JP6061496B2 - パターン計測装置、パターン計測方法及びパターン計測プログラム - Google Patents

Description

本発明は、電子顕微鏡を用いて試料に作成された微細パターンの寸法を計測する計測装置及び計測方法に関わる。

微細回路パターンを幾層も形成する半導体デバイスの製造工程では、パターンが設計通りに加工されているか、あるいはパターン寸法に変動がないか計測を行う。このパターン計測には、微細パターンの寸法計測に適した走査電子顕微鏡（ＳＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）が広く用いられている。ＳＥＭでは、走査しながら電子線を計測試料に照射し、計測試料から二次的に得られる信号電子（二次電子及び反射電子）を検出することで走査像（ＳＥＭ像）を得る。二次的に得られる信号電子の発生量はパターン形状や材料に依存するため、ＳＥＭ像のコントラストを用いて計測対象パターンを計測することができる。電子顕微鏡を用いた計測装置や計測方法については、例えば特許文献１〜３に開示されている。

特開２００４−１４０２８０号公報 特開平７−２７５４９号公報 特開２００９−１１０９６９号公報

半導体デバイスは複数の層から構成されることが一般的であるが、製造途中においては上層と下層のパターンの両者が同時にＳＥＭ像に撮像される場合がある。例えば、上層の一部がエッチングなどで除去され、下層が露出する場合である。この場合は、上層に加えて露出した下層にも電子線が照射されるため、ＳＥＭ像には上層のパターンと露出した下層のパターンの両方が含まれる。ＳＥＭ像に上層と下層のパターンが混在すると、上層と下層を同時に計測できる、上層と下層の位置ずれを計測できるといった利点がある。

しかし、ＳＥＭ像に上層と下層のパターンが混在すると、正確な計測を阻害する場合もある。上層のパターンが計測対象である場合、下層パターンの輪郭が上層パターンの輪郭に近接していると、計測するパターン輪郭を誤る可能性がある。例えば、ホールパターンの計測にて、ホール開口部に下層配線がラインパターンとして見える場合で説明する。図１、図２は上層にホールパターン、下層にラインパターンがある場合の例である。ホール開口部１０にラインパターン１１の一部が露出している。図１では、ホール開口部輪郭１０の内側にラインパターンの輪郭１１ａの一部が見える。この場合は、ホール開口部輪郭１０を計測する場合にラインパターンの輪郭１１ａを誤って計測対象としてしまう可能性がある。また、ラインパターン１１の見え方は変化する場合がある。図２では、ラインパターンの輪郭１１ａ、１１ｂの両方がホール開口部に露出している。このため、図１のように下層配線輪郭の片側のみが露出する想定で輪郭抽出を行うと、計測対象の輪郭を誤る可能性がある。このような見え方の違いは、ホールや下層配線の寸法ばらつきや上層と下層の合わせずれといったプロセス変動にも起因するため、必ずしもパターンの設計から予測できない。

この輪郭の誤判定を解消する必要性は、近年の半導体装置の微細化に伴い増加してきた。従来は設計寸法に余裕を持たせることができたが、微細化が進み設計寸法に余裕を持たせることができず、プロセス変動が顕在化しやすくなっているためである。例えば、図１の例では、ホールの下層の配線をホールよりも十分太くすることで、プロセス変動により下層配線の輪郭がホール内部へ至ることを抑制することができる。しかし、近年の半導体装置では、配線幅とホール直径とがほぼ等しい場合もあり、プロセス変動により容易に配線輪郭がホール内部に現れたり現われなかったり変動する。

また、プロセス変動の顕在化により、上層と下層のパターンを同時に計測する計測方法が提案されている。例えば、上層と下層の合わせずれ計測や、下層の特定のパターン上の上層パターンを計測するといった必要性である。後者の例としては、トランジスタのゲート電極加工後の試料で、トランジスタの特性に最も重要なチャネル領域上のゲート電極を計測する例が挙げられる。

一方、半導体装置の微細化により、上記輪郭の判別をＳＥＭで行うことが困難になってきた。ＳＥＭの分解能相当である数ｎｍ以下にまで接近した輪郭を判別しなければならないからである。一般に、ＳＥＭでは、信号電子の輝度変化からパターンの輪郭を判定する。しかし、パターン輪郭が数ｎｍ以下に近接すると、輝度変化が重なりどちらの変化であるか判別が困難になる。また、上層と下層を同時に計測する場合においても、半導体装置の微細化により計測が困難になる場合がある。パターンとパターンの間隔が狭くなり、上層と下層の各層での輪郭抽出が異なる層のパターンの輪郭に阻害されやすくなるからである。

そして、特許文献１には、ＳＥＭ画像に複数の層のパターンが含まれる場合に各層のパターンを区別し正しく測定する方法が開示されている。ＳＥＭ画像からパターンの概輪郭を抽出しグループ分けをすることで正しく輪郭を判定し計測を行う。しかしながら、上述したように、輪郭が近接すると判別すべき複数の輪郭を抽出すること自体が困難になる。従ってこの技術では、近接した輪郭を区別することはできない。

また、特許文献２では電子線照射条件を変更することで上層と下層のパターンを計測する方法が開示されている。特許文献２によれば、電子線に対して露出しない部分に到達し得るエネルギーを有する電子線を照射することにより、試料中に埋設された構造物を計測することができる。さらに、試料中に到達しうる深さが異なる複数の照射条件や試料への入射角度が異なる複数の照射条件を用いて複数のＳＥＭ画像を取得し、複数のＳＥＭ画像を用いて立体形状を評価することができる。さらに、各深さの画像を積層させる、またはＳＥＭ画像間の輝度差からなる画像を作成するなど画像演算を行う方法が提案されている。

しかしながら、これらの技術では上層と下層の近接した輪郭を区別して計測できない。深さの異なるＳＥＭ画像を積層させて立体形状を評価する方法では、表面からの深さが十分に異なるパターンに対しては区別できる。しかし、略同一面に存在するパターンに対しては従来のＳＥＭ画像による計測と同じである。一般的には、上層と下層を同時に計測する場合、上層と下層の接する面に着目する。なぜなら、上層と下層での配線やデバイス構造のずれが半導体装置の性能や歩留まりに影響するからである。そのため、計測対象となる上層と下層パターンの輪郭は略同一面にあることが多い。例えば、図１では、ホール底部輪郭１０とホール開口部に露出した下層配線の輪郭１１ａ、１１ｂは、上層と下層の界面の略同一面にある。また、画像間の輝度差で作成する差画像など画像演算を行うことで計測用画像を作成するだけでは、近接した輪郭を区別して計測することはできない。近接した輪郭は輝度変化が重なりあい不明瞭である。そのため、それらの画像演算で得られる画像では演算の誤差が大きくなり、真に計測対象の輪郭であるのか、互いに不明確な輝度変化を演算することで偶発的に生じた輪郭なのか区別できない。加えて、撮像条件が異なるため複数のＳＥＭ画像は同時には取得できない。撮像が同時でない場合は、試料位置を意図的に変更しない場合であっても撮像位置がずれる可能性がある。これは、振動や熱振動で試料が移動したり、試料の帯電状態が変化し電子線の照射位置がずれたりするためである。そのため、これらの技術では数ｎｍ程度に近接した輪郭を区別して計測することはできない。

また、特許文献３では、単一の計測対象に対して複数の撮像条件でＳＥＭ画像を取得し、それらの画像を合成して計測用ＳＥＭ画像を得る技術が開示されている。特許文献３では、ホールパターンに対し焦点位置を変えた複数の画像を取得し、ホール上部と底部の両方で焦点が合った画像を合成する技術が開示されている。これらの技術では、略同一面に存在する近接した輪郭に対しては、従来と同じく近接した輪郭を誤って計測する可能性を排除できていない。例えば、ホール底部の計測にはホール上部の画像は不要であり、上部と底部の合成画像ではホール底部の輪郭判別が困難になるためである。

本発明の目的は、複数のパターンを含む試料において、パターンの輪郭が近接しても計測対象パターン輪郭を正しく選択し計測することができるパターン計測装置、パターン計測方法及びパターン計測プログラムを提供することである。

上記目的を達成するために、本発明は、特許請求の範囲に記載した構成を備えている。

本発明のパターン計測装置の一例を挙げるならば、試料を荷電粒子で走査し、試料から生じる二次荷電粒子または反射荷電粒子を検出することで検出画像を作成し、検出画像に撮像されたパターンを計測するパターン計測装置であって、試料の略同一場所で互いに撮像条件が異なる複数の検出画像を取得する画像取得部と、前記複数の検出画像から複数のパターン輪郭を抽出する輪郭抽出部と、前記複数のパターン輪郭を組み合わせて計測対象輪郭を再構成する輪郭再構成部と、前記再構成した計測対象輪郭を用いて計測を行う輪郭計測部と、を備えるものである。

また、本発明のパターン計測方法の一例を挙げるならば、試料を荷電粒子で走査し、試料から生じる二次荷電粒子または反射荷電粒子を検出することで検出画像を作成し、検出画像に撮像されたパターンを計測するパターン計測方法であって、試料の略同一場所で互いに撮像条件が異なる複数の検出画像を取得する工程と、前記複数の検出画像から複数のパターン輪郭を抽出する工程と、前記複数のパターン輪郭を組み合わせて計測対象輪郭を再構成する工程と、前記計測対象輪郭を用いて計測を行う工程と、を備えるものである。

また、本発明のパターン計測プログラムの一例を挙げるならば、荷電粒子線装置で得られた検出画像に撮像されたパターンの計測をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、試料の略同一場所で互いに撮像条件が異なる複数の検出画像を読み込むステップと、前記複数の検出画像から複数のパターン輪郭を抽出するステップと、前記複数のパターン輪郭を組み合わせて計測対象輪郭を再構成するステップと、前記計測対象輪郭を用いて計測を行うステップと、を備えるものである。

本発明によれば、複数のパターンを含む試料において、パターンの輪郭が近接しても計測対象パターン輪郭を正しく選択し計測することができる。

上層にホールパターン、下層にラインパターンがある試料のＳＥＭ画像の一例を示す図。 上層にホールパターン、下層にラインパターンがある試料のＳＥＭ画像の他の一例を示す図。 本発明の実施例１のパターン計測の内容を説明するフローチャート。 本発明の実施例１のパターン計測装置のブロック構成図。 本発明の実施例１において、計測対象とした試料を説明する図。 本発明の実施例１において、計測対象とした試料のＳＥＭ画像の一例を示す図。 本発明の実施例１において、計測対象とした試料のＳＥＭ画像の他の一例を示す図。 本発明の実施例１において、複数のＳＥＭ画像を一つの画像に保存する方法の一例を説明する図。 図３のパターン形状計測（Ｓ８）を詳細に説明するフローチャート。 本発明の実施例１において、ＳＥＭ画像から計測対象パターンの輪郭抽出を説明する図。 図１０の輪郭抽出を説明するＳＥＭ画像の輝度プロファイル。 本発明の実施例１において、ＳＥＭ画像から計測対象パターンの輪郭抽出を説明する図。 図１２の輪郭抽出を説明するＳＥＭ画像の輝度プロファイル。 本発明の実施例１において、２種類のＳＥＭ画像から抽出した２種類のパターン輪郭を示す図。 本発明の実施例１において、２種類のＳＥＭ画像から抽出した２種類のパターン輪郭から再構成した計測対象パターンを示す図。 図９のステップＳ２３にて行う計測対象輪郭決定方法の例を説明する図。 本発明の実施例１において、パターン計測に用いられるＧＵＩ画面の一例を示す図。 本発明の実施例２のパターン計測の内容を説明するフローチャート。 本発明の実施例２において、パターン計測に用いられるＧＵＩ画面の一例を示す図。 上層と下層にラインパターンがある試料のＳＥＭ画像の一例を示す図。 本発明の実施例１のパターン計測の一部を変形したフローチャート。 本発明の実施例３のパターン計測の内容を説明するフローチャート。

以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。本発明を実施する形態として、大きく二つの形態を説明する。第一の形態では、本発明を実施できる新たなＳＥＭを用いる形態である。第二の形態では、従来のＳＥＭで画像を取得し、その後、本発明を実施可能なパターン計測プログラムで計測を行う形態である。

第一の形態では、ＳＥＭ画像の撮像条件や、輪郭抽出方法、パターン計測方法を一括してＳＥＭで管理できる。そのため、全体の処理時間を短くすることができ、また、パラメータ設定などの取り扱いが容易であるといった利点がある。一方、第二の形態では、従来のＳＥＭを使用できるため、第一の形態に比較し安価に本発明の効果を得ることができる。

図４に、実施例１のパターン計測装置のブロック構成図を示す。本実施例で使用するパターン計測装置１００は、画像取得部１０１と、演算部１０２、データ記憶装置１０３、表示装置１０４とを備える。画像取得部１０１は、ＳＥＭ画像を取得できる構成であればよく、例えばＣＤ−ＳＥＭ（Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）と同様の構成とする。計測試料に対する撮像・計測を行うための装置制御パラメータやデータ処理パラメータはウエハ計測レシピとしてデータ記憶装置１０３に格納されている。ウエハ計測レシピには、計測対象パターンの位置、計測対象が撮像範囲に入るようパターンマッチングを行うのに必要な参照画像やデータ、撮像に必要な電子ビーム等の設定条件、パターンの計測方法や計測に必要なデータ処理条件などが含まれている。演算部１０２は、コンピュータで構成され、各部の動作を制御し、撮像されたＳＥＭ画像に対し計測を行う。演算部１０２は、位置ずれ検出部１０２１、輪郭抽出部１０２２、輪郭再構成部１０２３、輪郭計測部１０２４を含む。計測を開始すると、演算部１０２はデータ記憶装置１０３からウエハ計測レシピを読み込み、測定対象パターンの画像を取得するために必要な試料位置調整や、画像の撮像に必要な制御パラメータを画像取得部１０１に与える。画像取得部１０１は画像取得を実行し、得られた画像を演算部１０２に返す。演算部１０２は、受け取った画像に対し、ウエハ計測レシピで指定されている画像処理やパターン形状の計測を行う。パターン形状の計測には、位置ずれ検出部１０２１、輪郭抽出部１０２２、輪郭再構成部１０２３、輪郭計測部１０２４を用いる。さらに、画像やパターン計測結果をデータ記憶装置１０３に保存する。また、演算部１０２は、一連の処理過程を適宜表示装置１０４に表示する。

図５を用いて実施例１の計測対象試料について説明する。本実施例の計測対象試料は、半導体デバイスの多層配線を作成している途中の状態である。図５は本計測対象試料で得られるＳＥＭ画像の例を模式的に示したものである。図５より、本計測対象試料のＳＥＭ画像では３種類のパターンが観察できる。すなわち、トレンチパターン１０６と、トレンチパターン１０６の内部に加工されたホールパターン１０７と、ホールパターン１０７内部の下層配線パターン１０８である。なお、符号１０５はマスク膜を示す。積層構造を説明すると、最表面にトレンチパターン１０６、トレンチパターン１０６底部からホールパターン１０７が加工されている。ホールパターン１０７の下には、下層配線パターン１０８が形成されている。トレンチパターン１０６とホールパターン１０７は形状が加工されたのみで中空のパターンであるが、下層配線パターン１０８は金属が埋めこまれている。

また、図５の下層配線パターン１０８は、トレンチパターン１０６とホールパターン１０７が加工されたことで露出した金属配線１０９の一部である。また、図５では下層配線１０８の右側の輪郭がホールパターン１０７の内部に見えている。これは、下層配線１０９とホールパターン１０７との位置がずれて形成されたためである。製造プロセスにより、このずれはばらつく。例えば、金属配線１０９の中心とホールパターン１０７の中心が一致するよう形成されれば、ホールパターン１０７の底面全面が金属配線となりホールの内部に金属配線の輪郭は見えなくなる。

本実施例での計測対象は、図５に示すホールパターン１０７の直径とホール内部に露出した下層配線パターン１０８の面積とした。なお、本発明はパターンが表面に露出している場合に限らない。複数のパターンのうち、一方あるいは両方が試料に埋没していてもよい。

次に、本実施例でのパターン計測手順を説明する。本実施例では、一つの計測場所に対し二種類の撮像条件（第一の撮像条件と第二の撮像条件）を用いて二枚のＳＥＭ画像を取得する。試料に複数の計測場所がある場合は、二種類の手順が考えられる。第一の手順は、計測場所のＳＥＭ画像が取得できるよう試料位置を調整した後、第一の撮像条件と第二の撮像条件の画像を連続して取得する方法である。第二の手順は、第一の撮像条件で試料の全ての計測場所のＳＥＭ画像を取得し、次に第２の撮像条件でもう一度試料の全ての計測場所のＳＥＭ画像を取得する方法である。第一の手順では、試料の位置合わせが一度で済むが、撮像条件を短時間に変更するため装置状態が安定しない可能性がある。第二の手順では、第一の撮像条件と第二の撮像条件のそれぞれで試料の位置合わせを行うため、計測時間が長くなる。しかし、撮像条件の切り替えは一度で済むため、ＳＥＭの装置状態を安定させやすい。本実施例では、後者の試料の全ての計測場所にて第一の撮像条件でＳＥＭ画像を取得した後、第二の撮像条件で試料の全ての計測場所のＳＥＭ画像を取得した。

図３に基づいて、実施例１のパターン計測のフローの概略を説明する。各ステップの詳細は後述する。まず、試料を装置に設置する（ステップＳ１）。次に、第一の撮像条件で試料の全計測場所のＳＥＭ画像を撮像する。計測対象が撮像領域に入るよう試料位置と電子ビームの照射範囲位置を調整するため、第一の試料位置調整（ステップＳ２）を行う。次に、第一の撮像条件により第一のＳＥＭ画像を取得しデータ記憶装置１０３に保存する（ステップＳ３）。ステップＳ２とステップＳ３は試料の各計測箇所で繰り返し行う。次に、第二の撮像条件で試料の全計測場所のＳＥＭ画像を撮像する。第二の試料位置調整（ステップＳ４）と第二の撮像条件による第二のＳＥＭ画像の取得（ステップＳ５）を行う。次に、同じ計測場所で撮像した第一のＳＥＭ画像と第二のＳＥＭ画像とで、撮像位置のずれ量を検出する（ステップＳ６）。次に、試料の計測場所毎に第一のＳＥＭ画像と第二のＳＥＭ画像を関連付ける（ステップＳ７）。ここで、関連付けるとは、同じ撮像場所の第一と第二のＳＥＭ画像と両ＳＥＭ画像の撮像位置ずれ量を容易に取り出せるデータとしてデータ記憶装置１０３に保存することである。次に、第一のＳＥＭ画像と第二のＳＥＭ画像を用いてパターン形状の計測を行う（ステップＳ８）。試料にｎ箇所ある計測場所についてステップＳ４からＳ８を繰り返し終了する。なお、本発明は、計測手順の順番には依らない。例えば、計測を高速化するため並列動作をさせることができる。例えば、図３のステップのうちステップＳ４とステップＳ５を画像取得部１０１で繰り返し行い、並列して演算部１０２ではステップＳ６からステップＳ７を繰り返し行うことができる。

図３のステップＳ１からステップＳ８まで進めるのに必要なパラメータは、ウエハ計測レシピとして予め作成しておく。そのため、ステップ１で試料を装置に設置した後、演算部１０２にてウエハ計測レシピを実行させることで、ステップＳ１〜Ｓ８を自動的に進めることができる。

次に、第一の撮像条件と第二の撮像条件について説明する。ここで、撮像条件とは、例えば、試料へ入射させる電子ビームの入射エネルギーや電流値、電子ビームが試料へ入射する角度、電子ビームの先端径やビームの開き角、電子ビームを走査する速度や走査順序や走査方向、試料表面から信号電子を引き出す方向に印加する引き出し電圧などである。電子ビームの入射エネルギーや入射角を変更すれば、電子ビームが試料中で到達する深さが変わる。例えば、入射エネルギーを大きく、または、入射角を試料に対し垂直にするほど、電子ビームはより深く試料中に入射できる。そのため、表面に露出せず埋没したパターンを計測することができる。一方、逆の条件では、試料表面のパターンを計測しやすい。また、電子ビームの入射エネルギーを小さくすることで試料の形状を反映しやすい二次電子像を強調したり、大きくすることで試料の材料を反映しやすい反射電子像を強調したりすることも可能である。また、電子ビームの開き角を小さくし細いビームとすれば、より微細なパターンとパターンの間隙を通りパターン底部まで電子ビームが到達できる。逆に、開き角が大きく太いビームとすれば、微細なパターンの間隙には進入できず試料表面のパターンを計測しやすい。また、電子ビームの電流や電子ビームを走査する速度や走査順序、前記引き出し電圧では、試料の帯電状態を変化させることができる。これらのパラメータでは、試料に入射させる電子の量や試料から引き出す電子の量を調整できるからである。

試料表面とパターン底部で帯電状態を変化させると、試料表面とパターン底部との電位差が変化し、パターン底部で生じる二次電子を抑制したり強調したりすることができる。試料表面の帯電状態を変化させる手段としては、計測用の画像を取得する前に電子ビームを事前に照射しておくプリドーズも有効である。試料の帯電状態は、電子ビームの照射方法だけでなく試料の材質や積層構造、加工パターン構造にも依存する。そのため、計測対象に応じて所望のＳＥＭ画像が得られるよう上記パラメータを調整する。

第一の撮像条件は、計測対象であるホールパターン形状を容易に計測でき、かつ試料表面のトレンチパターンも撮像できる撮像条件である。第二の撮像条件は、ホールパターン下部の金属配線パターンを容易に計測でき、かつ試料表面のトレンチパターンを撮像できる撮像条件である。本実施例では、第一の撮像条件では電子ビームの入射エネルギーを５００Ｖ、電流は２ｐＡ、走査速度は速くした。また、電子ビーム走査手順として、フラットスキャンを用いた。ここで、フラットスキャンとは座標点毎に離散的に任意の方向に走査させる方法である。この撮像条件では、二次電子像を強調し、ホール形状を計測しやすい第一のＳＥＭ画像を撮像できる。

図６に、図５と同じパターンに対し、第一の撮像条件を適用して得られたＳＥＭ画像の模式図を示す。ホールパターン１０７が強調され、下層配線１０８の輪郭はホールパターン１０７の輪郭よりも弱い。第二の撮像条件では、電子ビームの入射エネルギーを高く、電流は大きくした。それぞれ、１６００Ｖと１６ｐＡである。また、走査速度は遅くした。走査方法はインターレース走査とした。ここで、インターレース走査とは、撮像範囲の垂直方向には一列飛ばして水平方向の走査を繰り返し、次に飛ばした列の水平方向走査を繰り返す走査方法である。その結果、第二のＳＥＭ画像は第一のＳＥＭ画像よりも比較的反射電子像が強調され、金属配線を容易に計測できるＳＥＭ画像とできる。図５と同じパターンに対し、第二の撮像条件で得られたＳＥＭ画像の模式図を図７に示す。図６とは逆で、ホールパターン１０７の輪郭が弱く、下層配線１０８の輪郭が強調される。第一と第二のＳＥＭ画像では、両方とも試料第一層のトレンチパターンをも撮像できる撮像条件とした。この理由は、後で詳述する第一と第二のＳＥＭ画像の撮像位置ずれ量の検出で利用するためである。

図７は、撮像位置がずれる例でもあり、ホールパターン１０７の位置が図６より右側にずれている。なお、本発明では、計測対象の材料や構造に応じて撮像条件を任意に設定できる。

次に、ステップＳ６の撮像位置ずれ量検出について述べる。本実施例では、第一と第二のＳＥＭ画像取得の前にそれぞれ試料位置調整を行った。そのため、試料位置調整精度に応じてＳＥＭ画像の撮像位置がずれる。また、本実施例とは異なるが、試料位置調整後に連続して第一と第二の撮像条件でＳＥＭ画像を取得する場合であっても、二回の撮像間で振動や熱振動で試料がずれたり、試料の帯電状態が変化することで電子ビームの照射範囲がずれたりする可能性がある。そのため、この二種類のＳＥＭ画像の両方を用いて一つの計測値を求める場合は、ＳＥＭ画像間の撮像位置ずれ量を補正する必要がある。

本実施例では、第一のＳＥＭ画像と第二のＳＥＭ画像の両方に計測対象ではない試料表面のトレンチパターンを撮像させた。この共通に撮像されたトレンチパターンを用いて両画像の撮像位置ずれ量を検出した。まず、第一と第二のＳＥＭ画像からトレンチパターンの輪郭を抽出する。次に、抽出した輪郭の互いの位置をずらしながら画像間の相関値を求め、最も相関値が大きいずらし量を両画像の撮像位置ずれ量とした。トレンチを横切る方向では、複数のトレンチの輪郭が現れるため位置ずれを明確に検出できる。トレンチに平行な方向であっても、トレンチの輪郭にはラフネスが生じているためパターンマッチングで撮像位置ずれ量を検出することができる。輪郭のラフネスはトレンチの材料や製造プロセスに起因して必ず生じるため、本方法で安定した位置ずれ量の検出が可能である。

また、位置ずれ量を検出する方法はパターンの撮像状態に応じて最適な方法を選択できる。例えば、位相限定相関法など画像の輝度変化に対してフーリエ変換を施す方法を用いることもできる。また、平行移動による位置ずれだけではなく、回転方向のずれも補正できる。回転方向のずれを検出する方法としては、例えば回転不変位相限定相関を用いる方法がある。さらに、画像に対しノイズ除去や輪郭強調・抽出を行った後に位置ずれ量を検出することもできる。なお、本発明は位置合わせ方法にはよらない。本実施例では、計測対象パターンと異なるパターンを用いて撮像位置ずれ量検出を行った。これは、第一と第二のＳＥＭ画像で計測対象パターンの視認性が大きく異なるため、検出対象パターンを用いて撮像位置ずれ量を検出すると誤差が大きくなるためである。しかし、位置ずれ量検出に適しているのであれば、計測対象であるホールパターンや下層配線パターンも含めて撮像位置合わせを行ってもよい。

次に、計測場所毎に第一のＳＥＭ画像と第二のＳＥＭ画像を関連付けるステップＳ７について述べる。このステップでは、二つのＳＥＭ画像のデータ名、計測場所座標、位置ずれ量などを含んだデータを作成し、データ記憶装置１０３に記録してもよい。また、二つの画像を一体化することもできる。一体化とは、二つの画像データを一つの画像データにすることである。この時、二つの画像データそれぞれを容易に再現できること、また、撮像位置ずれを補正した画像であることが望ましい。例えば、ＲＧＢ三色に対応した画像フォーマットに一体化する。ＳＥＭ画像は、検出した信号電子の強度を輝度情報とするため単色の画像であることが一般的である。そのため、ＲＧＢの三色にそれぞれＳＥＭ画像の輝度情報を格納すれば３画像まで格納できる。あるいは、フレームやマルチページに対応したフォーマットに一体化する。例えば、動画フォーマットであれば、複数の画像をフレームとして格納できる。画像フォーマットであっても、マルチページＴＩＦＦや、アニメーションＧＩＦフォーマットであれば、複数の画像を格納できる。

本実施例では、ＲＧＢ三色に対応した画像に一体化した。図８に示すように、ＲＧＢ三色のＲの輝度に第一のＳＥＭ画像の輝度を、Ｇの輝度に第二のＳＥＭ画像の輝度を格納した。Ｂに関しては空のままとした。また、Ｇの輝度に格納した第二のＳＥＭ画像では、第一のＳＥＭ画像との撮像位置ずれを解消するため、ステップＳ６で検出した第一の計測画像とのパターン撮像位置ずれ量に基づいてピクセル位置をずらした。画像サイズは、位置ずれ量を補完できるよう撮像した画像よりも大きくした。この一体化画像では、Ｒのみを表示すれば第一のＳＥＭ画像を、Ｇのみを表示すれば撮像位置を第一のＳＥＭ画像と合わせた第二のＥＭ画像を表示することができる。

次にパターン形状計測Ｓ８について述べる。通常のＣＤ−ＳＥＭの計測であれば、一般に、計測対象のパターン輪郭を抽出し、輪郭間の距離を測長する。本発明では、一つの計測場所に対し撮像条件が異なる複数のＳＥＭ画像を取得する。そのため、各画像で計測対象パターンの輪郭を抽出しそれらの輪郭に対して計測を行うことや、差画像や和画像などＳＥＭ画像間の演算結果画像から輪郭を抽出し計測を行うこともできる。後者は、画像間の演算を行うことで計測対象パターンの輪郭を明確にできる場合に適している。しかし、画像の演算には誤差が生じるため、計測精度が重要な場合は前者が適している。このように、計測対象やＳＥＭ画像の画質に応じて、複数の画像を組み合わせることも含めた最適な輪郭抽出方法を選ぶことができる。さらに、複数の画像で抽出した複数の輪郭の中から計測対象の輪郭を選択することもできる。例えば、第一のＳＥＭ画像から抽出した輪郭と第二のＳＥＭ画像から抽出した輪郭とのずれ量を計測することができる。

次に、図９に基づいてパターン形状計測Ｓ８の手順の詳細を説明する。まず、第一と第二のＳＥＭ画像から輪郭を抽出する（ステップＳ２１、ステップＳ２２）。画像からパターンの輪郭を抽出するには、例えばＳＥＭ画像の輝度や、輝度の微分、輝度の２次微分などの変化点や最大値、最小値、あるいは最大値と最小値の間の任意の位置を検出し輪郭点とする。複数の輪郭点に対し、直線や曲線またはその組み合わせをフィッティングさせることで輪郭とする。輪郭抽出を容易にするため、事前にＳＥＭ画像に対しノイズ除去や輪郭強調といった画像処理を施すこともできる。また、撮像条件ごとに最適な輪郭抽出方法を用いることができる。なお、本発明はＳＥＭ画像から輪郭を抽出する方法によらない。

次に、図１０、図１１に示す輪郭抽出について説明する。本実施例では、第一のＳＥＭ画像からホールパターンの輪郭を抽出する。まず、輪郭抽出対象範囲１１０を設ける。

図１０に示すように、この範囲の中心はホールの概中心と重なるように設定する。ホールの概中心は、レシピに登録してある参照画像とのパターンマッチングから求める。次に輪郭抽出対象範囲１１０の中での輝度変化に着目し輪郭を決定する。

図１１に、図１０の矢印で示した箇所の輝度プロファイルを示す。第一のＳＥＭ画像では、ホール形状を容易に計測できるよう撮像条件を最適化しており、図１１のようにホール内側で輝度が大きく低下する。ホール内部には金属配線に起因する輝度の変化も存在するが、ホール輪郭での輝度変化に比べれば小さい。そのため、金属配線の輪郭に阻害されずにホール輪郭を決定することができる。図１１の輝度プロファイルに対しスムージングを施した後、ホール概中心からホール外側へ向けて輪郭抽出対象範囲１１０内の輝度を探索し、最大値と最小値を決定する。図１１では、中心から左側に輝度を探索すると、輝度が最小となる位置Ａ’、最大となる位置Ａが見つかる。次にＡでの輝度を１００％、Ａ’での輝度を０％とし、４０％に相当する輝度の位置Ａ’’をホールの輪郭点とする。同様に、ホール中心から右側に輝度を探索し、最大輝度位置のＢと最小位置のＢ’を見つけ、４０％位置のＢ’’をホールの輪郭点と決定した。同様の処理を、ホール中心に対し１８０°回転させる方向で行い、ホール全体の輪郭点を決定する。次に、輪郭点の集合から近似する曲線や直線を求め、輪郭を得る。第一のＳＥＭ画像から抽出する輪郭には、抽出した輪郭点の集合に近似する楕円を輪郭とした。

次に、第二のＳＥＭ画像からの輪郭抽出について述べる。第二のＳＥＭ画像からは下層金属配線の輪郭を抽出する。

まず、図１２に示すように、ホール付近に輪郭抽出対象範囲１１０を設ける。輪郭抽出対象範囲１１０の位置は、第一のＳＥＭ画像と同様に参照画像とのパターンマッチングで決定する。第二のＳＥＭ画像は、ホール輪郭や下層配線の輝度などが第一のＳＥＭ画像と異なるため、ホールの概中心を決定するための参照画像は第一のＳＥＭ画像で用いた参照画像と異なる画像であることが望ましい。

図１３には、図１２の矢印で示した箇所の輝度プロファイルを示す。第二のＳＥＭ画像では、下層の金属配線を容易に計測できるよう撮像条件を最適化した。図１３では図１１に比較し、金属配線の輝度が大きくなっている。金属配線の輪郭は、ホール概中心からホール外側へ向けて輪郭抽出対象範囲１１０内の輝度を探索し、輝度が最小となる位置で輪郭点とした。図１３では、ホール概中心から左側に輝度を探索し輝度が最小となる位置Ａ’’、右側に輝度を探索し輝度が最小となる位置Ｂ’’を金属配線の輪郭点とした。同様の処理を、ホール中心に対し１８０°回転させる方向で行い、金属配線全体の輪郭点を決定した。次に、抽出した輪郭点の集合に近似する曲線や直線を求め、図１２の斜線部輪郭のように楕円と直線からなる輪郭を得た。

次に、図９に示す第一、二のＳＥＭ画像から抽出した輪郭から計測対象輪郭を決定する手順（ステップＳ２３）について述べる。このステップでは、複数の画像から抽出したパターン輪郭を組み合わせた輪郭を再構成し、計測対象とすることもできる。図１４に本実施例で抽出した輪郭を示す。図１４では、第一のＳＥＭ画像から抽出した輪郭１１２と第二のＳＥＭ画像から抽出した輪郭１１１を重ねて表示している。本実施例では、ホールパターン１０７の直径と下層配線パターン１０８の面積を計測対象とした。前者に対しては第一のＳＥＭ画像から抽出した輪郭１１２を計測対象輪郭とした。後者に対しては、図１５の斜線領域で示すように第一のＳＥＭ画像から抽出した輪郭１１２と第二のＳＥＭ画像から抽出した輪郭１１１の両方に内包される領域を計測対象パターンとし、その輪郭を計測対象輪郭とした。

下層配線パターン１０８の計測に第一と第二のＳＥＭ画像から抽出した輪郭を用いた理由を説明する。第二のＳＥＭ画像は、ホールに露出した金属配線パターンの輪郭を捉えるよう最適化した撮像条件で撮像されている。しかし、金属配線の輪郭がホールに露出せず隠れている場合は比較的不明瞭な輪郭となる。

これは、図１３でホール内に露出している金属配線の輪郭Ｂ’’に対し、金属配線とホールの境界Ａ’’での輝度変化量が小さいことからもわかる。また、第二のＳＥＭ画像の撮像条件は、電子ビームの試料への入射エネルギーが比較的高い。そのため、ホール境界付近で絶縁膜が薄くなっている場合は電子ビームが透過し露出していない金属配線に起因する信号電子を捉える可能性がある。そのため、第二のＳＥＭ画像では、金属配線とホールの境界は実際より外側に見えてしまうことがある。

図１４、図１５においても、第二のＳＥＭ画像から抽出した配線パターン１０８の輪郭は第一のＳＥＭ画像から抽出した輪郭１１２と一致せず、外側に位置している箇所がある。このような理由から、ホールと金属配線の境界は第一のＳＥＭ画像から抽出する方が正確に抽出できると考えられる。そこで、第一のＳＥＭ画像から抽出した輪郭１１２に内包され、かつ第二のＳＥＭ画像から抽出した輪郭１１１に内包される領域を計測対象パターンとした。この計測対象パターンの輪郭を計測対象の輪郭として再構成した。

なお、本発明は輪郭の再構成方法によらない。測定対象と撮像される画像に応じて、再構成方法を選ぶことができる。他の再構成方法としては、例えば図１６に示すように、第一のＳＥＭ画像に内包され、かつ第二のＳＥＭ画像に内包されない領域（１−２）の輪郭や、第一のＳＥＭ画像に内包される領域と第二のＳＥＭ画像に内包される領域（１＋２）の輪郭などである。

また、ステップＳ２３では、ＳＥＭ画像から複数の輪郭が抽出された場合に、計測対象輪郭に反映させる輪郭を選択することもできる。例えば、図７に示す第二のＳＥＭ画像で、本実施例とは異なる輪郭抽出方法を用いて、ホールパターン１０７の輪郭と下層配線１０８の輪郭の両方が検出された場合で説明する。ステップＳ２３では、第二のＳＥＭ画像の輪郭は直線を有する輪郭を優先して選択するように条件を決めておく。そのため、図７から検出された輪郭のうち直線部分が多い斜線領域の輪郭を選択することができる。その後、前記説明したように、計測対象パターンの輪郭を再構成する。

また、同じくＳＥＭ画像から複数の輪郭が抽出された場合に、他のＳＥＭ画像から抽出された輪郭と比較することで計測対象輪郭に反映させる輪郭を選択することもできる。

例えば、図７に示す第二のＳＥＭ画像で、本実施例とは異なる輪郭抽出方法を用いて、ホールパターン１０７の輪郭と下層配線１０８の輪郭の両方が検出された場合で説明する。ステップＳ２３では、第一のＳＥＭ画像から抽出した輪郭とはより異なる輪郭を優先して選択するよう選択条件を決めておく。図６の第一のＳＥＭ画像から得られたホールパターン１０７の輪郭と比較し、より異なる輪郭である下層配線１０８の輪郭が選択される。より異なる輪郭を選択する方法としては、例えば輪郭の重心位置のずれ量が大きい輪郭を選択する方法などである。

さらに、図２１に、第一のＳＥＭ画像から抽出した輪郭と第二のＳＥＭ画像から抽出した輪郭を比較した結果により、別の輪郭抽出方法を用いて輪郭抽出をやり直す手順を示す。図２１では、第一のＳＥＭ画像から抽出した輪郭と第二のＳＥＭ画像から抽出した輪郭を比較し判定するステップＳ２５を設けた。両輪郭の比較の結果、例えば、互いに異なる輪郭が得られていると判定すればステップＳ２３に進む。逆に、同じ輪郭を選んだと判定された場合は、ステップＳ２１に戻り輪郭抽出をやり直す。

これらのように、第一のＳＥＭ画像と第二のＳＥＭ画像のそれぞれから抽出した輪郭の情報を合わせ、然る後に各画像の輪郭へ反映させる手法は、撮像条件が異なる複数のＳＥＭ画像の撮像及び各画像に適した輪郭抽出方法のみでは明確に輪郭を区別できない場合に有効である。

また、図８を用いて説明したように、本実施例では、第二のＳＥＭ画像では第一のＳＥＭ画像との撮像位置ずれ量が補正されている。画像に撮像位置ずれ量の補正を反映させず、撮像位置ずれ量のデータを残しただけの場合は、本ステップにてステップＳ８で検出した画像の撮像位置ずれ量を輪郭位置に反映させる。

以上説明したように、撮像条件が異なる複数の画像を撮像する、各画像に適した抽出方法で輪郭を抽出する、画像の撮像位置合わせを行う、複数の輪郭から計測対象輪郭を決定するという手順を経ることで、隣接した輪郭を混同せず計測対象輪郭を正しく選ぶことができる。

次に、計測対象輪郭の計測（ステップＳ２４）を行う。このステップでは、対象輪郭から、輪郭の長さや輪郭間隔、傾き、角度、面積、などパターン形状の特徴量を定量化する。本実施例では、ホールパターン１０７の直径と下層配線パターン１０８の面積を計測対象としている。ホールパターン１０７の直径に対しては、第一のＳＥＭ画像から抽出した輪郭１１２に近似する楕円を求め、その平均径を計測値とした。下層配線パターン１０８の面積は、ステップＳ２３で再構成した図１５の斜線領域の輪郭が内包する面積を計測値とした。なお、本発明は対象輪郭の定量化方法にはよらない。

次に、図９に基づいて説明した手順を行うのに必要なＧＵＩについて説明する。図９で説明した手順を行うには、複数のＳＥＭ画像それぞれでの輪郭抽出方法、複数の輪郭から計測対象輪郭を決定する方法、計測対象輪郭で計測を行う方法のそれぞれで条件設定が可能なＧＵＩが必要である。

図１７は図９の手順を行うのに必要な計測レシピを作成するＧＵＩの一例である。ここで、計測レシピは図９の手順を行うのに必要なパラメータセットである。データ表示部２０１、パターンレシピ一覧表示部２０２、輪郭抽出方法設定部２０３、輪郭再構成方法設定部２０４、パターン計測方法設定部２０５からなる。各設定部と図９のステップとの関係は以下の通りである。輪郭抽出方法設定部２０３は図９のステップＳ２１とＳ２２、輪郭再構成方法設定部２０４は図９のステップＳ２３、パターン計測方法設定部２０５は図９のステップＳ２４で必要なパラメータを設定する。

次に、計測レシピの作成手順の概略を説明する。本実施例では、一箇所の計測場所に対し複数の計測を登録することができる。各計測に対し、計測番号が割り振られ、計測番号表示部２１１に表示する。次に、各計測で、輪郭抽出方法設定部２０３、輪郭再構成方法設定部２０４、パターン計測方法設定部２０５にて必要なパラメータ設定を行い、登録ボタン２０６を押す。登録ボタン２０６を押すと、各計測の上記パラメータをパターンレシピとしてまとめて保存する。この時は、演算部１０２で一時的に保存する。保存されたパターンレシピは、パターンレシピ一覧表示部２０２に表示される。パターンレシピ一覧表示部２０２に表示に表示されるパターンレシピの情報は、例えば、計測番号、使用するＳＥＭ画像番号、輪郭抽出方法、輪郭再構成方法、パターン計測方法である。必要な計測を全て登録した後、保存ボタン２０８を押す。保存ボタン２０８は、パターンレシピ一覧表示部２０２に表示された一つまたは複数のパターンレシピを計測レシピとしてまとめて保存する。この時は、計測レシピの名前をつけ、データ記憶装置１０３に計測レシピを保存する。また、計測レシピの名前は計測レシピ表示部２１０に表示される。また、読み込みボタン２０７を押すことで、データ記憶装置１０３に保存した計測レシピを演算部１０２へ呼び出すことができる。さらに、実行ボタン２０９を押すと、計測対象画像を選択するウィンドウが現れる。計測対象画像を選択すると、その画像に対し演算部１０２に呼び出されている計測レシピを実行することができる。なお、計測レシピをウエハ計測レシピに含めることで、図３の手順に従い試料の全計測場所で同じ計測を行う。

以下、図１７のＧＵＩの詳細を、図９に示した手順に即して説明する。本実施例では、ホールパターン１０７の直径と下層配線パターン１０８の面積の２種類の計測を行った。まず後者の下層配線パターン１０８が計測パターンである場合を説明する。最初に、参照画像として計測対象ＳＥＭ画像の一例または設計データを読み込む。この参照画像に対して実際に処理を実行しながらレシピ作成を進める。

輪郭抽出方法設定部２０３では、同じ計測場所の複数のＳＥＭ画像に対し輪郭抽出に使用するかどうか、使用する場合はその輪郭抽出条件を設定する。本実施例で下層配線パターン１０８の輪郭は、第一のＳＥＭ画像と第二のＳＥＭ画像の２枚から抽出した。図１５で示したように第一のＳＥＭ画像から抽出した輪郭１１２と第二のＳＥＭ画像から抽出した輪郭１１１の両方を使用した。そこで、それぞれの輪郭抽出方法を輪郭抽出方法設定部２０３で設定する。まず、輪郭抽出用ＳＥＭ画像選択部２０３１にて、第一のＳＥＭ画像（ＳＥＭ画像番号１）を選び使用すると設定する。この時、参照画像の第一のＳＥＭ画像がデータ表示部２０１に表示される。さらに、輪郭抽出パラメータ設定部２０３２にて輪郭抽出方法を設定する。ここで設定する輪郭抽出方法は、図１１を用いて説明した方法である。設定すると、設定された抽出方法により参照画像の第一のＳＥＭ画像から抽出された輪郭が参照画像の第一のＳＥＭ画像に重ねられてデータ表示部２０１に表示される。なお、本発明は輪郭抽出パラメータ設定部２０３２の詳細によらないため、輪郭抽出パラメータ設定部２０３２の説明は割愛する。次に、輪郭抽出用ＳＥＭ画像選択部２０３１にて、第二のＳＥＭ画像（ＳＥＭ画像番号２）を選び使用と設定する。この時、参照画像の第二のＳＥＭ画像がデータ表示部２０１に表示される。さらに、輪郭抽出パラメータ設定部２０３２にて輪郭抽出方法を設定する。ここで設定する輪郭抽出方法は、図１３を用いて説明した方法である。輪郭抽出方法を設定すると、設定された抽出方法により参照画像の第二のＳＥＭ画像から抽出された輪郭が参照画像の第二のＳＥＭ画像に重ねられてデータ表示部２０１に表示される。輪郭抽出方法設定部２０３に輪郭抽出パラメータ設定部２０３２は一つしかないが、画像毎に異なるパラメータを設定できる。

次に、輪郭再構成方法設定部２０４について述べる。ここでは、図９ステップＳ２３の動作に必要な設定を行う。下層配線パターン１０８の計測では、前述したように第一のＳＥＭ画像から抽出した輪郭１１２と第二のＳＥＭ画像から抽出した輪郭１１１の両方に内包される領域を計測対象のパターンとした。輪郭再構成方法設定部２０４では、再構成対象ＳＥＭ画像選択部２０４１で、第一のＳＥＭ画像（ＳＥＭ画像番号１）及び第二のＳＥＭ画像（ＳＥＭ画像番号２）を選ぶ。さらに再構成方法選択部２０４２にて、「ＡＮＤ」を選ぶ。「ＡＮＤ」は、合成対象ＳＥＭ画像選択部２０４１で選択した画像から抽出した輪郭に共通して内包される領域を求め、その輪郭を再構成する方法として登録した。本発明では、輪郭再構成方法によらない。必要な輪郭再構成方法を作成し選択部２０４２から選べるようにすることができる。また、上記設定項目を設定すると、再構成された輪郭がデータ表示部２０１に表示される。

次にパターン計測方法設定部２０５では、前記ステップ２４について説明した計測方法の設定を行う。ステップＳ２３で再構築した図１５の斜線領域の輪郭に対して、その内包面積が計測値となる設定を行う。なお、本発明はパターン計測方法設定部２０５の詳細よらないため、パターン計測方法設定部２０５の説明は割愛する。この設定を終えると、計測された値がデータ表示部２０１に表示される。

次に、本実施例のもう一つの計測であるホールパターン１０７の直径の計測について、図１７のＧＵＩでの設定方法を述べる。ここでは、前述した下層配線パターン１０８の面積の計測との違いのみを簡単に述べる。ホールパターン１０７の直径では、第一のＳＥＭ画像からのみ輪郭を抽出し、再構成は行わない。従って、輪郭抽出用ＳＥＭ画像選択部２０３１にて第一のＳＥＭ画像（ＳＥＭ画像番号１）を選び使用すると設定し、輪郭抽出パラメータ設定部２０３２にて図１１を用いて説明した輪郭抽出方法を設定する。次に、ＳＥＭ画像選択部２０３１にて第二のＳＥＭ画像（ＳＥＭ画像番号２）を選び不使用と設定する。輪郭再構成方法設定部２０４では、選択部２０４１で第一のＳＥＭ画像（ＳＥＭ画像番号１）選び、再構成方法選択部２０４２では「再構成無し」を選ぶ。「再構成無し」はＳＥＭ画像から抽出した輪郭をそのまま計測対象輪郭とする方法として登録してある。パターン計測方法設定部２０５では、輪郭に近似する楕円を求め、その平均径を計測値とするよう設定を行う。

また、本発明では計測対象試料の構造によらない。本実施例では、図５で説明したトレンチパターン１０６、ホールパターン１０７、下層配線パターン１０８が観察できる試料を用いた。本発明は異なる構造の試料に対しても有効である。

図２０に、上層と下層ともにラインパターンである場合の例を示す。例えば、トランジスタのゲート電極加工後の試料であれば、トランジスタのゲート電極が上層のラインパターン１４、トランジスタの素子分離領域が下層のラインパターン１２、トランジスタのチャネルを構成するアクティブ領域が下層ラインパターン間スペース１３として図２０の画像が得られる。図２０の画像では、下層のラインパターン１２がよく見えていると、上層のラインパターン１４の計測を阻害する。ラインパターン１２のエッジとラインパターン１４のエッジが交差する場所で、ラインパターン１４の輪郭と下層ラインパターン１２の輪郭とを混同するためである。そこで、本実施例と同様に、上層ラインパターン１４と下層ラインパターン１２のそれぞれを強調できる撮像条件と、それらの画像の位置合わせ、それぞれの画像に最適化した輪郭抽出と計測方法を用いることで、ラインパターン１４の輪郭と下層ラインパターン１２の輪郭とを混同せず計測することが可能である。

本実施例によれば、近接する複数のパターン毎に、容易にパターン輪郭を抽出できるよう撮像条件を最適化したＳＥＭ画像を得ることができる。さらに、近接した複数のパターン毎に、最適な輪郭抽出方法を採用することができる。これらより、近接する他のパターンに阻害されることなく、対象パターンの輪郭を抽出できる。さらに、抽出元ＳＥＭ画像を辿ることで輪郭が属するパターンを区別することができる。また、ＳＥＭ画像の撮像位置合わせを行うことで、撮像位置のずれに起因する計測誤差を排除することができる。

これらより、計測対象の輪郭を選ぶ工程では、計測対象パターンの輪郭と近接する他のパターンの輪郭との混同を防ぐことができる。加えて、ＳＥＭ画像から輪郭を抽出する工程と計測対象輪郭を選ぶ工程とが独立できるため、複数のパターンに属する輪郭で計測を行う場合であっても、パターン毎に適した輪郭抽出方法を採用できる。そのため、ＳＥＭ画像での視認性が大きく異なる複数のパターンが対象であっても正しく計測を行うことができる。

実施例２では、従来のＳＥＭを用いてＳＥＭ画像を取得し、新規なパターン計測プログラムを用いて本発明を実現する例を示す。本実施例のパターン計測プログラムは、コンピュータに組み込まれ、コンピュータをパターン計測装置として動作させるものである。本実施例のパターン計測プログラムをコンピュータに組み込むことにより、例えば図４の演算部が構成される。なお、本実施例で用いる計測対象試料は実施例１と同じである。また、実施例１と重複する説明は割愛する。

まず、従来のＳＥＭを用いて同じ撮像場所に対する複数のＳＥＭ画像を取得する。本実施例では、第一のＳＥＭ画像と第二のＳＥＭ画像の２種類取得した。これらの画像の撮像条件は、実施例１での第一のＳＥＭ像及び第二のＳＥＭ像と同様である。

次に、図１８に即してパターン計測プログラムで行う処理の手順を説明する。図１８は本実施例で用いるパターン計測プログラムで実施する計測手順の概略を示す図である。最初に、第一と第二のＳＥＭ画像を呼び出す（ステップＳ３１）。次に、第一と第二のＳＥＭ画像での撮像位置ずれの検出（ステップＳ３２）、第一のＳＥＭ画像からのパターン輪郭抽出（ステップＳ３３）、及び第二のＳＥＭ画像からのパターン輪郭抽出（ステップＳ３４）を行う。次に、ステップＳ３３とＳ３４で得られた輪郭の中から、計測対象輪郭を決定する（ステップＳ３５）。なお、ステップＳ３５では、撮像位置ずれを補正した輪郭から計測対象輪郭を構成する。次に、計測対象輪郭を用いて計測を行う（ステップＳ３６）。

各ステップの詳細は本発明の実施例１にて説明した内容と同様である。ステップＳ３２は図３のステップＳ６、ステップＳ３３は図９のステップＳ２１、ステップＳ３４は図９のステップＳ２２、ステップＳ３５は図９のステップＳ２３、ステップＳ３６は図９のステップＳ２４と同様である。

なお、本発明は図１８の各ステップの順番にはよらない。図１８ではステップＳ３２とステップＳ３３とステップＳ３４を同時に並列で処理したが、連続して処理してもよい。

次に、本実施例で使用したパターン計測プログラムに必要なＧＵＩについて説明する。本プログラムには、同一測定場所の複数のＳＥＭ画像での撮像位置ずれ検出方法、複数のＳＥＭ画像それぞれでの輪郭抽出方法、複数の輪郭から計測対象輪郭を決定する方法、計測対象輪郭で計測を行う方法のそれぞれで条件設定が可能なＧＵＩが必要である。図１９にＧＵＩの一例を示す。図１７で示したＧＵＩの一例に対し、撮像位置ずれ検出方法設定部２１２を加えた例である。

実施例３は、実施例１で説明した手順に加え、計測結果の判定と、異常と判定された場合は撮像条件が異なる複数のＳＥＭ画像の撮像位置合わせをやり直すことを特徴とする。撮像条件が異なるＳＥＭ画像で共通して撮像されるパターンの撮像状態が大きく異なり、撮像位置合わせが困難な場合に有効である。ここで、撮像位置合わせが困難な場合とは、例えば、複数のずらし量が同等の判定基準で検出された場合などである。

図２２に本実施例の特徴を説明するフロー図を示す。実施例１のうち、図９に示した手順を変更した。ステップＳ２４で得られる計測値を判定するステップＳ２６を設け、計測値が正常であるか異常であるかを判定する。正常と判定された場合は、そのままフローを終了する。異常と判定された場合は、撮像位置ずれ量を再度行うステップＳ２７に進む。ステップＳ２７では、最初に行った撮像位置ずれ検出とは別の検出条件を用いて撮像位置ずれ量を検出する。次に、ステップＳ２３に戻る。ステップＳ２３では、ステップＳ２７で新たに検出された撮像位置ずれ量をＳＥＭ画像から抽出した輪郭の位置に反映させる。さらに、それらの輪郭を用いて、新たに計測対象輪郭を決定する。ステップ２４では新たに決定された計測対象輪郭を用いて計測を行う。次に、再度ステップＳ２６で計測値を判定する。この時、最初の計測値と撮像位置ずれ検出をやり直して得られた計測値が同じであったり、撮像位置ずれ検出をやり直す回数が予め設定した上限に達したりした場合は、異常判定となった計測値のままフローを終了する。なお、ステップＳ２６での異常判定は、例えば計測値が予め設定した上限や下限を超える、または、複数の計測場所で同じ計測を行う場合では他の計測場所の平均値との差が予め設定した上限や下限を超える、あるいは、同じ形状の試料と同じレシピで計測した過去の計測値の平均値との差が設定した上限や下限を超えるといった判定である。また、本実施例では、撮像位置ずれ量の検出だけでなくステップＳ２６での計測輪郭決定方法も計測値の判定からやり直すことができる。

さらに、図２２のフローを用いれば、例えば計測値が所望のばらつき以下に収まるよう撮像位置検出方法や計測対象輪郭決定方法の変更を繰り返すことが自動で可能になる。この手法では、最適な撮像位置検出方法や計測対象輪郭決定方法の条件出しを事前に行う手間を省き、計測値のばらつきを指標として自動で条件出しを行うことが可能となる。

１０ ホール開口部輪郭
１１ ラインパターン
１１ａ，１１ｂ ラインパターンの輪郭
１２ 下層のラインパターン
１３ 下層ラインパターン間スペース
１４ 上層のラインパターン
１００ パターン計測装置
１０１ 画像取得部
１０２ 演算部
１０３ データ記憶装置
１０４ 表示装置
１０５ マスク膜
１０６ トレンチパターン
１０７ ホールパターン
１０８ 下層配線
１０９ 金属配線
１１０ 輪郭抽出対象範囲
１１１ 第二のＳＥＭ画像から抽出した輪郭
１１２ 第一のＳＥＭ画像から抽出した輪郭
２０１ データ表示部
２０２ パターンレシピ一覧表示部
２０３ 輪郭抽出方法設定部
２０４ 輪郭再構成方法設定部
２０５ パターン計測方法設定部
２０６ 登録ボタン
２０７ 読み込みボタン
２０８ 保存ボタン
２０９ 実行ボタン
２１０ 計測レシピ表示部
２１１ 計測番号表示部
２１２ 撮像位置ずれ検出方法設定部
１０２１ 位置ずれ検出部
１０２２ 輪郭抽出部
１０２３ 輪郭再構成部
１０２４ 輪郭計測部
２０３１ ＳＥＭ画像選択部
２０３２ 輪郭抽出パラメータ設定部
２０４１ 合成対象ＳＥＭ画像選択部
２０４２ 再構成方法選択部

Claims (13)

1. 試料を荷電粒子で走査し、試料から生じる二次荷電粒子または反射荷電粒子を検出することで検出画像を作成し、検出画像に撮像されたパターンを計測するパターン計測装置であって、
   試料の略同一場所で互いに撮像条件が異なる複数の検出画像を取得する画像取得部と、
   前記複数の検出画像から複数のパターン輪郭を抽出する輪郭抽出部と、
   前記複数のパターン輪郭を組み合わせて計測対象輪郭を再構成する輪郭再構成部と、
   前記再構成した計測対象輪郭を用いて計測を行う輪郭計測部と、
   を備え、
   前記撮像条件は、前記試料へ入射させる前記荷電粒子の入射エネルギーや電流値、前記荷電粒子が前記試料へ入射する角度、前記荷電粒子の先端径や開き角、前記荷電粒子を走査する速度や走査順序や走査方向、或いは前記試料表面から前記二次荷電粒子または反射荷電粒子を引き出す方向に印加する引き出し電圧を含むことを特徴とするパターン計測装置。
2. 請求項１に記載のパターン計測装置において、
   前記複数の検出画像に共通して撮像されたパターンを用いて撮像位置ずれを検出する位置ずれ検出部を備え、
   前記輪郭再構成部は、前記撮像位置ずれを反映させて計測対象輪郭を再構成することを特徴とするパターン計測装置。
3. 請求項２に記載のパターン計測装置において、
   前記位置ずれ検出部では、撮像位置ずれの検出に計測対象パターンとは異なるパターンを用いることを特徴とするパターン計測装置。
4. 請求項１に記載のパターン計測装置において、
   前記複数の検出画像の撮像位置ずれを補正した複数の画像を一つの画像データとして保存することを特徴とするパターン計測装置。
5. 請求項１に記載のパターン計測装置において、
   計測対象試料が複数の層で構成され、
   計測対象パターンが複数であって、互いに異なる層に属するパターンを少なくとも一つ含むことを特徴とするパターン計測装置。
6. 請求項１に記載のパターン計測装置において、
   前記輪郭再構成部は、少なくとも一つの画像から抽出したパターン輪郭には複数のパターン輪郭が含まれていることを特徴とするパターン計測装置。
7. 請求項１に記載のパターン計測装置において、
   前記試料の略同一場所で取得した複数の検出画像から抽出したパターン輪郭を同時に表示するインターフェイスを有し、
   前記インターフェイスは、輪郭再構成方法設定部を有することを特徴とするパターン計測装置。
8. 試料を荷電粒子で走査し、試料から生じる二次荷電粒子または反射荷電粒子を検出することで検出画像を作成し、検出画像に撮像されたパターンを計測するパターン計測方法であって、
   試料の略同一場所で互いに撮像条件が異なる複数の検出画像を取得する工程と、
   前記複数の検出画像から複数のパターン輪郭を抽出する工程と、
   前記複数のパターン輪郭を組み合わせて計測対象輪郭を再構成する工程と、
   前記計測対象輪郭を用いて計測を行う工程と、
   を備え、
   前記撮像条件は、前記試料へ入射させる前記荷電粒子の入射エネルギーや電流値、前記荷電粒子が前記試料へ入射する角度、前記荷電粒子の先端径や開き角、前記荷電粒子を走査する速度や走査順序や走査方向、或いは前記試料表面から前記二次荷電粒子または反射荷電粒子を引き出す方向に印加する引き出し電圧を含むことを特徴とするパターン計測方法。
9. 請求項８に記載のパターン計測方法において、
   前記複数の検出画像に共通して撮像されるパターンを用いて撮像位置ずれを検出する工程を備え、
   前記計測対象輪郭を再構成する工程は、前記撮像位置ずれを反映させて計測対象輪郭を再構成することを特徴とするパターン計測方法。
10. 請求項９に記載のパターン計測方法において、更に、
    計測値が正常であるか異常であるかを判定する工程と、
    異常と判定された場合には、撮像位置ずれの検出を再度行う工程を備え、
    前記計測対象輪郭を再構成する工程は、前記再検出した撮像位置ずれを反映させて計測対象輪郭を再構成することを特徴とするパターン計測方法。
11. 請求項８に記載のパターン計測方法において、更に、
    抽出した複数の輪郭を比較し判定する工程を備え、
    同じ輪郭を選んだと判定された場合には、前記パターン輪郭の抽出を行う工程において、パターン輪郭の抽出を再度行うことを特徴とするパターン計測方法。
12. 荷電粒子線装置で得られた検出画像に撮像されたパターンの計測をコンピュータに実行させるためのプログラムであって、
    試料の略同一場所で互いに撮像条件が異なる複数の検出画像を読み込むステップと、
    前記複数の検出画像から複数のパターン輪郭を抽出するステップと、
    前記複数のパターン輪郭を組み合わせて計測対象輪郭を再構成するステップと、
    前記計測対象輪郭を用いて計測を行うステップと、
    を備え、
    前記撮像条件は、前記試料へ入射させる前記荷電粒子の入射エネルギーや電流値、前記荷電粒子が前記試料へ入射する角度、前記荷電粒子の先端径や開き角、前記荷電粒子を走査する速度や走査順序や走査方向、或いは前記試料表面から前記二次荷電粒子または反射荷電粒子を引き出す方向に印加する引き出し電圧を含むことを特徴とするパターン計測プログラム。
13. 請求項１２に記載のパターン計測プログラムにおいて、
    前記複数の検出画像に共通して撮像されるパターンを用いて撮像位置ずれを検出するステップを備え、
    前記計測対象輪郭を再構成するステップは、前記撮像位置ずれを反映させて計測対象輪郭を再構成することを特徴とするパターン計測プログラム。

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