JP2014025815A - パターン測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明は、破壊検査等を行うことなく、高精度に立体構造を有するパターンの高さ方向の情報を得ることができるパターン測定装置の提供を目的とする。
【解決手段】
上記目的を達成するために、本発明では、試料に電子ビームを走査することによって得られる検出信号に基づいて、前記試料上に形成されたパターンを測定するパターン測定装置であって、前記測定対象となるパターンへの所定の電圧の印加に基づいて得られる電流量、当該印加電圧、及び前記パターンの寸法測定結果に基づいて、前記パターンの高さ方向の寸法を算出するパターン測定装置を提案する。
【選択図】図５

Description

本発明は、パターンの測定を行うパターン測定装置に係り、特にパターンの高さ方向（Ｚ方向）の情報を得るのに好適なパターン測定装置に関する。

半導体ウェーハ計測用走査型電子顕微鏡（ＣＤ−ＳＥＭ：Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）に代表される荷電粒子線装置は、荷電粒子ビームを試料上で走査することによって得られる信号（二次電子や後方散乱電子）に基づいて画像を形成する装置である。このようなＣＤ−ＳＥＭ等による検査、計測対象として半導体デバイスがある。また、昨今の半導体デバイスに対する更なる集積化の要求に対し、半導体デバイスの構造が立体化する傾向にある。

特許文献1には、集束イオンビーム（Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ：ＦＩＢ）を用いた試料加工の際に、試料全体に電圧を印加し、抵抗値の変化から加工の進行状況を判断する(すなわち、Z方向の高さがどれだけスパッタリングされたか抵抗値の変化に基づいて判断する)加工過程のモニタリング法が説明されている。

また、半導体デバイスのZ方向の高さを計測する方法としては、断面ＳＥＭ、ＡＦＭ(Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅｄ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ)、チルト機能を具備したＣＤ−ＳＥＭ、ＯＣＤ(Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ)などがある。

特開平９−１３４７００号公報

上述のように、半導体デバイスはデバイス性能及び回路性能向上のために微細化が進んでいる。しかし、従来のＭＯＳＦＥＴ(Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ)のような２次元構造のゲートでは微細化に伴うゲート寸法縮小により、高電界による材料の絶縁破壊やトランジスタＯｆｆにも関わらずゲート電流が流れるパンチスルー現象などのため、構造的に微細化限界に達しつつあり、種種の３次元構造の半導体デバイスが開発されている。その一例としてＦｉｎＦＥＴと呼ばれる３次元構造のゲートがある。

従来のＭＯＳＦＥＴはゲート幅・長さ(上面から観察したときのパターン幅と長さ)のみでデバイス特性を管理できていたが、ＦｉｎＦＥＴのトランジスタは３次元構造であるため、ゲート幅・長さに加えＺ方向の高さの管理が必要になる。

ＦｉｎＦＥＴはフィンとゲートでトランジスタを制御しており、フィンとゲートが作成された状態をＣＤ−ＳＥＭで上面から観察すると、フィンとゲートが直行している。フィンはＭＯＳＦＥＴの活性領域と同等の機能を持ちソースとドレインと導通が取られている。ゲートにゲートスイッチング電圧が印加されることによってフィンに電流が流れ、半導体デバイスが動作する。以上から、ＦｉｎＦＥＴのデバイス特性の管理にはフィンとゲートを同時に独立にかつ2つが重なりあった部分のＺ方向の高さの計測が必要になる。

また、通常、ＦｉｎＦＥＴはフィンを作成した後に次プロセスでゲートを作成している。そのため、正常にパターンが形成されていたフィンが、ゲート作成までのプロセスダメージによって、パターン異常になることがある。このプロセスによるダメージを管理するためにフィンのみ、フィンとゲートが直交して作成された状態の計測、すなわちプロセスと計測の同期も必要になる。

特許文献1に説明されているように、試料全体に電圧を印加する方法では、試料全体のスパッタリングした高さを抵抗値から算出することができる。しかし、フィンとゲートを同時に独立にかつ２つが重なりあった部分のＺ方向の高さの計測ができない。また、試料をスパッタリングする破壊検査であるため、測定後、再度製造工程に戻すことが難しい。

断面ＳＥＭでも、ＦＩＢ等による断面加工を行う必要があるため、やはり測定後、再度製造工程に戻すことが困難である。ＡＦＭはフィンとゲートを同時に独立に、かつ2つが重なりあった部分のＺ方向の高さを計測することができる。しかし、プローブ針の作成精度の制約から分解能が低く、最先端の半導体デバイスの計測が困難である。

チルト機能を具備したＣＤ−ＳＥＭによれば、試料を傾斜した方向から観察することができるため、フィンとゲートの出来栄えを、側壁方向から併せて確認することができる。しかしながら、傾斜像であるため正確な測定が困難となる場合がある。また、パターン側面のラフネス等により計測対象外の形状変化に伴うエッジも含まれるため形状計測が困難である場合がある。特に半導体デバイス開発初期段階のパターン側面ラフネスは一般的にかなり大きく、プロセス改良を重ねることで小さくしている。この開発初期段階のパターン側面の計測はさらに困難である。

ＯＣＤはプロセスと計測を同期することが可能である。しかし、ＯＣＤは光を照射してその散乱光のスペクトルの特徴によりＺ方向の高さを算出しているため、複雑なパターンになると散乱光の計算が複雑になり、計測が困難になるため、フィンとゲートを同時に独立に、かつ２つが重なりあった部分のＺ方向の高さを計測することができない。

以下に、破壊検査等を行うことなく、高精度に立体構造を有するパターンの高さ方向の情報を得ることを目的とするパターン測定装置を提案する。

上記目的を達成するための一態様として、以下に試料に電子ビームを走査することによって得られる検出信号に基づいて、前記試料上に形成されたパターンを測定するパターン測定装置であって、前記測定対象となるパターンへの所定の電圧の印加に基づいて得られる電流量、当該印加電圧、及び前記パターンの寸法測定結果に基づいて、前記パターンの高さ方向の寸法を算出するパターン測定装置を提案する。

上記構成によれば、破壊検査等を行うことなく、高精度に立体構造を有するパターンの高さ方向の情報を得ることが可能となる。

ラインパターンの断面図。 フィンとゲートが作成されているＦｉｎ−ＦＥＴの上面図。 パターン測定装置の一例を示す図。 電子顕微鏡内の電子顕微鏡本体、プローブ装置、及び検出器との位置関係を示す図。 Ｆｉｎ−ＦＥＴの外観を示す図。 高さ測定工程を示すフローチャート。

以下に、半導体ウェーハ計測用走査型電子顕微鏡、及び半導体ウェーハ検査用ナノプローバーを備えたパターン測定装置であって、特にパターン抵抗値と上面から観察したときのパターン幅と長さからパターンのZ方向の高さ計測するパターン測定装置について説明する。より具体的には、CD-SEMとナノプローバー機能を具備した装置において、ナノプローバーで計測した配線間に印加した電圧値、それによって配線間に流れる電流値、当該電圧値と電流値から算出される抵抗値、配線材料の抵抗率、計測パターン上面から計測したパターン幅と長さから計測パターンのＺ方向の高さを算出するパターン測定装置について説明する。

上記Ｚ方向の測定原理によれば、非破壊検査でパターンごとにＺ方向の高さの算出が可能であるため、高い分解能で、プロセスと計測を同期することができ、フィンとゲートを同時に独立に、かつ２つが重なりあった部分のＺ方向の高さの計測が可能となる。

図３は、走査電子顕微鏡を含むパターン測定装置の一例を示す図である。図３に例示するパターン測定装置は、電子源、加速電極、集束レンズ、対物レンズ、及び走査偏向器等を含むＳＥＭ本体３０１と、ＳＥＭ本体３０１を制御する制御装置３０２を含んでいる。また、試料から放出される電子に基づく検出信号と、試料の電気的特性を検査する複数のプローブ間に電圧を印加したときに検出される電流量に基づいて、パターンの測定を実行する演算処理装置３０４、及び演算処理装置３０４に測定条件等を入力する入力装置３０５を含んでいる。ＳＥＭ本体３０１内には、試料から放出された電子、或いは試料から放出された電子が他の部材に衝突することによって発生する電子を検出する検出器３０７と、プローブ機構３０８が内蔵されている。図４に例示するように、プローブ機構３０８は少なくとも２つのプローブ４０１、４０２を備えている。当該２つのプローブ４０１と４０２が試料上に形成されたパターンの一端と他端に接触した状態で、両者間に所定の電圧を印加することによって流れる電流量を検出する。また、測定対象となる試料４０３は、少なくともＸ−Ｙ方向に移動可能な試料台４０４上に載置され、所望の電流検出位置及び信号検出位置に位置付けられるように制御される。

また、演算処理装置３０４には、ＳＥＭ本体３０１から出力される信号を演算する入力信号演算部３０６、入力信号を解析する信号解析部３０９、及び必要な情報を記憶するメモリ３１０が内蔵されている。また、入力信号演算部３０６には、検出器３０７の検出信号に基づいて、輝度プロファイルを生成する信号波形形成部３１１、及びプローブ４０１とプローブ４０２間に所定の電圧を印加することによって、パターンに流れる電流を計測する電流量検出部３１２が内蔵されている。更に、信号解析部３０９には、信号波形形成部３１１にて形成された輝度プロファイルのピーク同定に基づいてパターン寸法を測定するパターン測定部３１４、及び後述する演算法に基づいて、パターンの高さを演算する高さ演算部３０９が内蔵されている。

ＣＤ−ＳＥＭの入射ビーム径は２ｎｍより小さくすることができる。即ち解像度が非常に高い。一方で光学式装置と比較すると焦点距離が短いため、高さ方向の識別が困難となる場合がある。そこで本実施例では、Ｘ−Ｙ方向の分解能に優れたＳＥＭと、パターンに流れる電流を検出するプローブ装置を併用することによって、Ｚ方向の情報を高精度に求める。

図１はラインパターンの断面図である。パターンのＺ方向の寸法を算出するため、Ｙ方向の延長線上に作りこんだパターン端のパッド(図２参照)にプローブ４０１、４０２を圧接し、電圧をかけ、パターンに流れた電流を電流量検出部３１２で読み取る。この時の抵抗はオームの法則により（１）式で表される。また、抵抗は（２）式でも表される。（１）式と（２）式から（３）式を算出することができ、高さ演算部３０９では、この（３）式からＺを算出する。
Ｒ＝Ｖ／Ｉ （１）式
Ｒ＝ρ・Ｙ／(Ｘ・Ｚ) （２）式
Ｚ＝ρ・(Ｙ・Ｉ)／(Ｘ・Ｖ) （３）式
Ｘ：導体の幅、ＣＤ−ＳＥＭで計測
Ｙ：導体の長さ、ＣＤ−ＳＥＭで計測
Ｚ：導体の高さ、未知数
Ｖ：電圧、プローブ装置で計測
Ｉ：電流、プローブ装置で計測
Ｒ：抵抗、プローブ装置で計測
ρ：抵抗率、材質から算出

本実施例におけるＺ方向の寸法算出は、破壊検査ではないため、プロセスと計測を同期することができある。また、フィンとゲートを同時に独立に計測することができ、かつそれらを足し合わせることでフィンとゲートの２つが重なりあった部分の高さを算出することができる。
プローブ装置とＣＤ−ＳＥＭを具備したシステムについて、これら２つが共有の試料室を具備している場合では、ナノプローバー計測後に試料を排出することなくＣＤ−ＳＥＭで計測できるためスループットが高く効率が良い。しかし、共有の試料室を具備すると大きな設備となるために設置場所が限られたり、ユーザーによっては既にプローブ装置とＣＤ−ＳＥＭそれぞれを単体で所有している場合があり、そのような場合は各々で計測する方が良く、プローブ装置とＣＤ−ＳＥＭが必ずしも共有の試料室を具備している必要がない。

ナノプローバーとＣＤ−ＳＥＭの計測順は問わない。どちらから計測しても同様の結果が得られる。

本実施例で算出されるZ方向の高さは計算処理が入るため、専用のアプリケーションを具備していることが望ましい。ＣＤ−ＳＥＭとプローブ装置が共有の試料室を具備しているならば、双方の装置を制御する共通のアプリケーションを具備し、双方の計測結果をリアルタイムに更新でき、かつZ方向の高さを自動で算出されることが望ましい。単体で使用する場合はネットワークで互いに接続され、上記共通のアプリケーションを具備した場合と同じ結果を得られることが望ましい。

上記で説明したアプリケーションは装置が具備していなくても、専用の端末が具備していても構わない。半導体デバイス製造現場では装置の稼働率を確保するために装置は計測のみで使用している場合も考えられる。このような場合、上記計算処理はネットワークで互いに接続された端末が行うことが望ましい。

専用のアプリケーションは計算処理を行うだけではなく、全計測結果を表示することで、想定外の結果になった場合、原因調査が容易になる可能性がある。そのため、計測した全試料の結果を格納しておき、そのトレンドをグラフ化ができ、値の表示をできることが望ましい。また、上記、トレンドでＺ方向の高さの結果が所望の値よりも大きかったり小さかったりした場合、プロセス装置のパターン作製パラメータに自動でフィードバックするシステムを具備していることが望ましい。

ＣＤ−ＳＥＭとプローブ装置はそれぞれ計測誤差を含んでいる。その計測誤差を軽減するために複数のパターンを計測し、それらの平均値を使用することが望ましい。ＣＤ−ＳＥＭでは視野内に存在する全てのパターンを同時に計測し、それらの平均値を算出する機能を具備しているものもある。ナノプローバーでは各々のパターンにプローブを圧接しなければいけないため、複数のパターンの同時計測は困難であるが、複数回計測した平均値を使用することも可能である。この場合、計測精度とスループットはトレードオフの関係にあるため、そのバランスを考慮して計測パターン数を決定することが望ましい。
図５（ａ）は、Ｆｉｎ−ＦＥＴの構造を示す俯瞰図である。フィン５０２上にゲート５０１が設けられている。図５（ｂ）はＦｉｎ−ＦＥＴの上視図であり、図５（ｂ）に例示するような範囲をビーム走査することによって、ＳＥＭ画像を形成することができる。パターン測定部３１４では、図５（ｂ）に例示するような走査領域から抽出される輝度プロファイルに基づいてフィン５０２とゲート５０１の幅（例えばＸ方向）や長さ（例えばＹ方向）を計測する。なお、図５（ｂ）のフィン５０２のＹ方向の寸法は、視野の上端から下端まで繋がって形成されているため、Ｙ方向の寸法は視野のＹ方向の大きさ（視野サイズ）に置き換えても良い。これはゲート５０１のＸ方向の寸法についても同様である。

図６は、パターンの高さ測定を行う工程を示すフローチャートである。まず、プローブ４０１、４０２を図２に例示されているようなフィン、或いはゲートのパッドに正確に位置付けるためのＳＥＭ画像を取得する（ステップ６０１）。このＳＥＭ画像は低倍画像であり、この画像をモニタしつつ、測定対象となるパターンのパッドと、プローブの先端が重なるようにプローブ４０１、４０２、或いは試料台４０４を移動する。次に、試料ステージ４０４を上昇、或いはプローブ４０１、４０２を下降させて、パッドにプローブを接触させる（ステップ６０２）。次に、パターン測定部に視野位置を設定する（ステップ６０３）。この際の視野の大きさは、パターン寸法の測定が可能な大きさに設定する。

次に、プローブ４０１と４０２との間に所定の電圧Ｖを印加することで、電流量Ｉを計測する（ステップ６０４）。この際、併せてパターン測定部３１４ではパターン寸法Ｘ、Ｙの測定を実行する（ステップ６０５）。パターンに電圧を印加することによって試料の電位が変化し、その結果、輝度プロファイルが変化する場合には、ステップ６０４とステップ６０５は異なるタイミングで行うようにすると良い。高さ演算部３０９では、上述のようにして取得された検出結果に基づいて、パターンの高さＺを演算する（ステップ６０６）。

以上のように、パターンに流れる電流の検出によって、二次元情報に基づいて、正確な高さ方向（Ｚ方向）の寸法測定を行うことが可能となる。なお、例えばＦｉｎ−ＦＥＴの全体の高さを求めたい場合には、図６に例示した高さ演算をゲート５０１、及びフィン５０２の双方について行い、ゲート５０１の高さＧと、フィン５０２の高さＦを加算する。このように、積層されたパターンであっても、複数回高さ演算を繰り返すことによって、全体高さを求めることができる。なお、上記の実施例の場合、抵抗Ｒはフィン或いはゲート全体の抵抗となるため、高さを評価したい領域のＺを演算するために、ｋ（＝視野サイズ／１のパッドと他のパッドとの間の距離）をＺに乗算することによって、高さＺを求めることができる。図５（ｂ）の例では、ゲート５０１の場合は（Ｘ方向の視野サイズ／１のパッドと他のパッドとの間の距離）、フィン５０２の場合は（Ｙ方向の視野サイズ／１のパッドと他のパッドとの間の距離）を係数ｋとすることによって、Ｚの演算を行うことができる。

３０１ ＳＥＭ本体
３０２ 制御装置
３０４ 演算処理装置
３０５ 入力装置
３０７ 検出器
３０８ プローブ機構
４０１ プローブ
４０２ プローブ
４０３ 試料
４０４ 試料台

Claims (5)

1. 電子ビームを走査することによって得られる検出信号に基づいて、前記試料上に形成されたパターンを測定するパターン測定装置において、
   前記測定対象となるパターンへの所定の電圧の印加に基づいて得られる電流量、当該印加電圧、前記パターンの寸法測定結果、前記パターンの抵抗率、及び前記試料の高さ方向の寸法の関係式に基づいて、当該パターンの高さ方向の寸法を算出する演算装置を備えたことを特徴とするパターン測定装置。
2. 請求項１において、
   前記パターンの一端と他端との間に電圧を印加するプローブ装置を備え、前記演算装置は、当該プローブ装置による電圧印加に基づいて得られる電流量に基づいて、前記パターンの高さ方向の寸法を算出することを特徴とするパターン測定装置。
3. 請求項１において、
   前記電子ビームを前記試料に照射する電子顕微鏡を備え、前記演算装置は、前記検出信号の検出によって得られる前記パターンの寸法測定結果に基づいて、前記パターンの高さ方向の寸法を算出することを特徴とするパターン測定装置。
4. 請求項１において、
   前記演算装置は、前記複数のパターンの高さ方向の寸法を加算して、当該複数のパターンが積層された積層パターンの高さを算出することを特徴とするパターン測定装置。
5. 請求項１において、
   前記演算装置は、以下の演算式に基づいて、前記パターンの高さ方向の寸法を算出することを特徴とするパターン測定装置。
   Ｚ＝ρ・(Ｙ・Ｉ)／(Ｘ・Ｖ)
   Ｘ：パターンのＸ方向の寸法、Ｙ：パターンのＹ方向の寸法、Ｚ：パターンの高さ、Ｖ：プローブ装置による印加電圧、Ｉ：パターンに流れる電流、ρ：抵抗率