半導體測量裝置及半導體測量方法

專利名稱：半導體測量裝置及半導體測量方法
技術領域：
本發明涉及利用電子束的半導體測量裝置及半導體測量方法，特別涉及 一種適用于評價接觸孔等精細結構的測量技術。
背景技術：
接觸孔是半導體器件的一種精細結構。該接觸孔構成硅襯底上形成的配 線結構的一部分，該配線結構例如用于使晶體管與其他電氣元件電連接。用
于測量接觸孔結構的常用方法是使用電子束的方法，CDSEM作為此種裝置 -波廣為所知。
根據上述CDSEM,用電子束對形成有待測量精細結構的半導體襯底表 面進行線掃描，檢測此時產生的二次電子，并根據得到的波形觀'J量精細結構。 該二次電子的波形中包含與精細結構所具有的邊緣相關的信息，以對比度的 不同來識別該邊緣。
另一方面，如果是高縱橫比的孔結構，以現有的CDSEM無法有效捕4足 來自于孔內部的二次電子，所以無法高精度地掌握孔的內部結構。為解決上 述問題，出現了利用襯底電流來代替二次電子的EBSCOPE技術(參考專利 文獻1 )。
根據上述EBSCOPE,用電子束掃描半導體村底表面，根據此時產生的 襯底電流的波形求出孔結構。這里，襯底電流是由通過孔的內部到達半導體 村底的電子束感應出的，所以該襯底電流中包含與孔的內部結構相關的信 息，根據該電流波形能夠獲知孔的內部結構。
專利文獻l:特開2005 - 026449號公報
但是，采用上述現有技術的EBSCOPE時存在如下問題如果孔底結構
簡單，根據觀測到的襯底電流的波形掌握孔底結構較為容易，但當孔底存在 氧化膜或氮化膜等各種殘膜，隨著孔底結構復雜，觀測到的襯底電流的波形 就變得非常復雜，所以難以準確測量孔底結構。

發明內容
有鑒于此，本發明的目的在于提供一種半導體測量裝置，即使孔底結構 復雜，也能夠準確測量孔底結構。
為了解決上述課題，本發明提供一種半導體測量裝置，構成為，對半導 體襯底照射電子束，根據由該電子束在所述半導體襯底感應出的襯底電流得到 形成于所述半導體襯底的精細結構的評價值，其特征在于，該半導體測量裝置 包括評價單元，該評價單元根據將所述襯底電流的波形視為微分波形時的該襯 底電流的波形，得到所述精細結構的評價值。
所述半導體測量裝置中，其特征在于，所述精細結構是孔，所述評價單元 根據所述襯底電流的波形提取所述孔的邊緣。
所述半導體測量裝置中，其特征在于，所述評價單元根據所述孔的邊緣計 算該孔的評價值。
所述半導體測量裝置中，其特征在于，所述評價單元根據所述襯底電流的 波形的波峰提取所述孔的邊緣。
本發明的半導體測量裝置，構成為，對半導體襯底照射電子束，根據由該 電子束在所述半導體襯底感應出的襯底電流得到形成于所述半導體村底的精細 結構的評價值，其特征在于，該半導體測量裝置包括評價單元，該評價單元根 據將所述襯底電流的波形視為微分波形時的該襯底電流的積分波形，得到所述 精細結構的評價值。
所述半導體測量裝置中，其特征在于，所述精細結構是孔，所述評價單元 根據所述積分波形提取所述孔的邊緣。
所述半導體測量裝置中，其特征在于，所述評價單元根據所述孔的邊緣計 算該孔的評價值。
本發明的半導體測量裝置，構成為，對半導體襯底照射電子束，根據由該 電子束在所述半導體襯底感應出的襯底電流得到形成于所述半導體襯底的精細 結構的評價值，其特征在于，該半導體測量裝置包括評價單元，該評價單元根 據所述襯底電流的波形，確定所述精細結構的等效電路，根據利用該等效電路 得到的波形，得到所述精細結構的評價值。
所述半導體測量裝置中，其特征在于，所述精細結構是孔，所述評價單元 根據利用所述等效電路得到的波形提取所述孔的邊緣。
所述半導體測量裝置中，其特征在于，所述評價單元根據所述孔的邊緣計 算該孔的評價值。
本發明的半導體測量方法，對半導體襯底照射電子束，根據由該電子束在 所述半導體襯底感應出的襯底電流得到形成于所述半導體襯底的精細結構的評 價值，其特征在于，根據將所述襯底電流的波形視為微分波形時的該襯底電流 的波形，得到所述精細結構的評價值。
根據本發明，即使孔底存在殘膜，也能夠準確測量孔底結構。


圖l是本發明第一實施方式的半導體測量裝置的結構圖； 圖2是本發明第 一實施方式的半導體測量裝置的動作流程示意圖； 圖3A是本發明第一實施方式的第一例待測量孔結構(通常的結構)的 示意圖3B是本發明第一實施方式的第二例待測量孔結構(具有柵極的結構) 的示意圖3C是本發明第 一 實施方式的第三例待測量孔結構(具有浮柵的結構) 的示意圖4A是由本發明第一實施方式的半導體測量裝置觀測到的第一例襯底 電流波形的示意圖4B是由本發明第 一 實施方式的半導體測量裝置觀測到的第二例襯底
電流波形的示意圖4C是由本發明第 一 實施方式的半導體測量裝置觀測到的第三例襯底
電流波形的示意圖4D是由本發明第一實施方式的半導體測量裝置觀測到的第四例襯底
電流波形的示意圖5A是本發明第一實施方式的第一例孔結構的等效電路圖； 圖5B是本發明第一實施方式的第二例孔結構的等效電路圖； 圖5C是本發明第一實施方式的第三例孔結構的等效電路圖； 圖6A是用于說明本發明第一實施方式的半導體測量裝置基本原理的微
分電路圖6B是用于說明本發明第一實施方式的半導體測量裝置基本原理的微 分電路的輸入波形圖6C是用于說明本發明第一實施方式的半導體測量裝置基本原理的微 分電路的輸出波形圖7A是本發明第一實施方式的村底電流產生機制(鏡像電荷形成期) 的說明圖7B是本發明第一實施方式的襯底電流產生機制(隧道電流形成初期) 的說明圖7C是本發明第一實施方式的襯底電流產生機制(隧道電流形成后期) 的說明圖7D是本發明第一實施方式的襯底電流產生機制(放電期)的說明圖； 圖8是根據本發明第一實施方式的村底電流波形提取接觸孔邊緣的原 理說明圖9是本發明第二實施方式的半導體測量裝置的動作流程示意圖； 圖10是本發明第三實施方式的半導體測量裝置的動作流程示意圖； 圖11是本發明第三實施方式的半導體測量裝置的待測量孔結構的等效 電路的示意圖12是對本發明第三實施方式的待測量孔結構照射電子束時電子束照
射量與表面電位的非線性關系的特性示意圖。
符號的說明
10電子槍30
11電子束源40
12聚光透鏡100
13光闌110
14偏轉電招_120
15物鏡130
20真空室140
21 XY坐標臺150
22托盤160
23半導體襯底(試樣)170
24 二次電子檢測器
具體實施例方式
下面參考附圖，說明實施本發明的優選實施方式。 (第一實施方式)
圖1示出了本發明第一實施方式的半導體測量裝置的結構。
該半導體測量裝置的基本原理是向待測量半導體襯底(試樣)照射電 子束，測量由該電子束感應出的襯底電流，根據該襯底電流得到形成于上述 半導體襯底的孔等精細結構的評價值。
如圖l所示，在容納待測量半導體襯底(試樣)23的室20的上部，安 裝有產生電子束EB的電子槍10。電子槍10包含電子束源11,該電子束源 11與高壓電源40連接。在電子槍10的內部，沿著來自于上述電子束源11 的電子流的發射方向，依次配置有聚光透鏡12、光闌13、偏轉電極14和物 鏡15。其中，偏轉電極14與偏轉控制裝置50連接，使電子束EB能以高精
度偏轉。另外，電子束EB的能量、電流量和聚焦狀態也能任意控制。
室20的內部容納有用于支撐半導體村底23的XY坐標臺21和固定在 XY坐標臺21上的托盤22,托盤22上放置有半導體襯底23。從上述電子槍 10發射出的電子束EB的照射方向，朝向托盤22上放置的半導體襯底23的 表面，通過XY坐標臺21移動托盤22的位置，能夠調整電子束EB對半導 體襯底23的照射位置。
另外，在室20內部設有二次電子檢測器24,用于檢測隨著電子束EB 的照射而從半導體襯底23的表面發射出的二次電子。再有，在室20內部還 設有用于對半導體襯底23施加偏壓的電極(未圖示)，向該電極供給偏壓 的電壓施加裝置設在室20外部。室20內部的真空度，維持在例如l(T6torr 左右。
這里，為了將電子槍IO照射的電子束EB以nm級的位置精度照射到半 導體襯底，相對于電子束EB的固定照射軸，要通過XY坐標臺21移動半導 體襯底23的位置。利用脈沖電動機、超聲波電動機或者壓電元件等作為XY 坐標臺21的驅動裝置。通過并用激光測長儀、激光標線儀等高精度測量技 術，將XY坐標臺21上放置的半導體襯底23的位置精度控制在數nm左右。
托盤22與電流測量裝置30連接，電流測量裝置30通過托盤22測量在 半導體襯底23感應出的村底電流。電流測量裝置30包含將測量到的襯底電 流值A/D轉換為數字信號的A/D轉換器，將測量值作為數字數據輸出。
另外，在托盤22上安裝有電子束照射位置測量裝置22A,用于測量電 子束EB在半導體村底23上的照射位置。電子束照射位置測量裝置22A輸 出測量到的電子束照射位置的坐標(電子束的照射坐標)。由該電子束照射 位置測量裝置22A得到的電子束的照射坐標作為用于形成后述的二次電子 圖像和襯底電流波形的參數使用。此外，并不特別限制電子束EB的照射位 置的坐標系。
另外，本半導體測量裝置包括順序控制裝置(包括圖案匹配引擎)IOO、 聚焦控制裝置110、二次電子圖像記錄裝置120、襯底電流波形記錄裝置130、
波形處理裝置140、邊緣提取裝置150、顯示裝置160和數據庫裝置170。 這些裝置構筑在計算機等信息處理裝置上。
其中，順序控制裝置100負責控制偏轉控制裝置50，以使測量襯底電 流時電子束EB掃描半導體村底23的表面，同時順序控制裝置100還負責 圖案匹配相關的控制，圖案匹配用于在設置電子束對半導體村底的照射位置 時高精度地調整電子束EB的照射位置。
此外，在本實施方式中， 一維掃描是指線掃描。另外，二維掃描是指以 一定的間隔多次反復進行線掃描，例如與電視畫面的水平掃描和垂直掃描是 相同的概念。
這里，對圖案匹配進行補充說明。在半導體襯底上形成的孔等圖案的位 置，即使是同一批次，每個半導體村底也都稍有不同。為了調整這些不同， 在通過XY坐標臺21進行對位的同時，還實施對每個半導體襯底比4交實際 圖案與基準圖案的圖案匹配，移動電子束EB的照射位置，以使實際圖案與 基準圖案一致。據此，對每個半導體襯底以數nm的精度準確調整電子束的 照射位置。
為了在圖案匹配中以良好的精度移動電子束EB的照射位置，本半導體 測量裝置包括高分辨率的偏轉控制裝置50，用于準確地直線掃描電子束EB, 另外，順序控制裝置100包括用于實施圖案匹配的圖像識別裝置(包括圖案 匹配引擎)以及軟件等。
聚焦控制裝置IIO控制物鏡15的聚焦位置，用于通過在測量時控制物 鏡15的聚焦位置來控制電子束的聚焦量，將該電子束EB的前端設置為所 希望的尺寸和形狀。可以利用的設置電子束EB的聚焦量(物鏡15的聚焦 位置)的方法有以光學或電學方法求出與晶片表面的距離，以該距離為基 礎設置聚焦量的方法；根據由掃描電子束得到的圖像最鮮明的狀態或者二次 電子的對比度最大的狀態設置聚焦量的方法；根據由照射電子束時的襯底電 流值得到的圖像最鮮明的狀態或者對比度最大的狀態設置聚焦量的方法等。
二次電子圖像記錄裝置120記錄由二次電子檢測器24檢測到的二次電
子形成的圖像。襯底電流波形記錄裝置130將由電流測量裝置30測量出的 襯底電流值的波形與此時的電子束EB的照射坐標對應存儲，該照射坐標從 上述電子束照射位置記錄裝置22A讀出。
波形處理裝置140對上述襯底電流值的波形進行波形整形，去除不需要 的噪聲成分。邊緣提取裝置150根據波形整形后的襯底電流波形提取接觸孔 的邊緣，計算該接觸孔的形狀相關的評價值。顯示裝置160顯示上述評價值。 數據庫裝置170將邊緣提取裝置150計算出的上述評價值進行數據庫化并存 儲。
下面，按照圖2所示的流程，說明本半導體測量裝置的動作。這里，以 接觸孔為測量對象進行說明。
首先，在順序控制裝置IOO的控制下，進行電子束EB與半導體襯底23 的對位。即，針對保持半導體村底23的XY坐標臺21的控制系統，指定待 測量孔的位置坐標并移動XY坐標臺21,將電子束EB的照射位置大致對準 孔的中心。然后，照射電子束EB并同時進行二維掃描，比較此時產生的二 次電子形成的圖像與模板圖像并進行圖案匹配，計算模板圖像的中心與孔中 心的偏移量。將該偏移量輸入偏轉控制裝置50，移動電子束EB的照射位置， 使電子束E B的照射位置準確地對準待測量孔的中心。
上述對位結束后，執行以下一系列處理(步驟S11-S14),用于在順 序控制裝置IOO的控制下，根據襯底電流計算孔的評價值。
首先，對半導體村底23照射電子束EB并取得襯底電流波形(步驟S11 )。
即，以孔中心為基準通過電子束EB對半導體襯底23表面上的規定區域進
行二維掃描。在該二維裝置中，對半導體襯底23的表面垂直照射電子束EB,
控制物鏡15的聚焦位置，以使電子束EB的前端為所希望的尺寸，同時，
對偏轉控制裝置50施加控制電壓，從而以相等的間隔和一定的速度反復進
行一維掃描(例如，以等間隔進行10次一維掃描)。通過該掃描，從#皮照
射了電子束EB的半導體襯底23表面上的微小區域中產生出二次電子和反
射電子，并在半導體襯底23感應出襯底電流。 通過上述掃描而在半導體襯底23感應出的襯底電流，由電流測量裝置
30進行測量，轉換為具有所需動態范圍的電信號。為了不使信號質量惡化，
該電信號立即被抽樣，轉換為具有所需分辨率的數字信號。例如，該數字信
號的分辨率是16比特，抽樣頻率是400MHz。與上述襯底電流的測量并行， 通過電子束照射位置測量裝置22A測量電子束EB的照射位置。
這樣，通過電子束EB的掃描而得到的襯底電流的測量值，包含孔的底 面結構相關的信息，以數字形式在襯底電流波形記錄裝置130(例如存儲器、 硬盤)中記錄為以通過上述電子束照射位置測量裝置測量的測量坐標(電子 束的照射位置)或者測量時間(電子束EB的照射時刻)的函數表示的波形
4呂息。
另一方面，通過上述掃描而從半導體襯底23表面上的微小區域中產生 出的二次電子，由二次電子檢測器24進行檢測。熟知的二次電子檢測方法 有使用光電倍增管、多通道板或者簡單的電極將二次電子直接回收作為電 流信號的方法。這里，重要的是得到由二次電子檢測裝置24檢測出的二次 電子的量與實際產生的二次電子的量的比例關系。在本實施方式中，二次電 子檢測器24的輸出值被設置為與輸入的電子數成正確的比例。據此，從小 信號區域到大信號區域直線檢測二次電子。
與此相對，通常的SEM以將二次電子表示為二值圖像為目的，所以設 置為在有信號時和無信號時檢測值有很大不同，即為具有例如當非常少的電 子被輸入到檢測器時檢測值為0,當某個閾值以上的電子被輸入時產生較大 的檢測值的非線性特性的放大器。
通過上述掃描得到的二次電子的測量值，包含半導體襯底23的表面結 構相關的信息，以數字形式在二次電子圖像記錄裝置120 (例如存儲器、硬 盤)中記錄為以通過電子束照射位置測量裝置22A測量的測量坐標(電子 束的照射位置)或者測量時間(電子束EB的照射時刻)的函數表示的圖像化息。
另外，從半導體襯底23表面上的微小區域中產生的反射電子，由反射
電子檢測器(未圖示)進行檢測，根據該檢測值得到的反射電子圖像以數字 形式記錄于反射電子圖像記錄裝置(未圖示)中。
此外，二次電子與反射電子可以通過能量、發射方向的不同來區別，根 據檢測裝置的種類，也可以不加區別而一起處理。另外，可以分別配置多臺
二次電子檢測器24和反射電子檢測器(未圖示)，這種情況下，優選的結
構是能夠按照檢測器的臺數獨立記錄信息。當然，也可以各配置一臺二次電
子檢測器24和反射電子檢測器(未圖示)。
對于如上測量出的村底電流的波形，為了去除不需要的噪聲、高頻成分， 通過波形處理裝置140進行波形整形。上述波形處理的例子有移動平均濾 波器處理、去除特定頻率的波形處理、或者僅取出特定頻率信號的濾波器處 理等。這些波形整形處理可以由硬件進行，也可以由軟件進行。
接著，通過邊緣提取裝置150,根據襯底電流的波形提取孔的邊緣(步 驟S12)。即，邊緣提取裝置150使用邊緣提取算法，根據上述襯底電流波 形提取孔的邊緣，將提取的邊緣的坐標值轉換到XY坐標系。本實施方式在 邊緣提取算法的原理上具有特征，其詳細內容將在后文進行描述。
另外，邊緣提取裝置150，對轉換后的XY坐標值應用圓逼近函數或橢 圓逼近函數(步驟S13),使用最小二乘法進行曲線擬合。即，上述電流波 形的邊緣坐標與孔的邊緣坐標對應，通過結合一維掃描得到的襯底電流波形 的邊緣坐標值，能夠再現孔邊緣的形狀。
因此，通過對上述邊緣坐標值應用逼近函數，從而以數學方法表示孔的 二維形狀。具體而言，對上述轉換后的邊緣坐標值應用例如圓逼近或橢圓逼 近函數，對規定逼近函數的各種參數進行擬合，使該逼近函數的值與邊緣坐 標值之間的誤差最小，從而表示出孔的二維形狀。利用這種逼近函數，即使 孔的相對位置偏離，也能準確維持孔形狀，所以即使產生對準誤差，也能夠 減小給孔的測量值帶來的影響。此外，采用什么函數作為逼近函數要根據待 測量孔的設計圖案適當確定。
另外，邊緣提取裝置150，使用參數擬合后的上述逼近函數，計算孔形
狀的評價值(步驟S14)。例如，作為孔的評價值，計算孔的直徑、孔中心 位置、孔傾斜角度、孔旋轉角度、孔真圓度、孔變形量、邊緣粗糙度等。在 使用橢圓函數作為逼近函數時，計算橢圓的長徑、短徑、焦點、變形、旋轉
等。這些評價值顯示于計算機顯示器等顯示裝置160,或者作為數字數據保 管于數據庫裝置170。
下面，詳細說明上述邊緣提取裝置150中的邊緣提取算法的原理。本邊 緣提取算法的本質在于根據將測量出的襯底電流的波形視為微分波形時的 該襯底電流的波形，得到精細結構的評價值。這種評價單元例如由邊緣提取 裝置150構成。
圖3示出了本半導體測量裝置的待測量接觸孔的截面結構。
這里，圖3A示出了通常的接觸孔HA的截面結構。如圖3A所示，在 硅襯底S的主面，通過氧化膜形成層間絕緣膜F，并貫通該層間絕緣膜F地 形成有接觸孔HA。硅村底S在孔HA的底部露出。通常，在硅襯底S上形 成有P型或N型的擴散層，該擴散層具有導電性。
圖3B示出了在柵極G上形成的接觸孔HB的截面結構。柵才及G是構成 MOS晶體管的控制電極，在該柵極G下形成有非常薄的nm級柵極氧化膜 GOX，在其下面存在硅襯底S。柵極G與硅襯底S通過柵極氧化膜GOX被 絕緣，未直流連接。
圖3C示出了在柵極G2上形成的接觸孔的截面結構，該例子具有近年 受關注的閃存等所使用的浮柵(電氣隔離的柵極)結構。即，在柵極G2的 下面存在用于積蓄電荷的絕緣體ONO，在其下面存在通常的柵沖及G1。在該 柵極Gl的下面隔著柵極氧化膜GOX存在硅襯底S。該浮柵結構是如同將上 述圖3B所示的柵極G層積起來的結構。就是說，特征在于絕緣膜隔開電極 形成兩層4冊極。
分別示于上述圖3A-圖3C的接觸孔HA-HC的縱橫比非常大，以現 有的SEM無法測量孔底的形狀，而采用本實施方式的半導體測量裝置，將 縮細的電子束EB照射到孔HA-HC的底部j艮據此時在^^圭襯底S感應出的
襯底電流的變化來確定孔底的形狀(尺寸)。
圖4A-圖4D示出了按上述方式實際觀測到的襯底電流的波形。 這里，圖4A是對上述圖3A所示的孔結構照射電子束EB時的襯底電 流的波形，是在相當于孔底的硅襯底S的表面形成有N型擴散層時的波形。 圖4B同樣是對上述圖3A所示的孔結構照射電子束EB時的襯底電流的波 形，在相當于孔底的硅襯底S的表面形成有P型擴散層。圖4C是對上述圖 3B所示的孔結構照射電子束EB時的村底電流，圖4D是對上述圖3C所示 的孔結構照射電子束EB時的襯底電流。
下面，說明觀測到上述圖4A -圖4D所示各波形的理由。 圖5A示出了上述圖3A所示的通常的接觸孔HA的電氣等效電路。接 觸孔HA的等效電^各由硅村底S所具有的電阻Rl組成，所照射的電子束EB 通過電阻Rl流到硅襯底S。因此，不管在硅襯底S的表面形成的擴散層是 N型還是P型，在對通常的接觸孔HA照射電子束EB時，如圖4A和圖4B 所示，均得到梯形的襯底電流波形。
根據這種梯形的襯底電流波形能夠容易地提取孔的邊緣。例如，使用閾 值法、最速下降法，在襯底電流波形中的構成梯形波形的傾斜區域，將波形 橫穿規定閾值時的坐標，或者將表示各傾斜區域中波形傾斜度最大值的坐標 定義為孔的邊緣，并提取所需個數的邊緣。對提取的邊緣應用圓逼近或橢圓 逼近或直線逼近等，來提取孔的形狀。與此相對，對于如圖3B、圖3C所示 的孔底存在柵極或浮柵的孔結構，如圖4C和圖4D所示，得到的襯底電流 波形不是梯形。
圖5B示出了上述圖3B所示的接觸孔HB的電氣等效電路，在接觸孔 HB的底部存在柵極G。該電氣等效電路由一個電容器Cl和硅村底S所具 有的電阻R1構成，電容器C1由多晶硅組成的柵極G、柵極絕緣膜GOX和 硅襯底S形成，上述電容器Cl與電阻Rl為串聯連接的結構。由上述電容 器Cl和電阻R1形成時間常數電路，該時間常數由電容器Cl的電容值與電 阻R1的電阻值的乘積確定。因此，此時的孔結構，等效于具有與電容器C1
的電容值以及電阻Rl的電阻值成比例的時間常數的電路。此外，這里為了
方便說明，忽視其他寄生CR成分。
圖5C示出了上述圖3C所示的接觸孔HC的電氣等效電路，如圖3C所 示，接觸孔HC的底部存在柵極G2、絕緣膜ONO、柵極G1、柵極氧化膜 GOX和硅襯底S。從圖5C中可以理解，該孔結構中存在柵極G2和柵極Gl 兩個柵極，以及柵極氧化膜GOX和氮化膜ONO兩個絕緣膜。這兩個電極 和兩個絕緣膜形成串聯連接的電容器Cl、 C2。另夕卜，硅襯底S形成電阻R。 上述電容器C1、 C2以及電阻Rl被串聯連接，因此，此時的孔結構，等效 于具有由直接連接電容器Cl、 C2時的電容值和電阻R1的電阻值形成的時 間常數的電路。
這里，如圖6A所示， 一般地，若將電容器C與電阻R串聯連接，則得 到微分電路。若對該微分電路輸入如圖6B所示的矩形波形，則該矩形波形 受到微分處理，如圖6C所示，輸出具有與矩形波形的傾斜量成比例的成分 的微分波形。在此，輸入的矩形波形在其上升沿和下降沿具有正、負雙向傾 斜，所以對于輸出的微分波形，得到具有正、負雙向值的輸出。
就是說，根據;微分電路，從單向流動的矩形電流波形生成正、負雙向流 動的電流。該波形由于測量對象所具有的時間常數、為測量而照射的電子束 EB的掃描速度等而受到影響，但無論如何，若待測量孔結構存在微分電路， 則即4吏僅供給單向流動的電流，也能觀測到正、負雙向流動的電流。因此， 從上述圖4C、圖4D所示的波形可知，圖3B、圖3C所示的孔結構的等效電 路包括微分電路。
這里，對如上述圖3B、圖3C所示孔底存在柵極且硅襯底S未露出時的 襯底電流的產生機制進行說明。
圖7A示出了在電子束EB照射測量對象的初期(鏡像電荷形成期)產 生的電荷重新分布的情況。在圖7A中，電子束EB以一定速度從圖的左側 向右側掃描。
電子束EB的照射位置到達待測量接觸孔，電子束EB被照射到存在于該孔底的柵極G時，從柵極G的表面產生二次電子，同時，通過表面殘留 的電荷在襯底側感應出鏡像電荷ICG。鏡像電荷ICG的積蓄量由柵極G與 柵極氧化膜GOX形成的電容器的電容值確定。隨著此時鏡像電荷ICG的形 成，可觀測到襯底電流IK。此時的電流由下式表示，其中t為時間常數。 I = I0(l-exp(-A/t))
圖7B示出了上述鏡像電荷形成期的下一階段。此例中，柵極氧化膜的 膜厚為10nm左右。電子束EB的照射開始后隨著時間流逝，電荷積蓄在柵 極G的電極上，柵極G的電位與照射電流量成比例上升。然后，如圖7C所 示，柵極G的電位例如超過約10V時，此時的電場E為10MV/cm，膜厚為 10nm左右的4冊極氧化膜GOX之中開始流過隧道電流IT,電荷發生移動。 此時，為使表面電位一定，產生隧道電流IT,其結果是表面的電位保持一定。 此時的隧道電流IT也被作為襯底電流IK而觀測到。此時的電流由下式表示。
I = AE2exp(-B/E)
圖7D示出了電子束EB的掃描位置偏離待測量接觸孔，電子束EB對 測量對象的照射結束時的電荷移動的情況。在這種狀態下，電子束EB不再 供給電子的結果是，夾在柵極G、柵極氧化膜GOX以及硅村底S之間的區 域中積蓄的電荷發生放電。在該放電過程中，沿與上述圖7C所示的電荷積 蓄過程相反的方向流過隧道電流IT。此時的電流由下式表示。
I = I0exp(-A/t)
從以上所述能夠理解，柵極氧化膜GOX等絕緣膜存在于孔底的柵電極 下面時，可觀測到復雜的電流波形，根據該電流波形能夠解釋孔的結構。即， 在柵極G下面有絕緣體時，柵極G、絕緣體以及硅襯底S形成微分電路， 所以能夠將觀測到的波形視為微分波形，根據該波形掌握孔結構。
例如，圖8所示的襯底電流波形中存在波峰P1和波峰P2兩個波峰，相 當于前述圖5B所示的微分電路產生的微分波形。因此，如果認為波峰PI 和波峰P2是通過對孔底不存在柵極等絕緣物時觀測到的波形進行微分得到 的，則各波峰可以解釋為與孔的邊緣對應，根據上述波峰P1與波峰P2的間
隔，能夠算出孔徑CD作為孔的評價值。
另外，根據將電子束EB對單一孔進行二維掃描時得到的多個襯底電流 波形可得到多個邊緣。通過對這多個邊緣應用圓逼近、橢圓逼近或與其他形 狀對應的逼近函數，能夠根據測量出的襯底電流波形評價孔底的形狀。在這 種情況下，為了求出孔的絕對大小，可以通過事前對已預先知道大小的孔實 施同樣的測量，來4交正測量值。
另外， 一般地，柵極氧化膜不能如前所述完全作為電容發揮作用。即， 一定量以上的電荷在柵電極積蓄，其表面電位處于上升狀態時，隧道電流流 過柵極氧化膜，所以觀測到的是與純粹的電容不同的微分波形。因此，更準 確地求出孔邊緣的方法有在構成所觀測到的波形的成分中，提取柵極氧化 膜作為純粹的電容器發揮作用的區域的波形，根據該波形得到微分量，從而 能夠提取準確的孔邊緣；或者相反，通過將電子束的照射量調整得盡可能小， 在柵電極、柵極絕緣膜以及硅襯底組成的結構作為純粹的電容器發揮作用的 狀態下進行測量等方法。
此外，以通常的孔作為測量對象時，得到的襯底電流波形是梯形波形， 用于根據該波形提取孔邊緣的方法之一是進行微分。提取表示該微分值的最 大值的位置作為孔邊緣。
如上所述，對得到的多個邊^彖應用圓逼近或橢圓逼近或其〗也逼近曲線， 來評價孔的形狀。
(第二實施方式)
圖9示出了本發明第二實施方式的半導體測量裝置的動作流程。 本實施方式的裝置結構基本與上述第一實施方式相同，但邊緣提取算法 的原理不同。即，本實施方式的邊緣提取算法的本質在于，根據將襯底電流 的波形視為微分波形時的該襯底電流的積分波形，得到精細結構的評價值。 這種評價單元例如由邊緣提取裝置150構成。
圖9所示的本實施方式的動作流程包括波形積分處理相關的步驟S22、 濾波相關的步驟S23和邊緣檢測相關的步驟S24，以取代上述圖2所示的第
一實施方式的動作流程的步驟S12。此外，在圖9中，對與上述圖2所示的 步驟相同的步驟標注相同符號。
在本實施方式中，在步驟Sll得到的波形是微分波形，所以進行一次積 分恢復原來的波形(步驟S22)。然后，使用根據需要提取孔底對應成分的 濾波器，根據積分波形提取所需的成分(步驟S23)。例如，由于在微分波 形中含有噪聲以及在估計孔的大小時不需要的高頻成分或低頻成分，所以適
當去除這些成分，得到準確反映孔底的波形。
進行上述積分得到的電流波形與測量前述圖3A所示的通常的接觸孔 HA時的波形相同，所以應用從前已知的邊緣提取算法提取邊緣(步驟S24 )。 閾值法、微分法、索貝爾法、拉普拉斯算子法等通常數學中已知的所有算法 都能夠用來作為該邊緣提取算法。后面的步驟與第一實施方式相同(步驟 S13、 S14)。
(第三實施方式)
圖IO示出了本發明第三實施方式的半導體測量裝置的動作流程。此外， 在圖10中，對與上述圖9所示的步驟相同的步驟標注相同符號。
本實施方式的裝置結構基本與上述第一或第二實施方式相同，其動作中 包括逆運算相關的步驟S32,其本質在于，根據步驟Sll中得到的襯底電流 的波形確定精細結構的等效電路，根據利用該等效電路得到的波形，得到精 細結構的評價值。這種評價單元例如由邊緣提取裝置150構成。
下面進行詳細說明。首先，事先準備將包括柵結構、控制柵結構等的待 測量孔結構的細微部分也能體現出來的等效電路(參數值未設置)。例如將 柵電極形成的電容器的特異性成分也納入等效電路。
這里，通過將齊納二極管(zener diode) ZD納入圖3B的孔結構的等效 電路，圖11的等效電路體現出由柵電極形成的圖12所示的電容器的特異性 成分即非線性。此外，在圖11中，R2是柵極的電阻成分。齊納二極管ZD 也稱為穩壓二極管，二極管兩端的電壓為一定的電壓時電流流過二極管，具 有保持二極管兩端電壓一定的性質。通過利用這種精密的等效電路，能夠更準確地以數學式表示測量對象。通過求解表示該等效電路的式子，能夠將測 量出的襯底電流波形轉換為通常的接觸孔呈現出的襯底電流波形。
利用上述等效電路得到模擬原來波形的波形(步驟S32)。具體而言， 為使利用事先準備的等效電路得到的波形與步驟Sll中實際觀測到的波形 一致，通過對等效電路的各參數進行逆運算來確定各參數。接著，對利用參 數確定后的等效電路得到的波形實施濾波處理(步驟S23 )，然后應用邊緣 提取方法，從而提取邊緣，得到孔的評價值(步驟S12-S14)。
此外，上述說明是以圖3B所示的孔結構為例，所以由該等效電路得到 的波形是微分波形，但等效電路的內容一般會根據孔結構而變化，由該等效 電路得到的波形也會變化。因此，在本實施方式的步驟S12中，對利用等效 電路得到的波形應用適當的邊緣提取算法進行邊緣檢測。即，如果利用等效 電路得到的波形是微分波形，則應用與上述第 一實施方式相同的邊緣提取算 法，如果是梯形波形，則可應用與第二實施方式相同的從前已知的邊緣提取 算法。
以上對本發明的實施方式進行了說明，本發明的實施方式在不脫離本發 明主旨的范圍內可以進行變形。例如，在上述實施方式中，以孔底存在4冊極 的情況為例進行了說明，但孔底存在的部件也可以是任何部件。另外，該部 件無須存在于整個孔底，還可以存在于一部分孔底。
另外，在上述實施方式中，以半導體測量裝置和半導體測量方法來體現
本發明，但并不限定于此，還能體現為半導體檢查裝置、半導體檢查方法、 半導體分析裝置、半導體分析方法、半導體解析裝置、半導體解析方法、半
導體評價裝置、半導體評價方法、半導體制造裝置、半導體制造方法等。
本發明對用于半導體器件或其制造工序中的檢查、分析、制造、測量或 評價等所使用的裝置、以及半導體器件制造方法適用。例如，在采用對晶片 等半導體襯底照射電子束或離子束的方法的檢查技術、分析技術、測量技術、
評價技術以及半導體器件制造裝置及方法的領域中，可以利用本發明。
權利要求
1、一種半導體測量裝置，構成為，對半導體襯底照射電子束，根據由該電子束在所述半導體襯底感應出的襯底電流，得到形成于所述半導體襯底的精細結構的評價值，其特征在于，該半導體測量裝置包括評價單元，該評價單元根據將所述襯底電流的波形視為微分波形時的該襯底電流的波形，得到所述精細結構的評價值。
2、 根據權利要求1所述的半導體測量裝置，其特征在于，所述精細結構是孔，所述評價單元根據所述襯底電流的波形提取所述孔的邊緣。
3、 根據權利要求2所述的半導體測量裝置，其特征在于， 所述評價單元根據所述孔的邊緣計算該孔的評價值。
4、 根據權利要求2或3的任一項所述的半導體測量裝置，其特征在于， 所述評價單元根據所述襯底電流的波形的波峰提取所述孔的邊緣。
5、 一種半導體測量裝置，構成為，對半導體襯底照射電子束，根據由該電 子束在所述半導體襯底感應出的襯底電流，得到形成于所述半導體襯底的精細 結構的評價值，其特征在于，該半導體測量裝置包括評價單元，該評價單元根據將所述村底電流的波形 視為微分波形時的該襯底電流的積分波形，得到所述精細結構的評價值。
6、 根據權利要求5所述的半導體測量裝置，其特征在于， 所述精細結構是孔，所述評價單元根據所述積分波形提取所述孔的邊緣。
7、 根據權利要求6所述的半導體測量裝置，其特征在于， 所述評價單元根據所述孔的邊緣計算該孔的評價值。
8、 一種半導體測量裝置，構成為，對半導體村底照射電子束，根據由該電 子束在所述半導體襯底感應出的襯底電流，得到形成于所述半導體襯底的精細 結構的評價值，其特征在于，該半導體測量裝置包括評價單元，該評價單元根據所述襯底電流的波形， 確定所述精細結構的等效電路，根據利用該等效電路得到的波形，得到所述精 細結構的評1^介值。
9、 根據權利要求8所述的半導體測量裝置，其特征在于， 所述精細結構是孔，所述評價單元根據利用所述等效電路得到的波形提取所述孔的邊緣。
10、 根據權利要求9所述的半導體測量裝置，其特征在于， 所述評價單元根據所述孔的邊緣計算該孔的評價值。
11、 一種半導體測量方法，對半導體襯底照射電子束，根據由該電子束在 所述半導體襯底感應出的襯底電流，得到形成于所述半導體襯底的精細結構的 評價值，其特征在于，根據將所述襯底電流的波形視為微分波形時的該襯底電流的波形，得到所 述精細結構的評價值。
全文摘要
本發明的課題在于提供一種半導體測量裝置，用電子束對形成有精細結構的半導體襯底的表面進行二維掃描，測量此時的襯底電流，從而能夠評價復雜的精細結構。本發明的半導體測量裝置的構成為，對半導體襯底照射電子束，根據由該電子束在所述半導體襯底感應出的襯底電流得到形成于所述半導體襯底的精細結構的評價值，其特征在于，該半導體測量裝置包括評價單元，該評價單元根據將所述襯底電流的波形視為微分波形時的該襯底電流的波形，得到所述精細結構的評價值。
文檔編號H01L21/768GK101356635SQ200680050908
公開日2009年1月28日 申請日期2006年1月31日 優先權日2006年1月31日
發明者山田惠三, 高榮旭 申請人:株式會社拓普康