(57)【要約】【課題】同一形状パターンが周期的に配列された寸法測定パターンを荷電粒子線を用いて測定する際に、指定された特定のパターンを確実に測定することができる、寸法測定パターン、当該寸法測定パターンの形成方法、および寸法測定パターンの測定方法を提供する。【解決手段】寸法測定パターン７は、複数個の同一形状パターンが周期的に半導体基板上に配列されている。寸法測定パターン７では、２種類の同一形状のパターンが配列されている。１つは、半導体基板６と電気的に接続された導体パターン３ｄ上に形成されたホールパターン１ｄである。他は、半導体基板６と電気的に絶縁された導体パターン３ａ〜３ｃ、３ｅ〜３ｇ上に形成された、ホールパターン１ａ〜１ｃ、１ｅ〜１ｇである。【選択図】図２
2008118036.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子線を用いた寸法測定に使用され、複数個の同一形状パターンが周期的に半導体基板上に配列された寸法測定パターンであって、
前記半導体基板と電気的に接続された導電性の下地部上に形成された第１のパターンと、
前記半導体基板と電気的に絶縁された導電性の下地部上に形成された、前記第１のパターンと同一形状の第２のパターンと、
を備えたことを特徴とする寸法測定パターン。
【請求項２】
前記第１および第２のパターンが、前記下地部を被覆する絶縁膜に形成された貫通孔である請求項１記載の寸法測定パターン。
【請求項３】
前記第１のパターンの下地部は、
前記第２のパターンの下地部と前記半導体基板とを絶縁する絶縁膜を貫通する孔の内部に充填された導電体プラグと、
前記導電体プラグ上に形成され、前記第１のパターンの底部に上面が露出する導電体パターンと、
を備えた請求項２記載の寸法測定パターン。
【請求項４】
前記第１および第２のパターンが、前記下地部上に形成された、導電体パターンである請求項１記載の寸法測定パターン。
【請求項５】
荷電粒子線を用いた寸法測定に使用され、複数個の同一形状パターンが周期的に半導体基板上に配列された寸法測定パターンであって、
前記半導体基板上に堆積された絶縁膜を貫通する孔に充填された導電体上に形成され、前記半導体基板と電気的に接続された導電性の第１のパターンと、
前記絶縁膜上に形成され、前記半導体基板と電気的に絶縁された、前記第１のパターンと同一形状の導電性の第２のパターンと、
を備えたことを特徴とする寸法測定パターン。
【請求項６】
荷電粒子線を用いた寸法測定に使用され、複数個の同一形状パターンが周期的に半導体基板上に配列された寸法測定パターンの形成方法であって、
前記半導体基板を被覆する絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜の、前記複数個の同一形状パターンが形成される各位置の少なくとも１つに、貫通孔を形成する工程と、
前記貫通孔に導電体を充填する工程と、
前記絶縁膜上の、前記複数個の同一形状パターンが形成される各位置に導電体パターンを形成する工程と、
前記各導電体パターン上に、前記同一形状パターンを形成する工程と、
を有することを特徴とする寸法測定パターンの形成方法。
【請求項７】
複数個の同一形状パターンが周期的に半導体基板上に配列された寸法測定パーンに荷電粒子線を照射して、前記同一形状パターンの寸法測定を行う寸法測定方法であって、
前記寸法測定パターンに荷電粒子線を照射し、前記寸法測定パターンの画像を取得するステップと、
前記取得された画像と、前記複数個の同一形状パターンに含まれる、他の同一形状パターンとは異なるコントラストで表示される同一形状パターンを基準として、寸法測定対象の同一形状パターンを指定した画像とを比較することにより、寸法測定対象の同一形状パターンを特定するステップと、
前記特定した同一形状パターン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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体集積回路等の微細パターンの正確な寸法測定に利用される寸法測定パターン、寸法測定パターンの形成方法および寸法測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路装置（以下、半導体装置という）の製造工程では、高品質な加工を実現するために、半導体基板上に形成されたパターンの寸法測定が行われている。近年の回路パターン微細化に伴い、寸法測定には、測長ＳＥＭ（Scanning Electron Microscopy）等の荷電粒子線を利用した高倍率の測長装置が使用されている（例えば、特許文献１、２等参照。）。例えば、測長ＳＥＭは、半導体基板上に形成された所定のパターンに電子線を照射することにより二次電子画像を取得し、当該二次電子画像に基づいてパターン寸法を計測する。この種の測長装置は、寸法測定を行うべきパターンを自動的に検出する機能を備えている。このようなパターン検出は、あらかじめ測長装置に登録されている寸法測定対象パターンの画像と、測長装置により取得された画像とをパターンマッチングすることにより行われている。
【０００３】
また、このような寸法測定は、通常、半導体装置を構成する回路素子パターンではなく、寸法測定用の専用パターンである寸法測定パターンを用いて行われている。寸法測定パターンは、半導体装置が形成される基板上の、回路素子パターンとは異なる位置に、回路素子パターンと同一工程を経て形成される。寸法測定パターンは、回路素子パターンに代えて寸法測定が行われるパターンであるため、回路素子パターンと同一もしくは類似した、パターン形状およびパターン配置を有している。例えば、ゲート形成工程の寸法測定パターンとしてはラインパターンが使用され、コンタクトホールあるいはビアホール等の接続孔形成工程の寸法測定パターンには、ホールパターンが使用される。
【０００４】
図１０は、従来の寸法測定パターンを示す平面図である。また、図１１は、図１０に示すＸ−Ｘ線における寸法測定パターンの断面図である。ここでは、半導体基板上に絶縁膜を介して形成される１層目の金属配線層と、以降の工程で当該金属配線層よりも上層に形成される２層目の金属配線層とを接続するビアホールの形成工程で使用される寸法測定パターンを例示している。
【０００５】
図１０に示すように、接続孔形成工程において使用される寸法測定パターン１０７は、周期的に配列された同一形状の複数のホールパターン１０１により構成されている。このような複数のホールパターン１０１からなる寸法測定パターン１０７を使用することにより、フォトリソグラフィ工程における近接効果や、エッチング工程におけるマイクロローディング効果が反映された寸法測定を行うことができる。また、図１１に示すように、各ホールパターン１０１は、１層目の金属配線上に形成された層間絶縁膜１０２に形成されている。各ホールパターン１０１の底面には、回路素子における下層配線に相当する導体パターン１０３が１層目の金属配線層によりそれぞれ形成されている。また、図１０に示すように、各導体パターン１０３は、ホールパターン１０１の底部に露出している。なお、図１１に示すように、各導体パターン１０３は、半導体基板１０６上に層間絶縁膜１０５を介して形成されている。
【０００６】
また、図１２は、図１０および図１１に示した寸法測定パターン１０７を備えた半導体基板１０６の全体を模式的に示す平面図である。図１２に示すように、半導体基板１０６上には、寸法の基板面内分布を測定するため、複数の前記寸法測定パターン１０７（１０７ａ〜１０７ｅ）が配置されている。また、半導体基板１０６上には、寸法測定パターン１０７ａ〜１０７ｅの位置認識に際して、半導体基板１０６上の基準点を認識するための位置認識パターン１０８（１０８ａ、１０８ｂ）が設けられている。
【０００７】
前記寸法計測パターン１０７を使用した従来の寸法測定では、まず、ホールパターン１０１を形成する工程が完了した段階で、半導体基板１０６が測長ＳＥＭのステージに載置される。半導体基板１０６がステージに載置されると、測長ＳＥＭは、１００倍程度の低倍率の光学顕微鏡を用いて、位置認識パターン１０８ａの光学顕微鏡画像を取得する。そして、取得した光学顕微鏡画像と、あらかじめ測長ＳＥＭに登録されている位置認識パターン１０８ａの画像とをパターンマッチングすることにより、ステージ上の絶対座標系における位置認識パターン１０８ａの位置を認識する。ここで、ステージ上の絶対座標系とは、測長ＳＥＭがステージの移動を制御する際に使用する座標系である。
【０００８】
このように、光学顕微鏡による位置認識を行うことにより、測長ＳＥＭは、半導体基板６がステージ上に設置された際に、ステージ上の絶対座標系に対して生じる、１００μｍから２００μｍ程度の位置ずれを補正する。
【０００９】
次に、測長ＳＥＭは、光学顕微鏡画像により位置認識した位置認識パターン１０８ａに電子線を照射し、２０００倍から５０００倍程度の比較的低い倍率で、位置認識パターン１０８ａの二次電子画像を取得する。そして、取得した二次電子画像と、あらかじめ測長ＳＥＭに登録されている位置認識パターン１０８ａの画像とを比較することにより、ステージ上の絶対座標系における、位置認識パターン１０８ａのより詳細な位置を認識する。
【００１０】
このように、比較的低倍率な二次電子画像による位置認識を行うことにより、測長ＳＥＭは、前記光学顕微鏡の光軸と、電子顕微鏡の光軸との間の数１０μｍ程度の位置ずれを補正する。また、このように比較的低倍率で位置認識パターン１０８ａの二次電子画像を取得することで、光学顕微鏡の光軸と電子顕微鏡の光軸との間のずれのために、位置認識パターン１０８ａが測長ＳＥＭの二次電子画像収集範囲（すなわち、表示画面）から外れることが防止できる。なお、一般的な測長ＳＥＭの倍率と二次電子画像収集範囲との関係は、２０００倍で１００μｍ×１００μｍ程度、５０００倍で２０μｍ×２０μｍ程度である。
【００１１】
同様に、位置認識パターン１０８ｂに対しても光学顕微鏡による位置認識と、比較的低倍率の二次電子画像による位置認識が行われる。
【００１２】
以上のようにして、位置認識パターン１０８ａ、１０８ｂの位置認識を行った後、測長ＳＥＭはいずれかの寸法測定パターン１０７（例えば、寸法測定パターン１０７ａ）が二次電子画像収集範囲内に位置する状態にステージを移動させる。当該移動は測長ＳＥＭにあらかじめ登録されている、位置認識パターン１０８（例えば、位置認識パターン１０８ａ）を基準とした相対座標に基づいて行われる。ステージの移動が完了すると、測長ＳＥＭは寸法測定パターン１０７ａに電子線を照射することにより、５０００倍程度の倍率で寸法測定パターンの二次電子画像を取得する。
【００１３】
図１３は、寸法測定パターン１０７の二次電子画像を示す模式図である。図１３（ａ）は、電子線照射直後に取得される二次電子画像５１を示しており、図１３（ｂ）は、電子線の照射を開始してから数秒程度経過した後に取得される二次電子画像５２を示している。
【００１４】
図１３（ａ）に示すように、電子線照射直後は、すべてのホールパターン１０１が、比較的白く見える、コントラストの高い二次電子画像が得られる。これに対し、電子線の照射が開始されてから数秒が経過した後は、図１３（ｂ）に示すように、各ホールパターン１０１が、黒に近いグレーに見えるコントラストの低い二次電子画像５２が得られる。これは、電子線照射直後は、図１１に示す各ホールパターン１０１底部の導体パターン１０３から、層間絶縁膜１０２から放出されるよりも多くの二次電子が放出されるためである。その後、ホールパターン１０１底部の導体パターン１０３からの二次電子の放出量が徐々に減少するため、各ホールパターン１０１の二次電子画像のコントラストが電子線の照射時間の増大に伴って次第に低下する。
【００１５】
測長ＳＥＭは、取得した二次電子画像５２と、あらかじめ登録されている、図１４に示すような、測定対象のホールパターン１１１を含む領域１２０の画像寸法測定パターンの画像とをパターンマッチングする。これにより、測定対象のホールパターン１１１の位置を認識する。当該パターンマッチングでは、図１５に示すように、例えば、取得された二次電子画像５２の中央に最も近いマッチング領域が領域１２０として抽出される。この後、測長ＳＥＭは、図１６に示すように、認識した測定対象のホールパターン１１１が、二次電子画像収集範囲の中央に位置する状態にステージを移動させる。ステージの移動が完了すると、測長ＳＥＭは、図１７に示すように、寸法測定を行う倍率（ここでは１５００００倍）で測定対象のホールパターン１１１に電子線を照射して二次電子画像５３を取得し、寸法測定を行う。以降、半導体基板１０６上に形成されている他の寸法測定パターン１０７ｂ〜１０７ｅに対する寸法測定が同様に行われる。
【特許文献１】特開平１１−２５７９３９号公報
【特許文献２】特開２００３−３３２３９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
ところで、同一形状のホールパターン１０１が周期的に配列された構成の寸法測定パターン１０７においても、以下の理由により、あらかじめ指定された特定のホールパターンを測定することが求められている。
【００１７】
ホールパターン１０１は、リソグラフィ技術を適用して形成されたパターンをマスクとして層間絶縁膜１０２をエッチングすることで形成される。リソグラフィ工程では、ステッパあるいはスキャナ等の露光装置を用いた露光により、レチクル（フォトマスク）上の遮光体からなるパターンが、半導体基板１０６上に転写される。露光装置の光源には、水銀ランプ（ｉ線等）、ＫｒＦ（フッ化クリプトン）エキシマレーザやＡｒＦ（フッ化アルゴン）エキシマレーザ等が使用される。半導体基板１０６上には、当該光源の波長に対して感光性を有するフォトレジストが塗布されている。露光されたフォトレジストは現像によってパターン化され、エッチングマスク、あるいはエッチングマスクを加工するためのマスクとなる。したがって、露光装置の露光エネルギーの局所的なばらつきや、フォトレジスト膜厚、現像液流量、現像液温度等の局所的なばらつきにより、各ホールパターン１０１の寸法が設計上同一であっても、形成された各ホールパターン１０１の寸法はそれぞれ異なる可能性がある。
【００１８】
また、レチクル上の遮光パターンも、電子線描画装置等の別の露光装置を用いた、リソグラフィ技術により形成されている。このため、各ホールパターン１０１の寸法が設計上同一であっても、対応するレチクル上の各遮光パターンの寸法は完全に同一ではない可能性もある。
【００１９】
以上のことから、厳密な精度が要求される半導体装置製造工程では、パターンの個体差に起因する測定値のばらつきを排除するため、指定された特定のパターンの寸法を常に測定し、寸法管理を行う必要がある。
【００２０】
しかしながら、近年の素子パターンの微細化に伴って、図１０および図１１に示すような、複数のホールパターン１０１が周期的に配置された寸法測定パターンでは、指定された特定のホールパターンの寸法測定を行うことが困難になっている。これは、測長ＳＥＭのステージが移動する際の精度に起因する。
【００２１】
十分な移動精度が得られている場合、位置認識パターン１０８ａ、１０８ｂ（図１２参照）の認識後にステージを移動させると、目標位置は二次電子画像取得範囲の中央、すなわち電子顕微鏡の光軸の直下に位置する。しかしながら、現実には、ステージ移動の際に、目標位置は二次電子画像取得範囲の中央からずれた位置になる。位置認識パターン１０８ａ、１０８ｂからの移動距離が大きい程、このような位置ずれは大きくなる。
【００２２】
例えば、寸法測定パターンが測定対象のホールパターン１２１のみで構成されている場合、当該寸法測定パターンの位置にステージを移動させると、図１８に示すように、測定対象のホールパターン１２１は二次電子画像取得範囲の中央からずれた位置になる。この場合、測長ＳＥＭには１つのホールパターン１２１を含む領域１３０の画像が登録されているため、取得した二次電子画像５４から測定対象のホールパターン１２１を認識することができる。したがって、図１９に示すように、認識したホールパターン１２１を二次電子画像５５の中央に移動させることができる。
【００２３】
これに対し、寸法測定パターン１０７では、図２０に示すように、位置ずれが発生した場合でも、取得された二次電子画像５６の中央付近に、認識すべき領域１２０と類似した領域２００が存在している。このため、測長ＳＥＭは、当該領域２００を、寸法測定を行うホールパターン１１１を含む領域１２０と誤認識してしまう。この結果、図２１に示すように、当該領域２００内で、測定対象ホールパターン１１１に対応する位置にあるホールパターン２０１を二次電子画像５７の中央部に移動させ、その寸法を測定してしまう。したがって、従来の寸法測定パターンおよび寸法測定方法では、同一形状パターンが周期的に配置された寸法測定パターン内の、あらかじめ指定された特定のパターンの寸法を測定することは困難である。
【００２４】
本発明は、上述した従来の事情を鑑みて提案されたものであって、荷電粒子線を用いて同一形状パターンが周期的に配列された寸法測定パターンを測定する際に、指定された特定のパターンを確実に測定することができる、寸法測定パターン、当該寸法測定パターンの形成方法、および寸法測定パターンの測定方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
上述の課題を解決するため、本発明は以下の技術的手段を採用している。まず、本発明に係る寸法測定パターンは、荷電粒子線を用いた寸法測定に使用される、複数個の同一形状パターンが周期的に半導体基板上に配列された寸法測定パターンである。そして、本発明に係る寸法測定パターンは、半導体基板と電気的に接続された導電性の下地部上に形成された第１のパターンと、半導体基板と電気的に絶縁された導電性の下地部上に形成された、前記第１のパターンと同一形状の第２のパターンと、を備えた構成を採用している。
【００２６】
本構成によれば、測長装置が取得する画像上で、第１のパターンと第２のパターンとの間にコントラスト差を生じさせることができる。このため、他のパターンと異なるコントラストで表示されたパターンの寸法を測定する、あるいは、当該パターンと特定の位置関係を有するパターンの寸法を測定することにより、寸法測定パターン中の特定パターンの寸法を確実に測定することができる。また、本構成では、寸法測定に関わる部分の形状を変えず、その下層構造を変えることによりコントラスト差を生じさせているため、測定対象部位の寸法に影響を与えることもない。
【００２７】
前記構成において、第１および第２のパターンは、前記下地部を被覆する絶縁膜に形成された貫通孔とすることができる。この場合、第１のパターンの下地部は、第２のパターンの下地部と半導体基板とを絶縁する絶縁膜を貫通する孔の内部に充填された導電体プラグと、当該導電体プラグ上に形成され、前記第１のパターンの底部に上面が露出する導電体パターンとを備えた構成を採用することができる。また、前記第１および第２のパターンは、前記下地部上に形成された、導電体パターンとすることもできる。
【００２８】
また、本発明に係る他の測定パターンは、半導体基板上に堆積された絶縁膜を貫通する孔に充填された導電体上に形成され、半導体基板と電気的に接続された導電性の第１のパターンと、前記絶縁膜上に形成され、半導体基板と電気的に絶縁された、前記第１のパターンと同一形状の、導電性の第２のパターンと、を備えたことを採用することもできる。
【００２９】
一方、他の観点では、本発明は、荷電粒子線を用いた寸法測定に使用され、複数個の同一形状パターンが周期的に半導体基板上に配列された寸法測定パターンの形成方法を提供することができる。すなわち、本発明に係る寸法測定パターンの形成方法は、まず、半導体基板を被覆する絶縁膜を形成する。次いで、当該絶縁膜の、前記複数個の同一形状パターンが形成される各位置の少なくとも１つに貫通孔を形成する。当該貫通孔に導電体を充填した後、絶縁膜上の、前記複数個の同一形状パターンが形成される各位置に導電体パターンを形成する。そして、前記各導電体パターン上に、前記同一形状パターンを形成する。
【００３０】
さらに他の観点では、本発明は、複数個の同一形状パターンが周期的に半導体基板上に配列された寸法測定パーンに荷電粒子線を照射して、同一形状パターンの寸法測定を行う寸法測定方法を提供することができる。すなわち、本発明に係る寸法測定方法は、まず、寸法測定パターンに荷電粒子線を照射し、当該寸法測定パターンの画像を取得する。次いで、取得された画像と、あらかじめ登録されている画像とを比較することにより寸法測定対象の同一形状パターンを特定する。ここでは、前記複数個の同一形状パターンに含まれる、他の同一形状パターンとは異なるコントラストで表示される同一形状パターンを基準として、寸法測定対象の同一形状パターンを指定した画像があらかじめ登録されている。そして、特定した同一形状パターンの寸法測定を行う。
【００３１】
なお、本発明にいう、同一形状のパターンは、完全同一形状のパターンと、略同一形状のパターンとを含む。ここで、略同一形状のパターンとは、例えば、パターンマッチングによる識別が困難な、あるいは意図的にパターンマッチングで同一形状と認識させている、類似した形状のパターンを指す。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、複数個の同一形状パターンが周期的に配列された寸法測定パターンにおいて、あらかじめ指定した特定パターンの寸法を確実に測定することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。以下の実施形態では、１層目の金属配線層と、当該金属配線層よりも上層に以降の工程で形成される２層目の金属配線層とを接続するビアホールの形成工程で使用される寸法測定パターンとして、本発明を具体化している。
【００３４】
図１は、本発明の一実施形態における寸法測定パターンを示す平面図である。また、図２は、図１に示すＡ−Ａ線における寸法測定パターンの断面図である。
【００３５】
図１および図２に示すように、本実施形態の寸法測定パターン７は、周期的に配列された複数個のホールパターン１により構成されている。各ホールパターン１は、層間絶縁膜２に形成されている。ホールパターン１の底部には、導体パターン３が露出している。導体パターン３は、半導体基板６上に堆積された層間絶縁膜５上に形成されている。また、導体パターン３は、１層目の金属配線層に属しており、層間絶縁膜２は当該金属配線層を被覆している。
【００３６】
さて、寸法測定パターン７は、複数個の同一形状パターン中の少なくとも１個のパターンに対応する導体パターン３が半導体基板６に電気的に接続されている。また、他の同一形状パターンに対応する導体パターン３は、半導体基板６と電気的に絶縁されている。図２に示すように、本実施形態の寸法パターン７では、ホールパターン１ａ〜１ｇの底部に露出している導体パターン３ａ〜３ｇの中で、導体パターン３ａ〜３ｃ、および３ｅ〜３ｇは層間絶縁膜５により半導体基板６と絶縁されている。また、導体パターン３ｄは、層間絶縁膜５を貫通する貫通孔９に充填された導電体プラグ４により、半導体基板６と電気的に接続されている。なお、半導体基板が化合物半導体基板等の半絶縁性基板である場合、導電体プラグ４が接続される領域には不純物領域が形成される。また、半導体基板６がｐ型シリコン基板やｎ型シリコン基板である場合、導電体プラグ４が接続される領域には不純物領域が形成されていてもよく、形成されていなくてもよい。
【００３７】
なお、図２に断面形状を示した、ホールパターン１ａ〜１ｇ以外の図１に示すホールパターン１の断面形状は、ホールパターン１ａ〜１ｃ、および１ｅ〜１ｇと同一である。つまり、図１に示す複数個の各同一形状ホールパターン１のうち、ホールパターン１底部の導体パターン３が半導体基板６と接続されているのは、図２に断面形状を示しているホールパターン１ｄのみである。また、図１から理解できるように、本実施形態の寸法測定パターン７は、平面視において、従来の寸法測定パターン１０７と同様である。
【００３８】
また、図３は、図１および図２に示した寸法測定パターン７を備えた半導体基板６の全体を模式的に示す平面図である。図３に示すように、半導体基板６上には、図１２の従来例と同様に、複数の寸法測定パターン７（７ａ〜７ｅ）、および位置認識パターン８が形成されている。
【００３９】
上述の寸法測定パターン７は、以下のようにして形成することができる。図４は、寸法測定パターン７の形成過程を示す工程断面図である。なお、上述したように、図４に示す領域とは異なる半導体基板６上の領域には、以下の工程において、半導体装置を構成する回路素子が形成されている。
【００４０】
まず、図４に図示しない半導体基板６上の領域に公知の微細加工技術を適用して、トランジスタ等の半導体素子が形成される。次いで、当該半導体素子が形成された半導体基板６上に、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により酸化膜等からなる層間絶縁膜５が形成される。
【００４１】
次に、層間絶縁膜５に対して公知のリソグラフィ技術、およびエッチング技術を適用することにより、図４（ａ）に示すように、貫通孔９が形成される。このとき、図示しない半導体基板６上の他の領域では、半導体基板６上に形成された半導体素子の不純物領域上に、コンタクトホールが形成される。
【００４２】
続いて、貫通孔９が形成された半導体基板６の全面にＣＶＤ法等により導体膜が堆積される。その後、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法等により、貫通孔９、および図示しない半導体基板６上の領域に形成されているコンタクトホール以外に堆積された導体膜が除去され、図４（ｂ）に示すように貫通孔９内に導電体プラグ４が形成される。このとき、半導体基板上の他の領域に形成されているコンタクトホール内にも、コンタクトプラグが形成される。なお、本実施形態では、導体膜として、窒化チタン膜（ＴｉＮ膜）、タングステン膜（Ｗ膜）を下層から順に堆積している。
【００４３】
導電体プラグ４の形成が完了すると、半導体基板６の全面に、導体膜が形成される。ここでは、スパッタリング法等により、Ｔｉ膜、ＴｉＮ膜、アルミニウム銅合金膜（ＡｌＣｕ膜）、Ｔｉ膜、ＴｉＮ膜を下層から順に堆積している。当該導体膜に対して、公知のリソグラフィ技術、およびエッチング技術を適用することにより、図４（ｃ）に示すように、導体パターン３（３ａ〜３ｇ）が形成される。このとき、図示しない半導体基板６上の他の領域では、１層目の金属配線層に属する配線が形成される。例えば、上述の位置認識パターン８（８ａ、８ｂ）は、当該工程において形成することができる。
【００４４】
導体パターン３が形成された半導体基板６上には、酸化膜等からなる層間絶縁膜２がＣＶＤ法等により形成される。そして、層間絶縁膜２に対して、公知のリソグラフィ技術、およびエッチング技術を適用することにより、図４（ｄ）に示すように、ホールパターン１ａ〜１ｇが形成される。このとき、図示しない半導体基板６上の他の領域では、１層目の金属配線層に属する配線上に、以降で形成される２層目の金属配線層に属する配線との電気的な接続を行う、ビアホールが形成される。
【００４５】
本実施形態の寸法測定パターン７は、以上の工程が完了した段階で、寸法測定が行われる。その測定結果に基づいて、１層目の金属配線層に属する配線と、以降で形成される２層目の金属配線層に属する配線とを接続するコンタクトホールの加工が、正常に行われているか否かが判定される。なお、寸法測定パターン７の寸法測定の結果、正常な加工が行われていた場合、半導体基板６上の全面に導体膜が形成された後、ＣＭＰ法により不要な導体膜を除去することにより、ホールパターン１ａ〜１ｇおよび他のビアホールに導電膜プラグが形成される。その後、半導体基板６の全面に、Ｔｉ膜、ＴｉＮ膜、ＡｌＣｕ膜、Ｔｉ膜、ＴｉＮ膜からなる導体膜が形成され、２層目の金属配線層に属する配線が形成される。以降、さらに必要な工程を経て、半導体装置が完成する。
【００４６】
以上のようにして形成された寸法測定パターン７に対する寸法測定は、以下のようにして行われる。まず、測長ＳＥＭは、従来と同様の手法により、位置認識パターン８（８ａ、８ｂ）の位置を認識する。位置認識パターン８の位置を認識した測長ＳＥＭは、いずれかの寸法測定パターン７（例えば、寸法測定パターン７ａ）が二次電子画像収集範囲内に位置する状態にステージを移動させる。当該移動は測長ＳＥＭにあらかじめ登録されている、位置認識パターン８（例えば、位置認識パターン８ａ）を基準とした相対座標に基づいて行われる。ステージの移動が完了すると、測長ＳＥＭは寸法測定パターン７ａに電子線を照射することにより、５０００倍程度の倍率で寸法測定パターンの二次電子画像を取得する。
【００４７】
図５は寸法測定パターン７の二次電子像を示す模式図である。図５（ａ）は、電子線照射直後に取得される二次電子画像６１を示しており、図５（ｂ）は、電子線の照射を開始してから数秒程度経過した後に取得される二次電子画像６２を示している。
【００４８】
従来と同様に、電子線照射直後から数秒間は、図５（ａ）に示すように、すべてのホールパターン１が比較的白く、かつ同じように見える二次電子画像６１が取得される。その後、数秒から数１０秒の間、電子線を照射し続けると、図５（ｂ）に示すように、二次電子画像６２が得られる。二次電子画像６２では、寸法測定パターン７を構成する複数個のホールパターン１のうち、半導体基板６と電気的に接続されているホールパターン１ｄ以外のホールパターン１が黒に近いグレーに見える。これは、ホールパターン１ｄ以外のホールパターン１底部の導体パターン３では、従来同様、電子線照射時間の経過とともに二次電子の放出量が減少するためである。これに対し、ホールパターン１ｄ底部の導体パターン３ｄでは、電子線照射時間の経過とともに二次電子の放出量が減少しないためである。ホールパターン１ｄ底部の導体パターン３ｄは、半導体基板６と電気的に接続されているため、導体パターン３ｄに導電体プラグ４を通じて半導体基板６から電子が供給される。このため、導体パターン３ｄから放出される二次電子の量は減少せず、二次電子画像は電子線照射直後の比較的白く見える状態のままとなる。これに対して、ホールパターン１ｄ以外のホールパターン１底部の導体パターン３は、半導体基板６と電気的に絶縁されているため、導体パターン３には半導体基板６から電子が供給されることがない。このため、導体パターン３から放出される二次電子の量が、電子線照射時間の経過とともに減少し、ホールパターン１ｄ以外のホールパターン１は黒に近いグレーに見える。
【００４９】
測長ＳＥＭは、取得した二次電子画像６２と、あらかじめ登録されている、図６（ａ）に示すような、測定対象のホールパターン１１を含む領域２０の画像寸法測定パターンの画像とをパターンマッチングする。これにより、測定対象のホールパターン１１の位置を認識する。本実施形態では、図６（ａ）に示すように、測定対象のホールパターン１１を含む領域２０の画像に、他のホールパターンとは異なったコントラストで二次電子画像上に表示されるホールパターン（ここでは、ホールパターン１ｄ）が含まれている。すなわち、測定対象のホールパターン１１は、他のホールパターンとは異なったコントラストで二次電子画像６２上に表示されるホールパターン１ｄを基準としてその位置が指定されている。このように、他のホールパターンとは異なるコントラストで表示されるホールパターンを基準位置として、測定対象のホールパターンの位置を指定することにより、特定のホールパターンを確実に認識することができる。
【００５０】
なお、図６（ａ）の例では、基準となるホールパターン１ｄに隣接するホールパターンの１つを、測定対象のホールパターン１１にしている。ここで、測定対象のホールパターン１１を含む領域２０の画像には、基準となるホールパターン１ｄが含まれていればよい。例えば、図６（ｂ）に示すように、基準となるホールパターン１ｄと、測定対象のホールパターン１１との間に別のホールパターン１が存在する、領域３０の画像を、測定対象のホールパターンを含む領域の画像として使用することもできる。また、基準となるホールパターン自体を測定対象のホールパターンとしてもよい。さらに、基準となるホールパターンと測定対象のホールパターンとの位置関係があらかじめ座標として登録されていて、前記基準となるホールパターンと前記測定対象のホールパターンとの間の距離が、前記基準となるホールパターンから前記測定対象のホールパターンへステージを移動させても位置ずれが生じないか無視できるほど小さい場合は、測定対象のホールパターンが前記領域２０の画像あるいは前記領域３０の画像の中に含まれていなくてもよい。
【００５１】
したがって、本実施形態によれば、位置認識パターン８から寸法測定パターン７に二次電子画像取得範囲を移動させる際に位置ずれが発生しても、特定のホールパターンを認識することができる。
【００５２】
例えば、位置認識パターン８から寸法測定パターン７へのステージ移動の際に位置ずれが発生し、図７に示すように、ホールパターン１ｄが二次電子画像６３の中央部に位置しない状態であるとする。この場合であっても、本実施形態では、測長ＳＥＭに、基準となるホールパターン１ｄを含む領域２０が登録されているため、二次電子画像６３から測定対象のホールパターン１１を確実に認識することができる。
【００５３】
なお、測長ＳＥＭにあらかじめ登録される画像は、測長ＳＥＭが行うパターンマッチングによりホールパターン１ｄと測定対象のホールパターン１１の位置が認識できる画像として設定される。すなわち、基準となるホールパターン１ｄおよび測定対象のホールパターン１１の、大きさ、形状、二次電子画像の像質などに応じた画像が測長ＳＥＭに登録される。また、上述の事例では、測定対象のホールパターンを特定するために取得する二次電子画像の倍率を５０００倍とした。しかしながら、当該倍率も、測長ＳＥＭがパターンマッチングによりホールパターン１ｄと測定対象のホールパターン１１の位置が認識できる倍率に適宜設定することができる。すなわち、基準となるホールパターン１ｄおよび測定対象のホールパターン１１の、大きさ、形状、二次電子画像の像質に応じた倍率が測長ＳＥＭに設定される。
【００５４】
この後、測長ＳＥＭは、図８に示すように、認識した測定対象のホールパターン１１が、二次電子画像６４の中央に位置する状態にステージを移動させる。ステージの移動が完了すると、測長ＳＥＭは、図９に示すように、寸法測定を行う倍率（ここでは１５００００倍）で測定対象のホールパターン１１に電子線を照射して二次電子画像６５を取得し、寸法測定を行う。以降、半導体基板６上に形成されている他の寸法測定パターン７ｂ〜７ｅに対する寸法測定が同様に行われる。
【００５５】
以上のように、本発明の寸法測定パターン、寸法測定パターンの形成方法および寸法測定方法により、同一形状の繰り返しパターンであっても、あらかじめ指定した特定のパターンの寸法を測定することができる。
【００５６】
なお、本発明は、以上で説明した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲において、種々の変形および応用が可能である。例えば、上述の実施形態では、寸法測定パターンとして絶縁膜に形成されたホールパターンでの事例を示したが、寸法測定パターンの形状は、当該構成に限定されるものではない。例えば、ホールパターンに代えて、ライン状の導体パターン上に当該導体パターンに沿ったスペースパターンが形成されてもよい。また、導体パターン上に、導電膜等からなるラインパターンが形成されてもよい。
【００５７】
また、導体パターン自体が、寸法測定対象のパターンを構成してもよい。この場合、所定幅を有するラインパターンや、矩形、円形等の島状パターン等として、同一形状の複数の導体パターンが形成される。このとき、寸法測定パターンは、図４（ｃ）に示す構造のように、層間絶縁膜を貫通する導電体プラグ上に形成され、半導体基板に電気的に接続された第１の導体パターンと、層間絶縁膜により半導体基板と電気的に絶縁された第２の導体パターンとが、周期的に配列された構造を有する。このような寸法測定パターンを、測長ＳＥＭで観察した場合、上述の事例と同様に、半導体基板に電気的に接続された導体パターンと半導体基板と電気的に絶縁された導体パターンとは、異なるコントラストで表示される。したがって、上述の実施形態と同様に、同一形状の繰り返しパターンであっても、あらかじめ指定した特定のパターンの寸法を測定することができる。
【００５８】
さらに、周期的に配列されるパターンは単一のパターンに限定されず、複数の形状が混在した一群のパターンが周期的に配列されていてもよく、あるいは、完全な同一形状ではなく類似した形状（略同一形状）の繰り返しパターンであってもよい。また、本発明は、電子線に限らす、イオンビーム等の他の荷電粒子線を照射することにより、拡大画像を取得する全ての測長装置に適用可能である。
【００５９】
また、取得画像においてコントラストの違いが生じるパターンであれば、寸法測定専用のパターンでなく、電気的特性評価パターンや、半導体回路に使用されているパターンに対して、本発明を適用することも可能である。
【００６０】
さらに、上述の実施形態では、周期的に配列されたホールパターンの下地部である導体パターンが、それぞれ電気的に分離された構成を採用したが、半導体基板と絶縁されている導体パターンは、互いに接続されていてもよい。
【００６１】
なお、上述の実施形態では、測長ＳＥＭのステージを移動させることにより、所定のパターンに電子線を照射する構成としたが、元の位置から次の位置への移動距離が小さい場合には、ステージを動かさず、電子線の照射位置のみを移動させて、所定のパターンに電子線を照射することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明は、測長ＳＥＭにて微細パターンの寸法を測定する際に、同一形状からなる複数のパターンの中からあらかじめ指定した特定のパターンの寸法を測定できるという効果を有し、寸法測定パターン、寸法測定パターンの形成方法および寸法測定方法として有用ある。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の一実施形態における寸法測定パターンを示す平面図
【図２】本発明の一実施形態における寸法測定パターンを示す断面図
【図３】本発明の一実施形態における寸法測定パターンを備えた半導体基板を示す平面図
【図４】本発明の一実施形態における寸法測定パターンの形成過程を示す工程断面図
【図５】本発明の一実施形態における寸法測定パターンの二次電子画像を示す模式図
【図６】本発明の一実施形態における測長装置に登録された画像を示す模式図
【図７】本発明の一実施形態における寸法測定パターンの二次電子画像を示す模式図
【図８】本発明の一実施形態における寸法測定パターンの二次電子画像を示す模式図
【図９】本発明の一実施形態における寸法測定パターンの二次電子画像を示す模式図
【図１０】従来の寸法測定パターンを示す平面図
【図１１】従来の寸法測定パターンを示す断面図
【図１２】従来の寸法測定パターンを備えた半導体基板を示す平面図
【図１３】従来の寸法測定パターンの二次電子画像を示す模式図
【図１４】従来の測長装置に登録された画像を示す模式図
【図１５】従来の寸法測定パターンの二次電子画像を示す模式図
【図１６】従来の寸法測定パターンの二次電子画像を示す模式図
【図１７】従来の寸法測定パターンの二次電子画像を示す模式図
【図１８】従来の他の寸法測定パターンの二次電子画像における位置ずれを示す模式図
【図１９】従来の他の寸法測定パターンの二次電子画像における位置ずれの修正を示す模式図
【図２０】従来の寸法測定パターンの二次電子画像における位置ずれを示す模式図
【図２１】従来の寸法測定パターンの二次電子画像における誤認識を示す模式図
【符号の説明】
【００６４】
１、１ａ〜１ｇ  ホールパターン
２  層間絶縁膜
３、３ａ〜３ｇ  導体パターン（下地部）
４  導電体プラグ
５  層間絶縁膜
６  半導体基板
７、７ａ〜７ｅ  寸法測定パターン
８、８ａ、８ｂ  位置認識パターン
９  貫通孔
１１  測定対象のホールパターン
２０  基準となるホールパターンと測定対象のホールパターンとを含む領域
５１〜５７、６１〜６５  二次電子画像
【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１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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