KR101086923B1 - 반도체 장치에 대한 전자 현미경 관측 방법 및 그 장치 - Google Patents

반도체 장치에 대한 전자 현미경 관측 방법 및 그 장치 Download PDF

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칼 짜이스 엔티에스 게엠베하
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Abstract

본 발명은 펼쳐진 대물영역(37) 내에 있는 반도체 장치(3)로부터 방출되는 2차 전자를 위치감지 검출기(35) 상에 영상화하기 위한 전자 현미경 광학기(27)를 제공하는 단계와, 1차 에너지빔(51,53)을 방출하기 위한 조사장치(55,59)를 제공하는 단계와, 상기 반도체 장치(3)로부터 2차 전자를 추출하기 위해 상기 1차 에너지빔(51,53)을 적어도 대물영역(37)으로 지향하는 단계를 포함하는 반도체 장치(3)에 대한 전자 현미경 관측 방법을 제공한다.
상기 방법은 반도체 장치(3)가 제 1 재료(11)에 의해 제공된 상단면(15)을 갖는 영역과 상기 상단면(15)에 의해 둘러싸여지고 제 2 재료(13)에 의해 제공된 바닥(17)을 갖는 큰 종횡비를 갖는 후미부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
반도체 장치, 전자 현미경, 전자빔, 조사장치

Description

반도체 장치에 대한 전자 현미경 관측 방법 및 그 장치{Method For The Electron-Microscopic Observation Of A Semiconductor Arrangement And Apparatus Therefor}
도 1은 본 발명에 따른 방법의 실시예를 실행하기 위한 전자 현미경의 개략도이다.
도 2는 도 1의 전자 현미경으로 관측된 고 종횡비를 갖는 반도체 구조의 개략적인 횡단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 구조를 갖는 재료에 대한 2차 전자 수율특성에 대한 도표이다.
도 4는 도 2에 도시된 구조로부터 방출되는 2차 전자의 에너지 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 5는 도 1의 전자 현미경에 사용되는 영상 보존 에너지 필터의 개략도이다.
도 6은 도 5에 도시된 에너지 필터와 유사한 에너지 필터의 제 1 세팅으로 도 1에 도시된 전자 현미경에 의해 취해진 고 종횡비를 갖는 구조를 포함하는 반도체 장치 사진을 도시한 것이다.
도 7은 도 5에 도시된 에너지 필터의 제 2 세팅으로 도 1에 도시된 전자 현 미경에 의해 취해진 고 종횡비를 갖는 구조를 포함하는 반도체 장치 사진을 도시한 것이다.
도 8은 도 2에 도시된 구조와 유사한 반도체 구조의 재료에 대한 2차 전자 수율특성의 그래프를 도시한 것이다.
도 9는 본 발명에 따른 방법의 실시예를 실행하는데 적합한 또 다른 전자 현미경의 개략도이다.
도 10은 도 9에 도시된 전자 현미경의 대물렌즈 장치의 개략 확대도이다.
도 11은 도 10에 도시된 대물렌즈의 기능을 예시하기 위한 필드 배열의 여러가지 개략도를 도시한 것이다.
도 12는 본 발명에 따른 방법의 실시예를 실시하는데 적합한 또 다른 전자 현미경의 개략도이다.
도 13은 본 발명에 따른 방법의 또 다른 실시예를 예시하기 위해 고 종횡비와 결점을 가지는 구조를 도시한 것이다.
* 도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명*
1: 전자 현미경 3: 반도체 장치
5: 대물렌즈 장치 7: 후미부
9: 반도체 웨이퍼 11: SiO2 층
13: 금속층 15: 상단면
17: 바닥 19: 광축
21: 자기권선 23: 개구전극
25: 전압원 27: 전자 현미경 광학기
29,89,91: 빔 편향기 31:영상보존에너지필터
33: 배율 광학기 35: 검출기
37: 영역 39: 감지면
41,42,43: 구역자석 45,51: 전자빔
46: 개구 조리개 47: 입구측
53: 광자빔 55: 전자원
57: 집속광학기 59: 광원
61: 진공셀 63: 제어기
85,87: 집속렌즈 95,97: 개구전극
99: 슬롯 101: 핑거전극
103: 콤브전극 105: 대칭축
111:열음극(hot cathode) 112: 양극
본 발명은 고 종횡비(hig aspect ratio)의 토폴로지(topology)를 갖는 반도체 장치의 전자 현미경 관측을 위한 방법에 관한 것이다.
본 발명은 또한 이러한 반도체 장치를 관측하기 위한 장치에 관한 것이다.
고 종횡비를 갖는 구조는 주로 반도체 제조에서 조우된다. 이들은, 예를 들면, 접촉구멍, 도랑 등이다.
반도체 구조를 영상화하기 위해, 특히, 제조간 이러한 반도체 구조에서 결점을 가시화하기 위해, 전자 현미경 방법이 편의상 사용된다.
이에 대한 매우 공통적인 방법은 스캐닝 전자 현미경(scanning electron microscope) "SEM"에 의한 반도체 구조를 영상화하는 것이다. 그러나, 상기 반도체 구조의 더 깊은 영역에서의 바닥으로부터 방출되는 2차 전자가 이러한 구조의 벽에 흡수되어, 결과적으로, 대부분이 현미경의 대물렌즈로 들어올 수 없기 때문에, 스캐닝 전자 현미경에 의한 고 종횡비를 갖는 구조를 영상화하는 것이 어려움을 알게되었다. 따라서, 깊은 구조는 SEM에 의해 실질적으로 영상화될 수 없다.
미국특허 제US 6,232,787B1호에는, 스캐닝 전자 현미경이 고 종횡비를 가지며 상단면에 의해 둘러싸인 후미부의 바닥에 대해 검사되는 반도체 구조의 상단면을 음으로 하전시키는데 사용되는 방법이 공지되어 있다. 이러한 하전으로 인해, 인공물(artifacts)이 반도체 구조의 영상화에서 의도적으로 생성된다. 따라서 고 종횡비를 갖는 구조의 제조결점, 예를 들면 구멍에 대해 이들 인공물로부터 추론될 수 있다. 이는 인공물이 결점을 가지고 제조된 구멍이 사양에 따른 구멍보다 더 크거나 더 작게 전자 현미경 영상에 나타나게 하기 때문이다. 그러나, 이에 대해, 각각의 구멍은 전자 현미경 영상에 나타난 구멍 크기와 비교되는 기설정된 구멍 크기를 가진다고 가정한다. 그러나, 이 방법은 어느 쪽도 구멍 바닥의 만족스러운 영상을 제공하지 않는다.
따라서, 본 발명의 목적은 융통성이 증가된 고 종횡비를 갖는 구조를 관측하게 하는 반도체 구조에 대한 전자 현미경 관측 방법을 제공하는 것이다.
특히, 본 발명의 목적은 실질적으로 더 깊은 구조의 인공물이 없는 영상을 얻고, 또한, 기하학적 모양의 사전 지식없이도 마감구조의 검증을 가능하게 하는 것이다.
더욱이, 본 발명의 목적은 이러한 반도체 구조가 유리하게 관측될 수 있는 전자 현미경 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 전자 현미경 형태는 전문가들 사이에 "SEEM"(secondary electron emission microscope)으로 언급되는 고 종횡비를 갖는 구조의 관측을 위해 제공된다.
스캐닝 전자 현미경(SEM)에서, 검사되는 대상물의 영상은 정교하게 집속된 1차 전자빔이 대상물의 면을 스캔하고 상기 대상물로부터 방출되는 2차 전자가 위치에 무관하게 검출되므로 얻어지게 된다. 영상의 위치 해상도는 1차 전자빔이 지향되는 위치에 대한 지식으로 인해 SEM에서 얻어진다. 이와는 반대로, SEEM에서의 관측하에 전체적으로 펼쳐져 있는 대물영역은 대응하여 도달되는 전자빔에 의해 동시에 조사되고, 이 대물영역으로부터 방출되는 2차 전자가 위치 감지 검출기 상에 영상화되어 관측하에 실질적으로 선명한 대물영역의 영상이 생성된다.
대물영역으로부터 검출기까지 2차 전자의 이러한 포지션-트루(position-true) 영상화를 가능하게 하기 위해, 대상물의 면에 실질적으로 수직한 강한 전기 장을 대상물에 직접 가까이 가하는 것이 필수적이며, 상기 전기장은 인력장(attractive field)으로서 작용하고 표면으로부터 멀리 전자를 가속시킨다. 결과적으로, 표면법선에 대해 횡방향의 운동성분을 가지며 방출되는 2차 전자와 같은 전자들이 표면법선에 횡방향으로 큰 경로를 지나지 못하게 하여, 그 결과, 과도하고 보상될 수 없는 흐린 영상(image blur)를 만드는 것을 방지한다. 샘플과 SEEM 대물렌즈 사이의 SEEM에 가해지는 이런 강한 전기 인력장으로 인해, SEEM은 실질적으로 평면 형태인 대상물을 관측하는데만 여태껏 사용되어 왔다. 공간적으로 구조화된 대상물은 전자 현미경의 필요한 고해상도를 깨뜨리는 인력장의 국소적인 왜곡을 야기한다. 특히, SEEM은 더욱 구조화된 토포그래피를 갖는 반도체 구조의 관측을 위해서는 부적합하게 여겨지므로, 피크 효과(peak effect)로 인해, 전체 반도체 웨이퍼로서 면의 법선에 횡방향으로 또한 지향되는 장 성분을 포함하는 전기장 세기가 반도체 구조의 엣지에서 생성되고, 따라서 검출기상에 방출되는 전자의 포지션 트루 영상화를 방지한다. 특히 이러한 엣지에서 만들어진 큰 전기장은 반도체 구조내부에 전기 아크오버(arc-overs)가 발생될 수 있고 심지어 반도체 구조를 파괴할 수 있다.
본 발명자는 고 종횡비를 갖는 반도체 구조가 SEEM에 의해 놀라울정도로 잘 영상화될 수 있음을 알게 되었다.
이에 따라 본 발명은 SEEM으로 언급되는 형태의 전자 현미경이 고 종횡비를 갖는 반도체 구조의 관측에 적합함을 찾아냄에 기초한다.
따라서, 본 발명은 SEEM으로 언급되는 형태의 전자 현미경을 포함하는 전자 현미경 형태에 의한 대상물의 전자 현미경 관측 방법에서 출발한다. 그러므로, 이러한 방법은 대상물의 공간적으로 펼쳐진 대물영역으로부터 방출되는 2차 전자를 위치감지 검출기 상에 영상화하기 위한 전자 현미경 광학기를 제공하는 단계와, 1차 에너지빔을 방출하기 위한 조사장치(illuminaiton device)를 제공하는 단계와, 상기 반도체 장치로부터 2차 전자를 방출하기 위해 상기 1차 에너지빔을 적어도 상기 대물영역으로 지향하는 단계를 포함한다.
검출기 상에 대물영역의 영상화는 위치보존 방식으로 영향받는데, 즉, 대상물에서 현재의 토폴로지가 위치감지 검출기 상에 영상화되어 상기 위치감지 검출기에 의해 얻은 영상으로부터 대상물의 위치구조에 대해 추론될 수 있다. 1차 빔은 전자빔으로 제한되는 것이 아니라 검사되는 대상물로부터 2차 전자를 방출하는데 적합한 어떠한 형태의 에너지, 즉, 예를 들면 광자빔이나 이온빔을 포함할 수 있어야 한다.
이에 대해, 본 발명은 이러한 방법이 제 1 재료에 의해 제공된 상단면과 상기 상단면에 의해 둘러싸여지고 고 종횡비를 갖는 후미부를 포함하고, 상기 후미부의 바닥이 제 2 재료로 제공되는 구조와 같은 고 종횡비를 갖는 반도체 구조를 검사하는데 사용되는 것을 특징으로 한다.
제 1 재료는 제 2 재료와는 다를 수 있다. 그러나, 제 1 재료와 제 2 재료 모두는 동일 재료를 포함하는 것이 또한 가능하다.
본 출원의 용어에서 고 종횡비를 갖는 구조는, 후미부의 경우, 후미부의 깊이대 후미부의 가로치수의 비가 1.5 이상, 바람직하게는 4.0 이상, 더 바람직하게 는 10.0 이상, 가장 바람직하게는 15.0 이상인 구조이다.
이 방법에 의해, 고 종횡비를 갖는 구조가 놀라울 정도로 잘 관측될 수 있음을 알게 되었다. 특히, 예를 들면, 고 종횡비를 갖는 이러한 후미부의 바닥면의 위치 분석된 영상이 또한 얻어질 수 있다.
바람직하게, 1차 에너지빔은 1차 전자빔에 의해 제공되고, 방법은 바람직하게 제 1 재료가 실질적으로 전기적으로 비도전성인 이러한 구조를 또한 검사하는데 본 명세서에서 사용된다. 이에 대해, 상단면이 바닥에 대해 양으로 하전되도록 1차 전자빔의 전자의 운동 에너지가 조절되는 것이 바람직하다. 바닥과 상단면 사이의 전하배열에서, 전자 현미경 광학기 및 검사되는 구조의 상단면 사이에 가해지는 연속 인력장을 형성하는 전기장이 후미부에 생성된다. 이러한 전하 배열이 없다면, 인력장은 후미부에서 부분적으로 차폐될 것이고 후미부의 바닥 아래로 충분히 침투할 수 없을 것이다. 결과적으로, 이러한 전하 배열은 또한 인력장으로서 작용하고 전자 현미경을 향해 바닥에서 방출되는 2차 전자를 가속시키는 후미부의 바닥 부근에 전기장을 생성하여 또한 후미부의 바닥에 있는 공간 구조가 위치 분석되는 방식으로 검출기 상에 영상화될 수 있다.
이러한 전하 배열을 얻기 위해, 1차 전자빔의 전자의 운동 에너지가 다음 고려를 기초로 바람직하게 조절된다:
실질적으로 전기적으로 비도전성인 재료는, 1차 전자의 에너지에 따라, 제 1 중립점 및 제 2 중립점 뿐만 아니라 2개 중립점 사이의 최대값을 갖는 2차 전자 수율특성을 갖는다. 2차 전자수율 σ은 본 명세서에서 샘플상에 충돌하는 1차 전자와 샘플로부터 방출되는 2차 전자 사이의 비로서 정의된다.
1차 전자의 에너지에 의해, 충돌하는 운동에너지, 즉, 1차 전자가 샘플면에 충돌하는 에너지를 더 정확하게 이해된다.
제 1 중립점 아래에 있는 1차 전자의 더 낮은 에너지에서는 1차 전자가 대상물에 충돌하는 것보다 대상물로부터 방출되는 2차 전자들이 거의 없다. 이로 인해, 대상물은 음으로 하전된다. 제 1 중립점에서, 실질적으로 1차 전자가 대상물에 충돌하는 만큼 2차 전자들이 방출된다. 대상물은 실질적으로 하전되지 않는다. 제 1 및 제 2 중립점 사이의 에너지에서는, 1차 전자가 대상물에 충돌하는 것보다 더 많은 2차 전자들이 대상물로부터 방출된다. 이로 인해, 대상물은 양으로 하전된다. 제 2 중립점 이상에서, 1차 전자의 에너지가 높아서 대상물속으로 깊히 침투해 들어가 대상물의 표면 영역으로부터 상대적으로 2차 전자들이 거의 방출되지 않아 대상물은 음으로 하전된다.
후미부의 바닥에 대해 상단면의 양 전하를 얻기 위해, 1차 전자빔의 전자의 운동 에너지는 바람직하게 제 1 재료, 즉 상단면을 이루는 재료에 대한 2차 전자수율 특성의 제 1 중립점의 대응하는 에너지 값보다 더 큰 에너지 값으로 정해진다.
본 출원의 용어에서, 실질적으로 전기적으로 비도전성인 재료는, 각각의 적용이 고려되는 한, 중간 정도로 도프(dope)된 반도체이다. 바람직하게, 각각의 적용이 고려되는 한, 약하게 도프된 반도체이다. 더 바람직하게, 실질적으로 도프되지 않은 반도체, 특히, 반도체 제조에서 절연체로서 사용되는 재료, 예를 들면, 실리콘 옥사이드(silicon oxide), 실리콘 디옥사이드(silicon dioxide), 실리콘 니트 라이드(silicon nitride) 등이다. 또한, 본 내용에서, 비도전체는 반도체의 제조공정 동안 후미부의 바닥에 의도하지 않게 도달되고 포토레지스트(photoregist)의 잔여물 등과 같이 전기적 접촉을 막는 재료이다.
본 출원의 용어에서, 실질적으로 전기적으로 도전성 재료는, 예를 들면, 금속, 크게 도프된 반도체 또는 적용이 고려되는 한, 중간으로 도프된 반도체의 도전선을 제조하기 위한 재료이다.
제 2 재료, 즉, 후미부의 바닥 재료가 또한 전기적으로 비도전성 재료이면, 제 1 재료에 대해 상술한 바와 같은 유사한 2차 전자 수율특성을 갖는다. 그러나, 2개의 재료가 서로 다를 수 있어, 예를 들면, 제 1 및 제 2 중립점과 각각의 최대값이 발생하는 에너지에 대해, 2개 재료의 2차 전자 수율특성이 서로 다르게 된다.
이에 대해, 제 1 재료의 2차 전자 수율특성이 제 2 재료의 2차 전자 수율 특성보다 더 큰 에너지 값으로 1차 전자의 운동 에너지가 정해지는 것이 유리하다.
예를 들어, 제 1 재료의 2차 전자 수율특성의 최대값이 제 2 재료의 대응하는 최대값보다 더 큰 에너지에서 발생된다면, 1차 전자의 운동 에너지는 2개 재료의 2차 전자 수율특성이 교차되는 에너지보다 더 큰 에너지 값으로 바람직하게 정해진다. 이러한 에너지 범위에서 상단면 재료의 2차 전자수율은 후미부의 바닥 재료의 수율보다 더 커 후미부의 바닥에 대한 상단면의 양 전하가 용이하게 얻어진다.
1차 전자빔에 의한 1차 에너지빔의 제공 뿐만 아니라 또는 대안으로서, 1차 전자빔은 광자빔 및/또는 이온빔을 또한 포함할 수 있다. 광자 또는 이온은 또한 위치감지 검출기 상에 전자 현미경 광학기를 통해 영상화될 수 있는 검사중의 대상물로부터 2차 전자를 방출하는데 또한 적합하다.
광자빔 자체는 대상물에 대해 어떠한 전하도 띠지 않으므로, 대상물로부터 광자에 의해 방출되는 2차 전자가 대상물을 양으로 하전되게 한다. 결과적으로, 광자빔의 사용으로, 대상물의 영역을 양으로 하전되게 하는 것이 상대적으로 용이하다.
역으로, 대개 자신의 양전하로 인해, 이온빔의 이온은 샘플이 하전되게 하며, 반도체 구조의 필요한 전하 배열을 얻는데 마찬가지로 이용될 수 있다.
본 명세서에서, 광자빔은 상단면 상의 법선에 횡으로 충돌하고, 특히, 상단면과 10°및 80°각도를 포함하도록 바람직하게 제공된다. 결과적으로, 상단면에 비스듬히 충돌하는 광자빔이 후미부 상에 충돌되지 않아 후미부의 바닥에 대해 상단면의 요구되는 양전하가 용이하게 얻어질 수 있는 것이 가능해진다.
그러나, 광자빔이 후미부의 바닥에 또한 도달되도록 상단면에 실질적으로 수직하게 광자빔을 지향하는 것이 또한 가능하다. 제 1 재료 및 제 2 재료가 서로 다를 때 바닥에 대한 상단면의 양전하가 실질적으로 달성된다.
바람직하게, 전자 현미경 광학기가 상단면의 평면에서 검출기에 대해 검출기상에 영상화되는 대물영역을 변위시킬 수 있도록 더 제공된다. 이는 검출기에 대해 기계적으로 대상물을 변위시켜야만 할 필요가 없이도 상기 검출기 상의 관측하에 대상물의 다른 영역을 영상화시킬 수 있다.
이러한 전자 현미경 광학기는 본 출원인의 계류중인 독일특허출원 제DE 101 31 931.2호에 설명되어 있다. 상기 출원의 전체 개시가 본 명세서에서 참조문헌으로 통합된다.
더욱이, 전자 현미경 광학기는 검출기 상에 영상화되는 2차 전자의 에너지가 선택될 수 있도록 영상 보존 에너지 필터(image-preserving energy filter)를 구비하는 것이 잇점적이다. 이러한 에너지 필터는, 예를 들면, 유럽특허출원 제EP 0 218 920 A2호에 공지되어 있다. 특히, 양으로 하전된 상단면으로부터 방출되는 2차 전자가 실질적으로 검출기 상에 영상화되지 않도록 영상 보존 에너지 필터를 조절하는 것이 가능하다. 따라서, 실질적으로 2차 전자만이 후미부의 바닥으로부터 방출되는 검출기 상에 위치 분석되는 방식으로 영상화되어 구조가 비교적 양호한 품질로 검출기로부터 판독되는 영상으로 인식된다.
또 다른 태양에 따르면, 전자 현미경 장치는 1차 전자빔의 에너지 윈도우(energy window) 및/또는 전자의 운동 에너지에 대한 하부 에너지 한계 및/또는 상부 에너지 한계 값의 기설정된 세팅을 저장하기 위한 메모리를 갖는 제어기를 포함한다.
본 발명의 실시예는 첨부 도면을 참조로 더 상세히 아래에 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 방법을 실행하는데 적합한 전자 현미경(1)을 개략적으로 도시한다. 전자 현미경(1)은 상기 전자 현미경(1)의 대물렌즈 장치(5) 앞에 검사되는 물체로서 두어지는 반도체 구조(3)를 검사하는데 사용된다.
반도체 장치(3)는, 예를 들면, 반도체 웨이퍼 등의 일부를 구성하고 후미부(7)에 대하여 도 2에 개략적으로 도시된 바와 같이 고 종횡비를 갖는 구조를 포함하는 토폴로지를 갖는다. 도 2에 도시된 구조(3)는 반도체 웨이퍼(9)의 일부를 형성하고, 예를 들어, 구리와 같은 금속층(13) 상에 증착되는, 예를 들면, 2.5㎛ 두께(d)의 SiO2 층(11)을 포함한다. SiO2 층(11)은 현미경(1)의 대물렌즈 장치(5)를 향한 상단면(15)을 갖는다. 후미부(7)는 SiO2 층(11)에 형성되고, 표면(15)으로부터 상기 SiO2 층(11)을 통해 뚫고 들어간 구멍으로서 상기 후미부(7)의 바닥(17)을 형성하는 금속층(13)까지 다다른다. 후미부(7)는 상단면(15)에 대해 250㎚의 가로치수(w)를 갖는다.
전자 현미경(1)의 대물렌즈 장치(5)는 상기 대물렌즈 장치(5)의 광축(19)에 대해 실질적으로 대칭이고 집속 자기장을 생성하기 위한 자기권선(magnetic winding)(21)과 제어가능한 전압원(25)에 의해 반도체 웨이퍼(9)에 대해 양전위로 유지되는 개구전극(23)을 구비한다. 그러나, 전기 추출장(electric extraction field)이 개구전극(23)과 웨이퍼를 고정하는 (도시되지 않은) 변위가능한 위치 테이블(positioning table) 사이에 또한 적용될 수 있다.
개구전극(23)과 전자 현미경(1)으로 검사되는 대상물, 즉 반도체 장치(3) 사이의 전위는 개구전극을 향해 반도체 구조(3)로부터 방출되는 2차 전자를 가속하는데 사용되는 웨이퍼(9)의 표면(15)위에 정전기적 인력장을 제공하도록 사용되어 2차 전자가 이러한 개구전극(23)을 지나 대물렌즈 장치(5)로 들어간다.
대물렌즈 장치(5)는 영상 보존 에너지 필터(31), 또 다른 배율 광학기 (magnification optics)(33) 및, 예를 들면, CCD 칩과 같은 위치감지 전자 검출기(position-sensitive detector)(35)를 더 구비하는 전자 현미경 광학기(27)의 일부를 이룬다. 전자 현미경 광학기(27)는 검사되는 대상물의 직경(M)이 9㎛인 2차원적으로 확장된 영역(37)이 위치감지 검출기(35)의 감지면(39) 상에 실질적으로 뚜렷히 전자광학적으로 영상화되도록 제공된다. 이러한 영상화는 위치보존 방식으로, 즉, 전자광학 영상화를 통해 수행되며, 영역(37)의 대응지점에서 반도체 장치(3)로부터 방출되는 전자들이 영상화되는 검출기 표면(39)상의 대응지점에 상기 영역(37)내의 각 지점이 할당된다.
따라서 반도체 장치(3)로부터 방출되는 2차 전자들은 웨이퍼(9)와 개구전극(23) 사이에 작용되는 인력장에서 광축(19) 방향으로 먼저 가속된 후, 대물렌즈 장치(5)로 들어가서 자기권선(21)에 의해 생성된 집속장에 의해 집속되는 한편, 상기 2차 전자들이 광축(19) 방향으로 계속 이동한다. 그런 후 2차 전자들은 제한된 에너지 범위 또는 에너지 윈도우내의 운동 에너지를 가지는 전자만을 실질적으로 포함하는 에너지 필터(31)로 들어간 빔중 일부가 통과되게 하는 영상 보존 에너지 필터(31)를 지나며, 전자 현미경 광학기에 의해 영상화된 전자의 위치 정보는 보존된다.
에너지 필터(31)를 떠난 후, 상기 에너지 필터(31)에 의해 선택된 전자들은 또 다른 배율 광학기(33)를 지나며, 상기 배율 광학기는 전자가 위치감지 검출기(35)의 감지면(39) 상에 충돌하기 전에 전자 현미경에 의해 취득가능한 배율을 더 증가시키는데 사용된다.
영상 보존 에너지 필터(31)가 도 5에 더 상세히 개략적으로 도시되어 있다. 에너지 필터(31)는 3개의 구역자석(sector magnets)(41, 42 및 43)과 하나의 개구조리개(aperture stop)(46)를 구비한다. 에너지 필터(31)를 통과한 빔의 경로가 전자빔(45)을 참조로 먼저 설명되며, 상기 전자빔의 전자들은 제 1 운동에너지를 가진다.
전자빔(45)은 입구측(47)에서 구역자석(41)으로 들어와서 약간 90°이상의 각도로 우측으로 상기 구역자석(41)에 의해 편향된다. 그런 후 빔은 상기 구역자석(41)으로부터 다시 나간다. 연이어, 전자빔(45)은 구역자석(42)으로 들어와 다시 90°이상의 각도로 좌측으로 상기 구역자석(42)에 의해 편향된 후 상기 구역자석(42)에서 나와 개구조리개(46)로 지나간다. 에너지 필터(31)의 구조는 개구조리개(46)의 면에 대해 대칭적이어서 상기 개구조리개(46)를 지난 후 전자빔은 좌측으로 구역자석(43)에 의해 편향되고 그런 후 상기 구역자석(41)으로 다시 들어와 우측으로 상기 구역자석(41)에 의해 편향되어 이전에 상기 구역자석(41)으로 들어왔었던 방향과 실질적으로 동일한 방향으로 상기 구역자석(41)에서 나간다. 구역자석(41,42)은 빔 교차가 개구조리개(46)에서 이루어지도록, 즉, 빔(45)이 상기 개구조리개(46)의 면에 실질적으로 뚜렷하게 집속되도록 렌즈로서 서로 작동한다.
도 5에서 49로 표시된 경로 상의 전자빔(45) 이동보다 낮은 에너지를 갖는 전자들은 빔(45)에서의 전자들보다 더 큰 각도로 구역자석(41)에서 편향된 후 마찬가지로 빔(45)의 전자보다 더 큰 각도로 구역자석(42)에서 편향되어, 이로 인해, 빔(45)으로부터 대략 평행하게 구역자석(42)에서 오프세트되어 나와 개구조리개(46)를 통과할 수 없다.
2차원적으로 확장된 영역(37)으로부터 2차 전자를 방출하기 위해, 에너지를 1차 에너지빔을 통해 상기 영역(37)에 공급하는 조사장치가 제공된다. 전자 현미경(1)에서, 이러한 1차 에너지빔은 1차 전자빔(51) 뿐만 아니라 광자빔(53)을 포함한다.
1차 전자빔(51)은 전자원(55)에 의해 생성되고 광축(19)에 횡방향으로 먼저 방출된다. 1차 전자의 운동 에너지는 전자원에서 통합되는 제어가능한 가속전극에 의해 조절될 수 있다.
그런 후 1차 전자빔(51)은 집속광학기(57)를 지나 상기 1차 전자빔(51)에 대한 빔 편향기(29)의 기능을 가지는 에너지 필터(31)의 일부분에 들어간다. 1차 전자빔(51)은 빔 편향기(29)에 의해 편향되어 반도체 웨이퍼(9)를 향한 광축을 따라 뻗어나가 대물렌즈 장치(5)에 의해 집속되어 실질적으로 균일하게 분포된 세기를 가지며 웨이퍼 상의 2차원적으로 확장된 영역(37)을 조사한다. 에너지 필터(31)의 구역자석(41)이 빔 편향기(29) 구실을 함이 도 5에서 명백해진다.
광자빔(53)은, 예를 들면, 레이저에 의해 제공될 수 있는 적절한 광원(59)에 의해 생성된다. 광원(59)은 반도체 웨이퍼(9)가 전자 현미경 광학기(27)의 앞에 배치되어 있는 진공셀(vaccum shell)(61) 밖에 배치될 수 있다. 빔(53)은 적절한 윈도우를 통해 진공셀(61)을 지난다.
제어기(63)는 에너지 필터(31)를 통과하기 위한 2차 전자를 포함해야만 하는 상기 에너지 필터(31)에서 2차 전자의 운동에너지 범위를 정하고 검출기(35)에서 판독되는 영상이 수신되도록 1차 전자빔과 2차 전자빔을 편향하기 위한 빔 편향기(29)를 조절하기 위해 인력장을 생성하는 전압원(25)에 의해 제공된 전압을 조절하도록 전자원(55)에 의해 방출되는 1차 전자(51)의 에너지를 조절하기 위해 제공된다.
도 3은 재료 상에 충돌하는 1차 전자의 운동에너지에 따라 도 2에 도시된 반도체 장치의 재료에 대한 2차 전자 수율(electron yield) σ을 도시한다. SiO2 재료(11)에 대해 2차전자 특성이 곡선(65)으로 나타나있다.
제 1 중립점(neutral point)(E1) 아래에 있는 1차 전자 에너지에서, 2차 전자들은 1차 전자들이 반도체 장치 재료에 충돌하는 것보다 상기 재료로부터 덜 방출되므로, 2차 전자 수율은 1미만이고 따라서 상기 재료는 음으로 하전된다. 에너지가 제 1 중립점(E1)의 에너지보다 더 큰 제 2 중립점(E2) 이상에서, 1차 전자들이 상기 반도체 장치 재료에 충돌하는 것보다 상기 재료로부터 2차 전자들이 또한 덜 방출된다. 따라서, 상기 재료는 이러한 에너지들에서 또한 음으로 하전된다. 2개의 중립점(E1 및 E2) 사이에서 2차 전자 수율특성(65)은 에너지(Em)에서 최대가 된다. 이러한 에너지에서, 1차 전자들이 반도체 장치 재료에 충돌하는 것보다 상기 재료로부터 2차 전자들이 더 많이 방출된다. 따라서, 재료는 대응하여 양으로 하전된다.
제어기(63)는 1차 전자빔(51)의 1차 전자들의 에너지를 조절하여 1차 전자들 이 에너지 E1 및 E2 사이에 있는 약 2keV의 에너지(Ep)를 가지며 SiO2 층(11)의 상단면(15)에 충돌하게 한다.
이는 도 2에 개략적으로 시사한 바와 같이, SiO2 층(11) 표면은 양전하가 된다.
금속층(13)의 바닥(17)에 충돌하는 1차 전자는 충돌하는 1차 전자의 수와 필수적으로 일치할 필요가 없는 다수의 2차 전자를 생성한다. 그러나, 층(13)은 도전성이어서 상당한 전하들이 바닥(17)에 얻어질 수 없다. 그러나, 상단면이 양으로 하전되므로, 바닥(17)은 상단면(15)에 대해 음으로 하전된다. 이러한 상대적인 음전하가 마찬가지로 도 2에 개략적으로 도시되어 있다.
상단면(15)에 대한 바닥(17)의 음전하는 상기 바닥(17)에서 방출되는 2차 전자가 상단면(15)에 있는 후미부(7)의 개구를 향해 상기 후미부(7)내에서 미리 가속되게 하여 2차 전자들이 상기 상단면(15)에서 방출되는 운동 에너지보다 더 큰 운동 에너지를 미리 가지며 이 개구를 지나게 한다. 이는 도 4에 개략적으로 도시되어 있다. 도 4에서, 곡선(67)은 상단면(15)에서 방출되는 2차 전자의 에너지 스펙트럼, 즉, 방출 운동 에너지(E)에 따른 2차 전자의 수 N(E)를 나타낸다. 곡선(67)은 반치세기 폭(half-field-strength width) ΔE을 가지며 뚜렷한 최대값을 보인다.
후미부(7)의 바닥(17)에서 방출되는 1차 전자의 에너지 스텍트럼은 도 4의 곡선(67)과 매우 유사한 곡선을 보일 것이다. 그러나, 층(13)과 층(11)의 재료가 다르므로, 스펙트럼의 경로차가 발생할 수 있다. 그러나, 후미부(7)의 바닥(17)에서 방출되는 전자들은 상단면(15)에 대한 바닥(17)의 상대적 음전하에 의해 후미부(7)에서 생성되는 후미부내의 전기장에 의해 가속된다. 따라서, 바닥(17)에서 방출되는 전자들은 후미부(7)내에서 가속되고 대응하여 더 큰 운동 에너지를 가지며 후미부(7)를 나간다. 후미부의 위치에서 바닥(17)으로부터 상단면(15)의 높이로 방출되는 전자들의 에너지 스펙트럼이 곡선(69)에 의해 도 4에 도시된다.
이 곡선은 곡선(67)과 유사한 경로를 가진다. 그러나, ΔU 에너지 양만큼 곡선(67)에 대해 더 큰 에너지쪽으로 이동되어 있다.
제어기(63)는 에너지 필터(31)를 조절할 수 있어 상단면(15)에서 방출되며 도 4에서 곡선(67)으로 나타내어지는 전자들이 실질적으로 지나게 하거나 후미부(7)의 바닥(17)에서 방출되며 도 4에서 곡선(69)으로 나타내어지는 2차 전자들이 실질적으로 지나게 한다.
이런 목적으로, 에너지 필터는, 예를 들면, 조절가능한 제 1 문턱 에너지보다 더 큰 운동 에너지를 가지는 2차 전자가 차단되도록 제 1 세팅에서 조절될 수 있다. 제 1 문턱 에너지가 2개의 곡선(67,69)의 최대값 사이에 놓여 있도록 조절되면, 바람직하게 곡선(67)에 대응하는 상단 샘플 영역(15)에서 방출되는 이들 2차 전자들이 검출기(35)에 도달된다.
에너지 필터의 가능한 제 2 세팅에서는, 제 1 문턱 에너지보다 더 낮은 에너지를 갖는 2차 전자들이 차단되며, 바람직하게 바닥(17)에서 방출되는 2차 전자들이 검출기(35)에 도달된다.
다른 방안으로, 상부 문턱 에너지와 하부 문턱 에너지가 이러한 제한된 에너지 범위 내에 단지 2차 전자가 에너지 필터를 통해 지날 수 있도록 에너지 필터에 대해 제공될 수 있다.
에너지 범위의 폭은 에너지 필터(31)의 개구조리개(46)(도 5)의 폭이 빔(45)방향에 횡으로 조리개(46)의 2부분을 기계적으로 이동시킴으로써 변경되므로 조절될 수 있다. 기계적 이동은 제어기(63)에 의해 수동으로나 동력작동으로 제어되게 할 수 있다.
에너지 스케일(scale)을 따른 개구조리개(46)의 폭에 의해 정의된 에너지 폭을 갖는 에너지 범위의 상태는 제어기(63)에 의해 제어되는 구역자석(41, 42 및 43)에 의해 제공된 자기장을 변경함으로써 또한 조절될 수 있다. 그러나, 이는 개구전극(23)과 웨이퍼(3) 사이의 전압원(25)에 의해 제공된 전압을 변경함으로써 초래되는 것이 바람직하다. 결과적으로, 추출장의 세기가 변경됨으로써 개구전극(23)을 지난 후 2차 전자의 운동 에너지가 또한 변경된다. 그런 후 2차 전자는 대응하여 더 높거나 더 낮은 에너지를 가지며 에너지 필터(31)로 들어간다.
제어기(63)의 메모리(64)에서, 한 세팅에서 다른 세팅으로 더 빨리 전자 현미경을 재조정하기 위해, 바람직하게 1차 전자 에너지에 대한 몇가지 저장된 세팅 및 에너지 윈도우의 적절한 세팅, 즉, 전압원(25)의 세팅이 있다.
추출장의 변경으로, 에너지 필터를 지나는 2차 전자의 궤도가 또한 대물(3)면과 개구전극(23) 사이에서 또한 변경될 뿐만 아니라 개구전극(23)을 지난 후 자기렌즈(21)내에서 2차 전자의 경로가 또한 변경된다. 또는, 다른 말로, 에너지 윈 도우를 이동함으로써, 샘플에서 다른 시작 에너지를 가지는 2차 전자들이 영상화를 위해 선택된다. 대물렌즈는 다른 시작 에너지를 갖는 이들 2차 전자들에 다른 집속작용을 갖는다.
경로에서 이들 변경은 비교적 작지만, 그럼에도 이들 변경은 전자 현미경 광학기(27)의 집속과 이에 따른 대상물이 검출기(35)상에 영상화되는 영상 품질을 변경시킨다. 에너지 필터(31)의 에너지 윈도우를 이동시키기 위한 추출장을 변경시킴으로써 야기된 집속에서의 이러한 변경은 제어기(63)가 대응적으로 대물렌즈 장치(5)의 자기권선(21)의 여기(excitation)를 변경시키므로 보상된다.
제어기(63)의 메모리(64)에서, 에너지 윈도우의 다른 세팅들 뿐만 아니라, 전자 현미경(1)의 다른 세팅들 사이에서 빠르게 변경할 수 있도록 하기 위해 대물렌즈 장치(5)의 자기권선의 여기가 또한 저장된다.
도 6 및 도 7은 전자 현미경(1)으로 얻은 웨이퍼(9)의 전자 현미경 사진을 나타낸 것으로 다수의 후미부(7)가 6각형 배열로 제시되어 있다.
도 6은 에너지 필터(31)를 상술한 제 1 세팅에 적용한 제어기(63)를 갖는 검출기(35)에 의해 얻어진 사진을 나타낸 것으로, 실질적으로 상단면(15)에서 방출된 2차 전자가 검출기(35)상에 충돌한다. 이들은 실질적으로 상단면의 평면(15)에서 약 2.5eV의 운동 에너지를 갖는 2차 전자이다. 따라서, 이 사진에 대해 에너지 윈도우의 값(Emin)(도 4)은 1eV로 설정되고 에너지 윈도우의 값 Emax는 4eV로 설정된다. 후미부(7)는 검은점이지만 낮은 대비(low contrast)로 사진에서 볼 수 있다.
도 7은 상술한 제 2 세팅에 대해 조절된 에너지 필터(31)를 갖는 검출기(35)에 의해 얻어진 사진이다. 여기서, 실질적으로 바닥(17)에서 방출된 이들 전자들이 검출기(35)상에 충돌한다. 실질적으로 이들 전자들은 후미부내에 전기장의 영향으로 인해 상단면의 평면에서 12.5eV의 더 큰 운동 에너지를 갖는 2차 전자들이다. 따라서, 도 7에 대해 값 Emin 과 Emax는 각각 11.5eV와 13.5eV로 설정되었다. 따라서 후미부(7)는 주위 상단면(15)에 대해 양호한 대비를 갖는 밝은 영역으로서 사진에서 알 아볼 수 있다.
도 1에 도시된 전자 현미경(1)의 제어기(63)는 전자 현미경(1)을 작동시키기 위해 다른 매개변수들을 저장하기 위한 메모리(64)를 구비하여, 예를 들면, 특히, 도 6에 따른 상단면(15)의 시각화를 위한 세팅 또는 도 7에 따른 후미부 바닥(17)의 시각화를 위한 세팅과 같이 다른 세팅들 사이에서 빠르게 변경될 수 있다. 각 세팅에 대해, 특히, 에너지 필터(31)의 에너지 윈도우에 대한 하부 에너지와 상부 에너지 및 1차 전자빔(51)의 에너지가 저장된다. 더욱이, 예를 들면, 집속 광학기(57)용 여기 전류, 대물렌즈 장치(5)의 자기권선(21), 또 다른 배율 광학기(33) 또는 빔 스플리터(beam splitter)(29)의 부가적인 권선과 같이 또 다른 관계 매개변수들이 저장된다.
본 발명에 따른 또 다른 실시예에 따르면, 도 1에 도시된 전자 현미경(1)은 도 2에 도시된 바와 같이 배열이 유사한 반도체 장치(3)을 갖는 반도체 웨이퍼(9)를 검사하기 위해 사용된다. 그러나, 층(11)과 층(13)은 다른 재료로 이루어지지 만, 양 층들은 실질적으로 전기적으로 비도전성이다. 예를 들면, 층(11)은 SiO2로 제조되고 층(13)은 Si3N4로 제조된다. 층(11 및 13)의 2개 재료는 각각 곡선(65 및 81)에 의해 도 8에 도시된 바와 같은 2차 전자 수율특성을 보인다. 곡선(65 및 81)은 모두 도 8에서 첨자(b)에 의해 표시된 상단면의 재료와 관련한 에너지 및 첨자(a)에 의해 표시된 바닥(17)의 재료와 관련한 에너지 사이에서 제 1 및 제 2 중립점과 각각의 최대값을 가진다. 양 곡선(81 및 65)들은, 도시된 경우에서, 2개의 최대 값 Em a 및 Em b사이에 놓인 에너지 Es에서 서로 교차한다. 에너지 Es보다 더 큰 에너지에서, 곡선(65)은 곡선(81)위로 지난다. 이는 상단면을 제공하고 곡선(65)에 의해 나타내어진 재료가 바닥을 제공하고 곡선(81)에 의해 나타내어진 재료보다 더 크게 양으로 하전됨을 나타낸다. 따라서, 이러한 재료의 조합으로, 역시, 상단면에 대한 후미부 바닥의 음전하가 얻어진다. 여기서, 역시, 전기장이 2차 전자를 가속시키는 후미부내에 생성된다. 따라서, 이러한 반도체 구조를 관측하기 위해, 1차 전자의 에너지가, 반도체 구조에 충돌할 때, 제어기(63)와 전자원(55)을 통해 조절되어 에너지가 에너지 Es에서 곡선(65 및 81)의 교차점 위에 놓여진다. 상술한 실시예에서, 1차 전자의 에너지(Ep)는 최대값 Em b과 에너지 E2 b에서 곡선(65)의 제 2 중립점 사이의 값에 설정된다.
본 발명에 따른 방법의 실시예를 실행하는데 마찬가지로 적합한 도 1 내지 도 8을 참조로 기술된 전자 현미경의 또 다른 변형이 아래에 기술된다. 구조 및 기 능에서 도 1 내지 도 8에 도시된 구성부품들에 대응하는 구성부품들이 동일한 참조부호로 표시되었으나, 구별을 위해 첨자로 보충하였다. 참조문헌은 본 명세서에서 또한 전체 설명으로 이루어진다.
도 8에 도시된 상황에서, 상단면(15)을 제공하는 재료(11)의 2차 전자 수율 특성의 에너지 E1 b, Em b 및 E2 b는 후미부 바닥면(17)에 제공된 재료(13)의 각각 대응하는 에너지 E1 a, Em a 및 E2 a 위에 있다. 그러나, 후미부 바닥(17)을 제공하는 재료의 에너지가 상단면을 제공하는 재료의 대응하는 에너지보다 더 큰 것이 또한 가능하다. 이 경우, 1차 전자의 운동 에너지가 따라서 적합해야만 하고, 특히, 상단면(15)을 제공하는 재료(11)의 2차 전자 수율이 후미부(7)의 바닥(17)을 제공하는 재료(13)의 2차 전자 수율보다 더 크도록 설정되어야만 한다.
도 9에 도시된 전자 현미경(1a)은 본 발명에 따른 방법을 수행하는데 적합하고 웨이퍼(9a) 상에 반도체 구조(3a)를 영상화하는데 사용되며, 상기 반도체 구조는 마찬가지로 도 2를 참조로 설명한 바와 같이 고 종횡비를 갖는 후미부를 포함한다.
전자 현미경(1a)은 위치감지 검출기(35a) 상에 웨이퍼(9a) 표면의 영역(37a)을 영상화하기 위해 제공된 전자 현미경 광학기(27a)를 포함한다. 현미경 광학기(27a)는 광축(19a)을 가지고, 빔 경로에서 에너지 필터(31a)보다 반도체 구조(3)에 더 가까이 있는 상기 현미경 광학기(27a)의 구성부품은 이러한 광축에 대 해 실질적으로 대칭적으로 배치된다. 도 1에 도시된 전자 현미경과는 대조적으로, 도 9에 도시된 전자 현미경(1a)에서 검출기(35a) 상에 영상화되는 웨이퍼 표면 영역(37a)은, 하지만, 광축(19a)에 대해 변위가능하다. 이를 위해, 전자 현미경 광학기(27a)는 이중렌즈로서 작동하도록 서로 협동하는 2개 집속렌즈(85 및 87)의 대물렌즈 장치(5a)를 포함하며, 상기 집속렌즈(85)는 웨이퍼(9a)에 가장 가까이 놓여 있는 이중 집속렌즈이다. 따라서 웨이퍼의 영역(37a)에서 방출되는 2차 전자는 집속렌즈(85)를 먼저 지난 후 집속렌즈(87)를 지나고 또한 영상 보존 에너지 필터(31a)를 지나며, 상기 에너지 필터는 2차 전자의 조절가능한 에너지를 선택하기 위한 제어기(63a)에 의해 마찬가지로 제어된다. 에너지 필터(31a)에 의해 선택된 2차 전자는 웨이퍼(9a) 영역(37a)의 전자 현미경 영상을 생성하기 위해 검출기(35a)에 충돌하기 전에, 다만 개략적으로 도시된, 또 다른 배율 광학기(33a)을 지난다.
대물렌즈 장치(5a)의 2개의 집속렌즈(85 및 87) 사이에, 2개의 편향기(89 및 91)가 빔 경로에서 서로 뒤따라 위치되고, 각각은 동일한 반대 각도로 전자를 편향시켜 상기 2개의 편향기(91 및 89)가 이들 편향기(89 및 91)를 지나는 전자빔이 광축(19a)에 횡으로 양(M)만큼 평행하게 변위되도록 서로 작용한다. 상기 2개의 편향기(89 및 91)는 각 편향기의 편향 각도를 조절하고 이에 따라 또한 2개의 편향기(89 및 91)로 들어오고 나가는 전자빔의 평행한 빔 변위를 조절하도록 제어기(63a)에 의해 제어된다. 상기 2개의 편향기(89 및 91)에 의해 영향받는 2차 전자빔의 빔 변위는 검출기(35a)상에 영상화되는 웨이퍼(9a)의 영역(37a)이 구조적으로 유도된 제한내에서 웨이퍼면의 평면에서 변위가능하고 이에 따라 웨이퍼면의 선택가능한 영역이 검출기(35a)상에 영상화될 수 있게 한다.
전자 현미경(1a)에서, 웨이퍼면으로부터 2차 전자를 방출하기 위해 필요한 1차 에너지 빔은 적절한 광원(59a)에 의해 생성되고 영역(37a)이 검출기(35a)상에 영상화되게 지향되는 광자빔(53a)에 의해 제공된다. 광자빔(53a)은 검출기(35a)상에 영상화되고 광축(19a)에 대해 변위가능한 영역(37a)을 갖는 웨이퍼면 상에 광자빔(53a)에 의해 조사된 영역을 따라 수행하기 위한 제어기(63a)에 의해 제어되는 드라이브(96)를 통해 회전가능한 미러(94)에서 반사를 통해 웨이퍼면으로 지향되어 1차 에너지를 가지며 웨이퍼면 상에 상당히 큰 영역을 조사할 필요가 없어 웨이퍼에 대한 에너지 공급이 따라서 줄어들게 된다.
웨이퍼(9a)에 근접 배치된 집속렌즈(85)가 도 10에 사시로 및 개략적으로 도시되어 있다. 광축(19a)에 수직으로 향하고 광축(19a) 방향으로 서로 이격 배치된 2개의 평면 개구전극(95 및 97)을 포함한다. 각각의 개구전극(95 및 97)은 2차 전자가 통과하기 위한 x축 방향으로 뻗어 있는 슬롯(99)을 가진다.
2개의 개구전극(95 및 97) 사이의 광축(19a) 방향으로, 마찬가지로 x축 방향으로 뻗어 있는 2개의 이격된 핑거전극(finger electrodes)(101) 열이 제공되며, 2차 전자들이 상기 2개의 열 사이를 지난다. 핑거전극(101) 전체는 이하 콤브전극(comb electrode)(103)으로 언급되는 전극배열을 이룬다. 제어기(63a)에 의해 제어되는 분리 제어가능한 전압이 각각의 핑거전극(101)과 2개의 개구전극(95 및 97)에 인가될 수 있다. 특히, 개구전극(97)에 인가된 전압 또는 웨이퍼에 대한 개구전극(97)의 전위는 웨이퍼로부터 멀리 2차 전자를 가속시키기 위해 대물렌즈 장치(5a)와 웨이퍼 사이에 필수적인 인력장을 형성한다.
제어기(63a)는 이러한 전압패턴을 핑거전극(10)에 인가하여 상기 핑거전극(101)에 의해 생성된 전기장이 도 11b에 개략적으로 도시된 바와 같은 대략 4중극자 대칭을 갖는다. 상기 핑거전극(101)을 적절히 제어함으로써, 4중극자 장의 대칭축(105)이 제어기(63a)에 의해 x축 방향으로 변위될 수 있다.
한편, 각각의 2개 개구전극(95 및 97)은 도 11a에 개략적으로 예시한 바와 같이 실린더형 렌즈를 통해 지나는 2차 전자에 작용한다. 따라서, 도 11a에 따른 실린더형 렌즈의 중첩은 2개의 개구전극(95 및 97)에 의해 제공되고 도 11b에 따른 4중극자장의 중첩은 콤브전극(103)에 의해 제공된 바와 같이 집속렌즈(85)를 지나는 2차 전자에 작용한다. 전기장의 이러한 중첩은 도 11c에 개략적으로 도시된 바와 같이 대칭축(105)을 갖는 원형 렌즈장에 해당한다.
이는 집속렌즈(85)가 통과하는 2차 전자에 작용하는 영향이 집속 원형렌즈의 영향임을 의미하고, 집속렌즈의 대칭축(105)은 제어기(63a)에 의해 x축 방향으로 변위가능하다.
작동시, 제어기(63a)는 핑거전극(101)에 이러한 전압패턴을 인가하여 검출기(35a) 상에 영상화되는 웨이퍼면 상의 영역(37a)을 변위하기 위해 편향기(89,91)에 의해 야기된 빔 변위에 대응하는 원형렌즈 필드의 대칭축(105)이 동일한 양(M)만큼 대칭축으로부터 멀리 변위되게 한다. 그 결과, 영역(37a)에서 방출되는 2차 전자에 대한 집속렌즈(85)의 영향이 실질적으로 편향(M)에 무관해진다. 결과적으로, 원형렌즈 필드의 대칭축으로부터 멀리 뻗어나가는 빔 경로에 대한 종래 원형렌즈 필드에 의해 생성된 수차가 크게 피해진다.
도 12는 도 9 내지 도 11을 참조로 기술된 전자 현미경과 유사한 구조인 본 발명에 따른 방법을 수행하는데 적합한 전자 현미경(1b)을 개략적으로 도시한다.
도 9 내지 도 11을 참조로 기술된 전자 현미경과는 대조적으로, 도 12에 도시된 전자 현미경(1b)에서 검출기(35b)상에 영상화되는 웨이퍼(9b) 영역(37b)의 조사는 광자빔에 의해서가 아니라 1차 전자빔(51b)에 의해 영향받는다.
또 검출기(35b) 상에 웨이퍼(9b) 영역(37b)을 영상화하기 위한 전자 현미경 광학기(27b)는 이중 집속렌즈인 집속렌즈(85b 및 87b)와 상기 집속렌즈 사이에 배치되는 한 쌍의 편향기(89b 및 91b)를 구비하며, 상기 편향기는 각각 각도(β)에서 2개의 연속적으로 영향받는 편향에 의해 상기 이중렌즈(85b 및 87b)를 지나는 2차 전자빔의 빔 변위를 야기한다.
또 웨이퍼(9b)에 가장 가까이 배치된 이중렌즈의 집속렌즈(85b)는 도 10 및 도 11을 참조로 설명한 바와 같이 개구전극과 콤브전극의 배열을 포함한다.
전자원(55b)은 열음극(hot cathode)(111)과 양극(112)을 포함하고 음극(111)과 양극(112) 사이 전압은 1차 전자빔(51b)의 전자의 운동 에너지를 조절하기 위해 제어기(63b)에 의해 조절가능하다. 1차 전자빔(51b)은 자기렌즈(57b)에 의해 조준되고, 예를 들면, 서로(빈 필터, Wien filter)에 대해 횡으로 향한 전기장 및 자기장을 제공하는 빔 편향기(29b)로 들어가 최종적으로 웨이퍼(9b)를 향한 광축(19b)을 따라 뻗는다. 집속렌즈(87b,85b)와 편향기(89b,91b)가 또한 1차 전자빔(51b)에 작용한다. 1차 전자빔에서 야기된 영향은 구성부품(87b,85b,91b)이 2차 전자빔에 작용하는 영향과 정확하게 일치하지 않는다. 그러나, 편향기(89b,91b)와 집속렌즈(85b)의 콤브전극를 제어함으로써, 1차 전자빔(51b)이 웨이퍼에 충돌하는 영역이 광축(19b)에 대해 변위된다. 본 명세서에서, 1차 전자빔은 단지 영역(37b)을 조사하는데 사용되므로, 검출기(35b)상에 영역(37b)의 전자광학적 영상화를 야기하는 2차 전자빔에 대해 적용되는 것 말고는, 제어된 구성부품(89b, 91b, 및 85b)에 의해 야기되는 영향의 정밀도에 의해 충족되어야 할 어떠한 늘어난 필요조건도 있지 않다.
도 1 내지 도 12를 참조로 기술한 방법 및 전자 현미경은 고 종횡비를 갖는 구조의 제조에서 결점을 찾기 위해 사용된다. 도 13a 및 도 13b는 이러한 결점의 예를 도시한다. 각각의 이들 도면의 좌측편에, 재료(11)에서 무결하게 제조된 후미부(7)가 도시되어 있고, 상기 후미부(7)의 바닥은 전적으로 재료(13)에 의해 만들어진다. 도 13a 및 도 13b의 우측편에, 제조 결점을 나타내는 후미부가 상징적으로 도시되어 있다. 도 13a에서, 후미부(7)의 바닥은 전적으로 재료(11 및 13)와는 다른 결점재료(12)에 의해 형성된다. 도 13b에서, 후미부의 바닥은 재료(11 및 13)와는 다른 결점재료(12)에 의해 단지 부분적으로 제공된다.
도 13a 및 도 13b에서, 상대적인 전하 상태가 부호 "-", "+", 및 "++"로 나타나 있다. 이는 1차 전자의 에너지는 상단 재료(11)가 후미부(7)의 무결점 바닥의 재료(13)에 대해 양으로 하전되도록 조절되고, 또한, 결점재료(12)는 상단면을 이루는 재료(11)에 대해 양으로 하전된다는 사실에 기인한다.
도 13b의 우측에 도시된 상황에서, 결점재료(12)의 양전하는 후미부(7)내에 있는 전위 곡선에 영향을 주어 후미부 밖으로 2차 전자를 가속시키는 전기장이 줄어듬이 명백해진다. 따라서, 2차 전자는 도 13b의 좌측에 있는 무결점 후미부(7)에서의 경우보다 더 낮은 운동 에너지를 가지며 후미부의 바닥(17)에서 방출된다.
도 4에서 곡선(69)이 무결점 후미부(7)의 바닥에서 방출되는 2차 전자의 에너지 분포를 반영한다면, 도 4는 에너지 Emin 및 Emax를 갖는 에너지 윈도우의 유리한 선택을 나타낸다.
도 4는 도 13b의 결점 후미부의 바닥에서 방출되는 2차 전자의 에너지 분포를 반영하는 점선 곡선(69')을 또한 나타낸다. 후미부(7)내 약한 가속화장으로 인해, 곡선(69')은 곡선(69)과 비교하면 낮은 에너지로 이동된다. 에너지 윈도우(Emin 및 Emax)의 나타내어진 선택에서, 후미부에 있는 결점재료(12)로 인해 에너지 윈도우(Emin 및 Emax)내에서 2차 전자세기의 감소를 야기하므로 무결점 후미부는 도 13b에 따른 결점 후미부, 즉, 바닥(17)이 부분적으로 결점재료로 채워지는 후미부와 구별될 수 있다.
도 13a에 도시된 상태에서, 후미부의 바닥(17)은 상단면(15)에 대해 양으로 하전되고 2차 전자가 후미부(7)로부터 벗어나는 것을 방지하는 전기장이 후미부(7)내에서 만들어진다. 따라서, 단지 몇 개의 2차 전자만이 후미부를 벗어난다.
바닥 재료(13)가 전기적으로 도전성 재료이고 상단면의 재료(11) 및 결점재료(12)가 각각 비도전성이면, 재료(11)의 2차 전자수율이 1보다 크게되고, 또한, 결점재료(12)의 2차 전자수율이 재료(11)의 2차 전자수율 보다 더 크거나 동일하도록 1차 전자의 운동에너지가 조절되게 하는 것이 유리하다.
더욱이, 재료(11)의 2차 전자수율이 1보다 작고, 또한, 결점재료(12)의 2차 전자수율이 재료(11)의 수율보다 더 작거나 동일하도록 1차 전자의 운동에너지가 조절되게 하는 것이 유리하다.
바닥(17)을 이루는 재료(13)가, 또한, 비도전성이면, 재료(11)의 2차 전자수율이 재료(13)의 수율보다 더 크고, 또한, 결점재료(12)의 2차 전자수율이 재료(11)의 수율보다 더 크거나 동일하도록 1차 전자의 운동에너지가 조절되게 하는 것이 유리하다.
이점에서, 재료(11)의 2차 전자수율이 재료(13)의 2차 전자수율보다 작고, 또한, 결점재료(12)의 2차 전자수율이 재료(11)의 수율보다 더 낮거나 동일하도록 1차 전자의 운동에너지가 조절되게 하는 것이 또한 유리하다.
상술한 세팅 및 에너지 필터의 관련된 에너지 윈도우 세팅 뿐만 아니라 전자 현미경의 다른 구성부품 모두가 전자 현미경의 다른 작동모드 사이에서 빠르게 변하고 검사하에서 반도체 장치에 대한 대응하여 나타나는 영상을 얻기 위해 제어기(63)의 메모리(64)에서 잇점적으로 저장되며, 다른 형태의 후미부 결점 또는 무결점 후미부가 다른 영상들로부터 용이하게 식별된다.
도 1, 도 9 및 도 12의 상술한 전자 현미경에서, 전자빔과 광자빔은 1차 에너지빔을 제공하기 위해 사용되었다. 그러나, 이를 위해 이온빔이 또한 사용될 수 있다. 특히, 반도체 재료를 가공하기 위한, 예를 들면, 절단(cuts)하기 위한 전자 현미경의 또 다른 작동모드에 계속 사용되는 2차 전자를 생산하기 위한 이온빔을 사용하는 것이 또한 가능하다.
빔의 경로로 인해, 도 5를 참조로 기술된 영상 보존 에너지 필터는 소위 Ω형태의 구조를 갖는다. 그러나, 다른 형태의 에너지 필터를 사용하는 것이 또한 가능하다. 이에 대한 한 예는 α형태로서 전문가들 사이에서 언급되는 에너지 필터이다.
도 9 및 도 12를 참조로 기술된 전자 현미경에서, 웨이퍼에 가장 가까이 배치된 집속렌즈는 도 10 및 도 11을 참조로 기술한 바와 같은 콤브렌즈를 포함한다. 이러한 집속렌즈는 웨이퍼면에 횡으로 x축 방향으로의 집속렌즈 영향에 대한 축 대칭성을 변위시킬 수 있다. 그러나, 또 다른 렌즈형태에 의해 이런 기능을 또한 달성할 수 있다. 이를 위한 예는 이. 고투 등의(E. Goto et al.) 논문 "MOL("Moving objective lens")", Optics 48(1997), page 255 이하 참조 또는 미국특허 제US 4,376,249호에 기술되어 있는 자기집속렌즈이다. 이러한 가변축을 갖는 자기집속렌즈의 바람직한 실시예가 독일 특허출원 제DE 100 44 199.8호에 기술되어 있고 전체 개시물이 참조문헌으로 본 명세서에 포함된다.

Claims (22)

  1. 펼쳐진 대물영역(37) 내에 있는 반도체 장치(3)로부터 방출되는 2차 전자를 위치감지 검출기(35) 상에 영상화하기 위한 전자 현미경 광학기(27)를 제공하는 단계와,
    1차 에너지빔(51,53)을 방출하기 위한 조사장치(55,59)를 제공하는 단계와,
    상기 반도체 장치(3)로부터 2차 전자를 방출하기 위해 상기 1차 에너지빔(51,53)을 적어도 대물영역(37)으로 지향하는 단계를 포함하는 반도체 장치(3)에 대한 전자 현미경 관측 방법으로서,
    상기 반도체 장치(3)는 제 1 재료(11)에 의해 제공된 상단면(15)을 갖는 영역과 1.5 보다 더 큰 종횡비를 가지며 상기 상단면(15)에 의해 둘러싸여지고 제 2 재료(13)에 의해 제공된 바닥(17)을 갖는 후미부를 포함하는 반도체 장치에 대한 전자 현미경 관측 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 종횡비가 4 이상인 반도체 장치에 대한 전자 현미경 관측 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 종횡비가 10 이상인 반도체 장치에 대한 전자 현미경 관측 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 1차 에너지빔(51, 53)의 에너지와 상기 1차 에너지빔의 세기 중 적어도 하나는 상기 상단면(15)이 상기 바닥(17)에 대해 양으로 하전되도록 조절되며, 상기 에너지는 반도체 장치(3)로부터 2차 전자를 방출하는데 적절한, 반도체 장치에 대한 전자 현미경 관측 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 조사장치는 전자원(55)을 구비하고, 상기 1차 에너지빔은 1차 전자빔(51)의 전자의 조절가능한 운동에너지를 갖는 1차 전자빔(51)을 포함하는 반도체 장치에 대한 전자 현미경 관측 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 조사장치는 광자원(59)을 포함하고 상기 1차 에너지빔은 광자빔(53)을 포함하는 반도체 장치에 대한 전자 현미경 관측 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    광자빔(53a)은 반도체 장치(3a)의 상단면(15) 상에 실질적으로 수직하게 충돌하는 반도체 장치에 대한 전자 현미경 관측 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 광자빔(53)이 10°내지 80°각도로 상기 반도체 장치(3)의 상단면(15) 에 충돌하는 반도체 장치에 대한 전자 현미경 관측 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    전자 현미경 광학기(27a; 27b)는 상단면의 평면에서 검출기(35a;35b)에 대해 상기 검출기(35a;35b) 상에 영상화되는 대물영역을 변위하기 위해 제공되는 반도체 장치에 대한 전자 현미경 관측 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자 현미경 광학기(27)는 조절가능한 제 1 문턱 에너지보다 더 낮은 운동 에너지를 갖는 2차 전자가 상기 검출기상에 영상화되는 것을 방지하는 영상 보존 에너지 필터(31)를 구비하는 반도체 장치에 대한 전자 현미경 관측 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 문턱 에너지는 상단면(15)으로부터 방출되는 양으로 하전된 전자가 상기 검출기(35) 상에 실질적으로 영상화되지 않도록 조절되는 반도체 장치에 대한 전자 현미경 관측 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 에너지 필터(31)는 조절가능한 제 2 문턱 에너지보다 더 큰 2차 운동 에너지를 갖는 2차 전자가 상기 검출기상에 영상화되는 것을 또한 방지하는 반도체 장치에 대한 전자 현미경 관측 방법.
  13. 펼쳐진 대물영역(37) 내에 있는 반도체 장치(3)로부터 방출되는 2차 전자를 위치감지 검출기(35) 상에 영상화하기 위한 전자 현미경 광학기(27)를 제공하는 단계와,
    1차 에너지빔(51,53)을 방출하기 위한 조사장치(55,59)를 제공하는 단계와,
    상기 반도체 장치(3)로부터 2차 전자를 방출하기 위해 적어도 하나의 대물영역(37)으로 상기 1차 에너지빔(51,53)을 지향하는 단계를 포함하는 반도체 장치(3)에 대한 전자 현미경 관측 방법으로서,
    상기 반도체 장치(3)는 제 1 재료(11)에 의해 제공된 상단면(15)을 갖는 영역과 상기 상단면(15)에 의해 둘러싸여지고 제 2 재료(13)에 의해 제공된 바닥(17)을 갖는 후미부를 포함하고,
    상기 조사장치는 전자원(55)을 포함하고 상기 1차 에너지빔은 조절가능한 전자의 운동 에너지를 갖는 1차 전자빔(51)을 포함하며,
    상기 1차 전자빔(51)의 전자의 에너지에 따라, 상기 제 1 재료(11)는 최대값(Em)와 최대값(Em) 아래의 제 1 중립점(E1)과 최대값(Em) 위의 제 2 중립점(E2)을 갖는 2차 전자 수율특성(65)을 가지고,
    상기 1차 전자빔(51)의 전자의 운동 에너지는 상기 제 1 재료(11)에 대한 2차 전자 수율특성(65)의 상기 제 1 중립점(E1)의 에너지보다 더 큰 에너지 값(Ep)으로 조절되는 반도체 장치에 대한 전자 현미경 관측 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    적어도 상기 제 1 재료(11)는 실질적으로 전기적으로 비도전성인 반도체 장치에 대한 전자 현미경 관측 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 재료(11)는 실질적으로 전기적으로 비도전성이고 상기 제 2 재료(13)는 실질적으로 전기적으로 도전성인 반도체 장치에 대한 전자 현미경 관측 방법.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 1차 전자빔(51)의 전자 에너지에 따른 상기 제 2 재료는 최대값(Em a)과 최대값(Em a) 아래의 제 1 중립점(E1 a)과 최대값(Em a) 위의 제 2 중립점(E2 a)을 갖는 2차 전자 수율특성(81)을 가지며, 상기 1차 전자빔(51)의 전자의 운동 에너지는 상기 제 1 재료(11)의 2차 전자 수율특성(65)이 상기 제 2 재료(13)의 2차 전자 수율특성(81) 보다 더 큰 에너지 범위의 에너지 값(Ep)으로 조절되는 반도체 장치에 대한 전자 현미경 관측 방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 재료는 실질적으로 전기적으로 비도전성인 반도체 장치에 대한 전자 현미경 관측 방법.
  18. 대상물로부터 나와 펼쳐진 대물영역(37) 내에서 방출되는 2차 전자를 위치감지 검출기(35) 상에 영상화하기 위한 전자 현미경 광학기(27)와,
    상기 대물영역에서 상기 2차 전자를 방출하기 위해 1차 에너지빔(51,53)을 적어도 상기 대물영역(37)으로 지향하기 위한 조사장치(55,59)를 구비하는 전자 현미경 장치로서,
    상기 전자 현미경 광학기(27)는 운동 에너지가 에너지 윈도우(Emin,Emax) 밖에 있는 2차 전자들이 실질적으로 상기 위치감지 검출기(35) 상에 영상화되지 않도록 조절가능한 에너지 윈도우를 갖는 영상 보존 에너지 필터(31)를 구비하고,
    상기 전자 현미경 장치는 상기 에너지 필터(31)의 에너지 윈도우를 조절하기 위한 제어기(63)를 더 구비하며, 상기 제어기(63)는 상기 에너지 윈도우에 대한 적어도 하나의 세팅을 저장하기 위한 메모리(64)를 구비하고,
    상기 조사장치(55)는 조절가능한 운동 에너지를 갖는 전자빔(51)을 1차 에너지빔(51)으로서 생산하며, 상기 메모리(64)는 에너지 윈도우의 세팅과 연관된 상기 전자빔(51)의 운동 에너지의 세팅을 저장하기 위해 제공되는 전자 현미경 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 전자 현미경 광학기(27)는 대상물과의 사이에 2차 전자에 대한 조절가능한 추출장(extraction field)을 제공하기 위한 개구전극(23)을 구비하고, 에너지 윈도우 세팅의 스토리지(storage)는 추출장 세팅의 스토리지를 구비하는 전자 현미경 장치.
  20. 현미경 광학기의 대물면 주위 영역으로부터 나와 펼쳐진 대물영역(37) 내에서 방출되는 2차 전자를 위치감지 검출기(35) 상에 영상화하기 위한 전자 현미경 광학기(27)와,
    대상물(3)로부터 상기 2차 전자를 방출하기 위해 1차 에너지빔(51,53)을 적어도 대물영역(37)으로 지향하기 위한 조사장치(55,59)를 구비하는 전자 현미경 장치로서,
    상기 전자 현미경 광학기(27)는 운동 에너지가 에너지 윈도우(Emin,Emax) 밖에 있는 2차 전자들이 실질적으로 상기 위치감지 검출기(35) 상에 영상화되지 않도록 조절가능한 에너지 윈도우를 갖는 영상 보존 에너지 필터(31)를 구비하고,
    상기 전자 현미경 장치는 상기 에너지 필터(31)의 에너지 윈도우를 조절하기 위한 제어기(63)를 더 구비하며, 상기 제어기(63)는 상기 에너지 윈도우에 대해 적 어도 하나의 세팅을 저장하기 위한 메모리(64)를 구비하고,
    상기 메모리(64)는 에너지 윈도우의 세팅과 연관된 상기 전자 현미경 광학기(37)의 집속 세팅을 저장하기 위해 또한 제공되는 전자 현미경 장치.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 전자 현미경 광학기(37)는 대상물과의 사이에 2차 전자에 대해 조절가능한 추출장을 제공하기 위한 개구전극(23)을 구비하고, 상기 에너지 윈도우 세팅의 스토리지는 추출장 세팅의 스토리지를 구비하는 전자 현미경 장치.
  22. 제 5 항에 있어서,
    상기 1차 전자빔(51)의 전자의 운동 에너지에 따라, 상기 제 1 재료(11)는 최대값(Em)와 최대값(Em) 아래의 제 1 중립점(E1)과 최대값(Em) 위의 제 2 중립점(E2)을 갖는 2차 전자 수율특성(65)을 가지고,
    상기 1차 전자빔(51)의 전자의 운동 에너지는 상기 제 1 재료(11)에 대한 2차 전자 수율특성(65)의 상기 제 1 중립점(E1)의 에너지보다 더 큰 에너지 값(Ep)으로 조절되는 반도체 장치에 대한 전자 현미경 관측 방법.
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