材料分析装置及び材料分析方法
【課題】半導体デバイス製造工程において電子顕微鏡を用いて試料の材料分析を簡便に行う。
【解決手段】材料分析装置１は、試料１２に電子線ＥＢを照射する電子銃１３と、試料１２の表面から飛び出す反射電子ＲＥを検出する電子検出部１４と、電子検出部１４による反射電子ＲＥの検出強度に応じて試料の材料を分析する材料分析部３０を備え、材料分析部３０は、原子量Ｎ１、Ｎ２が既知の材料Ａ１、Ａ２に電子線ＥＢを照射したときの反射電子ＲＥを電子検出部１４で検出した検出強度Ｂ１、Ｂ２に基づき、ある材料に電子線ＥＢを照射するときの反射電子ＲＥを電子検出部１４で検出した検出強度とその材料の原子量との間の近似一次式を決定する近似式決定部３３と、決定した近似一次式に従って試料１２に電子線ＥＢを照射したときの反射電子ＲＥを電子検出部１４で検出した検出強度Ｂｘから、試料１２の材料の原子量Ｎｘを決定する原子量決定部３４とを備える。
【解決手段】材料分析装置１は、試料１２に電子線ＥＢを照射する電子銃１３と、試料１２の表面から飛び出す反射電子ＲＥを検出する電子検出部１４と、電子検出部１４による反射電子ＲＥの検出強度に応じて試料の材料を分析する材料分析部３０を備え、材料分析部３０は、原子量Ｎ１、Ｎ２が既知の材料Ａ１、Ａ２に電子線ＥＢを照射したときの反射電子ＲＥを電子検出部１４で検出した検出強度Ｂ１、Ｂ２に基づき、ある材料に電子線ＥＢを照射するときの反射電子ＲＥを電子検出部１４で検出した検出強度とその材料の原子量との間の近似一次式を決定する近似式決定部３３と、決定した近似一次式に従って試料１２に電子線ＥＢを照射したときの反射電子ＲＥを電子検出部１４で検出した検出強度Ｂｘから、試料１２の材料の原子量Ｎｘを決定する原子量決定部３４とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料に電子線を照射して試料から飛び出す反射電子を検出することによって試料の材料特定を行う技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイス製造工程において、製造中の半導体デバイス表面に異物が検出された際には、異物を発生させた製造工程の不具合原因の特定のために、その異物がいかなる物質であるのかを判定することが重要である。
このような物質の材料分析には、特定Ｘ線分析を用いた分析方法が広く用いられている（例えば下記特許文献１及び特許文献２）。
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−１０４１７５号公報
【特許文献２】特開平１０−３１８９４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特定Ｘ線分析のような厳密な材料分析を行うためには、専用の分析装置が必要である。このため、製造工程で厳密な分析方法を新たに実施しようとすると、まず専用の分析装置を製造工程に新たに導入し、かつ現在の製造ラインの手順を変更して専用の分析装置へ半導体デバイスをセットする作業が発生する。
一方で、半導体デバイス製造工程で使用する材料の種類は限られているため、半導体デバイス上で検出される物質の材質の種類は予め分かっている。このため半導体デバイス製造工程では、上述のような厳密な分析方法でなくても試料の材料をおおよその種類に分類できる程度の簡便な分析方法で足りる。
【０００５】
また、半導体デバイス製造工程において異物の観察のために電子顕微鏡が従来から用いられている。例えば現在の半導体デバイス製造工程では、製品歩留を向上させるために半導体デバイスの表面の光学像を捉えて、半導体デバイスの外観を検査する光学式外観検査が行われている。光学式外観検査に用いる光学顕微鏡の光学条件や、得られた光学像から欠陥を検出するアルゴリズムに使用する欠陥検出条件を最適化するために、光学式外観検査で検出した異物を走査型電子顕微鏡などの電子顕微鏡でさらに観察して異物の態様に関する詳細な情報を取得し、取得した情報に基づいて検査条件の最適化することが行われている。
このため、半導体デバイス製造工程において異物の観察のために従来から用いられている電子顕微鏡を用いて、半導体デバイス上で検出される物質の材質の分析を簡便に行うことが望まれてきた。
【０００６】
上記事情に鑑み、本発明では、半導体デバイス製造工程において、電子顕微鏡を用いて試料の材料分析を簡便に行う手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】
【０００７】
電子銃などにより発生させた電子線を試料へ照射すると、試料に入射した電子線は試料を構成する原子核や電子との相互作用により進行方向を変えられ、試料から反射電子として飛び出す。このとき、反射電子の反射電子係数、すなわち入射電子数に対する発生した反射電子の割合は、電子線の入射角度と試料を構成する材料の元素の原子量に依存する。
そこで本発明では、原子量が既知の材料に電子線を照射したときの反射電子を予め検出しておき、材料の原子量とその材料から生じる反射電子の検出強度との間の関係を線形近似した近似式を定める。そして、試料に電子線を照射したときの反射電子の検出強度を求め、近似式を用いて試料の原子量を決定することにより試料の材料を分析する。
【０００８】
本発明の第１形態によれば、試料に電子線を照射する電子銃と、電子線を照射された試料の表面から飛び出す反射電子を検出する電子検出部と、電子検出部による反射電子の検出強度に応じて試料の材料を分析する材料分析部と、を備える材料分析装置が提供される。ここで材料分析部は、原子量が既知の材料に電子線を照射したときにその材料から飛び出す反射電子を電子検出部で検出した検出強度に基づき、ある材料に電子線を照射するときにその材料から飛び出す反射電子を電子検出器で検出した検出強度とその材料の原子量との間の近似一次式を決定する近似式決定部と、決定した近似一次式に従って、試料に電子線を照射したときに試料から飛び出す反射電子を電子検出部で検出した検出強度から、試料の材料の原子量を決定する原子量決定部と、を備える。
【０００９】
本発明の第２形態によれば、試料に電子線を照射し、電子線を照射された試料の表面から飛び出す反射電子を電子検出部で検出し、電子検出部による反射電子の検出強度に応じて試料の材料を分析する材料分析方法が提供される。本方法では、原子量が既知の材料に電子線を照射したときにその材料から飛び出す反射電子を電子検出部で検出した検出強度に基づき、ある材料に電子線を照射するときにその材料から飛び出す反射電子を電子検出器で検出した検出強度とその材料の原子量との間の近似一次式を決定し、決定した近似一次式に従って、試料に電子線を照射したときに試料から飛び出す反射電子を電子検出部で検出した検出強度から、試料の材料の原子量を決定する。
【発明の効果】
【００１０】
半導体デバイス製造工程において、電子顕微鏡を用いて試料の材料分析を簡便に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、添付する図面を参照して本発明の実施例を説明する。図１は、本発明の実施例による材料分析装置のブロック図である。材料分析装置１は、試料として、半導体デバイス製造工程において、その表面に回路パターンが形成された半導体ウエハ１２（以下「ウエハ」と記す）の表面に存在する物質の材料分析を行う。材料分析装置１は、電子線ＥＢを照射する際にウエハ１２を収容する真空試料室１と、ウエハ１２を載置するステージ１１と、電子線ＥＢを発生させる電子銃１３と、電子線ＥＢが照射されたウエハ１２の表面から飛び出す反射電子ＲＥを検出する電子検出部１４と、ステージ１１の上に設けられた既知の材料で作られた標準試験片Ｓ１及びＳ２を備える。
【００１２】
さらに材料分析装置１は、電子検出部１４から出力された検出信号を増幅する信号増幅部１５と、信号増幅部１５により増幅されたアナログ形式の検出信号をディジタル形式の検出信号に変換するアナログディジタル信号変換部（ＡＤＣ）１６と、ディジタル形式に変更された検出信号の信号値を、後段の画像生成部１８が生成する電子線画像用の画素値に変換する信号変換部１７と、信号変換部１７により検出信号から変換された画素値を配列してウエハ１２で反射した反射電子ＲＥの電子線画像を生成する画像生成部１８と、画像生成部１８が生成した電子線画像を表示する表示部１９と、を備える。
【００１３】
図２は、図１に示す画像生成部１８により生成される電子線画像の説明図である。ウエハ１２で反射する反射電子ＲＥの電子線画像５０を生成する際には、電子線ＥＢによりウエハ１２上のある走査範囲Ｒ内を走査する。図２の例では、符号Ｐで示す走査線に沿って電子線ＥＢの照射位置を変えながら、各照射位置で電子検出部１４が検出した反射電子ＲＥの検出強度を取得する。例えば電子線ＥＢが走査線Ｐ上の位置ｐ１、ｐ２及びｐ３を照射しているときに電子検出部１４が検出した反射電子ＲＥの検出強度をＳＧ１、ＳＧ２及びＳ３とする。
【００１４】
画像生成部１８は、走査範囲Ｒ内における各照射位置ｐ１、ｐ２及びｐ３のそれぞれに対応する、電子線画像５０内の座標位置Ｐ１、Ｐ２及びＰ３における画素値（明度レベル）を、信号変換部１７が反射電子ＲＥの検出信号値ＳＧ１、ＳＧ２及びＳＧ３からそれぞれ変換した画素値Ｂ１、Ｂ２及びＢ３とすることにより、反射電子ＲＥの電子線画像５０を生成する。
信号変換部１７は、所定の変換式を用いて電子検出部１４の検出信号値を電子線画像５０に用いる画素値へと変換する。電子検出部１４の検出信号値から画素値を求める変換式は、図７〜図１０を参照して後述するように変換された画素値により構成される電子線画像５０が適度なコントラストが得られるように定められている。
【００１５】
図１に示す材料分析装置１は、作業者（ユーザ）が材料分析装置１へ対して指示や情報を入力するための入力部２０を備える。入力部２０は、本構成例において、材料分析装置１により材料の分析の対象となるウエハ１２の基板の材料や、ウエハ１２上の回路パターンの形成に用いられた材料に関する情報を入力するために使用される。
さらに材料分析装置１は、信号変換部１７により電子検出部１４の検出信号値から変換された画素値に基づいて、ウエハ１２上の電子線ＥＢの照射位置の材料を分析する材料分析部３０と、信号変換部１７によって電子検出部１４の検出信号値から変換される画素値の範囲を最適化する画素値最適化部４０とを備える。
【００１６】
図３は、図１に示す材料分析部３０の第１構成を示すブロック図である。材料分析部３０は、画素値判定部３１と、第１近似式決定部３３と、原子量判定部３４と、材料決定部３５とを備える。
画素値判定部３１は、原子量が予め判明している２種類以上の材料に電子線ＥＢを照射したときに電子検出部１４で反射電子ＲＥを検出された検出信号値を信号変換部１７によって変換して得たそれぞれの画素値を入力し、各材料と、それらの原子量及び入力した画素値との間の対応関係を保存する画素値テーブル３２を生成する。
【００１７】
第１近似式決定部３３は、画素値テーブル３２に保存した、各材料の原子量と、各材料に電子線ＥＢを照射したときに信号変換部１７からそれぞれ出力される画素値とを用いて、原子量と画素値との間の関係を線形近似する第１近似１次式を決定する。
原子量判定部３４は、ウエハ１２上の各位置を電子線ＥＢで走査したときに各々信号変換部１７から出力される画素値を、第１近似式決定部３３が決定した第１近似１次式にそれぞれ代入することにより、ウエハ１２上の各位置の材料の原子量を判定する。
材料決定部３５は、原子量判定部３４が判定した原子量に従って、ウエハ１２上の各位置の材料を決定する。材料決定部３５は決定した材料を示す材料指定情報を画像生成部１８へ出力する。
【００１８】
図１に示す材料分析装置１の動作フローチャートの第１例を図４に示す。ステップＳ１では、信号変換部１７が電子検出部１４の検出信号値から画素値へ変換する上記の所定の変換式を設定することによって、画像生成部１８により生成される電子線画像の各画素が有する画素値の範囲を最適化する。ステップＳ１の処理内容は図７〜図１０を参照して後述する。
【００１９】
ステップＳ２では、原子量が予め判明している２種類以上の材料に電子線ＥＢが照射され、それぞれの材料から飛び出した反射電子ＲＥが電子検出部１４にて検出され、このときの電子検出部１４の検出信号値が信号変換部１７によって画素値に変換される。
原子量が予め判明している材料に電子線ＥＢを照射するために、材料分析装置１に、既知の単元素で構成された材料によりなる２種類の異なる標準試験片を設け、これらの標準試験片に電子線ＥＢを照射して、試験片から飛び出した反射電子ＲＥを検出してもよい。本実施例では炭素で作られた標準試験片Ｓ１と銅で作られた標準試験片Ｓ２を備えている。
【００２０】
標準試験片を材料分析装置１に設ける代わりに、ウエハ１２の設計情報を用いてウエハ１２の表面上で単元素の材料でパターンが形成された箇所を特定し、この箇所に電子線ＥＢを照射して、この部分から飛び出した反射電子ＲＥを電子検出部１４で検出してもよい。既知の材料に電子線ＥＢを照射するために使用される部分は、ウエハ１２に形成される回路パターンの部分であってもよく、またウエハ１２上のチップが形成されない領域に、既知の単元素の材料のパターンを形成しこの部分に電子線ＥＢを照射して反射電子ＲＥを検出してもよい。
【００２１】
ステップＳ３では、画素値判定部３１は、既知の２種類以上の材料に電子線ＥＢを照射したときの反射電子ＲＥの検出強度を信号変換部１７が出力したそれぞれの画素値を入力し、各材料と、それらの原子量及び入力した画素値との間の対応関係を保存する画素値テーブル３２を生成する。図５は画素値テーブル３２の第１例を示す図である。
【００２２】
ステップＳ４では、第１近似式決定部３３は、画素値テーブル３２に保存した各材料の原子量と、各材料に電子線ＥＢを照射したときに信号変換部１７からそれぞれ出力される画素値とを用いて、原子量と画素値との間の関係を線形近似する第１近似１次式を決定する。
図６は、２種類の材料Ａ１及びＡ２について、それぞれの原子量Ｎ１及びＮ２と、それぞれに電子線ＥＢを照射したときに信号変換部１７からそれぞれ出力される画素値Ｂ１及びＢ２が分かっている場合に、原子量Ｎと画素値Ｂとの関係を線形近似する第１近似１次式を示す図である。
【００２３】
第１近似１次式（１）は、
Ｎ＝（Ｎ２−Ｎ１）／（Ｂ２−Ｂ１）×（Ｂ−Ｂ１）＋Ｎ１ …（１）
によって決定することができる。
３種類の材料について、それぞれの原子量と画素値とが分かっている場合には、最小二乗法などの手法を用いて第１近似１次式を決定してもよい。
【００２４】
ステップＳ５では、電子線ＥＢでウエハ１２を走査して、ウエハ１２の被検査領域の各位置に電子線ＥＢを照射したときの反射電子ＲＥを電子検出部１４にてそれぞれ検出し、このとき電子検出部１４が出力する各検出信号値を信号変換部１７によって画素値にそれぞれ変換する。
このとき信号変換部１７から出力される画素値は電子銃１３による電子線ＥＢの電流値や信号増幅部１５のゲインなどよって変化するので、材料分析装置１の装置状態をステップＳ２のときの状態から変えないでステップＳ５を行う。
【００２５】
ステップＳ６では、原子量決定部３４は、ウエハ１２の被検査領域の各位置についてそれぞれ決定した各画素値Ｂｘを、第１近似１次式（１）に代入することにより、ウエハ１２の被検査領域の各位置の材料のそれぞれの原子量Ｎｘを決定する。
ステップＳ７では、材料決定部３５は、ウエハ１２の被検査領域の各位置の材料のそれぞれについて決定された原子量Ｎｘに従ってそれぞれの箇所の材料を決定する。
【００２６】
様々な原子量Ｎｘに対応する材料を決定するために、例えばウエハ１２上に存在することが考えられる複数の単元素の材料の識別子と、それぞれの材料の原子量を記憶する原子量テーブルを材料決定部３５に設けておいてもよい、このとき材料決定部３５は、原子量テーブルから原子量決定部３４が決定した各原子量Ｎｘを有する単元素の材料の識別子を探すことによって、各原子量Ｎｘに対応する材料を決定する。
【００２７】
材料決定部３５は、ステップＳ６及びステップＳ７により特定された、ウエハ１２の被検査領域内の各位置に存在する材料の識別子を含む材料指定情報を画像生成部１８へ出力する。画像生成部１８は表示部１９に表示する電子線画像を生成するとき、電子線画像の各画素が示すそれぞれの部分の材料を表す情報を電子線画像に含める。例えば材料に応じて各画素の色を変えてもよく、また電子線画像内に各領域の材料名を表示してもよい。
【００２８】
図７は、図１に示す画素値最適化部４０の構成例を示すブロック図である。画素値最適化部４０は、画像生成部１８により生成される電子線画像の各画素が有する画素値の範囲の最適化を行う図４に示すステップＳ１の処理を実行する。すなわち信号変換部１７によって電子検出部１４の検出信号値から電子線画像５０に用いる画素値へと変換する際に使用する変換式を設定する。
画素値最適化部４０は、信号強度判定部４１と、第２近似式決定部４３と、信号強度範囲決定部４４と、変換パラメータ決定部４５とを備える。
【００２９】
信号強度判定部４１は、作業者が入力部２０から入力した既知の２つ以上の種類に材料に関する情報を受信する。そして、指定された材料のうち２種類以上の材料に電子線ＥＢを照射したときに、これら材料から飛び出す反射電子ＲＥを検出した電子検出部１４の出力信号を入力する。信号強度判定部４１は、各材料と、それらの原子量及び出力信号の信号強度との間の対応関係を保存する信号強度テーブル４２を生成する。
【００３０】
第２近似式決定部４３は、信号強度テーブル４２に保存した、各材料の原子量と、各材料に電子線ＥＢを照射したときの電子検出部１４の出力信号強度とを用いて、原子量と信号強度との間の関係を線形近似する第２近似１次式を決定する。
信号強度範囲決定部４４は、作業者から指定された材料のうち、反射電子ＲＥの検出を行わなかったものがあるときは、この材料に電子線ＥＢを照射した場合に電子検出部１４が出力しうる信号強度を、その材料の原子量から第２近似１次式を用いて決定する。信号強度範囲決定部４４は、作業者から指定された各材料について反射電子ＲＥの検出を行ったときに電子検出部１４が出力しうる信号強度の範囲を決定する。
変換パラメータ決定部４５は、信号強度範囲決定部４４により決定された信号強度の範囲内で変動しうる信号値を画素値へ変換したときに、変換後の画素値が、電子線画像５０に許容されるダイナミックレンジの範囲内になるように、検出信号値から画素値への変換式の変換パラメータを決定する。
【００３１】
図８は、図４に示すフローチャートにおけるステップＳ１で行う処理のフローチャートである。ステップＳ１０において、少なくとも２種類以上の材料について、その材料の識別子とその材料の原子量を入力する。入力した材料の識別子と原子量に関する情報を、信号強度判定部４１へ入力する。
例えばステップＳ１０では、少なくとも２種類以上の材料の識別子とその材料の原子量とを作業者に入力部２０を介して入力させてよい。また、図示しない記憶部に複数の材料の識別子と原子量とを予め記憶しておき、その中から２種類以上の材料を作業者に入力部２０を介して選択させることにより、２種類以上の材料の識別子とその材料の原子量を入力させてもよい。
フローチャートの例は、材料Ａ１、Ａ２及びＢの計３種類の識別子とそれぞれの材料の原子量Ｎ１、Ｎ２及びＮ３を入力する。
【００３２】
ステップＳ１１において、ステップＳ１０にて入力した材料のうち少なくとも２種類以上の材料に電子線ＥＢを照射して、それぞれの材料から飛び出した反射電子ＲＥを電子検出部１４にて検出する。フローチャートの例では材料Ａ１及びＡ２に電子線ＥＢを照射して、それぞれの材料から飛び出した反射電子ＲＥを電子検出部１４にて検出する。それぞれの反射電子ＲＥを検出した信号強度をＳＧ１及びＳＧ２とする。
このとき標準試験片Ｓ１及びＳ２の材料をＡ１及びＡ２とし、これら標準試験片Ｓ１及びＳ２から飛び出す反射電子ＲＥを検出してもよく、ウエハ１２上の材料Ａ１及びＡ２で形成されていることが予め分かっている部分から飛び出す反射電子ＲＥを検出してもよい。
【００３３】
ステップＳ１２では、信号強度判定部４１は、既知の２種類以上の材料に電子線ＥＢを照射したときの反射電子ＲＥを検出した電子検出部１４の出力信号の信号強度を入力し、各材料と、それらの原子量及び入力した信号強度との間の対応関係を保存する信号強度テーブル４２を生成する。図９は２つの材料Ａ１及びＡ２について作成した信号強度テーブル４２の例を示す図である。
【００３４】
ステップＳ１３では、第２近似式決定部４３は、信号強度テーブル４２に保存した各材料の原子量と、各材料に電子線ＥＢを照射したときの電子検出部１４の出力信号の信号強度とを用いて、原子量と信号強度の間の関係を線形近似する第２近似１次式を決定する。
図１０の（Ａ）は、２種類の材料Ａ１及びＡ２について、それぞれの原子量Ｎ１及びＮ２と、それぞれに電子線ＥＢを照射したときの電子検出部１４の出力信号の信号強度ＳＧ１及びＳＧ２が分かっている場合に、原子量Ｎと信号強度ＳＧとの関係を線形近似する第２近似１次式を示す図である。
【００３５】
第２近似１次式（２）は、
ＳＧ＝（ＳＧ２−ＳＧ１）／（Ｎ２−Ｎ１）×（Ｎ−Ｎ１）＋ＳＧ１ …（２）
によって決定することができる。
３種類の材料について、それぞれの原子量と信号強度とが分かっている場合には、最小二乗法などの手法を用いて第２近似１次式を決定してもよい。
【００３６】
ステップＳ１４にて信号強度範囲決定部４４は、ステップＳ１０にて情報を入力した材料のうち、ステップＳ１１において反射電子ＲＥを電子検出部１４にて検出していないものがあるときには、この材料に電子線ＥＢを照射したときの電子検出部１４の出力信号の信号強度を、第２近似１次式を用いて決定する。
本フローチャートの例ではステップＳ１０にて情報を入力した材料のうち、材料ＢについてはステップＳ１１で反射電子ＲＥを検出していない。ステップＳ１４では、材料Ｂの原子量Ｎ３を第２近似１次式（２）に代入して、材料Ｂから飛び出す反射電子ＲＥを検出した信号強度ＳＧ３を決定する。決定したＳＧ３の値を図１０の（Ａ）に示す。
【００３７】
ステップＳ１５にて信号強度範囲決定部４４は、ステップＳ１０にて情報を入力した各材料について反射電子ＲＥを検出したときに、電子検出部１４の出力信号が取りうる信号強度範囲を決定する。図１０の（Ａ）に示す例では、材料Ａ１、Ａ２及びＢについて反射電子ＲＥを検出すると、電子検出部１４の出力信号は最小値ＳＧ１から最大値ＳＧ３の範囲を取りうる。図１０の（Ａ）を参照して分かるとおり、電子検出部１４の出力信号の信号強度範囲ＳＧ１〜ＳＧ３は、ステップＳ１０にて情報を入力した各材料の原子量の範囲Ｎ１〜Ｎ３に応じて定まる。
【００３８】
ステップＳ１６にて変換パラメータ決定部４５は、ステップＳ１５にて決定した信号強度範囲ＳＧ１〜ＳＧ３内の信号を、信号変換部１７にて画素値へ変換したときに、変換後の画素値が、電子線画像５０に許容されるダイナミックレンジの範囲内になるように、電子検出部１４の検出信号値から画素値への変換式の変換パラメータを決定する。
例えば図１０の（Ｂ）に示すように、電子線画像５０の画素値のダイナミックレンジが画素値０〜Ｂｍａｘであるとし、信号変換部１７は、検出信号値の下限ＳＧ１〜上限ＳＧ３までの範囲の検出信号値を、画素値の下限ＢＬ〜上限ＢＨまでの範囲の画素値に変換すると仮定する。ここで画素値ＢＬは電子線画像５０の画素値のダイナミックレンジの最低値０よりも所定のマージンΔＢ２だけ大きい値であり、画素値ＢＨはダイナミックレンジの最大値ＢｍａｘよりもマージンΔＢ１だけ小さい値である。
【００３９】
変換パラメータ決定部４５は、電子検出部１４の検出信号値ＳＧから画素値Ｂへの１次変換式（３）を以下のように定めてよい。
Ｂ＝（ＢＨ−ＢＬ）／（ＳＧ３−ＳＧ１）×（ＳＧ−ＳＧ１）＋ＢＬ …（３）
変換パラメータ決定部４５は、１次変換式（３）を決定するパラメータ（すなわち傾きや切片など）を信号変換部１７へ出力する。
信号変換部１７は、このパラメータによって定まる１次変換式（３）を用いて、電子検出部１４の検出信号値を画素値へ変換する。
【００４０】
図１１は、図１に示す材料分析部３０の第２構成を示すブロック図である。上記の実施例では、図１２の（Ａ）に示すように、ウエハ１２上に形成された材料分析の対象の物質の層にはある程度の厚みがあり、反射電子ＲＥは電子線ＥＢを照射された対象物質Ａ１から飛び出すことを前提としている。例えば電子線ＥＢの電子のエネルギーが１ｋｅＶ以下である場合には、対象物質Ａ１の厚さが１μｍ以上あれば、電子線ＥＢは対象物質Ａ１を貫通しないので、反射電子ＲＥは全て対象物質Ａ１から飛び出す。
しかしながら、対象物質Ａ１の厚さが薄いと図１２の（Ｂ）に示すように電子線ＥＢが対象物質Ａ１を貫通して下層Ａ２へ至るので、電子検出部１４により検出される反射電子ＲＥは、対象物質Ａ１から飛び出す成分ＲＥ１と下層Ａ２から飛び出す成分ＲＥ２とを含む。このような場合には、反射電子ＲＥの反射電子係数が対象物質Ａ１の層の厚さや下層Ａ２の原子量に左右されるため、図３に示す第１構成例の材料分析部３０では、対象物質Ａ１の原子量を決定することができない。
【００４１】
そこで以下に述べる実施例では、材料分析を行うウエハ１２の表面の各箇所に電子線ＥＢを照射し、それぞれの部分から飛び出した反射電子ＲＥを検出した電子検出部１４の検出信号値を信号変換部１７によって画素値へそれぞれ変換する。また、電子線ＥＢが照射されるウエハ１２の表面のそれぞれの箇所に存在する材料をウエハ１２の設計情報を用いて特定する。図１１に示す第２構成例の材料分析部３０の画素値判定部３１は、ウエハ１２の設計情報を用いて特定されるウエハ１２の表面のそれぞれの箇所の材料と、それらの材料から反射電子ＲＥを検出したときの検出信号値を変換した画素値とを、画素値テーブル３２に対応付けて記憶する。
【００４２】
ウエハ１２の表面に存在する材料を分析する際に、ウエハ１２の表面の上が電子線ＥＢで走査され、電子検出部１４がから順次出力される検出信号値が信号変換部１７によってそれぞれ画素値に変換されると、材料決定部３５は、変換された画素値と同じ画素値に対応付けられて画素値テーブル３２に記憶した材料を探して、電子線ＥＢの照射位置の材料を決定する。
本構成によれば、仮にウエハ１２の表面に形成されたある材料Ｘの膜が薄く形成されている場合でも、ウエハ１２上において実際に同じ材料Ｘで同じように形成された部分における反射電子の検出強度を予め取得し、予め取得した検出強度と、被検査対象から反射した反射電子の検出強度とが等しいか否かによって、被検査対象の材料がＸであるか否かを分析することにより、材料Ｘの膜の下層から反射する反射電子が生じてしまう場合においても両者で同様の検出強度が検出されるので、被検査対象の成分が材料Ｘであることを分析することができる。
【００４３】
図１３に示すフローチャートを参照して、図１１の例による材料分析部３０を備える材料分析装置１の動作フローを示す。ステップＳ１では、信号変換部１７による電子検出部１４の検出信号値から画素値へ変換する画素値の範囲を最適化する。処理の内容は図７〜図１０を参照して説明した通りである。
【００４４】
ステップＳ２では、ウエハ１２の表面の予め決めた複数の箇所に電子線ＥＢを照射し、それぞれの部分から飛び出した反射電子ＲＥを検出した電子検出部１４の検出信号値を信号変換部１７によって画素値へそれぞれ変換する。画素値判定部３１は、これらの画素値をそれぞれ入力する。図１４は、ウエハ１２上の所定範囲Ｒにおけるウエハ表面の材料の構成を示す図である。電子線ＥＢを照射され反射電子ＲＥを検出した各点ｐ１〜ｐ４の部分は、それぞれ材料Ａ１〜Ａ４で構成されているものとする。
【００４５】
ステップＳ２１では、画素値判定部３１は、ウエハ１２の設計情報を用いて、ステップＳ２にて電子線ＥＢを照射したウエハ１２表面の各箇所Ａ１〜Ａ４の材料を特定する。そしてこれら各箇所ｐ１〜ｐ４の材料Ａ１〜Ａ４と、それぞれの箇所ｐ１〜ｐ４に電子線ＥＢを照射して反射電子ＲＥを検出したときの画素値Ｂ１〜Ｂ４との間の対応関係を保存する画素値テーブル３２を生成する。図１５は画素値テーブル３２の第２例を示す図である。
【００４６】
ステップＳ２２では、電子線ＥＢでウエハ１２を走査して、ウエハ１２の被検査領域の各位置に電子線ＥＢを照射したときの反射電子ＲＥを電子検出部１４にてそれぞれ検出し、このとき電子検出部１４が出力する各検出信号値を信号変換部１７によって画素値にそれぞれ変換する。
このとき材料分析装置１の装置状態をステップＳ２のときの状態から変えないで電子線ＥＢによる走査を行う。
ステップＳ２３では、材料決定部３５は、ウエハ１２の被検査領域の各位置についてそれぞれ決定した各画素値と、同じ画素値に対応して記憶された材料を画素値テーブル３２から探して、電子線ＥＢの照射位置の材料を決定する。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、試料に電子線を照射して試料から飛び出す反射電子を検出することにより試料の材料を分析する材料分析装置及び材料分析方法に利用可能である。好適には半導体製造工程において、半導体デバイス装置の表面で検出した異物の材料を分析する材料分析装置及び材料分析方法に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の実施例による材料分析装置のブロック図である。
【図２】図１に示す画像生成部により生成される電子線画像の説明図である。
【図３】図１に示す材料分析部の第１構成を示すブロック図である。
【図４】図１に示す材料分析装置の動作の第１例を示すフローチャートである。
【図５】画素値テーブルの第１例を示す図である。
【図６】原子量と画素値との関係を線形近似する第１近似１次式を示す図である。
【図７】図１に示す画素値最適化部の構成例を示すブロック図である。
【図８】図４に示すフローチャートにおけるステップＳ１で行う処理のフローチャートである。
【図９】信号強度テーブルの例を示す図である。
【図１０】（Ａ）は原子量と電子検出部の出力信号の強度との関係を線形近似する第２近似１次式を示す図であり、（Ｂ）は電子検出部の出力信号から画素値へ変換する１次変換式を示す図である。
【図１１】図１に示す材料分析部の第２構成を示すブロック図である。
【図１２】（Ａ）は分析対象となる物質Ａ１から全ての反射電子が出る状態を示す図であり、（Ａ）は分析対象となる物質Ａ１及びその下層の物質Ａ２から反射電子が出る状態を示す図である。
【図１３】図１に示す材料分析装置の動作の第３例を示すフローチャートである。
【図１４】ウエハ上の所定範囲Ｒにおけるウエハ表面の材料の構成を示す図である。
【図１５】画素値テーブルの第２例を示す図である。
【符号の説明】
【００４９】
１ 材料分析装置１
１０ 真空試料室
１１ ステージ
１２ 半導体ウエハ
１３ 電子銃
１４ 電子検出部
ＥＢ 電子線
ＲＥ 反射電子
Ｓ１、Ｓ２ 標準試験片
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料に電子線を照射して試料から飛び出す反射電子を検出することによって試料の材料特定を行う技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイス製造工程において、製造中の半導体デバイス表面に異物が検出された際には、異物を発生させた製造工程の不具合原因の特定のために、その異物がいかなる物質であるのかを判定することが重要である。
このような物質の材料分析には、特定Ｘ線分析を用いた分析方法が広く用いられている（例えば下記特許文献１及び特許文献２）。
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−１０４１７５号公報
【特許文献２】特開平１０−３１８９４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特定Ｘ線分析のような厳密な材料分析を行うためには、専用の分析装置が必要である。このため、製造工程で厳密な分析方法を新たに実施しようとすると、まず専用の分析装置を製造工程に新たに導入し、かつ現在の製造ラインの手順を変更して専用の分析装置へ半導体デバイスをセットする作業が発生する。
一方で、半導体デバイス製造工程で使用する材料の種類は限られているため、半導体デバイス上で検出される物質の材質の種類は予め分かっている。このため半導体デバイス製造工程では、上述のような厳密な分析方法でなくても試料の材料をおおよその種類に分類できる程度の簡便な分析方法で足りる。
【０００５】
また、半導体デバイス製造工程において異物の観察のために電子顕微鏡が従来から用いられている。例えば現在の半導体デバイス製造工程では、製品歩留を向上させるために半導体デバイスの表面の光学像を捉えて、半導体デバイスの外観を検査する光学式外観検査が行われている。光学式外観検査に用いる光学顕微鏡の光学条件や、得られた光学像から欠陥を検出するアルゴリズムに使用する欠陥検出条件を最適化するために、光学式外観検査で検出した異物を走査型電子顕微鏡などの電子顕微鏡でさらに観察して異物の態様に関する詳細な情報を取得し、取得した情報に基づいて検査条件の最適化することが行われている。
このため、半導体デバイス製造工程において異物の観察のために従来から用いられている電子顕微鏡を用いて、半導体デバイス上で検出される物質の材質の分析を簡便に行うことが望まれてきた。
【０００６】
上記事情に鑑み、本発明では、半導体デバイス製造工程において、電子顕微鏡を用いて試料の材料分析を簡便に行う手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】
【０００７】
電子銃などにより発生させた電子線を試料へ照射すると、試料に入射した電子線は試料を構成する原子核や電子との相互作用により進行方向を変えられ、試料から反射電子として飛び出す。このとき、反射電子の反射電子係数、すなわち入射電子数に対する発生した反射電子の割合は、電子線の入射角度と試料を構成する材料の元素の原子量に依存する。
そこで本発明では、原子量が既知の材料に電子線を照射したときの反射電子を予め検出しておき、材料の原子量とその材料から生じる反射電子の検出強度との間の関係を線形近似した近似式を定める。そして、試料に電子線を照射したときの反射電子の検出強度を求め、近似式を用いて試料の原子量を決定することにより試料の材料を分析する。
【０００８】
本発明の第１形態によれば、試料に電子線を照射する電子銃と、電子線を照射された試料の表面から飛び出す反射電子を検出する電子検出部と、電子検出部による反射電子の検出強度に応じて試料の材料を分析する材料分析部と、を備える材料分析装置が提供される。ここで材料分析部は、原子量が既知の材料に電子線を照射したときにその材料から飛び出す反射電子を電子検出部で検出した検出強度に基づき、ある材料に電子線を照射するときにその材料から飛び出す反射電子を電子検出器で検出した検出強度とその材料の原子量との間の近似一次式を決定する近似式決定部と、決定した近似一次式に従って、試料に電子線を照射したときに試料から飛び出す反射電子を電子検出部で検出した検出強度から、試料の材料の原子量を決定する原子量決定部と、を備える。
【０００９】
本発明の第２形態によれば、試料に電子線を照射し、電子線を照射された試料の表面から飛び出す反射電子を電子検出部で検出し、電子検出部による反射電子の検出強度に応じて試料の材料を分析する材料分析方法が提供される。本方法では、原子量が既知の材料に電子線を照射したときにその材料から飛び出す反射電子を電子検出部で検出した検出強度に基づき、ある材料に電子線を照射するときにその材料から飛び出す反射電子を電子検出器で検出した検出強度とその材料の原子量との間の近似一次式を決定し、決定した近似一次式に従って、試料に電子線を照射したときに試料から飛び出す反射電子を電子検出部で検出した検出強度から、試料の材料の原子量を決定する。
【発明の効果】
【００１０】
半導体デバイス製造工程において、電子顕微鏡を用いて試料の材料分析を簡便に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、添付する図面を参照して本発明の実施例を説明する。図１は、本発明の実施例による材料分析装置のブロック図である。材料分析装置１は、試料として、半導体デバイス製造工程において、その表面に回路パターンが形成された半導体ウエハ１２（以下「ウエハ」と記す）の表面に存在する物質の材料分析を行う。材料分析装置１は、電子線ＥＢを照射する際にウエハ１２を収容する真空試料室１と、ウエハ１２を載置するステージ１１と、電子線ＥＢを発生させる電子銃１３と、電子線ＥＢが照射されたウエハ１２の表面から飛び出す反射電子ＲＥを検出する電子検出部１４と、ステージ１１の上に設けられた既知の材料で作られた標準試験片Ｓ１及びＳ２を備える。
【００１２】
さらに材料分析装置１は、電子検出部１４から出力された検出信号を増幅する信号増幅部１５と、信号増幅部１５により増幅されたアナログ形式の検出信号をディジタル形式の検出信号に変換するアナログディジタル信号変換部（ＡＤＣ）１６と、ディジタル形式に変更された検出信号の信号値を、後段の画像生成部１８が生成する電子線画像用の画素値に変換する信号変換部１７と、信号変換部１７により検出信号から変換された画素値を配列してウエハ１２で反射した反射電子ＲＥの電子線画像を生成する画像生成部１８と、画像生成部１８が生成した電子線画像を表示する表示部１９と、を備える。
【００１３】
図２は、図１に示す画像生成部１８により生成される電子線画像の説明図である。ウエハ１２で反射する反射電子ＲＥの電子線画像５０を生成する際には、電子線ＥＢによりウエハ１２上のある走査範囲Ｒ内を走査する。図２の例では、符号Ｐで示す走査線に沿って電子線ＥＢの照射位置を変えながら、各照射位置で電子検出部１４が検出した反射電子ＲＥの検出強度を取得する。例えば電子線ＥＢが走査線Ｐ上の位置ｐ１、ｐ２及びｐ３を照射しているときに電子検出部１４が検出した反射電子ＲＥの検出強度をＳＧ１、ＳＧ２及びＳ３とする。
【００１４】
画像生成部１８は、走査範囲Ｒ内における各照射位置ｐ１、ｐ２及びｐ３のそれぞれに対応する、電子線画像５０内の座標位置Ｐ１、Ｐ２及びＰ３における画素値（明度レベル）を、信号変換部１７が反射電子ＲＥの検出信号値ＳＧ１、ＳＧ２及びＳＧ３からそれぞれ変換した画素値Ｂ１、Ｂ２及びＢ３とすることにより、反射電子ＲＥの電子線画像５０を生成する。
信号変換部１７は、所定の変換式を用いて電子検出部１４の検出信号値を電子線画像５０に用いる画素値へと変換する。電子検出部１４の検出信号値から画素値を求める変換式は、図７〜図１０を参照して後述するように変換された画素値により構成される電子線画像５０が適度なコントラストが得られるように定められている。
【００１５】
図１に示す材料分析装置１は、作業者（ユーザ）が材料分析装置１へ対して指示や情報を入力するための入力部２０を備える。入力部２０は、本構成例において、材料分析装置１により材料の分析の対象となるウエハ１２の基板の材料や、ウエハ１２上の回路パターンの形成に用いられた材料に関する情報を入力するために使用される。
さらに材料分析装置１は、信号変換部１７により電子検出部１４の検出信号値から変換された画素値に基づいて、ウエハ１２上の電子線ＥＢの照射位置の材料を分析する材料分析部３０と、信号変換部１７によって電子検出部１４の検出信号値から変換される画素値の範囲を最適化する画素値最適化部４０とを備える。
【００１６】
図３は、図１に示す材料分析部３０の第１構成を示すブロック図である。材料分析部３０は、画素値判定部３１と、第１近似式決定部３３と、原子量判定部３４と、材料決定部３５とを備える。
画素値判定部３１は、原子量が予め判明している２種類以上の材料に電子線ＥＢを照射したときに電子検出部１４で反射電子ＲＥを検出された検出信号値を信号変換部１７によって変換して得たそれぞれの画素値を入力し、各材料と、それらの原子量及び入力した画素値との間の対応関係を保存する画素値テーブル３２を生成する。
【００１７】
第１近似式決定部３３は、画素値テーブル３２に保存した、各材料の原子量と、各材料に電子線ＥＢを照射したときに信号変換部１７からそれぞれ出力される画素値とを用いて、原子量と画素値との間の関係を線形近似する第１近似１次式を決定する。
原子量判定部３４は、ウエハ１２上の各位置を電子線ＥＢで走査したときに各々信号変換部１７から出力される画素値を、第１近似式決定部３３が決定した第１近似１次式にそれぞれ代入することにより、ウエハ１２上の各位置の材料の原子量を判定する。
材料決定部３５は、原子量判定部３４が判定した原子量に従って、ウエハ１２上の各位置の材料を決定する。材料決定部３５は決定した材料を示す材料指定情報を画像生成部１８へ出力する。
【００１８】
図１に示す材料分析装置１の動作フローチャートの第１例を図４に示す。ステップＳ１では、信号変換部１７が電子検出部１４の検出信号値から画素値へ変換する上記の所定の変換式を設定することによって、画像生成部１８により生成される電子線画像の各画素が有する画素値の範囲を最適化する。ステップＳ１の処理内容は図７〜図１０を参照して後述する。
【００１９】
ステップＳ２では、原子量が予め判明している２種類以上の材料に電子線ＥＢが照射され、それぞれの材料から飛び出した反射電子ＲＥが電子検出部１４にて検出され、このときの電子検出部１４の検出信号値が信号変換部１７によって画素値に変換される。
原子量が予め判明している材料に電子線ＥＢを照射するために、材料分析装置１に、既知の単元素で構成された材料によりなる２種類の異なる標準試験片を設け、これらの標準試験片に電子線ＥＢを照射して、試験片から飛び出した反射電子ＲＥを検出してもよい。本実施例では炭素で作られた標準試験片Ｓ１と銅で作られた標準試験片Ｓ２を備えている。
【００２０】
標準試験片を材料分析装置１に設ける代わりに、ウエハ１２の設計情報を用いてウエハ１２の表面上で単元素の材料でパターンが形成された箇所を特定し、この箇所に電子線ＥＢを照射して、この部分から飛び出した反射電子ＲＥを電子検出部１４で検出してもよい。既知の材料に電子線ＥＢを照射するために使用される部分は、ウエハ１２に形成される回路パターンの部分であってもよく、またウエハ１２上のチップが形成されない領域に、既知の単元素の材料のパターンを形成しこの部分に電子線ＥＢを照射して反射電子ＲＥを検出してもよい。
【００２１】
ステップＳ３では、画素値判定部３１は、既知の２種類以上の材料に電子線ＥＢを照射したときの反射電子ＲＥの検出強度を信号変換部１７が出力したそれぞれの画素値を入力し、各材料と、それらの原子量及び入力した画素値との間の対応関係を保存する画素値テーブル３２を生成する。図５は画素値テーブル３２の第１例を示す図である。
【００２２】
ステップＳ４では、第１近似式決定部３３は、画素値テーブル３２に保存した各材料の原子量と、各材料に電子線ＥＢを照射したときに信号変換部１７からそれぞれ出力される画素値とを用いて、原子量と画素値との間の関係を線形近似する第１近似１次式を決定する。
図６は、２種類の材料Ａ１及びＡ２について、それぞれの原子量Ｎ１及びＮ２と、それぞれに電子線ＥＢを照射したときに信号変換部１７からそれぞれ出力される画素値Ｂ１及びＢ２が分かっている場合に、原子量Ｎと画素値Ｂとの関係を線形近似する第１近似１次式を示す図である。
【００２３】
第１近似１次式（１）は、
Ｎ＝（Ｎ２−Ｎ１）／（Ｂ２−Ｂ１）×（Ｂ−Ｂ１）＋Ｎ１ …（１）
によって決定することができる。
３種類の材料について、それぞれの原子量と画素値とが分かっている場合には、最小二乗法などの手法を用いて第１近似１次式を決定してもよい。
【００２４】
ステップＳ５では、電子線ＥＢでウエハ１２を走査して、ウエハ１２の被検査領域の各位置に電子線ＥＢを照射したときの反射電子ＲＥを電子検出部１４にてそれぞれ検出し、このとき電子検出部１４が出力する各検出信号値を信号変換部１７によって画素値にそれぞれ変換する。
このとき信号変換部１７から出力される画素値は電子銃１３による電子線ＥＢの電流値や信号増幅部１５のゲインなどよって変化するので、材料分析装置１の装置状態をステップＳ２のときの状態から変えないでステップＳ５を行う。
【００２５】
ステップＳ６では、原子量決定部３４は、ウエハ１２の被検査領域の各位置についてそれぞれ決定した各画素値Ｂｘを、第１近似１次式（１）に代入することにより、ウエハ１２の被検査領域の各位置の材料のそれぞれの原子量Ｎｘを決定する。
ステップＳ７では、材料決定部３５は、ウエハ１２の被検査領域の各位置の材料のそれぞれについて決定された原子量Ｎｘに従ってそれぞれの箇所の材料を決定する。
【００２６】
様々な原子量Ｎｘに対応する材料を決定するために、例えばウエハ１２上に存在することが考えられる複数の単元素の材料の識別子と、それぞれの材料の原子量を記憶する原子量テーブルを材料決定部３５に設けておいてもよい、このとき材料決定部３５は、原子量テーブルから原子量決定部３４が決定した各原子量Ｎｘを有する単元素の材料の識別子を探すことによって、各原子量Ｎｘに対応する材料を決定する。
【００２７】
材料決定部３５は、ステップＳ６及びステップＳ７により特定された、ウエハ１２の被検査領域内の各位置に存在する材料の識別子を含む材料指定情報を画像生成部１８へ出力する。画像生成部１８は表示部１９に表示する電子線画像を生成するとき、電子線画像の各画素が示すそれぞれの部分の材料を表す情報を電子線画像に含める。例えば材料に応じて各画素の色を変えてもよく、また電子線画像内に各領域の材料名を表示してもよい。
【００２８】
図７は、図１に示す画素値最適化部４０の構成例を示すブロック図である。画素値最適化部４０は、画像生成部１８により生成される電子線画像の各画素が有する画素値の範囲の最適化を行う図４に示すステップＳ１の処理を実行する。すなわち信号変換部１７によって電子検出部１４の検出信号値から電子線画像５０に用いる画素値へと変換する際に使用する変換式を設定する。
画素値最適化部４０は、信号強度判定部４１と、第２近似式決定部４３と、信号強度範囲決定部４４と、変換パラメータ決定部４５とを備える。
【００２９】
信号強度判定部４１は、作業者が入力部２０から入力した既知の２つ以上の種類に材料に関する情報を受信する。そして、指定された材料のうち２種類以上の材料に電子線ＥＢを照射したときに、これら材料から飛び出す反射電子ＲＥを検出した電子検出部１４の出力信号を入力する。信号強度判定部４１は、各材料と、それらの原子量及び出力信号の信号強度との間の対応関係を保存する信号強度テーブル４２を生成する。
【００３０】
第２近似式決定部４３は、信号強度テーブル４２に保存した、各材料の原子量と、各材料に電子線ＥＢを照射したときの電子検出部１４の出力信号強度とを用いて、原子量と信号強度との間の関係を線形近似する第２近似１次式を決定する。
信号強度範囲決定部４４は、作業者から指定された材料のうち、反射電子ＲＥの検出を行わなかったものがあるときは、この材料に電子線ＥＢを照射した場合に電子検出部１４が出力しうる信号強度を、その材料の原子量から第２近似１次式を用いて決定する。信号強度範囲決定部４４は、作業者から指定された各材料について反射電子ＲＥの検出を行ったときに電子検出部１４が出力しうる信号強度の範囲を決定する。
変換パラメータ決定部４５は、信号強度範囲決定部４４により決定された信号強度の範囲内で変動しうる信号値を画素値へ変換したときに、変換後の画素値が、電子線画像５０に許容されるダイナミックレンジの範囲内になるように、検出信号値から画素値への変換式の変換パラメータを決定する。
【００３１】
図８は、図４に示すフローチャートにおけるステップＳ１で行う処理のフローチャートである。ステップＳ１０において、少なくとも２種類以上の材料について、その材料の識別子とその材料の原子量を入力する。入力した材料の識別子と原子量に関する情報を、信号強度判定部４１へ入力する。
例えばステップＳ１０では、少なくとも２種類以上の材料の識別子とその材料の原子量とを作業者に入力部２０を介して入力させてよい。また、図示しない記憶部に複数の材料の識別子と原子量とを予め記憶しておき、その中から２種類以上の材料を作業者に入力部２０を介して選択させることにより、２種類以上の材料の識別子とその材料の原子量を入力させてもよい。
フローチャートの例は、材料Ａ１、Ａ２及びＢの計３種類の識別子とそれぞれの材料の原子量Ｎ１、Ｎ２及びＮ３を入力する。
【００３２】
ステップＳ１１において、ステップＳ１０にて入力した材料のうち少なくとも２種類以上の材料に電子線ＥＢを照射して、それぞれの材料から飛び出した反射電子ＲＥを電子検出部１４にて検出する。フローチャートの例では材料Ａ１及びＡ２に電子線ＥＢを照射して、それぞれの材料から飛び出した反射電子ＲＥを電子検出部１４にて検出する。それぞれの反射電子ＲＥを検出した信号強度をＳＧ１及びＳＧ２とする。
このとき標準試験片Ｓ１及びＳ２の材料をＡ１及びＡ２とし、これら標準試験片Ｓ１及びＳ２から飛び出す反射電子ＲＥを検出してもよく、ウエハ１２上の材料Ａ１及びＡ２で形成されていることが予め分かっている部分から飛び出す反射電子ＲＥを検出してもよい。
【００３３】
ステップＳ１２では、信号強度判定部４１は、既知の２種類以上の材料に電子線ＥＢを照射したときの反射電子ＲＥを検出した電子検出部１４の出力信号の信号強度を入力し、各材料と、それらの原子量及び入力した信号強度との間の対応関係を保存する信号強度テーブル４２を生成する。図９は２つの材料Ａ１及びＡ２について作成した信号強度テーブル４２の例を示す図である。
【００３４】
ステップＳ１３では、第２近似式決定部４３は、信号強度テーブル４２に保存した各材料の原子量と、各材料に電子線ＥＢを照射したときの電子検出部１４の出力信号の信号強度とを用いて、原子量と信号強度の間の関係を線形近似する第２近似１次式を決定する。
図１０の（Ａ）は、２種類の材料Ａ１及びＡ２について、それぞれの原子量Ｎ１及びＮ２と、それぞれに電子線ＥＢを照射したときの電子検出部１４の出力信号の信号強度ＳＧ１及びＳＧ２が分かっている場合に、原子量Ｎと信号強度ＳＧとの関係を線形近似する第２近似１次式を示す図である。
【００３５】
第２近似１次式（２）は、
ＳＧ＝（ＳＧ２−ＳＧ１）／（Ｎ２−Ｎ１）×（Ｎ−Ｎ１）＋ＳＧ１ …（２）
によって決定することができる。
３種類の材料について、それぞれの原子量と信号強度とが分かっている場合には、最小二乗法などの手法を用いて第２近似１次式を決定してもよい。
【００３６】
ステップＳ１４にて信号強度範囲決定部４４は、ステップＳ１０にて情報を入力した材料のうち、ステップＳ１１において反射電子ＲＥを電子検出部１４にて検出していないものがあるときには、この材料に電子線ＥＢを照射したときの電子検出部１４の出力信号の信号強度を、第２近似１次式を用いて決定する。
本フローチャートの例ではステップＳ１０にて情報を入力した材料のうち、材料ＢについてはステップＳ１１で反射電子ＲＥを検出していない。ステップＳ１４では、材料Ｂの原子量Ｎ３を第２近似１次式（２）に代入して、材料Ｂから飛び出す反射電子ＲＥを検出した信号強度ＳＧ３を決定する。決定したＳＧ３の値を図１０の（Ａ）に示す。
【００３７】
ステップＳ１５にて信号強度範囲決定部４４は、ステップＳ１０にて情報を入力した各材料について反射電子ＲＥを検出したときに、電子検出部１４の出力信号が取りうる信号強度範囲を決定する。図１０の（Ａ）に示す例では、材料Ａ１、Ａ２及びＢについて反射電子ＲＥを検出すると、電子検出部１４の出力信号は最小値ＳＧ１から最大値ＳＧ３の範囲を取りうる。図１０の（Ａ）を参照して分かるとおり、電子検出部１４の出力信号の信号強度範囲ＳＧ１〜ＳＧ３は、ステップＳ１０にて情報を入力した各材料の原子量の範囲Ｎ１〜Ｎ３に応じて定まる。
【００３８】
ステップＳ１６にて変換パラメータ決定部４５は、ステップＳ１５にて決定した信号強度範囲ＳＧ１〜ＳＧ３内の信号を、信号変換部１７にて画素値へ変換したときに、変換後の画素値が、電子線画像５０に許容されるダイナミックレンジの範囲内になるように、電子検出部１４の検出信号値から画素値への変換式の変換パラメータを決定する。
例えば図１０の（Ｂ）に示すように、電子線画像５０の画素値のダイナミックレンジが画素値０〜Ｂｍａｘであるとし、信号変換部１７は、検出信号値の下限ＳＧ１〜上限ＳＧ３までの範囲の検出信号値を、画素値の下限ＢＬ〜上限ＢＨまでの範囲の画素値に変換すると仮定する。ここで画素値ＢＬは電子線画像５０の画素値のダイナミックレンジの最低値０よりも所定のマージンΔＢ２だけ大きい値であり、画素値ＢＨはダイナミックレンジの最大値ＢｍａｘよりもマージンΔＢ１だけ小さい値である。
【００３９】
変換パラメータ決定部４５は、電子検出部１４の検出信号値ＳＧから画素値Ｂへの１次変換式（３）を以下のように定めてよい。
Ｂ＝（ＢＨ−ＢＬ）／（ＳＧ３−ＳＧ１）×（ＳＧ−ＳＧ１）＋ＢＬ …（３）
変換パラメータ決定部４５は、１次変換式（３）を決定するパラメータ（すなわち傾きや切片など）を信号変換部１７へ出力する。
信号変換部１７は、このパラメータによって定まる１次変換式（３）を用いて、電子検出部１４の検出信号値を画素値へ変換する。
【００４０】
図１１は、図１に示す材料分析部３０の第２構成を示すブロック図である。上記の実施例では、図１２の（Ａ）に示すように、ウエハ１２上に形成された材料分析の対象の物質の層にはある程度の厚みがあり、反射電子ＲＥは電子線ＥＢを照射された対象物質Ａ１から飛び出すことを前提としている。例えば電子線ＥＢの電子のエネルギーが１ｋｅＶ以下である場合には、対象物質Ａ１の厚さが１μｍ以上あれば、電子線ＥＢは対象物質Ａ１を貫通しないので、反射電子ＲＥは全て対象物質Ａ１から飛び出す。
しかしながら、対象物質Ａ１の厚さが薄いと図１２の（Ｂ）に示すように電子線ＥＢが対象物質Ａ１を貫通して下層Ａ２へ至るので、電子検出部１４により検出される反射電子ＲＥは、対象物質Ａ１から飛び出す成分ＲＥ１と下層Ａ２から飛び出す成分ＲＥ２とを含む。このような場合には、反射電子ＲＥの反射電子係数が対象物質Ａ１の層の厚さや下層Ａ２の原子量に左右されるため、図３に示す第１構成例の材料分析部３０では、対象物質Ａ１の原子量を決定することができない。
【００４１】
そこで以下に述べる実施例では、材料分析を行うウエハ１２の表面の各箇所に電子線ＥＢを照射し、それぞれの部分から飛び出した反射電子ＲＥを検出した電子検出部１４の検出信号値を信号変換部１７によって画素値へそれぞれ変換する。また、電子線ＥＢが照射されるウエハ１２の表面のそれぞれの箇所に存在する材料をウエハ１２の設計情報を用いて特定する。図１１に示す第２構成例の材料分析部３０の画素値判定部３１は、ウエハ１２の設計情報を用いて特定されるウエハ１２の表面のそれぞれの箇所の材料と、それらの材料から反射電子ＲＥを検出したときの検出信号値を変換した画素値とを、画素値テーブル３２に対応付けて記憶する。
【００４２】
ウエハ１２の表面に存在する材料を分析する際に、ウエハ１２の表面の上が電子線ＥＢで走査され、電子検出部１４がから順次出力される検出信号値が信号変換部１７によってそれぞれ画素値に変換されると、材料決定部３５は、変換された画素値と同じ画素値に対応付けられて画素値テーブル３２に記憶した材料を探して、電子線ＥＢの照射位置の材料を決定する。
本構成によれば、仮にウエハ１２の表面に形成されたある材料Ｘの膜が薄く形成されている場合でも、ウエハ１２上において実際に同じ材料Ｘで同じように形成された部分における反射電子の検出強度を予め取得し、予め取得した検出強度と、被検査対象から反射した反射電子の検出強度とが等しいか否かによって、被検査対象の材料がＸであるか否かを分析することにより、材料Ｘの膜の下層から反射する反射電子が生じてしまう場合においても両者で同様の検出強度が検出されるので、被検査対象の成分が材料Ｘであることを分析することができる。
【００４３】
図１３に示すフローチャートを参照して、図１１の例による材料分析部３０を備える材料分析装置１の動作フローを示す。ステップＳ１では、信号変換部１７による電子検出部１４の検出信号値から画素値へ変換する画素値の範囲を最適化する。処理の内容は図７〜図１０を参照して説明した通りである。
【００４４】
ステップＳ２では、ウエハ１２の表面の予め決めた複数の箇所に電子線ＥＢを照射し、それぞれの部分から飛び出した反射電子ＲＥを検出した電子検出部１４の検出信号値を信号変換部１７によって画素値へそれぞれ変換する。画素値判定部３１は、これらの画素値をそれぞれ入力する。図１４は、ウエハ１２上の所定範囲Ｒにおけるウエハ表面の材料の構成を示す図である。電子線ＥＢを照射され反射電子ＲＥを検出した各点ｐ１〜ｐ４の部分は、それぞれ材料Ａ１〜Ａ４で構成されているものとする。
【００４５】
ステップＳ２１では、画素値判定部３１は、ウエハ１２の設計情報を用いて、ステップＳ２にて電子線ＥＢを照射したウエハ１２表面の各箇所Ａ１〜Ａ４の材料を特定する。そしてこれら各箇所ｐ１〜ｐ４の材料Ａ１〜Ａ４と、それぞれの箇所ｐ１〜ｐ４に電子線ＥＢを照射して反射電子ＲＥを検出したときの画素値Ｂ１〜Ｂ４との間の対応関係を保存する画素値テーブル３２を生成する。図１５は画素値テーブル３２の第２例を示す図である。
【００４６】
ステップＳ２２では、電子線ＥＢでウエハ１２を走査して、ウエハ１２の被検査領域の各位置に電子線ＥＢを照射したときの反射電子ＲＥを電子検出部１４にてそれぞれ検出し、このとき電子検出部１４が出力する各検出信号値を信号変換部１７によって画素値にそれぞれ変換する。
このとき材料分析装置１の装置状態をステップＳ２のときの状態から変えないで電子線ＥＢによる走査を行う。
ステップＳ２３では、材料決定部３５は、ウエハ１２の被検査領域の各位置についてそれぞれ決定した各画素値と、同じ画素値に対応して記憶された材料を画素値テーブル３２から探して、電子線ＥＢの照射位置の材料を決定する。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明は、試料に電子線を照射して試料から飛び出す反射電子を検出することにより試料の材料を分析する材料分析装置及び材料分析方法に利用可能である。好適には半導体製造工程において、半導体デバイス装置の表面で検出した異物の材料を分析する材料分析装置及び材料分析方法に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の実施例による材料分析装置のブロック図である。
【図２】図１に示す画像生成部により生成される電子線画像の説明図である。
【図３】図１に示す材料分析部の第１構成を示すブロック図である。
【図４】図１に示す材料分析装置の動作の第１例を示すフローチャートである。
【図５】画素値テーブルの第１例を示す図である。
【図６】原子量と画素値との関係を線形近似する第１近似１次式を示す図である。
【図７】図１に示す画素値最適化部の構成例を示すブロック図である。
【図８】図４に示すフローチャートにおけるステップＳ１で行う処理のフローチャートである。
【図９】信号強度テーブルの例を示す図である。
【図１０】（Ａ）は原子量と電子検出部の出力信号の強度との関係を線形近似する第２近似１次式を示す図であり、（Ｂ）は電子検出部の出力信号から画素値へ変換する１次変換式を示す図である。
【図１１】図１に示す材料分析部の第２構成を示すブロック図である。
【図１２】（Ａ）は分析対象となる物質Ａ１から全ての反射電子が出る状態を示す図であり、（Ａ）は分析対象となる物質Ａ１及びその下層の物質Ａ２から反射電子が出る状態を示す図である。
【図１３】図１に示す材料分析装置の動作の第３例を示すフローチャートである。
【図１４】ウエハ上の所定範囲Ｒにおけるウエハ表面の材料の構成を示す図である。
【図１５】画素値テーブルの第２例を示す図である。
【符号の説明】
【００４９】
１ 材料分析装置１
１０ 真空試料室
１１ ステージ
１２ 半導体ウエハ
１３ 電子銃
１４ 電子検出部
ＥＢ 電子線
ＲＥ 反射電子
Ｓ１、Ｓ２ 標準試験片
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料に電子線を照射する電子銃と、
前記電子線を照射された試料の表面から飛び出す反射電子を検出する電子検出部と、
前記電子検出部による前記反射電子の検出強度に応じて前記試料の材料を分析する材料分析部と、を備える材料分析装置であって、
前記材料分析部は、
原子量が既知の材料に前記電子線を照射したときにその材料から飛び出す反射電子を前記電子検出部で検出した検出強度に基づき、ある材料に前記電子線を照射するときにその材料から飛び出す反射電子を前記電子検出部で検出した検出強度とその材料の原子量との間の近似一次式を決定する近似式決定部と、
前記近似一次式に従って、前記試料に前記電子線を照射したときに前記試料から飛び出す反射電子を前記電子検出部で検出した検出強度から、前記試料の材料の原子量を決定する原子量決定部と、
を備える材料分析装置。
【請求項２】
表示部と、
前記電子検出部の出力信号値を、前記表示部に表示する画像の画素値に変換する信号変換部と、
前記信号変換部により変換された画素値を配列して電子線画像を生成する画像生成部と、
原子量が既知の複数の材料を選択するユーザの選択入力を受け付ける入力部と、
選択された前記複数の材料がとる原子量の範囲に応じて、前記信号変換部により前記電子検出部の出力信号値から変換される前記画素値の範囲を最適化する画素値最適化部と、
をさらに備える請求項１に記載の材料分析装置。
【請求項３】
前記材料分析部は、前記信号変換部により前記電子検出部の出力信号値から変換した前記画素値を、前記電子検出部による前記反射電子の検出強度を示す信号として使用する、請求項２に記載の材料分析装置。
【請求項４】
前記既知の材料の試験片を備え、
前記近似式決定部は、前記試験片に前記電子線を照射したときにその試験片から飛び出す反射電子を前記電子検出部で検出した検出強度に基づき、前記近似一次式を決定する請求項１〜３のいずれか一項に記載の材料分析装置。
【請求項５】
前記近似式決定部は、前記試料上の材料の原子量が既知の部分に前記電子線を照射したときにその部分から飛び出す反射電子を前記電子検出部で検出した検出強度に基づき、前記近似一次式を決定する請求項１〜３のいずれか一項に記載の材料分析装置。
【請求項６】
試料に電子線を照射し、
前記電子線を照射された試料の表面から飛び出す反射電子を電子検出部で検出し、
前記電子検出部による前記反射電子の検出強度に応じて前記試料の材料を分析する、
材料分析方法であって、
原子量が既知の材料に前記電子線を照射したときにその材料から飛び出す反射電子を前記電子検出部で検出した検出強度に基づき、ある材料に前記電子線を照射するときにその材料から飛び出す反射電子を前記電子検出部で検出した検出強度とその材料の原子量との間の近似一次式を決定し、
前記近似一次式に従って、前記試料に前記電子線を照射したときに前記試料から飛び出す反射電子を前記電子検出部で検出した検出強度から、前記試料の材料の原子量を決定する材料分析方法。
【請求項７】
原子量が既知の複数の材料を選択するユーザからの選択入力を受け付け、
前記電子検出部の出力信号値を所定の表示部に表示する画像の画素値に変換し、変換された前記画素値を配列することにより電子線画像を生成するとき、選択された前記複数の材料がとる原子量の範囲に応じて、前記電子検出部の出力信号値から前記画素値へ変換する際の前記画素値の範囲を最適化する請求項６に記載の材料分析方法。
【請求項８】
前記電子検出部による前記反射電子の検出強度を示す信号として、前記電子検出部の出力信号値から変換された前記画素値を使用する、請求項７に記載の材料分析方法。
【請求項９】
前記既知の材料の試験片に前記電子線を照射したときにその試験片から飛び出す反射電子を前記電子検出部で検出した検出強度に基づいて、前記近似一次式を決定する請求項６〜８のいずれか一項に記載の材料分析方法。
【請求項１０】
前記試料上の材料の原子量が既知の部分に前記電子線を照射したときにその部分から飛び出す反射電子を前記電子検出部で検出した検出強度に基づいて、前記近似一次式を決定する請求項６〜８のいずれか一項に記載の材料分析方法。
【請求項１】
試料に電子線を照射する電子銃と、
前記電子線を照射された試料の表面から飛び出す反射電子を検出する電子検出部と、
前記電子検出部による前記反射電子の検出強度に応じて前記試料の材料を分析する材料分析部と、を備える材料分析装置であって、
前記材料分析部は、
原子量が既知の材料に前記電子線を照射したときにその材料から飛び出す反射電子を前記電子検出部で検出した検出強度に基づき、ある材料に前記電子線を照射するときにその材料から飛び出す反射電子を前記電子検出部で検出した検出強度とその材料の原子量との間の近似一次式を決定する近似式決定部と、
前記近似一次式に従って、前記試料に前記電子線を照射したときに前記試料から飛び出す反射電子を前記電子検出部で検出した検出強度から、前記試料の材料の原子量を決定する原子量決定部と、
を備える材料分析装置。
【請求項２】
表示部と、
前記電子検出部の出力信号値を、前記表示部に表示する画像の画素値に変換する信号変換部と、
前記信号変換部により変換された画素値を配列して電子線画像を生成する画像生成部と、
原子量が既知の複数の材料を選択するユーザの選択入力を受け付ける入力部と、
選択された前記複数の材料がとる原子量の範囲に応じて、前記信号変換部により前記電子検出部の出力信号値から変換される前記画素値の範囲を最適化する画素値最適化部と、
をさらに備える請求項１に記載の材料分析装置。
【請求項３】
前記材料分析部は、前記信号変換部により前記電子検出部の出力信号値から変換した前記画素値を、前記電子検出部による前記反射電子の検出強度を示す信号として使用する、請求項２に記載の材料分析装置。
【請求項４】
前記既知の材料の試験片を備え、
前記近似式決定部は、前記試験片に前記電子線を照射したときにその試験片から飛び出す反射電子を前記電子検出部で検出した検出強度に基づき、前記近似一次式を決定する請求項１〜３のいずれか一項に記載の材料分析装置。
【請求項５】
前記近似式決定部は、前記試料上の材料の原子量が既知の部分に前記電子線を照射したときにその部分から飛び出す反射電子を前記電子検出部で検出した検出強度に基づき、前記近似一次式を決定する請求項１〜３のいずれか一項に記載の材料分析装置。
【請求項６】
試料に電子線を照射し、
前記電子線を照射された試料の表面から飛び出す反射電子を電子検出部で検出し、
前記電子検出部による前記反射電子の検出強度に応じて前記試料の材料を分析する、
材料分析方法であって、
原子量が既知の材料に前記電子線を照射したときにその材料から飛び出す反射電子を前記電子検出部で検出した検出強度に基づき、ある材料に前記電子線を照射するときにその材料から飛び出す反射電子を前記電子検出部で検出した検出強度とその材料の原子量との間の近似一次式を決定し、
前記近似一次式に従って、前記試料に前記電子線を照射したときに前記試料から飛び出す反射電子を前記電子検出部で検出した検出強度から、前記試料の材料の原子量を決定する材料分析方法。
【請求項７】
原子量が既知の複数の材料を選択するユーザからの選択入力を受け付け、
前記電子検出部の出力信号値を所定の表示部に表示する画像の画素値に変換し、変換された前記画素値を配列することにより電子線画像を生成するとき、選択された前記複数の材料がとる原子量の範囲に応じて、前記電子検出部の出力信号値から前記画素値へ変換する際の前記画素値の範囲を最適化する請求項６に記載の材料分析方法。
【請求項８】
前記電子検出部による前記反射電子の検出強度を示す信号として、前記電子検出部の出力信号値から変換された前記画素値を使用する、請求項７に記載の材料分析方法。
【請求項９】
前記既知の材料の試験片に前記電子線を照射したときにその試験片から飛び出す反射電子を前記電子検出部で検出した検出強度に基づいて、前記近似一次式を決定する請求項６〜８のいずれか一項に記載の材料分析方法。
【請求項１０】
前記試料上の材料の原子量が既知の部分に前記電子線を照射したときにその部分から飛び出す反射電子を前記電子検出部で検出した検出強度に基づいて、前記近似一次式を決定する請求項６〜８のいずれか一項に記載の材料分析方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２００９−６３４９３（Ｐ２００９−６３４９３Ａ）
【公開日】平成２１年３月２６日（２００９．３．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２３２８８５（Ｐ２００７−２３２８８５）
【出願日】平成１９年９月７日（２００７．９．７）
【出願人】（０００１５１４９４）株式会社東京精密 (592)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年３月２６日（２００９．３．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月７日（２００７．９．７）
【出願人】（０００１５１４９４）株式会社東京精密 (592)
【Ｆターム（参考）】
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