JP5188263B2 - 走査電子顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、試料に電子等の荷電粒子を照射した際に、二次的に放出される信号を用いて試料表面の性状を分析する荷電粒子ビーム照射装置のうち、とくにパターン寸法を測定するものに関するものである。

試料表面の分析装置として、表面を荷電粒子線プローブで走査し、放出される二次電子，イオン，電磁波などの信号の量ないしエネルギーを解析して表面性状を分析するものは、表面の微細形状，構成元素等に関する情報を用意に得られる利点がある。特にプローブとして電子を、放出信号として二次電子を用い、二次電子量を画面上の輝度に変換して表面形状像を得る走査電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）は広く実用に供されている。

また、半導体素子の検査装置として、走査電子顕微鏡から派生した寸法検査装置である測長ＳＥＭや、形状検査装置である検査ＳＥＭなどが半導体製造産業で広く用いられている。

ナノレベルまで微細化が進む最先端半導体技術の開発や生産の場で、近年の高集積化，微細化に伴い、製造上加工寸法への要求がますます厳しくなってきている。それに伴い、寸法計測への精度も厳しく要求されている。

これまで、測長ＳＥＭによる測定では、複数の測定対象に対し、一定の倍率を用いて、測定を行うことで、測長再現性を一定に維持することが行われてきたが、昨今の測定対象の微細化に伴い、より高い倍率での測定が求められるようになってきた。

特許文献１には、パターン位置決め時の観察倍率にかかわらず、パターン寸法測定時に、ビームの走査ピッチを、寸法測定に適した値に切替えるアルゴリズムを適用することで、常に同一精度で寸法測定を行う技術が説明されている。

特開平９−１８４７１４号公報

図４は、測長値のばらつきと倍率の関係を説明するための図である。約０.３ミクロンパターンを１０回測定した場合、従来の測定倍率（５万倍）で行った結果、寸法ばらつきは１ｎｍ以上になる。

そして、倍率を１０万倍に上げて、分解能の向上により、ばらつきが０.５ｎｍまで改善できる。しかし、倍率切替えにより、計測寸法の絶対値そのものの変化があり、低倍と高倍の絶対値の相関性を取るのが難しい。図５に示すように、従来技術において、低倍（５万倍）と高倍（１０万倍）の寸法差は約６ｎｍにあり、実用的には倍率切替えによる計測精度向上の適応は困難であろう。

また、特許文献１の説明によれば、測定時の精度を均一にするべく、走査ピッチを切替えることを説明しているが、例えば異なる倍率間で同じピッチとするために、単にサンプリングのタイミングを変えると、高倍率時は低倍率時と比較してサンプリング数が減ってしまうことになる。

本発明は、走査電子顕微鏡などの走査プローブを用いてパターン測定を行う方法、或いは装置において、倍率の切替えに依らず高い再現性を実現可能な測定方法及び装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するための一様態として、以下に、試料を電子ビームによって走査することによって得られる信号に基づいてラインプロファイルを形成する走査電子顕微鏡において、所定のタイミングでサンプリングを行う際に、或るサンプリング点とその前後のサンプリング点にて得られた信号の平均値に基づいて平滑化を行うと共に、前記平滑化に供されるサンプリング数を走査電子顕微鏡の倍率に比例して変化させることを特徴とする走査電子顕微鏡を説明する。

上記構成によれば、平滑化に基づいてプロファイルを形成する際に、異なる倍率間の測定誤差を抑制し、高精度な測定を実現することが可能となる。

以下に、倍率間誤差を抑制するのに好適な波形処理法の一例を説明する。波形処理による倍率間寸法変化を最小限とするため、波形処理のパラメータを倍率に連動して変更することによって、倍率の切替えに起因する寸法変動を低減することを、最も主要な特徴とする。

具体的には、波形処理を行う時、信号対ノイズ比の改善のため、波形の平滑化や微分処理を行っているが、倍率変更することによって、波形処理サンプリングを取る物理的な距離の変化があり、波形処理で求めた寸法値の差を生じる。本発明は、倍率変更にあわせて、波形処理サンプリング数を調整し、違う倍率においてもサンプリングを取る物理的な距離を同一にすることにより倍率の切替えによる寸法変動を低減する。

以上のような構成によれば、波形処理方法を倍率に連動して変更するという容易な方法で、倍率間の測定誤差を軽減できるため、パターン寸法に応じて適切な倍率を選択することができ、測長精度向上できるという利点がある。

なお、以下に説明する実施例では、倍率間の測定誤差の軽減という目的を、一般的な荷電粒子ビーム照射装置の構成に部品等を付け加えることなく、波形処理手法の変更のみで実現した。

図２は、荷電粒子ビーム照射装置の一例であるＳＥＭの構成を示す図である。真空排気装置２２２により１×１０^-4Ｐａ程度の高真空に保たれた試料室２０１内に装置外部から運び込まれた試料２０２は試料台２０３に移送される。試料台２０は、試料上の任意の位置に、電子ビーム２０４が照射されるように、試料２０２を移動させる。

電子ビーム２０４は、電子源陰極２０５より放出され、第一陽極２０６，第二陽極２０７，第一集束レンズ２０８，絞り板２０９，第二集束レンズ２１０にそれぞれの電源２１７，２１８，２１９より印加・供給された電圧，電流により加速収束される。さらに、電子ビーム２０４は、走査コイル２１２により、一次元的、或いは二次元的に偏向され、対物レンズ２１１により最終的に微小な断面径をもつ収束ビームとなり、試料表面に到達する。

走査コイル２１２には、走査信号電源２２１から鋸歯状電流が供給され、発生する周期磁界により、電子ビーム２０４を走査する。走査機構は、本実施例では走査コイルにより磁場方式を用いているが、対向電極に電圧を印加する電場方式も可能である。試料から発生した二次信号（この場合二次電子）２１３は、試料と対物レンズ間に印加された電圧により引き上げられ、対物レンズ２１１の上方に進行した後、直交電磁界発生器２１４により一次電子ビーム２０４と分離されて二次信号検出器２１５に入り、光電効果により電気信号に変換され、信号増幅器２１６で増幅された後、描画装置２２４で像信号に変換され、画像表示装置２２５に試料像として表示されるほか、画像記憶手段２２６に転送され、測長演算装置２２７による画像処理装置２２７による画像処理にかけられる。画像処理装置２２７は、画像記憶手段２２６に取り込まれた画像情報の加算平均，形状の検出，像移動の検出，特定形状寸法の測定などの処理を実行する。これらすべての要素が制御手段２２３により逐次制御されている。

図１に、図２の画像処理装置２２７の波形処理機能を示す。電子ビーム１０１が試料１０３上に走査し、パターン１０２から発生した２次電子信号のラインプロファイル１０４が得られる。その信号より、エッジ位置を検出し、測長値を算出する。信号対ノイズ比の改善のため、生の２次電子信号の波形平滑化や微分処理を行ってから寸法を求める。

図１は、波形処理の平滑化サンプリングの原理の説明にしており、以下の説明の中核をなす。平滑処理とは、あるサンプリング点１０５において、前後のサンプリング点、数点の平均値をサンプリング点１０５の平滑化の値とする。なお、その平滑化の点数は、画像処理上、ピクセル単位で設定される。従って、平滑化のサンプリングの物理的な距離は、１ピクセルに相当距離と平滑化点数の掛算の値となる。なお、画像処理上、１ピクセルに相当距離＝画像サイズ／走査本数／倍率となり、画像サイズと走査本数が固定のため、倍率切替えると、１ピクセルに相当する物理的な距離が変わる。

図１（ａ）に図示するように、１０万倍の１ピクセルに相当距離は５万倍の半分になり、従って、１０万倍の平滑化処理の物理的な距離Ｄ２も、５万倍の距離Ｄ１の半分になる。即ち、倍率が変わることで、サンプリングする点間の物理的な距離が変化してしまう。物理的な距離が変化すると、サンプリング点１０５の平滑化後の値が変わる。特に、パターン寸法決めとして使われているエッジ部の生波形は傾斜を持っているため、平滑化サンプリングの物理的な距離が変わると、そのサンプリング点の値の変化が大きい。よって、その波形から更にエッジ位置を求めて、算出された寸法値も倍率によって変わる。倍率切替えによる波形処理のサンプリングの物理的な距離の変化は倍率間の寸法変化が生じる原因となる。

本実施例では、倍率切替えによる波形処理のサンプリングの物理的な距離の変化は、倍率間の寸法変化が生じる原因となるため、倍率間サンプリングの物理的な距離変化を起きないように、波形処理のパラメータの調整という手法を採用した。具体的には、前述波形処理のサンプリングの物理的な距離は、１ピクセルに相当距離と平滑化点数の掛算の値となる。倍率の切替えで１ピクセルに相当する距離が変わるが、そのピクセル変化距離に逆算して、平滑化点数を調整し掛算値を一定にすれば、波形処理のサンプリングの物理的な距離を一定に保つことができる。即ち、本例では倍率切替えによる寸法差を低減するために、倍率に応じて波形処理のサンプリングの数を変更する手法を採用する。

その一例をとして、図１（ｂ）に示す。前述の、図１（ａ）では、１０万倍の１ピクセルに相当距離は５万倍の半分になり、同一サンプリング数だと、１０万倍の平滑化処理の物理的な距離Ｄ２も、５万倍の距離Ｄ１の半分になっている。そして、本例では、１０万倍において、平滑処理のためのサンプリング数を５万倍におけるサンプリング数の約２倍にした。１００ｋの１ピクセルに相当する距離は５０ｋの半分だが、平滑化点数を倍にしたことで、掛算の結果、１０万倍の平滑化処理の物理的な距離Ｄ２は、５万倍の距離Ｄ１に等しくなる。そうすると、物理的に同一距離で波形処理を行っているため、サンプリング距離の変化による倍率間の寸法差を低減できる。更に、高倍において、分解能の向上に伴いサンプリングの数を増やすことによって、より細かく平滑化や微分の処理ができ、測長の精度も向上できる。

波形処理によって、エッジ位置を検出し、寸法を求めるアルゴリズムには各種有るが、一般的には閾値法，直線近似法などが用いられる。図３は閾値法，直線近似法をそれぞれ説明する説明図である。閾値法は、ラインプロファイル１０４を前述のよう、平滑化処理を行い、平滑化後の波形３０５の両端のスロープ部分が一定なレベル（閾値）Ｔと交わる３０７，３０８の間の距離Ｗをパターン１０２の寸法とするものである。閾値Ｔは、通常に波形の最大高さに対する割合として定められる。直線近似法は、前述平滑化した波形の、更に両端のスロープの部分を微分し、微分波形の極点から平滑化波形の最大傾斜を持つ点を定める。その最大傾斜を持つ点との接線を引き、各接線とベースラインとの交点３０９，３１０の間の距離Ｗをパターン１０２の寸法とするものである。

本説明は、前述閾値法ないし直線近似法において、平滑化処理、または微分処理のサンプリング個数を倍率変わっても波形処理の物理的な距離が一定になるように倍率に合わせて変更する手法に関するものである。

その結果の一例として、図５に示す。従来法において、５万倍と１０万倍の寸法差は約６ｎｍがあった。本発明に適応した計測手法においては、寸法差は約０.５ｎｍに低減した。図４の１０万倍の測定ばらつきに同等なレベルまで至った。低倍と高倍の測長相関性が取れて、分解能的に良い高倍で小寸法の計測が可能になって、計測の精度を向上する。

なお、波形処理のパラメータは、予め装置内部パラメータテーブルに倍率毎で設定する。倍率の切替えに連動してソフトの読み込みにより、パラメータ設定を自動に変更する、ユーザとしての操作は容易であろう。

本発明の原理を説明する図。 荷電粒子ビーム照射装置の構成例を示す図。 プロファイルからパターン寸法を求める方法の説明図。 測長値のばらつきと倍率の関係を示す図。 測長値の倍率依存性の例を示す図。

符号の説明

１０１ 電子ビーム
１０２ パターン
１０３ 試料
１０４ ラインプロファイル
１０５ サンプリング点
１０６ 平滑化のサンプリング点

Claims (3)

1. 試料を電子ビームによって走査することによって得られる信号に基づいて、ラインプロファイルを形成し、当該ラインプロファイルを用いてパターンの寸法測定を実行する走査電子顕微鏡において、
   所定のタイミングでサンプリングを行う際に、或るサンプリング点とその前後のサンプリング点にて得られた信号の平均値に基づいて平滑化を行うと共に、前記平滑化に供されるサンプリング数を、走査電子顕微鏡の倍率に比例して変化させると共に、前記平滑化の対象となる試料上の距離が前記倍率に寄らず一定となるような処理を行うことを特徴とする走査電子顕微鏡。
2. 請求項１において、
   前記サンプリングされた信号は、離散信号化され、その後、平滑化、及び微分処理されることを特徴とする走査電子顕微鏡。
3. 請求項１において、
   前記サンプリング数の変更は、倍率に応じて自動的に行われることを特徴とする走査電子顕微鏡。

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