JP5156619B2 - 試料寸法検査・測定方法、及び試料寸法検査・測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、パターンの検査・測定方法，パターンの検査・測定装置、及びパターンの検査・測長を行うためのコンピュータープログラムに関し、特にパターンの設計データと実パターンを比較することにより、パターンに関する形状または配置誤差を検査・計測する方法，装置に関する。

半導体デバイスの回路パターンの設計データ（デザインデータ）を用いて、ウェハ上に実際の形成された半導体デバイスの回路パターンを測定することが知られている。回路パターンのデザインは、半導体デバイスの回路パターンが本来あるべき理想的な形状を示すものであるため、デザインデータとウェハ上に実際に形成されたパターンを比較することによって、半導体製造プロセスによるパターニング精度の評価が可能となる。
昨今、半導体集積回路は、ますます微細化が進み、それに伴って、半導体検査装置の性能も向上してきた。そのような半導体検査装置の１つにＣＤ−ＳＥＭ（Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）がある。ＣＤ−ＳＥＭは、荷電粒子線のひとつである電子ビームを試料上に走査することによって得られる二次電子に基づいて、試料上に形成されたパターンの寸法を測定する装置である。
特許文献１には、ＣＤ−ＳＥＭを使って検査対象パターンのパターンエッジを検出し、それと基準パターンとを比較することによって、パターンの変形量を検出することが開示されている。
また、電子ビームを試料上に走査して得られる二次電子は、その走査方向と検査対象パターンのパターンエッジ方向によって、発生する二次電子の発生強度や分布が異なる場合がある。特許文献１や特許文献２にはこれらを緩和するために、電子ビームを測定するパターンのエッジ方向に対して常に垂直に走査することが提案されている。
特開２００４−１６３４２０号公報 特開２００５−１１６７９５号公報

最新の半導体集積回路には、パターン幅が３２ｎｍを下回るほど微細なものがある。このようなパターン寸法を管理するためは０．３ｎｍ〜０．２ｎｍ以下といったサブナノメートルの精度でパターン形状を計測する必要がある。このような計測精度を実現するためには、先に述べたような、電子ビームの走査方向とパターンエッジ方向の違いによる二次電子の発生強度や分布の違いを無視することはできない。
そのため、特許文献１や特許文献２では検査対象パターンのパターンエッジ方向に対して電子ビームを常に垂直に走査することが提案されているが、以下のような問題がある。
電子ビームの走査位置や走査方向の制御には精度的な限界があり、走査方向を変化させると、パターンのエッジ検出位置が１ｎｍ以上変化してしまう場合がある。従って、検査対象のパターンのパターンエッジに常に電子ビームが垂直になるように走査すると、走査した位置や方向によってパターンのエッジ検出位置に誤差が生じてしまう。また、特許文献２では走査方向が異なるＳＥＭ像を組合わせる手法が開示されているが、走査方向によるＳＥＭ像の面内歪みの違いによって、ＳＥＭ像の視野内の全てのパターンを十分な精度で重ね合わせることができない。
しかしながら、特許文献１や特許文献２に開示された技術では、このような電子ビームの走査方向や位置を変化させることによって生じる走査方向や位置の制御誤差についてはなんら対策を講じていなかった。
本発明によれば、上記目的を達成するために、電子ビームの走査方向とパターンエッジ方向の違いによる二次電子の発生強度や発生分布の違いを、あらかじめ調べてライブラリー化しておき、そのライブラリーを使って実際に取得した二次電子信号を補正することによって、電子ビームの走査方向に対して垂直でないパターンエッジであってもエッジ位置を正確に計測することができる。
また、電子ビームの走査位置と走査方向による走査誤差をあらかじめ計測しておき、電子ビームを走査する際の制御信号にこの誤差を重畳することによって、電子ビームの走査方向や走査位置を変化させたときの誤差を低減し、十分な精度でパターンのエッジ位置を計測することができる。
本発明における主たる効果は、電子ビームの走査方向とパターンエッジの方向の違いによるパターンエッジ位置の計測誤差や電子ビームの走査方向を可変した際に生じる走査位置や走査方向の誤差が原因となって生じるパターンエッジ位置の計測誤差を低減することによって、微細なパターンの全ての方向のエッジ位置を高精度に計測できる試料寸法検査・測定方法、及び装置を提供することである。

第１図は、走査形電子顕微鏡の概略を説明する図である。第２図は、デザインデータとＳＥＭ像のマッチング処理を説明する図である。第３図は、ＳＥＭエッジを基準としたＥＰＥ計測を説明する図である。第４図は、実パターンのパターンエッジ方向に対する電子ビームの走査方向との違いによる、二次電子信号波形の違いを示す図である。第５図は、実パターンのパターンエッジの高低差に対する電子ビームの走査方向との違いによる、二次電子信号波形の違いを示す図である。第６図は、二次電子の信号強度と信号波形の半値幅の電子ビームの走査方向による傾向を示す図である。第７図は、全ての方向のパターンエッジに対して電子ビームを垂直に走査する方式を示す図である。第８図は、電子ビームの走査方向を変更した場合の位置誤差を示す図である。第９図は、電子ビームの各走査位置における、走査位置の誤差を示した図である。第１０図は、ＳＥＭエッジを基準としたラインプロファイルを使って測長エッジを抽出する処理を説明する図である。第１１図は、第１０図の処理フローを説明する図である。第１２図は、ラインプロファイルを作成する測長ボックスを配置する手法を説明する図である。第１３図は、ラインプロファイルを作成する方向を説明する図である。第１４図は、ＥＰＥ計測の測長エッジを基準としたマッチング結果を説明する図である。第１５図は、測長エッジを使ってパターンマッチングする手法を説明する図である。第１６図は、第１５図の処理フローを説明する図である。第１７図は、ＥＰＥ計測における回転成分を補正する手法を説明する図である。第１８図は、第１７図の処理フローを説明する図（その１）である。第１９図は、第１７図の処理フローを説明する図（その２）である。第２０図は、測長エッジを検出する際の閾値を変化させた場合のエッジ抽出位置を説明する図である。第２１図は、複数層のパターンのＥＰＥ計測に関して説明する図（その１）である。第２２図は、複数層のパターンのＥＰＥ計測に関して説明する図（その２）である。第２３図は、ＥＰＥ計測結果の出力結果の例を示す図である。

以下に、第１図を用いて走査形電子顕微鏡（以下、Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＥＭと呼ぶ）の概略を説明する。陰極１と第一陽極２の間には、制御プロセッサ３０で制御される高圧制御電源２０により電圧が印加され、所定のエミッション電流で一次電子線４が陰極１から引き出される。陰極１と第二陽極３の間には、制御プロセッサ３０で制御される高圧制御電源２０により加速電圧が印加され、陰極１から放出された一次電子線４が加速されて後段のレンズ系に進行する。
一次電子線４は、制御プロセッサ３０で制御されるレンズ制御電源２１により電流制御された収束レンズ５で収束され、絞り板８で一次電子線４の不要な領域が除去された後に、制御プロセッサ３０で制御されるレンズ制御電源２２により電流制御された収束レンズ６、および制御プロセッサ３０で制御される対物レンズ制御電源２３により電流制御された対物レンズ７により試料１０に微小スポットとして収束される。対物レンズ７は、インレンズ方式，アウトレンズ方式、およびシュノーケル方式（セミインレンズ方式）など、種々の形態をとることができる。
また、試料１０に負の電圧を印加して一次電子線を減速させるリターディング方式も可能である。さらに、各々のレンズは、制御された電圧を印加した複数の電極で構成される静電型レンズで構成してもよい。
一次電子線４は、制御プロセッサ３０で制御される走査コイル制御電源２４により電流制御される走査コイル９で試料１０上を二次元的に走査される。一次電子線の照射で試料１０から発生した二次電子等の二次信号１２は、対物レンズ７の上部に進行した後、二次信号分離用の直交電磁界発生装置１１により、一次電子と分離されて二次信号検出器１３に検出される。二次信号検出器１３で検出された信号は、信号増幅器１４で増幅された後、画像メモリ２５に転送されて画像表示装置２６に試料像として表示される。
走査コイル９と同じ位置に制御プロセッサ３０で制御される対物レンズ用アライナー制御電源２７により電流制御される２段の偏向コイル（対物レンズ用アライナー）１６が配置されており、対物レンズ７に対する一次電子４の通過位置を二次元的に制御できる。ステージ１５は、少なくとも一次電子線と垂直な面内の２方向（Ｘ方向，Ｙ方向）に試料１０を移動することができ、それによって試料１０上の一次電子４の走査領域を変更することができる。
ポインティング装置３１は、画像表示装置２６に表示された試料像の位置を指定してその情報を得ることができる。入力装置３２からは、画像の取り込み条件（走査速度，画像積算枚数）や視野補正方式などの指定、および画像の出力や保存などを指定することができる。
なお、画像メモリのメモリ位置に対応したアドレス信号が、制御プロセッサ３０内、或いは別に設置された制御コンピュータ４２内で生成され、アナログ変換された後に、走査コイル制御電源２４に供給される。Ｘ方向のアドレス信号は、例えば画像メモリが５１２×５１２画素（ｐｉｘｅｌ）の場合、０から５１２を繰り返すデジタル信号であり、Ｙ方向のアドレス信号は、Ｘ方向のアドレス信号が０から５１２に到達したときにプラス１される０から５１２の繰り返しのデジタル信号である。これがアナログ信号に変換される。
画像メモリ２５のアドレスと電子線を走査するための偏向信号のアドレスが対応しているので、画像メモリには走査コイル９による電子線の偏向領域の二次元像が記録される。なお、画像メモリ２５内の信号は、読み出しクロックで同期された読み出しアドレス生成回路で時系列に順次読み出すことができる。アドレスに対応して読み出された信号はアナログ変換され、画像表示装置２６の輝度変調信号となる。
また本例で説明する装置は、検出された二次電子或いは反射電子等に基づいて、ラインプロファイルを形成する機能を備えている。ラインプロファイルは一次電子線４を試料１０上を一次元、或いは二次元走査したときの電子検出量、或いは試料像の輝度情報等に基づいて形成されるものであり、得られたラインプロファイルは、例えば半導体ウェハ上に形成されたパターンの寸法測定等に用いられる。
なお、第１図の説明は制御プロセッサ３０が走査電子顕微鏡と一体、或いはそれに準ずるものとして説明したが、無論それに限られることはなく、走査電子顕微鏡鏡体とは別に設けられたプロセッサで処理を行っても良い。その際には二次信号検出器１３で検出される検出信号を画像として制御プロセッサ３０に伝達したり、制御プロセッサ３０から走査電子顕微鏡の対物レンズ制御電源２３や走査コイル制御電源２４等に信号を伝達する伝達媒体と、当該伝達媒体経由で伝達される信号を入出力する入出力端子が必要となる。
更に、本例装置は、例えば半導体ウェハ上の複数点を観察する際の条件（測定個所，走査電子顕微鏡の光学条件等）を予めレシピとして記憶しておき、そのレシピの内容に従って、測定や観察を行う機能を備えている。また、制御プロセッサ３０は、パターン寸法を測定する際の演算装置としても機能する。
また、以下に説明する処理を行うプログラムを記憶媒体に登録しておき、走査電子顕微鏡等に必要な信号を供給するプロセッサで、当該プログラムを実行するようにしても良い。即ち、以下に説明する例は画像を取得可能な走査電子顕微鏡等の荷電粒子線装置に採用可能なプログラム、或いはプログラムプロダクトとしての説明でもある。
更に、制御プロセッサ３０には、ＧＤＳＩＩフォーマットやＯＡＳＩＳフォーマットなどで表現された半導体デバイスの回路パターン設計データを記憶し、ＳＥＭの制御に必要なデータに変換するデザインデータ管理部３３を接続しても良い。当該デザインデータ管理部３３は、入力されたデザインデータに基づいて、上記ＳＥＭを制御するレシピを作成する機能を備えている。また、制御プロセッサ３０から伝達される信号に基づいて、デザインデータを加工する機能をも備えている。また、以下に説明する処理を当該デザインデータ管理部３３内に設けられたプロセッサで行っても良い。更に、制御プロセッサ３０に代わってデザインデータ管理部３３内に設けられたプロセッサによって、走査電子顕微鏡を制御するようにしても良い。
なお、本例の説明ではデザインデータ管理部３３が、制御プロセッサ３０と別体のものとして説明するが、これに限られることはなく、デザインデータ管理部３３が一体であっても良い。
本例においては試料１０として、半導体製品を製造する工程の中にあるウェハとした。リソグラフィー工程によりウェハ上に形成されたレジストパターンを用いた。その比較対象として、そのパターンのもととなる半導体デバイスの回路パターンの設計データ（デザインデータ）を用いた。
ここで用いる半導体デバイスの回路パターンの設計データとは、最終的に半導体デバイスの回路をウェハ上に形成する際の理想的なパターン形状を示す。なお、以下の説明は、検査対象を半導体ウェハとしたが、設計データと評価したい対象が対をなしていればこれに限ることはない。例えば、半導体パターンをウェハ上に露光する際に使用するガラス基板上に形成されたマスクパターンや、液晶パネルのようなガラス基板上に形成されたパターンに対しても以下の説明は有効である。
また、回路パターンの設計データは、回路パターンの設計データを表示するソフトウェアがそのフォーマット形式を表示でき図形データとして取り扱うことができれば、その種類は問わない。
以下に図面を用いて、電子顕微鏡で取得した画像に示されたパターンのエッジ部分（以下、ＳＥＭエッジと称することもある）とデザインデータに示されたパターン形状（以下、デザインパターンと称することもある）との形状誤差の測定（以下ＥＰＥ（Ｅｄｇｅ Ｐｌａｃｅｍｅｎｔ Ｅｒｒｏｒ）計測と称することもある）の例について説明する。

第３図は、デザインパターン４０と、ウェハ上に形成された実際のパターン（以下、実パターンと称することもある）４１の電子顕微鏡画像を重ねた状態を示す。これは第２図に示したように、デザインパターン４０から作成した２値化したテンプレート（Ｓ０００１）と実際のウェハから取得したＳＥＭ像をそれぞれエッジ抽出（Ｓ０００２）および平滑化（Ｓ０００３）した後に、正規化相関などを使ってマッチング処理（Ｓ０００４）することによって得られる。
ＥＰＥ計測は、デザインパターン４０で示された理想的なパターン形状と実パターン４１との形状誤差を計測するものであるが、第３図に説明するように、実パターン４１は、例えばパターンの先端部４２が縮んだり、角部４３が丸まったりして形成されることが多い。第３図に示す例ではパターンを、▲１▼パターンの先端部（以下、先端部４２と称する）、▲２▼パターンの直線部（以下、直線部４４と称する）、▲３▼パターンの角部（以下、角部４３と称する）に分類している。
このように分類する理由として、パターン形状の特徴によってその変形の傾向や変形量が異なるからである。二次元形状計測とはまさにこのようなパターン形状の特徴に応じて様々な変化をするパターン形状全体を計測することである
第３図は、ＳＥＭ像から検出されたＳＥＭエッジ４５の全ての位置でＥＰＥ計測４７を行う例を説明する図であるが、一定の方向に電子ビームを走査した場合、走査方向に対する実パターン４１のパターンエッジの方向の関係から、全ての方向においてサブナノメートルの精度パターンエッジ位置を計測することはできない。
具体的には第４図に示したように、ウェハ上の実パターン４１のエッジ方向に対する電子ビームの走査方向９５の違いによって、発生する二次電子の信号波形９６は異なる。第４図の（ｂ）は電子ビームをウェハ上の実パターン４１のエッジに対して垂直に走査した場合の二次電子の信号波形を示し、（ｃ）は例えば４５度方向、（ｄ）は例えば３０度方向に走査した場合の二次電子の信号波形を示す。
また、第５図に示したように、実パターン４１の外側（低い場所）から内側（高い場所）に電子ビーム（一次電子線４）を走査した場合と、内側（高い場所）から外側（低い場所）に電子ビームを走査した場合とでは、やはり二次電子の発生強度と発生分布が異なる場合がある。第５図の（ｂ）は、ウェハ上の実パターン４１の外側（低い場所）から内側（高い場所）に電子ビームを走査した場合の例を示し、第５図の（ｃ）は、ウェハ上の実パターン４１の内側（高い場所）から外側（低い場所）に電子ビームを走査した場合の例を示す。
このような二次電子の信号波形の違いは第６図に示したように、電子ビームの走査方向とウェハ上の実パターンがなす角度によって一定の傾向を持っている。なお、ここでは９０°はウェハ上の実パターン４１の外側（低い場所）から内側（高い場所）に電子ビームを走査した場合、０°はウェハ上の実パターン４１のエッジと水平に電子ビームを走査した場合、−９０°はウェハ上の実パターン４１の内側（高い場所）から外側（低い場所）に電子ビームを走査した場合の例を示す。
第６図に示したグラフから求めた二次電子の信号強度の検量線９７と信号の半値幅の検量線９７を使って、任意の角度における二次電子の信号二次電子の信号波形を補正することができる。例えば、式（１）によって二次電子の信号強度を補正することができる。また、式（２）によって二次電子の信号波形の半値幅を補正することができる。
（補正後の信号強度）＝（元の信号強度）×ｆ（θ）・・・（１）
（補正後の半値幅）＝（元の幅）×ｇ（θ） ・・・（２）

第７図にＥＰＥ計測方向にあわせて電子ビームの走査方向９５を切替える手法を示す。この手法を使用すればどの方向のパターエッジであっても同じような二次電子の信号波形を得られる。但し、前述したように電子ビームの走査方向を変化させると、走査位置が第８図のようにずれる場合がある。この例では、電子ビームの走査方向が０°の場合をＳＥＭ像上の実パターン４１を実線で、１８０°の場合の実パターンを破線で、０°と１８０°の電子ビームの走査位置の誤差を（△Ｘ，△Ｙ）で示す。
なお、この例ではＸ方向とＹ方向の誤差しか示していないが、回転方向の誤差も発生しうる。更に、これらの誤差は電子ビームの走査位置の電子光学系中心軸からの距離や方向によって異なっている可能性がある。従って、第９図に示したように、電子ビームの走査の位置と方向の誤差をあらかじめ計測しておき、その結果を使って電子ビームの走査のための制御信号に補正を加えたり、または、第７図に示した電子ビームの走査位置と方向を正しい（実際の）位置と方向に補正した上でパターンエッジ位置を計測するようにする。なお、第９図のます目は電子ビームの電子光学系の中心からの位置を示しており、矢印はその位置での電子ビームの走査位置の誤差を示している。

第４図では、１ヶ所（１本）の電子ビームの走査で得られた二次電子信号波形を使ってパターンエッジ位置を計測する例を示したが、これでは信号波形のＳ／Ｎが低く、ＥＰＥ計測として精度が不足する。これに対して、第１０図は複数個所（複数本）の電子ビームの走査によって得られた複数の二次電子信号波形を平均化および平滑化して作成したラインプロファイル５４を使って、パターンエッジ位置を計測する手法を示したものである。ラインプロファイル５４は元となった１本，１本の二次電子信号波形よりもＳ／Ｎが高いため、正確なパターンエッジ位置を正確に計測することができる。
このような手法を使うことによって実パターン４１の正確な外形形状（Ｃｏｎｔｏｕｒ）をサブナノメートルの精度で検出することができる。
なお、ラインプロファイルは▲１▼検査対象パターンのＳＥＭ像の画像データから測長ボックス５３の領域の画素情報（グレースケールの階調情報）を抽出してエッジサーチ方向５７に積算（平均化）して、平滑化して作成する手段と、▲２▼電子ビームを検査対象の測長ボックス５３の領域をエッジサーチ方向５７に水平な方向に電子ビームを数回走査して得られた二次電子信号波形を積算（平均化）して、平滑化して作成する手段がある。
第１０図ではラインプロファイル５５の輝度値に一定の閾値Ｔｈを設定し、その閾値Ｔｈとラインプロファイル５５が交差する位置を測長エッジ５５としているが、ラインプロファイル５５からのエッジ検出方法はこのほかにも様々な手法があり、この限りではない。第１０図ではＳＥＭエッジ４５の中点５６にデザインパターン４０と直交する方向に測長ボックス５３を配置しているが、これについては後に第１３図の説明で述べるようにこの限りではない。
第１１図で具体的な処理フローを説明する。
まず、第１１図の（ａ）に測長ボックス５３の領域の画素情報を使ってプロファイルを作成する場合を示す。測長ボックス５３で指定された測長領域（Ｓ０００１）の検査対象パターンの画像データの画素情報を取得する（Ｓ０００２）。このときの画素情報の積算方向はエッジサーチ方向５７に対して垂直な方向とする。次に、画素情報を積算して、平滑化してラインプロファイル５４を作成する（Ｓ０００３）。次に、そのラインプロファイル５４から測長エッジ５５を検出する（Ｓ０００４）。最後に測長エッジ５５とデザインパターン４０との間のＥＰＥ計測を実施する（Ｓ０００５）。
次に、第１１図の（ｂ）に測長ボックス５３の領域を電子ビームで走査してプロファイルを作成する場合を示す。測長ボックス５３で指定された測長領域（Ｓ０００１）を電子ビームで複数回走査する（Ｓ０００２）。このときの走査方向はエッジサーチ方向５７と水平な方向とする。次に、電子ビームを走査することによって得られたラインプロファイル５４を作成する（Ｓ０００３）。
次に、そのラインプロファイル５４から測長エッジ５５を検出する（Ｓ０００４）。最後に測長エッジ５５とデザインパターン４０との間のＥＰＥ計測を実施する（Ｓ０００５）。
第１０図の（ａ）はソーベルフィルターなどの画像処理の手法ではＳＥＭ像のホワイトバンド４６の最も輝度値が高い部分をＳＥＭエッジ４５として検出した例を示している。この場合、ＳＥＭエッジ４５はラインプロファイルによって求めた測長エッジ５５と非常に近い位置にあるが、測長エッジ５５とは数ｎｍの誤差が存在しＥＰＥ計測としては精度不足している。第１０図（ｂ）はソーベルフィルターなどの画像処理の手法ではホワイトバンド４６の内側をＳＥＭエッジ４５として検出された例を示している。この場合はＳＥＭエッジ４５と測長エッジ５５の位置にはかなり誤差がある。
第１０図（ｃ）はソーベルフィルターなどの画像処理の手法では実パターン４１の内部に存在する内部エッジ５８をパターン外形部のＳＥＭエッジとして誤検出した例であり、このような内部エッジ５８を誤って計測してしまうと正しい外形形状を捉えることができない。第１０図に示したいずれのケースにおいて、ラインプロファイル５４を使うことによってＥＰＥ計測として十分な精度を持った測長エッジ５５を検出することができる。
第１２図はラインプロファイルを作成する領域を示す測長ボックス５３の配置方法に関する例を示したものである。第１２図（ａ）は測長ボックス５３をＳＥＭエッジ中点５６を基準にして配置したものであり、測長ボックス５３のエッジサーチ方向長さＬ１およびＬ２はＳＥＭエッジ４５を基準として設定されている。
このＬ１およびＬ２はＳＥＭエッジ４５と測長エッジ５５との位置の誤差を予測して、特定の値をそれぞれ個別に設定してきめることができるが、内部エッジ５８を誤検出した場合などは予想を超えた誤差が発生する可能性がある。
この場合は第１２図（ｂ）に示したようにエッジサーチ方向５７とデザインパターン４０の交点５９をＬ２の基準にすることによって測長エッジ５５を正しく捉えることができる。なお、第１２図（ｂ）の例ではＳＥＭエッジ４５がデザインパターン４０が示す図形の内側に存在しているが、外側に存在していた場合も同様に処理することができる。
また、第１２図には示されていないが、エッジサーチ方向５７と実際のパターン形状をシミュレーションで予測したパターン形状（以下、シミュレーションパターンと呼ぶことがある）をエッジサーチ方向５７との交点をＬ２の基準として使用してもよい。
次に第１２図に示した測長ボックス５３の幅Ｗについて説明する。測長ボックス５３の幅Ｗを大きくするとラインプロファイルを作成する際に積算する画像情報の数や二次電子信号波形の本数が増えるため、幅Ｗを大きくしすぎると形状変化が大きい部位の局所的な形状を捉えることができなくなる。そこで幅ＷについてもＳＥＭエッジ４５の長さに応じて自動的に調整するようにしても良い。
例えば、幅ＷをＳＥＭエッジ４５の長さと同じにすれば、ＳＥＭエッジ４５の長さが短い形状変化が大きい部位は自動的に測長ボックス５３の幅Ｗを狭くすることができる。また、幅Ｗに上下限値（例えば，上限を２０ｎｍ、下限を３ｎｍ）を設定すれば幅Ｗを一定の範囲内でコントロールすることもできる。
更に、電子ビームの走査によってプロファイルを作成する場合は幅Ｗに応じて走査する本数を変化させることによって、電子ビームの走査密度を一定にすることができる。これによって、レジストのシュリンクなどの電子ビームによるダメージをＳＥＭエッジの長さによらず一定にすることができる。

第１３図はエッジサーチ方向５７の具体例について説明したものである。まず始めに、本発明では基準となるパターンを塗りつぶした後でガウスフィルターなどでぼかしたグラデーション画像の階調変化方向をエッジサーチ方向にすることを提案する。なお、説明の便宜上、第１０図および第１２図で説明したように、エッジサーチの基準位置としてＳＥＭエッジを使用しているが、それに限定されるものではない。
第１３図（ａ）はデザインパターン４０を塗りつぶした後でガウスフィルターなどでぼかして作成したグラデーション像６０の階調変化方向をエッジサーチ方向５７とした例を示すものである。このような方法を使用すれば、直線形状部に関してはエッジサーチ方向５７をデザインパターン４０に垂直な方向に設定することができ、パターンの先端部４２や角部には形状変化に合わせた放射状方向に画素情報の積算方向や電子ビームの走査方向を設定することができる。
第１３図（ｂ）は実パターンの形状変化を予測してデザインパターン４０を変形させたパターン６１を塗りつぶした後でガウスフィルターなどでぼかして作成したグラデーション像６０の階調変化方向をエッジサーチ方向５７とした例を示すものである。この例ではパターンの先端部４２が短くなることを予測してデザインパターン４０を変形させたパターン６１を作成している。このような方法を使用すれば、第１３図（ａ）で示した特徴に加えて、パターン形状の変化量の局所的な違いに対応した画素情報の積算方向や電子ビームの走査方向を設定することができる。
第１３図（ｃ）はＳＥＭエッジをつないだ多角形６２を塗りつぶした後でガウスフィルターなどでぼかして作成したグラデーション像６０の階調変化方向をエッジサーチ方向５７とした例を示すものである。このような方法を使用すれば、パターンの形状変化量が予測を超えていた場合であっても、パターン形状の変化量の局所的な違いに対応した画素情報の積算方向や電子ビームの走査方向を設定することができる。
第１３図（ｄ）はシミュレーションパターン６３を塗りつぶした後でガウスフィルターなどでぼかして作成したグラデーション像６０の階調変化方向をエッジサーチ方向５７とした例を示すものである。ＳＥＭエッジがシミュレーションパターンから離れた位置に存在した場合は、ＳＥＭエッジ４５をシミュレーションパターン６３対応させるための計算が複雑になる。これに対してシミュレーションパターン６３からえられたグラデーション像６０を使用すれば、ＳＥＭエッジ４５がどの位置に存在したとしても容易にエッジサーチ方向５７を設定することができる。
なお、第１３図（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）のいずれも、基準となるパターンの外側から内側に向かってエッジサーチ方向５７を設定しているが、内側から外側に向かってエッジサーチしても良い。例えば、グラデーション像６０の階調が暗い方から明るい方にエッジサーチするとした場合、基準となるパターンを背景よりも明るい色（例えば背景を黒、基準となるパターンの内側を白）で塗りつぶした場合は、エッジサーチ方向５７は基準となるパターンの外側から内側に向かって設定される。逆に、基準となるパターンを背景よりも暗い色（例えば背景を白、基準となるパターンの内側を黒）で塗りつぶした場合はエッジサーチ方向５７は基準となる図形の内側から外内側に向かって設定することができる。

第１４図はマッチング結果がＥＰＥ計測値に与える影響を示したものである。ＥＰＥ計測を行うためには、まずはＳＥＭ像とデザインデータの相対的な位置関係を決める必要がある。そこで第２図で説明したような手法でデザインデータから作成されたテンプレートと実際のパターンとの間でパターンマッチンが実施させる。
第１５図（ａ）はこのパターンマッチングの処理にＳＥＭエッジ４５を使用し、ＥＰＥ計測にはラインプロファイルを使って検出した測長エッジ５５を使用した場合の例を示している。この図に示したようにマッチングに使用したＳＥＭエッジ４５とＥＰＥ計測に使用した測長エッジ５５の位置の誤差に偏りが生じていた場合、ＥＰＥ計測した測長値も偏りを持ってしまい、実パターンの形状変形量を正しく捉えることができない。
そこで、本発明ではＥＰＥ計測を実施する際に使用するエッジを基準としたパターンマッチングを実施することを提案する。
第１４図の（ｂ）は、測長エッジ５５をパターンマッチングとＥＰＥ計測の両方で使用した場合の具体例を示している。この図に示したように、測長エッジ５５をパターンマッチングとＥＰＥ計測の両方に使用しているため、適切なパターンマッチングが実施されていれば、ＥＰＥ計測結果も偏ることがない。なお、第１４図（ｂ）では測長エッジ５５をパターンマッチングとＥＰＥ計測の両方で使用したが、ＳＥＭエッジ４５をパターンマッチングとＥＰＥ計測の両方で使用しても同様の結果が得られる。

第１５図および第１６図を使って、測長エッジ５５を使ったパターンマッチングの具体的な実施例を示す。まず、実際パターン４１とパターンマッチングさせる基準となるパターン（第１５図の場合はデザインパターン４０）のグラデーション像を作成する（Ｓ０００１）。次に各測長エッジ５５位置でのグラデーション像の輝度値を記録し（Ｓ０００２）、第１５図（ｃ）のようなグラフにまとめる（Ｓ０００３）。このグラフは輝度値を横軸にしたエッジ数の分散を示すグラフである。
第１５図（ａ）のようにパターンマッチングの結果が理想的な位置である場合は、各測長エッジ５５の位置でのグラデーション像６０の輝度値のばらつきが少なく、グラフは第１５図（ｃ）に示したように分散σ１が小さくなる。逆に、第１５図（ｂ）に示したようにパターンマッチングの結果が偏っていた場合は、各測長エッジ５５の位置でのグラデーション像６０の輝度値がばらつくため、グラフは第１５図（ｄ）に示したように分散σ２が大きくなる。このような原理を利用して輝度値の分散を評価し（Ｓ０００４）、最も分散が少なくなった位置を最適なマッチング位置として選択する（Ｓ０００５）。
以上で述べたように、各測長エッジ位置でのパターンマッチングさせる基準パターンのグラデーション像の輝度値の分散を評価することによって理想的なパターンマッチングを得ることができる。なお、第１５図では基準パターンとしてデザインデータ４０を使用したが、第１３図で説明した形状変化予測を反映したデザインパターンやシミュレーションパターンを使用してもよい。また、第１５図では測長エッジ５５をパターンマッチングに使用したが、ＳＥＭエッジを使用してもよい。

更に、パターンマッチング時の回転成分の補正方法について詳細を説明する。ＥＰＥ計測はサブナノメートルの精度が求められており、正確なパターンマッチングが実施されなかった場合はＥＰＥ計測値の誤差が大きくる。特に、第１７図（ａ）に示したような直線的なパターンにおける回転成分のパターンマッチング誤差は、ＥＰＥ計測値に大きな誤差を生じさせてしまう。これを解決するためには回転成分の誤差補正を含めたマッチングを実施する必要がある。
本例では回転成分を補正する手段として、▲１▼ＥＰＥ計測に使用するエッジの位置（座標）を回転させる手法（第１７図（ｂ））と、▲２▼パターンマッチングの基準となるパターンの位置（座標）を回転させる手法（第１７図（ｃ））を提案する。
▲１▼ＥＰＥ計測に使用するエッジの位置を回転させる手法について、第１７図（ｂ）と第１８図を使って詳細を説明する。第１７図（ｂ）に示したように、回転補正しない状態（第１７図（ａ）の状態）で検出された測長エッジ５５の座標（Ｘ１，Ｙ１）を式（３）に示したような回転の式を使って角度θだけ回転補正し（Ｓ０００１）、回転補正後の測長エッジ６８の座標（Ｘ２，Ｙ２）得る（Ｓ０００２）。

次に、第１５図で説明した手法を使って回転補正後の各測長エッジ６８の輝度値の分散を評価し（Ｓ０００３〜Ｓ０００６）、最適なパターンマッチングの位置を導く（Ｓ０００７）。最適なマッチング結果が得られた後に、回転補正後の測長エッジ６８と基準となるパターン（ここではデザインパターン４０）とのＥＰＥ計測を実施する（Ｓ０００８）。また、ここでは回転補正およびその結果を利用した最適なマッチング位置の選択は１回しか実施していないが、さらに精度を上げるためにこの処理を何度か繰り返しても良い。
▲２▼パターンマッチングの基準となるパターンの位置を回転させる手法について、第１７図（ｃ）と第１９図を使って詳細を説明する。
第１７図（ｃ）に示したように、基準となるパターン（ここではデザインパターン４０）の頂点座標を式（１）に示したような回転の式を使って角度θだけ回転補正して（Ｓ０００１）、回転補正後の基準となるパターン（ここでは回転補正後のデザインパターン６９）を得る（Ｓ０００２）。
次に、回転補正した基準となるパターンを使って、第１５図で説明した手法に従って各測長エッジ５５の輝度値の分散を評価し（Ｓ０００３〜Ｓ０００６）、最適なパターンマッチングの位置を導く（Ｓ０００７）。最適なマッチング結果が得られた後に、測長エッジ５５と回転補正した基準となるパターン（ここでは回転補正したデザインパターン６９）とのＥＰＥ計測を実施する（Ｓ０００８）。
本例で提案している上記の▲１▼および▲２▼の手法の最大の特徴は、画像データを回転させずにあくまでも座標データを回転させていることにある。これによって高速処理が実施できると共に、画像データを回転する際に生じる画素の丸め誤差などによるＥＰＥ計測精度の誤差が発生しないようにできる。

第２０図は、ラインプロファイル５４を使って測長エッジ５５を検出する際の閾値変化させることによって、実パターン４１の立体的な形状情報を得る手法について説明したものである。
第２０図（ａ）および第２０図（ｂ）はいずれも第２０図（ｅ）に示したような断面形状を持つ実パターン４１のＥＰＥ計測４７を示したものである。第２０図（ａ）は第２０図（ｃ）に示したように、ラインプロファイル５４の輝度値に閾値Ｔｈ１を設定したときのＳＥＭエッジ５５を使ったＥＰＥ計測４７を示している。これに対して、第２０図（ｂ）は第２０図（ｄ）に示したように、ラインプロファイル５４の輝度値に閾値Ｔｈ１よりも多きい閾値Ｔｈ２を設定したときのＳＥＭエッジ５５を使ったＥＰＥ計測４７を示している。
第２０図（ａ）と第２０図（ｂ）のＥＰＥ計測４７を比較すればわかるように、ＳＥＭエッジ５５をラインプロファイル５４から求める際の閾値を変化させることによって、実パターン４１の異なる高さの外形形状を捉えることができる。このような情報を使うことによって、実パターン４１の立体的な形状変形量をＥＰＥ計測することができる。なお、本例では閾値を２種類しか使用していないが、より詳細な立体形状情報を得る場合は閾値を１０段階などに細分化しても良い。

半導体素子が複数の層にわたって形成された場合のＥＥＰＥ計測について第２１図を使って説明する。なお、第２１図はＳＥＭ像で観察される半導体素子が上層と下層の２層の場合を示しているが、３層以上存在していても良い。
上層と下層のＥＰＥ計測を区別する手法として、実パターンから抽出されたＳＥＭエッジを、そのＳＥＭエッジが対応付けられるデザインパターンの層情報を使用することができる。
第２１図はＳＥＭエッジを▲３▼ＳＥＭエッジに垂直な方向の基準となるパターン（ここではデザインパターン）に対応付けた例を示している。第２１図に示したように、上層のＳＥＭエッジ７３は上層のデザインパターン７０に、下層のＳＥＭエッジ７７は下層のデザインパターン７５に対応付けることができる。
しかしながら、上層と下層のパターンのエッジが重なる部位８０についてはその対応付けがあいまいになる可能性がある。
そこで本例では、各ＳＥＭエッジの位置で作成したラインプロファイルの形状の違いを使ってＳＥＭエッジを各層に分類する手法を提案する。
第２１図（ａ）は上層のパターンエッジのラインプロファイル７４を、第２１図（ｂ）は下層のパターンエッジのラインプロファイル７９を示している。この例では上層のパターンエッジのラインプロファイル７４に比べて下層のパターンエッジのラインプロファイル７９の輝度値が低い例を示している。このような場合は輝度値に対する適当な閾値を設定することによって上層のＳＥＭエッジ７２と下層のＳＥＭエッジ７７を区別することができる。
また、第２１図と同様に第２２図（ａ）は上層のパターンエッジのラインプロファイル７４を、第２２図（ｂ）は下層のパターンエッジのラインプロファイル７９を示している。この例では上層のラインプロファイル７４は輝度値のピークが１つであるのに対して、下層のラインプロファイル７９は輝度値のピークが２つである。このような場合は輝度値設定した適当な閾値Ｔｈを超えるピークの数を調べることによって上層のＳＥＭエッジ７２と下層のＳＥＭエッジ７７を区別することができる。
なお、第２１図および第２２図ではラインプロファイルの形状の違いをラインプロファイルに設定した閾値で判別していたが、ラインプロファイルの形状を比較する手法はこの限りではない。例えばラインプロファイル形状そのものを正規化相関によって比較しても良い。

第２３図にＥＰＥ測長結果の出力結果の例を示す。この図に示したように、出力結果としては▲１▼ＥＰＥ計測結果に関する情報９２と、▲２▼ＥＰＥ計測の基準となった基準パターンの情報９３と、▲３▼ＥＰＥ計測の評価結果から構成される。
ＥＰＥ計測情報部には、ＥＰＥ計測の測長値やその測長値の元となった測長エッジの座標や対応付けられた基準パターンの座標などが含まれる。基準パターン情報部には、基準パターンの種別（デザインパターンやシミュレーションパターンなど），基準パターンの層情報（レイヤー情報，データタイプ），図形情報（図形番号，線分番号，線分始点・終点座標，線分方向）などが含まれる。評価結果部には、ＥＰＥ計測の際に対応付けれた基準パターンの部位の分類情報（直線部，角部，先端部など），ＥＰＥ測長値の管理基準（異常判定のための閾値など），ＥＰＥ測長値の重要度（仕様内か，仕様外かや致命的であるか，致命的でないかなど）などが含まれる。
なお、基準パターンの分類情報は基準パターン情報に含まれている場合がある。例えばＬｉｎｅ部だけをまとめた図形に特定のレイヤー番号やデータタイプを設定しておけばそれを参照することによって基準パターンを分類することができる。また、基準パターンの形状を分析して自動的に分類情報を作成してもよい。例えば、ある一定以上の長さを持った線分であった場合は直線部とみなしたり、線分が直交する部位から一定の距離にある部分を角部とみなしたり、２つの角部が近接しており、かつ、一定の長さ以上の直線部がつながっている場合は先端部とみなしたりすることができる。
更に、基準パターンの分類別に個別に管理基準を設定することもできる。例えば、直線部よりも角部の管理基準をゆるくすることができる。また、同じ直線部であっても条件によって（例えば半導体回路としての重要度など）管理基準を区別しても良い。第２３図の例では基準が厳しい直線部（Ｌｉｎｅ−１）は管理基準を−１．０〜１．０ｎｍに、基準が厳しくない直線部（Ｌｉｎｅ−２）は管理基準を−３．０〜３．０ｎｍに、直線部よりも基準が厳しくない角部（Ｃｏｒｎｅｒ）は管理基準を−１５．０〜５．０ｎｍに設定している。
このようにＥＰＥ計測に関係する様々な情報を表形式で記憶させ、設定された管理基準を越えたＥＰＥ測長値を、他の測長結果と識別できるように、識別表示することで、再評価すべきパターンが明確するようにしても良い。第２３図の例の場合、ＥＰＥ計測の評価結果部の重要度にあらかじめ決めておいた異常をあらわす番号や記号を表示することによって、他の測長結果を識別表示するようにした。具体的にはＥＰＥ番号２は管理基準２．０ｎｍに対して、ＥＰＥ測長値が−５．３ｎｍであり、管理基準を超えているために重要度を問題であることを示す３に設定している。このように構成すれば、管理者は許容誤差を越えた部位のみを選択的に評価することができ、評価効率の向上に効果がある。
更に、第２３図には示していないが、ＥＰＥ測長の方向別の平均値を求め、各方向の平均的なＥＰＥ測長値に偏りがないかどうかを調べることによって、基準パターンに対して、実パターン全体がずれているのか、それとも実パターンの一部が変形しているだけなのかを判断することが可能となる。つまり、ＥＰＥ測長値の一部のみ大きな値となっているのであれば、それはその領域のみが何等かの理由で、変形していることが考えられる。しかしながら、例えば或る方向の平均的なＥＰＥ測長値が大きなマイナスを示し、その反対側の平均的なＥＰＥ測長値が大きなプラスを示すような場合、パターンはその方向に大きくずれて形成されている可能性があるといえる。

Claims (15)

1. 荷電粒子線を試料上で走査して得られる信号波形を使って検査対象パターンのパターンエッジ位置を特定し、前記検査対象パターンの設計データと前記パターンエッジとの距離を計測するパターンの測長方法において、
   前記検査対象パターンのパターンエッジ方向を計測する手段と、前記検査対象パターンのパターンエッジ方向に対する前記荷電粒子線の走査方向との相対角度を計測する手段と、前記相対角度による前記信号波形の歪みを予測する手段と、前記予測した信号波形の歪みを補正する手段と、前記補正した信号波形からパターンエッジ位置を特定することを特徴とするパターンの検査，測定方法。
2. 請求項１において、
   前記荷電粒子線を一定方向に走査して得られた前記対象パターンの画像データから、前記信号波形をラインプロファイルとして作成する手段と、前記荷電粒子線の走査方向と前記検査対象パターンのパターンエッジとの相対角度から前記ラインプロファイルの歪みを予測する手段と、前記予測したラインプロファイルの歪を補正する手段と、補正した前記ラインプロファイルからパターンエッジ位置を特定することを特徴とするパターンの検査，測定方法。
3. 荷電粒子線を試料上で走査して得られる信号波形を使って検査対象パターンのパターンエッジ位置を特定し、前記検査対象パターンの設計データと前記パターンエッジとの距離を測長するパターンの測長方法において、
   前記検査対象パターンのパターンエッジの方向を計測する手段と、前記荷電粒子線の走査位置と走査方向の誤差を測定する手段と、測定した誤差から任意の位置と方向における前記荷電粒子線の走査位置と走査方向の誤差を予測する手段と、前記予測した走査位置と走査方向の誤差をあらかじめ補正して、前記荷電粒子線を正しい位置と方向に走査するパターンの検査，測定方法。
4. 荷電粒子線を試料上で走査して得られる信号波形を使って検査対象パターンのパターンエッジ位置を特定し、前記検査対象パターンの設計データと前記パターンエッジとの距離を測長するパターンの測長方法において、
   前記荷電粒子線の走査方向、或いは画素情報の積算方向を、走査位置或いは積算位置における前記検査対象パターンの設計データ、荷電粒子線画像のパターン、荷電粒子線画像のパターンエッジをつないだ多角形、或いはシミュレーションパターンのグラデーション像の階調変化方向に応じて可変することを特徴とするパターンの検査，測定方法。
5. 請求項４において、
   前記荷電粒子線の走査位置と走査方向の誤差を測定する手段と、測定した誤差から任意の位置と方向における前記荷電粒子線の走査位置と走査方向の誤差を予測する手段と、前記予測した走査位置と走査方向の誤差をあらかじめ補正して、前記荷電粒子線を正しい位置と方向に走査することを特徴とするパターンの検査，測定方法。
6. 請求項３または４において、
   荷電粒子線を、前記検査対象パターンのパターンエッジの計測位置のみ選択的に走査することを特徴とする検査，測定方法。
7. 請求項１において、
   前記信号波形から特定したパターンエッジを、前期検査対象パターンの設計データに基づいて１つの図形にすることを特徴とするパターンの検査，測定方法。
8. 請求項１において、
   前記検査対象パターンのパターンエッジ位置の候補を、前記信号波形から複数選択して記憶しておき、前期検査対象パターンの設計データに基づいて１つの図形にする際に、その複数のパターンエッジの候補から、適切なパターンエッジ位置を選択することを特徴とするパターンの検査，測定方法。
9. 請求項１において、
   前記信号波形から特定した検査対象パターンのパターンエッジ位置を使って、前記検査対象パターンの設計データとパターンをマッチングさせる手段と、パターンマッチングの結果に応じて前記信号波形から特定した検査対象パターンのパターンエッジ位置の座標値を補正することを特徴とするパターンの検査，測定方法。
10. 請求項１において、
    前記信号波形から検査対象パターンのパターンエッジ位置を特定する際に、特定する条件を変更することによって、前記検査対象パターンの立体的な形状変化情報を測定することを特徴とするパターンの検査，測定方法。
11. 請求項１において、
    前記信号波形の形状特徴を使って、前記検査対象パターンのパターンエッジを分類することを特徴とするパターンの検査，測定方法。
12. 荷電粒子源から放出される荷電粒子線の試料上での走査に基づいて得られる画像に基づいて、前記試料上のパターンの寸法を測定する演算装置において、
    当該演算装置は、前記試料上に形成されたパターンエッジ方向と、当該パターンのエッジ方向に対する前記荷電粒子線の走査方向との相対角度を計算し、当該計算された相対角度に応じた歪みに基づいて、前記パターンエッジから検出される信号波形を補正し、当該補正された信号波形に基づいて、前記パターンの寸法を測定することを特徴とする演算装置。
13. 請求項１２において、
    前記演算装置は、前記パターンの設計データと、前記画像上のパターンエッジとの間の寸法を測定することを特徴とする演算装置。
14. 荷電粒子源から放出される荷電粒子線の試料上での走査に基づいて得られる画像に基づいて、前記試料上のパターンの寸法を測定する演算装置において、
    前記試料上のパターンのパターンエッジの方向を計測する手段と、前記荷電粒子線の走査位置と走査方向の誤差を測定する手段と、測定した誤差から任意の位置と方向における前記荷電粒子線の走査位置と走査方向の誤差を予測する手段とを備え、前記予測した走査位置と走査方向の誤差をあらかじめ補正して、前記荷電粒子線を正しい位置と方向に走査するように前記荷電粒子線を走査するための荷電粒子線装置を制御することを特徴とする演算装置。
15. 荷電粒子源から放出される荷電粒子線の試料上での走査に基づいて得られる画像に基づいて、前記試料上のパターンの寸法を測定する演算装置において、
    当該演算装置は、前記荷電粒子線の走査方向、或いは画素情報の積算方向を、走査位置或いは積算位置における前記検査対象パターンの設計データ、荷電粒子線画像のパターン、荷電粒子線画像のパターンエッジをつないだ多角形、或いはシミュレーションパターンのグラデーション像の階調変化方向に応じて変化させることを特徴とする演算装置。

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