよい。
【００１３】
本発明は、このような技術的知見に基づきなされたものであって、本発明による微細領域撮像装置は、撮像対象物に電子ビームを断続的に照射する照射手段と、前記電子ビームの照射によって前記撮像対象物に流れる電流を、前記電子ビームの照射タイミングと連動して検出する検出手段と、前記検出手段の出力に基づいて、前記撮像対象物の表面状態を示すデータを生成するデータ生成手段とを備えることを特徴とする。また、本発明による微細領域撮像方法は、撮像対象物に電子ビームを断続的に照射し、これにより前記撮像対象物に流れる電流を前記電子ビームの照射タイミングと連動して検出し、これに基づいて、前記撮像対象物の表面状態を示すデータを生成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
このように、本発明によれば、基板電流に含まれる複数の成分が時間的に分離されることから、例えば、静電誘導による電荷や、電離衝突によって発生した正孔の影響を大幅に排除し、電子ビームにより直接注入された電子及び電離衝突によって発生した電子による電流を選択的に検出することができる。つまり、撮像対象物の現在の照射位置における表面状態を正しく表す情報のみを選択的に取り出すことができ、その結果、半導体ウェハなど撮像対象物の表面状態をより正確に認識することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。
【００１６】
図１は、本発明の好ましい実施形態による微細領域撮像装置１００の構成を示す模式図である。
【００１７】
図１に示すように、本実施形態による微細領域撮像装置１００は、撮像対象物である半導体ウェハ１０の表面状態を観察するための装置であり、半導体ウェハ１０を載置する移動ステージ１０１と、半導体ウェハ１０の主面１０ａに電子ビームＸを照射する電子ビーム照射部１０２と、電子ビームＸの照射位置を制御するための制御部１０３と、電子ビームＸの照射位置を検出するための位置検出部１０４と、制御パルスｐｕｌｓｅ１，ｐｕｌｓｅ２を生成する発振回路１０５と、基板電流ｉを検出する電流検出部１１０と、位置検出部１０４の出力である位置情報ｐ及び電流検出部１１０の出力である検出値ｏｕｔに基づいて、半導体ウェハ１０の表面状態を示す画像データｄａｔａを生成する画像データ生成部１２０と、画像データ生成部１２０によって生成された画像データｄａｔａを表示する表示部１２１によって構成されている。
【００１８】
半導体ウェハ１０は、配線層や層間絶縁膜、スルーホールなどが形成された主面１０ａが電子ビーム照射部１０２側を向くよう、移動ステージ１０１上に載置される。半導体ウェハ１０の裏面１０ｂはシリコンが露出していても構わないし、絶縁膜が形成されていても構わない。
【００１９】
半導体ウェハ１０が載置される移動ステージ１０１は、制御部１０３による制御によって水平方向に移動可能に構成されており、また、電子ビーム照射部１０２も、制御部１０３による制御によって、電子ビームＸの照射位置を移動可能に構成されている。移動ステージ１０１の移動は機械的に行うことができ、電子ビーム照射部１０２による電子ビームＸの照射位置の移動は、図示しない偏向電極へ電圧を印加し、これによって電子ビームに与える電界を変化させることによって行うことができる。これにより、電子ビームＸは、半導体ウェハ１０の主面１０ａの所望の位置に照射することができる。また、電子ビームＸの照射エネルギーや照射電流量についても、制御部１０３が電子ビーム照射部１０２を制御することによって調整される。半導体ウェハ１０上における電子ビームＸの実際の照射位置は、位置検出部１０４によって検出され、これにより得られた位置情報ｐは、画像データ生成部１２０に供給される。尚、高い解像度を得るためには、半導体ウェハ１０上における電子ビームＸの径をできるだけ小さく絞り込むことが好ましく、具体的には、０．２ｎｍ程度に絞ることが好ましい。
【００２０】
また、電子ビームＸの照射タイミングは、発振回路１０５から電子ビーム照射部１０２に供給される制御パルスｐｕｌｓｅ１によって制御される。つまり、電子ビーム照射部１０２は、半導体ウェハ１０に電子ビームＸを連続的に照射するのではなく、制御パルスｐｕｌｓｅ１に連動して断続的に照射する。具体的には、制御パルスｐｕｌｓｅ１がアクティブ（例えばハイレベル）であれば、電子ビーム照射部１０２は電子ビームＸの照射を行い、制御パルスｐｕｌｓｅ１が非アクティブ（例えばローレベル）であれば電子ビームＸの照射を中断する。
【００２１】
一方、基板電流ｉを検出する電流検出部１１０は、図１に示すように、オペアンプＯＰを用いた電流検出ヘッド１１１と、電流検出ヘッド１１１の出力を受ける同期検出回路１１２によって構成されている。
【００２２】
電流検出ヘッド１１１は、オペアンプＯＰと、オペアンプＯＰの出力端と反転入力端子との間に接続された抵抗Ｒによって構成され、オペアンプＯＰの反転入力端子に供給される電流量を検出する電流計として機能する。図１に示すように、電流検出ヘッド１１１の入力端（オペアンプＯＰの反転入力端子）は、半導体ウェハ１０の裏面１０ｂに接続されており、これにより、電子ビームＸの照射によって生じる基板電流ｉを検出し、これを増幅することができる。
【００２３】
同期検出回路１１２は、電流検出ヘッド１１１の出力をさらに増幅するとともに、基板電流ｉを同期検出するために用いられる。つまり、同期検出回路１１２には、電流検出ヘッド１１１の出力が連続的に供給されるのであるが、同期検出回路１１２は、これを増幅した検出値ｏｕｔを連続的に出力するのではなく、断続的に出力する。同期検出回路１１２による検出値ｏｕｔの出力タイミングは、発振回路１０５から同期検出回路１１２に供給される制御パルスｐｕｌｓｅ２によって制御される。本実施形態においては、制御パルスｐｕｌｓｅ１と制御パルスｐｕｌｓｅ２は同一信号である。したがって、同期検出回路１１２は、電子ビームＸが照射されている期間だけ、検出値ｏｕｔを出力する。このように、電流検出部１１０は、電子ビームＸの照射タイミングと同期して基板電流ｉ検出する。
【００２４】
画像データ生成部１２０は、同期検出回路１１２の検出値ｏｕｔと、位置検出部１０４によって検出された電子ビームＸの照射位置を示す位置情報ｐを受け、これらに基づいて半導体ウェハ１０の表面状態を示す画像データｄａｔａを生成する。生成された画像データｄａｔａは表示部１２１に表示され、これによって、半導体ウェハ１０の表面状態を確認することができる。
【００２５】
以上が、本実施形態による微細領域撮像装置１００の構成である。次に、電子ビームＸを照射した場合に半導体ウェハ１０に流れる基板電流ｉの各種成分について説明する。
【００２６】
図２は、半導体ウェハ１０に流れる基板電流ｉの各種成分を説明するための模式図である。図２に示すモデルは、半導体ウェハ１０がシリコン基板２１と絶縁膜（シリコン酸化膜など）１２によって構成されている状態を想定している。シリコン基板２１と絶縁膜２２との間には、電子ビームＸの照射によって生じた空乏層２３が広がっている。
【００２７】
図２に示すように、半導体ウェハ１０の絶縁膜２２に電子ビームＸを照射すると、発生のタイミングが異なる３種類の電流成分を観察することができる。最初に観察されるのは静電誘導による電荷ｅ０である。静電誘導による電荷ｅ０は光速で移動するため、これによる基板電流ｉ０は電子ビームＸを照射した瞬間に観察されるが、その後の照射期間中は観察されない。
【００２８】
次に観察されるのは、電子ビームＸにより直接注入された電子ｅ１及び電離衝突によって発生した電子ｅ１である。電子ビームＸにより直接注入された電子ｅ１は、ＦＮ（Fowler-Nordheim）トンネル電流又は直接トンネル電流による成分であり、ＦＮトンネル電流は、半導体ウェハ１０に形成された絶縁膜２２が比較的厚い場合に発生し、直接トンネル電流は、絶縁膜２２が比較的薄い場合に発生する。これら電子ｅ１が絶縁膜２２を通過する時間は、絶縁膜２２の膜厚、電子の移動度及び電界強度によって決まる。ここで、絶縁膜２２がシリコン酸化膜であるとすると、シリコン酸化膜中における電子の移動度は２．５×１０−３ｍ２／（Ｖ・ｓ）であるから、一例として、絶縁膜２２の膜厚が２０ｎｍ、電界強度が５．６５Ｖ／ｃｍであるとすると、電子ｅ１が絶縁膜２２を通過する時間は、約０．１４ｐｓとなる。したがって、この場合、半導体ウェハ１０の絶縁膜２２に電子ビームＸを照射すると、約０．１４ｐｓ後に電子ｅ１による基板電流ｉ１が観察されることになる。そして、電子ビームＸの照射停止によって電界が消失すると、電子ｅ１による基板電流ｉ１はほとんど観察されなくなる。
【００２９】
その次に観察されるのは、電離衝突によって発生した正孔ｅ２である。電離衝突による正孔ｅ２は、ＦＮトンネル現象により注入された電子ｅ１が電離衝突を起こした際に発生する。このように正孔ｅ２が絶縁膜２２を通過する時間は、絶縁膜２２の膜厚、正孔の移動度及び電界強度によって決まる。ここで、絶縁膜２２がシリコン酸化膜であるとすると、シリコン酸化膜中における正孔の移動度は２×１０−９ｍ２／（Ｖ・ｓ）であるから、上記の通り、絶縁膜２２の膜厚が２０ｎｍ、電界強度が５．６５Ｖ／ｃｍであるとすると、正孔ｅ２が絶縁膜２２を通過する時間は、約０．３６μｓとなる。したがって、この場合、半導体ウェハ１０の絶縁膜２２に電子ビームＸを照射すると、約０．３６μｓ後に正孔ｅ２による基板電流ｉ２が観察されることになる。一方、電子ビームＸの照射停止によって電界が消失すると、正孔ｅ２による基板電流ｉ２は大幅に減少する。
【００３０】
但し、絶縁膜２２に残留した正孔ｅ２は、拡散により裏面１０ｂ側へと移動することから、電子ビームＸの照射停止後も、正孔ｅ２による基板電流ｉ２は僅かに観察される。したがって、電子ビームＸの照射停止後、少なくとも電子ビームＸの照射中における正孔ｅ２の通過時間（上記の例では０．３６μｓ）と同等の期間は、正孔ｅ２の拡散による基板電流ｉ２が実質的に観察されるものと考えられる。
【００３１】
このように、半導体ウェハ１０に流れる基板電流ｉ（＝ｉ０＋ｉ１＋ｉ２）は、静電誘導による電荷ｅ０、電子ビームＸにより直接注入された電子ｅ１及び電離衝突によって発生した電子ｅ１、並びに、電離衝突によって発生した正孔ｅ２の３種類の成分に分けることができる。そして、これら３つの電流成分は、互いに異なるタイミングで観察されることから、基板電流ｉを時間的に分離すれば、各成分を抽出できるものと考えられる。本実施形態による微細領域撮像装置１００は、このような観点に基づき、電子ビームＸにより直接注入された電子ｅ１及び電離衝突によって発生した電子ｅ１の抽出を行う。これは、静電誘導による電荷ｅ０には、半導体ウェハ１０の表面状態とは直接関係のない情報が多く混在しているからであり、電離衝突による正孔ｅ２は、長時間かけてゆっくりと流れるため、情報として利用しにくいからである。
【００３２】
次に、本実施形態による微細領域撮像装置１００の動作について説明する。
【００３３】
図３は、本実施形態による微細領域撮像装置１００の動作を説明するための図であり、（ａ）は制御パルスｐｕｌｓｅ１，ｐｕｌｓｅ２の波形図、（ｂ）は電子ビームＸの照射波形図、（ｃ）は得られる基板電流ｉの波形図、（ｄ）は電流検出部１１０の出力である検出値ｏｕｔの波形図である。
【００３４】
図３（ａ）に示すように、制御パルスｐｕｌｓｅ１はアクティブ状態（ハイレベル）と非アクティブ状態（ローレベル）とが交互に現れるパルス波形を有している。このため、図３（ｂ）に示すように、電子ビームＸの波形も、照射期間Ｔ１と非照射期間Ｔ２とが交互に現れるパルス波形となる。照射期間Ｔ１の長さについては、電子ビームＸの照射によって絶縁膜２２中に生じた正孔ｅ２が絶縁膜２２を通過する時間（上記の例では０．３６μｓ）未満に設定することが好ましい。これは、正孔ｅ２の通過時間以上の期間に亘って電子ビームＸを照射すると、基板電流ｉに正孔ｅ２による電流成分が多く重畳してしまうからである。
【００３５】
一方、非照射期間Ｔ２の長さは、電子ビームＸの照射によって絶縁膜２２中に生じた正孔ｅ２が絶縁膜２２を通過する時間（上記の例では０．３６μｓ）以上に設定することが好ましい。これは、非照射期間Ｔ２を正孔ｅ２の通過時間未満に設定すると、次の照射期間Ｔ１中に観察される基板電流ｉに、前の照射期間中に発生した正孔ｅ２による電流成分が多く重畳してしまうからである。
【００３６】
このようなパルス状の電子ビームＸを半導体ウェハ１０に照射すると、図３（ｃ）に示すように、基板電流ｉの波形は、電子ビームＸの照射期間Ｔ１においてほぼ一定となり、電子ビームＸの非照射期間Ｔ２において漸減する波形となる。このうち、電子ビームＸの照射期間Ｔ１において観察されるのは、主に電子ビームＸにより直接注入された電子ｅ１及び電離衝突によって発生した電子ｅ１による電流成分ｉ１であり、非照射期間Ｔ２において観察されるのは、主に電離衝突によって発生した正孔ｅ２による電流成分ｉ２である。尚、静電誘導による電荷ｅ０の移動は瞬間的であることから、図３（ｃ）では、これによる電流成分ｉ０は無視してある。
【００３７】
このような波形を有する基板電流ｉは、図１に示す電流検出部１１０に供給され、電流検出部１１０に含まれる電流検出ヘッド１１１によって増幅される。そして、電流検出ヘッド１１１の出力は同期検出回路１１２に供給され、同期検出回路１１２は、これを断続的に増幅出力する。上述の通り、このような同期検出回路１１２の動作制御は、制御パルスｐｕｌｓｅ２によって行われる。
【００３８】
具体的には、図３（ｄ）に示すように、同期検出回路１１２は、制御パルスｐｕｌｓｅ２に同期して検出値ｏｕｔを出力する。上述の通り、本実施形態では、制御パルスｐｕｌｓｅ１と制御パルスｐｕｌｓｅ２は同一信号であることから、同期検出回路１１２は、電子ビームＸの照射タイミングと同期して検出値ｏｕｔを出力することになる。つまり、検出値ｏｕｔの出力期間は、照射期間Ｔ１と実質的に一致することになる。これにより、基板電流ｉに含まれる電流成分のうち、電子ビームＸにより直接注入された電子ｅ１及び電離衝突によって発生した電子ｅ１による電流成分ｉ１が抽出され、電離衝突によって発生した正孔ｅ２による電流成分ｉ２の多くは除去される。尚、電荷ｅ０の移動による電流成分ｉ０は、非照射期間Ｔ２から照射期間Ｔ１への切り替え時に瞬間的に発生するため、電子ビームＸの照射タイミングに同期して検出値ｏｕｔを出力するよう制御しても、装置１００の性能限界などにより、ほとんど観察されない。
【００３９】
このようにして電流成分ｉ１が抽出された検出値ｏｕｔは、図１に示す通り、位置検出部１０４の出力である位置情報ｐとともに画像データ生成部１２０へ供給され、これらに基づいて、画像データが生成される。
【００４０】
つまり制御部１０３は、図４に示すように、照射期間Ｔ１においては電子ビームＸの照射位置を所定のエリア３０に固定し、この状態で電流検出部１１０に検出値ｏｕｔを生成させる。そして、非照射期間Ｔ２において半導体ウェハ１０と電子ビームＸとの相対的な位置関係を変化させ、電子ビームＸの照射位置を次のエリア３１に移動させる。つまり、制御部１０３は、電子ビームＸを照射するたびに照射位置をエリア３０，３１，３２，３３・・・へと変化させる。これによって、半導体ウェハ１０上の表面状態を表示部１２１に表示することが可能となる。
【００４１】
但し、電子ビームＸを１回照射するたびに照射位置をエリア３０，３１，３２，３３・・・へと変化させることは必須でなく、１つのエリアに対して電子ビームＸを複数回照射し、その後、照射位置を次のエリアに移動させても構わない。この場合、１つのエリアに対する照射回数を例えば１００回とし、その平均値を当該照射位置における検出値ｏｕｔとして採用すればよい。これによれば、より高い解像度を得ることが可能となる。
【００４２】
図５は、本実施形態による微細領域撮像装置１００を用いてスルーホールを撮像する場合に得られる各種信号波形を説明するための図であり、（ａ）は撮像対象となる半導体ウェハ１０の一部分を拡大して示す略部分断面図、（ｂ）は電流検出部１１０より得られる検出値ｏｕｔの波形図、（ｃ）は画像データ生成部１２０の出力である画像データｄａｔａの波形図である。
【００４３】
図５（ａ）に示すように、本例による半導体ウェハ１０は、層間絶縁膜２４及び金属配線２５を有しており、これらの上に層間絶縁膜２６が形成された構造を有している。層間絶縁膜２６にはスルーホール２６ａが形成されており、このスルーホール２６ａを介して金属配線２５の一部が露出した状態となっている。金属配線２５は図示しない他のスルーホールによって下層のシリコン基板に接続されている。また、層間絶縁膜２６に設けられたスルーホール２６ａは、側壁２７がテーパー状となっている。これは、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）などのドライエッチングにおいては、エッチング対象物（ここでは層間絶縁膜２６）を完全に垂直エッチングすることは困難であり、多少の角度を持ってエッチングされるためである。したがって、スルーホール２６ａの開口部の径Ｄ１よりも、スルーホール２６ａの底部の径Ｄ２の方がやや小さくなる。
【００４４】
このような形状を有する半導体ウェハ１０に対し、断続的に電子ビームＸを照射しながら、その照射位置を変化させると、図５（ｂ）に示すような検出値ｏｕｔの波形が得られる。つまり、本実施形態では、電子ビーム照射部１０２によって照射される電子ビームＸがパルス状であり、且つ、電流検出部１１０は電子ビームＸのパルス波形に同期して検出値ｏｕｔを生成することから、得られる検出値ｏｕｔもパルス状の波形となる。ここで、パルス状である検出値ｏｕｔの各値は、それぞれ半導体ウェハ１０の表面形状に応じた値となる。
【００４５】
つまり、検出値ｏｕｔの絶対値は、図５（ｂ）に示すように、層間絶縁膜２６に覆われた領域においては低くなり、スルーホール２６ａによって露出した領域においては高くなる。これは、層間絶縁膜２６に覆われた領域と、スルーホール２６ａによって露出した領域とでは、電子ビームＸによって誘起される基板電流ｉの量が大きく異なるからである。尚、金属配線２５としては、ゲート電極に接続される配線のように、シリコン基板とは接続されていない配線もあるが、ゲート酸化膜は非常に薄いことから（例えば数ｎｍ）、電子ビームＸによって誘起された電子はトンネル電流としてゲート酸化膜に流れ込み、シリコン基板に到達する。
【００４６】
このようなパルス状の検出値ｏｕｔは、図１に示す画像データ生成部１２０に供給され、位置検出部１０４の出力である位置情報ｐとの関連づけが行われることにより、スルーホール２６ａの形状を示す画像データｄａｔａが生成される。
【００４７】
このように、本実施形態による微細領域撮像装置１００は、基板電流ｉに含まれる複数の電流成分を時間的に分離し、主に電子ビームＸにより直接注入された電子ｅ１及び電離衝突によって発生した電子ｅ１による電流成分ｉ１のみを抽出して検出値ｏｕｔを生成している。つまり、時間的に遅れて現れる電流成分ｉ２の影響を排除することができることから、電子ビームＸの現在の照射位置における表面状態を正しく認識することが可能となる。
【００４８】
したがって、１つのエリアに対して電子ビームＸを複数回照射などの方法によって解像度を高めれば、スルーホール２６ａの底部に残存する残渣などを認識することも可能となる。残渣は、例えば金属配線２５の材料としてアルミニウム（Ａｌ）を用いた場合、その両表面（上面及び下面）にバリアメタルとして窒化チタン（ＴｉＮ）などが形成されることがあり、このチタンの酸化物などが残渣となることがある。
【００４９】
つまり、図６（ａ）に示すように、スルーホール２６ａの底部に残渣２８が残存している場合、残渣２８に相当する部分において基板電流ｉのピーク値が低下する結果、電流検出部１１０より得られる検出値号ｏｕｔの波形にもこれが反映される。このため、図６（ｂ）に示すように、画像データ生成部１２０によって生成される画像データｄａｔａにも残渣２８に対応したレベル低下２８ａが生じることから、残渣２８を画像化することが可能となる。
【００５０】
尚、このような残渣２８の画像化は、従来の微細領域撮像装置によっても原理的には可能であるが、従来の微細領域撮像装置では、互いに異なる照射位置の情報をもった電流成分ｉ１と電流成分ｉ２とが混在した状態で検出を行っていることから、微細な領域を正確に撮像することは難しく、したがって、複雑な形状を持った微細な残渣２８を正しく画像化することは極めて困難である。これに対し、本実施形態による微細領域撮像装置１００では、電流成分ｉ１と電流成分ｉ２を分離していることから解像度が極めて高く、このような残渣２８の画像化を実現することが可能となる。
【００５１】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
【００５２】
例えば、上記実施形態では、電子ビームＸの照射タイミングと基板電流ｉの検出タイミングを一致させているが（図３参照）、両者が連動している限り、これらを完全に一致させることは必須でない。したがって、図７に示すように、電子ビームＸの照射タイミングを決める制御パルスｐｕｌｓｅ１よりも、基板電流ｉの検出タイミングを決める制御パルスｐｕｌｓｅ２のパルス幅を細くしても構わない。これによれば、電荷ｅ０の移動による電流成分を完全に除去することができるとともに、正孔ｅ２による電流成分ｉ０をより確実に除去することができる。
【００５３】
一方、電荷ｅ０の移動による電流成分ｉ０を検出する必要がある場合には、図８に示すように、電子ビームＸの照射タイミングを決める制御パルスｐｕｌｓｅ１よりも、基板電流ｉの検出タイミングを決める制御パルスｐｕｌｓｅ２の位相を僅かに早めればよい。これによれば、電荷ｅ０の移動による電流成分ｉ０を検出値ｏｕｔに混在させることができることから、バリアハイト、キャリア濃度、導電型（ｐ型／ｎ型）、界面準位など、電荷ｅ０の移動による電流成分ｉ０に含まれる情報を得ることが可能となる。
【００５４】
さらには、電子ビームＸの照射タイミングを決める制御パルスｐｕｌｓｅ１が１回活性するたびに、基板電流ｉの検出タイミングを決める制御パルスｐｕｌｓｅ２を複数回活性化させ、これにより、各電流成分をそれぞれ検出することも可能である。例えば、図９に示すように、制御パルスｐｕｌｓｅ１が立ち上がる前に活性化する第１パルス４１、制御パルスｐｕｌｓｅ１が立ち上がった後、立ち下がる前に活性化する第２パルス４２、並びに、制御パルスｐｕｌｓｅ１が立ち上がった後活性化する第３パルス４３によって１セットの制御パルスｐｕｌｓｅ２を構成する方法が考えられる。これによれば、第１パルス４１によって電荷ｅ０の移動による電流成分ｉ０を取得し、第２パルス４２によって電子ｅ１の移動による電流成分ｉ１を取得し、第３パルス４３によって正孔ｅ２の移動による電流成分ｉ２を取得することが可能となる。
【００５５】
尚、本発明の撮像対象としては、半導体ウェハに限定されるものではなく、電子ビームＸの照射によって撮像対象物に流れる電流を検出可能である限り、半導体ウェハ以外のものを撮像対象物とすることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の好ましい実施形態による微細領域撮像装置１００の構成を示す模式図である。
【図２】半導体ウェハ１０に流れる基板電流ｉの各種成分を説明するための模式図である。
【図３】微細領域撮像装置１００の動作を説明するための図であり、（ａ）は制御パルスｐｕｌｓｅ１，ｐｕｌｓｅ２の波形図、（ｂ）は電子ビームＸの照射波形図、（ｃ）は得られる基板電流ｉの波形図、（ｄ）は電流検出部１１０の出力である検出値ｏｕｔの波形図である。
【図４】電子ビームＸの照射エリアが移動する様子を説明するための図である。
【図５】微細領域撮像装置１００を用いてスルーホールを撮像する場合に得られる各種信号波形を説明するための図であり、（ａ）は撮像対象となる半導体ウェハ１０の一部分を拡大して示す略部分断面図、（ｂ）は電流検出部１１０より得られる検出値ｏｕｔの波形図、（ｃ）は画像データ生成部１２０の出力である画像データｄａｔａの波形図である。
【図６】（ａ）はスルーホール２３ａの底部に残渣２８が残存している半導体ウェハ１０の略部分断面図であり、（ｂ）は画像データｄａｔａの波形図である。
【図７】電子ビームＸの照射タイミングと基板電流ｉの検出タイミングの他の例を示す図であり、（ａ）は制御パルスｐｕｌｓｅ１の波形図、（ｂ）は制御パルスｐｕｌｓｅ２の波形図である。
【図８】電子ビームＸの照射タイミングと基板電流ｉの検出タイミングのさらに他の例を示す図であり、（ａ）は制御パルスｐｕｌｓｅ１の波形図、（ｂ）は制御パルスｐｕｌｓｅ２の波形図である。
【図９】電子ビームＸの照射タイミングと基板電流ｉの検出タイミングのさらに他の例を示す図であり、（ａ）は制御パルスｐｕｌｓｅ１の波形図、（ｂ）は制御パルスｐｕｌｓｅ２の波形図である。
【図１０】基板電流を検出する従来の微細領域撮像装置による撮像原理を説明するための図であり、（ａ）は撮像対象となる半導体ウェハの略部分断面図、（ｂ）は得られる基板電流ｉの波形図、（ｃ）は基板電流ｉを微分することによって得られる微分出力ｄの波形図である。
【符号の説明】
【００５７】
１０ 半導体ウェハ
１０ａ 半導体ウェハの主面
１０ｂ 半導体ウェハの裏面
１１ 素子分離領域
１２ ゲート電極
１３，２４，２６ 層間絶縁膜
１３ａ，２６ａ スルーホール
２１ シリコン基板
２２ 絶縁膜
２３ 空乏層
２３ａ スルーホール
２５ 金属配線
２７ 側壁
２８ 残渣
２８ａ 残渣によるレベル低下
３０〜３３ 照射エリア
４１ 第１パルス
４２ 第２パルス
４３ 第３パルス
１００ 微細領域撮像装置
１０１ 移動ステージ
１０２ 電子ビーム照射部
１０３ 制御部
１０４ 位置検出部
１０５ 発振回路
１１０ 電流検出部
１１１ 電流検出ヘッド
１１２ 同期検出回路
１２０ 画像データ生成部
１２１ 表示部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像対象物に電子ビームを断続的に照射する照射手段と、前記電子ビームの照射によって前記撮像対象物に流れる電流を、前記電子ビームの照射タイミングと連動して検出する検出手段と、前記検出手段の出力に基づいて、前記撮像対象物の表面状態を示すデータを生成するデータ生成手段とを備えることを特徴とする微細領域撮像装置。
【請求項２】
前記撮像対象物と前記電子ビームとの相対的な位置関係を変化させる制御部をさらに備え、前記制御部は、少なくとも前記電子ビームの照射期間においては、前記電子ビームの照射位置を固定させることを特徴とする請求項１に記載の微細領域撮像装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記電子ビームの非照射期間において、前記電子ビームの照射位置を変化させることを特徴とする請求項１又は２に記載の微細領域撮像装置。
【請求項４】
前記撮像対象物は、主面の少なくとも一部に絶縁膜が形成された半導体ウェハであり、前記検出手段は前記絶縁膜を介して前記半導体ウェハを流れる基板電流を検出することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の微細領域撮像装置。
【請求項５】
前記電子ビームの照射期間は、前記電子ビームの照射によって前記絶縁膜中に生じた正孔が前記絶縁膜を通過する時間未満に設定されていることを特徴とする請求項４に記載の微細領域撮像装置。
【請求項６】
前記電子ビームの非照射期間は、前記電子ビームの照射によって前記絶縁膜中に生じた正孔が前記絶縁膜を通過する時間以上に設定されていることを特徴とする請求項４又は５に記載の微細領域撮像装置。
【請求項７】
撮像対象物に電子ビームを断続的に照射し、これにより前記撮像対象物に流れる電流を、前記電子ビームの照射タイミングと連動して検出し、これに基づいて前記撮像対象物の表面状態を示すデータを生成することを特徴とする微細領域撮像方法。
【請求項１】
撮像対象物に電子ビームを断続的に照射する照射手段と、前記電子ビームの照射によって前記撮像対象物に流れる電流を、前記電子ビームの照射タイミングと連動して検出する検出手段と、前記検出手段の出力に基づいて、前記撮像対象物の表面状態を示すデータを生成するデータ生成手段とを備えることを特徴とする微細領域撮像装置。
【請求項２】
前記撮像対象物と前記電子ビームとの相対的な位置関係を変化させる制御部をさらに備え、前記制御部は、少なくとも前記電子ビームの照射期間においては、前記電子ビームの照射位置を固定させることを特徴とする請求項１に記載の微細領域撮像装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記電子ビームの非照射期間において、前記電子ビームの照射位置を変化させることを特徴とする請求項１又は２に記載の微細領域撮像装置。
【請求項４】
前記撮像対象物は、主面の少なくとも一部に絶縁膜が形成された半導体ウェハであり、前記検出手段は前記絶縁膜を介して前記半導体ウェハを流れる基板電流を検出することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の微細領域撮像装置。
【請求項５】
前記電子ビームの照射期間は、前記電子ビームの照射によって前記絶縁膜中に生じた正孔が前記絶縁膜を通過する時間未満に設定されていることを特徴とする請求項４に記載の微細領域撮像装置。
【請求項６】
前記電子ビームの非照射期間は、前記電子ビームの照射によって前記絶縁膜中に生じた正孔が前記絶縁膜を通過する時間以上に設定されていることを特徴とする請求項４又は５に記載の微細領域撮像装置。
【請求項７】
撮像対象物に電子ビームを断続的に照射し、これにより前記撮像対象物に流れる電流を、前記電子ビームの照射タイミングと連動して検出し、これに基づいて前記撮像対象物の表面状態を示すデータを生成することを特徴とする微細領域撮像方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００７−２００９３１（Ｐ２００７−２００９３１Ａ）
【公開日】平成１９年８月９日（２００７．８．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１４２１０（Ｐ２００６−１４２１０）
【出願日】平成１８年１月２３日（２００６．１．２３）
【出願人】（５０２２７７７６２）ファブソリューション株式会社 (9)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年８月９日（２００７．８．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１月２３日（２００６．１．２３）
【出願人】（５０２２７７７６２）ファブソリューション株式会社 (9)
【Ｆターム（参考）】
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