TWI741564B - 圖案量測裝置及量測方法 - Google Patents

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Abstract

為了對形成於由複數種不同材料積層而成之試樣之圖案之立體形狀進行量測，針對構成圖案之材料各者，預先記憶表示於該材料中之單位距離內該材料與電子引發散射之概率之衰減率μ，提取BSE圖像中之圖案之上表面位置、底面位置及不同材料彼此相接之界面位置，使用BSE圖像中之圖案之任意位置與底面位置之對比度相對於上述圖案之上表面位置與底面位置之對比度的比率nIh 、以及圖案之底面位置之材料之衰減率及圖案之該任意位置之材料之衰減率，算出圖案之該任意位置之自上表面位置起之深度。

Description

圖案量測裝置及量測方法
本發明係關於一種對形成於半導體晶圓等之圖案之立體形狀進行量測之圖案量測裝置及量測方法。
迄今為止，半導體元件係因記憶體之大容量化及位成本降低，而微細化或高積體化等不斷發展。近年來，為了應對對進一步之高積體化之要求，一直進行立體構造元件之開發與製造。若將平面構造立體化，則元件變厚。因此，於例如3D-NAND(3 Dimensional-Not-AND，三維反及)、DRAM(Dynamic Random Access Memory，動態隨機存取記憶體)之類的構造中積層膜之層數增加，而於形成孔或槽等之製程中，孔或槽之平面尺寸與深度之比(縱橫比)亦趨於變大。又，元件所使用之材料之種類亦趨於增多。
例如，為了加工孔徑50 nm～100 nm、深度3 μm以上之縱橫比非常高之孔或槽，最初需要於由選擇比相對於元件較高之材料所製作之較厚之遮罩開口。其係引導後續蝕刻製程之模板製作程序，對加工精度之要求亦極高。繼而，以經加工之遮罩作為模板，對異種材料之積層膜一次或分多次地進行用以形成孔或槽之蝕刻。若不以貫通不同材料之遮罩或積層膜之壁面相對於表面垂直之狀態進行蝕刻，則有最終無法獲得穩定之元件性能之虞。因此，於蝕刻程序之中途及程序結束後對蝕刻形狀進行確認非常重要。
為了知曉圖案之立體形狀，可藉由將晶圓切斷，並測定截面形狀，而獲得準確之截面形狀。但，檢查晶圓面內之均勻性會花費工夫與成本。因此，期望一種不造成破壞且精度良好地測定形成於異種材料之圖案之所期望之高度之尺寸形狀、截面形狀或立體形狀之方法。
此處，於利用以電子顯微鏡等為代表之顯微鏡不破壞晶圓地觀察立體形狀之一般方法中，有立體觀察與自上至下觀察之兩種方法。
例如，於專利文獻1中所記載之立體觀察中，藉由使試樣台或電子束傾斜，而改變電子束相對於試樣之相對入射角度，利用入射角度與來自上表面之照射不同之複數個圖像，進行圖案之高度、側壁之傾斜角度等形狀量測。
又，於專利文獻2中記載有如下方法：由於若深孔或深槽之縱橫比變大，則自底部發射之二次電子之檢測效率下降，故而檢測藉由高能量之一次電子所產生之反射電子(亦被稱為BSE：Backscattered electron，背向散射電子)，利用孔越深則BSE信號量越減少之現象，量測孔底之深度。 先前技術文獻 專利文獻
專利文獻1：日本專利特表2003-517199號公報 專利文獻2：日本專利特開2015-106530號公報
[發明所欲解決之問題]
於高縱橫比之圖案之蝕刻製程中，存在難以控制側壁或底部之形狀，而呈現如異種材料界面處之尺寸變化、傾斜、彎曲(bowing)、扭轉(twisting)般之形狀的情況。因此，不僅孔或槽之上表面或底面之尺寸，截面形狀亦為重要之評估項目。又，由於以較高水準要求晶圓面內均勻性，故而檢查、量測面內偏差，並反饋至元件製造製程(例如蝕刻裝置)，可謂提高良率之關鍵。
然而，於專利文獻1中，必須進行複數個角度之量測，而有量測時間增多或解析方法複雜化等問題。而且，僅可獲得圖案之邊緣(端)之資訊，故而無法量測連續之立體形狀。
又，於專利文獻2中揭示有以標準試樣或已知孔深度之實測資料為基準，利用若孔底較深則透過反射電子之絕對信號量減少之現象，進行孔底之深度量測。然而，自形成於異種材料之孔所檢測出之反射電子信號強度受孔內部之連續之立體形狀資訊(至圖案上表面為止之高度)與材料資訊(取決於材料種類之反射電子信號強度)之兩者之影響，故而為了基於反射電子信號強度檢測深度資訊或三維形狀，若不區分該兩種資訊則無法進行高精度之截面形狀或三維形狀測定。於專利文獻2中，未對此種兩種資訊之區分進行說明。 [解決問題之技術手段]
作為本發明之一實施態樣之圖案量測裝置係對形成於由複數種不同材料積層而成之試樣之圖案之立體形狀進行量測者，且具有：記憶部，其針對構成圖案之材料各者，記憶表示於該材料中之單位距離內該材料與電子引發散射之概率之衰減率；以及運算部，其自檢測藉由對圖案掃描一次電子束而發射之背向散射電子從而製成之BSE圖像中，提取圖案之上表面位置、底面位置及不同材料彼此相接之界面位置，對圖案之任意位置算出自上表面位置起之深度；且運算部使用BSE圖像中之圖案之該任意位置與底面位置之對比度相對於圖案之上述上表面位置與上述底面位置之對比度的比率、以及記憶部中所記憶之圖案之底面位置之材料之衰減率及圖案之該任意位置之材料之衰減率，算出圖案之該任意位置之自上表面位置起之深度。
作為本發明之另一實施態樣之圖案量測裝置係對形成於由複數種不同材料積層而成之試樣之圖案之立體形狀進行量測者，且具有：電子光學系統，其對試樣照射一次電子束；第1電子檢測器，其檢測藉由對圖案掃描一次電子束而發射之二次電子；第2電子檢測器，其檢測藉由對圖案掃描一次電子束而發射之背向散射電子；圖像處理部，其根據第1電子檢測器或第2電子檢測器之檢測信號形成圖像；及運算部，其將自圖案之截面圖像提取之圖案之側壁之截面輪廓、與自根據第2電子檢測器之檢測信號由圖像處理部所形成之BSE圖像提取之表示來自沿著規定方位之圖案之側壁之背向散射電子信號強度的BSE輪廓進行比較，與構成圖案之材料對應地區分BSE輪廓，根據區分出之BSE輪廓中之圖案之自上表面位置起之深度與背向散射電子信號強度之關係，求出該材料之衰減率。
作為本發明之又一實施態樣之圖案量測方法係對形成於由複數種不同材料積層而成之試樣之圖案之立體形狀進行量測者，且針對構成圖案之材料各者，預先記憶表示於該材料中之單位距離內該材料與電子引發散射之概率之衰減率，自檢測藉由對圖案掃描一次電子束而發射之背向散射電子從而製成之BSE圖像中，提取圖案之上表面位置、底面位置及不同材料彼此相接之界面位置，使用BSE圖像中之圖案之任意位置與底面位置之對比度相對於上述圖案之上表面位置與底面位置之對比度的比率、以及圖案之底面位置之材料之衰減率及圖案之該任意位置之材料之衰減率，算出圖案之該任意位置之自上表面位置起之深度。 [發明之效果]
關於形成於異種材料之深孔或深槽等立體構造，能夠精度良好地量測截面形狀或立體形狀。
其他課題及新穎之特徵應可根據本說明書之記載及隨附圖式而明確。
以下，對在半導體製造過程中之半導體晶圓等之觀察或量測中，測定形成於異種材料之積層體之高縱橫比之孔圖案或槽圖案之截面形狀或立體形狀之量測裝置、量測方法進行說明。作為設為觀察對象之試樣，例示形成有圖案之半導體晶圓，但並不限於半導體之圖案，只要為能夠利用電子顯微鏡或其他顯微鏡進行觀察之試樣，便可應用。
圖1中表示本實施例之圖案量測裝置。作為圖案量測裝置之一態樣，示出使用掃描式電子顯微鏡(SEM：Scanning Electron Microscope)之例。掃描式電子顯微鏡本體包括電子光學管柱1及試樣室2。於管柱1之內側，具備如下構件作為電子光學系統之主要構成，即：電子槍3，其產生電子，為以規定之加速電壓被賦予能量之一次電子束之發射源；聚光透鏡4，其將電子束聚焦；偏轉器6，其於晶圓(試樣)10上掃描一次電子束；及物鏡7，其將一次電子束聚焦後照射至試樣。又，設置有偏轉器5，該偏轉器5藉由使一次電子束自理想光軸3a偏離，並使離軸之射束朝向相對於理想光軸3a傾斜之方向偏轉，而將其設為傾斜射束。該等構成電子光學系統之各光學要素係由電子光學系統控制部14控制。於設置在試樣室2中之XY載台11上載置有作為試樣之晶圓10，按照自載台控制部15賦予之控制信號移動晶圓10。控制部16之裝置控制部20藉由對電子光學系統控制部14或載台控制部15進行控制，而於晶圓10之觀察區域上掃描一次電子束。
於本實施例中，為了量測高縱橫比之深孔或深槽之立體形狀，將能夠到達圖案之較深之部分之高能量(高加速電壓)之一次電子束照射至晶圓10。藉由在晶圓10上掃描一次電子束而產生之電子係由第1電子檢測器8及第2電子檢測器9檢測。自各檢測器輸出之檢測信號分別藉由放大器12及放大器13進行信號轉換，並被輸入至控制部16之圖像處理部17。
第1電子檢測器8主要檢測藉由對試樣照射一次電子束而產生之二次電子。二次電子係藉由一次電子於試樣內非彈性散射而自構成試樣之原子激發之電子，且指其能量為50 eV以下者。二次電子之發射量對試樣表面之表面形狀敏感，故而第1電子檢測器8之檢測信號主要表示晶圓表面(上表面)之圖案資訊。另一方面，第2電子檢測器9檢測藉由對試樣照射一次電子束而產生之背向散射電子。背向散射電子(BSE：backscattered electron)係被照射至試樣之一次電子於散射過程中自試樣表面發射者。於一次電子束被照射至平坦之試樣之情形時，BSE之發射率主要反映材料資訊。
控制部16具有未圖示之輸入部、顯示部，被輸入量測立體形狀所需之資訊，並將該資訊記憶於記憶部19。詳細情況將於下文敍述，但關於量測對象圖案之截面資訊或關於構成量測對象圖案之材料之材料資訊資料庫等被儲存於記憶部19中。又，自圖像處理部17輸出之圖像亦被記憶於記憶部19中。
運算部18雖然詳細情況將於下文敍述，但使用由SEM拍攝到之圖像(BSE圖像、二次電子圖像)及關於量測對象圖案之截面資訊，進行作為用以對量測對象圖案之立體形狀圖案進行量測之參數之衰減率的運算、或者量測對象圖案之深度或尺寸之算出。
再者，本實施例之圖案量測裝置係亦能夠構築圖案之三維模型者，但三維模型構築需要計算機之較高之處理能力，故而亦可設置藉由控制部16及網路21連接之計算用伺服器22。藉此，能夠於獲取圖像後，迅速地構築三維模型。設置計算用伺服器22並不限定於三維模型構築目的。例如，於離線地進行圖案量測之情形時，可藉由使計算用伺服器22進行控制部16中之運算處理，而有效利用控制部16之運算資源。於該情形時，藉由將複數台SEM連接於網路21，能夠更有效地運用。
使用圖2，對測定本實施例中之圖案之立體形狀之原理進行說明。該例中之測定對象係以規定密度設置於由平均原子序數不同之兩種材料積層而成之試樣200之孔圖案。為了容易理解，圖中僅示出1個孔圖案，並且誇張地表示孔圖案之形狀。
於本實施例之圖案形狀測定中，藉由對孔205之側壁照射一次電子束，而電子於試樣內部散射，檢測透過試樣表面而飛出之BSE。再者，於圖案為3D-NAND、DRAM之類的深度3 μm以上之深孔或深槽之情形時，一次電子束之加速電壓為5 kV以上，較佳為30 kV以上。圖2中模式性地表示：相對於照射至試樣表面(圖案上表面)之一次電子束211而發射BSE221之情況；相對於照射至材料1與材料2之界面201之一次電子束212而發射BSE222之情況；及相對於照射至孔205之底面之一次電子束213而發射BSE223之情況。
此處，與試樣內之電子之散射區域相比，形成於試樣200之成為空腔的高縱橫比之孔或槽之體積非常小，對電子之散射軌道影響極小。又，已知一次電子束以規定之入射角度入射至孔205之傾斜之側壁，但於一次電子束為高加速度且入射角度較小之情形時，入射角度不同對電子之散射軌道產生之影響為可忽略不計之程度。
進而，已知孔205形成於由不同材料積層而成之試樣，且BSE之產生量取決於材料之平均原子序數。
即，對孔205掃描一次電子束而獲得之BSE信號強度230取決於自一次電子束之入射位置至表面為止之平均移動距離，並且亦取決於包含電子之散射區域之材料之平均原子序數。BSE信號強度I之大小能以(數式1)表示。
[數式1]
Figure 02_image001
(數式1) 此處，初始BSE信號強度I0 係於一次電子束之照射位置產生之BSE信號強度，取決於一次電子束之加速電壓、即一次電子所具有之能量。衰減率μ係表示衰減速度之物理量，表示於電子所通過之單位距離內與固體材料引發散射之概率。衰減率μ具有取決於材料之值。通過距離h係一次電子束之照射位置之自試樣表面(圖案上表面)起之深度。
所檢測出之BSE信號強度I可如此表示為自一次電子束之照射位置至試樣表面之平均距離h與衰減率μ之函數。即，一次電子束之照射位置越接近孔之底面，則電子之固體內通過距離越長，藉此，能量損耗變大，BSE信號強度降低。又，BSE信號強度降低之程度取決於構成試樣之材料。其原因在於，關於構成試樣200之兩種材料，若材料2相較於材料1而言每單位體積之原子數量較多，則材料2之散射概率大於材料1之散射概率，能量損耗亦變大。於該情形時，材料1之衰減率μ1 與材料2之衰減率μ2 之間具有μ1 ＜μ2 之關係。
換言之，所檢測出之BSE信號強度I包括發射BSE之深度位置資訊及關於電子之散射區域之材料之資訊之兩者。因此，藉由預先獲取關於構成作為測定對象之孔圖案或槽圖案等之材料各者之衰減率μ，能夠去除對該等圖案掃描一次電子束而獲得之BSE信號強度中所包含之因材料之差異所導致之影響，而精度良好地算出圖案之深度資訊(立體資訊)。
圖3係使用本實施例之圖案量測裝置測定圖案之立體形狀之順序。首先，將形成有成為測定對象之圖案之晶圓導入至SEM之試樣室(步驟S1)。其次，判斷成為測定對象之圖案是否為需要設定測定條件之新的試樣(步驟S2)。於為只要按照既有之測定配方進行圖案量測即可之試樣之情形時，按照該測定配方，進行立體形狀之測定，輸出測定結果(步驟S9)。於為無測定配方之試樣之情形時，首先，設定適於拍攝圖案之光學條件(加速電壓、射束電流、射束孔徑角等)(步驟S3)。其次，使用GUI輸入構成測定對象圖案之材料種類之數量(步驟S4)。設定測定對象圖案之低倍率圖像及高倍率BSE圖像各者之拍攝條件，獲取、登錄圖像(步驟S5)。其次，使用GUI輸入測定對象圖案之構造資訊(步驟S6)。理想為使用測定對象圖案之截面圖像，但考慮到亦存在未必能獲得此種截面圖像之情形，而設有複數種構造資訊輸入方法。基於所輸入之構造資訊，算出、保存構成對象圖案之各材料之衰減率μ(步驟S7)。繼而，設定要測定之立體圖案之測定項目(步驟S8)。藉由以上步驟，完善用以測定圖案之立體形狀之測定配方。
按照測定配方進行立體形狀之測定，輸出測定形狀所得之結果(步驟S9)。然後，判斷是否為最後之試樣(步驟S10)，若並非最後之試樣，則返回至步驟S1，開始下一試樣之測定。於步驟S10中，若為最後之試樣，則結束測定。
圖4係用以執行圖3所示之順序之GUI400之例。GUI400中具有光學條件(Optical condition)輸入部401及測定對象圖案登錄(Registration of target pattern)部402之2個部分。
首先，於光學條件之設定(步驟S3)中，使用光學條件輸入部401，設定當前所設定之光學條件(電流(Current))或適於拍攝測定對象圖案之光學條件編號(SEM條件編號(SEM condition No))。SEM中預先保存有用以拍攝圖案之複數種光學條件(加速電壓、射束電流、射束孔徑角等之組合)，且使用者可藉由指定其中任一個來設定光學條件。
繼而，使用者使用測定對象圖案登錄部402，進行關於測定對象圖案之登錄。首先，將構成測定對象圖案之材料種類之數量輸入至材料構成輸入部403(步驟S4)。於該例中，選擇「兩種」。
繼而，對於測定對象圖案之圖像登錄低倍率圖像及高倍率BSE圖像之各者(步驟S5)。俯視圖像登錄部404包括低倍率圖像登錄部405及高倍率BSE圖像登錄部408。首先，於低倍率圖像登錄部405，利用拍攝條件選擇框406，以配置於視野中央之方式指定測定對象圖案，拍攝、登錄低倍率圖像407。低倍率圖像407理想為適於試樣表面之形狀觀察之二次電子圖像。又，理想為根據光學條件中所設定之加速電壓，而將拍攝視野設定為較一次電子束之散射區域廣。例如，若為測定形成於材料SiO2 之週期性之圖案之情形，則將視野設定為5 μm×5 μm以上。繼而，於高倍率BSE圖像登錄部408，利用拍攝條件選擇框409，以配置於視野中央之方式指定測定對象圖案，拍攝、登錄高倍率BSE圖像410。例如，於拍攝條件選擇框409中選擇之拍攝條件為聚焦、掃描模式、一次射束之入射角度等。
繼而，使用構造輸入部411輸入測定對象圖案之構造資訊(步驟S6)。如上所述，預先設定複數種測定對象圖案之構造資訊之輸入方法，使用者選擇其中任一種輸入方法進行輸入。
第1方法係輸入截面圖像之方法。例如，使用者事先使用SEM、FIB-SEM(Focused Ion Beam-Scanning Electron Microscope，聚焦離子束掃描電子顯微鏡)(聚焦離子束顯微鏡)、STEM(Scanning transmission electron microscope，掃描穿透式電子顯微鏡)、AFM(Atomic Force Microscopy，原子力顯微鏡)等拍攝對象圖案之截面構造，自截面圖像輸入部412登錄該截面圖像。第2方法係輸入設計資料之方法。自設計資料輸入部413登錄元件之設計資料(CAD(Computer Aided Design，電腦輔助設計)圖式)。或者，亦可不使用該等方法中之任一種，而是使用記憶有元件之截面形狀之檔案。於該情形時，自截面資訊輸入部414讀取該檔案。
另一方面，於無法進行包含截面構造之圖像或設計資料等之截面圖像輸入之情形時，自手動輸入部415依序指定包含對象圖案之上表面至下表面之材料之種類、膜厚。於手動輸入部415設置有分層輸入框416，能夠針對構成對象圖案之每一層輸入其材料資訊。預先具備材料之材料資訊資料庫，藉由在材料選擇部417選擇構成層之材料，而自材料資訊資料庫自動地輸入該材料之物理參數。於欲實測並使用材料之物理參數之情形時等，自使用者定義部418個別地輸入物理參數。輸入所需之物理參數係算出層之材料之平均原子序數所需之物理參數。又，自膜厚輸入部419輸入層之膜厚。
根據以上所輸入之測定對象圖案之構造資訊推定並保存各層之衰減率μ，並且顯示於衰減率顯示部420(步驟S7)。以下，對推定衰減率μ之方法進行說明。
使用圖5A～C對輸入截面圖像作為測定對象圖案之構造資訊之情形時之衰減率μ之推定方法進行說明。首先，如圖5A所示，自截面圖像500獲取測定對象圖案之截面輪廓501。測定對象圖案之截面輪廓係將圖案之寬度方向設為X軸，將與圖案之上表面垂直之深度方向設為Z軸時，利用座標(X，Z)表示圖案之截面所得之資料。截面輪廓可使用信號之微分處理或利用高通濾波器所進行之處理等公知之方法作為輪廓提取方法而獲得。於為二維圖像之情形時，為了敏銳地反應邊緣，可使用高階微分。截面輪廓501中出現之左右之傾斜部502為測定對象圖案之側壁。提取相當於測定對象圖案之側壁(傾斜部502)之截面輪廓的圖案上表面-圖案底面間之座標(X，Z)。再者，亦可藉由機器學習模型提取相當於測定對象圖案之側壁之座標(X，Z)。
其次，如圖5B所示，自高倍率BSE圖像510，針對所指定之方位512獲取測定對象圖案之BSE輪廓511。測定對象圖案之BSE輪廓係於橫軸取指定方位(設為X軸)之座標、於縱軸取BSE信號強度I，而表示沿著某一方向之BSE信號強度(X，I)之資料。確定BSE輪廓511中之孔之上表面及底面之位置。對BSE輪廓511，設定用以確定圖案之上表面位置之第1閾值Th1、及用以確定圖案之底面位置之第2閾值Th2。閾值係設定為如儘可能減小因BSE信號強度I之雜訊所導致之偏差般之值。例如，將第1閾值Th1設定為BSE輪廓511中之信號波形之總高之90%，將第2閾值Th2設定為信號波形之總高之0%。再者，上述閾值之值為一例。
再者，若於獲取高倍率BSE圖像510時同時獲取高倍率二次電子圖像，則理想為使用該高倍率二次電子圖像確定上表面位置。於二次電子圖像中，圖案之邊緣表現為高對比度，故而能夠以更高之精度確定上表面位置。因此，於步驟S5(參照圖3)或步驟S9中，理想為與基於第2電子檢測器9所檢測出之信號而產生之BSE圖像一併，亦同時獲取基於第1電子檢測器8所檢測出之信號而產生之二次電子圖像。如此，若於BSE輪廓511中圖案之上表面及底面之位置確定，則提取自上表面位置513至底面位置514之間、即測定對象圖案之側壁之BSE信號波形515。
繼而，使用自截面輪廓501提取之側壁座標(X，Z)及自BSE輪廓511提取之側壁之BSE信號波形(X，I)，基於X座標，取Z座標為橫軸，取BSE信號強度I為縱軸而製作BSE輪廓521。將以此方式獲得之BSE輪廓521(模式圖)示於圖5C。此時，截面圖像500之X方向之像素尺寸與高倍率BSE圖像510之X方向之像素尺寸通常不同，故而必須以兩者成為相同大小之方式進行調整。例如，於截面輪廓501之像素尺寸較大之情形時，可藉由內插法增加資料而進行匹配。
BSE輪廓521係於橫軸取深度方向，於縱軸取BSE信號強度而成者，BSE信號波形522具有因材料不同而斜率不同之部分。因此，對上表面至界面之範圍523中之BSE信號波形及底面至界面之範圍524中之BSE信號波形加以區分，並對各者(數式1)進行擬合，藉此算出並記憶各材料之衰減率μ。再者，圖5C係模式圖，實際上，於界面附近，有可能會因BSE散射區域中包含複數個材料層之影響而無法如圖5C般看見明確之反曲點。因此，擬合時，可降低界面附近之資料之加權。
其次，使用圖6A～B對手動輸入測定對象圖案之構造資訊之情形時之衰減率μ之推定方法進行說明。於該情形時，預先針對半導體元件中經常使用之材料，預先藉由蒙地卡羅模擬來計算每種材料密度及加速電壓之衰減係數μ0，並建立資料庫。材料係作為未形成圖案之單一層進行計算。圖6A係針對某材料，模式性地表示加速電壓為15、30、45、60 kV時之材料密度與衰減係數μ0之關係者。再者，衰減係數μ0可以表格之形式儲存，亦可以關係式之形式儲存。
作為量測對象之元件係設為對異種材料之積層體週期性地形成深孔或深槽等圖案之元件。密集地形成之圖案因使材料密度降低，而會對電子之散射、即所檢測出之BSE信號強度造成影響。因此，若將「圖案密度」定義為於週期性地形成之圖案中最小單元面積中所占之圖案(例如，深孔或深槽)開口面積之比率，則隨著圖案密度增加，而材料中變為真空之部分增加，因而可謂試樣之平均密度減小。即便散射之電子之通過距離相同，因與材料原子引發之散射所導致之能量損耗亦減少，故而所檢測出之BSE信號強度增大。即，衰減率μ與材料之平均密度存在反比例之關係。
利用該關係，可根據所登錄之測定對象圖案之低倍率圖像407算出圖案密度，並根據無圖案之情形時之該材料之密度及試樣之圖案密度，算出構成試樣之各層之材料之平均密度。圖6B係低倍率圖像407之二值化圖像601(模式圖)。將試樣表面之像素值設為1，將作為圖案之孔之開口之像素值設為0。對二值化圖像601，確定週期圖案之單位單元602(以藉由密鋪單位單元602而形成週期圖案之方式確定單位單元)，對單位單元602整體之像素，算出像素值為0之像素所占之比率，藉此算出圖案密度。
藉由以上程序，使用者不管是於以截面圖像之形式輸入測定對象圖案之構造資訊之情形時，還是於手動輸入測定對象圖案之構造資訊之情形時，均能獲得構成圖案之各層之材料之衰減率μ。
對使用構成測定對象圖案之各材料之衰減率μ進行圖案之深度資訊(立體形狀)之量測之方法進行說明。首先，自形成於測定對象之試樣之圖案之BSE圖像獲取BSE輪廓，確定BSE輪廓中之孔之上表面與底面之位置。BSE輪廓中之孔之上表面與底面之位置之確定方法係於測定配方之制定中使用圖5B所說明般之處理，省略重複之說明。若確定上表面位置與底面位置，則獲得自上表面位置至底面位置之間、即測定對象圖案之側壁之BSE信號波形(X，I)，對BSE信號波形(X，I)進行微分處理。將對BSE信號波形(X，I)進行微分所得之BSE微分信號波形(dI/dX)701之例(模式圖)示於圖7A。於材料不同之層之界面中，產生BSE微分信號波形之不連續點，該不連續點為X方向上之界面座標XINT 。再者，求出界面座標XINT 時，為了敏銳地反應，可為高階微分，或者可進行判斷來自側壁之BSE信號強度之斜率之不連續性的其他信號處理。
使用圖7B來說明使用對應於界面座標XINT 之界面中之BSE信號強度IINT 、所獲取之材料1之衰減率μ1 及材料2之衰減率μ2 ，算出界面之深度hint (距圖案上表面之距離)及尺寸d之方法。尺寸d可藉由具有BSE信號強度IINT 之BSE信號波形711之2點之X座標之差而求出。另一方面，界面中之BSE相對信號強度nIINT 可利用(數式2)表示。此處，BSE相對信號強度nI係將圖案上表面處之BSE信號強度設為1，將圖案底面處之BSE信號強度設為0而進行標準化所得之信號強度，且為圖案之界面位置與底面位置之對比度相對於圖案之上表面位置與底面位置之對比度之比率。又，將圖案整體之深度設為H。
[數式2]
Figure 02_image003
(數式2) 藉此，可求出界面之深度hint 相對於整體深度H之比率。再者，此處省略詳細說明，但整體深度H可使一次電子束傾斜地入射至試樣表面而獲取BSE圖像，根據使一次電子束垂直地入射至試樣表面所得之BSE圖像與傾斜地入射所得之BSE圖像之孔之底面之位置偏移之大小和一次電子束之傾斜量之關係，求出整體深度H。藉由求出整體深度H之絕對值，可求出界面之深度hint 。
可量測之深度不限於界面之深度，可獲得任意位置處之尺寸、深度。或者可藉由連續地獲取尺寸與深度而獲得截面形狀。如此，任意位置處之圖案深度h均可使用(數式3)來算出。
[數式3]
Figure 02_image005
(數式3) 此處，衰減率μ﹡ 係於要求出之深度位於較界面靠上之情形時，為衰減率μ1 ，於要求出之深度位於較界面靠下之情形時，為衰減率μ2 。
以上，對X方向之截面進行了說明，但亦可改變提取BSE信號強度之方位，而獲得複數個方位之截面資訊，進而，亦可藉由綜合多個方位之截面資訊而獲得三維模型。
圖8A中示出用以執行圖3所示之順序之步驟S8(形狀測定之項目設定)之GUI800之例。GUI800係對量測位置指定部801中所指定之量測位置之尺寸進行測定。為了指定量測位置而具備：界面指定部802，其指定構成圖案之層之界面；及深度指定部803，其指示特定深度之尺寸量測。此時，理想為於圖案顯示部804顯示截面資訊，並藉由游標805顯示所指定之量測位置。於該情形時，可設為使用者能移動游標805，亦可設為能根據截面資訊指定量測位置。又，除此以外，亦可設為能藉由截面輪廓上之側壁角度、最大尺寸及位於最大尺寸之深度等而指定量測位置。又，量測位置指定部801被設為可藉由追加標籤806，而對1個圖案進行複數處之量測。進而，可藉由方位指定部807指定要量測之截面之方位，於選擇3D輪廓選擇部808之情形時，可進行複數個方位之測定，而求出三維模型。
對本實施例之圖案量測裝置中之形狀測定結果之輸出畫面之例進行說明。圖8B係顯示量測對象圖案之晶圓面內偏差之輸出畫面之例。晶圓圖(Wafer Map)810內之四邊形表示分別進行量測之圖案所在之區域(例如晶片)811。例如，若所測定之形狀精確，則以淺色顯示，背離精確值之程度越大則以越深之顏色顯示。如此，藉由對在晶圓之不同位置進行之測定結果進行映射顯示，能夠一覽地顯示晶圓面內偏差。
進而，於使用者欲知曉測定結果之詳細情況之情形時，於晶圓圖810之上指定特定之區域，並如圖8C般顯示自測定對象圖案之拍攝圖像所獲得之尺寸值測定結果、深度(高度)資訊、截面輪廓資訊、三維輪廓資訊等。又，亦可以設計值為基準，於圖中顯示測定值超過指定之閾值範圍之位置。藉由進行此類各種顯示，使用者能夠高效率地獲得資訊。
於圖1中，示出了藉由網路21將SEM連接於計算用伺服器22之例，但於圖9A、B中表示藉由SEM獲取、保存圖像，並傳送至所連接之計算用伺服器22，利用計算用伺服器22離線進行量測配方之制定或試樣之立體形狀之測定的流程。對於與圖3共通之步驟，藉由以與圖3相同之符號表示，而省略重複之說明。圖9A係SEM之控制部16所執行之流程。SEM本體專門獲取量測所需之圖像。於不存在量測對象圖案之測定配方之情形時，包含用以求出衰減率μ之圖像在內，將獲取圖像傳送至計算用伺服器22(步驟S11)。又，於獲取BSE圖像並且獲取二次電子圖像之情形時，亦將二次電子圖像傳送至計算用伺服器22。
圖9B係計算用伺服器22所執行之流程。載入自連接於網路之SEM所傳送而來之圖像(步驟S12)。於需針對所傳送之圖像設定測定配方之情形時，用於所傳送之圖像中所包含之低倍率圖像及高倍率BSE圖像而執行步驟S4～步驟S8，從而設定測定配方。按照所設定之測定配方，SEM自步驟S11中所獲取之BSE圖像量測測定對象圖案之立體形狀，並將形狀測定結果輸出至計算用伺服器22所具備之顯示部等(步驟S13)。又，於已存在測定配方之情形時，自SEM僅傳送步驟S11中所獲取之BSE圖像，故而按照既有之測定配方量測測定對象圖案之立體形狀，並輸出形狀測定結果(步驟S13)。
又，以積層有兩種材料之試樣為例對本實施例進行了說明，但量測對象圖案之構成圖案之層數並無限制。圖10A示出形成於由兩種以上之材料積層而成之試樣900之圖案及其BSE信號強度(ln(I/I0 ))。圖10B示出形成於由材料A與材料B交替地積層而成之試樣910之圖案及其BSE信號強度(ln(I/I0 ))。積層數並無限制。均由BSE信號強度明確地表示材料之界面，藉由本實施例之測定方法能夠有效地測定立體形狀。
與此相對，有時不同材料間之界面並不明確。第1情形係形成鄰接之2層之第1材料與第2材料之原子序數、密度近似之情形。於該情形時，兩材料之衰減率近似，而難以分離。第2情形係膜厚較薄之情形。於層之膜厚較薄，電子於試樣內散射一次為止所行進之距離內包含複數種材料之層之情形時，即便材料之衰減率大為不同，亦無法明確地表示出界面。如此，於無法區分衰減率相對於側壁之高度之差異之情形時，宜看作一層而進行立體形狀之量測。
以上，使用圖式對本發明進行了說明。但，本發明並非受以上所示之實施形態之記載內容限定地進行解釋，可於不脫離本發明之思想或主旨之範圍內，變更其具體之構成。即，本發明不受所說明之實施例限定，包含各種變化例。所說明之實施例係為了容易理解地說明本發明而詳細地說明構成者，未必限定於具備所說明之全部構成者。又，關於各實施例之構成之一部分，可於不產生矛盾之範圍內，追加、刪除、替換為其他構成。
又，關於圖式等中所示之各構成之位置、大小、形狀及範圍等，有時為了使發明容易理解，而不表示實際之位置、大小、形狀及範圍等。因此，於本發明中，並不限定於圖式等中所揭示之位置、大小、形狀及範圍等。
又，於實施例中，控制線或資訊線係示出了認為說明上需要者，就製品而言未必示出了所有控制線或資訊線。例如，所有構成亦可相互連接。
又，本實施例所示之各構成、功能、處理部、處理方法等可藉由例如利用積體電路進行設計等而利用硬體實現其等之一部分或全部。或者，亦可藉由軟體之程式碼而實現。於該情形時，將記錄有程式碼之記憶媒體提供給電腦，該電腦所具備之處理器讀出記憶媒體中所儲存之程式碼。於該情形時，自記憶媒體讀出之程式碼本身實現上述實施例之功能，該程式碼本身及記憶其之記憶媒體構成本發明。
1:電子光學管柱 2:試樣室 3:電子槍 3a:理想光軸 4:聚光透鏡 5, 6:偏轉器 7:物鏡 8:第1電子檢測器 9:第2電子檢測器 10:晶圓 11:XY載台 12, 13:放大器 14:電子光學系統控制部 15:載台控制部 16:控制部 17:圖像處理部 18:運算部 19:記憶部 20:裝置控制部 21:網路 22:計算用伺服器 200, 900, 910:試樣 201:界面 205:孔 211, 212, 213:一次電子束 221, 222, 223:BSE 230:BSE信號強度 400, 800:GUI 401:光學條件輸入部 402:測定對象圖案登錄部 403:材料構成輸入部 404:俯視圖像登錄部 405:低倍率圖像登錄部 406, 409:拍攝條件選擇框 407:低倍率圖像 408:高倍率BSE圖像登錄部 410, 510:高倍率BSE圖像 411:構造輸入部 412:截面圖像輸入部 413:設計資料輸入部 414:截面資訊輸入部 415:手動輸入部 416:分層輸入框 417:材料選擇部 418:使用者定義部 419:膜厚輸入部 420:衰減率顯示部 500:截面圖像 501:截面輪廓 502:傾斜部 511:BSE輪廓 512:方位 513:上表面位置 514:底面位置 515:BSE信號波形 521:BSE輪廓 522:BSE信號波形 523, 524:範圍 601:二值化圖像 602:單位單元 701:BSE微分信號波形 711:BSE信號波形 801:量測位置指定部 802:界面指定部 803:深度指定部 804:圖案顯示部 805:游標 806:標籤 807:方位指定部 808:3D輪廓選擇部 810:晶圓圖 811:區域
圖1係圖案量測裝置之概略構成圖。 圖2係對測定圖案之立體形狀之原理進行說明之圖。 圖3係表示測定圖案之立體形狀之順序之流程圖。 圖4係GUI(Graphical User Interface，圖形使用者介面)之例。 圖5A係使用截面圖像來說明衰減率μ之推定方法之圖。 圖5B係使用截面圖像來說明衰減率μ之推定方法之圖。 圖5C係使用截面圖像來說明衰減率μ之推定方法之圖。 圖6A係使用材料資訊來說明衰減率μ之推定方法之圖。 圖6B係使用材料資訊來說明衰減率μ之推定方法之圖。 圖7A係BSE微分信號波形(dI/dX)之例(模式圖)。 圖7B係對算出界面深度與尺寸之方法進行說明之圖。 圖8A係GUI之例。 圖8B係立體形狀測定結果之輸出畫面之例。 圖8C係立體形狀測定結果之輸出畫面之例。 圖9A係表示對圖案之立體形狀進行離線測定之順序之SEM之流程圖。 圖9B係表示對圖案之立體形狀進行離線測定之順序之計算用伺服器之流程圖。 圖10A係形成於由複數種材料積層而成之試樣之圖案之例。 圖10B係形成於由複數種材料週期性地積層而成之試樣之圖案之例。
200:試樣
201:界面
205:孔
211,212,213:一次電子束
221,222,223:BSE
230:BSE信號強度

Claims (14)

  1. 一種圖案量測裝置，其係對形成於由複數種不同材料積層而成之試樣之圖案之立體形狀進行量測者，且具有： 記憶部，其針對構成上述圖案之材料各者，記憶表示於該材料中之單位距離內該材料與電子引發散射之概率之衰減率；及 運算部，其自檢測藉由對上述圖案掃描一次電子束而發射之背向散射電子從而製成之BSE圖像中，提取上述圖案之上表面位置、底面位置及不同材料彼此相接之界面位置，針對上述圖案之任意位置算出自上述上表面位置起之深度；且 上述運算部使用上述BSE圖像中之上述圖案之上述任意位置與上述底面位置之對比度相對於上述圖案之上述上表面位置與上述底面位置之對比度的比率、以及上述記憶部中所記憶之上述圖案之上述底面位置之材料之衰減率及上述圖案之上述任意位置之材料之衰減率，算出上述圖案之上述任意位置之自上述上表面位置起之深度。
  2. 如請求項1之圖案量測裝置，其中上述運算部自上述BSE圖像中提取表示來自沿著規定方位之上述圖案之側壁之背向散射電子信號強度的BSE信號波形，且提取上述BSE信號波形之微分信號波形之不連續點作為上述界面位置。
  3. 如請求項1之圖案量測裝置，其中上述運算部基於檢測藉由將上述一次電子束以相對於上述試樣之表面傾斜之狀態對上述圖案進行掃描而發射之背向散射電子從而製成之傾斜BSE圖像中之上述圖案之底面與上述BSE圖像中之上述圖案之底面之間的位置偏移量、和上述一次電子束之傾斜量之關係，算出上述圖案之上述底面位置相對於上述上表面位置之深度。
  4. 如請求項1之圖案量測裝置，其中上述試樣為晶圓，且 將形成於上述晶圓之複數個上述圖案之立體形狀之偏差顯示於表示上述晶圓之圖上。
  5. 一種圖案量測裝置，其係對形成於由複數種不同材料積層而成之試樣之圖案之立體形狀進行量測者，且具有： 電子光學系統，其對上述試樣照射一次電子束； 第1電子檢測器及第2電子檢測器，上述第1電子檢測器檢測藉由對上述圖案掃描上述一次電子束而發射之二次電子；上述第2電子檢測器檢測藉由對上述圖案掃描上述一次電子束而發射之背向散射電子； 圖像處理部，其根據上述第1電子檢測器或上述第2電子檢測器之檢測信號形成圖像；及 運算部，其將自上述圖案之截面圖像提取之上述圖案之側壁之截面輪廓、與自根據上述第2電子檢測器之檢測信號由上述圖像處理部所形成之第1BSE圖像提取之表示來自沿著規定方位之上述圖案之側壁之背向散射電子信號強度的BSE輪廓進行比較，與構成上述圖案之材料對應地區分上述BSE輪廓，根據區分出之上述BSE輪廓中之上述圖案之自上表面位置起之深度與背向散射電子信號強度之關係，求出該材料之衰減率。
  6. 如請求項5之圖案量測裝置，其中上述截面圖像係使用掃描式電子顯微鏡、聚焦離子束顯微鏡、掃描穿透式電子顯微鏡、原子力顯微鏡之至少任一者所拍攝之上述圖案之截面圖像或上述圖案之設計資料。
  7. 如請求項5之圖案量測裝置，其中上述圖像處理部根據與形成上述第1BSE圖像之上述第2電子檢測器之檢測信號同時獲取之上述第1電子檢測器之檢測信號而形成第1二次電子圖像，且 上述運算部藉由上述第1二次電子圖像特定出上述圖案之上表面位置。
  8. 如請求項5之圖案量測裝置，其具有記憶部，上述記憶部針對構成上述圖案之材料各者，記憶衰減係數，該衰減係數表示對不存在上述圖案之該材料以規定之加速電壓照射上述一次電子束時，於該材料中之單位距離內具有規定密度之該材料與電子引發散射之概率，且 上述圖像處理部根據上述第1電子檢測器之檢測信號形成倍率低於上述第1BSE圖像之第2二次電子圖像， 上述運算部針對構成上述圖案之材料各者，基於上述記憶部中所記憶之衰減係數及根據上述第2二次電子圖像所算出之上述圖案形成於上述試樣之圖案密度，求出衰減率。
  9. 如請求項5之圖案量測裝置，其中上述運算部自檢測藉由對上述圖案掃描上述一次電子束而發射之背向散射電子從而製成之第2BSE圖像中，提取上述圖案之上表面位置、底面位置及不同材料彼此相接之界面位置，使用上述第2BSE圖像中之上述圖案之任意位置與上述底面位置之對比度相對於上述圖案之上述上表面位置與上述底面位置之對比度的比率、以及上述圖案之上述底面位置之材料之衰減率及上述圖案之上述任意位置之材料之衰減率，算出上述圖案之上述任意位置之自上述上表面位置起之深度。
  10. 如請求項9之圖案量測裝置，其中上述運算部自上述第2BSE圖像提取表示來自沿著規定方位之上述圖案之側壁之背向散射電子信號強度的BSE信號波形，且提取上述BSE信號波形之微分信號波形之不連續點作為上述界面位置。
  11. 如請求項9之圖案量測裝置，其中上述運算部基於檢測藉由將上述一次電子束以相對於上述試樣之表面傾斜之狀態對上述圖案進行掃描而發射之背向散射電子從而製成之傾斜BSE圖像中之上述圖案之底面與上述第2BSE圖像中之上述圖案之底面之間的位置偏移量和上述一次電子束之傾斜量之關係，算出上述圖案之上述底面位置相對於上述上表面位置之深度。
  12. 一種圖案量測方法，其係對形成於由複數種不同材料積層而成之試樣之圖案之立體形狀進行量測者，且 針對構成上述圖案之材料各者，預先記憶表示於該材料中之單位距離內該材料與電子引發散射之概率之衰減率， 自檢測藉由對上述圖案掃描一次電子束而發射之背向散射電子從而製成之BSE圖像中，提取上述圖案之上表面位置、底面位置及不同材料彼此相接之界面位置，使用上述BSE圖像中之上述圖案之任意位置與上述底面位置之對比度相對於上述圖案之上述上表面位置與上述底面位置之對比度的比率、以及上述圖案之上述底面位置之材料之衰減率及上述圖案之上述任意位置之材料之衰減率，算出上述圖案之上述任意位置之自上述上表面位置起之深度。
  13. 如請求項12之圖案量測方法，其中自上述BSE圖像提取表示來自沿著規定方位之上述圖案之側壁之背向散射電子信號強度的BSE信號波形，且提取上述BSE信號波形之微分信號波形之不連續點作為上述界面位置。
  14. 如請求項12之圖案量測方法，其中基於檢測藉由將上述一次電子束以相對於上述試樣之表面傾斜之狀態對上述圖案進行掃描而發射之背向散射電子從而製成之傾斜BSE圖像中之上述圖案之底面與上述BSE圖像中之上述圖案之底面之間的位置偏移量、和上述一次電子束之傾斜量之關係，算出上述圖案之上述底面位置相對於上述上表面位置之深度。
TW109113300A 2019-05-08 2020-04-21 圖案量測裝置及量測方法 TWI741564B (zh)

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