JP7329141B2 - 集積半導体サンプルにおける３ｄ構造間の接触領域のサイズ決定 - Google Patents

Description

本発明は、集積回路の切断（ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎｉｎｇ：断面化）による３次元回路パターンの検査および測定技術に関する。より詳細には、本発明は、集積半導体サンプル（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｓａｍｐｌｅ：集積半導体試料）における３Ｄ構造間の接触領域（ｃｏｎｔａｃｔ ａｒｅａ：コンタクトエリア）のサイズ（ｓｉｚｅ：大きさ）を決定するための方法に関する。

半導体構造は、最も微細な人工構造物であり、欠陥がほとんどない。これらのまれな欠陥は、欠陥検出または欠陥レビューまたは定量的計測装置が探し求めるシグネチャである。

関心のあるトピックは、集積半導体サンプルのコンタクト（ｃｏｎｔａｃｔ）を正確に設けることである。異なる３次元（３Ｄ）構造間に提供される接触断面積は、導電率または抵抗を制限し、したがって集積回路の性能を制限する。接触断面積は、集積回路製造の駆動要件の１つである、いわゆるオーバレイ精度によって影響を受ける。

集積回路の製造において、フィーチャサイズ（ｆｅａｔｕｒｅｓ ｓｉｚｅ：特徴サイズ）はより小さくなってきている。現在の最小フィーチャサイズまたは限界寸法は、１０ｎｍ未満、例えば７ｎｍまたは５ｎｍであり、近い将来には３ｎｍ未満に近づく。一般に、必要とされるオーバレイ精度は、例えば、最小フィーチャサイズの１／３であり、したがって、数ｎｍまたはそれ以下のオーダである。したがって、異なる３Ｄ構造間の接触断面積を高精度で測定する必要もある。従来技術に従って、以下の２次元（２Ｄ）測定技術が現在採用されている。

１つの標準的な技術は、走査型電子顕微鏡法（ＳＥＭ）である。ここでは、走査電子ビームがサンプル（試料）の表面を結像し（ｉｍａｇｅ）、表面の２次元像が得られる。しかしながら、２つの３Ｄ構造間の接触領域を結像することになる場合、ＳＥＭ法では、接触領域の視線を設ける必要がある。したがって、接触領域の上方から材料を除去する必要があるが、この除去は、ＳＥＭ測定のためのサンプル作製で除去される材料が多すぎるかまたは少なすぎるという点で不正確である可能性がある。この不正確な除去は、接触領域のＳＥＭ測定の精度に影響を及ぼす。

もう１つの標準的な技術は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）である。ここでは、透過時に結像される細いプローブを用意する必要がある。したがって、関心領域／コンタクトの上方および下方の両方から材料を除去する必要があり、この材料の除去は、除去される材料が多すぎるかまたは少なすぎるという点で不正確である可能性がある。この不正確な除去は、２つの３Ｄ構造間の接触領域のＴＥＭ測定の精度に影響を及ぼす。

さらに、ＳＥＭ法およびＴＥＭ法の両方について、２つの３Ｄ構造間の正確な接触位置を知ることは困難である。なぜなら、いったん材料が除去されると、サンプル内部の局在化を促進するかまたは可能にさえする固有の構造の多くまたはすべてが、除去後にはもはや存在しなくなるからである。

したがって、接触断面積を測定するための一般的な２次元手法は、精度に関して制限される。

一方、集積回路の内部構造を解析するためのもう１つの標準的な技術が存在する。ｎｍスケールで半導体サンプルから３Ｄ断層撮影データを生成する一般的な方法は、例えばデュアルビーム装置によって工夫が凝らされた、いわゆるスライスアンドイメージアプローチ（ｓｌｉｃｅ ａｎｄ ｉｍａｇｅ ａｐｐｒｏａｃｈ：薄く切って結像するアプローチ）である。このような装置では、２つの粒子光学系が斜めに配置される。第１の粒子光学系は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）とすることができる。第２の粒子光学系は、例えばガリウム（Ｇａ）イオンを用いた集束イオンビーム光学系（ＦＩＢ）とすることができる。Ｇａイオンの集束イオンビーム（ＦＩＢ）を用いて半導体サンプルのエッジ（ｅｄｇｅ：端）の層をスライスごとに切り出し、すべての断面が走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いて結像される。２つの粒子光学系は、垂直または４５°～９０°の角度で配向されていてもよい。図１は、スライスアンドイメージアプローチの概略図を示し、ｙ方向の集束イオン粒子ビーム５１を有するＦＩＢ光学カラム５０を使用し、ｘ－ｙ平面内で走査して、半導体サンプル１０を通る断面から薄層を除去して、断面像平面１１として新たな前面５２を現出させる。次のステップでは、断面１１の前面を走査結像するためにＳＥＭ（図示せず）が使用される。本例では、ＳＥＭ光軸はｚ方向に平行に配向され、ｘ－ｙ平面ラスタ内の走査結像ライン８２が断面像平面１１を走査し、断面像またはスライス１００を形成する。例えば前面５３および５４を通してこの手法を繰り返すことにより、異なる深さでサンプルを通る一連の２Ｄ断面像１０００が得られる。２つの続く（ｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔ）像スライス間の距離ｄｚは、１ｎｍ～１０ｎｍとすることができる。これらの一連の２Ｄ断面像１０００から、集積半導体構造の３Ｄ像を再構成することができる。高精度に再構成するために、一般に断面像の３Ｄボリュームへの精密配置を意味する像レジストレーション（ｉｍａｇｅ ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ：像の登録、記録）が行われる。像レジストレーションは、例えば、位置マーカを参照して行うことができる。

本特許出願は、出願番号米国特許出願第６２／９２７，９５４号の米国特許出願の優先権を主張するものであり、その開示は、その全体が参照により本出願に組み込まれる。

本発明の目的は、集積半導体サンプルにおける第１の３Ｄ構造と第２の３Ｄ構造との間の接触領域のサイズを決定するための改良された方法を提供することである。

この目的は、独立請求項１によって解決される。従属請求項は、さらなる実施形態を対象とする。

本発明の第１の態様によると、２Ｄ測定技術を適用する従来技術の欠点は、より正確な３Ｄ測定技術を適用することによって克服することができる。本発明は、集積半導体サンプルにおける第１の３Ｄ構造と第２の３Ｄ構造との間の接触領域のサイズを決定するために、例えばデュアルビーム装置によって精緻化されたスライスアンドイメージアプローチを適用する。これにより、接触領域のサイズの測定精度が大幅に向上し、サンプル作製が、想定される極めて薄い接触領域に正確に適合しなければならないという２Ｄ測定技術の欠点が克服される。

より詳細には、本発明は、集積半導体サンプルにおける第１の３Ｄ構造と第２の３Ｄ構造との間の接触領域のサイズを決定する方法を対象としており、本方法は、
少なくとも第１の断面像（ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ ｉｍａｇｅ：断面イメージ、断面画像）および第１の断面像に平行な第２の断面像を取得するステップであって、
第１の断面像および第２の断面像を取得するステップが、その後、結像（ｉｍａｇｉｎｇ：画像化、イメージング）のためにアクセス可能（ａｃｃｅｓｓｉｂｌｅ：接近可能、利用可能）な新たな断面を作るために集束イオンビームを用いて集積半導体サンプルの断面表面層を除去して、集積半導体サンプルの新たな断面を結像装置により結像することを含む、
ステップと、
得られた断面像の像レジストレーションを実行し、３Ｄデータセットを取得するステップと、
３Ｄデータセットにおいて第１の３Ｄ構造および第２の３Ｄ構造を表現する３Ｄモデルを決定するステップと、
３Ｄモデルに基づいて、第１の３Ｄ構造と第２の３Ｄ構造との相対的な重なり（ｒｅｌａｔｉｖｅ ｏｖｅｒｌａｐ：対応する（関係する）重なり（オーバーラップ））を決定するステップと、
を含む。

像レジストレーションは、断面像の精密配置に関係している。したがって、断面像は互いに正確に位置合わせされる。高い位置合わせ精度を可能にするいくつかの技術が当技術分野に既に存在する。断面像の正しい位置合わせは、このようにして得られた３Ｄデータセットにおいてさらなる正確なデータ分析を行うための前提条件である。

本発明によると、３Ｄデータセットにおいて少なくとも第１の３Ｄ構造および第２の３Ｄ構造を表現する３Ｄモデルが決定される。したがって、３Ｄモデルは、さらなる調査のための３Ｄ構造を表現する。特に、３Ｄモデルは、関心のある３Ｄ構造の形状および／または輪郭を描写する。

本発明によると、第１の３Ｄ構造と第２の３Ｄ構造との相対的な重なりは、３Ｄモデルに基づいて決定される。第１の３Ｄ構造および第２の３Ｄ構造は、互いに物理的に接触し、したがって接触領域を生成することが意図されている。しかしながら、欠陥に起因して、それらが物理的に接触せず、望ましくない大きな間隙が２つの３Ｄ構造間にもたらされる可能性もある。したがって、２つの３Ｄ構造がそれにもかかわらず位置合わせされている場合であっても、相対的な重なりは定義によりゼロである。

相対的な重なりは、集積半導体サンプル内部の所定の方向、平面および／または層に対して決定することができる。一実施形態によると、相対的な重なりは、集積半導体サンプルの平面内のおよび／または層に平行な領域を表す。

第１の３Ｄ構造および第２の３Ｄ構造は、頂部３Ｄ構造および底部３Ｄ構造によって表すことができる。これらは、左３Ｄ構造および右３Ｄ構造によって表すこともできる。重要なことは、２つの３Ｄ構造が、少なくとも互いに物理的に接触し、コンタクトを提供することが意図されていることである。

原理的には、本発明は、集積半導体サンプルにおける任意のコンタクトの接触領域のサイズを決定するために適用することができる。しかしながら、いくつかの典型的な適用例が存在する。一実施形態によると、第１の３Ｄ構造は、ビア（ｖｉａ）またはコンタクト構造であり、第２の３Ｄ構造は、金属線またはゲート構造である。

一実施形態によると、相対的な重なりを決定することは、３Ｄモデルから第１および第２の３Ｄ構造の輪郭を抽出することを含む。３Ｄ構造の輪郭は、３Ｄ構造の外形を表す。輪郭は、３Ｄモデルから抽出することができる。輪郭は、一連の平行な断面像の閉じた線として、特に、３Ｄモデルから抽出された一連の平行な仮想断面像の閉じた線として表すことができる。各輪郭は、平面内にそれぞれ提供され得る。隣り合う（ｎｅｉｇｈｂｏｒｉｎｇ：隣接する）輪郭および／またはこれらの平面間の距離は、計算を容易にするシーケンスを通して一定とすることができるが、前記距離は、異なる輪郭でおよび／またはそれらのそれぞれの平面間で変わることもできる。

一実施形態によると、相対的な重なりを決定することは、第２の３Ｄ構造に対する第１の３Ｄ構造のミスアライメント（ｍｉｓａｌｉｇｎｍｅｎｔ：ずれ、整列していないこと、位置ずれ）を決定することを含む。ミスアライメントは、例えば、一方の３Ｄ構造の他方の３Ｄ構造に対する横方向変位とすることができる。例えば、第１および第２の３Ｄ構造が共通に位置合わせされたエッジを有すると想定することは可能であるが、ミスアライメントに起因して、共通に位置合わせされたエッジが存在せず、ミスアライメントの程度に応じて、コンタクトに欠陥が存在する可能性がある。

一実施形態によると、本方法は、第１の３Ｄ構造または第２の３Ｄ構造と、隣の（隣接する）３Ｄ構造との間の距離を決定するステップをさらに含む。また、第１の３Ｄ構造または第２の３Ｄ構造から別の隣の構造までの距離は、集積半導体回路の性能に影響を及ぼす可能性がある。距離が例えば小さすぎる場合、望ましくない帯電効果が生じる可能性がある。これは、歩留まり損失および／または信頼性損失を引き起こす可能性がある。

一実施形態によると、本方法は、目標配置位置に対する第１および／または第２の３Ｄ構造の位置ずれを決定するステップを含む。目標配置位置は、理想的に意図された位置である。一実施形態によると、位置ずれは、エッジ配置のばらつき（ｅｄｇｅ ｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｖａｒｉａｔｉｏｎ：端の配置の変動）である。一例によると、第１の３Ｄ構造と第２の３Ｄ構造が完全に位置合わせされ、共通のエッジが存在する場合、目標配置位置に到達する。３Ｄ構造の一方の位置を、定義によって完全に位置決めされる基準として定義することが可能である。

一実施形態によると、本方法は、第１の３Ｄ構造および／または第２の３Ｄ構造の形状に基づいて、ならびに／あるいは、第１の３Ｄ構造と第２の３Ｄ構造との相対的な重なりに基づいて、第１の３Ｄ構造および／または第２の３Ｄ構造を欠陥として、または欠陥なしとして分類（ｃｌａｓｓｉｆｙ：区分）するステップを含む。３Ｄ構造の最適な形状は、通常、集積半導体サンプルの設計から分かる。例えば、性能および／または信頼性の著しい低下を引き起こす最適形状からのいかなるばらつきも、欠陥として分類することができる。欠陥の別の例は、性能および／または信頼性の低下を引き起こす第１の３Ｄ構造と第２の３Ｄ構造との間の相対的な重なりの減少である。必要最小限の相対的な重なりを臨界値として定義し、相対的な重なりがこの臨界値よりも小さい場合にそのコンタクトを欠陥として分類するようにすることが可能である。

より詳細には、第１の３Ｄ構造と第２の３Ｄ構造との間の接触領域Ａのサイズは、導電率σを制限することになる。導電率σは、抵抗Ｒ＝ρ・ｌ／Ａに反比例し、したがって面積Ａに比例する。したがって、最小断面積Ａｍｉｎまたは接触領域Ａの有効なサイズが導電率σを制限する。最小断面積Ａｍｉｎを決定することによって、集積半導体構造の導電率σおよび抵抗Ｒを導出することができ、集積半導体デバイスの性能を推定することができる。断面積Ａが小さいと、抵抗Ｒが高くなり、したがってデバイスの発熱が大きくなり、したがって集積半導体デバイスを例えばより低速でしか動作させることができなくなる。

一実施形態では、集積半導体構造の３Ｄボリューム像（３Ｄ ｖｏｌｕｍｅ ｉｍａｇｅ：３Ｄ体積像、３Ｄボリューム画像）は、スライスアンドイメージアプローチから得られる。３Ｄボリューム像生成の実施形態は、例えば、２０１９年９月２０日に出願されたドイツ特許出願第ＤＥ１０２０１９００６６４５．６号に記載されており、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。３Ｄボリューム像内で、断面領域のセットを、任意の向きで、例えば集積半導体デバイスの層に対してある角度で導出することができる。第１と第２の３Ｄ構造間のコンタクトの有効面積である接触点（ｃｏｎｔａｃｔｏｒ）の最小断面積Ａｍｉｎは、したがって、物理的に取られたスライスの向きと比較して、任意の他の向きで導出することができる。

一実施形態によると、本方法は、集積半導体構造における最小断面積Ａｍｉｎを決定するステップと、最小断面積Ａｍｉｎをしきい値Ａ０と比較するステップとを含む。最小断面積Ａｍｉｎがしきい値Ａ０よりも小さい場合、集積半導体デバイスは、欠陥デバイス、またはより低速のみが可能なデバイスとして分類される。

一実施形態によると、本方法は、分類された欠陥を特定のタイプ（種類）の欠陥として細分類（ｓｕｂｃｌａｓｓｉｆｙ：下位区分、下位分類）するステップを含む。このような欠陥の細分類の例は、「材料の欠落」、「接触領域が大きすぎる」、「接触領域が小さすぎる」、「歪んだ形状」などである。

一実施形態によると、第１の３Ｄ構造および／または第２の３Ｄ構造は、金属線、ビア、コンタクト、フィン、ＨＡＲ構造、ＨＡＲチャネル、またはゲート構造のうちの１つである。

一実施形態によると、第１の３Ｄ構造と第２の３Ｄ構造との間の相対的な重なりを決定することは、第１および／または第２の３Ｄ構造の一部（ｐａｒｔｓ：パーツ、断片、構成要素）を示す少なくとも１つの仮想断面（ｖｉｒｔｕａｌ ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ）を分析することを含む。本発明の３Ｄモデルは、原理的にあらゆる可能な仮想断面において解析することができるモデルである。３Ｄモデルは、あらゆる方向にスライスすることができ、したがって、調査に特に有用な方向を選択することができる。少なくとも第１および第２の断面像を取得する際に、サンプルの実際の物理的なスライス方向とは異なる方向にも３Ｄモデルの仮想スライスを行うことができる。この事実は、集積半導体サンプルを、サンプルの様々な層を切断する方向でスライスすることになる場合に特に重要である。その場合、頂部３Ｄ構造と底部３Ｄ構造との間のコンタクトを参照すると、コンタクトの領域が位置する平面を通る実際のスライシングは存在しない。これとは対照的に、コンタクトの領域を数回スライスすることが可能である。しかしながら、その場合、第１と第２の３Ｄ構造の相対的な重なりを決定するために、仮想断面／一連の仮想断面が調査される。一例によると、仮想断面は、意図された接触領域に平行に配向される。別の例によると、仮想断面は、意図された接触領域に対してある角度で配向される。

一実施形態によると、本方法は、少なくとも１つの仮想断面を可視化するステップを含む。これは、ソフトウェアを使用することおよび／または画面上に仮想断面を表示することによって行うことができる。可視化は、欠陥の存在および／または性質を識別ならびに／あるいは理解するのに役立つ。

一実施形態によると、本方法は、コンタクト抵抗を計算するステップを含む。接触領域のサイズとは別に、電流、電圧、使用される材料などの他のパラメータが、通常、前記計算に使用される。コンタクト抵抗の計算は、コンタクトを欠陥として、または欠陥なしとして分類するのに役立つことができる。さらに、この計算は、集積半導体サンプルの性能をシミュレートするのに役立つことができる。

本発明の第２の態様によると、本発明は、プログラムコードが上述の方法のいずれかを実行するように適合されているコンピュータプログラム製品を対象とする。コードは、任意の可能なプログラミング言語で書くことができ、コンピュータ制御システム上で実行することができる。このようなコンピュータ制御システムは、１つまたは複数のコンピュータまたは処理システムを含むことができる。

本発明の第３の態様によると、本発明は、上述の実施形態のいずれか１つによる方法のいずれかを実行するように適合された半導体検査装置を対象とする。

一実施形態によると、半導体検査装置は、
集束イオンビーム装置と、
電子を用いて（ｗｉｔｈ ｅｌｅｃｔｒｏｎｓ：電子とともに、電子で）動作し、集積半導体サンプルの新たな断面の結像に適合した荷電粒子操作装置であって、集束イオンビームと電子ビームとが互いに対して角度をなして配置されて操作され、集束イオンビームのビーム軸と電子ビームのビーム軸とが互いに交差している、荷電粒子操作装置と、
を備える。

一実施形態によると、集束イオンビームおよび電子ビームは、互いに約９０°の角度を形成する。

本発明の第４の態様によると、上述の方法のいずれか１つは、集積半導体回路の製造におけるプロセスの特性評価（ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ：特徴づけ）、プロセスの最適化、または／およびプロセスの制御に使用される。これにより、例えば、製造プロセスでの欠陥の発生を回避することが可能になる。さらに、半導体検査装置は、集積半導体回路を製造する際のプロセスの特性評価、プロセスの最適化、または／およびプロセスの制御に使用することができる。

上述の実施形態は、技術的な矛盾が生じない限り、互いに完全にまたは部分的に組み合わせることができる。

断面結像技術の説明図である。 断面結像ワークフローを示す図である。 ２つの３Ｄ構造を概略的に示す図である。 図３に示す２つの３Ｄ構造間の接触領域を概略的に示す図である。 ２Ｄ結像技術により決定される接触領域を概略的に示す図である。 本発明による集積半導体サンプルにおける３Ｄ構造間の接触領域のサイズ決定を示す流れ図である。 ＳＥＭで取得した一連の２Ｄ像であり、構造およびそれらの位置合わせを２Ｄで示す。 集積半導体サンプルにおける３Ｄ構造を表現する３Ｄモデルである。 ２つの３Ｄ構造の輪郭抽出および相対的なミスアライメントを概略的に示す図である。 図９に示す２つの３Ｄ構造間の接触領域を概略的に示す図である。 別の輪郭抽出および２つの３Ｄ構造の比較的良好な位置合わせを概略的に示す図である。 図１１に示す２つの３Ｄ構造間の接触領域を概略的に示すである。 ３Ｄモデルにおける３Ｄ構造間の位置ずれの量を示す図である。 位置ずれした構造と隣の（隣接する）構造との間の距離を示す図である。 コンタクトを形成する３Ｄ構造の形状を示す図である。

図１は、集積半導体サンプルの３Ｄボリューム像を得るための断面像手法の概略図を示す。断面手法では、３次元（３Ｄ）ボリューム像の取得は、「ステップアンドリピート」方式によって達成される。最初に、集積半導体サンプルは、当技術分野で知られている方法によって、後続の断面像手法のために準備される。本開示を通して、「断面像」および「スライス」は同義語として使用される。集積半導体の頂面に溝を機械加工して頂面にほぼ垂直な断面にアクセスできるようにするか、または集積半導体ウエハからブロック形状の集積半導体サンプル１０を切り出して除去する。このプロセスステップは、「リフトアウト（ｌｉｆｔ－ｏｕｔ）」と呼ばれることがある。ステップでは、材料の薄い表面層または「スライス」が除去される。説明を簡単にするために、このようなブロック形状の集積半導体サンプル１０について説明するが、本発明はブロック形状のサンプル１０に限定されるものではない。材料のこのスライスは、視射角（ｇｌａｎｃｉｎｇ ａｎｇｌｅ）ではあるが、場合によっては集束イオンビーム（ＦＩＢ）５０による法線入射により近い集束イオンビームミリングまたは研磨の使用を含む、当技術分野で知られているいくつかの仕方で除去することができる。例えば、集束イオンビーム５１をｘ方向に沿って走査して断面５２を形成する。その結果、新たな断面表面１１が結像可能になる。続くステップにおいて、新たにアクセス可能になった断面表面層１１を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）またはＦＩＢ（図示せず）などの荷電粒子ビーム（ＣＰＢ）によってラスタ走査する。結像システムの光軸は、ｚ方向に平行になるように、またはｚ方向に対してある角度で傾斜するように配置することができる。ＣＰＢシステムは、２ｎｍ未満の高解像度でサンプルの小領域を結像するために使用されている。二次電子および後方散乱電子は、検出器（図示せず）によって収集されて、集積半導体サンプルの内部の材料コントラストを明らかにし、断面像１００において異なるグレーレベルとして可視化される。金属構造は、より明るい測定結果を生成する。表面層除去および断面像処理が、表面５３および５４ならびにさらなる表面を通して等距離で繰り返され、３次元３Ｄデータセットを構築するように、異なる深さでサンプルを通る一連の２Ｄ断面像１０００が得られる。代表的な断面像１００は、１４ｎｍ技術による市販のＩｎｔｅｌプロセッサ集積半導体チップの測定によって得られる。

本方法では、少なくとも第１および第２の断面像を取得するステップは、その後、集束イオンビームを用いて集積半導体サンプルの断面表面層を除去して、結像可能な新しい断面を作るステップと、荷電粒子ビームを用いて集積半導体サンプルの新しい断面を結像するステップとを含む。これらの一連の２Ｄ断面像１０００から、集積半導体構造の３Ｄ像を再構成することができる。断面像１００の距離ｄｚは、ＦＩＢミリングまたは研磨プロセスによって制御することができ、１ｎｍ～１０ｎｍ、好ましくは約３～５ｎｍとすることができる。

図２は、断面結像ワークフローをさらに示す。プロセスは、既に上述したように、それぞれのサイト（ｓｉｔｅ：位置、場所）の準備から開始する。次いで、２Ｄ断面像の積み重ねが、順次ＦＩＢ切断（ｓｅｒｉａｌ ＦＩＢ ｓｅｃｔｉｏｎｉｎｇ：連続ＦＩＢ切断、シリアル（直列）ＦＩＢ切断）および荷電粒子ビームを用いた結像によって作成される。ミリング（ｍｉｌｌｉｎｇ：削り）および結像中に、スライスの厚さが測定され、焦点（フォーカス）およびスティグメーション（ｓｔｉｇｍａｔｉｏｎ）を調整して、最適化されたスライシングおよび結像結果をもたらすことができる。２Ｄ断面像の積み重ねから、３Ｄデータセットを決定することができる。断面像はレジストレーションされるため、互いに高精度で位置合わせされる。

記載された３Ｄ断層撮影は、いくつかの利点を有する。３Ｄ構造全体を結像することが可能である。これらの構造は、ＨＡＲ（高アスペクト比）メモリチャネル、ＦｉｎＦＥＴなどとすることができるが、これらに限定されない。さらに、構造配置を可視化するために、任意の方向から断面として３Ｄボリュームをレビューすることが可能である。換言すれば、仮想断面像を生成することができる。３Ｄモデルは、３Ｄデータセットから決定することができ、任意の方向から３Ｄモデルの３Ｄ特徴の可視化および測定をすることができる。加えて、２Ｄおよび３Ｄの膨大な量の寸法統計データを提供することが可能である。

以下では、半導体デバイスにおける接触領域の定義を与え、接触領域を正確に製造することの重要性を説明する。図３は、例として２つの３Ｄ構造１および２を概略的に示す。３Ｄ構造１は円筒形状を有し、例えばビアまたはコンタクト構造とすることができる。３Ｄ構造１は、高さｈおよび直径ｄを有する。典型的には、高さｈは５０ｎｍ～１０，０００ｎｍの範囲とすることができる。直径ｄの典型的な値は、１０ｎｍ～５，０００ｎｍの範囲とすることができる。

第２の３Ｄ構造２は、直方体の形状を有する。直方体は、例えば、金属線の一部またはゲート構造によって表すことができる。３Ｄ構造２は、典型的には１０ｎｍ～１０，０００ｎｍの範囲とすることができる高さｈ２によって特徴付けられる。３Ｄ構造２は、典型的には１０ｎｍ～１０，０００ｎｍの範囲にある幅ｗ２によってさらに特徴付けられる。さらに、直方体は、典型的には１５ｎｍ～１，０００，０００ｎｍの範囲にある長さＬ２を有する。

ここで、第１の３Ｄ構造１および第２の３Ｄ構造２は、重なり合って設けられている。したがって、説明する実施形態では、３Ｄ構造１を頂部３Ｄ構造と呼ぶこともでき、第２の３Ｄ構造を底部３Ｄ構造と呼ぶこともできる。図４は、図３に示す２つの３Ｄ構造１および２を重なり合わせて設けた場合を示す。第１の３Ｄ構造１と第２の３Ｄ構造２とが物理的に接触する領域Ａが存在する。この領域Ａは、第１の３Ｄ構造と第２の３Ｄ構造との間の接触領域である。図４に示す配置は、理想的な場合を示し、第１の３Ｄ構造１の底面は、第２の３Ｄ構造２の頂面と完全に接触している。換言すれば、第１の３Ｄ構造および第２の３Ｄ構造は完全に位置合わせされ、完全な接触領域Ａが提供されている。

接触領域Ａを正確に設けることは、半導体製造において非常に重要であり、集積回路の性能は、しばしば最大動作速度および消費電力に関して測定される。速度および電力の両方に対する１つの重要な制限因子は、デバイスの接合部の抵抗である。抵抗は、過度の電流密度によって引き起こされる局所的な発熱につながる可能性もある。これは、故障および信頼性の問題につながる可能性がある。オームの法則によって示されるように、抵抗は面積に反比例することがよく知られている。すなわちＲ＝ρ・ｌ／Ａ。ここで、Ｒは抵抗、ρは抵抗率、ｌは長さ、Ａはコンタクトの断面積である。したがって、抵抗を減らすためには、コンタクトの断面積または接触領域を最適化し、可能な限り大きくする必要がある。コンタクトを形成する２つの３Ｄ構造のミスアライメントは、接触領域のサイズに悪影響を及ぼし、したがって、抵抗の増加につながり、これが故障および信頼性の問題を引き起こす可能性がある。したがって、接触領域Ａの測定は、集積回路の性能における重要な洞察を与える。接触領域Ａを高精度に測定することが重要である。

図５は、２Ｄ結像技術、例えばＳＥＭ法またはＴＥＭ法を用いて決定される接触領域Ａを概略的に示す。既に上述したように、２Ｄ法は、２つの３Ｄ構造間の接触領域Ａのサイズを測定することになる場合、その有用性が制限される。ＳＥＭ法を用いて２つの３Ｄ構造１、２の接触領域を測定する場合、接触領域Ａの視線４が必要である。したがって、接触領域Ａの上方から材料を除去する必要があるが、この除去は、ＳＥＭ測定のためのサンプル作製において除去される材料が多すぎるかまたは少なすぎるという点で不正確である可能性がある。この不正確な除去は、接触領域ＡのＳＥＭ測定の精度に影響を及ぼす。同様に、ＴＥＭ法の場合、透過時に結像される（ｉｍａｇｅｄ）細いプローブを用意する必要がある。したがって、ここでも再び、関心領域、すなわち接触領域Ａの上方および下方の両方から材料を除去する必要があり、この材料の除去は、除去される材料が多すぎるかまたは少なすぎるという点でまたも不正確である可能性がある。この不正確な除去は、２つの３Ｄ構造間の接触領域ＡのＴＥＭ測定の精度に悪影響を及ぼす。

さらに、ＳＥＭ法およびＴＥＭ法の両方について、例えばすべての固有の構造を除去してしまった場合など、いったん材料が除去されると、正確なコンタクトの位置を知ることは困難である。したがって、本発明によると、新規な手法が取られ、２つの３Ｄ構造１、２間の接触領域Ａのサイズが、３Ｄ測定技術、特に３ＤＦＩＢ－ＳＥＭ断層撮影によって得られる。

図６は、本発明による集積半導体サンプルにおける３Ｄ構造間の接触領域のサイズ決定を示す流れ図である。図示する実施形態によると、本発明による接触領域のサイズ決定は、以下のように実行される。

第１のステップＳ１において、材料の順次（ｓｅｒｉａｌ：連続、シリアル（直列））結像および切断（断面化）が実行される。より詳細には、少なくとも第１の断面像および第１の断面像に平行な第２の断面像が取得され、第１および第２の断面像を取得するステップは、その後、集束イオンビームを使用して集積半導体サンプルの断面表面層を除去して、結像可能な新しい断面を作るステップと、結像装置で集積半導体サンプルの新たな断面を結像するステップと、を含む。このような結像装置は、例えば走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）のような荷電粒子結像装置とすることができる。

ステップＳ１において、一連の断面像が取得される。ここで、ステップＳ２において、取得した断面像の像レジストレーションを実行し、３Ｄデータセットを取得する。像レジストレーションにより、平行断面像が互いに確実に位置合わせされる。位置合わせ／レジストレーションには、位置マーカを使用することができる。

ステップＳ３において、３Ｄデータセットにおいて第１の３Ｄ構造および第２の３Ｄ構造を表現する３Ｄモデルが決定される。３Ｄモデルは、第１の３Ｄ構造および第２の３Ｄ構造を表現するデータ点を含む３Ｄデータセットからの抜粋とすることができる。３Ｄモデルは、３Ｄデータセットと同一とすることもできる。３Ｄモデルが、例えば測定したデータポイント間の補間のために、元のデータセットよりも多くのデータポイントを含むことも可能である。重要なことは、３Ｄモデルが第１の３Ｄ構造および第２の３Ｄ構造を表現することである。もちろん、より多くの３Ｄ構造を表現することができ、サンプルのすべての３Ｄ構造をモデルで表現することも可能である。第１の３Ｄ構造および第２の３Ｄ構造の表現は、第１の３Ｄ構造および第２の３Ｄ構造の形状を描写する。さらに、３Ｄモデル内に、第１の３Ｄ構造および第２の３Ｄ構造の位置を表現することができる。

本実施形態によると、ステップＳ４において、第１および第２の３Ｄ構造の輪郭が３Ｄモデルから抽出される。輪郭は、第１の３Ｄ構造および第２の３Ｄ構造の外形を描写することができる。例えば、円筒形の３Ｄ構造は、仮想断面とすることができるいくつかのスライスにおいて円形輪郭によって描写することができる。別の例を挙げると、直方体の輪郭は、やはり仮想断面とすることができる異なるスライスにおいて矩形として表現することができる。結果として、輪郭の抽出は、３Ｄモデル内の異なるスライスにおける３Ｄ構造の輪郭の積み重ねにつながる可能性がある。

ステップＳ５において、第２の３Ｄ構造に対する第１の３Ｄ構造のミスアライメントを決定することができる。このミスアライメントは、抽出された輪郭に基づいて非常に良好に分析することができる。輪郭は、３Ｄ構造の形状、およびサンプルの異なる深さでの／３Ｄモデル内でのそれらの形状変化を良好に分析することを可能にする。

次に、ステップＳ６において、３Ｄモデルに基づく第１の３Ｄ構造と第２の３Ｄ構造との相対的な重なりが決定される。この相対的な重なりは、第１の３Ｄ構造と第２の３Ｄ構造との間の接触領域Ａのサイズに対応する。

３Ｄモデルに基づく第１の３Ｄ構造と第２の３Ｄ構造との相対的な重なりは、図示された方法ステップＳ４およびＳ５を使用せずに代替の方法ステップを適用して決定することも可能であることに留意されたい。しかしながら、図６に示すようなステップＳ１～Ｓ６での方法は、数学的に比較的容易に扱うことができる接触領域のサイズ決定につながることが分かった。

図７は、ＳＥＭで取得した一連の２Ｄ像を示し、構造およびそれらの２Ｄでの位置合わせを示す。図７では、３つのコンタクトが白丸で強調表示されている。白丸１５は、互いに良好に位置合わせされた２つの３Ｄ構造間のコンタクトを強調表示している。これは、構造の右エッジが正しく位置合わせされていることによって明らかになる。しかしながら、図７はまた、円１６および１７で強調表示された２つのコンタクトを示し、コンタクトが間に形成された２つの３Ｄ構造の位置合わせは理想的ではない（オーバハングコンタクト）。円１６で強調表示されたコンタクトの右エッジは良好に位置合わせされておらず、円１７で強調表示されたコンタクトの左エッジも良好に位置合わせされていない。図７による一連の２Ｄ像は既に正しく位置合わせされており、したがって、円１６および１７で強調表示されたミスアライメントは現実に起こっているものであり、不完全な像レジストレーションの結果ではないことに留意されたい。

図８は、集積半導体サンプルの３Ｄ構造を表現する３Ｄモデルを示す。３Ｄモデルは、集積半導体サンプルに含まれる３Ｄ構造の位置および形状を表現する。このモデルは、測定された集積半導体サンプルの多くの詳細を示し、３Ｄモデルを実際のまたは仮想の断面像平面でスライスすることによって、任意の方向で分析することができる。

図９は、２つの３Ｄ構造の輪郭抽出および相対的な（ｒｅｌａｔｉｖｅ：関係のある、関連する）ミスアライメントを概略的に示す。理解を容易にするために、図４に既に描かれているように、第１の３Ｄ構造１および第２の３Ｄ構造２には同じ形状が選択されている。しかしながら、原理的には３Ｄ構造のあらゆる形状が可能であることを再度強調しておく。第１の３Ｄ構造１の輪郭５は、基本的に円形であり、第２の３Ｄ構造２の輪郭６は、角が丸みを帯びた細長い長方形である。第１の３Ｄ構造１と第２の３Ｄ構造２との間の接触領域は、２つの３Ｄ構造が互いに物理的に接触する、第１の３Ｄ構造１と第２の３Ｄ構造２との間の領域である。図９から分かるように、第１の３Ｄ構造１と第２の３Ｄ構造２は、位置ずれしている。このミスアライメントは、両方向矢印Ｍによって示されている。理想的な位置合わせを仮定すると、両方の構造１、２の輪郭５、６の左エッジは、完全に位置合わせされ、図９のＺ軸に平行である。図示されたミスアライメントＭの結果として、第１の３Ｄ構造１と第２の３Ｄ構造２との相対的な重なりが減少する。第１の３Ｄ構造１と第２の３Ｄ構造２との間の接触領域Ａのサイズに対応する相対的な重なり領域が、図１０に示されている。接触領域Ａは、Ｘ，Ｙ平面に位置し、第１の３Ｄ構造１の形状を表す輪郭線５の積み重ねによって生成される円の一部のみを埋めている。あるいは、別の表現をすると、第２の３Ｄ構造２の形状を表す輪郭線６は、第１の３Ｄ構造１の形状を表す輪郭線５の円の直径全体に沿って広がっていない。したがって、第１の３Ｄ構造１と第２の３Ｄ構造２との間の位置合わせが理想的な場合と比較して、接触領域Ａのサイズが大幅に減少している。本実施例では、接触領域Ａは、サイズが６２ｎｍ²である。このサイズは、接触領域の有効サイズに相当（ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄ ｔｏ：対応）する。

図１１は、別の輪郭抽出と、２つの３Ｄ構造１、２の比較的良好な位置合わせとを概略的に示す。やはりここでも、第１の３Ｄ構造１は、円筒形状を有し、第２の３Ｄ構造２は、角が丸みを帯びた直方体形状を有する。図１１に示す例では、第１の３Ｄ構造１の輪郭５は、第２の３Ｄ構造２の輪郭６の上により正確に設けられ、特に、輪郭線５、６の右側は、輪郭線５、６の大部分について極めてよく位置合わせされている。

図１２は、図１１に示す２つの３Ｄ構造１と２との間の接触領域Ａを概略的に示す。図９および図１０に示す状況と比較して、接触領域Ａのサイズが大きくなっている。図示する例では、接触領域Ａのサイズは１４７ｎｍ²である。

図９～図１２のグラフ表示から明らかなように、第１の３Ｄ構造１と第２の３Ｄ構造２との間の相対的な重なりは、コンタクトを描写する第１の３Ｄ構造１および第２の３Ｄ構造２のすべての輪郭５，６内の共通の領域Ａとして計算することができる。言い換えれば、接触領域Ａのサイズは、第１の３Ｄ構造と第２の３Ｄ構造との間の接触位置に正確に配置された１つの輪郭内の領域のサイズによってのみ決定されるわけではない。これは物理的に意味がない。代わりに、良好に作用するコンタクトを実現するために、接触領域における第１の３Ｄ構造１および第２の３Ｄ構造２の全体形状も、必要な精度で提供されなければならない。そのため、接触領域Ａのサイズまたは有効サイズを決定する際に、３Ｄ構造の特定の範囲または特定の部分が組み合わされて、コンタクトが形成されることが考慮される。

半導体製造において重要なさらなるミスアライメント測定を行うことも可能である。半導体集積回路の各層は、フォトリソグラフィステップと、それに続くエッチングおよび堆積によって形成される。デバイスが適切に機能し、信頼できるようにするために、リソグラフィステップで許容される誤差の「バジェット（ｂｕｄｇｅｔ：予算）」は小さい。構造の位置ずれ誤差が許容公差を超えている場合、位置ずれした構造が、接触を意図していない近くの構造に接触する（または接触しそうになる）可能性がある。これも、歩留まり損失および信頼性損失を引き起こす可能性がある。図１３は、３Ｄモデルにおける３Ｄ構造間の位置ずれ量Ｍを示す図である。３Ｄ構造７と３Ｄ構造８との間の位置ずれ量は、両方向矢印Ｍによって示されている。図示する実施形態では、位置ずれＭは、エッジ配置のばらつきである。位置ずれがなければ、３Ｄ構造７および３Ｄ構造８の右エッジは、互いに完全に位置合わせされるであろう。３Ｄ構造８の位置が正しいと仮定すると、位置ずれＭは、予め選択された目標配置位置からのずれを表す。

図１４は、位置ずれした構造２７と別の３Ｄ構造２８との間の距離を示す。距離は白線２９で示されている。３Ｄ構造２７は３Ｄ構造に接触し、３Ｄ構造２６と２７との間に接触領域が存在する。３Ｄ構造２７は３Ｄ構造１８に接触しないものとしているが、３Ｄ構造２７の位置ずれにより、３Ｄ構造２７と３Ｄ構造２８との間の距離が減少する可能性がある。３Ｄ構造２７が３Ｄ構造２８に近づくかまたは近すぎる場合、これは集積回路の性能に悪影響を及ぼす。本発明による方法により、３Ｄ構造２７と３Ｄ構造２８との間の距離を正確に測定することが可能になる。

図１５は、３Ｄ構造２１とのコンタクトを形成する３Ｄ構造２０の形状を示す。本発明による３Ｄモデルを使用して、３Ｄ特徴２０および２１の形状、ならびに２つの特徴間のコンタクトの形状を正確に決定することが可能である。図示する実施形態では、コンタクト全体の形状は比較的不規則である。不規則な形状は、コンタクトで発生する欠陥の指標であることが多い。形が崩れた構造は、欠陥として分類することができ、さらに特定のタイプの欠陥として細分類することができる。このようなタイプの欠陥は、例えば、「材料の欠落」または「大きすぎる」または「小さすぎる」または「歪んだ形状」などとすることができる。一般に、第１の３Ｄ構造または第２の３Ｄ構造の形状に基づいて、ならびに／あるいは、第１の３Ｄ構造と第２の３Ｄ構造との相対的な重なりに基づいて、第１の３Ｄ構造および／または第２の３Ｄ構造を欠陥として、もしくは欠陥なしとして分類することが可能である。上述した方法のいずれか１つを、集積半導体回路の製造におけるプロセスの特性評価、プロセスの最適化および／またはプロセスの制御に使用することができることに留意されたい。特徴的な故障および欠陥に関する知識は、それぞれの改善を可能にする。

１ 第１の３Ｄ構造
２ 第２の３Ｄ構造
４ 視線
５ 第１の３Ｄ構造の輪郭線
６ 第２の３Ｄ構造の輪郭線
７ ３Ｄ構造
８ ３Ｄ構造
１０ サンプル
１１ 断面表面
１５ 強調表示されたコンタクト
１６ 強調表示されたコンタクト
１７ 強調表示されたコンタクト
２０ 形が崩れた３Ｄ構造
２１ ３Ｄ構造
２６ ３Ｄ構造
２７ ３Ｄ構造
２８ 隣の（隣接した）３Ｄ構造
２９ ３Ｄ構造２７と２８との間の距離
５０ ＦＩＢカラム
５１ 集束イオン粒子ビーム
５２ 第１の断面表面
５３ 第２の断面表面
５４ 第３の断面表面
５５ サンプル頂面
８２ 結像ライン
１００ 断面像
１０００ 一連の断面像
ｄｚ ２つの続く像スライス間の距離
ｄ ３Ｄ構造の直径
ｈ、ｈ２ ３Ｄ構造の高さ
ｗ２ ３Ｄ構造の幅
Ｌ２ ３Ｄ構造の長さ
Ａ 接触領域
Ｍ ミスアライメント

Claims (18)

1. 集積半導体サンプルにおける第１の３Ｄ構造と第２の３Ｄ構造との間の接触領域のサイズを決定する方法であって、
   少なくとも第１の断面像および前記第１の断面像に平行な第２の断面像を取得するステップであり、
   前記第１および第２の断面像を取得するステップが、その後、結像のためにアクセス可能な新たな断面を作るために集束イオンビームを用いて前記集積半導体サンプルの断面表面層を除去して、前記集積半導体サンプルの前記新たな断面を結像装置により結像することを含む、
   ステップと、
   前記取得された断面像の像レジストレーションを実行し、３Ｄデータセットを取得するステップと、
   前記３Ｄデータセットにおいて前記第１の３Ｄ構造および前記第２の３Ｄ構造を表現する３Ｄモデルを決定するステップと、
   前記３Ｄモデルに基づいて、前記第１の３Ｄ構造と前記第２の３Ｄ構造との相対的な重なりを決定するステップと、
   を含む方法。
2. 前記相対的な重なりを決定するステップが、前記３Ｄモデルから前記第１および第２の３Ｄ構造の輪郭を抽出するステップを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記相対的な重なりを決定するステップが、前記第２の３Ｄ構造に対する前記第１の３Ｄ構造のミスアライメントを決定するステップを含む、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記第１の３Ｄ構造または前記第２の３Ｄ構造と、隣の３Ｄ構造との間の距離を決定するステップをさらに含む、請求項１～３のいずれか１項に記載の方法。
5. 目標配置位置に対する前記第１および／または第２の３Ｄ構造の位置ずれを決定するステップをさらに含む、請求項１～４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記位置ずれがエッジ配置のばらつきである、請求項５に記載の方法。
7. 前記第１の３Ｄ構造および／または第２の３Ｄ構造の形状に基づいて、ならびに／あるいは、前記第１の３Ｄ構造と前記第２の３Ｄ構造との前記相対的な重なりに基づいて、前記第１の３Ｄ構造および／または前記第２の３Ｄ構造を欠陥として、または欠陥なしとして分類することをさらに含む、請求項１～６のいずれか１項に記載の方法。
8. 分類された欠陥を特定のタイプの欠陥として細分類するステップをさらに含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記第１の３Ｄ構造および／または前記第２の３Ｄ構造が、金属線、ビア、コンタクト、フィン、ＨＡＲ構造、ＨＡＲチャネル、またはゲート構造のうちの１つである、請求項１～８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記第１の３Ｄ構造がビアまたはコンタクト構造であり、
    前記第２の３Ｄ構造が金属線またはゲート構造である、
    請求項１～９のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記第１の３Ｄ構造と前記第２の３Ｄ構造との間の前記相対的な重なりを決定するステップが、前記第１および／または前記第２の３Ｄ構造の一部を示す少なくとも１つの仮想断面を分析するステップを含む、請求項１～１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 前記少なくとも１つの仮想断面を可視化するステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
13. コンタクト抵抗を計算するステップをさらに含む、請求項１～１２のいずれか１項に記載の方法。
14. 請求項１～１３のいずれか１項に記載の方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。
15. 請求項１～１３のいずれか１項に記載の方法を実行するように適合された半導体検査装置。
16. 集束イオンビーム装置と、
    電子を用いて動作し、前記集積半導体サンプルの前記新たな断面の結像に適合した荷電粒子操作装置であって、
    前記集束イオンビームと電子ビームとが互いに対して角度をなして配置されて操作され、前記集束イオンビームのビーム軸と前記電子ビームのビーム軸とが互いに交差している、荷電粒子操作装置と、
    を備える、請求項１５に記載の半導体検査装置。
17. 前記集束イオンビームおよび前記電子ビームが互いに約９０°の角度を形成する、
    請求項１６に記載の半導体検査装置。
18. 集積半導体回路の製造におけるプロセスの特性評価、プロセスの最適化、または／およびプロセスの制御のために、請求項１～１３のいずれか１項に記載の方法を使用することを含む方法。

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