JP6101445B2

JP6101445B2 - 信号処理装置及び荷電粒子線装置

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Publication number: JP6101445B2
Application number: JP2012172484A
Authority: JP
Inventors: 菊池　正明; 正明菊池; 計酒井
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2012-08-03
Filing date: 2012-08-03
Publication date: 2017-03-22
Anticipated expiration: 2032-08-03
Also published as: JP2014032102A

Description

本発明は、走査電子顕微鏡等で取得した画像の画像処理を行う画像処理装置に係り、特に検出信号に平滑化処理を施す信号処理装置及び荷電粒子線装置に関する。

近年、半導体回路パターンの微細化や複雑化に伴い、走査電子顕微鏡等の測定装置の測定箇所の数も増加の一途を辿っている。それに伴い、測定装置を扱うオペレーターはそれぞれの測定対象の回路パターンに応じた測定条件を設定する作業に多くの時間を要している。

また、回路パターンの微細化や複雑化は、試料中の特定箇所に対する電子ビーム照射量の増加を招き、試料表面の帯電やコンタミネーションによる像質の劣化や、試料ダメージの原因となる可能性もある。ビーム照射量はフレーム積算数を少なくすることで抑制することができるが、そうした場合、像質が低下し回路パターンに適した測定条件を設定することが難しくなる。また、適正な測定条件を設定できないと測長値再現性が低下する場合がある。それぞれの測定箇所において、適正な測定条件を、効率的に設定する方法が求められている。

一方、特許文献１には、エッジが急峻に立ち上がる領域については、相対的に弱く平滑化処理を施し、下地部分については相対的に強い平滑化処理を施した上で、パターンの寸法測定を行う手法が開示されている。

特開昭６２−２３７３０７号公報

測定対象の試料の特性や回路パターンの形状などにより、像質の高い画像を得ることができない場合、適正な測定条件を設定することが難しくなる。とりわけS/N比の改善を目的とした平滑化で使用する係数（以下、平滑化係数）については、対象の画像における定量的判断が困難であるため、設定が困難である。特許文献１では、試料の部分毎の形状に応じて平滑化係数を変化させることを試みているが、パターンを構成する材料等によっても適正な条件は変化するため、適正な平滑化条件の選択は困難である。また、半導体プロセスの変動等によって、パターンの形状も変化するため、このようなプロセス変動への対応もできない。

以下に、材料の種類やパターンの形状の変化等に因らず、適正な平滑化条件を設定することを目的とする信号処理装置及び荷電粒子線装置を提案する。

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取得された検出信号に対し、平滑化処理を施す信号処理装置、及び荷電粒子線装置であって、平滑化処理の平滑化係数を変化させたときに得られる複数の信号波形を用いたパターン寸法の測定、或いはエッジ位置の検出を実行し、前記平滑化係数の変化前後のパターン寸法測定結果の差分又はエッジの検出位置の差分が、最小値となる平滑化係数、当該最小値に最も近接する値を示す平滑化係数、或いは所定値以下の平滑化係数を選択する信号処理装置、及び荷電粒子線装置を提案する。

上記構成によれば、材料の種類やパターンの形状の変化等に因らず、適正な平滑化条件を設定することが可能となる。

走査電子顕微鏡システムの一構成例を示す図。最適平滑化係数を決定するための処理工程を示すフローチャート。射影処理の概要を示す図。ピークトップからボトムまでの距離に基づいて最大平滑化係数を決定する例を示す図。エッジ抽出とエッジ位置変化との関係を示す図。像質が良い場合のエッジ抽出とエッジ位置変化との関係を示す図。フレーム積算数決定処理工程を示すフローチャート。走査電子顕微鏡を含む測定システムの概要を示す図。

以下に、走査電子顕微鏡や集束イオンビーム装置等の荷電粒子線装置によって得られた画像を用いて微細なパターンを測定する際の測定条件、中でも平滑化係数を適正に設定することを目的とした測定条件の決定方法、および測定条件設定装置について説明する。

本実施例では、主に測定条件決定法において、画像のラインプロファイル情報に対して、平滑化係数を一定の間隔で変化させながら、平滑化処理、およびエッジ位置を求める処理を行う。平滑化係数変化前後におけるエッジ検出位置座標の変化が最小となる時の値を、当該測定条件の平滑化係数とする。このように、平滑化係数を決定することによって、測定条件の平滑化係数を適正、且つ効率的に設定することが可能となり、結果として、測長値再現性を向上することが可能となる。また、別の見方をすると、像質が低下しても、一定レベルの測長値再現性が得られるようになるため、フレーム積算数を含めた電子ビーム照射量に関わるパラメータを改善することが可能となる。

走査型電子顕微鏡システムの一構成例を図１に示す。１０１は電子顕微鏡の筐体部であり、電子銃１０２から発せられた電子線１０３が図には描かれていない電子レンズによって収束され、試料１０５に照射される。電子線照射によって、試料表面から発生する二次電子、或いは反射電子の強度が電子検出器１０６によって検出され、増幅器１０７で増幅される。１０４は電子線の位置を移動させる偏向器であり、制御用計算機１１０の制御信号１０８によって電子線１０３を試料表面上でラスタ走査させる。

増幅器１０７から出力される信号を画像処理プロセッサ１０９内でＡＤ変換し、デジタル画像データを作る。１１１は、その画像データを表示する表示装置である。また、画像処理プロセッサ１０９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。制御用計算機１１０には、キーボードやマウス等の入力手段１１２が接続される。

なお、画像メモリのメモリ位置に対応したアドレス信号が、制御計算機１１０内で生成され、アナログ変換された後に走査コイル制御電源（図示せず）を経由して、偏向器１０４に供給される。Ｘ方向のアドレス信号は、例えば画像メモリが５１２×５１２画素の場合、０から５１２を繰り返すデジタル信号であり、Ｙ方向のアドレス信号は、Ｘ方向のアドレス信号が０から５１２に到達したときにプラス１される０から５１２の繰り返しのデジタル信号である。これがアナログ信号に変換される。

画像メモリのアドレスと電子線を走査するための偏向信号のアドレスが対応しているので、画像メモリには偏向器１０４による電子線の偏向領域の二次元像が記録される。なお、画像メモリ内の信号は、読み出しクロックで同期された読み出しアドレス生成回路（図示せず）で時系列に順次読み出すことができる。アドレスに対応して読み出された信号はアナログ変換され、表示装置１１１の輝度変調信号となる。

画像メモリには、Ｓ／Ｎ比改善のため画像(画像データ）を重ねて(合成して）記憶する機能が備えられている。例えば８回の二次元走査で得られた画像を重ねて記憶することで、１枚の完成した像を形成する。即ち、１回もしくはそれ以上のＸ―Ｙ走査単位で形成された画像を合成して最終的な画像を形成する。１枚の完成した像を形成するための画像数（フレーム積算数）は任意に設定可能であり、二次電子発生効率等の条件を鑑みて適正な値が設定される。

試料１０５は図示しないステージ上に配置され、試料１０５電子線と垂直な面内の２方向（Ｘ方向，Ｙ方向）に移動することができる。また図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、例えば半導体ウェーハ上に形成されたパターンの寸法測定等に用いられる。

なお、図１の説明は制御計算機が走査電子顕微鏡と一体、或いはそれに準ずるものとして説明したが、それに限られることはなく、走査電子顕微鏡鏡体とは別に設けられた制御プロセッサで以下に説明するような処理を行っても良い。その際には二次信号検出器１０６で検出される検出信号を制御プロセッサに伝達したり、制御プロセッサから走査電子顕微鏡のレンズや偏向器等に信号を伝達する伝達媒体と、当該伝達媒体経由で伝達される信号を入出力する入出力端子が必要となる。

また、以下に説明する処理を行うプログラムを記憶媒体に登録しておき、画像メモリを有し走査電子顕微鏡に必要な信号を供給する制御プロセッサで、当該プログラムを実行するようにしても良い。

図８は、走査電子顕微鏡（ＳｃａｎｎｉｎｇＥｌｅｃｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ:ＳＥＭ）を含むパターン測定装置の一例を示す図である。図８に例示するパターン測定装置は、電子源、加速電極、集束レンズ、対物レンズ、及び走査偏向器等を含むＳＥＭ本体８０１と、ＳＥＭ本体８０１を制御する制御装置８０２を含んでいる。また、試料から放出される電子を検出する検出器８０６の出力に基づいて、輝度プロファイル（ラインプロファイル）や画像を形成する画像処理プロセッサ８０５と、必要な情報が記憶されたメモリ８０６が内蔵された演算処理装置８０３、及び演算処理装置８０３に必要な情報を入力するための入力装置であり、且つ電子顕微鏡画像等を表示する表示装置を備えた端末装置８０４が含まれている。

また、画像処理プロセッサ８０５は、検出信号を処理する信号処理装置であり、当該画像プロセッサ８０５には、検出器８０６によって検出された画像信号をフレーム単位で積算する画像積算部８０７、検出器８０６によって検出された検出信号に基づいて輝度プロファイルを形成する信号波形形成部８０８、信号波形形成部８０８にて形成された輝度プロファイルのピーク検出に基づいて、ピーク間の寸法を測定するパターン測定部８０９、及び画像信号、或いは輝度プロファイルに対して平滑化処理を施す平滑化処理部８１０を含んでいる。

平滑化処理部８１０には、平滑化係数選択部８１１が含まれており、メモリ８０６に記憶された条件に基づいて、適正な平滑化係数を選択する。以下、平滑化係数の選択工程について、具体的に説明する。

図２は、平滑化係数の選択工程を示すフローチャートである。ステップ２０１の画像取得処理工程では、走査電子顕微鏡を用いて測定条件を計算するために使用するテンプレート画像を撮像する。ここで撮像を行わずに、事前に記憶装置に保存している画像ファイル、または画像情報を使用しても良い。次に、ステップ２０２の射影処理工程にて、図３に示すように画像の画素値をラインに垂直となる軸（ここではｉ軸）上に射影し、加算平均をとることによりＳ／Ｎ比の改善を図る。加算平均処理工程は、例えば画像積算部８０７や信号波形形成部８０８にて実行する。画像サイズを（Ｍ，Ｎ）とすると、射影処理は数式１で表すことができる。ここで、Ｉ（ｉ，ｊ）は画像座標（ｉ，ｊ）上の画素値である。

次にステップ２０３の最大平滑化係数計算工程にて、ステップ２０２の射影処理工程で求めたラインプロファイルから、図４に示すように、左右それぞれのピーク位置、およびボトム位置を求める。更に、左ピークから左ボトムまでのｉ軸上のピクセル数（Ｌｅｆｔｐｉｘｅｌｓｉｚｅ）と、右ピークから右ボトムまでのｉ軸上のピクセル数（Ｒｉｇｈｔｐｉｘｅｌｓｉｚｅ）を求め、いずれかの値、または平均の整数値を2倍し1を足した値を、最大平滑化係数とする。仮に小さい方の値を採用するという条件で、Ｌｅｆｔｐｉｘｅｌｓｉｚｅの方が小さいとすると、数式２のようになる。

ステップ２０４の平滑化処理工程で、数式３に示すような移動平均による平滑化を施す。ここでＬは平滑化に用いる平滑化係数を示す。

次に、例えばパターン測定部８０９は、ステップ２０５のエッジ抽出処理工程にて、閾値法、直線近似法などで、ラインパターンの左右のエッジ情報を抽出する。図５（ａ）は、平滑化係数を求めるためのＳＥＭ画像の一例を示す図である。このようなＳＥＭ画像を用いて例えばラインパターンの左エッジ位置と右エッジ位置を検出する。エッジ位置の検出は例えば、ラインパターンの長手方向の異なる位置に複数の測定点（例えば９点）を設定し、それぞれの位置の平均値を、その際の平滑化係数におけるエッジ位置（左エッジ位置情報５０１、右エッジ位置情報５０２）として記憶する。具体的には、求めたエッジ情報と、その時の平滑化係数とを関連付けてメモリ８０６等に記憶する。

上述のステップ２０４の平滑化処理工程とステップ２０５のエッジ抽出処理工程を、平滑化係数（Ｌ）が1から最大平滑化係数までの間行う。ステップ２０６の変化量計算工程では、ステップ２０５のエッジ抽出処理工程で記憶したエッジ情報を、平滑化係数の昇順、または降順に読み出して、順番にエッジ検出位置の変化量を求める（ステップ２０６）。ここでエッジ検出位置とは、図５（ａ）におけるｉ方向の座標を示す。例えば平滑化係数が1のエッジ検出位置と２のエッジ検出位置の差分を求めた後に、２のエッジ検出位置と３のエッジ検出位置の差分を求めるという具合に行う。

図５（ｂ）にエッジ検出位置をグラフ化した例を、（ｃ）に（ｂ）におけるエッジ検出位置の変化量を求め、グラフ化した例を示す。グラフにおけるX座標は平滑化係数、Y座標はエッジ検出位置、またはエッジ検出位置の変化量とする。左エッジと右エッジの変化量の絶対値を、平滑化係数毎に加算し、全体の変化量を求める。図５（ｄ）にその例を示す。グラフにおけるX座標は平滑化係数、Y座標はエッジ検出位置の変化量とする。図５（ｄ）に例示する合計値は例えば２つのエッジ間に設けられた基準位置に対する２つのエッジ位置変化量の絶対値を加算することによって求めることができる。

ステップ２０７の最適平滑化係数選択工程では、上記変化量が最小となる時の平滑化係数を求める。変化量が最小となることについて、ウェーハ上の回路パターンを測定する場合に置き換えて説明すると、チップごとに寸法や状態のばらつきがある場合でも、エッジを検出する位置が最も安定している条件であるということを示している。図５（ｄ）の場合、平滑化係数7が最適といえる。また、像質が非常に良く平滑化処理を行う必要がない場合の状態を、図６に示す。この場合、平滑化係数1、つまり平滑化を行わない条件が最適な条件として選択される。

なお、他にも例えば５のエッジ位置と６のエッジ位置との検出位置の差分（第１の差分）が最小であった場合、５のエッジ位置に近接する４のエッジ位置と５のエッジ位置との間の検出位置の第２の差分、及び６のエッジ位置に近接する７のエッジ位置と６のエッジ位置との間の検出位置の第３の差分を比較し、小さい側の差分を構成するエッジ位置（例えば第３の差分が小さい場合には６のエッジ位置）となる平滑化係数を選択するようにしても良い。

ここで変化量が最小となる時の平滑化係数ではなく、図５（ｄ）で示す全体の変化量を、二次関数でカーブフィッティングし、極小値付近の平滑化係数（整数値）を採用しても良い。その場合、図６（ｄ）で示すように極小値が平滑化係数1よりも小さい値の時に現れる場合や、二次関数の二次の係数が負の場合など極小値を求めることができない場合は、1を平滑化係数として採用する。

更に、上述のように極小点、或いは極小点に最も近接する平均化係数を選択するのではなく、所定の閾値を設けておき、当該閾値を下回った平均化係数を選択するようにしても良い。平均化係数の選択基準が他に存在する場合は、当該閾値を下回った複数の候補から、当該他の選択基準に最も合致する平均化係数を選択するようにしても良い。

また上述の例では、左右のラインプロファイルに対して同一の平滑化係数を算出することにしているが、左右別々の平滑化係数を求めても良い。その場合、ステップ２０３の最大平滑化係数計算工程では、片方のピクセル数を最大平滑化係数の算出に使用するのではなく、左右それぞれのラインプロファイル用に別の最大平滑化係数を算出しても良い。その場合、左のラインプロファイルにはＬｅｆｔｐｉｘｅｌｓｉｚｅから計算した最大平滑化係数を使用し、右のラインプロファイルにはＲｉｇｈｔｐｉｘｅｌｓｉｚｅから計算した最大平滑化係数を使用しても良い。

また、ステップ２０４の平滑化処理工程では、ラインプロファイルに対し、左エッジ抽出用、右エッジ抽出用というように、別々の平滑化係数を施しても良い。

また、上述の例では、平滑化係数を実際の測定に先駆けて計算しておき、測定条件のうちのひとつのパラメータとして登録する方法として示したが、測定のときに計算しても良い。

また、上記で求めた平滑化係数値を、測定条件以外の用途で用いても良い。例えば、回路パターンの出来具合や、像質の善し悪しを定量的に判断するための指標値として用いても良い。

更に、上述の例ではエッジ位置変化の左右合計値を、平均化係数を決定するための指標値とする例を説明したが、例えば輝度プロファイル中の左エッジを示すピーク（第１のピーク）と右エッジを示すピーク（第２のピーク）間の距離の変化量を、平均化係数を決定するための指標値とすることもできる。この場合、パターン測定部８０９では、平滑化処理部８１０にて異なる平滑化係数による平滑化処理が施されることによって形成される複数の輝度プロファイルを用いて、第１のピークと第２のピークとの間の寸法測定を行う。平均化係数選択部８１１では、上記寸法値が最小値となる平滑化係数、最小値に最も近接する平滑化係数、或いは寸法値が所定値以下の平滑化係数を選択し、信号処理条件としてメモリ８０６に登録する。

図７は図２の平滑化係数算出処理の応用例であり、フレーム積算数の最適化手法についての概要である。以下、図を元に説明する。ステップ７０１の原画像取得処理工程で、事前に撮像し記憶装置に記憶してあるフレーム積算前の原画像を取得する。次にステップ７０２のフレーム積算画像生成で、ｍで示す枚数の原画像を積算する。ステップ７０３の平滑化係数算出処理で、図２に示した方法により、平滑化係数を算出する。ステップ７０４の判定で、フレーム枚数が事前に撮像した枚数に達するか、平滑化係数が事前に指定した値、または事前に定めた閾値以下になるまで、ステップ７０２、７０３の処理を繰り返す。

ステップ７０５のフレーム数決定で、最適なフレーム数を決定する。ここでの最適なフレーム数とは、平滑化係数が事前に指定した値、または事前に定めた閾値以下となるフレーム枚数であり、当該平滑化係数において、ある一定レベル以上の測長値再現性を確保できる値である。

１０１電子顕微鏡の筐体部
１０２電子銃
１０３電子線
１０４偏向器
１０５試料
１０６電子検出器
１０７増幅器
１０８制御信号
１０９画像処理プロセッサ
１１０制御用計算機
１１１表示装置
１１２入力手段

Claims

荷電粒子線装置によって取得された検出信号に対し、平滑化処理を施す演算処理装置を備えた信号処理装置において、
当該演算処理装置は、複数の画素を含む領域の画素値の平均を求めることによる平滑化処理の平滑化処理範囲の大きさを示す平滑化係数を変化させたときに得られる複数の信号波形を用いたパターンの一端のエッジの検出位置の差分と、前記パターンの他端のエッジの検出位置の差分の加算値が、最小値となる平滑化係数、当該最小値に最も近接する値を示す平滑化係数、或いは所定値以下の平滑化係数を選択することを特徴とする信号処理装置。
請求項１において、
前記演算処理装置は、前記平滑化係数を一定の間隔で変化させながら、平滑化処理、およびエッジ位置を求める処理を行うことを特徴とする信号処理装置。
請求項１において、
前記演算処理装置は、前記平滑化係数変化前後におけるエッジ検出位置座標の変化が最小となる時の値を、平滑化係数とすることを特徴とする信号処理装置。
請求項１において、
前記演算処理装置は、前記信号波形のピーク位置、及びボトム位置から前記平滑化係数を求めるときの最大平滑化係数を求めることを特徴とする信号処理装置。
請求項１において、
前記演算処理装置は、前記エッジ位置に関する情報、或いは前記パターン寸法の測定結果に関する情報と、前記平滑化係数を関連付けて記憶媒体に記憶することを特徴とする信号処理装置。
請求項１において、
前記演算処理装置は、エッジ抽出処理で記憶したエッジ情報を、平滑化係数の昇順、または降順に読み出して、順番にエッジ検出位置の変化量を求めることを特徴とする信号処理装置。
請求項１において、
前記演算処理装置は、前記パターンの一端のエッジの検出位置の差分の絶対値と、他端のエッジの検出位置の差分の絶対値を、平滑化係数毎に加算し、全体の変化量を求めることを特徴とする信号処理装置。
請求項１において、
前記演算処理装置は、エッジ検出位置の変化量と、平滑化係数を軸とした点を、関数でカーブフィッティングし、極小値に最も近い整数値の平滑化係数を選択することを特徴とする信号処理装置。
請求項１において、
前記演算処理装置は、前記エッジ検出位置の変化量と、平滑化係数を軸とした点を、関数でカーブフィッティングした時に、極小値が平滑化係数１よりも小さい値の時に現れる場合、或いは二次関数の二次の係数が負の場合に、１を平滑化係数として選択することを特徴とする信号処理装置。
請求項１において、
前記演算処理装置は、前記パターンの一端のエッジと他端のエッジのラインプロファイルに別々の平滑化係数の平滑化処理を施すことを特徴とする信号処理装置。
試料に対する荷電粒子線の照射によって得られる検出信号に基づいて、試料上に形成されたパターンを測定する演算処理装置を備えた荷電粒子線装置において、
当該演算処理装置は、複数の画素を含む領域の画素値の平均を求めることによる平滑化処理の平滑化処理範囲の大きさを示す平滑化係数を変化させたときに得られる複数の信号波形を用いたパターンの一端のエッジの検出位置の差分と、前記パターンの他端のエッジの検出位置の差分の加算値が、最小値となる平滑化係数、当該最小値に最も近接する値を示す平滑化係数、或いは所定値以下の平滑化係数を選択することを特徴とする荷電粒子線装置。