(57)【要約】【課題】被測定物にダメージを与えず、正確に被測定物のパターンの微細寸法を測定することができる寸法測定方法とその装置を提供すること。【解決手段】センサ１７による光学的な測定を、照明光学系３の照明光により被測定物８の表面にパターン８ａに対して測定基準となる細線１０を形成し、この形成された細線１０と被測定物８のパターン８ａとを相対的に移動させ、この移動の際に細線からの信号をピンホール１６ａ又はスリットを介して受光することによりパターン８ａの寸法を測定する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの照明光を照明光学系により被測定物に照射し、該被測定物に形成されたパターンの寸法をセンサを用いて測定する寸法測定方法であって、
前記被測定物の表面に前記パターンに対して測定基準となる細線を前記照明光学系を用いて形成する工程と、この形成された細線と該被測定物の該パターンとを相対的に移動させる工程と、この移動の前後における該細線からの光をピンホール又はスリットを介して受光することによりパターンの寸法を測定する工程を備えることを特徴とする寸法測定方法。
【請求項２】
前記細線と前記被測定物の前記パターンとを相対的に移動させ、この移動の際に該細線からセンサが受光する信号は、前記細線からの反射光であることを特徴とする請求項１記載の寸法測定方法。
【請求項３】
前記細線と前記被測定物の前記パターンとを相対的に移動させ、この移動の際に該細線からセンサが受光する光は、前記細線を透過した透過光であることを特徴とする請求項１記載の寸法測定方法。
【請求項４】
前記パターンに対して測定基準となる細線は、輝線又は暗線であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の寸法測定方法。
【請求項５】
光源と、この光源からの照明光により測定基準となる細線を形成して被測定物を照射する照明光学系と、前記被測定物と前記細線とを相対的に移動させる移動手段と、この移動手段による移動の前後において、該細線から光をピンホール又はスリットを介して受光するセンサとを有することを特徴とする寸法測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体等の微細パターンの寸法を測定する寸法測定方法とその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の製造では、デバイスの高集積化に伴い、デバイス製造工程における微細加工技術の開発が進められている。なかでも、マスクパターンをはじめとして、リソグラフィにより形成された電極配線の幅等の各種パターン寸法を高度に制御することは微細加工技術の向上に不可欠であり、それを実現化させるためには、各種パターン寸法の正確な測定が必要である。
【０００３】
微小寸法の測定は、光を利用した光学式の光学顕微鏡やレーザ顕微鏡や、ＡＦＭ（原子間顕微鏡）や、電子ビームを利用したＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）式が用いられている。
【０００４】
半導体装置の製造工程では、一般に、光学式は、光の回折限界のために、一般的には測定波長の１／２程度までしか分解能がなく、例えば０．２５μｍ以下のパターンの測長では、精度の点で不安がある。そのため、現状では、高分解能の測定が可能なＳＥＭ式が製造ラインに多数設置され、レジストパターン等の微細パターンの寸法管理に使用されている。ＳＥＭは、集束電子線を被測定物に走査して各走査点からの二次電子を検出し、走査した集束電子線を同期させてブラウン管に像を作るように構成されている。
【０００５】
なお、光学式は、再現性やスループットの面において優れているので、露光の際の重ね合わせチェック等に使用されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−２４４０２９  （段落番号０００３）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、ＳＥＭ式は非常に高分解能だが、被測定物に電子ビームによるダメージを与える恐れがあるという問題がある。特に、露光装置でパターニングした後のレジストパターンは電子ビームの耐性が弱く、繰り返し測定したり、電子ビームを当てている時間が長いと寸法が変わってしまうという問題がある。
【０００８】
また、ＳＥＭ式は微小な領域での寸法のばらつきを自動的に測定するのに適当な制御シーケンスがないものが多い。そのため、測定パターンを特定するためには、全ての測定ポイントの座標を入力しなくてはならず、レシピ作成に多大な手間がかかる。したがって、スループットが課題となっている。
【０００９】
また、ＳＥＭ式を用いたパターン寸法測定は、電子が移動できるよう高真空で行うのが望ましいが、装置内に残留したＣ系ガスに加え、使用したＣ系物質が半導体基板に付着する可能性がある。
【００１０】
ＡＦＭは非接触・非破壊だが、測定時間が長いため、スループットが悪いという問題がある。
【００１１】
光学式の光学顕微鏡やレーザ顕微鏡は、上述のように光の回折限界のために、一般的には測定波長の１／２程度までしか分解能がなく、微細な半導体パターンの寸法の測定は困難である。
【００１２】
本発明はこれらの事情に基づいてなされたもので、被測定物にダメージを与えず、正確に被測定物のパターンの微細寸法を測定することができる寸法測定方法とその装置を提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の手段によれば、光源からの照明光を照明光学系により被測定物に照射し、該被測定物に形成されたパターンの寸法をセンサを用いて測定する寸法測定方法であって、
前記被測定物の表面に前記パターンに対して測定基準となる細線を前記照明光学系を用いて形成する工程と、この形成された細線と該被測定物の該パターンとを相対的に移動させる工程と、この移動の前後における該細線からの光をピンホール又はスリットを介して受光することによりパターンの寸法を測定する工程を備えることを特徴とする寸法測定方法である。
【００１４】
また本発明の手段によれば、前記細線と前記被測定物の前記パターンとを相対的に移動させ、この移動の際に該細線からセンサが受光する信号は、前記細線からの反射光であることを特徴とする寸法測定方法である。
【００１５】
また本発明の手段によれば、前記細線と前記被測定物の前記パターンとを相対的に移動させ、この移動の際に該細線からセンサが受光する光は、前記細線を透過した透過光であることを特徴とする寸法測定方法である。
【００１６】
また本発明の手段によれば、前記パターンに対して測定基準となる細線は、輝線又は暗線であることを特徴とする寸法測定方法である。
【００１７】
また本発明の手段によれば、光源と、この光源からの照明光により測定基準となる細線を形成して被測定物を照射する照明光学系と、前記被測定物と前記細線とを相対的に移動させる移動手段と、この移動手段による移動の前後において、該細線から光をピンホール又はスリットを介して受光するセンサとを有することを特徴とする寸法測定装置である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１９】
まず、本発明の寸法測定方法の基本的な考え方について説明する。
【００２０】
被測定物の表面に、単波長光源の光路上に設けた位相シフト板の干渉によって生じさせた、細線である細い輝線（又は暗線）の光束を形成する。その状態で、測定基準となる細線（輝線又は暗線、以下同様）の光束と被測定物とを相対的に走査する。それにより、被測定物の表面上を細線が走査する。細線が走査している間、被測定物からの反射光をセンサで受光する。
【００２１】
センサでの受光は、被測定物と結像関係にある位置（共役位置）にピンホールまたはスリットが設けられたピンホール板またはスリット板を介し、ピンホール（またはスリット）を通過した細線からの光をセンサで検出するようにしている。したがって、センサでは被測定物の表面形状に応じた信号が走査に応じて入力される。入力された信号を信号処理装置で処理することにより、被測定物のパターンの線幅を計測することができる。
【００２２】
なお、ピンホールに換えてスリットを用いる場合は、測定したいパターンの方向に平行に合わせたスリットを設置することにより、受光量を増やすことができる。それによりセンサ信号のＳ／Ｎを向上させることができる。
【００２３】
一般に解像度は波長とレンズのＮＡ（開口数）で決まる回折限界で決まるが、本発明の寸法測定方法では、被測定物の表面に形成させる測定基準となる細線が非常に細いために、光の回折限界よりもはるかに高い分解能で、微細な半導体パターンの寸法測定をおこなうことができる。
【００２４】
次に、上述の寸法測定方法の基本的な考え方を具現化した実施例について説明する。
【００２５】
（実施例１）
図１は、本発明の寸法測定方法の第１の実施例を示す模式図である。Ｈｅ−Ｎｅレーザ等の光源１の光軸上の前方に、位相シフト板２が挿入されているケーラー照明系３が配置されている。ケーラー照明系３の光軸４の前方には、ハーフミラー５と結像レンズ６が配置されている。この結像レンズ６は、位相シフト板２の像をＸ、Ｙ、Ｚ方向に精密に移動自在なテーブル７の上に載置されている被測定物８の表面に結像する光学位置関係（共役の関係）で対向している。
【００２６】
位相シフト板２が挿入されているケーラー照明系３は、光源１の前方の光軸上に順次コンタクトレンズ９、フィールドレンズ１１および視野絞り１２が設けられ、この視野絞り１２の光軸４の前方面に位相シフト板２が密接して配置されている。さらに、位相シフト板２から離間した光軸４の前方にはコンデンサレンズ１３が配置されている。光学的には位相シフト板２は被測定物８とは共役な関係（被測定物８と結像関係にある位置）に配置されている。
【００２７】
図２に構成図を示すように、位相シフト板２は光軸４の上で屈折率を変化させて１／２波長の位相差を形成するもので、２枚の光学ガラス１４ａ、１４ｂをオプティカル・コンタクトにより密接して位相段差１５を形成している。
【００２８】
この場合、光学ガラスの厚さをｄとすると、
ｄ＝（ｍ＋０．５）λ×［１／（ｎ−ｎ０）］となる
λは、光源１の波長で、Ｈｅ−Ｎｅの場合は、６３３ｎｍ
ｎは、ガラスの屈折率で、例えば、ｎ＝１．５
ｎ０は、空気の屈折率
ｍは、自然数
また、ハーフミラー５の直進光軸４ａの被検査体と反対側には、ハーフミラー５から順次、集光レンズ１５、ピンホール板１６（又はスリット板）およびフォトダイオードやフォトマルで構成された光電センサ１７が配置されている。なお、ピンホール板１６（又はスリット板）は、被測定物８と共役位置（結像関係にある位置）に配置されている。また、光電センサ１７は信号処理部１８に接続されている。
【００２９】
これらの光学的な配置による構成により、光源１から出射した単波長の照明光は、視野絞り１２に密接して設けられ、被測定物８と共役な関係にある位相シフト板２が配置されているケーラー照明系３で被測定物８の表面を照射する。その際、位相シフト板２を通過する光束の一部に１／２波長の位相差を形成されているので、被測定物８の照射面上では、位相シフト板２の位相段差１５によって生じた干渉により、図３のグラフを示すような光強度分布により生じた細線１０（本実施の形態の場合は暗線、ただし、輝線を形成してもよい）が形成される。つまり、図４に説明図を示すように、被測定物８の照射面では、被測定物８のパターン８ａと細線１０との関係になる。
【００３０】
光源１からの照射光束により被測定物８の表面に細線１０が形成されている状態で、照射光束と被測定物８とを相対的に走査すると、被測定物８の照射面上を細線１０が走査する。
【００３１】
照射光束と被測定物８とを相対的に走査している状態で、被測定物８からの反射光をピンホール板１６（又はスリット板）を介して、ピンホール１６ａ（又はスリット）を通過した光だけを光電センサ１７で検出する。その検出結果により、図５に示すような被測定物８の表面形状に応じた信号が得られる。その信号を信号処理部１８で処理することにより、被測定物８のパターン８ａの線幅を計測できる。
【００３２】
したがって、一般に解像度は波長とレンズのＮＡで決まる回折限界で決まるが、この実施例によれば、被測定物８の照射面に形成される細線１０が非常に細いために、微細な半導体パターンの寸法測定をおこなうことができる。
【００３３】
（実施例２）
図６は、本発明の寸法測定方法の第２の実施例を示す模式図である。なお、図６において、図１と同一機能部分には同一符号を付してその個々の説明を省略する。
【００３４】
上述の（実施例１）では、光源１からの照射光束により被測定物８の表面に細線１０ができている状態で、照射光束と被測定物８とを相対的に走査している状態で、被測定物８からの反射光をピンホール板１６（又はスリット板）を介して、ピンホール８ａ（又はスリット）を通過した光だけを光電センサ１７で検出したが、この実施例では、被測定物８からの透過光をピンホール板１６（又はスリット板）を介して、ピンホール８ａ（又はスリット）を通過した光だけを光電センサ１７で検出している。
【００３５】
Ｈｅ−Ｎｅレーザ等の光源１の光軸上の前方に、位相シフト板２が挿入されているケーラー照明系３が配置されている。ケーラー照明系３の光軸４の前方には、ハーフミラー５と結像レンズ６が配置されている。この結像レンズ６は、位相シフト板２の像をＸ、Ｙ、Ｚ方向に精密に移動自在なテーブル７の上に載置されている被測定物８の表面に結像する光学位置関係（共役の関係）で対向している。
【００３６】
また、透光性のテーブル７の下方には、テーブル７を透過した透過光の光軸４ｂにしたがって、順次、集光レンズ１５、ピンホール板１６（又はスリット板）およびフォトダイオードやフォトマルで構成された光電センサ１７が配置されている。なお、ピンホール板１６（又はスリット板）は、被測定物８と共役位置（結像関係にある位置）に配置されている。また、光電センサ１７は信号処理部１８に接続されている。
【００３７】
これらの光学的な配置構成により、光源１から出射した単波長の照明光は、被測定物８と共役な関係にある視野絞り１２には位相シフト板２が配置されているケーラー照明系３で被測定物８の表面を照射する。位相シフト板２を通過する光束の一部に１／２波長の位相差を形成されるので、被測定物８の照射面上では、位相シフト板２の位相段差１５による干渉により、図３グラフで示したような光強度分布により生じた細線１０が形成される。上述の実施例１と同様に、図４で示したように、光源１からの照射光束により被測定物８の表面に細線１０が形成されている状態で、照射光束と被測定物８とを相対的に走査すると、被測定物８の照射面上を細線１０が走査する。
【００３８】
照射光束と被測定物８とを相対的に走査している状態で、被測定物８からの透過光をピンホール板１６（又はスリット板）を介して、ピンホール１６ａ（又はスリット）を通過した光だけを光電センサ１７で検出する。その検出結果により、図５に示すような被測定物８の表面形状に応じた信号が得られる。その信号を信号処理部１８で処理することにより、パターン８ａの線幅を計測できる。
【００３９】
したがって、一般に解像度は波長とレンズのＮＡで決まる回折限界で決まるが、この実施例によれば、被測定物８の照射面に形成される細線１０が非常に細いために、微細な半導体パターン８ａの寸法測定をおこなうことができる。
【００４０】
なお、上述の各実施例によれば、寸法測定についてパターン８ａの幅の測定について説明したが、パターン８ａの幅を測定後に、パターン８ａの位置と非パターンの位置とで、テーブル７をＺ方向に移動して、それぞれ、フォーカスした個所を検出し、その差分を求めればパターン８ａの高さの寸法測定をおこなうことができる。
【００４１】
また、位相シフト板２は、位相段差１５を形成する場合、オプティカル・コンタクトによらず、ドライエッチングを用いて形成することもできる。
【００４２】
また、位相シフト板２は、屈折率を変化させる機能を有していればよいので、位相段差１５によらず、電気光学効果や磁気光学効果により屈折率を変化させているものを用いることができる。
【００４３】
また、上述の場合、光電センサ１７の受光面側にピンホール板１６又はスリット板を配置したが、光電センサ１７の受光面にピンホール１６ａやスリットを形成しているものを用いることもできる。
【００４４】
また、上述の各実施の形態で示した図７の測定基準となる細線１０の幅自体は、必ずしも、被測定体のパターン８ａとパターン８ａとの間より狭い必要はなく、図に示すように、細線１０に対して所定の閾値１０ａで切断して測定基準として用いることができる。
【００４５】
以上に説明したように、上述の各実施例によれば、光の回折限界よりもはるかに高い分解能で被測定物に形成されているパターンの寸法を、被測定物にダメージを与えることなく高精度で測定することができる。
【００４６】
また、被測定物の測定面について、光電センサに投影する倍率を極端に大きくすることなく、微細パターンの寸法を高精度に測定することができる。
【００４７】
【発明の効果】
本発明によれば、被測定物にダメージを与えず、被測定物のパターンの微細寸法を高精度に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す模式図。
【図２】位相シフト板の構成図。
【図３】位相シフト板による光強度分布のグラフ。
【図４】被測定物のパターンと細線との関係図。
【図５】被測定物の表面形状に応じた信号のグラフ。
【図６】本発明の実施例を示す模式図。
【図７】細線の変形例の説明図。
【符号の説明】
１…光源、２…位相シフト板、３…ケーラー照明系、５…ハーフミラー、６…結像レンズ、７…テーブル、８…被測定物、８ａ…パターン、９…コンタクトレンズ、１０…細線、１１…フィールドレンズ、１２…視野絞り、１５…位相段差、１６…ピンホール板、１６ａ…ピンホール、１７…光電センサ、１８…信号処理部
【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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