TWI600878B - Height measuring device, and charged particle beam device - Google Patents

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TWI600878B
TWI600878B TW104140530A TW104140530A TWI600878B TW I600878 B TWI600878 B TW I600878B TW 104140530 A TW104140530 A TW 104140530A TW 104140530 A TW104140530 A TW 104140530A TW I600878 B TWI600878 B TW I600878B
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Description

高度測定裝置，及帶電粒子束裝置
本發明係依據藉由帶電粒子束裝置等而獲得的訊號，來測定試料或圖樣的高度之高度測定裝置、及帶電粒子束裝置，特別是有關以藉由帶電粒子束裝置而形成的射束照射痕作為基準來執行測定之高度測定裝置、及帶電粒子束裝置。
半導體裝置的製造工程中，近年來微細化進一步發展，基於製程管理的目的，圖樣的尺寸管理的重要性逐漸升高。此外，近來藉由將圖樣予以立體構造化來將圖樣積體化之製造法逐漸受到運用。為了管理立體構造化之圖樣的尺寸，必須評估截面方向的圖樣的完善度。為了評估圖樣的截面，可考慮將試料打破，而觀察在剖斷面上看見之圖樣截面。此外，可考慮不打破試料，而是從試料表面朝垂直方向製作一挖孔，在相對於試料表面為垂直之方向，形成試料的縱方向的截面露出之面，然後評估該截面。
專利文獻1中說明，藉由聚焦離子束 (Focused lon Beam：FIB)形成推拔形狀的斜面，利用電子顯微鏡取得形成之斜面的表面觀察像，並依據電子束的掃描距離X、及斜面的傾斜角α，演算2‧X‧tanα，藉此演算試料厚度t。
此外，專利文獻2中說明一種觀察法，是在欲觀察試料表面的凹凸之處，利用離子束劃一直線，並取得該被劃直線之處的圖像，藉此觀察試料表面的凹凸。
先前技術文獻 專利文獻
專利文獻1：日本特開2005-235495號公報
專利文獻2：日本特開2002-323311號公報
近年來，需要立體構造微細化之圖樣，為了使該些加工製程穩定化，高精度地計測該些深度或高度方向的形狀或尺寸之需求預料將會升高。例如，用來令具有複數個階層構造之裝置的階層間導通的接觸孔，其直徑隨著微細化而僅有數十nm，但因積體度提升所伴隨之階層數增加，其深度會延伸至數千nm。此外，具有立體構造之FinFET裝置的Fin線條圖樣，為寬度數十nm、高度則達其數倍程度之截面形狀。此處為開關(switching)電流 的通過路徑，因此料想必須於高度方向以次奈米的精度來管理線條的線寬。
另一方面，在裝置的量產工程中，若晶圓破裂，則無法送返至後續工程，因此每當在各工程管理中做計測便會損失晶圓，良率會降低。
此外，若要打破晶圓來觀察截面，所需時間會花費數小時左右，因此即使偵測到截面形狀的異常，仍無法改善這數小時內在量產線上已製造出的晶圓的製程，終究成為良率降低的因素。
再者，從試料表面朝垂直方向製作挖孔之方法中，由於挖掘的體積大，包含加工時間在內之所需時間會變長，故同樣地成為良率降低的因素。
此外，如專利文獻1中說明般，若欲依據電子束的掃描距離X、及加工斜面的傾斜角α來獲得試料的高度方向的資訊，則無法進行高精度的測定。求出掃描距離時，若無法正確地掌握其起點(或終點)，則無法指望有高精度的測定，然而專利文獻1中並未說明用來正確地求出作為測定基準的點之手法。此外，按照專利文獻2揭示之手法，雖能大略掌握試料表面的凹凸，但難以正確地求出試料高度方向的尺寸。
以下將提出一種高度測定裝置、及帶電粒子束裝置，其目的在於高精度地實現試料上的構造物的深度方向之測定。
作為用來達成上述目的之一個態樣，以下提出一種高度測定裝置、及帶電粒子束裝置，係具備依據帶電粒子束對於試料之照射而獲得的檢測訊號，來求出前述試料的構造物的尺寸之演算裝置，該高度測定裝置，其中，前述演算裝置，演算形成於前述試料的第1高度之第1帶電粒子束的照射痕、及形成於以將前述試料予以部分地削除之方式形成的傾斜面上的相異的高度位置之複數個第2高度之第2帶電粒子束的照射痕之間的尺寸，並依據該尺寸、以及形成前述第1帶電粒子束的照射痕與前述第2帶電粒子束的照射痕時之前述帶電粒子束的照射角度，來演算前述第1高度與前述複數個位置的第2高度之間的尺寸。
此外，作為用來達成上述目的之另一個態樣，提出一種高度測定方法，係測定試料上的構造物的高度方向的尺寸之高度測定方法，其中：對於前述試料上的第1高度部分與以將前述試料予以部分地削除之方式形成的傾斜面上的相異的高度位置之複數個第2高度部分，從相對於前述試料表面的鉛垂線方向而言傾斜了角度α之方向照射前述帶電粒子束，而在前述第1高度部分與前述第2高度部分各自形成第1帶電粒子束的照射痕與第2帶電粒子束的照射痕，形成前述第1帶電粒子束的照射痕與第2帶電粒子束的照射痕後，從前述鉛垂線方向掃描帶電粒子束，依據藉由該掃描而獲得的檢測訊號，測定前述第1 帶電粒子束的照射痕與前述第2帶電粒子束的照射痕之間的尺寸s，並依據該尺寸s以及前述角度α，求出前述第1高度部分與前述複數個位置的第2高度部分之間的尺寸。
按照上述構成，可高精度地測定圖樣的深度(高度)方向的尺寸。
100‧‧‧SEM
101‧‧‧電子源
102‧‧‧引出電極
103‧‧‧電子束
104‧‧‧聚光透鏡
105‧‧‧掃描偏向器
106‧‧‧對物透鏡
107‧‧‧真空試料室
108‧‧‧試料台
109‧‧‧試料
110‧‧‧電子
111‧‧‧二次電子
112‧‧‧變換電極
113‧‧‧檢測器
120‧‧‧控制裝置
200‧‧‧FIB裝置
201‧‧‧液體金屬離子源
202‧‧‧引出電極
203‧‧‧放出離子
204‧‧‧孔徑
205‧‧‧匯聚透鏡
206‧‧‧試料
207‧‧‧遮沒器
208‧‧‧光圈
209‧‧‧校準器
210‧‧‧偏向器
211‧‧‧對物透鏡
212‧‧‧試料台
214‧‧‧二次電子檢測器
215‧‧‧控制裝置
301‧‧‧演算處理裝置
302‧‧‧設計資料記憶媒體
[圖1]掃描電子顯微鏡的概要示意圖。
[圖2]聚焦離子束裝置的概要示意圖。
[圖3]包含掃描電子顯微鏡與聚焦離子束裝置之測定系統一例示意圖。
[圖4]依據FIB所致之標線(ruled line)形成，來達成試料的深度方向之尺寸測定之原理說明圖。
[圖5]依據標線形成，來測定試料的深度方向的尺寸之工程示意流程圖。
[圖6]正確地辨明傾斜射束的傾斜角度之辨明法的原理示意圖。
[圖7]使用了FIB之標線加工的工程示意流程圖。
[圖8]使用掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope：SEM)來測定形成有標線之試料的高度方向 的尺寸之工程示意流程圖。
[圖9]設定有用來測定標線間的尺寸之測定游標之SEM圖像一例示意圖。
[圖10]在試料的相異高度位置各自形成使用了FIB而成的加工痕之例子示意圖。
[圖11]SEM與FIB之複合裝置一例示意圖。
[圖12]使用了SEM與FlB之複合裝置的高度測定工程示意流程圖。
[圖13]在Fin-FET的Fin的Fin頂部及氧化膜各自形成使用了FIB而成的加工痕之例子示意圖。
[圖14]在對試料施以傾斜面加工後，再形成標線後之試料的狀態示意圖。
[圖15]包含形成於傾斜加工面之標線在內的區域的SEM圖像、及SEM圖像中顯示之試料的截面示意圖。
[圖16]藉由對於高低差之傾斜射束照射，而在第1高度及第2高度各自設置了射束照射痕之試料一例示意圖。
[圖17]在對不同試料高度各自形成射束照射痕後，進行高度測定之工程示意流程圖。
[圖18]依據藉由FlB裝置而獲得的圖像，作成以SEM辨明FIB裝置的照射痕用之樣板之工程示意流程圖。
[圖19]照射傾斜射束時之射束軌道示意圖。
[圖20]當使視野從理想光軸移動時之射束軌道示意 圖。
[圖21]形成射束照射痕後，進行傾斜面加工時之SEM圖像一例示意圖。
以下，說明一種高度測定裝置、及帶電粒子束裝置，是藉由帶電粒子束的照射，而在試料的不同高度各自形成射束的照射痕，並測定該照射痕間的尺寸，藉此測定試料上的構造物的高度方向尺寸。
圖4為以射束照射痕間的測定為基礎之高度測定原理說明圖。離子束從圖中右方朝向左方對試料表面斜向入射而將試料表面斜向挖掘，其結果形成了從圖中右方朝向左方下降之斜面。在該處，藉由從相對於晶圓表面為垂直的線傾斜了恰好α之傾斜FIB，在包括斜面在內之晶圓表面描繪以等間隔平行並排之標線(ruled line)。例如，將間隔訂為20nm。此後，藉由具備CD-SEM(Critical Dimension-SEM)這類尺寸測定功能之帶電粒子束裝置，從由上而下(top-down)方向、亦即相對於晶圓表面為垂直之方向，對晶圓測長。此時，在晶圓表面的標線與斜面上的標線之間發生之位置錯位(s)，會被CD-SEM測長。
描繪標線之FIB的照射方向，相對於晶圓表面為傾斜，故若斜面位於距晶圓表面愈深的位置，則此s會愈變大。故，藉由計測s，便能計測斜面上的描繪線位 於距晶圓表面多少程度之深度。
基於幾何學上的研究，某1條標線在被描繪之斜面上的部分的深度(d)，可藉由以下式子求出。
d=s/tan(α)…數1
標線是以20nm間隔來描繪，故即使斜面有局部的凹凸或不平坦，仍能每隔約20nm計測斜面的深度。FIB描繪線的線寬為奈米單位非常地細，且FIB所致之描繪精度足夠高，故可以次奈米的精度來辨明深度。
圖5為形成標線後，算出描繪線的深度之工程示意流程圖。實際的圖樣計測中，是以不與欲計測之圖樣重疊的方式來描繪標線。例如，瞄準計測圖樣之間來描繪FIB，即使並非等間隔。然後，預先以上述方法計測位於計測圖樣的兩側之標線的深度，而能夠將其平均值視為該計測圖樣的深度。
不過，正確地掌握傾斜FIB的傾斜角度，對於本計測的計測精度而言相當重要，因此需要有傾斜角度的高精度的計測方法。圖6為計測離子束的傾斜角度之例子示意圖。藉由FIB，在相對於該入射方向為垂直之假想平面上，以描繪直徑(D)之真圓的方式來掃描FIB。FIB為傾斜，故在實際的晶圓表面上會因傾斜而描繪出橢圓。藉由CD-SEM計測與該入射方向垂直之方向的短徑(A)及長徑(B)，藉此便可精度良好地求出實際的傾斜角度。FIB相對於晶圓斜面之傾斜角度(θ)，基於幾何學的研究，可由以下式子求出。
θ=arcsin(D/B)…數2
此外，傾斜角度(θ)，為離子束與試料表面之相對角，因此執行數3之演算，以便可代入至數1。
α=90°-θ…數3
將上述這樣的演算式事先記憶於規定之記憶媒體，並依據藉由帶電粒子束裝置獲得的檢測訊號來實施上述演算，藉此便可測定正確的試料的高度方向尺寸。如圖6示例般，藉由參照形成於試料上之描繪圖樣的大小、及帶電粒子束的照射範圍的大小，便能求出射束的正確的照射角度。此外，藉由沿著真圓掃描射束，可從二維像容易地辨明描繪出的圖形的直徑最大的邊緣部分(長徑B的邊緣部分)。
以下說明可達成上述般測定之高度測定裝置、或對高度測定裝置供給必要的資訊之帶電粒子束裝置的細節。圖1為SEM100的概要示意圖。藉由引出電極102而從電子源101被引出，並藉由未圖示的加速電極而被加速之電子束103，係藉由匯聚透鏡(converging lens)的一個形態即聚光透鏡(condensing lens)104被集中後，藉由掃描偏向器105，在試料109上以一維或二維方式掃描。電子束103藉由對內建於試料台108的電極施加之負電壓而受到減速，且藉由對物透鏡(objective lens)106的透鏡作用而被匯聚，照射至試料109上。試料室107內部藉由未圖示的真空泵浦而維持規定的真空度。
一旦電子束103照射至試料109，則從該照射處會放出如二次電子、及背向散射電子(backscattered electron)這類的電子110。放出的電子110，藉由因施加於試料之負電壓所造成的加速作用，而朝電子源方向受到加速，朝變換電極112衝撞，使得二次電子111產生。從變換電極112放出的二次電子111，被檢測器113捕捉，因應捕捉到的二次電子量，檢測器113的輸出會變化。因應該輸出，未圖示之顯示裝置的亮度會變化。例如當形成二維像的情形下，將對掃描偏向器105的偏向訊號、以及檢測器113的輸出取得同步，藉此形成掃描區域的圖像。此外，圖1示例之掃描電子顯微鏡中，備有移動電子束的掃描區域之偏向器(未圖示)。該偏向器係被用來形成存在於不同位置之同一形狀的圖樣的圖像等。該偏向器也被稱為影像偏移(image shifting)偏向器，其不需以試料平台進行試料移動等，便可移動電子顯微鏡的視野位置。亦可設計成將影像偏移偏向器及掃描偏向器做成共通的偏向器，而將影像偏移用的訊號與掃描用的訊號重疊，供給至偏向器。
另，圖1例子中雖說明了將從試料放出的電子於變換電極暫且變換而予以檢測之例子，但當然不限於這樣的構成，例如亦可採用在受到加速之電子的軌道上配置電子倍增管或檢測器的檢測面這樣的構成。
控制裝置120，控制掃描電子顯微鏡的各構成，且具備依據檢測出的電子來形成圖像之功能、或具備 依據被稱為線輪廓(line profile)之檢測電子的強度分布，來測定形成於試料上之圖樣的圖樣寬度之功能。此外，亦可設計成在控制裝置120內內建未圖示之演算裝置，依據數1、數2這樣的演算式，測定圖樣的高度方向尺寸。
圖2為FIB裝置200的概要示意圖。此裝置，由下述各者等所構成，即，放出所需離子之液體金屬離子源201、從液體金屬離子源201引出離子之引出電極202、僅讓放出離子203的中央部通過至下游之孔徑204、將放出的離子的擴散予以抑制之匯聚透鏡205、將離子束軌道挪移以使離子束暫時無法到達試料206的表面之遮沒器207、調整射束直徑與射束電流之光圈208、在光軸上修正離子束軌道之校準器209、將離子束在試料面上掃描掃掠之偏向器210、令離子束在試料面上匯聚之對物透鏡211、試料台212、將聚焦離子束213入射至試料206的表面時所放出的二次電子予以捕獲之二次電子檢測器214。
又，備有控制上述各構成要素之控制裝置215。控制裝置215，藉由光圈208將電流經調整之離子束213照射至規定的加工位置，且藉由偏向器210掃描該離子束213，藉此執行所需區域的開孔加工。此外，試料台212，備有未圖示之移動機構，其構成為可將試料206朝X-Y方向(以離子束照射方向作為Z方向時)、Z方向移動，且可做傾斜、旋轉等動作。
控制裝置215，利用試料台212或未圖示之射束傾斜用的偏向器，對試料執行圖4、6示例般的傾斜照射。
圖3為包含SEM100與FIB裝置200之測定系統一例示意圖。圖3示例之系統中，包含SEM100、FIB裝置200、演算處理裝置301、設計資料記憶媒體302。演算處理裝置301，內建有：演算處理部304，對SEM100或FIB裝置200進行包括測定條件或加工條件之控制訊號的供給，並依據藉由SEM100獲得的檢測訊號或測定結果，執行有關圖樣測定的處理；及記憶體305，記憶規範測定條件或加工條件之動作程式亦即製程條件(recipe)、或測定結果等。藉由SEM100獲得的檢測訊號，被供給至內建於演算處理裝置301之CPU、ASIC、FPGA等圖像處理硬體，並進行和目的相應之圖像處理。
在演算處理部304，內建有：設定FIB裝置200的加工條件之加工條件設定部306、設定SEM100所做的測定條件之測定條件設定部307、設定圖像取得區域或測長盒(measurement box)之區域設定部308、依據藉由SEM100獲得的檢測訊號來執行測定之測定執行部309、及依據事先記憶於記憶體305等的數1、2這樣的演算式，演算圖樣等的高度之高度演算部310。加工條件或測定條件等可藉由輸入裝置303來設定，依據該設定生成加工或測定用之製程條件。
此外，設定好的加工位置的座標資訊等係作 為SEM100的測定條件，離子束的入射角度的資訊等係作為高度演算部310的高度(深度)演算用之資訊，而記憶於記憶體305。
接著，利用圖7示例之流程圖，說明FIB所做的標線加工工程。首先，將加工對象亦即試料導入至FIB裝置200的試料室內(步驟701)，並驅動試料台212(平台)使得FIB的照射位置被定位至藉由加工區域設定部306設定好的加工區域(步驟702)。試料台212因應藉由加工條件設定部306設定好的射束的照射角度而被傾斜(步驟703)，在試料呈傾斜的狀態下照射離子束，以執行圖4示例般形成加工斜面之斜向挖掘加工(步驟704)。
斜向挖掘加工後，再度參照藉由加工條件設定部306設定好的射束照射角度，再度令試料台212傾斜，使得射束照射角度成為標線加工用之角度(步驟705)。試料傾斜後，形成圖6示例之可做角度評估用之標記(步驟706)。
此時，一面維持步驟705中設定好的試料傾斜角度，一面在斜向挖掘加工區域以外且如半導體晶圓的切割區域(scribe area)這類沒有圖樣的區域，照射射束以形成標記。
標記形成後，執行標線形成用之射束照射(步驟707)。標記形成，亦可在標線形成之後。此時，在加工斜面與未加工面，不改變照射角度及X方向(和圖 4的標線正交之試料表面方向)的照射位置而形成1條標線，藉此，在加工斜面與未加工面形成之標線間的X方向的間距(s)，便成為反映出射束的照射角度α及深度d之值。故，便可以利用數1之演算來進行深度測定。本實施例中，雖揭示以均等間隔形成複數個標線之例子，但若欲評估深度之處已事先決定好，則亦可設計成僅形成1條標線。此外，若以形成於圖4的加工斜面的傾斜始點之標線作為基準，而以均等間隔w形成複數個標線，則形成於對於試料表面之相對角為θ的加工斜面之第n個標線(當將形成於傾斜始點的標線訂為第0個的情形下)，能夠由數3求出。
dn=(n‧w+s)‧tanθ…數3
藉由數3求得的試料深度dn，係加工斜面平坦地形成之情形下的理想值，但實際上以FIB加工出的斜面可能不會成為完全的平坦面，在露出於該處之加工斜面，可能會形成凹凸。
鑑此，藉由形成複數個標線，來正確地求出加工斜面的任意位置的深度。為了達成這樣的測定，係設計成依據各標線位置的深度資訊，作成示意加工傾斜面的形狀之近似函數，並將試料表面方向的位置資訊代入至該近似函數，藉此求出加工斜面的所需位置的深度。按照這樣的手法，即使是未形成有標線之處，仍可正確地求出深度。
另，上述本實施例中雖說明藉由使用了離子 束的濺鍍來形成射束的照射痕，並以該照射痕作為測定基準來進行深度測定之例子，但亦可設計成不藉由濺鍍，而是藉由在所需處形成膜之沉積(deposition)，來形成照射痕。在此情形下，在聚焦離子束裝置內，會具備化合物氣體的導入口，藉此以與離子束之反應來進行選擇性的成膜。
將依以上方式形成的照射痕用於測定，藉此便可高精度執行高度測定。另，目前為止雖說明了藉由將平台傾斜來形成標線或加工斜面之例子，但亦可設計成利用照射離子束的射束鏡柱(column)以呈傾斜的狀態設置於試料室之FIB裝置、或具備射束的傾斜照射功能之FIB裝置，來形成標線或加工斜面。為將離子束傾斜，例如具備用來將離子束偏向至離子束的理想光軸外之偏向器，藉由該偏向器將離子束偏向至對物透鏡的軸外，且利用對物透鏡的擺回作用，來實現對射束照射點的傾斜照射。
接著利用圖8說明使用SEM來執行形成有標線之試料的高度方向的尺寸測定之工程。首先，將作為測定對象之半導體晶圓等試料109導入至如圖1示例般之SEM的試料室107(步驟801)。在試料109形成有加工斜面與標線，測定條件設定部307驅動試料台108，使得電子束照射至施加有這樣的加工之部位(步驟802)。
接著，對已被定位於電子束的掃描區域之試料109掃描電子束，取得形成有標線之區域的SEM圖像(步驟803)。如圖9示例般，獲得的SEM圖像901中， 包括隔著加工斜面與非加工面間之交界線902而形成之試料表面側的標線903、及加工斜面側的標線904，測定該兩者間的X方向(形成標線時之離子束的傾斜方向)的尺寸s(步驟804)。此時，利用圖7的步驟706中形成之標記，求出離子束照射時的照射角度。
測定執行部309，對SEM圖像上的2個標線各自設定測長游標904、905，依據測長游標內的標線的位置，測定2個標線間的尺寸。此時，雖可以測長游標內的亮度分佈(profile)的峰值位置來作為測定基準，但當標線(離子束照射所致之加工痕)的寬度較大的情形下，可能會難以辨明標線的正確位置。這時，只要設計成依據標線與其以外的部分之間的亮度差等來進行圖像的二值化(binarization)處理，並以被抽出成為標線區域之區域的X方向的中心作為標線位置後，再執行上述測定即可。
此外，為了辨明作為測定基準之標線位置，亦可設計成備妥事先標示有標線位置之樣板，藉由使用了該樣板之樣板匹配，來進行測定對象位置的辨明。另，加工痕的狀態會依離子束的照射條件而變化，因此亦可設計成預先記憶著加工痕因應加工條件而變化之圖像處理演算法，並藉由加工條件設定部306所做的加工條件設定來作成樣板。又，加工痕亦可不為如圖9示例般之直線狀之物，而是如圖10示例般非連續性的至少2個圖樣1001、1002。若像這樣設置獨特形狀的測定基準，則可藉由樣板匹配等容易地進行圖樣的位置辨明。即使是像這樣相距距 離之圖樣，藉由令X方向的射束照射位置不變化而進行形成2個圖樣之射束照射，仍可做成高度測定用之基準圖樣。
接著，在高度演算部310，利用事先記憶於記憶體305之演算式亦即數1，求出形成有標線之部分的深度d，並將該結果輸出至輸入裝置303中具備之顯示裝置等(步驟805、806)。
按照依據以上這樣的動作程式執行測定處理之SEM，便可以電子顯微鏡的解析度水準來取得深度方向的資訊。
接著，說明使用具備SEM與FIB雙方之複合裝置，進行利用了射束的照射痕之高度測定的例子。圖11揭示SEM與FIB之複合裝置的概要。在SEM100的試料室107，設置有2個FIB鏡柱1104、1105。此外，圖11示例之複合裝置中，設有空氣清淨空間形成裝置1101及預備排氣室(載入/載出(load-lock)室)1103。空氣清淨空間形成裝置1101，設有用來提高內壓之機構，構成為能夠阻止來自外部的灰塵侵入。在空氣清淨空間形成裝置1101內，設有用來將試料109導入至預備排氣室1103之機械臂1102，試料109透過空氣清淨空間形成裝置1101被導入至預備排氣室1103。又，藉由預備排氣室1103而周圍環境受到預備排氣之試料109，被導入至試料室109(圖12的步驟1201)。
接著，驅動試料台108，將試料109上的測定 對象位置定位於FIB鏡柱1104、1105所致之射束照射位置，執行離子束照射所致之斜向挖掘加工(步驟1201)。FIB鏡柱1104，對於FIB鏡柱1105而言，相對地對於試料表面的鉛垂線而言相對角較大，而設置成從圖4示例之適合形成加工斜面的方向照射射束。使用這樣的FIB鏡柱1104，執行斜向挖掘加工。接著，使用FIB鏡柱1105執行標線加工(步驟1203)。
像以上這樣，使用與SEM100共有試料室107之FIB鏡柱1104、1105進行加工，藉此便可無需將試料搬出至真空試料室外而進行試料的高度測定。測定依以上方式形成之標線間的尺寸，依據如數1示例般之演算式，執行高度演算(步驟1205、1206)。另，圖11中為了極力地縮減對物透鏡106與試料109之間的距離(工作距離：working distance)，係將SEM100與FIB鏡柱1104、1105的射束照射位置訂為不同位置。雖可藉由令SEM100與FIB鏡柱1104、1105的射束照射位置一致而設計成無需移動試料來進行加工及觀察，但因必須確保用來配置FIB鏡柱之空間，因此會變得難以減小SEM的工作距離，故圖11示例之構成中，由電子顯微鏡的解析度的觀點看來係構成為將SEM與FIB相距距離配置。另，為了可藉由FIB對試料109的任意位置加工，必須在試料室107內確保以離子束的照射位置為中心而1邊至少比試料109的直徑的2倍還大之矩形區域，但若設計成在某一特定之切割區域形成深度評估用之測試圖樣，則只要僅對 該部分照射離子束即可，故能將試料室107形成地較小。此外，亦可設計成在預備排氣室1103設置FIB鏡柱。預備排氣室1103為了提高排氣速度會形成地較小，但若離子束的照射處已事先決定好，則只要在該部分設置用來照射離子束之FIB鏡柱即可，因此無需增大預備排氣室便可設置FIB鏡柱。
此外，目前為止雖說明主要使用CD-SEM來作為圖樣的測定裝置之例子，但亦可設計成使用以氦離子或氫離子為射束源之高解析度的離子顯微鏡作為測定裝置，來取代CD-SEM。
目前為止，係說明了將斜面加工後，藉由比晶圓鉛垂線傾斜了恰好α之傾斜FIB，在晶圓表面及斜面上描繪平行線，其後使用像CD-SEM這樣可做高精度測長的裝置，從由上而下方向進行測長，並依據該測長結果及α，測定試料的高度方向的尺寸之例子。FIB描繪線的線寬能夠訂為約5nm非常地細，又FlB所致之描繪精度足夠高，故可達成以次奈米的精度來辨明深度。
另一方面，以下說明不需形成加工斜面，而測定形成於試料上之圖樣高度的例子。圖13中，上圖為Fin-FET的俯視(top-down)像，下圖為Fin-FET的截面示意圖。圖13例子中，在Fin1302的一部分藉由離子束形成有標線。圖13揭示在氧化膜1305上形成複數個Fin1302，又在Fin1302及氧化膜1305上形成有閘極圖樣1301之Fin-FET構造。離子束1306，是比試料表面的鉛 垂線方向傾斜角度α而入射，因此在Fin1302的側壁會形成標線1303。
氧化膜1305上的Fin1302的高度，為評估電晶體的性能之重要指標，因此本例中，藉由測定形成於Fin1302的標線1303、及形成於氧化膜1305上的標線1304之間的尺寸，來求出上述指標值。另，尺寸測定時，亦可設計成，求出將在Fin1302上掃描時獲得的訊號予以選擇性地做算術平均而得到之波形訊號、與將選擇性地掃描氧化膜1305時獲得的訊號予以選擇性地做算術平均而得到之波形訊號的峰值間距離。此外，離子束的照射痕可藉由FIB裝置的裝置條件的調整來控制，因此亦可設計成依據和離子束的射束條件相應之波形處理法來鑑定位置。例如，當標線較粗的情形下，低亮度區域的寬度會隨著其粗度而變大，故能夠將亮度值為規定值以下的區域的中心訂為標線位置。此外，當標線較細的情形下，亦可設計成將峰值位置(亮度比規定值還低的部分)訂為標線位置。
像以上這樣，當求出Fin的高度的情形下，即使不進行傾斜加工，由於在SEM圖像上可看出Fin圖樣頂點及氧化膜，因此只要如圖13示例般形成標線則仍能進行Fin的高度測定，但藉由形成傾斜面，能夠掌握試料截面作為二維資訊，就結果而言能夠容易地進行加工位置或測定位置之辨明。例如，在傾斜面顯現之圖樣形狀能夠事先預測，因此亦可設計成將在該傾斜面顯現之圖樣圖 像事先記憶成為樣板，並藉由匹配處理，進行加工位置或測長游標之對位。
像以上這樣，若形成傾斜面，則能夠掌握高度方向(Z方向)的資訊作為二維方向(X-Y方向)的資訊，因此能夠取得許多有助於自動地且圓滑地進行圖樣測定之資訊。像以上這樣，藉由形成標線與傾斜面雙方，可自動地進行高精度測定。
圖14為在Fin-FET構造上使用離子束形成了標線1303、1304及加工斜面雙方之例子示意圖。範圍1401為形成有加工斜面之區域。在加工斜面，有Fin截面1402、及藉由斜向挖掘加工而一部分被削除之假(dummy)圖樣1403露出。圖15上圖為圖14的區域1404的SEM圖像示意圖，圖15下圖為區域1404的截面圖。如圖15示例般，藉由進行斜向挖掘加工，能夠從俯視像獲得一般俯視像無法看見之截面方向的資訊，因此可利用該俯視像來進行所需位置之加工、或用來進行測定的游標等之配置。圖15例子中，能夠從俯視像測定距離fs，因此可依據該fs及標線的形成角度(離子束的照射角度)α，求出Fin的高度fh。
另，有時以FIB形成之標線較粗，難以求出正確的加工位置，故這時亦可設計成在標線部分與其以外的部分之間藉由圖像處理進行二值化處理，求出被判定為標線之區域的X方向(圖15情形下)的中心，並將該X方向的中心位置辨明作為標線的位置。標線部分被挖掘地 較深，相對地相較於其他部分而言在SEM圖像上會變暗，因此亦可設計成藉由進行利用了亮度差之二值化處理，來辨明標線的正確位置。
目前為止的說明中，雖說明利用離子束的照射痕來測定試料的高度方向尺寸之例子，但例如亦可使用電子束來形成照射痕。作為一例，可料想在令試料帶電的條件下照射電子束，藉此令試料部分地帶電。藉由令試料部分地帶電，在帶電部分與其他部分之間，二次電子的檢測效率會變化，因此在兩者間會形成對比(contrast)，便可辨明帶電部分。例如，若令試料帶正電，則從該部分放出之二次電子的一部分，會被吸引至試料側，因此帶電部分相較於其他部分會相對地變暗。利用這樣的現象，製造出對比，藉此便可形成電子束的照射痕。
為了令試料帶電，例如可考慮選擇作為射束照射對象之試料的二次電子放出效率δ為比1還大(正帶電)、或比1還小(負帶電)之射束的極限能量，來進行射束照射。此外，還可考慮利用在試料室內略微殘留的烴，藉由電子束照射來將污染物(contamination)附著，藉此留下照射痕。若試料被照射高能量、高劑量的射束，則H-C的鍵結會被切斷，C會附著於表面，因此可形成電子束的照射痕。
圖16為設有高低差之試料一例示意圖，為試料上部1601與試料下部1602相距高度h量而形成之例子示意圖。利用圖17，說明對於這樣的試料，照射通過傾 斜了角度α的假想直線之電子束1603，藉此求出高度h之工程。首先，將試料109導入試料室107(步驟1701)，以第1射束條件在第1高度照射傾斜射束，藉此形成第1照射痕1604(步驟1702)。所謂第1射束條件，為當令試料帶電以留下照射痕的情形下，令試料帶電之射束條件，例如會選擇和試料上部1601的材質相應之射束條件。接著，不改變傾斜射束的照射角度、及Y方向的照射位置，以第2射束條件在第2高度照射傾斜射束(步驟1703)。此時，當試料下部1602的材質和試料上部1601相同的情形下，第2射束條件和第1射束條件訂為相同，當不同的情形下，則訂為令試料下部1602的材質帶電之射束條件，藉此形成第2照射痕1605。
設定電子束的掃描區域，使得依以上方式形成之照射痕1604、1605涵括於視野內，然後依據藉由射束掃描獲得的檢測訊號，測定第1照射痕1604、及第2照射痕1605的Y方向的尺寸g(步驟1704、1705)。依據依以上方式獲得的尺寸g、及射束傾斜角α，求出g/tanα，藉此算出高度h(步驟1706)。
按照上述這樣的手法，可依據基於電子束的照射而形成之照射痕，來測定試料的高度方向的尺寸。
另，為將電子束傾斜，例如可考慮如圖19示例般，設置射束傾斜用偏向器1904，用來相對於電子束的理想光軸1902(不將射束偏向時之射束軌道)而言將射束傾斜照射。射束傾斜用偏向器1904，係用來在對物 透鏡1905的物點1903將電子束1901偏向，藉此使得電子束1901對於試料1906的到達角度變化。藉由射束傾斜用偏向器1904而朝紙面右側被偏向之電子束1901，藉由對物透鏡1905的擺回作用，再度朝向理想光軸1902被偏向。將物點1903訂為偏向支點，藉此不論偏向角θ的大小為何，皆可將電子束1901照射至試料1906表面與理想光軸1902之交點。
又，當試料的照射對象處不位於射束的理想光軸1902下的情形下，如圖20示例般，亦可設計成使用用來將射束的掃描位置(視野)移動之偏向器2001、2002，以對物透鏡1905與理想光軸1902之交點2003作為偏向支點，令視野位置移動，且利用此時的射束的照射狀態，進行射束的傾斜照射。
另，在圖3示例般的複合系統的情形下，係將SEM100的視野定位於FIB裝置200的加工位置，因此演算處理裝置301可考慮從FIB裝置200取得加工對象位置的座標資訊、以及加工對象位置的SIM(Scanning Ion Microscope)像，來設定SEM100的測定條件。測定條件設定部307中，依據獲得的座標資訊設定試料台108的移動條件，且依據獲得的SIM像作成用來正確地將射束掃描位置設定在測定對象位置之樣板。圖18為該工程示意圖，取得SIM像(步驟1801)、遵照規定條件施加用來修正SEM像與SIM像的差異之圖像處理(步驟1802)後，登錄成為SEM用的樣板(步驟1803)。
按照這樣的構成，可簡化SEM側的裝置條件的設定。此外，離子束或電子束的照射痕，和圖樣的邊緣等具有相異之特徵，因此藉由將和該特徵相應之樣板或位置辨明法事先予以演算法化，便可容易地設定自動測定用之條件。
圖21為基於FIB所做的標線加工及傾斜面加工之高度測定法的另一例示意圖。本例中，進行標線加工後，進行傾斜面加工。例如在進行傾斜面加工前，以FIB形成標線2102。標線2106是例如藉由在氧化膜1305上以約1nm以下的深度進行FIB加工而形成。形成這樣的標線2102後，進行傾斜面加工，以削除氧化膜的一部分2103、及Fin的一部分2106。藉由進行這樣的加工，標線2102的端部2105會顯現，因此容易辨明傾斜開始點。
本例中，傾斜開始點2101為作為測定基準之部分，但平坦面與傾斜面皆為氧化膜，不易呈現對比，有時會難以明確地辨明交界。另一方面，本例中，將形成於氧化膜的一部分2103之標線2104進行削除加工，藉此能夠將傾斜開始點訂為端部2105，因此無論氧化膜的對比是否不足，皆能明確地訂定作為測定基準之傾斜開始點明確。
此外，亦可設計成不僅在氧化膜側，還在Fin頂部形成標線2107，並進行傾斜面加工以削除標線2108，藉此明確地訂定另一個測定基準亦即端部2109。將標線形成為和沿著傾斜加工面形成之假想直線交錯，藉 此，藉由傾斜面加工便可使測定基準點明顯化。另，本例中雖說明了形成直線狀的標線之例子，但並不限於此，只要是跨越傾斜開始線而留下照射痕之加工，則照射痕的形狀不拘。但，較佳是對於尺寸測定方向而言在垂直的方向形成有邊緣，故理想是例如形成二維的標記而非線狀的照射痕，藉此明確地訂定測定基準。
在演算處理部304，由傾斜面的角度β、及端部2105與端部2109間的尺寸s來演算數4，藉此可正確求出以氧化膜表面為基準之Fin高度d。
d=s×tanγ…數4

Claims (12)

  1. 一種高度測定裝置，係具備依據帶電粒子束對於試料之照射而獲得的檢測訊號，來求出前述試料的構造物的尺寸之演算裝置，該高度測定裝置，其特徵為：前述演算裝置，演算形成於前述試料的第1高度之第1帶電粒子束的照射痕、及形成於以將前述試料予以部分地削除之方式形成的傾斜面上的相異的高度位置之複數個第2高度之第2帶電粒子束的照射痕之間的尺寸，並依據該尺寸、以及形成前述第1帶電粒子束的照射痕與前述第2帶電粒子束的照射痕時之前述帶電粒子束的照射角度，來演算前述第1高度與前述複數個位置的第2高度之間的尺寸。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之高度測定裝置，其中，前述演算裝置，依據前記複數個第2帶電粒子束的照射痕的複數個高度資訊，來作成示意前述傾斜面的形狀之近似函數。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之高度測定裝置，其中，前述演算裝置，將前述試料表面的位置資訊代入前述近似函數，藉此求出前述傾斜面的高度位置。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之高度測定裝置，其中，前述第1帶電粒子束的照射痕與前述第2帶電粒子束 的照射痕，是藉由相對於前述試料表面的鉛垂線方向而言從角度α照射之帶電粒子束而形成。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之高度測定裝置，其中，前述演算裝置，依據前述第1帶電粒子束的照射痕與前述第2帶電粒子束的照射痕之間的尺寸s、以及d=s/tan(α)，來演算前述第1高度與第2高度的尺寸d。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之高度測定裝置，其中，前述演算裝置，依據形成於前述試料上之複數個第1帶電粒子束的照射痕與複數個第2帶電粒子束的照射痕之間的複數個尺寸之演算，來演算前述試料上的複數處的前述第1高度與前述第2高度之間的尺寸。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之高度測定裝置，其中，前述演算裝置，依據前述檢測訊號，算出形成前述第1帶電粒子束的照射痕與前述第2帶電粒子束的照射痕時之帶電粒子束的照射角度。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之高度測定裝置，其中，前述演算裝置，依據前述檢測訊號，執行使用了下述 演算式之演算：θ=arcsin(D/B)θ：帶電粒子束的入射角度D：形成於試料上之描繪圖樣的大小B：帶電粒子束的照射範圍的大小。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之高度測定裝置，其中，前述演算裝置，依據前述第1帶電粒子束的照射痕與前述第2帶電粒子束的照射痕之間的尺寸s、前述傾斜面的角度γ、及d=s×tanγ，來演算前述第1高度與第2高度的尺寸d。
  10. 一種帶電粒子束裝置，係具備：檢測器，檢測藉由將從帶電粒子源放出的帶電粒子束照射至配置於試料室內之試料而獲得的帶電粒子；及演算裝置，依據該檢測器的輸出，測定形成於前述試料上之構造物的尺寸；該帶電粒子束裝置，其特徵為：前述演算裝置，演算形成於前述試料的第1高度之第1帶電粒子束的照射痕、及形成於以將前述試料予以部分地削除之方式形成的傾斜面上的相異的高度位置之複數個第2高度之第2帶電粒子束的照射痕之間的尺寸，並依據該尺寸、以及形成前述第1帶電粒子束的照射痕與前述第2帶電粒子束的照射痕時之前述帶電粒子束的照射角度，來演算前述第1高度與前述複數個位置的第2高度之間的尺寸。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之帶電粒子束裝置，其中，在前述試料室，設置有離子束鏡柱，以形成前述第1帶電粒子束射束的照射痕與前述第2帶電粒子束的照射痕。
  12. 一種高度測定方法，係測定試料上的構造物的高度方向的尺寸之高度測定方法，其特徵為：對於前述試料上的第1高度部分與以將前述試料予以部分地削除之方式形成的傾斜面上的相異的高度位置之複數個第2高度部分，從相對於前述試料表面的鉛垂線方向而言傾斜了角度α之方向照射前述帶電粒子束，而在前述第1高度部分與前述第2高度部分各自形成第1帶電粒子束的照射痕與第2帶電粒子束的照射痕，形成前述第1帶電粒子束的照射痕與第2帶電粒子束的照射痕後，從前述鉛垂線方向掃描帶電粒子束，依據藉由該掃描而獲得的檢測訊號，測定前述第1帶電粒子束的照射痕與前述第2帶電粒子束的照射痕之間的尺寸s，並依據該尺寸s以及前述角度α，求出前述第1高度部分與前述複數個位置的第2高度部分之間的尺寸。
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