(57)【要約】  本発明の課題は、微細構造が形成された半導体基板の表面を電子ビームで２次元的に走査し、そのときの基板電流を測定することにより、複雑な微細構造を評価することができる半導体測定装置を提供することにある。  本発明に係る半導体測定装置は、半導体基板に電子ビームを照射し、該電子ビームによって前記半導体基板に誘起された基板電流から前記半導体基板に形成された微細構造の評価値を得るように構成された半導体測定装置であって、前記基板電流の波形を微分波形と見なしたときの該基板電流の波形に基づき前記微細構造の評価値を得る評価手段を備えたことを特徴とする。
2007088587.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板に電子ビームを照射し、該電子ビームによって前記半導体基板に誘起された基板電流から前記半導体基板に形成された微細構造の評価値を得るように構成された半導体測定装置であって、
前記基板電流の波形を微分波形と見なしたときの該基板電流の波形に基づき前記微細構造の評価値を得る評価手段を備えたことを特徴とする半導体測定装置。
【請求項２】
前記微細構造はホールであり、
前記評価手段は、前記基板電流の波形から前記ホールのエッジを抽出することを特徴とする請求項１記載の半導体測定装置。
【請求項３】
前記評価手段は、前記ホールのエッジから該ホールの評価値を算出することを特徴とする請求項２記載の半導体測定装置。
【請求項４】
前記評価手段は、前記基板電流の波形のピークから前記ホールのエッジを抽出することを特徴とする請求項２または３の何れか１項記載の半導体測定装置。
【請求項５】
半導体基板に電子ビームを照射し、該電子ビームによって前記半導体基板に誘起された基板電流から前記半導体基板に形成された微細構造の評価値を得るように構成された半導体測定装置であって、
前記基板電流の波形を微分波形と見なしたときの該基板電流の積分波形に基づき前記微細構造の評価値を得る評価手段を備えたことを特徴とする半導体測定装置。
【請求項６】
前記微細構造はホールであり、
前記評価手段は、前記積分波形から前記ホールのエッジを抽出することを特徴とする請求項５記載の半導体測定装置。
【請求項７】
前記評価手段は、前記ホールのエッジから該ホールの評価値を算出することを特徴とする請求項６記載の半導体測定装置。
【請求項８】
半導体基板に電子ビームを照射し、該電子ビームによって前記半導体基板に誘起された基板電流から前記半導体基板に形成された微細構造の評価値を得るように構成された半導体測定装置であって、
前記基板電流の波形に基づき前記微細構造の等価回路を特定し、該等価回路を用いて得られる波形に基づき前記微細構造の評価値を得る評価手段を備えたことを特徴とする半導体測定装置。
【請求項９】
前記微細構造はホールであり、
前記評価手段は、前記等価回路を用いて得られる波形から前記ホールのエッジを抽出することを特徴とする請求項８記載の半導体測定装置。
【請求項１０】
前記評価手段は、前記ホールのエッジから該ホールの評価値を算出することを特徴とする請求項９記載の半導体測定装置。
【請求項１１】
半導体基板に電子ビームを照射し、該電子ビームによって前記半導体基板に誘起された基板電流から前記半導体基板に形成された微細構造の評価値を得る半導体測定方法であって、
前記基板電流の波形を微分波形と見なしたときの該基板電流の波形に基づき前記微細構造の評価値を得ることを特徴とする半導体測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子ビームを利用した半導体測定装置および半導体測定方法に関し、特にコンタクトホール等の微細構造を評価するのに好適な測定技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの微細構造の一つにコンタクトホールがある。このコンタクトホールは、シリコン基板に形成された例えばトランジスタと他の電気素子とを電気的に接続するための配線構造の一部をなす。このコンタクトホールの構造を測定するための方法として、電子ビームを用いた方法が一般に利用されており、この種の装置としてCDSEMが広く知られている。【０００３】
上述のCDSEMによれば、測定対象の微細構造が形成された半導体基板表面を電子ビームでライン状に走査し、そのときに生じる二次電子を検出して得られる波形から微細構造を測定する。この二次電子の波形には微細構造が有するエッジに関する情報が含まれており、このエッジはコントラストの差として認識される。【０００４】
一方、アスペクトレシオの高いホール構造の場合、従来のCDSEMでは、ホール内部からの二次電子を効率よく捕捉できないため、ホールの内部構造を精度良く把握することができない。このような問題を解決する技術として、二次電子の代わりに基板電流を利用したEBSCOPEという技術が出現した（特許文献１参照）。【０００５】
上述のEBSCOPEによれば、半導体基板表面を電子ビームで走査し、そのときに生じる基板電流の波形からホール構造を求める。ここで、基板電流は、ホールの内部を通過して半導体基板に到達した電子ビームによって誘起されるので、この基板電流には、ホールの内部構造に関する情報が含まれており、その電流波形から、ホールの内部構造を知ることができる。
【特許文献１】特開２００５−０２６４４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述の従来技術に係るEBSCOPEによれば、ホール底の構造が単純な場合には、観測された基板電流の波形からホール底の構造を把握する事は容易であるが、ホール底に酸化膜やチッ化膜などの種々の残膜が存在し、ホール底の構造が複雑になる程、観測される基板電流の波形が非常に複雑になるため、そのホール底の構造を正しく測定することが困難になるという問題があった。【０００７】
本発明は、ホール底の構造が複雑であっても、そのホール底の構造を正しく測定することができる半導体測定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明に係る半導体測定装置は、半導体基板に電子ビームを照射し、該電子ビームによって前記半導体基板に誘起された基板電流から前記半導体基板に形成された微細構造の評価値を得るように構成された半導体測定装置であって、前記基板電流の波形を微分波形と見なしたときの該基板電流の波形に基づき前記微細構造の評価値を得る評価手段を備えたことを特徴とする。【０００９】
前記半導体測定装置において、前記微細構造はホールであり、前記評価手段は、前記基板電流の波形から前記ホールのエッジを抽出することを特徴とする。
前記半導体測定装置において、前記評価手段は、前記ホールのエッジから該ホールの評価値を算出することを特徴とする。
前記半導体測定装置において、前記評価手段は、前記基板電流の波形のピークから前記ホールのエッジを抽出することを特徴とする。【００１０】
本発明に係る半導体測定装置は、半導体基板に電子ビームを照射し、該電子ビームによって前記半導体基板に誘起された基板電流から前記半導体基板に形成された微細構造の評価値を得るように構成された半導体測定装置であって、前記基板電流の波形を微分波形と見なしたときの該基板電流の積分波形に基づき前記微細構造の評価値を得る評価手段を備えたことを特徴とする。【００１１】
前記半導体測定装置において、前記微細構造はホールであり、前記評価手段は、前記積分波形から前記ホールのエッジを抽出することを特徴とする。
前記半導体測定装置において、前記評価手段は、前記ホールのエッジから該ホールの評価値を算出することを特徴とする。【００１２】
本発明に係る半導体測定装置は、半導体基板に電子ビームを照射し、該電子ビームによって前記半導体基板に誘起された基板電流から前記半導体基板に形成された微細構造の評価値を得るように構成された半導体測定装置であって、前記基板電流の波形に基づき前記微細構造の等価回路を特定し、該等価回路を用いて得られる波形に基づき前記微細構造の評価値を得る評価手段を備えたことを特徴とする。【００１３】
前記半導体測定装置において、前記微細構造はホールであり、前記評価手段は、前記等価回路を用いて得られる波形から前記ホールのエッジを抽出することを特徴とする。
前記半導体測定装置において、前記評価手段は、前記ホールのエッジから該ホールの評価値を算出することを特徴とする。【００１４】
本発明に係る半導体測定方法は、半導体基板に電子ビームを照射し、該電子ビームによって前記半導体基板に誘起された基板電流から前記半導体基板に形成された微細構造の評価値を得る半導体測定方法であって、前記基板電流の波形を微分波形と見なしたときの該基板電流の波形に基づき前記微細構造の評価値を得ることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ホール底に残膜が存在しても、ホール底の構造を正しく測定することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る半導体測定装置の構成図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る半導体測定装置の動作の流れを示すフローチャートである。
【図３Ａ】本発明の第１実施形態に係る測定対象のホール構造（通常の構造）の第１例を示す図である。
【図３Ｂ】本発明の第１実施形態に係る測定対象のホール構造（ゲートを有する構造）の第２例を示す図である。
【図３Ｃ】本発明の第１実施形態に係る測定対象のホール構造（フローティングゲートを有する構造）の第３例を示す図である。
【図４Ａ】本発明の第１実施形態に係る半導体測定装置によって観測される基板電流の波形の第１例を示す図である。
【図４Ｂ】本発明の第１実施形態に係る半導体測定装置によって観測される基板電流の波形の第２例を示す図である。
【図４Ｃ】本発明の第１実施形態に係る半導体測定装置によって観測される基板電流の波形の第３例を示す図である。
【図４Ｄ】本発明の第１実施形態に係る半導体測定装置によって観測される基板電流の波形の第４例を示す図である。
【図５Ａ】本発明の第１実施形態に係る第１例のホール構造の等価回路図である。
【図５Ｂ】本発明の第１実施形態に係る第２例のホール構造の等価回路図である。
【図５Ｃ】本発明の第１実施形態に係る第３例のホール構造の等価回路図である。
【図６Ａ】本発明の第１実施形態に係る半導体測定装置の基本原理を説明するための微分回路図である。
【図６Ｂ】本発明の第１実施形態に係る半導体測定装置の基本原理を説明するための微分回路の入力波形図である。
【図６Ｃ】本発明の第１実施形態に係る半導体測定装置の基本原理を説明するための微分回路の出力波形図である。
【図７Ａ】本発明の第１実施形態に係る基板電流の発生メカニズム（イメージチャージ形成期）の説明図である。
【図７Ｂ】本発明の第１実施形態に係る基板電流の発生メカニズム（トンネル電流形成初期）の説明図である。
【図７Ｃ】本発明の第１実施形態に係る基板電流の発生メカニズム（トンネル電流形成後期）の説明図である。
【図７Ｄ】本発明の第１実施形態に係る基板電流の発生メカニズム（放電期）の説明図である。
【図８】本発明の第１実施形態に係る基板電流の波形からコンタクトホールのエッジを抽出する原理の説明図である。
【図９】本発明の第２実施形態に係る半導体測定装置の動作の流れを示すフローチャートである。
【図１０】本発明の第３実施形態に係る半導体測定装置の動作の流れを示すフローチャートである。
【図１１】本発明の第３実施形態に係る半導体測定装置の測定対象であるホール構造の等価回路を示す図である。
【図１２】本発明の第３実施形態に係る測定対象であるホール構造に電子ビームを照射したときの、電子ビーム照射量と表面電位との非線形関係を示す特性図である。
【符号の説明】
【００１７】
１０  電子銃
１１  電子ビーム源
１２  コンデンサレンズ
１３  アパチャー
１４  偏向電極
１５  対物レンズ
２０  真空チャンバー
２１  ＸＹステージ
２２  トレイ
２３  半導体基板（試料）
２４  ２次電子検出器
３０  電流測定装置
４０  高圧電源
１００  シーケンス制御装置
１１０  フォーカス制御装置
１２０  二次電子画像記録装置
１３０  基板電流波形記録装置
１４０  波形処理装置
１５０  エッジ抽出装置
１６０  表示装置
１７０  データベース装置
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
次に本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態]
図１に、本発明の第１実施形態による半導体測定装置の構成を示す。
この半導体測定装置は、測定対象物（試料）である半導体基板に電子ビームを照射し、該電子ビームによって誘起された基板電流を測定し、該基板電流から上記半導体基板に形成されたホール等の微細構造の評価値を得ることを基本原理としている。【００１９】
同図に示すように、測定対象物（試料）である半導体基板２３を収容するチャンバー２０の上部には、電子ビームＥＢを発生する電子銃１０が取り付けられている。電子銃１０は電子ビーム源１１を備え、この電子ビーム源１１には高圧電源４０が接続されている。電子銃１０の内部には、上記電子ビーム源１１からの電子流の放出方向に沿って、コンデンサレンズ１２、アパチャー１３、偏向電極１４、対物レンズ１５がこの順に配置されている。このうち、偏向電極１４には偏向制御装置５０が接続され、電子ビームＥＢを高精度で偏向可能となっている。また、電子ビームＥＢのエネルギー、電流量、フォーカス状態も任意に制御可能となっている。【００２０】
チャンバー２０の内部には、半導体基板２３を支持するためのＸＹステージ２１と、このＸＹステージ２１上に固定されたトレイ２２とが収容され、トレイ２２上には半導体基板２３が載置されている。上記電子銃１０から放出される電子ビームＥＢの照射方向は、トレイ２２上に載置された半導体基板２３の表面に向けられており、ＸＹステージ２１でトレイ２２の位置を移動させることにより、半導体基板２３に対する電子ビームＥＢの照射位置を調整することが可能となっている。【００２１】
また、チャンバー２０内部には、電子ビームＥＢの照射に伴って半導体基板２３の表面から放出される二次電子を検出するための二次電子検出器２４が設けられている。他には、チャンバー２０内部には、半導体基板２３にバイアス電圧を印加するための図示しない電極が設けられ、この電極にバイアス電圧を供給する電圧印加装置はチャンバー２０外部に設けられている。チャンバー２０の内部の真空度は、例えば１０のマイナス６乗[torr]程度に維持される。【００２２】
ここで、電子銃１０から照射された電子ビームＥＢをｎｍオーダーの位置精度で半導体基板に照射するために、固定された電子ビームＥＢの照射軸に対して相対的に半導体基板２３の位置をＸＹステージ２１により移動させるようになっている。ＸＹステージ２１の駆動装置としてはパルスモーターや超音波モーターあるいは圧電素子などが利用される。レーザー測長器やレーザースケール等高精度測定技術を併用することにより、ＸＹステージ２１上に載置された半導体基板２３の位置精度は数ｎｍ程度に制御される。【００２３】
トレイ２２には、電流測定装置３０が接続されており、半導体基板２３に誘起された基板電流がトレイ２２を介して電流測定装置３０により測定されるようになっている。電流測定装置３０は、測定した基板電流値をデジタル信号にＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換器を備えており、測定値をデジタルデータとして出力する。【００２４】
また、トレイ２２には、半導体基板２３上での電子ビームＥＢの照射位置を測定するための電子ビーム照射位置測定装置２２Ａが取り付けられている。電子ビーム照射位置測定装置２２Ａは、測定した電子ビーム照射位置の座標（電子ビームの照射座標）を出力する。この電子ビーム照射位置測定装置２２Ａによって得られた電子ビームの照射座標は、後述の二次電子画像および基板電流波形を形成するためのパラメータとして使用される。なお、電子ビームＥＢの照射位置の座標系は特に限定されない。【００２５】
また、本半導体測定装置は、シーケンス制御装置（パターンマッチングエンジンを含む）１００、フォーカス制御装置１１０、二次電子画像記録装置１２０、基板電流波形記録装置１３０、波形処理装置１４０、エッジ抽出装置１５０、表示装置１６０、データベース装置１７０を備え、これらは、コンピュータ等の情報処理装置上に構築されている。【００２６】
このうち、シーケンス制御装置１００は、基板電流の測定時に電子ビームＥＢが半導体基板２３の表面を走査するように偏向制御装置５０を制御すると共に、半導体基板に対する電子ビームの照射位置を設定する際に電子ビームＥＢの照射位置を高精度に調整するためのパターンマッチングに関する制御を担うものである。
なお、本実施形態では、１次元走査とはライン状に走査することを意味する。また、２次元走査とは、ライン状の走査を一定の間隔で複数回にわたって繰り返すことを意味し、例えばテレビ画面における水平走査および垂直走査と同様の概念である。【００２７】
ここで、パターンマッチングについて補足説明すると、半導体基板上に形成されたホール等のパターンの位置は、同一ロットであっても半導体基板ごとにわずかに異なる。これを調整するため、ＸＹステージ２１による位置合わせと併用して、半導体基板ごとに実際のパターンと基準パターンとを比較するパターンマッチングを実施し、実際のパターンと基準パターンとが一致するように電子ビームＥＢの照射位置をシフトする。これにより、半導体基板ごとに数ｎｍの精度で電子ビームの照射位置を正確に調整する。【００２８】
本半導体測定装置は、パターンマッチングにおいて電子ビームＥＢの照射位置を精度よくシフトさせるため、電子ビームＥＢを正確に直線走査するための高分解能の偏向制御装置５０を備え、また、シーケンス制御装置１００は、パターンマッチングを実施するための画像認識装置（パターンマッチングエンジンを含む）およびソフトウェアー等を備える。【００２９】
フォーカス制御装置１１０は、対物レンズ１５のフォーカス位置を制御するものであり、測定時に対物レンズ１５のフォーカス位置を制御することにより電子ビームのフォーカス量を制御し、この電子ビームＥＢの先端を所望のサイズ及び形状に設定するためのものである。電子ビームＥＢのフォーカス量（対物レンズ１５のフォーカス位置）を設定する方法としては、ウエハー表面からの距離を光学的あるいは電気的に求めて、その距離を元にフォーカス量を設定する方法、電子ビームを走査して得られた画像が最も鮮明になる状態あるいは二次電子のコントラストが最大になる状態からフォーカス量を設定する方法、電子ビームを照射した際の基板電流値によって得られる画像が最も鮮明になる状態あるいはコントラストが最大になる状態からフォーカス量を設定する方法などの方法を利用することができる。【００３０】
二次電子画像記録装置１２０は、二次電子検出器２４によって検出された二次電子により形成される画像を記録するものである。基板電流波形記録装置１３０は、電流測定装置３０によって測定された基板電流値の波形を、そのときの電子ビームＥＢの照射座標と対応づけて記憶するものであり、この照射座標は、上述の電子ビーム照射位置記録装置２２Ａから読み出される。【００３１】
波形処理装置１４０は、上記基板電流値の波形を波形整形して不要なノイズ成分を除去するものである。エッジ抽出装置１５０は、波形整形された基板電流波形からコンタクトホールのエッジを抽出し、このコンタクトホールの形状に関する評価値を演算するものである。表示装置１６０は、上記評価値を表示するものである。データベース装置１７０は、エッジ抽出装置１５０で演算された上記評価値をデータベース化して格納するものである。【００３２】
次に、図２に示すフローに沿って、本半導体測定装置の動作を説明する。ここでは、コンタクトホールを測定対象として説明する。
先ず、シーケンス制御装置１００の制御の下に、電子ビームＥＢと半導体基板２３との位置合わせを行う。即ち、半導体基板２３を保持しているＸＹステージ２１の制御系に対して測定対象のホールの位置座標を指定してＸＹステージ２１を移動させ、電子ビームＥＢの照射位置にホールの中心を大まかに合わせる。そして、電子ビームＥＢを２次元走査しながら照射し、そのときに発生する二次電子による画像とテンプレート画像とを比較してパターンマッチングを行い、テンプレート画像の中心とホールの中心とのずれ量を算出する。このずれ量を偏向制御装置５０に入力し、電子ビームＥＢの照射位置をシフトさせて電子ビームＥＢの照射位置を測定対象のホール中心に正確に合わせる。【００３３】
上述の位置合わせが終了すると、シーケンス制御装置１００の制御の下、基板電流からホールの評価値を算出するための以下の一連の処理（ステップＳ１１〜Ｓ１４）を実行する。
先ず、半導体基板２３に電子ビームＥＢを照射して基板電流波形を取得する（ステップＳ１１）。即ち、ホール中心を基準として電子ビームＥＢにより半導体基板２３の表面上の所定領域を２次元走査する。この２次元装置では、半導体基板２３の表面に対して電子ビームＥＢを垂直に照射し、電子ビームＥＢの先端が所望のサイズになるように対物レンズ１５のフォーカス位置を制御すると共に、偏向制御装置５０に制御電圧を加えることにより１次元走査を等間隔かつ一定速度で繰り返し行う（例えば、等間隔で１０回の１次元走査を行う）。この走査により、電子ビームＥＢが照射された半導体基板２３の表面上の微小領域から二次電子および反射電子が生じ、また半導体基板２３に基板電流が誘起される。【００３４】
上述の走査により半導体基板２３に誘起された基板電流は、電流測定装置３０によって測定され、必要なダイナミックレンジを有する電気信号に変換される。この電気信号は、信号の品質が劣化しないように即座にサンプリングされて、必要な分解能を持つデジタル信号に変換される。例えば、このデジタル信号の分解能は１６ビットであり、そのサンプリング周波数は４００MHｚである。上述の基板電流の測定と並行して、電子ビーム照射位置測定装置２２Ａにより電子ビームＥＢの照射位置が測定される。【００３５】
このようにして電子ビームＥＢの走査により得られた基板電流の測定値は、ホールの底面の構造に関する情報を含み、上述の電子ビーム照射位置測定装置により測定された測定座標（電子ビームの照射位置）又は測定時間（電子ビームＥＢの照射時刻）の関数で表される波形情報として、基板電流波形記録装置１３０（例えばメモリー、ハードディスク）にデジタル記録される。【００３６】
一方、上述の走査により半導体基板２３の表面上の微小領域から発生した二次電子は、二次電子検出器２４によって検出される。この二次電子の検出には良く知られたフォトマルチプライヤーやマルチチャンネルプレートあるいは単純な電極を用いて直接二次電子を回収し、電流信号とする方法がある。ここで、重要な事は、二次電子検出装置２４で検出される二次電子の量が実際に発生する二次電子の量に比例する関係が得られる事であり、本実施形態では、二次電子検出器２４の出力値は、入力した電子数に正確に比例するように設定される。これにより、小信号領域から大信号領域に至るまで二次電子を直線的に検出する。【００３７】
これに対し、通常のSEMでは、二次電子を２値画像として表現する事を目的としているため、信号がある場合と無い場合で検出値が大きな差を持つように設定されている。即ち、非常に少ない電子が検出器に入力されている場合は検出値は０とされ、ある閾値以上の電子が入力されると大きな検出値を発生するような非線形特性を有する増幅器になっている。【００３８】
上述の走査により得られた二次電子の測定値は、半導体基板２３の表面構造に関する情報を含み、電子ビーム照射位置測定装置２２Ａにより測定された測定座標（電子ビームの照射位置）又は測定時間（電子ビームＥＢの照射時刻）の関数で表される画像情報として、二次電子画像記録装置１２０（例えばメモリー、ハードディスク）にデジタル記録される。
また、半導体基板２３の表面上の微小領域から発生した反射電子については、図示しない反射電子検出器によって検出され、その検出値から得られる反射電子画像が図示しない反射電子画像記録装置にデジタル記録される。【００３９】
なお、二次電子と反射電子はエネルギーや放出方向の差によって区別できるが、検出装置の種類によっては、区別せずに一緒にして取り扱うことも出来る。また、二次電子検出器２４および反射電子検出器（図示なし）のそれぞれについては、複数台配置してもよく、その場合は検出器の台数に応じて独立に情報を記録できる構成とすることが望ましい。もちろん、二次電子検出器２４および反射電子検出器（図示なし）のそれぞれを１台づつ配置してもよい。【００４０】
以上のようにして測定された基板電流の波形は、不要なノイズや高周波成分を除去するために、波形処理装置１４０により波形整形される。上記波形処理の例としては、移動平均フィルター処理、特定の周波数を取り除く波形処理、あるいは特定の周波数の信号だけを取り出すフィルター処理等がある。これらの波形整形処理はハードウェアで行われても、ソフトウェアーで行われても良い。【００４１】
続いて、エッジ抽出装置１５０により、基板電流の波形からホールのエッジを抽出する（ステップＳ１２）。即ち、エッジ抽出装置１５０は、エッジ抽出アルゴリズムを用いて、上述の基板電流波形の中からホールのエッジを抽出し、この抽出されたエッジの座標値をＸＹ座標系に変換する。本実施形態は、このエッジ抽出アルゴリズムの原理に特徴を有しており、この詳細については後述する。【００４２】
また、エッジ抽出装置１５０は、変換されたＸＹ座標値に対して円近似関数または楕円近似関数を適用し（ステップＳ１３）、最少自乗法をもちいてカーブフィティングする。即ち、上述の電流波形のエッジ座標は、ホールのエッジ座標に対応しており、１次元走査によって得られた基板電流波形のエッジの座標値を結ぶことにより、ホールのエッジの形状を再現することができる。【００４３】
そこで、上述のエッジの座標値に対して近似関数を適用することにより、ホールの２次元的形状を数学的に表現する。具体的には、上述の変換されたエッジの座標値に対して例えば円または楕円の近似関数を適用し、この近似関数の値とエッジの座標値との誤差が最小になるように、近似関数を規定する各種のパラメータをフィッティングする。これにより、ホールの２次元的形状が表現される。このような近似関数を用いると、ホールの相対位置がずれてもホール形状は正確に維持されるので、アライメントの誤差が生じても、ホールの測定値に与える影響を小さく抑えることが出来る。なお、近似関数としてどのような関数を採用するかは、測定対象のホールの設計パターンから適切に決定される。【００４４】
また、エッジ抽出装置１５０は、パラメータがフィッティングされた上述の近似関数を用いて、ホール形状の評価値を演算する（ステップＳ１４）。例えば、ホールの評価値としは、ホールの直径、ホール中心位置、ホール傾斜角度、ホール回転角度、ホール真円度、ホール歪量、エッジラフネス等が演算される。近似関数として楕円関数を用いた場合には、楕円の長径、短径、焦点、歪、回転などが演算される。これらの評価値は、コンピュータディスプレイ等の表示装置１６０に表示され、或いはデータベース装置１７０にデジタルデータとして保管される。【００４５】
次に、上述のエッジ抽出装置１５０におけるエッジ抽出アルゴリズムの原理を詳細に説明する。本エッジ抽出アルゴリズムは、測定された基板電流の波形を微分波形と見なしたときの該基板電流の波形に基づき微細構造の評価値を得ることを本質としており、そのような評価手段は、例えばエッジ抽出装置１５０として構成される。【００４６】
図３は、本半導体測定装置の測定対象であるコンタクトホールの断面構造を示している。
ここで、図３Ａは、通常のコンタクトホールＨＡの断面構造を示している。同図に示すように、シリコン基板Ｓの主面には酸化膜を介して層間絶縁膜Ｆが形成され、この層間絶縁膜Ｆを貫通するようにコンタクトホールＨＡが形成されている。ホールＨＡの底にはシリコン基板Ｓが露出している。通常、シリコン基板ＳにはP型又はN型の拡散層が形成されており、この拡散層は導電性を有している。【００４７】
図３Ｂは、ゲートＧ上に形成されたコンタクトホールＨＢの断面構造を示している。ゲートＧはＭＯＳトランジスタを構成する制御電極であり、このゲートＧ下には非常に薄いｎｍオーダーのゲート酸化膜ＧＯＸが形成されており、その下にはシリコン基板Ｓが存在する。ゲートＧとシリコン基板Ｓとはゲート酸化膜ＧＯＸにより絶縁されており直流的には接続されていない。【００４８】
図３Ｃは、ゲートＧ２上に形成されたコンタクトホールの断面構造を示しているが、この例は、近年注目されているフラッシュメモリーなどで用いられているフローティングゲート（電気的に孤立したゲート）構造を有している。即ち、ゲートＧ２の下には電荷を蓄積するための絶縁体ＯＮＯが存在し、その下に通常のゲートＧ１が存在する。そのゲートＧ１の下にはゲート酸化膜ＧＯＸを介してシリコン基板Ｓが存在する。このフローティングゲート構造は、上述の図３Ｂに示すゲートＧを積み重ねたような構造である。つまり、絶縁膜が電極を挟んで２層のゲートが形成されていることに特徴がある。【００４９】
上述の図３Ａ〜図３Ｃにそれぞれ示すコンタクトホールＨＡ〜ＨＣは非常にアスペクト比が大きく、従来のSEMではそのホール底の形状を測定する事はできないが、本実施形態の半導体測定装置では、細く絞った電子ビームＥＢをホールＨＡ〜ＨＣの底に当たるように照射して、そのときにシリコン基板Ｓに誘起される基板電流の変化からホール底の形状（サイズ）を特定する。【００５０】
図４Ａ〜図４Ｄは、そのようにして実際に観測された基板電流の波形を示している。
ここで、図４Ａは、上述の図３Ａに示すホール構造に電子ビームＥＢを照射した場合の基板電流の波形であり、ホール底に相当するシリコン基板Ｓの表面にＮ型の拡散層が形成されている場合の波形である。図４Ｂは、同じく上述の図３Ａに示すホール構造に電子ビームＥＢを照射した場合の基板電流の波形であるが、ホール底に相当するシリコン基板Ｓの表面にはＰ型の拡散層が形成されている。図４Ｃは、上述の図３Ｂに示すホール構造に電子ビームＥＢを照射した場合の基板電流であり、図４Ｄは、上述の図３Ｃに示すホール構造に電子ビームＥＢを照射した場合の基板電流である。【００５１】
次に、上述の図４Ａ〜図４Ｄに示す各波形が観測される理由を説明する。
図５Ａは、上述の図３Ａに示す通常のコンタクトホールＨＡの電気的等価回路を示している。コンタクトホールＨＡの等価回路はシリコン基板Ｓの持つ抵抗Ｒ１からなり、照射された電子ビームＥＢは抵抗Ｒ１を通じてシリコン基板Ｓに流れる。従って、シリコン基板Ｓの表面に形成された拡散層がN型であるかP型であるかに関わらず、通常のコンタクトホールＨＡに電子ビームＥＢを照射した場合には、図４Ａおよび図４Ｂに示すように、台形状の基板電流波形が得られる。【００５２】
このような台形状の基板電流波形からは容易にホールのエッジを抽出することが可能である。例えば、閾値法、最大傾斜法を用いて、基板電流波形のうち、台形を構成する波形の傾斜領域において、波形が所定の閾値を横切るときの座標、あるいは各傾斜領域での波形の傾きの最大値を示す座標をホールのエッジと定義して必要個数のエッジを抽出する。抽出されたエッジに対して、円近似あるいは楕円近似あるいは直線近似などを適用して、ホールの形状を抽出する。これに対し、図３Ｂ，Ｃに示すようにホール底にゲートやフローティングゲートが存在するホール構造では、図４Ｃおよび図４Ｄに示すように、得られる基板電流波形は台形にならない。【００５３】
図５Ｂは、上述の図３Ｂに示すコンタクトホールＨＢの電気的等価回路を示しており、コンタクトホールＨＢの底にはゲートＧが存在している。この電気的等価回路は、ポリシリコンからなるゲートＧとゲート絶縁膜ＧＯＸとシリコン基板Ｓとから形成される１つのコンデンサーＣ１と、シリコン基板Ｓが有する抵抗Ｒ１とから構成され、これらコンデンサーＣ１と抵抗Ｒ１とが直列接続された構造になっている。これらコンデンサーＣ１及び抵抗Ｒ１により時定数回路が形成され、この時定数はコンデンサーＣ１の容量値と抵抗Ｒ１の抵抗値との積で決定される。従って、この場合のホール構造は、コンデンサーＣ１の容量値と抵抗Ｒ１の抵抗値とに比例した時定数を持つ回路と等価になる。なお、ここでは、説明の便宜上、他の寄生ＣＲ成分を無視している。【００５４】
図５Ｃは、上述の図３Ｃに示すコンタクトホールＨＣの電気的等価回路を示しており、図３Ｃに示すように、コンタクトホールＨＣの底には、ゲートＧ２、絶縁膜ＯＮＯ、ゲートＧ１、ゲート酸化膜ＧＯＸ、シリコン基板Ｓが存在している。図５Ｃから理解されるように、このホール構造には、ゲートＧ２及びゲートＧ１の２つのゲートと、ゲート酸化膜ＧＯＸ及び窒化膜ＯＮＯの２つの絶縁膜が存在する。この２つの電極と２つの絶縁膜は、直列接続されたコンデンサーＣ１，Ｃ２を形成する。また、シリコン基板Ｓは抵抗Rを形成する。これらコンデンサーＣ１，Ｃ２及び抵抗Ｒ１は直列接続され、従って、この場合のホール構造は、コンデンサーＣ１，Ｃ２を直接接続した時の容量値と抵抗Ｒ１の抵抗値とからなる時定数を有する回路と等価になる。【００５５】
ここで、図６Ａに示すように、一般に、コンデンサーＣと抵抗Ｒとを直列接続すると、微分回路が得られる。この微分回路に対して図６Ｂに示すような矩形波形を入力すると、この矩形波形が微分され、図６Ｃに示すように、矩形波形の傾斜量に比例する成分を有する微分波形が出力される。ここで、入力される矩形波形は、その立ち上がり及び立下りにおいて、プラス及びマイナスの両方向の傾斜を持つので、出力される微分波形は、プラス及びマイナスの両方の値を有する出力が得られる。【００５６】
つまり、微分回路によれば、一方向に流れる矩形の電流波形からプラス及びマイナスの両方に流れる電流が生成される。この波形は、測定対象の持つ時定数や測定のために照射される電子ビームＥＢの走査速度などによって影響を受けるが、いずれにしても、測定対象のホール構造に微分回路が存在すると、一方向に流れる電流しか供給していなくても、プラス及びマイナス両方に流れる電流が観測される。従って、上述の図４Ｃ，Ｄに示す波形から、図３Ｂ，Ｃに示すホール構造の等価回路は微分回路を含むことが分かる。【００５７】
ここで、上述の図３Ｂ、Ｃのように、ホール底にゲートが存在し、シリコン基板Ｓが露出していない場合の基板電流の発生メカニズムについて説明しておく。
図７Ａは、電子ビームＥＢが測定対象に照射された初期（イメージチャージ形成期）に起こる電荷の再分布の様子を示している。同図では、電子ビームＥＢが、図の左側から右側に向かって一定速度で走査する。【００５８】
電子ビームＥＢの照射位置が測定対象のコンタクトホールに到達し、そのホール底に存在するゲートＧに電子ビームＥＢが照射されると、ゲートＧの表面から二次電子が発生すると共に、表面に残った電荷によって基板側にイメージチャージＩＣＧが誘起される。イメージチャージＩＣＧの蓄積量は、ゲートＧとゲート酸化膜ＧＯＸとで形成されるコンデンサーの容量値によって定まる。このときのイメージチャージＩＣＧの形成に伴い基板電流ＩＫが観測される。このときの電流は次式により表現される。
I=I0(1-exp(-A/t))
t: time constant【００５９】
図７Ｂは、上述のイメージチャージ形成期の次の段階を示している。この例では、ゲート酸化膜の膜厚は１０ｎｍ程である。電子ビームＥＢの照射が始まってから時間がたつと、ゲートＧの電極上に電荷が蓄積し、ゲートＧの電位が照射電流量に比例して上昇する。そして、図７Ｃに示すように、ゲートＧの電位が例えば約１０Vを超えると、そのときの電界Ｅは１０ＭＶ／ｃｍとなり、膜厚が１０ｎｍ程のゲート酸化膜ＧＯＸの中をトンネル電流ＩＴが流れ始め、電荷が移動する。このとき、表面電位が一定に成るようにトンネル電流ＩＴが生じ、この結果、表面の電位は一定に保たれる。このときのトンネル電流ＩＴも基板電流ＩＫとして観測される。このときの電流は次式により表現される。
I=AE2exp(-B/E)【００６０】
図７Ｄは、電子ビームＥＢの走査位置が測定対象のコンタクトホールから外れ、測定対象に対する電子ビームＥＢの照射が終了した時の電荷移動の様子を示している。この状態では、電子ビームＥＢによる電子の供給がなくなる結果、ゲートＧとゲート酸化膜ＧＯＸとシリコン基板Ｓに挟まれた領域に蓄積した電荷が放電する。この放電過程では、上述の図７Ｃに示す電荷の蓄積過程とは逆方向にトンネル電流ＩＴが流れる。このときの電流は次式により表現される。
I=I0exp(-A/t)【００６１】
以上から理解されるように、ゲート酸化膜ＧＯＸなどの絶縁膜がホール底のゲート電極の下に存在する場合、複雑な電流波形が観測されるが、その電流波形からホールの構造を解釈することが可能となる。即ち、ゲートＧの下に絶縁体がある場合、ゲートＧと絶縁体とシリコン基板Ｓは微分回路を形成するので、観測された波形を微分波形と見なして、この波形からホール構造を把握することが可能になる。【００６２】
例えば、図８に示した基板電流の波形には２つのピークＰ１とピークＰ２が存在し、前述の図５Ｂに示す微分回路による微分波形に相当する。そこで、このピークＰ１とピークＰ２は、ホール底にゲートなどの絶縁物が存在しない場合に観測される波形を微分したことにより得られたものと考えれば、各ピークはホールのエッジに対応するものと解釈することができ、これらピークＰ１とピークＰ２との間隔から、ホールの評価値としてホール径ＣＤを算出することができる。【００６３】
また、電子ビームＥＢを単一のホールに対して２次元走査したときに得られる複数の基板電流波形から複数のエッジが得られる。この複数のエッジに対して、円近似、楕円近似あるいは他の形状に対応する近似関数を適用することにより、測定した基板電流波形からホール底の形状を評価することができる。この場合において、ホールの絶対的な大きさを求めるには、予め大きさが分かっているホールに対し同様の測定を予め実施しておくことにより、測定値を較正すればよい。【００６４】
また、一般に、ゲート酸化膜は前述のような完全な容量としては機能しない。即ち、一定以上の電荷がゲート電極に蓄積して、その表面電位が上昇した状態になると、ゲート酸化膜をトンネル電流が流れるので、純粋な容量とは異なった微分波形が観測される。従って、より正確にホールのエッジを求める方法としては、観測された波形を構成する成分の内、ゲート酸化膜が純粋なコンデンサーとして機能している領域の波形を抽出し、その波形から微分量を得ることにより正確なホールのエッジを抽出できる。または、逆に電子ビームの照射量を可能な限り小さく調整することにより、ゲート電極とゲート絶縁膜とシリコン基板とからなる構造が純粋なコンデンサーとして機能する状態で測定するなどの方法がある。【００６５】
なお、通常のホールを測定対象とした場合、基板電流波形として台形状の波形が得られるが、その波形からホールのエッジを抽出するための１つの方法として微分が行われる。その微分値が最大値を示す場所が、ホールのエッジとして抽出される。
以上のようにして得られた複数のエッジに対して円近似あるいは楕円近似あるいは他の近似曲線を当てはめて、ホールの形状を評価する。【００６６】
[第２実施形態]
図９に、本発明の第２実施形態に係る半導体測定装置の動作の流れを示す。
本実施形態の装置構成は、基本的には上述の第１実施形態と同様であるが、エッジ抽出アルゴリズムの原理が異なっている。即ち、本実施形態のエッジ抽出アルゴリズムは、基板電流の波形を微分波形と見なしたときの該基板電流の積分波形に基づき微細構造の評価値を得ることを本質としており、そのような評価手段は、例えばエッジ抽出装置１５０として構成される。【００６７】
図９に示す本実施形態の動作フローは、上述の図２に示す第１実施形態の動作フローのステップＳ１２に代えて、波形積分処理に関するステップＳ２２と、フィルタリングに関するステップＳ２３と、エッジ検出に関するステップＳ２４とを備える。なお、図９において、上述の図２に示すステップと共通するステップには同一符号を付す。【００６８】
本実施形態では、ステップＳ１１で得られた波形は微分波形なので、一度積分して元の波形に戻す（ステップＳ２２）。その後、必要に応じてホール底に対応する成分を抽出するフィルターを用いて、積分波形の中から必要な成分を抽出する（ステップＳ２３）。例えば、微分波形にはノイズやホールの大きさを推定するためには不要な高周波成分あるいは低周波数成分が含まれているので、これらを適宜取り除き、ホール底を正しく反映する波形を得る。【００６９】
このように積分して得られた電流波形は、前述の図３Ａに示すような通常のコンタクトホールＨＡを測定した場合の波形と同じになるので、従来から知られているエッジ抽出アルゴリズムを適用してエッジを抽出する（ステップＳ２４）。このエッジ抽出アルゴリズムとしては、敷居値法、微分法、ソーベル法、ラプラシアン法など通常数学で知られた全てのアルゴリズムを利用する事が出来る。以下は第１実施形態と同様である（ステップＳ１３，Ｓ１４）。【００７０】
[第３実施形態]
図１０に、本発明の第３実施形態に係る半導体測定装置の動作の流れを示す。なお、図１０において、上述の図９に示すステップと共通するステップには同一符号を付す。
本実施形態の装置構成は、基本的には上述の第１または第２実施形態と同様であるが、その動作においては、逆演算に関するステップＳ３２を備え、ステップＳ１１で得られた基板電流の波形に基づき微細構造の等価回路を特定し、この等価回路を用いて得られる波形に基づき微細構造の評価値を得ることを本質としており、そのような評価手段は、例えばエッジ抽出装置１５０として構成される。【００７１】
詳細に説明すると、先ず、事前に、ゲート構造やコントロールゲート構造等を含む測定対象のホール構造を細部にわたって表現した等価回路（パラメータの値は未設定）を準備しておく。例えばゲート電極によって形成されるコンデンサーの特異的な成分も等価回路に組み入れておく。【００７２】
ここで、図１１の等価回路は、図３Ｂのホール構造の等価回路にゼナーダイオード(zener diode)ＺＤを組み込む事により、ゲート電極によって形成される図１２に示すようなコンデンサーの特異的成分である非線形性を表現したものである。なお、図１１において、Ｒ２はゲートの抵抗成分である。ゼナーダイオードＺＤは定電圧ダイオードとも呼ばれ、ダイオードの両端の電圧が一定の電圧になるとダイオードに電流が流れ、ダイオードの両端の電圧を一定に保つ性質がある。このような精密な等価回路を用いる事によって、測定対象をより正確に数式で表現することができる。この等価回路を表現する式を解くことによって、測定された基板電流波形を、通常のコンタクトホールが示す基板電流波形に変換する事が出来る。【００７３】
上述の等価回路を利用して元の波形を模擬した波形を得る（ステップＳ３２）。具体的には、事前に準備された等価回路を用いて得られる波形が、ステップＳ１１において実際に観測された波形と一致するように、等価回路の各パラメータを逆演算することにより、この各パラメータを特定する。続いて、パラメータが特定された等価回路を用いて得られる波形に対しフィルタリング処理を施し（ステップＳ２３）、そしてエッジ抽出方法を適用することにより、エッジを抽出してホールの評価値を得る（ステップＳ１２〜Ｓ１４）。【００７４】
なお、上述の説明では、図３Ｂに示すホール構造を例としたので、その等価回路により得られる波形は微分波形となるが、一般に等価回路の内容はホール構造に応じて変わり、その等価回路により得られる波形も変わる。そこで、本実施形態のステップＳ１２では、等価回路を用いて得られる波形に対して適切なエッジ抽出アルゴリズムを適用してエッジ検出を行う。即ち、等価回路を用いて得られる波形が微分波形であれば、上述の第１実施形態と同様のエッジ抽出アルゴリズムを適用し、台形波形であれば、第２実施形態と同様の従来から知られているエッジ抽出アルゴリズムを適用すればよい。【００７５】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明の実施形態は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で変形が可能である。例えば、上述の実施形態では、ホール底にゲートが存在する場合を例として説明したが、ホール底に存在する部材はどのような部材であってもよい。また、その部材は、ホール底の全面に存在する必要はなく、ホール底の一部に存在していてもよい。【００７６】
また、上述の実施形態では、本発明を半導体測定装置および半導体測定方法として表現したが、これに限定されず、半導体検査装置、半導体検査方法、半導体分析装置、半導体分析方法、半導体解析装置、半導体解析方法、半導体評価装置、半導体評価方法、半導体製造装置、半導体製造方法等として表現してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明は、半導体デバイス又はその製造工程での検査、分析、製造、測定又は評価などに用いられる装置、並びに半導体デバイス製造方法に有用である。例えば、ウエハーなどの半導体基板に電子ビー又はイオンビームを照射する手法を用いる検査技術、分析技術、測定技術、評価技術、および半導体デバイス製造装置および方法の分野において、本発明を利用することができる。
【図１】
2007088587.tif 000003
【図２】
2007088587.tif 000004
【図３Ａ】
2007088587.tif 000005
【図３Ｂ】
2007088587.tif 000006
【図３Ｃ】
2007088587.tif 000007
【図４Ａ】
2007088587.tif 000008
【図４Ｂ】
2007088587.tif 000009
【図４Ｃ】
2007088587.tif 000010
【図４Ｄ】
2007088587.tif 000011
【図５Ａ】
2007088587.tif 000012
【図５Ｂ】
2007088587.tif 000013
【図５Ｃ】
2007088587.tif 000014
【図６Ａ】
2007088587.tif 000015
【図６Ｂ】
2007088587.tif 000016
【図６Ｃ】
2007088587.tif 000017
【図７Ａ】
2007088587.tif 000018
【図７Ｂ】
2007088587.tif 000019
【図７Ｃ】
2007088587.tif 000020
【図７Ｄ】
2007088587.tif 000021
【図８】
2007088587.tif 000022
【図９】
2007088587.tif 000023
【図１０】
2007088587.tif 000024
【図１１】
2007088587.tif 000025
【図１２】
2007088587.tif 000026
【国際調査報告】
2007088587.tif 000027
2007088587.tif 000028
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