JP4276140B2

JP4276140B2 - 走査電子顕微鏡及び寸法校正用試料

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Publication number: JP4276140B2
Application number: JP2004188495A
Authority: JP
Inventors: 剛水野; 洋輝川田
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2004-06-25
Filing date: 2004-06-25
Publication date: 2009-06-10
Anticipated expiration: 2024-06-25
Also published as: US8399832B2; US20050285035A1; US20080023627A1; JP2006010522A; US7361898B2; US20080272297A1; US7420168B2

Description

本発明は、走査電子顕微鏡と寸法校正用試料に関し、特に半導体ウェーハ上に露光された微細なパターンの寸法を測長するのに適した走査電子顕微鏡と寸法校正用試料に関するものである。

近年の半導体ウェーハ上のパターン寸法は、１００ｎｍ以下の加工精度になってきており、パターンの寸法管理用ツールとして走査電子顕微鏡が一般的に利用されている。装置の性能面でのニーズは様々であるが、主に分解能・繰り返し測長精度および寸法校正精度の向上が上げられる。寸法校正精度に対する要求は、１ｎｍ以下となっている。そのような背景の中、走査電子顕微鏡の寸法校正用の試料に関するものとして、測長用校正部材の例が特許文献１に記載されている。また、寸法校正用試料の例が特許文献２に記載されている。さらに、微小寸法校正用二次標準試料の例が特許文献３に記載されている。

特開平７−０７１９４７号公報特開平８−０３１３６３号公報特開２００３−２７９３２１号公報

しかしながら、上記特許文献１および特許文献２の走査電子顕微鏡の寸法校正用試料は、寸法校正パターンの位置については、自動的に位置決めが可能であっても、連続した格子パターンであるために、再び同一位置へ戻ることは困難であるという問題点があった。すなわち、同一の寸法校正用パターン位置での寸法校正は、不可能である。特許文献３では、ラインパターンピッチを容易に探索できるよう検索用ガイドを設けているが、その位置もラインパターンの上部位置にあり、目的としてはトレーサビリティ連鎖を容易に確認するための機能であり、光学顕微鏡用の倍率で目視にて確認できるようにトレーサビリティ連鎖確認用の英数字記号を付加したにすぎない。さらに、自動的に測長点を特定できる機能は備えていない。

本発明の目的は、上記のような問題を解決し、従来では困難であった同一寸法校正パターンへの位置決めが可能な走査電子顕微鏡と寸法校正用試料を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明では半導体ウェーハ上に露光された微細なパターンの寸法を測長する走査電子顕微鏡において、不連続な複数の寸法校正パターンと測長点への位置決め用アライメントパターンを形成した。複数の寸法校正パターンは、不連続に配置された複数の第１の方向のラインアンドスペースパターンと、不連続に配置された複数の、前記第１の方向と直交する第２の方向のラインアンドスペースパターンとからなる。また、位置決め用アライメントパターンは形状の異なる少なくとも４種類のパターンからなり、同じ形状の位置決め用アライメントパターンが隣接しないように配置されている。

本発明によれば、不連続な寸法校正パターンと測長点への位置決め用アライメントパターンを形成した寸法校正用試料を、走査電子顕微鏡に備えることで、同一寸法校正パターンへの位置決めが可能になり、同一位置での寸法校正が可能になる。そのため、単一の装置においては、装置の長期間安定性を定量的に評価できるようになる。また、異なる複数台の装置においては、同一の寸法校正用試料を用いることによって、同一校正パターンを用いて装置の機差を定量的に評価できるようになる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明に基づく走査電子顕微鏡の基本構成例を説明した図である。電子銃１より放出された一次電子線４は、アノード２により制御・加速され、コンデンサレンズ３および対物レンズ６によって試料ステージ９上に保持された半導体ウェーハ等の測長すべきパターンが形成された試料に収束・照射される。これらのコントロールは、主制御部15によって行われる。一次電子線４の経路には、偏向器５が設けてあり、コンピュータ部16に接続されたマウス20もしくはキーボード21から設定された任意の設定倍率にしたがって、偏向制御部19から所定の偏向電流が供給され、これにより一次電子線４が偏向され、試料の表面を二次元的に走査する。測長点への移動は、ステージ制御部10が試料ステージ９をコントロールすることで、任意の位置への位置決めができる構成になっている。また、コンピュータ部16に登録されたテンプレート画像によりテンプレートマッチングをして測長点への位置決めを行う機能を備えた構成になっている。したがって、試料上に存在する任意の測長点への移動が可能である。試料に電子線を照射することで発生した二次電子7は、二次電子検出器11によって検出され、増幅器12によって増幅され、画像記憶部13に記憶される。そして、記憶された画像を使用し、測長処理部14により測長が行われる。また、この時の画像信号は、表示部17に表示される。

走査電子顕微鏡の寸法校正を行うときは、通常の試料の代わりに寸法校正用試料８を試料ステージ９上に載置して測長を行う。このとき、コンピュータ部16に登録されたテンプレート画像によりテンプレートマッチングをして測長点への位置決めを行う。したがって、寸法校正用試料８上に存在する校正パターン18の任意の測長点への移動が可能である。寸法校正用試料８上に電子線を照射することで発生した二次電子7は、二次電子検出器11によって検出され、増幅器12によって増幅され、画像記憶部13に記憶される。そして、記憶された画像を使用し、測長処理部14により測長が行われる。また、この時の画像信号は、表示部17に表示される。装置の寸法校正は、偏向電流の制御および測長処理部14の倍率係数を制御することにより行われる。メモリ34には、寸法校正用試料８に関する情報が記憶されている。

次に寸法校正用試料８の形態を図２により説明する。寸法校正用試料８は、半導体ウェーハの形態をしており、図２（ａ）に示すように、その中央部付近に縦方向パターン領域23、横方向パターン領域24が存在する。縦方向パターン領域23は、図２（ｂ）の拡大図に示すように二次元的に配列された複数の校正パターン領域25を有し、各校正パターン領域25には図２（ｃ）に示すように数μｍの大きさの縦方向のラインアンドスペースパターン26が形成されている。したがって、寸法校正用試料８上には、複数のラインアンドスペースパターン26が不連続に存在していることになる。なお、ラインアンドスペースパターン26は、ピッチ寸法が100ｎｍ程度になるように形成されている。横方向パターン領域24も同様に二次元的に配列された複数の校正パターン領域からなり、各校正パターン領域内には、ピッチ寸法が100ｎｍ程度の横方向のラインアンドスペースパターンが数μｍの大きさに形成されている。

寸法校正用試料８には、グローバルアライメント用マーク22が形成されており、並進方向と回転方向のアライメント（グローバルアライメント）ができる構成になっている。ラインアンドスペースパターン26の近傍には、位置決め用アライメントパターン27が形成されている。

上記した形態によれば、寸法校正パターンを不連続なパターンとすることで、測長位置を明確に把握することができるようになるため、同一位置での寸法校正が可能になる。なお、寸法校正用試料８は、半導体ウェーハからダイシングしてチップ状に切り出した後に試料台上に貼り付けた形態でもよい。

次に位置決め用アライメントパターンについて説明する。試料ステージ９上の寸法校正用試料８に形成された寸法校正パターン18への移動は、ステージ制御部10が試料ステージ９をコントロールすることにより行われる。試料ステージ９の位置決め精度は一般的に数μｍであるため、最終的な測長点への位置決めは、あらかじめ、ガイドとなる特徴的なパターンを含む画像部分（テンプレート画像）をコンピュータ部16に登録しておき、テンプレートマッチングによって検出したパターン位置からの距離によって、正確な測長点の位置へ移動する。ラインアンドスペースパターン26のみでは、同一形態をしたパターンが複数存在するために類似したパターンのみとなり、隣接したパターンと識別できない。本発明では、テンプレート画像として位置決め用アライメントパターンを寸法校正用試料８上のラインアンドスペースパターン26の近傍に配置している。

図３は、位置決め用アライメントパターンの形態の一例を説明した図である。位置決め用アライメントパターンは、上に凸のパターン27、右に凸のパターン28、下に凸のパターン29、左に凸のパターン30、十字のパターン31の５種類の位置決め用アライメントパターンから成り立っている。走査電子顕微鏡で得られる画像は、パターンのエッジ部分から二次電子が多く放出されるエッジ効果により、エッジ部分の情報が主としたものになる。テンプレートマッチングは、二次元的に行われるため、登録するテンプレート画像には、縦方向・横方向ともに特徴的な情報を含んでいる必要がある。一般的に測長点近傍に形成された数字をテンプレート画像として登録することがあるが、例えば、数字の８と６は、エッジ部分の特徴が似ているために誤認識しやすい。本発明の位置決め用アライメントパターンによれば、凸となっている部分の情報が90°ずつ回転しているため、このエッジ部分の二次電子信号の情報が二次元的に特徴的となり、テンプレートマッチングを正確に行うことが可能になる。また、図２（ｃ）に示したように、位置決め用アライメントパターンは、特徴のないラインアンドスペースパターン26の近傍に配置することで、隣接したラインアンドスペースパターン26との識別が可能になる。

次に上記５種類の位置決め用アライメントパターンの配列方法について、その一例を図４により説明する。位置決め用アライメントパターンの配列は、図３の５種類の位置決め用アライメントパターンを１行毎に例えば左に２つシフトした図４に示すような組合せで配列させた構成になっている。このような組合せで位置決め用アライメントパターンを配列させれば、隣接したラインアンドスペースパターン26には、同一の位置決め用アライメントパターンが存在しない状態を作り出すことが可能になる。したがって、テンプレートマッチングを行う際の数万倍の倍率条件における同一視野領域32には、視野中央に位置する位置決め用アライメントパターンと同一の位置決め用アライメントパターンが存在しないため、テンプレートマッチングで誤認識して隣接したラインアンドスペースパターン26を測長することはない。図４では、X方向Y方向ともに位置決め用アライメントパターンを５つ並べた状態を図示しているが、この配列を繰り返し無数に配列した場合においても、隣接したラインアンドスペースパターン26には、同一の位置決め用アライメントパターンは存在しない。したがって、上記した配列方法によれば、５種類という少ない種類の位置決め用アライメントパターンの組合せで、二次元的にラインアンドスペースパターン26を無数に並べた状態においても、隣接したラインアンドスペースパターン26との識別が可能になる。なお、ラインアンドスペースパターン26の近傍には、目視での位置確認用として記号33が形成されていている。

上記の実施例では、５種類の位置決め用アライメントパターン27〜31を組合せた配列方法の例について説明したが、４種類以上の位置決め用アライメントパターンを上記と同じような組合せで配列すれば、テンプレートマッチングを行う際の数万倍の倍率条件における同一視野領域32に、視野中央に位置する位置決め用アライメントパターンと同一の位置決め用アライメントパターンが存在しないため、隣接したラインアンドスペースパターン26との識別は可能である。

作製された寸法校正用試料は、一度、寸法校正がなされた走査電子顕微鏡で縦方向及び横方向の全てのラインアンドスペースパターン26の計測を行い、縦方向のラインアンドスペースパターンの測長寸法値（ピッチ幅）の母分散及び横方向のラインアンドスペースパターンの測長寸法値（ピッチ幅）の母分散を求めておく。求めた母分散は、走査電子顕微鏡のメモリ34に記憶しておく。寸法校正用試料が複数ある場合には、各寸法校正用試料のIDとともにその試料の母分散を図６に示すようなテーブルに記憶しておく。使用済みパターンについては後述する。

次に、本発明による寸法校正の動作について説明する。図５は、寸法校正の動作の一例を示すフローチャートである。

一般的に単一箇所の校正パターン18を用いた場合の寸法校正精度は、校正パターン18の母分散と等しくなるが、現在要求される寸法校正精度は１ｎｍ以下であり、校正パターン18の母分散より小さい。寸法校正精度をＰとすると、寸法校正用試料８の持つ母分散σ、測長点数ｉは、Ｐ＝σ／√ｉの式で表される。したがって、測長点数ｉを増やすこと、すなわち複数箇所の校正パターン18を測長して得られた測長値の平均値で寸法校正を行うことで寸法校正を高精度化することができる。例えば、寸法校正用試料８の母分散σ＝３ｎｍ、寸法校正精度Ｐ＝１ｎｍとすると、必要な測長点数ｉは９箇所となる。

本発明の走査電子顕微鏡は、寸法校正用試料８をローディングする前にマウス20などの入力装置からあらかじめ寸法校正用試料８の持つ母分散σの値と必要な寸法校正精度Ｐの値を入力することにより、必要な測長点数ｉの設定を自動的に初期設定する手段を備えている。

この例では、最初に図７に示す入力画面で、キーボード21等により用いる寸法校正用試料のIDと、必要な寸法校正精度を入力する。走査電子顕微鏡は、寸法校正用試料のIDをもとにメモリ34に記憶してある図６のテーブルから、その寸法校正用試料の縦方向ラインアンドスペースパターンのピッチ幅の母分散、及び横方向のラインアンドスペースパターンのピッチ幅の母分散を検索し、必要な測長点数を演算し、初期設定する（S101）。また、本例では、図４のように整列している多数のラインアンドスペースパターンを予め決められた順番で用いて測長するものとする。前回最後に使用したラインアンドスペースパターンの位置は図６に示したテーブルの使用済みパターンの個所に書き込まれている。寸法校正用試料の縦方向及び横方向ラインアンドスペースパターンのピッチ幅の母分散は、母分散の数値を入力画面に直接入力するようにしてもよい。

次に、マウス20などの入力装置からの設定で寸法校正用試料８を走査電子顕微鏡内にロードし（S102）、グローバルアライメントを行う(S103)。グローバルアライメントは例えば、寸法校正用試料８上の既知のグローバルアライメント用マーク22複数点を光学顕微鏡で検出して並進方向と回転方向のアライメントを行うもので、試料ステージ９上の寸法校正用試料８の座標系と走査電子顕微鏡のステージ座標系を整合させることを目的として行われる。

その後、第１校正点へ移動し（S104）、位置決め用アライメントパターンを検出する。第１校正点は、図６のテーブルに使用済みパターンとして登録されている位置の次の位置のパターンとする。位置決め用アライメントパターンの検出（S105）は、位置決め用アライメントパターンと校正パターン18の測長点の位置関係を算出して測長点へ移動するためのもので、コンピュータ部16に登録されたテンプレート画像によるテンプレートマッチングにより行われる。なお、位置決め用アライメントパターンには、図３に示したパターン27〜31のいずれか１つを用いる。測長点へ移動した後、校正用パターン18を測長し(S106)、測長値Ｌｎを取得してコンピュータ部16に記憶する。

測長(S106)の後、入力された所定の箇所を全て測長したかを判定し（S107）、条件を満足しない場合は、次の校正点へ移動し（S109）、所定箇所の測長が終了するまで繰り返し測長を行う。条件を満足する場合は、最後に測長した縦方向及び横方向ラインアンドスペースパターンの番地を図６のテーブルに書き込んで寸法校正用試料８をアンロード（S111）し、コンピュータ部16で各測長値（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３・・・Ｌｎ）から平均値Ｌ＝（Ｌ１+Ｌ２+Ｌ３+・・・+Ｌｎ）／ｎを求め、校正値を算出する（S108）。この校正値から偏向電流の制御あるいは測長処理部14の倍率係数を制御することで寸法校正を行う。異なる複数台の装置における寸法校正は、同一の寸法校正用試料８を用いて装置毎に実施すれば、定量的に装置機差の評価が可能になる。

半導体ウェーハ上に露光された微細なパターンの寸法を測長する走査電子顕微鏡の寸法校正精度については、パターン幅が１００ｎｍ以下となっているため、その校正精度に要求される値も厳しくなっている。本発明によれば、同一位置での寸法校正が可能になり、単一装置の走査電子顕微鏡の校正精度を定量的に把握できるばかりでなく、異なる複数台の装置の装置機差も評価できる。

走査電子顕微鏡の基本構成を説明した図。寸法校正用試料の形態を説明した図。位置決め用アライメントパターンの形態を説明した図。位置決め用アライメントパターンの配列方法を説明した図。寸法校正の動作について説明した図。寸法校正用試料についての情報を記憶したテーブルの説明図。入力画面の例を示す図。

符号の説明

１電子銃
２アノード
３コンデンサレンズ
４一次電子線
５偏向器
６対物レンズ
７二次電子
８寸法校正用試料
９試料ステージ
10 ステージ制御部
11 二次電子検出器
12 増幅器
13 画像記憶部
14 測長処理部
15 主制御部
16 コンピュータ部
17 表示部
18 寸法校正パターン
19 偏向制御部
20 マウス
21 キーボード
22 グローバルアライメント用マーク
23 縦方向パターン領域
24 横方向パターン領域
25 校正パターン領域
26 ラインアンドスペースパターン
32 数万倍の倍率条件における同一視野領域
33 記号
34 メモリ

Claims

電子線を試料上に走査し、
電子線照射によって試料から発生した二次電子を検出して得た画像から試料の微細なパターンの寸法を測長する走査電子顕微鏡において、
予め登録されたテンプレート画像を用いたテンプレートマッチングによって、前記試料に対する前記電子線の照射箇所の位置決めを行うコンピュータ部を備え、当該コンピュータ部は、
走査電子顕微鏡によって取得された画像内に含まれる複数の寸法校正用パターンの中から、当該複数の寸法校正用パターンの間に、当該複数の寸法校正用パターンのそれぞれに対して設けられるとともに、隣リ合った寸法校正用パターンに対し、同一のパターンが設けられないよう配置された複数の位置決め用パターンに対する前記テンプレート画像を用いたテンプレートマッチングによって、寸法校正に用いるパターンを特定する
ことを特徴とする走査電子顕微鏡。
請求項１記載の走査電子顕微鏡において、前記各寸法校正用パターンは、所定ピッチ寸法のラインアンドスペースがピッチ寸法方向に複数並べて配置された第１の方向のラインアンドスペースパターン、又は、所定ピッチ寸法のラインアンドスペースがピッチ寸法方向に複数並べて配置され、当該ラインアンドスペースの伸長方向が前記第１の方向のラインアンドスペースパターンにおけるラインアンドスペースの伸長方向と直交する第２の方向のラインアンドスペースパターンであることを特徴とする走査電子顕微鏡。
請求項１又は２記載の走査電子顕微鏡において、前記位置決め用パターンは前記複数の寸法校正用パターン各々の近傍に配置されていることを特徴とする走査電子顕微鏡。
請求項３記載の走査電子顕微鏡において、前記位置決め用パターンは形状の異なる少なくとも４種類のパターンからなり、同じ形状の位置決め用パターンが隣接しないように配置されていることを特徴とする走査電子顕微鏡。
請求項１〜４のいずれか１項記載の走査電子顕微鏡において、寸法校正用試料に形成された前記寸法校正用パターンの寸法の母分散あるいは当該母分散を取得するための情報及び必要な寸法校正精度を入力する手段と、前記寸法校正用パターンの寸法の母分散及び必要な寸法校正精度をもとに必要な測長点数を演算し設定する手段とを備えたことを特徴とする走査電子顕微鏡。
請求項１〜５のいずれか１項記載の走査電子顕微鏡において、前記寸法校正用パターンは半導体ウェーハ上に形成されていることを特徴とする走査電子顕微鏡。
寸法校正用パターンと位置決め用パターンとを一対配置して形成された校正パターン領域が二次元的に複数配列されて構成され、
前記位置決め用パターンは、形状の異なる少なくとも４種類のパターンの何れかを用いて形成され、
かつ、走査電子顕微鏡によって取得される画像内に含まれる前記校正パターン領域それぞれの位置決め用パターンは、隣リ合った校正パターン領域の位置決め用パターンに対し、同一のパターンが設けられないようになっており、
前記走査電子顕微鏡のテンプレート画像を用いたテンプレートマッチングによって、寸法校正に用いる校正パターン領域の前記寸法校正用パターンが特定可能になっている
ことを特徴とする走査電子顕微鏡の寸法校正用試料。
請求項７記載の走査電子顕微鏡の寸法校正用試料において、前記各寸法校正用パターンは、所定ピッチ寸法のラインアンドスペースがピッチ寸法方向に複数並べて配置された第１の方向のラインアンドスペースパターン、又は、所定ピッチ寸法のラインアンドスペースがピッチ寸法方向に複数並べて配置され、当該ラインアンドスペースの伸長方向が前記第１の方向のラインアンドスペースパターンにおけるラインアンドスペースの伸長方向と直交する第２の方向のラインアンドスペースパターンであることを特徴とする走査電子顕微鏡の寸法校正用試料。
請求項７又は８記載の走査電子顕微鏡の寸法校正用試料において、半導体ウェーハ上に形成されていることを特徴とする走査電子顕微鏡の寸法校正用試料。
電子線を試料上に走査する走査偏向器を備え、
電子線照射によって試料から発生した二次電子を検出して得た画像から試料の微細なパターンの寸法を測長する走査電子顕微鏡において、
予め登録されたテンプレート画像を用いたテンプレートマッチングによって、前記試料に対する前記電子線の照射箇所の位置決めを行うコンピュータ部を備え、当該コンピュータ部は、
複数の寸法校正用パターンと、当該複数の寸法校正用パターンの間に、当該複数の寸法校正用パターンごとに設けられるとともに、隣リ合った寸法校正用パターンに対し、同一のパターンが設けられないように配置される複数の位置決め用パターンと、が配置された寸法校正用試料について、前記テンプレートマッチングに供されるテンプレート画像と同じ形状を有する位置決め用パターンに隣接する他の位置決め用パターンが視野内に含まれるような倍率で画像を取得するように、前記走査偏向器を制御し、
当該得られた画像内で、前記テンプレート画像によるテンプレートマッチングを行い、当該テンプレートマッチングによって特定された位置決め用パターンを用いて、前記視野の移動を行うことを特徴とする走査電子顕微鏡。
請求項１０記載の走査電子顕微鏡において、前記各寸法校正用パターンは、所定ピッチ寸法のラインアンドスペースがピッチ寸法方向に複数並べて配置された第１の方向のラインアンドスペースパターン、又は、所定ピッチ寸法のラインアンドスペースがピッチ寸法方向に複数並べて配置され、当該ラインアンドスペースの伸長方向が前記第１の方向のラインアンドスペースパターンにおけるラインアンドスペースの伸長方向と直交する第２の方向のラインアンドスペースパターンであることを特徴とする走査電子顕微鏡。
請求項１０又は１１記載の走査電子顕微鏡において、前記位置決め用パターンは前記複数の寸法校正用パターン各々の近傍に配置されていることを特徴とする走査電子顕微鏡。
請求項１２記載の走査電子顕微鏡において、前記位置決め用パターンは形状の異なる少なくとも４種類のパターンからなり、同じ形状の位置決め用パターンが隣接しないように配置されていることを特徴とする走査電子顕微鏡。
請求項１０〜１３のいずれか１項記載の走査電子顕微鏡において、寸法校正用試料に形成された前記寸法校正用パターンの寸法の母分散あるいは当該母分散を取得するための情報及び必要な寸法校正精度を入力する手段と、前記寸法校正用パターンの寸法の母分散及び必要な寸法校正精度をもとに必要な測長点数を演算し設定する手段とを備えたことを特徴とする走査電子顕微鏡。
請求項１０〜１４のいずれか１項記載の走査電子顕微鏡において、前記寸法校正用パターンは半導体ウェーハ上に形成されていることを特徴とする走査電子顕微鏡。