(57)【要約】【課題】半導体回路原版として用いるマスクのパターン寸法を計測する際に、パターンの寸法とともに側壁角度も同時に計測する。【解決手段】基板表面から放出された二次電子を計数する機構に含まれる波高弁別器９において、一定時間間隔内に検出器に入った電子の個数の計数量を制限することによって、ＳＥＭ画像のパターン側壁に生じるホワイトバンドの幅とパターン側壁角度の相関関係を強調することができ、予め求めたパターン側壁角度とホワイトバンドの幅の相関関係からパターン側壁角度を非破壊で計測することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子線源、ビームブランキング機構、及びビーム偏向機構を有し、被測定基板上の規定の位置に規定量の電子を照射することができる装置を用いて、基板表面から放出された二次電子を検出する機構として、二次電子を光エネルギーに変換するシンチレータ、当該光エネルギーを電気信号に増倍する光電子増倍管、当該電気信号に増倍された二次電子信号のパルス数をカウントする波高弁別器を有し、前記波高弁別器は、一定時間間隔内に検出器に入った電子の個数の計数量を制限して処理することを特徴とするパターン計測方法。
【請求項２】
電子線源、ビームブランキング機構、及びビーム偏向機構を有し、被測定基板上の規定の位置に規定量の電子を照射することができ、基板表面から放出された二次電子を検出する機構として、二次電子を光エネルギーに変換するシンチレータ、当該光エネルギーを電気信号に増倍する光電子増倍管、当該電気信号に増倍された二次電子信号のパルス数をカウントする波高弁別器を有し、前記波高弁別器は、一定時間間隔内に検出器に入った電子の個数の計数量を制限する機能を具備することを特徴とするパターン計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体デバイスやこれらをリソグラフィ技術により製造する際に使用するフォトマスクの製造の際にパターンの寸法や形状を計測する方法及びその装置に関する。より詳しくは、基板上のパターン上に加速した電子ビームを走査しながら照射し、表面から放出された二次電子の量を計測することによってパターンの寸法や形状を計測する方法及びその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路は性能及び生産性を向上させるために微細化、高集積化が進んでおり、回路パターンを形成するためのリソグラフィ技術についても、より微細なパターンを高精度に形成するための技術開発が進められている。これに伴い、パターンの寸法や形状を計測するための技術についても、より高精度なものが求められている。
半導体デバイスや、これを製造するために用いるフォトマスクのパターン寸法は１００ｎｍ未満となっており、次世代のデバイスとしては３０ｎｍ未満のパターンを安定して形成する必要がある。このような微細なパターンの特定の位置の寸法や形状を計測する方法としては、寸法測定用に特別に設計された走査型電子顕微鏡（以下、ＣＤ−ＳＥＭと略する）が用いられる。
【０００３】
ＣＤ−ＳＥＭは、電子源から放出され、加速された一次電子を、偏向器によって二次元に走査しながら基板上に形成されたパターン上に照射し、表面から放出された二次電子や後方散乱電子を検出する。走査した領域を縦横方向に分割し、その分割領域を画素として、各領域で検出した二次電子、或いは後方散乱電子の量をその画素の輝度として、二次電子画像や後方散乱電子画像（以下、総称としてＳＥＭ画像と呼ぶ）を形成する。
【０００４】
ＳＥＭ画像のコントラストは被計測物の材質や表面の凹凸によって形成される。一次電子１個あたりの二次電子放出量を二次電子放出効率と呼び、ＳＥＭ画像の材質によるコントラストは二次電子放出効率が材質によって異なることによって得られる。二次電子放出効率は一次電子の加速電圧によっても変化する。
【０００５】
一方、表面の凹凸によって形成されるコントラストは一次電子の侵入深さと二次電子の脱出深さに関する近似的な表現を用いて理解することができる。下記非特許文献１によれば、固体表面に入射した一次電子の分布は、最大入射深さＲと、拡散深さＸDとを用いて、表面からＸDの深さを中心とする、半径がＲ−ＸDの球体として表現することができる。図２は、このことを二次元で模式的に表現したものである。例えば、入射電子のエネルギーが１５００Ｖの場合の最大入射深さＲはシリコンの場合６２ｎｍ、タンタルの場合１３ｎｍと計算することができる。
【０００６】
固体内に入射した一次電子の非弾性散乱過程に伴う二次電子発生量は、一次電子のエネルギー損失量に比例すると考えることができる。ＳＥＭの一次電子が試料表面に入射する際のエネルギーは５００〜２０００Ｖであるのに対し、生成する二次電子のエネルギーは０〜５０ｅＶの非常に低いものが大半を占める。
このため、表面から脱出できる二次電子の深さは、前記一次電子の最大入射深さと比較して、かなり小さくなると考えられる。下記非特許文献２によれば、二次電子の脱出深さはシリコンの場合２．７ｎｍ、タンタルの場合は０．７ｎｍである。従って、二次電子の脱出深さは一次電子の最大入射深さのおおよそ２０分の１程度である。
【０００７】
このようなことから、試料表面の凹凸によって形成されるコントラストは、試料表面と、前記半径Ｒ−ＸDの球体との重なりに関係していると考えることができる。前記球体のうち試料の外側にある領域、すなわち図２の斜線で示した面積が大きいほど二次電子強度が高くなる。図３はこのことを模式的に２次元で表現したものである。図３（ａ）のように平坦な部分と比較して、図３（ｂ）のような溝構造の端部では前記面積が小さく、二次電子発生量も少ない。逆に、図３（ｃ）のような斜面部分や図３（ｄ）では、前記面積が大きく、二次電子発生量も多くなる。
【０００８】
ＣＤ−ＳＥＭによるパターン寸法計測は上記のようにパターン端部でＳＥＭ像の輝度が高くなる現象を利用しており、ＳＥＭ画像上で白く見える領域（以下、ホワイトバンドと表記する）の間隔からパターン寸法を計測している。
ＣＤ−ＳＥＭで用いられるような加速電圧が低い条件では、ホワイトバンドの幅が１０〜１５ｎｍ程度となるのが典型的である。従って、パターン寸法を精度良く計測するためには、ホワイトバンドのどの部分をパターン端部と設定するのかが重要である。例えば、ホワイトバンドの輝度値のピークに対する相対値をしきい値として設定したり、輝度プロファイルを微分したピークの位置からもとのプロファイルの変曲点の位置を求めてパターン端部位置としたりする方法などが用いられている。
【０００９】
ホワイトバンドの幅はパターンを形成する材料にも依存するが、パターンの側壁角度によっても変化することが上記の説明からわかる。すなわち、パターンの側壁角度が垂直に近くなればホワイトバンド幅は小さくなり、パターンの側壁角度が小さい、いわゆるテーパ形状ではホワイトバンド幅が大きくなる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】K. Kanayaら, Journal of Physics D, 5, 43 (1972)
【非特許文献２】T. Linら, Surface and Interface Analysis, 37, 895 (2005)
【非特許文献３】H. Hakiiら, Proceedings of SPIE, 7379, 737922 (2009)
【非特許文献４】S. Babinら, Physics Procedia,1,305(2008)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
フォトマスクパターンの側壁角度はなるべく垂直に近くなるように製造するのが一般的であるが、レジストパターンの形状やエッチング条件などによって多少の変動が起こってしまう。近年、パターン寸法が微細になり、露光装置の投影光学系の開口数が大きくなって、パターン側壁角度が転写寸法に及ぼす影響が大きくなっている。また、次世代リソグラフィとして開発が進められている極端紫外光（ＥＵＶ）用のマスクでは基板に対して光が斜めに入射することから、パターン側壁角度の制御が重要な課題となっている。
【００１２】
パターン側壁角度を計測する方法としては、基板を断裁したり、収束イオンビームを用いて加工したりして露出させたパターン断面を電子顕微鏡で観察する方法が最も直接的であり、実際によく使われている。
しかし、この方法はフォトマスクを破壊してしまうため、フォトマスク製品の検査方法として用いることができない。非破壊でパターン断面形状を計測する方法としては、原子間力顕微鏡（以下ＡＦＭと略記する）を用いる方法や、スキャトロメトリのような光学的な手法がある。
【００１３】
ＡＦＭを用いる方法は計測される形状がプローブ先端の形状の影響を大きく受けてしまう。また、プローブを基板表面に垂直に励振する場合、垂直に近いパターン側壁角度を正確に計測するのが難しくなる。また、基板に平行に励振する方法はパターンの溝部が狭い場合や浅い場合に適用が困難である。
また、スキャトロメトリに代表される光学的な手法を用いる場合、パターン形成材料の複素屈折率が正確にわかっている必要がある。分光エリプソメトリなどを用いて複素屈折率を求める方法もあるが、モデルを用いたフィッティングであり、あいまいさを避けることが難しい。
【００１４】
このような課題に対して、ＣＤ−ＳＥＭを用いてＥＵＶマスクのパターン側壁角度を計測する手法が前記非特許文献３に開示されている。この手法はＳＥＭのプローブ電流値を変えたときのホワイトバンド幅の変化量がパターン側壁角度と相関を示すことを利用したもので、垂直に近いパターン側壁角度を非破壊で測定できる利点があるが、ＳＥＭのプローブ電流を変更したときに計測装置を安定な定常状態にするためにある程度の時間が必要となる等の課題があった。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明のパターン計測方法は、電子線源、ビームブランキング機構、及びビーム偏向機構を有し、被測定基板上の規定の位置に規定量の電子を照射することができる装置を用いて、基板表面から放出された二次電子を検出する機構として、二次電子を光エネルギーに変換するシンチレータ、当該光エネルギーを電気信号に増倍する光電子増倍管、当該電気信号に増倍された二次電子信号のパルス数をカウントする波高弁別器を有し、前記波高弁別器は、一定時間間隔内に検出器に入った電子の個数の計数量を制限して処理することを特徴とする。
【００１６】
また、本発明のパターン計測装置は、電子線源、ビームブランキング機構、及びビーム偏向機構を有し、被測定基板上の規定の位置に規定量の電子を照射することができ、基板表面から放出された二次電子を検出する機構として、二次電子を光エネルギーに変換するシンチレータ、当該光エネルギーを電気信号に増倍する光電子増倍管、当該電気信号に増倍された二次電子信号のパルス数をカウントする波高弁別器を有し、前記波高弁別器は、一定時間間隔内に検出器に入った電子の個数の計数量を制限する機能を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のパターン計測方法及びパターン計測装置によれば、ＣＤ−ＳＥＭ画像のパターン側壁に生じるホワイトバンドの幅とパターン側壁角度の相関関係を強調することができ、予め求めたパターン側壁角度とホワイトバンドの幅の相関関係から、パターン側壁角度を非破壊で測定することができ、なおかつ、電子源の条件を大きく変えることなく、安定してパターンを計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態であるパターン計測装置の構成図である。
【図２】固体内の電子の散乱を模式的に表した説明図である。
【図３】パターン断面形状と二次電子強度の関係を表した説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明のパターン計測方法及びパターン計測装置の一実施形態について、図を参照して説明する。
図１は、本実施形態のパターン計測装置の構成図である。電子線源１から放出される電子は加速電極により所定のエネルギーに加速されている。ＣＤ−ＳＥＭの場合、この電子のエネルギーは５００ｅＶないし２０００ｅＶが典型的である。これは、このエネルギー範囲において二次電子収率が１より大きく、試料の帯電による影響が小さくなるためである。
【００２０】
電子線源から放出された電子はブランキング機構（ビームブランキング機構）２のブランキング電極の間に入り、この電極間に電圧をかけた状態では電子は試料に到達しない。所定の時間だけこの電極電圧を変化させて電子を試料表面に導くことができる。電極電圧を変化させるタイミングは制御／計測コンピュータ（図ではＰＣ）４から信号を受けたパルスジェネレータ３によって制御される。
【００２１】
ブランキング電極を通過した電子はＸＹ−偏向器（ビーム偏向機構）５の偏向電極の間に入り、この電極電圧によって試料６の表面の電子の入射位置を変えることができる。この電極電圧は制御／計測コンピュータ４から信号を受けたＸＹ−偏向器５の偏向回路によって制御される。
このようにして試料６の表面に入射した電子は、試料６内で散乱を繰り返し、一部は後方散乱電子として試料６外に飛び出し、また、二次電子の生成などを伴う非弾性散乱によって徐々にエネルギーを失って試料６内にとどまったり、試料６内を流れて試料ホルダを通じて試料６外に流れ出たりするものもある。このような散乱過程はフェムト秒単位の非常に高速な現象である。
【００２２】
前記二次電子の一部は試料６外に飛び出し、検出器に入る。二次電子がシンチレータ７に到達すると、電子のエネルギーは蛍光の光エネルギーに変換される。蛍光寿命はシンチレータ７の種類によって大きく異なるが、このように高速な現象の計測には蛍光寿命の短いプラスチックシンチレータが適している。その場合、蛍光寿命は２乃至３ナノ秒程度である。
【００２３】
シンチレータ７から発せられる光は微弱であるが、光電子増倍管８を用いて十分大きい電気信号に変えることができる。光電子増倍管８としてはダイノード型、マイクロチャンネルプレート型など各種のものを選択することができるが、得られる電気信号のパルス幅が短い高速応答のものを用いるのが好ましい。高速応答性の光電子増倍管８として、例えば３ナノ秒程度のパルス幅のものを用いることができる。
【００２４】
光電子増倍管８の信号は波高弁別器（ディスクリミネータ）９に入る。波高弁別器９の主な機能は光電子増倍管８の暗電流や微弱なノイズ、また宇宙線等による強いノイズなどを取り除き、試料６から出た二次電子信号のパルス数をカウントすることである。波高弁別器９のカウントをマルチチャンネルアナライザー１０で解析し、その解析結果を制御／計測コンピュータ４から出力する。
【００２５】
波高弁別器９として、パルス入力後、設定したある一定の時間内は次のパルスをブロックする機能を有するものがある。この場合、設定した一定時間内に入った複数のパルスを一つの信号とみなすことができる。このような機能の無い波高弁別器を用いる場合でも、手前にある時定数を設定できる回路を追加することによって、同等の機能を実現することができる。
【００２６】
ＳＥＭのプローブ電流を５ｐＡとした場合、電子の入射間隔は平均で３２ナノ秒であり、前記装置の時間特性と比べて１桁長い。従って、前記装置では入射する一次電子１個毎の値としてカウントすることが可能である。しかしながら、１つの一次電子から発生した複数の二次電子が検出器に到達する場合、その時間差は長くてもピコ秒単位であると考えられ、波高弁別器９では独立したピークとして認識されない。
【００２７】
その結果、検出器で計数される二次電子の数が、実際の検出量よりも少なくなる数え落としを生じてしまうことになる。このような現象はパターン側壁の二次電子が多量に放出されるときに顕著となる。また、プローブ電流を大きくすると、一次電子入射間隔が短くなるため、この数え落としはさらに顕著となる。
本発明者は、このような数え落としの現象が、ホワイトバンド幅からパターンの側壁角度を推定する手段として有効に用いることができることを見出した。以下にその原理を説明する。
【００２８】
パターン計測に用いるＳＥＭ画像は１画素を８ビット、すなわち２５６階調のグレースケールとして記録されるのが一般的である。従って前記二次電子の計数値はこのグレースケールの範囲に入るように画像のコントラストが調整される。その後、パターンに対して垂直方向の複数画素について平均化処理を行い、パターン端部を横切る方向に輝度プロファイルを生成する。
【００２９】
前記輝度プロファイルにおいて、パターン端部は二次電子が多量に放出されるために、輝度値は高くなる。パターン端部が垂直ではなく、テーパ形状となっている場合、パターン側壁から放出される二次電子量が多いために、ホワイトバンドの幅は大きくなる。
このホワイトバンド幅の変化量を精度良く計測することができれば、パターンの側壁角度を計測することができる。しかしながら、側壁角度の変化とともにホワイトバンドの幅だけではなくピーク値も大きくなる。このような現象はシミュレーションによっても確認することができ、例えば非特許文献４にも開示されている。
【００３０】
このため、前記グレースケールへのコントラストの調整時にホワイトバンドの輝度値が全体的に縮小されてしまい、ホワイトバンド幅の増加分を打ち消してしまう。
ところが、前記数え落としが起こる場合、輝度値が高い部分ほど数え落しが起こる確率が高くなるため、側壁角度の変化に伴うピーク値の変化が抑制されることになる。従って、コントラスト調整後もホワイトバンド幅の変化分をある程度保持することが可能となる。
【００３１】
この数え落としの確率は、前記装置構成で説明した波高弁別器９のブロック時間、或いは併設する時定数設定回路の設定によって調整することができる。従って、ブロック時間あるいは時定数を変えたときのホワイトバンド幅に相関関係が生じることになる。
側壁角度の異なるパターンについて、この相関関係を計測し、試料破断やＦＩＢ加工後に電子顕微鏡によって側壁角度を直接計測した値と比較してテーブルを作成することができ、一旦テーブルができれば非破壊で側壁角度を計測できることになる。
【００３２】
また、このテーブルを作成するために断面観察を行う際に、テーパ形状のパターン側壁上部と下部の寸法を計測しておけば、パターンの側壁角度とともにパターン端部の上部と下部の寸法を正確に計測できることになる。
このようにして、本発明により非破壊で高精度にパターンの側壁角度並びにパターン寸法を正確に計測することができる。
【００３３】
本発明の実施形態について実施例を用いてさらに説明する。
【実施例１】
【００３４】
石英ガラス基板上に厚さ４．２ｎｍのシリコン膜と２．８ｎｍのモリブデン膜を交互に４０対積層し、その上に厚さ４ｎｍのシリコン膜、厚さ４ｎｍのケイ酸ジルコニウム膜、タンタルを主成分とする厚さ７０ｎｍの吸収層、酸化タンタルを主成分とする厚さ２０ｎｍの反射防止層を形成したＥＵＶマスクブランクを用意した。
前記ケイ酸ジルコニウム膜はケイ素を主成分とするターゲットとジルコニウムを主成分とするターゲット、及びアルゴンと酸素の混合ガスを用いた反応性二元スパッタリングにより作製した。
【００３５】
前記反射防止層の上にレジストを塗布し、電子線露光装置を用いて露光し、ベーキング後に現像処理を行ってレジストパターンを形成した。ドライエッチングによって上記反射防止層と吸収層をエッチング加工した後に表面に残ったレジストを除去し、ＥＵＶマスクを得た。
前記ＥＵＶマスクのパターンを本実施例の装置で計測したところ、計測回路の時定数を２０ナノ秒から２００ナノ秒と長くするにしたがって、ホワイトバンド幅が増加する傾向がみられた。
【００３６】
また、前記ＥＵＶマスクのパターン形成条件を変えて側壁角度を変えたパターンを形成したＥＵＶマスクを前記と同様のプロセスにより用意した。
これらのＥＵＶマスクについて、前記時定数を２０ナノ秒とした場合と２００ナノ秒にした場合のホワイトバンド幅の差を計測した。
その後、このＥＵＶマスクパターンをＦＩＢ加工して断面方向から電子顕微鏡を用いて側壁角度を計測した。その結果、これらのマスクの側壁角度が７５度から９０度の範囲にあることを確認した。
【００３７】
前記ホワイトバンド幅の差と、電子顕微鏡で観察したマスクパターンの側壁角度の関係を調べたところ、側壁角度が９０度に近くなるに従って、時定数を変えたときのホワイトバンド幅の変化が小さくなる相関関係があることを確認した。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明のパターン計測方法並びにパターン計測装置を用いることで、パターン側壁角度の影響を考慮した正確な寸法計測が可能となり、半導体等の製造を精度良く行うことが可能である。
【符号の説明】
【００３９】
１・・・電子線源
２・・・ブランキング機構
３・・・パルスジェネレータ
４・・・制御／計測コンピュータ
５・・・ＸＹ−偏向器
６・・・試料
７・・・シンチレータ
８・・・光電子増倍管
９・・・波高弁別器
１０・・・マルチチャンネルアナライザー
【図１】
2012068196.tif 000003
【図２】
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【図３】
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