TW202420369A - 帶電粒子束成像裝置的失真測量和參數設定的方法及對應裝置 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種用於測定帶電粒子束成像裝置的影像失真程度的測量方法。 該方法包含使用帶電離子束裝置提供樣本區域的複數個影像，並基於複數個影像之間的對應物件的位移來測定影像失真的測量值。還提供了一種基於影像失真的測量值來設定帶電粒子束成像裝置的一個或多個參數的方法以及相應的裝置和系統。

Description

帶電粒子束成像裝置的失真測量和參數設定的方法及對應裝置

本發明係關於用於測量由帶電粒子束成像裝置所拍攝影像的失真的方法，以及基於失真的測量值來設定帶電粒子束成像裝置的參數的方法，以及涉及包括帶電粒子束成像裝置的對應系統。

半導體結構是人類製造的結構中最細微的之一，且容易受到不同缺陷的影響。用於定量三維計量、缺陷檢測或缺陷檢查的設備旨在檢測這些缺陷。半導體結構的製造是基於先前的知識。半導體結構是由平行於基板的一系列層次製造。例如，在邏輯型樣本中，金屬線在金屬層次或高深寬比（HAR）結構中平行運行，而金屬通孔則垂直運行到金屬層上。不同層次的金屬線之間的角度為0°或90°。另一方面，對於VNAND型結構，已知它們的截面平均呈現圓形。

半導體晶圓直徑為300 mm，包含多個區域，稱為晶粒（dies），每個晶粒包括至少一個積體電路圖案，例如用於記憶體晶片或處理器晶片。在製造過程中，半導體晶圓通過約1000道製程步驟，並在半導體晶圓內形成約100多個平行層，包括晶體層、中線層和互連層，在記憶體裝置中還包括複數個3D記憶單元陣列。半導體結構和圖案的尺寸、形狀和位置受到多種影響。在3D記憶體設備的製造中，目前的關鍵製程是蝕刻和沉積。其他參與的製程步驟，如微影曝光或佈植，也對積體電路元件的性質產生影響。

積體電路的深寬比和層數不斷增加，結構正在擴展至第三（垂直）維度。目前記憶疊層的高度已超過十幾微米。相反地，特徵尺寸正在變得更小。最小特徵尺寸或臨界尺寸小於10 nm，例如7 nm或5 nm，未來可能接近3奈米以下的特徵尺寸。雖然半導體結構的複雜性和尺寸正在擴展至第三維度，但積體半導體結構的橫向尺寸變得更小。因此，高精度測量3D特徵和圖案的形狀、尺寸和方向以及它們之間的重疊變得具有挑戰性。

分析此類半導體裝置的常見方法是使用帶電粒子束成像裝置和系統，例如掃描電子顯微鏡（SEM）系統，它們使用一個或多個帶電粒子束對樣本進行掃描。使用多個電子束的SEM系統，也被稱為多束SEM，其具有例如效能方面的優勢。

隨著對帶電粒子成像系統的三維解析度需求不斷提高，對晶圓中積體半導體電路的檢查和三維分析變得越來越具挑戰性。帶電粒子系統的橫向測量解析度通常受到各個影像點的採樣光域或樣本上每個像素的駐留時間以及帶電粒子束直徑的限制。採樣光域的解析度可以在成像系統內設置，並且可以調整成適用於樣本上的帶電粒子束直徑。典型的光域分辨率為2 nm或以下，但光域解析度的限制可以降低而沒有物理限制。帶電粒子束直徑具有限制的尺寸，這取決於帶電粒子束的操作條件和透鏡。光束解析度大約受到光束半徑的限制。解析度可以低於2 nm，例如甚至低於1 nm。

從半導體樣本產生奈米級 3D 斷層掃描資料的常見方法是所謂的切片和影像方法，例如透過雙光束裝置詳細闡述的方法。切片和成像方法的一個描述可見於 WO 2020/244795 A1。根據WO 2020/244795 A1所描述的方法，從半導體晶圓中提取一個檢測樣本，從而獲得了檢測樣本的3D容積檢測。 此方法的缺點是必須破壞晶片才能獲得塊狀的檢查樣本。 如WO 2021 / 180600 A1中所述，該缺點已透過利用在半導體晶片表面的傾斜角度下的切片和成像方法來解決。根據此方法，透過對檢查容積的多個橫截面進行切片和成像來獲得檢測容積的3D容積影像。在第一個精確測量的示例中，產生了大量 N 個檢測容積的橫截面表面，其中數量 N 超過100個或甚至更多的影像切片。例如，在具有5 µm橫向尺寸和5 nm切片距離的容積中，將切割並成像了1000個切片。這種方法非常耗時，可能需要幾個小時才能完成一個檢測點。根據不同的檢測任務，不一定需要獲得完整的3D容積影像。檢測的任務是測定半導體物件的特定參數集，例如檢測容積內的高深寬比（HAR）結構。為了測定特定參數集，可以減少容積中的影像切片數量。WO 2021/180600 A1說明了一些利用減少影像切片數的方法。例如，在一個示例中，該方法應用先驗訊息。從單個橫截面表面和以前測定步驟的3D容積影像中，可以導出HAR結構的性質。

為了進行正確的評估，拍攝到的影像需要符合嚴格的要求，特別是關於影像失真的要求。影像失真可能導致影像中出現偽影，這可能例如與裝置結構本身的缺陷混淆。WO2021/180600 A1將基於模型的校正應用於影像數據，例如透過從影像中提取典型的模型失真多項式。根據成像設定選擇典型的模型失真多項式。例如，可以在具有楔形切割幾何形狀的切片和影像方法中在傾斜成像條件下考慮楔形失真。

然而，在某些情況下，這種方法可能不夠準確。例如，在這種方法中，存在將半導體特徵的實際缺陷移除的風險（即實際缺陷被視為失真並被移除），或者透過從影像中減去過大的失真模式而引入失真，這對應於過度校正。透過減去基於模型的失真而無意中修改要測量的數據（即影像）的風險隨著成像過程的失真的幅度而增加。

DE 10 2021 130 710 A1公開了粒子束顯微鏡的調節，特別是光束位置的調節。進行不同焦點設定拍攝影像，如果粒子束調整不正確，則影像之間就會出現偏移。

DE 10 2021 200 799 B3公開了一種用於調節粒子束顯微鏡的焦點設定以考慮像平面的傾斜的方法。

為了改善影像的失真，或者至少將影像的失真保持在可接受的等級，需要提供一種衡量失真的方法。此外，基於這種衡量方法，也需要進一步改善失真。

根據第一實施態樣，一種用於測定帶電粒子束成像裝置的影像失真測量的方法，包括：使用該帶電離子束裝置提供樣本區域的複數個影像；以及根據該複數個影像之間對應物件的位移來測定該影像失真的測量值。

影像失真的測量是指量化或表徵影像失真的一個或多個值。利用上述方法，可以根據從測試樣本等處拍攝的影像來提供測量。此措施可用於監測目的或用於控制帶電粒子束成像裝置。影像失真可以是基於系統的機械漂移而引起的影像失真。

在一些實施例中，根據位移來測定該影像失真的測量值包括識別複數個影像中的該對應物件，以及測量該影像中的物件座標。對應物件表示相同的物件，例如 結構相同，但影像不同。

可以使用相同的焦點設定來擷取多個影像，例如， 相同的標稱焦點設定。標稱焦點設定是由控制器設定的焦點設定。在這種情況下，影像之間的變化特別是由裝置組件的機械漂移或還有振動引起。

在一些實施例中，該方法包括在識別該對應物件並測量該物件座標前，對齊該複數個影像。如此可以去除或平均掉以相同方式影響整個影像的效應。

在一些實施例中，為了根據位移來測定影像失真的測量值，該方法還包括對該複數個影像中的成對影像的對應物件座標進行轉換擬合，以及基於擬合函數測定該成對影像的最大位移值。透過使用例如仿射轉換之類的轉換，可以至少部分地消除在測定座標時的誤差。

在一些實施例中，該成對影像包括短暫地相鄰的成對影像。即，由帶電粒子束成像裝置即時拍攝的影像對。在其他實施例中，可以使用其他影像對，例如所有可能的影像對。

在一些實施例中，該方法還包括根據不同成對的最大位移值的函數來測定影像失真的測量值。換言之，此測量值是基於上述多個最大位移值來決定。

在一些實施例中，該函數選自由最大值測定函數（生成所有最大位移值的最大值）、最小值測定函數（生成所有最大位移值的最小值）、平均函數（生成所有最大位移值的平均值）和中位數函數（生成所有最大位移值的中位數）所組成的群組。

在一些實施例中，該方法還包括將影像失真的測量值標準化至影像所拍攝的部分樣本的尺寸，也稱為影像的實際尺寸，即影像中所拍攝的部分樣本在現實中的實際尺寸。以這種方式，對於不同尺寸的部分影像失真的測量變得具有可比較性。

在一些實施例中，該帶電粒子束成像裝置為多束粒子束掃描電子顯微鏡，其可以透過使用多束例子束以實現高通量。

根據第二實施態樣， 一種帶電粒子束成像裝置的控制方法，包括：提供帶電粒子束成像裝置的影像失真的測量值；以及根據該影像失真的測量值來設定帶電粒子束成像裝置的至少一個參數。

以此方式，在一些實施例中，可以最佳化帶電粒子束裝置的一個或多個參數。 至少一個參數的設定可以自動執行或至少部分根據使用者的輸入來執行，其中該方法自動向使用者提供協助，例如根據要設定的參數顯示失真的測量值。

在第二實施態樣的一些實施例中，該影像失真的測量值係由第一態樣所述的任一方法來提供。

在一些實施例中，該提供影像失真的測量值是針對該至少一個參數的複數個值來執行的，並且該至少一個參數是基於閾值失真來設定。以此種方式，在一些實施例中，可以獲得小於閾值失真所表示的影像失真。

在一些實施例中，其中該至少一個參數包括該帶電粒子束成像裝置的幀速率、駐留時間、影像解析度、射束電流、樣品安裝參數、銑削參數、成像角度和該帶電粒子束成像裝置的掃描參數。因此，可以優化各種參數。 其中一些參數可用於平衡較高的機械漂移，例如 較高的幀速率（單一影像的時間較短）使影像不易受到機械漂移的影響。

在一些實施例中，設定該至少一個參數係進一步基於預先定義的雜訊比閾值。以這種方式，可以另外考慮影像的訊號雜訊比。

在一些實施例中，該參數包括影像解析度，挑選該影像解析度以滿足失真閾值和該預先定義的訊號雜訊比閾值。 透過設定影像解析度，可以選擇各個像素的駐留時間以實現所需的訊號雜訊比，並且可以選擇獲取影像的幀時間以實現所需的失真。因此，可以在不同的需求之間找到平衡，特別是對訊號雜訊比（其中較高的駐留時間是有利的）和失真（其中較短的拍攝影像的時間，即，較高的幀速率）是有幫助的。

根據第三實施態樣，一種裝置包括：一控制器，其配置為：使用帶電離子束裝置接收樣本區域的複數個影像；以及根據該複數個影像之間的對應物件的位移來測定影像失真的測量值。

根據第四實施態樣，一種裝置包括：提供帶電粒子束成像裝置的影像失真的測量值；以及根據該影像失真的測量值來設定帶電粒子束成像裝置的至少一個參數。

在一些實施例中，第四實施態樣的裝置係配置為執行第一和第二實施態樣中任一所述的方法。上述對於方法的解釋也適用於裝置。

再者，一種系統包括：如第三及/或第四實施態樣所述的裝置；以及一帶電粒子束成像裝置。

以下將參考附圖描述各種實施例。 這些實施例僅作為示例並且不應被解釋為在任何方面具有限制性。

不同實施例的特徵可以結合形成更多的實施例。對於其中一個實施例所描述的變化、修改和細節也適用於其他實施例，因此不再重複描述。

在附圖中，對應的元件以相同的元件符號表示。

圖1描述根據一實施例的檢測系統，例如晶圓檢測系統。圖1中的系統包括帶電粒子束成像裝置500，其配置為用於提供行程在晶圓上的半導體結構的影像，例如上述提到的HAR-結構。在其他實施例中，可以檢查用於製造半導體裝置的光罩，而不僅僅是形成在晶圓或晶片上的半導體結構。然而，在以下的說明中，半導體結構將作為非限制性的示例。在各種實施方式中，帶電粒子束成像裝置500可以是掃描電子顯微鏡（SEM）裝置，正如在前述部分所描述的，或者如在下面進一步參考圖3和圖4時所述。本技術領域具有通常知識者也可以使用其他已知的帶電粒子束成像裝置，例如使用離子束而不是電子束的裝置。

帶電粒子束成像裝置500提供半導體結構的影像。在一些實施方例中，這包括銑削（milling）製程，以提供對半導體裝置的三維斷層掃描（tomography）。

帶電粒子束成像裝置500拍攝的影像包括影像失真。帶電粒子束成像裝置中的影像失真主要由三個因素引起。

（i） 帶電粒子束成像裝置本身的結構引起的失真，特別是負責成像的部分，例如所謂的成像柱（imaging column）。這些失真可能類似或對應於光學像差。例如，它們可能是由掃描過程引起的（掃描失真），或由成像過程的特定幾何形狀引起的失真。

（ii）處理檢查的樣本（例如其上的半導體結構）進行充電。此失真源取決於預充電條件以及測量過程中實際累積的電荷。局部樣本的電荷通常會因為短時間後的擴散過程而消失。顧名思義，由於帶電粒子束成像裝置的成像依賴帶電粒子，因此樣本上的電荷會影響影像，即導致失真。

預充電可以透過切片和成像過程最小化，而充電累積可以透過適應性掃描策略來減輕，例如通過分隔線的交叉掃描，以便相鄰的掃描線只在局部累積電荷的衰減時間之後進行掃描。換句話說，這種策略試圖避免當前掃描位置的電流測量受到先前掃描位置的先前測量過度影響，從而導致充電。

（iii） 影像取得過程中樣本的機械漂移。這意味著在影像取得過程中，樣品可能會移動，例如由於聲音震動等原因。例如，震動可能導致晶圓所安裝的台階、成像系統（掃描器、掃描光學系統等）或兩者都發生移動。

雖然上述的原因（i）基於帶電粒子束成像裝置500的幾何形狀和實施相對恆定，因此在數學上相對容易進行補償，而在（ii）下樣本/晶圓的充電可以透過一些策略來減輕，處理機械漂移可能會更加困難，例如引起機械漂移的震動可能也取決於環境因素。

帶電粒子束成像裝置500與評估/控制裝置501相連，例如一台電腦或其他處理系統。評估/控制裝置501可以控制帶電粒子束成像裝置500拍攝相同物件（例如半導體結構）的一系列影像，並可能在之前或之間進行切割步驟。基於這系列影像，如方塊504所示，評估/控制裝置501執行影像失真測量，即提供一個或多個表徵失真的測量值。這些表徵失真的一個或多個測量值將在本文中稱為“影像失真的測量值”或簡稱“失真測量值”。

在一些實施例中，失真測量值可以用於監控晶圓檢測過程，並在失真測量值變得過高，表明存在較大失真的情況下，將測量結果歸類為不可靠。換句話說，如方塊503所示，評估/控制裝置501根據失真測量值評估帶電粒子束成像裝置500的性能。此外，或者在其他實施例中，如方塊502所示，評估/控制裝置501可以根據失真測量值設定帶電粒子束成像裝置500的參數，例如以減少失真。需要設定的這些參數可能包括帶電粒子束的束流、加速電壓、駐留時間（即粒子束在一個位置進行測量的時間）、幀時間（即拍攝一幀影像所需的時間）、影像分辨率，也稱為幀分辨率，掃描參數等。透過提供失真測量值，可以促進對這些參數的優化，以找到參數空間中的「最佳區域」。

以下將進一步解釋影像失真測量值的詳細實施可能性、參數設定以及帶電粒子束成像裝置500的實施例。

圖2是根據一實施例的方法流程圖，其對應於圖1的檢測系統的運作。因此，圖2中的方法可以在圖1的系統中實施，或者可以在下文討論的其他系統和裝置中實施。

在步驟600中，該方法包括使用帶電粒子束成像裝置，例如圖1中的帶電粒子束成像裝置500，拍攝一系列影像，這些影像包括相同或相對應的結構。在某些實施例中，樣本是一個專門用於測定失真的測試晶圓或測試樣本。

在步驟601，如上所述測定影像失真的測量。為了測定影像失真的測量，例如可以使用一系列影像中的影像之間的對應物件的位移。

在步驟602，該方法包括基於失真的測量來設定帶電粒子束成像裝置（例如帶電粒子束成像裝置500）的參數。

在步驟603中，該方法包括根據失真測量值來評估性能，例如檢測影像失真何時處於可接受的值

步驟602和603可以同時執行，也可以只執行其中之一。 在一些實施例中，該方法被重複執行，例如用於以規則或不規則的間隔評估步驟603中的效能。在一些實施例中，在第一次運行期間可以執行步驟602來設定參數，然後在後續運行中可以執行步驟603。如果在步驟603中測量結果顯示為不可接受的失真，則該方法可以重複步驟602，以重新調整參數。

接下來，將描述圖1的系統和圖2的方法的實施例，且也可以使用其他實施方式。

首先，參考圖3和圖4，將描述帶電粒子束成像裝置500的實施例方式。 也可以使用其他實施方式，例如其他帶電粒子束成像裝置。

圖3顯示了一個用於3D容積檢測的帶電粒子束成像裝置1000的實施例，其為圖1中帶電粒子束成像裝置500的實施例。帶電粒子束成像裝置1000配置為在楔形切割幾何形狀下進行切片和成像方法，並使用雙光束裝置1。對於晶圓8，可以在檢測工具生成的位置圖或檢測清單中定義多個測量點，包括測量點6.1和6.2。晶圓8放置在晶圓支撐台15上。晶圓支撐台15安裝在具有致動器和位置控制的載物台155上。載物台155的移動（例如由於震動）是影像失真的示例原因之一。在技術中已知用於晶圓載物台155的精密控制的致動器和控制手段，例如雷射干涉儀。控制單元16配置為控制晶圓載物台155並調整晶圓8的測量點6.1，使其位於雙光束裝置1的交叉點43。控制單元16可以與圖1中的評估/控制裝置501一起實施，也可以是一個獨立的控制單元。雙光束裝置1包括具有FIB光學軸48的FIB柱50，以及具有光學軸42的帶電粒子束（CPB）成像系統40。FIB柱50和/或CPB成像系統40的震動或其他位移也會導致影像失真。

在FIB和CPB成像系統的光學軸的交叉點43處，晶圓表面以一個相對於FIB軸48的傾斜角GF排列。FIB軸48和CPB成像系統軸42之間包括角度GFE和CPB成像系統軸與晶圓表面55的法線形成角度GE。在圖3的座標系中，晶圓表面55的法線由z軸給出。

聚焦離子束（FIB） 51由FIB柱50產生，並以角度GF照射在晶片8的表面55上。在檢測點6.1，使用離子束銑削技術對晶圓進行銑削，以形成斜交叉截面表面，銑削的方向大致符合傾斜角GF。在圖3的示例中，傾斜角GF約為30°。由於聚焦離子束的離子束發散，形成的斜交叉截面表面的實際傾斜角可以因為離子束發散而形成一偏離傾斜角GF，最多可以偏離1°到4°，例如對於鎵離子束。使用帶電粒子束成像系統40，該系統傾斜至與晶圓法線成角度GE，以獲取銑削表面的影像。在圖3的示例中，角度GE約為15°。然而，也可以有其他佈置方式，例如GE = GF，使CPB成像系統軸42垂直於FIB軸48，或GE = 0°，使CPB成像系統軸42垂直於晶圓表面55。

在成像過程中，帶電粒子束成像系統40的掃描單元沿著測量點6.1的晶圓斜交叉截面表面上的掃描路徑掃描帶電粒子束44，並產生二次粒子和散射粒子。粒子檢測器17收集至少一部分二次粒子和散射粒子，並將粒子計數傳達至與控制單元19。還存在其他用於其他類型的相互作用產物的檢測器。控制單元19控制帶電粒子束成像柱40和FIB柱50，且連接到控制單元16並藉由晶圓載物台155控制在晶圓支撐台上的晶圓位置。控制單元19與操作控制單元2進行訊號傳遞，操作控制單元2觸發了晶圓載物台的移動，例如將晶圓8的測量點6.1放置和對齊到交叉點43，觸發了FIB銑削、影像拍攝和載物台移動的重複操作。控制單元19、16和2可以作為獨立實體來實施，也可以整合在單一控制裝置中，或者可以與圖3中的裝置501整合或分離。

每個新的交叉表面都由FIB束51銑削，並由帶電粒子成像束44進行成像，該成像束可以是例如掃描電子束或氦離子顯微鏡（HIM）的氦離子束。

在一實施例中，雙光束系統包括以第一角度GF1佈置的第一聚焦離子束系統50和以第二角度GF2佈置的第二聚焦離子柱，並且在第一角度GF1和第二角度GF2之間對晶圓進行旋轉銑削，同時藉由例如由垂直於晶圓表面佈置的成像帶電粒子束柱40執行成像。

圖4進一步說明楔形切割幾何形狀中的切片和成像方法的更多細節。 藉由在楔形切割幾何形狀反覆進行切片和成像方法，生成複數個J型截面影像切片，其中包括橫截面表面52、53.i…53.J的影像切片，以及生成在測量位置6.1處的晶圓8的檢查位置6.1處的檢查容積160的3D容積影像。圖4說明以3D記憶體堆疊為例的楔形切割幾何結構。橫截面表面53.1...53.N以約30°的角度GF相對於晶圓表面9使用FIB束51進行銑削，但也可以使用其他GF角度，例如GF = 20°至GF=60°之間的角度。圖4說明當表面52是最後一個被FIB 51銑削的新交叉截面表面的情況。橫截面表面52由SEM束44進行掃描，以圖4為例，SEM束44被安排成正向入射到晶圓表面55，並生成高解析度的交叉截面影像切片。這個橫截面影像切片包括第一橫截面影像特徵，這些特徵是由與高深寬比（HAR）結構或通孔的交叉形成（例如高深寬比-結構4.1、4.2和4.3的第一橫截面影像特徵），以及由與層L.1…L.M的交叉形成的第二橫截面影像特徵，其包括例如SiO ₂、SiN或鎢線。有些線也稱為「字線（word-lines）」。層的最大數量M通常大於50，例如大於100或甚至大於200。HAR結構和層延伸遍及晶圓中的大部分容積，但可以包括間隙。 HAR結構通常具有低於100 nm的直徑，例如約80 nm，或例如40 nm。 因此，橫截面影像切片包含第一橫截面影像特徵，作為對應XY位置處不同深度（Z）處的HAR結構覆蓋區的交叉點或橫截面。

在圓柱形垂直記憶體HAR結構的情況下，所獲得的第一個橫截面影像特徵是在由傾斜橫截面表面52上的結構的位置測定的各種深度處的圓形或橢圓形結構。記憶體堆疊在垂直於晶片表面55的Z方向。將厚度d或兩個相鄰橫截面影像切片之間的最小距離d調節至通常為幾奈米量級的值，例如30 nm、20 nm、10 nm、5 nm、4 nm或甚至較低。 一旦利用FIB去除了預定厚度d的材料層，下一個橫截面表面53.i…53.J就會暴露出來，並且可以利用帶電粒子成像束44進行成像。

圖5的示例說明第i個和第（i+1）個橫截面影像切片。垂直HAR結構作為第一橫截面影像特徵出現在橫截面影像切片中，例如第一橫截面影像特徵77.1、77.2和77.3。由於成像帶電粒子束44與HAR結構平行，表示例如理想HAR結構的第一個橫截面影像特徵將出現在相同的y座標位置。例如，理想的HAR結構77.1和77.2的第一橫截面影像特徵位於第i個和（i+1）-th影像切片的相同Y座標位置80。橫截面影像切片還包括複數個由多層結構組成的第二橫截面影像特徵，例如L1到L5層，例如L4層的第二橫截面影像特徵73.1和73.2。這些層結構在橫截面影像切片中呈現為沿X方向的條紋段。然而相對於第一橫截面影像特徵，代表複數個層的這些第二橫截面影像特徵的位置（此處顯示的是L1到L5層）隨著每個交叉截面影像切片而變化。隨著層交叉影像平面的深度增加，第二橫截面影像特徵的位置從影像切片i到影像切片i+1以預定的方式發生變化。L4層的上表面，由元件符號78.1、78.2表示，以y方向移動了距離D2。藉由測定第二橫截面影像特徵的位置，例如78.1和78.2，可以測定橫截面影像的深度圖Z（x,y）。藉由對第二橫截面影像特徵進行特徵提取，例如邊緣檢測或質心計算以及影像分析，並根據第二橫截面影像特徵的深度相同或相似的假設，因此能以高精度測定橫截面影像切片中第一橫截面影像特徵的橫向位置和相對深度。由於晶圓的製造涉及平面製造技術，L1到L5層在晶圓的較大區域上深度保持不變。第一橫截面影像切片的深度圖至少可以由相對於M層中的第二橫截面影像特徵的深度來測定。關於橫截面影像切片深度圖ZJ（x,y）的生成的更多細節在WO 2021/180600 A1中有描述。

以此種方式獲得的複數個J型橫截面影像切片覆蓋了晶圓8在測量位置6.1的檢測容積，用於形成具有高3D解析度的3D容積影像，例如低於10 nm，最好是低於5 nm。檢測空間160（參見圖4）通常在x-y平面中具有LX=LY=5 μm至15 μm的橫向延伸，並且在晶圓表面55下方具有2 μm至15 μm的深度LZ。根據WO 2021/180600 A1的全3D容積影像產生通常需要將橫截面表面銑削到晶圓8的表面55中，並且在y方向上具有更大的延伸作為延伸部LY。在此實施例中，具有延伸部LYO的附加區域藉由橫截面表面53.1至53.N的銑削而被破壞。在一個典型的例子中，延伸部LYO 的延伸超過 20μm。 操作控制單元2配置在晶圓8中的檢查容積160內執行3D檢查。操作控制單元2還配置為從3D容積影像重建感興趣的半導體結構的特性。在實施例中，透過影像處理方法例如從HAR質心檢測感興趣的半導體結構的特徵和3D位置（例如HAR結構的位置）。WO 2020/244795 A1進一步描述包括影像處理方法和基於特徵的對準的3D容積影像生成。

圖6表示HAR結構的另一個示例性影像，在本示例中是 DRAM 樣本，以垂直於晶圓表面的角度拍攝。這些結構包括複數個柱，每個柱包括複數個環，其如圖6所示。

為了測定失真程度，如上所提到的（例如圖2的步驟600），可以拍攝一系列影像，這些影像包含同一半導體裝置的相同部分，其中包括多個物件。圖5和圖6的影像就是相應的範例。在某些實施方式中，不進行銑削，以便反覆拍攝同一影像平面。在其他實施方式中，可以在拍攝影像之前和/或在拍攝系列中的不同影像之間進行銑削，只要影像中包含相同的物件（例如相同的柱狀結構）。在某些實施方式中，銑削可能會去除樣本表面的電荷、樣本中的污染物或二者兼而有之。

如上所述，樣本（例如測試晶圓）可以是專用於測試和測定失真的晶圓，並且還可以用於其他目的，例如缺陷分析，例如在一些實施例中的缺陷分析。這樣的其他目的將不會在本發明中詳細討論。在一些實施例中，樣本可以僅包括晶片的一部分，例如其上具有半導體結構的切割晶片，或者可以是用於製造半導體裝置或其一部分的光罩。

基於該系列影像，然後基本上基於該系列影像的影像之間的物件的位置的變化（稱為位移）來獲得失真的測量。一系列影像意味著至少兩個影像，例如三個影像或更多、四個影像或更多、五個影像或更多等。圖7是示出根據實施例的測定失真測量的流程圖。在其他實施例中，所示的一些步驟可以被省略，或者可以由替代步驟取代。

為了描述圖7，影像的平面將被稱為x-y平面，並且z方向與其垂直。

在步驟700中，影像彼此對準，這意味著對影像執行平移，以便如果進行無失真的影像拍攝，並且結構是無誤差的，則對應的物件將處於相同位置。 在一些實施例中，如上述關於圖5所討論的對準標記可以用於對準。 在其他實施例中，例如在如圖6中的結構的情況下，影像的一般結構藉由半導體裝置的設計是已知的，並且可以基於該一般結構進行對準。 例如，這些柱狀結構呈六邊形排列，柱狀結構之間的距離可能是根據設計而已知的。另外，上述WO 2021/180600 A1討論影像對準的方法。一般而言，可以使用本領域技術人員已知的任何影像對準方法。

在步驟701中，測量物件的座標。為此，在影像中檢測物件。對於物件檢測，可以使用任何常規方法。本領域技術人員已知的一種方法是使用機器學習技術，例如在相對應的半導體結構的複數個影像中，對物件進行標記，然後將其提供給機器學習邏輯，如神經網路。 例如，為了識別圖6中的柱狀結構，可以對包含這些的柱狀結構的影像進行標記，即可以標記對柱狀結構。在其他實施例中，可以對柱狀結構的各個環進行標記，使得各個環被視為物件。

可以在物件的任意點測量物件座標，只要該點對所有影像都是相同的。例如，對於圖6的柱或環，可以使用柱或環的中心作為物件的座標。在其他實施例中，對於其他物件，可以使用例如左下角、左上角之類的座標。在另一實施例中，在步驟701中，可以獲得基於相互相關的物件檢測和隨後的坐標測量。

應該注意的是，座標可以用影像中的像素（圖片元素）來測量，只要所有影像具有相同的比例，或以「現實生活」單位（例如奈米）來測量。 由於結構的一般尺寸是透過結構設計得知的，因此可以直接將一種度量（像素）轉換為另一種度量（即奈米），例如，這意味著，請參見圖 6，對於顯示的每一柱，所有影像中的座標均已測定。在其他實施例中，可以只使用一些物件，例如僅使用圖6中的一些柱或圖5中的一些結構，而不是使用所有物件。

在步驟702中，辨識影像中的對應物件，即將物件「追蹤」到影像堆疊。步驟702中辨識的結果是取得每個影像中每個物件的座標清單。 假設不同影像中各個物件的座標之間可能存在的差異是由影像的可變失真（即不是影響整個影像的平移的失真）或所測定的物件座標的不準確（例如所有測量中，701處物件座標的測量可能存在一定的測量誤差）。由於步驟700中的影像對準，作為整體的影像之間的任何平移或作為整體的影像的平均位移已被消除並且不會造成差異。

在步驟703中，透過將預定義轉換（例如仿射轉換或高階非線性轉換）擬合到物件座標對，來對影像對中對應物件的座標之間的差異進行估算。 可以在任何影像對之間執行擬合，例如 對於所有可用的影像對，僅在時間上相鄰的影像之間（即，一個接一個地拍攝的影像），或在任何其他選擇的影像對之間。在這種情況下，仿射位移本質上是線性位移，包括偏移、旋轉、縮放和剪切。在擬合過程中，對第一影像中的物件座標進行轉換以獲得轉換後的物件座標。改變轉換的參數（例如仿射轉換矩陣的元素）以最小化轉換後的物件座標與第二影像中的對應物件座標的總偏差，從而獲得最佳擬合轉換。

在步驟704中，接著計算最佳擬合轉換引起的最大位移，例如以奈米為物理單位。例如，將先前步驟中找到的最佳擬合轉換應用於第一個影像中所有像素的座標，並計算變換後的像素座標相對於其原始座標的最大位移。 然後，這個最大位移可以作為變形的測量。

在其他實施例中，在步驟705中，可以將最大位移標準化為影像的物理尺寸。影像的物理尺寸是指影像拍攝的半導體結構的實際尺寸，例如以微米為單位。

此外，也可選擇性地，取代將針對影像對之間的所有轉換計算的最大位移作為測量（即，多個值），在步驟706中，可以結合針對不同影像對之間計算的最大位移給出作為測量的單一值的失真。例如，可以使用所有考慮的影像對上所計算的最大位移的平均值、中位數、最大值、最小值或某個特定的分位數來表徵所考慮的一系列影像中的失真。

這種品質指標隨後可以用於性能評估，該性能評估由圖3的503區塊或圖2的步驟603執行。在其他實施例中，對帶電粒子束成像裝置的參數，例如圖1中的裝置500或圖3中的裝置1000，如上所述，可以根據圖1的502區塊或圖2的步驟602進行設定。下面將參考圖8至圖11，來描述參數設定的實施例。

參數優化的一個例子是影像的幀時間的優化，即獲取影像所需的時間，駐留時間，即測量與影像的一個像素相對應的樣本的單點所需的時間，以及/或幀解析度。幀時間對應於駐留時間乘以影像中的像素數再加上偏移量，使得這些參數相會關聯。

圖8是顯示由圖7的實施例以nm/μm為單位所測定的位移圖，包括步驟705和706（即，以nm為單位，標準化1 μm影像尺寸的位移）作為最大位移的平均值（mean）和中位數作為計算影像對的指標。可以看出，當幀時間超過約30秒時，可以觀察到位移急遽增加。這表明影像漂移是失真的主要原因。

圖9是顯示測量誤差的圖表（如圖6中的柱結構的記憶體通道的臨界尺寸（CD）所測量的標準差）。對於這樣的記憶體結構，臨界尺寸專門用於記憶體通道/柱的直徑。從這裡可以看出，正如預期的那樣，測量誤差隨著幀時間的增加而減小，因為較長的幀時間會在圖像中產生較高的雜訊比，這是較長測量時間的常見效應。因此，在這個示例中，圖1的方塊502或圖2的步驟602中的參數設定可以努力在可接受的失真和測量精度之間找到平衡。例如，可以為失真和期望精度設定閾值，並且可以基於這些閾值來選擇幀時間。

圖9所示的測量精度與圖8所示的失真之間的權衡將進一步參考圖10和圖11來進行説明。在圖10中，曲線100顯示了訊號雜訊，其近似地與單一測量點（即單一像素）的駐留時間上的雜訊比成反比。為了減少訊號雜訊（例如散粒雜訊），駐留時間必須高於某個閾值。舉例來說，圖中的直線801顯示了掃描電子顯微鏡（SEM）中典型電子電流等級的典型最小駐留時間，其約為100ns，這將產生典型的CD雜訊等級（即dCD）典型等級＞0.1 nm。如果需要達到某個特定的雜訊閾值，例如圖中的直線803所示的，例如dCD＞0.07 nm，則需要相應較長的最小駐留時間，如圖中的直線804所示，例如大於250 ns。閾值的選擇取決於電子電流和二次電子/背散射電子（SE/BSE）產量，因此取決於材料對比度和SE/BSE的收集效率。前者由物件決定，例如晶圓或光罩，後者受到幾何形狀的限制，例如作業距離。SEM裝置中的典型電子電流等級約為200到300 nA，駐留時間的典型範圍為100奈秒到500奈秒。

特定較長的駐留時間意味著更高的帶電粒子劑量，這會增加雜噪比，並相應減少訊號雜訊。具體來說，劑量對應於駐留時間乘以帶電粒子電流。

再者，圖11顯示曲線900中的隨著幀時間變化的失真情況。如前所述，為了減少失真，即減少振動對影像失真的影響，幀時間必須低於某個特定閾值。直線901顯示振動引起的失真的典型等級，例如DX＜2 nm。根據直線902所示的示例，某個幀時間呈現在圖中。為了達到如直線903所示的期望失真等級，正如直線904所示，幀時間必須更短（例如，為了獲得小於1.5 nm的失真，需要幀時間＜15秒，對應於操作點905），這對應於操作點805。

所需的幀時間閾值會因工具和環境而異。例如，具有高精度控制和/或具有緩振的組件的工具（例如用於晶圓或光罩檢查的帶電粒子束成像裝置），其可允許比沒有此類對策的雜訊環境中的工具更長的駐留時間。

如上所述，圖11中的x軸所使用的幀時間和圖10中的駐留時間是與影像中的像素數量相關。幀時間是像素數乘以停留時間再加上例如掃描回掃的偏移量（例如，在逐行掃描中，從最後一行的末尾跳到行的起始位置）和其他因素的影響。

因此，在一些實施例中，基於實現如圖10所示的低訊號雜訊的最大駐留時間，以及根據圖11所解釋的需要將低幀時間保持在閾值以下，可以測定每幅影像的最大像素數量，從而測定最大影像尺寸，也稱為幀尺寸。舉例而言，根據前面關於圖10所示，為了滿足dCD精度小於0.07 nm的要求，可以得出最低350ns的駐留時間。從失真dxdx＜1.5 nm的要求出發，測定幀時間低於15秒。假設例如有10%的偏移時間，可以獲取大約38.5 MPixel的幀，例如大約6200 x 6200像素的幀。根據上面給出的公式，可以將所需的幀時間除以停留時間再加上偏移來計算像素數。

因此，在實施例中，作為基於失真測量的參數，可以測定以像素為單位的影像尺寸。

如上所述，例如電子電流等級也在測定雜訊方面發揮作用。如果電子電流等級是可調的（或者在離子裝置中是離子電流等級），則可以額外考慮該參數。其他參數包括掃描路徑、樣本安裝條件、銑削、成像角度、橫截面影像的數量、包含失真和雜訊等級的預定影像品質預定的影像質量等。

這些參數也可取決於樣本。透過上述方式測定的參數可以儲存在各種樣本的情況下，然後在後續對樣本進行特性描述時，根據樣本類型進行使用。

儘管本文已經示出和描述了特定實施例，但是本領域普通技術人員將理解，在不脫離本發明的範圍的情況下，可以用各種替代和/或等效實現來替代所示和描述的特定實施例。本發明旨在涵蓋本文所討論的特定實施例的任何修改或變更。因此，本發明旨在僅由發明申請專利範圍及其等同物限制。

1:雙光束裝置 2:操作控制單元 4.1:高深寬比結構 4.2:高深寬比結構 4.3:高深寬比結構 6.1:測量點 6.2:測量點 8:晶圓 15:晶圓支撐台 16:控制單元 17:粒子檢測器 19:控制單元 40:帶電粒子束成像系統 42:光學軸 43:交叉點 44:帶電粒子成像束 48:FIB光學軸 50:第一聚焦離子束系統 51:聚焦離子束 52:橫截面表面 53i-53j:橫截面表面 55:晶圓表面 73.1-73.2:L4層的第二橫截面影像特徵 77.1-77.3:第一橫截面影像特徵 78.1:L4層的上表面 78.2:L4層的上表面 80:Y座標位置 155:晶圓載物台 500:帶電粒子束成像裝置 501:評估/控制裝置 502-504方塊 600-603:步驟 700-706:步驟 800-804:直線 805:操作點 900:曲線 901-904:直線 905:操作點 1000:帶電粒子束成像裝置 L1-L5:層 D2:距離 LYO:延伸部 LY:延伸部 LZ:深度 GF:傾斜角 GE:角度

圖1係根據一實施例裝置的方塊圖。

圖2係根據一實施例的方法的流程圖。

圖3係一實施例的帶電粒子束成像裝置的圖示。

圖4係用來說明圖3的帶電粒子束成像裝置的動作的透視圖。。

圖5表示半導體結構的示例性影像。

圖6表示半導體結構的示例性影像。

圖7係描述根據一實施例的方法流程圖。

圖8係描述幀時間和失真之間關係的圖表。

圖9係描述測量準確度和幀時間之間關係的圖表。

圖10係描述駐留時間的最佳化的圖表。

圖11係描述幀時間的最佳化的圖表。

1:雙光束裝置

2:操作控制單元

6.1:測量點

6.2:測量點

8:晶圓

15:晶圓支撐台

16:控制單元

17:粒子檢測器

19:控制單元

40:帶電粒子束成像系統

42:光學軸

43:交叉點

44:帶電粒子成像束

48:FIB光學軸

50:第一聚焦離子束系統

51:聚焦離子束

55:晶圓表面

155:晶圓載物台

1000:帶電粒子束成像裝置

GF:傾斜角

GE:角度

Claims (20)

1. 一種用於測定帶電粒子束成像裝置（500；1000）的影像失真測量的方法，包括： 使用該帶電離子束裝置（500；1000）提供樣本區域的複數個影像；以及 根據該複數個影像之間複數個對應物件的位移來測定該影像失真的測量值。
2. 如請求項1所述的方法，其中根據該位移來測定該影像失真的測量值包括識別該複數個影像中的該複數個對應物件，以及測量該複數個影像中該複數個對應物件的物件座標。
3. 如請求項2所述的方法，其中該方法包括在識別該複數個對應物件並測量該複數個對應物件的物件座標前，對齊該複數個影像。
4. 如請求項2或3所述的方法，其中為了根據該位移來測定影像失真的測量值，該方法還包括對該複數個影像中的成對影像中的該複數個對應物件的物件座標的轉換進行擬合，以及基於擬合函數測定每一該成對影像的最大位移值。
5. 如請求項4所述的方法，其中該成對影像包括短暫地相鄰的成對影像。
6. 如請求項5所述的方法，其中該方法還包括根據不同成對影像的最大位移值的函數來測定影像失真的測量值。
7. 如請求項6所述的方法，其中該函數選自由最大值測定函數、最小值測定函數、平均函數和中位數函數所組成的群組。
8. 如請求項1至7任一項所述的方法，還包括將影像失真的測量值標準化至影像所拍攝的樣本部分的尺寸。
9. 如請求項1至7任一項所述的方法，其中該帶電粒子束成像裝置為多束粒子束掃描電子顯微鏡。
10. 一種帶電粒子束成像裝置的控制方法，包括： 提供帶電粒子束成像裝置的影像失真的測量值；以及 根據該影像失真的測量值來設定帶電粒子束成像裝置的至少一個參數。
11. 如請求項10所述的方法，其中該影像失真的測量值係由請求項1至9中任一項所述的方法來提供。
12. 如請求項10所述的方法，其中該提供影像失真的測量值是針對該至少一個參數的複數個值來執行的，並且該至少一個參數是基於閾值失真來設定。
13. 如請求項10至12任一項所述的方法，其中該至少一個參數包括該帶電粒子束成像裝置的幀速率、駐留時間、影像解析度、射束電流、樣品安裝參數、銑削參數、成像角度和該帶電粒子束成像裝置的掃描參數。
14. 如請求項10至13任一項所述的方法，其中設定該至少一個參數係進一步基於預先定義的訊號雜訊比閾值。
15. 如請求項14所述的方法，其中該參數包括影像解析度，挑選該影像解析度以滿足失真閾值和該預先定義的訊號雜訊比閾值。
16. 如請求項1至15任一項所述的方法，其中該複數個影像係用相同的對焦設定拍攝。
17. 一種裝置，包括： 一控制器（501）配置為： 使用帶電離子束裝置（500；1000）接收樣本區域的複數個影像；以及 根據該複數個影像之間的對應物件的位移來測定影像失真的測量值。
18. 一種裝置，包括： 提供帶電粒子束成像裝置（500；1000）的影像失真的測量值；以及 根據該影像失真的測量值來設定帶電粒子束成像裝置（500；1000）的至少一個參數。
19. 如請求項17或18所述的裝置，其中該裝置係配置為執行如請求項1至16中任一項所述的方法。
20. 一種系統，包括： 如請求項17至19 任一項所述的裝置；以及 一帶電粒子束成像裝置（500；1000）。