JP2023019700A - 荷電粒子線装置の撮像画像に係る条件決定方法、装置およびプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】半導体パターンを適切に認識するための条件をより適切に決定する方法を提供する。【解決手段】荷電粒子線装置の撮像画像に係る条件決定方法であって、プロセッサが、複数の撮像画像を取得することを含み、各撮像画像は、ウェハ上に形成されたパターンに荷電粒子線を照射し、パターンから放出される電子を検出することを介して生成された画像であり、各撮像画像は、１つ以上の撮像条件のいずれかに従って撮像された画像であり、さらに、各撮像画像について、教示情報を取得することと、１つ以上の特徴量決定条件を取得することと、各撮像画像について、各特徴量決定条件に基づいて特徴量を算出することとを含み、撮像条件および特徴量決定条件の組み合わせからなる条件セットのそれぞれについて、複数の撮像画像に基づき、特徴量と、教示情報との回帰曲線を取得することと、回帰曲線に基づいて、条件セットのうち１つ以上を選択することとを含む。【選択図】図１

Description

本発明は、荷電粒子線装置の撮像画像に係る条件決定方法、装置およびプログラムに関する。

近年の半導体プロセスによって製造されるパターンは、微細化と多層構造化が進み、露光装置の複数層間にわたるパターンの寸法計測（たとえばオーバーレイ誤差の計測）の精度の向上が求められている。たとえば、１５ｋＶ以上の高加速の電子ビームを試料に照射したときに得られる反射電子等を検出することによって、複数の高さに位置するパターンを計測することができる。

複数のパターン間の重なりのバリエーションも増加しつつある。重なり具合が異なると、画像上の見え方が異なる。こうした課題に対し特許文献１は、領域の境界探索の起点となるテンプレートをあらかじめ作成しこれをパターン識別に用いることで、ＳＥＭ画像上で所望のパターンのみを抽出する手法が説明されている。

国際公開第２０１７／１３０３６５号パンフレット

しかしながら、従来の技術では、半導体パターンを適切に認識するための条件決定が困難であるという課題があった。このような条件として、たとえば撮像条件と、画像からパターンの特徴量を決定するための条件とがある。

撮像条件の決定には、撮像対象の構造および荷電粒子線装置の光学系および検出系の特性に対する理解が必要である。例えば、高加速の電子ビームは、対象構造に合わせた適切な加速条件を設定しないと、注目したい層のパターンを強調できなかったり、逆に注目したい層以外のパターンを強調してしまう。

画像からパターンの特徴量を決定するための条件は、画像処理条件またはその組み合わせを含む。画像処理条件の調整には高度化する画像処理アルゴリズムに対する理解が必要である。例えば、多層のパターンが映り込む撮像画像について、特定層のパターンを強調させ、不要な層の強調を抑えるための適切な画像処理条件を決定するのは困難である。

このため、たとえば撮像条件や特徴量を決定するための条件の決定難易度が増加し、調整時間が長くなり、新しく計測工程を立ち上げる際に問題となっている。

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、半導体パターンを適切に認識するための条件をより適切に決定する技術を提供することを目的とする。

本発明に係る方法の一例は、
荷電粒子線装置の撮像画像に係る条件決定方法であって、
前記方法は、プロセッサが、複数の撮像画像を取得することを含み、
各前記撮像画像は、
‐ウェハ上に形成されたパターンに荷電粒子線を照射することと、
‐前記パターンから放出される電子を検出することと、
を介して生成された画像であり、
各前記撮像画像は、１つ以上の撮像条件のいずれかに従って撮像された画像であり、
前記方法は、さらに、
‐前記プロセッサが、各前記撮像画像について、教示情報を取得することと、
‐前記プロセッサが、１つ以上の特徴量決定条件を取得することと、
‐前記プロセッサが、各前記撮像画像について、各前記特徴量決定条件に基づいて特徴量を算出することと、
を含み、
前記撮像条件および前記特徴量決定条件のうち少なくとも一方は複数であり、
前記方法は、
‐前記プロセッサが、前記撮像条件および前記特徴量決定条件の組み合わせからなる条件セットのそれぞれについて、前記複数の撮像画像に基づき、前記特徴量と、前記教示情報との回帰曲線を取得することと、
‐前記プロセッサが、前記回帰曲線に基づいて、前記条件セットのうち１つ以上を選択することと、
を含む。

本発明に係る装置の一例は、上述の方法を実行する。

本発明に係るプログラムの一例は、上述の方法をコンピュータに実行させる。

本発明に係る方法、装置およびプログラムによれば、半導体パターンを適切に認識するための条件をより適切に決定することができる。

撮像条件および画像処理条件の選択工程を示すフローチャート。 撮像条件および画像処理条件の選択機能を備えたパターン寸法およびオーバーレイ誤差の計測装置の概要を示すブロック図。 撮像条件および画像処理条件の自動選択機能を設定するＧＵＩ画面の一例を示す図。 多層構造を有する半導体デバイスの一部と、そのＳＥＭ画像の一例を示す図。下層パターンと上層パターンの両方が透けて見える例。 多層構造を有する半導体デバイスの一部と、そのＳＥＭ画像の一例を示す図。下層パターンの一部が上層パターンに隠れて見えない例。 図４Ａのパターンを不適当な撮像条件で撮像したＳＥＭ画像の例を示す図。 図５Ａのパターンを不適当な撮像条件で撮像したＳＥＭ画像の例を示す図。 図４のパターンを対象に一つ以上の画像処理条件で部分領域を抽出した例を示す図。 図５のパターンを対象に一つ以上の画像処理条件で部分領域を抽出した例を示す図。 一つ以上の特徴量決定条件で得られた部分領域の特徴量と教示情報との回帰曲線の例を示す図。 走査電子顕微鏡の一例を示す図。 図５のような下層パターンが一部隠れて見えない例において、パターンの深さなどの寸法から隠れ具合を考慮してモデルした回帰曲線の例を示す図。 実施例２において、電子ビームを傾けて図４のパターンを撮像することで、オーバーレイ誤差を疑似的に発生させたＳＥＭ画像の例を示す図。 実施例２において、電子ビームを傾けて図５のパターンを撮像することで、オーバーレイ誤差を疑似的に発生させたＳＥＭ画像の例を示す図。

以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

［実施例１］
実施例１では、オーバーレイが既知である実験用ウェハを活用する。
＜本実施例の対象となる半導体パターン例＞
以下、半導体パターンを単にパターンと呼ぶ場合がある。パターンはたとえば２次元形状によって表される。半導体ウェハを撮像するＳＥＭの電子ビームの加速電圧を上げると電子ビームが透過し、下層のパターンについてたとえば図４のＳＥＭ画像４０４、４０７および図５のＳＥＭ画像５０５、５０６のような像が得られる。

図４Ａのうち、紙面上側の図４Ａ（ａ）はＳＥＭ画像（たとえば上面図に対応する）を示し、紙面下側の図４（ｂ）は図４Ａ（ａ）の一点鎖線に沿った垂直断面図を示す。図４Ｂ、図５、図６、図７、図１３および図１４についても同様である。

図４Ａに例示する半導体試料には、以下のパターンが含まれている。
‐互いの間に複数のトレンチ（溝状パターン）を形成する複数の上層パターン４０１
‐トレンチの底部を構成するパターン４０２
‐パターン４０１の下層に位置し、パターン４０１の長手方向に直交する方向に延びるよう形成された下層パターン４０３

ＳＥＭ画像４０４には、パターン４０１～４０３が表示されている。低加速の電子ビームでは、試料表面に露出していないパターン４０３まで到達することができず、パターン４０３は表示されないが、高加速の電子ビームを照射すると、電子ビームがパターン４０１、４０２を突き抜け、パターン４０３まで到達するため、パターン４０３が表示される。

一方、パターン４０３の一部である部位４０５の上層には、パターン４０１が位置し、パターン４０３の一部である部位４０６の上層には、パターン４０２が位置する。電子ビームが透過する層の有無、厚さ、材質、等により、放出される電子量すなわち画像の明るさが異なる。このため、一つのパターン（パターン４０３）が複数の画像濃淡度で描出されることになる。

図４Ｂに、上層パターン４０１と、トレンチの底部に位置するパターン４０２と、下層パターン４０３との間でオーバーレイ誤差が生じた場合のＳＥＭ画像４０７およびその断面図を示す。ＳＥＭ画像４０７の各部位の明るさはＳＥＭ画像４０４と変わらないが、ＳＥＭ画像４０７では部位４０６がオーバーレイ誤差に応じてずれた状態で映る。

図４に示す例では、パターン４０３の両端が、部位４０６に示す通りトレンチの底部に位置するパターン４０２に均等に延びていることが望ましいので、パターン間の関係がそのようになっているかどうかを確認できると好適である。従って、図４に示すＳＥＭ画像でオーバーレイ誤差を計測するには、上層パターン４０１と、トレンチの底部に位置するパターン４０２と、下層パターン４０３と、の各々の領域を抽出すると好適である。

また、図５Ａに例示する半導体試料には、以下のパターンが含まれている。
‐深い（たとえばミクロンオーダ以上の）穴パターンの上層を形成するパターン５０１
‐穴パターンの下層を構成するパターン５０２
‐穴底に表れるパターン５０３

ＳＥＭ画像５０５には、パターン５０１～５０３および、穴パターンの側壁部のパターン５０４が表示されている。低加速の電子ビームでは、穴底に表れるパターン５０３から放出される電子が上面から脱出できず（たとえば側壁に吸収され）、パターン５０３は表示されない。一方、高加速の電子ビームを照射すると、パターン５０３から放出される電子がパターン５０１を突き抜け、上面から脱出できるため、パターン５０３が表示される。

図５Ｂに上層パターン５０１と下層パターン５０３との間でオーバーレイ誤差が生じた場合のＳＥＭ画像５０５と断面図の例を示す。図４と異なり、穴が深いために、穴底に表れるパターン５０３のうち上層パターン５０１が重なっている部位は、高加速ビームでも上層パターン５０１を往復で突き抜けることができない。このため、ＳＥＭ画像上ではパターン５０３の形状が完全には表れず、パターン５０１と側壁部位のパターン５０４の明るさで上書きされている。

図５に示す例では、下層パターン５０３が穴底の中心に位置していることが望ましいので、パターン間の関係がそうなっているかどうかを確認できると好適である。従って、図５に示す画像でオーバーレイ誤差を計測するには、穴底に表れるパターン５０２と、パターン５０３との各々の領域を抽出すると好適である。

図４と図５に示すＳＥＭ画像例はいずれも断面図に示す上層パターンと下層パターンがＳＥＭ画像上で確認できるケースである。しかし、このように画像上でパターンを強調させるには、加速電圧や検出器のエネルギ弁別条件などの撮像条件を適切に決定する必要がある。

撮像条件は、たとえば、以下の少なくとも一方に関する情報を含む。
‐荷電粒子線の照射エネルギ
‐放出される電子を検出する際に用いられるエネルギのしきい値

このような撮像条件を用いると、撮像条件を適切に調節することにより良好な画像を取得できる可能性が高まる。

図４と図５の半導体パターンにおいて、撮像条件が不適切な場合のＳＥＭ画像の例を図６と図７に各々示す。図６Ａでは、加速電圧が低すぎたために下層パターン４０３を強調できていないＳＥＭ画像６０５を示す。図６Ｂでは、逆に加速電圧が高すぎたために、上層パターン４０１と、トレンチの底部に位置するパターン４０２との明るさのコントラストが消えているＳＥＭ画像６０６を示す。同様に、図７Ａでは、加速電圧が低すぎたために穴底に表れるパターン５０３を強調できていないＳＥＭ画像７０５を示し、図７Ｂでは、逆に加速電圧が高すぎたために穴底と側壁の明るさのコントラストが消えているＳＥＭ画像７０６を示す。

パターン寸法やオーバーレイ誤差の計測工程の立ち上げ時には、図６や図７に示す不適切なＳＥＭ画像とならないように、作業員がマニュアルで撮像条件を調整する場合がある。しかし、これには前記の通り、撮像対象の構造と、荷電粒子線装置の光学系および検出系の特性とに対する理解が必要である。また、図４や図５に示すＳＥＭ画像が得られたとして、領域特徴量として所望のパターン寸法やオーバーレイ誤差を決定するための特徴量決定条件も、作業員がマニュアルで調整する場合がある。しかし、これも前記の通り、パターン寸法やオーバーレイ誤差計測の画像処理アルゴリズムに対する理解が必要である。このため、撮像条件と特徴量決定条件の調整は作業員への負荷が大きく、調整に時間を要することが課題となっている。

＜実施例１に係る荷電粒子線装置＞
図１１は、実施例１において利用可能な荷電粒子線装置の一種である走査電子顕微鏡（ＳｃａｎｎｉｎｇＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＥＭ）１１００の概要を示す図である。電子源１１０１から引出電極１１０２によって引き出され、図示しない加速電極によって加速された電子ビーム１１０３は、集束レンズの一形態であるコンデンサレンズ１１０４によって、絞られた後に、走査偏向器１１０５により、試料１１０９上を一次元的、或いは二次元的に走査される。電子ビーム１１０３は試料台１１０８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１１０６のレンズ作用によって集束されて試料１１０９上に照射される。

電子ビーム１１０３が試料１１０９に照射されると、当該照射個所から二次電子、及び後方散乱電子等の電子１１１０が放出される。放出された電子１１１０は、試料に印加される負電圧に基づく加速作用によって、電子源方向に加速され、変換電極１１１２に衝突し、二次電子１１１１を生じさせる。変換電極１１１２から放出された二次電子１１１１は、検出器１１１３によって捕捉され、捕捉された二次電子量によって、検出器１１１３の出力が変化する。この出力に応じて図示しない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１１０５への偏向信号と、検出器１１１３の出力との同期をとることで、走査領域の画像を形成する。

なお、図１１に例示する走査電子顕微鏡は、図示しない加速電極に高電圧（例えば１５ｋＶ以上）の印加が可能な装置であり、高加速で電子ビームを照射することによって、試料表面には露出されていない埋設パターン等に、電子ビームを到達させることができる。

なお、図１１の例では試料から放出された電子を変換電極にて一端変換して検出する例について説明しているが、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ような構成とすることも可能である。また、変換電極１１１２および検出器１１１３はそれぞれ一つである必要はなく、光軸に対して方位角方向や仰角方向に分割された複数の検出面と各検出面に対応する検出器を持つ構成としても良い。この構成では、一度の撮像で検出器の数の撮像画像を同時に取得することができる。

制御装置１１２０は、たとえば以下の機能を備える。
‐走査電子顕微鏡の各構成要素を制御する機能
‐検出された電子に基づいて画像を形成する機能
‐試料上に形成されたパターンのパターン幅を計測する機能（たとえば、ラインプロファイルと呼ばれる検出電子の強度分布に基づいて計測する）

また、制御装置１１２０内には、主にＳＥＭの光学条件を制御するＳＥＭ制御装置と、検出器１１１３によって得られた検出信号の信号処理を行う信号処理装置が含まれている。制御装置１１２０は、ビームの走査条件（方向や速度等）を制御するための走査制御装置を含む。また、制御装置１１２０内には図示しない記憶媒体が備えられており、後述するような画像処理や演算をコンピューター（プロセッサを含む）に実行させるプログラムが記憶されていてもよい。コンピューターは計算機であってもよい。

＜実施例１の処理フロー＞
図１は実施例１に係る撮像条件および特徴量決定条件の選択工程を示すフローチャートである。このフローチャートは、荷電粒子線装置の撮像画像に係る条件決定方法を表す。制御装置１１２０は、図１に示す方法を実行することにより、荷電粒子線装置の撮像画像に係る条件を決定する装置として機能する。

図１に示す方法は、たとえば公知のハードウェア構成を有するコンピュータによって実行可能である。コンピュータはたとえば演算手段および記憶手段を備える。演算手段はたとえばプロセッサを含み、記憶手段はたとえば半導体メモリ装置および磁気ディスク装置等の記憶媒体を含む。記憶媒体の一部または全部が、過渡的でない(non-transitory)記憶媒体であってもよい。

また、コンピュータは入出力手段を備えてもよい。入出力手段は、たとえばキーボードおよびマウス等の入力装置と、ディスプレイおよびプリンタ等の出力装置と、ネットワークインタフェース等の通信装置とを含む。

記憶手段はプログラムを記憶してもよい。プロセッサがこのプログラムを実行することにより、コンピュータは本実施形態において説明される機能を実行してもよい。

図２に、このようなコンピュータを含む具体例を示す。図２は、撮像条件と特徴量決定条件を自動選択する機能を有する装置２００の一例を示す図である。装置２００は、たとえばパターン寸法およびオーバーレイ誤差を計測する装置である。

装置２００は、コンピュータとしての構成を有し、荷電粒子線装置の撮像画像に係る条件決定方法（たとえば図１に示すもの）を実行することにより、荷電粒子線装置の撮像画像に係る条件決定装置として機能する。

装置２００は、以下の構成要素を備える。
‐図１１に例示する走査電子顕微鏡のような画像生成装置から、画像情報を入力し、計測結果等を出力する入出力部２０５
‐ＧＵＩ画像上で必要な情報の入力を受け付ける操作部２０４
‐以下の情報を記憶する記憶部２０６
＊自動選択に用いる撮像画像
＊撮像条件
＊教示情報（たとえばパターンから直接的または間接的に測定できる情報）
＊特徴量決定条件
＊装置２００の動作に係るプログラム
‐演算部２０２を備える制御部２０１。演算部２０２は、入出力部２０５から入力された画像情報と、操作部２０４や記憶部２０６から入力された各条件情報と等に基づいて、撮像条件と特徴量決定条件の自動選択や計測に要する演算処理を実行する
‐以下の情報を表示する表示部２０３
＊走査電子顕微鏡によって得られた画像
＊画像に基づいて得られた計測結果
＊ＧＵＩ画像

図１の処理において、まず操作部２０４は、自動選択に用いるウェハのＩＤを取得する（ステップ１０１）。ウェハＩＤは、ウェハを識別するための識別情報である。

入力された当該ウェハＩＤに基づいて、記憶部２０６は当該ウェハに関する情報（撮像画像、撮像条件、教示情報）のデータを検索し、表示部２０３に表示する（ステップ１０２）。このように、複数の撮像画像のそれぞれは、ウェハＩＤに関連して取得される。ここで、ウェハＩＤに関連する撮像画像をすべて取得してもよいが、取得される撮像画像は、さらに他の情報（後述の撮像位置等）に基づいて限定されてもよく、その場合には、より後の時点で撮像画像を取得してもよい。このようにすると、適切な撮像画像のみが取得され、効率的である。

なお、ウェハＩＤに関連付いている撮像画像、撮像条件、教示情報、等のデータは、自動選択処理に先んじて予め取得して記憶部２０６に格納しておくことができる。このデータセットの一例としては、一般的な半導体検査用ＳＥＭ装置に備わっている自動撮像機能の設定データファイル（以降、「撮像レシピ」と表記）に対して、撮像画像ごとに教示情報を関連付けたデータファイルなどが考えられる。撮像レシピには、一般にユーザが設定した撮像条件と撮像対象のウェハＩＤ、そしてウェハ内の撮像位置が記録されている。

データ構造の具体例は次のようなものである。
‐各ウェハＩＤに、複数の撮像位置が関連付けられる。
‐各撮像位置について、その位置で撮像された１つ以上の撮像画像が関連付けられる。すなわち、撮像画像は、複数の位置で撮像された画像を含む。このようにすることにより、様々な位置の撮像画像に基づいて効果的な学習を行うことができる。
‐各撮像画像について、１つ以上の撮像条件のいずれかが関連付けられる。すなわち、各撮像画像は、１つ以上の撮像条件のいずれかに従って撮像された画像である。
‐各撮像画像について、１つ以上の教示情報が関連付けられる。

教示情報は、たとえばパターンのオーバーレイ誤差を含む。このような教示情報を用いることにより、半導体製造において有用な評価基準を用いることができる。

各撮像画像は、
‐ウェハ上に形成されたパターンに荷電粒子線を照射することと、
‐パターンから放出される電子を検出することと、
を介して生成された画像である。このような画像は、たとえば走査電子顕微鏡１１００によって撮像された画像とすることができる。

次に、操作部２０４は、使用者の操作に応じて撮像条件の候補リスト（候補として選択された撮像条件を１以上含む）を選択し、演算部２０２は、記憶部２０６から、選択された撮像条件に関連付いている撮像画像およびその教示情報を読み込んで取得する（ステップ１０３）。このように、複数の撮像画像のそれぞれは、撮像条件のいずれかに関連して取得されるので、使用者は撮像画像を個別に指定する必要がなく、効率的である。

選択可能な撮像条件を増やすには、例えば、撮像条件だけを変えた撮像レシピを用いて自動撮像すれば良い。

次に、操作部２０４は、使用者の操作に応じて、画像処理条件の候補リスト（候補として選択された画像処理条件を１以上含む）を選択し、演算部２０２は記憶部２０６からこの画像処理条件候補を読み込む（ステップ１０４）。

ここで、画像処理条件とは、たとえば画像から部分領域を抽出するための条件であり、例えば、画像処理アルゴリズムが単純な画像の明るさに基づくしきい値処理である場合は、画像処理条件は輝度に関する情報（たとえば輝度のしきい値）を含む。輝度に基づく画像処理は多数の方式が公知であり、多様なアルゴリズムを用いることができる。

あるいは、特許文献１に述べられているようなテンプレートを起点としたＧｒａｐｈｃｕｔ法を用いる場合には、画像処理条件は、Ｇｒａｐｈｃｕｔ法で用いる重みパラメタを含んでもよい。あるいは、深層学習などに基づく手法を用いる場合は、画像処理条件は、ネットワークのハイパーパラメータを含んでもよい。

選択可能な画像処理条件は、ユーザが任意に設定して増やしても良いし、各画像処理条件をある範囲内で均等あるいはランダムに変えて増やしても良い。

次に、操作部２０４は、自動選択処理に用いる特徴量と教示情報を、使用者の操作に応じて選択し、演算部２０２はこれを読み込んで取得する（ステップ１０５）。

ここで特徴量とは、たとえば撮像画像から抽出された部分領域に基づいて決定される領域特徴量である。例として、計測対象がパターンの寸法である場合は、領域特徴量は例として以下のうち少なくとも１つを含む。
‐部分領域の面積
‐部分領域の周の長さ
‐部分領域の最大径
‐部分領域の最小径

このような領域特徴量を用いることにより、部分領域の特定の寸法を適切に評価することができる。

この場合では、１つの画像処理条件により、１つの画像から１つの特徴量が決定される。すなわち、１つの特徴量決定条件は１つの画像処理条件を含む。

また、計測対象に応じて、特徴量決定条件として、複数の画像処理条件からなる組み合わせが用いられる。計測対象がオーバーレイ誤差である場合はその例である。たとえば、特徴量決定条件は、第１画像処理条件および第２画像処理条件を含む。演算部２０２は、各撮像画像について、第１画像処理条件に基づいて第１部分領域を抽出し、同様に、その撮像画像について、第２画像処理条件に基づいて第２部分領域を抽出する。この場合には、領域特徴量は、例として以下のうち少なくとも１つを含む。
‐第１部分領域の中心位置と、第２部分領域の中心位置とのずれ量
‐第１部分領域と第２部分領域とが重なっている部分の面積
‐第１部分領域と第２部分領域とが重なっている部分の周の長さ
‐第１部分領域と第２部分領域とが重なっている部分の最大径
‐第１部分領域と第２部分領域とが重なっている部分の最小径

このような領域特徴量を用いることにより、部分領域間の特定の重複部分の寸法を適切に評価することができる。

なお、１つの特徴量決定条件に含まれる画像処理条件の数を決定する方法は適宜設計可能であるが、たとえば各教示情報に関連付けて事前に決定しておき、選択された教示情報に基づいて演算部２０２が決定することができる。たとえば、教示情報が最大径である場合には、１つの特徴量決定条件は画像処理条件を１つだけ含み、教示情報がオーバーレイ誤差である場合には、１つの特徴量決定条件は２つの画像処理条件の組み合わせを含む。

演算部２０２は、ステップ１０１～１０５で読み込んだ撮像画像、撮像条件、教示情報、および特徴量決定条件に基づいて、各撮像条件候補における各撮像画像を各画像処理条件候補で処理し、各々の部分領域画像を得て、各部分領域画像に基づき、領域特徴量を計算する（ステップ１０６～１１０）。

たとえば、演算部２０２は、ステップ１０６において、１つの撮像条件に従って撮像された撮像画像を取得する。

次に、演算部２０２は、ステップ１０７において、各撮像画像について、候補リストに含まれる画像処理条件を１つ取得する。上述のように、画像処理条件は、領域特徴量を決定するための条件であるので、特徴量決定条件とも呼ぶことができる。

次に、演算部２０２は、その画像処理条件に基づいて画像を処理し部分領域を抽出する。

次に、演算部２０２は、ステップ１０８において、１つ以上の部分領域に基づいて領域特徴量を算出する。領域特徴量を算出するために複数の部分領域が必要な場合には、１回のステップ１０８の実行に対してステップ１０６および１０７をそれぞれ複数回実行してもよい。

このように、演算部２０２は、各撮像画像について、特徴量決定条件（単一の画像処理条件を含むか、または複数の画像処理条件からなる組み合わせを含む）に基づいて領域特徴量を算出する。

このような処理によれば、１つの部分領域から単一の領域特徴量を算出する場合であっても、複数の部分画像から単一の領域特徴量を算出する場合（オーバーレイ誤差計測等）であっても、本実施例で扱うことが可能となる。

次に、演算部２０２は、ステップ１０９において、未処理の画像処理条件がある場合にはステップ１０７に戻り、すべての画像処理条件について処理を行う。

次に、演算部２０２は、ステップ１１０において、未処理の撮像条件がある場合にはステップ１０６に戻り、すべての撮像条件について処理を行う。

図８に、図４のパターンを対象に一つ以上の画像処理条件で部分領域を抽出した例を示す。図９に、図５のパターンを対象に一つ以上の画像処理条件で部分領域を抽出した例を示す。

撮像条件１が適切な撮像条件であり、撮像条件２は不適切な撮像条件を示す。撮像位置１はパターンが正しく形成されている位置に対応し、撮像位置２はパターンが正しく形成されていない位置に対応する。部分領域画像は、各々異なる層のパターンを抽出している様子を示す。本実施例では、この撮像条件と画像処理条件の組合せ条件から、後述の処理により、適当な組合せ条件が導出される。

なお、前記の通り複数の検出器によって一度の撮像で撮像画像を得てもよい。また、図８および図９では、各部分領域は白と黒の２値画像によって表されるが、画像処理アルゴリズムに応じて、３値以上の画像によって表されてもよい。

演算部２０２は、撮像条件および特徴量決定条件の組み合わせからなる条件セットのそれぞれについて、複数の撮像画像に基づき、領域特徴量と、教示情報との回帰曲線を取得する（ステップ１１１）。

たとえば、撮像条件の候補リストが撮像条件Ａ１およびＡ２を含み、特徴量決定条件が単一の画像処理条件からなり、画像処理条件の候補リストが画像処理条件Ｂ１およびＢ２を含む場合には、条件セットは次のように４通りとなり、合計で４つの回帰曲線が取得される。
‐条件セットＸ１：撮像条件Ａ１＆画像処理条件Ｂ１
‐条件セットＸ２：撮像条件Ａ１＆画像処理条件Ｂ２
‐条件セットＸ３：撮像条件Ａ２＆画像処理条件Ｂ１
‐条件セットＸ４：撮像条件Ａ２＆画像処理条件Ｂ２

また、たとえば、撮像条件の候補リストが撮像条件Ａ１およびＡ２を含み、特徴量決定条件が２つの画像処理条件からなり、画像処理条件の候補リストが画像処理条件Ｂ１、Ｂ２およびＢ３を含む場合には、特徴量決定条件は次のように３つとなる。
‐特徴量決定条件Ｃ１：画像処理条件Ｂ１＋Ｂ２
‐特徴量決定条件Ｃ２：画像処理条件Ｂ１＋Ｂ３
‐特徴量決定条件Ｃ３：画像処理条件Ｂ２＋Ｂ３
条件セットは次のように６通りとなり、合計で６つの回帰曲線が取得される。
‐条件セットＹ１：撮像条件Ａ１＆特徴量決定条件Ｃ１
‐条件セットＹ２：撮像条件Ａ１＆特徴量決定条件Ｃ２
‐条件セットＹ３：撮像条件Ａ１＆特徴量決定条件Ｃ３
‐条件セットＹ４：撮像条件Ａ２＆特徴量決定条件Ｃ１
‐条件セットＹ５：撮像条件Ａ２＆特徴量決定条件Ｃ２
‐条件セットＹ６：撮像条件Ａ２＆特徴量決定条件Ｃ３

なお、ここで、条件セットは複数である。すなわち、撮像条件および特徴量決定条件のうち少なくとも一方は複数である。

図１０に、教示情報としてオーバーレイ誤差を用い、領域特徴量に異なる部分領域間の中心ずれ量を用いた場合の、回帰曲線の例を示す。一例では回帰曲線に単純な直線を用いる。たとえば、領域特徴量をＸとし、教示情報であるオーバーレイ誤差をＹとした場合に、Ｙ＝ａＸ＋ｂ（ただしａ，ｂは定数）となる直線を用いる。なお、図１０に示す回帰曲線は参考例を表し、実施例１とは必ずしも整合しない。

回帰曲線を直線とすることによって、計算量を低減することができる。

また、回帰曲線は、半導体パターンに係る寸法（たとえば高さ、径、オーバーレイ誤差、等）をパラメタに用いて表すと好適である。このようにすると、半導体パターンを適切に評価することができる。

回帰曲線には直線ではなく曲線を用いても良い。特に図１２に示すような、オーバーレイ誤差が大きくなるにつれて穴底に表れる下層パターンが徐々に上層パターンに隠れていくケースにおいては、下層パターンが穴底内でしか抽出されないため、中心のずれ量は穴底の半径が上限となる。そのような場合には、直線でなく、穴の径や深さといった寸法を用いてモデル化した関数を用いるほうが良い場合がある。たとえば、回帰曲線は、多項式曲線、双曲線、またはシグモイド曲線であってもよい。すなわち、Ｙ＝ｆ（Ｘ）として、ｆ（Ｘ）にこれらの曲線を表す関数を用いてもよい。

このような回帰曲線を用いることにより、条件セットのより柔軟な評価が可能になる。また、たとえば、領域特徴量と教示情報とが単純に一致しない場合や、領域特徴量の次元と教示情報の次元とが異なる場合であっても、適切に条件セットを評価することができる。

ステップ１１１の後、演算部２０２は、これらの回帰曲線のうち回帰誤差が最小となるものを選択し、これに対応する条件セットを取得する（ステップ１１２）。すなわち、演算部２０２は、回帰曲線に基づいて、条件セットを１つ選択する。なお、変形例として、複数の条件セット（たとえば上位所定範囲）を選択してもよい。

最後に、記憶部２０６は、選択された条件セット（すなわち、撮像条件と特徴量決定条件との組み合わせ。なお上述のように特徴量決定条件は１つ以上の画像処理条件を含む）を、ウェハＩＤに関連付けて記憶する。

図１の処理は、すべてのウェハＩＤについて実行することができる。その後、あるウェハを対象としてオーバーレイ計測誤差を計測する場合には、操作部２０４がそのウェハのウェハＩＤを取得し、演算部２０２は、記憶部２０６からそのウェハＩＤについて選択された条件セットを読み込み、その条件セットを用いて撮像および画像処理を行うことができる。この条件セットを用いると、パターン寸法やオーバーレイ誤差を適切に計測することが可能になる。

本実施例では、ステップ１０２で述べた教示情報として、オーバーレイ誤差が既知な実験用ウェハを用いる。実験用ウェハは、例えば露光機でパターンをウェハ上に転写する際に、意図的に露光位置をずらすなどにより作成する。これにより、パターンの露光範囲ごとに、オーバーレイ誤差の異なる実験用ウェハを作成出来る。この実験用ウェハ上のどの位置で露光範囲をどれだけずらしたかという情報と、撮像レシピを関連付けることで、ステップ１０２で必要なデータセットを作成可能である。

［実施例２］
実施例２では、傾斜ビームが活用される。本実施例は、実施例１において、教示情報が、オーバーレイ誤差に代えて、またはこれに加えて、荷電粒子線の照射角度を含むよう変更したものである。

本実施例における装置構成は、実施例１で説明した図１１に示す走査電子顕微鏡の構成と同じとすることができる。

図４Ａ、図５Ａに示すパターンに対し、各々直上方向の電子ビーム１３０１、１４０１を照射し走査した場合のＳＥＭ画像１３０３，１４０３を図１３Ａ、図１４Ａに示す。また、各々傾斜させた電子ビーム１３０２、１４０２を照射し走査した場合のＳＥＭ画像１３０４，１４０４を図１３Ｂ、図１４Ｂに示す。

図１３の例では、電子ビームを傾斜させることにより、図４ＢのＳＥＭ画像４０７に示すオーバーレイ誤差のある画像に類似した画像を生成することができる。つまり、この電子ビームの照射角度を教示情報とし、領域特徴量を異なる部分領域間の中心ずれ量とすれば、上層と下層のオーバーレイ誤差計測に適した撮像条件および画像処理条件を自動で選択できる。

また、図１４の例では、電子ビームを傾斜させることにより、穴パターンの上面の開口部と穴底のオーバーレイ誤差を模擬した画像を生成できる。つまり、この電子ビームの照射角度を教示情報とし、領域特徴量を異なる部分領域間の中心ずれ量とすれば、このオーバーレイ誤差の計測に適した撮像条件および画像処理条件を自動で選択できる。

このオーバーレイ誤差は深穴の傾き具合を示し、図５で述べた下層パターンの中心からのずれとは異なる指標であるが、深穴工程における有用な管理指標の一つである。

本実施例によれば、特殊な実験用サンプルを用意する必要なく、走査電子顕微鏡装置だけで教示情報の取得および撮像条件と画像処理条件の自動選択を行うことができる。

［実施例３］
実施例３では、電気特性値が活用される。
本実施例は、実施例１において、教示情報が、オーバーレイ誤差に代えて、またはこれに加えて、電気特性情報を含むよう変更したものである。本実施例における装置構成は、実施例１で説明した図２に示すブロック図および図１１に示す走査電子顕微鏡の構成と同じとすることができる。

一般に、半導体デバイスは配線工程後に、その電気性能的な良否を確認する目的で電気特性検査が行われる。従って、この電気特性の良否を表す教示情報（たとえば、静電容量、電気抵抗、等）を用いることで、撮像条件および画像処理条件の最適化が行える場合がある。

本実施例によれば、電気性能という半導体デバイスの最終性能に基づく撮像条件および画像処理条件の最適化が行える。

なお、実施例１～３では撮像条件と画像処理条件の両方を同時に自動選択する方法について述べたが、片方の条件を固定し、もう片方だけを自動選択するような運用とすることも可能である。

［実施例４］
実施例４では、ＧＵＩ（グラフィカルユーザインタフェース）が使用される。
本実施例は、実施例１～３のいずれかにおいて、さらに特定のＧＵＩを用いるよう変更したものである。図３に示す撮像条件と画像処理条件の自動選択機能ボックス３００は、以下の構成要素を画面上に表示する。
‐ウェハＩＤの入力ボックス３０４
‐撮像条件候補の選択ボックス３０１（撮像条件を選択するための選択ボックス。ステップ１０１～１０３）
‐画像処理条件候補の選択ボックス３０２（特徴量決定条件を選択するための選択ボックス。ステップ１０４）
‐領域特徴量および教示情報の選択ボックス３０３（教示情報を選択するための選択ボックス。ステップ１０５）

実施例４によれば、操作部２０４が、教示情報および特徴量決定条件を取得するためのＧＵＩを出力するので、使用者は必要な項目を容易に入力することができる。

図３に示すように、ＧＵＩは、撮像条件に関連付けられた教示情報を表示してもよい。このようにすると、使用者は利用可能な教示情報を容易に把握することができる。

２００…装置
２０１…制御部（プロセッサ）
２０２…演算部
２０３…表示部
２０４…操作部
２０５…入出力部
２０６…記憶部
３００…自動選択機能ボックス
３０１～３０３…選択ボックス
３０４…入力ボックス
４０１～４０３…パターン
４０４…ＳＥＭ画像
４０５…部位
４０６…部位
４０７…ＳＥＭ画像
５０１～５０４…パターン
５０５…ＳＥＭ画像
６０５…ＳＥＭ画像
６０６…ＳＥＭ画像
７０５…ＳＥＭ画像
７０６…ＳＥＭ画像
１１００…走査電子顕微鏡
１１０１…電子源
１１０２…引出電極
１１０３…電子ビーム
１１０４…コンデンサレンズ
１１０５…走査偏向器
１１０６…対物レンズ
１１０８…試料台
１１０９…試料
１１１０…電子
１１１１…二次電子
１１１２…変換電極
１１１３…検出器
１１２０…制御装置
１３０１、１３０２…電子ビーム
１３０３、１３０４…ＳＥＭ画像

Claims (20)

1. 荷電粒子線装置の撮像画像に係る条件決定方法であって、
   前記方法は、プロセッサが、複数の撮像画像を取得することを含み、
   各前記撮像画像は、
   ‐ウェハ上に形成されたパターンに荷電粒子線を照射することと、
   ‐前記パターンから放出される電子を検出することと、
   を介して生成された画像であり、
   各前記撮像画像は、１つ以上の撮像条件のいずれかに従って撮像された画像であり、
   前記方法は、さらに、
   ‐前記プロセッサが、各前記撮像画像について、教示情報を取得することと、
   ‐前記プロセッサが、１つ以上の特徴量決定条件を取得することと、
   ‐前記プロセッサが、各前記撮像画像について、各前記特徴量決定条件に基づいて特徴量を算出することと、
   を含み、
   前記撮像条件および前記特徴量決定条件のうち少なくとも一方は複数であり、
   前記方法は、
   ‐前記プロセッサが、前記撮像条件および前記特徴量決定条件の組み合わせからなる条件セットのそれぞれについて、前記複数の撮像画像に基づき、前記特徴量と、前記教示情報との回帰曲線を取得することと、
   ‐前記プロセッサが、前記回帰曲線に基づいて、前記条件セットのうち１つ以上を選択することと、
   を含む、方法。
2. 請求項１に記載の方法において、
   前記撮像条件は、
   ‐前記荷電粒子線の照射エネルギ、および、
   ‐放出される前記電子を検出する際に用いられるエネルギのしきい値、
   の少なくとも一方に関する情報を含む、方法。
3. 請求項１に記載の方法において、
   前記特徴量決定条件は、複数の画像処理条件からなる組み合わせを含み、
   前記プロセッサは、各前記撮像画像について、各前記画像処理条件に基づいて部分領域を抽出することを介して、前記特徴量を算出する、方法。
4. 請求項１に記載の方法において、
   前記教示情報は、半導体パターンのオーバーレイ誤差を含む、方法。
5. 請求項１に記載の方法において、
   前記教示情報は、荷電粒子線の照射角度を含む、方法。
6. 請求項１に記載の方法において、
   前記教示情報は、電気特性情報を含む、方法。
7. 請求項１に記載の方法において、
   前記特徴量決定条件は、輝度に関する情報を含む、方法。
8. 請求項３に記載の方法において、
   前記特徴量は、
   ‐前記部分領域の面積、
   ‐前記部分領域の周の長さ、
   ‐前記部分領域の最大径、および
   ‐前記部分領域の最小径、
   のうち少なくとも１つを含む、方法。
9. 請求項３に記載の方法において、
   前記画像処理条件は、第１画像処理条件および第２画像処理条件を含み、
   前記プロセッサは、各前記撮像画像について、前記第１画像処理条件に基づいて第１部分領域を抽出し、
   前記プロセッサは、各前記撮像画像について、前記第２画像処理条件に基づいて第２部分領域を抽出し、
   前記特徴量は、
   ‐前記第１部分領域の中心位置と、前記第２部分領域の中心位置とのずれ量、
   ‐前記第１部分領域と前記第２部分領域とが重なっている部分の面積、
   ‐前記第１部分領域と前記第２部分領域とが重なっている部分の周の長さ、
   ‐前記第１部分領域と前記第２部分領域とが重なっている部分の最大径、および
   ‐前記第１部分領域と前記第２部分領域とが重なっている部分の最小径
   のうち少なくとも１つを含む、方法。
10. 請求項１に記載の方法において、
    前記回帰曲線は直線である、方法。
11. 請求項１に記載の方法において、
    前記回帰曲線は、半導体パターンに係る寸法をパラメタに用いて表される、方法。
12. 請求項１に記載の方法において、
    前記回帰曲線は、多項式曲線、双曲線、またはシグモイド曲線である、方法。
13. 請求項１に記載の方法において、
    前記撮像画像は、複数の位置で撮像された画像を含む、方法。
14. 請求項１に記載の方法において、
    前記方法は、前記プロセッサが、前記教示情報および前記特徴量決定条件を取得するためのグラフィカルユーザインタフェースを出力することを含む、方法。
15. 請求項１４に記載の方法において、
    前記グラフィカルユーザインタフェースは、
    ‐前記撮像条件を選択するための選択ボックスと、
    ‐前記特徴量決定条件を選択するための選択ボックスと、
    ‐前記教示情報を選択するための選択ボックスと、
    を表示する、方法。
16. 請求項１４に記載の方法において、
    前記グラフィカルユーザインタフェースは、前記撮像条件に関連付けられた教示情報を表示する、方法。
17. 請求項１に記載の方法において、
    前記方法は、前記プロセッサが前記撮像条件を取得することをさらに含み、
    前記複数の撮像画像のそれぞれは、前記撮像条件のいずれかに関連して取得される、
    方法。
18. 請求項１に記載の方法において、
    前記方法は、前記ウェハを識別するためのウェハＩＤを前記プロセッサが取得することをさらに含み、
    前記複数の撮像画像のそれぞれは、前記ウェハＩＤに関連して取得される、
    方法。
19. 請求項１に記載の方法をコンピュータに実行させるプログラム。
20. プロセッサと、
    プログラムを記憶する記憶媒体と、
    を有する計算機であって、
    前記プログラムを実行することで、前記プロセッサは、複数の撮像画像を取得し、
    各前記撮像画像は、
    ‐ウェハ上に形成されたパターンに荷電粒子線を照射することと、
    ‐前記パターンから放出される電子を検出することと、
    を介して生成された画像であり、
    各前記撮像画像は、１つ以上の撮像条件のいずれかに従って撮像された画像であり、
    前記プログラムを実行することで、前記プロセッサは、さらに、
    ‐各前記撮像画像について、教示情報を取得し、
    ‐１つ以上の特徴量決定条件を取得し、
    ‐各前記撮像画像について、各前記特徴量決定条件に基づいて特徴量を算出し、
    前記撮像条件および前記特徴量決定条件のうち少なくとも一方は複数であり、
    前記プログラムを実行することで、前記プロセッサは、
    ‐前記撮像条件および前記特徴量決定条件の組み合わせからなる条件セットのそれぞれについて、前記複数の撮像画像に基づき、前記特徴量と、前記教示情報との回帰曲線を取得し、
    ‐前記回帰曲線に基づいて、前記条件セットのうち１つ以上を選択する、
    計算機。

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