JP2005265424A - 走査型電子顕微鏡装置及び走査型電子顕微鏡装置における装置としての再現性能評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
半導体パターンの微細化に伴なって増加傾向にある微細形状揺らぎに影響されずに、装置の測長再現性能を高精度で評価して提示することができるＣＤＳＥＭ（走査型電子顕微鏡装置）及び装置としての再現性能評価方法を提供することにある。
【解決手段】
同一測長部位を複数回測長する際に、そのパターンが持つラフネスなどの微細パターン形状を利用して、ラフネステンプレート画像とのパターンマッチングにより取得拡大測長画像上での測長部位の２次元の位置ずれを補正して拡大測長領域画像を切り出して取得する機能を設ける。これにより測長対象が持つ微細パターン形状に起因する測長ばらつきをキャンセルし、測長対象に影響されない測長再現性能を提示可能とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、種々の形状や大きさの半導体パターンの寸法測長を行うための電子顕微鏡に係り、特にその測長精度を管理するのに好適な機能を備えた走査型電子顕微鏡装置及び走査型電子顕微鏡装置における装置としての再現性能評価方法に関する。

半導体ウェハ製造工程においてウェハ上に多層に形成される薄膜パターンはその微細化が急速に進んでおり、それらのパターンが設計どおりにウェハ上に形成されているか否かを監視するプロセスモニタリングの重要性はますます増加している。その中でも、ウェハ上に形成されるトランジスタゲート配線やアルミニウム、銅などからなる金属配線はその配線幅とデバイス動作特性に強い関連があり、その配線幅の製造プロセスモニタリングは特に重要である。

数十ナノメートルオーダの微細配線の線幅を測定する測長ツールとしては、それらの配線を10万から20万倍の拡大倍率で撮像可能な線幅測定用の走査型電子顕微鏡（測長ＳＥＭ(Scanning Electron Microscope)またはＣＤ(Critical dimension)ＳＥＭ）が従来から用いられている。このような走査型電子顕微鏡を用いた測長処理の一例が特開平１１−３１６１１５号公報（特許文献１）に記載されている。特許文献１の開示例においては、測定対象配線を撮像した画像内の局所領域から、配線の信号プロファイルを配線の長手方向に加算平均した投影プロファイルを作成し、このプロファイルにおいて検出した左右の配線エッジ間の距離として配線寸法を算出している。また、特許文献１の開示例においては、撮像した画像と、投影処理を行った局所領域とを同一画面上に表示する機能を有しており、これによりユーザは画面内のどの配線部位を測定したかについて容易に確認が出来るようになっている。

特開平１１−３１６１１５号公報

ところで、ＣＤＳＥＭの測定性能を評価する重要な指標の一つにその測定再現性がある。この測定再現性は同一配線を複数回測定した際の測長値のばらつきとして表現され、その値が小さいほど測定性能が高いことを意味する。このようなＣＤＳＥＭに求められる再現性能は、測定対象である半導体パターンの微細化が進むにつれ、より厳しくなってきている。

このように、今後、ますます再現性に対する要求が厳しくなること、また微細パターンを作成するために露光照明に敏感なレジスト材料が使われることによりラフネス量も増加する傾向にあることを考えると、今後は、微細形状揺らぎの影響による測定誤差は、ＣＤＳＥＭの寸法誤差に対しますます無視できなくなると予想される。

本発明の目的は、上記課題を解決すべく、半導体パターンの微細化に伴なって増加傾向にある微細形状揺らぎに影響されずに、装置の測長再現性能を高精度で評価して提示することができるＣＤＳＥＭ（走査型電子顕微鏡装置）及び走査型電子顕微鏡装置における装置としての再現性能評価方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、複数の測長回数毎に所定の撮像条件において試料に電子線を走査照射して前記試料より放出される電子信号に基づく高倍率の拡大測長画像を取得する画像取得部と、該画像取得部から複数の測長回数毎に取得された高倍率の拡大測長画像から、用意された局所領域のパターンの微細形状を現したラフネステンプレート画像と２次元にパターンマッチングさせた局所領域の拡大測長領域画像を取得する画像処理部と、該画像処理部によって前記複数の測長回数毎に取得された局所領域の拡大測長領域画像に基づいて拡大測長領域内のパターンの寸法又は形状を測長する測長部とを備えたことを特徴とする走査型電子顕微鏡装置である。

また、本発明は、前記画像取得部には、更に、前記画像処理部において前記用意されたラフネステンプレート画像を、所定の試料に電子線を走査照射して前記所定の試料より放出される電子信号に基づいて取得される高倍率の拡大測長画像から局所領域として取得するラフネステンプレート画像取得部を有することを特徴とする。

また、本発明は、前記画像取得部には、前記試料に形成されたアドレッシングパターンのアドレシング画像を取得するアドレシング画像取得部を有し、前記画像処理部には、前記アドレシング画像取得部で取得されたアドレシング画像とアドレシングテンプレート画像とパターンマッチングしてアドレシングパターンの座標を取得し、該取得されたアドレシングパターンの座標から前記拡大測長領域の座標を取得する座標取得部を有し、前記画像取得部は、前記座標取得部で取得された拡大測長領域の座標を基に前記拡大測長画像を取得するように構成したことを特徴とする。

また、本発明は、前記走査型電子顕微鏡装置において、更に、装置としての再現性能の評価値として、前記測長部において前記複数の測長回数毎に測長された寸法又は形状の測長回数に対する変化に応じた値を提示する再現性能評価部を備えたことを特徴とする。

また、本発明は、前記再現性能評価部が、前記提示する寸法又は形状の測長回数に対する変化に応じた値として寸法又は形状の測長回数に対するばらつき量であることを特徴とする。

また、本発明は、前記再現性能評価部が、前記複数の測長回数毎に測長された寸法又は形状の測長回数に対する変化に対して複数の関数モデルをフィッティング処理して最もフィッティングした関数モデルを求め、該求められた関数モデルを前記装置としての再現性能の評価値として提示することを特徴とする。

また、本発明は、前記再現性能評価部が、前記複数の測長回数毎に測長された寸法又は形状の測長回数に対する変化に対して複数の関数モデルをフィッティング処理して最もフィッティングした関数モデルを求め、該求められた関数モデルと前記寸法又は形状の測長回数に対する変化とのずれを算出し、該算出されたずれに応じた値を前記装置としての再現性能の評価値として提示することを特徴とする。

また、本発明は、前記再現性能評価部が、前記複数の測長回数毎に測長された寸法又は形状の測長回数に対する変化に対して複数の関数モデルをフィッティング処理して最もフィッティングした関数モデルを求め、該求められた関数モデルと前記寸法又は形状の測長回数に対する変化とのずれを算出し、該算出されたずれに応じたばらつき量を前記装置としての再現性能の評価値として提示することを特徴とする。

また、本発明は、前記再現性能評価部が、前記装置としての再現性能評価値として前記画像取得部での撮像条件も提示することを特徴とする。

本発明によれば、配線パターンが有するラインエッジラフネスなどの微細形状変化に起因して発生する測長誤差をキャンセルすることができ、測長対象に影響されずに、装置としての再現性能を１〜２ｎｍ程度以下の高精度で提示することが可能となる。

また、本発明によれば、同一試料を複数回測長した際に表れるコンタミネーションの影響を効果的に除去して装置としての再現性能を１〜２ｎｍ程度以下の高精度で評価することが可能になる。

本発明に係るＣＤＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）の実施の形態について図面を用いて説明する。

本発明に係るＣＤＳＥＭに求められる再現性能は、測定対象である半導体パターンの微細化が進むにつれ、より厳しくなってきている。現行の半導体パターン形成プロセスの製造モニタリングにおいては、そのパターン測定に許容される誤差はパターン自体の形成誤差も考慮するとパターン寸法の２％程度であるといわれており、これから、近い将来、約０．５［ｎｍ］程度の測定再現性が要求されるようになることが予想される。

ところで、パターンの微細化に伴う測定再現性への要求が厳しくなるのと同時に、パターン微細化によって生じるパターンの微細形状変化が再現性の評価に影響を与えるようになってきている。この微細形状変化とは、図４に示すように配線パターン７０１のエッジ部に発生するラインエッジラフネスなどの微細な形状ゆらぎを意味する。

従って、本発明においては、微細パターンを作成するために露光照明に敏感なレジスト材料が使われることによりラフネス量も増加する傾向にあったとしても、図４に示すように、測定する度にＹ方向について測定領域３０３がばらつくことのないようにして、常に同一部位を複数回測定して測定再現性の評価を正しく行われるようにしたことにある。

図１は、本発明に係るＣＤＳＥＭの一実施の形態を示す装置構成の概略図である。装置は大別して、撮像を行う電子光学系１０、画像撮像やステージ移動などの制御を行うと共に撮像条件の設定を行い、更に再現性能の評価を行う制御用のＣＰＵを有する全体制御部１１、ユーザからのデータ入力、また取得した画像の表示等を行うための入出力部１２、アドレシングテンプレート画像４０３、撮像したアドレッシング画像８０１、測長領域を拡大撮像した拡大測長画像８０２、８０６及びラフネステンプレート８０５等の画像データなど装置で必要となるデータを記憶する画像記憶部１３、装置を動作させるためのプログラムや関数モデルを格納し、処理部１５の線幅計算部１５３で計算された測長回数（評価回数）毎の拡大測長領域内の複数点の測長値が格納される主記憶部１４、各種画像処理を行って全体制御部１１を介して表示装置１６等に提示するＣＰＵを有する処理部１５及び表示装置１６から構成される。全体制御部１１には、撮像条件（入射ビームの加速電圧、ビーム電流や撮像倍率、観察領域へのビーム照射量（ドーズ量）など）の設定を行う撮像条件設定部１１１を有し、該撮像条件の設定値は表示装置１６等に提示されることになる。全体制御部１１には、機能的に、更に主記憶部１４に格納された測長回数（評価回数）毎の拡大測長領域内の複数点の測長値を基に再現性能を評価する再現性能評価部１１２を有する。この再現性能評価部１１２は、機能的に処理部１５内に設けても良い。処理部１５は、機能的に、アドレッシングパターンの座標値および測長領域中心の座標取得部１５１、測長領域の位置補正部１５２と、線幅計算部１５３とを有することになる。全体制御部１１、入出力部１２、画像記憶部１３、主記憶部１４、処理部１５及び表示装置１６はデータバス１７で接続されており必要なデータの伝送が行われる。また、電子光学系１０は、電子銃３、偏向器５、対物レンズ６、２次電子検出器７、アナログデジタル変換器８や、試料を搭載するステージ２などを備えて構成される。電子光学系の各部位は全体制御部１１と制御バス９により接続されており、全体制御部１１からの指示により各種の動作（ステージ移動、電子ビーム偏向、対物レンズの制御による焦点合わせ等）を行う。本装置における動作シーケンスは以下の通りである。まず、観察試料１がステージ２上に搭載される。次に、観察部位の位置情報をユーザが指定するとその部位が観察視野に入るように、全体制御部１１より制御バス９を通じてステージ２に指示が出され、それを受けてステージの位置決めがなされる。次に、電子銃３より電子ビーム４が放出されるとその電子ビームは、偏向器５によりその軌道が偏向された後、対物レンズ６により収束されて試料１に照射される。２次電子検出器７は試料１から放出された２次電子を検出し、その強度を電気信号に変換する。変換された電気信号は、アナログデジタル変換部８によりデジタル信号（２次電子強度の階調信号）に置き換えられる。本装置において、偏向器５を電子ビーム４が試料上で矩形領域に走査されるように制御し、その走査と同期してデジタル信号データを取り込むことで、２次元のＳＥＭ画像を取得することができる。この画像データは、画像記憶部１３内の画像データを記憶する部分に記憶される。

全体制御部１１は、図２または図６及び図７に示す処理を実行するように処理部１５等を制御すると共に、撮像条件に対応させた図８（ａ）（ｂ）に示す再現性能の評価値（特にばらつきの３σ値）を算出して表示装置１６等に提示することになる。

実際の画像撮像において必要となる各部の制御、例えば撮像倍率制御や撮像位置制御等も同様に全体制御部１１から制御バス９を経て各部に指示することで行われる。例えば倍率制御は偏向器５の制御によって実現できる。すなわち、電子ビームを２次元走査する矩形領域を広くとることで低倍撮像することが可能となり、一方矩形領域を狭く取ることで高倍撮像することが可能になる。また、同じく偏向器の制御によって、撮像視野内で、電子ビームの照射位置（すなわち画像取得位置）を移動させることもできる。

画像処理部１５においては、座標取得部１５１において図２または図７において示すシーケンス内で行われる画像マッチングなどの画像処理によってアドレッシングパターンの座標値および測長領域中心の座標の取得を行い、測長領域の位置補正部１５１においてラフネステンプレートとのマッチングによる測長領域の位置（Ｘ，Ｙ方向とも２次元）の補正を行い、線幅計算部（測長部）１５２では線幅測長値算出処理を行う。全体制御部１１内の再現性能評価部１５３では、図７に示す処理に従って図８に示す再現性能の評価が行われる。

また、これら一連の画像撮像動作（ステージの移動や画像の撮像、座標の取得、測長領域の位置の補正、線幅測長値の算出及び再現性能の評価等）を記述したプログラムを主記憶部１４に格納しておき、必要に応じて全体制御部１１に実行させれば、これら一連の動作は自動で行うことが可能である。

次に、本発明に係るＣＤＳＥＭを用いて同一測長部位を複数回パターンの線幅（ＣＤ）（パターンの代表寸法又は形状（複数点の測長値））を測長するシーケンスの第１の実施例について図２ないし図５を用いて説明する。

まず、全体制御部１１は測長を開始する（Ｓ３１）。次に、全体制御部１１の撮像条件設定部１１１において。ＣＤＳＥＭ装置における電子光学系１０に対する撮像条件（電子ビームの加速電圧、ビーム電流、撮像倍率、ドーズ量等）を設定し（Ｓ３２）、次に測長回数（評価回数）Ｎをユーザが入力手段１２を用いて全体制御部１１に対して指定する（Ｓ３３）。ＳＥＭの画像撮像において設定すべき主な撮像条件としては、入射ビームの加速電圧、ビーム電流、撮像倍率、観察領域へのビーム照射量（ドーズ量）などである。これらの情報は主記憶部１４内のファイルなどに記憶され、観察時にそのデータを読み出して設定されるが、ユーザが入力部１２を用いてマニュアルで全体制御部１１に対して設定してもよい。

次に、以下に説明する処理により、予め決定しておいた測長部位を上記設定された撮像条件でＮ回測長し、パターンの線幅（代表寸法又は形状）の測長値を得る。

このＮ回の測長とは、広い意味で、ある試料について、加速電圧などの条件が同じになるように指示を与えた状態で、撮像対象試料（例えば半導体ウェハ）を複数回測長することを意味する。このＮ回の測長では、例えば、試料ウェハを装置外に設置されたカセット（図示せず）にセットしておき、そのカセットからＳＥＭの真空室へのロード、測長、カセットへのアンロードのシーケンスをＮ回繰り返して行うこともあれば、ウェハを真空室へロードした後に、被測長対象の測長処理と、被測長対象部が撮像視野に入るように行うステージ若しくはビームスキャン範囲の移動とをＮ回交互に繰り返し、その後ウェハカセットへアンロードする場合もある。また、ウェハをロードした後に、測長部位を視野位置決めし、その後連続してＮ回測長を行い、ウェハをアンロードする場合もある。勿論、測長の前後にウェハをロード・アンロードする必要は無く、測長の前にウェハをステージに搭載しておき、また測長後にウェハをステージに残しておいてもよい。

各測長点の測長処理は以下の通りである。まず、測長対象の位置情報を記憶部１３から読み出すか若しくは入力部１２から取得し、この部位が撮像視野に入るように全体制御部１１からの指令に基づいてＣＤＳＥＭのステージ移動を行う（Ｓ３４）。次に、上記設定された撮像条件で撮像して、図３（ａ）に示すアドレシング画像８０１を取得し（Ｓ３５）、画像記憶部１３に記憶する。このアドレシング画像８０１とは、測長部位とその周辺部にあるアドレシングパターン４０１をその視野に含む画像であり、数万倍程度の倍率で撮像される。次に、画像処理部１５の座標取得部１５１は、予め記憶部１３に記憶しておいたアドレシング画像４０２内部のアドレッシングパターン４０１部の画像であるアドレシングテンプレート画像４０３をテンプレートとして、取得したアドレシング画像８０１をターゲットとしたパターンマッチング処理を行って、取得アドレシング画像８０１におけるアドレシングパターン４０１の位置（座標値）を取得する（Ｓ３６）。このパターンマッチング処理では、相互相関法などのような画像マッチングアルゴリズムを用いる。なお、アドレシングテンプレート画像４０３は、例えば、レシピ作成用ウェハを使って撮像して画像記憶部１３に記憶することが可能である。

次に、画像処理部１５の座標取得部１５１は、予め同一の設計パターンにより作成されたウェハ上のアドレッシングパターンをＳＥＭで撮像することで得たアドレシングパターン４０１、若しくはＣＡＤシステム（図示せず）等から得られて入力部１２から入力されて画像記憶部１３に記憶しておいたアドレシングパターン４０１と測長位置４０４との相対距離情報４０５からアドレシング画像８０１上における測長領域の中心の座標を取得し（Ｓ３７）、該取得した座標情報等を全体制御部１１に送信する。そして、全体制御部１１からの指令に基づいてステージ２及び電子光学系１０を制御して電子ビームの照射位置を相対的に測長領域の中心に移動させ、電子ビームを走査することで、図３（ｂ）に示す如く所定の測長位置での拡大画像（拡大測長画像８０２）を取得し（Ｓ３８）、画像記憶部１３に記憶する。この測長画像の取得は、パターンの線幅（寸法又は形状）を拡大撮像する必要があるために通常の場合数十万倍程度の倍率で行う。このように２つの倍率の画像を用いるのは、ステージ２の位置決め精度の問題から、一度で高い倍率の画像を取得すると視野内に対象とするパターンが入らない恐れが生じるからである。

ここで、全体制御部１１は、現在取得している画像が計測の何回目であるかを判定し（Ｓ３９）、１回目である場合には画像処理部１５の測長領域の補正部１５２に対して以下の通り電子ビームの位置決め誤差をＸ方向のみキャンセルするためにパターンマッチングによるＸ方向の視野ずれ補正を行わせる（Ｓ４０）。電子ビームの位置決め誤差とは、ウェハ上のあるポイントが視野の中心に来るように電子ビームの位置決めをして画像を撮像しても実際に取得した画像の中心と上記ポイントにずれが生じる現象である。この位置ずれはウェハ表面の電荷の帯電状況などにより電子ビームの軌道が試料表面で変化することに起因するものと考えられており、そのビーム位置決め誤差量は、対象の材質など様々の条件で変化するものの概ね数十ｎｍ程度であることが確認されている。視野ずれ補正のためのパターンマッチング処理では、図５に示す如く、あらかじめ記録した配線パターンの拡大測長テンプレート画像４０６とその拡大テンプレート画像内での線幅測長部位を示す拡大測長領域４０７とを記憶させておき、これらの情報を用いて取得画像の視野（配線パターンが視野から食み出した場合）および線幅測長部位のＸ方向のずれ補正を行う。

即ち、拡大撮像した拡大測長画像８０２は、上記電子ビームの位置決め誤差に起因して測長しようとする配線部が視野の中心からずれている。この時点では、拡大測長領域８０３（１）は、図５に示す如く、記憶された測長領域４０７と画像の枠に対する相対位置が同じになっているため、拡大撮像された配線パターンの画像とは正しい位置関係になっていない。そこで、画像処理部１５の測長領域の位置補正部１５２は、この拡大測長画像８０３（１）と拡大測長テンプレート画像４０６とのＸ方向の位置ずれ量をパターンマッチング法により計算する。この処理においても相互相関法などの一般的な画像マッチングアルゴリズムを用いることができる。次に、画像処理部１５の測長領域の位置補正部１５２は、計算されたＸ方向のずれ量だけ、拡大測長画像８０２における拡大測長領域８０３（１）をＸ方向にシフトする（線幅測長部位を測長画像上でＸ方向にずらす）ことで補正後の測長対象領域８０４（１）を求める（Ｓ４０）。そして、画像処理部１５の線幅計算部（測長部）１５３は、その領域８０４（１）内の画像データを用いて代表寸法（例えば平均ＣＤ値）又は形状を現す複数点の測長値を算出して主記憶部１４の測長値１４２として格納することになる（Ｓ４１）。該測長値の算出は、拡大測長領域８０４（１）から得た配線パターンの信号プロファイル（２次電子強度の階調信号）８０５の左右エッジを何らかの基準（例えばプロファイル（濃淡値）の傾きが最大になる点をエッジとするなど）で求め、ラインエッジラフネスなどの微細な形状ゆらぎが生じた多数のエッジ間の距離の代表寸法である平均値を線幅の測長値とする。なお、図中のプロファイル８０５は、ラインパタンをＣＤＳＥＭで拡大撮像した際に得られるプロファイルの典型的な形状（パターン微細化によって生じるパターンの微細形状変化）を示している。この微細形状変化とは、配線パターンのエッジ部に発生するラインエッジラフネスなどの微細な形状ゆらぎを意味する。

ところで、配線パターンとしては、孤立配線パターン（周辺に他の配線が存在しない、長い配線パターン）を例にとってあるがライン＆スペースパタン（ラインが等間隔で密集して並んでいるパターン）や穴パターンなどにおいても同様のシーケンスで拡大画像の取得及び測長値の算出が可能となる。

次に、画像処理部１５は、全体制御部１１からの指令により、上記１回目の測長シーケンスにより求められた補正後の拡大測長領域８０４の拡大画像パターンをラフネステンプレート８０５として画像記憶部１３に記憶する（Ｓ４２）。このラフネステンプレート８０５は２回目以降の測長で使用する。なお、ラフネステンプレート３０５は補正後の拡大測長領域８０４の拡大画像データそのものである必要は無く、その領域の周辺部に特徴的な形状のラフネスが発生している場合には、その領域の拡大画像データであってもかまわない。

また、画像処理部１５が上記１回目の測長シーケンスにより拡大測長領域８０３（１）の視野ずれを算出した結果、視野ずれ量が拡大測長領域内にその測長対象配線が含まれない程の大きさで無い場合には、必ずしも拡大測長領域の補正を行う必要はなく、補正前の拡大測長領域８０３（１）内の拡大画像情報を用いて測長を行い、それをラフネステンプレート８０５として記憶してもよい。

以上説明した１回目のシーケンスは、画像処理部１５において、基本的にはラフネステンプレート８０５を取得して画像記憶部１３に保存させるためのシーケンスである。

本発明の特徴とするところは、取得されたラフネステンプレート８０５を用いて２回目以降の測長を行うことにある。即ち、ステップＳ４２において、拡大測長領域内の拡大画像データをラフネステンプレート８０５として画像記憶部１３に保存した後、全体制御部１１からの指令に基づいてステップＳ３４〜Ｓ３８を実行して、図３（ｄ）に示す２回目以降の拡大測長画像８０６を画像記憶部１３に取得することにある。このとき、全体制御部１１は、ステップＳ３９において測長回数を２以上と判定して、ステップＳ４３に進むことになる。この場合、画像処理部１５の測長領域の位置補正部１５２は、記憶したラフネステンプレート８０５をテンプレートに、そして取得した拡大測長画像８０６をターゲットにした画像マッチング処理を行い、拡大測長画像８０６内においてラフネスパターンテンプレート８０５が存在するＸ及びＹ方向の位置８０４（２〜Ｎ）を計算し、拡大測長領域のＸ及びＹ方向の両方向（２次元）の位置を補正することにより測長すべき拡大測長領域画像が切り出されて取得されることになる（Ｓ４３）。このとき、８０４（２〜Ｎ）に対する８０３（２〜Ｎ）の位置ずれ量および８０４（２〜Ｎ）の位置座標を表示装置１６に表示して提示することも可能である。

ここではラフネステンプレート８０５を用いているので、Ｘ及びＹ方向の両方に対して高精度で拡大測長領域８０４（２〜Ｎ）の位置検出が行え、補正することにより測長すべき拡大測長領域画像の取得が可能となる。なお、８０３（２〜Ｎ）は、ステップＳ３７で取得した拡大測長領域中心の座標での補正前の拡大測長領域を示す。８０４（２〜Ｎ）は、位置検出された補正後の拡大測長領域を示す。このように２回目以降においてはラフネステンプレート８０５を用いてＸ及びＹ方向の両方向について高精度に一致するように画像マッチング（パターンマッチング）が行われるので、例えば１００ｎｍ程度以下の微細配線パターンに微細な形状ゆらぎが生じたとしても、図４に示すように測長回数によって拡大測長領域がＹ方向にばらつくのを防止することが可能となる。

次に、画像処理部１５の線幅計算部１５３は、補正された拡大測長領域８０４（２〜Ｎ）内の拡大画像データ（同一測長部位の拡大画像データ）を用いて多数のエッジ間の例えば平均線幅測長値を算出して主記憶部１４の測長値１４２中に格納する（Ｓ４４）。

以上２回目以降、ステップＳ３３で入力した測長回数（評価回数）だけ、ステップＳ３４からステップＳ４４を繰り返す（Ｓ４５）ことで、主記憶部１４内には合計Ｎ回の測長値（１回毎は拡大測長領域８０４内の多数のエッジ間の代表とする例えば平均測長値となる。）を得る。このシーケンスによって得られる測長値は、皆パタン上の同一箇所から得られたものであり視野ずれによるバラツキに起因する値のバラツキは混入していない。なお、ここでは、1回目の測長により得られたラフネステンプレート８０５そのものを２回目以降の測長におけるパターンマッチングで用いたが、このような使い方のみならず、ラフネステンプレート画像８０５に画像処理を行った結果の画像（例えばエッジ検出フィルタをラフネステンプレートに適用することで取得できる画像エッジ情報を強調したラフネステンプレート画像）を用いることも可能である。なお、この場合は、パターンマッチングのターゲットとなる拡大測長画像８０６にも同様の画像処理を行った後に画像マッチング処理を行うことになる。

ここまで説明した第１の実施例では、ユーザが設定した測長回数Ｎ回の内、１回目の測長においてラフネステンプレート８０５の記憶を行い、そのデータを２回目以降の測長で用いているが、必ずしも、ラフネステンプレート８０５を１回目の拡大画像データから得る必要はない。例えば、拡大画像をＭ枚取得した後に任意の拡大画像を選び、その拡大画像からラフネステンプレートを取得し、それを用いてその他の拡大画像データにおける拡大測長領域のずれをＸ及びＹ方向について補正し、拡大測長領域内の測長値を算出しても良い。電子線画像は測長の度に試料にコンタミが付着することで表面状態が変化していくことが考えられるため、測長回数が多い場合には、１回目の拡大測長画像でのラフネスの見え方とＮ回目の拡大測長画像での見え方が異なる場合も想定され、この場合は、その間（例えばＮ／２回目）の撮像画像からラフネステンプレート８０５を作成することも可能であるし、また１回目からＮ回目までの測長の内、予め決められた間隔（例えば３回毎）にラフネステンプレート８０５を記憶し、測長回数が増えるに従いラフネステンプレート８０５を更新していくことも可能である。

次に、本発明に係るＣＤＳＥＭを用いて同一箇所を複数回パターンの線幅（ＣＤ）（パターンの代表寸法又は形状）を測長するシーケンスの第２の実施例について図６を用いて説明する。上記第１の実施例は、ユーザが設定した測長回数（評価回数）Ｎ回の内、１回目の測長においてラフネステンプレート８０５の記憶を行い、２回目以降ではそのラフネステンプレート８０５を用いて測長領域の位置合わせを行う場合を示したが、第２の実施例では、ラフネステンプレート８０５の登録は必ずしもＮ回測長の１回目に行うことには限らない場合である。例えば、図６に示すように、ステップＳ３３〜Ｓ３８、Ｓ４３〜Ｓ４５でのＮ回のデータ測長に先立って、ステップＳ５０において測長箇所を予め撮像しておき、その画像の中からラフネステンプレート８０５を切り出して記憶部１３に記憶しておいても良い。図６は、第２の実施例の処理フローを示したものである。先ず、全体制御部１１の撮像条件設定部１１１において、装置に対して撮像条件（電子ビームの加速電圧、ビーム電流、撮像倍率、ドーズ量等）を設定し（Ｓ３２）、次に測長ポイントの拡大測長画像を取得し、そこからラフネステンプレート８０５を切り出して記憶部１３に記憶する（Ｓ５０）。この処理は、ステージ２の移動などによる拡大画像取得や取得拡大画像からのラフネステンプレート８０５の切り出し・登録をマニュアルで行っても良いし、図２に示す撮像シーケンスを用いて自動で行っても良い。次に，測長回数Ｎが全体制御部１１に対してユーザによって指定される（Ｓ３３）。次に予め決定しておいた同一測長部位に対して設定された撮像条件で、Ｎ回測長し、各回毎に拡大測長領域８０４内のパターンの代表寸法とする例えば平均測長値（平均ＣＤ値）を得て主記憶部１４の１４２に格納する（Ｓ３４〜Ｓ３８，Ｓ４３〜Ｓ４５）。

なお、各回毎に拡大測長領域８０４内の測長値の取得は第１の実施例と同様に行う。

次に、本発明に係る第１及び第２の実施例のシーケンスによって得られた複数回の測長値を基に、装置の再現性能を評価するシーケンスの実施の形態について図７及び図８を用いて説明する。先に述べたとおりサブナノオーダの再現性能を評価する際には、電子線のコンタミネーションによって起こるパターンの太りが、直線でモデル化できない場合も起こりうる。図８（ａ）はその例を模式的に示したものであり、本図においては、測長回数（評価回数）に対し各拡大測長領域８０４内のパターンの代表ＣＤ値（平均ＣＤ値）が放物線状に増加している様子を示している。このようなデータに対し直線を当てはめ、その当てはめ直線からの値のずれにより再現性を評価するのは妥当でない。よって、本発明では、予め幾つかの関数モデル１４１を装置の例えば主記憶部１４に登録しておき（Ｓ７２）、全体制御部１１の再現性能評価部１１２において、取得された複数回（１〜Ｎ）の測長データを各関数モデルとフィッテイング処理することにより（Ｓ７３）、それらの関数モデルの中で一番代表ＣＤ値の変化の傾向を良く表現している関数モデルを選択し（Ｓ７４）、測長回数毎にその関数モデルの値（Ｗｓ(ｉ)＝Ｗｓ(１)〜Ｗｓ(Ｎ)）からの代表ＣＤ値（Ｗmean(ｉ)＝Ｗmean(１)〜Ｗmean(Ｎ)）のずれの値（ΔＷ(ｉ)＝（Ｗmean(ｉ)−Ｗｓ(ｉ)））を算出し（Ｓ７５）、図８（ｂ）で示す如く，該算出されたずれの値の測長回数に対するばらつき量（例えば標準偏差の３倍）の値で再現性能を評価し（Ｓ７６）、例えば表示装置１６に提示する。このとき、図８（ａ）に示す如く、同一測長部位から測長回数毎に得られるパターンの代表測長値、該測長回数に対するパターンの代表測長値の変化に最もフィッティングする関数モデル及び画像取得条件である撮像条件も併せて表示装置１６に表示して提示してもよい。さらに、同一測長部位について測長回数毎に測長する拡大測長領域画像８０４（１〜Ｎ）やラフネステンプレート画像８０５を表示装置１６に表示して提示してもよい。

具体的には、（１）装置に予め、例えば多項式関数、指数関数、対数関数などの関数ライブラリ１４１を用意しておき（Ｓ７２）、（２）再現性能評価部１１２は、複数回の測長データ（拡大測長領域８０４内の代表ＣＤ値）が入力されるとこれら各関数モデルに対し、順に最小２乗フィッティング処理を行う（Ｓ７３）。そして、モデルごとにそのフィッティングの良さを計算する。このフィッティングの良さを表す指標としては例えば、測定値（生データ）とモデルデータ（フィッティング曲線上にある、該データに対応するデータ）との差の２乗和を用いることができる。この場合、値が小さいほどそのフィッティングが良いことを意味する。そして（３）再現性能評価部１１２は、最もフィッティングが良い関数モデル（評価回数に対する期待値）を選択し（Ｓ７４）、（４）そのモデルからの拡大測長領域８０４内の代表ＣＤ値のずれを算出し（Ｓ７５）、（５）そのずれの値の評価回数に対するばらつき量の値（例えば標準偏差σの３倍）で再現性能を評価する（Ｓ７６）。図９(ｂ)は関数モデルによりＣＤ増分を補正したあとの測長値を、横軸を測長回数、縦軸をＣＤ値として表示した例を示している。なお、この関数モデルの選択はここで述べたとおり、何らかの基準を用いて最適な関数モデルを自動選択することも可能であるし、またユーザがマニュアルで指定した関数モデルを用いることも可能である。

以上説明した第１及び第２の実施例における測長シーケンス及び多測長値からの再現性能算出処理機能をもつＣＤＳＥＭに、その経過及び結果データを表示装置１６に表示するユーザインタフェースを持たせれば、ユーザはその処理の動作状況や再現性能を視覚的に捕らえることができる。例えば図３〜図５に示す各種の画像データや拡大測長領域等の情報や図８に示す多測長値から読み取れるＣＤ増加傾向、及びそれらから計算される関数モデル及びそのモデルによるＣＤ増加分補正後の測長値データをユーザに入出力部１２または表示装置１６を通じて提示することで、ユーザは動作及び現象を容易に確認できる。

本発明に係る走査型電子顕微鏡装置の一実施の形態を示した概略機能構成図である。 本発明に係る走査型電子顕微鏡装置を用いて同一測長部位を複数回パターンの線幅（ＣＤ）を測長するシーケンスの第１の実施例を示す図である。 本発明に係る測長シーケンスで取得する画像を説明した図である。 ラインエッジラフネスを例示した図である。 測長部位におけるＸ方向の視野ずれ補正を説明するための図である。 本発明に係る走査型電子顕微鏡装置を用いて同一測長部位を複数回パターンの線幅（ＣＤ）を測長するシーケンスの第２の実施例を示す図である。 本発明に係る走査型電子顕微鏡装置の再現性能評価シーケンスの一実施例を示す図である。 本発明に係る測長回数に対するＣＤ値の変化に対する関数モデルのフィッティング処理及び測長回数に対してフィッティングされた関数モデルを基準にした測長値のずれの変化（ばらつき）を示す図である。

符号の説明

１…観察試料（半導体ウェハ）、２…ステージ、３…電子銃、４…電子ビーム、５…偏向器、６…対物レンズ、７…２次電子検出器、８…アナログデジタル変換部、９…制御バス、１０…電子光学系、１１…全体制御部、１７…データバス、１１１…撮像条件設定部、１１２…再現性能評価部、１２…入出力部、１３…画像記憶部、１４…主記憶部、１４１…関数モデル、１４２…測長回数（評価回数）毎の拡大測長領域内の平均測長値、１５…画像処理部、１５１…アドレッシングパターンの座標値及び測長領域中心の座標取得部、１５２…測長領域の位置補正部、１５３…線幅計算部（測長部）、１６…表示部、４０１…アドレッシングパターン、４０３…アドレシングテンプレート画像、４０５…相対距離情報、８０１…アドレッシング画像、８０２…拡大測長画像、８０３…補正前の拡大測長領域、８０４…補正後の拡大測長領域、８０５…ラフネステンプレート画像、８０６…拡大測長画像。

Claims (17)

1. 複数の測長回数毎に所定の撮像条件において試料に電子線を走査照射して前記試料より放出される電子信号に基づく高倍率の拡大測長画像を取得する画像取得部と、
   該画像取得部から複数の測長回数毎に取得された高倍率の拡大測長画像から、用意された局所領域のパターンの微細形状を現したラフネステンプレート画像と２次元にパターンマッチングさせた局所領域の拡大測長領域画像を取得する画像処理部と、
   該画像処理部によって前記複数の測長回数毎に取得された局所領域の拡大測長領域画像に基づいて拡大測長領域内のパターンの代表寸法又は形状を測長する測長部と、
   装置としての再現性能の評価値として、前記測長部において前記複数の測長回数毎に測長された寸法又は形状の測長回数に対する変化に応じた値を提示する再現性能評価部とを備えたことを特徴とする走査型電子顕微鏡装置。
2. 前記画像取得部には、更に、前記画像処理部において前記用意されたラフネステンプレート画像を、所定の試料に電子線を走査照射して前記所定の試料より放出される電子信号に基づいて取得される高倍率の拡大測長画像から局所領域として取得するラフネステンプレート画像取得部を有することを特徴とする請求項１記載の走査型電子顕微鏡装置。
3. 前記画像取得部には、更に、前記画像処理部において前記用意されたラフネステンプレート画像として、パターンに形成されたエッジ形状のゆらぎを強調する画像処理を行った画像を取得するよう構成したことを特徴とする請求項１記載の走査型電子顕微鏡装置。
4. 前記画像取得部には、更に、前記試料に形成されたアドレッシングパターンのアドレシング画像を取得するアドレシング画像取得部を有し、
   前記画像処理部には、更に、前記アドレシング画像取得部で取得されたアドレシング画像とアドレシングテンプレート画像とパターンマッチングしてアドレシングパターンの座標を取得し、該取得されたアドレシングパターンの座標から前記拡大測長領域の座標を取得する座標取得部を有し、
   前記画像取得部は、前記座標取得部で取得された拡大測長領域の座標を基に前記拡大測長画像を取得するように構成したことを特徴とする請求項１記載の走査型電子顕微鏡装置。
5. 前記再現性能評価部は、前記提示する寸法又は形状の測長回数に対する変化に応じた値として寸法又は形状の測長回数に対するばらつき量であることを特徴とする請求項１記載の走査型電子顕微鏡装置。
6. 前記再現性能評価部は、前記複数の測長回数毎に測長された寸法又は形状の測長回数に対する変化に対して複数の関数モデルをフィッティング処理して最もフィッティングした関数モデルを求め、該求められた関数モデルを前記装置としての再現性能の評価値として提示することを特徴とする請求項１記載の走査型電子顕微鏡装置。
7. 前記再現性能評価部は、前記複数の測長回数毎に測長された寸法又は形状の測長回数に対する変化に対して複数の関数モデルをフィッティング処理して最もフィッティングした関数モデルを求め、該求められた関数モデルと前記寸法又は形状の測長回数に対する変化とのずれを算出し、該算出されたずれに応じた値を前記装置としての再現性能の評価値として提示することを特徴とする請求項１記載の走査型電子顕微鏡装置。
8. 前記再現性能評価部は、前記複数の測長回数毎に測長された寸法又は形状の測長回数に対する変化に対して複数の関数モデルをフィッティング処理して最もフィッティングした関数モデルを求め、該求められた関数モデルと前記寸法又は形状の測長回数に対する変化とのずれを算出し、該算出されたずれに応じたばらつき量を前記装置としての再現性能の評価値として提示することを特徴とする請求項１記載の走査型電子顕微鏡装置。
9. 前記再現性能評価部は、前記装置としての再現性能評価値として前記画像取得部での撮像条件も提示することを特徴とする請求項１又は５又は６又は７記載の走査型電子顕微鏡装置。
10. 複数の測長回数毎に所定の撮像条件において試料に電子線を走査照射して前記試料より放出される電子信号に基づく高倍率の拡大測長画像を取得する画像取得部と、
    該画像取得部から複数の測長回数毎に取得された高倍率の拡大測長画像から、用意された局所領域のパターンの微細形状を現したラフネステンプレート画像と２次元にパターンマッチングさせた局所領域の拡大測長領域画像を取得する画像処理部と、
    該画像処理部によって前記複数の測長回数毎に取得された局所領域の拡大測長領域画像に基づいて拡大測長領域内のパターンの寸法又は形状を測長する測長部とを備えたことを特徴とする走査型電子顕微鏡装置。
11. 前記画像取得部には、更に、前記画像処理部において前記用意されたラフネステンプレート画像を、所定の試料に電子線を走査照射して前記所定の試料より放出される電子信号に基づいて取得される高倍率の拡大測長画像から局所領域として取得するラフネステンプレート画像取得部を有することを特徴とする請求項１０記載の走査型電子顕微鏡装置。
12. 前記画像取得部には、前記試料に形成されたアドレッシングパターンのアドレシング画像を取得するアドレシング画像取得部を有し、
    前記画像処理部には、前記アドレシング画像取得部で取得されたアドレシング画像とアドレシングテンプレート画像とパターンマッチングしてアドレシングパターンの座標を取得し、該取得されたアドレシングパターンの座標から前記拡大測長領域の座標を取得する座標取得部を有し、
    前記画像取得部は、前記座標取得部で取得された拡大測長領域の座標を基に前記拡大測長画像を取得するように構成したことを特徴とする請求項１０記載の走査型電子顕微鏡装置。
13. 複数の測長回数毎に所定の撮像条件において試料に電子線を走査照射して前記試料より放出される電子信号に基づく高倍率の拡大測長画像を取得する画像取得ステップと、
    該画像取得ステップにおいて複数の測長回数毎に取得された高倍率の拡大測長画像から、用意された局所領域のパターンの微細形状を現したラフネステンプレート画像と２次元にパターンマッチングさせた局所領域の拡大測長領域画像を取得する画像処理ステップと、
    該画像処理ステップによって前記複数の測長回数毎に取得された局所領域の拡大測長領域画像に基づいて拡大測長領域内のパターンの寸法又は形状を測長する測長ステップと、
    装置としての再現性能の評価値として、前記測長ステップにおいて前記複数の測長回数毎に測長された寸法又は形状の測長回数に対する変化に応じた値を提示する再現性能評価ステップとを有することを特徴とする走査型電子顕微鏡装置における装置としての再現性能評価方法。
14. 前記再現性能評価ステップにおいて、前記提示する寸法又は形状の測長回数に対する変化に応じた値として寸法又は形状の測長回数に対するばらつきであることを特徴とする請求項１３記載の走査型電子顕微鏡装置における装置としての再現性能評価方法。
15. 前記再現性能評価ステップにおいて、前記複数の測長回数毎に測長された寸法又は形状の測長回数に対する変化に対して複数の関数モデルをフィッティング処理して最もフィッティングした関数モデルを求め、該求められた関数モデルを前記装置としての再現性能の評価値として提示することを特徴とする請求項１３記載の走査型電子顕微鏡装置における装置としての再現性能評価方法。
16. 前記再現性能評価ステップは、前記複数の測長回数毎に測長された寸法又は形状の測長回数に対する変化に対して複数の関数モデルをフィッティング処理して最もフィッティングした関数モデルを求め、該求められた関数モデルと前記寸法又は形状の測長回数に対する変化とのずれを算出し、該算出されたずれに応じた値を前記装置としての再現性能の評価値として提示することを特徴とする請求項１３記載の走査型電子顕微鏡装置における装置としての再現性能評価方法。
17. 前記再現性能評価ステップにおいて、前記装置としての再現性能評価値として前記画像取得ステップでの撮像条件も提示することを特徴とする請求項１３又は１４又は１５又は１６記載の走査型電子顕微鏡装置における装置としての再現性能評価方法。

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