KR20190053771A - 패턴 계측 장치 및 계측 방법 - Google Patents

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Abstract

[과제] 깊은 홈이나 깊은 구멍의 형성 정밀도에 의하지 않고, 고(高)정밀도로 깊이의 계측 및 입체 형상을 계측하는 것이 가능한 패턴 계측 장치의 제공을 목적으로 한다.
[해결 수단] 이를 위해 본 발명에서는, 상기 조사에 의한 패턴으로부터의 반사 전자를 검출하고, 상기 패턴의 상면, 저면(底面) 및 측벽으로부터의 반사 전자 신호 강도를 비교하고, 상기 상면 및 상기 하면의 높이의 차에 의거하여, 상기 측벽의 입체 형상(또는 높이 정보)을 산출한다. 상기 산출된 상기 측벽의 입체 형상과, 일차 전자빔의 강도 분포(열림각)에 의거하여 추정된 측벽의 입체 형상과 비교하고, 상기 비교의 차에 의거하여, 추정된 측벽의 입체 형상을 보정하고, 비교의 차가 허용값이 될 때까지 상기 보정을 행하는 계측 장치.

Description

패턴 계측 장치 및 계측 방법{PATTERN MEASUREMENT DEVICE AND PATTERN MEASUREMENT METHOD}
본 발명은 반도체 웨이퍼 등의 패턴의 계측 장치 및 계측 방법에 관한 것이다.
지금까지 반도체 디바이스는 메모리의 대용량화와 비트 비용 저감을 위해, 미세화나 고(高)집적화 등이 진행되어 왔다. 최근, 고집적화에의 요망은 높고, 미세화의 대체로서의 구조의 입체 구조 디바이스의 개발과 제조가 진행되고 있다.
평면의 구조를 입체화시킴으로써, 디바이스 전체적으로는 두꺼워지는 방향에 있다. 그에 따라, 예를 들면 3D-NAND, DRAM과 같은 구조에서는, 적층막의 층 수가 늘어, 구멍이나 홈 등을 형성하는 공정에 있어서, 구멍이나 홈의 평면 사이즈와 깊이와의 비(어스펙트비)도 커지는 경향이다.
예를 들면 구멍 지름 50㎚∼100㎚, 깊이 3㎛ 이상과 같은 매우 고(高)어스펙트비의 구멍이나 홈의 입체 형상을 알기 위해서는, 웨이퍼를 절단하고, 단면 형상을 측정함으로써 정확한 단면 형상을 얻을 수는 있지만, 웨이퍼 면 내의 균일성을 조사하기 위해서는 시간과 비용이 든다. 그래서 구멍의 톱과 보텀 치수 이외에, 비(非)파괴로 패턴 단면 형상 또는 입체 형상을 정밀도 좋게 측정하는 방법이 필요하다.
여기에서, 전자 현미경 등으로 대표되는 현미경으로 웨이퍼를 파괴하지 않고 입체 형상을 관찰하는 일반적인 방법을 크게 나누면, 스테레오 관찰과 톱 다운 관찰의 두 가지 방법이 있다.
예를 들면 특허문헌 1에 기재된 스테레오 관찰은, 시료대 또는 전자선을 기울여, 시료에 대한 전자선의 상대적인 입사 각도를 바꾸고, 상면으로부터의 조사(照射)와는 다른 복수의 화상에 의해 패턴의 높이, 측벽의 기울기 각도 등의 형상 계측을 행하고 있다.
또한, 특허문헌 2는, 깊은 구멍이나 깊은 홈의 어스펙트비가 커지면, 저부(底部)로부터 방출되는 이차 전자(SE: secondary electron, 통상, 에너지는 50eV 이하로 대략 정의됨)의 검출 효율이 저하되기 때문에, 구멍의 바닥의 치수를 측정하기에는 유효하지 않게 된다. 한편, 고에너지의 일차 전자에 의해 생성된 반사 전자(BSE: backscattered electron, 후방 산란 전자라고도 함. 통상, 에너지는 50eV 이상으로 대략 정의됨)는, 구멍의 바닥으로부터 시료 표면으로 나오는 양이 이차 전자와 비교하여 상대적으로 많다. 그러므로 치수를 측정하기에는 유효하며, 구멍이 깊어질수록 BSE 신호량이 감소한다는 현상을 이용하여, 구멍의 바닥의 깊이를 계측하는 방법이 기재되어 있다.
일본국 특표2003-517199호 공보 일본국 특개2015-106530호 공보
고어스펙트비가 되는 패턴은, 구멍 홈의 측벽이나 저부의 형상을 제어하는 것이 어려워져, 테이퍼, bowing, twisting과 같은 형태가 되는 경우가 있다. 그 때문에, 구멍이나 홈의 상하의 치수뿐만 아니라 단면 형상도 중요한 평가 항목이 된다고 생각한다. 또한, 웨이퍼 면 내 균일성이 높은 레벨로 요구되고 있어, 면 내 분포를 검사·계측하고, 반도체의 제조 공정(예를 들면 에칭 장치)에 피드백하는 것이 수율 향상의 열쇠이다.
그러나, 특허문헌 1에서는 복수의 각도에 의한 계측이 필수이며, 계측 시간의 증대나 해석 방법의 복잡화 등의 과제가 있다. 게다가, 패턴의 에지(단)만의 정보밖에 얻을 수 없기 때문에, 연속적인 입체 형상의 계측을 할 수 없다.
또한, 특허문헌 2는 표준 시료나 구멍 깊이가 기지(旣知)의 실측 데이터를 기준으로 하여, 홈이나 구멍의 저부의 높이 계측을 행하는 것이 개시되어 있다.
즉 특허문헌 1 및 2에는, 입체 구조의 시료의 관찰이나 측정을 행하기 위한 방법이 설명되어 있지만, 같은 구멍의 내부의 상대적인 높이나 연속적인 입체 형상, 그리고 일차 전자빔의 강도 분포에 기인하는 측정 정밀도 저하의 해소 방법에 대해서는 고려되어 있지 않다. 또한, 주사 전자 현미경에 있어서의 일차 전자빔은 유한한 열림각을 갖기 때문에, 초점 위치와 다른 높이에서는 횡방향의 빔의 강도 분포가 변화된다. 특히, 깊은 구멍이나 깊은 홈의 경우는 이 효과가 현저해져, 상면, 저면 및 측벽으로부터 발생한 전자의 구별을 할 수 없게 될 가능성이 있는 것도 발명자의 실험에 의해 판명됐다.
본 발명은 이들의 과제를 근거로 하여, 단면 형상 또는 입체 형상 측정을 가능하게 하는 주사 전자 현미경의 시스템 및 그것을 이용한 패턴 계측 방법 그리고 주사 전자 현미경을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 이하의 구성을 갖는다. 시료 상에 형성된 패턴의 치수를 측정하는 계측 장치로서, 상기 패턴에 대하여 하전 입자선을 주사하여 조사하는 조사 광학계와, 상기 조사에 의한 패턴으로부터의 반사 전자를 검출하는 검출기와, 상기 패턴의 상면, 하면 및 측벽으로부터의 반사 전자의 신호 강도를 비교하는 신호 강도 비교부와, 상기 비교의 결과와, 상기 상면 및 상기 하면의 높이의 차에 의거하여, 상기 측벽에 있어서의 임의의 위치의 높이를 산출하는 높이 산출부를 갖는 것을 특징으로 하는 계측 장치.
또한, 본 발명의 다른 형태로서, 이하의 구성을 갖는다. 시료 상에 형성된 패턴의 치수를 측정하는 계측 장치로서, 상기 패턴에 대하여 하전 입자선을 주사하여 조사하는 조사 광학계와, 상기 조사에 의한 패턴으로부터의 전자를 검출하는 검출기와, 상기 하전 입자선과 상기 시료의 상대 각도를 변경하는 경사 기구와, 상기 시료에 대하여 제1 입사 각도로 상기 하전 입자선을 주사했을 때의, 상기 시료의 상면 및 하면에 있어서의 임의의 각각의 위치의 제1 상대 거리와, 상기 시료에 대하여 제2 입사 각도로 상기 하전 입자선을 주사했을 때의, 상기 시료의 상면 및 하면에 있어서의 임의의 각각의 위치의 제2 상대 거리에 의거하여, 상기 시료의 상면으로부터 하면의 높이를 산출하는 높이 산출부를 갖는 계측 장치.
또한, 본 발명의 다른 형태로서, 이하의 구성을 갖는다. 시료 상에 형성된 패턴의 형상을 측정하는 계측 방법으로서, 상기 패턴에 대하여 하전 입자빔을 주사하여 조사하는 조사 스텝과, 상기 조사에 의한 패턴으로부터의 전자를 검출하는 검출 스텝과, 상기 패턴의 상면, 하면 및 측벽으로부터의 전자의 신호 강도를 비교하는 신호 강도 비교 스텝과, 상기 비교의 결과와, 상기 상면 및 상기 하면의 높이의 차에 의거하여, 상기 측벽에 있어서의 임의의 위치의 높이를 산출하는 높이 산출 스텝을 갖는 것을 특징으로 하는 계측 방법.
상기의 구성에 의하면, 깊은 구멍이나 깊은 홈 등의 입체 구조에 관하여, 정밀도 좋게 단면 형상 또는 입체 형상을 계측하는 것이 가능해진다.
도 1은 주사 전자 현미경을 포함하는 패턴 계측 장치의 개요를 나타내는 도면.
도 2는 퍼짐이 없는 일차 전자빔을 조사했을 때에 발생한 BSE의 거동을 나타내는 단면도.
도 3a는 톱 지름과 보텀 지름이 같은 깊이로 형성된 개구 밀도의 다른 구멍 패턴이 형성된 시료를 설명하는 도면.
도 3b는 톱 지름과 보텀 지름이 같은 깊이로 형성된 개구 밀도의 다른 구멍 패턴이 형성된 시료에, 일차 전자빔을 조사했을 때에 검출되는 반사 전자(BSE)의 신호 강도와 깊이의 관계를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 그래프.
도 4a는 다른 테이퍼 각도로 형성된 구멍 패턴이 형성된 시료를 설명하는 도면.
도 4b는 다른 테이퍼 각도로 형성된 구멍 패턴이 형성된 시료에, 일차 전자빔을 조사했을 때에 검출되는 반사 전자(BSE)의 신호 강도와 깊이의 관계를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 그래프.
도 5a는 다른 깊이로 형성된 구멍 패턴이 형성된 시료를 설명하는 도면.
도 5b는 다른 깊이로 형성된 구멍 패턴이 형성된 시료에, 일차 전자빔을 조사했을 때에 검출되는 반사 전자(BSE)의 신호 강도와 깊이의 관계를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 그래프.
도 6a는 상대 신호 강도와 상대 깊이의 관계에 의거하여 깊은 구멍 또는 깊은 홈의 상대적인 단면 형상(상면·저면)의 측정 방법을 나타내는 도면.
도 6b는 상대 신호 강도와 상대 깊이의 관계에 의거하여 깊은 구멍 또는 깊은 홈의 상대적인 단면 형상(중간 치수)의 측정 방법을 나타내는 도면.
도 6c는 상대 신호 강도와 상대 깊이의 관계에 의거하여 깊은 구멍 또는 깊은 홈의 상대적인 단면 형상(복수의 중간 치수)의 측정 방법을 나타내는 도면.
도 7a는 입사 각도와 상하의 어긋남량의 관계에 따라 깊은 구멍 또는 깊은 홈의 절대 깊이를 측정하는 방법을 나타내는 도면.
도 7b는 입사 각도와 상하의 어긋남량의 관계에 따라 깊은 구멍 또는 깊은 홈의 절대 깊이나 측정하는 방법을 나타내는 도면.
도 7c는 입사 각도와 상하의 어긋남량의 관계에 따라 깊은 구멍 또는 깊은 홈의 절대 깊이를 측정하는 방법을 나타내는 도면.
도 8a는 퍼짐을 갖는 일차 전자빔을 조사했을 때에 발생한 BSE의 거동을 나타내는 단면도.
도 8b는 퍼짐을 갖는 일차 전자빔을 조사했을 때에 발생한 BSE의 거동을 나타내는 단면도.
도 9는 일차 전자빔의 높이 의존의 강도 분포에 의거하여 상대적인 단면 형상을 계산하는 플로우를 나타내는 도면.
도 10a는 입체 형상을 구축함에 있어서, 다른 방위로부터의 계측을 나타내는 도면.
도 10b는 다른 방위로부터의 계측에 의해 입체 형상의 구축을 나타내는 도면.
도 11은 본 발명에 따른 주사 전자 현미경에 의한 입체 형상의 계측 장치 및 계측 시스템을 나타내는 구성도.
도 12는 패턴의 입체 형상의 측정 시퀀스를 나타내는 도면.
도 13a는 기울어진 구멍의 단면 형상을 측정하는 도면.
도 13b는 기울어진 구멍의 단면 형상을 측정하는 도면.
도 13c는 기울어진 구멍의 단면 형상을 측정하는 도면.
도 14는 Bowing 구멍에 있어서, 일차빔 수직 입사시의 BSE 파형을 나타내는 도면.
도 15a는 Bowing 구멍의 단면 형상을 측정하는 도면.
도 15b는 Bowing 구멍의 단면 형상을 측정하는 도면.
도 15c는 Bowing 구멍의 단면 형상을 측정하는 도면.
도 16a는 다른 전자 신호의 파형에 의해 깊은 구멍 또는 깊은 홈의 단면 형상의 측정 방법을 나타내는 도면.
도 16b는 다른 전자 신호의 파형에 의해 깊은 구멍 또는 깊은 홈의 단면 형상의 측정 방법을 나타내는 도면.
도 17a는 다른 전자 신호의 파형에 의해 깊은 구멍 또는 깊은 홈의 절대 깊이를 측정하는 방법을 나타내는 도면.
도 17b는 다른 전자 신호의 파형에 의해 깊은 구멍 또는 깊은 홈의 절대 깊이를 측정하는 방법을 나타내는 도면.
이하에 설명하는 실시예는, 반도체 제조 과정에서의 반도체 웨이퍼 등의 관찰 혹은 계측에 있어서, 어스펙트비가 높은 구멍 패턴이나 홈 패턴의 단면 형상 또는 입체 형상 측정을 전자선을 이용하여 행하는 주사형 전자 현미경 및 계측 시스템, 및 그것을 이용한 패턴의 입체 형상의 계측 방법을 설명한다. 시료는 주로 패턴이 형성된 반도체 웨이퍼를 예시하지만, 반도체의 패턴에 한하지 않고, 전자 현미경이나 다른 현미경으로 관찰할 수 있는 시료이면 포함된다.
[실시예 1]
(장치 구성)
도 1에, 본 실시예에 있어서의 하전 입자선을 이용한 장치의 일 태양인 주사 전자 현미경(SEM: Scanning Electron Microscope)을 나타낸다. 주사 전자 현미경 본체는, 전자 광학 칼럼(1)과 시료실(2)로 구성된다. 칼럼(1)의 내측에는, 전자를 발생시켜 특정의 가속 전압으로 에너지를 주어진 일차 전자빔의 방출원인 전자총(3), 전자빔을 집속(集束)하는 콘덴서 렌즈(4), 전자빔을 웨이퍼(시료)(10) 상으로 주사하는 편향기(6), 및 전자빔을 집속하여 시료에 조사하는 대물 렌즈(7)가 구비되어 있다.
또한, 칼럼(1) 내에는 전자빔을 이상 광축으로부터 이축(離軸)시키고, 이축된 빔을 이상 광축에 대하여 경사진 방향을 향하여 편향함으로써, 경사빔으로 하는 편향기(5)가 마련되어 있다. 시료실에 설치되는 XY 스테이지(11)는, 스테이지 컨트롤러(15)로부터 주어지는 신호에 따라 웨이퍼(10)를 이동시킨다. 전자선은, 전자선 주사 컨트롤러(14)로부터 주어지는 신호로 구동되는 편향기(6)에 의해 주사된다. 전자 검출기(8) 및 전자 검출기(9)로부터 출력되는 검출 신호는, 앰프(12 및 13)에 있어서 신호 변환되어, 처리부(16)에 입력된다.
본 실시예에서는, 검출기(8)는 시료에 전자빔이 조사됨으로써 생긴 이차 전자를 주로 하여 검출하고, 그 검출 신호는 주로 웨이퍼 표면(상면)의 패턴 정보를 나타낸다. 또한, 전자 검출기(9)는 시료에 전자빔이 조사됨으로써 생긴 후방 산란 전자를 검출하고, 그 검출 신호는 주로 패턴의 하층의 정보를 나타낸다. 본 실시예에 있어서는, 깊은 구멍의 깊은 부분까지 도달할 수 있는 고에너지의 일차 전자빔을 웨이퍼(10)에 조사한다.
또한, 처리부(16)는, 예를 들면 얻어진 화상으로부터 취득한 파형을 연산부(17)에 입력한다. 연산부(17)에서는, 일차 전자빔의 강도 분포에 의거하여 BSE 신호를 연산이나 비교하기 위한 프로그램과, 검출 신호로부터 단면 형상을 추정·보정하는 산출 기능을 갖는다. 즉, 일차 전자의 강도 분포에 의거하여 신호를 연산하는 연산부, 각각의 신호의 강도를 비교하는 신호 강도 비교부, 검출 신호로부터 단면 형상·입체 형상을 추정·보정하는 형상 산출부 등을 갖는다. 또한, ∼부는 명시하지 않더라도, 본문에서 설명된 처리에 상당하는 부가 있고, 추가로 각부 중에는 각각 입출력을 제어하는 인터페이스(부)가 있다고도 해석할 수 있다. 또한 이 연산은, 복수의 전자 검출기, 복수의 입사 각도로부터 얻은 복수의 화상을 대상으로 하는 것도 가능하다. 또한, 패턴의 하층의 정보를 얻을 수 있는 조건이면 BSE 신호가 아니더라도, 예를 들면 이차 전자 등이어도 된다. 또한, 입체 형상의 구축에 필요한 파라미터를 측정 데이터로부터 이어 맞춰 통합하는 기능이 내장되어 있다. 제어부(18)는 신호 처리나 장치를 종합적으로 제어한다. 또한, 제어부(18)에는, 표시 장치(19)가 접속되어 있고, 화상이나 연산 결과나 측정 결과를 출력하여, 표시 장치(19) 등으로 표시하는 기능을 갖는다.
본 실시예에서는 우선, 기판 상에 형성된 구멍 또는 홈 패턴의 깊이에 따라, 충분히 높은 에너지를 가지는 일차 전자빔을 시료에 조사한다. 조사에 의해, 시료에 침입한 전자와 시료의 물질의 상호 작용에 의거하는 산란 현상으로 이차 전자와 후방 산란 전자가 발생한다. 이 중 측벽을 관통하여 시료 표면까지 투과한 반사 전자를 검출한다. 일차 전자빔의 에너지가 충분할 경우, 구멍의 저부로부터 방출된 BSE는 표면을 관통하기 때문에, 단면 형상이나 입체 형상을 정확하게 측정할 수 있게 된다.
예를 들면, 본 발명이 대상으로 하는 3D-NAND, DRAM과 같은 깊이 3㎛ 이상의 구멍 또는 홈 깊이의 경우, 일차 전자의 가속 전압은 5kV 이상, 바람직하게는 30kV 이상이다. 또한, 반사 전자 검출기는, 구멍의 표면으로부터 관통한 BSE를 검출할 수 있는 배치로 설치하는 것이 바람직하다.
(원리)
도 2를 이용하여, 본 실시예의 입체 형상을 측정하는 원리를 설명한다. 일반적으로, 에너지를 가지는 전자선을 시료에 조사하면, 시료에 침입한 전자와 물질의 상호 작용에 의해 에너지가 다른 이차 전자나 후방 산란 전자가 발생한다. 반사 전자의 발생량은 전자선의 입사 각도와 물질의 평균 원자 번호에 크게 의존한다.
예를 들면, 균일한(평균 원자 번호가 같거나 혹은 가까운) 재료 중에 형성된 고어스펙트비의 구멍이나 홈에 있어서, 고에너지의 일차 전자빔을 저면(底面)에 조사하고 관찰할 경우, 반사 전자의 산란 영역에 비해, 캐비티(cavity)가 되는 구멍·홈의 체적이 매우 작고, 반사 전자의 산란 궤도에는 영향이 극히 작다. 그 때문에 측벽을 관통하여 표면으로부터 투과한 BSE 신호량은 일차 전자빔의 입사 위치부터 표면까지의 평균적인 이동 거리에 의존한다고 간주할 수 있다. 일차 전자빔의 입사 위치가 깊어질수록, 표면까지의 거리가 길어져, 산란에 의해 에너지의 손실이 커지기 때문에, 시료를 투과한 BSE 신호량이 감소한다. 이에 따라, 저면의 BSE 신호량의 감소의 정도로부터 저면의 깊이를 추정하는 것이 가능하다.
또한 본 실시예에서는, 경사면인 구멍의 측벽에 있어서도, BSE 신호량으로부터 측면의 조사 위치에서의 높이를 추정할 수 있는 것을 찾아냈다. 그 이유는, 고가속의 일차 전자빔의 시료 내에서의 궤도는, 측면에의 입사 각도가 작을 경우에는, 입사 각도에 대한 의존성을 무시할 수 있는 것에 있다. 따라서, 패턴의 상면, 저면 및 측벽으로부터의 반사 전자 신호 강도를 비교하고, 상면 및 저면의 높이의 차에 의거하여, 측벽의 입체 형상(또는 깊이 정보)을 산출하는 것이 가능해진다. BSE 신호량과 높이의 관계의 정보는, 관계식 혹은 데이터 테이블로 갖는 것이 가능하다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 본 실시예에서는, 퍼짐이 없는 이상적인 일차 전자빔으로 구멍을 주사할 때, 임의 입사 위치의 BSE 신호량은, 구멍의 상면(H＝0)에 대한 깊이(H)만의 함수로 했다(식 1).
BSE 신호량＝η·e-H…(식 1)
계수(η)는 재료의 평균 원자 번호, 주위 구조의 밀도, 입사 전자 수, 가속 전압에 관한 계수이다.
이로부터, 상면 및 저면 BSE 신호의 차와 높이의 차를 기준으로 하여, 임의 입사 위치에 있어서의 BSE 상대적 신호 강도와 상대 깊이의 관계(식 2)를 얻을 수 있다.
BSE 상대 신호 강도＝(e-h-e-1)／(e0-e- 1)h＝[0, 1]…(식 2)
식 2에서는, 상면의 신호 강도를 1로, 저면의 신호 강도를 0으로 하며, 또한 상면의 깊이를 0으로, 상면부터 저면까지의 깊이를 H로 하고, 빔이 닿은 중간 위치의 상대 깊이를 h로 했다.
전자선 시뮬레이션(몬테카를로 시뮬레이션)을 실시한 검증 결과를 나타낸다. 측정 대상의 구멍 또는 홈의 개구 밀도, 테이퍼 각도, 깊이를 변화시키고, 에너지 30kV 전자(퍼짐이 없는 빔)를 상면부터 저면까지 조사하고, 검출한 BSE 신호를 상면의 BSE 신호에 대하여 규격화한 결과이다.
도 3a의 경우, 구멍 단면 형상은, 톱 치수: 100㎚, 보텀 치수: 80㎚, 구멍 깊이 3.0㎛, 구멍 패턴의 개구 밀도는 15％, 30％, 45％이다.
도 4a의 경우, 구멍 단면 형상은, 톱 치수: 100㎚, 보텀 치수: 90㎚, 80㎚, 70㎚, 구멍 깊이 3.0㎛, 구멍 패턴의 개구 밀도는 30％. 각각의 테이퍼 각도는 0.08도, 0.16도, 0.24도이다.
도 5a의 경우, 구멍 단면 형상은, 톱 치수: 100㎚, 보텀 치수: 80㎚, 72㎚, 60㎚, 구멍 깊이 3.0㎛, 5.0㎛, 7.0㎛, 구멍 패턴의 개구 밀도는 30％. 모든 테이퍼 각도는 0.16도이다.
그리고 도 3b, 도 4b, 도 5b에 시뮬레이션 결과로서 나타낸 바와 같이, BSE 상대 신호 강도는 구멍의 개구 밀도(도 3b), 구멍의 테이퍼 각도(도 4b), 깊이(도 5b)에 따르지 않음을 알 수 있다. 그러므로, 퍼짐이 없는 빔의 입사 위치의 상대 깊이의 함수(e-h)에만 의존한다. 즉 (식 2)를 이용함으로써, 시료의 재료나 주위 구조의 개구 밀도, 관찰 조건 등에 관계없이, BSE 신호의 상대적인 강도로부터 중간 깊이를 측정할 수 있다. 그리고 연속적으로, 중간 깊이에 있어서의 구멍의 중간의 수평 방향의 치수를 측정해 가면, 깊이 방향에 관하여 연속적인 입체 형상의 측정이 가능하다. 측정점이 많을수록 원활한 측정을 행할 수 있지만, 함수 등으로 추정하여 측정점을 보충해도 된다. 또한, 상대 신호 강도와 상대 깊이의 관계는 (식 2)에 의해 산출해도 되고, 혹은 미리 산출한 결과를 데이터베이스에 기억해도 된다.
(열림각 없음의 빔)
도 6a∼c는, 상대 신호 강도와 상대 깊이(h)의 관계에 의거하여, 깊은 구멍·깊은 홈 등의 상대적인 단면 형상의 계산 방법을 나타내는 도면이다. 본 실시예에서는, 신호 강도에 있어서의 임계값의 설정에 의거하여, 패턴의 형상을 측정한다. 즉 임계값과 신호 파형의 교점간의 거리를 관련지어 패턴 단면 형상의 치수값으로서 출력한다.
우선 도 6a에 나타내는 바와 같이, 구멍의 상면과 저면의 각각의 치수 A와 치수 B를 측정하기 위해, BSE 화상에 의거하여, 임계값 1을 설정하면 교점 a1과 a2의 x 좌표의 차를 상면 치수 A로서 산출할 수 있다. 다음으로, 도 6b에 나타내는 바와 같이, 상면의 위치인 a1과 a2의 상대 신호 강도를 1로 한다.
그리고, 임계값 1과 마찬가지의 절차로, 임계값 2를 설정한다. 즉 교점 b1과 b2의 좌표의 차를 저면 치수 B로서 산출하고, 저면의 위치 b1과 b2의 상대 신호 강도를 0으로 함으로써 신호 강도를 상대적인 것으로서 규격화한다. 예를 들면, 임계값 1은 신호의 노이즈에 묻히지 않는 범위에서 높은 쪽이 좋고, 임계값 2에 대해서도, 노이즈에 묻히지 않는 범위에서 낮은 쪽이 좋다. 구체적으로는, 임계값 1은 신호 파형의 전체 높이의 90％, 임계값 2를 0％로 했다. 상면과 저면을 적절하게 판단할 수 있는 예를 나타냈지만, 임계값의 설정은 다르게 설정해도 된다.
결과적으로 도 6b에, 상면 위치의 신호 강도를 1로 하고, 저면 위치의 신호 강도를 제로로 한 BSE 상대 신호 강도를 나타낸다. BSE 상대 신호 강도는, 구멍의 상대 깊이의 함수이기 때문에, (식 2)의 관계 정보를 이용하여, 다른 임계값에 있어서, 상대 깊이와 그 깊이에 위치하는 치수를 연속적으로 취득하여, 상대적인 단면 형상을 계산할 수 있다.
마지막으로 도 6c에, 상기 구한 상대적인 단면 형상(상대적인 중간 높이와 그 깊이에 위치하는 중간 치수값의 세트)과 절대 깊이(Z축 방향)에 의거하여 단면 형상을 구축하는 예를 나타낸다. 구멍의 상면의 중심 위치를 좌표의 원점 0으로 하여, 상기에서 구한 절대 깊이(H)를 Z축 방향에 배치한다. 구멍의 상면을 기준으로 하여, 상대적인 중간 높이로부터 절대 깊이를 산출하고, 그 깊이에 위치하는 치수값을 구하기 위해 c10, c20부터 c1n, c2n를, 저면 치수를 구하기 위해 b1, b2를 Z축에 대하여 좌우로 균등하게 배치한다. 배치된 점을 이은 다점 근사 형상이 해당 입사 각도로부터 측정한 형상이다.
(상면과 저면의 어긋남을 고려한 절대 깊이(H)의 측정)
또한, 깊은 구멍·깊은 홈의 절대 깊이(H)를 얻는 수단으로서, 본 실시예에서는 입사 각도에 있어서의 깊은 구멍·깊은 홈의 상면과 저면의 어긋남의 관계 정보를 이용하여 산출한다.
구체적으로는, 빔의 시료에의 상대 입사 각도를 복수 설정하고, 그 입사 각도(γ도)는 저면의 전체를 관찰할 수 있는 범위 내에 변화시켜 주사하여 화상을 형성하고, 얻어진 복수의 화상에 의거하여, 상하의 어긋남량을 계측한다. 상하의 어긋남량과 입사 각도 선형의 기울기는 구멍의 깊이가 된다. (식 3)에 의해 구멍의 깊이를 구할 수 있다.
상하 어긋남량＝깊이×tan(γ／180*π)≒깊이×(γ／180*π)…(식 3)
입사 각도(γ)가 작을 때에 tanγ를 γ로서 근사했다.
도 7a와 도 7b에 나타낸 바와 같이, 본 실시예에서는, 설정된 임계값과 신호 파형의 교점의 중심을 구멍의 중심으로서 출력한다. 도 7b에, 상면의 중심(a3)과, 저면의 중심(b3)을 산출하는 예를 나타내고 있다. 도 6a에서 설명한 바와 같이, BSE 화상의 파형을 이용하여 서로 다른 임계값 1과 임계값 2를 설정하면, 교점 a1 및 a2, b1 및 b2를 산출할 수 있다. 그리고, (a1+a2)／2, 및 (b1+b2)／2를 상면과 저면의 중심 a3 및 b3로서 구한다. 즉, a1와 a2의 중심 위치가 a3, 교점 b1과 b2의 중심 위치가 b3가 된다. 임계값 1은 신호의 노이즈에 묻히지 않는 범위에서 높은 쪽이 좋고, 임계값 2에 대해서도, 노이즈에 묻히지 않는 범위에서 낮은 위치로 설정한다. a3와 b3의 좌표값으로부터, 다른 입사 각도에 있어서 각각의 상하의 어긋남량을 산출할 수 있다.
도 7c는, 구멍의 저부가 보이는 범위에서 입사 각도를 0.01도씩 변화시켰을 때의 상하의 어긋남량을 플롯한 그래프의 일례를 나타내는 도면이다. 상하의 어긋남량과 입사 각도 선형의 기울기는 구멍의 깊이가 된다.
깊이＝상하 어긋남량의 차／((γ1-γ2)／180*π)…(식 4)
또는, (식 4)에 의해 두 개의 입사 각도를 바꿔 화상을 형성시키고, 얻어진 화상에 의거하여 상하의 어긋남량의 차와 입사 각도의 차로부터 깊이를 구할 수도 있다.
도 1의 연산부(17)에서 구축된 단면 형상 또는 입체 형상은 표시 장치(19)로 표시할 수 있다. 표시 장치(19)는, 유저에 대하여 대상 패턴의 삼차원 형상을 표시하는 GUI를 구비한다. 삼차원 형상에 있어서, 예를 들면, 깊은 구멍 또는 깊은 홈의 측벽의 기울기 각도, 테이퍼 각도, bowing의 깊이 및 bowing 치수값 등의 특징량을 표시할 수도 있다.
[실시예 2]
(열림각 있음의 빔)
주사 전자 현미경에 있어서, 전자원으로부터 인출(引出)된 전자는 렌즈의 작용에 의해 초점 위치로 좁혀진다. 그러나, 예를 들면 개개의 전자의 에너지의 차이에 의해 전자 렌즈의 여자(勵磁) 효과가 다르기 때문에, 전자빔은 초점 위치에 대하여 어느 정도의 퍼짐을 갖는다는 성질이 있다.
발명자는 이 점에 착목하여, 시료와 빔의 설정 각도의 정밀도는, 얻어진 단면 형상이나 재구성된 입체 형상의 정밀도에도 크게 영향을 주는 것을 지득(知得)했다. 이 때문에 입사 각도를 고정밀도로 교정하면, 얻어진 단면 형상이나 재구성된 입체 형상의 정밀도를 크게 향상시킬 수 있다.
또한 도 8a에 나타내는 바와 같이, 전자빔은 유한한 열림각을 갖고 초점을 형성하기 때문에, 초점 위치가 깊이 방향으로 어긋나면, 열림각의 크기에 의존하여 전자빔이 바로 퍼져 나간다.
그러나 도 8a에 나타내는 바와 같이, 얕은 패턴의 치수를 계측할 때에는, 일차 전자빔은 패턴의 표면에 수속(收束)하기 때문에, 합(合)초점 위치로부터 떨어진 곳의 빔의 퍼짐(강도 분포)은 측정 정밀도에는 영향이 작다.
한편, 도 8b에 나타내는 바와 같이, 깊은 구멍이나 깊은 홈 패턴을 계측할 때에, 패턴의 상면과 저면간의 높이 범위 내의 일차빔의 강도 분포가 BSE 신호에 큰 영향을 준다. 포커스 위치를 바꾸었다고 해도, 주사 위치에 의해 구멍의 상면·저면, 또는 측벽의 조사 정도가 달라, 다양한 깊이 위치로부터 방출된 BSE 신호를 구별하지 않고 검출하게 된다. 또한, 같은 웨이퍼 중에서도, 형성된 구멍의 형상은 반드시 같아지는 것은 아니다. 측정 대상이 되는 구멍·홈의 형성 정밀도(예를 들면 측벽의 테이퍼 각도)에 의해, 퍼짐이 있는 전자빔은 구멍·홈에 도달할 때에 조사 영역이 바뀌기 때문에, BSE 신호 강도가 바뀐다. 이 때문에, 형상 측정 정밀도에 큰 영향을 준다.
따라서, 일차 전자빔은 열림각과 초점 위치로부터 떨어지는 거리에 의해 강도 분포가 변화된다. 본 실시예에서는, 이 높이에 의존한 강도 분포를 고려하는 것으로 한다. 지금까지 설명한 바와 같이, 구멍의 임의 입사 위치의 BSE 신호량은, 그 위치의 깊이(H)와 입사 전자 수에 관계된다. 이 때문에, 퍼짐이 있는 일차 전자빔이 깊은 구멍·홈을 주사할 경우에 있어서, 임의의 주사 위치(x0)의 BSE 신호량은, 깊은 구멍·홈의 조사 영역에 있어서, 퍼짐 중의 각각의 입사 위치의 일차 전자빔 강도와 그 위치하는 깊이에 의존한 BSE 상대 신호량의 곱셈의 적산이 된다. 일차 전자빔의 높이 의존의 강도 분포를 G(x, f(x))로 하고, 입사 위치의 상대 깊이(h)를 f(x)로 한다.
BSE(x0)＝η∫G(x-x0, f(x))exp(-f(x))dx…(식 5)
(식 5)는 BSE 신호를 연산하는 식이다.
이하, BSE 신호의 상대 강도와 깊이의 관계를 나타내는 관계 정보를 이용하여, 열림각을 갖는 일차 전자빔의 강도 분포에 의거하여 깊은 구멍·홈의 입체 형상을 추정하는 방법을 설명한다. 우선, 일차 전자빔의 높이 의존의 강도 분포에 관계되는 정보를, 전자 현미경의 광학 조건에 따라 미리 갖는다. 일차 전자빔 강도 분포 데이터의 취득 방법은, 전자 광학의 설계 데이터나 관계식을 사용해도 된다. 포커스 위치를 변화시키고, SEM 화상의 분해능의 변화로부터 추정한 강도 분포를 사용해도 된다. 미리 데이터베이스화한 일차 전자빔의 강도 분포를 연산부에 기억해 둔다.
도 9는, 깊은 구멍 또는 깊은 홈이 패턴 중 한 방위의 상대적인 단면 형상을 계산하는 플로우이다. 주사 전자 현미경의 계측 시스템에 의해, 광학 조건 및 촬상 조건을 설정한다. 다음으로, 설정된 조건에 의거하여 BSE 화상을 취득하고, SEM 화상으로부터 얻어진 퍼짐을 갖는 빔의 BSE 파형을 연산부(17)에 입력한다. 연산부(17)에서는, 입력된 SEM 화상의 BSE 파형과 (식 2)의 관계 정보를 이용하여, 상면에 대하여 중간 깊이와 각각의 깊이에 위치하는 치수값을 측정하고, 형상을 예측한다(스텝 S1). 다음으로, 설정된 광학 조건에 있어서의 일차 전자빔의 강도 분포 데이터를 읽어들이고, 일차 전자빔의 강도 분포 정보에 의거하여, 각각의 주사 위치에 있어서, 구멍의 조사 영역을 계산한다(스텝 S2).
다음으로 (식 5)에 의해, 조사 영역 내에 각각의 입사 위치의 BSE 신호량을 적산하고(스텝 S3), 모든 주사 위치의 BSE 신호를 연산한다(스텝 S5). 연산한 BSE 파형과 SEM 화상의 BSE 파형을 비교하고, 그 차분에 의해 추정한 구멍의 형상을 보정한다(스텝 S6). 일차 전자빔의 강도 분포에 의거하여 보정한 형상의 BSE 파형을 연산하고, SEM 화상의 BSE 파형과의 비교의 차가 허용값이 될 때까지 상기 보정을 행한다(스텝 S7). 비교의 차가 허용값이 되었을 때의 형상은 최종의 형상으로서 출력하고, 상대적인 단면 형상의 계산을 종료한다(스텝 S8).
또한, BSE 파형의 연산을 개시할 때에, 식 2의 관계 정보를 이용하여 형상을 예측하는 것 이외에, 설계의 형상 정보나 다른 수단으로 추정된 측벽의 단면 형상을 사용해도 된다.
보충으로서, 연산한 BSE 파형과 SEM 화상의 BSE 파형의 차분으로부터 형상을 보정할 때에, 수학적 방법이 이용된다. 각 주사 위치의 BSE 신호 강도에 대해서, 연산한 BSE 파형과 SEM 화상의 BSE 파형 사이에서의 최소 제곱법, 최소 다이버전스법 등의 계산에 의해 형상을 갱신하여, 상기 추정 형상에 대해서 제약을 적용하면서 실행한다.
다음으로 도 10a에 나타내는 바와 같이, 입체 형상을 측정할 경우, 예를 들면 4개의 방위각의 단면의 방향마다 상기 BSE 신호의 연산을 반복한다. 도 10b에 나타내는 바와 같이, 그 후에 연산부(17)에서 얻어진 복수 방위의 단면 형상 및 깊이 정보에 의거하여 삼차원 형상을 구축할 수 있다.
또한, 도 11에 나타내는 바와 같이, 삼차원 형상 구축에는 계산기의 높은 처리 능력이 필요하기 때문에, 장치 본체 외에 계산용 서버(20)를 마련해도 된다. 이에 따라 화상 취득 후의 신속한 삼차원 형상 구축이 가능해진다. 또한, 네트워크에서 복수의 전자 현미경을 결상하는 것이어도 효율적인 운용이 가능해진다. 계산용 서버(20)의 기능으로서, 광학 조건마다 열림각을 갖는 일차 전자빔의 강도 분포 데이터베이스를 기억하고 있고, 일차 전자빔의 강도 분포에 의거하여 BSE 신호를 연산하고, 전자 현미경의 주사에 의해 얻어진 대상 패턴의 관찰 화상의 BSE 신호와 비교하여, 상대적인 단면 형상을 계산한다. 상기 구한 상대적인 단면 형상과 절대 깊이에 의거하여 단면 형상을 구축한다. 입사 각도에 따라, 산출된 단면 형상의 이어 맞춤을 행하고, 복수의 단면 형상을 통합하여 입체 형상을 구축한다. 또한, 표시 장치는 장치 제어용과 계산 데이터 표시용과 복수 마련함으로써, 화상 취득을 방해하지 않고 형상 해석을 행하는 것이 가능해진다. 표시부(21)는, 유저에 대하여 형상을 표시하는 GUI를 구비한다. 산출된 단면 형상 또는 입체 형상을 표시부(21)에서 표시한다. 삼차원 형상에 있어서, 예를 들면, 깊은 구멍 또는 깊은 홈의 측벽의 기울기 각도, 테이퍼 각도, 중간 깊이 및 그 깊이에 위치하는 치수값 등의 특징량을 표시할 수 있다.
도 12는, BSE 신호 연산 장치를 구비한 주사 전자 현미경을 이용하여, 패턴의 입체 형상을 측정하는 시퀀스를 설명한다. 우선, 측정 대상이 되는 패턴이 형성된 웨이퍼를 SEM의 진공 시료실에 도입(스텝 S11)하고, 측정 대상이 되는 패턴으로 일차 전자빔 주사를 행한다. 얻어지는 SE 신호와 BSE 신호를 검출하고, 열림각을 갖는 신호의 화상을 생성한다(스텝 S12). SEM 화상으로부터 얻어진 퍼짐을 갖는 빔의 BSE 파형을 취득한다. 취득한 SEM 화상으로부터 패턴의 형상을 예측한다(스텝 S13). 일차 전자빔의 강도 분포 정보(열림각)에 의거하여, 상기 BSE 신호의 연산을 행하고, SEM 화상의 BSE 파형과의 비교의 차가 허용값이 될 때까지 형상 보정을 행한다(스텝 S14). 다음으로, 입체 형상을 측정할지를 판단한다(스텝 S15). 입체 형상을 측정할 경우, 스텝 S12로 돌아가서 같은 장소를 복수 방위에서 이차원 주사를 행한다. 그 이상의 3차원 형상의 측정을 하지 않을 경우, 상기의 측정한 최종 형상을 출력한다(스텝 S16). 그리고 마지막 시료인지를 판단하여(스텝 S17), 마지막 시료가 아니면 스텝 S11로 돌아가서 다음 시료의 측정을 개시한다. 스텝 S17에서 마지막 시료이면, 측정을 종료한다.
[실시예 3]
(측벽이 경사진 구멍의 예)
실시예 2에서는 테이퍼가 있는 수직인 구멍 패턴을 예로 하여 설명해 왔지만, 일차 전자빔의 입사 각도를 바꾸면, 기울어진 구멍 패턴의 입체 형상도 마찬가지로 측정할 수 있다.
도 13a의 좌측 도면에 나타낸 바와 같이, 기울어진 구멍 또는 홈 패턴일 경우, 일차 전자빔은 수직 입사시의 BSE 신호 파형은 도 13a의 우측 도면과 같이 계측된다. 즉, 깊은 구멍·깊은 홈의 우측이 경사져 있음에도 불구하고, 일차 전자빔은 수직으로밖에 입사되지 않기 때문에 이 부분의 정확한 계측이 행해지지 않는다. 즉 상면보다 저면을 덮는 경사의 정보는, 수직인 일차 전자빔으로는 계측하기 어렵기 때문에, BSE 파형이 비대칭이었던 경우에는 패턴이 경사져 있을 가능성이 있음을 알 수 있다.
이 경우, 도 13b의 좌측 도면에 나타내는 바와 같이 입사 각도를 변화시켜, BSE 파형이 대칭이 되는 입사 각도를 찾는다. 그 때의 입사 각도는 구멍의 기울기 각도와 같다. 도 13b의 우측 도면에 나타내는 바와 같이, 대칭이 되는 BSE 파형과 (식 2)의 관계 정보를 이용하여, 중간 깊이와 각각의 깊이에 위치하는 치수값을 측정하여, 형상을 예측할 수 있다. 시료와 전자빔의 상대 입사 각도에 따라, 각각의 주사 위치에 있어서, 구멍의 조사 영역을 계산한다. 열림각을 갖는 일차 전자빔의 강도 분포에 의거하여, 상기와 마찬가지로 BSE 신호의 연산을 행하고, SEM 화상의 BSE 파형과의 비교의 차가 허용값이 될 때까지 형상 보정을 행한다. 이에 따라, 측정한 BSE 신호의 연산에 의해 구한 상대적인 단면 형상(상대적인 중간 높이와 그 깊이에 위치하는 중간 치수값)과 절대 깊이에 의거하여 단면 형상을 구축할 수 있다.
도 13c는, 깊은 구멍에 대하여 입사 각도가 γ도의 방향(Z 방향에 대하여 전자빔의 상대 각도가 γ도)에서 관찰한 단면의 형상을 구축하는 예이다. 구멍의 상면의 중심 위치를 좌표의 원점 0으로 하여, 상기에서 구한 절대 깊이(H)를 Z축 방향에 배치하고, Z축에 대하여 입사 각도(γ)(구멍의 상하 어긋남량이 0이 되는 입사 각도)가 되는 Z1축을 배치한다. 그리고, 구멍의 상면에 기준하여, 상대적인 중간 높이로부터 절대 깊이를 산출하고, 그 깊이에 위치하는 치수값을 구하기 위해 c10, c20부터 c1n, c2n를, 저면 치수를 구하기 위해 b1, b2를 Z1축에 대하여 좌우로 균등하게 배치한다. 배치된 점을 이은 다점 근사 형상은 해당 입사 각도로부터 측정한 형상이다. 이와 같이, 일차 전자빔과 패턴의 상대 입사 각도를 바꿈으로써, 수직 입사에서 보이지 않은 부분의 형상을 측정할 수 있다.
본 실시예에서는, 전자빔의 입사 각도를 바꾸기 위해, 편향기(5)에 의해 전자 광학적으로 빔을 경사시키는 방법을 이용했지만, XY 스테이지를 경사시켜 시료의 쪽을 경사시키는 방법도 동일하다. 또한, 칼럼(1)을 경사시키는 기구를 이용해도 된다. 또는 여기에서 전자빔의 입사각은, XY 스테이지 혹은 표준 시료를 이용하여 교정할 수 있다. 전자빔을 원하는 경사각이 되도록 궤도를 조정하고, 이러한 연산에 의거하여 편향기(5)의 편향 조건(제어값)을 결정한다. 미리 교정된 편향 조건을 편향기(5)의 제어값을 기억시켜, 복수의 각도마다 빔 조사를 행함으로써, 경사빔을 이용한 측정을 자동적으로 실행하는 것이 가능해진다.
또한, 본 실시예에서는, 시료와 전자빔의 상대 각도를 빔 입사 각도로 하지만, 이상 광축과 전자빔의 상대 각도를 빔 입사 각도라고 정의하도록 해도 된다. 통상의 전자선 계측 장치(SEM)에서는 기본적으로, 전자빔 궤도는, XY 스테이지의 이동 궤도(X 방향과 Y 방향)에 대하여 수직으로 설정되어 있다. Z 방향을 제로도라고 정의하고, X 방향, Y 방향 모두 경사각을 플러스, 마이너스의 숫자로 나타낸다. X와 Y를 조합하여 모든 방향의 각도의 설정이 가능하다.
[실시예 4]
실시예 1과 실시예 2에서는, 테이퍼 각도가 있는 구멍은, 상면에 대하여 저면의 치수가, 깊이의 비례로 하여 작게 형성되어 있는 예를 나타냈다. 그러나, 도 14의 좌측 도면에 나타내는 측벽의 형상과 같이, 깊은 홈 구멍의 에칭에서는, 깊이 에 따라 치수의 변화가 비례가 아니라, bowing이라고 하는 형상으로 가공될 경우도 있다. 이러한 형상의 경우에도, 서로 이웃하는 구멍끼리 연결되어 디바이스를 동작할 수 없게 될 우려가 있기 때문에, 이러한 단면 형상을 가공 장치 등의 프로세스 장치에 피드백함으로써, 양품 수율 향상(yield 향상)에 적용하는 것이 가능하다.
도 14의 우측 도면 이후를 이용하여, 깊이(H)의 bowing이 있는 구멍의 단면 형상의 측정법에 대해서 설명한다. 도 14의 우측 도면은 일차 전자빔이 수직 입사시의 BSE 신호 강도를 나타내는 도면이다. 구멍의 상면에서 깊이(h1)까지, 치수값의 변화는 중간 치수(C)가 되고, h1부터 저부까지는 일정한 테이퍼 각도가 된다. 저부 치수는 상면 치수보다 작아져 있다.
그러나 도 14의 좌측 도면에 나타내는 바와 같이, 실제의 형상은 구멍의 상면부터 깊이(h1)까지, 치수값의 변화가 곡선으로 되어 있다. 측정한 형상과 실제의 형상의 차가 생기는 이유로서는, 깊은 구멍에 대하여 일차 전자빔은 수직 입사할 때에, 구멍 상면의 에지부터 깊이(h1)까지, 일차 전자빔이 측벽에 닿지 않는 영역이 있기 때문에, 그 영역의 BSE 신호를 검출할 수 없는 것을 들 수 있다.
다음으로 도 15a의 좌측 도면에 나타내는 바와 같이, 통상 그림자가 되어 보이지 않는 부분의 BSE 신호를 검출할 수 있도록, 빔의 입사 각도를 변화시키는 방법을 설명한다. 예를 들면, 입사 각도를 복수의 γ1과 γ2도로 설정하고, 이차원 주사에 의거하여 각각 BSE 화상을 형성시키면 결과적으로 도 15a의 우측 도면에 나타내는 계측 결과를 얻을 수 있다.
우선, 도 15b와 도 15c의 각각의 좌측 도면은, 패턴에 대하여 일차빔의 입사 각도를 γ1과 γ2도로 변화시켰을 때의 BSE 신호이다. 얻어진 BSE 신호와 일차 전자빔의 강도 분포에 의거하여, 시료와 전자빔의 상대 입사 각도에 따라, 각각의 주사 위치에 있어서, 구멍의 조사 영역을 계산한다. 도 9에서 나타낸 플로우에 의해, BSE 파형을 연산 장치로 반복 연산하고, 복수 입사 각도시의 단면 형상을 측정한다.
그리고 도 15b와 도 15c의 각각의 우측 도면은, 구멍에 대하여 입사 각도는 γ1과 γ2도의 방향(Z 방향에 대하여 전자빔의 상대 각도는 γ도)에서 관찰한 단면 형상을 구축하는 예이다. 측정한 BSE 신호의 연산에 의해 구한 상대적인 단면 형상(상대적인 중간 높이와 그 깊이에 위치하는 중간 치수값)과, 절대 깊이에 의거하여 단면 형상을 구축할 수 있다. 구멍의 상면을 Z축의 원점으로 하고, 상기에서 구한 절대 깊이(H)를 Z축 방향에 배치하고, Z축에 대하여 입사 각도를 γ1과 γ2도가 되는 Z1, Z2축을 배치한다. 구멍의 상면에 기준하여, 상대적인 중간 높이로부터 절대 깊이를 산출하고, 그 깊이에 위치하는 치수값을 구하기 위해 c10, c20부터 c1n, c2n을, 저면 치수를 구하기 위해 b1, b2를 Z1, Z2축에 따라 배치한다. 배치된 점을 이은 다점 근사 형상은 해당 입사 각도로부터 측정한 형상이다. 도 15a의 우측 도면은, 도 15b의 우측 도면과 도 15c의 우측 도면의 다점 근사 형상의 절반을, 상면 위치 a1, a2를 서로 겹쳐 재구성한 것이다. 각 깊이에서의 치수(A, B, C)는 각 깊이에 배치된 위치(a1, a2, …b1, b2)의 거리로부터 구할 수 있다.
[실시예 5]
(SE 화상과 BSE 화상을 동기하여 이용함)
상기 실시예는 주로 BSE 화상만으로 단면 형상 또는 입체 형상을 측정하는 방법을 설명해 왔지만, 이차 전자의 검출 정보로 구성된 SE 화상과 BSE 화상의 양쪽을 사용해도 된다. 이차 전자는, 물질의 표면의 정보를 많이 가지고 있는 특징이 있기 때문에, SE 화상을 사용함으로써 BSE 화상보다 상면 위치 및 상면 치수의 측정 정밀도를 높일 수 있다. 장치 상에서, SE 화상과 BSE 화상을 동기하여 동시에 취득하면, 화상을 구성하는 화소는 동일한 장소를 나타내고, BSE 화상을 이용했을 경우와 마찬가지로 상면의 치수나 상하 어긋남량의 측정을 행할 수 있다.
예를 들면 도 16a에 나타내는 바와 같이, 구멍의 상면과 저면의 각각의 치수를 측정하기 위해, SE 화상에 의거하여 임계값 1로 설정하면 교점 a1과 a2의 x 좌표의 차를 상면 치수 A로서 산출할 수 있다. 동시에, BSE 화상으로부터 얻은 BSE 파형에 있어서, 마찬가지의 치수 A가 되는 교점 a1과 a2를 추출하고, 깊이의 기준이 되는 구멍의 상면의 위치를 정한다.
도 16b에, a1과 a2의 BSE 신호 강도를 1로 하고, 저면에 상당하는 낮은 부분의 BSE 신호 강도를 0으로 하여, 상대적으로 규격화한 BSE 파형을 나타낸다. 규격화한 BSE 파형 신호 강도는, 구멍의 상대 깊이의 함수이기 때문에, (식 2)의 관계 정보를 이용하여, 서로 다른 임계값에 있어서, 상대 깊이와 그 깊이에 위치하는 치수를 연속적으로 취득하고, 상대적인 단면 형상을 계산할 수 있다.
또한, 도 17a와 도 17b는 SE 화상과 BSE 화상을 동시에 사용하여, 상면을 저면의 중심을 산출하는 예를 나타내는 도면이다. SE 화상의 파형을 이용하여 임계값 1을 설정하면 교점 a1과 a2를 산출할 수 있다. 또한, BSE 화상의 파형을 이용하여 임계값 2를 설정하면 교점 b1과 b2를 산출할 수 있다. 임계값 1은 신호의 노이즈에 묻히지 않는 범위에서 높은 쪽이 좋고, 임계값 2에 대해서도, 노이즈에 묻히지 않는 범위에서 낮은 위치에 설정한다. (a1+a2)／2, 및 (b1+b2)／2를 상면과 저면의 중심으로서 구한다. a1과 a2의 중심 위치가 a3, 교점 b1과 b2의 중심 위치가 b3가 된다. a3와 b3 각각의 중심 위치의 좌표값으로부터, 상하의 어긋남량을 산출할 수 있다. 다음으로, 상하의 어긋남량과 입사 각도의 관계 정보를 이용하여 절대 깊이를 구할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시예를, 도면을 이용하여 설명했다. 단, 본 발명은 이상에 나타낸 실시형태의 기재 내용에 한정하여 해석되는 것이 아니다. 본 발명의 사상 내지 취지로부터 일탈하지 않는 범위에서, 그 구체적 구성을 변경할 수 있는 것이 가능하다.
또한, 도면 등에 있어서 나타내는 각 구성의 위치·크기·형상·및 범위 등은, 발명의 이해를 용이하게 하기 위해, 실제의 위치·크기·형상·및 범위 등을 나타내고 있지 않을 경우가 있다. 따라서, 본 발명에서는, 도면 등에 개시된 위치·크기·형상·및 범위 등에 한정되지 않는다.
또한, 실시예에 있어서, 제어선이나 정보선은, 설명상 필요하다고 생각되는 것을 나타내고 있으며, 제품상 반드시 모든 제어선이나 정보선을 나타내고 있다고는 할 수 없다. 예를 들면 모든 구성이 상호 접속되어 있어도 된다.
또한, 계측 장치와 계측 장치에서 얻은 정보를 계산하는 처리 장치는, 별개의 구성으로서 기재하고 있지만, 처리 장치에 계측 장치를 도입해도 되고, 네트워크상에서 접속함으로써, 물리적으로는 서로 원격지에 설치되어 있어도 된다. 또한, 시스템은 동일 또는 복수의 계측 장치나 처리 장치를 포함해도 된다.
또한, 본 발명은 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니라, 다양한 변형예가 포함된다. 설명하는 실시예는 본 발명을 이해하기 쉽게 설명하기 위해 구성을 상세하게 설명한 것이며, 반드시 설명한 모든 구성을 구비하는 것에 한정되는 것이 아니다. 또한, 각 실시예의 구성의 일부에 대해서, 모순이 생기지 않는 범위에서 다른 구성에 추가, 삭제, 치환하는 것이 가능하다.
또한, 상기의 각 구성, 기능, 처리부, 처리 수단 등은, 그것들의 일부 또는 전부를, 예를 들면 집적 회로로 설계하는 등에 의해 하드웨어로 실현해도 된다. 또한, 본 발명은 실시예의 기능을 실현하는 소프트웨어의 프로그램 코드에 의해서도 실현할 수 있다. 이 경우, 프로그램 코드를 기록한 기억 매체를 컴퓨터에 제공하고, 그 컴퓨터가 구비하는 프로세서가 기억 매체에 저장된 프로그램 코드를 읽어낸다. 이 경우, 기억 매체로부터 읽어내진 프로그램 코드 자체가 상술한 실시예의 기능을 실현하게 되고, 그 프로그램 코드 자체, 및 그것을 기억한 기억 매체는 본 발명을 구성하게 된다.
1: 칼럼 2: 시료실
3: 전자총 4: 콘덴서 렌즈
5, 6: 편향기 7: 대물 렌즈
8, 9: 전자 검출기 10: 웨이퍼
11: XY 스테이지 12, 13: 앰프
14: 전자선 주사 컨트롤러 15: 스테이지 컨트롤러
16: 처리부 17: 연산부
18: 제어부 19: 표시 장치
21: 표시부 20: 서버

Claims (15)

  1. 시료 상(上)에 형성된 패턴의 치수를 측정하는 계측 장치로서,
    상기 패턴에 대하여 하전 입자선을 주사하여 조사(照射)하는 조사 광학계와,
    상기 조사에 의한 패턴으로부터의 반사 전자를 검출하는 검출기와,
    상기 패턴의 상면, 하면 및 측벽으로부터의 반사 전자의 신호 강도를 비교하는 신호 강도 비교부와,
    상기 비교의 결과와, 상기 상면 및 상기 하면의 높이의 차에 의거하여, 상기 측벽에 있어서의 임의의 위치의 높이를 산출하는 높이 산출부를 갖는 것을 특징으로 하는 계측 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 높이 산출부는, 상기 임의의 위치의 높이를 복수의 위치에 있어서 산출하고,
    상기 복수의 위치에 있어서의 높이에 의거하여, 상기 측벽의 단면 형상을 산출하는 형상 산출부를 갖는 것을 특징으로 하는 계측 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 형상 산출부는, 상기 측벽의 단면 형상을 복수의 단면 방향에 있어서 산출하고, 상기 측벽의 입체 형상을 산출하는 것을 특징으로 하는 계측 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 형상 산출부는, 상기 하전 입자선과 시료의 면의 상대 각도가 다른 각도로 복수의 상기 주사를 행했을 때의, 복수의 반사 전자의 신호 강도에 의거하여, 상기 측벽에 있어서의 임의의 위치의 높이를 산출하는 것을 특징으로 하는 계측 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 형상 산출부는, 상기 하전 입자선의 강도 분포 정보와, 상기 비교의 결과와, 상기 상면 및 상기 하면의 높이의 차에 의거하여, 상기 측벽에 있어서의 임의의 위치의 높이를 산출하는 것을 특징으로 하는 계측 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 형상 산출부는, 상기 하전 입자선의 강도 분포 정보와, 상기 비교의 결과와, 상기 상면 및 상기 하면의 높이의 차에 의거하여, 상기 측벽에 있어서의 임의의 위치의 높이를 복수의 위치에 있어서 산출하고,
    상기 형상 산출부는, 상기 복수의 위치에 있어서의 높이에 의거하여, 상기 측벽의 제2 단면 형상을 산출하고, 상기 측벽의 단면 형상 또는 다른 수단으로 추정된 측벽의 단면 형상과 상기 측벽의 제2 단면 형상을 비교하고, 상기 비교의 결과에 의거하여 상기 측벽의 단면 형상을 보정하고, 보정된 상기 측벽의 단면 형상과 상기 측벽의 제2 단면 형상의 비교의 차가 허용값 이하가 될 때까지 상기 보정을 행하는 것을 특징으로 하는 계측 장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 형상 산출부는, 상기 하전 입자선의 강도 분포 정보와, 상기 측벽의 단면 형상 또는 다른 수단으로 추정된 측벽의 단면 형상과, 상기 비교의 결과와, 상기 상면 및 상기 하면의 높이의 차에 의거하여, 상기 측벽에 있어서의 임의의 위치의 높이를 복수의 위치에 있어서 산출하고,
    상기 형상 산출부는, 상기 복수의 위치에 있어서의 높이에 의거하여, 상기 측벽의 제2 단면 형상을 산출하고, 상기 측벽의 단면 형상 또는 다른 수단으로 추정된 측벽의 단면 형상과 상기 측벽의 제2 단면 형상을 비교하고, 상기 측벽의 단면 형상 또는 다른 수단으로 추정된 측벽의 단면 형상을 보정하고, 보정된 상기 측벽의 단면 형상과 상기 측벽의 제2 단면 형상의 비교의 차가 허용값 이하가 될 때까지 상기 보정을 행하는 것을 특징으로 하는 계측 장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 형상 산출부는, 상기 측벽에 있어서의 임의의 위치에서 계산한 반사 전자 신호 강도보다도 실제로 계측한 반사 전자 신호 강도의 쪽이 클 경우, 상기 위치에 있어서의 높이를 높게 보정하고, 상기 측벽에 있어서의 임의의 위치에서 계산한 반사 전자 신호 강도보다도 실제로 계측한 반사 전자 신호 강도의 쪽이 작을 경우, 상기 위치에 있어서의 높이를 낮게 보정하는 것을 특징으로 하는 계측 장치.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 하전 입자선의 강도 분포 정보와 높이의 관계에 관한 관계식 또는 데이터 테이블의 저장부를 갖는 것을 특징으로 하는 계측 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 높이 산출부는, 상기 측벽에 있어서의 임의의 위치와 산출한 높이에 의거하여, 상기 측벽에 있어서의 2점간 이상의 치수를 출력하는 것을 특징으로 하는 계측 장치.
  11. 시료 상에 형성된 패턴의 치수를 측정하는 계측 장치로서,
    상기 패턴에 대하여 하전 입자선을 주사하여 조사하는 조사 광학계와,
    상기 조사에 의한 패턴으로부터의 전자를 검출하는 검출기와,
    상기 하전 입자선과 상기 시료의 상대 각도를 변경하는 경사 기구와,
    상기 시료에 대하여 제1 입사 각도로 상기 하전 입자선을 주사했을 때의, 상기 시료의 상면 및 하면에 있어서의 임의의 각각의 위치의 제1 상대 거리와, 상기 시료에 대하여 제2 입사 각도로 상기 하전 입자선을 주사했을 때의, 상기 시료의 상면 및 하면에 있어서의 임의의 각각의 위치의 제2 상대 거리에 의거하여, 상기 시료의 상면으로부터 하면의 높이를 산출하는 높이 산출부를 갖는 것을 특징으로 하는 계측 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 높이 산출부는, 상기 시료의 상면에 있어서의 임의의 위치의 특정에는 이차 전자상(像)을 이용하고, 상기 시료의 하면에 있어서의 임의의 위치의 특정에는 반사 전자상을 이용하는 것을 특징으로 하는 계측 장치.
  13. 시료 상에 형성된 패턴의 형상을 측정하는 계측 방법으로서,
    상기 패턴에 대하여 하전 입자빔을 주사하여 조사하는 조사 스텝과,
    상기 조사에 의한 패턴으로부터의 전자를 검출하는 검출 스텝과,
    상기 패턴의 상면, 하면 및 측벽으로부터의 전자의 신호 강도를 비교하는 신호 강도 비교 스텝과,
    상기 비교의 결과와, 상기 상면 및 상기 하면의 높이의 차에 의거하여, 상기 측벽에 있어서의 임의의 위치의 높이를 산출하는 높이 산출 스텝을 갖는 것을 특징으로 하는 계측 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 높이 산출 스텝은, 상기 임의의 위치의 높이를 복수의 위치에 있어서 산출하는 스텝이며,
    상기 복수의 위치에 있어서의 높이에 의거하여, 상기 측벽의 단면 형상을 산출하는 형상 산출 스텝을 갖는 것을 특징으로 하는 계측 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 형상 산출 스텝은, 상기 측벽의 단면 형상을 복수의 단면 방향에 있어서 산출하고, 상기 측벽의 입체 형상을 산출하는 것을 특징으로 하는 계측 방법.
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