JP5694626B2 - 構造の３次元粗さを測定する方法 - Google Patents

Description

本発明は、荷電粒子ビーム処理に関し、具体的には、構造について３次元粗さを決定する方法に関する。

集積回路の製造など、半導体の製造は、通常、フォトリソグラフィの使用を必要とする。通常はシリコン・ウェハである、回路が上に形成される半導体基板は、放射に暴露されるとき可溶性が変化するフォトレジストなどの材料でコーティングされる。放射源と半導体基板との間に配置されるマスクまたはレチクルなどのリソグラフィ・ツールが、基板のどの領域が放射に暴露されるかを制御するために投影する。暴露後、フォトレジストは、暴露領域または非暴露領域から除去され、その後のエッチングまたは拡散のプロセス中にウェハの一部を保護するフォトレジストのパターニング層をウェハの上に残す。

フォトリソグラフィ・プロセスが、しばしば「チップ」と呼ばれる複数の集積回路デバイスまたは電気機械デバイスを、各ウェハの上に構成することを可能とする。次いで、ウェハは、それぞれが単一の集積回路デバイスまたは電気機械デバイスを含む個々のダイに切断される。最終的には、これらのダイは、更に処理されて、個々の集積回路チップまたは電気機械デバイスに実装される。

製造プロセス中、暴露および焦点の変化は、パターンの寸法が許容可能な範囲内にあるかを判定するために、リソグラフィ・プロセスによって展開されたパターンが、連続的に監視または測定されることを必要とする。しばしばプロセス制御と呼ばれるそのような監視の重要性は、パターンのサイズがより小さくなり、特に最小フィーチャ（特徴、feature）サイズがリソグラフィ・プロセスによって利用可能な分解能の限界に近づくにつれ、
大幅に増大している。さらにより高いデバイス密度を達成するために、さらにより小さいフィーチャサイズが必要である。これは、相互接続線の幅および間隔、コンタクトホールの間隔および直径、ならびに様々なフィーチャのコーナおよび縁などの幾何学的形状を含むことが可能である。ウェハの上のフィーチャは３次元構造であり、完全な特徴付けが、線またはトレンチの上部幅などの表面の寸法だけでなく、フィーチャの完全な３次元プロファイルを記述しなければならない。プロセスのエンジニアは、製造プロセスを微細調整し、望ましいデバイス幾何学的形状が得られることを保証するために、そのようなフィーチャの限界寸法（ＣＤ）を精確に測定することができなければならない。

その結果、フィーチャの３次元粗さの慎重な監視が、ますます重要になっている。デザイン・ルールが小さくなるにつれ、処理における誤差の許容範囲は、より小さくなる。設計寸法からの小さい逸脱でさえ、完成半導体デバイスの性能に悪影響を与える可能性がある。トレンチの下部に沿った粗さまたは線の側壁の上の粗さなど、より大きなフィーチャについては無視することができるプロファイルの粗さなどの特性のために、大量の許容度のたくわえが現在消費されている。

本出願では、プロファイルの粗さという表現は、線縁粗さ（ＬＥＲ）と呼ばれるフィーチャの１つの縁の上における粗さ、および線幅粗さ（ＬＷＲ）と呼ばれるフィーチャ全体の粗さの両方を含む。「線縁粗さ」および「縁粗さ」という用語は、しばしば、単なる線以外の構造の粗さ特性を表すために使用されることを理解されたい。例えば、バイアまたは穴などの２次元構造の粗さ特性も、線縁粗さまたは縁粗さとしてしばしば表される。本出願の以下の記述では、「線縁粗さ」および「縁粗さ」という用語は、この広範な意味においても使用される。

プロファイルの粗さを測定するいくつかの異なる方法が、当技術分野において知られている。表面粗さを迅速に決定するために、光学プロフィロメトリまたはスキャタロメトリなどの様々な光学的方法を使用することができる。しかし、光学的方法の分解能は限定され、通常は０．５ミクロンより大きく、そのような方法は、表面のトポグラフィを直接測定しない。

走査プローブ顕微鏡などの機械プロファイラは、表面粗さの非常に詳細な３次元測定を生成するために使用することができる。しかし、機械プロファイラは、通常、非常に緩慢である。分解能は、プローブまたはスタイラスのサイズによって限定され、非常に小さいプローブは、製造が困難で、非常に脆弱である。また、任意のタイプのスタイラス・プロフィロメータを使用して、高アスペクト比またはアンダーカット表面を有するフィーチャを測定するのは、非常に困難である。

ＬＥＲおよびＬＷＲなど、いくつかのタイプのプロファイルの粗さは、電子ビーム技法を使用して監視することができる。走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）は、最良の光学顕微鏡によって達成することができるより大きな拡大倍率および高い分解能の像を生成することを見込む。ＳＥＭは、電子の微細集束ビームを生成し、このビームは、通常はラスタ・パターンにおいて、加工品の表面にわたって走査される。電子ビームを構成する電子は、１次電子と呼ばれる。電子ビームが加工品の表面に向けられるとき、１次電子は、加工品に存在する原子核の回りの軌道の電子と衝突して、２次電子を放出させる。１次電子のいくつかは、加工品の表面から反射もされる。これらのより高いエネルギーの電子（＞５０ｅＶ）は、後方散乱電子と呼ばれる。両方のタイプの電子は、適切な検出器を試料（specimen）の付近に挿入することによって、検出することができる。検出器は、可変電圧出力を生成する。検出器が検出する２次電子または後方散乱電子が多くなると、生成される電圧は高くなる。

通常、構造の幅を測定するために、ＳＥＭは、自動メトロロジ（度量衡、metrology）・ソフトウエアと共に使用される。２次検出または後方散乱検出が使用されるかに関係なく、電子ビームが暴露断面にわたって走査される際、通常、構造の縁において電子の強度が変化する。この変化は、トポグラフィの変化または２つの異なる材料間の移行のためとすることができる。構造の縁におけるコントラストに基づいて縁の位置を割り当て、それらの縁間の距離を決定するために、アルゴリズムが使用される。

しかし、ＳＥＭのみでは、上から下にのみフィーチャを見ることができる。全体的な粗さを測定することができるが、粗さがフィーチャの下部または上部にあるかを判定することは非常に難しい。さらに、上記で議論された光学方法および機械方法などのＳＥＭは、表面のフィーチャを測定するためのみ使用することができる。埋め込まれているフィーチャ、または他の材料によって囲まれているフィーチャのプロファイルの粗さは、これらの方法を使用して測定することはできない。

走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）と共に、集束イオン・ビーム・システム（ＦＩＢ）などの荷電粒子ビーム・システムを使用することによって、フィーチャプロファイルのより精確な情報を獲得し、埋め込まれているフィーチャを測定することが可能である。ＦＩＢシステムは、非常に小さい構造を優れた精度で撮像、エッチング、ミリング、付着、および分析する能力のために、顕微的規模の製造動作において広く使用されている。ＦＩＢシステムは、陰極線管と同様のラスタ方式において加工品の表面にわたって通常走査される荷電粒子の狭い集束ビーム（これ以後イオンと呼ばれる）を生成する。最も商用的なＦＩＢシステムでは、使用されるイオンは、液体金属イオン源から抽出された正に帯電したガリウム・イオン（Ｇａ⁺）である。抽出されたイオンは、一連のアパーチャおよび静電レンズによって加速され、視準されて、加工品の上に集束される。イオン・ビームは、材料を加工品の表面から除去するために、または材料を表面の上に付着させるために使用することができる。しばしばミリングと呼ばれる材料除去に使用されるとき、集束イオン・ビームの重いガリウム・イオンは、スパッタリングによって、すなわち入ってくるイオンから表面の原子に運動量を伝達することによって、原子または分子を表面から物理的に放出する。

ＦＩＢシステムは、フィーチャのプロファイルを精確に測定することができるように、フィーチャの断面を暴露させるために使用することができる。断面が暴露された後、走査電子顕微鏡を使用して、フィーチャのプロファイルを測定することができる。しかし、この測定は、依然として１つの特定の点における２次元のみの測定である。３次元測定は、定常波または傾斜変化などの寸法の変化の存在を理解し、パターンの転写、付着、または平坦化など、粗さの増大に寄与する因子のすべてを適切に制御することを必要とする。

したがって、半導体のフィーチャの３次元粗さを測定する改良された方法が依然として必要である。

したがって、本発明の目的は、構造の３次元粗さを測定する改良された方法を提供することである。

以下の本発明の詳細な記述がよりよく理解されることが可能であるように、以上は、本発明の特徴および技術上の利点をかなり広範に概述した。本発明の追加の特徴および利点が、以下において記述される。当業者なら、開示される概念および特定の実施形態は、本発明の同じ目的を実施する他の構造を修正または設計する基盤として容易に使用されることが可能であることを理解されたい。また、当業者なら、そのような等価な構造は、添付の請求項において述べられる本発明の精神および範囲から逸脱しないことも理解されたい。

本発明およびその利点をより完全に理解するために、ここで、添付の図面と関連して取り入れられる以下の記述を参照する。

本発明の好ましい実施形態は、構造またはフィーチャの３次元粗さを測定する方法および装置を対象とする。本発明の１つの好ましい実施形態では、測定されるサンプルは、２重ビームＦＩＢ−ＳＥＭに装備される。ＦＩＢは、事前に選択された測定距離にわたって事前に選択された間隔において対象フィーチャの断面または「スライス」の連続をミリングするために使用される。各断面が暴露される際、ＳＥＭは、フィーチャの該当寸法を測定するために使用される。次いで、これらの連続「スライス」からのデータは、フィーチャについて３次元粗さを決定するために使用される。

以下の記述の多くは、構造の幅の測定を対象とするが、本発明の方法は、高さ、傾斜、側壁の角度などを含めて、任意の該当する寸法に等しく適用可能である。さらに、以下の記述の多くは、断面をミリングするために集束イオン・ビームを使用し、断面を撮像および測定するために電子ビームを使用することも対象とするが、本発明の方法は、他のタイプの荷電ビーム・システム、電子ビーム・ミリング、または光学処理を含めて、他のミリングおよび撮像技法と共に同様に使用することができる。したがって、本発明の範囲は、本明細書において議論される特定の実施形態に限定されるべきではない。

図１Ａおよび１Ｂは、各線の側壁および上部の上の縁粗さを示す線１０１および１０２の断面の概略図である。線１０１および１０２は、絶縁材料１０４によって囲まれる。破線１０６は、各線の理想的な断面を示す。図１Ａにおいて、線１０１は、右側壁の上部に向かう顕著な粗さ１０８を示す。図１Ｂにおいて、線１０２は、右側壁の下部に向かう顕著な粗さ１１０を示す。線縁粗さを決定するために従来の技術のＣＤ−ＳＥＭを使用するときのように、線１０１および１０２を上から下に見る場合、線１０１および１０２は、非常に類似しているように見える。線縁の正確な３次元変化を精確に理解することは、変化の源を決定および補正するのを補助することができる。

図１Ｃおよび１Ｄは、２つの異なるタイプの線縁粗さを示す線縁の概略図である。図１Ｃは、線１０３の左縁１２０が右縁１２２の上の粗さと相関する場合の線縁粗さを示す。すなわち、線１０２の幅は一定であるが、線自体は波状である。その結果、位置１３０における全体的なＣＤ（線の幅）は、位置１３１におけるＣＤと同じである。図１Ｄは、線１０４の右縁１２６および左縁１２４が同期しているが、図１Ｃとは反対の方向に揺らぐ場合の線縁粗さを示す。したがって、図１Ｄでは、１４０における線ＣＤは、１４１におけるＣＤとは大きく異なる。他のタイプの線縁粗さが存在し、例えば、右縁および左縁は、相関がないように、独立して揺らぐことが可能である。

図２は、本発明の一態様を実施するために使用される通常の２重ビームＦＩＢ／ＳＥＭシステム２０を示す。図２を参照すると、本発明の一実施形態は、２重ビームＦＩＢ／ＳＥＭシステム２０を使用し、これは、加工品の表面に対して垂直である、または数度傾斜しているイオン・ビーム、およびイオン・ビームの軸から５２度などにやはり傾斜している軸を有する電子ビームを使用する。いくつかの実施形態では、イオン・ビームおよび電子ビームは、両方のビームの視野が数ミクロン以内において合致するように位置合わせすることができる。イオン・ビームは、通常、加工品を撮像および機械加工するために使用され、電子ビームは、撮像に主に使用されるが、加工品のある修正に使用することもできる。電子ビームは、通常、イオン・ビーム像より高い分解能の像を生成し、イオン・ビームのようには、被検表面を損傷しない。２つのビームによって形成される像は、異なるように見えることがあり、したがって、２つのビームは、単一ビームより多くの情報を提供することができる。そのような２重ビーム・システムは、離散構成要素から作成することができ、または代替として、ＦＥＩカンパニ（ＦＥＩ Ｃｏｍｐａｎｙ）［オレゴン州ヒルズバラ在］から入手可能なＡｌｔｕｒａ（登録商標）またはＥｘｐｉｄａ（登録商標）システムなどの従来のデバイスから導出することができる。

集束イオン・ビーム・システム２００は、上部ネック部分２１２を有する排気エンベロープ２１１を含み、上部ネック部分２１２の内部には、抽出装置電極および静電光学システムを含めて、イオン源２１４および集束カラム２１６が配置される。イオン・ビーム２１８が、イオン源２１４からカラム２１６を経て、２２０において概略的に示される静電偏向手段の間をサンプル２２２に向かって進行する。サンプル２２２は、例えば下方室２２６内の可動Ｘ−Ｙステージ２２４の上に配置された半導体デバイスを含む。イオン・ポンプ２２８が、ネック部分２１２を排気するために使用される。室２２６は、真空制御装置２３２の制御下において、ターボ分子および機械ポンピング・システム２３０で排気される。真空システムは、室２２６内において、約１×１０^-7トールと５×１０^-4トールとの間の真空を提供する。エッチング補助剤、エッチング抑制気体、または付着前駆物質気体が使用される場合、室の背景圧力は、通常約１×１０^-5トールまで上昇する可能性がある。

高電圧電源２３４が、イオン・ビーム２１８を形成して、イオン・ビーム２１８を下方に向けるために、イオン源２１４および集束カラム２１６の適切な電極に接続される。パターン生成装置２３８によって提供される規定パターンに従って動作する偏向制御装置および増幅器２３６が、偏向プレート２２０に結合され、それにより、ビーム２１８は、サンプル２２２の上面上において対応するパターンを追跡するように制御することが可能である。いくつかのシステムでは、偏向プレートは、当技術分野において周知であるように、最後のレンズの前に配置される。

イオン源２１４は、ガリウムの金属イオン・ビームを通常提供するが、マルチカスプまたは他のプラズマ・イオン源などの他のイオン源を使用することができる。イオン源２１４は、通常、イオン・ミリング、改良エッチング、材料付着によってサンプル２２２を修正するために、またはサンプル２２２を撮像するために、サンプル２２２において１０分の１ミクロン以下の幅のビームに集束させることができる。撮像のための２次イオンまたは電子放出を検出するために使用される荷電粒子倍率器２４０が、増幅器２４２に接続される。増幅された信号は、信号プロセッサ・ユニット２４３によってデジタル信号に変換され、信号処理を受ける。処理後のデジタル信号は、加工品２２２の像をモニタ２４４に表示する。

電源および制御ユニット２４５と共に、走査電子顕微鏡２４１も、ＦＩＢシステム２００を備える。電子ビーム２５０が、カソード２５２とアノード２５４との間に電圧を印加することによってカソード２５２から放出される。電子ビーム２５０は、凝縮レンズ２５６および対物レンズ２５８によって微小スポットに集束される。電子ビーム２５０は、偏向コイル２６０によって試料の上において２次元に走査される。凝縮レンズ２５６、対物レンズ２５８、および偏向コイル２６０の動作は、電源および制御ユニット２４５によって制御される。

電子ビーム２５０は、下方室２２６内の可動Ｘ−Ｙステージの上にある加工品２２２の上に集束させることができる。走査電子顕微鏡２４１は、微細に集束された電子ビーム２５０を生成し、このビーム２５０は、好ましくはラスタ・パターンにおいて、構造の表面にわたって走査される。電子ビーム２５０の電子が加工品２２２の表面に衝突するとき、２次電子および後方散乱電子が放出される。それぞれ、これらの電子は、２次電子検出器２４０または後方散乱電子検出器２６２によって検出される。２次電子検出器２４０または後方散乱電子検出器２６２によって生成されるアナログ信号は、増幅器２４２によって増幅され、信号プロセッサ・ユニット２４３によってデジタル輝度値に変換される。結果的なデジタル信号は、加工品２２２の像としてモニタ２４４に表示することができる。

電子ビーム２５０が暴露断面にわたって走査される際、放出された電子の強度は、構造の縁において変化する。構造の縁の両方における輝度値の差またはコントラストに基づいて縁位置を割り当てるために、そしてそれらの縁間の距離を決定するために、アルゴリズムが使用される。通常のシステムは、３０から３００ｐＡの電子ビーム電流、１ｋｅＶのビーム・エネルギー、および２０００Ａ／ｃｍ²の電子ビーム電流密度を使用することが可能である。通常のシステムは、２から５ｎｍの電子ビーム・スポット・サイズ、約０．５から５秒のリフレッシュ期間、および０．５から５．０ミクロンの走査場の幅を使用することも可能である。再び、当業者なら、特定の応用分野に適切であるように適切なビーム特性を容易に決定することができる。

気体射出システム２４６が、気体蒸気を導入して、サンプル２２２に向けるために、下方室２２６の中に延びる。本発明の譲受人に譲渡されている「Ｇａｓ Ｄｅｌｉｖｅｒｙ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｆｏｒ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｂｅａｍ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ」という名称のＣａｓｅｌｌａらの米国特許第５８５１４１３号が、適切な流体射出システム２４６を記載している。他の気体射出システムが、やはり本発明の譲受人に譲渡されている「Ｇａｓ Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ」という名称のＲａｓｍｕｓｓｅｎの米国特許第５４３５８５０号において記載されている。

ドア２７０が、加熱または冷却することが可能であるステージ２２４の上にサンプル２２２を挿入し、また内部気体供給リザーバが使用される場合に内部気体供給リザーバの使用を補助するために開かれる。ドアは、システムが真空下にある場合に開くことができないようにインタロックされる。高電圧電源は、集束イオン・ビーム２１８に給電して集束させるために、イオン・ビーム・カラム２１６の電極に適切な加速電圧を提供する。２重ビームＦＩＢ／ＳＥＭシステムは、例えば、本出願の譲受人であるＦＥＩカンパニ［オレゴン州ヒルズボロ在］から市販されている。

図３は、本発明の１つの好ましい実施形態による３次元粗さを測定するステップを示すフローチャートである。

ステップ３０２において、加工品は、ＦＩＢ／ＳＥＭステージの上に加工品を取り付けることによって、図２に示されるようなＦＩＢ／ＳＥＭシステムの中に装備される。加工品は、手作業で、または例えば自動ハンドラ・システムによって自動的に装備することができる。

ステップ３０４において、加工品は位置合わせされる。この位置合わせは、例えば光学顕微鏡を使用するオペレータによって手作業で、または、例えば適切な配向を決定するために加工品のノッチまたは平坦縁を配置する自動ハンドラ・ロボットを使用することによって自動的に達成することもできる。

ステップ３０６において、ステージは、対象フィーチャが、荷電粒子ビームによって走査される対象領域（視野）内にあるように配置される。この配置は、例えば、配置座標を記憶および使用することによって達成することができる。

随意選択のステップ３０７において、ミリング・プロセス中に対象フィーチャを保護するために、保護層を加工品の上に付着させることができる。ＦＩＢスパッタ・ミリングは、小さい構造に対して著しい損傷を生じることがあるので、構造の表面は、ミリングが開始される前に、しばしばタングステンなどの材料の保護層でコーティングされる。そのような層は、イオン・ビームが存在する状態で分解して、材料を表面の上に付着させる気体を使用して付着させることができる。このプロセスは、ＦＩＢ誘起化学蒸着（ＣＶＤ）と一般に呼ばれる。通常、タングステン・ヘキサカルボニル気体などの前駆物質気体は、一般にイオン・ビームの位置の付近に挿入される微細針を介して、加工品の表面の上に向けられる。気体は、イオン・ビームが表面に当たるときに生成される低エネルギー電子によって、揮発性成分および不揮発性成分に分解される。不揮発性成分は、この場合は保護タングステン・コーティングであり、表面の上に付着し、一方、揮発性成分は、ポンピングにより除去される。

ステップ３０８において、加工品は、対象フィーチャを特定するために、ＦＩＢで撮像される。ステップ３０９において、ＦＩＢ撮像は、イオン・ビームの標準点または基準点として作用するのに適切な固有のフィーチャが視野内に存在するかを判定するために使用される。システムのドリフトなどの因子が、イオン・ビームの配置をナノメートル規模においていくらか変動させる。標準（標準マーク）により、独立した基準がミリングされた各断面の精確なｘ−ｙ座標を決定することが可能になる。適切な標準は、一貫して識別することができる視野内にある固有のフィーチャであるべきである。好ましい標準により、ｘ方向およびｙ方向の両方においてビームの位置を正確に示すことも可能になる。例えば、１つの適切な標準は、２つの線の交点（十字形標準）とすることが可能である。交点は、ＦＩＢ撮像によって容易に識別することができ、位置データは、各断面のその後の配置について基準点として使用することができる。適切な標準は、粗さが決定される各フィーチャ表面に平行な軸を有することが好ましい。

適切な構造が加工品の表面上に存在しない場合、ステップ３１０において、視野内にあるが、対象フィーチャから離れている位置において、好ましくはフィーチャが断面化されるときに損傷されない位置において、標準マークをミリングすることができる。標準が表面の中へとミリングされる場合、任意の保護層が付着された後に創出されることが好ましい。標準は、例えば集束イオン・ビーム・スパッタリング、気体補助エッチング、または電子ビーム誘起気体補助エッチングを含めて、任意の適切な方法を使用してミリングすることが可能である。標準は、一貫して識別および特定することができるように、容易に区別可能な形状で作成することができる。標準は、標準の配向をその後の検査の際に決定することができるように、回転対称ではないことが好ましい。以下においてより詳細に議論される図４Ａは、この場合はトレンチ４０２である対象フィーチャの隣にあるミリングされた標準４０４を示す。

ステップ３１１において、標準は、イオン・ビームによって撮像される。標準のＦＩＢ撮像中、ＦＩＢ下において対象フィーチャを損傷することを防止するために、部分走査が使用されることが可能である。次いで、標準の位置データは、イオン・ビームを各望ましい断面位置にその後配置するための基準点として使用される。

ステップ３１２において、イオン・ビームは、標準に対して既知の位置にある対象フィーチャに向けられ、任意の保護層およびフィーチャ自体を経てミリングすることによってフィーチャの断面を暴露させるために使用される。通常、対象フィーチャは、必要なミリング深度を容易に決定することができるように既知の構造を有する。断面を暴露させるために、イオン・ビームは、望ましい断面に平行である幅、および望ましい断面に垂直である高さを有する仮想ミル・ボックス内において走査されることが好ましい。イオン・ビームが向けられる対象表面の上に矩形領域を画定するために仮想ミル・ボックスを使用することは、当技術分野では周知である。ミル・ボックスの幅は、測定されるフィーチャの幅より大きいことが好ましい。ミル・ボックスの幅は、ミリング深度の１．５倍であることがより好ましい。当初の断面については、ミル・ボックスの高さは、ミリング深度の約１．５倍であることが好ましい。これにより、傾斜ＳＥＭカラムからのビームが断面を走査することが可能になる（代替として、サンプルは、垂直ＳＥＭカラムを使用することができるように傾斜させることができる）。

断面は、例えばｘ軸に沿って、ｙ軸に沿って、または指定の角度において、切断することが可能である。導電線などのフィーチャについて、断面は、通常、横方向（フィーチャの縦軸に垂直）である。断面は、特徴付けられる表面に垂直であることが好ましい。

断面が暴露された後、ステップ３１４において、標準および暴露断面を撮像するために、走査電子顕微鏡が使用される。標準および暴露断面の両方とも、ＳＥＭの視野内にあることが好ましい。ＳＥＭ像は、任意の望ましいフォーマット（例えば、ＪＰＥＧ）で記憶することができる。

ＳＥＭ像から、対象の構造の２つの縁の位置を決定するアルゴリズムを使用することにより、断面のＳＥＭ像からフィーチャの縁位置および寸法を決定することができる。例えば、フィーチャの幅を決定するために、アルゴリズムは、構造の縁におけるコントラストに基づいて縁の位置を割り当て、それらの縁間の距離を決定するために使用される。

同様の方式において、標準の少なくとも１つの軸の位置が決定される。軸は、例えば、少なくとも２つのほぼ平行な標準表面（トレンチの対向壁など）について縁位置を決定し、２つの縁間の中間点において線または軸を画定することによって、特定することができる。いくつかの実施形態では、適切な標準は、少なくとも２つの標準軸を有し、それぞれ、粗さが決定されるフィーチャ表面にほぼ平行である。

ステップ３１６において、標準は、ビームが適切に位置合わせされ、次の断面の位置を精確に決定できることを保証するために、イオン・ビームによって再び撮像される。ステップ３１８において、イオン・ビームは、イオン・ビームが以前のミリング位置からわずかに移動した状態で（通常は縦方向において）、対象フィーチャに再び向けられる。ステップ３１９において、ＦＩＢは、新しい位置において断面を暴露させるために使用される。その後の断面（初期断面の後）を暴露させるために使用されるミル・ボックスは、当初のミル・ボックスより小さくすることができる。幅は、通常は依然として同じであるが、ミル・ボックスの高さは、ミル深度の１．５倍より小さくすることができる。ミル・ボックスの高さは、連続する断面間の望ましい距離によって決定される。新しい断面が暴露された後、ステップ３２０において、断面および標準を撮像するために、走査電子顕微鏡が再び使用される。ステップ３１６から３２０は、すべての望ましい断面がＳＥＭでミリングされて撮像されるまで、繰り返される。

このようにして、フィーチャが段階的に「スライス」されるので、ＳＥＭ像のシーケンスが得られる。当業者なら、各「スライス」間の距離の選択は、粗さの決定に必要な精度と、ミリングおよび撮像のプロセスを完了するのに必要な時間との兼ね合いを含むことを理解するであろう。走査が共により接近する場合、さらなる精度が達成されるが、スライス間のステップ・サイズが小さくなると、サンプル処理を完了するのに必要な時間が長くなる。より精確な結果のために、最小の予期される粗さ周波数より小さいステップ・サイズが選択されるべきである。通常、各連続スライスのステップ・サイズは、２０ｎｍより小さく、約１０ｎｍであることが好ましい。当業者なら、プロセスの展開のために、粗さのより精確な特徴付けが必要であることを理解するであろう。その結果、プロセスの展開の応用分野では、小さいステップ・サイズがより適切である。しかし、プロセスの監視については、より大きな領域にわたって数スライスが十分である可能性がある。フィーチャは、通常、１μｍから２μｍの長さにわたってサンプリングされるが、より大きいまたはより小さい距離を使用することができる。

スライスおよび撮像が、フィーチャの望ましい長さについて完了した後、ステップ３２２において、ＳＥＭ像は、各データ点間の距離および標準の適切な軸を測定することによって、各断面像の上の各指定データ点の位置を計算するために使用される。

ステップ３２４において、ＳＥＭ像は、各断面上において任意の望ましい限界寸法（ＣＤ）を測定するために使用される。最後に、ステップ３２６において、すべての断面のＣＤおよび／または位置データは、各望ましい表面について統計的粗さの値を計算するために、組み合わされて使用される。粗さが許容可能な限界内にあるかをより迅速に判定するために、２乗平均の粗さ、ピークから谷の高さ、ピーク間の粗さ、フーリエの方法によって決定される空間周波数、または粗さの配向を含むフィーチャ表面を特徴付ける目的で、データを使用して、いくつかの既知の粗さパラメータのいずれかを生成することができる。各像の寸法は、容積、最大幅、最大深度、テーパ角度など、単一像からは入手できない３次元情報を決定するように組み合わせることもできる。次いで、望ましくないＬＥＲおよび／または線幅の変化を軽減するために、定量化された特性を使用して、関連するリソグラフィ・プロセスを精巧にすることが可能である。フィーチャの表面テキスチャの完成３次元プロファイルも生成することができ、これは、しばしば領域粗さと呼ばれる。

当業者なら、図３に示されるプロセス・ステップのいくつかは、同時にならびに順次実施することができることを理解するであろう。例えば、ＳＥＭ像は、断面のすべてがミリングおよび撮像された後ではなく、各像が取り込まれる際に、寸法および粗さを計算するために使用することができる。

本発明による３次元粗さを測定する方法の全体的なスループットは、通常、第１断面を暴露および測定するために５から７分、次いでその後の各スライスについて１から１．５分である。断面あたりのスライスの数およびデータ点の数など、収集されたデータの量に応じて、データを処理し、望ましい粗さパラメータを計算するために、さらに時間が必要になる可能性がある。

図４Ａおよび４Ｂは、本発明による標準に対してどのようにデータ点が測定されるかを示す。図４Ａは、視野内にあるが、対象フィーチャから離れている位置においてミリングされた標準４０４を有するトレンチ４０２の上から下へのＦＩＢ像を示す。図４Ｂは、線４１０に沿ってミリングされたトレンチ４０２の断面のＳＥＭ像を示す。４ＢのＳＥＭ像は、当技術分野において周知であるように、自動メトロロジ・ソフトウエアを使用して分析することができる。トレンチの縁におけるコントラスト（電子強度の変化）に基づいて縁の位置を割り当てるために、アルゴリズムが使用される。同様に、好ましくは縁の位置を決定し、縁間の中間において標準軸を画定するためにそれらの位置を使用することによって、標準の位置も決定される。これらの決定が行われた後、データ点Ｄ１、Ｄ２、およびＤ３間の距離ならびに標準軸４０６および４０８について、値を収集することができる。

３つのデータ点のみが図４Ｂに示されているが、任意の望ましい数のデータ点を測定することができる。当業者なら、必要なデータ点の数は、データ点がプロセスの展開またはプロセスの監視に使用されているかなど、いくつかの因子によることを理解するであろう。プロセスの展開中、フィーチャをより精確にプロファイルすることができるように、より多くのデータ点が使用されることが好ましい。通常、プロセスの展開中、特定の対象フィーチャのいくつかのサンプルが、わずかに異なるパラメータを使用して製造される。これらのサンプルのそれぞれの表面粗さ、または可能であれば３次元フィーチャの分析により、製造プロセスを最適化することが可能になる。

例えば、４つの異なるサンプルが、図５Ａから８Ａに示されている。各サンプルは、トレンチの下部の上に異なるタイプまたは程度の表面粗さを有する。図５Ａは、大きな空間周波数での非配向粗さを有するトレンチ下部５０４を示す。図６Ａは、小さい空間周波数での非配向の粗さを有するトレンチ下部６０４を示す。図７Ａは、水平配向粗さを有するトレンチ下部７０４を示す。そして図８Ａは、垂直配向粗さを有するトレンチ下部８０４を示す。これらの４つのサンプルにおいてトレンチ下部の３次元粗さを決定することは、製造プロセスの最適化に役立つ。この非常に簡単な例において、図５Ａは、トレンチ下部に沿った最小の表面粗さを示す。結果として、製造プロセスは、図５Ａに示されるトレンチを製造するために使用されるパラメータに従うはずである。

しかし、プロセスの監視は、フィーチャについて３次元粗さを十分に特徴付けるために、より少ないデータ点を必要とすることが可能である。プロセス監視ステージにおいて、プロセスの変化、および結果として生じることがある寸法の逸脱に感応するパラメータは、プロセスの展開において識別されている。したがって、本発明を使用するプロセスの監視は、通常、より少ない断面および各断面について比較的少数のデータ点を必要とする。必要とされる正確な数は、所与の製造プロセスについて、どのような種類の寸法逸脱を予期することができるかによる。

例えば、図５Ｂから８Ｂは、対応する図５Ａから８Ａに示されるトレンチの３つの断面プロファイルを示す。図５Ｂに示される断面プロファイル（５０６、５０７、および５０８）が、望ましいまたは最適な構造を表す場合、および予期されるプロセス変形のタイプが、図６Ｂに示される断面プロファイルを有するトレンチ（６０６、６０７、および６０８）を生成することができる場合、トレンチ・フロアの上の１つのデータ点では、所与のサンプルが図５Ａまたは図６Ａのようなトレンチ・フロア粗さを有するかを判定するのにおそらくは十分ではない。

図６Ｂの断面プロファイルに示されるように、図６Ａに示されるトレンチの下部は、各断面にわたるトレンチ下部の表面についてある程度の変化を有する。また、各断面間にある程度の変化も存在する。この場合、各断面についてトレンチ下部に沿って２つまたは３つのデータ点を測定することが十分である可能性がある。これは、変化の程度のあらゆる著しい増大を検出するのに十分であるはずである（サンプルが、図５Ａのようではなく、図６Ａのように見え始めたときのように）。

同じことが、所期のプロセス逸脱が図８Ａに示されるようなトレンチ下部を生成することができる場合に当てはまる。図８Ｂの断面プロファイル（８０６、８０７、および８０８）において見られるように、図８Ａに示されるトレンチの下部は、各断面にわたるトレンチの下部の表面についてより著しい程度の変化を有する。しかし、各断面間の変化は非常に小さい。その結果、図８Ａおよび８Ｂに示される粗さの種類および程度の展開は、各断面の下部に沿ってより多くのデータ点を必要とする可能性があるが、より少ないスライス（断面間のより長い距離）を必要とすることが可能である。

異なる状況が、図７Ａおよび７Ｂに示される。図７Ａは、水平配向粗さを有するトレンチ下部を示す。図７Ａに示されるトレンチが、本発明により断面化されて測定される場合、１つのデータ点のみが、このタイプの粗さの増大を監視するのに十分である可能性がある。図７Ｂの断面プロファイル７０６、７０７、および７０８において見られるように、粗さは、断面にほぼ平行に配向されるので、トレンチ下部に沿った複数のデータ点は、ほぼ同じ値を有し、一方、異なる断面上のデータ点は、粗さ周波数に対する断面の位置に応じて劇的に異なる。

図９Ａは、本発明の一実施形態により断面化されて測定された線のＳＥＭ像である。図９Ａにおいて、対象フィーチャ９２０は、ＦＩＢミリング中に線９６０を保護するために保護層で覆われた導電線９６０を備える。標準９４０は、この場合簡単なトレンチであり、視野内でミリングされた。多くの場合、好ましい標準は、ｘ方向およびｙ方向の両方において基準を提供する。しかし、この簡略化された例では、測定は、１つの識別可能な軸のみを有する標準を使用することができるように、１つの軸においてのみである。図９Ａにおいて、フィーチャの断面は、断面の線１に沿って暴露されている。断面の線２から８は、暴露および測定されるその後の断面の位置を示す。

通常、ＦＩＢミリングは、ＦＩＢがどこに向けられるかを決定するユーザ確定仮想「ミル・ボックス」（図示せず）によって達成される。本発明によれば、シーケンスの第１断面が暴露されるとき、ミル・ボックスの高さ（ｙ軸に沿う）は、必要なミル深度より大きいことが好ましい。これにより、傾斜ＳＥＭが、断面全体および標準を撮像することが可能になる。（電子ビームが断面に対してある角度に配向される場合、像はゆがむが、周知のソフトウエアを使用することにより像を補正することができる）。その後の断面ｃｓ２からｃｓ８について、ミル・ボックスの高さは、望ましいスライスのステップ・サイズ（断面間の距離）に等しい。

図９Ａに示されるＳＥＭ像から、線９６０の右縁９６４および左縁９６２が識別される。標準９４０の中心軸９４１も特定される。図９Ｂは、縁の決定においてＳＥＭ像が使用される方式を示す。ＳＥＭ像９８２は、標準のＳＥＭ像の一部である。波形９８０は、ＳＥＭ像９８２の画素の各カラムについてのグレイスケール平均のグラフ表示である。フィルタ射影９８４は、波形９８０のグレイスケール平均の微分関数のグラフであり、グレイ・スケールが明から暗または暗から明に移行しているかに応じて、最大値または最小値として標準縁を示す。したがって、標準の縁におけるコントラストは、縁の位置を割り当てるために使用され、次いで、それらの縁間の中点が決定される。

ＳＥＭ像から、断面の寸法も、対象の構造の２つの縁の位置を決定する同様のアルゴリズムを使用することにより、同様に決定することができる。例えば、フィーチャの幅を決定するために、アルゴリズムを使用して、構造の縁におけるコントラストに基づいて縁の位置を割り当て、それらの縁間の距離を決定する。同様の方式で、各縁と標準の、以前に決定された中点との距離を測定して表にすることによって、右縁および左縁の両方の粗さを決定することができる。図９Ａに示されるように、この例では、線９６０の幅は、０．１６４μｍであると計算され、線９６０の左縁と標準の中心軸９４１との距離は、０．４２９μｍであり、線９６０の右縁と標準の中心軸９４１との距離は、０．２６５μｍである。当業者なら、線の壁に沿って複数の高さにおいて測定値を計算することによって、線の幅および粗さのさらにより正確な特徴付けを得ることができることを理解するであろう。

図９Ａに示される断面が撮像された後、線２に沿った新しい断面が、ＦＩＢミリングによって暴露され、撮像される。上述されたプロセスは、各断面ｃｓ２からｃｓ８について繰り返される。すべての望ましい断面からのデータは表にされ、例えばコンピュータ・メモリに記憶される。

断面ｃｓ１からｃｓ８のデータ（μｍ単位）が、以下の表１において示される。各断面ｃｓ１からｃｓ８について、以下の表１は、ＣＤ測定（この場合は線の幅）および各フィーチャ縁（右および左）から標準軸までの距離を示す。フィーチャを特徴付けるために、このタイプのデータを使用して、いくつかの既知の粗さパラメータのいずれかを生成することができる。例えば、表１は、ＣＤ測定ならびに右縁および左縁と基準との距離について、平均および３シグマ（標準偏差の３倍）値をも示す。各断面の右側壁および左側壁の公称粗さ値が、全断面の平均から、各側壁から基準までの距離を減算することによって計算される。平均および３シグマ値は、公称粗さ値についても計算される。

図１０は、３２のデータ点において測定されたトレンチ・フロアの断面を示す。この程度の詳細が、例えば、図７Ａおよび７Ｂに示されるタイプの欠陥が予期されるプロセスの展開中またはプロセスの監視において、望ましいとすることができる。このＳＥＭ像では、測定される実際の表面は、この場合はトレンチ・フロアであり、より明るい材料１００２とより暗いフィーチャ材料１００４との間の境界面１００６である。線１００８は、標準のｙ軸を表す（図９Ａに示される標準のｘ軸と同様）。矢印によって示される各データ点について、その点における境界面１００６と標準（図示せず）のｙ軸１００８との間の測定値（ミクロン単位）を含むボックスが存在する。標準軸とこれらのデータ点のそれぞれにおける材料境界面との距離（この場合は高さの差）は、断面にわたって粗さを計算するために使用することができる。このデータは、フィーチャの３Ｄ粗さをより良好に特徴付けるために、複数の断面からのデータと組み合わせることができる。

本発明およびその利点が詳細に記述されたが、添付の請求項によって確定される本発明の精神および範囲から逸脱せずに、本明細書において記述された実施形態に対して、様々な変更、代用、および修正を行うことができることを理解されたい。さらに、本出願の範囲は、本明細書において記述されたプロセス、機械、製造、物質の組成、手段、方法、およびステップの特定の実施形態に限定されることを意図するものではない。当業者なら、本発明の開示から、本明細書において記述された対応する実施形態とほぼ同じ機能を実施する、またはほぼ同じ結果を達成する既存の、または後に開発されるプロセス、機械、製造、物質の組成、手段、方法、またはステップが、本発明により使用されることが可能であることを容易に理解するであろう。したがって、添付の請求項は、そのようなプロセス、機械、製造、物質の組成、手段、方法、またはステップなどを範囲内に含むことを意図する。

各線の側壁および上部の上の縁粗さを示す線１０１および１０２の断面の概略図である。 側壁および各線の上部の上の縁粗さを示す線１０１および１０２の断面の概略図である。 異なるタイプの線縁粗さを示す線の縁の概略図である。 異なるタイプの線縁粗さを示す線の縁の概略図である。 本発明の一態様を実施するために使用される通常の２重ビームＦＩＢ／ＳＥＭシステム２０を示す図である。 本発明の１つの好ましい実施形態による３次元粗さを測定するステップを示すフローチャートである。 視野内にあるが、対象フィーチャから離れている位置においてミリングされた標準を有するトレンチのトップダウンＦＩＢ像を示す図である。 図８Ａのトレンチの断面のＳＥＭ像を示す図である。 大きな空間周波数での非配向粗さを有するトレンチ下部を示す図である。 図４Ａに示されるトレンチの３つの重なる断面プロファイルを示す図である。 小さい空間周波数での非配向粗さを有するトレンチ下部を示す図である。 図５Ａに示されるトレンチの３つの重なる断面プロファイルを示す図である。 水平配向粗さを有するトレンチ下部を示す図である。 図６Ａに示されるトレンチの３つの重なる断面プロファイルを示す図である。 垂直配向粗さを有するトレンチ下部を示す図である。 ７Ａに示されるトレンチの３つの重なる断面プロファイルを示す図である。 本発明の一実施形態によるいくつかのデータ点において断面化され、測定された導電線のＳＥＭ像を示す図である。 ＳＥＭ像を縁決定においてどのように使用することができるかを示すグラフである。 トレンチ・フロアの断面にわたるいくつかのデータ点を示す図である。

符号の説明

１、２、３、４、５、６、７、８ 断面線
２０ 通常の２重ビームＦＩＢ／ＳＥＭシステム
１０１、１０２、１０３、１０４ 線
１０６ 破線
１０８、１１０ 粗さ
１２０ 左縁
１２２ 右縁
１２４ 左縁
１２６ 右縁
１３０、１３１ 点
２００ 集束イオン・ビーム・システム
２１１ 排気エンベロープ
２１２ 上部ネック部分
２１４ イオン源
２１６ 集束カラム
２１８ イオン・ビーム
２２０ 偏向プレート
２２２ サンプル、加工品
２２４ 可動Ｘ−Ｙステージ
２２６ 下方室
２２８ イオン・ポンプ
２３０ ターボ分子および機械ポンピング・システム
２３２ 真空制御装置
２３４ 高電圧電源
２３６ 増幅器
２３８ パターン生成装置
２４０ 荷電粒子倍率器、２次電子検出器
２４１ 走査電子顕微鏡
２４２ 増幅器
２４３ 信号プロセッサ・ユニット
２４４ モニタ
２４５ 電源および制御ユニット
２４６ 気体射出システム
２５０ 電子ビーム
２５２ カソード
２５４ アノード
２５６ 凝縮レンズ
２５８ 対物レンズ
２６０ 偏向コイル
２６２ 後方散乱電子検出器
４０２ トレンチ
４０４ 標準
４０６、４０８ 標準軸
４１０ 線
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３ データ点
５０４、６０４、７０４、８０４ トレンチ下部
５０６、５０７、５０８ 断面プロファイル
６０６、６０７、６０８ 断面プロファイル
７０６、７０７、７０８ 断面プロファイル
８０６、８０７、８０８ 断面プロファイル
９２０ 対象フィーチャ
９４０ 標準
９４１ 中心軸
９６０ 導電線
９６２ 左縁
９６４ 右縁
９８０ 波形
９８２ ＳＥＭ像
９８４ ろ過射影
１００２ より明るい材料
１００４ より暗いフィーチャ材料
１００６ 境界面
１００８ 標準のｙ軸

Claims (18)

1. フィーチャの３次元粗さを決定する方法であって、
   （ａ）集束イオン・ビームを基板に向かって導き、前記フィーチャの第１断面を暴露させることと、
   （ｂ）暴露された前記第１断面における前記フィーチャの１つまたは複数の縁位置を測定することと、
   （ｃ）前記第１断面とは異なる位置に、前記フィーチャの新たな断面を暴露するために前記集束イオン・ビームを導くことと、
   （ｄ）前記新たな断面における前記フィーチャの１つまたは複数の縁位置を測定することと、
   （ｅ）ステップ（ｃ）および（ｄ）を繰り返すことと、
   （ｆ）複数の前記断面において測定された前記縁位置から、前記フィーチャの３次元粗さを計算することとを備える方法。
2. 前記フィーチャの３次元粗さを計算することが、線幅粗さを計算することを備える請求項１に記載の方法。
3. 前記フィーチャの３次元粗さを計算することが、縁粗さを計算することを備える請求項１に記載の方法。
4. 新たな断面を暴露する都度そのために前記イオン・ビームを導く前に、前記イオン・ビームの位置合わせをするために前記イオン・ビームを標準マークに導くことをさらに備える請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
5. 前記新たな断面における前記フィーチャの１つまたは複数の縁位置を測定することが、前記新たな断面の電子ビーム画像を得るために前記新たな断面に向かって電子ビームを導くことを備える請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
6. 前記新たな断面の電子ビーム画像を得るために前記新たな断面に向かって電子ビームを導くことが、前記新たな断面の前記電子ビーム画像を得る前に電子ビームの位置を正確に示すために前記電子ビームを標準マークに向かって導くことを備える請求項５に記載の方法。
7. 前記フィーチャの新たな断面を暴露するために前記集束イオン・ビームを導くことが、前記集束イオン・ビームを配置するための基準点としての標準マークに向かって前記集束イオン・ビームを導くことを備える請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
8. 前記イオン・ビームおよび前記電子ビームを位置合わせするための基準点として使用する標準マークをミリングすることをさらに備える請求項５または６に記載の方法。
9. 前記標準マークをミリングすることが、識別可能な固有のフィーチャを有する標準マークをミリングすることを備える請求項８に記載の方法。
10. 前記フィーチャの新たな断面を暴露するために前記集束イオン・ビームを導くことが、前記第１断面とは２０ｎｍ未満異なる位置に新たな断面を暴露するために前記集束イオン・ビームを導くことを備える請求項１〜９のいずれかに記載の方法。
11. 前記第１断面から１μｍから２μｍだけ位置が異なる断面をミリングするまで前記ステップ（ｃ）および（ｄ）を繰り返す請求項１〜１０のいずれかに記載の方法。
12. 少なくとも２つの実質的に平行な標準表面について縁位置を決定し、これら２つの標準表面間の中間において線を画定することによって、前記イオン・ビームを位置合わせするために標準マークを使用することをさらに備える請求項１〜１１のいずれかに記載の方法。
13. 前記新たな断面における前記フィーチャの１つまたは複数の縁位置を測定することが、構造の縁における前記電子ビーム画像の輝度の差に基づいて縁位置を割り当てることを備える請求項５または６に記載の方法。
14. 前記複数の断面において測定された前記縁位置から、前記フィーチャの３次元粗さを計算することが、対象の構造の２つの縁位置を決定し、それらの縁間の距離を決定することを備える請求項１〜１３のいずれかに記載の方法。
15. ３次元粗さを計算することが、２乗平均の粗さ、ピークから谷の高さ、ピーク間の粗さ、空間周波数、または粗さの配向を計算することを備える請求項１〜１４のいずれかに記載の方法。
16. ３次元粗さを計算することが、前記フィーチャの表面に平行な標準軸と複数の前記縁位置との間の距離の標準偏差を計算することを備える請求項１〜１５のいずれかに記載の方法。
17. 前記標準マークが、測定されるフィーチャ表面にそれぞれが実質的に平行な少なくとも２つの標準軸を有する請求項６〜８のいずれかに記載の方法。
18. 前記標準マークは、前記断面に垂直な面であって加工品の表面にある請求項６〜８、１７のいずれかに記載の方法。

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