JP2014041058A - パターン計測方法、パターン計測装置およびフォトマスク - Google Patents

Abstract

【課題】計測対象基板の表面が帯電している場合でもパターン寸法を高精度で計測すること。
【解決手段】基板表面上に電子を走査しながら照射して、放出された二次電子を検出して画像を構成する走査電子顕微鏡において、パターン形成面の法線方向に対する対称性が異なる複数の補正用パターンのＳＥＭ画像から一次電子のドリフト量に関する補正用パラメータを算出し、この補正用パラメータを用いて計測値を補正する。一次電子のドリフト量は、計測前の帯電による偏向および計測途中の帯電状態の変動偏向の２種類の成分からなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体デバイスをリソグラフィ技術により製造する際に用いられるフォトマスクおよびそのパターン寸法を計測するパターン寸法計測方法ならびにパターン寸法計測装置に関する。

半導体集積回路は、性能および生産性を向上させるために微細化、高集積化が進んでおり、回路パターンを形成するためのリソグラフィ技術についても、より微細なパターンを高精度に形成するための技術開発が進められている。これに伴い、パターンの寸法や形状を計測するための技術についても、より高精度なものが求められている。
半導体デバイスを製造するために用いるフォトマスクのパターン寸法は１００ｎｍ未満となっており、次世代のデバイスとしては３０ｎｍ未満のパターンを安定して形成する必要がある。このような微細なパターンの寸法や形状を計測する場合は、寸法測定用に特別に設計された走査型電子顕微鏡（以下、ＣＤ−ＳＥＭと略する）が用いられる。

ＣＤ−ＳＥＭを用いてフォトマスクパターン寸法を計測する方法として、フォトマスクのパターン形成面（パターンが形成された基板表面）に一次電子をＣＤ−ＳＥＭの電子線源から二次元方向に走査しながら照射し、一次電子を照射したときにパターン形成面から放出される二次電子や後方散乱電子をＣＤ−ＳＥＭの検出器により検出して二次電子画像あるいは後方散乱電子画像（以下、総称としてＳＥＭ画像という）を取得し、取得したＳＥＭ画像を画像処理してフォトマスクのパターン寸法を計測する技術が知られている。

ＳＥＭ画像のコントラストは被計測物の材質や表面の凹凸によって形成される。一次電子１個あたりの二次電子放出量を二次電子放出効率と呼び、ＳＥＭ画像の材質によるコントラストは二次電子放出効率が材質によって異なることで得られる。二次電子放出効率は一次電子の加速電圧によっても変化する。

一方、表面の凹凸によって形成されるコントラストは、一次電子の侵入深さと二次電子の脱出深さの関係から理解することができる。固体表面内に入射した電子の非弾性散乱によって発生する二次電子や、弾性散乱で進行方向が変化した後方散乱電子が表面から脱出する確率は、その表面からの深さとともに指数関数的に減少することが知られている。一般に表面から脱出できる二次電子の発生位置の深さは概ね５ｎｍ未満であり、表面に近い領域で二次電子が多量に発生するような条件でＳＥＭ画像の輝度が高くなる。

二次電子が表面に近い領域で多量に発生する条件としては、例えば一次電子の入射方向が表面に垂直な方向よりも傾斜した条件（いわゆる傾斜効果）、表面が凸型形状で二次電子発生位置から近い表面が多い条件（いわゆるエッジ効果）などがある。このため、フォトマスクのように平坦な基板上にパターンを形成したものについては、パターンの端部でＳＥＭ画像の輝度が高くなる。

ＣＤ−ＳＥＭによるパターン寸法計測は上記のようにパターン端部でＳＥＭ画像の輝度が高くなる現象を利用しており、ＳＥＭ画像上で白く見える領域（以下、ホワイトバンドと表記する）の間隔からパターン寸法を計測している。
ＣＤ−ＳＥＭで用いられるような加速電圧が低い条件では、ホワイトバンドの幅が１０〜１５ｎｍとなるのが典型的である。したがって、パターン寸法を精度良く計測するためには、ホワイトバンドのどの部分をパターン端部と設定するのかが重要である。例えば、ホワイトバンドの輝度値のピークに対する相対値をしきい値として設定したり、輝度プロファイルを微分したピークの位置から元のプロファイルの変曲点の位置を求めたりしてパターン端部位置とする方法などが用いられている。

被測定対象が例えばフォトマスク基板として通常用いられる合成石英ガラスのように絶縁体である場合や導電性が低い場合には、その最表面近傍は二次電子の脱出により正に帯電し、より深い領域には一次電子が侵入したことにより負に帯電することになる。最表面近傍とは、二次電子脱出深さに相当するおおよそ数ｎｍの範囲である。一般に、一次電子のエネルギーが高くなるにつれて表面近傍での散乱確率が低下して二次電子収率は低くなる傾向がある。また、逆に、一次電子のエネルギーが低すぎると二次電子の発生確率が低下してしまう。このようなことから、一次電子の入射エネルギーと二次電子の放出効率との間には、図４に示すような関係があることが一般に知られている。

図４は、一次電子のエネルギーと二次電子放出効率の関係を表した説明図であり、横軸は一時電子のエネルギー、縦軸は二次電子の放出効率を示している。図４に示されるように、一次電子の入射量と二次電子の放出量は一次電子のエネルギーがＥ１とＥ２の時に等しくなることから、帯電が抑制されると考えられる。このため、二次電子の放出効率が１になるように一次電子のエネルギーを制御する方法や、二次電子の放出効率が１より大きい条件と１より小さい条件を組み合わせて帯電を抑制する技術が提案されている（特許文献１参照）。しかし、特許文献１に記載された方法では、異種の絶縁体があるような被計測物の場合に、その形態に合わせて加速電圧を動的に制御して画像を取得するようなことが必要となり、実施することがきわめて困難となる。

このため、被計測物表面の帯電による影響がなるべく小さくなるように一次電子の加速電圧や電流値を調整し、また、その他に電界等を与える手段によって安定したＳＥＭ画像が得られる条件を設定した上で、さらにパターンの側壁形状や帯電状態によるＳＥＭ画像の変動分を補正することが必要となる。例えば、被計測物の材料や形状をもとにＳＥＭ画像を予測し、さらに形状の変動を考慮した多数のＳＥＭ画像信号からなるライブラリを構築し、実際に得られたＳＥＭ画像の信号とのマッチングにより被計測物の寸法を得る方法が特許文献２に開示されているが、ここでは帯電による変動の補正がなされていない。

被計測物の帯電によるＳＥＭ画像の変動は非常に複雑であるが、近年、コンピュータの処理能力が飛躍的に向上したことから、単純な弾性散乱だけではなく、個々の非弾性散乱や電子の拡散等の多くの要素を取り入れたシミュレーションが可能となった。そこで、特許文献３には、半導体パターンの設計データから帯電による影響も考慮したＳＥＭ画像を生成する技術が記載されている。

しかしながら、特許文献３に記載された技術では、一つの計測条件に対して一つのＳＥＭ画像を形成することはできるが、実際にＳＥＭ画像を取得する際に電子線を照射することによって帯電状態が時間とともに変化することが考慮されていない。このため、例えば１回目に取得した画像から最適と判断した２回目の画像取得で、１回目の画像取得の際の帯電の影響によって寸法精度が悪化してしまう原因となっていた。
また、１回目の画像取得前、すなわち計測開始前の帯電状態が正確に考慮されていないとシミュレーションにより生成した画像と実際のＳＥＭ画像とのマッチングが困難となる場合があった。

さらに特許文献３においては電界計算領域が観察領域の１０倍程度と記述されている。この値は、一次電子の入射と、それに引き続いて起こる各種散乱過程、表面から脱出した二次電子の飛跡計算をすることを考慮すると、ローカルな帯電の計算量としては妥当な値である。計算する領域は広いほど計算精度が向上し、また、有限要素法、境界要素法、有限差分法などで空間をメッシュ状に分割する際のメッシュを小さくすると精度が向上する。しかしながら、精度を向上させるためには計算時間が膨大となってしまい、実施するのが困難となる。十分な精度が得られるメッシュ分割数でパターンデータを下に電子の飛跡計算をおこなう場合、計算領域を観察領域の１０倍とするのはほぼ上限に近く、５０倍以上とするのは実用が難しいという問題があった。

観察領域の数十倍以上離れた領域については、一次電子の入射する方向に対して被計測物の帯電状態が概ね軸対称である場合には計測に及ぼす影響が小さく無視することができる。しかしながら、数十ミクロン以上、さらに数ミリメートル以上の領域にわたって非対称な帯電が起こっている場合にはその影響を無視することができなくなる。

また、このような非対称な帯電状態が導電性パターンと絶縁体基板との電位差に起因する場合には、計算領域から外に出た後に再度入射する二次電子や、より高いエネルギーを持った後方散乱電子が計測装置内の一部に衝突し、再度入射することによって変動する。
数十ミクロン以上の連続した導電性領域が存在する場合、導電性領域の電位変動はＣＤ−ＳＥＭでパターン寸法を計測する際に、被計測物に入射する一次電子の飛跡に影響を及ぼす。導電性領域の電位が負側に変化すると一次電子は導電性領域から離れる方向に偏向される。逆に導電性領域の電位が正側に変化すると、一次電子は導電性領域に近づく方向に偏向される。

一次電子の偏向量は、計測前の導電性領域の電位、計測中に変動する導電性領域の電位によって変動する。
計測中に変動する一次電子の偏向は、計測中のＳＥＭ画像のずれとして検出され、ドリフトと呼ばれている。ドリフトの基本的な補正方法としては例えば特許文献４や特許文献５に開示されている。しかしながら、画素単位でドリフト量を検知して一次電子の走査の偏向量にフィードバックする方法では十分な補正精度が得られない。透過電子顕微鏡においては１画素よりも小さい単位での補正方法が特許文献６に開示されているが、ＣＤ−ＳＥＭを使用した寸法計測にそのまま適用することはできない。

また、前記一次電子の偏向量は、該一次電子が非計測物への入射予定位置から法線方向に延ばした軸に対する対称性によって変わる。図２および図３は、パターンの一例を示した説明図である。より詳細には、図２は計測パターンＰ１ａの周囲に非対称なパターンＰ１ｂがあるパターンＰ１であり、図３は計測パターンＰ２ａの周囲に対称性の高いパターンＰ２ｂがあるパターンＰ２を示している。例えば、図２のように大面積の導電性領域（パターンＰ１ｂ）が左右に非対称な場合は前記偏向量が大きいのに対して、図３のように大面積の導電性領域（パターンＰ２ｂ）が前記軸に対して概略対称な場合には偏向量は小さくなる。

したがって、導電性領域の電位が同じであっても、偏向量はパターン形状によって異なり、表面の電位を計測するとともに、パターン形状に基づく偏向量の変化を考慮しなければ高精度な補正をおこなうことができない。

特開平７−１４５３７号公報 特開２００５−１５６４３６号公報 特開２０１０−２０５８６４号公報 特開昭５５−１２６８４９号公報 特開平７−２７２６６５号公報 特開２０００−３３１６３７号公報

本発明はかかる背景技術に鑑みてなされたもので、計測対象基板の表面が帯電した場合でもパターン寸法を高精度で計測することができることを課題とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明のパターン寸法計測方法は、加速した一次電子からなる荷電粒子線を集束して被測定基板に形成された計測用パターン上に走査し、前記計測用パターンのパターン面から放出される二次電子を計数し、前記荷電粒子線の入射位置に対する前記二次電子の計数量から算出した値を輝度値として二次元画像を構成し、該二次元画像の輝度情報をもとに前記計測用パターンのパターン寸法を計測するパターン寸法計測方法であって、前記計測用パターンが形成された面に設けられ、当該パターン形成面の法線方向に対する対称性および重心位置が異なる少なくとも２つ以上の形状からなる補正用パターンのグループに対して、複数の帯電状態における前記一次電子の偏向量をそれぞれ計算し、前記一次電子の偏向を補正する補正パラメータを、それぞれの帯電状態に対応して算出するパラメータ算出工程と、前記補正用パターンに対して前記一次電子を照射して得られた測定結果から前記補正パラメータを選択するパラメータ選択工程と、前記選択された前記補正パラメータを用いて前記パターン寸法の計測誤差を補正する補正工程と、を含むことを特徴とする。
また、本発明のパターン寸法計測方法は、前記補正用パターングループは、前記パターン面内の複数の位置に配置され、前記パラメータ算出工程では、それぞれの前記補正用パターングループの位置座標と、それぞれの前記補正用パターングループにおいて抽出した補正パラメータに基づいて、前記計測パターン上の任意の位置における前記補正パラメータを算出することを特徴とする。
また、本発明のパターン寸法計測方法は、前記パラメータ算出工程では、前記補正用パターンに対して前記荷電粒子線を複数の条件で走査して取得した画像から、前記補正パラメータを算出することを特徴とする。
また、本発明のパターン寸法計測方法は、前記複数の条件は、走査速度、走査面積および走査順序の少なくとも１つを含むことを特徴とする。
また、本発明のパターン寸法計測方法は、前記パラメータ算出工程では、前記複数の条件で取得した画像から前記計測用パターンの寸法計測方向への輝度値の変動を示す輝度プロファイルを抽出し、計測途中の帯電状態の変動による一次電子の偏向成分を算出することを特徴とする。
また、本発明のパターン寸法計測方法は、前記パラメータ算出工程では、前記補正用パターンにおけるホワイトバンド両側の前記輝度プロファイルを関数で近似して、コンボリューション処理によって前記一次電子の偏向がない状態の前記輝度プロファイルを算出することを特徴とする。
また、本発明のパターン寸法計測方法は、前記輝度プロファイルを近似する関数は、ガウス関数とローレンツ関数の混合関数であることを特徴とする。
また、本発明のパターン寸法計測装置は、加速した一次電子からなる荷電粒子線を集束して被測定基板に形成された計測用パターン上に走査し、前記計測用パターンのパターン面から放出される二次電子を計数し、前記荷電粒子線の入射位置に対する前記二次電子の計数量から算出した値を輝度値として二次元画像を構成し、該二次元画像の輝度情報をもとに前記計測用パターンのパターン寸法を計測するパターン寸法計測装置であって、前記計測用パターンが形成された面に設けられ、当該パターン形成面の法線方向に対する対称性および重心位置が異なる少なくとも２つ以上の形状からなる補正用パターンのグループに対して、複数の帯電状態における前記一次電子の偏向量をそれぞれ計算し、前記一次電子の偏向を補正する補正パラメータを、それぞれの帯電状態に対応して算出するパラメータ算出手段と、前記補正用パターンに対して前記一次電子を照射して得られた測定結果から前記補正パラメータを選択するパラメータ選択手段と、前記選択された前記補正パラメータを用いて前記パターン寸法の計測誤差を補正する補正手段と、を備えたことを特徴とする。
また、本発明のフォトマスクは、加速した一次電子からなる荷電粒子線を集束して被測定基板に形成された計測用パターン上に走査し、前記計測用パターンのパターン面から放出される二次電子を計数し、前記荷電粒子線の入射位置に対する前記二次電子の計数量から算出した値を輝度値として二次元画像を構成し、該二次元画像の輝度情報をもとに前記計測用パターンのパターン寸法を計測するパターン寸法計測装置において寸法が測定されるフォトマスクであって、前記計測用パターンが形成された面に、当該パターン形成面の法線方向に対する対称性および重心位置が異なる少なくとも２つ以上の形状からなる補正用パターンのグループを備えることを特徴とする。
また、本発明のフォトマスクは、前記補正用パターンのグループは、前記パターン形成面内の複数の位置に配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、非計測物が帯電していたり、電子線照射によって帯電状態が変化したりした場合でも、パターン寸法を高精度で計測することができるという効果がある。

本発明の実施の一形態であるパターン計測方法の流れを表したフローチャート。 計測パターンの周囲に非対称なパターンがある場合の一例を示した説明図。 計測パターンの周囲に対称性の高いパターンがある場合の一例を示した説明図。 一次電子のエネルギーと二次電子放出効率の関係を表した説明図。 パターン表面の帯電による一次電子の偏向を模式的に表した説明図。 ＳＥＭ画像の輝度プロファイルを関数で近似した例を表した説明図。 非対称なパターンの計測位置と位置ずれ量の関係を表した説明図。 寸法の異なる非対称パターンの計測位置と位置ずれ量の関係を表した説明図。

以下、本発明のパターン計測方法、パターン計測装置およびフォトマスクについて、図を参照して説明する。

図１は、本発明の実施の一形態であるパターン計測方法の流れを表したフローチャートである。本発明のパターン計測方法は、加速した一次電子からなる荷電粒子線を集束して被測定基板に形成された計測用パターン上に走査し、計測用パターンのパターン面から放出される二次電子を計数し、荷電粒子線の入射位置に対する二次電子の計数量から算出した値を輝度値として二次元画像を構成し、該二次元画像の輝度情報をもとに計測用パターンのパターン寸法を計測するパターン寸法計測方法であって、計測用パターンが形成された面に設けられ、当該パターン形成面の法線方向に対する対称性および重心位置が異なる少なくとも２つ以上の形状からなる補正用パターンのグループに対して、複数の帯電状態における一次電子の偏向量をそれぞれ計算し、一次電子の偏向を補正する補正パラメータを、それぞれの帯電状態に対応して算出するパラメータ算出工程と、補正用パターンに対して一次電子を照射して得られた測定結果から補正パラメータを選択するパラメータ選択工程と、選択された補正パラメータを用いてパターン寸法の計測誤差を補正する補正工程と、を含む。

まず、パターン設計データに基づいて、被計測物上に形成された補正用パターンの計測位置が指定される（Ｓ１）。指定された計測位置のパターン形状と、別途指定されるパターン構成材料とから、最適な計測条件（測定レシピ）が材料・パターンレシピデータベースＤＢ１から選定され（Ｓ２）、ＣＤ−ＳＥＭを制御する制御装置に転送される。

前記制御装置は、指定された位置を含むパラメータ算出用ＳＥＭ画像をＣＤ−ＳＥＭから複数取得する（Ｓ３）。このＳＥＭ画像は、直交するＸＹ方向の画素数分を１回走査して得られるものであっても良いし、また、複数回走査した結果を積算することによって得られるものであっても良い。一般的には、帯電の影響を少なくするには、ＳＥＭの一次電子の電流値を小さくし、高速に走査することが好ましい場合が多く、ノイズが少ない良好な画像を得るためには、複数回走査した結果を積算することによって得られるものであることが好ましい。

前記補正用パターンは例えば、図２と図３のように対称性や重心位置の異なる複数のパターン（補正用パターングループ）から構成される。このような複数のパターンの計測結果は、寸法の計測を開始する前に既に存在する帯電分布によって一次電子が偏向される量を算出する工程に使用される。

図５は、パターン表面（被計測物）の帯電による一次電子の偏向を示す説明図であり、被計測物の断面図と、帯電による一次電子の偏向方向を示したものである。図５のように、基板５１の上に形成されたパターン形成物質５２に過剰に電子がある場合、一次電子５３はパターン上の負電荷によって形成される電界によって、パターンから離れる方向に偏向される。

前記偏向の向きと大きさは一次電子のエネルギー、パターン部分の電位分布、パターンの形状と大きさなどに依存する。計測前のパターン部分の電位は、基板５１とパターン形成物質５２との物理的および化学的な性質のちがいによって、計測前の工程などにおいて発生する。

前記補正用パターンについて、あらかじめ電位を設定し、例えば特許文献３に開示されているように、ポアソン方程式を離散的に数値計算によって解いて得られた空間の電位分布から、電界中の電子の飛跡を計算することができる。パターンの対称性が入射方向の軸に対して対称性が低く、パターンの重心位置が入射軸から離れているほど一次電子の偏向量は大きくなる。各補正用パターンについて、あらかじめ各種電位を設定して一次電子の偏向量を計算した結果を、テーブルとしてデータベース（チャージング補正データベースＤＢ２）に保持し、Ｓ３で測定したパラメータ算出用パターンの偏向量の計測結果と比較することにより、後の工程で帯電の補正をおこなう際の電位に関するパラメータを得ることができる。

なお、補正用パターングループは、パターン面内の複数の位置に配置され、それぞれの補正用パターングループの位置座標と、それぞれの補正用パターングループにおいて抽出した補正パラメータに基づいて、計測パターン上の任意の位置における補正パラメータを算出することができる。

ここで、前記補正用パターンの計測時（Ｓ３）に、複数回の走査を積算すると、計測時に照射した電子による帯電状態の変化の影響によりＳＥＭ画像内でのパターンの位置にずれを生じる場合がある。このような計測途中のドリフトは、パターンの対称性が入射方向の軸に対して低く、重心位置が入射軸から離れているほど大きい傾向がある。
したがって、計測時に照射した電子による帯電状態の変化によるドリフトの影響は、前記対称性の高いパターンと対称性の低いパターンでの輝度プロファイルを比較することによって判別することができる。

まず、対称性の高いパターンで帯電の影響がほとんど無視できる状態でのパターン端部の輝度プロファイルを得る。前記輝度プロファイルはパターン端部の両側で材料のちがいによって輝度値が異なるため、ピークに対して非対称な形状となるのが一般的である。このような形状に対して数学的な関数で近似して最小二乗法を用いてフィッティングすることが可能である。

フィッティングに好適な関数は、被計測物の材料やパターン端部の形状によって異なるが、ガウス関数とローレンツ関数の混合関数をホワイトバンドのピークの両側で個別に設定することによって、種々の条件に対して精度良くフィッティングをおこなうことができる。前記関数は、具体的には下記式（１）に示す関数である。

上記式（１）において、ｘは計測する線分方向の位置座標、Ｍはガウス関数とローレンツ関数の混合割合を表す０から１の値をとるパラメータ、ｈはホワイトバンドのピーク値、ｘ_０はホワイトバンドのピーク位置、βはホワイトバンドの幅をあらわすパラメータで、ホワイトバンドの半値半幅に近い値をとる。

まず、前記対称性の高いパターンを用いて上記関数でフィッティングをおこない、帯電によるドリフトの影響が小さい状態でのフィッティングパラメータの値を得る。次に、得られたフィッティングパラメータの値を用いた上記関数に対して、ドリフト量を仮定したコンボリューション処理をおこなう。これにより、対称性の低いパターンで計測した輝度プロファイルを得ることができる。こうして、対称性の低いパターンに対して実際に計測した輝度プロファイルを最も良く再現するドリフト量の算出を、数値計算による最適化処理によっておこなうことができる。また、既に公知となっているデコンボリューションの手法によってドリフト量を抽出してもよい。

前記工程によって、前記ドリフト量の抽出を対称性および重心位置の異なる複数のパターンについておこなうことによって、計測前の帯電による一次電子の偏向、ならびに計測途中の帯電状態の変動による一次電子の偏向の２種類のドリフト成分を抽出することができる（チャージング解析ユニット処理）（Ｓ４）。

すなわち、補正用パラメータ算出時には、補正用パターンに対して荷電粒子線を複数の条件で走査して取得した画像から、補正パラメータを算出するが、この複数の条件とは、走査速度、走査面積および走査順序の少なくとも１つを含むものである。補正用パラメータ算出時には、複数の条件で取得した画像から計測用パターンの寸法計測方向への輝度値の変動を示す輝度プロファイルを抽出し、計測途中の帯電状態の変動による一次電子の偏向成分を算出する。このとき、補正用パターンにおけるホワイトバンド両側の輝度プロファイルを関数で近似して、コンボリューション処理によって一次電子の偏向がない状態の輝度プロファイルを算出する。輝度プロファイルを近似する関数は、ガウス関数とローレンツ関数の混合関数である。

また、前記工程を被計測物の複数の位置について実施し、設計データと比較することによりＣＤ−ＳＥＭの基板保持機構の位置座標と被計測パターンの位置関係データ、すなわち、ＸＹ方向の位置座標成分と回転方向の成分を抽出することができる。

上記位置関係データを用いることによって、被計測物の所望の位置をＳＥＭの観察領域に高精度に移動させることができる。また、このようにして算出した計測位置に電子ビームを照射したときの前記２種類のドリフト成分を設計データから算出することができ、このドリフト分を補償した位置に電子ビームを走査してＳＥＭ画像を取得し（Ｓ５）、設計データとのパターンマッチングをおこなうようにすることで、帯電によるドリフトでパターンマッチングが取れなくなる問題が起こる確率を下げることができる。

上記ドリフト成分の算出に使用する設計データの面積は、広いほど精度が向上する。例えば、数ミクロン程度の距離範囲では十分な補正ができない。また、数ミリメートル以上の距離範囲にわたって計算すると、処理に時間がかかる上に、計算量を増やした分の精度向上が見込めない。したがって、算出に使用するパターンデータの範囲は計測位置からおおよそ１００ミクロンないし３ｍｍ以内の領域とするのが好ましい。

しかしながら、大面積のパターンを観察する場合には拡大倍率を小さくする必要があり、画素寸法が大きくなってしまうことから、パターン端部を精密に計測することが困難である。このような場合、高分解能画像を取得して、サンプルのアライメント情報とパターン設計情報の関係から得た未補正の位置に対して、公知の自動パターン認識機能や手動操作によって目的とするパターンの画像を取得したときの一次電子の入射位置をオフセットさせた量やステージの移動量からドリフト量を算出してもよい。ステージ位置は例えば光学干渉計を用いることで高い精度で計測することが可能である。

一次電子線のドリフト量は、前記非対称なパターンの重心位置からの距離に伴って図７のように変化する。図７は、非対称なパターンの計測位置と位置ずれ量の関係を表した説明図である。図７には、非対称なパターンＰ３と、パターンＰ３におけるラインパターンＰ３ａの位置とドリフト量との関係が示されている。このような変化量は、パターンの電位が数ボルトであっても数百ナノメートルに及ぶことから、公知のステージ制御技術によって十分な精度で検出することができる。

また、上記のドリフト量をあらわした曲線はパターンの寸法や対称性を変えることによって変化することから、複数のパターンを用いて計測して、あらかじめシミュレーション等によって構築したライブラリとのマッチングにより表面電位を推定することが可能となり、帯電による計測誤差の補正が可能となる。

さらに、図７に示した大面積パターン領域Ｐ３ｂにあらかじめ規定の電子ビームを照射し、計測用パターンとの電位差を与えることができる。このようにして非対称な帯電を発生させた場合についても計測を行い、ライブラリとのマッチングをおこなうことで補正値の最適化を高度におこなうこともできる。

また、図７に示した大面積パターン領域Ｐ３ｂにプローブ電極を当てて電位を制御したり、接地電位にしたりすることも有効である。

このようにしてパターンマッチングをおこなった結果得られた被計測パターンの座標と、前記複数のパラメータ抽出パターンの計測によって補正し、かつ、パターン設計データからドリフトの影響を補正して得られる座標を比較することによって、帯電による補正が適正であるかどうかが判断する（Ｓ６）。

前記比較結果が、あらかじめ設定された範囲内にあることが確認できれば（Ｓ６：Ｙｅｓ）、輝度プロファイルを算出し、ホワイトバンドの間隔からパターン寸法を計測することができる。ホワイトバンドの間隔はピーク値に対する閾値であっても良いし、微分処理後にピークを求めて最大傾斜点で定義しても良い。また、前記近似関数を使用する方法であってもよい。

ホワイトバンドの間隔からパターン寸法を計測する場合、両方のホワイトバンドのドリフト量を周辺のパターンレイアウトから算出して補正することによって、一次電子の帯電による偏向でＳＥＭ画像に歪みを生じた分、すなわちＳＥＭ画像内の部分的な倍率変動を補正することができる（Ｓ７）。こうして、帯電の影響が高精度に補正されたパターン寸法が出力される（Ｓ８）。

一方、前記比較結果が、あらかじめ設定された範囲外にあることが確認された場合（Ｓ６：Ｎｏ）、想定された帯電のモデルと異なった現象が起こっていることになり、計測値の信頼性が低いことが発見される。このような計測点は異常値として判別できるように出力することによって、誤計測を防止することにもなる（Ｓ９）。

本発明の実施の形態について実施例を用いてさらに説明する。

石英ガラス基板上に厚さ６０ｎｍのモリブデンシリサイドを主成分とする膜が形成されたフォトマスクブランクを用意した。

前記モリブデンシリサイド膜の上にレジストを塗布し、電子線露光装置を用いて露光し、ベーキング後に現像処理をおこなってレジストパターンを形成した。ドライエッチングによって上記モリブデンシリサイド層をエッチング加工した後に表面に残ったレジストを除去、洗浄してフォトマスクを得た。

前記フォトマスクの転写に用いられる領域外の周辺部に設けたパラメータ抽出用パターンの計測をおこなった。一例として、図８に示すようなドリフト量の分布がパターンＡおよびパターンＢの２種類のパターンについて得られた。

図８は、寸法の異なる非対称パターン（パターンＡおよびパターンＢ）の計測位置と位置ずれ量の関係を表した説明図である。図８の他にも各種パターンについてドリフト量の計測を行った結果、パターン表面の電位は−８ボルトである場合のライブラリと最も近いことがわかった。

対称性の高いパターンでは計測中のドリフトは認められず、ＳＥＭ画像から良好な輝度プロファイルが得られた。パターン端部のホワイトバンドの両側をガウス関数とローレンツ関数の混合関数（上記式（１））を用いて最小二乗法によるフィッティングを行い、ホワイトバンドの形状をあらわすパラメータを抽出した。

その結果、図６に示すように、輝度プロファイルをＡ、Ｂ、Ｃの領域に分割し、それぞれの領域について前記関数で最適なパラメータを算出して、それぞれ関数１、関数２、関数３とした合成関数で元のＳＥＭ画像輝度プロファイルを十分な精度で再現した。

次に、上記パラメータ抽出用パターンの計測を基板面内の複数箇所について実施し、前記関数のフィッティングにより帯電状態が基板面内で均一とみなしても良いことを確認した。

また、複数の走査条件でＳＥＭ画像を取得し、計測途中の画像ドリフトの影響が最小となる条件を選択した結果、計測途中の画像ドリフトは無視できることを確認した。

上記の結果から観察画像の倍率歪みを算出し、画像から計測したパターン寸法値の補正値を得た。この補正によりパターン寸法を適正に補正することができ、高精度の計測が可能となった。

本発明のフォトマスク、パターン計測方法ならびにパターン計測装置を用いることで、ＣＤ−ＳＥＭで電子を照射したことによって表面が帯電してしまう影響を考慮した正確な寸法計測が可能となり、特に、微細なパターン形成を伴う半導体等の製造に適している。

５１……基板、５２……パターン、５３……一次電子の飛跡

Claims (10)

1. 加速した一次電子からなる荷電粒子線を集束して被測定基板に形成された計測用パターン上に走査し、前記計測用パターンのパターン面から放出される二次電子を計数し、前記荷電粒子線の入射位置に対する前記二次電子の計数量から算出した値を輝度値として二次元画像を構成し、該二次元画像の輝度情報をもとに前記計測用パターンのパターン寸法を計測するパターン寸法計測方法であって、
   前記計測用パターンが形成された面に設けられ、当該パターン形成面の法線方向に対する対称性および重心位置が異なる少なくとも２つ以上の形状からなる補正用パターンのグループに対して、複数の帯電状態における前記一次電子の偏向量をそれぞれ計算し、前記一次電子の偏向を補正する補正パラメータを、それぞれの帯電状態に対応して算出するパラメータ算出工程と、
   前記補正用パターンに対して前記一次電子を照射して得られた測定結果から前記補正パラメータを選択するパラメータ選択工程と、
   前記選択された前記補正パラメータを用いて前記パターン寸法の計測誤差を補正する補正工程と、
   を含むことを特徴とするパターン寸法計測方法。
2. 前記補正用パターングループは、前記パターン面内の複数の位置に配置され、
   前記パラメータ算出工程では、それぞれの前記補正用パターングループの位置座標と、それぞれの前記補正用パターングループにおいて抽出した補正パラメータに基づいて、前記計測パターン上の任意の位置における前記補正パラメータを算出することを特徴とする請求項１に記載のパターン寸法計測方法。
3. 前記パラメータ算出工程では、前記補正用パターンに対して前記荷電粒子線を複数の条件で走査して取得した画像から、前記補正パラメータを算出することを特徴とする請求項１または２に記載のパターン寸法計測方法。
4. 前記複数の条件は、走査速度、走査面積および走査順序の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項３に記載のパターン寸法計測方法。
5. 前記パラメータ算出工程では、前記複数の条件で取得した画像から前記計測用パターンの寸法計測方向への輝度値の変動を示す輝度プロファイルを抽出し、計測途中の帯電状態の変動による一次電子の偏向成分を算出することを特徴とする請求項３または４に記載のパターン寸法計測方法。
6. 前記パラメータ算出工程では、前記補正用パターンにおけるホワイトバンド両側の前記輝度プロファイルを関数で近似して、コンボリューション処理によって前記一次電子の偏向がない状態の前記輝度プロファイルを算出することを特徴とする請求項５に記載のパターン寸法計測方法。
7. 前記輝度プロファイルを近似する関数は、ガウス関数とローレンツ関数の混合関数であることを特徴とする請求項６に記載のパターン寸法計測方法。
8. 加速した一次電子からなる荷電粒子線を集束して被測定基板に形成された計測用パターン上に走査し、前記計測用パターンのパターン面から放出される二次電子を計数し、前記荷電粒子線の入射位置に対する前記二次電子の計数量から算出した値を輝度値として二次元画像を構成し、該二次元画像の輝度情報をもとに前記計測用パターンのパターン寸法を計測するパターン寸法計測装置であって、
   前記計測用パターンが形成された面に設けられ、当該パターン形成面の法線方向に対する対称性および重心位置が異なる少なくとも２つ以上の形状からなる補正用パターンのグループに対して、複数の帯電状態における前記一次電子の偏向量をそれぞれ計算し、前記一次電子の偏向を補正する補正パラメータを、それぞれの帯電状態に対応して算出するパラメータ算出手段と、
   前記補正用パターンに対して前記一次電子を照射して得られた測定結果から前記補正パラメータを選択するパラメータ選択手段と、
   前記選択された前記補正パラメータを用いて前記パターン寸法の計測誤差を補正する補正手段と、
   を備えたことを特徴とするパターン寸法計測装置。
9. 加速した一次電子からなる荷電粒子線を集束して被測定基板に形成された計測用パターン上に走査し、前記計測用パターンのパターン面から放出される二次電子を計数し、前記荷電粒子線の入射位置に対する前記二次電子の計数量から算出した値を輝度値として二次元画像を構成し、該二次元画像の輝度情報をもとに前記計測用パターンのパターン寸法を計測するパターン寸法計測装置において寸法が測定されるフォトマスクであって、
   前記計測用パターンが形成された面に、当該パターン形成面の法線方向に対する対称性および重心位置が異なる少なくとも２つ以上の形状からなる補正用パターンのグループを備えることを特徴とするフォトマスク。
10. 前記補正用パターンのグループは、前記パターン形成面内の複数の位置に配置されていることを特徴とする請求項９に記載のフォトマスク。

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