半导体测量装置及半导体测量方法

专利名称：半导体测量装置及半导体测量方法
技术领域：
本发明涉及利用电子束的半导体测量装置及半导体测量方法，特别涉及 一种适用于评价接触孔等精细结构的测量技术。
背景技术：
接触孔是半导体器件的一种精细结构。该接触孔构成硅衬底上形成的配 线结构的一部分，该配线结构例如用于使晶体管与其他电气元件电连接。用
于测量接触孔结构的常用方法是使用电子束的方法，CDSEM作为此种装置 -波广为所知。
根据上述CDSEM,用电子束对形成有待测量精细结构的半导体衬底表 面进行线扫描，检测此时产生的二次电子，并根据得到的波形观'J量精细结构。 该二次电子的波形中包含与精细结构所具有的边缘相关的信息，以对比度的 不同来识别该边缘。
另一方面，如果是高纵横比的孔结构，以现有的CDSEM无法有效捕4足 来自于孔内部的二次电子，所以无法高精度地掌握孔的内部结构。为解决上 述问题，出现了利用衬底电流来代替二次电子的EBSCOPE技术(参考专利 文献1 )。
根据上述EBSCOPE,用电子束扫描半导体村底表面，根据此时产生的 衬底电流的波形求出孔结构。这里，衬底电流是由通过孔的内部到达半导体 村底的电子束感应出的，所以该衬底电流中包含与孔的内部结构相关的信 息，根据该电流波形能够获知孔的内部结构。
专利文献l:特开2005 - 026449号公报
但是，采用上述现有技术的EBSCOPE时存在如下问题如果孔底结构
简单，根据观测到的衬底电流的波形掌握孔底结构较为容易，但当孔底存在 氧化膜或氮化膜等各种残膜，随着孔底结构复杂，观测到的衬底电流的波形 就变得非常复杂，所以难以准确测量孔底结构。

发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种半导体测量装置，即使孔底结构 复杂，也能够准确测量孔底结构。
为了解决上述课题，本发明提供一种半导体测量装置，构成为，对半导 体衬底照射电子束，根据由该电子束在所述半导体衬底感应出的衬底电流得到 形成于所述半导体衬底的精细结构的评价值，其特征在于，该半导体测量装置 包括评价单元，该评价单元根据将所述衬底电流的波形视为微分波形时的该衬 底电流的波形，得到所述精细结构的评价值。
所述半导体测量装置中，其特征在于，所述精细结构是孔，所述评价单元 根据所述衬底电流的波形提取所述孔的边缘。
所述半导体测量装置中，其特征在于，所述评价单元根据所述孔的边缘计 算该孔的评价值。
所述半导体测量装置中，其特征在于，所述评价单元根据所述衬底电流的 波形的波峰提取所述孔的边缘。
本发明的半导体测量装置，构成为，对半导体衬底照射电子束，根据由该 电子束在所述半导体衬底感应出的衬底电流得到形成于所述半导体村底的精细 结构的评价值，其特征在于，该半导体测量装置包括评价单元，该评价单元根 据将所述衬底电流的波形视为微分波形时的该衬底电流的积分波形，得到所述 精细结构的评价值。
所述半导体测量装置中，其特征在于，所述精细结构是孔，所述评价单元 根据所述积分波形提取所述孔的边缘。
所述半导体测量装置中，其特征在于，所述评价单元根据所述孔的边缘计 算该孔的评价值。
本发明的半导体测量装置，构成为，对半导体衬底照射电子束，根据由该 电子束在所述半导体衬底感应出的衬底电流得到形成于所述半导体衬底的精细 结构的评价值，其特征在于，该半导体测量装置包括评价单元，该评价单元根 据所述衬底电流的波形，确定所述精细结构的等效电路，根据利用该等效电路 得到的波形，得到所述精细结构的评价值。
所述半导体测量装置中，其特征在于，所述精细结构是孔，所述评价单元 根据利用所述等效电路得到的波形提取所述孔的边缘。
所述半导体测量装置中，其特征在于，所述评价单元根据所述孔的边缘计 算该孔的评价值。
本发明的半导体测量方法，对半导体衬底照射电子束，根据由该电子束在 所述半导体衬底感应出的衬底电流得到形成于所述半导体衬底的精细结构的评 价值，其特征在于，根据将所述衬底电流的波形视为微分波形时的该衬底电流 的波形，得到所述精细结构的评价值。
根据本发明，即使孔底存在残膜，也能够准确测量孔底结构。


图l是本发明第一实施方式的半导体测量装置的结构图； 图2是本发明第 一实施方式的半导体测量装置的动作流程示意图； 图3A是本发明第一实施方式的第一例待测量孔结构(通常的结构)的 示意图3B是本发明第一实施方式的第二例待测量孔结构(具有栅极的结构) 的示意图3C是本发明第 一 实施方式的第三例待测量孔结构(具有浮栅的结构) 的示意图4A是由本发明第一实施方式的半导体测量装置观测到的第一例衬底 电流波形的示意图4B是由本发明第 一 实施方式的半导体测量装置观测到的第二例衬底
电流波形的示意图4C是由本发明第 一 实施方式的半导体测量装置观测到的第三例衬底
电流波形的示意图4D是由本发明第一实施方式的半导体测量装置观测到的第四例衬底
电流波形的示意图5A是本发明第一实施方式的第一例孔结构的等效电路图； 图5B是本发明第一实施方式的第二例孔结构的等效电路图； 图5C是本发明第一实施方式的第三例孔结构的等效电路图； 图6A是用于说明本发明第一实施方式的半导体测量装置基本原理的微
分电路图6B是用于说明本发明第一实施方式的半导体测量装置基本原理的微 分电路的输入波形图6C是用于说明本发明第一实施方式的半导体测量装置基本原理的微 分电路的输出波形图7A是本发明第一实施方式的村底电流产生机制(镜像电荷形成期) 的说明图7B是本发明第一实施方式的衬底电流产生机制(隧道电流形成初期) 的说明图7C是本发明第一实施方式的衬底电流产生机制(隧道电流形成后期) 的说明图7D是本发明第一实施方式的衬底电流产生机制(放电期)的说明图； 图8是根据本发明第一实施方式的村底电流波形提取接触孔边缘的原 理说明图9是本发明第二实施方式的半导体测量装置的动作流程示意图； 图10是本发明第三实施方式的半导体测量装置的动作流程示意图； 图11是本发明第三实施方式的半导体测量装置的待测量孔结构的等效 电路的示意图12是对本发明第三实施方式的待测量孔结构照射电子束时电子束照
射量与表面电位的非线性关系的特性示意图。
符号的说明
10电子枪30
11电子束源40
12聚光透镜100
13光阑110
14偏转电招_120
15物镜130
20真空室140
21 XY坐标台150
22托盘160
23半导体衬底(试样)170
24 二次电子检测器
具体实施例方式
下面参考附图，说明实施本发明的优选实施方式。 (第一实施方式)
图1示出了本发明第一实施方式的半导体测量装置的结构。
该半导体测量装置的基本原理是向待测量半导体衬底(试样)照射电 子束，测量由该电子束感应出的衬底电流，根据该衬底电流得到形成于上述 半导体衬底的孔等精细结构的评价值。
如图l所示，在容纳待测量半导体衬底(试样)23的室20的上部，安 装有产生电子束EB的电子枪10。电子枪10包含电子束源11,该电子束源 11与高压电源40连接。在电子枪10的内部，沿着来自于上述电子束源11 的电子流的发射方向，依次配置有聚光透镜12、光阑13、偏转电极14和物 镜15。其中，偏转电极14与偏转控制装置50连接，使电子束EB能以高精
度偏转。另外，电子束EB的能量、电流量和聚焦状态也能任意控制。
室20的内部容纳有用于支撑半导体村底23的XY坐标台21和固定在 XY坐标台21上的托盘22,托盘22上放置有半导体衬底23。从上述电子枪 10发射出的电子束EB的照射方向，朝向托盘22上放置的半导体衬底23的 表面，通过XY坐标台21移动托盘22的位置，能够调整电子束EB对半导 体衬底23的照射位置。
另外，在室20内部设有二次电子检测器24,用于检测随着电子束EB 的照射而从半导体衬底23的表面发射出的二次电子。再有，在室20内部还 设有用于对半导体衬底23施加偏压的电极(未图示)，向该电极供给偏压 的电压施加装置设在室20外部。室20内部的真空度，维持在例如l(T6torr 左右。
这里，为了将电子枪IO照射的电子束EB以nm级的位置精度照射到半 导体衬底，相对于电子束EB的固定照射轴，要通过XY坐标台21移动半导 体衬底23的位置。利用脉冲电动机、超声波电动机或者压电元件等作为XY 坐标台21的驱动装置。通过并用激光测长仪、激光标线仪等高精度测量技 术，将XY坐标台21上放置的半导体衬底23的位置精度控制在数nm左右。
托盘22与电流测量装置30连接，电流测量装置30通过托盘22测量在 半导体衬底23感应出的村底电流。电流测量装置30包含将测量到的衬底电 流值A/D转换为数字信号的A/D转换器，将测量值作为数字数据输出。
另外，在托盘22上安装有电子束照射位置测量装置22A,用于测量电 子束EB在半导体村底23上的照射位置。电子束照射位置测量装置22A输 出测量到的电子束照射位置的坐标(电子束的照射坐标)。由该电子束照射 位置测量装置22A得到的电子束的照射坐标作为用于形成后述的二次电子 图像和衬底电流波形的参数使用。此外，并不特别限制电子束EB的照射位 置的坐标系。
另外，本半导体测量装置包括顺序控制装置(包括图案匹配引擎)IOO、 聚焦控制装置110、二次电子图像记录装置120、衬底电流波形记录装置130、
波形处理装置140、边缘提取装置150、显示装置160和数据库装置170。 这些装置构筑在计算机等信息处理装置上。
其中，顺序控制装置100负责控制偏转控制装置50，以使测量衬底电 流时电子束EB扫描半导体村底23的表面，同时顺序控制装置100还负责 图案匹配相关的控制，图案匹配用于在设置电子束对半导体村底的照射位置 时高精度地调整电子束EB的照射位置。
此外，在本实施方式中， 一维扫描是指线扫描。另外，二维扫描是指以 一定的间隔多次反复进行线扫描，例如与电视画面的水平扫描和垂直扫描是 相同的概念。
这里，对图案匹配进行补充说明。在半导体衬底上形成的孔等图案的位 置，即使是同一批次，每个半导体村底也都稍有不同。为了调整这些不同， 在通过XY坐标台21进行对位的同时，还实施对每个半导体衬底比4交实际 图案与基准图案的图案匹配，移动电子束EB的照射位置，以使实际图案与 基准图案一致。据此，对每个半导体衬底以数nm的精度准确调整电子束的 照射位置。
为了在图案匹配中以良好的精度移动电子束EB的照射位置，本半导体 测量装置包括高分辨率的偏转控制装置50，用于准确地直线扫描电子束EB, 另外，顺序控制装置100包括用于实施图案匹配的图像识别装置(包括图案 匹配引擎)以及软件等。
聚焦控制装置IIO控制物镜15的聚焦位置，用于通过在测量时控制物 镜15的聚焦位置来控制电子束的聚焦量，将该电子束EB的前端设置为所 希望的尺寸和形状。可以利用的设置电子束EB的聚焦量(物镜15的聚焦 位置)的方法有以光学或电学方法求出与晶片表面的距离，以该距离为基 础设置聚焦量的方法；根据由扫描电子束得到的图像最鲜明的状态或者二次 电子的对比度最大的状态设置聚焦量的方法；根据由照射电子束时的衬底电 流值得到的图像最鲜明的状态或者对比度最大的状态设置聚焦量的方法等。
二次电子图像记录装置120记录由二次电子检测器24检测到的二次电
子形成的图像。衬底电流波形记录装置130将由电流测量装置30测量出的 衬底电流值的波形与此时的电子束EB的照射坐标对应存储，该照射坐标从 上述电子束照射位置记录装置22A读出。
波形处理装置140对上述衬底电流值的波形进行波形整形，去除不需要 的噪声成分。边缘提取装置150根据波形整形后的衬底电流波形提取接触孔 的边缘，计算该接触孔的形状相关的评价值。显示装置160显示上述评价值。 数据库装置170将边缘提取装置150计算出的上述评价值进行数据库化并存 储。
下面，按照图2所示的流程，说明本半导体测量装置的动作。这里，以 接触孔为测量对象进行说明。
首先，在顺序控制装置IOO的控制下，进行电子束EB与半导体衬底23 的对位。即，针对保持半导体村底23的XY坐标台21的控制系统，指定待 测量孔的位置坐标并移动XY坐标台21,将电子束EB的照射位置大致对准 孔的中心。然后，照射电子束EB并同时进行二维扫描，比较此时产生的二 次电子形成的图像与模板图像并进行图案匹配，计算模板图像的中心与孔中 心的偏移量。将该偏移量输入偏转控制装置50，移动电子束EB的照射位置， 使电子束E B的照射位置准确地对准待测量孔的中心。
上述对位结束后，执行以下一系列处理(步骤S11-S14),用于在顺 序控制装置IOO的控制下，根据衬底电流计算孔的评价值。
首先，对半导体村底23照射电子束EB并取得衬底电流波形(步骤S11 )。
即，以孔中心为基准通过电子束EB对半导体衬底23表面上的规定区域进
行二维扫描。在该二维装置中，对半导体衬底23的表面垂直照射电子束EB,
控制物镜15的聚焦位置，以使电子束EB的前端为所希望的尺寸，同时，
对偏转控制装置50施加控制电压，从而以相等的间隔和一定的速度反复进
行一维扫描(例如，以等间隔进行10次一维扫描)。通过该扫描，从#皮照
射了电子束EB的半导体衬底23表面上的微小区域中产生出二次电子和反
射电子，并在半导体衬底23感应出衬底电流。 通过上述扫描而在半导体衬底23感应出的衬底电流，由电流测量装置
30进行测量，转换为具有所需动态范围的电信号。为了不使信号质量恶化，
该电信号立即被抽样，转换为具有所需分辨率的数字信号。例如，该数字信
号的分辨率是16比特，抽样频率是400MHz。与上述衬底电流的测量并行， 通过电子束照射位置测量装置22A测量电子束EB的照射位置。
这样，通过电子束EB的扫描而得到的衬底电流的测量值，包含孔的底 面结构相关的信息，以数字形式在衬底电流波形记录装置130(例如存储器、 硬盘)中记录为以通过上述电子束照射位置测量装置测量的测量坐标(电子 束的照射位置)或者测量时间(电子束EB的照射时刻)的函数表示的波形
4吕息。
另一方面，通过上述扫描而从半导体衬底23表面上的微小区域中产生 出的二次电子，由二次电子检测器24进行检测。熟知的二次电子检测方法 有使用光电倍增管、多通道板或者简单的电极将二次电子直接回收作为电 流信号的方法。这里，重要的是得到由二次电子检测装置24检测出的二次 电子的量与实际产生的二次电子的量的比例关系。在本实施方式中，二次电 子检测器24的输出值被设置为与输入的电子数成正确的比例。据此，从小 信号区域到大信号区域直线检测二次电子。
与此相对，通常的SEM以将二次电子表示为二值图像为目的，所以设 置为在有信号时和无信号时检测值有很大不同，即为具有例如当非常少的电 子被输入到检测器时检测值为0,当某个阈值以上的电子被输入时产生较大 的检测值的非线性特性的放大器。
通过上述扫描得到的二次电子的测量值，包含半导体衬底23的表面结 构相关的信息，以数字形式在二次电子图像记录装置120 (例如存储器、硬 盘)中记录为以通过电子束照射位置测量装置22A测量的测量坐标(电子 束的照射位置)或者测量时间(电子束EB的照射时刻)的函数表示的图像化息。
另外，从半导体衬底23表面上的微小区域中产生的反射电子，由反射
电子检测器(未图示)进行检测，根据该检测值得到的反射电子图像以数字 形式记录于反射电子图像记录装置(未图示)中。
此外，二次电子与反射电子可以通过能量、发射方向的不同来区别，根 据检测装置的种类，也可以不加区別而一起处理。另外，可以分别配置多台
二次电子检测器24和反射电子检测器(未图示)，这种情况下，优选的结
构是能够按照检测器的台数独立记录信息。当然，也可以各配置一台二次电
子检测器24和反射电子检测器(未图示)。
对于如上测量出的村底电流的波形，为了去除不需要的噪声、高频成分， 通过波形处理装置140进行波形整形。上述波形处理的例子有移动平均滤 波器处理、去除特定频率的波形处理、或者仅取出特定频率信号的滤波器处 理等。这些波形整形处理可以由硬件进行，也可以由软件进行。
接着，通过边缘提取装置150,根据衬底电流的波形提取孔的边缘(步 骤S12)。即，边缘提取装置150使用边缘提取算法，根据上述衬底电流波 形提取孔的边缘，将提取的边缘的坐标值转换到XY坐标系。本实施方式在 边缘提取算法的原理上具有特征，其详细内容将在后文进行描述。
另外，边缘提取装置150，对转换后的XY坐标值应用圆逼近函数或椭 圓逼近函数(步骤S13),使用最小二乘法进行曲线拟合。即，上述电流波 形的边缘坐标与孔的边缘坐标对应，通过结合一维扫描得到的衬底电流波形 的边缘坐标值，能够再现孔边缘的形状。
因此，通过对上述边缘坐标值应用逼近函数，从而以数学方法表示孔的 二维形状。具体而言，对上述转换后的边缘坐标值应用例如圓逼近或椭圓逼 近函数，对规定逼近函数的各种参数进行拟合，使该逼近函数的值与边缘坐 标值之间的误差最小，从而表示出孔的二维形状。利用这种逼近函数，即使 孔的相对位置偏离，也能准确维持孔形状，所以即使产生对准误差，也能够 减小给孔的测量值带来的影响。此外，采用什么函数作为逼近函数要根据待 测量孔的设计图案适当确定。
另外，边缘提取装置150，使用参数拟合后的上述逼近函数，计算孔形
状的评价值(步骤S14)。例如，作为孔的评价值，计算孔的直径、孔中心 位置、孔倾斜角度、孔旋转角度、孔真圆度、孔变形量、边缘粗糙度等。在 使用椭圆函数作为逼近函数时，计算椭圓的长径、短径、焦点、变形、旋转
等。这些评价值显示于计算机显示器等显示装置160,或者作为数字数据保 管于数据库装置170。
下面，详细说明上述边缘提取装置150中的边缘提取算法的原理。本边 缘提取算法的本质在于根据将测量出的衬底电流的波形视为微分波形时的 该衬底电流的波形，得到精细结构的评价值。这种评价单元例如由边缘提取 装置150构成。
图3示出了本半导体测量装置的待测量接触孔的截面结构。
这里，图3A示出了通常的接触孔HA的截面结构。如图3A所示，在 硅衬底S的主面，通过氧化膜形成层间绝缘膜F，并贯通该层间绝缘膜F地 形成有接触孔HA。硅村底S在孔HA的底部露出。通常，在硅衬底S上形 成有P型或N型的扩散层，该扩散层具有导电性。
图3B示出了在栅极G上形成的接触孔HB的截面结构。栅才及G是构成 MOS晶体管的控制电极，在该栅极G下形成有非常薄的nm级栅极氧化膜 GOX，在其下面存在硅衬底S。栅极G与硅衬底S通过栅极氧化膜GOX被 绝缘，未直流连接。
图3C示出了在栅极G2上形成的接触孔的截面结构，该例子具有近年 受关注的闪存等所使用的浮栅(电气隔离的栅极)结构。即，在栅极G2的 下面存在用于积蓄电荷的绝缘体ONO，在其下面存在通常的栅冲及G1。在该 栅极Gl的下面隔着栅极氧化膜GOX存在硅衬底S。该浮栅结构是如同将上 述图3B所示的栅极G层积起来的结构。就是说，特征在于绝缘膜隔开电极 形成两层4册极。
分别示于上述图3A-图3C的接触孔HA-HC的纵横比非常大，以现 有的SEM无法测量孔底的形状，而采用本实施方式的半导体测量装置，将 缩细的电子束EB照射到孔HA-HC的底部j艮据此时在^^圭衬底S感应出的
衬底电流的变化来确定孔底的形状(尺寸)。
图4A-图4D示出了按上述方式实际观测到的衬底电流的波形。 这里，图4A是对上述图3A所示的孔结构照射电子束EB时的衬底电 流的波形，是在相当于孔底的硅衬底S的表面形成有N型扩散层时的波形。 图4B同样是对上述图3A所示的孔结构照射电子束EB时的衬底电流的波 形，在相当于孔底的硅衬底S的表面形成有P型扩散层。图4C是对上述图 3B所示的孔结构照射电子束EB时的村底电流，图4D是对上述图3C所示 的孔结构照射电子束EB时的衬底电流。
下面，说明观测到上述图4A -图4D所示各波形的理由。 图5A示出了上述图3A所示的通常的接触孔HA的电气等效电路。接 触孔HA的等效电^各由硅村底S所具有的电阻Rl组成，所照射的电子束EB 通过电阻Rl流到硅衬底S。因此，不管在硅衬底S的表面形成的扩散层是 N型还是P型，在对通常的接触孔HA照射电子束EB时，如图4A和图4B 所示，均得到梯形的衬底电流波形。
根据这种梯形的衬底电流波形能够容易地提取孔的边缘。例如，使用阈 值法、最速下降法，在衬底电流波形中的构成梯形波形的倾斜区域，将波形 横穿规定阈值时的坐标，或者将表示各倾斜区域中波形倾斜度最大值的坐标 定义为孔的边缘，并提取所需个数的边缘。对提取的边缘应用圆逼近或椭圆 逼近或直线逼近等，来提取孔的形状。与此相对，对于如图3B、图3C所示 的孔底存在栅极或浮栅的孔结构，如图4C和图4D所示，得到的衬底电流 波形不是梯形。
图5B示出了上述图3B所示的接触孔HB的电气等效电路，在接触孔 HB的底部存在栅极G。该电气等效电路由一个电容器Cl和硅村底S所具 有的电阻R1构成，电容器C1由多晶硅组成的栅极G、栅极绝缘膜GOX和 硅衬底S形成，上述电容器Cl与电阻Rl为串联连接的结构。由上述电容 器Cl和电阻R1形成时间常数电路，该时间常数由电容器Cl的电容值与电 阻R1的电阻值的乘积确定。因此，此时的孔结构，等效于具有与电容器C1
的电容值以及电阻Rl的电阻值成比例的时间常数的电路。此外，这里为了
方便说明，忽视其他寄生CR成分。
图5C示出了上述图3C所示的接触孔HC的电气等效电路，如图3C所 示，接触孔HC的底部存在栅极G2、绝缘膜ONO、栅极G1、栅极氧化膜 GOX和硅衬底S。从图5C中可以理解，该孔结构中存在栅极G2和栅极Gl 两个栅极，以及栅极氧化膜GOX和氮化膜ONO两个绝缘膜。这两个电极 和两个绝缘膜形成串联连接的电容器Cl、 C2。另夕卜，硅衬底S形成电阻R。 上述电容器C1、 C2以及电阻Rl被串联连接，因此，此时的孔结构，等效 于具有由直接连接电容器Cl、 C2时的电容值和电阻R1的电阻值形成的时 间常数的电路。
这里，如图6A所示， 一般地，若将电容器C与电阻R串联连接，则得 到微分电路。若对该微分电路输入如图6B所示的矩形波形，则该矩形波形 受到微分处理，如图6C所示，输出具有与矩形波形的倾斜量成比例的成分 的微分波形。在此，输入的矩形波形在其上升沿和下降沿具有正、负双向倾 斜，所以对于输出的微分波形，得到具有正、负双向值的输出。
就是说，根据;微分电路，从单向流动的矩形电流波形生成正、负双向流 动的电流。该波形由于测量对象所具有的时间常数、为测量而照射的电子束 EB的扫描速度等而受到影响，但无论如何，若待测量孔结构存在微分电路， 则即4吏仅供给单向流动的电流，也能观测到正、负双向流动的电流。因此， 从上述图4C、图4D所示的波形可知，图3B、图3C所示的孔结构的等效电 路包括微分电路。
这里，对如上述图3B、图3C所示孔底存在栅极且硅衬底S未露出时的 衬底电流的产生机制进行说明。
图7A示出了在电子束EB照射测量对象的初期(镜像电荷形成期)产 生的电荷重新分布的情况。在图7A中，电子束EB以一定速度从图的左侧 向右侧扫描。
电子束EB的照射位置到达待测量接触孔，电子束EB被照射到存在于该孔底的栅极G时，从栅极G的表面产生二次电子，同时，通过表面残留 的电荷在衬底侧感应出镜像电荷ICG。镜像电荷ICG的积蓄量由栅极G与 栅极氧化膜GOX形成的电容器的电容值确定。随着此时镜像电荷ICG的形 成，可观测到衬底电流IK。此时的电流由下式表示，其中t为时间常数。 I = I0(l-exp(-A/t))
图7B示出了上述镜像电荷形成期的下一阶段。此例中，栅极氧化膜的 膜厚为10nm左右。电子束EB的照射开始后随着时间流逝，电荷积蓄在栅 极G的电极上，栅极G的电位与照射电流量成比例上升。然后，如图7C所 示，栅极G的电位例如超过约10V时，此时的电场E为10MV/cm，膜厚为 10nm左右的4册极氧化膜GOX之中开始流过隧道电流IT,电荷发生移动。 此时，为使表面电位一定，产生隧道电流IT,其结果是表面的电位保持一定。 此时的隧道电流IT也被作为衬底电流IK而观测到。此时的电流由下式表示。
I = AE2exp(-B/E)
图7D示出了电子束EB的扫描位置偏离待测量接触孔，电子束EB对 测量对象的照射结束时的电荷移动的情况。在这种状态下，电子束EB不再 供给电子的结果是，夹在栅极G、栅极氧化膜GOX以及硅村底S之间的区 域中积蓄的电荷发生放电。在该放电过程中，沿与上述图7C所示的电荷积 蓄过程相反的方向流过隧道电流IT。此时的电流由下式表示。
I = I0exp(-A/t)
从以上所述能够理解，栅极氧化膜GOX等绝缘膜存在于孔底的栅电极 下面时，可观测到复杂的电流波形，根据该电流波形能够解释孔的结构。即， 在栅极G下面有绝缘体时，栅极G、绝缘体以及硅衬底S形成微分电路， 所以能够将观测到的波形视为微分波形，根据该波形掌握孔结构。
例如，图8所示的衬底电流波形中存在波峰P1和波峰P2两个波峰，相 当于前述图5B所示的微分电路产生的微分波形。因此，如果认为波峰PI 和波峰P2是通过对孔底不存在栅极等绝缘物时观测到的波形进行微分得到 的，则各波峰可以解释为与孔的边缘对应，根据上述波峰P1与波峰P2的间
隔，能够算出孔径CD作为孔的评价值。
另外，根据将电子束EB对单一孔进行二维扫描时得到的多个衬底电流 波形可得到多个边缘。通过对这多个边缘应用圆逼近、椭圓逼近或与其他形 状对应的逼近函数，能够根据测量出的衬底电流波形评价孔底的形状。在这 种情况下，为了求出孔的绝对大小，可以通过事前对已预先知道大小的孔实 施同样的测量，来4交正测量值。
另外， 一般地，栅极氧化膜不能如前所述完全作为电容发挥作用。即， 一定量以上的电荷在栅电极积蓄，其表面电位处于上升状态时，隧道电流流 过栅极氧化膜，所以观测到的是与纯粹的电容不同的微分波形。因此，更准 确地求出孔边缘的方法有在构成所观测到的波形的成分中，提取栅极氧化 膜作为纯粹的电容器发挥作用的区域的波形，根据该波形得到微分量，从而 能够提取准确的孔边缘；或者相反，通过将电子束的照射量调整得尽可能小， 在栅电极、栅极绝缘膜以及硅衬底组成的结构作为纯粹的电容器发挥作用的 状态下进行测量等方法。
此外，以通常的孔作为测量对象时，得到的衬底电流波形是梯形波形， 用于根据该波形提取孔边缘的方法之一是进行微分。提取表示该微分值的最 大值的位置作为孔边缘。
如上所述，对得到的多个边^彖应用圓逼近或椭圆逼近或其〗也逼近曲线， 来评价孔的形状。
(第二实施方式)
图9示出了本发明第二实施方式的半导体测量装置的动作流程。 本实施方式的装置结构基本与上述第一实施方式相同，但边缘提取算法 的原理不同。即，本实施方式的边缘提取算法的本质在于，根据将衬底电流 的波形视为微分波形时的该衬底电流的积分波形，得到精细结构的评价值。 这种评价单元例如由边缘提取装置150构成。
图9所示的本实施方式的动作流程包括波形积分处理相关的步骤S22、 滤波相关的步骤S23和边缘检测相关的步骤S24，以取代上述图2所示的第
一实施方式的动作流程的步骤S12。此外，在图9中，对与上述图2所示的 步骤相同的步骤标注相同符号。
在本实施方式中，在步骤Sll得到的波形是微分波形，所以进行一次积 分恢复原来的波形(步骤S22)。然后，使用根据需要提取孔底对应成分的 滤波器，根据积分波形提取所需的成分(步骤S23)。例如，由于在微分波 形中含有噪声以及在估计孔的大小时不需要的高频成分或低频成分，所以适
当去除这些成分，得到准确反映孔底的波形。
进行上述积分得到的电流波形与测量前述图3A所示的通常的接触孔 HA时的波形相同，所以应用从前已知的边缘提取算法提取边缘(步骤S24 )。 阈值法、微分法、索贝尔法、拉普拉斯算子法等通常数学中已知的所有算法 都能够用来作为该边缘提取算法。后面的步骤与第一实施方式相同(步骤 S13、 S14)。
(第三实施方式)
图IO示出了本发明第三实施方式的半导体测量装置的动作流程。此外， 在图10中，对与上述图9所示的步骤相同的步骤标注相同符号。
本实施方式的装置结构基本与上述第一或第二实施方式相同，其动作中 包括逆运算相关的步骤S32,其本质在于，根据步骤Sll中得到的衬底电流 的波形确定精细结构的等效电路，根据利用该等效电路得到的波形，得到精 细结构的评价值。这种评价单元例如由边缘提取装置150构成。
下面进行详细说明。首先，事先准备将包括栅结构、控制栅结构等的待 测量孔结构的细微部分也能体现出来的等效电路(参数值未设置)。例如将 栅电极形成的电容器的特异性成分也纳入等效电路。
这里，通过将齐纳二极管(zener diode) ZD纳入图3B的孔结构的等效 电路，图11的等效电路体现出由栅电极形成的图12所示的电容器的特异性 成分即非线性。此外，在图11中，R2是栅极的电阻成分。齐纳二极管ZD 也称为稳压二极管，二极管两端的电压为一定的电压时电流流过二极管，具 有保持二极管两端电压一定的性质。通过利用这种精密的等效电路，能够更准确地以数学式表示测量对象。通过求解表示该等效电路的式子，能够将测 量出的衬底电流波形转换为通常的接触孔呈现出的衬底电流波形。
利用上述等效电路得到模拟原来波形的波形(步骤S32)。具体而言， 为使利用事先准备的等效电路得到的波形与步骤Sll中实际观测到的波形 一致，通过对等效电路的各参数进行逆运算来确定各参数。接着，对利用参 数确定后的等效电路得到的波形实施滤波处理(步骤S23 )，然后应用边缘 提取方法，从而提取边缘，得到孔的评价值(步骤S12-S14)。
此外，上述说明是以图3B所示的孔结构为例，所以由该等效电路得到 的波形是微分波形，但等效电路的内容一般会根据孔结构而变化，由该等效 电路得到的波形也会变化。因此，在本实施方式的步骤S12中，对利用等效 电路得到的波形应用适当的边缘提取算法进行边缘检测。即，如果利用等效 电路得到的波形是微分波形，则应用与上述第 一实施方式相同的边缘提取算 法，如果是梯形波形，则可应用与第二实施方式相同的从前已知的边缘提取 算法。
以上对本发明的实施方式进行了说明，本发明的实施方式在不脱离本发 明主旨的范围内可以进行变形。例如，在上述实施方式中，以孔底存在4册极 的情况为例进行了说明，但孔底存在的部件也可以是任何部件。另外，该部 件无须存在于整个孔底，还可以存在于一部分孔底。
另外，在上述实施方式中，以半导体测量装置和半导体测量方法来体现
本发明，但并不限定于此，还能体现为半导体检查装置、半导体检查方法、 半导体分析装置、半导体分析方法、半导体解析装置、半导体解析方法、半
导体评价装置、半导体评价方法、半导体制造装置、半导体制造方法等。
本发明对用于半导体器件或其制造工序中的检查、分析、制造、测量或 评价等所使用的装置、以及半导体器件制造方法适用。例如，在采用对晶片 等半导体衬底照射电子束或离子束的方法的检查技术、分析技术、测量技术、
评价技术以及半导体器件制造装置及方法的领域中，可以利用本发明。
权利要求
1、一种半导体测量装置，构成为，对半导体衬底照射电子束，根据由该电子束在所述半导体衬底感应出的衬底电流，得到形成于所述半导体衬底的精细结构的评价值，其特征在于，该半导体测量装置包括评价单元，该评价单元根据将所述衬底电流的波形视为微分波形时的该衬底电流的波形，得到所述精细结构的评价值。
2、 根据权利要求1所述的半导体测量装置，其特征在于，所述精细结构是孔，所述评价单元根据所述衬底电流的波形提取所述孔的边缘。
3、 根据权利要求2所述的半导体测量装置，其特征在于， 所述评价单元根据所述孔的边缘计算该孔的评价值。
4、 根据权利要求2或3的任一项所述的半导体测量装置，其特征在于， 所述评价单元根据所述衬底电流的波形的波峰提取所述孔的边缘。
5、 一种半导体测量装置，构成为，对半导体衬底照射电子束，根据由该电 子束在所述半导体衬底感应出的衬底电流，得到形成于所述半导体衬底的精细 结构的评价值，其特征在于，该半导体测量装置包括评价单元，该评价单元根据将所述村底电流的波形 视为微分波形时的该衬底电流的积分波形，得到所述精细结构的评价值。
6、 根据权利要求5所述的半导体测量装置，其特征在于， 所述精细结构是孔，所述评价单元根据所述积分波形提取所述孔的边缘。
7、 根据权利要求6所述的半导体测量装置，其特征在于， 所述评价单元根据所述孔的边缘计算该孔的评价值。
8、 一种半导体测量装置，构成为，对半导体村底照射电子束，根据由该电 子束在所述半导体衬底感应出的衬底电流，得到形成于所述半导体衬底的精细 结构的评价值，其特征在于，该半导体测量装置包括评价单元，该评价单元根据所述衬底电流的波形， 确定所述精细结构的等效电路，根据利用该等效电路得到的波形，得到所述精 细结构的评1^介值。
9、 根据权利要求8所述的半导体测量装置，其特征在于， 所述精细结构是孔，所述评价单元根据利用所述等效电路得到的波形提取所述孔的边缘。
10、 根据权利要求9所述的半导体测量装置，其特征在于， 所述评价单元根据所述孔的边缘计算该孔的评价值。
11、 一种半导体测量方法，对半导体衬底照射电子束，根据由该电子束在 所述半导体衬底感应出的衬底电流，得到形成于所述半导体衬底的精细结构的 评价值，其特征在于，根据将所述衬底电流的波形视为微分波形时的该衬底电流的波形，得到所 述精细结构的评价值。
全文摘要
本发明的课题在于提供一种半导体测量装置，用电子束对形成有精细结构的半导体衬底的表面进行二维扫描，测量此时的衬底电流，从而能够评价复杂的精细结构。本发明的半导体测量装置的构成为，对半导体衬底照射电子束，根据由该电子束在所述半导体衬底感应出的衬底电流得到形成于所述半导体衬底的精细结构的评价值，其特征在于，该半导体测量装置包括评价单元，该评价单元根据将所述衬底电流的波形视为微分波形时的该衬底电流的波形，得到所述精细结构的评价值。
文档编号H01L21/768GK101356635SQ200680050908
公开日2009年1月28日 申请日期2006年1月31日 优先权日2006年1月31日
发明者山田惠三, 高荣旭 申请人:株式会社拓普康