パターン測定装置およびパターン測定方法
【課題】低コストでかつ高精度にパターンの断面形状を測定する装置および測定方法を提供する。
【解決手段】実施の一形態のパターン測定装置は、荷電粒子線照射手段と、検出手段と、信号処理手段と、輪郭検出手段と、演算手段と、測定手段とを持つ。前記荷電粒子線照射手段は、荷電粒子線を生成し、前記荷電粒子線を、パターンが形成された試料に、設定された複数回数照射する。前記検出手段は、前記荷電粒子線の照射により前記試料から発生する荷電粒子を検出する。前記信号処理手段は、前記検出手段からの検出信号を処理して前記試料表面の粒子線像を生成する。前記輪郭検出手段は、前記粒子線像から前記パターンの輪郭位置を検出する。前記演算手段は、各照射回の間でのパターン輪郭位置のズレ量を算出する。前記測定手段は、予め準備された、ズレ量とパターンの裾引き量との関係に関するテーブルを参照することにより、前記算出されたズレ量から前記パターンの裾引き量を算出する。
【解決手段】実施の一形態のパターン測定装置は、荷電粒子線照射手段と、検出手段と、信号処理手段と、輪郭検出手段と、演算手段と、測定手段とを持つ。前記荷電粒子線照射手段は、荷電粒子線を生成し、前記荷電粒子線を、パターンが形成された試料に、設定された複数回数照射する。前記検出手段は、前記荷電粒子線の照射により前記試料から発生する荷電粒子を検出する。前記信号処理手段は、前記検出手段からの検出信号を処理して前記試料表面の粒子線像を生成する。前記輪郭検出手段は、前記粒子線像から前記パターンの輪郭位置を検出する。前記演算手段は、各照射回の間でのパターン輪郭位置のズレ量を算出する。前記測定手段は、予め準備された、ズレ量とパターンの裾引き量との関係に関するテーブルを参照することにより、前記算出されたズレ量から前記パターンの裾引き量を算出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、パターン測定装置およびパターン測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの性能を安定化させ、製造歩留りを向上させるためには、パターンの断面形状を測定し、得られた測定結果に応じてプロセスを管理することが重要な工程となっている。
【０００３】
デバイスパターンは、例えばレジストパターンを露光機にて生成した後、該レジストパターンをマスクとしたエッチング処理などにより、下層パターンを転写加工する工程を繰り返し行うことで形成される。転写加工工程の前に、レジストパターンの線幅寸法や膜厚などの断面形状情報を取得し、それらの断面形状情報を用いてエッチング条件を決定することで、安定したデバイスパターン形状を生成している。
【０００４】
しかし、近年のパターン寸法の微細化により、レジストパターンの線幅寸法や膜厚だけでなく側面のプロファイルなどのより多くの断面形状情報が必要となってきており、測定コストを抑えてスループットを高めるために、非破壊で高精度のパターン測定技術が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１５６４３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、低コストでかつ高精度にパターンの断面形状を測定するパターン測定装置およびパターン測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施の一形態のパターン測定装置は、荷電粒子線照射手段と、検出手段と、信号処理手段と、輪郭検出手段と、演算手段と、測定手段とを持つ。前記荷電粒子線照射手段は、荷電粒子線を生成し、前記荷電粒子線を、パターンが形成された試料に、設定された複数回数照射する。前記検出手段は、前記荷電粒子線の照射により前記試料から発生する荷電粒子を検出する。前記信号処理手段は、前記検出手段からの検出信号を処理して前記試料表面の粒子線像を生成する。前記輪郭検出手段は、前記粒子線像から前記パターンの輪郭位置を検出する。前記演算手段は、各照射回の間でのパターン輪郭位置のズレ量を算出する。前記測定手段は、予め準備された、ズレ量とパターンの裾引き量との関係に関するテーブルを参照することにより、前記算出されたズレ量から前記パターンの裾引き量を算出する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施形態１のパターン測定装置の概略構造を示すブロック図。
【図２】実施形態１のパターン測定方法が依拠する測定原理の説明図。
【図３】実施形態１のパターン測定方法が依拠する測定原理の説明図。
【図４】実施形態１のパターン測定方法の説明図。
【図５】実施形態１のパターン測定方法による測定結果の説明図。
【図６】実施形態１のパターン測定方法の概略手順を示すフローチャート。
【図７】実施形態２のパターン測定方法の説明図。
【図８】実施形態２のパターン測定方法の概略手順を示すフローチャート。
【図９】実施形態３のパターン測定方法の説明図。
【図１０】実施形態３のパターン測定方法の概略手順を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、実施形態のいくつかについて図面を参照しながら説明する。図面において、同一の部分には同一の参照符号を付してその重複説明は省略する。
【００１０】
（１）パターン測定装置
図１は、実施形態１のパターン測定装置の概略構造を示すブロック図である。図１に示すパターン測定装置は、走査型電子顕微鏡１２と、制御コンピュータ１３と、スキャン制御回路１９と、アクチュエータ制御回路２４と、モニタ１４と、記録装置ＭＲ２，ＭＲ４とを備える。
【００１１】
走査型電子顕微鏡１２は、鏡筒１５と試料室２２とを含み、鏡筒１５には電子銃１６と、コンデンサレンズ１７と、偏向器１８と、対物レンズ２１と、検出器２０が設けられ、また、試料室２２内には、検査対象パターンが形成された試料であるウェーハ１１を支持するステージ１０とアクチュエータ２３が設けられる。
【００１２】
制御コンピュータ１３は、電子銃１６、スキャン制御回路１９、検出器２０およびアクチュエータ制御回路２４に接続される。スキャン制御回路１９は鏡筒内の偏向器１８に接続され、アクチュエータ制御回路２４は試料室２２内のアクチュエータ２３に接続される。コンピュータ１３はまた、モニタ１４およびメモリＭＲ２，４にも接続される。
【００１３】
制御コンピュータ１３から与えられる制御信号に従って電子銃１６から放出された電子ビーム１は、コンデンサレンズ１７により集光された後に対物レンズ２１により焦点位置が調整されてウェーハ１１に照射される。スキャン制御回路１９は、コンピュータ１３の指示に従って制御信号を生成し、偏向器１８は、スキャン制御回路１９から供給される制御信号により偏向電界または偏向磁界を形成して電子ビーム１をＸ方向およびＹ方向に適宜偏向してウェーハ１１の表面を走査する。電子ビーム１は、本実施形態において例えば荷電粒子線に対応する。
【００１４】
本実施形態において、制御コンピュータ１３、電子銃１６、コンデンサレンズ１７、偏向器１８、対物レンズ２１およびスキャン制御回路１９は、例えば荷電粒子線照射手段に対応する。
電子ビーム１の照射によりウェーハ１１の表面から二次電子、反射電子および後方散乱電子（以下、単に「二次電子等」という）３が発生し、検出器２０により検出されて検出信号がコンピュータ１３に送られる。本実施形態において、検出器２０は例えば検出手段に対応する。
【００１５】
ステージ１０は、Ｘ方向およびＹ方向に移動可能であり、コンピュータ１３からの指示によりアクチュエータ制御回路２４が生成した制御信号に従ってアクチュエータ２３がステージ１０を移動する。
メモリＭＲ２は測定に必要な様々なデータ、例えば電子ビーム照射による測定対象パターンの裾引き部分の変形量の大小を判定するための閾値ΔＥＴＨ、ΔＦＴＨなどを格納する。これらの閾値については後に具体的に説明する。メモリＭＲ４は、後述するパターン検査方法の手順が記述されたレシピファイルを格納し、このレシピファイルをコンピュータ１３が読み取ってパターン測定を実行する。
【００１６】
コンピュータ１３は、信号処理部３１と輪郭検出部３３と演算部３５と測定部３７とを含む。
信号処理部３１は、検出器２０から送られた検出信号を処理して試料表面のパターンの画像（ＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）画像）を形成し、輪郭検出部３３に送る。輪郭検出部３３は、送られたＳＥＭ画像から測定対象パターンの輪郭位置を検出し、メモリＭＲ２に記憶させる。後述する通り、パターンの輪郭は複数回の電子ビーム照射によりズレを生ずる。演算部３５は、ＭＲメモリ２から照射回数毎の輪郭位置の情報を取り出し、照射回数間のパターン輪郭位置のズレ量を算出し、算出結果を測定部３７に送る。
【００１７】
測定部３７は、送られたズレ量に対し、メモリＭＲ２に予め格納された、ズレ量とパターンの裾引き量と関係に関するテーブルを参照することにより、計測対象パターンの裾引き量を算出し、算出結果をモニタ１４により表示させる。本実施形態において、信号処理部３１は例えば信号処理手段に対応し、輪郭検出部３３は例えば輪郭検出手段に対応し、演算部３５は例えば演算手段に対応し、また、測定部３７は例えば測定手段に対応する。
【００１８】
次に、図１に示すパターン測定装置の動作について、パターン測定方法の実施形態のいくつかとして図２乃至図１０を参照しながら説明する。
【００１９】
（２）パターン測定方法
（ａ）実施形態１
図２および図３は、本実施形態のパターン測定方法が依拠する測定原理を説明する図である。
図２（ａ）は、紙面下から、測定対象パターンであるレジストパターンの断面形状ＣＳ１、最初に電子ビームをレジストパターンに照射することによって取得したＳＥＭ画像Ｉｍ１、および二次電子等３の信号波形ＷＳ１を示している。測定対象パターンとしては、レジストパターンに限ることなく、例えばＬｏｗ−ｋ材と呼ばれる絶縁膜など、荷電ビームの照射により形状が変化する材料で形成されるパターン全般に適用可能である。
【００２０】
図２（ｂ）は、紙面下から、測定対象パターンであるレジストパターンに電子ビームを複数回照射した後の断面形状ＣＳ２、その時に取得したＳＥＭ画像Ｉｍ２、および２次電子信号波形ＳＷ２を示す。
【００２１】
図２（ａ）の例において、レジストパターンには裾引きが生じて裾引き部分ＦＰが設けられており、ＳＥＭ画像Ｉｍｇ１にはパターン側壁部からの強い二次電子等３の信号が検出された領域Ｒｓｗの外側に、裾引き部分ＦＰからの弱い二次電子等３の信号が検出された領域Ｒｆｐが示されている。そして、二次電子等３の信号波形ＳＷ１には裾引き部分ＦＴからの弱い信号波形が認められる（破線領域）。
【００２２】
二次電子等３の信号波形にみられる、裾引き部分ＦＰからの弱い二次電子等３の信号の特徴を捉えることにより裾引き量の定量化は可能ではあるが、複雑な断面形状を有するレジストパターンでは裾引き部分ＦＰによる信号波形変化であるのか、パターン部分Ｐ本来の、例えばウェーハ１１の頂面に垂直な方向に対して所定の側壁角を有する断面形状による信号波形変化であるのかを切り分ける方法が無い。そこで本実施形態では、レジストパターンに電子ビームを複数回照射する。これは、電子ビームを繰り返し照射するとレジストパターン全体が縮小するためパターンの線幅が細くなるが、裾引き部分ＦＰの形状はさらに大きく変化するために二次電子等３の信号波形に現れる裾引きの影響が小さくなることを狙ったものである。
【００２３】
図３にパターン部分Ｐと裾引き部分ＦＰとの電子ビーム照射に伴う形状変化の違いを示す。図３（ａ）に示すように、レジストパターンのパターン部分Ｐの寸法をＣＤＴＯＰ、裾引き部分ＦＰの寸法をＣＤＢＯＴＴＯＭとする。図３（ｂ）のグラフは、横軸に電子ビーム照射回数、縦軸に電子ビーム照射１回目の線幅からの変化量をそれぞれ取ってプロットしたものである。同図のグラフからはＣＤＴＯＰの線幅に比べてＣＤＢＯＴＴＯＭの線幅が大きく変化していることが分かる。これは裾引き部分ＦＰの形状変化量がパターン部分Ｐの形状変化量よりも大きいためである。
【００２４】
図３（ｂ）のグラフには、ＣＤＢＯＴＴＯＭとＣＤＴＯＰとの差分がさらにプロットされている。ＣＤＢＯＴＴＯＭ−ＣＤＴＯＰは、電子ビームの照射直後に急激に縮小するが、裾引き部分ＦＰの形状変化が収束すると、これに依存して安定する。このように、レジストパターンの裾引き部分ＦＰには電子ビーム照射により急激に形状変化を起こすという特徴がある。
【００２５】
このような特徴を利用して裾引き量を算出する方法について、図４を参照しながら説明する。
まず、オペレータがレジストパターンへの電子ビーム照射回数Ｎ（２以上の自然数）を設定する。このＮはレジスト種類や断面形状、ラフネスの程度などを考慮して最適な回数を設定する。予め設定された電子ビーム照射回数Ｎをレシピファイル中に記述しておいてもよい。また、毎回同一の照射時間でＮ回照射する場合に限らず、Ｎ＝３として第１回目の照射時間と第３回目の照射時間とを同一とし、第２回目について裾引き量が十分に変化する程度の長時間だけ照射することとしてもよい。これらの点は後述する実施形態２および３についても同様である。
【００２６】
次に、制御コンピュータ１３からの制御信号により、電子銃１６が電子ビーム１を生成し、測定対象であるレジストパターンを含むウェーハ１１上の領域に電子ビーム１を照射する。電子ビーム１の照射により、照射領域からは二次電子等３の信号が発生し、これを検出器２０が検出し、検出信号をコンピュータ１３の信号処理部３１に送る。信号処理部３１は、検出器２０からの検出信号を処理してＳＥＭ画像を生成し、メモリＭＲ２に記憶させる。この段階で信号処理部３１は、モニタ１４にＳＥＭ画像を表示させてもよい。
【００２７】
輪郭検出部３３は、メモリＭＲ２からＳＥＭ画像を読み出してパターンの裾引き部分ＦＰの外側の輪郭位置Ｅ１を検出してメモリＭＲ２に記憶させる。このような、レジストパターンＣＳ１と、その裾引き部分ＦＰの外側輪郭位置Ｅ１との一例を図４の上段の左側部分に示し、その二次電子等３の信号波形ＷＳ１の一例を同図上段の右側部分に示す。
【００２８】
裾引き部分ＦＰの外側輪郭位置Ｅ１を検出するためには、二次電子等３の信号波形の立ち上がり部分を検出する。検出方法としては、直線近似してベースラインとの工程を求める方法の他、信号波形の一次微分が正になる箇所を検出する方法や、信号波形の最大最小を算出して下側からある閾値の位置を算出する方法などが挙げられる。
【００２９】
１回目の電子ビーム照射からの輪郭位置検出が終わると、制御コンピュータ１３は、制御信号を生成して、電子銃１６に電子ビーム１を生成させ、ウェーハ１１上の同一領域に電子ビーム１を所定回数（Ｎ回）だけ照射させる。所定の照射回数（Ｎ回）が完了した後、上述した工程と同様の工程により、ＳＥＭ画像を取得してパターンの裾引き部分ＦＰＮにおける輪郭位置ＥＮを検出してメモリＭＲ２に記憶させる。Ｎ回照射後のレジストパターンＣＳＮと、その裾引き部分ＦＰの外側輪郭位置ＥＮとの一例を図４の下段の左側部分に示し、その二次電子等３の信号波形ＷＳＮの一例を同図下段の右側部分に示す。
【００３０】
演算部３５は、メモリＭＲ２から１回目の輪郭位置Ｅ１のデータとＮ回目の輪郭位置ＥＮのデータとを引き出し、両者の差分ΔＥ、すなわち、パターン中心Ｃから輪郭位置Ｅ１までの距離Ｄ（Ｅ１−Ｃ）と、パターン中心Ｃから輪郭位置ＥＮまでの距離Ｄ（ＥＮ−Ｃ）との差分ΔＥを算出する。このΔＥが所定の閾値ΔＥＴＨよりも大きい場合、電子ビーム照射による裾引き部分ＦＰの変形量が大きく、従って元のレジストパターンでの裾引きが大きいと判断される。逆にΔＥが閾値ΔＥＴＨよりも小さい場合は、裾引き部分ＦＰの変形量が小さいので、元のレジストパターンの裾引きが小さいと判断される。
【００３１】
図５は、実施形態１のパターン測定方法による測定結果の一例を説明する図である。図５（ａ）（１）および（ａ）（２）は、それぞれ、１回目の電子ビーム照射後とＮ回目の電子ビーム照射後のＳＥＭ画像Ｉｍｇ３，Ｉｍｇ４である。いずれの画像中においても中央のラインパターンがレジストの配線パターンを示す。ＳＥＭ画像Ｉｍｇ３，Ｉｍｇ４中の各円で示す領域を相互に対比すると、この例では、裾引きを表す薄いコントラストがＮ回の電子ビーム照射により消滅していることが分かる。ＳＥＭ画像Ｉｍｇ３，Ｉｍｇ４からレジストパターンの外側の輪郭を抽出した結果の一例が図５（ｂ）である。
【００３２】
図５（ｂ）において、線ＢＬは、１回目の電子ビーム照射後のＳＥＭ画像Ｉｍｇ３における中央のラインパターンの左側エッジに対応するデータであり、線ＢＲはＳＥＭ画像Ｉｍｇ３における中央のラインパターンの右側エッジに対応するデータである。
同様に、図５（ｂ）において、線ＡＬは、Ｎ回目の電子ビーム照射後のＳＥＭ画像Ｉｍｇ４における中央のラインパターンの左側エッジに対応するデータであり、線ＡＲはＳＥＭ画像Ｉｍｇ４における中央のラインパターンの右側エッジに対応するデータである。
そして、１回目の電子ビーム照射後のＳＥＭ画像Ｉｍｇ３とＮ回目の電子ビーム照射後のＳＥＭ画像Ｉｍｇ４との間で、対応するエッジ同士の輪郭位置の差分ΔＥをプロットした一例が図５（ｃ）である。同図からは、１回目の電子ビーム照射とＮ回目の電子ビーム照射後との間で輪郭位置の差分が大きい箇所と小さい箇所が分布しており、レジストパターンの長手方向に裾引き量が発生していることが分かる。図５（ｃ）のデータを用いれば、ラインパターン中の任意の箇所について裾引きの量を算出することが可能である。
【００３３】
図６のフローチャートを参照しながら、本実施形態のパターン測定方法の概略工程について説明する。
まず、電子ビーム１を測定対象パターンに照射する回数Ｎを設定する（ステップＳ１０）。
次に、ｉ＝１（ステップＳ２０）として測定対象パターンが形成された試料の領域に第１回目の電子ビーム照射を行い（ステップＳ３０）、試料表面から発生する二次電子等３を検出して第１回目の電子ビーム画像を取得し（ステップＳ４０）、さらに、レジストパターンの輪郭位置Ｅ１を検出する（ステップＳ５０）。
【００３４】
次に、照射回数ｉと設定値Ｎとを比較し（ステップＳ６０）、照射回数ｉが設定値Ｎに至らない場合は、ｉ＝ｉ＋１として（ステップＳ７０）、照射回数ｉが設定値Ｎに至るまで試料の測定対象パターンの領域に電子ビームを照射する（ステップＳ８０）。
【００３５】
そして、Ｎ回目の電子ビーム照射が終了すると（ステップＳ６０）、そのときの電子ビーム画像を取得し（ステップＳ９０）、さらに、レジストパターンの輪郭位置ＥＮを検出する（ステップＳ１００）。
【００３６】
次に、１回目の輪郭位置Ｅ１とＮ回目の輪郭位置ＥＮとの差分ΔＥを算出し、測定対象パターンの裾引き量として出力する（ステップＳ１１０）。
【００３７】
このように、本実施形態によれば、レジストパターンの断面形状を、側壁角と裾引き量とを分離して非破壊で測定することが可能となる。
【００３８】
（ｂ）実施形態２
前述した実施形態１において、算出されたΔＥには、裾引き部分ＦＰの変化量だけでなくパターン部の変化量も含まれている。
そこで、本実施形態では、裾引き量のみを定量化するための測定方法を提供する。
【００３９】
図７は本実施形態のパターン測定方法の説明図である。
まず、前述した実施形態１と同様に、電子ビームの照射回数Ｎを設定する。次いで、電子銃１６から電子ビーム１を生成させ、測定対象のレジストパターンを含むウェーハ１１上の領域に電子ビーム１を照射し、照射領域から発生した二次電子等３を検出器２０によって検出し、検出信号を信号処理部３１が処理することにより、１回目の電子ビーム照射によるＳＥＭ画像を生成する。これにより、例えば、図７（ａ）上段左側のパターン断面形状ＣＳ１のＳＥＭ画像が得られる。
【００４０】
次に、輪郭検出部３３により、得られたＳＥＭ画像からレジストパターンのパターン部Ｐの輪郭位置Ｅ１ＴＯＰを検出し、さらに裾引き部分ＦＰの外側輪郭位置Ｅ１ＢＯＴＴＯＭを検出し、演算部３５により、パターン上部と下部の輪郭位置との差分Ｆ１、すなわちパターン中心Ｃから輪郭位置Ｅ１ＢＯＴＴＯＭまでの距離Ｄ（Ｅ１ＢＯＴＴＯＭ−Ｃ）と、パターン中心Ｃから輪郭位置Ｅ１ＴＯＰまでの距離Ｄ（Ｅ１ＴＯＰ−Ｃ）との差分Ｆ１を算出する。このＦ１が第１回照射後の裾引き量である。
【００４１】
次に、電子ビームをＮ回だけ照射し、その後、検出器２０および信号処理部３１により、Ｎ回照射後のＳＥＭ画像を取得する。これにより、例えば、図７（ａ）下段左側のパターン断面形状ＣＳＮのＳＥＭ画像が得られる。そして１回目と同様にして、輪郭検出部３３により、得られたＳＥＭ画像からレジストパターン上部の輪郭位置ＥＮＴＯＰ、裾引き部分ＦＰ外側の輪郭位置ＥＮＢＯＴＴＯＭをそれぞれ抽出し、演算部３５により、パターン上部と下部の輪郭位置との差分ＦＮ、すなわちパターン中心Ｃから輪郭位置ＥＮＢＯＴＴＯＭまでの距離Ｄ（ＥＮＢＯＴＴＯＭ−Ｃ）と、パターン中心Ｃから輪郭位置ＥＮＴＯＰまでの距離Ｄ（ＥＮＴＯＰ−Ｃ）との差分ＦＮを算出する。
【００４２】
さらに、演算部３５により、１回目照射後の裾引き量Ｆ１とＮ回目照射後の裾引き量ＦＮとの差分ΔＦを算出する。ΔＦが所定の閾値ΔＦＴＨよりも小さい箇所は、パターン部分Ｐの形状変化が大きく寄与していると推定されるので、レジストパターンの裾引き部分ＦＰは小さいものと判断される。この一方、ΔＦが所定の閾値ΔＦＴＨよりも大きい箇所は裾引き部分ＦＰが大きいと判断される。
【００４３】
図８のフローチャートを参照しながら、本実施形態のパターン測定方法の概略工程について説明する。
まず、電子ビーム１を測定対象パターンに照射する回数Ｎを設定する（ステップＳ２１０）。
次に、ｉ＝１（ステップＳ２２０）として測定対象パターンが形成された試料の領域に第１回目の電子ビーム照射を行い（ステップＳ２３０）、試料表面から発生する二次電子等３を検出して第１回目の電子ビーム画像を取得する（ステップＳ２４０）。
【００４４】
次いで、第１回目の電子ビーム画像からレジストパターン上部の輪郭位置Ｅ１ＴＯＰを検出し（ステップＳ２５０）、また、裾引き部分ＦＰ外側の輪郭位置Ｅ１ＢＯＴＴＯＭを検出し（ステップＳ２６０）、さらに、パターン上部と下部の輪郭位置との差分Ｆ１を算出する（ステップＳ２７０）。
【００４５】
次に、照射回数ｉと設定値Ｎとを比較し（ステップＳ２８０）、照射回数ｉが設定値Ｎに至らない場合は、ｉ＝ｉ＋１として（ステップＳ２９０）、照射回数ｉが設定値Ｎに至るまで試料の測定対象パターンの領域に電子ビームを照射する（ステップＳ３００）。
【００４６】
そして、Ｎ回目の電子ビーム照射が終了すると（ステップＳ２８０）、そのときの電子ビーム画像を取得する（ステップＳ３１０）。
【００４７】
次いで、Ｎ回目の電子ビーム画像からレジストパターン上部の輪郭位置ＥＮＴＯＰを検出し（ステップＳ３２０）、裾引き部分ＦＰ外側の輪郭位置ＥＮＢＯＴＴＯＭを検出し（ステップＳ３３０）、さらに、パターン上部と下部の輪郭位置との差分ＦＮを算出する（ステップＳ３４０）。
【００４８】
最後に、１回目のエッジ差分量Ｆ１とＮ回目のエッジ差分量ＦＮとの差分ΔＦを算出し、測定対象パターンの裾引き量として出力する（ステップＳ３５０）。
【００４９】
このように１回の測定だけでなく複数測定のデータを用いることでレジストパターンの裾引き量のみを定量化することが可能となる。
【００５０】
（ｃ）実施形態３
前述の実施形態２においては、１回目とＮ回目とのエッジ差分量を算出したが、本実施形態では、１回目からＮ回目までの全ての輪郭データを用いる。これにより、より高い精度での裾引き量の定量化を実現するとともに、裾引き形状の定量化をも実現する。なお、本実施形態においてＮは３以上の自然数である。
【００５１】
図９は本実施形態のパターン測定方法の説明図である。
まず、前述した実施形態２と同様の工程により、１回目からＮ回目まで全てのエッジ差分データΔＦｉを取得する。その後、図９（ａ）のグラフに示すように、エッジ差分データΔＦｉと照射回数との関係をグラフにプロットし、得られた曲線から近似曲線を導出することにより、エッジ差分の電子ビーム照射回数への依存性を定量化する。図９（ａ）のグラフは、図９（ｂ）〜（ｅ）に示すレジストパターンＣＳａ〜ＣＳｄのそれぞれについて得られたエッジ差分データΔＦｉを、電子ビーム照射回数を横軸とし、測定第１回目からのパターン裾引き量の変化量を縦軸とするグラフへプロットしたものである。
【００５２】
Ｎ回目まで電子ビームを照射すると、図９（ｃ）、（ｄ）に示すレジストパターンＣＳｂ、ＣＳｃのような裾引きの大きい場合と小さい場合との違いを裾引きの変化量として定量化することは可能であるが、図９（ｂ）、（ｅ）のレジストパターンＣＳａおよびＣＳｄのように裾引き部分ＦＰの膜厚が薄い場合は、例えば図９（ａ）のＸ回目で同一の変化量に集束してしまうなど、複数回照射するだけでは検出できない場合がある。そこで、得られた曲線から導出した近似曲線を処理することにより、単純な裾引き量だけでなく、裾引き形状の特徴をも定量化することができる。例えば直線近似の傾きや二次曲線近似の係数などを各近似曲線について求めることにより、例えば図９（ｃ）、（ｄ）に示すレジストパターンＣＳｂ、ＣＳｃについて裾引き形状の相違を識別することが可能になる。
【００５３】
図１０を参照しながら、本実施形態のパターン測定方法の概略工程について説明する。
まず、電子ビーム１を測定対象パターンに照射する回数Ｎを設定する（ステップＳ４１０）。
次に、ｉ＝１（ステップＳ４２０）として測定対象パターンが形成された試料の領域に第１回目の電子ビーム照射を行い（ステップＳ４３０）、試料表面から発生する二次電子等３を検出して第１回目の電子ビーム画像を取得する（ステップＳ４４０）。
【００５４】
次いで、得られた電子ビーム画像からレジストパターン上部の輪郭位置Ｅ１ＴＯＰを抽出し（ステップＳ４５０）、また、裾引き部分ＦＰ外側の輪郭位置Ｅ１ＢＯＴＴＯＭを抽出し（ステップＳ４６０）、さらに、パターン上部と下部の輪郭位置との差分ΔＦ１を算出する（ステップＳ４７０）。
次に、１回目のエッジ差分量ΔＦ１とｉ回目のエッジ差分量ΔＦｉとの差分ΔＦｊ（を算出する（ステップＳ４８０）。ｉ＝１の場合は、ΔＦ１は０になるので、次のステップＳ４９０へ進む。
【００５５】
そして、照射回数ｉと設定値Ｎとを比較し（ステップＳ４９０）、照射回数ｉが設定値Ｎに至らない場合は、ｉ＝ｉ＋１として（ステップＳ５００）、照射回数ｉが設定値Ｎに至るまで上述したステップＳ４３０〜ステップＳ４８０の手順を繰り返す。
そして、ΔＦＮの算出が終了すると（ステップＳ４９０）、ΔＦ１〜ΔＦＮの各ΔＦｉの値と電子ビーム照射回数との相関関係を表す近似曲線を導出する（ステップＳ５１０）。
最後に、得られた近似曲線の特徴を表す係数を求め、測定対象パターンの裾引き形状の特徴量として出力する（ステップＳ５２０）。
【００５６】
このように、実施形態３のパターン測定方法によれば、単純な裾引き量だけでなく、裾引き形状の特徴をも定量化することができる。
【００５７】
また、以上述べた実施形態１乃至３のパターン測定方法によれば、レジストパターンの裾引き量を非破壊でかつ低コスト、高精度で測定することが可能となる。
【００５８】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。上述の実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００５９】
１：電子ビーム、１０：ステージ、１２：走査型電子顕微鏡、１３：制御コンピュータ、１６：電子銃、１７：コンデンサレンズ、１８：偏向器、１９：スキャン制御回路、２０：検出器、２１：対物レンズ、２３：アクチュエータ、２４：アクチュエータ制御回路、３１：信号処理部、３３：輪郭検出部、３５：演算部、３７：測定部、Ｉｍｇ１〜Ｉｍｇ４：ＳＥＭ画像、Ｐ：パターン部分、ＦＰ：裾引き部分
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、パターン測定装置およびパターン測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの性能を安定化させ、製造歩留りを向上させるためには、パターンの断面形状を測定し、得られた測定結果に応じてプロセスを管理することが重要な工程となっている。
【０００３】
デバイスパターンは、例えばレジストパターンを露光機にて生成した後、該レジストパターンをマスクとしたエッチング処理などにより、下層パターンを転写加工する工程を繰り返し行うことで形成される。転写加工工程の前に、レジストパターンの線幅寸法や膜厚などの断面形状情報を取得し、それらの断面形状情報を用いてエッチング条件を決定することで、安定したデバイスパターン形状を生成している。
【０００４】
しかし、近年のパターン寸法の微細化により、レジストパターンの線幅寸法や膜厚だけでなく側面のプロファイルなどのより多くの断面形状情報が必要となってきており、測定コストを抑えてスループットを高めるために、非破壊で高精度のパターン測定技術が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１５６４３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、低コストでかつ高精度にパターンの断面形状を測定するパターン測定装置およびパターン測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施の一形態のパターン測定装置は、荷電粒子線照射手段と、検出手段と、信号処理手段と、輪郭検出手段と、演算手段と、測定手段とを持つ。前記荷電粒子線照射手段は、荷電粒子線を生成し、前記荷電粒子線を、パターンが形成された試料に、設定された複数回数照射する。前記検出手段は、前記荷電粒子線の照射により前記試料から発生する荷電粒子を検出する。前記信号処理手段は、前記検出手段からの検出信号を処理して前記試料表面の粒子線像を生成する。前記輪郭検出手段は、前記粒子線像から前記パターンの輪郭位置を検出する。前記演算手段は、各照射回の間でのパターン輪郭位置のズレ量を算出する。前記測定手段は、予め準備された、ズレ量とパターンの裾引き量との関係に関するテーブルを参照することにより、前記算出されたズレ量から前記パターンの裾引き量を算出する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施形態１のパターン測定装置の概略構造を示すブロック図。
【図２】実施形態１のパターン測定方法が依拠する測定原理の説明図。
【図３】実施形態１のパターン測定方法が依拠する測定原理の説明図。
【図４】実施形態１のパターン測定方法の説明図。
【図５】実施形態１のパターン測定方法による測定結果の説明図。
【図６】実施形態１のパターン測定方法の概略手順を示すフローチャート。
【図７】実施形態２のパターン測定方法の説明図。
【図８】実施形態２のパターン測定方法の概略手順を示すフローチャート。
【図９】実施形態３のパターン測定方法の説明図。
【図１０】実施形態３のパターン測定方法の概略手順を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、実施形態のいくつかについて図面を参照しながら説明する。図面において、同一の部分には同一の参照符号を付してその重複説明は省略する。
【００１０】
（１）パターン測定装置
図１は、実施形態１のパターン測定装置の概略構造を示すブロック図である。図１に示すパターン測定装置は、走査型電子顕微鏡１２と、制御コンピュータ１３と、スキャン制御回路１９と、アクチュエータ制御回路２４と、モニタ１４と、記録装置ＭＲ２，ＭＲ４とを備える。
【００１１】
走査型電子顕微鏡１２は、鏡筒１５と試料室２２とを含み、鏡筒１５には電子銃１６と、コンデンサレンズ１７と、偏向器１８と、対物レンズ２１と、検出器２０が設けられ、また、試料室２２内には、検査対象パターンが形成された試料であるウェーハ１１を支持するステージ１０とアクチュエータ２３が設けられる。
【００１２】
制御コンピュータ１３は、電子銃１６、スキャン制御回路１９、検出器２０およびアクチュエータ制御回路２４に接続される。スキャン制御回路１９は鏡筒内の偏向器１８に接続され、アクチュエータ制御回路２４は試料室２２内のアクチュエータ２３に接続される。コンピュータ１３はまた、モニタ１４およびメモリＭＲ２，４にも接続される。
【００１３】
制御コンピュータ１３から与えられる制御信号に従って電子銃１６から放出された電子ビーム１は、コンデンサレンズ１７により集光された後に対物レンズ２１により焦点位置が調整されてウェーハ１１に照射される。スキャン制御回路１９は、コンピュータ１３の指示に従って制御信号を生成し、偏向器１８は、スキャン制御回路１９から供給される制御信号により偏向電界または偏向磁界を形成して電子ビーム１をＸ方向およびＹ方向に適宜偏向してウェーハ１１の表面を走査する。電子ビーム１は、本実施形態において例えば荷電粒子線に対応する。
【００１４】
本実施形態において、制御コンピュータ１３、電子銃１６、コンデンサレンズ１７、偏向器１８、対物レンズ２１およびスキャン制御回路１９は、例えば荷電粒子線照射手段に対応する。
電子ビーム１の照射によりウェーハ１１の表面から二次電子、反射電子および後方散乱電子（以下、単に「二次電子等」という）３が発生し、検出器２０により検出されて検出信号がコンピュータ１３に送られる。本実施形態において、検出器２０は例えば検出手段に対応する。
【００１５】
ステージ１０は、Ｘ方向およびＹ方向に移動可能であり、コンピュータ１３からの指示によりアクチュエータ制御回路２４が生成した制御信号に従ってアクチュエータ２３がステージ１０を移動する。
メモリＭＲ２は測定に必要な様々なデータ、例えば電子ビーム照射による測定対象パターンの裾引き部分の変形量の大小を判定するための閾値ΔＥＴＨ、ΔＦＴＨなどを格納する。これらの閾値については後に具体的に説明する。メモリＭＲ４は、後述するパターン検査方法の手順が記述されたレシピファイルを格納し、このレシピファイルをコンピュータ１３が読み取ってパターン測定を実行する。
【００１６】
コンピュータ１３は、信号処理部３１と輪郭検出部３３と演算部３５と測定部３７とを含む。
信号処理部３１は、検出器２０から送られた検出信号を処理して試料表面のパターンの画像（ＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）画像）を形成し、輪郭検出部３３に送る。輪郭検出部３３は、送られたＳＥＭ画像から測定対象パターンの輪郭位置を検出し、メモリＭＲ２に記憶させる。後述する通り、パターンの輪郭は複数回の電子ビーム照射によりズレを生ずる。演算部３５は、ＭＲメモリ２から照射回数毎の輪郭位置の情報を取り出し、照射回数間のパターン輪郭位置のズレ量を算出し、算出結果を測定部３７に送る。
【００１７】
測定部３７は、送られたズレ量に対し、メモリＭＲ２に予め格納された、ズレ量とパターンの裾引き量と関係に関するテーブルを参照することにより、計測対象パターンの裾引き量を算出し、算出結果をモニタ１４により表示させる。本実施形態において、信号処理部３１は例えば信号処理手段に対応し、輪郭検出部３３は例えば輪郭検出手段に対応し、演算部３５は例えば演算手段に対応し、また、測定部３７は例えば測定手段に対応する。
【００１８】
次に、図１に示すパターン測定装置の動作について、パターン測定方法の実施形態のいくつかとして図２乃至図１０を参照しながら説明する。
【００１９】
（２）パターン測定方法
（ａ）実施形態１
図２および図３は、本実施形態のパターン測定方法が依拠する測定原理を説明する図である。
図２（ａ）は、紙面下から、測定対象パターンであるレジストパターンの断面形状ＣＳ１、最初に電子ビームをレジストパターンに照射することによって取得したＳＥＭ画像Ｉｍ１、および二次電子等３の信号波形ＷＳ１を示している。測定対象パターンとしては、レジストパターンに限ることなく、例えばＬｏｗ−ｋ材と呼ばれる絶縁膜など、荷電ビームの照射により形状が変化する材料で形成されるパターン全般に適用可能である。
【００２０】
図２（ｂ）は、紙面下から、測定対象パターンであるレジストパターンに電子ビームを複数回照射した後の断面形状ＣＳ２、その時に取得したＳＥＭ画像Ｉｍ２、および２次電子信号波形ＳＷ２を示す。
【００２１】
図２（ａ）の例において、レジストパターンには裾引きが生じて裾引き部分ＦＰが設けられており、ＳＥＭ画像Ｉｍｇ１にはパターン側壁部からの強い二次電子等３の信号が検出された領域Ｒｓｗの外側に、裾引き部分ＦＰからの弱い二次電子等３の信号が検出された領域Ｒｆｐが示されている。そして、二次電子等３の信号波形ＳＷ１には裾引き部分ＦＴからの弱い信号波形が認められる（破線領域）。
【００２２】
二次電子等３の信号波形にみられる、裾引き部分ＦＰからの弱い二次電子等３の信号の特徴を捉えることにより裾引き量の定量化は可能ではあるが、複雑な断面形状を有するレジストパターンでは裾引き部分ＦＰによる信号波形変化であるのか、パターン部分Ｐ本来の、例えばウェーハ１１の頂面に垂直な方向に対して所定の側壁角を有する断面形状による信号波形変化であるのかを切り分ける方法が無い。そこで本実施形態では、レジストパターンに電子ビームを複数回照射する。これは、電子ビームを繰り返し照射するとレジストパターン全体が縮小するためパターンの線幅が細くなるが、裾引き部分ＦＰの形状はさらに大きく変化するために二次電子等３の信号波形に現れる裾引きの影響が小さくなることを狙ったものである。
【００２３】
図３にパターン部分Ｐと裾引き部分ＦＰとの電子ビーム照射に伴う形状変化の違いを示す。図３（ａ）に示すように、レジストパターンのパターン部分Ｐの寸法をＣＤＴＯＰ、裾引き部分ＦＰの寸法をＣＤＢＯＴＴＯＭとする。図３（ｂ）のグラフは、横軸に電子ビーム照射回数、縦軸に電子ビーム照射１回目の線幅からの変化量をそれぞれ取ってプロットしたものである。同図のグラフからはＣＤＴＯＰの線幅に比べてＣＤＢＯＴＴＯＭの線幅が大きく変化していることが分かる。これは裾引き部分ＦＰの形状変化量がパターン部分Ｐの形状変化量よりも大きいためである。
【００２４】
図３（ｂ）のグラフには、ＣＤＢＯＴＴＯＭとＣＤＴＯＰとの差分がさらにプロットされている。ＣＤＢＯＴＴＯＭ−ＣＤＴＯＰは、電子ビームの照射直後に急激に縮小するが、裾引き部分ＦＰの形状変化が収束すると、これに依存して安定する。このように、レジストパターンの裾引き部分ＦＰには電子ビーム照射により急激に形状変化を起こすという特徴がある。
【００２５】
このような特徴を利用して裾引き量を算出する方法について、図４を参照しながら説明する。
まず、オペレータがレジストパターンへの電子ビーム照射回数Ｎ（２以上の自然数）を設定する。このＮはレジスト種類や断面形状、ラフネスの程度などを考慮して最適な回数を設定する。予め設定された電子ビーム照射回数Ｎをレシピファイル中に記述しておいてもよい。また、毎回同一の照射時間でＮ回照射する場合に限らず、Ｎ＝３として第１回目の照射時間と第３回目の照射時間とを同一とし、第２回目について裾引き量が十分に変化する程度の長時間だけ照射することとしてもよい。これらの点は後述する実施形態２および３についても同様である。
【００２６】
次に、制御コンピュータ１３からの制御信号により、電子銃１６が電子ビーム１を生成し、測定対象であるレジストパターンを含むウェーハ１１上の領域に電子ビーム１を照射する。電子ビーム１の照射により、照射領域からは二次電子等３の信号が発生し、これを検出器２０が検出し、検出信号をコンピュータ１３の信号処理部３１に送る。信号処理部３１は、検出器２０からの検出信号を処理してＳＥＭ画像を生成し、メモリＭＲ２に記憶させる。この段階で信号処理部３１は、モニタ１４にＳＥＭ画像を表示させてもよい。
【００２７】
輪郭検出部３３は、メモリＭＲ２からＳＥＭ画像を読み出してパターンの裾引き部分ＦＰの外側の輪郭位置Ｅ１を検出してメモリＭＲ２に記憶させる。このような、レジストパターンＣＳ１と、その裾引き部分ＦＰの外側輪郭位置Ｅ１との一例を図４の上段の左側部分に示し、その二次電子等３の信号波形ＷＳ１の一例を同図上段の右側部分に示す。
【００２８】
裾引き部分ＦＰの外側輪郭位置Ｅ１を検出するためには、二次電子等３の信号波形の立ち上がり部分を検出する。検出方法としては、直線近似してベースラインとの工程を求める方法の他、信号波形の一次微分が正になる箇所を検出する方法や、信号波形の最大最小を算出して下側からある閾値の位置を算出する方法などが挙げられる。
【００２９】
１回目の電子ビーム照射からの輪郭位置検出が終わると、制御コンピュータ１３は、制御信号を生成して、電子銃１６に電子ビーム１を生成させ、ウェーハ１１上の同一領域に電子ビーム１を所定回数（Ｎ回）だけ照射させる。所定の照射回数（Ｎ回）が完了した後、上述した工程と同様の工程により、ＳＥＭ画像を取得してパターンの裾引き部分ＦＰＮにおける輪郭位置ＥＮを検出してメモリＭＲ２に記憶させる。Ｎ回照射後のレジストパターンＣＳＮと、その裾引き部分ＦＰの外側輪郭位置ＥＮとの一例を図４の下段の左側部分に示し、その二次電子等３の信号波形ＷＳＮの一例を同図下段の右側部分に示す。
【００３０】
演算部３５は、メモリＭＲ２から１回目の輪郭位置Ｅ１のデータとＮ回目の輪郭位置ＥＮのデータとを引き出し、両者の差分ΔＥ、すなわち、パターン中心Ｃから輪郭位置Ｅ１までの距離Ｄ（Ｅ１−Ｃ）と、パターン中心Ｃから輪郭位置ＥＮまでの距離Ｄ（ＥＮ−Ｃ）との差分ΔＥを算出する。このΔＥが所定の閾値ΔＥＴＨよりも大きい場合、電子ビーム照射による裾引き部分ＦＰの変形量が大きく、従って元のレジストパターンでの裾引きが大きいと判断される。逆にΔＥが閾値ΔＥＴＨよりも小さい場合は、裾引き部分ＦＰの変形量が小さいので、元のレジストパターンの裾引きが小さいと判断される。
【００３１】
図５は、実施形態１のパターン測定方法による測定結果の一例を説明する図である。図５（ａ）（１）および（ａ）（２）は、それぞれ、１回目の電子ビーム照射後とＮ回目の電子ビーム照射後のＳＥＭ画像Ｉｍｇ３，Ｉｍｇ４である。いずれの画像中においても中央のラインパターンがレジストの配線パターンを示す。ＳＥＭ画像Ｉｍｇ３，Ｉｍｇ４中の各円で示す領域を相互に対比すると、この例では、裾引きを表す薄いコントラストがＮ回の電子ビーム照射により消滅していることが分かる。ＳＥＭ画像Ｉｍｇ３，Ｉｍｇ４からレジストパターンの外側の輪郭を抽出した結果の一例が図５（ｂ）である。
【００３２】
図５（ｂ）において、線ＢＬは、１回目の電子ビーム照射後のＳＥＭ画像Ｉｍｇ３における中央のラインパターンの左側エッジに対応するデータであり、線ＢＲはＳＥＭ画像Ｉｍｇ３における中央のラインパターンの右側エッジに対応するデータである。
同様に、図５（ｂ）において、線ＡＬは、Ｎ回目の電子ビーム照射後のＳＥＭ画像Ｉｍｇ４における中央のラインパターンの左側エッジに対応するデータであり、線ＡＲはＳＥＭ画像Ｉｍｇ４における中央のラインパターンの右側エッジに対応するデータである。
そして、１回目の電子ビーム照射後のＳＥＭ画像Ｉｍｇ３とＮ回目の電子ビーム照射後のＳＥＭ画像Ｉｍｇ４との間で、対応するエッジ同士の輪郭位置の差分ΔＥをプロットした一例が図５（ｃ）である。同図からは、１回目の電子ビーム照射とＮ回目の電子ビーム照射後との間で輪郭位置の差分が大きい箇所と小さい箇所が分布しており、レジストパターンの長手方向に裾引き量が発生していることが分かる。図５（ｃ）のデータを用いれば、ラインパターン中の任意の箇所について裾引きの量を算出することが可能である。
【００３３】
図６のフローチャートを参照しながら、本実施形態のパターン測定方法の概略工程について説明する。
まず、電子ビーム１を測定対象パターンに照射する回数Ｎを設定する（ステップＳ１０）。
次に、ｉ＝１（ステップＳ２０）として測定対象パターンが形成された試料の領域に第１回目の電子ビーム照射を行い（ステップＳ３０）、試料表面から発生する二次電子等３を検出して第１回目の電子ビーム画像を取得し（ステップＳ４０）、さらに、レジストパターンの輪郭位置Ｅ１を検出する（ステップＳ５０）。
【００３４】
次に、照射回数ｉと設定値Ｎとを比較し（ステップＳ６０）、照射回数ｉが設定値Ｎに至らない場合は、ｉ＝ｉ＋１として（ステップＳ７０）、照射回数ｉが設定値Ｎに至るまで試料の測定対象パターンの領域に電子ビームを照射する（ステップＳ８０）。
【００３５】
そして、Ｎ回目の電子ビーム照射が終了すると（ステップＳ６０）、そのときの電子ビーム画像を取得し（ステップＳ９０）、さらに、レジストパターンの輪郭位置ＥＮを検出する（ステップＳ１００）。
【００３６】
次に、１回目の輪郭位置Ｅ１とＮ回目の輪郭位置ＥＮとの差分ΔＥを算出し、測定対象パターンの裾引き量として出力する（ステップＳ１１０）。
【００３７】
このように、本実施形態によれば、レジストパターンの断面形状を、側壁角と裾引き量とを分離して非破壊で測定することが可能となる。
【００３８】
（ｂ）実施形態２
前述した実施形態１において、算出されたΔＥには、裾引き部分ＦＰの変化量だけでなくパターン部の変化量も含まれている。
そこで、本実施形態では、裾引き量のみを定量化するための測定方法を提供する。
【００３９】
図７は本実施形態のパターン測定方法の説明図である。
まず、前述した実施形態１と同様に、電子ビームの照射回数Ｎを設定する。次いで、電子銃１６から電子ビーム１を生成させ、測定対象のレジストパターンを含むウェーハ１１上の領域に電子ビーム１を照射し、照射領域から発生した二次電子等３を検出器２０によって検出し、検出信号を信号処理部３１が処理することにより、１回目の電子ビーム照射によるＳＥＭ画像を生成する。これにより、例えば、図７（ａ）上段左側のパターン断面形状ＣＳ１のＳＥＭ画像が得られる。
【００４０】
次に、輪郭検出部３３により、得られたＳＥＭ画像からレジストパターンのパターン部Ｐの輪郭位置Ｅ１ＴＯＰを検出し、さらに裾引き部分ＦＰの外側輪郭位置Ｅ１ＢＯＴＴＯＭを検出し、演算部３５により、パターン上部と下部の輪郭位置との差分Ｆ１、すなわちパターン中心Ｃから輪郭位置Ｅ１ＢＯＴＴＯＭまでの距離Ｄ（Ｅ１ＢＯＴＴＯＭ−Ｃ）と、パターン中心Ｃから輪郭位置Ｅ１ＴＯＰまでの距離Ｄ（Ｅ１ＴＯＰ−Ｃ）との差分Ｆ１を算出する。このＦ１が第１回照射後の裾引き量である。
【００４１】
次に、電子ビームをＮ回だけ照射し、その後、検出器２０および信号処理部３１により、Ｎ回照射後のＳＥＭ画像を取得する。これにより、例えば、図７（ａ）下段左側のパターン断面形状ＣＳＮのＳＥＭ画像が得られる。そして１回目と同様にして、輪郭検出部３３により、得られたＳＥＭ画像からレジストパターン上部の輪郭位置ＥＮＴＯＰ、裾引き部分ＦＰ外側の輪郭位置ＥＮＢＯＴＴＯＭをそれぞれ抽出し、演算部３５により、パターン上部と下部の輪郭位置との差分ＦＮ、すなわちパターン中心Ｃから輪郭位置ＥＮＢＯＴＴＯＭまでの距離Ｄ（ＥＮＢＯＴＴＯＭ−Ｃ）と、パターン中心Ｃから輪郭位置ＥＮＴＯＰまでの距離Ｄ（ＥＮＴＯＰ−Ｃ）との差分ＦＮを算出する。
【００４２】
さらに、演算部３５により、１回目照射後の裾引き量Ｆ１とＮ回目照射後の裾引き量ＦＮとの差分ΔＦを算出する。ΔＦが所定の閾値ΔＦＴＨよりも小さい箇所は、パターン部分Ｐの形状変化が大きく寄与していると推定されるので、レジストパターンの裾引き部分ＦＰは小さいものと判断される。この一方、ΔＦが所定の閾値ΔＦＴＨよりも大きい箇所は裾引き部分ＦＰが大きいと判断される。
【００４３】
図８のフローチャートを参照しながら、本実施形態のパターン測定方法の概略工程について説明する。
まず、電子ビーム１を測定対象パターンに照射する回数Ｎを設定する（ステップＳ２１０）。
次に、ｉ＝１（ステップＳ２２０）として測定対象パターンが形成された試料の領域に第１回目の電子ビーム照射を行い（ステップＳ２３０）、試料表面から発生する二次電子等３を検出して第１回目の電子ビーム画像を取得する（ステップＳ２４０）。
【００４４】
次いで、第１回目の電子ビーム画像からレジストパターン上部の輪郭位置Ｅ１ＴＯＰを検出し（ステップＳ２５０）、また、裾引き部分ＦＰ外側の輪郭位置Ｅ１ＢＯＴＴＯＭを検出し（ステップＳ２６０）、さらに、パターン上部と下部の輪郭位置との差分Ｆ１を算出する（ステップＳ２７０）。
【００４５】
次に、照射回数ｉと設定値Ｎとを比較し（ステップＳ２８０）、照射回数ｉが設定値Ｎに至らない場合は、ｉ＝ｉ＋１として（ステップＳ２９０）、照射回数ｉが設定値Ｎに至るまで試料の測定対象パターンの領域に電子ビームを照射する（ステップＳ３００）。
【００４６】
そして、Ｎ回目の電子ビーム照射が終了すると（ステップＳ２８０）、そのときの電子ビーム画像を取得する（ステップＳ３１０）。
【００４７】
次いで、Ｎ回目の電子ビーム画像からレジストパターン上部の輪郭位置ＥＮＴＯＰを検出し（ステップＳ３２０）、裾引き部分ＦＰ外側の輪郭位置ＥＮＢＯＴＴＯＭを検出し（ステップＳ３３０）、さらに、パターン上部と下部の輪郭位置との差分ＦＮを算出する（ステップＳ３４０）。
【００４８】
最後に、１回目のエッジ差分量Ｆ１とＮ回目のエッジ差分量ＦＮとの差分ΔＦを算出し、測定対象パターンの裾引き量として出力する（ステップＳ３５０）。
【００４９】
このように１回の測定だけでなく複数測定のデータを用いることでレジストパターンの裾引き量のみを定量化することが可能となる。
【００５０】
（ｃ）実施形態３
前述の実施形態２においては、１回目とＮ回目とのエッジ差分量を算出したが、本実施形態では、１回目からＮ回目までの全ての輪郭データを用いる。これにより、より高い精度での裾引き量の定量化を実現するとともに、裾引き形状の定量化をも実現する。なお、本実施形態においてＮは３以上の自然数である。
【００５１】
図９は本実施形態のパターン測定方法の説明図である。
まず、前述した実施形態２と同様の工程により、１回目からＮ回目まで全てのエッジ差分データΔＦｉを取得する。その後、図９（ａ）のグラフに示すように、エッジ差分データΔＦｉと照射回数との関係をグラフにプロットし、得られた曲線から近似曲線を導出することにより、エッジ差分の電子ビーム照射回数への依存性を定量化する。図９（ａ）のグラフは、図９（ｂ）〜（ｅ）に示すレジストパターンＣＳａ〜ＣＳｄのそれぞれについて得られたエッジ差分データΔＦｉを、電子ビーム照射回数を横軸とし、測定第１回目からのパターン裾引き量の変化量を縦軸とするグラフへプロットしたものである。
【００５２】
Ｎ回目まで電子ビームを照射すると、図９（ｃ）、（ｄ）に示すレジストパターンＣＳｂ、ＣＳｃのような裾引きの大きい場合と小さい場合との違いを裾引きの変化量として定量化することは可能であるが、図９（ｂ）、（ｅ）のレジストパターンＣＳａおよびＣＳｄのように裾引き部分ＦＰの膜厚が薄い場合は、例えば図９（ａ）のＸ回目で同一の変化量に集束してしまうなど、複数回照射するだけでは検出できない場合がある。そこで、得られた曲線から導出した近似曲線を処理することにより、単純な裾引き量だけでなく、裾引き形状の特徴をも定量化することができる。例えば直線近似の傾きや二次曲線近似の係数などを各近似曲線について求めることにより、例えば図９（ｃ）、（ｄ）に示すレジストパターンＣＳｂ、ＣＳｃについて裾引き形状の相違を識別することが可能になる。
【００５３】
図１０を参照しながら、本実施形態のパターン測定方法の概略工程について説明する。
まず、電子ビーム１を測定対象パターンに照射する回数Ｎを設定する（ステップＳ４１０）。
次に、ｉ＝１（ステップＳ４２０）として測定対象パターンが形成された試料の領域に第１回目の電子ビーム照射を行い（ステップＳ４３０）、試料表面から発生する二次電子等３を検出して第１回目の電子ビーム画像を取得する（ステップＳ４４０）。
【００５４】
次いで、得られた電子ビーム画像からレジストパターン上部の輪郭位置Ｅ１ＴＯＰを抽出し（ステップＳ４５０）、また、裾引き部分ＦＰ外側の輪郭位置Ｅ１ＢＯＴＴＯＭを抽出し（ステップＳ４６０）、さらに、パターン上部と下部の輪郭位置との差分ΔＦ１を算出する（ステップＳ４７０）。
次に、１回目のエッジ差分量ΔＦ１とｉ回目のエッジ差分量ΔＦｉとの差分ΔＦｊ（を算出する（ステップＳ４８０）。ｉ＝１の場合は、ΔＦ１は０になるので、次のステップＳ４９０へ進む。
【００５５】
そして、照射回数ｉと設定値Ｎとを比較し（ステップＳ４９０）、照射回数ｉが設定値Ｎに至らない場合は、ｉ＝ｉ＋１として（ステップＳ５００）、照射回数ｉが設定値Ｎに至るまで上述したステップＳ４３０〜ステップＳ４８０の手順を繰り返す。
そして、ΔＦＮの算出が終了すると（ステップＳ４９０）、ΔＦ１〜ΔＦＮの各ΔＦｉの値と電子ビーム照射回数との相関関係を表す近似曲線を導出する（ステップＳ５１０）。
最後に、得られた近似曲線の特徴を表す係数を求め、測定対象パターンの裾引き形状の特徴量として出力する（ステップＳ５２０）。
【００５６】
このように、実施形態３のパターン測定方法によれば、単純な裾引き量だけでなく、裾引き形状の特徴をも定量化することができる。
【００５７】
また、以上述べた実施形態１乃至３のパターン測定方法によれば、レジストパターンの裾引き量を非破壊でかつ低コスト、高精度で測定することが可能となる。
【００５８】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。上述の実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００５９】
１：電子ビーム、１０：ステージ、１２：走査型電子顕微鏡、１３：制御コンピュータ、１６：電子銃、１７：コンデンサレンズ、１８：偏向器、１９：スキャン制御回路、２０：検出器、２１：対物レンズ、２３：アクチュエータ、２４：アクチュエータ制御回路、３１：信号処理部、３３：輪郭検出部、３５：演算部、３７：測定部、Ｉｍｇ１〜Ｉｍｇ４：ＳＥＭ画像、Ｐ：パターン部分、ＦＰ：裾引き部分
【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子線を生成し、前記荷電粒子線を、パターンが形成された試料に３回照射する工程と、
第１回目の荷電粒子線照射により得られた粒子線像と第３回目の荷電粒子線照射により得られた粒子線像とをそれぞれ撮像する工程と、
前記第１回目および第３回目の粒子線像からパターン上部の輪郭位置をそれぞれ検出する工程と、
前記第１回目および第３回目の粒子線像からパターン下部の輪郭位置をそれぞれ検出する工程と、
第１回目における前記パターン上部の輪郭位置と前記パターン下部の輪郭位置との第１の差分と、第３回目における前記パターン上部の輪郭位置と前記パターン下部の輪郭位置との第２の差分と、をそれぞれ算出する工程と、
前記第１および前記第２の差分から前記パターンの裾引き量を算出する工程と、
を備えるパターン測定方法。
【請求項２】
パターンが形成された試料に、荷電粒子線を照射する回数Ｎ（Ｎは２以上の自然数）を設定する工程と、
荷電粒子線を生成して前記試料に前記荷電粒子線をＮ回照射する工程と、
第１回目の荷電粒子線照射により得られた粒子線像と第Ｎ回目の荷電粒子線照射によりえられた粒子線像とをそれぞれ撮像する工程と、
前記第１回目および前記第Ｎ回目の粒子線像からパターン輪郭位置をそれぞれ検出する工程と、
前記第１回目のパターン輪郭位置と前記第Ｎ回目のパターン輪郭位置との間のズレ量を算出する工程と、
前記算出されたズレ量から前記パターンの裾引き量を算出する工程と、
を備えるパターン測定方法。
【請求項３】
前記Ｎは３であり、
第２回目の照射時間は、第１回目および第３回目の照射時間よりも長いことを特徴とする請求項２に記載のパターン測定方法。
【請求項４】
パターンが形成された試料に、荷電粒子線を照射する回数Ｎ（Ｎは２以上の自然数）を設定する工程と、
荷電粒子線を生成して前記試料に前記荷電粒子線をＮ回照射する工程と、
第１回目の荷電粒子線照射により得られた粒子線像と第Ｎ回目の荷電粒子線照射により得られた粒子線像とをそれぞれ撮像する工程と、
前記第１回目および前記第Ｎ回目の粒子線像からパターン上部の輪郭位置をそれぞれ検出する工程と、
前記第１回目および前記第Ｎ回目の粒子線像からパターン下部の輪郭位置をそれぞれ検出する工程と、
第１回目における前記パターン上部の輪郭位置と前記パターン下部の輪郭位置との第１の差分と、第Ｎ回目における前記パターン上部の輪郭位置と前記パターン下部の輪郭位置との第２の差分と、をそれぞれ算出する工程と、
前記第１および前記第２の差分から前記パターンの裾引き量を算出する工程と、
を備えるパターン測定方法。
【請求項５】
パターンが形成された試料に、荷電粒子線を照射する回数Ｎ（Ｎは３以上の自然数）を設定する工程と、
荷電粒子線を生成して前記試料に前記荷電粒子線をＮ回照射する工程と、
前記荷電粒子線照射により得られた粒子線像を第１回目乃至第Ｎ回目のそれぞれについて撮像する工程と、
前記各粒子線像からパターン上部の輪郭位置とパターン下部の輪郭位置とを検出する工程と、
前記パターン上部の輪郭位置と前記パターン下部の輪郭位置との差分を第１回目乃至第Ｎ回目のそれぞれについて算出する工程と、
前記得られた差分の照射回数依存性を定量化する工程と、
を備えるパターン測定方法。
【請求項６】
前記定量化された前記照射回数依存性から前記パターンの裾引き形状の特徴量を表す係数を算出する工程をさらに備えることを特徴とする請求項５に記載のパターン測定方法。
【請求項７】
荷電粒子線を生成し、前記荷電粒子線を、パターンが形成された試料に、設定された複数回数照射する荷電粒子線照射手段と、
前記荷電粒子線の照射により前記試料から発生する荷電粒子を検出する検出手段と、
前記検出手段からの検出信号を処理して前記試料表面の粒子線像を生成する信号処理手段と、
前記粒子線像から前記パターンの輪郭位置を検出する輪郭検出手段と、
前記各照射回の間でのパターン輪郭位置のズレ量を算出する演算手段と、
予め準備された、ズレ量とパターンの裾引き量との関係に関するテーブルを参照することにより、前記算出されたズレ量から前記パターンの裾引き量を算出する測定手段と、
を備えるパターン測定装置。
【請求項１】
荷電粒子線を生成し、前記荷電粒子線を、パターンが形成された試料に３回照射する工程と、
第１回目の荷電粒子線照射により得られた粒子線像と第３回目の荷電粒子線照射により得られた粒子線像とをそれぞれ撮像する工程と、
前記第１回目および第３回目の粒子線像からパターン上部の輪郭位置をそれぞれ検出する工程と、
前記第１回目および第３回目の粒子線像からパターン下部の輪郭位置をそれぞれ検出する工程と、
第１回目における前記パターン上部の輪郭位置と前記パターン下部の輪郭位置との第１の差分と、第３回目における前記パターン上部の輪郭位置と前記パターン下部の輪郭位置との第２の差分と、をそれぞれ算出する工程と、
前記第１および前記第２の差分から前記パターンの裾引き量を算出する工程と、
を備えるパターン測定方法。
【請求項２】
パターンが形成された試料に、荷電粒子線を照射する回数Ｎ（Ｎは２以上の自然数）を設定する工程と、
荷電粒子線を生成して前記試料に前記荷電粒子線をＮ回照射する工程と、
第１回目の荷電粒子線照射により得られた粒子線像と第Ｎ回目の荷電粒子線照射によりえられた粒子線像とをそれぞれ撮像する工程と、
前記第１回目および前記第Ｎ回目の粒子線像からパターン輪郭位置をそれぞれ検出する工程と、
前記第１回目のパターン輪郭位置と前記第Ｎ回目のパターン輪郭位置との間のズレ量を算出する工程と、
前記算出されたズレ量から前記パターンの裾引き量を算出する工程と、
を備えるパターン測定方法。
【請求項３】
前記Ｎは３であり、
第２回目の照射時間は、第１回目および第３回目の照射時間よりも長いことを特徴とする請求項２に記載のパターン測定方法。
【請求項４】
パターンが形成された試料に、荷電粒子線を照射する回数Ｎ（Ｎは２以上の自然数）を設定する工程と、
荷電粒子線を生成して前記試料に前記荷電粒子線をＮ回照射する工程と、
第１回目の荷電粒子線照射により得られた粒子線像と第Ｎ回目の荷電粒子線照射により得られた粒子線像とをそれぞれ撮像する工程と、
前記第１回目および前記第Ｎ回目の粒子線像からパターン上部の輪郭位置をそれぞれ検出する工程と、
前記第１回目および前記第Ｎ回目の粒子線像からパターン下部の輪郭位置をそれぞれ検出する工程と、
第１回目における前記パターン上部の輪郭位置と前記パターン下部の輪郭位置との第１の差分と、第Ｎ回目における前記パターン上部の輪郭位置と前記パターン下部の輪郭位置との第２の差分と、をそれぞれ算出する工程と、
前記第１および前記第２の差分から前記パターンの裾引き量を算出する工程と、
を備えるパターン測定方法。
【請求項５】
パターンが形成された試料に、荷電粒子線を照射する回数Ｎ（Ｎは３以上の自然数）を設定する工程と、
荷電粒子線を生成して前記試料に前記荷電粒子線をＮ回照射する工程と、
前記荷電粒子線照射により得られた粒子線像を第１回目乃至第Ｎ回目のそれぞれについて撮像する工程と、
前記各粒子線像からパターン上部の輪郭位置とパターン下部の輪郭位置とを検出する工程と、
前記パターン上部の輪郭位置と前記パターン下部の輪郭位置との差分を第１回目乃至第Ｎ回目のそれぞれについて算出する工程と、
前記得られた差分の照射回数依存性を定量化する工程と、
を備えるパターン測定方法。
【請求項６】
前記定量化された前記照射回数依存性から前記パターンの裾引き形状の特徴量を表す係数を算出する工程をさらに備えることを特徴とする請求項５に記載のパターン測定方法。
【請求項７】
荷電粒子線を生成し、前記荷電粒子線を、パターンが形成された試料に、設定された複数回数照射する荷電粒子線照射手段と、
前記荷電粒子線の照射により前記試料から発生する荷電粒子を検出する検出手段と、
前記検出手段からの検出信号を処理して前記試料表面の粒子線像を生成する信号処理手段と、
前記粒子線像から前記パターンの輪郭位置を検出する輪郭検出手段と、
前記各照射回の間でのパターン輪郭位置のズレ量を算出する演算手段と、
予め準備された、ズレ量とパターンの裾引き量との関係に関するテーブルを参照することにより、前記算出されたズレ量から前記パターンの裾引き量を算出する測定手段と、
を備えるパターン測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−６４７０１（Ｐ２０１３−６４７０１Ａ）
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０４８８２（Ｐ２０１１−２０４８８２）
【出願日】平成２３年９月２０日（２０１１．９．２０）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２０日（２０１１．９．２０）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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