JP6013380B2 - 半導体ウェーハのリアルタイム三次元ｓｅｍ画像化およびビューイングのための装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、電子ビームの画像化および電子ビーム画像データの処理のための方法および装置に関する。

走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）は、一種の電子顕微鏡である。ＳＥＭにおいて、試料が集束電子ビームによって走査されると、ビームが試料に衝突するのと共に、二次電子および／または後方散乱電子（ＳＥおよび／またはＢＳＥ）が発生する。これらは、検出された後、典型的には試料表面の画像に変換される。この画像は典型的には、「垂直」ビュー（すなわち、半導体表面に対して垂直なビュー）として視認される。

特開２００８−２８２７６１号公報

しかし、近年、集積回路中の重要構造および欠陥の構造および形態はますます重要になっている。半導体表面の上方において垂直方向に構築されたデバイス構造の登場により、プロセスの実行様態を理解するためにこのような構造を視認する必要が発生し得る。半導体デバイス内の重要欠陥は、絶対的観点からますます微細化しており、根本的原因の分析において、さらなるコンテキスト的情報が必要となっている。

一実施形態は、基板表面のリアルタイム三次元電子ビーム画像化の方法に関する。一次電子ビームを基板表面上に走査することにより、基板表面から電子を出射させる。出射電子は、複数の少なくとも２つの軸外センサーを用いて同時検出されて複数の画像データフレームが生成され、各画像データフレームは、異なるビュー角度において基板表面から出射された電子に起因する。これら複数の画像データフレームを自動処理することで、基板表面の三次元表現を生成する。その後、三次元表現の複数のビューが表示される。

別の実施形態は、基板表面のリアルタイム三次元電子ビーム画像化のために構成された装置に関する。この装置は、一次電子ビームの生成源、走査偏向器と、検出システムと、画像データ処理システムとを少なくとも含む。走査検出器は、一次電子ビームを偏向させることにより、基板表面上に一次電子ビームを走査させて、基板表面から電子を出射させるように構成される。検出システムは、複数の少なくとも２つの軸外センサーを用いて出射電子を同時検出して、複数の画像データフレームを生成するように構成される。各画像データフレームは、基板表面から異なるビュー角度で出射された電子に起因する。画像データ処理システムは、複数の画像データフレームを自動処理して、基板表面の三次元表現の複数のビューを生成するように構成される。

他の実施形態、局面および特徴も開示される。

本発明の実施形態による半導体ウェーハのリアルタイム三次元ＳＥＭ画像化およびビューイングの方法のフローチャートである。 画像データを３つ以上のビュー角度から同時収集するように構成された電子ビーム装置の第１の実施形態の模式図である。 本発明の実施形態による検出器のセグメント化の模式図である。 画像データを３つ以上のビュー角度から同時収集するように構成された電子ビーム装置の第２の実施形態の模式図である。 画像データを３つ以上のビュー角度から同時収集するように構成された電子ビーム装置の第２の実施形態の模式図である。 画像データを３つ以上のビュー角度から同時収集するように構成された電子ビーム装置の第３の実施形態の模式図である。 画像データを３つ以上のビュー角度から同時収集するように構成された電子ビーム装置の第３の実施形態の模式図である。 対象領域の左眼および右眼立体ビューの一例を示す。 対象領域を示すビュー経路に沿って映像内ビューが移動する場合における、当該映像からの例示的キャプチャフレームを示す。 対象領域を示すビュー経路に沿って映像内ビューが移動する場合における、当該映像からの例示的キャプチャフレームを示す。 対象領域を示すビュー経路に沿って映像内ビューが移動する場合における、当該映像からの例示的キャプチャフレームを示す。 対象領域を示すビュー経路に沿って映像内ビューが移動する場合における、当該映像からの例示的キャプチャフレームを示す。

走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の画像化と、半導体ウェーハの重要位置の視認とは、一般的に「垂直」ビューから行われることが多い。しかし、このような垂直ビューからでは、サンプル表面の高精度トポロジー情報を把握することは困難である。

ＳＥＭ画像を非垂直角度で得るための従来の技術の場合、ＳＥＭカラムまたはサンプルを手動チルトして、サンプル表面への入射ビーム角度を偏向することが必要であることが多い。別の従来の技術の場合、２つの異なる非垂直角度視点において２つの画像を順次得る必要がある。第２の画像を取得後、ユーザは、立体ビューイングデバイスを用いて、サンプル表面の三次元画像を把握することができる。

しかし、これらの従来の技術の場合、（カラムまたはサンプルステージ）を機械的に移動させる必要があり、また、２つの画像を順次入手する必要もある。これらの要求に起因して、ｅビーム検査ツールのスループットに悪影響が出る。その上、画像取得時において用いられるチルト角度（単数または複数）に起因して、ビューイング角度が限定される。

本明細書中に開示される装置および方法は、半導体製造プロセス時における重要構造および欠陥についてのリアルタイム三次元トポロジーおよびコンテキスト情報を提供する。その結果、単一パス視認が可能になり、また、高ｋ誘電金属ゲートトランジスタおよび他の三次元構造中の欠陥の特徴着けをより完璧に行うことが可能になる。本明細書中に記載の技術を用いれば、半導体サンプルの多量の重要対象領域の三次元画像化を行うために必要な時間を１桁分節約することが可能になる。重要領域の高精度位置および画像化収集が可能になり、これにより、背景パターンおよび構成材料のコンテキストにおける対象構造のより深い理解が得られ、これにより絶対感度が向上する。

図１は、本発明の実施形態による半導体ウェーハのリアルタイム三次元ＳＥＭ画像化およびビューイングの方法１００のフローチャートである。図示のように、方法１００において、先ず標的基板を保持するステージを平行移動させて、標的基板上の対象領域をＳＥＭカラムの入射ビーム下に配置する（１０２）。その後、対象領域を入射ビームによって走査している間、画像データを３つ以上のビュー角度から同時に収集する（１０４）。３つ以上のビュー角度から画像データを同時収集するように構成された装置の実施形態について、図２、図３、図４Ａ、図４Ｂ、図５Ａおよび図５Ｂに関連して以下に説明する。

図２および図３を参照して、これらの図は、３つ以上のビュー角度から画像データを同時収集するように構成された装置の第１の実施形態を示す。図２は、電子ビームカラムの断面図であり、図３は、カラムと共に用いられ得るセグメント化検出器の平面図である。

図２に示すように、源２０１から、電子の一次ビーム（すなわち、入射ビーム）２０２が生成される。一次ビーム２０２は、ウィーンフィルタ２０４を通過する。ウィーンフィルタ２０４は、相互に交差する電界および磁界を生成するように構成された光学素子である。走査偏向器２０６および集束電子レンズ２０７が利用される。走査偏向器２０６を用いて、ウェーハまたは他の基板サンプル２１０の表面上に電子ビームを走査させる。集束電子レンズ２０７を用いて、ウェーハまたは他の基板サンプル２１０の表面上のビームスポット内に一次ビーム２０２を集束させる。一実施形態によれば、集束レンズ２０７は、電界および／または磁界を生成することにより、動作し得る。

一次ビーム２０２の走査の結果、サンプル表面から電子が出射または放散される。これらの出射電子は、二次電子（ＳＥ）および／または後方散乱電子（ＢＳＥ）を含み得る。その後、出射電子をウェーハまたは他のサンプル（ウェーハ／サンプル）２１０から抽出する。電磁場２０８を介して、最終（対物）レンズによる作用をこれらの出射電子に及ぼす。電磁場２０８は、一次ビーム光軸から比較的短距離の範囲内に出射電子を拘束し、これらの電子をカラム内に加速させる機能を果たす。このようにして、放散電子ビーム２１２が出射電子から形成される。ウィーンフィルタ２０４は、放散電子ビーム２１２を一次ビーム２０２の光軸から検出軸（装置の検出システムの光軸）へと偏向させる。その結果、放散電子ビーム２１２が一次ビーム２０２から分離される。

本発明の一実施形態によれば、検出システムは、例えば、図３中にさらに詳細に図示されるセグメント化検出器３００と、画像処理システム２５０とを含み得る。画像処理システム２５０は、プロセッサ２５２と、データ保存部（メモリを含む）２５４と、ユーザインターフェース２５６と、表示システム２５８とを含み得る。データ保存部２５４は、命令およびデータを保存するように構成され得、プロセッサ２５２は、命令実行およびデータ処理を行うように構成され得る。表示システム２５８は、基板表面のビューをユーザへ表示するように構成され得る。ユーザインターフェース２５６は、ユーザ入力（例えば、表示されているビュー角度の変更のためのユーザ入力）を受信するように構成され得る。

図３に示すように、セグメント化検出器３００は、５個のセンサーまたは検出器セグメント３０２、３０４−１、３０４−２、３０４−３および３０４−４を含み得る。中央（軸上）セグメント３０２は、放散電子ビーム２１２の中心から画像データを検出するように構成され得る。中央セグメント３０２は、検出軸上に配置されている点において軸上にある。中央セグメント３０２からの画像データは、垂直ビュー（すなわち、ゼロ度の極角においてサンプル表面に対して垂直なビュー角度）からの画像データに対応し得る。４つの外側（軸外）セグメント（３０４−１、３０４−２、３０４−３および３０４−４）は、角度ビュー（すなわち、非ゼロ極角および異なる方位角度においてサンプル表面に対して非垂直であるビュー角度）からの画像データに対応し得る。換言すれば、４つの外側セグメント（３０４−１、３０４−２、３０４−３および３０４−４）はそれぞれ、異なる方位角度（例えば、およそ９０度で間隔を空けられた方位角度）でありかつほぼ同じ極角で基板表面から出射された放散電子を検出する。外側セグメント（３０４−１、３０４−２、３０４−３および３０４−４）は、検出軸から外れている点において軸外である。別の実行様態において、異なるセグメント化を実行することができる。

図４Ａおよび図４Ｂを参照して、これらの図は、３つ以上のビュー角度から画像データを同時収集するように構成された第２の実施形態を示す。図４Ａは、電子ビームカラム４００の下部の断面図であり、図４Ｂは、カラムと共に用いることが可能なセグメント化検出器の平面図である。

図４Ａに示すように、対物レンズ４０２は、標的基板４０４の表面上に入射ｅビーム４０１を集束させるように、構成される。入射ｅビーム４０１は、電子銃によって生成され得、図２に示すｅビームカラムに関連して上述した様態と同様の様態で偏向器によって走査され得る。本実施形態において、複数の検出器セグメント（または複数の別個の検出器）は、レンズ下構成において構成される。

このレンズ下構成４００において、軸外または「側部」センサーまたは検出器セグメント（４０８−１、４０８−２、４０８−３および４０８−４）は、電子ビームカラムの下部（標的基板の近隣）において、対物レンズ４０２の下側に配置される。特定の条件下において、より大きな極角（好適には４５度以上）において垂直面に対して出射される電子（すなわち、表面により近い軌跡で出射される電子）は、選択的にレンズ下検出器に到達する。これらの検出器は、分離してもよいし、あるいは、共に接続してセグメント化検出器を形成してもよい。これらの電子は典型的には表面トポロジーに対する感度がより高いことが多いため、このような検出器によって形成される画像は、一次ビーム光軸およびサンプル／ウェーハ面に対する検出器の位置決めによって規定された方位図を備えた表面のトポグラフィーを示す。

図４Ａの断面図において、２つの軸外検出器セグメント４０８−１および４０８−３が図示される。図４Ｂに示す平面図は、４つの軸外検出器セグメント（４０８−１、４０８−２、４０８−３および４０８−４）がカラムの電子光軸を包囲する様子を示す（カラムの電子光軸に沿って、入射ｅビーム４０１が移動する）。この実行様態において、各検出器セグメントは、標的表面から出射された放散電子４０６をほぼ９０度の方位角度範囲内において検出し得る。よって、各検出器セグメントにより、（方位角度および同一極角においてほぼ９０度で間隔を空けて配置された）異なるビュー角度が得られる。

図５Ａおよび図５Ｂを参照して、これらの図は、３つ以上のビュー角度から画像データを同時収集するように構成された装置の第３の実施形態を示す。図５Ａは、電子ビームカラム５００の下部の断面図であり、図５Ｂは、カラムと共に用いられ得るセグメント化検出器の平面図である。

図５Ａに示すように、対物レンズ５０２は、入射ｅビーム５０１を標的基板５０４の表面上に集束させるように、構成される。入射ｅビーム５０１は、電子銃によって生成され得、図２に示すｅビームカラムに関連して上述した様態と同様の様態で偏向器によって走査され得る。本実施形態において、複数の検出器セグメント（または複数の別個の検出器）は、レンズ後方構成において構成される。

このレンズ後方構成５００において、軸外または「側部」センサーまたは検出器セグメント（５０８−１、５０８−２、５０８−３および５０８−４）は、標的基板５０４から対物レンズ５０２の反対側側部上に配置される。換言すれば、対物レンズ５０２は、標的基板５０４と、「側部」検出器または検出器セグメント（５０８−１、５０８−２、５０８−３および５０８−４）との間に設けられる。この場合、対物レンズの磁界は、（垂直表面から４５度を超える角度で出射された電子を含み得る）出射電子を拘束した後、これらの電子をレンズ後方検出器アレイ（５０８−１、５０８−２、５０８−３および５０８−４）へと方向付けるように、構成され得る。レンズ下構成４００と同様に、標的基板５０４の表面についてのトポグラフィー情報を示すレンズ後方構成５００からの検出信号を用いて画像を形成することができる。

図５Ａの断面図において、２つの検出器セグメント５０８−１および５０８−３が図示されている。図５Ｂ中に示す平面図は、４つの検出器セグメント（５０８−１、５０８−２、５０８−３および５０８−４）がカラムの軸を包囲する様子を示す（この軸に沿って、入射ｅビーム５０１が移動する）。この実行様態において、各検出器セグメントは、標的表面から出射された電子をおよそ９０度の方位角度範囲内において検出することができる。よって、各検出器セグメントにより、（方位角度においておよそ９０度で同一極角で間隔を空けて配置された）異なるビュー角度が得られる。

上記した第２の実施形態４００または第３の実施形態５００双方において、より多数またはより少数の検出器セグメントを用いることができる。例えば、３つの均等に間隔を空けて配置された検出器セグメントが用いられる場合、各検出器セグメントにより、方位角度において１２０度で有効に間隔を空けて配置されたビュー角度が得られる。別の例として、５個の均等に間隔を空けて配置された検出器セグメントが用いられる場合、各検出器セグメントにより、方位角度において７２度で有効に間隔を空けて配置されたビュー角度が得られる。別の例として、６個の均等間隔を空けて配置された検出器セグメントが用いられる場合、各検出器セグメントにより、方位角度において６０度で有効に間隔を空けて配置されたビュー角度が得られる。また、これらの検出器セグメントまたは別個の検出器を離散して設けることにより、大幅に狭い方位角度範囲から放散電子を収集することができる。さらに、「側部」（非垂直ビュー）検出器に加えて、従来の検出器構成（例えば、図３中の中央検出器３０２）を設けることにより、垂直ビューから画像データを同時に得ることができる。

再度図１を参照して、電子ビーム画像データを３つ以上のビューイング角度から同時収集した後、画像データを自動処理（１０６）して、対象領域表面の三次元表現を生成する。一実施形態において、ランバートモデルに基づいて三次元表現を構築することができる。あるいは、立体視機能に基づいて三次元表現を構築してもよい。

自動処理１０６時において、半導体表面上に作製されている集積回路に関連する設計および材料データ１０８へアクセスすることができる。その後、三次元表現を設計データにアライメントさせることができる（１０９）。その後、設計データ中の層情報を用いて、三次元表現からの表面高さマップを修正することができる（１１０）。あるいは、関連分野の当業者であれば理解するように、標準サンプルからの画像データを用いて、三次元表現からの表面高さマップを較正することもできる（１１１）。

一実施形態によれば、左眼立体ビューおよび右眼立体ビューに対応する画像を三次元表現を用いて生成することができる（１１２）。対象領域の左眼立体ビューおよび右眼立体ビューの例を図６に示す。任意選択的に、材料データに基づいたテクスチャマップを各立体ビュー上にアライメントおよびオーバーレイする（１１４）ことで、材料コントラストを示すことができる。その後、三次元（３Ｄ）立体ビューをユーザに表示することができる（１１６）。表示は、標的基板が未だ走査電子ビーム下にある状態でリアルタイムで行うことができる。一実行様態において、表示は、テクスチャ３Ｄ表現の立体視認のためのゴーグル型双眼鏡３Ｄ映像表示を含み得る。３Ｄ表現との相互作用を、ユーザインターフェースデバイスを介して行うことができる。ユーザ入力をユーザインターフェースデバイスを介して受信した後（１１８）、立体ビュー図をユーザ入力に基づいて調節することができる（１２０）ｂ例えば、、チルト、回転およびズーム入力を用いて立体ビュー図を変更することができる。

別の実施形態によれば、例示的な「空中飛行」ビュー経路を決定することができる（１２２）。ビュー経路は好適には、一定範囲の角度および距離から対象領域をビューする。その後、ビュー経路に基づいて、１組の一連のフレームを含む映像を生成する（１２４）。映像のフレームは、カメラが対象領域上を「飛行」していたかのような透視図を示す。換言すれば、対象領域の映像は角度として生成され（１２４）、かつ／または、ビューのチルトおよび／またはズームを円滑に変更することができる。任意選択的に、材料データに基づいたテクスチャマップを各フレーム上にアライメントおよびオーバーレイして、材料コントラストを示すことができる（１１４）。映像からの４つの例示的映像フレームキャプチャを図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃおよび図７Ｄ中に示す。ここで、この映像は、図６と同じ対象領域のものであり、キャプチャフレームは、映像中において２秒間隔で空けて配置されることで、映像時におけるビュー角度の変化を示す。これらの例示的映像フレームをテクスチャマップ上にオーバーレイすることで、材料コントラストを示す。その後、この映像を映像ファイルフォーマット（例えば、ＡＶＩまたは類似のファイルフォーマット）中に出力する（１２６）。

別の実施形態によれば、三次元表現の透視図の画像を生成することができる（１２８）。任意選択的に、材料データに基づいたテクスチャマップを画像上にアライメントおよびオーバーレイすることにより、材料コントラストを示すことができる（１１４）。その後、無線接続タブレットコンピュータまたは他のコンピュータディスプレイを介してこの透視図をユーザへ表示することができる（１３０）。この表示は、標的基板が未だ走査電子ビーム下にある状態で、リアルタイムで行うことができる。３Ｄ表現との相互作用は、例えばモーション感知制御を介して、タブレットコンピュータのモーション感知タッチスクリーン上において行うことができる。ユーザ入力は、モーション感知制御を介して受信することができ（１３２）、立体ビューの透視図をユーザ入力に基づいて調節することができる（１３４）。例えば、チルト入力、回転入力およびズーム入力を用いて、表示された透視図を変更することができる。

上記の記載において、本発明の実施形態の深い理解のために、多数の特定の詳細について記載した。しかし、上記の本発明の例示的実施形態の記載は、網羅的なものではなく、また、本発明を開示の形態のみに限定するものでもない。関連分野の当業者であれば、これらの特定の詳細のうち１つ以上無しにまたは他の方法、コンポーネントなど無しに本発明を実行することが可能であることを理解する。他の場合において、本発明の局面を曖昧にしないために、周知の構造または動作は図示または記載していない。本発明の特定の実施形態および例について例示目的のために記載しているが、関連分野の当業者であれば理解するように、多様な均等的な改変が本発明の範囲内において可能である。

これらの改変は、上記の詳細な説明を鑑みれば本発明において可能である。以下の特許請求の範囲において用いられる用語は、明細書および特許請求の範囲中に開示される特定の実施形態に本発明を限定するものとして解釈されるべきではない。すなわち、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によって決定されるべきである。以下の特許請求の範囲は、請求項解釈における均等論に基づいて解釈されるべきである。

Claims (20)

1. 基板表面のリアルタイム三次元電子ビーム画像化の方法であって、
   前記基板表面上に一次電子ビームを走査して、前記基板表面から電子を出射させることと、
   複数の少なくとも２つの軸外センサーを用いて出射電子を同時検出して、複数の画像データフレームを生成することであって、各画像データフレームは、基板表面から異なるビュー角度で出射された電子に起因することと、
   前記複数の画像データフレームを自動処理して、前記基板表面の三次元表現を生成することと、
   前記三次元表現の複数のビューを表示すること、
   を含み、
   前記軸外センサーは、軸外検出器セグメントを含み、前記軸外検出器セグメントは、軸上検出器セグメントを包囲する、
   方法。
2. 前記軸外センサーは、レンズ下構成において配置される、請求項１に記載の方法。
3. 前記軸外センサーは、レンズ後方構成において配置される、請求項１に記載の方法。
4. 前記自動処理は、
   前記三次元表現と、画像化されている前記基板表面と関連付けられた設計データとをアライメントさせること、
   を含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記自動処理は、
   前記設計データ中の層情報を用いて前記三次元表現の表面高さマップを修正すること、
   をさらに含む、請求項４に記載の方法。
6. 表示すべき前記ビュー上に材料コントラストを示すテクスチャマップをオーバーレイすることであって、前記テクスチャマップは、画像化されている前記基板表面と関連付けられた材料データに基づくこと、
   をさらに含む、請求項１に記載の方法。
7. 表示すべき左立体ビューおよび右立体ビューを生成すること、
   をさらに含む、請求項１に記載の方法。
8. 上空飛行ビュー経路を決定することと、
   前記上空飛行ビュー経路に基づいて、前記基板表面の映像を生成すること、
   をさらに含む、請求項１に記載の方法。
9. 前記ビューは、無線接続タブレットコンピュータ上に表示される、請求項１に記載の方法。
10. 表示中のビューを変更するためのユーザ入力を受信することと、
    前記ユーザ入力に基づいてビューを調節すること、
    をさらに含む、請求項１に記載の方法。
11. 基板表面のリアルタイム三次元電子ビーム画像化のために構成された装置であって、
    一次電子ビームの生成源と、
    前記一次電子ビームを偏向させて前記基板表面上に前記一次電子ビームを走査して、前記基板表面から電子を出射させるように構成された走査偏向器と、
    複数の少なくとも２つの軸外センサーを用いて出射電子を同時検出して複数の画像データフレームを生成するように構成された検出システムであって、各画像データフレームは、基板表面から異なるビュー角度で出射された電子に起因する、検出システムと、
    前記複数の画像データフレームを自動処理して前記基板表面の三次元表現の複数のビューを生成するように構成された画像データ処理システムと、
    を含み、
    前記軸外センサーは、軸外検出器セグメントを含み、前記軸外検出器セグメントは、軸上検出器セグメントを包囲する、
    装置。
12. 前記軸外センサーは、レンズ下構成において配置される、請求項１１に記載の装置。
13. 前記軸外センサーは、レンズ後方構成において配置される、請求項１１に記載の装置。
14. 前記画像データ処理システムによって行われる前記自動処理は、
    前記三次元表現と、画像化されている前記基板表面と関連付けられた設計データとをアライメントさせること、
    を含む、請求項１１に記載の装置。
15. 前記画像データ処理システムによって行われる前記自動処理は、
    前記設計データ中の層情報を用いて前記三次元表現の表面高さマップを修正すること、
    をさらに含む、請求項１４に記載の装置。
16. 前記画像データ処理システムによって行われる複数のビューの生成は、材料コントラストを示すテクスチャマップを表示すべき前記ビュー上にオーバーレイすることを含み、前記テクスチャマップは、画像化されている前記基板表面と関連付けられた材料データに基づく、請求項１１に記載の装置。
17. 前記画像データ処理システムによって行われる複数のビューの生成は、表示すべき左立体ビューおよび右立体ビューを生成することを含む、請求項１１に記載の装置。
18. 前記画像データ処理システムによって行われる複数のビューの生成は、上空飛行ビュー経路を決定することと、前記上空飛行ビュー経路に基づいて前記基板表面の映像を生成することを含む、請求項１１に記載の装置。
19. 前記複数のビューを表示するように構成された無線接続タブレットコンピュータ
    をさらに含む、請求項１１に記載の装置。
20. 前記画像データ処理システムは、表示されているビューを変更するためのユーザ入力を受信することと、前記ユーザ入力に基づいてビューを調節することとを行うようにさらに構成される、請求項１１に記載の装置。