JPH08210831A - パターン寸法測定方法及びその測定装置 - Google Patents

パターン寸法測定方法及びその測定装置

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JPH08210831A
JPH08210831A JP7019628A JP1962895A JPH08210831A JP H08210831 A JPH08210831 A JP H08210831A JP 7019628 A JP7019628 A JP 7019628A JP 1962895 A JP1962895 A JP 1962895A JP H08210831 A JPH08210831 A JP H08210831A
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JP
Japan
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measured
electron beam
irradiating
irradiation
semiconductor substrate
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JP7019628A
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English (en)
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Fumie Miyashita
文江 宮下
Harumi Takagi
晴美 高木
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Toshiba Corp
Toshiba Electronic Device Solutions Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Toshiba Microelectronics Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 デバイス製造工程にある被測定物表面にＣ膜
を形成させることなく、各種寸法を正確に測定すること
にある。 【構成】 半導体基板10表面において、測定対象全域に
不活性陽イオンと紫外線のいずれかまたは両方を照射す
る。そして、不活性陽イオンと紫外線のいずれかまたは
両方が照射されている間に、集束電子線を走査させ、集
束電子線の走査によりその半導体基板10から生じる二次
電子を検出してパターン寸法測定を行う。不活性陽イオ
ンまたは紫外線を使用するために、半導体基板10上に付
着していたＣ系ガスの付着確立が大幅に減少する。従っ
て、集束電子線とＣ系ガスが反応して半導体基板10表面
においてＣ膜の形成を防ぐことができる。従って、本発
明を用いると、デバイス製造工程にある半導体基板表面
の各種パターン寸法を、半導体基板10自身に損傷を与え
ることなく、正確に測定することができ、かつ歩留まり
を維持できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、被測定物、特にデバ
イス製造工程にある半導体基板のパターン寸法測定方法
及び測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】デバイスの高集積化に伴い、デバイス製
造工程における微細加工技術の開発を進めることは重要
な意味をもつ。なかでも、マスクパターンにはじまる配
線幅等の各種パターン寸法を高度に制御することは微細
加工技術の向上に不可欠であり、それを実現化させるた
めには、各種パターン寸法の正確な測定が必要である。
【０００３】従来、各種パターン寸法を測定する装置と
して、集束電子線を被測定物に走査して各走査点からの
二次電子を検出し、走査した集束電子線を同期させてブ
ラウン管に像を作る走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）が知ら
れている。
【０００４】このＳＥＭを用いたパターン寸法測定は、
電子が移動できるよう高真空で行うのが望ましいが、実
際には、大気圧の状態から気体分子を取り除いた10-5〜
10-6Torr 程度の圧力下で行われる。このため、大気中
から取り除かれなかった、ＣxＨyＯz、ＣＯ及びＣＯ2等
のＣ系ガスが、装置内に残留している。
【０００５】また、デバイス製造工程にある半導体基板
のパターン形成を行う場合は、レジストやドライエッチ
ング用ガスなど、Ｃ、Ｈ、及びＯを含んだＣ系物質を使
用している。このため、装置内に残留したＣ系ガスに加
え、使用したＣ系物質が半導体基板に付着している可能
性が大きい。
【０００６】この様な状況下で、集束電子線を走査させ
ると、電子は数百eVに加速されている為、半導体基板と
装置内の残留Ｃ系ガスまたは半導体基板に付着している
Ｃ系物質が反応を起こし、その半導体基板表面上にＣ膜
を形成する。
【０００７】このＣ膜の形成は、デバイス製造工程にお
ける障害物となり、特に次のような２点の問題を生じさ
せる。 (1) ＳＥＭは、集束電子線を走査させた被測定物の素
材及び凹凸度により二次電子放出量が異なることを利用
してパターン寸法測定を行っている。よって、Ｃ膜が形
成される前後では放出される二次電子の量が異なる為、
半導体基板表面のパターンの正確な情報を得ることがで
きない。さらに、Ｃ膜は二次電子放出量が少ないため、
ＳＥＭ画面上においてＣ膜が形成された部分は暗く、他
の部分とのコントラストが弱くなり、パターン寸法の測
定精度が低下する問題を有していた。
【０００８】(2) 例えば図４(a) に示すように、シリ
コン基板40上に、酸化シリコン41、ポリシリコン42を順
次積層し、その表面にパターニングしたレジスト43をマ
スクにしてポリシリコン42をエッチングし、図４(b) の
ような配線パターンを形成する場合、ポリシリコン42の
エッチング工程に移る前に、設計どうりのレジストパタ
ーンが施されているか確認する必要があり、図４(a) の
状態に対して、ＳＥＭを用いてレジストパターン寸法を
測定する。この測定時に図４(c) のようにレジスト43表
面を含むポリシリコン42表面にＣ膜44が形成されると、
エッチングを行っても、Ｃ膜44がマスクとなり、図４
(d) に示すようにエッチングできないポリシリコン42が
残ってしまう。これはパターン不良となり、歩留まりの
低下を引き起こす問題となる。
【０００９】これらは、デバイス製造工程において深刻
な問題であるため、何らかの解決策を取らなければなら
ない。しかし、Ｃ膜を除去する工程を加える等、製造工
程数はなるべく増加させたくない。従って、Ｃ膜の形成
を防ぐ方法の開発が要求される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
従来技術では、パターン寸法測定時に、半導体基板表面
にＣ膜が形成されてしまう。このため、パターン寸法測
定の精度が低下し、かつ、デバイスの歩留まりの低下が
生じる問題を有していた。
【００１１】そこで、本発明は、上記問題を解決し、半
導体基板の各種パターン寸法を、この半導体基板表面に
Ｃ膜の形成等にはじまる損傷を与えることなく、正確に
測定し、もってデバイスの歩留まりを向上させることを
目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明のパターン寸法測定方法では、パターンが形
成された被測定物表面に不活性陽イオン照射を行う工程
と、前記被測定物表面に不活性陽イオンを照射した後ま
たは照射中に、この被測定物表面に集束電子線を走査す
る工程と、前記集束電子線を走査した被測定物から生じ
る二次電子を検出しパターン寸法を測定する工程とを具
備することを特徴とする。
【００１３】尚、不活性陽イオン照射を行う際に、その
照射量及びイオン加速エネルギーを、集束電子線を走査
した被測定物から生じた二次電子の変化量に応じて、変
えることを特徴とする。
【００１４】又、本発明のパターン寸法測定方法では、
パターンが形成された被測定物表面に紫外線照射を行う
工程と、前記被測定物表面に紫外線を照射した後または
照射中に、この被測定物表面に集束電子線を走査する工
程と、前記集束電子線を走査した被測定物から生じる二
次電子を検出しパターン寸法を測定する工程とを具備す
ることを特徴とする。
【００１５】又、本発明のパターン寸法測定方法では、
パターンが形成された被測定物表面に不活性陽イオン照
射及び紫外線照射を行う工程と、前記被測定物表面に不
活性陽イオン及び紫外線を照射した後または照射中に、
この被測定物に集束電子線を走査する工程と、前記集束
電子線を走査した被測定物から生じる二次電子を検出し
パターン寸法を測定する工程とを具備することを特徴と
する。
【００１６】又、本発明の寸法測定装置では、外囲器の
一端側に配置され、且つ被測定物を支持するための支持
板と、前記外囲器の他端側に配置され、且つ電子を放出
する電子銃と、前記電子銃からの電子線を加速する加速
電極系と、前記加速電極系からの電子線を集束する集束
レンズ系と、前記集束レンズ系からの電子線を偏向する
偏向電極系と、前記支持板の側方に配置され、且つ電子
線の照射による被測定物からの二次電子を検出する検出
部と、前記支持板の側方に配置され、且つ前記被測定物
表面に不活性陽イオンを照射する不活性陽イオン照射部
とを具備したことを特徴とする。
【００１７】又、本発明の寸法測定装置では、外囲器の
一端側に配置され、且つ被測定物を支持するための支持
板と、前記外囲器の他端側に配置され、且つ電子を放出
する電子銃と、前記電子銃からの電子線を加速する加速
電極系と、前記加速電極系からの電子線を集束する集束
レンズ系と、前記集束レンズ系からの電子線を偏向する
偏向電極系と、前記支持板の側方に配置され、且つ電子
線の照射による被測定物からの二次電子を検出する検出
部と、前記支持板の側方に配置され、且つ前記被測定物
表面に紫外線を照射する紫外線照射部とを具備したこと
を特徴とする。
【００１８】又、本発明の寸法測定装置では、外囲器の
一端側に配置され、且つ被測定物を支持するための支持
板と、前記外囲器の他端側に配置され、且つ電子を放出
する電子銃と、前記電子銃からの電子線を加速する加速
電極系と、前記加速電極系からの電子線を集束する集束
レンズ系と、前記集束レンズ系からの電子線を偏向する
偏向電極系と、前記支持板の側方に配置され、且つ電子
線の照射による被測定物からの二次電子を検出する検出
部と、前記支持板の側方に配置され、且つ前記被測定物
表面に不活性陽イオンを照射する不活性陽イオン照射部
と、前記支持板の側方に配置され、且つ前記被測定物表
面に紫外線を照射する紫外線照射部とを具備したことを
特徴とする。
【００１９】
【作用】本発明のパターン寸法測定方法では、集束電子
線を照射する被測定物の表面領域に不活性陽イオンを照
射すること、或は紫外線を照射することで、半導体基板
表面におけるＣ膜の形成を防止する。これらの照射は、
それぞれ異なった作用をもつため、各々について順番に
説明する。
【００２０】不活性陽イオンの照射は、半導体基板表面
のＣ系ガスをあるスパッタ率ではぎとる。このスパッタ
率は、イオンの種類、イオン加速エネルギー、半導体基
板表面に入射する角度、半導体基板の素材に依存するた
め、これらを制御することにより、半導体基板に損傷を
与えず、Ｃ系ガスをはぎとることができる。従って、半
導体基板表面に集束電子線を走査しても、半導体基板と
Ｃ系ガスの反応は起きず、Ｃ膜の形成を防止できる。
【００２１】これに対し、紫外線の照射は、残留ガス中
の酸素から原子状活性酸素及びオゾンを発生させる。こ
れら原子状活性酸素及びオゾンは、非常に強力な酸化剤
として、半導体基板表面に吸着したＣ系ガスの結合を切
断し、さらに切断により解離された元素を二酸化炭素と
水などの揮発性物質に変える働きをする。また、残留ガ
ス中の酸素等により吸収されなかった紫外線は、その光
エネルギーによりＣ系ガスそのものの化学結合を切断、
または、Ｃ系ガスと半導体基板の結合を切断する。従っ
て、半導体基板表面に集束電子線を走査しても、半導体
基板とＣ系ガスの反応は起きず、Ｃ膜の形成を防止でき
る。
【００２２】
【実施例】本発明の各実施例を図面を参照して説明す
る。図１は本発明の第一の実施例のパターン寸法測定装
置の概略図である。図１に示すように、このパターン寸
法測定装置は、次のように構成されている。外囲器12a
の一端部に被測定物、例えば半導体基板10を支持するた
めの支持板12b が設けられ、他端部には電子を出す電子
銃11a が設けられている。この電子銃11a の前方には電
子を加速する加速電極系11b と、電子銃からでた電子線
を所望の加速電圧により加速した後、その電子線を集束
させるコンデンサレンズ13a 及び対物レンズ13ｂからな
る集束レンズ系13と、この集束電子線をＸ，Ｙ方向に編
向する偏向電極系14とが順次設けられている。そして、
この装置は、上記支持板12b の斜上方に支持板12b 表面
に向けて不活性陽イオンを照射する不活性陽イオン照射
部18が配置され、また上記支持板12b の側方には、集束
電子線を走査した半導体基板10から生じる二次電子を検
出する検出部15が設けられている。また、走査した集束
電子線と検出信号を同期させて、像を写しだすブラウン
管16及び、装置内を真空に保つ真空ポンプ17が設けられ
ている。
【００２３】実際の測定を行う際は、支持板12b 上に半
導体基板10を設置し、その半導体基板10表面の測定対象
範囲全体に不活性陽イオンを照射する。そして、このイ
オン照射中に、半導体基板10表面に集束電子線を走査さ
せる。
【００２４】不活性陽イオンを照射させることは、半導
体基板10表面に吸着しているＣ系ガスをはぎとる作用が
あるため、半導体基板10表面上におけるＣ膜の形成を大
幅に軽減できる。
【００２５】さらに、集束電子線を受けた半導体基板10
は、負に帯電する可能性が高い。負に帯電すると、半導
体基板10から生じる二次電子を正確に検出できず、測定
精度がおちる。しかし、不活性陽イオンの照射により、
半導体基板は負に帯電する可能性は低くなる。
【００２６】従って、上記の効果より、集束電子線を受
けた半導体基板10から生じた二次電子を正確に検出し、
走査した集束電子線と同期させブラウン管16上に像をつ
くり、半導体基板10表面のパターン寸法を測定すること
ができる。また、その測定精度は非常に高い。
【００２７】尚、半導体基板10表面に不活性陽イオンを
照射するにあたり、イオンに与える条件によっては、半
導体基板10自体をエッチングする等の悪影響を生じる。
これらの半導体基板10に対する損傷を最少に押さえるた
め、照射する不活性陽イオンの量すなわちイオン電流、
及び、不活性陽イオンに与えるイオン加速エネルギーは
必要最小限にしなければならない。その為、半導体基板
10から放出される二次電子量の検出を行う際に、Ｃ膜の
形成されていない測定初期の量を基準に二次電子の検出
量の変化量に応じて、不活性陽イオンに与える条件を最
適化する。尚、半導体基板10に損傷を与えないために、
常に不活性陽イオンに与えるイオン加速エネルギーは10
0 eV以下であることが必要である。
【００２８】図２は第二の実施例のパターン寸法測定装
置の概略図である。図２に示すように、このパターン寸
法測定装置は、次のように構成されている。外囲器22a
の一端部に被測定物、例えば半導体基板20を支持するた
めの支持板22b が設けられ、他端部には電子を出す電子
銃21a が設けられている。この電子銃21a の前方には電
子を加速する加速電極系21b と、電子銃からでた電子線
を所望の加速電圧により加速した後、その電子線を集束
させるコンデンサレンズ23a 及び対物レンズ23ｂからな
る集束レンズ系23と、この集束電子線をＸ，Ｙ方向に編
向する偏向電極系24とが順次設けられている。そして、
この装置は、上記支持板22b の斜上方に支持板22b 表面
に向けて紫外線を照射する紫外線照射部29が配置され、
また上記支持板22b の側方には、集束電子線を走査した
半導体基板20から生じる二次電子を検出する検出部25が
設けられている。また、走査した集束電子線と検出信号
を同期させて、像を写しだすブラウン管26及び、装置内
を真空に保つ真空ポンプ27が設けられている。
【００２９】実際の測定を行う際は、支持板22b 上に半
導体基板20を設置し、その半導体基板20表面の測定対象
範囲全体に紫外線を照射する。そして、この紫外線照射
中に、半導体基板20表面に集束電子線を走査させる。
【００３０】紫外線を照射することは、半導体基板20表
面に吸着しているＣ系ガスを取り除く作用があるため、
半導体基板20表面上におけるＣ膜の形成を大幅に軽減で
きる。 従って、集束電子線を受けた半導体基板20から
生じた二次電子を検出し、走査した集束電子線と同期さ
せブラウン管26上に像をつくり、半導体基板20表面のパ
ターン寸法を正確に測定することができる。
【００３１】図３は本発明の第三のパターン寸法測定装
置の概略図である。図３に示すように、このパターン寸
法測定装置は、次のように構成されている。外囲器32a
の一端部に被測定物、例えば半導体基板30を支持するた
めの支持板32b が設けられ、他端部には電子を出す電子
銃31a が設けられている。この電子銃31a の前方には電
子を加速する加速電極系31b と、電子銃からでた電子線
を所望の加速電圧により加速した後、その電子線を集束
させるコンデンサレンズ33a 及び対物レンズ33ｂからな
る集束レンズ系33と、この集束電子線をＸ，Ｙ方向に編
向する偏向電極系34とが順次設けられている。そして、
この装置は、上記支持板32b の斜上方に支持板32b 表面
に向けて不活性陽イオンを照射する不活性陽イオン照射
部38が配置され、且つ上記支持板32b の斜上方に支持板
32b 表面に向けて紫外線を照射する紫外線照射部39が配
置され、また上記支持板32b の側方には、集束電子線を
走査した半導体基板30から生じる二次電子を検出する検
出部35が設けられている。また、走査した集束電子線と
検出信号を同期させて、像を写しだすブラウン管36及
び、装置内を真空に保つ真空ポンプ37が設けられてい
る。
【００３２】この第三番目の実施例は、第一番目の実施
例と第二番目の実施例を複合させたものであり、測定の
仕方等も同じである。すなわち、支持板32b 上に半導体
基板30を設置し、その半導体基板30表面の測定対象範囲
全体に不活性陽イオン及び紫外線を照射する。そして、
この不活性陽イオン照射中及び紫外線照射中に、半導体
基板30表面に集束電子線を走査させる。
【００３３】半導体基板30への不活性陽イオン照射及び
紫外線照射は、第一及び第二の実施例で説明したものと
同様の効果をもたらす。このため、集束電子線を受けた
半導体基板30から生じた二次電子を検出し、走査した集
束電子線と同期させブラウン管36上に像をつくり、半導
体基板30表面のパターン寸法を正確に測定することがで
きる。
【００３４】尚、不活性陽イオンの照射は、照射条件を
常に最適になるようにしている。この原理は、第一の実
施例で説明したものと同じである。尚、第一、第二及び
第三の実施例に共通して言えることを以下に述べる。
【００３５】測定中は、真空度が変化しないように、真
空ポンプ17，27，及び37を用いて常に、装置内部を１０
-5〜１０-6Torrにしている。不活性陽イオンとして、Ａ
ｒ+、Ｘｅ+等を用いたが、これに限定されず希ガスをイ
オン化したもの等、半導体基板10,20 及び30及び半導体
基板10,20 及び30に付着した物質と反応し、半導体基板
10,20 及び30表面に化合物を形成しないイオンであれば
良い。
【００３６】また、不活性陽イオン照射部18,38 、紫外
線照射部29,39 に関して、その位置及び数は、図１また
は図２または図３で説明したものに限定されず、集束電
子線と散乱を起こす等、集束電子線の走査を妨げず、集
束電子線の走査領域に不活性陽イオン及び紫外線を照射
できるならば、他の位置及び構成を使用しても良い。
【００３７】
【発明の効果】本発明によるパターン寸法測定方法及び
その測定装置では、デバイス製造工程にある半導体基板
表面の各種パターン寸法を、半導体基板自身に損傷を与
えることなく、正確に測定することができる。又、パタ
ーン寸法測定による歩留まりの低下を抑止することがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施例のパターン寸法測定装置
を示した概略図である。
【図２】本発明の第二の実施例のパターン寸法測定装置
を示した概略図である。
【図３】本発明の第三の実施例のパターン寸法測定装置
を示した概略図である。
【図４】(a) ，(b) ，(c) ，(d) ともに半導体装置の製
造工程を示す断面図である。
【符号の説明】
10、20、30 半導体基板 11a 、21a 、31a 電子銃 11b 、21b 、31b 加速電極系 12a 、22a 、32a 外囲器 12b 、22b 、32b 支持板 13a 、23a 、33a コンデンサレンズ 13b 、23b 、33b 対物レンズ 13、23、33 集束レンズ系 14、24、34 偏向電極系 15、25、35 検出器 16、26、36 ブラウン管 17、27、37 真空ポンプ 18、38 不活性陽イオン照射部 29、39 紫外線照射部 40 シリコン 41 酸化シリコン 42 ポリシリコン 43 レジスト 44 Ｃ膜

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 パターンが形成された被測定物表面に不
    活性陽イオン照射を行う工程と、前記被測定物表面に不
    活性陽イオンを照射した後または照射中に、この被測定
    物表面に集束電子線を走査する工程と、前記集束電子線
    を走査した被測定物から生じる二次電子を検出しパター
    ン寸法を測定する工程とを具備することを特徴とするパ
    ターン寸法測定方法。
  2. 【請求項２】 上記不活性陽イオン照射を行う際に、そ
    の照射量及びイオン加速エネルギーを、集束電子線を走
    査した被測定物から生じた二次電子の変化量に応じて、
    変えることを特徴とする請求項１記載のパターン寸法測
    定方法。
  3. 【請求項３】 パターンが形成された被測定物表面に紫
    外線照射を行う工程と、前記被測定物表面に紫外線を照
    射した後または照射中に、この被測定物表面に集束電子
    線を走査する工程と、前記集束電子線を走査した被測定
    物から生じる二次電子を検出しパターン寸法を測定する
    工程とを具備することを特徴とするパターン寸法測定方
    法。
  4. 【請求項４】 パターンが形成された被測定物表面に不
    活性陽イオン照射及び紫外線照射を行う工程と、前記被
    測定物表面に不活性陽イオン及び紫外線を照射した後ま
    たは照射中に、この被測定物に集束電子線を走査する工
    程と、前記集束電子線を走査した被測定物から生じる二
    次電子を検出しパターン寸法を測定する工程とを具備す
    ることを特徴とするパターン寸法測定方法。
  5. 【請求項５】 外囲器の一端側に配置され、且つ被測定
    物を支持するための支持板と、前記外囲器の他端側に配
    置され、且つ電子を放出する電子銃と、前記電子銃から
    の電子線を加速する加速電極系と、前記加速電極系から
    の電子線を集束する集束レンズ系と、前記集束レンズ系
    からの電子線を偏向する偏向電極系と、前記支持板の側
    方に配置され、且つ電子線の照射による被測定物からの
    二次電子を検出する検出部と、前記支持板の側方に配置
    され、且つ前記被測定物表面に不活性陽イオンを照射す
    る不活性陽イオン照射部とを具備したことを特徴とする
    パターン寸法測定装置。
  6. 【請求項６】 外囲器の一端側に配置され、且つ被測定
    物を支持するための支持板と、前記外囲器の他端側に配
    置され、且つ電子を放出する電子銃と、前記電子銃から
    の電子線を加速する加速電極系と、前記加速電極系から
    の電子線を集束する集束レンズ系と、前記集束レンズ系
    からの電子線を偏向する偏向電極系と、前記支持板の側
    方に配置され、且つ電子線の照射による被測定物からの
    二次電子を検出する検出部と、前記支持板の側方に配置
    され、且つ前記被測定物表面に紫外線を照射する紫外線
    照射部とを具備したことを特徴とするパターン寸法測定
    装置。
  7. 【請求項７】 外囲器の一端側に配置され、且つ被測定
    物を支持するための支持板と、前記外囲器の他端側に配
    置され、且つ電子を放出する電子銃と、前記電子銃から
    の電子線を加速する加速電極系と、前記加速電極系から
    の電子線を集束する集束レンズ系と、前記集束レンズ系
    からの電子線を偏向する偏向電極系と、前記支持板の側
    方に配置され、且つ電子線の照射による被測定物からの
    二次電子を検出する検出部と、前記支持板の側方に配置
    され、且つ前記被測定物表面に不活性陽イオンを照射す
    る不活性陽イオン照射部と、前記支持板の側方に配置さ
    れ、且つ前記被測定物表面に紫外線を照射する紫外線照
    射部とを具備したことを特徴とするパターン寸法測定装
    置。
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