JP2005017145A - 試料寸法測定方法及び荷電粒子線装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】光学式測定装置と、走査電子顕微鏡の２つの測定を効率良く実行する方法及び装置を提供する。
【解決手段】複数の特徴物の寸法値の平均値を算出し、算出された平均値と、光を照射したときに得られる特徴物の寸法値の違いに基づいて、寸法値のオフセット値を算出することを特徴とする方法及び装置を提供する。
半導体ウェハ上の第１のパターンの寸法を測定するときに、第１のパターン以外の第２のパターンに光を照射して、その寸法を測定し、寸法値が所定値以上、或いは所定値を超えていた場合に、第１のパターンに対する寸法測定を実施する。
【選択図】 図１２
【解決手段】複数の特徴物の寸法値の平均値を算出し、算出された平均値と、光を照射したときに得られる特徴物の寸法値の違いに基づいて、寸法値のオフセット値を算出することを特徴とする方法及び装置を提供する。
半導体ウェハ上の第１のパターンの寸法を測定するときに、第１のパターン以外の第２のパターンに光を照射して、その寸法を測定し、寸法値が所定値以上、或いは所定値を超えていた場合に、第１のパターンに対する寸法測定を実施する。
【選択図】 図１２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料寸法測定方法、及び荷電粒子線装置に係り、特に光学式形状測定装置による測定を含む試料寸法測定方法、及び荷電粒子線装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体回路パターンの線幅を測定する手段として測長ＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）と呼ばれる走査電子顕微鏡が用いられている。この装置によれば半導体回路パターンの任意の場所のパターン幅を高倍率で精度良く測定することができる反面、狭い領域での測定に限定されるため、広範囲の領域でのパターン線幅を評価するためには、多くの場所での測定が必要となる。
【０００３】
また、直上方向からの平面的な画像に基づいているため断面のプロファイルを測定することはできない場合が多い。このため、パターンの断面プロファイル測定は、パターンを実際にイオンビーム等を用いて断面加工し、その断面をＳＥＭやＴＥＭ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：透過型電子顕微鏡）で観察することにより行っている。
【０００４】
以上のように直上方向からのＳＥＭによる測定では、試料を破壊して断面を露出させる等、三次元的な情報を得ることが困難であるという問題があった。このような問題を解決するために、ＳＥＭと光学式検査装置の両方を用いて、パターンの３次元形状を測定する技術が特許文献１に開示されている。
【０００５】
特許文献１には、テストパターンに光を照射して高さを測定し、電子ビームを照射して幅とコントラストを測定し、得られたコントラストから相関関係を用いて、パターンの高さを推定する技術が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００３−１４８９４５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
光学式検査装置は、断面形状プロファイルを測定することが可能であり、更に走査電子顕微鏡と比較して、スループットが高い。しかしながら、光学式検査装置では、走査電子顕微鏡に比べて、測定可能な倍率が低く、パターン幅等の測定精度が低いという問題がある。そこで特許文献１のように、光学式検査装置と走査電子顕微鏡を組み合わせて測定することが考えられるが、２つの異なる測定を行うため、スループットが低下するという問題がある。
【０００８】
本発明の目的は、光学式検査装置と、走査電子顕微鏡に代表される荷電粒子線装置の２つの測定を効率良く実行する試料寸法測定方法、及び荷電粒子線装置の提供にある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、第１にパターンに光を照射して前記パターン内の特徴物の寸法を測定し、前記パターン内の複数の特徴物に荷電粒子線を走査して、前記特徴物ごとに寸法を測定する寸法測定方法であって、前記複数の特徴物の寸法値の平均値を算出し、当該算出された平均値と、前記光を照射したときに得られる特徴物の寸法値の違いに基づいて、寸法値のオフセット値を算出することを特徴とする寸法測定方法、及び当該測定方法を実現する荷電粒子線装置を提供する。
【００１０】
第２に、本発明では、半導体ウェハ上の第１のパターンの寸法を測定するときに、前記第１のパターン以外の第２のパターンに光を照射して、その寸法を測定し、当該寸法値が所定値以上、或いは所定値を超えていた場合に、前記第１のパターンに対する寸法測定を実施することを特徴とする寸法測定方法、及び装置を提供する。
【００１１】
本発明の具体的構成、及び効果は、以下の発明の実施の形態の欄で明らかにする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本実施例では、半導体デバイスのパターン寸法及び形状を測定する走査型電子顕微鏡（ＣＤ−ＳＥＭまたは傾斜観察可能なレビューＳＥＭでもよい）において、その一部にスキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置を搭載し、同一ウェハを連続して測定する。測定する順序は走査型電子顕微鏡からスキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置でも、その逆でもよい。
【００１３】
ただし、ホトレジストなど、測定することにより寸法などが変化してしまう材料を測定する場合には、光と電子ビームのうち変化の度合いが小さい方から測定する方が望ましい。同一ウェハを連続して測定することにより、例えばあるウェハＡを走査型電子顕微鏡で測定し、引き続いてスキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置で測定している間に、次のウェハＢを走査型電子顕微鏡で測定するという連続シーケンスにし、並列処理を行うことにより、増加する測定時間を最小限にとどめたまま、走査型電子顕微鏡による実パターン測定と、スキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置による測定用パターンの測定結果の両方を得ることができる。これによりウェハ面内のより多くの部分の測定が可能となる。
【００１４】
また、スキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置による測定では、測定対象の線幅などの測定寸法に関し、概略の値，変動範囲を考慮してスペクトルのマッチング処理を行っている。これをあらかじめ走査型電子顕微鏡で測定しておくことにより、スキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置での測定範囲を限定することが可能で、これにより測定時間を短縮することができ、その結果より多くの部分の測定が可能となる。
【００１５】
測定用パターン（本明細書内で第２のパターンと称することもある）は半導体チップのスクライブ領域に配置されていることが多く、１チップに対し最低１箇所の測定パターンが配置されている。これをスキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置により測定し、断面形状のプロファイルを得る。ただしこれは測定用パターン内の一部の領域の平均的な値として得られるものである。
【００１６】
これに対し、同じ測定用パターンを半導体パターン測定用の走査型電子顕微鏡（測長ＳＥＭ）で測定する。スキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置で得られた測定値が、測定用パターン内の測定用光ビームの照射された領域内の平均的な値であるのに対し、測長ＳＥＭで得られる測定値は、微小な領域での値であるため、測定用パターン内部のスキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置で測定した領域内の複数箇所（特徴物）を測定し、平均値とばらつきなどを求めておき、比較しやすくしておく必要がある。
【００１７】
測定用パターンは１チップに対し１箇所程度であるため、ウェハ全面の傾向を知るために、複数の測定パターンに対し同様な比較測定を行う。
【００１８】
スキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置では断面プロファイルに関する測定値が得られるのに対し、測長ＳＥＭではパターン底部の幅や上部の幅といった平面的な画像から得られる測定値しか得られない。このため両者で対応する例えばパターン底部の幅といった測定値を比較する。
【００１９】
ウェハ内で複数点取った測定値を比較するためには、測長ＳＥＭの測定値及びスキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置での測定値による散布図を作成すると比較しやすい。さらに両者の関係式を回帰式を用いて作成しておくと、後で補正するときに活用することができる。
【００２０】
次に、測定用パターンから離れ、実際の半導体チップ内部のパターン（実パターン：本明細書では第１のパターンと称することもある）の測定を行う。この結果得られた対応する測定値、例えばパターン底部の幅といった測定値が得られると、先の回帰式を用いてスキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置での測定値に換算することができる。さらに、例えば測定用パターンの断面プロファイルと実パターンの断面プロファイルは相似形であると仮定することにより、実パターンの断面プロファイルを推定することができる。または、測定用パターンと実パターンとでパターンの高さ（すなわち膜厚）は同じであるという仮定のもとに、実パターンの断面プロファイルを推定することができる。これらは、実際に評価して実用的な比較方法を用いればよい。
【００２１】
先の回帰式が例えばあるロット内で有効であるならば、最初の１ウェハから得られた式を用い、後は測長ＳＥＭ測定のみを行うだけで実パターンの断面プロファイルを測定することが可能となる。もし、１ウェハごとに補正する必要があるならば、１ウェハごとに上記測定を行えばよく、実態に合わせてた頻度で測定すればよいことになる。
【００２２】
以上のように、測長ＳＥＭにより得られた情報にスキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置により得られた情報を付加することにより、実パターンの断面プロファイルを推定することが可能となる。
【００２３】
更に他の例として上記と同様に測定用パターンをスキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置により測定し、断面形状のプロファイルを得る。同じ測定用パターンを測長ＳＥＭにより測定する。この一連の測定を複数の測定パターンに対して行い、両者の関係式を回帰式を用いて作成しておくという処理をあらかじめ実施しておく。
【００２４】
半導体チップ内部のパターンは、測定パターンと異なり色々な線幅，ピッチ，パターン密度，形状などを持った多種多様なものが存在する。したがって測定用パターンがどのような断面プロファイルに加工されていれば実パターンも問題なく加工されているかどうかは事前にはわからないことが多い。つまり、例えば測定パターンから得られたパターン底部の幅の測定値の許容範囲をあらかじめ設定することは難しい。
【００２５】
そこで、実パターンの中からあらかじめ不良になりやすい（断線，ショート，形状不良など）個所を選定しておき、測定用パターンとの対応関係を調べる。ただし、実パターンの良／不良の判定は例えばパターン幅のような測定値で判断できることが望ましい。あるウェハに対し選定した実パターンを測長ＳＥＭで測定し良／不良の判定を実際に複数のチップに対して実施する。この測定値はあらかじめ得ておいた回帰式によって補正しておくことが必要である。
【００２６】
次に、最初に測定しておいたスキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置により、測定パターンの測定を複数チップに対して行った結果との対比を行う。
【００２７】
すなわち、横軸にスキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置で測定した測定値をプロットし、縦軸には選定した実パターンの種類数に対応する測定値をプロットする。それら個別に設定された良／不良判定値と比較し、スキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置による測定値の管理範囲を求める。良／不良判定を明確に行うためには、リソグラフィ工程であれば焦点距離と露光量を変化させて露光したウェハ（ＦＥＭ：Ｆｏｃｕｓ Ｅｘｐｏｓｕｒｅ Ｍａｐ）を用いると、より明確な範囲を求めることが可能となる。管理範囲（所定値）以上、或いは超えるような、測定値が、光学式パターン形状検査装置によって検出された場合に、測長ＳＥＭによる測定を行うようにすれば、測長ＳＥＭによる測長回数を減らすことができる。
【００２８】
このようにして、ある製品、或いはロットに対応した管理範囲をあらかじめ求めておき、引き続きウェハに対しては、スキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置による測定のみを行い、製品パターンの良／不良の判定を高速で大量のチップに対して実施することが可能となる。
【００２９】
以下、本発明の統合型半導体デバイスパターン測定装置の実施例について図面を参照しながら詳細に説明する。まず、本実施例で使用する荷電粒子線装置、並びに光学式パターン形状測定装置の構成について説明する。なお、本実施例装置は荷電粒子線装置の一例として走査電子顕微鏡を例にとって説明するが、それに限られることはなく、例えばイオンビームを用いた測長装置に適用することも可能である。
【００３０】
図１は、試料に対し電子線を一次元、或いは二次元的に走査したときに検出される電子（二次電子、或いは反射電子）に基づいて、例えば半導体ウェハ上に形成されるパターン寸法を測定する走査電子顕微鏡（以下測長ＳＥＭと称する場合もある）の平面図である。図２はその外観図である。
【００３１】
図１に示す測長ＳＥＭは、走査電子顕微鏡鏡体３と、測定対象試料（半導体ウェハ等）の周囲を真空雰囲気とするための測定チャンバ２を有する走査電子顕微鏡本体１を備えている。測定チャンバ２には、当該測定チャンバ２に導入される試料の導入，排出を行うロードロック室４，５が接続されている。ロードロック室４，５は、ミニエンバイロンメント７と接続しており、当該ミニエンバイロンメント７から搬送ロボット６によって試料が導入される。
【００３２】
搬送ロボット６は、ウェハカセット９から試料（ウェハ）を取り出して、ロードロック室４、或いは５に搬入するように動作する。ウェハカセット９は、図示しない蓋が設けられ、当該蓋は、試料取り出し時に、オープナー８によって開放される。なお、本実施例においてはウェハカセット９を、３個配置可能な３ポート式を採用しているが、これに限られることはなく、例えば２ポート式でもそれ以外でも良い。
【００３３】
更に、図１，図２に示す本実施例装置は、光学式形状測定装置１６を備えている。この光学式形状測定装置１６は、ミニエンバイロンメント７内に設けられ、試料搬送の際に、後に詳述する測定を行う。なお、本実施例装置では光学式形状測定装置をミニエンバイロンメント７内に設けた例について説明するが、これに限られることはなく、例えば測定チャンバ２や、ロードロック室４，５内に設けるようにしても良い。
【００３４】
また、図１，図２に示す走査電子顕微鏡装置は、本発明実施例を説明するための一例に過ぎず、本発明の要旨を変えない範囲で変更が可能である。
【００３５】
図３は、光学式形状測定装置１６の詳細を説明するための図である。本実施例では、光学式形状測定装置として、スキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置を用いた例について説明する。
【００３６】
光源１５（本実施例の場合、キセノンランプ）から放出された光は、ビームスプリッタ１２によって反射され、対物レンズ１１で集光されて試料に照射される。光源１５から放出された光は、適当な波長となるようにフィルター１４により調整される。試料により回折された光は、対物レンズ１１を通じて集光され、ビームスプリッタ１２を透過し、分光器１３に到達する。この分光器１３に到達し、検出される光は、後述する測定に供される。
【００３７】
なお、スキャトロメトリ法等の光学式パターン形状検査装置は、図２４で説明するような測定原理を有する装置である。その種類として反射率測定法（Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ），偏光解析法（Ｅｌｌｉｐｓｏｍｅｔｒｙ）、及び角度可変法（Ａｎｇｌｅ−Ｒｅｓｏｌｖｅｄ）等がある。
【００３８】
図４は、走査電子顕微鏡の概略を説明する図である。陰極２１と第一陽極２２の間には、制御演算装置５０（制御プロセッサ）で制御される高電圧制御電源４１により電圧が印加され、所定のエミッション電流が陰極２１から引き出される。陰極２１と第二陽極２３の間には制御演算装置５０で制御される高電圧制御電源４１により加速電圧が印加されるため、陰極２１から放出された一次電子線２４は加速されて後段のレンズ系に進行する。一次電子線２４は、集束レンズ制御電源４２で制御された収束レンズ２５で収束され、絞り板２８で一次電子線２４の不要な領域が除去される。
【００３９】
その後、対物レンズ制御電源４３で制御された対物レンズ２７により試料２９に微小スポットとして収束され、偏向コイル３１で試料上を二次元的に走査される。偏向コイル３１の走査信号は、観察倍率に応じて偏向コイル制御電源４４により制御される。また、試料２９は二次元的に移動可能な試料ステージ６１上に固定されている。試料ステージ６１はステージ制御部４５により移動が制御される。
【００４０】
一次電子線２４の照射によって試料２９から発生した二次電子３０は二次電子検出器３２により検出され、制御演算装置３０によって、二次信号を可視信号に変換して別の平面上に適宜配列するように制御を行うことで、試料像表示装置４８に試料の表面形状に対応した画像を試料像として表示する。
【００４１】
入力装置４７はオペレータと制御演算装置５０のインターフェースを行うもので、オペレータはこの入力装置４７を介して上述の各ユニットの制御を行う他に、測定点の指定や寸法測定の指令を行う。なお、制御演算装置５０には図示しない記憶装置が設けられており、得られた測長値等を記憶できるようになっている。
【００４２】
二次電子検出器３２で検出された信号は、信号アンプ３３で増幅された後、画像メモリに蓄積されるようになっている。なお、本実施例装置は二次電子検出器１２を備えているが、これに限られることはなく、反射電子を検出する反射電子検出器や光，電磁波，Ｘ線を検出する検出器を二次電子検出器に替えて、或いは一緒に備えることも可能である。
【００４３】
画像メモリのメモリ位置に対応したアドレス信号は、制御演算装置５０内、或いは別に設置されたコンピュータ内で生成され、アナログ変換された後に、偏向コイル３１に供給される。Ｘ方向のアドレス信号は、例えば画像メモリが５１２×５１２画素（ｐｉｘｅｌ）の場合、０から５１２を繰り返すデジタル信号であり、Ｙ方向のアドレス信号は、Ｘ方向のアドレス信号が０から５１２に到達したときにプラス１される０から５１２の繰り返しのデジタル信号である。これがアナログ信号に変換される。
【００４４】
画像メモリのアドレスと電子線を走査するための偏向信号のアドレスが対応しているので、画像メモリには走査コイルによる電子線の偏向領域の二次元像が記録される。なお、画像メモリ内の信号は、読み出しクロックで同期された読み出しアドレス生成回路で時系列に順次読み出すことができる。アドレスに対応して読み出された信号はアナログ変換され、試料像表示装置４８の輝度変調信号となる。
【００４５】
画像メモリには、Ｓ／Ｎ比改善のため画像（画像データ）を重ねて（合成して）記憶する機能が備えられている。例えば８回の二次元走査で得られた画像を重ねて記憶することで、１枚の完成した像を形成する。即ち、１回もしくはそれ以上のＸ−Ｙ走査単位で形成された画像を合成して最終的な画像を形成する。１枚の完成した像を形成するための画像数（フレーム積算数）は任意に設定可能であり、二次電子発生効率等の条件を鑑みて適正な値が設定される。また複数枚数積算して形成した画像を更に複数枚重ねることで、最終的に取得したい画像を形成することもできる。所望の画像数が記憶された時点、或いはその後に一次電子線のブランキングを実行し、画像メモリへの情報入力を中断するようにしても良い。
【００４６】
またフレーム積算数を８に設定した場合に、９枚目の画像が入力される場合には、１枚目の画像は消去され、結果として８枚の画像が残るようなシーケンスを設けても良いし、９枚目の画像が入力されるときに画像メモリに記憶された積算画像に７／８を掛け、これに９枚目の画像を加算するような重み加算平均を行うことも可能である。
【００４７】
また本発明実施例装置は、検出された二次電子或いは反射電子等に基づいて、ラインプロファイルを形成する機能を備えている。ラインプロファイルは一次電子線を一次元、或いは二次元走査したときの電子検出量、或いは試料像の輝度情報等に基づいて形成されるものであり、得られたラインプロファイルは、例えば半導体ウェハ上に形成されたパターンの寸法測定等に用いられる。
【００４８】
パターンの寸法測定は、試料像表示装置４８に試料像とともに２本の垂直または水平カーソル線を表示させ、入力装置４７を介してその２本のカーソルをパターンの２箇所のエッジへ設置し、試料像の像倍率と２本のカーソルの距離の情報をもとに制御演算装置５０でパターンの寸法値として測定値を算出する。
【００４９】
なお、図４の説明は制御プロセッサ部が走査電子顕微鏡と一体、或いはそれに準ずるものとして説明したが、無論それに限られることはなく、走査電子顕微鏡鏡体とは別に設けられた制御プロセッサで以下に説明するような処理を行っても良い。その際には二次電子検出器３２で検出される検出信号を制御プロセッサに伝達したり、制御プロセッサから走査電子顕微鏡のレンズや偏向器等に信号を伝達する伝達媒体と、当該伝達媒体経由で伝達される信号を入出力する入出力端子が必要となる。また、以下に説明する処理を行うプログラムを記憶媒体に登録しておき、画像メモリを有し走査電子顕微鏡に必要な信号を供給する制御プロセッサで、当該プログラムを実行するようにしても良い。
【００５０】
本実施例装置の制御演算装置５０は、光学式形状測定装置１６に関する制御を行うものとして説明するが、これに限られることはなく、走査電子顕微鏡とは別の制御装置を備えても良い。更に、本実施例装置は、例えば半導体ウェハ上の複数点を観察する際の条件（測定個所，走査電子顕微鏡の光学条件等）を予めレシピとして記憶しておき、そのレシピの内容に従って、測定や観察を行う機能を備えている。
【００５１】
また、以下に説明する処理を行うプログラムを記憶媒体に登録しておき、画像メモリを有し走査電子顕微鏡に必要な信号を供給する制御プロセッサで、当該プログラムを実行するようにしても良い。即ち、以下に説明する本発明実施例は光学式形状検査装置を備えた走査電子顕微鏡等の荷電粒子線装置に採用可能なプログラムの発明としても成立するものである。
【００５２】
図５は、走査電子顕微鏡に取り付けられた光学式形状検査装置の詳細を説明する図である。搬送ロボット６の搬送アーム５１は、走査電子顕微鏡による測定前、或いは測定後に、光学式形状測定装置１６による測定を行うためにウェハ５２を光学式形状測定装置１６の近傍まで搬送する。光学式形状測定装置１６の近傍まで搬送されたウェハ５２は、アーム５３によって、光学式形状測定装置１６の光軸下に位置付けられる。光学式形状測定装置１６では、後述する測定が行われる。本実施例装置によれば、搬送ロボットを測長ＳＥＭと光学式形状検査装置とで共用することができる。
【００５３】
（実施例１）
半導体製造プロセスにおいては、図６に示されている通り、ＬＳＩ回路パターンを形成するため、回路パターンを形成する材料を膜状に堆積させた後、その上にホトレジストを塗布し、所望のパターン形状を得るために製作されたマスクパターンを用い、露光装置により露光する。露光後に現像処理を行い、不要な部分のホトレジストを除去する。
【００５４】
ポジレジストの場合、露光した部分のみが現像処理により除去され、ネガレジストの場合は、露光されなかった部分のみが現像処理により除去される。
【００５５】
一般的には、形成されたホトレジストパターンが所望の寸法範囲に入っているかどうかを確認するための検査が行われる。この検査には通常測長ＳＥＭ（測長用操作型電子顕微鏡）と呼ばれる測定装置が使用され、上方から観察した画像に基づき、レジストパターンの底部の幅や上部の幅寸法などを測定し、プロセス状態の管理を行っている。
【００５６】
次に、この現像されたホトレジストパターンをマスクとしてエッチング処理を行い、回路パターンを形成する材料自体を加工し、回路パターンを形成する。その後、不要となったホトレジストを除去する。
【００５７】
一般的には、先のホトレジストパターン寸法の測定と同様、加工の終了したパターンが所望の寸法範囲に入っているかどうかを確認するための検査が行われる。この検査には通常測長ＳＥＭが使用され、パターン幅を測定することにより、プロセス管理を行っている。
【００５８】
従来、半導体回路を構成するパターンの幅寸法を測定することにより、プロセスの管理が行われてきた。しかしながら、パターンの微細化が進み、パターンの断面形状によりトランジスタの諸特性が変化するため、所望のトランジスタ特性を得るには、単なる幅寸法の管理だけでは不十分になってきた。
【００５９】
例えば、素子間を分離する工程においては、絶縁体であるＳｉＯ２ を埋め込むための溝部分の加工が重要であり、溝の幅だけでなく、深さ，テーパ角度，角の丸みなどが、例えばトランジスタ特性に影響を与えるといわれている。
【００６０】
また、トランジスタ自体も、そのゲートをマスクとしてソース，ドレイン及びチャネルを形成するための不純物ドープが行われるため、幅だけでなくゲート自身の高さ，テーパ角度などがトランジスタ性能に大きな影響を与えることが判明してきている。
【００６１】
このような背景から、従来のパターン幅寸法のみの管理では不十分で、最近ではパターン高さやテーパ角度、すなわち断面プロファイル形状全体を管理することが重要となってきている。以下に説明する本実施例では、パターン高さやテーパ角度のような断面情報を得るのに特に好適な寸法測定方法、及び測長ＳＥＭについて説明する。
【００６２】
以下に本実施例装置による実パターン（チップ上の回路として機能、或いはチップ上に形成されるパターン）を測定する例を図面を用いて説明する。図７は本実施例の測定フローである。まず、図８に示すようにウェハ１０を搬送ロボット６を経由して、光学式形状測定装置１６の測定位置に置く。次にウェハ１０上に形成された測定用パターン２０に対し、光学式形状測定装置１６による測定を行う。複数のチップに対しこの測定を繰り返す。図９はウェハ１０上に形成された半導体チップ１７を示す図であり、半導体チップ１７上には実パターン１８が形成されている。
【００６３】
次に測定用パターン２０に対し測長ＳＥＭで測定を行うため、図１０に示すように搬送ロボット６によりウェハ１０を右のロードロック室４（または左のロードロック室５）へ移載する。その後同じ測定用パターン２０に対し測定を行う。測定が終了したら図１１に示すようにウェハカセット９の中に搬送ロボット６によりウェハ１０を戻す。以上の一連の動作により１枚のウェハに対し測定パターンの測長ＳＥＭ測定とスキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置による測定が終了する。
【００６４】
図１２は、測長ＳＥＭ測定と、スキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置の両者で測定した結果の中から、パターン底部の幅を取って散布図を作成した例を示すものである。
【００６５】
横軸にスキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置での測定値を示し、縦軸には測長ＳＥＭによる測定値をプロットしてある。一つのスキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置測定値に対し、測定用パターン内の特徴物を測長ＳＥＭにより複数点測定してあるため、その平均値とばらつきが表現されている。
【００６６】
また、図１３に両者で測定したパターン底部の幅をプロットした事例を示す。
測長ＳＥＭの測定データは、測定用パターン内の平均値を取ってある。この図のように大きなオフセットがあるような場合には、図１２の散布図から求めた直線回帰式で補正することが可能である。
【００６７】
例えば、図１４に示したグラフは、スキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置で測定した値を直線回帰式に基づき補正した事例である。このようにして、スキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置で測定した値と測長ＳＥＭで測定した値を合わせこむことが可能となる。
【００６８】
図１５に示すように、スキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置と測長ＳＥＭでの測定値を合わせこむことが可能になれば、測定用パターンの立体形状から実パターンの立体形状を推定することが可能となる。
【００６９】
引き続き、他のウェハに対しても同様な測定を行うことにより、測長ＳＥＭ、スキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置おのおの単独では不可能であった実パターンの立体形状測定が可能となる。このようにして測定した実パターンの立体形状測定結果のウェハ面内分布を表示することも可能であり意義深い。
【００７０】
また、図１６に示すようにウェハ１０を測長ＳＥＭで測定中に、ウェハ２１をスキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置で並行して測定することにより、全体のスループットを向上させることも可能となる。また、測長ＳＥＭとスキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置とを独立して測定可能にすることも有効である。
【００７１】
このように、同じウェハを測長ＳＥＭとスキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置とで測定するわけであるから、それぞれの測定レシピには共通する情報、例えば図１７に示すようなウェハ内のチップマトリクスなどが常に存在する。したがって、この統合型半導体デバイスパターン測定装置とすることにより、共通の情報が使えるためレシピ作成が容易になるというメリットもある。
【００７２】
本実施例によれば、統合型半導体デバイスパターン測定装置により、従来不可能であった実パターンの立体形状測定が可能となるという効果がある。
【００７３】
（実施例２）
測定パターンから実パターンの良否を判定するための実施例を記載する。実施するために必要な統合型半導体デバイスパターン測定装置の外観は、図２に示した通りである。図１８に実施例２の測定フローを示す。図１９に示したような測定用パターン２０の測定、すなわち図１８のフローのステップ▲４▼で示された部分までは実施例１と共通である。次に、図１８のステップ▲６▼に示したように、測長ＳＥＭにより測定用パターンに対応するチップ内の実パターンを測定する。その様子を図２０に示す。この事例ではあるチップで３サイト測定しているが、そのうちサイト１，２は正常、サイト３はショート不良であったことを表している。
このような比較測定を複数のチップに対して実施し横軸に測定チップ番号を取ってプロットした事例を図２１に示す。本実施例の場合、測定用パターンの幅が１２０ｎｍを超えると実パターンのうちサイト３に関しては不良になる可能性があることを示唆しており、この製品に関しては、この値が管理値の候補であることを示している。
【００７４】
現在、一般的には測長ＳＥＭの測定スピードよりもスキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置による測定スピードの方が速いので、この管理値をもとに、より多くのウェハのより多くのチップに対して、異常有無を判定するための測定を行うことが可能となる。
【００７５】
本実施例によれば、統合型半導体デバイスパターン測定装置により、より多くのウェハ，チップに対して異常有無のモニタを行うことが可能となるという効果がある。
【００７６】
（実施例３）
実施例２で示したような、実パターンが不良となる可能性のある判定値が得られている場合、測定時間の短いスキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置でウェハ内全測定パターンに対して測定を行い、異常と判定された測定パターンの配置されているチップに対してのみ測長ＳＥＭによる測定，観察を行うことで、測長ＳＥＭの測定点数を減らすことが可能となる例を示す。
【００７７】
実施するために必要な統合型半導体デバイスパターン測定装置の外観は図２に示した通りである。また各チップに対応して配置された測定用パターンに対し、スキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置により測定を実施し、良否の判定を行うのは図１８のフローに示した通りである。このフローに従い、図２２に示すような良否判定の終了したウェハに対し、図２０に示すような、あらかじめ指定されたチップ内の実パターン測定箇所を測長ＳＥＭで測定および観察を行う。観察を行った結果、異常の発見された例を図２３に示す。ここでは異常と判定されたチップの実パターンの一部に、ブリッジ不良が発生していることが判明した例を示している。
【００７８】
本実施例によれば、異常有無のモニタを行った上で、異常の認められたチップのみのＳＥＭ観察を行うことにより、ウェハ面内のパターン加工状態分布を把握した上で、短時間で異常の種類までも把握できるため、プロセス変更などの結果をすばやく判断することが可能となり、半導体デバイス開発期間の短縮に貢献することが可能となる。
【００７９】
【発明の効果】
本発明によれば、光学式形状検査装置と、走査電子顕微鏡の両方の測定を行う上で、効率良く両者の情報を用いることができ、測定効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】統合型半導体デバイスパターン測定装置平面図。
【図２】統合型半導体デバイスパターン測定装置外観図。
【図３】スキャトロメトリ光学系の概略を説明する図。
【図４】走査電子顕微鏡の概略を説明する図。
【図５】走査電子顕微鏡に光学式形状検査装置を取り付けた例を説明する図。
【図６】半導体製造プロセスを説明する図。
【図７】実パターンの立体形状を測定するフローチャート。
【図８】スキャトロメトリ測定のためのウェハの配置を説明する図。
【図９】測定用パターンを説明する図。
【図１０】ウェハのロードロック室への移送を説明する図。
【図１１】ウェハをウェハカセットに戻した例を示す図。
【図１２】測長ＳＥＭ測定と光学式形状検査装置の測定結果を比較する散布図。
【図１３】測長ＳＥＭの測定結果の平均値と光学式形状検査装置の測定結果を違いを説明する図。
【図１４】光学式形状検査装置の測定結果を補正した状態を説明する図。
【図１５】実パターンの立体形状の測定例を示す図。
【図１６】光学式形状検査装置と測長ＳＥＭの並行測定の例を説明する図。
【図１７】測定レシピを共有化した例を説明する図
【図１８】測定パターンから実パターンの良否を判定するためのフローチャート。
【図１９】同一の測定用パターンの測定を説明する図。
【図２０】実パターンの良否判定を説明する図。
【図２１】測定用パターンによる実パターンの良否判定例を説明する図。
【図２２】良否判定が終了したウェハを説明する図。
【図２３】異常判定されたチップのＣＤ−ＳＥＭ測定結果を示す図。
【図２４】光学式パターン検査装置の原理を説明する図。
【符号の説明】
１…装置本体、２…測定チャンバ、３…走査電子顕微鏡鏡体、４，５…ロードロック室、６…搬送ロボット、７…ミニエンバイロンメント、８…オープナ、９…ウェハカセット、１０，２１…ウェハ、１１…対物レンズ、１２…ビームスプリッタ、１３…分光器、１４…フィルター、１５…キセノンランプ、１６…光学式形状測定装置、１７…半導体チップ、１８…実パターン、１９…スクライブライン、２０…測定用パターン。
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料寸法測定方法、及び荷電粒子線装置に係り、特に光学式形状測定装置による測定を含む試料寸法測定方法、及び荷電粒子線装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体回路パターンの線幅を測定する手段として測長ＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）と呼ばれる走査電子顕微鏡が用いられている。この装置によれば半導体回路パターンの任意の場所のパターン幅を高倍率で精度良く測定することができる反面、狭い領域での測定に限定されるため、広範囲の領域でのパターン線幅を評価するためには、多くの場所での測定が必要となる。
【０００３】
また、直上方向からの平面的な画像に基づいているため断面のプロファイルを測定することはできない場合が多い。このため、パターンの断面プロファイル測定は、パターンを実際にイオンビーム等を用いて断面加工し、その断面をＳＥＭやＴＥＭ（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：透過型電子顕微鏡）で観察することにより行っている。
【０００４】
以上のように直上方向からのＳＥＭによる測定では、試料を破壊して断面を露出させる等、三次元的な情報を得ることが困難であるという問題があった。このような問題を解決するために、ＳＥＭと光学式検査装置の両方を用いて、パターンの３次元形状を測定する技術が特許文献１に開示されている。
【０００５】
特許文献１には、テストパターンに光を照射して高さを測定し、電子ビームを照射して幅とコントラストを測定し、得られたコントラストから相関関係を用いて、パターンの高さを推定する技術が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００３−１４８９４５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
光学式検査装置は、断面形状プロファイルを測定することが可能であり、更に走査電子顕微鏡と比較して、スループットが高い。しかしながら、光学式検査装置では、走査電子顕微鏡に比べて、測定可能な倍率が低く、パターン幅等の測定精度が低いという問題がある。そこで特許文献１のように、光学式検査装置と走査電子顕微鏡を組み合わせて測定することが考えられるが、２つの異なる測定を行うため、スループットが低下するという問題がある。
【０００８】
本発明の目的は、光学式検査装置と、走査電子顕微鏡に代表される荷電粒子線装置の２つの測定を効率良く実行する試料寸法測定方法、及び荷電粒子線装置の提供にある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、第１にパターンに光を照射して前記パターン内の特徴物の寸法を測定し、前記パターン内の複数の特徴物に荷電粒子線を走査して、前記特徴物ごとに寸法を測定する寸法測定方法であって、前記複数の特徴物の寸法値の平均値を算出し、当該算出された平均値と、前記光を照射したときに得られる特徴物の寸法値の違いに基づいて、寸法値のオフセット値を算出することを特徴とする寸法測定方法、及び当該測定方法を実現する荷電粒子線装置を提供する。
【００１０】
第２に、本発明では、半導体ウェハ上の第１のパターンの寸法を測定するときに、前記第１のパターン以外の第２のパターンに光を照射して、その寸法を測定し、当該寸法値が所定値以上、或いは所定値を超えていた場合に、前記第１のパターンに対する寸法測定を実施することを特徴とする寸法測定方法、及び装置を提供する。
【００１１】
本発明の具体的構成、及び効果は、以下の発明の実施の形態の欄で明らかにする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本実施例では、半導体デバイスのパターン寸法及び形状を測定する走査型電子顕微鏡（ＣＤ−ＳＥＭまたは傾斜観察可能なレビューＳＥＭでもよい）において、その一部にスキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置を搭載し、同一ウェハを連続して測定する。測定する順序は走査型電子顕微鏡からスキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置でも、その逆でもよい。
【００１３】
ただし、ホトレジストなど、測定することにより寸法などが変化してしまう材料を測定する場合には、光と電子ビームのうち変化の度合いが小さい方から測定する方が望ましい。同一ウェハを連続して測定することにより、例えばあるウェハＡを走査型電子顕微鏡で測定し、引き続いてスキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置で測定している間に、次のウェハＢを走査型電子顕微鏡で測定するという連続シーケンスにし、並列処理を行うことにより、増加する測定時間を最小限にとどめたまま、走査型電子顕微鏡による実パターン測定と、スキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置による測定用パターンの測定結果の両方を得ることができる。これによりウェハ面内のより多くの部分の測定が可能となる。
【００１４】
また、スキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置による測定では、測定対象の線幅などの測定寸法に関し、概略の値，変動範囲を考慮してスペクトルのマッチング処理を行っている。これをあらかじめ走査型電子顕微鏡で測定しておくことにより、スキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置での測定範囲を限定することが可能で、これにより測定時間を短縮することができ、その結果より多くの部分の測定が可能となる。
【００１５】
測定用パターン（本明細書内で第２のパターンと称することもある）は半導体チップのスクライブ領域に配置されていることが多く、１チップに対し最低１箇所の測定パターンが配置されている。これをスキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置により測定し、断面形状のプロファイルを得る。ただしこれは測定用パターン内の一部の領域の平均的な値として得られるものである。
【００１６】
これに対し、同じ測定用パターンを半導体パターン測定用の走査型電子顕微鏡（測長ＳＥＭ）で測定する。スキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置で得られた測定値が、測定用パターン内の測定用光ビームの照射された領域内の平均的な値であるのに対し、測長ＳＥＭで得られる測定値は、微小な領域での値であるため、測定用パターン内部のスキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置で測定した領域内の複数箇所（特徴物）を測定し、平均値とばらつきなどを求めておき、比較しやすくしておく必要がある。
【００１７】
測定用パターンは１チップに対し１箇所程度であるため、ウェハ全面の傾向を知るために、複数の測定パターンに対し同様な比較測定を行う。
【００１８】
スキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置では断面プロファイルに関する測定値が得られるのに対し、測長ＳＥＭではパターン底部の幅や上部の幅といった平面的な画像から得られる測定値しか得られない。このため両者で対応する例えばパターン底部の幅といった測定値を比較する。
【００１９】
ウェハ内で複数点取った測定値を比較するためには、測長ＳＥＭの測定値及びスキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置での測定値による散布図を作成すると比較しやすい。さらに両者の関係式を回帰式を用いて作成しておくと、後で補正するときに活用することができる。
【００２０】
次に、測定用パターンから離れ、実際の半導体チップ内部のパターン（実パターン：本明細書では第１のパターンと称することもある）の測定を行う。この結果得られた対応する測定値、例えばパターン底部の幅といった測定値が得られると、先の回帰式を用いてスキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置での測定値に換算することができる。さらに、例えば測定用パターンの断面プロファイルと実パターンの断面プロファイルは相似形であると仮定することにより、実パターンの断面プロファイルを推定することができる。または、測定用パターンと実パターンとでパターンの高さ（すなわち膜厚）は同じであるという仮定のもとに、実パターンの断面プロファイルを推定することができる。これらは、実際に評価して実用的な比較方法を用いればよい。
【００２１】
先の回帰式が例えばあるロット内で有効であるならば、最初の１ウェハから得られた式を用い、後は測長ＳＥＭ測定のみを行うだけで実パターンの断面プロファイルを測定することが可能となる。もし、１ウェハごとに補正する必要があるならば、１ウェハごとに上記測定を行えばよく、実態に合わせてた頻度で測定すればよいことになる。
【００２２】
以上のように、測長ＳＥＭにより得られた情報にスキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置により得られた情報を付加することにより、実パターンの断面プロファイルを推定することが可能となる。
【００２３】
更に他の例として上記と同様に測定用パターンをスキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置により測定し、断面形状のプロファイルを得る。同じ測定用パターンを測長ＳＥＭにより測定する。この一連の測定を複数の測定パターンに対して行い、両者の関係式を回帰式を用いて作成しておくという処理をあらかじめ実施しておく。
【００２４】
半導体チップ内部のパターンは、測定パターンと異なり色々な線幅，ピッチ，パターン密度，形状などを持った多種多様なものが存在する。したがって測定用パターンがどのような断面プロファイルに加工されていれば実パターンも問題なく加工されているかどうかは事前にはわからないことが多い。つまり、例えば測定パターンから得られたパターン底部の幅の測定値の許容範囲をあらかじめ設定することは難しい。
【００２５】
そこで、実パターンの中からあらかじめ不良になりやすい（断線，ショート，形状不良など）個所を選定しておき、測定用パターンとの対応関係を調べる。ただし、実パターンの良／不良の判定は例えばパターン幅のような測定値で判断できることが望ましい。あるウェハに対し選定した実パターンを測長ＳＥＭで測定し良／不良の判定を実際に複数のチップに対して実施する。この測定値はあらかじめ得ておいた回帰式によって補正しておくことが必要である。
【００２６】
次に、最初に測定しておいたスキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置により、測定パターンの測定を複数チップに対して行った結果との対比を行う。
【００２７】
すなわち、横軸にスキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置で測定した測定値をプロットし、縦軸には選定した実パターンの種類数に対応する測定値をプロットする。それら個別に設定された良／不良判定値と比較し、スキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置による測定値の管理範囲を求める。良／不良判定を明確に行うためには、リソグラフィ工程であれば焦点距離と露光量を変化させて露光したウェハ（ＦＥＭ：Ｆｏｃｕｓ Ｅｘｐｏｓｕｒｅ Ｍａｐ）を用いると、より明確な範囲を求めることが可能となる。管理範囲（所定値）以上、或いは超えるような、測定値が、光学式パターン形状検査装置によって検出された場合に、測長ＳＥＭによる測定を行うようにすれば、測長ＳＥＭによる測長回数を減らすことができる。
【００２８】
このようにして、ある製品、或いはロットに対応した管理範囲をあらかじめ求めておき、引き続きウェハに対しては、スキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置による測定のみを行い、製品パターンの良／不良の判定を高速で大量のチップに対して実施することが可能となる。
【００２９】
以下、本発明の統合型半導体デバイスパターン測定装置の実施例について図面を参照しながら詳細に説明する。まず、本実施例で使用する荷電粒子線装置、並びに光学式パターン形状測定装置の構成について説明する。なお、本実施例装置は荷電粒子線装置の一例として走査電子顕微鏡を例にとって説明するが、それに限られることはなく、例えばイオンビームを用いた測長装置に適用することも可能である。
【００３０】
図１は、試料に対し電子線を一次元、或いは二次元的に走査したときに検出される電子（二次電子、或いは反射電子）に基づいて、例えば半導体ウェハ上に形成されるパターン寸法を測定する走査電子顕微鏡（以下測長ＳＥＭと称する場合もある）の平面図である。図２はその外観図である。
【００３１】
図１に示す測長ＳＥＭは、走査電子顕微鏡鏡体３と、測定対象試料（半導体ウェハ等）の周囲を真空雰囲気とするための測定チャンバ２を有する走査電子顕微鏡本体１を備えている。測定チャンバ２には、当該測定チャンバ２に導入される試料の導入，排出を行うロードロック室４，５が接続されている。ロードロック室４，５は、ミニエンバイロンメント７と接続しており、当該ミニエンバイロンメント７から搬送ロボット６によって試料が導入される。
【００３２】
搬送ロボット６は、ウェハカセット９から試料（ウェハ）を取り出して、ロードロック室４、或いは５に搬入するように動作する。ウェハカセット９は、図示しない蓋が設けられ、当該蓋は、試料取り出し時に、オープナー８によって開放される。なお、本実施例においてはウェハカセット９を、３個配置可能な３ポート式を採用しているが、これに限られることはなく、例えば２ポート式でもそれ以外でも良い。
【００３３】
更に、図１，図２に示す本実施例装置は、光学式形状測定装置１６を備えている。この光学式形状測定装置１６は、ミニエンバイロンメント７内に設けられ、試料搬送の際に、後に詳述する測定を行う。なお、本実施例装置では光学式形状測定装置をミニエンバイロンメント７内に設けた例について説明するが、これに限られることはなく、例えば測定チャンバ２や、ロードロック室４，５内に設けるようにしても良い。
【００３４】
また、図１，図２に示す走査電子顕微鏡装置は、本発明実施例を説明するための一例に過ぎず、本発明の要旨を変えない範囲で変更が可能である。
【００３５】
図３は、光学式形状測定装置１６の詳細を説明するための図である。本実施例では、光学式形状測定装置として、スキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置を用いた例について説明する。
【００３６】
光源１５（本実施例の場合、キセノンランプ）から放出された光は、ビームスプリッタ１２によって反射され、対物レンズ１１で集光されて試料に照射される。光源１５から放出された光は、適当な波長となるようにフィルター１４により調整される。試料により回折された光は、対物レンズ１１を通じて集光され、ビームスプリッタ１２を透過し、分光器１３に到達する。この分光器１３に到達し、検出される光は、後述する測定に供される。
【００３７】
なお、スキャトロメトリ法等の光学式パターン形状検査装置は、図２４で説明するような測定原理を有する装置である。その種類として反射率測定法（Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ），偏光解析法（Ｅｌｌｉｐｓｏｍｅｔｒｙ）、及び角度可変法（Ａｎｇｌｅ−Ｒｅｓｏｌｖｅｄ）等がある。
【００３８】
図４は、走査電子顕微鏡の概略を説明する図である。陰極２１と第一陽極２２の間には、制御演算装置５０（制御プロセッサ）で制御される高電圧制御電源４１により電圧が印加され、所定のエミッション電流が陰極２１から引き出される。陰極２１と第二陽極２３の間には制御演算装置５０で制御される高電圧制御電源４１により加速電圧が印加されるため、陰極２１から放出された一次電子線２４は加速されて後段のレンズ系に進行する。一次電子線２４は、集束レンズ制御電源４２で制御された収束レンズ２５で収束され、絞り板２８で一次電子線２４の不要な領域が除去される。
【００３９】
その後、対物レンズ制御電源４３で制御された対物レンズ２７により試料２９に微小スポットとして収束され、偏向コイル３１で試料上を二次元的に走査される。偏向コイル３１の走査信号は、観察倍率に応じて偏向コイル制御電源４４により制御される。また、試料２９は二次元的に移動可能な試料ステージ６１上に固定されている。試料ステージ６１はステージ制御部４５により移動が制御される。
【００４０】
一次電子線２４の照射によって試料２９から発生した二次電子３０は二次電子検出器３２により検出され、制御演算装置３０によって、二次信号を可視信号に変換して別の平面上に適宜配列するように制御を行うことで、試料像表示装置４８に試料の表面形状に対応した画像を試料像として表示する。
【００４１】
入力装置４７はオペレータと制御演算装置５０のインターフェースを行うもので、オペレータはこの入力装置４７を介して上述の各ユニットの制御を行う他に、測定点の指定や寸法測定の指令を行う。なお、制御演算装置５０には図示しない記憶装置が設けられており、得られた測長値等を記憶できるようになっている。
【００４２】
二次電子検出器３２で検出された信号は、信号アンプ３３で増幅された後、画像メモリに蓄積されるようになっている。なお、本実施例装置は二次電子検出器１２を備えているが、これに限られることはなく、反射電子を検出する反射電子検出器や光，電磁波，Ｘ線を検出する検出器を二次電子検出器に替えて、或いは一緒に備えることも可能である。
【００４３】
画像メモリのメモリ位置に対応したアドレス信号は、制御演算装置５０内、或いは別に設置されたコンピュータ内で生成され、アナログ変換された後に、偏向コイル３１に供給される。Ｘ方向のアドレス信号は、例えば画像メモリが５１２×５１２画素（ｐｉｘｅｌ）の場合、０から５１２を繰り返すデジタル信号であり、Ｙ方向のアドレス信号は、Ｘ方向のアドレス信号が０から５１２に到達したときにプラス１される０から５１２の繰り返しのデジタル信号である。これがアナログ信号に変換される。
【００４４】
画像メモリのアドレスと電子線を走査するための偏向信号のアドレスが対応しているので、画像メモリには走査コイルによる電子線の偏向領域の二次元像が記録される。なお、画像メモリ内の信号は、読み出しクロックで同期された読み出しアドレス生成回路で時系列に順次読み出すことができる。アドレスに対応して読み出された信号はアナログ変換され、試料像表示装置４８の輝度変調信号となる。
【００４５】
画像メモリには、Ｓ／Ｎ比改善のため画像（画像データ）を重ねて（合成して）記憶する機能が備えられている。例えば８回の二次元走査で得られた画像を重ねて記憶することで、１枚の完成した像を形成する。即ち、１回もしくはそれ以上のＸ−Ｙ走査単位で形成された画像を合成して最終的な画像を形成する。１枚の完成した像を形成するための画像数（フレーム積算数）は任意に設定可能であり、二次電子発生効率等の条件を鑑みて適正な値が設定される。また複数枚数積算して形成した画像を更に複数枚重ねることで、最終的に取得したい画像を形成することもできる。所望の画像数が記憶された時点、或いはその後に一次電子線のブランキングを実行し、画像メモリへの情報入力を中断するようにしても良い。
【００４６】
またフレーム積算数を８に設定した場合に、９枚目の画像が入力される場合には、１枚目の画像は消去され、結果として８枚の画像が残るようなシーケンスを設けても良いし、９枚目の画像が入力されるときに画像メモリに記憶された積算画像に７／８を掛け、これに９枚目の画像を加算するような重み加算平均を行うことも可能である。
【００４７】
また本発明実施例装置は、検出された二次電子或いは反射電子等に基づいて、ラインプロファイルを形成する機能を備えている。ラインプロファイルは一次電子線を一次元、或いは二次元走査したときの電子検出量、或いは試料像の輝度情報等に基づいて形成されるものであり、得られたラインプロファイルは、例えば半導体ウェハ上に形成されたパターンの寸法測定等に用いられる。
【００４８】
パターンの寸法測定は、試料像表示装置４８に試料像とともに２本の垂直または水平カーソル線を表示させ、入力装置４７を介してその２本のカーソルをパターンの２箇所のエッジへ設置し、試料像の像倍率と２本のカーソルの距離の情報をもとに制御演算装置５０でパターンの寸法値として測定値を算出する。
【００４９】
なお、図４の説明は制御プロセッサ部が走査電子顕微鏡と一体、或いはそれに準ずるものとして説明したが、無論それに限られることはなく、走査電子顕微鏡鏡体とは別に設けられた制御プロセッサで以下に説明するような処理を行っても良い。その際には二次電子検出器３２で検出される検出信号を制御プロセッサに伝達したり、制御プロセッサから走査電子顕微鏡のレンズや偏向器等に信号を伝達する伝達媒体と、当該伝達媒体経由で伝達される信号を入出力する入出力端子が必要となる。また、以下に説明する処理を行うプログラムを記憶媒体に登録しておき、画像メモリを有し走査電子顕微鏡に必要な信号を供給する制御プロセッサで、当該プログラムを実行するようにしても良い。
【００５０】
本実施例装置の制御演算装置５０は、光学式形状測定装置１６に関する制御を行うものとして説明するが、これに限られることはなく、走査電子顕微鏡とは別の制御装置を備えても良い。更に、本実施例装置は、例えば半導体ウェハ上の複数点を観察する際の条件（測定個所，走査電子顕微鏡の光学条件等）を予めレシピとして記憶しておき、そのレシピの内容に従って、測定や観察を行う機能を備えている。
【００５１】
また、以下に説明する処理を行うプログラムを記憶媒体に登録しておき、画像メモリを有し走査電子顕微鏡に必要な信号を供給する制御プロセッサで、当該プログラムを実行するようにしても良い。即ち、以下に説明する本発明実施例は光学式形状検査装置を備えた走査電子顕微鏡等の荷電粒子線装置に採用可能なプログラムの発明としても成立するものである。
【００５２】
図５は、走査電子顕微鏡に取り付けられた光学式形状検査装置の詳細を説明する図である。搬送ロボット６の搬送アーム５１は、走査電子顕微鏡による測定前、或いは測定後に、光学式形状測定装置１６による測定を行うためにウェハ５２を光学式形状測定装置１６の近傍まで搬送する。光学式形状測定装置１６の近傍まで搬送されたウェハ５２は、アーム５３によって、光学式形状測定装置１６の光軸下に位置付けられる。光学式形状測定装置１６では、後述する測定が行われる。本実施例装置によれば、搬送ロボットを測長ＳＥＭと光学式形状検査装置とで共用することができる。
【００５３】
（実施例１）
半導体製造プロセスにおいては、図６に示されている通り、ＬＳＩ回路パターンを形成するため、回路パターンを形成する材料を膜状に堆積させた後、その上にホトレジストを塗布し、所望のパターン形状を得るために製作されたマスクパターンを用い、露光装置により露光する。露光後に現像処理を行い、不要な部分のホトレジストを除去する。
【００５４】
ポジレジストの場合、露光した部分のみが現像処理により除去され、ネガレジストの場合は、露光されなかった部分のみが現像処理により除去される。
【００５５】
一般的には、形成されたホトレジストパターンが所望の寸法範囲に入っているかどうかを確認するための検査が行われる。この検査には通常測長ＳＥＭ（測長用操作型電子顕微鏡）と呼ばれる測定装置が使用され、上方から観察した画像に基づき、レジストパターンの底部の幅や上部の幅寸法などを測定し、プロセス状態の管理を行っている。
【００５６】
次に、この現像されたホトレジストパターンをマスクとしてエッチング処理を行い、回路パターンを形成する材料自体を加工し、回路パターンを形成する。その後、不要となったホトレジストを除去する。
【００５７】
一般的には、先のホトレジストパターン寸法の測定と同様、加工の終了したパターンが所望の寸法範囲に入っているかどうかを確認するための検査が行われる。この検査には通常測長ＳＥＭが使用され、パターン幅を測定することにより、プロセス管理を行っている。
【００５８】
従来、半導体回路を構成するパターンの幅寸法を測定することにより、プロセスの管理が行われてきた。しかしながら、パターンの微細化が進み、パターンの断面形状によりトランジスタの諸特性が変化するため、所望のトランジスタ特性を得るには、単なる幅寸法の管理だけでは不十分になってきた。
【００５９】
例えば、素子間を分離する工程においては、絶縁体であるＳｉＯ２ を埋め込むための溝部分の加工が重要であり、溝の幅だけでなく、深さ，テーパ角度，角の丸みなどが、例えばトランジスタ特性に影響を与えるといわれている。
【００６０】
また、トランジスタ自体も、そのゲートをマスクとしてソース，ドレイン及びチャネルを形成するための不純物ドープが行われるため、幅だけでなくゲート自身の高さ，テーパ角度などがトランジスタ性能に大きな影響を与えることが判明してきている。
【００６１】
このような背景から、従来のパターン幅寸法のみの管理では不十分で、最近ではパターン高さやテーパ角度、すなわち断面プロファイル形状全体を管理することが重要となってきている。以下に説明する本実施例では、パターン高さやテーパ角度のような断面情報を得るのに特に好適な寸法測定方法、及び測長ＳＥＭについて説明する。
【００６２】
以下に本実施例装置による実パターン（チップ上の回路として機能、或いはチップ上に形成されるパターン）を測定する例を図面を用いて説明する。図７は本実施例の測定フローである。まず、図８に示すようにウェハ１０を搬送ロボット６を経由して、光学式形状測定装置１６の測定位置に置く。次にウェハ１０上に形成された測定用パターン２０に対し、光学式形状測定装置１６による測定を行う。複数のチップに対しこの測定を繰り返す。図９はウェハ１０上に形成された半導体チップ１７を示す図であり、半導体チップ１７上には実パターン１８が形成されている。
【００６３】
次に測定用パターン２０に対し測長ＳＥＭで測定を行うため、図１０に示すように搬送ロボット６によりウェハ１０を右のロードロック室４（または左のロードロック室５）へ移載する。その後同じ測定用パターン２０に対し測定を行う。測定が終了したら図１１に示すようにウェハカセット９の中に搬送ロボット６によりウェハ１０を戻す。以上の一連の動作により１枚のウェハに対し測定パターンの測長ＳＥＭ測定とスキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置による測定が終了する。
【００６４】
図１２は、測長ＳＥＭ測定と、スキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置の両者で測定した結果の中から、パターン底部の幅を取って散布図を作成した例を示すものである。
【００６５】
横軸にスキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置での測定値を示し、縦軸には測長ＳＥＭによる測定値をプロットしてある。一つのスキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置測定値に対し、測定用パターン内の特徴物を測長ＳＥＭにより複数点測定してあるため、その平均値とばらつきが表現されている。
【００６６】
また、図１３に両者で測定したパターン底部の幅をプロットした事例を示す。
測長ＳＥＭの測定データは、測定用パターン内の平均値を取ってある。この図のように大きなオフセットがあるような場合には、図１２の散布図から求めた直線回帰式で補正することが可能である。
【００６７】
例えば、図１４に示したグラフは、スキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置で測定した値を直線回帰式に基づき補正した事例である。このようにして、スキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置で測定した値と測長ＳＥＭで測定した値を合わせこむことが可能となる。
【００６８】
図１５に示すように、スキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置と測長ＳＥＭでの測定値を合わせこむことが可能になれば、測定用パターンの立体形状から実パターンの立体形状を推定することが可能となる。
【００６９】
引き続き、他のウェハに対しても同様な測定を行うことにより、測長ＳＥＭ、スキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置おのおの単独では不可能であった実パターンの立体形状測定が可能となる。このようにして測定した実パターンの立体形状測定結果のウェハ面内分布を表示することも可能であり意義深い。
【００７０】
また、図１６に示すようにウェハ１０を測長ＳＥＭで測定中に、ウェハ２１をスキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置で並行して測定することにより、全体のスループットを向上させることも可能となる。また、測長ＳＥＭとスキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置とを独立して測定可能にすることも有効である。
【００７１】
このように、同じウェハを測長ＳＥＭとスキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置とで測定するわけであるから、それぞれの測定レシピには共通する情報、例えば図１７に示すようなウェハ内のチップマトリクスなどが常に存在する。したがって、この統合型半導体デバイスパターン測定装置とすることにより、共通の情報が使えるためレシピ作成が容易になるというメリットもある。
【００７２】
本実施例によれば、統合型半導体デバイスパターン測定装置により、従来不可能であった実パターンの立体形状測定が可能となるという効果がある。
【００７３】
（実施例２）
測定パターンから実パターンの良否を判定するための実施例を記載する。実施するために必要な統合型半導体デバイスパターン測定装置の外観は、図２に示した通りである。図１８に実施例２の測定フローを示す。図１９に示したような測定用パターン２０の測定、すなわち図１８のフローのステップ▲４▼で示された部分までは実施例１と共通である。次に、図１８のステップ▲６▼に示したように、測長ＳＥＭにより測定用パターンに対応するチップ内の実パターンを測定する。その様子を図２０に示す。この事例ではあるチップで３サイト測定しているが、そのうちサイト１，２は正常、サイト３はショート不良であったことを表している。
このような比較測定を複数のチップに対して実施し横軸に測定チップ番号を取ってプロットした事例を図２１に示す。本実施例の場合、測定用パターンの幅が１２０ｎｍを超えると実パターンのうちサイト３に関しては不良になる可能性があることを示唆しており、この製品に関しては、この値が管理値の候補であることを示している。
【００７４】
現在、一般的には測長ＳＥＭの測定スピードよりもスキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置による測定スピードの方が速いので、この管理値をもとに、より多くのウェハのより多くのチップに対して、異常有無を判定するための測定を行うことが可能となる。
【００７５】
本実施例によれば、統合型半導体デバイスパターン測定装置により、より多くのウェハ，チップに対して異常有無のモニタを行うことが可能となるという効果がある。
【００７６】
（実施例３）
実施例２で示したような、実パターンが不良となる可能性のある判定値が得られている場合、測定時間の短いスキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置でウェハ内全測定パターンに対して測定を行い、異常と判定された測定パターンの配置されているチップに対してのみ測長ＳＥＭによる測定，観察を行うことで、測長ＳＥＭの測定点数を減らすことが可能となる例を示す。
【００７７】
実施するために必要な統合型半導体デバイスパターン測定装置の外観は図２に示した通りである。また各チップに対応して配置された測定用パターンに対し、スキャトロメトリ法光学式パターン形状測定装置により測定を実施し、良否の判定を行うのは図１８のフローに示した通りである。このフローに従い、図２２に示すような良否判定の終了したウェハに対し、図２０に示すような、あらかじめ指定されたチップ内の実パターン測定箇所を測長ＳＥＭで測定および観察を行う。観察を行った結果、異常の発見された例を図２３に示す。ここでは異常と判定されたチップの実パターンの一部に、ブリッジ不良が発生していることが判明した例を示している。
【００７８】
本実施例によれば、異常有無のモニタを行った上で、異常の認められたチップのみのＳＥＭ観察を行うことにより、ウェハ面内のパターン加工状態分布を把握した上で、短時間で異常の種類までも把握できるため、プロセス変更などの結果をすばやく判断することが可能となり、半導体デバイス開発期間の短縮に貢献することが可能となる。
【００７９】
【発明の効果】
本発明によれば、光学式形状検査装置と、走査電子顕微鏡の両方の測定を行う上で、効率良く両者の情報を用いることができ、測定効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】統合型半導体デバイスパターン測定装置平面図。
【図２】統合型半導体デバイスパターン測定装置外観図。
【図３】スキャトロメトリ光学系の概略を説明する図。
【図４】走査電子顕微鏡の概略を説明する図。
【図５】走査電子顕微鏡に光学式形状検査装置を取り付けた例を説明する図。
【図６】半導体製造プロセスを説明する図。
【図７】実パターンの立体形状を測定するフローチャート。
【図８】スキャトロメトリ測定のためのウェハの配置を説明する図。
【図９】測定用パターンを説明する図。
【図１０】ウェハのロードロック室への移送を説明する図。
【図１１】ウェハをウェハカセットに戻した例を示す図。
【図１２】測長ＳＥＭ測定と光学式形状検査装置の測定結果を比較する散布図。
【図１３】測長ＳＥＭの測定結果の平均値と光学式形状検査装置の測定結果を違いを説明する図。
【図１４】光学式形状検査装置の測定結果を補正した状態を説明する図。
【図１５】実パターンの立体形状の測定例を示す図。
【図１６】光学式形状検査装置と測長ＳＥＭの並行測定の例を説明する図。
【図１７】測定レシピを共有化した例を説明する図
【図１８】測定パターンから実パターンの良否を判定するためのフローチャート。
【図１９】同一の測定用パターンの測定を説明する図。
【図２０】実パターンの良否判定を説明する図。
【図２１】測定用パターンによる実パターンの良否判定例を説明する図。
【図２２】良否判定が終了したウェハを説明する図。
【図２３】異常判定されたチップのＣＤ−ＳＥＭ測定結果を示す図。
【図２４】光学式パターン検査装置の原理を説明する図。
【符号の説明】
１…装置本体、２…測定チャンバ、３…走査電子顕微鏡鏡体、４，５…ロードロック室、６…搬送ロボット、７…ミニエンバイロンメント、８…オープナ、９…ウェハカセット、１０，２１…ウェハ、１１…対物レンズ、１２…ビームスプリッタ、１３…分光器、１４…フィルター、１５…キセノンランプ、１６…光学式形状測定装置、１７…半導体チップ、１８…実パターン、１９…スクライブライン、２０…測定用パターン。
Claims (6)
- パターンに光を照射して前記パターン内の特徴物の寸法を測定し、前記パターン内の複数の特徴物に荷電粒子線を走査して、前記特徴物ごとに寸法を測定する寸法測定方法であって、
前記複数の特徴物の寸法値の平均値を算出し、
当該算出された平均値と、前記光を照射したときに得られる特徴物の寸法値の違いに基づいて、寸法値のオフセット値を算出することを特徴とする寸法測定方法。 - 荷電粒子源と、当該荷電粒子源から放出される荷電粒子線を試料上で走査する走査偏向器と、前記荷電粒子線を試料上に集束させる対物レンズと、前記試料から放出さ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、前記試料上のパターンの寸法を演算する演算装置を備えた荷電粒子線装置において、前記パターンに光を照射し、当該光の照射によって検出される光から、前記パターン内の寸法を測定する光学式形状測定装置を備え、前記演算装置は、前記荷電粒子線の走査によって検出される前記パターン内の複数の特徴物の寸法値の平均値を算出すると共に、当該算出された平均値と、前記光を照射したときに得られる特徴物の寸法値の違いに基づいて、寸法値のオフセット値を算出することを特徴とする荷電粒子線装置。
- 請求項２において、
前記演算装置は、前記複数の特徴物の寸法値の算出を、異なる寸法からなるパターン毎に実施し、当該異なるパターン毎に得られる複数の平均値に基づいて、回帰式を作成することを特徴とする荷電粒子線装置。 - 請求項３において、
前記演算装置は、前記回帰式に基づいて、前記光を照射したときの寸法値を補正することを特徴とする荷電粒子線装置。 - 半導体ウェハ上の第１のパターンの寸法を測定するときに、前記第１のパターン以外の第２のパターンに光を照射して、その寸法を測定し、当該寸法値が所定値以上、或いは所定値を超えていた場合に、前記第１のパターンに対する寸法測定を実施することを特徴とする寸法測定方法。
- 荷電粒子源と、当該荷電粒子源から放出される荷電粒子線を試料上で走査する走査偏向器と、前記荷電粒子線を試料上に集束させる対物レンズと、前記試料から放出さ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、前記試料上のパターンの寸法を演算する演算装置を備えた荷電粒子線装置において、前記パターンに光を照射し、当該光の照射によって検出される光から、前記パターン内の寸法を測定する光学式形状測定装置を備え、前記試料上に形成された第１のパターンの測定を実施するときに、前記第１のパターン以外の第２のパターンに光を照射して、その寸法を測定し、当該寸法値が所定値以上、或いは所定値を超えていた場合に、前記第１のパターンに対する寸法測定を実施する制御装置を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
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