JP2011220735A - 走査電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】欠陥箇所のフレームが特定可能な、又は保存画像の圧縮率が高い、或いはシステマティックな欠陥を抽出可能な高精度で低ダメージの走査電子顕微鏡を提供する。
【解決手段】走査電子顕微鏡において、パターンの検査・測長のための合成画像を構成する個々のフレーム画像やサブフレーム画像に対してパターンの有無を判定するパターン有無判定部１０１２や倍率補正部１０１４、歪曲補正部１０１８、画像合成部１０１５及びそれら画像を動画形式で圧縮保存する記憶部１１１１を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は微細パターンの検査や測長等に用いる走査電子顕微鏡に関する。

微細パターンを有する半導体デバイスの検査では高精度な寸法管理が必要とされる。そこで半導体製造工程での微細パターンの寸法管理には高精度寸法計測が可能な走査電子顕微鏡が用いられる。走査電子顕微鏡は試料上に収束した電子線を照射し、該電子線照射によって試料から発生した二次電子や反射電子を検出器で捕らえることで走査電子顕微鏡像が得られる。特にパターン寸法を計測するときはＣＤ−ＳＥＭ（測長ＳＥＭ）と呼ばれる電子顕微鏡が用いられる。

走査電子顕微鏡像は一般的に電子線の照射エネルギーや照射量が大きいほどＳ／Ｎの高い画像が得られ計測精度は高くなる。そこで従来はＣＤ−ＳＥＭで観察を行う際に同一箇所で複数回電子線照射を行うことで得られた複数の画像を重ね合わせて一つの画像を形成していた（フレーム加算）。なお、走査電子顕微鏡に関しては、例えば、特許文献１〜５に開示されている。

特表２００９−５１６８３２号公報 特開２００９−１３５２７３号公報 特開２００７−２９９７６８号公報 特開２００５−０５６９０７号公報 特開２００７−２８８７３２号公報

最先端半導体プロセスで用いられるＡｒＦエキシマレーザー光を用いたリソグラフィ（ＡｒＦリソグラフィ）はフォトレジスト（ＡｒＦレジスト）を感光させ、微細パターンを作ることができる。しかし、ＡｒＦレジストはＣＤ−ＳＥＭを用いた寸法計測の際の電子線照射によりシュリンクと呼ばれる体積収縮が生じることが知られており、この体積収縮により検査前後でパターン寸法には差が生じ、正確な寸法検査の妨げとなっている。

体積収縮つまりレジストダメージ抑制には照射する電子線の照射エネルギーや照射量を小さくすることが有効であるとされる。前述した計測精度は照射する電子線の照射エネルギーや照射量を大きくすることが有効であるので、ＡｒＦレジストパターンの寸法計測には計測精度とダメージにトレードオフが存在し、計測精度の向上とダメージの抑制を同時に満たすのは困難である。

前記フレーム加算ではＳ／Ｎは改善されるものの同一箇所に電子線照射を繰り返すので、該観察箇所では電子線照射量が多くなるため大きな体積収縮が起こり、パターン寸法が大きく変化する。

本課題を解決するために特許文献２に書かれた手法が提案されている。特許文献２では異なる場所の走査電子顕微鏡画像を合成して高Ｓ／Ｎ画像を作成し、低ダメージ高精度測長を実現しようとしている。しかし、本手法では画像を重ね合わせてしまうので一箇所ごとの画像を保存することができず、加算に用いた画像の中に欠陥箇所のフレームが含まれていた場合に不良と判定された場所がどの観察箇所なのかを厳密に特定することができない。

別の課題としてパターンの微細化や複雑化に伴う検査点の増大によるサーバー負荷の増大が挙げられる。上述したパターンのトレンドによりホットスポットと呼ばれる欠陥になりやすい部位が多数生じることとなった。このため走査電子顕微鏡の検査対象が増え、後にパターンを精査するときのための画像保存機会が増えるのでデータを保存しているサーバーの負荷が大きくなっている。この課題を解決するために特許文献１、４、５で走査電子顕微鏡画像の圧縮方法に関して述べられている。前記文献によれば画像保存の容量を小さくすることができるが、それぞれの画像に対して倍率変動や歪曲が加わったときにパターンの類似性を失うため圧縮率を大きくできない可能性がある。特許文献３には走査電子顕微鏡画像を形成する際の電子ビームの照射位置ずれ（ドリフト）を補正し、先鋭な画像を得ることが記載されているが、倍率変動や歪曲などには言及されていない。

また別の課題としてフォトマスク上の欠陥転写などにより、ウェハ上のパターンにシステマティックに存在する欠陥の抽出が挙げられる。フォトマスクに欠陥が存在すると、そのマスクを用いて製造されるパターンはすべて不良となるため、前記欠陥は早期発見することが重要である。フォトマスクを観察する専用の検査装置が存在するが、一度半導体プロセスに組み込まれたフォトマスクを検査のためだけに取り外すのは効率的でない。そこでウェハ上に転写されたパターンからフォトマスク上の欠陥を検査できれば作業工程の効率化が図れるが、ウェハ上のパターンにはラフネスと呼ばれるパターン形状の揺らぎが存在するため、検出されたパターン揺らぎがフォトマスク欠陥に起因するものなのか、あるいはウェハ上で発生したものなのかがこれまでは不明であった。

本発明の第１の目的は、高精度で低ダメージの走査電子顕微鏡を提供することにある。

本発明の第２の目的は、欠陥箇所のフレームが特定可能な高精度で低ダメージの走査電子顕微鏡を提供することにある。

本発明の第３の目的は、保存画像の圧縮率が高く高精度で低ダメージの走査電子顕微鏡を提供することにある。

本発明の第４の目的は、システマティックな欠陥を抽出可能な高精度で低ダメージの走査電子顕微鏡を提供することにある。

上記第１〜第４に共通の目的である高精度で低ダメージを達成するための一実施形態として、一箇所の観察領域においては少ないフレーム加算枚数条件で画像取得を行い、これを複数箇所で繰り返した後に取得した画像のパターンを検査した後に合成し、合成画像を用いてパターン検査を行う走査電子顕微鏡とする。このようにすることでシュリンクを小さく抑制できる。また複数箇所の観察領域で走査電子顕微鏡像を得ることで、一箇所の電子線照射量を少なく抑えても、複数箇所分の信号量を得られるので、走査電子顕微鏡の寸法計測精度を高く保ち、尚且つ一箇所の電子線照射量が少ないので、該観察領域のダメージ量を低減できる。つまりこれまで実現困難であった高精度・低ダメージ計測が可能となる。前記低フレーム加算数での画像取得を複数箇所で繰り返す。このようにして得られた複数の画像を重ね合わせることで高いＳ／Ｎをもつ画像を形成できる。この高Ｓ／Ｎ画像から寸法計測を行うことで高精度寸法計測を行うことができる。

このとき画像を合成する際にそれぞれの画像で倍率と歪曲の補正を行う。これによりパターンの類似性が向上し、上記第３の目的である保存画像の圧縮率を高めることができる。更に、この補正により合成後の画像での先鋭な画像となり、寸法計測の誤差が小さくなる。

また単なる重ね合わせの合成画像だけでは一箇所ずつの情報が残らないので、動画形式で各計測点での走査電子顕微鏡画像を保存し一箇所ずつの情報を残すことにより上記第２の目的を達成することができる。

また、複数箇所で取得した画像を重ね合わせた画像では局所的に存在するランダムな形状バラツキを平均化することができるため、各場所でシステマティックに存在する特徴的な形状を顕在化させることができ、上記第４の目的が達成される。

たとえば半導体製造時のリソグラフィ工程において使用されるフォトマスクに欠陥が存在した場合、一箇所だけの観察画像ではマスクに存在する欠陥であるのかレジストのラフネスなのかが不明であるが、レジストのラフネスは複数場所での画像を重ね合わせることで平均化されるため、フォトマスクの欠陥検査に用いることができる。

本発明によれば、高精度で低ダメージの走査電子顕微鏡を提供することができる。また、各観察画像を動画形式で圧縮保存することで、各観察領域の情報を損なうことなくサーバーの負荷を軽減できる走査電子顕微鏡を提供することができる。

さらに、検査結果が良好であった複数の場所のパターン画像から平均画像を算出し、該平均画像の出来栄えを検査することで、局所にあらわれるパターンラフネスや電子顕微鏡画像に含まれるノイズに左右されることのなくシステマティックにあらわれる欠陥を見つけ出すことができる走査電子顕微鏡を提供することができる。

本発明の第１の実施例に係るＣＤ−ＳＥＭの概略構成図である。 本発明の第１の実施例に係るＣＤ−ＳＥＭを用いた時の測定フロー図である。 本発明の第1の実施例に係るＣＤ−ＳＥＭを使用する際のＧＵＩの一例である。 パターン有無の検査を説明するための図であり、（ａ）は検査対象パターンの概略断面図、（ｂ）はＣＤ−ＳＥＭによる検査画像の平面模式図、（ｃ）は信号強度波形の概略図である。 パターンの有無による画像明るさ（階調値）変化の一例をあらわす検査画像の平面模式図である。 検査画像の模式図の一例であり、（ａ）は正常な検査画像、（ｂ）は倍率変動がある場合の検査画像、（ｃ）は歪曲がある場合の検査画像を示す。 欠陥検出の効果を説明するための図で、各計測点における画像とそれらを合成したときの画像の平面模式図である。 異常パターン判定の原理を説明するための図で、各計測点における画像とそれらを合成したときの画像の平面模式図である。 パターン有無判定で異常(パターン無)と判定された場合のＧＵＩ画面の一例である。

以下、本発明の実施例について、図面を参照して詳細に説明する。
（実施例１）
図１は本発明の実施例に係る走査電子顕微鏡の概念図である。本走査電子顕微鏡は、試料に照射される電子を放出する電子銃１００２、電子ビームを収束するコンデンサレンズ１００３、電子ビームを走査する偏向器１００４、計測対象となる試料１００７、試料１００７表面に電子ビームを収束される対物レンズ１００５、試料１００７を移動させるステージ１００６、電子ビーム照射により試料１００７から二次的に発生した二次電子もしくは反射電子を捕捉する検出器１００８、とを有する電子光学系１００１と、得られた二次電子もしくは反射電子信号を画像化する画像メモリ１０１０などを有する演算部１１００と、オペレータが入力を行い、走査電子顕微鏡像の表示を行うための表示部１１１０、過去のデータを格納している記憶部１１１１、電子線照射条件を電子光学系１００１に反映し制御する電子光学系制御部１１１２、とで構成される。

演算部１１００は、検出された二次電子もしくは反射電子信号を画像化する画像メモリ１０１０、取得画像を処理しパターン寸法を算出する寸法演算部１０１１、画像合成の際にパターンの位置ずれを補正する位置ずれ補正部１０１３、画像合成の際に画像の倍率変動を補正する倍率補正部１０１４、画像合成の際に画像の歪曲を補正する歪曲補正部１０１８、パターンの有無判定を行うパターン有無判定部１０１２、ウェハ上の計測位置を指定する計測位置指定部１０１６、一箇所での電子ビーム照射量を制限するフレーム数設定部１０１７、などによって構成される。なお、符号１０１５は画像合成部を示す。

図２に、本実施例に係るＣＤ−ＳＥＭを用いた時のパターン寸法計測のフローチャートを示す。ステップＳ２０１０で計測が開始される。次にステップＳ２０２０において計測位置の指定が行われる。計測位置の指定は図３に示されるＧＵＩ（Ｇｒａｐｈｉｃａｌ Ｕｓｅｒ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）によってなされる。

図３中の３００１は計測箇所のＸ座標入力枠であり、３００２はＹ座標入力枠である。ボタン３００３は観察中の座標を３００１と３００２に自動反映する座標指定ボタンである。

上述したように計測座標は３００１、３００２にユーザーが直接入力して指定することもできるが、座標指定ボタン３００３を用いて自動で反映することもできる。

このようにして指定された計測座標は計測場所設定ボタン３００４を押下することで決定される。ボタン３００４を押下して決定した計測座標は計測座標表示枠３００５に表示されると同時に図１中の計測位置指定部１０１６に記憶される。

図３中の３００６は計測座標表示枠３００５に表示される計測点で電子ビーム照射を行う際のフレーム数を指定するフレーム数指定枠である。符号３００７はフレーム数設定ボタンであり、押下することでフレーム数指定枠３００６に入力されたフレーム数を装置に設定される。

図３中の符号３００８は画像平均明るさ（階調値）閾値入力枠であり、後述するパターン有無判定に用いられる。符号３００９は画像平均明るさ（階調値）閾値設定ボタンであり、押下することで画像平均明るさ閾値入力枠３００８に入力された画像平均明るさ閾値が装置に設定される。なお、上記項目は１画面に表示した方が全体を理解し易いが、複数画面に分割して表示してもよい。複数画面に表示することにより各項目内容を確実に確認できる。

図３の計測座標表示枠３００５で指定された計測点においてＣＤ−ＳＥＭで画像取得を行う。この際、計測対象となるフォトレジストは電子ビーム照射により体積収縮（シュリンク）が生じる。このシュリンクにより検査前後でパターン寸法に差が生じ正確な寸法検査の妨げとなる。

本実施例では任意の計測点における電子ビーム照射量を制限することでシュリンクの抑制を行う。任意の一箇所に照射する電子ビーム照射量は図３中のフレーム加算数設定枠３００６で設定する。

次に試料の観察領域が電子顕微鏡直下に位置するようにステップＳ２０３０でステージが移動される。ステージ移動は演算部１１００からの情報に基づき電子光学系制御部１１１２により制御される。このときステージ移動だけでなく、電子ビームシフトによる観察領域の移動が行われる。

その後、ステップＳ２０４０で検出された二次電子や反射電子の信号を用いて観察領域の電子顕微鏡画像が取得される。これらの電子は検出器１００８で検出される。ステップＳ２０４０では観察試料のダメージを最小限に抑えるためにフレーム加算数は１あるいはそれ以下と設定される。

ここで本実施例での画像形成に関して説明する。走査電子顕微鏡では試料の観察場所に電子ビームを照射し、照射場所から発生した二次電子量を検出器１００８で検出して画像を形成する。電子ビームを照射する際の走査線本数は任意に設定できるようにしているが、本実施例では５１２本で１フレームの画像を形成することとする。但し、走査線本数はこれに限らない。

次に走査線に沿った方向の信号形成に関して説明する。電子線を走査線に沿って走査する間に二次電子信号のサンプリングを５１２回行われる。つまり得られる走査電子顕微鏡画像は５１２ｐｉｘｅｌ×５１２ｐｉｘｅｌのデジタル画像となり、これが１フレームの走査電子顕微鏡画像となる。

通常、上記１フレームの画像取得を複数回繰り返し、得られた複数枚の１フレーム画像を重ね合わせることで高いＳ／Ｎを持つ走査電子顕微鏡画像を得ることができ、パターンの寸法検査に用いられる。しかし、上記検査手法では同一箇所に複数回の電子ビーム照射が行われるので、電子ビーム照射によるダメージ量を抑制することが困難であった。

そこで本実施例では、試料に同一パターンを多数の箇所に形成しておき、少なくともその一部の複数箇所で取得した１フレーム画像をフレーム加算に用いることで１箇所におけるダメージ量を低減することを実現した。Ｓ／Ｎが劣化する問題に関しては前記複数箇所で取得した１フレーム画像を重ね合わせることで解決できる。

上記手法で画像重ね合わせを行う際には一箇所ごとのパターン有無判定が重要となることを、図８を用いて説明する。図８中の符号８００１、８０１１、８０２１および８０３１は異なる場所(計測点１〜４)で取得した走査電子顕微鏡画像（平面模式図）を示し、それらを重ね合わせた画像（模式図）が符号８０４１である。計測点１のＳＥＭ画像（模式図８００１）、計測点３のＳＥＭ画像（模式図８０２１）および計測点４のＳＥＭ画像（模式図８０３１）ではパターンが正常にできているのに対し、測定点２のＳＥＭ画像（模式図８０１１）ではパターンが形成されておらず、本来ならば検査によって不良と判定されるべきである。しかし、合成画像（模式図８０４１）は計測点１のＳＥＭ画像（模式図８００１）、計測点３のＳＥＭ画像（模式図８０２１）および計測点４のＳＥＭ画像（模式図８０３１）で示される正常部画像３枚と欠陥部画像１枚の平均であるため、測定点２のＳＥＭ画像（模式図８０１１）で示される欠陥部は合成画像（模式図８０４１）から判定できないこととなる。そのため、ステップＳ２０５０において個々の検査場所でのパターン有無判定が重要となる。

ステップＳ２０４０で取得した画像からパターン検査を行い、ステップＳ２０５０でパターンの有無判定を行う。ステップＳ２０５０で検査に用いる画像は１フレームあるいはそれ以下の低Ｓ／Ｎ画像であるため、寸法検査の精度が十分でない。なお、パターン有無判定はパターン有無判定部１０１２で行われる。

寸法検査精度がパターンの寸法変動許容値よりも十分に小さい場合はステップＳ２０５０で寸法検査を行い、有無判定の基準としても良い。

寸法検査精度がパターンの寸法変動許容値よりも大きい場合は、計測した寸法が計測結果の誤差なのかパターン寸法が変動しているのかが区別できないため有無判定に用いることができない。従って、この場合のステップＳ２０５０はパターンが存在するかどうかを判定することとする。

前記パターン有無の検査に関して図４を用いて説明する。図４（ａ）は観察対象のパターン断面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）の走査電子顕微鏡画像の平面模式図である。図４（ｃ）は図４（ａ）を観察したときの信号強度分布を示している。走査電子顕微鏡では一般的にエッジ効果と呼ばれる物理現象により、観察対象に形状変化があるときに二次電子信号量が多くなる。図４（ａ）で示されたパターンエッジに対応する部分で図４（ｂ）の画像が明るくなり、図４（ｃ）の信号量が大きくなっていることがわかる。この二次電子信号量の変化をモニタすることでパターン有無の検査が可能となる。

前記パターン有無の検査の詳細を、図５を用いて説明する。図５（ａ）はパターンが存在するときの走査電子顕微鏡画像（平面模式図）を示し、図５（ｂ）はパターンが存在しないときの走査電子顕微鏡画像（平面模式図）を示す。それぞれの画像の平均明るさ（階調値）を算出すると、パターンの存在する図５（ａ）の画像では１９５となり、パターンの存在しない図５（ｂ）では１４０となった。本実施例では取得画像の平均明るさ（階調値）が１５０以上の明るさを持つ場合はパターンが存在するとし、図２のＳ２０５０で良判定を出しＳ２０６０(倍率補正)へ進む。取得画像の平均明るさ（階調値）が１５０未満であった場合はパターンが存在しないとして図２のＳ２０５０で無（ＮＯ）判定を出しＳ２１４０(再検査の要否判定)へ進む。

上述した方法では画像平均明るさ（階調値）に閾値を設け、取得した画像の平均明るさと設定した閾値を比較することによりパターンの有無を判定したが、画像の平均明るさではなく、例えば微分画像の信号量などを用いる手法なども考えられる。

Ｓ２０５０の判定結果が良（ＹＥＳ）となった場合、サーバー(記憶部１１１１)に画像を圧縮保存する。この際、走査電子顕微鏡画像に倍率変動や歪があると後述する画像合成の際に画像の乱れの原因となるので補正する必要がある。ここで走査電子顕微鏡画像の倍率変動と歪に関して図６を用いて説明する。

図６（ａ）の画像は正常な走査電子顕微鏡画像を示し、図６（ｂ）は倍率変動がある場合の走査電子顕微鏡画像を示し、図６（ｃ）は歪がある場合の走査電子顕微鏡画像を示す。倍率変動は試料の高さ変動によって引き起こされる。試料の高さが変わると電子ビームの走査幅が変化するため走査電子顕微鏡の視野の大きさが変化し、倍率が変動する。このため、通常電子顕微鏡では試料の高さモニタリングを行い、倍率変動を記録している。そこでＳ２０６０で倍率変動値を用いて取得した電子顕微鏡画像の拡大・縮小を行うことで画像合成の乱れを抑制することができる。倍率補正は倍率補正部１０１４で行われる。図６（ａ）と図６（ｂ）を合成する際には、図６（ｂ）の画像を縦横両方向に０．８倍程度に縮小することで正常な合成を行うことができる。画像の合成は画像合成部１０１５で行われる。

次に走査電子顕微鏡像に歪がある場合の補正方法に関して述べる。歪は主に走査電子顕微鏡の光軸位置と観察位置の差によって生じる。図６（ｃ）では走査電子顕微鏡の光軸位置が観察領域中心にあるときの画像(平面模式図)であり、画像中心から外側に向かう方向にパターンが歪んで見えている。これは電子ビーム照射位置が光軸から離れるほど顕著にあらわれる現象で歪曲と呼ばれる。この現象の補正は電子ビーム照射位置と光軸とのずれを算出し、あらかじめ求めた補正テーブルに基づいて画像の拡大・縮小を行うことで実現できる。歪曲は画像内で不均一に発生するのでＳ２０７０(歪曲補正)での補正の際には画像を小領域に分割し、小領域ごとに拡大・縮小を行う。歪曲補正は歪曲補正部１０１８で行われる。なお、倍率補正と歪曲補正の両方の補正を行うことが好適であるが、少なくとも一方の補正を行うことにより、従来よりもパターン像は改善される。

前記、倍率・歪曲補正を行った画像を用いてＳ２０８０で圧縮保存を行う。これらの画像は記憶部(サーバー)１１１１に圧縮保存される。Ｓ２０８０における圧縮保存の手法として、例えばＭＰＥＧ（Ｍｏｖｉｎｇ Ｐｉｃｔｕｒｅ Ｅｘｐｅｒｔｓ Ｇｒｏｕｐ）を用いるが、これに限るものではない。

Ｓ２０８０で圧縮保存を用いるメリットは、各画像の情報を残しつつもサーバーの負荷を低減できることにある。半導体製造現場では常に製品検査を行っており、膨大な量の検査画像を扱っているためサーバーには大きな負荷がかかっている。だからといって検査画像をサーバーに保存せずにいると、不良が発生したときの原因究明時に再度不良箇所の解析のために再度電子顕微鏡画像を取得せねばならず、多くの時間を費やすことになる。

例えば、図８中の合成画像(模式図８０４１)を静止画形式で保存していると個々の計測場所での画像情報が残らないが、動画形式で保存することで個々の計測場所での画像情報も残されるため、製品に不良が発生した場合でも迅速に該当部分の来歴を検証することができる。

本実施例で圧縮保存する画像は、同じ設計レイアウトの複数の場所で取得した電子顕微鏡画像である。このため、場所は異なっても似た画像となり圧縮率を大きくすることができる。特に、倍率補正や歪曲補正を行うことにより、画像の類似性が高まるため、更に圧縮率を向上することができる。

一方、パターンの有無判定を行うＳ２０５０の判定結果が不良（ＮＯ）となった場合は、表示部１１１０に判定結果が不良となった旨の警告を表示する。ここで表示されるのは図９に示すような警告である。表示部１１１０での警告表示９００１により、不良への迅速な対応が可能になる。図９にはパターンが無いと判定された場所で再度画像取得をするかどうかの選択ができる。

ボタン９０１１を押した場合はＳ２０９０(画像の再取得)へ進む。Ｓ２０４０の画像取得ではダメージ抑制のため１フレームもしくはそれ以下で画像を取得していたが、Ｓ２０９０では詳細な欠陥検査を行うために少なくとも２フレーム以上の条件で画像取得を行い、その画像をサーバー（記憶部１１１１）に保存する（Ｓ２１００）。

図９中のボタン９０２１を押した場合はＳ２１１０（全計測点終了の判定）へ進むこととなる。なお、ステップＳ２０５０で不良（ＮＯ）と判定された場合、Ｓ２０２０に戻り他のチップパターンを計測してもよい。これにより、合成するための画像数の減少を低減できる。また、全計測点終了の判定（Ｓ２１１０）は、画像取得（Ｓ２０４０）後に行っても良い。

本実施例ではＳ２０４０で取得しＳ２０６０(倍率補正)やＳ２０７０(歪曲補正)で各種補正を行った画像を重ね合わせて合成画像をＳ２１２０で作成し、その合成画像からパターン検査を行うことができる。合成画像の作成は画像合成部１０１５で行われる。その後、ステップＳ２１３０で終了となる。

図７にレジストパターンの走査電子顕微鏡画像の模式図を示す。レジストパターンには計測点１のＳＥＭ画像（模式図７００１）、計測点２のＳＥＭ画像（模式図７０１１）、計測点３のＳＥＭ画像（模式図７０２１）および計測点４のＳＥＭ画像(模式図７０３１)に示すようなラフネスと呼ばれるデコボコ形状の揺らぎが存在する。

このラフネスはレジストにパターンを転写するマスクパターンの形状をあらわしている場合やレジスト現像プロセス時に発生する場合などがある。マスクパターンに欠陥がある場合は、該当するマスクで形成されるパターンはすべて同じ欠陥を持つこととなるため、半導体製造ラインの生産性向上のためには早急に対処されるべきである。

しかし、従来はパターンの形状揺らぎとパターン製造時のマスクパターンの揺らぎを区別するのが難しかった。本実施例では異なる複数個所で撮像した画像を合成することができるため、局所的なパターン形状揺らぎを平均化した画像が得られることとなる。

図７の計測点１のＳＥＭ画像（模式図７００１）、計測点２のＳＥＭ画像(模式図７０１１)、計測点３のＳＥＭ画像（模式図７０２１）および計測点４のＳＥＭ画像(模式図７０３１)は異なる場所の計測点で取得した走査電子顕微鏡画像であり、互いに異なった形状揺らぎを有している。しかし、これらの画像を合成することで得られる合成画像(模式図７０４１)は形状揺らぎのランダム成分が除去されすべての計測点でシステマティックに発生している形状揺らぎを表示している。

このシステマティックな形状揺らぎの原因としてマスクパターンの欠陥が考えられる。従って、同じマスク部分から作られたパターンの画像のみを選択的に合成することでパターンのラフネスを平均化することができ、その結果マスクパターンの欠陥のみを抽出することができる。つまり、本実施例を用いることでウェハに転写されたパターンからフォトマスクに存在する欠陥を抽出することができる。

最後に本実施例を用いた場合の効果について実例を述べる。従来のダメージ量１．１３ｎｍ、計測精度０．７９ｎｍだった検査工程を本手法と組み合わせることでダメージ量０．８４ｎｍ、計測精度０．８０ｎｍとすることができた。つまり計測精度をそのままにダメージを約２５％低減することができた。

以上述べたとおり、本実施例によれば、欠陥箇所のフレームが特定可能な高精度で低ダメージの走査電子顕微鏡を提供することができる。

また、保存画像の圧縮率が高く高精度で低ダメージの走査電子顕微鏡を提供することができる。

また、システマティックな欠陥を抽出可能な高精度で低ダメージの走査電子顕微鏡を提供することができる。

以上、本願発明を詳細に説明したが、以下に主な発明の形態を列挙する。
（１）観察試料の所定領域に電子線を走査する電子光学系と、前記電子線の走査により発生する二次電子または反射電子を検出する検出部と、前記検出器で検出された二次電子または反射電子の情報から観察試料の寸法あるいはピッチを算出する演算部を有する走査電子顕微鏡において、
同一試料上の異なる部位における撮像画像を複数取得する手段と、
前記複数の撮像画像からパターン検査を行う手段と、
前記パターン検査の結果が良好と判定された前記撮像画像を合成して合成画像を作成する手段と、
前記合成画像の強度情報からパターンの寸法を計測する手段と、を備えることを特徴とする走査電子顕微鏡。
（２）前項（１）記載の電子顕微鏡において、
前記取得した撮像画像のそれぞれに倍率補正、歪曲補正をする手段と、
補正を行った後の画像を合成する手段と、を備えることを特徴とする走査電子顕微鏡。
（３）前項（２）記載の電子顕微鏡において、
前記演算部は、
計測位置と電子顕微鏡の光軸とのずれ量の算出と、
前記算出結果から前記補正量の算出と、を行う機能を有するものであることを特徴とする走査電子顕微鏡。
（４）前項（１）記載の電子顕微鏡において、
前記撮像画像は１フレームもしくはサブフレームで構成されることを特徴とする走査電子顕微鏡。
（５）前項（１）記載の電子顕微鏡において、
前記パターン検査の結果が不良と判定された際に警告を表示する表示部と、
前記検査位置情報を記憶する記憶部と、
前記位置において不良パターン画像を再度取得する手段と、を備えることを特徴とする走査電子顕微鏡。
（６）前項（５）記載の電子顕微鏡において、
再度取得される前記不良パターン画像は、前記位置において電子線を複数回走査することで得られる複数の画像を合成した画像であることを特徴とする走査電子顕微鏡。
（７）前項（１）記載の電子顕微鏡において、
前記複数の撮像画像は動画形式で圧縮保存されることを特徴とする走査電子顕微鏡。
（８）前項（１）記載の電子顕微鏡において、
前記判定結果が良好であった部位で撮像された複数の前記撮像画像から一つの平均画像を算出する手段と、
前記平均画像から異常を判断する手段と、を備えることを特徴とする走査電子顕微鏡。
（９）前項（１）記載の電子顕微鏡において、
取得した前記撮像画像同士の位置ずれ量を算出する手段と、
算出された前記位置ずれ量に応じた補正を行う手段と、を備えることを特徴とする走査電子顕微鏡。
（１０）試料を載せるステージと前記試料上において電子線を走査する偏向器と前記偏向器により走査された前記電子線が前記試料に照射されたことに起因する第２の電子を検出する検出器とを備えた電子光学系と、前記第２の電子を前記検出器で検出することにより得られる信号を画像化する画像メモリを備えた演算部と、前記演算部に接続された記憶部とを有する走査電子顕微鏡において、
前記試料には複数の領域に同一パターンがそれぞれ形成されており、
前記演算部は、
前記複数の領域の同一パターンの画像を合成して合成画像を作成する画像合成部と、
前記複数の領域の同一パターンの画像の各々について倍率補正を行う倍率補正部、又は歪曲補正を行う歪曲補正部、或いはその両者と、
を有することを特徴とする走査電子顕微鏡。
（１１）前項（１０）記載の走査電子顕微鏡において、
前記記憶部は、前記複数の領域の同一パターンの画像の各々を動画形式で圧縮保存するものであることを特徴とする走査電子顕微鏡。
（１２）前項（１０）記載の走査電子顕微鏡において、
前記演算部は、前記複数の領域の同一パターンの画像の各々についてパターンの有無を判定するパターン有無判定部を更に有することを特徴とする走査電子顕微鏡。
（１３）前項（１２）記載の走査電子顕微鏡において、
前記パターン有無判定部は、前記複数の領域の同一パターンの画像の各々の階調値でパターンの有無を判定するものであることを特徴とする走査電子顕微鏡。
（１４）前項（１０）記載の走査電子顕微鏡において、
前記合成画像は、前記複数の領域の同一パターンのシステマティックな欠陥検査に用いられるものであることを特徴とする走査電子顕微鏡。
（１５）前項（１０）記載の走査電子顕微鏡において、
前記合成画像は、前記複数の領域の同一パターンの寸法計測に用いられるものであることを特徴とする走査電子顕微鏡。

１００１…電子光学系、１００２…電子銃、１００３…コンデンサレンズ、１００４…偏向器、１００５…対物レンズ、１００６…ステージ、１００７…検査試料、１００８…検出器、１１００…演算部、１０１０…画像メモリ、１０１１…寸法演算部、１０１２…パターン有無判定部、１０１３…位置ずれ補正部、１０１４…倍率補正部、１０１８…歪曲補正部、１０１５…画像合成部、１０１６…計測位置指定部、１０１７…フレーム数設定部、１１１０…表示部、１１１１…記憶部、１１１２…制御部、Ｓ２０１０…測定開始工程、Ｓ２０２０…計測場所を指定する工程、Ｓ２０３０…計測場所を移動する工程、Ｓ２０４０…画像取得の工程、Ｓ２０５０…パターンの有無判定の工程、Ｓ２０６０…画像の倍率補正の工程、Ｓ２０７０…画像の歪曲補正の工程、Ｓ２０８０…画像を圧縮保存する工程、Ｓ２０９０…不良箇所での画像の再取得の工程、Ｓ２１００…不良箇所での画像の保存工程、Ｓ２１１０…指定した計測が終了したかを判定する工程、Ｓ２１２０…合成画像を作成する工程、Ｓ２１３０…測定終了工程、７００１…レジストパターンの走査電子顕微鏡画像、７０１１…レジストパターンの走査電子顕微鏡画像、７０２１…レジストパターンの走査電子顕微鏡画像、７０３１…レジストパターンの走査電子顕微鏡画像、７０４１…レジストパターンの合成画像、８００１…レジストパターンの走査電子顕微鏡画像、８０１１…レジストパターンの走査電子顕微鏡画像、８０２１…レジストパターンの走査電子顕微鏡画像、８０３１…レジストパターンの走査電子顕微鏡画像、８０４１…レジストパターンの合成画像、９００１…パターンが無いことを警告するＧＵＩ、９０１１…画像再取得を指示するボタン、９０２１…画像再取得を行わないことを指示するボタン。

Claims (15)

1. 観察試料の所定領域に電子線を走査する電子光学系と、前記電子線の走査により発生する二次電子または反射電子を検出する検出部と、前記検出器で検出された二次電子または反射電子の情報から観察試料の寸法あるいはピッチを算出する演算部を有する走査電子顕微鏡において、
   同一試料上の異なる部位における撮像画像を複数取得する手段と、
   前記複数の撮像画像からパターン検査を行う手段と、
   前記パターン検査の結果が良好と判定された前記撮像画像を合成して合成画像を作成する手段と、
   前記合成画像の強度情報からパターンの寸法を計測する手段と、を備えることを特徴とする走査電子顕微鏡。
2. 請求項１記載の電子顕微鏡において、
   前記取得した撮像画像のそれぞれに倍率補正、歪曲補正をする手段と、
   補正を行った後の画像を合成する手段と、を備えることを特徴とする走査電子顕微鏡。
3. 請求項２記載の電子顕微鏡において、
   前記演算部は、計測位置と電子顕微鏡の光軸とのずれ量の算出と、前記算出結果から前記補正量の算出と、を行う機能を備えることを特徴とする走査電子顕微鏡。
4. 請求項１記載の電子顕微鏡において、
   前記撮像画像は１フレームもしくはサブフレームで構成されることを特徴とする走査電子顕微鏡。
5. 請求項１記載の電子顕微鏡において、
   前記パターン検査の結果が不良と判定された際に警告を表示する表示部と、
   前記検査位置情報を記憶する記憶部と、
   前記位置において不良パターン画像を再度取得する手段と、を備えることを特徴とする走査電子顕微鏡。
6. 請求項５記載の電子顕微鏡において、
   再度取得される前記不良パターン画像は、前記位置において電子線を複数回走査することで得られる複数の画像を合成した画像であることを特徴とする走査電子顕微鏡。
7. 請求項１記載の電子顕微鏡において、
   前記複数の撮像画像は動画形式で圧縮保存されることを特徴とする走査電子顕微鏡。
8. 請求項１記載の電子顕微鏡において、
   前記判定結果が良好であった部位で撮像された複数の前記撮像画像から一つの平均画像を算出する手段と、
   前記平均画像から異常を判断する手段とを備えることを特徴とする走査電子顕微鏡。
9. 請求項１記載の電子顕微鏡において、
   取得した前記撮像画像同士の位置ずれ量を算出する手段と、
   算出された前記位置ずれ量に応じた補正を行う手段と、を備えることを特徴とする走査電子顕微鏡。
10. 試料を載せるステージと前記試料上において電子線を走査する偏向器と前記偏向器により走査された前記電子線が前記試料に照射されたことに起因する第２の電子を検出する検出器とを備えた電子光学系と、前記第２の電子を前記検出器で検出することにより得られる信号を画像化する画像メモリを備えた演算部と、前記演算部に接続された記憶部とを有する走査電子顕微鏡において、
    前記試料には複数の領域に同一パターンがそれぞれ形成されており、
    前記演算部は、
    前記複数の領域の同一パターンの画像を合成して合成画像を作成する画像合成部と、
    前記複数の領域の同一パターンの画像の各々について倍率補正を行う倍率補正部、又は歪曲補正を行う歪曲補正部、或いはその両者と、
    を有することを特徴とする走査電子顕微鏡。
11. 請求項１０記載の走査電子顕微鏡において、
    前記記憶部は、前記複数の領域の同一パターンの画像の各々を動画形式で圧縮保存するものであることを特徴とする走査電子顕微鏡。
12. 請求項１０記載の走査電子顕微鏡において、
    前記演算部は、前記複数の領域の同一パターンの画像の各々についてパターンの有無を判定するパターン有無判定部を更に有することを特徴とする走査電子顕微鏡。
13. 請求項１２記載の走査電子顕微鏡において、
    前記パターン有無判定部は、前記複数の領域の同一パターンの画像の各々の階調値でパターンの有無を判定するものであることを特徴とする走査電子顕微鏡。
14. 請求項１０記載の走査電子顕微鏡において、
    前記合成画像は、前記複数の領域の同一パターンのシステマティックな欠陥検査に用いられるものであることを特徴とする走査電子顕微鏡。
15. 請求項１０記載の走査電子顕微鏡において、
    前記合成画像は、前記複数の領域の同一パターンの寸法計測に用いられるものであることを特徴とする走査電子顕微鏡。

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