(57)【要約】【課題】  本発明は、ビーム照射によるシュリンクの抑制や、立体構造の測定を行う際にも、適正な焦点調整の実現が可能な荷電粒子線の焦点調整方法、及び荷電粒子線装置の提供を目的とする。【解決手段】  上記目的を達成するために、同一視野領域内にて、フォーカス調整用信号を得るためのビーム走査位置と、パターン測定用信号を得るためのビーム走査位置とを違えて配置する焦点調整方法、及び荷電粒子線装置を提案する。より具体的な一態様として、同じＦＯＶ内にて、フォーカス調整用信号を得るためのビーム走査位置と、パターン測定用信号を得るためのビーム走査位置を交互（１本ごと、或いは複数本ごと）に配置して、焦点調整とパターン測定を実行する焦点調整方法、及び荷電粒子線装置を提案する。【選択図】図２
2010092632.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子源と、
当該荷電粒子源から放出される荷電粒子線を収束するレンズと、
前記荷電粒子線を試料上で走査する走査偏向器と、
前記荷電粒子線の走査によって試料から放出される荷電粒子を検出する検出器と、
当該検出器によって検出された荷電粒子に基づいて、前記荷電粒子線走査に基づいて得られる画像を評価し、当該評価に基づいて前記荷電粒子の照射条件を調整する制御装置を備えた荷電粒子線装置において、
前記制御装置は、前記走査偏向器によって走査される荷電粒子線の同一視野領域内で、前記画像を評価する情報を得るための走査線と、前記試料上のパターンを測定するための走査線との位置を違えて配置することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記制御装置は、前記画像を評価する情報を得るための走査線と、前記試料上のパターンを測定するための走査線を、１本、或いは複数本ごとに、交互に配置することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項３】
請求項１において、
前記制御装置は、前記試料上のパターンの測定個所の設定に基づいて、当該測定個所とは異なる位置に、前記画像を評価する情報を得るための走査線を配置することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記制御装置は、前記試料の設計データを参照して、前記測定個所と同じ高さの領域を選択し、当該選択領域に前記画像を評価する情報を得るための走査線を配置することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項５】
荷電粒子源から放出される荷電粒子の走査によって得られる画像を評価し、当該評価に基づいて前記荷電粒子の照射条件を調整する荷電粒子線装置の調整方法において、
前記荷電粒子線の同一視野領域内で、前記画像を評価する情報を得るための走査線と、前記試料上のパターンを測定するための走査線との位置を違えて配置することを特徴とする荷電粒子線装置の調整方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷電粒子線装置に係り、特に荷電粒子線の調整を行う調整方法、及び調整手段を備えた荷電粒子線装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体の微細加工技術が進み、フォトリソグラフィーの感光材料としてフッ化アルゴン（ＡｒＦ）エキシマレーザ光に感光するレジスト（ＡｒＦレジスト）が用いられつつある。しかしながら、上記レジスト上に形成されたパターンに電子ビームを照射すると、パターンが縮小（シュリンク）する可能性があることが知られるようになってきた。
【０００３】
したがって、パターンの寸法を測定するための走査電子顕微鏡側の測定条件（加速電圧・プローブ電流など）を最適化することでシュリンクを最小限に抑える努力がなされている。しかし、加速電圧やプローブ電流を低くすることで信号量が減ってしまうために高い測長精度を保つことができない。すなわち、シュリンク抑制と高精度測長の両立が非常に難しいという問題に直面している。これらを解決する技術として、特許文献１には、Ｘ方向に対してＹ方向の電子線照射領域を広げて電子線の照射密度を低くすることで、シュリンクを抑制するという技術が開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、測定対象パターンとは異なる個所でオートフォーカスを実行し、そのフォーカス条件を、測定対象パターンの走査時のフォーカス条件として適用することで、測定個所においてオートフォーカスのためのビーム走査を行わないようにする技術が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−３５３５号公報
【特許文献２】特開２００５−３２７５７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年では、半導体素子の高集積化および微細化にともない、試料（例えば半導体ウェーハやフォトマスク）上に多種多様なパターンが形成され、それらのパターンに対する高精度な測定の要求が高まっている。その一例として、上述のＡｒＦレジストや、立体構造型トランジスタ（例えば、Fin-Field Effect Transistor：Ｆｉｎ−ＦＥＴ）のようなデバイスがある。Ｆｉｎ−ＦＥＴの場合は、立体構造を持つため、当該立体構造を測長する際の焦点調整は、平面型構造を有するトランジスタの場合と比較して、非常に高い精度が要求される。
【０００７】
特許文献１には、Ｆｉｎ−ＦＥＴのようなパターンを測定する際の焦点調整法については何も言及されていない。また、ＡｒＦレジストのようなパターンであっても、倍率の縦横比が変わってしまうため、縦横比を一致させたい場合はその適用ができない。
【０００８】
また、特許文献２に開示された測定対象パターンとは異なる個所（オフサイト）におけるフォーカス調整法では、例えば、立体構造を持つ測定対象パターンとオフサイトとでは、フォーカスコンディションが大きく変化する場合があるため、測定対象に対する適正な焦点調整ができない場合がある。
【０００９】
更に、試料上に形成されるパターンが絶縁体である場合、電子ビーム照射による帯電の付着によって、電子ビームの軌道が曲げられることがある。例えばオフサイトにてオートフォーカスを行うために、オフサイトにイメージシフトによって、視野（Field Of View：ＦＯＶ）を移動させた場合、ビーム照射による帯電付着のため、オフサイトや測定対象パターンへのＦＯＶの適正な位置合わせが困難になる場合がある。
【００１０】
以下に、ビーム照射によるシュリンクの抑制を実現しつつ、適正なビームの照射条件調整を行うこと、或いは、立体構造の測定を行う場合であっても、適正なビームの照射条件調整を行うことを目的とする荷電粒子線の調整方法、及び荷電粒子線装置を説明する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、同一視野領域内にて、ビーム評価用の画像を得るためのビーム走査位置と、パターン測定用信号を得るためのビーム走査位置とを違えて配置する調整方法、及び荷電粒子線装置を提案する。
【００１２】
より具体的な一態様として、同じＦＯＶ内にて、フォーカス調整用信号を得るためのビーム走査位置と、パターン測定用信号を得るためのビーム走査位置を交互（１本ごと、或いは複数本ごと）に配置して、焦点調整とパターン測定を実行する焦点調整方法、及び荷電粒子線装置を提案する。
【発明の効果】
【００１３】
上記構成によれば、ビーム照射によるシュリンクの抑制を実現しつつ、適正なビームの照射条件調整を行うこと、或いは、立体構造の測定を行う場合であっても、適正なビームの照射条件調整を行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に、同一領域内にて、フォーカス調整用のビーム走査と、測定用のビーム走査を行う実施例について説明する。フォーカス調整用のビーム走査と、測定用のビーム走査との間には、イメージシフトやステージ移動など、ＦＯＶの位置自体（ＦＯＶの中心位置）を移動させるような処理は行わず、走査線の位置を選択的に変化させる。
【００１５】
フォーカス調整用のビームの走査位置と、測定用のビームの走査位置は、重ならないように設定する。
【００１６】
以下、図面を用いて同一領域内にて、フォーカス調整用のビーム走査と、測定用のビーム走査を行う走査電子顕微鏡の一例を説明する。なお、以下の説明では、荷電粒子線装置の一種である走査電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope：ＳＥＭ）を例にとって説明するが、これに限られることはなく、イオンビームを走査する集束イオンビーム（Focused Ion Beam：ＦＩＢ）装置への適用も可能である。ＦＩＢ装置の場合、フォーカス調整用のビーム走査による試料のスパッタによる試料損傷の低減を実現することが可能となる。
【００１７】
図１は、走査電子顕微鏡の概略構成図である。陰極１より放出された一次電子線４は、アノード２により制御・加速され、コンデンサレンズ３および対物レンズ６によって試料ステージ９上に保持された半導体ウェーハ等の測長すべきパターンが形成された試料８上に収束・照射される。
【００１８】
これらのコントロールは、制御演算装置１７によって行われる。一次電子線４の経路には、偏向器５が設けてあり、入力装置１９から設定された任意の設定倍率にしたがって、偏向コイル制御電源１２から所定の偏向電流が供給され、これにより一次電子線４が偏向され、試料８の表面を二次元的に走査する。測長点への移動は、ステージ制御１５が試料ステージ９をコントロールすることで、少なくとも一次電子線４と垂直な面内の２方向（Ｘ方向，Ｙ方向）に移動することができる構成となっており、偏向コイル制御電源１２からの偏向電流を制御することでも移動できる構成になっている。
【００１９】
試料に電子線を照射することで発生した二次電子７は、二次電子検出器１６によって検出され、信号アンプ１３によって増幅され、画像処理部２１に記憶される。そして、記憶された画像を使用し、画像処理部２１の測長部において測長が行われる。また、この時の画像信号は、ＳＥＭ像表示装置１８に表示される。
【００２０】
この走査電子顕微鏡は、走査制御部２０，画像処理部２１を有する。走査制御部２０は、寸法測長領域を含む視野に対してオートフォーカス用の画像を形成するための電子線を寸法測長するための走査線の間で走査させるための制御を行う。画像処理部２１は、ＡＦ（Auto Focus）部と測長部に分かれていて、ＡＦ部はオートフォーカス用の電子線２３を試料８上に走査した時に得られた二次電子７を用いて焦点調整を行い、測長部は測長用の電子線２２を試料８上に走査した時に得られた二次電子７を用いて測長を行う。なお、走査制御部２０および画像処理部２１は、制御演算装置１７の外部に設けても良いし、制御演算装置１７のソフトウェアによって実現しても良い。
【００２１】
オートフォーカスは、例えば画像のフォーカス評価値を評価することによって行われる。より具体的には、対物レンズ６の条件を変化させながら、複数枚のフレーム走査を行い得られた２次電子や反射電子の検出信号から焦点評価値を算出、評価し、最適値を電子レンズの条件に設定するものである。
【００２２】
ここで、焦点評価値には、画素間の微分値等が利用されており、電子レンズの条件を変えながら撮影したフレーム毎に微分値の合計を計算し、その値が一番大きくなった時の電子レンズの条件を焦点が合った条件としている。また、試料に印加される負電圧（リターディング電圧）を調整することによっても、焦点調整が可能であり、リターディング電圧を変化させたときに取得される複数枚の画像に基づいて、適正なフォーカス条件を選択するようにしても良い。
【００２３】
フォーカス調整用信号を取得するためのビームの走査法について、図２を用いて説明する。図２（ａ）は、一般的な画像取得時の走査方法であり、オートフォーカス用の電子線軌道２３，測長用の電子線軌道２２の区別はなく単調に連続して電子線を走査する。
【００２４】
図２（ｂ）は、フォーカス調整用のビーム走査線位置と、測定用のビーム走査線位置をずらすと共に、その位置を交互に配置した例を説明する図である。測長用の電子線軌道２２とオートフォーカス用の電子線軌道２３が交互に配列される。なお、走査線の位置は交互に配置されているが、走査の順番は、フォーカス調整用のビームが先に走査され、フォーカス調整が行われた後、測定用のビーム走査が行われる。
【００２５】
図２（ｃ）は、１つのＦＯＶの中で、測長用の電子線軌道２２と、オートフォーカス用の電子線軌道２３の比率が２：１となる例を説明する図である。図２（ｃ）の例では、測長用の電子線軌道２２と、オートフォーカス用の電子線軌道２３が２本，１本，２本，１本…の順番で配列されているが、これに限られることはなく、他の比率で電子線軌道を配列するようにしても良い。但し、オートフォーカスは、パターンが形成された画像の鮮鋭度等に基づいて、フォーカス評価値を求めているので、例えば鮮鋭度評価に足る画像が形成可能な走査線密度で、オートフォーカス用のビームを走査する必要がある。
【００２６】
図２（ｄ）の例では、ＦＯＶの上側領域に、オートフォーカス用の電子線軌道２３を配列し、ＦＯＶの下側領域に、測長用の電子線軌道を配列した。なお、上述の図２（ｂ）〜（ｄ）の例の中では、測定対象部位の状況に最も沿った形でのフォーカシングが可能であるという点において、図２（ｂ）（ｃ）を選択することが望ましい。図２（ｄ）の例の場合、フォーカシングを行う領域（上側領域）と、測定を行う領域（下側領域）が異なるため、上側領域と下側領域のパターン形成状況が同じ（例えば上側のパターンと下側のパターンが、上側領域と下側領域の境界を中心に鏡対称に形成されているような場合）に選択的に用いるようにすると良い。上側のパターン状況と下側のパターン構成が同じであれば、フォーカスコンディションもほぼ同等と見込めるため、一方で行ったフォーカスコンディションを他方にも適用することが可能となる。
【００２７】
また、図２（ｂ）（ｃ）の例では、測定用のビームが走査される領域と、フォーカス調整用のビームが走査される領域をほぼ同じとしつつ、且つ両者のビーム走査軌道を違えることが可能となるので、シュリンクを抑制しつつ、測定用パターンに対するフォーカスコンディションを高精度に検出することが可能となる。
【００２８】
更に、測定個所の設計データを参照して、測定対象とはならないが、測定対象パターンと同等のフォーカスコンディションによるビーム走査が行われる領域にて、フォーカス調整用ビームを走査し、フォーカス調整を行った後に、測定対象個所に測定用のビームを走査するようにしても良い。
【００２９】
例えば、測定対象をＦｉｎ−ＦＥＴとした場合、以下のようなフォーカス調整法が考えられる。まず、Ｆｉｎ−ＦＥＴは、フィン（Ｆｉｎ）と呼ばれる細い短冊状の部分の上に、当該フィンを跨ぐように、ゲート電極が形成されている。短冊状に切り出されたフィンがチャネルとなるため、電流駆動力を決めるチャネル幅は、フィンの高さで決まり、測定装置における重要な評価項目になる。また、フィンの幅やゲート長も重要な測定項目となる。
【００３０】
Ｆｉｎ−ＦＥＴのような三次元的な構造素子は、平面的なデバイスに比べて、ＦＯＶ内において深さ方向（Ｚ方向）への段差が大きい。よって、デバイスの或る個所にフォーカスを合わせると、当該個所とは異なる高さにある他の個所へのフォーカスが合わなくなることがある。一方、Ｆｉｎ−ＦＥＴの或る部分的な個所のみを測定対象とするのであれば、当該部分と同等の高さ（及び／又は帯電条件）であって、測定対象個所と異なる領域に、フォーカス調整用画像を取得するためのビーム走査を選択的に行い、フォーカス調整を行うようにすると良い。
【００３１】
より具体的には、例えば測長用の走査電子顕微鏡（Critical Dimension-SEM：ＣＤ−ＳＥＭ）では、測長ボックスと呼ばれる測定に供される領域を選択するためのカーソルを選択することがある。例えばこのようなカーソルの位置情報に基づいて、設計データから同等の高さ（及び／又は帯電条件）となる個所を自動選択し、ＣＤ−ＳＥＭの動作条件を設定するためのレシピに自動登録するようにしても良い。また、上記カーソルと同等の高さ情報を持つ領域を、画面上に表示し、オペレータに任意の領域を、フォーカス調整用視野として選択させるようにしても良い。
【００３２】
以上のようにオートフォーカス用の電子線２３と測長用の電子線２２が重ならないように、走査用の偏向器を制御して試料８上を走査することで、試料に対するダメージを抑制しつつ、適正なフォーカス調整を行うことができる。
【００３３】
また、オートフォーカス用の電子線２３と、測長用の電子線２２の合計数は固定ではなく、５１２本や１０２４本など任意に設定することもできる。なお、図２（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）に図示する実施例では二次元的に走査する電子線の走査の縦横比率が１：１の場合について説明したが、１：１である必要性はなく異なる比率で走査しても良いし、測長時の電子線照射による試料ダメージを小さくするためにオートフォーカス用の電子線２３と測長用の電子線２２のエネルギーを変えても良い。
【００３４】
上記した形態によれば、走査領域は同一ながらオートフォーカスと測長とで電子線の走査位置をずらすことで、測長点に適応した正確なオートフォーカスとシュリンクの抑制の両立を実現することで、高い信頼性と高精度で測長することができる。
【００３５】
つぎに測長用の電子線２２の走査線数と繰り返し測長精度の関係について説明する。走査電子顕微鏡では、試料の凹凸情報を持った二次電子信号のラインプロファイルから測長が行われる。よって、このときのラインプロファイルのＳ／Ｎが、繰り返し測長精度を左右することになり、Ｓ／Ｎが低下するにつれて繰り返し測長精度は低下する。したがって、繰り返し測長精度を向上させるためには、Ｓ／Ｎの改善が必要となり、統計的な処理と、信号量増加によってＳ／Ｎを改善している。
【００３６】
前者は、それぞれのラインプロファイルのノイズ位置が異なっていることを利用して複数の走査線を重ね合わせてさらに移動平均による平滑化（スムージング）を施す空間的な処理と、二次電子７の画像を積算する時間的な処理で行う。
【００３７】
後者は、加速電圧やプローブ電流を上げることで信号量を増加させて改善する。図３は、測長用の電子線２２の重ね合わせる走査線数と繰り返し測長精度の関係について説明した図である。重ね合わせる走査線数が増えるにしたがって測長精度が小さくなるが、必要以上のＳ／Ｎが得られる走査線数になったところで横ばいになる。測長用の電子線２２の走査線数（ｎ）と繰り返し測長精度（ｓ）は（１）式で表される。
【００３８】
ｓ＝（１／√ｎ）×ｋ    （ｋ：係数）          ・・・（１）
式（１）から繰り返し測長精度（ｓ）を設定することで測長用の電子線２２の必要走査線数（ｎ）を設定できる。
【００３９】
図４は、測長精度に基づいて、電子線の走査線数を決定するアルゴリズムを説明した図である。まず、必要な繰り返し測長精度（ｓ）を入力装置１９から設定する。つぎに、走査線数（ｎ１）で走査させた時の繰り返し測長精度（ｓ１）を実測値から（１）式の係数（ｋ）を求めることで、繰り返し精度（ｓ）を満足するに足りる測長用の電子線２２の走査線数（ｎ２）を算出する。
【００４０】
以上のように、本実施例では、入力装置１９から繰り返し測長精度（ｓ）を入力することで、走査制御部２０で必要な走査線数（ｎ）を決定する演算機能を備えている。
【００４１】
ここで、試料８上を走査する一次電子線４との相互作用によって起きるＡｒＦレジストのシュリンクについて図５を用いて説明する。図は、ＡｒＦレジストパターン２４の表面を表すものである。ＡｒＦレジストパターン２４の一次電子線４が照射された箇所は、（ａ）のように半円形状にシュリンクが発生する。そして、高倍率など一次電子線４の走査線の間隔が狭くなった場合には、（ｂ）のように半円形状のシュリンクが重なり合うことになり、重なり合った部分のシュリンクが一層進むことになる。
【００４２】
一次電子線４の照射によるＡｒＦレジストパターン２４のシュリンクを小さくするためには、電子線量を小さくしたり、電子線の走査間隔を広くするために測長倍率を下げる方法が採られていたが、倍率を下げたことによる繰り返し測長精度が劣化する問題があった。また、測長前にはオートフォーカスなどの調整用の電子線をＡｒＦレジストパターン２４に照射しなければならず、（ａ）の一次電子線４は、オートフォーカス用の電子線２３と測長用の電子線２２であると言い換えることができる。
【００４３】
したがって、（ｃ）のように測長用の電子線２２とオートフォーカス用の電子線２３を制御することなくＡｒＦレジストパターン２４上に電子線を照射した場合は、同一箇所に二重に一次電子線４を照射することになり、シュリンクが進む原因となる。したがって、（ｄ）に示す例のように、寸法領域を含む視野に対して調整用の画像を形成するための電子線を、寸法測長するための走査線の間で走査させ、前記走査線と測長用の走査線が重ならないように走査することは、シュリンクを抑制することに対する意義は大きい。
【００４４】
なお、調整用の画像を形成するための電子線は、オートフォーカスに限らず、オートスティグマであっても良いし、軸調整などのアライメントであっても良い。
【００４５】
つぎに二次電子７像を積算する実施例を図６により説明する。走査電子顕微鏡の走査制御部２０は、入力装置１９から設定された画像籍算数にしたがって、それぞれの走査領域２６が重ならないように試料８上の測長対象物２５に一次電子線４を走査することができる。この時、ＳＥＭ像表示装置１８には、重ね合わせたひとつの画像として表示される。このような走査法によれば、繰り返し測長精度を向上させるための複数の画像を取得するための電子線走査を、同一箇所で行わないので、シュリンクの抑制を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】走査電子顕微鏡の概略構成図。
【図２】調製用視野を取得するための電子線の走査方法の一例を説明する図。
【図３】電子線の走査線数と測長精度の関係を説明する図。
【図４】測長精度に基づいて、電子線の走査線数を決定するアルゴリズムを説明する図。
【図５】ＡｒＦレジストに電子線を走査したときに生じるシュリンクを説明する図。
【図６】異なる領域で得られた二次電子像を積算する実施例を説明する図。
【符号の説明】
【００４７】
１  陰極
２  アノード
３  コンデンサレンズ
４  一次電子線
５  偏向器
６  対物レンズ
７  二次電子
８  試料
９  試料ステージ
１０  高電圧制御電源
１１  収束レンズ制御電源
１２  偏向コイル制御電源
１３  信号アンプ
１４  対物レンズ制御電源
１５  ステージ制御
１６  二次電子検出器
１７  制御演算装置
１８  ＳＥＭ像表示装置
１９  入力装置
２０  走査制御部
２１  画像処理部
２２  測長用の電子線軌道
２３  オートフォーカス用の電子線軌道
２４  ＡｒＦレジストパターン
２５  測長対象物
２６  走査領域
【図１】
2010092632.tif 000003
【図２】
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【図３】
2010092632.tif 000005
【図４】
2010092632.tif 000006
【図５】
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【図６】
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