JP4262125B2 - パターン測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、電子線によって試料を走査し、その結果試料から放出される二次電子信号の放出量から試料表面の情報を画像化する走査電子顕微鏡を用いた測定方法に関し、パターンの平均線幅を安定に測定する方法に関する。

半導体素子の微細化に伴い、パターンのエッジラフネスが問題となっている。エッジのラフネスに関しては、その発生原因に関する研究とともに、ラフネス値での管理や、エッジラフネスを含んだ平均的な測長値を管理指標とする試みもなされている。

図２に、従来の線幅の計測方式の例を示す。測定対象とするパターンに対して、エッジ検出範囲を設定する。画像情報から画像のプロファイルを作成し、その微分波形の情報を用いてエッジ位置を決定する。左右（ピッチ測定であれば隣り合うパターンの同じ向き）のエッジ情報から線幅を決定する。パターンの凸エッジに対応する部分はＳＥＭ画像では白く表示される。設計上は直線のラインであっても、パターン形成上、その実際のエッジは図に黒の波線で示すような、波のある形状になる。このようなパターンに対して、右あるいは左のエッジに着目してエッジのばらつきを算出したものをエッジラフネス、線幅を上下に複数計測してそのばらつきを算出したものを幅ラフネスと定義する。

特開２００３−３７１３９号公報

幅ラフネスに関して、図３を用いて説明する。線幅の計測は、図３の黒の太線に示すように、左右それぞれでエッジ検出エリアを設定してその範囲内でエッジを検出する。そしてそのエッジ間の距離をそのエリアでの線幅とする。しかし、図のようにラフネスが存在する場合、図３の測定位置Ａと測定位置Ｂでは線幅は大きく異なってしまう。

これらの原因には、形状自体のばらつき以外に、測長方式に起因するばらつきが考えられる。図３の測定位置Ａ、あるいは測定位置Ｂでのプロファイルの例を図４に示す。一般的に複数の測長点に関して測長を行う際には、共通のパラメータを設定し、各測定パターンにそのパラメータを適用していくことになる。プロファイル中の最も高い点と低い点の差の３０，５０，７０％にしきい値を設定して線幅を測定する場合を考える。図４（ｂ）に示すようにパターンに局所的な段差が無い場合には、３０％、５０％、７０％の順に一定の割合で測定値が増えていく。すなわち、閾値と測長値の間に線形の関係がある。一方、図４（ａ）に示すようにプロファイルが局所的段差を持つ場合、閾値を３０％、５０％、７０％のどれにするかによって測長値が不規則に変化する。つまり、しきい値の設定次第で測長値が大きくばらつく。このような段差はパターンの一部分に突発的に現れるため、例のようなラインパターンであっても、測長に使用するエリアの設定としきい値の設定次第で測長値が大きくばらついてしまうことになる。

以上のような測長を、図３に示すような局所的なエッジラフネスをもつラインパターンに適用した場合について考える。白の太い線で示す部分がラインのエッジに対応するホワイトバンドと呼ばれる部分であり、大局的なパターンのラフネスを含んでいる。それに対して、黒の細線で示す部分が測定結果とする。大局的なパターンの形状と局所的なラフネスを区別するため、後者を黒の細い線で示している。

図のようなラフネスを持つパターンを、測定位置Ａ及びＢで計測する。測定位置Ａの四角の領域（測長エリア）において縦方向に輝度値を積算してプロファイルを作成し、その積算プロファイルから、測定位置Ａにおけるエッジ情報を取得する。同様に測定位置Ｂでのエッジ情報を取得し、測定位置Ａ，Ｂそれぞれのエッジ位置間の距離から線幅測定を行うことを考える。ラインパターンの線幅の安定した測定という意味では、図３の白線の間隔で表されるラフネスの影響を除いた線幅Ｗを測定できるのが望ましいが、前述の方式では、測定位置Ａ及びＢで測定した場合の結果は、局所的ラフネスの影響により、測定位置Ａでは線幅Ｗ_Ａ、測定位置Ｂでは線幅Ｗ_Ｂとなり、測定位置の設定によって測定結果が大きく異なってしまう。ラフネスの原因は、工程や素材などに起因するものと思われるが正確な原因は特定できていないこともあり、大局的な線幅とラフネスとは区別して測定できることが望ましい。

また、従来、エッジラフネスを含んだライン又はスペースパターン画像の平均的な線幅計測を行う場合は、多数位置での局所的な線幅計測を行い、その平均値を求めていたので、処理時間の延長、算出値の不安定性等の問題があった。

本発明の目的は、線幅を安定して計測し、局所的なラフネスと区別して簡便に測定することのできる測定方法を実現することにある。

従来のパターン画像の線幅測長技術は、あるターゲットを設定し、その範囲内で局所的にエッジ検出を行い、その情報を元に線幅を計測していたため、局所的なエッジラフネスの影響により、測長値のばらつきが発生する原因となっていた。本発明では同一画面内の複数の同一パターンの平均画像に関して測長を行うため、ばらつきの原因となる局所的なエッジラフネスと大局的なラフネス、画面内でのラフネスのばらつきを測定することができる。また、大局的なラフネスの計測に特化した場合、同一画面内の複数のパターンを重ね合わせることで画像の局所的なラフネスが平均化され、測定方式による誤差を軽減できる。

上記課題を解決するために、本発明では、線幅測定を行う場合に、測定対象とするパターンを同一画面内に複数存在する倍率で画像取得を行い、対象とするライン、スペース又はホールなどの周期情報と形状情報を用いて、取得した画像内の任意パターンの線幅とラフネスとを測定する。複数の異なる場所で取得したパターンの計測結果を画面内のパターン計測の平均値とし、画面内の複数パターンのそれぞれの持つラフネス情報を算出する。

すなわち、本発明のパターン測定方法は、走査電子顕微鏡を用いて視野内に測定対象パターンが複数入る倍率で試料像を取得するステップと、複数の測定対象パターンの各々についてそれぞれ対応する形状測定領域で複数のプロファイルを求めるステップと、複数の測定対象パターンの全ての形状測定領域において平均した平均プロファイルを求めるステップと、平均プロファイルと各測定対象パターンの形状測定領域で求めた複数のプロファイルを用いて各測定対象パターンの形状測定領域の形状ラフネスを求めるステップとを含む。測定対象パターンがライン又はスペースパターンである場合には、プロファイルからライン又はスペースの幅を算出し、平均プロファイルからライン又はスペースパターンの平均幅を算出し、形状ラフネスとして幅ラフネスを求めることができる。

平均プロファイルは、複数の測定対象パターンの各々についてそれぞれ対応する形状測定領域で求めた複数のプロファイルを平均することによって求めることができる。平均プロファイルは、また、測定対象パターン毎に形状測定領域の輝度値をライン又はスペースに沿った方向に積算して積算プロファイルを作成し、その積算プロファイルを平均することによって求めることもできる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明に係る微細パターンの検査を行う走査電子顕微鏡の構成例を示す図である。電子銃３では、高圧（５００Ｖ〜）によって加熱フィラメント２を加熱し電子ビーム８を得る。その後ウェーネルド４により引き出された電子ビーム８はアノード５によって加速される。この電子ビーム８をコンデンサレンズ６によって集束し、偏向コイル７、倍率可変１２、走査電源１５より構成される偏向信号発生器１６によって任意方向へ走査する。更に対物レンズ９にて焦点合わせ等を行い、試料室１０内の微細パターンの刻まれている試料１１上を一次元、あるいは二次元的に走査する。電子ビーム８の照射により、試料１１表面付近からその形状に応じた量の二次電子が発生し、二次電子検出器１７によって検出される。検出された二次電子は増幅器１８により増幅され、ＣＲＴ１４の輝度変調信号となる。ＣＲＴ１４は偏向信号発生器１６に同期しており、輝度変調信号は同期して照射された電子ビーム８によって試料１１の表面部分から発生する二次電子像を再現することになる。以上の手順により試料表面の情報を取得することができる。

図５に測定を想定するパターンの例を、図６にパターン測定の流れを示す。図５に示すように、測定対象とするパターンが画面内に繰り返し複数存在している場合を想定する。画面内に測長対象とするパターンが繰り返し複数存在していれば、パターン形状に関しては特に限定しない。

まず画面内の測長位置を登録する手順を図６に示す。繰り返しパターンに対し、同一画面内に対象とするパターンが複数存在するように倍率を設定する。次に画面内で登録位置の設定を行い（４０１）、登録実行する（４０２）。登録されたパターンが正しく登録されているかどうかの確認もここで行う。パターンのない部分を故意に登録した場合には、登録失敗として処理する。次に、画面内に登録パターンが存在しているかどうかの検出を行う（４０３）。複数のパターンが検出された場合には登録処理を終了し、パターンが検出されない場合には倍率を下げて（４０５）、再度、ステップ４０１からステップ４０４までの処理を繰り返し実行する。ここで倍率を下げても繰り返しパターンが出現しない場合にはエラーとして処理を終了する。パターンのない場所で異物などを登録した場合には、倍率を下げても同一パターンは存在しないので、エラーとして処理を終了する。

次に、レシピを用いて、ウェーハ内の複数の測長位置に対して自動で測長を行う場合の測定手順を図７に示す。レシピには大まかな測長位置を表す座標情報、その座標に視野移動した後、パターンマッチングによって視野探しをするためのパターン（テンプレート）、テンプレートに対する測長領域の相対位置情報、測長モード（測長のためのパラメータ）などが登録されている。テンプレートとしては、低倍で視野探しを行うときのテンプレートと、高倍で視野探しを行うときのテンプレートの２種類のテンプレートが登録されている。

最初に、パターンが登録されているレシピファイル読み出しを行う（７０１）。その後、登録パターン読み出しを行い（７０２）、パターン検出のテンプレートとする。次に、測定位置への視野移動を行う（７０３）。測定位置において、ステップ７０２で読み込んだテンプレートと同じパターンの検出を行う（７０４）。パターン検出の後に、画像を元に測長位置（複数）のプロファイル作成を行う（７０５）。画面内に複数存在するパターンのすべてに対してステップ７０４とステップ７０５の処理が終了していない場合には、次のパターン位置への移動を行い（７０７）、ステップ７０４からステップ７０６までの処理を繰り返す。画面内の複数パターンに対してプロファイルの作成が終了した後、平均プロファイルの作成を行う（７０８）。平均プロファイルは、作成した全てのプロファイルを平均することで作成してもよいし、各測定パターン毎に測長領域の輝度値を縦方向（ラインに沿った方向）に積算して積算プロファイルを作成し、その積算プロファイルを複数のパターンで平均することによって作成してもよい。

図８に示したライン・アンド・スペースパターンの場合、図８（ａ）に示すように測定領域を例えばＡ，Ｂ，Ｃの３個所として、各測定領域で断面プロファイルを作成する。図８（ａ）に黒枠で示すように測定領域Ａ，Ｂ，Ｃを上下方向に広く取り、その黒枠内において一定の間隔で複数のプロファイルを作成し、エッジ検出を行うと、上下方向のパターン形状が測定できる。図８（ｂ）に示した２本の黒い細線は、例えば測定領域Ａで測定した局所的なラフネスを含むエッジ位置、すなわちパターン形状を表す。また、測定領域Ａ，Ｂ，Ｃで作成した全てのプロファイルを重ね合わせることで、測定領域Ａ，Ｂ，Ｃにおける平均プロファイルを算出する。そして、その平均プロファイルから測定領域Ａ，Ｂ，Ｃの全てで平均したパターンの平均形状を求める。図中の白線は、こうして求められたパターンの平均形状を表している。２本の黒い細線で表される測定領域Ａあるいは測定領域Ｂ，Ｃで測定したパターン形状、すなわちその測定領域で作成した複数のプロファイルから求めたパターン形状（線幅）を白線で表される全てのパターンの前記平均形状と統計的に比較することにより、平均形状とラフネスとをより高精度に測定することができる。

測定位置Ａ，Ｂ，Ｃに関しては、同一形状ながら設計幅が異なっている場合やあらかじめ形成状態が悪いことが既知である場合には、平均プロファイルへの寄与率を設定して同様の計算を行えばよい。

このように、平均プロファイルに対して各測定位置のプロファイルを比較することにより、パターン位置による測定のばらつきを測定できる。本発明の方法によると、画像取得が低倍率ですむため、パターンへのダメージが軽減できる。また、１枚の画像から複数のパターンの測長ができるので、スループットの向上に役立つ。さらに、同一画面内の複数の同一形状パターンからその平均パターンを検出するため、測定値のばらつきの原因となる局所的なエッジラフネスの影響を軽減するとともに、各位置でのパターン形状と比較することでエッジラフネス出現の傾向を定量化できる。

本発明に係る微細パターンの検査を行う走査電子顕微鏡の構成例を示す図。 従来の線幅の計測方式の例を示す図。 ラフネスの説明図。 プロファイルの例を示す図。 測定を想定するパターンの例を示す図。 パターン測定の流れを示す図。 測定手順を示す図。 ライン・アンド・スペースパターンの測定例を示す図。

符号の説明

２：加熱フィラメント、３：電子銃、４：ウェーネルド、５：アノード、６：コンデンサレンズ、７：偏向コイル、８：電子ビーム、９：対物レンズ、１０：試料室、１１：試料、７：二次電子検出器、１２：倍率可変、１４：ＣＲＴ、１５：走査電源、１６：偏向信号発生器、１８：増幅器

Claims (4)

1. 走査電子顕微鏡を用いた繰り返しパターンの形状測定方法において、
   視野内に測定対象パターンが複数入る倍率で試料像を取得するステップと、
   複数の測定対象パターンの各々についてそれぞれ対応する複数の形状測定領域のそれぞれでプロファイルを求めるステップと、
   前記形状測定領域ごとに得られたプロファイルを平均して求めた平均プロファイルに基づいて、平均パターン幅を求めるステップと、
   前記平均プロファイルに基づいて求められた平均パターン幅と、各測定対象パターンの形状測定領域で求めた複数のプロファイルに基づいて求められるパターン幅とを比較するステップと
   を含むことを特徴とするパターン測定方法。
2. 請求項１記載のパターン測定方法において、前記測定対象パターンはライン又はスペースパターンであり、前記プロファイルからライン又はスペースの幅を算出し、前記平均プロファイルからライン又はスペースパターンの平均幅を算出し、幅ラフネスを求めることを特徴とするパターン測定方法。
3. 請求項２記載のパターン測定方法において、前記平均プロファイルは、前記測定対象パターン毎に前記形状測定領域の輝度値をライン又はスペースに沿った方向に積算して積算プロファイルを作成し、その積算プロファイルを平均することによって求めることを特徴とするパターン測定方法。
4. 電子ビームを発生する電子銃と、
   前記電子ビームを集束するコンデンサレンズと、
   前記電子ビームを試料上に走査する走査部と、
   対物レンズと、
   電子ビームの照射により試料から発生した二次電子を検出する二次電子検出器と、
   前記二次電子検出器からの信号を入力として試料像を表示する表示部と、
   視野内に測定対象パターンが複数入る倍率で前記試料像を取得し、複数の測定対象パターンの各々についてそれぞれ対応する複数の形状測定領域のそれぞれでプロファイルを求め、前記形状測定領域ごとに得られたプロファイルを平均して求めた平均プロファイルに基づいて平均パターン幅を求め、前記平均プロファイルに基づいて求められた平均パターン幅と、各測定対象パターンの形状測定領域で求めた複数のプロファイルに基づいて求められるパターン幅とを比較する処理部と
   を有することを特徴とする走査電子顕微鏡。

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