WO2010087149A1 - 荷電粒子線装置 - Google Patents

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宮本敦
岩▲崎▼真由香
西浦朋史
上瀧剛
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Definitions

  • the present invention relates to a charged particle beam apparatus for measuring minute dimensions, and more particularly to an apparatus for measuring pattern dimensions of a semiconductor device.
  • FIG. 2 shows the principle of the length measurement SEM.
  • the primary electron beam emitted from the electron gun 010 is narrowed down by a converging lens 011 and scanned on the sample two-dimensionally by a deflector 012 (scanning coil).
  • the control device 015 By irradiating an electron beam focused on the surface of the sample 020 with the objective lens 013, secondary electrons generated from the sample 020 are captured by the detector 014, whereby an electron beam image is obtained. Since more secondary electrons are generated at the pattern edge portion, the electron beam image is a bright image at the portion corresponding to the pattern edge. A series of operations is performed by the control device 015.
  • the magnification of the scanned image can be arbitrarily changed by the ratio of the scanning width on the CRT (constant) and the scanning width of the electron beam on the sample (variable).
  • the magnification of SEM is M and the pattern dimension on the screen is l
  • the actual dimension S is expressed by l / M.
  • the length measuring SEM a place where the dimension is measured is designated by the scanning image, and the dimension is measured by calculating from the magnification using the signal waveform of the portion.
  • the “threshold method” which is a representative method, is shown in FIG.
  • the portions with large signal amounts corresponding to the left and right pattern edges are referred to as a left white band (left WB) and a right white band (right WB), respectively.
  • the threshold method the Max value and the Min value are calculated for each of the left and right WBs, the threshold value is calculated from these values, the position where the signal waveform crosses the threshold value is detected as the edge position, and the distance between the left and right edges is The dimension (CD value) is used. Note that the threshold value in FIG. 3 can be arbitrarily determined by the user.
  • Fig. 4 shows a general automatic dimension measurement sequence.
  • a wafer is carried in (step 101), the stage is moved to the vicinity of the dimension measurement position (step 102), and an image is taken at a low magnification of about 10,000 times (step 103).
  • the exact position of the dimension measurement location is obtained by pattern recognition using the registered image as a template (step 104).
  • step 105 By limiting the scanning range of the primary electron beam to a narrower range centered on the obtained position (step 105), a high-magnification image of about 150,000 times is captured (step 106), and the dimensions are measured (step 108). .
  • image shift The above operation of changing the image capturing position by changing the scanning position of the primary electron beam without moving the stage is called image shift. Without taking a high-magnification image from the beginning, taking a low-magnification image and then taking a high-magnification image by image shift generally includes the measurement target pattern in the high-magnification image due to insufficient stage stop accuracy. Because it is difficult.
  • > 0) is compared with the dimension measurement value (FIG. 5C) obtained from the line pattern image, the position II has a larger beam diameter. The measured value increases. As described above, since the stage stop position varies within a certain accuracy, the image shift amount fluctuates accordingly, which leads to fluctuations in dimension measurement values.
  • An object of the present invention is to provide a charged particle beam apparatus having a function of preventing a reduction in measurement reproducibility caused by an increase in beam diameter caused by an image shift and dealing with occurrence of machine differences.
  • the present invention scans a primary charged particle beam converged on a sample, detects a secondary charged particle emitted from the sample, and uses a line profile obtained by the pattern on the sample.
  • a charged particle beam apparatus for measuring dimensions means for creating and storing a look-up table that correlates an image shift position and a beam diameter change of a primary charged particle beam, means for storing an image shift position when a line profile is acquired, By means of applying the stored image shift position to the lookup table, there is provided means for calculating the beam diameter change at the time of acquiring the line profile, and means for reflecting the calculated beam diameter change in the dimension measurement processing. Is.
  • the reduction in measurement reproducibility and the machine difference caused by the change in the beam diameter are improved.
  • the present invention is applicable to various types of charged particle beam devices (SEM, FIB (Focused Ion Beam), etc.), but in the following examples, description will be made on SEM as a representative.
  • FIG. 1 shows a flow of dimension measurement in the charged particle beam apparatus according to the present invention.
  • Each step of wafer loading (step 101), stage movement (step 102), low-magnification imaging (step 103), pattern recognition (step 104), image shift (step 105), and high-magnification imaging (step 106) is a background art. As described in.
  • the image shift position (dx, dy) at the time of taking a high-magnification image is stored (step 301), and the correspondence between the image shift position and the correction coefficient of the image or profile is described according to the stored image shift position.
  • the image or profile is corrected with reference to the look-up table (step 302). Then, dimension measurement is performed using the corrected image or profile (step 107).
  • FIG. 6 shows a flow for creating the lookup table used in step 302.
  • the look-up table describes the correspondence between the image shift position and the image or profile correction coefficient based on the measured value of the image shift vs. beam diameter change measured using a dedicated wafer.
  • a wafer having a pattern in which the same cross-sectional shape is continuous as shown in FIG. 7A is suitable.
  • images are taken without image shift (image shift position I) and with image shift (image shift position II), and the difference in the gradient of the line profile between these images is quantified.
  • the difference in the beam diameter is obtained by the method (described later).
  • the above quantified result includes not only the difference in the beam diameter but also the difference in the cross-sectional shape of the pattern. Therefore, it is desirable that the cross-sectional shape of the pattern, particularly the taper angle, be uniform.
  • FIG. 8A material A and material B are alternately formed and cut out (FIG. 8 ( b)), a pattern formed by a method in which only the material A is selectively etched (FIG. 8C) and mounted on the wafer is suitable.
  • the pattern formed by this method has a small line edge roughness, and the taper angle of the pattern edge is constant (vertical) everywhere.
  • a pattern having the same taper angle may be formed by using a single crystal wafer and performing selective etching according to the crystal plane. In the case of a Si wafer, if a wafer having a surface of 110 is used, a pattern having a vertical taper can be formed.
  • FIG. 9 shows a case where the pattern is used at four places (410 to 413). Contamination adheres to the location once imaged, so it is necessary to prevent the usage locations from overlapping each other as shown in FIG.
  • the dedicated wafer is carried in (step 201), and imaging conditions such as acceleration voltage and beam opening angle are designated (step 202).
  • the stage is moved to the image capturing location (step 203), an image is captured at a low magnification (step 204), the arrangement of line patterns is obtained by pattern recognition, and N image shift positions are calculated (step 205).
  • N 49 (7 ⁇ 7).
  • the image shift is performed based on the calculation result (step 206), and the acquisition of the high-magnification image (step 207) is repeated.
  • a feature amount is obtained from the line profile in each image (step 208).
  • a line profile 002 is a cross-sectional waveform of the electron beam image 001.
  • line addition is performed in the j direction, and a line profile 003 after N line addition in which noise is sufficiently reduced is obtained.
  • FIG. 10B is an enlarged view of the left white band (WB) portion of the line profile 003.
  • the relationship between the beam diameter and the gradient of the line profile is that the smaller the beam diameter is, the larger the gradient of the line profile is. Therefore, (a) the average gradient between i1 and i2, (b) The maximum gradient between i1 and i2 is considered.
  • (c) the WB width (i3-i1) and (d) the outer WB width (i2-i1) may be used. In the case of (c) and (d), on the contrary to (a) and (b), the smaller the beam diameter, the smaller the feature value.
  • the feature amount obtained in each image is converted into a correction coefficient used in step 303 in FIG.
  • N feature quantities are compared to determine where the beam diameter is maximum within the image shift range. That is, the image shift position that minimizes the feature amount is used when the feature amounts (a) to (b) are used, and the feature amount is displayed when the feature amounts (c) to (d) are used. Find the maximum image shift position.
  • FIG. 11A A specific method for calculating the correction coefficient is shown in FIG.
  • a feature amount calculated from a line profile prof max of an image img max captured at an image shift position where the beam diameter is maximum is assumed to be f max .
  • the line profile prof n image img n captured by the respective image shift positions, as in FIG. 11 (b), calculates a characteristic quantity convolution Gaussian function of various ⁇ values. Since the large ⁇ value is the same as the large beam diameter, as the ⁇ value increases, the feature values (a) to (b) become smaller and the feature values (c) to (d) become larger. Become.
  • FIG. 11C shows the relationship between the ⁇ value and the feature amount when the feature amounts (c) to (d) are used. Correction factors of image shift positions where the image img n is imaged, sigma ans in FIG 11 (c) (unit nm) the value of. The value of the correction coefficient obtained in this way is 0 (nm) at the position where the beam diameter is maximum, and becomes larger as the position where the beam diameter is smaller.
  • the profile prof n is measured at a predetermined image shift position.
  • Various correction amounts ⁇ are convolved with the profile prof n to calculate the feature amount f in each case.
  • FIG. 11C shows the relationship of changes in the feature amount when the correction amount ⁇ is changed at a predetermined position.
  • the correction amount ⁇ ans that has been examined in advance and becomes the same feature amount as the feature amount f max at the position where the beam diameter is maximum is the correction amount at the predetermined position. That is, the graph of FIG. 11C needs to be created for all measurement positions.
  • the correction factor is the case where the considered beam intensity distribution with a Gaussian function, img beam diameter of n at a position of the captured bw n and img square root of the square difference of the beam diameter bw max of max at the position of the captured ((bw max 2 -bw n 2 ) 1/2 ). It is a function of only bw max and bw n , and the value does not change even if any of (a) to (d) is used as the feature quantity or depending on the wafer to be used.
  • FIG. 12 shows the structure of the lookup table.
  • correction coefficients are registered at each image shift position (crossing position of the broken line in FIG. 12A) within a range of ⁇ 18 microns at intervals of 6 microns vertically and horizontally.
  • the tendency of the beam diameter change due to image shift differs depending on the imaging conditions such as acceleration voltage and beam opening angle, so a lookup table is created and registered for each imaging condition.
  • the charged particle beam apparatus has a function of displaying a lookup table (step 211 in FIG. 6).
  • a desired lookup table is selected from the list of lookup tables registered at that time (FIG. 13A)
  • the relationship between the image shift position and the correction coefficient is displayed (FIG. 13B).
  • the acceleration voltage is the anode voltage of the electron microscope
  • the mode is the electron beam focusing mode. That is, mode H is a high resolution mode, and L is a low resolution mode.
  • FIG. 13B shows the relationship between the image shift position and the correction coefficient expressed by contour lines.
  • the display of the look-up table can be used not only for checking the contents of the look-up table but also for determining the necessity of readjustment of the optical system. That is, if the correction coefficient exceeds a specified value within a predetermined image shift range, it is determined that the optical system needs to be readjusted.
  • the coordinate system of the beam deflection system may be shifted so that they match.
  • the lookup table is referred to according to the image shift position (dx, dy) stored in step 301 (step 302). As shown in FIG. 12, since the correction coefficients at the discrete image shift positions are registered in the look-up table, the correction coefficients at (dx, dy) are corrections at the image shift positions at four neighboring positions. Find the coefficients by interpolation.
  • Fig. 14 shows how to correct the profile.
  • the profile correction is realized by convolving a Gaussian function of the ⁇ value registered in the lookup table in accordance with each image shift position.
  • the line profile before correction is smaller in II, and the dimension measurement value of II is I. It becomes larger than the dimension measurement value.
  • the line profile after convolution is the same, and therefore the dimension measurement values are also equal.
  • the convolution of the Gaussian function may be performed on the line profile after once generating the line profile, or the line profile may be generated after convolution of the Gaussian function on the image.
  • the present invention since the dimension measurement results are equal regardless of the image shift position, the variation in the dimension measurement value caused by the stage stop position error, which has been a problem in the conventional apparatus, is improved, and the measurement reproducibility is improved. .
  • a correction coefficient for correcting a profile or an image is obtained.
  • a change amount of a dimension measurement value at each image shift position is checked in advance, and the result is looked up. You may make it register to a table.
  • FIG. 15 shows the structure of the lookup table. What is described in the lookup table is an offset value that adjusts the dimension measurement result.
  • the lookup table in the first embodiment is registered for each imaging condition, the amount of change in the dimension measurement value varies depending on the measurement target pattern, so the imaging condition (acceleration voltage, beam opening angle, etc.) Each measurement target pattern needs to be registered, but this embodiment is effective when the number of measurement target pattern types is small.
  • the relationship between the image shift position and the beam diameter change is obtained by actual measurement in the flow shown in FIG. 6, but the beam diameter at each image shift position is obtained by calculation using an electron optical system simulator.
  • the result may be converted into a correction coefficient and registered in the lookup table.
  • This calculation result is registered in a lookup table as shown in FIG. 12 as in the first embodiment, and a profile or image is obtained by the method shown in FIG. 14B as in the first embodiment. Perform the correction.
  • the relationship between the image shift position and the beam diameter change is obtained using a vertical line pattern, and the ⁇ value of a one-dimensional Gaussian function is used as a correction coefficient.
  • ⁇ shown in FIG. 16 A two-dimensional Gaussian function expressed by three parameters of the major axis a of the value, the minor axis b of the ⁇ value, and the angle ⁇ is used.
  • a, b, and ⁇ are obtained as follows. (1) The flow shown in FIG. 6 is performed in vertical, horizontal, and diagonal patterns, and correction coefficients ⁇ 0 , ⁇ ⁇ / 2 , and ⁇ ⁇ / 4 are obtained respectively (see FIG. 16). (2) The unknowns a, b, and ⁇ are obtained by solving the simultaneous equations in FIG. Note that ⁇ / 2 in the second equation is the pattern direction of the horizontal pattern, and ⁇ / 4 in the third equation is the pattern direction of the oblique pattern. Although it is difficult to solve these simultaneous equations analytically, a, b, and ⁇ can be uniquely obtained by numerical calculation.
  • one correction coefficient is registered for each image shift position (see FIG. 12).
  • three correction coefficients a, b, and ⁇ are registered.
  • a correction coefficient consisting of is registered.
  • the correction process in step 303 in FIG. 1 is performed by (1) convolving a two-dimensional Gaussian function expressed by a, b, ⁇ with respect to the image, or (2) in the direction ⁇ with respect to the line profile. Accordingly, it is realized by convolving a one-dimensional Gaussian function having the ⁇ value calculated in FIG.
  • the present embodiment it is possible to cope with a case where the beam diameter change due to the image shift is not isotropic, for example, a case where the change tendency of the beam diameter is different between the horizontal direction and the vertical direction. .
  • the vertical line pattern is the measurement target
  • the measurement target is a hole pattern measurement or a pattern in which various directions are mixed. It is valid.
  • the correction coefficient is obtained by quantifying the change in the gradient of the line profile caused by the change in the beam diameter.
  • the correction coefficient is obtained by the method shown in FIG.
  • a secondary electron signal waveform 430 at a beam diameter of zero is obtained by Monte Carlo simulation, and from this and a line profile 431 obtained from an actual SEM image, when the Gaussian function 432 is convoluted to 430, 431 is the most. Find the ⁇ value of the Gaussian function that matches.
  • This calculation result is registered in a lookup table as shown in FIG. 12 as in the first embodiment, and a profile or image is obtained by the method shown in FIG. 14B as in the first embodiment. Perform the correction.
  • FIG. 19 is a diagram in which a corner R and an inclination of a step are estimated based on a beam profile using a library created in advance.
  • a library of beam profiles and correction amounts is created for each image shift position, and the correction amount is determined by referring to the library.
  • a continuous line pattern as shown in FIG. 7 is used.
  • one pattern edge is used to move the stage ⁇ on one pattern edge.
  • Image capture at multiple locations (FIG. 20 (a))
  • stage movement ⁇ image capture at multiple locations on one pattern edge (FIG. 20 (b)) ⁇ ...
  • An image at a position is taken.
  • the overall flow is shown in FIG.
  • the flow of FIG. 21 is the same as the flow described in FIG. 6 except that the stage is moved every time one pattern edge is measured.
  • the obtained data set cannot be a uniform pitch within the image shift range as in the first embodiment, and is indicated by a circle in FIG. Thus, the data becomes non-uniform pitch.
  • the data is converted into uniform pitch data as shown in FIG.
  • the registered lookup table is used in the same manner as in the first embodiment.
  • the difference in the cross-sectional shape of the pattern depending on the location becomes an error factor when obtaining the relationship between the image shift position and the beam diameter.
  • This embodiment has the demerit that the time required for creating the lookup table increases because the stage needs to be moved, but has the advantage that the above error factors are reduced.
  • the dimensional measurement value differs depending on the image shift position in one device.
  • the difference between the devices that is, the dimensional measurement value between the devices is different. Address the differences.
  • the sequence 200 shown in FIG. 6 or FIG. 21 is performed in each apparatus to find the maximum value of the beam diameter at all image shift positions of all apparatuses.
  • a correction coefficient is set so that the line profile at all image shift positions is equal.
  • Electron beam image 002 ... Line profile, 003 ... Line profile after N line addition, 010 ... Electron gun, 011 ... Focusing lens, 012 ... Deflector, 013 ... Objective lens, 014 ... Detector, 015 ... Control device 020 ... Sample.

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Abstract

イメージシフトよって生じるビーム径の増大が引き起こす計測再現性の低下を防止し，機差の発生に対処する機能を有する荷電粒子線装置を提供する。 試料上に収束した一次荷電粒子線を走査して，試料から放出される二次荷電粒子を検出して得られるラインプロファイルを用いて試料上のパターン寸法を計測する荷電粒子線装置において，予めイメージシフト位置とビーム径変化を関連づけるルックアップテーブルを実測あるいは計算により求めて登録しておき，寸法計測時には，ルックアップテーブルを参照してラインプロファイルに対してビーム径変化分を補償するような画像処理を施すことで，イメージシフト位置によらず，実効的にビーム径が等しい状況を作り出す。これによって再現性の優れた荷電粒子線測定を行うことが出来る。

Description

荷電粒子線装置
本発明は微少な寸法を計測するための荷電粒子線装置，特に，半導体デバイスのパターン寸法を計測する装置に関する。
　非特許文献１に述べられているように，半導体製造工程でのパターン寸法管理には，走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を半導体専用に特化した測長ＳＥＭが用いられている。図２に測長ＳＥＭの原理を示す。電子銃０１０から放出された一次電子ビームは収束レンズ０１１で細く絞られ，偏向器０１２（走査コイル）により試料上を２次元的に走査される。
　対物レンズ０１３によって試料０２０の表面に焦点を合わせた電子ビームを照射することによって試料０２０から発生した二次電子を検出器０１４で捕らえることで，電子線像が得られる。二次電子はパターンエッジ部でより多く発生するため，電子線像は，パターンエッジに相当する部分が明るい画像となる。１連の動作は制御装置０１５によって行なわれる。
　走査像の倍率は，ＣＲＴ上の走査幅（一定）と，試料上の電子ビームの走査幅（可変）の比で任意に変えられる。図２において、ＳＥＭの倍率をＭ、画面上のパターン寸法をｌ、とした場合、実際の寸法Ｓはｌ／Ｍで現される。測長ＳＥＭでは走査像で寸法を計測する場所を指定し，その部分の信号波形を用いて倍率より演算して寸法を測定する。
　信号波形を用いた自動寸法計測方法は種々の方法が提案されているが，代表的な方法である「しきい値法」を図３に示す。前述のように，二次電子はパターンエッジ部でより多く発生する。左右のパターンエッジに相当する信号量が大きい部分を，それぞれ左ホワイトバンド（左ＷＢ），右ホワイトバンド（右ＷＢ）と記すことにする。しきい値法は，左右ＷＢそれぞれで，Ｍａｘ値，Ｍｉｎ値を求め，これらからしきい値を算出し，しきい値を信号波形が横切るポジションをエッジ位置として検出し，左右エッジ間の距離を寸法（ＣＤ値）とするものである。なお、図３におけるしきい値はユーザーが任意に決めることが出来る。
　図４に一般的な自動寸法計測のシーケンスを示す。ウェーハを搬入し（ステップ１０１），寸法計測箇所付近にステージを移動し（ステップ１０２），10000倍程度の低倍で画像を撮像する（ステップ１０３）。登録画像をテンプレートとするパターン認識により，寸法計測箇所の正確な位置を求める（ステップ１０４）。求めた位置を中心とするより狭い範囲に一次電子ビームの走査範囲を限定することにより（ステップ１０５），150000倍程度の高倍の画像を撮像し（ステップ１０６），寸法を計測する（ステップ１０８）。
　ステージ移動を行わず，一次電子ビームの走査位置を変えることで画像撮像位置を変更する上記の動作をイメージシフトと呼ぶことにする。最初から高倍の画像を撮像せずに，低倍の画像を撮像した後にイメージシフトにより高倍の画像を撮像するのは，一般に，ステージの停止精度の不足から，高倍画像内に計測対象パターンを含めるのが困難だからである。
　半導体パターンの微細化により，測長ＳＥＭの計測精度に対する要求は年々厳しさを増しており，従来からの装置単体の計測再現性に対する要求に加え，その処理能力と半導体生産量との関係から複数台の装置が併用されることが多いことから，装置間の計測寸法差（機差）低減も重要な課題となっている。
社団法人　日本半導体製造装置協会（ＳＥＡＪ）　平成15年度半導体製造装置技術ロードマップに関する調査研究報告書　第５編　計測
　上記，背景技術ではイメージシフトを行って高倍画像を取得しているが，一般的な電子光学系の特性として，イメージシフト量が大きいほど分解能は低下する。これは，イメージシフトを行うことによって収差が発生し，実効的なビーム径が増大するためである。
　図５において，ｘ方向のイメージシフトをｄｘ，ｙ方向のイメージシフトをｄｙとすると，位置Ｉ（ｄｘ＝ｄｙ＝０）で撮像されたラインパターン像による寸法計測値（図５（ｂ））と，位置II（｜ｄｘ｜＞０，｜ｄｙ｜＞０）で撮像されたラインパターン像による寸法計測値（図５（ｃ））を比較すると，位置IIの方がビーム径が大きいため，寸法計測値が大きくなる。前述のように，ステージの停止位置は一定精度内でばらつくため，それに伴ってイメージシフト量が変動し，それが，寸法計測値の変動を招く。
　同じ対象物を複数回計測した場合，イメージシフト量が毎回変化すれば，寸法計測値が毎回変化するため，計測再現性が低下する。また，イメージシフトに伴うビーム径の増大の仕方に装置間差があれば，機差（寸法計測値の装置間差）の要因ともなりうる。
　本発明の目的は，イメージシフトよって生じるビーム径の増大が引き起こす計測再現性の低下を防止し，機差の発生に対処する機能を有する荷電粒子線装置を提供することにある。
　上記の目的を達成するため，本発明は，試料上に収束した一次荷電粒子線を走査して，試料から放出される二次荷電粒子を検出して得られるラインプロファイルを用いて試料上のパターン寸法を計測する荷電粒子線装置において，イメージシフト位置と一次荷電粒子線のビーム径変化を関連づけるルックアップテーブルを作成し保有する手段と，ラインプロファイル取得時のイメージシフト位置を記憶する手段と，該記憶されたイメージシフト位置を前記ルックアップテーブルに当てはめることによりラインプロファイル取得時のビーム径変化を算出する手段と，該算出されたビーム径変化を寸法計測処理に反映する手段，を有するようにしたものである。
本発明によれば，イメージシフトによって生じるビーム径の変化が補償されるため，ビーム径の変化によって生じていた計測再現性の低下，機差が改善される。
本発明の第１の実施の形態を説明するフロー図。 本説明にかかる荷電粒子線装置の説明図。 従来の技術の説明図。 従来の技術の説明図。 本発明の第１の実施の形態の説明図。 本発明の第１の実施の形態を説明するフロー図。 本発明の第１の実施の形態の説明図。 本発明の第１の実施の形態の説明図。 本発明の第１の実施の形態の説明図。 本発明の第２の実施の形態を説明するフロー図。 本発明の第１の実施の形態の説明図。 本発明の第１の実施の形態の説明図。 本発明の第１の実施の形態の説明図。 本発明の第１の実施の形態を説明するフロー図。 本発明の第２の実施の形態の説明図。 本発明の第４の実施の形態の説明図。 本発明の第４の実施の形態の説明図。 本発明の第５の実施の形態の説明図。 本発明の第５の実施の形態の説明図。 本発明の第６の実施の形態を説明するフロー図。 本発明の第６の実施の形態の処理フローを示す図。 本発明の第６の実施の形態の説明図。 本発明の第７の実施の形態の説明図。
　　本発明は，各種の荷電粒子線装置（ＳＥＭ，ＦＩＢ（Ｆｏｃｕｓｅｄ　Ｉｏｎ　Ｂｅａｍ）等）に適用可能であるが，以下の実施例では代表としてＳＥＭを対象に説明する。
　本発明に係る荷電粒子線装置における寸法計測のフローを図１に示す。ウェーハ搬入（ステップ１０１），ステージ移動（ステップ１０２），低倍画像撮像（ステップ１０３），パターン認識（ステップ１０４），イメージシフト（ステップ１０５），高倍画像撮像（ステップ１０６）の各ステップは背景技術で述べた通りである。
　本発明においては，高倍画像撮像時のイメージシフト位置（ｄｘ，ｄｙ）を記憶し（ステップ３０１），記憶したイメージシフト位置に応じて，イメージシフト位置と画像ないしプロファイルの補正係数の対応関係が記載されたルックアップテーブルを参照して（ステップ３０２），画像ないしプロファイルの補正を行う（ステップ３０３）。そして，補正済みの画像あるいはプロファイルを用いて，寸法計測を行う（ステップ１０７）。
　以下，ステップ３０２で用いるルックアップテーブルの作成方法，及び，ステップ３０３の補正方法について詳述する。ステップ３０２で用いるルックアップテーブル作成のフローを図６に示す。ルックアップテーブルには，専用のウェーハを用いて計測したイメージシフトｖｓビーム径変化の実測値に基づく，イメージシフト位置と画像ないしプロファイルの補正係数の対応関係が記載されている。
　専用ウェーハとしては，図７（ａ）に示したような，同一の断面形状が連続しているようなパターンを有するものが適している。図７（ｂ）に示すように，イメージシフトなし（イメージシフト位置Ｉ）及び，イメージシフトあり（イメージシフト位置II）にて画像を撮像し，これらの画像間のラインプロファイルの勾配の違いを定量化することで（方法は後述）ビーム径の違いを求める。
　この際，イメージシフト位置ＩとIIとで，パターンの断面形状に違いがあると，上記の定量化された結果には，ビーム径の違いだけでなく，パターンの断面形状の違いの要素が含まれてしまうため，パターンの断面形状，特にテーパ角は均一であることが望ましい。
　通常のリソグラフィ工程によりパターンを形成すると，ラインエッジラフネスの発生が避けられないため，例えば，図８（ａ）のように材質Ａと材質Ｂを交互に成膜し，これを切り出し（図８（ｂ）），材質Ａのみを選択的にエッチングし（図８（ｃ）），これをウェーハ上にマウントするという方法にて形成されたパターンが適している。
　この方法で形成されたパターンは，ラインエッジラフネスが小さい上，パターンエッジのテーパ角がどこでも一定（鉛直）となる。あるいは，単結晶ウェーハを用い，結晶面に従った選択的エッチングを行うことで，テーパ角が等しいパターンを形成してもよい。Ｓｉウェーハの場合，１１０面を表面とするウェーハを用いれば，鉛直なテーパを持つパターンの形成が可能である。
　また，より厳密に，パターンの断面形状の違いの影響を排除するには，パターンの使用箇所をずらして，多数箇所で画像を撮像し，それぞれで得られた定量化の結果の平均値を用いることが有効である。例えば，図９はパターンの使用箇所を４箇所（４１０～４１３）とした場合である。一旦撮像した箇所にはコンタミが付着するため，図９のように使用箇所は互いに重なり合わないようにする必要がある。
　図６に戻って，ルックアップテーブル作成のフローを説明する。上記の専用ウェーハを搬入し（ステップ２０１），加速電圧やビーム開き角などの撮像条件を指定する（ステップ２０２）。画像撮像箇所にステージを移動し（ステップ２０３），低倍で画像を撮像し（ステップ２０４），パターン認識により，ラインパターンの配置を求め，Ｎ個のイメージシフト位置を算出する（ステップ２０５）。
　例えば，横方向に±３箇所，縦方向に±３箇所のイメージシフト位置にて画像を撮像するならば，Ｎは４９個（横７×縦７）である。算出結果に基づきイメージシフトを行い（ステップ２０６），高倍画像を取得（ステップ２０７）することを繰り返す。画像撮像の終了後，各画像にてラインプロファイルから特徴量を求める（ステップ２０８）。
　特徴量の算出方法を図１０にて説明する。ラインプロファイル００２は，電子線画像００１の断面波形である。ノイズを低減のため，ｊ方向にライン加算を行い，ノイズが十分に低減されたＮライン加算後のラインプロファイル００３を求める。図１０（ｂ）は，ラインプロファイル００３の左側ホワイトバンド（ＷＢ）部を拡大したものである。
　ビーム径とラインプロファイルの勾配との間には，ビーム径が小さいほど，ラインプロファイルの勾配が大きいという関係があるので，特徴量としては，（ａ）i1とi2間の平均勾配，（ｂ）i1とi2間の最大勾配が考えられる。あるいは，ＷＢ部の勾配が変化すると，結果的にＷＢ幅が変化するので，（ｃ）ＷＢ幅（i3-i1），（ｄ）外側ＷＢ幅（i2-i1）を用いてもよい。（ｃ）（ｄ）の場合は，（ａ）（ｂ）とは逆に，ビーム径が小さいほど，特徴量の値は小さくなる。
　図６の次ステップ２０９では，各画像で求めた特徴量を，図１のステップ３０３で用いる補正係数に変換する。このため，まず始めに，Ｎ個の特徴量を比較し，イメージシフト範囲内のどこでビーム径が最大であるかを調べる。すなわち，特徴量（ａ）ないし（ｂ）を使用している場合には特徴量が最小となるイメージシフト位置を，特徴量（ｃ）ないし（ｄ）を使用している場合には特徴量が最大となるイメージシフト位置を求める。
　補正係数の具体的な算出方法を図１１に示す。図１１（ａ）のように，ビーム径が最大となるイメージシフト位置で撮像された画像ｉｍｇmaxのラインプロファイルprofmaxから算出された特徴量をｆmaxとする。各イメージシフト位置で撮像された画像ｉｍｇnのラインプロファイルprofnに対して，図１１（ｂ）のように，様々なσ値のガウス関数を畳み込み特徴量を求める。σ値が大きいのは，ビーム径が大きいことと同様なので，σ値の増加によって，特徴量（ａ）ないし（ｂ）は値が小さくなり，特徴量（ｃ）ないし（ｄ）は値が大きくなる。
　図１１（ｃ）は特徴量（ｃ）ないし（ｄ）を用いた場合のσ値と特徴量の関係を示している。画像ｉｍｇnが撮像されたイメージシフト位置の補正係数は，図１１（ｃ）のσans（単位はｎｍ）の値とする。このようにして求められる補正係数の値は，ビーム径が最大の位置では0（nm），ビーム径が小さい位置ほど大きな値となる。
　上記の手順を言い換えると、まず、所定のイメージシフト位置において、プロファイルprofnを測定する。このプロファイルprofnに対して種々の補正量σを畳み込んで各場合の特徴量ｆを計算する。図１１（ｃ）は所定の位置において補正量σを変えた場合の特徴量の変化の関係を示すものである。図１１（ｃ）において、あらかじめ調べてある、ビーム径が最大となる位置における特徴量ｆmaxと同じ特徴量になる補正量σansが所定の位置における補正量となる。すなわち、図１１（ｃ）のグラフは測定位置すべてについて作成する必要がある。
　この補正係数は，ビーム強度分布をガウス関数とみなした場合の,ｉｍｇnを撮像した位置でのビーム径bwnとｉｍｇmaxを撮像した位置でのビーム径bwmaxの二乗差の平方根（（bwmax 2- bwn 2）1/2）に他ならない。bwmaxとbwnのみの関数であり，特徴量として（ａ）～（ｄ）のいずれを用いようとも，あるいは，使用するウェーハによっても値は変化しない。
　図６の次ステップ２１０にて，イメージシフト各位置における補正係数を撮像条件と共にルックアップテーブルとして登録する。図１２にルックアップテーブルの構造を示す。この例では，縦横６ミクロン間隔で，±１８ミクロンの範囲の各イメージシフト位置（図１２（ａ）の破線の交差位置）における補正係数が登録されている。イメージシフトに伴うビーム径変化の傾向は，加速電圧やビーム開き角といった撮像条件によって異なるため，ルックアップテーブルは撮像条件ごとに作成し登録する。
　本発明に係る荷電粒子線装置は，ルックアップテーブルを表示する機能を有する（図６ステップ２１１）。その時点で登録されているルックアップテーブルの一覧から，所望のルックアップテーブルを選択すると（図１３（ａ）），イメージシフト位置と補正係数の関係が表示される（図１３（ｂ））。なお、図１３（ａ）のテーブルにおいて、加速電圧は電子顕微鏡の陽極電圧であり、モードは、電子ビームの集束のモードを言う。すなわち、モードＨはＨｉｇｈ　ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎモードであり、ＬはＬｏｗ　ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎモードである。
　図１３（ｂ）はイメージシフト位置と補正係数の関係が等高線で表現されたたものである。ルックアップテーブルの表示は，ルックアップテーブルの内容確認の他，光学系の再調整の要否の判断にも利用可能である。すなわち，所定のイメージシフト範囲内で，補正係数が規定値を超えている場合には，光学系の再調整が必要と判断される。あるいは，図１３（ｂ）のように，イメージシフトゼロがビーム径最小位置と一致していない場合は，これらが一致するよう，ビーム偏向系の座標系をずらしてもよい。
　次に，図１のステップ３０３で行われる，画像ないしプロファイルの補正について説明する。ステップ３０１で記憶したイメージシフト位置（ｄｘ，ｄｙ）に応じて，ルックアップテーブルを参照する（ステップ３０２）。なお，図１２のように，ルックアップテーブルに登録されているのは離散的なイメージシフト位置における補正係数であるため，（ｄｘ，ｄｙ）における補正係数は，近傍４箇所のイメージシフト位置における補正係数を補間して求める。
　プロファイルを補正する方法を図１４に示す。プロファイルの補正は図１４（ｂ）に示すように，それぞれのイメージシフト位置に応じて，ルックアップテーブルに登録されているσ値のガウス関数を畳み込むことにより実現される。
　図１４（ａ）において，イメージシフト位置Ｉにおけるビーム径に比べてイメージシフト位置IIにおけるビーム径が大きい場合，補正前のラインプロファイはIIの方がなまっており，IIの寸法計測値はＩの寸法計測値よりも大きくなる。IIに対してはσ値の小さなガウス関数を，Ｉに対してはσ値の大きなガウス関数を畳み込むという補正が行われることによって，畳み込み後のラインプロファイルは同一となり，従って，寸法計測値も等しくなる。ガウス関数の畳み込みは，上記のように，一旦ラインプロファイルを生成した後にラインプロファイルに対して行ってもよいし，画像に対してガウス関数を畳み込んだ後に，ラインプロファイルを生成してもよい。
　本発明によれば，イメージシフト位置によらず寸法計測結果が等しくなるので，従来の装置で問題となっていた，ステージ停止位置誤差が引き起こす寸法計測値ばらつきが改善され，計測再現性が向上する。
　第１の実施の形態においては，プロファイルあるいは画像を補正する補正係数を求めたが，補正係数の代わりに，各イメージシフト位置における寸法計測値の変化量を予め調べておき，その結果をルックアップテーブルに登録するようにしてもよい。図１５にルックアップテーブルの構造を示す。ルックアップテーブルに記載されているのは，寸法計測結果を加減するオフセット値である。
　上記，第１の実施の形態でのルックアップテーブルが撮像条件ごとの登録であるのに対し，寸法計測値の変化量は計測対象パターンによって異なるため，撮像条件（加速電圧，ビーム開き角など）ごと，計測対象パターンごとに登録しておく必要があるが，計測対象パターン種が少ない場合は本実施の形態は有効である。
　第1の実施の形態においては，イメージシフト位置とビーム径変化の関係を，図６に示すフローにて実測で求めたが，各イメージシフト位置におけるビーム径を電子光学系シミュレータにより計算で求め，その結果を補正係数に変換してルックアップテーブルに登録するようにしてもよい。
　すなわち，本実施例においては、該当イメージシフト位置のビーム径がガウス関数換算でbwn，イメージシフト範囲内での最大ビーム径がガウス関数換算でbwmaxとすると，イメージシフト各位置における補正係数σnをσn＝（bwmax 2- bwn 2）1/2により算出する。この計算結果を，第１の実施の形態と同様に図１２に示したようなルックアップテーブルに登録し，第１の実施の形態と同様に図１４（ｂ）に示す方法で，プロファイルあるいは画像の補正を行う。
　第1の実施の形態においては，縦ラインパターンを用いてイメージシフト位置とビーム径変化の関係を求め，補正係数として１次元のガウス関数のσ値を用いた。本実施の形態においては，図１６に示したような，縦，横，斜め（例えばπ/４＝45°）の３方向のラインパターンを用い，補正係数として図１７（ａ）に示す，σ値の長径ａ，σ値の短径ｂ，角度θの３パラメータで表現される２次元のガウス関数を用いる。
　a,ｂ,θは次のようにして求める。
(1)図６に示すフローを縦，横，斜めの各パターンにて行い，それぞれで補正係数σ0，σπ/２，σπ/4を求める(図１６参照)。
(2)図１７（ｂ）の連立方程式を解くことで，未知数a,ｂ,θを求める。なお，第２式のπ/2は横パターンのパターン方向であり，第３式のπ/４は斜めパターンのパターン方向である。この連立方程式を解析的に解くのは困難であるが，数値計算を行えばa,ｂ,θは一意に求まる。
　第1の実施の形態において用いたルックアップテーブルには，イメージシフト位置ごとに１個の補正係数が登録されるが（図１２参照），本実施の形態では，a,ｂ,θの３個からなる補正係数が登録される。
　図１のステップ３０３の補正処理は，（１）画像に対してa,ｂ,θで表現される２次元のガウス関数を畳み込むか，あるいは，（２）ラインプロファイルに対して，その方向φに応じて，図１７（ｃ）にて算出されるσ値を有する１次元ガウス関数を畳み込むことで実現される。
　本実施の形態によれば，イメージシフトによるビーム径の変化が等方的でないようなケース，例えば，横方向と縦方向とでビーム径の変化傾向が異なるようなケースへの対応が可能となる。縦ラインパターンが計測対象の場合には第１の実施の形態で問題ないが，ホールパターン計測，あるいは様々な方向のパターンが混在しているような計測対象の場合には，本実施の形態が有効である。
　第1の実施の形態においては，ビーム径変化よって生じるラインプロファイルの勾配の変化を定量化して補正係数を求めたが，本実施の形態は図１８に示す方法で補正係数を求める。
　本実施の形態では，モンテカルロシミュレーションによりビーム径ゼロにおける二次電子信号波形４３０を求め，これと実ＳＥＭ像から求めたラインプロファイル４３１とから，４３０にガウス関数４３２を畳み込んだときに４３１に最も一致するようなガウス関数のσ値を求める。
　イメージシフト位置ｎにおいて上記のようしにして求めたガウス関数のσ値をsn，イメージシフト範囲内でのσ値の最大値をsmaxとすると，イメージシフト各位置における補正係数σnは，σn＝（smax 2-sn 2）1/2により算出される。この計算結果を，第１の実施の形態と同様に図１２に示したようなルックアップテーブルに登録し，第１の実施の形態と同様に図１４（ｂ）に示す方法で，プロファイルあるいは画像の補正を行う。
　あるいは，補正係数を求める代わりに，上記snを各イメージシフト位置におけるビーム径とみなして，図１９に示した非特許文献（J. S. Villarrubia, A. E. Vladar, J. R. Lowney, and M. T. Postek, “Scanning electron microscope analog of scatterometry,” Proc. SPIE 4689, pp. 304-312 (2002)）の方法を使用してもよい。図１９は、ビームプロファイルによって、、あらかじめ作成されているライブラリを用い、段差のコーナーＲおよび傾斜を推定するものである。
　これを本実施例に応用する場合は、イメージシフトの位置毎に、ビームプロファイルと補正量のライブラリを作成しておき、ライブラリを参照することによって補正量を決めることになる。
　第1の実施の形態においては，図７に示したような，連続ラインパターンを用いたが，本実施の形態においては，１本のパターンエッジを用い，ステージ移動→１本のパターンエッジ上の複数箇所で画像を撮像（図２０（ａ））→ステージ移動→１本のパターンエッジ上の複数箇所で画像を撮像（図２０（ｂ））→・・・を繰り返すことで，種々のイメージシフト位置における画像を撮像する。全体フローを図２１に示す。図２１のフローは、１本のパターンエッジを測定する毎にステージを移動する他は、図６で説明したフローと同様である。
　ステージの停止位置は一定精度内でばらつくため，得られるデータセットは第１の実施の形態のようにイメージシフト範囲内で均一ピッチというわけにはいかず，図２２（ａ）の○マークで示したように，不均一ピッチのデータとなる。近傍のデータを用いた内挿/外挿処理により，図２２（ｂ）のように，均一ピッチのデータに変換した後にルックアップテーブルに登録する。登録されたルックアップテーブルの用い方は，第１の実施の形態と同様である。
　第１の実施の形態の説明で述べたように，場所によるパターンの断面形状の違いは，イメージシフト位置とビーム径の関係を求める際の誤差要因となる。本実施の形態は，ステージ移動が必要なため，ルックアップテーブル作成に要する時間が増加するというデメリットがある一方，上記の誤差要因が減少するというメリットがある。
　第１～第６の実施の形態においては，１台の装置においてイメージシフト位置によって寸法計測値が異なることに対処したが，本実施の形態では，機差，すなわち，装置間の寸法計測値の差異に対処する。
　図２３に示すように，同一の専用ウェーハを用いて，各装置において，図６あるいは図２１に示すシーケンス２００を実施し，全装置の全イメージシフト位置でのビーム径最大値を見いだし，全装置の全イメージシフト位置におけるラインプロファイルがそれと等しくなるような補正係数を設定する。
　本実施の形態によれば，全装置の全イメージシフト位置における寸法計測値を等しくすることが可能である。
　００１…電子線画像、　００２…ラインプロファイル、　００３…Ｎライン加算後のラインプロファイル、　０１０…電子銃、　０１１…集束レンズ、　０１２…偏向器、　０１３…対物レンズ、　０１４…検出器、　０１５…制御装置、　０２０…試料。

Claims (7)

  1. 　試料上に収束した一次荷電粒子線を走査して，試料から放出される二次荷電粒子を検出して得られるラインプロファイルを用いて前記試料上のパターン寸法を計測する荷電粒子線装置であって，
    　イメージシフト位置と前記一次荷電粒子線のビーム径変化を関連づけるルックアップテーブルを作成し保有する手段と，
    　前記ラインプロファイル取得時の前記イメージシフト位置を記憶する手段と，
    前記記憶されたイメージシフト位置を前記ルックアップテーブルに当てはめることにより前記ラインプロファイル取得時のビーム径変化を算出する手段と，
    　前記算出されたビーム径変化を寸法計測処理に反映する手段とを有することを特徴とする荷電粒子線装置。
  2. 　試料上に収束した一次荷電粒子線を走査して，試料から放出される二次荷電粒子を検出して得られるラインプロファイルを用いて試料上のパターン寸法を計測する荷電粒子線装置であって，
    　イメージシフト位置と前記一次荷電粒子線のビーム径変化を関連づけるルックアップテーブルを作成し保有する手段と，
    　前記ルックアップテーブルを参照して，前記イメージシフト位置と前記一次荷電粒子線のビーム径変化の関係が，規定の条件を満たすか否かの判断する手段を有することを特徴とする荷電粒子線装置。
  3. 請求項１ないし２に記載の荷電粒子線装置であって，前記ルックアップテーブルが撮像条件とリンクしていることを特徴とする荷電粒子線装置。
  4. 　請求項１ないし２に記載の荷電粒子線装置であって，
    　前記イメージシフト位置と前記一次荷電粒子線のビーム径変化を関連づけるモデルを作成し保有する手段は，
    　種々のイメージシフト位置にてステップエッジを有する試料のラインプロファイルを取得し，前記ラインプロファイル上の試料のエッジ部に相当する箇所の波形の急峻さを定量化した特徴量と前記イメージシフト位置を関連づけたものであることを特徴とする荷電粒子線装置。
  5. 　請求項１ないし２に記載の荷電粒子線装置であって，前記ビーム径変化が二次元のガウス関数で表現されることを特徴とする荷電粒子線装置。
  6. 　請求項１に記載の荷電粒子線装置であって，前記ビーム径変化を寸法計測処理に反映する手段は，前記ラインプロファイルに対して，前記ビーム径の変化を補償するガウス関数の畳み込みにより実施されることを特徴とする荷電粒子線装置。
  7. 　複数の荷電粒子線装置からなる測定システムにおいて，
    　前記荷電粒子線装置は、試料上に収束した一次荷電粒子線を走査して，試料から放出される二次荷電粒子を検出して得られるラインプロファイルを用いて前記試料上のパターン寸法を計測する荷電粒子線装置であって，
    　イメージシフト位置と前記一次荷電粒子線のビーム径変化を関連づけるルックアップテーブルを作成し保有する手段と，
    　前記ラインプロファイル取得時の前記イメージシフト位置を記憶する手段と，
    前記記憶された前記イメージシフト位置を前記ルックアップテーブルに当てはめることにより前記ラインプロファイル取得時のビーム径変化を算出する手段と，
    　前記算出されたビーム径変化を寸法計測処理に反映する手段とを有し、
    　前記ルックアップテーブルは複数の前記荷電粒子線装置の寸法計測値を共通に補正するものであることを特徴とする測定システム。
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