JP4708856B2 - 電子ビーム校正方法及び電子ビーム装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体集積回路などの製造プロセスに用いられる電子ビーム測長技術に係り、特に、高精度な電子ビーム測長装置およびその校正方法に関する。

従来の電子ビーム装置の校正方法は、例えば（特許文献１）にあるように、２次元配列格子試料上にある角度を持って電子ビームを走査して得られたモアレ回折像により校正を行っている。

特開２００３-０２２７７３号

電子ビーム装置の高精度化のため、その偏向校正も絶対寸法に基づいた校正が必要になってきている。このため校正に用いる試料のピッチ寸法は絶対寸法として規定されているものを用いる必要がある。また、電子ビーム測長装置においては半導体プロセスでの高精度測長が求められ、絶縁材料や変形しやすい材料の測長が不可欠である。そのため、ビーム照射によるダメージの少ない低電流電子ビームでの測長が求められている。しかし、従来の２次元格子試料では縦横に正確なピッチ寸法で配列させる技術がなく、そのピッチ寸法を正確に測定する手段もなかった。また、低電流電子ビームに対しては回折格子が点の集合で構成されているために一走査あたりから得られる二次電子信号が少ないために精度が悪化する欠点があった。（特許文献１）の方法では、図８のように格子点配列に対して角度をつけて走査させた場合、ビームと格子点が一致する箇所が減少する。そのため得られる二次電子信号も減少するために校正精度劣化の要因となっていた。さらに点格子を用いた場合、各格子間の信号が得られないため二次電子強度が十分に得られないという問題があった。

本発明では、電子ビーム装置において、偏向を精度良く校正することを可能にするために、電子ビーム走査方向に対して垂直な方向と平行な方向の校正を分けて行い、それぞれ異なる方法を用いる。走査方向に平行な方向の偏向校正については、まず、一次元回折格子を走査方向に垂直に配置させて電子ビームを走査して得られる二次電子信号波形から回折格子のピッチ寸法を求める。求めた回折格子のピッチ寸法と回折格子の実際のピッチ寸法が一致するように偏向を校正する。

さらに電子ビームの走査方向に対して格子の方向が水平方向になるように一次元回折格子を配置させる。格子のピッチ寸法に一致するように電子ビーム走査を垂直方向に移動させながら水平に走査する。ここで、得られた二次電子信号像から、モアレ干渉縞の有無で電子ビームの走査に対する垂直方向の偏向校正が正しく行われているか判定できる。また、一次元回折格子と電子ビーム走査は共に線状のため、一次元回折格子と電子ビーム走査を一致させると二次電子信号強度が格子点の場合よりも大きく取れ、微弱電子ビームでも良好な二次電子信号像が得られる。さらに一次元回折格子のピッチ寸法は光回折光の回折角測定から正確なピッチ寸法が得られるので、上記校正はその絶対精度が保証される。また、回折格子が化合物半導体等の積層結晶の超格子断面構造の場合には、積層結晶の格子数を透過電子顕微鏡等で計測することで正確なピッチ寸法が得られるので、上記校正はその絶対精度が保証される。

以下に、本発明の代表的な構成例を列挙する。
（１）本発明に用いる電子ビーム装置は、電子ビームを照射する電子光学系と、一次元回折格子校正用マーク上で電子ビーム走査を所定の送り量で移動させて行う機能と、ビーム走査により校正用マークおよびその近傍から放出される反射電子もしくは二次電子を検出して、前記検出結果から前記電子ビームの偏向量または偏向歪の校正を行う機能とを含むよう構成したことを特徴とする。

（２）本発明の電子ビーム校正方法は、電子源から放出される電子ビームをステージに設けられた一次元回折格子校正用マークのパターン上で走査し、電子ビームを偏向手段により一定の送り量で移動させ、電子ビームの走査により校正用マークおよびその近傍から放出される反射電子もしくは二次電子を検出し、検出結果から電子ビームの偏向量または偏向歪の校正を行うことを特徴とする。

本発明によれば、電子ビーム装置における偏向歪を精度良く校正することが可能な電子ビーム装置および描画方法が実現できる。特に低加速・低電流の電子ビーム測長装置においても高精度な偏向校正が可能となる。

以下、本発明の実施例について、図面を参照して説明する。

図１（a）に、本実施例に用いる電子ビーム測長装置の構成を示す。
電子銃（電子源）１から放出された電子ビーム２を、偏向器４により、試料７上で走査する。ステージ９上には偏向校正用マーク８がある。また、電子ビームにより発生する二次電子６を検出する電子検出器１０を用いて二次電子像を表示し二次電子信号波形により測長を行う。測長は、二次電子信号波形から寸法演算部においてパターン寸法を求め、寸法校正演算部により寸法演算部で求めたパターン寸法に補正を加え、測長値として表示および記憶する。測長位置の確認は二次電子像を画像表示部にて行う。

ここで電子ビーム走査方向に対して垂直な方向に対するビーム校正方法を述べる。まずステージを移動して校正用マークを電子ビーム直下に位置させる。ビーム走査方向に対して垂直な一次元回折格子パターンに電子ビームを走査して二次電子信号波形から寸法演算部においてピッチ寸法を求める。そして寸法校正演算部により寸法演算部で求めたピッチ寸法と光回折法で求められたピッチ寸法と比較してその差が０になるようにビーム偏向制御部に補正を行い校正する。校正の後、再度一次元回折格子パターンに電子ビームを走査して二次電子信号波形から寸法演算部においてピッチ寸法を求める。寸法演算部で求めたピッチ寸法と光回折法で求められたピッチ寸法とを寸法校正演算部で比較して、その差が0になるように計測値の補正を行う。

次に電子ビーム走査方向に対して水平な方向に対するビーム校正方法を図２の手順に従って述べる。まず図１（a）のステージ９を移動して校正用マーク８を電子ビーム直下に位置させる。図１（b）の校正用マーク基板８には上記で説明したビーム走査に対して垂直な一次元回折格子パターンのほかにビーム走査に対して水平な一次元回折格子パターンも含まれている。

図３のようにビーム走査に対して水平な一次元回折格子パターン１２に対して電子ビームを走査する。この際、偏向制御部により一次元回折格子パターンの光回折法により得られたピッチ寸法に一致するように走査方向に対して垂直方向に移動させながら走査する。このようにして得られた二次電子像を画像表示部に表示させる。この結果、図３のような二次電子像１１において上記回折格子１２上の電子ビーム走査部分にモアレ縞１３が観察された。これは回折格子のピッチ寸法とビーム走査移動量が一致していない即ち走査位置のずれが発生しているために起こる。また、図３より一様に偏向移動量が回折格子のピッチ寸法よりも大きいことが確認できる。そこで図４のように再度ビーム走査に対して水平な一次元回折格子パターン１４に電子ビームを走査して二次電子像１５内にモアレ縞が観察されなくなるまで、もしくは位置ずれ量が所定の閾値以下になるまでビーム偏向制御部を調整する。調整が終了したら偏向移動量を調整する偏向パラメータを信号演算部内の校正パラメータ記憶部に記憶させて、このパラメータに基づき偏向制御部で偏向量を補正させる。補正後の二次電子像１５を校正状態表示部に表示させる。

また、一次元回折格子パターンと偏向量の校正を画像に基づいて行ったが、モアレ縞の波形解析を演算部で行うことで偏向量の校正を行うことも可能である。
上記一次元回折格子はレーザ干渉露光法と異方性エッチングによりシリコン基板上に作製したものである。一次元回折格子のピッチ寸法は光回折法によりピッチ寸法240 nmに対し1 nm以下の精度で求められている。この結果、ビーム走査の水平・垂直方向で絶対値に基づいた偏向校正ができるので、絶対寸法値として測長値が得られるだけでなく、倍率の正確な二次電子像が得られ高精度測長が可能となり、かつ装置状態をいつでも校正状態表示部で確認できる。さらに微細な一次元回折格子として化合物半導体等の積層結晶の超格子断面構造を用いたものがあげられる。GaAs 基板１５上にGaAlAs層１７とGaAs層１８の各5 nmの層が交互に４０層繰り返された断面を、GaAlAs層１７だけがエッチングされるような酸液でエッチングを行い、図５のような深溝試料として用いる。この一次元回折格子のピッチ寸法は、積層結晶の格子数を透過電子顕微鏡等で計測することでピッチ寸法10 nmが1 nm以下の精度の絶対寸法として得られる。そのため上記校正はその絶対精度が保証される。この一次元回折格子を用いることにより、より高倍率での校正が可能となる。

図６にビーム偏向移動量が局所的に変調している偏向状態を示す。校正は図２と同様の手順に従って行う。まず図１（a）のステージ９を移動して校正用マーク８を電子ビーム直下に位置させる。この際、偏向制御部により図６の一次元回折格子パターン２０の光回折法により得られたピッチ寸法に一致するように移動させながら校正用マーク上を走査する。走査により得られた二次電子像を画像表示部に表示させる。この結果、図６のように二次電子像１９の回折格子と電子ビーム走査部分にモアレ縞２１が観察された。これは回折格子のピッチ寸法とビーム走査移動量が一致していないために起こる。そこでビーム偏向制御部によって偏向移動量に補正を加えて、例えばビームのピッチ量を局所的に変え、再度ビーム走査に対して水平な一次元回折格子パターンに電子ビームを走査してモアレ縞が観察されなくなるまで、もしくは位置ずれ量が所定の閾値になるまでビーム偏向制御部を調整する。偏向移動量を局所的に変えた校正パラメータを制御装置３２内部、好ましくは信号演算部内の、画像記憶部に記憶させる。このパラメータに基づき偏向制御部で偏向量を補正させる。この結果を補正後の二次電子像として校正状態表示部に表示させ、図4に示すようにモアレの無い正しい偏向移動量に校正することができその状態を校正状態表示部に表示できる。

図７に回折格子のピッチ寸法とビーム走査移動方向が一致していない偏向状態を示す。上記と同様に図２の手順に従って行う。まず図１（a）のステージ９を移動して校正用マーク８を電子ビーム直下に位置させる。一次元回折格子パターン２３に対して水平に電子ビームを走査する。この際、偏向制御部により一次元回折格子パターンの光回折法のより得られたピッチ寸法に一致するよう垂直方向に移動させながら走査する。このようにして得られた二次電子像２２を画像表示部に表示させる。この結果、図７のような二次電子像２２の回折格子２３と電子ビーム走査部分に斜め方向のモアレ縞２４が確認できる。これは回折格子のピッチ寸法とビーム走査移動方向が一致していないために起こる。そこでビーム偏向制御部に偏向移動方向に回転補正を加えて、再度ビーム走査に対して水平な一次元回折格子パターンに電子ビームを走査し、モアレ縞が観察されないようにビーム偏向制御部を調整する。このビーム走査方向に回転を加えた校正パラメータを制御装置３２内部、好ましくは信号演算部内の、画像記憶部に記憶させる。このパラメータに基づき偏向制御部で偏向量を補正させる。この結果を補正後の二次電子像として校正状態表示部に表示させることで、図４に示すようにモアレ縞の無い正しい偏向移動量に校正することができ、その状態を校正状態表示部に表示できた。

以上の様に本実施例の校正では、一次元回折格子とビームの一致する領域が多いため二次電子発生量を大きく取れ、S/N比の大きい二次電子信号が得られる。測長に用いる試料、例えば半導体試料では、酸化膜試料やレジスト材料のように帯電の影響やビーム照射ダメージを避けるために数百ボルトの低加速で10 pA以下の低電流ビームで計測する必要があるが、このような数百ボルトの低加速で10 pA以下の低電流ビームに対しても本実施例の校正では1 nm以下の精度を保証できた。図８に示すような、格子点配列に対して角度をつけて走査させる従来の校正法では、ビームと格子点が一致する箇所がさらに十の一以下となってしまうため得られる二次電子信号も本実施例に比べ数十分の一以下と少なく、校正精度劣化の要因となり校正精度は100 nm以上となった。

本実施例では校正用マーク基板８には上記で説明したビーム走査に対して垂直な一次元回折格子パターンのほかにビーム走査に対して水平な一次元回折格子パターンも含まれている場合について述べたが、図１１にあるように同一ステージに二つのマーク基板を用意して、これらのマーク基板のパターンがビーム走査に対して垂直な一次元回折格子のマーク基板とビーム走査に対して水平な一次元回折格子のマーク基板となるように配置された場合でも良い。また、ステージに回転機構を設けビーム走査に対して垂直な一次元回折格子マーク基板を９０度回転させるか、または回折格子のマーク基板部分のみに回転機構を設けることによりビーム走査に対して水平な一次元回折格子パターンに変化させても良い。

次に他の実施例について述べる。
校正は図２の手順に従って行う。まず図１（a）でステージ１を移動して校正用マーク８を電子ビーム直下に位置させる。図３でビーム走査に対して水平な一次元回折格子パターン１２に電子ビームを走査する。この際、偏向制御部により一次元回折格子パターンの光回折法より得られたピッチ寸法よりも小さな周期で上記走査に垂直方向に移動させながら走査する。そして図１（a）に示した二次電子検出器１０による検出を電子ビーム走査が回折格子上に位置する周期に合わせて間欠的に行う。このようにして得られた二次電子像１１を画像表示部に表示させる。この結果、図３に示すように二次電子像の上記回折格子１２上の電子ビーム走査部分にモアレ縞１３が観察された。これは回折格子のピッチ寸法と対応するビーム走査移動量が一致していないために起こる。そこでビーム偏向制御部に偏向移動量に補正を加えて、再度ビーム走査に対して水平な一次元回折格子パターンに電子ビームを走査して図４に示すようにモアレ縞が観察されないようにビーム偏向制御部を調整する。

この結果、図３では一様に偏向移動量が回折格子のピッチ寸法よりも大きいことがわかり、偏向移動量を一様に小さくする校正パラメータを信号演算部に記憶させて、このパラメータに基づき偏向制御部で偏向量を補正させる。この結果を補正後の二次電子像として校正状態表示部に表示させる。上記一次元回折格子のピッチ寸法は光回折法により1 nm以下の精度で求められているので、倍率の正確な二次電子像が得られ高精度測長が可能となり、かつ装置状態もいつでも校正状態表示部で確認できる。

次に他の実施例について述べる。
校正は図２の手順に従って行う。まず図１（a）でステージ１を移動して校正用マーク８を電子ビーム直下に位置させる。図３でビーム走査に対して水平な一次元回折格子パターン１２に電子ビームを走査する。この際、偏向制御部により一次元回折格子パターンの光回折法により得られたピッチ寸法よりも小さな周期で上記走査に垂直方向に移動させながら走査する。この結果得られる二次電子像と画像記憶部に記憶してある一次元回折格子のピッチ寸法に対応した参照像、例えば理想的な二次電子像、CADデータ等と信号演算部において加算処理を行った結果を画像表示部に表示させる。この結果、図９に示すように二次電子像２７の参照像２８と電子ビーム走査部分にモアレ縞２９が観察された。これは回折格子のピッチ寸法と対応するビーム走査移動量が一致していないために起こる。そこでビーム偏向制御部に偏向移動量に補正を加えて、再度ビーム走査に対して水平な一次元回折格子パターンに電子ビームを走査して図１０に示すように二次電子像３１の参照像３０と電子ビーム走査部分にモアレ縞が観察されないようにビーム偏向制御部を調整する。

この結果、図３では一様に偏向移動量が回折格子のピッチ寸法よりも大きいことがわかり、偏向移動量を一様に小さくする校正パラメータを信号演算部に記憶させて、このパラメータに基づき偏向制御部で偏向量を補正させる。この結果を補正後の二次電子像３１として校正状態表示部に表示させる。一次元回折格子のピッチ寸法は光回折法により1 nm以下の精度で求められているので、倍率の正確な二次電子像が得られ高精度測長が可能となる。さらに装置状態もいつでも校正状態表示部で確認できる。一次元回折格子としてはレーザ干渉露光法と異方性エッチングによりシリコン基板上に作製したものや化合物半導体等の積層結晶の超格子断面構造を用いたものを用いた。

以上の実施例で詳述したように、本発明によれば、電子ビーム装置の偏向歪を精度良く校正することが出来る。

本発明の装置構成を示す図。 本発明の校正方法を説明する図。 本発明の校正方法を説明する図。 本発明の校正結果を説明する図。 本発明の超格子試料による回折格子パターンを説明する図。 本発明の校正方法を説明する図。 本発明の校正方法を説明する図。 従来の校正方法を説明する図。 本発明の実施例３の校正方法を説明する図。 本発明の実施例３の校正結果を説明する図。 本発明の回折格子配置の一例を説明する図。

符号の説明

１…電子銃、２…電子ビーム、３、５…レンズ、４…偏向器、６…二次電子、７…ウェーハ、８…校正マーク、９…ステージ、１０…二次電子検出器、１１、１５、１９、２２、２７、３１…二次電子像、１２、１４、２０、２３…一次元格子パターン、１３、２１、２４、２９…モアレ縞、１６…GaAs基板、１７…GaAlAs層、１８…GaAs層、２５…二次元格子、２６…電子ビーム走査、２８、３０…参照像 ３２…制御装置。

Claims (14)

1. 電子ビームを放出する電子源と、試料を載置するステージと、偏向手段と、対物レンズと、校正用マークとを少なくとも備えた電子ビーム装置の電子ビーム校正方法において、
   前記電子ビームを前記校正用マーク上に所定のピッチ寸法で配列された一次元回折格子パターンに対して平行に走査する工程と、
   該走査位置を前記偏向手段により走査方向に対して垂直に前記回折格子のピッチ間隔に併せて移動させて再び一次元回折格子パターンに対して平行に走査する工程と、
   前記校正用マークから放出される反射電子もしくは二次電子を検出する工程と、前記検出結果から前記電子ビームの偏向方向もしくは偏向量の校正を行う工程とを含むことを特徴とする電子ビーム校正方法。
2. 電子ビームを放出する電子源と、試料を載置するステージと、偏向手段と、対物レンズと校正用マークとを少なくとも備えた電子ビーム装置の電子ビーム校正方法において、
   前記電子ビームを前記校正用マーク上に所定のピッチ寸法で配列された一次元回折格子パターンに対して平行に走査する工程と、
   前記電子ビームを前記一次元回折格子パターンに対して垂直方向に移動させて再び前記一次元回折格子パターンに対して平行に走査する工程と、
   前記校正用マークより放出される反射電子もしくは二次電子を前記格子状パターンの間隔に対応した周期で検出する工程と、
   前記検出結果から前記電子ビームの偏向方向もしくは偏向量の校正を行う工程を含むことを特徴とする電子ビーム校正方法。
3. 請求項１または２に記載の電子ビーム校正方法において、
   該検出結果から得られた反射電子像もしくは二次電子像と予め記憶した参照像とを比較する工程と、
   該比較結果から前記電子ビームの偏向方向もしくは偏向量の校正を行う工程を含むことを特徴とする電子ビーム校正方法。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の電子ビーム校正方法において、
   前記検出結果または前記比較結果がモアレパターンであることを特徴とする電子ビーム校正方法。
5. 請求項１または２に記載の電子ビーム校正方法において、
   前記一次元回折格子パターンのピッチ寸法が光回折により求められた回折格子パターンマークであることを特徴とする電子ビーム校正方法。
6. 請求項１または２に記載の電子ビーム校正方法において、
   前記一次元回折格子パターンが超格子積層断面構造であることを特徴とする電子ビーム校正方法。
7. 電子ビームを放出する電子源と、
   偏向器と
   対物レンズと、
   試料を載置するステージと、
   前記電子ビームの照射位置を校正する校正用マークと、
   前記電子ビームの照射により発生する反射電子もしくは二次電子を検出する電子検出器とを有し、
   前記校正用マークは所定のピッチ寸法で配列された一次元回折格子パターンを有し、
   前記電子ビームを前記一次元回折格子パターンに平行に走査させ、
   該走査方向を前記一次元回折格子パターンに対して垂直に移動させて再び前記電子ビームの走査を行うよう制御する制御部と、
   該走査により得られた反射電子もしくは二次電子像の表示部を備えることを特徴とする電子ビーム装置。
8. 請求項７に記載の電子ビーム校正方法において、
   前記回折格子のピッチ間隔に併せて前記一次元回折格子パターンに対して垂直に移動することを特徴とする電子ビーム装置。
9. 請求項７に記載電子ビーム装置において、
   前記制御部は、
   前記電子ビームを前記一次元回折格子パターンに平行に走査させて得られた反射電子もしくは二次電子像と予め記憶された参照像との比較を行う信号解析部と、
   該比較結果を基に前記電子ビームの偏向量を補正する偏向制御部とを備えることを特徴とする電子ビーム装置。
10. 請求項９に記載の電子ビーム装置において、
    前記比較結果を前記表示部に表示することを特徴とする電子ビーム装置。
11. 請求項７に記載の電子ビーム装置において、
    前記制御部は、
    前記電子ビームの走査によって前記校正用マークから放出される反射電子もしくは二次電子を前記電子検出器により前記一次元回折格子パターンのピッチ間隔に対応した周期で検出させるように制御する信号処理部と、
    該検出された反射電子もしくは二次電子像と前記一次元回折格子パターンから走査位置ずれ量を算出する信号演算部と、
    該算出結果を基に前記電子ビームの偏向量を補正する偏向制御部を備えることを特徴とする電子ビーム装置。
12. 請求項７から１１のいずれかに記載の電子ビーム装置において、
    前記一次元回折格子パターンのピッチ寸法が光回折により求められた回折格子パターンマークであることを特徴とする電子ビーム装置。
13. 請求項７から１２のいずれかに記載の電子ビーム装置において、
    前記一次元回折格子パターンが超格子積層断面構造であることを特徴とする電子ビーム装置。
14. 請求項７に記載の電子ビーム装置において、
    前記校正用マークは前記ステージ上に配置されていることを特徴とする電子ビーム装置。

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