JP5303230B2

JP5303230B2 - 画像処理システム、及び走査型電子顕微鏡装置

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Publication number: JP5303230B2
Application number: JP2008249465A
Authority: JP
Inventors: 美道佐藤; 光二池田; 二大笹嶋
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2008-09-29
Filing date: 2008-09-29
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2028-09-29
Also published as: JP2010079764A

Description

本発明は、画像処理システム、及び走査型電子顕微鏡装置に関し、特に、例えば、半導体デバイス製造においてのプロセスモニタリングを行う機能に関するものである。

近年、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検査装置としては、例えば特許文献１乃至４に開示されているように、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope），測長ＳＥＭ）が従来から用いられている。測長ＳＥＭのステージ（試料台）に載せた半導体ウェハ上の特定の位置のパターン寸法を自動的に測定するとき、測定対象のＳＥＭ画像を用いたパターンマッチングによる位置決めが適用されている。ステージ移動による位置決め精度が十分でないなど測定装置の要因に加え、ウェハ上のパターン形成そのものの位置ずれなど検査対象側の要因により測定位置が合わなくなるため、ＳＥＭ画像上での位置決めが必要になっているからである。

しかしながら、パターンマッチングによる位置決めにはしばしば問題が生じる。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そうとするものである一方、寸法測定を行う対象物は寸法が変動することを前提にしており矛盾する概念を含んでいる。

このためパターンマッチングが一致傾向を量る要素と対象物において変動する要素が重ならないようにすることが肝要である。パターンマッチングによる位置選択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、全く異なるパターンを誤認識して測定を失敗する可能性が生じる。特にパターンマッチングの対象の大きさや形状が変動する場合、さらには類似する対象が混在する場合において顕著な問題となってしまう。

そのため、特許文献５に示されるように、パターンマッチングの対象の大きさが変動する場合の解決方法として、大きさの異なる複数のテンプレート画像を準備し、パターンマッチングを行う方法が考えられる。

また、特許文献６に示されるように、対象の画像を２値化して外形を抽出し、大きさや形状を数値化することで類似する対象から選別する方法が考えられる。

特開昭５９−１１２２１７号公報特開平１１−２５７９３９号公報特開２０００−２８３３６号公報特開２００５−３４１６号公報特開２００６−３１３９２号公報特開平７−８７４７７号公報

しかし、特許文献５の方法を用いれば、全く異なるパターンを誤認識する可能性は減るという利点はあるものの、用意するテンプレート画像の数（大きさのバリエーション）が少なければ、広範囲の変動には対応できず、たとえマッチングに成功していても位置決め精度は低く、逆にテンプレート画像の数を増やせばパターンマッチングの処理速度が低下するという問題がある。さらに形状の変動にも対応させるには膨大な数のテンプレートを用意しなければならなくなる。

特許文献６の方法を用いれば、大きさや形状から判定し、測定対象の位置を正しく求めることができる場合もあるが、画像の２値化によって外形を抽出できるよう、撮影条件が安定であり、対象と背景が常に明確に分離できることが不可欠となる。ところが微細な半導体デバイスの複雑な構造や製造工程においてはこれらの点が容易ではない。

以下に、測定位置を特定するためのパターンマッチングにおいて、大きさや形状が変動する場合でも、さらに類似する対象が混在する場合にも測定に必要な位置選択精度が得られ、なおかつ処理が高速なパターンマッチングが可能な方法，装置、及びシステムについて説明する。

上記課題を解決するためのパターンマッチング法では、パターン画像上で指定された位置決めのテンプレート画像を所定の分割比で分割して複数の小テンプレートを用意する。そして、測定（測長）の際、測定対象画像中で複数の小テンプレートを用いてパターンマッチングを行う。そして、元の位置決めのテンプレート画像での小テンプレート配置と完全には一致しなくても許容範囲内の相似構造のものであれば、測定対象の候補にしている。さらに各々の小テンプレートでのマッチング位置情報から拡大縮小率と形状の歪み率を算出し、数値判断によって候補の中から測定対象を選別する。

即ち、本発明による画像処理システム（例えば、走査型電子顕微鏡装置（測長ＳＥＭ））は、半導体ウェハ上のパターン画像における測定位置を位置決めテンプレートを用いて選択決定する画像処理システムであって、テンプレートの複数の部位を小テンプレートにしてパターン画像に対しテンプレートマッチングを行う手段と、前記テンプレートマッチングの位置情報により類似パターンを抽出し、拡大縮小率を算出する手段と、前記拡大縮小率を分類する条件を設定する手段を備えることを特徴とする。

更に他のパターンマッチング法の特徴は、以下本発明を実施するための最良の形態および添付図面によって明らかになるものである。

上記構成によれば、測定位置を特定するためのパターンマッチングにおいて、大きさや形状が変動し、さらには類似する対象が混在する場合においても、測定に必要な位置選択精度が得られ、なおかつ処理が高速なパターンマッチングを実現することができる。

以下、具体的な実施形態に関し、図面を用いて詳細に説明する。

図１はパターンマッチング法を適用した測定位置の決定方法の一例を示すフローチャートである。まず、あらかじめ設定されたテンプレート画像を取得する（１０１）。最終的に測定しようとするパターンと同等とあるとみなすための位置決めテンプレートである。ホスト計算機に付属する記憶媒体や、撮像装置（例えばＳＥＭ）からその都度取得する。次に「テンプレート分割」（１０２）において、適切な分割比でテンプレート画像を分割しパターンを部分ごとの複数の小テンプレートとして登録する。

「被検査画像取得」（１０３）においては撮像装置から測定対象を含む画像を取得する。

「小テンプレートパターンマッチング」（１０４）においては登録した複数の小テンプレートそれぞれを用いて、被検査画像に対しテンプレートマッチングを行い、それぞれについてのマッチング位置情報（座標）を得る。テンプレートマッチングには相違度，類似度に基づくものや正規化相関などの手法を用いることで、テンプレート画像とは完全に一致していなくても画像内の類似している箇所を検出し選び出すことができる。なお、これらの手法だけではパターンの大きさの変動には基本的に対応しない。

「相似構造抽出」（１０５）においては小テンプレートマッチングで得られたマッチング位置情報の中から、元のテンプレート画像での各小テンプレートの配置と類似しているものを抽出する。元のテンプレート画像上での配置とは完全には一致しなくてもよく、あらかじめ設定した許容範囲内の相似構造であれば測定対象候補として抽出する。結果としてマッチング位置の座標集合を得る。

「拡大縮小率算出」（１０６）においては相似構造抽出で得たマッチング位置情報の座標集合と元のテンプレート画像での各小テンプレートの配置情報を用いて拡大縮小率を各測定位置候補ごとに算出する。算出方法は後に述べる。

「中心座標算出」（１０７）においては中心座標（相似構造中心座標）を各測定対象候補ごとに算出する。算出方法は後に述べる。

「歪み率算出」（１０８）においては元のテンプレート画像と形状の違いを示す歪み率を各測定対象候補ごとに算出する。算出方法は後に述べる。

「測定対象選別」（１０９）においては、あらかじめ適切に設定した拡大縮小率許容値と歪み率許容値に従って、各測定対象候補から最終的な測定対象を選出して決定する。

以下、代表的なパターンであるホール（hole，穴）の画像を例にして本発明を適用した測定位置決定の手順を説明する。

図２は位置決めテンプレートの一例を示す表示装置の画面である。

測定対象パターン（２０１）を囲む大きさでテンプレート画像の範囲（２００）を示す。テンプレート分割の１例として４つに分割し、４つの小テンプレートを用いることも示している。

続いて図３は被検査画像の一例を示す。この画像内には８つのパターンがある（３０１〜３０８）。そして、図２で示した４つの小テンプレートを用いて小テンプレートマッチングを行い、類似箇所を検出した位置を点線の四角形で示している。分割した小テンプレートであれば、パターン全体の大きさや形状が違っていても、部分毎の小さい領域では大きな違いはなく、検出可能である。

また図３の画像には中心座標算出の処理よって得た相似構造中心座標を示している。これらは８つのパターンそれぞれに対応する位置を検出したことを表す。

次に図４を用いて各算出方法をより詳しく説明する。

テンプレートの領域（４０１）を図４に示すように４つに等分割したとき、小テンプレートの幅をＴ_w、高さをＴ_hとする。また、テンプレートの領域の中心から各小テンプレートの中心へのベクトルの長さをＤ_tとする。

被検査画像の類似するパターン上で小テンプレートマッチングを行った結果のマッチング位置を中心座標で表し、Ｐ_n（ｐ_xn，ｐ_yn）とする。４分割のとき、各小テンプレート毎について示すとＰ₀（ｐ_x0，ｐ_y0），Ｐ₁（ｐ_x1，ｐ_y1），Ｐ₂（ｐ_x2，ｐ_y2），Ｐ₃（ｐ_x3，ｐ_y3）である。

このとき、拡大縮小率Ｋは各中心座標間の拡大縮小で定義でき、例えば次式で算出できる。

拡大縮小率Ｋ＝［｛（ｐ_x1−ｐ_x0）＋（ｐ_x3−ｐ_x2）＋（ｐ_x3−ｐ_x0）
＋（ｐ_x1−ｐ_x2）｝／Ｔ_w＋｛（ｐ_y2−ｐ_y0）＋（ｐ_y3−ｐ_y1）
＋（ｐ_y3−ｐ_y0）＋（ｐ_y2−ｐ_y1）｝／Ｔ_h］／８
中心座標Ｑ（ｑ_x，ｑ_y）の算出は例えば次式で行うことができる。

相似構造中心座標Ｑ＝（ｑ_x，ｑ_y）＝（（ｐ_x0＋ｐ_x1＋ｐ_x2＋ｐ_x3）／４，（ｐ_y0
＋ｐ_y1＋ｐ_y2＋ｐ_y3）／４）
次に歪み率の算出方法を説明する。

まず、配置関係が歪むことなくＫ倍相似で拡大縮小した場合を理想位置として仮定する。元のテンプレート領域の中心から各小テンプレートの中心への各ベクトルを、Ｑに始点を置き、方向を変えずに長さをＫ倍に拡大縮小させる。そして、それぞれの終点Ｏ₀（ｏ_x0，ｏ_y0），Ｏ₁（ｏ_x1，ｏ_y1），Ｏ₂（ｏ_x2，ｏ_y2），Ｏ₃（ｏ_x3，ｏ_y3）を理想位置とする。

このとき、歪み率Ｄｒは小テンプレートマッチング位置と理想位置のズレを下記の式で算出できる。なお、拡大縮小率Ｋにより正規化することにより、拡大縮小とは別に形状の違いを表す値になる。

図５の５０１は図３に示した８つパターン（３０１〜３０８）について、本実施例に従って算出した拡大縮小率と歪み率を示す表である。

また、図５の５０２はあらかじめ設定される求める測定対象の選択条件の例を示し、表５０１の判定の欄にはその選択条件に合致したものを○、合致しないものに×を記載している。

選択条件として、拡大縮小率許容値が０.８から１.２の値であることと、歪み率許容値が０.００から０.０５の値であることにしており、拡大縮小率許容値に当てはまるものはパターン３０２，３０４，３０５，３０６，３０７，３０８である。歪み率許容値に当てはまるものはパターン３０１，３０２，３０３，３０６，３０８である。そして両方の許容値に当てはまるものはパターン３０２，３０６，３０８であり、最終的にこれら３つパターンを測定対象として選択する。

なお、示した選択条件は一例に過ぎず、条件を複数用意して類似パターンを分類すれば、それぞれの分類ごとに測定方法を変更することも可能である。

あるいは、拡大縮小率が最も小さいものを選択する条件にして測定対象を選ぶこともできる。また歪みの大きいものだけを測定したい場合には歪み率許容値を大きく設定すればよい。

上記構成によれば、測定対象を選択する位置決めテンプレートと、測定対象のパターン画像に完全に一致するものがなくても、拡大縮小していたり、類似するのものであれば、分割した小テンプレートによるパターンマッチングにより測定位置の情報を導出するようにしている。よって、個々のパターン画像の異なる大きさや形状変化に合わせてテンプレートを用意する必要がなく、高速に処理することができる。また、画像の２値化によって外形を抽出するのではなく、画像の類似性に依る小テンプレートマッチングを用いながら大きさと形状の違いを認識するため、対象と背景を常に明確に分離できる撮像条件の必要性は無くなる。

図６は走査型電子顕微鏡装置（測長ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope））への適用例を示す構成図である。

走査型電子顕微鏡本体（６０１），制御部（６０２），ホスト（プロセッサ）（６０７），画面表示装置（６０９）、およびマウス（ポインティングデバイス）（６１０）からなり、図のように接続されている。

制御部（６０２）は画像処理部Ｂ（６０３），撮像制御部（６０４），ステージ制御部（６０５），真空制御部（６０６）を有している。

撮像制御部（６０４）は走査型電子顕微鏡本体（６０１）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（６０５）は走査型電子顕微鏡本体（６０１）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（６０６）は走査型電子顕微鏡本体（６０１）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Ｂ（６０３）は撮像制御部（６０４）からＳＥＭ画像を入力し処理するためのものである。

ホスト（６０７）は画像処理部Ａ（６０８）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（６０８）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Ｂ（６０３）で行う。制御部（６０２）とホスト（６０７）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。

図１に例示した測定位置を選択決定するための処理はホスト（１３０７）の画像処理部Ａ（６０８）にて実行する。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。画面は画面表示装置（６０９）に出力し、操作者はマウス（６１０）を用いて画面上で操作する。

図１に例示した自動測定運用時に用いる測定位置決定の処理は同様にホスト（１３０７）の画像処理部Ａ（１３０８）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場合、必要に応じて画像処理部Ｂ（１３０３）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、本発明を適用することにより、測定対象の位置決めを高速かつ正確に行うことができる。

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上述した手法を利用できる。

本実施形態の機能は、ソフトウェアのプログラムコードによっても実現できる。この場合、プログラムコードを記録した記憶媒体をシステム或は装置に提供され、そのシステム或は装置のコンピュータ（又はＣＰＵやＭＰＵ）が記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出す。この場合、記憶媒体から読み出されたプログラムコード自体が前述した実施形態の機能を実現することになり、そのプログラムコード自体、及びそれを記憶した記憶媒体は本発明を構成することになる。このようなプログラムコードを供給するための記憶媒体としては、例えば、フロッピィ（登録商標）ディスク，ＣＤ−ＲＯＭ，ＤＶＤ−ＲＯＭ，ハードディスク，光ディスク，光磁気ディスク，ＣＤ−Ｒ，磁気テープ，不揮発性のメモリカード，ＲＯＭなどが用いられる。

また、プログラムコードの指示に基づき、コンピュータ上で稼動しているＯＳ（オペレ
ーティングシステム）などが実際の処理の一部又は全部を行い、その処理によって前述した実施の形態の機能が実現されるようにしてもよい。さらに、記憶媒体から読み出されたプログラムコードが、コンピュータ上のメモリに書きこまれた後、そのプログラムコードの指示に基づき、コンピュータのＣＰＵなどが実際の処理の一部又は全部を行い、その処理によって前述した実施の形態の機能が実現されるようにしてもよい。

また、実施の形態の機能を実現するソフトウェアのプログラムコードがネットワークを介して配信されることにより、システム又は装置のハードディスクやメモリ等の記憶手段又はＣＤ−ＲＷ，ＣＤ−Ｒ等の記憶媒体に格納され、そのシステム又は装置のコンピュータ（又はＣＰＵやＭＰＵ）が当該記憶手段や当該記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出して実行することによって、達成されるようにしてもよい。

測定対象の位置決めの方法を示すフローチャートである。位置決めテンプレートの表示結果を示す画面である。小テンプレートマッチングを行った結果を示す画面である。テンプレートと小テンプレートマッチングに関する幾何学的定義を示す図である。拡大縮小率と歪み率の算出結果の一例を示す表である。顕微鏡装置への適用例を示す構成図である。

符号の説明

１０１テンプレート画像取得
１０２テンプレート分割
１０３被検査画像取得
１０４小テンプレートパターンマッチング
２００テンプレート画像領域
２０１測定対象パターン

Claims

パターン画像とテンプレートとのパターンマッチングを行う画像処理システムであって、
前記テンプレートを複数の部位に分割して、複数の小テンプレートとし、前記パターン画像に対し、当該複数の小テンプレートのそれぞれを用いてテンプレートマッチングを行う手段と、前記複数の小テンプレートを用いたテンプレートマッチングによって得られる前記パターン画像における各小テンプレートのマッチング位置情報に基づいて、前記パターン画像内のパターンの拡大縮小率を算出する手段と、当該算出された拡大縮小率が所定の条件を満たす前記パターンを、測定対象として選択する手段を備えることを特徴とする画像処理システム。
パターン画像とテンプレートとのパターンマッチングを行う画像処理システムであって、
前記テンプレートを複数の部位に分割して、複数の小テンプレートとし、前記パターン画像に対し、当該複数の小テンプレートのそれぞれを用いてテンプレートマッチングを行う手段と、前記複数の小テンプレートを用いたテンプレートマッチングによって得られる前記パターン画像における各小テンプレートのマッチング位置情報に基づいて、前記パターン画像内のパターンの歪み率を算出する手段と、当該算出された歪み率が所定の条件を満たす前記パターンを、測定対象として選択する手段を備えることを特徴とする画像処理システム。
ウェハ上のパターン画像における測定位置を位置決めテンプレートによって選択する機能を有し、
前記テンプレートを複数の部位に分割して、複数の小テンプレートとし、前記パターン画像に対し、当該複数の小テンプレートのそれぞれを用いてテンプレートマッチングを行う手段と、前記複数の小テンプレートを用いたテンプレートマッチングによって得られる前記パターン画像における各小テンプレートのマッチング位置情報に基づいて、前記パターン画像内のパターンの拡大縮小率を算出する手段と、当該算出された拡大縮小率が所定の条件を満たす前記パターンを、測定対象として選択する手段を備えることを特徴とする走査型電子顕微鏡装置。
ウェハ上のパターン画像における測定位置を位置決めするテンプレートによって選択する機能を有し、
前記テンプレートを複数の部位に分割して、複数の小テンプレートとし、前記パターン画像に対し、当該複数の小テンプレートのそれぞれを用いてテンプレートマッチングを行う手段と、前記複数の小テンプレートを用いたテンプレートマッチングによって得られる前記パターン画像における各小テンプレートのマッチング位置情報に基づいて、前記パターン画像内のパターンの歪み率を算出する手段と、当該算出された歪み率が所定の条件を満たす前記パターンを、測定対象として選択する手段を備えることを特徴とする走査型電子顕微鏡装置。