JP2007212288A - パターン検査方法、パターン検査装置およびプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】再計測に際して電子線照射による影響を最小限にし、計測対象パターンの形状を正確に計測する。
【解決手段】既に電子線を照射した領域外へ計測位置を自動的に移動させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、パターン検査方法、パターン検査装置およびプログラムに関し、例えば荷電粒子線を用いた半導体パターンの計測・検査を対象とする。

走査型電子顕微鏡を用いて半導体パターンを自動計測する場合、計測の途中で、例えば自動焦点処理やパターン認識処理に失敗し、結果として計測値が異常値となることがある。このような場合、計測値がある範囲を超えたときに計測エラーと判断して自動的に再計測するようにすれば、オペレータの手を煩わせることなく自動計測を継続することが可能である。

しかしながら、計測エラーが発生した測定点をそのまま再計測してしまうと電子線を２度照射することになるので、ＡｒＦエキシマレーザ露光装置用レジストやｌｏｗ−ｋ材質などの電子線照射によるダメージ（保護基の脱離などによる体積収縮）が大きい材質のパターンを計測する場合には顕著に問題となる。また、電子線照射によるダメージが無い材質の場合でもチャージアップによるコントラスト変動や電子線照射によるコンタミネーションによりパターンの形状が変動するので、パターンを正確に計測することができなくなる。
特開平０５−２６４２５３号公報 特開平０９−０２７５２５号公報

本発明の目的は、再計測に際して荷電粒子線の照射によるパターン形状の変動を最小限にし、パターンを正確に検査することにある。

本発明は、以下の手段により上記課題の解決を図る。

即ち、本発明によれば、
荷電粒子線を生成して被検査パターンが形成された試料に照射する手順と、
前記荷電粒子線の照射により前記試料から放出される二次荷電粒子、反射荷電粒子および後方散乱荷電粒子の少なくともいずれかを検出し、前記試料の表面の状態を表す第１の二次元像を取得する手順と、
予め用意された参照画像を用いて前記第１の二次元像内で前記参照画像に類似するパターンを検出し、その位置情報を前記被検査パターンの位置情報として記憶する手順と、
検出されたパターンの位置から所定の方向へ所定の距離だけ計測位置を移動して前記荷電粒子線の焦点合わせを行う手順と、
前記所定の方向とは逆の方向へ前記所定の距離だけ計測位置を移動して前記荷電粒子線を照射し、前記第１の二次元像よりも高倍率の第２の二次元像を取得して前記検出されたパターンを計測する初回計測手順と、
前記被検査パターンについての再計測を行う場合に、前記試料上で既に荷電粒子線を照射した領域以外の領域へ計測位置を自動的に移動させる再計測手順と、
を備えるパターン検査方法が提供される。

また、本発明によれば、
荷電粒子線を生成して試料上の被検査パターンに照射する荷電粒子線照射手段と、
前記荷電粒子線の焦点位置を調整する焦点位置調整手段と、
前記試料上の所望の位置に前記荷電粒子線が照射するように前記試料と前記荷電粒子線との相対的位置関係を調整する照射位置制御手段と、
前記荷電粒子線の照射により前記試料から放出される二次荷電粒子、反射荷電粒子および後方散乱荷電粒子の少なくともいずれかを検出し、前記試料の表面の状態を表す第１の二次元像のデータを出力する検出手段と、
予め用意された参照画像を用いて前記第１の二次元像内で前記参照画像に類似するパターンを検出し、その位置情報を前記被検査パターンの位置情報として出力するパターン認識手段と、
検出されたパターンの位置から所定の方向へ所定の距離だけ計測位置を移動して前記荷電粒子線の焦点合わせを行い、前記所定の方向とは逆の方向へ前記所定の距離だけ計測位置を移動して前記荷電粒子線を照射させ、前記第１の二次元像よりも高倍率の第２の二次元像を取得して前記検出されたパターンを計測し、前記被検査パターンについての再計測を行う場合に、前記試料上で既に荷電粒子線を照射した領域以外の領域へ計測位置を自動的に移動させる制御手段と、
を備えるパターン検査装置が提供される。

本発明によれば、再計測に際して荷電粒子線照射によるパターン形状の変動を最小限にし、パターンを正確に検査することができる。

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。なお、以下では、荷電粒子線として電子ビームを用いる場合について説明するが、本発明はこれに限ることなく、例えばイオンビームを用いる場合にも適用可能である。

（１）パターン検査装置
図１は、本発明に係るパターン検査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。同図に示すパターン検査装置１は、集束された電子ビームＥＢを走査することにより半導体パターンの寸法を測定する走査型電子顕微鏡である。

パターン検査装置１は、電子ビーム鏡筒１０と、各種電子光学系制御回路３２，３４，３６，３８と、被検査パターンが形成された試料であるウェーハＷを支持するＸ−Ｙステージ２２と、モータ２４と、ステージ制御回路４４と、検出器２６と、画像メモリ４６と、パターン認識装置５２と、モニタ４８と、制御コンピュータ６０と、通信回路５８と、予め装置に内蔵された、または着脱可能な各種記録媒体ＭＲ２，ＭＲ４とを備える。

制御コンピュータ６０は、記録媒体ＭＲ２，ＭＲ４の他、各種電子光学系制御回路３２，３４，３６，３８、ステージ制御回路４４、パターン認識装置４２に接続され、これらの回路等を介して装置全体を制御するとともに、記録媒体ＭＲ２に格納されたレシピファイルに基づいて後述するパターン検査を実行する。

本実施形態において、記録媒体ＭＲ２，ＭＲ４は、後述するパターン検査方法の一連の手順を記述したレシピファイルと測定条件ファイルとをそれぞれ格納する。これらのファイルは、予めこれらの記録媒体に格納される他、専用回線または公衆回線に接続された通信回路５８と制御コンピュータ６０とを介して外部の記録媒体その他の装置から測定の都度取り込んでこれらの記録媒体に格納することもできる。

記録媒体ＭＲ４には、被検査パターンに関する設計データと、パターン検出用の、後述する参照画像とが格納される。

電子ビーム鏡筒１０は、電子銃１２と、コンデンサレンズ１４と、走査レンズ１６と、対物レンズ１８とを含む。電子銃１２は、電子銃制御回路３２を介して制御コンピュータ６０に接続され、電子銃制御回路３２から制御信号を受けて電子ビームＥＢを生成し、ウェーハＷに照射する。コンデンサレンズ１４は、コンデンサレンズ制御回路３４を介して制御コンピュータ６０に接続され、コンデンサレンズ制御回路３４からの制御信号を受けて磁界または電界を励磁し、適切なビーム径となるように電子ビームＥＢを集束させる。対物レンズ１８は、対物レンズ制御回路３８を介して制御コンピュータ６０に接続され、対物レンズ制御回路３８からの制御信号により磁界または電界を励磁し、電子ビームＥＢがウェーハＷ上にジャストフォーカスで照射するように電子ビームを再度集束させる。本実施形態において、対物レンズ１８および対物レンズ制御回路３８は、例えば焦点位置調整手段に対応する。走査レンズ１６は、走査レンズ制御回路３６を介して制御コンピュータ６０に接続され、走査レンズ制御回路３６から制御信号を受けて、電子ビームＥＢを偏向するための電界または磁界を励起し、これにより、ウェーハＷを電子ビームＥＢで二次元的に走査する。モータ２４は、Ｘ−Ｙステージ２２に接続されるとともに、ステージ制御回路４４を介して制御コンピュータ６０に接続され、ステージ制御回路４４から制御信号を受けて動作し、Ｘ−Ｙステージ２２をＸ−Ｙ平面内で移動させる。本実施形態において、走査レンズ１６および走査レンズ制御回路３６並びにＸ−Ｙステージ２２、モータ２４およびステージ制御回路４４は、例えば照射位置制御手段に対応する。

検出器２６は、電子ビームＥＢの照射によってウェーハＷから発生する二次電子、反射電子および後方散乱電子の少なくともいずれかを検出する。検出器２６は画像メモリ４６に接続される。検出器２６の出力信号は、ウェーハＷの表面の状態を表わす二次元像を構成し、この二次元像のデータが画像メモリ４６に送られて格納される。

画像メモリ４６は、パターン認識装置５２およびモニタ４８に接続される。検出器２６からの二次元像のデータは、画像メモリ４６からモニタ４８に出力され、二次元像が表示されてウェーハ表面の観察に供されるとともに、パターン認識装置５２にも出力される。

パターン認識装置５２は、記録媒体ＭＲ４から制御コンピュータ６０により取り出されて送られた参照画像を用いて、画像メモリ４６から供給された二次元像との間でパターン認識を行い、パターン認識ができた場合に、検出されたパターンの位置情報を制御コンピュータ６０へ供給する。

図１に示すパターン検査装置１の動作を、本発明に係るパターン検査方法の実施の形態として以下に説明する。

（２）パターン検査方法
（ｉ）第１の実施の形態
図２は、本発明に係るパターン検査方法の第１の実施の形態の概略手順を示すフローチャートであり、図３は、自動測長の説明図である。本実施形態は図３に示すラインアンドスペースパターンのように単純な繰り返しパターンの検査に適した方法を提供する。

まず、記録媒体ＭＲ２，ＭＲ４から測定条件ファイルを読み出し、測定点１〜ｎ（ｎは自然数）の各位置座標、パターン認識に用いる合否判定用の閾値、参照画像、オフセット等の測定条件を読み込む（ステップＳ１）。

次に、制御コンピュータ6０に内蔵されたカウンタ（図示せず）のカウントｎを１にセットし（ステップＳ２）、読み込んだ第１測定点の位置情報をもとにＸ−Ｙステージ２２を駆動し、第１測定点が観察視野の中心に位置するようウェーハＷを移動させる（ステップＳ３）。その位置で電子線ＥＢを照射し、低倍率、例えば１５ｋＸ、観察視野１０μｍの二次元像を取得して画像メモリ４６に取り込む（ステップＳ４）。図３に示す二次元像ＦＶＬはこのようにして得られた二次元像の一例である。この二次元像は、本実施形態において、例えば第１の二次元像に対応する。

図１に示すパターン検査装置１においてステージ停止精度は±２μｍであるため、上記ステップＳ３によるＸ−Ｙステージ２２の操作だけでは、測定点および自動焦点合わせを行う位置を精密に決めることはできない。そこで、測定点については、参照画像を用いた位置検索を実行する。

より具体的には、例えば図３に示す参照画像Ｉｍｒを読み込み（ステップＳ５）、先に画像メモリ４６に取り込んだ画像ＦＶＬ中で参照画像Ｉｍｒと一致する箇所Ｐｒをパターン認識装置５２により検索する（ステップＳ６）。観察視野中に参照画像Ｉｍｒと一致する箇所Ｐｒがある場合、より具体的には、パターンの一致度が閾値を越えた場合には、パターン認識に成功したことになり（ステップＳ７）、その場合は、続いて走査レンズ１６による電子線ＥＢの走査原点を変更し、パターン認識ができた箇所から所定の方向に所定の距離だけ（図３のオフセットＯＦＳ）離隔した、観察視野ＦＶｈ外の位置Ｐｆにある自動焦点用のパターンへ電子線ＥＢを移動し（ステップＳ８）、対物レンズ１８の励磁電流を制御して自動焦点用の視野ＦＶｆ内で自動焦点合わせを行う（ステップＳ９）。このオフセットＯＦＳの方向及び量（距離）は、測定条件の一つとして予め設定される。このように、測定と焦点合わせとを別々の位置で行う理由は、電子線ＥＢの照射によるダメージを一箇所に集中させないためである。この一方、パターン認識に失敗した場合には、Ｘ−Ｙステージ２２の駆動により現在の測定点の近傍の位置へウェーハＷを移動させ（ステップＳ１４）、後述する再測定のシーケンスへ移行する。

自動焦点合わせを終えると、その位置から上述した所定の方向とは逆の方向へ上述した所定の距離と同一の距離だけ離隔した測定用の位置Ｐｒへ電子線ＥＢを移動し（ステップＳ１０）、高倍率の二次元像を取得してパターンの線幅の測長を行う（ステップＳ１１）。このときの二次元像は、本実施形態において、例えば第２の二次元像に対応する。上記ステップＳ８とＳ１０の手順における電子線ＥＢの移動は、走査レンズ制御回路３６により電気的に制御されるので、約１０ｎｍの精度で移動可能である。

次に、測定が正しく実行されたかどうかを判断するために、線幅の測長値が規格内にあるかどうかを判定する（ステップＳ１３）。測長値が規格内にあれば、測定すべき測定点が残っているかどうかを判定し（ステップＳ１６）、未だ測定すべき点が残っている場合には、カウンタ（図示せず）のカウントを一つだけ進め（ステップＳ１５）、ステップＳ３に戻って上述した操作を反復する。

この一方、測長値が規格外である場合には、パターン認識の合否判定（ステップＳ７）、電子線ＥＢの移動処理（ステップＳ８，Ｓ１０）、自動焦点合わせ処理（ステップＳ９）および線幅測定処理（ステップＳ１１）の少なくともいずれかの手順においてエラーが発生したことが考えられるため、測定点を移動させる処理（ステップＳ１４）を経て再測定シーケンスへ移行する。

再測定のシーケンスについて図４をも参照しながら説明する。再測定を行う場合には、電子線ＥＢが重複して照射されることを回避しなければならない。従って、図４に示すように、最初の測定で電子線ＥＢを照射した範囲、即ち、低倍率で二次元像ＦＶＬを取得したときの視野外で再測定用の位置ＭＰｒを決定する。再測定の結果、測長値が規格外である場合は、パターン認識の合否判定（ステップＳ７）、電子線ＥＢの移動処理（ステップＳ８，Ｓ１０）、自動焦点合わせ処理（ステップＳ９）および線幅測定処理（ステップＳ１１）のいずれのエラーでもなく、被検査パターンの寸法そのものが規格外であると考えられる。従って、再測定（ステップＳ１２）の場合は、測長値が規格内にあるかどうかの判定を行うことなく、カウンタ（図示せず）のカウントを進めるステップＳ１５の手順へ進む。なお、本実施形態では再測定は一回までとしたが、測定時間に余裕があれば、何回行ってもよい。

このように、本実施形態によれば、エラー等により再計測が必要になった場合でも、既に荷電粒子線を照射した領域外へ計測位置を自動的に移動させるので、荷電粒子線によるパターン形状の変動を最小限にし、測定対象パターンを正確に計測することが可能になる。

（ii）第２の実施の形態
本実施形態は、ロジック回路のようなランダムパターンの特定箇所を測定する場合に適した検査方法を提供するものである。被検査パターンがランダムパターンである場合、再測定点は１回目の測定で電子線を照射した範囲以外ならどこでもよいわけでは決してなく、第１回目の測定をしたパターンと同一の形状を有するパターンでなければならない。そこで、本実施形態では被検査パターンの設計データに基づいて再測定をする位置を予め複数個決定しておき、再測定点の候補として測定レシピに組み込んでおく。これにより、被検査パターンが複雑なパターンであっても、荷電粒子線によるパターン形状の変動を最小限にして正確な計測を実現することが可能になる。再測定の際にはこれらの候補から再測定点が選択される。これらの候補はパターン認識の手法を用いて自動的に決定してもよいし、設計データに基づいてオペレータが決定してもよい。

（iii）第３の実施の形態
上述した第２の実施の形態では再測定点の位置を設計データに基づいて予め決定していたが、これに限ることなく、上述したパターン認識の手法を用いて、再測定が必要になる度毎に第１回目の測定点の周辺を再測定点として探索してもよい。

（４）プログラム
上述したパターン検査方法の一連の手順は、コンピュータに実行させるプログラムとしてフレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体に、例えば上述したレシピファイルの形態で収納し、コンピュータに読込ませて実行させても良い。これにより、本発明に係るパターン検査方法を走査型電子顕微鏡に接続される制御コンピュータを用いて実現することができる。記録媒体は、磁気ディスクや光ディスク等の携帯可能なものに限定されず、ハードディスク装置やメモリなどの固定型の記録媒体でも良い。また、上述したパターン検査方法の一連の手順を組込んだプログラムをインターネット等の通信回線（無線通信を含む）を介して頒布しても良い。さらに、上述したパターン検査方法の一連の手順を組込んだプログラムを暗号化したり、変調をかけたり、圧縮した状態で、インターネット等の有線回線や無線回線を介して、または記録媒体に収納して頒布しても良い。

（５）半導体装置の製造方法
上述した実施の形態のパターン検査方法を半導体装置の製造工程に用いれば、既に荷電粒子線を照射した領域外への計測位置の移動がオペレータの熟練度に依存することなく自動的に実行され、かつ、荷電粒子線の再度の照射によるパターン形状の変動の問題が解消されるので、被検査パターンを迅速かつ正確に計測することができる。これにより、例えば高い精度および高速での寸法測定が可能になるので、高いスループットおよび歩留まりで半導体装置を製造することができる。

本発明に係るパターン検査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。 本発明に係るパターン検査方法の実施の一形態の概略手順を示すフローチャートである。 自動測長の説明図である。 測定点の近傍への視野移動を説明する図である。

符号の説明

１ パターン検査装置
１２ 電子銃
１４ コンデンサレンズ
１６ 走査レンズ
１８ 対物レンズ
２２ ステージ
２４ モータ
２６ 検出器
３２ 電子銃制御回路
３４ コンデンサレンズ制御回路
３６ 走査レンズ制御回路
３８ 対物レンズ制御回路
４４ ステージ制御回路
４６ 画像メモリ
４８ モニタ
５２ パターン認識装置
５８ 通信回路
６０ 制御コンピュータ
ＦＶｆ 自動焦点視野
ＦＶｈ 観察視野
ＦＶＬ 低倍率画像
Ｉｍｒ 参照画像
ＯＦＳ オフセット量
Ｐｆ 自動焦点位置
Ｐｒ パターン認識位置
ＭＲ２ 記録媒体
ＭＲ４ 着脱可能な記録媒体
Ｗ ウェーハ

Claims (5)

1. 荷電粒子線を生成して被検査パターンが形成された試料に照射する手順と、
   前記荷電粒子線の照射により前記試料から放出される二次荷電粒子、反射荷電粒子および後方散乱荷電粒子の少なくともいずれかを検出し、前記試料の表面の状態を表す第１の二次元像を取得する手順と、
   予め用意された参照画像を用いて前記第１の二次元像内で前記参照画像に類似するパターンを検出し、その位置情報を前記被検査パターンの位置情報として記憶する手順と、
   検出されたパターンの位置から所定の方向へ所定の距離だけ計測位置を移動して前記荷電粒子線の焦点合わせを行う手順と、
   前記所定の方向とは逆の方向へ前記所定の距離だけ計測位置を移動して前記荷電粒子線を照射し、前記第１の二次元像よりも高倍率の第２の二次元像を取得して前記検出されたパターンを計測する初回計測手順と、
   前記被検査パターンについての再計測を行う場合に、前記試料上で既に荷電粒子線を照射した領域以外の領域へ計測位置を自動的に移動させる再計測手順と、
   を備えるパターン検査方法。
2. 前記被検査パターンの設計データに基づいて再計測用の計測位置として複数の候補を予め決定する手順をさらに備え、
   前記再計測を行う場合の計測位置は、前記複数の候補から選択されることを特徴とする請求項１に記載のパターン検査方法。
3. 前記再計測手順は、前記参照画像を用いることにより、前記初回計測手順により計測されたパターン以外の他のパターンを前記第１の二次元像に対応する領域以外の領域で検出する手順を含み、
   前記再計測を行う場合の計測位置は、検出された前記他のパターンの位置である、ことを特徴とする請求項１に記載のパターン検査方法。
4. 荷電粒子線を生成して被検査パターンが形成された試料に照射する荷電粒子線照射手段と、前記荷電粒子線の焦点位置を調整する焦点位置調整手段と、前記試料上の所望の位置に前記荷電粒子線が照射するように前記試料と前記荷電粒子線との相対的位置関係を調整する照射位置制御手段と、前記荷電粒子線の照射により前記試料から放出される二次荷電粒子、反射荷電粒子および後方散乱荷電粒子の少なくともいずれかを検出し、前記試料の表面の状態を表す二次元像のデータを出力する検出手段と、前記二次元像内で前記被検査パターンを検出するパターン認識手段と、を備える荷電粒子線装置に接続されるコンピュータに、請求項１乃至３のいずれかに記載のパターン検査方法を実行させるプログラム。
5. 荷電粒子線を生成して試料上の被検査パターンに照射する荷電粒子線照射手段と、
   前記荷電粒子線の焦点位置を調整する焦点位置調整手段と、
   前記試料上の所望の位置に前記荷電粒子線が照射するように前記試料と前記荷電粒子線との相対的位置関係を調整する照射位置制御手段と、
   前記荷電粒子線の照射により前記試料から放出される二次荷電粒子、反射荷電粒子および後方散乱荷電粒子の少なくともいずれかを検出し、前記試料の表面の状態を表す第１の二次元像のデータを出力する検出手段と、
   予め用意された参照画像を用いて前記第１の二次元像内で前記参照画像に類似するパターンを検出し、その位置情報を前記被検査パターンの位置情報として出力するパターン認識手段と、
   検出されたパターンの位置から所定の方向へ所定の距離だけ計測位置を移動して前記荷電粒子線の焦点合わせを行い、前記所定の方向とは逆の方向へ前記所定の距離だけ計測位置を移動して前記荷電粒子線を照射させ、前記第１の二次元像よりも高倍率の第２の二次元像を取得して前記検出されたパターンを計測し、前記被検査パターンについての再計測を行う場合に、前記試料上で既に荷電粒子線を照射した領域以外の領域へ計測位置を自動的に移動させる制御手段と、
   を備えるパターン検査装置。

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