JPWO2011052339A1

JPWO2011052339A1 - パターン寸法測定方法及びそれに用いる荷電粒子線顕微鏡

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Publication number: JPWO2011052339A1
Application number: JP2011538320A
Authority: JP
Inventors: 敬一郎人見; 中山　義則; 義則中山; 田中　潤一; 潤一田中
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2009-10-27
Filing date: 2010-09-30
Publication date: 2013-03-21
Anticipated expiration: 2030-09-30
Also published as: US20120212602A1; US9200896B2; WO2011052339A1; JP5514832B2

Abstract

フォーカスずれが生じても測定誤差が小さく再現性のよいパターン寸法測定方法及びそれに用いる荷電粒子線顕微鏡を提供するために、パターンが形成された試料に荷電粒子線を照射して試料からの信号荷電粒子の信号強度分布からパターン寸法を測定する方法において、パターンエッジに対応する信号の最大強度位置の左右のエッジ指標位置Ｘ１、Ｘ２を閾値法により算出し、その平均値からパターンエッジ位置Ｘｅを求める。これにより、パターンエッジ位置Ｘｅに対するフォーカスずれの影響を低減できる。

Description

本発明は、パターン寸法測定方法及びそれに用いる荷電粒子線顕微鏡に関する。

半導体デバイスは、主に回路パターンの微細化により性能を向上してきた。微細パターンの寸法や形状はデバイス性能を大きく左右するため、高精度且つ高分解能な検査を行う必要がある。そこで半導体デバイス製造現場では測長走査電子顕微鏡（ＣＤ−ＳＥＭ）を用いてパターン検査を行っている。

ＣＤ−ＳＥＭは細く絞った電子線を試料に照射し、照射箇所から発生する反射電子あるいは二次電子の強度分布から試料上に形成されたパターンの寸法や形状を算出し、パターンの良否判定を行う。

図１（ａ）〜図１（ｃ）はパターンエッジ位置の検出について説明するための図であり、図１（ａ）はラインパターンの断面形状、図１（ｂ）はＣＤ−ＳＥＭでこのラインパターンを観察したときに得られる画像の模式図、図１（ｃ）は信号強度分布を示す。パターンエッジ部分ではエッジ効果と呼ばれる二次電子収量の増大が起こるため、ＣＤ−ＳＥＭで得られる画像にはパターンエッジ部分に対応する位置にホワイトバンドと呼ばれる帯状領域が観察される（図１（ｂ）の２本の白い縦線）。パターンエッジ位置の検出にはこのホワイトバンドが用いられる。

パターンエッジ位置特定の信号処理アルゴリズムは様々に提案されており、どのアルゴリズムを用いてエッジ位置の検出を行うかは主にユーザーにより決められる。エッジ検出アルゴリズムの例として、特許文献１には波形照合法が、非特許文献１には関数当てはめ法などが開示されている。

また、信号強度波形はエッジを検出するだけでなく、特許文献２に示されるようにパターン断面形状の推定にも用いられる。さらに、特許文献３には信号強度分布の傾きから焦点ずれによる寸法測定不良の自動判定方法に関して述べられている。

特開２００７−１２０９６８号公報特開２００５−２８６０９５号公報特開２００６−１７０９６９号公報

Ｊ．Ｓ．Ｖｉｌｌａｒｒｕｂｉａ、Ａ．Ｅ．Ｖｌａｄａｒ、Ｔ．Ｐｏｓｔｅｋ、 "ＡＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＳｔｕｄｙｏｆＲｅｐｅａｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄＢｉａｓｉｎｔｈｅＣＤ−ＳＥＭ"Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ５０３８、ｐｐ．１３８−１４９（２００３）

パターンの微細化が進み、高分解能が求められている状況の中、閾値法を用いて、高さ１００ｎｍ、幅５５ｎｍのラインパターンの幅寸法測定を行なった。図２にパターンエッジ部分の断面形状と信号強度分布を示す。図２のパターンエッジはラインパターンの右エッジである。図２より、パターントップ付近で信号強度が大きく、パターンの低い位置では信号量が減少していることが分かる。パターンのどの高さを計測対象とするかはユーザー次第であるが、どの高さを計測するにしてもエッジ検出にはピークより右側の信号強度分布が重要となり、各種信号処理アルゴリズムではこの部分の信号処理を行いエッジ検出する。

信号処理アルゴリズムの例として閾値法について図３を用いて説明する。閾値法では、信号波形から左右のエッジに対応するホワイトバンドの最小強度と最大強度を求め、これらを所定の比率で内分する閾値の強度を算出し、信号波形が閾値強度と一致する位置をエッジ位置として定義し、左右エッジ位置の距離を寸法とする信号処理アルゴリズムである。

上記寸法（高さ１００ｎｍ、幅５５ｎｍ）のラインパターンの幅寸法測定を複数回実施したところ、パターン寸法測定結果の再現性が得られない場合のあることが分かった。また、ＣＤ−ＳＥＭによるパターン寸法測定の誤差要因を検討した結果、照射する電子線の焦点ずれが主要因であることが分かった。

前述したようにＣＤ−ＳＥＭは細く絞った電子線を照射し、照射箇所から発生した反射電子あるいは二次電子の強度分布を検出する。照射する電子線が観察する試料表面で細く絞れていない、つまり焦点ずれが発生している場合は、空間分解能が悪くなりぼけた画像となる。この空間分解能の悪化は微細パターンの観察を困難にするだけでなく、パターン寸法にも影響を及ぼす。

図４（ａ）、図４（ｂ）に試料に照射する電子線の焦点位置を変えたときのＣＤ−ＳＥＭ画像の変化と信号強度分布の変化を示す。焦点位置が試料表面からずれると信号強度分布が広がりを持ち、ホワイトバンドが太くなっていることが確認できる。ホワイトバンドが広がると同一のパターンを計測した場合でも、図４（ｂ）に示すようにエッジ位置シフトが発生する。

図４ではエッジ検出アルゴリズムとして閾値法でエッジ検出を行った結果を示しているが、非特許文献１で示した関数当てはめ法でも信号強度最大位置よりも右側の波形に対して関数を当てはめるため、図４と同様にエッジ位置シフトが発生する。つまりパターン寸法や形状に変化がなくとも、照射する電子線の合焦点位置が変わるだけでパターン寸法が変化することを示している。

また、特許文献１では予め取得した参照波形と計測波形の照合を行うため、上述したようなエッジ位置シフトは発生しないが、参照波形と計測波形でフォーカス量が異なっていると波形照合の精度が劣化し、計測誤差が大きくなることが予想される。

通常、ＣＤ−ＳＥＭでは、測定対象パターンで画像取得を行う前に焦点位置合わせを自動あるいは手動で行う。焦点位置合わせは、測定対象パターンあるいは測定対象パターン付近に存在するパターンに対して焦点位置を変えながら画像取得を行い、画像が最も先鋭になる位置を合焦点位置とする手法である。

しかし、回路パターン中に存在する絶縁材料のチャージアップや機械振動や電気ノイズの影響を受け、焦点位置が変化してしまうことがある。

特許文献３には画像撮影時の焦点合わせの不良（フォーカスずれ）による画像の不明瞭やチャージアップによる画像ドリフトに起因するパターンの線幅などの測定不良を自動判定するために、テーパ幅（例えば、信号強度分布のエッジ部分に対応する最大ピーク値と最小ピーク値との間の幅）をあらかじめ設定された参照値と比較する技術が開示されている。しかしながら、特許文献３は測定不良を自動判定するもので測定誤差を低減する技術に関しては記載されていない。

更に、特許文献２で述べられているように、ホワイトバンドにはパターン形状の要素が含まれており、特許文献３で挙げられる手法では、フォーカスずれとパターン形状変化の区別がなく、フォーカスずれが発生していない場合でもパターン形状によっては測定結果が不良と判断される可能性がある。例として図５（ａ）、図５（ｂ）にパターントップの寸法が同じで側壁角度が異なる２つのパターンをＣＤ−ＳＥＭで計測した際のＣＤ−ＳＥＭ画像と信号強度分布を示す。信号強度分布に示されるように信号強度最大位置から見て左側の波形にはさほど変化はなく、右側には大きく波形が広がっていることがわかる。また、右側は側壁角が大きいほど勾配が緩やかになっており、信号強度分布の勾配だけでは図４（ｂ）に示すフォーカスずれと区別されていないことが見てとれる。

また特許文献２では特許文献３に示されるフォーカスずれの影響を考慮しておらず、こちらもフォーカスずれとパターン形状変化が区別されていない。

すなわち、ＣＤ−ＳＥＭで得られたパターン寸法値が真にパターンの寸法や形状を反映したものなのか、あるいはＣＤ−ＳＥＭで照射する電子線の焦点位置の変化を反映したものなのか区別されておらず、焦点位置変化による計測精度劣化が生じていた。

以上のべたように、これまでフォーカスずれに対しては安定で且つパターン寸法あるいは形状変化には感度のあるエッジ検出アルゴリズムおよびパターン寸法測定方法がなかった。

本発明の目的は、フォーカスずれが生じても測定誤差が小さく再現性のよいパターン寸法測定方法及びそれに用いる荷電粒子顕微鏡を提供することにある。

上記目的を達成するための一形態として、パターンが形成された試料に荷電粒子線を照射し、前記試料から発生した反射荷電粒子あるいは二次荷電粒子の信号強度の分布からパターン寸法を測定するパターン寸法測定方法において、測定すべきパターンの第１のエッジに対応する位置で前記信号強度が最大となる第１の最大強度位置を算出する工程と、前記第１の最大強度位置を中心として、測定すべき前記パターンの他方の第２のエッジから遠い側および近い側において第１Ａのエッジ指標位置および第１Ｂのエッジ指標位置を求める工程と、前記第１Ａのエッジ指標位置および前記第１Ｂのエッジ指標位置を用いて前記第１のパターンエッジ位置を求める工程と、を有することを特徴とするパターン寸法測定方法とする。

また、ステージと前記ステージ上に設置される試料の観察領域に対して荷電粒子線を走査しながら照射し、前記試料から発生する反射荷電粒子や二次荷電粒子を含む信号荷電粒子を検出する検出器を備えた荷電粒子光学系と、前記検出器で検出された前記信号荷電粒子の信号強度の波形の情報を用いて前記観察領域内に配置された寸法測定対象となるパターンの二次元画像を取得する手段と前記二次元画像を用いて前記パターンのエッジ位置を検出することにより前記観察領域内のパターンの寸法を計測する手段とを備えた演算部と、表示部を有する荷電粒子線顕微鏡において、前記演算部は、測定すべきパターンの第１のエッジに対応する位置で前記信号強度が最大となる第１の最大強度位置を算出する第１の機能（例えば、信号強度最大位置算出部）と、前記第１の最大強度位置を中心として、測定すべき前記パターンの他方の第２のエッジから遠い側および近い側において第１Ａのエッジ指標位置および第１Ｂのエッジ指標位置を算出する第２の機能（例えば、エッジ指標位置算出部）と、前記第１Ａのエッジ指標位置および前記第１Ｂのエッジ指標位置を用いて前記第１のパターンエッジ位置を算出する第３の機能（例えば、エッジ位置算出部）と、を有し、前記表示部は、前記第１のパターンエッジ位置の算出結果を表示するものであること、を特徴とする荷電粒子線顕微鏡とする。

上記構成とすることにより、フォーカスずれが生じても測定誤差が小さく再現性のよいパターン寸法測定方法及びそれに用いる荷電粒子顕微鏡を提供することができる。

パターンエッジ位置の検出について説明するための、検査パターンの断面図である。パターンエッジ位置の検出について説明するための、ＣＤ−ＳＥＭによる検査画像（模式図）を示す平面図である。パターンエッジ位置の検出について説明するための、信号強度波形を示す図である。パターンエッジ位置を含むパターン断面形状と信号強度分布を示す図である。閾値法によるパターンエッジ検出の説明図である。焦点ずれの有無による画像変化を示す平面図である。焦点ずれの有無による信号強度分布変化を示す図である。パターン側壁角変化による画像変化を示す平面図である。パターン側壁角変化による信号強度分布変化を示す図である。第１の実施例に係るＣＤ−ＳＥＭの概略構成を示す図である。第１の実施例に係る測定フロー図である。第１の実施例に係るＣＤ−ＳＥＭへのパラメータ設定を行うためのＧＵＩを示す図である。第１の実施例に係るエッジ検出法を説明するための概略図である。第１の実施例におけるエッジ位置変動抑制の効果を示す図である。第１の実施例において閾値を最適化したときの効果を示す図である。従来手法と第１の実施例の方法で繰り返し計測を行った際のバラツキを比較する図である。ホールパターンを計測した際のＳＥＭ画像の模式図（明るさムラは図示せず）である。ホールパターンを計測した際のｒ（径）方向による信号強度分布の変化（明るさムラ）を示す図である。第２の実施例において、ホールパターン計測時にパラメータ設定を行うためのＧＵＩを示す図である。最大傾斜法によるパターンエッジ検出の説明図であり、（ａ）は微分信号強度分布を示す図、（ｂ）は信号強度分布を示す図である。直線近似法によるパターンエッジ検出の説明図である。

図４（ｂ）に示すように、焦点位置のずれによって信号強度分布は信号強度最大位置を中心にして左右両側に向かって広がるように変化する。そこで、本実施の形態では信号強度最大位置を中心として左右両方の位置で所定のアルゴリズムを用いて複数のエッジ指標位置を求め、それらを平均することで焦点位置変動による測長値変動を抑制することとした。複数のエッジ指標位置を算出する際のアルゴリズムは、焦点ずれによる信号強度分布変化をキャンセルできるように最適化されるため一つに制限せず、エッジ検出を行う位置ごとに変えることができる。

また本実施の形態では、ホワイトバンド幅が設定値よりも広くなった場合、焦点位置が試料表面からずれている可能性が考えられるため、焦点位置合わせを再度行い測定対象パターンの画像取得を行うこととしている。

本実施の形態以外の手法として、信号強度最大位置の検出が挙げられる。図４（ｂ）から分かるように、信号強度最大位置は焦点位置変化が発生してもほぼ一定の位置に存在している。よって、信号強度最大位置を検出するように、例えば閾値法で閾値１００％を指定するという信号処理アルゴリズムを用いることで焦点位置変化に対して安定な計測を行うことができる。

しかし、ＣＤ−ＳＥＭの信号強度波形には図１（ｃ）に示すようにランダムノイズが重畳されており、Ｓ／Ｎの悪い画像が用いられることが多い。このランダムノイズの影響を受け、ＣＤ−ＳＥＭで得られたパターン寸法値には誤差が生じる。例えば、図４（ｂ）の焦点ずれ発生時の信号強度分布では信号強度最大位置付近が約５ｎｍの範囲で平らな分布をしているため、閾値１００％でエッジ検出を行うとランダムノイズの影響でエッジ検出位置が約５ｎｍずれる可能性がある。つまり閾値１００％などの信号強度最大位置の検出ではホワイトバンド幅変動によるエッジ位置変動は抑制できるものの、ランダムノイズによるエッジ位置変動が顕著になる。

本実施の形態では、焦点ずれによるホワイトバンド幅変化が信号強度最大位置を中心として左右両側に向かって広がるように変化することに着目した。

本実施の形態によれば、焦点位置ずれなどにより生じるホワイトバンド幅変化に伴う測長値変動を抑制することができ、パターン寸法計測精度を向上することができた。

また、信号強度最大位置を検出する方法ではランダムノイズの影響により計測精度劣化が生じるが、本実施の形態ではランダムノイズの影響を受けづらい二つのエッジ指標位置を用いることが出来るため、ランダムノイズ起因のパターン寸法計測精度劣化が生じない。

以下、実施例により詳細に説明する。
（実施例１）
第１の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。本実施例では半導体デバイスのパターン検査装置として電子顕微鏡（ＣＤ−ＳＥＭ）を例にする。図６は本実施例に係るＣＤ−ＳＥＭの概略構成を示す図である。図６を用いて本ＣＤ−ＳＥＭの測定原理を示す。本実施例に係るＣＤ−ＳＥＭは、電子を放出する電子源２、電子源２から発生した電子線を収束させる収束レンズ３、電子線を偏向させる偏向器４、電子線を試料上で最小スポットとなるように収束させる対物レンズ５、観察試料（測定対象ウエハ）７を搭載し観察領域まで移動するステージ６、試料から発生する二次電子あるいは反射電子を検出する検出器８を備えた電子光学系１と、得られた信号波形を処理してパターン寸法を計測する演算部１００と、オペレータが入力を行い、走査電子顕微鏡像の表示を行うための表示部１０と、過去のデータを格納している記憶部１１と、電子線照射条件を電子光学系１に反映し制御する電子光学系制御部１４と、を有する。図６中の符号１２は計測結果や取得した画像などを記憶部に保存するなどのフローを示し、符号１３は記憶部に保存されているデータを呼び出すなどのフローを示す。

演算部１００中には信号強度最大位置算出部１０１、エッジ指標位置算出部１０２、エッジ位置算出部１０３、閾値設定部１０４、焦点ずれ量算出部１０５、エッジ位置補正演算部１０６、ホールパターン信号強度分布算出部１０７が含まれる。

ＣＤ−ＳＥＭによる自動パターン寸法検査方法に関して図７に示すフローチャートを用いて詳細に述べる。まずステップＳ７００１で測定が開始される。次にステップＳ７００２で測定対象試料が真空室内に搬送される。本実施例ではレジストパターンを形成した試料を用いた。本方法はレジストパターンに対して好適であるが、他の材料であっても適用できる。

ステップＳ７００３のステージ移動により測定箇所が電子線の照射範囲内に移動される。ステップＳ７００４で１万倍程度の倍率でＳＥＭ画像を取得する。このＳＥＭ画像と予め登録されているテンプレート画像とのマッチングを行うことにより測定位置の正確な位置合わせを行う（ステップＳ７００５）。

次に、測定対象パターンあるいは測定対象パターンの付近に存在するパターンによりステップＳ７００６で焦点合わせを実施し、ステップＳ７００７で測定対象パターンを１０万倍以上の倍率でＳＥＭ画像を取得し、得られた画像は記憶部１１に記憶される。

ステップＳ７００８−Ｓ７０１５で得られたＳＥＭ画像から所定のエッジ検出アルゴリズムによりエッジ検出を行う。ステップＳ７００８−Ｓ７０１５の詳細に関しては後述する。

ステップＳ７０１３でＳＥＭ画像から焦点ずれ指標値（寸法誤差Ｘｆ）を算出し、焦点ずれが発生している可能性がある場合はステップＳ７００６に戻り焦点合わせを実施した後に同一箇所の再測定を行う。この際、表示部１０は焦点ずれに関する警告を表示する。

ステップＳ７０１４で焦点ずれが発生していない場合は、ステップＳ７０１６に進み測定がすべて終了したかを判定する。測定点が残っている場合はステップＳ７００３で次の測定点に移動し、測定を行う。ステップＳ７０１６で測定点が残っていない場合はステップＳ７０１７に進み測定終了となる。

上記フローはＣＤ−ＳＥＭに予め登録しておいた自動検査シーケンスを動作させた場合のフローであるが、これに限らず手動で検査を行った場合でも適用できる。

次に、図７中のステップＳ７００８−Ｓ７０１５で用いる、信号強度波形変動に対して安定なエッジ検出アルゴリズムに関して詳細に述べる。

先にも述べたがＣＤ−ＳＥＭの焦点位置に変動が生じると、図４（ｂ）に示すように信号強度波形に広がりが生じ、パターンエッジ部分に対応するホワイトバンド幅が広がる（図４（ａ））。これは試料に照射される電子線のスポット径が大きくなることに起因する。

試料に照射される電子線のスポット径が大きくなると、エッジから離れたところに電子線を照射しても電子線スポットの端がパターンエッジ部分に当たり、前述したエッジ効果により二次電子収量が多くなる。その結果、スポット径が小さいときに比べてホワイトバンドが太く見える。

上述したホワイトバンド幅の広がりは信号強度最大位置を中心として両側で発生する。つまり図４（ａ）に示すラインパターンの右エッジ部を例にした場合、信号強度最大位置よりも右側では波形が右方向に広がり、信号強度最大位置よりも左側では波形が左方向に広がる。

信号強度最大位置を中心にして右側と左側で信号波形が逆向きに広がることから、左右両側でそれぞれエッジ指標位置を検出しそれらを平均することで波形変動による寸法値変動を相殺し、高精度なパターン寸法検査を行うことができる。

図５（ｂ）に焦点位置を一定にしてパターン形状を変えたときの信号強度波形の変化を示す。図５（ａ）は試料形状が側壁角度９０度と側壁角度８６度の２種類で取得したＳＥＭ画像の模式図である。なお、パターン高さとパターントップの寸法は２種類の形状で同じとしており、よって変化しているのは側壁角度のみとなる。

図５（ｂ）に示すようにパターン形状変化が変化すると信号強度最大位置からみて左側の波形はあまり変化が生じないが、右側では大きな波形変化が生じる。これは、左側波形はパターントップの形状を反映し、右側波形はパターン裾部分の形状を反映するからである。側壁が傾斜を有するパターンで測定すべき寸法はパターンの裾部である。左右の信号強度波形変動の非対称性から、本実施例の方法を用いた場合でもパターン形状変化に対する感度は損なわないため、パターン寸法を測定することができる。

エッジ指標位置の検出に関して図７中のＳ７００８―Ｓ７０１５に示すフローチャートを用いて詳細に述べる。まずステップＳ７００８でエッジ検出アルゴリズムを指定する。ステップＳ７００８では図８に示すＧＵＩによりエッジ検出アルゴリズムのパラメータ設定を行う。

図８中の８００１は予め登録されているエッジ検出アルゴリズムの選択枠である。本実施例ではエッジ検出アルゴリズムとして閾値法が選択された場合に関して述べるが、最大傾斜法や直線近似法などの他のエッジ検出アルゴリズムを用いた場合でも有効である。なお、最大傾斜法や直線近似法については後述する。

図７中のステップＳ７００９ではステップＳ７００８で選択したエッジ検出アルゴリズムで使用するパラメータを図８のＧＵＩを用いて入力する。

エッジ検出アルゴリズムとして閾値法を選択した場合は、以下の入力を行う。第一閾値入力枠８００２には、図７中のステップＳ７０１１で示される第一エッジ指標位置を検出する閾値を入力する。第二閾値入力枠８００３には図７中のステップＳ７０１２で示される第二エッジ指標位置を検出する閾値を入力する。焦点ずれによる寸法誤差許容値Ｘａを入力枠８００４に入力し、エッジ位置補正量（エッジ位置補正量）を入力枠８００５に入力する。なお、オフセット量については後述する。すべてのパラメータが入力された後、パラメータ設定ボタン８００８を押すことで演算部に各パラメータが設定される。

設定したパラメータ設定は保存ボタン８００６を押すことで記憶部１１に保存される。また過去に保存されたパラメータは呼び出しボタン８００７を押すことで記憶部１１から呼び出される。

次にステップＳ７０１０で、得られた波形の強度最大位置を算出する。

このように設定された各パラメータを用いてパターンのエッジ検出を行う。本実施例によるエッジ検出について図９を用いて説明する。図９に示すエッジはラインパターンの右エッジに相当する。まず得られた波形の強度最大位置を算出する。算出された最大位置から右側の波形に対して第一閾値ＴＨ１によって第一エッジ指標位置Ｘ１を検出する。ここで、信号強度最大位置に対して右側の信号強度の最小値を０％、信号強度最大値を１００％としたとき、信号強度５０％を第一閾値最ＴＨ１とした。次に最大位置から左側の波形に対して第二閾値ＴＨ２によって第二エッジ指標位置Ｘ２を検出する。ここで、信号強度最大位置に対して左側の信号強度の最小値を０％、信号強度最大値を１００％としたとき、信号強度５０％を第二閾値最ＴＨ２とした。こうして検出されたＸ１とＸ２の平均位置を算出し、その平均位置をエッジ位置Ｘｅとする。

上記はエッジ検出アルゴリズムとして閾値法を選択した場合の説明であるが、エッジ検出アルゴリズムとして最大傾斜法を選択した場合について図１５を用いて説明する。図１５には図９の信号強度波形と信号強度波形の微分波形を記している。最大傾斜法では信号強度波形の微分波形の最大値と最小値を用いてエッジ検出を行う。図１５中の第一エッジ指標位置Ｘ１は信号強度最大位置から見て右側の波形の微分値が最大となる位置として定義される。図１５中の第二エッジ指標位置Ｘ２は信号強度最大位置から見て左側の波形の微分値が最小となる位置として定義される。上記検出されたＸ１とＸ２の平均位置を算出し、その平均位置をエッジ検出位置Ｘｅとする。

次にエッジ検出アルゴリズムとして直線近似法を選択した場合について図１６を用いて説明する。直線近似法では最大傾斜法で得られた微分値が最大となる点Ｄｉｆｆ_１とＤｉｆｆ_２でそれぞれ信号強度波形の接線を描く。次に信号強度が平坦な部分の平均値を用いてベースラインと呼ばれる直線を描く。このベースラインを作成する際に平均値を算出する領域はユーザーにより指定される。前述した接線とベースラインの交点を信号強度波形最大位置の左右両側で求め，第一エッジ指標位置Ｘ１と第二エッジ指標位置Ｘ２を算出する。上記検出されたＸ１とＸ２の平均位置を算出し，その平均位置をエッジ検出位置Ｘｅとする。

上記はラインパターンの右エッジに対してエッジ検出を行う際の算出過程を示しているが、左エッジも同様に行う。但し、Ｘ１とＸ２を算出する方向の逆方向となる。また、各種方法で得られるＸ１とＸ２は表示部に表示することができる。

エッジ検出アルゴリズムとして閾値法が選択された場合の効果について述べる。図２に示すパターンをＣＤ−ＳＥＭの焦点を変えながら取得した画像に対して第一エッジ指標位置Ｘ１および第二エッジ指標位置Ｘ２を算出した結果を図１０に示す。焦点ずれは−４００ｎｍから４００ｎｍまで変化させている。焦点ずれがマイナス方向に起こることをアンダーフォーカス、プラス方向に起こることをオーバーフォーカスと呼ぶ。また図１０に示すＸ１とＸ２はそれぞれ従来の閾値法を用いて算出した結果である。ここで用いた閾値はＴＨ１＝５０％、ＴＨ２＝５０％である。

図１０からもわかるように、焦点ずれが発生するとＸ１は大きく、逆にＸ２は小さくなっている。これは図４（ｂ）で示した信号強度波形変化と同じ傾向である。

図１０にはＸ１とＸ１から算出したエッジ位置Ｘｅも示している。従来の測定値であるＸ１に比べて、焦点ずれによる寸法変動が小さくなっている。Ｘ１は焦点ずれによって最大３．０ｎｍのエッジ位置検出誤差が生じているが、本実施例により誤差を１．６ｎｍまで抑制することができている。

従来法と比較して焦点ずれによる誤差量を約半分に低減できたものの、まだ１．６ｎｍの誤差が生じている。本実施例における誤差１．６ｎｍの原因は次のように考えられる。

図１０のＸ１とＸ２に関して詳細に検討すると、Ｘ１は焦点ずれ０ｎｍを中心にしてほぼ左右対称な分布となっている。一方、Ｘ２は中心位置が＋１００ｎｍにシフトしている。これはＸ１、Ｘ２が示すパターン高さの違いによると考えられる。

図２に示したように信号強度波形の最大強度位置の右側はパターン裾を反映し、最大強度位置よりもの左側はパターントップを反映する。すなわち、Ｘ１はパターン裾を示し、Ｘ２はパターントップを示すこととなる。図１０で計測したパターンは高さ１００ｎｍであるため、Ｘ１は焦点ずれ０ｎｍの位置で合焦点となるのに対して、Ｘ２は焦点ずれ＋１００ｎｍの位置で合焦点となるために、図１０のＸ１とＸ２の極値位置に違いが生じる。この極値位置の違いにより焦点ずれによるＸ１とＸ２のずれを互いに打ち消しあうことが出来なくなる。

図１０はＴＨ１＝５０％、ＴＨ２＝５０％でパターン寸法を測定した結果であるが、図１１にＴＨ１＝３０％、ＴＨ２＝５０％でのＸｅの測定結果を示す。ＴＨ１＝５０％、ＴＨ２＝５０％と比べて、ＴＨ１＝３０％、ＴＨ２＝５０％の方がより平坦な分布となっており、エッジ位置誤差量は１．６ｎｍから１．１ｎｍまで減少する。Ｘ１とＸ２の測定高さが異なるため、Ｘ１とＸ２で同じ閾値を用いるよりも最適化を行い最適閾値でＸ１とＸ２を検出することで誤差をより小さくできることを示している。

本実施例で用いる閾値ＴＨ１とＴＨ２は、パターン高さやパターン側壁角度、電子線の焦点深度などの条件が変わると最適化することがパターン寸法検査の精度向上には有効である。そこで本実施例ではＴＨ１とＴＨ２を個別に設定できるようにし、測定対象パターンや電子線条件によって最適化できるようにしている。

従来手法と本実施例を用いてラインパターンのエッジ検出を行い、ライン幅を繰り返し計測した結果の違いを図１２に示す。図１２は同一パターンに対して２０回繰り返し計測を行った場合の寸法変動の結果である。計測を行うたびに自動焦点合わせを実施しており、計測の度に焦点位置が変動するようにした。図１２の結果より、従来手法（閾値ＴＨ１を用いてエッジ検出）では約２ｎｍあった繰り返し計測誤差を本実施例（修正第一閾値ＴＨ１と第二閾値ＴＨ２とを用いてエッジ検出）によって約１ｎｍまで抑制できていることがわかる。

本実施例では従来手法と比べて計測値が小さくなる。これは波形の片側だけでなく、両側の波形を用いて寸法を算出しているからである。本実施例では従来手法との計測値の差をキャンセルするようにオフセット値を設定することができる。パターン断面の画像を用いることにより、オフセット値を適切に設定することで、従来手法と同程度の寸法値を得ることができる。

次にステップＳ７０１３で焦点ずれによる寸法誤差Ｘｆを算出する。ここで、本実施例では、ＸｆはＸ１とＸ２の差分とするが、これに限るものではない。

ステップＳ７０１４で設定した誤差許容値Ｘａと寸法誤差Ｘｆを比較する。もし寸法誤差が許容値を上回っているようであれば、焦点ずれが発生している可能性があるため再度ステップＳ７００６に戻り焦点合わせを実施し、エッジ検出を行う。この際、表示部１０は焦点ずれに関する警告を表示する。ステップＳ７０１４で寸法誤差が許容値内に収まっていればエッジ位置Ｘｅを表示部に表示する。

最後に予め登録した測定点がすべて測定されたかをステップＳ７０１６で判定する。終わっていなければステップＳ７００３に戻り次の測定を開始する。すべての測定が終了していれば、ステップＳ７０１Ｓ７で測定を終了する。

なお、本実施例の手法は測定すべきパターンの一方のエッジへの適用であっても測定誤差を低減することができるが、両方のエッジへ適用することにより、より誤差を低減することができる。

以上示したように、本実施例によれば、第一の閾値及び第二の閾値を用いてエッジ検出することにより、フォーカスずれが生じても測定誤差が小さく再現性のよいパターン寸法測定方法及びそれに用いる測長走査電子顕微鏡（ＣＤ−ＳＥＭ）を提供することができる。また、第一閾値や第二閾値を個別に設定することにより、寸法精度の高い測定結果を得ることができる。また、側壁に傾斜を有する場合、フォーカスぼけとは異なり信号強度分布が裾部側へ移動することから、側壁に傾斜を有するパターンであっても寸法を測定することができる。
（実施例２）
第２の実施例について、図１３（ａ）、図１３（ｂ）及び図１４を用いて説明する。本実施例では測定対象パターンがホールパターンである場合のパターン寸法検査に関して述べる。なお、実施例１に記載され、本実施例に未記載の事項は実施例１と同様である。

半導体デバイスでは配線層同士を導通させるため、絶縁膜にコンタクトホールと呼ばれるホールパターンを形成する。このコンタクトホールパターンは絶縁膜に形成されているため電子線照射によるチャージアップが顕著になる。チャージアップによる像障害の例として、図１３（ａ）に示すようなホールパターン（ＳＥＭ画像の模式図）上下部の明るさムラが挙げられる（但し、ムラの状況は図示せず）。

図１３（ｂ）にホールパターンのａとｂの位置での信号強度分布を示す。ａの信号強度分布ではホワイトバンドピークが大きいのに対して、ｂの分布ではピークが小さくなっている。またａと比べてｂの方が信号強度最大位置と信号強度最小位置の差が小さくなっている。

ａとｂの分布の違いはパターンエッジと電子線の走査方向によるものと考えられる。ａ方向のパターンエッジの向きは電子線走査方向と垂直であるのに対して、ｂ方向のパターンエッジの向きは電子線走査方向と平行になっている。

ラインパターンの場合はパターンエッジの向きと電子線走査方向が常に一定であるため、明るさムラは見られない。明るさムラはホールパターン固有の問題である。明るさムラが生じた場合は、ａとｂでエッジ検出アルゴリズムや設定パラメータを変えることにより帯電の影響を低減できる。

図１４に本実施例でパラメータ設定に用いるＧＵＩを示す。図１４では測長アルゴリズムとして閾値を用いたときのＧＵＩであるが、測長アルゴリズムを閾値法に限ったものではない。実施例１同様に最大傾斜法や直線近似法を用いることもできる。

図１４中の符号１４００１はエッジ検出アルゴリズム選択枠を示す。符号１４００２は周方向のエッジ検出個数入力枠である。符号１４００３はエッジ検出アルゴリズムとエッジ検出個数の設定ボタンであり、この設定ボタン１４００３を押すことによりエッジ検出アルゴリズム選択枠１４００１で選択されたアルゴリズムと周方向のエッジ検出個数入力枠１４００２で入力されたエッジ検出個数が設定される。ホールパターンの場合は周方向に複数箇所でエッジを検出し、パターンの中心を求め、そのホールパターン中心から信号強度波形を算出し、最終的なエッジ検出を行いホール径の算出に用いる。その検出個数を周方向のエッジ検出個数入力枠１４００２で指定する。

ホールパターンの場合は、図１３（ｂ）で示したようにエッジの方向によって信号強度波形が異なることから、エッジ検出する角度によってエッジ検出パラメータを可変にする。

図１４の符号１４００４はパラメータ設定を行うエッジ番号の選択枠であり、周方向のエッジ検出個数入力枠１４００２で指定したエッジ検出個数までのエッジ番号を選択できる。パラメータ設定を行うエッジ番号の選択枠１４００４で選択したエッジ番号に対して、それぞれ符号１４００５で示す入力枠で第一閾値を入力し、符号１４００６で示す入力枠で第二閾値を入力し、寸法誤差許容値入力枠１４００７で寸法誤差許容値を入力し、エッジ位置補正量をエッジ位置補正量入力枠１４００８で入力する。

図１４で設定されたエッジ検出パラメータは設定ボタン１４００９を押すことで設定されエッジ検出に用いられる。

以上示したように、本実施例によれば、実施例１と同様の効果を得ることができる。また、周方向のエッジ検出個数を設定することにより、ホールパターンの寸法を精度良く測定することができる。
（実施例３）
第３の実施例について以下説明する。本実施例では測定対象パターンが複雑パターンである場合の検査に関して述べる。なお、実施例１又は２に記載され、本実施例に未記載の事項はそれらと同様である。

前述したラインパターンやホールパターンなどの単純なパターン以外に、ＯＰＣ（光学近接効果補正）チェックやホットスポット検査などでより複雑なパターン形状の検査に対するニーズが高まっている。

本実施例により検出したパターンエッジからパターン輪郭線を作成し、この輪郭線と半導体デバイスの設計データを比較することで複雑パターンの検査を行うことが出来た。これにより、上記複雑パターン検査にも有効であることが分かった。

この際、実施例２で示した角度毎のパラメータ最適化と同様にエッジの向きによって閾値を最適化することが望ましい。ただし、本実施例で検査するパターンはホールパターンのように中心位置があるわけではないので、輪郭抽出を行うエッジ方向をそれぞれ個別に求めなければならない。エッジ方向の算出には局所勾配を用いることができる。ただし、エッジ方向の算出方法はこれに限らない。

局所勾配から求めたエッジ方向に対応したパラメータ設定でエッジ検出を行うことで精度の高い二次元形状検査が可能となる。

以上示したように、本実施例によれば、実施例１と同様の効果を得ることができる。また、ＯＰＣ用の複雑なパターンであっても寸法を精度良く測定することができる。
（実施例４）
第４の実施例について以下説明する。本実施例では、走査電子顕微鏡の代わりにイオン顕微鏡を用いた例を述べる。なお、実施例１〜３のいずれかに記載され、本実施例に未記載の事項はそれらと同様である。

実施例１、２、３で示した各パターンの寸法測定にイオン顕微鏡を用いても同様の効果が期待できる。

イオン顕微鏡を用いることにより、電子線を用いたＣＤ−ＳＥＭよりも高分解能な画像が得られる。しかしながら、イオン顕微鏡では中性ガスを電離しイオンを得るため、中性ガスを流入するための機構が発生する装置振動が大きくなる。この振動の影響を強く受けイオン顕微鏡で得られる画像はエッジ部がぼけやすいと考えられ、実施例１〜３で示したエッジ検出が有効となる。

以上示したように、本実施例によれば、第一の閾値及び第二の閾値を用いてエッジ検出することにより、フォーカスずれが生じても測定誤差が小さく再現性のよいパターン寸法測定方法及びそれに用いるイオン顕微鏡を提供することができる。また、高分解能を維持したまま、イオン顕微鏡固有の課題であるエッジ部での画像のぼけを低減でき、より精度良く寸法を測定することができる。

１…電子光学系、２…電子源、３…収束レンズ、４…偏向器、５…対物レンズ、６…ステージ、７…測定対象ウェハ、８…検出器、１０…表示部、１１…記憶部、１２…データ保存のフロー、１３…データ読み出しのフロー、１００…演算部、１０１…信号強度最大位置算出部，１０２…エッジ指標位置算出部，１０３…エッジ位置算出部，１０４…閾値設定部，１０５…焦点ずれ量算出部，１０６…エッジ位置補正演算部，１０７…ホールパターン信号強度分布算出部、８００１…予め登録されているエッジ検出アルゴリズムの選択枠、８００２…第一閾値入力枠、８００３…第二閾値入力枠、８００４…寸法誤差許容値入力枠、８００５…寸法オフセット量入力枠、８００６…パラメータ保存ボタン、８００７…パラメータ呼び出しボタン、８００８…パラメータ設定ボタン、１４００１…エッジ検出アルゴリズム選択枠、１４００２…周方向のエッジ検出個数入力枠、１４００３…エッジ検出アルゴリズムとエッジ検出個数の設定ボタン、１４００４…パラメータ設定を行なうエッジ番号の選択枠、１４００５…第一閾値入力枠、１４００６…第二閾値入力枠、１４００７…寸法誤差許容値入力枠、１４００８…エッジ位置補正量入力枠、１４００９…パラメータ設定ボタン。

Claims

パターンが形成された試料に荷電粒子線を照射し、前記試料から発生した反射荷電粒子あるいは二次荷電粒子の信号強度の分布からパターン寸法を測定するパターン寸法測定方法において、
測定すべきパターンの第１のエッジに対応する位置で前記信号強度が最大となる第１の最大強度位置を算出する工程と、
前記第１の最大強度位置を中心として、測定すべき前記パターンの他方の第２のエッジから遠い側および近い側において第１Ａのエッジ指標位置および第１Ｂのエッジ指標位置を求める工程と、
前記第１Ａのエッジ指標位置および前記第１Ｂのエッジ指標位置を用いて前記第１のパターンエッジ位置を求める工程と、を有することを特徴とするパターン寸法測定方法。
請求項１記載のパターン寸法測定方法において、
前記第２のエッジに対応する位置で第２の最大強度位置を算出する工程と、
前記第２の最大強度位置を中心として、前記第１のエッジから遠い側および近い側において第２Ａのエッジ指標位置および第２Ｂのエッジ指標位置を求める工程と、
前記第２Ａのエッジ指標位置および前記第２Ｂのエッジ指標位置を用いて第２のパターンエッジ位置を求める工程と、
測定すべき前記パターンの寸法を、前記第１のパターンエッジ位置および前記第２のパターンエッジ位置を用いて算出する工程と、を有することを特徴とするパターン寸法測定方法。
請求項１記載のパターン寸法測定方法において、
前記第１Ａのエッジ指標位置および前記第１Ｂのエッジ指標位置のエッジ指標位置の各エッジ指標位置を算出する際に用いられるエッジ指標位置算出アルゴリズムが閾値法であり、前記各エッジ指標位置を算出する際にそれぞれ独立に閾値を設定する工程を有することを特徴とするパターン寸法測定方法。
請求項３記載のパターン寸法測定方法において、前記閾値の基準となる信号強度をそれぞれ独立に設定する工程を有することを特徴とするパターン寸法測定方法。
請求項１記載のパターン寸法測定方法において、
寸法誤差許容値を設定する工程と、
前記第１Ａのエッジ指標位置と前記第１Ｂのエッジ指標位置との差分を焦点ずれによる寸法誤差として算出する工程と、
前記寸法誤差が前記寸法誤差許容値を上回る場合はエラーとする工程と、を更に有することを特徴とするパターン寸法測定方法。
請求項１記載のパターン寸法測定方法において、
計測対象がホールパターンの場合はホールパターン中心から複数の角度方向に向かって信号強度分布を求める工程と、
前記信号強度分布を求める際の角度に応じて異なるエッジ検出アルゴリズムを設定する工程と、を更に有することを特徴とするパターン寸法測定方法。
請求項１記載のパターン寸法測定方法において、
前記第１のパターンエッジ位置に対するエッジ位置補正量を入力する工程と、
前記第１のパターンエッジ位置を、前記エッジ位置補正量に応じて補正する工程と、を有することを特徴とするパターン寸法測定方法。
ステージと前記ステージ上に設置される試料の観察領域に対して荷電粒子線を走査しながら照射し、前記試料から発生する反射荷電粒子や二次荷電粒子を含む信号荷電粒子を検出する検出器を備えた荷電粒子光学系と、前記検出器で検出された前記信号荷電粒子の信号強度の波形の情報を用いて前記観察領域内に配置された寸法測定対象となるパターンの二次元画像を取得する手段と前記二次元画像を用いて前記パターンのエッジ位置を検出することにより前記観察領域内のパターンの寸法を計測する手段とを備えた演算部と、表示部を有する荷電粒子線顕微鏡において、
前記演算部は、
測定すべきパターンの第１のエッジに対応する位置で前記信号強度が最大となる第１の最大強度位置を算出する第1の機能と、
前記第１の最大強度位置を中心として、測定すべき前記パターンの他方の第２のエッジから遠い側および近い側において第１Ａのエッジ指標位置および第１Ｂのエッジ指標位置を算出する第２の機能と、
前記第１Ａのエッジ指標位置および前記第１Ｂのエッジ指標位置を用いて前記第１のパターンエッジ位置を算出する第３の機能と、を有し、
前記表示部は、前記第１のパターンエッジ位置の算出結果を表示するものであることを特徴とする荷電粒子線顕微鏡。
請求項８記載の荷電粒子線顕微鏡において、
前記表示部は、複数の閾値を入力するＧＵＩ画面を有すると共に、複数の前記閾値によって閾値法を用いて算出されたそれぞれの前記エッジ指標位置を表示するものであり、
前記演算部の前記第２の機能は、複数の前記閾値によって閾値法を用いてそれぞれの前記エッジ指標位置を算出するものであり、
複数の前記閾値は、それぞれの前記エッジ指標位置を算出する際にそれぞれ独立に設定されたものであり、
前記ＧＵＩ画面から入力された複数の前記閾値を記憶する記憶部を更に有することを特徴とする荷電粒子線顕微鏡。
請求項９記載の荷電粒子線顕微鏡において、
前記演算部は、複数の前記閾値を設定する第４の機能を有し、
前記第４の機能は、前記複数の閾値の基準となる信号強度をそれぞれ独立に設定するものであることを特徴とする荷電粒子線顕微鏡。
請求項８記載の荷電粒子線顕微鏡において、
前記表示部は、寸法誤差許容値の入力を行うＧＵＩ画面を有することを特徴とする荷電粒子線顕微鏡。
請求項１１記載の荷電粒子線顕微鏡において、
前記記憶部は、前記ＧＵＩ画面に入力された前記寸法誤差許容値を記憶するものであることを特徴とする荷電粒子線顕微鏡。
請求項１２記載の荷電粒子線顕微鏡において、
前記演算部は、前記第１Ａのエッジ指標位置と前記第１Ｂのエッジ指標位置との差分を焦点ずれによる第１の寸法誤差として算出する第５の機能を有することを特徴とする荷電粒子線顕微鏡。
請求項１３記載の荷電粒子線顕微鏡において、
前記表示部は、それぞれの前記焦点ずれ量が前記寸法誤差許容値を上回る場合に警告を表示するものであることを特徴とする荷電粒子線顕微鏡。
請求項１３記載の荷電粒子線顕微鏡において、
それぞれの前記焦点ずれ量が前記寸法誤差許容値を上回る場合には、焦点合わせが再度行われるものであることを特徴とする荷電粒子線顕微鏡。
請求項８記載の荷電粒子線顕微鏡において、
前記演算部は、計測対象がホールパターンの場合にはホールパターン中心から複数の角度方向に向かって信号強度分布を算出する第６の機能を有し、
前記表示部は、前記信号強度分布を求める際の角度に応じて異なるエッジ検出アルゴリズムの入力を行うＧＵＩ画面を有することを特徴とする荷電粒子線顕微鏡。
請求項８記載の荷電粒子線顕微鏡において、
前記表示部は、エッジ位置補正値の入力を行うＧＵＩ画面を有すると共に前記エッジ位置補正値を用いて補正されたエッジ位置をパターンエッジ位置として表示するものであり、
前記演算部は、それぞれの前記パターンエッジ位置に前記エッジ位置補正値を加算する第７の機能を有し、
入力された前記エッジ位置補正値を記憶する記憶部を更に有することを特徴とする荷電粒子線顕微鏡。
ステージと前記ステージ上に設置される試料の観察領域に対して荷電粒子線を走査しながら照射し、前記試料から発生する反射荷電粒子や二次荷電粒子を含む信号荷電粒子を検出する検出器を備えた荷電粒子光学系と、前記検出器で検出された前記信号荷電粒子の信号強度分布を用いて前記観察領域内に配置された寸法測定対象となるパターンの二次元画像を取得する手段と前記二次元画像を用いて前記パターンのエッジ位置を検出することにより前記観察領域内のパターンの寸法を計測する手段とを備えた演算部と、表示部を有する荷電粒子線顕微鏡において、
前記表示部は、
測定すべき前記パターンの第１のエッジに対応する位置で前記信号強度が最大となる第１の最大強度の位置を中心として、測定すべき前記パターンの他方の第２のエッジから遠い側および近い側において求められる第１Ａのエッジ指標位置および第１Ｂのエッジ指標位置を表示するものであることを特徴とする荷電粒子線顕微鏡。
請求項１８記載の荷電粒子線顕微鏡において、
それぞれの前記エッジ指標位置は、閾値法、最大傾斜法或いは直線近似法を用いて求められたものであることを特徴とする荷電粒子線顕微鏡。