JPH1031729A - 電子顕微鏡画像のパターンマッチング方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 対物レンズの結像位置を試料に合致させた状
態（合焦状態）で実行されている電子顕微鏡像に対する
パターンマッチングは、低倍率画像や線幅の狭いパター
ンに対しては、パターン情報の読み取りが不安定となる
ので、パターンマッチングの精度を確保するためには、
画像の積算回数を増したり、スキャニングスピードを遅
くしたりせざるを得ず、パターンマッチングの高速化を
妨げる一要因となっている。 【解決手段】 対物レンズの結像位置を試料に対して不
合致状態とし、試料上の電子線スポット径を合焦状態に
おける電子線スポット径よりも大きくしてパターン情報
を読み取ることとした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は走査型電子顕微鏡を
用いた電子ビーム測長装置等におけるパターンマッチン
グに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ＬＳＩなどの半導体の製造に当たって不
可欠な工程管理において、走査型電子顕微鏡を用いてパ
ターンの線巾測定等のための位置決めする際に行われて
いる、従来のパターンマッチング方法を説明する。従
来、ＬＳＩなどのパターンの線巾管理には図１に示され
る走査型電子顕微鏡を用いているが、これから得られる
画像をもって、測定パターンの位置決めを行っている。

【０００３】このパターンマッチング機能を有する走査
型電子顕微鏡は、電子銃１とコンデンサレンズ２と偏向
器３と対物レンズ４からなり、後述するウエハ上を走査
するる電子光学系と、ウエハ６，１６を載置するステー
ジ５と、ウエハからの２次電子を検出する２次電子検出
器７と、２次電子検出器の出力を増幅する増幅器８と、
アナログ／ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器９と、画像デー
タを一時記憶するフレームメモリ１０と、中央演算処理
装置（ＣＰＵ）１１と、ＣＲＴなどの表示手段１２と、
電子光学系駆動回路１３と、電子顕微鏡の駆動やパター
ンマッチング処理のためのソフトウエアおよび処理に必
要なデータや演算結果などを記憶するメモリ１４と、２
次電子検出器からの信号を処理して画像データを得る演
算処理装置１５と、中央演算装置１１の処理結果に基づ
いてステージ５を移動させる駆動用モータなどの駆動装
置１７とから構成される。

【０００４】このような走査型電子顕微鏡等を用いて、
ウエハ上のチップに設けたパターンやマスク上のパター
ンを電子ビームを走査して得られる画像においてパター
ンマッチングを行うには、以下のような処理がなされ
る。パターンマッチング用の画像の取得は、対物レンズ
４の結像位置を被測定ウエハ１６の表面に合致させた合
焦状態で行われているので、最初に走査型電子顕微鏡の
焦点合わせのプロセスについて説明する。

【０００５】走査型電子顕微鏡の焦点合わせは、先ず、
対物レンズ４の励磁電流を所定の幅で変化させることに
よって結像位置（焦点距離）を変化させ、複数の結像位
置における被測定ウエハ１６に対する焦点調節状態を表
す信号を取得する。この動作を焦点調節状態を表す信号
のサンプリングという。得られた焦点調節状態を表すこ
れらの信号を基に被測定ウエハ１６に合焦したときの対
物レンズ４の励磁電流値を検出する。

【０００６】この焦点調節状態を表す信号のサンプリン
グ過程における終点位置（最終の励磁電流値）と、前記
対物レンズ４の合焦位置（合焦励磁電流値）の間を移行
する過程では、対物レンズ４の鉄心の磁気ヒステリシス
が存在することからその移行の方向によって結像位置に
ずれを生じる。この結像位置ずれに対しては種々の方策
が講じられている。例えば、第１の方策として、前記磁
気ヒステリシスによる結像位置ずれを小さくするため
に、対物レンズ４の鉄心に磁気ヒステリシスの小さなパ
ーマロイ等の材質を使用するという方策が、また、第２
の方策として、前記ヒステリシスによる結像位置ずれを
防止するために、対物レンズ４の励磁電流値を、焦点調
節状態を表す信号のサンプリングの終点位置から、一旦
該サンプリングの初期の位置に戻してから合焦位置に移
行するという方策が、それぞれ講じられている。

【０００７】次に、従来行われている被測定ウエハ１６
上のチップパターンを位置決め（以下、チップアライメ
ントという）する際に行われるパターンマッチング方法
について説明する。チップアライメントでは、位置決め
のためにパイロットウエハ６が使用される。

【０００８】先ず、被測定ウエハ１６に先だって、パイ
ロットウエハ６をステージ５に載置し、ステージ５を駆
動してパイロットウエハ６上の被監視チップを電子ビー
ム走査領域に移動させる。ここで当該チップに対して前
記合焦状態とした後パイロットウエハ６のチップ上を走
査する。電子ビームの走査によって生じた２次電子を２
次電子検出器７によって検出して得たパイロットウエハ
６のチップパターン信号は、増幅器８を経てＡ／Ｄコン
バータ９でディジタルデータに変換され、さらに演算処
理装置１５で画像データに変換されてフレームメモリ１
０に記憶される。

【０００９】次に、作業者は、前記パイロットウエハ６
のチップパターンの画像データからパターンマッチング
の原点に適した部分を選択して位置指定し、チップアラ
イメント用テンプレート画像データとして、フレームメ
モリ１０に記憶する。被測定箇所は、上記原点からのＸ
−Ｙ座標軸上に設定される。次に、パイロットウエハ６
をステージ５から取り出した後、被測定ウエハ１６をス
テージ５に載置し、ステージ５を駆動して被測定ウエハ
６上の被測定チップを電子ビーム走査領域に移動させ
る。ここで当該チップに対してパイロットウエハ６のチ
ップパターン画像データ取得過程と同様に、前記合焦状
態における被測定ウエハ１６のチップパターン画像デー
タを取得する。演算処理装置１５は、前記フレームメモ
リ１０に記憶されたテンプレート画像データと前記被測
定ウエハ１６のチップパターン画像データとのパターン
マッチングを行い、被測定ウエハ１６のチップ原点を位
置決めする。

【００１０】次いで、この原点からのＸ−Ｙ座標軸上に
設定された被測定箇所にチップを移動させたり電子ビー
ムを移動させて、電子ビームを走査してチップ上の配線
パターンの幅を測定する。

【００１１】上記のように、従来の走査型電子顕微鏡等
を用いた、テンプレート画像データと被測定ウエハ１６
のチップパターン画像データとのパターンマッチング
は、両画像共に、対物レンズ４の結像位置をそれぞれパ
イロットウエハ６または被測定ウエハ１６の表面に合致
させた状態（合焦状態）でそれぞれ取得した、テンプレ
ート画像データと被測定ウエハ１６のチップパターン画
像データとにより実行されていた。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
パターンマッチングは、合焦状態の画像を用いたパター
ンマッチングであることから、被測定物表面の電子線ス
ポット径が最小となり、得られる画像はシャープな画像
とはなるものの、パターン情報量は最少となる。そのた
めに、エッチングパターンやパターンと下地の材質との
組合せ等によってはパターンの内側と外側とで信号レベ
ルの差が極めて乏しいものとなり、得られる画像はパタ
ーンエッジのみの極めて細い線画像となり、パターンか
ら得られる画像情報量も更に少なくなり、パターン情報
の読み取りも不安定となる。

【００１３】そして、パターンマッチングの条件によっ
てはパターン情報の読み取り漏れも発生し、パターンマ
ッチングの精度が不十分となっていた。すなわち、チッ
プ上のパターンから得られる２次電子像は微細な線状の
情報であり、微少なコントラストの差の信号であること
から、そのパターン情報を十分に得ることは困難であ
る。さらにパターンマッチングの速度を向上させるため
には読み込むパターンデータを間引くなどの処理が必要
となり、微細な線では認識されないおそれがある。

【００１４】このような問題を回避するには、Ｓ／Ｎを
上げてパターンマッチングの精度を確保するためにパタ
ーン情報をなるべく多くすることが必要となり、パター
ン情報の読み取りのための画像の積算回数を増したり、
スキャニングスピードを遅くしなければならず、パター
ンマッチング処理の高速化を妨げる一要因となってい
た。

【００１５】本発明は、走査型電子顕微鏡を用いたパタ
ーンマッチングにおける高速化と精度確保の両立という
課題を解決できるパターンマッチング方法を提供するこ
とを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明によるパターンマッチング方法は、対物レン
ズの結像位置を試料に対して不合致状態とし、試料上の
電子線スポット径を合焦状態における電子線スポット径
よりも大きくして（不合致状態として）パターン情報を
読み取るようにした。

【００１７】結像位置を試料に対して適当な不合致状態
で読み取ることによって、得られるパターン情報はコン
トラストの差は若干少なくなるものの量は多くなり、読
み取り漏れもなくなり正確なパターンマッチングを高速
に行うことができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、本
発明によるパターンマッチング方法を走査型電子ビーム
測長装置に応用した例について説明する。図１は、本発
明によるパターンマッチング方法を応用した走査型電子
ビーム測長装置の一例を示す構成図であり、図２は、前
記装置によりウエハのチップパターンの線幅を測定する
手順の一例を示すフローチャートである。

【００１９】走査型電子ビーム測長装置は、前述の走査
型電子顕微鏡を使用している。以下、この走査型電子ビ
ーム測長装置での処理を説明する。測長が開始される
と、まず、図示を省略した運搬手段によりステージ５に
パターンマッチングによる位置決めの基準となるパイロ
ットウエハ６を移送し、載置固定（ロード）し（Ｓ
１）、所定のチップを電子ビーム走査領域に移動させ
る。

【００２０】ついで、下記の動作によってパイロットウ
エハ６に対する対物レンズ４の合焦点が検出される（Ｓ
２）。

【００２１】この動作の詳細は次の通りである。電子銃
１から射出された電子線は、コンデンサーレンズ２と偏
向器３と対物レンズ４を通ってステージ５上に載置され
ているパイロットウエハ６を照射する。２次電子検出器
７は、前記電子線照射のスキャニングによってパイロッ
トウエハ６のチップパターンから発生した２次電子を検
出する。この２次電子検出器７の検出信号は、増幅器８
を経てＡ／Ｄコンバータ９でディジタルデータに変換さ
れ、更に演算処理装置１５によって画像データに変換さ
れてフレームメモリ１０に記憶される。フレームメモリ
１０に記憶された画像データは、ＣＲＴ１２に表示され
る。

【００２２】また、ＣＰＵ１１は、合焦励磁電流値検出
のため、電子銃１とコンデンサレンズ２と偏向器３と
を、電子光学系駆動回路１３を介して制御し、所定の範
囲内で対物レンズ４の励磁電流を変化させて対物レンズ
４の結像位置を変化させ、各励磁電流値におけるパイロ
ットウエハ６に対する焦点調節状態を表す信号を上述の
ように、２次電子検出器７、増幅器８、Ａ／Ｄコンバー
タ９、演算処理装置１５を経て取得し、該信号を基に合
焦励磁電流値を自動検出し、合焦位置が検出される。

【００２３】次いで、該検出された合焦位置に対物レン
ズの焦点を合わせ、所定の条件にて画像を取得する（Ｓ
３）。得られた画像に対しパターンマッチング処理する
に足りるパターン情報が得られた画像であるか焦点位置
を合焦点位置からオフセット（デフォーカス）してより
多くのパターン情報を取得する必要があるか否かを目視
によって評価する（Ｓ４）。

【００２４】評価の結果、デフォーカスする必要がなく
適当な画像であると判断した場合には、後述のステップ
Ｓ６へ進む。パターンマッチング処理に足りるパターン
情報を得るには不適当な画像であると判断した場合に
は、対物レンズ４の励磁電流を所定量変化（所定のオフ
セット）させてデフォーカス状態とし（Ｓ５）、該オフ
セット状態における複数の画像データを取得する（Ｓ
６）。

【００２５】該取得した複数の画像データを用いてパタ
ーンマッチング処理を実行し（Ｓ７）、該パターンマッ
チングの相関値を評価しオフセット値が適当か否かを判
定する（Ｓ８）。ステップＳ８での判定の結果、前記オ
フセット値が不適当であると判断した場合にはステップ
Ｓ５に戻り、励磁電流をさらに変化してオフセット量を
変化させた画像データ取得処理およびパターンマッチン
グ評価シーケンスを実行し（Ｓ５，６，７，８）、適正
な画像データを得る。

【００２６】ステップＳ８の判定で、前記オフセット値
が適当であるとされた場合には、このオフセット状態に
おいて得られた画像データをテンプレート画像データと
してファイルを作成するとともに、テンプレート画像フ
ァイルにこの画像を得たオフセット値を記憶する（Ｓ
９）。このオフセット値は、後述する被測定ウエハのチ
ップに対するパターン画像取得時のオフセット値設定の
ために用いられる。

【００２７】ここで、前記テンプレート画像データ取得
のプロセスの詳細は、次の通りである。電子線が前記オ
フセット状態においてパイロットウエハ６に照射される
と、パイロットウエハ６のチップパターンから発生した
２次電子は、２次電子検出器７によって検出され、増幅
器８を経てＡ／Ｄコンバータ９でディジタルデータに変
換され、更に演算処理装置１５によって、画像データに
変換される。そして、該画像データの中からパターンマ
ッチングのテンプレートとするテンプレート画像データ
が選択され、フレームメモリ１０に記憶される。

【００２８】次に、図示を省略した運搬手段によってス
テージ５からパイロットウエハ６を排出（アンロード）
する（Ｓ１１）。以上の処理で、テンプレート作成シー
ケンスを終了する。

【００２９】以下、被測定ウエハの測長シーケンスを説
明する。図示を省略した運搬手段によってステージ５に
被測定ウエハ１６を移送し、載置固定（ロード）する
（Ｓ１１）。

【００３０】この被測定ウエハのチップに対してステッ
プＳ２と同様の過程を経て、対物レンズの被測定ウエハ
１６に対する合焦点を検出する（Ｓ１２）。次いで、テ
ンプレート画像データを取得した過程と同様の過程を経
て、ステップＳ９で取得した前記画像データファイルに
記憶されたオフセット値を用いたデフォーカス状態で被
測定ウエハ１６のチップパターン画像データを取得し、
ステップＳ９で記憶したテンプレート画像データととも
に、フレームメモリ１０に記憶する（Ｓ１３）。

【００３１】ステップＳ９におけるオフセット状態で作
成され、フレームメモリ１０に記憶されたテンプレート
画像データと、ステップＳ１３におけるオフセット状態
における被測定ウエハ１６のチップパターン画像データ
とのパターンマッチングが次のように実行され、両画像
の合致位置が決定される（Ｓ１４）。即ち、ＣＰＵ１１
の命令により、演算処理装置１５は、既にフレームメモ
リ１０に記憶されているテンプレート画像データと、前
記被測定ウエハ１６のチップパターン画像データとの比
較演算を所定の回数実行し、各回のパターンマッチング
度合いを示す信号をＣＰＵ１１に出力する。そして、Ｃ
ＰＵ１１は該信号からテンプレート画像データに最も良
く合致するチップパターン画像データを選択し、該チッ
プパターン画像データの示す位置を両パターンの合致位
置とする。

【００３２】ＣＰＵ１１は、両パターンの合致位置デー
タをもとに駆動用モータ１７を駆動してステージを移動
し、被測定ウエハの所定の測長パターン位置を電子ビー
ムの走査範囲内に移動させる（Ｓ１５）。この移動は、
例えば、１０００倍で精度の粗い移動をステージ駆動で
実行し、次いで、１００００倍で高い精度での移動を電
子線を偏向器の電流を制御して相対的に移動させた後、
最後に１０００００倍で測定に必要な画像データの取得
をする。

【００３３】被測定ウエハ１６のチップパターンに電子
線を照射し、対物レンズ４を被測定ウエハ１６のチップ
パターンに合焦させる（Ｓ１６）。次いで、通常の手法
を用いて測長位置において被測定ウエハ１６のチップパ
ターンの線幅を測定する（Ｓ１７）。次いで、次の測定
があるか否かを判断し（Ｓ１８）、次の測定があるとき
には、ステージ５を移動した後ステップＳ１２に戻り、
次の測定を実行する。

【００３４】ステップＳ１８の判断で次の測定がないと
きには、図示を省略した運搬手段によってステージ５か
ら被測定ウエハ６を排出し（Ｓ２０）、被測定ウエハ６
の測長を終了する（Ｓ２１）。

【００３５】

【発明の効果】以上のように、本発明のパターンマッチ
ング方法は、対物レンズの結像位置を被測定面に対して
不合致状態とし、合焦状態における電子線スポット径よ
りもスポット径を大きくしてパターン情報を読み取るこ
とを可能としたので、従来の合焦状態で行われるパター
ンマッチングでの問題点、即ち、線幅の狭いパターンの
場合に、得られるパターン情報量が少なく、パターン情
報の読み取りが不安定となり、条件によってはパターン
情報の読み取り漏れも発生し、パターンマッチングの精
度が不十分となるため、パターンマッチングの精度を確
保するために、パターン情報読み取りのため、画像の積
算回数を増したり、スキャニングスピードを遅くしたり
せざるを得ず、従って、パターンマッチングの高速化を
妨げる一要因となっている、という問題点を解決し、パ
ターンマッチングにおける高速化と精度確保を両立させ
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるパターンマッチング方法を応用し
た走査型電子ビーム測長装置の一例の構成図。

【図２】本発明によるパターンマッチング方法を応用し
た走査型電子ビーム測長装置により、ウエハ上のチップ
パターンの線幅を測定する手順の一例を示すフローチャ
ート。

【符号の説明】

１ 電子銃 ２ コンデンサーレンズ ３ 偏向器 ４ 対物レンズ ５ 移動ステージ ６ パイロットウエハ ７ ２次電子検出器 ８ 増幅器 ９ Ａ／Ｄコンバータ １０ フレームメモリ １１ 中央演算処理装置（ＣＰＵ） １２ 表示手段 １３ 電子光学系駆動回路 １４ メモリ １５ 演算処理装置 １６ 被測定ウエハ

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｊ 37/22 ５０２ Ｈ０１Ｌ 21/66 Ｊ Ｈ０１Ｌ 21/66 Ｇ０６Ｆ 15/70 ４５５Ｚ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電子顕微鏡を用いて得たテンプレート画
   像と電子顕微鏡を用いて得た画像の一致を見る電子顕微
   鏡画像のパターンマッチング方法において、 対物レンズの結像位置を試料に対して不合致状態とした
   ときに得られる画像データによってパターンマッチング
   を行うことを特徴とする電子顕微鏡画像のパターンマッ
   チング方法。
2. 【請求項２】 電子顕微鏡を用いて得たテンプレート画
   像と電子顕微鏡を用いて得た画像の一致を見る電子顕微
   鏡画像のパターンマッチング方法において、パイロット
   ウェハに対する合焦点を検出する過程と、対物レンズの
   励磁電流を変化させて対物レンズの結像位置を不合致に
   して前記パイロットウェハの画像データを取得し、テン
   プレート画像データを得る過程と、被測定ウエハに対す
   る合焦点を検出する過程と、対物レンズの励磁電流を前
   記テンプレート取得時の値に変化させて対物レンズの結
   像位置を不合致にして前記被測定ウエハの画像データを
   取得する過程と、前記テンプレート画像データと前記被
   測定ウエハの画像データを用いて合致点を検出する過程
   とからなることを特徴とする電子顕微鏡画像のパターン
   マッチング方法。