JP6492185B2 - 検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、検査装置に関する。

半導体デバイスは微細化の一途をたどってきたが、近年は新しい構造のものが出現している。なかでも、抵抗素子や磁性素子を用いたメモリデバイスでは、直径数十ｎｍ以下のピラー構造を作成し、そこにデータを記録するという従来にない形状のデバイスとなっている。また、ロジックデバイスにおいても、円柱構造のチャネル領域の周囲にゲートを形成するという構造が提案されている。以下この柱状形状をナノピラーと記す。ナノピラーはアスペクト比が小さいものもあり、むしろナノドットと呼ぶべき場合もあるがここでは一括してナノピラーと記すことにする。

また、半導体以外でも、医療用途では、細胞や血液などの検査に密集したナノピラー形状を形成したデバイスが用いられることがある。

一般にこのような微細なパターンの検査には、測長機能を有する走査型電子顕微鏡（Critical dimension scanning electron microscope、以下、ＣＤ−ＳＥＭと記す）を用いたトップダウン観察が導入されてきた。半導体デバイスの場合はＳｉ基板上に形成されたパターンを観察する。また、医療用途などの安価なチップの場合には、金型が観察対象となる。ＣＤ−ＳＥＭが用いられる理由は、装置の高い倍率と高い計測再現性である。また、量産工場においては、ハードウエアの状態の自動調整、撮像の自動化、結果の加工と出力の自動化、が必要となるが、ＣＤ−ＳＥＭとその周辺のソフトウエアは進化をとげ、これらの要求にこたえてきた。

尚、パターン寸法の微細化に伴って単純な寸法値（Critical dimension, 以下、ＣＤと記す）だけでなく、わずかなパターン形状の設計データからのずれが問題になってきた。そのため画像に写っているパターンの出来ばえを評価する指標が提案され、ＣＤ−ＳＥＭの機能は増えている。たとえば、ラインパターンのエッジの細かい凹凸などはラインエッジラフネスと呼ばれ、その計測機能は一般的になっている。

ナノピラーの出来栄えの評価も、トップダウン観察を行って画像解析をすることが、量産工程において最も導入しやすい方法と考えられる。

そこで、ナノピラーのトップダウン観察画像から、その形状を評価する手法が必要となった。

これまでナノピラーに特化した形状評価方法はないが、半導体のホールパターンの形状評価方法としては、特許文献１及び２に、各種指標の例が示されている。これは、パターンをトップダウン撮像して得られる二次元閉曲線を楕円で近似し、その長径方向や、閉曲線の周長や周長を面積で割った値、楕円の離心率などの特徴量を出力するというものである。この例では、パターン形成装置（露光装置）の異常を検知することが目的とされており、光学レンズなどで起こりやすい転写像の一定方向へのゆがみやフォーカスずれを検知しやすい指標が記述されている。

特開２００３−０３１４６９号公報 特表２００７−５２０６９７号公報

半導体あるいは医療用途のチップ等のデバイスの形状評価を考えると、まず、その性能に関係の深い指標が必要である。また、ひとつひとつのパターンの良不良がわかっても、不良品を製品化せず良品パターンのみを製品化するということは通常ないため、量産工程においては統計的な挙動を数値化することが重要である。

このような観点から、発明者等は、従来評価方法にある形状管理方法についてレビューした。発明者等は、形状管理を行う上で次の三種類の形状評価が重要であると考え検討を行った。

第一に、メモリ素子（抵抗素子、磁性素子）とその上層・下層との配線における抵抗上昇が生じないようにするため、楕円形状のゆがみ方向やゆがみ量を知るための形状評価である。パターンがひどくゆがんだために上層や下層と接触する部分の面積が減ると、抵抗が大きくなるので、これを評価する必要がある。この課題に対しては、特許文献１に示された、二次元閉曲線を楕円で近似したときの楕円長径の長さや長径の方向、特許文献２に示された楕円の離心率を（凹図形であるホールパターンの指標ではあるが）メモリ素子の（凸図形である）ナノピラーに適用することが、有効である。ロジックデバイスにおいて使用するナノピラーの場合もピラーの上端下端に配線を施すため、同様であると考えられる。

第二に、メモリ、ロジックいずれの半導体デバイスでもピラー側面は加工時にプラズマにさらされており、この劣化の度合いを知るための形状評価である。ここでピラーの体積のうち、周長に比例した量がダメージを受けて劣化していると考えることができる。例えば、ピラーのトップダウン像が図１（ａ）及び（ｂ）のような形であったとする。これら二つの閉曲線の面積は同じであるが、（ｂ）に相当するピラーのほうがダメージの影響が大きい。これには、やはり特許文献１に示された二次元閉曲線の周長が、素子性能を予測するパラメータとして有効である。その他に、ホールエッジラフネス、あるいはコンタクトホールエッジラフネスと呼ばれる（特許文献２）実測輪郭線形状の円からのずれ量も、有効である。なお、医療用途などのナノピラーでも、ピラーが細胞や血液と接触する面積によって性能が変わるため、同様であると考えられる。

第三に、最終的に形成される素子の寸法に関係する形状劣化を知るための形状評価である。最終的なデバイスではなくレジストパターンにおいて、寸法も、また、前述（特許文献２）の、ホールエッジラフネス、あるいはコンタクトホールエッジラフネスと呼ばれる円からのずれ量も同程度の図１（ｂ）及び（ｃ）の二つのパターンがあった場合、図１（ｂ）に比べて（ｃ）のほうが、エッチング時にプラズマにさらされる領域が大きいため、エッチング後にはパターン寸法は小さくなる。また、細かい凹凸のある部分ではエッチング速度安定しないため、パターン寸法がばらつくようになるという問題も起こる。この現象も、第二のケース同様、周長を用いれば検知できる可能性が高いと考えられる。

しかしながら、ナノピラー構造を有する素子の製造工場におけるライン管理ツールとして従来の技術では十分でなく、次の三つの問題点の有ることが分かった。第一は、特許文献１に示された指標は規格化されていないという点である。複数の形状について数値を出した場合は比較ができるが、直観的に形状劣化の絶対的な値を理解することができない。また、ターゲット寸法が異なる場合はその形状の劣化具合を比較できない。第二は、これらの従来指標は全てのケースでウエハの合否判定かパターン形成装置（露光装置など）へのフィードバックを想定しており、基本的には配線間の抵抗管理が目的である。一方、今後必要とされるのは、目的によって適切な指標を選択できる検査装置である。即ち、位置ずれにつながる形状劣化と素子へのダメージに直接つながる形状劣化、素子寸法に最終的につながる形状劣化、の使い分けが容易にできるというしくみが必要となる。第三は、量産現場での管理が想定されていない点である。単純な指標の数値の集合では、操作者が判断する管理は可能だが自動の工程管理に実装することはできない。上記の指標をさらに加工する必要がある。

本発明の目的は、上記課題に鑑み、製造工程の状態あるいは素子の性能に関係するパターンを定量的に評価可能な検査装置を提供することにある。また、製造現場における自動工程管理を簡便に実行可能な検査装置を提供することにある。

上記目的を達成するための一実施形態として、荷電粒子線装置から出力され複数個の柱状（ピラー）ないし穴状（ホール）のパターンが一定の間隔で形成されている試料のトップダウン画像信号を解析する画像解析部と、前記画像解析部に接続され表示部を含む端末と、を備えた検査装置において、
前記画像解析部は、
前記トップダウン画像信号から得られる画像の輪郭線を、境界（エッジ）の位置を表す離散的な点の集合として演算するエッジ演算部と、
前記エッジの点の集合を楕円あるいは円で近似する近似演算部と、
近似した楕円ないしは円と前記エッジの各点との距離を演算する距離演算部と、
前記近似した楕円の長径、短径、離心率および長径方向が画像水平軸方向となす角度を第一の指標群として演算する角度演算部と、
前記試料上の柱状ないし穴状パターンの輪郭線の周長および前記周長の二乗を４πと輪郭線で囲まれた面積とを乗じた値で割った値を第二の指標群の一つとして演算するＣｒ演算部と、を有し、前記端末の表示部に表示される、前記第一の指標群に属する第一の指標及び前記第二の指標群に属する第二の指標の選択画面から指標の選択を受け、前記画像解析部は、前記選択画面から選択された指標を演算することを特徴とする検査装置とする。

また、前記検査装置において、
前記画像解析部は、
前記試料上の複数箇所から得られた複数のパターンの像に対して算出された、前記選択画面から選択された指標の指標値の度数分布を算出する度数分布演算部と、
算出された前記度数分布から、指標値の平均値、分布の標準偏差、歪度および尖度を統計指標群として算出する統計指標演算部と、
算出された前記統計指標群の中の指標値が、前記統計指標群の中の少なくとも一つに対して予め入力された上限値あるいは下限値あるいはその両方の範囲から外れる場合に警告を発する警告手段と、を更に有することを特徴とする検査装置とする。

また、試料へ荷電粒子線を照射する荷電粒子線照射部と、前記荷電粒子線照射部を制御する制御部と、前記荷電粒子線の照射により前記試料から放出された二次電子を用いて得られる画像を解析する画像解析部と、前記制御部及び前記画像解析部に接続され表示部を含む端末と、を有する検査装置であって、
前記試料の表面には、複数の柱状パターン又は穴状パターンが形成されており、
前記画像解析部は、
前記柱状パターン又は穴状パターンを解析するための第一の指標群である、トップダウン観察をしたときの前記柱状パターン又は穴状パターンの形状を円で近似するための近似円の直径Ｄ及び半径Ｒ、および前記柱状パターン又は穴状パターンの形状を楕円で近似するための近似楕円の長径ａ、短径ｂ、長径方向が画像水平軸方向となす角度θ、離心率ｅ及び扁平率ｆの中から選択された第一の指標を演算する第１演算手段と、
前記柱状パターン又は穴状パターンを解析するための第二の指標群である、前記画像から得られる前記柱状パターン又は穴状パターンの輪郭線の周長の二乗を４πで割り更に前記輪郭線で囲まれた面積で割った値であるＣｒ、および前記近似円或いは前記近似楕円と前記輪郭線のエッジとの距離の値の分布の標準偏差に３を乗じた値を前記近似円の半径或いは前記近似楕円の平均半径で割った値Ｓｒの中から選択された第二の指標を演算する第２演算手段と、
を有し、前記端末の表示部に表示される、前記第一の指標群に属する第一の指標及び前記第二の指標群に属する第二の指標の選択画面から指標の選択を受け、前記画像解析部は、前記選択画面から選択された指標を演算することを特徴とする検査装置とする。

また、試料へ荷電粒子線を照射する荷電粒子線照射部と、前記荷電粒子線照射部を制御する制御部と、前記荷電粒子線の照射により前記試料から放出された二次電子を用いて得られる画像を解析する画像解析部と、前記制御部及び前記画像解析部に接続され表示部を含む端末と、を有する検査装置であって、
前記試料の表面には、複数の柱状パターン又は穴状パターンが形成されており、
前記端末の表示部は、
前記柱状パターン又は穴状パターンを解析するための第一の指標として、トップダウン観察をしたときの前記柱状パターン又は穴状パターンの形状を円で近似するための近似円の直径Ｄ及び半径Ｒを、および前記柱状パターン又は穴状パターンの形状を楕円で近似するための近似楕円の長径ａ、短径ｂ、長径方向が画像水平軸方向となす角度θ、離心率ｅ及び扁平率ｆを、
前記柱状パターン又は穴状パターンを解析するための第二の指標として、前記画像から得られる前記柱状パターン又は穴状パターンの輪郭線の周長の二乗を４πで割り更に前記輪郭線で囲まれた面積で割った値であるＣｒ、および前記近似円或いは前記近似楕円と前記輪郭線のエッジとの距離の値の分布の標準偏差に３を乗じた値を前記近似円の半径或いは前記近似楕円の平均半径で割った値であるＳｒを、
それぞれ選択するための選択画面を表示し、前記選択画面から選択された第一の指標及び／又は第二の指標について前記画像解析部が演算した指標値を表示するものであることを特徴とする検査装置とする。

本発明によれば、製造工程の状態あるいは素子の性能に関係するパターンを定量的に評価可能な検査装置を提供することができる。また、製造現場における自動工程管理を簡便に実行可能な検査装置を提供することができる。

ナノピラーをトップダウン観察して得られた画像（同一面積）から抽出したパターンの輪郭の模式図であり、(a)は良好なパターンの例、(b)は形状に歪みがあるパターンの例、(c)はホールエッジラフネスと呼ばれる真円からのずれ量は(b)と同じだが、周期の小さいラフネスが多く周長は(b)より長いパターンの例を示す。 本発明の第一の実施例に係る検査装置の構成の一例を示す概念図である。 図２Ａに示す検査装置における画像解析装置の構成一例を示す概念図である。 図２Ａに示す検査装置における検査処理の一例を示すフロー図である。 （ａ）は図２Ａに示す検査装置を用いてナノピラーサンプルをトップダウン観察して得られた画像の模式図であり、（ｂ）は（ａ）に示す画像から抽出したパターン輪郭の模式図である。 （ａ）は観察用サンプルの断面構造の一例を示す模式図であり、（ｂ）は（ａ）に示すサンプルをエッチング加工した後の断面構造を表す模式図である。 図２Ａに示す検査装置の端末（モニタ画面）に表示される指標選択画面の一例を示す模式図である。 図２Ａに示す検査装置の端末（モニタ画面）に表示される解析結果の一例を示す模式図である。 本発明の第二の実施例に係る検査装置で観察したチップのウエハ上の位置を示す平面図である。 本発明の第三の実施例に係る検査装置において得られたパターン輪郭線の例を示す平面図である。 本発明の第三の実施例に係る検査装置の端末（モニタ画面）に表示される指標選択画面の一例を示す模式図である。 本発明の第三の実施例に係る検査装置の端末（モニタ画面）に表示される解析結果の一例を示す模式図である。

発明者等は、上記目的を達成するために以下の形状指標を導入することとした。即ち、先行技術文献１及び２に記載の、近似楕円の長径、短径、長径方向が画像水平軸方向となす角度θ、周長、ホールエッジラフネス、離心率、扁平率に以下の新たな無次元の量Ｃｒ及びＳｒを加える。

ここで、Ｃは離散的な点の集合としてあらわされるパターンの輪郭から得られるパターンの周長、Ｓはその輪郭で囲まれた面積、ｓｉｇｍａは特許文献２に示されている、パターンエッジ位置の基準図形（円あるいは楕円）からのずれ量に相当する標準偏差、ｒはパターン輪郭を円で近似した場合の近似円の半径である。Ｃｒは４πで割ったことで、真円の場合に１となるように規格化された。即ちこの値が１からどの程度大きいかによって、半径や直径に関わらず、外周へのダメージが閉曲線内領域面積に比してどの程度大きいかを表すことができる。また、ピラー形状のメモリデバイスでは特に、外周に現れる凹凸の影響は期待されたデバイスの記憶領域体積（トップビューでは面積）が小さいほど深刻になる。従って、単純な周長（（１）式中のＣ）や凹凸の標準偏差（（２）式中のｓｉｇｍａ）よりも、これらを面積あるいは面積に直結する平均半径で割った指標の方が、デバイス性能に対して高い相関をもつというメリットもある。なお、Ｃｒ，Ｓｒともに無次元の量となる。

真円の場合前述の二つの指標はいずれも同様の効果が期待されるが、規格化されたＣｒのほうが直観的に分かりやすい。また、エッチング後のパターンにより大きな影響を与える高周波のラフネスを検知するにはＣｒの方が感度が高い。一方で設計パターンが楕円の場合、パターンが設計どおりの形状であってもＣｒは１からずれた値となるため、ＣｒよりもＳｒを用いる方が好適である。

更に、前述の形状指標の値の分布の、平均値、標準偏差、歪度、尖度を工程管理指標とする。前述の形状指標から選択した、使用する指標をρで代表する。Ｍ個のパターンから求めたＭ個のρの値を、ρ＿１， ρ＿２，・・・・・， ρ＿Ｍ とする。歪度、尖度は統計学でよく使われており、順に下記の式で表される。

ここでμは、ρの分布の平均値、σはρの分布の標準偏差である（なお、ホールエッジラフネスのｓｉｇｍａとは異なる）。

検査手順としては、先ずドット、ピラーないしホールなどの閉曲線形状となるべきパターンが含まれるＣＤ−ＳＥＭ画像から、パターン輪郭を抽出し、その輪郭である二次元閉曲線を複数の離散的なエッジ点の集合としてデータ化する。次に、そのエッジ点集合を基準となる図形で近似する。前述の基準となる図形の種類は、楕円、真円、あるいは正方形か長方形の四つの角をなまらせたなめらかな形状、パターン形成のシミュレーションを行って得られる予測された図形、である。その後、形状に関する指標を算出する。

用いる指標は、目的によって選択することができる。例えば、上層下層との配線抵抗の異常につながる形状歪みを検知する場合、磁性あるいは抵抗素子を用いたメモリデバイス等の性能の不良を検知する場合、或いは、後にエッチング工程を控えていて、最終的なパターン寸法の異常を予測したい場合等、それぞれに適した指標を選択することを可能にする。

また、形状指標として、円で近似した場合の近似円の半径、直径、楕円で近似した場合の近似楕円の長径、短径、長径が画像横軸方向となす角度、離心率、扁平率、パターン周長、パターン周長の二乗を４πで割りさらに近似円ないしは近似楕円ないしは周で囲まれた領域の面積で割ったもの（（１）式）、パターン形状を円ないしは楕円で近似した場合の近似図形からのエッジ位置のずれ量の分布の標準偏差あるいは標準偏差の３倍、あるいは標準偏差の３倍を近似円の半径で割ったもの（（２）式）、を算出する。

さらに、前述の工程を設計上は同じ形状である複数のスポットのパターンに適用して、指標の値を複数算出し、それらの結果の度数分布から統計上の指標を算出することで、複雑な図形のウエハないしロットでの出来栄えを単純なひとつの指標で表すことを可能にする。操作者がこの指標をもとに、パターン形成工程の良し悪しを判定することも、予め入力してあった指標の限界値と自動で比較して警告を発することも、可能にする。

即ち、ドットないしはピラー形状を有する基板を観察して得た画像から、露光装置の状態あるいは仕上がる製品性能に関係するパターンの出来栄えを定量的に評価し、パターン形成工程を簡便に、高精度に管理することができる。

以下、本発明について実施例により図を用いて説明する。なお、同一符号は同一構成要素を示す。

本発明の第一の実施例に係る検査装置について図１〜図６を用いて説明する。本実施例では、本検査装置を用い新しい指標を利用してリソグラフィ後のレジストパターンつきウエハの評価を行い、パターン形成工程を管理した例を説明する。

先ず、検査装置について図２Ａを用いて説明する。本検査装置は、電子源（電子銃２０２）と、電子源から放出された電子を電子線２０３として試料台２０８に載置された試料２０７に照射する電子光学系（レンズ２０４、偏向器２０５、レンズ２０６等）と、電子線２０３の照射により試料２０７から放出された二次電子２０９を検出する検出器２１０と、これらを制御する制御系２１１と、検出器２１０により検出された二次電子の信号に基づいて得られる試料表面の画像データ等を表示する検査装置の端末（モニタ画面含む）２１２（以下、単に端末２１２、或いは制御系及び画像解析装置の端末２１２、或いは画像解析装置の端末２１２と記すこと有）と、各種データを保存するデータ記憶装置２１３と、二次電子の信号等の解析を行う画像解析装置２４０と、を備えている。符号２０１は走査電子顕微鏡の筐体を示す。なお、本実施例では電子線を用いてパターン観察を行う例について説明するが、電子線に限らずイオン線を用いることもできる。

試料２０７は、基板上に、複数個の柱の形状の微細なパターンが一定の間隔で並んでいるものである。この試料の柱形状を、ナノピラーと呼ぶ。このパターンは設計上では真円形状であった。

画像は、試料２０７を基板に垂直な方向から電子線２０３を照射した結果得られるもので、その画像内においては、試料上の凹凸のエッジ部分は信号強度が高くなっている。そのため、ナノピラー部分に電子線を照射して得られる画像は、円あるいは楕円に近い図形にとして現れる。

画像解析装置２４０は図２Ｂに示すように、検査装置の端末２１２に表示された画像データ、特にナノピラー群に対応する図形から、そのパターンの境界（エッジ）の位置を離散的に算出する機能（エッジ演算部２４１）を有する。また、その離散的に得られたエッジの点群を楕円図形で近似する機能（近似演算部２４３）、近似した楕円とエッジの各点との距離を算出する機能（距離演算部２４５）を有する。さらに、配線性能に関係するパターン歪みを表す第一の指標、即ち近似した楕円の長径、短径、離心率、長径方向が画像水平軸方向となす角度θを算出する機能（角度演算部２４４）及び、ナノピラーの側面面積やエッチングの後のパターン寸法の不良につながる第二の指標、即ち二次元閉曲線の周長（周長演算部２４２）、（１）式に示した、規格化された周長・面積比（Ｃｒ博算部２４８で算出）、ホールエッジラフネス３ｓｉｇｍａ（距離演算部２４５で算出）、平均半径（演算部２４６で算出）、（２）式に示した規格化されたホールエッジラフネス（Ｓｒ演算部２４７で算出）を、グループごとに表示して操作者が目的に応じて三つのグループから一つを選択できる機能を有し、さらに選択したグループから算出したい指標を一つ以上選択できる機能、また選択された指標の値を、前記画像データから算出する機能（演算部２４２、２４５、２４６、２４７、２４８）を有する。さらに、指標の算出を複数のパターンに適用して複数の指標値を得たのち度数分布を表示し、前記度数分布の平均値、標準偏差、（３）式及び（４）式に示した分布の歪度と尖度とを計算する機能を有する。

また画像解析装置２４０は、あらかじめ、前述の平均値、標準偏差、歪度、尖度に対して値のあるべき範囲（これらの値は、例えば経験的に得ることができる）を入力しておく機能を有し、解析の結果得られた平均値、標準偏差、歪度、尖度が前記あるべき範囲にない場合に装置画面上に警告を表示するか、装置の出力端末から製造工程を管理する装置へ信号を出す機能を有する。

図２Ａに示す検査装置に対象となる試料（ウエハ）を投入し、電子線を走査しながら二次電子を検知することで、ウエハ上のターゲットとなるパターンのトップダウン画像を得た。本実施例で解析した画像の例の模式図を図３（ａ）に示す。画像は電子顕微鏡信号の強弱をグレイスケールに変換したもので、濃淡で表されているが、ここでは模式的に特に明るい部分を白で、暗い部分を黒で表している。この画像からパターンの輪郭を抽出して得られた図形を図３（ｂ）に示す。輪郭は連続した曲線であるが、データとしては離散的なエッジ点位置の集合の形をとっている。

また、このパターンの断面構造に相当する模式図を図４（ａ）に示す。トップダウン像で見えるこのパターンはここではパターン４０１であり、レジスト材料でできており、次の工程ではエッチングによりパターンをハードマスクと呼ばれる高いエッチング耐性を有する層４０２に転写し、さらに続くエッチングにより金属でできている電極層４０３とその下の磁性材料層４０４を加工する。加工後の断面形状を図４（ｂ）に示す。磁性材料層４０４はその下層にあり、絶縁層４０５に埋まっている形となっている配線パターン４０６により、さらに下層にあるトランジスタと接続されることになる。また、図３（ａ）の模式図に示したものは一例であり、同様のパターンがウエハのチップ上、数ミクロン平方の領域にわたってピッチ５００ｎｍで並んでいた。

このレジストパターン４０１は磁気メモリの素子のものであったため、出来栄えを評価する場合に重要な項目は、素子が有効に性能を発揮することのできる領域の（即ちダメージを受けていない）面積と、下層の配線との間の抵抗である。

前者（面積）はこれまで単純にレジストパターンの寸法でモニタリングされてきた。寸法は、閉曲線を円で近似して算出した直径である。しかし、図１で説明したように、近似円の直径は同じでも周辺の凹凸が多い場合（図１（ｃ））と少ない場合（図１（ｂ））とがあり、この例では、レジストパターンの面積のほかにエッチング後のハードマスクパターン寸法が小さくなり、かつ、ばらつく可能性の高い図１（ｃ）の性質を検知しなくてはならない。後者（抵抗）の指標として適しているものは、パターンの離心率や扁平率である。

今回は前者の指標として従来のパターンエッジラフネス、即ちパターン輪郭の基準図形からのずれ量の分布（標準偏差）ではなく、（１）式に示す指標を用いることとした。ここでＳｒではなくＣｒを選択した理由は、Ｃｒのほうが、エッチング後のパターン寸法により大きな影響を与える高周波のラフネスに敏感だからである。

また後者の指標としては離心率を用いることとした。この指標は分かりやすいため、これを用いれば直観的に形状の歪みを把握することができる。

実施されたユーザーの操作及び装置内での処理を図２Ｃに示す。まず、図３(a)の模式図に代表される画像を以下の手順で図２Ａに示す走査電子顕微鏡を備えた検査装置によって取得した（Ｓ２０１〜Ｓ２０４）。走査電子顕微鏡のサンプルステージ２０８の上にサンプル２０７を載置し（Ｓ２０２）、電子銃２０２から放出された電子線２０３をレンズ２０４、２０６及び偏向器２０５を含む電子光学系によりサンプル２０７へ照射し、サンプルから発生した二次電子２０９を検出器２１０で検出し（Ｓ２０３）、制御系２１１及び画像解析装置の端末（モニタ画面含む）２１２を介して検出信号に基づく画像データをデータ記憶装置２１３に格納する（Ｓ２０４）。

上記手順を、５ミクロン平方の領域内で電子線を照射する場所を変えて行い、合計１０個の図３（ａ）の模式図に類似したパターン画像を得た（Ｓ２０３）。さらに、対象となるウエハ上から１０箇所のチップを選び、おのおののチップで同様のことを行って合計１００個の画像を得た（Ｓ２０３）。これらの画像は全てデータ記憶装置２１３に格納された（Ｓ２０４）。

次に、操作者は画像解析装置２４０の端末２１２を操作し、ピラー形状評価のためのプログラムを動作させた（Ｓ２０６）。次にデータ記憶装置２１３から例となる画像データを呼び出して（Ｓ２０７）、画像解析装置２４０のモニタ画面に表示させた。モニタ画面には図５に示すウインドウ（指標選択画面）が現れた。表示されたウインドウの一部に図３（ａ）の模式図で示したようなパターン画像が含まれている。尚、画像解析装置２４０を構成する演算部については図２Ｂに示した。記憶装置２１３や端末２１２とのデータ入出力を行う部分及び行う演算を指示する部分は略してある。

操作者はモニタ画面上で、第一の指標として直径（Diameter）、離心率ｅを選択、これらの表示の先頭にある円をクリックして、算出すべき指標として選択、登録した。続けて第二の指標として、周長の二乗を４πで割り、さらに面積で割った値であるＣｒを同様にして選択した（Ｓ２０８）。なお、“ａ”は楕円の長径、“ｂ”は楕円の短径、“θ”は長径方向が画像水平軸方向となす角度、“ｆ”は扁平率を示す。

次に操作者は表示した画像の上に、検査領域、即ちエッジを検索したい領域をマウスの操作により置き、ＯＫボタンをクリックした（Ｓ２０９）ところ、画像右上に計測結果が表示された。さらに別ウインドウで評価したい画像（解析画像）の格納されている記憶領域名（フォルダ）を指定し（Ｓ２１０）、プログラムにより、指標の計算を実行した（Ｓ２１１〜Ｓ２１６）。最初の例（Ｓ２１１）となる画像上で実施した検査と同じ内容の検査がフォルダ内の画像に対して次々と行われ（Ｓ２１２〜Ｓ２１６）、計算された指標の値は一時的に画像解析装置内に保存された（Ｓ２１４）。最終的に、一種類の指標につき１００個の画像から１００個の値が得られた。この１００個の値について、ヒストグラムを算出し、平均値、標準偏差、歪度、尖度といった統計指標が算出された（Ｓ２１７）。統計指標は画像解析部で算出することができる。

その結果、得られた結果がモニタ上に表示された（Ｓ２１８）。選択した指標の数だけ、ウインドウが現れ、各指標の度数分布と統計指標が重なって表示されている。この様子を図６に示す。なお、図６では統計指標として平均値、標準偏差、歪度、尖度が表示されているが、必ずしも全てを表示する必要はない。但し、全ての表示が好適である。

画像解析装置２４０には、Ｃｒの平均値と直径の分布の歪度に上限値を予め設けておいた。前者が１．２０、後者が０．６０であった（経験から求めた値）。今回の解析の結果、Ｃｒの平均値は１．１２であったため合格であった。直径分布の歪度は０．７８と大きく、極端に大きな直径をもつパターンが散見されそのために分布が右側（直径が大きい方向）に裾を引いていることを意味している。この値が０．６０を超えていたため、モニタ画面上に警告が表示され（Ｓ２１９）、終了した（Ｓ２２０）。また、パターン寸法が極端に大きくなるパターンが発生する原因の詳細を調査することとなったが、いずれもウエハの縁で生じていることがわかり、露光装置の条件を調整して改善することができた。

従来のラフネス指標や単純な周長ではなく、（１）式や（３）式、（４）式の指標を用いたことにより、デバイス性能との相関が高い検査が可能になった。また、それまでは観察パターンごとに、警告を出すレベルを変える必要があり、人為的なミスを誘発していたが、Ｃｒ平均値の上限値１．２０はサイズやレイアウトが異なる他のピラーパターンにもそのまま適用することができるため検査手順が簡単となり、人為的なミスが減少した。

また、従来は、目的に沿っていない指標を誤って選択したためにやり直したり、不要な指標も含めて膨大な量の検査結果を出してしまい結局プロセスへのフィードバックに時間がかかったりすることがあったが、メモリ素子性能に着目した検査をするのか、上下層との合わせずれに着目した検査をするのか、目的に沿った指標を選択できる本検査装置を用いることによってより確実に、必要な検査のみを実行することができた。

さらに、ひとつひとつの値ではなく指標の分布に関する統計指標（平均値、標準偏差、歪度、尖度）によってプロセスの状態をモニタリングすることで、判断が迅速になった。また、算出された統計上の指標の値と予め入力してあった指標の限界値（上限値又は下限値或いはその両者）とを自動で比較することにより工程管理の自動化を簡便に、高精度に行うことができる。

これらの結果により、迅速に、製品に適さないウエハをリソグラフィの段階で検知し、リワークすることができた。また、露光装置の調整により、イールドを長期間にわたって高くたもつことが可能になった。

以上、本実施例によれば、、製造工程の状態あるいは素子の性能に関係するパターンを定量的に、高精度に評価可能な検査装置を提供することができる。また、製造現場における自動工程管理を簡便に実行可能な検査装置を提供することができる。

本発明の第二の実施例に係る検査装置について説明する。本実施例では新しい指標を利用してリソグラフィ後のレジストパターンつきウエハの評価を行い、レジスト材料の評価を行った例を説明する。なお、実施例１に記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情がない限り本実施例にも適用することができる。

対象となるウエハ及びそのウエハを投入した検査装置、画像は実施例１と同じであり、検査装置は図２Ａに示したもの、画像の模式図は図３（ａ）に示したもの、パターンの輪郭は図３（ｂ）に示したものと同様である。本検査装置における画像解析装置は、楕円近似に加えて真円近似を行う演算部を有する。なお、真円近似専用とする場合には、楕円近似に代えて真円近似を行う演算部を有する画像解析装置とすることもできる。

材料スクリーニングが目的の場合には形状歪みとエッチング耐性との両方に関係する指標を用いるとよい。一種類の指標で迅速に判断できるからである。そこでここでは、（２）式に示す指標、Ｓｒを用いた。この指標は両方の指標になるからである。

操作者は図２Ｃに示す手順で、本実施例に係る検査装置の画像解析装置を用いて、図３（ｂ）に示す輪郭線を構成する離散的なエッジ点の位置座標データを真円で近似し（図２Ｂの演算部２４３に相当）、近似円の半径ｒ（同図演算部２４６に相当）と近似円からの各エッジ点の距離を算出し、全てのエッジ点の距離の分布の標準偏差ｓｉｇｍａを算出し（同図演算部２４５に相当）、（２）式に従って指標Ｓｒを出した（同図演算部２４７に相当）。

さらに操作者は画面内で観察したピラーの右側に位置しているピラーを撮像し、同様にＳｒを算出した。これを繰り返して合計２０個のＳｒ値を得、その平均値を計算した。

上記のＳｒ平均値の算出工程を、ウエハ上のチップ位置５箇所で行った結果、五つのＳｒ平均値が得られた。このチップ位置は図７に示されている。図７中の破線で書かれた長方形がチップの配置を表している。黒く塗りつぶされたチップで計測が行われた。この五つのＳｒ値の平均を求め、観察したウエハの代表的なＳｒ値とした。この値は０．２６であった。

次に、異なるレジストで形成した同じレイアウトのパターン付ウエハについて、上記と同じ解析を施したところ、ウエハの代表的なＳｒ値は０．３５となった。このため、一回目に評価したレジストのほうが良好なピラー形状を与えるものと判断し、量産工程では一回目に評価したレジストを用いることに決定した。

この実施例においても、従来のｓｉｇｍａ或いは３ｓｉｇｍａではなくＳｒを用いたことで、デバイス性能との相関が高く精確な検査が可能になり、また、サイズやレイアウトの異なるパターンに対しても同じ検査レシピを適用することが可能になり、迅速に検査が行えるようになった。

また、実施例１と同じく、適用レイヤーに応じた指標の選択が容易になった。また、統計指標の導入により、プロセスのモニタリング結果の判断が迅速に行えるようになった。従って、（２）式で示される指標Ｓｒを導入することにより、製品作製に適した材料を迅速かつ簡便に、また画像の目視ではなく客観的な指標により精確に選択することができ、量産工程の迅速な確立が可能になった。

本実施例によれば、実施例１と同様の効果がある。また、プロセスのモニタリング結果の判断を迅速に行うことができる。

本発明の第三の実施例に係る検査装置について説明する。本実施例では新しい指標を利用してエッチング後のパターンの評価を行ってエッチングプロセスの課題を見出した例を説明する。なお、実施例１又は２に記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情がない限り本実施例にも適用することができる。

対象となるウエハを投入した検査装置は実施例１と同じである。また、観察のパターンの断面構造は図４（ｂ）に示したものである。

まず、ウエハを実施例１の図２Ｃに示した手順と同じ手順で検査装置に投入しパターンを撮像し、パターン輪郭を抽出した。その結果を図８に示す。パターンは設計上、画面のｘ方向、ｙ方向ともに２００ｎｍのピッチで配列されている楕円であり、長径の方向はｘ方向である。また設計上では、長径は１２０ｎｍ、短径は８０ｎｍである。１枚の画像から四つの輪郭図形が得られた。各輪郭を楕円で近似して、四つの近似楕円を得た。この近似楕円の重心の配列は設計どおり、２００ｎｍであった。また四つの近似楕円の平均長径は１２１．５ｎｍ、平均短径は７８．２ｎｍとなり、設計値に十分近いと操作者が判断できた。

しかし長径が格子のｘ方向となす角度θは、設計上ではゼロになるはずであったがプラスの値をとっており、四つの近似楕円のθは図８右上の楕円から反時計回りにぞれぞれ４．５度、６．２度、１０．０度、２．１度となった。

引き続いて操作者は、画面内右方向に撮像の視野を移して、位置が異なるが同じ形状になるよう設計されていたパターンを撮像し、θの算出を繰り返し、合計で２５箇所、１００個のピラーの画像を得たのち、実施例１と同じくピラーの形状を解析するプログラムを起動させて画像データを取り込んだところ、図９に示すウインドウが現れた。このモニタ画面上で、指標としてθを選択し、撮像した２５枚の画像のフォルダを指定して解析を実行させた。

その結果、図１０に示すヒストグラムが表示された。画像解析装置には、θの平均値の許容範囲とθの分布の尖度下限値を予め設けておいた。前者が０±５度、後者が−０．５０であった。今回の解析の結果、θの平均値は６．４度であったためこのウエハは不合格であった。このためモニタ画面上に警告が現れた。また尖度は０．３３であり、不合格ではない。しかしこれはプラスの値であることから平均値付近にθの分布が集中していることを意味する。即ち、楕円の長軸を傾けるシステマティックな原因があると考えられる。

そこで露光装置とエッチング装置を調べたところ、エッチング装置のガス供給ノズルにわずかな変形がみられ、チャンバー内のガスの流れが不均一になっていることがわかり、修理を施した。

この実施例においては、楕円の長径方向の角度θという分かりやすい指標を統計的に管理することで、エッチングプロセスのシステマティックな変動を適切に、高精度に管理することができるようになった。単純な個々のパターンのθやθの平均値ではわからない異常を早期に検知することができた。指標を統計的に管理し、（３）式や（４）式を導入することにより、製品に適さないウエハをエッチングの段階で検知し、リワークすることができた。また、装置の異常を早く検知して手当することで、イールドを長期間にわたって高くたもつことが可能になった。

本実施例によれば、実施例１と同様の効果がある。また、プロセスのシステマティックな変動を適切に管理することができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることも可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

２０１…筐体、２０２…電子銃、２０３…電子線、２０４…レンズ、２０５…偏向器、２０６…レンズ、２０７…試料（サンプル）、２０８…試料台（サンプルステージ）、２０９…サンプルから発生した二次電子、２１０…検出器、２１１…制御系、２１２…検査装置の端末、２１３…データ記憶装置、２４０…画像解析装置、２４１〜２４８…演算部、４０１…レジストパターン、４０２…ハードマスク（シリコン酸化膜）、４０３…金属電極層（電極材料からなる膜）、４０４…磁性材料層（磁性体からなる膜）、４０５…絶縁層（絶縁材料）、４０６…金属材料からなる配線パターン。

Claims (11)

1. 荷電粒子線装置から出力され複数個の柱状ないし穴状のパターンが一定の間隔で形成されている試料のトップダウン画像信号を解析する画像解析部と、前記画像解析部に接続され表示部を含む端末と、を備えた検査装置において、
   前記画像解析部は、
   前記トップダウン画像信号から得られる画像の輪郭線を、境界（エッジ）の位置を表す離散的な点の集合として演算するエッジ演算部と、
   前記エッジの点の集合を楕円あるいは円で近似する近似演算部と、
   近似した楕円ないしは円と前記エッジの各点との距離を演算する距離演算部と、
   前記近似した楕円の長径、短径、離心率および長径方向が画像水平軸方向となす角度を第一の指標群として演算する角度演算部と、
   前記試料上の柱状ないし穴状パターンの輪郭線の周長および前記周長の二乗を４πと輪郭線で囲まれた面積とを乗じた値で割った値を第二の指標群の一つとして演算するＣｒ演算部と、
   を有し、前記端末の表示部に表示される、前記第一の指標群に属する第一の指標及び前記第二の指標群に属する第二の指標の選択画面から指標の選択を受け、前記画像解析部は、前記選択画面から選択された指標を演算することを特徴とする検査装置。
2. 請求項１に記載の検査装置において、
   前記画像解析部は、前記エッジの点の集合と前記近似した楕円ないし円との距離の値の分布の標準偏差に３を乗じた値を近似楕円の平均半径ないしは円の半径で割った値を前記第二の指標群の他の一つとして演算するＳｒ演算部を更に有することを特徴とする検査装置。
3. 請求項１に記載の検査装置であって、
   前記画像解析部は、
   前記試料上の複数箇所から得られた複数のパターンの像に対して算出された、前記選択画面から選択された指標の指標値の度数分布を算出する度数分布演算部と、
   算出された前記度数分布から、指標値の平均値、分布の標準偏差、歪度および尖度を統計指標群として算出する統計指標演算部と、
   を有することを特徴とする検査装置。
4. 請求項３に記載の検査装置であって、
   前記端末の表示部に、前記選択画面から選択された指標について算出された前記統計指標群の中の少なくとも一つを表示することを特徴とする検査装置。
5. 請求項３に記載の検査装置であって、
   算出された前記統計指標群の中の指標値が、前記統計指標群の中の少なくとも一つに対して予め入力された上限値あるいは下限値あるいはその両方の範囲から外れる場合に警告を発する警告手段を更に有することを特徴とする検査装置。
6. 請求項３に記載の検査装置であって、
   前記端末の表示部に、前記第一及び第二の指標群の中の少なくとも一つの指標値と前記試料上の位置を関連づけ、異常の多くが前記試料の縁で生じていると判断される場合には、露光装置の条件を調整するよう表示することを特徴とする検査装置。
7. 試料へ荷電粒子線を照射する荷電粒子線照射部と、前記荷電粒子線照射部を制御する制御部と、前記荷電粒子線の照射により前記試料から放出された二次電子を用いて得られる画像を解析する画像解析部と、前記制御部及び前記画像解析部に接続され表示部を含む端末と、を有する検査装置であって、
   前記試料の表面には、複数の柱状パターン又は穴状パターンが形成されており、
   前記画像解析部は、
   前記柱状パターン又は穴状パターンを解析するための第一の指標群である、トップダウン観察をしたときの前記柱状パターン又は穴状パターンの形状を円で近似するための近似円の直径Ｄ及び半径Ｒ、および前記柱状パターン又は穴状パターンの形状を楕円で近似するための近似楕円の長径ａ、短径ｂ、長径方向が画像水平軸方向となす角度θ、離心率ｅ及び扁平率ｆの中から選択された第一の指標を演算する第１演算手段と、
   前記柱状パターン又は穴状パターンを解析するための第二の指標群である、前記画像から得られる前記柱状パターン又は穴状パターンの輪郭線の周長の二乗を４πで割り更に前記輪郭線で囲まれた面積で割った値であるＣｒ、および前記近似円或いは前記近似楕円と前記輪郭線のエッジとの距離の値の分布の標準偏差に３を乗じた値を前記近似円の半径或いは前記近似楕円の平均半径で割った値Ｓｒの中から選択された第二の指標を演算する第２演算手段と、
   を有し、前記端末の表示部に表示される、前記第一の指標群に属する第一の指標及び前記第二の指標群に属する第二の指標の選択画面から指標の選択を受け、前記画像解析部は、前記選択画面から選択された指標を演算することを特徴とする検査装置。
8. 請求項７に記載の検査装置において、
   前記画像解析部は、
   前記選択画面により選択され、前記試料上の複数箇所から得られた複数の前記柱状パターン又は穴状パターンの像に対して算出された指標の指標値の度数分布を算出する度数分布演算部と、算出された前記度数分布から、指標値の平均値、分布の標準偏差、歪度および尖度の中の少なくとも一つを統計指標として算出する統計指標演算部と、
   を有することを特徴とする検査装置。
9. 試料へ荷電粒子線を照射する荷電粒子線照射部と、前記荷電粒子線照射部を制御する制御部と、前記荷電粒子線の照射により前記試料から放出された二次電子を用いて得られる画像を解析する画像解析部と、前記制御部及び前記画像解析部に接続され表示部を含む端末と、を有する検査装置であって、
   前記試料の表面には、複数の柱状パターン又は穴状パターンが形成されており、
   前記端末の表示部は、
   前記柱状パターン又は穴状パターンを解析するための第一の指標として、トップダウン観察をしたときの前記柱状パターン又は穴状パターンの形状を円で近似するための近似円の直径Ｄ及び半径Ｒを、および前記柱状パターン又は穴状パターンの形状を楕円で近似するための近似楕円の長径ａ、短径ｂ、長径方向が画像水平軸方向となす角度θ、離心率ｅ及び扁平率ｆを、
   前記柱状パターン又は穴状パターンを解析するための第二の指標として、前記画像から得られる前記柱状パターン又は穴状パターンの輪郭線の周長の二乗を４πで割り更に前記輪郭線で囲まれた面積で割った値であるＣｒ、および前記近似円或いは前記近似楕円と前記輪郭線のエッジとの距離の値の分布の標準偏差に３を乗じた値を前記近似円の半径或いは前記近似楕円の平均半径で割った値であるＳｒを、
   それぞれ選択するための選択画面を表示し、前記選択画面から選択された第一の指標及び／又は第二の指標について前記画像解析部が演算した指標値を表示するものであることを特徴とする検査装置。
10. 請求項９記載の検査装置において、
    前記端末の表示部は、複数の前記柱状パターン又は穴状パターンに対応する複数の前記選択画面から選択された第一の指標及び／又は第二の指標の度数分布、指標値の平均値、分布の標準偏差、歪度および尖度の中の少なくとも一つを表示するものであることを特徴とする検査装置。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の検査装置において、
    前記第一の指標はパターンの配線性能に関係するパターン歪みを表す指標であり、前記第二の指標はパターン寸法の不良につながるパターン劣化を表す指標であることを特徴とする検査装置。

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