TWI461653B - 測量樣本尺寸的方法 - Google Patents

Description

測量樣本尺寸的方法

本發明大致上關於一種測量樣本尺寸的方法。具體而言之，本發明係關於一種透過與待測尺寸無關之維度(dimension)，在不破壞樣本之原則下，來間接測量樣本尺寸的方法。本發明方法，特別適用於測量具有極小尺寸的樣本。

在製造半導體元件的領域中，經常需要測量製程中半成品或成品結構尺寸的大小。隨著半導體元件的臨界尺寸(critical dimension)日益縮小，例如小於10奈米，測量製程中半成品與成品極小尺寸的挑戰越來越大。同時，用於量測的樣本尺寸亦隨著半導體元件臨界尺寸的變小而變小並更加難以製作。目前所知用來測量量測樣本尺寸大小的方法有以下幾種。

例如針對穿透式電子顯微鏡(transmission electron microscopy,TEM)量測樣本尺寸的測量，常用的第一種方法稱為掃描式電子顯微鏡(scanning electron microscopy,SEM)法。但是此法缺點甚多。首先，此法須用到掃描式電子顯微鏡。其次，此法須將樣本從一機臺(在此例子為穿透式電子顯微鏡)移至另一機臺(在此例子為掃描式電子顯微鏡)，以致於要耗用掉太多等待時間。而且，每轉移一次樣本就會增加樣本損傷的風險。另外，為了製造合用於掃描式電子顯微鏡的樣本，必須要破壞部份的樣本，這樣就不適用於後續還需要其他檢測的情況。

常用的第二種方法稱為收斂電子束繞射(Convergent Beam Electron Diffraction,CBED)法。但是此法的缺點在於，此方法需運用非 傳統或進階穿透式電子顯微鏡分析手法，通常需要添購專用的軟體來分析數據，還不適合厚度不夠厚的樣本，例如不適合測量小於45奈米的樣本尺寸。

常用的第三種方法稱為能量過濾型穿透式電子顯微鏡(energy-filtered transmission electron microscopy,EFTEM)法。但此法的問題是，得到的結果是厚度與尺寸的比值t/λ(λ為樣本之平均自由徑(mean free path))，而不是厚度值的本身。另外，又需要在標準穿透式電子顯微鏡(transmission electron microscopy,TEM)上外加硬體配件，以及配合使用進階(advanced)的穿透式電子顯微鏡操作技術，而不適合一般的場合。

考量到前述常用的多種方法，都不能滿足簡易、快速又直接的操作方式。所以，仍然需要一種的新穎方法，來簡化量測樣本尺寸的測量。

有鑑於此，本發明於是特別提出了一種透過與待測尺寸無關之維度(dimension)，來間接測量樣本尺寸的方法。本發明方法可以在不破壞樣本之條件下，使用傳統的標準穿透式電子顯微鏡來間接測量樣本的尺寸。本發明方法不但能避免目前已知先前技藝的缺點，還特別適用於測量具有極小結構尺寸的樣本，較佳者，結構尺寸越小越適合。

有鑑於此，本發明於是提出了一種測量尺寸的方法。首先，提供具有樣本之量測機臺。樣本具有待測尺寸，而量測機臺具有可調整之第一機臺參數(apparatus parameter)與第二機臺參數。其次，調整量測機臺之第一機臺參數，並在能量源之輔助下，以獲得對應於第一機臺參數之第一最佳化值(a first optimized value)。然後，又在能量源輔助下，繼續調整量測機臺之第二機臺參數，以獲得對應於第二機臺參數之第二最佳化值(a second optimized value)。再來，統合(co-relating)第一機 臺參數、第一最佳化值、第二機臺參數與第二最佳化值，就可以間接地獲得待測尺寸。

在本發明之一實施方式中，樣本之待測尺寸小於100奈米(nm)。

在本發明之另一實施方式中，樣本之待測尺寸為結構尺寸。

在本發明之另一實施方式中，第一機臺參數與第二機臺參數其中至少一者為角度。例如，使用以下公式以間接獲得待測尺寸：待測尺寸=(第二最佳化值-第一最佳化值*cos(第二機臺參數-第一機臺參數))/sin(第二機臺參數-第一機臺參數)。

在本發明之另一實施方式中，第一最佳化值與第二最佳化值為特定角度下之投影值，而均與待測尺寸無關。

在本發明之另一實施方式中，能量源為電子束與電磁波其中之至少一者。

在本發明之另一實施方式中，獲得第一最佳化值、獲得第二最佳化值與間接獲得待測尺寸時，均不破壞樣本。

在本發明之另一實施方式中，第一機臺參數與第二機臺參數均為預設值。

本發明又提出了一種測量樣本厚度的方法。首先，提供具有待測尺寸之樣本。其次，在能量源之輔助下，以第一角度獲得樣本之第一投影寬度。然後，又在能量源之輔助下，以第二角度獲得樣本之第二投影寬度。再來，統合第一角度、第一投影寬度、第二角度與第二投影寬度，就可以間接地獲得待測尺寸。

在本發明之一實施方式中，樣本之待測尺寸小於100奈米。

在本發明之另一實施方式中，樣本之待測尺寸為結構尺寸。

在本發明之另一實施方式中，使用以下公式以間接獲得待測尺寸： 待測尺寸=(第二投影寬度-第一投影寬度*cos(第二角度-第一角度))/sin(第二角度-第一角度)。

在本發明之另一實施方式中，能量源為電子束與電磁波其中之至少一者。

在本發明之另一實施方式中，獲得第一投影寬度、獲得第二投影寬度與間接獲得待測尺寸時，均不破壞樣本。

在本發明之另一實施方式中，第二角度與第一角度均為預設值。

在本發明之另一實施方式中，第一投影寬度與第二投影寬度均為最佳化值。

在本發明之另一實施方式中，使用穿透式電子顯微鏡(TEM)來獲得第一投影寬度與第二投影寬度。

在本發明之另一實施方式中，第一角度與第二角度的相差取決於機臺樣本夾具(TEM holder)的操作限制。如採用標準樣本夾具，第一角度與第二角度的相差不大於15度。如採用非標準樣本夾具，如三維重構樣本夾具(Tomography holder)，第一角度與第二角度的相差則可大於15度，但一般不超過75度。

100‧‧‧樣本

110‧‧‧樣本結構

111‧‧‧入光面

112‧‧‧出光面

113‧‧‧維度

200‧‧‧量測機臺

210‧‧‧觀景窗

220‧‧‧能量源

第1圖至第7圖繪示本發明經由與待測尺寸無關之維度來間接測量樣本尺寸之方法。

本發明特別提供一種經由測量與待測尺寸無關之維度，來間接測量樣本尺寸的方法。第1圖至第7圖繪示本發明經由與待測尺寸無關之維度，來間接測量樣本之尺寸，例如厚度尺寸之方法。首先，請參 考第1圖，提供樣本100、與用來測量樣本尺寸之量測機臺200。量測機臺200具有觀景窗210。樣本100具有待測之尺寸，通常是奈米尺度(nano-scale)之尺寸。例如，樣本之待測尺寸小於100奈米(nm)，較佳者樣本100之待測尺寸小於45奈米，越小越合適。樣本100可以是包含有待測量尺寸之半成品或成品，例如是半導體領域中基材(圖未示)上的元件。此等元件具有各種材料層與結構尺寸。在製造過程中，需要知道各種材料層的厚度、寬度、長度等等維度是否正確，或是元件的結構尺寸是否符合其預訂規格、或是太大還是太小。

量測機臺200可以是用來量測維度的儀器，例如普通的穿透式電子顯微鏡，其無需要裝設特用的軟體或是新增硬體。量測機臺200具有可調整之參數，或是說，量測機臺200對於樣本可以具有可調整之參數。量測機臺200的此等參數可經由調整量測機臺本身來調整，或是經由調整樣本來調整。調整參數只需基本之操作技術即可，並透過觀景窗210得到結果。

可調整之參數可以是角度。例如，可調整之參數可以是量測機臺200的觀測角度或是載臺角度。另外，可調整之參數亦可以是樣本對於量測機臺200的傾斜角度。如此一來，改變此等可調整之參數，即可得到不同之量測結果。較佳者，改變此等可調整之參數成為第一機臺參數與第二機臺參數，而分別得到不同之量測結果。

其次，請參考第2圖，調整量測機臺200中樣本100之之第一機臺參數，以獲得對應於第一機臺參數之第一值，其可以為經過最佳化步驟之第一最佳化值。由於基材上可能排列有非常多的元件，所以在調整量測機臺200之第一機臺參數的過程之中，可能會遇到鄰近的元件干擾待測元件的量測過程，所以視情況需要可以經過最佳化步驟，微調第一機臺參數的大小，例如稍微增減量測機臺200的觀測角度、載臺角度、或是樣本對於量測機臺200的傾斜角度θ，而得到適於分析之第一 機臺參數。

較佳者，請參考第3圖，量測機臺200在能量源220之輔助下，經由調整量測機臺200中樣本100之第一機臺參數，例如樣本對於量測機臺200的傾斜角度θ，而獲得之第一最佳化值。此等能量源220會與樣本100交互作用，而得到可用於分析之資料。此等能量源可以是電子束，例如聚集(converged)或平行(parallel)電子束、電磁波或其組合，而且使用此等能量源時，不會破壞樣本。量測機臺200之第一機臺參數，較佳可以是當樣本結構110與量測機臺200能量源220平行時之機臺參數。

例如，請參考第4圖，量測機臺200在能量源220之輔助下，調整樣本100至第一角度α，使樣本結構110與量測機臺200能量源220平行。樣本結構110與之中量測機臺200能量源220平行的維度(dimension)，通常是樣本結構110的入光面111與出光面112以外之其它平面所共享之平行的維度113。由於樣本結構110中所欲測量之目標與量測機臺200能量源220平行，所以不會產生干擾觀察樣本投影寬度之疊影。

例如，使用穿透式電子顯微鏡，透過觀景窗210觀察到樣本之第一投影寬度L₁ 。此時，所得到之數據，包含第一最佳化值α，以及與第一最佳化值α對應之第一投影寬度L₁ 。第一最佳化值α可以由量尺讀出，第一投影寬度L₁ 可以是樣本結構110在穿透式電子顯微鏡中之投影(projected image)，而從觀景窗210讀出，如第4圖所示。

然後，請參考第5圖，繼續調整量測機臺200中樣本100之參數，成為另一個不同於第一機臺參數之第二機臺參數。例如，請參考第6圖，又在能量源220輔助下，繼續調整量測機臺200中樣本100之參數成為第二機臺參數，以獲得對應於第二機臺參數之第二最佳化值(asecond optimized value)。請參考第7圖，在能量源220之輔助下，使用 穿透式電子顯微鏡以第二角度β，透過觀景窗210觀察到樣本100之第二投影寬度L₂ 。第一角度α與第二角度β的差異取決於機臺樣本夾具(TEM holder)的操作限制。一方面，如果採用標準樣本夾具，第一角度α與第二角度β的差異不大於15度。另一方面，如果採用非標準樣本夾具，如三維重構樣本夾具(Tomography holder)，第一角度α與第二角度β的差異則可大於15度，但一般而言，第一角度α與第二角度β的差異較佳不超過75度。為了量測上的便利，本發明方法亦包含將量測機臺200之第一機臺參數與第二機臺參數均為設為預設值(default)，從而省去微調第一機臺參數與第二機臺參數時間。換句話說，第一角度α與第二角度β均可以使用量測機臺200之預設值。

由於基材上可能排列有非常多的元件，所以在調整量測機臺200之機臺參數的過程之中，可能會遇到鄰近的元件會干擾待測元件的量測過程，所以需要經過最佳化步驟，微調機臺參數的大小。例如，半導體基材上的元件，通常會包含許多的材料層與微觀結構(microscopic structure)。材料層，例如氮化層、氧化物層或是矽化金屬層…等等，與微觀結構，例如閘極、接觸插塞，各自會有不同的維度尺寸(dimensional size)，例如厚度t、長度、寬度、高度…等等，如第7圖所示。在製造半導體元件的過程中，經常需要測量製程中半成品與成品的結構尺寸是否符合預期。

但是由於半導體基材上的元件通常排列的都非常緊密，所以鄰近的材料層與微觀結構可能會在測量尺寸的過程中相互干擾，影響分析。所以較佳者，從觀景窗210讀出樣本之第一投影寬(projected image)和第二投影寬與周圍樣品結構有明顯的明暗對比，因此得以取得清晰之第一投影寬度L₁ 與第二投影寬度L₂ 。當然，傾斜角度θ之α不會等於β。所以較佳者，需要經過最佳化步驟，微調第二機臺參數的大小，例如稍微增減量測機臺200的觀測角度、載臺角度、或是樣本100對於量測機 臺200的傾斜角度θ，而得到適於分析之第二機臺參數，例如清晰之投影寬度。較佳者，第一投影寬度L₁ 與第二投影寬度L₂ 均為微調後之最佳化值。

由於半導體基材，例如矽(Si)砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)、砷化鋁鎵(AlGaAs)等皆為晶體材料，所以在調整量測機臺200之第一機臺參數的過程之中，可利用半導體晶體材料周期性的原子排列特性，來調整樣本對於量測機臺200的傾斜角度θ。量測機臺200之第一機臺參數，較佳可以是當樣本結構110與量測機臺200能量源220平行時之機臺參數。例如，如果樣本是廣泛已被採用為半導體基材的(100)晶面矽基板，較佳條件可以將樣本調至[110]或[100]晶帶軸(Zone Axis)，使樣本結構110與量測機臺200能量源220平行。然後，在能量源220之輔助下，使用穿透式電子顯微鏡以第一角度α，透過觀景窗210觀察到樣本100之第一投影寬度L₁ 。此時，因樣本結構110與量測機臺200能量源220平行，所取得第一投影寬也不會被鄰近的材料層與微觀結構干擾。

在調整量測機臺200之第二機臺參數時，也可利用半導體晶體材料周期性的原子排列特性，使得樣本結構沿著材料中晶帶軸(zone axis)或菊池線(Kikuchi line)之機臺參數。較佳條件在調整量測機臺200之第二機臺參數時，除了樣本100對於量測機臺200的傾斜角度θ有所改變以外，其他機臺參數皆沒有改變。

較佳者，如第7圖所示，在實施本發明方法獲得第一最佳化值、獲得第二最佳化值與間接獲得待測尺寸t時，均不破壞樣本100。另外，因為第一最佳化值與第二最佳化值均與待測尺寸t無關，所以本發明方法是一種間接推算出(indirectly determine)待測尺寸的方法。

在得到第一機臺參數、第一最佳化值、第二機臺參數與第二最佳化值之後，就可以經由簡單的方式統合第一機臺參數、第一最佳化 值、第二機臺參數與第二最佳化值，來間接地獲得所需要之待測尺寸。所得之結果即為所需要之待測尺寸，而不是比值，例如(t/λ)等間接的答案。如果第一機臺參數或是第二機臺參數為角度時，可以參考以下公式以間接獲得待測尺寸：待測尺寸=(第二最佳化值-第一最佳化值*_cos (第二機臺參數-第一機臺參數))/sin(第二機臺參數-第一機臺參數)

例如，使用前述之方式得到第一角度α、第一投影寬度L₁ 、第二角度β與第二投影寬度L₂ 後，就可以統合第一角度α、第一投影寬度L₁ 、第二角度β與第二投影寬度L₂ ，參考以下公式間接地獲得待測尺寸t。較佳者，L₁ 越小越好而L₂ 越大越好，但是L₁ 與L₂ 均不大於t。或是，L₂ 與L₁ 的差值越大越好，而L₁ 又小於15 nm。

待測尺寸t=(L2-L1*cos(β-α))/sin(β-α)，其中β>α。

以下即提出多組實施例，來間接地推測待測樣本的厚度尺寸。

【第一實施例】

L1=12.9 nm,L2=19.4 nm,β=11.35°,α=1.35°,β-α=11°

待測尺寸t=35 nm

使用掃描式電子顯微鏡法所得結果：大約介於36-38 nm之間

結果顯示，使用本發明方法所推算出之待測尺寸，與實際測量之非常接近。

【第二實施例】

L1=5.7 nm,L2=19.7 nm,β=12.76°,α=1.76°,β-α=11°

待測尺寸t=74 nm

【第三實施例】

L2=9.5 nm,L1=23.7 nm,β=11.90°,α=0.75°,β-α=11.2°

待測尺寸t=74 nm

經上述實例可知，本發明可以使用非常簡易的方式，即可快速地又準確地得到標的樣本中的尺寸。

100‧‧‧樣本

110‧‧‧樣本結構

111‧‧‧入光面

112‧‧‧出光面

113‧‧‧平行的維度

200‧‧‧量測機臺

210‧‧‧觀景窗

220‧‧‧能量源

Claims (19)

1. 一種測量尺寸的方法，包含：提供具有一樣本之一量測機臺，其中該樣本具有一待測尺寸，而該量測機臺具有可調整之一第一機臺參數(apparatus parameter)與一第二機臺參數；在一能量源輔助下，調整該量測機臺之該第一機臺參數，以獲得對應該第一機臺參數之一第一最佳化值(a first optimized value)；在該能量源輔助下，調整該量測機臺之該第二機臺參數，以獲得對應該第二機臺參數之一第二最佳化值(a second optimized value)；以及統合(co-relating)該第一機臺參數、該第一最佳化值、該第二機臺參數與該第二最佳化值，以間接獲得該待測尺寸。
2. 如請求項1測量尺寸的方法，其中該樣本之該待測尺寸小於100奈米(nm)。
3. 如請求項1測量尺寸的方法，其中該樣本之該待測尺寸為一結構尺寸。
4. 如請求項1測量尺寸的方法，其中該第一機臺參數與該第二機臺參數其中至少一者為角度。
5. 如請求項4測量尺寸的方法，其中使用以下公式以間接獲得該待測尺寸：該待測尺寸=(該第二最佳化值-該第一最佳化值*cos(該第二機臺參數-該第一機臺參數))/sin(該第二機臺參數-該第一機臺參數)。
6. 如請求項1測量尺寸的方法，其中該第一最佳化值與該第二最佳化值均與該待測尺寸無關。
7. 如請求項1測量尺寸的方法，其中該能量源為一電子束以及一電磁波其中 之至少一者。
8. 如請求項1測量尺寸的方法，其中獲得該第一最佳化值、獲得該第二最佳化值與間接獲得該待測尺寸，均不破壞該樣本。
9. 如請求項1測量尺寸的方法，其中該第一機臺參數與該第二機臺參數均為預設值。
10. 一種測量樣本厚度的方法，包含：提供具有一待測尺寸之一樣本；在一能量源輔助下，在一第一角度下，獲得該樣本之一第一投影寬度；在該能量源輔助下，在一第二角度下，獲得該樣本之一第二投影寬度；以及統合(co-relating)該第一角度、該第一投影寬度、該第二角度與該第二投影寬度，以間接獲得該待測尺寸。
11. 如請求項10測量樣本厚度的方法，其中該樣本之該待測尺寸小於45奈米(nm)。
12. 如請求項10測量樣本厚度的方法，其中該樣本之該待測尺寸為一結構尺寸。
13. 如請求項10測量樣本厚度的方法，其中使用以下公式以間接獲得該待測尺寸：該待測尺寸=(該第二投影寬度-該第一投影寬度*cos(該第二角度-該第一角度))/sin(該第二角度-該第一角度)。
14. 如請求項10測量樣本厚度的方法，其中該能量源為一電子束以及一電磁波其中之至少一者。
15. 如請求項10測量樣本厚度的方法，其中獲得該第一投影寬度、獲得該第二投影寬度與間接獲得該待測尺寸，均不破壞該樣本。
16. 如請求項10測量樣本厚度的方法，其中該第二角度與該第一角度均為預設值。
17. 如請求項10測量樣本厚度的方法，其中該第一投影寬度與該第二投影寬度均為最佳化值。
18. 如請求項10測量樣本厚度的方法，其中該第二角度不大於15度。
19. 如請求項10測量樣本厚度的方法，其中使用一穿透式電子顯微鏡(TEM)來獲得該第一投影寬度與該第二投影寬度。