JP3509348B2

JP3509348B2 - 測長用電子顕微鏡

Info

Publication number: JP3509348B2
Application number: JP32681995A
Authority: JP
Inventors: 俊之吉村; 正大高; 恒男寺澤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-12-15
Filing date: 1995-12-15
Publication date: 2004-03-22
Anticipated expiration: 2015-12-15
Also published as: JPH09166428A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電子線を用いた微細
パターン寸法の測長装置に係り、特に、電子線照射によ
り測長寸法が変化するパターン寸法を、高精度に測定す
る測長用電子顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体素子の高集積化及び微細化
に伴い、パターン寸法の高精度測長が益々重要になって
いる。従来、測長には低加速電子線の走査型電子顕微鏡
が用いられてきた。これは電子源から発生した低加速電
子線を集束し、試料表面に走査しながら照射した際に、
試料表面付近から発生する主に二次電子を検出器で検出
し、検出信号を数値処理することにより、所望のパター
ンの寸法測定を行う装置である。これにより、現在では
１０ｎｍ以下の分解能と測定再現精度が得られている。
この方法は、反射電子または二次電子のコントラストの
大きい、特に段差や凹凸が含まれている試料の観察に適
しており、またレジストパターンの寸法測定に用いるこ
ともできる。

【０００３】ところで、パターン寸法の微細化が進行
し、要求される分解能や測定再現精度は５ｎｍ以下が求
められるようになってきた。ここで、正確な測定を実現
するにあたり、障害となる二つの課題が重要視されるよ
うになってきた。

【０００４】第一には、負電荷を有する電子を試料に照
射することに起因する「チャージアップ（帯電）」であ
る。一般に走査する電子（一次電子）の照射により、被
測定パターン表面部分からオージェ電子等の二次電子が
放出される。二次電子放出係数は、一次電子の入射個数
に対する二次電子の放出個数の比として定義される。そ
の二次電子放出係数は一次電子の加速電圧（入射エネル
ギ）に依存し、図１のような変化を示す。

【０００５】加速電圧が小さいため、一次電子の入射エ
ネルギが小さい「領域１」、および加速電圧が大きい
「領域３」では二次電子放出係数は１以下であり、被測
定パターン表面部分は実効的に負に帯電する。一方、加
速電圧が中間である「領域２」では、二次電子放出係数
は１以上となり、被測定パターン表面部分は実効的に正
に帯電する。

【０００６】ここで試料が絶縁物の場合には、Ｅ１は約
１００ｅＶであり、Ｅ２は１ｋｅＶから数ｋｅＶである
ことが報告されている。この内、特に前者の「負の帯
電」は試料表面の電荷分布状態を不安定とすること、さ
らにそれに伴う一次電子の軌道変化が知られており、高
精度な寸法測定には大きな障害となる。

【０００７】第二には、電子線照射により試料表面に堆
積物が付着する「コンタミネーション」である。この堆
積物は、電子顕微鏡試料室内気体（主に二酸化炭素や
水）が電子線のエネルギにより分解した、炭素あるいは
炭化水素系の物質であると考えられている。または試料
がレジストである場合には、レジスト内に残存した、あ
るいは電子顕微鏡試料室内に飛散した有機溶媒が電子線
のエネルギにより分解した、炭素あるいは炭化水素系の
物質であると考えられている。

【０００８】これらの堆積物は電子線の電流量の増加と
共に増大し、試料表面を覆って被測定パターン表面を実
効的に変化させる。従って、電子線の走査回数あるいは
走査時間を長くするに伴ってパターン寸法の変化が誘起
されることとなり、高精度な寸法測定には大きな障害と
なる。また、コンタミネーションの付着の仕方は一様で
はないため、測定再現精度が低下する要因ともなる。

【０００９】これらの問題に対して、第一の課題につい
ては、例えば特開昭62−56807 号公報に、「寸法測定に
先立って少なくとも被測定部を含む試料領域を電子ビー
ムで予備走査する予備走査手段を設けた」装置が開示さ
れている。本従来例は、上記の「正の帯電」を測定に先
立って誘起することを目的としている。一般に、正に帯
電した試料表面は実効的に電位変化が小さく、安定な平
衡状態にあるとされている。このため、前記「領域２」
のエネルギを有する電子線の予備走査によって試料表面
を平衡状態に至らせることにより、安定な二次電子信号
を検出することが可能となるとされている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】このように、第一の課
題である帯電については、一次電子の加速電圧を数百Ｖ
程度と低くすることにより解決できる方策が提示され
た。しかし、帯電を完全には除去していないため、わず
かな測定寸法の変動は残存する。また、電極により加速
されエネルギを有する電子線を照射する方法をとる限り
では、第二の課題であるコンタミネーションについては
回避することができない。一般に化学反応に要するエネ
ルギは数ｅＶであり、照射する電子線のエネルギが低い
ほど分解反応の反応散乱断面積が大きいことが知られて
いる。従って、低加速電圧の電子を用いることはコンタ
ミネーションの抑制には効果が小さい。

【００１１】本発明は測長用電子顕微鏡で、以上のよう
にわずかな帯電の影響や、低エネルギの電子線を用いた
場合に不可避であるコンタミネーションの測定への影響
を低減することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】電子線を用いたパターン
測長方法として、一般的に以下のような手順が取られ
る。まず、図２（ａ）の断面形状に示すような、基板２
１上のレジストパターン２２に電子線２３を走査する。
これにより、検出器により検出される二次電子信号２４
を図２（ｂ）に示す。この際に一回の走査だけでなく、
レジストパターン２２に沿った方向（紙面に垂直方向）
に、わずかずらして走査することを繰り返すことによ
り、各走査毎に二次電子信号が得られる。また、同一点
を繰り返して走査することにより、二次電子信号２４を
加算して信号／雑音（Ｓ／Ｎ）比を増大することが可能
となる。さらにレジストパターン２２に沿った方向の指
定された領域での二次電子信号２４を加算することによ
り、その領域内での総合的な信号強度を得ることが可能
となる。

【００１３】ここで図２（ｃ）に示すように、得られた
加算後の二次電子信号２５があった際、一例として「最
大傾斜法」と呼ばれる方法で寸法が決定される。ここで
は、加算後の二次電子信号２５の傾斜部分の最大傾斜を
与える点２６および２７がレジストパターン２２のエッ
ジ部分であると定義する。そして、測長装置は最大傾斜
を与える点２６および２７の距離をパターン寸法である
と出力する。

【００１４】ところで、Ｓ／Ｎ比を増大させるためには
二次電子信号２４を加算することが必要である。これは
電子線の試料表面への照射電流量の増加となり、上述の
ようにコンタミネーション増大の要因となる。例えば、
同一箇所に電子線を走査した際に得られる二次電子信号
から、パターン寸法を求めることを仮定する。その際に
は図３に示すように、電子線照射時間（走査回数に相
当）の増大と共に、算出されるパターン測長寸法が変化
することとなる。これは、主にレジストパターン表面に
発生したコンタミネーションにより、実効的にレジスト
パターンが肥大したことに起因する変化であると言え
る。また、上述の帯電によっても同様のパターン測長寸
法の変化が生じる。

【００１５】従って、理想的には電子線を照射せずに測
定することにより、被測定試料表面の変化がない状態の
寸法を測定することが望ましい。しかし実際には、二次
電子発生に一次電子照射が不可欠であるため、電子線を
照射せずに測定することはできない。そこで、図３に示
す時間変化を記録し、この時間変化のデータを外挿し
て、電子線照射時間０の時点に対応する寸法を、電子線
照射前のパターン寸法とする算出方法を取れば、試料表
面が変化していない状態のパターン寸法を求めることが
可能となり、高精度な測長を実現できる。

【００１６】なお、ここで寸法決定にあたり最大傾斜法
を用いたが、これに限らないことは言うまでもない。例
えば、図２（ｃ）で、パターン両側の水平な信号部分か
ら、立ち上がる点をレジストパターン２２のエッジ部分
と定義することでもよい。あるいは、それらエッジ部分
の点から、所定の値だけレジストパターン２２の内側に
入った点を、レジストパターン２２の新たなエッジ部分
と定義することでもよい。さらに、加算後の二次電子信
号２５の傾斜部分を直線近似して、パターン両側の水平
な信号部分の延長線と交わる点をレジストパターン２２
のエッジ部分と定義することでもよい。このように、レ
ジストパターン２２のエッジ部分の定義方法は、様々な
やり方を採用することができる。いずれの方法を選択す
るかは、断面形状の走査型電子顕微鏡像や原子間力顕微
鏡等の他の測定方法との比較により、測定試料に対して
最も適当な方法を決定すればよい。

【００１７】

【発明の実施の形態】

（実施例１）本発明の一実施例の装置構成を図４に示
す。電子銃４１の先端から、第一陽極４２により引き出
された電子線４３は、第二電極４４で加速される。ここ
では、加速電圧を例えば５００Ｖとする。そして対物レ
ンズ４５により集束されて、試料台４６に設置された試
料４７上に照射される。ここで測定する対象は、例え
ば、シリコン基板上の厚さ２００ｎｍのレジストに形成
された、幅１５０ｎｍの孤立ラインパターンとする。こ
こでビームブランカ４８により、照射不要の際には電子
線４３は遮断され、試料４７上に到達しない。また、偏
向器４９により、電子線４３は試料４７上で一次元的、
または二次元的に走査される。

【００１８】電子線４３の照射により、試料４７表面近
傍から二次電子５０が発生する。この二次電子５０は、
二次電子検出器５１により検出され、信号増幅器５２に
より増幅されて、表示装置５３の輝度変調信号となる。
表示装置５３は、電子線４３を走査するための偏向信号
発生器５４に同期しており、輝度変調信号は同期して照
射された電子線４３による表面部分の二次電子像を再現
することとなる。

【００１９】ここでは図示していないが、対物レンズ４
５と試料台４６との間に、電子を減速する方向に電界を
印加する（対物レンズ４５が試料台４６に比べて高電
位）ための手段が含まれていてもよい。これにより、入
射電子のエネルギを低下させることが可能となる。

【００２０】表示装置５３には輝度変調信号の情報を蓄
積する記憶装置５５、そして情報を処理する演算処理装
置５６が付設されており、演算処理装置５６は走査一回
毎の検出信号を記憶装置５５から引き出し、加算等の演
算処理を行うことができる。通常、演算処理装置５６
は、ある一定本数の検出信号を加算して、それにより得
られた信号について、例えば上述の「最大傾斜法」によ
りパターン寸法を算出する。そして、すべての機能は制
御装置５７により制御されている。

【００２１】本発明では、この演算処理装置５６の機能
に、（１）測長値の時間変化の追跡機能、（２）時間変
化のデータから近似式を求め、時間外挿して照射時間０
における値を求める、機能が付加されている。

【００２２】具体的に図５のフローチャートを用いて、
測長手順を説明する。まず、試料台４６上の試料４７
は、試料台４６の移動により指定された位置へ移動する
（第一段階）。そこで、電子線４３が偏向器４９によ
り、試料４７上で走査される。ここでは走査前に、電子
線の照射を抑えるために、ブランカ４８により電子線４
３が遮断されていてもよい（第二段階）。そして、試料
４６表面から発生した二次電子５０は、二次電子検出器
５１により検出される（第三段階）。検出信号は信号増
幅器５２により増幅されて、表示装置５３の輝度変調信
号となる。この輝度変調信号は、記憶装置５５に一旦蓄
積される（第四段階）。そして、第二から第四段階に至
る手順を繰り返す。その際、走査位置は予め与えられた
領域内とし（例えば１０μｍ角）、各走査で走査方向と
は垂直方向に、予め与えられた僅かな距離（例えば１ｎ
ｍ）ずつ移動させながら、走査してもよい。

【００２３】以上の処理により、その点における測定は
終了し、試料台４６上の試料４７は他の指定された位置
へ移動し、第一段階からの手順を繰り返す。記憶装置５
５に蓄積された検出信号は、後述の方法の信号処理によ
り、表面変化前の測長値が計算される（第五段階）。測
長値計算中に、次の測定は可能であり、試料移動の第一
段階へ移行する。

【００２４】演算処理装置５６は記憶装置５５から検出
信号を引き出し、図６に示す操作を行う。ここでは、電
子線４３の走査開始時刻を原点として、各走査を行う電
子線照射時刻を横軸に取り、例えば上述の「最大傾斜
法」で求められたパターン測長寸法を縦軸に取る。ここ
で第一の点の電子線の照射時刻が０からずれている。こ
れは、電子線の走査開始点と、レジストパターンとに距
離があり、その間に有限時間の照射時間が存在するため
である。このように、試料４７表面に付着したコンタミ
ネーションに起因して、測長値は時間変化する。ここ
で、最初の照射時刻から各走査の時間間隔（例えば１ｍ
sec ）を差し引くことで、仮想的に「電子線照射時間
０」の時点を計算することができる。さらに、測長値の
データの時間変化から、変化を最も近似する多項式曲線
を計算する。ここでは、第一に最小二乗近似直線の方程
式を求める。そして、その直線を外挿して、電子線照射
時間０の時点に対応する測長値を計算すると、１５２.
９９８ｎｍが求められた。ここでは、この値を表面変
化前の「正しい値」と定義して、測定値を表示する。

【００２５】さらに、ここでは近似多項式曲線として一
次の直線の方程式を用いたが、後述するように一次とは
限らず、その次数は装置利用者が任意に与えることでも
よく、あるいは演算処理装置５６が自動的に選択するよ
うにしてもよい。また、ここでは１０点の測定値を元に
計算を行っているが、それに限られず、計算に用いる測
定点数は任意に選択できる。

【００２６】上記では、各走査毎のデータを用いていた
が、一定の数のデータ（例えば１０本）を加算して、そ
の加算後の検出信号からの測長値を用いてもよい。この
際には、走査時刻として、例えば加算する最初の検出信
号の走査時刻を取ればよい。一般に、加算処理によりＳ
／Ｎ比が増大し、安定な測長を実行することが可能とな
る。また、予め指定された領域での検出信号を加算する
ことにより、その領域内での総合的な検出信号が得ら
れ、その領域内での平均的な測長値を得ることが可能と
なる。

【００２７】以上のような方法により、従来に比較して
測定再現精度を約２倍とすることが可能となった。

【００２８】また、ここでは電子線照射時間０における
パターン寸法を算出したが、所定の時刻の寸法を求める
こともでき、その際には上記の最小二乗近似直線の方程
式の、所定の時刻における値を求めればよい。

【００２９】（実施例２）ここでは、測長値のデータに
ばらつきが含まれた場合の処理について述べる。実施例
１と同様に、演算処理装置５６は記憶装置５５から検出
信号を引き出し、時間変化を最も近似する最小二乗近似
直線の方程式を求めた。それによると、図７に示すよう
に、「大変動点」と記述された最小二乗近似直線からの
変動が大きい二つの点が見出された。

【００３０】ここでは、直線上の同一電子線照射時刻の
「パターン測長寸法」の値から、例えば１ｎｍ以上離れ
た点を「大変動点」と見なすことにする。この値は望ま
しい測定精度に従って予め与えておけばよく、１ｎｍに
限らないことは言うまでもない。

【００３１】このような点が発生した場合には、図５に
おける第五段階の測長値計算は中断され、表示装置５３
の画面に、例えば「測定値ばらつき大につき再測定必
要」との表示が出され、その点の再測定を行う。そし
て、上述のような「大変動点」が消失するまで測定を行
い、測長値を表示する。

【００３２】以上のような方法により、測定再現精度を
向上することが可能となった。

【００３３】（実施例３）ここでは、測長値のデータの
変化が一次の直線方程式では近似できない場合の処理に
ついて述べる。実施例１と同様に、演算処理装置５６は
記憶装置５５から検出信号を引き出し、時間変化を再現
した。それによると、図８に示すように、電子線照射と
共に一旦パターン測定値が減少し、さらに増大する傾向
が見出された。このような変化を一次式で近似すると、
「電子線照射時間０」における値は大きい誤差を含むこ
ととなる。

【００３４】従って、ここでは測長値のデータの変化を
近似するように、二次曲線方程式を一次の直線に接続し
た。これによって、測長値のデータの変化をより正しく
近似することができた。そして、上述の方法と同じく電
子線照射時間０における値を計算することにより、測長
値１５５.２５２ｎｍが求められた。

【００３５】測長値のデータの変化の近似曲線の次数の
選択は、演算処理装置５６のデータを表示装置５３の画
面に表示した際に装置利用者が任意に与えることでもよ
く、また演算処理装置５６が自動的に選択するようにし
てもよい。一般に測長値のデータの変化で、極小値ある
いは極大値がｎ個（ｎは０または自然数）認められる場
合、（ｎ＋１）次の多項式を用いることにより、最適な
近似曲線を得ることができる。

【００３６】このように、測長値のデータの変化の近似
曲線の次数を選択することにより、測定再現精度を向上
することが可能となった。

【００３７】

【発明の効果】本発明によれば、帯電あるいはコンタミ
ネーションにより測長寸法が変化するパターン寸法を高
精度に測定することが可能となり、特に極微細半導体素
子を高精度に形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】二次電子放出係数の一次電子の入射エネルギ依
存性を示す特性図。

【図２】電子線を用いたパターン測長方法の説明図。

【図３】パターン測長寸法の電子線照射時間による変化
の説明図。

【図４】本発明の一実施例の装置構成の説明図。

【図５】本発明の一実施例の測長手順を示すフローチャ
ート。

【図６】本発明の一実施例のパターン測長値の求め方の
説明図。

【図７】本発明の一実施例の変動が大きい測定値を含む
場合の説明図。

【図８】本発明の一実施例のパターン測長値の求め方の
説明図。

【符号の説明】

４１…電子銃、４２…第一陽極、４３…電子線、４４…
第二陽極、４５…対物レンズ、４６…試料台、４７…試
料、４８…ビームブランカ、４９…偏向器、５０…二次
電子、５１…二次電子検出器、５２…信号増幅器、５３
…表示装置、５４…偏向信号発生器、５５…記憶装置、
５６…演算処理装置、５７…制御装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平７−63542（ＪＰ，Ａ) 特開平２−159508（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−238413（ＪＰ，Ａ) ＭＴｅｎｃｅ，ＭＧＷａｌｌｓ，ＣＪｅａｎｇｕｉｌｌａｕｍｅ，ＣＣｏｌｌｉｅｘ，ＸＴｈｏｍａｓ，ＯＪｂａｒａａｎｄＪＣａｚａｕｘ，”Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎｅｆｆｅｃｔｓ：ａｔｉｍｅ−ｅｎｅｒｇｙｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ”，ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＰｈｙｓｉｃｓＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅＳｅｒｉｅｓ, 1990年，Ｎｏ．98，Ｖｏｌ．１，ｐ. 311−314 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 15/00 - 15/08 G01N 23/00 - 23/227 H01J 37/00 - 37/295 H01L 21/66

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも観察試料に集束した電子線を照
射するためのレンズ，前記電子線を観察試料上で走査す
る偏向手段，前記電子線照射に伴い前記観察試料表面部
分から発生する二次電子等の信号を捕獲する検出系，前
記信号から前記観察試料の所望のパターン寸法を算出す
る信号処理系からなる測長用電子顕微鏡において、前記電子線の照射に伴う前記パターン寸法の時間変化を
記録する手段を備え、前記パターン寸法の時間変化のデータを、前記電子線照
射と共に前記パターン寸法が減少して、極小値を経た後
増加する二次曲線方程式で近似して、前記近似曲線を外
挿した電子線照射時間０の時点に対応するパターン寸
法、または所定の時刻における前記近似曲線上のパター
ン寸法を算出する手段を備えたことを特徴とする測長用
電子顕微鏡。
【請求項２】前記二次曲線方程式を採用する際に、装置
利用者が任意に設定、あるいは前記パターン寸法を算出
する手段が自動的に選択することを特徴とする請求項１
に記載の測長用電子顕微鏡。
【請求項３】前記パターン寸法を算出する手段におい
て、前記パターン寸法の時間変化を近似する前記曲線方
程式として、多項式を用いることを特徴とする請求項１
に記載の測長用電子顕微鏡。
【請求項４】前記パターン寸法を算出する手段におい
て、前記電子線の照射による前記パターン寸法の時間変
化のデータの前記近似曲線から、各測定データの変動を
求め、前記変動が予め与えられた値に比べて大きい際には、前
記電子線を観察試料上で走査する段階からやり直す手段
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の測長用電子
顕微鏡。