JP3745629B2 - 完全な２次元サブミクロン形状の測定の方法および装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、全般的にはサブミクロン構造またはサブミクロン形状の測定に関し、具体的には、本発明は、形状の電子ビーム画像からのそのような形状の測定に関する。さらに具体的には、本発明は、半導体ウェハ上にホトリソグラフィによって形成されたサブミクロン構造またはサブミクロン形状のエッジの相対位置の判定に特に適した測定手順および測定システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ホトリソグラフィのＫ因子が減少し続け、複合レティクル・エンハンスメント（complex reticle enhancement）技術が使用されるにつれて、ウェハ上に現れる印刷された形状が、形状と位置の両方において設計から劇的に変化する可能性がある。線幅およびオーバーレイの従来のメトリックは、まだ有用ではあるが、製品に対する多数の影響を予測するには不適切であることがしばしばである。完全な２次元でウェハ画像を正確に測定する手段が、結像、エッチング、および他のウェハ処理の製品性能に対する影響を完全に理解することを含むさまざまな応用分野で必要である。２次元形状計測学の特に重要なもう１つの応用分野が、半導体産業で幅広く提供されるようになりつつある形状予測モデルの較正での使用である。
【０００３】
完全な２次元サブミクロン形状計測学の領域では、ほとんど何も行われてこなかった。早期の２次元サブミクロン測定は、一般に、トップ・ダウンＳＥＭを用いて達成された。計測学ＳＥＭは、一般に１次元計器であり、検出されるエッジに対しておおむね垂直の単一方向に走査する。その後、この信号にエッジ検出アルゴリズムが適用される。ＳＥＭを用いる２次元計測学の早期の試みは、複数の１次元測定からなる（たとえば、棒を評価するためには、幅に沿った走査の後に、長さに沿った異なる走査を行う）。この形状の扱いは、一般に、データの質に関して多くの応用分野に不適切であり、走査が独立である（すなわち、２つの走査が単一の原点を有する座標系によって接続されない）ことが通例である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、サブミクロン形状を測定する改良された方法およびシステムを提供することである。
【０００５】
本発明のもう１つの目的は、サブミクロン形状の画像を使用して、その形状のエッジの相対位置を識別することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記および他の目的は、画素アレイ上の画像データから２次元画像形状を抽出する方法および装置を用いて達成される。この方法には、画像形状のエッジの付近で少なくとも１つの方向で輝度対画素情報を選択するステップと、十分なコントラストを有する走査を、エッジ情報を含むものとして認識するステップが含まれる。許容可能な走査は、エッジ検出アルゴリズムにかけられ、エッジ位置が検出される。画像の周囲の複数の点でエッジ検出を適用することから生成される点の位置によって、画像の２次元形状が画定される。
【０００７】
適当なエッジ検出アルゴリズムであれば、どれでも使用することができる。そのアルゴリズムは、応用分野に合わせて調整されたユーザ定義エッジ検出アルゴリズムとすることができ、たとえば、閾値エッジ検出アルゴリズムを使用することができる。また、好ましい実施形態では、選択ステップに、少なくとも４つの方向で輝度対画素情報を選択するステップが含まれ、複数の方向は、角度的に少なくとも約４５°離隔される。一実施形態では、これらの方向の１つを、近似エッジ位置に垂直にすることができる。
【０００８】
本発明の他の利益および長所は、本発明の好ましい実施形態を指定し、図示する添付図面に関連して下の詳細な説明を検討することから明白になる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
開示される方法は、電子ビームの位置との１対１対応を有する検出器信号値の規則的なグリッドからなる２次元ＳＥＭ画像を使用する。検出器信号は、調査中のサンプル上のビーム位置の関数として、１つまたは複数の検出器によって収集された電子の数に関係する。
【００１０】
図１に、通常のＳＥＭ顕微鏡写真を示す。図１の画像には、エッジが水平から垂直までのすべての角度に向く角を含む「Ｌ」字形の組が含まれる。このようなサンプルの従来のＳＥＭ測定学は、さまざまな回転状態のサンプルの複数の取付けまたは回転するビームを用いる複数の走査を必要とする。高精度測定のためには、ビーム回転状態のそれぞれで、別々の較正が必要になる。
【００１１】
本明細書で開示する方法は、図３に示されたものなどの、検出器信号がエッジの付近でピークを有するという事実を使用する。エッジは、残りの背景より輝度が高いので、比較的高い一定の輝度の輪郭線が、図２の輪郭線プロットに示されるように、エッジ位置の近似推定を与える。この近似エッジ位置を出発点として使用して、多数の方向のいずれかで近似エッジ画素位置を通過する画素輝度の線または走査を選択することができる。
【００１２】
近似エッジ位置に対する法線および補間を使用して、法線に非常に近い位置で近似エッジを通過する線の輝度対位置を作ることが可能である。しかし、実際には、４つの方向の輝度対画素位置を選択することによって、信頼性のある形でエッジを検出できることがわかっている。４つの走査によって、ある走査が法線からエッジまでの間で２２．５°を超えて外れないことが保証される。これより多数または少数の走査も、一般に、許容可能な結果を作るはずである。
【００１３】
図４ないし８に、図３の形状の最下部の指定された（円で囲まれた）区域の、ｘ方向、ｙ方向、および２つの±４５°方向のそれぞれの、選択された画素輝度対画素番号を示す。４つの走査のうちの３つは、エッジを横切るので、よい「コントラスト」（または輝度変動の範囲）を示す。水平走査は、画素番号に伴う輝度の大きい変化を示さないが、これは、走査がエッジの方向に沿っているからである。このコントラストに基づいてデータをソートすることによって、誤ったエッジ位置値を作る低品質の走査（特に、エッジにほぼ平行に走る走査）を検出し、データから破棄することができる。
【００１４】
この４走査方法を、問題の形状のエッジ付近のすべての画素に適用することによって、エッジ上の各点が共通の原点を共有する、完全な２次元画像形状を作ることが可能になる。その結果を、図９に示す。具体的に言うと、図９に示された結果を得るために、形状全体がテストされるまで、一定輝度の点のそれぞれで、４走査を適用した。
【００１５】
図１０に、定輝度法を使用することによって測定された形状と、本発明を実施する方法を使用することによって測定された形状の両方を示す。図１１および図１２に、図１０の一部の拡大図を示す。本発明の方法は、定輝度近似方法と比較して、ここで使用された一定輝度値およびエッジ検出アルゴリズムに関してより狭い垂直線幅をもたらすことに留意されたい。
【００１６】
本明細書で開示する技法は、ＳＥＭ測定学用に開発されたが、光学式、ＡＦＭ、およびＳＦＭなどの他の検出装置にも同等に良好に適用される。
【００１７】
本発明を実行するのに必要なデータ処理は、適当なコンピュータ上で行うことができ、図１３に、１例として、本発明の実践に使用することができる種類のコンピュータを示す。図１３では外部から眺められているコンピュータ・システムは、ディスク・ドライブ４４Ａおよび４４Ｂを有する中央処理装置４２を有する。ディスク・ドライブ４４Ａおよび４４Ｂは、単に、コンピュータ・システムに収納することができる複数のディスク・ドライブの象徴である。通常は、ディスク・ドライブ４４Ａなどのフロッピ・ディスク・ドライブと、ディスク・ドライブ４４Ｂのスロットによって示されるハード・ディスク・ドライブ（外部には図示されない）およびＣＤ−ＲＯＭドライブが含まれるはずである。ドライブの数および種類は、通常は異なるコンピュータ構成に伴って変化する。コンピュータは、その上に情報が表示されるディスプレイ４６を有する。通常は、キーボード５０およびマウス５２が、入力装置として使用可能である。
【００１８】
図１４は、図１３のコンピュータの内部ハードウェアのブロック図である。バス５４が、コンピュータの他の構成要素を相互接続する、主情報ハイウェイとして働く。ＣＰＵ５６が、システムの中央処理装置であり、プログラムを実行するのに必要な計算および論理演算を実行する。読取専用メモリ６０およびランダム・アクセス・メモリ６２が、コンピュータの主記憶を構成する。ディスク・コントローラ６４が、１つまたは複数のディスク・ドライブをバス５４にインターフェースする。これらのディスク・ドライブは、符号６６などのフロッピ・ディスク・ドライブ、符号７０などの内蔵または外付けのハード・ドライブ、または、符号７２などのＣＤ−ＲＯＭドライブまたはＤＶＤドライブとすることができる。ディスプレイ・インターフェース７４が、ディスプレイ７６とインターフェースし、バスからの情報をディスプレイ上で見られるようにする。外部デバイスとの通信は、通信ポート７８を介して行うことができる。
【００１９】
図１５に、本発明を実施するためのコンピュータ・プログラムを保持するのに使用することができる記憶媒体８０を示す。この媒体は、適当なコンピュータを用いて本発明を実行するのに適した形で使用することができる。通常、フロッピ・ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、またはＤＶＤなどの記憶媒体には、コンピュータが本発明に従ってその機能を実行できるようにするためにコンピュータを制御するプログラム情報が含まれる。
【００２０】
本明細書で開示される発明は、上で述べた目的を満たすように十分に計算されていることは明白であるが、当業者が多数の修正形態および実施形態を考案することができることを諒解されたい。また、添付の請求項が、そのような修正形態および実施形態のすべてを、本発明の真の趣旨および範囲に含まれるものとして包含することが意図されている。
【００２１】
まとめとして、本発明の構成に関して以下の事項を開示する。
【００２２】
（１）画素データの２次元アレイから２次元画像形状を抽出する方法であって、
前記画像形状のエッジの付近で少なくとも１つの方向で輝度対画素情報を選択するステップと、
十分なコントラストを有する走査を、エッジ情報を含む走査として認識するステップと、
許容可能な走査をエッジ検出アルゴリズムにかけるステップと、
前記エッジ位置を検出するステップと、
前記検出されたエッジの値から、前記画像の前記２次元形状を画定する点の位置を生成するステップと
を含む方法。
（２）前記エッジ検出アルゴリズムが、応用分野に合わせて調整されたユーザ定義エッジ検出アルゴリズムである、上記（１）に記載の方法。
（３）前記選択ステップが、前記画像形状のエッジの付近で複数の方向で輝度対画素情報を選択するステップを含む、上記（１）に記載の方法。
（４）前記選択ステップが、少なくとも４つの方向で輝度対画素情報を選択するステップを含む、上記（３）に記載の方法。
（５）前記少なくとも１つの方向が、近似エッジ位置に垂直である、上記（１）に記載の方法。
（６）サブミクロン構造の、検出器のアレイ上に形成される画像から２次元形状情報を抽出する装置であって、
前記画像のエッジの付近で少なくとも１つの方向で少なくとも１つの走査での検出器に関する輝度対検出器位置情報を判定する手段と、
前記画像の前記エッジ上の点を識別するために、エッジ検出アルゴリズムに従って、識別された走査を処理する手段と、
前記識別されたエッジの点から、前記構造の前記２次元形状を画定する点の位置を生成する手段と
を含む装置。
（７）前記エッジ検出アルゴリズムが、応用分野に合わせて調整されたユーザ定義エッジ検出アルゴリズムである、上記（６）に記載の装置。
（８）前記選択手段が、前記画像形状のエッジの付近で複数の方向で輝度対画素情報を選択する手段を含む、上記（６）に記載の装置。
（９）前記複数の方向が、少なくとも４つの方向を含む、上記（８）に記載の装置。
（１０）前記少なくとも１つの方向が、近似エッジ位置に垂直である、上記（６）に記載の装置。
（１１）画素アレイ上の画像データから２次元画像形状を抽出する方法ステップを実行するために計算機によって実行可能な命令のプログラムを具体的に実施する、計算機によって読み取り可能なプログラム記憶装置であって、前記方法ステップが、
前記画像形状のエッジの付近で少なくとも１つの方向で輝度対画素情報を選択するステップと、
十分なコントラストを有する走査を、エッジ情報を含む走査として認識するステップと、
許容可能な走査をエッジ検出アルゴリズムにかけるステップと、
前記エッジ位置を検出するステップと、
前記検出されたエッジの値から、前記画像の前記２次元形状を画定する点の位置を生成するステップと
を含むプログラム記憶装置。
（１２）前記エッジ検出アルゴリズムが、応用分野に合わせて調整されたユーザ定義エッジ検出アルゴリズムである、上記（１１）に記載のプログラム記憶装置。
（１３）前記選択ステップが、前記画像形状のエッジの付近で複数の方向で輝度対画素情報を選択するステップを含む、上記（１１）に記載のプログラム記憶装置。
（１４）前記選択ステップが、少なくとも４つの方向で輝度対画素情報を選択するステップを含む、上記（１３）に記載のプログラム記憶装置。
（１５）前記方向の１つが、近似エッジ位置に垂直である、上記（１１）に記載のプログラム記憶装置。
【図面の簡単な説明】
【図１】レジストの「Ｌ」字形の構造のＳＥＭ顕微鏡写真を示す図である。
【図２】定輪郭線輝度近似を使用する形状のプロットを示す図である。
【図３】走査のために選択された、「Ｌ」字形の区域を示す図である。
【図４】４５°走査に沿った画素の輝度値対画素位置のグラフを示す図である。
【図５】水平走査に沿った画素の輝度値対画素位置のグラフを示す図である。
【図６】エッジ検出に適する２つの追加走査に沿った画素の輝度値対画素位置のグラフを示す図である。
【図７】エッジ検出に適する２つの追加走査に沿った画素の輝度値対画素位置のグラフを示す図である。
【図８】図４ないし７を重ね合わせたグラフを示す図である。
【図９】本発明を実施する方法からもたらされる、測定された形状を示す図である。
【図１０】定輝度法を使用することによって判定された構造の形状と、本発明を実施する方法を使用することによって判定された同一の構造の形状を示す図である。
【図１１】図１０の一部の拡大図である。
【図１２】図１０の一部の拡大図である。
【図１３】本発明に使用することができるコンピュータ・システムを示す図である。
【図１４】本発明に使用することができるコンピュータ・システムを示す図である。
【図１５】本発明を実行するコンピュータ・プログラムを保持するのに使用することができる記憶媒体を示す図である。
【符号の説明】
４２ 中央処理装置
４４Ａ ディスク・ドライブ
４４Ｂ ディスク・ドライブ
４６ ディスプレイ
５０ キーボード
５２ マウス
５４ バス
５６ ＣＰＵ
６０ 読取専用メモリ
６２ ランダム・アクセス・メモリ
６４ ディスク・コントローラ
６６ フロッピ・ディスク・ドライブ
７０ 内蔵または外付けのハード・ドライブ
７２ ＣＤ−ＲＯＭドライブまたはＤＶＤドライブ
７４ ディスプレイ・インターフェース
７６ ディスプレイ
７８ 通信ポート
８０ 記憶媒体

Claims (12)

1. 画素データの２次元アレイから２次元画像形状を抽出する方法であって、
   前記画像形状のエッジの付近の画素である近似エッジ画素を通過し、互いに異なる方向に延伸する複数の線に沿った、前記複数の線毎の輝度対画素情報を選択するステップと、
   前記複数の線毎の輝度対画素情報のうち、十分なコントラストを有する輝度対画素情報を、エッジ情報を含む輝度対画素情報として認識するステップと、
   前記エッジ情報を含む輝度対画素情報をエッジ検出アルゴリズムにかけるステップと、
   前記エッジ位置を検出するステップと、
   前記検出されたエッジの値から、前記画像の前記２次元形状を画定する点の位置を生成するステップと
   を含む方法。
2. 前記エッジ検出アルゴリズムが、応用分野に合わせて調整されたユーザ定義エッジ検出アルゴリズムである、請求項１に記載の方法。
3. 前記選択ステップが、少なくとも４つの線に沿った輝度対画素情報を選択するステップを含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記複数の線の方向のうち、少なくとも１つの方向が、近似エッジ位置に垂直である、請求項１に記載の方法。
5. サブミクロン構造の、検出器のアレイ上に形成される画像から２次元形状情報を抽出する装置であって、
   前記画像のエッジの付近の画素である近似エッジ画素を通過し、互いに異なる方向に延伸する複数の線に沿った、前記複数の線毎の輝度対画素情報を選択する手段と、
   前記画像の前記エッジ上の点を識別するために、エッジ検出アルゴリズムに従って、前記複数の線毎の輝度対画素情報のうち、識別された輝度対画素情報を処理する手段と、
   前記識別されたエッジの点から、前記構造の前記２次元形状を画定する点の位置を生成する手段と
   を含む装置。
6. 前記エッジ検出アルゴリズムが、応用分野に合わせて調整されたユーザ定義エッジ検出アルゴリズムである、請求項５に記載の装置。
7. 前記複数の線が、少なくとも４つの線を含む、請求項５に記載の装置。
8. 前記複数の線の方向のうち、少なくとも１つの方向が、近似エッジ位置に垂直である、請求項５に記載の装置。
9. 画素アレイ上の画像データから２次元画像形状を抽出する方法ステップを実行するために計算機によって実行可能な命令のプログラムを具体的に実施する、計算機によって読み取り可能なプログラム記憶装置であって、前記方法ステップが、
   前記画像形状のエッジの付近の画素である近似エッジ画素を通過し、互いに異なる方向に延伸する複数の線に沿った、前記複数の線毎の輝度対画素情報を選択するステップと、
   前記複数の線毎の輝度対画素情報のうち、十分なコントラストを有する輝度対画素情報を、エッジ情報を含む輝度対画素情報として認識するステップと、
   前記エッジ情報を含む輝度対画素情報をエッジ検出アルゴリズムにかけるステップと、
   前記エッジ位置を検出するステップと、
   前記検出されたエッジの値から、前記画像の前記２次元形状を画定する点の位置を生成するステップと
   を含むプログラム記憶装置。
10. 前記エッジ検出アルゴリズムが、応用分野に合わせて調整されたユーザ定義エッジ検出アルゴリズムである、請求項９に記載のプログラム記憶装置。
11. 前記選択ステップが、少なくとも４つの線に沿った輝度対画素情報を選択するステップを含む、請求項９に記載のプログラム記憶装置。
12. 前記複数の線の方向の１つが、近似エッジ位置に垂直である、請求項９に記載のプログラム記憶装置。

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