JP5277008B2 - パターン測定条件設定方法、及びパターン測定条件設定装置 - Google Patents

Description

本発明は、荷電粒子ビーム装置によって、試料上に形成されたパターンの測定を行うときの測定条件の設定を行う方法、及び装置に係り、特に荷電粒子ビームの視野外の状況に基づいて、測定条件設定を行うパターン測定条件設定方法、及びパターン測定条件設定装置に関する。

試料表面の分析装置として、表面を荷電粒子線プローブで走査し、放出される二次電子，イオン，電磁波などの信号の量ないしエネルギーを解析して表面性状を分析するものは、表面の微細形状，構成元素等に関する情報を用意に得られる利点がある。特にプローブとして電子を、放出信号として二次電子を用い、二次電子量を画面上の輝度に変換して表面形状像を得る走査電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）は広く実用に供されている。

また、半導体素子の検査装置として、走査電子顕微鏡から派生した寸法検査装置である測長ＳＥＭ（Critical Dimension-SEM：ＣＤ−ＳＥＭ）や、形状検査装置である検査ＳＥＭなどが半導体製造産業で広く用いられている。

ＣＤ−ＳＥＭ等による測定は、通常レシピと呼ばれるＳＥＭの動作条件が登録されたプログラムによって制御され、所定のビーム条件や手順に沿って、行われる。特許文献１には、半導体デバイスの設計データ上で、測定条件等を設定することによって、レシピを自動生成する技術が説明されている。また、特許文献２には、試料上の電子ビーム照射部位のチャージアップの程度に応じて、電子ビームの加速電圧を自動的に変更して、装置条件として設定する技術が説明されている。

特開２００６−３５１７４６号公報 特開２０００−１９５４５９号公報

通常、測定対象が同じであれば、同じ測定条件のもと、測定が行われる。換言すれば、試料上の複数の測定個所に対し、同じビーム条件による測定が行われる。一方、発明者らは、ＳＥＭの視野（Field Of View：ＦＯＶ）内に形成されたパターンの状態や、ＦＯＶ外のパターンの形成状態によっても、試料帯電の状態が変化する可能性があり、当該状況を勘案した測定条件設定を行う必要性があることを、新たに見出した。特許文献１，２には、ＦＯＶ内外のパターンの形成状態まで考慮して、ビーム条件設定を行うことについての言及がなされていない。

以下に、ＦＯＶ内外のパターンの形成状況に依らず、高い再現性による測定を行い得る測定条件設定を目的とするパターン測定条件設定方法、及びパターン測定条件設定装置を説明する。

上記目的を達成するために、以下に荷電粒子ビーム装置のパターン測定条件設定方法、及びパターン測定条件設定装置であって、パターンが形成された試料の設計データから得られるＳＥＭの視野内、及び／又は視野外のパターン情報に基づいて、ＳＥＭのビーム条件を導出する方法、及び装置を提案する。また、当該方法及び装置の具体的な態様の１つとして、ＦＯＶが設定される領域のパターン情報に応じて、光学条件を導出するパターン測定条件設定方法、及びパターン測定条件設定装置を提案する。

ＦＯＶが設定される領域の情報として、ＦＯＶ内のパターン密度に関する情報，ＦＯＶ外の試料状況情報、或いは当該状況に応じて設定すべき光学条件等を登録しておけば、ＦＯＶ位置の設定に基づいて、適切な光学条件を導き出すことができる。

上記構成によれば、ＦＯＶ内外のパターン形成状況に依らず、高い再現性による測定を行うための設定が可能なパターン測定条件設定方法、及びパターン測定条件設定装置の提供が可能となる。

設定された視野情報に基づいて、データベースを参照したレシピ作成を行う処理工程を説明する図。 フォトマスクの測定対象パターン例を説明する図。 視野外のパターン形成状況によって、試料上の帯電状況が変化する原理を説明する図。 孤立スペース及び孤立ラインパターンを、高加速、及び低加速の電子ビームによって複数回測定したときの寸法のばらつきを記録したグラフ。 視野外のパターンの形成状況が異なる２つのパターンを、高ビーム電流量、或いは低ビーム電流量の電子ビームによって、複数回測定したときの寸法のばらつきを記録したグラフ。 荷電粒子ビーム装置の概要を説明する図。

ＣＤ−ＳＥＭに代表される走査電子顕微鏡を用いた測定，検査装置では、レシピと呼ばれるＳＥＭの動作条件が登録されたプログラムによる自動測定が行われている。一般的には、同じ試料上のパターンであれば、同一光学条件にて測定が行われる。ところが、電子ビームの走査範囲内（ＦＯＶ内）のみならず、ＦＯＶ外のパターンの形成状況に応じて、適正なビーム条件が変化する可能性のあるという事実を、発明者らは明らかにした。

ＦＯＶ外のパターンの形成状況に応じて、適正なビーム条件が変化する要因の１つとして考えられるのが、試料に電子ビームが照射されたときに、当該試料から放出された電子が、試料に戻って付着する戻り電子の存在である。負の電荷を持つ戻り電子が付着することによって、帯電状況が変化する。戻り電子はＦＯＶ外にも到達するが、仮にＦＯＶ外の一部分が絶縁物で構成され、他の部分が導電性部材で構成されている場合、異なる帯電状態となるため、ＦＯＶの周囲で電荷が蓄積されている個所と、そうでない個所が存在することになる。また、視野内においても、パターンの形成密度等によって、帯電の分布状況は変化する。

上述のような不均一帯電は、光学式露光装置等に用いられるフォトマスクに発生することがある。フォトマスクは、絶縁性のガラス基板上に、クロム（Ｃｒ）や、モリブデンシリサイド（ＭｏＳｉ）等の導電性部材のパターンが形成される構造を有している。このような絶縁性材料と、導電性部材が混在するような構造をなす部材では、パターンの形成状況によっては、ＦＯＶ内、或いは周囲にて、不均一帯電が発生する可能性がある。

図２は、フォトマスク上の測定対象個所の一例を説明する図である。なお、ＣＤ−ＳＥＭによる測定では、電子ビーム１０１をＦＯＶ１０４内にて走査することによって発生する二次電子を検出し、当該検出された電子に基づいて、ラインプロファイルを形成し、当該ラインプロファイルのエッジ検出に基づいて、パターンの測長値を算出する。

図２（ａ）は、幅が約０.２μｍの孤立スペースパターンを例示しており、スペースパターンはクロムパターン１０２に包囲されたガラス部分１０３によって形成されている。このような測定対象の場合、ＦＯＶ１０４の中で、導電性があるクロムパターン１０２の割合が大きいため、低加速電圧の電子ビームによる高精度測長が可能である。

図４は、孤立スペース及び孤立ラインパターンを、高加速、及び低加速の電子ビームによって複数回測定したときの寸法のばらつきを記録したグラフである。図４（ｂ）に図示されているように、図２（ａ）に示すＦＯＶに対し、低加速条件の電子ビームを走査して、１０回測定した場合、寸法ばらつきは約０.２ｎｍであった。

一方、図２（ｂ）に例示するようなガラス部分１０３上に形成された約０.２μｍのクロムパターン１０２で構成される孤立ラインパターンの場合には、ＦＯＶ１０４内の絶縁性のガラスの割合が大きく、低加速電圧の電子ビームを走査すると、チャージの影響で、ビームドリフトが発生し、１０回測定の結果は、図４（ｂ）のグラフに示すよう、ばらつきが１０ｎｍ以上となる。

一方、電子ビームを高加速に設定し走査すると、図４（ａ）に例示するように、図２（ｂ）の孤立パターンに対する走査においては、帯電によるドリフトが抑制され、１０回測定の結果は、約０.２ｎｍまで大きく改善される。反面、図２（ａ）に例示するようなＦＯＶ１０４内にて高加速の電子ビームを走査すると、ＦＯＶ１０４内の大部分を占めるクロムパターン１０２がチャージアップし、１０回測定のばらつきが３０ｎｍ以上となる。

以上のように、ＦＯＶ内のパターン密度等（例えばパターンを構成する部材のＦＯＶ内の割合）によって、適正なビーム条件が変化する場合がある。

さらに、ＦＯＶ内だけでなく、ＦＯＶ外のパターンの形成状態（例えばパターン形成密度）によっても、帯電状況が変化する。その現象を以下に説明する。

図３に例示するように、電子ビーム１０１を試料面に照射した場合、反射電子や、２次電子１０５が発生する。反射電子や、２次電子１０５がＳＥＭ観察視野外の部分に戻される際に、帯電の緩和や、悪影響や、両方の効果も考えられる。図３に示すよう、パターン（ａ）とパターン（ｂ）は、ＦＯＶ１０４内に単一のラインパターンが形成されているという点では同じであるが、ＦＯＶ外のパターンは大きく違う。

図３（ａ）は、ＳＥＭのＦＯＶ１０４近傍に、複数のクロムパターン１０２が、左右方向に均一に配列されている例を説明する図であり、図３（ｂ）は、クロムパターン１０２とガラス部分１０３の配置状態が試料面内で不均一（本例の場合、クロムパターン１０２とガラス部分１０３が左右非対称に配置されている）に配列されている例を説明する図である。

図３（ａ）の場合は、ＦＯＶ内外において、パターンが均等に繰り返されているため、高い電流値の電子ビームによる走査を行うと、視野内外の帯電を飽和させることができ、バランスが取れた安定した表面状態での測定が可能となる。

図５は、ＦＯＶ外のパターンの形成状況が異なる２つのパターンを、高ビーム電流量、或いは低ビーム電流量の電子ビームによって、複数回測定したときの寸法のばらつきを記録したグラフである。

図５（ａ）に示すように、図３（ａ）に例示するパターン（パターン１）を、高ビーム電流量の電子ビームを用いて測定すると、１０回測定のばらつきは０.４ｎｍと良好な結果が得られた。反面、図３（ｂ）に例示するパターン（パターン２）を、高ビーム電流量の電子ビームを用いて測定すると、反射電子や２次電子１０５が視野外に戻される場合がある。

視野外左側は絶縁物のガラス、右側は電気が流れるクロムで構成されているため、高ビーム電流量の電子ビームを走査すると、左右の蓄積した電子のバランスが崩され、表面状態が不安定となり、１０回計測のばらつきは３ｎｍとなる。

そして、帯電のバランスが崩されないような低ビーム電流量の電子ビームの走査を行うと、図５（ｂ）に図示するように、パターン２の場合には１０回計測のばらつきは０.３ｎｍに改善されるが、パターン１については、低ビーム電流量の電子ビームでは、帯電が十分に飽和せず、計測のばらつきが１.４ｎｍとなる。

上述のように、視野内外のパターン密度等によって、帯電の具合が変わり、複数のパターンを同一な計測条件で、且つ高精度で計測するのは困難である。更に、大量の測定ポイントに対し、手動による測定条件設定を行うことも現実的には難しい。

以下に、ＦＯＶ内外のパターン情報等を利用して、帯電等の存在に依らず、高い再現性による測定を行うための測定条件設定法について、説明する。

上記目的を達成するための一様態として、走査電子顕微鏡などの走査プローブを用いてパターン測定を行う方法、或いは装置において、予め視野内外のパターンに依存した帯電状況を実験とシミュレーションを行い、各種のパターンの最適計測条件をデータベースに登録する。設計データを用い、レシピ作成の際、視野内外のパターン密度を算出し、算出されたまたパターン密度をデータベースに合わせ、各パターンにそれぞれ最適した計測条件を自動的に導出することによって、設定するようなレシピを作成可能とし、パターン形状に依存する帯電を抑制しつつ、高精度な測定を可能とする。

以下に、各パターンのそれぞれに適した計測条件を自動的に設定するような測定条件設定法、或いはレシピ作成手法の一例を説明する。

本実施例では、半導体デバイスの設計データから求められるパターン密度等に関する情報を、パターン密度等に関する情報と測定条件（装置の光学条件）とが関連付けて記憶されているデータベース（最適化測定条件データベース）に参照することによって、適切な装置条件の導出を行う手法について説明する。

具体的には、パターンの種類に応じて、帯電状況が異なるため、まず視野内外のパターンに応じた帯電状況を、実験やシミュレーションを行うことによって求める。そして、各種のパターンの最適計測条件をデータベースに登録する。このとき、パターン情報として、ＦＯＶ内外のパターンの密度，ＦＯＶ内の測定対象パターンと非測定対象パターンの比率，ＦＯＶ外の導電性部材と絶縁部材の上下左右の対称性、或いはその他の帯電と関連する情報を示すデータを定量化し、当該定量化された値と、最適計測条件（装置の光学条件）を関連付けて、データベース化する。

このようなデータベースを作成した上で、設計データ上で測定点、或いは当該測定点を測定するためのＦＯＶを設定する。当該設定に基づいて、設計データのパターン情報を用いて、ＦＯＶのパターン情報を算出し、当該算出されたＦＯＶのパターン情報を用いて、上記データベースを参照することで、関連付けて記憶された最適計測条件を導出する。

以上のような構成によれば、ＳＥＭ観察視野内外のパターン情報に基づいて、ＳＥＭ観察条件を最適化することができるので、パターンの形成状況に応じて変化する帯電に基づく測定誤差を軽減することが可能となる。

図６は、荷電粒子ビーム照射装置の一例であるＳＥＭの構成を示す図である。真空排気装置２２２により１×１０^-4Ｐａ程度の高真空に保たれた試料室２０１内に装置外部から運び込まれた試料２０２は試料台２０３に移送される。試料台２０は、試料上の任意の位置に、電子ビーム２０４が照射されるように、試料２０２を移動させる。

電子ビーム２０４は、電子源陰極２０５より放出され、第一陽極２０６，第二陽極２０７，第一集束レンズ２０８，絞り板２０９，第二集束レンズ２１０にそれぞれの電源２１７，２１８，２１９より印加・供給された電圧，電流により加速収束される。さらに、電子ビーム２０４は、走査コイル２１２により、一次元的、或いは二次元的に偏向され、対物レンズ２１１により最終的に微小な断面径をもつ収束ビームとなり、試料表面に到達する。

走査コイル２１２には、走査信号電源２２１から鋸歯状電流が供給され、発生する周期磁界により、電子ビーム２０４を走査する。走査機構は、本実施例では走査コイルにより磁場方式を用いているが、対向電極に電圧を印加する電場方式も可能である。試料から発生した二次信号（この場合二次電子）２１３は、試料と対物レンズ間に印加された電圧により引き上げられ、対物レンズ２１１の上方に進行した後、直交電磁界発生器２１４により一次電子ビーム２０４と分離されて二次信号検出器２１５に入り、光電効果により電気信号に変換され、信号増幅器２１６で増幅された後、描画装置２２４で像信号に変換され、画像表示装置２２５に試料像として表示されるほか、画像記憶手段２２６に転送され、測長演算装置２２７による画像処理装置２２７による画像処理にかけられる。画像処理装置２２７は、画像記憶手段２２６に取り込まれた画像情報の加算平均，形状の検出，像移動の検出，特定形状寸法の測定などの処理を実行する。これらすべての要素が制御装置２２３により逐次制御されている。

制御装置２２３には、図示しない設計データ管理装置が接続されており、制御装置２２３からの要求によって、半導体デバイスの設計データの読み出しが可能となっている。設計データは、ＧＤＳやＯＡＳＩＳフォーマットにより登録され、パターン密度等の計算のために読み出される。また、制御装置２２３、或いは設計データ管理装置には、図示しない設定装置が接続されており、設計データ上で、ＦＯＶに関する情報（測定位置，ＦＯＶ位置，倍率等）の設定が可能となっている。

図１は、設計データ上での視野（ＦＯＶ）設定に基づいて、計測条件を自動的に求めるための処理工程を説明する図である。なお、パターンの測長値を算出するときは、電子ビーム１０１を試料１０６上で走査し、パターンから発生した２次電子信号の検出に基づいて、ラインプロファイルを形成し、当該ラインプロファイルのエッジ位置の検出により、測長値を算出する。

最適条件のデータベース計算は下記のように行う。まずシミュレーションでは、反射電子や、２次電子の広がりは、入射軸に対し対称のため、ＸＹ座標系でなく、極座標系でシミュレーションを行うのは容易である。実の計測デバイスパターンを模擬し、異なるパターンで視野内の帯電状態Ｆ（ｎ）（ｎはクロムとガラスパターンの密度比、或いは面積比等とする）を算出し、視野外の反射電子や２次電子量広がりの分布は、画面中心から距離Ｒ，角度θに依存したＧ（Ｒ，θ）を求める。

そして、得られたＦ（ｎ）とＧ（Ｒ，θ）を相乗で観察視野内外の表面電位を計算する。異なるパターンと異なる計測条件（加速電圧や、走査電流や、事前照射など）の組み合わせでマトリックスの計算を行い、最も電位が安定した表面状態が得られる計測条件を見付け出す。

その次、シミュレーションで求められた最適条件を用いて、実パターンをＳＥＭで検証する。最後はＳＥＭの計測結果に基づいてシミュレーションの結果にフィッテングをかけ、シミュレーションの信頼性を高めてパターン依存帯電の最適条件のデータベースを作成する。

一例を挙げると、ＦＯＶ内のクロムパターンとガラス部分の割合毎に、適切な光学条件（電子ビームの試料への到達エネルギーやビーム電流）を関連付けて、データベースを構築する。次に、設計データ上でＦＯＶの位置や大きさ（倍率）を設定することによって、ＦＯＶ内のクロムパターンとガラス部分の面積に関する値を、設計データを参照して算出する。一般的に、設計データには回路のベクトルデータが登録されているため、面積等の計算は既存の手法にて行うことができる。

上述のデータベースには、クロムパターンとガラス部分の割合に関する値と、光学条件がリンクして記憶されているために、クロムパターンとガラス部分の割合に関する値の入力によって、光学条件を読み出すことが可能となる。

レシピ生成、或いは装置条件導出の際に、設計データから算出されたパターン密度等をシミュレーションや実験の結果とリンクさせるため、ＸＹ座標系の設計データを一旦極座標系に変換する必要がある。また、反射電子や２次電子の広がりは、中心軸から約数mm範囲であり、設計データを取り込む範囲も観察点から数mm範囲となる。

取り組んだ設計データから、まず、視野内外のパターン密度を算出する。その密度によってデータベースとリンクさせ、最適な計測条件を読み出す。

その条件は自動的に、レシピの計測条件テーブルに書き込み、レシピを作成する。レシピ実行時は、テーブルから計測条件をロードし、パターン毎で切り替えることで、パターン依存の帯電を最小化に抑え、測長の精度を向上する。

計測条件の切り替えは一定なハード，ソフト処理時間が生じるため、計測条件を分類し、同一条件や類似な条件をグループ毎分けて、測定順番を最適化することで、スループットを向上する。

複数点計測、お互いに場所重なる場合は、前点の測定の照射履歴も入れて、重ねた部分の二重帯電効果を考慮した条件最適化の必要がある。

本実施例によれば、ＦＯＶ内外のパターンの形成状況に応じて、適切な装置条件を設定することが可能となるので、パターンの種類に依らず、再現性の高い測定を実行することが可能となる。例えば図４，図５にて説明するように、全ての計測のばらつきが０.５ｎｍ以下に低減し、計測の精度を向上することができる。

また、最適計測の条件は、予め装置内部データベースに、計測パターン毎で登録される。計測条件の切り替えはレシピ作成時、設計データと連動して、条件設定を自動に変更することも可能であるので、レシピ作成者の作業量を大幅に抑制することも可能となる。

なお、上述の実施例では、ＳＥＭによる測定対象として、フォトマスクを例に説明したが、これに限られることはなく、パターン形状に依存した帯電変動が顕著であるならば、半導体ウェーハの測定条件設定に適用することも可能である。

１０１ 電子ビーム
１０２ クロムパターン
１０３ ガラス部分
１０４ ＦＯＶ（電子ビームの視野）
１０５ ２次電子
１０６ 試料

Claims (4)

1. 荷電粒子ビームを試料に照射することによって、当該試料上に形成されたパターンを測定するときの測定条件を設定する測定条件設定方法において、
   前記荷電粒子ビームの視野と視野の外のパターン情報と、当該視野と視野の外のパターン情報に応じた前記荷電粒子ビームによる測定条件を関連付けて記憶するデータベースを構築するステップと、
   前記試料の設計データを用いて、前記荷電粒子ビームの視野を設定するステップと、
   当該設計データ上で設定された視野に基づいて、当該視野と当該視野の外のパターン情報を抽出するステップと、
   当該抽出されたパターン情報を用いて、前記視野と視野の外のパターン情報に応じた測定条件を記憶するデータベースを参照することで、前記荷電粒子ビームによる測定条件を導出するステップを備えたことを特徴とするパターン測定条件設定方法。
2. 請求項１において、
   前記荷電粒子ビームによる測定条件には、当該荷電粒子ビームの試料への到達エネルギー、或いはビーム電流に関する情報が含まれていることを特徴とするパターン測定条件設定方法。
3. 試料の設計データを用いて、荷電粒子ビーム装置による測定条件を設定するパターン測定条件設定装置において、
   前記設計データのパターン情報を用いて、前記荷電粒子ビーム装置の視野を設定する設定装置と、
   荷電粒子ビームの視野と視野の外のパターン情報と、当該視野と視野の外のパターン情報に応じた前記荷電粒子ビームによる測定条件を関連付けて記憶するデータベースを登録する記憶媒体と、
   前記設定装置にて設定された視野に基づいて、前記設計データから、当該視野と視野の外のパターン情報を抽出し、当該抽出されたパターン情報を用いて前記データベースを参照することで、当該データベースから前記荷電粒子ビームによる測定条件を導出する制御装置を備えたことを特徴とするパターン測定条件設定装置。
4. 請求項３において、
   前記荷電粒子ビームによる測定条件には、当該荷電粒子ビームの試料への到達エネルギー、或いはビーム電流に関する情報が含まれていることを特徴とするパターン測定条件設定装置。

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