JP4215454B2 - 試料の凹凸判定方法、及び荷電粒子線装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はパターンの凹凸判定の判定或いは三次元情報を得る方法に係り、特に半導体ウェハ上に形成されたライン＆スペースパターンの凹凸情報を得るに好適な方法、及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
走査電子顕微鏡等の荷電粒子線装置は、微細化の進む半導体ウェハ上に形成されたパターンの測定や観察に好適な装置である。従来、荷電粒子線装置で試料の三次元情報を得る方法として、特開平５−４１１９５号公報に開示されているようなステレオ観察法がある。
【０００３】
ステレオ観察法は、傾斜した２枚のステレオ画像を撮影し、その２枚の画像間でステレオマッチングを行い、対応点を求めて行くことで高さを算出し、３次元情報を得るものである。
【０００４】
また、特開平５−１７５４９６号公報には、試料上のパターン対し、斜めからビームを照射してパターンの寸法測定を行う技術が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
走査電子顕微鏡によって、試料上のライン＆スペースパターンの測長を行う場合、ラインとスペースの幅がほぼ等しいと、その判別が難しく、間違ってしまうという問題があった。また上記ステレオマッチング法は、走査電子顕微鏡で得られた画像のＳ／Ｎ比，分解能、及び試料の構造等が問題となり、良好な３次元画像を得ることが難しいという問題がある。即ちＳ／Ｎ比や分解能が低いと、２枚の画像のマッチングを採るための対応点を見つけることが難しく、結果としてマッチングの十分にとれていない、ぼやけた像となる場合がある。更にステレオマッチング法は、高度な画像処理を必要とするため、処理時間がかかるという問題もある。
【０００６】
また、特開平５−１７５４９６号公報に開示の技術もライン＆スペースの判定まで言及されていない。
【０００７】
本発明の目的は、簡単な手法で試料上に形成された凹凸の判定、或いは３次元情報を得ることにあり、特に試料上に形成されたライン＆スペースパターンの凹凸判定に好適な判定方法、及び装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明では、荷電粒子線を当該荷電粒子線の光軸に対し斜めになるように前記荷電粒子線を試料上に走査し、当該走査個所から放出される荷電粒子の検出に基づいて、当該検出信号の前記荷電粒子線の線走査方向への広がりを計測し、前記荷電粒子線を前記光軸に沿って走査したときの前記広がりと比較し、当該広がりの増減に基づいて前記走査個所の凹凸状態を判定する。
【０００９】
以上のような構成によれば、荷電粒子線像内の凹凸判定を行うことが容易になり、特にライン＆スペースパターンのような同じようなパターンが連続するパターンの凹凸状態を判定することが容易になる。
【００１０】
なお、本発明の他の目的、及び他の具体的な構成については、以下の発明の実施の形態の欄で詳細に説明する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図３は、本発明の画像処理装置の一実施例である電子顕微鏡装置の構成概要のブロック図である。３０１は電子顕微鏡の鏡体部であり、電子銃３０２から発せられた電子線３０３が図には描かれていない電子レンズによって収束され、試料３０５に照射される。電子線照射によって、試料表面から発生する二次電子、或いは反射電子の強度が電子検出器３０６によって検出され、増幅器３０７で増幅される。
【００１２】
３０４は電子線の位置を移動させる偏向器であり、３１０の制御用計算機（本発明では制御プロセッサ、或いは制御系と呼ぶこともある）の制御信号３０８によって電子線を試料表面上でラスタ走査させる。増幅器３０７から出力される信号を画像処理プロセッサ３０９内でＡＤ変換し、デジタル画像データを作る。さらにデジタル画像データから投影処理によってプロファイルを作成する。これ以降デジタル信号波形もプロファイルと呼ぶ。
【００１３】
３１１は、その画像データを表示する表示装置である。また、３０９は、デジタル画像データを格納する画像メモリと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３１０には、キーボードやマウス等の入力手段３１２が接続される。
【００１４】
半導体デバイス作成時、ウェハ上に描かれた微細なパターンの線幅を計測する場合に電子顕微鏡装置が使われる。ここで、ウェハ上の線幅を計測する部分がラインもしくはスペースの場合は、ラインとスペースの幅が同じようであると、その区別がつかなくなり、３次元的な情報から区別することが必要とされている。本実施例は、簡便な手法でライン＆スペース試料の３次元情報を得ることができる走査電子顕微鏡に係るものであるが、無論それに限られることはなく、集束イオンビーム装置等、他の荷電粒子線装置にも適用が可能である。
【００１５】
なお、画像メモリのメモリ位置に対応したアドレス信号が、制御計算機３１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３０４に供給される。Ｘ方向のアドレス信号は、例えば画像メモリが５１２×５１２画素の場合、０から５１２を繰り返すデジタル信号であり、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５１２に到達したときにプラス１される０から５１２の繰り返しのデジタル信号である。これがアナログ信号に変換される。
【００１６】
画像メモリのアドレスと電子線を走査するための偏向信号のアドレスが対応しているので、画像メモリには偏向器３０４による電子線の偏向領域の二次元像が記録される。なお、画像メモリ内の信号は、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３１１の輝度変調信号となる。
【００１７】
画像メモリには、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回の二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、二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更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、或いはその後に一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良い。
【００１８】
試料３０５は図示しないステージ上に配置され、試料３０５電子線と垂直な面内の２方向（Ｘ方向，Ｙ方向）に移動することができる。
【００１９】
また本発明実施例装置は、検出された二次電子或いは反射電子等に基づいて、ラインプロファイルを形成する機能を備えている。ラインプロファイルは一次電子線を一次元、或いは二次元走査したときの電子検出量、或いは試料像の輝度情報等に基づいて形成されるものであり、得られたラインプロファイルは、例えば半導体ウェハ上に形成されたパターンの寸法測定等に用いられる。
【００２０】
なお、図３の説明は制御計算機が走査電子顕微鏡と一体、或いはそれに準ずるものとして説明したが、無論それに限られることはなく、走査電子顕微鏡鏡体とは別に設けられた制御プロセッサで以下に説明するような処理を行っても良い。その際には二次信号検出器１３で検出される検出信号を制御プロセッサに伝達したり、制御プロセッサから走査電子顕微鏡のレンズや偏向器等に信号を伝達する伝達媒体と、当該伝達媒体経由で伝達される信号を入出力する入出力端子が必要となる。
【００２１】
また、以下に説明する処理を行うプログラムを記憶媒体に登録しておき、画像メモリを有し走査電子顕微鏡に必要な信号を供給する制御プロセッサで、当該プログラムを実行するようにしても良い。
【００２２】
〔実施例１〕
図１は、ライン画像における傾斜計測時のエッジプロファイルのピーク部分の変化を表したものである。なお、以下に説明する実施例は、電子線の光軸に対し、偏向器３０４を用いて電子線を傾斜する例について説明するが、それに限られることはなく、電子線が照射される試料を傾斜することで、試料表面方向の垂線に対して電子線を傾斜して走査するようにしても良い。この場合、チルト機能を有する試料ステージを用いても、電子線鏡筒そのものを傾斜させても良い。また走査用の偏向器とは別の偏向器を用いて電子線を傾斜するようにしても良い。
【００２３】
図１に示す様に傾斜量θを変えたときの見かけの幅Ｗは、傾斜領域の幅Ｔや段差Ｈから１式で求められる。また、傾斜時の傾斜部変化量だけに着目すると、段差Ｈだけに依存する。
【００２４】
Ｗ＝Ｔ＋Ｈ＊tanθ （１）
図２は、凸部分を＋θ、又は−θの方向から撮影した場合のプロファイル変化を表したものである。ここでは＋θ方向プロジェクションの半値幅をＨＰ１，ＨＰ２とし、−θ方向プロジェクションの半値幅をＨＭ１，ＨＭ２とする。−θ方向から撮影した場合、左側エッジ部分の信号の半値幅（ＨＭ１）が大きくなり、＋θ方向から撮影した場合、右側エッジ部分の信号の半値幅（ＨＰ１）が大きくなる。なお、本実施例ではピークの半値幅を基準にしているが、これに限られることはなく、ピークのどの位置であっても、電子線の傾斜によって長さが増減する個所であれば良い。
【００２５】
このように、撮影方向のエッジ信号の半値幅が大きくなるため、この現象を利用すれば、半値幅の増減に基づいて、ライン＆スペースの凹凸判定可能になる。
【００２６】
即ち、電子線の走査方向において、電子線の光軸に対して電子線を傾斜したときに得られるプロファイルの幅が大きくなったときは、そのプロファイルに相当する個所には電子線の傾斜方向に側面（エッジ）が形成されている部分が存在するものと判断することができる。言い換えれば、検出信号の線走査方向（二次元走査の場合、Ｘ方向）への広がりを計測し、光軸に沿って電子線を照射したときに比べて、前期広がりが大きくなったとき、電子線の傾斜方向側にエッジ面があると判断することができる。
【００２７】
反対に、プロファイルの幅が小さくなったときには、電子線の傾斜方向から見て裏面（反対側）に相当する部分と判断することができる。換言すれば、電子線を傾斜して走査したときに現れる２つのピーク幅の一方が大きくなり、他方が小さくなったときには、その間には凹部、或いは凸部が存在することが判る。またこの状態において、電子線が傾斜される側に、幅が増大するピークが存在する場合には凸部が存在し、電子線が傾斜される側に、幅が減少するピークが存在するときは凹部が存在すると判断することができる。
【００２８】
以上の構成によれば、複雑な画像処理技術を採用しなくとも、試料上の凹凸判定が可能になる。また、ラインプロファイルを形成するという、画像処理に比較して簡単な方法で凹凸判定を行うことができるので、半導体検査装置の自動測定に組み込むことが容易であり、且つ検査工程のスループット向上にも効果がある。
【００２９】
特にライン＆スペースパターンのような同じようなパターンが連続するパターンの凹凸状態を判定することが容易になる。また、ライン＆スペースを形成する組成に因らず、正確な凹凸判定を行うことができる。ラインパターンとスペースとの間に像質の違いがないような場合であっても正確に凹凸判定を行うことができる。
【００３０】
〔実施例２〕
本実施例では凹凸判定の精度をより高める手法として、一方向からだけではなく、少なくとも±θの両方向からの走査を行う例について説明する。
【００３１】
電子線によって、左右のエッジ信号の半値幅がもともと異なるパターンの場合等、一方向のみの傾斜走査では半値幅の増減を判断することが困難な場合があるが、±θ方向から撮影したプロファイルを比較すれば、半値幅の増減が左右のピークで逆になるため、判定が容易に行うことができる。
【００３２】
図４は、±θ方向から撮影したプロファイルを使った凹凸判定方法の説明する図である。ＨＭ１(第１のピーク）がＨＰ１(第３のピーク）以上の幅を持つ場合において、ＨＰ２（第４のピーク）がＨＭ２（第２のピーク）以上の幅を持つと判断された場合には、そのパターンは凸パターンと判定するようにし、ＨＭ１がＨＰ１より小さい場合において、ＨＰ２がＨＭ２より小さいと判断される場合には、そのパターンを凹パターンと判定するようにすれば、上述のように高精度なライン＆スペースパターンの凹凸判定を行うことが可能になる。なお、本実施例ではＨＰ１≦ＨＭ１であり且つＨＰ２≧ＨＭ２のとき、及びＨＰ１＞ＨＭ１であり且つＨＰ２＜ＨＭ２のとき、２つのピーク間の凹凸推定を行う例について説明したが、これに限られることはなく、例えば「ＨＰ１＜ＨＭ１，ＨＰ２＞ＨＭ２⇒凸部」「ＨＰ１≧ＨＭ１，ＨＰ２≦ＨＭ２⇒凹部」と判定するようにしても良い。これは後述する実施例でも同じである。
【００３３】
またパターンによってはプロファイルの左右のエッジ高さ（（ＴＭ１またはＴＭ２）と（ＴＰ１またはＴＰ２））を用いて判定することが可能である。他に半値幅と高さを掛け合わせた値（ＨＭ１＊ＴＭ１）や面積を用いることも可能である。
【００３４】
〔実施例３〕
次に、ライン＆スペースパターンが等間隔で且つ複数である場合に、より好適な凹凸判定法を、図１３を用いて説明する。
【００３５】
（１３０１）は走査電子顕微鏡画像のコントラストがエッジ効果でのみ得られるような画像で真上から電子線を走査した画像である。凹凸判定が必要なパターンはこのようなパターンであり、装置の制御誤差やパターン形状差異によって画像の中央に来るべき測定位置（特徴部）が例えばパターン断面図（１３０２）の測定位置（１３１２）のようにずれた場合、画像（１３０１）から測定位置（１３１２）を認識することは困難である。
【００３６】
そこで前述の方法で電子線を鉛直方向±で傾斜して得られた２つのプロファイル（１３０３）から半値幅やピーク高さを用いて各エッジがラインパターンの左右どちらのエッジかを判定する。
【００３７】
例えば７つエッジの左右判定結果が（１３０４）のようになったとする。ここで記号Ｒは右エッジを示し、記号Ｌは左エッジを示す。記号？は半値幅の差やピーク高さの差がなく判定できなかった場合を示す。また（１３０４）中の記号Ｒ＊はパターン形状のばらつきやノイズによって誤ってエッジ判定した例である。
【００３８】
次に認識するパターンはライン＆スペースパターンであるという前提を用いて７つのエッジについて２つのテンプレート（１３０５）および（１３０７）を作成する。それぞれのテンプレートを左右エッジ判定結果（１３０４）と比較し、正解の多い方のテンプレート（ここでは（１３０５））を正しいとして選択する。即ちテンプレートで規定される条件（本実施例の場合、ラインとスペースの配置）の正解率が高いテンプレートによって、前記試料上の特徴部を特定する。このとき正しいとしたテンプレートを用いて判定できなかった記号？のエッジや判定を誤ったエッジを修正することができる。本方式によると複数エッジを用いて凹凸を判定するため凹凸判定の信頼性を向上することができる。
【００３９】
なお、本実施例ではラインとスペースが交互に連続するライン＆スペースパターンのテンプレートを用いる例について説明したが、これに限られることはなく、凹凸をなすパターンであれば、相応のテンプレートの作成によって、試料上の凹凸判定の確認を行うことが可能である。なお、本実施例ではテンプレートが２つの例について説明したが３つ以上であっても良い。
【００４０】
〔実施例４〕
実施例３ではテンプレートを参照することで、判定不能なエッジの情報を推定する方法について説明したが、テンプレート１，２の適用に基づく判定結果の正解率がいずれも高いか、いずれも低い場合、走査電子顕微鏡の光学条件に問題があるか、或いはライン＆スペースパターンそのものに問題がある可能性がある。実施例３で説明したテンプレートによる凹凸の正解率判定技術では、原理上いずれか一方の正解率が高く、他方の正解率が低いという傾向がでる筈である。即ち、いずれの正解率も高い場合、或いは低い場合には走査電子顕微鏡の光学条件やライン＆スペースパターンそのものに問題がある可能性がある。
【００４１】
このような場合、左右のエッジ判定結果に、ラインプロファイル，走査電子顕微鏡像，走査電子顕微鏡の光学条件、或いは半導体ウェハの製造履歴等の少なくとも１つを関連付けて記憶し、その後読み出せるようなシーケンスを組んでおけば、判定ミスの原因追及が容易になる。
【００４２】
凹凸判定が上手くいかない場合、それ以上の測定が困難である場合が多いのでエラーメッセージを発生させて、操作者に注意を促すようにしても良い。更に半導体ウェハのように１枚のウェハに多数の測定点、或いは観察点があるような試料の場合には、エラーが発生した部分の測定や観察をスキップして、次の測定、或いは観察を行うようにしても良い。
【００４３】
また半導体ウェハの場合、判定不能な個所が２点、或いは３点以上に及ぶ場合は、走査電子顕微鏡に何かしらの問題があるか、半導体ウェハ全体に問題が及んでいる可能性があるので、走査電子顕微鏡による測定或いは観察の中断、又はその半導体ウェハの測定、或いは観察の中断を行うようにしても良い。
【００４４】
図１５は、テンプレートによる凹凸判定の処理フローである。
【００４５】
ステップ１５０１〜１５０４では、ライン＆スペースパターンのエッジ方向に対し垂直な方向のラインプロファイルが形成できるように、電子線を走査する。本実施例では実施例２で説明した±θからの電子線走査による凹凸判定を行う。ステップ１５０５では、テンプレート１による正解率の算定を行う。ステップ
１５０６では、テンプレート２による正解率算定を行う。
【００４６】
この際、テンプレート１の正解率Ｔ１が所定値ｎ１以上であり、テンプレート２の正解率Ｔ２が所定値ｎ２より小さい場合（図１５下表▲２▼）、そのパターンはテンプレート１によって推定されるパターンであると判断される(ステップ1508)。また、テンプレート１の正解率Ｔ１が所定値ｎ１より小さく、テンプレート２の正解率Ｔ２が所定値ｎ２以上の場合（図１５下表▲３▼）、そのパターンはテンプレート２によって推定されるパターンであると判断される（ステップ１５０９）。上記２つの条件に当てはまらない場合（図１５下表▲１▼▲４▼）は、測定不能と判断しエラー処理を行う（ステップ１５０９）。
【００４７】
上記実施例では、一方のテンプレート（例えばテンプレート１）はそのパターンに相当するものであり、他方のテンプレート（例えばテンプレート２）はそのパターンとは異なる形状を規定している。即ち異なる形状、或いは条件（画像データ等）を規定したテンプレートによる情報（ラインプロファイルや画像データ等）の選別によって、判断の確度をより高めることができる。
【００４８】
図１５下表▲１▼▲４▼と判断された場合、上述したように原因追及のために左右のエッジ判定結果に、ラインプロファイル，走査電子顕微鏡像，走査電子顕微鏡の光学条件、或いは半導体ウェハの製造履歴等を関連付けて記憶し、その後読み出せるようなシーケンスを組んでおけば、パターン推定ができなかった原因を特定することが容易になり、その後の測定、或いは製造工程へのフィードバックを行うことが容易になる。
【００４９】
特にラインパターンが連続して同じ方向に傾いて形成されているような場合、例えば半導体製造ライン中の光学式露光装置の装置条件に誤りがある場合が考えられる。よって、その旨を付帯情報として記憶しておけば、原因特定をより容易に行うことができる。パターンが特定方向に傾いている状態は、例えば一方の傾斜方向から電子線を照射したときだけ、電子線の傾斜方向のパターンエッジによって形成されるプロファイルの半値幅が太くなる現象に基づいて発見することができる。
【００５０】
〔実施例５〕
図５は、得られた凹凸プロファイルを撮影した画像上に重ねて表示した例である。このように表示すれば、走査電子顕微鏡像上の凹凸判定が困難な試料像上でライン、或いはスペースの判定を容易に行うことができる。図６は、ライン＆スペース画像の凹凸判定の処理フローである。６０１で各傾斜方向から撮影したプロジェクション波形を入力し、６０２で各ピークの半値幅を算出する。６０３で６０１から６０２までの処理をアθ方向のプロジェクション波形に対して行う。６０４では、±θ方向の対応したピークの半値幅変化を算出し、その変化から図４に示した判定方法で凹凸判定を行う。６０５では、凹凸をあらわしたプロファイルを出力する。
【００５１】
〔実施例６〕
図７は、ライン＆スペース画像で測長を行う場合にラインもしくは、スペースの位置特定に本発明を用いた場合の処理フローである。７０１で走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の計測条件を設定し、７０２でビーム照射角度もしくはステージ角度を＋θ傾斜させる。７０３で撮影を行う。凹凸判定には、プロジェクション波形を用いるため、ここでの撮影は１フレーム画像全体を撮影しても良いし、数ライン分のデータを計測しても良い。７０４では、７０３で計測したデータを画像処理プロセッサに転送する。７０５で、７０２と同様な方法でビーム照射角度もしくはステージ角度を−θ傾斜させ、７０６で撮影を行い、７０７でデータを転送する。７０８では、７０５での傾斜を元に戻す。７０９では、７０４と７０７で転送されたデータから画像処理プロセッサで凹凸判定を行う。
【００５２】
最後に７１０でライン部であれば凸部分の座標、スペース部分であれば凹部分の座標を出力する。ここで、凹凸部分が複数検出された場合は、一番中央に近い座標を出力にしてもよい。
【００５３】
以上のような構成によれば、パターンマッチング等の複雑な画像処理技術を用いることなく、簡単に視野合わせや測長，検査位置合わせを正確に行うことができる。
【００５４】
〔実施例７〕
図８は、凸部を真上方向と＋θ方向もしくは−θ方向から撮影した場合のプロファイル変化を表したものである。ここで、真上方向プロファイルの半値幅をＨＥ１，ＨＥ２とし、＋θ方向プロファイルの半値幅をＨＰ１，ＨＰ２とし、−θ方向プロファイルの半値幅をＨＭ１，ＨＭ２とする。
【００５５】
図２で説明したように真上方向と＋θ方向もしくは−θ方向の２方向から撮影した半値幅の変化を比較する事で１方向からでは難しい凹凸判定が可能になる。また本実施例の場合、１回の傾斜で凹凸判定を行うことができるので、±θに電子線を傾斜する場合と比較して、処理速度を向上することが可能になる。
【００５６】
図９は、真上方向と正負方向のどちらか１方向から撮影したプロファイルを使った凹凸判定方法である。
【００５７】
真上方向と正負方向のどちらか１方向から撮影したプロファイルを使った凹凸判定方法で測長を行う場合に、ラインもしくはスペースの位置特定に本発明を用いた場合の処理フローを図１０および図１１を用いて説明する。
【００５８】
（１００１）で走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の観察条件を設定し、(１００２)で真上方向からビームを走査してプロファイルまたは画像を画像処理プロセッサ３０９にデータ０として転送する（１００３）。このときパターン検出条件設定画面（１１０１）の設定項目Line＆Space Detection（１１０２）の条件None（１１０３），One Side（１１０５），Double Side（１１０４）を参照する。ただし、この条件は予め設定されている。
【００５９】
（１００４）の凹凸判定実行でＮｏｎｅ（１１０３）であれば凹凸判定を実行しないでデータ０を用いて位置検出（１０１３）を実行する。もしOne Side（１１０５），Double Side(１１０４）であれば、（１００５）で傾斜設定１をした後、（１００６）でビームを走査してプロファイルまたは画像を画像処理プロセッサ３０９にデータ１として転送する（１００７）。
【００６０】
（１００８）でデータ０とデータ１を用いて凹凸判定を実行する。このときの判定方法は図９で述べた方式である。（１００８）で凹凸判定可能ならここで求めた凹凸プロファイルを用いて位置検出（１０１３）を実行する。できなかった場合は傾斜設定１(１００５）と反対の方向にビーム傾斜設定２する(１００９）。ビーム傾斜後、同様にビームを走査してデータ２として画像処理プロセッサ３０９に転送する（１０１０）（１０１１）。（１０１２）でデータ１とデータ２を用いて凹凸判定を実行し、判定可能なら凹凸プロファイルを用いて位置検出（１０１３）を実行する。
【００６１】
できなければデータ０またはデータ１，データ２もしくは合成したデータを用いて位置検出する。位置検出後、測長値を算出する（１０１４）。以上のように処理することで測長値を算出するデータ０はビーム照射を最小限に押さえることができ、測長再現性の向上につながる。また、ライン幅とスペース幅がほぼ同じでラインとスペースの区別が付きにくいという判定は登録時にユーザが設定でき、凹凸判定のためのビーム照射によるパターンのダメージを押さえることができる。
【００６２】
〔実施例８〕
次にビーム傾斜した画像を用いてパターン検出する方法を、図１２を用いて説明する。（１２０１）で走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の観察条件を設定し、（１２０２）において真上方向でビームを走査して画像処理プロセッサ３０９に画像０を転送する（１２０３）。画像処理プロセッサ３０９はあらかじめ登録されているテンプレートを参照して正規化相関などのサーチアルゴリズムを用いてパターン検出を実行する（１２０４）。
【００６３】
あらかじめ設定しておいたしきい値に基づいてパターン検出の成功を判定し成功なら終了する。失敗と判定された場合、登録時に設定しておいた方向または計算で求めた方向のビームを傾斜して（１２０５）、走査し画像１を得る(1206)。これを画像処理プロセッサ３０９に転送して（１２０７）、傾斜していない画像０と合成する。合成は画像０と画像１を足し合わせてもよいし、画像１のみを使用してもよい。
【００６４】
合成画像を用いて（１２０４）と同様にパターン検出を実行する（１２１０）。本方式では、また（１２０２）から（１２０４）を実行せずに傾斜画像のみでパターン検出することもできる。以上のようにビームを傾斜してパターン検出をすることで得られる画像のエッジの情報量が増えて、少ないフレーム数でパターン検出が可能になり、スループットが改善される。またビーム照射量を減らすことができビーム照射によるダメージを軽減できる。
【００６５】
登録時に計算で傾斜方向を決める場合は、テンプレート画像を上下左右方向や斜め方向も加えた４方向にそれぞれ微分して絶対値の総和を求め、最大となった方向とのなす角度が９０度となる方向を選ぶ。これは特定の方向にエッジが偏っている場合に有効である。
【００６６】
〔実施例９〕
電子線傾斜をパターン検出に用いる他の方法を、図１４を用いて説明する。通常、位置決めなどでテンプレート画像を用いて画像認識を行う場合、あらかじめテンプレートを登録しておき検査時にそのテンプレートとマッチングを行う。
【００６７】
テンプレート登録において真上から走査した画像（１４０２）上で入力手段３１２を用いてテンプレートとなる領域（１４０２）を選択する。この選択された部分画像を画像処理プロセッサ３０９に転送し、方向を求めるオペレータ（例えばＳｏｂｅｌフィルタなど）を用いて方向画像を計算する。
【００６８】
次に得られた方向画像の分布図を作成し、あらかじめ定めたしきい値以上の角度（複数でもよい）を求める。これらの角度はパターンエッジの分布を示すため、この方向に電子線を傾斜するとエッジ効果により情報量の多い画像が得られる。（１４０３）は電子線を鉛直方向から右に傾斜して得られた画像であり、パターン（１４０４）は右側のエッジが強調されている。即ちエッジが強調される個所を抽出することでパターン形状を特定することができる。
【００６９】
同様の処理を上下左右方向や斜め方向も加えた複数方向について行うこともできる。また同様の処理を画像上下に突き抜けたラインパターンに適用すると左右の傾斜のみでよいことが判定できる。以上のようにして求めた傾斜画像を登録して検査時、テンプレートマッチングを行う。本方式によって低段差のパターンを信頼性よく認識することが可能となる。予め、パターンの形状が判明している場合では、エッジを強調できる方向（理想的にはエッジの長手方向に対し、垂直な方向）に選択的に傾斜を行うようにすれば、無駄な傾斜を行うことなく、パターンエッジを明確にすることができる。
【００７０】
〔実施例１０〕
これまでの実施例では、電子線を傾斜して走査した結果得られるラインプロファイルのピーク幅の増減に基づいて、試料上の凹凸を判定する技術について説明したが、本実施例においては、電子線の焦点位置を変えながら信号計測を行い、それぞれの画像でのラインとスペース領域の焦点評価値を比較することでラインとスペースから構成される画像の凹凸判定を行う例について説明する。
【００７１】
図１６は、本発明の画像処理装置の一実施例である走査電子顕微鏡装置の構成概要のブロック図である。この走査電子顕微鏡には自動焦点制御機能が組み込まれている。図１６において、１６０１は試料台、１６０２は試料台上の撮影対象試料、１６０４は陰極、１６０５は走査コイル、１６０６は電子レンズ、1608は走査コイル制御回路、１６０９はレンズ制御回路である。電子ビーム１６１４は、走査コイル１６０５によって試料１６０２上を走査され、試料１６０２から発せられた電子は検出器１６０３で検出される。検出器１６０３からの信号Ｓ１がＡＤ変換器１６０７に入力されてデジタル信号Ｓ２へと変換される。Ｓ２のデジタル信号は、画像処理プロセッサ１６１０に入力され、画像処理と特徴量の抽出が行われ、その結果は制御用計算機１６１１へ送られる。また、処理された画像は、表示装置１６１２へ送られ表示される。制御用計算機１６１１からの焦点制御信号Ｓ３は、レンズ制御回路１６０９に入力されレンズ１６０６の励磁電流を調節することで焦点制御を行うことができる。１６１３は、制御用計算機1611に接続される入力手段である。
【００７２】
以上の様に構成されている走査電子顕微鏡での自動焦点制御は、電子レンズの焦点条件を自動的に最適値に設定する制御であり、その方法は、電子レンズの条件を変化させながら、複数枚のフレーム走査を行い得られた２次電子や反射電子の検出信号から焦点評価値を算出，評価し、最適値を電子レンズの条件に設定するものである。
【００７３】
半導体デバイス作成時、ウェハ上に描かれた微細なパターンの線幅を計測する場合に電子顕微鏡装置が使われる。ここで、ウェハ上の線幅を計測する部分がラインもしくはスペースの場合は、ラインとスペースの幅が同じようであると、その区別がつかなくなり、３次元的な情報から区別することが必要とされる。本発明は、簡便な手法でラインとスペース試料の凹凸情報を得ることができる荷電粒子線装置に関するものであるため、図１６の走査電子顕微鏡装置に適応することが可能である。
【００７４】
図１７は、ラインとパターン試料の凹凸部分に焦点が合う場合をあらわすたものである。Ｆ１は、ライン部分（凸部分）に焦点があった場合であり、Ｆｎは、スペース部分（凹部分）に焦点があった場合である。このように凹凸部分では焦点位置が異なるので、その情報を利用することで凹凸を判定する。
【００７５】
図２４は、電子レンズの励磁電流を変化させた場合の焦点評価値の変化を示した図である。ここで、焦点評価値には、画素間の微分値，２次微分値，ソーベル値，ラプラシアン値等が利用される。電子レンズの条件を変えながら撮影した画像毎に焦点評価値を算出すると電子レンズの焦点が合った条件で焦点評価値が最大値となる。図２４では、電子レンズの励磁電流値がＦｉの時、フォーカス評価値が最大値となるため、Ｆｉが焦点のあった条件である。
【００７６】
図２５にライン部分とスペース部分の励磁電流と焦点評価値の関係を示す。図２４で説明したように焦点が合った条件で、焦点評価値が最大となるため、ライン部分（凸部分）に焦点が合った場合、ライン部分（凸部分）の焦点評価値は最大となるが、スペース部分（凹部分）の焦点は合っていないため、焦点評価値は小さくなる。反対のことがスペース部分（凹部分）に焦点が合った場合にも言える。
【００７７】
図２６に励磁電流と焦点距離の関係を示す。図２６の様に励磁電流により焦点距離が決まるので、合焦点時の励磁電流がわかれば、その励磁電流の値から焦点距離が推測できることになる。つまり、異なる２つの領域に対し、それぞれの合焦点時の励磁電流がわかれば、その２つの領域の高低は判断できることになる。
【００７８】
図１８に焦点評価値を算出するまでの概略図を示す。焦点位置を変えるため励磁電流をＦ１〜Ｆｎまで変化させ、それに対した画像Ｇ１〜Ｇｎまでを取得する。次にＧ１〜Ｇｎの画像に対して、それぞれ焦点評価用フィルタ（微分，２次微分，ソーベル，ラプラシアン等）を施し、焦点評価画像Ｇｆ１〜Ｇｆ２を作成し、焦点評価値ＦＥ１〜ＦＥｎを算出する。ここで、焦点評価値としては、焦点評価値画像の全画素値の合計，その平均値，分散値等を用いることができる。ここまでの工程は、通常、オートフォーカスとして実行され、ＦＥ１〜ＦＥｎの最大時の励磁電流値を合焦点時の励磁電流とする。
【００７９】
図１９にラインとスペース画像におけるプロジェクション波形を示す。電子顕微鏡画像では、エッジ効果により、ラインの端部分が高輝度に画像化される。したがって、そのプロジェクション波形は、図１９の様にラインとスペースの境界でピークを示すため、ピークに挟まれた部分がラインもしくはスペースであることがわかる。
【００８０】
図２０にライン部分とスペース部分の焦点評価値の算出方法を示す。オートフォーカスでの合焦点画像から図１９に示す様にプロジェクション波形を求め、焦点評価値を算出する領域▲１▼〜▲５▼までを決定する。焦点評価値画像Ｇｆ１〜Ｇｆｎのそれぞれの画像の▲１▼〜▲５▼の領域で焦点評価値ＦＥ１１〜ＦＥｎ５を算出する。次に▲１▼の領域に対して、ＦＥ１１〜ＦＥｎ１の最大値（ＦＥｉ１）を求め、それに対応する励磁電流から▲１▼の領域の焦点合致の励磁電流値（Ｆｉ）を求める。同様に▲２▼〜▲５▼まで行い、それぞれの領域での焦点合致の励磁電流を求める。▲１▼〜▲５▼の焦点合致のフォーカス電流値の大小から、その領域の焦点距離を求め、領域の高低を判断し、凹凸を判定する。
【００８１】
図２３に本発明の一実施例である処理フローを示す。２３０１が図１８で説明した焦点の異なる画像（Ｇｉ）と焦点評価画像（Ｇｆｉ）を求める部分であり、この部分はオートフォーカスと同時に実行可能である。２３０２は、図１９で説明した焦点評価値を算出し、焦点合致の励磁電流を求め、それに対応する画像からプロジェクション波形を求める部分である。２３０３は、図２０で説明したピーク間領域▲１▼〜▲５▼の焦点評価値（ＦＥｍｎ）を求める部分である。２３０４は、図２１で説明したピーク間領域▲１▼〜▲５▼の焦点合致の励磁電流値を求める部分である。２３０５は、２３０４で求めた励磁電流値から▲１▼〜▲５▼の高低を判断し、凹凸を判定する部分である。
【００８２】
図２１は、ラインとスペース画像で測長を行う場合にラインもしくはスペースの位置特定に本発明を用いた場合の処理フローである。２１０１で走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の計測条件を設定し、２１０２でオートフォーカスを行い、2103で撮影を行う。２１０４では、図２３に示す処理フローに従い、凹凸判定を行う。最後に２１０５でライン部であれば凸部分の座標、スペース部分であれば凹部分の座標を出力する。ここで、凹凸部分が複数検出された場合は、一番中央に近い座標を出力にしてもよい。
【００８３】
図２２は、得られた凹凸プロファイルを撮影した画像上に重ねて表示した例である。
【００８４】
本実施例では、ライン＆スペースの凹凸判定を、オートフォーカス時に取得する画像からラインとスペースに対応する部分の評点評価値を算出し、焦点合致時の励磁電流から焦点距離を求め、その値から画像の凹凸情報を得るため、マッチング処理等の複雑な画像処理を用いることなく簡便な方法で凹凸情報を得ることができる。また、得られた凹凸情報を位置決定に用いるため、ライン＆スペース画像での測長ポイントの特定間違いを減少させることができる。また、オートフォーカスのタイミングで必要な情報を収集できるので、他のタイミングで、凹凸情報を得るための新たな工程を設ける必要がなく、スループット向上にも寄与できる。
【００８５】
【発明の効果】
本発明によれば、容易に試料上の凹凸判定を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ラインプロファイルにおける傾斜計測時のエッジの変化を示す図。
【図２】凸部分を±θの方向から撮影した場合のプロファイル変化を示す図。
【図３】本発明の一実施例である走査電子顕微鏡の概略図。
【図４】±θ方向から撮影したプロファイルを使った凹凸判定方法を説明する図。
【図５】得られた凹凸プロファイルを撮影した画像上に重ねて表示した例を示す図。
【図６】ライン＆スペース画像の凹凸判定の処理フロー。
【図７】ラインもしくはスペースの位置特定に本発明を用いた場合の処理フロー。
【図８】凸部を真上方向と＋θ方向もしくは−θ方向から撮影した場合のプロファイル変化を示す図。
【図９】真上方向と正負方向のどちらか１方向から撮影したプロファイルを使った凹凸判定方法を示す図。
【図１０】ラインもしくはスペースの位置特定に本発明を用いた場合の処理フロー。
【図１１】パターン検出条件設定画面。
【図１２】ビーム傾斜して得られた画像を用いてパターン検出する場合の処理フロー。
【図１３】テンプレートを用いた凹凸判定法を説明する図。
【図１４】複数方向のビーム傾斜によって、パターンのエッジを強調する例を説明する図。
【図１５】テンプレートによる凹凸判定の処理フロー。
【図１６】本発明の一実施例である走査電子顕微鏡装置の構成概略図。
【図１７】ラインとパターン試料の凹凸部分に焦点が合う場合をあらわした図。
【図１８】焦点評価値を算出するまでの概略図。
【図１９】ラインとスペース画像におけるプロジェクション波形を示す図。
【図２０】ライン部分とスペース部分の焦点評価値の算出方法を示す図。
【図２１】ラインもしくはスペースの位置特定に本発明を用いた場合の処理法を示す図。
【図２２】得られた凹凸プロファイルを撮影した画像上に重ねて表示した例を示す図。
【図２３】本発明の一実施例である処理フローを示す図。
【図２４】電子レンズの励磁電流を変化させた場合の焦点評価値の変化を示した図。
【図２５】ライン部分とスペース部分の励磁電流と焦点評価値の関係を示す図。
【図２６】励磁電流と焦点距離の関係を示す図。
【符号の説明】
３０１…電子顕微鏡の鏡体部、３０２…電子銃、３０３…電子線、３０４…偏向器、３０５…試料、３０６…電子検出器、３０７…増幅器、３０８…制御信号、３０９…画像処理プロセッサ、３１０…制御用計算機、３１１…表示装置、３１２…入力手段。

Claims (8)

1. 凹凸を有する試料に対し、
   試料表面の垂線方向に対して第一の角度傾斜した方向から荷電粒子線を照射して走査し、
   当該走査個所から放出される荷電粒子に基づく第一のプロファイル波形を形成し、
   さらに試料表面の垂線方向から、或いは、試料表面の垂線方向に対して前記第一の角度傾斜した側とは反対に傾斜した方向から荷電粒子線を照射して走査し、
   当該走査個所から放出される荷電粒子に基づく第二のプロファイル波形を形成し、
   前記試料の凹凸の同一のエッジを表す第一及び第二のプロファイル波形のピーク幅が、第一より第二の方が小さく、かつ、
   前記エッジに対して、前記第一の角度傾斜した側とは反対側に存在するエッジを表す第一及び第二のプロファイル波形のピーク幅が、第一より第二の方が大きいときには当該二つのエッジの間には、凸部があると判定し、
   前記試料の凹凸の同一のエッジを表す第一及び第二のプロファイル波形のピーク幅が、第一より第二の方が大きく、かつ、
   前記エッジに対して、前記第一の角度傾斜した側とは反対側に存在するエッジを表す第一及び第二のプロファイル波形のピーク幅が、第一より第二の方が小さいときには当該二つのエッジの間には、凹部があると判定すること
   を特徴とする試料の凹凸判定方法。
2. 請求項１において、当該凹凸判定方法を用いて得られた凹凸判定結果に基づいて荷電粒子線による測長箇所を特定することを特徴とする試料寸法測定方法。
3. 荷電粒子源と、
   当該荷電粒子源から放出される荷電粒子線を集束するレンズと、
   前記荷電粒子線の照射によって試料から放出される荷電粒子を検出する検出器と、
   当該検出器の出力に基づいてプロファイル波形を形成する制御プロセッサを備えた荷電粒子線装置において、
   前記荷電粒子線装置は、前記荷電粒子線を当該荷電粒子線光軸に対して傾斜して、或いは前記試料表面方向垂線に対して前記荷電粒子線を傾斜して走査する偏向器を備え、
   前記荷電粒子線装置は、
   凹凸を有する試料に対し、試料表面の垂線方向に対して第一の角度傾斜した方向から荷電粒子線を照射して走査し、
   当該走査個所から放出される荷電粒子に基づく第一のプロファイル波形を形成し、
   さらに試料表面の垂線方向から、或いは、試料表面の垂線方向に対して前記第一の角度傾斜した側とは反対に傾斜した方向から荷電粒子線を照射して走査し、
   当該走査個所から放出される荷電粒子に基づく第二のプロファイル波形を形成し、
   前記制御プロセッサは、
   前記試料の凹凸の同一のエッジを表す第一及び第二のプロファイル波形のピーク幅が、第一より第二の方が小さく、かつ、
   前記エッジに対して、前記第一の角度傾斜した側とは反対側に存在するエッジを表す第一及び第二のプロファイル波形のピーク幅が、第一より第二の方が大きいときには当該二つのエッジの間には、凸部があると判定し、
   前記試料の凹凸の同一のエッジを表す第一及び第二のプロファイル波形のピーク幅が、第一より第二の方が大きく、かつ、
   前記エッジに対して、前記第一の角度傾斜した側とは反対側に存在するエッジを表す第一及び第二のプロファイル波形のピーク幅が、第一より第二の方が小さいときには当該二つのエッジの間には、凹部があると判定することを特徴とする荷電粒子線装置。
4. 請求項３において、
   前記制御プロセッサは、
   前記試料上の凹凸状態を規定するテンプレートと、前記凹凸の判定結果を照合して、前記試料の凹凸状態を判定することを特徴とする荷電粒子線装置。
5. 請求項４において、
   前記制御プロセッサは、
   前記試料上の凹凸状態を規定する少なくとも２つの異なるテンプレートを用いて前記凹凸の判定結果を照合することを特徴とする荷電粒子線装置。
6. 請求項４において、
   前記制御プロセッサは、前記試料上の凹凸状態を規定する少なくとも２つの異なるテンプレートを用いて前記凹凸の判定結果を照合し、前記テンプレートで規定される条件の正答率が高いテンプレートによって、前記試料の凹凸を特定することを特徴とする荷電粒子線装置。
7. 請求項１の凹凸判定方法から得られた当該凹凸判定結果を用いて、パターンマッチングを行うことを特徴とするパターンマッチング方法。
8. 請求項１の凹凸判定方法から得られた当該凹凸情報を用いて、前記試料のパターン立体形状を特定することを特徴とするパターン検出方法。

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