KR101445475B1

KR101445475B1 - 전자 빔의 조사 방법 및 주사 전자 현미경

Info

Publication number: KR101445475B1
Application number: KR1020127033814A
Authority: KR
Inventors: 긴야 고바야시; 도시유끼 요꼬스까; 찬 이
Original assignee: 가부시키가이샤 히다치 하이테크놀로지즈
Priority date: 2010-06-30
Filing date: 2011-06-08
Publication date: 2014-09-26
Also published as: US9257259B2; JP2012014890A; US20130187045A1; WO2012001883A1; KR20130023280A; JP5537288B2

Abstract

본 발명은, 패턴으로부터 방출되는 전자를 적정하게 패턴 밖으로 유도하기 위한 전계를 형성하는 전자 빔 주사 방법, 및 주사 전자 현미경의 제공을 목적으로 한다. 상기 목적을 달성하기 위해서, 대전을 형성하기 위한 전자 빔을, 시료에 조사할 때에, 시료 위에 형성된 패턴의 패턴 중심(104)을 대칭점으로 하는 제1 위치(1)와 제2 위치(2)에, 제1 전자 빔을 조사한 후, 대칭점을 중심으로 한 제1과 제2 위치와 동일한 반경 상으로서, 제1과 제2 조사 위치 사이의 2개의 중심 위치(3, 4)에 더 제1 전자 빔을 조사하고, 또한 그 후, 반경 상의 기주사 위치 간의 중심 위치로의 제1 전자 빔의 조사를 반복한다.

Description

전자 빔의 조사 방법 및 주사 전자 현미경{ELECTRON BEAM IRRADIATION METHOD AND SCANNING ELECTRONIC MICROSCOPE}

본 발명은, 주사 전자 현미경 등의 하전 입자선 장치에 관한 것으로, 특히 패턴의 측정이나 검사를 행하기 전에, 시료 표면을 대전시키는 예비 주사법, 및 그 예비 주사를 행하는 장치에 관한 것이다.

최근, 반도체 소자의 고집적화 및 미세화에 수반하여, 시료(예를 들면 반도체 웨이퍼) 위에 다종다양한 패턴이 형성되고, 그 형상이나 치수의 평가, 측정이 점점 중요해지고 있다. 특히, 다층화된 반도체 웨이퍼의 층간의 도통을 얻기 위한 컨택트홀이나 패턴 간에 형성되는 깊은 홈 등은, 미세화에 수반하여 홀 직경이나 홈 폭이 매우 작아져서, 어스펙트비(홀 등의 깊이/홀 등의 직경(폭))가 증가하는 경향이 있다.

이러한 컨택트홀 등의 바닥부의 검사나 측정을 행하기 위해서는, 1차 전자선(이하, 전자 빔이라고 칭하는 경우도 있음)에 의해 여기된 2차 전자를 검출할 필요가 있는데, 어스펙트비가 커질수록, 2차 전자가 홀의 측벽에 충돌해서 홀 내에서 소멸할 가능성이 높아지고, 그 결과 홀 바닥의 검사나 측정이 곤란해진다. 특허 문헌 1에는, 홀 바닥으로부터 방출되는 전자를 홀 밖으로 유도하기 위한 전계를 형성하기 위해서, 시료 표면에 정대전을 부착하는 방법(이하, 프리 도우즈, 혹은 예비 조사라고 칭하는 경우도 있음)이 제안되어 있다. 구체적으로는, 홀 등의 패턴을 포함하는 시료 영역에, 시료를 대전시키는 빔을 조사하는 방법이 설명되어 있다. 특히 특허 문헌 1에는, 적정한 표면 전계를 형성하기 위해서, 프리 도우즈를 복수회로 나누어서 행하는 방법이 설명되어 있다.

또한, 빔의 주사 범위에서 대전의 치우침이 생기지 않도록, 프리 도우즈 시에 빔을 비월 주사하는 방법이, 특허 문헌 2에 설명되어 있다. 비월 주사에 의해, 빔의 주사 범위에 있어서, 대전의 국소적인 치우침을 완화할 수 있어, 2차 전자를 보다 효율적으로 홀에서부터 홀 밖으로 유도할 수 있다.

일본 특허 출원 공개 제2009-99540호 공보(대응 미국 특허 공개 공보 US2009/0084954) 일본 특허 출원 공개 제2007-59370호 공보(대응 미국 특허 USP 7,187,345)

특허 문헌 1에 설명되어 있는 바와 같은 프리 도우즈법에 따르면, 대부분의 2차 전자를 홀 밖으로 유도할 수 있어, 홀 바닥으로부터 방출되는 전자의 검출 효율을 비약적으로 향상시킬 수 있지만, 프리 도우즈를 위한 주사 범위 내에서 대전의 치우침이 발생한 경우, 2차 전자의 궤도가 영향을 받아, 홀 밖으로 적정하게 유도되지 못하는 2차 전자가 발생하는 경우가 생각된다. 또한, 특허 문헌 2에 설명되어 있는 바와 같은 비월 주사에 의한 프리 도우즈법에 따르면, 프리 도우즈 영역의 대전의 치우침을 어느 정도, 억제할 수 있는데, 예를 들면 홀 패턴의 중심과, 프리 도우즈 영역의 중심 사이에 변위가 있는 경우, 홀 중심을 Z 방향(전자 빔의 통과 방향)으로 연신하는 축을 기준으로 하면, 대전이 축대칭이 아닌, 그 치우친 대전 때문에 2차 전자의 궤도가 영향을 받을 가능성이 있다.

이하에 측정, 혹은 검사 대상이 되는 패턴으로부터 방출되는 전자를 적정하게 패턴 밖으로 유도하기 위한 전계를 형성하는 것을 목적으로 하는 전자 빔 주사 방법, 및 주사 전자 현미경에 대해서 설명한다.

상기 목적을 달성하기 위한 일 양태로서, 시료에 제1 전자 빔을 조사하여, 시료를 대전시키고, 대전한 시료로의 제2 전자 빔의 주사에 의해 얻어지는 전자에 기초해서, 시료의 측정 혹은 검사를 행할 때에, 시료 위에 형성된 패턴의 패턴 중심을 대칭점으로 하는 제1 위치와 제2 위치에, 제1 전자 빔을 조사한 후, 대칭점을 중심으로 한 제1과 제2 위치와 동일한 반경 상으로서, 제1과 제2 조사 위치 사이의 2개의 중심 위치에 더 제1 전자 빔을 조사하고, 또한 그 후, 반경 상의 기주사 위치 간의 중심 위치로의 제1 전자 빔의 조사를 반복하는 전자 빔 조사 방법, 및 주사 전자 현미경을 제안한다.

상기 구성에 따르면, 패턴의 중심에 대한 대전의 치우침을 억제하는 것이 가능해지기 때문에, 깊은 구멍이나 깊은 홈 등의 바닥부로부터 방출되는 전자의 검출 효율을 비약적으로 향상하는 것이 가능해진다.

도 1은 프리 도우즈를 위해, 패턴 중심을 대칭점으로 해서, 복수의 위치에 전자 빔 조사를 행하는 경우의 조사 순서의 일례를 설명하는 도면.
도 2는 프리 도우즈를 위해, 패턴 중심을 대칭점으로 해서, 복수의 위치에 전자 빔 조사를 행하는 경우의 조사 순서의 다른 예를 설명하는 도면.
도 3은 프리 도우즈를 위한 전자 빔의 조사 순서와, 주사 방향의 일례를 설명하는 도면.
도 4는 프리 도우즈를 위한 전자 빔의 조사 순서와, 주사 방향의 다른 예를 설명하는 도면.
도 5는 프리 도우즈를 위한 전자 빔의 조사 순서와, 주사 방향의 또 다른 예를 설명하는 도면.
도 6은 프리 도우즈를 위한 전자 빔의 조사 순서와, 주사 방향의 또 다른 예를 설명하는 도면.
도 7은 주사 전자 현미경의 개략 설명도.
도 8은 복수의 SEM을 포함하는 측정, 혹은 검사 시스템의 일례를 설명하는 도면.
도 9는 프리 도우즈를 위한 전자 빔의 주사 위치의 예를 설명하는 도면.
도 10은 설계 데이터 상에서의 측정 대상 패턴의 지정에 기초해서, 프리 도우즈 조건을 결정하는 공정을 설명하는 플로우차트.
도 11은 프리 도우즈 조건을 결정하는 제어 프로세서의 일례를 설명하는 도면.

이하에 설명하는 실시예에서는, 어스펙트비가 큰 깊은 구멍 등의 측정이나 검사를 고정밀도로 실시하기 위해서, 특히 측정, 검사 대상이 되는 패턴을 중심으로 해서, 프리 도우즈를 위한 예비 조사 영역이 축대칭이고, 또한 축대칭에 설정된 예비 조사 영역 내에서 대전의 치우침을 억제할 수 있는 주사 방법, 및 장치를 설명한다. 특히, 깊이/바닥 직경이 큰 경우에는, 측벽 대전 분포의 치우침에 의해, 조사 전자와 깊은 구멍의 구멍 바닥으로부터 나오는 2차 전자가 측벽에 충돌해서, 구멍 바닥으로부터의 2차 전자를 관측할 수 없는 경우가 있다. 이에 의해, 구멍 바닥으로부터의 신호가 약해져서, 즉 화상이 보이지 않게 된다. 또한, 주사에 의해, 생성된 시료의 전하 분포는 시간과 함께, 변동할 가능성도 있다.

따라서, 본 실시예에서는, 하전 입자 빔을, 홀을 하나 이상 포함하는 기판 표면을 향하는 하전 입자 광학 컬럼과, 상기 기판 상면 및 저면을 포함하는 표면으로부터 생기는 2차 하전 입자, 후방 산란 하전 입자, 및 투과 하전 입자 중, 적어도 하나의 하전 입자를 검출하는 검출기와, 하전 입자 빔을 표면 상에, 복수회, 주사시키는 주사 편향기를 구비한 주사 전자 현미경 등의 장치에서, 어느 하나의 주사 a 위치에 주목했을 때, 이 주사 위치 a(제1 주사 위치)에 대해서, 상기 홀의 중심을 대칭점(대칭 중심)으로 한 주사 위치 b(제2 주사 위치)를 다음의 주사 위치로 함과 함께, 해당 주사 위치 a, b와 동일 반경 상으로서, 해당 주사 위치 a와 주사 위치 b의 중심을 제3 주사 위치로 하고, 해당 제3 주사 위치에 대해, 상기 대칭점을 중심으로 한 대칭 위치에 제4 주사 위치를 설정하는 하전 입자선 장치를 주로 설명한다. 또한 이러한 동일 반경 상의 기주사 위치 간의 중심으로의 주사를 반복함으로써, 프리 도우즈를 실시하는 장치에 대해서 더불어서 설명한다.

또한, 주사 위치 a로부터 주사 위치 b로, 혹은 주사 위치 b로부터 주사 위치 a로의 주사를 연속적(즉, 양 주사 위치의 주사 사이에, 다른 주사 위치로의 주사를 개재시키지 않음)으로 행함으로써, 대전 완화 시간의 영향이 적은 높은 축대칭성을 확보하는 것이 가능해진다. 또한, 제3 주사 위치(주사 위치 c)와 제4 주사 위치(주사 위치 d)는, 기주사 완료된 주사 위치(예를 들면 주사 위치 a, 주사 위치 b)의 중심과 홀 중심을 연결한 2개의 직선에 대한 상대 각도가 가장 큰 직선 상에, 주사 위치 c와 주사 위치 d를, 상기 대칭점을 중심으로 한 점대칭 위치에 설정할 수 있다.

또한, 상기 각 주사 위치에 대한 주사에서는, 주사 방향(주사선의 개시점으로부터 종료점까지의 방향)을, 홀 중심으로부터 홀 외측을 향해서, 혹은 홀 외측으로부터 홀 중심을 향해서, 설정하도록 해도 된다. 또한, 복수 프레임의 신호를 적산하는 경우에는, 1프레임 혹은 소정의 프레임수 단위로, 주사 방향을 90도, 혹은 180도 회전시키면서, 복수 프레임의 주사를 행하도록 해도 된다. 또한, 상기 주사를 행함에 있어서, 홀 구멍 바닥과 측벽을 주사 대상으로부터 제외하는 것이 바람직하다.

또한, 관측하는 시료인 칩의 설계 데이터로부터, 미리 홀 위치를 특정하면 된다. 또한, 주사 전에, 홀 위치를 사전 측정에 기초해서, 특정해 두는 것이 바람직하다.

이하에, 적정한 프리 도우즈 조건의 설정을 가능하게 하는 방법, 장치, 시스템, 및 컴퓨터 프로그램(혹은 해당 컴퓨터 프로그램을 기억하는 기억 매체, 혹은 해당 프로그램을 전달하는 전달 매체)에 대해서, 도면을 이용해서 설명한다. 보다 구체적으로는, 측정 장치의 일종인 길이 측정용 주사 전자 현미경(Critical Dimension-Scanning Electron Microscope: CD-SEM)을 포함하는 장치, 시스템, 및 이들로 실현되는 컴퓨터 프로그램에 대해서 설명한다.

도 8은 데이터 관리 장치(801)를 중심으로 해서, 복수의 SEM이 접속된 시스템을 예시하고 있다. 특히 본 실시예의 경우, SEM(802)은 주로 반도체 노광 프로세스에 이용되는 포토마스크나 레티클의 패턴의 측정이나 검사를 행하기 위한 것이며, SEM(803)은 주로, 상기 포토마스크 등을 이용한 노광에 의해 반도체 웨이퍼 위에 전사된 패턴을 측정, 검사하기 위한 것이다. SEM(802)과 SEM(803)은, 전자 현미경으로서의 기본 구조에 큰 차이는 없지만, 각각 반도체 웨이퍼와 포토마스크의 크기의 차이나, 대전에 대한 내성의 차이에 대응한 구성으로 되어 있다.

각 SEM(802), SEM(803)에는 각각의 제어 장치(804, 805)가 접속되고, SEM에 필요한 제어가 행해진다. 각 SEM에서는, 전자원으로부터 방출되는 전자 빔이 복수단의 렌즈에서 집속됨과 함께, 집속된 전자 빔은 주사 편향기에 의해, 시료 위를 1차원적, 혹은 2차원적으로 주사된다.

전자 빔의 주사에 의해 시료로부터 방출되는 2차 전자(Secondary Electron; SE) 혹은 후방 산란 전자(Backscattered Electron; BSE)는, 검출기에 의해 검출되고, 상기 주사 편향기의 주사에 동기하여, 프레임 메모리 등의 기억 매체에 기억된다. 프레임 메모리에는 복수 프레임의 적산 화상 신호가 기억된다. 또한, 주사 편향기에 의한 주사는 임의의 크기, 위치, 및 방향에 대해서 가능하며, 후술하는 화상을 형성하기 위한 주사나 엣지 부분으로의 선택적 주사를 가능하게 하고 있다.

이상과 같은 제어 등은, 각 SEM의 제어 장치(804, 805)에서 행해지고, 전자 빔의 주사의 결과, 얻어진 화상이나 신호는, 통신 회선(806, 807)을 통해서 데이터 관리 장치(801)로 보내진다. 또한, 본 예에서는, SEM을 제어하는 제어 장치와, SEM에 의해 얻어진 신호에 기초해서 측정을 행하는 데이터 관리 장치를 별체의 것으로서, 설명하고 있지만, 이에 한정되지 않고, 데이터 관리 장치에서 장치의 제어와 측정 처리를 일괄해서 행하도록 해도 되고, 각 제어 장치에서, SEM의 제어와 측정 처리를 더불어서 행하도록 해도 된다. 또한 빔의 조사 조건 등을, 외부의 기억 매체에 기억해 두고, 제어 장치를 해당 기억 매체에 액세스 가능하게 구성하는 것도 가능하다.

또한, 상기 데이터 관리 장치 혹은 제어 장치 등의 컴퓨터에는, 측정 처리를 실행하기 위한 프로그램이 기억되어 있고, 해당 프로그램에 따라서 측정, 혹은 연산이 행해진다. 해당 프로그램은, 컴퓨터에서 판독 가능한 기록 매체에 기억되어 있다. 또한 디자인 데이터 관리 장치에는, 반도체 제조 공정에 이용되는 포토마스크(이하 간단히 마스크라고 칭하는 경우도 있음)나 웨이퍼의 설계 데이터가 기억되어 있다. 이 설계 데이터는 예를 들면 GDS 포맷이나 OASIS 포맷 등으로 표현되고 있고, 소정의 형식으로 기억되어 있다. 또한, 설계 데이터는 설계 데이터를 표시하는 소프트웨어가 그 포맷 형식을 표시할 수 있고, 도형 데이터로서 취급할 수 있으면, 그 종류는 묻지 않는다. 또한, 데이터 관리 장치와는 별도로 설치된 기억 매체에 디자인 데이터를 기억시켜 두어도 된다.

또한, 데이터 관리 장치(801)에는, 시뮬레이터(808)가 접속되어 있다. 시뮬레이터(808)에는, 외부의 기억 매체, 혹은 데이터 관리 장치(901)에 기억된 설계 데이터와, 반도체 제조 프로세스 조건 등에 기초해서, 패턴 레이아웃을 작성하는 프로그램과, 그것을 실행하는 연산 장치가 내장되어 있고, 해당 시뮬레이션 후의 레이아웃 데이터를, 데이터 관리 장치에 전송 가능하게 구성되어 있다. 또한, 본 실시예에서는, 시뮬레이션을 시뮬레이터(908) 내에서 행하는 예에 대해서 설명하지만, 이에 한정되지 않고, 예를 들면 데이터 관리 장치(808) 내에서, 상기 프로그램을 실행함으로써, 시뮬레이션을 행하도록 해도 된다.

또한, 데이터 관리 장치(801)는, SEM의 동작을 제어하는 프로그램(레시피)을, 반도체의 설계 데이터에 기초해서 작성하는 기능이 구비되어 있고, 레시피 설정부로서도 기능한다. 구체적으로는, 설계 데이터, 패턴의 윤곽선 데이터, 혹은 시뮬레이션이 실시된 설계 데이터 상에서 원하는 측정점, 오토 포커스, 오토 스티그마, 어드레싱점 등의 SEM에 있어서 필요한 처리를 행하기 위한 위치 등을 설정하고, 그 설정에 기초해서, SEM의 시료 스테이지나 편향기 등을 자동 제어하기 위한 프로그램을 작성한다. 즉, 데이터 관리 장치(801)나 제어 장치(805)는 측정 조건 설정 장치로서 기능한다.

도 7은 주사 전자 현미경의 개략 구성도이다. 전자원(301)으로부터 방출된 전자는, 가속 전극(302)에 의해 가속되고, 그 가속된 전자 빔(314)은, 집속 렌즈의 일 형태인 컨덴서 렌즈(303)에 의해, 조여진 후에, 주사 편향기(305)에 의해, 시료(307) 위를 1차원적, 혹은 2차원적으로 주사된다. 전자 빔(314)은 시료대(308)에 내장된 전극에 인가된 부전압 전원(309)에 의해 감속됨과 함께, 대물 렌즈(306)의 렌즈 작용에 의해 집속되어 시료(307) 위에 조사된다. 시료(307)는 진공 분위기가 유지된 시료실 내에 배치된다.

전자 빔(314)이 시료(307)에 조사되면, 해당 조사 개소로부터 2차 전자, 및 후방 산란 전자와 같은 전자(315)가 방출된다. 방출된 전자(315)는 시료에 인가되는 부전압에 기초하는 가속 작용에 의해, 전자원 방향으로 가속되고, 검출기(304)에 의해 포착(捕捉)되고, 포착된 2차 전자량에 의해, 검출기(304)의 출력이 변화한다. 이 출력에 따라서 도시하지 않은 표시 장치의 휘도가 변화한다. 예를 들면 2차원상을 형성하는 경우에는, 주사 편향기(305)로의 편향 신호와, 검출기(304)의 출력과의 동기를 취함으로써, 주사 영역의 화상을 형성한다. 또한, 도 7에 예시하는 주사 전자 현미경에는, 전자 빔의 주사 영역을 이동하는 편향기(도시 생략)가 구비되어 있다. 이 편향기는 다른 위치에 존재하는 동일 형상의 패턴의 화상 등을 형성하기 위해서 이용된다. 이 편향기는 이미지 시프트 편향기라고도 불리고, 시료 스테이지에 의한 시료 이동 등을 행하지 않고, 전자 현미경의 시야(Field Of View: FOV) 위치의 이동을 가능하게 한다. 또한, 이미지 시프트 편향기와 주사 편향기를 공통의 편향기로 하고, 이미지 시프트용 신호와 주사용 신호를 중첩하여, 편향기에 공급하도록 해도 된다.

또한, 도 7에 예시하는 주사 전자 현미경은, 주사 전자 현미경의 각 구성의 장치 사양을 기억하는 장치 사양 데이터(312), 장치 조건을 기억하는 주사 조건 데이터(312)를 기억하는 기억 매체가 설치되어 있다. 이러한 기억 매체는, 도 8에 예시하는 주사 전자 현미경의 제어 장치(804, 805)에 내장하도록 해도 되고, 주사 전자 현미경으로부터 액세스 가능한 다른 기억 매체에 기억하도록 해도 된다. 또한, 도 7에 예시하는 시료 표면 전위 추정 장치(310)는, 시료에 인가하는 부전압(리타딩 전압)을 제어한다.

제어 장치(804, 805)는, 주사 전자 현미경의 각 구성을 제어함과 함께, 검출된 전자에 기초해서 화상을 형성하는 기능이나, 라인 프로파일이라 불리는 검출 전자의 강도 분포에 기초해서, 시료 위에 형성된 패턴의 패턴폭을 측정하는 기능을 구비하고 있다. 또한, 제어 장치(804, 805)는, 후술하는 시료 위의 부분적인 전자 빔 조사를 실현하기 위해서, 주사 편향기(305)에 신호를 공급하고, 임의의 위치로의 전자 빔 조사를 가능하게 하도록 주사 편향기(305)를 제어한다.

제어 장치(804, 805)에는, 패턴의 측정, 혹은 검사용 화상을 형성하기 위한 영역을 대전시키는 제1 전자 빔의 조건과, 화상 형성용 제2 전자 빔의 빔 조건이 기입된 레시피를 기억하는 기억 매체가 내장되어 있다. 주사 전자 현미경은, 상기 기억 매체에 기억된 조건에 따라서, 전자 빔의 시료로의 도달 에너지, 빔 전류, 및/또는 배율을 제어한다. 이들 빔 조건은, 모두 시료 대전을 제어하기 위한 것으로, 미리 시료 대전과 각 빔 조건(도달 에너지, 빔 전류, 배율, 혹은 이들 조건의 2이상의 조합 등)을 기억 매체에 기억시켜 두고, 프리 도우즈 조건의 지정에 기초해서, 이들 조건을 판독하여 설정하도록 해도 된다.

실시예 1

다음으로, 측정, 혹은 검사의 대상이 되는 패턴에 대하여, 축대칭(패턴 중심을 중심으로 한)이며, 또한 대전의 치우침을 억제할 수 있는 주사법에 대해서, 도 1, 도 2를 이용해서 설명한다.

도 1에서는 우선 홀(101)의 주변의 프리 도우즈 영역(102)을 정대전화하기 위해서, 고에너지의 1차 전자를, 홀 중심(104)에 대하여 축대칭으로 조사한다. 그 주사(103)의 순번은 1→2→3→4→5→6→7→8→9→10→11→12→13→14→15→16과 같이 주사한다. 또한 이때 주사 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15에 대하여, 홀 중심에 대하여, 축대칭의 주사 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14, 16이 있기 때문에, 프리 도우즈 영역의 대전 분포가 축대칭이 된다. 또한, 1→2, 3→4, 5→6, 7→8, 9→10, 11→12, 13→14, 15→16이 시간적으로 연속으로 주사하고 있기 때문에, 대전 분포의 시간 변화도 축대칭이 되고, 프리 도우즈 영역의 대전 분포가 보다, 축대칭이 된다. 래스터 주사에 의한 프리 도우즈에서는, 프리 도우즈 영역 상부로부터 하부를 향해서 주사선을 순차 이동시키고 있기 때문에, 프리 도우즈 영역 중에서 대전 완화 시간에 차이가 생기고, 프리 도우즈 영역면 내에서 대전의 치우침이 발생할 가능성이 있지만, 상기 주사법에 따르면, 그러한 치우침을 억제하는 것이 가능해진다.

또한, 본 주사법에서, 홀과 홀 측벽을 전자 주사하지 않으므로, 측벽 표면에서의 대전량이 감소하여, 1차 전자 및 구멍 바닥으로부터의 2차 전자가, 측벽에 캐치되지 않게 된다. 바꾸어 말하면, 구멍 바닥에 대전용 빔이 조사되지 않는 만큼, 구멍 바닥과 시료 표면과의 전위차를 높일 수 있기 때문에, 2차 전자의 인상 효과가 증대한다. 또한, 서로, 홀 중심에 대하여 축대칭의 주사 위치 c와 주사 위치 d를 새롭게 실시하는 경우에는, 기주사 완료된 주사선의 중심과 홀 중심을 연결한 복수의 선에서, 인접하는 2개의 선 사이의 각도가 가장 큰 2개의 선의 중심선을, 주사 위치 c와 d의 축대칭선에 대응시킨다.

또한, 본 실시예에서는 홀의 홀 중심을 대칭점(대칭 중심)으로 한 주사 위치(예를 들면 주사 위치 1에 대하여 주사 위치 2, 주사 위치 3에 대하여 주사 위치 4)를 다음의 주사 위치로 함과 함께, 기주사 위치와 동일 반경 상으로서, 해당 기주사 위치의 중심(예를 들면 주사 위치 1, 2에 대한 주사 위치 3, 4)에 다음의 주사 위치를 설정하고 있다. 또한 이 기주사 위치 간의 중심으로의 주사를 반복함으로써, 소정수의 주사를 완료한다. 본 실시예에서는, (c, d)=(3, 4), (5, 6), (7, 8), (9, 10), (11, 12), (13, 14), (15, 16)이 대응하고 있다. 이에 의해, 평면에서의 대전 분포가 균일하게 되고, 프리 도우즈 영역의 대전 분포가 보다, 축대칭이 된다.

이와 같이, 프리 도우즈를 실시한 후에 래스터 주사(105)로, 홀을 관측한다. 또한 도 2에서는, 프리 도우즈 영역(102)을 2개의 도넛 영역(105, 106)으로 나누었다. 하나의 도넛 영역 내의 주사 후에, 다른 도넛 영역을 주사한다. 이에 의해, 프리 도우즈 주위 방향의 대전 분포 균일성이 향상되고, 프리 도우즈 영역의 대전 분포가 보다, 축대칭이 된다. 이와 같이, 프리 도우즈를 실시한 후에, 기주사선 간의 중심 위치로의 주사를 반복하는 주사법에 의한 주사(주사선(107))를 행함으로써, 화상 취득, 혹은 검사, 측정을 실행한다.

이상에 의해, 측벽의 대전 분포를 축대칭으로 할 수 있으므로, 구멍 바닥으로부터의 2차 전자가 측벽에 포착되기 어려워져, 구멍 바닥으로부터 방출되는 2차 전자의 신호 강도가 증대한다.

도 9는 동일 반경 위에 복수의 프리 도우즈 영역을 설정하는 여러 양태를 설명하는 도면이다. 또한, 본 예에서는 각 프리 도우즈 영역(901)을 사각형 주사하는 예를 설명하지만, 이에 한정되지 않고, 예를 들면 굵은 빔 직경의 빔을 각 프리 도우즈 영역에, 전술한 순번으로 조사해감으로써, 본 실시예에서 설명한 프리 도우즈를 실행하도록 해도 된다. 또한, 특히 문제가 없으면, 주사 형상은 임의의 형상으로 할 수도 있다.

도 9의 (a)는, 프리 도우즈 영역을, 홀 중심을 중심으로 한 동일 반경(902) 위에 위치 결정한 예를 설명하는 도면이다. 도 9의 (b)는 동일 반경 영역(903)을 설정하고, 해당 영역 내에 복수의 프리 도우즈 영역(901)이 위치 결정되도록 설정한 예를 설명하는 도면이다. 일반적으로 홀 패턴은 원형인 것이 많기 때문에, 홀과 동일한 원형으로서, 해당 홀을 포위하도록, 프리 도우즈 영역(901)을 배치하는 것이 바람직하지만, 근린에 상대적으로 대전이 부착되기 쉬운 영역이나, 전자 빔 조사에 대하여 취약한 패턴이 존재하고, 해당 부분에 전자 빔을 조사하고 싶지 않은 경우 등에 대응하기 위해, 프리 도우즈 영역의 배치의 자유도를 확보할 수 있는 본 방법은 유효하다. 도 9의 (b)의 예의 경우, 인접하는 프리 도우즈 영역의 홀 중심으로부터의 거리가 다르지만, 홀 중심으로부터의 거리가 가까운 프리 도우즈 영역과 먼 프리 도우즈 영역을 교대로 배치함과 함께, 홀 중심에 대하여, 대향하는 프리 도우즈 영역의 홀 중심으로부터의 거리를 일정하게 하고 있기 때문에, 홀을 중심으로 한 전위의 밸런스는 유지되고 있다.

실시예 2

도 3은 프리 도우즈 주사에 관한 제2 실시예를 설명하는 도면이다. 도 3에서는, 프리 도우즈 주사의 순번은 1→2→3→4→5→6→7→8이고, 실시예 1과 마찬가지로, 측벽 대전이 축대칭이 된다. 또한, 관측을 위한 주사의 순번, 방향도, 프리 도우즈 주사와 일치하고 있다. 이에 의해, 프리 도우즈 주사뿐만 아니라, 관측 시의 주사도 축대칭으로 하게 되고, 측벽의 대전 분포를, 또한 축대칭으로 할 수 있으므로, 구멍 바닥으로부터의 2차 전자가 측벽에 포착되기 어려워져, 구멍 바닥으로부터의 2차 전자 신호 강도가 증대한다.

실시예 3

도 4는 프리 도우즈 주사에 관한 제3 실시예를 설명하는 도면이다. 도 4에서는, 프리 도우즈 주사의 순번은 1→2→3→4→5→6→7→8이고, 실시예 1과 마찬가지로, 측벽 대전이 축대칭이 된다. 또한, 관측을 위한 주사의 순번, 방향도, 프리 도우즈 주사와 일치하고 있다. 또한, 주사 방향(108)이 홀 중심을 향하고 있으므로, 주사 자체가 축대칭이 된다. 이에 의해, 주사 자체가 축대칭이 되어 있으므로, 프리 도우즈 주사와, 관측 시의 주사 측벽의 대전 분포를, 또한 축대칭으로 할 수 있으므로, 구멍 바닥으로부터의 2차 전자가 측벽에 포착되기 어려워지기 때문에, 구멍 바닥으로부터의 2차 전자 신호 강도가 증대한다.

실시예 4

도 5는 프리 도우즈 주사에 관한 제4 실시예를 설명하는 도면이다. 도 5에서는, 최초의 프레임(201)에서 도 1과 동일한 프리 도우즈 영역에서의 주사를 실시하고, 다음의 프레임(202)에서는, 주사 방향을 90도, 우측으로 회전시킨다. 또한, 다음의 프레임(203)에서는, 더욱 90도, 주사 방향을 우측으로 회전시킨다. 또한 다음의 프레임(204)에서도, 90도 우측으로 회전시킨다. 또한 다음의 프레임에서, 90도 우측으로 회전시키면, 원래로 돌아간다. 이것을, 전체 프레임이 끝날 때까지 반복한다. 프레임수는 4의 배수가 바람직하다. 이와 같이, 1프레임마다 주사 방향을 90도 회전시킴으로써, 본 실시예과 같이, 주사 자체의 축대칭성을 더욱 향상시킬 수 있다.

또한, 주사 순번도 90도 회전시킴으로써, 프리 도우즈 영역에서의, 대전 분포의 축대칭성을 더욱 향상시킬 수 있다. 이상으로부터, 측벽의 대전 분포를 축대칭으로 할 수 있으므로, 구멍 바닥으로부터의 2차 전자가 측벽에 포착되기 어려워지기 때문에, 구멍 바닥으로부터의 2차 전자 신호 강도가 증대한다.

실시예 5

도 6은, 프리 도우즈 주사에 관한 제5 실시예를 설명하는 도면이다. 도 6에서는, 최초의 프레임(205)에서 도 4와 동일한 프리 도우즈 영역에서의 주사를 실시하고, 다음의 프레임(206)에서는, 주사를 180도, 회전시킨다. 또한 다음의 프레임에서, 180도 회전시킨다. 이에 의해, 원래의 주사로 되돌아간다. 이것을, 전체 프레임이 끝날 때까지 반복한다. 프레임수는 2의 배수가 바람직하다. 이와 같이, 1프레임마다 주사 방향을 180도 회전시킴으로써, 본 실시예과 같이, 주사 자체의 축대칭성을 향상시킬 수 있다.

또한, 주사 순번도 180도 회전시킴으로써, 프리 도우즈 영역에서의, 대전 분포의 축대칭성을 향상시킬 수 있다. 이상에 의해, 측벽의 대전 분포를 축대칭으로 할 수 있으므로, 구멍 바닥으로부터의 2차 전자가 측벽에 포착되기 어려워지기 때문에, 구멍 바닥으로부터의 2차 전자 신호 강도가 증대한다.

또한, 본 실시예에서는, 관찰용 빔도 프리 도우즈와 동일한 요령으로, 주사 방향의 회전과 주사 순서의 변경을 행한다(프레임(207, 208)). 이러한 주사를 관찰 시에도 행함으로써, 대전 분포의 축대칭성을 유지하면서, 관찰을 실행하는 것이 가능해진다.

실시예 6

다음으로, 프리 도우즈 주사에 관한 제6 실시예를 설명한다. 도 7에 예시하는 바와 같이, 전술한 주사 전자 현미경은, 대물 렌즈(306)와 시료(307)의 거리 등의 장치 사양 데이터(312), 및 가속 전압, 배율 등 유저가 설정하는 조건으로 이루어지는 주사 조건 데이터(312)를 기억하는 기억 매체가 구비되고, 또한 측정 시료의 유전율이나 도전율과 같은 물성값이나, 패턴의 레이아웃 데이터가 기록된 설계 데이터(311)를 기억하는 기억 매체가 구비되어 있다. 설계 데이터는 외부의 기억 매체에 기억해두고, 필요에 따라서 액세스하도록 해도 된다.

본 실시예 장치에서는, 이들 정보를 시료 표면 전위 추정 장치(310)에 입력하고, 그 추정값에 기초해서, 부전압 전원(309)을 조정하는 구성으로 되어 있다. 시료 표면 전위 추정 장치(310)에서는, 주로 하전 입자의 궤도 계산과 대전 후의 전위 계산을 실시한다. 하전 입자는 전자계 중에서는 로렌츠력을 받는다. 그 때문에, 설계 데이터(311), 장치 사양 데이터(312), 주사 조건 데이터(313)로부터 하전 입자의 초속, 측정 공간의 전계와 자계의 크기를 구함으로써, 예를 들면 1차 전자이면, 전자원(301)으로부터 시료(307)에 이르기까지의 궤도 및 시료(307)에 충돌한 위치나 속도를 계산할 수 있다.

또한, 시료(307)에 충돌한 1차 전자는, 시료 내에서 산란함과 함께 2차 전자(315) 등을 방출한다. 여기서, 관측하는 시료인 칩의 설계 데이터(311)로부터, 미리 웨이퍼 내의 홀 위치를 특정하여, 주사법을 결정할 수 있다.

또한, 주사 전에, 홀 위치를 다른 측정에서, 미리 홀 위치를 특정함으로써, 홀이, 설계대로, 형성되지 않고 있는 경우라도, 축대칭의 주사를 실시할 수 있다. 이와 같이, 홀 중심 위치가 실제와 어긋나지 않기 때문에, 측벽의 대전 분포를 축대칭으로 할 수 있으므로, 구멍 바닥으로부터의 2차 전자가 측벽에 포착되기 어려워지기 때문에, 구멍 바닥으로부터의 2차 전자 신호 강도가 증대한다.

실시예 7

도 10은 반도체 디바이스의 설계 데이터에 기초해서, 측정 조건을 결정하는 공정을 설명하는 플로우차트이다. 우선, 설계 데이터 상에서 측정 대상 패턴을 선택한다(스텝 1001). 설계 데이터는 외부의 기억 매체, 혹은 주사 전자 현미경 장치에 설치된 기억 매체에 미리 기억되어 있다. 다음으로, 측정 대상으로 해서 선택된 패턴에 대해서, 프로세스 파라미터 등을 이용한 시뮬레이션을 실행한다(스텝 1002). 시뮬레이션은 외부의 시뮬레이터(808)를 이용해도 되고, 주사 전자 현미경 장치 내에 설치된 연산 장치에서 실행하도록 해도 된다. 시뮬레이션의 방법 자체는 기존의 것을 이용할 수 있다. 반도체 디바이스 상에 형성되는 패턴은, 제조 조건 등에 의해 설계 데이터(레이아웃 데이터)와는 다른 형상으로 형성되는 경우가 있다. 한편, 프리 도우즈 영역의 중심과, 패턴 중심이 편심해버리면, 2차 전자궤도를 편향해버릴 가능성이 있다.

따라서, 본 실시예에서는, 시뮬레이션에 의해 실제 패턴 형상을 예측하고, 해당 예측 형상에 기초해서 패턴 중심을 특정한다. 중심 위치 특정(스텝 1003)에 대해서는, 시뮬레이션에 의해 얻어진 형상과, 미리 등록된 사전(辭典) 패턴 형상 사이에서 피팅을 행하고, 해당 사전 패턴이 갖는 중심 위치 정보에 기초해서, 패턴 중심을 특정하거나, 패턴의 곡률에 기초해서, 그 중심을 구하는 등의 기존의 방법을 이용할 수 있다. 다음으로, 스텝 1003에서 특정된 패턴 중심을 중심으로 함과 함께, 패턴 영역을 제외한 프리 도우즈 영역을 설정한다(스텝 1004). 홀 패턴의 경우, 홀 중심으로부터 동일 반경 상에 프리 도우즈 영역을 설정하는 것이 바람직하다. 다음으로, 결정된 프리 도우즈 영역을 따라, 복수의 주사 위치를 설정한다(스텝 1005). 이 설정은, 오퍼레이터가 GUI 화면 상에서 임의의 위치(단, 복수의 주사 위치가 축대칭으로 배치되도록)에 배치하도록 해도 되고, 미리 등록된 패턴을 이용하도록 해도 된다. 또한, 프리 도우즈 영역의 패턴과 복수의 주사 위치의 배치 패턴이 미리 관련지어 기억되어 있는 경우에는, 해당 스텝은 불필요해진다.

이상과 같이 해서 결정된 프리 도우즈 조건을 소정의 기억 매체에 기억함으로써, 프리 도우즈 조건 결정 프로세스를 종료한다(스텝 1006). 해당 프리 도우즈 조건은, 주사 전자 현미경의 측정 레시피로서 기억된다.

이상과 같이 해서 설정된 레시피에 기초해서, 프리 도우즈(스텝 1007)를 행하여, 시료 표면에 대전을 부착시킨 후에, 화상 형성, 혹은 프로파일 형성을 위한 빔 주사를 행한다(스텝 1008). 이상과 같이 적정한 프리 도우즈에 기초해서, 측정이나 검사를 실시(스텝 1009)함으로써, 홀 바닥으로부터 방출되는 전자의 검출 효율을 향상하는 것이 가능해진다.

도 11은 제어 장치(804, 805), 혹은 데이터 관리 장치(801)에 내장되어 있는 프리 도우즈 조건 결정용 제어 프로세서의 개요를 설명하는 도면이다. 제어 프로세서는, 연산부(1101)와 기억부(1102)를 포함하고, 연산부(1101) 내에는, 시뮬레이터(808), 혹은 설계 데이터로부터 얻어지는 패턴 데이터의 중심 위치를 특정하는 패턴 중심 위치 결정부(1103)가 포함되어 있다. 또한, 기억부(1102) 내에는 프리 도우즈 영역 정보 기억부(1106)가 설치되어 있고, 얻어진 패턴 데이터와 프리 도우즈 영역과의 거리, 프리 도우즈 영역의 크기, 형상 등의 정보가 기억되어 있다. 전술한 바와 같이, 홀 바닥이나 측벽을 프리 도우즈 대상으로부터 제외하도록 주사하는 것이 바람직하기 때문에, 설계 데이터나 시뮬레이션에 기초해서 형성되는 패턴의 윤곽선 외에 프리 도우즈 영역을 설정하도록, 프리 도우즈 영역 정보를 설정해 두는 것이 바람직하다.

프리 도우즈 영역 결정부(1104)는, 프리 도우즈 영역 정보 기억부(1106)에 기억된 영역 정보에 기초해서, 패턴 중심을 중심으로 한 프리 도우즈 영역을 결정한다. 또한, 주사 패턴 기억부(1107)에는, 프리 도우즈 영역 정보 기억부(1106)에 기억된 프리 도우즈 영역 정보에 따른 복수의 주사 위치 정보, 주사 패턴의 정보가 기억되고, 주사 조건 결정부(1105)에서는, 해당 기억 정보에 기초해서, 주사 위치와 주사 패턴을 결정한다. 광학 조건 기억부(1108)에는 프리 도우즈 시의 빔 전류, 배율(주사 범위의 크기), 빔의 시료로의 도달 에너지, 빔의 집속 조건 등의 광학 조건이 기억되어 있다. 주사 조건 결정부(1105)는 광학 조건 기억부(1108)에 기억된 정보에 기초해서 빔 조건을 결정하고, 주사 전자 현미경의 장치 조건으로서 출력한다.

이상과 같은 구성에 따르면, 패턴의 형성 상태에 따라서 적정한 빔 조건을 결정하는 것이 가능해진다.

301 : 전자원
302 : 가속 전극
303 : 컨덴서 렌즈
304 : 검출기
305 : 주사 편향기
306 : 대물 렌즈
307 : 시료
308 : 시료대
309 : 부전압 전원

Claims

시료에 제1 전자 빔을 조사하여, 시료를 대전시키고, 그 대전한 시료로의 제2 전자 빔의 주사에 의해 얻어지는 전자에 기초해서, 상기 시료의 측정 혹은 검사를 행하는 전자 빔 조사 방법으로서,
상기 시료 위에 형성된 홀 패턴의 패턴 중심을 대칭점으로 하는 제1 위치와 제2 위치에, 상기 제1 전자 빔을 조사한 후, 상기 대칭점을 중심으로 한 상기 제1과 제2 위치와 동일한 반경 상으로서, 상기 제1과 제2 위치 사이의 2개의 중심 위치에 상기 제1 전자 빔을 더 조사하고, 또한 그 후, 상기 반경 상의 기주사 위치 간의 중심 위치로의 상기 제1 전자 빔의 조사를 반복함과 함께, 상기 홀 패턴의 엣지에 의해 구획되는 패턴의 외측 영역에, 선택적으로 상기 제1 전자 빔이 조사되도록, 상기 제1 전자 빔을 편향하는 것을 특징으로 하는 전자 빔 조사 방법.
제1항에 있어서,
상기 홀 패턴의 엣지에 의해 구획되는 패턴의 내측 영역을 제외하고 상기 제1 전자 빔을 조사하는 것을 특징으로 하는 전자 빔 조사 방법.
제1항에 있어서,
상기 패턴 중심을 대칭점으로 한 2개의 위치에 대한 상기 전자 빔의 조사는, 그 2개의 전자 빔의 조사 사이에, 다른 위치로의 전자 빔 조사를 행하지 않고, 연속적으로 실시하는 것을 특징으로 하는 전자 빔 조사 방법.
제1항에 있어서,
상기 제1 전자 빔의 조사는, 복수 프레임에 걸쳐서 행함과 함께, 1프레임마다, 주사 방향을 90도, 혹은 180도 회전하는 것을 특징으로 하는 전자 빔 조사 방법.
제1항에 있어서,
상기 제1 전자 빔을, 상기 패턴의 외측으로부터 패턴 중심을 향해서, 혹은 상기 패턴 중심으로부터 상기 패턴의 외측을 향해서, 주사하는 것을 특징으로 하는 전자 빔 조사 방법.
전자원과,
상기 전자원으로부터 방출된 전자 빔을 집속하는 렌즈와,
전자 빔의 조사 위치를 편향하는 편향기를 구비한 주사 전자 현미경으로서,
상기 편향기를 제어하는 제어 장치를 구비하고, 그 제어 장치는, 시료에 제1 전자 빔을 조사하고, 시료를 대전시키고, 그 대전한 시료로의 제2 전자 빔의 주사를 행하도록, 상기 편향기를 제어하고, 상기 제어 장치는, 상기 시료 위에 형성된 홀 패턴의 패턴 중심을 대칭점으로 하는 제1 위치와 제2 위치에, 상기 제1 전자 빔을 조사한 후, 상기 대칭점을 중심으로 한 상기 제1과 제2 위치와 동일한 반경 상으로서, 상기 제1과 제2 위치 사이의 2개의 중심 위치에 상기 제1 전자 빔을 더 조사하고, 또한 그 후, 상기 반경 상의 기주사 위치 간의 중심 위치로의 상기 제1 전자 빔의 조사를 반복함과 함께, 상기 홀 패턴의 엣지에 의해 구획되는 패턴의 외측 영역에, 선택적으로 상기 제1 전자 빔이 조사되도록, 상기 편향기를 제어하는 것을 특징으로 하는 주사 전자 현미경.
제6항에 있어서,
상기 제어 장치는, 상기 홀 패턴을 나타내는 닫힌 도형인 패턴의 엣지에 의해 구획되는 패턴의 내측 영역을 제외하고 상기 제1 전자 빔을 조사하도록 상기 편향기를 제어하는 것을 특징으로 하는 주사 전자 현미경.
제6항에 있어서,
상기 제어 장치는, 상기 패턴 중심을 대칭점으로 한 2개의 위치에 대한 상기 전자 빔의 조사를, 그 2개의 전자 빔의 조사 간에, 다른 위치로의 전자 빔 조사를 행하지 않고, 연속적으로 실시하도록 상기 편향기를 제어하는 것을 특징으로 하는 주사 전자 현미경.
제6항에 있어서,
상기 제어 장치는, 제1 전자 빔의 조사를, 복수 프레임에 걸쳐서 행함과 함께, 1프레임마다, 주사 방향을 90도, 혹은 180도 회전하도록 상기 편향기를 제어하는 것을 특징으로 하는 주사 전자 현미경.
제6항에 있어서,
상기 제어 장치는, 상기 제1 전자 빔을, 상기 패턴의 외측으로부터 패턴 중심을 향해서, 혹은 상기 패턴 중심으로부터 상기 패턴의 외측을 향해서, 주사하도록 상기 편향기를 제어하는 것을 특징으로 하는 주사 전자 현미경.