JPS63308510A - 荷電ビ−ム測長法および測長装置 - Google Patents

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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、１．Ｓ１製造時のパタン検査等に用いられる
荷電ビーム測長法および測長装置に関する。

［従来の技術］ 走査型電子顕微鏡（以下ＳＥＭという）に代表される荷
電ヒーム装置は非接１（ｄ！かつ高分解能の表面観察手
段として幅広く用いられるようになってきた。このよう
な荷電ヒーム装置の大きな適用分野としてＬＳＩ製造時
のパタン検査手段であるパタン幅測定装置か考えられる
。

１゜ＳＩは主として、論理動作等を司る能動素子部と、
ＬＳｔ　としての機能を実現させるためにこれらを有機
的に結合する電極配線部とて構成され、各層かウェハ単
位の一括処理で形成される積層構造になっている。すな
わち、ＬＳＩは上記各層を形成する複数の工程を繰り返
して製造される。従って、ＬＳＩ！！８１造完了時に目
標とする電気的時・［１と歩留りを確保するにはパタン
形成工程（レジストの露光・現像、エツチング等）完了
毎にパタン検査を行うことか不可欠である。このような
ＬＳＩのパタン検査では、試着にタメーシを与えずに高
精度な表面観察かできることか要求されるため、従来の
光学顕微鏡の代わりに専らＳＥＭか用いられるＪ：うに
なってぎた。

第７図はＳＥＸを用いたパタン幅測定（以下測長という
）装置の一般的構成を示す。同図において、１は電子銃
、２はコンデンサレンズ、３は対物レンズ、４はアパー
チャ、５は偏向器、６はステージ、７はＬＳＩデバイス
等の測定試料（以下試料という）、８は電子銃１から放
出される電子ヒーム、９は電子ビーム８て試料７を照射
したとき試料の表面から放出される二次電子、ｌＯは二
次電子検出器、１１は電子銃１の直流電圧源、１２と１
３は各々コンデンサレンズ２および対物レンズ３を励磁
する直流電流源、１４は偏向器５を制御する走査回路、
】５はステージ６の移動を制御するステージ制御回路、
１６はコンソールで、これを手動で操作することにより
、直流電圧源１１を介して電子ビーム８の加速電圧を設
定し、直流電流源１２と１３を介しコンデンサレンズ２
および対物レンズ３の励磁を調整して電子ビーム８のヒ
ーム電流値の設定と焦点合わせをおこない、走査回路１
４とステージ制御回路１５を介して電子ビーム８の試料
７の表面におりる電子ヒーム８の！１―重位置と走査条
件（方向、幅、速度）を設定する。１７はパタン幅算出
回路、１８はパタン幅算出回路に設りられたＣＲＴ等の
表示器、１９はパタン幅算出回路の制御装置（日本学術
振興会荷電杓子ヒームの工業への応用第１３２委員会、
第８５回研究会資料、ｐｌ、１９８３年参！］、＠　）
である。

以下、第７図を用いて従来のパタン測長の手順を説明す
る。コンソール１６の操作により電子ビーム８て試料７
の表面すなわち１．ｓＩデバイス表面の同一パタンを繰
り返し走査させ、これによって放出される二１次電子９
を二次電子検出器１０を介して、パタン幅算出回路１７
でパタンの形状に対応して変化しかつ加算平均化された
二次電子波形を蓄積する。パタンの線幅は二次電子波形
てパタンのＳＥＭ像をＣＲＴ］８　上に表示し、パタン
のエツジにカーソルを合わせて、カーソル間の距ｍ１ｌ
ｌをパタン幅算出回路１７て算出するか、あるいは閾値
を指定し、それと二次電子波形の立ち上かり部分との交
点および立ち下かり部分との交点を結ぶ線分をパタンの
線幅として、これをパタン幅算出回路１７て算出する（
以下ライン・プロファイル法という）。

［発明か解決しようとする問題点］ ＬＳＩのパタン寸法を測定する測長装置ては微細なデー
タを大量に収集する必要かあるため、高速かつ高精度で
あることか要求される。このためには単にシステム構成
のみならずθ］１定条件についても上記の観点から最適
化をはかることが望まれる。測定条件には■荷電ヒーム
の照射条件、■二次電子波形の平滑化条件、■パタン幅
算出条件があるが、測定精度の点からは■と■か重要で
ある。■については、上述した加算平均の他、オ多動平
均、高速フーリエ変換等が知られており、その測定精度
への効果については、実験的に確認されている。これに
対し■について、とりわけ測定対象となるパタン材質へ
の依存性が大きいと考えられる加速電圧条件については
、パタン材質に応して経験的に選定されているのか現状
てあり、測定精度との定量的な関係は殆ど明らかにされ
ていなかった。このため、測定名の熟練度や０１１定対
象のパタン材質に依存して測定精度かばらつき、ＬＳＩ
製造時のパタン寸法管理の信頼度の点てば題かあった。

本発明は従来のこのような欠点を解消し、測定精度の高
い測長法および測定装置を提供することを目的とする。

〔問題点を解決するだめの手段］ かかる目的を達成するために、木発明の測長法は荷電ビ
ームのビーム電流を一定にしてパタン表面を照射し、パ
タン表面からの二次電子雑音量および全収率のいずれか
一方が最小になる加速電圧で該パタン表面の形状寸法を
測定することを特徴とする。

本発明の測定装置は荷電ビームを加速・収束および偏向
する手段と、荷電ビームのビーム電流を一定にして加速
電圧を変化させる手段と、試料表面からの二次電子を収
集する手段と、試料表面からの二次電子波形で試料表面
の形状寸法を算出する手段と、試料表面からの二次電子
雑音量を測定する手段と、一定範囲で変化する一変数の
関数の最ｌｂ値を算出する手段とを４４１えたことを特
徴とする。

また本発明の測定装置は荷電ビームを加速・収束および
偏向する手段と、荷電ビームのビーム電流を一定にして
加速電圧を変化させる手段と、試料表面からの二次電子
を収集する手段と、試料表面からの二次電子波形で試料
表面の形状寸法を算出する手段と、吸収電流を測定する
手段と、一定範囲で変化する一変数の関数の最小値を算
出する手段とを備えたことを特徴とする。

［作　用］ 本発明は測定精度が二次電子雑音量に影響され、二次電
子雑音量が少ないと、二次電子を用いたパターンのエツ
ジ検出精度が向上することを利用したものである。

木発明によれは、二次電子雑音量または全収率が最小と
なる加速電圧で荷電ビームを試料表面に照射して測長な
行うので、加算平均化回数を少くして、スループットを
高め、しかも再現性よく、高精度なパタン幅測定かてき
るため、ＬＳＩデバイス製造におりる歩留りと能率の向
上に寄与できる。

［実施例］ 以下に図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の測長装置の一実施例のブロック図であ
る。図中第７図の従来例と同一部分は同一参照番号を付
して説明を省略する。２１は計算機で直流電圧源１１を
制御して電子ビームの加速電圧を変化させ、さらに直流
電流源１２と直流電流源１３を制御して電子ビームのビ
ーム電流を一定にする。２２はパタン材質固有の二次電
子雑音の加速電圧依存性から二次電子雑音の最小値とこ
れに対応する加速電圧を抽出する最小値抽出回路、２３
は二次電子雑音量を測定する雑音計で、その人力はコン
デンサ２４を介し二次電子検出器】Ｄの出力と交流結合
している。計算機２１は直流電圧源＋１、直流電流源１
２と１３の他、走査回路１４、ステージ制御回路１５、
パタン幅算出回路１７および最小値抽出回路２２と接続
し、これらを一元的に制御するため制御信号・データの
送受とデータの加工・蓄積等の処理を有機的に実行する
。

次に測長の精度と二次電子雑音量との関係につ値の下限
値０゜との比σ／σ０で表す。従ってこの値か小さい程
測定精度が高いことになる。加算平均化回数Ｍが増加す
るに従ってＯは減少する。

一方二次電子雑音はスペクトル成分が均等に分布するシ
ョット・ノイズであるめで、二次電子雑音量は加算平均
化回数Ｍの一１７２乗に比例する。従って測定精度と加
算平均化回数Ｍとの関係は、測定精度と二次電子雑音量
の関係としてプロットすることができる。

第２図は前述したライン・プロファイル法で幅１μｍの
パタン幅を測定し、その測定精度０／σ。の二次電子雑
音」−への依存・Ｉｌｌを示したものである。図中直線
３０はＳｉＪ二のポトＩノシスＩ〜へ７のパタンを、直
線３１はへアＳ１の実測例を示し、測定パｉに付した数
（Ｊ前述した加算平均回数Ｍの値である。

σ。は八７に対してはＭ＝ｉ２８　、Ｓｉに７４シては
Ｍ−６４とした時の標準偏差値をとった。八ｚ／Ｓｉお
」；ひＳｌに対する測定精度σ／　ａ　ｏはいずれも＝
次電了雑音景ｎのほぼ３１５乗に比例して増大している
ことを示している。すなわち、加算平均化回数を小さく
しても、二。次電子外音量か最小とｔ／る条件て測長を
行えは、最も高い測定精度が青ら引することを示してい
る。

割算機２１から直流電圧源１１、直流電流源１２と１３
、走査回路＋４、ステージ制御回路１５、パタン幅算出
回路１７および最小値抽出回路２２へ電子ビーム８の照
射条件信号・パタン幅算出条件等を送信し、加速電圧Ｖ
ｐを変化させて、電子ビーム８て試料７の表面の特定領
域を走査する。これと並行して、試料の特定領域から放
出される二次電子９をニー次電子検出器ｌＯで収集し、
二次電子の交流雑音成分の二乗平均値ｎ　２（以下ｎを
二次電子雑音という）をコンデンサ２４を介して雑音量
２３て測定する。

ニー次電子の交流雑音はホワイト・ノイズであるから、
その二乗平均値ｎ２は次式て与えらねる［雑音解析、宮
脇−男、ｐ３５、朝食書店（１９６７）］。

ｎ２＝２−　ｅ−１ｇ−ΔＢ（１） ここＣ，ｅは電子の電荷、Ｉｇは二次電子検出器ｌＯて
収集される信号電流、ΔＢは二次電子検出器１０、コン
デンサ２４および♀１を音割２３て構成される検出系の
帯域幅である。信号電流＋３は第１図の試着７の特定領
域からの二次電子量に比例するからｎ　２＝　Ｋ　□　
ｐ　（Ｖｐ）−１ｐ　　　　　　（２）ここて、Ｋは試
料７の表面旧質に依存しない定数、ρ（Ｖｐ）は電子ビ
ーム８を加速電圧Ｖｐて照射した時の試料７の全収率で
ある。全収率ρは試料の二次電子放出比δと後方散乱係
数ηの和であり、ビーム電流１ｐを一定にしたまま加速
電圧Ｖｐを変化させて、二次電子雑音量の二乗平均値ｎ
２を測定ずれは、パタン材質固有の全収率ρ（Ｖｐ）に
比例した加速電圧依存特性か得られる。

先にビーム電流を一定にしたまま加速電圧を変化させて
二次電子♀１１音量の二乗平均値を測定ずれは、パタン
材質固有の全収率に比例した加速電圧依存性か得られる
と述へた。

第３図にパタン材質かＭ。の場合の、第４図にパン材質
かＳｉｎ、の場合の二次電子雑音量の二乗平均値と全収
率の加速電圧依存特性を示す。両図において曲線３２と
３４は二次電子雑音量の二乗平均値の加速電圧依存特性
、曲線３３と３５は全収率の加速電圧依存特性の実測例
である。第２図に示した結果と第３図および第４図の結
果から、パタン材質ｈ）ＭｏではＶｐ＝２．５ｋＶ　ノ
時、５ｉｎ２てはｖｐ＝　１　ｋＶ（７）時に測定精度
σか最小になることがわかる。第１図の最小値抽出回路
２２は第３図の曲線３２と第４図の曲線３４のようにパ
タン材質によって異なる二次電子雑音量の加速電圧依存
特性から、測定精度が最小になる加速電圧を抽出するも
のであり、通常の演算回路で構成できる。

第５図に本発明の測長装置の他の実施例を示す。第５図
において、１〜２２は第１図と同しものを示す。２５は
電子ビームで試料７を照射した時、アースから試料へ流
れる吸収電流を測定する電流剖である。

木実層側は（２）式から分かるように、二次電子雑音量
の二乗平均値ｎ２かパタン材質固有の全収率ρ（Ｖｐｌ
に比例することに着目したものである。

すなわち、全収率ρ（Ｖｐ）の加速電圧依存特性から、
全収率ρ（Ｖｐ）の最小値に対応する加速電圧を抽出す
れは先に述へた理由により、測定精度σを最小にてきる
。全収率ρ（Ｖｐ）は試料７の吸収電流をｒｓ（ｖｐ）
とずれは次式で与えられる。

ｐ　（Ｖｐ）　＝　１＋Ｔｓ　（Ｖｐ）／　ｌ　Ｊｐ　
ｌ　　　　（３）ここて、吸収電流Ｉｓ　（Ｖｐ）の符
号は吸収電流Ｉｓ　（Ｖｐ）が第５図の試料７からアー
スに流ねるとき正とする。従って、吸収電流をＩｓ　（
Ｖｐ）を電流計２５で測定し、これに対応する全収率ρ
（Ｖｐ）とその最小値を最小値抽出回路２２で算出すれ
は良い。第３図の曲線３３と第４図の曲線３５はこのよ
うにして測定した全収率の加速電圧依存特性の実測例で
ある。両図から、Ｍｏと５１０２共に全収率の加速電圧
依存特性は二次電子４゛１［音量の二乗平均値の加速電
圧依存特性と良く一致しでおり、全収率を最小にする加
速電圧は二次電子雑音量を最小にする加速電圧と同一に
なること、従って全収率を最小にする加速電圧て測長を
行えは、最高の測定精度が得られることかわかる。

第６図は線幅１μｍのＭ。配線パタンの測長を加速電圧
なＶ９＝　１〜２　（ｋＶ）の範囲て変化させて行った
時の、測定精度の加速電圧依存特性の実測例を示す。直
線３６は二次電子波形の加算平均化回数Ｍ＝４、直線３
７はＭ＝１６、直線３８はＭ−６４の条件での依存特性
である。同図から、何れの場合も第４図の曲線３２で示
した二次電子雑音量の二乗平均値の加速電圧依存特性、
あるいは、曲線３３で示した全収率の加速電圧依存特性
に対応して、測定精度は加速電圧と共に単調減少するく
ことが確認できる。加速電圧を変化させたときの二次電
子雑音量の変化量は、パタン材質がＭ。の場合は第３図
から抽出でき、この変化量に対応する測定精度の変化量
は第２図の３１５乗則て予測てきる。第６図に示した加
速電圧を変化させたときの測定精度の変化量は、このよ
うな手順て得た予測値と比較的良く一致する。すなわち
、第６図は木発明が有効であることを実証している。

なお、上記実施例は主として電子ビームを用いた測長装
置について説明したが、イオンビーム等その他の荷電ビ
ームについても同様な手段と方法で実施できる。

［発明の効果］ 本発明によれば、二次電子雑音量または全収率が最小と
なる加速電圧て荷電ビームを試料表面に照射して測長を
科うので、加算平均化回数を少くして、スルーブツトを
高め、しかも再現性よく、高精度なパタン幅測定ができ
るため、ＬＳＩデバイス製造における歩留りと能率の向
上に寄与できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例のブロック図、第２図は測定精
度と二次電子雑音量の関係を示す線図、 第３図はパタン材質がＭＯの場合の二次電子雑音量の二
乗平均値と全収率の加速電圧依存特性を示す線図、 第４図はパタン材質か５ｉ０２の場合の二次電子雑音量
の二乗平均値を全収率の加速電圧依存特性を示す線図、 第５図は木発明の他の実施例のブロック図、第６図はパ
タン材質がＭ。の場合の測定精度の加速電圧依存特性を
示す線図、 第７図はＳＥＭを用いた測長装置の一般的構成を示すブ
ロック図である。 １・・・電子銃、 ２・・・コンデンサレンズ、 ３・・・対物レンズ、 ４・・・アパーチャ、 ５・・・偏向器、 ６・・・ステージ、 ７・・・試料、 ８・・・電子ビーム、 ９・・・二次電子、 ｌＯ・・・二次電子検出器、 １１・・・直流電圧源、 １２．１３・・・直流電流源、 １４・・・走査回路、 １５・・・ステージの制御回路、 １６・・・コンソール、 １７・・・パタン幅算出回路、 １８・・・表示器、 １９・・・制御装置、 ２１・・・計算機、 ２２・・・最小値抽出回路、 ２３・・・雑音計、 ２４・・・コンデンサ、 ２５・・・電流計。 ｃｆ幽ソ毎 の 昧 Ｃ／粛泳等 ２り寒素’４ｅ＝＆ｉ、ｌ藉モ１翠ブ　　　寸法 ７□ 加迷電反　Ｖｐ（Ｋｖ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）荷電ビームのビーム電流を一定にしてパタン表面を
   照射し、該パタン表面からの二次電子雑音量および全収
   率のいずれか一方が最小になる加速電圧で該パタン表面
   の形状寸法を測定することを特徴とする荷電ビーム測長
   法。 ２）荷電ビームを加速・収束および偏向する手段と、 該荷電ビームのビーム電流を一定にして加速電圧を変化
   させる手段と、 試料表面からの二次電子を収集する手段 と、 前記試料表面からの二次電子波形で試料表面の形状寸法
   を算出する手段と、 前記試料表面からの二次電子雑音量を測定する手段と、 一定範囲で変化する一変数の関数の最小値を算出する手
   段とを備えたことを特徴とする荷電ビーム装置。 ３）荷電ビームを加速・収束および偏向する手段と、 該荷電ビームのビーム電流を一定にして加速電圧を変化
   させる手段と、 試料表面からの二次電子を収集する手段 と、 前記試料表面からの二次電子波形で試料表面の形状寸法
   を算出する手段と、 吸収電流を測定する手段と、 一定範囲で変化する一変数の関数の最小値を算出する手
   段とを備えたことを特徴とする荷電ビーム装置。