JP5823662B2 - サンプルピッチを利用する走査型プローブ顕微鏡法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、走査型プローブ顕微鏡によりサンプルの表面特徴を測定するための方法及び装置に関し、特に、サンプルのデバイス／フィーチャ領域のピッチに関する情報を利用して、測定性能を最適化する方法及び装置に関する。

幾つかのプローブベースの機器は、カンチレバーベースのプローブとサンプルとの間の相互作用を監視して、サンプルの１つ又は複数の特性に関する情報を得る。原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）等の走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は、通常、鋭利な先端部を用いて、サンプルの１つ又は複数の特性の局所的な測定を行う装置である。特に、ＳＰＭは、通常、サンプルと、関連するプローブ組立の先端部との間の相互作用を監視することによって、そのような小規模なサンプルフィーチャの表面の特性を明らかにする。先端部とサンプルとの間の相対的な走査運動を提供することによって、表面特性データ及び他のサンプル依存データを、サンプルの特定の領域全体において取得することができ、こうして、サンプルの対応するマップを生成し得る。

原子間力顕微鏡は、極めて一般的なタイプのＳＰＭである。通常のＡＦＭのプローブは、その基部において支持部に固定される極めて小さいカンチレバーを備えており、また、反対側の自由端に取り付けられた鋭利なプローブ先端部を有する。プローブ先端部は、調査対象サンプルの表面に近接するか又は直接もしくは断続的に接触し、サンプルとのプローブ先端部の相互作用に応じたカンチレバーの歪みは、ハンスマ（Ｈａｎｓｍａ）らの米国特許第ＲＥ３４，４８９号明細書に記載されたような光てこ装置であることが多い超高感度歪み検出器により、又は、歪み計、容量センサ等の装置などの他の何らかの歪み検出器により測定される。ＡＦＭは、圧電スキャナ、光てこ歪み検出器、及び極めて小さいカンチレバーを用いることによって、空気、液体、又は真空中における多種多様な絶縁又は導電性表面上において、原子レベルに至る解像度を得ることができる。それらの解像度及び多用性のために、ＡＦＭは、半導体製造から生物学的な研究に至る多くの様々な分野における重要な測定装置である。

好適には、プローブは、サンプル支持部上、プローブ上またはその両方で作動する高分解能３軸スキャナを用いて、表面上を走査する。従って、本機器は、上記のハンスマらの明細書、エリングス（Ｅｌｉｎｇｓ）の特許文献１及び特許文献２に記載されたように、例えば、プローブとサンプルとの間の相対運動を生成しつつ、サンプルのトポグラフ又は他の何らかの特性を測定することが可能である。

ＡＦＭは、接触モード及び振動屈曲モードを含む様々なモードで動作するように構成され得る。振動屈曲動作モードでは、カンチレバーは、ほぼ固定端を中心に振動する。１つの一般的な屈曲動作モードは、所謂タッピングモード（ＴａｐｐｉｎｇＭｏｄｅ：商標）ＡＦＭ動作である（タッピングモードは、本譲受人の商標である）。タッピングモードＡＦＭでは、先端部は、プローブのカンチレバーの共振周波数において又はその付近で屈曲振動する。先端部がサンプル表面に断続的に又は近接して接触している場合、振動振幅は、先端部／表面相互作用によって決定される。通常、この振動の振幅、位相、又は周波数は、先端部−サンプル相互作用に応じて生成されるフィードバック信号を用いて、走査中、一定に維持される。そして、これらのフィードバック信号は、収集され、記憶され、サンプルの特性を明らかにするデータとして用いられる。本明細書で説明するトレンチキャパシタ等の半導体サンプルを測定する場合、ディープトレンチ（ｄｅｅｐ ｔｒｅｎｃｈ；ＤＴ）モードとして知られているこの振動モードの特定のバージョンが用いられるが、
このバージョンでは、独特の多大な費用を要する先端部が採用される。

図１は、通常のＡＦＭシステムを示す。カンチレバー１５を有するプローブ１４を含むプローブ装置１２を用いるＡＦＭ１０は、この場合、プローブの共振周波数において又はその付近でプローブ１４を駆動するために用いられる振動アクチュエータ又は駆動装置１６に結合される。通常、電子信号が、ＡＦＭコントローラ２０の制御下でＡＣ信号源１８から駆動装置１６に印加され、好適には、自由振動振幅Ａ_０でプローブ１４を振動させる。特に、Ａ_０は、広い範囲で、例えば、マイクロメートルからナノメートルの規模で変動し得るが、後者は、通常、非接触力測定に用いられる。実際問題として、画像化処理中のサンプル表面との低力相互作用の場合、Ａ_０は、できるだけ小さい方がよいが、例えば、ファン・デル・ワールス力、接着力又はその両方により、先端部がサンプル表面２２にくっつくのを防止するのに充分な程大きい方がよい。また、プローブ１４は、コンピュータ／コントローラ２０によるフィードバックを介して制御される適切なアクチュエータ又はスキャナ２４を用いて、サンプル２２の側へ及びそこから遠ざかる側へ駆動され得る。特に、振動駆動装置１６は、スキャナ２４及びプローブ１４に結合され得るが、自己駆動式カンチレバー／プローブの一部として、プローブ１４のカンチレバー１５と一体化して形成され得る。更に、アクチュエータ２４は、プローブに結合された状態で示すが、アクチュエータ２４は、ＸＹＺアクチュエータとして、直交する３方向にサンプル２２を動かすために用いられ得る。

動作中、プローブ１４が振動してサンプル２２に接触すると、プローブ１４の振動の変化を検出することによって、サンプル特性を監視できる。特に、歪み検出装置１７では、ビームが、プローブ１４の裏側に導かれ、そして、４象限光検出器等の検出器２６側に反射される。ビームが検出器を進む際、適切な信号が、コントローラ２０に送信され、コントローラ２０は、その信号を処理して、プローブ１４の振動の変化を求める。通常、コントローラ２０は、先端部とサンプルとの間に一定の力を維持するための、通常、プローブ１４の振動の設定値特性を維持するための制御信号を生成する。例えば、コントローラ２０は、設定値Ａ_ｓに振動振幅を維持して、先端部とサンプルとの間にほぼ一定の力を保証するために用いることが多い。他の選択肢として、設定値位相又は周波数を用いてもよい。

計測用途に必要な処理能力は益々大きくなりつつあるため、従来のＡＦＭ測定を実施する場合の改善が必要になっている。半導体業界におけるウェーハ解析は、１つの主要な用途である。一般的に、チップメーカは、９０ｎｍ以下の限界寸法（ＣＤ）を有する構造を測定する必要がある。そのような小規模の構造を解析する場合、対応する測定は、均一性制御を必要とし、また、大量生産環境に対応することが可能である必要がある。この点においては、１つの前進が、自動化ＡＦＭの領域にあり、自動化ＡＦＭは、動作時の熟練ユーザの作業を最小にすることによって、或る時間フレームにおいて画像化し得るサンプル数を大きく改善している。自動化ウェーハ測定を実施するための機器は、様々であるが、ＡＰＭは、例えば、高分解能多次元（例えば、３Ｄ）画像化処理を実施する能力を提供することによって、独特の解決策を提供する。ビーコインスツルメンツ（Ｖｅｅｃｏ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）が提供するＤｉｍｅｎｓｉｏｎ Ｘ自動化ＡＦＭのような機器には、２００ｍｍ及び３００ｍｍ自動化プラットホームを実証したものがある。

そのような測定を行うために用いられる機器の性能を評価する際考慮される２つの重要な事柄には、処理能力及び反復精度が含まれる。この場合、処理能力は、毎時画像化し得るウェーハの数であり、反復精度は、同一条件下で同じ物体に対して行われる反復測定のばらつきである。第３の問題は、再現性に関するものであり、再現性は、異なる条件下で同じ測定を行う場合に生じるばらつきである。再現性は、それが、ウェーハの位置決め及び光学系の合焦時の双方において、条件のばらつきを手法が吸収し得るかどうか決定する
という点において、重要である。これら測定の基準を考慮すると、既知のシステムには、深刻な制約がある。

半導体ウェーハのトレンチ深度測定等の半導体計測実験を行う場合、通常、ＡＦＭは、最初に概観走査（ｓｕｒｖｅｙ ｓｃａｎ）を実施して、それからデータ走査（ｄａｔａ
ｓｃａｎ）を実施する。概観走査は、ウェーハを空中から眺めて、データ走査を行い得る位置を確立する役割を果たす。最終的に、データ走査は、対象の情報（例えば、特性寸法）を提供する。特に、また、更に詳細に後述するように、通常、半導体ウェーハは、ウェーハを測定するために用いられるツールでは通常分からない箇所を有するトレンチ等のデバイス／フィーチャ領域を有する。その結果、ツールは、特性データを取得するために、その領域に位置合わせしなければならず、このことは、概観走査で達成されることが多い。

半導体トレンチキャパシタの深度を測定するための以前のシステムでは、各走査線の長さ、隣接する複数の走査線間の間隔（即ち、解像度又は密度）、及び走査線の数を、ユーザが定義する。例えば、自動化ＡＦＭは、通常、高解像度概観画像を得るために、多数のデータ走査線（即ち、高密度）、例えば、集合領域全体におけるフィーチャのピッチの通常少なくとも２倍の長さを各々有する３２又は４８の走査線を必要とする。通常、フィーチャ領域のピッチは、２Ｄアレイの場合、“Ｘ”方向に１つ及び“Ｙ”方向に１つ、少なくとも２つの成分を有する。ピッチは、フィーチャのパターンが反復して出現する各方向における距離である。走査の長さ及び高さは、約１マイクロメートルから５０マイクロメートル又はそれ以上に達することがある。

その後、パターン認識動作を行い、一対のフィーチャを識別し、これによって、データ走査の中心を確立する。そして、ジグザグ（即ち、ラスター）走査を用いて、通常、識別されたトレンチの中間点を中心にして、高解像度でのデータ走査を行う。更に、幾つかの手法によると、複数回の概観走査を行うことがあり、例えば、１つの手法は、“Ｘ”方向において第１概観走査（通常、“探索”ルーチンの一部）を用い、そして、“Ｙ”方向において第２概観走査を行って、中心を確立する。全体的に、これらの公知のプロセスは、所定回数の走査（概観及びデータ双方）を完了するまでに多大な時間を必要とし、従って、処理能力が大きく損なわれる。走査を高解像度で行うことを考える場合、不充分な処理能力に関する制限は悪化するばかりである。
米国特許第５，２２６，８０１号明細書 米国特許第５，４１２，９８０号明細書

特に、他の欠点もまた走査の高解像度に関する。例えば、これら既知の手法の概観走査は、高密度走査であることから、走査は、小さいフィーチャ集合、例えば、１つの又は一対の表面特徴に向けられることが多い。この小さい母集団により理想的でない結果が生じる。例えば、理解されるように、パターン認識プログラムは、データの母集団が大きければ大きいほど、より優れた出力を提供する。その結果、従来技術に用いる相対的に小さいフィーチャ集合は、測定の品質に対して極度に悪い方向に影響を及ぼし得る。高密度走査に関連する他の欠点は、プローブ及び対応する先端部が、超高精度の多大な費用を要する構成要素であって、大幅に磨耗すると交換が必要なことである。そのような高解像度走査を行うことによって、先端部寿命は激減する可能性があり、先端部に１０００ドル以上の経費がかかることを考慮すると、深刻な欠点である。更に他の欠点は、高解像度走査が、一般的に予想されるより完了までに長い時間を要することである。このことは、それ自体制約であるばかりでなく、環境的な要因を更に大きな問題にする等の他の問題も招く。例えば、測定を実施するのに要する時間が長くなればなるほど、熱ドリフトが大きくなるこ
とから、測定反復精度が大幅に低下することがある。

更に、既知の手法の他の問題は、例えば、フィーチャの深度を測定する際、一連の走査で取り込まれるデータが平均されることである。最大深度が、求めるべき重要な計量値であることが多いことに注目すると、このようにデータを平均することで、最大値未満の深度測定値が、通常、それら一連の走査の最大値と共に“平均化される”ことから、最大深度を識別するシステム能力が妨げられる。その結果、そのような方法は、通常、トレンチの深度を過小評価してしまい望ましくない。

その結果、自動化ＡＦＭ測定の分野、特に、半導体業界で望まれるものは、測定性能を損なうことなく、（例えば、より多くの数のフィーチャ／デバイスを解析するために）ユーザが選択した広範囲な走査長において、最小数の走査線で概観走査及びデータ走査双方を実施することが可能な方法及びシステムである。処理能力及び反復精度の改善並びに先端部磨耗性能の改善が、最終的に必要とされている。

好適な実施形態は、走査型プローブ顕微鏡装置及び方法を提供することによって、既知のシステムの上記欠点を克服する。本装置及び方法は、５本未満の線、より好適には、２本未満の線で概観走査を実施して、サンプルのフィーチャ領域を正確に特定する。このことは、概観走査が通過する方向と直交する方向におけるフィーチャのピッチに等しくない、即ち、走査方向Ｘ_ｐｏにおけるフィーチャのピッチに等しくない概観走査の隣接線間ステップ距離を選択することによって、達成される。その結果、サンプルに関するデータを、１分未満で、多くの場合、５秒未満で取り込むことが可能であり、サンプル処理能力が劇的に改善される。更に、本方法及びシステムを用いると、測定対象のサンプルの特性寸法は、特性寸法の１．０％及び１．０ｎｍの内の大きい方より小さい、３シグマ動的反復精度を有し得る。

好適な実施形態の第１態様によれば、サンプルのフィーチャ領域からデータを取り込む方法には、５本以内の概観走査線を用いて、概観走査を実施して領域を特定することが含まれる。その後、概観走査に基づき、データ走査を実施して、フィーチャの内の少なくとも１つを表すデータを取り込み得る。

本実施形態の他の態様において、概観走査は、２本以内の概観走査線を用いて、フィーチャ領域を特定する。この場合、隣接走査線間距離は、概観走査線と直交する方向におけるフィーチャ領域のピッチと実質的に等しくない。

本実施形態の他の態様において、データ走査からの画像の縦横比は、走査線方向の比の大きさが、走査線と直交する方向における比の大きさより大きくなるようにしたものである。

本実施形態の他の態様によれば、データ取り込み走査線間距離は、第１軸に沿うフィーチャ領域のピッチの２倍に少なくとも実質的に等しく、また、データ走査の走査領域の中心は、概観走査から決定される。

本実施形態の更に他の態様において、上記決定することは、概観走査から取り込まれたデータに対してパターン認識を用いる。好適には、用いられるパターン認識アルゴリズムは、ＸＣＡＬＩＰＥＲ（登録商標）である。

他の好適な実施形態によれば、走査型プローブ顕微鏡を用いて、トレンチキャパシタ領域の３つ以上のトレンチキャパシタの各々からデータを取り込む方法は、プローブ係合か
ら１分未満を要する。取り込まれたデータは、解析され、トレンチキャパシタの特性寸法が決定され、これによって、特性寸法は、特性寸法の約２．０％と２．０ｎｍの内の大きい方より小さい３シグマ動的反復精度を有する。

本実施形態の他の態様によれば、データは、３０秒未満で、より好適には、５秒未満で取り込まれる。
本実施形態の他の態様において、特性寸法は、特性寸法の１．０％及び１．５ｎｍの内の大きい方より小さい３シグマ動的反復精度を有する。本方法は、特に、１１０ｎｍ未満のノードトレンチキャパシタであるトレンチキャパシタを解析するのに有用である。

本実施形態の更に他の態様によれば、上記取り込むことには、第１軸に沿って概観走査を実施してサンプル表面上の領域を特定することと、第２軸に沿ってデータ走査を実施して寸法を測定することと、が含まれる。特に、第２軸は、第１軸と少なくとも実質的に直交する。

本発明の他の実施形態において、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）を動作させる方法には、カンチレバーを有するプローブを提供することが含まれる。また、プローブとサンプルとを係合させることが含まれ、上記サンプルには、走査方向の第１ピッチと、上記走査方向に対して９０度方向の第２ピッチと、を有するフィーチャ領域が含まれる。好適には、本方法は、サンプルの５本以内の走査線に沿ってサンプルの走査を実施し、上記５本以内の走査線の隣接走査線間において、走査方向に対して実質的に直交して、運動させることを含む。

本実施形態の他の態様によれば、本方法は、概観走査に基づき、データ走査の中心を識別するために用いられる。中心は、少なくとも実質的にフィーチャ中間点に対応し、ここで、フィーチャ中間点は、少なくとも１つのフィーチャの最深部にほぼ対応する。本方法において、データ走査は、概観走査に基づき実施され、上記運動させることは、第１ピッチの分数倍の距離であるプローブとサンプルとの間の相対運動を提供する。

本好適な実施形態の他の態様において、本方法には、更に、プローブを屈曲モードで振動させることが含まれる。好適には、屈曲モードは、ディープトレンチモード（ＤＴモード）である。

更に他の態様において、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）には、フィーチャ領域を含むサンプルと相互作用する先端部を有するプローブと、先端部とサンプルとの間に相対運動を提供するスキャナと、が含まれる。ＳＰＭは、スキャナを作動させ、概観走査を実施して領域を識別し、そして、概観走査に基づきデータ走査を実施する。好適には、概観走査は、領域の５本未満の走査線を通過し、概観走査及びデータ走査は、合わせて１分未満を要する。

本実施形態の更に他の態様によれば、ＳＰＭには、概観走査及びデータ走査中に取り込まれたデータを解析するコンピュータが含まれる。データ走査データは、フィーチャの内の少なくとも１つを示す特性寸法である。本実施形態において、特性寸法の測定は、特性寸法の約２．０％と２．０ｎｍの内の大きい方より小さい３シグマ動的反復精度を有する。

好適な実施形態は、ＳＰＭによるサンプル測定、特に、領域のピッチを用いた半導体サンプルのフィーチャ領域／デバイスの測定の実施に関する。そうすることによって、好適な実施形態は、２つの走査線又はプロファイルだけで領域の事前概観走査を行うことが可
能であり、これらの走査プロファイルは、所望の数のフィーチャを画像化するために、ユーザにより選択された長さを有し、サンプル処理能力及び先端部寿命並びに反復精度を全体的に改善する。走査プロファイルは、一般的に、局所領域における表面の１つ又は複数の特性のアレイ状の測定を含む。通常、走査プロファイルは、単一の走査線に沿って実施される一連の測定、即ち、サンプルの一部を横切って線形に配置される一連の測定を含む。しかしながら、走査プロファイルは、任意の形状を有し得る。そのような走査プロファイルは、例えば、必ずしも同じ走査線上にあるとは限らないより多い数のサンプルフィーチャと交わるように構成し得る。特に、これに限定しないが、本手法は、国際半導体技術ロードマップ（ＩＴＲＳ）に準じるフィーチャ寸法を有する半導体サンプルを測定する場合、これらの恩典を提供する。

最初に、図２において、ＤＲＡＭトレンチキャパシタ等の半導体フィーチャ又はデバイス５６のフィーチャ領域５４が形成された基板５２（例えば、半導体ウェーハ）を含むサンプル５０を示す。図２に示すような半導体チップを組み立てる場合、一連の行のデバイスが、二次元の周期的なアレイに配置され、半導体基板５２の面積が効率的に利用される。通常、各行５８（Ｌ０−Ｌ３）には、キャパシタ５６の反復対６０が含まれ、隣接行の対６０は、一行置きのデバイス対６０が、フィーチャ５６の列６２を規定するように、オフセットしている。この場合、デバイス５６の４つの行５８は、隣接行からオフセットしているキャパシタ対が一行置きにある状態で示す。特に、図２に示す半導体チップ５０の領域には、Ｘ_Ｐ０として示す“Ｘ”方向のピッチを有するフィーチャが含まれる。Ｘ_ＰＯは、フィーチャのパターンが反復して出現する“Ｘ”方向の距離である。同様に、この領域は、“Ｙ”方向のピッチＹ_ＰＯを定義する。これは、共通列６２に並べられたアレイのフィーチャ５６の連続行間のＹ方向の距離である。通常、Ｘ及びＹのピッチの値Ｘ_ＰＯ及びＹ_ＰＯは、ウェーハ自体の設計から、又は、例えば、テストサンプルもしくは、そのサンプルと同じ領域構成を有することが分かっている他のサンプルの事前高解像度ＡＦＭ走査を実施することによって、求められる。

トレンチキャパシタ５６の領域５４の特性（例えば、トレンチキャパシタ５６の深度）を決定する場合、図３に示すように、領域の概観走査を最初に行う。図２の座標系を用いて、水平走査線Ｌ０−Ｌ３を描くと、概観走査は、好適には、９０度走査、即ち、ウェーハの所望のデータ走査の方向に対して９０度で行われる走査を用いて実施されることが、まず強調される。この点に関して、スキャナは、９０度回転し得る。他の選択肢として、いずれの場合でも、楕円状のトレンチキャパシタ５６の長軸に少なくとも実質的に平行な方向に概観走査が行われるように、サンプルは、９０度回転できる。

これに関連して、ＡＰＭは、最初に、ＡＰＭ先端部１９（図１）及びサンプル５０を係合するように動作する必要がある。これが行われる際、ＡＰＭのプローブ１４の先端部１９が、領域５４を基準としてサンプルに接触する点６４は、通常、未知であり、このため、キャパシタ５６の領域５４は、上述したように、特定される必要がある。更に重要なことには、領域５４をほぼ絶対的な確実性で特定して、対象の半導体フィーチャが、測定全体を通して整合性のある位置で測定されていることを保証する必要がある。先端部対サンプル係合の点６４から、本アルゴリズムは、ＡＰＭプローブ先端部１９とサンプル５０との間に相対運動を提供して、選択した動作モードで、この場合、概観走査の３つの別個のセグメントＳ１、Ｓ２、及びＳ３に沿って、その表面を画像化できるようにする。特に、好適な動作モードは、振動プローブディープトレンチ（ＤＴ）モードである。概観走査中、サンプルを画像化する場合、概観データは、実質的に平行なセグメントＳ１及びＳ３の間に取り込まれ、一方、概観データは、セグメントＳ１及びＳ３と直交する走査の段部、即ち、セグメントＳ２の間は、取り込まれない。

概観データの２つの走査線（Ｓ１及びＳ３）のうちの１つが、トレンチキャパシタ５６
の領域５４を識別できるようにするためには、先端部が、概観走査線の内の１つで測定されるデバイス５６の内の少なくとも１つと確実に相互作用するように、概観走査のセグメントＳ２の距離を選択する。このことは、Ｘ方向すなわちデータ走査方向（図２）のデバイスピッチＸ_ＰＯに等しくない値Ｘ_Ｐ１に概観走査のセグメントＳ２の長さを設定することによって、達成される。セグメントＳ２の直交距離が、領域のＸ方向のピッチに等しくないことを確実にすることによって、本アルゴリズムは、プローブが領域５４におけるフィーチャの内の少なくとも１つと相互作用することを保証するが、フィーチャの数は、セグメントＳ１及びＳ３の長さに依存する。この点に関しては、概観走査は、セグメントＳ１及びＳ３中、最小距離、例えば、トレンチキャパシタの少なくとも２つの長さ“Ｌ”又はピッチ距離Ｙ_Ｐ０の２倍に対応する距離を通過する必要がある。図示するように、行５８におけるトレンチキャパシタ５６の対６０のオフセットのために、少なくとも２つの長さ“Ｌ”が、この場合、必要である。しかしながら、Ｓ１及びＳ３は、トレンチ５６の少なくとも２つを横断して、後続のデータ解析のために、より大きな概観母集団を提供するのに充分なほど長い（例えば、４つの長さ“Ｌ”）ことが更に好ましい。また、このことは、概観走査が、２走査線Ｓ１及びＳ３だけであるということからして、処理能力を損なうことなく達成し得る。特に、この議論は、２概観走査線についてのみ言及するが、ユーザが好む場合、用いる概観走査線は多くてもよい。

図３に示すように、セグメントＳ１は、楕円状のトレンチ５６の長軸“Ａ”から右側にある距離でトレンチＣ１及びＣ２を通過する。この点に関しては、走査がトレンチ５６を横断する“スライス”は、トレンチの中心を識別するという目標にとってあまり重要でない。特に、図４に示すように、トレンチ５６の概観走査スライスは、地点Ｑ、Ｒ、又はＳの内の任意の１つであってよく、また、フィーチャ５６がほぼ対称である場合、各スライスは、同じ中心点を有する。その結果、各プロファイルは、トレンチの最深部の地点について同じ指標を提供する。このことを図５に示す。図５は、プロファイルが異なっていても、それらの中心は走査方向すなわち“Ｘ”方向において、共通の位置を定義することを示す。

続いて、ＤＴモードでの画像化処理では、図６に示す各セグメントＳ１及びＳ３のプロファイルが生成される。この時点で、概観走査は、完了し、また、アルゴリズムは、データ走査中心を決定するのに必要なデータを有する。特に、２本の走査線Ｓ１及びＳ３に関連付けられたプロファイルは、最初に、合計され、図６に示すプロファイルＳ１＋Ｓ３を提供する。そして、本発明の好適なアルゴリズムにおいて、マサチューセッツ州ナティック（Ｎａｔｉｃｋ）のコグネックス（Ｃｏｇｎｅｘ）社によって提供されるカリパス視覚ツール（ｃａｌｉｐｅｒ ｖｉｓｉｏｎ ｔｏｏｌ）として知られているパターン認識ツールが用いられる。当分野で公知なように、パターン認識は、走査データを視覚モデルに変換する代わりに、走査データの演算によって直接置き換えられ得る。例えば、演算は、パターン認識ソフトウェアがモデル照合を試行することなく走査データのエッジを直接識別するために用い得る。この場合、カリパスツールは、図６のデータ、即ち、セグメントＳ１及びＳ３のプロファイルの加算を処理して、そのデータにおけるパターンを認識し、合計されたプロファイルフィーチャＰ１及びＰ２に点数を割り当てる。カリパス機能は、各プロファイルＦ１、Ｆ２に対して生成された点数を比較し、最も高い点数を選択する。例えば、トレンチキャパシタＣ１に関連付けられたプロファイルＰ１は、フィーチャＣ２に関連付けられたプロファイルＰ２に対応する点数より大きい点数を生成し得る。その結果、カリパス機能が（Ｃ１に関連付けられた）プロファイルＰ１を識別する場合、カリパスツールは、データ走査走査線Ｌ１におけるデバイスＣ１に対応する中心位置７０の指標を返す。

データ走査の中心位置を決定する際の次のステップは、図３において“ＳＣ”として示した概観走査中心を決定することである。概観走査中心ＳＣは、単に概観走査の幾何学的
中心、即ち、走査線Ｓ１及びＳ３の中間点を通る線と、それに直交するＳ２の中間点を通る線との交点である。概観走査中心ＳＣが既知である場合、データ走査中心は、中心位置７０を通過する水平走査線（データ走査又は“Ｘ”方向）が延在して通る対６０のキャパシタＣ３上の点に概観走査中心ＳＣを変換することによって決定され得る。結果として生じるデータ走査中心ＤＣを図３に示す。特に、ＸＣＡＬＩＰＥＲ（登録商標）機能の出力に関連付けられた座標に対応する“Ｙ”位置は、データ走査中心ＤＣを提供する。この場合、ＤＣは、図２及び３に示す走査線Ｌ１に配置される。

データ走査中心ＤＣを決定すると、データ走査が実施され得る。図７において、データ走査中心ＤＣは、走査線Ｌ１に沿っており、また、この場合、トレンチキャパシタ５６の領域５４の走査線Ｌ０及びＬ２を横断するデータ走査の中心を提供する。概観走査と同様に、データ走査は、３つのセグメント又は図７に示すデータ取り込み走査線Ｄ１、Ｄ２、及びＤ３を横断する。また、概観走査と同様に、好適には、段セグメントであるセグメントＤ２の間、データは取り込まれない。上述したように、概観走査及び後続のパターン認識機能を実施することによって、ほぼ平行な走査セグメントＤ１及びＤ３は、所望通りに、走査線Ｌ０及びＬ２上に含まれるトレンチの中心（即ち、フィーチャ中間点）を実質的に通過し、こうして、上述したように、最大トレンチ深度の指標が提供される。

セグメントＤ２は、好適には、少なくとも実質的に図２に示すＹピッチＹ_ＰＯの２倍に等しく設定される。Ｄ２をこの距離に設定することによって、トレンチキャパシタ５６の対応する並んだ行５８（そこからオフセットされた行に対向する）、即ち、Ｌ０及びＬ２は、横断され、ＡＦＭによって画像化される。フィーチャに関する取り込みデータに基づき、図８に示すトレンチプロファイルがグラフ化され、また、特有のフィーチャが測定され得る。この場合、概観走査は、実質的に最大デバイス深度の地点に対応するデバイス５６の中心の指標を提供することから、最大トレンチ深度の指標が、容易に識別される。

特に、概観走査が、９０度走査である間、データ走査は、図２、３及び７に示すように、従来の二次元のＡＰＭラスター走査に基づき行われ得る。しかしながら、概観走査と同様に、各フィーチャ５６は、そのフィーチャの最大深度の指標を提供するには、２走査線概観走査を用いて明快に演算されたデータ中心ＤＣにより、データ走査が、許容可能な許容誤差内でフィーチャの中心を横断するならば、１つの走査線だけで横断される必要がある。特に、許容誤差は、フィーチャに依存し、パターン認識ソフトウェアは、画素以下の精度／反復精度を有する。更に、上記ステップは、連続して起こるものとして述べたが、必ずしも上記順番で実施する必要があるとは限らない。例えば、概観走査中心ＳＣは、ユーザが、走査サイズを含む概観走査のパラメータを選択する時に決定され得る。

図９は、詳細に上述した好適なアルゴリズム９０を示すフローチャートについて述べる。先端部及びサンプルが、プローブ係合ブロック９２において、互いに係合された後（プローブ係合は、プローブ及びサンプルを相対的に位置決めして、プローブ又はサンプルのいずれかに損傷を与えることなく後続のＡＦＭ測定を実施するプロセスである）、アルゴリズム９０は、ブロック９４において概観走査を実施する。好適には、上述したように、概観走査は、“段”セグメント（図３におけるＳ２）が、ピッチＸ_ＰＯの分数倍／倍数であることを保証することによって、対象サンプル上においてフィーチャ領域を効率的に特定する２走査線概観走査である。次に、ブロック９６において、概観走査データを処理する。好適には、上述したＸＣＡＬＩＰＥＲ（登録商標）ルーチン等のパターン認識機能が、サンプルのフィーチャを識別するために、また、適切な点数を各々に割り当てるために用いられる。異なるフィーチャに関連付けられた点数に基づき、特定のフィーチャ、通常、最も高い点数を有するものを識別して、領域を特定し、フィーチャの中心座標が、好適には、記憶される。このステップによって、後続のデータ走査の中心点の特定が円滑化される。

識別されたフィーチャ及びその対応する中心座標並びに概観走査中心ＳＣを用いて、データ走査中心ＤＣが、ブロック９８において決定される。その後、データ走査が、ブロック１００において実施される。そして、ブロック１００の結果として生成されたプロファイルデータは、ブロック１０２において、サンプルの特性（例えば、特性寸法）を決定するために用いられる。特に、ブロック９２における先端部対サンプル係合の後、アルゴリズム９０の残りのステップは、上述したように、１分未満で実施され、従来技術と比較して大幅な処理能力改善が提供され得る。一旦アルゴリズム９０が完了すると、上述したように別のサンプルが処理され得る。

上述のＡＦＭ及び方法の場合、好適な実施形態では、ユーザは、データ走査線Ｄ１及びＤ３（繰り返すが、段セグメントＤ２の間、データは取得されない）が、領域５４の対応する部分のデバイスの中心線を横断するように、２走査線概観走査を用いて、トレンチキャパシタ５６の領域５４に対応する“Ｘ”方向における配列（即ち、“Ｘ”方向におけるデータ走査の配列）を決定し得る。再度、デバイス５６の中心を通過することによって、好適な実施形態に提供される測定が許容可能な許容誤差を外れないならば、フィーチャに深度のばらつきがあっても、最も大きいトレンチ深度の点を推定し得る。

概して、好適な実施形態は、半導体業界において、現国際半導体技術ロードマップ（ＩＴＲＳ）、例えば、１１０ｎｍ未満（ｓｕｂ−１１０ ｎｍ）のＩＴＲＳ技術ノードトレンチキャパシタと一致している寸法（トレンチ深度等）を有するフィーチャ／デバイスの測定を提供するという独特の有用性を有する。本手法の場合、特性寸法（例えば、トレンチ深度）は、ほぼ特性寸法の２．０％と２．０ｎｍとの内の大きい方より小さい動的３σ反復精度を有し、これは、（例えば、熱ドリフト等を招き得る）変動する環境条件下であってもシステムの堅牢化を支援する最小必要数の概観／データ走査線によって可能となる。更に好適には、示した動的反復精度は、特性寸法の１．０％又は１．５ｎｍの内の大きい方より小さい。更に、１１０ｎｍ未満のＩＴＲＳトレンチキャパシタに関する特定の用途において、サンプル処理能力は、従来の方法と比較して大きく改善される。例えば、従来の方法は、３つのトレンチキャパシタに関して、プローブ係合からデータ取り込みまでゆうに少なくとも１分以上要するが、好適な実施形態は、プローブ対サンプル係合から要するのは１分未満であり、通常、５秒未満である。もちろん、半用途において有用であるが、本アルゴリズムは、処理能力及び反復精度の点で、多種多様なＡＦＭ用途においてこれらの恩典を提供する。

図１０において、低縦横比データ走査を行って、以前示した（図７）データ走査の縦横比より小さい縦横比を有するデータ走査を生成するデータ走査中心を決定し得る。そのようなデータ走査は、更に効率的に（例えば、より大きい処理能力及びより小さい先端部磨耗で）表面１１２を有するサンプル１１０を走査するために用い得る。この場合のデータ走査は、走査の高さ“Ｈ”に対する幅“Ｗ”の比（即ち、縦横比）が、図７に示す走査のそれより有意に小さいことから、低縦横比走査である。特に、幅Ｗは、この場合、高さＨより有意に小さい（ほぼ図７の走査のものと反対である）。

特に、データ走査のセグメントＤ１上の図７に示すフィーチャＣ５とＣ６との間の“むだ時間”よりもむしろ（“むだ時間”は、ＡＦＭデータ走査の部分を意味し、この部分の間、フィーチャは、画像化されず、また、この部分は、通常、フィーチャ５６の行５８のオフセット特性のために生じる）、このむだ時間は、図１０に示すように、大幅に低減し得る。最初に、走査線Ｄ１を走査（フィーチャＣ４、Ｃ５の中心を通過）した後、ステップＤ２を実施する。ステップＤ２は、以前（図７）のように、ＹピッチＹ_ｐｏの２倍のままであるが、データ走査のＤ２セグメントが横断するとすぐに、トレンチキャパシタＣ８、Ｃ９は、表面１１２のむだ時間走査がほとんどない状態で、即ち、図１０のデータ走査
線Ｌ０、Ｌ２及びＬ４上のトレンチキャパシタ５６の対６０間におけるスペースを画像化することなく、画像化処理される。一般的に、この効率は、データ走査の段セグメント（図１０のＤ２、例えば、この間、フィードバックが止まり得る）を横断するのに要する時間は、例えば、図７の走査線Ｄ１に沿ってＣ５からＣ６に横断するのに要する時間より一般的に実質的に小さいことを理解することによって、認識される。

本発明者らが考えた本発明を実行する最良のモードを開示したが、本発明の実践は、それに限定されない。例えば、サンプルは、他の環境下（例えば、様々な媒体、雰囲気条件等）にあってもよく、また、多種多様なサンプルに対して測定値を提供するために用いることができる。本発明の特徴の様々な追加、変更及び再構成は、本発明の根底にある概念の精神及び範囲から逸脱することなく行ない得ることは、明らかである。

従来技術の原子間力顕微鏡を示す概略ブロック図。 半導体フィーチャの領域、例えば、ウェーハの千鳥状線に沿って対にして配置されたＤＲＡＭトレンチキャパシタを示す概略平面図。 好適な実施形態による概観走査を示す図２と同様な概略平面図。 図２及び３のトレンチキャパシタの１つを示す平面図。 図４の走査線Ｑ−Ｓに沿うプロファイルを提供する概略図。 図３に示す概観走査から生じる、即ち、概観走査線Ｓ１及びＳ３に沿うトレンチキャパシタのプロファイルを提供し、走査線Ｓ１及びＳ３に関連するプロファイルの追加を示す概略図。 図２のトレンチキャパシタの領域を示し、好適な実施形態により行われるデータ走査を示す概略平面図。 図７のデータ走査から生じるトレンチキャパシタのプロファイルを提供する概略図。 好適な実施形態の方法ステップを示すフローチャート。 低縦横比データ走査を用いた、好適な実施形態によるデータ走査を示す概略平面図。

Claims (12)

1. 原子間力顕微鏡を用いて半導体サンプルのフィーチャ領域のフィーチャのデータを取り込む方法であって、フィーチャ領域は、走査方向の第１ピッチ（Ｘ_ＰＯ）と前記走査方向に対して９０度方向の第２ピッチ（Ｙ_ＰＯ）とを有し、該方法は、
   ５本以内の概観走査線を用いて概観走査を実施して前記フィーチャ領域を特定する工程であって、隣接する概観走査線間の距離（Ｘ_Ｐ１）は、前記概観走査線と直交する方向に沿った前記第１ピッチ（Ｘ_ＰＯ）と実質的に等しくない前記工程と、
   データ走査を実施して、前記フィーチャ領域の前記フィーチャのデータを取り込む工程と、を含む方法。
2. 前記概観走査は１本または２本の概観走査線を用いて前記フィーチャ領域を特定する、請求項１に記載の方法。
3. 前記データ走査は、少なくとも実質的に平行なデータ取り込み線に沿ってのみ実施される請求項１に記載の方法。
4. 前記データ走査からの画像の縦横比は、前記走査線方向の前記比の大きさが、前記走査線と直交する方向における前記比の大きさより大きい請求項３に記載の方法。
5. 前記概観走査は第１軸に沿って実施され、前記データ走査は少なくとも第１軸と実質的に直交する第２軸に沿って実施される請求項１に記載の方法。
6. データ取り込み線間の距離は、第１軸に沿う前記フィーチャ領域のピッチの２倍に少なくともほぼ等しい請求項５に記載の方法。
7. 前記概観走査から前記データ走査の走査領域の中心を決定する工程を含む請求項６に記載の方法。
8. 前記決定する工程は、前記概観走査から取り込まれた前記データに対してパターン認識
   を用いる請求項７に記載の方法。
9. 前記データ走査に先立って１回の概観走査だけが実施される請求項１に記載の方法。
10. 走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）であって、
    走査方向の第１ピッチ（Ｘ_ＰＯ）と前記走査方向に対して９０度方向の第２ピッチ（Ｙ_ＰＯ）とを有するフィーチャ領域を含む半導体サンプルと相互作用する先端部を有するプローブと、
    スキャナと、
    前記スキャナを制御する制御部とを備え、
    前記制御部により制御される前記スキャナは前記先端部と前記サンプルとの間の相対運動を提供し、
    （ａ）概観走査を実施して前記領域を特定し、そして、
    （ｂ）前記概観走査に基づきデータ走査を実施することと、
    前記概観走査は５本以内の走査線を含むことと、前記概観走査及び前記データ走査は、合わせて１分未満しか要さず、隣接する概観走査線間の距離（Ｘ_Ｐ１）は、前記概観走査線と直交する方向に沿った前記第１ピッチ（Ｘ_ＰＯ）と実質的に等しくない、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）。
11. 前記概観走査は２本の走査線を横断する請求項１０に記載のＳＰＭ。
12. 前記概観走査及び前記データ走査中に取り込まれたデータを解析するコンピュータを更に備え、前記データ走査のデータは、前記フィーチャの内の少なくとも１つの特性寸法を表し、前記特性寸法は、前記特性寸法の２．０％と２．０ｎｍとの内の大きい方より小さい３シグマ動的反復精度を有する請求項１０に記載のＳＰＭ。

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