(57)【要約】【課題】電子線のスキャン方向と寸法測定パターンの平行な２辺が垂直にならず測定誤差を生じることを防止することができる。【解決手段】基板１に形成された寸法測定パターン１１の少なくとも平行な２辺１１ａ，１１ａを横切る方向に寸法測定のための電子線をスキャンさせる際、電子線スキャン方向と２辺１１ａ，１１ａがなす角の９０°からのずれを計測するステップと、ずれの角度θだけ基板１を回転して電子線スキャン方向と２辺１１ａ，１１ａとのなす角を９０°に補正するステップと、電子線をスキャンさせて得られる２辺１１ａ，１１ａからの二次電子信号を検出し寸法を測定するステップとを含む。これにより、寸法測定パターン１１の２辺１１ａ，１１ａが常に電子線スキャン方向に対して９０°とすることができるため、寸法測定パターン１１の正確な寸法を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】
基板に形成された寸法測定パターンの少なくとも平行な２辺を横切る方向に寸法測定のための電子線をスキャンさせる際、電子線スキャン方向と前記２辺がなす角の９０°からのずれを計測するステップと、前記ずれの角度だけ基板を回転して前記電子線スキャン方向と前記２辺とのなす角を９０°に補正するステップと、電子線をスキャンさせて得られる前記２辺からの二次電子信号を検出し寸法を測定するステップとを含む寸法測定方法。
【請求項２】
基板に形成された寸法測定パターンの少なくとも平行な２辺を横切る方向に寸法測定のための電子線をスキャンさせる際、電子線スキャン方向と前記２辺がなす角の９０°からのずれを計測するステップと、前記ずれの角度だけ電子線スキャン方向を回転して前記電子線スキャン方向と前記２辺とのなす角を９０°に補正するステップと、電子線をスキャンさせて得られる前記２辺からの二次電子信号を検出し寸法を測定するステップとを含む寸法測定方法。
【請求項３】
少なくとも平行な２辺を有する寸法測定パターンが形成された基板をステージ上に設置し、このステージの座標軸に平行に電子線をスキャンさせて得られる前記２辺からの二次信号を検出し寸法を測定する寸法測定方法であって、前記寸法測定パターンの前記２辺に直交する方向の前記基板の座標軸と前記ステージの座標軸とのずれ角を求め、この角度だけ前記ステージを回転させて、前記電子線スキャン方向を前記基板の座標軸に平行になるように補正することを特徴とする寸法測定方法。
【請求項４】
少なくとも平行な２辺を有する寸法測定パターンが形成された基板をステージ上に設置し、このステージの座標軸に平行に電子線をスキャンさせて得られる前記２辺からの二次信号を検出し寸法を測定する寸法測定方法であって、前記寸法測定パターンの前記２辺に直交する方向の前記基板の座標軸と前記ステージの座標軸とのずれ角を求め、この角度だけ前記電子線スキャン方向を回転させて、前記電子線スキャン方向を前記基板の座標軸に平行になるように補正することを特徴とする寸法測定方法。
【請求項５】
基板の座標軸とステージの座標軸とのずれ角は、前記基板上に形成されている位置認識パターンの位置を計測することにより求める請求項３または４記載の寸法測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体集積回路装置等の素子微細パターンの寸法測定技術における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微細化にともなって、電子線を半導体基板上に照射し、前記半導体基板上からの二次電子を検出し、半導体基板上に形成された寸法測定用パターンエッジから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、半導体装置の拡散工程途中あるいは拡散終了後の解析などに一般に用いられている。
【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５は、微細パターンの寸法測定を行うウエハの平面図であり、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とそれら内部に形成された寸法測定パターン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。
【０００４】
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。半導体基板１は測長ＳＥＭのステージ上に設置され、測定用の真空室に挿入される。このとき、図６に示すように、ステージに固定された座標系Ｘｓ，Ｙｓと半導体基板１に固定された座標系Ｘｗ，Ｙｗ（通常寸法測定パターン９，５，１１の配列方向、および３，５，７の配列方向と一致）との間には、どうしてもわずかな角度θの回転方向のずれが生じる。角度θのずれは、半導体基板１をステージ上に設置する際に、精度上避けられないずれである。
【０００５】
次に寸法測定装置は、例えば座標系Ｘｓ，Ｙｓを基準として半導体基板１上に形成されている位置認識パターン１２，１３の位置を計測し、半導体基板１の回転方向のずれ角θを求める。本来、寸法測定パターン３，５，７はＹｓ軸上に、寸法測定パターン９，５，１１はＸｓ軸上になければならないが、回転角θにより、特に測定パターン３はＹｓ軸から右方向に、また測定パターン７は反対方向にずれて位置する。一方、測定パターン９はＸｓ軸より下に、測定パターン１１は反対方向にずれた位置にある。そこで測定装置は、半導体基板１の回転方向のずれ角θ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の本来あるべき位置（設定値）からの位置ずれ、すなわちＸｓ，Ｙｓ軸からの距離を計算し、計算結果をステージの座標系Ｘｓ，Ｙｓ上の座標値に反映させる。このことによって測定装置は、寸法測定するために電子線をスキャンする位置を正確に補正する。
【０００６】
図７は、以上のような補正を行った後、測定装置が寸法測定する過程を示した図である。領域１４中に長方形の寸法測定パターン１５が形成されており、この場合は寸法測定パターン１５の平行な２辺を、ステージ座標軸Ｘｓと平行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２辺のエッジ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。図５あるいは図６に示した寸法測定パターンはすべてこの方向に測定される。もし寸法測定パターンの長手方向がＸｗ軸と平行になっている場合、電子線はＹｓ軸と平行方向にスキャンされて寸法測定がなされる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、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７に示すように、ステージの座標系Ｘｓ，Ｙｓと半導体基板１の座標系Ｘｗ，Ｙｗとの間には、角度θの回転方向のずれが生じているため、寸法測定パターン１５においてもステージの座標系Ｘｓ，Ｙｓに対し角度θの回転方向のずれが生じている。従来の微細パターンの寸法測定方法では、通常測定装置に付随しているステージの座標系Ｘｓに対して平行に電子線１６がスキャンされる。寸法測定パターン１５の寸法の真値は、長方形の寸法測定パターン１５の２つの長辺と９０°方向すなわちＸｗ軸方向にスキャンしたときに得られるが、実際にはＸｓ軸方向にスキャンされるので正確な寸法測定ができない、長い目に測定されるという課題を有していた。
【０００８】
表１は約１９０ｎｍの幅を持つ寸法測定パターンに回転があるときの寸法誤差例を示すデータである。通常ウエハの回転は数度あるから、この程度の誤差でも製造プロセスの不良原因解析、プロセス変動の管理などには無視することができない。
【０００９】
【表１】
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【００１０】
このような課題は、半導体集積回路が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、正確な測長ができないと工程管理が難しくなり、安定した製造歩留まりが得られないことにもつながる。
【００１１】
したがって、この発明の目的は、半導体基板上に形成された寸法測定パターンを電子線寸法測定機等で測定する場合、ステージにウエハが微小角度回転して設置されて、電子線のスキャン方向と寸法測定パターンの平行な２辺が垂直にならず測定誤差を生じることを防止することができる寸法測定方法を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、この発明の請求項１記載の寸法測定方法は、基板に形成された寸法測定パターン（代表的には長方形状）の少なくとも平行な２辺を横切る方向に寸法測定のための電子線をスキャンさせる際、電子線スキャン方向と前記２辺がなす角の９０°からのずれを計測するステップと、前記ずれの角度だけ基板を回転して前記電子線スキャン方向と前記２辺とのなす角を９０°に補正するステップと、電子線をスキャンさせて得られる前記２辺からの二次電子信号を検出し寸法を測定するステップとを含む。
【００１３】
このように、電子線スキャン方向と寸法測定パターンの２辺がなす角の９０°からのずれを計測するステップと、ずれの角度だけ基板を回転して電子線スキャン方向と２辺とのなす角を９０°に補正するステップと、電子線をスキャンさせて得られる２辺からの二次電子信号を検出し寸法を測定するステップとを含むので、寸法測定パターンの２辺が常に電子線スキャン方向に対して９０°とすることができる。このため、寸法測定パターンの正確な寸法を測定することができる。
【００１４】
請求項２記載の寸法測定方法は、基板に形成された寸法測定パターンの少なくとも平行な２辺を横切る方向に寸法測定のための電子線をスキャンさせる際、電子線スキャン方向と前記２辺がなす角の９０°からのずれを計測するステップと、前記ずれの角度だけ電子線スキャン方向を回転して前記電子線スキャン方向と前記２辺とのなす角を９０°に補正するステップと、電子線をスキャンさせて得られる前記２辺からの二次電子信号を検出し寸法を測定するステップとを含む。
【００１５】
このように、電子線スキャン方向と寸法測定パターンの２辺がなす角の９０°からのずれを計測するステップと、ずれの角度だけ電子線スキャン方向を回転して電子線スキャン方向と２辺とのなす角を９０°に補正するステップと、電子線をスキャンさせて得られる２辺からの二次電子信号を検出し寸法を測定するステップとを含むので、寸法測定パターンの２辺が常に電子線スキャン方向に対して９０°とすることができる。このため、寸法測定パターンの正確な寸法を測定することができる。
【００１６】
請求項３記載の寸法測定方法は、少なくとも平行な２辺を有する寸法測定パターンが形成された基板をステージ上に設置し、このステージの座標軸に平行に電子線をスキャンさせて得られる前記２辺からの二次信号を検出し寸法を測定する寸法測定方法であって、前記寸法測定パターンの前記２辺に直交する方向の前記基板の座標軸と前記ステージの座標軸とのずれ角を求め、この角度だけ前記ステージを回転させて、前記電子線スキャン方向を前記基板の座標軸に平行になるように補正する。
【００１７】
このように、寸法測定パターンの２辺に直交する方向の基板の座標軸とステージの座標軸とのずれ角を求め、この角度だけステージを回転させて、電子線スキャン方向を基板の座標軸に平行になるように補正するので、寸法測定パターンのステージ座標軸上における位置を正確に補正するとともに、寸法測定パターンの２辺が常に電子線スキャン方向に対して９０°とすることができる。このため、寸法測定パターンの正確な寸法を測定することができる。
【００１８】
請求項４記載の寸法測定方法は、少なくとも平行な２辺を有する寸法測定パターンが形成された基板をステージ上に設置し、このステージの座標軸に平行に電子線をスキャンさせて得られる前記２辺からの二次信号を検出し寸法を測定する寸法測定方法であって、前記寸法測定パターンの前記２辺に直交する方向の前記基板の座標軸と前記ステージの座標軸とのずれ角を求め、この角度だけ前記電子線スキャン方向を回転させて、前記電子線スキャン方向を前記基板の座標軸に平行になるように補正する。
【００１９】
このように、寸法測定パターンの２辺に直交する方向の基板の座標軸とステージの座標軸とのずれ角を求め、この角度だけ電子線スキャン方向を回転させて、電子線スキャン方向を基板の座標軸に平行になるように補正するので、寸法測定パターンのステージ座標軸上における位置を正確に補正するとともに、寸法測定パターンの２辺が常に電子線スキャン方向に対して９０°とすることができる。このため、寸法測定パターンの正確な寸法を測定することができる。
【００２０】
請求項５記載の寸法測定方法は、請求項３または４記載の寸法測定方法において、基板の座標軸とステージの座標軸とのずれ角は、前記基板上に形成されている位置認識パターンの位置を計測することにより求める。このように、基板の座標軸とステージの座標軸とのずれ角は、基板上に形成されている位置認識パターンの位置を計測することにより求めるので、計測された位置認識パターンの位置を予め設定された位置と比較することで、ずれ角を求めることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の形態を図１〜図３に基づいて説明する。図１はこの発明の実施の形態において半導体基板上の寸法測定パターンを設けたウエハがステージに対して回転角をもって設置された状態を示す説明図、図２はこの発明の実施の形態の寸法測定方法により図１のウエハの座標系をステージ座標系に一致させた状態を示す説明図である。
【００２２】
図１に示すように、寸法測定装置に付随したステージに、回転角θをもって寸法測定用ウエハ（半導体基板）１が設置されている。ステージ座標系Ｘｓ，Ｙｓと半導体基板固定の座標系Ｘｗ，Ｙｗとの間にθだけずれがある。半導体基板１上に形成された領域２，４，６，８，１０とそれらの内部に形成された寸法測定パターン３，５，７，９，１１、および位置認識パターン１２，１３は図５の従来の構成と同じであり、同一符号を付与している。
【００２３】
次に寸法測定方法について説明する。この場合、寸法測定パターン３，５，７はＹｓ軸上に、寸法測定パターン９，５，１１はＸｓ軸上にあり、そのうちの寸法測定パターン１１の測定方法について下記に示すが、他の寸法測定パターン３，５，７，９の測定方法も同様である。
【００２４】
すなわち、半導体基板１に形成された寸法測定パターン１１の少なくとも平行な２辺１１ａ，１１ａを横切る方向に寸法測定のための電子線をスキャンさせる際、電子線スキャン方向と２辺１１ａ，１１ａがなす角の９０°からのずれを計測するステップと、ずれの角度θだけ半導体基板１を回転して電子線スキャン方向と２辺１１ａ，１１ａとのなす角を９０°に補正するステップと、電子線をスキャンさせて得られる２辺１１ａ，１１ａからの二次電子信号を検出し寸法を測定するステップとを含む。
【００２５】
この場合、ステージの座標軸Ｘｓに沿って電子線をスキャンさせる。また、従来と同様座標系Ｘｓ，Ｙｓを基準として半導体基板１上に形成されている位置認識パターン１２，１３の位置を計測し、半導体基板１の回転方向のずれ角θを求める。このずれ角θは、寸法測定パターン１１の２辺１１ａ，１１ａに直交する方向の基板の座標軸Ｘｗとステージの座標軸Ｘｓとの角度である。そこで測定装置は、半導体基板１を設置しているステージを機械的に角度θだけ回転させ、図２に示すように、半導体基板１の座標系Ｘｗ，Ｙｗをステージ座標系Ｘｓ，Ｙｓに一致させる。すなわち、半導体基板１を設置したステージは、ステージ座標系Ｘｓ，Ｙｓと、ステージ座標系Ｘｓ，Ｙｓとは連動しない回転機構を有しており、ステージを回転させ、基板を回転させることにより、ステージ座標系Ｘｓ，Ｙｓと半導体基板１の座標系Ｘｗ，Ｙｗを一致させることができる。これにより、電子線スキャン方向を基板の座標軸Ｘｗに平行になるように補正することができる。
【００２６】
図３（ａ）はこの発明の実施の形態において電子線をスキャンさせて測定する過程の説明図、（ｂ）はその電子線の二次電子信号波形図である。図３に示すように、回転角θの補正後領域１４にある寸法測定パターン１５の寸法を測定する。この際、寸法測定パターン１５の２つの平行な長辺１５ａ，１５ａを、ステージ座標軸Ｘｓと平行に横切る方向に電子線１６をスキャンさせる。２つの座標軸Ｘｗ，ＸｓまたはＹｗ，Ｙｓは一致しているのでスキャンする電子線１６のスキャン方向は寸法測定パターン１５の２つの平行な長辺１５ａ，１５ａと９０°になっており、電子線１６をスキャンさせることによって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の寸法を正確に測定することができる。なお、寸法測定パターンの長手方向がＸｗ軸と平行になっている場合、電子線１６はＹｓ軸と平行方向にスキャンされて寸法測定がなされる。
【００２７】
また、ステージを回転させる機構が備わっていない他の実施の形態について説明する。図４（ａ）はこの発明の他の実施の形態において電子線をスキャンさせて測定する過程の説明図、（ｂ）はその電子線の二次電子信号波形図である。
【００２８】
図４に示すように上記実施の形態において、電子線１６のスキャン方向を測定装置内部で電気的に角度θだけ変え、半導体基板１の座標軸Ｘｗと平行になるように補正する。これにより、電子線１６のスキャン方向と寸法測定パターン１５の２つの長辺１５ａ，１５ａとを９０°にすることができ、寸法を正確に測定することができる。
【００２９】
以上のように上記各実施の形態によれば、半導体基板上に形成された長方形の寸法測定パターンの長辺が、寸法測定装置のステージに固定された座標軸方向から回転角を持つ場合にも、パターンの長辺と電子線スキャン方向とを９０°にすることができるので、パターンの寸法を正確に測定することができる。
【００３０】
【発明の効果】
この発明の請求項１記載の寸法測定方法によれば、電子線スキャン方向と寸法測定パターンの２辺がなす角の９０°からのずれを計測するステップと、ずれの角度だけ基板を回転して電子線スキャン方向と２辺とのなす角を９０°に補正するステップと、電子線をスキャンさせて得られる２辺からの二次電子信号を検出し寸法を測定するステップとを含むので、寸法測定パターンの２辺が常に電子線スキャン方向に対して９０°とすることができる。このため、寸法測定パターンの正確な寸法を測定することができる。
【００３１】
この発明の請求項２記載の寸法測定方法によれば、電子線スキャン方向と寸法測定パターンの２辺がなす角の９０°からのずれを計測するステップと、ずれの角度だけ電子線スキャン方向を回転して電子線スキャン方向と２辺とのなす角を９０°に補正するステップと、電子線をスキャンさせて得られる２辺からの二次電子信号を検出し寸法を測定するステップとを含むので、寸法測定パターンの２辺が常に電子線スキャン方向に対して９０°とすることができる。このため、寸法測定パターンの正確な寸法を測定することができる。
【００３２】
この発明の請求項３記載の寸法測定方法によれば、寸法測定パターンの２辺に直交する方向の基板の座標軸とステージの座標軸とのずれ角を求め、この角度だけステージを回転させて、電子線スキャン方向を基板の座標軸に平行になるように補正するので、寸法測定パターンのステージ座標軸上における位置を正確に補正するとともに、寸法測定パターンの２辺が常に電子線スキャン方向に対して９０°とすることができる。このため、寸法測定パターンの正確な寸法を測定することができる。
【００３３】
この発明の請求項４記載の寸法測定方法によれば、寸法測定パターンの２辺に直交する方向の基板の座標軸とステージの座標軸とのずれ角を求め、この角度だけ電子線スキャン方向を回転させて、電子線スキャン方向を基板の座標軸に平行になるように補正するので、寸法測定パターンのステージ座標軸上における位置を正確に補正するとともに、寸法測定パターンの２辺が常に電子線スキャン方向に対して９０°とすることができる。このため、寸法測定パターンの正確な寸法を測定することができる。
【００３４】
請求項５では、基板の座標軸とステージの座標軸とのずれ角は、基板上に形成されている位置認識パターンの位置を計測することにより求めるので、計測された位置認識パターンの位置を予め設定された位置と比較することで、ずれ角を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において半導体基板上の寸法測定パターンを設けたウエハがステージに対して回転角をもって設置された状態を示す説明図である。
【図２】この発明の実施の形態の寸法測定方法により図１のウエハの座標系をステージ座標系に一致させた状態を示す説明図である。
【図３】（ａ）はこの発明の実施の形態において電子線をスキャンさせて測定する過程の説明図、（ｂ）はその電子線の二次電子信号波形図である。
【図４】（ａ）はこの発明の他の実施の形態において電子線をスキャンさせて測定する過程の説明図、（ｂ）はその電子線の二次電子信号波形図である。
【図５】寸法測定パターンが形成された半導体基板を示す平面図である。
【図６】従来例において半導体基板上の寸法測定パターンがステージに対して回転角をもって設置された状態を示す説明図である。
【図７】（ａ）は従来例において電子線をスキャンさせて測定する過程の説明図、（ｂ）はその電子線の二次電子信号波形図である。
【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
３，５，７，９，１１，１５　寸法測定パターン
１１ａ，１５ａ　長辺
１２，１３　位置認識パターン
１６　電子線
１７　二次電子信号波形
１８，１９　エッジ
【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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