WO2010073360A1 - パターン測定装置及びパターン測定方法 - Google Patents

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WO2010073360A1
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純 松本
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株式会社アドバンテスト
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    • H01J37/265—Controlling the tube; circuit arrangements adapted to a particular application not otherwise provided, e.g. bright-field-dark-field illumination
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    • H01L22/12—Measuring as part of the manufacturing process for structural parameters, e.g. thickness, line width, refractive index, temperature, warp, bond strength, defects, optical inspection, electrical measurement of structural dimensions, metallurgic measurement of diffusions
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    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
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Definitions

  • the present invention relates to a pattern measuring apparatus and a measuring method using a charged particle beam, and more particularly to a pattern measuring apparatus and a pattern measuring method capable of performing an accurate measurement without depending on the edge width of the pattern.
  • a scanning electron microscope Measured by a scanning electron microscope as a pattern line width measuring method.
  • incident electrons are irradiated while scanning within the electron beam scanning range, secondary electrons emitted from the sample are acquired through a scintillator, and the amount of acquired electrons is converted into luminance and displayed. Displayed on the device.
  • the line width of the pattern is managed by the following procedure. After a predetermined range of the pattern formed on the photomask is displayed on the display, the target is irradiated with an electron beam aiming at the measurement point within the display range, and the luminance distribution based on the secondary electrons reflected from the measurement point Get the waveform. Then, the width having the high-level portion of the waveform of the luminance distribution as the pattern edge is determined as the line width. It is determined whether or not the line width is within the allowable error range. If the line width is within the allowable error range, the process proceeds to the next step, and if not within the allowable error range, the process returns to the pattern formation processing step.
  • the measurement of the line width of the pattern is important in the manufacturing process of the semiconductor device, and various techniques for measuring the line width accurately have been proposed.
  • the position where the gradient of luminance corresponding to the amount of secondary electrons is maximized is set as the edge position of the pattern.
  • the edge detection in which the position where the secondary electron signal takes the minimum value is regarded as the edge position. A method is disclosed.
  • the position where the gradient of luminance is maximum is set as the edge position, or the position where the secondary electron signal takes the minimum value is set as the edge.
  • the position method is adopted.
  • ⁇ Accurate pattern measurement cannot be performed as the inclination angle of the edge of the pattern becomes steep and the width of the edge becomes narrower.
  • the pattern is measured by scanning while irradiating an electron beam to create a line profile, and the line profile is calculated by differentiating the line profile. Therefore, depending on the beam diameter of the electron beam, information including not only the intensity corresponding to the pattern but also the intensity of the beam itself is detected as secondary electrons. As a result, a phenomenon that an accurate line width cannot be measured has occurred.
  • the present invention has been made in view of such a problem of the prior art, and an object of the present invention is to perform pattern measurement capable of accurately measuring a pattern even when the width of the edge portion of the pattern is narrower than the beam diameter.
  • An apparatus and a pattern measuring method are provided.
  • the above problem is to create a line profile of a reference pattern by scanning a charged particle beam on a reference pattern in which an edge portion is formed at right angles to a horizontal plane on the sample, and a reference beam intensity distribution using the charged particle beam as a reference beam.
  • a beam intensity distribution creating unit for creating a line profile for a pattern model including edges formed at various inclination angles using the reference beam intensity distribution and including the influence of the width of the reference beam An edge width detection unit that calculates an edge width, and a correspondence table creation unit that calculates a correction value for the edge position from the calculated edge width and the model of the pattern, and generates a correspondence table that associates the edge width with the correction value
  • a pattern measuring apparatus characterized by comprising:
  • the reference beam intensity distribution includes a distribution on a side where the reference pattern is not formed in an intensity distribution at a rising point of the reference pattern, and an intensity distribution at a falling point.
  • the line profile for the model of the pattern including the edges formed at the various inclination angles may be generated by combining the distribution on the side where the reference pattern is not formed. Created by synthesizing the line profile of the edge pattern and the line profile of the reference pattern created by calculating the amount corresponding to the overlap between the reference beam and the edge part when it is assumed that scanning was performed while irradiating the beam. You may make it do.
  • the pattern measuring apparatus further includes a line width measuring unit that measures a line width of the pattern, and the line width measuring unit measures an edge width and an edge position of the pattern formed on the sample.
  • the provisional edge width and provisional edge position are used, a correction value for the provisional edge position is detected with reference to the correspondence table, the provisional edge position is corrected using the correction value, and the line width of the pattern is calculated.
  • the correspondence table creation unit creates an edge width correspondence table in which the edge width of the pattern model is associated with the edge width calculated by the edge width detection unit, and the line width measurement is performed.
  • the section calculates an inclination angle of the edge of the pattern from the true edge width obtained from the edge width correspondence table with respect to the temporary edge width and the height of the pattern. Unishi may be.
  • a line profile of a pattern is created by scanning a charged particle beam in a pattern in which edge portions are formed at right angles on a sample, and the intensity distribution of the reference beam is created from this line profile.
  • the edge width is calculated. is doing.
  • the above-described problems include a step of creating a line pattern of a reference pattern by scanning a charged particle beam on a reference pattern in which an edge portion is formed at right angles to a horizontal plane on the sample, and the charging based on the line profile.
  • Creating a reference beam intensity distribution using a particle beam as a reference beam creating a line profile for a model of a pattern including edges formed at various inclination angles based on the reference beam intensity distribution; Differentiating the line profile to create a differential profile, calculating the edge width including the influence of the width of the reference beam from the differential profile, and the edge position from the calculated edge width and the model of the pattern Calculated the correction value for, and associated the edge width with the correction value And creating a response table, solved by a pattern measuring method characterized by having a.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a scanning electron microscope used in an embodiment of the present invention.
  • 2A to 2C are explanatory diagrams of electronic images and profiles acquired by the signal processing unit.
  • FIGS. 3A to 3C are diagrams for explaining profiles according to edge angles.
  • 4A and 4B are diagrams for explaining an outline of a method for obtaining a pattern contrast profile according to the inclination angle of the edge portion by simulation.
  • FIGS. 5A to 5C are diagrams showing patterns of various edge angles and secondary electron intensity distributions when irradiated with an electron beam.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining line profile calculation according to the edge inclination angle using the reference beam.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an example of the intensity distribution of the reference beam.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a scanning electron microscope used in an embodiment of the present invention.
  • 2A to 2C are explanatory diagrams of electronic images and profiles acquired by the signal processing unit.
  • FIGS. 3A to 3C
  • FIG. 8 is a diagram (part 1) illustrating an example in which a line profile for a pattern including an edge having an inclination angle is calculated by simulation.
  • FIG. 9 is a diagram (part 2) illustrating an example in which a line profile for a pattern including an edge having an inclination angle is calculated by simulation.
  • FIG. 10 is a graph showing the relationship between the edge width simulated using the reference beam and the calculated edge position correction value.
  • FIG. 11 is a graph showing the relationship between the true edge width and the simulated edge width (measured edge width).
  • FIG. 12 is a flowchart illustrating an example of a process for creating a correspondence relationship between a simulated edge width and edge position correction value with respect to a true edge width.
  • FIG. 13 is a flowchart illustrating an example of a pattern measurement process using an electron beam.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a scanning electron microscope according to the present embodiment.
  • the scanning electron microscope 100 includes an electronic scanning unit 10, a signal processing unit 30, an image display unit 40, a storage unit 55, an electronic scanning unit 10, a signal processing unit 30, an image display unit 40, and a storage unit 55. It is roughly divided into a control unit 20 that controls each unit.
  • the control unit 20 includes a beam intensity distribution creation unit 21, a correspondence table creation unit 22, an edge width detection unit 23, and a line width measurement unit 24.
  • the electron scanning unit 10 includes an electron gun 1, a condenser lens 2, a deflection coil 3, an objective lens 4, a moving stage 5, and a sample holder 6.
  • the charged particles 9 irradiated from the electron gun 1 are irradiated to the sample 7 on the moving stage 5 through the condenser lens 2, the deflection coil 3 and the objective lens 4.
  • Secondary electrons emitted from the sample 7 when the charged particles 9 are irradiated are detected by an electron detector 8 composed of a scintillator or the like.
  • the detected amount of secondary electrons is converted into a digital amount by the AD converter of the signal processing unit 30 and stored in the storage unit 55 as image data.
  • the image data is converted into a luminance signal and displayed on the image display unit 40. Note that the image data includes information such as the acquired image range and SEM magnification.
  • the electronic deflection amount of the deflection coil 3 and the image scan amount of the image display unit 40 are controlled by the control unit 20.
  • the control unit 20 stores a program for executing line width measurement.
  • the beam intensity distribution creating unit 21 creates an intensity distribution of the charged particle beam itself used in the apparatus.
  • the beam intensity distribution of the charged particle beam represents the distribution of the beam amount when the sample is irradiated with the beam.
  • the correspondence table creation unit 22 creates a correspondence table between a correction value for correcting the influence of the charged particle beam width at the edge position with respect to the true edge width and the simulated edge width.
  • the edge width detection unit 23 detects the edge width by using the intensity distribution of the charged particle beam with respect to the model of the pattern including the edges formed at various inclination angles.
  • the line width measurement unit 24 creates a line profile in a specified range, performs a differentiation process, and measures the line width.
  • a semiconductor wafer or a photomask substrate on which a wiring pattern 51 is formed on an underlayer 50 is used.
  • a part of the sample 7 has a planar shape as shown in FIG.
  • a portion surrounded by a broken line 52 indicates an observation region of the scanning electron microscope 100.
  • the electron quantity such as secondary electrons obtained by scanning the electron beam on the sample shown in FIG. 2A is detected by the electron detector 8, and the detected electron quantity is converted into a luminance signal.
  • An example of an SEM image displayed in two dimensions corresponding to the scanning position of the electron beam is shown.
  • the length measurement area is, for example, an area where L ⁇ H is 400 pixels. This region is selected by the operator by the upper line marker LM1, the lower line marker LM2, the left line marker LM3, and the right line marker LM4.
  • ⁇ Divide the H direction of the length measurement area from the extracted SEM image data, and obtain a line profile corresponding to the luminance distribution for the divided area.
  • a noise component can be reduced by performing a smoothing process with a width of, for example, 3 pixels in the length L direction.
  • FIG. 2C is a diagram showing a line profile corresponding to the amount of secondary electrons emitted from the sample obtained when the electron beam is irradiated along the line II in FIG. is there.
  • the line profile changes abruptly at the edge portion of the pattern.
  • the line profile is differentiated to obtain the maximum peak and the minimum peak of the differential signal amount.
  • the width of the line pattern is obtained as a distance between the position of the maximum peak and the position of the minimum peak.
  • the above processing is performed in each divided area, and the average value of the pattern width calculated in each area is used as the length measurement value.
  • FIG. 3 shows a pattern formed on the sample 61, a line profile representing a luminance signal obtained from the SEM image of the pattern, and a differential profile obtained by first-order differentiation of the line profile.
  • FIGS. 3A to 3C show three cases in which the inclination angle (the width of the edge portion) of the edge portion of the line pattern is different.
  • FIG. 3A shows a case where the edge portion of the pattern 62 formed on the sample 61 is formed at right angles to the surface of the sample 61, and FIGS. 3B and 3C show that the edge portion is inclined. It shows the case.
  • FIG. 3B shows a case where the slope of the edge portion is steeper than that in FIG.
  • the edge portion has a pattern perpendicular to the sample 61 as shown in FIG. 3A
  • the line profiles 63a and 63b in FIG. 3A are obtained, and the differential profiles 64a and 64b are obtained by differentiating the line profiles 63a and 63b. can get.
  • the signal amount of the line profile is large at the boundary between the area where the pattern 62 is not formed (hereinafter referred to as a space) and the pattern 62.
  • the intensity distribution of secondary electrons is proportional to 1 / cos ⁇ with respect to the sample surface angle ⁇ formed by the sample 61 and the pattern
  • a recent CD-SEM apparatus has adopted a technique for suppressing the charge-up of the sample. Therefore, in this embodiment, it is assumed that when viewed from the apparatus side, a constant intensity distribution appears regardless of the inclination angle of the edge portion.
  • the line profiles 63a and 63b do not include the intensity of secondary electrons from the inclined portion. That is, in the line profiles 63a and 63b, only the diffusion-contrast characteristic in which secondary electrons are scattered from the side wall portion is visible.
  • the position of the edge of the pattern is the steepest slope in the line profile.
  • the line profile is first-order differentiated to obtain the maximum value and the minimum value of the first-order differential profile.
  • the maximum value is taken at the position corresponding to the space 61a
  • the minimum value is taken at the position corresponding to the space 61b.
  • the positions of these maximum and minimum values are calculated as indicating the boundaries between the spaces 61a and 61b and the pattern 62, that is, the edge positions.
  • FIG. 3A shows a pattern in which the edge portion is a right angle, and the line width of the actual pattern is W1. That is, if the line width of the pattern is calculated from the profile, it becomes W1 + d1 + d2, and is calculated longer by d1 + d2 than the actual line width W1.
  • FIG. 3B shows an example in the case where the inclination angle of the edge of the pattern 65 formed on the sample 61 is steep and the width of the edge portion is smaller than the width of the beam.
  • the signal amount of the line profiles 66a and 66b is large at the boundary between the spaces 61a and 61b and the pattern 65.
  • the line profiles 66a and 66b in this case depend on the secondary electrons 67a and 67b generated from the inclined portion of the edge, diffusion contrast of the top portion 65a and the intensity distribution of the beam.
  • the maximum value is taken at the position corresponding to the space 61a
  • the minimum value is taken at the position corresponding to the space 61b.
  • the positions of these maximum values and minimum values are calculated as indicating the boundaries between the spaces 61a and 61b and the pattern 65, that is, the edge positions.
  • the line width of the actual pattern is W2, and an error of d3 + d4 occurs.
  • FIG. 3C shows an example in which the inclination angle of the edge of the pattern 69 formed on the sample 61 is gentle and the width of the edge portion is larger than the width of the beam.
  • the signal amounts of the line profiles 70a and 70b are large at the boundaries between the spaces 61a and 61b and the pattern 69.
  • the line profiles 70a and 70b in this case depend on the secondary electrons 71a and 71b generated from the inclined portion of the edge, diffusion contrast of the top portion 69a, and the intensity distribution of the beam.
  • the maximum value is taken at the position corresponding to the boundary between the space 61a and the pattern 69
  • the minimum value is taken at the position corresponding to the boundary between the pattern 69 and the space 61b.
  • the positions of the maximum value and the minimum value indicate the boundaries between the spaces 61a and 61b and the pattern 69, that is, the edge positions.
  • the edge position is obtained by calculating the positions of the maximum value and the minimum value of the primary differential profiles 72a and 72b, and the line width W3 of the pattern is accurately calculated.
  • the edge width when the edge width is wider than the charged particle beam width, the edge width can be measured accurately, but when the edge width is narrower than the charged particle beam width, the line profile is differentiated. Therefore, the normal method of detecting the edge position cannot accurately measure the edge width, and cannot accurately measure the line width of the pattern.
  • the width of the edge portion of the pattern 65 can also be obtained from a differential profile obtained by first-order differentiation of the line profile.
  • the first-order differential profile 68a has a maximum value and a minimum value at the boundary between the space 61a and the pattern 65.
  • the position at which the maximum value is obtained is calculated as the space 61 a and the position below the edge of the pattern 65, and the position at which the minimum value is obtained corresponds to the position above the edge of the pattern 65.
  • the edge width of the actual pattern 65 is E1, and an error of d3 + d5 occurs.
  • the occurrence of such an error includes not only the intensity of secondary electrons from the inclined portion of the edge of the line profile 66a but also the intensity due to the size (width) of the charged particle beam itself. This is probably because the ratio of the intensity of the particle beam is high.
  • the first-order differential profile 72 a takes the maximum value and the minimum value at the boundary between the space 61 a and the pattern 69, and the position where the maximum value is taken is located below the edge of the space 61 a and the pattern 69. Corresponds to the position.
  • the intensity distributions 63a and 63b in FIG. 3A are combined to form a beam intensity distribution. That is, in FIG. 3A, the distribution on the space 61a side in the intensity distribution 63a at the rising point of the pattern 62 and the distribution on the space 61b side in the intensity distribution 63b at the falling point are synthesized, and the reference beam is synthesized.
  • a line profile (contrast profile) when irradiating a pattern having edges with various inclination angles is calculated by simulation.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining an outline of a method for obtaining a pattern contrast profile according to the inclination angle of the edge portion by simulation.
  • FIG. 4A and FIG. 4B show patterns with different inclination angles of the edge portions, and the calculation method by contrast profile simulation is the same.
  • the contrast profile 96a for the pattern 91a is generated by adding the profile of the side wall portion (edge portion) of the pattern and the profile of the top portion.
  • FIG. 5 is a diagram showing patterns of various edge angles and secondary electron intensity distributions when irradiated with an electron beam. As shown in FIG. 5, in the secondary electron intensity distribution, the intensity value changes according to the edge width in the side wall portions (92a, 92c), and the intensity value becomes higher as the edge angle becomes steeper. On the other hand, in the top portion, the same secondary electron intensity distribution (92b, 92d) is shown without depending on the edge portion.
  • the side wall portion and the top portion are considered separately.
  • the secondary electron intensity distribution 92b at the top of the pattern 91a in FIG. 4A is considered to be the same as the distribution when the edge angle is 90 degrees (secondary electron intensity distribution 92e in FIG. 5A).
  • As the contrast profile 93 a contrast profile (see FIG. 3A) when the edge angle is 90 degrees is used.
  • a simulation is performed using the secondary electron intensity distribution 92a and the reference beam intensity distribution 94 corresponding to the angle of the side wall and the edge height to generate a contrast profile 95a.
  • the generated side wall contrast profile 95a and the top profile 93 are added to generate a contrast profile 96a corresponding to the angle of the edge.
  • FIG. 6 is a diagram conceptually illustrating a method of calculating the contrast profile of the side wall portion according to the edge tilt angle by using the intensity distribution of the reference beam by simulation.
  • the value of the contrast profile is 0 as indicated by v1.
  • the reference beam is scanned in the X direction (the right direction in FIG. 6) and the pattern is irradiated, and the half of the reference beam overlaps the edge portion as shown by 75b, it becomes as shown by v2. From 75a to 75b, the value of the contrast profile increases linearly from v1 to v2 as the reference beam moves.
  • the contrast profile is created by obtaining the secondary electron intensity corresponding to the degree of overlap between the reference beam and the secondary electron intensity of the edge portion.
  • FIG. 7 to 9 are diagrams for explaining the creation of a contrast profile by simulation.
  • the intensity distribution of the reference beam is the shape 81 shown in FIG. 7, the pattern model 82 with the edge inclination angle ⁇ as shown in FIG. 8 and the edge inclination angle ⁇ ( ⁇ ).
  • FIG. 7 shows an intensity distribution 81 of a reference beam obtained by scanning a charged particle beam with respect to a pattern in which edge portions are formed at right angles on the sample.
  • the horizontal axis represents distance
  • the vertical axis represents beam intensity.
  • FIG. 8 shows an example in which a contrast profile is created for a pattern having an edge inclination angle ⁇ .
  • a line indicated by reference numeral 82 in FIG. 8 indicates a pattern model in which the inclination angle of the edge is ⁇ .
  • the line indicated by reference numeral 84 in FIG. 8 indicates the contrast profile of the edge portion created by simulation using the reference beam having the intensity distribution of FIG.
  • a line indicated by reference numeral 86 in FIG. 8 indicates the contrast profile of the top portion when the edge inclination angle is 90 degrees.
  • a profile obtained by adding the contrast profile 86 of the top portion when the edge inclination angle is 90 degrees to the profile 84 of the edge portion created by simulation is a line denoted by reference numeral 88 in FIG.
  • a line indicated by reference numeral 90 in FIG. 8 is a differential profile obtained by differentiating the contrast profile 88.
  • the edge position and the edge width obtained by simulating the measurement result are obtained by the differential profile 90, and the correction value and edge of the actual edge position are obtained. Calculate relationship with width.
  • FIG. 9 shows an example in which a contrast profile is created for a pattern having an edge inclination angle ⁇ .
  • a line indicated by reference numeral 83 in FIG. 9 indicates a pattern model in which the inclination angle of the edge is ⁇ .
  • a line indicated by reference numeral 85 in FIG. 9 indicates the contrast profile of the edge portion created by simulation using the reference beam having the intensity distribution of FIG.
  • the line indicated by reference numeral 87 in FIG. 9 indicates the contrast profile of the top portion when the inclination angle of the edge is 90 degrees.
  • the profile obtained by adding the contrast profile 87 of the top portion when the edge inclination angle is 90 degrees to the profile 85 of the edge portion created by simulation is a line denoted by reference numeral 89 in FIG.
  • a line denoted by reference numeral 91 in FIG. 9 is a differential profile obtained by differentiating the contrast profile 89.
  • the edge position and the edge width obtained by simulating the measurement result are obtained by the differential profile 91, and the correction value and edge of the actual edge position are obtained. Calculate relationship with width.
  • the edge width is calculated to be 11.4 based on the contrast profile 85 obtained using the reference beam. Therefore, when the measured edge width is 11.4, the edge width can be converted to 7.0, and the correction value of the edge position (rising position of the pattern model 83) is 0.2.
  • edge width and edge position correction values are calculated for various edge widths, and the correspondence between the edge width and edge position correction values calculated using the reference beam as shown in FIGS. Create a relationship.
  • the horizontal axis in FIG. 10 indicates the edge width of the simulation result, and the vertical axis indicates the edge position correction value.
  • the minimum value of the edge width substantially coincides with the beam diameter, and the correction value is also about 1 ⁇ 2 of the beam diameter (point A in the figure), corresponding to FIG.
  • the correction value decreases as the edge width increases. That is, the intensity distribution includes the intensity of secondary electrons from the inclined portion of the edge, and the ratio of the influence of the beam width to the entire intensity decreases.
  • Point B in FIG. 10 indicates that the edge position correction value is 0 when the edge width is Ex. In other words, if the edge width is larger than Ex, the line width and edge width value calculated by differentiating the line profile by scanning while irradiating with the beam are affected by the intensity distribution due to the beam width. It is guaranteed that the length can be measured accurately without any problems.
  • FIG. 11 is a graph showing the correspondence between the true edge width and the measured edge width.
  • the horizontal axis in FIG. 11 is the true edge width, and the vertical axis is the measurement edge width.
  • the correspondence table showing the correspondence between the true edge width and the measured edge width shown in FIG. 10 and FIG. 11 takes into account the symmetry of the beam and the difference in the beam diameter in the X / Y direction.
  • Four types of tables, rising edge and falling edge in each direction, are created in advance for each device and stored in the storage unit.
  • the edge width needs to be corrected.
  • the length measurement value is corrected based on the edge width of the measurement result.
  • the edge width of the pattern and the width of the edge portion are measured, and whether or not the width of the edge portion is in a range that needs to be corrected is stored in a correspondence table. Refer to and judge.
  • the inclination angle of the edge is obtained using the measured width of the edge portion and the height H of the pattern. If the measured width of the edge portion is in the range that needs to be corrected, the corrected edge width corresponding to the measured edge width is calculated from the correspondence table. Using this corrected edge width W and height H, the inclination angle of the edge can be accurately obtained.
  • FIG. 12 is a flowchart illustrating an example of a process for creating a correspondence relationship between a simulated edge width and an edge position correction value.
  • a line profile of a pattern in which edge portions are formed at right angles on the sample is created.
  • the charged particle beam is scanned so as to pass the edge portion of the pattern, and a line profile representing a luminance signal obtained from the SEM image of the pattern is created.
  • step S12 an intensity distribution of the reference beam is created.
  • the line profile obtained in step S11 does not include the intensity of secondary electrons from the inclined portion of the edge. Therefore, this line profile can be regarded as the intensity distribution of the charged particle beam itself.
  • the distribution on the space side of the intensity distribution at the rising point of the pattern and the distribution on the space side of the intensity distribution at the falling point of the pattern are combined to obtain the intensity distribution of the reference beam.
  • a line profile is created for a model of a pattern including edges formed at various inclination angles.
  • a value corresponding to the overlap between the edge part and the reference beam is calculated by simulation to create a line profile of the edge part.
  • the line profile for each model pattern is created by adding the line profile of the edge part and the line profile of the top part when the edge is 90 degrees.
  • step S14 the line profile is differentiated to calculate the edge width
  • step S15 a correction value for the edge width is calculated from the calculated edge width and the pattern model.
  • step S16 a correspondence table in which the calculated edge width is associated with the correction value is created.
  • the following is a process for performing an accurate length measurement using a correspondence table of edge widths calculated by simulation and correction values for the edge widths.
  • FIG. 13 is a flowchart showing an example of processing for accurately measuring the line width of a pattern even when the edge angle of the pattern is close to 90 degrees and the edge width is narrow.
  • step S21 a desired length measurement area is designated and an SEM image is acquired.
  • the SEM image data is extracted from the storage unit 55.
  • step S22 the SEM image data acquired in step S21 is divided into a predetermined number of regions.
  • step S23 a line profile in the region divided in step S22 is calculated.
  • the calculation of the line profile is performed by the profile creation unit 21 of the control unit 20 extracting luminance information from the SEM image data.
  • step S24 the line width calculated in step S23 is first-order differentiated to calculate the edge width and the edge position.
  • the edge width and edge position are set as a temporary edge width and a temporary edge position.
  • the primary differentiation process is performed by the line width measuring unit 24, and for example, is performed using a differential filter such as a Sobel filter used in general image processing.
  • a differential filter such as a Sobel filter used in general image processing.
  • the position where the maximum value and the minimum value of the signal amount are obtained is recorded as a temporary line width.
  • the position where the maximum value and the minimum value of the signal amount corresponding to the edge portion are recorded as the temporary edge position.
  • step S25 it is determined whether or not the width of the edge portion of the pattern is within a correction target range that needs to be corrected.
  • the width of the edge portion is calculated from the maximum value and the minimum value of the differential profile obtained by differentiating the line profile. If there is a beam width value with respect to the edge width calculated with reference to the correspondence table, it is determined that it is the correction target range.
  • step S26 the process proceeds to step S26, and when it is determined that it is not within the correction target range, the process proceeds to step S28.
  • the edge position is corrected.
  • a correction value for the calculated temporary edge width is obtained with reference to the correspondence table.
  • the line width is calculated using the corrected pair of edge positions.
  • step S28 since it is not necessary to correct the measured temporary edge width and the temporary edge position, the measured value is calculated using these values.
  • step S29 the temporary edge width and the temporary edge position are calculated for all the length measuring areas to correct the length measurement values. That is, step S23 to step S28 are repeatedly executed until these values are calculated for all regions.
  • a line profile of a pattern is created by scanning a charged particle beam on a pattern in which edge portions are formed at right angles on a sample. From this, the intensity distribution of the reference beam is created. By calculating the edge width from the line profile created by simulating the pattern model including edges of various tilt angles using the intensity distribution of the reference beam, the edge width including the influence of the reference beam width is calculated. is doing.
  • the inclination angle of the edge portion can be accurately calculated.
  • the present invention is not limited to this, and the present invention can also be applied to an apparatus using an ion beam, for example.

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Abstract

パターンのエッジ部分の幅がビーム径よりも狭い場合であっても正確にパターンの測長をすることのできる、パターン測定装置及びパターン測定方法を提供する。パターン測定装置は、エッジ部分が直角に形成された基準パターンに荷電粒子ビームを走査してラインプロファイルを作成し基準ビーム強度分布を作成するビーム強度分布作成部と、各種傾斜角度に形成されたエッジを含むパターンのモデルに対して基準ビームの強度分布を用いてラインプロファイルを求めて基準ビームの幅の影響を含んだエッジ幅を算出するエッジ幅検出部と、算出したエッジ幅とパターンのモデルからエッジ位置に対する補正値を算出し、エッジ幅と補正値とを関連付けた対応テーブルを作成する対応テーブル作成部とを備える。基準ビーム強度分布は基準パターンの立ち上がり点又は立下り点における強度分布の、パターンが形成されていない側の分布を合成して作成する。

Description

パターン測定装置及びパターン測定方法
　本発明は、荷電粒子ビームによるパターンの測定装置及び測定方法に関し、特に、パターンのエッジ幅に依存しないで正確な測長をすることのできるパターン測定装置及びパターン測定方法に関する。
　パターンの線幅測定方法として、走査型電子顕微鏡による測定が行われている。走査型電子顕微鏡では、電子線走査範囲内に入射電子を走査させながら照射し、シンチレータを介して試料から放出される２次電子を取得し、取得した電子の電子量を輝度に変換して表示装置に表示している。
　このような走査型電子顕微鏡を用いて半導体装置の特性を管理する場合に、パターンの線幅が設計基準値内に形成されているか否かの作業を行うことが一般に採用されている。パターンの線幅の管理は、次のような手順によって行われている。フォトマスク上に形成されたパターンの所定範囲をディスプレイに表示した後、その表示範囲内の測定ポイントに照準を当てて電子ビームを照射し、測定ポイントから反射された二次電子に基づいて輝度分布の波形を取得する。そして、輝度分布の波形の高レベル部分をパターンエッジとした幅を線幅と判断する。この線幅が許容誤差の範囲内にあるか否かを判断し、許容誤差の範囲内であれば、次の工程に移り、許容誤差の範囲内でなければパターン形成の処理工程に戻される。
　このように、パターンの線幅の測定は、半導体装置の製造工程において重要であり、線幅を正確に測定するための種々の手法が提案されている。
　一般的に、２次電子量に対応する輝度の傾きが最大となる位置をパターンのエッジ位置としているが、特許文献１では、２次電子信号が極小値をとる位置をエッジ位置とみなすエッジ検出方法が開示されている。
　上述したように、走査型電子顕微鏡を使用してパターンの線幅測定をする場合には、輝度の傾きが最大となる位置をエッジ位置としたり、２次電子信号が極小値をとる位置をエッジ位置とする方法が採用されている。
　しかし、このようなエッジ位置の検出を行う場合、次のような不都合が生じることがわかった。
　パターンのエッジ部分の傾斜角度が急になりエッジ部分の幅が狭くなるに従って、正確なパターンの測長が行われなくなる。上記したようにパターンの測長は電子ビームを照射しながら走査してラインプロファイルを作成し、ラインプロファイルを微分して線幅を算出している。従って、電子ビームのビーム径によってはパターンに応じた強度だけではなくビーム自体の強度も含まれた情報が２次電子として検出されてしまう。これにより、正確な線幅を測定できないという現象が発生していた。
　このようなパターンのエッジ幅が狭い場合の測長値に対して正確に線幅を測定する技術についての報告はされていない。
特開平５－２９６７５４号公報
　本発明は、かかる従来技術の課題に鑑みなされたものであり、目的は、パターンのエッジ部分の幅がビーム径よりも狭い場合であっても正確にパターンの測長をすることのできるパターン測定装置及びパターン測定方法を提供することである。
　上記した課題は、試料上にエッジ部分が水平面と直角に形成された基準パターンに荷電粒子ビームを走査して基準パターンのラインプロファイルを作成し、当該荷電粒子ビームを基準ビームとした基準ビーム強度分布を作成するビーム強度分布作成部と、各種傾斜角度に形成されたエッジを含むパターンのモデルに対して前記基準ビームの強度分布を用いてラインプロファイルを求めて前記基準ビームの幅の影響を含んだエッジ幅を算出するエッジ幅検出部と、当該算出したエッジ幅と当該パターンのモデルからエッジ位置に対する補正値を算出し、当該エッジ幅と補正値とを関連付けた対応テーブルを作成する対応テーブル作成部と、を備えることを特徴とするパターン測定装置により解決する。
　この形態に係るパターン測定装置において、前記基準ビーム強度分布は、前記基準パターンの立ち上がり点における強度分布のうちの前記基準パターンが形成されていない側の分布と、立下り点における強度分布のうちの前記基準パターンが形成されていない側の分布とを合成して作成するようにしてもよく、前記各種傾斜角度に形成されたエッジを含むパターンのモデルに対するラインプロファイルは、前記基準ビーム強度分布の電子ビームを照射しながら走査したと仮定したときの前記基準ビームとエッジ部分との重なりに応じた量を算出して作成したエッジ部分のラインプロファイルと、前記基準パターンのラインプロファイルとを合成して作成するようにしてもよい。
　また、この形態に係るパターン測定装置において、さらに、パターンの線幅を測定する線幅測定部を備え、前記線幅測定部は、試料上に形成されたパターンのエッジ幅及びエッジ位置を測定し仮エッジ幅及び仮エッジ位置とし、前記対応テーブルを参照して前記仮エッジ位置に対する補正値を検出して当該補正値を用いて前記仮エッジ位置を補正し、前記パターンの線幅を算出するようにしてもよく、さらに、前記対応テーブル作成部は、前記パターンのモデルのエッジ幅と、前記エッジ幅検出部で算出したエッジ幅とを対応付けたエッジ幅対応テーブルを作成し、前記線幅測定部は、前記仮エッジ幅に対して前記エッジ幅対応テーブルから求めた真のエッジ幅と、前記パターンの高さとから、前記パターンのエッジの傾斜角度を算出するようにしてもよい。
　本発明では、試料上にエッジ部分が直角に形成されたパターンに荷電粒子ビームを走査してパターンのラインプロファイルを作成し、このラインプロファイルから基準ビームの強度分布を作成している。この基準ビームの強度分布を用いて各種の傾斜角度のエッジを含むパターンモデルに対してシミュレーションを行い作成したラインプロファイルからエッジ幅を算出することで、基準ビーム幅の影響を含んだエッジ幅を算出している。
　シミュレーションしたエッジ幅とパターンモデルからエッジ位置に対する補正値を算出して、エッジ幅と算出された補正値とを対応付けた対応テーブルを作成し、この対応テーブルを利用して測定値を補正することにより、実際に測定された線幅においてエッジ部分の幅が狭く誤差を含む場合であっても正確に測長することが可能となる。
　また、上記した課題は、試料上にエッジ部分が水平面と直角に形成された基準パターンに荷電粒子ビームを走査して基準パターンのラインプロファイルを作成するステップと、前記ラインプロファイルを基に、当該荷電粒子ビームを基準ビームとした基準ビーム強度分布を作成するステップと、前記基準ビーム強度分布を基に、各種傾斜角度に形成されたエッジを含むパターンのモデルに対してラインプロファイルを作成するステップと、当該ラインプロファイルを微分して微分プロファイルを作成するステップと、当該微分プロファイルから前記基準ビームの幅の影響を含んだエッジ幅を算出するステップと、当該算出したエッジ幅と当該パターンのモデルからエッジ位置に対する補正値を算出し、当該エッジ幅と補正値とを関連付けた対応テーブルを作成するステップと、を有することを特徴とするパターン測定方法により解決する。
図１は、本発明の実施形態で使用される走査型電子顕微鏡の構成図である。 図２（ａ）～（ｃ）は、信号処理部が取得する電子像およびプロファイルの説明図である。 図３（ａ）～（ｃ）は、エッジの角度に応じたプロファイルを説明する図である。 図４（ａ）、（ｂ）は、エッジ部分の傾斜角度に応じたパターンのコントラストプロファイルをシミュレーションにより求める方法の概略を説明する図である。 図５（ａ）～（ｃ）は、各種エッジ角度のパターンと電子ビームを照射した場合の２次電子強度分布を示した図である。 図６は、基準ビームを用いてエッジ傾斜角度に応じたラインプロファイル算出を説明する図である。 図７は、基準ビームの強度分布の一例を示す図である。 図８は、傾斜角度を有するエッジを含むパターンに対するラインプロファイルをシミュレーションにより算出した一例を示す図（その１）である。 図９は、傾斜角度を有するエッジを含むパターンに対するラインプロファイルをシミュレーションにより算出した一例を示す図（その２）である。 図１０は、基準ビームを用いてシミュレーションしたエッジ幅と算出したエッジ位置の補正値との関係を示すグラフである。 図１１は、真のエッジ幅とシミュレーションしたエッジ幅（測定エッジ幅）との関係を示すグラフである。 図１２は、真のエッジ幅に対してシミュレーションしたエッジ幅とエッジ位置の補正値の対応関係を作成する処理の一例を示すフローチャートである。 図１３は、電子ビームによるパターン測定処理の一例を示すフローチャートである。
　以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
　はじめに、パターン測定装置として使用される走査型電子顕微鏡の構成について説明する。次に、一般的なパターンの線幅の測定方法について説明する。次に、エッジ部分の幅とビーム幅との関係について説明し、エッジ幅が狭い場合であっても正確に線幅を測長することができる手法について説明する。最後に、本発明のパターン検出方法を適用したパターン測定方法について説明する。
 （走査型電子顕微鏡の構成）
　図１は、本実施形態に係る走査型電子顕微鏡の構成図である。
　この走査型電子顕微鏡１００は、電子走査部１０と、信号処理部３０と、画像表示部４０と、記憶部５５と、電子走査部１０、信号処理部３０、画像表示部４０及び記憶部５５の各部を制御する制御部２０とに大別される。制御部２０は、ビーム強度分布作成部２１、対応テーブル作成部２２、エッジ幅検出部２３、及び線幅測定部２４を有している。
　電子走査部１０は、電子銃１とコンデンサレンズ２と偏向コイル３と対物レンズ４と移動ステージ５と試料ホルダ６とを有している。
　電子銃１から照射された荷電粒子９をコンデンサレンズ２、偏向コイル３、対物レンズ４を通して移動ステージ５上の試料７に照射するようになっている。
　荷電粒子９が照射されて試料７から放出される２次電子は、シンチレータ等で構成される電子検出器８によって検出される。検出された２次電子の電子量は、信号処理部３０のＡＤ変換器によってデジタル量に変換され、画像データとして記憶部５５に格納される。画像データは輝度信号に変換されて画像表示部４０で表示される。なお、画像データには、取得された画像の範囲や、ＳＥＭの倍率等の情報も含まれている。偏向コイル３の電子偏向量と画像表示部４０の画像スキャン量は制御部２０によって制御される。また、制御部２０には、線幅測定を実行するためのプログラムが格納されている。
　ビーム強度分布作成部２１では、装置に使用される荷電粒子ビーム自体の強度分布を作成する。荷電粒子ビームのビーム強度分布は、試料にビームを照射したときのビーム量の分布を表している。
　対応テーブル作成部２２では、真のエッジ幅に対してエッジ位置の荷電粒子ビーム幅による影響を補正する補正値とシミュレーションしたエッジ幅との対応テーブルを作成する。
　エッジ幅検出部２３は、各種傾斜角度に形成されたエッジを含むパターンのモデルに対して荷電粒子ビームの強度分布を用いてエッジ幅を検出する。
　線幅測定部２４は、指定された範囲のラインプロファイルを作成し、微分処理を施して線幅の測定を行う。
 （一般的なパターンの線幅の測定方法）
　次に、図１に示した走査型電子顕微鏡１００を用いて、図２（ａ）に示す試料のパターンの線幅を測定する一般的な方法について説明する。
　試料７として、図２（ａ）に示すように、半導体ウエハまたはフォトマスク基板の下地層５０の上に配線パターン５１が形成されたものを使用する。試料７の一部は図２（ａ）に示すような平面形状となっている。ここで、破線５２で囲んだ部分は、走査型電子顕微鏡１００の観察領域を示している。
　図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す試料上に電子ビームを走査して得られる２次電子等の電子量を電子検出器８によって検出し、検出した電子量を輝度信号に変換し、電子ビームの走査位置に対応させて２次元化して表示したＳＥＭ画像の例を示している。
　図２（ｂ）に示すＳＥＭ画像から、測長エリアを指定してＳＥＭ画像を抽出する。測長エリアは例えばＬ×Ｈが４００ピクセルの領域とする。この領域は、上側ラインマーカーＬＭ１、下側ラインマーカーＬＭ２、左側ラインマーカーＬＭ３及び右側ラインマーカーＬＭ４によってオペレータによって選択される。
　抽出したＳＥＭ画像データから、測長エリアのＨ方向を分割し、分割した領域について輝度分布に対応するラインプロファイルを求める。なお、ラインプロファイルを求めるときに、長さＬ方向に例えば３ピクセル幅でスムージング処理を行うことによりノイズ成分を小さくすることができる。
　図２（ｃ）は、図２（ａ）のＩ－Ｉ線に沿って電子ビームを照射したときに得られる試料から放出される２次電子の電子量に対応するラインプロファイルを示した図である。図２（ｃ）に示すように、ラインプロファイルは、パターンのエッジ部分で急激に変化する。急激に変化する位置を求めるために、ラインプロファイルを微分して、微分信号量の最大ピークと最小ピークを求める。ラインパターンの幅は、この最大ピークの位置と最小ピークの位置との間の距離として求められる。
　以上の処理を分割したそれぞれの領域で行い、各領域で算出したパターンの幅の平均値を測長値としている。
 （エッジ幅とビーム幅との関係）
　図３は、試料６１上に形成したパターンと、パターンのＳＥＭ画像から得られる輝度信号を表すラインプロファイルと、ラインプロファイルを１次微分した微分プロファイルを示している。図３（ａ）～（ｃ）はラインパターンのエッジ部分の傾斜角度（エッジ部分の幅）が異なる３つのケースについて示している。
　図３（ａ）は、試料６１上に形成されたパターン６２のエッジ部分が試料６１面と直角に形成されている場合を示しており、図３（ｂ）及び（ｃ）はエッジ部分が傾斜している場合を示している。又、図３（ｂ）は図３（ｃ）に比べてエッジ部分の傾斜が急な場合を示している。
　図３（ａ）のようにエッジ部分が試料６１と直角なパターンの場合、図３（ａ）のラインプロファイル６３ａ、６３ｂが得られ、ラインプロファイル６３ａ、６３ｂを微分して微分プロファイル６４ａ、６４ｂが得られる。
　図３（ａ）のラインプロファイル６３ａ、６３ｂに示すように、パターン６２が形成されていない領域（以後、スペースと呼ぶ）とパターン６２との境界で、ラインプロファイルの信号量が大きくなっている。
　２次電子の強度分布は試料６１とパターンとがなす試料面角度θに対し1/cosθに比例すると言われているが、最近のＣＤ－ＳＥＭ装置では試料のチャージアップを抑制する技術がとられているため、装置側から見るとエッジ部の傾斜角度に依らず一定の強度分布に見える事を、本実施形態では前提にしている。図３（ａ）の場合はパターン６１に傾斜部分が存在しないため、ラインプロファイル６３ａ、６３ｂには傾斜部分からの２次電子の強度は含まれていない。すなわち、このラインプロファイル６３ａ、６３ｂは、側壁部から2次電子が散乱するdiffusion contrastの特性だけが見えている。
　一般に、パターンのエッジ位置は、ラインプロファイルにおいて、傾斜が最も急な位置が採用されている。この最も急な位置を算出するために、ラインプロファイルを１次微分し、１次微分プロファイルの最大値、最小値を求めている。
　図３（ａ）の１次微分プロファイル６４ａ，６４ｂによると、スペース６１ａに対応する位置で最大値をとり、スペース６１ｂに対応する位置で最小値をとっている。これらの最大値及び最小値の位置が、スペース６１ａ、６１ｂとパターン６２との境界、つまりエッジ位置を示すものとして算出されてしまう。
　しかしながら、図３（ａ）は、エッジ部分が直角なパターンであり、実際のパターンの線幅はＷ１である。つまり、上記プロファイルからパターンの線幅を算出すると、Ｗ１＋ｄ１＋ｄ２となり、実際の線幅Ｗ１よりもｄ１＋ｄ２だけ長く算出されてしまう。
　図３（ｂ）は、試料６１上に形成されたパターン６５のエッジの傾斜角度が急峻であって、エッジ部分の幅がビームの幅よりも小さい場合の例を示している。図３（ｂ）のラインプロファイル６６ａ，６６ｂに示すように、スペース６１ａ、６１ｂとパターン６５との境界で、ラインプロファイル６６ａ、６６ｂの信号量が大きくなっている。この場合のラインプロファイル６６ａ，６６ｂは、エッジの傾斜部分から発生する２次電子６７ａ、６７ｂとトップ部６５ａの diffusion contrast およびビームの強度分布に依存している。
　図３（ｂ）の１次微分プロファイル６８ａ，６８ｂによると、スペース６１ａに対応する位置で最大値をとり、スペース６１ｂに対応する位置で最小値をとっている。これらの最大値及び最小値の位置が、スペース６１ａ，６１ｂとパターン６５との境界、つまりエッジ位置を示すものとして算出されてしまう。
　しかしながら、図３（ｂ）に示すように、実際のパターンの線幅はＷ２であり、ｄ３＋ｄ４の誤差が発生している。
　図３（ｃ）は、試料６１上に形成されたパターン６９のエッジの傾斜角度が緩やかであって、エッジ部分の幅がビームの幅よりも大きい場合の例である。
　図３（ｃ）のラインプロファイル７０ａ，７０ｂに示すように、スペース６１ａ、６１ｂとパターン６９との境界で、ラインプロファイル７０ａ、７０ｂの信号量が大きくなっている。この場合のラインプロファイル７０ａ，７０ｂは、エッジの傾斜部分から発生する２次電子７１ａ，７１ｂとトップ部６９ａの diffusion contrast およびビームの強度分布に依存している。
　図３（ｃ）の１次微分プロファイル７２ａ，７２ｂによると、スペース６１ａとパターン６９との境界に対応する位置で最大値をとり、パターン６９とスペース６１ｂとの境界に対応する位置で最小値をとる。これらの最大値及び最小値の位置は、スペース６１ａ，６１ｂとパターン６９との境界、つまりエッジ位置を示している。このように、１次微分プロファイル７２ａ、７２ｂの最大値及び最小値の位置を算出することによりエッジ位置を求め、パターンの線幅Ｗ３が正確に算出されている。
　このように、エッジの幅が荷電粒子ビームの幅よりも広い場合にはエッジの幅を正確に測定できるが、エッジの幅が荷電粒子ビームの幅よりも狭い場合には、ラインプロファイルを微分してエッジ位置を検出する通常の方法ではエッジの幅を正確に測定することができず、パターンの線幅も正確に測定することができない。
　そこで、パターンのエッジの幅について着目する。図３（ｂ）において、パターン６５のエッジ部分の幅もラインプロファイルを１次微分した微分プロファイルより求めることができる。
　スペース６１ａとパターン６５の境界で１次微分プロファイル６８ａは極大値及び極小値を取っている。極大値をとる位置がスペース６１ａとパターン６５のエッジの下部の位置であり、極小値をとる位置がパターン６５のエッジの上部の位置に対応するものとして算出される。
　しかしながら、図３（ｂ）に示すように、実際のパターン６５のエッジ幅はＥ１であり、ｄ３＋ｄ５の誤差が発生している。このような誤差の発生は、ラインプロファイル６６ａがエッジの傾斜部分からの２次電子の強度だけではなく、荷電粒子ビーム自体の大きさ（幅）による強度も含まれており、全体の強度に対する荷電粒子ビームの強度の割合が高いことによると考えられる。
　なお、図３（ｃ）のパターン６９では、スペース６１ａとパターン６９の境界で１次微分プロファイル７２ａは極大値及び極小値をとり、極大値をとる位置がスペース６１ａとパターン６９のエッジの下部の位置に対応している。
　以下に、エッジの幅がビームの幅よりも狭い場合であっても正確に線幅を測定する方法について説明する。
　上記したように、エッジの傾斜角度が直角の場合、エッジ部のdiffusion contrastの強度分布の形状のスペース部分は荷電粒子ビームの強度分布を近似していると考えられる。したがって、図３（ａ）の強度分布６３ａと６３ｂのスペース部分とを合成して、ビームの強度分布とする。すなわち、図３（ａ）において、パターン６２の立ち上がり点における強度分布６３ａのうちのスペース６１ａ側の分布と、立下り点における強度分布６３ｂのうちのスペース６１ｂ側の分布とを合成し、基準ビームの強度分布とする。
　この基準ビームの強度分布を用いて、種々の傾斜角度のエッジを有するパターン上を照射したときのラインプロファイル（コントラストプロファイル）をシミュレーションにより算出する。
　図４は、エッジ部分の傾斜角度に応じたパターンのコントラストプロファイルをシミュレーションにより求める方法の概略を説明した図である。図４（ａ）と図４（ｂ）は、エッジ部の傾斜角度が異なるパターンを示しており、コントラストプロファイルのシミュレーションによる算出方法は同様である。
　図４（ａ）において、パターン９１ａに対するコントラストプロファイル９６ａは、パターンの側壁部（エッジ部）のプロファイルと、トップ部のプロファイルとを足し合わせることにより生成する。
　図５は、各種エッジ角度のパターンと電子ビームを照射した場合の２次電子強度分布を示した図である。この図５に示すように、２次電子強度分布は、側壁部（９２ａ、９２ｃ）ではエッジの幅に応じて強度値が変わり、エッジの角度が急峻になるほど強度値が高くなっている。これに対して、トップ部ではエッジ部分に依存せず、すべて同様な２次電子強度分布（９２ｂ、９２ｄ）を示している。
　そこで、シミュレーションによるコントラストプロファイルの生成では、側壁部とトップ部とを分けて考える。
　図４（ａ）のパターン９１ａのトップ部の２次電子強度分布９２ｂは、エッジ角度が９０度の場合の分布（図５（ａ）の２次電子強度分布９２ｅ）と同一と考え、トップ部のコントラストプロファイル９３は、エッジ角度が９０度の場合のコントラストプロファイル（図３（ａ）を参照）を使用する。
　側壁部については、側壁部の角度とエッジ高さに応じた２次電子強度分布９２ａと基準ビーム強度分布９４を用いてシミュレーションを行い、コントラストプロファイル９５ａを生成する。生成した側壁部のコントラストプロファイル９５ａとトップ部のプロファイル９３とを足して、エッジの角度に応じたコントラストプロファイル９６ａを生成する。
　図６は、基準ビームの強度分布を用いてエッジ傾斜角度に応じた側壁部のコントラストプロファイルをシミュレーションにより算出する方法を概念的に説明する図である。
　図６に示すように基板７２上にエッジの傾斜角度がθのパターン７３が形成されたものと仮定する。また、説明を簡単にするため、基準ビームは図６の基準ビームの強度分布７５ａのように三角形の強度分布を有するものとする。
　図６のパターン７３のエッジ部分に対して、２次電子の発生量に対応する傾斜部の幅７４ａ、７４ｂを求める。この傾斜幅と基準ビームを走査したときの重なりに応じたコントラストプロファイル７６を形成する。
　図６の７５ａに示すように基準ビームがエッジ部分にかかっていないときは、ｖ１に示すようにコントラストプロファイルの値は０である。基準ビームをＸ方向（図６の右方向）に走査してパターンを照射し、７５ｂに示すようにエッジ部分に基準ビームの半分が重なったときは、ｖ２に示すようになる。また、７５ａから７５ｂまでは基準ビームの移動に伴ってリニアにコントラストプロファイルの値もｖ１からｖ２のように増加していく。
　さらに基準ビームをＸ方向に走査して、７５ｄに示すように基準ビームが７５ｂと対称的になったときは、ｖ３に示す値になる。
　このように基準ビームとエッジ部分の２次電子強度との重なりの程度に応じた２次電子強度を求めてコントラストプロファイルを作成する。
　図７から図９は、シミュレーションによるコントラストプロファイルの作成を説明する図である。基準ビームの強度分布を図７に示す形状８１としたときに、図８に示すようにエッジの傾斜角度がαのパターンモデル８２、及び図９に示すようにエッジの傾斜角度がβ（＜α）のパターンモデル８３に対してコントラストプロファイルをシミュレーションにより算出した。
　図７は、試料にエッジ部分が直角に形成されたパターンに対して荷電粒子ビームを走査して取得した基準ビームの強度分布８１を示している。横軸は距離を表し、縦軸はビーム強度を表している。
　図８は、エッジの傾斜角度がαのパターンに対するコントラストプロファイルを作成した例である。図８の符号８２で示したラインは、エッジの傾斜角度をαとしたパターンモデルを示している。図８の符号８４で示したラインは、パターンモデル８２に対して図７の強度分布を持つ基準ビームを用いてシミュレーションにより作成したエッジ部のコントラストプロファイルを示している。また、図８の符号８６で示したラインは、エッジの傾斜角度が９０度のときのトップ部のコントラストプロファイルを示している。シミュレーションにより作成したエッジ部のプロファイル８４にエッジの傾斜角度９０度のときのトップ部のコントラストプロファイル８６を加算したプロファイルが図８の符号８８で示したラインである。
　図８の符号９０で示したラインは、コントラストプロファイル８８を微分した微分プロファイルであり、この微分プロファイル９０により測定結果をシミュレートしたエッジ位置およびエッジ幅を求め、実際のエッジ位置の補正値およびエッジ幅との関係を算出する。
　例えば、図８では、実際のエッジ幅が３のとき、基準ビームを用いて得られたコントラストプロファイル８８を基にエッジ幅を算出すると９．０となる。よって、測定エッジ幅が９．０の場合は実際のエッジ幅は３．０に変換でき、エッジ位置（パターンモデル８２の立ち上がり位置）の補正値は２．０となる。
　図９は、エッジの傾斜角度がβのパターンに対するコントラストプロファイルを作成した例である。図９の符号８３で示したラインは、エッジの傾斜角度をβとしたパターンモデルを示している。図９の符号８５で示したラインは、パターンモデル８３に対して図７の強度分布を持つ基準ビームを用いてシミュレーションにより作成したエッジ部のコントラストプロファイルを示している。また、図９の符号８７で示したラインは、エッジの傾斜角度が９０度のときのトップ部のコントラストプロファイルを示している。シミュレーションにより作成したエッジ部のプロファイル８５にエッジの傾斜角度９０度のときのトップ部のコントラストプロファイル８７を加算したプロファイルが図９の符号８９で示したラインである。
　図９の符号９１で示したラインは、コントラストプロファイル８９を微分した微分プロファイルであり、この微分プロファイル９１により測定結果をシミュレートしたエッジ位置およびエッジ幅を求め、実際のエッジ位置の補正値およびエッジ幅との関係を算出する。
　例えば、図９では、実際のエッジ幅が７のとき、基準ビームを用いて得られたコントラストプロファイル８５を基にエッジ幅を算出すると１１．４となる。よって、測定エッジ幅が１１．４の場合はエッジ幅は７．０に変換でき、エッジ位置（パターンモデル８３の立ち上がり位置）の補正値は０．２となる。
　同様に、種々のエッジ幅に対してエッジ幅とエッジ位置の補正値を算出して、図１０、図１１に示すような基準ビームを用いて算出したエッジ幅とエッジ位置の補正値との対応関係を作成する。図１０の横軸はシミュレーション結果のエッジ幅を示し、縦軸はエッジ位置の補正値を示している。エッジ幅の最小値はほぼビーム径と一致し補正値もビーム径の約１／２となり（図の点Ａ）図３（ａ）に対応する。
　エッジ幅が広くなるに従って、補正値は小さくなる。つまり、強度分布にはエッジの傾斜部分からの２次電子の強度が含まれ、強度全体に対するビーム幅による影響の割合が減少してくるためである。図１０の点Ｂでは、エッジ幅がＥｘのときにエッジ位置の補正値が０になることを示している。つまり、エッジ幅がＥｘよりも大きければ、ビームによって照射しながら走査してラインプロファイルを作成し、それを微分することによって算出した線幅やエッジ幅の値がビーム幅による強度分布の影響を受けることなく、正確に測長できるということが保証される。
　図１１は、真のエッジ幅と測定エッジ幅との対応関係を示すグラフである。図１１の横軸は真のエッジ幅であり、縦軸は、測定エッジ幅である。
　図１０や図１１に示した真のエッジ幅と測定エッジ幅との対応関係を示す対応テーブルはビームの対称性、Ｘ／Ｙ方向のビーム径の差を考慮し、必要に応じてＸ／Ｙ各方向に立ち上がりエッジと下がりエッジの４通りのテーブルを装置毎に予め作成して記憶部に格納しておき、パターンの測長を行う際には、エッジ幅の補正が必要か否かを対応テーブルを参照して判断する。補正が必要なときは、測定結果のエッジ幅を基に測長値を補正する。
　上記対応テーブルを用いることにより線幅の測定だけではなく、基板上に形成されたパターンのエッジの傾斜角度を算出することも可能である。
　例えば、図３（ｂ）に示すパターンが形成されたとき、そのパターンのエッジ幅及びエッジ部分の幅を測定し、エッジ部分の幅が補正の必要な範囲にあるか否かを、対応テーブルを参照して判断する。
　エッジ幅が補正の必要な範囲になければ、測定されたエッジ部分の幅とパターンの高さＨとを用いてエッジの傾斜角度を求める。また、測定されたエッジ部分の幅が補正の必要な範囲であれば、対応テーブルから測定エッジ幅に対応する補正エッジ幅を算出する。この補正エッジ幅Ｗと高さＨとを用いて、エッジの傾斜角度を正確に求めることができる。
 （パターン測定方法）
　次に、図１２及び図１３を参照して、荷電粒子ビームによるパターン測定方法について説明する。図１２は、シミュレーションしたエッジ幅とエッジ位置の補正値との対応関係を作成する処理の一例を示すフローチャートである。
　まず、最初のステップＳ１１において、試料上にエッジ部分が直角に形成されたパターンのラインプロファイルを作成する。パターンのエッジ部分を通過するように荷電粒子ビームを走査して、パターンのＳＥＭ画像から得られる輝度信号を表すラインプロファイルを作成する。
　次に、ステップＳ１２において、基準ビームの強度分布を作成する。ステップＳ１１で得られたラインプロファイルは、エッジの傾斜部分からの２次電子の強度は含まれていない。従って、このラインプロファイルは荷電粒子ビーム自体の強度分布とみなすことができる。パターンの立ち上がり点における強度分布のスペース側の分布と、パターンの立下り点における強度分布のスペース側の分布とを合成して基準ビームの強度分布とする。
　次に、ステップＳ１３において、各種傾斜角度に形成されたエッジを含むパターンのモデルに対して、ラインプロファイルを作成する。各パターンモデルに対してステップＳ１２で作成した基準ビームの強度分布を用い、エッジ部分と基準ビームとの重なりに応じた値をシミュレーションにより算出してエッジ部のラインプロファイルを作成する。このエッジ部のラインプロファイルとエッジが９０度の場合のトップ部のラインプロファイルとを足して、各モデルのパターンに対するラインプロファイルを作成する。
　次に、ステップＳ１４において、ラインプロファイルを微分して、エッジ幅を算出し、ステップＳ１５において、算出したエッジ幅とパターンモデルからエッジ幅に対する補正値を算出する。
　次に、ステップＳ１６において、算出したエッジ幅と補正値とを関連付けた対応テーブルを作成する。
　以下に、シミュレーションにより算出したエッジ幅とそのエッジ幅に対する補正値との対応テーブルを用いて正確な測長を行う処理を示す。
　図１３は、パターンのエッジ角度が９０度に近くエッジ幅が狭く形成されていても、正確にパターンの線幅を測定する処理の一例を示すフローチャートである。
　図１３の線幅測定処理では、予めパターンが形成された試料のＳＥＭ画像が取得され、記憶部５５にＳＥＭ画像データが格納されているものとする。
　まず、はじめに、ステップＳ２１において、所望の測長エリアを指定して、ＳＥＭ画像を取得する。このＳＥＭ画像データは、記憶部５５から抽出する。
　次に、ステップＳ２２において、ステップＳ２１で取得したＳＥＭ画像データを所定の数の領域に分割する。
　次に、ステップＳ２３において、ステップＳ２２で分割した領域におけるラインプロファイルを算出する。ラインプロファイルの算出は、制御部２０のプロファイル作成部２１がＳＥＭ画像データのうちの輝度情報を抽出して行う。
　次に、ステップＳ２４において、ステップＳ２３で算出したラインプロファイルを１次微分してエッジ幅及びエッジ位置を算出する。このエッジ幅及びエッジ位置を仮エッジ幅及び仮エッジ位置とする。１次微分処理は線幅測定部２４で行い、例えば、一般的な画像処理で使用されるソーベルフィルタなどの微分フィルタを用いて行う。１次微分した結果、信号量の最大値及び最小値をとる位置を仮線幅として記録する。また、エッジ部分に対応して信号量の極大値及び極小値をとる位置を仮エッジ位置として記録する。
　次のステップＳ２５では、パターンのエッジ部分の幅が補正の必要な補正対象範囲か否かを判定する。エッジ部分の幅はラインプロファイルを微分した微分プロファイルの最大値と最小値とからその間隔を算出する。対応テーブルを参照して算出されたエッジ幅に対するビーム幅の値が存在すれば、補正対象範囲であると判定する。補正対象範囲であると判定されたときは、ステップＳ２６に移行し、補正対象範囲でないと判定されたときは、ステップＳ２８に移行する。
　次のステップＳ２６では、エッジ位置を補正する。エッジ位置の補正は、対応テーブルを参照して、算出された仮エッジ幅に対する補正値を求める。この補正値を測長値のエッジ位置に加算することによって、ビーム幅の影響のない正確なエッジ位置に補正する。
　次のステップＳ２７では、補正した一対のエッジ位置を用いて線幅を算出する。
　一方、ステップＳ２８では、測長した仮エッジ幅及び仮エッジ位置を補正する必要がないため、これらの値を使って測長値を算出するとする。
　次に、ステップＳ２９では、測長エリアの全領域について、仮エッジ幅、仮エッジ位置を算出して測長値を補正する。すなわち、全領域についてこれらの値を算出するまで、ステップＳ２３からステップＳ２８までを繰り返し実行する。
　以上説明したように、本実施形態のパターン測定装置及びパターン測定方法では、試料上にエッジ部分が直角に形成されたパターンに荷電粒子ビームを走査してパターンのラインプロファイルを作成し、このラインプロファイルから基準ビームの強度分布を作成している。この基準ビームの強度分布を用いて各種の傾斜角度のエッジを含むパターンモデルに対してシミュレーションを行い作成したラインプロファイルからエッジ幅を算出することで、基準ビーム幅の影響を含んだエッジ幅を算出している。
　シミュレーションしたエッジ幅とパターンモデルからエッジ位置に対する補正値を算出して、エッジ幅と算出された補正値とを対応付けた対応テーブルを作成し、この対応テーブルを利用して測定値を補正することにより、実際に測定された線幅においてエッジ部分の幅が狭く誤差を含む場合であっても正確に測長することが可能となる。
　また、パターンモデルのエッジ幅とシミュレーションしたエッジ幅を対応付けたテーブルを利用することにより、エッジ部分の傾斜角度を正確に算出することが可能となる。
　なお、本実施形態では、試料を照射する荷電粒子ビームとして電子ビームを使用した場合について説明したが、これに限らず、例えばイオンビームを使用する装置にも適用可能である。
                                                                                

Claims (10)

  1. 　試料上にエッジ部分が水平面と直角に形成された基準パターンに荷電粒子ビームを走査して基準パターンのラインプロファイルを作成し、当該荷電粒子ビームを基準ビームとした基準ビーム強度分布を作成するビーム強度分布作成部と、
    　各種傾斜角度に形成されたエッジを含むパターンのモデルに対して前記基準ビームの強度分布を用いてラインプロファイルを求めて前記基準ビームの幅の影響を含んだエッジ幅を算出するエッジ幅検出部と、
    　当該算出したエッジ幅と当該パターンのモデルからエッジ位置に対する補正値を算出し、当該エッジ幅と補正値とを関連付けた対応テーブルを作成する対応テーブル作成部と、
    を備えることを特徴とするパターン測定装置。
  2. 　前記基準ビーム強度分布は、前記基準パターンの立ち上がり点における強度分布のうちの前記基準パターンが形成されていない側の分布と、立下り点における強度分布のうちの前記基準パターンが形成されていない側の分布とを合成して作成することを特徴とする請求項１に記載のパターン測定装置。
  3. 　前記各種傾斜角度に形成されたエッジを含むパターンのモデルに対するラインプロファイルは、前記基準ビーム強度分布の電子ビームを照射しながら走査したと仮定したときの前記基準ビームとエッジ部分との重なりに応じた量を算出して作成したエッジ部分のラインプロファイルと、前記基準パターンのラインプロファイルとを合成して作成することを特徴とする請求項２に記載のパターン測定装置。
  4. 　さらに、パターンの線幅を測定する線幅測定部を備え、
    　前記線幅測定部は、試料上に形成されたパターンのエッジ幅及びエッジ位置を測定し仮エッジ幅及び仮エッジ位置とし、前記対応テーブルを参照して前記仮エッジ位置に対する補正値を検出して当該補正値を用いて前記仮エッジ位置を補正し、前記パターンの線幅を算出することを特徴とする請求項３に記載のパターン測定装置。
  5. 　さらに、前記対応テーブル作成部は、前記パターンのモデルのエッジ幅と、前記エッジ幅検出部で算出したエッジ幅とを対応付けたエッジ幅対応テーブルを作成し、
    　前記線幅測定部は、前記仮エッジ幅に対して前記エッジ幅対応テーブルから求めた真のエッジ幅と、前記パターンの高さとから、前記パターンのエッジの傾斜角度を算出することを特徴とする請求項４に記載のパターン測定装置。
  6. 　試料上にエッジ部分が水平面と直角に形成された基準パターンに荷電粒子ビームを走査して基準パターンのラインプロファイルを作成するステップと、
    　前記ラインプロファイルを基に、当該荷電粒子ビームを基準ビームとした基準ビーム強度分布を作成するステップと、
    　前記基準ビーム強度分布を基に、各種傾斜角度に形成されたエッジを含むパターンのモデルに対してラインプロファイルを作成するステップと、
    　当該ラインプロファイルを微分して微分プロファイルを作成するステップと、
    　当該微分プロファイルから前記基準ビームの幅の影響を含んだエッジ幅を算出するステップと、
    　当該算出したエッジ幅と当該パターンのモデルからエッジ位置に対する補正値を算出し、当該エッジ幅と補正値とを関連付けた対応テーブルを作成するステップと、
    を有することを特徴とするパターン測定方法。
  7. 　前記基準ビーム強度分布を作成するステップは、
    　前記基準パターンの立ち上がり点における強度分布のうちの前記基準パターンが形成されていない側の分布と、立下り点における強度分布のうちの前記基準パターンが形成されていない側の分布とを合成して作成するステップであることを特徴とする請求項６に記載のパターン測定方法。
  8. 　前記各種傾斜角度に形成されたエッジを含むパターンのモデルに対するラインプロファイルは、前記基準ビーム強度分布の電子ビームを照射しながら走査したと仮定したときの前記基準ビームとエッジ部分との重なりに応じた量を算出して作成したエッジ部分のラインプロファイルと、前記基準パターンのラインプロファイルとを合成して作成することを特徴とする請求項７に記載のパターン測定方法。
  9. 　さらに、試料上に形成されたパターンのエッジ幅及びエッジ位置を測定し仮エッジ幅及び仮エッジ位置とするステップと、
    　前記対応テーブルを参照して前記仮エッジ位置に対する補正値を検出するステップと、
    　前記補正値を用いて前記仮エッジ位置を補正し、前記パターンの線幅を算出するステップと、
    を有することを特徴とする請求項８に記載のパターン測定方法。
  10. 　さらに、前記パターンのモデルのエッジ幅と、前記エッジ幅検出部で算出したエッジ幅とを対応付けたエッジ幅対応テーブルを作成するステップと、
    　前記エッジ幅対応テーブルを参照して前記仮エッジ幅に対する真のエッジ幅を検出するステップと、
    　前記パターンの高さと前記真のエッジ幅から、前記パターンのエッジの傾斜角度を算出するステップと、
    を有することを特徴とする請求項８に記載のパターン測定方法。
                                                                                    
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