JP2019078578A - パターン計測方法、パターン計測装置、及びコンピュータープログラム - Google Patents

パターン計測方法、パターン計測装置、及びコンピュータープログラム Download PDF

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Abstract

【課題】本発明は、周波数成分を持つ計測ノイズを除去したラフネス評価値を導出するパターン計測方法等の提供を目的とする。【解決手段】上記目的を達成するために、複数フレームの信号から積算数が異なる複数の積算信号を生成し、当該積算数が異なる複数の信号のそれぞれから、前記パターンのエッジ位置情報を、当該エッジに沿って取得し、当該エッジ位置情報と基準位置情報との差を求め、当該差に基づいて前記エッジの特定空間周波数のスペクトル成分、或いは標準偏差を求め、前記積算数に関する値を説明変数、前記スペクトル成分或いは標準偏差に関する値を目的変数とした回帰分析を行い、当該回帰分析によって得られた値を前記パターンのラフネス指標値、或いは前記信号に含まれるノイズ指標値として出力する計測法を提案する。【選択図】 図１

Description

本開示は、半導体デバイス等に形成されたパターンの計測装置、及び計測処理をコンピューターに実行させるコンピュータープログラムに係り、特に、計測に伴うノイズ等に依らず、パターン形状のばらつき等のパターンの指標値を高精度に計測するパターン計測装置、及びコンピュータープログラムに関する。
半導体デバイスの微細化に伴い、ナノメートルオーダーの幅を持つパターンを可視化できる走査電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＥＭ）を用いた計測や検査の重要性が増大しつつある。特許文献１には、パターン側壁に形成される凹凸をＳＥＭによって得られた信号を用いて評価する評価法が説明されている。この凹凸はラインエッジラフネス（ＬＥＲ）、或いはライン幅ラフネス（Ｌｉｎｅ Ｗｉｄｔｈ Ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ：ＬＷＲ）と呼ばれている。ラフネスは半導体デバイス上に形成された回路の特性に影響を与えるため、適正な評価を行う必要がある。
また、特許文献２には、ＡｒＦレジストのような電子ビームの照射によってシュリンクする材料からなるパターンの線幅を正確に測定するために、複数回のビーム走査に基づく複数回の測定を行うと共に、外挿によってシュリンク前（ビーム照射前）の線幅を推定する手法が説明されている。
特許第４８０１４２７号（対応米国特許ＵＳＰ７，６１９，７５１） 特許第３８２３１１７号（対応米国特許ＵＳＰ７，２８５，７７７）
走査電子顕微鏡等の計測装置から出力される画像を用いてラフネスを高精度に計測する場合、画像信号に含まれるノイズを考慮する必要がある。真のＬＥＲと計測ノイズは別々の空間周波数特性を持つが、観察されるＬＥＲの空間周波数特性は両者が混在したものであり、計測ノイズの存在によって計測精度が低下する。特許文献１、２共に周波数成分を持つノイズの混在に対する解決法については何ら論じられていない。
以下に、周波数成分を持つ計測ノイズの特定、或いは当該計測ノイズを除去したラフネス評価値の導出を目的とするパターン計測方法、装置、及びコンピュータープログラムを提案する。
上記目的を達成するための一態様として、試料上に形成されたパターンにビームを複数回走査することによって、複数フレームの信号を取得し、当該複数フレームの信号から積算数が異なる複数の積算信号を生成し、当該積算数が異なる複数の信号のそれぞれから、前記パターンのエッジ位置情報を、当該エッジに沿って取得し、当該エッジ位置情報と基準位置情報との差を求め、当該差に基づいて前記エッジの特定空間周波数のスペクトル成分、或いは標準偏差を求め、前記積算数に関する値を説明変数、前記スペクトル成分或いは標準偏差に関する値を目的変数とした回帰分析を行い、当該回帰分析によって得られた値を前記パターンのラフネス指標値、或いは前記信号に含まれるノイズ指標値として出力する
方法、装置、及びコンピュータープログラムを提案する。
上記構成によれば、周波数成分を持つ計測ノイズの特定、或いは当該計測ノイズを除去したラフネス評価値の導出が可能となる。
真のＬＥＲのパワースペクトル密度（ＰＳＤ）と計測ノイズの算出を行う工程を示す図。 ＬＥＲの空間周波数特性算出法の工程を示す図。 複数フレームの画像信号から積算枚数の異なる複数の積算画像を生成し、各画像についてＰＳＤ解析を行う工程を示す図。 様々なフレーム数の複数画像から求めたＬＥＲ（エッジ位置点列）の分散とフレーム数の逆数の関係を示す図である。 半導体計測システムの一例を示す図。 走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）の概要を示す図。 走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）における計測ノイズの発生原理を示す図。 ＬＥＲ計測を行う際の条件を設定するＧＵＩ画面の一例を示す図。 ＬＥＲ評価値を算出する工程を示すフローチャート。
半導体集積回路の回路線幅の微細化に伴い、ウエハ上に実際に形成された回路パターンのエッジ位置の設計位置からのずれ、いわゆるＥｄｇｅ Ｐｌａｃｅｍｅｎｔ Ｅｒｒｏｒ（ＥＰＥ）への対策が急務となっている。上記ＥＰＥを十分に抑えることができないことが、上記線幅縮小の律速要因となっている。例えば、先端ロジックデバイスではサイドウォールアシスト法で作製される超微細ピッチの単純Ｌ／Ｓパターンを、上記Ｌ／Ｓエッジと直行する方向に伸びる細長孔もしくは細長島パターンを重ねることで、露光装置の解像限界を超えた様々な長方形パターンを形成する。
このとき、上記細長孔もしくは細長島パターンの先端は上記Ｌ／Ｓのスペースもしくはラインの中央になければならないが、Ｌ／Ｓのエッジ位置、細長孔（島）の先端位置がばらつくため、ずれの許容値が微細ピッチ限界を決める。すなわち、素子の設計ルールにおけるピッチ縮小限界が、前記ＬＥＲに代表される加工ばらつきが律速するようになっている。従って、これを正確に計測する必要がある。
上記ＬＥＲは、エッジ方向に様々な空間周期の変動を含む。一般に、例えば、素子寸法より長い周期（低周波）の寸法変動は、素子寸法のばらつき、従って素子性能（例えばＭＯＳトランジスタのしきい値電圧等）のばらつきを引き起こす。一方、素子寸法より短い周期（高周波）の寸法変動は、素子内寸法の変動、従って素子性能の劣化（例えばＭＯＳトランジスタのリーク電流）を引き起こす。特に、昨今、素子の微細化と並行して素子の３次元化が進んでおり、素子性能が平面的な局所寸法に敏感に依存するようになり、より高空間周波数領域のＬＥＲ変動による性能ばらつきが顕著になっている。従って、その影響を評価するため、上記ＬＥＲの空間周波数特性を求めることが重要である。
上記ＬＥＲは、加工に用いるレジスト高分子材料・プロセス、パターン露光時のショットノイズ、エッチングプロセスにおけるプラズマの挙動等により生成する。これらは、加工技術の進歩による回路パターンの設計寸法縮小と独立な現象のため、必ずしも設計ルールと比例して縮小することできない。これを解決するために、よりラインエッジラフネスの小さなレジスト材料、現像処理方法、エッチング方法が開発されているが、その有効性評価において、ラインエッジラフネスの空間周波数特性を計測する必要がある。
しかしながら、エッジを検出する際の計測誤差により、真のＬＥＲを正確に計測することが困難となる場合がある。特に、その空間周波数特性計測において、真のＬＥＲと計測ノイズは別々の空間周波数特性を持つが、観察されるＬＥＲの空間周波数特性は両者が混じったものであり、両者を分離して真のＬＥＲの空間周波数特性を求めるのが困難となる。例えば、ノイズが支配的で真のＬＥＲが埋もれてしまう場合、真のＬＥＲの計測が困難である。逆に、ノイズが真のＬＥＲより小さい場合、ノイズの影響を知ることができない。又、真のＬＥＲはしばしば１／ｆに近い特性を呈する一方、計測ノイズはいわゆるホワイトノイズであることが多い。この周波数特性の違いにより、しばしば両者を区別することができるが、真のＬＥＲとノイズが同程度の場合、両者を正確に分離することが困難になる。
上記計測誤差の主要な要因に電子の粒子性がある。図７に、ＳＥＭによるラインパターンのエッジ位置計測の原理を模式的に示す。一般に集束電子ビームをエッジ方向（ｙ方向）に垂直な方向（ｘ方向）にスキャンして、試料から放出された発生した２次電子や後方散乱（反射）電子を検出して、電子ビームの照射位置（ｘ座標）と検出信号の関係をプロットすることにより信号強度プロファイルを得る。しかしながら、電子源からの電子放出、試料内部に入射した電子の散乱、２次電子放出、後方散乱電子の発生等の各過程は確率過程であり、その結果信号強度プロファイルがばらつく。従って上記プロファイルから得られるエッジ位置もばらつくことになる。
以下に説明する実施例では、ノイズを除去した真のＬＥＲ、或いはＬＥＲに含まれるノイズ成分を選択的に求める方法、装置、及びコンピュータープログラムについて説明する。
以下に説明する実施例では、主に、試料に対する複数フレーム走査に基づいて得られる信号に基づいて、積算枚数の異なる複数の積算画像を生成し、上記複数の積算画像に含まれるエッジの周波数特性を算出し、周波数成分ごとに積算枚数に対して回帰分析を行い、回帰直線の切片に相当するパラメータ（例えばσ２）の抽出に基づいて、周波数成分ごとにラフネスの評価値を算出、又は、回帰直線の傾きに相当するパラメータから、周波数成分ごとに計測ノイズを算出する計測方法、装置、及びコンピュータープログラムについて説明する。
より具体的にはＳＥＭを用いて、半導体ウエハ上の回路パターンに対して、フレーム数ＮＦの異なる複数の像をとり、異なるフレーム数で取得した像の各々について、回路パターンエッジの基準位置（設計エッジ）に対するずれ（偏差）を求める。エッジの長手方向がＹ方向である場合、異なるＹ座標毎にずれを求める。このＹ座標毎の偏差からラフネス（ＬＥＲ）を求め、上記ＬＥＲの空間周波数スペクトル密度（ＰＳＤ）を算出する。次に各フレーム数に関する値を説明変数（本実施例ではフレーム数の逆数）とし、同一周波数のスペクトル成分（強度）に関する値を目的変数としたモデル（関数）を生成し、当該モデルを用いた回帰分析（外挿）を行う。回帰分析によって得られる切片は、理論上、フレーム数を極大化することによって得られるスペクトル成分であり、ノイズ成分が極小化された状態にて取得される値であると定義できる。このように周波数ごとに取得された推定スペクトル成分を、空間周波数当たりの強度として表すことによって、ノイズのない真のＬＥＲのパワースペクトルとして表現することが可能となる。
ここで、フレーム数に依存しない成分を真のばらつきの空間周波数特性、依存する成分を計測ノイズの空間周波数特性とする。
上記のような手法によれば、ノイズを分離して真のラインエッジラフネスの空間周波数特性を求めることにより、例えばより正確なピッチ微細化限界を推定して、チップ面積を縮小することが可能となる。また、よりラインエッジラフネスの小さなレジスト材料、現像処理方法、エッチング方法を開発することにより、半導体装置の性能や製造歩留まりが向上する。
以下、図面を用いて半導体デバイス上に形成されたパターンを計測する計測装置、パターン計測をコンピューターに実行させるコンピュータープログラム、及び当該プログラムを記憶する記憶媒体を本発明の実施例について図を用いて説明する。
以下に説明する実施例では、高精度にパターンの計測を実行する演算装置を備えた荷電粒子線装置を説明する。また、以下に説明する荷電粒子線装置は、コンピュータプロセッサと、非一時的なコンピューター可読媒体とを備えた制御装置によって制御される。非一時的なコンピューター可読媒体に記憶されたプログラムは、コンピュータプロセッサによって実行されると、システムコントローラに所定の処理を実行させるコンピューター命令で符号化され、後述するような処理工程に沿って、荷電粒子線装置の制御や計測処理を実行する。
図５は、ＳＥＭ５０１によって得られた測定結果に基づいて、パターンを計測するパターン計測装置５０２を含む計測システムの一例を示す図である。なお、図５の例では、撮像システムであるＳＥＭ５０１と、検出信号に基づいて、測定処理を実行する演算処理装置５０５（パターン計測装置５０２）がネットワークを経由して接続されている例を示しているが、これに限られることはなく、例えば後述する図６に例示した走査電子顕微鏡に含まれる画像処理部６１８で、後述するような演算処理を行うようにしても良い。
図５に例示するシステムには、ＳＥＭ５０１、得られた信号に基づいてパターンの計測等を実行するパターン計測装置５０２、及び半導体デバイスの設計データ、或いは設計データに基づいて生成されるレイアウトデータが記憶される設計データ記憶媒体５０３、及び表示部を備えた入力装置５０４が含まれている。
図６は、ＳＥＭ５０１の概要を示す図である。電子源６０１から引出電極６０２によって電子ビーム６０３が引き出され、不図示の加速電極により加速される。加速された電子ビーム６０３は、集束レンズの一形態であるコンデンサレンズ６０４により絞られた後、走査偏向器６０５により偏向される。これにより、電子ビーム６０３は、試料６０９上を一次元的又は二次元的に走査する。試料６０９に入射する電子ビーム６０３は、試料台６０８に内蔵された電極に印加された負電圧により減速されると共に、対物レンズ６０６のレンズ作用により集束されて試料６０９の表面を照射される。
試料６０９上の照射箇所からは電子６１０（二次電子、後方散乱電子等）が放出される。放出された電子６１０は、試料台６０８に内蔵された前記電極に印加された負電圧に基づく加速作用により、電子源６０１の方向に加速される。加速された電子６１０は変換電極６１２に衝突し、二次電子６１１を発生させる。変換電極６１２から放出された二次電子６１１は、検出器６１３により捕捉され、捕捉された二次電子量により検出器６１３の出力Ｉが変化する。この出力Ｉの変化に応じ、表示装置の輝度が変化する。例えば二次元像を形成する場合には、走査偏向器６０５への偏向信号と、検出器６１３の出力Ｉとを同期させ、走査領域の画像を形成する。
なお、図６に例示するＳＥＭは、試料６０９から放出された電子６１０を変換電極６１２において二次電子６１１に一端変換して検出する例を示しているが、無論このような構成に限られることはなく、例えば加速された電子の軌道上に、電子倍像管や検出器の検出面を配置する構成を採用しても良い。制御装置６１４は、撮像レシピと呼ばれるＳＥＭを制御するための動作プログラムに従って、上記ＳＥＭの各光学要素に必要な制御信号を供給する。
次に検出器６１３で検出された信号はＡ／Ｄ変換器６１７によってデジタル信号に変換され、画像処理部６１８に送られる。画像処理部６１８は複数の走査によって得られた信号をフレーム単位で積算することによって積算画像を生成する。
ここで、走査領域の１回の走査で得られる画像を１フレームの画像と呼ぶ。例えば、８フレームの画像を積算する場合、８回の２次元走査によって得られた信号を画素単位で加算平均処理を行うことによって、積算画像を生成する。同一走査領域を複数回走査して、走査毎に１フレームの画像を複数個生成して保存することもできる。
更に画像処理部６１８は、デジタル画像を一時記憶するための画像記憶媒体である画像メモリ６２０と、画像メモリ６２０に記憶された画像から特徴量（ラインやホールの幅の寸法値、ラフネス指標値、パターン形状を示す指標値、パターンの面積値、エッジ位置となる画素位置等）の算出を行うＣＰＵ６１９を有する。
さらにまた、各パターンの計測値や各画素の輝度値等を保存する記憶媒体６２１を有する。全体制御はワークステーション６２２によって行われる、必要な装置の操作、検出結果の確認等がグラフィカルユーザーインタフェース（以下、ＧＵＩと表記する）によって実現できるようになっている。また、画像メモリは、走査偏向器６０５に供給される走査信号に同期して、検出器の出力信号（試料から放出される電子量に比例する信号）を、対応するメモリ上のアドレス（ｘ,ｙ）に記憶するように構成されている。また、画像処理部６１８は、メモリに記憶された輝度値からラインプロファイルを生成し、閾値法等を用いてエッジ位置を特定し、エッジ間の寸法を測定する演算処理装置としても機能する。
このようなラインプロファイル取得に基づく寸法測定を行うＳＥＭは、ＣＤ−ＳＥＭと呼ばれ、半導体回路の線幅測定の他、様々な特徴量を計測するために用いられている。例えば、上記回路パターンのエッジにはラインエッジラフネスと呼ばれる凹凸が存在し、回路性能を変化させる要因となる。ＣＤ−ＳＥＭは上記ＬＥＲの計測に用いることができる。
ＬＥＲは、ｘ方向（例えば電子ビームの走査線方向）のエッジ位置の平均位置に対する実際のエッジ位置の乖離の程度を指標値化することによって、算出する。
以下に、ＳＥＭによって得られた検出信号に基づいて、ＬＥＲの空間周波数特性を求める手法を具体的に説明する。
図２は、ＬＥＲの空間周波数特性を求める手順を示す図である。ウエハ上の同一領域に対して、異なるフレーム数ＮＦ（例えば、ＮＦ＝２，４，８，１６）を有する複数画像Ｐ（ＮＦ）を取得する。次に、上記複数画像の各々に対して、所定の設計パターンに対応するウエハ上の構造体（例えばレジストラインパターン等）の像パターンのエッジを検出し、上記検出されたエッジ位置の設計パターン位置からのずれの点列とその標準偏差すなわちＬＥＲ＿ｏｂｓ（ＮＦ）を求める。
エッジの基準位置とのずれを求めるために、例えば設定されたデータ抽出開始点とサンプリング間隔に従って、エッジを含む計測領域内の画像データから、サンプリング点として設定されたｙ座標にて輝度プロファイルを生成し、当該プロファイルからエッジ位置に相当するｘ座標データを算出する。これを設定されたサンプリング間隔に従って、ｙ方向に移動して計算し、計測領域内のエッジラフネスのデータ点列｛Δｘｉ：Δｘ１，Δｘ２，・・・｝または｛ｗｉ：ｗ１，ｗ２，・・・｝を取得する。
次に、上記各点列をフーリエ変換して上記ＬＥＲの空間周波数スペクトル、すなわちパワースペクトル密度ＰＳＤ＿ｏｂｓ（ＮＦ、ｆ）を求める。
ここで、ｆは空間周波数である。様々なフレーム数の複数画像を取得してその各々に対してＰＳＤを求める方法に関しては、後ほど図３を用いて説明する。次に、異なる複数フレーム数ＮＦに対して求めたパワースペクトル密度ＰＳＤ＿ｏｂｓ（ＮＦ、ｆ）から、真のＬＥＲのパワースペクトル密度ＰＳＤ＿ＬＥＲ（ｆ）と計測ノイズ成分ＰＳＤ＿ｎｏｉｓｅ（ｆ）を分離した。上記分離の方法について、以下、図１を用いて説明する。
図１は、図２中の真のＰＳＤとノイズの算出を行う部分を模式的に説明する図である。上記各フレーム数ＮＦに対して求めたパワースペクトル密度ＰＳＤ（ＮＦ、ｆ）を周波数ｆ毎に、フレーム数ＮＦに対して、［数１］にフィッティングする。フィッティングは通常の線形回帰を用いることができる。図１では説明のため４つの周波数ｆ１〜ｆ４のみを示したが、実際にはＰＳＤのスペクトルの全点について行う。
［数１］
ＰＳＤ＿ｏｂｓ（ＮＦ、ｆ）＝ＰＳＤ＿ＬＥＲ（ｆ）＋ＰＳＤ＿ｎｏｉｓｅ（ｆ）／ＮＦ
ここで、各周波数ｆにおいて、ＰＳＤ＿ＬＥＲ（ｆ）はフレーム数に依存しない成分、ＰＳＤ＿ｎｏｉｓｅ（ｆ）はフレーム数に反比例する成分の比例定数である。観測されたスペクトルの各周波数成分は、上式にＲ２＞０．９５でフィッティングできた。本実施例では、ＰＳＤ＿ＬＥＲ（ｆ）を真のばらつきの空間周波数特性、ＰＳＤ＿ｎｏｉｓｅ（ｆ）を１フレーム当たりの計測ノイズの空間周波数特性とする。さらに、この様にして求めたＰＳＤ＿ＬＥＲ（ｆ）から、［数２］により所定の空間周波数範囲における真のＬＥＲの値を求める。但し、下記積分は上記所定の空間周波数範囲で行う。
［数２］
ＬＥＲ＝√（∫ＰＳＤ＿ＬＥＲ（ｆ）ｄｆ）
次に、複数フレーム画像とＰＳＤを取得する方法について図３を用いて説明する。通常の手順では、複数フレーム像を取得する際、各フレーム数の画像を各々別々に取得する。この場合 必要な全画像を取得するのに要するフレーム数は、全フレーム数の和となり、画像取得に時間を要する、又、照射量が過大となると電子線により試料にダメージが生じ計測結果が変わってしまう（特に、レジスト等有機物の場合、パターンの縮み又はシュリンク等が生じる）といった課題がある。そこで、ここでは、単一フレーム画像を必要な最大フレーム数に相当する枚数分取得し、これらを合成して異なる様々なフレーム数ＮＦを有する複数の画像を生成した。具体的にはまず、ウエハ上の同一領域をＮＦｍａｘ回（例えば８回）スキャンして、スキャン毎に画像を読み込み、ＮＦｍａｘ枚（８枚）の単一フレーム画像Ｐｓ（ｉ）（ｉ＝１〜８）を取得した。この際、マルチページに対応する画像フォーマットを用いる等してもよい。
次に、上記複数の単一フレーム画像から、異なる複数フレーム数ＮＦを有する複数画像を合成する。例えば、フレーム数２の画像は、Ｐｓ（１）＋Ｐｓ（２）、Ｐｓ（３）＋Ｐｓ（４）、‥等により、フレーム数４の画像は、Ｐｓ（１）＋Ｐｓ（２）＋Ｐｓ（３）＋Ｐｓ（４）、‥等により生成される。
複数枚の単一フレーム画像（積算前のフレーム画像）から生成される積算画像の種類は、ｎＣｒ（ｎはフレーム数、ｒは積算枚数）を演算することによって求めることができる。例えば、８フレーム分の画像データが存在する状態で、生成可能なフレーム積算数２の積算画像の種類は、８Ｃ２＝２８通りとなる。同様に、フレーム積算数３、フレーム積算数４の組み合わせも求めることができる。このような組み合わせ分、画像を生成して、その平均を取ることによって、計測ごとのばらつきを抑えることができる。一方、同じ単一フレーム画像を重複して用いるので無駄が多い。そこで、８枚の単一フレーム画像から、使用する単一フレーム画像が重複しないようにできるフレーム積算数２（３、４…）の積算画像の数、８／２＝４通り（Ｉｎｆ（８／３）＝２通り、８／２＝２通り…）の画像を生成して、その平均を取るのが望ましい。但しＩＮＴは小数点切り捨てを表す。これにより、電子線照射量を最低限に抑えつつ、異なる複数のフレーム数ＮＦ（ＮＦ＝１〜ＮＦｍａｘ、又はＮＦ＝２、４、８）に対して、複数の画像Ｐｊ（ＮＦ）（ｊ＝１〜ｍ（ＮＦ））を取得することができる。
次に、上記各画像において、パターンエッジを検出した。ここではエッジ検出において波形マッチング法を用いた。波形マッチングにおいて参照波形は、異なる走査線にそって得られた複数の波形プロファイルを平均化して求めたが、他に解析式を用いる等してもよい。波形マッチング法とは、例えば画像信号から抽出された波形信号と、参照信号波形を比較し、両者の一致度の評価に基づいて、エッジ位置を特定するものである。なお、エッジ検出方法は上記に限らず、いわゆるしきい値法等を用いてもよいが、本実施例では波形マッチング法を用いることにより、フレーム数が小さい場合にも安定にエッジを検出することができた。
低フレーム像の情報を用いる本方法では、波形マッチングを用いることが好ましいが、通常しきい値法等を採用している計測装置との互換性等を重視する場合にはこの限りではない。なお、通常のエッジ検出では、ビーム走査方向又はエッジ方向に信号の平滑化（スムージング、もしくはフィルタリング）を行う。ここではビーム走査方向に５ピクセル分の移動平均による平滑化を行った。又、検出されたエッジ位置に対しても、しばしばエッジ方向に平滑化を行なうが、これは隣接走査線毎に変化する真のＬＥＲを変化させてしまう恐れがあるので、ここでは行わなかった。
次に、所定の方法を用いて、上記各パターンエッジに沿ってエッジを直線近似、エッジに沿って近似直線上一定間隔で、各エッジ点から上記近似直線までの距離（エッジ座標のずれ）を求め、ずれの配列を求めた。ずれ配列の標準偏差がいわゆるＬＥＲとなる。なお、ここでは、例えば上記領域としてはＥＵＶ露光法により形成した５０ｎｍピッチのラインアンドスペースを１０本程度含む様に設定し、上記点列としては各画像に含まれる上記ラインパターンの左右エッジ計２０本の各々に対して求めた。
次に、ずれの配列に対してパワースペクトル密度を求めた。ここでは、マルチテ―パ法を用いた。マルチテ―パ法については、例えば、Ｐｅｒｃｉｖａｌ ＤＢ ａｎｄ Ｗａｌｄｅｎ ＡＴ (１９９３) Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ：Ｍｕｌｔｉｔａｐｅｒ ａｎｄ Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ Ｕｎｉｖａｒｉａｔｅ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ．Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓ， Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ，ＵＫ、に解説されている。
画像取得領域内に含まれる上記複数ラインエッジ毎にパワースペクトル密度を求め、それらの平均を求めて、当該画像Ｐj（ＮＦ）に対するパワースペクトル密度ＰＳＤｊ（ＮＦ、ｆ）とした。さらに、同一ＮＦに対する複数画像のパワースペクトル密度を平均化して、特定のＮＦに対するパワースペクトル密度ＰＳＤ＿ｏｂｓ（ＮＦ、ｆ）を求めた。ここにｆはエッジに沿った空間周波数である。
本方法により、パワースペクトルにおいてノイズ成分が不明確な場合にも、真のＬＥＲの空間周波数スペクトルを求めることができた。
図８は、入力装置５０４やワークステーション６２２の表示装置に表示されるＧＵＩ画面の一例を示す図である。このＧＵＩ画面では、計測条件或いは走査電子顕微鏡の装置条件の設定が可能である。まず、計測条件設定装置として用いる場合は、予め複数フレームの画像信号を取得しておき、図８に例示するようなパラメータ選択に基づいて、画像処理や演算を実行する。
図８に例示するＧＵＩ画面には、ターゲットパターン選択ウィンドウ８０１、及び測定法の選択ウィンドウ８０２が含まれている。ターゲットパターン選択ウィンドウ８０１では、ラインアンドスペース（Ｌ／Ｓ）が選択され、測定法の選択ウィンドウ８０２では、ＬＥＲ分析が選択されている。更に測定アルゴリズム選択ウィンドウ８０３では計測ノイズ（ＳＥＭノイズ）抑制アルゴリズムが選択されており、上述のような手法を用いたＬＥＲ計測法を実行するための画像処理や演算処理を行うよう設定されている。このような設定に基づいて、演算処理装置５０５、ＣＰＵ６１９は、計測ノイズ除去を伴う計測処理を実行する。
更に、上述のような計測ノイズ除去を行うためには、複数の異なるフレーム数の積算画像が必要となるため、測定法を選択する図８に例示するようなＧＵＩ画面上に、必要フレーム数設定ウィンドウ８０４と回帰分析に用いる積算画像の設定ウィンドウ８０５が設けられている。例えば既に測定用の画像が取得されている状態にある場合には、その取得フレームの数を必要フレーム数設定ウィンドウ８０４に表示し、取得フレームで形成可能な積算画像の種類を積算画像の設定ウィンドウ８０５にて設定する。図８に例示するＧＵＩ画面では１６フレーム分の画像データが存在し、ウィンドウ８０５には２フレーム、４フレーム、８フレーム、１６フレームの積算画像を形成するように設定されている。１６フレームの画像データが予め存在する場合、例えばウィンドウ８０５のプルダウンメニューとして、１６フレームで形成可能な積算画像の組み合わせを表示し、操作者に任意の組み合わせを選択させるようにしても良い。
回帰分析を行うに当たり、モデルを形成するための情報は多い方が高精度な測定を行うことができるが、一方で計測のスループットやビーム照射による試料ダメージを考えると、少フレーム走査で画像形成や計測を行うことが望ましい。そこで、積算画像の組み合わせを変えつつ計測結果を評価することができれば、計測精度と少フレーム走査の両立が可能な計測条件を見出すことが可能となる。例えば２フレーム、４フレーム、及び８フレームの積算画像だけで適正に回帰分析ができるのであれば、８フレームの走査を行うだけで、必要な情報が取得できるため、１６フレームの走査を必要としないことが判断できる。
なお、本実施例では１６フレーム（１６回の２次元走査）の画像データから、２フレーム、４フレーム、８フレーム、及び１６フレームの積算画像を生成する例を示しているが、これに限ることはなく、例えば３０（＝２＋４＋８＋１６）フレームの画像データから上記４種の積算画像を生成するようにしても良い。但し、上述のように計測スループット等を考慮すると少ないフレーム数で必要な情報が取得できた方が良いので、（最大積算数の積算画像を生成するのに必要なフレーム数＝取得フレーム数）とすることが望ましい。
また、図８に例示するＧＵＩ画面では、視野（Ｆｉｅｌｄ Ｏｆ Ｖｉｅｗ）内の計測対象となる領域を示す計測ボックスのサイズを設定するウィンドウ８０６、計測ボックスに含まれるエッジの数を設定するウィンドウ８０７、計測ボックス内の走査線数を設定するウィンドウ８０８が設けられている。これらの設定ウィンドウでは主に走査電子顕微鏡の装置条件を設定する。
更に、図８に例示するＧＵＩ画面には、ノイズ除去処理を行う前の計測ラフネス値を表示する表示枠８０９、上述のような手法を用いたノイズ除去処理によって現れる真のラフネス値（ノイズのないパターンエッジの構造を忠実に反映したラフネス値）を表示する表示枠８１０、及び上述のような手法によって求められた計測ノイズを表示する表示枠８１１が設けられている。更に、上述のようにして求められたパワースペクトルやＳＥＭ画像を表示する表示枠８１２と、当該表示枠８１２に表示する情報を選択するタグ８１１が設けられている。これら計測結果は、上述のような演算を演算装置内で実行し、その結果を表示装置に出力することによってＧＵＩ画面上に表示される。
図８に例示するようなＧＵＩ画面の採用によって、計測条件の設定に基づいた計測結果の評価を行うことができるので、適正な計測条件の設定とそれに基づく適正な計測を行うことが可能となる。
本実施例では、ラフネス指標値の１つであるエッジ位置点列の分散σを求める手法を説明する。本実施例ではＳＡＱＰ（Ｓｅｌｆ−Ａｌｉｇｎｅｄ Ｑｕａｄｒｕｐｌｅ Ｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ）法により形成したパターンを計測対象とした例について説明する。
まず、ＳＡＱＰパターンに対して複数回ビーム走査することによって複数フレームの画像（本例の場合１６フレーム）を取得する。次に、フレーム数ＮＦ＝２、４、８、１６の積算画像を生成し、それぞれの積算画像からエッジ位置点列の分散σ２（２）、σ２（４）、σ２（８）、σ２（１６）を求め、1／ＮＦに対してプロットしたところ、図４に例示するような直線が得られた。
これを［数３］にフィッティングして、ＬＥＲの真値ＬＥＲ０と計測ノイズＮｏｉｓｅを求めた。
［数３］
σ２（ＮＦ）＝ＬＥＲ０２＋Ｎｏｉｓｅ２／ＮＦ
このようにして求めたＬＥＲ０２は、実施例１でＰＳＤ０を積分して求めたＬＥＲの値とよく一致した。空間周波数特性を求める必要がない場合には、本実施例のようにＬＥＲの分散値をフィッティングすればよい。
図９は実施例１と実施例２の処理の違いを説明する図である。実施例１、実施例２共に複数フレームの画像信号を取得（ステップ９０１）し、積算枚数の異なる複数の積算画像を生成（ステップ９０２）し、エッジの位置情報を検出（ステップ９０３）し、検出されたエッジ位置と基準位置との差を求める（ステップ９０４）ところまでは同じである。
実施例１では点列についてフーリエ変換（ステップ９０５）を行い、パワースペクトル密度を求めた上で、複数の空間周波数ごとにスペクトル成分を抽出（ステップ９０６）し、空間周波数毎に回帰分析（ステップ９０８）を行うのに対し、実施例２では、ずれについて標準偏差を算出（ステップ９０７）し、その結果に基づいて回帰分析を行っている点が異なる。
更に、実施例１では回帰分析によって得られた空間周波数成分ごとのスペクトル成分或いは傾きを、プロットすることによって所定の空間周波数範囲のパワースペクトル密度を求め、出力している（ステップ９０９）のに対し、実施例２では回帰分析の結果に基づいて得られる標準偏差を出力している（ステップ９１０）点が異なる。
実施例２と同様の手法をレジストパターンに適用したところ、やや上に凸の曲線を得た。各々のフレーム数によるＣＤ計測値とＳＥＭ画像をみたところ、フレーム数が増大するとＣＤが減少するとともに、レジスト表面が平滑化していることがわかった。これは、電子線照射による材料の変質に依るものと考えられる。すなわち、高フレーム画像から求めたＬＥＲは（特にその高空間周波数成分が）実際のＬＥＲより小さい可能性が高い。そこで、実施例１又は実施例２におけるフィッティングを小さなフレーム数による画像を用いて行うようにした。ここで、実施例１に示した複数の単一フレーム像から複数フレーム像を合成する場合、できるだけ初期に撮像した像を合成することが望ましい。これにより、レジストシュリンクの影響を抑えた真のＬＥＲを求めることができた。
実施例１の結果より、ＬＥＲの計測ノイズは空間周波数に依らずほぼ一定であること、すなわち計測ノイズはいわゆるホワイトノイズであることがわかった。一方、レジストシュリンクが顕著なレジストに対して同様の解析を行ったところ、計測ノイズは高周波数領域で大きくなることがわかった。これは、フレーム数が大きくなると電子線照射によりレジスト表面のラフネスが平滑化されるため、フレーム数増加による高周波成分の減少が過大に見積もられているためと考えられる。すなわち、高周波領域は電子線照射によるダメージの影響を受けやすい。
そこで、本実施例では低周波領域から中周波領域の計測結果を選択的にフィッティングの対象とし、フィッティング結果から求めた計測ノイズの平均を求め、これを周波数に依らない計測ノイズとして全周波数領域でさし引くことにより、真のＰＳＤを推定した。
これにより、レジストシュリンクの影響を抑えた真のＬＥＲを求めることができた。
実施例１では、エッジ検出に波形マッチングを用い、エッジ方向のエッジ平滑化を行わなかった。しかしながら、通常しきい値法等を採用している計測装置では、しきい値法で検出したエッジに対してエッジ方向のエッジ平滑化を行うことが多い。そこで、本実施例では、しきい値法を用いてエッジ検出を行った。
波形マッチング法は計測ノイズ等のノイズに強く（ロバストで）、ビーム電流又はフレーム数が小さい像からも比較的安定にエッジ検出が可能である。しかしながら、しきい値法では、ビーム電流又はフレーム数が小さい場合、エッジ方向のエッジ平滑化を行わないとエッジ検出自体が困難であることが多い。そこで、本実施例ではエッジ方向に、隣接エッジ４点分の移動平均によるエッジ平滑化を行った。これにより、フレーム数２、３、４、５、６の像によるエッジ点列と各々に対するＰＳＤを求め、実施例１と同様に真のＬＥＲと計測ノイズを分離した。本実施例により求まる真のＬＥＲは、真のエッジ位置点列に対して上記エッジ方向エッジ平滑化を行った後のエッジ位置点列に対する値となる。走査線４本部以下の短周期エッジ位置変動（ＬＥＲの高空間周波数成分）が問題にならない場合には、本実施例によりＬＥＲを正しく見積もることができる。又、本実施例ではしきい値法を用いるので、エッジ検出に用いるしきい値を変化させることにより、パターン底部やパターン上部の寸法変動に対するＬＥＲを推定することもできる。
図８に走査電子顕微鏡の装置条件や既に取得されたＳＥＭ画像を用いた計測法を設定するＧＵＩ画面を例示したが、図８のＧＵＩ画面は一例に過ぎず、ＣＤＳＥＭにおける他の各種画像取得条件、撮像レシピ、計測レシピ等の設定を行えるようにしても良い。
また、図８の例ではＳＥＭに取得させるフレーム数の設定、或いは既に取得されたフレームの数を表示するウィンドウや、回帰分析に用いる積算画像の組み合わせを設定するウィンドウが例示されているが、これに加え、ＬＥＲもしくはＰＳＤ算出用エッジ検出アルゴリズム（しきい値法、又は、波形マッチング法等）、必要なパラメータ（しきい値や参照波形指定）、ＰＳＤ算出法（ＦＦＴ、又はマルチテ―パ―法等）、及び必要なパラメータ（窓関数やマルチテ―パ次数等）等を設定する設定部を設けるようにしても良い。
更に、ウエハ上の異なる複数個所で撮像した複数画像と、その各々に含まれる複数のエッジに対して求めたＬＥＲやＰＳＤに、上述のような処理を施した後、結果を平均化するための条件を設定できるようにしても良い。
上記指定は、装置本体に付随する制御コンソールのＧＵＩから設定できる。又、外部コンピューター上で、計測レシピを生成する際に指定して、これをＣＤＳＥＭ装置に読み込むことにより実行してもよい。あるいは、さらに予め取得した像に対して、オフライン計測ソフト上で、上記条件を設定して計測することもできる。
５０１…ＳＥＭ（走査電子顕微鏡）、５０２…パターン計測装置５０２、５０３…設計データ記憶媒体、５０４…入力装置、５０５…演算処理装置、５０６…メモリ、６０１…電子源６０１、６０２…引出電極、６０３…電子ビーム、６０４…コンデンサレンズ、６０５…走査偏向器、６０６…対物レンズ、６０７…真空試料室、６０８…試料台、６０９…試料（ウエハ）、６１０…電子、６１１…二次電子、６１２…変換電極、６１３…検出器、６１４…制御装置、６１７…Ａ／Ｄ変換器、６１８…画像処理部、６１９…ＣＰＵ、６２０…画像メモリ、６２１…記憶媒体、６２２…ワークステーション

Claims (15)

  1. 試料上に形成されたパターンに対しビームを複数回走査することによって得られる検出信号に基づいて、前記パターンを計測するパターン計測方法において、
    前記試料上に形成されたパターンにビームを複数回走査することによって、複数フレームの信号を取得し、
    当該複数フレームの信号から積算数が異なる複数の積算信号を生成し、
    当該積算数が異なる複数の信号のそれぞれから、前記パターンのエッジ位置情報を、当該エッジに沿って取得し、
    当該エッジ位置情報と基準位置情報との差を求め、
    当該差に基づいて前記エッジの特定空間周波数のスペクトル成分、或いは標準偏差を求め、
    前記積算数に関する値を説明変数、前記スペクトル成分或いは標準偏差に関する値を目的変数とした回帰分析を行い、
    当該回帰分析によって得られた値を前記パターンのラフネス指標値、或いは前記信号に含まれるノイズ指標値として出力することを特徴とするパターン計測方法。
  2. 請求項１において、
    前記スペクトル成分の回帰分析を複数の特定空間周波数について行い、当該回帰分析によって得られる複数の値に基づいてパワースペクトル密度を求めることを特徴とするパターン計測方法。
  3. 請求項１において、
    前記スペクトル成分の回帰分析を複数の特定空間周波数について行い、当該回帰分析モデルの傾きに基づいて、前記信号に含まれるノイズ指標値を求めることを特徴とするパターン計測方法。
  4. 請求項１において、
    前記積算数の異なる複数の積算信号に含まれるエッジの空間周波数スペクトル密度ＰＳＤ＿ｏｂｓ（Ｎ，ｆ）に対して、下記式を用いた回帰分析を行うことにより、ラフネスの周波数スペクトル密度の評価値ＰＳＤ＿ＬＥＲ（ｆ）、及び計測ノイズの周波数スペクトル密度ＰＳＤ＿ｎｏｉｓｅ（ｆ）／ＮＦの少なくとも一方を算出することを特徴とするパターン計測方法。
    ＰＳＤ＿ｏｂｓ（ＮＦ、ｆ）＝ＰＳＤ＿ＬＥＲ（ｆ）＋ＰＳＤ＿ｎｏｉｓｅ（ｆ）／ＮＦ
    ＮＦ：積算数
    ｆ：空間周波数
  5. 請求項４において、
    複数の空間周波数ｆから、下記式に基づいてラフネス評価値ＬＥＲを算出することを特徴とするパターン計測方法。
    ＬＥＲ＝√（∫ＰＳＤ＿ＬＥＲ（ｆ）ｄｆ）
  6. プロセッサによって読み取り可能な記憶媒体を含み、前記プロセッサによって実行可能なプログラム命令を格納するプログラム記憶デバイスであって、
    前記プロセッサは、
    試料上に形成されたパターンに対しビームを複数回走査することによって得られる複数フレーム分の検出信号を取得し、
    当該複数フレームの信号から積算数が異なる複数の積算信号を生成し、
    当該積算数が異なる複数の信号のそれぞれから、前記パターンのエッジ位置情報を、当該エッジに沿って取得し、
    当該エッジ位置情報と基準位置情報との差を求め、
    当該差に基づいて前記エッジの特定空間周波数のスペクトル成分、或いは標準偏差を求め、
    前記積算数に関する値を説明変数、前記スペクトル成分或いは標準偏差に関する値を目的変数とした回帰分析を行い、
    当該回帰分析によって得られた値を前記パターンのラフネス指標値、或いは前記信号に含まれるノイズ指標値として出力することを特徴とするプログラム記憶デバイス。
  7. 請求項６において、
    前記プロセッサは、
    前記スペクトル成分の回帰分析を複数の特定空間周波数について行い、当該回帰分析によって得られる複数の値に基づいてパワースペクトル密度を求めることを特徴とするプログラム記憶デバイス。
  8. 請求項６において、
    前記プロセッサは、
    前記スペクトル成分の回帰分析を複数の特定空間周波数について行い、当該回帰分析モデルの傾きに基づいて、前記信号に含まれるノイズ指標値を求めることを特徴とするプログラム記憶デバイス。
  9. 請求項６において、
    前記プロセッサは、
    前記積算数の異なる複数の積算信号に含まれるエッジの空間周波数スペクトル密度ＰＳＤ＿ｏｂｓ（Ｎ，ｆ）に対して、下記式を用いた回帰分析を行うことにより、ラフネスの周波数スペクトル密度の評価値ＰＳＤ＿ＬＥＲ（ｆ）、及び計測ノイズの周波数スペクトル密度ＰＳＤ＿ｎｏｉｓｅ（ｆ）／ＮＦの少なくとも一方を算出することを特徴とするプログラム記憶デバイス。
    ＰＳＤ＿ｏｂｓ（ＮＦ、ｆ）＝ＰＳＤ＿ＬＥＲ（ｆ）＋ＰＳＤ＿ｎｏｉｓｅ（ｆ）／ＮＦ
    ＮＦ：積算数
    ｆ：空間周波数
  10. 請求項９において、
    前記プロセッサは、
    複数の空間周波数ｆから、下記式に基づいてラフネス評価値ＬＥＲを算出することを特徴とするプログラム記憶デバイス。
    ＬＥＲ＝√（∫ＰＳＤ＿ＬＥＲ（ｆ）ｄｆ）
  11. 試料上に形成されたパターンを計測するパターン計測装置において、
    プロセッサと、
    当該プロセッサに接続されるメモリと、
    前記メモリに格納され、前記プロセッサに、
    試料上に形成されたパターンに対しビームを複数回走査することによって得られる複数フレーム分の検出信号を取得させ、
    当該複数フレームの信号から積算数が異なる複数の積算信号を生成させ、
    当該積算数が異なる複数の信号のそれぞれから、前記パターンのエッジ位置情報を、当該エッジに沿って取得させ、
    当該エッジ位置情報と基準位置情報との差を求めさせ、
    当該差に基づいて前記エッジの特定空間周波数のスペクトル成分、或いは標準偏差を求めさせ、
    前記積算数に関する値を説明変数、前記スペクトル成分或いは標準偏差に関する値を目的変数とした回帰分析を行わせ、
    当該回帰分析によって得られた値を前記パターンのラフネス指標値、或いは前記信号に含まれるノイズ指標値として出力させるように命令するコンピューター実行可能なプログラムコードを備えたことを特徴とするパターン計測装置。
  12. 請求項１１において、
    前記プログラムコードは、前記プロセッサに、
    前記スペクトル成分の回帰分析を複数の特定空間周波数について行い、当該回帰分析によって得られる複数の値に基づいてパワースペクトル密度を求めさせることを特徴とするパターン計測装置。
  13. 請求項１１において、
    前記プログラムコードは、前記プロセッサに、
    前記スペクトル成分の回帰分析を複数の特定空間周波数について行い、当該回帰分析モデルの傾きに基づいて、前記信号に含まれるノイズ指標値を求めさせることを特徴とするパターン計測装置。
  14. 請求項１１において、
    前記プログラムコードは、前記プロセッサに、
    前記積算数の異なる複数の積算信号に含まれるエッジの空間周波数スペクトル密度ＰＳＤ＿ｏｂｓ（Ｎ，ｆ）に対して、下記式を用いた回帰分析を行わせ、ラフネスの周波数スペクトル密度の評価値ＰＳＤ＿ＬＥＲ（ｆ）、及び計測ノイズの周波数スペクトル密度ＰＳＤ＿ｎｏｉｓｅ（ｆ）／ＮＦの少なくとも一方を算出させることを特徴とするパターン計測装置。
    ＰＳＤ＿ｏｂｓ（ＮＦ、ｆ）＝ＰＳＤ＿ＬＥＲ（ｆ）＋ＰＳＤ＿ｎｏｉｓｅ（ｆ）／ＮＦ
    ＮＦ：積算数
    ｆ：空間周波数
  15. 請求項１４において、
    前記プログラムコードは、前記プロセッサに、
    複数の空間周波数ｆから、下記式に基づいてラフネス評価値ＬＥＲを算出させることを特徴とするパターン計測装置。
    ＬＥＲ＝√（∫ＰＳＤ＿ＬＥＲ（ｆ）ｄｆ）
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