JPH0594940A - 集積回路の寸法測定、欠陥検査システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 荷電ビームを用いたパタン寸法測定、欠陥検
査装置において、ウエハの反りや傾きがあっても正確に
焦点合わせを行う。 【構成】 測定ウエハの測定位置での描画時の焦点ずれ
量を焦点距離描画テーブル１０から読み込み、その焦点
ずれ量に相当する対物レンズの電流または電圧を加える
ことにより、被測定パタン位置でのウエハの反りによる
焦点距離のずれを補正し、焦点合わせを行うことを特徴
としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＶＬＳＩ等の集積回路
内の金属，半導体，絶縁物等のパタンに荷電ビームを照
射し、反射電子または二次電子を検出してパタン寸法の
測定やパタン欠陥の検査を行うパタン測定、検査装置に
おいて、電子光学系の焦点合わせの設定精度を高めるた
めの集積回路の寸法測定、欠陥検査システムに関する。
特に、その測定・検査の全自動化を精度良く、高スルー
プットで達成するための技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ＬＳＩ等のパタン寸法の微細化に伴っ
て、荷電ビームを用いた寸法測長装置が用いられてい
る。この種の装置では、測定パタンがビーム直下に位置
するようにステージを移動し、対物レンズの初期設定，
微調整による焦点合わせを行い、荷電ビームを走査して
測定パタンに垂直な方向の二次電子信号波形を得て、被
測定パタンの寸法を測定している。二次電子信号波形か
ら寸法を測定する各種方法としては、二次電子信号に適
当なスライスレベルを設定して２値化し、その立ち上が
りと立ち下がりの間隔からパタン寸法を測定する方法の
他、エッジ・ベースラインそれぞれを直線で近似し、交
点の間隔からパタン寸法を測定する方法（特開昭６１−
８００１１号公報参照）等が用いられている。

【０００３】このようなパタン寸法を測定する一連の動
作において、被測定パタンの位置にステージを移動して
焦点合わせを行った後、測定，検査を実施する。ここ
で、焦点がずれると二次電子信号波形の傾きが緩くなる
ように変化するため、スライスレベルを設定する場合、
直線で近似する場合、いずれの場合にも測定誤差が生じ
る。図４は焦点ずれによる測定値の変化を示した一例で
ある。同じパタンを同一スライスレベルで測定したパタ
ン幅と、焦点距離のずれ量との関係を示しているが、焦
点が合っているときは信号の立ち上がり，立ち下がりは
急峻になるため、立ち上がりと立ち下がりの間隔で測定
される寸法はスライスレベルが変ってもほとんど影響さ
れないが、焦点がずれるにつれて波形の立ち上がり，立
ち下がりの傾きが緩やかになり寸法（測長値）は細く測
定されている。このように、焦点ずれは測長値に誤差を
生じるため、その設定精度を高めることが必要である。

【０００４】一般に、焦点距離は、ステージの傾きやウ
エハの反りによって変化する。従って、測定点の変更
（ステージの移動）後には、焦点合わせが必要となる。
荷電ビームを用いた走査型電子顕微鏡（以下、ＳＥＭと
いう）や、露光装置における自動焦点合わせの方法とし
ては、焦点距離をある初期値に設定した後、焦点距離を
ステップ的に順次変化させながら二次電子信号の傾きが
最も急峻になるように、最小２乗法により焦点距離を決
定する方法（特開昭６０−５４１５２号公報参照）等が
用いられている。このような自動焦点合わせ方法におい
ては、初期設定値と実際の焦点距離との差が大きいと焦
点合わせができないか、または焦点距離を変化させるス
テップが多くなり、焦点合わせに時間がかかるという問
題があった。

【０００５】通常の焦点合わせは、対物レンズの初期
設定、焦点の微調整、の２段階で行い、この微調節部
分のことを焦点合わせと言っている。先に述べたよう
に、焦点距離をステップ状に変化し、被測定パタンの二
次電子信号を取り込み、その傾きが最も急峻になるよう
に焦点距離を決める方法等が用いられている。この焦点
距離の補正は、対物レンズに電磁レンズを用いた場合に
は、その電流（静電レンズの場合は電圧）を調整して行
う。対物レンズの初期設定方法については、例えば特開
昭６３−２０２８３５号公報に示されている。以下に、
その概略を述べる。

【０００６】対物レンズに電磁レンズを用いている場
合、電磁レンズに加える電流値が同じならば焦点距離は
ビームの加速電圧（Ｖ）の平方根にほぼ反比例する。従
って、測定の加速電圧を変更した場合には、加速電圧の
平方根にほぼ比例して、対物レンズに加える電流値を変
化する必要がある。より精度を高めるためには、対物レ
ンズに加える電流値（ｏ｜ｈｖ）を加速電圧の平方根の
１次式で近似する方が、高精度の初期設定が可能であ
る。この項は、加速電圧の変化に伴う対物レンズ電流の
ずれを補正するものである。

【０００７】 ｏ｜ｈｖ＝ｐ×Ｖ^0.5 ＋ｑ ｐ＝（ｏ｜₁ −ｏ｜₂ ）／（Ｖ₁ ^0.5−Ｖ₂ ^0.5），ｑ＝ｏ｜₁ −ｐＶ₁ ^0.5 （１） ｐ，ｑは、ある基準加速電圧Ｖ₁ ，Ｖ₂ での対物レンズ
電流ｏ｜₁ ，ｏ｜₂ から決まる定数である。対物レンズ
に静電レンズを用いている場合には、対物レンズに加え
る電圧を加速電圧の１次式で近似して、補正することが
可能である。

【０００８】 ｏ｜ｈｖ＝ｕＶ＋ｖ ｕ＝（ｏ｜₁ −ｏ｜₂ ）／（Ｖ₁ −Ｖ₂ ），ｖ＝ｏ｜₁ −ｐＶ₁ （１′） ｕ，ｖは、ある基準加速電圧Ｖ₁ −Ｖ₂ での対物レンズ
電流ｏ｜₁ ，ｏ｜₂ から決まる定数である。

【０００９】一方、位置の移動によっても焦点距離が変
化し、補正が必要である。これは、ウエハの反りに起因
するものと、ステージの傾きに起因するものである。ス
テージの傾きによる成分は装置に固有であり、あらかじ
め補正が可能である。すなわち、ステージのある位置を
基準として、ステージを一辺の長さＷの格子状に区切っ
た格子点（Ｘｉ，Ｙｊ）での焦点距離のずれをΔｉｊと
してテーブル化しておく。格子点（Ｘｉ，ｙｊ）と格子
点（Ｘｉ＋１，Ｙｊ＋１）の間の点（Ｘ，Ｙ）での対物
レンズ電流の補正量ｏ｜ｓｔｇは、 ｏ｜ｓｔｇ＝ａ｛（Δｉ＋１ｊ−Δｉｊ）（Ｘ−Ｘｉ）＋（Δｉｊ＋１−Δｉ ｊ）（Ｙ−Ｙｊ）｝／Ｗ （２） で与えることができる。ここでａは、焦点距離を１μｍ
変化させるのに必要な対物レンズ電流から決まる比例定
数であり、加速電圧Ｖの関数であるが、ずれ量が小さい
のでこの関数形は、加速電圧の平方根に比例して与える
ことができる（対物レンズに静電レンズを用いている場
合には加速電圧に比例）。しかし、ウエハ装填時にウエ
ハとステージの密着性が悪いと、ウエハ表面での傾きは
異なってしまうため、この式はそのまま用いることがで
きない。

【００１０】一方、ＶＬＳＩ等の製造途中のウエハでは
反りが発生する場合がある。このウエハの反りのため
に、ウエハ中央と端では焦点距離が変化する。この値は
ウエハごとに異なり、通常５０μｍ以下であるが、焦点
ずれにより測長値に誤差が生じるのは±３〜５μｍ位の
焦点距離のずれからである（図４参照）ので、測定位置
が変った場合には焦点合わせが必要である。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来技術の対
物レンズの初期設定方法では、このウエハの反り分を補
正することができなかったため、焦点の微調時に、焦点
距離の変化範囲を大きくしなければならなかった。この
ため、焦点合わせを精度よく行うためには、Ｓ／Ｎをよ
くするために繰り返し回数を増やす、あるいは焦点距離
の刻みを細かにする等が必要であり時間がかかる。従っ
て、対物レンズの初期設定（焦点距離の初期設定）にウ
エハ反り分を含めて極力正確にして、微調整の際の焦点
距離の変化を少なくすることが精度の向上とともに時間
の短縮につながる。

【００１２】本発明の目的は、荷電ビームを用いたパタ
ン寸法測定，欠陥検査において、ウエハの反り等に起因
した焦点距離の変化があっても正確に焦点合わせを行
い、高精度な寸法測定を行うことができる集積回路の寸
法測定、欠陥検査システムを提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明にかかる集積回路
の寸法測定、欠陥検査システムは、測定ウエハの測定位
置での描画時の焦点ずれ量を露光装置から読み込み、そ
の焦点ずれ量に相当する対物レンズの電流または電圧を
加えることにより、被測定パタン位置でのウエハの反り
による焦点距離のずれを補正し、焦点合わせを行うよう
にしたものである。

【００１４】さらに、ウエハアライメント時に、各マー
ク位置での焦点距離を記憶し、これら複数のマーク位置
での焦点距離データからウエハの傾きを算出し、この値
にウエハの反りによる焦点ずれによる変化分を、対物レ
ンズの電流または電圧に加算して設定し、焦点合わせを
行うようにしたものである。

【００１５】

【作用】本発明では、露光装置から描画時のデータとし
て、各チップごとの焦点距離の変化を読み込んでいる。
このため、ウエハの反りや傾き等があっても、その変化
量を露光装置から得て対物レンズの初期設定時に補正し
ておくことにより、焦点合わせの微調整の範囲を狭める
ことができる。

【００１６】

【実施例】図１は本発明の測定システムの構成の一例を
示した図である。測定装置１００は電子ビームを目的試
料に照射するための電子光学鏡筒（図示せず）と、試料
の位置を移動するためのステージ（図示せず）、および
ＳＥＭ１，鏡筒制御系２，鏡筒制御テーブル３，電源イ
ンタフェース４，ステージ制御系５，信号処理測定部
６，二次電子検出系７，制御計算機８，焦点距離補正量
算出部９，焦点距離描画テーブル１０，ステージ傾斜補
正用テーブル１１を有している。なお、２００は露光装
置である。鏡筒制御系２では、鏡筒制御テーブル３を参
照しながら、各照射条件に応じて、各電磁レンズにどれ
だけの電流を流せばよいか（静電レンズでは電圧）を計
算し、電源インタフェース４を介して各レンズにその電
流を流してビームを制御する。ステージ制御系５では、
目的の座標にステージを精度良く停止させるために、レ
ーザ干渉計やリニアスケール等により現在の位置座標を
読込みながら、ステージ移動にフィードバックをかけて
いる。信号処理測定部６では、二次電子検出系７からの
ビームのスキャンに同期して取り込んだ信号像を得て、
目的パタンの検出，寸法測定，欠陥検出等を行う。以上
１〜８の構成は、通常のＳＥＭにおいても用いられてい
るものである。

【００１７】本発明の測定システムでは、焦点合わせの
精度向上のため、焦点距離補正量算出部９を付加してい
る。この焦点距離補正量算出部９では、ウエハの反りに
よる焦点距離のずれを補正するため、あらかじめ露光装
置２００から描画時の各チップごとの焦点距離の変化量
を得て焦点距離描画テーブル１０を設けテーブル化して
おく。また、測定装置１００側のステージの傾きを補正
するため、あらかじめステージの何箇所かの焦点距離の
変化を読み込んで、ステージ傾斜補正用テーブル１１を
作成しておく。この２つのテーブル１０，１１を用い
て、対物レンズの電流または電圧を変化させて、ステー
ジの傾きとウエハの反りによる焦点得距離のずれを補正
する。その算出方法については、後で図２の説明で述べ
る。なお、ウエハの反りをウエハアライメント時に検出
して補正する図３の方法では、図中のステージ傾斜補正
用テーブル１１はウエハアライメント用のマークを検出
するときの焦点合わせのみに必要で、各測定時の焦点あ
わせ時には必要ない。

【００１８】露光装置２００で描画されたウエハ内のパ
タン寸法を、測定装置１００で測定する。この時、露光
結果データを測定前に測定装置１００の制御計算機８に
転送しておく。転送するデータは、焦点距離の位置依存
性の情報を含むものである。例えば、露光装置２００の
場合には、チップ単位で一括露光するので、各チップの
描画時の焦点ずれ量をデータとして転送する。露光装置
２００と測定装置１００は、物理的には接続されている
必要はなく、ネットワークを介してデータを転送すれば
よい。もちろん、この両者を一体化した装置であっても
よい。

【００１９】測定装置１００の制御計算機８では、測定
前に測定条件を登録する。これは、その都度指定して
も、あらかじめ作成しておいた測定条件を呼出しても良
い。この測定条件の中にはウエハアライメントで使用す
るパタンの座標・形状，寸法を測定するパタンの位置座
標、及びこれらの測定の際に用いるビームの照射条件
（加速電圧，ビーム電流等）が含まれている。以下に、
本発明の測定システムによる焦点距離補正（対物レンズ
の初期設定）の高精度化の手法について述べる。

【００２０】図２は本発明による対物レンズの初期設定
手順を示したフローチャートである。なお、(S1)〜(S1
0) は各ステップを示す。 ウエハアライメント終了後(S1)、測定したい位置の
設計座標（ウエハ座標）を測定条件ファイルから読み込
む(S2)。 測定チップでの焦点距離のずれ量を求める(S3)。露
光装置２００では、各チップ露光時の焦点距離のずれ量
（例えば原点またはあるチップを基準としたずれ量）を
データとして受け取り、その値を用いる。ＥＢ露光装置
の場合は、チップ内を多数の図形に分割して描画するの
で、これらの平均値（チップマーク検出時の焦点距離の
平均値でもよい）を算出して用いる。 測定の照射条件を読み込む（加速電圧）(S4)。 対物レンズの初期設定値ｏ｜を算出する(S5)。ここ
で、初期設定値は３つの項の和ｏ｜＝ｏ｜ｈｖ＋ｏ｜ｓ
ｔｇ＋ｏ｜ｗｆで算出する(S6)。第１項は、加速電圧に
よって変化する項で、従来技術で述べた (1)式で与えら
れる。この項は、ある場所（例えばステージ原点位置）
での焦点距離に対応した対物レンズ電流である。第２項
は、ステージの傾きに起因する項で、ステージの移動に
よって生じる焦点のずれを補正するものである。この項
は、従来技術で述べた (2)式で与えられる。第３項がウ
エハ反り等に起因する項であり、露光時の描画データか
ら補正する。測定チップでの焦点距離のずれ量をδ（μ
ｍ）とすると、対物レンズ電流の補正量はｏ｜ｗｆ＝ａ
δ（ここで、ａは (2)式のａと同じものであり、焦点距
離を１μｍ変化させるのに必要な対物レンズ電流から決
まる比例定数）となる。 上記算出値を対物レンズに設定する。

【００２１】以上の対物レンズの初期設定の後に、微調
整を行うことにより焦点合わせを行い、測定を実施する
ことができる(S7)。この初期設定方法は、初期値に加速
電圧とステージ位置、ウエハの反りの影響を考慮してい
るので、微調整段階での対物レンズ（焦点距離）の変化
量を小さくすることができ、設定精度を高くできるた
め、測定の再現性、測定精度も向上する(S8)〜(S10) 。

【００２２】図３は本発明の別の実施例の手順を示した
フローチャートである。なお、(S11) 〜(S23) は各ステ
ップを示す。ウエハアライメント時に、各マーク位置で
の座標と焦点距離を記憶し(S11),(S12) 、これら複数の
マーク位置での焦点距離データからウエハの傾き（焦点
距離の座標依存性）を最小２乗法等により算出し(S13),
(S14) 、記憶しておく(S15) 。この場合は、図１のステ
ージ傾斜補正用テーブル（図２の方法の (2)式のｏ｜ｓ
ｔｇによる補正）１１は、マーク位置での焦点合わせ時
の対物レンズ初期設定に必要である。各測定点での対物
レンズ初期設定は、算出したウエハの傾きを用いるの
で、このテーブルは不要である。この場合には、ウエハ
とステージの密着がよくない場合であっても、傾きを正
確に補正できるので、焦点合わせ時の対物レンズの初期
設定の精度を、さらに上げることができる。(S16) 〜(S
23) は図２の(S3)〜(S10) と同様なので、その説明は省
略する。

【００２３】なお、露光するときはウエハの全面にレジ
ストがあり、パターンはレジストを現像して形成され
る。この場合、パターンを形成するレジストの残留応力
は小さいため、現像による反りの変化は問題にならな
い。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の測定シス
テムでは、露光装置から各チップごとの焦点距離の変化
を露光装置の描画データとして読み込み、対物レンズの
初期設定でウエハの反り分の補正を行っている。このた
め、ウエハの反りがあっても対物レンズの初期設定が高
精度で行われるので、焦点合わせ時の焦点距離の変更範
囲を狭めることができ、設定精度の向上、測定に時間短
縮が図れる。

【００２５】また、ウエハの傾きをウエハアライメント
時に求めて補正するようにしたので、ウエハとステージ
の密着性が悪い場合でも焦点距離の変更範囲を狭めるこ
とができ、設定精度の向上、測定の時間短縮が図れる。
従って、測定システム全体として、測定時間の短縮、測
定再現性・精度の向上が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる集積回路の寸法測定、欠陥検査
システムの一実施例の構成をすめすブロック図である。

【図２】本発明による焦点合わせ方法の手順を示したフ
ローチャートである。

【図３】本発明による別の焦点合わせ方法の手順を示し
たフローチャートである。

【図４】パタン測定，検査において、焦点合わせ精度が
測定値に及ぼす影響を示した図である。

【符号の説明】

１ ＳＥＭ ２ 鏡筒制御系 ３ 鏡筒制御テーブル ４ 電源インタフェース ５ ステージ制御系 ６ 信号処理測定部 ７ 二次電子検出系 ８ 制御計算機 ９ 焦点距離補正量算出部 １０ 焦点距離描画テーブル １１ ステージ傾斜補正用テーブル １００ 測定装置 ２００ 露光装置

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 荷電ビームを照射するための鏡筒、試料
   を移動するステージ、反射電子または二次電子信号を検
   出する手段を有し、露光装置により処理が施された測定
   ウエハの測定位置での描画時の焦点ずれ量を前記露光装
   置から読み込み、その焦点ずれ量に相当する対物レンズ
   の電流または電圧を加えることにより、被測定パタン位
   置でのウエハの反りによる焦点距離のずれを補正し、焦
   点合わせを行うことを特徴とする集積回路の寸法測定、
   欠陥検査システム。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の寸法測定、欠陥検査シ
   ステムにおいて、ウエハアライメント時に、各マーク位
   置での焦点距離を記憶し、これら複数のマーク位置での
   焦点距離データからウエハの傾きを算出し、この値にウ
   エハの反りによる焦点ずれによる変化分を、対物レンズ
   の電流または電圧に加算して設定し、焦点合わせを行う
   ことを特徴とする集積回路の寸法測定、欠陥検査システ
   ム。