JP4220335B2

JP4220335B2 - 立体形状測定装置

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Publication number: JP4220335B2
Application number: JP2003306441A
Authority: JP
Inventors: 麻紀田中; 秀俊諸熊; 千絵宍戸; 裕治高木
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2003-08-29
Filing date: 2003-08-29
Publication date: 2009-02-04
Anticipated expiration: 2023-08-29
Also published as: JP2005077192A

Description

本発明は、半導体の製造工程においてウェハ上に形成された回路パターンの加工形状の良否を、回路パターンの電子線像を用いて評価する方法及びそのシステムに適用して有効な技術に関する。

本発明者が検討したところによれば、ウェハ上に形成された回路パターンの加工形状の良否を評価する技術に関しては、以下のような技術が考えられる。

たとえば、エッチング工程において所望の加工性能を得るためには、通常、事前に複数の加工条件をパラメタにした確認実験を行い、最適と思える加工条件を決定し、エッチング装置にレシピとして登録する。この条件出し作業の過程においては、エッチング性能の良否は、主にパターンの断面観察により確認されている。

図２にエッチング後のパターン断面形状の違いの例を示す。図２は、ゲート配線の断面図を示しており、これらの形状はプロセスの条件により変化する。一般に、ゲート工程では、パターン底部の形状がその後のイオン打ち込み工程の処理結果に影響を与えること、また、パターン底部の寸法そのものが素子特性に大きな影響を与えることなどから、この底部の形状制御は非常に重要である。図２（ａ）は、一般的に最も望ましいと考えられている形状であり、パターン側壁の傾斜角がほぼ垂直であり、かつ、パターン底部に裾引きなどを生じていない。これに対して、図２（ｂ）の順テーパ、図２（ｃ）の逆テーパ、および図２（ｄ）の裾引きなどは、プロセス条件が不適切なために生じる形状異常であり、加工条件変更により図２（ａ）の状態を実現する必要がある。

次に、図３を用いて、ゲートエッチング工程の概要と、加工条件と最終形状の関係について説明する。ホト工程において形成されたレジストパターンを元に、被加工膜のエッチング加工を行う。近年の微細プロセスでは、一般的に、レジストの下にＢＡＲＣ(Bottom Anti-Reflective Coating：露光時の反射防止膜)層が形成されていることが多く、図３でもその場合の例を示す。ここでは、ＢＡＲＣエッチ１ステップ、ＰｏｌｙＳｉエッチ２ステップの例を示すが、さらに多くのステップを経て加工を行うこともある。

露光後は、図３（ａ）に示すように、被加工膜（図３ではＰｏｌｙＳｉ膜）の上にＢＡＲＣ層があり、その上にレジストパターンが形成されている。通常の生産ラインでは、この状態でレジストパターンの寸法を測定し、露光工程に異常がないか確認を行う。次のエッチング工程では、まずはじめにＢＡＲＣ層のエッチングを行う（図３（ｂ））。次に、レジストおよびＢＡＲＣ膜のパターンをマスクとしてエッチング条件を切り替えてＰｏｌｙＳｉエッチングを実施する。このとき、ＰｏｌｙＳｉ膜のエッチングは通常いくつかのステップに分けて加工する。まずはじめは、比較的異方性の高い条件で垂直に加工を行い（図３（ｃ）ＰｏｌｙＳｉエッチステップ１）、下端の近くでは、多少異方性を犠牲にしても、酸化膜を突き抜けたり、ダメージを与えることのないように、下地の酸化膜との選択比の高い条件に切り替えて加工を行う（図３（ｄ）ＰｏｌｙＳｉエッチステップ２）といった処理が行われる。これら図３（ｂ）〜（ｄ）の加工は１台のエッチング装置の中で条件を切り替えることで連続的に行われる。エッチング処理後に、アッシングおよび洗浄によるレジスト除去処理を行い、図３（ｅ）に示すようなゲートパターンが形成される。このように、一連の処理の中でも、いくつかの条件を切り替えているため、断面写真を用いた加工結果の評価では、異常有無の確認だけではなく、問題ステップの確定を行う必要がある。例えば、側壁の傾斜角に異常がある場合にはＰｏｌｙＳｉエッチのステップ１が主な原因であり、裾引きの状態が悪いのはＰｏｌｙＳｉエッチのステップ２が悪いといったような判断を行い、各ステップの条件最適化を行う。

この条件出し作業により加工条件が決定されると、エッチング装置のレシピに登録して、実際の生産ラインでのエッチング処理が行われる。このときのエッチング性能は、事前に条件出しを行ったときと全く同一であることが理想的であるが、エッチング処理室の内壁状態、雰囲気の経時的な変化等によりエッチング速度の増減などが起こる。近年のＬＳＩの高集積化に伴い、加工寸法の微細化、及び高アスペクト比化に対応できるプロセス性能が要求されており、このようなプロセス変動に対して、形状の違いも考慮した高精度なプロセス制御が望まれている。現在、これらのエッチング条件変動により生じるパターン加工形状変動の検出は、測長ＳＥＭによる寸法測定や、異なる傾斜角のＳＥＭ画像を取得し、ステレオ視の原理で立体形状を計測することにより行われている。

ところで、前記のようなウェハ上に形成された回路パターンの加工形状の良否を評価する技術について、本発明者が検討した結果、以下のようなことが明らかとなった。

たとえば、上記のように、従来のエッチング加工条件出しにおいては、加工形状の良否をパターンの断面観察により確認していた。しかし、この断面形状の確認は、ウェハを劈開して断面ＳＥＭなどを用いて行うため、非常に多くの時間を要し、効率のよい条件出しは困難である。断面観察用の試料作成や観察作業には、エッチング条件出しとは異なる技能が必要であり、コストも高い。また、破壊評価となるため、観察後のウェハは廃棄するしかなかった。条件出しはもとより、プロセス制御を行うためには、非破壊での形状評価は必須である。これに対し、測長ＳＥＭによる寸法測定は、非破壊で容易な測定が可能だが、単にパターン寸法の違いしかわからないため、エッチング工程の条件設定に十分な情報が得られないという問題がある。

以下に、本発明の解決しようとする技術課題である、従来のＳＥＭによる形状評価（寸法測定）の問題点を示す。

測長ＳＥＭ上での寸法計測は二次電子像のラインプロファイルを用いて行うことが一般的なため、まず始めに日本学術振興会荷電粒子ビームの工業への応用第１３２委員会第９８回研究資料「電子ビームテスティングハンドブック」Ｐ．２６１に述べられている、断面形状と二次電子強度のラインプロファイルの一般的な関係について紹介する。

図４において、
Ａ）電子ビームが基板部を照射しているときは、検出二次電子信号の強度は基板材料の二次電子の放出効率による一定値を示し、
Ｂ）ビーム照射点がパターンに接近するにつれ、発生した二次電子のうちパターンの傾斜部に衝突する二次電子が増加することにより二次電子の補集効率が低下するため信号強度が若干低下し、
Ｃ）二次電子信号強度は、パターンのボトムエッジからビーム径の半分だけ外側にシフトした位置で最小値を示す。
Ｄ）Ｃ点の通過後は試料傾斜角の変化に対応した二次電子放出効率の変化によりほぼ直線的に急激に増大し、
Ｅ）ビーム照射点がトップエッジ付近に近づくにつれ傾斜部の各照射点からの放出二次電子の補集効率の違いにより信号強度の増大が穏やかになる。
Ｆ）二次電子信号強度はパターンのトップエッジからビーム径の半分だけ外側にシフトした位置で最大値を示し、
Ｇ）Ｆ点の経過後低下していき、パターン材料の二次電子放出効率で決まる一定値に落ち着く。

図４はホトレジストの場合を示しているが、他の材料の場合にも同様のことが言える。

このようなラインプロファイルから寸法を測定するには、ラインプロファイルから、パターンのエッジ位置を検出することが必要である。測長ＳＥＭ上に搭載されているエッジ位置の検出手法としては、図５（ａ）に示すように最大傾斜位置を検出する方法（最大傾斜法）、図５（ｂ）に示すように所定のしきい値でエッジ位置検出を行うしきい値法や、図５（ｃ）に示すようにエッジ部と基材部に直線をあてはめこれらの交点を検出する直線近似法などが知られる。

しかし、図５（ａ）や図５（ｂ）の方式では、実際のパターン断面のどの高さの部分の寸法を測っているのか正確に知ることはできない。図２に示したように、エッチング工程の問題はパターン形状の違いであるから、どの高さのエッジ位置が検出されているのか明らかにできる手法が必要である。また、図４に示したような波形を持つサンプルであれば、図５（ｃ）の直線近似法でほぼパターン底部の寸法を測定できるが、形状によっては、必ずしも正しい測定値を得ることはできない。ＳＥＭの二次電子信号量は、パターン表面の傾斜角に依存するため、パターン側壁部で傾斜角が変化する場合などは、波形形状も直線状にならず、直線近似法では正しい寸法を測ることができなくなる。また、パターンの上部あるいは底部どちらかの幅だけを測定してもエッチング工程の状態を正しく評価することはできない。図３に示したように、どのステップが問題であるのかを確定するためには、各ステップに対応した形状情報が必要であるからである。立体情報の取得に有効な、ステレオ視を利用した立体形状測定手法を用いても、エッチング条件出しに有用な情報を十分に得ることは難しい。ステレオ視を行うためには、ビーム照射角度が異なる２枚以上の画像間で対応する点を確定する必要があるが、図３（ｅ）のパターン底部のように、パターン形状が連続的に滑らかに変化する場合には、適当な対応点を得ることができないため、十分な評価が行えないという問題がある。

そこで、本発明の目的は、従来の手法では不十分であった、エッチングプロセス条件決定に有効なパターン断面形状情報の取得を非破壊で観察可能なインラインＳＥＭの画像を用いて行うことである。またもう一つの目的は、コストの高い断面観察を行うかわりに、非破壊で比較的容易に測定が可能なＳＥＭによって断面形状情報を取得することで、効率のよいプロセス条件出しやプロセス監視を実現することにある。

本発明では、収束させた電子線を試料上に走査しながら照射する電子線照射手段と、電子線の照射により試料から発生した二次電子を検出する信号検出手段と、信号検出手段からの信号を演算処理する信号演算処理手段とを有し、信号検出手段により得られた信号波形を、信号量の変化量に基づいて複数の領域に分割し、分割された領域の大きさにより試料の立体形状を定量評価する。また、分割された信号波形の大きさを元に、パターンの断面形状をも定量的に推定する。

特に、本発明では、パターン形状の計測結果を、分割された信号波形ごとに表示することで、形状全体の変動のうち、どの成分がどのように変動したのかを容易に確認できるようにする。具体的には、分割された複数の領域の大きさ、あるいは分割された複数の領域の大きさ同士を加減算して得られる値、のうちいずれか２種類以上の形状を表す値について、ウェハ面内の分布を表すウェハマップをそれぞれ作成し、このウェハマップを並べて、あるいは切り替えて表示する。あるいは、同一の加工装置および加工条件で異なる時に加工された複数の試料について２種類以上の形状を表す値を算出し、これら２種類以上の形状を表す値の時間変化をグラフで表示する。

また、本発明では、上記のように評価および推定されたパターン立体形状情報をエッチング加工ステップに対応させることにより、エッチング加工条件とパターン形状の関係を定量的に評価することで、エッチングプロセス条件出しやプロセス監視を行うことができるようにする。

また、本発明では、チルト画像や反射電子画像を用いたパターン形状評価によっても、同様にパターン形状を評価し、エッチングプロセス条件出しやプロセス監視を実現できるようにする。

本発明によれば、非破壊で容易に半導体回路パターンの立体形状を評価することができる。その結果として、従来、断面観察によって行われていたプロセス条件出しの効率を大幅に向上することが可能となる。また、従来、経験と勘に頼っていたプロセス条件出しを、定量的な評価結果に基づいて容易に行うことが可能となる。さらに、従来の寸法計測では見逃されていた立体形状の異常が検出可能となり、再生がきかないエッチングパターンにおける不良の作り込みが防げるようになる。さらにまた、高精度なプロセスの制御が可能となり、安定したエッチングプロセスを提供することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

図６は、本発明による第１の実施の形態に係る、測長ＳＥＭ２００（図７に概略構成を図示）上に構築したパターン形状評価システムを用いたエッチング条件出し手順の概念図である。本実施の形態においては、はじめに適当な初期条件でＢＡＲＣエッチ（工程１００１）、ＰｏｌｙＳｉエッチ（１）（工程１００２）、ＰｏｌｙＳｉエッチ（２）（工程１００３）からなるエッチング処理および、アッシングおよび洗浄からなるレジスト除去処理（工程１００４）を実施して、パターンを形成する。ここで、工程１００１から１００３は同一のエッチング装置６００内にて連続して実施される。次に、測長ＳＥＭ２００を用いて、エッチング後の回路パターンの電子線画像を取得した後（工程１００５）、電子線画像を用いてパターンの形状を評価し（工程１００６）、得られた結果を画面表示する（工程１００７）。得られた評価結果に基づき、オペレータはパターン形状の良否を評価し、良好な形状が得られていない場合には、得られた立体形状情報を元に、加工条件変更を行うステップの確定と新たな条件設定を行う（工程１００８）。断面形状情報の取得方法については別途詳述する。

図７は本パターン形状評価システムで用いる測長ＳＥＭ２００の構成を示すブロック図である。図７において、電子銃２０１より出た一次電子線２０２はコンデンサレンズ２０３で収束され、ビーム偏向器２０４、ＥｘＢ偏向器２０５、対物レンズ２０６を経てステージ１０１上におかれたウェハ１００上に焦点を結んで照射される。電子線が照射されると、ウェハ１００からは二次電子が発生する。試料ウェハ１００から発生した二次電子は、ＥｘＢ偏向器２０５により偏向され、二次電子検出器２０７で検出される。偏向器２０４による電子線の二次元走査、あるいは偏向器２０４による電子線のＸ方向の繰り返し走査と、ステージ１０１によるウェハのＹ方向の連続的な移動に同期して試料から発生する電子を検出することで、２次元の電子線像が得られる。

二次電子検出器２０７で検出された信号はＡ／Ｄ変換器２０８によってディジタル信号に変換され、画像処理部３００に送られる。画像処理部３００はディジタル画像を一時記憶するための画像メモリと、画像メモリ上の画像からのラインプロファイルや特徴量の算出を行うＣＰＵを有する。さらにまた、検出した画像あるいはラインプロファイルあるいは算出されたパターン形状情報などを保存するための記憶装置３０１を有する。画像処理部には表示装置３０２が接続され、必要な装置の操作、検出結果の確認等をグラフィカルユーザーインタフェース（以下、ＧＵＩと表記する）によって実現できるようになっている。

つぎに、画像処理部３００で行う立体形状情報の算出手順を図８から図１１を用いて説明する。まず図８に示すように、Ｓ／Ｎを改善するために、取得した電子線画像００１について、各（１）ラインの波形００２をＮライン平均することにより、滑らかなラインプロファイル００３を作成する。このラインプロファイル００３は、パターン側壁の形状に応じた信号量を示す。この信号量とパターン断面形状の関係の詳細について、図９を用いて説明する。図４において説明したように、側壁の傾斜角に応じて信号量は変化し、パターンのトップエッジからビーム径の半分だけ外側にシフトしたあたりで二次電子信号量は最大値を示す。このパターン側壁部の信号量は傾斜角θに対して、１／ｃｏｓθに比例して二次電子信号量は増大することが知られている。このため、図９（ａ）のように、断面形状０１０に裾引きがなく、側壁全体が比較的高い傾斜角を保っている場合には、ラインプロファイル０１１はボトムエッジから急激に増加するが、図９（ｂ）のように、断面形状０２０に裾引きがある場合には、比較的高傾斜角部分０２２である上部に比べ、裾引き部分０２３の二次電子信号量は小さくなる。これを利用して、以下の手順にて、断面形状情報を取得する。まずはじめに、比較的信号量の小さい部分と大きい部分を分けることで、試料上面から観察したＳＥＭ像だけで、高傾斜角部分０２２と裾引き部分０２３を分ける。図１０は図９（ｂ）の、図１１は図９（ａ）の詳細説明である。図１０に示すように、得られたラインプロファイル０２１の１次微分波形０２５を作成すると、元のラインプロファイル０２１で急激に明るさが変化しているところで極値（ＤＬＰ１、ＤＬＰ２）を持つ波形となる。このため、これら極値ＤＬＰ１、ＤＬＰ２の間の部分が、側壁の中でも比較的傾斜角の高い部分０２２に相当する。そこで、この極値間の距離を傾斜角の指標値Ｔとする。これに対して、エッジ部分の微分波形の外側の極値（ＤＬＰ１）から微分波形がゼロになる点（ＤＺ１）、すなわち下地と同じ明るさになる点までの間は、比較的傾斜角が低い裾引き部分を表すため、これらの距離を裾引きの指標値Ｆとする。同様に、図９（ａ）の形状について指標値を求めた結果を図１１に示す。図１０と図１１を比べてわかるように、傾斜角指標値Ｔは、パターン高さＨが一定であれば、ｔａｎ（π−θ）に比例し、θが垂直に近づくほど値が小さくなる。逆テーパでは側壁部分の情報がなくなり、エッジ効果による部分のみが検出されるため、傾斜角指標値Ｔは一定値に留まる。対して、裾引きの指標値Ｆは、裾引きが大きいほど大きな値をとる。このように、これらの指標値により、特にエッチング工程で重要なパターンの立体形状情報を得ることができる。

また、これらの指標値を利用して、パターン断面形状の概略を推定することもできる。まず、上記のＴ、Ｆに対して、エッジ効果やＳＥＭ画像の分解能を考慮して次のような補正を行う。

Ｔ’ ＝Ｔ − ｃ＿ｔ（数１）
Ｆ’ ＝Ｆ − ｃ＿ｆ（数２）
（数１）、（数２）のｃ＿ｔ、ｃ＿ｆは定数である。（数１）のｃ＿ｔは、パターンが完全に垂直であっても観測されるエッジ部の幅である。これは、主にパターントップ部のエッジ効果により決まる値であり、適当なサンプルで予め測定しておけばよい。（数２）のｃ＿ｆは、裾引きが全くない場合にも観測されるオフセット成分である。これは、１次ビームのビーム径や、対象物内部で発生する二次電子の分布など、ＳＥＭ画像の分解能に主に依存する。

これらＴ’およびＦ’を用いて、１次微分の外側のピークＤＬＰ１を基準に外側Ｆ’かつ高さゼロ（下地と同じ高さ）の点ＥＡと、内側Ｔ’かつ高さＨ（被加工膜上面と同じ高さ）の点ＥＢを決める。この、エッチング対象となる被加工膜の膜厚（Ｈ）は、通常の生産ラインでは膜厚計などを用いて高精度に制御されているため、Ｈを既知の値として扱うことができる。Ｈの値は、実際に計測された測定対象ウェハの膜厚計測結果を用いてもよいし、成膜時の仕様値を用いても良い。次に適当な高さｈを仮定して、基準点（ＤＬＰ１）に高さｈの点ＥＣを定める。これらの点ＥＡ、ＥＢ、ＥＣをつなぐことで、図１０および図１１に示すように、おおよそのパターン断面形状を推定することができる。ここで、ｈは図３で説明した、エッチング条件の切り替え箇所に相当する高さであり、予め、各ステップのエッチレートとレシピに設定した処理時間などから大まかな値を調べておけばよいが、さほど正確である必要はない。点ＥＣの正確な高さｈがわからなくとも、問題ステップの確定と対策には十分な情報を得ることができる。

また、図５に示した従来の測長方式では、パターン上のどの点の幅を測っているのか確定できなかったが、図１０あるいは図１１に示す点ＥＢを左右のエッジについて求めて、その幅を求めれば、トップ部の幅が、点ＥＡを用いれば、ボトム部の幅が、また点ＥＣを用いれば裾引きを除いたテーパの底部のおおよその幅を求めることができる。このように、本発明の方式を用いれば、高精度に所望の箇所のパターン寸法を測定することができる。配線幅が正しく測れれば、予め測定しておいた露光後のレジストパターンからの寸法変換差を正確に把握することができる。図３に示したステップでエッチングを実施する場合には、レジストパターンからエッチング後のトップ部寸法への寸法変換差は、ＢＡＲＣエッチにより調整することが多い（一般的に、ＢＡＲＣ膜はレジストと同様の有機材料であることが多く、ＢＡＲＣエッチ時にレジストのエッチングも可能であるため）。このため、トップ部の寸法が正しく測れれば、ＢＡＲＣエッチの条件適正化も可能となる。

このようにして、大まかなパターン形状がわかれば、スタッフは図２（ａ）のような所望の形状を実現するエッチング条件を効率よく設定することが可能となる。この、エッチング条件出しに用いる立体形状情報としては、図１０あるいは図１１に示した推定形状０２６、０１６の他に、裾引き指標値Ｔ（あるいはＴ’）、傾斜角指標値Ｆ（あるいはＦ’）、トップおよびボトムのパターン寸法などをそのまま用いてもよいし、あるいは傾斜角指標値Ｔから傾斜角θを算出した結果を示してもよい。各指標値の示すパターン断面形状と、図３に示したエッチング処理の各ステップとの対応がついていれば、各指標値が所望の形状を示す値になるように、対応するステップの条件のみを変更すればよい。

なお、側壁傾斜角θは、次の（数３）で求めることができる。

θ ＝ π／２ − ａｔａｎ（Ｔ’／Ｈ）（数３）
上記の実施の形態では、１次微分の値を用いて、信号波形を高傾斜角部分と低傾斜角部分に分割したが、適当なしきい値を用いて信号量そのものの値により、プロファイル波形の領域分割を行っても同様の結果を得ることができる。

次に、このエッチング後のパターン形状評価を実施する場所について図１２を用いて説明する。エッチング装置においては、処理チャンバ内のプラズマ密度分布などの影響により、ウェハ上の位置によりエッチング加工性能が均一に得られない場合が多いため、ウェハ面内の均一性も、エッチング条件出しの重要な項目となる。そこで図１２（ａ）に示すように、上記の方法によりパターンの形状情報をウェハ１００の面内数点で測定し、それらの変化をわかりやすく表示することが有効である。図１２（ａ）は、ウェハ面内における評価位置の一例であり、例えば、黒く塗りつぶした評価対象チップ１１０（図１２（ａ）では９チップ）において形状評価を行えば、ウェハ面内の形状分布を知ることができる。エッチング工程においては、ウェハ面内で同心円状に状態が変化することが多いため、図１２（ｂ）に示すように、ウェハ中央からの距離に応じた形状の指標値（例えば傾斜角指標値Ｔ）をグラフ表示すると、処理ウェハの状態を容易に確認することができる。同様に、パターン密度の影響などでも形状が変化するため、チップ内数カ所で測定を行って、チップ内の位置依存性を表示してもよい。

次に、これらの形状評価結果を確認するための、結果表示の実施の形態について説明する。図１３は、ウェハ面内の形状変化を、推定された断面形状を用いて表示する例である。画像を取得して形状評価を実施したチップをウェハマップ１２０上に表示し、その各チップに対応する断面形状の推定結果１２１や立体形状指標値１２２を表示する。このとき、チップ番号や、ウェハ中央からの距離などによって、結果表示の順番を並べ替えることができると、さらによい。また、図１２（ｂ）で示したように、指標値ごとにウェハ面内位置との関係を表すグラフを表示してもよい。また、画面には、対象ウェハの加工処理条件１２３も併せて表示しておくとよい。

また、条件出し時においては、複数のウェハを処理して、これらのウェハ間で形状を比較する。その場合には、図１４（ａ）に示すように、各ウェハの断面形状推定値を、その加工処理条件と併せて並べて表示することが有効である。図１４（ａ）では、エッチング条件の異なるウェハのうち、左上に示したウェハマップ１２０上のチップ位置のパターン評価結果を並べて表示している。図１４（ａ）では、断面形状推定結果１２１や立体形状情報１２２を、各々のウェハのエッチング条件１２４と併せて表示している。このとき、ユーザが指定した主要パラメタを基準に順番を並べ替えることができると、さらに有用な情報を得ることができる。また、図１４（ｂ）に示すように、各パラメタ（Φｘ（ａ〜ｄ）はあるエッチング条件のパラメタのセットを示す）に対する立体形状評価結果をグラフ表示したり、図１４（ｃ）に示すように、そのうちの主要なパラメタを横軸にとってグラフ表示したりしてもよい。図１４（ｂ）（ｃ）の網掛け部分は立体形状の目標範囲（１２５）を示しており、特に図１４（ｃ）のように表示しておけば、所望の形状が得られるエッチング条件１２６をおおまかに推定することもできる。また、図１４（ｂ）（ｃ）に示しているように、例えばウェハ上の位置によって異なるマークを用いるといった表示方法も効果的である。

以上のように、本発明を用いることにより、容易で、高速なパターン断面情報の取得が行える。特に、従来の測長方式では対応できなかった、エッチング処理のステップに対応した形状評価が可能であり、エッチング条件出しの効率化が可能となる。

従来の条件出しで行われていた断面観察では、多くの時間を要するだけではなく、試料作成、断面ＳＥＭ写真の取得など、エッチング装置を扱うのとは異なる技術が作業者に要求される。これに対し、本発明の形状評価は生産ライン内にあるＳＥＭを用いて、自動で行うことができるため、短時間で誰でも評価を行うことができる。また、ウェハ内、チップ内で多くの点を容易に測定可能なため、チップ内やウェハ面内の分布も容易に把握することができる。

さらに、形状評価時に試料にダメージを与えることもないため、良好な形状が得られている場合には、当該ウェハを次工程の処理へとすすめることができる。

また、本発明では、加工条件の変更によるパターン形状の変化が定量的に評価可能なため、所望の条件を実現する加工条件の設定が容易となり、条件の最適化が効率良く行える。

なお、上記の例では傾斜角と裾引き、パターン幅を指標値として用いているが、同様に、内側のピークとゼロ点との間の距離を測れば、パターントップ部分の丸みを示す指標としても用いることができる。工程に応じて制御すべき形状が異なるため、必要に応じてこれらの指標値を組み合わせて用いればよい。例えば、埋め込み性向上のためにパターン上部を丸めた形状とする。素子分離工程のＳｉエッチングなどでは、トップ部の丸みを有効な指標値として用いることができる。

次に、第２の実施の形態について説明する。第１の実施の形態では、ＳＥＭにより推定されたパターンの断面形状から、人間が条件変更を行うステップと加工条件変更量を確定していたが、第２の実施の形態では、これらの条件変更を自動的に行う。

本実施の形態では、まず主要なパターン形状指標値と、それに対応する各ステップの加工条件調整パラメタを予め指定しておく。また、パターン形状指標値には目標値および許容値を記憶しておく。条件出し用のウェハにエッチング処理を施し、ＳＥＭ画像によりパターン形状を評価し、目標値との違いに基づいて、予め指定しておいた加工条件調整パラメタを変更して、加工・評価を繰り返し、目標形状となるまで処理を繰り返す。

本発明の第２の実施の形態であるエッチング条件出し手順について、図１を用いて説明する。本実施の形態においては、はじめに適当な初期条件でＢＡＲＣエッチ（工程１００１）、ＰｏｌｙＳｉエッチ（１）（工程１００２）、ＰｏｌｙＳｉエッチ（２）（工程１００３）からなるエッチング処理および、アッシングおよび洗浄からなるレジスト除去処理（工程１００４）を実施して、パターンを形成する。次に、測長ＳＥＭ２００を用いて、エッチング後の回路パターンの電子線画像を取得した後（工程１００５）、電子線画像を用いてパターンの断面形状を評価する（工程１００６）。この、電子線画像を取得するＳＥＭおよび画像処理手順は上記第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。得られた形状評価結果を元に、各形状指標値と目標値の差によりパターン形状の良否を評価する（工程１０１０）。良好な形状が得られていない場合には、得られた立体形状情報を元に、条件変更を行うステップの確定と新たな条件設定を行う（工程１０１１）。ここで、各形状指標値と対応するステップの関係およびその目標値は、予め記憶装置３０１に記憶しておいたものを参照する（詳細は後述）。新たに設定されたエッチング条件により別のウェハを加工（工程１０１２）して、ＳＥＭ画像を用いた評価、条件設定を繰り返し、目標の形状が得られるまで処理を繰り返す。

一例として、トップ部配線幅に影響を与える主なエッチングパラメタとして、ＢＡＲＣエッチのエッチング時間を用いる場合について説明する。まず、オペレーターはトップ部配線幅Ｗを制御する主要なパラメタと目標値を設定する。図１５（ａ）は設定画面の一例である。まず、トップ部配線幅Ｗの目標範囲（４２０）を下限値と上限値で設定する。次に、変更パラメタ４２１として、ＢＡＲＣエッチのエッチング時間を選択する。このとき、ステップに応じて変更可能なパラメタが適宜選択可能となっている。この、選択されたパラメタについて、定性的な傾向（パラメタを大きくすると、指標値がどのように変化するか）がわかっている場合には、そのパラメタ特性（４２２）を予め指定しておく。図１５（ａ）のデータの他に、エッチング条件の初期値および、それぞれのパラメタの変更可能範囲などの条件も併せて、記憶装置３０１に記憶しておく。図１５（ａ）では、トップ部幅に対してＢＡＲＣエッチ時間の条件のみを設定しているが、目的の最終形状に応じた形状指標値と、それぞれの形状に影響を与えるパラメタを適宜用いる。１つの形状指標値に対して、複数の加工パラメタの相乗効果を考慮してももちろんよい。

次に、初期条件においてエッチング加工処理を実施し、ＳＥＭ画像により測定された形状指標値を目標範囲と比較する。本例では、トップ部分の配線幅を図１５（ａ）で設定した目標値と比較する。目標値と比較し、現在の形状が目標範囲外であれば、新たな条件を設定する。図１５（ｂ）は条件変更方法の説明図である。図１５（ｂ）に示すように、初期値４３０の形状指標値が目標値よりも大きな値をとっているとすると、次の処理条件は、形状指標値がより小さくなる値を設定すればよい。このとき、図１５（ａ）でパラメタ特性４２２が設定されている場合には、その特性に従って次のパラメタを設定する。図１５の場合は、エッチング時間ｔを長くすると、トップ部幅Ｗが狭くなるという特性がわかっているため、初期条件よりもエッチング時間を長く設定して、次のウェハの処理を行う。ここで、第１回目の条件変更において、パラメタ特性４２２が不明であったとしても、１回条件変更を行えば、特性は明らかになるため、処理回数が１回増える可能性はあるが、特に問題はない。このようにしてエッチング処理を行った結果を元に、２回目以降の条件変更を以下のように行う。初期条件をｔ（０）、そのときのトップ部幅をＷ（０）、ｉ回目の条件変更後のエッチング時間をｔ（ｉ）、そのときのトップ部幅をＷ（ｉ）とすると、第ｉ＋１回目のエッチング時間設定値ｔ（ｉ＋１）を以下の式で設定することができる。

ｔ（ｉ＋１）＝（Ｗｔ−Ｗ（ｉ））＊（ｔ（ｉ）−ｔ（ｉ−１））
／（Ｗ（ｉ）−Ｗ（ｉ−１））＋ｔ（ｉ）（数４）
ここで、Ｗｔは形状指標値の目標値（下限と上限の平均値）である。このようにして、形状評価結果と目標値との違いから、次の加工条件を設定し、目標形状が得られるまで加工評価を繰り返す。図１５では、トップ部幅とエッチング時間について説明したが、他の形状指標値とエッチング条件についても同様に条件設定を行うことができる。

このように、本発明の形状評価手法では、パターンの立体形状の違いを定量的に評価することが可能であるため、各形状指標値に応じて、その形状を制御するためのパラメタを指定しておくことで、自動で条件出しを行うことができる。

これら条件出しの全てを自動で行っても良いし、はじめに加工条件の自動設定と処理をいくつか繰り返しておいて、その結果を元にスタッフが詳細な条件出しを行っても良い。また、与えたパラメタが適切ではない場合には、加工後の形状が目標範囲に収束しない場合もあるため、条件変更回数には上限値を設けておき、それを超えた場合には警告を発するようにしておくとよい。ここで、図１のエッチング条件(Φ_BARC、Φ_P1、Φ_P2）は、それぞれのステップのエッチングパラメタの組を表している。また、図１５における条件決定のステップを簡易的に関数ｆ（ΔＷ、ΔＴ、ΔＦ）、ｇ（ΔＷ、ΔＴ、ΔＦ）、ｈ（ΔＷ、ΔＴ、ΔＦ）を用いて表している。図１では工程１００５、１００６をＳＥＭ２００上で行っているが、画像取得（工程１００５）以外のデータ処理は、ＳＥＭ２００上で行っても、エッチング装置６００上で行っても、あるいはこれらとは別の計算機上で行ってもよい。これらの装置間はネットワークを介してつながっているのが望ましい。

このように、第２の実施の形態では、パターン形状の定量評価結果に基づき、自動でパラメタ設定することができる。特に、エッチング処理のステップに対応した形状評価に基づいて条件変更を行うため、エッチング条件出しの効率化が可能となる。このため、第１の実施の形態と共通の効果に加え、誰でも高速かつ容易にエッチングの加工条件出しを行えるという利点がある。

次に、第３の実施の形態について図１６および図１７を用いて説明する。第１および第２の実施の形態で説明した方法によりＳＥＭ画像から取得した立体形状情報を用いれば、生産ラインにおいてプロセスの状態を監視することもできる。図１６は本発明を適用する生産ラインの構築例を示している。各々の製造装置は、装置管理システム５００にネットワークを介してつながっており、装置管理システム５００は、これら装置の稼働状態やメンテナンスの状況に加え、各品種・工程の製造条件などの情報を管理している。また、膜厚計５０６や測長ＳＥＭ２００などの計測装置は、ＱＣデータ収集・解析システム５０１とつながっており、膜厚や測長の結果を収集管理している。また、このＱＣデータ収集・解析システム５０１は異常監視システム５０２につながっており、測長結果に何らかの異常が発生した場合には、表示・連絡手段５０３を通じて、製造ラインの管理者５０５に連絡される。また、各々のウェハが、いつどの工程をどの装置で着工したかという情報は着工来歴管理システム５０４により管理されている。このため、必要に応じて、全てのウェハについての処理来歴を参照することが可能となっている。このような生産ラインであれば、断面形状推定時に用いる膜厚情報も、現在のウェハの値を確実に用いることができる。

図１７に、本発明に係るエッチングプロセス監視システムの処理の実施の形態の一例を示す。プロセス監視を実施するラインにおいては、予めパターンの配線幅、傾斜角、裾引きなどのパターン形状について、許容値を設定しておく。これらの設定値は記憶装置３０１に記録しておく。生産ラインでは、エッチング加工（工程１００１〜１００３）とアッシング・洗浄（工程１００４）を経たウェハ上のパターンをＳＥＭ画像を用いて評価する（工程１００５、１００６）。この、電子線画像を取得するＳＥＭおよび画像処理手順は上記第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。ＳＥＭ画像から得られたパターンの立体形状情報と目標値および許容値と比較し（工程１０１０）、許容値を超過している場合には、連絡手段（図１６の５０３）を用いて、異常の警告をライン管理者に連絡し（工程１０２０）、その後のウェハの処理を中断する（工程１０２１）。このとき、許容値を超過したパターン形状とそれに相当するエッチングのステップを併せて表示すると、どのステップにおいて問題が発生したのかを容易につきとめることができ、迅速な対応が可能となる。この対応するエッチングのステップの情報は、第２の実施の形態で示したように、予め登録して記憶装置に記録しておけばよい。また、第１の実施の形態と同様に、ウェハ内あるいはチップ内における形状変化をモニタすることもできる。

本発明の形状評価は生産ライン内にあるＳＥＭを用いて、自動で行うことができる。このように、本発明の形状評価システムを用いてパターン立体形状の監視を行うことにより、エッチングプロセスの異常を早期に発見し、不良の作り込みを防止することができる。特に、従来の測長方式では対応できなかった、エッチング処理のステップに対応した形状評価が可能であり、迅速な原因究明が行えるため、エッチング装置の稼働率を上げることが可能となる。また、ウェハ内、チップ内で多くの点を容易に測定可能なため、チップ内やウェハ面内の分布も容易に把握することができる。

次に、第４の実施の形態について図１８を用いて説明する。第１および第２の実施の形態では、ＳＥＭの画像から立体形状情報を取得する方法と、得られた立体形状情報を元にエッチング条件出しを行う方法について説明した。このようなエッチング条件出し過程において、図１５（ｂ）に示したような、各ステップにおけるエッチング条件と加工形状の関係の情報を収集することができる。このエッチング条件と加工形状の関係の情報をデータベースとして記録しておけば、生産がはじまった後も、エッチング条件の変動に応じて、加工条件パラメタを変更することで、常に良好なパターン加工形状を維持することが可能となる。

図１８に、本発明のエッチングプロセス制御処理の流れを示す。第３の実施の形態と同様に一通りのエッチング加工（工程１００１〜１００３）とアッシング・洗浄（工程１００４）を経て、加工後のパターンをＳＥＭ画像を用いて評価する（工程１００５、１００６）。このようにして得られた立体形状情報を目標値と比較し（工程１０２５）その結果をもとに、予め調べておいた、エッチング条件パラメタとパターン形状の関係から、所望の形状からのずれ量を補正する加工条件を算出する（工程１０２６）。次のウェハの加工時には、この補正された加工条件を用いて処理を行い、その後のウェハについても同様にエッチング処理・形状評価・加工条件修正を繰り返すことで、常に安定なパターン形状を保つことができる。また、形状評価結果により、許容値を超える異常が検知された場合には、表示・連絡手段（図１６の５０３）を用いて、異常の警告をライン管理者に連絡し、その後のウェハの処理を中断する（工程１０２７）。このとき、許容値を超過したパターン形状とそれに相当するエッチングのステップを併せて表示すると、どのステップにおいて問題が発生したのかを容易につきとめることができ、迅速な対応が可能となる。

図１９に示すように、条件出し時に得られた加工条件パラメタとパターン形状の関係を表すデータを、適当な関数５３０に当てはめて、エッチングプロセスのモデルを構築しておけば、適切な加工条件修正量を容易に算出することができる。この関数５３０を用いて、現在のウェハの加工形状指標値５３１に対応する加工条件５３２と、目標形状５３３に対応する加工条件５３４との差分を加工条件の修正量５３５とすればよい。図１９はＢＡＲＣエッチ時間と配線幅の関係について説明しているが、他のパラメタについても同様に行えばよい。

図２０は、図１８に示したプロセス制御において、得られたエッチングプロセスに関する情報を表示する実施の形態の一例である。エッチング装置では、加工中に発生する副生成物のチャンバ内付着や、部品の消耗などが原因でパターン形状が変動するため、定期的にクリーニングや部品交換が行われる。本発明では、これらの装置のメンテナンス記録とＳＥＭ画像から得られた立体形状情報の推移を併せて表示する。図２０（ａ）に示すように、立体形状情報別に時系列データ５１０をグラフ表示すると同時に、メンテナンス記録５１１の表を表示する。グラフ表示内のメンテナンス記録は色が変わって表示され、グラフ上にも対応する時間がわかるようにメンテナンス記録表示５１２が示される。なお、時系列データグラフには目標値５１３と許容値５１４も併せて表示されている。

これらの表示はエッチング装置毎に行う。同一エッチング装置のデータが異なる測長ＳＥＭ上にあり、かつ図１６のように互いにネットワーク上でつながっている場合には、それらのデータを転送して表示することもできる。また、リファレンスデータベースは必ずしもＳＥＭ上にある必要はなく、ネットワークで接続された他の場所にあってもよい。横軸は、該当ウェハの着工日時や該当エッチング装置の累積稼働時間、または該当エッチング装置の着工ウェハ累積枚数など、該当装置の着工順に対応するものを用いる。図２０（ａ）では立体形状情報別に表示するようになっているが、一つのグラフに複数の立体形状情報を同時に表示してもよいし、これらの和など、全体の様子を表す値に変換して表示してもよい。

また、図２０（ａ）は立体形状情報別に表示しているが、図２０（ｂ）に示すように、得られた特徴量から推定されたエッチングパラメタの変動量を表示してももちろんよい。図２０（ｂ）の例では、エッチング条件の変動量５１０と併せて調整量５２１を表示している。このようにすれば、どの程度の条件変更が実行されているのか、また条件変更によっても対応できない変動がどの程度あるのかを容易に確認することができる。また、図２０（ａ）あるいは図２０（ｂ）と併せて、エッチング装置に搭載されている各種センサ（圧力計など）の出力を表示してもよい。これらのセンサ出力は、ウェハを加工した際の装置の状態を示すため、同時に表示することで、装置の変動がパターン形状に与える影響を容易に確認することができる。

本発明の形状評価は生産ライン内にあるＳＥＭを用いて、自動で行うことができる。このように、本発明の形状評価システムを用いてパターン立体形状の変動を検知し、それを修正するようにエッチング条件を制御することにより、常に安定なエッチングプロセスを実現することができる。特に、従来の測長方式では対応できなかった、エッチング処理のステップに対応した形状評価が可能であり、プロセス変動の起きたステップに着目して制御できるという利点がある。

次に、第５の実施の形態について図２１を用いて説明する。第１から第４の実施の形態では上面から観察したＳＥＭ画像のみを用いる場合について説明したが、第５の実施の形態では、チルト画像を用いて立体形状情報を取得する方法について説明する。

図２１に示すように、本実施の形態で用いるＣＤ−ＳＥＭは、ＸＹ平面内で移動可能で更にチルト機能を備えたチルトステージ１０２を有し、通常のｔｏｐ−ｄｏｗｎｖｉｅｗ像の他、チルト像を得ることができる。

チルト像においては、左側のレジスト側壁相当部は画素数が増し、右側の側壁相当部の画素数は減少する（チルトステージの傾斜が試料にとって右上がりの場合）。本実施の形態で着目するのは、画素数が増加する側のレジスト側壁相当部のラインプロファイルである。傾斜面を十分な広さで検出できれば、エッジ効果やビーム分解能の影響を避けることができるため、より高精度に形状指標値を得ることができる。また、ポリメタルゲートなどの異種膜が多層積層されている多層膜の場合には、ｔｏｐ−ｄｏｗｎｖｉｅｗ像では、側壁部に相当する画素数が少ないため、その境界位置の検出は困難であったが、図２２に示すように、チルト画像を用いれば容易に境界を検出することができる。多層膜の境界位置を検出することができれば、それぞれの膜厚の情報を元に、第１の実施の形態と同様にパターンの断面形状を推定することもできる。多層膜の場合も、膜の材質に応じてエッチング条件を切り替えているため、第１から第４の実施の形態と同様に、立体形状に基づいた条件出しやプロセス制御を行うことができる。

また、ｔｏｐ−ｄｏｗｎｖｉｅｗでは、図２に示した逆テーパを正常パターンと見分けるのは困難であったが、チルトにより傾斜角の指標値にオフセットを加えることができ、逆テーパの検知が可能となる。また、パターン底部に発生するノッチなどの検知にも有効である。

また、本実施の形態においては、ＣＤ−ＳＥＭは、通常のｔｏｐ−ｄｏｗｎｖｉｅｗ像、および、チルト像を取得し、ステレオ視の原理によりパターンの高さを算出することもできる。

上記第１の実施の形態で説明した断面形状推定方法では、膜厚情報を利用していた。しかし、素子分離工程など、ストッパーとなる膜がない場合には、エッチングレートの変動も検出する必要がある。本実施の形態では、パターンの絶対高さを直接検出できるため、このような工程にも対応可能である。

なお、ステージをチルトさせる代わりに電子光学系のカラムをチルトさせても、あるいは、照射電子線の偏向角度を変えることによって、試料への入射角度を変えるようにしても良い。

本実施の形態による立体形状評価を、第１から第４の実施の形態と組み合わせて用いれば、これまでの実施の形態で述べたのと同様の効果に加え、チルト画像を用いることにより側壁部に相当する画素数が増すため、より精度の高い形状情報が得られ、ひいては、より正確な条件出しやプロセスの制御が可能となる。さらにまた、ｔｏｐ−ｄｏｗｎｖｉｅｗでは計測不可能な逆テーパの計測も一定範囲について可能となる。

次に、第６の実施の形態について図２３を用いて説明する。第１から第４の実施の形態では上面から観察したＳＥＭ画像のみを用いる場合について、第５の実施の形態ではチルト像を組み合わせる方法について説明したが、第６の実施の形態では、反射電子画像を用いて立体形状情報を取得する方法について説明する。

本実施の形態で用いるＣＤ−ＳＥＭは図２３に示すように反射電子検出器２０９、２１０を有し、通常のｔｏｐ−ｄｏｗｎｖｉｅｗ像の他、図２４（ａ）、図２４（ｂ）に示すような陰影像を得ることができる。このような陰影像を取得した後、陰影像からパターンのエッジ部の傾斜強度を算出し、第１の実施の形態で用いた形状指標値と組み合わせて用いることで、さらに精度の高い傾斜角の推定を行う。

また、反射電子は二次電子に比べ、材質依存性が強いため、これを利用して異種の膜が積層された多層膜に対応することも可能となる。一般に、反射電子像は、対象物の原子番号に依存して、信号量が変化することが知られている。このため、傾斜角の違いだけではなく、材質の違いによっても信号量の変化が現れる。そこで、第５の実施の形態と同様に、この信号量の変化に着目して、材質の境目に応じてラインプロファイルを分割すれば、それぞれの膜厚の情報を元に、第１の実施の形態と同様にパターンの断面形状を推定することもできる。多層膜の場合も、膜の材質に応じてエッチング条件を切り替えているため、第１から第４の実施の形態と同様に、立体形状に基づいた条件出しやプロセス制御を行うことができる。

また、第５の実施の形態と同様に、反射電子についてもチルト像を用いてパターンの高さ検出や、側壁の特徴量を得てもよい。

本実施の形態を第１から第４の実施の形態と組み合わせて用いることで、既に述べたのと同様の効果に加え、パターンエッジ部の傾斜強度という情報が加わるため、より正確にエッチング工程の条件出しやプロセス制御が可能となる。

次に、本発明のパターン形状評価手法を用いて得られるパターンの立体形状情報を表示する方法の実施の形態について、図２５〜図３１を用いて説明する。

第１の実施の形態に示した本発明のパターン形状評価手法を用いれば、図９に示したようなパターンの側壁部分の画像を、高傾斜部分、裾引き部分などの領域に分けて評価することができる。エッチングプロセスの状態の確認を容易に行うためには、これらの情報を利用して、わかりやすいように表示してやればよい。

まず、第７の実施の形態（露光＋エッチング変動成分のマップ表示）を図２５を用いて説明する。図２５（ａ）は、結果表示の一例であり、エッチング加工後の立体形状を評価し、ウェハ面内の形状ばらつきが、露光あるいはエッチング工程内のどのステップに起因するものかを判定するのに有効な表示方法である。図２５（ｂ）に示すように、エッチング後のボトム寸法は、エッチング前のレジストパターン寸法、エッチングプロセス中のマスクとなるレジストパターン寸法の変化、エッチングプロセスにおける側壁の加工形状の違い（テーパなど）の組み合わせで決まる。それぞれの変動は原因が異なるため、それぞれがどの程度変動しているのかがわかれば、調整すべきプロセスパラメタを決めるのに便利である。図２５の実施の形態では、図２５（ａ）のように各チップの評価結果をウェハマップ状に表示する。例えば、ウェハマップのチップに相当する各々の矩形を、評価結果の値に応じて色分けして表示を行う。このとき、各色がどの範囲の値を示すのかを表示するスケール７００を同時に表示しておくと便利である。スケール７００の範囲や刻みは適宜変更できるようにしておくのが望ましい。また、色のマップだけではなく、各チップに相当する矩形に、評価結果の数字を併せて記載してもよい（計測結果表示７０２）。

図２５（ａ）の左端のウェハマップはエッチング加工後の最終的なパターンのボトム幅７０３の分布である。この、最終ボトム幅の変動は、露光によるレジストパターン形成からエッチング加工終了までの過程の組み合わせにより生じる。そこで、図２５に示したように、レジストボトム幅７０４、エッチングシフト量７０５、エッチング傾斜角成分７０６のウェハマップを並べて表示すれば、最終形状のボトム幅変動が、どの部分の形状ばらつきにより生じているのか容易に確認が可能となる。ここで、エッチングシフト量とは、図２５（ｂ）に示すように、エッチング後のトップ寸法とエッチングマスク（図２５の場合、レジストマスク）の寸法の差分であり、主にマスクのエッチング耐性（マスク材の選択比）により決まる。このトップ幅は、ボトム幅から次に説明する傾斜角成分を差し引けば算出できる。また、図２５（ｂ）に示すように、エッチング傾斜角成分とは、側壁部に相当する長さで、第１の実施の形態の傾斜角指標値を左右足し合わせたものである。エッチング後のパターン側壁傾斜を表し、エッチング加工の異方性によって主に決まる形状である。これらは、最終的なパターンのボトム線幅を構成する成分であり、ボトム線幅が変動する場合には、これらそれぞれの要素も変動しているはずである。本発明のパターン評価手法を用いれば、これらの各成分の変動量をそれぞれ分離して評価することができる。前述のように、これらの形状変動は、それぞれ対応するエッチング特性（マスク選択比や異方性）やその加工に相当するステップがあるため、変動量がわかれば、これらの特性を調整することで、所望の形状を得るエッチング条件を設定することが可能となる。また、最終形状の変動が小さい場合でも、変動量が互いに打ち消しあっているだけで、それぞれの形状成分の変動量は大きい場合もある。本実施の形態によれば、このような状況も、これらのウェハマップを比較することで確認することができる。

ここで、各評価結果の割合を容易に確認するためには、互いに比較する結果は同じスケールで表示されることが望ましい。図２５の例では、レジストボトム幅、エッチングシフト量、エッチング傾斜角成分のウェハマップは、同じ量が同じスケールで表されるようにしておくのがよい。

なお、図２５の例では、ウェハ全面のチップの結果を表示しているが、必ずしも全てのチップを計測する必要はなく、計測したチップの結果のみを示してももちろんよい。また、図２５に示したように、１画面に全てのマップを同時表示してもよいし、ボタン操作などによって、それぞれのマップを切り替えられるようにしてもよい。また、第５の実施の形態で示したように、チルト画像などを用いることで、さらに多くのパターン形状情報が得られる場合には、図２５の形状成分のほかに、適宜重要な形状成分のウェハマップを加えればよい。

このように、パターン形状評価システムにより得られる評価結果をウェハマップ状に表示し、形状の変動量を成分別に分けて表示することで、形状変動の原因を推定するのに有用な情報を容易に確認することが可能となる。また、パターン形状の変動が非常に微小な場合には、形状計測時のノイズの影響があるために、少ないパターンを評価しただけでウェハ面内の分布を判断することは難しい。従来の断面ＳＥＭによる形状評価を行っても、ウェハ面内５点程度の評価では、形状の変化を確認できない場合もある。しかし、図２５に示すようにウェハマップの形で表示すれば、計測結果に多少のノイズがのっていても、全体の傾向から、ウェハ面内で形状がどのように変化しているのかを判断することができる。

次に、第８の実施の形態（エッチング変動成分のマップ表示）を図２６を用いて説明する。第７の実施の形態では、露光工程起因の寸法ばらつきとエッチング工程起因の寸法ばらつきを同時に表示する方法を説明した。第８の実施の形態では、エッチング工程のみのばらつき成分を表示する例を説明する。図３に示したように、１つの装置の中で行われるエッチング加工であっても、実際にはいくつかのステップの組み合わせで加工が行われることも多い。そこで、図２６に示すように、エッチング工程起因の寸法変動成分のみを、第７の実施の形態と同様に、表示することで、エッチングプロセスの条件設定や制御に有用な情報を得られる場合もある。図２６の左端のウェハマップはＣＤバイアス７０７の計測結果である。ＣＤバイアスはエッチング前後のボトム幅の差であり、図２５のボトム幅計測結果からレジストボトム幅計測結果を差し引いたものとなる。これは、露光工程の形状ばらつきの影響を排除した、エッチング工程のみで発生した形状ばらつきを示しており、この形状ばらつきの内訳として、エッチングシフト量７０５と傾斜角成分７０６を分けて表示しているのが、中央および右側のウェハマップである。このように、エッチング工程における形状変動を、成分別に分けて表示することで、エッチングによる形状ばらつきがどのように発生しているのかを容易に確認することができる。図３で示したように、各形状成分によって、原因となるステップが異なる。例えば、側壁傾斜角の変動であれば、図３のステップ１のエッチング異方性の変動が主要因となるといったように、形状によって対策すべき処理のステップが明確になるため、本実施の形態の結果表示方法を用いれば、所望の形状を得るための加工条件設定を比較的容易に行うことができる。

本実施の形態においても、第７の実施の形態と同様に、各評価結果の割合を容易に確認するためには、互いに比較する結果は同じスケールで表示されることが望ましい。また、必ずしも全てのチップを計測する必要はなく、計測したチップの結果のみを示してももちろんよい。さらに、図２６に示したように、１画面にこれら全てのマップを同時表示してもよいし、ボタン操作などによって、それぞれのマップを切り替えられるようにしてもよい。

このように、パターン形状評価システムにより得られる評価結果をウェハマップ状に表示し、形状の変動量を成分別に分けて表示することで、形状変動の原因を推定するのに有用な情報を容易に確認することが可能となる。また、図２６に示すようにウェハマップの形で表示すれば、計測結果に多少のノイズがのっていても、全体の傾向から、ウェハ面内で形状がどのように変化しているのかを判断することができる。

次に、第９の実施の形態（多層膜材料別のマップ表示）を図２７を用いて説明する。第７の実施の形態では、露光工程起因の寸法ばらつきとエッチング工程起因の寸法ばらつきを同時に表示する方法を、第８の実施の形態では、エッチング加工における形状ばらつきを成分別に表示する例について説明した。第９の実施の形態では、図２２で示したように、多層構造のパターン評価結果を元に、各層の評価結果別に表示する。図２７（ｂ）に示すような、多層構造サンプルのエッチングの場合には、通常、各層の材料に応じて異なるエッチング条件を用いるため、このように、対象となる層ごとに結果を表示することで、形状ばらつきの大きいステップを容易に確認することが可能となる。図２７では、二つの材料のみを表示しているが、さらに多くの層を持つサンプルであれば、表示する層を追加してももちろんよい。また、図２７では、エッチングシフト量７０５と材質ごとの傾斜角成分７０８（材質Ａ）、７０９（材質Ｂ）表示のみを行っているが、例えば、材質Ｂの評価をさらに傾斜角成分と裾引き成分に分離して行い、それらの結果を合わせて表示してもよい。

本実施の形態においても、第７、第８の実施の形態と同様に、各評価結果の割合を容易に確認するためには、互いに比較する結果は同じスケールで表示されることが望ましい。また、必ずしも全てのチップを計測する必要はなく、計測したチップの結果のみを示してももちろんよい。さらに、図２７に示したように、１画面にこれら全てのマップを同時表示してもよいし、ボタン操作などによって、それぞれのマップを切り替えられるようにしてもよい。

このように、パターン形状評価システムにより得られる評価結果をウェハマップ状に表示し、形状の変動量を図２７のように材料別に分けて表示することで、形状変動の原因を推定するのに有用な情報を容易に確認することが可能となる。また、図２７に示すようにウェハマップの形で表示すれば、計測結果に多少のノイズがのっていても、全体の傾向から、ウェハ面内で形状がどのように変化しているのかを判断することができる。

次に、第１０の実施の形態（エッチング条件出しのためのマップ表示）を図２８を用いて説明する。第１０の実施の形態では、第７〜第９の実施の形態の表示を、エッチング条件出しに利用する場合の表示方法の例を示す。図２８に示すように、例えば第８の実施の形態と同じウェハマップを１組として、エッチング条件ごとに並べて表示すれば、エッチング条件出しにおいて、ウェハ面内の寸法変動や各成分の変動状況を簡単に確認することができるため、どのエッチング条件（７１０エッチング条件Ａ、７１１エッチング条件Ｂ、７１２エッチング条件Ｃ）が良好かを容易に確認することができる。図２８の例では、第８の実施の形態と同じウェハマップを表示したが、第７の実施の形態や第９の実施の形態のウェハマップを用いてももちろんよい。

本実施の形態においても、第７〜９の実施の形態と同様に、各評価結果の割合を容易に確認するためには、互いに比較する結果は同じスケールで表示されることが望ましい。また、必ずしも全てのチップを計測する必要はなく、計測したチップの結果のみを示してももちろんよい。さらに、図２８に示したように、１画面にこれら全てのマップを同時表示してもよいし、ボタン操作などによって、それぞれのマップを成分ごとに切り替えられるようにしてもよい。

このように、パターン形状評価システムにより得られる評価結果を、エッチング条件別にウェハマップ状に表示し、形状の変動量を図２８のように材料別に分けて表示することで、効率のよいエッチング条件出しが可能となる。また、図２８に示すようにウェハマップの形で表示すれば、計測結果に多少のノイズがのっていても、全体の傾向から、ウェハ面内で形状がどのように変化しているのかを判断することができる。

次に、第１１の実施の形態（経時変化表示のためのマップ表示）を図２９を用いて説明する。第１１の実施の形態では、エッチング状態の径時変化をわかりやすく表示する手法を説明する。一般に、エッチング装置は、エッチング中に発生する副生成物が処理チャンバ内に付着したり、部品が消耗することにより、エッチング特性が変化する。そこで、エッチング装置の清掃や部品交換を行った後の比較的良好な状態で、エッチ後のパターン形状およびそのウェハ面内変動を評価・記録しておき、適宜変化状態を確認することで、次の清掃や部品交換の必要性を判断することができる。そこで、図２９に示すように、例えばエッチング装置清掃直後７１３の評価結果と、現状（最新状態）７１４の評価結果を並べて表示すれば、装置の経時変化の様子を容易に確認することができる。図２９の例では、第８の実施の形態と同じウェハマップを表示切替ボタン７０１により切り替えて表示する例を示したが、第７から第１０の実施の形態で示したように、１画面に全ての形状成分のウェハマップを表示してもよい。また、第７の実施の形態や第９の実施の形態の形状成分を用いたウェハマップを用いてももちろんよい。

本実施の形態においても、第７〜９の実施の形態と同様に、各評価結果の割合を容易に確認するためには、互いに比較する結果は同じスケールで表示されることが望ましい。また、必ずしも全てのチップを計測する必要はなく、計測したチップの結果のみを示してももちろんよい。また、本実施の形態の代わりに、異なるエッチング装置による加工結果を評価した結果を並べて表示してもよい。これにより、異なる装置による加工結果の違いを容易に確認することができる。

このように、パターン形状評価システムにより得られる評価結果を、エッチング条件別にウェハマップ状に表示し、形状の変動量を図２９のように、以前の状態と比較して表示することで、エッチング装置の状態変化を容易に確認することができる。また、図２９に示すようにウェハマップの形で表示すれば、計測結果に多少のノイズがのっていても、全体の傾向から、ウェハ面内で形状がどのように変化しているのかを判断することができる。

なお、第７〜第９の実施の形態で示した形状成分のほかにも、有効な形状成分を分離計測できるのであれば、それらの表示を併せて行ってももちろんよい。例えば、第５の実施の形態に示したように、チルト画像などを用いれば、対象パターンの側壁の情報をさらに得ることができるため、さらに新たな成分を設定することが可能である。

次に、第１２の実施の形態（経時変化表示のためのグラフ表示）を図３０を用いて説明する。第１２の実施の形態では、エッチング状態の径時変化をわかりやすく表示する別の手法を説明する。第１１の実施の形態では、パターン形状の変動をウェハマップの形で表示したが、第１２の実施の形態では、これをグラフで表示する。図３０に示すように、これまでの実施の形態でそれぞれウェハマップで表示していた形状変動成分（７１５傾斜角成分、７１６ＣＤバイアス、７１７エッチングシフト量）を、各々１つの系列としてグラフ表示する。図３０では、第８の実施の形態の形状評価結果を用いた例を示している。グラフの横軸はエッチング加工を実施した日時で、縦軸は評価結果の各成分である。このように、エッチングパターンの形状変動を各成分ごとに、時間変化のグラフとして表示すれば、エッチング装置の経時変化の様子を容易に確認することができる。図３０では、一回のエッチング加工に対して、１組の評価結果をプロットしているが、これは、加工したウェハの状態を表わす代表値にしておけばよい。例えば、ウェハ内５点の平均などである。さらに、ウェハ面内での変動の様子を併せて表示するためには、平均値に加えて、標準偏差もプロットするか、あるいはウェハ面内の点ごとにグラフを作成し、並べるなどすればよい。図３０の例では、第８の実施の形態と同じ評価結果成分を表示したが、第７の実施の形態や第９の実施の形態の評価結果成分を用いてももちろんよい。

このように、パターン形状評価システムにより得られる評価結果を各成分の変化がわかるようにグラフ表示することで、エッチング装置の状態変化を容易に確認することができる。また、変動している形状要素が明らかになるため、エッチング状態の改良のために変更すべきパラメタも比較的容易に決定することができる。

次に、第１３の実施の形態（非対称性ウェハマップ表示）を図３１を用いて説明する。第１の実施の形態で示した形状評価手法では、パターンエッジ部の信号波形を各形状成分に分割することで立体形状情報を得ている。この立体形状情報は左右のエッジそれぞれに算出することが可能なため、左右非対称なパターン形状の非対称性を評価することも可能である。そこで、図３１（ａ）では、左右のエッジから得られた形状指標値算出結果（例えば傾斜角指標値）をそれぞれ別のウェハマップで表示しており、それらの差分のウェハ面内分布も併せて表示している（７１８左エッジ傾斜角指標値、７１９左右傾斜角指標値差分、７２０右エッジ傾斜角指標値）。これらの評価結果から、ウェハ面内の形状非対称性を容易に確認できる。パターン形状の非対称性が非常に微小な場合には、形状計測時のノイズの影響があるために、一つのパターンを評価しただけで判断することは難しい。しかし、図３１に示すようにウェハマップの形で表示すれば、計測結果に多少のノイズがのっていても、全体の傾向から、形状がどのように変化しているのかを判断することができる。図３１（ｂ）は別の表示例である。左右エッジとその差分のほかに、平均値の表示も可能とし、これらの表示は表示切替ボタン７０１で切替可能としてある。

このように、左右エッジの評価結果を比較できる形で表示することにより、パターン形状の非対称性を容易にかつ確実に確認することが可能となる。図３１に示すようにウェハマップの形で表示して確認することにより、計測結果に多少のノイズがのっていても、全体の傾向から、ウェハ面内における形状の非対称性分布を安定に判断することができる。

本発明の第２の実施の形態におけるエッチング条件出し手順を示す説明図である。（ａ）〜（ｄ）はエッチング工程により形成すべきパターンの形状および異常形状を示す説明図である。（ａ）〜（ｅ）はエッチング工程を示す説明図である。レジストの断面形状と二次電子信号強度の関係を示す模式図である。（ａ）〜（ｃ）はラインプロファイルのエッジ検出手法を示す説明図である。本発明の第１の実施の形態におけるエッチング条件出し手順を示す説明図である。本発明の第１の実施の形態に係るＣＤ−ＳＥＭを示す全体構成図である。本発明の第１の実施の形態に係るラインプロファイル処理を示す説明図である。（ａ）、（ｂ）は本発明の第１の実施の形態において、断面形状の違いによるＳＥＭ画像のラインプロファイルの違いを示す説明図である。本発明の第１の実施の形態に係る、立体形状指標値算出方法を示す説明図である。本発明の第１の実施の形態に係る、立体形状指標値算出方法を示す説明図である。（ａ）、（ｂ）は本発明の第１の実施の形態における、立体形状指標値取得箇所を示す説明図（ａ）と、立体形状指標値の位置依存性表示方法を示す説明図（ｂ）である。本発明の第１の実施の形態における立体形状情報取得結果の表示方法を示す説明図である。（ａ）〜（ｃ）は本発明の第１の実施の形態における、複数ウェハの立体形状情報取得結果の表示方法を示す説明図（ａ）、ウェハ依存性表示方法を示す説明図（ｂ）、およびエッチング条件依存性表示方法を示す説明図（ｃ）である。（ａ）、（ｂ）は本発明の第２の実施の形態における、各種形状指標値に対応するエッチング条件パラメタを設定するＧＵＩ画面を示す説明図（ａ）と、エッチング条件の設定方法を示す説明図（ｂ）である。本発明の第３の実施の形態に係る、半導体製造ラインの構築例を示す説明図である。本発明の第３の実施の形態におけるエッチングプロセスモニタ方法を示す説明図である。本発明の第４の実施の形態におけるエッチングプロセス制御方法を示す説明図である。本発明の第４の実施の形態におけるエッチング条件変更量算出方法を示す説明図である。（ａ）、（ｂ）は本発明の第４の実施の形態におけるエッチングプロセスの状態を表示する方法を示す説明図である。本発明の第５の実施の形態におけるステージチルト機能を有するＳＥＭを示す全体構成図である。本発明の第５の実施の形態に係るチルト画像による立体形状情報取得方法を示す説明図である。本発明の第６の実施の形態における反射電子検出機能を有するＳＥＭを示す全体構成図である。（ａ）、（ｂ）は本発明の第６の実施の形態に係る反射電子像（陰影像）を示す説明図である。（ａ）、（ｂ）は本発明の第７の実施の形態の計測結果表示方法を示す説明図である。本発明の第８の実施の形態の計測結果表示方法を示す説明図である。（ａ）、（ｂ）は本発明の第９の実施の形態の計測結果表示方法を示す説明図である。本発明の第１０の実施の形態の計測結果表示方法を示す説明図である。本発明の第１１の実施の形態の計測結果表示方法を示す説明図である。本発明の第１２の実施の形態の計測結果表示方法を示す説明図である。（ａ）、（ｂ）は本発明の第１３の実施の形態の非対称性評価結果表示方法を示す説明図である。

符号の説明

００１…画像、００２…１ライン波形、００３…ラインプロファイル、０１０…断面形状（順テーパ）、０１１…ラインプロファイル（順テーパ）、０１５…１次微分波形（順テーパ）、０１６…断面形状推定結果（順テーパ）、０２０…断面形状（裾引き）、０２１…ラインプロファイル（裾引き）、０２２…高傾斜角部分、０２３…裾引き部分、０２５…１次微分波形（裾引き）、０２６…断面形状推定結果（裾引き）、１００…ウェハ、１０１…ステージ、１０２…チルトステージ、１１０…評価対象チップ、１２０…ウェハマップ、１２１…断面形状推定結果、１２２…立体形状情報（指標値）、１２３…加工処理条件、１２４…エッチング条件、１２５…エッチング条件推定値、２００…ＳＥＭ、２０１…電子銃、２０２…一次電子線、２０３…コンデンサレンズ、２０４…偏向器、２０５…ＥｘＢ偏向器、２０６…対物レンズ、２０７…二次電子検出器、２０８…Ａ／Ｄ変換器、２０９…反射電子検出器、２１０…反射電子検出器、３００…画像処理部、３０１…記憶装置、３０２…表示装置、４２０…形状目標範囲設定、４２１…変更パラメタおよびステップ選択、４２２…エッチングパラメタ特性選択、４３０…エッチングパラメタ初期値と形状評価値、５００…装置管理システム、５０１…ＱＣデータ収集・解析システム、５０２…異常監視システム、５０３…表示・連絡手段、５０４…着工来歴管理システム、５０５…製造ライン管理者、５０６…膜厚計、６００…エッチング装置、７００…スケール、７０１…表示切替ボタン、７０２…計測結果表示（ウェハマップ上）、７０３…ボトム幅（ウェハマップ）、７０４…レジストボトム幅（ウェハマップ）、７０５…エッチングシフト量、７０６…エッチング傾斜角成分、７０７…ＣＤバイアス、７０８…材質Ａの傾斜角成分、７０９…材質Ｂの傾斜角成分、７１０…エッチング条件Ａの組（結果を示すウェハマップ）、７１１…エッチング条件Ｂの組（結果を示すウェハマップ）、７１２…エッチング条件Ｃの組（結果を示すウェハマップ）、７１３…エッチング装置清掃直後（計測結果のウェハマップ）、７１４…現状（計測結果のウェハマップ）、７１５…傾斜角成分、７１６…ＣＤバイアス、７１７…エッチングシフト量、７１８…左エッジ（傾斜角指標値のウェハマップ）、７１９…差分（左右傾斜角差分指標値のウェハマップ）、７２０…右エッジ（傾斜角指標値のウェハマップ）。

Claims

収束させた電子線を表面にパターンが形成された試料上に走査しながら照射する電子線照射手段と、上記電子線の照射により上記試料から発生した二次電子を検出する信号検出手段と、該信号検出手段からの信号を演算処理する信号演算処理手段と、表示画面を備えた表示手段とを有し、
上記信号演算処理手段は、上記信号検出手段により上記試料から発生した二次電子を検出して得られた信号波形を、該信号波形を微分した微分波形における極大値又は極小値またはゼロになる点の位置情報を用いて複数の領域に分割し、該分割された各々の領域の大きさに基づいて上記試料上に形成されたパターンの立体形状について複数の指標値を求めて立体形状情報を取得する機能と、該立体形状情報を取得する機能により取得した立体形状のウェハ面内の位置を表すウェハマップを上記複数の指標値ごとにそれぞれ作成し、該複数の指標値ごとに作成した立体形状のウェハ面内の分布を表すウェハマップを上記表示手段の画面上に並べて、あるいは切り替えて表示する機能とを有することを特徴とする立体形状測定装置。
請求項１記載の立体形状測定装置において、
上記表示する機能は、エッチング工程のエッチング前とエッチング後の上記試料の立体形状を表す評価値のウェハマップを表示することを特徴とする立体形状測定装置。
請求項１記載の立体形状測定装置において、
上記表示する機能は、表示項目が[エッチング後ボトム幅、側壁成分、トップ幅、レジスト幅]、あるいは[ＣＤバイアス、側壁成分、トップ幅シフト量]、あるいは[ＣＤバイアス、各層の側壁成分]、あるいは[左右のエッジに相当する特徴量、差分、平均]を表すウェハマップを表示することを特徴とする立体形状測定装置。
請求項１記載の立体形状測定装置において、
上記表示する機能は、異なるエッチング条件により得られた評価結果の組を同時に表示することを特徴とする立体形状測定装置。
請求項１記載の立体形状測定装置において、
上記表示する機能は、同一の加工装置および加工条件で異なる時に加工された複数の試料の評価結果を同時に表示することを特徴とする立体形状測定装置。
請求項１記載の立体形状測定装置において、
上記取得する機能は、上記照射される電子線と上記試料の表面とのなす角が異なる複数の電子線により得られる画像を用いて立体形状情報を取得することを特徴とする立体形状測定装置。
請求項１記載の立体形状測定装置において、
上記電子線の照射により上記試料から発生した反射電子を検出する手段を有し、
上記取得する機能は、上記二次電子の信号と上記反射電子の信号を用いて立体形状情報を取得することを特徴とする立体形状測定装置。