JP6294099B2 - パターン測定装置、及びパターン測定装置の管理装置 - Google Patents

Description

本発明は、画像から輪郭線を抽出する輪郭線抽出装置、及びパターン測定装置に係り、特に複数の輪郭線から適正な輪郭線を抽出する輪郭線抽出装置、及び適正な輪郭線を用いてパターン測定を実行するパターン測定装置に関する。

走査電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ:ＳＥＭ）に代表される荷電粒子線装置は、荷電粒子ビームを試料上で走査することによって得られる信号（二次電子や後方散乱電子）に基づいて画像を形成する装置である。このようなＳＥＭ等による検査、測定対象として半導体デバイスがある。半導体デバイスのパターンのエッジは、電子顕微鏡画像上では、エッジ効果により他領域と比較して相対的に輝度が高くなる。この輝度の高い部分はホワイトバンドと呼ばれている。

一方、半導体デバイスの二次元形状を正確に評価したいという要求があるが、ホワイトバンドはある程度の幅を持って形成されているため、形状が正確に表現されないことがある。このようなホワイトバンドからパターンの輪郭線を抽出する技術が特許文献１に開示されている。特許文献１には、測定目的に応じた輪郭線を抽出する手法が説明されている。

特開２０１２−０２１８３２号公報

一方、半導体デバイスの製造ラインでは、生産性を高めるべく、複数のＳＥＭを用いて、半導体デバイス上に形成されたパターンの測定を実行することがある。そして、製造プロセスの適正な管理のためには、複数のＳＥＭの性能が一致している必要がある。例えば、複数のＳＥＭを用いて同じパターンを測定した場合、同じ測定結果が出力されるべきであるが、装置間に機差が存在すると、同じ測定結果を得ることができない。このような場合には、測定結果が同じになるように、ＳＥＭを調整する必要がある。

このような機差補正は、同一パターン等を、複数のＳＥＭで測定することによって行われるが、比較のための情報が適正に選択されてないと、適正な機差評価を行うことができない。例えば、半導体デバイス上に形成されるパターンにはスカムという欠陥が発生する可能性があるが、スカムが形成されている状態とそうでない状態とでは、適正な輪郭線を抽出するためのピーク波形閾値が変化する場合がある。このような欠陥の有無やパターンの出来具合に応じて、機差評価のためのパラメータは変化するため、特許文献１には機差評価等を行うための測定パラメータを如何に選択するか、その手法についての開示がない。

以下に、機差評価等の特定の目的に応じた輪郭線抽出を、適正に行うための輪郭線抽出パラメータの選択を目的とするパターン測定装置、及びパターン測定装置の管理装置を提案する。

上記目的を達成するための一態様として、以下に、荷電粒子線装置によって得られた画像データに基づいて、画像データ上のパターンの輪郭線データを抽出する画像処理装置を備えたパターン測定装置であって、当該画像処理装置は、前記パターンエッジの輝度分布に対する複数の閾値設定に基づいて、複数の輪郭線を抽出すると共に、当該複数の輪郭線の歪みを示す指標値を求め、前記複数の輪郭線の輪郭線形成条件の中から、前記指標値が所定の条件を満たす輪郭線形成条件を選択するパターン測定装置を提案する。

また、上記目的を達成するための他の態様として、以下に、複数の荷電粒子線装置によって得られた画像データに基づいて形成される輪郭線データを評価する画像処理装置を備えたパターン測定装置の管理装置であって、前記画像処理装置は、複数の輪郭線形成条件の中から、当該輪郭線の歪みを示す指標値が所定の条件を満たす輪郭線形成条件を選択するパターン測定装置の管理装置を提案する。

上記構成によれば、機差評価等の特定の目的に応じた輪郭線抽出を、適正に行うための輪郭線抽出パラメータの選択が可能となる。

荷電粒子線装置を利用した自動輪郭線抽出装置の全体構成図。 複数のＳＥＭと、ＳＥＭを管理する管理装置からなる測定、検査システムの一例を示す図。 輪郭線評価結果を出力する工程を示すフローチャート。 画像のホワイトバンドの輝度分布に対する閾値設定に基づいて、輪郭線抽出を行う例を示す図。 荷電粒子線像と代表輪郭線との関係を示す図。 輪郭線抽出工程を示すフローチャート。 輪郭線評価に基づいて、機差評価指標を求める工程を示すフローチャート。 異なる閾値設定に基づいて抽出される輪郭線のＤｉｓｔｏｒｔｉｏｎ値の出力例を示す図。

以下に説明する実施例は、半導体パターンの測定、検査、及びそれに関わる装置を管理する方法、管理装置に関するものである。

正確な半導体パターンの転写には、複雑な設計パターンの作成や、製造／検査装置の安定した管理が必要となる。これらの作成／管理には半導体パターンの形状検査からのフィードバックが多く用いられる。

半導体パターンを撮像する荷電粒子線装置において、測定、検査を行うためにパターンのエッジから輪郭線を抽出する手法が用いられるが、本実施例では、特定の目的に応じた輪郭線抽出を自動で行う装置、及びコンピュータープログラムについて説明する。パターンエッジの情報から輪郭線を抽出するためには、或る程度の幅を持ったホワイトバンドから、輪郭線となる位置を特定する必要がある。パターンエッジに電子ビームを照射すると、エッジ効果によってエッジ以外の部分に対して相対的に多くの電子が放出されるため、ＳＥＭ画像上ではエッジ部分が明るく表示される。このホワイトバンドと呼ばれる部分は、或る程度の幅を持っているため、正確に輪郭線を抽出するためには、特定の輝度を持つ部分（画素）を抽出し、特定輝度部分をつなぎ合わせるようにして輪郭線を抽出する。本実施例では、一意に決定された輪郭線抽出方法を用いるか、あるいはオペレーター又はエンジニアが必要な都度、トライアンドエラーにより必要な輪郭線情報が得られるまで、輪郭線抽出を実施することなく、特定の目的に応じた輪郭線を自動で抽出する装置、プログラムについて説明する。

以下に説明する実施例では、主に荷電粒子線装置から得られる画像より、入力パラメータの異なる複数の輪郭線情報を取得し、それらを目的に応じた比較をすることにより、輪郭線抽出パラメータの最適化を自動で行う装置、プログラムについて説明する。目的に応じた形状（輪郭線）の自動取得を可能とすることによって、安定した半導体パターンの作成や装置管理の実現が可能となる。その結果、製品開発のＴＡＴ（Ｔｕｒｎ Ａｒｏｕｎｄ Ｔｉｍｅ）を向上させることができる。

本実施例では、測定や検査目的に応じた自動輪郭線抽出として、荷電粒子線装置間の機差を確認する場合と、半導体製品のプロセスバイアス確認を行う場合について説明をする。

図１は荷電粒子線装置を利用した自動輪郭線抽出装置の全体構成図を示す図である。本装置は、画像撮像部、全体制御部、輪郭線抽出部、画像記憶部、入出力部からなる。

オペレーターによって半導体パターンの位置が入出力部を通して、全体制御部に記憶される。その記憶データを基に画像撮像部にて画像を取得し画像記憶部に保存される。取得された画像情報より輪郭線抽出部で、抽出パラメータの異なる輪郭線及び代表輪郭線、それらの距離差分が抽出され、Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ値（パターンの歪みを示す指標値）が算出される。このＤｉｓｔｏｒｔｉｏｎ値からオペレーターの目的に応じた輪郭線抽出結果を出力する。また図３は処理の流れの一例を示すフローチャートである。

荷電粒子線装置間の機差を評価する場合、先ず各パラメータを変更した輪郭線を抽出する。例えば、輪郭線抽出のパラメータの一つであるＴｈｒｅｓｈｏｌｄを１０％から９０％の範囲で２０％ずつの振り幅の場合を示す。この範囲及び振り幅はユーザーの任意とする。この場合、１０％、３０％、５０％、７０％、９０％の５本の輪郭線を抽出することが可能となる。このようにして得られた５本の輪郭線の平均から算出された代表輪郭線を図５に示す。なお、輪郭線の平均値を算出する場合、例えば所定方向に設計データの線分と、輪郭線との間の寸法値を求め、その平均となる位置を代表点として輪郭線を形成するようにすることが考えられる。代表輪郭線を求めた後、代表輪郭線と５本の輪郭線との差分に基づいて、Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ値を算出し、当該Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ値に基づいて、目的に応じた輪郭線を抽出し、その結果を出力する。

上記のような構成によれば、目的に応じた輪郭線の抽出条件を見出すことが可能となる。

次に、より具体的に、輪郭線抽出条件抽出工程、及びそれを実現する装置について、図面を用いて説明する。図２は、複数のＳＥＭと、これらのＳＥＭを管理する管理装置からなる測定、検査システムの一例を示す図である。ＳＥＭ本体２０１、及び当該ＳＥＭ本体の制御装置２０４が含まれている。管理装置２０５は、複数のＳＥＭ２０１から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。なお、本実施例では、管理装置２０５を輪郭線形成装置としているが、ＳＥＭ２０１内に管理装置２０５と同等の演算装置を備え、ＳＥＭを輪郭線形成装置とするようにしても良い。制御装置２０４は、所望の位置に走査位置を設定するための偏向信号を偏向器２０２に供給する。偏向器２０２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。制御装置２０４は、偏向器２０２の走査と同期して検出器２０３によって得られた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が内蔵されている。

試料から放出された電子は、検出器２０３にて捕捉され、制御装置２０４に内蔵されたＡ／Ｄ変換器でデジタル信号に変換される。デジタル信号に変換された画像データは管理装置２０５に内蔵された画像処理部２０７に送られ、画像処理部２０７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。また、画像処理部２０７は、検出信号に基づいて、ラインプロファイルを作成する機能をも備えている。

更に管理装置２０５は、入力手段を備えた入力装置２１０と接続され、当該入力装置２１０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。

なお，管理装置２０５における制御や処理の一部又は全てを，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，入力装置２１０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２０６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。

画像処理部２０７には、後述する手法に基づいて輪郭線を抽出する輪郭線抽出部２１１、得られた輪郭線のデータに基づいて、輪郭線の歪み量（Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ値）を演算する歪み量算出部２１２、及び設計データ記憶媒体２０６から抽出されるレイアウトデータと輪郭線間、或いは異なる輪郭線間の寸法測定を実行するＥＰＥ（Ｅｄｇｅ Ｐｌａｃｅｍｅｎｔ Ｅｒｒｏｒ）測長実行部２１３が内蔵されている。測定パラメータ設定部２０９は、輪郭線抽出の際の閾値を設定する。

輪郭線抽出部２１１は、例えば図６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４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６０１）。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６０２）。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６０３）。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９に例示するように、ラインパターン９０１のホワイトバンド９０２に基づいて、第１の輪郭線を形成し、当該第１の輪郭線に対し、輝度分布取得領域４０２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４０３を取得する。

第１の輪郭線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４０３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抽出（ステップ６０５）し、抽出部分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６０６）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６０４）し、当該プロファイルに基づいて、第２の輪郭線を形成することも可能である。

輪郭線抽出部２１１は、複数の輝度分布情報領域４０２から得られた輝度情報４０３に対し複数の閾値を設定し、複数の輪郭線候補を抽出することができる。例えばピークトップ（Ｔｈ−ｈ）を１００％、ベース部分（Ｔｈ−ｌ）を０％として、１０％ごとに輪郭線を抽出することができる。

以上のような装置を用いて、機差評価のための輪郭線抽出条件を求める工程を、図７に例示する。管理装置２０５に内蔵されたメモリ２０８には、図７に例示する工程に沿って、データ処理を行うためのプログラムが記憶されている。まず、ＳＥＭ１で、機差評価のための基準パターンのＳＥＭ画像を取得する（ステップ７０１）。更に、得られたＳＥＭ像に基づいて、閾値を変えた複数の輪郭線を抽出する（ステップ７０２）。ここでは、荷電粒子線装置から得られる画像に対して、パターンの検出位置を決定する各パラメータを任意のふり幅で変更した複数の輪郭線抽出を実施する。この際のパラメータの振り幅はユーザーに任意とする。本例では、１０％、３０％、５０％、７０％、９０％の５本の輪郭線を抽出する例について説明する。更に、歪み量算出部２１２では、この５本の輪郭線データに基づいて、代表輪郭線を算出する（ステップ７０２）。

パラメータを複数変化させることによって、得られた形状の異なる複数の輪郭線を平均化し、代表輪郭線を作成する。この際、明らかに輪郭線抽出が崩れているパターンについては平均化の除外対象とする。

次に、歪み量算出部２１２では、得られた代表輪郭線とパラメータの異なる各輪郭線とを比較し、代表輪郭線をリファレンスとしたＤｉｓｔｏｒｔｉｏｎ値を算出する（ステップ７０４）。Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ値は数１によって求めることができる。

ｅｐｅ（ｉ）は、代表輪郭線と対象となる輪郭線との寸法値である。ＳＩＺＥは代表輪郭線と対象となる輪郭線との寸法値をパターン全周に測定した場合の平均値であり数２によって求めることができる。

また、数1及び数２のｎは寸法測定を行う位置の数である。つまり、代表輪郭線と対象となる輪郭線との寸法値からと寸法値をパターン全周に測定した場合の平均値の絶対値を統計処理したものを、Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ値とする。この演算を５本の輪郭線に対して行う。

代表輪郭線と各輪郭線から得られたＤｉｓｔｏｒｔｉｏｎ値の例を図８に示す。各荷電粒子線装置間の機差を確認する場合、荷電粒子線パターンのボトム側に変化が現れ易い。複数の輪郭線とそれらから算出された代表輪郭線から得られたＤｉｓｔｏｒｔｉｏｎ値において、任意のＤｉｓｔｏｒｔｉｏｎ値を超えない最もボトム側の輪郭線抽出パラメータを荷電粒子線装置間の機差を確認するための値とする（ステップ７０５）。

図５において任意のＤｉｓｔｏｒｔｉｏｎ値を３．０ｎｍとした場合、それ以下のＤｉｓｔｏｒｔｉｏｎ値で最もＢｏｔｔｏｍ側に近い、Ｔｈ.３０％のパラメータで抽出された輪郭線を装置間の機差を確認するために使用する輪郭線とする。

本例では、Ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ値が所定値以下（或いは未満）であって、その中で最もボトムに近い（輝度が低い）位置から抽出された輪郭線を抽出するための抽出条件を選択する。測定パラメータ設定部２０９は、ＳＥＭ１〜３にて得られた画像から輪郭線を抽出する際の条件として、選択された閾値（Ｔｈ.３０％）を設定する（ステップ７０６）。次に、複数のＳＥＭを用いて、同一或いは同一条件で作成された標準パターン（基準パターン）の画像を取得（ステップ７０７）し、ＳＥＭごとに取得された画像データに基づいて、閾値条件が適正に設定された輪郭線抽出条件に基づいて、輪郭線抽出を行う（ステップ７０８）。

以上のようにして得られた輪郭線データに関する寸法値（輪郭線間の寸法値、或いは基準データと輪郭線間の寸法値）をＳＥＭごとに算出する（ステップ７０９）。装置間に機差がなければ、寸法値は一致し、寸法値の差分はゼロになるため、例えば装置間の寸法値の差分や統計値を算出することによって、機差評価値を算出する（ステップ７１０）。この値を入力装置２１０のディスプレイやメモリ２０８に出力することによって、機差評価や機差管理を行う（ステップ７１１）。

以上のような工程を実行するパターン測定装置、或いは管理装置によれば、特定の目的（本例の場合、機差評価）に適した輪郭線抽出条件を自動で求めることが可能となり、結果として適正な機差評価を行うことが可能となる。

一方、これまでの説明では、機差評価に適した輪郭線抽出条件を見出すための処理について説明したが、半導体デバイスのプロセスバイアスの場合、上述の例とは異なり、荷電粒子線パターンのトップ側に変化が表れやすい。
従って、図８に例示したようなＤｉｓｔｏｒｔｉｏｎ値が得られ、且つＤｉｓｔｏｒｔｉｏｎ値の閾値を３．０ｎｍと設定した場合、それ以下で最もトップ側に近いＴｈ.７０％のパラメータで抽出された輪郭線をプロセスバイアス確認のための輪郭線として使用する。

このような処理によれば、プロセスバイアスの評価に適した輪郭線抽出条件を自動で求めることが可能となり、結果として適正なプロセスバイアス評価を行うことが可能となる。

２０１ ＳＥＭ本体
２０２ 偏向器
２０３ 検出器
２０４ 制御装置
２０５ 管理装置
２０６ 設計データ記憶媒体
２０７ 画像処理部
２０８ メモリ
２０９ 測定パラメータ設定部
２１０ 入力装置
２１１ 輪郭線抽出部
２１２ 歪み量演算部
２１３ ＥＰＥ測長実行部

Claims (5)

1. 荷電粒子線装置によって得られた画像データに基づいて、画像データ上のパターンの輪郭線データを抽出する画像処理装置を備えたパターン測定装置において、
   当該画像処理装置は、前記パターンエッジの輝度分布に対する複数の閾値設定に基づいて、複数の輪郭線を抽出すると共に、当該複数の輪郭線の歪みを示す指標値を求め、前記複数の輪郭線の輪郭線形成条件の中から、前記指標値が所定の条件を満たすパターンの最もボトム側、或いは最もトップ側の輪郭線の輪郭線形成条件を選択することを特徴とするパターン測定装置。
2. 請求項１において、
   前記画像処理装置は、前記所定の条件を満たす輪郭線形成条件によって得られた輪郭線に関する寸法測定を実行することを特徴とするパターン測定装置。
3. 荷電粒子線装置によって得られた画像データに基づいて、画像データ上のパターンの輪郭線データを抽出する画像処理装置を備えたパターン測定装置において、
   当該画像処理装置は、前記パターンエッジの輝度分布に対する複数の閾値設定に基づいて、複数の輪郭線を抽出すると共に、当該複数の輪郭線の歪みを示す指標値を求め、前記複数の輪郭線の輪郭線形成条件の中から、前記歪みを示す指標値が所定値以下、或いは所定値未満のパターンの最もボトム側、或いは最もトップ側の輪郭線の輪郭線形成条件を選択することを特徴とするパターン測定装置。
4. 複数の荷電粒子線装置によって得られた画像データに基づいて形成される輪郭線データを評価する画像処理装置を備えたパターン測定装置の管理装置であって、
   前記画像処理装置は、複数の輪郭線形成条件の中から、当該輪郭線の歪みを示す指標値が所定の条件を満たすパターンの最もボトム側、或いは最もトップ側の輪郭線の輪郭線形成条件を選択することを特徴とするパターン測定装置の管理装置。
5. 請求項４において、
   前記画像処理装置は、前記所定の条件を満たす輪郭線形成条件を、前記複数の荷電粒子線装置の機差評価を行うための輪郭線形成条件として設定することを特徴とするパターン測定装置の管理装置。