JP5386502B2 - パターン寸法計測方法及びそれを用いた走査電子顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、パターン寸法計測及びそれを用いた走査電子顕微鏡に関する。

半導体デバイスは主にリソグラフィ工程とエッチング工程によって作製される。リソグラフィ工程とはある一定の波長を持つ光を基板上に塗布された感光材料（以下、レジスト）に露光したのち、現像液に浸すことで、基板上にレジスト微細パターンを形成する工程のことである。このリソグラフィ工程で形成されたレジスト微細パターンをマスクとし、下地膜をドライエッチングで加工することをエッチング工程とよぶ。エッチング工程で用いられるマスクはレジストだけではなく、酸化ケイ素材や窒化ケイ素材などのハードマスクと呼ばれるものも用いられ、どのようなマスクを使用するかはプロセスによって最適化される。半導体デバイスの微細化は上記リソグラフィ工程とエッチング工程の進歩により進められてきた。特にリソグラフィ工程では露光源の短波長化によって、より微細なレジストパターンを形成できるようになった。現在、主に用いられている露光源はArFエキシマレーザ光（波長：193 nm）である。露光源の短波長化に伴い、レジスト材料も大きく変化する。これは露光波長の吸収などの課題克服のためや、感度向上などの高効率化が目的である。ArFリソグラフィで用いられる感光材料はArFレジストと呼ばれ、ArFリソグラフィには不可欠なものである。今後数年間はこのArFエキシマレーザ光を用いたリソグラフィ技術（ArFリソグラフィ）が最先端技術として半導体デバイス作製に用いられる見通しである。

リソグラフィ工程により形成されたレジスト微細パターンは、その後の半導体デバイスの性能を大きく左右するので、高精度な寸法検査が必要とされる。そこで寸法検査には高い空間分解能を持つ測長走査電子顕微鏡（CD-SEM）が用いられる。CD-SEMを用いて、レジストパターンの寸法や、形状評価など様々な検査が行われる。特に近年、ラインエッジラフネス（LER）やライン幅ラフネス（LWR）など、パターンの寸法だけでなく、その形状の揺らぎにも関心が寄せられ、特許文献１と非特許文献１に示すようにラフネスの計測方法や抑制方法が盛んに研究されている。

パターンのばらつき指標値であるラフネスを計測するには、パターンの複数箇所でエッジを検出し、それらのばらつきを計測する必要がある。例えば、図１に示すゲートパターンのような1次元に長さを持つパターンの場合、パターンを横切る方向に対して輝度プロファイルを複数本作成する。図１ではN本の輝度プロファイルを作成した。それぞれの輝度プロファイルからある一定のアルゴリズムを用いてエッジ位置を算出する。エッジ位置算出に用いられるアルゴリズムは特許文献２に詳細に記載されている。図２に示すコンタクトホールのようにX方向にもY方向にも長さを持つようなパターンの場合は、まずパターン中心を求める。パターン中心を求めるにはパターンマッチングなどが用いられる場合がある。パターン中心を求めた後、パターン中心から径方向に輝度プロファイルを数度毎に複数本作成する。図２では３６０/N度毎にN本の輝度プロファイルを作成した。ゲートパターンのときと同様にそれぞれの輝度プロファイルからある一定のアルゴリズムを用いてエッジ位置を算出する。図２に示すコンタクトホールの場合は中心位置によって輝度プロファイルが大きく変化することが考えられる。そこで、算出されたエッジ位置からパターン中心を逆算し、再び再計算されたパターン中心からラインプロファイルを算出しエッジ位置算出が行われる。従来はこうして決められた複数のエッジ位置からパターン寸法とエッジ位置ばらつき指標値を求めていた。

リソグラフィ工程で作製したレジストパターンの断面形状は、特許文献３に示されるように、露光装置のフォーカスあるいは露光量のずれによって大きく変化する。また、非特許文献２に示すようにレジストパターンの側壁にミクロな凹凸が存在することも分かっている。このミクロな凹凸はエッチング工程時のイオンの衝突などにより削られ、最終的に下地膜へ転写されることは少ないと考えられる。

特開２００４−２５１７４３号公報 特開２００７−１２０９６８号公報 特願２００７−９８３２４号公報

「ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス・パート１(Japanese Journal of Applied Physics Part1)」、２００５年、第４４巻、ｐ.５５７５-５５８０ 「アイイーイーイー・トランザクションズ・オン・セミコンダクター・マニュファクチャリング(IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing)」、２００７年、第２０巻、ｐ.２３２−２３８

前記レジストパターンのエッジ形状が変化したときに、エッチング工程によってレジストパターンがどのように下地膜に転写されるかが変わってくる。故にレジストパターンの寸法を計測する際に、下地膜に転写される部分の寸法を計測しなければ、レジストパターン寸法とエッチング後の被加工膜のパターン寸法が一対一に対応しないことになる。これまでは前記パターン寸法は得られた複数のエッジ位置の平均値と定義していたが、この手法では下地膜に転写されるか転写されないかを考慮していなかった。その結果、同じ寸法のレジストパターンであってもその後のエッチング工程によってレジストが削られるなどして転写パターンが異なり、エッチング後の寸法にパターン間差が生まれていると考えられる。特に前述したエッジラフネスの凹凸のうち、凸部分はエッチング工程でイオンの衝突によりレジストが大きく削られ、反対に凹部分はあまり削られないと考えられる。半導体デバイスで重要なのはエッチング後の被加工膜寸法であり、レジストパターン寸法は被加工膜寸法を推測するための手段であるが、前記理由により、これまでの検査手法ではレジスト寸法からエッチング後の寸法を精度良く予測できていない。つまり、従来のエッジ位置の平均値やエッジ位置のばらつきを比較するだけでは半導体デバイス検査としては不十分であったと考えられる。

そこで、本発明の目的は、エッチング工程でマスクとして寄与しないパターンエッジの検出と、該エッジを寸法算出の際に含めずに、パターン計測を行うことで、より高精度な半導体検査を行う技術を提供することである。

本発明の目的は、ステージ上に載置された試料の観察領域に対して電子線を走査しながら照射し、該試料から発生する反射電子または二次電子を検出器を用いて検出する工程と、検出された反射電子強度または二次電子強度の情報を用いて観察領域内に配置された寸法測定対象となるパターンの二次元画像を取得する工程と、該パターンのエッジ位置を二次元画像を用いて該パターンの複数箇所で検出することにより観察領域内のパターンの寸法を計測する工程とを有するパターン寸法計測方法において、該パターンの複数箇所で検出された複数のエッジ位置のばらつき指標値の算出方法を指定する工程と、指定された算出方法に応じたばらつき指標値を算出する工程と、複数のエッジの平均位置を算出する工程と、算出されたエッジの平均位置とばらつき指標値からパターン検査指標値を算出する工程とを有するパターン寸法計測方法により達成できる。

あるいは、ステージ上に載置された試料の観察領域に対して電子線を走査しながら照射し、該試料から発生する反射電子または二次電子を検出する検出器を備え、該検出器で検出された反射電子強度または二次電子強度の情報を用いて観察領域内に配置された寸法測定対象となるパターンの二次元画像を取得する手段と、観察領域内に配置された寸法測定対象となるパターンのエッジ位置を、二次元画像を用いて該パターンの複数箇所で検出することにより観察領域内のパターンの寸法を計測する手段とを有する走査電子顕微鏡において、走査電子顕微鏡あるいは表示部から入力された情報を基にして演算を行う演算部と、演算部への入力情報あるいは演算部での演算結果を表示する該表示部と、演算部での演算結果あるいは演算部に供給する情報を保持する記憶部を有し、該演算部は、複数箇所で検出されたパターンのエッジの平均位置を算出するパターンエッジ平均位置算出部と、表示部に表示された複数のエッジ位置のばらつき指標値の算出方法から選択された算出方法に応じて決定されるばらつき指標値を算出するばらつき指標値算出部と、算出されたエッジの平均位置とばらつき指標値に基づいてパターン検査指標値を算出するパターン検査指標値算出部とを有する走査電子顕微鏡により達成できる。

発明者らはパターン形状、特にエッジラフネスと被加工膜のパターン寸法に相関性を見出した。前述したように凸形状になっているパターン部分はエッチング時に削ぎ落とされるので、マスクとしては機能していないこととなる。よって、パターン検査時にはこのマスクとして機能していない凸形状エッジは寸法算出の際に除外されるべきである。本発明は前記点を鑑み、走査電子顕微鏡像を取得した後、パターンエッジ形状を算出し、凸形状エッジの部分を補正し、主に凹形状エッジから求めたパターン寸法を算出する。

本発明によると、パターン寸法とエッチング後の被加工膜パターン寸法が一対一に対応が取れ、より高精度な半導体デバイス検査が可能になる。

ゲートパターンのエッジ検出を示す概念図。 ホールパターンのエッジ検出を示す概念図。 本発明に一実施例に係る走査電子顕微鏡の構成を説明する概念図。 実施例１のパターン寸法計測のフローチャートを示す図。 ホールパターン寸法計測の一例を示す概念図。 ばらつき指標値としてエッジ位置の標準偏差としたときの計算フローを示す図。 レジスト材料からばらつき指標値に乗算する係数を変える際のGUIを示した図。 実施例１のパターン寸法計測に用いるGUIを示した図。 ばらつき指標値としてエッジ位置の揺らぎを周波数成分に分解し、特定周波数からエッジ位置を再構成して、再構成されたエッジ位置の標準偏差を選択したときの計算フローを示す図。 ホールパターンのエッジ位置プロファイルとDFTによる周波数分解の結果を示す図。 ばらつき指標値を算出する周波数を特定する際に用いるGUIを示した図。 エッジ位置がエッジ位置の平均よりも負であるエッジのみを用いる際のフローチャートを示す図。 露光強度分布の計算結果を用いてばらつき指標値を算出する際のフローチャートを示す図。 露光強度分布計算結果と実際のパターンエッジ位置の比較を示す図。 シュリンク量の比較結果からばらつき指標値を算出する際のフローチャートを示す図。 本発明で計測したエッジ位置と従来手法で計測したエッジ位置の違いを示す図。 本発明の計測結果を表示するGUIを示す図。 輝度プロファイル作成方向の違いによる変化を示す図。

本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
（実施例１）
図３は本発明に係る電子顕微鏡の構成の概念図である。本発明は電子を放出する電子源２、電子源２から発生した電子線を収束させるコンデンサレンズ３、電子線を偏向させる偏向器４、電子線を試料上で最小スポットとなるように収束させる対物レンズ５、観察試料７、観察試料７を搭載し観察領域まで移動するステージ６、試料から発生する二次電子あるいは反射電子を検出する検出器８とを有する電子光学系１、得られた信号波形を処理してパターン寸法を計測する演算部１００、オペレータが入力を行い、走査電子顕微鏡像の表示を行うための表示部１０、過去のデータを格納している記憶部１１、電子線照射条件を電子光学系に反映し制御する電子光学系制御部１４、で構成されている。図１中の１２は結果を記憶部に保存するなどのフローを示し、１３は記憶部に保存されているデータを呼び出すなどのフローを示す。

また、演算部１００には検出器８で検出された二次電子もしくは反射電子の強度情報を画像化する画像メモリ１０１、観察対象パターンの形状をユーザーの入力にもとづき設定するパターン形状設定部１０２、ばらつき指標値の算出方法をユーザーの入力にもとづき設定するばらつき指標値設定部１０３、画像メモリ１０１で画像化された信号からパターンエッジを検出するパターンエッジ検出部１０４、検出されたパターンエッジとパターン形状設定部１０２の設定値から観察パターンのエッジ位置の平均値を算出するパターンエッジ平均位置算出部１０５、検出されたパターンエッジとばらつき指標値設定部１０３の設定値から観察パターンのエッジ位置のばらつき指標値を算出するばらつき指標値算部１０６、１０５と１０６の算出結果からパターン検査指標値を算出するパターン検査指標値算出部１０７とを有する。

図４は、本発明に係るパターン寸法計測のフローチャートを示す。ユーザーは、まず、撮像を行う際の電子顕微鏡光学系を設定する（ステップ４００２）。次に、演算部１００は、変数ｎに０を設定しエッジ位置を算出するプロファイル番号を初期化する（ステップ４００３）。ユーザーが、電子顕微鏡を動作させると、画像メモリ１０１は、試料から発生した二次電子あるいは反射電子の強度情報から二次元画像を作成する（ステップ４００４）。得られた二次元画像から前述の方法を用いてN本の輝度プロファイルを算出する（ステップ４００５）。本実施例では図２に示すようなコンタクトホールパターンの寸法を計測することを想定している。ステップ４００５の輝度プロファイル作成ではまず、パターン中心を検出することが必要である。パターン中心の検出などは前述の通りであるが、これに限らない。ステップ４００５で得られたN本の輝度プロファイルから、パターンエッジ検出部１０４は、順次エッジ位置を算出していく。エッジを算出するプロファイル番号をｎ番目とし、ステップ４００６でｎを指定する。選択した輝度プロファイルからある一定のアルゴリズムを用いてエッジ位置を算出する（ステップ４００７）。画像メモリ１０１は、算出されたエッジ位置をメモリｎに保存し（ステップ４００８）、パターンエッジ検出部１０４は、ステップ４００９で全ての輝度プロファイルについてエッジ位置を検出したかどうかを判定する。ステップ４００９で全てのエッジ位置検出が終わっていた場合、パターンエッジ検出部１０４は、検出したエッジを全て呼び出す（ステップ４０１０）。呼び出された複数のエッジ位置から、パターンエッジ平均位置算出部１０５は、エッジ位置の平均位置を算出する（ステップ４０１１）。さらに呼び出されたエッジ位置から、ばらつき指標値算出部１０６は、エッジ位置のばらつき指標値を算出する（ステップ４０１２）。パターン検査指標値算出部１０７は、ステップ４０１１とステップ４０１２から得られた複数のエッジ位置の平均位置とばらつき指標値からエッチング時に有効に働くパターン寸法を算出する（ステップ４０１３）。演算部１００の指令により、算出されたエッジ平均位置とばらつき指標値とパターン寸法を表示部１０に表示する（ステップ４０１４）。以上のステップを経てパターン寸法計測が終了する（ステップ４０１５）。ステップ４０１４で算出されたエッジ位置の平均位置とばらつき指標値とパターン寸法を表示したGUIを図１７に示す。

図５に本実施例で示したコンタクトホールパターンの断面形状とそこから得られる信号強度を示す。レジスト断面形状に対して、図５に示すような信号波形が得られる。電子顕微鏡ではこの波形からパターン寸法を計測している。パターン寸法計測に用いるアルゴリズムは様々あるが、本発明はアルゴリズムによらず有効である。

図８に本実施例で用いるパターン寸法計測する際のGUIを示す。図８中の８００１は画像中の計測点の点数の入力枠である。つまり、本実施例のNに相当する。８００２は１ラインの信号波形を算出する際に加算する縦方向の画素数の入力枠を示す。８００３は寸法計測に用いるアルゴリズムを選択する枠である。この寸法計測アルゴリズムには閾値法や直線近似法などが挙げられる。８００４は1ラインの信号波形を平滑化するフィルタのサイズの入力枠である。８００５は閾値法で計測する際にエッジを定義する閾値の入力枠である。以上の８００１から８００５まではエッジ位置の平均値を入力する枠である。８００６はばらつき指標値計測に用いる計測点の点数の入力枠である。８００６は８００１と連動して設定される。８００７はばらつき指標値での１ラインの信号波形を算出する際に加算する縦方向の画素数の入力枠を示す。８００８はばらつき指標値に用いるエッジ検出アルゴリズムである。８００８は８００３に連動して設定される。８００９はばらつき指標値に用いる1ラインの信号波形を平滑化するフィルタのサイズの入力枠である。８０１０は閾値法で計測する際にエッジを定義する閾値の入力枠である。８０１０は８００５と連動して設定される。８０１１はばらつき指標値の定義を選択する枠である。

次にばらつき指標値の定義について説明する。図８の８０１１には＜標準偏差＞・＜特定周波数成分＞・＜符号＞・＜シミュレーションとの差＞・＜シュリンク＞などの選択肢が含まれる。それぞれの選択肢毎のばらつき指標値の計算方法に関しては後述する。次に図４のフローチャートにおけるエッジ位置のばらつき指標値に関して詳細に記述する。
（１）＜標準偏差＞を選択した場合のばらつき指標値
エッジのばらつき指標値として＜標準偏差＞を選択した際のばらつき指標値算出のフローチャートを図６に示す。図２に記載されているコンタクトホールパターンの場合、図２中のEdge１からEdge Nのエッジ位置からエッジ位置の標準偏差を求め、ばらつき指標値とする。該ばらつき指標値と前記エッジ平均位置から、エッチング工程で転写されるレジストのパターン寸法を下記式によって算出する。

CD＝E+σ×N ・・・式（１）
ここでCDとは管理すべきパターン寸法であり、Eとは前記複数のエッジ位置から求めたエッジ平均位置であり、σはばらつき指標値である。また、Nは任意の定数を示す。この定数Nは、図７のGUIで示すようにユーザーの入力によって決められる。あるいは観察対象の材料情報から自動的に反映される。つまり測定対象のパターン形状や材料などによって、Nは可変のパラメータである。

上述したように、エッジ平均位置からσの分だけ外側を計測することで、凸形状になっている部分の補正を行い、エッチング時に有効に作用するレジストパターンの寸法を計測することを可能にしている。
本指標値は統計学に基づいた標準偏差であり、簡便な計算式で算出されるとともに信頼性の高いバラツキ指標値である。
（２）＜特定周波数成分＞を選択した場合のばらつき指標値
エッジのばらつき指標値として＜特定周波数成分＞を選択した際のばらつき指標値算出のフローチャートを図９に示す。図２中のEdge１からEdge Nのエッジ位置を検出し、そのエッジ位置検出結果から、計測パターンのエッジ位置の揺らぎを周波数成分に分解するためFFT（Fast Fourier Transform）あるいはDFT(Discrete Fourier Transform)を用いる。本手法のフローチャートを図9に示す。検出された複数のエッジ位置の揺らぎをFFTあるいはDFTを用いて周波数成分に分解する。図２に示すコンタクトホールパターンのエッジ位置とDFTによって各周波数成分に分解した結果を図１０に示す。図１０ではエッジ位置の揺らぎが周波数成分に分解され、各周波数成分の振幅をプロットしている。このようにすることで、観察したい周波数の揺らぎの大きさがどの程度であるかを確認できる。図１０のように得られた各周波数成分のうち観察したい周波数成分を図１１のGUIを用いて選択する。図１１中の１１００１は周波数の選択枠であり、選択肢として＜100 nm以上＞・＜100 nm未満＞・＜π/2以上＞・＜π/2未満＞などが選択できる。ここで、＜100 nm以上＞・＜100 nm未満＞というのは実空間上での周期の長さを示しており、例えば、＜100 nm以上＞では100 nm以上の周期を持つ揺らぎからばらつき指標値を算出する。

一方、＜π/2以上＞・＜π/2未満＞は角周波数の限定によりばらつき指標値を算出する方法である。図１１中のボタン１１００３を押すことで、選択した周波数がばらつき指標値設定部１０３に設定される。次に選択された周波数成分のみを抽出し、周波数空間から実空間にエッジ位置を再構成するのがステップ９００４である。再構成されたエッジ位置から、エッジ位置の標準偏差を求め、エッジ位置のばらつき指標値とするのがステップ９００５である。このようにして得られたばらつき指標値σを式（１）に代入し、パターン寸法を求める。
本指標値を用いることで、ユーザーの求めに応じた周波数成分のみを抽出でき、より精度の高い寸法管理が可能である。
（３）＜符号＞を選択した場合のばらつき指標値
エッジのばらつき指標値として＜符号＞を選択した際のばらつき指標値算出のフローチャートを図１２に示す。まず、複数のエッジ位置とエッジ位置の平均値との差をそれぞれ算出する（ステップ１２００２）。ステップ１２００２で算出される値は平均的なエッジ位置からそれぞれのエッジの凹凸が定量的に算出される。本発明で計測する凹になっているエッジは（エッジ位置）−（エッジ位置平均値）が正になるので、ステップ１２００３では符号の正負を判定し、正になるエッジのみを抽出する。次にステップ１２００４で凹になっているエッジの平均的な凹み具合を算出している。ここで算出した平均的な凹み具合をばらつき指標値とし、式（１）のσに代入することでパターン寸法を計測する。
本指標値では、凸と凹を判定するだけであり、演算部に負荷をかけずにすむ。
（４）＜シミュレーションとの差＞を選択した場合のばらつき指標値
エッジのばらつき指標値として＜シミュレーションとの差＞を選択した際のばらつき指標値算出のフローチャートを図１３に示す。まず、ステップ１３００２において、以前に露光強度分布を計算した事があるかを判定する。以前に計算をした事がある場合はステップ１３００４に進み、その結果を記憶部１１から読み出す。以前に計算をした事がない場合はステップ１３００３で露光強度分布を計算する。図１４に露光強度分布計算から得られるパターンエッジの計算結果と実際に検出されたエッジを模式的に表す。１４００１はレジストパターンを示し、１４００２は露光強度分布計算から得られたパターンエッジの計算結果である。次に得られた露光強度分布の計算結果と実際に検出したエッジを比較する。（エッジ位置）−（計算結果）を計算し、その平均値をステップ１３００６で算出する。ステップ１３００６で算出された平均値をエッジ位置のばらつき指標値として式（１）に代入し、パターン寸法を求める。
本指標値の算出方法は、露光強度分布の計算結果と実パターンの比較を行っているため、信頼性の高い値が得られる。
（５）＜シュリンク＞を選択した場合のばらつき指標値
エッジのばらつき指標値として＜シュリンク＞を選択した際のばらつき指標値算出のフローチャートを図１５に示す。レジストは電子ビーム照射によって収縮する現象（シュリンク）が知られている。このシュリンクもエッチング時と同様に凸になっているエッジはより多くシュリンクする傾向がある。そこで同一パターンを二度観察し、各エッジのシュリンクの様子からエッチング時に残るエッジと残らないエッジを分類し、ばらつき指標値を算出する。まず、観察パターンで二度の画像取得を行い（ステップ１５００２）、それぞれの画像からエッジ点を抽出する（ステップ１５００３）。次に一回目撮像で得られたエッジ位置と二回目撮像で得られたエッジ位置の差を計算し、各エッジ点のシュリンクを算出する（ステップ１５００４）。算出された各エッジ点のシュリンク量と全エッジのシュリンク量の平均値を比較し（ステップ１５００５）、平均的なシュリンク量よりも少ないシュリンク量のエッジを抽出する（ステップ１５００６）。ステップ１５００６で抽出
されたエッジの平均位置と全体のエッジ平均位置から（１５００６エッジの平均位置）-（全体のエッジ平均位置）を算出する（ステップ１５００７）。ステップ１５００７で求めた値をばらつき指標値として式（１）のσに代入し、パターン寸法を求める。
本指標値は実際の形状変化量から消失エッジの決定を行っており、信頼性の高い値が得られる。

本発明ではエッジ位置を算出した後、該エッジ位置に対して垂直に輝度プロファイルを再度算出し、再度エッジ位置を算出することも可能である。図１８に輝度プロファイルを (a)エッジ位置に対して斜めに作成した場合、(b)エッジ位置に対して垂直に作成した場合の輝度プロファイルを示す。 (a)の場合はエッジ算出に用いる信号ピークが幅広になり、エッジ位置決定に誤差が生じやすい。一方(b)の場合は信号ピークがシャープな形状となり、エッジ位置決定の誤差が小さくてすむ。本手法を用いることで、従来よりも高精度な寸法計測が可能となる。
（実施例２）
次に本実施例では図１に示すようなゲートパターンを計測する場合を考える。実施例１に記載したものと同様の処理を行うが、本実施例ではゲートパターン線幅を計測するため、レジスト自身を計測することとなる。一方、実施例１ではレジストにあけた穴のパターンを計測しているため、式（１）の符号が正負逆になる。つまり、
CD＝E−σ×N ・・・式（２）
を用いてゲートパターン寸法を計測する。コンタクトホールパターン計測とゲートパターン計測の違いを図１６に示す。図１６の１６００１は平均的なエッジ位置から算出されるゲートパターン線幅であり、本発明では１６００２に示す凹形状になっている寸法を計測する。ゆえに式(2)のようにエッジ平均位置とエッジ位置のばらつき指標値の差でパターン寸法が算出される。一方、コンタクトホールパターンの場合は１６００３がエッジ平均位置から算出されるホール径であり、１６００４が本発明による凹形状のエッジから求めた寸法計測結果である。つまり、式(1)のようにエッジ平均位置とエッジ位置のばらつき指標値の和でパターン寸法が算出される。

ゲートパターン計測の際は、左右二つのエッジからパターン寸法を計測しなければならない。本発明では左右どちらか一方からばらつき指標値を算出しても良いし、左右で別々にばらつき指標値を求め、それらを平均したものをトータルのばらつき指標値としても良い。
（実施例３）
本発明ではエッジ検出の精度によってばらつき指標値が大きく影響を受ける。エッジ検出の精度は主に画像の信号対雑音比によって決まる。前述したようにレジスト材料はシュリンクするので、多くの電子ビームを照射すると元の形状から大きく異なってしまい、正確な寸法検査が行えない。そこで、照射する電子ビームの量やエネルギーを小さくするのだが、この条件では信号対雑音比が悪くなり、エッジ検出精度が悪くなってしまう。この雑音はランダムノイズであるため、一般的には信号対雑音比が悪い画像から求めたばらつき指標値は真の値よりも大きな値となってしまう。そこで、本発明では計測対象の画像の信号対雑音比を算出し、予めユーザーが登録した信号対雑音比以下の場合は、算出されたばらつき指標値に0以上1以下の任意の係数を乗算し、大きく見積もられたばらつき指標値を補正することを可能にしている。ここで補正時に乗算する値は信号対雑音比で決まる。予め記憶部に登録されている補正テーブルを参照し、係数を決定する。
（実施例４）
実施例１から実施例３では主にレジスト材料を観察する例を示してきたが、本発明はこれに限るものではない。酸化ケイ素材や窒化ケイ素材などを用いるハードマスクと呼ばれる材料にも適用される。

１…電子光学系、２…電子源、３…コンデンサレンズ、４…偏向器、５…対物レンズ、６…ステージ、７…観察試料、８…検出器、１０…表示部、１１…記憶部、１２…記憶部にデータを保存するフロー、１３…記憶部からデータを読み出すフロー、１４…電子光学系制御部、１０１…画像メモリ、１０２…パターン形状設定部、１０３…ばらつき指標値設定部、１０４…パターンエッジ検出部、１０５…パターンエッジ平均位置演算部、１０６…ばらつき指標値演算部、１０７…パターン検査指標値演算部、４００１…寸法計測開始ステップ、４００２…電子光学系設定ステップ、４００３…エッジ番号初期化ステップ、４００４…画像取得ステップ、４００５…輝度プロファイル算出ステップ、４００６…プロファイル番号選択ステップ、４００７…エッジ位置算出ステップ、４００８…エッジ位置保存ステップ、４００９…エッジ番号判定ステップ、４０１０…エッジ位置呼び出しステップ、４０１１…エッジ位置平均値算出ステップ、４０１２…エッジ位置ばらつき指標値算出ステップ、４０１３…パターン寸法算出ステップ、４０１４…表示ステップ、４０１５…寸法計測終了ステップ、５００１…ばらつき指標値算出開始ステップ、５００２…直線近似ステップ、５００３…残差二乗和算出ステップ、５００４…分散算出ステップ、５００５…標準偏差算出ステップ、５００６…ばらつき指標値算出終了ステップ、７００１…材料入力枠、７００２…定数入出力枠、７００３…定数設定枠、８００１…計測点数入力枠、８００２…加算画素数入力枠、８００３…アルゴリズム選択枠、８００４…平滑化フィルタサイズ入力枠、８００５…閾値入力枠、８００６…ばらつき指標値用計測点数入力枠、８００７…ばらつき指標値用加算画素数入力枠、８００８…ばらつき指標値用アルゴリズム選択枠、８００９…ばらつき指標値用平滑化フィルタサイズ入力枠、８０１０…ばらつき指標値用閾値入力枠、８０１１…ばらつき指標値定義入力枠、８０１２…計測パラメータ設定ボタン、９００１…特定周波数からばらつき指標値を算出するフロー開始ステップ、９００２…周波数分解ステップ、９００３…特定周波数成分抽出ステップ、９００４…エッジ再構成ステップ、９００５…ばらつき指標値算出ステップ、９００６…終了ステップ、１１００１…特定周波数入力枠、１１００３…特定周波数設定ボタン、１２００１…エッジ平均値との比較でばらつき指標値を算出する開始ステップ、１２００２…エッジ平均位置とエッジ位置の比較ステップ、１２００３…エッジ抽出ステップ、１２００４…抽出エッジ平均値算出ステップ、１２００５…ばらつき指標値算出ステップ、１２００６…終了ステップ、１３００１…露光強度分布からばらつき指標値算出の開始ステップ、１３００２…露光強度計算の有無判定ステップ、１３００３…露光強度分布計算ステップ、１３００４…計算結果読み出しステップ、１３００５…エッジ比較ステップ、１３００６…抽出エッジ平均値算出ステップ、１３００７…ばらつき指標値算出ステップ、１３００８…終了ステップ、１４００１…レジストパターン、１４００２…露光強度分布結果、１５００１…シュリンクからばらつき指標値算出開始ステップ、１５００２…観察ステップ、１５００３…エッジ抽出ステップ、１５００４…シュリンク算出ステップ、１５００５…エッジ比較ステップ、１５００６…エッジ抽出ステップ、１５００７…差分算出ステップ、１５００８…ばらつき指標値算出ステップ、１５００９…終了ステップ、１６００１…ゲートパターンエッジ平均位置、１６００２…本発明で算出したゲートパターンエッジ位置、１６００３…コンタクトホールパターンエッジ平均位置、１６００４…本発明で算出したコンタクトホールパターンエッジ位置。

Claims (14)

1. ステージ上に載置された試料の観察領域に対して電子線を走査しながら照射し、該試料から発生する反射電子または二次電子を検出器を用いて検出する工程と、検出された前記反射電子強度または二次電子強度の情報を用いて前記観察領域内に配置された寸法測定対象となるレジストまたはハードマスクパターンの二次元画像を取得する工程と、該パターンのエッジ位置を前記二次元画像を用いて該パターンの複数箇所で検出することにより前記観察領域内のパターンの寸法を計測する工程とを有するパターン寸法計測方法において、
   前記パターンの複数箇所で検出された複数のエッジ位置のばらつき指標値の算出方法を指定する工程と、
   前記指定された算出方法に応じたばらつき指標値を算出する工程と、
   前記複数のエッジの平均位置を算出する工程と、
   前記パターンに基づいてエッチング加工される前記試料の被加工膜のパターン寸法に関するパターン検査指標値を、前記エッジの平均位置を基準とし前記ばらつき指標値を用いて該基準からのずれを加味して算出する工程とを有することを特徴とするパターン寸法計測方法。
2. 請求項１記載のパターン寸法計測方法において、
   前記ばらつき指標値が、前記複数のエッジ位置の標準偏差であり、
   前記複数のエッジの平均位置をＥとし、前記エッジのばらつき指標値をσとし、観察対象の材料情報により決定される任意定数をＮとした時、
   Ｅ±σ×Ｎ・・・式（１）
   （ここで、式（１）中の±は、ゲートパターンでは負（−）、ホールパターンでは正（＋）を適用する。）
   式（１）を用いて算出された値をパターン検査指標値とすることを特徴とするパターン寸法計測方法。
3. 請求項１記載のパターン寸法計測方法において、
   前記ばらつき指標値は、前記複数のエッジ位置を周波数分解し特定周波数成分から算出したエッジ位置の標準偏差であり、
   前記複数のエッジの平均位置をＥ’とし、前記エッジのばらつき指標値をσ’とし、任意定数をＮ’とした時、
   Ｅ’±σ’×Ｎ’・・・式（２）
   （ここで、式（２）中の±は、ゲートパターンでは負（−）、ホールパターンでは正（＋）を適用する。）
   式（２）を用いて算出された値をパターン検査指標値とすることを特徴とするパターン寸法計測方法。
4. 請求項１記載のパターン寸法計測方法において、
   前記ばらつき指標値は、前記複数のエッジの平均位置と各エッジの差分であり、
   該ばらつき指標値の符号からエッジの凹凸情報を判定し、該判定結果に基づいてくぼんでいるエッジの平均位置を算出し、該算出結果をパターン検査指標値とすることを特徴とするパターン寸法計測方法。
5. 請求項１記載のパターン寸法計測方法において、
   前記ばらつき指標値は、予め計算で求めたパターン形状と前記エッジ位置との差分であり、
   該ばらつき指標値の符号からエッジの凹凸情報を判定し、該判定結果に基づいてくぼんでいるエッジの平均位置を算出し、該算出結果をパターン検査指標値とすることを特徴とするパターン寸法計測方法。
6. 請求項１記載のパターン寸法計測方法において、
   同一箇所で複数回計測したエッジ位置のそれぞれを比較してエッジ位置変化量を算出し、該エッジ位置変化量を前記ばらつき指標値とし、
   前記ばらつき指標値が、ばらつき指標値の平均値よりも小さいエッジの平均位置を算出し、該算出結果をパターン検査指標値とすることを特徴とするパターン寸法計測方法。
7. 請求項１記載のパターン寸法計測方法において、
   エッジ検出の精度を決定する前記二次元画像の信号対雑音比に予め閾値を設定し、前記取得した二次元画像が該閾値に満たない場合、前記閾値を満たす範囲になるように、前記二次元画像の信号対雑音比に応じて定められる１以下の任意の定数を前記算出されたばらつき指標値に乗算し、該計算結果をばらつき指標値とすることを特徴とするパターン寸法計測方法。
8. 請求項７記載のパターン寸法計測方法において、
   前記観察試料の材料から前記任意の定数を設定することを特徴とするパターン寸法計測方法。
9. 請求項１記載のパターン寸法計測方法において、
   前記複数のエッジ位置を算出する工程と、
   該エッジ位置での接線に対して垂直な方向に電子線を走査して得られる反射電子または二次電子の強度分布を算出する工程と、
   前記算出された強度分布に基づいて、前記複数の該エッジ位置のそれぞれを再算出する工程とを有することを特徴とするパターン寸法計測方法。
10. 請求項１記載のパターン寸法計測方法において、
    該エッジ位置での接線に対して垂直な方向に電子線を走査して得られる反射電子または二次電子の強度分布を算出し、
    前記算出された強度分布に基づいて、前記複数の該エッジ位置のそれぞれを再び算出することを特徴とするパターン寸法計測方法。
11. ステージ上に載置された試料の観察領域に対して電子線を走査しながら照射し、該試料から発生する反射電子または二次電子を検出する検出器を備え、前記検出器で検出された前記反射電子強度または二次電子強度の情報を用いて前記観察領域内に配置された寸法測定対象となるレジストまたはハードマスクパターンの二次元画像を取得する手段と、前記観察領域内に配置された寸法測定対象となるレジストまたはハードマスクパターンのエッジ位置を、前記二次元画像を用いて該パターンの複数箇所で検出することにより前記観察領域内のパターンの寸法を計測する手段とを有する走査電子顕微鏡において、
    前記走査電子顕微鏡あるいは表示部から入力された情報を基にして演算を行う演算部と、
    前記演算部への入力情報あるいは前記演算部での演算結果を表示する前記表示部と、
    前記演算部での演算結果あるいは前記演算部に供給する情報を保持する記憶部を有し、
    前記演算部は、複数箇所で検出された前記パターンのエッジの平均位置を算出するパターンエッジ平均位置算出部と、前記表示部に表示された前記複数のエッジ位置のばらつき指標値の算出方法から選択された算出方法に応じて決定されるばらつき指標値を算出するばらつき指標値算出部と、前記パターンに基づいてエッチング加工される前記試料の被加工膜のパターン寸法に関するパターン検査指標値を、前記エッジの平均位置を基準とし前記ばらつき指標値を用いて該基準からのずれを加味して算出するパターン検査指標値算出部とを有することを特徴とする走査電子顕微鏡。
12. 請求項１１記載の走査電子顕微鏡において、
    算出された前記パターン検査指標値が前記表示部に表示されることを特徴とする走査電子顕微鏡。
13. 請求項１１記載の走査電子顕微鏡において、
    前記寸法測定対象となるパターンに対して前記電子線の照射を複数回行う指示を出す制御系と、
    前記電子線の照射による複数の観察画像を取得する画像メモリと、
    前記記憶部に保存された前記複数の観察画像のうちの任意の二つの画像を読み出し、前記読み出した二つの画像からそれぞれのエッジ検出し、該エッジ同士の位置の差分によりばらつき指標を求めるために該検出されたエッジ同士の比較を行うエッジ検出部とを、さらに有することを特徴とする走査電子顕微鏡。
14. 請求項１１記載の走査電子顕微鏡において、
    エッジ検出の精度を決定する前記二次元画像の信号対雑音比に予め閾値を設定する手段をさらに有し、
    前記取得した二次元画像が該閾値に満たない場合、前記閾値を満たす範囲になるように、前記二次元画像の信号対雑音比に応じて定められる１以下の任意の定数を前記算出されたばらつき指標値に乗算し、
    前記表示部に該乗算結果をばらつき指標値として表示することを特徴とする走査電子顕微鏡。

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