JP6605276B2

JP6605276B2 - 計測装置、計測装置の校正方法および校正部材

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Publication number: JP6605276B2
Application number: JP2015189120A
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Inventors: 道夫波田野; 義則中山; 大松崎; 洋揮川田; 義典桃井; 志剛王
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Description

本件は、荷電粒子線を試料に照射し、試料から発生した信号電子を検出することで試料に関する情報を得る計測装置、計測装置の校正方法および校正部材に関する。

電子線プローブを観察対象となる半導体デバイス試料表面の観察視野領域内で走査し，試料から発生した信号電子を検出することで二次元画像を得て，前記二次元画像を用いてターゲットとなる試料上構造の寸法を測長する荷電粒子線装置がある。

その中でも，走査電子顕微鏡(SEM：Scanning Electron Microscope)の技術を応用したCD-SEM(Critical Dimension-SEM) がある。また，同様に取得した二次元画像から，試料上の欠陥を自動で検査，分類する荷電粒子線装置には，検査SEMがある。CD-SEMおよび検査SEMは，半導体製造工程における歩留まり管理に必要不可欠なツールとなっている。

一方、昨今の微細化の進行により，CD-SEMや検査SEMのプローブ径に、測長・検査対象の寸法が近づきつつある。

特開２００５−２４１３２８号公報

このように、測長，検査における最新の微細パターンがプローブ径に近づいている。これにより、従来には顕在化していなかった微小なプローブ径の変動や装置間機差が，測長結果や検査結果に影響を与える可能性があることが判明した。

上記のような背景において，装置の状態を診断し分解能を管理するため，一次電子線のプローブ径をトレーサビリティのある絶対寸法で計測し，これが所定の値になるように装置性能(特に分解能)を管理することで，高い精度で装置性能を管理する手段が必要となっている。ここでいう、トレーサビリティとは普遍的に定義された基準長さまで遡れることを示す。

トレーサビリティのあるプローブ径計測を行うためには，寸法が保証された凹凸パターンを有する校正部材の実寸法を、トレーサビリティのある計測手法で計測することが必要になる。なお、ここでいう実寸法とは、分解能を校正するため寸法（例えばライン幅やスペース幅）を指している。

従来の校正部材では，凹凸パターンのライン幅の実寸法を計測するためには走査プローブ顕微鏡などなどによる実寸法計測が必要であった。

しかし，微細化が進むにつて走査プローブ顕微鏡では，プローブ径と同等の寸法のパターンを計測するにはプローブの径が大き過ぎ，精度の高い計測ができないという課題が生じた。また、特許文献１に記載された標準部材は、レーザ光を用いてピッチ幅を校正する発明が開示されているが、測長ピッチ幅と基準ピッチ幅とを一対一で比較するのみであり、比較値が一定値以上であった場合には、校正の異常を表示する旨を開示するに止まっている。

すなわち、本願発明者は微小なプローブ径の変動や装置間機差を求めることが必要になっていることに初めて着眼することで。それぞれの測長幅と基準幅とを多数点にて取得・関数化し、その結果に基づきプローブとなる荷電粒子線のプロファイルを推定できることを発見した。

本発明は，上記課題を解決するものであって，計測装置のプローブ径およびプローブプロファイルをトレーサビリティのある絶対寸法で計測し，それによって装置性能(特に、分解能)を管理することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明による計測装置は、一次荷電量子線を試料に照射して走査する照射光学系と，前記試料から発生した二次荷電粒子を検出する二次荷電粒子検出器と，前記二次荷電粒子を検出した前記二次荷電粒子検出器からの出力信号を処理する信号処理部とを有し，前記信号処理部は、既知の寸法で校正された第一乃至第四のライン幅を有する第一乃至第四のパターン群のライン幅を測長する測長部と，前記第一乃至第四のパターン群における前記第一乃至第四のライン幅と，前記測長部で測長した前記第一乃至第四のパターン群における測長値との関係から前記第一乃至第四のパターン群のうち第２のパターン群と第三のパターン群の測長感度を算出する演算部と、前記演算部で算出した前記第二のパターン群と第三のパターン群の測長感度を用いて前記一次荷電粒子線のプローブ径を求めるプローブ計測部と、前記プローブ計測部で求めた前記一次荷電粒子線のプローブ径を予め備えた基準プローブ径と比較して両者の差の絶対値が予め備えた許容範囲内であるかを判定するプローブ径評価部とを有して構成した。

また、上記課題を解決するために、本発明による計測装置の校正方法は、一次荷電量子線を試料に照射して走査する照射光学系と，前記試料から発生した二次荷電粒子を検出する二次荷電粒子検出器と，前記二次荷電粒子を検出した前記二次荷電粒子検出器からの出力信号を処理する信号処理部とを有する計測装置の校正方法であって、前記照射光学系と前記二次荷電粒子検出器と前記信号処理部とを制御して、既知の寸法で校正された第一乃至第四のライン幅を有する前記第一乃至第四のパターン群の前記第一乃至第四のライン幅を測長する測長ステップと，前記信号処理部において前記第一乃至第四のパターン群における前記第一乃至第四のライン幅と，前記測長ステップにおいて測長した前記第一乃至第四のパターン群における測長値との関係から前記第一乃至第四のパターン群のうち第２のパターン群と第三のパターン群の測長感度を算出する演算ステップと、前記演算ステップで算出した前記第二のパターン群と第三のパターン群の測長感度を用いて前記一次荷電粒子線のプローブ径を求めるプローブ計測ステップと、前記プローブ計測ステップで求めた前記一次荷電粒子線のプローブ径を予め備えた基準プローブ径と比較して両者の差が予め備えた許容範囲内であるかを判定するプローブ径判定ステップとを有する。

本発明によれば，高精度にて装置性能の管理を実現できる。

本発明における計測装置の装置外観を示した図。本発明における標準部材の概略図。第一の実施例のフローチャートを示した図。各パターン群のSEM像と測長値とを示した図。実寸法と測長値とを感度曲線として示した図。実寸法と測長感度とを関数として示した図。感度曲線と予め記憶した値との差分を示した図パターン群の実寸法と差分とをプロットしてフィッティングした図。第二の実施例のフローチャートを示した図。第一から第三の実施例における試料と校正部材の上面図。第四の実施例における試料と校正部材の上面図。第五の実施例における試料と校正部材の上面図。第五の実施例における校正用部材ホルダの断面図 (A-A’)。第六の実施例における試料と校正部材の上面図。本発明の実施例になる標準部材の作製プロセスフロー図。本発明の実施例になる標準部材の組み立てプロセスの概略図。本発明の実施例になる標準部材の組み立て後の概略図。本発明の実施例になる標準部材の研磨プロセスの概略図。本発明の実施例になる標準部材のＸ線校正を示す図。

本発明の代表的な実施例によれば，電子顕微鏡等の荷電粒子線装置のプローブ径やプローブプロファイルをトレーサビリティのある絶対値で計測することが可能となる。また，その値を基準値と比較して一定許容範囲内になるように装置を管理することで，高い精度で装置性能を管理することが可能となる。

なお，各実施例では荷電粒子線装置として主にSEMを応用したCD-SEMを例に説明するが，これに限定されるものではなく，適用先は，検査SEMや汎用SEMであっても良い。検査SEMや汎用SEMにおいても，本発明の開示する校正用標準部材によるプローブ径計測手法を適用することで，高い精度で装置性能を管理することが可能となる。
（第一の実施例）
図１は本実施例に係る計測装置の概略図である。ここでは、計測装置の一例としてCD-SEMで説明する。まず、CD-SEMは，内部が真空に保たれたSEMカラム１を備え，カラム１内部には，電子線源２と，コンデンサーレンズ３と，電子線を偏向する偏向器４と，電子を検出する検出器５と，電子線を試料に集束させる対物レンズ６と，試料を設置するウェハホルダ７を備える。

ウェハホルダ７上には，計測対象となるパターンが形成されたウェハ８と，校正用標準部材９が固定されている。なお，校正用標準部材９は，図示しない校正用標準部材ホルダに搭載されており，ウェハホルダ７から着脱可能になっている。また、校正用標準部材９は直接ウェハホルダ７上に固定されてもよい。

校正用標準部材９上には，図２のようにピッチ寸法( p )が固定で，パターン群のライン幅の実寸法( l )が異なる第一から第四のパターン群１０１〜１０４が形成されている。また，第一から第四のパターン群のライン幅の実寸法は，トレーサビリティのある手法により校正されている。なお、トレーサビリティのある手法については本願明細書の後半にて述べる。

電子線源２から発生した一次電子線１０は，コンデンサーレンズ３と対物レンズ６により，観察対象の試料表面上に収束される。偏向器４は，試料表面上の指定された視野領域で一次電子線１０を走査する。一次電子線１０の照射によって，試料に起因する信号電子１１が発生する。検出器５は，信号電子１１を検出し，電気信号に変換する。電子線源２，コンデンサーレンズ３，偏向器４，検出器５，対物レンズ６，ウェハホルダ７は，制御部１２により制御されている。

図２は，本発明のCD-SEMにおいて，プローブ径を計測し，計測されたプローブ径が所定の値になるように，装置を調整する流れを示すフローチャートである。すなわち、プローブ径計測の命令が発令されると，制御部１２は，ウェハホルダ７を移動させ，校正用標準部材９上の第一のパターン群が一次電子線１０の収束位置に配置されるようにする(フロー０４１)。

制御部１２は，偏向器４を制御して，校正用標準部材９上の第一のパターン群上において所定の視野で一次電子線２を複数回走査させる。制御部１２は，一次電子線２の走査に同期した検出器５の電気信号を画像処理部１３に受け渡す。画像処理部１３では，電気信号から第一のパターン群のSEM画像１４を作成し(フロー０４２)，測長部１５に受け渡す。測長部１５では，第一のパターン群のSEM像からライン幅を測長し(フロー０４３)，第一のパターン群の測長値１６を記憶する。

次に，制御部１２は，校正用標準部材９上の第二のパターン群が一次電子線１０の収束位置に配置されるようにする(フロー０４４)。第一のパターン群と同様のプロセスで，校正用標準部材９上の第二のパターン群上において第二のパターン群のSEM像１７を作成し(フロー０４５)，測長部１５に受け渡す。測長部１５では，第一のパターン群と同様のプロセスで第二のパターン群のライン幅を測長し(フロー０４６)，第二のパターン群の測長値１８を記憶する。

さらに，制御部１２では，第一，第二のパターン群と同様のプロセスで，第三のパターン群のSEM画像１９，第四のパターン群のSEM画像２０を作成し，測長部１５では，第一，第二のパターン群と同様のプロセス(フロー０４７)で，第三のパターン群のライン幅と第四のパターン群のライン幅を測長し，第三のパターン群の測長値２１と，第四のパターン群の測長値０２２を記憶する。

次に，測長部１５は，第一から第四のパターン群の測長値を演算部２３に送る。演算部２３では，第一のパターン群のライン幅実寸法２４と第二のパターン群のライン幅の実寸法２５と第三のパターン群のライン幅の実寸法２６と第四のパターン群のライン幅の実寸法２７をあらかじめ記憶しており，これら実寸法に対して第一から第四の測長値をプロットした感度曲線２８を作成し，記憶する。ここで求めた感度曲線は図５に示している。

演算部２３では，第一から第三のパターン群のライン幅の実寸法と測長値から，第二のパターン群における測長感度２９を算出して記憶する(フロー０４８)。ここで，第二のパターン群における測長感度２９は，第一から第三のパターン群のライン幅の実寸法と測長値から多次関数近似することで求めた感度曲線２８上の第二のパターン群のライン幅の実寸法値における傾き３０に相当する。

演算部２３では，同様にして第二から第四のパターン群のライン幅の実寸法と測長値から，第三のパターン群における測長感度３１を算出して記憶する(フロー０４８)。第三のパターン群における測長感度３１は，感度曲線２８上の第三のパターン群のライン幅の実寸法値における傾き３２に相当する。

次に，演算部２３は，プローブ計測部３３に，第二，第三のパターン群の測長感度を受け渡す。プローブ計測部３３では，第二，第三のパターン群のライン幅の実寸法に対して第二，第三の測長感度をプロットしたグラフを作製する。ここで求めたグラフは図６に示している。

プローブ計測部３３は，あらかじめ，プローブ径を変数３４とするパターン群のライン幅の実寸法 t に対する測長感度である関数k ( t )３５をあらかじめ記憶している。プローブ計測部３３では，変数３４を変化させながら，第二，第三のパターン群のライン幅の実寸法に対してプロットされた第二，第三の測長感度のデータ点に対して前記k ( t )３５のフィッティングを行う。結果，k ( t )と測長感度の残差の二乗和が最も小さくなる変数３４を決定し，これをプローブ径３６とする(フロー０４９)。

次に，プローブ計測部３３は，得られたプローブ径３６を，プローブ径評価部３７へと受け渡す。プローブ径評価部３７では，得られたプローブ径３６をあらかじめ備えた基準プローブ径３８と比較し，両者の差の絶対値があらかじめ備えた許容範囲３９以内であるか否かを判定する(フロー０５０)。

このとき、許容範囲内であった場合は，処理を終える。このとき，表示部４０に得られたプローブ径３６と，調整終了表示を出力してもよい(フロー０５１)。

一方，許容範囲外であった場合は，表示部に得られたプローブ径０３６や，調整続行表示を出力(フロー０５２)する。さらに，制御部１２は，光学系の調整を開始(フロー０５３)し，調整後にプローブ径計測の命令を再び発令するようにすることが好ましい。

なお、上述した制御部12以外は、本計測装置から出力されたデータを処理する別の装置を使って処理・演算することも可能であり、必ずしも図示したブロック図の関係に拘るものではない。
（第一の実施例プローブ計測部の詳細）
以降では，第一の実施例において，プローブ径計測部３３で用いるパターン群のライン幅の実寸法に対する測長感度の関数３５の詳細を説明する。

ここで，パターン群のライン幅の実寸法がlのときの測長感度がlの関数として，k ( l ) で表されるとする。また，プローブ径はrで表される。発明者の検討によると，ピッチ p と l とr とが近い数値をとる場合，rとlの関数である二つの関数である，g ( r , l ) とh ( l ) によって，測長感度 k ( l )は次の式(1)で表されることが分かった。

ここで，g ( r , l ) は，一次電子線の分布関数であり，h ( l ) は，校正用標準部材９の断面形状や組成構造に依存する関数である。

k ( l ) = 1 - C ・{ g ( r , l /2)・h ( l ) + g ( r , p /2 - l /2)・h ( l )}・・・式(1)
ここで，値Cは，校正部材のピッチ pに依存する変数であるが，校正用標準部材９では p が固定であるため，定数として扱う。式(1)がパターン群のライン幅の実寸法に対する測長感度の関数３５となる。

なお，最も簡略化した形式では，g ( r , l ) は，平均が0で，半値幅（FWHM）が r となるガウス関数であり，h ( l ) は定数1である。ただし，式(1)や，関数g ( r , l ) や，h ( l )はこれに限定されるものではなく，一次電子線の光学条件や校正用標準部材９毎にシミュレーションや実験によって求めた関数を用いても良い。
（第二の実施例）
次に、図９は，第二の実施例のフローチャートである。本発明の第二の実施例では，第一の実施例と演算部２３による処理以降が異なっている。第二の実施例では，図７に示すように，演算部２３では，あらかじめ，基準となる実寸法に対する測定長値の関数であるCD ( t )５４を備えている。

演算部２３では，第一から第四のパターン群において，差分５５ (第一測長値１６−CD ( 第一パターン群のライン幅の実寸法 )) ，
差分５６ (第一測長値１８−CD ( 第二パターン群のライン幅の実寸法 )) ，
差分５７ (第一測長値２１−CD ( 第三パターン群のライン幅の実寸法 )) ，
差分５８ (第一測長値２２−CD ( 第四パターン群のライン幅の実寸法 )) を算出して記憶する(フロー６２)。

次に，演算部２３は，プローブ計測部３３に，差分５５，差分５６，差分５７，差分５８を受け渡す。プローブ計測部３３では，パターン群のライン幅の実寸法に対して差分をプロットしたグラフを作成する。ここで求めたグラフは図７に示している。

次にプローブ計測部３３では，あらかじめ備えた多次関数 j ( t )のパラメータを振りながら，得られたデータ点を最小二乗法によりフィッティングし，フィッティング関数５９を求める。第二の実施例においては，多次関数は，j = d ・t + eで表される一次関数である。

発明者らの事前検討によって，フィッティングにより得られたパラメータである傾き d 値６０と，切片 e 値６１は，プローブ径やその他のSEMパラメータに依存することが分かっている。プローブ径計測部３３では，フィッティングにおいて得られた傾き d ６０と，切片 e ６１の値をあらかじめ備えた図示しないデータテーブルと比較し，プローブ径３６を求める(フロー６３)。

次に，プローブ計測部３３は，得られたプローブ径３６と，d 値６０と，e 値６１をプローブ径評価部３７へ受け渡す。プローブ径評価部３７では，得られたプローブ径３６をあらかじめ備えた基準プローブ径３８と比較し，両者の差の絶対値があらかじめ備えた許容範囲３９以内であるか否かを判定する。また，d 値６０と，e 値６１を評価して，両者があらかじめ備えた許容範囲以内であるか否かを判定する(フロー０６４)。

どれか一つでも許容範囲外であった場合，d 値６０と，e 値６１を評価して，適切な調整SEMパラメータを選択する(フロー０６５)。次に，表示部に得られたプローブ径３６と，調整対象SEMパラメータと，調整続行表示を出力し(フロー０６６)，選択した調整SEMパラメータの調整を行い(フロー０６７)，調整後にプローブ径計測の命令を再び発令する。

基準プローブ径３８， d 値６０，e 値６１の全てが許容範囲内であった場合は，処理を終え，表示部４０に得られたプローブ径３６と，調整終了表示を出力する(フロー０５１)。

傾きd 値６０，切片e 値６１が許容範囲外となった場合に，適切な調整SEMパラメータを選択する例としては，例えば以下がある。d 値６０が許容範囲であり，e 値６１が許容範囲より小さい場合，画像のブライトネス設定がメインの調整対象となる。一方，d 値６０が許容範囲であり，e 値６１が許容範囲より小さい場合，画像のコントラスト設定がメインの調整対象となる。

なお，第二の実施例においては，多次関数j ( t )は一次関数としたが，より高次の関数であっても構わない。この場合，フィッティングによって求められるパラメータの数が増え，より精度の高いプローブ径計測や，より精度の高い調整SEMパラメータの特定を行うことができる。
（第三の実施例，第一と第二の組み合わせ）
本発明の第三の実施例では，第一の実施例と第二の実施例で示した演算部２３および，プローブ径計測部３３での処理の両方を行う。ただし，プローブ径３６としては，第一の実施例で述べた手法で求めた値を優先的に用いる。以降の処理は，第二の実施例と同様である。
（基準値，基準関数の決定方法）
上記の第一，第二，第三の実施例では，基準プローブ径３８や，基準となる実寸法に対する測定長値の関数であるCD ( t )５４およびそれらの許容範囲を用いるが，これらの基準および許容範囲はシミュレーションなどによって求めても良い。その場合，これらの基準は原理上求められる理想値となり，一般性が高まる。一方，シミュレーションが物理現象を再現しきれない場合もありうるため，基準プローブ径３８や，基準となる実寸法に対する測定長値の関数であるCD ( t )５４などの基準を，複数CD-SEMで測定した結果の平均などとし，それらの許容範囲を複数CD-SEMで測定した結果の標準偏差の３倍値などとしても良い。

なお，上記第一，第二，第三の実施例では，校正用標準部材９上のパターン群は，ピッチ寸法( p )が固定で，パターン群のライン幅の実寸法( l )が異なる第一から第四のパターン群が形成されているとしたが，パターン群の数は適切な数があればこれに拘らない。パターン群の数が多いほど、すなわち５種類以上の場合，第一の実施例においては，測長感度を評価できるデータ点が増え，パターン群寸法対測長感度の関数 k ( t ) のフィッティング精度を上げることができ，プローブ径をより精度よく求めることができる。まだ第二の実施例においては，データ点が増えることからより精度の高いSEM調整パラメータの特定が可能になる。また、パターン群の数が少ないほど、すなわち２、３種類の場合，データ点が減るため，プローブ径計測精度は落ちるが，SEM観察数を減らせるため，迅速に調整サイクルを回すことができるというメリットがある。
（ウェハ上での校正用標準部材９の配置について）
図１０は，第一から第三の実施例で示したCD-SEMのウェハホルダ８の上面図である。校正用標準部材９は，校正用標準部材ホルダ６９aに固定され，校正用標準部材ホルダ６９aはウェハホルダ７に固定されている。この際，校正用標準部材９は，一次電子線の走査方向６８に対して，パターン群のライン方向が垂直になるように配置されている。かかる校正によれば，一次電子線の走査方向のプローブ径を計測できる。
（第四の実施例）
図１１は，第四の実施例のウェハホルダの上面図である。本発明の第四の実施例では，第一から第三の実施例で用いた校正用標準部材９を複数備えている。校正用標準部材９は，校正用標準部材９a〜gの７つが配置されており，それぞれ一次電子線の走査方向６８に対して0°，15°，30°，45°，60°，75°，90°に回転している。それぞれの校正用標準部材９に対して，第一から第三の実施例で述べた方法のいずれかを適用することで，一次電子線の試料面高さにおける二次元プロファイルを求めることができる。

なお，第四の実施例では，回転角度は15°ステップで変化しているが，本発明はこれに限定されるものではない。角度ステップをより小さくして，より多くの校正用標準部材を用いれば，より精度の高い一次電子線の二次元プロファイルを得ることができる。一方，角度ステップを大きくして，より少ない校正標準部材を用いれば，省スペースとなり，二次元プロファイル計測にかかる時間を短縮できる。
（第五の実施例）
図１２は，第四の実施例のウェハホルダの上面図である。本発明の第五の実施例では，第一から第三の実施例で用いた校正用標準部材９を複数備え，それぞれウェハ面から異なる高さに配置されている。すなわち、図１３は，図１１にてA−A’で示した部位の断面図である。

校正用標準部材９aは，試料ウェハ８と同じ高さに配置されている。校正用標準部材９h〜jは，各段それぞれ100 nmの段差を持つ校正用標準部材ホルダ６９b上の4段の段差に配置されている。校正用標準部材ホルダ６９bは，シリコン基板上に各段それぞれ100 nmの段差を持つレジストパターンを露光および現像にて作製し，該レジストパターンをマスクとしてドライエッチングすることにより作製されている。該手法により，10 nm以下の高さ精度で校正用標準部材ホルダ６９bを作製することが可能となる。また完成後の校正用標準部材９h〜jの高さは触針式の段差計や原子間力顕微鏡などにより計測できる。発明者らの検討によると，計測精度は，1 nm以下であった。

それぞれの校正用標準部材９に対して，第一から第三の実施例で述べた方法のいずれかを適用してプローブ径を計測することで，各試料のウェハ面からの高さごとに，一次電子線の走査方向プローブ径を計測できる。なお，第五の実施例では，100 nmステップで段差四段を設けているが，本発明はこれに限定されるものではない。ステップ高さをより小さくして，より多くの校正用標準部材を用いれば，一次電子線のプローブ径の高さ依存性情報をより細かい精度で得ることができる。一方，ステップ高さをより大きくして，より少ない校正標準部材を用いれば，省スペースとなり，次電子線のプローブ径の高さ依存性計測にかかる時間を短縮できる。
（第六の実施例）
本発明の第六の実施例では，第一から第三の実施例で用いた校正用標準部材９を複数備え，第五の実施例で示した校正用標準部材ホルダ６９bと同様に作製した 100 nmの段差を持つ校正用標準部材ホルダ６９c上の4段の段差を有する。さらに，第四の実施例で示した一次電子線の走査方向６８に対して0°，15°，30°，45°，60°，75°，90°に回転した校正用標準部材９がそれぞれ配置されている校正をしている。

図１４は，第六の実施例のウェハホルダの上面図である。図１３にA−A’で示した部位の断面図は，図１３と同じである。それぞれの校正用標準部材００９に対して，第一から第三の実施例で述べた方法のいずれかを適用してプローブ径を計測することで，一次電子線の三次元プロファイルを計測できる。なお，第六の実施例では，100 nmステップで段差4段を設け，回転角度は15°ステップで変化しているが，本発明はこれに限定されるものではない。（ピッチ変化）
なお，上記の第一から第六の実施例では，校正用標準部材９のピッチは一定値で固定されていたが，本発明はこれに限定されるものではない。例えば，ウェハホルダ上に，互いにピッチが異なる二つの校正用標準部材９を備えても良い。かかる構成によれば，二つの校正用標準部材９でプローブ径を計測し，それぞれの値の平均値をプローブ径として用いることで，計測の精度を高めることができる。
（校正用標準部材の作製方法）
以降では，第一から第六の実施例で述べた、トレーサビリティのある校正用標準部材の構造や組成，およびその作製方法を述べる。

図２に示した本発明の校正用標準部材１００は第１から第４のパターン群１０１，パターン群１０２，パターン群１０３，パターン群１０４を有している。それぞれのパターン群は図２の第１のパターン群１０１の枠線部断面拡大図のように一定のピッチ寸法１０５で同じライン幅１０６，高さ１０７および同じテーパ角１０８の繰り返しラインパターンで構成されている。なお，第一から第四のパターン群では，ピッチ寸法１０５，ライン幅１０６，高さ１０７および同じテーパ角１０８の内少なくともいずれかの値が異なったパターン群で構成されている。

なお，第一から第六の実施例で述べた構成用標準部材９では，第一から第四のパターン群において，設計ピッチ寸法１０５が20 nm，設計高さが20 nmで固定されており，設計ライン幅が第一のパターン群では4 nm，第二のパターン群では6 nm，第三のパターン群では8 nm，第四のパターン群では10 nmである。

図１５のＳ１０１にて示すように、まず、シリコン基板上にシリコンと酸化シリコンを繰り返し成膜し多層膜基板を作製する。上記成膜プロセスは，例えばシリコン基板１０９上に設計膜厚4 nmのシリコン１１２と設計膜厚16 nmの酸化シリコン１１３を設計層間ピッチ寸法20 nmで４０回繰り返し成膜し，第一の多層膜基板を作製する。

次に、Ｓ１０２にて示すように、多層膜基板と他の基板を多層膜表面で接合を行う。例えば、多層膜基板１１０の多層膜表面１１１側とシリコン基板１１４を真空中で常温接合する。

次に、Ｓ１０３にて示すように、上記多層膜基板１１０に対して垂直に断面が得られるようにダイシングにてチップ１１５に分割する。

次に，校正用標準部材９における第二のパターン群の作製方法を示す。第一のパターン群と同様に図１５の作製プロセスフローのステップＳ１０１からステップＳ１０３にて作製する。すなわち、別のシリコン基板１０９上に設計膜厚6 nmのシリコン１１２と設計膜厚14 nmの酸化シリコン１１３を設計ピッチ寸法20 nmで４０回繰り返し成膜し，第二の多層膜基板を作製する。

なお、第三のパターン群は、設計膜厚8 nmのシリコン１１２と設計膜厚12 nmの酸化シリコン１１３を設計ピッチ寸法20 nmで４０回繰り返し成膜し，第三の多層膜基板を作製する。第四のパターン群は、設計膜厚10 nmのシリコン１１２と設計膜厚10 nmの酸化シリコン１１３を設計ピッチ寸法20 nmで４０回繰り返し成膜し，第四の多層膜基板を作製する。
このように、各パターン群の設計ピッチ寸法は同じになるものの、ラインとスペースをそれぞれ異ならせて作成されており、第一から第四のパターン群は例えは約1.5ｍｍの間隔で平行に配置されるように配置する。

図１６，１７は，上記校正用標準部材の組み立てプロセスの図である。図１６は，配置の位置関係を示しており，図１７は組みあがった状態を示す。上記分割したチップ１１５，チップ１１６，チップ１１７，チップ１１８と複数の固定用基板１１９を組み合わせチップ表面に各多層膜表面１１１に対して垂直な断面が露出するように作製する。

図１８は，上記校正用標準部材の研磨プロセス後の概念図である。上記作製したチップの表面を，上記固定用基板１１９と同じ高さになるまで研磨する（Ｓ１０４）。

次に、Ｓ１０５では、研磨した校正部材をフッ酸：水＝１：２００の溶液中に上記研磨した部材を入れ，ウェットエッチングを行う。図２に示すように，ウェットエッチングにより，酸化シリコンを選択的にエッチングし，シリコンのラインパターン１２０を得ることができる。

なお，選択的にエッチングされる酸化シリコンがスペース１２１となる。上記ウェットエッチング後，上記ウェットエッチングした部材を流水洗浄する。上記流水洗浄後，乾燥させる。上記ウェットエッチングで得られるラインの高さ１０７はウェットエッチングの時間を変えることにより制御することができる。

次に、図１９に示すように上記乾燥した校正用標準部材９を校正用標準部材ホルダ６９aに貼り付け（Ｓ１０６），上記多層膜部研磨表面が測定する試料の高さに一致するようにホルダを走査型電子顕微鏡に固定する（Ｓ１０７）。
（異なる断面形状）
異なる構成として図１５のステップＳ１０５において得られたチップに，イオンミリングやドライエッチングなどを行うことで，図２に示すテーパ角１０８を変化させることが可能である。これにより，ラインの断面形状を変化させることができる。発明者の検討によると，上記実施例で図１５のステップＳ１０５において得られたテーパ角90.0度のチップに，アルゴンイオンによるミリングを実施したところピッチ寸法１０５，ライン幅１０６は変化させずにテーパ角１０８が88.2度の校正用標準部材を得ることができることが分かった。
（異なるライン材料）
また、ステップＳ１０５においてフッ酸：水＝１：２００ウェットエッチング溶液により酸化シリコンを選択的にエッチングしたが，ウェットエッチング溶液をＴＭＡＨ（トリメチルアンモニウムハイドライド）等のアルカリ水溶液にすることで，シリコン選択エッチングが可能になるため，スペース部がシリコン１２３となる校正用標準部材を作製することができる。これにより，絶縁物からなるラインパターン群を作製可能となり，帯電の効果を検証するのに使用可能な校正用標準部材を作製可能となる。

また，上記では，校正用標準部材の材料はシリコン１１２と酸化シリコン１１３の多層膜であるとしたが，本発明の校正用標準部材はこの材料構成に限定されるものではない。例えば，モリブテンとシリコンや，タングステンとシリコンなどの材料構成であっても良い。それぞれに適切な選択比のあるエッチング溶液を用いることで，モリブテンラインとシリコンスペースや，タングステンラインとシリコンスペース，もしくはタンタルラインとシリコンスペースのような構成の校正用標準部材を作製することも可能である。また、ライン部を形成する際，ステップＳ１０５において，ウェットエッチを採用したが，ドライエッチを採用してもよい。ドライエッチを採用することで，ライン高さ等の制御性が高まる。

なお，本発明の校正用標準部材は，上記の校正用標準部材９を型とするナノインプリント技術によって作製してもよい。かかる作製手法を採用することで，構成用標準部材を低コストで提供できるようになる。
（校正用標準部材の校正方法）
以下，本発明による校正用標準部材の校正例について説明する。
本発明の校正用標準部材は，図２に示すように同じ校正用標準部材９内に設計幅4 nmのラインが設計ピッチ寸法20 nmで４０本繰り返し形成された第一のパターン群１０１がある。また、設計幅6 nmのラインが設計ピッチ寸法20 nmで４０本繰り返し形成された第二のパターン群１０２，設計幅8 nmのラインが設計ピッチ寸法20 nmで４０本繰り返し形成された第三のパターン群１０３および設計幅10 nmのラインが設計ピッチ寸法20 nmで４０本繰り返し形成された第四のパターン群１０４もある。そして、互いに，約1.5ｍｍの間隔で平行に配置されている。

次に、図１９にて各パターン群のライン幅およびピッチ寸法の校正方法について示す。一定のピッチ寸法で周期性を持った微細パターンの断面形状とライン幅およびピッチ寸法は微小角入射Ｘ線小角散乱（GI-SAXS）法により求めることができる。この計測で得られる計測値は絶対寸法の基準をＸ線波長に遡ることができるトレーサビリティがあるので，得られたピッチ寸法，ライン幅，高さは絶対寸法として0.1 nm以下の精度で求められる。同様にテーパ角についても絶対角度として0.1 度以下の精度で求められる。

まず，図１９に示した標準部材９の第一のパターン群１０１にＸ線源２０６より発生させたＸ線２０７（例えば波長は0.15405929 nmを用いた）を図５２に示すように水平面に対して１度程度で入射させる。この時にパターン群上でのＸ線ビームの照射領域２０８は最も小さくした条件で図１９のＸ線照射領域２０８に示すように入射方向に約10 mm，入射に対して垂直方向に100 μmであり，第一のパターン群１０１のほぼ全面に照射される。

そして、パターン群で散乱されたＸ線は図１９に示すように反射Ｘ線２０９と回折Ｘ線２１０からなる回折パターンとして二次元検出器２１１で計測される。この様にして得られた回折パターンからパターン群の断面構造の形状パラメータとしてＸ線ビームの照射領における平均ピッチ寸法２１２，平均ライン幅２１３，平均高さ２１４，平均テーパ角２１５などが得られる。

すなわち，これらの値は幾何学的なＸ線回折からのみ解析されるのでその絶対値は使用するＸ線の波長と回折角度によって規定される。計測に用いるＸ線の波長（0.15405929 nm）は絶対値として与えられており，角度は0.01度以下の精度で計測できるので，Ｘ線ビームの照射領における校正用標準部材の平均ピッチ寸法２１２，平均ライン幅２１３，平均高さ２１４は絶対寸法として0.1 nm以下の精度で求められる。

同様に、テーパ角についても0.1 度以下の精度で求められる。第一のパターン群１０１のＸ線ビームの照射領域２０８における平均ライン幅，平均ピッチ寸法はそれぞれ4.1 nmおよび20.2 nmであった。また，高さは16 nmであり，テーパ角は90.0度であった。

第二のパターン群１０２以降についても、Ｘ線ビームの照射領域２０８を第二のパターン群１０２に移動させて計測したところ，第二のパターン群１０２の平均ライン幅，平均ピッチ寸法としてそれぞれ6.2 nmおよび20.3 nmが得られた。また，高さは16.5 nmであり，テーパ角は90.0度であった。

なお，先述の通り，各パターン群が互いに1.5ｍｍの間隔で平行に配置されているため，第一のパターン群１０１および第二のパターン群１０２について，Ｘ線ビームの照射位置をそれぞれのパターン群に移動させることでＸ線ビームの照射領域を各パターン群で分離できる。このため，それぞれパターン群毎にＸ線ビーム照射を行い，上記と同様に回折パターン解析を行うことで，各パターン群の平均ライン幅，平均ピッチ寸法および高さやテーパ角などを独立して求められる。

第三のパターン群１０３および第四のパターン群１０４についても，同様にＸ線ビームの照射位置をそれぞれのパターン群に移動させることで，各パターン群の平均ライン幅，平均ピッチ寸法および高さやテーパ角などを独立して求められる。

なお，前述の通り，本発明の校正用標準部材の各パターン群の平均ライン幅，平均ピッチ寸法，高さ，テーパ角は，作製時のばらつきにより，設計寸法と一致しなくてもよい。Ｘ線にて計測した値を正しい値として用いれば良いためである。

すなわち，CD-SEMや検査SEMに本構成を搭載してユーザーに提供する場合，搭載する校正用標準部材そのものにおいて，前述のＸ線小角散乱法により平均ライン幅，平均ピッチ寸法，高さ，テーパ角を計測し，CD-SEMや検査SEM内にそれらの値を記憶する，もしくは仕様書に明記するなどとした状態でユーザーに提供する。

また、校正用標準部材単体でユーザーに提供する場合は，提供する校正用標準部材そのものにおいて，前述のＸ線小角散乱法による平均ライン幅，平均ピッチ寸法，高さ，テーパ角を計測し，仕様書やそれに準ずる電子データに記録するなどとした状態でユーザーに提供する。

第一から第六の実施例では上記の微小角入射Ｘ線小角散乱法による平均ライン幅の結果を実寸法として用い，プローブプロファイルを求めて装置の調整を行う例について述べた。前述の通り，実寸法として用いる計測値は絶対寸法の基準をＸ線波長に遡ることができるトレーサビリティがあるので，本発明による手法もしくは，本発明によるCD-SEMおよび検査SEMでは，トレーサビリティのあるプローブプロファイルを得ることができる。
（ユーザーへの提供の仕方：試料形状の自由度）
なお，前述の通り，本発明の校正用標準部材は作製時のエッチング時間を制御して図２における高さ２１４を調節することや，エッチング前後のイオンミリング処理によりテーパ角２１５を変化させることが可能である。また回折パターン計測では作製したパターン群の高さやテーパ角も計測できるので実際にCD-SEMで測長する半導体デバイスの断面形状に近い形状を有した校正用標準部材を作製し，かつ微小角入射Ｘ線小角散乱法による校正を行いCD-SEMの維持・管理に用いることも可能である。これにより，より実際の計測対象に近い形状でプローブ径計測を行うことが可能となり，装置管理の高精度化が期待できる。

また，TEM(Transmission Electron Microscope)による計測のように，計測の際に校正部材の破壊検査を必要とせず，提供する校正部材そのもののトレーサビリティを確保することができる。
（光学系調整のタイミング）
なお，図３もしくは，図９にフローチャートで示した，プローブ径を計測した結果に基づいて装置調整を行うプロセスの開始タイミングは，定期的に決められた周期で行っても良い。この場合，長期間運用する過程における，経時変化を自動で調整することが可能になる。また，前記プロセスの開始タイミングは，ユーザーが決定してもよく，所望の測長レシピ，検査レシピの開始前や終了後に開始するよう，レシピに組み込めるようになっていても良い。これにより，プローブ状態を管理した上での装置運用が可能となる。

1…SEMカラム， 2…電子源， 3…コンデンサーレンズ， 4…偏向器， 5…検出器， 6…対物レンズ， 7…ウェハホルダ， 8…ウェハ， 9， 9a， 9b， 9c，9d，9e，9f，9g，9h，9i，9j，9k，100，…校正用標準部材，10…一次電子線，11…信号電子，12…SEM制御部，13…画像処理部，14…第一のパターン群のSEM像，15…測長部，16，18，21，22…測長値，17…第二のパターン群のSEM像，19…第三のパターン群のSEM像，20…第四のパターン群SEM像，23…演算部，24…第一パターン群実寸法，25…第二パターン群実寸法，26…第三パターン群実寸法，27…第四パターン群実寸法，28…感度曲線，29…第二感度，30，32…傾き，31…第三感度，33…プローブ径計測部，34…変数，35…パターン群の実寸法対測長感度の関数k ( t )，36…プローブ径，37…評価部，38…基準プローブ径，39…許容範囲，40…表示部，41…フロー第一のパターン群へ移動，42…フロー第一のパターン群のSEM像取得，43…フロー第一のパターン群の測長，44…フロー第二のパターン群へ移動，45…フロー第二のパターン群のSEM像取得， 46…フロー第二のパターン群の測長， 47…フロー第三のパターン群と，第四のパターン群の測長値を記憶， 48…フロー第二第三の測長感度計算， 49…フロープローブ径評価値算出， 50…フロープローブ径は基準内か判断， 51…フロープローブ評価値表示調整終了表示， 52…フロープローブ評価値表示調整開始表示， 53…フロー光学系調整， 54…CD ( t )， 55，56，57，58…差分，59…フィッティング関数，60…d 値，61…e 値，62…フロー基準関数CD ( t ) と測長値との差分計算，63…フローd値，e 値よりプローブ径を求める，64…フローd 値, e 値プローブ径は全て基準内か？，65…フロー調整SEMパラメータ選択，66…フロープローブ評価値表示調整対象SEMパラメータ表示調整開始表示，67…フローSEMパラメータ調整，68…スキャン方向，69a，69b，69c…校正用標準部材ホルダ，101，102，103，104，202，203，204，205…パターン群，105，212…ピッチ寸法，106，213…ライン幅，107，214…高さ，108，215…テーパ角，109…シリコン基板，110…多層膜基板，111…多層膜表面，112…シリコンライン，113…酸化シリコンスペース，114…他のシリコン基板，115，116，117，118…チップ，119…固定用基板，120…シリコンライン，121…酸化シリコンスペース，122…酸化シリコンライン，123…シリコンスペース，206…Ｘ線源，207…入射Ｘ線，208…Ｘ線照射領域，209…回折Ｘ線，210…反射Ｘ線，211…二次元Ｘ線検出器

Claims

一次荷電粒子線を試料に照射して走査する照射光学系と，
前記試料から発生した二次荷電粒子を検出する二次荷電粒子検出器と，
前記二次荷電粒子を検出した前記二次荷電粒子検出器からの出力信号を処理する信号処理部とを有し，前記信号処理部は、
既知の寸法で校正された第一乃至第四のライン幅を有する第一乃至第四のパターン群のライン幅を測長する測長部と，
前記第一乃至第四のパターン群における前記第一乃至第四のライン幅と，前記測長部で測長した前記第一乃至第四のパターン群における測長値との関係から前記第一乃至第四のパターン群のうち第二のパターン群と第三のパターン群の測長感度を算出する演算部と、
前記演算部で算出した前記第二のパターン群と第三のパターン群の測長感度を用いて前記一次荷電粒子線のプローブ径を求めるプローブ計測部と、
前記プローブ計測部で求めた前記一次荷電粒子線のプローブ径を予め備えた基準プローブ径と比較して両者の差の絶対値が予め備えた許容範囲内であるかを判定するプローブ径評価部と
を有する計測装置。
請求項１記載の計測装置であって，
表示部を更に備え、前記プローブ径評価部で前記両者の差が予め備えた前記許容範囲に無い場合、前記プローブ径評価部は前記表示部へ前記判定の結果を表示させる信号を送信する、または、前記照射光学系または前記二次荷電粒子検出器に前記検出の条件を調整させる信号を送信することを特徴とする計測装置。
請求項１記載の計測装置において，
前記プローブ径評価部は、前記一次荷電粒子線により形成されるプローブのプローブ径の値に基づき，光学系の再調整の有無を規定の周期毎に判断することを特徴とする計測装置。
請求項１記載の計測装置であって，
前記測長部は、前記一次荷電粒子線の光軸と垂直方向の面において、第一の方向に延在
する前記第一乃至第四のパターン群のライン幅と、第二の方向に延在する前記第一乃至第四のパターン群のライン幅と、を測長することを特徴とする計測装置。
請求項１記載の計測装置であって，
前記測長部は、前記一次荷電粒子線の光軸方向において、第一の高さに配置された前記
第一乃至第四のパターン群のライン幅と、第二の高さに配置された前記第一乃至第四のパターン群のライン幅と、を測長することを特徴とする計測装置。
一次荷電粒子線を試料に照射して走査する照射光学系と，前記試料から発生した二次荷
電粒子を検出する二次荷電粒子検出器と，前記二次荷電粒子を検出した前記二次荷電粒子検出器からの出力信号を処理する信号処理部とを有する計測装置の校正方法であって、
前記照射光学系と前記二次荷電粒子検出器と前記信号処理部とを制御して、既知の寸法で校正された第一乃至第四のライン幅を有する第一乃至第四のパターン群の前記第一乃至第四のライン幅を測長する測長ステップと，
前記信号処理部において前記第一乃至第四のパターン群における前記第一乃至第四のライン幅と，前記測長ステップにおいて測長した前記第一乃至第四のパターン群における測長値との関係から前記第一乃至第四のパターン群のうち第二のパターン群と第三のパターン群の測長感度を算出する演算ステップと、
前記演算ステップで算出した前記第二のパターン群と前記第三のパターン群の測長感度を用いて前記一次荷電粒子線のプローブ径を求めるプローブ計測ステップと、
前記プローブ計測ステップで求めた前記一次荷電粒子線のプローブ径を予め備えた基準プローブ径と比較して両者の差が予め備えた許容範囲内であるかを判定するプローブ径判定ステップと
を有する計測装置の校正方法。
請求項６記載の計測装置の校正方法であって，
前記第一乃至第四のパターン群における前記第一乃至第四のライン幅と前記第一乃至第四のパターン群における前記測長値とに基づき、プローブとなる前記一次荷電粒子線のプロファイルを計測する計測ステップを有する計測装置の校正方法。
請求項６記載の計測装置の校正方法であって，
前記第一乃至第四のライン幅は、Ｘ線を用いた校正であること特徴とする計測装置の
校正方法。