(57)【要約】【課題】試料の構成や膜種等によって測長誤差の生じることのない走査形電子顕微鏡の測長方法を提供する。【解決手段】本発明の走査形電子顕微鏡による測長方法は、対物レンズから試料までの距離を検出するセンサの出力を用いて走査形電子顕微鏡を測定ポイントにオートフォーカスさせ、対物レンズの励磁電流を変化させながら試料から放出された試料信号の変化をモニターしてフォーカスずれに相当する対物レンズの励磁電流ΔIobjを検出する。そして、対物レンズの励磁電流ΔIobjを試料に入射する電子ビームの加速電圧ΔＶに換算し、試料に入射する電子ビームの加速電圧をΔＶだけ変更する。その後、測定ポイントの測長を行う。【選択図】図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対物レンズから試料までの距離を検出するセンサの出力を用いて走査形電子顕微鏡を測定ポイントにオートフォーカスさせるステップと、
対物レンズの励磁電流を変化させながら試料から放出された試料信号の変化をモニターしてフォーカスずれに相当する対物レンズの励磁電流ΔIobjを検出するステップと、
前記対物レンズの励磁電流ΔIobjを試料に入射する電子ビームの加速電圧ΔＶに換算するステップと、
試料に入射する電子ビームの加速電圧をΔＶだけ変更するステップと、
測定ポイントの測長を行うステップと、
を含むことを特徴とする走査形電子顕微鏡による測長方法。
【請求項２】
対物レンズから試料までの距離を検出するセンサの出力を用いて走査形電子顕微鏡を測定ポイントにオートフォーカスさせるステップと、
試料に印加する電圧を変化させながら試料から放出された試料信号の変化をモニターしてフォーカスずれに相当する試料印加電圧ΔVbを検出するステップと、
試料に入射する電子ビーム加速電圧をΔVbだけ変更するステップと、
測定ポイントの測長を行うステップと、
を含むことを特徴とする走査形電子顕微鏡による測長方法。
【請求項３】
予め試料に入射する電子ビームの加速電圧と倍率補正係数との対応関係を求めておくステップと、
試料上の測長ポイントに入射する電子ビームの実際の加速電圧を求めるステップと、
前記予め求めておいた対応関係を参照して前記測長ポイントに入射する電子ビームの実際の加速電圧に対応する倍率補正係数を求めるステップと、
測定ポイントの測長を行うステップと、
測長値に前記倍率補正係数を掛けることによって真の寸法を求めるステップと、
を含むことを特徴とする走査形電子顕微鏡による測長方法。
【請求項４】
請求項３記載の走査形電子顕微鏡による測長方法において、
前記試料上の測長ポイントに入射する電子ビームの実際の加速電圧を求めるステップは、走査形電子顕微鏡に設定された電子ビームの加速電圧に対応した対物レンズ励磁条件でのフォーカスずれを解消する対物レンズ補正電流ΔIobjを求めるステップと、前記対物レンズ補正電流ΔIobjを試料に入射する電子ビームの加速電圧ΔＶに換算するステップと、を含むことを特徴とする走査形電子顕微鏡による測長方法。
【請求項５】
請求項３記載の走査形電子顕微鏡による測長方法において、
前記試料上の測長ポイントに入射する電子ビームの実際の加速電圧を求めるステップは、走査形電子顕微鏡に設定された電子ビームの加速電圧に対応した対物レンズ励磁条件でのフォーカスずれを解消する試料印加電圧ΔVbを求めるステップと、を含むことを特徴とする走査形電子顕微鏡による測長方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査形電子顕微鏡による測長方法に関し、特に半導体装置の測長、検査に好適な走査形電子顕微鏡による測長方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の走査形電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope：ＳＥＭ）、特に測長ＳＥＭは、測長した値が真値であることと、測長した値が試料の構成・膜種等によってばらつきやオフセットを持たないことが必要とされている。従来、測長ＳＥＭの寸法校正手段としては、Ｓｉ上にチャージの発生が少ない材料（例えばＡｌやＷ等）を用いてピッチパターンを作成し、そのピッチパターンに測長値を合わせ込むことで、測長ＳＥＭの測長校正値を得ていた。
【０００３】
また、近年の測長ＳＥＭにおいては、２次電子分解能向上のために１次側の入射電子の加速電圧を高くし、試料側に負の電圧を印加して入射電子の加速電圧を減速させる減速電界方式（以下、リターディング方式という）が採用されている（例えば、特許文献１参照）。具体的には、従来方式（試料側の電圧０）に対して、リターディング方式では電子銃部から出る電子の加速電圧を＋Ｖｒだけ高くし、試料に−Ｖｒの電圧を印加することで、電子銃部からＶ＋Ｖｒの加速電圧で放出された電子は、対物レンズを通過した後、試料側に印加された−Ｖｒの電圧により減速され、最終的には加速電圧Ｖで試料に入射するように構成されている。リターディング方式の特徴としては、１次側の入射電子は加速電圧Ｖ＋Ｖｒで対物レンズ下まで通過するのでレンズの色収差を低減することができること、試料から発生した２次電子は−Ｖｒの電界によって検出器の方向へ加速されるので２次電子の収集効率が向上することが挙げられる。
【特許文献１】特開平１０−２９４０７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記の様なリターディング方式を採用した走査形電子顕微鏡においては、試料側に印加する電圧によって試料に入射する電子ビームの加速電圧（以下、Landing Voltageという）が変化するために、観察を行う試料が絶縁膜に覆われている場合、又は表面に絶縁膜が付着している場合、Landing Voltageが変化して倍率（Field of View）がずれることが問題となる。測長ＳＥＭの寸法校正は、Landing Voltage一定、倍率一定の条件下で行うため、そのいずれか一方の値が変化すると、測長された寸法の値が変るといった問題を生じる。つまり、Landing Voltageが変化することによって、寸法誤差が発生していまい、測長を行った寸法が真値ではないといった問題を生じていた。
【０００５】
この問題は、リターディング方式を採用しない従来の測長ＳＥＭでも同様に発生していた。すなわち、試料の表面電位の変化によりLanding Voltageが変化し、その結果寸法誤差が発生し、測長を行った寸法が真値ではないといった問題を生じていた。
【０００６】
表１は、従来の測長ＳＥＭによって、Ｓｉウェーハに形成されたＳｉパターン、膜厚４００ｎｍのＢ−ＰＳＧ膜上パターン、膜厚１０ｎｍのＳｉＯ2膜上パターン、膜厚１００ｎｍのＳｉＯ2膜上パターン、ＳｉＮ膜上パターン、ＨＴＯ＋ＳｉＮ膜（３５ｎｍ）上パターン、膜厚２５ｎｍのＳｉＯＮ膜上パターン、及び実デバイスＡと実デバイスＢ上のパターン中のピッチを測長した結果を示すものである。測長したピッチは、設計値が３５０ｎｍ，４００ｎｍ，５００ｎｍ，６００ｎｍ，７００ｎｍ，８００ｎｍのものである。表中の数値の単位はｎｍである。
【０００７】
【表１】
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【０００８】
図１８は、表１に示した測長データのうち、Ｓｉパターン、Ｂ−ＰＳＧ膜上パターン及び実デバイスＡのパターンのデータから得られる、ピッチ設計値（横軸）とＳＥＭ測長値（縦軸）の関係を図示したものである。Ｓｉパターンのピッチ測長値はほぼ設計値と一致しているが、Ｂ−ＰＳＧ絶縁膜上のパターンのピッチ測長値や実デバイス上のパターンのピッチ測長値は設計値からのずれが大きいことが分かる。これは、Ｂ−ＰＳＧ絶縁膜や実デバイス上のパターン測長の際に、電子ビーム照射によって試料表面がチャージアップしたために測長値に誤差が生じたためと考えられる。
【０００９】
本発明はこのような従来の走査形電子顕微鏡による測長の際の問題点に鑑みなされたもので、試料の構成や膜種等によって測長誤差の生じることのない走査形電子顕微鏡による測長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】
【００１０】
上記問題点を解決するために、本発明の走査形電子顕微鏡による測長方法は、対物レンズから試料までの距離を検出するセンサの出力を用いて走査形電子顕微鏡を測定ポイントにオートフォーカスさせるステップと、対物レンズの励磁電流を変化させながら試料から放出された試料信号の変化をモニターしてフォーカスずれに相当する対物レンズの励磁電流ΔIobjを検出するステップと、対物レンズの励磁電流ΔIobjを試料に入射する電子ビームの加速電圧ΔＶに換算するステップと、試料に入射する電子ビームの加速電圧をΔＶだけ変更するステップと、測定ポイントの測長を行うステップと、を含むことを特徴とする。
【００１１】
オートフォーカスは、対物レンズの励磁電流を制御することで行ってもよいし、試料を載置している試料ステージ等を機械的に移動させることで行ってもよい。この方法によると、試料表面のチャージアップが原因で生じる電子ビーム加速電圧の変化を打ち消し、試料に入射する電子ビームの加速電圧を設定値とすることができるため、ＳＥＭ測長値には試料表面のチャージアップに起因する誤差が含まれない。
【００１２】
本発明の走査形電子顕微鏡による測長方法は、また、対物レンズから試料までの距離を検出するセンサの出力を用いて走査形電子顕微鏡を測定ポイントにオートフォーカスさせるステップと、試料に印加する電圧を変化させながら試料から放出された試料信号の変化をモニターしてフォーカスずれに相当する試料印加電圧ΔVbを検出するステップと、試料に入射する電子ビーム加速電圧をΔVbだけ変更するステップと、測定ポイントの測長を行うステップと、を含むことを特徴とする。
【００１３】
オートフォーカスは、対物レンズの励磁電流を制御することで行ってもよいし、試料を載置している試料ステージ等を機械的に移動させることで行ってもよい。この方法によると、前記方法と同様に、試料表面のチャージアップが原因で生じる電子ビーム加速電圧の変化を打ち消し、試料に入射する電子ビームの加速電圧を設定値とすることができるため、ＳＥＭ測長値には試料表面のチャージアップに起因する誤差が含まれない。
【００１４】
本発明の走査形電子顕微鏡による測長方法は、また、予め試料に入射する電子ビームの加速電圧と倍率補正係数との対応関係を求めておくステップと、試料上の測長ポイントに入射する電子ビームの実際の加速電圧を求めるステップと、前記予め求めておいた対応関係を参照して前記測長ポイントに入射する電子ビームの実際の加速電圧に対応する倍率補正係数を求めるステップと、測定ポイントの測長を行うステップと、測長値に前記倍率補正係数を掛けることによって真の寸法を求めるステップと、を含むことを特徴とする。
【００１５】
この方法において、試料上の測長ポイントに入射する電子ビームの実際の加速電圧を求めるステップはどの様にして実現しても構わないが、例えば、走査形電子顕微鏡に設定された電子ビームの加速電圧に対応した対物レンズ励磁条件でのフォーカスずれを解消する対物レンズ補正電流ΔIobjを求めるステップと、対物レンズ補正電流ΔIobjを試料に入射する電子ビームの加速電圧ΔＶに換算するステップと、を含むものとすることができる。あるいは、走査形電子顕微鏡に設定された電子ビームの加速電圧に対応した対物レンズ励磁条件でのフォーカスずれを解消する試料印加電圧ΔVbを求めることによって実現してもよい。
【００１６】
本発明の測長方法によれば、走査形電子顕微鏡を用いた測長において、試料表面の電位変化に起因する測長誤差を補償して真の寸法値を得ることが可能となる。リターディング方式を使用しない一般的な測長ＳＥＭにおいては、入射電子照射による試料表面のチャージアップに起因する測長寸法誤差を充分に補正して、試料の構成・種類を問わず、真値を得ることが可能となる。すなわち、市長がチャージアップすると、試料の表面電位が変化し、それに伴って入射ビームのLanding Voltageの誤差に起因する倍率ずれ（倍率ずれが発生することは測長値にオフセット値が入ることを意味する）が発生するが、この問題が解消されるために、電子ビーム照射によって試料の表面電位に変化が生じても、常に真値を測長することが可能となる。
【００１７】
また、リターディング方式を採用する測長ＳＥＭにおいては、今まで問題となっていたLanding Voltageの設定誤差に起因する倍率ずれの問題が解消される。すなわち、試料の裏面に絶縁膜が付いている場合、又は電子ビームを照射する箇所の層間構造が変化した場合など、測長を行う試料によっては寸法誤差が発生することがある問題を解消でき、常に真値を測長することが可能となる。さらに、本発明の一つの態様によると、試料上に入射する電子ビームの加速電圧を、試料の構成、種類を問わず常に設計値とすることが可能となる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、試料の構成や膜種等によって測長誤差の生じることのない走査形電子顕微鏡による測長方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、以下の説明では、主として本発明を測長ＳＥＭによる半導体ウェーハ上のパターン計測に適応した場合について述べるが、本発明の適用範囲はそれのみに限定されるものではない。
【００２０】
図１は、本発明による測長ＳＥＭの測長方法の一例を説明するフローチャートである。先ず、測長ＳＥＭで測長を行うウェーハをチャンバー内に入れ（S101）、グローバルアライメントを行う（S102）。グローバルアライメントは、例えばウェーハ上の既知の２点を光学顕微鏡で検出してウェーハの並進方向と回転方向のアライメントを実施するもので、ウェーハ座標系と測長ＳＥＭのステージ座標系を整合させることを目的として行われる。その後、第１測長ポイントを測長する前に、補正データ取得用パターンへ移動する（S103）。
【００２１】
図２に、補正データ取得用パターンの一例を示す。補正データ取得用パターンはチップ内の空き領域あるいはチップとチップの境界部分（スクライブ）に形成されたテストパターンであり、このテストパターンは図２（ａ）に示すようなライン・アンド・スペースパターン、図２（ｂ）に示すようなスペース・アンド・ラインパターン、図２（ｃ）に示すようなコンタクトホールのパターン等とすることができる。
【００２２】
補正データ取得用パターンへ移動した後、そのパターンを測長し、測長データを得る（S104）。次に、測長データと設計値（真値）との比較を行う（S105）。このとき、一般的に光で露光・形成されたパターンは、近接効果や光の干渉等によってライン幅やスペース幅が変化してしまうので、ピッチを測長した測定データを使用するほうが良い。但し、この様な制約が無い場合には、ライン幅やスペース幅の測定データを使用しても構わない。測長データと設計値（真値）とを比較した結果、寸法誤差の発生が無ければスタンダードウェーハ測長時に取得した倍率補正係数を使用し（S106）、全測長ポイントを測長する（S107）。
【００２３】
測長データと設計値（真値）とを比較した結果、寸法誤差が発生していた場合には、寸法誤差成分を除去させる倍率補正係数を算出する（S108）。例えば、ＳＥＭの倍率Magが100000倍の時に電子ビームの走査幅（Field of View）Elが1500nmあるとする。スタンダートウェーハでピッチ幅400nmを測定した場合、出力された値が402nmと仮定すると、誤差分の2nmを除かなければならない。この場合、El×倍率補正係数を変えて補正を行うが、通常El×1.0（倍率補正係数Mag(a)＝1.0）なので、この場合倍率補正係数をMag(a)＝0.995として扱う。この状態で他のウェーハパターンを測長しても同じ結果が得られない場合、もう一度補正パターンより倍率補正係数を算出する。倍率補正係数Mag(a)は、設計値（真値）を測長値で除算することで算出される。例えば、SiN膜付きウェーハの補正パターンより算出された値が410nmで、設計データ（真値）が400nmだとした場合、倍率補正係数Mag(a)は0.9756となる。
【００２４】
以後、この倍率補正係数Mag(a)（＝0.9756）を用いて測長を行えば、真値を得ることができる。従って、まず第１測長ポイントを測長し（S109）、測長値に倍率補正係数を掛けて真の測長値を算出する（S110）。続いて、他の測長ポイントを測長し、同様に先に得られた倍率補正係数に基づいて真の測長値を算出する（S111）。全ての測長ポイントに対する測長が終了すると、ウェーハをアンロードして（S112）、処理を終了する。
【００２５】
図３は、本発明による測長ＳＥＭの測長方法の他の例を説明するフローチャートである。ここでは、特別の補正データ取得用パターンを用いることなく実デバイス（チップ）内に形成されている寸法が既知のパターンを測長することによって倍率補正係数を算出する。従って、この場合には、スクライブやチップの空き領域に予めテストパターンを形成しておく必要はない。
【００２６】
先ず、測長ＳＥＭが測長を行うウェーハをチャンバー内に入れ（S201）、グローバルアライメントを行う（S202）。その後、第１測長ポイントを測長する前に、実デバイス内に形成されている既知のライン・アンド・スペースパターンやコンタクトホールパターンの位置に移動し（S203）、ピッチパターンを測長する（S204）。図４は、実デバイス内に形成されていて測長ＳＥＭの測長値校正のために利用できるパターンの一例を示す図であり、このパターンには図４（ａ）に示すようなライン・アンド・スペースパターン、図４（ｂ）に示すようなスペース・アンド・ラインパターン、図４（ｃ）に示すようなコンタクトホールのパターン等がある。
【００２７】
次に、ピッチパターン測長で得られた測長データと設計値（真値）との比較を行う（S205）。ここで、一般的に光で露光・形成されたパターンは、近接効果や光の干渉等によってライン幅やスペース幅が変化してしまうので、ピッチを測長した測定データを使用するほうが良い。但し、この様な制約が無い場合は、ライン幅やスペース幅の測定データを使用しても構わない。測長データと設計値（真値）とを比較した結果、寸法誤差の発生が無ければスタンダードウェーハ測長時に取得した倍率補正係数を使用し（S206）、全測長ポイントを測長する（S207）。
【００２８】
測長データと設計値（真値）とを比較した結果、寸法誤差があった場合は、寸法誤差成分を除去させる倍率補正係数Mag(a)を算出する（S208）。この倍率補正係数Mag(a)は、設計値（真値）を測長値で除算することで算出される。以降の測定ポイントにおいて、こうして算出された倍率補正係数Mag(a)を用いて測長を行えば、真値を得ることができる。第１測長ポイントを測長し（S209）、測長値に倍率補正係数Mag(a)を掛けて真の測長値を算出する（S210）。続いて、他の測長ポイントを測長し、同様に先に得られた倍率補正係数Mag(a)に基づいて真の測長値を算出する（S211）。全ての測長ポイントに対する測長が終了すると、ウェーハをアンロードして（S212）、処理を終了する。
【００２９】
図５は、本発明による測長ＳＥＭの測長方法の他の例を説明するフローチャートである。ここでは、第１測長ポイントでライン幅、スペース幅及びピッチを一括測長し、そのうちのピッチ測長データを用いて測長寸法校正のための倍率補正係数Mag(a)を算出する。従って、スクライブやチップの空き領域に予めテストパターンを形成しておく必要はない。但し、この場合はピッチパターンを必要とするので、第１測長ポイントのパターンが単体パターンや周期性の無いパターンでは効果を得ることが出来ない。従って、第１測長ポイントには、周期性のあるパターンを含む測長ポイントを選択する必要がある。
【００３０】
先ず、測長ＳＥＭで測長を行うウェーハをチャンバー内に入れ（S301）、グローバルアライメントを行う（S302）。その後、第１測長ポイントの実デバイスパターンへ移動し（S303）、ライン幅、スペース幅及びピッチを一括測長する（S304）。次に、ピッチ測長データとピッチ設計値（真値）との比較を行う（S305）。一般的に光で露光・形成されたパターンは、近接効果や光の干渉等によってライン幅やスペース幅が変化してしまうので、ピッチを測長した測定データを使用する。ピッチの寸法誤差がない場合には、スタンダードウェーハ測長時に取得した倍率補正係数を使用して（S306）、全測長ポイントを測長する（S307）。
【００３１】
ピッチ測長データとピッチ設計値（真値）との比較を行った結果、ピッチの寸法誤差が発生した場合は、そのピッチ誤差から寸法誤差成分を除去するための倍率補正係数Mag(a)を算出し（S308）、その値を第１測長ポイントのライン幅及びスペース幅の測長値にフィードバックする。すなわち、第１測長ポイントのライン幅及びスペース幅の測長値に倍率補正係数Mag(a)を掛けて真値を得る（S309）。その後、他の測長ポイントを測長し、同様に先に得られた倍率補正係数Mag(a)に基づいて真の測長値を算出する（S310）。全ての測長ポイントに対する測長が終了すると、ウェーハをアンロードして（S311）、処理を終了する。
【００３２】
本発明による測長ＳＥＭの測長に当たっては、図６に模式的に示すように、ロット内の各ウェーハ毎に倍率補正係数を算出してもよい。例えば、ウェーハ１１について図１，図３あるいは図５の方法で求めた倍率補正係数をａ、ウェーハ１２について図１，図３あるいは図５の方法で求めた倍率補正係数をｂ、ウェーハ１３について図１，図３あるいは図５の方法で求めた倍率補正係数をｃとすると、ウェーハ１１に関しては測長ＳＥＭの測長値に倍率補正係数ａを掛けることで真の寸法を求める。同様に、ウェーハ１２に関しては測長ＳＥＭの測長値に倍率補正係数ｂを掛けることで真の寸法を求め、ウェーハ１３に関しては測長ＳＥＭの測長値に倍率補正係数ｃを掛けることで真の寸法を求める。
【００３３】
これまで説明した本発明の実施の形態においては、各プロセス毎に絶縁膜や経過したプロセスの違いにより、チャージの度合やバイアス電圧の影響具合が変化するため、倍率補正係数を各試料（各プロセスウェーハ又はウェーハ単体）毎に得て、測長値に補正をかけることで真の寸法を得る。しかし、１枚のウェーハであっても、ウェーハ中心部とウェーハ周辺部では、バイアス電圧の印加状態が変化することが起こりうる。そのため、倍率補正係数を各試料の各チップ毎に得て、同チップ内の測長ならば同じ倍率補正係数を使用し、測長値の真値を得るようにしてもよい。すなわち、１枚のウェーハについて１つの倍率補正係数を用いるのではなく、図７に模式的に示すように、ウェーハ１０内の各チップ毎に倍率補正係数ａ〜ｅを算出し、各チップに関する測長ＳＥＭの測長値にそのチップの倍率補正係数ａ〜ｅを掛けることにより真の寸法を得るようにしてもよい。
【００３４】
さらに、同一チップ内の測長であっても、入射ビームの照射領域、試料の下地構成（膜種・膜厚・組合せ）によりチャージの度合が変化するため、倍率補正係数を各試料、各チップ内の測定ポイント毎に得て、測長値の真値を得るようにしてもよい。すなわち、図８に模式的に示すように、ウェーハ内、チップ毎、測長ポイント毎に倍率補正係数を算出し、その倍率補正係数を用いて真の寸法を求めるようにしてもよい。
【００３５】
これまで説明してきた方法は、測長ＳＥＭで測長された測長値に倍率補正係数を掛けて真の寸法を求める方法であった。これに対して、図９から図１４を用いて以下に説明する方法は、Landing Voltageが設計値となるように電子ビームの試料への入射電圧を制御する方法である。この方法によると、測長ＳＥＭで測長された測長値は、倍率補正係数を用いた補正を加えることなくそれがそのまま真の寸法となる。
【００３６】
最初に、図９、図１０及び図１１を用いて、ウェーハステージ２１のZ軸駆動系が無い場合について説明する。図９は、リターディング方式を採用した測長ＳＥＭ装置の対物レンズ付近の模式図である。ウェーハステージ２１上に保持されたウェーハ１０には、電源２２からリターディング電圧−Ｖｒが印加されている。電子銃２３から加速電圧Ｖ０で加速された入射電子ビーム２４は励磁コイル２６によって励磁される対物レンズ２５によってウェーハ１０上に収束される。入射電子ビーム２４は、また偏向コイル２７によってウェーハ１０上を走査され、ウェーハから放出された二次電子は図示しない二次電子検出器で検出される。引き出し電極３０は、ウェーハから放出された二次電子を上方に引き出すための電極である。対物レンズ２５からウェーハ１０の表面までの距離Ｚは、光源２８ａと光検出器２８ｂを備えるＺセンサにより検出される。Ｚセンサは、光源２８ａからの光ビーム２９をウェーハ１０の表面に斜め入射させ、ウェーハで反射した光ビームが光検出器２８ｂに入射する位置を検出することで、対物レンズ２５の焦点距離として与えられている距離と対物レンズ２５からウェーハ１０の表面までの距離の間の誤差ΔZを検出することができる。
【００３７】
この方法では、図１０のフローチャートに示すように、先ずウェーハ１０をウェーハステージ２１上にロードし（S401）、グローバルアライメント（S402）を行い、そののち第１の測長ポイントへステージ移動する（S403）。図１１（ａ）は、このときの対物レンズ２５の焦点距離とウェーハ１０の位置関係を示している。対物レンズの焦点距離は装置の初期値に設定されており、ウェーハ１０の表面に焦点が合っていない。次に、Ｚセンサ２８ａ，２８ｂによりフォーカスずれΔZを検出し（S404）、ΔZに対応した対物レンズ励磁電流の補正電流ΔIobjを励磁コイル２６に与える（S405）。こうして対物レンズ２５の焦点距離は、図１１（ｂ）に示すように、Ｚセンサ２８ａ，２８ｂにより与えられたフォーカスFzに設定される（S406）。
【００３８】
しかし、励磁コイル２６に補正電流ΔIobjを与えることによって図１１（ｂ）のようにウェーハ表面に入射ビーム２４のフォーカスが合うのは理想的な場合であり、実際にはウェーハ１０表面の帯電、あるいはウェーハ１０に印加するリターディング電圧の設定誤差のために、図１１（ｃ）に示すようなフォーカスずれΔZ'が生じる。次に、測長ＳＥＭの二次電子検出信号を観察しながら励磁コイル２６の電流値ΔIobj'を変化させ、Ｚセンサで追込めなかったフォーカスずれΔZ'分を補償するベストフォーカスポイントFbを求める。こうして、フォーカスずれ量ΔZ'に相当する励磁コイル２６の電流値ΔIobj'が求められる（S407）。次に、ΔZ'分を追込んだ電流値ΔIobj'を加速電圧ΔV'に換算し（S408）、電子ビームの試料への入射電圧を制御する（S409）。入射電圧を制御する際、LandingVoltageが一定となれば良いため、ΔV'を入射電圧（電子銃）側で制御しても、バイアス電圧（リターディング電圧）２２側で制御しても、あるいはその両手段を併用して制御してもよい。
【００３９】
こうしてLanding Voltageを設定値として測長を行う（S410）。このときの対物レンズ２５の励磁電流は、ステップ405にてＺセンサの検出値に対応して設定された励磁電流とするが、像信号を用いて再度フォーカスを合わせ直してもよい。測長の後、その測長ポイントの測長で測定が終了かどうかを判定し（S411）、終了であればウェーハをアンロードして（S412）、処理を終了する。まだ測長ポイントが残っていれば、次の測長ポイントへステージ移動し（S403）、全ての測長ポイントについての測長が終了するまで同様の処理を繰り返す。
【００４０】
上記方法によって、先に表１に示した、Ｓｉウェーハに形成されたＳｉパターン、膜厚４００ｎｍのＢ−ＰＳＧ膜上パターン、膜厚１０ｎｍのＳｉＯ2膜上パターン、膜厚１００ｎｍのＳｉＯ2膜上パターン、ＳｉＮ膜上パターン、ＨＴＯ＋ＳｉＮ膜（３５ｎｍ）上パターン、膜厚２５ｎｍのＳｉＯＮ膜上パターン、及び実デバイスＡと実デバイスＢ上のパターン中のピッチを測長した。測長したピッチは、設計値が３５０ｎｍ，４００ｎｍ，５００ｎｍ，６００ｎｍ，７００ｎｍ，８００ｎｍのものである。結果を表２に示す。表中の数値の単位はｎｍである。
【００４１】
【表２】
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【００４２】
図１７は、表１に示した測長データのうち、Ｓｉパターン、Ｂ−ＰＳＧ膜上パターン及び実デバイスＡのパターンのデータから得られる、ピッチ設計値（横軸）とＳＥＭ測長値（縦軸）の関係を図示したものである。３つの測長値がほぼ重なり、Ｓｉパターンのみならず、Ｂ−ＰＳＧ膜や実デバイスＡのパターンのピッチ測長値も設計値とよく一致している。これは、Ｂ−ＰＳＧ絶縁膜や実デバイス上のパターン測長の際に、電子ビーム照射による試料表面のチャージアップの影響を考慮したためである。
【００４３】
従来技術では、ピッチ校正用パターンと測定を行う試料において、試料の材質、材料、膜厚、膜種、膜組合せ等の条件が異なってしまうと、入射電子のチャージアップや、試料自体の絶縁抵抗が変化するため、表１や図１８に示すように、測長値が常に真値（絶対値）となることが少なかった。しかし、本発明によると、ピッチ校正用パターンと測定を行う試料の条件が異なっても、表２や図１７に示すように、常に真値を得ることが可能となる。
【００４４】
次に、図９及び図１２を参照して、ウェーハステージのZ軸駆動系が有る場合について説明する。図１２のフローチャートに示すように、先ずウェーハ１０をウェーハステージ２１にロードし（S501）、グローバルアライメントを行う（S502）。その後、第１の測長ポイントへステージ移動し（S503）、Ｚセンサ２８ａ，２８ｂによりフォーカスずれ量ΔZを検出する（S504）。次に、検出されたΔZに対応してウェーハステージ２１のZ軸を駆動し（S505）、Ｚセンサ２８ａ，２８ｂにより与えられたフォーカスFzに設定する（S506）。
【００４５】
この場合も、Ｚセンサにより与えられたフォーカス位置にウェーハ１０を位置付けても、入射ビーム２４のフォーカスがウェーハ表面に合うのは理想的な場合であり、実際にはウェーハ１０表面の帯電、あるいはウェーハ１０に印加するリターディング電圧の設定誤差のためにフォーカスずれΔZ'が生じる。そこで、測長ＳＥＭの二次電子検出信号を観察しながら、Ｚセンサで追込めなかったΔZ'分を励磁コイル２６の電流値ΔIobj'を変化させ、ベストフォーカスポイントFbを求める。こうして、フォーカスずれ量ΔZ'に相当する励磁コイル２６の電流値ΔIobj'が求められる（S507）。次に、ΔZ'分を追込んだ電流値ΔIobj'を加速電圧ΔV'に換算し（S508）、電子ビームの試料への入射電圧を制御する（S509）。入射電圧を制御する際、Landing Voltageが一定となれば良いため、ΔV'を入射電圧（電子銃）側で制御しても、バイアス電圧（リターディング電圧）２２側で制御しても、あるいはその両手段を併用して制御しても良い。
【００４６】
こうしてLanding Voltageを設定値として測長を行う（S510）。このときの対物レンズ２５の励磁電流は、Ｚセンサにより与えられた距離にフォーカスできる励磁電流であるが、像信号を用いてフォーカスを合わせ直してもよい。測長の後、その測長ポイントの測長で測定が終了かどうかを判定し（S511）、終了であればウェーハをアンロードして（S512）、処理を終了する。まだ測長ポイントが残っていれば、次の測長ポイントへステージ移動し（S503）、全ての測長ポイントについての測長が終了するまで同様の処理を繰り返す。
【００４７】
図９と図１３を用いて、本発明の他の実施の形態を説明する。ここで説明するのは、ウェーハステージのZ軸駆動系が無いリターディング方式を採用した測長ＳＥＭ装置の場合である。図１３のフローチャートに示したように、先ず、ウェーハ１０をウェーハステージ２１にロードし（S601）、グローバルアライメントを行い（S602）、その後第１の測長ポイントへステージ移動する（S603）。Ｚセンサ２８ａ，２８ｂによりフォーカスずれ量ΔZを検出し（S604）、ΔZに対応した電流ΔIobjを対物レンズ２５の励磁コイル２６に与えて（S605）、Ｚセンサにより与えられたフォーカスFzに設定する（S606）。次に、Ｚセンサで追込めなかったフォーカスずれΔZ'分をウェーハバイアス電圧（リターディング電圧）ΔVbを変化させ、ベストフォーカスポイントFbを求める（S607）。こうして、ベストフォーカスを与えるウェーハバイアス電圧ΔVbが求められる（S608）。フォーカスずれΔZ'分のウェーハバイアス電圧ΔVbが入射電圧誤差となるため、このΔVbを入射電圧側（電子銃側）あるいはウェーハバアイアス側にかけて、あるいはその両方を併用してLanding Voltageを一定とする（S609）。
【００４８】
こうしてLanding Voltageを設定値として測長を行う（S610）。このときの対物レンズ２５の励磁電流は、ステップ605においてＺセンサにより与えられた距離にフォーカスできる励磁電流であるが、像信号を用いてフォーカスを合わせ直してもよい。測長の後、その測長ポイントの測長で測定が終了かどうかを判定し（S611）、終了であればウェーハをアンロードして（S612）、処理を終了する。まだ測長ポイントが残っていれば、次の測長ポイントへステージ移動し（S603）、全ての測長ポイントについての測長が終了するまで同様の処理を繰り返す。
【００４９】
次に、図１４に示したフローチャートを用いて、ウェーハステージのZ軸駆動系が有る場合について説明する。先ず、ウェーハ１０を測長ＳＥＭのウェーハステージ２１にロードし（S701）、グローバルアライメントを行い（S702）、そののち第１の測長ポイントへ移動する（S703）。次に、Ｚセンサによりフォーカスずれ量ΔZを検出し（S704）、ΔZに対応してウェーハステージ２１のZ軸を稼動させて（S705）、Ｚセンサにより決定されるフォーカスFzに設定される（S706）。次に、Ｚセンサで追込めなかったΔZ'分をウェーハバイアス電圧（リターディング電圧）ΔVbを変化させベストフォーカスポイントFbを求める（S707）。こうして、ベストフォーカスを与えるウェーハバイアス電圧ΔVbが求められる（S708）。フォーカスずれΔZ'分のウェーハバイアス電圧ΔVbが入射電圧誤差となるため、このΔVbを入射電圧側（電子銃側）あるいはウェーハバアイアス側にかけて、あるいはその両方を併用してLanding Voltageを一定とする（S709）。
【００５０】
こうしてLanding Voltageを設定値として測長を行う（S710）。測長の後、その測長ポイントの測長で測定が終了かどうかを判定し（S711）、終了であればウェーハをアンロードして（S712）、処理を終了する。まだ測長ポイントが残っていれば、次の測長ポイントへステージ移動し（S703）、全ての測長ポイントについての測長が終了するまで同様の処理を繰り返す。
【００５１】
次に、本発明の他の実施の形態について説明する。この実施の形態では、試料表面のチャージアップ（入射電子が照射した場所の表面電位変化）によってΔVだけ影響を受けた試料入射電子ビームの実際のLanding Voltageを求め、その実際のLanding Voltageに対応する倍率補正係数を使用してＳＥＭの測長値を補正する。
【００５２】
図１５のフローチャートに示したように、先ず、各プロセスのスタンダードウェーハ、例えばポリシリコン工程を経た半導体ウェーハ、ＳｉＯ2工程を経た半導体ウェーハ、ＳｉＯＮ工程を経た半導体ウェーハ、ＳｉＮ工程を経た半導体ウェーハ、Ｂ−ＰＳＧ工程を経た半導体ウェーハ、Ａｌ工程を経た半導体ウェーハ、Ｗ工程を経た半導体ウェーハ、Ｃｕ工程を経た半導体ウェーハ等あるいはそれらの工程を複数経た半導体ウェーハ、又は実デバイスの標準的なウェーハで、Vacc（Landing Voltage）毎にピッチを測定する（S801）。測長値の一例を、表３に示す。表３は、スタンダードウェーハとして採用したＳｉウェーハ、実デバイスＣ、実デバイスＤについて、Vacc（Landing Voltage）を500Vから800Vまで50V毎に変化させて、設計値が600nmのピッチを測長した結果を表にしたものである。
【００５３】
【表３】
2008151797.tif 000005
【００５４】
このデータテーブルから、各プロセスのスタンダードウェーハに対して、設計値を測長値で割って、Vacc毎の倍率補正係数を求め、Vaccデータテーブルを作成する（S802）。Vaccデータテーブルの一例を、表４に示す。
【００５５】
【表４】
2008151797.tif 000006
【００５６】
続いて、各スタンダードウェーハのVaccテーブルより、スタンダードウェーハ毎にVacc（Landing Voltage）と倍率補正係数の関係を表す近似曲線式を算出する（S803）。表４から求められた近似曲線式の一例を図１６に示す。ここまでが準備段階であり、実際のデバイスの測長にかかる前に行ってデータを求めておく。
【００５７】
次に、実デバイスについての測長を行う。例えばSiON膜プロセスを経過したウェーハによって説明すると、先ず、SiONウェーハをチャンバーへロードし、グローバルアライメントを行う。SiONウェーハは絶縁膜がついているために、ΔV分だけLanding Voltageが違ってくる。このΔV分を、例えば図１０、図１２〜図１４のフローチャートで説明した方法によって算出する（S804）。Landing VoltageがΔVだけずれていることが確認されたら、実際にウェーハ上にかかっているLanding Voltageが分かるので、先にSiONスタンダードウェーハについて求めたVacc（Landing Voltage）と倍率補正係数の関係を表す近似曲線式から、測長ポイントにおける倍率補正係数を求める（S805）。
【００５８】
最後に、こうして求めた倍率補正係数を使用して測長値から真値を算出する（S806）。例えば、SiON膜が付いたウェーハにLanding Voltageが600VになるようにＳＥＭを設定したとする。仮に、この時の倍率補正係数がスタンダードウェーハでは0.954であったとする。次に、ΔVを測定したところ、実際のLanding Voltageが550Vだった場合、倍率補正係数を0.954からLanding Voltageが550Vの時の倍率補正係数（仮に、0.956）を用いて測長値に0.956を掛けることで真値を求める。
【００５９】
本発明によれば、走査形電子顕微鏡を用いた測長において、試料表面の電位変化に起因する測長誤差を補償して真の寸法値を得ることが可能となる。例えば、リターディング方式を使用しない一般的な測長ＳＥＭにおいては、入射電子照射による試料表面のチャージアップに起因する測長寸法誤差を充分に補正して、試料の構成・種類を問わず、真値を得ることが可能となる。また、リターディング方式を採用した測長ＳＥＭにおいては、試料に印加すべく電子顕微鏡に設定された電圧と実際に試料に印加された電圧との差を正確に補正できるために、試料上に照射される加速電圧は試料の構成・種類を問わず常に一定となる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明による測長ＳＥＭの測長方法の一例を説明するフローチャート。
【図２】補正データ取得用パターンの一例を示す図。
【図３】本発明による測長ＳＥＭの測長方法の他の例を説明するフローチャート。
【図４】実デバイス内に形成されていて測長ＳＥＭの測長値校正のために利用できるパターンの一例を示す図。
【図５】本発明による測長ＳＥＭの測長方法の他の例を説明するフローチャート。
【図６】ロット内の各ウェーハ毎に倍率補正係数を算出する方法を説明する模式図。
【図７】ウェーハ内の各チップ毎に倍率補正係数を算出する方法を説明する模式図。
【図８】測長ポイント毎に倍率補正係数を算出する方法を説明する模式図。
【図９】リターディング方式を採用した測長ＳＥＭ装置の対物レンズ付近の模式図。
【図１０】Landing Voltageが設計値となるように電子ビームの試料への入射電圧を制御する方法の一例を示すフローチャート。
【図１１】測長ＳＥＭの高さ合わせの方法を説明する模式図。
【図１２】Landing Voltageが設計値となるように電子ビームの試料への入射電圧を制御する方法の他の例を示すフローチャート。
【図１３】Landing Voltageが設計値となるように電子ビームの試料への入射電圧を制御する方法の他の例を示すフローチャート。
【図１４】Landing Voltageが設計値となるように電子ビームの試料への入射電圧を制御する方法の他の例を示すフローチャート。
【図１５】本発明による測長方法の他の例を説明するフローチャート。
【図１６】Vacc（Landing Voltage）と倍率補正係数の関係を表す近似曲線式の一例を示す図。
【図１７】本発明の方法によるＳＥＭ測長値（縦軸）とピッチ設計値（横軸）の関係を示す図。
【図１８】従来の方法によるＳＥＭ測長値（縦軸）とピッチ設計値（横軸）の関係を示す図。
【符号の説明】
【００６１】
１０…ウェーハ、２１…ウェーハステージ、２２…電源、２３…電子銃、２４…入射電子ビーム、２５…対物レンズ、２６…励磁コイル、２７…偏向コイル、２８ａ…光源、２８ｂ…光検出器、２９…光ビーム、３０…引き出し電極
【図１】
2008151797.tif 000007
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2008151797.tif 000011
【図６】
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【図７】
2008151797.tif 000013
【図８】
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【図９】
2008151797.tif 000015
【図１０】
2008151797.tif 000016
【図１１】
2008151797.tif 000017
【図１２】
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【図１３】
2008151797.tif 000019
【図１４】
2008151797.tif 000020
【図１５】
2008151797.tif 000021
【図１６】
2008151797.tif 000022
【図１７】
2008151797.tif 000023
【図１８】
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