JP2000321040A - パターン寸法測定装置およびパターン寸法測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 スループットが高いパターン寸法測定装置お
よびパターン寸法測定方法を提供する。 【解決手段】 ステージ３と、電子銃部１１と、ＭＯＬ
機構を有し電子ビーム６を試料５上で走査させる電子レ
ンズ系２２〜２４と、試料５から放出される二次電子等
を検出する二次電子検出器３１と、パターン寸法演算部
１６を有するホストコンピュータ４と、を備えるパター
ン寸法測定装置１０において、ステージ３を等速で移動
させ、ステージ座標をレーザ干渉計４１によりリアルタ
イムで測定し、電子ビーム６の作動距離の変化を光てこ
方式により焦点距離測定部４４からリアルタイムで測定
し、ステージ制御部１３および対物レンズ２４にそれぞ
れフィードバックする。測定目的のパターンが走査可能
領域に至ると、ステージ等速移動に同期して電子ビーム
６の走査開始位置を移動させながらベストフォーカスで
電子ビーム６を走査させてそのＳＥＭ画像を取得する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、パターン寸法測定
装置およびパターン寸法測定方法に関するものであり、
特に、試料を載置するステージを移動させながら、試料
の表面に形成されたパターンの寸法を測定する装置およ
び方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】パターン寸法測定装置は、ＶＬＳＩ(Ver
y Large Scale Integration circuit)等の半導体デバイ
スの表面に形成されるパターンの寸法を測定するため、
近年広く利用されている。

【０００３】従来の技術によるパターン寸法測定装置に
ついて図面を参照しながら説明する。なお、以下の各図
において、同一の部分は、同一の参照番号を付してその
説明を適宜省略する。

【０００４】図１６は、従来の技術によるパターン寸法
測定装置の一例を示す概略構成図である。同図に示すパ
ターン寸法測定装置１１０は、電子ビーム鏡筒１１１
と、真空試料室２と、ホストコンピュータ１０４とを備
えている。

【０００５】電子ビーム鏡筒１１１は、試料５に向けて
電子ビーム９６を照射する電子銃部１１と、電子ビーム
９６が試料５上で集束するようにその軌道と焦点距離を
制御する電子レンズ系とを含み、半導体デバイスの微細
化に対応して約５ｎｍの分解能を有する。電子レンズ系
は、コンデンサレンズ２１と偏向レンズ１０２と対物レ
ンズ１０３とを有する。真空試料室２は、半導体ウェー
ハ等の試料５を上面に載置するＸ−Ｙステージ３と、Ｘ
−Ｙステージ３に試料５を搬送する試料搬送系１２と、
二次電子検出器３１とを真空雰囲気中に収納する。Ｘ−
Ｙステージ３は、ステージ制御部１１３から供給される
制御信号に基づいて約１μｍの高い停止精度でＸ−Ｙ平
面上の任意の方向に移動する。二次電子検出器３１は、
電子ビーム９６の照射を受けて試料５の表面から放出さ
れる二次電子、反射電子および後方散乱電子（以下、二
次電子等という）を検出し、画像データ処理部１３２に
供給する。画像データ処理部１３２は、二次電子検出器
３１の検出結果を受けて所定のデータ処理によりＳＥＭ
画像を形成する画像データをホストコンピュータ１０４
に供給する。ホストコンピュータ１０４は、パターン寸
法演算部１６を有し、画像データ処理部１３２から送ら
れた画像データに基づいて目的パターンの寸法を算出
し、算出結果を適宜メモリ１４に格納する。

【０００６】図１６に示すパターン寸法測定装置１１０
を用いてウェーハ５（試料）の表面に形成されたパター
ンの寸法を測定するシーケンスの一例を図１７を参照し
ながら説明する。図１７は、ステージの移動方向を示す
模式図であり、本例においてステージ３は、測定開始位
置Ｐｓから同図の点線に示す軌跡を描きながら測定終了
位置Ｐｅに至るまで移動する。

【０００７】まず、試料搬送系１２によりウェーハ５を
真空試料室２内に搬送してＸ−Ｙステージ３の上面に載
置する。

【０００８】次に、ウェーハ５の略中央と周辺部の各表
面部に形成されたグローバルアライメントマークを
用いてグローバルアライメントを行い、ウェーハ５上で
のパターン配列座標系とステージ座標系との相関関係を
算出する。

【０００９】次に、測定目的であるパターンの位置、例
えば図１７に示すパターンの近傍ヘステージ３を移動
し、この位置でステージ３を停止させた後、自動焦点に
より目的パターンのエッジがビーム焦点深度内に納まる
ように、対物レンズ１０３の励磁電流を制御する。次
に、ステージ３を図１７の破線で矢視する方向へ再び移
動させながら、パターン上で電子ビーム９６を走査さ
せ、ウェーハ５の表面から発生する二次電子等を二次電
子検出器３１で検出し、画像データ処理部１３２による
データ処理を経てＳＥＭ画像をホストコンピュータ１０
４に入力し、そのＳＥＭ画像内に存在する目的パターン
をパターン認識処理により検出する。目的パターン
を検出した後、パターン寸法演算部１６によりパターン
のボトムェツジを最適な計測アルゴリズムに基づいて検
出し、パターン寸法を測定する。さらに次の目的パター
ン（〜）が存在する場合には、Ｘ／Ｙステージ３を
該当位置へ再び移動させた後、該当位置の近傍でステー
ジ３を再び停止させ、上述した動作を繰り返す。このよ
うな一連の動作は、パターン寸法測定装置のメモリ１４
などに予め格納されているレシピファイルで設定された
シーケンスに従ってホストコンピュータ１０４により制
御される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たシーケンスでは、Ｘ−Ｙステージ３の移動および停止
を何度も繰返すことにより寸法測定が実行されるため、
多数の測定箇所にわたってパターンの寸法を測定する多
点計測の場合には多大な処理時間が必要であった。

【００１１】図１８は、図１６に示すパターン寸法測定
装置のスループットを説明するグラフであり、ステージ
移動速度の変化を示す。図１８によっても、焦点合わせ
（ＡＦ）とパターン認識（ＰＭ）のために、グローバル
アライメントマークおよび測定パターンの手前でステー
ジ３が停止されることが理解される。

【００１２】多点計測は、（１）プロセス・デバイス開
発初期の段階、（２）露光装置のレンズ収差の評価およ
び露光条件振りウェーハの評価、さらに、（３）ウェー
ハの大口径化にともなう測定点の増加などにより、その
必要性が近年特に高まっている。これに対して、上述し
たシーケンスによるスループットは（３０〜４０枚／時
間）であるため、現状では全自動測定を行っても多点計
測には数時間を要するという問題があった。

【００１３】本発明は上記事情に鑑みてなされたもので
あり、その目的は、スループットが高いパターン寸法測
定装置および高スループットのパターン寸法測定方法を
提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、以下の手段に
より上記課題の解決を図る。

【００１５】即ち、本発明によれば、パターンが形成さ
れた試料を上面に載置するステージと、このステージを
Ｘ−Ｙ平面内で移動させるステージ制御手段と、上記試
料に電子ビームを照射する電子ビーム照射手段と、上記
電子ビームを偏向してそのビーム軌道の全てが出射時の
ビーム軸から離隔する領域を含む上記試料上の領域で走
査させる電子ビーム偏向走査手段と、上記ステージの移
動中に上記ステージのＸ−Ｙ座標を検出するステージ座
標検出手段と、上記ステージの移動中に上記電子ビーム
偏向走査手段の焦点距離を検出する焦点距離測定手段
と、上記電子ビームの照射により上記試料から放出され
る二次電子および反射電子を検出し、上記試料表面の形
状を現す画像であるＳＥＭ画像を形成する画像信号を出
力する二次電子検出手段と、この画像信号に基づいて測
定対象である被測定パターンを認識してその寸法を算出
するパターン寸法演算手段と、上記ステージを等速で移
動させ、上記ステージ座標検出手段および上記焦点距離
測定手段の検出結果に基づいて、上記被測定パターンが
上記電子ビームの走査可能領域の近傍に至るときに、上
記電子ビーム偏向走査手段の焦点距離を最適化した上
で、上記ステージの等速移動に同期して上記電子ビーム
の走査開始位置を移動させながら上記被測定パターン上
で上記電子ビームを走査させて上記被測定パターンの上
記ＳＥＭ画像を取得する制御手段と、を備えるパターン
寸法測定装置が提供される。

【００１６】上記パターン寸法測定装置において、上記
電子ビーム偏向走査手段は、その最大偏向幅で定義され
るフレーム毎に上記被測定パターンを分割して走査し、
複数の上記フレームを連続して走査する連続走査モード
と、同一の上記フレームについて複数回走査した上で最
適のパターン寸法を出力するフレーム積算モードとのい
ずれをも選択できることが好ましい。

【００１７】また、上記制御手段は、上記画像信号を取
得すべき上記試料の領域では第１の速度で上記ステージ
が移動し、上記電子ビームの照射を停止すべき上記試料
上の領域では第２の速度で上記ステージが移動するよう
に、上記ステージ制御手段に制御信号を供給すると好適
である。

【００１８】上記第２の速度は、上記測定パターン間の
距離と第上記パターン寸法演算手段がパターンの認識に
要する処理時間との対応関係に基づいて設定されるとさ
らに好適である。

【００１９】また、上記パターン寸法装置は、上記ステ
ージの移動方向の変化に応じて上記電子画像がそのＸ方
向またはＹ方向の中心線に対する鏡像となるように上記
画像信号を処理する画像処理手段をさらに備えることが
望ましい。

【００２０】また、本発明によれば、パターンが形成さ
れた試料を載置するステージと、このステージのＸ−Ｙ
座標を検出するステージ座標検出手段と、上記試料に電
子ビームを照射する電子ビーム照射手段と、上記電子ビ
ームを偏向して上記試料上で走査させる電子ビーム偏向
走査手段と、上記電子ビーム偏向走査手段の焦点距離を
検出する焦点距離測定手段と、上記電子ビームの照射に
より上記試料から放出される二次電子および反射電子を
検出してＳＥＭ画像を形成する画像信号を出力する二次
電子電子検出手段と、上記画像信号に基づいて上記パタ
ーンを認識してその寸法を算出するパターン寸法演算手
段と、を備えるパターン寸法測定装置を用いるパターン
寸法測定方法であって、ステージの座標系とパターン配
列座標系との相関関係を算出する第１の手順と、上記ス
テージを等速で移動させながら、上記相関関係に基づい
て測定の対象となる被測定パターンの位置を検出する第
２の手順と、上記ステージの移動による上記試料と上記
電子ビーム照射手段との距離の変化を光てこ方式により
検出し、上記被測定パターンが上記電子ビームの照射可
能領域に至る前に上記電子ビーム偏向走査手段の焦点距
離を最適化する第３の手順と、上記ステージの等速移動
に同期して上記電子ビームを偏向し、そのビーム軌道の
全てが出射時のビーム軸から離隔する領域を含む上記試
料上の領域で走査させて上記被測定パターンのＳＥＭ画
像を取得する第４の手順と、上記ＳＥＭ画像に基づいて
上記被測定パターンを認識し、所定のアルゴリズムによ
りそのパターン寸法を算出する第５の手順と、を備える
パターン寸法測定方法が提供される。

【００２１】本発明にかかるパターン寸法測定方法によ
れば、被測定パターンの位置検出と電子ビームの焦点の
適合化とをステージの移動中においてもリアルタイムで
処理するので、ＳＥＭ画像の取込み前にステージを停止
させる必要がない。このため、ステージを等速移動させ
ながら、パターン寸法を測定することができる。

【００２２】また、ビーム軌道の全てが出射時のビーム
軸から離隔する領域にまで電子ビームの走査可能範囲を
拡大するので、ステージの等速移動に同期させて被測定
パターン上に電子ビームを走査させることができる。こ
れにより、ステージの移動速度をさらに高速にすること
ができ、パターン寸法測定のスループットを向上させる
ことが可能になる。この一方、ステージの移動速度を相
対的に低速のままにする場合は、同一の被測定パターン
上で複数回にわたって電子ビームを走査させることが可
能になる。これにより、寸法測定の精度をさらに高める
ことが可能になる。

【００２３】上記第４の手順は、上記電子ビーム偏向走
査手段の最大偏向幅で定義されるフレーム毎に上記被測
定パターンを分割して走査する手順を含み、上記パター
ン寸法測定方法は、複数の上記フレームを連続して走査
する連続走査と、同一の上記フレームについて複数回走
査した上で最適のパターン寸法を出力するフレーム積算
とのいずれをも選択できることが好ましい。

【００２４】これにより、連続走査を選択する場合は、
パターン寸法測定のスループットを向上させることがで
き、この一方、フレーム積算を選択する場合は、Ｓ／Ｎ
を向上させることができる。

【００２５】上記ステージは、上記電子ビームを照射す
る上記試料上の領域では第１の速度で等速移動され、上
記電子ビームの照射停止から照射再開までの上記試料上
の領域では第２の速度で等速移動されると好適である。

【００２６】これにより、寸法測定のスループットをよ
り一層高めることができる。

【００２７】上記第２の速度は、上記被測定パターン間
の距離と上記パターン寸法演算手段がパターンの認識に
要する処理時間との対応関係に基づいて設定されるとよ
り好適である。

【００２８】これにより、本発明にかかるパターン寸法
測定方法を適用する測定装置の仕様に応じてある被測定
パターンについてＳＥＭ画像の取込みを終了してから次
の被測定パターンのＳＥＭ画像取込みを開始するまでの
間に、寸法測定処理を完了することができる。

【００２９】上記第４の手順は、上記ステージの移動方
向の変化に応じて上記電子画像がそのＸ方向またはＹ方
向の中心線に対する鏡像となるように上記画像信号を処
理する手順を含むことが望ましい。

【００３０】これにより、上述のパターン認識および寸
法演算処理に要する時間を短縮することができ、寸法測
定のスループットをさらに向上させることができる。

【００３１】図１９は、本発明にかかるパターン寸法測
定方法のスループットを従来の技術との比較で示す説明
図である。同図において、ｐｎｔは測定点を示し、Ｗ／
Ｈｒは１時間当りの処理枚数を示す。例えば、面内２５
点測長（５ｐｎｔｓ／５ｓｈｏｔｓ）とは、図２０の模
式図に示すように、測定ショット５４のそれぞれについ
て測定ポイント５３を５箇所設定してパターン寸法を測
定することをいう。なお、図２０における点線５１は、
ステージ３の移動軌跡を示す。

【００３２】図１９からは、測定点数が増加するほど、
本発明によるスループット向上の効果があらわれている
ことがわかる。

【００３３】また、本発明にかかるパターン測定装置の
スループットは、ステージの等速速度とステージの全走
行距離で決まる。従って、等速速度を２倍（２０mm／se
c.）に設定すれば、スループットもこの２倍に増加す
る。さらに、等速移動の速度についても、基準パターン
および測定パターンの画像入力を行う時の速度と、測定
パターンの画像入力を終了し次の基準パターンおよび測
定パターンの画像入力を開始する時の速度とをそれぞれ
異なる速度にすることでもスループットを向上させるこ
とが可能である。

【００３４】

【発明の実施の形態】本発明は、ステージを等速で移動
させながら目的のパターンのＳＥＭ画像を取得してパタ
ーン寸法を測定する点にその特徴がある。以下、本発明
の実施の形態のいくつかについて図面を参照しながら説
明する。

【００３５】図１は、本発明にかかるパターン寸法測定
装置の実施の一形態の概略構成を示すブロック図であ
る。図１６との対比において理解されるように、同図に
示すパターン寸法測定装置１０は、２つの偏向レンズ２
２，２３と、後述するＭＯＬ機構を有する対物レンズ２
４と、レーザ干渉計４１およびレーザ干渉計制御部４２
と、レーザ干渉計４１の検出結果に基づく補正パラメー
タがリアルタイムで入力されるステージ制御部１３と、
電子ビーム６の試料照射位置での作動距離を検出する焦
点距離測定部４４およびその制御部４５と、画像データ
処理部３２とを備える。また、メモリ１４には、後述す
るレシピファイルが格納されている。その他の点は、図
１６に示すパターン寸法測定装置と略同一である。

【００３６】レーザ干渉計４１は、レーザ干渉計制御部
４２から供給される制御信号に基づいて、ステージ座標
を検出し、ステージ３の移動中においても検出結果をリ
アルタイムでホストコンピュータ４に供給する。ホスト
コンピュータ４はこの検出結果に基づいて、ステージ移
動に伴って発生するピッチング、ヨーイングなどを補正
する補正パラメータを算出し、これを含む制御信号をリ
アルタイムでステージ制御部１３に供給することによ
り、ステージ３を等速で移動させる。

【００３７】本実施形態において、ステージ３の等速移
動速度は、例えば１０mm／sec.であり、これは、１フレ
ーム（５１２×５１２画素、５１２スキャン）の画像取
得にあたり、ＴＶの走査速度の４倍の走査速度で電子ビ
ーム６を走査させると、８０μｍ／frameのステージ移
動量に相当する速度である。

【００３８】電子ビーム６の走査速度は、従来、ＴＶス
キャン（１６ｋＨｚ／scan）で実行されてきたが、本実
施形態においては、等速ステージ移動速度に同期したビ
ーム走査を実現するため、６４ｋＨｚ／scanの高速走査
によりステージ３の移動に対応させる。これは、１フレ
ーム（５１２スキャン）分の走査に対して８ｍsec.／fr
ameに相当する走査速度である。

【００３９】対物レンズ２４は、等速ステージ移動に同
期したビーム走査を実現するため、ＭＯＬ（Moving Obj
ective Lens;E.Munro,”Calculation of the Optical P
roperties of Combined Magnetic Lens and Deflection
Systems with SuperimposedFields”,OPTIK,pp.450-46
6,39(1974))の機能を有する。ＭＯＬ機構とは、電子ビ
ーム６を偏向系で大偏向したまま対物レンズ２４の軸
外、即ち中心軸から離隔して入射してきた電子ビームを
対物レンズ２４内の重畳レンズによる重畳磁場により出
射時のビーム軸に並行に試料５の表面に照射する機構で
あり、本発明ではこの効果を用いて電子ビームをステー
ジ移動速度に同期させながらシフトさせるために使用す
る。

【００４０】図２は、本実施形態のパターン寸法測定装
置１０が備えるＭＯＬ機構を説明する概念図である。同
図は、コンデンサレンズ２１を経由した電子ビーム６が
第１偏向レンズ２２、第２偏向レンズ２３および対物レ
ンズ２４により、時間の経過とともに（ｔ_１〜ｔ_３）試
料５の表面に垂直に入射するように、その軌道が偏向さ
れていく様子を示す。

【００４１】本実施形態におけるＭＯＬ機構によるビー
ム照射位置の可動範囲量を±３５０μｍとしてより具体
的に説明すると、まず、コンデンサレンズ２１により電
子ビーム６は、出射時のビーム軸７に平行になるように
軌道を偏向されて第１偏向レンズ２２に入射する。第１
偏向レンズ２２は、ホストコンピュータ４の制御により
所定の励磁電流が供給され、磁場ＭＦ２２を形成する。
この磁場ＭＦ２２により電子ビーム６は、出射時のビー
ム軸７の軸外に向うように偏向される。次に、第２偏向
レンズ２３は、ホストコンピュータ４の制御に基づいて
ＭＦ２２とは逆方向の磁場ＭＦ２３を形成する。これに
より、一旦軸外に向けて偏向された電子ビーム６は、全
ての電子ビームが出射時ビーム軸７から離隔し、かつ出
射時ビーム軸７に水平な軌道を有するように偏向される
（図１参照）。対物レンズ２４は、ホストコンピュータ
４の制御により、対物レンズ２４としての磁場ＭＦ２４
と補正磁場ＭＦｃとが重畳された重畳磁場を形成する。
これにより、対物レンズ２４を通過した電子ビーム６
は、出射時ビーム軸７の軸外であっても、焦点を適合さ
れて試料５の表面に入射することができる。なお、図２
において、Ｗｃは偏向されていく方向における電子ビー
ム６のＸ，Ｙ平面上での位置を示し、Ｂ（Ｚ）はＺ軸上
での磁場を示す。

【００４２】焦点距離測定部４４は、焦点距離測定制御
部４５から送られる制御信号に基づいて光測距（光て
こ）方式により、照射位置における電子ビーム６の作動
距離をリアルタイムで測定し、ステージ３の移動に伴っ
て発生する作動距離の変化をホストコンピュータ４にリ
アルタイムで伝達する。ホストコンピュータ４は、この
作動距離の変化を対物レンズ２４の励磁電流へリアルタ
イムにフィードバックする。

【００４３】作動距離の変化はウェーハ５のそりに起因
するため、例えばステージ３に静電チャック機構を備え
てウェーハ５を保持することにより、作動距離の変化を
最小限に抑えることができる。この結果、対物レンズ２
４の励磁電流の制御範囲を最小限とし、さらにヒステリ
シスの影響をも防ぐことができる。

【００４４】画像データ処理部３２は、ステージ３の移
動方向の変化に対応してＳＥＭ画像がそのＸ方向または
Ｙ方向の中心線に対称な鏡像となるよう変換処理して出
力する、いわゆるミラー反転処理ができるようになって
いる。これにより、ステージ３の移動方向を逆転させた
場合に、方向の変化による影響を考慮することなく、多
点計測を継続することが可能となる。

【００４５】メモリ１４には、測定条件や次記する測定
順序などをプログラムとして組込んだレシピフィルが格
納されている。測定条件としては、上述したステージ３
の移動速度や電子ビーム６の走査速度などの他、次記す
るグローバルアライメントの位置やチップの配列位置、
各チップ上のパターンの形成領域、これらのうちで測定
の対象となるチップおよびパターンの形成領域、パター
ン認識のための線幅や孔径、測定パターンのボトムエッ
ジを検出するための測定アルゴリズムなどがある。

【００４６】図１に示すパターン寸法測定装置１０の動
作について、本発明にかかるパターン寸法測定方法の第
１および第２の実施の形態として図面を参照しながら説
明する。

【００４７】（１）第１の実施の形態 本実施形態は、基準パターンを最初に検出し、これに基
づいて同一の測定パターンを認識してその寸法を測定す
る点にその特徴がある。

【００４８】図３は本実施形態のパターン寸法測定方法
の概略手順を説明するフローチャートであり、図４はグ
ローバルアライメント処理の具体的手順を説明するフロ
ーチャート、図５は基準パターン検出処理の具体的手順
を説明するフローチャート、図６は測定パターン画像入
力処理の具体的手順を説明するフローチャート、図７は
パターン寸法演算処理の手順を具体的に説明するフロー
チャートである。

【００４９】図３に示すように、本実施形態において
は、まず、グローバルアライメント処理により、ウェー
ハ５上でのパターン配列座標系とステージ座標系との相
関関係を取得する（ステップＳ１）。次に、基準パター
ン検出処理により測定パターンを認識するための基準と
なる位置を検出する（ステップＳ２）。次に、この基準
パターンが検出された位置を基準として測定パターンが
形成された領域を特定し、その領域で電子ビーム６を走
査して測定パターン画像入力処理を行い（ステップＳ
３）、この画像に基づいてパターン寸法演算処理を行う
（ステップＳ４）。上述したステップＳ３〜Ｓ４の手順
は、測定すべきパターンの数量だけ繰返される（ステッ
プＳ５）。

【００５０】上述した手順のステップＳ１〜Ｓ４の手順
を図４〜図７のフローチャートを参照しながらより具体
的に説明する。

【００５１】１）グローバルアライメント処理 ウェーハ搬送系１２によりウェーハ５を真空試料室２へ
搬送した後、ＳＥＭ画像に基づいたグローバルアライメ
ント処理を実行する。グローバルアライメントの位置
は、レシピファイルで予め設定されている。

【００５２】図４に示すように、まず、メモリ１４など
に格納されたレシピファイルからグローバルアライメン
ト位置の情報を引出す（ステップＳ１１）。次に、ウェ
ーハ５上の２点のアライメント位置間でステージ３を等
速で移動させる（ステップＳ１２）。ステージ３の移動
に並行して、ステージ座標の情報をレーザ干渉計４１に
よりリアルタイムでホストコンピュータ４に入力すると
ともに（ステップＳ１３）、焦点距離測定部４４により
光測距方式で電子ビーム６の作動距離の変化を測定し、
ホストコンピュータ４を介して電子レンズ系に所定の間
隔でフィードバックする（ステップＳ１４）。本実施形
態においては、１チップを跨いで移動する時間、即ち５
００mmsec.の間隔でフィードバックすれば良い。

【００５３】次に、アライメント位置の近傍までステー
ジ３が移動したら（ステップＳ１５）、ＳＥＭ画像のリ
アルタイム（３３mmsec.間隔）入力を開始し、アライメ
ントパターンのパターン認識処理を実行する（ステップ
Ｓ１６）。リアルタイム入力のためには、ＳＥＭ画像を
３５０μｍ／frameで入力すれば、上述した等速ステー
ジ移動に同期した画像入力が可能である。

【００５４】次に、グローバルアライメントによりステ
ージ座標系に対するウェーハ５の回転角（θ）と水平方
向の変位量（ｘ，ｙ）を算出し、これに基づいたアライ
メントパラメータを設定する（ステップＳ１７）。次
に、このアライメントパラメータで移動動作を補正しな
がら、等速ステージ移動を継続する（ステップＳ１
８）。

【００５５】２）基準パターン検出処理 グローバルアライメントが終了すると、次に、基準パタ
ーンの検出処理に移行する。

【００５６】図５に示すように、まず、レシピファイル
から基準パターン位置の情報を引出し（ステップＳ２
１）、この情報に基づいてウェーハ５上の基準パターン
の位置に向けてステージ３を等速移動させる（ステップ
Ｓ２２）。基準パターン検出のための等速ステージ移動
においても、ステージ座標をリアルタイムに入力し（ス
テップＳ２３）、同時に焦点距離測定部４４の光測距機
構により作動距離を求める。但し、基準パターンの検出
処理においては、作動距離の変化を対物レンズ２４の励
磁電流にフィードバックする（ステップＳ２４）。対物
レンズ２４ヘのフィードバックは１０フレームを連続し
て入力する時間、即ち本実施形態では８０ｍsec.の間隔
でフィードバックすれば良い。

【００５７】基準パターンの座標に近づいたら（ステッ
プＳ２５）、測定倍率を低倍率、例えば×１５ｋに設定
し（ステップＳ２６）、８ｍsec.の間隔でＳＥＭ画像の
入力を開始し、パターン寸法演算部１６により基準パタ
ーンの認識処理を行っていく（ステップＳ２７）。この
とき、１フレーム画像の入力時間（８ｍsec.）の経過ま
でにステージ３は８０μｍ移動するので、ＭＯＬ機構に
より電子ビーム６に対してステージ３があたかも停止し
ているかのように電子ビームを走査させる。前述したと
おり、ＭＯＬ機構は、±３５０μｍの可動範囲を考慮し
ているため、連続して８フレームにわたって動作するこ
とができる。基準パターンを認識した後は、アライメン
トパターンにて補正しながら等速ステージ移動を継続す
る（ステップＳ２８）。

【００５８】３）測定パターン画像入力処理 基準パターンの検出後は、図６に示すように、レシピフ
ァイルから測定パターンの位置の情報を引出して（ステ
ップＳ３１）、この測定パターンの位置に向けてステー
ジを等速移動させるとともに（ステップＳ３２）、レー
ザ干渉計４１からステージ座標位置をリアルタイムで入
力していく（ステップＳ３３）。

【００５９】測定パターン座標の近傍に至ったことがレ
ーザ干渉計４１により検知されると（ステップＳ３
４）、該当位置の近傍から測定倍率を高倍率、本実施形
態では×１００ｋに引き上げる（ステップＳ３５）。

【００６０】図１に示すパターン寸法検査装置１０にお
いて、倍率×１５ｋはフレームの幅９．６μｍに合致
し、基準パターンが認識された後、測定倍率を高倍率
（例えば×１００ｋ）に引き上げる段階で、測定パター
ンがビーム走査幅（×１００ｋで１．４μｍ）の中央に
位置するように、ＭＯＬ機構を用いて走査方向にバイア
ス電圧を印加する。例えば、出射時ビーム軸７をＺ軸と
し、これに対して走査方向をＸ軸、ステージ移動方向を
Ｙ軸とすると、対物レンズ２４のＭＯＬ機構にはＹ軸方
向に＋３２０μｍに対応する電圧が印加されているの
で、Ｙ軸方向に−３２０μｍに対応する電圧を印加する
ことによりリセットする。また、焦点距離測定部４４の
測定結果に基づいて作動距離を補正しておく（ステップ
Ｓ３６）。

【００６１】ステップＳ２の基準パターン検出処理によ
り、基準パターンと測定パターンとの位置関係はレシピ
ファイルから算出できているので、ステージ３の移動に
より測定パターンの領域が電子ビーム６の照射可能領域
に至る時刻は算出できる。測定パターンに至ると同時
に、ＭＯＬ機構を等速ステージ移動速度と同期させて動
作させることにより電子ビーム６を走査させ、ＳＥＭ画
像を連続して入力する（ステップＳ３７）。このときの
ステージ３と電子ビーム６との位置関係を図８に模式的
に示す。同図には、黒地矢印に示す方向（紙面右方向）
に等速で移動し続けるウェーハ５ｔａ，５ｔｂ，５ｔ
ｃ，５ｔｄが示されているが、これらは同一のウェーハ
５の時刻ｔａ，ｔｂ，ｔｃ，ｔｄにおける各位置を同一
紙面上に示したものである。また、同図に示す電子ビー
ム６ｔａ，６ｔｂ，６ｔｃ，６ｔｄも、同一の電子ビー
ム鏡筒１から照射されたものであり、それぞれ時刻ｔ
ａ，ｔｂ，ｔｃ，ｔｄにおける照射位置を同一紙面上に
示したものである。

【００６２】図８に示す例では、電子ビーム６がＭＯＬ
機構により、ウェーハ５の移動に追随して白地矢印に示
す方向に移動しながらステージ移動方向に直交する方向
（スキャン方向）へ走査され、ウェーハ５上のパターン
Ｐｍを５分割する線６１〜６４を描くように走査され
る。即ち電子ビーム６は、時刻ｔａにおいて線６１、時
刻ｔｂにおいて線６２、時刻ｔｃにおいて線６３、時刻
ｔｄにおいて線６４がそれぞれの軌跡となるように走査
される。図９は、図８に示す走査方法により取得された
フレームのＳＥＭ画像（フレーム画像）の一例を示す模
式図である。図９に示すように、線６１〜６４を軌跡と
する４本のスキャニングによりウェーハ５上の測定パタ
ーンＰｍのＳＥＭ画像が取得される。

【００６３】電子ビーム６はＴＶスキャンの４倍の速度
で走査されるため、１フレーム画像は１．４μｍの領域
に相当する。これをＭＯＬ機構を動作させながら８フレ
ーム分連続して取得する。基準パターンと測定パターン
との位置関係が予め算出されているので、８フレーム内
に測定パターンは存在する。

【００６４】４）パターン寸法演算処理 図７に示すように、このように入力されたＳＥＭ画像に
基づいてパターン寸法演算部１６がパターン認識により
測定パターンの測定箇所を検出する（ステップＳ４
１）。その後、メモリ１４から該当位置のラインプロフ
ァイルを引出し、所定の測定アルゴリズムで測定パター
ンのボトムエッジを検出し（ステップＳ４２）、そのパ
ターン寸法を算出する（ステップＳ４３）。なお、基準
パターンと測定パターンとの間の距離設定は、基準パタ
ーンのパターン認識処理時間に依存する。パターン認識
処理にはＳＥＭ画像で通常５０ｍsec.程度を要するた
め、この距離はＹ方向に５００μｍ程度離すことが望ま
しい。

【００６５】測定パターン画像の入力を終了した後は、
前述した方法でＭＯＬ機構をリセットし、レーザ干渉計
４１により、ステージ座標を検出しその結果をホストコ
ンピュータ４にリアルタイムで入力し、アライメントパ
ラメータにて補正しながら、次の測定パターン位置近傍
へ到達するまで電子ビーム６をブランキングして等速ス
テージ移動を継続する（ステップＳ４４）。なお、測定
パターンの寸法演算処理は、測定パターンのＳＥＭ画像
入力から次の基準パターンのＳＥＭ画像入力までに実行
する必要があるが、この処理時間が次の基準パターンの
画像入力までに間に合わない場合には、全ての測定パタ
ーンのＳＥＭ画像入力を終了した後に寸法演算処理を実
行するか、あるいはホストコンピュータ４にマルチＣＰ
Ｕを搭載したアーキテクチャを選定すればよい。

【００６６】図１１は、本実施形態の測定方法によりパ
ターン寸法測定装置１０を動作させた場合のステージ移
動速度を示すグラフである。図１８との対比において明
らかなように、焦点合わせやパターン認識のために、ス
テージ３を停止させる必要がないので、グローバルアラ
イメント処理からパターン寸法演算処理までのいずれの
段階においてもステージ３を等速で移動できることが理
解される。なお、図１０は図１７と同一であるが、ステ
ージ３の動作のより容易な理解のため再掲した。

【００６７】（２）第２の実施の形態 次に、本発明にかかるパターン寸法測定方法の第２の実
施の形態について図１２〜図１５のフローチャートを参
照しながら説明する。本実施形態は、同一の測定パター
ンでなく、試料上の任意のパターンを測定する点にその
特徴がある。

【００６８】図１２は本実施形態のパターン寸法測定方
法の概略手順を説明するフローチャートであり、図１３
はグローバルアライメント処理の具体的手順を説明する
フローチャート、図１４は測定パターン画像入力処理の
具体的手順を説明するフローチャート、図１５はパター
ン寸法演算処理の手順を具体的に説明するフローチャー
トである。

【００６９】図１２に示すように、本実施形態において
も、まず、グローバルアライメント処理により、ウェー
ハ５上でのパターン配列座標系とステージ座標系との相
関関係を取得する（ステップＳ６）。次に、測定パター
ンが形成された領域で電子ビーム６を走査し、測定パタ
ーン画像の入力処理を行い（ステップＳ７）、この画像
に基づいてパターン寸法演算処理を行う（ステップＳ
８）。上述したステップＳ７〜Ｓ８の手順は、測定すべ
きパターンの数量だけ繰返される（ステップＳ９）。

【００７０】上述した手順のステップＳ６〜Ｓ９の手順
を図１３〜図１５のフローチャートを参照しながらより
具体的に説明する。

【００７１】１）グローバルアライメント 図１２と図４との対比において明らかなように、グロー
バルアライメントの手順は、前述した第１の実施の形態
と同一であるため、その説明は省略する。

【００７２】２）測定パターン画像入力処理 グローバルアライメントの終了後は、図１４に示すよう
に、レシピファイルから測定パターンの位置の情報を引
出して（ステップＳ７１）、この測定パターンの位置に
向けてステージを等速移動させるとともに（ステップＳ
７２）、レーザ干渉計４１からステージ座標位置をリア
ルタイムで入力していく（ステップＳ７３）。

【００７３】測定パターン座標の近傍に至ったことがレ
ーザ干渉計４１により検知されると（ステップＳ７
４）、この近傍の位置から測定倍率を高倍率、本実施形
態では×１００ｋに設定する（ステップＳ７５）。

【００７４】図１に示すパターン寸法検査装置におい
て、倍率×１５ｋはフレームの幅９．６μｍに合致する
ので、測定倍率を高倍率（例えば×１００ｋ）に設定す
る段階で、測定パターンがビーム走査幅（×１００ｋで
１．４μｍ）の中央に位置するように、ＭＯＬ機構を用
いて走査方向にバイアス電圧を印加する。例えば、出射
時ビーム軸７をＺ軸とし、これに対して走査方向をＸ
軸、ステージ移動方向をＹ軸とすると、対物レンズ２４
のＭＯＬ機構にはＹ軸方向に＋３２０μｍに対応する電
圧が印加されているので、Ｙ軸方向に−３２０μｍに対
応する電圧を印加することによりリセットする。また、
焦点距離測定部４４の測定結果に基づいて作動距離を補
正しておく（ステップＳ７６）。

【００７５】次に、測定パターンに至ると同時に、ＭＯ
Ｌ機構を等速ステージ移動と同期させて動作させること
により電子ビーム６を測定パターン上で走査させ、ＳＥ
Ｍ画像を１フレーム分入力する（ステップＳ７７）。測
定パターンはセル内任意パターンを測定する方法である
ので該当フレーム内に測定パターンは存在する。なお、
上述の説明では１フレーム分だけ入力したが、Ｓ／Ｎ比
向上の目的でフレーム画像の加算処理を行う場合には、
ＭＯＬ機構を±３２０mm動作させることで８回加算し、
その平均値をパターン寸法として出力することも可能で
ある。

【００７６】３）パターン寸法演算処理 図１５に示すように、入力されたＳＥＭ画像に基づいて
パターン寸法演算部１６がパターン認識により測定パタ
ーンの測定箇所を検出する。その後、メモリ１４から該
当位置のラインプロファイルを引出し、所定の測定アル
ゴリズムで測定パターンのボトムエッジを検出し（ステ
ップＳ８２）、そのパターン寸法を算出する（ステップ
Ｓ８３）。測定パターン画像の入力を終了した後は、上
述した方法によりＭＯＬ機構をリセットし、レーザ干渉
計４１により、ステージ座標を検出しその結果をホスト
コンピュータ４にリアルタイムで入力し、アライメント
パラメータにて補正しながら、次の測定パターン位置近
傍へ到達するまで電子ビーム６をブランキングして等速
ステージ移動を継続する（ステップ８４）。

【００７７】図１２に戻り、測定目的のパターンがさら
に有る場合は（ステップＳ９）、レーザ干渉計４１によ
り、ステージ座標を検出しその結果をホストコンピュー
タ４にリアルタイムで入力し、アライメントパラメータ
にて補正しながら、次の測定パターン位置近傍へ到達す
るまでビームをブランキングして等速ステージ移動を継
続する。なお、測定パターンのＳＥＭ画像入力から次の
測定パターンのＳＥＭ画像入力までに、測定パターンの
パターン認識および寸法演算処理を実行する必要がある
が、この処理時間が次の測定パターンの画像入力までに
間に合わない場合には、全ての測定パターンのＳＥＭ画
像入力を終了した後に寸法演算処理を実行するか、ある
いはホストコンピュータ４にマルチＣＰＵを搭載したア
ーキテクチャを選定すればよい。

【００７８】

【発明の効果】以上詳述したとおり、本発明によれば、
試料上のパターンの寸法を高いスループットで測定する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかるパターン寸法測定装置の実施の
一形態の概略構成を示すブロック図である。

【図２】図１に示すパターン寸法測定装置が備えるＭＯ
Ｌ機構を説明する概念図である。

【図３】本発明にかかるパターン寸法測定方法の第１の
実施の形態の概略を説明するフローチャートである。

【図４】図３に示すパターン寸法測定方法におけるグロ
ーバルアライメント処理の具体的手順を説明するフロー
チャートである。

【図５】図３に示すパターン寸法測定方法における基準
パターン検出処理の具体的手順を説明するフローチャー
トである。

【図６】図３に示すパターン寸法測定方法における測定
パターン画像入力処理の具体的手順を説明するフローチ
ャートである。

【図７】図３に示すパターン寸法測定方法におけるパタ
ーン寸法演算処理の具体的手順を説明するフローチャー
トである。

【図８】図３に示すパターン寸法測定方法における、電
子ビームの走査方法を示す模式図である。

【図９】図８に示す走査方法により取得されたフレーム
のＳＥＭ画像の一例を示す模式図である。

【図１０】図１に示すパターン寸法測定装置のステージ
の移動軌跡を示す模式図である。

【図１１】図３に示すパターン寸法測定方法により図１
に示すパターン寸法測定装置を動作させた場合のステー
ジ移動速度を示すグラフである。

【図１２】本発明にかかるパターン寸法測定方法の第２
の実施の形態の概略を説明するフローチャートである。

【図１３】図１２に示すパターン寸法測定方法における
グローバルアライメント処理の具体的手順を説明するフ
ローチャートである。

【図１４】図１２に示すパターン寸法測定方法における
測定パターン画像入力処理の具体的手順を説明するフロ
ーチャートである。

【図１５】図１２に示すパターン寸法測定方法における
パターン寸法演算処理の具体的手順を説明するフローチ
ャートである。

【図１６】従来の技術によるパターン寸法測定装置の一
例を示す概略構成図である。

【図１７】従来の技術によるパターン寸法方法を説明す
る模式図である。

【図１８】図１６に示すパターン寸法測定装置のスルー
プットを説明するグラフである。

【図１９】従来の技術との対比で本発明にかかるパター
ン寸法測定方法のスループットを示す説明図である。

【図２０】図１９に示す面内２５点測長におけるステー
ジの移動軌跡の一例を示す模式図である。

【符号の説明】

１，１１１ 電子ビーム鏡筒 ２ 真空試料室 ３ ステージ ４，１０４ ホストコンピュータ ５ 試料（ウェーハ） ６ 電子ビーム軌道 ７ 電子ビーム軸 １０ パターン寸法測定装置 １１ 電子銃部 １２ ウェーハ搬送系 １３，１１３ ステージ制御部 １４ メモリ １６ パターン寸法演算部 ２１ コンデンサレンズ ２２ 第１偏向レンズ ２３ 第２偏向レンズ ２４ 対物レンズ ３１ 二次電子検出器 ３２ 画像データ処理部 ４１ レーザ干渉計 ４２ レーザ干渉計制御部 ４４ 焦点距離測定部 ４５ 焦点距離測定制御部 １０２ 偏向レンズ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 奥 村 勝 弥 神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地 株 式会社東芝横浜事業所内 Ｆターム(参考） 2F067 AA21 AA54 BB04 CC17 EE10 HH06 JJ05 KK04 KK08 LL16 PP12 QQ02 RR35 SS13

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】パターンが形成された試料を上面に載置す
   るステージと、 前記ステージをＸ−Ｙ平面内で移動させるステージ制御
   手段と、 前記試料に電子ビームを照射する電子ビーム照射手段
   と、 前記電子ビームを偏向してそのビーム軌道の全てが出射
   時のビーム軸から離隔する領域を含む前記試料上の領域
   で走査させる電子ビーム偏向走査手段と、 前記ステージの移動中に前記ステージのＸ−Ｙ座標を検
   出するステージ座標検出手段と、 前記ステージの移動中に前記電子ビーム偏向走査手段の
   焦点距離を検出する焦点距離測定手段と、 前記電子ビームの照射により前記試料から放出される二
   次電子および反射電子を検出し、前記試料表面の形状を
   現す画像であるＳＥＭ画像を形成する画像信号を出力す
   る二次電子検出手段と、 前記画像信号に基づいて測定対象である被測定パターン
   を認識してその寸法を算出するパターン寸法演算手段
   と、 前記ステージを等速で移動させ、前記ステージ座標検出
   手段および前記焦点距離測定手段の検出結果に基づい
   て、前記被測定パターンが前記電子ビームの走査可能領
   域の近傍に至るときに、前記電子ビーム偏向走査手段の
   焦点距離を最適化した上で、前記ステージの等速移動に
   同期して前記電子ビームの走査開始位置を移動させなが
   ら前記被測定パターン上で前記電子ビームを走査させて
   前記被測定パターンの前記ＳＥＭ画像を取得する制御手
   段と、を備えるパターン寸法測定装置。
2. 【請求項２】前記電子ビーム偏向走査手段は、その最大
   偏向幅で定義されるフレーム毎に前記被測定パターンを
   分割して走査し、 複数の前記フレームを連続して走査する連続走査モード
   と、同一の前記フレームについて複数回走査した上で最
   適のパターン寸法を出力するフレーム積算モードとのい
   ずれをも選択できることを特徴とする請求項１に記載の
   パターン寸法測定装置。
3. 【請求項３】前記制御手段は、前記画像信号を取得すべ
   き前記試料の領域では第１の速度で前記ステージが移動
   し、前記電子ビームの照射を停止すべき前記試料上の領
   域では第２の速度で前記ステージが移動するように、前
   記ステージ制御手段に制御信号を供給することを特徴と
   する請求項１または２に記載のパターン寸法測定装置。
4. 【請求項４】前記制御手段は、前記測定パターン間の距
   離と第前記パターン寸法演算手段がパターンの認識に要
   する処理時間との対応関係に基づいて前記第２の速度を
   設定することを特徴とする請求項３に記載のパターン寸
   法測定装置。
5. 【請求項５】前記ステージの移動方向の変化に応じて前
   記電子画像がそのＸ方向またはＹ方向の中心線に対する
   鏡像となるように前記画像信号を処理する画像処理手段
   をさらに備えることを特徴とする請求項１ないし４のい
   ずれかに記載のパターン寸法測定装置。
6. 【請求項６】パターンが形成された試料を載置するステ
   ージと、このステージのＸ−Ｙ座標を検出するステージ
   座標検出手段と、前記試料に電子ビームを照射する電子
   ビーム照射手段と、前記電子ビームを偏向して前記試料
   上で走査させる電子ビーム偏向走査手段と、前記電子ビ
   ーム偏向走査手段の焦点距離を検出する焦点距離測定手
   段と、前記電子ビームの照射により前記試料から放出さ
   れる二次電子および反射電子を検出してＳＥＭ画像を形
   成する画像信号を出力する二次電子電子検出手段と、前
   記画像信号に基づいて前記パターンを認識してその寸法
   を算出するパターン寸法演算手段と、を備えるパターン
   寸法測定装置を用いるパターン寸法測定方法であって、 ステージの座標系とパターン配列座標系との相関関係を
   算出する第１の手順と、 前記ステージを等速で移動させながら、前記相関関係に
   基づいて測定の対象となる被測定パターンの位置を検出
   する第２の手順と、 前記ステージの移動による前記試料と前記電子ビーム照
   射手段との距離の変化を光てこ方式により検出し、前記
   被測定パターンが前記電子ビームの照射可能領域に至る
   前に前記電子ビーム偏向走査手段の焦点距離を最適化す
   る第３の手順と、 前記ステージの等速移動に同期して前記電子ビームを偏
   向し、そのビーム軌道の全てが出射時のビーム軸から離
   隔する領域を含む前記試料上の領域で走査させて前記被
   測定パターンのＳＥＭ画像を取得する第４の手順と、 前記ＳＥＭ画像に基づいて前記被測定パターンを認識
   し、所定のアルゴリズムによりそのパターン寸法を算出
   する第５の手順と、を備えるパターン寸法測定方法。
7. 【請求項７】前記第４の手順は、前記電子ビーム偏向走
   査手段の最大偏向幅で定義されるフレーム毎に前記被測
   定パターンを分割して走査する手順を含み、 複数の前記フレームを連続して走査する連続走査と、同
   一の前記フレームについて複数回走査した上で最適のパ
   ターン寸法を出力するフレーム積算とのいずれをも選択
   できることを特徴とする請求項６に記載のパターン寸法
   測定方法。
8. 【請求項８】前記ステージは、前記電子ビームを照射す
   る前記試料上の領域では第１の速度で等速移動され、前
   記電子ビームの照射停止から照射再開までの前記試料上
   の領域では第２の速度で等速移動されることを特徴とす
   る請求項６または７に記載のパターン寸法測定方法。
9. 【請求項９】前記第２の速度は、前記被測定パターン間
   の距離と前記パターン寸法演算手段がパターンの認識に
   要する処理時間との対応関係に基づいて設定されること
   を特徴とする請求項８に記載のパターン寸法測定方法。
10. 【請求項１０】前記第４の手順は、前記ステージの移動
    方向の変化に応じて前記電子画像がそのＸ方向またはＹ
    方向の中心線に対する鏡像となるように前記画像信号を
    処理する手順を含むことを特徴とする請求項６ないし９
    のいずれかに記載のパターン寸法測定方法。