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TWI705475B - 圖案量測系統及量測方法 - Google Patents

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TWI705475B
TWI705475B TW107136145A TW107136145A TWI705475B TW I705475 B TWI705475 B TW I705475B TW 107136145 A TW107136145 A TW 107136145A TW 107136145 A TW107136145 A TW 107136145A TW I705475 B TWI705475 B TW I705475B
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signal
scanning
charged particle
particle beam
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TW107136145A
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孫偉
早田康成
二宮拓
後藤泰範
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日商日立全球先端科技股份有限公司
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Abstract

本發明之目的在於提供一種無論深槽或深孔之形成精度如何，均能夠高精度地量測深度及量測立體形狀之圖案量測裝置。
為此，本發明之量測裝置係檢測由上述照射產生之來自圖案之反射電子，將來自上述圖案之上表面、底面及側壁之反射電子信號強度進行比較，基於上述上表面及上述下表面之高度之差，算出上述側壁之立體形狀(或高度資訊)。將上述算出之上述側壁之立體形狀與基於一次電子束之強度分佈(孔徑角)推定出之側壁之立體形狀進行比較，基於上述比較之差，修正推定出之側壁之立體形狀，進行上述修正直至比較之差成為容許值為止。

Description

圖案量測系統及量測方法
本發明係關於一種半導體晶圓等之圖案之量測裝置及量測方法。
迄今為止，半導體元件由於記憶體之大容量化與位元成本降低，而微細化或高積體化等有所推進。近年來，對高積體化之要求較高，作為微細化之代替之構造之立體構造元件之開發與製造正在推進。
藉由使平面之構造立體化，而元件整體上處於變厚之方向。隨之，例如於如3D(Three Dimensions，三維)-NAND(Not AND，反及)、DRAM(Dynamic Random Access Memory，動態隨機存取記憶體)般之構造中，積層膜之層數增加，於形成孔或槽等之製程中，有孔或槽之平面尺寸與深度之比(縱橫比)亦變大之傾向。
例如，為了知曉孔徑50nm~100nm、深度3μm以上之非常高縱橫比之孔或槽之立體形狀，可藉由將晶圓切斷，對剖面形狀進行測定而獲得正確之剖面形狀，但調查晶圓面內之均一性花費工夫與成本。因此，需要除了孔之頂部與底部尺寸以外，亦非破壞地對圖案剖面形狀或立體形狀精度良好地進行測定之方法。
此處，若將利用以電子顯微鏡等為代表之顯微鏡不將晶圓破壞地對立體形狀進行觀察之一般方法大致分類，則有立體觀察與由上至下(top down)觀察之兩種方法。
例如，專利文獻1中所記載之立體觀察係將試樣台或電子束傾斜，改變電子束相對於試樣之相對性的入射角度，藉由與來自上表面之照射不同之複數個圖像進行圖案之高度、側壁之傾斜角度等之形狀量測。
又，專利文獻2中有如下內容，即，若深孔或深槽之縱橫比變大，則自底部釋放之二次電子(SE：secondary electron，通常，以能量為50eV以下大致定義)之檢測效率降低，故而對測定孔之底之尺寸並不有效。另一方面，藉由高能量之一次電子而產生之反射電子(BSE：backscattered electron，亦稱為背向散射電子，通常，以能量為50eV以上大致定義)自孔之底出現至試樣表面之量與二次電子相比相對較多。因此，對測定尺寸有效，記載有利用孔越深則BSE信號量越減少之現象而量測孔之底之深度之方法。
[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
如成為高縱橫比般之圖案難以控制孔槽之側壁或底部之形狀，有時成為錐形、如弧狀彎曲、扭曲般之形狀。因此，認為不僅孔或槽之上下之尺寸而且剖面形狀亦成為重要之評估項目。又，要求晶圓面內均一性為較高之級別，檢查、量測面內分佈，對半導體之製造製程(例如蝕刻裝置)反饋為良率提高之關鍵。
然而，於專利文獻1中，需要複數個角度之量測，存在量測時間之增大或解析方法之複雜化等問題。而且，只能獲得僅圖案之邊緣(端)之資訊，故而無法進行連續性的立體形狀之量測。
又，專利文獻2中揭示有標準試樣或孔深度以已知之實測資料為基準，進行槽或孔之底部之高度量測。
即，於專利文獻1及2中，說明了用以進行立體構造之試樣之觀察或測定之方法，但關於相同之孔之內部之相對高度或連續性的立體形狀、以及由一次電子束之強度分佈引起之測定精度降低之消除方法未作考慮。又，由於掃描電子顯微鏡中之一次電子束具有有限之孔徑角，故而於與焦點位置不同之高度，橫向之射束之強度分佈變化。尤其，於深孔或深槽之情形時該效果變得明顯，亦藉由發明者之實驗而判明到存在無法區分自上表面、底面及側壁產生之電子之可能性。
本發明係鑒於該等問題，提供一種能夠實現剖面形狀或立體形狀測定之掃描電子顯微鏡之系統及使用其之圖案量測方法以及掃描電子顯微鏡。
為了達成上述目的，本發明具有以下構成。一種量測裝置，其特徵在於，其係對形成於試樣上之圖案之尺寸進行測定者，且具有：照射光學系統，其對上述圖案掃描並照射帶電粒子束；檢測器，其檢測由上述照射產生之來自圖案之反射電子；信號強度比較部，其將來自上述圖案之上表面、下表面及側壁之反射電子之信號強度進行比較；以及高度算出部，其基於上述比較之結果與上述上表面及上述下表面之高度之差，算出上述側壁中之任意位置之高度。
又，作為本發明之另一形態，具有以下構成。一種量測裝置，其係對形成於試樣上之圖案之尺寸進行測定者，且具有：照射光學系統，其對上述圖案掃描並照射帶電粒子束；檢測器，其檢測由上述照射產生之來自圖案之電子；傾斜機構，其變更上述帶電粒子束與上述試樣之相對角度；以及高度算出部，其基於對上述試樣以第1入射角度掃描上述帶電粒子束時之上述試樣之上表面及下表面中之任意之各個位置之第1相對距離、與對上述試樣以第2入射角度掃描上述帶電粒子束時之上述試樣之上表面及下表面中之任意之各個位置之第2相對距離，算出自上述試樣之上表面至下表面之高度。
又，作為本發明之另一形態，具有以下構成。一種量測方法，其特徵在於，其係對形成於試樣上之圖案之形狀進行測定者，且具有：照射步驟，其對上述圖案掃描並照射帶電粒子束；檢測步驟，其檢測由上述照射產生之來自圖案之電子；信號強度比較步驟，其將來自上述圖案之上表面、下表面及側壁之電子之信號強度進行比較；以及高度算出步驟，其基於上述比較之結果與上述上表面及上述下表面之高度之差，算出上述側壁中之任意位置之高度。
根據上述構成，關於深孔或深槽等立體構造，能夠精度良好地對剖面形狀或立體形狀進行量測。
1:管柱
2:試樣室
3:電子槍
4:聚光透鏡
5:偏向器
6:偏向器
7:物鏡
8:電子檢測器
9:電子檢測器
10:晶圓
11:XY載台
12:放大器
13:放大器
14:電子束掃描控制器
15:載台控制器
16:處理部
17:運算部
18:控制部
19:顯示裝置
20:伺服器
21:顯示部
A:上表面尺寸
a1:交點
a2:交點
a3:中心
b1:交點
b2:交點
b3:中心
B:底面尺寸
C:中尺寸
H:深度
h1:深度
S1:步驟
S2:步驟
S3:步驟
S4:步驟
S5:步驟
S6:步驟
S7:步驟
S8:步驟
S11:步驟
S12:步驟
S13:步驟
S14:步驟
S15:步驟
S16:步驟
S17:步驟
γ:入射角度
圖1係表示包含掃描電子顯微鏡之圖案量測裝置之概要之圖。
圖2係表示於照射無擴展之一次電子束時所產生之BSE之行為之剖視圖。
圖3A係說明形成有頂部直徑與底部直徑以相同深度形成之開口密度不同之孔圖案之試樣的圖式。
圖3B係表示模擬對形成有頂部直徑與底部直徑以相同深度形成之開口密度不同之孔圖案之試樣照射1次電子束時所檢測之反射電子(BSE)之信號強度與深度之關係之結果的曲線圖。
圖4A係說明形成有以不同之錐形角度形成之孔圖案之試樣的圖式。
圖4B係表示模擬對形成有以不同之錐形角度形成之孔圖案之試樣照 射1次電子束時所檢測之反射電子(BSE)之信號強度與深度之關係之結果的曲線圖。
圖5A係說明形成有以不同之深度形成之孔圖案之試樣的圖式。
圖5B係表示模擬對形成有以不同之深度形成之孔圖案之試樣照射1次電子束時所檢測之反射電子(BSE)之信號強度與深度之關係之結果的曲線圖。
圖6A係表示基於相對信號強度與相對深度之關係測定深孔或深槽之相對性的剖面形狀(上表面、底面)之方法之圖。
圖6B係表示基於相對信號強度與相對深度之關係測定深孔或深槽之相對性的剖面形狀(中間尺寸)之方法之圖。
圖6C係表示基於相對信號強度與相對深度之關係測定深孔或深槽之相對性的剖面形狀(複數個中間尺寸)之方法之圖。
圖7A係表示根據入射角度與上下之偏移量之關係測定深孔或深槽之絕對深度之方法的圖。
圖7B係表示根據入射角度與上下之偏移量之關係測定深孔或深槽之絕對深度之方法的圖。
圖7C係表示根據入射角度與上下之偏移量之關係測定深孔或深槽之絕對深度之方法的圖。
圖8A係表示於照射具有擴展之一次電子束時所產生之BSE之行為之剖視圖。
圖8B係表示於照射具有擴展之一次電子束時所產生之BSE之行為之剖視圖。
圖9係表示基於一次電子束之依賴於高度之強度分佈計算相對性的剖 面形狀之流程之圖。
圖10A係表示於構築立體形狀時自不同方位量測之圖。
圖10B係表示藉由自不同方位量測而構築立體形狀之圖。
圖11係表示本發明之掃描電子顯微鏡之立體形狀之量測裝置及量測系統之構成圖。
圖12係表示圖案之立體形狀之測定序列之圖。
圖13A係測定傾斜之孔之剖面形狀之圖。
圖13B係測定傾斜之孔之剖面形狀之圖。
圖13C係測定傾斜之孔之剖面形狀之圖。
圖14係表示於弧狀彎曲孔中，一次射束垂直入射時之BSE波形之圖。
圖15A係測定弧狀彎曲孔之剖面形狀之圖。
圖15B係測定弧狀彎曲孔之剖面形狀之圖。
圖15C係測定弧狀彎曲孔之剖面形狀之圖。
圖16A係表示藉由不同之電子信號之波形而測定深孔或深槽之剖面形狀之方法的圖。
圖16B係表示藉由不同之電子信號之波形而測定深孔或深槽之剖面形狀之方法的圖。
圖17A係表示藉由不同之電子信號之波形而測定深孔或深槽之絕對深度之方法的圖。
圖17B係表示藉由不同之電子信號之波形而測定深孔或深槽之絕對深度之方法的圖。
以下將說明之實施例係說明於半導體製造過程中之半導體晶圓等之觀察或量測中，使用電子束進行縱橫比較高之孔圖案或槽圖案之剖面形狀或立體形狀測定之掃描式電子顯微鏡及量測系統、以及使用其之圖案之立體形狀之量測方法。試樣係主要例示形成有圖案之半導體晶圓，但並不限定於半導體之圖案，只要為可利用電子顯微鏡或其他顯微鏡觀察之試樣則包括在內。
[實施例1] (裝置構成)
圖1表示本實施例中之作為使用帶電粒子束之裝置之一形態之掃描電子顯微鏡(SEM：Scanning Electron Microscope)。掃描電子顯微鏡本體由電子光學管柱1(對應於照射光學系統)與試樣室2構成。於管柱1之內側，設置有：電子槍3，其係產生電子並以特定之加速電壓釋放被賦予能量之一次電子束之釋放源；聚光透鏡4，其使電子束聚焦；偏向器6，其使電子束於晶圓(試樣)10上掃描；及物鏡7，其使電子束聚焦並照射至試樣。
進而，於管柱1內設置有偏向器5，該偏向器5使電子束自理想光軸離軸，使經離軸之射束朝向相對於理想光軸傾斜之方向偏向，藉此形成傾斜射束。設置於試樣室之XY載台11根據自載台控制器15賦予之信號而使晶圓10移動。電子束係藉由以自電子束掃描控制器14賦予之信號驅動之偏向器6而掃描。自電子檢測器8及電子檢測器9輸出之檢測信號係於放大器12及13中進行信號轉換，並輸入至處理部16。
於本實施例中，檢測器8主要檢測藉由對試樣照射電子束而產生之二次電子，其檢測信號主要表示晶圓表面(上表面)之圖案資訊。又，電子檢測器9檢測藉由對試樣照射電子束而產生之背向散射電子，其檢測信號主要表示圖案之下層之資訊。於本實施例中，將可到達至深孔之較深部分之高能量之一次電子束照射至晶圓10。
進而，處理部16例如將根據所獲得之圖像獲取之波形輸入至運算部17。於運算部17中，具有用以基於一次電子束之強度分佈運算或比較BSE信號之程式、及根據檢測信號推定、修正剖面形狀之算出功能。即，具有基於一次電子之強度分佈運算信號之運算部、將各個信號之強度進行比較之信號強度比較部、及根據檢測信號推定、修正剖面形狀、立體形狀之形狀算出部等。又，即便~部不明示，亦有相當於本文中說明之處理之部，進而亦可解釋為有於各部之中分別控制輸入輸出之介面(部)。又，該運算亦能夠以複數個電子檢測器、根據複數個入射角度所獲得之複數個圖像為對象。又，只要為可獲得圖案之下層之資訊之條件則亦可並非BSE信號，亦可為例如二次電子等。進而，內置有將立體形狀之構築所需之參數自測定資料拼接並整合之功能。控制部18綜合地控制信號處理或裝置。又，於控制部18連接有顯示裝置19，具有將圖像或運算結果或測定結果輸出並以顯示裝置19等顯示之功能。
於本實施例中，首先，根據形成於基板上之孔或槽圖案之深度，將具有充分高之能量之一次電子束照射至試樣。藉由照射，利用基於侵入至 試樣之電子與試樣之物質之相互作用之散射現象而產生二次電子與背向散射電子。其中，對穿透側壁並透過至試樣表面為止之反射電子進行檢測。於一次電子束之能量充分之情形時，自孔之底部釋放之BSE穿透表面，故而可正確地測定剖面形狀或立體形狀。
例如，於由本發明採用為對象之如3D-NAND、DRAM般之深度3μm以上之孔或深槽之情形時，一次電子之加速電壓為5kV以上，較佳為30kV以上。又，較理想的是，反射電子檢測器設置成可檢測自孔之表面穿透之BSE之配置。
(原理)
使用圖2，對本實施例之測定立體形狀之原理進行說明。一般而言，若將具有能量之電子束照射至試樣，則藉由侵入至試樣之電子與物質之相互作用而產生能量不同之二次電子或背向散射電子。反射電子之產生量大幅依賴於電子束之入射角度與物質之平均原子序。
例如，於形成於均一(平均原子序相同或接近)之材料中之高縱橫比之孔或槽中，將高能量之一次電子束照射至底面進行觀察之情形時，與反射電子之散射區域相比，成為空腔之孔、槽之體積非常小，對反射電子之散射軌道影響極小。因此，可視為穿透側壁並自表面透過之BSE信號量依賴於自一次電子束之入射位置至表面為止之平均移動距離。一次電子束之入射位置越深，則至表面為止之距離越長，因散射所致之能量之損耗越大，故而透過試樣之BSE信號量減少。藉此，能夠根據底面之BSE信號量之減 少之程度推定底面之深度。
進而，於本實施例中，發現於作為斜面之孔之側壁中，亦可根據BSE信號量推定側面之照射位置上之高度。其理由在於，高加速之一次電子束之試樣內之軌道係於對側面之入射角度較小之情形時，可忽視相對於入射角度之依賴性。因此，可將來自圖案之上表面、底面及側壁之反射電子信號強度進行比較，基於上表面及底面之高度之差，算出側壁之立體形狀(或深度資訊)。BSE信號量與高度之關係之資訊能夠以關係式或資料表之形式具有。
如圖2所示，於本實施例中，於利用無擴展之理想的一次電子束對孔進行掃描時，任意入射位置之BSE信號量僅為深度H相對於孔之上表面(H=0)之函數(式1)。
BSE信號量=η．e-H．．．(式1)係數η為與材料之平均原子序、周圍構造之密度、入射電子數、加速電壓相關之係數。
據此，以上表面及底面BSE信號之差與高度之差為基準，獲得任意入射位置上之BSE相對信號強度與相對深度之關係(式2)。
BSE相對信號強度=(e-h-e-1)/(e0-e-1)h=[0,1]．．．(式2)於式2中，將上表面之信號強度設為1，將底面之信號強度設為0，且將上表面之深度設為0，將自上表面至底面為止之深度設為H，將射束照射到之中間位置之相對深度設為h。
表示實施電子束模擬(蒙特卡羅(Monte Carlo)模擬)所得之驗證結果。係使測定對象之孔或槽之開口密度、錐形角度、深度變化，將能量30kV電子(無擴展之射束)自上表面照射至底面為止，使檢測出之BSE信號相對於上表面之BSE信號標準化所得之結果。
於圖3A之情形時，孔剖面形狀係頂部尺寸：100nm，底部尺寸：80nm，孔深度3.0μm，孔圖案之開口密度為15%、30%、45%。
於圖4A之情形時，孔剖面形狀係頂部尺寸：100nm，底部尺寸：90nm、80nm、70nm，孔深度3.0μm，孔圖案之開口密度為30%。各錐形角度為0.08度、0.16度、0.24度。
於圖5A之情形時，孔剖面形狀係頂部尺寸：100nm，底部尺寸：80nm、72nm、60nm，孔深度3.0μm、5.0μm、7.0μm，孔圖案之開口密度為30%。所有錐形角度為0.16度。
而且，如圖3B、圖4B、圖5B中作為模擬結果所示，可知BSE相對信號強度並不取決於孔之開口密度(圖3B)、孔之錐形角度(圖4B)、深度(圖5B)。因此，僅依賴於無擴展之射束之入射位置之相對深度之函數e-h。即，藉由使用(式2)，與試樣之材料或周圍構造之開口密度、觀察條件等無關，可根據BSE信號之相對強度測定中間深度。而且，若連續性地測定中間深度處之孔之中間之水平方向之尺寸，則於深度方向上能夠測定連續 性的立體形狀。測定點越多越可進行順利之測定，但亦可利用函數等推定並修正測定點。又，相對信號強度與相對深度之關係亦可藉由(式2)而算出，或者亦可將預先算出之結果記憶於資料庫。
(無孔徑角之射束)
圖6A~C係表示基於相對信號強度與相對深度h之關係，計算深孔、深槽等相對性的剖面形狀之方法之圖。於本實施例中，基於信號強度中之閾值之設定，測定圖案之形狀。即，將閾值與信號波形之交點間之距離建立關聯並作為圖案剖面形狀之尺寸值輸出。
首先，如圖6A所示，為了測定孔之上表面與底面各自之尺寸A與尺寸B，基於BSE圖像，若設定閾值1則可算出交點a1與a2之x座標之差作為上表面尺寸A。其次，如圖6B所示，將上表面之位置上之a1與a2之相對信號強度設為1。
然後，以與閾值1相同之順序，設定閾值2。即，算出交點b1與b2之座標之差作為底面尺寸B，將底面之位置b1與b2之相對信號強度設為0，藉此將信號強度作為相對性者而標準化。例如，閾值1係於信號不被雜訊埋沒之範圍內越高越佳，關於閾值2，亦係於不被雜訊埋沒之範圍內越低越佳。具體而言，將閾值1設為信號波形之全高之90%，將閾值2設為0%。示出可較佳地判斷上表面與底面之例，但閾值之設定亦可為其他設定。
作為結果，圖6B表示將上表面位置之信號強度設為1且將底面位置之 信號強度設為零之BSE相對信號強度。BSE相對信號強度由於為孔之相對深度之函數，故而可使用(式2)之關係資訊，於不同之閾值下，連續性地獲取相對深度與位於該深度之尺寸，而計算相對性的剖面形狀。
最後，圖6C表示基於上述求出之相對性的剖面形狀(相對性的中間高度與位於該深度之中間尺寸值之組)與絕對深度(Z軸方向)構築剖面形狀之例。將孔之上表面之中心位置設為座標之原點0，將上述求出之絕對深度H配置於Z軸方向。以孔之上表面為基準，根據相對性的中間高度算出絕對深度，為了求出位於該深度之尺寸值而將c10、c20至c1n、c2n相對於Z軸均等地配置於左右，為了求出底面尺寸而將b1、b2相對於Z軸均等地配置於左右。將所配置之點連結而成之多點近似形狀為根據符合之入射角度測定出之形狀。
(考慮上表面與底面之偏移之絕對深度(H)之測定)
再者，作為獲得深孔、深槽之絕對深度(H)之方法，於本實施例中，使用入射角度中之深孔、深槽之上表面與底面之偏移之關係資訊來算出。
具體而言，將射束向試樣之相對入射角度設定複數個，該入射角度(γ度)係於可觀察底面之整體之範圍內變化進行掃描而形成圖像，基於所獲得之複數個圖像，量測上下之偏移量。上下之偏移量與入射角度線性之斜率成為孔之深度。可藉由(式3)而求出孔之深度。
上下偏移量=深度×tan(γ/180＊π)≒深度×(γ/180＊π)．．．(式3)於入射角度γ較小時使tanγ近似為γ。
如圖7A與圖7B所示，於本實施例中，將所設定之閾值與信號波形之交點之中心作為孔之中心而輸出。圖7B表示算出上表面之中心a3、底面之中心b3之例。如圖6A中所說明般，若使用BSE圖像之波形設定不同之閾值1與閾值2，則可算出交點a1及a2、b1及b2。然後，求出(a1+a2)/2、及(b1+b2)/2作為上表面與底面之中心a3及b3。即，a1與a2之中心位置成為a3，交點b1與b2之中心位置成為b3。閾值1係於信號不被雜訊埋沒之範圍內越高越佳，關於閾值2，亦於不被雜訊埋沒之範圍內設定為較低之位置。根據a3與b3之座標值，可於不同之入射角度中算出各上下之偏移量。
圖7C係表示對在可看到孔之底部之範圍使入射角度以0.01度為單位變化時之上下之偏移量進行繪圖所得之曲線圖之一例的圖。上下之偏移量與入射角度線性之斜率成為孔之深度。
深度=上下偏移量之差/((γ1-γ2)/180＊π)．．．(式4)
或者，亦可根據(式4)改變兩個入射角度形成圖像，基於所獲得之圖像根據上下之偏移量之差與入射角度之差而求出深度。
由圖1之運算部17構築之剖面形狀或立體形狀可由顯示裝置19顯示。顯示裝置19具備對使用者顯示對象圖案之三維形狀之GUI(Graphical User Interface，圖形使用者介面)。於三維形狀中，例如，亦可顯示深孔或深槽之側壁之傾斜角度、錐形角度、弧狀彎曲之深度及弧狀彎曲尺寸值等特徵量。
[實施例2] (有孔徑角之射束)
於掃描電子顯微鏡中，自電子源引出之電子係藉由透鏡之作用而會聚於焦點位置。然而，由於例如因各個電子之能量不同而電磁透鏡之勵磁效果不同，故而電子束有相對於焦點位置具有某種程度之擴展之性質。
發明者著眼於該方面，知曉試樣與射束之設定角度之精度亦對所獲得之剖面形狀或再構成之立體形狀之精度有較大影響。因此，若將入射角度高精度地校正，則可大幅度提高所獲得之剖面形狀或再構成之立體形狀之精度。
又，如圖8A所示，電子束以有限之孔徑角形成焦點，因此，若焦點位置於深度方向偏移，則依賴於孔徑角之大小而電子束馬上擴展下去。
然而，如圖8A所示，於量測較淺之圖案之尺寸時，一次電子束係於圖案之表面收斂，故而遠離聚焦點位置之處之射束之擴展(強度分佈)對測定精度影響較小。
另一方面，如圖8B所示，於量測深孔或深槽圖案時，圖案之上表面與底面間之高度範圍內之一次射束之強度分佈對BSE信號帶來較大影響。即便改變聚焦位置，根據掃描位置而孔之上表面、底面、或側壁之照射情況亦不同，會將自各種深度位置釋放之BSE信號不加以區分地檢測。又，於同一晶圓中，所形成之孔之形狀亦未必相同。根據成為測定對象之孔、 槽之形成精度(例如側壁之錐形角度)，而有擴展之電子束到達孔、槽時照射區域會變化，故而BSE信號強度變化。因此，對形狀測定精度帶來較大影響。
因此，一次電子束之強度分佈根據孔徑角與距焦點位置之距離而變化。於本實施例中，將依賴於該高度之強度分佈考慮在內。如至此為止所說明般，孔之任意入射位置之BSE信號量係與該位置之深度H及入射電子數相關。因此，於有擴展之一次電子束掃描深孔、槽之情形時，任意之掃描位置(x0)之BSE信號量成為深孔、槽之照射區域中，擴展中之各入射位置之一次電子束強度與依賴於該位置深度之BSE相對信號量之乘法之累計。將一次電子束之依賴於高度之強度分佈設為G(x，f(x))，將入射位置之相對深度h設為f(x)。
BSE(x0)=η ∫ G(x-x0，f(x))exp(-f(x))dx．．．(式5)(式5)係運算BSE信號之式。
以下，對使用表示BSE信號之相對強度與深度之關係之關係資訊，基於具有孔徑角之一次電子束之強度分佈推定深孔、槽之立體形狀之方法進行說明。首先，根據電子顯微鏡之光學條件預先具有與一次電子束之依賴於高度之強度分佈相關之資訊。一次電子束強度分佈資料之獲取方法亦可使用電子光學之設計資料或關係式。亦可使用使聚焦位置變化並根據SEM圖像之解析度之變化推定出之強度分佈。將預先資料庫化之一次電子束之強度分佈記憶於運算部。
圖9係計算深孔或深槽圖案之一個方位之相對性的剖面形狀之流程。藉由掃描電子顯微鏡之量測系統，而設定光學條件及攝像條件。其次，基於所設定之條件獲取BSE圖像，將根據SEM圖像所獲得之具有擴展之射束之BSE波形輸入至運算部17。於運算部17中，使用所輸入之SEM圖像之BSE波形與(式2)之關係資訊，對上表面測定中間深度與位於各深度之尺寸值，預測形狀(步驟S1)。其次，將所設定之光學條件中之一次電子束之強度分佈資料讀入，基於一次電子束之強度分佈資訊，於各掃描位置中，計算孔之照射區域(步驟S2)。
其次，根據(式5)，於照射區域內將各入射位置之BSE信號量累計(步驟S3)，運算所有掃描位置之BSE信號(步驟S5)。將運算出之BSE波形與SEM圖像之BSE波形進行比較，根據其差量修正推定出之孔之形狀(步驟S6)。運算基於一次電子束之強度分佈修正之形狀之BSE波形，進行上述修正直至與SEM圖像之BSE波形之比較之差成為容許值為止(步驟S7)。將比較之差成為容許值時之形狀作為最終之形狀而輸出，結束相對性的剖面形狀之計算(步驟S8)。
再者，於開始BSE波形之運算時，除了使用式2之關係資訊預測形狀以外，亦可使用設計之形狀資訊或利用其他方法推定出之側壁之剖面形狀。
作為補充，於根據運算出之BSE波形與SEM圖像之BSE波形之差量修正形狀時，使用數學性方法。關於各掃描位置之BSE信號強度，藉由運 算出之BSE波形與SEM圖像之BSE波形之間之最小平方法、最小發散法等計算而更新形狀，對上述推定形狀一面應用制約一面執行。
其次，如圖10A所示，於測定立體形狀之情形時，針對例如4個方位角之剖面之每個方向重複上述BSE信號之運算。如圖10B所示，然後，可基於由運算部17所獲得之複數方位之剖面形狀及深度資訊構築三維形狀。
又，如圖11所示，由於三維形狀構築需要計算機較高之處理能力，故而亦可於裝置本體之外設置計算用伺服器20。藉此，可於圖像獲取後迅速地構築三維形狀。又，藉由利用網路將複數個電子顯微鏡成像，亦可實現有效率之運用。作為計算用伺服器20之功能，針對每種光學條件記憶有具有孔徑角之一次電子束之強度分佈資料庫，基於一次電子束之強度分佈運算BSE信號，與藉由電子顯微鏡之掃描而獲得之對象圖案之觀察圖像之BSE信號進行比較，計算相對性的剖面形狀。基於上述所求出之相對性的剖面形狀與絕對深度構築剖面形狀。根據入射角度，進行所算出之剖面形狀之拼接，將複數個剖面形狀整合而構築立體形狀。又，顯示裝置分裝置控制用與計算資料顯示用而設置複數個，藉此，能夠不妨礙圖像獲取地進行形狀解析。顯示部21具備對使用者顯示形狀之GUI。將所算出之剖面形狀或立體形狀利用顯示部21顯示。於三維形狀中，例如，可顯示深孔或深槽之側壁之傾斜角度、錐形角度、中間深度及位於該深度之尺寸值等特徵量。
圖12係說明使用具備BSE信號運算裝置之掃描電子顯微鏡，測定圖 案之立體形狀之序列。首先，將形成有成為測定對象之圖案之晶圓導入至SEM之真空試樣室(步驟S11)，對成為測定對象之圖案進行一次電子束掃描。檢測所獲得之SE信號與BSE信號，產生具有孔徑角之信號之圖像(步驟S12)。獲取根據SEM圖像所獲得之具有擴展之射束之BSE波形。根據所獲取之SEM圖像預測圖案之形狀(步驟S13)。基於一次電子束之強度分佈資訊(孔徑角)，進行上述BSE信號之運算，進行形狀修正直至與SEM圖像之BSE波形之比較之差成為容許值為止(步驟S14)。其次，判斷是否測定立體形狀(步驟S15)。於測定立體形狀之情形時，返回至步驟S12對相同之場所以複數方位進行二維掃描。於不再進行三維形狀之測定之情形時，將上述已經測定之最終形狀輸出(步驟S16)。然後，判斷是否為最後之試樣(步驟S17)，若並非最後之試樣則返回至步驟S11開始下一試樣之測定。若於步驟S17中為最後之試樣，則結束測定。
[實施例3] (側壁傾斜之孔之例)
於實施例2中以呈錐形之垂直之孔圖案為例進行了說明，但若改變一次電子束之入射角度，則亦可同樣地測定傾斜之孔圖案之立體形狀。
如圖13A之左圖所示，於傾斜之孔或槽圖案之情形時，一次電子束垂直入射時之BSE信號波形如圖13A之右圖般量測。即，儘管深孔、深槽之右側傾斜，但由於一次電子束僅垂直地入射，故不進行該部分之正確之量測。即，可知如自上表面覆蓋底面般之傾斜之資訊難以利用垂直之一次電子束量測，故而於BSE波形為非對稱之情形時有圖案傾斜之可能性。
於該情形時，如圖13B之左圖所示使入射角度變化，尋找如BSE波形成為對稱般之入射角度。此時之入射角度與孔之傾斜角度相同。如圖13B之右圖所示，可使用成為對稱之BSE波形與(式2)之關係資訊，測定中間深度與位於各深度之尺寸值，預測形狀。根據試樣與電子束之相對入射角度，於各掃描位置中，計算孔之照射區域。基於具有孔徑角之一次電子束之強度分佈，與上述同樣地進行BSE信號之運算，進行形狀修正直至與SEM圖像之BSE波形之比較之差成為容許值為止。藉此，可基於藉由測定出之BSE信號之運算而求出之相對性的剖面形狀(相對性的中間高度與位於該深度之中間尺寸值)與絕對深度而構築剖面形狀。
圖13C係構築自相對於深孔而入射角度為γ度之方向(相對於Z方向而電子束之相對角度為γ度)觀察之剖面之形狀的例。將孔之上表面之中心位置設為座標之原點0，將上述所求出之絕對深度H配置於Z軸方向，並配置相對於Z軸而入射角度成為γ(孔之上下偏移量成為0之入射角度)之Z1軸。然後，以孔之上表面為基準，根據相對性的中間高度算出絕對深度，為了求出位於該深度之尺寸值而將c10、c20至c1n、c2n相對於Z1軸均等地配置於左右，為了求出底面尺寸而將b1、b2相對於Z1軸均等地配置於左右。將所配置之點連結而成之多點近似形狀為根據符合之入射角度測定出之形狀。如此，藉由改變一次電子束與圖案之相對入射角度，可測定以垂直入射無法看到之部分之形狀。
於本實施例中，為了改變電子束之入射角度，而使用藉由偏向器5電 子光學地使射束傾斜之方法，但使XY載台傾斜而使試樣傾斜之方法亦相同。又，亦可使用使管柱1傾斜之機構。或者，此處，電子束之入射角可使用XY載台或標準試樣進行校正。以使電子束成為所期望之傾斜角之方式調整軌道，基於此種運算決定偏向器5之偏向條件(控制值)。針對預先校正之偏向條件記憶偏向器5之控制值，針對複數個角度中之每一個進行射束照射，藉此能夠自動地執行使用傾斜射束之測定。
又，於本實施例中，將試樣與電子束之相對角度設為射束入射角度，但亦可將理想光軸與電子束之相對角度定義為射束入射角度。於通常之電子束量測裝置(SEM)中，基本上電子束軌道係相對於XY載台之移動軌道(X方向與Y方向)垂直地設定。將Z方向定義為零度，X方向、Y方向均由正、負之數字表示傾斜角。將X與Y組合而能夠設定所有方向之角度。
[實施例4]
於實施例1與實施例2中，示出有錐形角度之孔係相對於上表面而底面之尺寸與深度成比例地縮小形成之例。然而，如圖14之左圖所示之側壁之形狀般，於深槽孔之蝕刻中，根據深度而尺寸之變化並非成比例，亦存在被加工為稱為弧狀彎曲之形狀之情形。即便於此種形狀之情形時，亦有相鄰之孔彼此連接而元件無法動作之虞，故而藉由將此種剖面形狀反饋至加工裝置等製程裝置，能夠應用於良品收率提高(良率提高)。
以下，使用圖14之右圖，對深度H之存在弧狀彎曲之孔之剖面形狀之 測定法進行說明。圖14之右圖係表示一次電子束垂直入射時之BSE信號強度之圖。自孔之上表面至深度h1為止，尺寸值之變化成為中間尺寸C，自h1至底部為止成為固定之錐形角度。底部尺寸較上表面尺寸小。
然而，如圖14之左圖所示，實際之形狀係自孔之上表面至深度h1為止，尺寸值之變化成為曲線。作為產生所測定之形狀與實際之形狀之差的理由，可列舉於相對於深孔而一次電子束垂直入射時，自孔上表面之邊緣至深度h1為止，有一次電子束不照射至側壁之區域，故而無法檢測該區域之BSE信號。
其次，對如圖15A之左圖所示般以能夠檢測通常成為陰影而看不到之部分之BSE信號之方式使射束之入射角度變化的方法進行說明。例如，若將入射角度設定為複數個γ1與γ2度，基於二維掃描分別形成BSE圖像，則結果可獲得圖15A之右圖所示之量測結果。
首先，圖15B與圖15C各自之左圖係相對於圖案而使一次射束之入射角度變化為γ1與γ2度時之BSE信號。基於所獲得之BSE信號與一次電子束之強度分佈，根據試樣與電子束之相對入射角度，於各掃描位置中，計算孔之照射區域。藉由圖9所示之流程，利用運算裝置反覆運算BSE波形，測定複數入射角度時之剖面形狀。
而且，圖15B與圖15C各自之右圖係構築自相對於孔而入射角度為γ1與γ2度之方向(相對於Z方向而電子束之相對角度為γ度)觀察之剖面形狀之 例。可基於藉由測定出之BSE信號之運算而求出之相對性的剖面形狀(相對性的中間高度與位於該深度之中間尺寸值)與絕對深度而構築剖面形狀。將孔之上表面設為Z軸之原點，將上述所求出之絕對深度H配置於Z軸方向，並配置相對於Z軸而使入射角度為γ1與γ2度之Z1、Z2軸。以孔之上表面為基準，根據相對性的中間高度算出絕對深度，為了求出位於該深度之尺寸值而將c10、c20至c1n、c2n沿著Z1、Z2軸配置，為了求出底面尺寸而將b1、b2沿著Z1、Z2軸配置。將所配置之點連結而成之多點近似形狀為根據符合之入射角度測定出之形狀。圖15A之右圖係將圖15B之右圖與圖15C之右圖之多點近似形狀之一半使上表面位置a1、a2重疊而重新構成所得者。於各深度之尺寸(A、B、C)可根據配置於各深度之位置(a1、a2、……b1、b2)之距離求出。
[實施例5] (將SE圖像與BSE圖像同步使用)
上述實施例主要對僅利用BSE圖像測定剖面形狀或立體形狀之方法進行了說明，但亦可使用由二次電子之檢測資訊構成之SE圖像與BSE圖像之兩者。二次電子由於有具有較對之物質之表面之資訊的特徵，故而藉由使用SE圖像可較BSE圖像提高上表面位置及上表面尺寸之測定精度。於裝置上，若將SE圖像與BSE圖像同步而同時獲取，則構成圖像之像素表示相同之場所，與使用BSE圖像之情形時同樣地可進行上表面之尺寸或上下偏移量之測定。
例如，如圖16A所示，為了測定孔之上表面與底面各自之尺寸，若基 於SE圖像設定為閾值1則可算出交點a1與a2之x座標之差作為上表面尺寸A。同時，於根據BSE圖像所獲得之BSE波形中，抽出成為相同之尺寸A之交點a1與a2，決定成為深度之基準之孔之上表面之位置。
圖16B表示將a1與a2之BSE信號強度設為1，將相當於底面之較低部分之BSE信號強度設為0，相對性地標準化所得之BSE波形。經標準化之BSE波形信號強度由於為孔之相對深度之函數，故而可使用(式2)之關係資訊，於不同之閾值下，連續地獲取相對深度與位於該深度之尺寸，而計算相對性的剖面形狀。
又，圖17A與圖17B係表示同時使用SE圖像與BSE圖像，算出上表面與底面之中心之例之圖。若使用SE圖像之波形設定閾值1則可算出交點a1與a2。又，若使用BSE圖像之波形設定閾值2則可算出交點b1與b2。閾值1係於信號不被雜訊埋沒之範圍內越高越佳，關於閾值2，亦於不被雜訊埋沒之範圍內設定為較低之位置。求出(a1+a2)/2、及(b1+b2)/2作為上表面與底面之中心。a1與a2之中心位置成為a3，交點b1與b2之中心位置成為b3。根據a3與b3各中心位置之座標值，可算出上下之偏移量。其次，可利用上下之偏移量與入射角度之關係資訊而求出絕對深度。
以上，使用圖式對本發明之實施例進行了說明。但是，本發明並不限定於以上所示之實施形態之記載內容而解釋。可於不脫離本發明之思想或主旨之範圍內變更其具體構成。
又，於圖式等中所示之各構成之位置、大小、形狀、及範圍等係為了使發明之理解容易，因此存在不表示實際之位置、大小、形狀、及範圍等之情形。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，關於控制線或資訊線，表示出說明上認為必要者，於製品上未必表示出所有控制線或資訊線。例如，所有構成亦可相互連接。
又，量測裝置與計算由量測裝置所獲得之資訊之處理裝置係作為不同之構成而記載，但亦可將量測裝置組裝至處理裝置，亦可藉由在網路上連接而物理上相互遠距離地設置。又，系統亦可包含相同或複數個量測裝置或處置裝置。
又，本發明並不限定於所說明之實施例，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將構成詳細地說明者，未必限定於具備所說明之所有構成者。又，關於各實施例之構成之一部分，於不產生矛盾之範圍內能夠對其他構成進行追加、削除、置換。
又，上述各構成、功能、處理部、處理方法等亦可將其等之一部分或全部例如藉由利用積體電路設計等而以硬體實現。又，本發明亦可藉由實現實施例之功能之軟體之程式碼來實現。於該情形時，將記錄有程式碼之記憶媒體提供給電腦，由該電腦所具備之處理器將儲存於記憶媒體之程 式碼讀出。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、及記憶有其之記憶媒體構成本發明。
S1:步驟
S2:步驟
S3:步驟
S4:步驟
S5:步驟
S6:步驟
S7:步驟
S8:步驟

Claims (15)

  1. 一種量測系統，其特徵在於：其係對形成於試樣上之圖案進行測定者，且該量測系統具有：照射光學系統，其構成為以帶電粒子束對上述圖案進行偏向(deflect)、掃描及照射；檢測器，其檢測由上述照射所致之來自上述圖案之反射(backscattered)電子；控制器，其構成為控制：對上述圖案以上述帶電粒子束進行之偏向、掃描及照射；及處理部，其經程式化以處理一個或複數個信號強度，上述信號強度係對應於：以一個或複數個入射角度掃描上述帶電粒子束所致之上述檢測到之反射電子；其中上述處理部進一步程式化為：由第1信號強度來判斷：上述圖案之上表面(top surface)與上述圖案之底面(bottom surface)之間的第1偏移量(displaced amount)，上述第1信號強度係對應於：以第1入射角度進行之上述帶電粒子束之掃描；及由上述第1偏移量及上述第1入射角度，算出上述圖案之上述上表面與上述底面之間的深度(depth)。
  2. 如請求項1之量測系統，其中上述處理部進一步程式化為： 基於上述一個或複數個信號強度，計算於掃描方向之上述圖案之側壁之剖面形狀，上述一個或複數個信號強度係對應於：於上述掃描方向掃描上述帶電粒子束所致之上述檢測到之反射電子。
  3. 如請求項2之量測系統，其中上述控制部係構成為：根據複數個交叉方向(intersecting direction)來變更上述掃描方向；且上述處理部係進一步程式化為：由在上述複數個交叉方向之各者的上述側壁之上述剖面形狀，算出上述圖案之立體形狀。
  4. 如請求項1之量測系統，其中上述處理部係進一步程式化為：由第2信號強度來判斷上述圖案之上述上表面與上述圖案之上述底面之間的第2偏移量，上述第2信號強度係與以第2入射角度進行之上述帶電粒子束之掃描對應；及由上述第1偏移量與上述第2偏移量之間的差、及上述第1入射角度與上述第2入射角度之間的差，算出上述圖案之上述上表面與上述底面之間的上述深度。
  5. 如請求項2之量測系統，其中上述處理部進一步程式化為：基於上述一個或複數個信號強度來算出上述側壁上之複數個位置，上述一個或複數個信號強度係對應於：上述掃描方向上掃描上述帶電粒子束所致之上述檢測到之反射電子，以算出上述側壁之上述剖面形狀。
  6. 一種量測系統，其特徵在於，其係對形成於試樣上之圖案進行測定者，且該量測系統具有：照射光學系統，其構成為以帶電粒子束對上述圖案進行偏向、掃描及照射；第1檢測器，其檢測由上述照射所致之來自上述圖案之反射電子；控制器，其構成為：控制以上述帶電粒子束進行之對上述圖案之偏向、掃描並照射；及處理部，其經程式化以處理一個或複數個信號強度，上述信號強度係對應於：於上述帶電粒子束與上述試樣之間以一個或複數個入射角度掃描上述帶電粒子束所致之上述檢測到之反射電子；其中上述處理部進一步程式化為：由第1信號強度來判斷於上述圖案之上表面及上述圖案之底面，上述第1信號強度係對應於：於第1入射角度之掃描方向上進行之上述帶電粒子束之掃描；由上述第1信號強度來判斷上述圖案之上述上表面之中央部(center)及上述圖案之上述底面之中央部；由上述第1信號強度來判斷：上述圖案之上述上表面之上述中央部與上述圖案之上述底面之上述中央部之間的第1偏移量；由上述第1偏移量及上述第1入射角度來算出上述圖案之上述上表面與上述底面之間的深度。
  7. 如請求項6之量測系統，其進一步包含：第2檢測器，其檢測由上述照射所致之來自上述圖案之二次電子(secondary electron)。
  8. 如請求項6之量測系統，其中上述處理部進一步程式化為：基於上述一個或複數個信號強度，算出於上述掃描方向之上述圖案之側壁之剖面形狀，上述一個或複數個信號強度係對應於：於上述掃描方向掃描上述帶電粒子束所致之上述檢測到之反射電子。
  9. 如請求項8之量測系統，其中上述控制部係構成為：根據複數個交叉方向來變更上述掃描方向；且上述處理部係進一步程式化為：由在上述複數個交叉方向之各者的上述側壁之上述剖面形狀，算出上述圖案之立體形狀。
  10. 如請求項6之量測系統，其中上述處理部係進一步程式化為：由第2信號強度來判斷上述圖案之上述上表面及上述圖案之上述底面，上述第2信號強度係對應於：於第2入射角度之上述掃描方向上進行之上述帶電粒子束之掃描；由上述第2信號強度來判斷上述圖案之上述上表面之中央部及上述圖案之上述底面之中央部；由上述第2信號強度來判斷：上述圖案之上述上表面與上述圖案之上述底面之間的第2偏移量； 由上述第1偏移量與上述第2偏移量之間的差、及上述第1入射角度與上述第2入射角度之間的差，記算上述圖案之上述深度。
  11. 如請求項8之量測系統，其中上述處理部進一步程式化為：基於上述一個或複數個信號強度，記算上述側壁上之複數個位置，上述一個或複數個信號強度係對應於：上述掃描方向上掃描上述帶電粒子束所致之上述檢測到之反射電子，以算出上述側壁之上述剖面形狀。
  12. 一種量測方法，其特徵在於：其係用於對形成於試樣上之圖案進行測定，且該量測方法具有：以帶電粒子束對上述圖案進行偏向、掃描及照射；檢測由在一個或複數個入射角度之掃描方向上的上述照射所致之來自上述圖案之反射電子；進行信號之處理，上述信號係對應於：在上述一個或複數個入射角度之上述掃描方向上掃描上述帶電粒子束所致之上述檢測到之反射電子；且上述信號之上述處理包含：由第1信號強度來判斷：上述圖案之上表面與上述圖案之底面之間的第1偏移量，上述第1信號強度係對應於：於第1入射角度之上述掃描方向上進行之上述帶電粒子束之掃描；由上述第1偏移量及上述第1入射角度，算出上述圖案之上述上表面與上述底面之間的深度。
  13. 如請求項12之量測方法，其中上述信號之上述處理進一步包含：基於上述一個或複數個信號強度來算出於上述掃描方向之上述圖案之側壁之剖面形狀，上述一個或複數個信號強度係對應於：於上述一個或複數個入射角度之上述掃描方向上掃描上述帶電粒子束所致之上述檢測到之反射電子。
  14. 如請求項13之量測方法，其進一步包含：根據複數個交叉方向來變更上述掃描方向；且由上述複數個上述交叉方向之各者的上述側壁之上述剖面形狀，算出上述圖案之立體形狀。
  15. 如請求項12之量測方法，其中上述信號之上述處理進一步包含：由第2信號強度來判斷上述圖案之上述上表面與上述圖案之上述底面之間的第2偏移量，上述第2信號強度係對應於：於第2入射角度之上述掃描方向上進行之上述帶電粒子束之掃描；由上述第1偏移量與上述第2偏移量之間的差、及上述第1入射角度與上述第2入射角度之間的差，算出上述圖案之上述上表面與上述底面之間的上述深度。
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