(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
走査電子顕微鏡の試料室内に、エッチングプロセスを経て基板の表面の絶縁性膜にホールが形成された半導体デバイス試料を導入し、走査電子顕微鏡の観察下で試料の特定ホール領域に微細チューブを接近させ、微細チューブを通して試料の特定ホール領域に導電性材料のガスを導入するようにし、該試料の特定ホール領域に堆積された導電性材料を介して特定ホール領域の底部に残存する絶縁性膜を流れる電流量を測定し、測定された電流量から特定ホール領域の底部に残存する絶縁性膜の厚さを求めるようにしたエッチングモニター方法。
【請求項２】
導電性材料部分と半導体デバイス試料の基板との間に電圧を印加し、特定ホール領域の底部に残存する絶縁性膜を流れる電流量を測定するようにした請求項１記載のエッチングモニター方法。
【請求項３】
微細チューブの先端に探針を取り付け、探針を導電性材料表面に接触させ、探針を介して導電性材料部分と半導体デバイス試料の基板との間に電圧を印加し、特定ホール領域の底部に残存する絶縁性膜を流れる電流量を測定するようにした請求項２記載のエッチングモニター方法。
【請求項４】
導電性材料部分に電子ビームを照射し、該導電性材料、特定ホール領域の底部に残存する絶縁性膜、半導体デバイス試料の基板を通って流れる電流量を測定するようにした請求項１記載のエッチングモニター方法。
【請求項５】
微細チューブはピエゾ圧電素子によってその位置が制御される請求項１乃至４の何れかに記載のエッチングモニター方法。
【請求項６】
走査電子顕微鏡の試料室内に、エッチングプロセスを経て基板の表面の絶縁性膜にホールが形成された半導体デバイス試料を導入し、走査電子顕微鏡の観察下で試料の特定ホール領域に微細チューブを接近させ、微細チューブを通して試料の特定ホール領域に活性ガスを照射し、その後、微細チューブを通して試料の特定ホール領域に導電性材料のガスを導入するようにし、該試料の特定ホール領域に堆積された導電性材料を介して特定ホール領域の底部に残存する絶縁性膜を流れる電流量を測定し、測定された電流量から特定ホール領域の底部に残存する前記絶縁性膜の厚さを求めるようにしたエッチングモニター方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体デバイスの製造過程におけるエッチングプロセスのモニターを高い精度で行うことができるエッチングモニター方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイス製造分野では、デバイスの微細化の動きが急速に進んでおり、それに伴って、製造過程のデバイスの各種の計測技術の高度化が望まれてきている。この微細化したデバイスに形成された各種のホールや配線パターンを精度良く測定するためには、多くの問題を解決する必要がある。
【０００３】
特にデバイスのデザインルールが１００nmかそれ以下となってきており、形成されたデバイスを観察したり、デバイスの各部分の長さや幅を測定する際の測定精度限界も１０nm程度以下まで要求されるようになってきた。そのため、測定環境を含めた測定装置の高精度化が求められている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このような状況において、製造過程におけるエッチングプロセスのモニターは非常に重要である。すなわち、エッチングが設計通りの精度で行われているかどうかを確認せず、精度が悪い状態でその後のプロセスを行うと、完成したデバイスの性能に大きな影響を与える。また、エッチングの精度に問題があった場合には、エッチングプロセスの状況を把握し、そのプロセスの各種条件の設定を正常化すれば、デバイスの歩留まりを向上させることができる。このような理由から、エッチングプロセスのモニターは、半導体デバイスの製造上非常に重要な測定項目となっている。
【０００５】
このエッチングモニターに最近、走査電子顕微鏡が用いられるようになった。走査電子顕微鏡を用いたエッチングモニター方法においては、エッチングされた箇所に電子ビームを照射し、試料を透過した微弱な電子に基づく電流を計測し、計測した透過電子電流量に基づいてエッチングが設計通りに行われたかどうかをモニターしている。
【０００６】
図１はこのようなエッチングモニターを行う装置の概略を示す図である。図中１はエッチングプロセスをモニター(検査)すべき試料である。この試料１は例えば、製造過程のデバイスであり、デバイス試料１は、シリコン基板２上に形成された酸化膜３より構成されている。
【０００７】
このデバイス試料１は、既にエッチングプロセスを経ているもので、酸化膜３にはコンタクトホール４が形成されている。このコンタクトホール４の一般的な形成手法を概説すれば、まず酸化膜上にレジストを塗布し、光ステッパーや電子ビーム描画装置により、コンタクトホールを形成すべき個所に光や電子ビームを照射する。この光等が照射された個所(例えば、微小な円領域)のレジストは露光される。
【０００８】
露光過程が終了したデバイス試料１は、現像処理工程を経てエッチング装置に搬送される。この一連の工程で、露光された領域のみレジストが除去され、レジスト除去領域の酸化膜３のみがエッチング液に晒される。この結果、所定の時間が経過すると、エッチング液に晒された領域の酸化膜はエッチング処理が進行し、ホール４が形成される。エッチング処理が終了した後、酸化膜３上に残されたレジストが除去され、図１に示したようなコンタクトホール４が穿たれたデバイス試料１が作成される。
【０００９】
上記したエッチング処理における重要な処理結果は、形成されたコンタクトホール４（深さｈ）の底部に残された酸化膜３の厚さｄである。この厚さｄが所定の範囲内であることが、最終的に製作されるデバイスの性能にとって重要な要素となる。したがって、コンタクトホール４の底部の酸化膜の厚さｄを計測(モニター)する必要がある。
【００１０】
このコンタクトホール４の底部の酸化膜の厚さをモニターするために電子ビーム装置を用いることができる。デバイス試料１を電子ビーム装置、例えば、走査電子顕微鏡の試料室に導入し、シリコン基板２に電流測定回路５を接続する。この状態で電子ビームＥＢを試料１の酸化膜上に照射する。図中ＥＢ１はエッチングがされていない厚い酸化膜上に照射された電子ビームを示しており、ＥＢ２はエッチングにより形成されたコンタクトホール４の底部に照射された電子ビームを示している。
【００１１】
ここでデバイス試料１に電子ビームＥＢを照射したことによって酸化膜３、シリコン基板２を透過した電子の量Ｉｅは、シリコン基板２に接続された電流測定回路５によって検出される。この酸化膜３とシリコン基板２を透過した電子の量Ｉｅと酸化膜３の厚さとの間には、図２に示す一定の関係があり、検出した透過電子電流量Ｉｅから酸化膜の厚さｄを計測することができる。
【００１２】
すなわち、透過電子電流量Ｉｅは、試料１に照射される電子ビームの電流量をＩｐとすると、次の関係を有する。
Ｉｅ＝Ｉｐ−Ｉｓ
なお、上式で、Ｉｓは試料１へ電子ビームＥＢを照射したことによって試料から発生する２次電子や反射電子等を含む電子量である。このＩｓはほぼ一定の値であることから、透過電子量Ｉｅと酸化膜３の厚さとは、図２の曲線ｆに示すような関係を有する。この結果、電流測定回路５によって透過電子電流量Ｉｅを測定すれば、Ｉｅと膜厚との関係式から、電子ビームを照射した位置における酸化膜３の厚さを求めることができる。
【００１３】
しかしながら、実際には透過電子電流量Ｉｅは、次のような関係となる。
Ｉｅ＝Ｉｐ−Ｉｓ−Ｉｃ
上式で、Ｉｃは酸化膜３の帯電電流(帯電電荷量)を表しており、試料が導電性材料の場合は確認できないか無視できる量である。ところが、試料が図１に示すような表面に酸化膜３のような絶縁性材料が設けられている場合で、更に、試料に照射される電子ビームＥＢが低加速である場合においては、Ｉｃの量は無視できない量であると共に、その値も一定ではない。したがって、検出された透過電子電流量Ｉｅは、帯電電流Ｉｃの値によって変動し、結果として正確な膜厚ｄを測定することが困難となる。
【００１４】
更に、試料表面上における各種プロセスを行っている過程、あるいは、デバイス上で行われたエッチング状態を検査するために、エッチング装置から走査電子顕微鏡にエッチング処理が施された被検査試料を搬送する間に試料表面が汚染されることが問題となる。
【００１５】
この試料表面が汚染されると、エッチング処理の測定上誤差が発生する。すなわち、図１における酸化膜３の表面に汚染物質が付着すると、Ｉｃの値が変動すると共に、汚染物質によって電子が吸収され、Ｉｅの値が酸化膜の厚さのみに依存しなくなる。この試料の汚染は、走査電子顕微鏡でエッチング処理が施された試料の観察中に主としてハイドロカーボンが試料表面に付着することによっても発生する。
【００１６】
また、繰り返しになるが、デバイスの走査電子顕微鏡による観察、計測においては、観察、計測の対象物が酸化膜等の絶縁性試料であるため、試料表面への電子のチャージが生じ、このチャージは試料を透過する微弱な電子の電流量に変動を与える。
【００１７】
更に、半導体ウエハ試料を観察したり測定したりする走査電子顕微鏡においては、大型試料を駆動するための機械的な構造に基づいて発生する浮遊容量や接触抵抗ノイズにより、電流測定回路５によって計測された透過電子電流値はノイズを含んだものとなる。
【００１８】
本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、その目的は、試料表面の汚染や電子のチャージの影響を受けず、正確なエッチングモニターを行うことができるエッチングモニター方法を実現するにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明に基づくエッチングモニター方法は、走査電子顕微鏡の試料室内に、エッチングプロセスを経て基板の表面の絶縁性膜にホールが形成された半導体デバイス試料を導入し、走査電子顕微鏡の観察下で試料の特定ホール領域に微細チューブを接近させ、微細チューブを通して試料の特定ホール領域に導電性材料のガスを導入するようにし、該試料の特定ホール領域に堆積された導電性材料を介して特定ホール領域の底部に残存する絶縁性膜を流れる電流量を測定し、測定された電流量から特定ホール領域の底部に残存する絶縁性膜の厚さを求めるようにしたことを特徴としている。
【００２０】
請求項２記載の発明に基づくエッチングモニター方法は、導電性材料部分と半導体デバイス試料の基板との間に電圧を印加し、特定ホール領域の底部に残存する絶縁性膜を流れる電流量を測定するようにし、電流が流される試料部分の抵抗値を求め、この抵抗値から特定ホール領域の底部に残存する絶縁性膜の厚さを求めるようにしたことを特徴としている。
【００２１】
請求項３の発明に基づくエッチングモニター方法は、微細チューブの先端に探針を取り付け、探針を導電性材料表面に接触させ、探針を介して導電性材料部分と半導体デバイス試料の基板との間に電圧を印加し、特定ホール領域の底部に残存する絶縁性膜を流れる電流量を測定するようにしたことを特徴としている。
【００２２】
請求項４の発明に基づくエッチングモニター方法は、導電性材料部分に電子ビームを照射し、該導電性材料、特定ホール領域の底部に残存する絶縁性膜、半導体デバイス試料の基板を通って流れる電流量を測定するようにしたことを特徴としている。
【００２３】
請求項５の発明に基づくエッチングモニター方法は、微細チューブはピエゾ圧電素子によってその位置が制御されるように構成されていることを特徴としている。
【００２４】
請求項６の発明に基づくエッチングモニター方法は、走査電子顕微鏡の試料室内に、エッチングプロセスを経て基板の表面の絶縁性膜にホールが形成された半導体デバイス試料を導入し、走査電子顕微鏡の観察下で試料の特定ホール領域に微細チューブを接近させ、微細チューブを通して試料の特定ホール領域に活性ガスを照射し、その後、微細チューブを通して試料の特定ホール領域に導電性材料のガスを導入するようにし、該試料の特定ホール領域に堆積された導電性材料を介して特定ホール領域の底部に残存する絶縁性膜を流れる電流量を測定し、測定された電流量から特定ホール領域の底部に残存する前記絶縁性膜の厚さを求めるようにしたことを特徴としている。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図３は本発明に基づくエッチングモニターを行う方法の概略を説明するための図であり、図中１はエッチングプロセスをモニター(検査)すべき試料である。この試料１は例えば、製造過程のデバイスであり、デバイス試料１は、シリコン基板２上に形成された酸化膜３より構成されている。
【００２６】
このデバイス試料１は、既にエッチングプロセスを経ているもので、酸化膜３にはコンタクトホール４が形成されている。このコンタクトホール４の一般的な形成手法は、既に説明した通り、まず酸化膜上にレジストを塗布し、光ステッパーや電子ビーム描画装置により、コンタクトホールを形成すべき個所に光や電子ビームを照射する。この光等が照射された個所(例えば、微小な円領域)のレジストは露光される。
【００２７】
露光過程が終了したデバイス試料１は、現像処理工程を経てエッチング装置に搬送される。この一連の工程で、露光された領域のみレジストが除去され、レジスト除去領域の酸化膜３のみがエッチング液に晒される。この結果、所定の時間が経過すると、エッチング液に晒された領域の酸化膜はエッチング処理が進行し、ホール４が形成される。エッチング処理が終了した後、酸化膜３上に残されたレジストが除去され、図３に示したようなコンタクトホール４が穿たれたデバイス試料１が作成される。
【００２８】
図３に示したコンタクトホール４が穿たれたデバイス試料１のホール４部分には、後に詳細に説明するデポジション機構により、金属のごとき導電性材料７が注入される。この導電性材料７の注入後、導電性材料７の表面に探針８を接触させ、電源９から探針８とシリコン基板２との間に電圧を印加する。
【００２９】
この電圧の印加により、導電性材料７、酸化膜３、シリコン基板２を電流が流れる。この流れる電流は、電流測定回路５によって検出され、その結果、印加電圧、検出電流により、導電性材料７、酸化膜３、シリコン基板２のトータルの抵抗値が求められる。この抵抗値は、コンタクトホール４の底部の酸化膜の厚さｄによって変動することから、この抵抗値によってコンタクトホールの底部に残存する酸化膜の厚さを測定することができる。
【００３０】
このように、コンタクトホール４内に導電性材料７を注入し、この導電性材料７の注入後、導電性材料７の表面に探針８を接触させ、電源９から探針８とシリコン基板２との間に電圧を印加するようにしたので、検査領域（ホール領域）の試料表面に電子がチャージすることはなくなり、より正確な膜厚ｄの測定が可能となる。
【００３１】
また、導電性材料をデポジションする機構を用いて、酸素ガスなどの活性ガスを試料表面(酸化膜３の表面)に照射すれば、試料表面の汚染物質は取り除かれる。その結果、汚染物質により、電流が吸収され、正確な電流量が測定できなくなるという問題は解決される。
【００３２】
図４は走査電子顕微鏡の試料室内に試料１を配置し、更に、デポジション機構１０を組み込んだ概略例を示している。図中１１は、走査電子顕微鏡の対物レンズであるが、通常走査電子顕微鏡の像の分解能を高めるため、対物レンズ１１先端と試料間の距離（Working  Distance）は、数mm程度と両者はかなり接近して配置される。
【００３３】
そのため、デポジション機構１０は、後ろ側に３次元駆動機構が設けられており、精度よくしかも小型な機構とするために３次元駆動機構としては、ピエゾ圧電素子で構成されたものを使用することが望ましい。デポジション機構１０は、斜め方向から試料１の近傍まで導入チューブが入り込むように構成されている。
【００３４】
通常、走査電子顕微鏡により絶縁膜(酸化膜)を透過した吸収電流を測定し、この吸収電流量から、酸化膜の厚さを求めているが、試料表面がチャージしたり、また汚染されたりする問題が発生した場合には、このデポジション機構１０を介して金属等の導電性材料を測定対象のコンタクトホールに注入して、試料表面のチャージの影響を除去し、また、デポジション機構１０を介して活性ガスを試料表面(コンタクトホール内)に注入することにより、試料表面の汚染物質の除去が可能となる。
【００３５】
また、デポジション機構１０の駆動機構として、ピエゾ圧電素子を用いているので、極めて局所的(数μm程度)な領域への金属材料や活性ガスの照射が可能となるため、試料の他の部位にまでデポジションを行ってしまうような悪影響は生じない。
【００３６】
図５はデポジション機構１０の駆動機構(マニプレータ)１３の基本構造を示している。図中１４はマニプレータの基板であり、基板１４には、先端チューブ１５をＸ，Ｙ方向に駆動するためのピエゾ圧電素子１６ａ，１６ｂの一方の端部が取り付けられている。ピエゾ圧電素子１６ａ，１６ｂはペア―で駆動され、一方の素子を伸ばし、他方の素子を縮めることにより、先端チューブ１５を一方向に駆動することができる。また、図面の垂直方向にペア―となる別のピエゾ圧電素子を設けることにより、紙面に垂直な方向の駆動も可能となる。
【００３７】
先端チューブ１５の軸方向の駆動には、Ｘ，Ｙ方向の駆動ピエゾ圧電素子１６の先端に取り付けられたプレート１７上に、一方の端部が取りつけられたピエゾ圧電素子１８が用いられる。この圧電素子１８には、図６により詳細に図示している通り、微細チューブ１５が取りつけられており、このチューブ１５をマニプレータによってＸ，Ｙ，Ｚ方向に動かすことにより、試料のより近傍にまでチューブ１５の先端をアライメントすることができる。
【００３８】
なお、チューブ１５のアライメントは、走査電子顕微鏡の像を観察しながら行うことにより、高い精度で試料の所定領域にチューブ１５の先端を位置付けることができる。また、チューブの中心軸の駆動は、表面波を使った駆動系であり、ｎｍオーダーでの制御が可能とされている。
【００３９】
ところで、一般に、チューブ１５の先端の穴径は任意に可変できるように構成することは望ましい。すなわち、金属ガスを試料に注入する場合と活性ガスを試料表面に照射する場合とでは、それぞれの目的に合致した穴径のチューブが使用することができれば好都合である。
【００４０】
更に、チューブ先端にチップ２０を取りつけておけば、試料上で導電性材料をデポジションした位置で、チップ２０を材料に接触させれば、電流測定を容易に行うことができる。なお、チューブ１５の他端はフレキシブルな微細チューブ２１に接続されており、このフレキシブルチューブ２１により、真空外のガス導入系と接続させることができ、任意のガスを試料表面に導くことが可能となる。
【００４１】
なお、ガス導入チューブ１５の内径が大きい場合には、ホール外にも導電性材料をデポジションしてしまう結果になるが、前記したように、本発明によるホールへのデポジション方式では、微細チューブを使用し、チューブ位置のアライメントを走査電子顕微鏡の観察下でピエゾ圧電素子機構を使用して行っている。そのため、図７に示すように、確実にホール内にのみ導電性材料の注入を行うことができる。
【００４２】
以上本発明の実施の形態を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。例えば、測定すべき膜を通って電流を流すため、ホール内に堆積した導電性材料と基板との間に電源を設けるようにしたが、電源を設けることなく、導電性材料部分に電子ビームを照射し、導電性材料部分、被測定膜、基板を通って流れる電流を検出するようにしても良い。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明に基づくエッチングモニター方法は、走査電子顕微鏡の観察下でエッチングプロセスを経て、基板の表面の絶縁性膜にホールが形成された半導体デバイス試料のホール領域に微細チューブを接近させ、微細チューブを通して試料のホール領域に導電性材料のガスを導入するようにし、該試料のホール領域に堆積された導電性材料を介して特定ホール領域の底部に残存する絶縁性膜を流れる電流量を測定し、測定された電流量から特定ホール領域の底部に残存する絶縁性膜の厚さを求めるようにした。その結果、試料表面の帯電現象がなくなり、電流の測定精度を向上させることができ、求めた膜厚からエッチング工程の状態を把握することができる。
【００４４】
請求項２の発明に基づくエッチングモニター方法は、導電性材料部分と半導体デバイス試料の基板との間に電圧を印加し、特定ホール領域の底部に残存する絶縁性膜を流れる電流量を測定するようにし、電流が流される試料部分の抵抗値を求め、この抵抗値から特定ホール領域の底部に残存する絶縁性膜の厚さを求めるようにしたことを特徴としており、その結果、試料表面の帯電現象がなくなり、電流の測定精度を向上させることができる。
【００４５】
請求項３の発明に基づくエッチングモニター方法は、微細チューブの先端に探針を取り付け、探針を導電性材料表面に接触させ、探針を介して導電性材料部分と半導体デバイス試料の基板との間に電圧を印加し、特定ホール領域の底部に残存する絶縁性膜を流れる電流量を測定するようにしたので、その結果、試料表面の帯電現象がなくなり、電流の測定精度を向上させることができる。
【００４６】
請求項４の発明に基づくエッチングモニター方法は、導電性材料部分に電子ビームを照射し、該導電性材料、特定ホール領域の底部に残存する絶縁性膜、半導体デバイス試料の基板を通って流れる電流量を測定するようにしたので、その結果、試料表面の帯電現象がなくなり、電流の測定精度を向上させることができる。
【００４７】
請求項５の発明に基づくエッチングモニター方法は、微細チューブはピエゾ圧電素子によってその位置が制御されるように構成されており、走査電子顕微鏡の対物レンズと試料表面との間の距離が小さい場合でも、微細チューブの先端を正確に試料の該当領域に接近させることができる。
【００４８】
請求項６の発明に基づくエッチングモニター方法は、微細チューブの他端を活性ガス源に接続し、試料表面に活性ガスを照射し得るようにしたことを特徴としている。その結果、試料表面の汚染物質を取り除くことができ、汚染物質により誤った測定を行うことが防止される。
【図面の簡単な説明】
【図１】エッチングモニターを行う装置の概略を示す図である。
【図２】透過電子量Ｉｅと酸化膜３の厚さとの関係を示す図である。
【図３】本発明に基づくエッチングモニターを行う方法の概略を説明するための図である。
【図４】走査電子顕微鏡の試料室内に試料を配置し、更に、デポジション機構を組み込んだ概略例を示す図である。
【図５】デポジション機構の駆動機構(マニプレータ)の基本構造を示す図である。
【図６】先端にチップが取り付けられた微細チューブ部分を示す図である。
【図７】ホール内への導電性材料の注入の様子を示す図である。
【符号の説明】
１  試料
２  シリコン基板
３  酸化膜
４  コンタクトホール
５  電流測定回路
７  導電性材料
８  探針
９  電源
１０  デポジション機構
１１  対物レンズ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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