JP4959381B2 - パターン測定方法、及び電子顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、パターンの測定方法、及び電子顕微鏡に係り、特に、高速且つ高精度にパターンを測定するパターンの測定方法、及び電子顕微鏡に関する。

近年の半導体素子の微細化に伴い、製造装置のみならず、検査や評価装置においてもそれに対応した高精度化が要求されている。通常、半導体ウエハ上に形成したパターンの形状寸法が正しいか否かを評価するために、測長機能を備えた走査型電子顕微鏡（以下、測長ＳＥＭと称す）が用いられている。

測長ＳＥＭでは、ウエハ上に電子線を照射し、得られた二次電子信号を画像処理し、その明暗の変化からパターンのエッジを判別して寸法を導き出している（例えば、特許文献１参照）。この際に、３５ｎｍノードのデザインルールに対応するためには、３０万倍以上の観察倍率において寸法測定を行うのが好ましく、この時の試料像表示画面の全体サイズはウエハ上で一辺が５００ｎｍ以下の四角形に相当する。この表示画面上の任意の位置に測定対象となるパターン（以下、測定パターンと称す）を位置決めするためには、少なくとも数十ｎｍレベルの視野位置決め精度が必要となる。ここで問題になるのが、試料ステージの位置検出器（例えばレーザ測長機）の分解能が例えサブｎｍオーダであったとしても、何らかの外乱影響により試料ステージが傾いたり、ウエハがステージ上でずれた場合、測定パターンが表示画面上の任意の位置に位置決めできないことである。

従来、これらの問題を回避する手段として、最初に寸法測定倍率より低倍（例えば１〜２万倍）の画像を取得し、得られた画像データより、測定パターンとの位置関係が既知である特徴的なパターン（以下、アドレッシングパターンと称す）を検出し、その特徴的なパターンの位置情報に基づいて、試料ステージの移動あるいは電子ビーム走査位置のオフセットを行い、正確に測定パターンを寸法測定倍率で表示画面上の任意の位置に位置決めすることを可能にしている（例えば、特許文献２参照）。この技術により、測定パターンと酷似した他のパターンが測定パターンの近辺に多数存在している場合でも、正確に測定パターンを抽出し寸法測定を行うことが可能となる。

また、特許文献３には、目的位置との関係が既知の複数のパターンをモデルとして登録し、当該登録されたモデルに類似するパターンを検出し、当該パターン位置と予め登録されているオフセットを用いて、試料上の目的位置を検出する技術が説明されている。

更に、特許文献４には、目的個所に対象物が存在しなかった場合、最初の視野を中心として、目的対象物が見つかるまで、視野が渦巻き状に移動するように、試料ステージを動作させることが説明されている。

特開平９−１６６４２８号公報（段落「００１２」−段落「００１６」、図４） 特開平３−２９１８４２号公報 特開平９−２４５７０９号公報 特開平６−２８３１２５号公報

上記特許文献１乃至３に説明されているようなアドレッシングパターンを用いたパターン位置の特定法では、測定ごとに測定とは直接関係のないパターンを検出する必要があるため、装置のスループットが低下するという問題がある。一方、アドレッシングパターンを経由しないで、測定個所の座標情報に基づいて、電子ビームの走査個所を移動することも考えられるが、移動した先に目的のパターンがない場合、かえって測定個所の特定に時間がかかるという問題もある。特に特許文献４のように、対象個所が最初の視野になかった場合、１つ１つ周囲の視野を検索していく手法では、目的のパターンを探すまでに長時間を要するという問題がある。以上のように、パターンの位置特定を正確に行おうとすると、相応に検索時間が必要となり、パターン測定の高速化と、パターン特定の高精度化はトレードオフの関係にあった。

本発明は、測定対象個所へ電子ビームの走査位置を高速に移動と、測定対処個所の高精度な特定の両立を図ることで、真の測定の高スループット化を実現可能ならしめるパターンの測定方法、及び電子顕微鏡の提供を目的とするものである。

上記目的を達成するための本発明の一態様では、測定対象である第１のパターンの座標情報に基づいて、電子ビームの走査位置を移動し、当該移動先にて、第１のパターンの検出を失敗した場合、当該第１のパターンとの相対距離が予め登録されている第２のパターンを含む領域に電子ビームの走査位置を移動させ、当該第２のパターンの検出と、前記相対距離の情報に基づいて、前記電子ビームの走査位置に移動する方法、及び装置を提供する。

以上のような構成によれば、第１のパターンの座標情報に基づいて、第１のパターンが検出できれば、その後、速やかに測定に移行でき、仮に第１のパターンの検出に失敗してしまった場合であっても、第２のパターンによって、その位置を特定することができるので、パターン検出失敗を補完することができる。

即ち、第１のパターンの検出を優先して、その検出に失敗してしまった場合に、選択的に第２のパターンに基づくパターン検出を行うようにすることによって、全てのパターンについてアドレッシングパターンを用いて、走査位置の特定を行う技術と比較して、スループット向上が実現できる。

上記本発明の一態様によれば、測定対象パターンへの電子ビーム走査位置の移動を高速に行うことができ、パターン測定の高速化に効果がある。

以下に説明する本発明の一例によれば、測定対象となる第１局所形状(第１のパターン)に直接移動し、試料像を表示する表示画面に前記第１局所形状が検出されなかった場合のみ、前記第１局所形状と相対距離が既知である、検出容易かつ特定容易な第２局所形状
（第２のパターン）へ視野移動し、前記第２局所形状を検出し、前記相対距離に基づいて、再度、前記第１局所形状の存在するべき位置へ視野移動する。

また本発明の一態様では、上記、第１局所形状と第２局所形状間の視野移動を行う際に、試料移動機構を用いることなく電子ビーム走査位置オフセット、あるいは走査領域の変更を行うことで視野移動する手段を備えている。

更に本発明の一態様では、第１局所形状を検出し測定した際の寸法データが、あらかじめ登録された参照用の寸法データと異なる場合、前記第１局所形状との相対距離が既知である第２局所形状を検出し、前記第２局所形状の位置と、前記相対距離に基づいて、再度、前記第１局所形状を検出し任意部位の寸法測定を行う。

また本発明の一態様では、検出した第１局所形状の任意部位の寸法データと、あらかじめ登録された参照用の寸法データとの差が、あらかじめ設定された任意の閾値内であれば、第１局所形状の寸法測定を終了する。

更に本発明の一態様では、寸法測定に要する時間を監視する機能を有し、第２局所形状への視野移動回数が多くなり、寸法測定所要時間が増加する試料に関しては、視野移動の最初から第２局所形状に移動する。

上記本発明の一態様によれば、寸法測定を行う際に、測定対象となる第１局所形状に直接移動し、検出処理に失敗した場合、あるいは測定寸法データがあらかじめ登録されている参照用の寸法データと整合性が取れなかった場合のみ、検出容易かつ特定容易な第２局所形状に視野移動するので、装置のスループットが向上する電子顕微鏡装置および同装置における寸法測定方法を提供することができる。

以下、図面（図１〜図６）を参照しながら、本発明実施形態に係る電子顕微鏡装置および同装置の寸法測定方法について詳細に説明する。ここでは、電子顕微鏡の一例として測長ＳＥＭ（Critical Dimension-Scanning Electron Microscope）が例示されている。

図１は、本発明実施形態に係る電子顕微鏡装置の全体構成を示す図である。電子銃101より放射された電子ビーム１０２は、対物レンズ１０３により細く絞られ、試料１０４に照射される。また、偏向信号発生器１０５によって発生する偏向信号は、コンピュータ
１０６により試料１０４上の走査範囲，走査位置を変えることができ、偏向増幅器１０７によって偏向コイル１０８を励磁し、電子ビーム１０２を試料１０４上で２次元走査する。また、試料１０４に入射した電子ビーム１０２により発生した信号（２次電子信号，反射電子信号等）は、検出器１０９により電気信号に変換され、画像制御部１１０により信号処理され、画像表示用ＣＲＴ１１１に送られる。コンピュータ１０６は、画像制御部
１１０内の画像データの全部または一部を読み込むことができるほか、図示はされてないが、前記画像データに対応した画像表示用ＣＲＴ１１１上を任意に移動可能なクロスヘアカーソルの位置情報（座標情報）を取得できる。

一方、試料１０４を載せている試料ステージ１１２は、ステージ制御部１１３により移動され、それによって電子ビーム１０２の試料１０４上の走査位置が変化し、視野が移動する。なお、同様の視野移動は、直流増幅器１１４によってイメージシフトコイル１１５が励磁され、電子ビーム１０２の試料１０４上の走査位置がオフセットされることによっても行える。そして、この視野移動の移動量は、コンピュータ１０６（制御装置）によって制御される。

以上の構成において、本発明では以下のような処理を行うものであり、初めに、測定パターンとアドレッシングパターンとの登録手続きに関して図１および図２を用いて説明する。

まず、測定対象となる測定パターンを含む試料１０４（例えばウエハ）を試料ステージ１１２に載せ、電子ビーム１０２を照射して画像表示用ＣＲＴ１１１に像を表示する。

次に試料ステージ１１２を移動し、表示像中にアドレッシングパターンを表示させ、クロスヘアカーソルを合わせ、コンピュータ１０６に登録の指示を出す。コンピュータ106はカーソル位置情報を取得し、保存するとともにカーソル位置を中心とする一部の画像データをアドレッシングパターンとして保存する。この時の表示像の倍率は、寸法測定倍率より低倍（１〜２万倍）で行い、アドレッシングパターンは測定パターンと隣接した位置（数μｍ程度）にあるものを使用する。以上の一連の手続きをアドレッシングパターン登録手続きとする（図２（ａ）参照）。

アドレッシングパターン（第２のパターン）は、第１のパターンと比較して、アドレッシングパターンとしての適格があるパターンを選択すべきであり、第１のパターンより大きなパターンを選択することが望ましい。更に形状もよりユニークなものを選択することが望ましい。

次に、測定パターンにクロスヘアカーソルを合わせ、コンピュータ１０６に登録の指示を出す。コンピュータ１０６はカーソル位置情報および測長パターン画像を取得し、保存するとともに、今度はその位置情報とアドレッシングパターン登録手続きの際保存しておいたアドレッシングパターンのカーソル位置情報とから、目的とする測定パターンとアドレッシングパターン間の相対距離を求め、保存する。この時の表示像の倍率は、寸法測定倍率（３０万倍程度）で行う。以上の手続きを測定パターン登録手続きとする（図２(ｂ)参照）。

本例では、まず測定パターンの適否を判断する必要があるため、上述のように測定パターン画像、或いは波形情報（ラインプロファイル）を予め取得する。パターンの適否判断の際には、形状照合、或いはラインプロファイル形状を比較し、一致度が所定値より高い場合には、当該パターンは測定対象として適正なものであるとの判断し、アドレッシングパターンによる位置特定を行わないようにすることができる。

更に、本例では、寸法測定結果の妥当性を判断するために、予め、得られるであろう寸法測定値（正常にパターンが形成されたウエハの代表的な寸法測定値でも良い）に対して、閾値を設けたテンプレートを作成することもできる。この閾値に関しては操作者が任意で定義できる値とする。テンプレートの使用方法に関しては後に説明する。

そして、以上の手続きは、検出処理の最初に１度行えばよい。

次に図３，図４および図５を用いて、本発明実施形態に係る電子顕微鏡装置および同装置の寸法測定方法について詳細に説明する。

図３は、本発明実施形態に係る電子顕微鏡における寸法測定方法の実行手順を示すフローチャートである。

図３に示すフローチャートによれば、まず、ステップＳ１０において予め登録されている測定パターンの位置情報をもとに、測定パターンへの視野移動を行い、ステップＳ２０により測長パターンの検出を行い、その後、ステップＳ３０で予め登録されている測長パターンとの照合判断を行う。この時の表示像倍率は寸法測定倍率である。ここで、整合性が取れた場合は（Ｙ）、ステップＳ４０に移行する。また、整合性が取れなかった場合は（Ｎ）、ステップＳ７０に移行する。

次に、ステップＳ３０の照合判断において整合性が取れなかった場合（Ｎ）について説明する。整合性が取れない理由として、（１）測定パターンへの視野位置決めに失敗している、（２）測定パターンが破損、或いは存在しない、等が考えられる。

いずれの場合においても本例では、ステップＳ７０により予め登録されているアドレッシングパターンへ視野移動する。この時の移動手段は、試料ステージ１１２，電子ビーム走査位置オフセットのどちらでも良いが、装置スループットを考慮すると後者が望ましい（アドレッシングパターンを測長パターンと隣接した位置に登録するのは、電子ビーム走査位置オフセットで視野移動を可能とするためである）。引き続き、ステップＳ８０のアドレッシングパターン検出処理に移行し、ステップＳ９０で予め登録されているアドレッシングパターンとの照合判断を行う。アドレッシングパターンは、測長パターンより大きく設定しているため、この時の表示像倍率は低倍であり、視野位置決め精度の要求値も厳しくない。

ここで整合性が取れなかった場合は（Ｎ）、ウエハ上にパターンが正しく形成されてないと判断し、ステップＳ１４０に移行し、エラーメッセージを画像表示用ＣＲＴ１１１に表示し、寸法測定を終了する。また、整合性が取れた場合は（Ｙ）、ステップＳ１００に移行し、予め登録されている測定パターンとアドレッシングパターンの相対距離に基づき、再度、測定パターンへ視野移動する。この時の移動手段も、試料ステージ１１２，電子ビーム走査位置オフセットのどちらでも良いが、装置スループットを考慮すると後者が望ましい。

引き続き、ステップＳ１１０に移行し測長パターンの検出を行い、ステップＳ１２０で再度予め登録されている測長パターンとの照合判断を行う。この時の表示像倍率は寸法測定倍率である。ここで整合性が取れなかった場合は（Ｎ）、ウエハ上にパターンが正しく形成されてないと判断し、ステップＳ１５０に移行し、エラーメッセージを画像表示用
ＣＲＴ１１１に表示し、寸法測定を終了する。また、整合性が取れた場合は（Ｙ）、ステップＳ１３０に移行し、寸法測定処理を行い、寸法測定を終了する。

次に、ステップＳ３０の照合判断において整合性が取れた場合（Ｙ）について説明する。整合性が取れた場合は（Ｙ）、ステップＳ４０に移行し寸法測定処理を行う。その後、本発明では、ステップＳ５０に移行し、測定値を予め用意しておいたテンプレートの値と比較し、ステップＳ６０の比較判断処理により、測定値が閾値内であるかを判断する。ここで、閾値内の場合は（Ｙ）、寸法測定を終了する。閾値内に入らない場合は（Ｎ）、ステップＳ７０に移行し、図３のフローチャートに従い、寸法測定を終了する。

テンプレートを用いて測定値を比較判断する理由は、図４に示すように、測定パターン近傍に他の似たような形状のパターンが存在した場合、図３のフローチャート内のステップＳ３０での照合判断において、本来測定すべきパターンＡとは異なるパターンＢを抽出し、寸法測定処理を行う可能性があるからである。また、測定パターンへの視野移動に失敗したにも関わらず、似たようなパターンを検出して、照合判断において整合性が取れた場合も同様である。

また本例では、テンプレートによる比較判断実行の可否は、操作者が任意で設定することが可能とする（例えば、測定パターンの近傍には同形状のパターンしか存在せず、どのパターンを寸法測定しても良い場合などに、比較判断処理を省くことが可能となる）。その時のフローチャートを図５に示す。

以上述べたように、本発明実施形態によれば、寸法測定を行う際に、図３に示すフローチャート内のステップＳ３０およびステップＳ６０の比較判断においてＮにならない限り、アドレッシングパターンの検出処理をする必要がないため、装置スループットの向上が可能となる。

また、本発明実施形態では、図３のフローチャートに示す寸法測定終了（２）で終了した場合、測長パターンの検出処理を２度行うことになり、その処理回数によっては、装置スループットの低下を招く恐れがある。そこで前記した問題を回避するために、本発明では、同一ウエハ内に分布する同形状の測定パターンを数多く測定する場合（同一ウエハに限らず同形状パターンの測定時も）等、図３に示すフローチャートのステップＳ２０以降およびステップＳ８０以降に要する時間をコンピュータ１０６で監視し、ステップＳ２０以降の時間平均値がステップＳ８０以降の時間平均値より上回った場合（最初の数回を除くことが可能とする。回数は操作者が任意で設定可能とする）、その後、同形状の測定パターンを測定する場合は、自動的に図６に示すフローチャートに従い、寸法測定処理を行う機能を有する。本機能の使用可否に関しても、操作者が任意で設定可能とする。

本発明実施形態に係る電子顕微鏡装置の全体構成を示す図である。 本発明実施形態に係る電子顕微鏡装置における寸法測定方法を説明する図である。 本発明実施形態に係る電子顕微鏡装置における寸法測定方法の実行手順を示すフローチャート。 本発明実施形態に係る電子顕微鏡装置における寸法測定方法を説明する図である。 本発明実施形態に係る電子顕微鏡装置における寸法測定方法の実行手順を示すフローチャート。 本発明実施形態に係る電子顕微鏡装置における寸法測定方法の実行手順を示すフローチャート。

符号の説明

１０１ 電子銃
１０２ 電子ビーム
１０３ 対物レンズ
１０４ 試料
１０５ 偏向信号発生器
１０６ コンピュータ
１０７ 偏向増幅器
１０８ 偏向コイル
１０９ 検出器
１１０ 画像制御部
１１１ 画像表示用ＣＲＴ
１１２ 試料ステージ
１１３ ステージ制御部
１１４ 直流増幅器
１１５ イメージシフトコイル
２０１ アドレッシングパターン
２０２ 測定パターン
２０３ クロスヘアカーソル

Claims (5)

1. 試料上で電子ビームを走査し、当該走査個所から放出された電子の検出に基づいて、
   前記試料上に形成されたパターンの寸法を測定するパターンの測定方法であって、
   測定対象である第１のパターンの座標情報に基づいて、前記電子ビームの走査位置を移動し、
   当該電子ビームの移動先において、
   前記第１のパターンを検出できた場合には、前記第１のパターンの寸法を測定し、
   当該検出に失敗した場合には、前記第１のパターンとの相対距離が予め登録されている第２のパターンを含む領域に前記電子ビームの走査位置を移動させて、当該第２のパターンを検出し、
   当該第２のパターンの検出結果と、前記相対距離の情報に基づいて、
   前記電子ビームの走査位置を移動することを特徴とするパターンの測定方法。
2. 請求項１において、
   前記第２のパターンは、
   前記第１のパターンよりも大きく形成されていることを特徴とするパターンの測定方法。
3. 請求項１において、
   前記第２のパターンの検出結果と、
   前記相対距離に基づいて、
   前記第１のパターンの検出を再度実施することを特徴とするパターンの測定方法。
4. 電子銃と、
   当該電子銃から放出された電子ビームを試料上で走査する走査偏向器と、
   前記試料から放出された電子を検出する検出器と、
   当該検出器に検出された電子に基づいて、前記試料上に形成されたパターンの画像を形成する制御装置を備えた走査電子顕微鏡において、
   前記制御装置は、
   測定対象である第１のパターンの座標情報に基づいて、前記電子ビームの走査位置を移動し、
   当該電子ビームの移動先において、
   前記第１のパターンを検出できた場合には、前記第１のパターンの寸法を測定し、
   当該検出に失敗した場合には、前記第１のパターンとの相対距離が予め登録されている第２のパターンを含む領域に前記電子ビームの走査位置を移動させて、当該第２のパターンを検出し、
   当該第２のパターンの検出結果と、前記相対距離の情報に基づいて、
   前記電子ビームの走査位置を移動することを特徴とする走査電子顕微鏡。
5. 請求項４において、
   前記第２のパターンの画像は、前記第１のパターンの画像よりも低い倍率において形成されることを特徴とする走査電子顕微鏡。

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