JP6063630B2 - パターン計測装置、及び半導体計測システム - Google Patents

Description

本発明は、パターン計測装置、及び半導体計測システムに係り、特に電子デバイスの回路パターンと基準パターンとの間の寸法測定や比較によって、回路パターンの測定値を導出する装置及びシステムに関するものである。

近年の半導体は微細化、多層化が進み、論理も煩雑化しているため、その製造が極めて困難な状況にある。その結果として、製造プロセスに起因する欠陥が多発する傾向にあり、その欠陥を正確に検査することが重要になっている。試料上の欠陥をレビューするレビューＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）や、パターンの寸法を測定するＣＤ−ＳＥＭ（Critical Dimension-SEM）はこれら欠陥の詳細な検査に用いられる。これらのＳＥＭ検査装置は、光学シミュレーションに基づく検査座標や、光学検査装置の検査結果に基づく検査座標に対応する回路パターンを検査する。

基準パターンとの形状比較は以下の手順で行われる。まず、検査オペレータが好ましい形状の回路パターンを基準パターンとして定義する。基準パターンとしては、設計パターンや光学シミュレーションによって生成したシミュレーションパターンや、製造した回路パターンの中から検査オペレータが選択したゴールデンパターン等が利用される。次にエッジ検出処理等を用いて、撮影画像から回路パターンの形状を抽出する。次に基準パターンと回路パターンを重ね合わせる。重ね合わせは手動調整やパターンマッチングによる自動調整で行われる。

検査手法は様々提案されているが、特に６５nm以降の半導体製造プロセスでは、光近接効果によるパターニング形状の状態を正確に把握する目的で、基準パターンとの形状比較によって基準パターンに対する形状の変形量を定量化する手法が適用されつつある。

回路パターンの形状は、半導体の製造条件の変化によって様々な形に変形する。特許文献１では、それら変形の程度を正確に捉える目的で、設計パターンをウェハパターンと一致するように変形した回路パターンを基準パターンとして、検査対象の回路パターンのエッジ間隔を計測し、許容距離を越えるパターンの部位を回路パターンの欠陥として検出している。

特許文献２では、設計パターンを基準パターンとして、検査座標を含む二次元の領域に計測領域を設定し、計測領域に含まれた基準パターンと回路パターンのエッジ間の距離を所定の間隔で網羅的に計測し、計測領域から得た複数の計測値の平均化を行うことで、基準パターンに対する形状変形量を測定している。

特許文献３には、ウェハ上に製造された複数の回路パターンの平均形状を基準パターンとして、基準パターンと回路パターンのエッジ間の距離を所定の間隔で網羅的に計測し、計測領域から得た距離群の統計値を、形状変形量とする計測法が開示されている。

特開２００４−１６３４２０号公報（対応米国特許ＵＳＰ８，０４５，７８５） 特開２００７−２４８０８７号公報（対応米国特許ＵＳＰ８，０１９，１６１） 特開２００９−１９４０５１号公報（対応米国特許ＵＳＰ８，０７７，９６２）

ウェハ製造の一部の工程では、回路パターンの製造に最適な条件（以下、ベスト条件とする。）で製造された回路パターンの形状に対し、検査対象の回路パターンの形状がどの程度変形しているかを検査することが要求される。

なお、ベスト条件は、一般的に露光装置のフォーカス量とドーズ量を段階的に変化させて製造した複数の回路パターンの寸法値を統計解析することによって求める。上記の検査を実現するためには、統計解析によって求めたベスト条件下での回路パターンを基準パターンとして、検査対象の回路パターンを比較する必要がある。

しかしながら、解析によって得られるベスト条件は、ベスト条件の決定に利用した回路パターンの製造条件とは必ずしも一致するものではない。このため、ゴールデンパターンを基準パターンとして検査に利用しても、正確な評価ができない場合がある。なお、ウェハを再度製造してベスト条件に近いパターンを作成することも考えられるが、そのためには多大なコストがかかるため、実現が困難である。また、シミュレーションは誤差を含むため、ベスト条件下の回路パターンをシミュレーションによって作成し、検査対象の回路パターンと比較しても、シミュレーション結果に含まれる誤差の影響により正確な形状変形量検査が困難である。また、設計パターンを基準パターンとして適用する場合も、そもそも両者の形状は異なるため、その形状差が測定値に含まれることになり、正確な形状変形量の検査が困難である。

極力適正な製造条件で作成された実際のパターンを撮像した画像から基準パターンを作成することが望ましいが、上述のように製造装置の製造条件を選択する段階で、ベスト条件を見出すことは困難である。特許文献１乃至３に開示の手法は、適正な基準パターンを作成するには精度の面で十分なものではない。

以下、製造条件を細かく変化させることによる製造コストの増大を抑制しつつ、適正な基準パターンデータを生成することを目的とするパターン計測装置、及び半導体計測システムを提案する。

上記目的を達成するための一態様として、荷電粒子線装置によって得られた画像に基づいて、試料上に形成されたパターンの測定を行う演算処理装置を備えたパターン計測装置であって、前記演算処理装置は、前記荷電粒子線装置によって得られた信号に基づいて、製造装置の製造条件が異なる複数の回路パターンの画像データ、或いは輪郭線データを取得又は生成し、当該画像データ、或いは輪郭線データから、回路パターンの計測に用いる基準データを生成することを特徴とするパターン計測装置、及び半導体計測システムを提案する。

上記構成によれば、製造条件を細かく変化させることによる製造コストの増大を抑制しつつ、適正な基準パターンデータを生成することが可能となる。

基準回路パターンの生成工程を示すフローチャート。 半導体計測システムの概要を示す図である。 複数の製造条件によって製造された複数のパターンのデータに基づいて形成される基準パターンの一例を示す図。 寸法計測を用いたベスト条件決定手法の説明図である。 ＦＥＭウェハ上の回路パターン群と、ベスト条件位置との位置関係を示す図。 基準回路パターンの生成工程を示すフローチャート。 設計データと回路パターンデータに基づいて形状誤差量を求めるときの測定個所を示す図。 製造条件と形状誤差指標との関係を示すグラフの一例を示す図。 半導体製造装置のプロセスウィンドウの一例を示す図。 半導体計測工程を示すフローチャート。 検査結果の表示例を示す図。 半導体計測システムの一例を示す図。 基準回路パターンの生成工程を示すフローチャート。 製造条件の異なるパターンのＳＥＭ画像を積算する工程を説明する図。 輪郭線作成工程を示すフローチャート。 輪郭線作成原理を示す図。

以下に、電子デバイスの回路パターンと基準パターンの比較（両パターン間の寸法測定や形状差評価、或いは面積差評価等を含む）によって、前記回路パターンの測定値を生成する半導体計測装置であって、基準パターン（形状基準データ）を作成するときに、製造条件のベスト条件に近い複数のパターンの複数のパターンの画像データ、或いは複数のパターンの輪郭線データから、基準パターンを生成する半導体計測装置を説明する。

更に、以下に説明する実施例では、前記測定値と所定の閾値を比較し、前記回路パターンの欠陥を判定する例について説明する。

また、上記製造装置のベスト条件に近い画像データや、輪郭線データを、電子デバイスの回路パターンの製造基準データと、電子デバイスに製造された製造条件の異なる複数の回路パターンのデータに基づいて生成する例について説明する。

また、製造基準データを複数の製造条件で製造された電子デバイスの回路パターンの寸法計測値と前記寸法計測値の分析によって決定する例について説明する。

また、製造基準データを複数の製造条件で製造された電子デバイスの回路パターンと、電子デバイスの設計パターンの形状誤差値の分析によって決定する例について説明する。

また、複数の製造条件で製造された電子デバイスの回路パターンの寸法を計測する例について説明する。

また、複数の製造条件で製造された電子デバイスの回路パターンと電子デバイスの設計パターンもしくはシミュレーションパターンもしくは回路パターンの撮影画像から抽出されたパターンの比較によって形状誤差値を計測する例について説明する。

また、電子デバイスの設計パターンを分析し、コーナ付近を除外するように形状誤差値を計測するエリアを特定する例について説明する。

また、形状基準データを生成するとき、前記製造基準データと前記製造条件との差分量に基づき、前記複数の回路パターンのエッジ点の補間演算によって前記形状基準データのエッジ点を決定する例について説明する。

また、前記形状基準データと、複数の製造条件で製造された電子デバイスの回路パターンの形状データとの比較に基づいて、形状誤差量を計測する例について説明する。

また、前記形状誤差量と所定の許容誤差を比較して、良品の回路パターンを特定する例について説明する。

また、前記良品パターンの製造条件に基づき、露光装置のプロセスウィンドウを特定する例について説明する。

また、電子ビームを電子デバイス上に走査することによって得られる電子に基づいて、画像データを形成する走査電子顕微鏡を画像形成装置とした例について説明する。

また、前記形状基準データ、前記回路パターン、前記形状誤差量測定値や前記判定結果、特定された前記プロセスウィンドウのうち、少なくとも一つ以上のデータを表示する画面を備えた画像表示装置とした例について説明する。

また、前記形状基準データを、エッジ方向が異なる２点以上のエッジ群で構成した例について説明する。

以下に説明する実施例によれば、電子デバイスの回路パターンの製造基準データと、電子デバイスに製造された製造条件の異なる複数の回路パターンから生成された形状基準データを回路パターンの計測に用いることにより、製造基準に対して製造条件が変化した場合の回路パターンの形状変形量を正確に計測、定量化することができる。

以下、図面を用いてパターン計測装置、及び半導体計測システムの具体例について説明する。

図２は半導体計測システムの概要を示す図である。半導体計測システムは回路パターンの画像データを取得する走査型電子顕微鏡２０１（Scanning Electron Microscope：以下、ＳＥＭ）と画像データの分析によって回路パターンを検査する制御装置２１４で構成されている。

ＳＥＭ２０１は電子デバイスが製造されたウェハ等の試料２０３に電子線２０２を照射し、試料２０３から放出された電子を二次電子検出器２０４や反射電子検出器２０５、２０６で捕捉し、Ａ／Ｄ変換器２０７でデジタル信号に変換する。デジタル信号は制御装置２１４に入力されてメモリ２０８に格納され、ＣＰＵ２０９やＡＳＩＣやＦＰＧＡ等の画像処理ハードウェア２１０で目的に応じた画像処理が行われ、回路パターンが検査される。

更に制御装置２１４は、入力手段を備えたディスプレイ２１１と接続され、ユーザに対して画像や検査結果等を表示するＧＵＩ（Graphcal User Interface）等の機能を有する。なお、制御装置２１４における制御の一部又は全てを、ＣＰＵや画像の蓄積が可能なメモリを搭載した電子計算機等に割り振って処理・制御することも可能である。また、制御装置２１４は、検査に必要とされる電子デバイスの座標、検査位置決めに利用するパターンマッチング用のテンプレート、撮影条件等を含む撮像レシピを手動もしくは、電子デバイスの設計データ２１３を活用して作成する撮影レシピ作成装置２１２とネットワークまたはバス等を介して接続される。

図１２は、制御装置２１４に内蔵される演算処理装置をより詳細に示した図である。図１２に例示する半導体計測システムは、走査電子顕微鏡本体１２０１、走査電子顕微鏡本体を制御する制御装置１２０４、制御装置１２０４へ所定の動作プログラム（レシピ）に基づいて制御信号を伝達すると共に、走査電子顕微鏡によって得られた信号（二次電子や後方散乱電子等）からパターンの寸法測定や形状評価を実行する演算処理装置１２０５、半導体デバイスの設計データが格納された設計データ記憶媒体１２１５、設計データに基づいてパターンの出来栄えをシミュレーションするシミュレーター１２１６、及び所定の半導体評価条件を入力したり、測定結果やプロセスウィンドウ解析結果を出力したりする入出力装置１２１７が含まれている。

演算処理装置１２０５は、得られた画像から輪郭線を形成する画像処理装置として機能する。制御装置１２０４は、レシピ実行部１２０６からの指示に基づいて、走査電子顕微鏡本体１２０１内の試料ステージや偏向器を制御し、所望の位置への走査領域（視野）の位置づけを実行する。制御装置１２０４からは設定倍率や視野の大きさに応じた走査信号が走査偏向器１２０２に供給される。走査偏向器１２０２は、供給される信号に応じて、所望の大きさに視野の大きさ（倍率）を変化させる。

演算処理装置１２０５に含まれる画像処理部１２０７は、走査偏向器１２０２の走査と同期して、検出器１２０３による検出信号を配列することによって得られる画像の画像処理を行う画像処理部１２０７を備えている。また、演算処理装置１２０５には、必要な動作プログラムや画像データ、測定結果等が記憶されるメモリ１２０９が内蔵されている。

また、演算処理装置１２０５には、予め記憶されたテンプレート画像を用いてテンプレートマッチングを行うマッチング処理部１２１０、検出信号に基づいて輝度波形プロファイルを形成し、当該プロファイルのピーク間の寸法を測定することによってパターン寸法を測定する一次元寸法測定部１２１１、後述するように画像データから輪郭線を抽出する輪郭線抽出部１２１２、得られた複数の輪郭線に基づいて、１の輪郭線を形成する合成輪郭線形成部１２１３、合成輪郭線形成部１２１３によって形成された参照パターンデータを用いて、二次元形状を評価する二次元形状評価部１２１４が含まれている。

試料から放出された電子は、検出器１２０３にて捕捉され、制御装置１２０４に内蔵されたＡ／Ｄ変換器でデジタル信号に変換される。画像処理部１２０７に内蔵されるＣＰＵ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ等の画像処理ハードウェアによって、目的に応じた画像処理が行われる。

演算処理装置１２０５は、入出力装置１２１７と接続され、当該入出力装置１２１７に設けられた表示装置に、操作者に対して画像や検査結果等を表示するＧＵＩ（Graphcal User Interface）等の機能を有する。

また、入出力装置１２１７は、測定、検査等に必要とされる電子デバイスの座標、位置決めに利用するパターンマッチング用のテンプレート、撮影条件等を含む撮像レシピを手動もしくは、電子デバイスの設計データ記憶媒体１２１５に記憶された設計データを活用して作成する撮像レシピ作成装置としても機能する。

入出力装置１２１７は、設計データに基づいて形成される線図画像の一部を切り出して、テンプレートとするテンプレート作成部を備えており、マッチング処理部１２１０におけるテンプレートマッチングのテンプレートとして、メモリ１２０９に登録される。テンプレートマッチングは、位置合わせの対象となる撮像画像と、テンプレートが一致する個所を、正規化相関法等を用いた一致度判定に基づいて特定する手法であり、マッチング処理部１２１０は、一致度判定に基づいて、撮像画像の所望の位置を特定する。なお、本実施例では、テンプレートと画像との一致の度合いを一致度や類似度という言葉で表現するが、両者の一致の程度を示す指標という意味では同じものである。また、不一致度や非類似度も一致度や類似度の一態様である。

また、画像処理部１２０７には、ＳＥＭによって得られた信号を積算して積算画像を形成する画像積算部１２０８、及び半導体露光装置によって形成されたパターンから適切な露光条件を抽出する露光条件選択部１２１８が内蔵されている。

輪郭線抽出部１２１２は、例えば図１３に例示するようなフローチャートに沿って画像データから輪郭線を抽出する。図１４はその輪郭線抽出の概要を示す図である。

まず、ＳＥＭ画像を取得する（ステップ１５０１）。次に、ホワイトバンドの輝度分布に基づいて、第１の輪郭線を形成する（ステップ１５０２）。ここではホワイトバンド法等を用いてエッジ検出を行う。次に、形成された第１の輪郭線に対して所定の方向に輝度分布を求め、所定の輝度値を持つ部分を抽出する（ステップ１５０３）。ここで言うところの所定の方向とは、第１の輪郭線に対して垂直な方向であることが望ましい。図１６に例示するように、ラインパターン１６０１のホワイトバンド１６０２に基づいて、第１の輪郭線１６０３を形成し、当該第１の輪郭線１６０３に対し、輝度分布取得領域（１６０４〜１６０６）を設定することによって、第１の輪郭線に対し垂直な方向の輝度分布（１６０７〜１６０９）を取得する。

第１の輪郭線１６０３は粗い輪郭線であるが、パターンのおおよその形状を示しているため、この輪郭線を基準としてより高精度な輪郭線を形成するために、当該輪郭線を基準として輝度分布を検出する。輪郭線に対し垂直方向に輝度分布を検出することによって、プロファイルのピーク幅を狭めることができ、結果として正確なピーク位置等を検出することが可能となる。例えばピークトップの位置を繋ぎ合わせるようにすれば、高精度な輪郭線（第２の輪郭線）を形成する（ステップ１５０５）ことが可能となる。また、ピークトップを検出するのではなく、所定の明るさ部分を繋ぎ合わせるようにして、輪郭線を形成するようにしても良い。

更に、第２の輪郭線を作成するために、第１の輪郭線１６０３に対して、垂直な方向に電子ビームを走査することによってプロファイルを形成（ステップ１６０４）し、当該プロファイルに基づいて、第２の輪郭線形成することも可能である。

図１０は、半導体パターンの計測工程を示すフローチャートである。本実施例では、リソグラフィプロセス検証の際に行われるプロセスウィンドウの特定作業に、半導体計測を適用する例を説明する。プロセスウィンドウとは、良品の回路パターンが製造可能な露光装置の条件範囲である。

プロセスウィンドウの特定には、通常、ラインパターン測定による寸法値が利用されるが、本実施例では、露光ベスト条件下での回路パターンを基準パターンとして、後述するＦＥＭ（Focus Exposure Matrix）ウェハ上の回路パターンと比較し、比較結果から良品パターンを特定し、特定した回路パターンの製造条件範囲をプロセスウィンドウの特定に利用する例を説明する。

ＦＥＭウェハとはプロセスウィンドウを解析するためのウェハである。ＦＥＭウェハには露光装置のフォーカス量（Ｆｏｃｕｓ）とドーズ量（Ｄｏｓｅ）を所定の間隔で段階的に変えて製造した回路パターンが複数個製造されている。

最初にオペレータが撮影レシピ作成装置２１２を利用してＦＥＭウェハ上の回路パターンを撮影、計測するための検査条件を設定する（ステップ１００１）。検査条件とは、ＳＥＭ２０１の撮影倍率や検査対象となる回路パターンの座標（以下、検査座標とする）等である。

次に設定された検査条件に基づき、撮影レシピを生成する（ステップ１００２）。撮影レシピはＳＥＭ２０１を制御するためのデータであり、検査オペレータが設定した検査条件や、撮影画像から検査位置を特定するためのテンプレートが定義される。次にレシピに基づき、ＳＥＭ２０１で回路パターンを撮影し、位置決め用のテンプレートを用いてパターンマッチングを行って、撮影画像内の検査ポイントを特定する（ステップ１００３）。

検査対象となる回路パターンの撮影が終了した後、基準パターンを生成する（ステップ１００４）。基準パターンの生成手順を図１のフローチャートに示す。最初に、製造条件の異なる複数の画像データを分析し、プロセスウィンドウ特定の基準条件となるベスト条件を決定する（ステップ１０１）。次にベスト条件に近い条件で製造された複数の回路パターンの画像データを決定する（ステップ１０２）。最後にベスト条件と複数の回路パターンの画像データを用いて基準パターンを生成する（ステップ１０３）。以下、ステップ１０１〜１０３を具体的に説明する。

（製造装置のベスト条件の決定（ステップ１０１））
ベスト条件とは、フォーカス量とドーズ量それぞれについての最適な条件（ベストフォーカス、ベストドーズ）である。図４（ａ）を用いて、回路パターンのＣＤ値（回路パターンの寸法値）からベストフォーカスを求める方法を説明する。最初に一次元寸法測定部１２１１にて、フォーカス量が異なる回路パターン４０１の寸法値（ＣＤ）をＣＤ−ＳＥＭでそれぞれ計測し、回路パターンの寸法値４０２をグラフにプロットする。次に露光条件選択部１２１８では、曲線フィッティングを行って曲線のピーク位置を求める。このピーク位置のフォーカス条件をベストフォーカス４０３とする。ＦＥＭウェハに製造できる回路パターンの数には限りがあり、また、個々の回路パターンには形状の揺らぎがあるため、数μｍステップでフォーカス量を変えて製造した回路パターンの計測結果と曲線フィッティングを組み合わせた推定によって、ベストフォーカスを決定するようにしても良い。このように所定の条件を満たすフォーカス点をベストフォーカス点として決定する。

次に図４（ｂ）を用いてベストドーズの決定方法を説明する。ベストドーズについては、ベストフォーカス点において、ドーズ量を変えた複数の回路パターンの寸法値４０４を計測し、グラフにプロットする。ドーズ量を変えると回路パターンの寸法がリニアに増減する。このため、計測された複数のＣＤ値の直線フィッティングを行い、製造目標のＣＤ値に対応したドーズ条件４０５をベストドーズとする。

図５にＦＥＭウェハ上の回路パターン５０１と、上記のＣＤ計測結果の分析によって特定されたベスト条件５０２の関係を示す。フォーカス方向の回路パターンの間隔は、フォーカスステップ量５０５、ドーズ方向の回路パターンの間隔は、ドーズステップ量５０４である。前述したようにベスト条件は近似式によって決定されるため、製造された回路パターンの製造条件とは一致しないケースが多い。本実施例では、フィッティング等によって、ベスト条件を求めているので、ステップを細かく刻むことなく、適正な露光条件を抽出することができる。

（基準条件に近い回路パターン群の決定（ステップ１０２））
次に、露光条件選択部１２１８は基準パターンの生成に用いる回路パターン群を決定する。回路パターン群とは、図５のようにベスト条件に近い条件で製造された複数の回路パターン５０３、５０６、５０７、５０８である。なお、図５の例では４点の測定点で得られた画像を選択するケースを例示しているが、ベスト条件５０２が、例えばパターン５０７とパターン５０８を結ぶ直線上であって、その中間にあるような場合は、パターン５０７とパターン５０８を選択するようにしても良い。また、ベスト条件に近い条件の選択は、例えばベスト条件に隣接する所定数の製造条件を選択するようにしても良いし、ベスト条件を中心とした所定の製造条件範囲に含まれる製造条件を選択するようにしても良い。このように所定条件を満たす製造条件を選択する。

（基準パターンの生成（ステップ１０３））
次に複数の回路パターンと、ベスト条件の情報に基づき回路パターンの計測に用いるベスト条件下の基準パターンを生成する。本例では、製造された回路パターンのフォーカス条件（ｆ１）とベストフォーカスが一致した状態であって、製造された回路パターンのドーズ条件２点間（ｄ１，ｄ２）の間にベストドーズが存在する例について説明する。図５に例示するＦＥＭウェハの場合、例えばベストフォーカスがパターン５０７、５０８と同じであり、ベストドーズがパターン５０７とパターン５０８の間にある状態となる。

上記条件の場合は、製造条件Ａ（ｆ１，ｄ１）、製造条件Ｂ（ｆ１，ｄ２）で製造された２点の回路パターンを用いてベスト条件の基準パターンを生成する。図３は製造条件Ａの回路パターン３０２と製造条件Ｂの回路パターン３０１を示したものである。この２つの回路パターンから破線で示したベスト条件の基準パターン３０３を生成する。マッチング処理部１２１０では、回路パターン３０１のデータと回路パターン３０２のデータとの間でマッチングを行い、その上で、製造条件Ａの回路パターン３０２を構成するエッジ点３０５と、製造条件Ｂの回路パターン３０１を構成するエッジ点３０６の対応付けを行い、そのエッジ点を結ぶ直線上に基準パターンのエッジ点を設定する。エッジ点の対応付けは例えば対応付け元のエッジに最も近接した対応付け先のエッジを探索することで求めることができる。また、対応付け元のエッジの法線方向に存在する対応付け先のエッジ点を探索することで求めることもできる。

基準パターンのエッジ点は、ベストドーズ、ベストフォーカスに対する製造条件Ａのドーズ量、フォーカス量の誤差と、ベストドーズ、ベストフォーカスに対する製造条件Ｂのドーズ量、フォーカス量の誤差に基づき決定する。具体的には、ベストドーズが製造条件Ａと製造条件Ｂの中間にあった場合、製造条件Ａの回路パターン３０２のエッジ点３０５と製造条件Ｂの回路パターン３０１のエッジ点３０６の中心位置３０７に基準パターンのエッジ点を決定する。また、ベストドーズが、製造条件Ａと製造条件Ｂの間隔の４：６のポイントに位置している場合は、製造条件Ａの回路パターン３０２のエッジ点３０５と製造条件Ｂの回路パターン３０１のエッジ点３０６を結ぶ直線の４：６の位置に基準パターンのエッジ点を決定する。

このようにベスト条件に対する回路パターンの製造条件の誤差と製造された複数の回路パターンのエッジ位置に基づき基準パターンを生成する。

上述した例では、ベスト条件がベストフォーカスと一致している場合を述べたが、図５のようにベストフォーカス、ベストドーズがいずれも製造条件とは一致しない場合でも、ベスト条件を取り囲む４点や、１６点の製造条件の回路パターンを用いて、ベスト条件に対する製造条件の誤差に基づく重みとそれぞれの回路パターンのエッジ位置の補間処理によってベスト条件の基準パターンを生成することができる。また、ベスト条件と実パターンの製造条件との差が小さい場合（例えば寸法差が所定値以下である場合）であって、実パターンの製造条件が実質的にベスト条件と見做せるような場合は、取得済みの撮像画像を基準パターンとするようにしても良い。

このよう複数の座標点と重み係数を用いた補間処理を行って、１点の座標点を決定する方法は様々な手法が提案されているため、これを限定するものではない。このような基準パターンのエッジ点の決定を回路パターン全体に対して行い、基準パターンを生成する。

次に生成されたベスト条件の基準パターンと製造条件の異なる複数の回路パターンを比較して、形状誤差を計測する１００５。計測値は、基準パターンと回路パターンのエッジ点の間隔に基づく値である。エッジ１点の形状誤差でもよいし、連続した複数のエッジ点の形状誤差の統計値でもよい。

次に計測値と許容される形状誤差量を比較し、良品の回路パターンを特定し、プロセスウィンドウを特定する１００６。プロセスウィンドウの例を図９に示す。良品が製造されている製造条件の範囲９０１内に設定できる最大矩形をプロセスウィンドウ９０２として定義した例である。このようなプロセスウィンドウ９０２をディスプレイ２１１に表示することにより、検査オペレータが計測結果を視覚的に確認することができる。

また、これまで主に輪郭線データに基づいて、基準パターンを作成する例について説明したが、輪郭線データに代えて、ＳＥＭ画像データを用いて、基準パターンを作成することもできる。図１４は、ＳＥＭ画像データに基づいて、基準パターンを作成する工程を示す図である。ＳＥＭ画像群１４０１は、例えば図５に例示した回路パターン５０１、５０３、５０７、５０８のＳＥＭ画像である。輪郭線データに基づいて基準パターンを作成した場合と同様に、ＳＥＭ画像の取得後、一次元寸法測定部１２１１等で、異なる製造条件で作成されたパターンの測定を行うことによってベスト条件５０２を決定する。露光条件選択部１２１８等では、ベスト条件５０２の位置情報を画像積算部１２０８の重み付け係数選択部１４０２に伝達し、重み付け係数選択部１４０２は、ベスト条件の位置に応じて、各ＳＥＭ画像について、積算時の重み係数を設定する。

輪郭線データに基づいて基準パターンを形成する場合には、複数の輪郭線の対応点間の位置を決定するために、ベスト条件の位置情報を用いたが、ＳＥＭ画像データに基づいて基準パターンを形成する場合には、複数の画像データを積算する場合の重み付け係数を決定するために、ベスト条件の位置情報を用いる。この場合、ベスト条件に近いＳＥＭ画像程、重みが強くなるように、係数を選択する。この係数はベスト条件の位置と係数を関連付けて記憶するデータベースを参照しても良いし、重み付け係数とベスト条件の位置との関連式を予め用意して、演算によって求めるようにしても良い。

以上のようにして各画像データに割り当てられた重み付け係数を反映して、積算処理部１４０３にて画像積算処理を実行する。積算画像はベスト条件の位置に応じた比率を用いて作成されているため、ベスト条件に近いパターンの画像を作成することが可能となる。

以上のようにして作成した積算画像を、必要に応じて輪郭線抽出部１２１２にて輪郭線データ化し、基準パターン１４０４として所定の記憶媒体（例えばメモリ１２０９）に記憶する。

図１３は、ＳＥＭ画像データ、或いは輪郭線データに基づいて、基準パターンを作成する工程を示すフローチャートである。まず、電子顕微鏡の試料室にＦＥＭウェハを導入し、異なる露光条件領域毎に、所定のパターンの測定を実行する（ステップ１３０１、１３０２）。所定の対象パターンの測定が終了したら、上述のようにフィッティング等によって、ベスト条件を選択する（ステップ１３０３）。このときベスト条件がウェハ上のパターンを作成した製造条件とほぼ一致する（例えばベストフォーカス条件で作成されたと推定できるパターン寸法と、ウェハ上のパターン寸法が一致する）場合には、そのパターンの画像データ、或いは輪郭線データに基づいて、基準パターンを作成する（ステップ１３０５）。一方、ベスト条件と、実際にＦＥＭウェハ上に形成されたパターンの製造条件との間に乖離がある場合は、上述のように複数の製造条件によって生成された複数のパターンの画像、或いは輪郭線データに基づいて、基準パターンを作成する（ステップ１３０４、１３０５）。

以上のようにして生成された基準データをレシピ登録し、その後の測定に適用する（ステップ１３０７）。

実施例１では、ベスト条件の決定にＣＤ値を用いたが、複雑な形状を有する二次元の回路パターンではＣＤ値が正確に計測できないケースがある。二次元の回路パターンの形状変形をふまえたプロセスウィンドウ決定法を本実施例で説明する。なお、ベスト条件決定以降の計測及び判定処理は、実施例１と同様のため、説明を省略する。

図６は設計パターンを利用したベスト条件下の基準パターン生成手順のフローチャートである。なお、設計パターン以外にも製造目標の形状を正確に示した光学シミュレーションによるシミュレーションパターンやゴールデンパターンを利用することもできる。

最初に設計パターンとＦＥＭ上の回路パターンの形状誤差指標を算出する６０１。形状誤差は、図７に示したように設計パターン７０１と回路パターン７０２のエッジ点間の誤差量７０３である。形状誤差指標は、計測領域に存在する各エッジ点間の誤差の平均値や計測領域内の誤差の最大値や最小値等の設計パターンと回路パターンの形状誤差量を示す値である。なお、設計パターンとは通常ベクトルデータであるＧＤＳデータ等の情報を線図化した図形データである。

ただし、設計パターンのコーナ部の形状とウェハに製造されるコーナ部の形状はもともと異なるため、コーナ部位を除外した部位を、形状指標算出領域７０４として形状誤差指標を算出する。このような形状誤差指標の算出領域は入力手段を備えたディスプレイ２１１を利用して検査オペレータが設定できるものとする。また、設計パターンの頂点から数nm以内の部位をコーナとするようなルールに基づき、設計パターンを分析し、コーナ部を除外した形状誤差指標の算出エリアを自動的に求めることで、上記のような検査オペレータの作業負担を軽減することもできる。なお、形状誤差は設計パターンの回路パターンのエッジが存在する場合と、設計パターンの外側に回路パターンのエッジが存在する場合とで、誤差量の符号を変えて算出する。

図８（ａ）はＦＥＭウェハ上の回路パターンの形状誤差指標（計測領域内の誤差平均）を曲線近似してグラフ化した例を示している。フォーカス方向に放物線を描く結果を得ることができる。この放物線のピーク位置を二次元回路パターンのベストフォーカスポイントとする６０２。

次にベストフォーカスポイントで、ドーズ量が異なる複数の回路パターンについて、設計パターンと回路パターンの比較を行い、形状一致指標を算出する６０３。形状一致指標も形状誤差指標と同様に設計パターン７０１と回路パターン７０２のエッジ点間の誤差量７０３に基づく値であり、例えば計測領域に存在する各エッジ点間の誤差の平均値や最大値、最小値などである。

なお、設計パターンの回路パターンのエッジが存在する場合と、設計パターンの外側に回路パターンのエッジが存在する場合については区別せず、符号なしで誤差量を算出する。またベストフォーカスの特定と同様にコーナを除く部位を計測対象として形状一致指標を算出する。

図８（ｂ）はベストフォーカス点のドーズ量が異なる複数の回路パターンの形状一致指標を曲線近似してグラフ化した例である。ドーズ方向に放物線を描く結果を得ることができる。この放物線のピーク位置、すなわち、設計パターンとの形状誤差が最も小さいポイントを二次元的な回路パターンのベストドーズとして決定する６０４。

最後に上記のように求めたベスト条件と、その条件に近い複数の回路パターンを用いて実施例１で説明した方法で基準パターンを生成する６０５。

なお、本実施例では最初にベストフォーカスを特定した後、ベストドーズを特定する例を示したが、上記説明した方法で、ベストドーズを特定した後、ベストドーズポイントについて上記説明した方法でベストフォーカスを特定することも可能である。

また、図１１のように、上記説明した基準回路パターン１１０２と回路パターン１１０３の重ね合わせウィンドウ１１０１や回路パターン１１０３と基準回路パターン１１０２の比較による計測値１１０５、計測領域１１０４などをディスプレイ２１１に表示することで、検査オペレータが検査の進捗および検査結果を迅速に確認することができる。

２０１ ＳＥＭ
２０２ 電子線
２０３ 試料
２０４ 二次電子検出器
２０５ 反射電子検出器１
２０６ 反射電子検出器２
２０７ Ａ／Ｄ変換器
２０８ メモリ
２０９ ＣＰＵ
２１０ 画像処理ハードウェア
２１１ ディスプレイ
２１２ 撮影レシピ作成装置
２１３ 設計データ
３０１、３０２、４０１、５０１、５０３、７０２、１１０３ 回路パターン
３０３ 基準パターン
３０４ エッジ対応点間の直線
３０５、３０６ エッジ点
３０７ 中心位置
３０８ 製造条件Ｂと基準条件の差分
３０９ 製造条件Ａと基準条件の差分
４０２、４０４ 回路パターンの寸法値
４０３ ベストフォーカス
４０５ ドーズ条件
５０２ ベスト条件
５０４ ドーズステップ量
５０５ フォーカスステップ量
７０１ 設計パターン
７０３ エッジ点間の誤差量
７０４ 形状指標算出領域
８０１ フォーカス方向の近似曲線
８０２ ベストフォーカスポイント
８０３ ドーズ方向の近似曲線
８０４ ベストドーズポイント
９０１ 製造条件の範囲
９０２ プロセスウィンドウ
１１０１ 基準回路パターンと回路パターンの重ね合わせウィンドウ
１１０２ 基準回路パターン
１１０４ 計測領域
１１０５ 計測結果ウィンドウ

Claims (16)

1. 荷電粒子線装置によって得られた画像に基づいて、試料上に形成されたパターンの測定を行う演算処理装置を備えたパターン計測装置において、
   前記演算処理装置は、前記荷電粒子線装置によって得られた信号に基づいて、製造装置の製造条件が異なる複数の回路パターンの画像データ、或いは輪郭線データを取得又は生成し、当該異なる製造条件毎の画像データ、或いは輪郭線データを用いて、前記製造条件毎の回路パターンの測定値を求め、当該製造条件毎の測定値に基づいて形成される前記測定値と製造条件との関係を示す関数から、前記製造条件がベストとなるベスト製造条件を求め、当該ベスト製造条件に対応する前記測定値から選択される位置にエッジが位置するように、前記回路パターンの計測に用いる基準データを生成することを特徴とするパターン計測装置。
2. 請求項１において、
   前記演算処理装置は、前記複数の回路パターンの画像データ、或いは輪郭線データの寸法測定結果に基づいて、所定条件を満たす複数の製造条件を選択し、当該複数の製造条件によって形成された複数のパターンの前記画像データ、或いは輪郭線データから、前記基準データを生成することを特徴とするパターン計測装置。
3. 請求項１において、
   前記演算処理装置は、前記複数の回路パターンの画像データ、或いは輪郭線データの寸法測定結果に基づいて、所定条件を満たす製造条件を選択し、当該所定条件を満たす製造条件に近い所定数、或いは所定範囲のパターンの前記画像データ、或いは輪郭線データから、前記基準データを生成することを特徴とするパターン計測装置。
4. 請求項１において、
   前記演算処理装置は、前記製造装置のフォーカス条件とドーズ条件の組み合わせが異なる複数の回路パターンの画像データ、或いは輪郭線データを用いて、それぞれの回路パターンの寸法を測定し、当該複数の回路パターンの寸法測定結果に基づいて、ベストフォーカス条件、及びベストドーズ条件を求め、当該ベストフォーカス条件、及びベストドーズ条件のフォーカス及びドーズマップ上の位置に応じて、前記輪郭線データのエッジ位置を変化させることを特徴とするパターン計測装置。
5. 請求項１において、
   前記演算処理装置は、前記複数の回路パターンの画像データ、或いは輪郭線データの寸法測定結果に基づいて、ベストの製造条件に近接する少なくとも２つの製造条件で形成されるパターンの輪郭線データを生成或いは選択し、当該２つの輪郭線の対応点を求め、当該対応点間であって、前記ベストの製造条件に応じた位置にエッジ点を設定することを特徴とするパターン計測装置。
6. 請求項１において、
   前記演算処理装置は、前記複数の回路パターンの画像データ、或いは輪郭線データと、設計データに基づく図形データとの間の形状差測定結果に基づいて、所定条件を満たす複数の製造条件を選択し、当該複数の製造条件によって形成された複数のパターンの前記画像データ、或いは輪郭線データから、前記基準データを生成することを特徴とするパターン計測装置。
7. 請求項１において、
   前記演算処理装置は、前記複数の回路パターンの画像データ、或いは輪郭線データと、設計データに基づく図形データとの間の形状差測定結果に基づいて、所定条件を満たす製造条件を選択し、当該所定条件を満たす製造条件に近い所定数、或いは所定範囲のパターンの前記画像データ、或いは輪郭線データから、前記基準データを生成することを特徴とするパターン計測装置。
8. 請求項１において、
   前記演算処理装置は、前記製造装置のフォーカス条件とドーズ条件の組み合わせが異なる複数の回路パターンの画像データ、或いは輪郭線データを用いて、それぞれの回路パターンの画像データ、或いは輪郭線データと、設計データに基づく図形データとの間の形状差測定を行い、当該複数の回路パターンの形状差測定結果に基づいて、ベストフォーカス条件、及びベストドーズ条件を求め、当該ベストフォーカス条件、及びベストドーズ条件のフォーカス及びドーズマップ上の位置に応じて、前記輪郭線データのエッジ位置を変化させることを特徴とするパターン計測装置。
9. 請求項１において、
   前記演算処理装置は、前記複数の回路パターンの画像データ、或いは輪郭線データと、設計データに基づく図形データとの間の形状差測定結果に基づいて、ベストの製造条件に近接する少なくとも２つの製造条件で形成されるパターンの輪郭線データを生成或いは選択し、当該２つの輪郭線の対応点を求め、当該対応点間であって、前記ベストの製造条件に応じた位置にエッジ点を設定することを特徴とするパターン計測装置。
10. 請求項１において、
    前記演算処理装置は、前記複数の回路パターンの画像データ、或いは輪郭線データと、設計データに基づく図形データとの間の形状差測定を、当該回路パターンのコーナ部を含む領域を除く部分について実施し、当該形状差測定に基づいて、前記基準データを生成することを特徴とするパターン計測装置。
11. 請求項１において、
    前記演算処理装置は、製造装置の製造条件が異なる複数の回路パターンの輪郭線データを生成し、当該複数の輪郭線データの対応点間に、当該輪郭線データによって示されるパターンの製造条件と、当該輪郭線データに基づいて求められる製造条件との差分に基づいて、エッジ点を決定することを特徴とするパターン計測装置。
12. 請求項１１において、
    前記演算処理装置は、前記差分に応じた補間演算によって、前記エッジ点を決定することを特徴とするパターン計測装置。
13. 請求項１において、
    前記演算処理装置は、前記基準データと、複数の製造条件で製造された回路パターンの形状を比較し、形状誤差量を計測することを特徴とするパターン計測装置。
14. 請求項１３において、
    前記演算処理装置は、前記形状誤差量と、所定の許容誤差量との比較に基づいて、パターンの良品を特定することを特徴とするパターン計測装置。
15. 請求項１において、
    前記演算処理装置は、前記基準データと、複数の製造条件で製造された回路パターンとの比較に基づいて、露光装置のプロセスウィンドウを決定することを特徴とするパターン計測装置。
16. 試料に荷電粒子線を照射することによって画像を形成する荷電粒子線装置と、当該荷電粒子線装置によって得られた画像に基づいて、試料上に形成されたパターンの測定を行う演算処理装置を備えた半導体計測システムにおいて、
    前記演算処理装置は、前記荷電粒子線装置によって得られた画像信号に基づいて、製造装置の製造条件が異なる複数の回路パターンの画像データ、或いは輪郭線データを取得又は生成し、当該異なる製造条件毎の画像データ、或いは輪郭線データを用いて、前記製造条件毎の回路パターンの測定値を求め、当該製造条件毎の測定値に基づいて形成される前記測定値と製造条件との関係を示す関数から、前記製造条件がベストとなるベスト製造条件を求め、当該ベスト製造条件に対応する前記測定値から選択される位置にエッジが位置するように、回路パターンの計測に用いる基準データを生成することを特徴とする半導体計測システム。