JP5941704B2

JP5941704B2 - パターン寸法測定装置、及びコンピュータプログラム

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Publication number: JP5941704B2
Application number: JP2012040869A
Authority: JP
Inventors: 志剛王
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2012-02-28
Filing date: 2012-02-28
Publication date: 2016-06-29
Anticipated expiration: 2032-02-28
Also published as: WO2013129148A1; JP2013178103A; US9136089B2; US20150041649A1

Description

本発明は、パターン寸法装置、及びコンピュータプログラムに係り、特に複数のパターン間の距離を測定するパターン寸法測定装置、及びコンピュータプログラムに関する。

荷電粒子線装置の１つである走査電子顕微鏡は、試料に対し電子ビームを走査することによって得られる電子を検出し、当該検出電子に基づく信号を、当該電子ビームの走査と同期して画面に表示することにより、微小な観察対象の拡大像を得る装置である。観察対象は非常に微細なものが多く、観察対象に対して相対的に広大な領域の中から、電子ビームを走査すべき視野を見出すことは非常に難しい。よって、視野位置探索のための基準パターンを設け、当該基準パターンに一旦、視野を合せた後に、目的の観察対象に視野を位置付ける手法が用いられている。

特許文献１には、ダイに設けられたアライメント用マークの画像を複数取得個してアライメント用マークの画像の中心座標との間のずれを座標補正値とすることが開示されている。特許文献２には、同一のマークを操作画像中に含む２つの異なる走査画像を取得し、この２つの走査画像の取得は同じ走査期間内で行い、２つ走査画像中のマーク位置を比較することによって、走査画像間の位置ずれを求めることが開示されている。特許文献３には、二つの走査信号画像を取得し、二つの画像のパターンマッチングにより、そのズレ量を算出して電子レンズの自動軸調を行うことが開示されている。特許文献４には、ドリフト検出用の基準画像を取得するときに、イメージシフト量の異なる画像も同時に取得して、イメージシフト感度を随時計測し、この基準画像とイメージシフト感度に従ってドリフト量検出とイメージシフト制御（ドリフト補正）を行うことが開示されている。

特開２０１０−０７３７０３号公報（対応米国特許公開公報ＵＳ２０１１／０１３３０６６）特開２０１１−００８９６８号公報特開２００７−１９４０６０号公報特開２００６−１７３０３８号公報（対応米国特許公開公報ＵＳ２００６／０２１９９０７）

一方、走査電子顕微鏡等を用いて微細なパターンの寸法を測定する装置は、昨今の半導体デバイスの構造の多様化やプロセス管理法の多様化等の理由により、多様な測定への対応が求められるようになってきた。例えば、パターン形状の多様化により、測定基準となるエッジに乏しいパターンが散見されるようになってきた。パターン寸法を測定する一手法として、測定方向に対し垂直な方向の輝度信号を加算平均して輝度プロファイルを作成して寸法測定を行うものがある。この測定を行う場合、輝度信号を抽出するための測定ボックスを設定する必要があるが、エッジ部分の形状が複雑であると、基準となる位置を見出すことが難しく、結果として測定が困難となる場合がある。

また、離間したパターン間寸法測定の要求もある。この場合、測定対象となる離間した複数のパターンを、走査電子顕微鏡の視野内に収める必要があるが、パターンが離間している分、低倍率画像を用いた測定となるため、測定精度が低下する。

特許文献１乃至４に開示されているような基準パターン等を用いた位置合わせ法によれば、所望の測定、検査位置を正確に特定することができるが、測定ボックスの設置が困難なパターンや離間したパターン間の寸法測定を行うことまで考慮されたものではない。

以下に、測定ボックスの設定が困難なパターンや、離間したパターン間の寸法の測定を高精度に実現することを目的とするパターン寸法測定装置、及びコンピュータプログラムを提案する。

上記目的を達成する一態様として、第１のパターンを基準として、予め定められた第１の距離情報に基づいて視野を移動し、第１の画像を取得し、当該第１の画像とマッチング用のテンプレートを用いてテンプレートマッチングを実行し、当該テンプレートマッチングによって得られる第２の距離情報と、前記第１の距離情報に基づいて、前記第１の画像に含まれる第２のパターンと前記第１のパターンとの距離を演算するパターン寸法測定装置、及びコンピュータプログラムを提案する。

また、上記目的を達成するための一態様として、基準パターンと異なるパターンとの間の寸法を、当該基準パターンから当該異なるパターンへ前記荷電粒子線を偏向し、当該異なるパターンを走査したときに得られる画像を用いたパターンマッチングに基づいて得られる偏向量のずれに基づいて補正する演算部を備えた荷電粒子線装置について説明する。

上記構成によれば、測定ボックスの設定が困難なパターンや、離間したパターン間の寸法測定等を、高精度に行うことが可能となる。

走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）の概略構成図。半導体パターン、及び磁気ヘッドパターン距離計測を説明する図。電子線走査によるＳＥＭの偏向制御の原理に関する概略説明図。任意パターン間の高精度計測法の原理を示す図。画像マッチングよりビーム偏向量ズレ分を補正する方法を説明する図。パターンマッチングの概略を示す図。ビーム偏向とパターンマッチングの組み合わせに基づいて、任意パターン間の距離を求める工程を示すフローチャート。エネルギーフィルタの基本構成図。ＳＥＭを含む半導体測定、検査システムの概略構成図。ビーム偏向と高倍率画像内でのパターンマッチングに基づいて、パターン間の寸法を測定する手法の原理を示す図。２つの視野に、共通の基準パターンを含ませることによって２つの異なるパターン間の寸法を測定する測定法の原理を示す図。ビーム偏向と、高倍率画像内でのパターンマッチングに基づく寸法測定工程を示すフローチャート。

以下に説明する実施例は、任意パターン間の距離の計測を高精度で行うのに好適な方法、装置、及び当該計測をコンピュータに実行させるコンピュータプログラムに関する。

試料表面の分析装置として、表面を荷電粒子線プローブで走査し、放出される二次電子、イオン、電磁波などの信号の量ないしエネルギーを解析して表面性状を分析するものは、表面の微細形状、構成元素等に関する情報を用意に得られる利点がある。特にプローブとして電子を、放出信号として二次電子を用い、二次電子量を画面上の輝度に変換して表面形状像を得る走査電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）は、微細なパターンの寸法測定や検査を行うことができる。

走査電子顕微鏡において、試料に電子線が到達し、試料表面の原子を励起して放出されるエネルギーの低い信号電子を二次電子という。半導体の回路パターンのように凹凸を持った試料のエッジ部分に電子線が照射されると、エッジ効果によって発生する二次電子量が増大し、凹凸に依存するコントラストを持った像が形成される。また、電子線が試料に到達することなく試料表面において跳ね返される電子を反射電子（或いは後方散乱電子）という。反射電子はエネルギーの高い信号電子であり、試料の凹凸に依らずに、試料組成に依存するコントラストを持った像が形成される。試料面が平坦である磁気ヘッドや一部の帯電による二次電子信号で観察困難の半導体試料において反射電子信号を検出し、鮮明な画像が得られる。二次電子や反射電子などを検出することによって、試料の表面形状を反映した二次元画像を取得することができる。また、検出された信号に基づいて、パターンの形状や寸法を測定することができる。

ナノレベルまで微細化が進む最先端半導体技術、ハードディスクの開発や生産において、近年の高集積化、微細化に伴い、製造上加工寸法への要求がますます厳しくなってきている。それに伴い、寸法計測への精度も厳しく要求されている。

ナノレベルまで微細化が進む最先端半導体技術、ハードディスクの開発や生産において、パターンの形状や線幅の寸法を計測する測長ＳＥＭ（ＣＤ−ＳＥＭ：Critical Dimension ＳＥＭ）を用いて寸法計測を行うことが広く用いられている。近年の高集積化、微細化に伴い、製造上加工寸法への要求がますます厳しくなってきていることに伴い、寸法計測への精度も厳しく要求されている。一方、高集積化、微細化に伴い、計測への要求も多様化になっている。パターン形状自身の複雑化で、計測ボックスの配置が難しい場合がある。更に露光シミュレーションによる広い範囲のパターン形状計測が要求され、今までの手法は低倍率で像取得することとなり、計測精度が要求に満たさない場合がある。また、リソグラフィのパターン配置の管理も必要となり、高精度のパターン間距離の計測も要求されている。

以下に、ビーム偏向に基づく寸法測定と、高倍率画像マッチングに基づく寸法測定とを組み合わせることで、寸法測定を高精度に行う寸法測定装置、及び当該寸法測定をコンピュータに実行させるコンピュータプログラムを具体的に説明する。

具体的には、ある基準点を含んだ高倍率で各々のパターンを取得し、計測するパターンと基準点からのビーム偏向量を記録する。そして、予め登録したモデルデータとのパターンマッチングを行い、サブピクセルレベルで偏向量のズレ分を補正し、高精度で計測パターン間の距離を求める。

ビームの偏向とパターンマッチングに基づいて、パターン間の寸法を求めているため、パターンエッジに測定ボックスを設定する必要がなく、また、１つの視野に全ての測定対象パターンを収めなくとも、測定を行うことができるようになるため、エッジ形状が複雑なパターンや離間したパターン間の寸法測定であっても、高精度に実現することが可能となる。

以下に、図面に基づいてビームの偏向とパターンマッチングを用いた計測法について説明する。図２（Ａ）は半導体デバイス試料のパターンで（Ｂ）は磁気ヘッド上形成されているパターンの一例を示す。なお、以下に説明するパターンは一例であり、これに限定されるものではない。

図２（Ａ）は、数本のラインパターン２０１の右側にコンタクトホールパターン２０２が配置されている。リソグラフィの場合、ラインパターン２０１とホールパターン、それぞれの露光強度分布が持つ。強度分布２０３、２０４のように、二次元のGaussian分布を示しており、例えばラインパターン２０１とホールパターン２０２との距離が近い場合、両者間がショートする可能性がある。これは、強度分布２０３と２０４の裾同士が重なることによって、その重なり部分の露光強度が増加するためである。一方、半導体デバイスの微細化の観点から見れば単位面積当たりのパターン数は多い方が望ましい。よって、限られた範囲内に複数のパターンを配置しつつ、その配置間隔を厳格に管理する必要がある。

しかしながら、測定対象パターンの一方が円形状のパターンであるような場合、エッジが曲線であるため、例えば矩形状の測定ボックスを設定することが難しい場合がある。また、パターン形状に応じた測定ボックスを設定することも考えられるが、昨今のパターンの微細化、複雑化によって、多種のパターン形状に応じた測定ボックスを用意する必要があり、現実には困難である。

なお、光近接効果（Optical Proximity effects）検証に基づいて、パターン最適化を行う場合、数十μｍ程度広い範囲に存在する測定対象について、寸法測定を高精度に行う必要がある。また、同様に磁気ヘッドを測定対象とする場合、測定基準となるエッジ部分の高精度な信号処理を行うべく、エッジ部分について高倍率の画像を取得すると、測定対象となる２つのエッジが視野内に収まりきれなくなる場合がある。図２（Ｂ）は、磁気ヘッドの概要を示す図である。磁気ヘッドは、磁気ヘッドの書き込み部２０５と読み込み部２０６が、それぞれ適切な位置にパターンニングされている必要がある。すなわち、磁気ヘッドを適切に管理するためには、この２つの距離を正確に測定する必要がある。しかしながら、測定ボックスの配置が困難であると共に、両者間の距離が離れているため、１の高倍率画像内に、書き込み部２０５と読み込み部２０６の２つを１の高倍率画像内に収めることは困難である。

以下に説明する実施例では、ある基準点を含んだ高倍率で各々のパターンを取得し、計測するパターンと基準点からのビーム偏向量を記録する。予め登録したモデルデータとのパターンマッチングを行い、サブピクセルレベルで偏向量のズレ分を補正し、高精度で計測パターン間の距離を求める例について説明する。

なお、以下に示す実施例ではＳＥＭ、或いはＳＥＭに搭載された制御装置、またはＳＥＭに通信回線等を経由して接続される制御装置を例にとって説明するが、これに限られることはなく、コンピュータプログラムによって、汎用の演算装置を用いて、上記測定処理を行うようにしても良い。また、集束イオンビーム装置等、他の荷電粒子線装置によって試料の観察、測定を行う場合にも適用可能である。

図１は、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）の概略構成図である。電子銃１０１から発生した電子線１０２は、加速電極１０３によって加速され、コンデンサレンズ１０４により収束、偏向器１０５により偏向された後、試料１０７側に印加された負の電圧（リターディング電圧）により減速され、かつ対物レンズ１０６で最終的に径数nm（ナノメートル）の電子線に収束されて、観察対象である試料１０７の表面に入射する。

入射した一次電子の一部は後方反射して反射電子１１１（後方散乱電子）となり、また一部は試料内を散乱しながら二次電子１１２を生成する。ここでリターディング電圧とは、試料１０７上の回路パターンを損傷させることなく電子線１０２を収束させるために、試料１０７（試料ホルダー１０８または試料ステージ１０９）側に印加される負の電圧であり、これによって電子線１０２の照射エネルギーが制御される。生成した反射電子１１１、二次電子１１２は反射板１１３と衝突して新たな電子を発生し、当該新たな電子は検出器１１４にて検出される。検出器１１４には光電子増倍管が内蔵されており、電子の検出量に応じて電圧を発生させるので、これを信号処理装置１１５で処理した後、画像表示部１１６にて画像として表示する。信号処理装置１１５は、試料から放出される二次電子等に基づいて、縦軸を信号量、横軸を電子線の走査位置とするプロファイル波形を形成する。そして当該プロファイル波形のピーク間の距離を求めることによって、パターン寸法を測定するように動作する。

次に、二次電子１１２、反射電子１１１について信号検出を行う際の光学条件について説明する。二次電子は約５０ｅＶ未満の低エネルギー信号電子であり、反射電子は約５０ｅＶ以上の高エネルギー信号電子であるため、ＳＥＭを構成する各々の電極に与える電圧その他の光学パラメータを制御することによってこれらの信号検出を選択、及び両者の切り替えが可能である。上記の条件は、（１）電子光学系、または／及び（２）電子検出系において設定される。

（１）では、電子銃１０１から照射された電子線１０２を、試料１０７側に加速するための正の加速電圧Ｖａから、減速させるための負の電圧（リターディング電圧Ｖｒ等）を引いた入射電圧の値が、正の方向に大きいほど二次電子信号検出量が増大し、反対にこの値が負の方向に大きいほど反射電子信号検出量が増大する。また、対面電極１１９や対物レンズ１０６上方に配置されたブースター電極１１０に対し、試料１０７側が持つ電圧よりも大きい負の電圧（ブースター電圧）を印加することで、エネルギーの低い二次電子１１２を試料１０７側へ引き戻し、高エネルギーの反射電子１１１のみを選択的に検出することも可能である。この場合、変換電極１１７に正の電圧を印加し、対物レンズ１０６よりも電子銃１０１側へ移動した反射電子１１１を更に引き上げて検出器１１４へ導入する。

上記の方法にて反射電子１１１を検出する場合、絶縁材料を含む試料等において表面に帯電が生じる場合にも、試料表面の帯電を進行させることなく像を形成できるという利点がある。

（２）では、試料１０７側から発生する電子を、エネルギーの大きさに応じて分離するエネルギーフィルタを用いた方法が適用される。図８にエネルギーフィルタの基本構造を示す。エネルギーフィルタは、２枚のシールドメッシュ８０１ａとフィルタメッシュ８０１ｂから構成される。また、これらのメッシュには電子線１０２を通過させるための開口８０２が設けられている。フィルタメッシュ８０１ａは１枚であっても、複数枚あってもよく、フィルタ電圧を印加するための電源８０３が接続される。エネルギーの大きさに応じて分離された反射電子１１１、二次電子１１２は、反射電子検出器８０４ａ、二次電子検出器８０４ｂにそれぞれ検出される。

上記の方法では、各々の検出器がエネルギーに応じて確実に分離された電子を検出できるため、分解能が高くなる。上記（１）、（２）の方法を凹凸がある半導体デバイスパターンや平坦は磁気ヘッドパターンなど、目的や用途に応じて適宜組み合わせることも可能である。電子光学系の切替えは予め装置の校正を行うことで正確な計測値を保証することが可能である。

また、本実施の形態は上記（１）、（２）に限られるものではなく、これ以外にも、ＳＥＭを構成するその他の電極やコイルに印加または供給する電圧、電流等の光学パラメータを制御して反射電子１１１、二次電子１１２の信号検出光学条件を設定することが可能である。

なお、ＳＥＭを構成する各々の電極やコイルは、図９にて後述する制御装置によって、電圧、或いは電流が印加或いは供給される。制御装置は演算装置を備えてなり、当該演算装置は、レシピと呼ばれるＳＥＭの動作プログラムに基づいて、装置を制御する。

図９は、ＳＥＭを含む半導体測定、検査システムの概要構成図である。本システムには、ＳＥＭ本体９０１、Ａ／Ｄ変換器９０３、制御装置９０４が含まれている。

ＳＥＭ本体９０１は半導体ウエハ等の試料に電子線を照射し、試料から放出された電子を検出器９０２で捕捉し、Ａ／Ｄ変換器９０３でデジタル信号に変換する。デジタル信号は制御装置９０４に入力されてメモリ９０６に格納され、各種機能を有する演算装置９０５に内像されるＣＰＵ等の画像処理ハードウェアによって、目的に応じた画像処理が行われる。また、演算装置９０５は、検出信号に基づいて、ラインプロファイルを作成し、プロファイルのピーク間の寸法を測定する機能も備えている。

更に制御装置９０４は、入力手段を備えた入力装置９０７と接続され、当該入力装置９０７に設けられた表示装置、または外部ディスプレイ（図示せず）には、操作者に対して画像や測定結果を表示するＧＵＩ（Graphical User Interface）等の機能を有する。

なお、制御装置９０４における制御や処理の一部又は全てを、ＣＰＵや画像の蓄積が可能なメモリを搭載した電子計算機等に割り振って処理・制御することも可能である。また、制御装置９０４は、測定等に必要とされる電子デバイスの座標、位置決めに利用するパターンマッチング用のテンプレート、撮像条件等を含む撮像レシピをメモリから読み出し、あるいは上記レシピを手動、もしくは電子デバイスの設計データを活用して作成する撮像レシピ作成装置とネットワーク等を介して接続することもできる。

図３に基づいて、ＳＥＭにおけるビーム偏向の基本的な概念を説明する。図３（Ａ）は、試料上における電子線偏向の断面概略図である。電子線ビーム３０１があるパターン３０２からパターン３０３まで偏向するときの幅Ｌとする。図３（Ｂ）に、ＳＥＭの電子光学系におけるレンズ、偏向器、走査コイル等の位置関係を示す。電子線３０１は対物絞り穴３０４を通過後、コンデンサレンズ３０５に収束され、試料面３０８上にて走査される。このとき、対物レンズ３０７の上に設けられた偏向器３０６に一定な電場または磁場を加えることにより、電子線を一定幅で指定した場所へ変更され、指定した倍率で走査し、像取得するよう調整する。ビーム偏向がイメージシフトと呼ばれ、イメージシフトＸ／Ｙコイルの制御動作量ＩＳ（Ｘ）（ＬＳＢ），ＩＳ（Ｙ）（ＬＳＢ）と、イメージシフト実動作量即ち物理的な移動距離（Ｌ_def（Ｘ）（μｍ），Ｌ_def（Ｙ）（μｍ）は、関係式（１）、（２）下記のように示されるが成り立つ。

ＩＳ(Ｘ)（ＬＳＢ）＝Ａ＊Ｌ_def(Ｘ)（μｍ）＋Ｂ＊Ｌ_def(Ｙ)（μｍ）（１）
ＩＳ(Ｙ)（ＬＳＢ）＝Ｃ＊Ｌ_def(Ｘ)（μｍ）＋Ｄ＊Ｌ_def(Ｙ)）（μｍ）（２）
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄはビーム偏向時のビーム偏向、ビーム回転を補正する所定の係数である、装置調整時予め一定な距離が分かるパターンを用いて校正を行い、偏向制御動作量と実偏向物理距離の補正テーブルを持つ。よって、実測長時のイメージシフトの制御偏向量から、上記の式（１）（２）を用いて物理的な移動距離Ｌ_def（Ｘ）とＬ_def（Ｙ）を逆算で求められる。

図４に任意パターン間の高精度計測原理を説明する。計測目的にするパターン４０１と４０２が試料上に配置され、両パターン間の距離Ｌ_x，Ｌ_yを求める。パターン形状はラインやホールと異なる、従来長方形の計測ボックスを置いてラインプロファイルを検出し、波形処理でパターン寸法を求めるのは困難である。

また現状一定な計測精度を保証するため高倍率ＳＥＭ条件を使用することが一般である。例え測定倍率１００ｋ以上は、視野範囲は１.３５μｍ以下となり、両パターン間の距離は１０μｍ以上となる場合は、高倍率で両パターン共に収めることは不可能である。逆に倍率を落として両パターンを共に収めて測定を行う時には、低倍率の計測精度保証は困難になる。高倍率計測と広い範囲計測が、原状計測手法の対応では両立している。

本実施例では、任意パターンの計測配置問題及び高倍率と広い範囲の計測精度両立を解決する方法を提供する。図７を用いて、ビーム偏向とパターンマッチングで任意パターン間の距離計測の具体的なフローについて説明する。まずステージを制御し、計測ターゲットとするパターン４０１、４０２の近傍にある基準点パターン４０３に移動する。基準点４０３からパターン４０１、４０２にビームをそれぞれ偏向して、各々のパターンの高倍率ＳＥＭ像を取得する（Ｓ７０１）。次に、制御システムから、ビーム偏向した時の制御量（ＬＳＢ単位）を読出し、上記式（１）（２）を用いて、実偏向距離、即ち基準点からのパターン距離（μｍ単位）Ｌ_def（Ｘ１，Ｙ１）（パターン４０１−パターン４０３）及びＬ_def（Ｘ２，Ｙ２）（パターン４０２−パターン４０３）を算出する。

ここでは、一旦パターン４０１と４０２の間の距離は算出できる（Ｓ７０２）が、ビーム偏向の位置決め精度は電気的な制御の性能に制限され、約数十nmであり、デバイス性能を評価するための計測精度はサブnmレベルにはまだ不十分である。Ｓ７０３−７０５では上記高倍で各パターンのＳＥＭ画像処理によりビーム偏向のズレ分を補正し、偏向分の誤差を吸収してサブnmレベルの計測精度を達成する。

図５には画像マッチングの一例を示す。基準点から偏向先にて高倍率で取得した画像と事前に登録した画像とのマッチングを行う（Ｓ７０３）。高倍率ＳＥＭ視野範囲５０１内、上記４０１のパターンがＳＥＭ像５０２として取得されている。但し偏向量のズレ分で、事前に登録した画像５０３との場所ズレが生じる。逆にパターンマッチングすることで、ズレ量を算出することも可能で、画像マッチングの手法は多様で、次の節で幾つの例を説明する。一つの方法として、５０２と５０３パターンのそれぞれの重心を算出し、重心の位置差分を導き、画像処理ピクセル単位をμｍ単位に換算して画像のズレ分、即ち偏向量の誤差補正分Ｌ_mtchg（Ｘ１，Ｙ１）（パターン４０１−パターン４０３）及びＬ_mtchg（Ｘ２，Ｙ２）（パターン４０２−パターン４０３）を求められる。上記偏向量とあわせると、基準点パターンからの距離は
Ｌ_ptrn（Ｘ１，Ｙ１）＝Ｌ_mtchg（Ｘ１，Ｙ１）＋Ｌ_def（Ｘ１，Ｙ１）（３）
Ｌ_ptrn（Ｘ２，Ｙ２）＝Ｌ_mtchg（Ｘ２，Ｙ２）＋Ｌ_def（Ｘ２，Ｙ２）（４）
パターン４０２と４０３間の距離Ｌ_ptrn（Ｘ，Ｙ）は
Ｌ_ptrn（Ｘ，Ｙ）＝Ｌ_ptrn（Ｘ１，Ｙ１）−Ｌ_ptrn（Ｘ２，Ｙ２）（５）
画像処理上、ピクセル単位をμｍ単位に換算するのは下記式（６）で求める。

１ピクセルあたり距離(μｍ)＝画像サイズ／(測定倍率ｘスキャンピクセル) （６）
図６にて、画像パターンマッチングの幾つの例を列挙する。図６（Ａ）では、図５にも述べたよう、重心を算出して取得した画像の重心６０１と登録したモデルの重心６０２間の距離として、パターンマッチングのズレ量として求める。図６（Ｂ）では三角形パターンの底辺の中点位置として、取得した画像の底辺中点６０３と登録したモデルの底辺中点６０４間の距離として、パターンマッチングのズレ量として算出する。図６（Ｃ）の場合、対称としたパターンには有効で、取得画像６０５中心軸６０７に画像６０６を折り返して中心対称軸からのズレ量として検出する。この場合は、予めパターン登録も不要で、ピクセルの１／１０以下の精度でズレ量を求められる。

ここで幾つの簡単な画像処理手法として提示してあるが、実デバイスパターンが複雑となる場合は、パターンマッチングとして広く応用されている正規化相関法などを用いて、パターンの回転やスケール変動などにも処理して高精度でズレ量を導くことができる。なお、画像処理のエッジ検出精度向上のため、エッジのプロファイルを平滑化や微分化することは有効な手段である。実デバイス評価は、デバイス性能との相関性を検証した上で、一定なマッチング手法、或いは幾つのマッチング手法を組み合わせる事で最適化することが重要である。

画像マッチングを行う誤差としては手法によって若干異なるが、上記手法を用いて画像マッチングを行えば、サブピクセルレベルまでの精度が得ることが可能である。ＳＥＭ倍率１００ｋ、画像スキャンピクセル１０２４、画像サイズが１３５mmの場合、１ピクセル相当なサイズは１３５mm／（１０２４ｘ１００ｋ）〜１.３nmである。従ってサブピクセル程度の画像マッチングで偏向量のズレ分を補正すると、零点数ナノレベルの高精度で距離計測精度を達成は可能である。ビーム偏向可能な範囲であれば、低倍でなく各々のパターンにおいて高倍の画像を取得して測定を行うことにより、精度を保つことができる。本手法は、パターンマッチングでズレ量を算出となるため、従来計測手法のボックス配置は不要となる。よって、ラインやホールと異なる、任意なパターンでも登録モデルと画像処理を行えば測定は可能である。

なお、ここに説明するパターンは一例であり、これに限定されるものではない。図４にて、４０１を基準点、４０２、４０３を計測目的パターンとして説明したが、計測目的パターン４０２自身を基準パターンとして４０２−４０３の距離計測も可能である。二つのパターンの距離計測を例として説明したが、複数のパターンでも同様に展開ができ、各パターン間の距離計測が可能である。複数パターンの場合は、類似パターンの計測を平均化して、Ｎ倍による更に計測精度を向上することも応用できる。

計測時の倍率切替え、電子光学モードの切替えによるビーム偏向量の差、ＳＥＭ像の走査幅の差は装置調整時同一標準試料を用いて予め校正しておくことで、モード間誤差、倍率間誤差を最小限に抑え、同一基準で評価することが可能である。絶縁物など帯電しやすい試料の場合、像ドリフトによる位置ずれの計測精度悪化になるが、絶縁物対応に電子光学系の切替えによる像ドリフトを抑制し、本手法の計測精度を維持することは有効な手段である。レジスト付きの試料など、電子ビーム照射による変形しやすいパターンは、可能な限り対称なパターンを基準点として選択して画像変形を最小限にすることで、マッチングの誤差を低減する。

次に、ビームの偏向とパターンマッチングを用いた他の計測法について説明する。図１０は、アドレッシングパターン１００１を用いて周囲の測定対象パターンとの間、或いは基準パターンと測定対象パターンとの間の寸法を測定する例を説明する図である。実施例１と同じ要領でアドレッシングパターン１００１を用いて、三角パターン１００２と四角パターン１００３との間の寸法を測定することができる。このとき、所定のビーム偏向量（Δｘ₁，Δｙ₁）及び（Δｘ₂，Δｙ₂）と、高倍率画像１００６、１００７内におけるパターンマッチングに基づいて得られるずれ量（Δｘ₃，Δｙ₃）及び（Δｘ₄，Δｙ₄）から、三角パターン１００２と四角パターン１００３との間の寸法Δｘ_s，Δｙ_sを以下のように求めることができる。

Δｘ_s＝Δｘ₁＋Δｘ₂＋Δｘ₃＋Δｘ₄ （７）
Δｙ_s＝Δｙ₁＋Δｙ₂＋Δｙ₃＋Δｙ₄ （８）
位置１００４と位置１００５は、アドレッシングパターン１００１を基準とした偏向目標位置である。また、更に位置１００４を基準として、ビームを偏向量（Δｘ₅，Δｙ₅）分、偏向し、そこでの位置１０１０と丸パターン１００９とのずれ量（Δｘ₆，Δｙ₆）を求めることによって、三角パターン１００２と丸パターン１００９との間の距離を求めることもできる。このようにアドレッシングパターンと微細パターンとの間だけではなく、微細パターン間の寸法測定への応用も可能である。

また、上記各寸法を測定した上で、ステージ移動を行い、次にアドレッシングパターン１０１２を探索した上で、上記実施例と同じ要領でアドレッシングパターン１０１２と丸パターン１００９との間の寸法、及びアドレッシングパターン１０１２と菱形パターン１０１３との間の寸法を求めれば、四角パターン１００３と菱形パターン１０１３との寸法を求めることができる。この場合、ステージ移動前後で２つのアドレッシングパターン１００１と１０１２を用いて、共通のパターン（丸パターン１００９）の位置を特定しているため、ステージ移動を伴う距離の離れたパターン間であっても、高精度な測定を行うことができる。

更に、図１１に例示するように、ステージ移動を伴う視野移動によって得られる２つの低倍率画像１１０２と１１０３に含まれるパターン１１０４と１１０５との間の寸法の測定も可能である。この場合、２つの低倍率画像１１０２、１１０３の双方に同じアドレッシングパターン１１０１が含まれるように画像取得を行う。このような手法によっても、ステージ移動を伴う距離の離れたパターン間であっても高精度な測定を行うことができる。

図１２は、ステージ移動を伴う２つのパターン間の寸法を高精度に測定する工程を示すフローチャートである。まず、測定対象となる第１のパターンとアドレッシングパターンを含む視野領域にビーム照射位置を位置付けるためのステージ移動を行う（ステップ１２０１）。次にパターンマッチングを実行し、アドレッシングパターンデータの探索を行う（ステップ１２０２）。ここで、アドレッシングパターンの位置をより正確に特定すべく、アドレッシングパターンを探索する画像と比較して、視野を狭めて画像を取得し、例えば、基準位置（例えば画像中心位置）とアドレッシングパターンの中心位置との差分に基づいて、アドレッシングパターンの正確な位置を特定する（ステップ１２０３）。図１０の例では、測定対象パターンと同じ大きさの視野の画像１００８を取得している。この差分データをビーム偏向量（Δｘ₁，Δｙ₁）に重畳してアドレッシングパターンと被測定対象との距離を求めるようにしても良い。

次に、予め登録されたアドレッシングパターンと測定対象パターンとの距離情報、或いは偏向信号情報に基づいて、ビームを偏向する（ステップ１２０４）。そしてこの偏向先で高倍率画像（ステップ１２０２のアドレッシングのときに用いた画像に対して相対的に高倍率の画像）を取得する（ステップ１２０５）。このようにして取得された高倍率画像内にてテンプレートマッチングを行い（ステップ１２０７）、マッチング位置と基準位置との差異に基づいてずれを測定する（ステップ１２０７）。

ここで、全ての測定が終了していれば、得られた複数のパターン間寸法を加算することによって、離間したパターン間の寸法を演算し（ステップ１２０８）、その測定結果を登録、或いは表示画像に出力する（ステップ１２０９）。また、必要なデータの取得が終了していない場合には、他のアドレッシングパターン、或いは他の測定対象パターンを含むような画像を取得すべく、ステージ移動を行い、ステップ１２０２〜１２０７の工程を繰り返す。

以上のような測定工程を実行する測定装置、或いは上記測定をコンピュータに実行させるコンピュータプログラムによれば、ステージ移動を伴う離間したパターン間の寸法測定を高精度に行うことが可能となる。

１０１電子銃
１０２一次電子線
１０３加速電極
１０４、３０５コンデンサレンズ
１０５、３０６偏向器
１０６、３０７対物レンズ
１０７試料
１０８試料ホルダー
１０９試料ステージ
１１０ブースター電極
１１１反射電子
１１２二次電子
１１３反射板
１１４、９０２検出器
１１５信号処理装置
１１６画像表示部
１１７変換電極
２０１、２０２、２０５、２０６パターン
２０３、２０４パターン強度分布
２０７従来計測配置ボックス
３０１電子線
３０２、３０３、４０１、４０２、５０２、６０５試料上形成画像パターン
３０４対物絞り穴
４０３基準点パターン
５０１画像視野
５０３事前登録したモデルパターン
６０１、６０２試料上形成画像パターン重心
６０３、６０４試料上形成画像パターン底辺中点
６０６試料上形成画像パターンを対称に折り返したパターン
６０７対称軸
８０１ａシールドメッシュ
８０１ｂフィルタメッシュ
８０２開口
８０３電源
８０４ａ反射電子検出器
８０４ｂ二次電子検出器
９０１ＳＥＭ本体
９０３Ａ／Ｄ変換器
９０４制御装置
９０５演算装置
９０６メモリ
９０７入力装置
９０８評価条件設定部
９０９測定条件設定部
９１０画像形成部
９１１データ取得部
９１２補正データ演算部
９１３偏向器制御部

Claims

取得された画像を用いて、試料上に形成されたパターン、或いは異なるパターン間の寸法を測定するパターン寸法測定装置において、
試料上に形成された第１のパターンを基準として、予め定められた第１の距離情報に基づいて視野を移動し、第１の画像を取得し、当該第１の画像とマッチング用のテンプレートを用いてテンプレートマッチングを実行し、当該テンプレートマッチングによって得られる第２の距離情報と、前記第１の距離情報に基づいて、前記第１の画像に含まれる第２のパターンと前記第１のパターンとの距離を演算する演算装置を備えたことを特徴とするパターン寸法測定装置。
請求項１において、
前記視野を移動するための偏向器を有する走査電子顕微鏡を備えたことを特徴とするパターン寸法測定装置。
請求項２において、
前記演算装置は、前記偏向器の移動距離に応じた寸法値に基づいて、前記第１のパターンと第２のパターンとの距離を演算することを特徴とするパターン寸法測定装置。
取得された画像を用いて、試料上に形成されたパターン、或いは異なるパターン間の寸法を、コンピュータに演算させるコンピュータプログラムにおいて、
当該プログラムは、前記コンピュータに、試料上に形成された第１のパターンを基準として、予め定められた第１の距離情報に基づいて視野を移動させ、第１の画像を取得させ、当該第１の画像とマッチング用のテンプレートを用いてテンプレートマッチングを実行させ、当該テンプレートマッチングによって得られる第２の距離情報と、前記第１の距離情報に基づいて、前記第１の画像に含まれる第２のパターンと前記第１のパターンとの距離を演算させることを特徴とするコンピュータプログラム。