特許 7346644 パターン計測方法、パターン計測装置、およびパターン計測プログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-09-08

(45)【発行日】2023-09-19

(54)【発明の名称】パターン計測方法、パターン計測装置、およびパターン計測プログラム

(51)【国際特許分類】

   H01J 37/22 20060101AFI20230911BHJP

   H01J 37/28 20060101ALI20230911BHJP

   H01J 37/147 20060101ALI20230911BHJP

   G01B 15/00 20060101ALI20230911BHJP

【ＦＩ】

H01J37/22 502H

H01J37/28 B

H01J37/147 B

G01B15/00 K

【請求項の数】 39

(21)【出願番号】P 2022047823

(22)【出願日】2022-03-24

(62)【分割の表示】P 2021015425の分割

【原出願日】2017-10-13

(65)【公開番号】P2022088488

(43)【公開日】2022-06-14

【審査請求日】2022-03-24

(73)【特許権者】

【識別番号】501387839

【氏名又は名称】株式会社日立ハイテク

(74)【代理人】

【識別番号】110002572

【氏名又は名称】弁理士法人平木国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】山本 琢磨

(72)【発明者】

【氏名】太田 洋也

(72)【発明者】

【氏名】谷本 憲史

(72)【発明者】

【氏名】安部 悠介

(72)【発明者】

【氏名】田盛 友浩

(72)【発明者】

【氏名】野尻 正明

【審査官】大門 清

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１４－２１６４９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２１－０８２５９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１９／０７３５９２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１７／１７９１３８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１１－０７７２９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１１／０１３３４２（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｊ ３７／００－３７／３６

Ｈ０１Ｌ ２１／６６

Ｇ０１Ｂ １５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

試料に対して所定のビーム入射角度で荷電粒子ビームを照射することによって得られる画像データに基づいて、前記試料に形成されたパターンの上下間の、前記試料表面と平行方向の位置ずれ量を演算し、当該演算した位置ずれ量を、予め求めた位置ずれ量とパターンの傾斜量との対応関係を示す関数、関係式、または近似式に照合または参照する演算装置、を備え、
前記演算装置は、前記関数、関係式、または近似式に照合または参照した判定結果に基づいて、前記パターンの傾斜量を確定させるか否か判断するパターン計測装置。

【請求項2】

請求項１において、
前記画像データは、画像または波形信号である、パターン計測装置。

【請求項3】

請求項１において、
前記パターンは、溝状パターンまたはホール形状パターンである、パターン計測装置。

【請求項4】

請求項１において、
前記画像データは、２次電子画像データまたは後方散乱電子画像データのいずれか、或いは、両方である、パターン計測装置。

【請求項5】

請求項１において、
前記パターンは、１または複数の層で構成されたパターンである、パターン計測装置。

【請求項6】

請求項４において、
前記演算装置は、前記２次電子画像データから得られた前記パターンの上面の位置と、前記後方散乱電子画像データから得られた前記パタ－ンの下面の位置とから、前記位置ずれ量を演算する、パターン計測装置。

【請求項7】

請求項１において、
前記荷電粒子ビームと前記試料表面の垂線の相対角度、前記荷電粒子ビームと電子光学系の理想光軸との相対角度、または前記荷電粒子ビームと前記試料の移動方向の垂線の相対角度を、前記ビーム入射角度とした場合に、前記ビーム入射角度はゼロ度である、パターン計測装置。

【請求項8】

請求項１において、
前記荷電粒子ビームと前記試料表面の垂線の相対角度、前記荷電粒子ビームと電子光学系の理想光軸との相対角度、または前記荷電粒子ビームと前記試料の移動方向の垂線の相対角度を前記ビーム入射角度とした場合に、前記ビーム入射角度は、ゼロ度以外の角度である、パターン計測装置。

【請求項9】

請求項１において、
前記演算装置は、前記関数、関係式、または近似式に照合または参照した判定結果に基づいて、前記パターンの傾斜量に合うようにビーム入射角度を制御して、画像データを再度取得する、パターン計測装置。

【請求項10】

請求項９において、
前記演算装置は、前記再度取得した画像データに基づいて、パターンの寸法または位置ずれ量を演算する、パターン計測装置。

【請求項11】

試料に対して所定のビーム入射角度で荷電粒子ビームを照射することによって得られる画像データに基づいて、前記試料に形成されたパターンの上下間の、前記試料表面と平行方向の位置ずれ量を演算し、当該演算した位置ずれ量を、予め求めた位置ずれ量とパターンの傾斜量との対応関係を示す関数、関係式、または近似式に照合または参照し、前記関数、関係式、または近似式に照合または参照した判定結果に基づいて、前記パターンの傾斜量を確定させるか否か判断する演算ステップ、を含むパターン計測方法。

【請求項12】

請求項１１において、
前記画像データは、画像または波形信号である、パターン計測方法。

【請求項13】

請求項１１において、
前記パターンは、溝状パターンまたはホール形状パターンである、パターン計測方法。

【請求項14】

請求項１１において、
前記画像データは、２次電子画像データまたは後方散乱電子画像データのいずれか、或いは、両方である、パターン計測方法。

【請求項15】

請求項１１において、
前記パターンは、１または複数の層で構成されたパターンである、パターン計測方法。

【請求項16】

請求項１４において、
前記演算ステップは、前記２次電子画像データから得られた前記パターンの上面の位置と、前記後方散乱電子画像データから得られた前記パタ－ンの下面の位置とから、前記位置ずれ量を演算する、パターン計測方法。

【請求項17】

試料に対して所定のビーム入射角度で荷電粒子ビームを照射することによって得られる画像データに基づいて、前記試料に形成されたパターンの上下間の、前記試料表面と平行方向の位置ずれ量を演算し、当該演算した位置ずれ量を、予め求めた位置ずれ量とパターンの傾斜量との対応関係を示す関数、関係式、または近似式に照合または参照し、前記関数、関係式、または近似式に照合または参照した判定結果に基づいて、前記パターンの傾斜量を確定させるか否か判断する処理をコンピュータに実行させるために、コンピュータで読み取り可能な記録媒体に格納されたパターン計測プログラム。

【請求項18】

試料に荷電粒子ビームを照射することによって得られる画像データに基づいて、前記試料上に形成された複数のパターンの寸法を測定するための演算を行う演算装置を備え、
前記演算装置は、
任意のビームチルト角で取得した画像データから求めた、異なる高さの２つのパターンの間の、試料表面と平行方向の位置ずれ量の算出値と、予め求めておいた位置ずれ量とパターンの傾斜量の関係式とにより、前記複数のパターンの傾斜量を算出する、パターン計測装置。

【請求項19】

試料に対して所定のビーム入射角度で荷電粒子ビームを照射することによって得られる画像データに基づいて、前記試料に形成されたパターンの上下間の、前記試料表面と平行方向の位置ずれ量を演算する演算装置を備え、
前記演算装置は、
単位ビーム入射角度あたりの位置ずれ量の変化量、或いは、単位荷電粒子ビーム傾斜角度あたりの位置ずれ量の変化量を算出する、パターン計測装置。

【請求項20】

請求項１９において、
前記演算装置は、
前記単位ビーム入射角度あたりの位置ずれ量の変化量、或いは、前記単位荷電粒子ビーム傾斜角度あたりの位置ずれ量の変化量に基づいて、前記パターンの深さ、前記パターンの深さに関する基準値からの変化量、及び前記パターンの深さと第２のパターンの深さと間の変化量のうち、いずれかを算出する、パターン計測装置。

【請求項21】

試料に荷電粒子ビームを照射することによって得られる画像データに基づいて、前記試料上に形成された複数のパターンの寸法を測定するための演算方法を含むパターン計測方法であって、
前記演算方法は、
任意のビームチルト角で取得した画像データから求めた、異なる高さの２つのパターンの間の、試料表面と平行方向の位置ずれ量の算出値と、予め求めておいた位置ずれ量とパターンの傾斜量の関係式とにより、前記複数のパターンの傾斜量を算出するステップを含む、パターン計測方法。

【請求項22】

試料に対して所定のビーム入射角度で荷電粒子ビームを照射することによって得られる画像データに基づいて、前記試料に形成されたパターンの上下間の、前記試料表面と平行方向の位置ずれ量を演算する演算方法を含むパターン計測方法であって、
前記演算方法は、
単位ビーム入射角度あたりの位置ずれ量の変化量、或いは、単位荷電粒子ビーム傾斜角度あたりの位置ずれ量の変化量を算出するステップを含む、パターン計測方法。

【請求項23】

請求項２２において、
前記演算方法は、
前記単位ビーム入射角度あたりの位置ずれ量の変化量、或いは、前記単位荷電粒子ビーム傾斜角度あたりの位置ずれ量の変化量に基づいて、前記パターンの深さ、前記パターンの深さに関する基準値からの変化量、及び前記パターンの深さと第２のパターンの深さと間の変化量のうち、いずれかを算出する、パターン計測方法。

【請求項24】

試料に荷電粒子ビームを照射することによって得られる画像データに基づいて、前記試料上に形成された複数のパターンの寸法を測定するための演算を行う処理をコンピュータに実行させるために、コンピュータで読み取り可能な記録媒体に格納されたパターン計測プログラムであって、
前記演算は、
任意のビームチルト角で取得した画像データから求めた、異なる高さの２つのパターンの間の、試料表面と平行方向の位置ずれ量の算出値と、予め求めておいた位置ずれ量とパターンの傾斜量の関係式とにより、前記複数のパターンの傾斜量を算出する、パターン計測プログラム。

【請求項25】

試料に対して所定のビーム入射角度で荷電粒子ビームを照射することによって得られる画像データに基づいて、前記試料に形成されたパターンの上下間の、前記試料表面と平行方向の位置ずれ量を演算する処理をコンピュータに実行させるために、コンピュータで読み取り可能な記録媒体に格納されたパターン計測プログラムであって、
前記演算は、
単位ビーム入射角度あたりの位置ずれ量の変化量、或いは、単位荷電粒子ビーム傾斜角度あたりの位置ずれ量の変化量を算出する、パターン計測プログラム。

【請求項26】

請求項１において、
前記演算装置は、前記関数、関係式、または近似式に照合または参照した判定結果に基づいて、パターンの傾斜量を確定又は出力する、パターン計測装置。

【請求項27】

請求項２６において、
前記パターンの傾斜量は、Ｘ方向のパターン傾斜量、Ｙ方向のパターン傾斜量、パターン傾斜の方向、およびパターン傾斜の絶対量の少なくともいずれかを含む、パターン計測装置。

【請求項28】

請求項２６において、
前記試料を保持するステージを備え、
前記演算装置は、前記パターンの傾斜量に基づいて、前記ステージを傾斜させる、パターン計測装置。

【請求項29】

請求項１において、
前記演算装置は、前記関数、関係式、または近似式をレシピ実行時に算出する、パターン計測装置。

【請求項30】

請求項９において、
前記演算装置は、前記再度取得した画像データから算出した位置ずれ量と予め定めた閾値又は許容範囲との比較結果に基づいて、１回以上のリトライ工程を実行する、パターン計測装置。

【請求項31】

請求項３０において、
前記演算装置は、２回目以降のリトライを実行する際に、それ以前のリトライ工程実行時の結果に基づいて、ビーム入射角度を補正する補正係数を更新する、パターン計測装置。

【請求項32】

請求項１において、
前記パターンの傾斜量は、前記試料表面の垂直方向に対して傾いた量、前記試料の垂直方向またはＺ軸方向に対して傾いた量、前記パターンのエッチング方向に対して傾いた量、および前記パターンの垂直方向または深さ方向に対して傾いた量のうちのいずれかである、パターン計測装置。

【請求項33】

請求項１１において、
前記演算ステップは、前記関数、関係式、または近似式に照合または参照した判定結果に基づいて、パターンの傾斜量を確定又は出力することを含む、パターン計測方法。

【請求項34】

請求項３３において、
前記パターンの傾斜量は、Ｘ方向のパターン傾斜量、Ｙ方向のパターン傾斜量、パターン傾斜の方向、およびパターン傾斜の絶対量の少なくともいずれかを含む、パターン計測方法。

【請求項35】

請求項３３において、
前記演算ステップは、前記パターンの傾斜量に基づいて、前記試料を保持するステージを傾斜させることを含む、パターン計測方法。

【請求項36】

請求項１１において、
前記演算ステップは、前記関数、関係式、または近似式をレシピ実行時に算出することを含む、パターン計測方法。

【請求項37】

請求項１１において、
前記演算ステップは、前記関数、関係式、または近似式に照合または参照した判定結果に基づいて、前記パターンの傾斜量に合うようにビーム入射角度を制御して、画像データを再度取得することと、前記再度取得した画像データから算出した位置ずれ量と予め定めた閾値又は許容範囲との比較結果に基づいて、１回以上のリトライ工程を実行することと、を含む、パターン計測方法。

【請求項38】

請求項３７において、
前記演算ステップは、２回目以降のリトライを実行する際に、それ以前のリトライ工程実行時の結果に基づいて、ビーム入射角度を補正する補正係数を更新することを含む、パターン計測方法。

【請求項39】

請求項１１において、
前記パターンの傾斜量は、前記試料表面の垂直方向に対して傾いた量、前記試料の垂直方向またはＺ軸方向に対して傾いた量、前記パターンのエッチング方向に対して傾いた量、および前記パターンの垂直方向または深さ方向に対して傾いた量のうちのいずれかである、パターン計測方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体デバイスの製造工程における計測技術に係り、特に深穴や深溝などのパターン計測技術に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体装置は、半導体ウェハ上にフォトマスクに形成されたパターンをリソグラフィー処理及びエッチング処理により転写する工程を繰り返すことにより製造される。半導体装置の製造過程において、リソグラフィー処理やエッチング処理その他の良否、異物発生等は、半導体装置の歩留まりに大きく影響を及ぼす。したがって、このような製造過程における異常や不良発生を早期にまたは事前に検知するために、製造過程で半導体ウェハ上のパターンの計測や検査が行われているが、精度の高い計測が求められる場合には、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による計測が広く行われている。

【0003】

近年、微細化の進行が鈍化する一方で、３Ｄ－ＮＡＮＤに代表されるように三次元化による高集積化の進行が著しく、異なる工程間でのパターンの重ね合わせずれ、ならびに深い穴や溝のパターン形状の計測ニーズが高まっている。例えば、電子線装置による深穴や深溝の深さ測定（特許文献１）や、複数の検出器信号を活用した異なる工程間での重ね合わせ計測（特許文献２）が報告されている。

【0004】

上記、深穴や深溝はエッチングプロセスにより加工されるが、加工すべきパターンが深くなるに伴い、求められる加工精度が厳しくなってきている。このため、加工されるパターンの垂直度、加工深さ、ならびにボトム寸法などをウェハ面内で計測し、エッチング装置へフィードバックをかけることが重要になってきている。例えば、エッチャーの状態が良くない場合には、ウェハ外周で加工均一性が低下し、パターンが傾斜して加工されるケースがある。

【0005】

また、半導体パターンに限らず、立体形状を走査電子顕微鏡にて観察計測する際には、試料台または電子線を傾け、試料に対する入射角度を変え、上面からの照射とは異なる複数の画像でいわゆるステレオ観察を用いて、パターンの高さ、側壁の角度などの断面形状や、３次元再構成ができることが知られている（特許文献３）。この場合、試料とビームの設定角度精度が得られた断面形状や再構成された３次元形状の精度に大きく影響することが課題であり、このために角度校正を高精度に行うことが実施されている（特許文献４）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２０１５－１０６５３０号公報

【文献】特許第５９６５８１９号公報（対応米国特許ＵＳＰ９，２２４，５７５）

【文献】特許第４６８９００２号公報（対応米国特許ＵＳＰ６，４５２，１７５）

【文献】特許第４５００６５３号公報（対応米国特許ＵＳＰ７，１６４，１２８）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

デバイスの３次元化により、加工される溝や穴のパターンがより深くなるに従って、エッチングプロセスの管理がより重要となってきている。

【0008】

本発明は、エッチングプロセスにフィードバックを掛けるための情報、すなわち、加工されるパターンのボトム寸法、パターン傾斜、ならびにパターン深さを正しく計測することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上記課題を解決するための一形態として、本発明では、試料に対して所定のビーム入射角度で荷電粒子ビームを照射することによって得られる画像データに基づいて、前記試料に形成されたパターンの上下間の位置ずれ量を演算し、当該演算した位置ずれ量を、予め求めた位置ずれ量とパターンの傾斜量とのモデルに照合する演算装置、を備えるパターン計測装置を提供する。

【0010】

尚、本発明は、パターンの計測装置、パターンの形成方法、およびそれをコンピュータに実行させるためのプログラムであっても良い。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、入射ビームがエッチングパターンの底まで到達するようになり、ボトム寸法やエッチングパターンの傾斜角の正確な計測が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1A】実施例１～５に示す装置の構成例を示す概略図である。

【図1B】演算装置の一構成例を示す機能ブロック図である。

【図2】位置ずれ計測の原理を示す図である。

【図3A】入射ビームチルトの効果を示す図である。

【図3B】図３Ａに続く図である。

【図4】入射ビームのチルト量を補正するための補正係数算出プロセスの一例を示す図である。

【図5】実施例１のレシピシーケンスの説明図である。

【図6A】実施例２のホールパターンに対する入射ビームのチルト補正の原理を示す図である。

【図6B】図６Ａに続く図である。

【図7】実施例２のホールパターンに対する入射ビームのチルト補正の一例を示す図である。

【図8】実施例２のホールパターンに対する計測結果出力の一例を示す図である。

【図9】実施例３におけるプロセス変化による補正係数変化の一例を示す図である。

【図10】実施例３の関係式算出処理を追加したレシピシーケンスの一例を示す図である。

【図11】実施例４の補正係数のアップデートの効果を示す図である。

【図12】実施例５のレシピシーケンス例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態（実施例）について詳細に説明する。

【0014】

以下、荷電粒子線の照射により取得された画像を用いて試料の上層のパターンの位置と下層のパターンの位置とのずれ量に基づいて、パターンの傾斜に一致するように入射ビームを制御するパターン寸法計測装置の一例として走査型電子顕微鏡を用いた例を説明する。これは本発明の単なる一例であって、本発明は以下に説明する実施の形態に限定されるものではない。

【0015】

本発明において荷電粒子線装置とは荷電粒子線を用いて試料の画像を撮像する装置を広く含むものとする。荷電粒子線装置の一例として、走査型電子顕微鏡を用いた検査装置、レビュー装置、パターン計測装置が挙げられる。また、汎用の走査型電子顕微鏡や、走査型電子顕微鏡を備えた試料加工装置や試料解析装置にも適用可能である。また、以下で荷電粒子線装置とは、上記の荷電粒子線装置がネットワークで接続されたシステムや上記の荷電粒子線装置の複合装置も含むものとする。

【0016】

本明細書において、「試料」はパターンが形成された半導体ウェハである例を説明するが、これに限られるものではない。

【実施例1】

【0017】

図１Ａは、実施例１のパターン計測装置の構成例を示す図であり、装置本体は電子光学系であるカラム１、ならびに試料室２からなる。カラム１は、電子銃３、コンデンサレンズ４、対物レンズ８、ディフレクタ７、アライナ５、２次電子検出器９、Ｅ×Ｂフィルタ６、反射電子検出器１０を含む。電子銃３によって発生された一次電子線（照射電子）は、コンデンサレンズ４と対物レンズ８によってウェハ１１に対して収束させて照射する。アライナ５は一次電子線が対物レンズ８に入射する位置をアライメントする。一次電子線は、ディフレクタ７によってウェハ１１に対して走査される。ディフレクタ７は、ビーム走査コントローラ１７からの信号に従って一次電子線をウェハ１１に対して走査させる。一次電子線の照射によってウェハ１１から得られる２次電子はＥ×Ｂフィルタ６で２次電子検出器９の方向に向けられ、２次電子検出器９で検出される。また、ウェハ１１からの反射電子は反射電子検出器１０によって検出される。２次電子や反射電子を総称して電子線照射により試料から得られる信号を信号電子と呼ぶこととする。荷電粒子光学系には、これ以外に他のレンズや電極、検出器を含んでもよいし、一部が上記と異なっていてもよく、荷電粒子光学系の構成はこれに限られない。試料室２に設置されるＸＹステージ１３は、ステージコントローラ１８からの信号に従ってカラム１に対してウェハ１１を移動する。ＸＹステージ１３上には、ビーム校正のための標準試料１２が取り付けられている。また、本装置はウェハアライメントのための光学顕微鏡１４を有している。２次電子検出器９および反射電子検出器１０からの信号はアンプ１５ならびにアンプ１６により信号変換され、画像処理ボード１９に送られ画像化される。また、本実施例の重ねパターン寸法計測装置は制御ＰＣ２０により装置全体の動作が制御される。なお、制御ＰＣには、マウスやキーボードなどユーザが指示入力するための入力部と、画面を表示するモニタ等の表示部、ハードディスクやメモリ等の記憶部が含まれている。また、以下に説明する演算を行う演算装置２０ａをここに設けても良い。

【0018】

荷電粒子線装置には、この他にも各部分の動作を制御する制御部や、検出器から出力される信号に基づいて画像を生成する画像生成部が含まれている（図示省略）。制御部や画像生成部は、専用の回路基板によってハードウェアとして構成されていてもよいし、荷電粒子線装置に接続されたコンピュータで実行されるソフトウェアによって構成されてもよい。ハードウェアにより構成する場合には、処理を実行する複数の演算器を配線基板上、または半導体チップまたはパッケージ内に集積することにより実現できる。ソフトウェアにより構成する場合には、コンピュータに高速な汎用ＣＰＵを搭載して、所望の演算処理を実行するプログラムを実行することで実現できる。このプログラムが記録された記録媒体により、既存の装置をアップグレードすることも可能である。また、これらの装置や回路、コンピュータ間は有線又は無線のネットワークで接続され、適宜データが送受信される。

【0019】

図１Ｂは、以下に示す演算を行う演算装置の一構成例を示す機能ブロック図である。

【0020】

図１Ｂに示すように、演算装置は、位置ずれ量算出部２０ａ－１と、パターン傾斜量算出部２０ａ－２と、ビームチルト制御量算出部２０ａ－３とを有する。

【0021】

位置ずれ量算出部２０ａ－１は、任意のビームチルト角で取得した画像から、異なる高さの２つのパターンの間の、ウェハ表面と平行方向の位置ずれ量を算出する。

【0022】

パターン傾斜量算出部２０ａ－２は、予め求めておいた前記位置ずれ量と前記パターンの傾斜量（パターン傾斜量）との関係式により前記位置ずれ量から前記パターンの傾斜量を算出する。

【0023】

ビームチルト制御量算出部２０ａ－３は、パターン傾斜に一致するようにビームチルト制御量を算出する。

【0024】

そして、算出したビームチルト制御量に設定して、再度画像を取得してパターンの計測を行う。

【0025】

アライナ５は、上段の偏向器によって電子ビームを理想光軸から離軸させ、下段の偏向器によって、所望の傾斜角となるように電子ビームを偏向する。図１Ａでは、２段の偏向器を有する傾斜ビーム用偏向器を例示しているが、目的や要求精度に応じて多段を装備してもよい。また、ＸＹステージを傾斜させることによって、試料に傾斜ビームを照射するようにしても良い。

【0026】

電子ビームの入射角は、ＸＹステージあるいは試料に対して校正することができる。例えば、標準試料１２としてピラミッド形状にエッチングされたパターンを備え、画像に現れるピラミッドの４つの面が同じ形状となるように、偏向器によって電子ビームを偏向することによって、電子ビーム軌道を理想光軸と一致させることができる。また、ピラミッドの各面の幾何学的演算に基づいて、所望の傾斜角となるように、電子ビームの軌道を調整することもできる。このような演算に基づいて、偏向器の偏向条件（制御値）を決定する。複数の角度毎に、電子ビームが正確な傾斜角となるようにビームの軌道を校正し、その際の偏向器の制御値を記憶することで、後述する複数の照射角度でのビーム照射を適正に行うことができる。予め校正された偏向条件にて、ビーム照射を行うことによって、傾斜ビームを用いた測定を自動的に実行することが可能となる。

【0027】

本実施例では、試料と電子ビームの相対角度をビーム入射角度とするが、理想光軸と電子ビームの相対角度をビーム入射角度と定義するようにしても良い。通常の電子線計測装置（ＳＥＭ）では基本的に、電子ビーム軌道は、ＸＹステージの移動軌道（Ｘ方向とＹ方向）に対して垂直に設定されている。Ｚ方向をゼロ度と定義し、Ｘ方向、Ｙ方向共に傾斜角をプラス、マイナスの数字で示す。ＸとＹを組み合わせてあらゆる方向の角度の設定が可能である。

【0028】

次に、ビーム走査によって得られる波形信号（プロファイル波形）を用いたパターン表面とボトム間のずれ量測定の概要について、図２を用いて説明する。図２（ａ）は、溝形状パターンＧの断面図である。溝の上部に対して下部の寸法が小さく形成されており、側壁は試料の垂線（Ｚ軸）に対し、０．１度から０．２度の相対角を持っている。図２（ｂ）と（ｃ）は、図２（ａ）に例示したパターンに対するビーム走査に基づいて、それぞれ、検出器９ならびに検出器１０により得られる画像の一例を示す図である。これらの画像には、Ｙ方向を長手方向とする溝状のパターンが表示されている。ビーム走査を行う場合には、Ｘ方向にライン状に走査すると共に、走査位置をＹ方向に移動させることによって、２次元走査を行う。画像の中心部が溝底に相当し、通常は上部よりも暗く見える。

【0029】

図２（ｂ）は、主に２次電子の信号を検出している検出器９による画像であり、溝の両端エッチ部が明るく見えている。また、図２（ｃ）は、主に反射電子の信号を検出している検出器１０による画像であり、溝が深くなるにつれて輝度が減少している。図２（ｄ）は、A－A’の位置での１ラインの信号強度波形例を示す図である。溝の両端エッチ部は、２次電子が試料面から出てきやすいため、輝度のピークを有している。本実施例１では、閾値設定に基づいて、パターン寸法を測定する。閾値として最大輝度の５０％を設定し、閾値と信号波形の交点ａ_１とａ_２とから、溝上部の中点ａ₃を、式（ａ_１＋ａ_２）／２により算出した。同様に、図２（ｅ）は、B－B’の位置での１ラインの信号強度波形を示しており、溝の深い部分ほど輝度が低くなっている。閾値として最大輝度の１０％を設定し、閾値と信号波形の交点ｂ_１とｂ_２とから、溝上部の中点ｂ₃を、式（ｂ_１＋ｂ_２）／２により算出した。次に、溝の表面の中心位置に対する、溝の底部の中心位置のずれを、（ｂ₃－ａ₃）として算出した。

【0030】

以下、パターン形状の傾斜に一致するようにビームをチルトさせてのボトム観察の必要性を図３Ａ，Ｂにより説明する。図３Ａ（ａ）は、溝形状パターンの断面図であり、溝上パターンは試料の垂線（Ｚ軸）に対し、-α°傾いてエッチングされている。図３Ａ（ｂ）-図３Ａ（ｅ）までは、図２（ａ）に例示したパターンに対するビーム走査に基づいて、検出器９ならびに検出器１０により得られる画像の一例を示す図である。ここで、検出器９による２次電子画像は、異なる３つの入射角（－２α°、－α°、０°）に対して、図３Ａ（ｂ）に示されるように、常に画像の中心と表面部での溝の中心が一致するようにして取得されるものとする。図３Ａ（ｃ）－（ｅ）は、ぞれぞれ、入射角－２α°、－α°、０°の時の、検出器１０による反射電子画像を表している。図３Ａ（ｃ）は、入射角度がー２α°の時の反射電子像であり、溝のボトム部の中心が画像中心よりも左（－Ｘ）方向にシフトするため、ずれ量（ｂ_１３）は負の値となる。また、ボトム部の左側が側壁に隠れることにより、ボトム寸法（ｂ_１１－ｂ_１２）が実際よりも小さく計測される。図３Ａ（ｄ）は、入射角度がーα°の時の反射電子像であり、溝のボトム部の中心が画像中心と一致するため、ずれ量（ｂ_２３）は０となり、このときは側壁の陰になることなく溝底全体が観察されるため、ボトム寸法（ｂ_２１－ｂ_２２）を正しく計測することができる。図３Ａ（ｅ）は、入射角度が０°の時の反射電子像であり、溝のボトム部の中心が画像中心よりも右（＋Ｘ）方向にシフトするため、ずれ量（ｂ_３３）は正の値となる。また、ボトム部の右側が側壁に隠れることにより、ボトム寸法（ｂ_３１－ｂ_３２）が実際よりも小さく計測される。ビーム入射角と、ボトム寸法ならびに位置ずれ量との関係は、図３Ｂ（ｆ）にまとめられており、ボトム寸法は位置ずれ量が０となるビーム入射角で最大値となり、位置ずれ量の絶対値が大きくなるにつれてボトム寸法が小さく計測される。すなわち、ボトム寸法を正確に計測しようとすると、パターンの上下部間の位置ずれ量が０となるようにビーム入射角を設定する必要がある。また、パターン傾斜量の測定においても、ボトムの一部が側壁の影に隠れた状態では、実際よりも位置ずれ量が小さく計測されることによる誤差が発生するため、位置ずれ量が小さい状態での計測が望ましい。

【0031】

位置ずれ量が０となるように入射角を制御しようとする場合、ビーム入射角と位置ずれ量の変化の関係をあらかじめ測定して関係式を求めておき、この関係式を用いて、測定された位置ずれ量に相当する分だけビーム入射角を変更するが、図４を用いて関係式を求める手順を説明する。

【0032】

図４（ａ）は、パターンと入射ビームの相対角度と表面－ボトム間のずれ量との関係式を算出するプロセスを示すフローチャート図である。本関係式算出処理（ステップ３１）は、ビームチルト設定（ステップ３２）と位置ずれ量計測（ステップ３３）を、予め設定した条件がすべて完了するまで繰り返す（Ｎｏ）。最後の条件であるか否かの判断プロセス（ステップ３４）で、最後の条件まで完了したと判定されると（ｙｅｓ）、一連の計測結果から関係式算出（ステップ３５）の処理を実行する。図４（ｂ）は、計測結果を、横軸をビームチルト角、縦軸を計測された位置ずれ量としてプロットした図であるが、測定結果に対して、例えば最小２乗法により近似式を求めることで関係式を算出する。本実施例においては、近似式として1次関数（Y=ＡX＋Ｂ）を用いたが、近似式のフォーマットはこれに限定されるものではなく、より高次の関数（例えば３次式）としてもよい。一次式で近似した場合、１次の係数（Ａ）は、ビームチルトの変化に対する位置ずれの変化量（nm/deg）であり、０次の係数（Ｂ）は、関係式の算出に使われた溝パターンが垂直でない場合、パターン傾斜に応じた値を示す。後述するエッチングパターン傾斜に合わせたビームチルト制御では、計測されたずれ量からエッチングパターンの傾斜を算出するのに１次の係数（Ａ）を使用する。すなわち、０度の入射ビームにより計測された位置ずれ量がΔＹのとき、パターンの傾斜に一致するビームチルト角（ΔＸ）は以下の式で算出される。 ΔＸ ＝ －ΔＹ／Ａ

【0033】

式にマイナスが付いているのは、位置ずれ量をキャンセルする方向にビームシフトを行うことによる。本実施例１においては、関係式を算出するために、入射ビームの角度を変えてデータを取得しているが、入射ビームの角度を固定した状態で試料の傾きを変化させてデータを取得してもよい。

【0034】

次に、図５のフローチャート図により、本実施例におけるレシピ処理（ステップ４１）のシーケンスを説明する。レシピが開始されると、ウェハロード（ステップ４２）とアライメント（ステップ４３）が実行される。以下、レシピに設定した各測定点に対しては、まずビームチルトが初期値に設定（ステップ４４）された後、パターン上下部の寸法値と上下間の位置ずれ量が計測され（ステップ４５）、予め求めておいた関係式の１次係数を用いて、パターンの傾斜角が算出される(ステップ４６)。算出された傾斜量が閾値以内であるかの判定（ステップ４７）を行い、閾値以内であれば（ステップ４５）で計測された寸法値と（ステップ４６）で算出されたパターン傾斜量を確定値として次の測定点へ移動する。もし閾値外であれば、パターン傾斜に合うようにビームチルト角を設定し（ステップ４８）、寸法と位置ずれ量の再測定を行う。レシピに設定された全ての測定点が終了したと判断されると（ステップ４９）、ウェハがアンロードされ（ステップ５０）、レシピが終了する（ステップ５１）。

【実施例2】

【0035】

以下、本発明の実施例２のパターン計測装置によるホールパターン計測技術について説明する。実施例１に示した溝パターンの場合は一方向にのみ入射ビームを制御すればよいが、本実施例２に示すホールパターンの場合は、ＸとＹの両方向にビーム傾斜を制御する必要がある。本実施例２では、Ｘ方向とＹ方向の補正式を求めておき、それぞれの方向に補正を行う。

【0036】

図６Ａ（ａ）は、ホール形状パターンの断面図であり、ホールＨは試料の垂線（Ｚ軸）に対してエッチングされている。図６Ａ（ｂ）は、ホールパターンのトップ部の中心が画像の中心となるようにして撮像した場合の、ボトム部の形状と中心位置を、X方向が異なる３つのビーム入射角に対して図示している。入射角がパターンのエッチング方向と一致している場合（入射角０°）ではトップとボトムの中心が一致している。一方、入射ビームが－X側に傾斜した場合（入射角―α_x°）では、トップに対してボトムが－Ｘ方向にずれている。同様にして入射ビームが＋X側に傾斜した場合（入射角＋α_x°）では、トップに対してボトムが＋Ｘ方向にずれている。このように、入射ビーム角に対するずれ量を計測することで、図６Ａ（ｃ）に示すような、X方向のビーム入射角とX方向の位置ずれ量の関係式を算出する。関係式を以下に示す。
OVL_ｘ = Ａ_x * T_x

【0037】

また、図６Ｂ（ｄ）は、ホールパターンのトップ部の中心が画像の中心となるようにして撮像した場合の、ボトム部の形状と中心位置を、Y方向が異なる３つのビーム入射角に対して図示している。入射角がパターンのエッチング方向と一致している場合（入射角０°）ではトップとボトムの中心が一致している。入射ビームが－Y側に傾斜した場合（入射角-α_ｙ°）では、トップに対してボトムが－Y方向にずれている。同様にして入射ビームが＋Y側に傾斜した場合（入射角＋α_ｙ°）では、トップに対してボトムが＋Y方向にずれている。このように、入射ビーム角に対するずれ量を計測することで、図６Ｂ（ｅ）に示すような、Ｙ方向のビーム入射角とX方向の位置ずれ量の関係式を算出する。

【0038】

関係式を以下に示す。
OVL_ｙ = Ａ_ｙ * T_ｙ

【0039】

例えば、図７に示すように、ホールパターンのボトムの中心が、Ｘ方向とＹ方向にそれぞれOVL_ｘとOVL_ｙだけ位置ずれしていた場合は、入射ビームを
Ｘ方向に －（OVL_x / A_x）
Ｙ方向に －（OVL_ｙ / A_ｙ）
だけ、それぞれチルトさせることにより、ホールパターンのエッチング方向に並行にビームを照射させることができる。

【0040】

ここで、本実施例２のレシピシーケンスは、入射ビームの補正方向がXとYの2方向になる点を除いては、実施例１と同じである。

【0041】

本実施例２における、計測結果出力の例を図８に示す。各測定点に対して、
チップX座標（列６１）、チップのY座標（列６２）、チップ内のX座標（列６３）、チップ内のY座標（列６４）、ホールのトップ径（列６５）、ホールのボトム径（列６６）、X方向のパターン傾斜（列６７）、Y方向のパターン傾斜（列６８）、パターン傾斜方向（列６９）、パターンの絶対傾斜量（列７０）
を表示している。

【0042】

ここで、パターン傾斜方向とパターンの絶対傾斜量はそれぞれ以下の式により算出される。
(パターン傾斜方向）＝ atan｛（Y方向のパターン傾斜）/（X方向のパターン傾斜）｝
(パターン絶対傾斜量)＝ √｛（X方向のパターン傾斜）^２＋（Y方向のパターン傾斜）^２｝

【実施例3】

【0043】

実施例１において、入射ビームとエッチングパターンの相対角度と位置ずれ量との間の関係式をあらかじめ求めておくことで、位置ずれ量の計測結果からパターン傾斜量を算出する手順を説明した。計測対象のエッチングパターンの形状が一定であれば、同一の関係式を用いることができるが、例えばパターンの深さが変化した場合には、関係式を再度求め直す必要がある。

【0044】

例えば、図９（ａ），（ｂ）に示すように、エッチングされる層の深さがＤ_１からＤ_１＋ΔＤに変化した場合には、パターンの傾斜角が同じ（-α°）であったとしても、計測される位置ずれ量が大きくなる。すなわち、図９（ｃ）のグラフに示されているように、図９（ａ）と図９（ｂ）とでは、単位ビームチルト変化あたりの位置ずれの変化量（nm/deg）が異なる。このため、エッチングプロセスが変化するたびに、関係式の再測定とレシピへの再登録が必要となり、装置の運用効率が悪くなる。このため、本実施例３では、エッチングプロセスが変化した場合でも、関係式の再登録を不要とする手段を提供する。

【0045】

図５に対応する図１０に示すように、ウェハのアライメント（ステップ４３）の後に、関係式算出処理（ステップ３１）を追加する。関係式算出の手順は、実施例１において図４を用いて説明したものと同じであるが、関係式算出のための各種パラメータ（ウェハ内での撮像位置、入射ビーム角を変化させる範囲）はレシピに登録しておく。

【実施例4】

【0046】

ビームチルトを補正するときの補正係数に誤差があると、位置ずれ量＝０に収束させるために、より多くのリトライが必要となる。例えば、図１１(ａ)は、実際のパターンに対して予め求めた補正係数がずれており、補正量が不足しているケースであるが、同じ補正係数を使い続けた場合には、リトライ２回目でも位置ずれ量許容範囲に収束していない。このため、リトライ２回目では、リトライ１回目の計測結果を補正量に反映するようにする。図１１（ｂ）では、リトライ２回目では、補正係数として、
（ＯＶＬ₁－ＯＶＬ₀）/Ｔｉｌｔ_１
を使用することで、リトライ２回目では位置ずれ量＝０付近へ収束させることが出来る。

【0047】

本実施例４では、図５のビームチルト角を設定プロセス（ステップ４８）において、リトライ２回目以降では、それまでのリトライの結果により補正係数を更新する処理を追加する。

【実施例5】

【0048】

半導体デバイスの製造工程における計測においては、スループットが重要な要素となる。このため、ビームチルトを適正な角度に補正するための測定と、補正させたビームチルト角による最終測定とで、異なる条件を設定する。

【0049】

本実施例５においては、傾斜補正のための位置ずれ量計測プロセス（ステップ５２）では、フレーム加算回数の少ない条件により高速で撮像し、ビームチルト角確定後の寸法＆パターン傾斜測定時（ステップ５３）には、フレーム加算が多くＳＮの高い画像を取得して高精度に測長と行う。

【0050】

また、本実施例５の別の形態としては、位置ずれ量計測プロセス（ステップ５２）では、計算時間短縮のために画像内に複数あるパターンの内の一部のみを計測しておき、位置ずれ量が許容値以内であった場合には、画像再取得することなく同じ画像において、全てのパターンに対して寸法＆パターン傾斜測定（ステップ５３）を実行する。

【0051】

さらに別の形態としては、位置ずれ量計測（ステップ５２）において、画像内の複数のパターンの位置ずれ量を計測し、寸法＆パターン傾斜測定（ステップ５３）において、個々のパターンに一致する傾斜角で個々のパターンを順次撮像して、個々のパターンの高精度測定を行う。

【0052】

上記の実施の形態において、図示されている構成等については、これらに限定されるものではなく、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。

【0053】

また、本発明の各構成要素は、任意に取捨選択することができ、取捨選択した構成を具備する発明も本発明に含まれるものである。

【符号の説明】

【0054】

１：カラム、２：試料室、３：電子銃、４：コンデンサレンズ、５：アライナ、６：Ｅ×Ｂフィルタ、７：ディフレクタ、８：対物レンズ、９：２次電子検出器、１０：反射電子検出器、１１：ウェハ、１２：標準試料、１３：ＸＹステージ、１４：光学顕微鏡、１５、１６：アンプ、１７：ビーム走査コントローラ、１８：ステージコントローラ、１９：画像処理ボード、２０：制御ＰＣ、
３１～３５：関係式算出の各ステップ
４１～５３：実施例におけるレシピシーケンスの各ステップ

【図1A】

【図1B】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】