(57)【要約】【課題】  荷電ビームを用いて寸法測定パターンの測長を行う際に、正確に寸法測定を行うことができる寸法測定パターン及び寸法測定方法を提供する。【解決手段】  基板上に形成され、荷電ビームを用いた寸法測定に使用される寸法測定パターンにおいて、寸法が測定される測長部６を有するメインパターン１０ｍと、メインパターン１０ｍに隣接して、前記荷電ビームの合焦点位置が前記測長部６と等価であるサブパターン１０ｓを設ける構成とする。  上記構成によれば、荷電ビームのフォーカスをサブパターン１０ｓで合わせることで、測長部６にフォーカスを合わせることが可能となる。したがって、フォーカス合わせ中に測長部６にコンタミネーションが付着したり、測長部がチャージアップしたりすることがなく、測長部６の寸法を正確に測定することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成され、荷電ビームを用いた寸法測定に使用される寸法測定パターンにおいて、
寸法が測定される測長部を有するメインパターンと、
前記メインパターンに隣接して設けられ、前記荷電ビームの合焦点位置が前記測長部と等価であるサブパターンと、
を備えたことを特徴とする寸法測定パターン。
【請求項２】
前記サブパターンは、前記測長部の寸法に比べて小さい複数のパターンが、前記測長部の寸法に比べて小さい間隔で配置された構造を有する請求項１に記載の寸法測定パターン。
【請求項３】
基板上に形成されたパターンに荷電ビームを照射して当該パターンの寸法測定を行う寸法測定方法において、
寸法が測定される測長部を有するメインパターンに隣接して形成され、前記荷電ビームの合焦点位置が前記測長部と等価であるサブパターンに対して位置合わせを行うステップと、
前記サブパターンに対して、前記荷電ビームのフォーカスを合わせるステップと、
前記フォーカスの状態で荷電ビームを前記測長部に照射し、当該測長部の寸法測定を行うステップと、
を有することを特徴とする寸法測定方法。
【請求項４】
前記サブパターンは、前記測長部の寸法に比べて小さい複数のパターンが、前記測長部の寸法に比べて小さい間隔で配置された構造を有する請求項３に記載の寸法測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、寸法測定パターン、及び寸法測定方法に関し、特に半導体装置等の微細なパターンを対象とする寸法測定を行う時、寸法測定装置のフォーカス合わせに好適な、寸法測定パターンに含まれるフォーカス合わせマーク、及びそれを用いた寸法測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の微細化にともなって、フォトリソグラフィ法によって形成されたレジストパターンや、当該レジストパターンを利用して形成された金属パターン等の寸法測定に電子線等の荷電ビームが利用されている。
【０００３】
例えば、荷電ビームとして電子線を使用する寸法測定装置である測長ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）は、半導体基板上に形成された寸法測定パターンに電子線を照射する。そして、電子線の照射により寸法測定パターンの表面で生成された二次電子を検出し、検出された二次電子信号波形から寸法測定パターンのエッジを抽出しこのエッジの間隔から寸法を測定するのである（例えば、特許文献１）。
【０００４】
以下、従来の測長ＳＥＭにおける寸法測定の手順を、図を用いて簡単に説明する。
【０００５】
図５は、寸法測定の対象となる半導体基板Ｓを模式的に示した平面図である。図５に示すように、半導体基板Ｓ上には、半導体基板Ｓの全体に渡って寸法の確認が可能となるように、寸法測定パターンを含む領域２が基板上に分散されて複数設けられている。また、半導体基板Ｓには、前記寸法測定パターンを含む領域２の位置を、基準位置からの相対的な位置関係で指定できるように、当該基準位置を特定するアライメントマーク１が複数形成されている。
【０００６】
このような半導体基板Ｓの寸法測定パターンの測長を行う場合、測長ＳＥＭは半導体基板Ｓを所定の真空度にされた測定室に搬送するとともに、当該測定室内で平面方向に移動可能なステージ上に設置し、寸法測定を開始する。
【０００７】
まず、測長ＳＥＭは、ステージへの半導体基板Ｓの設置誤差を補正するための位置合わせを行う。すなわち、測長ＳＥＭはステージを移動し、半導体基板Ｓがステージ上に誤差なく配置された場合にアライメントマーク１が存在する位置を、測定位置（電子線の直下）に位置させる。そして、低倍率（例えば、１００倍）の光学顕微鏡を介して半導体基板Ｓ上の平面形状を画像データとして取得し、当該画像データに対して、予め測長ＳＥＭに登録されているアライメントマーク１の形状と合致する形状を、パターンマッチング等により検索する。
【０００８】
このとき、検出されたアライメントマーク１の位置は、ステージの移動を制御する際に使用されるステージの絶対座標として記憶される。このような検索は、指定された複数のアライメントマーク１に対して実行される。そして、取得されたアライメントマーク１の絶対座標に基づいて、半導体基板Ｓ上のパターンを指定する座標軸と、ステージの絶対座標軸の方向を一致させるためのθアライメントが、例えば、ステージ表面に直交する軸に対してステージを回転させる等により行われる。
【０００９】
次に、測長ＳＥＭは、光学顕微鏡に比べて高倍率（例えば、５千〜１万倍）の二次電子画像（以下、ＳＥＭ画像という）に切り替えて半導体基板Ｓ上の平面形状を画像データとして取得し、上述の光学顕微鏡での位置合わせと同様の各アライメントマーク１の検出、及びθアライメントを行うことで、より厳密な位置合わせを行う。
【００１０】
上述のようにして、位置合わせが完了すると、測長ＳＥＭは以下の手順で寸法測定パターンの測長を行う。なお、図６は、図５に示す寸法測定パターンを含む領域２を拡大して示した平面図である。
【００１１】
図６に示すように、寸法測定パターンを含む領域２には、所定の設計幅を有する矩形の平面形状を有する寸法測定パターン４が形成されるとともに、寸法測定パターン４が周辺に存在する他のパターンと明確に区別できるように、周辺に類似形状がない特長的なパターン３（ここでは、文字パターン）が形成されている。
【００１２】
まず、測長ＳＥＭは、アライメントマーク１により特定される基準位置からの相対的な位置関係で指定された、いずれかの寸法測定パターンを含む領域２が電子線の直下に位置するようにステージを移動させ、当該ステージ位置においてＳＥＭ画像を取得する。
【００１３】
測長ＳＥＭには、例えば、特長的なパターン３の一部と寸法測定パターン４の一部とで構成される特長的なパターン領域５の形状が予め登録されており、当該登録されている形状と取得したＳＥＭ画像とを比較することにより、特長的なパターン領域５の位置を特定する。
【００１４】
また、測長ＳＥＭには、前記特長的なパターン領域５の特定の位置（ここでは、領域５の中央）から、寸法測定パターン４の上で寸法測定を行う測長部６までの距離Ｌも予め登録されており、当該測長部６において、寸法測定パターン４にフォーカスを合わせた後、当該パターンの幅方向に電子線を走査させる。
【００１５】
このとき得られる二次電子信号波形は、図７に示すように、電子線が横断した寸法測定パターン４の２つのエッジに対応するピークＰ１、Ｐ２を有するものとなる。したがって、これらのピークＰ１、Ｐ２の間隔を計測することにより寸法測定パターン４の測長を行うことができる。
【特許文献１】特開平５−９４９４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、上述の従来の寸法測定では、フォーカスを合わせるために寸法測定パターン４の測長部６に電子線が照射されている。すなわち、従来の寸法測定方法では、前記電子線により、フォーカス合わせ中に、寸法測定パターン４の表面に炭素等のコンタミネーションが付着したり、寸法測定パターン４が絶縁物で構成されている場合にはチャージアップが発生したりする可能性がある。
【００１７】
コンタミネーションが付着した場合は、当然に、寸法測定パターン４が太くなってしまう。また、チャージアップが発生した場合には、当該蓄積された電荷によって、電子線や二次電子が散乱され、取得されるＳＥＭ画像が不確かになってしまう。いずれにしても、寸法測定パターン４の正確な測長を行うことができなくなってしまうのである。
【００１８】
また、より厳密にフォーカスを合わせることを目的として、高倍率（電子線径を小さくする）にした状態でフォーカス合わせが行われることもある。この場合には、寸法測定パターン４へのコンタミネーションの付着やチャージアップ等がより顕著に現れるため、微細な寸法測定パターンの測長を行う際には特に問題となる。
【００１９】
本発明は、上記従来の課題に基づいて提案されたものであって、寸法測定パターンの測長を行う際に、正確に寸法測定を行うことができる寸法測定パターン及び寸法測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記の目的を達成するため、本発明は以下の手段を採用している。すなわち、本発明は、基板上に形成され、荷電ビームを用いた寸法測定に使用される寸法測定パターンにおいて、寸法が測定される測長部を有するメインパターンと、前記メインパターンに隣接して設けられ、前記荷電ビームの合焦点位置が前記測長部と等価であるサブパターンとを備えている。
【００２１】
以上の構成によれば、測長部の近傍に設けられたサブパターンで荷電ビームのフォーカスを合わせることができるため、測長部には実際に寸法測定を行うときにだけ荷電ビームを照射すればよい。したがって、フォーカス合わせ中に測長部にコンタミネーションが付着したり、測長部がチャージアップしたりすることがなく、測長部の寸法を正確に測定することができる。
【００２２】
また、前記サブパターンを、前記測長部の寸法に比べて小さい寸法のパターンが、前記測長部の寸法に比べて小さい間隔で配置された構造を有する構成とすれば、寸法測定を行う際のフォーカスは、測長部の寸法に比べて小さい寸法の構造体に対して合わせられることになるので、精度よくフォーカスを合わせることができる。
【００２３】
一方、他の観点では、本発明は上記寸法測定パターンを使用した場合に好適な寸法測定方法を提供することができる。すなわち、本発明は、基板上に形成されたパターンに荷電ビームを照射して当該パターンの寸法測定を行う寸法測定方法を前提とし、まず、寸法が測定される測長部を有するメインパターンに隣接して形成され、前記荷電ビームの合焦点位置が前記測長部と等価であるサブパターンに対して位置合わせ行う。次に、当該位置において、前記サブパターンに対して前記荷電ビームのフォーカスを合わせる。そして、前記フォーカスの状態で荷電ビームを前記測長部に照射して当該測長部の寸法測定を行う。
【００２４】
以上の構成によれば、寸法測定を行う際に、精度よくフォーカスを合わせ、寸法測定パターンの寸法を正確に測定することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、基板上に形成されたパターンの寸法測定を行う際に、フォーカス合わせの精度を高めることができるとともに、寸法測定の精度を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明に係る寸法測定パターン及び寸法測定方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２７】
図１は、本発明の寸法測定パターン１０の一例を示す平面図である。また、図２は、当該寸法測定パターン１０を半導体基板Ｓ上に配置した状態を示す平面図である。
【００２８】
図１に示すように、本発明に係る寸法測定パターン１０は、測長部６を有するメインパターン１０ｍと、当該メインパターン１０ｍに隣接する位置に設けられたサブパターン１０ｓとを備えている。
【００２９】
また、サブパターン１０ｓは、荷電ビームの合焦点位置（フォーカスが合う位置）が測長部６と等価である構造を有する。すなわち、サブパターン１０ｓは、測長部６の寸法測定を行う際に許容される荷電ビームの焦点深度内に、例えば、パターンエッジ等のフォーカスを合わせることが可能な構造を備えている。このように、パターンエッジが存在すれば、荷電ビームが照射されたときに観測される当該パターンエッジに対応する二次電子信号のコントラスト（強弱）が最大となるように荷電ビームのフォーカス位置を調整することで自動的にフォーカスを合わせることが可能となるからである。
【００３０】
例えば、図１に示すように、サブパターン１０ｓを、メインパターン１０ｍの測長部６の寸法よりも小さい径を有する複数の円状のパターンを密集させたパターン群で構成することで、上記フォーカスを合わせるための多数のパターンエッジを備えることができる。
【００３１】
ここで、サブパターン１０ｓとメインパターン１０ｍとは、半導体基板Ｓ上に同一の加工工程で加工されるパターン（同一レイヤ）として形成すれば、両パターンの合焦点位置は、ほぼ一致することになる。また、両パターンの形成位置の差に起因して両パターンの合焦点位置に差が発生じないように、メインパターン１０ｍ端とサブパターン１０ｓ端との間隔ｄは、測長部６の寸法測定を行う際にＳＥＭ画像を取得する領域のサイズと同程度の間隔であることが好ましい。このようにすれば、サブパターン１０ｓのＳＥＭ画像を取得してフォーカス合わせを行う際には、メインパターン１０ｍは確実にＳＥＭ画像外に存在することになり、サブパターン１ｓに対してフォーカスを合わせる際にメインパターン１ｍに荷電ビームが照射されることもない。
【００３２】
例えば、測長部６の寸法測定を１５万倍の拡大倍率で行う場合には、上記ＳＥＭ画像取得領域のサイズは１μｍ×１μｍ程度であるので、上記間隔ｄは１μｍ程度にすればよい。
【００３３】
一方、メインパターン１０ｍの形状は、上記従来の寸法測定パターン４と同一の構造であればよい。すなわち、当該メインパターン１０ｍを形成するレイヤの加工工程において要求される加工精度に基づいて、メインパターン１０ｍの形状は任意に設計することが可能である。例えば、０．５μｍ幅のパターンに対する加工精度を確認する場合は、メインパターン１０ｍの測長部６の寸法を０．５μｍとし、上記サブパターン１０ｓを構成する円状のパターンの径は０．１μｍ程度にすればよい。
【００３４】
さて、図２に示すように、以上で説明した寸法測定パターン１０は、上記従来の寸法測定パターン４と同様に半導体基板Ｓ上に複数形成される寸法測定パターンを含む領域２に形成される。図２の例では、半導体基板Ｓの中心、及び当該中心と同心の円周上の４箇所に寸法測定パターンを含む領域２が形成された状態を示している。なお、寸法測定パターン１０の形成位置及び形成数は、特に限定されるものではなく、半導体基板Ｓの口径等に応じて所望の位置に所望の数を形成すればよい。
【００３５】
また、半導体基板Ｓ上には、従来と同様に、半導体基板Ｓ上の基準位置を特定するためのアライメントマーク１が設けられるが、上記で説明した従来の構成と同一であるので、ここでの説明は省略する。
【００３６】
次に、上述の寸法測定パターン１０を形成した半導体基板Ｓにおける寸法測定方法を説明する。
【００３７】
従来と同様に、測長ＳＥＭは、ステージ上に半導体基板Ｓが配置された後、低倍率の光学顕微鏡による位置合わせ、及びＳＥＭ画像による位置合わせを行う。
【００３８】
位置合わせが完了すると、測長ＳＥＭは、従来と同様に、いずれかの寸法測定パターンを含む領域２が電子線の直下に位置するようにステージを移動させて、測長ＳＥＭに予め登録されている、例えば、特長的なパターン３の一部とメインパターン１０ｍの一部とで構成される特長的なパターン領域５の形状に基づいて、特長的なパターン領域５の位置を特定する。
【００３９】
ここで、測長ＳＥＭは、予め登録されている特徴的なパターン領域５の特定の位置（例えば、領域５の中央）と、サブパターン１ｓの特定の位置（例えば、サブパターン１０ｓの中央）との相対的な位置関係に基づいてステージを移動させ、サブパターン１０ｓを電子線の直下に位置させる。
【００４０】
そして、測長ＳＥＭは、サブパターン１０ｓ上で電子線を走査させ、これにより取得される二次電子信号に基づいて、当該サブパターン１ｓに電子線のフォーカスを合わせる。
【００４１】
上述のように、サブパターン１０ｓは、測長部６と等価な合焦点位置を有しているため、サブパターン１０ｓにおいて電子線のフォーカスを合わせることで、測長部６におけるフォーカスを合わせることができる。すなわち、フォーカス合わせを測長部６（メインパターン１ｍ）以外の箇所で行うことができるのである。
【００４２】
また、上述のように、本実施の形態では、サブパターン１０ｓは、測長部６に比べて小さな寸法からなる構造体を、測長部６の寸法に比べて小さい間隔で形成した密集パターンであるため、電子線のフォーカスを合わせるエッジは測長部６に比べて多く存在している。このため、測長部６においてフォーカスを合わせるよりも高精度なフォーカス合わせを行うことができる。
【００４３】
さらに、サブパターン１０ｓは微小パターンが密集した構造を有するので、ステージの位置ずれが発生した場合でも、当該サブパターン１０ｓが電子線の照射領域の外部にまでずれない限りフォーカスを合わせることができる。また、本構成によれば、ＳＥＭ画像内に、多数のパターンエッジが存在することになり、上述のコントラストの変化が生じやすくなる。このため、フォーカス合わせも容易となる。
【００４４】
なお、サブパターン１０ｓに対して電子線のフォーカスを合わせた後、測長ＳＥＭは、メインパターン１０ｍの測長部６を電子線の直下に位置させるとともに、メインパターン１０ｍの測長部６に電子線を走査させ、このとき取得される二次電子信号に基づいて、測長部６の寸法を測定する。この点は、従来と同一であるためここでの説明は省略する。
【００４５】
以上説明したように、本発明によれば、測長部６には、実際に寸法測定を行うときにだけ電子線が照射される。このため、電子線のフォーカス合わせ中に、測長部６にコンタミネーションが付着したり、測長部６がチャージアップしたりすることを防止できる。したがって、測長部６の寸法測定を行うときに、測定部６の寸法変化やフォーカスぼけが生じることはなく、測長部６の寸法を高精度、且つ正確に測定することが可能となる。
【００４６】
また、本実施の形態では、上述したように、メインパターン１０ｍ端とサブパターン１０ｓ端との間隔ｄを、測長部６の寸法測定を行うときにＳＥＭ画像を取得する領域のサイズと同程度の間隔にしているので、サブパターン１０ｓにおいて電子線のフォーカスを合わせるときに、測長部６（メインパターン１０ｍ）に電子線が照射されることもない。
【００４７】
なお、以上で説明したサブパターン１０ｓの形状は、具体例を示したものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。すなわち、サブパターン１０ｓは、メインパターン１０ｍの測長部６と等価な合焦点位置に、エッジ等のフォーカスを合わせる対象が有する構造であれば、任意に設計を行うことが可能である。例えば、図３に示すように、円状のパターンに代えて矩形のパターンを採用したり、図４に示すように、複数の帯状パターンを配置したパターン群を採用することも可能である。
【００４８】
また、上記では、サブパターン１０ｓが、互いに独立な複数のパターンにより構成された状態を示したが、上述のように、サブパターン１０ｓは上記合焦点位置にエッジが存在すればよいため、サブパターン１０ｓの各パターンの底部が連結されていてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明は、測長部の寸法を正確に測定することができるという効果を有し、微細パターンの寸法測定方法等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の寸法測定パターンの一例を示す平面図。
【図２】半導体基板上に配置された本発明の寸法測定パターンを示す平面図。
【図３】本発明の寸法測定パターンの他の例を示す平面図。
【図４】本発明の寸法測定パターンの他の例を示す平面図。
【図５】半導体基板上に配置された従来の寸法測定パターンを示す平面図。
【図６】従来の寸法測定パターンを示す平面図。
【図７】従来の寸法測定方法を示す説明図。
【符号の説明】
【００５１】
１  アライメントマーク
２  寸法測定パターンを含む領域
３  特長的なパターン
４  寸法測定パターン
５  特長的なパターン領域
６  測長部
７  二次電子信号波形
１０  寸法測定パターン
１０ｍ  メインパターン
１０ｓ  サブパターン
Ｓ  半導体基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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