JP4286657B2 - 走査電子顕微鏡を用いたライン・アンド・スペースパターンの測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、走査電子顕微鏡を用いた測定方法に関し、特にライン・アンド・スペースパターンの平均線幅を簡便にかつ高速に測定する方法に関する。

半導体の製造工程では、微細な繰り返しパターンを走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって検査することが行われる（例えば、特開２００３−０３７１３９号公報、特開２００２−２４３４２８号公報）。半導体における近年の微細加工プロセスでは、パターン微細化に伴い、パターンのエッジラフネスが大きな問題となっている。エッジラフネスに関しては、その発生原因を究明する研究がなされている一方で、エッジラフネスを含んだ平均的な測長値で全体の線幅を管理しようとする試みもなされている。

図１は、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）によるライン・アンド・スペース（以下、ライン＆スペースと記する）パターンの画像である。従来法で、エッジラフネスを含んだ平均的な線幅計測を行う場合には、例えば図１に１〜６で示すように、局所的な線幅計測を多数の位置で行い、その平均値を算出する方法が取られていた。

特開２００３−０３７１３９号公報 特開２００２−２４３４２８号公報

ライン＆スペースパターンのエッジラフネスを含んだ平均的な線幅計測を行う場合、平均化効果を上げるためには、局所的な線幅計測の位置数を増やす必要があり、そのために線幅計測時間が延びるという問題があった。また、線幅計測の位置数と選択位置の適正化に関しても定量的な指標がないために精度の面での安定性に問題があった。

本発明の目的は、ライン＆スペースパターンの平均的な線幅計測を行う場合に、計測点数や計測位置を指定することなく、簡便にかつ高速に平均的な線幅計測できる方法を提供することにある。

本発明による周期性を有するライン・アンド・スペースパターンの測定方法は、走査電子顕微鏡を用いて複数のライン及びスペースパターンを含む倍率で試料画像を取得するステップと、取得した画像を微分処理するステップと、微分処理した画像の自己相関値を計算するステップと、自己相関値のピーク間隔から、ライン・アンド・スペースパターンの平均ライン幅、平均スペース幅、平均ピッチ幅の少なくとも１つを算出するステップとを有する。この方法によると、一度の計測で平均的なライン幅、スペース幅、ピッチ幅を求めることが出来る。

本発明によるライン・アンド・スペースパターンの測定方法は、また、走査電子顕微鏡を用いて複数のライン及びスペースパターンを含む倍率で試料画像を取得するステップと、取得した画像を微分処理するステップと、微分処理した画像の全画素値を横軸もしくは縦軸に投影してプロジェクションデータを得るステップと、プロジェクションデータの自己相関値を計算するステップと、自己相関値のピーク間隔から、ライン・アンド・スペースパターンの平均ライン幅、平均スペース幅、平均ピッチ幅の少なくとも１つを算出するステップとを含む。この方法によると、自己相関の処理データ量を少なくすることができ、処理時間を短縮できる。

本発明によるライン・アンド・スペースパターンの測定方法は、また、走査電子顕微鏡を用いて複数のライン及びスペースパターンを含む倍率で試料画像を取得するステップと、取得した画像を微分処理するステップと、微分処理した画像の全画素値を横軸もしくは縦軸に投影してプロジェクションデータを得るステップと、プロジェクションデータ上のライン・アンド・スペースパターンのエッジに対応したピークの間隔を求めるステップと、ピーク間隔の平均から、ライン・アンド・スペースパターンの平均ライン幅、平均スペース幅、平均ピッチ幅の少なくとも１つを算出するステップとを含む。この方法によると、自己相関処理を必要とせず、複雑な処理を省くことができ、処理時間を短縮できる。

自己相関値を求める際の画像移動の方向はライン・アンド・スペースパターンの周期方向に平行な方向とし、プロジェクションデータを得るための投影方向はライン・アンド・スペースパターンの周期方向に垂直な方向とする。

本発明によると、取得した画像全体から平均ライン幅、平均スペース幅、平均ピッチ幅を算出するので、多数位置での計測を行うことなく、簡便にかつ高速に平均的な線幅計測を行うことができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図３は、本発明の測定方法に用いられる走査電子顕微鏡の概略ブロック図である。鏡体部３０１に設置された電子銃３０２から発せられた電子線３０３は、図示し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あるいは反射電子の強度は電子検出器３０６によって検出され、検出信号は増幅器３０７によって増幅される。制御用計算機３１０の制御信号３０８によって制御される偏向器３０４は、電子線３０３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は画像処理プロセッサ３０９内でＡＤ変換され、デジタル画像データが作成される。画像データは表示装置３１１に表示される。また、画像処理プロセッサ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回路、表示制御を行う表示制御回路を有する。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。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このような走査電子顕微鏡が使用される。

図１０は、本発明で使用する微分画像を示した図である。図１０（ａ）は、図３に示した走査電子顕微鏡で取得した元のライン＆スペース画像である。図１０（ｂ）は、そのライン＆スペース画像に微分処理を施した画像である。微分画像では、輝度の変化点、ＳＥＭ画像においてはラインとスペースの境界のエッジ部分で高輝度の画素値となる。画像の微分処理は、一般的な画像処理で使用されているソーベルフィルタ等の微分フィルタを用いて行うことが出来る。

図２は、微分処理したライン＆スペース画像の自己相関値算出の概略と、得られる自己相関値のグラフを示す図である。自己相関値は、元画像とその画像を一方向に一定距離だけずらした画像との重なり部分の正規化相関値を求めたものである。図２（ａ）は、ライン＆スペースがＸ方向に周期性を持つため、Ｘ方向（周期方向）に位置をずらしたずらし画像との自己相関値を計算する例を示している。図に太枠で示した部分が重なり部分であり、この領域の正規化相関値を計算する。ずらし画素数が０の場合は、自分自身のとの相関であるため、相関値は１である。ずれが大きくなるに従い、相関値は小さくなるが、画像が周期的であると、パターンの繰り返し周期毎にピークが出現する。自己相関は重なり部分全体の相関値を求めているため、ピークが現れる位置は、重なり部分に含まれるライン＆スペース全体の一致度が反映される。つまり、含まれるライン＆スペースの線幅の平均的な繰り返し位置にピークが出現することになる。このピークの間隔を求めることで、平均的なライン幅、スペース幅、ピッチ幅が算出できることになる。図２（ｂ）においては、第１ピーク２０１と第４ピーク２０４との間隔がピッチ幅となり、第１ピーク２０１と第２ピーク２０２の間隔がライン幅となる。

図４は、図２（ｂ）の自己相関値の変化を信号プロファイルから説明した図である。４０１はライン＆スペースパターンの形状、４０２がＳＥＭ画像の信号強度プロファイル、４０３が微分画像の信号強度プロファイルである。微分画像プロファイル４０３では、ラインの左右のエッジで信号強度がピークを作る。自己相関をとると、まず、ずらし画素が０の場合、ピーク４０７を形成する。この場合の相関値は１である。次に、４０４のずらし量＝ライン幅までずらした時に、左エッジのピークが右エッジのピークに重なった状態となり、ピーク４０８を形成する。さらに、４０５のずらし量＝スペース幅までずらすと、右エッジのピークが次の周期にある左エッジのピークに重なった状態となり、ピーク４０９を形成する。そして、ずらし画素が１周期分となる４０６でピーク４１０を形成する。ピークの大きさは、４０７，４１０のような繰り返し周期分ずれたところで大きくなり、その間の４０８，４０９のようなエッジやスペースの間隔で生じるピークは小さなものになる。４０７，４０８の間隔がライン幅であり、４０８，４１０の間隔がスペース幅であり、４０７，４１０の間隔がピッチ幅である。

図５は、プロジェクションを取るための投影方向と自己相関時の画像のずらし方向を求める方法を説明した図である。縦方向（ｙ軸方向）のラインパターン５０１に対しては、自己相関時の画像ずらし方向が横方向（ｘ軸方向）、プロジェクションを取るための投影方向が縦方向（ｙ軸方向）となる。また、横方向（ｘ軸方向）のラインパターン５０２に対しては、自己相関時の画像ずらし方向が縦方向（ｙ軸方向）、プロジェクションを取るための投影方向が横方向（ｘ軸方向）となる。自己相関値を求める場合の画像移動の方向をライン＆スペースパターンの周期方向とすることにより、自己相関値にライン幅、スペース幅、ピッチ幅の情報が正確に反映される。また、プロジェクションデータを得るための投影方向をライン＆スペースパターンの周期方向に垂直の方向とすることにより、プロジェクションデータにライン幅、スペース幅、ピッチ幅の情報が正確に反映される。

図６は、ライン＆スペースパターンがｘ軸方向もしくはｙ軸方向から傾いている場合の補正方法を説明した図である。図５で示したような方法で、ライン＆スペースパターンの投影方向と自己相関時の画像のずらし方向は求めることはできるが、ライン＆スペースパターンが傾いている場合、そのまま本発明の方法でラインやピッチ間隔を求めると実際の間隔より傾いた分だけ大きくなったり、ラインとスペースの画素値が重なって投影されたりするので、正確な値が求められない。そこで、６０１のようにライン＆スペースパターンの方向がｘ軸、もしくはｙ軸となす角度を求め、アフィン変換等の画像処理を用いて、６０２のようにその分だけ画像を回転させることで、投影方向と自己相関時の画像のずらし方向をｘ軸もしくはｙ軸とすることができる。このように、ライン＆スペースパターンと横軸（Ｘ軸）もしくは縦軸（Ｙ軸）との角度を算出し、ライン又はスペースパターンが横軸（Ｘ軸）もしくは縦軸（Ｙ軸）と垂直もしくは並行になるように画像を回転処理することにより、ライン＆スペースパターンが傾斜している場合でも、正確な自己相関値と投影プロジェクションを求めることができる。

図７は、自己相関値又はプロジェクションデータ上から平均線幅算出に必要な信号ピークを選別する方法を示した図である。自己相関値又はプロジェクションデータ７０１上には７０２のようなライン幅算出に不必要な信号ピークが存在する場合がある。この場合、設計データ等のライン幅、スペース幅、ピッチ幅に関する既知の情報があれば、７０３、７０４、７０５のように既知の線幅情報に近い、必要なピークのみを選択的に取り出すことができる。既知の情報としては、設計データばかりでなく、本発明とは別の装置や手法で予め求めた値を用いることもできる。このように、自己相関値又はプロジェクションデータ上に現れる複数の信号ピークから平均線幅を算出する場合に、別手法で求めておいた既知の座標、ピーク間隔等の情報を用いて算出に必要な信号ピークを選別することで、ノイズ等による擬似ピークを誤検出することが少なく正確な計測が可能になる。

図８は、画像上に処理領域を設定し、その領域内の平均線幅を算出する方法を説明した図である。図８（ａ）は、計測したい任意の領域８０２を１つ指定し、その領域における平均線幅を求める例を示している。このように、画像上に計測したい領域を任意に設定し、その領域内の平均線幅を算出することにより、測定したい部分の平均ライン、平均スペース幅、平均ピッチ幅を求めることができる。図８（ｂ）は、複数の領域８０４を指定し、その領域毎の平均線幅を算出する場合の例を示している。この場合、各領域間の平均、分散を算出することもでき、平均ライン、平均スペース幅、平均ピッチ幅の画像上のばらつきを計測することができる。

図９は、ライン＆スペース画像で線幅の測定を行う場合の処理フローである。図９（ａ）は従来の手法を示し、図９（ｂ）は本発明の手法を示している。図９（ａ）に示す従来の手法の場合、まず撮影を行う電子顕微鏡装置の撮影条件の設定を行う（９０１）。撮影条件とは、撮影倍率、撮影位置、撮影範囲、加速電圧等の条件である。この条件をもとに電子線を試料ウェハに照射して画像を撮影、取得する（９０２）。取得した画像から、測定する線幅の位置を検出する（９０３）。計測する線幅の位置の検出に当たっては、取得した画像のプロジェクションデータからラインもしくはスペースのエッジ位置を検出しその座標を出力する。また、もし複数のラインもしくはスペースのエッジ位置が検出された場合は、最も画像の中央に近いものを出力する。次に、得られたラインもしくはスペースのエッジ座標をもとに、ラインもしくはスペースの線幅測定を行う（９０４）。エッジラフネスが大きく、幾つかの位置で線幅測定を行って平均値を求める必要がある場合には、終了判定を行い（９０５）、ステップ９０１〜９０４を必要数だけ繰り返すことになる。複数回の測定を行った後、最後にその平均値を算出する（９０６）。

これに対して本発明の手法は、図９（ｂ）に示すように、条件設定で、測定したい複数のライン＆スペースが取得画像内に含まれるように撮影倍率、撮影位置、撮影範囲を設定する（９０７）。この条件に従って試料画像を撮影、取得する（９０８）。最後にステップ９０９で、得られた画像全体から平均線幅を算出するので、図９（ａ）にステップ９０３として示した測定するラインもしくはスペースの位置検出を行う必要がなくなり、またステップ９０５，９０６のような平均値算出のための繰り返し撮影を行う必要がない。このように本発明によると、一度の計測で複数のライン、スペース幅の平均値を求めることができる。また、一つのライン又はスペースの位置指定を行わず、広い領域を指定するので操作が簡便になる。

図１１は、微分画像の投影プロジェクションデータ上のピーク間隔の平均から、平均ライン幅、平均ピッチ幅を算出する方法の説明図である。元画像１１０１に対して微分処理を行い、微分画像１１０２を得る。この微分画像１１０２の縦方向（ｙ軸方向）へのプロジェクションデータが１１０３である。元画像１１０１のライン幅に対応したプロジェクションデータ１１０３上のピーク間隔をａ〜ｄの各ラインパターン毎に求め、それらを平均して平均ライン幅とする。図１１の例では、平均ライン幅を次式で求める。
平均ライン幅＝（ラインａ＋ラインｂ＋ラインｃ＋ラインｄ）／４
平均スペース幅、平均ピッチにおいても同様に求めることができる。

図１２は、画像取得時の倍率制御に関する方法を説明した図である。本発明のような画像全体を使った平均線幅測定では、測定の平均化効果を上げるために、画像内に一定比率以上のラインが含まれる必要がある。画像内に含まれるライン数は、画像の幅Ｗ１とライン幅Ｌ１との比、Ｗ１／Ｌ１で求めることができる。そのため、画像内に含まれるライン数（Ｗ１／Ｌ１）が予め定められた所定の値より少ない場合は、画像内に含まれるライン数を多くするように画像取得の撮影倍率を下げて撮影を行う。例えば、画像内に含まれる最少ライン数をＴｈとし、画像１２０１の撮影倍率をＭａとすると、もしＷ１／Ｌ１＜Ｔｈの場合は、倍率をＭｂ＝（Ｗ１／Ｌ１）（Ｍａ／Ｔｈ）にして、画像１２０２を取得する。このように、画像内に含まれるライン又はスペース数が予め定められた所定の値よりも小さい時、その条件を満たす画像の大きさになるように電子光学系の倍率を変化させ、画像取得を行うことにより、平均化効果を低減することなく処理を行うことができる。

図１３は、本発明の平均線幅測定において、自己相関を微分画像から求める場合の処理フローである。ステップ１３０１で取得した画像に対して、ステップ１３０２において図１０で説明した微分処理を施す。次に、ステップ１３０３で、図２（ａ）で説明した自己相関値の算出を行い、ステップ１３０４でピーク検出と検出されたピークからの平均ライン幅、平均スペース幅、平均ピッチ幅を求める。

図１４は、本発明の平均線幅測定において、自己相関を微分画像の投影プロジェクションから求める場合の処理フローである。ステップ１４０１で取得した画像に対して、ステップ１４０２において図１０で説明した微分処理を施す。次に、ステップ１４０３で投影プロジェクションを計算する。投影プロジェクションは、下記式で求めることが出来る。

ここで、Ｇ（ｘ，ｙ）は画像の画素値、Ｎは投影方向つまりｘ軸又はｙ軸の画素数である。投影方向は、図５で説明した方法で決定する。ステップ１４０４で投影プロジェクションの自己相関値の算出を行い、ステップ１４０５で、ピーク検出と検出されたピークからの平均ライン幅、平均スペース幅、平均ピッチ幅を求める。投影プロジェクションで自己相関値の計算を行った方が、計算が簡単になり、処理が高速化できる。

ライン＆スペースパターン画像の例を示す図。 微分処理した画像の自己相関値算出の概略と得られる自己相関値のグラフを示す図。 走査電子顕微鏡の構成を示す概要ブロック図。 自己相関値の変化を信号プロファイルから説明した図。 プロジェクションの投影方向と自己相関時のずらし方向の説明図。 ライン＆スペースパターンが傾いている場合の補正方法を説明した図。 自己相関値又はプロジェクションデータ上から平均線幅算出に必要な信号ピークを選別する方法を示した図。 画像上の領域内の平均線幅を算出する方法を説明した図。 ライン＆スペース画像で線幅の測定を行う場合の処理フローを示す図。 本発明で使用する微分画像の説明図。 微分画像の投影プロジェクションデータ上のピーク間隔から、平均ライン幅と平均ピッチ幅を算出する方法の説明図。 画像取得時の倍率制御に関する方法の説明図。 本発明の平均線幅測定において、自己相関を微分画像から求める場合の処理フローを示す図。 本発明の平均線幅測定において、自己相関を微分画像の投影プロジェクションから求める場合の処理フローを示す図。

符号の説明

３０１…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 (10)

1. 試料に形成された周期性を有するライン・アンド・スペースパターンの測定方法において、
   走査電子顕微鏡を用いて複数のライン及びスペースパターンを含む倍率で試料画像を取得するステップと、
   ラインの２つのエッジについてピークが現れるように、取得した画像を微分処理するステップと、
   前記微分処理した画像をずらして画像の自己相関値を計算することによって、前記２つのエッジの一方の側の第１ピークと当該２つのエッジの他方の側の第２ピークとの間に所定の一致度が認められたときの第１のずらし量と、前記ラインパターンに隣接する他のラインパターンの２つのエッジの一方の側の第３のピークと前記第２のピークとの間に所定の一致度が認められたときの第２のずらし量と、前記第１のピークと前記第３のピークとの間に、所定の一致度が認められたときの第３のずらし量を算出し、前記第１乃至第３のずらし量に基づいて、前記ライン・アンド・スペースパターンの平均ライン幅、平均スペース幅、平均ピッチ幅の全てを算出するステップと、
   を含むことを特徴とする測定方法。
2. 試料に形成された周期性を有するライン・アンド・スペースパターンの測定方法において、
   走査電子顕微鏡を用いて複数のライン及びスペースパターンを含む倍率で試料画像を取得するステップと、
   ラインの２つのエッジについてピークが現れるように、取得した画像を微分処理するステップと、
   前記微分処理した画像の全画素値を横軸もしくは縦軸に投影してプロジェクションデータを得るステップと、
   前記プロジェクションデータをずらして画像の自己相関値を計算することによって、前記２つのエッジの一方の側の第１ピークと当該２つのエッジの他方の側の第２ピークとの間に所定の一致度が認められたときの第１のずらし量と、前記ラインパターンに隣接する他のラインパターンの２つのエッジの一方の側の第３のピークと前記第２のピークとの間に所定の一致度が認められたときの第２のずらし量と、前記第１のピークと前記第３のピークとの間に、所定の一致度が認められたときの第３のずらし量を算出し、前記第１乃至第３のずらし量に基づいて、前記ライン・アンド・スペースパターンの平均ライン幅、平均スペース幅、平均ピッチ幅の全てを算出するステップと、
   を含むことを特徴とする測定方法。
3. 請求項１又は２記載の測定方法において、前記自己相関値を求める際の画像移動の方向をライン・アンド・スペースパターンの周期方向に平行な方向とすることを特徴とする測定方法。
4. 請求項２記載の測定方法において、前記プロジェクションデータを得るための投影方向をライン・アンド・スペースパターンの周期方向に垂直な方向とすることを特徴とする測定方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項記載の測定方法において、
   ライン・アンド・スペースパターンと横軸もしくは縦軸との角度を算出するステップと、
   ライン・アンド・スペースパターンが横軸もしくは縦軸と垂直もしくは平行になるように画像を回転処理するステップとを有することを特徴とする測定方法。
6. 請求項１又は２記載の測定方法において、前記ライン・アンド・スペースパターンに関する既知の情報を用いて、算出に必要なピークを選別することを特徴とする測定方法。
7. 請求項１又は２記載の測定方法において、前記試料画像上に計測したい領域を設定し、その領域内におけるライン・アンド・スペースパターンの平均ライン幅、平均スペース幅、平均ピッチ幅の少なくとも１つを算出することを特徴とする測定方法。
8. 請求項１又は２記載の測定方法において、前記試料画像上に計測したい領域を複数設定し、その領域毎のライン・アンド・スペースパターンの平均ライン幅、平均スペース幅、平均ピッチ幅の少なくとも１つを算出し、各領域間の平均、分散を算出することを特徴とする測定方法。
9. 請求項１又は２記載の測定方法において、測定対象のライン又はスペースが予め定められた所定の数以上含まれる領域を試料画像取得領域として指定することを特徴とする測定方法。
10. 請求項９記載の測定方法において、試料画像内に含まれるライン又はスペースの数が前記所定の数より少ない時、当該ライン又はスペースの数が前記所定の数より多くなるように倍率を変化させて試料画像を取得することを特徴とする測定方法。

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