(57)【要約】【課題】測長ＳＥＭにてパターンの寸法を測定する際、ステージ上への半導体基板設置、およびステッパによる露光時のアライメント回転成分を補正する。【解決手段】パターン１５上に電子線２０をスキャンさせる第１のスキャンを行い、第１の二次電子信号を得るステップと、第１のスキャンの位置から一定の距離をおいたパターン１５上に第１のスキャンと同方向に電子線２１をスキャンさせる第２のスキャンを行い、第２の二次電子信号を得るステップと、第１および第２の二次電子信号の相対位置ずれと第１および第２のスキャン間隔から、電子線のスキャン方向のパターン１５に固定された所定の方向からの回転角度θｐｓを測定するステップと、回転角度θｐｓに基づき、電子線のスキャン方向を所定の方向に補正した後、パターン１５の寸法を測定するステップとを含む。これにより、パターン１５の正確な寸法を測定することができる。【選択図】        図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成されたパターン上に電子線をスキャンさせ、前記パターンからの二次電子信号を検出することにより前記パターンの寸法を測定するパターン寸法測定方法であって、前記パターン上に電子線をスキャンさせる第１のスキャンを行い、第１の二次電子信号を得るステップと、前記第１のスキャンの位置から一定の距離をおいた前記パターン上に前記第１のスキャンと同方向に電子線をスキャンさせる第２のスキャンを行い、第２の二次電子信号を得るステップと、前記第１および第２の二次電子信号の相対位置ずれと前記第１および第２のスキャン間隔から、前記電子線のスキャン方向の前記パターンに固定された所定の方向からの回転角度を測定するステップと、前記回転角度に基づき、前記電子線のスキャン方向を前記所定の方向に補正した後、前記パターンの寸法を測定するステップとを含むパターン寸法測定方法。
【請求項２】
基板上に形成されたパターン上に電子線をスキャンさせ、前記パターンからの二次電子信号を検出することにより前記パターンの寸法を測定するパターン寸法測定方法であって、前記パターン上に電子線をスキャンさせる第１のスキャンを行い、第１の二次電子信号を得るステップと、前記第１のスキャンの位置から一定の距離をおいた前記パターン上に前記第１のスキャンと同方向に電子線をスキャンさせる第２のスキャンを行い、第２の二次電子信号を得るステップと、前記第１および第２の二次電子信号の相対位置ずれと前記第１および第２のスキャン間隔から、前記電子線のスキャン方向の前記パターンに固定された所定の方向からの回転角度を測定するステップと、前記回転角度を測定するステップの測定結果に基づいて演算により前記パターンの寸法を測定するステップとを含むパターン寸法測定方法。
【請求項３】
第１および第２の二次電子信号波形は、パターンの両端エッジに対応するエッジ信号を有する請求項１または２記載のパターン寸法測定方法。
【請求項４】
第１および第２の二次電子信号波形は、パターンの両端エッジに対応するエッジ信号を有し、演算により前記パターンの寸法を測定するステップは、少なくとも第１または第２の二次電子信号波形のいずれかの前記エッジ信号から得られる距離と回転角度からパターン寸法を求める請求項２記載のパターン寸法測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体集積回路等の微細パターンの正確な寸法測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路装置の回路パターン微細化にともなって、電子線を半導体基板上に照射し、半導体基板上からの二次電子を検出し、寸法測定パターンの二次電子信号波形から寸法測定パターンの寸法を測定する方法が一般に用いられている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
以下に、従来の微細パターンの寸法測定方法を、図を用いて説明する。図６は、微細パターンの寸法測定を行うウエハ全体の平面図であり、半導体基板１上に寸法測定パターンを含む領域２，４，６，８，１０と長方形の寸法測定パターン３，５，７，９，１１および寸法測定に際してウエハ上での寸法測定パターンなどの位置を認識するための位置認識パターン１２，１３が形成されている。ここで、Ｘｗ，Ｙｗは、半導体基板１の座標系を示し、寸法測定パターンを含む領域２，４，６，８，１０と寸法測定パターン３，５，７，９，１１の中心位置は半導体基板１の座標系Ｘｗ―Ｙｗに固定されたものであり、位置認識パターン１２，１３の中心を結んだ直線は、半導体基板１の座標系Ｘｗと平行になる。
【０００４】
図６に示した寸法測定パターンを含む領域２，４，６，８，１０、寸法測定パターン３，５，７，９，１１、位置認識パターン１２，１３は、半導体基板１上にステッパと呼ばれる露光装置を用いて形成されるが、ステッパが必ずしも寸法測定パターンとその領域、位置認識パターンをそれらパターンの辺と半導体基板１の座標系Ｘｗ―Ｙｗと平行に、すなわち半導体基板１に対して本来あるべき方向に形成するとは限らない。通常非常にわずかではあるが図に示したように回転があり、寸法測定パターンを含む領域２，４，６，８，１０、寸法測定パターン３，５，７，９，１１、位置認識パターン１２，１３とも、中心は本来の位置にあっても回転方向の傾きを持って形成される。このステッパの持つ回転誤差は機械的精度上避けられないものである。
【０００５】
図７は、半導体基板１の座標系Ｘｗ―Ｙｗと寸法測定パターン領域１４内の寸法測定パターン１５との回転方向の傾き角をθｐとし、寸法測定パターンを含む領域１４および寸法測定パターン１５に固定された座標系をＸｐ―Ｙｐ（以下、寸法測定パターンの座標系Ｘｐ―Ｙｐとする）を定義して関係づけた図である。
【０００６】
以上述べたように半導体基板１上に微小な回転をもって形成された微細パターンの寸法測定は通常測長ＳＥＭと呼ばれる寸法測定装置にて行われる。まず、半導体基板１を測長ＳＥＭのステージ上に設置する。このとき、図８に示すように、ステージに固定された座標系をＸｓ―Ｙｓとすると、この座標系の座標軸と半導体基板１の座標系Ｘｗ―Ｙｗとの間には、角度θｓの回転方向の傾きが生じる。角度θｓの回転方向の傾きは、半導体基板１をステージ上に設置する際に、機械的精度上避けられないずれである。
【０００７】
次に、側長ＳＥＭは半導体基板１上の位置認識パターン１２，１３の位置を計測し、半導体基板１の回転方向の傾き角度θｓを求め、これから、寸法測定パターン３，５，７，９，１１の本来あるべき位置からのずれを計算し、計算結果に基づいて寸法測定パターン３，５，７，９，１１の、ステージ座標系Ｘｓ―Ｙｓでの位置に正確に補正する。次に、測長ＳＥＭは図９に示すように、ステージ座標系Ｘｓ―Ｙｓの座標軸に平行かつ寸法測定パターン１５を横切る方向に電子線１６をスキャンさせ、このとき得られる二次電子信号波形１７のエッジ１８およびエッジ１９の間の距離を計測することにより、寸法測定パターン１５の寸法を測定する。
【０００８】
【特許文献１】
特開平５−９４９４２号公報（第４〜６頁、図１）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来の微細パターンの寸法測定方法では以下のような課題が生じる。図９に示すようにステージ座標系Ｘｓ―Ｙｓの座標軸と寸法測定パターン座標系Ｘｐ―Ｙｐの座標軸との間には、図７、図８も参照してわかるように角度θｐと角度θｓとを加えた角度θｐｓ＝θｐ＋θｓの回転方向の傾きが生じているが、従来の微細パターンの寸法測定方法では、半導体基板１の座標系Ｘｗ―Ｙｗをステージ座標系Ｘｓ―Ｙｓでの位置に補正しているが、ステージ座標系Ｘｓ―Ｙｓに対して平行に電子線１６がスキャンされるため、寸法測定パターン１５の長手方向の辺と垂直にではなく斜め方向に測定され、寸法測定パターン１５の正確な幅測定ができない。
【００１０】
表１は、約１９０ｎｍの線幅を持つ寸法測定パターンに回転方向の傾き角がある場合の寸法誤差例を示すデータである。寸法測定の際、寸法測定パターンは通常数度の回転方向の傾き角を持つため、寸法測定値に工程管理上無視できない誤差を生じることになる。
【００１１】
【表１】
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【００１２】
このような課題は、半導体集積回路の線幅が０．２μｍ以下程度になるとますます顕著になってくると考えられ、正確な寸法測定ができないことによる製造歩留まりの低下、製品信頼性の低下などの発生が懸念される。
【００１３】
したがって、この発明の目的は、測長ＳＥＭにてパターンの寸法を測定する際、ステージ上への半導体基板設置、およびステッパによる露光時のアライメント回転成分を補正し、寸法測定パターンの回転ずれによる寸法測定誤差を無くしたパターン寸法測定方法を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するためにこの発明の請求項１記載のパターン寸法測定方法は、基板上に形成されたパターン上に電子線をスキャンさせ、前記パターンからの二次電子信号を検出することにより前記パターンの寸法を測定するパターン寸法測定方法であって、前記パターン上に電子線をスキャンさせる第１のスキャンを行い、第１の二次電子信号を得るステップと、前記第１のスキャンの位置から一定の距離をおいた前記パターン上に前記第１のスキャンと同方向に電子線をスキャンさせる第２のスキャンを行い、第２の二次電子信号を得るステップと、前記第１および第２の二次電子信号の相対位置ずれと前記第１および第２のスキャン間隔から、前記電子線のスキャン方向の前記パターンに固定された所定の方向からの回転角度を測定するステップと、前記回転角度に基づき、前記電子線のスキャン方向を前記所定の方向に補正した後、前記パターンの寸法を測定するステップとを含む。
【００１５】
このように、パターン上に電子線をスキャンさせる第１のスキャンを行い、第１の二次電子信号を得るステップと、第１のスキャンの位置から一定の距離をおいたパターン上に第１のスキャンと同方向に電子線をスキャンさせる第２のスキャンを行い、第２の二次電子信号を得るステップと、第１および第２の二次電子信号の相対位置ずれと第１および第２のスキャン間隔から、電子線のスキャン方向のパターンに固定された所定の方向からの回転角度を測定するステップと、回転角度に基づき、電子線のスキャン方向を所定の方向に補正した後、パターンの寸法を測定するステップとを含むので、電子線のスキャン方向となるステージ座標系の座標軸とパターンに固定された座標系の座標軸との間に回転方向の傾きが生じても、この回転方向の傾き角度だけ電子線のスキャン方向を回転させることで、真に精度の高いパターンの寸法測定が可能となる。
【００１６】
請求項２記載のパターン寸法測定方法は、基板上に形成されたパターン上に電子線をスキャンさせ、前記パターンからの二次電子信号を検出することにより前記パターンの寸法を測定するパターン寸法測定方法であって、前記パターン上に電子線をスキャンさせる第１のスキャンを行い、第１の二次電子信号を得るステップと、前記第１のスキャンの位置から一定の距離をおいた前記パターン上に前記第１のスキャンと同方向に電子線をスキャンさせる第２のスキャンを行い、第２の二次電子信号を得るステップと、前記第１および第２の二次電子信号の相対位置ずれと前記第１および第２のスキャン間隔から、前記電子線のスキャン方向の前記所定のスキャン方向からの回転角度を測定するステップと、前記回転角度を測定するステップの測定結果に基づいて演算により前記パターンの寸法を測定するステップとを含む。
【００１７】
このように、パターン上に電子線をスキャンさせる第１のスキャンを行い、第１の二次電子信号を得るステップと、第１のスキャンの位置から一定の距離をおいたパターン上に第１のスキャンと同方向に電子線をスキャンさせる第２のスキャンを行い、第２の二次電子信号を得るステップと、第１および第２の二次電子信号の相対位置ずれと第１および第２のスキャン間隔から、電子線のスキャン方向のパターンに固定された所定の方向からの回転角度を測定するステップと、回転角度を測定するステップの測定結果に基づいて演算によりパターンの寸法を測定するステップとを含むので、電子線のスキャン方向となるステージ座標系の座標軸とパターンに固定された座標系の座標軸との間に回転方向の傾きが生じても、この回転方向の傾き角度から演算で、パターンの寸法を正確に測定することができる。また、請求項１と比較して電子線のスキャン方向を回転方向の傾き角度だけ回転させて再度測定するステップがなくなる。
【００１８】
請求項３記載のパターン寸法測定方法は、請求項１または２記載のパターン寸法測定方法において、第１および第２の二次電子信号波形は、パターンの両端エッジに対応するエッジ信号を有する。このように、第１および第２の二次電子信号波形は、パターンの両端エッジに対応するエッジ信号を有するので、第１および第２の二次電子信号の相対位置ずれは、エッジ信号間の位置ずれにより求められる。また、電子線のスキャン方向を回転方向の傾き角度だけ回転させた状態では、エッジ信号間の距離を計測することにより、パターンの寸法を測定することができる。
【００１９】
請求項４記載のパターン寸法測定方法は、請求項２記載のパターン寸法測定方法において、第１および第２の二次電子信号波形は、パターンの両端エッジに対応するエッジ信号を有し、演算により前記パターンの寸法を測定するステップは、少なくとも第１または第２の二次電子信号波形のいずれかの前記エッジ信号から得られる距離と回転角度からパターン寸法を求める。このように、第１および第２の二次電子信号波形は、パターンの両端エッジに対応するエッジ信号を有し、演算によりパターンの寸法を測定するステップは、少なくとも第１または第２の二次電子信号波形のいずれかのエッジ信号から得られる距離と回転角度からパターン寸法を求めるので、電子線のスキャン方向のパターンの辺と直角方向のパターン寸法を測長ＳＥＭ内での演算によって求めることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
この発明の第１の実施の形態を図１〜図５に基づいて説明する。図１〜図５はこの発明の実施の形態の微細パターンあるいは寸法測定方法を説明する図である。
【００２１】
図１はこの発明の実施の形態の微細パターンの寸法測定を行うウエハの平面図である。図１に示すように、半導体基板１上に寸法測定パターンを含む領域２，４，６，８，１０と寸法測定パターン３，５，７，９，１１および寸法測定に際してウエハ上の各パターンの位置を認識するための位置認識パターン１２，１３が形成されている。ここで、すでに述べたようにステッパによる露光の際に生ずるわずかな回転方向の傾きの、半導体基板１に固定された座標系Ｘｗ―Ｙｗ軸からの角度をθｐとし、座標系Ｘｐ―Ｙｐを寸法測定パターンを含む領域２，４，６，８，１０および寸法測定パターン３，５，７，９，１１に固定された座標系とする。
【００２２】
図２は図１に示した寸法測定パターン形成による回転を示す説明図である。図１に示した寸法測定パターンを含む領域２，４，６，８，１０の一つを１４、その中に形成された寸法測定パターンを１５として半導体基板座標系Ｘｗ―Ｙｗ、寸法測定パターン座標系Ｘｐ―Ｙｐ，θｐの関係を示す。寸法測定パターン１５の中心位置はＸｗ―Ｙｗ座標系で見て本来あるべき座標位置にあるが、ステッパによる回転のためにこの座標軸からθｐだけ回転している。
【００２３】
次に上記微細パターンの寸法測定について説明する。すなわち、基板１上に形成されたパターン１５上に電子線をスキャンさせ、パターン１５からの二次電子信号を検出することによりパターン１５の寸法を測定する際、パターン１５上に電子線をスキャンさせる第１のスキャンを行い、第１の二次電子信号を得るステップと、第１のスキャンの位置から一定の距離をおいたパターン１５上に第１のスキャンと同方向に電子線をスキャンさせる第２のスキャンを行い、第２の二次電子信号を得るステップと、第１および第２の二次電子信号の相対位置ずれと第１および第２のスキャン間隔から、電子線のスキャン方向のパターン１５に固定された所定の方向からの回転角度を測定するステップと、回転角度に基づき、電子線のスキャン方向を所定の方向に補正した後、パターンの寸法を測定するステップとを含む。
【００２４】
この場合、まず半導体基板１を測長ＳＥＭのステージ上に設置する。このとき、図３に示すように、ステージ座標系Ｘｓ―Ｙｓと半導体基板１の座標系Ｘｗ，Ｙｗとの間には、角度θｓの回転方向の傾きが生じる。角度θｓの回転方向の傾きは、半導体基板１をステージ上に設置する際に、機械的精度上避けられないずれである。次に測長ＳＥＭは半導体基板１上に形成されている位置認識パターン１２，１３の位置をステージ座標系Ｘｓ―Ｙｓで計測し、この座標軸からの半導体基板１の回転方向傾き角度θｓを求める。次に、半導体基板１の回転方向の傾き角θｓから、半導体基板上１に形成されている寸法測定パターン３，５，７，９，１１の、本来あるべき設計位置からのずれを計算し、その計算結果を用いてステージ座標系Ｘｓ―Ｙｓでの位置座標値を正確に補正する。
【００２５】
次に図４（ａ）に示すように、補正した位置座標値に基づいて電子線を測定すべき寸法測定パターン１５の位置まで持っていき照射するが、このとき寸法測定パターン１５上の異なる２個所をまたぐように電子線２０，２１をステージ座標系Ｘｓ―ＹｓのＸｓ軸に平行にスキャンさせ、図４（ｂ）に示すようにそれぞれの二次電子信号波形２２，２３を得る。この二次電子信号波形２２，２３は寸法測定用パターン１５の電子線スキャン方向の両端に対応するエッジ信号２４，２５を含んでいる。その後２つの電子線２０，２１のスキャン間隔Ｌおよび二次電子信号波形エッジ信号２４，２５間の位置ずれＤを検出すれば、これからエッジ２４とエッジ２５とを結ぶ直線２６とステージの座標軸Ｙｓとのなす角度θｐｓを求めることができる。この角度θｐｓは前述したように露光パターンの回転θｐとステージ上の半導体基板の回転θｓとが重なったものであるから角度はθｐｓとなっているのである。
【００２６】
次に、図５に示すように、電子線１６のスキャン方向をステージの座標軸Ｘｓに対し、先に求めた角度θｐｓだけ回転させ、寸法測定パターン１５の長手方向の辺と直角になるようにする、すなわち電子線１６のスキャン方向を寸法測定パターン座標系のＸｐ軸と平行にすることにより寸法測定パターン１５を垂直に横切る方向に電子線１６をスキャンさせ、このとき得られる二次電子信号波形１７のエッジ１８およびエッジ１９の間の距離を計測することにより、寸法測定パターン１５の寸法を測定する。このようにすれば電子線１６は寸法測定パターン１５の長手方向の辺と直角にスキャンされるからパターン寸法を正確に測定することができる。
【００２７】
以上の実施の形態では、２つの電子線による二次電子信号波形エッジから求めた回転角に基づいて電子線のスキャン方向を変化させるという方法を取っているが、別の方法を使うことができる。
【００２８】
以下、この発明の第２の実施の形態について説明する。なお、図１〜図４の説明はこの実施の形態でも同様である。
【００２９】
このパターン寸法測定方法は、パターン１５上に電子線をスキャンさせる第１のスキャンを行い、第１の二次電子信号を得るステップと、第１のスキャンの位置から一定の距離をおいたパターン上に第１のスキャンと同方向に電子線をスキャンさせる第２のスキャンを行い、第２の二次電子信号を得るステップと、第１および第２の二次電子信号の相対位置ずれと第１および第２のスキャン間隔から、電子線のスキャン方向のパターン１５に固定された所定の方向からの回転角度を測定するステップと、回転角度を測定するステップの測定結果に基づいて演算によりパターンの寸法を測定するステップとを含む。
【００３０】
すなわち、上記第１の実施の形態と同様にθｐｓを求める。さらに図４（ｂ）の二次電子信号波形２２のエッジ信号２４と２４’、別の二次電子信号波形２３のエッジ信号２５と２５’の距離を求め、角度θｐｓと距離から寸法測定パターン１５の長手方向の辺と直角方向のパターン寸法（エッジ信号の距離に基づく真のパターン寸法）を測長ＳＥＭ内での演算によって求めるのである。この場合は、電子線のスキャン方向を角度θｐｓだけ回転させて再度測定するステップがなくなるという効果がある。電子線２０，２１は２回スキャンしているがどちらのスキャンに対応するエッジ信号距離を用いてもよいし、また２つのスキャンから得た距離の平均値を用いてもよい。平均値を用いたほうが寸法精度は向上することはいうまでもない。
【００３１】
以上述べたように本実施の形態による寸法測定方法は、測定用パターンが複数の原因で複数の回転角が重なって回転していても複雑な過程を経ずに正確に寸法を測定することができる。
【００３２】
【発明の効果】
この発明の請求項１記載のパターン寸法測定方法によれば、パターン上に電子線をスキャンさせる第１のスキャンを行い、第１の二次電子信号を得るステップと、第１のスキャンの位置から一定の距離をおいたパターン上に第１のスキャンと同方向に電子線をスキャンさせる第２のスキャンを行い、第２の二次電子信号を得るステップと、第１および第２の二次電子信号の相対位置ずれと第１および第２のスキャン間隔から、電子線のスキャン方向のパターンに固定された所定の方向からの回転角度を測定するステップと、回転角度に基づき、電子線のスキャン方向を所定の方向に補正した後、パターンの寸法を測定するステップとを含むので、電子線のスキャン方向となるステージ座標系の座標軸とパターンに固定された座標系の座標軸との間に回転方向の傾きが生じても、この回転方向の傾き角度だけ電子線のスキャン方向を回転させることで、真に精度の高いパターンの寸法測定が可能となる。
【００３３】
請求項２記載のパターン寸法測定方法によれば、パターン上に電子線をスキャンさせる第１のスキャンを行い、第１の二次電子信号を得るステップと、第１のスキャンの位置から一定の距離をおいたパターン上に第１のスキャンと同方向に電子線をスキャンさせる第２のスキャンを行い、第２の二次電子信号を得るステップと、第１および第２の二次電子信号の相対位置ずれと第１および第２のスキャン間隔から、電子線のスキャン方向のパターンに固定された所定の方向からの回転角度を測定するステップと、回転角度を測定するステップの測定結果に基づいて演算によりパターンの寸法を測定するステップとを含むので、電子線のスキャン方向となるステージ座標系の座標軸とパターンに固定された座標系の座標軸との間に回転方向の傾きが生じても、この回転方向の傾き角度から演算で、パターンの寸法を正確に測定することができる。また、請求項１と比較して電子線のスキャン方向を回転方向の傾き角度だけ回転させて再度測定するステップがなくなる。
【００３４】
請求項３では、第１および第２の二次電子信号波形は、パターンの両端エッジに対応するエッジ信号を有するので、第１および第２の二次電子信号の相対位置ずれは、エッジ信号間の位置ずれにより求められる。また、電子線のスキャン方向を回転方向の傾き角度だけ回転させた状態では、エッジ信号間の距離を計測することにより、パターンの寸法を測定することができる。
【００３５】
請求項４では、第１および第２の二次電子信号波形は、パターンの両端エッジに対応するエッジ信号を有し、演算によりパターンの寸法を測定するステップは、少なくとも第１または第２の二次電子信号波形のいずれかのエッジ信号から得られる距離と回転角度からパターン寸法を求めるので、電子線のスキャン方向のパターンの辺と直角方向のパターン寸法を測長ＳＥＭ内での演算によって求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態の微細パターンの寸法測定を行うウエハの平面図である。
【図２】図１に示した寸法測定パターン形成による回転を示す説明図である。
【図３】この発明の実施の形態において半導体基板のステージ上での回転を示す説明図である。
【図４】この発明の実施の形態による寸法測定方法を示す説明図である。
【図５】この発明の第１の実施の形態による寸法測定方法での電子線スキャンの説明図である。
【図６】従来の寸法測定方法を適用する半導体基板の平面図である。
【図７】従来の寸法測定パターン形成による回転を示す説明図である。
【図８】従来の半導体基板のステージ上での回転を示す説明図である。
【図９】従来の寸法測定方法での電子線スキャンの説明図である。
【符号の説明】
１  半導体基板
２，４，６，８，１０，１４  寸法測定パターンを含む領域
３  寸法測定パターン
５，７，９，１１，１５  寸法測定パターン
１２，１３  位置認識パターン
１６，２０，２１  電子線
１７，２２，２３  二次電子信号波形
１８，１９，２４，２４’，２５，２５’  エッジ
２６  エッジ２４とエッジ２５とを結ぶ直線
【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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【図８】
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【図９】
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