JP5458625B2 - 段差測定方法、段差測定装置及び走査型電子顕微鏡装置 - Google Patents
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Description
一方、サンプルを断裁せずにそれらの段差(微細構造体における隣接する領域内での高低差)を精度高く測定する方法としては、例えばスキャトロメトリなどのサンプルからの散乱光を解析して断面形状を得る測定方法や原子間力顕微鏡(以下、AFMと称する)などの触針式段差計などを用いた測定方法がある。
また、SEMを用いて、サンプルを断裁せずに微細パターンの三次元形状を測定する方法としては、例えば、特許文献1等においていくつかの方法が提案されている。
また、以下の説明においては、フォトマスク上に形成されるラインもしくはスペースパターンに適用した場合について述べるが、本発明の適応範囲は、それのみに限定されるものではなく、LSI上の微細パターンの段差やエッチング深さなどの段差測定にも適用できる。
顕微鏡筐体51は、試料台52、陰極54、走査コイル56、電子レンズ57、検出器59より構成される。顕微鏡筐体51においては、陰極54より放出された電子ビーム55が、走査コイル56によって、試料台52上の試料53を走査され、試料53から発せられた二次電子58が、検出器59により検出される。
また、レンズ制御回路63は、顕微鏡制御部61から入力される制御信号により、電子レンズ57の励磁電流を調節することで、電子ビーム55のZ軸方向の焦点位置(Z軸方向のフォーカス位置。以下、フォーカス値Zとする)を制御する。ここで、Z軸方向とは、試料53或いは試料台52と垂直な軸の方向である。
また、走査回路62は、顕微鏡制御部61から入力される偏向信号により、走査コイル56に供給する電流を調節することで、電子ビーム55の試料53上におけるX又はY軸方向における走査を制御する。以下の説明では、フォトマスク上に形成されるラインの長さ方向をY軸方向とし、これと垂直な方向をX軸方向とする。
段差測定部30は、画像取得部31、画像処理部32、画像表示部33、画像データ保存部34、信号プロファイル生成部35、データ処理部36、数値データ保存部37、データ解析部38及び解析結果表示部39より構成される。
画像処理部32は、生成された走査画像に対してノイズ除去処理等の測定前処理を実施する。このとき処理された画像は、画像表示部33に表示されるとともに、画像データ保存部34にビットマップ形式で保存される。なお、画像表示部33に表示される画像及び画像データ保存部34に保存される画像のXYアドレスと、走査回路62に入力されるXYアドレスは対応しているので、表示され、かつ保存される画像は、2次元画像(例えば後述する図5(b)の画像)である。また、本実施形態においては、電子ビーム55のZ軸方向のフォーカス値Zを変化させながら、画像を取得するので、表示され、かつ保存される画像は、複数のフォーカス値Zに各々対応する画像である。
データ処理部36は、信号波形のプロファイルを微分し、微分プロファイルを生成する。すなわち、データ処理部36は、信号波形のプロファイルにおける輝度値をXで微分した値(以下、微分値という。)を算出し、Xと微分値との関係を示す微分プロファイルを生成する。生成される微分プロファイルは、横軸がX座標、縦軸が微分値となるグラフ(例えば、図2下段の各グラフ)である。また、データ処理部36は、グラフ上における微分値のピーク値(以下、微分ピーク値という)を、マスク上に形成されたラインの上層部と下層部各々について算出する。また、データ処理部36は、数値データ保存部37に上層部と下層部各々の微分ピーク値を、フォーカス値Zとともに記録する。
解析結果表示部39は、データ解析部38の解析結果である段差値を表示する。
本実施形態においては、画像データ保存部34に画像データが記録される構成となっているので、顕微鏡制御部61が、かかる画像データを基に取得された画像の画素値の合計を算出し、後述のジャストフォーカスの位置(オートフォーカスで決定されるフォーカスの位置)を決定するものとする。
図2は、本実施形態の微細パターンの段差測定方法を説明する図であり、図上段において、フォトマスク上に走査される電子ビームの焦点及び焦点深度を、図中段において、取得画像の信号波形のプロファイル(Xと輝度値との関係)を、図下段において、微分プロファイル(Xと輝度値の微分値との関係)を、それぞれ示している。
また、図2(a)〜(d)は、フォーカス値Zをジャストフォーカスの位置(オートフォーカスで決定されるフォーカスの位置)から、プラス方向へ変化させていった時の、上述の各変化を示している。なお、フォーカス値Zは、焦点位置が図中上向きに動く場合をマイナスの方向とし、下向きに動く場合をプラスの方向とする。すなわち、図2(a)〜2(d)において、この順番に焦点がプラス方向へ変化した場合を示し、図2(d)において、焦点及び焦点深度は、マスクのラインの下層部から逸脱しているものとする。
これに対応して、データ処理部36が生成する微分プロファイル2が、図2(a)下段のグラフである。信号波形のプロファイル1を、X(図中における「位置」)で微分するので、微分プロファイル2における微分値は、Xが小さい領域では、信号波形のプロファイル1における輝度値のXに対する傾きが0であるので0である。Xが大きくなると、微分値も増加し、下層部Bに相当するXで極大値となる。続いて、段差のほぼ中央にあたるXにおいては、輝度値が最大となるため、微分値は0となり、その後上層部Aに相当するXで極小値となる。続いて、上層部のフラットな部分に相当するXにおいては、輝度値は一定であるので微分値は0である。次の段差においては、Xの小さいほうから、上層部Aに対応するXで極大値となり、下層部Bに対応するXで極小値となる。
データ処理部36は、微分プロファイル2中の上層部Aに相当する微分ピーク値10および下層部Bに相当する微分ピーク値11を算出し、数値データ保存部37に各微分ピーク値をフォーカス値Zとともに記録する。
これに対応して、データ処理部36が生成する微分プロファイル2が、図2(c)下段のグラフである。微分プロファイルにおいては、左側ピークの右側(右側ピークでは左側)のプロファイル波形の裾引きが緩やかになったことを受けて、上層部Aに相当する微分ピーク値(極小値及び極大値の両方)の絶対値は、いずれも小さくなる。
データ処理部36は、微分プロファイル中の上層部Aに相当する微分ピーク値14および下層部Bに相当する微分ピーク値を算出し、数値データ保存部37に各微分ピーク値をフォーカス値Zとともに記録する。
これに対応して、データ処理部36が生成する微分プロファイル2が、図2(d)下段のグラフである。微分プロファイルにおいては、左側ピークの左側(右側ピークでは右側)のプロファイル波形も裾引きが緩やかになったことを受けて、下層部Bに相当する微分ピーク値(極小値及び極大値の両方)の絶対値も小さくなる。
データ処理部36は、微分プロファイル中の上層部Aに相当する微分ピーク値および下層部Bに相当する微分ピーク値15を算出し、数値データ保存部37に各微分ピーク値をフォーカス値Zとともに記録する。
すなわち、データ処理部36は、信号プロファイル生成部35が生成した信号波形のプロファイルを基に、パターンの上層部Aおよび下層部Bのいずれもが、SEMの焦点深度の範囲から逸脱した状態になるまで、微分ピーク値を算出し、数値データ保存部37へ記録する。
まず、オートフォーカス処理をして、Z軸方向のフォーカス基準点となるフォーカス位置(フォーカス値Z0とする)を設定する(ステップS1)。
次に、設定したフォーカス条件において、走査回路62は、顕微鏡制御部61から入力される偏向信号により、走査コイル56に供給する電流を調節することで、電子ビーム55の試料53上におけるX又はY軸方向における走査を制御する。画像取得部31は、検出器59により検出された二次電子58を、画像情報を示す電気信号へと変換し、試料53の走査画像を生成する。(ステップS2)。
次に、データ処理部36は、信号波形のプロファイルを微分し、微分プロファイルを作成する。すなわち、データ処理部36は、上述のグラフにおいて、輝度値をXで微分した値(以下、微分値という。)を算出し、Xと微分値の関係を示す、横軸がX座標、縦軸が微分値となるグラフを生成する(ステップS4)。
また、データ処理部36は、生成したグラフ上における微分ピーク値を、マスク上に形成されたラインの上層部と下層部各々について算出し、数値データ保存部37にフォーカス値Zとともに記録する(ステップS5)。
データ解析部38は、ステップS6における判定において、ラインの上層部と下層部のいずれの微分ピーク値も上述の閾値より小さい値となった場合、SEMの焦点深度の範囲を逸脱したと判定し(ステップS6−YES)、微分ピーク値とフォーカス値Zの関係図よりパターンの段差を算出する(ステップS8)。
上述の図3(b)のように、微分ピーク値とフォーカス値Zの関係図にフラットな部分(傾きがゼロの部分)がない場合、プロットしたデータだけから微分ピーク値の立下りを精度よく判定することが困難であるためである。この判定を行う場合、データ解析部38は、ステップS6において、微分ピーク値のフォーカス値Zに対する傾きを、マスク上に形成されたラインの上層部と下層部各々について算出し、傾きが正から負へ変化すれば、焦点深度の範囲を逸脱したものと判定する。また、データ解析部38は、ステップ8において、上層部と下層部各々における各フォーカス位置(フォーカス値Z)と微分ピーク値との関係を示す曲線近似式を算出し、それぞれの曲線の変曲点におけるフォーカス値Zの差分を段差として算出する。
段差測定方法およびその装置について、上述の図4に示す処理フローを用いて効果を確認したところ、次に説明する結果を得ることができた。
まず、効果を実証するために測定に用いた試料は、図5(a)に示すように、マスクパターンの上層部がCr(クロム)、下層部がQz(石英)で構成されたラインである。このラインを試料として用いて、オートフォーカス処理をした後(ステップS1)、画像処理部32が、図5(b)に示す走査画像を生成した(ステップS2)。なお、このときのジャストフォーカスの位置は、フォーカス値Z0=51.145μmであった。
データ処理部36は、生成された信号波形のプロファイルを微分し、図6(b)に示す微分プロファイルを生成した(ステップS4)。図6(b)においては、上層部と下層部に相当する微分ピーク値が抽出されていることがはっきりと示されている。また、ラインエッジ部における上層部の微分ピーク値は47.7、下層部の微分ピーク値は77.2であった。
なお、同一試料を、上述の従来技術において説明したAFMを使用して段差を測定したところ、その結果は0.106μmとなり、本発明による測定結果とほぼ一致した。これにより、本発明による段差測定方法、段差測定装置及び走査型電子顕微鏡装置について、微細パターンの段差を精度高く測定できることが実証された。
30…段差測定部、31…画像取得部、32…画像処理部、33…画像表示部、34…画像データ保存部、35…信号プロファイル生成部、36…データ処理部、37…数値データ保存部、38…データ解析部、39…解析結果表示部、A…上層部、B…下層部
Claims (6)
- 走査型電子顕微鏡の走査画像に基づいて、試料の段差を測定する段差測定方法であって、
前記試料の段差を測定する工程は、
Z軸方向の複数のフォーカス位置各々について、前記走査画像から信号波形のプロファイルを生成する第1の工程と、
前記信号波形のプロファイルを微分処理して微分プロファイルを生成する第2の工程と、
前記微分プロファイルから前記試料の上層部と下層部に相当する微分ピーク値を算出する第3の工程と、
前記微分ピーク値と前記フォーカス位置との関係から、前記試料の段差を算出する第4の工程と、
を有し、
前記第4の工程は、前記微分ピーク値と前記フォーカス位置の関係図を作成し、前記微分ピーク値が低下する前記フォーカス位置を、前記試料の上層部と下層部各々において算出し、算出された上層部のフォーカス位置と下層部のフォーカス位置の距離の差分を算出し、前記試料の段差とすることを特徴とする段差測定方法。 - 走査型電子顕微鏡の走査画像に基づいて、試料の段差を測定する段差測定方法であって、
前記試料の段差を測定する工程は、
Z軸方向の複数のフォーカス位置各々について、前記走査画像から信号波形のプロファイルを生成する第1の工程と、
前記信号波形のプロファイルを微分処理して微分プロファイルを生成する第2の工程と、
前記微分プロファイルから前記試料の上層部と下層部に相当する微分ピーク値を算出する第3の工程と、
前記微分ピーク値と前記フォーカス位置との関係から、前記試料の段差を算出する第4の工程と、
を有し、
前記第4の工程は、前記微分ピーク値と前記フォーカス位置の関係図を作成し、前記微
分ピーク値の前記フォーカス位置に対する傾きが正から負へと変わるフォーカス位置を、
前記試料の上層部と下層部各々において算出し、算出された上層部のフォーカス位置と下
層部のフォーカス位置の距離の差分を算出し、前記試料の段差とすることを特徴とする段差測定方法。 - 走査型電子顕微鏡の走査画像に基づいて、試料の段差を測定する段差測定装置であって、
Z軸方向の複数のフォーカス位置各々について、前記走査画像から信号波形のプロファイルを生成する信号プロファイル生成部と、
前記信号波形のプロファイルを微分処理して微分プロファイルを生成するデータ処理部と、
前記微分プロファイルから前記試料の上層部と下層部に相当する微分ピーク値を算出し、前記微分ピーク値と前記フォーカス位置との関係から、前記試料の段差を算出するデータ解析部と、
を有し、
前記データ解析部は、前記微分ピーク値と前記フォーカス位置の関係図を作成し、前記微分ピーク値が低下する前記フォーカス位置を、前記試料の上層部と下層部各々において算出し、算出された上層部のフォーカス位置と下層部のフォーカス位置の距離の差分を算出し、前記試料の段差とすることを特徴とする段差測定装置。 - 走査型電子顕微鏡の走査画像に基づいて、試料の段差を測定する段差測定装置であって、
Z軸方向の複数のフォーカス位置各々について、前記走査画像から信号波形のプロファイルを生成する信号プロファイル生成部と、
前記信号波形のプロファイルを微分処理して微分プロファイルを生成するデータ処理部と、
前記微分プロファイルから前記試料の上層部と下層部に相当する微分ピーク値を算出し、前記微分ピーク値と前記フォーカス位置との関係から、前記試料の段差を算出するデータ解析部と、
を有し、
前記データ解析部は、前記微分ピーク値と前記フォーカス位置の関係図を作成し、前記微分ピーク値の前記フォーカス位置に対する傾きが正から負へと変わるフォーカス位置を、前記試料の上層部と下層部各々において算出し、算出された上層部のフォーカス位置と下層部のフォーカス位置の距離の差分を算出し、前記試料の段差とすることを特徴とすることを特徴とする段差測定装置。 - 走査型電子顕微鏡装置であって、
Z軸方向の複数のフォーカス位置各々について、試料の走査画像から信号波形のプロファイルを生成する信号プロファイル生成部と、
前記信号波形のプロファイルを微分処理して微分プロファイルを生成するデータ処理部と、
前記微分プロファイルから前記試料の上層部と下層部に相当する微分ピーク値を算出し、前記微分ピーク値と前記フォーカス位置との関係から、前記試料の段差を算出するデータ解析部と、
を有し、
前記データ解析部は、前記微分ピーク値と前記フォーカス位置の関係図を作成し、前記微分ピーク値が低下する前記フォーカス位置を、前記試料の上層部と下層部各々において算出し、算出された上層部のフォーカス位置と下層部のフォーカス位置の距離の差分を算出し、前記試料の段差とすることを特徴とする走査型電子顕微鏡装置。 - 走査型電子顕微鏡装置であって、
Z軸方向の複数のフォーカス位置各々について、試料の走査画像から信号波形のプロファイルを生成する信号プロファイル生成部と、
前記信号波形のプロファイルを微分処理して微分プロファイルを生成するデータ処理部と、
前記微分プロファイルから前記試料の上層部と下層部に相当する微分ピーク値を算出し、前記微分ピーク値と前記フォーカス位置との関係から、前記試料の段差を算出するデータ解析部と、
を有し、
前記データ解析部は、前記微分ピーク値と前記フォーカス位置の関係図を作成し、前記微分ピーク値の前記フォーカス位置に対する傾きが正から負へと変わるフォーカス位置を、前記試料の上層部と下層部各々において算出し、算出された上層部のフォーカス位置と下層部のフォーカス位置の距離の差分を算出し、前記試料の段差とすることを特徴とすることを特徴とする走査型電子顕微鏡装置。
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