JP2017016791A - 計測装置、計測方法および半導体装置の製造方法 - Google Patents

計測装置、計測方法および半導体装置の製造方法 Download PDF

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義知 萩尾
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Abstract

【課題】基板を破壊することなく短時間で凹形状パターンの曲がり量を計測することができる計測装置を提供すること。【解決手段】実施形態によれば、計測装置が提供される。前記計測装置は、電子線を射出する電子射出部と、測定対象パターンである凹形状パターンで反射された反射電子を検出する検出部と、を備えている。また、前記計測装置は、前記電子線が射出されてから前記反射電子が検出されるまでの時間である応答時間を計測する時間計測部を備えている。さらに、前記計測装置は、前記凹形状パターンの上面部と底面部との間の位置ずれ量を、前記凹形状パターンの曲がり量として算出する曲がり量算出部を備えている。前記曲がり量算出部は、前記凹形状パターンへの前記電子線の入射経路を決定する条件と、前記応答時間と、に基づいて、前記曲がり量を算出する。【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、計測装置、計測方法および半導体装置の製造方法に関する。
半導体装置の製造工程の１つに、基板上にホールパターンなどの穴あけ加工を行う工程がある。このような工程において、ホールパターンのアスペクト比が高い場合、ホールパターンが曲がる場合がある。ホールパターンが曲がると、上下の回路層を正しく接続することができず、不良原因となる。このため、ホールパターンが形成される際には、ホールパターンの曲がり量を正確に計測することが求められている。
ホールパターンの曲がり量を計測する方法の１つに、ホールパターンの断面観察がある。この方法では、基板がへき開あるいはＴＥＭ（Transmission Electron Microscope）加工されてホールパターンの断面が露出させられ、電子顕微鏡で観察される。
しかしながら、この方法は破壊検査であり、観察された基板は欠損品として破棄されるので、製造コストを圧迫してしまう。また、ホールパターンの断面を露出させる作業に長時間を要する。このため、基板を破壊することなく短時間でホールパターンの曲がり量を計測することが望まれている。
特開平１０−２３９２５４号公報 特開平１０−３００４５０号公報 特開２０００−２００５７９号公報
本発明が解決しようとする課題は、基板を破壊することなく短時間で凹形状パターンの曲がり量を計測することができる計測装置、計測方法および半導体装置の製造方法を提供することである。
実施形態によれば、計測装置が提供される。前記計測装置は、電子線を射出する電子射出部と、測定対象パターンである凹形状パターンで反射された反射電子を検出する検出部と、を備えている。また、前記計測装置は、前記電子線が射出されてから前記反射電子が検出されるまでの時間である応答時間を計測する時間計測部を備えている。さらに、前記計測装置は、前記凹形状パターンの上面部と底面部との間の位置ずれ量を、前記凹形状パターンの曲がり量として算出する曲がり量算出部を備えている。前記曲がり量算出部は、前記凹形状パターンへの前記電子線の入射経路を決定する条件と、前記応答時間と、に基づいて、前記曲がり量を算出する。
図１は、実施形態に係る計測装置の構成を模式的に示す図である。 図２は、ホールパターンの曲がり量を説明するための図である。 図３は、ホールパターンの曲がり量と、電子線の入射角度との関係を説明するための図である。 図４は、チルト角度と応答時間との関係を説明するための図である。 図５は、ホールパターンの曲がり量を説明するための図である。 図６は、実施形態に係る曲がり量計測処理手順を示すフローチャートである。 図７は、電子線の入射位置を変化させた場合の応答時間の変化を説明するための図である。 図８は、曲がり量算出部のハードウェア構成を示す図である。
以下に添付図面を参照して、実施形態に係る計測装置、計測方法および半導体装置の製造方法を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。
（実施形態）
図１は、実施形態に係る計測装置の構成を模式的に示す図である。計測装置１００は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）の機能を有しており、計測分野(メトロロジー)に適用される。計測装置１００は、高アスペクト比パターン（凹形状パターン）を上面から見た場合の曲がり量を計測する。
本実施形態の計測装置１００は、ホールパターンや溝パターンなどの凹形状パターンに対して、凹形状パターンへの電子線の入射経路を決定する入射経路条件を種々変更させる。計測装置１００は、凹形状パターンに対して、例えば、種々の角度で電子線を入射させる。そして、計測装置１００は、反射電子（信号電子）が検出されるまでの時間に基づいて、凹形状パターンの曲がり方向と曲がり量を算出する。なお、以下では、計測対象の凹形状パターンがホールパターンである場合について説明するが、凹形状パターンは何れの形状であってもよい。
計測装置１００は、計測部１０と、制御部３０と、ウエハステージ３１とを有している。ウエハステージ３１上へは、ウエハＷＡなどの基板が載置される。制御部３０は、計測部１０を制御する。計測部１０は、ホールパターンに電子線を入射させることによって、ホールパターンの曲がり方向と曲がり量を算出する。
計測部１０は、電子銃１１と、チルト機構１２と、フィルタ１３と、減速機構１４と、検出器２１と、時間計測部２２と、曲がり量算出部２３と、出力部２４とを備えている。
電子銃（電子射出部）１１は、ウエハステージ３１上のウエハＷＡに対して電子線を射出する。電子銃１１は、例えば、１ｅＶから３００００ｅＶ程度の範囲で電子線を射出できるよう構成されている。本実施形態の電子銃１１は、例えば、１００００ｅＶに加速した電子を射出する。
電子銃１１から射出された電子線は、チルト機構１２を介してウエハＷＡ上に送られ、ホールパターンに入射する。この時の電子線は、１個ずつ所定の時間を開けて射出される。電子銃１１は、電子線を射出した時刻である第１の時刻情報を時間計測部２２に送る。なお、個々の電子線の射出時間間隔は、電子線がウエハＷＡの表面に到達して生成された信号電子が検出器２１へ到達するまでにかかると想定される時間よりも十分長いとする。
チルト機構１２は、チルト角度を変化させることによって、電子線のホールパターンへの入射角度を変化させる機能を有している。なお、チルト角度と入射角度とは、等しいものとする。チルト機構１２は、第１の方向（例えば、Ｘ方向）に、例えば、−１０度〜＋１０度まで入射角度を変化させる。また、チルト機構１２は、第２の方向（例えば、Ｙ方向）に、例えば、−１０度〜＋１０度まで入射角度を変化させる。
ここでの入射角度は、ウエハＷＡの上面に垂直な方向（Ｚ方向）を基準の入射角度とし、この入射角度に対する角度である。したがって、入射角度の０度は、基準の入射角度である。また、Ｘ方向の入射角度は、Ｘ方向の入射角度（ＸＺ平面における入射角度）と、Ｚ軸との成す角度であり、Ｙ方向の入射角度は、Ｙ方向の入射角度（ＹＺ平面における入射角度）と、Ｚ軸との成す角度である。図１では、ＸＺ平面でウエハＷＡを切断した場合のウエハＷＡの断面を示している。ウエハＷＡに入射された電子線は、ホールパターンで反射されて減速機構１４に送られる。また、チルト機構１２は、チルト角度を曲がり量算出部２３に送る。
フィルタ１３は、エネルギーフィルタ機能を有している。フィルタ１３は、電子銃１１からウエハＷＡなどの試料に電子線を照射した結果、ウエハＷＡ上で発生する二次電子や反射電子のうち、任意のエネルギーを有する信号電子のみを検出器２１側へ導く。本実施形態のフィルタ１３は、一次電子である反射電子の信号電子のみを検出器２１側へ通過させ、その他の信号電子を遮断する。具体的にはフィルタ１３は、射出された電子線と同じ速度の反射電子のみを通過させる。
ウエハＷＡで反射されてフィルタ１３を通過した信号電子は、減速機構１４に送られる。減速機構１４は、ウエハＷＡからの反射電子を減速させる機能を有している。減速機構１４は、後から減速機構１４に入射してくる反射電子ほど、長い遅延時間を与える。これにより、電子銃１１から短い時間間隔で電子線が射出された場合であっても、長い時間間隔で反射電子を検出器２１に送ることができる。例えば、減速機構１４は、第Ｍ（Ｍは自然数）番目の反射電子に対してＸの遅延時間を与え、第（Ｍ＋１）番目の反射電子に対して２Ｘの遅延時間を与える。
これにより、射出時よりも検出時の電子速度を減速させることが可能となる。したがって、連続して電子線を射出してもそれぞれの電子線に対応した信号電子の分離を容易に行うことができるので、多くの信号電子を短時間で容易に得ることが可能となる。減速機構１４は、減速機構１４で減速された反射電子を検出器２１に送る。
検出器（検出部）２１は、信号電子を検出する。検出器２１は、光電子増倍管を備えており、電子１個単位の信号電子を検出することができる。検出器２１は、反射電子を検出した時刻を示す第２の時刻情報を時間計測部２２に送る。
時間計測部２２は、電子銃１１から送られてきた第１の時刻情報と、検出器２１から送られてきた第２の時刻情報と、に基づいて、電子線の射出から検出までに要した時間（以下、応答時間という）を計測する。
本実施形態の時間計測部２２は、高精度の電子飛行時間計測器を備えている。このため、時間計測部２２は、電子銃１１で電子が射出されてから、その電子がウエハＷＡに到達して発生した反射電子（信号電子）を検出するまでの時間をピコ秒あるいはフェムト秒の分解能で計測可能である。時間計測部２２は、計測結果である応答時間（電子飛行時間）を曲がり量算出部２３に送る。
曲がり量算出部２３は、時間計測部２２からの応答時間と、チルト機構１２からのチルト角度と、に基づいて、ホールパターンの曲がり量を算出する。ホールパターンの曲がり量は、ホールパターンの上面部と底面部との間の位置ずれ量である。
ホールパターンに入射した電子は、ホールパターンの深い位置で反射されるほど、応答時間が長くなる。このため、種々のチルト角度でホールパターンに入射して反射された電子線のうち、最も応答時間の長いものが、ホールパターンの最底部で反射された電子線の信号電子である。
したがって、曲がり量算出部２３は、最底部での電子線の入射に用いられたチルト角度と、この時の応答時間と、加速電圧装置パラメータなどから求められた電子速度と、に基づいて、ホールパターンの曲がり量を算出する。換言すると、曲がり量算出部２３は、最長の応答時間に対応するチルト角度（以下、最長時のチルト角度θmaxという）と、最長の応答時間Ｔmaxと、電子速度Ｖｅと、に基づいて、ホールパターンの曲がり量を算出する。具体的には、曲がり量算出部２３は、以下の式（１）を用いて、ホールパターンの曲がり量を算出する。
曲がり量＝Ｖｅ×Ｔmax×ｓｉｎ（θmax）・・・（１）
例えば、ホールパターンの曲がり量が０である場合、最長時のチルト角度は０度である。そして、ホールパターンの曲がり量が大きくなるほど、最長時のチルト角度が大きくなる。曲がり量算出部２３は、算出結果である曲がり量を出力部２４に送る。出力部２４は、ホールパターンの曲がり量を、外部装置などに出力する。
図２は、ホールパターンの曲がり量を説明するための図である。図２では、ホールパターン４４Ｘの断面形状の一例を示している。なお、ウエハＷＡ上には複数のホールパターン４４Ｘが形成されているが、ここでは１つのホールパターン４４Ｘの形状を図示している。
１つのホールパターン４４Ｘの大きさは、例えば、直径１００ｎｍ程度であり、深さは、例えば５ｕｍ程度である。ホールパターン４４Ｘは、ウエハＷＡの外周部領域などで、ドライエッチング装置の問題によって加工曲がりが発生する場合がある。このため、ウエハＷＡの上面に垂直な方向に対して、ホールパターン４４Ｘは、所定角度（例えば、１度程度）傾いた状態で形成される場合がある。この傾きの向きは、例えば、ウエハＷＡの中心方向を向いている。
ウエハＷＡ上には、下層部４１と上層部４３とが配置されている。上層部４３は、下層部４１の上層側に配置されている。上層部４３は、ホールパターン４４Ｘが形成された層間膜などである。上層部４３は、例えば、絶縁膜へのレジストの塗布処理、露光処理、現像処理、レジストパターンをマスクとしたエッチング処理などが行われることによって形成される。
下層部４１は、層間絶縁膜と、層間絶縁膜内に形成された配線パターン４２Ｘと、を備えている。配線パターン４２Ｘは、ホールパターンや溝パターンに、金属などの導電性部材が埋め込まれて形成されている。なお、以下では、配線パターン４２Ｘが、ホールパターンに導電性部材が埋め込まれた形状である場合について説明するが、配線パターン４２Ｘは何れの形状であってもよい。
半導体装置が形成される際には、配線パターン４２Ｘと、ホールパターン４４Ｘとが接続されるよう、ホールパターン４４Ｘが形成される。ところが、ホールパターン４４Ｘが曲がると、配線パターン４２Ｘとホールパターン４４Ｘとを正しく接続することができなくなる。この結果、上下の回路層を正しく接続することができなくなる。したがって、本実施形態では、ホールパターン４４Ｘの曲がり量を算出し、上下の回路層を正しく接続することができているか否かが判定される。
ホールパターン４４Ｘが形成される際には、ホールパターン４４Ｘの中心軸と、配線パターン４２Ｘの中心軸と、が同じ位置となるようホールパターン４４Ｘが形成される。ホールパターン４４Ｘの中心軸と、配線パターン４２Ｘの中心軸と、の間の位置ずれ量が、ホールパターン４４Ｘの曲がり量Ｌ１に対応している。
したがって、本実施形態では、ホールパターン４４Ｘの中心軸と、配線パターン４２Ｘの中心軸と、の間の位置ずれ量を、ホールパターン４４Ｘの曲がり量Ｌ１として計測する。
図３は、ホールパターンの曲がり量と、電子線の入射角度との関係を説明するための図である。ホールパターン４４ＸがＸＹ面内で位置ずれをしなければ、ホールパターン４４Ｘの中心軸と、配線パターン４２Ｘの中心軸と、が合致する。そして、ホールパターン４４Ｘが曲がらなければ、ホールパターン４４Ｘの最底部の中心と配線パターン４２Ｘの最上部の中心とは合致する。ここでは、ホールパターン４４ＸがＸＹ面内で位置ずれをせず、かつホールパターン４４Ｘが曲がっている場合について説明する。
図３では、入射角度が変更された電子線の入射経路６１〜６３を示している。図３では、入射経路６３で電子線を入射させた場合のチルト角度が最長時のチルト角度である場合を示している。換言すると、入射経路６３の場合の電子線がホールパターンの最底部で反射される。
ホールパターン４４Ｘの曲がり量が計測される際には、予めホールパターン４４Ｘの中心位置が検出される。ホールパターン４４Ｘの中心位置は、例えば、電子顕微鏡による観察画像に基づいて検出される。
各入射経路６１〜６３は、ホールパターン４４Ｘの上面の中心を通過するよう設定されている。入射経路６２は、入射角度が０度の場合の入射経路である。したがって、入射経路６２は、ホールパターン４４Ｘの中心を通過し、ホールパターン４４Ｘの第１の深さまで到達している。入射経路６２は、配線パターン４２Ｘの中心軸と、同軸である。
入射経路６３は、入射角度をマイナスＸ方向に傾けた経路である。入射経路６３は、ホールパターン４４Ｘの中心を通過し、ホールパターン４４Ｘの最底部（第２の深さ）まで到達している。また、入射経路６１は、入射角度をプラスＸ方向に傾けた経路である。入射経路６１は、ホールパターン４４Ｘの中心を通過し、ホールパターン４４Ｘの第３の深さまで到達している。
ここでは、第３の深さ＜第１の深さ＜第２の深さである。換言すると、入射経路６１の到達深さ＜入射経路６２の到達深さ＜入射経路６３の到達深さである。このように、ホールパターン４４Ｘが曲がっている場合、入射角度が０度の場合の入射経路６２の到達深さが、最深とはならない。そして、所定の入射角度（０度以外）の場合に、電子線が最深部まで到達することとなる。
ホールパターン４４Ｘが曲がっている場合、ホールパターン４４Ｘの最底部と、配線パターン４２Ｘの最上部との間の位置がずれる。ホールパターン４４Ｘの曲がり量は、最長時のチルト角度（最長の応答時間に対応するチルト角度）に応じた量である。本実施形態では、ホールパターン４４Ｘの曲がり量Ｌ１を、最長時のチルト角度を用いて算出する。
なお、図３では、入射経路６１〜６３がＸ方向に変化させられたが、入射経路６１〜６３はＹ方向に変化させられてもよい。また、入射経路６１〜６３は、Ｘ方向およびＹ方向に変化させられてもよい。
図４は、チルト角度と応答時間との関係を説明するための図である。図４の（ａ）は、ホールパターン４４Ｘに曲がりが無い場合のチルト角度と応答時間との関係を示している。また、図４の（ｂ）は、ホールパターン４４Ｘに曲がりがある場合のチルト角度と応答時間との関係を示している。図４の（ａ）および（ｂ）に示すグラフは、横軸がチルト角度であり、縦軸が応答時間である。
応答時間は、チルト角度の変化範囲の略中央のチルト角度の場合に最大値となる。例えば、チルト角度の変化範囲がθ1〜θ2である場合、（θ1−θ2）／２のチルト角度で最長の応答時間Ｔmaxとなる。そして、（θ1−θ2）／２よりも大きなチルト角度では、チルト角度がプラス方向に傾くにしたがって、応答時間が短くなる。また、（θ1−θ2）／２よりも小さなチルト角度では、チルト角度がマイナス方向に傾くにしたがって、応答時間が短くなる。
ホールパターン４４Ｘに曲がりが無い場合、図４の（ａ）に示すように、チルト角度が０度に設定されて入射された電子線の応答時間が最も長くなる。換言すると、ホールパターン４４Ｘに曲がりが無い場合、中心軸に入射された電子線の応答時間が最も長くなる。
また、ホールパターン４４Ｘに曲がりが有る場合、図４の（ｂ）に示すように、チルト角度が所定値（０度以外）に設定されて入射された電子線の応答時間が最も長くなる。換言すると、ホールパターン４４Ｘに曲がりが有る場合、中心軸から所定の角度だけ傾斜されて入射された電子線の応答時間が最も長くなる。図４の（ｂ）では、最長時のチルト角度θmaxの時に、最長の応答時間Ｔmaxとなっている場合を示している。
電子線を照射する際のチルト角度およびホールパターン４４Ｘの断面形状によって、ホールパターン４４Ｘ内での入射経路が決定する。換言すると、入射経路は、チルト角度およびホールパターン４４Ｘの断面形状によって変化する。例えば、最長の応答時間Ｔmaxは、入射経路が最も長い場合の応答時間である。そして、最長時のチルト角度θmaxは、入射経路が最も長い場合のチルト角度に対応している。本実施形態では、入射経路を決定する条件（チルト角度など）と、応答時間と、の関係に基づいて、曲がり量が算出される。なお、入射経路を決定する条件としては、チルト角度の他に、後述する電子線の照射位置などがある。
図５は、ホールパターンの曲がり量を説明するための図である。図５では、ウエハＷＡの上面側から見た場合の、ホールパターン４４Ｘの底面と配線パターン４２Ｘの上面との位置関係を示している。図５の（ａ）は、ホールパターン４４Ｘに曲がりが無い場合の位置関係を示している。また、図５の（ｂ）は、ホールパターン４４Ｘに曲がりがある場合の位置関係を示している。
図５の（ａ）に示すように、ホールパターン４４Ｘの曲がり量が０の場合は、ホールパターン４４Ｘの底面と、配線パターン４２Ｘの上面との間の位置ずれ量は０である。このため、ホールパターン４４Ｘの底面（最底部）の中心Ｃ４と、配線パターン４２Ｘの上面の中心Ｃ２とが同じ位置になる。
一方、図５の（ｂ）に示すように、ホールパターン４４Ｘに曲がりがある場合は、ホールパターン４４Ｘの底面と、配線パターン４２Ｘの上面との間には位置ずれが発生する。このため、ホールパターン４４Ｘの底面の中心Ｃ４と、配線パターン４２Ｘの上面の中心Ｃ２とは、位置ずれ量に応じた異なる位置になる。
ホールパターン４４Ｘに曲がりがある場合、ホールパターン４４Ｘの底面は、配線パターン４２Ｘの上面に対して、ＸＹ平面の面内方向で位置ずれを起こす。ホールパターン４４Ｘの底面は、例えば、Ｘ方向に所定距離とＹ方向に所定距離だけ、配線パターン４２Ｘの上面から位置ずれする。
つぎに、ホールパターン４４Ｘの曲がり量の計測処理手順について説明する。図６は、実施形態に係る曲がり量計測処理手順を示すフローチャートである。半導体装置が形成される際には、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）などの加工処理後に、ホールパターン４４Ｘに曲がりが発生する場合がある。
曲がり量の測定対象となるホールパターン４４Ｘに対して、ホールパターン４４Ｘの平面電子像（上面部の画像）が取得される。この平面電子像は、計測装置１００が撮像してもよいし、他の電子顕微鏡などが撮像してもよい。
撮像された平面電子像から測定対象となるホールパターン４４Ｘが決定される。計測装置１００は、予め設定された測定座標に位置しているホールパターン４４Ｘを選択する。例えば、平面電子像のホールパターン４４Ｘのうち、何れのホールパターン４４Ｘの曲がり量を計測対象とするかは、計測装置１００に記録させておけるものとする。
計測装置１００は、選択されたホールパターン４４Ｘの平面電子像に基づいて、ホールパターン４４Ｘの上面部の中心座標（上面中心座標）を求める（ステップＳ１０）。具体的には、測定対象のホールパターン４４Ｘの上面形状が真円または楕円でフィッティングされることにより、上面中心座標が決定される。
計測装置１００は、電子顕微鏡の機能を有している。電子顕微鏡は、凹形状パターンに電子線を照射し、凹形状パターンからの信号電子を検出し、信号電子の信号量を明るさに変換することによって照射領域の平面電子像を得る。
上面中心座標および平面電子像は、計測装置１００内に格納される。計測装置１００では、電子銃１１が上面中心座標に向かって１つの電子線を射出する（ステップＳ２０）。そして、電子銃１１は、電子線を射出した時刻である第１の時刻情報を時間計測部２２に送る。なお、制御部３０が第１の時刻情報を時間計測部２２に送ってもよい。
ホールパターン４４Ｘで発生した各電子線は、フィルタ１３側に送られる。このうち、電子線の反射電子のみがフィルタ１３を通過して減速機構１４に送られる。そして、減速機構１４で反射電子が減速されたうえで、反射電子が検出器２１に送られる。これにより、検出器２１は、反射電子を検出する。検出器２１は、反射電子を検出した際の第２の時刻情報を時間計測部２２に送る。
時間計測部２２は、電子銃１１から送られてきた第１の時刻情報と、検出器２１から送られてきた第２の時刻情報と、に基づいて、電子線の射出から検出までの応答時間を計測する（ステップＳ３０）。
このとき、電子銃１１から射出される個々の電子線の時間間隔は十分に長いので、時間計測部２２は、射出された電子線と検出された反射電子とを容易に対応付けることができる。従って、時間計測部２２は、電子線が射出された時刻と反射電子を検出した時刻との差分から、電子線の飛行時間を容易に測定することができる。なお、飛行時間の計測の信頼性を高めるために、ステップＳ２０の処理と、ステップＳ３０の処理とは、複数回繰り返されてもよい。時間計測部２２は、計測結果である応答時間を曲がり量算出部２３に送る。
制御部３０へは、予めチルト角度を変化させる範囲（チルト角度変化範囲）が設定されている。制御部３０は、チルト角度変更範囲内での角度変更が全て完了したか否かを判定する（ステップＳ４０）。
完了していない場合（ステップＳ４０、Ｎｏ）、制御部３０は、チルト機構１２にチルト角度の変更指示を送る。これにより、チルト機構１２は、電子線のチルト角度を変える（ステップＳ５０）。これにより、射出される電子線がウエハＷＡに対して傾けられる。また、チルト機構１２は、チルト角度を曲がり量算出部２３に送る。なお、制御部３０がチルト角度を曲がり量算出部２３に送ってもよい。
この後、計測装置１００では、ステップＳ２０〜Ｓ５０の処理が繰り返される。このとき、ステップＳ２０，Ｓ３０の処理では、射出される電子線がホールパターン４４Ｘの上面中心座標を通過するように電子線の軌道が調整される。
そして、ステップＳ３０の処理の後に、制御部３０が、チルト角度変更範囲内での角度変更が全て完了したと判定すると（ステップＳ４０、Ｙｅｓ）、曲がり量算出部２３は、時間計測部２２からの応答時間の中から最長の応答時間Ｔmaxを判定する（ステップＳ６０）。そして、曲がり量算出部２３は、最長の応答時間Ｔmaxと、この時のチルト角度である最長時のチルト角度θmaxと、電子線の電子速度Ｖｅと、に基づいて、ホールパターン４４Ｘの曲がり量を算出する（ステップＳ７０）。曲がり量算出部２３は、例えば、上述した式（１）を用いて、ホールパターン４４Ｘの曲がり量を算出する。
このように、本実施形態では、チルト角度を変えながら電子線が射出される。そして、チルト角度毎に応答時間が計測される。さらに、最長の応答時間が判定される。そして、最長の応答時間と、最長時のチルト角度と、電子速度と、に基づいて、曲がり量が算出される。
これにより、断面解析観察のようにウエハＷＡを破壊することなく、曲がりの方向と量を求めることができる。また、各ホールパターン４４Ｘの計測時間は、１ホール当たり数秒〜数十秒程度なので、断面観察よりも圧倒的に高スループットで曲がり量を計測することができる。
なお、最長の応答時間Ｔmaxが分かればよいので、全てのチルト角度変更範囲で角度変更する必要はない。計測装置１００は、最長の応答時間Ｔmaxが分かった時点で残りのチルト角度を用いた電子線の照射を省略してもよい。
また、本実施形態では、チルト角度を変化させることによって、電子線の入射角度を変化させる場合について説明したが、チルト角度を変化させる代わりに、電子線の入射位置を変化させてもよい。
図７は、電子線の入射位置を変化させた場合の応答時間の変化を説明するための図である。図７の（ａ）は、Ｘ方向に入射位置を変化させた場合の電子線の入射経路を示している。図７の（ａ）では、ホールパターン４４Ｘの断面形状と、電子線の入射経路７１Ａ〜７５Ａを示している。また、図７の（ｂ）は、入射位置を変化させた場合の反射電子を検出する検出器８１を示している。図７の（ｂ）では、検出器８１の断面形状と、反射電子の経路７１Ｂ〜７５Ｂを示している。また、図７の（ｃ）は、ホールパターン４４Ｘ内の位置毎の応答時間を示している。図７の（ｃ）に示すグラフは、横軸がホールパターン４４Ｘ内の電子線照射位置であり、縦軸が応答時間である。
電子銃１１またはウエハステージ３１をＸＹ平面と平行な方向に移動させることによって、ホールパターン４４Ｘ内の種々の位置に、鉛直方向（Ｚ方向）の入射経路を有した電子線を入射させることが可能となる。この場合、チルト角度を変化させることなく、ホールパターン４４Ｘ内の種々の位置に、電子線を入射させることができる。
計測装置１００は、電子銃１１またはウエハステージ３１を移動させることによって、電子銃１１とウエハＷＡとのＸＹ平面内の相対的な位置を変化させる。これにより、図７の（ａ）に示すように、ホールパターン４４Ｘ内には、Ｚ方向に平行な入射経路７１Ａ〜７５Ａで電子線が入射する。
入射経路７３Ａは、ホールパターン４４Ｘの中心Ｃ４を通過し、中心軸に沿ってホールパターン４４Ｘの底側に向かう経路である。入射経路７２Ａは、中心Ｃ４からマイナスＸ方向に第１の距離だけ入射位置を変化させた場合の経路である。入射経路７１Ａは、中心Ｃ４からマイナスＸ方向に第２の距離（第２の距離＞第１の距離）だけ入射位置を変化させた場合の経路である。入射経路７４Ａは、中心Ｃ４からプラスＸ方向に第１の距離だけ入射位置を変化させた場合の経路である。入射経路７５Ａは、中心Ｃ４からプラスＸ方向に第２の距離だけ入射位置を変化させた場合の経路である。
図７の（ｂ）に示す検出器８１は、検出器２１の機能に加えて、種々の位置で反射電子を検出する機能と、を有している。検出器８１は、例えば、ＣＣＤ（Charge-Coupled Device）を有したセンサである。電子線の入射角位置を変化させる場合、計測装置１００では、検出器２１の代わりに検出器８１が配置される。
図７の（ｂ）に示す反射電子の経路７１Ｂ〜７５Ｂは、それぞれ入射経路７１Ａ〜７５Ａに対応している。具体的には、入射経路７１Ａ〜７５Ａの電子線がホールパターン４４Ｘ内で反射されたものが反射電子の経路７１Ｂ〜７５Ｂである。
検出器８１は、種々の位置（ＣＣＤの場合は画素）で反射電子を検出できるよう構成されている。そして、検出器８１は、反射電子の検出位置に基づいて、何れの入射経路からの反射電子であるかを判定する。検出器８１は、反射電子を検出すると、検出位置に対応する入射経路と、反射電子を検出した第２の時刻情報と、を時間計測部２２に送る。
電子線の入射経路をＸ方向に移動させると、図７の（ｃ）に示すように、入射位置に応じた応答時間が計測される。図７の（ｃ）に示す入射位置Ｐ１〜Ｐ５は、それぞれ入射経路７１Ａ〜７５Ａに対応している。
例えば、入射位置Ｐ５を通過する入射経路７５Ａの電子線は、ホールパターン４４Ｘの浅い位置で反射される。したがって、入射位置Ｐ５に射出された電子線の応答時間は短くなる。
また、入射位置Ｐ４を通過する入射経路７４Ａの電子線は、入射経路７５Ａよりもホールパターン４４Ｘの深い位置で反射される。したがって、入射位置Ｐ４に射出された電子線の応答時間は、入射位置Ｐ５よりも長くなる。
また、入射位置Ｐ３を通過する入射経路７３Ａの電子線は、入射経路７４Ａよりもホールパターン４４Ｘの深い位置で反射される。したがって、入射位置Ｐ３に射出された電子線の応答時間は、入射位置Ｐ４よりも長くなる。
また、入射位置Ｐ２を通過する入射経路７２Ａの電子線は、入射経路７３Ａよりもホールパターン４４Ｘの深い位置で反射される。したがって、入射位置Ｐ２に射出された電子線の応答時間は、入射位置Ｐ３よりも長くなる。
そして、入射位置Ｐ１を通過する入射経路７１Ａの電子線は、ホールパターン４４Ｘの最も深い位置（最底部）で反射される。したがって、入射位置Ｐ１に射出された電子線の応答時間は、最長の応答時間Ｔmaxとなる。
曲がり量算出部２３は、最長の応答時間Ｔmaxとなる入射位置Ｐ１と、ホールパターン４４Ｘの中心Ｃ４を通過する電子線の入射位置Ｐ３と、の間の距離を、ホールパターン４４Ｘの曲がり量として算出する。
なお、図７では、入射経路７１Ａ〜７５ＡがＸ方向に変化させられたが、入射経路７１Ａ〜７５ＡはＹ方向に変化させられてもよい。また、入射経路７１Ａ〜７５Ａは、Ｘ方向およびＹ方向に変化させられてもよい。
半導体装置が製造される際には、ウエハＷＡ上に回路パターンなどが形成される。半導体装置の製造工程では、異なる材質・レイアウトで構成される複数の層が立体的に積層され、複雑な回路が形成される。そのうちの、いくつかの層は、下層と上層との回路層を接続するためのコンタクト（接続部）を形成する役割を担う。このような、コンタクトは、高密度に配置可能な、ホールパターン４４Ｘのようなホール形状で形成される。
回路パターンが形成される際には、原版であるマスクに刻まれたパターンが、フォトリソグラフィ技術やインプリントリソグラフィ技術などを用いて、ウエハＷＡ上に塗布されたレジストに転写される。その後、ドライエッチング技術等の加工手段によってレジストパターンがウエハＷＡに転写される。
加工されるパターンの間隔（ピッチ）が狭く、また深くまで加工する必要がある場合、すなわち高アスペクト比のパターン形成が必要な場合、加工の難易度は高くなる。特に、昨今の半導体装置の高密度化に伴って、ウエハＷＡなどの基板全面に渡って均一な加工を行うことが難しくなっている。高アスペクト比のパターンが形成される際には、高アスペクト比のパターンが適切に形成されているかの検査が行われる。
本実施形態では、計測装置１００が、チルト角度を種々の角度に変更して電子線をホールパターン４４Ｘに照射している。そして、計測装置１００が、最長時のチルト角度θmaxと、最長の応答時間Ｔmaxと、電子速度Ｖｅと、に基づいて、ホールパターンの曲がり量を算出している。このため、ホールパターン４４Ｘの曲がり量を容易に測定することができる。
ＳＥＭを用いた断面観察の場合、曲がり量の検査に２〜３日の測定時間がかかり、計測点数も数点〜１０数点が限界であった。本実施形態の曲がり計測では、１ホール当たり数秒〜数十秒程度なので、数十〜数千点の計測も可能である。これにより、半導体装置の製造プロセスにおける品質管理が格段に向上する。
計測装置１００を用いた曲がり量の計測は、例えばウエハプロセスのうちのコンタクト形成工程毎に行われる。半導体装置が製造される際には、ウエハＷＡへの成膜処理、レジストの塗布処理、マスクを用いた露光処理、現像処理、エッチング処理、本実施形態の計測処理などが、繰り返される。
半導体装置が製造される際には、本実施形態の計測処理による計測結果（曲がり量）が、フィードバックされる。この場合、マスクを用いた露光処理の際に、曲がり量が解消されるよう、露光処理が行われる。例えば、ウエハＷＡの周辺部で曲がり量が大きい場合、別のウエハ（後続のウエハ）に対しては、ウエハの周辺部での曲がり量が無くなるよう、露光時の位置ずれに関するパラメータが設定される。これにより、後続のウエハでは、曲がり量を抑制することが可能となる。なお、ホールパターン４４Ｘの中心自体が位置ずれをしている場合には、この位置ずれも露光処理の際に補正される。
つぎに、曲がり量算出部２３のハードウェア構成について説明する。図８は、曲がり量算出部のハードウェア構成を示す図である。曲がり量算出部２３は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）９１、ＲＯＭ（Read Only Memory）９２、ＲＡＭ（Random Access Memory）９３、表示部９４、入力部９５を有している。曲がり量算出部２３では、これらのＣＰＵ９１、ＲＯＭ９２、ＲＡＭ９３、表示部９４、入力部９５がバスラインを介して接続されている。
ＣＰＵ９１は、コンピュータプログラムである曲がり量算出プログラム９７を用いてパターンの判定を行う。曲がり量算出プログラム９７は、コンピュータで実行可能な、ホールパターン４４Ｘなどの曲がり量を算出するための複数の命令を含むコンピュータ読取り可能かつ非遷移的な記録媒体（nontransitory computer readable recording medium）を有するコンピュータプログラムプロダクトである。曲がり量算出プログラム９７では、前記複数の命令が曲がり量を算出することをコンピュータに実行させる。
表示部９４は、液晶モニタなどの表示装置であり、ＣＰＵ９１からの指示に基づいて、電子線の応答時間、チルト角度、チルト角度と応答時間との関係（計測結果）、最長時のチルト角度θmax、最長の応答時間Ｔmax、ホールパターン４４Ｘの曲がり量などを表示する。入力部９５は、マウスやキーボードを備えて構成され、使用者から外部入力される指示情報（曲がり量の算出に必要なパラメータ等）を入力する。入力部９５へ入力された指示情報は、ＣＰＵ９１へ送られる。
曲がり量算出プログラム９７は、ＲＯＭ９２内に格納されており、バスラインを介してＲＡＭ９３へロードされる。図８では、曲がり量算出プログラム９７がＲＡＭ９３へロードされた状態を示している。
ＣＰＵ９１はＲＡＭ９３内にロードされた曲がり量算出プログラム９７を実行する。具体的には、曲がり量算出部２３では、使用者による入力部９５からの指示入力に従って、ＣＰＵ９１がＲＯＭ９２内から曲がり量算出プログラム９７を読み出してＲＡＭ９３内のプログラム格納領域に展開して各種処理を実行する。ＣＰＵ９１は、この各種処理に際して生じる各種データをＲＡＭ９３内に形成されるデータ格納領域に一時的に記憶させておく。
なお、計測装置１００は、減速機構１４を備えていなくてもよい。この場合、フィルタ１３を通過した反射電子は、検出器２１に送られる。また、計測装置１００は、フィルタ１３を備えていなくてもよい。この場合、検出器２１は、電子線がウエハＷＡに照射された後、最初にウエハＷＡで反射された電子を反射電子として検出し、その他の２次電子などは検出しない。
また、曲がり量算出部２３は、図４に示したチルト角度と応答時間の関係（プロファイル形状）に基づいて、ホールパターン４４Ｘの形状を予測してもよい。プロファイル形状は、ホールパターン４４Ｘの形状に対応している。例えば、プロファイル形状の頂上部が広い場合、ホールパターン４４Ｘの底面部は広い。また、プロファイル形状の頂上部が狭い場合、ホールパターン４４Ｘの底面部は狭い。
このように実施形態によれば、ホールパターン４４Ｘに照射した電子線の応答時間と、ホールパターン４４Ｘに照射した電子線のチルト角度と、に基づいて、ホールパターン４４Ｘの曲がり量を算出している。したがって、ウエハＷＡを破壊することなく短時間でホールパターン４４Ｘの曲がり量を計測することが可能となる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１０…計測部、１１…電子銃、１２…チルト機構、１３…フィルタ、１４…減速機構、２１，８１…検出器、２２…時間計測部、２３…曲がり量算出部、３０…制御部、４１…下層部、４２Ｘ…配線パターン、４３…上層部、４４Ｘ…ホールパターン、６１〜６３，７１Ａ〜７５Ａ…入射経路、７１Ｂ〜７５Ｂ…反射電子の経路、１００…計測装置、Ｃ２，Ｃ４…中心、Ｐ１〜Ｐ５…入射位置、ＷＡ…ウエハ。

Claims (5)

  1. 電子線を射出する電子射出部と、
    測定対象パターンである凹形状パターンで反射された反射電子を検出する検出部と、
    前記電子線が射出されてから前記反射電子が検出されるまでの時間である応答時間を計測する時間計測部と、
    前記凹形状パターンへの前記電子線の入射経路を決定する条件と、前記応答時間と、に基づいて、前記凹形状パターンの上面部と底面部との間の位置ずれ量を、前記凹形状パターンの曲がり量として算出する曲がり量算出部と、
    を備える計測装置。
  2. 前記凹形状パターンへ照射する前記電子線のチルト角度を変更するチルト機構をさらに備え、
    前記曲がり量算出部は、前記条件として前記チルト角度を用いて前記曲がり量を算出する、
    請求項１に記載の計測装置。
  3. 前記曲がり量算出部は、複数のチルト角度で前記電子線を照射させた場合の前記応答時間のうち最長の応答時間と、前記複数のチルト角度のうち前記最長の応答時間となる場合のチルト角度と、前記電子線の速度と、に基づいて、前記曲がり量を算出する、
    請求項２に記載の計測装置。
  4. 電子線を射出し、
    測定対象パターンである凹形状パターンで反射された反射電子を検出し、
    前記電子線が射出されてから前記反射電子が検出されるまでの時間である応答時間を計測し、
    前記凹形状パターンへの前記電子線の入射経路を決定する条件と、前記応答時間と、に基づいて、前記凹形状パターンの上面部と底面部との間の位置ずれ量を、前記凹形状パターンの曲がり量として算出する、
    計測方法。
  5. 電子線を射出し、
    測定対象パターンである第１の凹形状パターンで反射された反射電子を検出し、
    前記電子線が射出されてから前記反射電子が検出されるまでの時間である応答時間を計測し、
    前記凹形状パターンへの前記電子線の入射経路を決定する条件と、前記応答時間と、に基づいて、前記凹形状パターンの上面部と底面部との間の位置ずれ量を、前記凹形状パターンの曲がり量として算出し、
    前記曲がり量に基づいて、基板に第２の凹形状パターンを形成する際の位置ずれ補正を行なう、
    半導体装置の製造方法。
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