CN103733023B - 收缩前形状估计方法以及cd－sem装置 - Google Patents

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Abstract

在用CD－SEM对于因电子射线照射而收缩的抗蚀剂进行测长时，为了高精度地估计收缩前的形状、尺寸，预先对于各种图案，准备包含电子射线照射前截面形状数据、各种电子射线照射条件下得到的截面形状数据群以及CD－SEM图像数据群、和基于它们的模型的收缩数据库，取得被测定抗蚀剂图案的CD－SEM图像（S102），将CD－SEM图像和收缩数据库进行比对（S103），估计被测定图案的收缩前的形状和尺寸，并输出（S104）。

Description

收缩前形状估计方法以及CD－SEM装置
技术领域
本发明涉及收缩前形状估计方法以及CD－SEM装置。
背景技术
ArF液浸曝光技术由于作为下一代技术的EUV（ExtremeUltra Violet，远紫外线）光刻的实用化进展迟缓而需要向下一代延长寿命，变得能在分辨极限附近进行曝光。
为此，考虑了光的邻近效应的掩模图案的修正技术即OPC（Optical Proximity Correction，光学邻近修正）成为必须技术。在OPC工序中，需要测量实际转印掩模图案的图案，加以修正。由于特别是被称作热斑的易于在曝光图案内发生缺陷的特定部位的测长变得重要，因此，增加了以CD－SEM（CriticalDimension-Scanning Electron Microscope，临界尺寸扫描电子显微镜）进行的图案尺寸管理的重要性。
在使用CD－SEM对ArF抗蚀剂进行测长时，由于因电子射线照射而使得抗蚀剂收缩，因此在高精度的测长中需要正确掌握收缩量。
另外，抗蚀剂的截面形状对于以抗蚀剂为掩模来进行加工的下一工艺的形状有大的影响。例如若抗蚀剂的侧壁拉出裙边、或出现中间变细，则会使加工尺寸的精度变差。为此，不仅要对抗蚀剂的宽度尺寸进行测长，甚至测量到抗蚀剂的截面形状的必要性也提高了。
作为对CD－SEM测长时的抗蚀剂的收缩量进行估计的方法，已知专利文献1所示的方法。这是通过用CD－SEM对抗蚀剂图案宽度进行多次测定来导出测定次数与抗蚀剂图案宽度的变化量的关系（收缩曲线），从而算出收缩量的方法。
关于使用SEM图像来得到截面形状信息的方法，例如有专利文献2所示的方法。专利文献2的方法是如下方法：在曝光工艺、或蚀刻工艺中，根据被评价图案的SEM像，算出对估计被评价图案的截面形状、工艺条件、设备特性而言有效的图像特征量，通过将所述图像特征量与学习数据进行比对来算出被评价图案的截面形状、工艺条件、设备条件，其中该学习数据将预先保存在数据库的图案的截面形状、工艺条件、设备特性与根据SEM图像算出的所述图像特征量建立关联。
先行技术文献
专利文献
专利文献1：JP特开2005－57037号公报
专利文献2：JP特开2007－129059号公报
发明的概要
发明要解决的课题
发明者们发现，在用专利文献1所示的方法求取收缩量时，在今后需要的微细的图案尺寸上误差大。为此研究了其原因。其结果，在基于专利文献1所示那样的抗蚀剂图案的多次的测定的收缩量估计方法中，若伴随抗蚀剂宽度的测定次数增加而抗蚀剂与反射防止膜的变形不断进展，则蚀剂高度也不断发生变化，因此，出现进行测长的抗蚀剂宽度的相对于抗蚀剂高度的测定位置也发生变化这样的情况，例如，在测定次数少时测定了抗蚀剂的一半的高度的位置，但随着测定次数增加，变得测定抗蚀剂的上部例如3/4的高度），为此，在使用收缩曲线的方法中，可知收缩量的估计误差大。
另外，由于在CD－SEM观察中从上部观察图案，因此难以测量截面形状。
在使用专利文献2等所示的CD－SEM图像和截面形状的数据库的估计方法中，未考虑CD－SEM图像取得时的抗蚀剂收缩。成为数据库的CD－SEM图像由于在图像取得时照射电子射线，因此成为收缩后的抗蚀剂形状，从同样成为数据库的截面SEM或AFM（Atomic Force Microscope，原子力显微镜）等的分析、模拟器等得到的截面形状不是CD－SEM观察的部位的形状，而是照射电子射线前的形状，即，是收缩前的形状。这是因为，由于抗蚀剂图案微细、用CD－SEM观察的区域非常小、抗蚀剂不耐电子射线和热等理由，从而难以直接观察到用CD－SEM进行观察的区域的截面形状。为此可知，在测量抗蚀剂这样的收缩的材料的情况下，由于成为数据库的CD－SEM图像与截面形状并非测定相同形状而得到的结果，因此，难以进行精度良好的估计。
发明内容
本发明的目的在于，提供能在用CD－SEM测定由因电子射线照射而进行收缩的物质所形成的图案的形状和尺寸时高精度估计所述图案收缩前的图案尺寸的收缩前形状估计方法以及CD－SEM装置。
用于解决课题的手段
为了解决上述课题，例如采用权利要求记载的构成。
本申请包含多个解决上述课题的手段，若举出其一例，则收缩前形状估计方法是在用CD－SEM测定由因电子射线照射而进行收缩的物质所形成的图案的形状和尺寸时的所述图案的收缩前形状估计方法，其特征在于，包含：准备收缩数据库的步骤，该收缩数据库包含：以所述物质形成的图案的电子射线照射前截面形状数据、各种电子射线照射条件下得到的截面形状数据群、各种电子射线照射条件下得到的CD－SEM图像数据群、和使用这些数据创建的收缩模型以及CD－SEM图像特征量与截面形状的相关模型；取得以所述物质形成的被测定图案的CD－SEM图像的步骤；和使用所述CD－SEM图像和所述收缩数据库的数据来估计所述被测定图案的收缩前的形状和尺寸，并输出的步骤。
另外，CD－SEM装置具备：电子射线源；载置被测定样品的样品台；将从所述电子射线源放出的电子照射到载置于所述样品台的样品的电子光学系统；和基于从所述样品放出的二次电子来进行图像处理的控制处理部，其特征在于，所述CD－SEM装置为了估计由因电子射线照射而收缩的物质所形成的图案收缩前的形状，还具有收缩数据库，该收缩数据库包含：以所述物质形成的图案的电子射线照射前截面形状数据；各种电子射线照射条件下得到的截面形状数据群；各种电子射线照射条件下得到的CD－SEM图像数据群；和使用这些数据创建的收缩模型以及CD－SEM图像特征量与截面形状的相关模型。
发明的效果
根据本发明，能提供通过使用收缩数据库，能在用CD－SEM测定由因电子射线照射而进行收缩的物质所形成的图案的形状和尺寸时高精度估计所述图案收缩前的图案尺寸的收缩前形状估计方法以及CD－SEM装置。
上述以外的课题、构成以及效果通过以下的实施方式的说明得到进一步明确。
附图说明
图1是本发明的第1实施例所涉及的收缩前形状估计方法的流程图。
图2是表示本发明的第1实施例所涉及的CD－SEM装置的概略整体构成的图。
图3A是本发明的第1实施例所涉及的CD－SEM装置中的收缩数据库的说明图。
图3B是图3A所示的收缩数据库中的收缩模型的创建次序以及CD－SEM图像特征量与截面形状的相关模型的创建次序的说明图。
图4是表示本发明的第1实施例所涉及的收缩前形状估计方法中的CD－SEM观察部位的图案的截面形状观察方法的流程的图。
图5A是表示本发明的第1实施例中使用的样本的例的俯视图。
图5B是使用图5A所示的样本的STEM的截面观察的示意图。
图5C是图5B所示的截面示意图的主要部分放大图。
图5D是表示图5C的截面示意图中的抗蚀剂轮廓线的图。
图6A是在本发明的第1实施例中使用的样本上形成的抗蚀剂截面形状的示意图。
图6B是表示图6A所示的抗蚀剂的抗蚀剂形状测长值的测定次数依赖性的图。
图7是本发明的第2实施例所涉及的收缩前形状估计方法的流程图。
图8是本发明的第3实施例所涉及的收缩前形状估计方法的流程图。
图9是本发明的第1实施例所涉及的CD－SEM装置中的输出画面的一例。
图10是本发明的第2实施例所涉及的CD－SEM装置中的输出画面的一例。
图11是本发明的第3实施例所涉及的CD－SEM装置中的输出画面的一例。
具体实施方式
下面，基于附图来说明本发明的实施例。
实施例1
图2是本实施例的CD－SEM装置的构成图的示例。由高电压控制部211设定的给定的加速电压、电流的一次电子202从电子枪201放出。放出的一次电子202在由聚焦透镜控制部213控制的聚焦透镜203聚焦，通过光圈204来除去一次电子202的不需要的区域。
之后，由被物镜控制部216控制的物镜206使一次电子202聚焦在样本207上，用被偏转线圈控制部215控制的偏转线圈205，对样本207上进行扫描。样本207固定在载台208上，载台208由载台控制部218来控制移动，能对样本207上的任意部位照射一次电子202。
因一次电子202的照射而从样本207发生的二次电子220被二次电子检测器221检测，被A/D变换器222变换为数字信号，容纳在控制处理部230内的存储器232中，由CPU231进行与目的相应的图像处理，例如进行线分布图的取得等。
控制处理部230由CPU231和存储器232构成。由控制处理部230控制高电压控制部211、聚焦透镜控制部213、偏转线圈控制部215、物镜控制部216、载台控制部218的各控制部，设定一次电子射线202的加速电压、电流、扫描速度、扫描次数、倍率等任意的测定条件和样本207上的测定部位，并且所述测定条件和所述测定部位与基于测定的二次电子220的CD－SEM图像一起容纳到控制处理部230的存储器232中。
与控制处理部230连接的数据输入输出部233将控制处理部230和操作人员连接，操作人员介由从数据输入输出部233的输入来进行前述的各部位的控制。另外，前述的测定条件和测定部位的设定也能介由数据输入输出部233来进行。另外，通过控制处理部230进行控制以使得在样本207上二维地扫描一次电子202，使产生的二次电子信号成为与扫描位置对应的二维排列，由此能从数据输入输出部233输出显示与样品（样本）的表面形状对应的二维图像（CD－SEM图像）。另外，能由CPU231从得到的二维的CD－SEM图像中获得线状光谱等的CD－SEM图像的特征量。
与控制处理部230连接的收缩数据库240以预先测定的由因电子射线照射而进行收缩的材料形成的图案的CD－SEM图像、和与所述CD－SEM图像对应的图案部位截面的扫描透射型电子显微镜（STEM）图像为基础建立，是在根据CD－SEM图像而估计收缩前的图案形状中使用的数据库。详细的情况使用其它图在后面叙述。在图2中，将收缩数据库240图示为与解析处理部230分开的构件，但即便设为包含在控制处理部230中的构成也不会改变效果。
能通过以收缩数据库240为基础，使用控制处理部230的CPU231来对利用图2的CD－SEM装置取得的形成于样本上的图案的CD－SEM图像进行解析处理，来根据CD－SEM图像估计收缩前的图案形状，从数据输入输出部233输出图案的形状和尺寸。输出的图案的形状和尺寸能通过从数据输入输出部233的输入来进行指定。
在由CD－SEM进行的图案形状测定时，无法避免向形成于样本上的图案的电子射线照射。为此，由因电子射线照射而进行收缩的材料形成的图案的CD－SEM图像成为测定已收缩后的形状的结果。与此相对，通过使用收缩数据库240来解析收缩后的CD－SEM图像，能估计收缩前的形状和尺寸。由此，能提供能估计精度良好的图案形状和尺寸的CD－SEM装置。
在使用了收缩数据库的解析处理时，利用由图2的CD－SEM装置1次或多次对样本上的图案的任意的部位进行测定而得到的CD－SEM图像。通过将包含所述CD－SEM图像取得的测定条件在内的序列作为诀窍（recipe）容纳在存储器232中，能遵循所述诀窍的内容来进行测定。另外，在所述诀窍中，并不限于前述的任意的部位的测定，还能设定多个部位的测定等任意的测定条件序列。
接下来，基于图1来说明本实施例的流程。这是测定在半导体基板上由ArF用的抗蚀剂来形成的任意的图案的示例。
最初，输入样本信息、装置信息（步骤S101）。样本信息是样本名、抗蚀剂的材料、图案的设计尺寸等与样本相关的信息，但也可仅输入能输入的项目。装置信息是电子射线的加速电压、电流、扫描方法、测定倍率等的测定条件。
接下来，基于以装置信息而输入的测定条件，由CD－SEM取得被测定图案的CD－SEM图像群（步骤S102）。ArF抗蚀剂因CD－SEM测定而进行收缩，因此，若对被测定图案的同一部位进行多次CD－SEM测定来取得多张图像，就能得到收缩量不同的多张CD－SEM图像。
例如，设定测定条件，将电子射线的能量设为500V，将电流设为8pA，将倍率设为20万倍，将电子射线照射次数设为4次、8次、16次、32次、64次，取得累积各个电子射线照射次数的图像。
该多个CD－SEM测定的测定条件期望是包含在创建收缩数据库时取得的CD－SEM测定条件中的条件。从取得的多个CD－SEM图像中分别取得线分布图等的图像的特征量。
接下来，对预先创建的收缩数据库和在步骤S102取得的多个CD－SEM图像进行图案匹配（比对）处理（步骤S103）。也可以针对根据步骤S102中取得的多个CD－SEM图像而得到的线分布图等的图像特征量、和收缩数据库进行图案匹配处理。
在图案匹配处理中，例如能通过将被测定图案的CD－SEM图像群或其特征量与收缩数据库中的收缩模型、或CD－SEM图像与截面形状的相关模型等适配，来估计被测定图案的收缩前的形状和尺寸。
将通过匹配处理得到的被测定图案的收缩前的形状和尺寸输出（步骤S104）。图案的形状能以二维或三维、或二维、三维两者进行图像显示，作为图案的尺寸，能响应操作人员的请求而输出显示抗蚀剂的高度、相对于抗蚀剂的各高度的宽度、上部的圆形形状和下部的裙边形状、挺度角等。
图9示出输出画面的示例。在图案形状显示（901）中，显示收缩前的图案形状（902）和与步骤S102中取得的被测定图案的CD－SEM图像对应的收缩后的图案形状（903）。在图9中，将收缩前的图案形状和多个收缩后的图案形状重叠描绘，但显示方法并不限于此，也可以分别个别地显示图案形状。另外，图案形状也可以三维显示，也可以以二维显示和三维显示两者来进行显示。
在测长值显示（905）中，进行抗蚀剂高度和任意抗蚀剂高度下的宽度、挺度角等的图案形状的数值显示（906）。能通过将抗蚀剂宽度的测长位置输入到相对于抗蚀剂高度的比例的指定部位（907），来输出相对于希望测量长度的抗蚀剂高度的宽度的值。抗蚀剂宽度的测长位置并不限于3处。为了易于理解测定位置，也可以配合测长位置的示意图（904）来进行显示。
通过以上的流程，能估计在CD－SEM不能观察到的收缩前的形状和尺寸，并输出。
接下来，使用图3A、图3B来说明收缩数据库。图3A是表示收缩数据库的构成的示例的图。收缩数据库（311）由数据群（312）和模型（316）构成。
数据群（312）由电子射线照射前截面形状（313）、各种电子射线照射条件的截面形状（314）、各种电子射线照射条件的CD－SEM图像（315）的各数据构成，模型（316）由收缩模型（317）、CD－SEM图像特征量与截面形状的相关模型（318）构成。
模型（316）以数据群（312）为基础建立。收缩模型（317）是将电子射线照射量与收缩引起的形状变化量的关系进行模型化的产物。CD－SEM图像特征量与截面形状的相关模型（318）是将CD－SEM图像的特征量与图案的截面形状的关系进行模型化的产物，能根据CD－SEM图像来估计截面形状。通过使用该模型（316），对未包含于数据群（312）的电子射线照射条件和抗蚀剂形状也能估计收缩前的截面形状和尺寸。
在本实施例中，作为数据群的构成要素，以电子射线照射前截面形状、各种电子射线照射条件的截面形状、各种电子射线照射条件的CD－SEM图像为例进行表示，但加入其它数据也没关系。
另外，在本实施例中，作为构成模型的要素，以收缩模型、CD－SEM图像与截面形状的相关模型这2个模型为例进行表示，但模型并不限于此。
图3B是表示收缩数据库的创建流程的示例的图。在收缩数据库的创建时，首先创建由各种形状、各种材料构成的图案（步骤S301）。作为各种形状，是抗蚀剂的宽度和高度、上部的圆形形状和下部的裙边形状、挺度角中的1个或多个不同的形状，作为各种材料，成为ArF用抗蚀剂等。
对于步骤S301中准备的图案，通过例如图案截面的STEM观察来取得电子射线照射前的截面形状的数据（步骤S302）。
另外，对于步骤S301中准备的图案，取得各种电子射线照射条件的CD－SEM图像数据群（步骤S304）。根据取得的CD－SEM图像，获得线分布图等的图像特征量。电子射线照射条件例如设为电子射线照射能量500V、电子射线电流8pA、倍率20万倍，将电子射线照射次数设为2次、4次、8次、16次、32次、64次，取得电子射线照射量不同的CD－SEM图像。这些图像由于收缩量不同，因此能得到形状或材料的差异引起的收缩倾向的差异，来作为数据。电子射线照射能量、电流、倍率、照射次数等并不限于在示例中举出的。
在与步骤S304中取得的CD－SEM图像相同条件下取得进行了电子射线照射的抗蚀剂图案的截面形状数据（步骤S303）。期望步骤S304和步骤S303的测定部位一致，但只要电子射线的照射条件相同，则也不一定非要步骤S304和步骤S303的测定部位一致。观察步骤S304中进行了CD－SEM测定的部位的图案的截面形状的步骤S303的顺序的示例在后面叙述。
通过从步骤S302中得到的收缩前的图案的截面形状和步骤S303中得到的电子射线照射量不同的收缩后的图案的截面形状，来定量地解析电子射线照射量与收缩引起的形状变化量的关系，由此创建收缩模型（步骤S305）。该模型是将起因于CD－SEM观察的收缩现象进行了模型化的产物，例如，若有电子射线照射条件和成为初始值的形状数据，则不仅能估计CD－SEM观察后的截面形状和尺寸，还能估计在CD－SEM中不能测定的收缩前的截面形状和尺寸。
通过定量解析步骤S304中得到的电子射线照射量不同的CD－SEM图像以及线分布图等特征量、和步骤S303中得到的与步骤S304对应的电子射线照射量的图案的截面形状，来创建图案的CD－SEM图像的特征量与截面形状的相关模型（步骤S306）。只要使用该相关模型，就能根据CD－SEM图像来估计对应的CD－SEM图像测定条件下的截面形状（收缩后的截面形状）。
通过将从步骤S306的相关模型得到的收缩后的图案的截面形状数据和电子射线照射条件与步骤S305的收缩模型适配，能估计图案的收缩前的形状和尺寸。
在本实施例中，作为构成收缩数据库的要素，以收缩模型、CD－SEM图像与截面形状的相关模型这2个模型为例进行表示，但模型并不限于此。
另外，在本实施例中，作为步骤S302、步骤S303中观察图案的截面形状的方法，记载了使用STEM观察，但若是原子力显微镜（AFM）等不因测定而引起收缩的方法，则使用其它观察手法也能得到相同的效果。
接下来，使用图4的流程和图5的示意图来说明收缩数据库制作中的CD－SEM观察部位的图案的截面形状观察方法。本实施例是通过使用聚焦离子束（FIB）的微采样来给出CD－SEM观察部位的图案截面，使用STEM的Z对比度模式来进行观察的示例。
首先，使用图4来说明流程。首先，进行抗蚀剂图案的CD－SEM观察（步骤S401）。若为了观察次纳米的图案而将观察倍率设为20万倍，则电子射线照射约700nm方形的区域。首先，得到观察倍率20万倍、电子射线照射能量500V、照射电流8pA照射16次照射的像。
之后，通过原子层沉积法（ALD法）在抗蚀剂图案上以0.5nm到3nm的膜厚形成氧化铪（HfO2）膜（步骤S402）。在FIB（FocusedIon Beam）微采样时，为了防止来自表面的损伤，一般形成保护膜。在抗蚀剂图案上直接成膜碳或抗蚀剂等的有机材料系的保护膜的情况下，由于抗蚀剂图案和保护膜哪个都由轻元素构成，因此在STEM的Z对比度像中成为大致相同程度的对比度，两者的边界变得不明了。于是，在形成保护膜前，在抗蚀剂上应用原子序数大于抗蚀剂材料的物质即HfO2膜，作为边界膜。由此，能在STEM的Z对比度像中清楚地观察到以HfO2附加上边的抗蚀剂的轮廓。
ALD（Atomic Layer Deposition）法是以原子层为单位形成薄膜的方法，特征在于高低差被覆性、膜厚均匀性、膜厚控制性高。为此，由于在抗蚀剂图案的侧壁和底部也能以均匀的膜厚进行成膜，因此能精度良好地得到抗蚀剂的轮廓。
HfO2膜一般在300℃程度下成膜，但尝试100℃下的成膜时，确认了：虽然与300℃下成膜的膜相比杂质量多，但在STEM－Z对比度模式下得到的像的对比度比相对于抗蚀剂或碳保护膜是足够的。由于抗蚀剂一般在显影后在120℃到150℃程度的温度下进行被称作后烘的热处理，因此，若在低于120℃的温度的100℃下成膜HfO2膜，则不会给抗蚀剂带来热损伤。
接下来，作为FIB加工时的第一保护膜，在成膜HfO2的抗蚀剂图案上用蒸镀法成膜碳膜（步骤S403）。碳膜的膜厚设为从能在第二保护膜成膜时（步骤S404）保护抗蚀剂图案的膜厚到能确认加工图案部位程度的膜厚。例如设为150nm。
接下来，在包含了步骤S401中CD－SEM观察的部位的区域，成膜约1μm的钨膜，作为第二保护膜（步骤S404）。能特定CD－SEM观察部位地，在FIB装置内仅在特定部位进行成膜。此时，也可以用FIB加工出线等的记号，从而能在成膜的钨膜上特定CD－SEM观察部位。
接下来，用基于FIB的微采样将包含CD－SEM观察部位的区域加工成STEM样品（步骤S405）。由于如使用FIB微采样法，就能观察次微米区域的特定的部位的截面，因此，能观察以CD－SEM观察的部位本身的截面。即，能使CD－SEM图像和截面形状一对一地对应。
另外，若以包含CD－SEM观察部位（本实施例中为700nm）和CD－SEM未观察部位这两者的区域来制作STEM样品，则能在相同的STEM样品内观察CD－SEM观察前和观察后这两者的截面形状。
将STEM观察用的样品的膜厚设为200nm到500nm。步骤S401中照射电子射线的区域为约700nm方形，相对于STEM样品的膜厚足够大。
在FIB加工中，由于使用高加速的离子束来切削样品，因此一般来说，损伤从加工表面（这种情况下为抗蚀剂截面）进入到约20nm的深度。在抗蚀剂截面的观察中，由于并非观察格子像，因此不需要使样品那样地薄膜化。因此，若使观察的样品膜厚成为200nm以上那样地比较的厚，则由于在观察区域所占的损伤层的比例成为不足2成，因此认为FIB加工带来的损伤的影响不会成为问题。
另外，由于STEM观察是透射观察，因此得到累积了样品膜厚内的抗蚀剂的形状偏差份的像。为此，若STEM样品过厚，则由于抗蚀剂形状的偏差，在外观上，观察边界膜较厚，在得到的形状中会产生误差，因此期望到500nm程度为止的膜厚。
接下来，在STEM的Z对比度模式下观察步骤S405中制作的截面样品，取得截面的STEM－Z对比度像（步骤S406）。STEM的Z对比度像是在STEM的暗视野观察下仅使具有大的散射角的透射电子成像而得到的像，像的对比度依赖于原子序数（Z）（与Z的平方成正比）。另外，由于能以1nm程度的高分辨率进行观察，因此能实现精度高的抗蚀剂形状的测定。
在抗蚀剂图案上直接成膜碳或抗蚀剂等有机材料系的保护膜的情况下，由于抗蚀剂图案和保护膜哪一者都由轻元素构成，因此在Z对比度像中会成为大致相同程度的对比度，两者的边界变得不明了，但若在抗蚀剂上成膜原子序数大于抗蚀剂材料的物质的HfO2膜作为边界膜，则能观察到该边界膜作为高对比度的抗蚀剂的轮廓线。
截面TEM观察与CD－SEM相同，都是对样品照射电子射线来进行测定的方法，但由于与CD－SEM相比，观察时的加速电压高、观察样品的膜厚是电子射线透射的厚度（例如200nm程度），因此TEM观察时照射的电子不停留在抗蚀剂内而透射。因此，在STEM观察中，有不会发生CD－SEM观察时那样的抗蚀剂收缩的优点。
接下来，根据步骤S406中得到的截面的STEM－Z对比度像，提取抗蚀剂的轮廓线，并将其二维数据化（步骤S407）。由于在抗蚀剂与保护膜的边界形成高对比度的边界膜（HfO2），因此，能通过将图像2值化，对边界膜循迹，来提取轮廓线。在轮廓线的提取在内，也可以使用各种程序和软件。
通过以上的实施例，能观察与用CD－SEM观察的部位相同部位的截面形状，能形成收缩数据库。
在本实施例中，示出了步骤S401中在1个电子射线照射条件下对一个部位进行电子射线照射的示例，但将在1个电子射线照射条件下观察多个部位或者在多个不同的电子射线照射条件下观察多个部位的区域加工成1个或多个STEM样品也没关系。根据该方法，由于还能在1个样品内对多个电子射线照射条件的形状进行STEM观察，因此能谋求作业时间的缩短。另外，由于能调查在同一样品内的变化，因此能实现没有样品间偏差影响的精度更高的测定。
在本实施例中，示出了作为边界膜而使用HfO2膜的示例，只要能在STEM的Z对比度像中得到与抗蚀剂的对比度比，则使用HfO2以外的膜也能得到相同的效果。作为成膜方法并不限于ALD法，只要是在抗蚀剂图案的侧壁和底部也能成膜的方法，则都能应用。
另外，在本实施例中，作为第一保护膜使用碳膜，但代替碳膜而使用抗蚀剂或Al2O3等在STEM的Z对比度像中能得到与抗蚀剂相同程度的对比度的物质，也能得到相同的效果。作为成膜方法，并不限于蒸镀法，只要是不给抗蚀剂带来损伤的方法就都能应用。
接下来，利用使用了图5的STEM的截面观察的示意图来对本实施例的截面观察方法进行补足说明。图5A是表示抗蚀剂样本510中的电子射线照射区域511、512、513、和通过FIB而薄膜化的STEM观察样品515的位置关系的示例。抗蚀剂图案形成在与基于FIB的电子射线未照射区域514垂直的方向上。
电子射线照射条件是将观察倍率设为20万倍，在电子射线照射能量500V下，对电子射线照射区域511、512、513的电子射线照射次数设为64次、2次、16次。电子射线照射区域的大小为约700nm方形，电子射线照射区域511与512、512与513的间隔为500nm。在电子射线照射区域511、512、513中，由于产生收缩引起的形状变化，因此能用光学显微镜确认位置。电子射线照射条件并不限于本实施例。照射部位的数目、配置、大小也收敛于用FIB进行加工的STEM样品内地设定即可。
对包含电子射线照射区域511、512、513和电子射线未照射区域514的区域进行FIB加工来制作STEM观察样品515，由此能在1个STEM样品内观察不同的电子射线照射条件下的区域和电子射线未照射区域。
图5B和图5C是STEM－Z对比度像的示意图。电子射线未照射区域514的截面是524的未照射区域截面，电子射线照射区域511的截面与521对应，电子射线照射区域512的截面与522对应，电子射线照射区域513的截面与523对应。
由于Z对比度像能在依赖于原子序数（Z）的对比度下得到，原子序数接近的碳蒸镀膜（碳保护膜）531、与抗蚀剂530的对比度差较小。与此相对，由于边界膜（HfO2）532由原子序数大于抗蚀剂530和碳保护膜531的元素构成，因此能在高对比度（白）下进行观察。如此，通过将HfO2膜532作为边界膜导入，能明了地观察抗蚀剂530的轮廓线。
图5C是放大图5B的放大区域525的图。电子射线照射区域的截面521的抗蚀剂形状并非与未照射区域的截面524的抗蚀剂形状以相似形收缩，而是抗蚀剂的中央附近成为中间变细形状。另外，抗蚀剂530下部的反射防止膜533也在电子射线照射区域（与521对应）收缩。另外，在本实施例中示出了设置反射防止膜的示例，根据抗蚀剂材料、膜厚、曝光光的波长不同，并非一定要设置。
由于抗蚀剂形状和反射防止膜形状如此地因电子射线照射而变形，因此仅通过收缩曲线的外插，难以进行收缩前形状的精度高的估计，从而，在收缩前形状的估计中，必须调查CD－SEM图像与截面形状的对应关系，必须调查电子射线照射引起的收缩形状的变化。根据本实施例，由于能无损伤地观察用CD－SEM进行观察的部位的截面形状，因此能形成精度高的收缩数据库。
图5D是提取被图5C的边界膜（HfO2）532附加了上边的抗蚀剂的轮廓线540的示例。通过提取抗蚀剂形状作为X、Y的二维数据，能进行抗蚀剂形状的定量的评价，能形成收缩数据库。
图6A、图6B示出了应用本实施例的截面形状观察方法来调查抗蚀剂形状测长值的测定次数依赖性的示例。图6A是抗蚀剂截面形状的示意图，图6B是测长值的测定次数依赖性的图表。分别以○612、◇613、△614示出针对抗蚀剂图案601的上部602、中部603、下部604各位置的相对于抗蚀剂宽度的测长值的测定次数的变化。如此，由于能进行截面形状的定量的评价，因此测长值与测定次数（电子射线照射量）的关系能以函数来表征。不仅图6所示的抗蚀剂宽度，抗蚀剂高度、挺度角、圆形形状、裙边形状的变化同样也能以函数来表征与测定次数（电子射线照射量）的关系。能通过以这些函数表征的关系来构成收缩数据库的收缩模型。
通过上述方法创建收缩数据库，使用图2所示的CD－SEM装置来估计抗蚀剂图案的收缩前形状，比较估计出的收缩前的抗蚀剂图案形状、和以该抗蚀剂图案为掩模进行干式蚀刻时的基底的图案形状，其结果能得到良好的对应关系。
以上，根据本实施例，提供通过使用收缩数据库，能在用CD－SEM测定由因电子射线照射而进行收缩的物质形成的图案的形状和尺寸时高精度地估计所述图案收缩前的图案尺寸的收缩前形状估计方法以及CD－SEM装置。
实施例2
接下来，基于图7以及图10来说明第2实施例。这是对通过ArF用的抗蚀剂形成在半导体基板上的任意的图案进行多点测定的示例。另外，实施例1中记载但本实施例中未记载的事项只要没有特殊情况，也能应用在本实施例中。
图7是本实施例所涉及的收缩前形状估计方法的流程图。首先，得到成为初始值的被测定图案的形状数据。最初，输入样本信息、装置信息（步骤S111）。样本信息是样本名、抗蚀剂的材料、图案的设计尺寸等与样本相关的信息，但只要输入能输入的项目即可。装置信息是电子射线的加速电压、电流、扫描方法、测定倍率等测定条件。
接下来，基于在装置信息输入的测定条件，用CD－SEM首先取得作为初始值来利用的被测定图案的CD－SEM图像群（步骤S112）。由于ArF抗蚀剂因CD－SEM测定而进行收缩，因此，若对被测定图案的同一部位进行多次CD－SEM测定来取得多张图像，就会得到收缩量不同的多张CD－SEM图像。例如，设定测定条件，将电子射线的能量设为500V，将电流设为8pA，将倍率设为20万倍，将电子射线照射次数设为4次、8次、16次、32次、64次，取得累积各个电子射线照射次数的图像。
该多个CD－SEM测定的测定条件期望是包含在创建收缩数据库时取得的CD－SEM测定条件中的条件。从取得的多个CD－SEM图像中分别取得线分布图等图像的特征量。CD－SEM图像和线分布图容纳在存储器中。
接下来，对预先创建的收缩数据库和步骤S112中取得的多个CD－SEM图像进行图案匹配处理（步骤S113）。也可以对从步骤S112取得的多个CD－SEM图像中得到的线分布图等的图像特征量、和收缩数据库进行图案匹配处理。在图案匹配处理中，例如通过将被测定图案的CD－SEM图像群或其特征量与收缩数据库中的收缩模型或CD－SEM图像与截面形状的相关模型等适配，能估计被测定图案的收缩前的形状和尺寸。图案的形状能以二维或三维、或二维、三维的两者进行图像显示，作为图案的尺寸，能响应操作人员的请求而输出显示抗蚀剂的高度、相对于抗蚀剂的各高度的宽度、上部的圆形形状和下部的裙边形状、挺度角等。
将通过图案匹配得到的被测定图案的收缩前的形状和尺寸数据作为样本信息的初始值来输入（步骤S114）。在这里输入的样本信息的初始值与步骤S111中输入的样本信息不同的情况下，置换为步骤S114中输入的信息。由于能在步骤S114中输入成为初始值的图案的形状数据，因此即使是样本信息不明的样本也能进行精度良好的估计。
接下来，使载台移动到与步骤S112的被测定图案不同的位置的被测定图案（步骤S115）。在步骤S115中，由于从步骤S112测定的图案移动到另外的被测定图案即可，因此也可以不使用载台移动而使用射束偏转。另外，只要是通过与步骤S112中测定的图案同等的工艺工序创建的样本，则也可以交换样本。
接下来，取得1张与步骤S112不同的位置的被测定图案的CD－SEM图像（步骤S116）。从取得的CD－SEM图像中，取得线分布图等的图像的特征量，将CD－SEM图像和线分布图容纳在存储器中。测定条件例如将电子射线的能量设为500V，将电流设为8pA，将倍率设为20万倍，将电子射线照射次数设为16次，但也可以应用另外的测定条件。
对步骤S114中输入的图案形状的初始值、步骤S116中取得的CD－SEM图像或图像的特征量、和收缩数据库进行匹配处理（步骤S117）。在该匹配处理中，由于已知图案形状的初始值，因此，仅成为例如调整从初始值的偏差的处理。
输出通过匹配处理得到的被测定图案的收缩前的形状和尺寸（步骤S118）。图案的形状能以二维或三维、或者二维、三维两者来进行图像显示，作为图案的尺寸，能响应于操作人员的请求而输出显示抗蚀剂的高度、相对于抗蚀剂的各高度的宽度、上部的圆形形状和下部的裙边形状、挺度角等。
在步骤S119中，进行判断，是使测定结束、还是继续，在测定多个被测定图案的情况下，反复S115到S118的各步骤，来输出多个被测定图案的收缩前的形状和尺寸。被测定图案的数目（反复次数）和测定部位的位置指定也可以在步骤S111输入，或者作为测定条件的序列而进行设定。
由于步骤S114中输入样本信息的初始值，因此在步骤S116中，即使取得1张被测定图案的CD－SEM图像也能在步骤S117中充分地进行与收缩数据库的匹配，因此能谋求测定时间的缩短。
在步骤S116中，为了测定时间缩短而设为取得1张CD－SEM图像，但即使与步骤S112相同地取得电子射线照射次数不同的多张CD－SEM图像也没关系。由此，虽然测定时间变长，但能在步骤S117中进行更高精度的收缩前形状和尺寸的估计。
图10示出显示画面的示例。在初始值的图案形状显示（921）中，显示收缩前的图案形状（922）、和步骤S112中取得的与被测定图案的CD－SEM图像对应的初始值的收缩后的图案形状（923）。在图10中重叠描绘收缩前的图案形状和多个收缩后的图案形状，但显示方法并不限于此，也可以分别个别地显示图案形状。另外，图案形状可以进行三维显示，也可以以二维显示和三维显示两者进行显示。
在初始值的测长值显示（925）中，进行抗蚀剂高度和任意抗蚀剂高度下的宽度、挺度角等的初始值的图案形状的数值显示（926）。通过将抗蚀剂宽度的测长位置输入到相对于抗蚀剂高度的比例的指定部位（907），能输出相对于希望测长的抗蚀剂高度的宽度的值。抗蚀剂宽度的测长位置并不限于3处。为了易于理解测定位置，也可以与测长位置的示意图（904）一起显示。
在多个被测定图案的数据中，在测长部位指定显示（911）中指定进行测长的芯片和部位。也可以在晶片图（912）上指定位置，或者输入测长部位坐标（913）。晶片图上的位置和坐标设定为哪一方改变则另一方都追随发生改变，两者表示相同部位。
在图案形状显示（901）中显示测长部位指定显示中指定的部位的收缩前的图案形状（902）。为了在收缩前的图案形状易于理解测定位置，也可以用箭头表示测定位置。图案形状也可以三维显示，也可以以二维显示和三维显示两者进行显示。在步骤S116中取得电子射线照射次数不同的多张CD－SEM图像的情况下，可以在图案形状显示中也与收缩后的图案形状一起进行显示。
在测长值显示（905）中，进行抗蚀剂高度和任意抗蚀剂高度下的宽度、挺度角等的图案形状的数值显示（906）。通过将抗蚀剂宽度的测长位置输入到相对于抗蚀剂高度的比例的指定部位（907），能输出相对于希望测长的抗蚀剂高度的抗蚀剂宽度。抗蚀剂宽度的测长位置并不限于3处。另外，还能将在输出选择（914）中附加上核对的数值输出，作为晶片面内分布和数值数据的文本文件。
通过上述方法创建收缩数据库，使用图2所示的CD－SEM装置来估计抗蚀剂图案的收缩前形状，比较估计出的收缩前的抗蚀剂图案形状、和以该抗蚀剂图案为掩模进行干式蚀刻时的基底的图案形状，其结果，能得到良好的对应关系。
以上，根据本实施例，能提供通过使用收缩数据库，能在用CD－SEM测定由因电子射线照射而进行收缩的物质形成的图案的形状和尺寸时高精度地估计所述图案收缩前的图案尺寸的收缩前形状估计方法以及CD－SEM装置。另外，通过使用样本信息的初始值，能谋求测定时间的缩短。
实施例3
接下来，基于图8以及图11来说明第3实施例。这是对通过ArF用的抗蚀剂而形成在半导体基板上的任意的图案进行多点测定的示例。另外，实施例1或2中记载而本实施例中未记载的事项只要没有特殊情况也都能应用在本实施例中。
图8是本实施例所涉及的收缩前形状估计方法的流程图。最初，输入装置信息（步骤S121）。装置信息是电子射线的加速电压、电流、扫描方法、测定倍率等测定条件。
接下来，输入成为被测定图案的初始值的样本信息（步骤S122）。输入的信息是样本名、抗蚀剂的材料、图案的设计尺寸等与样本相关的信息。输入从模拟器等得到的被测定图案的形状数据等尽可能可靠性高的信息。
接下来，基于在装置信息中输入的测定条件，通过CD－SEM来取得1张被测定图案的CD－SEM图像（步骤S123）。从取得的CD－SEM图像中取得线分布图等的图像的特征量，将CD－SEM图像和线分布图容纳在存储器中。测定条件例如将电子射线的能量设为500V，将电流设为8pA，将倍率设为20万倍，将电子射线照射次数设为16次，但也可以应用另外的测定条件。
对步骤S122中输入的图案形状的初始值、步骤S123中取得的CD－SEM图像以及图像的特征量、和收缩数据库进行匹配处理（步骤S124）。在该匹配处理中，由于已知图案形状的初始值，因此例如成为调整相对于初始值的偏离的处理。
在图案匹配处理中，例如能通过将被测定图案的CD－SEM图像群或其特征量与收缩数据库中的收缩模型或CD－SEM图像与截面形状的相关模型等适配，来估计被测定图案的收缩前的形状和尺寸。
输出步骤S124中得到的收缩前的形状和尺寸（步骤S125）。图案的形状能以二维或三维、或者二维、三维两者进行图像显示，作为图案的尺寸，能响应操作人员的请求而输出显示抗蚀剂的高度、相对于抗蚀剂的各高度的宽度、上部的圆形形状和下部的裙边形状、挺度角等。
在步骤S126中，进行判断，是使测定结束还是继续，在测定多个被测定图案的情况下，反复S123到S125的各步骤，来输出多个被测定图案的收缩前的形状和尺寸。被测定图案的数目（反复次数）和测定部位的位置指定也可以在步骤S121中输入，或者作为测定条件的序列而设定。
由于步骤S122中输入样本信息的初始值，因此在步骤S123中，即使取得1张被测定图案的CD－SEM图像，也能在步骤S124中充分地进行与收缩数据库的匹配，因此，能谋求测定时间的缩短。
在图11示出输出画面的示例。在多个被测定图案的数据中，在测长部位指定显示（911）中指定希望进行测长的部位。也可以在晶片图（912）上指定位置，或者输入测长部位坐标（913）。设定为：若晶片图上的位置和坐标的哪一方改变则另一方也追随发生改变，两者表示相同的部位。
在图案形状显示（901）显示收缩前的图案形状（902）。为了在收缩前的图案形状易于理解测定位置，也可以用箭头表示测定位置。图案形状也可以进行三维显示，也可以以二维显示和三维显示两者进行显示。
在测长值显示（905），进行抗蚀剂高度和任意抗蚀剂高度下的宽度、挺度角等的图案形状的数值显示（906）。通过将抗蚀剂宽度的测长位置输入到相对于抗蚀剂高度的比例的指定部位（907），能输出相对于希望进行测长的抗蚀剂高度的抗蚀剂宽度。抗蚀剂宽度的测长位置并不限于3处。另外，还能将在输出选择（914）中附加入核对的数值进行输出，作为晶片面内分布和数值数据的文本文件。
通过上述方法来创建收缩数据库，使用图2所示的CD－SEM装置来估计抗蚀剂图案的收缩前形状，比较估计出的收缩前的抗蚀剂图案形状、和以该抗蚀剂图案为掩模进行干式蚀刻时的基底的图案形状，其结果，能得到良好的对应关系。
以上，根据本实施例，能提供通过使用收缩数据库，能在用CD－SEM来测定由因电子射线照射而进行收缩的物质形成的图案的形状和尺寸时高精度地估计所述图案收缩前的图案尺寸的收缩前形状估计方法以及CD－SEM装置。另外，通过使用样本信息的初始值，能谋求测定时间的缩短。
另外，本发明并不限定于上述的实施例，还包含各种变形例。例如，上述的实施例为了易于理解地说明本发明而进行了详细的说明，但不一定非要限定在具备说明的全部构成的实施例。另外，能将某实施例的构成的一部分与其它实施例的构成置换，另外，还能在实施例的构成加入其它实施例的构成。另外，对于各实施例的构成的一部，都能进行其它构成的追加、削除、置换。
符号的说明
201 电子枪
202 一次电子
203 聚焦透镜
204 光圈
205 偏转线圈
206 物镜
207 样本
208 样本载台
220 二次电子
221 二次电子检测器
222 A/D变换器
510 样本
311 收缩数据库
312 数据群
316 模型
511 电子射线照射区域
512 电子射线照射区域
513 电子射线照射区域
514 电子射线未照射区域
515 STEM观察样品
521 电子射线照射区域511的截面
522 电子射线照射区域512的截面
523 电子射线照射区域513的截面
524 电子射线未照射区域的截面
525 放大区域
530 抗蚀剂
531 碳保护膜
532 边界膜（HfO2）
533 反射防止膜
540 抗蚀剂的轮廓线
601 抗蚀剂图案
602 抗蚀剂上部
603 抗蚀剂中部
604 抗蚀剂下部
612 相对于抗蚀剂上部的测长值的测定次数的变化
613 相对于抗蚀剂中部的测长值的测定次数的变化
614 相对于抗蚀剂下部的测长值的测定次数的变化
901 图案形状显示
902 收缩前的图案形状
903 收缩后的图案形状
904 测长位置的示意图
905 测长值显示
906 图案形状的数值显示
907 相对于抗蚀剂高度的比例的指定部位
911 测长部位指定显示
912 晶片图
913 测长部位坐标
914 输出选择
921 初始值的图案形状显示
922 初始值的收缩前的图案形状
923 初始值的收缩后的图案形状
925 初始值的测长值显示
926 初始值的图案形状的数值显示

Claims (11)

1.一种收缩前形状估计方法，是用CD-SEM对由因电子射线照射而进行收缩的物质形成的被测定图案的形状和尺寸进行测定时的所述被测定图案的收缩前形状估计方法，其特征在于，包括如下步骤：
准备收缩数据库的步骤，其中所述收缩数据库包含：由所述物质形成的被测定图案的电子射线照射前截面形状数据；各种电子射线照射条件下得到的截面形状数据群；各种电子射线照射条件下得到的CD-SEM图像数据群；使用被测定图案的电子射线照射前截面形状数据与各种电子射线照射条件下得到的截面形状数据群而创建的收缩模型；以及使用各种电子射线照射条件下得到的截面形状数据群与各种电子射线照射条件下得到的CD-SEM图像数据群而创建的CD-SEM图像特征量与截面形状的相关模型；
取得由所述物质形成的被测定图案的CD-SEM图像的步骤；
使用所述CD-SEM图像和所述收缩数据库的数据来估计所述被测定图案的收缩前的形状和尺寸、并输出的步骤。
2.根据权利要求1所述的收缩前形状估计方法，其特征在于，
所述收缩数据库包含各种形状、各种物质的被测定图案的数据。
3.根据权利要求2所述的收缩前形状估计方法，其特征在于，
构成所述收缩数据库的所述电子射线照射前截面形状数据和在所述各种电子射线照射条件下得到的截面形状数据群是通过用聚焦离子束加工法将所述被测定图案加工成截面样品，用透射电子显微镜进行观察来取得的。
4.根据权利要求3所述的收缩前形状估计方法，其特征在于，
在用所述聚焦离子束加工法对所述被测定图案进行加工前，在所述被测定图案的表面形成由原子序数比构成所述被测定图案的物质还大的物质构成的边界膜，并进一步在该边界膜上形成保护膜。
5.根据权利要求3所述的收缩前形状估计方法，其特征在于，
所述截面样品包含电子射线照射区域和电子射线未照射区域。
6.一种CD-SEM装置，具备：
电子射线源；
载置被测定样品的样品台；
使从所述电子射线源放出的电子照射到载置于所述样品台的被测定样品的电子光学系统；和
基于从所述被测定样品放出的二次电子来进行图像处理的控制处理部，
所述CD-SEM装置的特征在于，
所述CD-SEM装置为了估计由因电子射线照射而进行收缩的物质形成的被测定图案收缩前的形状，还具有收缩数据库，
所述收缩数据库包含：由所述物质形成的被测定图案的电子射线照射前截面形状数据；各种电子射线照射条件下得到的截面形状数据群；各种电子射线照射条件下得到的CD-SEM图像数据群；使用被测定图案的电子射线照射前截面形状数据与各种电子射线照射条件下得到的截面形状数据群而创建的收缩模型；以及使用各种电子射线照射条件下得到的截面形状数据群与各种电子射线照射条件下得到的CD-SEM图像数据群而创建的CD-SEM图像特征量与截面形状的相关模型。
7.根据权利要求6所述的CD-SEM装置，其特征在于，
所述收缩数据库包含各种形状、各种物质的被测定图案的数据。
8.根据权利要求7所述的CD-SEM装置，其特征在于，
构成所述收缩数据库的所述电子射线照射前截面形状数据和在所述各种电子射线照射条件下得到的截面形状数据群是通过用聚焦离子束加工法将所述被测定图案加工成截面样品，用透射电子显微镜进行观察来取得的。
9.根据权利要求8所述的CD-SEM装置，其特征在于，
在用所述聚焦离子束加工法对所述被测定图案进行加工前，在所述被测定图案的表面形成由原子序数比构成所述被测定图案的物质还大的物质构成的边界膜，并进一步在该边界膜上形成保护膜。
10.根据权利要求9所述的CD-SEM装置，其特征在于，
所述收缩数据库包含在所述控制处理部中。
11.根据权利要求9所述的CD-SEM装置，其特征在于，
所述CD-SEM装置还具有：
显示部，其与所述控制处理部连接，显示由因电子射线照射而进行收缩的物质而形成在所述被测定样品上的被测定图案在收缩前后的截面形状。
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