JP5063551B2 - パターンマッチング方法、及び画像処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、パターンマッチング方法、及び装置に係り、特に複数の層に亘って形成されるパターンに対するマッチング方法、及び当該マッチングを実行する装置に関する。

半導体デバイス製造工程において半導体ウェハ上に形成する薄膜パターンはその微細化，高集積化が進んでおり、それらのパターンが設計どおりにウェハ上に形成されているか否かを検査するため、正確かつ高速に処理するプロセスモニタリングの自動化の重要性が高まっている。

微細なパターンの寸法を測定する装置としては、走査電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope：ＳＥＭ）が従来から用いられている。

ＳＥＭの中でもＣＤ（Critical Dimension）−ＳＥＭと呼ばれる装置では、ステージ（試料台）に載せた半導体ウェハやマスク上のパターンを測定する際に、パターンマッチングによる位置決めが行われている。

パターンマッチング法は、試料上に形成されたユニークなパターンを表現したテンプレートを、所定の画像領域内でサーチさせ、テンプレートとの一致度の高い個所を特定する手法である。パターンマッチングによって特定されるパターンと、測定対象となるパターンとの間の相対的な位置関係が予め判っているので、微細な測定対象パターンへの速やかな位置決めが可能となる。また、測定対象そのものをマッチングパターンとすることもある。

特許文献１には、ホールパターンをパターンマッチングの対象とし、半導体パターンの設計データをテンプレートとしたパターンマッチングを行うためのパターンマッチング装置が提案されている。

特開２００７−１２１１４７号公報（対応米国特許US2007／0098248）

近年、パターンの高集積化に伴い、半導体デバイスが多層構造や３次元的な構造を持つようになってきた。デバイスに形成されるコンタクトホール等も、微細化に伴う深孔化が進み、ホールが適正に形成されているか否かは、重要な測定項目である。

一方、パターンマッチングは、マッチングの対象となるＳＥＭ画像とテンプレート間に相応の一致度が要求される。ところが、コンタクトホール等の複数層に跨るパターンは、その上側部分と下側部分の複合的な形状が、ＳＥＭ像上に表現されるパターン形状となるため、平面的なパターンと比較すると、パターン変形のバリエーションが多く、また、特にホールパターンの下側部分は、その変形が大きいことがある。更には、ホール底から放出される電子は、試料表面に付着した帯電等によって、その軌道が影響され、検出される二次電子の収率が変化する場合がある。

二次電子の検出効率により形成される画像が変化したり、パターンの変形の程度が大きくなったりすると、マッチングの成功率は下がる。その結果、誤った個所を測定してしまうこと等に基づく、測定精度の低下や、所望の測定個所を特定できないことに基づくスループット低下が懸念される。特許文献１に開示の技術は、設計データを用いたパターンマッチング法として、優れた手法が説明されているが、ホールパターンの底部の変形や、二次電子の検出効率の変化を解決すべき課題として提案されていない。

以下、三次元的に形成されたパターンの深部の状況や試料の帯電の状況に依らず、安定した位置合わせ、或いは特定層の選択的な情報抽出を行うことを目的とした方法、及び当該目的を達成するための装置について説明する。

上記目的を達成するために、パターン上部の形状が選択的に表現された第１のテンプレートを用いて、複数層が表現された画像情報上で第１のパターンマッチングを行う方法、及び装置を提案する。また、特定層の選択的な抽出を行うために、上記複数層が表現された画像情報、或いは形状情報から、パターン上部の形状に関する情報を差し引く方法、及び装置を提供する。

上記構成によれば、パターン下部から得られる情報の変動等に依らない、成功率の極めて高いパターンマッチングを行うことが可能となる。また、下位層のパターンの選択的な抽出が可能となる。

昨今、多層化された半導体デバイスを、測定，検査する重要性が高まっているが、パターンマッチングによる測定位置決定の際に、以下のような現象が散見される。

基本的にパターンマッチングは一致しているパターン部位を探索する手法であるが、そのパターン部位は、その大きさや形状が変化することがある。よって、パターンマッチングでは、対象となるパターン部位が変形することを前提として行う必要がある。パターンマッチングでの位置決め精度が不十分であれば正しい測定値は得られず、最悪の場合は全く誤った位置を測定してしまう可能性がある。

特に多層構造や３次元構造物をパターンマッチングの対象とした場合、パターンの変動要因も複数層に亘り、パターン変形のバリエーションは、各層におけるパターン変形の組み合わせとなる。特にコンタクトホール等では、コンタクトホール表面に比べ、コンタクトホール底面の変形が大きいことがある。このようなコンタクトホール底面の変形のバリエーションと、ホール表面の変形のバリエーションとの組み合わせが、パターン表面と底部が複合して表現されるコンタクトホールのＳＥＭ画像の変形のバリエーションとなる。

多種のパターン変形に対応するために、パターンの大きさや形状等の異なる多数のパターンマッチング用のテンプレートとして用意することも考えられるが、予め用意しておくテンプレートの数が膨大となり、更にマッチングの処理時間の増加も懸念される。

以下に、複数層に存在するパターンからなる複合的なパターンであっても、高いマッチング精度を実現しつつ、マッチング処理の高速化を実現可能な、パターンマッチング方法、及び当該パターンマッチングを実現する装置を説明する。

図面を用いた説明の概略は以下の通りとなる。
（１）パターンを構成する部位が複数の層（高さ）に存在するパターンが表示された画像に対し、パターン上部が選択的に表現された第１のテンプレートを用いて、第１のパターンマッチングを行い、当該第１のテンプレートによって特定されたパターンを含む領域の画像から、パターン上部の情報を差し引く、或いはパターン下部が表現された第２のテンプレートを用いて第２のパターンマッチングを行うことを特徴とするパターンマッチング法。
（２）上記第２のパターンマッチングを行う際に、第１のテンプレートに表現されたパターンの情報を差し引いた第２のテンプレートを用いるパターンマッチング法。
（３）上記第１のテンプレートを、予備帯電走査が行われていないＳＥＭ画像から取得するパターンマッチング法。
（４）第２のテンプレートを、予備帯電走査が行われたＳＥＭ画像から取得するパターンマッチング法。
（５）上記第１のパターンマッチングを行う際に、予備帯電走査が行わない状態にてＳＥＭ画像を取得するパターンマッチング法。
（６）上記第２のパターンマッチングを行う際に、予備帯電走査が行われた状態にてＳＥＭ画像を取得するパターンマッチング法。
（７）パターンを構成する部位が複数の層（高さ）に存在するパターンの上部と下部の重なりの程度に応じて、測定の実施の可否を決定するパターンマッチング法。
（８）パターンを構成する部位が複数の層（高さ）に存在するパターンの上部と下部の重なりの程度に応じて、その後の測定手法等を設定するパターンマッチング法。

上記のようなパターンマッチング法、及びそれを実現するための装置によれば、パターンの大きさや形状、そして重なり方が変動しても階層毎の形状を抽出することができ、測定位置精度を高めることができる。他にも、重なり方の変動が大きく測定処理や状況報告を如何にすべきか選択，設定できる。

図４は、荷電粒子線装置の１種であるＳＥＭの概要を説明する図である。本実施例にて説明するＳＥＭは、主として走査型電子顕微鏡本体４０１，制御部４０２，ホスト（プロセッサ）４０７，画面表示装置４０９、およびマウス（ポインティングデバイス）４１０を備えており、図のように接続されている。

制御部４０２は画像処理部Ｂ４０３，撮像制御部４０４，ステージ制御部４０５，真空制御部４０６を備えており、これらの制御部による制御を行うためのプログラムが登録されている。撮像制御部４０４は走査型電子顕微鏡本体４０１からＳＥＭ画像を得るための制御を行うものである。

ステージ制御部４０５は走査型電子顕微鏡本体４０１内のステージ（試料台）の移動制御を行うものである。

真空制御部４０６は走査型電子顕微鏡本体４０１内の排気用真空ポンプの制御を行うものである。画像処理部Ｂ４０３は撮像制御部４０４からＳＥＭ画像を入力し処理するためのものである。ホスト４０７は画像処理部Ａ４０８を有している。

操作者が確認するステップが多い画像処理については主として画像処理部Ａ（４０８）で行い、連続的に高速に行う必要がある画像処理については主として画像処理部Ｂ４０３で行う。制御部４０２とホスト４０７の間の画像情報の転送には時間コストがかかるためである。

以下に説明するパターンマッチングに供されるテンプレートを登録する処理は、ホスト４０７の画像処理部Ａ４０８にて実行する。ＳＥＭ画像は制御部から転送したものか、ホスト内の記憶装置に保存されたものである。設計データはホスト内の記憶装置に保存されたものである。画面は画面表示装置４０９に出力し、操作者はマウス４１０を用いて画面上で任意の操作する。

また、以下に説明するマッチング処理、及び形状抽出処理も同様にホスト４０７の画像処理部Ａ４０８にて実行する。ただし、ホストプロセッサの処理能力や制御部からの画像転送速度が低いと考えられる場合には、必要に応じて画像処理部Ｂ４０３で実行する。

なお、顕微鏡装置に限らず、画像情報に基づいて自動測定を行うことを目的とするものであれば、以下のアルゴリズムを適用することにより、測定位置精度を高めることができる。また実際に画像取得を行う装置に接続されていなくても、画像を処理できる環境であれば以下のアルゴリズムを利用できる。

図５は、テンプレートマッチング処理の一例を説明する図である。本マッチング処理では、得られたＳＥＭ画像に対し、エッジ強調処理を施した上で２値化処理を行った上でマッチング処理を行っている。図６はテンプレートマッチング処理の他の一例を説明する図である。当該処理では、テンプレートとＳＥＭ画像に対し、エッジ抽出処理を施した上で、平滑化処理（smoothing）を行っている。このようにエッジを敢えてぼかすことで、テンプレートとＳＥＭ画像のエッジ間の形状差が補間され、マッチングの成功率を高めることができる。特に、テンプレートが設計データをベースに作成されている場合、テンプレートとＳＥＭ画像のエッジ間の形状差が大きいので、当該手法は有効である。なお、図５，図６に示す処理例は例示に過ぎず、他の種々のパターンマッチング法の適用が可能である。

図１は、テンプレートを用いたパターンマッチングと、下層パターンの形状抽出行程の一例を説明する図である。本実施例の目的は丸い穴の半導体パターン（ホールパターン）において、下位の層として見える奥底のパターンを認識し、測定することである。下位の層として見える奥底は特に形状や大きさ，位置の変動が大きい。図１に図示する行程は、コンタクトホール底部（或いは中間層）の形状等の変形等が大きくとも、安定してテンプレートマッチングによる位置合わせを行う手法に関するものである。

まず基本的なテンプレートとなるパターン情報を準備する。テンプレートは、実際のＳＥＭ像に基づいて形成する場合と、半導体デバイスの設計データに基づいて形成する場合とがある。

前者の場合は、ホール底（パターン下部）とホール表面（パターン上部）の両方が画像上に表示された画像１０１と、ホール表面が選択的に表示された画像１０２を用意する。

画像１０１は、試料表面を正帯電させた状態で取得した像であり、画像１０２は試料表面を正帯電させない状態で取得した像である。試料表面を正帯電させる手法の１つとして、プリドーズという手法がある。プリドーズは、測定或いは検査のための画像を取得する前に、試料表面を帯電させるようなビーム走査を行うという予備帯電法である。より具体的には、二次電子発生効率（試料から出射する電子／試料に入射する電子）δが１を超えるビーム（即ち、試料に入射する電子より出射する電子の方が多い状態）を試料上で走査することによって、試料表面を正に帯電させる。

以上のような予備帯電が行われた上で、画像を形成するためのビームを走査すると、ホール底で発生した電子が、試料表面の正帯電に引き寄せられるために、ホール底で発生した電子を高効率に補足することが可能となる。画像１０１は、そのようにして取得された画像である。

一方、画像１０２は、ホール底から放出される電子が、試料表面に上ってこれない状態で、画像形成のためのビーム走査を行った結果、形成された画像である。具体的には予備帯電を行う前に、画像を取得することが考えられる。また、何等かの事情で帯電が形成されている場合や、ホールの深さが浅く、帯電を形成せずともホール底から放出された電子が試料表面まで導かれるような状態の場合には、正帯電とは逆の負帯電を形成するようなビーム（例えば二次電子発生効率が１未満のビーム）で試料を走査した後に画像を取得すれば、ホール表面を選択的に表現した画像を取得することができる。

以上のようにして取得された画像から、パターンの上部を選択的に表した上位テンプレート１０４と、パターン下部を選択的に表した下位テンプレート１０９を形成する。上位テンプレート１０４は、画像１０２の一部、或いは全部であって、ホール上部の輪郭が現れている像を選択することによって形成される。また、ホール底の情報は、本例の場合、マッチングにおける一致度判定を阻害する一因となる可能性があるので、画像上、ホール底が表示されている場合には、ホール底についてマスクを適用したり、ホール底に相当する部分の情報を選択的に失わせるような処理を行う。この他にも、ホール上部を表現した画像部分のみを選択的にマッチングの一致度計算のアルゴリズムに適用するようにしても良い。

下位テンプレート１０９は、画像１０１の内、パターン底部が表現された部分を選択（パターン上部が現れた部分を画像データから排除）することによって形成される。

一方、後者の設計データに基づいてテンプレートを形成する例の場合は、設計データ１０３内に予めパターンの上部と下部に関する情報が記憶されているため、予備帯電を行わずとも、設計データが記憶されたＧＤＳファイルなどから、必要な情報を引き出すと共に、その情報を二次元的に画像化したものを画像１０１，画像１０２、或いは上位テンプレート１０４，下位テンプレート１０９に替えて適用することができる。

以上のように少なくとも２つのテンプレートを作成した上で、以下のようにマッチング処理を行う。

まず、上位テンプレート１０４を用いて上層のみのパターンマッチングを行い、その位置と形状の抽出を行う。上層パターンの形状情報１０６は、画像１０５上で上位テンプレート１０４を用いたパターンマッチングが行われ、上層パターンが選択的に抽出されたものである。

上層のみのパターンマッチングは、上述するように、そのパターンの内部をマスクしたり、形状やエッジの特徴が上位テンプレートと一致する部分を、選択的にマッチングの対象とする処理を行うことにより、下位のパターンの変動を受けることなく行うことができる。

次にパターン位置を検出した範囲で全ての層の形状抽出を行う。多層形状情報１０７は、上位テンプレート１０４によって特定された範囲（例えば上位テンプレート１０４と同じ大きさの領域）内で、他の層の形状検出が行われた状態を示している。このように上位テンプレートによって特定される領域に、検出範囲を限定することによって、位置を誤らず、かつ処理速度の低下を防ぐことができる。

次に、下層パターンの形状情報１０８を抽出する。この処理は、多層形状情報１０７から、上層パターンの形状情報１０６を差し引くことで達成される。または、下位テンプレート１０９を用意して、特徴の一致する部分を抽出しても良いが、変動があまり大きくないときに限られる。下位テンプレート１０９は画像１０１や、設計データ１０３から指定，抽出して準備できる。

以上のように、下位の層として見える奥底のパターン形状を抽出，特定すれば、形状や大きさ，位置の変動が大きい場合でも測定位置を誤ることは無くなる。

図７は上述の２段階マッチングの他の処理例を説明するフローチャートである。本実施例では、まず、上層パターンサーチ領域７０１の中に表示された上層パターン７０３を特定するために、上層パターンテンプレート７０２を用いてパターンサーチを実施する（ステップ（ａ））。ステップ（ａ）によって、上層パターン７０３の位置が特定されるため、当該位置情報に基づいて、下層パターンを抽出するためのサーチ範囲を決定する（ステップ（ｂ））。ステップ（ｂ）では、上層パターンの位置情報を利用して、上層パターンサーチ領域７０１より狭い領域を、下層パターンのサーチ領域７０４として設定する。下層パターンのサーチ領域の大きさは任意に設定が可能であるが、上層パターンサーチ領域７０１より狭い領域であり、且つ下層パターンのために用意される下層パターンテンプレート７０５より大きな領域とすることが望ましい。

次に下層パターン７０６を包囲する上層パターン領域に対し電子ビーム走査によるプリドーズを実行する（ステップ（ｃ））。プリドーズは、試料表面（上層）を正帯電させることで、深孔の底（下層）から放出された電子を引き出す技術であるので、電子ビームは深孔の底を包囲する試料表面領域に対して走査される必要がある。プリドーズを実施すると、深孔の底から放出され、試料表面に引き出される電子の量が飛躍的に増加するため、下層のパターンサーチ領域７０４の画像は、下層パターン７０６が強調されたような像となる（ステップ（ｄ））。

以上のように下層パターンが強調された下層のパターンサーチ領域７０４の中で、下層パターンテンプレート７０５を用いて、パターンサーチを行い（ステップ（ｅ））、下層パターンの位置を特定する（ステップ（ｆ））。下層パターンテンプレートに表示された上層パターンのエッジ部分７０７は必要に応じて、画像処理により削除することで、マッチングの成功率を更に高めることが可能となる。

更に、プリドーズのプロセスは必ずしも必要なものではない。しかしながら、２段階マッチングにおいて、プリドーズ前後の画像を用いることによって、上層と下層がそれぞれ強調された像に基づいてマッチング処理を行うことができるので、高精度なマッチング処理を実現することが可能となる。

図２は、テンプレートを用いたパターンマッチングの他の行程例を説明する図である。図２に図示する行程例も、実施例１と概略同じものであるが、実施例１では、測定を行う検査対象を撮像して取得した画像１０５では、上下の層の特徴が似通っていて区別が困難であったり、上層の変動が大きく、上下の層の情報が混在していては上位テンプレート１０４とのマッチングが困難な場合を想定している。

画像情報２０１は測定を行う検査対象の上位の層だけのパターンを撮像して取得したものである。この画像情報２０１を用いて上位テンプレート１０４とのマッチングを行い、位置の検出と形状の抽出を行う。そして、別個に取得した画像１０５で全ての層の形状抽出を行う。本例の場合は、上層と下層の形状抽出が行われ、多層形状情報１０７が得られる。当該多層形状情報１０７から、上層パターンの形状情報１０６を差し引くことで、下層パターンの形状情報１０８を抽出する。

以下に、コンタクトホールパターンの下位層を自動測定する場合のエラーハンドリング例について説明する。ＣＤ−ＳＥＭにおいてパターンの自動測定を行う場合、画像上に所定の情報が得られていないにも係らず、当該情報があるものとして測定を行ってしまうと、測定対象とは異なる対象物であるにも係らず、測定を実施してしまうことになり、測定結果の信頼性が低下する恐れがある。本例では、所定の情報が得られていないときには、その旨の警告、或いは測定を終了させることで、信頼性の高い情報のみを選択的に抽出可能な方法、及び装置について説明する。

図３は、得られた画像の種類によって、測定処理を変化させる際の対応例を説明する図である。

ケースＡ３０１は下位の層として見える奥底のパターンが上位の層と重なり合うことなく見えたケースである。測定しようとした位置（図中の矢印）が一意に決定できる。この場合、特に問題は無く、測定可能である。よって、下層パターンの通常測定を実行する。

ケースＢ３０２は下位の層として見える奥底のパターンが上位の層と接しているか重なり合って見えたケースである。

このようなケースの場合、下層のパターン幅を測定すると、上層と下層間の測定となる。このような測定対象を測定する場合には、設定１を選択し、このような測定対象の測定を望まない場合には、エラー情報を発生して測定動作を終了させる設定２を選択する。

ケースＣ３０３は下位の層として見えるはず奥底のパターンが全く見えなかったケースである。

当該ケースにおいても測定値ゼロを出力し、警告を発生するのか（設定１）、エラー情報を発生して測定動作を終了するのか（設定２）を設定により選択できるようにすることで、使用者の意に沿った測定結果を得ることが可能となる。

なお、上述の実施例では、測定位置と位置決めテンプレートの登録方法において、最初に自動で表示するテンプレートを過去に登録されたものの情報を元に（学習など）して確度を上げても良い。またテンプレートの有効位置の変更において、あらかじめ設定したプリセットではなく任意の位置を指定できるようにしても良い。更に、相似構造パターンマッチングにおいて相似の位置関係に尤度を持たせ、測定対象の変形に対してロバストに対応できるようにしても良い。またその尤度を操作者がパラメータ設定できるようにしても良い。

パターンの上部を選択的に表現したテンプレートを用いたパターンマッチングに基づく、パターン下部の形状抽出処理の一例を説明する図である。 パターンの上部を選択的に表現したテンプレートを用いたパターンマッチングに基づく、パターン下部の形状抽出処理の他の例を説明する図である。 得られた画像の種類によって、測定処理を変化させる際の対応例を説明する図である。 ＳＥＭシステムの概略を説明する図である。 テンプレートマッチング処理の一例を説明する図である。 パターンマッチング処理の一例を説明する図。 上層パターンと下層パターンに対する２段階マッチングの一例を説明する図。

符号の説明

４０１ 走査型電子顕微鏡本体
４０２ 制御部
４０３ 画像処理部Ｂ
４０４ 撮像制御部
４０５ ステージ制御部
４０６ 真空制御部
４０７ ホスト
４０８ 画像処理部Ａ
４０９ 画面表示装置
４１０ マウス

Claims (10)

1. 荷電粒子線装置にて得られる画像上のパターンと、登録されたテンプレートとの間でパターンマッチングを行うパターンマッチング方法において、複数層からなるパターンが表現された画像情報と、当該複数層の内、パターンの上層が選択的に表現されたテンプレートとの間で、第１のパターンマッチングを行い、当該複数層からなるパターンの位置を特定することを特徴とするパターンマッチング方法。
2. 請求項１において、
   前記位置特定に基づいて得られた画像情報から、前記上層に関する情報を差し引くことを特徴とするパターンマッチング方法。
3. 請求項１において、
   前記位置特定に基づいて得られた画像情報と、前記複数層の内、パターンの下層が選択的に表現されたテンプレートとの間で、第２のパターンマッチングを行い、当該下層のパターン位置を特定することを特徴とするパターンマッチング方法。
4. 請求項３において、
   前記第２のパターンマッチングに供されるテンプレートは、前記試料に対する電子ビームの予備走査によって、前記試料上が正に帯電したときに取得された画像に基づいて形成されることを特徴とするパターンマッチング方法。
5. 請求項１において、
   前記複数層からなるパターンが表現された画像情報は、前記試料に対する電子ビームの予備走査によって、前記試料上が正に帯電したときに取得された画像に基づいて形成されることを特徴とするパターンマッチング方法。
6. 荷電粒子線装置にて得られる画像上のパターンと、登録されたテンプレートとの間でパターンマッチングを行う画像処理装置において、
   複数層からなるパターンが表現された画像情報と、当該複数層の内、パターンの上層が選択的に表現されたテンプレートとの間で、第１のパターンマッチングを行い、当該複数層からなるパターンの位置を特定することを特徴とする画像処理装置。
7. 請求項６において、
   前記位置特定に基づいて得られた画像情報から、前記上層に関する情報を差し引くことを特徴とする画像処理装置。
8. 請求項６において、
   前記位置特定に基づいて得られた画像情報と、前記複数層の内、パターンの下層が選択的に表現されたテンプレートとの間で、第２のパターンマッチングを行い、当該下層のパターン位置を特定することを特徴とする画像処理装置。
9. 請求項８において、
   前記第２のパターンマッチングに供されるテンプレートは、前記試料に対する電子ビームの予備走査によって、前記試料上が正に帯電したときに取得された画像に基づいて形成されることを特徴とする画像処理装置。
10. 請求項６において、
    前記複数層からなるパターンが表現された画像情報は、前記試料に対する電子ビームの予備走査によって、前記試料上が正に帯電したときに取得された画像に基づいて形成されることを特徴とする画像処理装置。

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