JPWO2002075246A1 - パターン寸法測定方法 - Google Patents
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Abstract
電子ビーム等のプローブをウエハ等の試料面上に照射し、パターン寸法などのプロセスパラメータを計測するための方法である。試料面上の複数箇所において電子ビームの正焦点位置を測ると、正焦点位置の差から電子ビームが試料面となす入射角を求めることができる。また、観測個所内の全ての点で入射電子ビームが正焦点を結ぶように試料ステージの傾斜機能を利用して試料の傾きを調整するか、あるいは求めた電子ビーム入射角を基に電子ビーム偏向器を制御して電子ビームの入射方向を変更することにより、電子ビーム入射角を所定の値に設定して、パターンの寸法計測を行う。
Description
技術分野
本発明は、パターン加工による半導体素子、撮像素子、表示素子の製造工程などにおいて、電子ビーム等のプローブをウエハ等の試料面上に照射し、パターン寸法などのプロセスパラメータを計測するための方法に関する。
背景技術
測長ＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を例にとって説明する。測長ＳＥＭは、半導体素子の製造工程等においてパターン寸法を計測するために用いられる。パターン寸法の計測は、ＳＥＭの試料像及びラインプロファイルを用いて、以下のような手順で行われる。
（１）試料像を形成した後、電子ビームの焦点を正確に合わせた上、測定パターンを位置決めする。
（２）測定パターンを横切るようにして電子ビームを一次元走査し、ラインプロファイルを形成する。電子ビームの走査方向は、測定パターン上の寸法を求めたい方向に合致している。
（３）得られたラインプロファイルから、所定のパターンエッジ決定アルゴリズムに従って、パターンエッジ位置を決定する。
（５）得られたパターンエッジの位置間隔から、測定パターンの寸法を算出する。エッジ間隔の算出値は、これに相当する電子ビーム偏向量から換算される。
（６）得られた算出値を、パターン寸法測定値として出力する。
以上が測長ＳＥＭを用いてパターン寸法を測定する際の標準的な処理フローであるが、パターン面と電子ビームのなす角度（電子ビーム入射角）を求め、制御するための操作は行われていない。したがって、試料交換、ビーム調整などの操作、あるいは浮遊磁場変動などの外乱に起因して電子ビーム入射角Δθがばらついた場合には、図２に模擬的に示すように寸法測定値ａｂとパターン幅ｗとの間に幾何学的な差ｗ（ｃｏｓΔθ−１）を生じるだけではなく、左右のパターンエッジにおけるラインプロファイル形状が非対称になるため、測定精度が低下する。特に、ラインプロファイルが非対称な形になることは、寸法測定精度に大きな影響を与えることが実験的に確かめられている。
近年、半導体素子のパターン微細化の進展に伴ない、必要とされる寸法測定精度も０．７倍／３年の割合で縮小している。例えば、２００５年１００ｎｍ技術ノードでは、７０ｎｍ幅の孤立ラインを測定するために、１．４ｎｍ以下の寸法測定精度が要求されている。測長ＳＥＭがこのような要求測定精度を達成するためには、電子ビームの各パラメータをより精密に制御することが必須となる。特に、電子ビーム入射角の正確さを高め、ばらつきを小さくすることが重要である。そして、電子ビームを正確な角度で試料面に入射し、かつ入射角のばらつきを低減するためには、電子ビームの入射角を正確に測定するための手段が必要となる。
本発明は、このような状況に鑑み、電子ビーム等のプローブの試料面への入射角を正確に測定するための方法及び装置を提供することを目的とする。また、本発明は、パターン寸法を高精度に測定するための方法及び装置を提供することを目的とする。
発明の開示
試料面と電子ビーム（プローブ）の光軸が直交しており電子ビーム入射角Δθ＝０であれば、図３（ａ）に示すように、試料面と入射電子ビームの焦点のなす面（焦点面）は一致し、試料面上のどの位置においても正焦点位置、すなわち試料面上に電子ビームが焦点を結ぶときの電子ビームの焦点位置は変らない。一方、もしも試料面と入射電子ビームの光軸とが直交しておらずΔθ≠０であれば、図３（ｂ）に示すように試料面と入射電子ビームの焦点面がΔθの角度をなすため、正焦点位置は場所毎に変化する。そして、得られるラインプロファイル波形の立ち上がり部あるいは立ち下がり部は、例えば試料面と入射電子ビームとの関係が図４に示すような場合、電子ビームの焦点位置がパターン上にあって正焦点となっている左端では急峻となるが、入射電子ビームが正焦点とならず電子ビームの焦点がパターン上からずれた右端では鈍った形状となる。
この現象を利用すれば、電子ビーム（プローブ）の試料面上の場所毎における焦点位置を調整すること、あるいは正焦点位置を求めることができる。そして、試料面上の複数箇所において電子ビームの正焦点位置を測定すると、得られた正焦点位置の差から電子ビームが試料面となす入射角を求めることができる。また、観測個所内の全ての点で入射電子ビームが正焦点を結ぶように試料ステージの傾斜機能を利用して試料の傾きを調整するか、あるいは求めた電子ビーム入射角を基に電子ビーム偏向器を制御して電子ビームの入射方向を変更することにより、電子ビーム入射角を所定の値に設定することができる。
すなわち、本発明によるパターン寸法測定方法は、以下の通りである。
（１）細く絞ったプローブを試料面に照射し、プローブとの相互作用により試料から発生した信号を検出し、当該検出信号を用いて試料面に形成されたパターンの寸法を測定する方法において、試料面上の複数の視野において入射プローブが試料面に焦点を結ぶ入射プローブの正焦点位置を求め、正焦点位置を求めた視野間の距離と各視野における正焦点位置の差とから入射プローブが試料面となす入射角を求めることを特徴とするパターン寸法測定方法。
入射プローブの正焦点位置とは、入射プローブが試料面上に焦点を結ぶときの入射プローブの焦点位置をいう。
（２）細く絞ったプローブを試料面に照射し、プローブとの相互作用により試料から発生した信号を検出し、当該検出信号を用いて試料面に形成されたパターンの寸法を測定する方法において、試料面上の複数の視野において入射プローブが試料面に焦点を結ぶ入射プローブの正焦点位置を求め、正焦点位置を求めた視野間の距離と各視野における正焦点位置の差とから入射プローブが試料面となす入射角を求め、入射プローブの入射角及び／又は試料面の傾きを調整しプローブの入射角を所定の値に設定することを特徴とするパターン寸法測定方法。
（３）細く絞ったプローブを試料面に照射し、プローブとの相互作用により試料から発生した信号を検出し、当該検出信号を用いて試料面に形成されたパターンの寸法を測定する方法において、試料面上の複数の視野において入射プローブが試料面に焦点を結ぶ入射プローブの正焦点位置を求め、正焦点位置を求めた視野間の距離と各視野における正焦点位置の差とから入射プローブが試料面となす入射角を求め、得られたパターン寸法計測値を当該入射角を用いて補正することを特徴とするパターン寸法測定方法。
（４）細く絞ったプローブを試料面に照射し、プローブとの相互作用により試料から発生した信号を検出し、当該検出信号を用いて試料面に形成されたパターンの寸法を測定する方法において、試料面上の複数の視野において入射プローブの焦点が試料面に焦点を結ぶ正焦点位置となるように試料面の傾きを調整し、その後パターン寸法を測定することを特徴とするパターン寸法測定方法。
（５）（１）〜（４）のいずれかに記載のパターン寸法測定方法において、正焦点位置を求める操作を、パターン寸法測定時の倍率よりも高い倍率で行うことを特徴とするパターン寸法測定方法。
（６）（１）〜（４）のいずれかに記載のパターン寸法測定方法において、正焦点位置を求める操作を、パターン寸法測定時の入射プローブ開き角よりも大きい入射プローブ開き角で行うことを特徴とするパターン寸法測定方法。
（７）（１）〜（６）のいずれかに記載のパターン寸法測定方法において、正焦点位置を求める操作を、入射プローブの焦点位置を変化させながら検出信号のラインプロファイル群を形成し、最も急峻なラインプロファイルが得られた焦点位置を正焦点位置とすることを特徴とするパターン寸法測定方法。
（８）（１）〜（７）のいずれかに記載のパターン寸法測定方法において、正焦点位置を求めるための視野をパターン寸法測定視野の範囲外に設定することを特徴とするパターン寸法測定方法。
（９）（１）〜（８）のいずれかに記載のパターン寸法測定方法において、正焦点位置を求めるための視野への移動を入射プローブを電磁気的に偏向させることによって行うことを特徴とするパターン寸法測定方法。
（１０）（１）〜（９）のいずれかに記載のパターン寸法測定方法において、正焦点位置を求めるための視野が、パターン寸法測定視野を通り試料ステージの移動方向に沿った一本又は二本の直線上に配置されていることを特徴とするパターン寸法測定方法。
（１１）（１）〜（１０）のいずれかに記載のパターン寸法測定方法において、プローブが電子ビーム、イオンビームあるいはレーザビームであることを特徴とするパターン寸法測定方法。
本発明によると、電子ビームの入射角を求め、試料面への電子ビーム入射角を精密に制御できることから、パターン寸法の高精度測定が可能になる。
発明を実施するための最良の形態
本発明をより詳細に説述するために、添付の図面に従ってこれを説明する。
図１は、本発明によるパターン形状測定装置の一例としての測長ＳＥＭの概略構成を示す図である。電子銃１から放出された電子ビーム２は、所定のエネルギーに加速された後、収束レンズ３及び対物レンズ４によって細く絞られ、ロード／アンロード室１０を経由して試料室１１内に導入された試料ステージ１２上のウエハ５の面上に焦点を結ぶ。一般に、収束レンズ３は電子ビーム電流値の制御に、対物レンズ４は電子ビーム２の焦点位置調整に使われる。
後述のようにして焦点調整された電子ビーム２は、上下二段の偏向器６によって軌道を曲げられ、対物レンズ絞り２０を偏向の支点として、ウエハ５の面上を二次元あるいは一次元走査する。一方、電子ビーム２で照射されたウエハ部分からは、二次電子７が放出される。二次電子７は、二次電子検出器８によって検出・電気信号に変換された後、信号処理部１４で増幅・Ａ／Ｄ変換などの信号処理を受ける。信号処理された像信号は、メモリ部１５に記憶され、ディスプレイ９を輝度変調あるいはＹ変調するために使われる。ディスプレイ９の走査線は、電子ビーム２のウエハ面上走査と同期して走査されており、ディスプレイ上には試料像が形成される。二次元走査し輝度変調をかければ試料像が表示され、一次元走査しＹ変調をかければラインプロファイルが描かれる。この際、試料像の観測倍率は、試料面での電子ビーム偏向量に反比例し、偏向器の強さを調整することに依って変えられる。
ここで、正焦点位置を見つけるための焦点位置調整には、例えば、図５に示すような電子ビーム焦点位置とラインプロファイル形状の関係を利用する。電子ビームがパターンを横切る時に得られるラインプロファイルは、図５（ａ）のように電子ビームがパターン上に正焦点を結んでいれば立ち上がり部及び立ち下がり部が急峻であるが、図５（ｂ）のようにパターン上から焦点がずれていれば立ち上がり部及び立ち下がり部は鈍る。制御部１７は、レンズ電源１８の出力すなわち対物レンズ励磁電流値を変化させながらラインプロファイルを形成して行き、最も急峻なラインプロファイルが得られるところに対物レンズ励磁電流値を設定することで電子ビーム２の焦点合わせを行う。
図１に示した測長ＳＥＭによるパターン寸法測定の手順を図６に示す。図７を参照しながら、以下に説明する。
ステップ１１において、寸法測定視野にステージ移動する。ステップ１２において、試料像を形成した後、電子ビームの焦点を正確に合わせた上、測定パターンを位置決めする。次に、ステップ１３に進み、観測倍率と電子ビーム開き角を焦点位置設定用に変更する。焦点位置設定用倍率及び焦点位置設定用電子ビーム開き角ともに、正焦点位置の測定精度を上げるために、寸法測定時の観測倍率及び電子ビーム開き角よりも大きな値に設定する。なお、電子ビーム開き角の変更は、収束レンズ３あるいは対物レンズ４の絞りに寸法測定用開口と焦点位置設定用開口を形成し、所定の開口に電子ビームを偏向・選択するようにことによって行う。
次に、ステップ１４において、偏向器を制御して電気的に焦点位置測定視野に移動する。焦点位置測定視野は、電子ビーム入射角の測定精度を上げるために、寸法測定視野の外に配置される。焦点位置測定視野を配置する位置は、（１）電子ビーム偏向器６を用いた短時間での視野移動を可能とするために電子ビームがテレセントリックすなわち試料面に垂直に入射していると見なされる範囲内、及び（２）入射方向・角度の計算を容易にするために用途に応じてということになるが、例えば、ステージのＸ移動方向に沿った２点、あるいは図７に示すように、Ｘ移動方向に沿った２点とＹ移動方向に沿った１点の計３点に設定される。
ステップ１５では、移動した焦点位置測定視野において、電子ビームの焦点位置と試料面との位置関係を光軸方向に所定のステップで変えながらラインプロファイルを取得し、正焦点位置を決定する。焦点位置の変更は、例えば図８に示すように、試料ステージ１２上に設置されたウエハ固定用のパレットに圧電素子でできた上下に動く小型アクチュエータをアレー状に多数組込むことによって行われる。すなわち、いま焦点位置測定視野ａに視野移動しているとすると、焦点位置測定視野ａの直下にあるアクチュエータを上下動させ、ラインプロファイルが最も急峻となるようにしてａ部のウエハ高さを正焦点位置に合わせる。
焦点位置測定視野ａ内でウエハ高さを正焦点位置にあわせた後、ステップ１６からステップ１４に戻り、次の焦点位置測定視野、例えば視野ｂに移動し、視野ｂについても同様にその直下のアクチュエータを上下動させてｂ部のウエハ高さを正焦点位置に合わせる。すなわち、得られるラインプロファイルが最も急峻となるようにｂ部のウエハ高さを調整する。こうして、全ての焦点位置測定視野において正焦点位置を決定する。例えば、Ｘ軸方向に２点、Ｙ軸方向に１点で測定する図７の例の場合には、３箇所の焦点位置測定視野ａ，ｂ，ｃにてそれぞれ正焦点位置の決定を行う。
以上の処理で試料表面への電子ビーム垂直入射の条件が得られたので、ステップ１７に進み、観測倍率と電子ビーム開き角を寸法測定用倍率、寸法測定用開き角に変更する。次に、ステップ１８において、偏向器６を制御して電気的に寸法測定視野に移動し、測定パターンを位置決めする。ステップ１９では、正焦点位置であることを確認し、ステップ２０に進んで所望部分のパターン寸法測定を行う。パターン寸法測定は既知の手順に従って行われる。すなわち、パターン上の寸法を求めたい方向に測定パターンを横切るように電子ビームを一次元走査してラインプロファイルを形成し、得られたラインプロファイルから所定のパターンエッジ決定アルゴリズムに従ってパターンエッジ位置を決定し、得られたパターンエッジの位置間隔から、測定パターンの寸法を算出する。得られた算出値は、パターン寸法測定値として出力される。
本実施の形態では、試料５を傾斜させて電子ビーム２の入射角Δθを０とするような方法を用いたが、試料の高さを変えず、試料面への電子ビーム入射角Δθを求め、電子ビームの入射角の方を変更することによってΔθ＝０を実現してもよい。
試料面への電子ビーム入射角Δθは、例えばＸ成分とＹ成分とに分けて測定すればよい。ΔθのＸ成分は次のようにして測定できる。例えば図７に示すように、寸法測定視野の外側Ｘ方向に距離ｄだけ離れたに焦点位置測定視野ａ，ｂを設定する。距離ｄは、視野ａから視野ｂに視野移動するときの偏向器６の偏向電流をもとに求めることができる。そして、焦点位置測定視野ａにおいて、入射電子ビームが試料面上に焦点を結ぶ正焦点位置ｆａと、焦点位置測定視野ｂにおいて、入射電子ビームが試料面上に焦点を結ぶ正焦点位置ｆｂを求める。正焦点位置ｆａ，ｆｂは、それぞれの視野において最も急峻なラインプロファイルを得るために必要な対物レンズ４の励磁電流補正値から求めることができる。
こうして得られたｄ，ｆａ，ｆｂからΔθのＸ方向成分はａｔａｎ｛（ｆｂ−ｆａ）／ｄ｝と計算される。ΔθのＹ方向成分もＹ軸に平行な直線上に設定した２つの焦点位置測定視野での測定から同様の方法で求めることができる。試料面への電子ビームの入射角Δθが判明すれば、電子ビームをΔθだけ傾けて試料面に入射させることでΔθ＝０を達成することができる。電子ビームの入射角の調整は、前述したように上下二段の偏向器６の出力を制御することによって行うことができる。
なお、焦点位置測定視野ａにおける正焦点位置ｆａと焦点位置測定視野ｂにおける正焦点位置ｆｂの代わりに、焦点位置測定視野ａにおける正焦点位置からの焦点ずれ量及び焦点位置測定視野ｂにおける正焦点位置からの焦点ずれ量を用いても同様の結果を得ることができる。焦点位置測定視野における正焦点位置からの焦点ずれ量は、試料ステージによって試料を光軸方向に移動しながら各位置で試料面のラインプロファイルを測定し、最も急峻なラインプロファイルを得るために試料を移動させた光軸方向の距離として求めることもできる。
なお、入射電子ビームの正焦点位置を求めるためには、上述したように、（１）試料高さを変えたり、（２）対物レンズの励磁電流を変えることにより、試料面に対する入射電子ビームの焦点位置を変化させながらラインプロファイル群を形成し、波形の立ち上がり部及び立ち下がり部が最も急峻なラインプロファイルが得られた焦点位置を正焦点位置とする。このとき、正焦点位置を高精度に求めるためには焦点深度が浅い状態で調整した方が良い。焦点深度ＤＯＦは、観測倍率Ｍと電子ビームの半開角αを用いて、ＤＯＦ∝ｌ／Ｍαで表されることから、図６のステップ１３におけるように、（１）パターン寸法測定時の倍率よりも高い倍率、（２）パターン寸法測定時の電子ビーム開き角よりも大きい電子ビーム開き角、を用いて正焦点位置を求める。
また、電子ビーム入射角を制御する代りに、求めた入射角Δθを用いてパターン寸法計測値を補正し、補正した値をパターン寸法測定値として出力することも可能である。例えば、ラインプロファイルが非対称になる効果を考えなければ、次式によってΔθの影響を補正することができる。ただし、この場合には、ラインプロファイルの非対称性を単純なアルゴリズムで補正することは難しく、測定精度向上のためには実測データに裏付けられた補正アルゴリズムを必要とする。
（測定結果として出力する寸法測定値）＝（寸法計測値）／ｃｏｓΔθ
なお、本発明の有効性が発揮されるのはパターン寸法の測定に限られない。本発明を適用することで、あらゆる種類の二次元及び三次元形状をより高い精度で計測できる。例えば、入射角の異なる複数の試料像を用いて算出されたホールや溝の底面の深さ・側面の傾き、断面試料から求められた膜厚や接合深さなどをより高精度に測定することが可能になる。
例として、図９の模式図及び図１０のフローチャートを用いて、パターンの高さＨ及び側壁の傾斜角θを求める場合を図９に示す。パターンの高さＨ及び側壁の傾斜角θは、半導体デバイスのゲート加工やトレンチ加工を精密に制御するために必要とされる。電子ビームを垂直に入射させた場合の像上での側壁の長さＬｐと、電子ビームをαだけ傾けて入射させた場合の長さＬｉとから、図１０に示すような手順でパターンの高さＨと側壁の長さＬ及び傾斜角θを求める。Ｌｐ及びＬｉをより正確・精密に計測することができれば、当然のことながら、Ｈ，Ｌ，θのより確かな値を算出することができる。
まず、ステップ３１において、電子ビームを試料面に垂直入射させ、そのときのパターン像からＬｐを測定する。次に、ステップ３２において、電子ビームを試料面に入射角αで斜め入射させ、そのときのパターン像からＬｐを測定する。ステップ３３において、関係式Ｌｐ＝Ｌｃｏｓθ及びＬｉ＝Ｌｃｏｓ（θ−α）からＬとθを求める。更に、ステップ３４において、関係式Ｈ＝Ｌｓｉｎθから高さＨを求める。
一方、観測倍率を標準試料を用いて校正する場合にも、より高い精度での校正が実現される。校正精度が高ければ、この装置を用いた全ての計測がより高精度で行えることに繋がる。
校正用標準試料の例を図１１に示す。図１１の上方に示したのは校正用標準試料の平面図、下方に示したのは断面図である。この校正用標準試料は、光干渉露光法と異方性のウエットエッチング法を用い、ＬＳＩ加工に準じたプロセスで、Ｓｉ単結晶基板上に微細なラインパターン群を加工したものである。この方法によると極めて正確なピッチのライン群を形成できるため、測長ＳＥＭの倍率を校正するために使われている。
電子ビームを垂直入射させて図１１の平面図に相当したパターン像を形成し、像上のピッチを測定しながら、該測定値が標準試料ピッチの校正値と一致するように測長ＳＥＭの観測倍率を調整する。この場合も、ピッチの測定が正確・精密であるほど、精度の高い校正が行える。
また、画面全体に渡ってより高解像の試料像を形成できる。このことも、試料画像を用いた全ての計測がより高精度で行えることに繋がる。
上記実施の形態では、電子ビームを用いた測長ＳＥＭを例にとって説明した。しかし、本発明が適用される装置はＳＥＭに限られない。本発明は、プローブとして電子ビーム以外のイオンビームやレーザビームなどを用いた装置にも同様に適用できる。例えば、測長ＳＥＭの電子ビームの代わりに、走査ビームとしてレーザビームを用いれば、同様の原理でパターン寸法や二点間の距離を計測することが出来る。このような場合にも、走査レーザビームの入射角を正確・精密に制御することが、計測精度を向上することに繋がる。
産業上の利用可能性
以上のように、本発明によると、電子ビーム入射角を精密に制御できることから、直接的な効果あるいは試料像の高解像度化や校正精度の向上など間接的な効果によって、パターン寸法を始めとする二次元形状値あるいはホール深さなどの三次元形状値をより高精度に求めることができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明によるパターン形状測定装置の一例としての測長ＳＥＭの概略構成を示す図である。
図２は、電子ビーム入射角が０でないことに依りパターン寸法測定精度が低下することを示すための図である。
図３は、本発明の原理となる電子ビーム入射角と焦点面、試料面との関係を説明するための図である。
図４は、試料が傾斜している場合のラインプロファイルの形状変化を示す図である。
図５は、ビーム焦点位置とラインプロファイル形状の関係を示す図である。
図６は、本発明によるパターン寸法測定処理の一例のフローを示す図である。
図７は、寸法測定視野と焦点位置測定視野の関係を説明する図である。
図８は、試料ステージにおいて試料高さを調整するための構成例を示す図である。
図９は、パターン高さ及び側壁傾斜角を説明するための模式図である。
図１０は、パターン像からパターン高さ及び側壁傾斜角を求めるためのアルゴリズム例を示す図である。
図１１は、倍率校正用標準試料の説明図である。
本発明は、パターン加工による半導体素子、撮像素子、表示素子の製造工程などにおいて、電子ビーム等のプローブをウエハ等の試料面上に照射し、パターン寸法などのプロセスパラメータを計測するための方法に関する。
背景技術
測長ＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を例にとって説明する。測長ＳＥＭは、半導体素子の製造工程等においてパターン寸法を計測するために用いられる。パターン寸法の計測は、ＳＥＭの試料像及びラインプロファイルを用いて、以下のような手順で行われる。
（１）試料像を形成した後、電子ビームの焦点を正確に合わせた上、測定パターンを位置決めする。
（２）測定パターンを横切るようにして電子ビームを一次元走査し、ラインプロファイルを形成する。電子ビームの走査方向は、測定パターン上の寸法を求めたい方向に合致している。
（３）得られたラインプロファイルから、所定のパターンエッジ決定アルゴリズムに従って、パターンエッジ位置を決定する。
（５）得られたパターンエッジの位置間隔から、測定パターンの寸法を算出する。エッジ間隔の算出値は、これに相当する電子ビーム偏向量から換算される。
（６）得られた算出値を、パターン寸法測定値として出力する。
以上が測長ＳＥＭを用いてパターン寸法を測定する際の標準的な処理フローであるが、パターン面と電子ビームのなす角度（電子ビーム入射角）を求め、制御するための操作は行われていない。したがって、試料交換、ビーム調整などの操作、あるいは浮遊磁場変動などの外乱に起因して電子ビーム入射角Δθがばらついた場合には、図２に模擬的に示すように寸法測定値ａｂとパターン幅ｗとの間に幾何学的な差ｗ（ｃｏｓΔθ−１）を生じるだけではなく、左右のパターンエッジにおけるラインプロファイル形状が非対称になるため、測定精度が低下する。特に、ラインプロファイルが非対称な形になることは、寸法測定精度に大きな影響を与えることが実験的に確かめられている。
近年、半導体素子のパターン微細化の進展に伴ない、必要とされる寸法測定精度も０．７倍／３年の割合で縮小している。例えば、２００５年１００ｎｍ技術ノードでは、７０ｎｍ幅の孤立ラインを測定するために、１．４ｎｍ以下の寸法測定精度が要求されている。測長ＳＥＭがこのような要求測定精度を達成するためには、電子ビームの各パラメータをより精密に制御することが必須となる。特に、電子ビーム入射角の正確さを高め、ばらつきを小さくすることが重要である。そして、電子ビームを正確な角度で試料面に入射し、かつ入射角のばらつきを低減するためには、電子ビームの入射角を正確に測定するための手段が必要となる。
本発明は、このような状況に鑑み、電子ビーム等のプローブの試料面への入射角を正確に測定するための方法及び装置を提供することを目的とする。また、本発明は、パターン寸法を高精度に測定するための方法及び装置を提供することを目的とする。
発明の開示
試料面と電子ビーム（プローブ）の光軸が直交しており電子ビーム入射角Δθ＝０であれば、図３（ａ）に示すように、試料面と入射電子ビームの焦点のなす面（焦点面）は一致し、試料面上のどの位置においても正焦点位置、すなわち試料面上に電子ビームが焦点を結ぶときの電子ビームの焦点位置は変らない。一方、もしも試料面と入射電子ビームの光軸とが直交しておらずΔθ≠０であれば、図３（ｂ）に示すように試料面と入射電子ビームの焦点面がΔθの角度をなすため、正焦点位置は場所毎に変化する。そして、得られるラインプロファイル波形の立ち上がり部あるいは立ち下がり部は、例えば試料面と入射電子ビームとの関係が図４に示すような場合、電子ビームの焦点位置がパターン上にあって正焦点となっている左端では急峻となるが、入射電子ビームが正焦点とならず電子ビームの焦点がパターン上からずれた右端では鈍った形状となる。
この現象を利用すれば、電子ビーム（プローブ）の試料面上の場所毎における焦点位置を調整すること、あるいは正焦点位置を求めることができる。そして、試料面上の複数箇所において電子ビームの正焦点位置を測定すると、得られた正焦点位置の差から電子ビームが試料面となす入射角を求めることができる。また、観測個所内の全ての点で入射電子ビームが正焦点を結ぶように試料ステージの傾斜機能を利用して試料の傾きを調整するか、あるいは求めた電子ビーム入射角を基に電子ビーム偏向器を制御して電子ビームの入射方向を変更することにより、電子ビーム入射角を所定の値に設定することができる。
すなわち、本発明によるパターン寸法測定方法は、以下の通りである。
（１）細く絞ったプローブを試料面に照射し、プローブとの相互作用により試料から発生した信号を検出し、当該検出信号を用いて試料面に形成されたパターンの寸法を測定する方法において、試料面上の複数の視野において入射プローブが試料面に焦点を結ぶ入射プローブの正焦点位置を求め、正焦点位置を求めた視野間の距離と各視野における正焦点位置の差とから入射プローブが試料面となす入射角を求めることを特徴とするパターン寸法測定方法。
入射プローブの正焦点位置とは、入射プローブが試料面上に焦点を結ぶときの入射プローブの焦点位置をいう。
（２）細く絞ったプローブを試料面に照射し、プローブとの相互作用により試料から発生した信号を検出し、当該検出信号を用いて試料面に形成されたパターンの寸法を測定する方法において、試料面上の複数の視野において入射プローブが試料面に焦点を結ぶ入射プローブの正焦点位置を求め、正焦点位置を求めた視野間の距離と各視野における正焦点位置の差とから入射プローブが試料面となす入射角を求め、入射プローブの入射角及び／又は試料面の傾きを調整しプローブの入射角を所定の値に設定することを特徴とするパターン寸法測定方法。
（３）細く絞ったプローブを試料面に照射し、プローブとの相互作用により試料から発生した信号を検出し、当該検出信号を用いて試料面に形成されたパターンの寸法を測定する方法において、試料面上の複数の視野において入射プローブが試料面に焦点を結ぶ入射プローブの正焦点位置を求め、正焦点位置を求めた視野間の距離と各視野における正焦点位置の差とから入射プローブが試料面となす入射角を求め、得られたパターン寸法計測値を当該入射角を用いて補正することを特徴とするパターン寸法測定方法。
（４）細く絞ったプローブを試料面に照射し、プローブとの相互作用により試料から発生した信号を検出し、当該検出信号を用いて試料面に形成されたパターンの寸法を測定する方法において、試料面上の複数の視野において入射プローブの焦点が試料面に焦点を結ぶ正焦点位置となるように試料面の傾きを調整し、その後パターン寸法を測定することを特徴とするパターン寸法測定方法。
（５）（１）〜（４）のいずれかに記載のパターン寸法測定方法において、正焦点位置を求める操作を、パターン寸法測定時の倍率よりも高い倍率で行うことを特徴とするパターン寸法測定方法。
（６）（１）〜（４）のいずれかに記載のパターン寸法測定方法において、正焦点位置を求める操作を、パターン寸法測定時の入射プローブ開き角よりも大きい入射プローブ開き角で行うことを特徴とするパターン寸法測定方法。
（７）（１）〜（６）のいずれかに記載のパターン寸法測定方法において、正焦点位置を求める操作を、入射プローブの焦点位置を変化させながら検出信号のラインプロファイル群を形成し、最も急峻なラインプロファイルが得られた焦点位置を正焦点位置とすることを特徴とするパターン寸法測定方法。
（８）（１）〜（７）のいずれかに記載のパターン寸法測定方法において、正焦点位置を求めるための視野をパターン寸法測定視野の範囲外に設定することを特徴とするパターン寸法測定方法。
（９）（１）〜（８）のいずれかに記載のパターン寸法測定方法において、正焦点位置を求めるための視野への移動を入射プローブを電磁気的に偏向させることによって行うことを特徴とするパターン寸法測定方法。
（１０）（１）〜（９）のいずれかに記載のパターン寸法測定方法において、正焦点位置を求めるための視野が、パターン寸法測定視野を通り試料ステージの移動方向に沿った一本又は二本の直線上に配置されていることを特徴とするパターン寸法測定方法。
（１１）（１）〜（１０）のいずれかに記載のパターン寸法測定方法において、プローブが電子ビーム、イオンビームあるいはレーザビームであることを特徴とするパターン寸法測定方法。
本発明によると、電子ビームの入射角を求め、試料面への電子ビーム入射角を精密に制御できることから、パターン寸法の高精度測定が可能になる。
発明を実施するための最良の形態
本発明をより詳細に説述するために、添付の図面に従ってこれを説明する。
図１は、本発明によるパターン形状測定装置の一例としての測長ＳＥＭの概略構成を示す図である。電子銃１から放出された電子ビーム２は、所定のエネルギーに加速された後、収束レンズ３及び対物レンズ４によって細く絞られ、ロード／アンロード室１０を経由して試料室１１内に導入された試料ステージ１２上のウエハ５の面上に焦点を結ぶ。一般に、収束レンズ３は電子ビーム電流値の制御に、対物レンズ４は電子ビーム２の焦点位置調整に使われる。
後述のようにして焦点調整された電子ビーム２は、上下二段の偏向器６によって軌道を曲げられ、対物レンズ絞り２０を偏向の支点として、ウエハ５の面上を二次元あるいは一次元走査する。一方、電子ビーム２で照射されたウエハ部分からは、二次電子７が放出される。二次電子７は、二次電子検出器８によって検出・電気信号に変換された後、信号処理部１４で増幅・Ａ／Ｄ変換などの信号処理を受ける。信号処理された像信号は、メモリ部１５に記憶され、ディスプレイ９を輝度変調あるいはＹ変調するために使われる。ディスプレイ９の走査線は、電子ビーム２のウエハ面上走査と同期して走査されており、ディスプレイ上には試料像が形成される。二次元走査し輝度変調をかければ試料像が表示され、一次元走査しＹ変調をかければラインプロファイルが描かれる。この際、試料像の観測倍率は、試料面での電子ビーム偏向量に反比例し、偏向器の強さを調整することに依って変えられる。
ここで、正焦点位置を見つけるための焦点位置調整には、例えば、図５に示すような電子ビーム焦点位置とラインプロファイル形状の関係を利用する。電子ビームがパターンを横切る時に得られるラインプロファイルは、図５（ａ）のように電子ビームがパターン上に正焦点を結んでいれば立ち上がり部及び立ち下がり部が急峻であるが、図５（ｂ）のようにパターン上から焦点がずれていれば立ち上がり部及び立ち下がり部は鈍る。制御部１７は、レンズ電源１８の出力すなわち対物レンズ励磁電流値を変化させながらラインプロファイルを形成して行き、最も急峻なラインプロファイルが得られるところに対物レンズ励磁電流値を設定することで電子ビーム２の焦点合わせを行う。
図１に示した測長ＳＥＭによるパターン寸法測定の手順を図６に示す。図７を参照しながら、以下に説明する。
ステップ１１において、寸法測定視野にステージ移動する。ステップ１２において、試料像を形成した後、電子ビームの焦点を正確に合わせた上、測定パターンを位置決めする。次に、ステップ１３に進み、観測倍率と電子ビーム開き角を焦点位置設定用に変更する。焦点位置設定用倍率及び焦点位置設定用電子ビーム開き角ともに、正焦点位置の測定精度を上げるために、寸法測定時の観測倍率及び電子ビーム開き角よりも大きな値に設定する。なお、電子ビーム開き角の変更は、収束レンズ３あるいは対物レンズ４の絞りに寸法測定用開口と焦点位置設定用開口を形成し、所定の開口に電子ビームを偏向・選択するようにことによって行う。
次に、ステップ１４において、偏向器を制御して電気的に焦点位置測定視野に移動する。焦点位置測定視野は、電子ビーム入射角の測定精度を上げるために、寸法測定視野の外に配置される。焦点位置測定視野を配置する位置は、（１）電子ビーム偏向器６を用いた短時間での視野移動を可能とするために電子ビームがテレセントリックすなわち試料面に垂直に入射していると見なされる範囲内、及び（２）入射方向・角度の計算を容易にするために用途に応じてということになるが、例えば、ステージのＸ移動方向に沿った２点、あるいは図７に示すように、Ｘ移動方向に沿った２点とＹ移動方向に沿った１点の計３点に設定される。
ステップ１５では、移動した焦点位置測定視野において、電子ビームの焦点位置と試料面との位置関係を光軸方向に所定のステップで変えながらラインプロファイルを取得し、正焦点位置を決定する。焦点位置の変更は、例えば図８に示すように、試料ステージ１２上に設置されたウエハ固定用のパレットに圧電素子でできた上下に動く小型アクチュエータをアレー状に多数組込むことによって行われる。すなわち、いま焦点位置測定視野ａに視野移動しているとすると、焦点位置測定視野ａの直下にあるアクチュエータを上下動させ、ラインプロファイルが最も急峻となるようにしてａ部のウエハ高さを正焦点位置に合わせる。
焦点位置測定視野ａ内でウエハ高さを正焦点位置にあわせた後、ステップ１６からステップ１４に戻り、次の焦点位置測定視野、例えば視野ｂに移動し、視野ｂについても同様にその直下のアクチュエータを上下動させてｂ部のウエハ高さを正焦点位置に合わせる。すなわち、得られるラインプロファイルが最も急峻となるようにｂ部のウエハ高さを調整する。こうして、全ての焦点位置測定視野において正焦点位置を決定する。例えば、Ｘ軸方向に２点、Ｙ軸方向に１点で測定する図７の例の場合には、３箇所の焦点位置測定視野ａ，ｂ，ｃにてそれぞれ正焦点位置の決定を行う。
以上の処理で試料表面への電子ビーム垂直入射の条件が得られたので、ステップ１７に進み、観測倍率と電子ビーム開き角を寸法測定用倍率、寸法測定用開き角に変更する。次に、ステップ１８において、偏向器６を制御して電気的に寸法測定視野に移動し、測定パターンを位置決めする。ステップ１９では、正焦点位置であることを確認し、ステップ２０に進んで所望部分のパターン寸法測定を行う。パターン寸法測定は既知の手順に従って行われる。すなわち、パターン上の寸法を求めたい方向に測定パターンを横切るように電子ビームを一次元走査してラインプロファイルを形成し、得られたラインプロファイルから所定のパターンエッジ決定アルゴリズムに従ってパターンエッジ位置を決定し、得られたパターンエッジの位置間隔から、測定パターンの寸法を算出する。得られた算出値は、パターン寸法測定値として出力される。
本実施の形態では、試料５を傾斜させて電子ビーム２の入射角Δθを０とするような方法を用いたが、試料の高さを変えず、試料面への電子ビーム入射角Δθを求め、電子ビームの入射角の方を変更することによってΔθ＝０を実現してもよい。
試料面への電子ビーム入射角Δθは、例えばＸ成分とＹ成分とに分けて測定すればよい。ΔθのＸ成分は次のようにして測定できる。例えば図７に示すように、寸法測定視野の外側Ｘ方向に距離ｄだけ離れたに焦点位置測定視野ａ，ｂを設定する。距離ｄは、視野ａから視野ｂに視野移動するときの偏向器６の偏向電流をもとに求めることができる。そして、焦点位置測定視野ａにおいて、入射電子ビームが試料面上に焦点を結ぶ正焦点位置ｆａと、焦点位置測定視野ｂにおいて、入射電子ビームが試料面上に焦点を結ぶ正焦点位置ｆｂを求める。正焦点位置ｆａ，ｆｂは、それぞれの視野において最も急峻なラインプロファイルを得るために必要な対物レンズ４の励磁電流補正値から求めることができる。
こうして得られたｄ，ｆａ，ｆｂからΔθのＸ方向成分はａｔａｎ｛（ｆｂ−ｆａ）／ｄ｝と計算される。ΔθのＹ方向成分もＹ軸に平行な直線上に設定した２つの焦点位置測定視野での測定から同様の方法で求めることができる。試料面への電子ビームの入射角Δθが判明すれば、電子ビームをΔθだけ傾けて試料面に入射させることでΔθ＝０を達成することができる。電子ビームの入射角の調整は、前述したように上下二段の偏向器６の出力を制御することによって行うことができる。
なお、焦点位置測定視野ａにおける正焦点位置ｆａと焦点位置測定視野ｂにおける正焦点位置ｆｂの代わりに、焦点位置測定視野ａにおける正焦点位置からの焦点ずれ量及び焦点位置測定視野ｂにおける正焦点位置からの焦点ずれ量を用いても同様の結果を得ることができる。焦点位置測定視野における正焦点位置からの焦点ずれ量は、試料ステージによって試料を光軸方向に移動しながら各位置で試料面のラインプロファイルを測定し、最も急峻なラインプロファイルを得るために試料を移動させた光軸方向の距離として求めることもできる。
なお、入射電子ビームの正焦点位置を求めるためには、上述したように、（１）試料高さを変えたり、（２）対物レンズの励磁電流を変えることにより、試料面に対する入射電子ビームの焦点位置を変化させながらラインプロファイル群を形成し、波形の立ち上がり部及び立ち下がり部が最も急峻なラインプロファイルが得られた焦点位置を正焦点位置とする。このとき、正焦点位置を高精度に求めるためには焦点深度が浅い状態で調整した方が良い。焦点深度ＤＯＦは、観測倍率Ｍと電子ビームの半開角αを用いて、ＤＯＦ∝ｌ／Ｍαで表されることから、図６のステップ１３におけるように、（１）パターン寸法測定時の倍率よりも高い倍率、（２）パターン寸法測定時の電子ビーム開き角よりも大きい電子ビーム開き角、を用いて正焦点位置を求める。
また、電子ビーム入射角を制御する代りに、求めた入射角Δθを用いてパターン寸法計測値を補正し、補正した値をパターン寸法測定値として出力することも可能である。例えば、ラインプロファイルが非対称になる効果を考えなければ、次式によってΔθの影響を補正することができる。ただし、この場合には、ラインプロファイルの非対称性を単純なアルゴリズムで補正することは難しく、測定精度向上のためには実測データに裏付けられた補正アルゴリズムを必要とする。
（測定結果として出力する寸法測定値）＝（寸法計測値）／ｃｏｓΔθ
なお、本発明の有効性が発揮されるのはパターン寸法の測定に限られない。本発明を適用することで、あらゆる種類の二次元及び三次元形状をより高い精度で計測できる。例えば、入射角の異なる複数の試料像を用いて算出されたホールや溝の底面の深さ・側面の傾き、断面試料から求められた膜厚や接合深さなどをより高精度に測定することが可能になる。
例として、図９の模式図及び図１０のフローチャートを用いて、パターンの高さＨ及び側壁の傾斜角θを求める場合を図９に示す。パターンの高さＨ及び側壁の傾斜角θは、半導体デバイスのゲート加工やトレンチ加工を精密に制御するために必要とされる。電子ビームを垂直に入射させた場合の像上での側壁の長さＬｐと、電子ビームをαだけ傾けて入射させた場合の長さＬｉとから、図１０に示すような手順でパターンの高さＨと側壁の長さＬ及び傾斜角θを求める。Ｌｐ及びＬｉをより正確・精密に計測することができれば、当然のことながら、Ｈ，Ｌ，θのより確かな値を算出することができる。
まず、ステップ３１において、電子ビームを試料面に垂直入射させ、そのときのパターン像からＬｐを測定する。次に、ステップ３２において、電子ビームを試料面に入射角αで斜め入射させ、そのときのパターン像からＬｐを測定する。ステップ３３において、関係式Ｌｐ＝Ｌｃｏｓθ及びＬｉ＝Ｌｃｏｓ（θ−α）からＬとθを求める。更に、ステップ３４において、関係式Ｈ＝Ｌｓｉｎθから高さＨを求める。
一方、観測倍率を標準試料を用いて校正する場合にも、より高い精度での校正が実現される。校正精度が高ければ、この装置を用いた全ての計測がより高精度で行えることに繋がる。
校正用標準試料の例を図１１に示す。図１１の上方に示したのは校正用標準試料の平面図、下方に示したのは断面図である。この校正用標準試料は、光干渉露光法と異方性のウエットエッチング法を用い、ＬＳＩ加工に準じたプロセスで、Ｓｉ単結晶基板上に微細なラインパターン群を加工したものである。この方法によると極めて正確なピッチのライン群を形成できるため、測長ＳＥＭの倍率を校正するために使われている。
電子ビームを垂直入射させて図１１の平面図に相当したパターン像を形成し、像上のピッチを測定しながら、該測定値が標準試料ピッチの校正値と一致するように測長ＳＥＭの観測倍率を調整する。この場合も、ピッチの測定が正確・精密であるほど、精度の高い校正が行える。
また、画面全体に渡ってより高解像の試料像を形成できる。このことも、試料画像を用いた全ての計測がより高精度で行えることに繋がる。
上記実施の形態では、電子ビームを用いた測長ＳＥＭを例にとって説明した。しかし、本発明が適用される装置はＳＥＭに限られない。本発明は、プローブとして電子ビーム以外のイオンビームやレーザビームなどを用いた装置にも同様に適用できる。例えば、測長ＳＥＭの電子ビームの代わりに、走査ビームとしてレーザビームを用いれば、同様の原理でパターン寸法や二点間の距離を計測することが出来る。このような場合にも、走査レーザビームの入射角を正確・精密に制御することが、計測精度を向上することに繋がる。
産業上の利用可能性
以上のように、本発明によると、電子ビーム入射角を精密に制御できることから、直接的な効果あるいは試料像の高解像度化や校正精度の向上など間接的な効果によって、パターン寸法を始めとする二次元形状値あるいはホール深さなどの三次元形状値をより高精度に求めることができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明によるパターン形状測定装置の一例としての測長ＳＥＭの概略構成を示す図である。
図２は、電子ビーム入射角が０でないことに依りパターン寸法測定精度が低下することを示すための図である。
図３は、本発明の原理となる電子ビーム入射角と焦点面、試料面との関係を説明するための図である。
図４は、試料が傾斜している場合のラインプロファイルの形状変化を示す図である。
図５は、ビーム焦点位置とラインプロファイル形状の関係を示す図である。
図６は、本発明によるパターン寸法測定処理の一例のフローを示す図である。
図７は、寸法測定視野と焦点位置測定視野の関係を説明する図である。
図８は、試料ステージにおいて試料高さを調整するための構成例を示す図である。
図９は、パターン高さ及び側壁傾斜角を説明するための模式図である。
図１０は、パターン像からパターン高さ及び側壁傾斜角を求めるためのアルゴリズム例を示す図である。
図１１は、倍率校正用標準試料の説明図である。
Claims (11)
- 細く絞ったプローブを試料面に照射し、前記プローブとの相互作用により試料から発生した信号を検出し、当該検出信号を用いて試料面に形成されたパターンの寸法を測定する方法において、
前記試料面上の複数の視野において入射プローブが試料面に焦点を結ぶ入射プローブの正焦点位置を求め、前記正焦点位置を求めた視野間の距離と前記各視野における正焦点位置の差とから入射プローブが試料面となす入射角を求めることを特徴とするパターン寸法測定方法。 - 細く絞ったプローブを試料面に照射し、前記プローブとの相互作用により試料から発生した信号を検出し、当該検出信号を用いて試料面に形成されたパターンの寸法を測定する方法において、
前記試料面上の複数の視野において入射プローブが試料面に焦点を結ぶ入射プローブの正焦点位置を求め、前記正焦点位置を求めた視野間の距離と前記各視野における正焦点位置の差とから入射プローブが試料面となす入射角を求め、入射プローブの入射角及び／又は試料面の傾きを調整し前記プローブの入射角を所定の値に設定することを特徴とするパターン寸法測定方法。 - 細く絞ったプローブを試料面に照射し、前記プローブとの相互作用により試料から発生した信号を検出し、当該検出信号を用いて試料面に形成されたパターンの寸法を測定する方法において、
前記試料面上の複数の視野において入射プローブが試料面に焦点を結ぶ入射プローブの正焦点位置を求め、前記正焦点位置を求めた視野間の距離と前記各視野における正焦点位置の差とから入射プローブが試料面となす入射角を求め、得られたパターン寸法計測値を当該入射角を用いて補正することを特徴とするパターン寸法測定方法。 - 細く絞ったプローブを試料面に照射し、前記プローブとの相互作用により試料から発生した信号を検出し、当該検出信号を用いて試料面に形成されたパターンの寸法を測定する方法において、
前記試料面上の複数の視野において入射プローブの焦点が試料面に焦点を結ぶ正焦点位置となるように試料面の傾きを調整し、その後パターン寸法を測定することを特徴とするパターン寸法測定方法。 - 請求項１〜４のいずれか１項記載のパターン寸法測定方法において、前記正焦点位置を求める操作を、パターン寸法測定時の倍率よりも高い倍率で行うことを特徴とするパターン寸法測定方法。
- 請求項１〜４のいずれか１項記載のパターン寸法測定方法において、前記正焦点位置を求める操作を、パターン寸法測定時の入射プローブ開き角よりも大きい入射プローブ開き角で行うことを特徴とするパターン寸法測定方法。
- 請求項１〜６のいずれか１項記載のパターン寸法測定方法において、前記正焦点位置を求める操作を、入射プローブの焦点位置を変化させながら検出信号のラインプロファイル群を形成し、最も急峻なラインプロファイルが得られた焦点位置を正焦点位置とすることを特徴とするパターン寸法測定方法。
- 請求項１〜７のいずれか１項記載のパターン寸法測定方法において、前記正焦点位置を求めるための視野をパターン寸法測定視野の範囲外に設定することを特徴とするパターン寸法測定方法。
- 請求項１〜８のいずれか１項記載のパターン寸法測定方法において、前記正焦点位置を求めるための視野への移動を入射プローブを電磁気的に偏向させることによって行うことを特徴とするパターン寸法測定方法。
- 請求項１〜９のいずれか１項記載のパターン寸法測定方法において、前記正焦点位置を求めるための視野が、パターン寸法測定視野を通り試料ステージの移動方向に沿った一本又は二本の直線上に配置されていることを特徴とするパターン寸法測定方法。
- 請求項１〜１０のいずれか１項記載のパターン寸法測定方法において、前記プローブが電子ビーム、イオンビームあるいはレーザビームであることを特徴とするパターン寸法測定方法。
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