JP2009204374A - 走査型電子顕微鏡及びこれを用いたパターン寸法計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】CD-SEMによる半導体パターンの寸法計測において，パターンの断面形状に依存して寸法計測値と実際のパターンの寸法との誤差が変動することにより、計測精度が悪くなる問題があった。
【解決手段】
予め形状の異なる複数パターンのAFM計測結果と，同一形状のパターンをCD-SEMで計測したときの前記AFM計測結果との寸法計測誤差とを対応付けてデータベースに保存しておき，実際の寸法計測時には，計測対象パターンの少数箇所から得たAFM計測結果を前記データベースに照合し，最も形状が類似した側壁形状に対応したCD-SEM計測の寸法計測誤差を呼び出し，次に計測対象パターンのCD-SEM計測結果を前記呼び出した寸法計測誤差に基づき補正することにより，パターンの断面形状に依存した寸法誤差を低減した補正寸法値を算出する。
【選択図】図1

Description

本発明は，半導体基板上に形成された回路パターンの加工良否を評価する半導体検査装置に係り，特に前記回路パターンの寸法値を計測する機能を備えた走査型電子顕微鏡及びこれを用いた半導体パターン計測方法に関するものである。

半導体製造プロセスにおいて，ウェーハ上に形成される回路パターンはその微細化が急速にすすんでおり，それらのパターンが設計どおり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。半導体技術のロードマップを示すITRS(International Technology Roadmap for Semiconductors)によれば，最も微細なパターンが形成されるトランジスタゲートの配線寸法は，2010年には18nmかそれより下回ると予想されており，このような微細なパターンの形状および寸法の高精度な評価が，今後の半導体製造現場では必要となる。
ウェーハ上の数十ナノメートルオーダの微細な回路パターンの評価装置としては，それらのパターンを10万から30万倍の拡大倍率で撮像可能なパターン寸法測定用の走査型電子顕微鏡(Critical-Dimension Scanning Electron Microscope: CD-SEM)が従来から用いられている。CD-SEMでは，ウェーハ上方に設置した電子銃から放出された電子線を収束レンズで細く絞り，評価試料上を走査コイルで2次元的に走査する。そして電子線照射によって試料表面から発生した2次電子を2次電子検出器で捉え，得られた信号を画像(以降，SEM像と呼ぶ)として記録する。2次電子の発生量は試料の凹凸によって変化するので，2次電子信号を評価することにより試料表面の形状変化を捉えることが可能となる。特に，パターンのエッジ部で2次電子信号が急激に増加することを利用して，半導体回路パターンSEM像内でのエッジ位置を推定し，寸法の計測を行う。

特許文献1,および特許文献2には，パターンの断面形状に依存した計測誤差を解消する計測方法として、予め作成したパターン断面形状とCD-SEM信号波形を対応付けたデータベースを用いて,計測対象のCD-SEM信号波形からパターン断面形状を推定し,その推定結果をもとに寸法計測を行う方法が開示されている。

特開2006-093251号公報 特開2006-038945号公報

従来の寸法計測手法では，信号波形のピークの位置や信号量あるいは，信号波形の変化の状態を利用して計測対象パターンのエッジ位置を決めている。しかし，これらの手法では，計測された寸法が，実際の断面においてどの部分に対応するか(例えばパターンのトップ部分なのか，ボトム部分なのか)を正確に知ることができない問題がある。またパターンの断面形状が変化した場合に,その形状に依存して計測誤差が変化する問題もある。後者の問題を図13で説明する。図13(a)は，側壁が直立したパターン1301のCD-SEM信号波形1303から従来法であるしきい値法でエッジ位置1307を算出した例である。前記しきい値法は，エッジ部周辺の信号量の最大と最小との間でしきい値（例えば50%）の信号量となる位置をエッジ位置とする方法である。本例では実際の断面のエッジ位置1305（ここではボトム位置とした）と算出したエッジ位置1307の誤差が1309となる。一方, 図13(b)は，側壁が傾斜したパターン1302から同様の方法でエッジ位置1308を算出しているが，算出したエッジ位置の誤差1310が，前記誤差1309と異なっている。つまりパターンの断面形状に依存してエッジ位置の算出結果の誤差が変動している。この計測誤差の変動は，従来のCD-SEMでの計測が，パターンの断面形状の違いによるCD-SEM信号波形の変化を考慮していないことにより生じる。半導体製造プロセスの微細化に伴い，このような計測誤差の変動の影響は無視できなく，この誤差を解消し，高精度な寸法計測を実現する必要がある。
パターン断面形状計測が可能で，かつ上述のような断面形状に依存した計測誤差の影響がない計測手段のひとつとして、原子間力顕微鏡(Atomic Force Microscope: AFM)がある。AFMは探針で試料表面との原子間力を一定に保ちながら，非接触あるいは接触しながら走査することでパターンの断面形状を計測する装置である。AFMは非破壊計測のためプロセスモニタに適している。ただしAFM計測は探針あるいはステージをスキャンするため，一般にCD-SEMに比べスループットが低い。このため，実際の半導体製造ラインにおいて，プロセスの変動を正しく捉えるのに十分な量の計測を行うことは困難である。

また、特許文献1,および特許文献2に開示されている両方法は、ともに計測時にCD-SEM計測のみを行うことから計測対象の断面形状が正確には分らないという課題がある。

本発明の目的は、上記した従来技術の課題を解決して、パターン断面形状の違いの影響が少なく、かつ、計測誤差の変動の少ない高精度な寸法計測を実現することにある。

上記目的を達成するために本発明では，CD-SEMのみを用いた計測（CD-SEM計測）の問題であるパターン断面形状に依存した計測誤差を解消し，かつAFMのみを用いた計測（AFM計測）に比べ高スループットな寸法計測を実現するために、CD-SEM計測とAFM計測を併用して寸法計測を行う方法とした。

本方法によればパターンの断面形状に依存した計測誤差をAFM計測と同等に抑えることができ，かつAFMの数倍から数十倍のスループットを実現することができる。具体的には，予め様々な形状のパターンのAFM計測データと，同パターンをCD-SEM計測したときの寸法計測誤差（CD-SEM計測結果とAFM計測結果の差）とを対応づけたデータベースを構築し，実際の寸法計測時には、計測対象パターンのCD-SEM計測と，AFM計測を行い，前記AFM計測結果と最も一致するデータベースに保存したAFM計測データに対応したCD-SEM計測の寸法計測誤差をデータベースから呼び出し，呼び出した寸法計測誤差に基づいて計測対象パターンの寸法計測結果を補正して出力することを特徴とする。

上記を達成するため，本発明では，計測対象のパターンの2次電子画像を取得する走査型の電子顕微鏡手段と，2次電子画像から計測対象パターンのCD-SEM信号波形を作成するCD-SEM信号波形作成手段と，CD-SEM信号波形から評価パターンの寸法ばらつきを算出する寸法ばらつき算出手段と，寸法ばらつきに基づき所望の寸法計測精度を満たすのに必要となるAFM計測点数を算出する手段と，AFM計測点数をGUI表示する手段と，AFM計測結果と，同パターンのCD-SEM計測結果から寸法計測誤差を算出する手段と，AFM計測結果と，それに対応したCD-SEM計測の寸法計測誤差とを対応付けてデータベースに保存する手段と，実際の寸法計測時に計測対象パターンのAFM計測結果をデータベースに照合することで最も一致度の高いAFM計測データを選出する手段と，選出したAFM計測データに対応するCD-SEMの寸法計測誤差を呼び出す手段と，呼び出した寸法計測誤差に基づき計測対象パターンのCD-SEM寸法計測結果を補正する手段と，補正した寸法値を出力する手段を備えて構成した。

本発明によれば，CD-SEMによるパターン寸法計測において，AFM計測結果を利用することでパターンの断面形状に依存した寸法誤差を低減した高精度な計測が実現可能となる。

また、本発明によれば、パターン上方から観察を行うCD-SEMの信号波形のみではパターンの形状の違いが観察できず計測が困難であった逆テーパ形状のパターンの寸法計測も可能となる。

また予め構築したデータベースを用いることで，実際の計測時にAFM計測数を少なくすることができAFMのみを用いて計測した場合に比べて高スループットな計測が可能となる。

以下，本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお，実施の形態を説明するための図面において，同一の機能を有する部材には，原則として同一の符号を付し，その繰り返しの説明は省略する。

［CD-SEMとAFMとを組合せた寸法計測の処理フロー］
図1は，本発明による実施の形態に係る，CD-SEM(図2に概略構成を図示)によるパターン寸法計測手段の処理手順である。本発明では，様々な形状のパターンを用いて，AFM計測により得られる断面形状とCD-SEM信号波形の関係を評価し，その結果を予めデータベースに記録しておく。実際の計測においては，このデータベースを用いることで，断面形状に依存して発生するCD-SEM計測の誤差を補正して高精度な計測を実現する。データベース109には断面形状の異なる複数のパターン(以降，形状バリエーションサンプルと呼ぶ)のAFM形状計測結果と，同パターンをCD-SEM計測したときの寸法計測誤差（CD-SEM計測とAFM計測の寸法計測差）とを対応付けて保存する。このデータベースに記録されるデータは，寸法計測時にCD-SEM計測とAFM計測との寸法計測誤差の補正に使うため，計測対象プロセスの変動により発生し得る断面形状のバリエーションが含まれていることが望ましい。

図1(a)にデータベース作成手順を示し，図1 (b)に実際に計測パターンの寸法計測の手順を示す。まず図1(a)について説明する。一般的にパターンの寸法はライン長手方向にばらつきがあり，またCD-SEM計測とAFM計測とでは計測位置を完全に一致させることは難しく，両計測で完全に同じ形状のパターンを計測することを狙っても，実際には寸法ばらつき（LWR(Line Width Roughness)と呼ばれる）の影響で計測している寸法は異なっていることがほとんどである。そこで本発明の寸法計測手法では，同一寸法の形成を狙って形成されたサンプルのCD-SEM計測結果とAFM計測結果に，両計測で計測対象に寸法ばらつき相当の違いがあることを考慮したアプローチをとる。

まずCD-SEM像を取得し（101），その取得したCD-SEM像からパターンの寸法ばらつきを算出する（102），次にこの寸法ばらつきを考慮して，統計的な手法（詳細は図5で説明する）により，ユーザが要求する寸法計測精度を満たすのに必要となるAFM計測点数を算出する（103）。
前記ユーザが要求する精度とは，データベースサーバ230にデータベース109として保存された同一形状のパターンの計測データ(CD-SEM信号波形およびAFM形状計測結果)が先に述べたように厳密にはサンプリング位置の違いにより一致しないことによる両計測間の寸法計測誤差をあらわしている。算出したAFM計測点数分のAFM計測（105）を行い，対象パターンの断面形状計測データを取得する。得られたCD-SEM計測結果とAFM計測結果から両計測間の寸法計測誤差を算出する（106）。算出された寸法計測誤差とAMF計測によって得られた断面形状計測データとを対応付けてデータベースサーバ230に保存する（107）。

これらの処理を形状バリエーションサンプルに対して行うことで，各パターン形状のAFM計測データと，同パターンをCD-SEM計測したときの寸法計測誤差とを対応付けてデータベースサーバ230に保存したデータベース109をパターンの寸法ばらつきを考慮して作成する(対応付け方法の詳細は図6で説明)。

次に、図1(ｂ)について説明する。まず測対象のパターンをCD-SEMで撮像して計測対象パターンのCD-SEM信号波形を取得し，取得した信号波形からパターンの寸法値を図3で説明する方法で計測する（111）。次に計測対象パターンのAFM計測を行い（112），データベース109に照合するためのAFM計測データを取得する。この時のAFM計測は，計測対象パターンの側壁形状データと高さデータとを含む計測対象パターンの断面の形状情報を取得するための計測であり少数の計測点で良く，データベース109作成時のようにLWRを考慮してユーザ要求精度を満たすように大量の計測を行う必要はない。計測点数は，計測対象パターンの側壁形状のばらつき（寸法のばらつきではない）を減らすように、CD-SEMで撮像した領域内において複数点をとることが望ましい。

取得したAFM計測データを前述のデータベースサーバ230に記憶されたデータベース109に照合し（113），計測対象のAFM計測データに最も一致するAFM計測データに対応する寸法計測誤差を呼び出す（照合処理の詳細は図7で説明する）。呼び出した寸法計測誤差に基づいてCD-SEMのパターン寸法計測結果の補正処理を行う（114：補正処理の詳細は図8で説明する）。最後に前記補正した寸法値を出力する（115）。

以上の処理を行うことで，CD-SEM計測結果とAFM計測結果との寸法計測誤差を補正した高精度な計測が可能となる。またパターンのLWRを考慮してユーザの要求する寸法計測精度を満たすように作成したデータベース109を用いることで，計測時には少数点のAFM計測でユーザの要求する寸法計測精度を満たす計測が可能となり，データベース109を用いない計測に比べてAFM計測点数を少なくすることができる。これにより計測を高スループットに実施できる。

［測長SEMの構成］
図2は本発明の半導体パターン計測のための走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope：SEM)の構成図を示したものである。本図2(a)は試料の二次電子像(Secondary Electron：SE像)を取得する走査型電子顕微鏡200の構成概要を示すブロック図である。203は電子銃であり，電子線204を発生する。ステージ217上におかれた試料である半導体ウェーハ201上の任意の位置において電子線が焦点を結んで照射されるように，偏向器206および対物レンズ208を制御する。電子線を照射された半導体ウェーハ201からは，2次電子が放出され，2次電子検出器209により検出される。検出された2次電子はA/D変換機212でデジタル信号に変換され，画像メモリ222に格納され，CPU221で目的に応じた画像処理が行われる。

215はコンピュータシステムから成る処理・制御部であり，ステージ217の位置を制御するステージコントローラ219や半導体ウェーハ201上に照射する電子線204の走査を制御する偏向制御部220に対して制御信号を送る，あるいは計測画像に対し各種画像処理を行う等の処理・制御を行う。本処理・制御のための演算は，CPU221で行われる。また，処理・制御部215はディスプレイ216と接続されており，ユーザに対して画像等を表示するGUI(Graphical User Interface)を備える。217はXYステージであり，半導体ウェーハ201を移動させ，前記半導体ウェーハの任意の位置の画像撮像を可能にしている。また，前述した処理・制御部215における処理・制御の一部又は全てを異なる複数台の処理端末に割り振って処理・制御することも可能である。

図2(b)は半導体ウェーハ上に電子線を走査して照射した際，半導体ウェーハ上から放出される電子の信号量を画像化する方法を示す。電子線は，例えば図2(b)に示すようにX，Y方向に251〜253又は254〜256のように走査して照射される。電子線の偏向方向を変更することによって走査方向を変化させることが可能である。X方向に走査された電子線251〜253が照射された半導体ウェーハ上の場所をそれぞれＧ1〜Ｇ3で示している。同様にY方向に走査された電子線254〜256が照射された半導体ウェーハ上の場所をそれぞれＧ4〜Ｇ6で示している。前記Ｇ1〜Ｇ6において放出された電子の信号量は，それぞれ図2(ｃ)内に示した画像259における画素Ｈ1〜Ｈ6の明度値になる(Ｇ，Ｈにおける右下の添え字1〜6は互いに対応する)。258は画像上のX，Y方向を示す座標系である。

以下に、図１(ａ)に示したデータベース作成所の処理フロー、及び図１（ｂ）に示した寸法計測時の処理フローについて、詳細に説明する。

［CD-SEM信号波形からの線幅寸法値算出］：ステップ101及び102
図3は，計測対象のパターンのCD-SEM像からパターンの線幅に相当する寸法値を算出する一般的な方法を説明する図である。図3(a)の上段および下段の図は，計測対象パターンの断面形状316と，CD-SEM信号波形304との関係を示したものである。CD-SEM信号波形304は，SEMで得られる2次電子の信号強度をあらわしており，2次電子の信号強度は一般に計測対象の側壁の傾斜角が、入射電子の入射角度に対して平行に近くなるほど大きくなるため，計測対象パターンの側壁部318での信号強度は，平坦部317での信号強度よりも大きくなる。このようにラインパターンの側壁部などで2次電子強度が大きくなる。前記信号波形に対して，次に説明する処理を行うことで，パターンの線幅に相当する寸法値が算出できる。

図3(b)及び(c)は，CD-SEM信号波形からパターンの寸法値を算出するためにパターンの側壁部の位置を検出する従来手法の例を説明する図である。図3(b)の例は，CD-SEM信号波形の最大傾斜位置を側壁部の位置として検出する方法であり，信号波形の微分処理を行い、微分波形が極大となる位置を求めてその位置を側壁の最大傾斜位置とする。図3(c)の例は所定の閾値で側壁部の位置を検出する方法であり，信号波形の最大値、最小値に基づき、図3(c)中に記載した式を用いて閾値を設定し、閾値処理により側壁部の位置を算出する。上記方法でパターンの左右の側壁部の位置を算出し，両位置の間の距離をパターンの寸法値としていた。

これに対して本発明では、CD-SEM計測したパターンの寸法のばらつきに基づき，データベースサーバ230のデータベース109に保存するAFM計測データの計測点数を決定する。図4は、ラインパターン435のCD-SEM像431の一例である。このCD-SEM像は、CD-SEM装置で半導体ウェハ上の対象パターンを含む領域を複数回走査し撮像して得た複数フレーム分（例えば５〜３０フレーム）のSEM像を加算(フレーム加算)して生成した画像である。CD-SEM計測したパターンの寸法のばらつきの算出方法の例として，前記パターンの寸法値を計測対象のパターン長手方向に複数箇所（図４において、433で示した複数の点線に沿った複数の箇所）で計測し、その寸法値の標準偏差をCD-SEM計測したパターン寸法のばらつきとする方法がある。長手方向に計測する領域サイズとしては，パターンの寸法ばらつきを捉えられる長さを計測することが望ましい。

［AFM計測点数の算出］：ステップ103
データベース作成のために計測するAFM計測点数の設定方法について説明する。本方法は，CD-SEM計測値とAFM計測値とを対応付けたデータベース109を作成する場合に、パターン寸法のばらつきによる両計測値間の誤差がユーザが要求する精度を満たす（すなわち両計測値間の誤差がユーザが要求する精度以下）のに必要となるAFM計測点数を算出することを可能にするものである。本実施例では，CD-SEMによる計測点は、AFM計測の範囲を全てカバーすると仮定する。すなわち、AFM計測する箇所は、CD-SEM計測のために取得した計測対象パターンの画像の領域に含まれる。

異種計測装置間（CD-SEMとAFM）の計測位置ずれに起因する誤差は，CD-SEMによる全計測点を母集団とした場合に、母集団の平均寸法に相当するAFM計測結果を，限られたサンプルによりどのように推定するかという問題として考えることができる。

AFM計測点数をn個，母集団のばらつきをσ，断面計測の平均値(真値)μ’としたとき、AFM計測のn個のサンプルの平均値Xmeanがとり得る範囲は、数１であらわされる。
μ’−ｔ＿α/2＊σ/sqrt(n)＜Ｘmean＜μ’＋ｔ＿α/2＊σ/sqrt(n) （数１）
ここで、ｔ＿α/2＊σ/sqrt(n)は外側の確率が（α／２）％となるｔの値（自由度ｎ−１）であり、断面計測の平均値（真値）μ’の推定誤差の最大値はｔ＿α/2＊σ/sqrt(n)となる。αは一般に５％が用いられることが多い（１−α＝９５％信頼区間）。この±ｔ＿α/2＊σ/sqrt(n)は、ある同じ寸法形状になるように形成されたパターンにおける計測データセット間において、母集団の平均と、母集団から無作為にサンプリング数n個を抽出した場合の平均値の誤差に相当する。

母集団のばらつき(σ)とサンプリングデータ数nが与えられれば誤差を推定することができ、また反対に誤差の許容値を与えれば、その許容誤差を満たすのに必要なサンプリング数nを算出することができる。図5はサンプリング数の算出例を示したものであるが，誤差1.0nm以下で信頼区間95%を確保するためには，断面計測点数が30点以上必要となることがわかる。このようにCD-SEM計測値から求められる計測対象パターンの寸法のばらつき(σ)を評価することにより，ユーザの要求する精度を満たすのに必要なAFM計測点数を求めることができる。

［側壁形状データおよびCD-SEM信号波形の算出］：ステップ105、106、107
図6は，図1(a)のステップ106におけるAFM計測データとCD-SEM信号波形の寸法計測誤差（AFM計測とCD-SEM計測の寸法計測結果の差）を対応付けたデータを作成する方法の一例を説明する図である。AFM計測データおよびCD-SEM信号波形はx方向の倍率を合わせているものとする。一般的な倍率を合わせる方法の例としては，同一パターンのピッチを用いてキャリブレーションする方法がある。CD-SEMによる計測点は、AFM計測箇所を全てカバーするようにする。（ステップ105）
本方法では、データベースサーバ230のデータベース109に保存するAFM計測データおよびCD-SEM信号波形の寸法計測誤差は，左右の側壁のデータに分けて保存する。左右の側壁で分ける利点は，CD-SEM計測とAFM計測との寸法計測値の差がパターンの断面形状に依存して変化することは先に述べたが，その変化が主にパターン側壁部の形状変化に因るものであり，パターンの左右の側壁間の距離が異なるパターンであっても，側壁部の形状が同じであれば両計測間(CD-SEM計測とAFM計測)の寸法計測値の差はほぼ同じであり，そのことを利用することでデータベース109作成時に計測していない寸法のパターンに対しても側壁部の形状が一致するデータがデータベースサーバ230のデータベース109に保存されていればCD-SEM計測値の補正が可能となる点である。

図6(a)を用いてAFM計測により取得したパターンの断面形状データ603に対して行う処理を説明する。まず本データを左右の側壁形状データに分割する。断面形状データ603において，ある高さ(例えば最大値605，および最小値607の間で指定した割合のパターン高さ606(例えば50%))となる左右の側壁のX座標（図６(a)の例では6041と6042）を算出し，算出した座標の平均をパターンの中心座標604とする(中心座標604を原点(x=0)として設定する)。そしてパターン中心(x=0)から左側を左側壁形状6031，右側を右側壁形状6032とする。次にデータベース109作成のためにラインパターンの長手方向に複数点で計測したAFMデータから平均の側壁形状データを作成する。先に述べた左右の側壁形状6031及び6032を各AFM計測データから算出し、各側壁形状データにおいて、パターンの各高さに対応したX座標の平均値を算出することで平均形状が算出できる。

次に図6(b)を用いてCD-SEMにより取得したCD-SEM信号波形615に対して行う処理を説明する。まず本データを左右の側壁の計測データに相当する信号波形のデータに分割する。信号波形615において，ある信号量(例えば最大値612，および最小値610の間で指定した割合の信号量611（例えば50%）)となる信号量の左側および右側のX座標6131及び6132を算出し，算出した座標の平均を中心座標613とする（中心座標613を原点(x=0)として設定する）。そしてパターン中心(x=0)から左側を左側壁側のCD-SEM信号波形6151，パターン中心(x=0)から右側を右側壁側のCD-SEM信号波形6152とする。次に複数点で計測したCD-SEM信号波形から平均の波形データを作成する。左側の側壁，および右側の側壁に相当する信号波形を各CD-SEM信号波形から算出し，各信号波形において，各信号量のX座標の平均値を求めることで、平均波形データを作成する。

以上により，AFM計測データおよびCD-SEM計測結果を，左右の側壁に相当するAFM計測データ，およびCD-SEM信号波形に分けて算出することができる。

次に算出した左右の側壁のAFM形状計測データ，およびCD-SEM信号波形から，CD-SEM計測の寸法計測誤差を，左右の側壁で分けて算出する。ここでは左側の側壁での算出方法を説明するが、右側の側壁についても同様にして算出できる。

まずAFM形状計測データの左側壁形状6031データから、パターンの中心座標604(x=0)から側壁のパターン寸法値を算出するための位置までの距離608を算出する。前記側壁のパターン寸法値を算出するための位置は，ある高さ606(高さは，パターンの高さの最大値605と最小値607の間での指定した割合(例えば50%)の高さ，あるいは指定された高さ(nm)の値で指定する)になる左側壁のAFM計測データのX座標6041である。この距離608を左側壁側の側壁位置からパターン中心までのAFM寸法計測結果とすることができる。

次に左側壁形状に対応するCD-SEM信号波形から，左側壁側のパターン寸法値を算出するための側壁位置からパターン中心座標604までに相当する信号波形の距離621を算出する。まず図3の説明で述べた画像処理により左側壁側のCD-SEM信号波形6151からパターン寸法値を算出するための位置に相当する信号波形部のX座標6131を算出し，次に前記X座標6131とパターンの中心座標613(x=0)との距離621を算出する。この距離621を左側壁側のパターン寸法値を算出するための位置からパターン中心までのCD-SEM計測結果とすることができる。

前記左側壁側のAFM寸法計測結果608，および左側壁側のCD-SEM計測結果621の差分をとることでパターン左側壁側のCD-SEM計測とAFM計測との寸法計測誤差が算出できる。（ステップ106）
以上により算出した左右それぞれの側壁のAFM計測データと，同じパターンの左右の側壁をCD-SEMで計測したときの寸法計測誤差とを対応付けてデータベースサーバ230のデータベース109に保存する（ステップ107）。本データベース109を用いることで図1で説明した照合処理113において、AFM形状計測112のステップでAFMにより形状計測して得た計測対象パターンのAFM計測データに対応するCD-SEM信号波形の寸法計測誤差を呼び出すことが可能となる。

なお上記データベース109には側壁が順テーパ，あるいは直立だけでなく，逆テーパのパターンのデータを保存することもできる。図6(c)に示すように，計測対象のパターンの側壁が逆テーパ651になっている場合にはCD-SEMのみでパターンの寸法計測を行うとCD-SEMはパターンの上方からの観察像のみを用いるので側壁が逆テーパになったパターンで傾斜角が異なるパターン，あるいは直立のパターンのCD-SEM信号波形の間で信号波形の違いがほとんどなく，パターンの寸法計測が正確にできない問題がある。例えば側壁が直立のパターン650と，側壁が逆テーパのパターン651では，それぞれのCD-SEM信号波形653，652に違いがほとんどない。しかし本発明の計測方法では，CD-SEM計測と併せてAFM計測を行うことにより側壁が逆テーパのパターンを,側壁が順テーパのパターンの場合と同様の方法で，寸法計測誤差を補正して計測（詳細は図8で説明する）することが可能であり，逆テーパ形状のパターンをデータベースの形状バリエーションに含めることで逆テーパ形状のパターンの寸法計測も可能になる。

次に、寸法計測時の処理の流れについて説明する。
［側壁形状計測結果の照合方法］:ステップ111、112、113
寸法計測時の処理は、先ず、図２（ａ）に示したCD-SEMを用いて計測対象パターンを撮像し、図３及び図６（ｂ）を用いて説明した処理手順に従って寸法計測を行う。(ステップ111)
次に、計測対象パターンの形状をAFMで計測し、図６(ａ) を用いて説明した処理手順に従って寸法計測を行う。 (ステップ112)
次に、AFMで計測した結果をデータベース109に蓄積されたデータと照合する処理について説明する。 (ステップ113)
図7は，本発明による実施の形態に係る，寸法計測時において計測対象パターンの側壁形状の計測結果をデータベース109に照合する方法の一例を説明する図である。図7の計測対象のAFM形状計測データ700は、計測対象の左側壁形状データ701の例を示している。側壁形状データ701をデータベース109に記憶されているAFM計測データと照合し（715），最も形状が一致した側壁形状データ（図７の例では703のデータ）をデータベース109から呼び出す。この呼び出された側壁形状データ703に対応してステップ106で算出されステップ107で側壁形状データ703と関連付けてデータベース109に記憶されたCD-SEM信号波形の寸法計測誤差(図示せず)をデータベース109から呼び出す。前記照合（715）により呼び出されたCD-SEM信号波形の寸法計測誤差は図1の説明で述べたようにCD-SEM計測とAFM計測との寸法計測値の差の補正に用いる。右側壁形状データについても同様の方法で照合を行う。

前記照合（715）の方法としては，例えば2つの側壁形状データ（計測対象パターンのAFM形状計測データとデータベース109に記憶されているAFM計測データ）の2乗誤差(2つの側壁形状データのパターン高さ方向の値(図7の高さ方向の軸の値)の差の2乗の側壁形状データ全体(X軸方向)にわたって加算したもの)を用いることができ，この場合2乗誤差が最も小さいものが最も形状が近い側壁形状と判断することができる。

照合（715）の方法は，本方法に限定したものではなく，計測対象の側壁形状データに形状が最も近い側壁形状データを，データベース109に保存された側壁形状データ703〜708から呼び出すことができる手法であればよい。

以上により，計測対象のパターンの左右の側壁形状データに対しパターン形状の一致度が高い側壁形状データに対応するCD-SEM計測の寸法計測誤差を，それぞれデータベース109から呼び出すことが可能となる。

また計測対象パターンの側壁形状のデータベース109への照合で，形状が近い側壁形状データが無い場合（最も小さい2乗誤差が予め設定した値よりも大きい場合）は，照合データがなかったことをユーザに提示することも可能である（例えば図9で説明するGUIで表示する9009）。前述の照合データが無いという判断は，例えば照合時に2つの側壁形状データの2乗誤差を用いる場合に，2乗誤差に対ししきい値を設定しておき，2乗誤差がしきい値以上であれば照合データなしと判断する。照合データがないと提示されたときには，ユーザは，その計測対象を試料として，図1(a)で説明したデータベース作成を行い，データベースへのデータ追加を行うことができる。

［CD-SEM計測とAFM計測との寸法計測誤差の補正］：ステップ114
図8は，本発明による実施の形態に係る，図1（ｂ）の寸法計測時のフローにおけるステップ114の、計測対象パターンのCD-SEM計測での寸法計測結果の寸法計測誤差を補正した値を算出する方法について説明する図である。

まず前記図7の照合（715）により、計測対象パターンの側壁形状のAFM計測の結果と最も形状が一致したデータベースに記憶されているAFM側壁形状データに関連付けてデータベース109に記憶されたCD-SEM信号波形の寸法計測誤差をデータベース109から呼び出し（800）、この得られた結果を用いて左右それぞれの側壁でのCD-SEM計測の寸法計測誤差を足し合わせる（801）。この足し合わせた結果として，計測対象のCD-SEM計測結果の寸法計測誤差を算出する（806）。

次に計測対象パターンをCD-SEMで撮像して得たCD-SEM像802からCD-SEM信号波形839を算出し（803），この信号波形839から所定の画像処理によりパターン寸法値850を算出する(算出方法は図3と同じ)。前記算出したパターン寸法値850から前述の寸法計測誤差を差し引くことで寸法計測誤差が補正され（804）、この寸法計測誤差が補正されたパターン寸法値を出力する（805）。

以上により，データベース109に保存したCD-SEM信号波形とAFM計測データを用いて，計測対象パターンのCD-SEM計測結果の寸法計測誤差を補正した寸法値を出力（805）することが可能となる。

［計測結果表示GUI］：ステップ115
図9は，本発明による実施の形態に係る，寸法計測時において計測対象の寸法計測誤差を補正した値を出力するGUIの一例を説明する図である。出力画面9000では，寸法計測誤差を補正した計測パターンの寸法値9006を出力する。またユーザに計測対象パターンの形成状態を判断する情報として，CD-SEM計測データ表示領域9001にSEM画像が表示され，パターン形状データ表示領域9003にAFM形状計測データ9004を表示する。
CD-SEM計測データ表示領域9001には，AFM計測を行った位置9002をオーバレイ表示することも可能である。またパターン形状データ表示領域9003には、CD-SEM信号波形9005をAFM形状計測結果9004と合わせて表示することが可能である。その場合，図6で説明したAFM計測データ，CD-SEM信号波形のパターン中心に相当する位置算出を行い，CD-SEM信号波形9005とAFM形状計測結果9004とで中心位置を一致させて表示することも可能である。

また本GUIで寸法計測するパターン断面での高さの設定9007も行うことができる。この場合、図6で説明したようにパターンの高さの最大値と最小値のある割合(%)で寸法計測する高さの設定を行うか，パターンの高さの最小値，あるいは最大値を基準として，実長(nm)で寸法計測する高さの設定を行うことができる(パターン高さの最小値が基準なら実長分上方への長さ、最大値が基準なら実長分下方の長さを設定する)。設定した断面計測位置をパターン形状データ表示領域9003に表示されているAFM計測データ9004にオーバレイ表示9008することも可能である。

また、照合（715）の結果、データベースに記憶されているデータの中に計測対象パターンの側壁形状のAFM計測の結果と一致するデータが無かった場合には、表示部9009にデータベースに照合データなしの情報が表示される。

以上により，CD-SEM計測とAFM計測との寸法計測誤差を補正したパターンの寸法値，および計測対象のパターンの情報をユーザに提示することが可能となる。

［データベース作成用GUI］
図10は，本発明による実施の形態に係る，データベース109作成時に用いるGUIの一例1000について説明する図である。本GUIは上記対応付けたCD-SEM信号波形と側壁形状データから算出する寸法値の推定誤差がユーザの要求する精度を満たすのに必要となるAFM計測点数を表示する。本点数をもとにユーザは断面計測を行う。またAFM計測後に，CD-SEM信号波形と側壁形状データの寸法値の推定誤差の算出結果をユーザに提示することができる。

本GUI1000は，図5で説明したユーザの要求する寸法計測精度1012，および信頼区間1013を入力するユーザ要求精度入力領域1011があり，本入力データに基づき図5で説明したようにAFM計測点数を算出し、その算出結果をAFM測定点数表示領域1034に表示する。ユーザは表示されたAFM計測点数をもとにAFM計測を行う。

AFM計測後には，データベース作成ボタン1028を押すことで、処理・制御部215のCPU221で、AFM計測データとCD-SEM計測の寸法計測誤差とを対応付けたデータベース109の作成を行い、データベースサーバ230に記憶されているデータベース109を更新する。さらに作成したデータベース109を用いて寸法計測した場合の推定誤差を提示することもできる1026。また対応付けられてデータベース109に保存されたAFM計測データ1023，およびそれに対応したCD-SEM計測の寸法計測誤差1025を表示することが可能である。また，対応データ作成時に用いたCD-SEM信号波形を、データベース作成時にAFM計測データと対応付けて保存しておき、そのCD-SEM信号波形1024を表示することも可能である。表示する対応データは画像あるいは、データIDの一覧より選択1031し表示させる。以上により,本GUIを用いることでパターンのAFM計測データと，同パターンのCD-SEM計測データの寸法計測誤差を対応付けて保存したデータベース109の作成が可能となる。

［装置間の構成］
図11は，本発明の装置構成の一例について説明する図である。各装置はネットワーク1101で接続された構成をとる。本発明を実現するCD-SEM1102-1,1102-2，AFM1103-1,1103-2，データベースサーバ230，コンピュータ1105，およびGUI表示装置1106は，全てネットワーク1101で繋がっており，CD-SEM計測データ，およびAFM計測データ，およびデータベース照合結果，およびCD-SEM計測とAFM計測との寸法計測誤差の算出結果，およびCD-SEM計測誤差の補正結果のデータを,前記ネットワーク1101を通して通信することが可能である。コンピュータ1105においては，AFM計測点数の算出処理，およびデータベース照合処理，および寸法計測誤差算出処理，パターン寸法値の計測誤差補正処理の演算処理を行う。図2(a)で説明した処理・制御部215は、このコンピュータ1105と一体に構成されていても良い。またGUI表示装置では，図9，10で示したGUIを表示する。以上のような装置構成により本発明の処理を，ネットワークを介して実現することが可能となる。

［計測精度算出の処理フロー］
図12は本発明による実施の形態に係る，データベース109に保存されているAFM計測データの計測点数1202からパターンの寸法値補正に用いるCD-SEM計測の寸法計測誤差を出力1205する処理フロー，あるいはデータベース109作成時に同寸法計測誤差を出力1025する処理フローについて説明する図である。本処理の入力は，データベース作成に用いるパターンのCD-SEM像1201，および同パターンのAFM計測点数1202，および本処理で算出する寸法計測誤差の信頼区間1206(例えば95％)である。出力は前記寸法計測誤差1205である。まずCD-SEM像1201からパターンの寸法のばらつきを図4で説明した方法で算出する1203。 前記算出したパターン寸法ばらつき，およびAFM計測点数1202，および信頼区間1206から，図5で説明した推定誤差算出方法により，寸法計測誤差を算出する1204。算出した誤差をGUI等によりユーザに提示する1205。
前記GUI表示の一例としては，図10において，CD-SEM計測データ読込み1030，AFM計測データ読込み1031を行い，読み込んだデータにより算出した推定誤差の表示1026を行う(信頼区間1013はユーザが入力する)。表示方法は，本方法に限定するものではなく，上記処理を実行できるGUIであればよい。

本処理により，ユーザは、データベースに保存している計測データを用いた場合の推定誤差を確認することができ、実際の計測時の寸法計測結果に含まれる前記誤差を考慮して、寸法計測結果の評価を行うことができる。

本発明を実現するための基本的な処理フローの例を示す図である。 半導体ウェーハ上から放出される電子の信号量を画像化する方法を示す図である。 CD-SEM像からパターンの寸法を算出する方法を示す図である。 CD-SEM像からパターンの寸法のばらつきを算出する方法を示す図である。 パターンの寸法のばらつきによる寸法推定誤差と断面計測点数の関係を示す図である。 側壁形状データおよびCD-SEM信号波形の作成方法の例を示す図である。 データベース照合方法の例を示す図である。 CD-SEM計測とAFM計測との寸法計測誤差補正の処理フローの例を示す図である。 CD-SEM計測とAFM計測との寸法計測誤差補正結果を表示するGUIの例を示す図である。 データベース作成のGUI表示の例を示す図である。 各装置のネットワーク接続の例を示す図である。 AFM計測点数から対応データのサンプリング位置のずれによる寸法値の推定誤差を算出する処理フローの例を示す図である。 パターン断面形状に依存してCD-SEM計測結果が変化する例を示す図である。

符号の説明

２００・・・走査型電子顕微鏡 ２０１・・・半導体ウェーハ ２０３・・・電子銃 ２０４・・・電子線 ２０６・・・偏向器 ２０８・・・対物レンズ ２０９・・・２次電子検出器 ２１２・・・Ａ／Ｄ変換機 ２１５・・・処理・制御部 ２１６・・・ディスプレイ ２１７・・・ＸＹステージ ２１９・・・ステージコントローラ ２２０・・・偏向制御部 ２２１・・・ＣＰＵ ２２２・・・画像メモリ １１０１・・・ネットワーク １１０２−１,１１０２−２・・・ＣＤ−ＳＥＭ １１０３−１,１１０３−２・・・ＡＦＭ ２３０・・・データベースサーバ １１０５・・・コンピュータ １１０６・・・ＧＵＩ表示装置

Claims (14)

1. 試料上に形成された計測対象パターンを撮像して該計測対象パターンのＳＥＭ画像を取得する走査型電子顕微鏡手段と、
   該走査型電子顕微鏡で取得した前記計測対象パターンのＳＥＭ画像を処理して前記計測対象パターンの寸法情報を得る画像処理手段と、
   予め別体の記憶装置に記憶されている他の計測手段で計測されたパターンの形状情報と該パターンのＳＥＭ画像から計測される寸法の誤差情報を含む情報の中から前記計測対象パターンに対応する寸法誤差情報を抽出する寸法誤差情報抽出手段と、
   該寸法誤差情報抽出手段で抽出した前記計測対象パターンに対応する寸法誤差情報を用いて前記画像処理手段で処理して得た前記計測対象パターンの寸法情報を補正するパターン寸法情報補正手段と、
   該パターン寸法情報補正手段で補正した前記計測対象パターンの寸法情報を画面上に出力する出力手段と
   を備えたことを特徴とする走査型電子顕微鏡装置。
2. 前記寸法誤差情報抽出手段は、前記予め別体の記憶装置に原子間力顕微鏡で計測して得られる形状情報と関連付けて記憶されているパターンのＳＥＭ画像と該パターンのＳＥＭ画像から算出されるパターン寸法の誤差情報の中から前記計測対象パターンを原子間力顕微鏡で計測して得られた情報を用いて前記計測対象パターンのＳＥＭ画像から算出されるパターン寸法の誤差情報を抽出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. 前記画像処理手段で前記計測対象パターンのＳＥＭ画像を処理して得られる前記計測対象パターンの複数箇所の寸法のばらつきを求め、該求めた寸法のばらつきの情報に基づいて前記計測対象パターンの寸法を前記原子間力顕微鏡で計測するための計測点数を算出する計測点数算出手段を更に備え、前記出力手段は該計測点数算出手段で算出した前記原子間力顕微鏡で計測する計測点数の情報を前記画面上に表示することを特徴とする請求項２記載の走査型電子顕微鏡装置。
4. 前記出力手段は前記パターン寸法情報補正手段で補正した前記計測対象パターンの寸法情報と共に、前記計測対象パターンのＳＥＭ画像と前記計測対象パターンを原子間力顕微鏡で計測した箇所を表示することを特徴とする請求項２記載の走査型電子顕微鏡装置。
5. 前記出力手段は前記パターン寸法情報補正手段で補正した前記計測対象パターンの寸法情報と共に、前記計測対象パターンのＳＥＭ画像信号と前記原子間力顕微鏡で計測して得た前記計測対象パターンの形状情報とを表示することを特徴とする請求項２記載の走査型電子顕微鏡装置。
6. 試料上に形成された計測対象パターンを走査型電子顕微鏡で撮像して該計測対象パターンのＳＥＭ画像を取得し、
   該取得した計測対象パターンのＳＥＭ画像を処理して該計測対象パターンの寸法情報を得、
   予め記憶されている前記走査型電子顕微鏡と異なる手段で計測されたパターンの形状情報と該パターンのＳＥＭ画像から計測される寸法の誤差情報を含む情報の中から前記計測対象パターンに対応する寸法誤差情報を抽出し、
   該抽出した計測対象パターンに対応する寸法誤差情報を用いて前記計測対象パターンの寸法情報を補正し、
   該補正した計測対象パターンの寸法情報を画面上に出力する
   ことを特徴とする走査型電子顕微鏡を用いたパターン寸法計測方法。
7. 前記寸法誤差情報を抽出する工程において、前記予め記憶されている情報が、原子間力顕微鏡で計測して得られる形状情報と、該形状情報に関連付けて記憶されているパターンのＳＥＭ画像と、該パターンのＳＥＭ画像から算出されるパターン寸法の誤差情報とを含み、前記寸法誤差情報を抽出することが前記予め記憶されている情報の中から前記計測対象パターンを原子間力顕微鏡で計測して得られた形状情報を用いて前記計測対象パターンのＳＥＭ画像から算出されるパターン寸法の誤差情報を抽出することであることを特徴とする請求項６記載の走査型電子顕微鏡を用いたパターン寸法計測方法。
8. 前記計測対象パターンのＳＥＭ画像を処理して得られる前記計測対象パターンの複数箇所の寸法のばらつきを求め、該求めた寸法のばらつきの情報に基づいて前記計測対象パターンの寸法を前記原子間力顕微鏡で計測する計測点数を算出し、該算出した結果を前記画面上に表示することを更に含むことを特徴とする請求項７記載の走査型電子顕微鏡を用いたパターン寸法計測方法。
9. 前記画面上に出力する工程において、前記補正した計測対象パターンの寸法情報を表示すると共に、前記計測対象パターンのＳＥＭ画像と前記計測対象パターンを原子間力顕微鏡で計測した箇所を表示することを特徴とする請求項７記載の走査型電子顕微鏡を用いたパターン寸法計測方法。
10. 前記画面上に出力する工程において、前記補正した計測対象パターンの寸法情報と共に、前記計測対象パターンのＳＥＭ画像信号と前記原子間力顕微鏡で計測して得た前記計測対象パターンの形状情報とを表示することを特徴とする請求項７記載の走査型電子顕微鏡を用いたパターン寸法計測方法。
11. 試料上に形成された計測対象パターンを走査型電子顕微鏡で撮像して該計測対象パターンのＳＥＭ画像を取得して該取得したＳＥＭ画像から該計測対象パターンの寸法情報を得、
    前記計測対象パターンを原子間力顕微鏡で計測して該計測対象パターンの形状情報を得、
    予め記憶装置に記憶されている原子間力顕微鏡で計測して得たパターンの形状情報とSEM画像から計測される該パターンの寸法の誤差情報との関係から前記原子間力顕微鏡で計測して得た計測対象パターンの形状情報に対応する寸法誤差情報を抽出し、
    該抽出した計測対象パターンに対応する寸法誤差情報を用いて前記計測対象パターンの寸法情報を補正し、
    該補正した計測対象パターンの寸法情報を画面上に出力する
    ことを特徴とする走査型電子顕微鏡を用いたパターン寸法計測方法。
12. 前記計測対象パターンのＳＥＭ画像を処理して得られる前記計測対象パターンの複数箇所の寸法のばらつきを求め、該求めた寸法のばらつきの情報に基づいて前記計測対象パターンの寸法を前記原子間力顕微鏡で計測する計測点数を算出し、該算出した結果を前記画面上に表示することを更に含むことを特徴とする請求項１１記載の走査型電子顕微鏡を用いたパターン寸法計測方法。
13. 前記画面上に出力する工程において、前記補正した計測対象パターンの寸法情報を表示すると共に、前記計測対象パターンのＳＥＭ画像と前記計測対象パターンを原子間力顕微鏡で計測した箇所を表示することを特徴とする請求項１１記載の走査型電子顕微鏡を用いたパターン寸法計測方法。
14. 前記画面上に出力する工程において、前記補正した計測対象パターンの寸法情報と共に、前記計測対象パターンのＳＥＭ画像信号と前記原子間力顕微鏡で計測して得た前記計測対象パターンの形状情報とを表示することを特徴とする請求項１１記載の走査型電子顕微鏡を用いたパターン寸法計測方法。

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