JP5134804B2 - 走査電子顕微鏡および走査電子顕微鏡像の歪み校正 - Google Patents

Description

走査電子顕微鏡および走査電子顕微鏡像の歪み校正に関する

近年半導体素子は微細化が益々進んでおり，より高精度な寸法管理が必要となってきている。そこで半導体製造の現場では走査電子顕微鏡を用いた寸法管理が行われている。しかし，走査電子顕微鏡では電磁偏向器を用いて電子ビームを走査する際に走査歪みと呼ばれる歪みが生じる。走査電子顕微鏡の偏向器が発生する偏向磁場は，中心付近では一様であるが，端部では一様にはなっておらず，走査歪みの大きな原因となっている。この走査信号の非線形性から走査電子顕微鏡による寸法管理には誤差が生じる。そこで特許文献１では、この走査歪みによる誤差の校正方法および装置について提案されている。具体的には同一試料の同一箇所を電子顕微鏡視野内の複数の位置で観察し，大きさを計測する。電子顕微鏡視野内の複数の位置で計測した結果を各々比較し計測結果の誤差から，走査電子顕微鏡の走査歪みを計測するものである。

特開２０００-４８７５５号公報

しかし，特許文献１では同一試料の同一箇所を複数回計測することが必要であり，走査電子顕微鏡像を複数回取得する際にコンタミネーションや帯電現象などによる寸法変化の影響を無視できない。また，走査電子顕微鏡像内の異なる箇所に測定対象を移動させる際にステージ移動の精度や偏向などの新たな歪みが発生することが考えられ，正確な走査歪み計測が困難である。

まず走査電子顕微鏡像を取得する。そして該走査電子顕微鏡像から任意の複数の領域を選択し，それぞれの領域でのパターンピッチを計測し，該計測結果から走査歪み量を算出する。該走査歪み量計測結果を走査電子顕微鏡の偏向器へ反映し偏向器を制御することで走査歪みのない走査電子顕微鏡像を提供する。あるいは走査歪み計測結果を走査電子顕微鏡像の寸法計測時の倍率へ反映し，寸法値を計測する。

走査電子顕微鏡像を任意の複数領域に分け，該任意の複数の領域における計測結果から走査歪み量を算出できることから，コンタミネーションや帯電現象などによる寸法変化の影響が少ない，正確な走査歪み量を算出することができる。

本発明の実施形態の一例を図に基づいて詳細に説明する。
図1は本実施例の走査電子顕微鏡のシステム構成を示した概略図である。本実施形態の走査電子顕微鏡システムは主に電子光学系1と，試料から発生する二次電子または反射電子を検出する検出器8と，検出器8で得られた二次電子または反射電子の情報を基に画像を生成し様々な演算を行う演算部108と，演算結果を保存する記憶部11と，画像を表示する表示部10と，電子光学系を制御する電子光学系制御部12で構成される。電子光学系1は主に電子ビームを発生する電子銃2と，該電子ビームを収束させるコンデンサレンズ3と，該電子ビームを試料上で走査するための偏向器4と，該電子ビームを試料上でジャストフォーカスさせる対物レンズ5で構成される。

本実施例における走査歪み補正のためのフローについて図2を用いて説明する。図2は走査電子顕微鏡の走査歪みを抑制する偏向信号を偏向器4へ反映させ，走査歪みの少ない走査電子顕微鏡像を取得する場合のフローである。本実施例では，まず，電子銃2から電子ビームが生成される。次に該電子ビームを電子光学系制御部12で制御した信号により試料上で走査させ，発生した二次電子を二次電子検出器8で検出する。該検出器8で検出された二次電子信号をもとに画像取得部101において走査電子顕微鏡像が生成される。そして該走査電子顕微鏡像内の任意の複数の小領域を選択し小領域生成部102で各領域を形成する。ここで任意の複数の小領域は予め記憶部11に保存された小領域を用いても良いし，オペレータが表示部10に表示された二次電子像をもとにキーボードやマウス等の入力手段を介して任意に選択ないし領域指定しても良い。任意の複数の小領域内のパターン寸法あるいはパターンピッチを寸法測定部103にて計測し，走査歪みの算出を歪み分布算出部104にて行う。次に算出された走査歪みを表示部10に表示し，走査歪み補正を行うか否かを判断する。ここで補正をするか否かについては表示結果に基づいてオペレータが判断しても良いし、演算部において或る閾値を設けて、小領域ごとにこの閾値を越えた場合に補正を実行するようにしても良い。このようにして走査歪み補正を行わない場合においては，以上で走査歪み補正を終了する。走査歪み補正を行う場合は，まず走査歪み補正量を演算部108内の走査歪み補正量算出部106において算出し，該補正量に従った電子光学系信号を電子光学系制御部12にて制御する。

本実施例の，二次電子像から小領域生成部102にて任意の複数の小領域を選択する工程と小領域内のパターン寸法計測を行う工程について詳細に説明する。

走査電子顕微鏡像を取得した後，演算部内の小領域生成部102により任意の複数の小領域を選択することができる。該選択の際，オペレータが手動で小領域の大きさや小領域の数などを設定することもできるが，図3に示すようなGUIによって任意の複数の小領域を指定することもできる。該任意の複数の小領域は記憶部11に二次元ディジタル画像として記憶される。該二次元ディジタル画像は，工程204において記憶部11から呼び出され，該複数の小領域内の標準試料のパターンピッチを寸法測定部103にてそれぞれ計測する。

パターン寸法やパターンピッチを計測する工程において，走査電子顕微鏡でパターン寸法やパターンピッチを計測するアルゴリズムについて詳細に説明する。パターンの断面図と該パターンを観察した際の走査電子顕微鏡信号を図４に示す。走査電子顕微鏡ではパターンのエッジ部分で2次電子信号強度が大きくなり，この信号極大部分をホワイトバンドと呼ぶ。従来ではこの現象から，ホワイトバンド間の幅を計測することでパターンの線幅やパターンピッチが計測を行っていた。

しかし，パターン幅が短くなってくると両エッジのホワイトバンド間隔が小さくなり，図５のように両エッジのピークが重なり一つのピークになる。従来のホワイトバンドを用いる計測アルゴリズムでは図５の信号波形のときには計測の信頼性が低下する。

そこで，本実施例ではホワイトバンドを用いた計測アルゴリズムではなく，FFTあるいは相関関数を使った評価方法を用いる。FFTあるいは相関係数を使った評価方法では小領域内の信号波形から標準試料の繰り返し周期を計算でき，周波数解析から標準試料のパターンピッチが算出されるので，図５に示すような信号波形のときにも正確な計測が可能である。

例えば線幅10nm程度の多層膜の断面を選択エッチングした試料を用いることで300ｋ倍程度の高倍率でもアルゴリズムを用いることで測長を行うことが可能であり，本実施例により高倍率測長時の歪み校正が可能である。

FFTあるいは相互相関法で算出される標準試料のパターンピッチは小領域内の平均的なパターンピッチであり標準試料の局所的なラフネスや走査電子顕微鏡のノイズに影響を受けにくく，信頼性の高い計測結果を得られる。

図3では標準試料のパターンピッチ計測アルゴリズムとしてFFTを用い，任意の小領域の数は9領域とし，小領域の大きさは64pixelとした場合を示しているが，該パラメータはGUIによって任意に設定することが可能である。

本実施例では測長を行う際，任意の小領域内に少なくとも3本以上のパターンを有することが必要である。図6に小領域内のパターン本数によるFFT周波数空間信号の変化を示す。パターンが2本以下しか含まれないときは直流成分と繰り返し信号が分離できず，パターンの測長が行えない。パターンが3本以上含まれていると直流成分と繰り返し信号の分離が可能であり，本実施例では小領域内に少なくとも3本以上のパターンが含まれることが必要である。小領域に少なくとも3本以上のパターンが必要なので，一つの標準試料で高倍率・低倍率計測時の歪みを計測・校正することができない。そこで，本実施例では高倍率・低倍率計測時の歪みを共に校正するため，複数の線幅あるいはパターンピッチを有する標準試料を用いる。例えば，多層膜試料とパターンピッチ100nmの標準試料などである。ただし本実施例はこれに限るものではない。

任意の複数の小領域毎の標準試料のパターンピッチ計測結果の分布から，歪み分布算出
部104により二次電子像の歪み分布を算出する。具体的には小領域毎のパターンピッチ計
測結果と標準試料の公称値との差分を歪み分布としても良いし，小領域のうちの一つを基
準として，該小領域のパターンピッチ計測結果と該小領域以外の小領域のパターンピッチ
計測結果との差分を歪み分布としても良い。そして算出された小領域毎の歪み分布を表示
部に数値で表示しても良いし、小領域毎のパターンピッチ計測結果の二次元分布を図7の
ように等高線として表示しても良い。前記二次元分布を等高線として表示することで，視
覚的に分かりやすく，オペレータが走査歪みを直感的にとらえやすくなる。

本実施例で用いる標準試料はパターンピッチが公称値として既知の周期構造を有してお
り，走査電子顕微鏡像の視野内で一様な周期構造をもっているので，図7で示すパターン
ピッチの二次元分布は走査電子顕微鏡の走査歪みであると結論付けられる。

本実施例によれば，信頼性の高い走査歪みの計測が可能であるが，より信頼性の高い走査歪み計測を行い走査歪み校正を行うためには，本手法にて走査歪み分布を計測することを異なる複数箇所で実施し，歪み分布を比較することが有効である。これにより試料の局所的なラフネスや走査電子顕微鏡のノイズの影響をより小さくできる。この場合，演算部108中の歪み分布算出部104で算出された走査歪み分布は記憶部11に記憶される。複数箇所で同様に歪み分布を算出し，それぞれの走査歪み分布の結果は記憶部11に記憶される。特定の回数の走査歪み分布算出の後，記憶部11に記憶された複数の走査歪み分布を演算部108中の歪み補正量算出部106にて平均化する。平均化された走査歪み量から補正量を演算部106で算出し，電子光学系制御部12で制御する偏向器信号を変化させるため，誤差の少ない走査歪み量算出が可能であり，走査歪みのより少ない走査電子顕微鏡像を提供できる。

次に走査歪みの二次元分布から走査歪みを校正する工程を説明する。
走査電子顕微鏡の走査は図8に示す順序で行われる。本実施例で用いた走査電子顕微鏡では垂直方向に512本の走査線を用いて二次電子画像を形成している。ただし，512本の走査線の走査順序は図8に限らず，どのような走査順序の場合でも本実施例は適応可能である。更に走査線の本数も512本に限らず，1024本，256本などの場合にも本実施例は適応可能である。

次に図9に通常の走査電子顕微鏡の電子ビーム走査の制御信号を模式的に示す。X方向の走査制御信号は鋸歯状になっており，該制御信号に従って電子ビームを照射する際のX方向の位置が決定される。Y方向の走査制御信号は階段状になっており，X方向の走査制御信号が０からX_dに変化する間はY方向の走査制御信号は変化せず，X方向の走査制御信号がX_dから0になる際にY方向の走査制御信号が1ステップ増加する。本実施例に示すように電子顕微鏡像が512×512画素（pixel）で形成される場合はY方向の走査制御信号が0から511ステップへ変化するまで電子ビームを照射し，二次電子信号を捕捉し，画像を形成することで1フレームの二次電子像が得られる。

走査歪がある場合，図9の電子ビーム走査の制御信号を変更する必要がある。例えば，図10に示すようにY方向の走査歪みが観測された場合の歪み校正を説明する。図10は電子顕微鏡視野の上下端部の走査線間隔が狭くなり，中央部では通常の走査線間隔となっている走査歪みを演算部108中の歪み分布算出部104にて算出した結果を示している。

該走査歪みを校正するためには，走査線毎に偏向器4に印加する制御信号の強度を変える必要があり，該変更されたY方向の走査制御信号を図11に模式的に示す。図11は演算部108中の歪み補正量算出部106で算出した結果であり，該補正量によると，図10の歪みを校正するためには，電子顕微鏡視野の上下端部の走査線間隔を広げる必要がある。そこで図11ではY方向の走査制御信号の1ステップの大きさを調整し，走査線間隔が等間隔になるような補正信号を算出している。図11の補正信号を電子光学系制御部12へ出力し，電子光学系1を制御することで操作歪みの少ない走査電子顕微鏡像を提供できる。

次に図12に示すX方向の走査歪みが観測された場合の歪み校正を説明する。図12では電子顕微鏡視野の左端部では歪み量が小さく，電子顕微鏡視野の右方向に進むにつれて歪み量が大きくなっている走査歪みを演算部108中の歪み分布算出部104にて算出した結果を示している。図12中の矢印は歪みの方向と歪みの大きさを示している。

図12の走査歪みを校正するために図13で示すようなX方向の走査制御信号を偏向器4に印加する必要がある。図13は演算部108中の歪み補正量算出部106で算出した結果であり，該補正量によると，図12の走査歪みを補正するために，図13では走査信号強度を各時間ステップで校正している。図13の走査信号を電子光学系制御部12へ出力し，電子光学系1を制御することでX方向に歪みのない走査電子顕微鏡像を提供することができる。
すなわち走査歪み校正では，まず算出した走査歪み量に応じた補正信号を演算部106で計算し，次に電子光学系制御部12によって偏向器へ印加する信号を制御する。該工程によって走査歪みの少ない走査電子顕微鏡像を提供できる。

本実施例による歪み補正は，図2の工程207でNoを選択した場合に完了する。ここでの選択はオペレータが手動で行っても良いし，演算部内で予め設定した歪み量を下回ったときに自動で行われても良い。該予め設定した歪み量とは％単位あるいはnm単位で設定される。図2の工程207が自動で行われるとき，例えば，図7のように4×4の小領域を選択した場合，1つの小領域でも予め設定した歪み量を超えていると図2の工程207でYesが選択され，再び歪み補正が行われる。4×4領域の全てが予め設定した歪み量を下回ると図2の工程207でNoが自動的に選択される。ここでは各々が重複しない4×4の領域を形成した例を示しているが、画像内で互いが重なり合った領域を小領域として重複形成するように選択ないし指定ことも可能である。

本実施例で示した走査歪み以外の歪み分布であっても有効であり，本発明により精度の高い走査歪み校正を行うことができる。
（実施例2）
次に偏向器の走査制御信号には校正を行わずに，走査電子顕微鏡像の倍率校正を走査電子顕微鏡像内で複数箇所にわたり行ったときの実施例を示す。
図14は走査歪みを測長時の倍率へ反映する場合のフローを示す。

本実施例は実施例1の任意の複数の小領域毎の計測を行い，走査歪み分布を算出し，表示するステップまでは同様に行うので，図14の工程1400から工程1406まではここでは省略する。走査歪み量計測結果から走査電子顕微鏡の面内寸法校正係数を演算部108内の歪み補正量演算部106にて算出する。該校正係数から走査電子顕微鏡像の画素サイズを同じく歪み補正量演算部106で各小領域について補正し，補正を行った後の寸法値を寸法計測演算部107で算出し，表示部10に補正後の寸法値を表示する。該校正係数は，走査歪み補正を行った倍率での走査歪み校正係数として記憶部11に記憶される。

図15に示す走査歪み分布が観測された場合の倍率校正について説明する。

図15では512×512画素（pixel）の画像を4×4の小領域に分割している。各小領域で寸
法計測演算部107にて計測した標準試料のパターンピッチの二次元分布から，各小領域に
おける偏向倍率を歪み補正量演算部106にて算出する。ここでは各々が重複しない4×4の
領域を指定した例を示しているが、画像内で互いが重なり合った領域を小領域として複数
選択ないし指定することも可能である。本実施例で用いているのは，線幅あるいはパター
ンピッチが公称値として既知の周期構造を有し，走査電子顕微鏡の視野内で一様な周期構
造をもつ標準試料を用いているので，二次元分布は走査歪みによる局所的な倍率誤差が示
されることとなる。

そこで，各小領域で計測した標準試料のパターンピッチが公称値と同じになるように各
小領域について倍率校正を行う。具体的には各小領域で計測したパターンピッチが公称値
と同じになるような倍率を歪み補正量算出部106にて算出する。該各倍率から該各小領域
での画素サイズ（nm/pixel）を個別に算出し，該画素サイズを記憶部11に記憶させる。寸
法計測の際，該画素サイズを記憶部11から読み出し，計測する二点間の距離を画素単位か
らnm単位に変換して寸法値を表示する。

本実施例では電子ビーム走査制御信号には校正を行わず，走査電子顕微鏡像の倍率つまり画素サイズのみを小領域毎に変えるので，再度，走査電子顕微鏡画像を取得することがなく，（実施例1）に比べてより簡便な手法である。

実施例の走査電子顕微鏡を示す概略図 歪み校正を行う際のフローチャートの一例 複数の小領域選択する際のGUIの一例 線幅100nm程度のパターンの断面と走査電子顕微鏡信号 線幅10nm程度のパターンの断面と走査電子顕微鏡信号 小領域内に含まれるパターン本数によるFFT信号の変化を示した図 走査電子顕微鏡像とその歪み分布を示すGUI 走査電子顕微鏡の走査線の走査順番を示す概念図 走査電子顕微鏡の偏向信号を示す図 Y方向に歪がある場合の走査電子顕微鏡視野を示す図 Y方向の歪みを校正する偏向信号を示す図 X方向の歪がある場合の走査電子顕微鏡視野を示す図 X方向の歪みを校正する偏向信号を示す図 面内倍率校正を行う際のフローチャートの一例 面内倍率調整をおこなうためのGUI

符号の説明

1・・・電子光学系、 2・・・電子銃、 3・・・コンデンサレンズ、 4・・・偏向器、 5・・・対物レンズ、 6・・・ステージ、 7・・・ウェハ、 8・・・二次電子検出器、 10・・・表示部、 11・・・記憶部、 12・・・電子光学系制御部、 13・・・記憶部にデータを保存するなどのフロー、 14・・・記憶部からデータを読み込むなどのフロー、 101・・・画像取得部， 102・・・小領域生成部， 103・・・寸法測定部， 104・・・歪み分布算出部， 105・・・歪み分布表示部， 106・・・歪み補正量算出部， 107・・・寸王計測演算部， 演算部108， 451・・・複数の小領域を等間隔に配置するボタン， 501・・・走査歪み校正ボタン， 551・・・面内倍率調整実行ボタン。

Claims (9)

1. パターンピッチが公称値として既知の標準試料の所定領域に電子線を走査する電子光学系と、
   当該電子線の走査により発生する二次電子または反射電子を検出する検出手段と、
   前記所定領域のパターンピッチを計測する演算手段とを有し、
   前記演算手段は、前記検出手段で検出された二次電子または反射電子の情報から画像を形成する手段と、取得した１つの前記画像内の任意の部分画像を複数選択して前記複数の部分画像を形成する手段と、形成された該複数の部分画像内のパターンピッチを各部分画像毎に計測する手段と、計測された該複数の各部分画像内のパターンピッチから走査歪み分布を算出する手段と、前記標準試料の異なる複数個所で算出された複数の前記走査歪み分布を平均化して前記電子線の走査歪み量を算出する手段とを備えたことを特徴とする走査電子顕微鏡。
2. 請求項１に記載の走査電子顕微鏡において、
   前記パターンピッチの分布を表示する手段を備えることを特徴とする走査電子顕微鏡。
3. 請求項１に記載の走査電子顕微鏡において、前記電子光学系は前記電子線を偏向する偏向器を備え、
   前記算出した走査歪み量に応じて前記偏向器への信号を制御することを特徴とする走査電子顕微鏡。
4. 請求項１に記載の走査電子顕微鏡において、前記算出した走査歪み量に応じてパターンピッチが一定となるように前記画像の面内の倍率を調整することを特徴とする走査電子顕微鏡。
5. 請求項1に記載の走査電子顕微鏡において、
   前記標準試料の異なる複数位置で前記電子線の走査歪み量を算出することを特徴とする走査電子顕微鏡。
6. 請求項1に記載の走査電子顕微鏡において、
   前記部分画像領域のパターンピッチの計測はFFTあるいは相関関数を使って行われることを特徴とする走査電子顕微鏡。
7. 請求項１に記載の走査電子顕微鏡において、前記標準試料は、互いに異なる間隔のパターンピッチを有することを特徴とする走査電子顕微鏡。
8. 請求項１に記載の走査電子顕微鏡において、前記領域内に少なくとも3本以上のパターンを含むことを特徴とした走査電子顕微鏡。
9. パターンピッチが公称値として既知の標準試料の所定の照射領域に電子線を照射して画像を取得する工程と、
   取得した１つの前記画像内の任意の部分画像を複数選択する工程と、
   選択された該領域毎に前記部分画像内のパターンピッチを計測する工程と、
   計測された該複数の各部分画像内のパターンピッチから走査歪み分布を算出する工程と、
   算出された前記走査歪み分布を表示する工程と、
   前記標準試料の異なる複数個所で算出された複数の前記走査歪み分布を平均化して走査電子顕微鏡の走査歪み量を算出する工程と
   を有することを特徴とする走査電子顕微鏡による計測方法。

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