JP5888000B2 - Ｓｅｍ画像適否判定方法、ｓｅｍ画像適否判定装置 - Google Patents

Description

本発明は、被測定対象物のパターン線幅の測定結果の適否を二次電子走査画像から判定する方法に関する。

走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）は、電子銃からの電子線ビームを試料上に照射し、この電子線ビームの照射によって試料から発生した二次電子等を検出器で検出し、検出信号を電子ビームの走査に同期した表示手段に供給し、試料の走査像を得る。半導体デバイスのパターン寸法を測定する際には、この画像を解析することにより寸法を測定する方法が多く採用されている。

一般的なバイナリー型のフォトマスクのパターンは、石英基板上にクロム（Ｃｒ）やモリブデンシリサイド（ＭｏＳｉ）の金属膜で遮光パターンが形成され、光を透過する透光部と遮断する遮光部とで構成されている。このように、フォトマスクは絶縁性基板上に金属膜が形成されたものであるため、ＳＥＭによるマスクパターンの寸法測定においては、測定部位に溜まった電荷の影響で入射ビーム及び二次電子が影響を受け、絶縁性部分の帯電（チャージアップ）が発生しやすい。本現象はフォトマスク製造工程における寸法測定において大きな問題になっている。

チャージアップが発生すると、ＳＥＭ画像に多大な影響を与える。例えば、画像のコントラストが大きく変化したり（輝度ムラ）、パターンエッジが不鮮明になったり（画質ボケ）、パターンが歪んだように見える（ドリフト）現象などが知られている。当然、このような現象が生じたＳＥＭ画像から正確なパターン寸法を測定することはできない。
また、近年は半導体回路パターンの微細化に伴い、フォトマスクパターンの微細化が進展してきており、微細なパターンの寸法を精度良く測定する必要性が増してきている。ＳＥＭは試料表面から発生する二次電子量に応じて表示する画像の輝度を調整しているため、パターンの寸法によって、スペース部とライン部の輝度のコントラストが変化することがある。

図７は、パターン寸法による輝度のコントラストの違いを説明する図である。
図７の（ａ）は長寸法のスペースパターン、図７の（ｂ）は短寸法のスペースパターンである。図示の信号波形は横方向のラインプロファイルを表す。長寸法と短寸法パターンの輝度を比較すると、ライン部に相当する領域では略同等であるが、スペース部は短寸法パターンの方が小さい。これは、スペース幅が小さくなると、パターンの側壁によって遮られる二次電子の割合が増えたり、スペース部とライン部の電位変化が顕著になったりすることで、検出器に届く二次電子量が減少するためである。

図７の（ｃ）は長寸法と短寸法の左側のパターンエッジのプロファイルを拡大し、信号ピークの位置で重ね合わせた図である。パターンのエッジ位置を決める方法としては、閾値法、直線回帰法、ピーク法、微分法など様々あるが、閾値法の場合について説明する。閾値法は、パターンのエッジ位置をプロファイルの最大点（１００％）と最小点（０％）の間で、任意の閾値レベルを設定して決める方法であり、通常は５０％の高さをエッジ位置と定義することが多い。

図７の（ｃ）のＥＬとＥＳは、閾値５０％の高さにおける長寸法と短寸法パターンのエッジ位置を表している。両者の位置は一致せず、僅かな差（ｄｓ）が生じている。これは、スペース部の輝度が小さくなることに伴って、信号ピークの形状が変化するために生じるものである。スペース部の電界分布の変化が、ＳＥＭ画像のコントラストに影響を及ぼした結果生じた差であり、実際のパターンのエッジ位置がずれているわけではない。本来、ＳＥＭ画像は試料の形状に依存したコントラストを主体として、パターンの寸法測定が行われることが望ましいが、実際には電界分布に依存したコントラスト成分も含まれる。パターンが短寸法になると、この電界分布に依存したコントラストの影響が顕著になるため、正確な寸法測定には障害となり得る。フォトマスク製品には、設計値に対する寸法差の均一性（Linearity）が重要なファクタとしてあり、寸法に依存した測定装置の不確かさは極力排除しなければならない。

従来、これらの現象が生じた状態で撮影されたＳＥＭ画像から測定されるパターンの寸法が正しいか否かの判定は、測定者自身が画像の鮮明さやコントラストから視覚的に判断することが多く、測定者による個人差などを排除しきれないという問題があった。
特許文献１に記載された従来技術では、チャージアップによる測定誤差量を算出するための指標として、測定値の設計値に対する誤差のレンジやバラツキを用いることで、パターン寸法の評価を行っている。

特開２００６−０３０２２０号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された従来技術のように、測定値の設計値に対する誤差のレンジやバラツキを指標として得るためには、パターンを数十回測定する必要があり、実製品のフォトマスクに適用するのは現実的ではない。また、評価パターンの周囲に開口率の異なる特殊なパターンが必要となり、チャージアップの評価に使用できる測定パターンが限定される。
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、取得したＳＥＭ画像がパターン寸法測定に適するか否かを、定量的に且つ正確に判定することを課題とする。

上記課題を解決するために、
本発明の一態様に係るＳＥＭ画像適否判定方法は、
予め設定したパターンを有する被測定対象物を走査型電子顕微鏡で撮像し、ＳＥＭ画像を取得する工程と、
ＳＥＭ画像に基づいてパターンの信号強度分布を取得する工程と、
ＳＥＭ画像がパターンの寸法測定に適するか否かを判定するための指標値を、信号強度分布のうち前記パターンのエッジ部分を除いた領域から取得する工程と、
指標値と予め設定した基準値との比較により、ＳＥＭ画像がパターンの寸法測定に適するか否かを判定する工程と、を含むことを特徴とする。

指標値を取得する工程では、
信号強度分布におけるライン部とスペース部の信号強度の平均値を算出し、双方の信号強度比を指標値として取得することを特徴とする。

本発明の他の態様に係るＳＥＭ画像適否判定方法は、
ＳＥＭ画像がパターン寸法測定に適するか否かを判定する工程では、
指標値が基準値よりも小さいときには、パターン寸法測定に適していると判定し、
指標値が基準値よりも大きいときには、パターン寸法測定に適していないと判定することを特徴とする。

本発明の他の態様に係るＳＥＭ画像適否判定方法は、
ＳＥＭ画像がパターン寸法測定に適していないと判定されたときに、ＳＥＭ画像を取得する画像取得条件を変更し、再度、ＳＥＭ画像を取得する工程を含むことを特徴とする。
本発明の一態様に係るＳＥＭ画像適否判定装置は、
上記のＳＥＭ画像適否判定方法を実施することを特徴とする。

本発明によれば、寸法測定に影響を及ぼす、ＳＥＭ画像のチャージアップによる輝度の濃淡の勾配や不均一性、短寸法パターンでの輝度のコントラスト変化などを定量的に求めることができるので、測定者自身の判断によって測定結果の良否判定を行う個人差を排除することができる。

パターン寸法測定の一つ目の判定方法を説明するフローチャートである。 実施形態１におけるＳＥＭ画像と信号強度分布図である。 パターン寸法測定の二つ目の判定方法を説明するフローチャートである。 実施形態２におけるＳＥＭ画像と信号強度分布図である。 実施例１における寸法測定結果図である。 実施例２におけるＳＥＭ画像と信号強度分布図と測定結果図である。 スペースパターンの信号強度分布図と信号比較図である。

以下、本発明によるＳＥＭ画像適否判定方法について、図示の実施形態により詳細に説明する。本発明が有効に作用するＳＥＭ画像は、チャージアップにより輝度の濃淡の勾配や不均一性がある場合、短寸法パターンでの輝度のコントラストに変化がある場合である。夫々の場合における実施形態を以下で説明する。

＜実施形態１＞
本実施形態１では、チャージアップにより輝度の濃淡の勾配や不均一性がある場合について説明する。図１は、本実施形態１を説明するフローチャートである。
先ず、測定対象パターン上をビームで走査し、ＳＥＭ画像を取得する（Ｓ１）。図２の（ａ）はスペースパターンを撮影したＳＥＭ画像１０を示す図である。
次に、得られたＳＥＭ画像に画像処理を施し、ラインプロファイルを生成する（Ｓ２）。図２（ｂ）は（ａ）のＳＥＭ画像の横方向の信号強度分布を示すラインプロファイルである。Ｐ１、Ｐ２はパターンエッジに相当する信号ピークを表す。信号ピークを境目としてプロファイルの傾きを算出する領域を決定する。ＳＥＭ画像１０のパターンでは３つの領域に分割される。ピーク部分の信号値が最小となる点、或いはラインプロファイルを微分した信号の信号値がある閾値より小さくなる点を各領域の始点や終点と定義すればよい。信号ピークＰ１より左側を領域Ａ１、Ｐ１とＰ２に囲まれた領域をＡ２、Ｐ２より右側の領域をＡ３とする。

次に、各領域でのプロファイルの傾き（一次直線近似）を算出する（Ｓ３）。領域Ａ１、Ａ２、Ａ３のプロファイルの傾きをそれぞれＳＬ１、ＳＬ２、ＳＬ３とする。
次に、予め設定しておいた傾きの基準値と得られた傾きをそれぞれ比較する（Ｓ４）。
ここで、傾きの基準値とは、寸法測定に影響を及ぼし始める値とし、検証実験やシミュレーションなどを用いて、予め求めておく。具体的には、加速電圧などの測定条件を様々に変化させて、パターンがチャージアップしやすい状態で撮像し、プロファイルの傾きを変化させたＳＥＭ画像を取得する。プロファイルの傾きの大きさに伴いパターンエッジのピーク信号形状が変化するので、チャージアップの影響のないＳＥＭ画像から算出したエッジ位置との差が、寸法測定精度に影響を及ぼし始めるプロファイルの傾きを算出すればよい。寸法測定精度の指標としては、ＩＴＲＳ（International Technology Roadmap for Semiconductors）で示される要求値を参考にして適宜決めればよい。また、シミュレーション計算によって算出することも可能で、その場合にも前記方法と同様に求めればよい。

次に、得られた傾きが基準値より小さい場合は、寸法測定に影響がないものと判断し、パターン寸法を測定し、結果を出力する（Ｓ５）。
一方、傾きが基準値より大きい場合は、チャージアップの影響を顕著に受けて、画像の輝度の濃淡が著しく変化しているものと判断できるので、画像取得条件などを変更し、チャージアップの影響を抑えた画像を再度取得する（Ｓ６）。例えば、画像取得条件の変更は、加速電圧や積算フレーム回数などが考えられ、チャージアップが発生しにくい条件に変更する。
上記、実施形態１によれば、チャージアップにより輝度の濃淡の勾配や不均一性があるＳＥＭ画像に対して、定量的にチャージアップの影響を見積もることができ、正確な寸法測定の判断ができるようになる。

＜実施形態２＞
本実施形態２では、短寸法パターンでの輝度のコントラストに変化がある場合について説明する。図３は本実施形態２を説明するフローチャートである。
先ず、測定対象パターン上をビームで走査し、ＳＥＭ画像を取得する（Ｓ７）。図４（ａ）はスペースパターンを撮影したＳＥＭ画像２０を示す図である。
次に、得られたＳＥＭ画像に画像処理を施し、ラインプロファイルを生成する（Ｓ８）。図４（ｂ）は（ａ）のＳＥＭ画像の横方向の信号強度分布を示すラインプロファイルである。Ｐ３、Ｐ４はパターンエッジに相当する信号ピークを表す。

次に、信号ピークを境目としてライン部とスペース部の輝度の平均値を算出する（Ｓ９）。ここでは、ライン部の輝度平均値をＤＬ、スペース部をＤＳとする。
次に、両者の輝度比（Ｒ＝ＤＬ/ＤＳ）を計算する（Ｓ１０）。
次に、予め設定しておいた輝度比の基準値との比較を行う（Ｓ１１）。ここで、輝度比の基準値は、寸法測定精度に影響を及ぼし始める値とし、検証実験やシミュレーションなどを用いて、予め求めておく。検証実験で輝度比の基準値を決定する場合は、電界分布に依存したコントラストの影響が小さいＳＥＭ画像から決定するのが望ましい。例えば、スペース幅が十分に広いパターンや孤立ラインパターンなどが挙げられる。

次に、得られた輝度比が基準値より小さい場合は、寸法測定精度に影響がないものと判断し、パターン寸法を測定し、結果を出力する（Ｓ１２）。
一方、輝度比が基準値より大きい場合は、スペース部の輝度が電界分布の影響により小さくなっていることを意味し、寸法測定に影響を及ぼすと判断され、画像取得条件などを変更し、再度画像取得をする（Ｓ１３）。
上記、実施形態２によれば、短寸法パターンで輝度のコントラストに変化が生じるＳＥＭ画像に対して、定量的に寸法測定精度に影響を与えるＳＥＭ画像の判断ができるようになる。

以下、本発明のＳＥＭ画像適否判定方法について具体的な実施例を示す。
＜実施例１＞
先ず、実施形態１を適用した実施例１について説明する。
本実施例１ではフォトマスク基板上で、ユニフォーミティ（均一性）評価用のラインパターンを任意に１０ヵ所選択し、測定を行った。測定したマスクはＣｒとＱｚ（石英、石英ガラス、合成石英、合成石英ガラス、石英を主成分とするガラス）で構成されたバイナリタイプのマスクであり、Ｃｒがパターン部分に相当する。

先ず、ラインパターンの１０ヵ所全てに対して、順次ビームで走査し、ＳＥＭ画像を取得した。次に、それぞれのＳＥＭ画像に対して、画像処理を施し、横方向のラインプロファイルを取得した。次に信号ピークを境目として、各領域のプロファイルの傾きを算出した。ラインパターン１０ヵ所の傾きは、最大で０.０７３、最小で０.０３３であった。予め設定しておいた傾きの基準値は０.０２であり、何れのパターンのプロファイルの傾きも、基準値より大きいことが分かった。そのため、チャージアップの影響による輝度の濃淡の勾配が大きいと判断し、画像取得条件（加速電圧及び積算フレーム回数）を変更し、再度全てのパターンに対して画像取得を行った。

次に、再計測したＳＥＭ画像の信号プロファイルの傾きを算出したところ、最大で０.００９、最小で０.０００２であり、何れのパターンも傾きの基準値（０.０２）より小さくなり、チャージアップの影響を低減したＳＥＭ画像を取得することができた。次に、再計測の効果を確認するため、寸法測定結果を再計測前後で比較した。図５（ａ）に条件変更前の結果、図５（ｂ）に条件変更後の寸法測定の結果を示す。ラインパターン１０ヵ所の平均値との差をプロットした結果である。ラインパターン１０ヵ所の寸法のバラツキ（３σ）は、条件変更前が６.８ｎｍに対して、条件変更後は１.９ｎｍであった。画像取得条件を最適化することで、チャージアップの影響に起因した寸法測定のバラツキを低減することができた。

＜実施例２＞
次に、実施形態２を適用した実施例２について説明する。
本実施例２ではフォトマスク基板上のリニアリティ（直線性）評価用のスペースパターンに対して実施した。測定したマスクはＣｒとＱｚで構成されたバイナリタイプのマスクであり、Ｃｒがパターン部分に相当する。パターン寸法は３００ｎｍ〜８０ｎｍのパターンに対して実施した。
先ず、リニアリティ評価用のスペースパターン全てに対して、順次ビームで走査し、ＳＥＭ画像を取得した。図６に取得したＳＥＭ画像の一例を示す。

図６（ａ）は３００ｎｍ、（ｂ）は２００ｎｍ、（ｃ）は８０ｎｍのパターンのＳＥＭ画像である。次に、それぞれのＳＥＭ画像に対して、画像処理を施し、横方向のラインプロファイルを生成した。次に、信号ピークを境目として、ライン部とスペース部の輝度平均を算出し、両者の輝度比を計算した。３００ｎｍのパターンが１.９３、２００ｎｍのパターンが２.５２、８０ｎｍのパターンが４.６７と求まった。これらの処理を全てのパターンに対して同様に行った。

図６（ｄ）にパターン寸法に対する輝度比の分布結果を示す。パターン寸法が小さくなるに従い、輝度比が大きくなる傾向が見られる。これは、前述のようにスペース部からの二次電子検出量減少に伴い、輝度レベルが小さくなったためである。図６（ｄ）のＲｔｈは、予め設定しておいた輝度比の基準値で３.０である。Ｒｔｈとパターン寸法の関係を調べると、１６０ｎｍより小さいパターンで、Ｒｔｈより輝度比が大きくなることが分かった。そのため、１６０ｎｍより大きいパターンでは、取得したＳＥＭ画像から寸法を測定し、それより小さいパターンに対しては、画像取得条件（加速電圧あるいは引き出し電圧など）を変更し、再度画像取得するという判断を行った。

本発明のＳＥＭ画像適否判定方法は、ＳＥＭ画像の画質に起因する寸法測定の正確さを定量的に判断できることから、半導体、フォトマスク、ナノインプリントなどのパターン寸法を計測する分野に利用することが期待される。

１０、２０ パターン観察画像
Ｐ１〜Ｐ４ 信号ピーク
Ａ１〜Ａ３ プロファイルの傾き取得領域
ＤＬ、ＤＳ 輝度平均値
Ｒ 輝度比
Ｒｔｈ 輝度比の基準値

Claims (4)

1. 予め設定したパターンを有する被測定対象物を走査型電子顕微鏡で撮像し、ＳＥＭ画像を取得する工程と、
   前記ＳＥＭ画像に基づいて前記パターンの信号強度分布を取得する工程と、
   前記ＳＥＭ画像が前記パターンの寸法測定に適するか否かを判定するための指標値を、前記信号強度分布のうち前記パターンのエッジ部分を除いた領域から取得する工程と、
   前記指標値と予め設定した基準値との比較により、前記ＳＥＭ画像が前記パターンの寸法測定に適するか否かを判定する工程と、を含み、
   前記指標値を取得する工程では、
   前記信号強度分布におけるライン部とスペース部の信号強度の平均値を算出し、双方の信号強度比を指標値として取得することを特徴とするＳＥＭ画像適否判定方法。
2. 前記ＳＥＭ画像が前記パターン寸法測定に適するか否かを判定する工程では、
   前記指標値が前記基準値よりも小さいときには、前記パターン寸法測定に適していると判定し、
   前記指標値が前記基準値よりも大きいときには、前記パターン寸法測定に適していないと判定することを特徴とする請求項１に記載のＳＥＭ画像適否判定方法。
3. 前記ＳＥＭ画像が前記パターン寸法測定に適していないと判定されたときに、前記ＳＥＭ画像を取得する画像取得条件を変更し、再度、ＳＥＭ画像を取得する工程を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のＳＥＭ画像適否判定方法。
4. 請求項１〜３の何れか一項に記載のＳＥＭ画像適否判定方法を実施することを特徴とするＳＥＭ画像適否判定装置。

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