JPS59163505A - 微細溝の寸法測定方法および装置 - Google Patents

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】 〔発明の利用分野〕 本発功は微細な溝あるいは開孔の寸法測定と加工不十分
な開孔部を修正する方法、およびこれらの測定を行う装
置に関するものである。

〔従来技術〕

従来の微細な溝あるいは開孔部を有する物体の代表例と
してはＬＳＩ製造工程におけるコンタクトホール（ある
いはスルーホール）のレジストマスク形成試料および上
記のエツチング試料がある。

コンタクトホールは絶縁物で覆われた層ＩＢｊを接続す
るために、通常２つの導体膜の中間層（一般にはＳｌ　
０２　、Ｐ　Ｓ　Ｇ　）に開孔した部分をいう。

従来の上記コンタクトホールの口径は２μｍ以上の大き
さがあり、光学顕微＠あるいは２次電子走育形顕微鏡（
ＳＥＭ）で観測および測定できたが、最近は２μｍ以下
の口径を測定することが必要となり、今後はさらに１μ
ｍ以下の微細な醒めるいは開孔の測定が求められること
になる１頃向にある。開孔部が２μｍ以下の大きさにな
ると測定がかなり困難となり１μｍ以下では不ｎｊ化に
近い。

測定の難しさは上記中１％ｊ層の膜厚あるいはレジスト
マスクの材料の膜厚と智接な関係があり、開孔部口径め
るいは淘寸法と膜厚との比が１以下になると凹凸部の底
面゛全観画するのが困編ＬＫ７ｉ：るからで、例えは１
μｍの膜厚で１μｍの床さの浦あるいは開孔の底面部は
光字卯微鏡では飲助］できない。

またＳＥＭでも１次′”−子の入射角度および２次電子
の出射角度が狭いため底面部を解像することができず、
底面部に残渣があるかどうかを確認することができない
欠点があった。また口径が１μｍ以上の場合でも光学顕
微鏡やＳＥＭでは底面部に露出しだ材料の差異を検知す
ることができず、不良残渣が底面部にあった場合でも修
正することができないという欠点があった。

第１図は正常に加工されたコンタクトホールの楔形を示
す断面図で、（ａ）はホトレジストマスク加工後の断面
図、■）は上記ホトレジストの開孔の底面利料をエツチ
ングした後の断面図である。第１図（ａ）においてコン
タクトホール１がホトレジスト２によって形成されてお
シ、底面材料３は一般に酸化シリコン、リンガラス、ス
ピン・オン・ガラス、窒化シリコンのいずれかにより形
成されている。第１図中〕に示す下地材料４は一般にシ
リコン、ポリシリコン、モリブデン、タングステン、モ
リブデンシリサイド、タングステンシリサイド、アルミ
ニウム合金のいずれかにより形成されている。

第２図は第１図に示した加工が不完全に行われた場合の
楔形を示す断面図で、（ａ）はホトレジストマスクの加
工が不十分なときにしはしは起こるホトレジストの残り
５がある揚台の１１．ｌｒ面図、（ｂ）は底面材料３を
エツチングしたときにしばしば起こるエツチング残渣６
を示す断面図である。実際に加工した試料が第１図に示
すように正常であるか、第２図に示すように不良である
かをウェハを破壊しないで判定するためには、試料の凹
凸の底面材料をウェハの上方から観測する以外にはない
。前記のように光学顕微鏡やＳＥＭでは上記の底面材料
を区別することができず、特にホトレジストマスク後の
ように底面材料が８１０２のような絶縁物であり開孔材
料もホトレジストのように絶縁物である場合には、電子
ビ、−ムを用いるＳＥＭでは試料の底面が帯電するだめ
、上記底面材料を観測できないはかシか上面材料の像も
観測することが困難である。

〔発明の目的〕

本発明の目的は微細な溝あるいは開孔の寸法および上記
の溝あるいは開孔の底面の材料が路出した部分の寸法を
測定する方法、さらに上記底面の材料が露出した部分が
所足の寸法に達していない場合に加工修正する方法と、
これらの測定を行う微細前の測定装置を得ることにある
。

〔発明の概要〕

上記目的勿達成するために本発明はマイクロイオンビー
ムを試料に照射して試料表面に発生する２次イオンまた
は２次−子を収集し解析することによって、上記２次イ
オンまたは２次電子の量的変化から微細溝あるいは開孔
の寸法および上記溝あるいは開孔の底面が露出した部分
の寸法を測定し、上記底面の材料が露出した部分が所足
の寸法に達していない場合は上記マイクロイオンビーム
を用いて試料の不良部分をエツチングして延圧するもの
であって、上記の測定を行う装置は、マイクロイオンビ
ーム全発生して試料上を走督させるマイクロイオンビー
ム発生装置と、マイクロイオンビームの照射により試料
表面から発生する２次イオンまたは２次電子を収集する
２次発生イオンまたは電子収集装置と、試料全定位すに
設置する試料微動制御装置を備え、上記２次発生イオン
または電子収集装置からの信号と試料微動制御装置から
の信号とをデータ解析および表示部に送シ微細寸法の測
定を行うようにしたものである。

〔発明の実施例〕

つぎに本梶明の芙施例を図面とともに説明する。

第３図は本発明による微細溝あるいは開孔の上面ふよひ
底面の測定と加工が不十分な底面のイー正とを行う装置
の構成を示す図で、矩査板栴を翁するマイクロイオンビ
ーム発生装置７と、曲」定祇科を定位置に正確に設置す
るだめの試料微動市１」鈎」装に８と、マイクロイオン
ビームの照射により＋１ｔａ２゜の狭面から発生ずる２
次イオンまたは２次電子を収集する２次発生イオンまた
は電子収集装置９とを悔え、上記の試料微動制御装置８
および２次兄年イオンまたは成子収集装置９から送られ
る信号をデータ解析および表示部１０に送って倣ｉ￥Ｉ
１１寸法を測定するように構成されている。本装置の構
成は２次イオン質量分光計（ＳＩＭＳ）の（イ）凧と（
Ｄているが、従来のＳ　ＩＭＳは深い飾あるいは開孔の
底面を測定することは不可能である。従来のＳＩＭＳが
微量不純物を分析することを目的としたときのような分
屏能や感度は必要としないが、本装置では深い溝あるい
は開孔の底面から発生する２次イオンおよび２次電子を
効率よく収集する必要がある。そのためマイクロイオン
ビームの照射によって試料から発生する２次イオンまた
は２次電子を収集するリング状のコレクタか、溝あるい
は開孔の）底面から発生する２次イオンを分析測定する
２次イオン分析器を、マイクロイオンビーム発生装置７
の先端のマイクロイオンビーム軸線の周辺に設けている
。ｇ４図は２次発生イオンまたは成子収集装置として周
知のコレクタを設けた場合の実施例を説明する断面図、
第５図は上記収集装置として２次イオン分析器を設けた
場合の実施例を説明する断面図である。第４図に示すよ
うに測定する溝ｌたは開孔の幅と深さに対応した大きさ
を有するり／グ状のコレクタ１３を、マイクロイオンビ
ーム発生装置７のマイクロイオンビーム通過孔の周囲に
設け、マイクロイオンビームを試料上に走査させて試料
表面から発生する２次イオンまたは２次「成子を収集し
信号としてデータ解析および表示部ｌＯに送る。マイク
ロイオンビームの径はｉ＋ｔｉｌ定しようとする溝ある
いは開孔の大きさによってその上限が抑えられるが、本
装置では０，１μｍφ程度のマイクロイオンビームを用
いている。寸法で前定時のイオン種は試刺材利と反応し
ないものでのれはどのイオンでもよいが、一般にばＨｅ
＋、Ｎｅ＋、Ａｒ＋などの不活性ガスイオンか適してい
る。マイクロイオンビームの照射によって発生する２次
イオンは、イオンの種別が区別されないセフ悪でコレク
タ１３に入射するが、試料表面の凹凸の角部１４で発生
ずる２次イオンあるいは２次電子の放出分布は他の平面
部１５からの放出分布と異るので、２次イオンあるいは
２次′電子の角部１４と他の平面部１５との強度変化を
比較することによって上記角部１４の位置が検出できる
。すなわちマイクロイオンビームが平面部１５を走査し
ている場合にコレクタ１３に入射する２次イオンあるい
は２次電子の量よシも、角部１４や溝あるいは開孔の側
面部１６から発生する２次イオンあるいは２次電子が上
記コレクタ１３に入射する量は少くなる。

したがって溝あるいは開孔の寸法幅は入射強度が強い平
面部から入射強度が弱くなる溝部へマイクロイオンビー
ムが走査畑れた位置を検出しておき、嘔らに他の一方の
溝端部から平面部に移動したときの位置を検出すること
によって両方の溝端部の位置および間隔が算出できる。

マイクロイオンビームを走査させるときに偏向方法とし
て電場（わるいは磁場）の変化を用いているので、位置
の測定はあらかじめ偏向重圧の値と試料表面で＃勤する
マイクロイオンビームの移動距離を画定しておぎ、試料
の溝の位置を試料微動制御装置８によってマイクロイオ
ンビームの軸の中心に位置合わせした後に、溝あるいは
開孔の寸法を測定した。なおこの際本装置には光学的に
試料を観祭できる顕微鏡１１が一マイクロイオンビーム
通過軸の近くに設けられているので、上記顕微鏡１１に
よって測定しようとする試料の測定位置をマイクロイオ
ンビームの軸のおおよその中心に設定することができる
。

試料の溝あるいは開孔部の上部寸法は上記の方法で測定
できるが、清あるいは開孔の底面部の寸法は上記方法で
は測定でき々い。例えばコンタクトホールではホトレジ
スト現像後は渦、あるいは開孔部を構成する材料が８１
０２やＰＳＧであって、底面路出部の材料がポリシリコ
ン、モリブデン、タングステン、モリブデンシリサイド
、タングステンシリサイド、アルミニウム合金のいずれ
かである。したがって底面露出部の寸法を測定するには
ノ氏面から発生する特殊なイオンを分析測定する方法を
用いる。上記方法と逆、に表面材料から出る２次イオン
を分析しその強度が減衰する領域をｊ攻面部の寸法とす
る方法もあるが、溝あるいは開孔のために信号強度が変
化するので実際に底部材料が露出していることを確認す
るのが難しい。底面から発生する特殊なイオンを分析測
定するには第５図に示すように前記測定装置のコレクタ
１３の代りに簡単な２次イオン分析器１７を、マイクロ
イオンビームの軸線近くに配置する。上記２次イオン分
析器１７が磁場偏向形の場合にはマイクロイオンビーム
発生装置から照射する１次イオンに影響しないように磁
気シールドをする必要があシ、また一定磁場で電場変化
きせる方法による場合も同様である。２次イオン分析器
１７の下には、リング状の導体材料で作られ部分的にス
リットを有する入射スリット１９を設けているが、上記
スリットが開いている所に２次イオン分析器１７が連結
されるから、マイクロイオンビームの走亘方回に対応し
て対称にスリットを設けた方がよい。スリットが１個だ
けのときは試料の溝の側面近くで発生する２次イオンの
収集効率が偏るからである。

２次イオン分析器１７０入射スリット１９は板数のスリ
ットを重ね合わせて入射イオンの力目速を変化させ、第
５図の点線で示すように試料から発止し入射スリット１
９を通過した２次イオンを、２次イオン分析器１７で分
析し、分析信号を前記データ解析および表示部１０に送
る。試料のイ蓉成材料がホトレジストで溝の底部材料が
５ｉ０２であるとき、マイクロイオンビームの走査に対
応しだＳｉ＋イオンの強度変化は第６図に示すように、
Ｓｉ＋イオン強度が底面の露出部分のみ強くなシ、マイ
クロイオンビームがホトレジスト部分を走査していると
きには上記のよりなＳｉ＋イオン強度のピーク部分はほ
とんど現われない。ただしＳｉ＋イオンのうち同位体元
素の質量ｉ（Ｍ／ｅ）ｚ９あるいは３０のＳｉ＋イオン
で測定し、ホトレジストに含まれるＮ２＋イオンを区別
できない質量数２８のＳｉ＋イオンは用いなかった。第
６図に示したＳｒ　＋イオン強度のピーク幅１８が溝の
底面露出部分の寸法であり、ホトレジストの現像が不十
分なためＣ再の底面が露出していない場合にはＳｉ　４
−イオン強度の、ピークは現われない。第６図は上記入
射スリン）１９の対称な２個のスリットに入射した２次
イオンの分析信号強度の和を示したもので、本実施例で
は１次イオンにＧａ”イオンを用い溝幅が０３μｍの場
合に十分な信号が得られているから、婆らに微細な溝に
対しても測定が可能である。本実施例に用いた２次イオ
ン分析器１７の入射スリット１９は、スリットを通過し
た２次イオンを前記のように２次イオン分析器１７で分
析するほか、スリット部分以外の入射スリット１９を用
いて第４図に示したコレクタ１３と同様に、２次イオン
あるいは２次電子を収呆することもでき、この場合は溝
の上部開口寸法を測定することが可能である。

上記実施例の測定方法によって、ホトレジストの現像が
不十分であったシエッチングが不十分であるために、溝
あるいは開孔の底部露出部分が所定の寸法に達していな
いことが判明した場合は、本兜明による装置を用いて不
良個所を加工修正することができる。すなわち溝あるい
は開孔の底面部にホトレジストの残渣がある場合には、
マイクロイオンビームの１次イオンに０＋または０２“
イオンを用い、あらかじめｍｌｌ定した前寸法の範囲内
でＯ＋または０２＋イオンビームを走査させ、Ｓｉ＋イ
オンが観測されなくなるまで走査を繰返すことによって
上記ホトレジストの残渣を除去することができる。また
エツチング加工後の試料で底面部にポリシリコン、Ｓｉ
Ｏ２、Ａｔなどのいずれかの残液があった場合には、１
次イオンとしてＦ＋、Ｃｔｌなどのイオンが残渣の除去
に適している。

すなわちＦ＋あるいはＣｔ１イオンのマイクロイオンビ
ームで溝底面を走査するが、ＦｌやＣ４＋のイオンを発
生させるイオン源は腐食などによる装置の劣化が激しい
ためＦ４″やＣｔ＋イオンと反応しないイオン源を用い
るのがよい。さらに溝あるいは開孔の底面の残渣を簡便
に修正する方法としては、マイクロイオンビームの加速
電圧を変えて高エネルギーのイオンビームで上記底面を
走査する方法がある。この方法によるときはマイクロイ
オンビームのイオンエネルギーを前記した寸法測定の場
合のイオンエネルギーよ、！：＋Ａ＜して、マイクロイ
オンビームのスパッタ効率を高めるが、試料に損傷を与
えた場合でもアニリングなどによってその損傷が回復さ
れることを目安とすれは、高エネルギー値は約４ＫｅＶ
以下であることが望ましい。なおイオン種には特別のも
のを用いず、Ｎｅ＋、Ａｒ＋、Ｘｅ＋などのうちいずれ
かの不活性イオンを用いてよい。

〔発明の効果〕

本発明は上記のようにマイクロイオンビーム発生装置と
、試料微動制御装置と、２次発生イオンあるいは電子収
集装置とを備えた微細溝の寸法測定を行う装置を用いて
、発生したマイクロイオンビームを試料上で走査させ、
試料の平面部や微細な溝あるいは開孔部から発生する２
次イオンあるいは２次電子を上記収集装置で検知し、そ
の信号をデータ解析および表示部に送シ、上記溝あるい
は開孔の上部寸法および底面材料露出部の寸法を測定す
るものであるから、従来の光学顕微鏡やＳＥＭでは測定
不可能であった１μｍ以下の溝幅および溝の底面におけ
る底面材料の鉛量部分の寸法測定が可能であシ、さらに
溝あるいは開孔の底面に加工の残渣がある場合にはこれ
らの残渣を除去して不良部分の修正を行うことができる
。したがって従来検査することが困難であった微細加工
試料の寸法検査を十分に行うことができ、かつ不良個所
の修正加工ができるので、半導体素子製造工程の歩留シ
向上に多くの効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は正常に加工されたコンタクトホールの模形を示
す断面図で、（ａ）はホトレジストマスク加工後の断面
図、（ｂ）は上記ホトレジストの開孔の底面材料をエツ
チングした後の断面図、第２図は上記第１図に示した加
工が不十分に行われた場合の模形を示す断面図で、（ａ
）はホトレジストの残シがある場合の断面図、（ｂ）は
エツチング残渣を示す断面図、第３図は本発明による微
細溝の寸法測定を行う装置の実施例の構成を示す図、第
４図は２次発生イオンまたは電子収集装置としてコレク
タを設けた場合の実施例を説明する断面図、第５図は上
記収集装置として２次イオン分析器を設けた場合の実施
例を説明する断面図、第６図はホトレジストの開孔部を
マイクロイオンビームで疋査シたときに得られるＳｉ“
イオンの強度変化を示す図である。 ７・・・マイクロイオンビーム発生装置、８・・・試料
微動制御装置、９・・・２次発生イオンまだは電子収集
装置、１０・・・データ解析および表示部、１５・・・
試巣３ｏ　　　　　　　　　　％ａ　図 ４５　ノ 第１頁の続き ［相］発　明　者　田村−二三 国分寺市東恋ケ窪１丁目２８０番 地株式会社日立製作所中央研究 所内 ０発　明　者　向喜一部 国分寺市東恋ケ窪１丁目２８０番 地株式会社日立製作所中央研究 所内

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、溝あるいは開孔を有する試料上をマイクロイオンビ
   ームで走査し、試料の上面および溝あるいは開孔の底面
   から発生する２次イオンあるいは２次電子を収集し、こ
   れらの２次イオンあるいは２次電子の量的変化を測定す
   ることによって、上記溝あるいは開孔の位置、寸法、溝
   あるいは開孔の底面露出部の寸法を測定するとともに、
   溝あるいは開孔の底面に残渣があるときは上記マイクロ
   イオンビームの走奔を繰返して残渣を除去する微細溝の
   寸法測定方法。 ２、上記溝あるいは開孔の底面残渣を除去する除のみ、
   マイクロイオンビームのビームエネルギーを高くするこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載した微細溝
   の寸法測定方法。 ３、上記溝あるいは開孔の底面残渣を除去する際に１、
   溝あるいは開孔を形成する材料と化学反応性が高い活性
   イオンを用いることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   に記載した微細溝の寸法測定方法。 ４、マイクロイオンビームを発生し走査機構を有するマ
   イクロイオンビーム発生装置と、測定試料を定位置に設
   置する試料微動制御装置と、マイクロイオンビームの照
   射によシ試料の表面から発生する２次イオンあるいは２
   次電子を収集する２次発生イオンまたは電子収集装置と
   を備えた微細溝の寸法測定装置。 ５、上記２次発生イオンまたは電子収集装置をマイクロ
   イオンビームの通過軸の周辺に設けたことを特徴とする
   特許請求の範囲第４項に記載した微細溝の寸法測定装置
   。