DE3404611A1

DE3404611A1 - Messsystem fuer kleine abmessungen mit hilfe eines abtastelektronenstrahls

Info

Publication number: DE3404611A1
Application number: DE19843404611
Authority: DE
Inventors: Satoru Kokubunji Fukuhara; Mikio Kodaira Ichihashi; Hisaya Hachioji Murakoshi; Masahide Sagamihara Okumura
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1983-03-09
Filing date: 1984-02-09
Publication date: 1984-09-20
Also published as: DE3404611C2; JPS59163506A; US4600839A; JPH0349042B2

Description

Hitachi, Ltd. ' ^J 8. Tebruar 1984

6, Kanda Surugadai _{5231 A1/Sch}

4-chome, Chiyoda-ku
Tokyo / Japan

Beschreibung

Meßsystem für kleine Abmessungen mit Hilfe eines Abtastelektronenstrahls

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Meßsystem für kleine Abmessungen mit Hilfe eines Abtastelektronenstrahls zum Messen einer kleinen Abmessung einer Probe wie z. B. einer Halbleitereinrichtung oder dergleichen durch einen

Elektronenstrahl.
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In letzter Zeit ist eine bemerkenswerte Tendenz der Miniaturisierung der Bearbeitungsabmessungen von Halbleitereinrichtungen festzustellen und die Messung der Abmessungen durch Licht wie z. B. durch einen Laserstrahl " oder dergleichen hat bereits ihre Grenze erreicht. Die Entwicklung von Meßtechniken unter Verwendung eines hohen Auflösungsvermögens eines Elektronenstrahls wird für die Messung von Musterabmessungen im Submikronbereich in Verbindung mit der Verwirklichung von integrierten

Schaltungen großer Dichte benötigt. In vielen Fällen wird für eine solche Messung eine Abtastelektronenmikroskopie verwendet. Die Abtastelektronenmikroskopie ist jedoch an sich ein Beobachtungsgerät und unterscheidet sich von einem Meßsystem für kleine Abmessungen mit Hilfe eines Abtastelektronenstrahls im Hinblick auf die Signalerfassungs- und Signalverarbeitungsmethoden dadurch, daß dieses System ein Signal mit sehr genauer Positionsinformation liefert, welche für die Messung kleiner Ab-

messungen erforderlich ist.

In den Figuren 1A und 1B ist ein Beispiel eines durch einen Detektor erfaßten Signals dargestellt, der einen solchen Aufbau aufweist, wie er allgemein in der herkömmlichen Abtastelektronenmikroskopie verwendet wird (vgl. T. E. Everhart & R.F.M. Thornley, J. Sei. Instr., 37, 246 (I960)). In Figur 1A ist ein schematischer Querschnitt einer zu messenden Probe gezeigt. Ein Modell bzw. Muster

TO (im vorliegenden Beispiel mit einer Abmessung L = 1 ,2 μΐη und einer Dicke von 0,8 um) ist auf einem Plättchensubstrat 1 geformt. In Figur 1B ist eine Signalwellenform mit einer Positionsinformation gezeigt, welche man durch Ablenken eines Abtastelektronenstrahls über das Muster 2 erhält. Aus Figur 1B erkennt man, daß Unterschiede zwischen den Spitzenwerten und den Signalbreiten Au und A w der Vorderflanke und der Rückflanke des gemessenen Signals entsprechend den Kantenteilen 2u und 2w des Musters 2 bestehen. Obwohl solche Signalwelleriformen an den Kantenteilen durch den Punktdurchmesser des Abtaststrahles, feine Ausgestaltungen der Kantenteile des Musters usw. beeinflußt sein können, zeigt die Tatsache, daß die Charakteristika der Signalformen sich nicht ändern, selbst wenn die Probe um 180° gedreht wird, daß die oben erwähnten Signalformen in der Signalerfassungsmethode begründet sind. Dies gilt deshalb, weil die Abtastelektronenmikroskopxe im allgemeinen nur einen Detektor aufweist und daher.das zu messende Muster 2 selbst einen Schatteneffekt an dem Kantenteil 2w verursacht. Ein durch diesen Effekt erzeugter Schatten bewirkt, daß man eine Fern-/Nahwahrnehmung und Ungleichheitswahrnehmung eines abgetasteten Bildes einer Probe in der Abtastelektronenmikroskopie erhält. Der Schatten liefert jedoch einen Grund für einen Meßfehler vom Gesichtspunkt der Abmessungsmessung durch einen Elektronenstrahl. In Figur 1B ist die Länge 1 des Schattens ungefähr gleich der Musterabmessung L und die an den Kantenteilen 2u und 2w gemessenen Signalbreiten der Vorder- und Rückflanke haben einen Unterschied unter-

-S-

einander in der Größenordnung des Swei- bis Dreifachen. Von solch asymmetrischen Meßsignalen kann man keine sehr genaue Messung im Submikronbereich erhalten, welche in der Messung kleiner Abmessungen mit Hilfe eines Abtastelektronenstrahls gefordert wird.

Es ist ein System bekannt geworden, in welchem eine Vielzahl von Detektoren verwendet wird, um das Signal/Rauschverhältnis der Signale zu verbessern (vgl. japanische Offenlegungsschrift 35854/83) . Das System stellt jedoch den obenerwähnten Schatteneffekt nicht in Rechnung. Es besteht daher der Nachteil, daß die Meßsignale selbst Positionsinformationsfehler aufweisen.

Die vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, ein Meßsystem für kleine Abmessungen mit Hilfe eines Abtastelektronenstrahls zu schaffen, welches ein genaues Positionsinformationssignal einer zu messenden Probe liefert, wodurch eine Messung der Mikroabmessungen mit sehr hoher Genauigkeit möglich ist.

Dies wird gemäß der vorliegenden Erfindung bei einem Meßsystem für kleine Abmessungen mit Hilfe eines Abtastelektronenstrahls erreicht durch eine Elektronenquelle, eine Fokussier- und Ablenkeinrichtung zum Fokussieren eines von der Elektronenquelle ausgesandten Elektronenstrahls und zum Abtasten einer zu messenden Probe, eine Signalerfassungseinrichtung mit mindestens einem Satz von Detektoren, welche symmetrisch in bezug zu einer elektro-

^OKJ nenoptischen Achse angeordnet sind, zum Erfassen von Positionsinformationssignalen, welche von der Probe durch die Abtastung der Probe durch den Elektronenstrahl erhalten werden, eine Signalauswahleinrichtung zum Auswählen nur eines Signals vom Detektor, das einem Kantenteil der zu messenden Probe zugekehrt ist, durch Trennen eines Signals vom Detektor auf der Rückseite des Kantenteils, und durch eine Signalverarbeitungseinrichtung zum Verarbeiten des erfaßten Signals für eine Umwandlung in

1 eine Abmessung einer Probe.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden 5 Beschreibung der Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung. Darin zeigen:

Figuren 1A und 1B

Figur

Ansichten zur Erläuterung der Erfassung eines Mikromusters durch konventionelle Abtastelektronenmikroskopie, wobei Figur 1A einen Querschnitt einer zu messenden Probe und Figur 1B ein Nachweissignal zeigt,

ein Blockschaltdiagramm eines Meßsystems für kleine Abmessungen mit Hilfe eines Abtastelektronenstrahls gemäß einer Ausführungsform der' vorliegenden Erfindung,

Figur 3A und Figur 3B Draufsichten, welche Beispiele für eine Detektoranordnung, welche gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, illustrieren.

Figuren 4A bis 4F

Darstellungen zur Erläuterung der Messung kleiner Abmessungen mit Hilfe der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform, wobei Figur 4A einen Querschnitt einer zu messenden Probe, Figur 43 die Wellenform der Summe der Nachweissignale aus der in Figur 3A gezeigten Detektoranordnung, Figuren 4C und 4D jeweils die Wellenformen, welche durch zwei Sätze von Detektoren, gezeigt in Figur 3A, nachgewiesen worden sind,

Figur 4E

die Ausgangswellenform einer Signal

auswahlschaltung, gezeigt in Figur 2, und Figur 4F das Ausgangssignal einer Signalverarbeitungsschaltung, gezeigt in Figur 2, zeigen, und

Figur 5 einen Schaltplan einer anderen Ausführungsform einer Signalauswahlschaltung, welche in der vorliegenden Erfindung verwendet wird.

In Figur 2 ist ein Blockschaltbild eines Meßsystems für kleine Abmessungen mit Hilfe eines Abtastelektronenstrahls gezeigt. In einer elektronenoptischen Säule 11

•5 wird ein Elektronenstrahl 13, der von einer Elektronenkanone 12 ausgesandt wird, durch eine Ablenkeinrichtung abgelenkt und durch eine Elektronenlinse 15 zu einem genauen Punktstrahl fokussiert, so daß der fokussierte Elektronenstrahl zwei- oder eindimensional eine zu messende Probe 16 abtastet. Die Probe 16 ist auf einem X-Y-Tisch gelagert und wird durch eine bekannte Tischantriebseinrichtung (nicht gezeigt) zu einer nächsten Meßposition entsprechend einem Steuersignal von einer Steuereinheit 22 bewegt. Informationssignale wie z. B. Sekundärelek-

tronen, reflektierte Elektronen usw., welche aufgrund einer Wechselwirkung zwischen dem Elektronenstrahl 13 und der Probe 16 erzeugt werden, werden durch mindestens zwei Detektoren 19 und 20 erfaßt, um den Meßfehler zu eliminieren, welcher in Verbindung mit dem konventionellen

System erläutert worden ist. Zusätzliche Gitterelektroden 18 bilden ein symmetrisches Sammelfeld von Signalen um die elektronenoptische Achse. Die zusätzlichen Gitterelektroden 18 sind vorgesehen, um eine Uneinheitlichkeit eines elektrischen Signalsammelfeldes, gebildet durch

die Detektoren 19 und 20, zu eliminieren. Die Signale von der Probe 16 werden durch die Detektoren 19 und 20 erfaßt, welche z. B. Fotomultiplier oder Festkörperdioden sind, welche symmetrisch in bezug zur elektronen-

1 optischen Achse angeordnet sind. Obwohl aus Gründen der Einfachheit zwei Detektoren gezeigt sind, können mehr als zwei Detektoren verwendet werden, wie später in Verbindung mit den Figuren 3A und 3B beschrieben wird. Die erfaßten Signale werden durch Signalverstärker 23 und 24 (welche durch Summierverstärker ersetzt werden können, wie in den Fällen der Figuren 3A und 3B, welche später beschrieben werden) auf vorbestimmte Niveaus verstärkt. Die Ablenkung des Elektronenstrahls 13 wird durch ein Abtastsignal von der Steuereinheit 22 durch einen Ablenksignalgenerator 25 und einen Ablenkverstärker 26 gesteuert. Zur gleichen Zeit wird ein mit der Ablenkung des Elektronenstrahls 13 synchronisiertes Abtastsignal von dem Ablenksignalgenerator 25 zu einem Monitor 27 geliefert. Wenn die Ausgangssignale der Signalverstärker 23 und 24 zur Helligkeitsmodulation des Monitors 27 verwendet werden, wird ein sogenanntes zweidimensionales Abtastbild erhalten. Wenn sie andererseits für eine Y-Modulation verwendet werden, erhält man eine Positionsinformationswellenform. Der Monitor 27 führt die Prüfung der Position des zu messenden Musters, das Vorgeben von Bedingungen für die Messung kleiner Abmessungen usw. durch.

Die Ausgangssignale der Signalverstärker 23 und 24 werden außerdem über eine Signalauswahlschaltung 28 einer Signalverarbeitungsschaltung 32 zugeführt. Die erfaßten Signale werden durch die Signalverarbeitungsschaltung 32 in Positionsinformationen umgewandelt, wobei die Signalverarbeitungsschaltung Verarbeitungsbetriebsarten wie z. B. ° Schwellwertniveauerfassung, Spitzenerfassung usw. aufweist. Mit Hilfe der Positionsinformation wird durch eine Berechnungsschaltung 3 3 eine tatsächliche Abmessung bestimmt und auf einer Anzeigeeinrichtung 34 angezeigt. Die Steuereinheit 22 liefert Synchronsignale für das Festlegen der

zeitlichen Regulierung bzw. der Takte, die Steuersignale und für die Signalverarbeitung und dergleichen zu dem oben erwähnten Ablenksignalsystem, Signalverarbeitungssystem usw. Eine Betriebseinheit 21 erzeugt ein

'I '

Steuersignal zum Steuern der Steuereinheit 22.

Es wird nunmehr die Eliminierung des Positionserfassungsfehlers durch das Systeai mit dem oben beschriebenen Aufbau erläutert. Figuren 3A und 3B sind Ansichten, welche Beispiele der Detektoranordnung zeigen. In Meßsystemen für kleine Abmessungen ist es erwünscht, die Abmessungen in zwei orthogonalen Richtungen X, Y zu messen. Daher werden zwei Sätze von Detektoren 19, 20 und 19¹, 20' derart verwendet, daß die beiden Detektoren eines Satzes symmetrisch in bezug zur elektronenoptischen Achse, wie in Figur 3A gezeigt ist, angeordnet sind. Die Gleichspannungsniveaus und Verstärkungen der Detektoren in jedem Paar einschließlich der zugeordneten Signalverstärker werden einleitend eingestellt. In den Figuren 3A und 3B kennzeichnet ein Pfeil eine Richtung, in welcher der Elektronenstrahl das Muster 2 abtastet.

In den Figuren 4A bis 4F sind Ansichten dargestellt zur Erläuterung der Messung für kleine Abmessungen entsprechend der gezeigten Ausführungsform. In Figur 4A ist ein schematischer Querschnitt einer zu messenden Probe dargestellt, wobei Muster 2 auf einem Probensubstrat 1 durch einen Elektronenstrahl abgetastet werden. Figur 4B zeigt eine vollständige Signalwellenform, welche von zwei Sätzen von Detektoren durch die Elektronenstrahlabtastung erhalten wird. Aus Figur 4B geht hervor, daß die Symmetrie der Wellenform verbessert ist, wobei jedoch das Signalniveau

entsprechend einem Teil des Probensubstrats 1, auf dem on
^ου kein Muster ist, nicht flach ist aufgrund des Einflußes einer Schattenwirkung des Musters 2 selbst. Um diese Unzulänglichkeit zu vermeiden, werden ein Summensignal der Detektoren 19 und 19' auf der gleichen Seite für den

Musterkantenteil 2u, gezeigt in Figur 3A, und ein Summen-05

signal der Detektoren 20 und 20' auf der gleichen Seite für den Kantenteil 2w getrennt durch Summierverstärker erfaßt (die Ausgangssignale dieser Verstärker sind jeweils in den Figuren 4C und 4D gezeigt) und die erfaßten

Signale werden einer Signalauswahl durch die Signalauswahlschaltung 28 der Figur 2 unterworfen. Wenn nur ein Satz von Detektoren benutzt wird, werden die Ausgangssignale der jeweiligen Detektoren getrennt durch gewöhnliehe Verstärker erfaßt. Die Signalauswahlschaltung 28 dient z. B. als maximale Erfassungsschaltung, welche aufeinanderfolgend die Wellenformen, gezeigt in den Figuren 4C und 4D, vergleicht, um darin enthaltene Maximalwerte zu erfassen. In dem dargestellten Beispiel besteht die Schaltung 28 aus Gleichrichtern 29 und 30 und einer Stromquelle 31 . Die Stromquelle 31 enthält ein Widerstandselement und eine Vorspannungsquelle. Die so erhaltene Ausgangswellenform der Signalauswahlschaltung 28 ist in Figur 4E gezeigt. Aus einem Vergleich der gesamten Signalwellenform, gezeigt in Figur 4B, und der Signalwellenform/ gezeigt in Figur 4E, geht hervor, daß die letztere Wellenform keine Abrundung der Kantenspitze und Signalniveaus aufweist, welche jeweils an dem Substratteil und dem Musterteil konstant sind. Die Verwendung der in Figur 4E gezeigten Signalwellenform erlaubt eine genaue Umwandlung in eine Positionsinformation durch die Schwellwerterfassungsverarbeitung oder Spitzenwerterfassungsverarbeitung der Signalverarbeitungsschaltung 32.

Die Umwandlung in eine Abmessung durch die Signalverarbeitungsschaltung 32 wird nunmehr in bezug auf ein Beispiel der Schwellwerterfassungsverarbextung beschrieben. In der Signalverarbeitungsschaltung 32 wird ein Schwellwertniveau 3, gezeigt in Figur 4E, zugeführt und es wird eine geformte Impulswellenform, gezeigt in Figur 4F, aufgrund des Gleichspannungsniveaus 3 und des Ausgangssignals der Signalauswahlschaltung 28 erhalten. Die Impulsbreite der geformten Impulswellenform liefert eine Abmessung L des zu messenden Musters. Es ist nicht immer erforderlich, eine solche geformte Wellenform zu erhalten. Es kann möglich sein, die Abmessung L aus den Ablenkungsadressen des primären Elektronenstrahls 13 entsprechend den Koordinaten der Schnittpunkte des Gleichspannungsniveaus

3 und der Signalwellenform der Figur 4E abzuschätzen.

Wie oben beschrieben, wird die gemäß der vorliegenden Erfindung erhaltene Signalform durch den Schatten des Musters nicht berührt. Vielmehr gibt diese Wellenform ein getreues Bild der Musterformen an den Kantenteilen 2u und 2b, wodurch eine genaue Abmessung geliefert wird. Diese Wirkung kann in ähnlicher Weise in einem Fall der Spitzenwerterfassungsverarbeitung erhalten werden.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das oben beschriebene Beispiel beschränkt. Obwohl ein Satz oder zwei Sätze von Detektoren, symmetrisch in bezug zur elektronenoptische!! Achse angeordnet, beschrieben worden sind, können mehrere Sätze von Detektoren in Abhängigkeit von den Anwendungsgebieten des Systems benutzt werden. Der Abstand des Detektors von der elektronenoptiBchen Achse kann zwischen den Detektorsätzen, wie in Figur 3B gezeigt, unterschiedlich sein, solange der Erfassungsfehler unter Verwendung der Signalauswahlschaltung 28 eliminiert werden kann.

Wenn jeder Detektor im gleichen Abstand von der elektronenoptischen Achse, wie in Figur 3A gezeigt ist, angeordnet ist, können die zusätzlichen Gitterelektroden 18 entfernt ** werden. Darüber hinaus müssen die Elektroden nicht immer notwendigerweise symmetrisch um die elektronenoptische Achse angeordnet sein.

Die Signalauswahlschaltung kann auch durch eine digitali-

sierte Ausgestaltung 28', wie in Figur 5 gezeigt, ausgebildet sein. Von den Signalverstärkern 23 und 24 erfaßte Signale werden jeweils durch Analog/Digital-Wandler 40 und 41 in digitale Signale umgewandelt und die zeitlichen Regulierungen dieser digitalen Signale werden durch Riege1-

schaltungen 42 und 43 angepaßt. Die Ausgangssignale der Riege!schaltungen 42 und 43 werden einem Digitalvergleicher 44 und einem Multiplexer 45 zugeführt. Die Signale werden durch den Digitalvergleicher 44 verglichen und der

Multiplexer 45 wird entsprechend dem Ausgangssignal des Vergleichers 44 geschaltet, wodurch die maximale Erfassung für die Erfassungssignale ermöglicht wird. Das Ausgangssignal des Multiplexers 4 5 kann in einem Speicher 46 für Positionsinformationsverarbeitung in Form von Digitalwerten gespeichert werden. Zusätzlich kann es möglic h sein, die Ausgangssignale der Analog/Digital-Wandler und 41 mehrfach zu addieren zur Verbesserung des Signal/ Rauschverhältnisses und sie darin in den Speicher zur Durchführung der maximalen Erfassungsverarbeitung einzuschreiben. Wenn das Ausgangssignal des Multiplexers 45 einer Digital/Analog-Wandlung unterworfen wird, kann die Signalverarbeitungsschaltung 32 der Figur 2 unverändert verwendet werden.

Da, wie oben beschrieben, gemäß der vorliegenden Erfindung ein Informationssignal ohne Dimensionsfehler erhalten wird, ist es möglich, eine Messung kleiner Abmessungen mit hoher Genauigkeit und guter Reproduzierbarkeit in einem Submikronbereich zu realisieren, welche für das Meßsystem kleiner Abmessungen durch einen Abtastelektronenstrahl erforderlich ist. Da dies lediglich durch Hinzufügung der Signalauswahlschaltung mit einfachem Aufbau möglich ist, kann der Umwandlungsfehler der Signal-Verarbeitungsschaltung zur Umwandlung in eine Positionsinformation erheblich reduziert werden.

Claims

BARDEHLE. PAGENBERGT,-DpSTi₁ATLTE^]BUBG & PARTNER

flECHTSANWALTE PATENTANWÄLTE - EUROPEAN PATENT ATTORNEYS

JOCHEN PAGENBERG mmk.um mahvaud·· HEINZ BARDEHLE ww.-imo

BERNHARD FROHWITTER wet ··« · WOLFGANG A. DOST dm . om. -cmcm

-GÜNTER FRHR. v. GRAVENREUTH d.w..ino i*m>· UDO W. ALTENBURG

POSTFACH »60620. 8000 MÜNCHEN

4 0 A 6 1 1 TELEFON (OBB)O80361

TELEX 622791 pad d CABLE: PADBORO MÜNCHEN BÜRO: OALILEIPLATZ 1. 6 MÜNCHEN »I

Datum 8. Februar 1984 A 5231 Al/Sch

Patentansprüche

Meßsystem für kleine Abmessungen mit Hilfe eines Abtastelektronenstrahls, gekennzeichnet durch eine Elektronenquelle (12),

eine Fokussier- und Ablenkeinrichtung (14, 15) zum Fokussieren eines von der Elektronenquelle ausgesandten Elektronenstrahls (13) und zum Abtasten einer zu messenden Probe (16),

eine Signalerfassungseinrichtung mit mindestens einem Satz von Detektoren (19, 20), welche symmetrisch in bezug zu einer elektronenoptischen Achse angeordnet sind,

2Q zum Erfassen von Positionsinformationssignalen einer

Probe durch Abtasten des Elektronenstrahls, eine Signalauswahleinrichtung (28) zum Auswählen nur eines erfaßten Signals vom Detektor, das einem Kantenteil der zu messenden Probe zugekehrt ist, durch Trennen eines Signals vom Detektor auf der Rückseite des Kantenteils, und

eine Signalverarbeitungseinrichtung (32) zum Verarbeiten . des erfaßten Signals für eine Umwandlung in eine Abmessung

- 2 an der Probe.
2. Meßsystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalauswahleinrichtung (28) die von den jeweiligen Detektoren auf beiden Seiten, zugekehrt den gegenüberliegenden Kantenteilen der Probe, getrennt erfaßten Signale vergleicht, wodurch die maximale Erfassung erfolgt.
3. Meßsystem gemäß Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Gitterelektrode (18), welche zwischen der Probe (16) und den Detektoren (19, 20) angeordnet ist, zur Eliminierung einer Uneinheitlichkeit eines durch die Detektoren zu bildenden elektrischen Feldes zur Signalsammlung.