KR101101463B1 - 측정 기능을 구비한 주사형 전자 현미경 및 시료 치수 측정 방법 - Google Patents

측정 기능을 구비한 주사형 전자 현미경 및 시료 치수 측정 방법 Download PDF

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Abstract

측정 대상인 패턴 형상에 기인하는 측정값의 변동을 경감시키고 측정의 정확도를 향상시킬 수 있는 측정 기능을 구비한 주사형 전자 현미경 및 시료 치수 측정 방법을 제공한다. 측정 기능을 구비한 주사형 전자 현미경(100)은, 전자 빔을 방출하는 전자 총(1)과, 시료 상에 형성된 패턴의 측정 영역을 지정하는 측정 대상 영역 설정부(50)와, 지정된 측정 영역을 기록하는 기억부와, 측정 영역에 따라 전자 빔의 조사를 제어하는 빔 블랭크부(11)와, 기억부로부터 지정된 측정 영역을 추출하고, 당해 측정 영역 이외의 영역에서는 전자 빔을 빔 블랭크부로 차단하고, 당해 측정 영역에서는 빔 블랭크부를 통과시킨 전자 빔을 시료 상에 조사하여 당해 측정 영역의 화상을 취득하고 패턴의 측정을 행하는 제어부(20)를 포함한다. 측정 영역은 한 쌍의 측정 영역이고, 당해 측정 영역의 각각의 면적을 동일하게 해도 좋다.
주사형 전자 현미경, 전자 빔, 조사, 주사, 치수 측정, 빔 블랭크, 편향, 정전 전극.

Description

측정 기능을 구비한 주사형 전자 현미경 및 시료 치수 측정 방법{SCANNING ELECTRON MICROSCOPE HAVING LENGTH MEASURING FUNCTION AND SAMPLE DIMENSION LENGTH MEASURING METHOD}
본 발명은 전자 빔을 시료에 조사하여 시료를 관찰하고 측정하는 측정 기능을 구비한 주사형 전자 현미경 및 시료 치수 측정 방법에 관한 것이다.
반도체 장치의 제조 공정에 있어서, 전자 현미경 등의 전자 빔 장치에 의한 시료의 관찰과, 패턴의 선폭 등의 측정이 행해지고 있다. 전자 빔 장치에 의한 시료의 관찰과 측정에서는, 관찰할 부분에 전자 빔을 조사(照射)하면서 주사(走査)해서, 이차 전자 등의 전자량을 휘도(輝度)로 변환하여 표시 장치에 화상으로서 표시한다.
이와 같이 시료를 관찰하거나 측정할 때 전자 빔을 조사하는데, 이 전자 빔의 조사에 의해서 시료 표면이 대전되는 현상이 발생한다. 즉, 시료에 입사되는 하전 입자와 방출되는 하전 입자가 갖는 전하의 차에 의해서, 조사면이 양(陽) 또는 음(陰)으로 대전된다. 시료 표면의 대전 전위에 따라서, 방출된 이차 전자가 가속되거나 시료로 되돌아가서 이차 전자 방출의 효율이 변한다. 그 결과, 방출되는 전자량이 불안정해지는 문제가 생긴다.
이러한 문제에 대해서, 특허문헌 1에는 회로 패턴의 손상과 차지업(charge up)을 경감하여 회로 패턴의 치수를 측정하는 방법이 개시되어 있다.
상기한 바와 같이, 전자 빔 장치에서의 시료의 관찰에 있어서 시료가 대전되는 현상이 발생하는데, 예를 들어 웨이퍼와 같이 시료를 전기적으로 접속할 수 있는 경우에는 전기적으로 접속된 웨이퍼 상의 도체를 접지함으로써 방전시킬 수 있기 때문에, 시료의 대전을 저감할 수 있고 실제 사용시 문제가 없다.
그러나, 예를 들어 배선의 제조 공정이 완료된 상태에서는, 유리 기판 상에 고립된 도전체 배선부가 존재하거나, 유리 기판 상의 도전체 배선이 엉성하거나 조밀한 부분이 존재하는 경우가 있다.
이와 같이, 반도체 웨이퍼 또는 포토마스크 상에 형성된 패턴을, 전자 빔 장치를 이용해서 측정할 때, 측정 대상 패턴의 형상, 배선폭, 재료, 막 두께 등에 따라서 측정 대상의 표면의 전위 분포가 변한다. 예를 들면, 배선폭이 동일한 패턴이더라도, 패턴의 형성 간격이 엉성하냐 조밀하냐에 따라서 표면 전위의 분포가 달라진다. 구체적으로는, 패턴의 형성 간격이 조밀할수록 패턴의 표면 전위가 강전위가 된다. 이 때문에, 측정 대상인 패턴의 선폭이 굵어짐에 따라 치수 에러가 커져 버리는 현상이 발생한다.
이와 같이, 배선 폭 등에 따라서, 국소적으로 전하량이 달라지는 차지업이 발생한다. 이 차지업의 영향으로 일차 빔이 편향되어 측정 배율이 변하고, 치수 측정 에러가 발생된다.
특허문헌 1: 일본특허출원공개 평10-213427호 공보
본 발명은, 이러한 종래 기술의 과제에 착안한 것이며, 측정 대상의 재료와 패턴 형상 등에 기인하는 측정값의 변동을 경감하고 측정의 정확도를 향상시킬 수 있는, 측정 기능을 구비한 주사형 전자 현미경 및 시료 측정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제는, 전자 빔을 방출하는 전자총과, 시료 상에 형성된 패턴의 측정 영역을 지정하는 측정 대상 영역 설정부와, 상기 지정된 측정 영역을 기록하는 기억부와, 상기 측정 영역에 따라 상기 전자 빔의 조사를 제어하는 빔 블랭크부와, 상기 기억부로부터 상기 지정된 측정 영역을 추출하고, 당해 측정 영역 이외의 영역에서는 상기 전자 빔을 상기 빔 블랭크부로 차단하고, 당해 측정 영역에서는 상기 빔 블랭크부를 통과시킨 상기 전자 빔을 상기 시료 상에 조사하여 당해 측정 영역의 화상을 취득하고 상기 패턴의 측정을 행하는 제어부를 포함하는 측정 기능을 구비한 주사형 전자 현미경에 의해 해결한다.
상기 측정 기능을 구비한 주사형 전자 현미경에 있어서, 상기 측정 영역은 한 쌍의 측정 영역이고, 당해 측정 영역의 각각의 면적을 동일하게 해도 좋다.
본 발명의 측정 기능을 구비한 주사형 전자 현미경에서는, 측정에 필요한 부분을 지정하고 그 부분에 전자 빔을 조사해서 SEM 화상을 취득한다. 또, 측정에 필요한 지정 범위는, 예컨대 라인 패턴의 경우, 마주 보는 에지가 각각 포함되는 한 쌍의 영역이고 각 영역의 면적이 같아지도록 지정한다.
이와 같이, 면적이 같은 한 쌍의 측정에 필요한 부분에만 전자 빔을 조사함으로써, 조사되는 빔 량을 동일하게 할 수 있다, 따라서, 지정 범위 이외의 다른 부분이 조사됨으로 인한 시료 표면의 전위의 상승이 없어지고, 패턴의 형상에 관계없이 정확도가 높은 측정을 행하는 것이 가능해 진다.
또, 상기 측정 기능을 구비한 주사형 전자 현미경에 있어서, 상기 빔 블랭크부는, 정전 전극과, 개구부를 포함하는 빔 제어판을 포함하고, 상기 제어부는 상기 전자 빔을 주사하고, 상기 측정 영역에서는 상기 정전 전극에 전압을 인가하지 아니함으로써 상기 전자 빔이 상기 개구부를 통과하게 하여 상기 시료 상에 전자 빔을 조사하며, 상기 측정 영역 이외의 영역에서는 상기 정전 전극에 전압을 인가함으로써 상기 전자 빔을 상기 빔 제어판에 조사하게 하여 차단하도록 해도 좋고, 상기 제어부는, 상기 기억부에 저장된 상기 측정 영역을 나타내는 좌표 데이터를 참조해서, 상기 정전 전극에 전압을 인가하여 상기 전자 빔을 차단한 상태로 상기 측정 영역으로 조사 위치를 편향시킨 후 상기 정전 전극에 인가한 전압을 오프(off)로 하고, 상기 측정 영역 내에만 상기 전자 빔을 조사하도록 해도 좋다.
본 발명의 측정 기능을 구비한 주사형 전자 현미경에서는, 전자 빔의 주사를 래스터 스캔 또는 벡터 스캔 중 하나를 이용하여 행하는 것도 가능하다. 벡터 스캔을 이용하는 경우, 측정에 필요한 부분으로 이동해서 전자 빔을 조사하기 때문에, 래스터 스캔보다 측정 시간이 대폭 단축된다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 형태의 측정 기능을 구비한 주사형 전자 현미경에서 실시되는 시료 치수 측정 방법이 제공된다. 그 한 가지 형태의 시료 치수 측정 방법은, 전자 빔을 방출하는 전자총과, 시료 상에 형성된 패턴의 측정 영역을 지정하는 측정 대상 영역 설정부와, 상기 지정된 측정 영역을 기록하는 기억부와, 상기 측정 영역에 따라 상기 전자 빔의 조사를 제어하는 빔 블랭크부를 포함하는 주사형 전자 현미경을 이용한 시료 치수 측정 방법이며, 상기 기억부로부터 측정 영역을 추출하는 단계와, 상기 측정 영역에만 전자 빔을 조사하는 단계와, 상기 측정 영역의 화상을 취득하는 단계와, 상기 화상을 기초로 패턴의 에지를 추출하여 상기 패턴의 치수를 측정하는 단계를 포함한다.
상기 시료 치수 측정 방법에 있어서, 상기 측정 영역은 한 쌍의 측정 영역이고, 당해 측정 영역의 각각의 면적을 동일하게 해도 좋다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에서 사용되는 주사형 전자 현미경의 구성도이다.
도 2는 라인 패턴의 굵기와 치수 오차의 관계를 도시한다.
도 3(A) 내지 도 3(D)는, 측정 대상 영역을 설정하는 일 예를 도시하는 첫 번째 도면이다.
도 4(A) 내지 도 4(D)는, 측정 대상 영역을 설정하는 일 예를 도시하는 두 번째 도면이다.
도 5(A) 및 5(B)는 측정 대상 영역을 설정하는 일 예를 도시하는 세 번째 도면이다.
도 6(A) 및 6(B)는 측정 대상 영역을 설정하는 일 예를 도시하는 네 번째 도면이다.
도 7(A) 및 7(B)는 온 오프(on off) 제어 테이블을 설명하는 도면이다.
도 8(A) 및 8(B)는 빔 블랭크(beam blank)의 동작을 설명하는 도면이다.
도 9는 시료 치수 측정 방법을 도시하는 흐름도이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 관하여, 도면을 참조로 설명한다.
먼저, 측정 기능을 갖는 주사형 전자 현미경의 구성에 관하여 설명한다. 다음으로, 패턴의 고정확도 측정에 관하여 설명한다. 다음으로, 측정 기능을 갖는 주사형 전자 현미경을 이용한 시료 치수 측정 방법에 관하여 설명한다.
(주사형 전자 현미경의 구성)
도 1은 본 실시 형태의 주사형 전자 현미경의 구성도이다.
이 주사형 전자 현미경 100은, 전자 주사부 10과, 신호 처리부 30과, 표시부 40과, 측정 대상 영역 설정부 50과, 전자 주사부 10, 신호 처리부 30, 표시부 40 및 측정 대상 영역 설정부 50의 각각을 제어하는 제어부 20으로 크게 구별된다. 이 중, 전자 주사부 10은, 전자 경통부(鏡筒部) 15와 시료실 16으로 구성된다.
전자 경통부 15는, 전자총 1, 집광 렌즈 2, 빔 블랭크(beam blank)부 11, 편 향 코일 3 및 대물 렌즈 4를 포함하고, 시료실 16은, XY 스테이지 5 및 시료 지지부 6을 포함한다.
빔 블랭크부 11은 개구부 11b를 포함하는 빔 제어판 11a 및 전자 빔을 편향시키는 정전 전극 11c로 구성된다. 빔 블랭크부 11은 집광 렌즈 2와 편향 코일 3의 사이에 배치된다.
시료실 16에는 XY 스테이지 5를 이동시키기 위한 모터(도시되지 않음), 및 시료실 16 내를 소정의 감압 분위기로 유지하기 위한 진공 배기 펌프(도시되지 않음)가 각각 접속되어 있다.
전자총 1로부터 조사된 전자 빔 9를 집광 렌즈 2, 빔 블랭크부 11의 개구부 11b, 편향 코일 3, 대물 렌즈 4를 통해서, XY 스테이지 5 위의 시료 7에 조사하도록 되어 있다.
전자 빔 9가 조사되어 시료 7로부터 나온 이차 전자 또는 반사 전자의 양은, 신틸레이터(scintillator) 등으로 구성되는 전자 검출기 8에 의해서 검출되고, 신호 처리부 30에서 그 검출량이 AD 변환기에 의해 디지털 양으로 변환되며, 또한 휘도 신호로 변환되어 표시부 40에서 표시된다. 편향 코일 3의 전자 편향량과 표시부 40의 화상 스캔량은 제어부 20에 의해서 제어된다.
측정 대상 영역 설정부 50은, 시료 7에 형성되는 패턴 중 전자 빔 9를 조사할 범위를 지정한다. 지정된 영역은, 위치 좌표 데이터로서 제어부 20의 측정 대상 영역 위치 정보 저장부 20a에 저장된다.
제어부 20은 마이크로컴퓨터로 구성되고, 측정을 실행하기 위한 프로그램이 저장되어 있다. 또, 제어부 20은 전자 빔 9의 가속 전압을 결정하고, 전기적으로 접속되어 있는 전자총 1에 대해 가속 전압을 인가한다.
상기와 같이 구성된 주사형 전자 현미경 100에서, 시료 지지부 6에 의해 XY 스테이지 5 위에 올려진 시료 7의 관찰 또는 측정을 할 때는, 측정 대상 영역 위치 정보 저장부 20a로부터 전자 빔을 조사할 영역의 위치 정보를 추출하여, 지정된 조사 범위에만 전자 빔을 조사하도록 빔 블랭크부 11의 전극 11c 및 편향부 3을 제어한다.
(패턴의 고정확도 측정)
이하, 본 실시 형태에 의한 주사형 전자 현미경 100을 이용한 패턴의 고정확도 측정에 관하여 설명한다.
상기한 바와 같이, 라인 패턴이 고립되어 있을 때와, 라인 패턴이 밀집해 있을 때는, 전자 빔을 조사했을 때 시료 표면의 전위 분포가 서로 다르다. 이 때문에, 패턴의 굵기에 따라서도 전자 빔을 조사했을 때의 표면 전위 분포가 다르다.
굵은 패턴은 가는 패턴에 비해서 패턴 표면의 전위가 높아진다는 것이 발명자들에 의해서 확인되었다. 도 2는 패턴의 치수와 측정 에러의 관계를 도시하는 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 패턴이 굵어질수록 측정 에러가 커짐을 알 수 있다.
본 실시 형태에서는, 패턴의 굵기, 더 나아가서는 패턴의 형상에 관계없이 측정 부분의 패턴 표면의 전위 분포를 일정하게 하기 위해, 전자 빔의 조사 범위 및 조사 전자빔의 양에 주목하였다.
패턴의 표면 전위 분포를 일정하게 하기 위한 기본적인 아이디어는, 패턴의 측정 대상 영역에만 전자 빔을 조사하여 그 영역의 SEM 화상을 취득하는 것이다.
이하, (1) 라인 패턴의 폭을 측정하는 경우, (2) 홀 패턴을 측정하는 경우, 및 (3) 라인 패턴의 폭과 피치를 동시에 측정하는 경우를 예로 들어 설명한다.
(1) 라인 패턴의 폭을 측정하는 경우
이 경우, 측정 대상 영역으로서는 라인 패턴의 마주 보는 에지를 각각 포함하는 한 쌍의 영역을 지정한다.
도 3(A)는, 라인 패턴 L1, L2의 SEM 화상을 도시한다. 여기서는, 라인 패턴 L2의 선폭을 측정하는 것으로 한다.
라인 패턴 L2의 좌측의 에지 부분이 관측가능한 크기의 박스 B1으로 측정 대상 영역을 지정한다. 또, 라인 패턴 L2의 우측의 에지 부분이 관측가능한 크기의 박스 B2로 측정 대상 영역을 지정한다. 이러한 박스 B1과 B2는 면적이 같아지도록 지정하는 것이 바람직하다.
도 3(A)는 라인 패턴 L2에 대해서 같은 면적의 박스 B1과 B2가 지정된 모습을 도시한다. 박스 B1과 B2의 면적이 같은 경우에는, 각각의 영역에서의 표면 전위의 전위 분포가 같아진다. 따라서, 조사 전자 빔의 궤도가 패턴의 표면 전위의 영향을 받아서 휘어지더라도, 박스 B1과 B2로 지정한 영역에서는 동등한 궤도로 조사되게 된다. 따라서, 조사 범위가 크게 달라지지 않고, 동등한 배율로 측정가능하게 된다.
도 3(B)는 박스 B1, B2로 지정한 측정 대상 영역 내에 전자 빔을 조사해서 얻어지는 화상 S1, S2를 도시한다.
한편, 도 3(C)에 도시된 같이, 박스 B3와 B4의 면적이 다른 경우에는, 각 영역의 표면 전위의 분포가 다르다. 도 3(C)의 경우 면적이 넓은 박스 B4로 지정된 영역의 표면 전위가 강전위가 되고, 전자 빔의 궤도는 강한 영향을 받는다. 이 때문에, 박스 B3와 B4에서는 조사 범위가 달라지고, 배율이 다른 SEM 화상이 취득되게 된다. 도 3(D)에 도시된 바와 같이, 화상 S4로부터 얻어지는 에지 위치는 화상 S2로부터 얻어지는 에지 위치와 다르고, 라인 패턴 L2의 폭이 실제의 폭과는 달라지는 결과가 생긴다.
또, 박스 B1과 B2는 각각 에지를 관측할 수 있는 크기로 설정되는데, 면적을 가능한 작게 함으로써 측정 영역 이외로부터의 불필요한 이차 전자를 발생시킴이 없이, 보다 정확한 측정을 행할 수 있다.
라인 패턴의 피치를 측정하는 경우도 라인 패턴의 폭을 측정하는 경우와 마찬가지로 측정 대상이 되는 한 쌍의 영역을 지정한다.
도 4를 참조해서 라인 패턴의 피치를 측정하는 경우에 관하여 설명한다. 피치를 측정하는 대상으로서 라인 L3와 L5를 선택한다. 라인 L3의 좌측 에지 부분이 관측가능한 크기의 박스 B5로 지정한다. 또 라인 L5에 대해서도 마찬가지로 좌측의 에지 부분이 관측가능한 크기의 박스 B6로 그 영역을 지정한다. 이때, 박스 B5와 박스 B6의 면적이 서로 같아지도록 지정하는 것이 바람직하다.
도 4(A)는 라인 L3과 라인 L5에 대해서 같은 면적의 박스 B5와 박스 B6가 지정된 모습을 도시한다. 도 4(A)와 같이 박스 B5와 박스 B6의 면적이 같은 경우, 각각의 영역의 표면 전위 분포가 같아지기 때문에 조사 전자 빔의 궤도가 표면 전위에 의해서 휘어지더라도 박스 B5와 박스 B6로 지정된 영역에서는 동일한 궤도를 취하게 된다.
도 4(B)는 박스 B5, B6로 지정된 측정 대상 영역 내에 전자 빔을 조사해서 얻어지는 화상 S5, S6를 도시한다.
한편, 도 4(C)에 도시된 바와 같이 박스 B7과 박스 B8의 면적이 다른 경우에는, 각각의 영역의 표면 전위 분포가 달라진다. 도 4(C)의 경우, 면적이 넓은 박스 B8으로 지정된 영역의 표면 전위가 강전위가 되고, 전자 빔의 궤도가 크게 영향을 받는다. 이 때문에, 도 4(D)에 도시된 바와 같이 실제 위치와는 다른 위치의 SEM 화상 S8이 취득되게 된다. 따라서, 라인 L3, L5 사이의 피치도 실제의 피치와는 달라지는 결과가 된다.
(2) 홀 패턴을 측정하는 경우
이 경우, 측정 대상 영역으로서는 홀 패턴의 마주 보는 에지를 각각 포함하는 두 쌍의 영역을 지정한다.
도 5의 홀 패턴 H1을 대상으로 한다. 홀 패턴 H1의 좌측의 에지 부분이 관측가능한 크기의 박스 B9으로 측정 대상 영역을 지정한다. 또, 홀 패턴 H1의 우측의 에지 부분이 관측가능한 크기의 박스 B10으로 측정 대상 영역을 지정한다. 또한, 홀 패턴 H1의 상측 에지 부분이 관측가능한 크기의 박스 B11으로 측정 대상 영역을 지정하고, 하측 에지 부분이 관측가능한 크기의 박스 B12로 측정 대상 영역을 지정한다. 이들 박스 B9 내지 B12는 면적이 같아지도록 지정한다.
도 5(A)는 홀 패턴 H1에 대해서 박스 B9 내지 B12가 지정된 모습을 도시한 도면이다. 도 5(A)에 도시된 바와 같이, 박스 B9 내지 B12의 면적이 같은 경우, 각각의 영역에서의 표면 전위의 전위 분포가 같아지게 된다. 따라서, 조사 전자 빔의 궤도가 패턴의 표면 전위의 영향을 받아 휘어지는 경우에도 박스 B9 내지 B12로 지정된 영역에서는 같은 궤도로 조사된다. 이에 따라, 박스 B9 내지 B12로 지정된 영역에는 같은 빔 량으로 전자 빔이 조사되고, 도 5(B)에 도시된 바와 같은 동일한 배율의 SEM 화상 S9을 취득하는 것이 가능하게 된다.
(3) 라인 패턴의 폭과 피치를 동시에 측정하는 경우
이 경우는, 측정 대상 영역으로서 라인 패턴의 마주 보는 에지를 각각 포함하는 한 쌍의 영역, 및 피치를 측정하는 대상이 되는 각각의 라인 패턴의 에지를 포함하는 한 쌍의 영역을 지정한다.
도 6(A)의 라인 패턴 L7을, 라인 패턴의 폭의 측정 대상으로 한다. 또, 도 6(A)의 라인 패턴 L6, L8을 피치 측정의 대상으로 한다.
라인 패턴 L7의 좌측 에지 부분이 관측가능한 크기의 박스 B15으로 측정 대상 영역을 지정한다. 또 라인 패턴 L7의 우측 에지 부분이 관측가능한 크기의 박스 B16으로 측정 대상 영역을 지정한다. 이들 박스 B15와 B16은 면적이 같도록 지정한다.
또, 라인 패턴 L6의 좌측 에지 부분이 관측가능한 크기의 박스 B13으로 측정 대상 영역을 지정한다. 또, 라인 패턴 L8의 좌측 에지 부분이 관측가능한 크기의 박스 B14으로 측정 대상 영역을 지정한다. 이들 박스 B13과 B14은 면적이 같도록 지정한다.
이와 같이, 측정 대상이 되는 한 쌍의 영역의 면적이 같아지도록 함으로써, 일차 전자가 표면 전위에 의해 받는 영향을 동일하게 할 수 있기 때문에, 도 6(B)에 도시된 것과 같은 지정 범위의 SEM 화상 S10 내지 S13을 취득하고, 높은 정확도로 측정을 실시하는 것이 가능하다.
또, 측정 대상이 되는 한 쌍의 영역의 면적이 같아지는 것이 좋기 때문에, 박스 B13 내지 B16은 모두 면적이 같아지도록 지정해도 좋다.
상기 (1) 내지 (3)에 있어서, 측정 대상 영역의 지정은 측정 대상 영역 설정부 50에서 지정한다. 이 지정은, 패턴의 설계 정보가 누적되어 있는 CAD 데이터를 기초로 CAD 시스템을 이용해서 지정하도록 해도 좋다. 또, 시료의 SEM 화상을 취득하고, SEM 화상으로부터 측정 대상 영역을 설정하도록 해도 좋다. 어느 경우라도 측정 대상 영역은 크기가 가변인 프레임(박스)으로 지정된다.
측정 대상 영역이 지정되면, 그 좌표 데이터가 제어부 20의 측정 대상 영역 위치 정보 저장부(기억부) 20a에 저장된다.
측정시에, 제어부 20은 기억부 20a에 저장된 측정 대상 영역의 정보를 추출하고, 전자 빔을 지정된 측정 대상 영역에만 조사하면서 주사하고, 그 부분의 SEM 화상을 취득한다. 이 때의 전자 빔의 주사는 벡터 스캔(vector scan)이라도 좋고, 래스터 스캔(raster scan)이라도 좋다.
벡터 스캔의 경우는 기억부 20a에 저장된 측정 대상 영역 위치 정보를 참조하고, 측정 대상 영역의 좌표 위치로 조사 위치를 이동시키고나서 측정 대상 영역 내에 전자 빔을 조사해서 이 부분의 SEM 화상을 취득한다. 측정 대상 영역으로 이동시킬 때는, 빔 블랭크부 11에서 빔 블랭크를 온(on)으로 해서 전자 빔을 빔 제어판 11a에 맞도록 한다.
래스터 스캔의 경우는, 측정 대상 영역으로 조사 위치가 편향된 때에 시료 상에 전자 빔이 조사되도록 한다. 지정된 측정 대상 영역에만 전자 빔을 조사하기 위해 전자 빔의 주사와 동기해서 전자 빔의 온 오프 제어를 행한다.
이하, 도 7 및 도 8을 참조해서, 래스터 스캔의 경우의 전자 빔 조사 제어에 관하여 설명한다.
전자 빔의 온 오프 제어는 지정된 측정 대상 영역을 나타내는 좌표 데이터를 기초로 작성되는 온 오프 제어 테이블을 참조하여 행한다. 도 7은 온 오프 제어 테이블의 일 예를 설명하는 도면이다.
도 7(A)는 라인 패턴 L9, L10의 SEM 화상 위에 측정 대상 영역을 박스 B17, B18으로 설정한 모습을 도시한다. 박스 B17의 꼭지점 P1 내지 P4의 위치 좌표는, 각각 (x1, y1), (x2, y1), (x1, y2), (x2, y2)이다. 또, 박스 B18의 꼭지점 P5 내지 P8의 위치 좌표는, 각각 (x3, y1), (x4, y1), (x3, y2), (x4, y2)이다. 이 위치 좌표에 대응하여 온 오프 제어 테이블이 생성된다.
도 7(B)는 온 오프 제어 테이블의 일 예를 도시한다. 도 7(B)의 온 오프 제어 테이블에서는 x 방향에 있어서 전자 빔이 x1으로 편향된 시점에서 빔 블랭크부 11을 오프(off)로 하고, x2로 편향된 시점에서 빔 블랭크부 11을 온으로 한다. 즉, x1부터 x2 사이는 빔 블랭크부 11의 정전 전극 11c에 인가하는 전압을 오프로 해서 전자 빔 9가 개구 11b를 통과하게 한다. 전자 빔의 x 방향의 위치 좌표 x3부터 x4 사이도 마찬가지이다.
또, 전자 빔의 x 방향의 위치 좌표가 x2부터 x3 사이인 때는 전자 빔 9를 시료 7 상에 조사하지 않도록 한다. 즉, 이 사이는 빔 블랭크 11의 정전 전극 11c에 전압을 인가하고 전자 빔 9가 빔 제어판 11a에 맞도록 한다.
한편, y 방향에 있어서는, 전자 빔이 y1으로 편향된 시점에서 빔 블랭크부 11을 오프로 하고 y2로 편향된 시점에서 빔 블랭크부 11을 온으로 한다.
다음으로 빔 블랭크부 11의 동작에 관하여 도 8을 참조로 설명한다. 도 8(A)는 도 7(A)와 같은 SEM 화상으로 하고, 도 8(A)의 파선 LSA의 범위를 래스터 스캔하는 것으로 한다.
빔 블랭크부 11은 스캔 신호에 동기하여 전자 빔 9의 온 오프를 제어한다. 도 8(B)에 편향부 3의 정전 전극에 인가하는 x 방향 및 y 방향의 스캔 신호를 도시한다. x 방향으로는 도 8(B)에 도시된 것과 같은 톱니파 신호가 인가된다.
전자 빔을 온 오프하는 타이밍은, 온 오프 제어 테이블로부터 취득하는 측정 대상 영역의 위치 좌표를 참조하여 결정된다. 예를 들면, x 방향에 있어서 x1부터 x2 사이는 전자 빔을 시료 상에 조사하기 위해 빔 블랭크부 11은 오프로 하고 전자 빔이 빔 블랭크부 11의 개구부 11b를 통과하게 한다. x2부터 x3까지는 시료 상에 전자 빔을 조사하지 않도록 한다. 이 때는 빔 블랭크부 11을 온으로 해서 전자 빔을 빔 제어판 11a에 맞도록 편향시킨다.
y 방향으로는 도 8(B)에 도시된 것과 같은 톱니파 신호가 인가된다. 온 오 프 제어 테이블로부터 전자 빔을 온 오프할 좌표를 취득하고, y1부터 y2 사이는 빔 블랭크부 11을 오프로 해서 전자 빔을 시료 상에 조사한다.
또한, 래스터 스캔을 채용하는 경우, 시료 상의 시야 범위 전체를 주사하는 것이 아니라, 도 8(A)의 파선 LSA로 도시한 바와 같이, 측정 대상 영역을 포함하는 최소 면적을 주사 범위로 해도 좋다. 이에 의해 범위 전체를 주사하는 경우에 비해 처리량이 큰 폭으로 향상된다.
또, 측정 대상 영역은 작동자에 의해서 지정되는데, 라인 패턴의 폭 등의 측정에 있어서 한 쌍의 측정 대상 영역을 지정하는 경우, 한쪽 에지에 대한 측정 대상 영역을 지정한 때에 자동적으로 다른 쪽 에지에 대한 측정 대상 영역이 지정되도록 해도 좋다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태의 측정 기능을 갖는 주사형 전자 현미경에서는, 측정에 필요한 부분을 지정하고 그 부분에 전자 빔을 조사해서 SEM 화상을 취득한다. 또, 측정에 필요한 지정 범위는, 예컨대 라인 패턴의 경우, 마주 보는 에지가 각각 포함되는 한 쌍의 영역이고, 각 영역의 면적이 같아지도록 지정한다.
이와 같이, 면적이 같은 한 쌍의 측정에 필요한 부분에만 전자 빔을 조사함으로써, 조사되는 빔의 양을 동일하게 할 수 있다. 따라서, 지정 범위 이외의 다른 부분이 조사됨으로 의한 시료 표면의 전위의 상승 없이, 패턴의 형상에 영향을 받지 않으면서 정확도가 높은 측정을 행하는 것이 가능하다.
또, 벡터 스캔을 이용하는 경우는, 측정에 필요한 부분으로 이동하여 전자 빔을 조사하기 때문에, 래스터 스캔보다도 큰 폭으로 측정 시간이 단축된다. 또, 래스터 스캔을 이용하는 경우에도 측정 대상 영역의 좌표로부터 측정 대상 영역을 포함하는 범위를 산출하고 그 범위에 대해서 래스터 스캔을 행함으로써, 시료 전체를 스캔하는 것보다 측정 시간을 큰 폭으로 단축하는 것이 가능하다.
(주사형 전자 현미경을 이용한 시료 치수 측정 방법)
다음으로, 도 9를 참조해서 측정 기능을 갖는 주사형 전자 현미경을 이용한 시료 치수 측정 방법에 관하여 설명한다. 또, 본 실시 형태에서, 측정 대상 영역은 측정 대상 영역 설정부 50을 통해 설정되고, 그 위치 정보가 기억부 20a에 저장되어 있는 것으로 한다. 또, 측정 대상 영역으로서 한 쌍의 영역을 지정하는 경우에는, 각각의 면적이 같도록 설정되어 있는 것으로 한다.
우선 단계 S11에서는, 초기 설정을 행한다. 초기 설정에서는, 전자 빔을 스캔하는 방법(래스터 스캔인지 벡터 스캔인지)을 결정한다. 래스터 스캔의 경우에는 측정 대상 영역을 포함하는 최적의 주사 범위를 결정한다.
다음 단계 S12에서는, 기억부 20a로부터 측정 대상 영역의 위치 정보를 추출한다.
다음 단계 S13에서는, 측정 대상 영역에 전자 빔을 조사한다. 스캔 방법이 래스터 스캔인 경우에는, 측정 대상 영역에서는 빔 블랭크를 오프로 해서 시료 상에 전자 빔을 조사하고, 측정 대상 영역 이외의 영역에서는 빔 블랭크를 온으로 해서 전자 빔을 차단한다. 또, 스캔 방법이 벡터 스캔인 경우에는 측정 대상 영역으로 직접 전자 빔 조사 위치를 이동시키고 측정 대상 영역 내에 전자 빔을 조사한 다.
다음 단계 S14에서는, 측정 대상 영역의 SEM 화상을 취득한다.
다음 단계 S15에서는, 단계 S14에서 취득한 SEM 화상을 기초로 패턴의 에지를 추출하고 패턴의 치수를 산출한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태의 주사형 전자 현미경을 이용한 측정 방법에서는, 미리 지정된 측정 대상 영역에만 전자 빔을 조사해서 그 부분의 SEM 화상을 취득한다. 이 때문에, 측정 대상 영역 이외에는 전자 빔이 조사되지 않고, 측정 대상 영역 이외로부터 2차 전자가 발생하지 아니하며, 전자 빔이 영향을 받지 않게 된다.
또한, 라인 패턴의 선폭 측정과 같은 경우에는, 라인의 양측의 에지를 각각 포함하는 한 쌍의 측정 대상 영역이 설정되는데, 이 한 쌍의 측정 대상 영역의 면적이 같아지도록 설정한다. 이에 의해, 측정 대상 영역 상의 전위 분포가 서로 같아지고, 각각의 영역을 조사하는 전자 빔의 궤도가 서로 같아지게 된다. 따라서, 전자 빔의 궤도가 변동함에 의한 측정 오차의 발생을 방지하는 것이 가능하다.
또, 본 실시 형태에서는, 측정시에 한 쌍의 직사각형의 측정 대상 영역을 이용한 구체적인 예에 관하여 설명했지만, 2개 이상의 복수의 측정 대상 영역에 적용해도 좋고, 곡선 등의 윤곽의 측정에 적용해도 좋다.
또, 측정을 실시하기 전에, 원하는 영역으로 전자 빔을 조사해서 변동이 없는 일정한 차지업 상태가 되도록 해도 좋다. 이에 의해, 더욱 정확한 측정을 행할 수 있다.
또, 도 9의 단계 S12에서는, 기억부 20a로부터 측정 대상 영역의 위치 정보를 추출했지만, 측정 대상으로 하는 라인 패턴의 특정에 즈음해서 사전 검색(pre-search)을 행하도록 해도 좋다. 즉, 우선, 측정 대상이 되는 라인 패턴을 포함하는 측정 대상 영역의 개략적인 위치 정보를 기억부 20a로부터 추출하거나 또는 작동자에 의한 지시를 받은 후, 개략적인 위치 정보에 대응하는 개략적인 SEM 화상을 취득한다. 이 SEM 화상을 기초로 측정 대상으로 하는 목적의 라인 패턴을 특정한다. 그 후, 라인 패턴을 포함하는 원하는 영역으로 전자 빔을 조사해서 일정한 차지업 상태로 하고, 특정된 목적의 라인 패턴에 대한 필요 최소한의 측정 대상 영역에 대해서 전자 빔을 조사하고 측정을 행한다. 이 경우에는 측정 대상 영역의 위치 정보가 패턴의 측정에 필요한 최소한의 영역이 아니라 개략적인 위치 정보이더라도, 목적으로 하는 라인 패턴의 폭을 높은 정확도로 측정하는 것이 가능하다.
또, 도 9의 단계 S13에서, 전자 검출기 8의 노이즈 제거 등을 위해, 복수회의 측정을 실행하여 얻어진 측정 결과의 데이터를 평균화 처리하는 경우에도, 측정 대상 영역에만 조사함으로써 안정된 측정 정확도가 얻어진다. 또, 매회의 측정을 실시할 때마다, 그렇지 않으면 원하는 회수마다, 원하는 영역으로 전자 빔을 조사하여 안정된 차지업 상태를 유지하도록 해도 좋다.

Claims (8)

  1. 측정 기능을 구비한 주사형 전자 현미경에 있어서,
    전자 빔을 방출하는 전자총과,
    시료 상에 형성된 패턴의 측정 영역을 지정하는 측정 대상 영역 설정부와,
    상기 지정된 측정 영역을 기록하는 기억부와,
    상기 측정 영역에 따라 상기 전자 빔의 조사를 제어하는 빔 블랭크부와,
    상기 기억부로부터 상기 지정된 측정 영역을 추출하고, 당해 측정 영역 이외의 영역에서는 상기 전자 빔을 상기 빔 블랭크부로 차단하고, 당해 측정 영역에서는 상기 빔 블랭크부를 통과시킨 상기 전자 빔을 상기 시료 상에 조사하여 당해 측정 영역의 화상을 취득하고 상기 패턴의 측정을 행하는 제어부를 포함하되,
    상기 측정 영역은 한 쌍의 측정 영역으로서, 당해 측정 영역의 각각은 서로 면적이 동일한,
    측정 기능을 구비한 주사형 전자 현미경.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 빔 블랭크부는, 정전 전극과, 개구부를 포함하는 빔 제어판을 포함하고,
    상기 제어부는 상기 전자 빔을 주사하고, 상기 측정 영역에서는 상기 정전 전극에 전압을 인가하지 아니함으로써 상기 전자 빔이 상기 개구부를 통과하게 하여 상기 시료 상에 전자 빔을 조사하며, 상기 측정 영역 이외의 영역에서는 상기 정전 전극에 전압을 인가함으로써 상기 전자 빔을 상기 빔 제어판에 조사하게 하여 차단하는, 측정 기능을 구비한 주사형 전자 현미경.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 빔 블랭크부는, 정전 전극과, 개구부를 포함하는 빔 제어판을 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 기억부에 저장된 상기 측정 영역을 나타내는 좌표 데이터를 참조해서, 상기 정전 전극에 전압을 인가하여 상기 전자 빔을 차단한 상태로 상기 측정 영역으로 조사 위치를 편향시킨 후, 상기 정전 전극에 인가한 전압을 오프로 하고 상기 측정 영역 내에만 상기 전자 빔을 조사하는, 측정 기능을 구비한 주사형 전자 현미경.
  5. 전자 빔을 방출하는 전자총과, 시료 상에 형성된 패턴의 측정 영역을 지정하는 측정 대상 영역 설정부와, 상기 지정된 측정 영역을 기록하는 기억부와, 상기 측정 영역에 따라 상기 전자 빔의 조사를 제어하는 빔 블랭크부를 포함하는 주사형 전자 현미경을 이용한 시료 치수 측정 방법에 있어서,
    상기 기억부로부터 측정 영역을 추출하는 단계와,
    상기 측정 영역에만 전자 빔을 조사하는 단계와,
    상기 측정 영역의 화상을 취득하는 단계와,
    상기 화상을 기초로 패턴의 에지를 추출하여 상기 패턴의 치수를 측정하는 단계를 포함하되,
    상기 측정 영역은 한 쌍의 측정 영역으로서, 당해 측정 영역의 각각은 서로 면적이 동일한,
    주사형 전자 현미경을 이용한 시료 치수 측정 방법.
  6. 삭제
  7. 제5항에 있어서,
    상기 측정 영역에만 전자 빔을 조사하는 단계는,
    상기 측정 영역을 포함하는 최소 영역을 설정하는 단계와,
    상기 측정 영역인 때에는 상기 빔 블랭크부의 정전 전극에 인가하는 전압을 오프로 해서 상기 시료 상에 전자 빔을 조사하고, 상기 측정 영역 이외의 영역인 때에는 상기 빔 블랭크부의 정전 전극에 인가하는 전압을 온으로 해서 상기 전자 빔을 차단하는 단계를 포함하는, 주사형 전자 현미경을 이용한 시료 치수 측정 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 측정 영역에만 전자 빔을 조사하는 단계는,
    상기 기억부에 저장된 상기 측정 영역을 나타내는 좌표 데이터를 참조해서, 상기 빔 블랭크부의 정전 전극에 전압을 인가하여 상기 전자 빔을 차단한 상태로 상기 측정 영역으로 조사 위치를 편향시키는 단계와,
    상기 정전 전극에 인가하는 전압을 오프로 해서 상기 측정 영역 내에만 상기 전자 빔을 조사하는 단계를 포함하는, 주사형 전자 현미경을 이용한 시료 치수 측정 방법.
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