JP5337531B2

JP5337531B2 - 荷電粒子線装置

Info

Publication number: JP5337531B2
Application number: JP2009045029A
Authority: JP
Inventors: 和之平尾; 周一中川; 秀樹板井
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2009-02-27
Filing date: 2009-02-27
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2029-02-27
Also published as: JP2010198997A

Description

本発明は、荷電粒子線装置に係り、特にステージ機構等の発熱に伴う位置ずれを効果的に抑制し得る荷電粒子線装置に関する。

半導体デバイス等を測定，検査する走査電子顕微鏡に代表される荷電粒子線装置では、測定等の対象となる試料を装置内に搬入した後、グローバルアライメントを経て、試料のずれ（中心ずれ，回転ずれ）情報を取得し、当該情報に基づく補正を行いつつ、測定等の対象部位への移動を行っている。

また、対象部位の移動には、特許文献１に説明されているように、テンプレートマッチングと呼ばれる位置決め手法が用いられている。

特開平１０−３１９６８号公報

特に１つの試料上に測定点が多数存在する場合、試料を載せた試料ステージの移動も頻繁に行われ、ステージ機構が熱を持つことになる。このような熱の発生によって、走査電子顕微鏡の試料室内の部材が熱膨張し、試料室内にてステージの位置を特定するための手段（例えばレーザー干渉計）によって特定されるステージ位置と、実際のステージ位置に誤差が生じることになる。当該誤差は、測定位置の誤差となって現れ、測長対象パターンの認識に失敗する可能性がある。

特許文献１に開示されているようなテンプレートマッチング法によれば、或る程度の誤差があったとしても、測定位置の特定は可能であるが、ステージの継続的な移動によって蓄積される熱による座標誤差が、テンプレートマッチングによる位置特定可能範囲を超えてしまった場合、測定パターンへ到達することができないことがある。

以下に、ステージ機構等の継続的な移動によって発生する熱に基づく座標誤差に依らず、測定対象を正確に特定することを目的とする荷電粒子線装置を説明する。

上記目的を達成するために、以下にテンプレートマッチングによって、測定位置を特定する演算装置を備えた荷電粒子線装置において、測定点数の増加と、当該測定点数の増加に対するテンプレートマッチングによって特定される測定対象の理想的な測定位置と、実際の測定位置との位置ずれ量の変化の関係を記憶する記憶媒体を備え、前記演算装置は、前記関係に基づいて、次の測定点におけるずれ量を計算し、当該計算値が、所定の閾値を超えた場合に、当該計算値に基づいて前記ずれ量を補正した移動量を計算することを特徴とする荷電粒子線装置を提案する。

上記構成によれば、ステージ機構等の継続的な移動によって発生する熱に基づく座標誤差に依らず、測定対象を正確に特定することが可能となる。

走査電子顕微鏡の概略構成図。測定点数と位置ずれ量との関係を示すグラフ。走査電子顕微鏡を動作させるレシピ実行時に、座標補正を実施する処理工程を説明するフローチャート。最小二乗法によるフィッティングによって、測定点数と位置ずれ量との間の関係式を求めるときの概念図。測定点の位置ずれ許容範囲を決定するときの概念図。測定位置座標の位置ずれ補正条件設定画面の一例を説明する図。

半導体回路パターンはウェーハと呼ばれる試料上に作り込まれる。一般に、半導体回路パターンの計測では、試作段階では１枚のウェーハ内を数百点計測し、量産に移行してからでも１枚のウェーハ内で数十点のパターンを計測することが多い。しかし近年では、ＯＰＣ（Optical Proximity Correction）パターンの評価のように、１枚のウェーハ内を数千点評価しなければならない場合があり、長時間安定して計測できるシステムへのニーズが高い。

ウェーハ上のパターン寸法を自動で測定するには、測定対象パターンへの移動，測定対象パターンの認識，測定対象パターンの測定という一連の処理を自動で行う必要がある。しかし、１枚のウェーハ内を数千点計測する評価では、長時間にわたり頻繁なステージ移動を伴うため、駆動軸およびモータ発熱などにより試料室が熱膨張し、レーザー干渉計の位置がずれるため、測定対象パターンへの移動において、位置ずれとなって現れてしまい、測定対象パターンの認識に失敗する場合がある。発熱部の冷却やクリーンルームの温度管理などにより、メカニカルな変形を抑制し位置ずれを防ぐことは可能であるが、発熱源が多岐に渡るため複雑で高度な装置制御が必要となる。

そこで、計測中の位置ずれ量を記憶しておき、測定条件により位置ずれを補正することができれば、長時間の自動計測も可能となり、レシピ処理の自動化率も向上させることができる。

以下に、計測中の位置ずれ量を測定条件に基づき、動的なフィードバックを行うことにより、測定パターン位置への移動精度を向上させ、レシピ処理の自動化率の向上を実現する荷電粒子線装置を説明する。

自動化率向上のために、レシピ処理において測定点へ移動する前に、既に測定した測定点の理想座標と実際に測定した測定点の座標との情報から、測定点へ移動した時に予測される位置ずれ量を算出する。さらに、測定対象を検出するための観察領域サイズとパターンを検出するためのテンプレートを囲むエリアカーソルのサイズよりパターン検出を行うために許容される位置ずれ量とを比較する。比較した結果、パターンの検出に失敗する可能性がある場合は、算出した位置ずれ量を移動すべき測定位置に加味させて移動する。

上記構成によれば、長時間のレシピ処理における測定位置への移動において位置ずれ補正を行うことができ、パターン認識エラーの発生頻度を抑えることができるため、レシピ処理の自動化率が向上する。

以下図面を参照して、具体的な実施態様を説明する。荷電粒子線装置の１種である走査電子顕微鏡の概略構成を図１に例示する。走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の電子顕微鏡筐体１の中で、電子源２から発生した一次電子４は、一次電子加速電源１８から電圧が印加された一次電子加速電極３によって加速される。一次電子線は、試料９に印加されたリターディング電源１９により減速され、かつ制御用計算機１４（演算装置）の制御信号１５で対物レンズ８により収束されて試料上に照射される。試料に電子線が照射されると、試料表面から二次電子１６が発生し、二次電子はリターディング電圧により電子銃側に加速される。二次電子は反射板６にあたり反射板で発生した二次電子が二次電子検出器１０で補足される。補足された情報は、増幅器１１で増幅され、出力される信号を画像処理プロセッサ１２内でＡＤ変換し、デジタル画像データを作る。画像表示装置１３は、その画像データを表示する。また、画像処理プロセッサ１２は、デジタル画像データを格納する画像メモリと各種の画像処理を行う画像処理回路，表示制御を行う表示制御回路を持つ。

図１に例示する装置は、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、半導体ウェーハ上に形成されたパターンの認識，寸法測定等に用いられる。

例えば、試料９上のパターンの寸法を計測するには、制御用計算機１４からの制御信号２０で測定対象のパターンを一次電子線が垂直に照射するようにステージを移動させ、測定すべき場所を、画像処理プロセッサを利用して検出し測定を行う手順となる。

半導体回路パターンの線幅などを測定する装置では、一般的にはレシピと呼ばれるファイルに、一連の測定手順を記述し、その手順に従って装置を稼動させることで、無人運転を可能にしている。１枚のウェーハに対する一般的なレシピの処理フローを簡単に説明すると、最初にウェーハを試料室内に搬入した後、グローバルアライメントを実行し、ウェーハの中心ずれ量と回転量を算出する。次に、先に算出したウェーハ中心ずれ量と回転量を加味して、レシピに登録されている測定位置へ移動し、厳密に測定位置を特定するため測定するパターンを検出して、パターンの寸法測定を行う。レシピに登録されている全てのパターンの寸法測定が完了すると、測定結果を保存し、ウェーハを元の位置に搬出してレシピ処理を終了する。制御用計算機１４は、上述のようなＳＥＭ内での測定に要する動作を自動的に実行するレシピと呼ばれるプログラムを実行するための処理装置でもある。

１枚のウェーハに対して数千点もの評価を行うレシピを実行すると、長時間にわたり頻繁なステージ移動を伴うため、モータ発熱などによりレーザー干渉計の位置がずれ、測定位置への移動において図２に示すような位置ずれが発生する。測定を進めるにつれて位置ずれ量が大きくなるため、測定対象のパターンを検出する処理でエラーとなる可能性が高くなり、レシピの自動化率を低下させてしまう。

このような問題を踏まえて、以下の実施例を提案する。

図３は、走査電子顕微鏡を動作させるレシピ実行時に、座標補正を実施する処理工程を説明するフローチャートである。なお、本実施例装置は、測定位置を特定するために、パターン検出用マークを特定するためのテンプレートを、半導体デバイスの設計データや、実際の試料のＳＥＭ画像から作成し、テンプレートマッチングによって、その位置を特定する。

まず、ウェーハを搬入し（Ｓ０１）、グローバルアライメントを実施する（Ｓ０２）。次に、ｎ−１点目までの位置ずれ量からｎ点目の位置ずれ量を予測し、測定するパターンの検出が正常に実施できるかどうかを判断する（Ｓ０３）。

ｎ点目の位置ずれ量を予測するには、ｎ−１点目までの位置ずれ量を（式１）のような近似関数でフィッティングし、算出すればよい。

ここで、（ΔＸｎ，ΔＹｎ）は、ｎ点目のＸ方向およびＹ方向への位置ずれ量、ａ₁，ａ₂，ｂ₁，ｂ₂は係数である。

係数ａ₁，ａ₂，ｂ₁，ｂ₂は、位置ずれ量を最もよく近似するように最小二乗法などを用いて求めればよく、例えば図４のような関係が得られる。この例では、測定した点数と位置ずれ量が一次の関係にあるという式を用いたが、位置ずれ量を予測するのに適切な近似式があれば（式１）の近似式である必要はない。また、上記のような関数は一次ではないｎ次の関数であっても良い。位置ずれ量の測定や関数の更新は、測定点毎に行う必要はなく、例えば、数点毎に行うようにしても良い。また、位置ずれ量や関数は、図示しない記憶媒体に記憶され、これらのデータは演算装置の要求に基づいて、読み出される。

次に、測定するパターンを正常に検出するためには、先に（式１）で求めた位置ずれ量（ΔＸｎ，ΔＹｎ）を（式２）より判定する。

ここで、ＦＯＶ＿Ｘは、測定するパターンを検出する際のＸ方向の観察領域（Field of View）［ｍ］、ＦＯＶ＿Ｙは、測定するパターンを検出する際のＹ方向の観察領域［ｍ］、（Ｘｐ，Ｙｐ）は、観察領域の左下（０［ｍ］，０［ｍ］）を基準としたときのパターン検出用マークの座標Ｘ，座標Ｙ，（Ｘcur，Ｙcur）は、パターン検出用マークを囲むエリアカーソルのサイズＸ，サイズＹである。

正しい測定位置を見つけるには、パターン検出用のマークを検出しなければならないため、パターン検出用マークを囲むエリアカーソルのサイズを考慮することが重要となる。
（式２）の具体的なイメージを図５に示す。（式２）の結果が満たされているなら、すなわちパターン検出に成功するであろう位置ずれ量であるなら、従来と同じ測定座標への移動を行う（Ｓ０４）。一方、（式２）の結果が満足できない場合、すなわちパターン検出に失敗するであろう位置ずれ量であるなら、その位置ずれ量（ΔＸｎ，ΔＹｎ）を（式３）に基づき理想の測定座標に加味して移動する（Ｓ０５）。

ここで、（Ｘｎ′，Ｙｎ′）は、ｎ点目の位置ずれ量を加味した測定位置座標、（Ｘｎ，Ｙｎ）は、ｎ点目の理想の測定位置座標、（ΔＸｎ，ΔＹｎ）は、近似関数から算出したｎ点目の位置ずれ量である。

一見すると、（式２）による判定を外し、全ての測定点で（式３）による補正を実施すれば良さそうに考えられるが、実際には測定対象の回路パターンのばらつきに依存してしまう可能性があること、また次の測定点の位置ずれ量を外挿で求めることになるため、それなりのサンプリングデータに基づいて予測することが重要となる。すなわち、一般的なレシピ処理であれば、短時間に大きな位置ずれが発生することもないため、（式２）の判定基準を設けることで巨視的な位置ずれ量の補正が有効に行えると考えられる。

測定点へ移動後は、厳密に測定位置を特定するためパターンを検出する（Ｓ０６）。このとき、理想の測定位置と実際に検出した測定位置との位置ずれ量を取得する（Ｓ０７）。取得した位置ずれ量データは、次の点の予測位置ずれ量の算出に使用することとなる。その後、パターンの寸法測定を行い（Ｓ０８）、レシピに登録されている全てのパターンの寸法測定が完了すると、測定結果を保存して（Ｓ０９）、ウェーハを元の位置に搬出してレシピ処理を終了する（Ｓ１０）。

任意のウェーハに対するレシピ処理において、熱による位置ずれ量が近似関数（式１）で精度良く合うという知見が得られているのであれば、はじめて補正した測定点をｎ番目とすると、ｎ＋１点目以降の位置ずれ量をｎ点目で求めた（式１）で算出し、（式３）で補正した位置に移動すればよい。この場合、ｎ＋１点目以降はほとんど位置ずれが発生しないため、パターン検出エラーの低減に活用できる。

実施例２とは対照的に、ある測定点以降で熱飽和状態となり、（式１）を用いてフィッティングすると、偏差が大きくなり、予測する位置ずれ量の精度が悪い場合がある。このようなケースを考慮するなら、近似に使用するデータ区間をＧＵＩで設定させることが望ましい。

次に、レシピファイル作成における測定位置座標の位置ずれ補正のための設定画面を、図６を用いて説明する。設定する第１の情報は、測定位置座標の位置ずれ補正を行うかのフラグである。レシピの実行時間は、評価する測定点数によって異なるため、必要に応じて設定することを可能とする。第２の設定情報は、補正方式のフラグである。補正方式には、実施例１で示したパターン検出条件に基づいた閾値判定方式、ある任意の測定間隔で定期的に補正する方式、およびある任意の測定点で１回だけ補正する方式を、排他的に選択できるようにする。定期補正方式を選択した場合は、定期補正間隔テキストボックスに入力した測定点数ごとに、また、一度のみの補正方式を選択した場合は、補正実行測定点テキストボックスに入力した測定点で一度だけ実施例２に基づく補正を実施する。

定期補正方式および１回のみの補正方式は、閾値判定方式では対処できないケースや保険として実施したいニーズに応えることができる。また、それぞれの方式において、（式１）のフィッティングに使用するデータを、「全データで補正」または「測定点数テキストボックスで指定した最新点数のデータを使用」のどちらかから指定する。後者の場合は、測定点数テキストボックスに測定点数を入力すればよい。

１電子顕微鏡筺体
２電子源
３一次電子加速電極
４一次電子
５コンデンサレンズ
６反射板
７操作コイル
８対物レンズ
９試料
１０二次電子検出器
１１増幅器
１２画像処理プロセッサ
１３画像表示装置
１４制御用計算機
１５，２０制御信号
１６二次電子
１７ステージ
１８一次電子加速電源
１９リターディング回路

Claims

荷電粒子源と、当該荷電粒子源から放出される荷電粒子ビームを試料に照射することによって得られる荷電粒子に基づいて画像を形成する画像処理装置と、テンプレートマッチングによって、測定位置を特定する演算装置を備えた荷電粒子線装置において、
測定点数と、当該測定点数に対するテンプレートマッチングによって特定される測定対象の理想的な測定位置と、実際の測定位置との位置ずれ量の変化の関係を記憶する記憶媒体を備え、
前記演算装置は、前記関係に基づいて、次の測定点におけるずれ量を計算し、当該計算値が、所定の閾値を超えた場合に、当該計算値に基づいてずれ量を補正した測定位置座標を計算することを特徴とする荷電粒子線装置。
請求項１において、
前記演算装置は、検出される位置ずれ量の変化と、測定点数に基づいて、前記関係を示す関数を作成することを特徴とする荷電粒子線装置。
請求項１において、
前記演算装置は、計算によって求められる次の測定点におけるずれ量が、前記所定の閾値以下である場合に、前記計算量に基づく補正を行うことなく前記測定位置座標を計算することを特徴とする荷電粒子線装置。