JPWO2017179138A1 - パターン計測装置およびパターン計測方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、深溝や深孔の形成精度によらず、高精度に溝底や孔底等を測定することが可能なパターン計測装置の提供を目的とする。そのために本発明では、荷電粒子線装置にて得られた信号に基づいて、試料上に形成されたパターンの寸法を測定する演算装置を備えたパターン計測装置であって、前記演算装置は、前記試料に対する荷電粒子ビームの走査に基づいて得られた検出信号から、パターンの第１の部分と当該第１の部分とは異なる高さにある第２の部分とのずれと、前記パターンの寸法値を求め、当該検出信号から求められたずれと、前記パターンの寸法と前記ずれとの関係を示す関係情報を用いて、前記パターンの寸法値を補正するパターン計測装置を提案する。

Description

本発明は、半導体デバイス上に形成されたパターンを計測する装置、及び方法に係り、特に、深孔や深溝等のアスペクト比の大きなパターンの計測を行う装置、方法に関する。

半導体デバイスの製造では、近年、微細化の進行が鈍化し、微細化に頼る集積化が困難となりつつある。一方で、高集積化への要望は高く、微細化の代替としての構造の３次元化が進みつつある。また、デバイスの３次元化によって、異層間の重ね合わせ誤差や、深い溝や穴の寸法が重要な評価項目になりつつある。例えば、いわゆる３Ｄ−ＮＡＮＤのような積層デバイスでは、高集積のために層数が増え、デバイス全体として厚くなる方向にある。

一方、微細化と３次元化が進む半導体デバイスを測定する装置として走査電子顕微鏡が知られている。しかし、深い溝や穴の計測では、パターン底部からの信号電子の脱出が少なく、表面の計測に比較して精度が低くなる傾向にある。このため、上層と下層を透過するエネルギーの電子を用いて重ね合せを測定する測定法が知られている（特許文献１、２）。また、深溝穴の深さ測定にも電子線の計測装置を用いることも行われている（特許文献３）。

上記の深い穴や、溝の形成にはエッチングによる加工が用いられ、形状を正しく形成するためにはエッチングプロセスの制御が重要である。深溝や深穴には、開口の寸法に対する深さの比（ａｓｐｅｃｔ ｒａｔｉｏ）が１０以上のパターンが含まれている。溝穴のエッチングでは、垂直加工のウエハ面内均一性が高いレベルで要求されており、面内分布を計測しエッチング装置へフィードバックすることが歩留まり向上の鍵である。特に、膜厚が厚く、結果として高アスペクト比となるようなパターンは、ウエハの外周部で加工均一性が低下する傾向にあり、傾いて加工されることがある。

半導体パターンに限らず、立体形状を走査電子顕微鏡にて観察計測する際には、試料台または電子線を傾け、試料に対する入射角度を変え、上面からの照射とは異なる複数の画像でいわゆるステレオ観察を用いて、パターンの高さ、側壁の角度などの断面形状や、３次元再構成を行うビームチルト計測ができることが知られている（特許文献４）。試料とビームの設定角度精度が得られた断面形状や再構成された３次元形状の精度に大きく影響することが課題であり、このために角度校正を高精度に行うことが実施されている（特許文献５）。

特許第５７２２７１９号公報（対応米国特許ＵＳＰ９，０４６，４７５） 特開２０１４−８６３９３号公報（対応米国特許ＵＳＰ９，２２４，５７５） 特開２０１５−１０６５３０号公報 特許第４６８９００２号公報（対応米国特許ＵＳＰ６，４５２，１７５） 特許第４５００６５３号公報（対応米国特許ＵＳＰ７，１６４，１２８）

深孔や深溝のアスペクト比が大きくなると、深孔や深溝の底部から放出される電子の検出効率が低下する。また、発明者らの検討によって、検出効率の低下だけではなく、高アスペクト化に起因する異なる測定精度低下要因があることが明らかになった。深孔や深溝パターンは、試料表面の垂線方向から見て、上部と底部の中心が一致していることが望ましいが、アスペクト比が大きい程、適正な加工を行うことが困難となる。そして、発明者らは、上部と底部間の位置ずれが底部の測定精度に影響を与えると共に、その影響がある傾向を持つことを新たに見出した。特許文献１乃至５には、３次元構造の試料の観察や測定を行うための種々の手法が説明されているが、パターンの上部と底部のずれに起因する測定精度低下を解消する手法については何等言及されていない。

以下に、深溝や深孔の形成精度によらず、高精度に溝底や孔底等を測定することを目的とするパターン計測装置、パターン計測方法を提案する。

上記目的を達成するための一態様として、荷電粒子線装置にて得られた信号に基づいて、試料上に形成されたパターンの寸法を測定する演算装置を備えたパターン計測装置であって、前記演算装置は、前記試料に対する荷電粒子ビームの走査に基づいて得られた検出信号から、パターンの第１の部分と当該第１の部分とは異なる高さにある第２の部分とのずれと、前記パターンの寸法値を求め、当該検出信号から求められたずれと、前記パターンの寸法と前記ずれとの関係を示す関係情報を用いて、前記パターンの寸法値を補正するパターン計測装置、及び方法を提案する。

上記構成によれば、深溝や深孔の形成精度によらず、高精度に溝底や孔底等を測定することが可能となる。

走査電子顕微鏡を含むパターン計測装置の概要を示す図。 溝状パターンの断面図、画像、及び信号波形を示す図。 傾いた溝状パターンの断面図、画像、及び信号波形を示す図。 上部寸法値、底部寸法値、及び上下のずれ量の関係を示す図。 底部寸法と上下のずれ量の関係を示す図。 深穴パターンの画像、及び信号波形を示す図。 パターンの測定工程を示すフローチャート。 パターンの測定工程を示すフローチャート。 測定値の面内分布を示す図。 異なる検出器によって検出された検出信号に基づいて生成された画像と信号波形を示す図。 底部寸法、上下ずれ量、及び両者の関係情報に基づいて、正確な底部寸法を求める工程を示すフローチャート。

以下に説明する実施例は主に、電子線を用いたパターン計測装置で、深溝穴の底部の寸法や、パターンの傾きを精度よく行うためのものである。アスペクト比の高いいわゆる深い溝、深い穴のパターンの傾きや底部の寸法を精度良く計測することが半導体デバイスとしての良品の取得率を決定する大きな要因となる。いわゆる走査型電子顕微鏡を応用したパターン計測装置は、エネルギーを持った電子線を試料に照射し、試料に侵入した電子と物質の相互作用に基づく散乱現象で発生した２次電子や後方散乱電子を検出する装置である。固体内での散乱は入射する電子のエネルギーに依存して一定の広がりを持ち、溝や穴の側壁と底から発生した電子の区別がし難いだけでなく、発生した電子が側壁に衝突して消滅したり、側壁を透過して試料表面から出射されるため、平坦な試料に比較して信号量が極端に減少し、信号ノイズ比の低い画像や信号強度波形にならざるを得ない。

さらに、パターンが傾きを持っている場合、側壁での局所的な透過や散乱で複雑な挙動となるため、パターンの傾き角度や底部の寸法を測定する精度が不足する。

以下に説明する実施例は、アスペクト比の高い穴または溝の寸法を精度よく計測することが可能なパターン計測装置、及びパターン計測方法に関する。

以下に説明する実施例では、例えば、基板上に形成されたパターンに対して一次電子線を走査して照射する一次電子線照射手段と、一次電子線が照射された前記基板から放出される電子を検出する２つ以上の電子検出手段と、それぞれの電子検出手段で検出した電子の信号強度に応じた２つ以上の電子線像を形成する像形成手段とを有し、１つまたは２つの検出器からの電子線像を選択し、２つ以上の寸法を算出する手段と、２つ以上の像中心位置を算出する手段と、あらかじめ決定されたパラメータから寸法の値を変換する変換手段とを設けて寸法の値を変換するパターン計測装置を例に採って説明する。なお、検出器は１つ以上あれば良く、深孔等の深い部分（第１の部分）と相対的に浅い部分（第２の部分）のそれぞれの情報を適正に取得できれば良い。

また、上記パラメータは、電子ビームを複数の入射角から照射することによって得られる測定値に基づいて生成されるものであり、パターンの上下ずれの変化と底部寸法の変化を関数化、或いはテーブル化したものである。関数やテーブルのような関係情報を生成するための測定処理を実行する動作プログラムを所定の記憶媒体に記憶させておくことによって、上記パラメータを自動で抽出することが可能となる。更に、ビーム傾斜角度を評価するための評価用試料を備え、当該評価用試料を用いてビームの照射角度を校正し、一次電子線の傾斜角度と像中心位置の差からパターンの傾斜角度を算出する演算装置を備えることもできる。

上記構成によれば、半導体デバイスの製造工程で発生するパターンの傾きや、パターン底部の寸法を精度よく計測することができる。

以下、図面に基づいて、パターンの底部等を高精度に測定することができるパターン測定装置を説明する。なお、本発明の実施態様は、後述する実施例に限定されるものではなく、その技術思想の範囲において、種々の変形が可能である。

図１に、本実施例で使用する荷電粒子線装置の一例を示す。本実施例では、荷電粒子線装置の一態様である走査電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＥＭ）を例にとって説明するが、パターン計測装置の信号波形取得装置として、イオンビームの走査に基づいて信号波形や画像を生成するイオンビーム装置等の他の荷電粒子線装置を用いても良い。走査電子顕微鏡本体は、電子光学カラム１と試料室２で構成される。

カラム１の内側には、電子を発生させ特定の加速電圧でエネルギーを与えられた一次電子線（以下、電子ビーム）の放出源である電子銃３、電子ビームを集束するコンデンサレンズ４、電子ビームを試料（ウエハ１１）上で走査する偏向器７、及び電子ビームを集束して試料に照射する対物レンズ８が備えられている。更に、カラム１内には電子ビームを理想光軸から離軸させ、離軸したビームを理想光軸に対して傾斜した方向に向かって偏向することで、傾斜ビームとする偏向器５が設けられている。ウエハ１１から放出された２次電子等は、Ｅ×Ｂ偏向器（直交電磁界発生器）６によって、検出器９に向かって偏向される。ウエハ１１には図示しない負電圧印加電源より、負電圧が印加されており、ウエハ１１から放出された２次電子は、ウエハ１１と対物レンズ８との間に形成される電界によって、電子銃３方向に向かって加速される。ウエハ１１と対物レンズ８との間には、主に後方散乱電子を検出するための検出器１０が配置されている。

電子線は、電子線走査コントローラ１７から与えられる信号で駆動される偏向器７により走査される。走査は、例えばＸ方向に１ラインを走査し、Ｙ方向に１ライン（通常は画素に相当）分だけ位置をずらして、次のラインを走査する。これを繰り返して面状に走査する。走査信号と、後述する電子検出器から出力される信号を同期させることにより、画像を形成する。試料室２に設置されるＸＹステージ１３は、ステージコントローラ１８から与えられる信号に従いウエハ１１を移動させる。ＸＹステージ１３上には、電子線の校正に使用する標準試料１２が取り付けられている。また、ＸＹステージ上に試料であるウエハを導入載置（ウエハロード）した際に、位置や回転を検出しアライメントを行うための光学顕微鏡１４を有している。

電子検出器９および電子検出器１０から出力される検出信号は、アンプ１５および１６において信号変換され、画像処理装置１９に入力される。画像処理装置１９は、検出信号を必要に応じて加算やあらかじめ決定された方式での信号変換をして画像化する。本実施例では、検出器９は２次電子を主として検出し、その検出信号は主にウエハ表面（上層）のパターン情報を示し、電子検出器１０は主に後方散乱電子を検出し、その検出信号は主にパターンの下層の情報を示す。なお、パターンの上側と下側の信号を検出するために、例えば下層のパターンまで到達し得る高加速の電子ビームをウエハ１１に照射するようにしても良い。また、深溝の底部を測定する場合に、試料表面を帯電させるためのビームを照射した後に、測定用の電子ビームを走査することによって、孔底測定を行うための検出信号を取得するようにしても良い。

さらに、画像処理装置１９は、得られた画像から、例えば試料上のパターンの寸法などの特徴量を算出する機能を持つ。この特徴量を算出する演算は、複数の電子検出器から得た複数の画像を対象にすることも可能である。制御ＰＣ２０は、電子線計測装置全体の動作を制御する制御装置であり、上記画像処理や信号処理を総合的に制御する。また、後述する寸法値を変換する機能や、パターン角度を算出する機能、更にこれらの変換や算出に必要なパラメータを測定データから決定する計算プログラム機能などが内蔵されている。また、制御ＰＣ２０には、表示装置２１が接続されており、画像や演算結果や測定結果を表示する機能をもつ。

偏向器５は、少なくとも１段の偏向器を有するビーム傾斜用の偏向器である。１段偏向を行う場合には、偏向器５は対物レンズ８の物点位置に配置される。対物レンズ８の振り戻し作用によって、理想光軸に対して傾斜した方向からビームを照射する。また、２段の偏向器を用いる場合には、上段の偏向器によって電子ビームを理想光軸から離軸させ、下段の偏向器によって、所望の傾斜角となるように電子ビームを偏向する。図１は、２段の偏向器を有する傾斜ビーム用偏向器を例示しているが、目的や要求精度に応じて多段を装備してもよい。また、ＸＹステージを傾斜させることによって、試料に傾斜ビームを照射するようにしても良い。本実施例では、角度を変えて設定する速度が速い電子光学的に傾斜させる方法を用いたが、効果はＸＹステージを傾斜させる方法も同一である。

電子ビームの入射角は、ＸＹステージあるいは試料に対して校正することができる。例えば、標準試料１２としてピラミッド形状のパターンを備え、画像に現れるピラミッドの４つの面が同じ形状となるように、偏向器５によって電子ビームを偏向することによって、電子ビーム軌道を理想光軸と一致させることができる。また、ピラミッドの各面の幾何学的演算に基づいて、所望の傾斜角となるように、電子ビームの軌道を調整することもできる。このような演算に基づいて、偏向器５の偏向条件（制御値）を決定する。

複数の角度毎に、電子ビームが正確な傾斜角となるようにビームの軌道を校正し、その際の偏向器５の制御値を記憶することで、後述する複数の照射角度でのビーム照射を適正に行うことができる。予め校正された偏向条件にて、ビーム照射を行うことによって、傾斜ビームを用いた測定を自動的に実行することが可能となる。本実施例では、試料と電子ビームの相対角度をビーム入射角度とするが、理想光軸と電子ビームの相対角度をビーム入射角度と定義するようにしても良い。通常の電子線計測装置（ＳＥＭ）では基本的に、電子ビーム軌道は、ＸＹステージの移動軌道（Ｘ方向とＹ方向）に対して垂直に設定されている。Ｚ方向をゼロ度と定義し、Ｘ方向、Ｙ方向共に傾斜角をプラス、マイナスの数字で示す。ＸとＹを組み合わせてあらゆる方向の角度の設定が可能である。

次に、ビーム走査によって得られる波形信号（プロファイル波形）を用いたパターン測定法の概要について、図２を用いて説明する。図２（ａ）は、溝形状パターンの断面図である。溝の上部に対して下部の寸法が小さく形成されており、側壁は試料の垂線（Ｚ軸）に対し、０．１度から０．２度の相対角を持っている。図２（ｂ）は、図２（ａ）に例示したパターンに対するビーム走査に基づいて得られる画像の一例を示す図である。図２（ｂ）に例示する画像には、Ｙ方向を長手方向とする溝状のパターンが表示されている。ビーム走査を行う場合には、Ｘ方向にライン状に走査すると共に、走査位置をＹ方向に移動させることによって、２次元走査を行う。画像の中心部が溝底に相当し、通常は上部よりも暗く見える。図２（ｃ）は、Ａ−Ａ’の位置での１ラインの信号強度波形を示す。ここでは、説明のため、ノイズを除去して表示してある。概ね、波形の高い部分は形状の上部に相当し、低い部分は底部に相当する。溝底から放出される電子は、試料表面から放出される電子と比較すると、側壁に衝突する電子の分、相対的に数が少なく、結果として試料表面と比較して溝底の輝度が低くなる。

本実施例では、閾値設定に基づいて、パターン寸法を測定する。閾値と信号波形の交点間の距離をパターンの寸法値として出力することによって、半導体デバイス製造工程の管理を行う。例えば、閾値１を設定すれば交点ａ１とａ２のｘ座標の差を寸法Ａとして算出できる。また、閾値２を設定すれば、交点ｂ１とｂ２の座標の差を寸法Ｂとして算出することができる。ここでは、閾値ａは信号波形の全高の９０％、閾値ｂは信号波形の１０％とした。閾値１は信号のノイズに埋もれない範囲で高い方が良く、閾値２についても、ノイズに埋もれない範囲で低い位置に設定することによって、溝底の寸法を正確に測定することができる。

ここで、寸法Ａをパターン上部の寸法、寸法Ｂをパターンの底部の寸法と定義する。また、図２（ｃ）の信号プロファイルを異なるＹ方向の位置で複数取得し、当該複数の信号波形を加算平均することによって、シグナルノイズ比が向上し、結果として、計測精度を高めることができる。図２（ｄ）は、別の加速電圧や検出器の画像の例を示す。パターン底部の信号波形の形状が異なっている。この場合には、閾値２を全波高の０％とすることも可能である。

図３（ａ）は、図２（ａ）に対し、溝形状パターンが傾いている例を示す図である。この例では、左側の溝側壁に対して右側の側壁の方が垂直に近い。両側の側壁の傾きの平均値をパターンの傾きと定義する。例えば、左側の側壁が垂直に対して０．３度左側（−０．３度）に、右側の側壁が垂直に対して０．１度右側（０．１度）に傾いていたとすると、パターンの傾きは、左側に０．１（−０．１度）度となる。図３（ｂ）は、図３（ａ）に例示した溝状パターンのＳＥＭ画像を示す図である。図３（ｂ）に例示する画像では、底部が右側に移動しており、パターンが傾いていることが確認できる。図３（ｂ）のＢ−Ｂ’の信号強度波形を図３（ｃ）示す。信号波形も非対称になっている。図２と同一の閾値（全高の１０％と９０％）を設定すると、図２に例示するパターンと、図３に例示するパターンの実際のパターン寸法が同じであったとしても、図３の交点ｂ１とｂ２間の寸法は、図２の寸法に対して小さくなる。図２（ａ）のパターンと、図３（ａ）のパターンの底部の形状は同一であるにもかかわらず、パターン傾きがある場合には、測定の誤差が生じている。即ち、測定対象となるパターン部位ではなく、その他の要因（パターンの上下ずれ）によって、測定値が変化することになる。

図３（ｄ）は、（ａ１＋ａ２）／２、及び（ｂ１＋ｂ２）／２を求めることによって、ａ３、ｂ３を算出した例を示す図である。交点ａ１とａ２の中心位置がａ３、交点ｂ１とｂ２の中心位置がｂ３となる。ここで、ａ３とｂ３の座標の差を上下のずれと定義すると、このずれ量はパターンの傾き角度を表す指標値となる。

本実施例では、ビームの入射角度を１つ設定し、その角度でビームを走査して画像を形成し、次に入射角度を変えて再び画像を形成させることを複数回繰り返し、得られた複数の画像それぞれで、上部寸法、底部寸法、及び上下のずれ量を計測した。図４（ａ）は、複数の入射角毎に上部寸法、底部寸法、上下のずれ量を計測し、それぞれの値をプロットしたグラフの一例を示す図である。本実施例では、ビームの入射角度を−０．５度から＋０．５度まで、０．０５度ずつ変化させたときの上記寸法値、及びずれ量を取得した。上部寸法は、ビーム入射角度の変化に寄らず、一定の値を維持する傾向にある一方、底部寸法は、傾斜角が大きくなる程、減少する傾向にある。更に、上下ずれ量と入射角度は比例する関係となった。

図４（ａ）は図２に例示するような上下ずれのないパターンに対するビーム走査によって得られた結果を示すものであり、ビーム入射角がゼロのときに、上下ずれもゼロとなる。換言すれば、ビームの入射方向と、上側パターンの中心と下側パターンの中心を結ぶ接続線の方向が一致したときに、上下ずれがゼロとなる。また、ビーム入射角度と、接続線とＺ軸との間の相対角度が一致したときに、底部の寸法が最大となる。即ち、上下のずれ量が０になるビーム入射角度は、パターンの傾きを示し、上下のずれ量が０になる角度で、底部寸法が最大値を示す。

図４（ｂ）は、図３に例示したような傾いたパターンに対する電子ビーム走査によって、上部寸法、底部寸法、上下のずれ量を測定し、その結果をプロットしたグラフを示す図である。ビーム照射角の変化に応じて、底部寸法が変化する点、上下ずれとビーム入射角度が比例の関係にある点は図４（ａ）と同一であるが、底部寸法が最大値をとる点が、ビーム入射角０度から移動し、上下のずれ量が０となる位置も同様に移動している点が異なる。

上述のような測定結果は、ビーム入射角度が、パターンの傾き角度とビーム入射角が平行になった角度で、上下ずれ量が０でかつ底部寸法が最大になることを示している。

図４（ｃ）は、上記傾向に基づいて、上下のずれと底部寸法の関係に変換してプロットしたグラフの一例を示す図である。複数のパターンを用いて計測を実施し、それぞれを上記のように変換すると、パターンの傾き角度に依存せず、上下のずれ量が０になる点で底部寸法が最大となる概ね１つの曲線上に表すことができた。

このことは、計測すべきパターンをあらかじめ複数の入射角で測定し、それぞれのパターン傾き角度によらずこの曲線に乗ることが分かっていれば、１種類のビーム入射角度（例えば０度）でも、上下のずれ量から底部寸法に補正値を加える演算が可能であることを示している。

図５は、複数の溝状パターンに対する複数の入射角度のビーム照射に基づいて、複数の入射角度に応じたパターンの底部寸法と、上下ずれ量を求め、当該複数の測定結果に基づいて、上下ずれ量の変化と底部寸法の変化を関数化した例を示す図である。図５（ａ）は最大値の両側で直線的に減少する場合、図５（ｂ）は曲線で減少する場合、図５（ｃ）は最大値近傍で入射角度依存が少なく平坦な領域がある場合である。図５（ａ）で、傾きａはあらかじめ同種の複数のパターンを計測して得られたものである。

まず、あるパターンにビーム入射角０度のビームを照射することによって取得される検出信号を用いて、上下のずれ量Ｄ、底部寸法Ｂを計測する。これらの測定結果と、式（１）を用いて、パターンの上下ずれによらない、本来の底部寸法Ｂ´を求める。

Ｂ´＝ａ×Ｄ＋Ｂ・・・（式１）
ａは、上下ずれ量の変化に対する底部寸法の変化を示す係数であり、このような係数を予め求めておき、実際の底部寸法と上下ずれ量の計測を行うことによって、本来の底部寸法を算出する。また、係数ａはずれの方向に応じて符号を変える必要がある。

図５（ｂ）は、上下ずれ量の変化に応じて、底部寸法が二次関数的に変化する場合の両者の関係を示すグラフである。曲線は２次関数で近似できるため、
Ｂ´＝ａ×Ｄ^２＋ｂ×Ｄ＋ｃ＋Ｂ・・・（式２）
で表すことができる。ここで、ａ、ｂ、ｃはあらかじめ求めた定数である。

また、図５（ｃ）（ｄ）は、上下ずれが小さい範囲では、上下ずれの変動が底部寸法の計測値に大きな影響を与えず、上下ずれが大きい範囲では、上下ずれの変動が底部寸法の計測値に大きな影響を与える場合の底部寸法と上下ずれとの関係を示すグラフである。上下ずれの計測値が所定範囲内（−Ｄ１〜＋Ｄ１）である場合には、図５（ｃ）に例示するように、計測値と本来の寸法値が同じ（式３）であるものとして計測値を出力し、上下ずれの計測値が所定範囲外である場合には、上下ずれに応じた測定値の変動があるものとして、図５（ｄ）に例示するように、式４を用いて計測値を出力する。式３、式４に例示するような演算式を予め所定の記憶媒体に記憶させておくことによって、正確な底部寸法を求めることが出来る。

Ｂ´＝Ｂ（−Ｄ１ ＜ Ｄ ＜Ｄ１の場合）・・・（式３）
Ｂ´＝ａ×Ｄ＋Ｂ（−Ｄ１＞Ｄ またはＤ＞Ｄ１の場合）・・・（式４）
ここで、ａはあらかじめ求めた定数である。これらの補正演算は、演算装置で測定毎に演算を行ってもよいし、画像処理装置内でハードウェアのテーブル変換を用いてもよい。また、測定毎ではなく、１試料の測定がすべて終了した時点でまとめて複数点の演算を行ってもよい。ここで、Ｄ１の演算に必要なパラメータは、あらかじめ測定して決定しておく。

図１１は、予め記憶された補正情報を用いて、パターンの底部を測定する工程を示すフローチャートである。まず、測定対象となるパターンが形成されたウエハをＳＥＭの真空試料室に導入（ステップ１１０１）し、測定対象となるパターンにビーム走査を行うことによって得られる信号を検出し、プロファイル波形を生成する（ステップ１１０２）。本実施例では、パターン底部の寸法を正確に測定するために、パターン底部だけではなく、上下ずれも併せて取得する（ステップ１１０３、１１０４）。上下ずれ量を計測するために、ウエハに到達する電子ビームのエネルギー（ランディングエネルギー）を２つの状態に変化させ、それぞれの状態で得られたパターンのエッジ情報に基づいて、パターンの重心（或いは中心）を求め、重心間のずれを上下ずれ量とすることが考えられる。また、測定用のビーム走査に基づいて、上部の画像を取得し、更に試料表面を正帯電させるためのビーム走査を行った後に、下部の画像を取得するためのビーム走査を行うようにしても良い。重心は例えば、ＳＥＭ画像に基づいてエッジの輪郭線を抽出し、エッジを基準とした距離画像を生成することによって、求めることができる。

プロファイル波形に基づいて、下部の測定値の取得を行うと共に、上記のような上下ずれ量の取得を行うことによって、上述のような演算式を用いた下部寸法の演算を実行する（ステップ１１０５）。なお、本実施例では制御ＰＣ２０に記憶された演算式やテーブルに基づいて上記演算を行う例について説明したが、他の演算装置によって上記演算を行うようにしても良い。

また、上述の実施例では、パターンの最表面と底部との間のずれに基づいて、底部の寸法を補正する例について説明したが、これに限られることはなく、例えば深溝や深孔の中間部位（上部と底部との間にある所望の測定個所）と上部、或いは底部とのずれ量の測定に基づいて、底部や中間層の寸法値を補正するようにしても良い。

上記の底部寸法の補正と同様に、ビーム入射角０度で計測した上下のずれ量から、パターンの傾斜角度を演算することができる。図４（ａ）や図４（ｂ）において、ビーム入射角とずれ量の比例関係があらかじめ求められておりビーム入射角０度で計測した上下のずれ量から、パターンの傾斜角度を算出できる。このように、パラメータである比例関係の係数をあらかじめ求めておけば、ビーム入射角度０度での上下のずれ量を一度だけ測定することで、パターンの角度を算出することが可能となる。通常、パターンの深さが未知の場合には、ずれ量から角度を算出することはできないが、本方法ではビーム入射角を角度で校正しているため、ずれ量から直接、角度の数値を算出することが可能である。

上記実施例は溝パターンを例として説明してきたが、穴パターンも断面を選択すれば同様の信号波形となることが得られている。図６（ａ）は穴パターンの画像を示す。溝と同様に底部と側壁が観察できる。断面Ａ−Ａ’の信号波形を図６（ｂ）に示す。閾値１を設定することで上部寸法を、閾値２を設定することで底部寸法を測定できる。また、画像上で別の角度（方位角とする）断面Ｂ−Ｂ’でも同様の波形を得られることは自明である。ただし、底部寸法を計測する際には、断面は穴の仮想的な中心を通る必要があり、これは得られた画像全面で閾値を設定し、その交点位置に楕円形を近似することで求めることができ、中心位置の決定と寸法としての穴径を計測することができる。

図６（ｃ）は傾いた穴のパターンの画像である。断面Ｃ−Ｃ’を選択した場合の信号波形を図６（ｄ）に示す。この場合も、溝パターンで示したように、プロファイルの非対称性からパターンに傾斜があることがわかる。閾値１の中心と閾値２の中心位置の差から、傾きの大きさと、傾きの方位角方向を得ることができる。底部寸法の補正には、あらかじめ例えばＸＹ方向を４分割する１６方向の入射角度を方位角度ごとに変えてビーム入射角度と底部寸法、上下の中心位置のずれ量の関係をパラメータとして取得しておけばよい。

なお、Ａ−Ａ´方向の底部の寸法を測定する場合に、上部中心と底部中心との間のずれの方向が、Ａ−Ａ´方向に対しθ方向に発生している場合は、底部の寸法は例えば、
Ｂ´＝ｃｏｓθ×ａ×Ｄ＋Ｂ・・・（式５）
によって求めることができる。この場合、パターン上部中心と底部中心間のずれ量だけではなく、そのずれの方向をも画像処理を用いて求めることによって、ずれの方向によらず、正確な底部寸法を求めることができる。ずれの方向に応じた寸法値補正法は例えば式２、３、４等にも適用することができる。

次に、測定のシーケンスについて説明する。図７に測定の全体フローを示す。代表的な試料（ウエハ）を装置内のＸＹステージにロードし（ステップＳ１）、複数の箇所でビーム入射角度を変えながら測定を行う（ステップＳ２）。パターン上部の寸法、パターン底部の寸法、それぞれの中心位置の差のビーム角度依存性を測定する。さらに、寸法値を補正する補正パラメータを算出する（ステップＳ３）。次に、ビーム入射角度０度（試料に対して垂直入射）で試料上のあらかじめ決められた場所の測定を行う（ステップＳ４）。ステップＳ３で決定された補正パラメータでパターンの角度や寸法値を演算する（ステップＳ５）。ここで演算された値（例えば上下のずれや、当該ずれから求められる上下パターンの中心点間を結ぶ線分と、理想光軸との間の相対角）が、あらかじめユーザーが指定した規定の値を超えているかの判断を行う（ステップＳ６）。規定値の範囲を超えていなければ、最後の試料かを判断し（ステップＳ８）、最後の試料でなければ次の試料をロードする（ステップＳ９）。この後、ステップＳ４に戻って次の試料の測定を開始する。ステップＳ８で最後の試料であれば、測定を終了する。

ステップＳ６であらかじめユーザーが指定した規定値を超えている場合には、その場所の再測定を行う。このとき、角度が規定の値を超えている方向にビームを補正パラメータ算出に用いた角度よりも大きく傾斜させて測定を行う（ステップＳ７）。また、ユーザーが指定した規定値を超えている場合には、再度測定することを行わず、試料上のその箇所は一定値を超えたという属性を記憶して次の工程に進む方法もある。

上記に述べた補正パラメータを算出する工程を１度行えば、同一の製造工程の試料には適用可能である。図７に示すステップＳ１からステップＳ３までを１度行えば、試料を入れ替えてＳ４からＳ９までを繰り返せばよく、この間は、ビーム入射角は通常条件の０度のままで変化させる時間を要することがなく、スループットの低下を招くこともない。このときのフローを図８に示す。ステップに関する内容は図７に用いた符号と同一である。大量生産を行う半導体製造では、同一品種同一工程のウエハを大量に処理することが多いため、本方法は有効である。

得られた底部寸法や角度の演算結果は、数値をリスト形式で表示することが通常行われるが、視覚的に傾向を分かりやすくする目的で、試料上でのパターン位置に合わせて表示する（マップ表示）を行うことが効果的である。図９に、試料であるウエハ上での面内分布を表示した例を示す。ウエハ内の場所に応じてあらかじめ指定した規定値よりも小さい場合や大きい場合、あるいは、ビーム入射角度の範囲外で測定不能などを色や記号を用いて表示することが有効である。また、傾き角度の方向と大きさをベクトル表示する方法もある。これを加工装置などのプロセス装置にフィードバックすることで調整（チューニング）を行ったり、装置の異常、例えばエッチング装置のメンテナンスの時期を決定することなどに適用可能で生産管理や良品の収率（歩留まり）向上に適用することが可能である。

上記実施例では、１つの検出器による画像を用いたが、上部寸法を計測する画像と、下部寸法を計測する画像を形成する検出器を別の検出器としてもよい。走査電子顕微鏡等を備えたパターン計測装置では、検出する電子の種類として、２次電子と後方散乱電子に大別される。２次電子は、放出エネルギーが低いが、発生率が高く、物質の表面の情報を多く持っている特徴がある。また、電子ビームが３０ｋＶ程度の到達エネルギーを持つ場合、深孔や深溝の底で反射する後方散乱電子は、深溝や深孔の側壁に突入し、試料表面から脱出できるエネルギーを持つことになる。このような後方散乱電子の軌道は、電子ビームの理想光軸に対する相対角が大きいため、対物レンズ８の下（検出器９より試料側）に配置された検出器１０は、溝底や孔底から放出された電子を効率良く検出することができる。例えば、図１０（ａ）は、図１に示す検出器９で得られた２次電子の像と信号波形である。また、図１０（ｂ）は図１に示す検出器１０で得られた後方散乱電子像と信号波形である。上部寸法を図１０（ａ）の寸法Ａを、下部寸法を図１０（ｂ）の寸法Ｂとし、２つのそれぞれの中心位置の座標値から、上下のずれ量を算出することができる。装置上で、図１０（ａ）と図１０（ｂ）を同期して同時に取得すれば、画像を構成する画素は同一の場所を表し、１枚の画像を用いた場合と同様に底部寸法、上下ずれ量、およびこれらからパターンの角度計測や底部寸法の補正を行うことができる。

１：カラム、２：試料室、３：電子銃、４：コンデンサレンズ、５：ビームアライナ、６：Ｅ×Ｂ偏向器、７：偏向器、８：対物レンズ、９：電子検出器、１０：電子検出器、１１：ウエハ、１２：標準試料、１３：ＸＹステージ、１４：光学顕微鏡、１５、１６：アンプ、１７：電子線走査コントローラ、１８：ステージコントローラ、１９：画像処理装置、２０：制御ＰＣ、２１：表示装置

Claims (11)

1. 荷電粒子線装置にて得られた信号に基づいて、試料上に形成されたパターンの寸法を測定する演算装置を備えたパターン計測装置において、
   前記演算装置は、前記試料に対する荷電粒子ビームの走査に基づいて得られた検出信号から、パターンの第１の部分と当該第１の部分とは異なる高さにある第２の部分とのずれと、前記パターンの寸法値を求め、当該検出信号から求められたずれと、前記パターンの寸法と前記ずれとの関係を示す関係情報を用いて、前記パターンの寸法値を補正することを特徴とするパターン計測装置。
2. 請求項１において、
   前記演算装置は、前記検出信号から求められたパターンの寸法値に、前記第１の部分と第２の部分のずれに応じた補正値を加算することを特徴とするパターン計測装置。
3. 請求項１において、
   前記パターンの寸法値は、前記パターンの底部の寸法値であることを特徴とするパターン計測装置。
4. 荷電粒子源から放出される荷電粒子ビームの試料への照射に基づいて得られる荷電粒子を検出する検出器と、当該検出器の出力に基づいて前記試料に形成されたパターンの寸法を測定する制御装置を備えたパターン計測装置において、
   前記制御装置は、前記試料に対する荷電粒子ビームの走査に基づいて得られた検出信号から、パターンの第１の部分と当該第１の部分とは異なる高さにある第２の部分とのずれと、前記パターンの寸法値を求め、当該検出信号から求められたずれと、前記パターンの寸法と前記ずれとの関係を示す関係情報を用いて、前記パターンの寸法値を補正することを特徴とするパターン計測装置。
5. 請求項４において、
   前記荷電粒子ビームの理想光軸に対して傾斜した方向から前記試料に対して前記荷電粒子ビームを照射するために前記荷電粒子ビームを偏向する傾斜用偏向器、或いは前記試料を傾斜させる傾斜ステージの少なくとも１つを含む傾斜ビーム照射機構を備え、前記制御装置は、前記傾斜用偏向器、或いは傾斜ステージの少なくとも１つを制御して、複数の傾斜角度におけるパターンの寸法値を測定し、当該複数の傾斜角度におけるパターンの寸法値に基づいて、前記関係情報を生成することを特徴とするパターン計測装置。
6. 請求項４において、
   前記荷電粒子ビームの理想光軸に対して傾斜した方向から前記試料に対して前記荷電粒子ビームを照射するために前記荷電粒子ビームを偏向する傾斜用偏向器、或いは前記試料を傾斜させる傾斜ステージの少なくとも１つを含む傾斜ビーム照射機構を備え、前記制御装置は、前記ずれと前記荷電粒子ビームの傾斜角度から、前記パターンの傾斜角度を算出することを特徴とするパターン計測装置。
7. 請求項４において、
   前記検出器は、第１の検出器と、当該第１の検出器より試料側に配置された第２の検出器を含み、前記制御装置は、前記第１の検出器と前記第２の検出器の出力に基づいて、前記第１の部分と前記第２の部分との間のずれを求めることを特徴とするパターン計測装置。
8. 請求項４において、
   前記制御装置は、前記検出信号に基づいて求められる値が、規定値を超えているか否かを判定することを特徴とするパターン計測装置。
9. 荷電粒子線装置にて得られた信号に基づいて、試料上に形成されたパターンの寸法を測定するパターン計測方法において、
   前記試料に対する荷電粒子ビームの走査に基づいて得られた検出信号から、パターンの第１の部分と当該第１の部分とは異なる高さにある第２の部分とのずれと、前記パターンの寸法値を求め、当該検出信号から求められたずれと、前記パターンの寸法と前記ずれとの関係を示す関係情報を用いて、前記パターンの寸法値を補正することを特徴とするパターン計測方法。
10. 請求項９において、
    前記試料に対し、複数の異なる傾斜角度の荷電粒子ビームを照射することによって得られる検出信号に基づいて、前記関係情報を生成することを特徴とするパターン計測方法。
11. 請求項９において、
    前記検出信号に基づいて求められる値が、規定値を超えているか否かを判定することを特徴とするパターン計測方法。

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