JP2001118537A - ビーム走査形検査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明の目的は、上記問題を解決し精度良くパ
ターン等の測長を行うことができるビーム走査形検査装
置を提供することにある。 【解決手段】本発明では、上記目的を達成するために、
ビームの焦点を段階的に変更する手段と、当該手段によ
って変更された焦点毎に試料像を記憶する記憶媒体と、
当該記憶媒体に記憶された試料像を重畳して試料像を形
成する手段を備えたビーム走査形検査装置を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は対象試料にビームを
走査して、例えば半導体，撮像素子、或いは表示素子の
パターン像等を取得する検査装置に関し、特に試料上の
凹凸によらず適正な走査像に基づく試料の検査を可能な
らしめるビーム走査形検査装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査電子顕微鏡（Scanning Electron Mi
croscope：以下ＳＥＭとする）等のビーム走査形検査装
置は、微細化の進む半導体ウェハ上に形成されたパター
ンの測定や観察に好適な装置である。またＳＥＭの中で
も測長ＳＥＭは、例えば試料に対する電子ビームの照射
に基づいて得られるコントラストや、試料から発生する
二次信号（二次電子や反射電子）の信号量に基づいてラ
インプロファイルを形成し、当該ラインプロファイルに
基づいてパターンの寸法を測定する装置である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ＳＥＭは、ビームを細
く絞って試料上に照射する装置であり、試料上に適正に
焦点を合せる必要がある。焦点合わせは、像全体で試料
構造のふちの像のぼけが最小となるように行うのが一般
的である。

【０００４】しかしながら、昨今の半導体ウェハの多層
化，微細化に伴い試料表面と、試料上に形成されたパタ
ーン上面或いはコンタクトホール底面との間の高低差や
アスペクト比がより大きくなってきた。その結果電子線
の適正な焦点距離が例えばパターンの上面と試料表面で
は異なるというような問題が生じてきた。

【０００５】特開平6−89687号公報に開示されているよ
うな自動焦点合わせ機能を備えた走査電子顕微鏡では、
焦点を段階的に変化させて行き、各焦点で得られた検出
信号に基づいて、適正な対物レンズの励磁条件を決定す
る技術が採用されているが、試料像全体で平均的な焦点
を得ているに過ぎず、パターンなど高さが異なる個所で
は部分的に焦点がぼけてしまうという問題がある。

【０００６】この問題は特に半導体ウェハ等に形成され
たパターンの形成幅を正確に測長できないことを意味
し、測定精度の低下を招く原因となっていた。

【０００７】本発明の目的は、上記問題を解決し精度良
くパターン等の測長を行うことができるビーム走査形検
査装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明では、上記目的を
達成するために、試料上にビームを走査して得られた信
号に基づいて試料像を形成するビーム走査形検査装置に
おいて、前記ビームの焦点を段階的に変更する手段と、
当該手段によって変更された焦点毎に試料像を記憶する
記憶媒体と、当該記憶媒体に記憶された試料像を重畳し
て試料像を形成する手段を備えたことを特徴とするビー
ム走査形検査装置を提供する。

【０００９】また重畳された試料像に基づいてラインプ
ロファイルを形成し、当該ラインプロファイルに基づい
て寸法測定を行うビーム走査形検査装置を提供する。

【００１０】

【発明の実施の形態】半導体素子の高集積化・高速化を
実現するために、半導体ウェハ等に形成されるパターン
微細化・デバイス構造立体化・配線多層化がより一層求
められている。

【００１１】一方、パターン微細化の進展は、検査装置
で要求される測長精度をより高いものとし、デバイス構
造の立体化・配線多層化の進歩は、測定パターンのアス
ペクト比（パターン高さ／パターン幅）を更に大きくす
る。この傾向を測長ＳＥＭについて考察すると、測長精
度を上げるための高分解能化（あるいは高解像度化）
と、高アスペクトパターン（あるいは高段差パターン）
を観測可能にするための焦点深度拡大とを、同時に実現
させることが必要となる。

【００１２】しかし、分解能Ｒと焦点深度ＤＯＦは次式
に示すような比例関係にあり、分解能を上げれば焦点深
度は浅くなり、その関係は相反するものであった。

【００１３】Ｒ∝ｄ ＤＯＦ∝ｄ／sinα（∝Ｒ） ｄ：電子ビーム径、α：電子ビームの半開角 したがって、例えば、微細・高段差パターンを高分解能
条件(極細電子ビーム)で測定する場合、仮にパターン上
面に焦点が合わせると、反面基板面がぼけ基板面パター
ンエッジ（所望のパターン幅）を高い測長精度で観測で
きなくなる。

【００１４】逆に、常に基板面に焦点位置が合うように
電子ビームを制御することは、現在の焦点合わせ技術か
ら見て極めて難しい。

【００１５】本発明実施例装置は、このように相反する
関係にある高分解能化（あるいは高解像度化）と焦点深
度の拡大を両立させることを目的とするものである。

【００１６】高分解能を目指して電子ビーム径を小さく
することは、収束レンズおよび対物レンズの縮小率を大
きくすることである。縮小率が高くなると、一般的に、
試料面に入射する電子ビームの開き角（２α）が大きく
なる。２αが大きいと、焦点ずれΔＦに伴う電子ビーム
径の増分（２α・ΔＦ）も大きくなる。すなわち、焦点
面での電子ビーム径ｄを小さく設定するほど、焦点面に
位置する対象は電子ビーム径がｄと小さいために より
高分解能で観察できるが、焦点面から少しでも外れたと
ころに位置する対象は 電子ビーム径が（ｄ＋２α・Δ
Ｆ）と大きくなるため像がひどくボケてしまう。

【００１７】本発明実施例ではこの点に着目し、深い焦
点深度と高い分解能を両立することを可能とすべく、α
が大きい状態で、パターンの高さに合わせた幾つかの焦
点位置で撮られた像を記憶しておき、これらの記憶像を
重畳して一枚の試料像を形成するようにした。その原理
を図２に示す。

【００１８】パターンの上面に焦点を合わせたビーム
（図２（ａ）の左側）でパターンを横切る方向に走査し
た時のラインプロファイルは、図２（ｃ）のようにな
る。パターン上面のエッジプロファイルは鮮鋭である
が、基板面のエッジプロファイルは鈍っている。一方、
基板面に焦点を合わせたビームを用いた場合、ラインプ
ロファイルは図２（ｂ）のようになり、基板面エッジは
鮮鋭であるが、上面エッジでは鈍る。

【００１９】図２（ｂ）と（ｃ）のラインプロファイル
を重畳すると、図２（ｄ）の実線で示すように、上面お
よび基板面エッジともに鮮鋭なプロファイルとなる。理
想的（全ての箇所で焦点が合っている）な点ビームで走
査した時の理想的なラインプロファイルは、図２（ｄ）
の破線のようになるから、重畳して得られた（ｄ）の実
線が、（ｂ）あるいは（ｃ）に比べて、理想的な信号強
度分布に近いことが分かる。すなわち、重畳プロファイ
ルを用いれば、焦点位置にズレが有っても、高段差パタ
ーンを高精度で寸法測定できる。

【００２０】重ねて言えば、画像重畳による焦点深度拡
大の効果は、高分解能にすればするほどより顕著なもの
となる。更に電子ビーム半開角αが大きい時ほど、すな
わち電子ビーム径ｄが小さい時ほど、正焦点位置の画像
はより鮮鋭になり、正焦点から少しでも外れた位置で撮
られた画像は より平板的（画面全体の輝度を上げるだ
けの単なるバックグランド）になる。結果として、重畳
された画像の解像度はより高くなる。

【００２１】上記原理を実現させるため、本発明実施例
装置ではビーム焦点位置設定と所定枚数のフレーム画像
形成・取得を繰り返し実行するための手段と、当該操作
によって得られた複数のフレーム画像を重畳して試料像
を形成するための手段とを持たせた。

【００２２】以上のような構成によれば、高分解能（あ
るいは高解像度）と焦点深度の拡大を両立させることが
可能になる。その結果、例えば、焦点位置合わせ精度の
如何に拘わらず、微細な高段差パターンの寸法を高精度
で測定することができる。

【００２３】なお、焦点位置変更操作をフレーム単位で
行うことにより、制御が容易であり、測定時間の冗長化
を抑制することが可能になる。

【００２４】（実施例）以下図面を用いて本発明実施例
装置について更に詳述する。なお、ここでは半導体ウェ
ハ等上に形成されるパターンの寸法測定に用いられる測
長ＳＥＭを例として本実施例装置を説明するが、これに
限られることはなくイオンビームを用いた走査イオン顕
微鏡や、レーザー光線を走査して試料像を形成する光学
顕微鏡であっても良い。

【００２５】電子銃１から放出された電子ビーム２は、
加速された後、収束レンズ３および対物レンズ４によっ
て細く絞られ、試料であるウェハ５の面上に焦点を結
ぶ。収束レンズは電子ビーム電流値の制御、対物レンズ
は焦点位置の調整に使われる。ウェハ面上に焦点を結ん
だ電子ビーム２は、偏向器６によって軌道を曲げられ、
該ウェハ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で照射されたウェハ部分からは、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
って検出され、電気信号に変換される。なお、以下の説
明は二次電子７を検出するものとして説明するが二次電
子７の代りに、或いは二次電子７と共に反射電子を検出
するようにしても良い。

【００２６】電気信号は、信号処理部１４にて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、
記憶媒体であるメモリ部１５に格納され、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は、電子ビーム２のウェ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画像が表示さ
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。

【００２７】試料像（画像および／あるいはラインプロ
ファイル）を用いてパターン寸法が測定される。まず
（１）画像を形成し、測定パターンの位置決めと焦点合
わせを行う。次に（２）測定パターンを横切るようにし
て、寸法を求めたい方向に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。そして（３）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、パターンエッジを決定する。更に（４）パ
ターンエッジの間隔から測定パターンの寸法を算出す
る。最後に（５）得られた算出値を寸法測定結果として
出力する。

【００２８】パターンエッジ決定アルゴリズムとして、
一般的には、しきい値法や直線近似法が用いられる。し
きい値法は、ラインプロファイルを所定のしきい値で切
り、ラインプロファイルとしきい値との交点をパターン
エッジとする方法である。

【００２９】しきい値を５０％に設定すると、パターン
の実寸法に近い測定結果が得られる。直線近似法は、パ
ターンエッジ部におけるラインプロファイルの変化を直
線で近似し、この近似直線とラインプロファイル・ベー
スラインとの交点をパターンエッジとする方法である。

【００３０】パターン寸法の測定精度（測長精度）は、
一次近似として、電子ビームの径に比例する。電子ビー
ムの径を小さくすることにより、測長値のバラツキを小
さくすることができる。その一方で、電子ビーム径を小
さくすると、電子ビーム径の二乗に逆比例して、電子ビ
ーム電流は減少する。電子ビーム径を小さくするため、
ビーム電流値を小さくし過ぎると、試料像のＳ／Ｎを低
下させる。

【００３１】大きなＳ／Ｎの低下は、像質すなわち解像
度の劣化を招き、測長精度を低下させてしまう。すなわ
ち、高い測長精度を実現させるためには、小さな電子ビ
ーム径と十分なＳ／Ｎを両立させること（高分解能ある
いは高解像度であること）が必要となる。

【００３２】このような要求を実現するため、複数フレ
ーム画像を重畳して試料像を形成する方法が採られてい
る。その順序は先ず（１）小さな径の電子ビームで試料
像（これをフレーム画像という：Ｓ／Ｎが低く像質は悪
い）を形成する。（２）（１）のフレーム画像形成を複
数回、例えば２０回繰り返す。

【００３３】（３）（２）で取得された２０数のフレー
ム画像を重畳して、十分な解像度の試料像（小さな電子
ビーム径で撮られた高いＳ／Ｎの像）を形成する。
（４）（３）で得られた試料像を処理してパターン寸法
を算出する。

【００３４】また本発明実施例装置でのパターンの寸法
の測定手順は、以下の通りである。被測定ウェハの一枚
５は、ウェハカセット１０から取り出された後、プリア
ライメントされる。プリアライメントは、ウェハに形成
されたオリエンテーションフラットやノッチなどを基準
として、ウェハの方向を合わせるための操作である。

【００３５】プリアライメント後、ウェハ５上に形成さ
れたウェハ番号が、図示しないウェハ番号読み取り装置
によって読み取られる。ウェハ番号は各ウェハに固有の
ものである。読み取られたウェハ番号をキーにして、予
め登録されていたウェハに対応するレシピが読み出され
る。これ以降の操作はこのレシピに従って、自動的、或
いは半自動的に行われる。

【００３６】レシピ読み出し後、ウェハ５は真空に保持
された試料室１１内のＸＹ−ステージ１２上に搬送さ
れ、搭載される。ＸＹ−ステージ１２上に装填されたウ
ェハ５は、試料室１１の上面に装着された光学顕微鏡１
３とウェハ５上に形成されたアライメントパターンを用
いて、アライメントされる。

【００３７】アライメントは、ＸＹ−ステージの位置座
標系とウェハ内のパターン位置座標系との補正を行うも
のであり、ウェハ上に形成されたアライメントパターン
が用いられる。アライメントパターンの数百倍程度に拡
大された光学顕微鏡像を、予めメモリ部１５に登録され
ているアライメントパターンの参照用画像と比較し、そ
の視野が参照用画像の視野と丁度重なるように、ステー
ジ位置座標を補正する。

【００３８】アライメント後、Ｘ−Ｙステージ１２と偏
向コイル６によって所定の測定パターン位置に視野移動
され、測定パターンが位置決めされる。そして当該視野
位置で焦点位置を合わせた後、測定パターンの試料像
が、前述のフレーム画像重畳方式で形成され、メモリ部
１５に記憶される。

【００３９】焦点合わせは、一般的には試料像の信号強
度分布（ラインプロファイル）を観測し、ラインプロフ
ァイルが最もシャープであると思われる位置に調整され
る。そしてメモリ部１５から読み出された試料像を用
い、寸法測定部１６では、所定のパターンエッジ決定ア
ルゴリズムに従って、測定パターンの寸法が算出され
る。

【００４０】本発明実施例装置では、この試料像形成の
際に以下のような処理を行う。図１の制御部１７は、電
磁レンズの焦点距離が 励磁電流の二乗にほぼ逆比例す
ることを利用し、対物レンズ４の励磁電流を制御するこ
とによって、電子ビーム焦点位置を所定のフレーム数毎
に変更する。

【００４１】例えば、前述の焦点合わせ法を用いて得ら
れた焦点位置を含むように設定した所定の焦点距離範囲
に対応させて、励磁電流を大きい値からステップ状に小
さくして行きながら(パターン上面付近から基板面に向
かって焦点位置を変えながら)４フレーム，６フレー
ム，８フレーム，１０フレーム，１２フレームの如くし
てフレーム画像を取得・記憶して行く。

【００４２】ここでは、基板からの放出二次電子がパタ
ーン側壁に遮られ、基板に近いほど二次電子信号量が少
ないことを考慮して、基板に近づくほどフレーム枚数を
増加させてある。このようにすることによって試料像全
体で明るさが均質であり且つ分解能の高い像を得ること
ができる。

【００４３】次に記憶されたフレーム画像を読み出し、
低空間周波数成分をカットするためにハイパスフィルタ
を通した後、重畳して試料像を形成する。この際、パタ
ーン面から上に外れた焦点位置、あるいは基板面から下
に外れた焦点位置で取られたフレーム画像は、電子ビー
ムのぼけが大きいため、ほぼ均一な輝度の一様な画像
（低空間周波数成分のみの画像）となり、低空間周波数
成分をカットして重畳しても、これらが試料像の解像度
を劣化させることはない。

【００４４】これらのフレーム画像取得条件は、予めメ
モリ部１５にレシピとして登録される。レシピとは、測
定作業を自動的あるいは半自動的に行うため、測定手順
や測定条件を定めたものである。

【００４５】なお、低空間周波数成分カットは、フレー
ム画像重畳の前処理として行う代わりに、フレーム画像
形成あるいはフレーム画像記憶前に行ってもよい。いず
れにしても、ハイパスフィルタにより低空間周波数成分
をカットした結果、焦点位置から外れた対象物からの信
号成分を除去でき、パターンエッジがより鮮鋭な試料像
を得ることができる。

【００４６】この試料像に基づいてラインプロファイル
を形成する。そしてこのラインプロファイルのエッジ間
の距離に基づいてパターン測長が実行される。本発明実
施例装置の場合、これらの処理は制御部１７で行われ
る。

【００４７】そしてウェハ内の予め指定された測定箇所
すべてをアライメント後以降の操作を繰り返し行うこと
によって、寸法測定される。このようにして一枚のウェ
ハの測定が終わる。ウェハカセットの中に複数の被測定
ウェハが残っている場合には、次のウェハをウェハカセ
ットから取り出した後、上記手順に従って、繰り返し測
定を行う。寸法測定結果は、測定箇所の位置座標データ
や測定箇所画像などとともに出力され、図外のデータベ
ースに登録され、後での解析に使用される。

【００４８】本実施例では、焦点位置を変更するため
に、対物レンズ励磁電流を制御する方法を用いたが、代
わりに試料ステージの高さを変えるようにしても良い。

【００４９】また試料に負電圧を印加することによっ
て、電子ビームに対する減速電界を形成し、高加速電子
ビームによる試料へのダメージやチャージアップを抑制
する技術（リターディング技術）を採用している装置の
場合、試料に印加される負電圧を調節することで電子ビ
ームの焦点を調節するようにしても良い。

【００５０】絶縁物試料で、チャージアップが飽和する
までに時間がかかるような試料については、電子ビーム
を所定の時間照射した後、試料像を取り込むようにする
と良い。事前照射操作をレシピ化することも可能であ
る。

【００５１】本実施例装置では、パターン寸法測定のプ
ローブに電子ビームを用いたが、代りのプローブとして
イオンビームなどを用いても良い。また本実施例装置で
は１プローブの場合を示したが、マルチプローブで像形
成を行う方式であっても構わない。また、半導体ウェハ
を観察する場合について示したが、代りに撮像素子や表
示素子用のウェハであってもよいし、ウェハ以外の試料
であっても構わない。

【００５２】

【発明の効果】高分解能（あるいは高解像度）と焦点深
度の拡大を両立させることが可能になる。その結果、高
分解能で撮られた試料像が見易くなる。更に測長ＳＥＭ
については、微細な高段差パターンの寸法を高精度で測
定することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】測長ＳＥＭの原理と本発明における装置構成を
説明するための図。

【図２】本発明の原理を示すための図。

【符号の説明】

１…電子銃、２…電子ビーム、３…収束レンズ、４…対
物レンズ、５…ウェハ、６…偏向コイル、７…二次電
子、８…二次電子検出器、９…ディスプレイ、１０…ウ
ェハカセット、１１…試料室、１２…ＸＹ−ステージ、
１３…光学顕微鏡、１４…信号処理部、１５…メモリ
部、１６…寸法測定部、１７…制御部。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】試料上にビームを走査して得られた信号に
   基づいて試料像を形成するビーム走査形検査装置におい
   て、前記ビームの焦点を段階的に変更する手段と、当該
   手段によって変更された焦点毎に試料像を記憶する記憶
   媒体と、当該記憶媒体に記憶された試料像を重畳して試
   料像を形成する手段を備えたことを特徴とするビーム走
   査形検査装置。
2. 【請求項２】請求項１において、 前記ビームが電子ビームであることを特徴とするビーム
   走査形検査装置。
3. 【請求項３】試料上にビームを走査して得られた信号に
   基づいて試料像を形成するビーム走査形検査装置におい
   て、前記ビームの焦点を段階的に変更する手段と、当該
   手段によって変更された焦点毎に試料像を記憶する記憶
   媒体と、当該記憶媒体に記憶された試料像を重畳して試
   料像を形成する手段と、当該重畳された試料像に基づい
   てラインプロファイルを形成する手段と、当該ラインプ
   ロファイルに基づいて寸法測定を実行する手段を備えた
   ことを特徴とするビーム走査形検査装置。