JPH02159508A

JPH02159508A - 荷電ビームを用いた測定装置における照射条件決定方法およびそれに用いる評価パタン

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Publication number: JPH02159508A
Application number: JP63313487A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Yoshizawa; 吉沢　正浩; Yasushi Wada; 康和田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1988-12-12
Filing date: 1988-12-12
Publication date: 1990-06-19
Anticipated expiration: 2012-05-07
Also published as: JP2607652B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、荷電ビームを照射し、反射電子または二次電
子を検出１，２て、ＶＬＳＩ等の半導体、絶縁物のパタ
ンの線幅を測定ケる測長装置、あるいは検査装置におい
て、測定再現性のよい照射条件を効率的に決定するだめ
の照射条件決定方法に関するものである。

［従来の技術］ＶＬＳＩ（超大規模集積回路）を高歩留りで製作するた
めには、ヂャネル長などデバイスパタン寸法を高精度に
測定し、製造装置の加工条件に反映させることが重要で
ある、下地膜の加工寸法に影響する要因は、（１）下地
膜材質、（２）レジスト膜厚、（３）露光強度、（４）
現像時間、（５）反応性ガス種な１′多数存在する。こ
こで、最適な加工形状を得るために（１）〜（５）のよ
うな加工条件を決定する過程は製造プロセス開発と呼ば
れ、加工形状、パタン寸法を評価する装置として、パタ
ン寸法測長装置が使用される。−旦、加工条件が決まり
、製造ラインに上記プロセスが導入されると、歩留りを
維持・改善するために管理基準が設定され、各加工条件
の安定性か加工形状の評価により監視され、その手段と
してパタン寸法測長装置が使用される１、このように、
パタン寸法測長装置は■加工条件の決定、■加工安定度
の監視等各種の用途に利用され、寸法の微細化に伴って
その重要性を増しつつある。

一方、このような荷電ビームを用いた寸法測長装置では
、荷電ビームを走査し、この走査信号に同期して反射電
子または二次電子を検出することにより、測定パタンに
垂直な方向の二次電子信号波形を得てパタン寸法を測定
する。この二次電子信号波形からパタン寸法を得る方法
としては、二次電子信号波形に適当なスライスレベルを
設定して２値化し、その間隔からパタン寸法を測定する
方法が広く用いられている。この他、エツジ・ベースラ
インそれぞれを直線近似し、その交点間の距離からパタ
ン寸法を得る装置（特開昭６ｌ−８００１１ｒ寸法測定
装置ｊ）の提案がある。、１−かじ、このような測定を
行う際に、加速電圧やビーム電流等の照射条件、信号波
形の解析条件が最適化されていないと、チャージアップ
が生じたり、コントラストがとれない等により測定の再
現性が低下し、測定要求情度を満足できなくなる。

例えば、第６図（ａ）、（ｂ）、第７図（ａ）。

（ｂ）、第８図（ａ）、（ｂ）はチャージアップによる
影響を説明するための図であり、第６図。

第７図は加速電圧による二次電子信号波形の変化の例、
第８図はパタンの断面形状との対応を示している。第６
図、第７図において、（ａ）は１回目の測定の時の波形
、（ｂ）は１０回目の測定の時の波形である。第６図と
第７図では加速電圧が異なっている。第６図ではチャー
ジアップの影響は殆どなく、パタン部Ｐの信号波形およ
びバックグランドの信号波形の変化は小さい。しかし、
第７図では、非パタン部Ｂの信号であるグランドレベル
の場所による変化が大きく全体に右下がりになっている
。一方、パタン部Ｐの信号波形の左右非対称性も大きく
、１０回目の波形では右上がりになっている。この波形
の変化は、測定精度、再現性の低下をもたらす。たとえ
ば、絶縁性試料の同一パタンを繰り返し測定すると測長
値には第９図のように、（１）ノイズによる変動、（２
）試料によるバラツキ、（３）チャージアップによる変
動が加わった結果が得られる。その中で、（１）と（３
）が測定装置側の誤差要因であり、特にチャージアップ
による変動が大きな誤差要因になる。

従って、再現性のよい測定を行うためには、照射条件を
最適化する必要があり、この照射条件最適化はチャージ
アップ最少化による再現性確保と同義に取り扱うことが
できる。

このような照射条件最適化の要求項目として製造プロセ
ス開発段階では、プロセス技術選択置市のため試料種類
が多く、照射条件決定を頻繁に行う必要があるため、照
射条件決定の簡便さが要求される。また、製造ライン監
視段階では、プロセス技術選択以降のため試料種類は少
なく、試料条件決定の頻度は少ない。しかし、ライン運
用時の寸法ドリフトを大量の試料に対し掌握する必要が
あり、測定精度、自動化面で高度化が必要であり、要求
される測定精度か高いため、照射条件設定の精度が重要
になっている。従来、このような°照射条件の最適化は
、経験者の勘に頼って試行錯誤により行っていた。

［発明が解決しようとする課題］しかしながら、上記従来の技術における荷電ビームを用
いたパタン寸法測長装置では、照射条件の最適化を経験
者の勘に頼って試行錯誤により行っていたため、一般の
使用者が新規の材質のパタンを測定しようとする場合に
は、条件をランダムに変えて、良い照射条件を探すよう
な作業を伴い、多くの労力を要し、照射条件決定の簡便
さの要求に応えることができなか・っだ４、また、二次
電子波形やＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）等の像を観察し
ながら照射条件を求めよ・うとすると、照射条件を変え
ても曲の照射条件でのチャージアップの影響が残ってい
るため、市確な条件設定ができないという問題点かあ、
った３゜本発明は、ｌ−、記問題点を解決するために創案された
もので、測定経験のない新１．い試料を測定ケる場合ｊ
に最適ノｌ′照射条件の決定を功４（的に行えるよ−）
にするｔ；めの荷電ビー１、を用いた測定装置？、−お
ける照射条件決定方法およびぞイ１に用いる評価パタン
を提供することを目的とする。

１課題を解決するための手段］上記の目的を達成するための本発明の荷１ビーｌ、を用
いた測定装置における照射条件決定方法の構成は、荷電ビームを用いた測定装置においで、加速電圧を変化
させながら試料の同一パタンの測定を繰り返し２行つ″
ｉ丁測定寸ｄ、の経時変化が最小になる最適加速電圧を
ｌｋ定４′る手順を行い、次いで１１記最適加速電川で
ビーム電流を変化させながら試料の同一パタンの連続測
定による測定再現性か最小になる最適と・−ム電流を算
出する手順を行もか、−または、荷電ビームを用いた測
定装置において、１り゛−ム電流を変化されなから試料
の同一・パタンの連続測定による測定再現性を測定１し
てこの測定再現性が最小になる最適ビーム電流を決定オ
ろ手順を行い、次いア上記ビ・−ム電流ご加速電圧を変
化５（υなから試ネ１こ″）同一パタンの測定を繰り返
し行−・てその測定・１゛法の経時変化が最小になる最
適加速電圧を算出する手順を行うことを特徴とずろ。

また、−上記１ヨ１的を達成するための本発明０）荷電
ビームを用いた測定装置における照射条件決定方法に用
いる評６＋ｉｉパタンの構成は、試料のバタ゛ノがその
試料の決よ−）だ位置に配置した照射条件決定のための
評価専用のパタンであることを特徴とケる。

［作用１試料のパタンの同一・箇所を繰り返し測定すると、測定
寸法値には主にチャージアップによる変動とノイズによ
る変動が加わった結果か得られる。本発明は、そのとき
のチャージアップによる変動か加速電圧依存性を示し、
ノイズによる変動がビーム電流依存性を示すことに注目
し、最適加速電圧を決定する手順においてチャージアッ
プによる測定寸法の経時変化を測定して加速電圧をＲ適
化ずろ−・方、最適ビーム電流を決定する手順において
ノイズによる測定寸法の変動即ち測定再現性を測定１．
てビー１、電流を最適化する。、二のように本発明の照
射条件の決定では、チャージアップによる寸法の経時変
化とノイズによる寸法の変動を分離して測定し、加速電
圧とビーム電流を１つずつ順番にきめることにより、そ
の最適化を効率的に行う。また、上記の測定に用いる試
料のパタンは、最適化評価に専用のパタンとして試料−
トの所定位置に予め用意すること？こより、測定手順を
同一化してその手順を効率的にする。

［実施例］以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する
。

第１図は本発明を適用する荷電ビームを用いた測定装置
の一実施例を示すプロ・ツク図である７、本実施例は荷
電ビームとして電子ビームを用い、これを走査して試料
に照射し、その試料より放出される二次電子または反射
電子の信号波形から試料のパタン寸法を測定する測定装
置である、本実施例の測定装置の構成は以下の通りであ
る。■は電子ビーム発生源、２はその電子ビーノ、発生
源１が発する荷電ビームＥＢを加速する加速部、；うは
ビーム電流を調整するビーム調整部、４は試料５の所定
範囲を走査Ｚ、て照射するビーム偏向器、６は試料５よ
り放出されろ二次電子ＳＥ（または反射電子）を検出す
る信号検出部、７は本実施例の要部であり最適加速電圧
を決定ｊ２て１子ビ・−ム発生源ｉと加速部２に出力す
る。加速電圧設定部、８は同じく本実施例の要部であり
最適など一ノ、電流を決定ｊ７てビーム調整部３に出力
するビーム電流設定部、９は測定Ｒ＝ｉ象である試料５
のパタン寸法に応じて予め設定しｔこ倍率でビーム偏向
器４に走査信号を与えるビーム走査部、１０はビーム走
査部９の走査信号に同期して信号検出部６で検出した二
次電子信号から上記パタンに垂直な方向の二次電子信号
波形を得てパタン寸法を測定する測定部、１１はビーム
走査部９には倍率を指示しまた加速電圧設定部７．ビー
ム電流設定部８には手順に従って照射条件の決定を指示
するとともに必要時に初期値または測定部１０からの測
定値を与える制御コントローラ、１２は上記の倍率や初
期値を入力する初期値入力部である。

次に、上記構成の測定装置における本発明の照射条件決
定方法の実施例を説明する。第２図はその方法の一実施
例を示すフローチャートであり、その手順は以下の通り
である。

■チャージアップに関与するパラメータは加速電圧、ビ
ーム電流１倍率であるが、このうち倍率は測定対象のパ
タン寸法に応じて決める必要があるので、はじめに設定
する。

■ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）像観察、または二次電子
信号波形の観察から概略の照射条件（Ｖ　ＭＩＮ。

ＶＭＡＸ、　　［ＰＯ）決定し、これを初期値として人
力する。

■■で求めた概略範囲（Ｖ　ＭＩＮ−Ｖ　ＭＡＸ）で、
ビーム電流をｒｐｏに固定し、加速電圧設定部において
加速電圧ＶＰを変化させながら、同一箇所を連続測定し
た時の寸法の経時変化を測定し、この寸法経時変化が最
小になる加速電圧ＶＭを算出して設定する。（加速電圧
決定フロー） ■加速電圧ＶＭに設定し、ビーム電流設定部においてビ
ーム電流を変更しながら連続測定し、再現性（３σ）が
最小になるビーム電流■、を算出する。上記σは測定値
の標準偏差を示し本実施例では３倍して再現性の評価値
としているが、ｎ（−１，２，・・・）倍であっても良
いことはもちろんである。

■再現性（３σ）が許容値以下（ＯＫ）ならば照射条件
は満足しているので処理を終了する。

■再現性（３σ）が許容値以上（ＮＧ）で、かつ、寸法
経時変化がなければ、ビーム電流■２を増加し、ビーム
電流の決定処理を再試行する。

■再現性（３σ）が許容値以上、かつ寸法経時変化があ
れば、ビーム電流ｒｐを下げて、ビーム電流の決定処理
を再試行する（以上■〜■はビーム電流決定フロー） ■ビーム電流■２をそれ以上下げられない場合には、ビ
ーム電流をＩＰＭに設定し、加速電圧変更の刻みを小さ
くして加速電圧決定フロー以下を再試行する。この再試
行によっても再現性（３σ）が許容値以上（ＮＧ）であ
れば、再試行の効果が得られないものとして再現性（３
σ）が許容値以上であっても処理を終了する。

以上のように構成した実施例の作用を述べる。

（１）照射条件の初期値設定加速電圧、ビーム電流の最適値を決定するための検索中
心値を与える。測定せずに、ＳＥＭ画面の観察や二次電
子信号波形観察により決定する。

たとえば、従来技術のところで示した二次電子信号波形
では、パタン部分の左右非対称性の少ない第６図での値
を選ぶのがよい。

（２）加速電圧の決定チャージアップは被測定パタン材質の二次電子放出比δ
が１よりずれるために生じる。しかも、ＬＳＩは下地膜
の上にレジスト等の別の材質のパタンか形成されている
ため、両者が同時にδ−１を満たすのは原理的に困難で
ある。このようなチャージアップに関与するパラメータ
は加速電圧。

ビーム電流１倍率であるが、チャージアップは以下に示
す加速電圧依存性がある。そこで本実施例は加速電圧を
パラメータとしてチャージアップによる測定寸法の経時
変化が最小になるように最適化する。

第３図は加速電圧をパラメータに複数チップのパタン寸
法を繰り返し測定し、平均測定寸法の経時変化量を求め
たものである。測定を繰り返す毎に、６００Ｖではやや
測定寸法が減少する傾向がみられるが、他の加速電圧で
はチャージアップにより測定寸法が増加する傾向にある
。１回目と１０回目の測定の寸法変化量で、寸法の経時
変化の加速電圧依存性を測定した結果が第４図である。

５７５Ｖ、６２０Ｖ付近で経時変化が起きていないこと
がわかる。このようにして、測定寸法の経時変化の少な
い最適加速電圧を決定することができる。なお、第３図
あるいは第４図のような測定寸法の経時変化を求める場
合、測定チップが少ないと、寸法の経時変化によるずれ
が、ノイズによる寸法の変化にかくれて測定出来ないこ
とがある。

このため、複数のデツプまたは類似の複数のパタン位置
を測定ｊ７、その平均値がどう変化するかを測定する方
が望ましい。この際、チップあるいは、測定位置による
寸法の違いがある場合があり、寸法の絶対値ではなく、
寸法の経時変化量を問題にする。

（３）ビーム電流の決定第５図はビーム電流をパラメータとしてパタン寸法を繰
り返し測定し、測定再現性を求めた結果である。■と■
は異なるパタンを測定した場合である。この結果は、一
般に、ビーム電流が大きいとＳ／Ｎ比が大きくなりノイ
ズによる変動が減少する反面、チャージアップによる寸
法変化量が太きくなり、ビーム電流が小さいとこの逆の
結果になることを示］７ている。二のため、ある最適な
値が存在（２、それより低ビーム電流、高ビーム電流い
４゛れの値でも測定再現性が悪くなる。図中■のパタン
測定では、約４ｐＡが最適である。■のパタン測定では
、■のパタンはど寸法の経時変化がないために再現性の
ビーム電流依存性は小さいか、（Ｄのパタン測定の場合
と同様にして最適なビーム電流（８ｐＡ）が求よる。こ
のように１．て、最適なビーム電流を決定することがで
きる。

（４）測定再現性の、１１容値チエツク上記（３）まで
の手順で求めた照射条件での測定再現性を数値化（３σ
）して照射条件が最適であるか否か評価ケる。測定再現
性（３σ）が許容値以ドならば照射条件は最適化された
ものとして終ｒする。この許容値は、目的により異なる
１、測定再現性は多少悪くてらよいが早く照射条件を求
めた場合には、この許容値を大きめに４“る。ライン監
視用のように測定精度を要求する場合にはこの許容値を
小さく設定する。

（５）再決定Ｊ、記（４）において、測定再現性（３σ）が許容値以
内にない時には、加速重圧、ビーム電流の決定を再試行
する。この場合、チャージアップによる寸法の経時変化
があって再現性か悪い場合と、寸法の経時変化がなくノ
イズによって悪い場合がある。後者の場合にはＳ／Ｎ比
を高くするため、ビーム電流を増加さける。萌者では、
チャージアップの影響を低減するため、ビーム電流を減
少する。

ビーム電流が下限に近い場合には、加速電圧の決定を、
初期条件および刻みを小さくして再決定しなおす。

以にの処理により、本実施例は加速電圧、ビーム電流の
照射条件を最適値に設定することができる。

以下、上記実施例の照射条件決定方法に用いる測定パタ
ンについて説明する。照射条件の最適化の際に、加速電
圧、ビーム電流の変更により、寸法の経時変化／測定再
現性の変化を測定する場合、同じ位置で測定すると、曲
の照射条件でのヂャージアノブの影響が残ってＬ７まう
ため、正確な条件設定が出来ない。このため、照射条件
変更とともに、測定位置を変える必要がある。一般に、
測定位置は、（ア）同−設計パタンの別チップ、（イ）
同一・ブ゛ツブ内の類似パタン等を選べばよい。このよ
うな、測定条件の決定を効率的に行うためには、評価専
用のパタンを用意するのが望ましい。この評価専用のパ
タンは、下地の材質と上層の材質の面積比の違いをみる
ため、下地材質の線状パタン、−１−層材質の線状パタ
ン、この２つのｉ　ｌ：）　返り、パタンの３種類（例
えば凹、凸、ライン＆スペースの３種類）から構成し、
これらをウェハ等の試料」−に１組または複数組配置す
る。上記３種類の個々のパタンは長く用意しておく方が
効率的である。

これは、照射条件を変更した場合に曲の照射条件でのチ
ャージアップの影響を受けないように、条件変更ごとに
場所をずらして連続測定するためである１、パタンの幅
は、測定対象のパタン幅を含み、寸法の変わるらのを複
数用きするのが好適である。

これは、測定対象のパタン幅によって倍率等が変わる等
のため、チャージアップの影響がかわるので、パタン幅
によって最適な照射条件が変わる可能性があるためであ
る。線状パタンの他、スルーホールパタンのように角あ
るいは丸の形状のものを用意するのが好適であご。これ
は、スルーホールパタンでは、線状パタンよりも二次電
子信号が外へ出にくいこと等のため、やはり最適な照射
条件が変わる場合があるためである。これらのパタン自
身は、他のパタンと混在したチップに設けても構わない
が、座標、チップ配列は固定する。このように専用の評
価パタンを構成することにより、新規の材料の場合、こ
の評価パタンを用いて測定条件の決定を、毎回同じ測定
手順で（測定位置が同じ）、検索範囲だけを弯えて行え
けば良くなるので、効率的になる。

なお、上記実施例では、加速電圧決定フローが先にある
フローチャートを説明したが、ビーム電流決定フローが
先にある場合でも類似の手順で照射条件を最適化するこ
とができる。このように、本発明はその主旨に沿って種
々に応用され、種々の実施態様を取り得るしのである。

［発明の効果Ｊ以上の説明から明らかなように、本発明の荷電ビームを
用いた測定装置における照射条件決定方法は、チャージ
アップによる寸法の経時変化とノイズによる寸法の変動
を分離して測定し加速電圧とビーム電流を１つずつ順番
にきめるので、従来のようにランダムに照射条件を変化
させるのに比べて、短時間に照射条件を決定することが
できる。

また、本発明の荷電ビームを用いた測定装置における照
射条件決定方法に用いる評価パタンは、新規の試料に対
しても照射条件を決定するための測定手順が毎回同じに
なるので、その測定を効率的に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を適用する荷電ビームを用いた測定装置
の一実施例を示すブロック図、第２図は本発明の一実施
例を示すフローチャート、第３図。第４図は加速電圧決定における作用説明図、第５図はビ
ーム電流決定における作用説明図、第６図（ａ）、（ｂ
）、第７図（ａ）、ｌｂ）、第８図（ａ）、（ｂ）は従
来のパタン寸法測長に対するチャージアップによる影響
の説明図、第９図は従来のパタン寸法測長値の変動要図
の説明図である。１・・・電子ビーム発生源、２・・・加速部、３・・・
ビーム調整部、５・・・試料、７・・加速電圧設定部、
８・・・ビーム電流設定部、ＩＯ・・・測定部、１１・
・・制御コントローラ、１２・・・初期値人力部。第１図七　　　Ｌｔ　　　！ユ則定Ｉ′１ｉｌｌ牧（回）第８図　ｉ第４図０αｉＥ　　　　：佃　　１２＋　　ＯＬ−一一−−−−−−−−上〜＝−−−−−
〜−−、、、−、Ｕ−、−，−，−−−〜−−−−−」
−９−ｏ　　　　　５　　　　　に〕１５ヒーム電、亀（ρＡ）第５図（ロ）　　　　　　　　　　　　　　（ａ）（ｂ）　　
　　　　　　　　　　　　　　　　（ｂ）第６図　　　
　　第７図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）荷電ビームを用いた測定装置において、加速電圧
を変化させながら試料の同一パタンの測定を繰り返し行
って測定寸法の経時変化が最小になる最適加速電圧を決
定する手順を行い、次いで上記最適加速電圧でビーム電
流を変化させながら試料の同一パタンの連続測定による
測定再現性が最小になる最適ビーム電流を算出する手順
を行うことを特徴とする荷電ビームを用いた測定装置に
おける照射条件決定方法。
（２）荷電ビームを用いた測定装置において、ビーム電
流を変化されながら試料の同一パタンの連続測定による
測定再現性を測定してこの測定再現性が最小になる最適
ビーム電流を決定する手順を行い、次いで上記最適ビーム電流で加速電圧を変化させながら
試料の同一パタンの測定を繰り返し行ってその測定寸法
の経時変化が最小になる最適加速電圧を算出する手順を
行うことを特徴とする荷電ビームを用いた測定装置にお
ける照射条件決定方法。（３）第１項または第２項に記
載の試料のパタンがその試料の決まった位置に配置した
照射条件決定のための評価専用のパタンであることを特
徴とする荷電ビームを用いた測定装置における照射条件
決定方法に用いる評価パタン。