JPH07286842A - 寸法検査方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、高精度なパターン幅測定を行う。 【構成】試料(21)に対して電子ビームを走査する場合、
ビーム入射角選択手段(16,18,40,41) によって電子ビー
ムのビーム入射角を少なくとも異なる２方向に設定す
る。そして、これらビーム入射角でそれぞれ電子ビーム
を走査し、このとき発生する２次電子、反射電子を検出
して走査位置の関数として各波形出力を得、パターン幅
演算手段(42)によってこれら波形出力に基づいてプロフ
ァイル処理してパターン幅を求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体の製造工程にお
いて形成される半導体ウエハやマスクのパターン検査装
置に係わり、特にパターンの寸法を高精度に測定する寸
法検査方法及びその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】このようなパターン幅を検査する寸法検
査方法としては、光学式と電子ビーム方式とある。この
うち、光学式としてはレーザスポットスキャン方式があ
る。この方式は、図７に示すようにレーザスポットを試
料である半導体ウエハの被測定パターン１に対してその
垂直方向から照射するとともに走査し、このときに生じ
るエッジからの散乱光を各ディテクタ２で検出する。そ
して、レーザスポットの走査、つまりステージ３の移動
距離に対応した各ディテクタ２の出力信号（図８）に基
づいてパターン幅（線幅）を求めるものである。

【０００３】この方式であれば、レーザスポットのサイ
ズを極小化することで精度を高くできるが、レーザスポ
ットサイズは０．８μｍ程度のビーム径が限界であり、
パターン１のエッジのダレ方によって測定値と真値との
間に誤差が生じるケースがある。このため、パターン幅
は、０．５μｍ程度が測定限界のようである。

【０００４】一方、電子ビーム方式を適用した技術とし
ては、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）がある。このＳＥＭ
は、ウエハ表面パターンの拡大像からパターン寸法を測
定するもので、図９に示すように電子ビームを被測定パ
ターン１に対して垂直方向から照射するとともに走査
し、このとき得られる２次電子、反射電子を検出して図
１０に示すようにその強度変化を走査位置の関数として
求める。そして、これを像出力し、パターンエッジ間の
距離からパターン幅を求めるものである。

【０００５】ところで、試料に対する電子ビームの走査
は、スキャンコイルによって偏向制御を行って被測定パ
ターン１上に走査している。このような走査制御によ
り、電子ビームは、図１１に示すようにその走査位置に
よってビーム入射角が異なる。

【０００６】このため、走査エリアの周辺側になればな
る程、ビーム入射角の差や偏向歪み等により電子ビーム
に歪みが生じ、パターン幅測定に誤差が生じる。又、被
測定パターン１の凹凸に対しては、影となるところが発
生するため、パターンエッジ部分が正確に出力されない
ことがあり、高精度な測定が困難となっている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】以上のように電子ビー
ムの走査位置によってビーム入射角が異なるため、走査
エリアの周辺側程、パターン幅測定に誤差が生じる。
又、被測定パターン１の凹凸に対して影となるところが
発生するため、これによっても高精度な測定が困難とな
っている。そこで本発明は、高精度なパターン幅測定が
できる寸法検査方法及びその装置を提供することを目的
とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１によれば、パタ
ーンの形成された試料に対して電子ビームを走査し、こ
のとき発生する２次電子、反射電子を検出して走査位置
の関数として波形出力してパターン幅を求める寸法検査
方法において、試料に対する電子ビームのビーム入射角
を少なくとも異なる２方向に設定し、これらビーム入射
角で電子ビームを走査したときの各波形出力に基づいて
プロファイル処理してパターン幅を求めるようにして上
記目的を達成しようとする寸法検査方法である。

【０００９】請求項２によれば、パターンの形成された
試料に対して電子ビームを走査し、このとき発生する２
次電子、反射電子を検出して走査位置の関数として波形
出力してパターン幅を求める寸法検査装置において、試
料に対する電子ビームのビーム入射角を少なくとも異な
る２方向に選択設定するビーム入射角選択手段と、電子
ビームを各ビーム入射角で走査したときの各波形出力に
基づきプロファイル処理してパターン幅を求めるパター
ン幅演算手段と、を備えて上記目的を達成しようとする
寸法検査装置である。

【００１０】請求項３によれば、ビーム入射角選択手段
は、偏向器と、予め複数のビーム入射角を記憶したメモ
リと、このメモリに記憶されている各ビーム入射角のう
ち少なくとも異なる２つのビーム入射角を選択し、これ
らビーム入射角に応じた各励磁電流を偏向器に供給する
角度制御装置とを有するものである。

【００１１】請求項４によれば、パターン幅演算手段
は、電子ビームを各ビーム入射角で走査したときの各波
形出力を加算してパターンに応じた出力を得るとともに
減算してパターン傾斜方向に応じた出力を得、これら出
力に基づきパターンプロファイルを求めてパターン幅を
求める機能を有するものである。

【００１２】

【作用】請求項１によれば、試料に対して電子ビームを
走査する場合、この電子ビームのビーム入射角を少なく
とも異なる２方向に設定してそれぞれ走査し、このとき
発生する２次電子、反射電子を検出して走査位置の関数
として各波形出力を得、これら波形出力に基づいてプロ
ファイル処理してパターン幅を求める。

【００１３】請求項２によれば、試料に対して電子ビー
ムを走査する場合、ビーム入射角選択手段によって電子
ビームのビーム入射角を少なくとも異なる２方向に設定
する。そして、これらビーム入射角でそれぞれ電子ビー
ムを走査し、このとき発生する２次電子、反射電子を検
出して走査位置の関数として各波形出力を得、パターン
幅演算手段によってこれら波形出力に基づいてプロファ
イル処理してパターン幅を求める。

【００１４】この場合、請求項３によれば、予め複数の
ビーム入射角を記憶したメモリから少なくとも異なる２
つのビーム入射角を選択し、これらビーム入射角に応じ
た各励磁電流を偏向器に供給して電子ビームの各ビーム
入射角を設定している。

【００１５】又、請求項４によれば、電子ビームを各ビ
ーム入射角で走査したときの各波形出力を加算してパタ
ーンに応じた出力を得、これと共に減算してパターン傾
斜方向に応じた出力を得る。そして、これら加算及び減
算の各出力に基づきパターンプロファイルを求めてパタ
ーン幅を求める。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の一実施例について図面を参照
して説明する。図１は走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）に適
用した寸法検査装置の構成図である。顕微鏡本体１０の
上部には、電子銃１１が設けられている。

【００１７】この顕微鏡本体１０には、電子銃１１から
放射される電子ビームの進行方向に沿って、電子ビーム
をオン・オフするためのブランキングコイル１２、コン
デンサレンズ１３、スキャンコイル１４、電子ビームの
微小フォーカスを合わせるための縮小レンズ１５、及び
偏向器１６、対物レンズ１７が配置されている。

【００１８】これら各コイル１２、１４及び各レンズ１
３、１５等は、それぞれビーム制御装置１８により励磁
電流が制御されて電子ビームのビーム形状、照射領域等
が調整されるものとなっている。

【００１９】顕微鏡本体１０の下部には、ＸＹステージ
２０が移動自在に配置され、かつこのＸＹステージ２０
上に半導体ウエハ等の試料２１が載置されている。この
ＸＹステージ２０は、顕微鏡本体１０の外部に設けられ
たステージ制御装置２２によりＸＹ平面上を移動するも
のとなっている。

【００２０】レーザ位置検出器２３は、ミラーにレーザ
光を照射し、その反射レーザ光を受光してその往復時間
から試料２１の位置を検出する機能を有している。ＸＹ
ステージ２０の斜め上方には、ディテクタ等の電子検出
器３０が配置されている。この電子検出器３０は、試料
２１に対して電子ビームが照射されたときの２次電子又
は反射電子を検出してその電子の強度に応じた電気信号
を出力するものである。

【００２１】２次電子検出処理装置３１は、電子検出器
３０からの電気信号を受けてその波形出力を得る機能を
有している。一方、主制御装置４０には、ビーム制御装
置１８、ステージ制御装置２２、２次電子検出処理装置
３１が接続されるとともにビーム入射角メモリ４１、測
長処理装置４２が接続されている。

【００２２】ビーム入射角メモリ４１には、電子ビーム
の試料２１に対する複数のビーム入射角が予め記憶され
ている。これらビーム入射角は、例えば図２に示すよう
に電子ビームａ、ｂ、ｃであり、このうち電子ビームｂ
はビーム入射角θ１であり、電子ビームｃはビーム入射
角θ２である。これらビーム入射角θ１、θ２は、図示
していない偏向角度及び照射点にの校正により予め求め
た値であり、それぞれ任意の角度に設定変更可能となっ
ている。

【００２３】主制御装置４０は、ビーム入射角メモリ４
１に記憶されている各ビーム入射角のうち少なくとも異
なる２つのビーム入射角を選択し、これらビーム入射角
の指示指令をビーム制御装置１８に送出する機能を有し
ている。この場合、主制御装置３４は、オペレータの指
示に従って２つのビーム入射角を選択する機能、及びビ
ーム入射角の指示指令をビーム制御装置１８に送出する
とともにステージを連続移動させる指令をステージ制御
装置２２に送出する機能を有している。

【００２４】ビーム制御装置１８は、２つのビーム入射
角θ１、θ２の指示を受けると、これらビーム入射角θ
１、θ２に応じた各励磁電流をそれぞれ偏向器１６に供
給する機能を有している。

【００２５】従って、これら偏向器１６、ビーム制御装
置１８、主制御装置４０及びビーム入射角メモリ４１に
よりビーム入射角選択手段が形成されている。ステージ
制御装置２２は、それそれのビーム入射角で電子ビーム
が試料２１に照射されているときに、ＸＹステージ２０
をＸＹ平面の所定方向に連続移動させて電子ビームを試
料２１上に走査させる機能を有している。

【００２６】なお、ステージ制御装置２２は、試料２１
上のパターン検査領域に応じた位置指令をＸＹステージ
２０に送出する機能、レーザ位置検出器２３からのＸＹ
テーブル２０の位置を受けて試料２１を所望のパターン
検査領域に位置決めする機能を有している。

【００２７】測長処理装置４２は、主制御装置４０を通
して２次電子検出処理装置３１により得られた出力波形
を受け取り、各ビーム入射角での電子ビーム走査時の各
出力波形を加算してパターンに応じた出力を得るととも
に減算してパターン傾斜方向に応じた出力を得、これら
出力波形に基づきパターンプロファイルを求めてパター
ン幅を求める機能を有している。

【００２８】又、この測長処理装置４２には、モニタテ
レビジョン４３、ＣＲＴディスプレイ４４及びフロッピ
ーディスク４５が接続され、試料２１のパターン幅をモ
ニタテレビジョン４３及びＣＲＴディスプレイ４４に表
示するとともにフロッピーディスク４５に記憶する機能
を有している。

【００２９】なお、主制御装置４０は、ビーム制御装置
１８、ステージ制御装置２２、２次電子検出処理装置３
１及び測長処理装置４２の各動作制御を行う機能を有し
ている。

【００３０】次に上記の如く構成された装置の作用につ
いて説明する。電子銃１１から電子ビームが放出される
と、この電子ビームは、コンデンサレンズ１３によって
均一な電子ビームとなり、スキャンコイル１４の中心位
置でクロスするように集束される。そして、電子ビーム
は、対物レンズ１７により再び集束されて試料２１に照
射される。このとき、電子ビームの照射位置は、偏向器
１６の制御により試料２１上の任意のところに位置決め
される。

【００３１】このようにして試料２１に照射される電子
ビームは、図２に示す電子ビームａであり、この状態で
ＸＹステージ２０を連続移動させれば、図３(a) に示す
ような電子ビームａの走査となる。

【００３２】ところで、本装置では、次の通りに電子ビ
ームを試料２１に対して走査する。すなわち、主制御装
置４０は、ビーム入射角メモリ４１に記憶されている複
数のビーム入射角のうち、それぞれ異なる少なくとも２
つのビーム入射角、例えばビーム入射角θ１、θ２を選
択する。この場合、主制御装置３４は、オペレータの指
示があれば、この指示に従って２つのビーム入射角を選
択する。

【００３３】次にこの主制御装置４０は、先ずビーム入
射角θ１の指示指令をビーム制御装置１８に対して送出
する。このビーム制御装置１８は、ビーム入射角θ１に
応じた励磁電流を偏向器１６に供給する。

【００３４】これにより、電子ビームは、偏向器１６を
通過するときに偏向されて図２に示す電子ビームｂの経
路を通ってビーム入射角θ１で試料２１上に照射され
る。これと共に主制御装置４０は、ステージ移動の指令
をステージ制御装置２２に対して送出する。このステー
ジ制御装置２２は、ステージ移動指令を受けることによ
りＸＹステージ２０、つまり試料２１を所定方向に連続
して移動させる。

【００３５】このようにビーム入射角θ１の電子ビーム
ｂを試料２１に照射すると共に試料２１を連続移動させ
ると、電子ビームｂは図３(b) に示すよう試料２１上を
走査する。

【００３６】このとき、試料２１に電子ビームｂが照射
されるとことにより、試料２１からは２次電子又は反射
電子が発生する。電子検出器３０は、これら２次電子又
は反射電子を検出してその電子の強度に応じた電気信号
を出力する。２次電子検出処理装置３１は、この電子検
出器３０からの電気信号を受けて図４(b) に示すその波
形出力を得る。主制御装置４０は、この波形出力を図示
しない記憶装置に記憶する。

【００３７】次に主制御装置４０は、ビーム入射角θ２
の指示指令をビーム制御装置１８に対して送出する。こ
のビーム制御装置１８は、ビーム入射角θ２に応じた励
磁電流を偏向器１６に供給する。

【００３８】これにより、電子ビームは、偏向器１６を
通過するときに偏向されて図２に示す電子ビームｃの経
路を通って試料２１上に照射される。これと共に主制御
装置４０は、上記同様にステージ移動の指令をステージ
制御装置２２に対して送出する。このステージ制御装置
２２は、ステージ移動指令を受けることによりＸＹステ
ージ２０を所定方向に連続して移動して試料２１を移動
させる。

【００３９】このようにビーム入射角θ２の電子ビーム
ｃとして試料２１に照射すると共に試料２１を連続移動
させると、電子ビームｃは図３(c) に示すよう試料２１
上を走査する。

【００４０】このとき、試料２１に電子ビームｃが照射
されるとことにより、試料２１からは２次電子又は反射
電子が発生する。電子検出器３０は、これら２次電子又
は反射電子を検出してその電子の強度に応じた電気信号
を出力する。２次電子検出処理装置３１は、この電子検
出器３０からの電気信号を受けて図４(c) に示すその波
形出力を得る。主制御装置４０は、この波形出力を図示
しない記憶装置に記憶する。

【００４１】なお、図４(a) の出力波形は、電子ビーム
ａを試料２１に走査したときのを示している。次に測長
処理装置４２は、主制御装置４０を通して記憶装置に記
憶されている電子ビーム走査時の各ビーム入射角θ１、
θ２に対応する各出力波形を受け取り、これら出力波形
に基づいてパターン幅を求める。

【００４２】すなわち、測長処理装置４２は、各ビーム
入射角θ１、θ２の各出力波形を加算して図５に示すパ
ターンに応じた出力を得る。これと共に測長処理装置４
２は、これら出力波形を減算、つまりビーム入射角θ１
のときの出力波形からビーム入射角θ２のときの出力波
形を減算してパターン傾斜方向に応じた出力を得る。

【００４３】そうして測長処理装置４２は、これら加
算、減算により得た各出力波形に基づきパターンプロフ
ァイルを求め、このパターンプロファイルに対するエッ
ジ処理、及びＸＹステージ２０の移動距離からパターン
幅を求める。

【００４４】そして、測長処理装置４２は、このパター
ン幅をモニタテレビジョン４３及びＣＲＴディスプレイ
４４に表示し、これと共にフロッピーディスク４５に記
憶する。

【００４５】このように上記一実施例においては、電子
ビームのビーム入射角を少なくとも異なる２方向θ１、
θ２に設定してそれぞれ走査し、このとき発生する２次
電子、反射電子を検出して走査位置の関数として各波形
出力を得、これら波形出力に基づいてプロファイル処理
してパターン幅を求めるようにしたので、被測定パター
ンの凹凸に対し、各ビーム入射角θ１、θ２の電子ビー
ムにより互いに補間する形で電子ビームがパターン傾斜
面を忠実に走査でき、被測定パターンのプロファイルを
忠実かつ正確に再現できる。

【００４６】これにより、試料２１に対して電子ビーム
の走査位置によってビーム入射角が異なることから生じ
るパターン幅測定の誤差、又は被測定パターン１の凹凸
に対して影となるところが発生するための測定誤差を生
ぜずに、パターン幅を正確に測定できる。

【００４７】半導体のパターン密度は、今後より集積度
が高くなってそのパターン幅が例えば０．１μｍ以下に
細くなり、これに伴って寸法検査としては、現在よりも
より一層の高分解能（高倍率）が必要となっているのが
現状である。

【００４８】このような現状において、ビーム径を小さ
くできる電子ビームを用い、かつビーム入射角を変えて
走査したときの出力波形からパターン幅を求めるように
すれば、高集積度の半導体ウエハ上の微細なパターンを
高分解能でかつ高精度に測定できる。

【００４９】又、ビーム入射角メモリ４１には、予め複
数のビーム入射角が記憶されているので、被測定パター
ンの設計データからパターンの傾斜に応じたビーム入射
角を選択して精度高いパターン幅測定ができる。

【００５０】さらにビーム入射角θ１、θ２のみに限ら
ず、２つ以上のそれぞれ異なるビーム入射角を用いて複
数回電子ビームを走査し、その各出力波形からパターン
幅を求めることができる。このようにすれば、より正確
なパターンプロファイル、パターン幅を求めることがで
きる。

【００５１】又、測長処理装置４２は、パターン幅を求
める過程において、各波形出力を減算することにより被
測定パターンエッジの傾斜方向を得ることができる。な
お、本発明は、上記一実施例に限定されるものでなく次
のように変形してもよい。例えば、半導体ウエハのパタ
ーン検査に適用するだけに限らず、露光用マスクパター
ンの評価等にも適用できる。

【００５２】

【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、高
精度なパターン幅測定ができる寸法検査方法及びその装
置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる寸法検査装置を走査型電子顕微
鏡に適用した場合の一実施例を示す構成図。

【図２】電子ビームのビーム入射角を示す図。

【図３】電子ビームの各ビーム入射角における走査を示
す図。

【図４】電子ビームの各ビーム入射角における各出力波
形を示す図。

【図５】各出力波形の加算処理の波形を示す図。

【図６】各出力波形の減算処理の波形を示す図。

【図７】従来におけるレーザスポット方式を説明するた
めの図。

【図８】レーザスポット方式でのパターン幅の算出を示
す図。

【図９】従来における電子ビーム方式を説明するための
図。

【図１０】電子ビーム方式でのパターン幅の算出を示す
図。

【図１１】電子ビーム方式における歪み発生を示す図。

【符号の説明】

１０…顕微鏡本体、１１…電子銃、１３…コンデンサレ
ンズ、１４…スキャンコイル、１６…偏向器、１７…対
物レンズ、２０…ＸＹステージ、２１…試料、２２…ス
テージ制御装置、２３…レーザ位置検出器、３０…電子
検出器、３１…２次電子検出処理装置、４０…主制御装
置、４１…ビーム入射角メモリ、４２…測長処理装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 法西 弘明 神奈川県横浜市磯子区新磯子町33番地 株 式会社東芝生産技術研究所内 (72)発明者 福留 裕二 神奈川県横浜市磯子区新磯子町33番地 株 式会社東芝生産技術研究所内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 パターンの形成された試料に対して電子
   ビームを走査し、このとき発生する２次電子、反射電子
   を検出して走査位置の関数として波形出力して前記パタ
   ーン幅を求める寸法検査方法において、 前記試料に対する前記電子ビームのビーム入射角を少な
   くとも異なる２方向に設定し、これらビーム入射角で前
   記電子ビームを走査したときの各波形出力に基づいてプ
   ロファイル処理して前記パターン幅を求めることを特徴
   とする寸法検査方法。
2. 【請求項２】 パターンの形成された試料に対して電子
   ビームを走査し、このとき発生する２次電子、反射電子
   を検出して走査位置の関数として波形出力して前記パタ
   ーン幅を求める寸法検査装置において、 前記試料に対する前記電子ビームのビーム入射角を少な
   くとも異なる２方向に選択設定するビーム入射角選択手
   段と、 前記電子ビームを各ビーム入射角で走査したときの各波
   形出力に基づきプロファイル処理して前記パターン幅を
   求めるパターン幅演算手段と、を具備したことを特徴と
   する寸法検査装置。
3. 【請求項３】 ビーム入射角選択手段は、偏向器と、予
   め複数のビーム入射角を記憶したメモリと、このメモリ
   に記憶されている前記各ビーム入射角のうち少なくとも
   異なる２つのビーム入射角を選択し、これらビーム入射
   角に応じた各励磁電流を前記偏向器に供給する角度制御
   装置とを有することを特徴とする請求項２記載の寸法検
   査装置。
4. 【請求項４】 パターン幅演算手段は、電子ビームを各
   ビーム入射角で走査したときの各波形出力を加算してパ
   ターンに応じた出力を得るとともに減算して前記パター
   ン傾斜方向に応じた出力を得、これら出力に基づきパタ
   ーンプロファイルを求めて前記パターン幅を求める機能
   を有することを特徴とする請求項２記載の寸法検査装
   置。