JP2007324467A - パターン検査方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】目的とするパターンのサイズが小さくなっても、目的とするパターンを容易に検出することが可能なパターン検出方法及びその装置を提供する。
【解決手段】検査対象の観察視野の画像１０１より検査対象の目的とするパターン１０３を検出する際、あらかじめ、検査対象の観察視野よりも広くした観察視野の画像１０２を取得し、取得した画像から目的とするパターンを検出し、目的とするパターンを指定された解像度にて検査することを特徴とする。このような方法によれば、広域の観察視野の画像であるため、視野内に目的とするパターンが入らない確率を低くすることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体ウェハ上に形成されたパターンを検査するパターン検査方法及びその装置に関し、特に走査電子顕微鏡を用いて、目的とするパターンを容易に検出することができるパターン検査方法及びその装置に関する。

走査型荷電粒子線装置のひとつである走査電子顕微鏡において、半導体ウェハ上に形成されたパターンを観察する場合、ウェハが保持されているステージを駆動し、目的とするパターンのステージ上の座標へ移動し、パターンのサイズに応じた倍率で像を観察する。

パターンの形状が大きい場合には、ステージの移動精度が多少悪くても、走査電子顕微鏡の観察視野に目的とするパターンを検出することができる。しかし、パターンのサイズが小さくなると、パターンを表示するための倍率を高くする必要が生じる。このため走査電子顕微鏡の観察視野面積が小さくなり、観察視野内に目的とするパターンが入らなくなり、目的とするパターンを検出することができなくなる。この対策として、対象パターンが検出できるまでステージ移動を繰り返す方法が提唱されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平６-２８３１２５号公報（段落０００５−０００６、図３）

目的とするパターンのサイズが小さい場合、パターンを表示するための倍率が高くなる。最新の工程ではステージの移動精度（数μｍ）に対して、パターンサイズが数１０ｎｍとなり、１回のステージ移動で目的のパターンを観察視野にいれることは困難である。このため、特にパターンの観察を自動で行うレシピを実行する場合、対象とする目的とするパターンが見付からず、パターンの検出のエラーとなる確率が高くなる。また、この対策として特許文献１では、ステージ移動のたびに観察画像の取得が行われるため、処理時間が長くなり、特に倍率が高くなると観察画像の取得回数が多くなる。このため、特に自動化工程ではスループットが悪くなる問題が生じる。

本発明は、上記の課題を解決するための発明であって、目的とするパターンのサイズが小さくなっても、目的とするパターンを容易に検出することが可能なパターン検出方法及びその装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、検査画像から検査対象の目的とするパターンを検出する際、あらかじめ、検査対象の観察視野よりも広くした観察視野の広域画像を取得し、取得した広域画像から目的とするパターンを検出し、目的とするパターンを指定された解像度にて検査することを特徴とする。このような方法によれば、広域の観察視野の広域画像であるため、視野内に目的とするパターンが入らない確率を低くすることができる。

また、広域の観察視野の画像の取得を1度行えばよく、複数回の画像の取得を行う必要がないためスループットへの影響も抑えることができる。

本発明によれば、あらかじめ、検査対象の観察視野よりも広くした観察視野の広域画像を取得しているので、目的とするパターンを容易に検出することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の走査電子顕微鏡装置の構成を示すブロック図である。走査電子顕微鏡装置は、電子顕微鏡の鏡体部２０１内で、電子銃２０２から発せられた電子線２０３が、収束レンズ２１５によって収束され、偏向器２０４で走査偏向され、対物レンズ２１６でステージ２１３上の試料２０５に焦点を合わせられ照射される。電子線照射によって、試料表面近傍から発生する二次電子や反射電子等の荷電粒子を検出器２０６により検出し、増幅器２０７で増幅される。

偏向器２０４は、電子線の位置を移動させる偏向器であり、制御用計算機２１０の制御信号２０８によって電子線を試料表面上でラスタ走査される。

画像処理プロセッサ２０９は、増幅器２０７から出力される信号をＡＤ変換し、デジタル画像データを作成し、デジタル画像データを格納する画像メモリ２１４に記憶する。作成された画像データは、表示装置２１１で表示される。

また、画像処理プロセッサ２０９は、各種の画像処理を行う画像処理プロセッサであり、表示制御を行う表示制御回路を持つ。制御用計算機２１０には、キーボードやマウスなどの入力手段２１２が接続される。

半導体デバイス作成時、ウェハ（試料）上に描かれた微細なパターンの線幅を計測する場合に本走査電子顕微鏡装置が使用される。

なお、画像メモリ２１４内のメモリ位置に対応したアドレス信号が、制御用計算機２１０内で生成され、アナログ変換された後に走査コイル制御電源（図示せず）を経由して、偏向器２０４に供給される。Ｘ方向のアドレス信号は、例えば、画像メモリ２１４に記憶される画像が、５１２画素×５１２画素の場合、０から５１２を繰り返すデジタル信号である。Ｙ方向のアドレス信号は、Ｘ方向のアドレス信号が０から始まり、５１２に到達したときに１加算され（このとき、Ｘ方向のアドレス信号は０に戻る。）、０から５１２の繰り返しのデジタル信号である。アナログ信号には、０から５１１のデジタル信号が０から５１１に対応したアナログ信号として変換される。画像メモリ２１４に記憶される画像のサイズは必要に応じて、例えば１０２４画素×１０２４画素に変更可能である。このとき、上記のデジタル信号の繰返し範囲は、０から１０２４になる。

画像メモリ２１４のアドレスと、電子線２０３を走査するための偏向信号のアドレスとが対応しているので、画像メモリ２１４には、偏向器２０４による電子線２０３の偏向領域の２次元像が記録される。なお、画像メモリ２１４内の信号は、読み出しクロックで同期された読み出しアドレス生成回路（図示せず）で時系列に順次読み出すことができる。アドレスに対応して読み出された信号はアナログ変換され、表示装置２１１への輝度変調信号となる。

画像メモリ２１４には、Ｓ／Ｎ比改善のため画像（画像データ）を重ねて（合成して）記憶する機能が備えられている。例えば、８回の２次元走査で得られた画像を重ねて記憶することで、１枚の完成した像を形成する。即ち、１回もしくはそれ以上のＸ−Ｙ走査単位で形成された画像を合成して最終的な画像を形成する。１枚の完成した像を形成するための画像数（フレーム積算数）は任意に設定可能であり、２次電子発生効率等の条件を鑑みて適正な値が設定される。また、複数枚数積算して形成した画像をさらに複数枚重ねることで、最終的に取得したい画像を形成することもできる。所望の画像数が記憶された時点、あるいはその後に１次電子線のブランキングを実行し、画像メモリへの情報入力を中断するようにしてもよい。

試料２０５は、ステージ２１３上に配置され、電子線２０３と垂直な面内の２方向（Ｘ方向、Ｙ方向）に移動することができる。

次にパターン検査方法の手順について、図２を参照して説明する。
図２は、目的とするパターンの画像及び広域の観察視野で取得した画像を示す説明図である。図２（ａ）には、検査対象の観察視野の画像１０１（以下、画像１０１という。）が示され、図２（ｂ）には、検査対象の観察視野よりも広くした観察視野の画像１０２（以下、画像１０２という。）が示されている。画像中の太い白枠で囲まれた部分を目的とするパターン１０３とする。画像から検査対象の目的とするパターンを検出する際、あらかじめ、検査対象の観察視野よりも広くした観察視野の画像１０２を取得する（取得ステップ）。画像１０２から目的とするパターン１０３と、パターン相関値が高い（例えば、相関値が１に近い。）画像の部分を検出する。目的とする画像の部分が検出すると、目的とするパターン１０３を指定された解像度にて検査する（検査ステップ）。

特許文献１に記載された方法では、画像１０１を取得して、画像１０１から白枠の部分の目的とするパターン１０３の検出を行う。つまり、目的とするパターンが小さくなるほど画像の領域は狭くなる。このため、ステージ２１３が移動して、観察視野の画像を取得した場合に、画像１０１に、目的とするパターン１０３が観察視野内に入っていないと、目的とするパターン１０３を検出することができない。

検査対象の観察視野よりも広くした観察視野の画像１０２は、画像１０１に対して、画像の解像度を維持した状態で取得した画像になる。すなわち、例えば、１辺のサイズを４倍にした場合、画像の解像度を維持するため、画像メモリのサイズを、画像１０１の５１２画素×５１２画素に対して、画像１０２では、２０４８画素×２０４８画素としている。なお、１画素あたりの領域サイズは、画像１０１と画像１０２では同じにしている。

図３は、表示装置で表示した場合の目的とするパターンの画像及び広域の観察視野で取得した画像を示す説明図である。図３（ａ）及び（ｂ）には、画像１０１と画像１０２が同じ大きさで表示された場合が示されている。画像１０２は、画像１０１と比較して広い観察視野の画像であるが、画像解像度は同じである。もし、表示装置２１１の表示解像度が悪ければ、画像の解像度は見た目には悪く表示される場合もあるが、画像メモリ２１４の画像データの解像度は、画像１０１と画像１０２とは同一の解像度を有している。この点が本発明の特徴となっている。このため、画像１０１をパターンマッチング用のテンプレートとして使用することが可能である。また画像を取得する回数は1度ですむため、複数回画像を取得しなくてはならない方法と比較してスループットに与える影響を低減できる。また、画像メモリの１画素あたりの領域が同じになるため、画像１０２の目的とするパターン１０３の部分を検査パターンとしてもよい。

走査形電子顕微鏡のステージ位置精度には、精度誤差を有する。ここで仮に再現精度誤差を２μｍとすると、倍率100,000倍（表示装置２１１のＣＲＴの大きさ１００ｍｍ×１００ｍｍ）の観察視野の面積は１μｍ×１μｍであり、目的とするパターン１０３が、観察視野内に存在しない場合がある。本発明の場合、倍率を100,000倍のままで、観察視野を１辺４倍に設定すると、観察視野の面積が４μｍ×４μｍに広がり、目的とするパターン１０３が、観察視野内に入る確率は高くなる。

画像１０２の１画素あたりの領域サイズが、パターン検査段階での１画素あたりの領域サイズの偶数倍になるように画像メモリサイズを調整して画像を取得してもよい。偶数倍にしているのは、画像１０２から目的とするパターン１０３を検出するのに、比較的相関度が容易に得ることができるためである。例えば、画像１０２の画像メモリのサイズを、画像１０１の５１２画素×５１２画素に対して１０２４画素×１０２４画素とし、1辺のサイズを２倍とすると、画像１０２と画像１０１では、１画素の面積は、１辺が偶数倍である２倍であり、面積比で４倍と対応関係が明確であるからである。

なお、前記のように、あらかじめ、検査対象の観察視野よりも広くした観察画像を取得しないで、１度、画像１０１を使用して目的とするパターンの検出を行い、検出が失敗した場合に、画像１０２を取得し、エラーが発生した場合の保証手段として使用することもできる。画像１０２を取得するために要する時間は、画像１０１を取得するのに要する時間より長いため、スループットを優先したい場合にはこの組み合わせにしてもよい。前記のどの方法を選択するかは、レシピを作成する際に、オペレータに指定させるようにしてもよいし、図４に示すように登録時の条件から自動的に決定するようにしてもよい。

図４は、目的とするパターンの登録と検査画像の撮像条件を自動的に決定するための一例を示すフローチャートである。ここで、検査画像（取得画像）とは、検査対象の観察視野での画像である。オペレータが目的とするパターンを登録時に、制御用計算機２１０が、検査画像の撮像条件を決定する。図４（ａ）は、フローチャートであり、説明の参考図を図４（ｂ）、図４（ｃ）に示す。

オペレータは、表示装置２１１の表示画像を見ながら、検査画像を表示させる。画像メモリのサイズは、５１２画素×５１２画素とし、観察視野は、１μm×１μmの範囲とする。表示されている画像のなかで、オペレータがユニークであると考える部分をテンプレート画像としてカーソルにて指定する（ステップＳ１０）。図４（ｂ）に、オペレータが登録するテンプレート画像の一例を示す。

オペレータが、操作画面上の登録ボタンを押す。すると、制御用計算機２１０は、テンプレート画像の部分を画像メモリ２１４に画像データとして登録する。このとき、制御用計算機２１０は、同時に表示されている画像の撮像条件（例えば、明るさ、ウェハ上の座標、画像メモリのサイズ、観察視野）も登録する。登録される条件は、画像メモリのサイズ５１２画素×５１２画素、観察視野１μｍ×１μｍ、単位画素当りの観察視野１／５１２μｍ×１／５１２μｍとなる（ステップＳ１１）。テンプレート登録自体は完了し、次に登録テンプレートの評価を行う。

制御用計算機２１０は、画像の撮像条件を再設定し画像を表示させ、この画像からテンプレート画像の検索を行う。表示画像からテンプレート画像に相当すると判断される箇所を計算する。その際、テンプレート画像と表示画像の正規相関係数が高いところが候補点となる。ここで、第１候補点、第２候補点が計算されるとする。そのときの正規相関係数をそれぞれ評価値Ａ、評価値Ｂとする（ステップＳ１２）。図４（ｃ）に、第１候補点及び第２候補点における第１候補画像及び第２候補画像の一例を示す。

制御用計算機２１０は、評価値Ａが所定以上の値であるか否かを判定する（ステップＳ１３）。評価値Ａが所定以上の値でなければ、ステップＳ１５に進む。評価値Ａが所定以上の値であれば、ステップＳ１４に進む。

制御用計算機２１０は、評価値Ａが低い（所定値以上の値でない）場合、表示画像にテンプレート画像がない場合であると判定し、画像メモリのサイズ１０２４画素×１０２４画素、観察視野２μｍ×２μｍとし観察視野を広くする条件を撮像条件として再記録する（ステップＳ１５）。このとき、単位画素当りの観察視野は、単位画素当りの観察視野１／５１２μｍ×１／５１２μｍに保たれている。登録テンプレートの評価が終了し、パターン登録は完了する（ステップＳ１８）。

ステップＳ１３において、評価値Ａが所定以上の値であれば、評価値Ａと評価値Ｂとの差が大きいか否かを判定する（ステップＳ１４）。評価値Ａと評価値Ｂとの差が小さいとき（例えば、評価値Ａが高く、評価値Ｂも高い)、第２候補の部分を候補としてみなす可能性がある。この場合は、ステップＳ１６へ進む。評価値Ａと評価値Ｂとの差が大きいときは、ステップＳ１７へ進む。

制御用計算機２１０は、評価値Ａと評価値Ｂが小さいと判定すると、パターン検索する対象領域を小さくし、第２候補画像が探索されないようにする。具体的には、画像メモリのサイズ２５６画素×２５６画素、観察視野を０．５μｍ×０．５μｍと小さくして、表示画像に第１候補画像及び第２候補画像の部分が同時に表示されないようにする。この撮像条件を再登録する（ステップＳ１６）。このとき、単位画素当りの観察視野は、１／５１２μｍ×１／５１２μｍに保たれている。登録テンプレートの評価が終了し、パターン登録は完了する（ステップＳ１８）。

制御用計算機２１０は、評価値Ａと評価値Ｂとの差が大きいと判定すると、登録条件が
適切であると判定する（ステップＳ１７）。登録テンプレートの評価が終了し、パターン登録は完了する（ステップＳ１８）。

図４に示すように、テンプレート画像を登録するときに、検査画像の撮像条件、特に、画像メモリのサイズ及び観察視野を自動的に決定することができる。すなわち、図４のフローチャートの手順は、検査画像から、目的とするパターン（テンプレート画像）を取得する場合（取得ステップにおいて）、単位画素当りの観察視野を一定として、画像メモリのサイズ及び観察視野の条件を決定するのに使用できる。

以上述べた実施の形態においては、走査型荷電粒子線装置として走査電子顕微鏡を用いたパターン検査方法として説明した。しかし、走査型荷電粒子線装置としては、走査電子顕微鏡には限らない。例えば、走査電子顕微鏡(SEM：Scanning Electron Microscope）、走査透過電子顕微鏡（STEM：Scanning Transmission Electron Microscope）、走査トンネル顕微鏡、イオンビーム加工装置がある。走査透過電子顕微鏡では、試料にプローブとしての電子ビームを走査し、この走査にともなって、試料を透過してきた電子を検出している。イオンビーム加工装置は、イオンビームを細く絞り、試料面上の望む位置に照射して、試料を加工できる装置であり、試料表面をイオンビームで走査することにより、イオン衝突時に発生する２次電子量を検出して表面形状を顕微観察もできる。例えば、収束イオンビーム装置（FIB：Focused Ion Beam）の走査イオン顕微鏡（SIM：Scanning Ion Microscope）機能がある。このような走査型荷電粒子線装置を利用したパターン検査方法としてもよい。

本発明の走査電子顕微鏡装置の構成を示すブロック図である。 目的とするパターンの画像及び広域の観察視野で取得した画像を示す説明図である。 表示装置で表示した場合の目的とするパターンの画像及び広域の観察視野で取得した画像を示す説明図である。 レシピ作成時のパターン登録の一例を示すフローチャートである。

符号の説明

１０１ 検査対象の観察視野の画像
１０２ 検査対象の観察視野よりも広くした観察視野の画像
１０３ 目的とするパターン
２０１ 電子顕微鏡の鏡体部
２０２ 電子銃
２０３ 電子線
２０４ 偏向器
２０５ 試料
２０６ 検出器
２０７ 増幅器
２０８ 制御信号
２０９ 画像処理プロセッサ
２１０ 制御用計算機
２１１ 表示装置
２１２ 入力手段
２１３ ステージ
２１４ 画像メモリ
２１５ 収束レンズ
２１６ 対物レンズ

Claims (11)

1. 荷電粒子線を試料上で走査し、前記走査によって得られた信号に基づいて得られた画像から前記試料のパターンを検査するパターン検査方法において、
   前記画像から検査対象の目的とするパターンを検出する際、あらかじめ、検査対象の観察視野よりも広くした観察視野の広域画像を取得する取得ステップと、
   前記広域画像から前記目的とするパターンを検出し、指定された解像度にて前記目的とするパターンを検査する検査ステップと、を含む
   ことを特徴とするパターン検査方法。
2. 荷電粒子線を試料上で走査し、前記走査によって得られた信号に基づいて得られた画像から前記試料のパターンを検査するパターン検査方法において、
   前記画像から検査対象の目的とするパターンが検出できない際は、検査対象の観察視野よりも広くした観察視野の広域画像を取得する取得ステップと、
   前記広域画像から目的とするパターンを検出し、指定された解像度にて前記目的とするパターンを検査する検査ステップと、を含む
   ことを特徴とするパターン検査方法。
3. 前記取得ステップにおいて、前記広域画像の１画素あたりの領域サイズが、前記検査ステップの１画素あたりの領域サイズと同じになるようにして画像を取得する
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のパターン検査方法。
4. 前記取得ステップにおいて、前記広域画像の１画素あたりの領域サイズが、前記検査ステップの１画素あたりの領域サイズの偶数倍になるようにして画像を取得する
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のパターン検査方法。
5. 前記取得ステップにおいて、前記広域画像の解像度が、前記検査ステップにおける前記指定された解像度と同じ解像度である
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のパターン検査方法。
6. 荷電粒子線を試料上で走査し、前記走査によって得られた信号に基づいて得られた画像から前記試料のパターンを検査するパターン検査方法において、
   制御装置が、
   前記画像から検査対象の目的とするパターンを検出する際、前記目的とするパターンとの正規相関係数が高い候補画像の第１の相関値と、次に正規相関係数が高い候補画像の第２の相関値を計算し、
   前記第１の相関値が所定値以上でない場合、単位画素あたりの観察視野を一定として、前記画像の観察視野よりも広くした観察視野の画像を取得し、
   前記第１の相関値が所定値以上であり、かつ、前記第１の相関値と前記第２の相関値との差が、第２の所定値以上でない場合、単位画素あたりの観察視野を一定として、前記画像の観察視野よりも狭くした観察視野の画像を取得する
   ことを特徴とするパターン検査方法。
7. 荷電粒子線を試料上で走査する走査手段と、前記走査手段の走査に伴って得られた信号を検出する検出手段と、前記検出手段によって検出された信号を画像として記憶する記憶手段と、前記記憶装置に記憶されている画像から検査対象の目的とするパターンを検出する検出手段と、前記記憶手段に記憶されている画像を検査する検査手段とを備えたパターン検査装置であって、
   前記検出手段により目的とするパターンを検出する際、あらかじめ、検査対象の観察視野よりも広くした観察視野の広域画像を取得する
   ことを特徴とするパターン検査装置。
8. 荷電粒子線を試料上で走査する走査手段と、前記走査手段の走査に伴って得られた信号を検出する検出手段と、前記検出手段によって検出された信号を画像として記憶する記憶手段と、前記記憶装置に記憶されている画像から検査対象の目的とするパターンを検出する検出手段と、前記記憶手段に記憶されている画像を検査する検査手段とを備えたパターン検査装置であって、
   前記検出手段により目的とするパターンが検出できない際は、検査対象の観察視野よりも広くした観察視野の広域画像を取得する
   ことを特徴とするパターン検査装置。
9. 前記広域画像の１画素あたりの領域サイズが、前記検査手段での画像の１画素あたりの領域サイズと同じである
   ことを特徴とする請求項７又は請求項８に記載のパターン検査装置。
10. 前記広域画像の１画素あたりの領域サイズが、前記検査手段での１画素あたりの領域サイズの偶数倍である
    ことを特徴とする請求項７又は請求項８に記載のパターン検査装置。
11. 前記広域画像の解像度は、前記検査手段での画像の解像度と同じである
    ことを特徴とする請求項７又は請求項８に記載のパターン検査装置。