JP4927549B2 - コンタクト開口計測方法 - Google Patents

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関連出願の相互参照

[0001]本出願は、本特許出願の譲受人に譲渡され、かつ参照として本明細書に組み込まれている、２００２年７月３０日に提出された米国特許出願第１０／２０９，０８７号の一部継続出願である。

発明の分野

[0002]本発明は一般的に、半導体デバイス製造においてビアおよびダマシン構造などを含むホールおよびトレンチの微細加工に関し、具体的には半導体ウェーハ上に生成されたコンタクトホールの監視に関する。

発明の背景

[0003]コンタクトホールの生成は半導体集積回路の製造における共通のステップである。コンタクトホールは通常、酸化層や部分的導電層などの、上にある非導電（誘電体）層を介して半導体または金属層に電気接続するために使用される。コンタクトホールを生成するためには、１層のフォトレジストがウェーハ表面に堆積される。フォトレジストは紫外線や他の照射線に暴露され、ウェーハ上に「マスク」を形成して、コンタクトホールの場所に開口があるようにするために硬化および展開される。次いで、ウェーハはエッチングステーションに転送されて、非導電層を介して半導体層に至るまでコンタクトホールを形成する。次いでフォトレジストマスクは除去され、コンタクトホールは金属で充填される。類似のプロセスが、ウェーハ表面にトレンチやビアを生成する際に使用される。

[0004]一貫したデバイス性能を保証するために、コンタクト開口の深さ、幅および底面の清浄度は注意深くコントロールされなければならない。（本特許出願の文脈および請求項において、「コンタクト開口」という用語は、コンタクトホール、ビアおよびトレンチの両方を含む上記のタイプの全構造を指している。しかし、コンタクト開口を検査し、その生成を監視するための特定の技術は、コンタクトホールを具体的に参照して一例として説明される。）コンタクト開口の寸法のずれはコンタクト抵抗のばらつきにつながりうる。これらのばらつきはデバイス性能に対して重大な影響を有し、またプロセス歩留まりの損失につながりうる。従って、コンタクト開口の形成時にずれが生じると即座にそれを検出し、また高価なウェーハの製造プロセス途中での損失を回避するための補正動作を採るために、製造プロセスは注意深く監視およびコントロールされなければならない。

[0005]コンタクトホールおよび他のコンタクト開口を検査するための走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を使用することは当業において既知である。ＳＥＭの原理および、半導体デバイス構造の微量分析におけるその使用は例えば、ＹａｃｏｂｉらによるＭｉｃｒｏａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｓｏｌｉｄｓ（Ｐｌｅｎｕｍ Ｐｒｅｓｓ、ニューヨーク、１９９４年）の第２章に説明されており、これは参照として本明細書に組み込まれている。コンタクトホールは通常その幅よりも深さがより大きいため、Ｙａｃｏｂｉらによって説明されるように、特殊な高アスペクト比（ＨＡＲ）イメージングモードが使用される。誘電体層を介して下方の半導体にまで達するオープンコンタクトホールは画像中ではっきりと現れるのに対して、半導体層に完全には暴露されていないクローズホールはぼんやりとしている。

[0006]ＳＥＭを使用するＨＡＲ技術は、実現には時間およびコストがかかり、また非常に高いアスペクト比（およそ＞１０）で使えなくなり、これはＤＲＡＭなどの一部の集積回路において使用される。これらはまた、コンタクトホールを閉じさせることが可能な異なるタイプの閉塞を区別する（例えば、ホールの底部の残渣の堆積に対して、ホールをアンダーエッチングする）ことができない。さらにまた、ＨＡＲイメージング技術は一般的に、フォトレジストマスクがウェーハ表面から取り除かれた後にのみ使用可能である。その結果、コンタクトホールがアンダーエッチングされたということが検査時に発見されればエッチングプロセスを継続できる可能性はない。

[0007]コンタクトホール検査のための代替方法は、Ｙａｍａｄａらによって、Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ−Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ４１：３（２００１年３月）の４５５〜４５９ページの「Ａｎ Ｉｎ−Ｌｉｎｅ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｍｅｔｈｏｄ Ｕｓｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ Ｉｎｄｕｃｅｄ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ Ｃｕｒｒｅｎｔ」に説明されており、これは参照として本明細書に組み込まれている。試料電流、吸収電流または補償電流としても知られている電子ビームシステムにおける基板電流は、試料を介して（つまりウェーハを介して）一次電子ビームからグラウンド（アース）に流れる、もしくは流れるであろう吸収電流として画成される。すなわち、試料電流は一次ビーム電流（つまり、システムにおいて試料を照射する電子ビームの電子の電流）と、（任意のローカル帯電効果や時定数に対して調整された）二次的後方散乱電子によって試料の表面から放出された電子の全歩留まりとの差に等しい。試料電流は、一次電子ビームのエネルギーが試料の正または負帯電ドメインのいずれであるかによって正または負のいずれであってもよい。（ｅビーム照射による正および負の帯電の現象は、Ｙａｃｏｂｉらによる上記参照において説明されている。）Ｙａｍａｄａらはシリコン基板の上にあるＳＩＯ_２表面層における単一のコンタクトホールおよびホールのグループでの電子ビームを目的としており、またその結果得られる試料電流を測定した。彼らは、試料電流が、ホールの直径ならびにホール底部の酸化物厚の良好なインジケータであることを発見した。

[0008]Ｙａｍａｄａらはさらに、米国特許出願公開第ＵＳ２００２／００７０７３８ Ａ１号においてコンタクトホール測定のさらなる態様について説明しており、この開示は参照として本明細書に組み込まれている。半導体デバイスは、コンタクトホールを有していないサンプルのエリアにおける試料電流を背景値として測定し、この値をホールのエリアで測定された電流と比較することによって検査される。測定がデバイス、またはこのデバイスを生成する際に使用される製造機器の欠陥のいずれを示しているかを判断するために、電流波形は自動的に評価される。

発明の概要

[0009]本発明は、サンプル上の誘電体または部分的導電層に形成されたコンタクト開口および他の開口の特徴を評定するための、具体的には半導体デバイスの生成においてビアやトレンチならびにコンタクトホールなどのコンタクト開口の品質を監視するための改良された方法およびシステムを提供する。

[0010]本発明の実施形態において、一次ビーム電流によって特徴付けられた帯電粒子ビーム、通常電子ビームは、コンタクト開口や他の開口がエッチングされているサンプルのエリアを照射することを目的としている。コンタクト開口のエッチング状態は、電子ビームに応答してサンプルによって発生されたエッチングインジケータ信号を測定することによって判断される。エッチングインジケータ信号は通常、サンプル回路における単一の開口または開口のアレイを流れる全試料電流に基づいている。代替的あるいは付加的に、エッチングインジケータ信号は、サンプルの表面から放出された二次的後方散乱電子の全歩留まりに基づいていてもよい。試料電流は一次ビーム電流と全電子歩留まりとの差から推定されることが可能である。一定の実施形態が試料電流を具体的に参照して以下に説明されているが、これらの実施形態の原理は一般的に、試料電流に代わって、またはこれに加えて、二次的後方散乱電子の全歩留まりに基づいたエッチングインジケータ信号と共働するように適合されてもよい。

[0011]本特許出願の文脈および請求項において使用されているような、「コンタクト開口の「エッチング状態」や「エッチング品質」は、コンタクトまたは他の開口の１セットの特徴のうちの１つ以上を指している。これらの特徴は一般的に、ホールの底部での任意の誘電体材料の残りの（残渣）厚さを含んでおり、これらはまた、コンタクト、トレンチまたはビアの深さおよび／または幅、開口内部の残渣の有無、およびダマシン構造における下地銅にダメージを与えるエッチングストップ層を介するパンチを含んでいてもよい。試料電流の測定はコンタクトホールの底部の直径を示しており、ここでコンタクトは、ＨＡＲ ＳＥＭイメージングとは異なり下地層によって作られ、コンタクトホールの上端の直径を主に示している。コンタクトホールの底部の直径は、ホールが金属で充填された場合に形成されたコンタクトの抵抗への影響に関する限界寸法である。

[0012]エッチングインジケータ信号は、単一のコンタクト開口のエリアを照射するために、細い粒子ビームを使用して測定されてもよい。あるいはまた、上述の米国特許出願第１０／２０９，０８７号に説明されているように、強調信号を付与するために、１グループのコンタクト開口が、通常デフォーカスまたはラスターフォーカスビームを使用して同時に照射されてもよい。

[0013]本発明の幾つかの実施形態において、較正手順が、所与の名目コンタクトホールの直径に対する絶対閾値試料電流を判断するために使用される。そして実際の試料電流は、サンプルの表面に分布された名目直径の多数の異なるコンタクトホールを照射することによって測定される。所与のコンタクトホールのエリアにおけるサンプルの照射による試料電流の測定された大きさが閾値以上であれば、コンタクトホールは十分にエッチングされたと考えられる。しかしながら、測定された試料電流が閾値よりもかなり小さい場合は、コンタクトホールはアンダーエッチングされていると考えられ、プロセス欠陥が生じたことを示す。

[0014]別の較正手順が、試料電流に対する相対的閾値を判断するために使用される。相対的閾値は、サンプル上の異なる場所の同じタイプのコンタクトホールにできた、試料電流測定の最大の不均一性を画成する。閾値よりも大きい、異なる場所で測定された試料電流のばらつきは、製造プロセスにおける問題を示していると考えられる。

[0015]本発明の幾つかの実施形態において、テスト構造が、ウェーハスクライブラインまたはインダイ（ｉｎ−ｄｉｅ）のいずれかでサンプル上に形成されて、プロセス品質を評定する際に使用される。テスト構造は例えば、段階的な直径のコンタクトホールなどの、様々な横方向寸法のコンタクト開口のアレイを備えることができ、サンプル上に形成される機能的コンタクトホールの名目直径よりも幅の広い開口もあり、またこれより狭い開口もある。（本特許出願の文脈および請求項において、「横方向」とは、コンタクト開口の深さ寸法に垂直な方向または寸法を指している。）サンプルのエッチング中、コンタクトホールの深さは、その直径にほぼ比例する割合で増加する。エッチングプロセスが適切に調整される場合、名目直径付近またはこれより大きいテストホールに対して測定された試料電流は高いはずであり、誘電体の完全なエッチングを示している。直径の小さなホールについて測定された試料電流は明らかにより低いこともあり、これらのホールの不完全なエッチングを示している。従って、テスト構造は、エッチング深さのばらつきの読み取りを、ホール直径の関数として提供する。欠陥が機能的コンタクトホールの品質に悪影響を与えるほど深刻になる前に、アンダーエッチングなどの初期のプロセス欠陥を検出するために、この読み取りの変化が使用されてもよい。

[0016]別の実施例として、テスト構造は、同じ直径を有するコンタクトホールの高密度および低密度アレイの両方を備えていてもよい。コンタクトホールのエッチングレートはしばしば、コンタクトホールが緊密な間隔である場合のミクロロード効果によるコンタクトホールの密度の関数である。従って、一般に、エッチングレートは、低密度アレイよりも、高密度コンタクトホールアレイのほうが実質的により低い。テスト構造における高密度および低密度アレイのコンタクトホールの間隔は通常、インダイパターンに対する実際のコンタクトホールの間隔の限定事例を表すように選択される。代替的または付加的に、コンタクトホールの密度は、エッチングプロセスウィンドウに関する従来の知識から判断可能である。従って、高密度および低密度アレイにおけるコンタクトホールに対するエッチングインジケータ信号を測定することによって、ミクロロードによってインダイパターン内に生じうるエッチング問題を検出することができる。

[0017]本発明のさらなる実施形態において、新規のテスト構成が、所与の粒子ビーム電流およびコンタクトホールサイズに対するエッチングインジケータ信号の強度や感度を高めるために使用される。これらのテスト構成は、とりわけコンタクトホールの底部の非常に薄い層や残りの誘電体に対する感度を高めるために有用である。これらの実施形態のうちの１つにおいて、粒子ビームは、普通角ではなく、つまり少なくともわずかな傾斜でもってサンプルの表面を照射する。結果として、エネルギーの一次ビームは底部よりもむしろコンタクトホールの側壁に衝突する。サンプルの表面は負にプリチャージされるため、コンタクトホールの側壁および上縁から放出された二次電子はホールの底部に向かって駆動される。しかしながら、二次電子は、一次ビームの電子よりも実質的にエネルギーが少ない。従って、二次電子は一次電子よりも、コンタクトホールの底部にあってもよい薄い残渣層を貫通することができない。結果として、角度の付いた粒子ビームを使用する試料電流の測定は、幾つかの条件下では、従来の正常入射ビームを使用して達成可能なエッチング状態のより感度の高いインジケータを提供することができる。

[0018]角度の付いたビームは、当業者に明らかなように、他の用途における試料電流測定の感度を高めるためにも使用されてよい。例えば、角度の付いたビームはコンタクトホールの側壁の打ち抜きを測定するために使用されてもよく、これは、側壁を介して隣接するポリシリコン構造への電流漏れにつながる。別の実施例として、シリコンウェーハの周辺に生成されたコンタクトホールは、誘電体エッチングプロセスにおけるフリンジフィールドの効果によって傾斜されてもよい。電子ビームに角度が付けられてもよいため、電子は依然としてこれらの傾斜したコンタクトホールの底部に衝突し、またはビームがコンタクトホールの側壁に所望の角度で突き当たることを保証する。

[0019]別の実施形態において、サンプルは帯電粒子ビームによって、および電磁照射によって、つまり光子ビーム、通常は目に見える近赤外線または紫外線光のビームによって同時に照射される。この技術は、例えば、半導体ウェーハにおいて製作される機能的ダイスにおけるＰ−Ｎ接合（またはＰ−Ｎ接合に接続された機能ダイス）に接触するために使用されるコンタクトホールのエッチング品質を評定する際に有用である。このような接合が帯電粒子ビームのみからの帯電によってバイアスされると、（接合は非導電リバースバイアスダイオードとして作用するために）帯電誘発電圧が接合をリバースバイアスすれば半導体基板に試料電流はほとんどまたは全く流れない可能性がある。しかしながら、半導体バンドギャップエネルギーよりも大きな光子エネルギーで接合に光が照射されると、電子ホール対がＰ−Ｎ接合および基板において作成されて、かなりの試料電流がＰ−Ｎ接合に流れるであろう。粒子ビームおよび電磁照射の組み合わせはまた、当業者には明らかであるように、半導体ウェーハ上に生成されたデバイス、特にフロントエンドデバイス構造の他のアスペクトを測定するために使用可能である。

[0020]上記のように、コンタクトホールを流れる試料電流の測定において、サンプルの上表面、つまり電子ビームが入射する表面を負にバイアスすることはかなり好都合である。当業において既知のシステムにおいて、負バイアスは、表面をプリチャージするために、負帯電ドメインにおいて、高エネルギーで（つまり、ウェーハからの後方散乱した二次電子の全歩留まりが一次電子ビームの電流未満であるエネルギー範囲で）電子ビームを操作することによって作成される。しかしながら、高エネルギー照射はサンプルへのダメージをもたらす可能性がある。従って、本発明の幾つかの実施形態において、表面近くの電極が、表面が電子ビームによって照射されている時に負バイアス電位を適用するために使用される。バイアス電位は表面から放出された二次電子を表面に戻すことによって、当業において既知のシステムにおけるように、表面の高強度かつ高エネルギー照射を必要とせずに、正味の負のプリチャージを作成することができる。

[0021]従って、本発明の実施形態に従った、
エッチングプロセスによる第２の層におけるコンタクト開口の生成に続いて、少なくとも部分的に導電性の第１の層と、該第１の層の上に形成された該第２の層とを有するサンプルを受け取るステップであって、該コンタクト開口は、異なるそれぞれの横方向寸法を有する複数のテスト開口を含むステップと、
該テスト開口を照射するために帯電粒子ビームを向けるステップと、
該ビームに応答して、該第１の層を流れる試料電流と、該サンプルの表面から放出された電子の全歩留まりの少なくとも一方を測定することによって、エッチングインジケータ信号を生成するステップと、
該エッチングプロセスの特徴を評定するために、該テスト開口の該横方向寸法の関数として該エッチングインジケータ信号を分析するステップとを含む、プロセス監視のための方法が提供される。

[0022]本発明の一態様において、該エッチングインジケータ信号を分析するステップは、該テスト開口の底部の誘電体層の残渣厚を該横方向寸法の関数として評定するステップを含む。一実施形態において、該テスト開口は、第１の横方向寸法を有する第１の開口と、該第１の横方向寸法未満の第２の横方向寸法を有する少なくとも１つの第２の開口とを含み、該方法は、該第１の開口が該第１の層に達するほど深いのに対して、該少なくとも１つの第２の開口は該第１の層に達するほどは深くないように、該エッチングインジケータ信号に応答して該エッチングプロセスをコントロールするステップを含む。別の実施形態において、該テスト開口はさらに、該第１および第２の横方向寸法の中間の第３の横方向寸法を有する第３の開口を含み、また該エッチングインジケータ信号を分析するステップは、該エッチングインジケータ信号が、該第３の開口が該第１の層に達するほど深くないことを示す場合に潜在的なプロセス欠陥を検出するステップを含む。

[0023]本発明の別の態様において、該サンプルは該第１および第２の層の間に形成されたバリア層を有していてもよく、該残渣厚を評定するステップは、該バリア層の完全性を評定するために該第２の層をエッチングした後に該エッチングインジケータ信号を分析する工程と、次いで、通常は該コンタクト開口の少なくとも幾つかが該バリア層を介して該第１の層までエッチングされたことを検証するために、該バリア層をエッチングした後に該エッチングインジケータ信号を分析する工程とを含む。

[0024]本発明のさらに別の態様において、該エッチングインジケータ信号を分析するステップは、該テスト開口の底部の限界寸法を該横方向寸法の関数として評定する工程を含む。

[0025]任意に、該エッチングインジケータ信号を分析するステップは、該帯電粒子ビームのビーム電流を測定する工程と、該ビーム電流に対する該エッチングインジケータ信号の比を分析する工程とを含む。あるいはまた、該試料電流と、該全歩留まりの少なくとも一方を測定するステップは、該サンプルの該表面から放出された該電子の該全歩留まりを測定する工程を含み、さらに該ビームの一次電流を測定する工程と、該エッチングインジケータ信号を判断するために該一次電流と該全歩留まりとの差をとる工程とを含む。

[0026]開示された実施形態において、該複数のテスト開口は、該サンプルの異なる場所に分布されたそれぞれのテストエリアにおける該テスト開口の複数のグループを含んでおり、また該ビームを向けるステップは、テストエリアのうちの少なくとも２つの各々を照射するために、該ビームと該サンプルの少なくとも一方を位置決めする工程を含む。該エッチングインジケータ信号を分析するステップは、該エッチングプロセスの均一性を評定するために、該サンプルにわたる該エッチングインジケータ信号のばらつきを評価する工程を含む。

[0027]通常、該ビームを向けるステップは、該試料電流の測定を容易にするために、該テスト開口に近接する該サンプルの表面をプリチャージするように該ビームを操作する工程を含む。

[0028]本発明の一態様において、該サンプルは半導体ウェーハを含み、また該コンタクト開口は、コンタクトホール、トレンチおよびビアのうちの少なくとも１つを含む。該複数のテスト開口に含まれていない該コンタクト開口の少なくとも幾つかはウェーハ上の複数の超小型電子回路に属していてもよく、ここで該回路はスクライブラインによって分離され、また該テスト開口は該スクライブラインのうちの１つに配置される。

[0029]本発明の別の態様において、該サンプルを受け取るステップは、該コンタクト開口をエッチングする際に使用されたフォトレジスト層が該第２の層の上にある該サンプルを受け取る工程を含み、また該エッチングインジケータ信号を分析するステップは、該フォトレジスト層を除去する前に該テストエリアを照射しつつ該エッチングインジケータ信号を監視する工程を含む。該方法は、該エッチングインジケータ信号が、１つ以上の該テスト開口の底部における該第２の層の残渣厚が所定の限界値よりも大きいことを示す場合に、その深さを増加させるために該フォトレジスト層を使用して該第２の層をさらにエッチングするステップを含む。

[0030]一実施形態において、該エッチングインジケータ信号を分析するステップは、該コンタクト開口内の残渣を検出する工程を含み、また該方法は、該残渣を除去するために、該帯電粒子ビームで該サンプルを照射する。

[0031]任意に、該ビームを向けるステップは、該テスト開口を照射するために該帯電粒子のパルスビームを向ける工程を含み、また該試料電流と、該電子の全歩留まりの少なくとも一方を測定するステップは、該サンプルへの容量結合によって該試料電流の時間的ばらつきを測定する工程を含む。

[0032]本発明の実施形態に従って、
エッチングプロセスによる第２の層におけるコンタクト開口の生成に続いて、少なくとも部分的に導電性の第１の層と、該第１の層の上に形成された該第２の層とを有するサンプルを受け取るステップであって、該コンタクトホールは、第１および第２のアレイのテスト開口間の異なるそれぞれの第１および第２の間隔によって特徴づけられた該テスト開口の該少なくとも第１および第２のアレイを含むステップと、
該テスト開口を照射するために帯電粒子ビームを向けるステップと、
該ビームに応答して、該第１の層を流れる試料電流と、該サンプルの表面から放出された電子の全歩留まりの少なくとも一方を測定することによってエッチングインジケータ信号を生成するステップと、
該エッチングプロセスの特徴を評定するために、該テスト開口の該アレイの該間隔の関数として該エッチングインジケータ信号を分析するステップとを含む、プロセス監視のための方法もまた提供される。

[0033]本発明の一態様において、該エッチングインジケータ信号を分析するステップは、該テスト開口の底部の誘電体層の残渣厚を該間隔の関数として評定する工程を含む。通常、該第１の間隔は該第２の間隔よりも実質的に大きく、また該方法は、該第１のアレイの該テスト開口は該第１の層に達するほど深いのに対して該第２のアレイの該テスト開口は該第１の層に達するほどは深くないように、該エッチングインジケータ信号に応答して該エッチングプロセスをコントロールするステップを備える。

[0034]サンプル上で実施されるプロセスを監視するための方法が、本発明の実施形態に従って付加的に提供され、該方法は、
実質的に法線から該サンプルの表面までの角度においてずれているビーム軸に沿って該サンプルを照射するために帯電粒子ビームを向けるステップと、
該サンプルの該ビームの入射に応答して、該サンプルを流れる試料電流を測定するステップと、
該プロセスの特徴を評定するために該試料電流を分析するステップと、を含む。

[0035]通常、該サンプルは、少なくとも部分的に導電性の第１の層と、該第１の層の上に形成された第２の層とを有しており、該プロセスは、該第２の層にコンタクト開口を生成するために該サンプルに適用されるエッチングプロセスを含んでおり、該ビームを向けるステップは該コンタクト開口を照射する工程を含んでおり、また該試料電流を分析するステップは該エッチングプロセスを評定する工程を含む。該コンタクトホールの幾つかは該表面に対する該法線の傾斜によって特徴づけられてもよく、また該ビームを向けるステップは、該傾斜を補償するために該ビームに角度をつける工程を含んでもよい。

[0036]通常、該コンタクト開口は側壁と底部を有しており、該ビームを向けるステップは付加的または代替的に、該帯電粒子の多くが該底部よりも該側壁に衝突するように該ビームに角度をつけるステップを含む。本発明の一態様において、該コンタクト開口はアスペクト比によって特徴付けられており、該ビームを向けるステップは、該法線から該表面まで、少なくとも該アスペクト比の逆数の逆正接の分だけずれる角度で該ビーム軸を整列させる工程を含む。

[0037]本発明の実施形態に従って、
サンプルの表面を照射するために帯電粒子ビームを向けることによって、電子が該表面から放出されるステップと、
該放出された電子の少なくとも一部を該表面に戻すために、該表面近傍に電解を適用することによって、該表面に負のプリチャージを発生させるステップと、
該ビームおよび該負のプリチャージに応答して該サンプルによって生成された信号を受け取るステップとを含むプロセス監視のための方法がさらに提供される。

[0038]通常、該サンプルは、少なくとも部分的に導電性の第１の層と、該第１の層の上に形成された第２の層とを有しており、該負のプリチャージは該誘電体層の該表面上に形成される。

[0039]本発明の一態様において、該ビームを向けるステップは、該表面に該負のプリチャージを発生させるためにプリチャージインターバル中に該ビームを操作する工程と、次いで、該信号を発生させるために該プリチャージインターバル後に該ビームを操作する工程とを含む。通常、該プリチャージインターバル中に該ビームを操作するステップは、電子が該サンプルの該表面の正帯電ドメインにエネルギーを有するように、該ビームソースを設定する工程を含む。

[0040]本発明の実施形態に従って、
電磁照射を含む第１のビームで該半導体デバイスの接合を照射するステップと、
帯電粒子の少なくとも幾つかが、該電磁照射によって実質的に同時に該接合に入射するように、該帯電粒子を含む第２のビームで該デバイスを照射するステップと、
該接合への該第１および第２の入射に応答して、該デバイスの特性を測定するステップと、を含む、半導体デバイスをテストするための方法がさらに提供される。

[0041]本発明の態様において、該特性を測定するステップは、該デバイスの電子画像を形成する工程を含む。

[0042]本発明の別の態様において、該接合は半導体材料を含んでおり、該接合を該第１のビームで照射するステップは、該半導体材料のバンドギャップ以上のエネルギーを有する光子で該接合を照射する工程を含む。通常、該接合はＰ−Ｎ接合を含む。

[0043]付加的または代替的に、該特性を測定するステップは該デバイスを流れる電流を測定する工程を含み、ここでは誘電体層が該接合上に形成されており、該接合に接触するためにコンタクトホールが該誘電体層を介して形成されており、また該第１および第２のビームで該接合を照射するステップは該コンタクトホールの内部を照射する工程を含んでおり、該電流を測定するステップは該電流に基づいて該コンタクトホールの特徴を評定する工程を含む。通常、該特徴を評定するステップは該コンタクトホールの適合性を評定して、該接合と導電接触する工程を含む。

[0044]本発明の実施形態に従って、
エッチングプロセスによる第２の層におけるコンタクト開口の生成に続いて、少なくとも部分的に導電性の第１の層と、該第１の層の上に形成された該第２の層とを有するサンプルを受け取るステップと、
１つ以上の該コンタクト開口を照射するために帯電粒子ビームを向けるステップと、
該コンタクト開口への該ビームの入射に応答して、該ビームの一次電流と、該サンプルの表面から放出された電子の全歩留まりとを測定するステップと、
該エッチングプロセスの特徴を評定するために、該一次電流と該電子の該全歩留まりとの関係を分析するステップと、を含む、プロセス監視のための方法がさらに提供される。

[0045]該関係を分析するステップは、該一次電流と該全歩留まり間の差を分析する工程、または、付加的あるいは代替的に該一次電流と該全歩留まりの比を分析する工程を含んでもよい。

[0046]少なくとも部分的に導電性の第１の層と、該第１の層の上に形成された第２の層とを有するサンプルのプロセス監視のための方法であって、コンタクト開口がエッチングプロセスによって該第２の層に形成されることを特徴とする方法が、本発明の実施形態に従ってさらに提供され、該方法は、
所与のセットの該コンタクト開口の特徴について、帯電粒子ビームによる該コンタクト開口の照射に応答して、該第１の層を流れる試料電流と、該サンプルの表面から放出された電子の全歩留まりの少なくとも一方を測定することによって生成されたエッチングインジケータ信号の閾値レベルを判断するステップと、
該所与のセットの特徴を有し、かつ該サンプルの表面上の異なるそれぞれの位置に配設された複数の該コンタクト開口の各々を照射するために該帯電粒子ビームを向けるステップと、
該ビームに応答して、該複数のコンタクト開口の該それぞれの位置の各々で生成された該エッチングインジケータ信号を判断するステップと、
該エッチングプロセスの特徴を評定するために、該それぞれの位置で生成された該エッチングインジケータ信号を該閾値レベルと比較するステップと、を含む。

[0047]通常、該エッチングインジケータ信号を比較するステップは、該試料電流の絶対的大きさが所定のマージンよりも大きく該閾値レベルを下回る場合、該コンタクト開口の少なくとも幾つかはアンダーエッチングされたと判断する工程を含む。

[0048]付加的または代替的に、該閾値レベルを判断するステップは、該開口内の該第１の層を暴露するための該第２の層を介する該コンタクト開口のエッチングに対応する該エッチングインジケータ信号のレベルを求める工程を含む。開示された実施形態において、該レベルを求めるステップは、他のサンプルで実行される該エッチングプロセスの該特徴を評定する際の後続の適用に対して、テストサンプルで実行された手順において該閾値レベルを較正する工程を含む。通常、該閾値レベルを較正するステップは、該テストサンプルによって発生された該エッチングインジケータ信号を測定する工程と、該測定を、該テストサンプルにおける該コンタクト開口の断面形状と、該テストサンプルにおける該コンタクト開口を介してなされた電気接触の導電率の少なくとも一方と比較する工程と、を含む。

[0049]本発明の実施形態において、該サンプルは該第１および第２の層の間に形成されたバリア層を有しており、また該エッチングインジケータ信号のレベルを求めるステップは、該バリア層を暴露するための該第２の層を介する該コンタクト開口のエッチングに対応する第１のレベルを求める工程と、該開口内の該第１の層を暴露するための該バリア層を介する該コンタクト開口のエッチングに対応する第２のレベルを求める工程とを含む。通常、該エッチングインジケータ信号を比較するステップは、該バリア層の完全性を評定するために該第２の層をエッチングした後に該エッチングインジケータ信号を分析する工程と、次いで、該コンタクト開口の少なくとも幾つかが該バリア層を介して該第１の層までエッチングされたことを検証するために、該バリア層をエッチングした後に該エッチングインジケータ信号を分析する工程と、を含む。

[0050]該方法は、該エッチングプロセスの均一性を評定するために該サンプルにわたる該エッチングインジケータ信号のばらつきを評価するステップと、該サンプルにわたる該エッチングインジケータ信号の該ばらつきが所定の最大値よりも大きい場合にプロセス欠陥が生じたことを知らせるステップとを含んでもよい。

[0051]本発明の実施形態に従って、少なくとも部分的に導電性の第１の層と、該第１の層の上に形成された第２の層とを有するサンプルのプロセス監視のための方法であって、コンタクト開口がエッチングプロセスによって該第２の層に形成されることを特徴とする方法が付加的に提供され、該方法は、
所与のセットの特徴を共有し、かつ該サンプルにわたって異なるそれぞれの位置に配設された複数の該開口の各々を照射するために帯電粒子ビームを向けるステップと、
該帯電粒子ビームによる該コンタクト開口の照射に応答して、該第１の層を流れる試料電流と、該サンプルの表面から放出された電子の全歩留まりの少なくとも一方を測定することによって、該複数の開口の該それぞれの位置の関数としてエッチングインジケータ信号を生成するステップと、
該エッチングプロセスの均一性を評定するために、該サンプルにわたる該エッチングインジケータ信号のばらつきを評価するステップと、を含む。

[0052]本発明の一態様において、該ばらつきを評価するステップは、該サンプルにわたる該エッチングインジケータ信号の該ばらつきが所定の最大値よりも大きい場合にプロセス欠陥が生じたと判断する工程を含む。

[0053]本発明の実施形態に従って、少なくとも部分的に導電性の第１の層と、該第１の層の上に形成された第２の層とを有するサンプルをエッチングするための装置であって、コンタクト開口がエッチングプロセスによって該第２の層に作成されており、該コンタクト開口は異なるそれぞれの横方向寸法を有する複数のテスト開口を含む装置がさらに提供されており、該装置は、
テストステーションであって
該テスト開口を照射するために帯電粒子ビームを向けるように適合された粒子ビームソースと、
該ビームに応答して、該第１の層を流れる試料電流と、該サンプルの表面から放出された電子の全歩留まりの少なくとも一方を測定することによってエッチングインジケータ信号を生成するように結合された電流測定デバイスとを含むテストステーションと、
該エッチングプロセスの特徴を評定するために該テスト開口の該横方向寸法の関数として該エッチングインジケータ信号を分析するように適合されたコントローラと、を含む。

[0054]本発明の実施形態に従って、少なくとも部分的に導電性の第１の層と、該第１の層の上に形成された第２の層とを有するサンプルをエッチングするための装置であって、コンタクト開口がエッチングプロセスによって該第２の層に作成されており、該コンタクト開口は、第１および第２のアレイにおけるテスト開口間の異なるそれぞれの第１および第２の間隔によって特徴付けられた該テスト開口の該少なくとも第１および第２のアレイを含む装置がさらに提供されており、該装置は、
テストステーションであって
該テスト開口を照射するために帯電粒子ビームを向けるように適合された粒子ビームソースと、
該ビームに応答して、該第１の層を流れる試料電流と、該サンプルの表面から放出された電子の全歩留まりの少なくとも一方を測定することによってエッチングインジケータ信号を生成するように結合された電流測定デバイスとを含むテストステーションと、
該エッチングプロセスの特徴を評定するために該テスト開口の該アレイの該間隔の関数として該エッチングインジケータ信号を分析するように適合されたコントローラと、を含む。

[0055]本発明の実施形態に従って、サンプル上で実施されるプロセスを監視するための装置がさらに提供されており、該装置は、
実質的に法線から該サンプルの表面までの角度においてずれているビーム軸に沿って該サンプルを照射するために帯電粒子ビームを向けるように適合された粒子ビームソースと、
該ビームに応答して、該サンプルを流れる試料電流を測定するように結合された電流測定デバイスと、
該エッチングプロセスの特徴を評定するために該試料電流を分析するように適合されたコントローラと、を含む。

[0056]本発明の実施形態に従って、
サンプルの表面を照射するために帯電粒子ビームを向けるように適合されていることによって、電子が該表面から放出される粒子ビームソースと、
プリチャージインターバル中に放出された該電子の少なくとも一部を表面に戻すために該表面近傍に電界を適用することによって、該表面に負のプリチャージを発生させるように適合されたバイアス電極と、
該ビームおよび該負のプリチャージに応答して該サンプルによって生成された信号を受け取るように結合された電流測定デバイスと、を含む、プロセス監視のための装置もまた提供される。

[0057]本発明の実施形態に従って、
電磁照射を含む第１のビームで該半導体デバイスの接合を照射するように適合された照射ソースと、
帯電粒子の少なくとも幾つかは該電磁照射によって実質的に同時に該接合に入射するように、該帯電粒子を含む第２のビームで該デバイスを照射するように適合された粒子ビームソースと、
該接合への該第１および第２のビームの入射に応答して、該デバイスの特性を測定するように適合された測定要素と、を含む、半導体デバイスをテストするための装置が付加的に提供される。

[0058]本発明の実施形態に従って、該エッチングプロセスによる第２の層におけるコンタクト開口の生成に続いて、少なくとも部分的に導電性の第１の層と、該第１の層の上に形成された該第２の層とを有するサンプルに適用された該エッチングプロセスを監視するための装置がさらに提供され、該装置は、
１つ以上の該コンタクト開口を照射するために帯電粒子ビームを向けるように適合された粒子ビームソースと、
該ビームの一次電流を検出するためのビーム電流検出器と、
該コンタクト開口への該ビームの入射に応答して該サンプルの表面から放出された電子の全歩留まりを検出するための二次電子検出器と、
該エッチングプロセスの特徴を評定するために、該一次電流と該全歩留まりとの関係に適合されたコントローラと、を含む。

[0059]本発明の実施形態に従って、
少なくとも部分的に導電性の第１の層と、該第１の層の上に形成された第２の層とを有するサンプルに適用されたプロセスを監視するための装置であって、コンタクト開口がエッチングプロセスによって該第２の層に作成されている装置がさらに提供されており、該装置は、
テストステーションであって、
該サンプルの表面上の異なるそれぞれの位置に配設された複数の該コンタクト開口の各々を照射するために帯電粒子ビームを向けるように適合された粒子ビームソースと、
該帯電粒子ビームによる該複数のコンタクト開口の各々の照射に応答して、該第１の層を流れる試料電流と、該サンプルの表面から放出された電子の全歩留まりの少なくとも一方を測定することによってエッチングインジケータ信号を生成するように適合された電流測定デバイスとを含むテストステーションと、
所与のセットの該エッチングプロセスの特性について該エッチングインジケータ信号の較正済み閾値レベルを記憶するように、また該エッチングプロセスの特徴を評定するために該複数のコンタクト開口の各々に対して生成された該それぞれのエッチングインジケータ信号を該閾値レベルと比較するように適合されたコントローラと、を含む。

[0060]本発明の実施形態に従って、
少なくとも部分的に導電性の第１の層と、該第１の層の上に形成された第２の層とを有するサンプルに適用されたプロセスを監視するための装置であって、コンタクト開口がエッチングプロセスによって該第２の層に形成されている装置がさらに提供されており、該装置は、
テストステーションであって、
該サンプルにわたる異なるそれぞれの位置に配設された複数の該開口の各々を照射するために帯電粒子ビームを向けるように適合された粒子ビームソースと、
該帯電粒子ビームによる該コンタクト開口の照射に応答して、該第１の層を流れる試料電流と、該サンプルの表面から放出された電子の全歩留まりの少なくとも一方を測定することによって、エッチングインジケータ信号を該複数の開口のそれぞれの位置の関数として生成するように適合された電流測定デバイスとを含むテストステーションと、
該エッチンプロセスの均一性を評定するために、該サンプルにわたる該エッチングインジケータ信号のばらつきを評価するように適合されたコントローラと、を含む。

[0061]本発明の実施形態に従って、少なくとも部分的に導電性の第１の層と、該第１の層の上に形成された第２のバリア層と、該第２の層の上に形成された第３の誘電体層とを有するサンプルのプロセス監視のための方法もまた提供され、該方法は、
第１のエッチングプロセスにおいて該第３の層のコンタクト開口をエッチングするステップと、
該第１のエッチングプロセスに続く第１の監視ステップにおいて該コンタクト開口を照射するために帯電粒子ビームを向けるステップと、
該第１の監視ステップにおける該帯電粒子ビームによる該コンタクト開口の照射に応答して、該第１の層を流れる試料電流と、該サンプルの表面から放出された電子の全歩留まりの少なくとも一方を測定することによって、第２のエッチングインジケータ信号を生成するステップと、
該第１のエッチングプロセスの第１の特徴を評定するために該第１のエッチングインジケータ信号を評価するステップと、
第２のエッチングプロセスにおいて該第３の層から該第２の層へ該コンタクト開口をさらにエッチングするステップと、
該第２のエッチングプロセスに続く第２の監視ステップにおいて該コンタクト開口を照射するために該帯電粒子ビームを向けるステップと、
該第２の監視ステップにおける該帯電粒子ビームによる該コンタクト開口の照射に応答して、該第１の層を流れる該試料電流と、該サンプルの該表面から放出された該電子の全歩留まりの少なくとも一方を測定することによって、第２のエッチングインジケータ信号を生成するステップと、
該第２のエッチングプロセスの第２の特徴を評定するために該第２のエッチングインジケータ信号を評価する工程と、を含む。

[0062]通常、該第１のエッチングインジケータ信号を評価するステップは該第２の層の完全性を評定する工程を含む。

[0063]付加的または代替的に、該第２のエッチングインジケータ信号を評価するステップは、該コンタクト開口の少なくとも幾つかが該第２の層を介して該第１の層までエッチングされたことを検証する工程を含む。

[0064]本発明の実施形態に従って、
少なくとも部分的に導電性の第１の層と、該第１の層の上に形成された第２のバリア層と、該第２の層の上に形成された第３の誘電体層とを有するサンプルのプロセス監視のための装置が付加的に提供され、該装置は、
第１のエッチングプロセスにおいて該第３の層にコンタクト開口を形成するように、またその後第２のエッチングプロセスにおいて該第３の層から該第２の層まで該コンタクト開口をさらにエッチングするように適合されたエッチングステーションと
テストステーションであって、
該コンタクト開口を照射するように帯電粒子ビームを向けるように適合された粒子ビームソースと、
該帯電粒子ビームによる該コンタクト開口の照射に応答して、該第１の層を流れる試料電流と、該サンプルの表面から放出された電子の全歩留まりの少なくとも一方を測定することによって、該第１のエッチングプロセスに続く第１のエッチングインジケータ信号と、該第２のエッチングプロセスに続く第２のエッチングインジケータ信号とを生成するように適合された電流測定デバイスとを含むテストステーションと、
該第１のエッチングプロセスの第１の特徴を評定するために該第１のエッチングインジケータ信号を評価するように、また該第２のエッチングプロセスの第２の特徴を評定するために該第２のエッチングインジケータ信号を評価するように適合されたコントローラと、を含む。

[0065]本発明は、図面と共になされるこの実施形態についての以下の詳細な説明からより完全に明らかになるであろう。

実施形態の詳細な説明

（システムおよび方法の概観）
[0081]本発明の実施形態に従った、テストパターン２２がその上に形成された半導体ウェーハ２０の概略上面図である図１Ａを次に参照する。コンタクトホール２６のアレイを備えるテストパターンは拡大図として示されている。単一のテストパターン２２のみが図１に示されているが、複数のテストパターンがウェーハ２０の表面上に分布されてもよい。上記の米国特許出願第１０／２０９，０８７号に説明されたタイプなどの他のタイプのテスト開口およびテストパターンもまた使用されてもよい。テストパターンは、ウェーハ上の有用空間の損失を最小化するために、ウェーハ２０上の隣接するダイス間のスクライブライン２４に配置されてもよい。付加的または代替的に、以下に説明されるコンタクトホールの評価方法は、ダイスの機能的エリアに形成されたコンタクト開口に準用されてもよい。

[0082]テストパターン２２におけるホール２６は、図示されるように、大から小へ直径が段階的に変化されてもよい。ホールのサイズの段階的変化は、図４および図５を参照して以下に説明されるように、ウェーハ２０を処理する際に使用されるエッチングプロセスの状態を評定する際にとりわけ有用である。通常、ホールは、直径が５０ｎｍ〜１μｍに及ぶように設計され、また少なくとも１つの直径分離して間隔をあけられる。しかしながら、ホールおよびテストパターンのこれらの寸法および間隔は一例として引用され、また他の寸法および間隔も同様に使用されてもよい。（ホール２６間の間隔はまた、以下に説明されるように、変更されてもよい。）図１Ａは１列のホール２６のみを示しているが、ホールはまた二次元パターンで配列されてもよく、またホールの幾つかは同じ直径を有してもよい。テストパターンはまた、トレンチやビアなどの他のタイプのコンタクト開口（図示せず）を含んでもよい。

[0083]図１Ｂは、本発明の実施形態に従った、半導体ウェーハ上に形成されてもよい別のテストパターン２１の概略上面図である。パターン２１は、低密度パターン２３と高密度パターン２５の２つのパターンで並べられたコンタクトホール２６を備える。通常、ホール２６は低密度および高密度パターンの両方で同じ直径を有する。上記のとおり、コンタクトホールのエッチングレートは通常、ミクロロード効果ゆえに、低密度パターン２３よりも高密度パターン２５のほうが小さい。テスト構造における高密度および低密度アレイのコンタクトホールの間隔は通常、インダイパターンに対する実際のコンタクトホールの間隔の限定事例を表すように選択される。従って、高密度および低密度アレイのコンタクトホールを介する試料電流を測定することによって、ミクロロードゆえにインダイパターン内に生じうるエッチング問題を検出することができる。

[0084]図１Ｃは、本発明の実施形態に従った、半導体ウェーハ上のスクライブライン２４のエリア内のさらに別のテストパターン３６の概略上面図である。パターン３６は図１Ａおよび１Ｂに示されたパターンの原理を組み合わせる。パターン３６は低密度および高密度のコンタクトホールのアレイ２３および２５を備えており、その直径は、ウェーハ上で生成されるインダイ機能的コンタクトホールの限界寸法（ＣＤ）にほぼ等しい。加えて、パターンは、インダイコンタクトホールよりも直径が小さいコンタクトホールの高密度アレイ２７および低密度アレイ２９と、インダイコンタクトホールよりも直径が大きいコンタクトホールの高密度アレイ３１および低密度アレイ３３とを備える。整列ターゲット３５は通常、以下に説明されるように、パターンの資料電流測定をするのに使用される検査システムの光学的整列を容易にするためにパターン３６に提供される。パターン３６はまた、パターン上でなされる試料電流測定のための較正ベースラインを確立するのに使用するために、コンタクトホールを含まないエリアを含んでいてもよい。

[0085]図２Ａ〜図２Ｅは、異なるプロセス条件下のコンタクトホール２６の形成を示す、半導体ウェーハのエリアの概略断面図である。通常の用途において、非導電酸化層３０がシリコン基板層２８上に形成され、フォトレジスト（図示せず）がこの酸化層上に堆積される。酸化層におけるコンタクト開口の場所および寸法を画成するためのフォトレジストのフォトリソグラフィ暴露の後に、エッチングプロセスがコンタクトホールを作成するために適用される。

[0086]これらの図面に示された例示的適用において、ホール２６は、高導電率のためのＴｉＳｉ_２を含有する基板層２８の領域３４に接触することを意図している。領域３４は、当業において既知の方法で層２８内に形成されたトランジスタ構造の一部であってもよい。酸化層３０は通常、無ドープシリコンガラス（ＵＳＧ）、リンシリコンガラス（ＰＳＧ）、ホウ素リンシリコンガラス（ＢＰＳＧ）、カーボンドープ酸化物（ＣＤＯ）または低誘電率誘電体などの材料を備える。エッチングストップ層と称されることもあり、また通常窒化シリコンや、シリコンカーバイドや、Ａｐｐｌｉｅｄ ＭａｔｅｒｉａｌｓのＢＬＯＫ^ＴＭなどの低誘電率バリア材料からなるバリア層（図示せず）がシリコン基板と誘電体との間に付加されてもよい。しかしながら、これらの図面に示された構造は一例として示されるに過ぎず、ホール２６は同様に、他の構造で、またそれに隣接して作られてもよい。同様に、このようなコンタクトホールを使用して、基板自体に直接接触するのではなく、基板２８の上方に形成された中間半導体または導電層（図示せず）に接触してもよい。

[0087]テストパターン２２におけるホール２６は、パターンがテストすることを意図しているウェーハ上の機能的回路特徴と同じ材料堆積、フォトリソグラフィおよびエッチングというプロセスによって形成される。ホール２６内で、基板層２８は、類似の直径のコンタクトホールのエッチングおよび、ウェーハの機能的エリアの間隔によって暴露されるのと同程度まで暴露される。パターン２２が電子ビームによって照射される場合に発生される試料電流の測定は、層２８（または上にある半導体または導電層）がホール内で暴露される程度を示している。この測定を容易にするために、導電コンタクトパッド（図示せず）がパターン２２の下方で、ウェーハ２０の下地に形成されてもよい。試料電流を測定する際に使用される装置および方法は以下の図面に示されており、これらを参照して説明される。

[0088]図２Ａは、完全にエッチングされたオープンホール、つまり所望ならば層２８をはっきりと暴露するコンタクトホールを示している。このセットの残りの図面は、異なるプロセスの問題や欠陥の結果を示している。図２Ｂにおいて、ホール２６は、通常、例えばエッチングプロセスや酸化層３０の均一性の問題ゆえにアンダーエッチングされる。その結果、ホール２６内で暴露された層２８の面積は本来よりも小さい。この場合、ホール２６のエリアが電子ビームで照射される場合に発生した試料電流は、図２Ａの場合に発生した電流よりも小さくなる。層２８に接触するためにホールが金属や他の導電性材料で充填される場合、接触抵抗は本来より高くてもよい。

[0089]図２Ｃにおいて、エッチングプロセスは非常に強力であり、またはかなりの時間にわたって継続されており、ホール２６のオーバーエッチングにつながる。この場合、試料電流は通常図２Ａの場合よりも大きくなる。オーバーエッチングは領域３４および他の構造に対する悪影響を有しており、これはまたホール２６の底部の汚染物の堆積につながることがある。

[0090]図２Ｄは、通常幾つかの深刻なプロセス欠陥によってホール２６が層２８に達する前に停止する著しいアンダーエッチングの場合を示している。この種のクローズコンタクトホールについて、測定された試料電流は非常に低く、ホールが金属で充填された場合の接触抵抗は非常に高くなる。

[0091]最後に、図２Ｅにおいて、ホール２６は適切にエッチングされたが、フォトレジスト残渣やフッ素樹脂などの汚染物３８がホールの底部に堆積される。この汚染物は通常、測定された試料電流の低下を引き起こす。残渣が除去されなければ、ホール２６が金属で充填される場合に高い接触抵抗をもたらしうる。この高い接触抵抗は重大なプロセス問題であり、これは一般的に、金属層が通常電気テストによってホールに堆積された後に、多数のプロセスステップの後にのみ（当業において既知の方法を使用して）検出可能である。

[0092]図３Ａは、本発明の実施形態に従った、コンタクトホール検査のためのステーション４０を概略的に示すブロック図である。ステーション４０は、ウェーハ２０が検査中に置かれる運動ステージ４４を含有するチャンバ４２を備える。電子ガン４６（または他の帯電粒子ソース）はウェーハ２０でビームを向けるのに対して、電流計４８はウェーハで発生した試料電流を測定する。電流計は通常、基板層２８と電気的に接触しているウェーハ２０の下部に電気的に結合される。あるいはまた、ウェーハ２０上の層がこのような結合を可能にするように適切に構成されているとすると、電流計はウェーハの中間半導体または導電層に直接結合されてもよい。上記のとおり、ウェーハは、基板または中間層に電流計４８を結合する際に使用するための１つ以上のコンタクトパッドを含んでいてもよい。

[0093]ガン４６によって発生された電子ビームは通常、用途によって必要に応じてコントロール可能な直径およびエネルギーパラメータを有している。直径はウェーハ上の単一のコンタクトホールをカバーするように調整されても、または一度に複数のコンタクトホールを照射したりウェーハ表面をプリチャージしたりするように延ばされてもよい。ビーム直径において０．５〜３０μｍの調整範囲は一般的にこれらの目的にはふさわしい。ガンの電子エネルギーは、ウェーハ２０の材料の正および負帯電ドメインの両方をカバーするために、通常約１００〜５０００ｅＶの間で変化してもよい。（正帯電ドメインは、表面層からの二次的後方散乱電子の全歩留まりが一次電子ビーム電流よりも大きい電子エネルギーの範囲であるのに対して、負帯電ドメインは全歩留まりが一次ビーム電流未満の範囲である。当業においては既知のこれらの現象はＹａｃｏｂｉらによる上記書籍の３８〜３９ページに説明されている。）例えば、この目的のために適切な電子ガンは、Ｏｍｉｃｒｏｎ ＮａｎｏＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＧｍｂＨ（Ｔａｕｎｕｓｓｔｅｉｎ、ドイツ）によって生成されたＥＫＦ１０００小スポット電子ソースである。このガンは、通常のＳＥＭシステムで使用されている高解像度電子ビームデバイスよりもかなり小さく、またそれほど高価ではない。あるいはまた、他のタイプの電子ガンならびに他のタイプの粒子ビームがステーション４０で使用されてもよい。

[0094]ウェーハ２０におけるコンタクトホールの照射による試料電流は通常、安定した状態で測定される。このために、照射するコンタクトホールのエリアはガン４６からのビームによってプリチャージされる。このプリチャージは試料電流の測定をする前に別個の予備段階として起こってもよく、あるいはまた測定と同時に実施されてもよい。ウェーハ表面は、負帯電ドメインのエネルギーで電子ガンを操作することによって負にプリチャージされてもよい。フォトレジストについて、この条件は通常、電子ビームエネルギーのすべての値について当てはまる。ＳｉＯ_２について、好ましくは約２ｋｅＶより大きいビームエネルギーを使用して負帯電を付与することができる。あるいはまた、非常に低いエネルギービームを負帯電に使用することができる。

[0095]さらに代替的に、バイアス電源５５によって負にバイアスされるバイアス電極５３を使用して、低エネルギー電子による負帯電を誘発してもよい。バイアス電極のこの適用は図１２を参照して以下に詳細に説明する。さらなる代替例として、表面の負帯電は、本特許出願の譲受人に譲渡され、かつその開示は参照として本明細書に組み込まれている米国特許出願｛Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ（ＡＭＡＴ）社 Ｄｏｃｋｅｔ＃００６８０３｝に説明されるような帯電コントロールプレートを使用して適切な電界バイアスをウェーハ表面に適用することによって達成されてもよい。いずれの場合も、ウェーハ表面の負帯電はホール２６をファラデーカップとして作用させることによって、相対的に少ない電子がホールから逃げることになる。

[0096]テストするコンタクトホール２６の各々が適切にガン４６のビームに配置されるように、ステージ４４はウェーハ２０を位置決めする。電子ビームの最小直径を前提とすると、特定の個々のコンタクトホールが測定されるのでなければ、約±３μｍの位置決め解像度で一般的に十分である。空間の簡略化および経済性のために、ステージ４４はＲ−シータ（変換／回転）ステージを備えてもよい。代替的または付加的に、極めて的確な他のタイプの運動システムをこのために使用してもよい。例えば、ステージはＸ−Ｙ変換を提供してもよく、またはガン４６はウェーハ２０上で変換されてもよく、または電子ビーム自体が偏向されてもよい。テストホールやテストパターンがウェーハ２０上で複数の場所に提供されると、ステージ４４は、これらのテストホールやパターンの幾つかが電子ビームによって連続して照射されるようにウェーハを位置決めしてもよい（または、電子ガンは変換されたり、そのビームが偏向されたりしてもよい）。コンタクトホールの均一性が、以下にさらに説明されるように、ウェーハ全体に維持されることを保証するために、試料電流は各ホールの場所で測定される。付加的または代替的に、ウェーハ上の異なるテストホールまたはテストパターンがコンタクト開口の異なるサイズや形状をテストするように設計されている場合、試料電流はホールサイズやパターンタイプごとに測定可能である。

[0097]試料電流の測定中、ガン４６のビームエネルギーは通常、良好なオープンコンタクトホールと、クローズまたはアンダーエッチングされたそれらとの最適な対照を提供するために、上部誘電体（背景）層の負帯電ドメインにあるように設定される。（上記のとおり、「オープン」コンタクトホールは、導電性材料で充填された場合に抵抗が低い導電性となるものであるに対して、クローズ、アンダーエッチングされたり、または底部に残渣があるホールは、導電性材料で充填される場合に電気的に切断されたり、高い抵抗を示したりすることがある。）通常、より低いビームエネルギーは、コンタクトホールの底部にある残渣誘電体材料の薄い層に対する測定の感度を高める。任意に、多数の異なる電子ビームエネルギーを使用して、歩留まり曲線上の多数の異なるポイントでの試料電流をテストしてもよい。

[0098]図３Ｂおよび図３Ｃは、本発明の実施形態に従った、試料電流を測定するための代替方法を示している。コンタクトホールの底部の半導体または導電層と電流計４８との良好なオーム接触が可能でなければ、電子ビームはパルスされて、試料電流は容量結合によって測定されてもよい。この配列は、半導体基板の下方に追加のバックサイド誘電体層６３がある、基板２８と誘電体層３０とを備えるウェーハの詳細を示す概略断面図である図３Ｂに示されている。誘電体層３０の上にあるフォトレジスト層７２はコンタクトホール２６を作成する際に使用される。電子ビーム６１はコンタクトホール２６のエリアを照射する。ビームブランキングアセンブリ５９は、電子ビームをパルスオンおよびオフするために、電圧Ｖ_ＢＢを定期的に印加する。ビームブランキングアセンブリは例えば、開口を通過する前に電子ビームがこの間を移動する１対の平行金属プレートを備えていてもよい。電圧がプレート間に印加されると、電子ビームは偏向されて、開口を通過してウェーハに達することはない。これに伴うＡＣ試料電流は、誘電体層６３を介して基板２８に容量結合されたＡＣ電流計６５を使用して測定される。

[0099]図３Ｃは、試料電流の時間的ばらつきによって追跡される電子ビーム電流の時間的ばらつきを概略的に示している。（インピーダンス効果による試料電流波形の可能な平滑化および位相シフトは簡略化のためにここでは無視する。）上部試料電流曲線６７は、コンタクトホール２６が適切にエッチングされる場合の予想試料電流レベルを示している。下部試料電流曲線６９は、図３Ｂに示されたアンダーエッチングなどのエッチング問題によって生じる試料電流の低下を示している。

[00100]あるいはまた、テスト中のウェーハがバックサイド誘電体層を有している場合、ウェーハは、ウェーハのバックサイドに接触するピンによってチャックに搭載されてもよい。誘電体層を局所的に貫通して、基板２８との良好な接触を確立するために、パルス電圧がピンに印加される。ピン間の抵抗は、誘電体層の十分な貫通がいつ達成されたかを判断するために測定されてもよい。

[00101]次に図３Ａに戻ると、ウェーハ２０から放出された電子の電流は、当業において既知であるように、付加的または代替的に二次電子検出器４９を使用して測定されてもよい。上記のとおり、電子ビームによる照射ゆえにサンプルで発生した試料電流は、一次ビーム電流と、二次的後方散乱電子による試料の全電子歩留まりとの差に等しい。従って、試料電流自体を直接測定することなく、一次ビーム電流と、二次的後方散乱電子の全電流とを正確に測定することによって試料電流を判断することができる。このアプローチは通常、好ましくは９０％よりも高い効率で二次的後方散乱電子を収集することを必要とする。この高効率は、例えば、試料の表面の磁気ボトルに形成する磁気油侵レンズを使用して達成可能である。この種のレンズは米国特許第４，８６４，２２８号および第４，９１２，４０５号に説明されており、この開示は参照として本明細書に組み込まれている。あるいはまた、二次電子電流は、試料電流測定に相補的な追加情報を提供するために、試料電流の直接測定と関連して使用されてもよい。

[00102]ガン４６およびステージ４４の位置決めおよび操作は、ガンコントロールユニット５２およびステージコントロールユニット５４を介してメインコントローラ５０によってコントロールされる。通常、低解像度光学顕微鏡（ＯＭ／ＰＡＬ）５６に基づいた事前整列ユニットが、位置決めおよび整列目的のためにウェーハ上にテストパターンを配置するために、ＯＭ／ＰＡＬコントロールユニット５８を介してコントローラ５０によって使用される。この目的に適した顕微鏡が、例えばＯｐｔｅｍ（Ｆａｉｒｐｏｒｔ、ニューヨーク）によって作られる。操作中、真空は、これもまた真空コントロールユニット６２を介してコントローラ５０によってコントロールおよび監視される真空ポンプ６０によってチャンバ４２に維持される。ロボット６４はウェーハをチャンバ４２内に挿入し、またこれらをチャンバから除去する。コントローラ５０はロボットコントロールユニット６６を介してロボットと連通している。ロボット６４は、以下の図１０に示されているように、クラスターツールの他のステーションに対してウェーハを転送するために使用されてもよい。

[00103]1つ以上のコンタクトホール２６を照射するためにステージ４４を位置決めし、ガン４６を射撃した後に、コントローラ５０は、電流計４８によって測定された試料電流を受け取る。これは測定電流を、予想ホールサイズ、材料、エッチング条件および他の適用可能なプロセスパラメータに対して確立された基準と比較する。これらの基準を判断するための方法を、付随する図面を参照して以下に説明する。コントローラが測定電流は所与の基準の所定の許容範囲外であると判断すると、通常生成プロセスを中断して、ユーザワークステーション６８を介してシステムオペレータに通知する。オペレータはテスト結果を評価してから、必要なすべての補正動作を実現する。

[00104]補正動作は、（図２Ｂや２Ｄに示されているように）コンタクトホールがアンダーエッチングされているならば更なるエッチングを実行するステップと、または、ホールの底部に堆積されている可能性があるポリマー残渣（図２Ｅ）を除去するステップを含んでいてもよい。後者の場合、電子ガン４６を使用する高密度電子ビーム暴露によってポリマー膜を除去できることもある。このために、１ｎＡより大きなビーム電流を有する、約５〜２０ｋｅＶの電子ビームエネルギーが十分な結果を付与すると思われる。従って、ステーション４０は、欠陥検出に加えてプロセス補正にも使用されてもよい。
（テストパターンの「早期警告」）
[00105]図４は、本発明の実施形態に従ったテストパターン２２（図１）の概略断面図である。テストパターンはここでは、エッチングプロセスの完了に続いて示されている。上記のとおり、パターン２２のコンタクトホール２６の直径は、最長（図面の左側）から最短（図面の右側）まで段階的に変化し、名目ホール７０の直径の上下におよぶ。ホール２６の直径はフォトレジスト層７２に適用されるフォトリソグラフィプロセスによって画成され、ここで名目ホール７０は、ウェーハ２０の機能的エリアでエッチングされた機能的コンタクトホールほぼ同じ直径を有するように選択される。

[00106]エッチングプロセスがコンタクトホールを作成する速度は、コンタクトホールの直径が増加するに伴って増加する。従って、名目ホール７０のエッチング状態は、ウェーハ２０の機能的コンタクトホールの状態とほぼ同じであるべきである。図４に示されるように、エッチングプロセスの満足のいく完了時に、名目直径（つまり、ホール７０の直径）以上のホールは基板２８まで完全にエッチングされる。名目直径未満では、エッチングレートはより遅く、そのためホールの深さはホールの直径の縮小に伴って縮小する。

[00107]図４に示された状況は、名目ホール７０がオーバーエッチングなしに基板まで完全にエッチングされている点において、適切に調整されたエッチングプロセスを示している。名目ホールよりもわずかに狭いパターン２２のコンタクトホールが依然として基板までエッチングされている（ことによって、名目ホールはわずかにオーバーエッチングされてもよいが、悪影響を与える程度には至らない）という点において、（「プロセスウィンドウ」として知られている）プロセスにおいて安全なマージンがある。さらに狭いホールが基板までエッチングされた場合には、名目ホール７０が対応する機能的ホールをオーバーエッチングするという危険性がある。他方、名目ホール７０よりもごくわずかだけ狭いホールがアンダーエッチングされた場合には（ホール７０が依然として完全にエッチングされているように見えても）、機能的ホールをアンダーエッチングするという危険性がある。従って、テストパターン２２のエッチングを監視することは、プロセス欠陥の早期警告を与えることができ、これによって迅速な補正動作が採られることが可能である。これらの初期の欠陥が存続すると、これらは、テスト中のウェーハ、または現在のウェーハと同じエッチングチャンバにおいて後に処理される他のウェーハの機能的コンタクトホールの不適切なエッチングとなりうる。

[00108]図５は、２つのわずかに異なるセットのエッチング条件下でテストパターン２２に対して測定されたホール直径の逆数の関数としての試料電流の概略プロットである。プロットにおける各データポイントは、ホール２６の１つを電子ビームで照射しつつなされた試料電流の測定に対応する。（通常、ビームのスポットサイズはホール直径よりも大きい。）上部曲線８０は、図４に示された１セットのホールの深さに対して測定された試料電流を示している。試料電流は、ショルダー値に至るホール直径に比例して徐々に低下し、電流はこれよりも小さくなるとより急激に低下する。このショルダーは、ホールがもはや完全にエッチングされないポイントに対応しており、ホールの底部に抵抗の高い誘電体層を残し、その厚さはホール直径が縮小するのに伴って増加する。曲線８０において、ショルダーは名目ホール７０の右側に複数のポイントで生じ、エッチングプロセスパラメータが適切に調整されていることを示す。

[00109]下部曲線８２は、エッチングパラメータが適切な調整から反れる場合に生じることがある測定試料電流の変化を示している。名目ホールを介して測定された試料電流は依然として完全なエッチングを示しているが、曲線８２のショルダーは名目ホール７０のポイントの近くに生じる。このような場合、現在のウェーハのコンタクトホールのエッチング状態が依然として十分であっても、コントローラ５０はワークステーション６８（図３）に、プロセスのずれが生じている可能性があることを警告してもよい。そしてオペレータは、ずれが生産歩留まりの減少をもたらすほど重大になる前に、エッチングプロセスを補正することができる。
（試料電流測定および閾値較正）
[00110]図６は、本発明の実施形態に従った、例えばステーション４０（図３）を使用して２つのテストウェーハにわたる位置の関数として測定された試料電流のプロットである。この図面と図７および図８において測定電流を表す縦軸は論理的に反転される、つまり測定電流は負であり、電流の大きさはプロットの上部から底部に向かって増加する。測定は、ウェーハの一方のサイドから他方のサイドまで、ウェーハの直径に沿った異なる場所のコンタクトホールでなされた。コンタクトホールは、酸化物３０の下方の窒化ストップ層の介在なしにシリコン基板２８までエッチングされた。ホールのエッチング状態は、コンタクトホールの断面イメージングによる測定後に検証された。

[00111]第１の曲線９０は適切にエッチングされたウェーハ上で測定されており、ここでコンタクトホールは名目よりも約３０％長くエッチングされている。これらの測定に基づいて、ウェーハの十分な名目エッチングに対応する閾値９２を画成することができる。ウェーハの表面上の試料電流のばらつきはコントロール限界を画成するために使用されてもよく、試料電流はこれを超えて変化することができ、また依然として許容範囲内と考えられている。

[00112]第２の曲線９４は、不均一なプロセスパラメータを使用してエッチングされた、曲線９０と同じタイプのウェーハ上で測定された。結果として、ウェーハの中心エリアのコンタクトホールはアンダーエッチングされて、低い測定試料電流となったのに対して、ウェーハの周辺のものは適切にエッチングされた。これらの条件の両方ともステーション４０によって検出される。曲線９４のような不均一なプロファイルは通常、たとえ結果が比絶対閾値より高くなくても、プロセスの問題があることを示して、システムオペラータに通知したり、自動的にウェーハの処理を停止したりするためには十分である。

[00113]図６に示された試料電流測定と、付随する図面に示されているそれは、テストされたウェーハの断面画像と比較されて、良好な相関が、試料電流レベルと、コンタクトホールの実際のエッチング状態間に見られた。

[00114]図７は、本発明の実施形態に従った、別のテストウェーハに分布されたコンタクトホールの位置の関数として測定された試料電流のプロットである。この場合、ウェーハは、エッチングされた酸化物の下方に窒化ストップ層を含んでいた。曲線の中心ポイントの照射時に測定された低い試料電流は、これらのポイントでのホールのアンダーエッチングを示している。ウェーハの縁に向かって、ホールは窒化層に至るまで完全にエッチングされた。（電子ビームの照射によって高められてもよい）シリコンに対する窒化シリコンの相対的に高い導電率のために、これらのホールを流れる試料電流は図６に示されたものよりもかなり大きい。

[00115]図８は、本発明の実施形態に従った、さらに別のテストウェーハに分布されたコンタクトホールの位置の関数として測定された試料電流のプロットである。この図は、（上にある酸化物を介してホールを最初にエッチングした後に、コンタクトホールの底部からバリア層を除去するための別個のプロセスステップとして通常実行される）窒化エッチングストップ層のエッチングにおいて残渣を検出するためのステーション４０の能力を図示している。窒化層は、図８のプロットにおいて左側に示されたウェーハの一方のサイドのコンタクトホールのうちからエッチングされたが、他方のサイドはそのまま残された。この図から、本発明の方法を使用して酸化エッチングプロセスの状態だけでなく、窒化エッチングを含む他のエッチングプロセスを監視してもよいことが分かる。

[00116]従って、図７および図８は、本発明の方法は二重の誘電体層（ストップ層が下にある上部誘電体）のエッチングを監視するために使用されてもよいことを例証している。エッチングストップ層は多数の用途、とりわけＤＲＡＭなどのデバイスにおける高アスペクト比のコンタクトおよびビアプロセスにおいて使用される。二重誘電体層は通常２つの異なる連続エッチングステップでエッチングされ、各層あたり１つのステップである。図７に図示された第１のエッチングステップはストップ層に達するがこれを打ち抜かないことが重要である。打ち抜きは、例えば第１のエッチングステップの選択性の低さや極めて薄いストップ層の使用によって生じることがある。打ち抜きは第１のエッチングステップの終了時に試料電流の異常に大きな値によって証明されるのに対して、第１のエッチングステップにおけるアンダーエッチングは、図７に示されるように低い試料電流を付与する。コンタクトホールがストップ層を介してエッチングされる第２のエッチングステップは、同様の方法であるが、適切なエッチングを示す異なる閾値レベルによって監視されてもよい。

[00117]図９Ａは、多数の異なるサンプルに対するコンタクトホールの位置の関数として測定された試料電流（絶対値）の概略プロット１０３、１０４、１０５および１０６を示す。測定電流は、本発明の実施形態に従って、絶対プロセスコントロール限界を較正する際に使用される。プロット１０３〜１０６は、上述のようなテスト構造および測定方法を使用して測定される。特定のコンタクトホールからの試料電流の測定は、同じコンタクトホールの断面画像と比較される。試料電流測定に使用されたダイスの一部または全部はこのためにセクショニングされてもよい。そしてこれらの測定はエクスカーション上限値１００とエクスカーション下限値１０２を確立する際に使用されて、許容可能なコンタクトホールに対応する測定試料電流値１０８の境界を作る。

[00118]プロット１０６は、アンダーエッチングされたウェーハ上にできた試料電流測定値１０９を示している。この場合、ウェーハ周辺のコンタクトホールのみが適切にエッチングされた。（周辺のホールが、ウェーハの中心に近いものとは異なってエッチングされるか否かは、とりわけエッチングタイプ、プロセスレシピおよび材料などの要因に左右される。）
[00119]プロット１０５はわずかにオーバーエッチングされたウェーハからとられ、ウェーハの全直径上の適切にエッチングされたコンタクトホールを例証する。コンタクトホールの適切なエッチングは断面イメージングによって検証される。プロット１０５は、（図のエラーバーで示された）推定測定エラーを考慮すると、このプロット上の試料電流の最小絶対値に基づいてエクスカーション下限値１０２を確立するために使用可能である。他方、断面画像がアンダーエッチングされるこのウェーハ上のホールのいずれかを示していれば、別のウェーハはより長いエッチング時間を使用してエッチングされてもよく、またエクスカーション下限値を確立するのと同様の方法でテストされてもよい。

[00120]プロット１０４は、本発明の実施形態に従った、最適化された方法に従ってエッチングされたウェーハ上でなされた試料電流測定を示しており、これは通常、プロット１０５を発生させる際に使用されたのと比較して１０〜３０％エッチング時間を延長することに対応する。再度推定測定エラーを考慮すると、プロット１０６での最小試料電流測定はコントロール下限値（ＬＣＬ）１０１を判断する際に使用される。本方法によって判断された較正境界は生成ウェーハを監視する際に使用され、また測定試料電流はＬＣＬ１０１未満に低下し、早期警告信号は可能なプロセスの反りを警告するために出されてもよい。通常、多数のウェーハからの試料電流測定は、通常のエッチングプロセスのばらつきを説明するためＬＣＬ１０１を設定するのに統計的に分析されてもよい。

[00121]プロット１０３は強くオーバーエッチングされたウェーハからの試料電流測定を示す。この場合、測定値１０７は、上述のように、エッチングされているメイン誘電体層の下方のストップ層の打ち抜きを示している。打ち抜きは断面画像によって検証される。エクスカーション上限値１００は、測定１０７のエラー境界未満の最大試料電流値に対応するように設定される。

[00122]図９Ｂは、本発明の実施形態に従った、相対的コントロール限界を較正する際に使用された試料電流測定を概略的に示している。本発明者らは、アンダーエッチングされたウェーハは、ウェーハの直径にわたる試料電流測定の極めて高い不均一性を示すことを意図していることを発見した。図９Ｂに示されるように、アンダーエッチングされたウェーハ上のプロット１１２の不均一性は、このプロットが達した最大電流値１１３と最小電流値１１４によって示されるように、１００％に達することがある。対照的に、プロット１１０および１１１は適切にエッチングされたウェーハのそれを示しており、不均一性は通常１０〜１５％程度である。不均一性はまた、打ち抜きが生じたオーバーエッチングされたウェーハにおいては重要である。

[00123]従って、不均一性に対する相対的なコントロール限界は単一の値であり、ウェーハの直径での試料電流測定の最大許容ばらつきを示している。断面イメージングによって検証されるように、これは、例えばわずかにオーバーエッチングされたウェーハ上でなされた測定を示すプロット１１１から判断可能である。相対的なコントロール限界は通常、（エラーバーを含む）平均不均一性値として生成ウェーハでの後続の測定に適用される。相対的コントロール限界より高い平均不均一性のエクスカーションは、テスト中のウェーハのコンタクトホールのアンダーエッチングや打ち抜きを示すと考えられる。このような相対的コントロール限界の使用は、一次電子ビーム電流の反りによる試料電流のばらつきに敏感な、高速かつ確実なプロセス監視を提供する点で好都合である。

[00124]代替的または付加的に、一次電子ビーム電流は監視されてもよく、また一次ビーム電流に対する試料電流の比はエッチング品質インジケータとして使用されてもよい。

[00125]図１０は、本発明の実施形態に従った、テストステーション４０が一体化されているエッチングプロセスクラスターツール１２０の概略上面図である。この一体化は、ステーション４０のコンポーネントの小型サイズおよび簡略さによって可能になる。フォトレジストが酸化層３０上に堆積されてから、フォトリソグラフィによって暴露されて、パターン２２などの適切なテストパターンによって、コンタクトおよび／またはビアを含む回路特徴を形成した後に、ロボット６４はロードロック２１を介してウェーハ２０を受け取る。ツール１２０の内部は空にされているため、ロボット６４は、ウェーハを周囲の空気に暴露することなく、チャンバ間でウェーハ２０を転送することができる。通常、ウェーハはエッチングステーション１２４に挿入される。この段階で、ホール２６は、好ましくは反応イオンエッチングプロセスによって層３０を介して形成される。上記ステップは当業において既知であり、ここでは例証によってのみ説明される。ツール１２０におけるステーションの他の配列が同様に使用されてもよい。

[00126]ウェーハ２０におけるホール２６のエッチングの後、ウェーハはテストステーション４０に渡される。この時点で、（エッチングされたホールを除く）ウェーハは依然として、暴露されたフォトレジストの層で被覆されている。ステーション４０において、ウェーハ２０からの試料電流は、プロダクトダイスもしくはテスト構造のいずれか、または両方において、１つ以上の所定のポイントで測定される。結果は、（図３に示されるようなコントローラ５０の機能を内蔵していてもよい）コントローラ１２８によって上記のように評価される。通常、コントローラは、先の図面に示されているように、ウェーハに分布された複数のホールについて試料電流を評価し、測定値を、当該プロセスの絶対値および相対値の両方と比較する。測定された全ホールについての試料電流が閾値によって画成された許容範囲内である場合、ウェーハのコンタクトホールは許容可能であると思われる。そしてロボット６４は、残りのフォトレジストの除去のためにウェーハ２０をプラズマアッシングステーション１２６と、クリーニングステーション１２２とに移動させる。所望ならば、チャンバ４０でのコンタクトホールテストはアッシングステージの後に反復されてもよい。

[00127]他方、ステーション４０で測定された試料電流が非常に低い場合、これはホールはアンダーエッチングされたことを示しており、ロボット６４は、更なるエッチングにためにウェーハをエッチングステーション７４に返すように（自動的または手動で）命令されて、その後にステーション４０で再テストしてもよい。この環境下で、コントローラ１２８は通常ワークステーション６８に警告を出し、さらにプロセスパラメータの調整が必要であろうことをオペレータに示す。あるいはまた、コントローラ１２８は、試料電流の理想的な動きからのずれに応答して、（例えば、エッチングステーション１２４のエッチング期間を増加または短縮させる）一定のプロセスパラメータを自動的に調整してもよい。
（角度の付いたＥビームを使用するコンタクトホール測定）
[00128]図１１は、本発明の実施形態に従った、電子ビーム１３０によるコンタクトホール２６の角度付き照射を示す概略断面図である。ビーム１３０の傾斜角は、一次ビーム電子の多数がコントロールホールの底部に衝突しないように好ましく選択される。この条件は、以下の幾何学的条件が満たされる場合に達成可能である。：
α＞ａｒｃｔａｎ（１／ＡＲ）
ここで、αは傾斜角であり、ＡＲはコンタクトホールのアスペクト比（深さ対直径の比）である。

[00129]傾斜角の結果として、一次電子は底部ではなくホール２６の側壁に突き当たる。電子衝撃は低エネルギー（通常５０ｅＶ未満）の二次電子の放出を引き起こす。低エネルギーの二次電子は、ホールの周りのウェーハの表面１３２を負にプリチャージすることによって、ホールから出て行くのではなくホールの底部へと強いられる。コンタクトホールが（底部に残渣を残すことなく）適切にエッチングされれば、低エネルギーの電子流は基板２８を通過することによって、電流計４８によって試料電流として測定される。アンダーエッチングされた誘電体や汚染物３８などの薄い残渣（数十Å厚）がエッチング後に残っている場合、試料電流は、低エネルギーの二次電子の貫通の浅いことによってより低くなる。

[00130]類似の結果が、正常入射における極めて低いエネルギー（好ましくは５０〜５００ｅＶ）の一次電子ビームを使用して達成されてもよい。いずれの場合のより低いエネルギーもホールの底部の表面の相互作用容積を削減することによって、薄い層に対する試料電流の感度を実質的に増大させる。

[00131]対照的に、電子ビーム１３０が高エネルギーで操作し、角度が付けられていない場合、エネルギーの一次電子はホール２６の底部に達する。この場合、相互作用容積はより大きく、従って電子は汚染物３８を簡単に通過する。従って、とりわけ薄い残渣を有するホールを、十分にエッチングされているホールと容易に区別することはできない。従って、電子ビーム１３０に角度を付けることはホール２６内部の電子エネルギー変換を提供し、これはホール底部の非常に薄い残渣に対する試料電流測定の感度を実質的に高める。この方法は、フッ素樹脂残渣、有機フォトレジスト残渣、および極めて薄い酸化、窒化または（対応するストップ層を有する低誘電率の誘電体を含む）他の誘電体残渣を検出する際にとりわけ有用である。これはステーション４０のインラインで実行可能であり、反応イオン（プラズマ）エッチングの閉ループ監視、フォトレジストアッシング、およびウェットポリマークリーニングステップを提供する。

[00132]電子ビーム１３０の傾斜は機械的手段によって、またはビームをコントロールするための電子光学の使用のいずれかのよって、あるいは両技術の組み合わせによって達成されてもよい。Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ社 ＮａｎｏＳＥＭ３ＤなどのＣＤ ＳＥＭシステムはこの種のビーム傾斜能力を提供する。
（バイアス電子を使用する負のプリチャージ）
[00133]上記のとおり、ウェーハ２０の表面１３２を負にプリチャージすることは、コンタクトホールの監視についての試料電流測定において望ましい。一次電子ビーム１３０を使用して酸化層３０の負のプリチャージを誘導するために、（誘電体タイプによっては最大５ｅＶ）の数ＫｅＶのビームエネルギーで作用することが通常必要である。しかしながら、このような高エネルギー電子はウェーハにおけるシリサイド層およびゲート酸化物にダメージを与える可能性があり、これは半導体デバイスの劣化、不具合または歩留まり損失につながることがある。

[00134]図１２は、本発明の実施形態に従った、この問題を緩和するためにバイアス電極５３が使用可能である様子を示す概略絵図である。この図において、電極は、ビーム１３０に対する開口を有するリングとして示されている。あるいはまた、電極５３は例えば微細グリッドを備えていてもよく、または当業者には明らかであるように他の形態で生成されてもよい。たとえ他の目的であっても、この種のバイアスされたフィルタメッシュの使用は欧州特許出願第ＥＰ０８９２２７５Ａ１号に説明されており、この開示は参照として本明細書に組み込まれている。この目的を果たすためにＳＥＭ油浸レンズの底部電極（つまり、ウェーハ２０の隣の電極）を適合させることも可能である。

[00135]電極５３は電源５５によって負にバイアスされる。負バイアスは、ビーム１３０の一次電子エネルギーに実質的に影響を与えることなく、ビーム１３０の入射によって表面１３２から放出される二次電子１３４をはねつける。低エネルギーの二次電子を表面１３２の裏側にはねつけることによって、電極５３は誘電体表面に負の正味帯電を作成する。すなわち、電極５３によって表面を出た全電子の帯電は、一次電子照射による表面によって取得された帯電未満となる。本発明者らは、電極５３上の−５０Ｖバイアスの１ｋｅＶ一次電子ビームを使用することによって表面１３２の十分なプリチャージを提供することを発見した。電極５３は直径約１ｃｍであり、表面１３２から約１．５ｍｍに置かれた。電極は、ビーム１３０が通過する、直径約１ｍｍの中心開口を有していた。このプリチャージ方法は、図１１に示された角度付きビーム照射方法と関連して好都合に使用されてもよい。
（結合光学およびＥビーム励起）
[00136]図１３は、本発明の別の実施形態に従った、ｅビーム１３０と、ライトソース１６０によって生成された光学ビーム１６２とによって同時に照射されるアクティブトランジスタ構造１４０を概略的に示している。本実施形態は、ウェーハ２０上に半導体デバイスを生成する際に使用される機能的コンタクトホールのエッチング品質評定をとりわけ目的としている。

[00137]構造１４０は、ＮＭＯＳトランジスタ１４２とＰＭＯＳトランジスタ１４４とを含む通常のＣＭＯＳ構造である。当業において既知であるように、トランジスタ１４２は、Ｎタイプソース／ドレイン１４８およびゲート１５０を含有するＰウェル１４６に据えられているのに対して、トランジスタ１４４は、Ｐタイプソース／ドレイン１５４およびそのゲート１５０を備えるＮウェル１５２に据えられている。コンタクトホール２６が電子ビーム１３０のみによって照射されると、ＰＭＯＳトランジスタ１４４のＰ−Ｎ−Ｐ構造は、外部バイアスに関係なく発生された試料電流に対して非常に高い抵抗を示す。従って、試料電流に基づいてコンタクトホール２６の品質を正確に測定することは困難になる。

[00138]この問題を解決するために、ライトソース１６０は、通常は目に見える近赤外線または紫外線ライトを備えるビーム１６２で構造１４０を照射する。ビーム１６２の光子エネルギーは、ビームの吸収によって電子／ホール対がトランジスタ１４２および１４４のＰＮ接合内、ならびに基板２８のＰ／Ｎウェルおよびバルクシリコンにおいて発生されるように選択される。例えばシリコンにおいて、ビーム１６２の周波数は通常、バンドギャップ（約１．１２ｅＶ）付近またはこれより高い光子エネルギーを付与するように選択される。光電子の存在はＰＭＯＳトランジスタ１４４の導電率を実質的に増加させ、電子ビーム１３０による照射時の試料電流は容易に測定可能になる。負帯電された誘電体１３０による自然導電率が不十分であれば、光電子はまたＮＭＯＳトランジスタ１４２からの試料電流の測定を高めることができる。

[00139]半導体ウェーハ検査における結合電磁および帯電粒子照射の他の用途は当業者にとって明らかである。例えば、電磁エネルギーがＳＥＭイメージング中に適用されると、回路特徴の対照的な特性が変更されてもよく、これによって、存在しない可能性のある追加画像情報を提供することができる。

[00140]上記に説明された実施形態はとりわけコンタクトホールの監視を目的としているが、本発明の原理はまた、半導体ウェーハ製作プロセスにおける他の特徴寸法（とりわけ限界寸法）の測定および監視などの他の品質コントロールタスクに適用されてもよい。本発明の方法は、このような特徴の幅と、特徴をなす層の厚さとの両方を示している。これらの方法は、上述の実施形態における金属堆積前だけでなく、コンタクト、接続および切断用の金属ライン、ショートおよび他の欠陥を検査するための金属堆積後の使用にも適合可能である。

[00141]上記の実施形態は一例として引用されて、また本発明は上記に特に示され説明されたものに限定されないことが認識されるであろう。むしろ、本発明の範囲は上記の種々の特徴の組み合わせおよびサブ組み合わせの両方、ならびに上記の説明を読めば当業者に分かり、かつ従来の技術では開示されていない変更および修正を含む。

本発明の実施形態に従った、コンタクトホールのアレイを備えるテストパターンがその中に形成されている半導体ウェーハの概略上面図である。 本発明の実施形態に従った、コンタクトホールの低密度および高密度アレイを備える別のテストパターンの概略上面図である。 本発明の実施形態に従った、異なる直径および密度のコンタクトホールのアレイを備えるさらなるテストパターンの概略上面図である。 異なるプロセス条件下でウェーハにエッチングされたコンタクトホールを示す、半導体ウェーハのエリアの概略断面図である。 異なるプロセス条件下でウェーハにエッチングされたコンタクトホールを示す、半導体ウェーハのエリアの概略断面図である。 異なるプロセス条件下でウェーハにエッチングされたコンタクトホールを示す、半導体ウェーハのエリアの概略断面図である。 異なるプロセス条件下でウェーハにエッチングされたコンタクトホールを示す、半導体ウェーハのエリアの概略断面図である。 異なるプロセス条件下でウェーハにエッチングされたコンタクトホールを示す、半導体ウェーハのエリアの概略断面図である。 本発明の実施形態に従った、コンタクトホールの生成をテストするための装置を概略的に示すブロック図である。 本発明の実施形態に従った、試料電流の定期測定を示す、テスト中の半導体ウェーハの概略断面詳細図である。 本発明の実施形態に従った、半導体ウェーハを照射するＡＣ電子ビームと、該照射の結果として測定された試料電流の波形を示す概略プロットである。 ラインIV‐IVに沿った図１のテストパターンにおけるコンタクトホールのアレイの概略断面図である。 図４に示されたコンタクトホールのアレイに対するホールサイズの関数としての試料電流の概略プロットである。 本発明の実施形態に従った、サンプルの表面上のコンタクトホール位置の関数として測定された試料電流の概略プロットである。 本発明の実施形態に従った、サンプルの表面上のコンタクトホール位置の関数として測定された試料電流の概略プロットである。 本発明の実施形態に従った、サンプルの表面上のコンタクトホール位置の関数として測定された試料電流の概略プロットである。 本発明の実施形態に従った、コンタクトホールの監視で使用された較正閾値を示す、サンプルの表面上のコンタクトホール位置の関数として測定された試料電流の概略プロットである。 本発明の実施形態に従った、コンタクトホールの監視で使用された較正閾値を示す、サンプルの表面上のコンタクトホール位置の関数として測定された試料電流の概略プロットである。 本発明の実施形態に従った、コンタクトホールのテストステーションを含むクラスターツールの概略上面図である。 本発明の実施形態に従った、電子ビームが非名目角度で入射するコンタクトホールの概略断面図である。 本発明の実施形態に従った、サンプルの表面をプリチャージする電子ビームと関連して使用されたバイアス電極の概略絵図である。 本発明の実施形態に従った、電子および光ビームによるサンプルの同時照射と、その結果として得られる試料電流の測定とを示す概略断面図である。

符号の説明

２０…半導体ウェーハ、２１…ロードロック、２２…テストパターン、２４…スクライブライン、２６…コンタクトホール、２８…基板層、３０…誘電体、３８…汚染物、４０…ステーション、４２…チャンバ、４４…運動ステージ、４８…電流計、４９…二次電子検出器、５０…コントローラ、５２…ガンコントロールユニット、５３…バイアス電極、５４…ステージコントロールユニット、５６…低解像度光学顕微鏡、５８…ＯＭ／ＰＡＬコントロールユニット、５９…ビームブランキングアセンブリ、６０…真空ポンプ、６１…電子ビーム、６３…誘電体層、６４…ロボット、６５…ＡＣ電流計、６６…ロボットコントロールユニット、６７…上部試料電流曲線、６８…ユーザワークステーション、６９…下部試料電流曲線、７０…名目ホール、７２…フォトレジスト層、７４…エッチングステーション、８０…上部曲線、８２…下部曲線、９０…第１の曲線、９２…閾値、９４…第２の曲線、１０３、１０４、１０５、１０６…プロット、１２０…クラスターツール、１２２…クリーニングステーション、１２４…エッチングステーション、１２６…プラズマアッシングステーション、１２８…コントローラ、１３０…電子ビーム、１３４…二次電子、１４２…ＮＭＯＳトランジスタ、１４４…ＰＭＯＳトランジスタ、１４６…Ｐウェル、１４８…Ｎタイプソース／ドレイン、１５０…ゲート、１５２…Ｎウェル、１５４…Ｐタイプソース／ドレイン、１６０…ライトソース、１６２…光学ビーム。

Claims (8)

1. エッチングプロセスによる第２の層におけるコンタクト開口の生成に続いて、少なくとも部分的に導電性の第１の層と、前記第１の層の上に形成された前記第２の層とを有するサンプルを受け取るステップであって、前記コンタクト開口が異なるそれぞれの横方向寸法を有する複数のテスト開口を備えるステップと、
   前記テスト開口のそれぞれを照射するために帯電粒子ビームを向けるステップと、
   前記ビームに応答して、前記第１の層を流れる試料電流と、前記サンプルの表面から放出された電子の全歩留まりの少なくとも一方を測定するステップと、
   前記エッチングプロセスの特徴が、補正動作を必要とするかを評定するために、コンタクトホールの断面図を用いて判断された許容可能な前記コンタクトホールに対応する試料電流の測定を通して確立された基準と測定された前記試料電流とを比較することによって前記測定を分析するステップと、
   を備えるプロセス監視のための方法。
2. 前記測定を分析するステップが、前記テスト開口の底部の誘電体層の残渣厚と前記横方向寸法の基準値とを比較する工程を備える、請求項１に記載の方法。
3. 前記テスト開口が、第１の横方向寸法を有する第１の開口と、前記第１の横方向寸法未満の第２の横方向寸法を有する少なくとも１つの第２の開口とを備えており、前記方法がさらに、前記第１の開口が前記第１の層に達するほど十分深いのに対して前記少なくとも１つの第２の開口が前記第１の開口の達するほどは深くないように、前記測定に応答して前記エッチングプロセスをコントロールするステップを備える、請求項２に記載の方法。
4. 前記テスト開口がさらに、前記第１および第２の横方向寸法の中間の第３の横方向寸法を有する第３の開口を備えており、また前記測定を分析するステップが、前記測定が前記第３の開口が前記第１の層に達するほど深くないことを示す場合に、潜在的なプロセス欠陥を検出する工程を備える、請求項３に記載の方法。
5. 少なくとも部分的に導電性の第１の層と、前記第１の層の上に形成された第２の層とを有するサンプルをエッチングするための装置であって、コンタクト開口がエッチングプロセスによって前記第２の層において作成され、前記コンタクト開口が異なるそれぞれの横方向寸法を有する複数のテスト開口を含む装置において、
   テストステーションであって、
   前記テスト開口を照射するために帯電粒子ビームを向けるように適合された粒子ビームソースと、
   前記ビームに応答して、前記第１の層を流れる試料電流と、前記サンプルの表面から放出された電子の全歩留まりの少なくとも一方を測定するように結合された電流測定デバイスとを備えるテストステーションと、
   前記エッチングプロセスの特徴が、補正動作を必要とするかを決定するために、コンタクトホールの断面図を用いて判断された許容可能な前記コンタクトホールに対応する試料電流の測定を通して確立された基準と前記試料電流とを比較することによって前記測定を分析するように適合されたコントローラと、
   を備える装置。
6. 前記コントローラが、前記テスト開口の底部の誘電体層の残渣厚と前記横方向寸法の基準値とを比較するように適合されている、請求項５に記載の装置。
7. 前記テスト開口が、第１の横方向寸法を有する第１の開口と、前記第１の横方向寸法未満の第２の横方向寸法を有する少なくとも１つの第２の開口とを備えており、
   前記コントローラが、前記第１の開口が前記第１の層に達するほど十分深いのに対して、前記少なくとも１つの第２の開口が前記第１の層に達するほど深くはないように、前記測定に応答して前記エッチングプロセスをコントロールするように適合されている、請求項６に記載の装置。
8. 前記テスト開口がさらに、前記第１および第２の横方向寸法の中間の第３の横方向寸法を有する第３の開口を備えており、前記コントローラが、前記測定が前記第３の開口が前記第１の層に達するほど深くないことを示す場合に潜在的なプロセス欠陥を検出するように適合されている、請求項７に記載の装置。

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