JPH02299145A

JPH02299145A - 深度測定方式

Info

Publication number: JPH02299145A
Application number: JP11944089A
Authority: JP
Inventors: Masao Murota; 正雄無漏田; Akira Kabaya; 蒲谷　彰; Susumu Takashima; 進高嶋
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 1989-05-12
Filing date: 1989-05-12
Publication date: 1990-12-11

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、開口部の深度の測定に係り、特に、シリコン
ウェハ等に形成された微小開口部の深度の測定方式に関
するものである。

［従来の技術］近年、半導体製造において、ウェーハ上のデバイス密度
を高めるために、直径１ミクロン程度で深さが数ミクロ
ンの穴、あるいは、幅１ミクロン程度で深さ数ミクロン
の溝等（以下、当該穴、溝等を総称して開口と称す）を
形成して立体構造とすることが行われている。

そして、製造技術の確認、あるいは品質管理の必要上、
当該開口の深度、即ち深さを正確に測定する必要があり
、従来は光学顕微鏡あるいは走査型電子顕微１［（以下
、ＳＥＭと称す）により深度の測定が行われていた。

［発明が解決しようとする課題］しかしながら、当該開口の深度は高々数ミクロン程度で
あるから、光学顕微鏡では分解能が不十分であり、また
、ＳＥＭを用いて深度測定を行った場合には、当該開口
の底部で発生した２次電子が途中で吸収され、十分な大
きさの信号が得られず、更には焦点深度が不十分である
という問題があった。

従うて、当該開口部でウェーハを分割し、開口を横から
観察して、その深度を測定しているのが現状である。

本発明は、上記の課題を解決するものであって、微小開
口の深度を、容易に、且つ高精度に測定することができ
る深度測定方式を提供することを目的とするものである
。

［課題を解決するための手段］上記の目的を達成するために、本発明に係る深度測定方
式は、第１には、試料に形成された開口部に電子ビーム
を照射し、発生した特性Ｘ線の強度に基づいて前記開口
部の深度を決定することを特徴とし、第２には、試料に
形成された開口部に電子ビームを照射し、前記試料から
の反射電子のエネルギーと、当該エネルギーを有する反
射電子の個数とに基づいて前記開口部の深度を決定する
ことを特徴とするものである。

［作用および発明の効果コ本発明によれば、電子ビームを開口に照射した際に発生
する特性Ｘ線の強度、または反射電子のエネルギーと、
当該エネルギーを有する反射電子の個数との関係から開
口部の深度を決定するようにしたので、次のような効果
が得られるものである。

■細く絞った電子プローブにより開口深度を測定するた
めに測定が容易で短時間に行える。

■ウェー八を分割する必要がなく、非破壊で測定できる
。

■特性Ｘ線を用いる測定においては、反射電子を用いる
測定よりもより深い開口の深さまで測定できる。

■反射電子を用いる測定は、基本的構成としてＳＥＭを
用いるため測定箇所の選択を容易に、且つ、正確に行う
ことができ、特に、深度の浅い場合に使用して好適であ
る。

［実施例コ以下、図面を参照しつつ実施例を説明するが、最初に本
発明に係る深度測定方式の原理について説明する。本発
明には、特性Ｘ線の強度を検出することにより深度を測
定する方式（以下、Ｘ線法と称す）、反射電子のエネル
ギーと当該エネルギーを有する電子の個数とから深度を
測定する方式（以下、反射電子法と称す）があるが、ま
ず、第１図を参照してＸ線法の原理について説明する。

試料１に形成された開口２の底部３に電子ビーム４を照
射すると、図中破線５で示す当該底部３の近傍から、試
料１を構成している材料に特育の特性Ｘ線が矢印６で示
すように発生する。実際、シリコンウェハに対して２０
ｋｅＶの電子ビームを照射した場合を想定してシミュレ
ーシーンを行った結果、シリコンウェハ内における電子
の拡散の様子は第２図に示すようであった。なお、第２
図（ａ）は開口が無く、シリコンウェハ表面に電子ビー
ムが照射された場合であり、同図（ｂ）、　　（ｃ）は
、直径が１ミクロン、開口の深度がそれぞれ２ミクロン
、６ミクロンの場合を示す。また、第２図において、４
は入射電子ビームを示し、７はシリコンウェハの表面を
示す。シリコンウェハの内部に入射された電子は、第２
図の実線で示す軌道を描いて拡散するが、拡散の過程で
エネルギーを失い、珪素の特性Ｘ線が発生する。当該特
性Ｘ線はシリコンウェハ内部を透過して外部に放射され
るが、シリコン内部を透過する際に吸収され、減衰する
。この減衰量が開口の深度に対応したものであることは
明らかである。深度が深ければシリコンウェハの内部を
透過する距離が長くなり、それだけ減衰量が大きくなる
からである。

従って、試料の上部にＸ線検出器を配置し、特性Ｘ線の
強度を検出することによって開口の深度を測定すること
ができる。

以上が原理であるが、実際の深度測定は次のようにして
行われる。

まず、開口が形成されていない箇所に電子ビームを照射
し、そのときの特性Ｘ線の強度Ｉ−を測定する。次に、
予め深度が知られている開口を有する標準試料を用い、
開口の底部に電子ビームを照射して発生する特性Ｘ線の
強度■を測定する。

以上の測定を種々の深度について、開口の径をパラメー
タとして繰り返し行う。このことにより、第３図に示す
ような特性曲線が得られる。なお、第３図中、実線は径
がφ雪の開口についての特性曲線を示し、破線は径がφ
■の開口についての特性曲線を示す。また第３図の縦軸
の値は■―により正規化されている。

従って、いま、深度が未知の試料の表面での特性Ｘ線強
度がＩＮ、開口底部での特性Ｘ線の強度がＩ＋であった
とすると、第３図に示す特性曲線の１＋／Ｉｓの値に対
する深度を読み取ればよく、第３図の場合、径がφ箇の
場合には深度はＤ＋であり、径がφｔの場合には深度は
Ｄａとなる。

ただし、深度とＸ線の強度との関係は、例えば、検出角
を一定にし、ＺＡＦ補正した値で予め校正しておく必要
がある。

なお、Ｘ線検出器の配置には注意を要する。１個のＸ線
検出器を用いることも可能ではあるが、第４図（ａ）、
　　（ｂ）ｔ　　（ｃ）から明らかなように、同じ深度
を何する試料であっても、構造の相違によって検出値が
異なり、測定誤差を生じるので、第４図（ｄ）に示すよ
うに複数個のＸ線検出器を光軸に対して対称に配置する
か、または、第４図（ｅ）に示すような同軸型Ｘ線検出
器１１を配置するようにするとよい。

以上のＸ線法による深度測定は、第５図に示す構成によ
り行うことができる。図中、２０は電子銃、２１はビー
ムプランカー、２２は走査コイル、２３はＸ線検出器、
２４は試料、２５は２次電子検出器、２６は照射系制御
装置、２７はビームブランキング制御装置、２８はｘＩ
Ｉ測定装置、２９は画像処理装置、３０は試料ステージ
制御装置、３１はＣＰＵ１３２は表示装置、３３は記憶
装置、３４はインターフェース、３５はＣＡＤシステム
、３６は記録装置、３７はデータバスを示し、電磁レン
ズ系は省略している。この構成が通常のＳＥＭあるいは
Ｅ　Ｐ　ＭＡ　（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｐｒｏｂｅ　ｘ−
ｒａｙ　ｌ１ｃｒｏ　Ａｎａｌｙｚｅｒ）の構成と殆ど
同じであることは当業者に明かである。

第５図に示す構成の動作は次のようである。まず、測定
の対象となっている開口の座標データをＣＡＤシステム
３５より転送すると、ＣＰＵ３１はインターフェース３
４を介して当該座標データを受は取り記憶装置３３に格
納する。次に、ＣＰＵ３１は、記憶装置３３より一つの
開口の座標データを読み出して試料ステージの座標に変
換した後、当該変換された座標データを試料ステージ制
御装置３０に通知する。これにより試料ステージ制御装
置！３０は変換された試料ステージ座標を解釈し、ステ
ッピングモータ（図示せず）に当該座標に応じた駆動用
パルスを送る。また、この際バブクラッシュ補正を行う
ようにする。試料ステージの移動が終了すると試料ステ
ージ制御装置３０はＣＰＵ３１に対して実行終了を通知
する。

、次いでＣＰＵ３１は、ビームブランキング制御装置ｔ
２７に指令を送り、ビームブランクを解除する。これに
より、電子ビームは試料２４の表面にフォーカスされる
と共に、試料２４の所定の範囲を走査する。

当該電子ビーム走査により発生した２次電子は２次電子
検出器２６で検出され、画像処理装置２９において２次
電子像が形成される。また、画像処理装置２９は、この
２次電子像を内部メモリに格納し、開口の中心座標を算
出する。このとき、当該算出された開口中心座標と、画
像の中心の座標とに差があれば、試料ステージの移動に
誤差が生じていたことが分かる。

次に、ＣＰＵ３１は上記誤差を画像処理装置２９から受
は取り、電子ビームの走査を停止すると共に、照射系制
御袋！！２６に対して電子ビーム位置を当該誤差分だけ
移動するように指令する。これにより、電子ビームは所
定の開口の中心に照射されることになる。

次で、ＣＰＵ３１は、Ｘ線計測装置２８に指令を送り、
Ｘ線検出器２３に入射したＸ線の数を所定の一定時間に
渡ってカウントする。当該計数値ＩはＣＰＵ３１に通知
されて記憶装置３３に格納される。この後、電子ビーム
照射位置を移動し、試料２４の表面からの特性Ｘ線の数
を同じ時間だけカウントシ、当該計数値ＩｓをＣＰＵ３
１に通知する。

ＣＰＵ３１はＩ／Ｉ・を計算し、当該計算値を、予め記
憶装置３３に格納されている特性曲線と比較することに
より対称物の開口の深度を求め、記憶装置３３に格納す
る。なお、記憶装置３３には各元素毎の特性曲線が格納
されており、元素の指定は図示しない入力装置、例えば
キーボード等、により行われるようになされている。

以上の動作により一つの開口の深度測定が終了する。多
数の開口の深度を測定する場合には上記の手順を繰り返
し行うことになる。

全ての開口に対する深度測定が終了すると、ＣＰＵ３１
は測定結果を表示装置３２に表示し、必要に応じて記録
装置３６にプリントアウトする。

以上がＸ線法であるが、次に、反射電子法について説明
する。

電子ビームが試料に照射されると、照射箇所において電
子の反射が生じるが、試料から飛び出してくる反射電子
のエネルギーおよび個数は開口の深度によって異なり、
深度が深い場合には、浅い場合に比較して反射電子のエ
ネルギーは小さくなり、個数も少なくなる。実際、第２
図に示したシミュレーシーンを行った際に得られた反射
電子のエネルギーおよび個数は第６図に示すようである
。

第８図（ａ）は第２図（ａ）の場合、即ち、シリコン表
面に２０ｋｅＶの電子ビームを照射した場合の反射電子
のエネルギーと個数の関係を示す図であり、第６図（ｂ
）は第２図（ｂ）の場合、即ち、深度が２ミクロンの開
口の底部に２０ｋｅＶの電子ビームを照射した場合にシ
リコン表面から飛び出してくる反射電子のエネルギーと
個数の関係を示す図である。なお、第２図（Ｃ）の場合
、即ち、深度が５ミクロンの開口の底部に２０ｋｅＶの
電子ビームを照射した場合にはシリコン表面から飛び出
してくる反射電子は無いという結果が得られた。

このように、試料から飛び出してくる反射電子のエネル
ギー、個数は開口の深度に応じて異なるのであるから、
Ｘ線法におけると同様に、標準試料を用いて、試料表面
に電子ビームを照射した場合の反射電子のエネルギー、
個数、つまり反射電子検出器の出力（Ｉ・）を基準とし
て、各深度の開口底部に電子ビームを照射したときの試
料から飛び出してくる反射電子のエネルギー、個数に比
例した検出器の出力（Ｉ）をプロットすれば、第３図に
示すと同様な反射電子に関する特性曲線が得られ、当該
特性曲線を用いて未知の深度を測定することができるこ
とが分かる。

反射電子法による深度測定を行うためには、第６図のＸ
線検出器２３およびＸ線計測装置２８をそれぞれ、第７
図に示すように、反射電子検出器４０、反射電子計測装
置４１に代え、Ｘ線法について述べたと同様の動作を行
うようにすればよい。

具体的には、次のようである。まず、測定の対象となっ
ている開口の座標データをＣＡＤシステム３５より転送
すると、ＣＰＵ３１はインターフェース３４を介して当
該座標データを受は取り記憶装置！３３に格納する。次
に、ＣＰＵ３１は、記憶装置３３より一つの開口の座標
データを読み出して試料ステージの座標に変換した後、
当該変換された座標データを試料ステージ制ｔｌ［１ｔ
３０に通知する。これにより試料ステージ制御装置３０
は変換された試料ステージ座標を解釈し、ステッピング
モータ（図示せず）に当該座標に応じた駆動用パルスを
送る。また、この際バックラッシュ補正を行うようにす
る。試料ステージの移動が終了すると試料ステージ制御
［１ｉ１３０はＣＰＵ３１に対して実行終了を通知する
。

次いでＣＰＵ３１は、ビームブランキング制御装置２７
に指令を送り、ビームブランクを解除する。これにより
、電子ビームは試料２４の表面にフォーカスされると共
に、試料２４の所定の範囲を走査する。

当該電子ビーム走査により発生した２次電子は２次電子
検出器２５で検出され、画像処理装置２９において２次
電子像が形成される。また、画像処理装置２９は、この
２次電子像を内部メモリに格納し、開口の中心座標を算
出する。このとき、当該算出された開口中心座標と、画
像の中心の座標とに差があれば、試料ステージの移動に
誤差が生じていたことが分かる。

次に、ＣＰＵ３１は上記誤差を画像処理装置２８から受
は取り、電子ビームの走査を停止すると共に、照射系制
御袋！Ｉ２６に対して電子ビーム位置を当該誤差分だけ
移動するように指令する。これにより、電子ビームは所
定の開口の中心に照射されることになる。

次いで、ＣＰＵ３１は、反射電子計測装置４１に指令を
送り、反射電子検出器４０に入射した反射電子検出器の
出力を所定の一定時間に渡って積分する。当該計数値■
はＣＰＵ３１に通知されて記憶装置３３に格納される。

この後、電子ビーム照射位置を移動し、試料２４の表面
からの反射電子検出器の出力を同じ時間だけ積分し、当
該計数値Ｉ＠をＣＰＵ３１に通知する。

ＣＰＵ３１はＩ　／　Ｉ　＠を計算し、当該計算値を、
予め記憶装置３３に格納されている特性曲線と比較する
こ七により対象物の開口の深度を求め、記憶装置３３に
格納する。なお、記憶装置３３には各元素毎の特性曲線
が格納されており、元素の指定は図示しない入力装置、
例えばキーボード等、により行われるようになされてい
る。

なお、反射電子検出器４０を、第８図に示すように二つ
の検出器４２．４３で構成すると、検出器４２．４３の
検出値を減算した場合には試料の凹凸の像を得ることが
できるので便利である。

以上が反射電子法による開口深度の測定方式であり、当
該反射電子法は、深度に対する分解能が高く、特に深度
が浅い場合に高精度で深度測定ができるものである。即
ち、Ｘ線が透過力が高いのに対して反射電子は脱出深さ
が浅く、従って、深度に対するＩ　／　Ｉ　ｓの特性曲
線が急峻になり、深度の差がわずかであっても明瞭に区
別することができるのである。

また、当該反射電子法によれば、従来行われていた２次
電子による凹凸測定に比較して、試料が絶縁体の場合に
も良好に深度測定を行うことができる。なぜなら、反射
電子のエネルギーは２次電子のエネルギーに比較して十
分大きく、反射電子の軌道に対する周囲からの影響が少
ないために、検出誤差が少ないからである。

以上の説明ではＸ線法による深度測定と反射電子法によ
る深度測定は別個の装置で行うように説明したが、Ｘ線
検出器と反射電子検出器とを備えることによって、一つ
の測定装置でＸ線法による深度測定と反射電子法による
深度測定を行えることは明かである。

【図面の簡単な説明】

第１図はＸ線法の原理を説明する図、第２図はシミュレ
ーシ縛ンによる試料中の電子の軌道を示す図、第３図は
特性Ｘ線の特性曲線の例を示す図、第４図はＸ線検出器
の配置を説明する図、第５図はＸ線法による深度測定方
式の構成例を示す図、第６図はシミュレーシーンによる
反射電子のエネルギーと個数の関係を示す図、第７図は
反射電子法による深度測定方式の構成例を示す図、第８
図は反射電子検出器の構成例を示す図である。２０・・・電子銃、２１・・・ビームプランカー、２２
・・・走査コイル、２３・・・Ｘ線検出器、２４・・・
試料、２５・・・２次電子検出器、２６・・・照射系制
御装置、２７・・・ビームブランキング制御装置、２８
・・・Ｘ線測定装置、２９・・・画像処理装置、３０・
・・試料ステージ制御装置、３１・・・ＣＰＵ、３２・
・・表示装置、３３・・・記憶装置、３４・・・インタ
ーフェース、３５・・・ＣＡＤシステム、３６・・・記
録装置、３７・・・データバス。出　　願　　人　日本電子株式会社代理人　弁理士　菅　井　英　雄（外５名）第１図第３薗玉第２図（Ｃ）十　　　　　　　　　　　　　　− 第４図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）試料に形成された開口部に電子ビームを照射し、
発生した特性Ｘ線の強度に基づいて前記開口部の深度を
決定することを特徴とする深度測定方式。
（２）試料に形成された開口部に電子ビームを照射し、
前記試料からの反射電子のエネルギーと、当該エネルギ
ーを有する反射電子の個数とに基づいて前記開口部の深
度を決定することを特徴とする深度測定方式。