KR940000735B1 - 전자비임 길이 측정장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

전자비임 길이 측정장치

제1도 종래의 미세패턴의 치수측정법의 설명도.

제2도 2차전자에너지와 입사전자에너지와이 비와 2차전자발생 효율과의 관계를 나타낸 그래프.

제3도 본 발명의 일실시예에 있어서의 전자비임길이 측정장치를 나타낸 개략도.

제4도 본 발명의 일실시예에 있어서의 피측정시료의 단면설명도.

제5도 본 발명의 일실시예에 있어서의 2차전자에너지 분포를 나타내 그래프.

제6도 본 발명의 일실시예에 있어서의 피측정시료의 전자비임 조사위치와 2차전자 검출량과의 관계를 나타낸 그래프.

본 발명은 반도체기판면에 형성되어 있는 전극배선 등의 미세패턴의 치수를 전자비임을 사용하여 측정하는 전자비임길이 측정장치에 관한 것이며, 특히 복수의 상이한 재료로 이루어진 시료면(試料面)에서의 패턴치수 측정에 적합한 전자비임길이 측정장치에 관한 것이다.

전자비임을 사용하여 2차전자량을 검출하여 패턴치수를 측정하는 종래예로서 "이사다(石田)등 : 미소치수계측에 있어서의 전자신호파형의 시뮬레이션, 1980년 추계응물(應物)강연회자료, 제324면, 17a-F-2"가 있다. 이것은 제1도에 나타낸 것과 같이 Si(실리콘)기판(23)상에 형성되어 있는 W(텅스텐)게이트(24)의 패턴치수를 기판면상에서 전자비임을 주사(走査)하는 것으로 얻어지는 2차전자신호(25)의 에지(edge)신호(26)가 W게이트(24)의 에지형상에 대응하는 것으로서 구하는 것이다. 상기 이시다 등의 문헌에서는 시료에서 발생하는 2차전자량에 대응하는 신호만으로 패턴치수를 결정하고 있다. 그러나, 제1도의 경우 W게이트(24)의 막두께가 두꺼워서 그 에지형상이 양호했다는 것, 시료기판의 단면형상이 기지의 것이었으므로, 2차전자신호로부터 에지신호를 독취할 수 있었지만, 항상 상기와 같은 조건이 충족되어 있는 것은 아니다. 오히려, 전자디바이스의 고밀도화에 따라서 W게이트의 박막화(薄膜化)가 진전되면 Si 기판에서의 2차전자신호레벨과 W게이트에서의 신호레벨에는 그다지 차이가 없는 것이 일반적으로, 또 비파괴의 시료측정에서는 단면구조를 알 수 없을 경우가 통상이고, 이와 같은 경우에 2차전자신호로부터 에지신호를 분리하는 것은 곤란하다. 그리고, 제1도의 상부(21)는 상기 기판의 단면구조를 나타내고, 하부(22)는 상부(21)에 나타낸 단면구조의 각 위치에 대응하는 2차전자 개수를 나타낸 그래프이다.

한편, 2차전자의 에너지분포에는 물질고유의 정보가 포함되어 있는 것은 공지[예를 들면 "오가와(小河) 등 : 오거마이크로프로브(Augermicro probe)에 의한 2차전자의 측정, 1984년, 춘계응물강연회 자료, 제291면, 29p-x-10"참조]이며, 일반적으로 반도체를 포함한 절연물의 2차전자에너지분포와, 금속의 2차전자에너지분포에는 제2도에 나타낸 바와 같은 차이가 있는 것이 알려져 있다(P. R. Thornton : "Scanning Elctron Microscocopy", 제104~105면, 1968, Chapman and Hall Ltd. 출판, 영국 참조). 즉, 금속의 2차전자에너지 분포에 비해 반도체의 그것은 보다 폭이 좁고, 2차전자발생효율 σ이 최대로 되는 위치(반도체에서는 부호 35, 금속에서는 부호 36으로 나타냄)의 2차전자에너지가 반도체에서는 2.5~5eV로 금속의 5~10eV에 비해 작은 것이 알려져 있다. 그리고, 제2도에 있어서, 곡선(31),(32)(33) 및 (34)은 각각 반도체를 포함하는 절연재료의 2차전자의 경우, 금속의 2차전자의 경우, 반도체를 포함하는 절연재료의 반사전자의 경우 및 금속의 반사전자의 경우이다.

본 발명의 목적은 상기 종래의 전자비임길이 측정장치에 있어서의 난점을 해소하고, 시표표면에 있어서의 단차부(段差附)는 물론, 상이한 물질로 구성된 경계도 단차의 유무에 관계없이 검출하여, 피측정패턴의 치수를 정확히 측정할 수 있는 전자비임길이 측정장치를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 전자비임길이 측정장치는 전자비임을 미소 스포트에 집속(集束)하고, 이 전자비임을 피측정 패턴이 형성되어 있는 시료상에서 주사하고, 전자비임의 조사(照査)에 의해 시료면에서 발생하는 2차전자를 검출하고, 이 검출신호의 강도와 전자비임 조사위치와의 관계를 구하며, 이 관계로부터 피측정패턴의 치수를 결정하는 주지의 전자비임길이 측정장치에 있어서, 전자비임주사에 의해 발생하는 전(全) 2차전자량에 대응하는 신호를 검출하는 2차전자검출기와, 특정의 에너지의 2차전자량에 대응하는 신호를 선택적으로 검출하는 2차전자에너지분석기를 구비하여 이루어진 것이다.

상기 2차전자검출기와 2차전자에너지분석기에는 2차전자 검출신호의 강도와 전자비임 조사위치와의 관계를 알기 위한 신호처리장치, 즉 필요한 증폭기, 오실로그래프 등이 접속되어 있는 것은 물론이다.

상기와 같이, 본 발명의 전자비임길이 측정장치는 2차전자에너지 분석기를 구비하고 있으므로, 2차전자의 에너지분포의 물질에 의한 상위를 정보로 하여, 시료표면에 있어서의 상이한 물질로 구성된 경계도 단차의 유무에 관계없이 검출할 수 있다. 따라서, 본 발명의 장치에서는 예를 들면 반도체기판상에 형성된 미세패턴의 단차부로부터의 2차전자량의 신호검출과, 물질차에 의한 2차전자에너지분포의 차이의 검출을 조합함으로써 패턴치수를 종래보다 현저하게 정확히 측정할 수 있다.

전술한 바와 같이, 최대의 2차전자발생효율이 얻어지는 2차전자에너지가 반도체에서는 2.5~5eV, 금속에서는 5~10eV이므로, 반도체기판표면에 금속패턴이 존재할 경우, 본 발명의 장치를 사용하면 예를 들어 에너지가 10eV부근 또는 약 10eV 이상에서의 2차전자량을 검출하면 물질경게위치를 분리 판별할 수 있게 된다. 이에 대하여, 제1도에 예시한 종래 방식에서는 여러가지 에너지의 2차전자의 총수를 계측해 버리므로 물질에 의한 상기와 같은 차이는 반영되지 않는다.

즉, 본 발명의 전자비임길이 측장치에서는 시료표면에 있어서의 요철패턴은 상기 2차전자검출기에 의해, 이종(異種)재료에 의한 패턴은 2차전자에너지분석기에 의해, 이종재료의 경계에 요철이 있는 패턴은 그 양자에 의해 측정된다. 그리고, 동일한 재료의 요철패턴의 측정을 위하여, 2차전자검출기는 필요하다.

이상과 같이, 전자비임과 물질과의 상호작용은 2차전자량과 그 에너지분포로 반영되고, 특히 2차전자의 에너지분포에는 물질고유의 정보가 포함되어 있다. 종래의 전자비임에 의한 패턴치수측정에서는, 패턴을 구성하는 물질로부터의 전 2차전자량의 변화를 사용하고 있으므로, 물질차의 검출은 불명료했었다. 이에 대하여, 본 발명은 2차 전자의 에너지분포를 측정하여 물질 고유의 신호도 검출하는 것으로, 단자가 작은 패턴에 대하여도 패턴경계검출을 가능하게 하는 것이다.

전 2차전자량에 대응하는 신호를 검출하는 상기 2전자검출기에는 광전자배증관(光電子倍增管)을 갖는 주지의 시틸레이션(scintillation) 계수관(計數管), 상기 2차전자에너지분석기에는 주지의 원통경면형(鏡面形)에너지분석기(이하, CMA라고 약기함)를 사용하는 것이 일반적이지만, 이들과 같은 측정목적으로 사용할 수 있는 것에서는 상기에 한정되지 않는다.

또, 2차전자검출기와 2차전자에너지분석기는 종래의 전자비임길이 측정장치에 있어서 2차전자검출기를 설치할 경우와 마찬가지로 설치하면 되고, 즉 2차전자가 수취되는 위치에 수취되는 자세로 설치하면 된다.

전자비임의 주사는 전자비임 또는 시료의 이동에 의해 행해진다.

다음에, 본 실시예에 대하여 제3도~제6도에 따라서 설명한다. 제3도는 본 실시예의 전자비임길이 측정장치의 구성을 나타낸 개략도, 제4도는 피측정 시료의 단면설명도, 제5도는 시료기판 및 기판상의 패턴(전극금속박막)의 각각으로부터의 2차전자에너지분포도, 제6도는 시료표면에 있어서의 전자비임 조사위치와 2차전자검출량과의 관계를 나타낸 그래프이며, 상부(13)는 2차전자검출기(3)에 의한 경우, 하부(14)는 2차전자에너지분석기(4)에 의한 경우이다. 그리고, 제3도~제6도에 있어서, 각 부호는 공통이다.

제3도에 나타낸 장치에 있어서, 대물렌즈(6)에 의해 피측정패턴이 형성되어 있는 피측정시료(5)상에 전자비임(1)을 미세하게 접속한다. 그 결과 발생하는 2차전자(2)를 2차전자검출기(3) 및 2차전자에너지분석기(4)에 의해 검출하여 그 신호변동에 의해 패턴위치를 계측한다. 본 실시예에서는 2차전자검출기(3)로서 광전자배증관을 가진 신틸레이션계수관을 사용하고, 2차전자에너지분석기(4)로서는 CMA를 사용했다. 그리고, 제3도의 부호(7)은 시료 이동대이다.

다음에, 제4도~제6도에 따라서 본 발명의 동작에 대하여 설명한다. 제4도에 나타낸 바와 같이, 예를 들면 Si로 이루어진 반도체기판(8)상에 형성된 예를 들면 W로 이루어진 전극금속박막(9)을 피측정패턴으로 하여 전자비임(1)을 화살표(12) 방향으로 주사할 경우, 물질이 상이한 경계부의 위치 a에서 단차(段差)가 거의 없으며, 위치 b에 만약 1㎛의 단차가 있는 시료의 a-b간 치수를 측정하면, 제6도의 (13)에 나타낸 2차전자의 발생량에 대응하는 검출신호(종래는 이것밖에 없음)로부터는 위치 b부의 단차는 검출되지만, 위치 a에서는 2차전자발생효율의 물질에 의한 차이가 작을 경우, 그 경계를 검출할 수 없다. 다음에, 2차전자에너지분석기(4)에 의해 2차전자의 에너지분석을 행하여 에너지분포곡선을 구하면 제5도에 나타낸 바와 같이 물질고유의 피크나 흡수를 볼 수 있다. 제5도에 있어서, 곡선(10)은 제4도의 반도체기판(8)으로부터의 2차전자에너지분포곡선, 파선곡선(11)은 제4도의 전극금속박막(9)으로부터의 2차전자에너지분포 곡선이다. 따라서, 전극금속박막(9)으로부터의 2차전자에너지분포곡선(11)의 피크가 발생하는 위치의 2차전자 에너지치 E_A에 착안하여, 2차전자에너지분석기(4)에 의해 에너지치가 E_A또는 E_A이상의 2차전자를 검출하면 제6도의 (14)와 같이 종래법에서는 검출할 수 없었던 물질경게위치 a의 검출이 가능하게 되며, 정확한 위치정보가 얻어진다.

2차전자에너지분석기(4)로서는, 본 실시예에서의 사용한 CMA 뿐만 아니고, 주지하는 바와 같이 2차전자검출기의 앞에 에너지필터로 이루어진 전극그리드를 설치한 측정기로도 CMA와 같은 효과가 얻어진다.

상기 실시예에서는 시료기판의 표면을 구성하는 각 재료의 2차전자에너지분포곡선을 구하고, 2차전자에너지분석기로 검출해야 할 2차전자의 에너지 E_A를 정하고나서, 시료면상에 전자비임을 주사하여 제6도에 나타낸 바와 같은 각 위치에서의 2차전자검출량의 데이터를 얻고 있다. 그러나, 시료면을 구성하는 재료를 미리 알고 있고, 상기 2차전자에너지가 E_A도 기지의 경우에는 제5도와 같은 2차전자에너지분포곡선을 구하지 않고, 그 기지의 E_A를 사용하여 제6도와 같은 시료표면의 위치와 2차전자검출량과의 관계를 구해도 된다.

또, 동일재료의 요철패턴과 이종재료에 의한 패턴을 종합적으로 치수측정하기 위하여, 2차전자검출기(3)에 의해 제6도의 (13)에 대응하는 그래프와, 2차전자에너지분석기(4)에 의한 제6도의 (14)에 대응하는 그래프는 위치를 나타내는 횡축의 단위를 동일하게 하고, 양 그래프를 대조하면서 서로 용이하게 비교할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면 단차부가 작은 이종재료에 의한 패턴경제영역의 정호가한 검출이 가능하게 되고, 따라서 종래법의 2차전자발생량에 대응하는 검출신호로는 측정할 수 없었던 패턴구조의 치수측정이 가능하게 된다. 반도체 프로세서에 있어서의 미세패턴의 대부분이 복수의 상이한 물질로 구성되고, 반도체 디바이스의 미세화에 따라 패턴 단차가 더욱 작아지는 경향이 있으므로 본 발명의 효과는 크다.

본 발명의 전자비임길이 측정장치에 있어서, 본 명세서에 기재지 않는 사항에 대하여는 종래의 기술을 이용할 수 있다.

Claims (5)

1. 전자비임을 미소 스포트에 집속(集束)하고, 이 전자비임을 피측정패턴이 형성되어 있는 시료상에서 주사(走査)하고, 전자비임의 조사(照査)에 의해 시료면에서 발생하는 2차전자를 검출하고, 이 검출신호를 신호처리하여 피측정패턴의 치수를 결정하는 전자비임 길이 측정장치에 있어서, 상기 주사에 의해 발생하는 전(全) 2차전자량에 대응하는 신호를 검출하는 2차전자검출기와, 특정의 에너지의 2차전자량에 대응하는 신호를 선택적으로 검출하는 2차전자에너지분석기를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 전자비임길이 측정장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 2차전자에너지분석기가 원통경면형(鏡面形) 에너지분석기인 것을 특징으로 하는 전자비임길이 측정장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 2차전자에너지분석기가 에너지필터로 이루어지는 전극그리드를 앞면에 설치한 2차전자검출기인 것을 특징으로 하는 전자비임길이 측정장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 2차전자검출기가 신틸레이션계수관(計數管)인 것을 특징으로 하는 전자비임길이 측정장치.
5. 제2항에 있어서, 상기 2차전자검출기가 신틸레이션계수관인 것을 특징으로 하는 전자비임길이 측정장치.

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