KR20190034332A - 패턴 계측 장치, 및 컴퓨터 프로그램 - Google Patents

패턴 계측 장치, 및 컴퓨터 프로그램 Download PDF

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Abstract

본 발명은 적정한 편차를 구하기 위한 장치 조건의 선택이나, 적정한 편차의 추정을 가능하게 하는 패턴 계측 장치의 제공을 목적으로 한다. 본 발명에서는, 하전 입자선 장치에 의해 취득된 복수의 계측값에 의거하여, 계측 대상인 패턴의 계측값의 편차를 구하는 연산 처리 장치를 구비한 패턴 계측 장치로서, 서로 다른 위치에 형성된 복수의 계측값의 편차(σmeasured)와, σ2 observed＝σ2pattern0／Np+σ2 sem0／(Np·Nframe)을 이용하여, 계측 재현성 오차를 나타내는 σSEM0을 구하는 것을 특징으로 하는 패턴 계측 장치를 제안한다. σpattern0은 패턴의 형상 오차에 기인하는 편차, Np는 계측점 수, Nframe은 장치 조건에 따라 변화하는 값이다.

Description

패턴 계측 장치, 및 컴퓨터 프로그램
본 개시는 반도체 디바이스 등에 형성된 패턴의 계측 장치, 및 계측 처리를 컴퓨터에 실행시키는 컴퓨터 프로그램에 관한 것이며, 특히, 계측 오차의 변동 등에 의하지 않고, 패턴 형상의 편차 등의 패턴의 지표값을 고정밀도로 계측하는 패턴 계측 장치, 및 컴퓨터 프로그램에 관한 것이다.
반도체 디바이스의 미세화(微細化)에 수반하여, 나노미터 오더의 폭을 가지는 패턴을 가시화할 수 있는 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscope: SEM)을 이용한 계측이나 검사의 중요성이 증대하고 있다. 특허문헌 1에는, 패턴 측벽에 형성되는 요철을 SEM에 의해 얻어진 신호를 이용하여 평가하는 평가법이 설명되어 있다. 이 요철은 라인 에지 러프니스(LER), 혹은 라인폭 러프니스(Line Width Roughness: LWR)라고 하고 있다. 러프니스는 반도체 디바이스 상에 형성된 회로의 특성에 영향을 주기 때문에, 적정한 평가를 행할 필요가 있다. 또한, 특허문헌 2에는, 설계 데이터를 이용하여 생성된 기준 패턴과, SEM 화상으로부터 추출된 윤곽선을 비교함으로써, 패턴의 형상을 평가하는 평가법이 설명되어 있다. 특허문헌 2에는, 설계 데이터와 윤곽선 데이터의 대응점간의 거리를 측정함으로써, 양자간의 어긋남을 평가하는 평가법(Edge Placement Error: EPE)이 설명되어 있다.
일본국 특허 제4801427호(대응 미국특허 USP7,619,751) 일본국 특허 제4887062호(대응 미국특허 USP8,019,161)
상술한 바와 같이, 반도체 패턴의 미세화, 복잡화에 수반하여, 러프니스 평가나 복수의 EPE 측정 결과를 이용한 형상 평가 등의 2차원 형상 계측의 중요성이 증대하고 있다. 한편 SEM에 의해 얻어지는 계측값은 다양한 요인으로 변화한다. 예를 들면, 계측을 위해 샘플링된 패턴을 정확하게 측정했다고 해도, 그것은 어디까지나 샘플링 대상이 된 패턴을 정확하게 측정한 것에 불과하고, 이 측정 결과를 바탕으로 제조 장치의 프로세스 컨트롤을 행해도, 적절한 제어를 행할 수 없을 경우가 있다. 또한, 전자빔의 주사에 의거하여 얻어지는 전자를 검출하는 주사 전자 현미경의 경우, 예를 들면 시료로부터 방출되는 전자의 방출 방향 등은 랜덤이며, 측정마다 불균일해지기 때문에, 가령 같은 패턴을 측정했다고 해도, 완전히 같은 신호 파형을 형성할 수 있는 것은 아니고, 결과적으로 적정한 프로세스 컨트롤을 행하기 위한 계측 결과가 얻어지지 않을 가능성이 있다.
이상과 같이, SEM과 같은 장치 고유의 계측 편차 등이 있고, 패턴 형상을 나타내는 지표값에는, 계측 결과의 변동(계측 오차의 변동)에 기인하는 편차와, 평가 대상인 패턴의 참된 형상 변화(형상 편차)가 혼재되어, 적정한 패턴의 형상 평가가 곤란해질 경우가 있다. 특허문헌 1, 2에는, 이러한 계측 오차의 변동에 기인하는 편차의 계측 결과에의 영향을 저감하는 것에 대해서 언급되어 있지 않다.
이하에, 적정한 편차를 구하기 위한 장치 조건의 선택, 및 적정한 편차의 추정 중 적어도 하나를 목적으로 하는 패턴 계측 장치, 및 컴퓨터 프로그램을 제안한다.
상기 목적을 달성하기 위한 일 태양으로서, 이하에 하전 입자선 장치에 의해 취득된 복수의 계측값에 의거하여, 계측 대상인 패턴의 계측값의 편차를 구하는 연산 처리 장치를 구비한 패턴 계측 장치로서, 서로 다른 위치에 형성된 복수의 계측값의 편차(σmeasured)와, σ2 observed＝σ2 pattern0／Np+σ2 sem0／(Np·Nframe)을 이용하여, 계측 재현성 오차를 나타내는 σSEM0을 구하는 것을 특징으로 하는 패턴 계측 장치를 제안한다. σ2 pattern0은 패턴의 형상 오차에 기인하는 편차, Np는 계측점 수, Nframe은 장치 조건에 따라 변화하는 값이다.
상기 구성에 의하면, 적정한 편차를 구하기 위한 장치 조건의 선택, 혹은 적정한 편차의 추정을 행하는 것이 가능해진다.
도 1은 패턴 계측에 의해 특정되는 편차와, 편차의 발생 요인의 관계를 나타내는 도면.
도 2는 패턴에 대한 빔 입사에 의해 방출되는 신호 전자와, 패턴 형상의 관계를 나타내는 도면.
도 3은 패턴 길이(예를 들면 라인 패턴의 에지 방향의 길이)와, 신호의 편차의 관계를 나타내는 도면.
도 4는 패턴 계측에 의해 특정되는 편차와, 편차의 발생 요인의 관계를 나타내는 도면.
도 5는 반도체 계측 시스템의 일례를 나타내는 도면.
도 6은 주사 전자 현미경의 개요를 나타내는 도면.
도 7은 레지스트 패턴이 전사(轉寫)되는 반도체 웨이퍼의 일례를 나타내는 도면.
도 8은 반도체 웨이퍼의 복수의 칩마다 계측점이 할당된 상태를 나타내는 도면.
도 9는 주사 전자 현미경의 시야 내에 할당된 계측 영역(측장(測長) 영역)을 나타내는 도면.
도 10은 SEM에 의한 계측 처리 공정을 나타내는 플로우 차트.
반도체 집적 회로, 고주파 소자 등의 전자 부품의 제조 공정에서는, 반도체 등의 기판 또는 상기 기판 상의 각종 박막에 리소그래피 및 에칭 기술을 이용하여 다수의 트랜지스터, 메모리 소자 등의 전자 부품이나 상기 소자간을 접속하는 회로 등의 패턴을 만들어 넣는다. 미세화가 진행되는 최첨단 디바이스에 있어서는, 상기 각 소자 및 회로의 치수는 10㎚에 달하고, 금후 더 축소될 것이 예상되고 있다. 상기 전자 부품의 성능은, 상기 소자나 회로의 평면 형상에 크게 의존하므로, 상기 평면 형상은, 일반적으로 패턴의 설계 치수의 약 1／10∼1／3 정도만큼의 정밀도로 형성하는 것이 바람직하다.
그러나, 다양한 요인에 의해, 현실적으로는 실제로 제조되는 소자나 회로의 패턴과 설계 패턴 사이에는 어긋남이 생긴다. 이러한 어긋남은, 실제로 제조되는 소자나 회로의 패턴의 에지와, 이들 패턴이 본래 있어야 할 에지의 위치의 어긋남(EPE)을 평가함으로써 정량적으로 취급할 수 있다. EPE가 발생하는 요인은 이하의 세 가지로 분류된다.
그 세 가지란, (1) 패턴 평균 치수의 어긋남, 전체적인 굵어짐이나 가늘어짐 등의 치수 변화, (2) 패턴 평균 또는 중심 위치의 어긋남, 전체적인 위치 어긋남, (3) 패턴 에지 또는 패턴 치수의 국소적인 변동이다.
(1)은, 노광 장치에 의해 전사되는 레지스트 패턴 치수의 가늘어짐·굵어짐이나, 사이드 에칭에 의해 생기는 것으로, 노광량·포커스 위치 등의 노광 조건이나 에칭 등의 프로세스 조건의 조정에 의해 보정할 수 있는 것이다. (2)는, 예를 들면 하지(下地) 패턴과 노광 장치에 의한 마스크 전사상(像)의 위치 맞춤 어긋남에 의해 생기는 것으로, 노광 장치 맞춤 조정에 의해 보정할 수 있는 것이다. (3)은, 상기에 의해 제어 곤란한 랜덤 또는 국소적인 에지 위치 변동으로, 예를 들면 투영상의 에지 부근에 있어서의 노광 강도의 중간 영역에서, 재료 중의 화학 반응이나 용해 현상의 확률적인 편차로 생기는 것으로 생각된다. 편차의 진폭은 예를 들면 중간적 노광량 범위의 폭＝노광 프로파일의 급준(急峻)함(디포커스 조건 등)을 반영하므로, 실효적인 투영상 콘트라스트에 의존하여 변화하며, 어느 정도의 제어가 가능하다.
상기 (1)∼(3)의 어긋남은, 공간적, 시간적인 변동에 의해 편차, 그 소자 성능에 주는 영향은, 변동의 공간 주기와 소자 치수의 관계에 의존한다. 변동 주기가 소자 치수보다 작을 때, 변동은 소자 성능 자체를 열화(劣化)시킨다. 한편, 변동 주기가 소자 치수보다 클 때, 변동은 소자 성능 편차가 된다. 일반적으로 (3)의 변동 공간 주기는, (1), (2)에 비해 작지만, 미세화에 수반하여, 공간 주기가 작은 (3)이 소자 성능 편차에 미치는 영향이 현재화(顯在化)되고 있다. 도 3의 (a)에, 길이가 서로 다른 라인 패턴의 평균폭의 편차를 나타낸다. 주목하는 라인 길이가 짧아질수록 (3)에 의한 라인폭의 편차가 증대하는 것을 나타내고 있다.
상기 제조 프로세스 및 재료에 기인하는 어긋남을 억제하기 위해서는, 패턴 치수·형상을 올바르게 계측하고, 웨이퍼면 내의 분포, 국소적인 치수 변동을 정확하게 파악하여, 프로세스 조건·장치 노브를 보정하는 것이 요구된다.
상술한 바와 같은 제조 프로세스 및 재료에 기인하는 어긋남을 억제하기 위해서는, SEM에 의해 패턴 치수·형상을 올바르게 계측하고, 웨이퍼면 내의 분포, 국소적인 치수 변동을 정확하게 파악하여, 프로세스 조건·장치 노브를 보정하는 것이 요구된다. 이를 위해서는, SEM을 이용한 패턴 계측에 있어서의 계측 재현성이 중요하다.
그러나, SEM에 의한 패턴 계측에는 재현성 오차가 존재한다. 재현성 오차의 본질적인 요인에 전자의 입자성이 있다. 도 2에, SEM에 의한 라인 패턴의 에지 위치 계측의 원리를 모식적으로 나타낸다. 일반적으로 집속(集束) 전자빔을 에지 방향(y 방향)에 수직인 방향(x 방향)으로 스캔하여, 시료로부터 방출된 이차 전자나 후방 산란(반사) 전자를 검출하여, 전자빔의 조사 위치(x 좌표)와 검출 신호의 관계를 플롯함으로써 신호 강도 프로파일을 얻는다.
신호 강도는 에지 근방에 입사했을 때에 최대가 되므로, 예를 들면 상대 신호 강도에 대하여 적당한 임계값을 설정함으로써 에지 위치를 정의할 수 있다. 그러나, 이차 전자나 반사 전자를 검출할 때, 전자의 입사 위치, 시료 내부에 있어서의 산란·반사 방향, 이차 전자의 발생 등의 각 과정은 확률 과정이며, 그 결과 신호 강도 프로파일이 불균일해진다. 따라서 상기 프로파일로부터 얻어지는 에지 위치도 불균일해지게 된다. 중심 극한(極限) 정리에 의하면, 평균값(A), 분산(σ2)의 모(母)집단으로부터 계측 대상을 n개 추출하여 형성한 복수의 샘플군의 통계량을 산출하면, 복수 샘플군의 평균값의 평균은 A, 분산은 σ2／n이 된다. 따라서, 표준편차(σ)의 정규 분포를 재현성 오차로 가지는 계측 장치에 의해, 엄밀하게 동일한 대상을 반복 계측했을 때에 얻어지는 결과(분포의 평균값)의 편차(σ_) 계측은, σ_계측＝σ／√n이 된다. 그러므로, 계측 횟수(n)를 늘림으로써 계측 재현 정밀도가 향상된다.
그러나, 이하에 기술하는 바와 같은 몇 가지 이유에서, 실제로는, 서로 다른 장소에 형성된 동일 설계 형상의 대상을 계측하는 경우가 많다. 우선 첫째로, 동일 개소(箇所)에서 계측을 반복하면, 시료 데미지(오염이나 수축)에 의해 계측 결과가 변화되어 버릴 가능성이 있다. 오염이나 수축의 억제와, 고정밀도 측정을 위한 계측 횟수 증가를 양립시킬 경우, 위치를 바꿀 필요가 있다. 둘째로, 일반적으로 동일 설계 패턴이어도, 장소에 따라 실제의 형상이 불균일해진다. 이 경우, 가령 어떤 1개의 패턴에 대하여 완전한 계측을 행했다고 해도, 편차의 일점(一点)에 있어서의 참값을 구한 것에 불과하다. 그래서, 계측 대상의 설계 형상의 통계 평균을 구하기 위해 복수 샘플을 계측하여 그 평균을 구할 필요가 있다. 셋째로, 상기 장소에 따른 동일 설계 패턴 형상의 편차의 크기, 혹은 형상 변화의 분포 그 자체를 분명히 하려는 경우가 종종 있다. 장소에 따른 변화는, 웨이퍼간 변동, 웨이퍼 내 분포, 칩 내 분포부터, 국소 영역에 있어서의 치수 변동까지 다양하다. 이 경우, 복수 개소에서 계측을 행하는 것은 말할 필요도 없다.
반도체 제조 프로세스에서는, 대상 패턴의 평균 형상의 변화에 의거하여 프로세스 장치를 제어하지만, 이와 같이, 서로 다른 장소에서 복수회 계측을 행했을 경우, 계측 결과의 편차에는, 계측 재현성 오차에 의한 편차와 참된 형상 편차가 혼재되어, 계측 결과의 변화가 참된 패턴 형상의 변화를 반영한 것인지 알 수 없는 경우가 있다.
또한, 웨이퍼면 내 또는 칩 내 복수 개소에서 치수·형상, 및 그것들의 국소적인 편차를 계측하고, 그것들의 분포가 허용 범위에 들어가도록 프로세스 장치를 제어할 경우, 계측된 이상(理想) 형상과 실제 패턴의 차이가 참된 형상의 차이를 반영한 것인지를 알 수 없는 경우가 있다. 어느 쪽의 경우도, 신뢰성이 있는 프로세스 제어를 행하기 위해서는, 반복 계측시의 재현성 오차가 계측 대상 형상의 참된 변동에 기인하는 계측 결과의 차에 비해 충분히 작을 것이 요구된다.
이하에 설명하는 실시예에서는, 편차 등을 정량적으로 취급하기 위해, 복수의 특징량을 이하와 같이 모델화해 둔다. 또한, 본 실시예에서는, 모집단으로서 웨이퍼 상의 소정의 영역 내에 존재하는 다수의 동일 설계 패턴을 고려한다. 상기 모집단으로부터 n개의 패턴을 샘플링하여 그 치수·형상을 계측하고, 특징량으로서 계측 결과의 분포로부터 평균값과 편차를 구한다. 이하에 설명하는 실시예에서 취급하는 특징량은, 계측 결과의 평균값의 평균(CD 중심값), 계측 결과의 평균값의 분산(CD 중심값의 계측 재현성 오차), 계측 결과의 분산의 평균값(CD의 편차의 평균＝CDU 또는 LCDU) 및, 계측 결과의 분산의 분산(CDU 또는 LCDU의 계측 재현성 오차)의 4개이다. 또한, CD란 예를 들면 패턴의 선폭의 측정값이다. 참된 형상 편차를 구하기 위해서는, 상기 CD 중심값 및 CDU·LCDU를 모집단의 그것에 가능한 한 근접시키는 것, 또는, 상기 계측 재현성 오차를 가능한 한 0에 근접시키는 것이 요구된다.
계측 장치로부터 출력되는 계측 결과는, 대상 패턴 형상 자체의 변동에 기인하는 편차(σ_pattern)와, 계측 재현성 오차 기인의 편차(σ_sem)의 2개의 요인에 의해 불균일해진다. 여기에서, 양자는 서로 독립적이므로, 계측의 결과 관찰되는 분산(σ2_observe)은, 양자에 의한 분산의 합이 된다. 즉, σ2_observed＝σ2_pattern+σ2_sem으로 나타낼 수 있다.
이하에, 편차의 요인을 2항으로 분리함으로써, σ_observed로부터 모집단의 σ_pattern을 정밀도 좋게 추정하는 방법에 대해서 설명한다.
이하에 설명하는 실시예에서는, 주로 이하의 공정을 거쳐, 참된 편차를 나타내는 지표값을 산출한다. 우선, 계측점 수(또는 빔 주사·계측 영역 내의 독립된 검출 에지점 수) 그리고, 1계측점당 계측 횟수(또는 빔 주사·계측 조건)를 다양하게 바꾸고, 빔의 주사 횟수 등의 장치 조건마다 복수 횟수 계측을 반복하여, 얻어진 계측 결과의 편차 분포를 구한다(공정 1). 다음으로, 상기 편차 크기의, 빔 주사·계측 조건(또는 계측 횟수) 의존성, 및 독립된 검출 에지점 수(또는 계측점 수) 의존성을 구하고, 상기 의존성을, 편차＝(계측점 수(또는 독립된 검출 에지점 수)에 의존하는 항)×(정수+1계측점당 계측 횟수(또는 빔 주사·계측 조건)에 의존하는 항)와 같이 표현한다(공정 2). 마지막으로, 상기 관계식에 의거하여, (1) 편차를 최소의 검출 에지점 수에서 요구 범위로 억제하기 위해 필요한 최저한의 빔 주사·계측 조건을 설정하거나, 혹은 (2) 참된 편차의 크기를, 상기 (독립된 에지점 수에 의존하는 항*정수)에 의해 특정한다(공정 3).
여기서, 빔 주사·계측 조건은, 프레임 수 또는 전류량을 포함하는 빔 조건, 독립된 검출 에지점 수는, 예를 들면, 측정 에지 수·측정 에지 길이／주사선 간격으로 주어진다.
상기 방법은, 구체적으로는, 예를 들면, 관찰 편차로부터 참된 패턴 에지 편차를 산출함에 있어서, 빔 주사에 의거하여 얻어지는 신호에 의거하여, 시료에 포함되는 패턴의 특징량의 편차를 나타내는 σ2 observed를 구하고, 당해 σ2 observed를, σ2 observed＝σ2 CD／#cutline+σ2 sem／#cutline·#frame에 대입함으로써, σ2 CD를 산출한다. σCD는 계측 오차의 변동에 기인하는 편차를 제외한 편차이며, σCD 혹은 σCD로부터 구해지는 σCD에 따라 변화하는 파라미터를 출력함으로써, 참된 형상 편차를 특정하는 것이 가능해진다. 또한, σ2 CD는 측정 대상의 참된 편차를 나타내는 지표값, σ2 sem은 전자 현미경의 장치 조건에 따라 변화하는 편차이다. 또한, #cut line은 에지 길이에 따라 변화하는 값, #frame은, 프레임 수 등의 빔 조건(장치 조건)에 따라 변화하는 값이다.
대상 패턴 형상의 평균값을 중심으로 한 편차의 분산은, 추출 샘플의 크기에 반비례하는 한편, 계측 재현성 오차 기인의 편차의 분산은, 추출 샘플의 크기에 반비례할 뿐만 아니라, 계측 횟수에도 반비례한다. 이하에 설명하는 실시예에서는, 이러한 현상을 이용하여 형상 기인의 편차를 선택적으로 추출한다. 보다 구체적으로는, SEM을 이용하여 패턴 치수 또는 형상을 계측할 때, 소정의 국소 영역 내에 존재하는 동일 설계를 갖는 다수의 계측 대상을 모집단으로 하여, 그 중에서 복수 대상(샘플)을 골라내어, 복수 횟수 계측하여, 계측 결과의 평균, 분산을 구한다. 이하에 설명하는 실시예의 목적은, 가능한 한 적은 샘플 수로, 샘플의 평균, 분산을, 모집단의 평균, 분산에 가능한 한 근접시키는 것에 있다. 발명자의 실험 결과에 의거하는 검토의 결과, 이하의 관계가 분명해졌다. 우선, 실험 결과에 대해서 기술한다.
우선 소정의 레지스트를 도포한 반도체 웨이퍼 상에, 다수의 동일 패턴을 포함하는 마스크를 통해, 패턴을 노광했다. 그때, 1샷의 노광 영역이 매트릭스 형상으로 배열되도록 노광을 행했다. 그리고 노광에 의해 형성된 패턴을, SEM에 의해 촬상했다. SEM의 촬상 영역(FOV: Field of View)을 라인 앤드 스페이스 패턴을 포함하도록 설정하며, 또한 패턴 에지 방향(y 방향)을 따른 서로 다른 복수 위치에서, 상기 에지에 수직인 방향(x 방향)으로 전자선을 주사함으로써, 서로 다른 복수의 위치에 있어서의 2차원의 신호 강도 분포를 취득했다.
동일 촬상 영역에 대한 주사 횟수, 즉 프레임 수를 바꾸어서 복수의 SEM상을 취득했다. 다음으로 각 SEM상에 대해서, 상기 패턴에 대하여 복수의 계측 박스를 설정하고, 계측 박스 내의 패턴 치수를 계측했다. 이때, 계측 박스 길이, FOV 내의 계측 박스 수 등의 조건을 다양하게 바꾸었다. 구체적으로는, 각 계측 박스 내에서는, 패턴 에지 방향(y 방향)으로 일정 거리를 둔 복수 위치에서, 상기 에지에 수직인 방향(x 방향)의 컷 라인을 따른 신호 강도 분포로부터 패턴 치수를 구했다(여기에서, 적당한 평균화 처리를 행해도 된다). 계측 박스 내의 전체 컷 라인에 대한 치수를 평균하여 상기 계측 박스 내의 패턴 선폭으로서 출력한다. 복수의 계측 박스에 대하여 구한 선폭의 통계 분포를 구하여 그 편차의 표준편차를 구했다.
반도체 웨이퍼 상에 형성된 라인 앤드 스페이스 형상의 레지스트 패턴을 복수 위치에서 프레임 수(Nframe)를 다양하게 바꾸어서 SEM상을 취득했다. 다음으로, 패턴 에지 방향(y 방향)을 따라 Np개의 서로 다른 복수 위치를 추출하고, 상기 에지에 수직인 방향(x 방향)에 컷 라인을 설정하고, 각 컷 라인을 따라 얻어진 전자선 신호 강도 프로파일로부터 패턴 치수를 구하고, Np개의 컷 라인에 대한 치수의 분포로부터 평균값과 그 표준편차를 산출했다.
상기 평균값과 표준편차는 상기 패턴의 평균 치수와 LER을 나타낸다. 이 절차를 반복하여, 얻어진 평균 치수와 LER의 분포의 컷 라인 수(Np) 및 프레임 수(Nframe) 의존성을 조사했다. 결과를 도 1의 (a)에 나타낸다.
도 1의 (a)에 나타내는 바와 같이, 편차는, 프레임 수에 의존하지 않고 컷 라인 수에만 의존하는 영역(영역 1)과, 컷 라인 수와 프레임 수의 양쪽에 의존하는 영역(영역 2)의 2개의 영역으로 나뉘는 것을 알 수 있었다. 즉, 관찰되는 편차의 분산(σ2 observed)은 다음 식으로 표시된다.
[수식 1]
σ2 observed＝σ2 pattern0／Np+σ2 sem0／(Np·Nframe)
상기 영역 1은, Nframe이 크고, 제2항이 제1항에 비해 무시할 수 있을 경우, 상기 영역 2는 반대로, 제2항이 지배적일 경우에 상당한다. 도 1의 (b)에, 식의 2개의 항의 컷 라인 수 및 프레임 수 의존성을 모식적으로 나타낸다.
다음으로 식의 의미에 대해서 기술한다. 상기 식으로 표시할 수 있는 이유는, 이하와 같이 생각된다.
상기 계측 결과의 분산은, 대상 패턴 형상의 편차, 즉 공간적 편차와, 계측 재현성 오차에 의한 편차, 즉 시간적 편차의 양쪽을 포함한다. 시간에 의한 편차의 요인으로서는, (1) 전자의 입자성에 기인하는 확률적 편차(입사 전자 수, 입사 위치, 산란 과정 등), (2) 전자-물질 상호작용에 의한 계측 대상의 변화(시료 데미지 등), 및 (3) 계측 장치의 시스템 노이즈가 있다.
이 중 (1)은, 상술한 바와 같이 이차 전자 등의 발생 원리에 기인하는 것이며, 그 기여의 정도를 나타내는 σSem은, 전자선 스캔에 있어서의 단위 길이당 입사 전자 수(Ne)에 의해, 이하와 같이 표시된다.
[수식 2]
σ2 sem∝(1／Ne)
또한, 상기 입사 전자 수(Ne)는, 프레임 수(Nframe), 및 프로브 전류(Ip)에 비례하기 때문에,
[수식 3]
σ2 sem∝(1／Nframe)∝(1／Ip)
이라고 표시할 수 있다.
한편, 다른 장소에 존재하는 대상을 계측할 경우, 계측 결과는 공간 편차에 의해 불균일해짐과 동시에, 필연적으로 계측은 서로 다른 시간에 행해지므로, 상기 시간에 의한 편차를 포함한다. 이때 계측 대상의 공간 편차(σpattern)와, 시간에 의한 계측 편차(σSem)는 독립적이므로,
[수식 4]
σ2 observed＝σ2 pattern+σ2 sem
양쪽 모두, 중심 극한 정리에 따라, 계측점 수(Np)에 의존한다. 즉
[수식 5]
σ2 pattern＝σ2 pattern0 ／Np
[수식 6]
σ2 sem＝σ2 sem0／(Np·Nframe)
이 된다. 그러므로,
[수식 7]
σ2 observed＝σ2 pattern0／Np+σ2 sem0／(Np·Nframe)
이 된다.
또한, 빔 전류(Ip)가 바뀌었을 경우, 또는, 시스템 노이즈 등에 의한 변화를 무시할 수 없을 때에는, 상기 식에 이들의 기여를 나타내는 파라미터를 더하여,
[수식 8]
σ2 observed ＝σ2 pattern0／Np+σ2 sem0／(Np·Nframe)(I0／Ip)+σ2 noise
로 해도 된다. 단, σSem0은, 빔 전류(I0)에 대한 계수이다.
또한, 주사 횟수를 거듭하면, 전자선에 의한 샘플 데미지에 의해 측정 대상의 치수 형상이 변화되어 계측값이 시프트할 가능성이 있다. 이러한 데미지에 의한 치수 시프트는, 주사 횟수의 함수로서 확정적이며, 계측 편차가 아니므로, 미리 측정 결과에서 빼는 것이 바람직하다.
SEM을 이용한 패턴 치수·형상 계측에 있어서, 계측 재현성 오차의 기여의 정도를 정량화함으로써, 계측 오차를 억제 가능한 계측 조건의 설정(장치 조건의 최적화)이나, 계측 오차를 분리한 참된 형상 평가값의 추출이 가능해진다. 이 때문에, 전자선 빔을 이용한 고정밀도·고재현성 계측에 의해, 현실적인 시간 범위 내에서, 재현 정밀도 좋게 다양한 제조 장치나 제조 프로세스를 제어·관리하는 것이 가능해지며, 각종 반도체 디바이스나 전자 부품의 제조 수율을 향상시켜, 그것들의 성능을 유지 향상시킬 수 있다.
이하, 도면을 이용하여 반도체 디바이스 상에 형성된 패턴을 계측하는 계측 장치, 패턴 계측을 컴퓨터에 실행시키는 컴퓨터 프로그램, 및 당해 프로그램을 기억하는 기억 매체를 설명한다.
도 5는, SEM(501)에 의해 얻어진 측정 결과에 의거하여, 패턴을 계측하는 패턴 계측 장치(502)를 포함하는 계측 시스템의 일례를 나타내는 도면이다. 또한, 도 5의 예에서는, 촬상 시스템인 SEM(501)과, 검출 신호에 의거하여, 측정 처리를 실행하는 연산 처리 장치(505)(패턴 계측 장치(502))가 네트워크를 경유하여 접속되어 있는 예를 나타내고 있지만, 이것에 한정되지 않으며, 예를 들면 후술하는 도 6에 예시한 주사 전자 현미경에 포함되는 화상 처리부(618)에서, 후술하는 바와 같은 연산 처리를 행하도록 해도 된다. 도 5에 예시하는 시스템에는, SEM(501), 얻어진 신호에 의거하여 패턴의 계측 등을 실행하는 패턴 계측 장치(502), 및 반도체 디바이스의 설계 데이터, 혹은 설계 데이터에 의거하여 생성되는 레이아웃 데이터가 기억되는 설계 데이터 기억 매체(503), 및 표시부를 구비한 입력 장치(504)가 포함되어 있다.
도 6은, SEM(501)의 개요를 나타내는 도면이다. 전자원(601)으로부터 인출 전극(602)에 의해 전자빔(603)이 인출되고, 도시하지 않은 가속 전극에 의해 가속된다. 가속된 전자빔(603)은, 집속 렌즈의 일 형태인 콘덴서 렌즈(604)에 의해 좁혀진 후, 주사 편향기(605)에 의해 편향된다. 이에 따라, 전자빔(603)은, 시료(609) 상을 일차원적 또는 이차원적으로 주사한다. 시료(609)에 입사하는 전자빔(603)은, 시료대(608)에 내장된 전극에 인가된 음전압에 의해 감속됨과 함께, 대물 렌즈(606)의 렌즈 작용에 의해 집속되어 시료(609)의 표면에 조사된다.
시료(609) 상의 조사 개소로부터는 전자(610)(이차 전자, 후방 산란 전자 등)가 방출된다. 방출된 전자(610)는, 시료대(608)에 내장된 상기 전극에 인가된 음전압에 의거하는 가속 작용에 의해, 전자원(601)의 방향으로 가속된다. 가속된 전자(610)는 변환 전극(612)에 충돌하여, 이차 전자(611)를 발생시킨다. 변환 전극(612)으로부터 방출된 이차 전자(611)는, 검출기(613)에 의해 포착되고, 포착된 이차 전자량에 의해 검출기(613)의 출력(I)이 변화한다. 이 출력(I)의 변화에 따라, 표시 장치의 휘도가 변화한다. 예를 들면 이차원상을 형성할 경우에는, 주사 편향기(605)에의 편향 신호와, 검출기(613)의 출력(I)을 동기시켜, 주사 영역의 화상을 형성한다.
또한, 도 6에 예시하는 SEM은, 시료(609)로부터 방출된 전자(610)를 변환 전극(612)에 있어서 이차 전자(611)로 일단(一端) 변환하여 검출하는 예를 나타내고 있지만, 물론 이러한 구성에 한정되지 않고, 예를 들면 가속된 전자의 궤도 상에, 전자 배상관이나 검출기의 검출면을 배치하는 구성을 채용해도 된다. 제어 장치(614)는, 촬상 레시피라고 하는 SEM을 제어하기 위한 동작 프로그램에 따라, 상기 SEM의 각 광학 요소에 필요한 제어 신호를 공급한다.
다음으로 검출기(613)에서 검출된 신호는 A／D 변환기(617)에 의해 디지털 신호로 변환되어, 화상 처리부(618)로 보내진다. 화상 처리부(618)는 복수의 주사에 의해 얻어진 신호를 프레임 단위로 적산함으로써 적산 화상을 생성한다. 예를 들면, 8프레임의 화상을 적산할 경우, 8회의 2차원 주사에 의해 얻어진 신호를 화소 단위로 가산 평균 처리를 행함으로써, 적산 화상을 생성한다.
또한 화상 처리부(618)는, 디지털 화상을 일시 기억하기 위한 화상 기억 매체인 화상 메모리(620)와, 화상 메모리(620)에 기억된 화상으로부터 특징량(라인이나 홀의 폭의 치수값, 러프니스 지표값, 패턴 형상을 나타내는 지표값, 패턴의 면적값, 에지 위치가 되는 화소 위치 등)의 산출을 행하는 CPU(619)를 갖는다.
그리고 또한, 각 패턴의 계측값이나 각 화소의 휘도값 등을 보존하는 기억 매체(621)를 갖는다. 전체 제어는 워크스테이션(622)에 의해 행해지는, 필요한 장치의 조작, 검출 결과의 확인 등을 그래피컬 유저 인터페이스(이하, GUI라고 표기함)에 의해 실현할 수 있도록 되어 있다. 또한, 화상 메모리는, 주사 편향기(605)에 공급되는 주사 신호에 동기하여, 검출기의 출력 신호(시료로부터 방출되는 전자량에 비례하는 신호)를, 대응하는 메모리 상의 어드레스(x, y)에 기억하도록 구성되어 있다. 또한, 화상 처리부(618)는, 메모리에 기억된 휘도값으로부터 라인 프로파일을 생성하고, 임계값법 등을 이용하여 에지 위치를 특정하여, 에지간의 치수를 측정하는 연산 처리 장치로서도 기능한다.
이러한 라인 프로파일 취득에 의거하는 치수 측정을 행하는 SEM은, CD-SEM이라고 하며, 반도체 회로의 선폭 측정 외, 다양한 특징량을 계측하기 위해 이용되고 있다. 예를 들면, 상기 회로 패턴의 에지에는 라인 에지 러프니스라고 하는 요철이 존재하고, 회로 성능을 변화시키는 요인이 된다. CD-SEM은 상기 LER의 계측에 이용할 수 있다.
LER은, x 방향(예를 들면 전자빔의 주사선 방향)의 에지 위치의 평균 위치에 대한 실제의 에지 위치의 괴리의 정도를 지표값화함으로써 산출한다.
이하에, SEM에 의해 얻어진 검출 신호에 의거하여, 장치의 조정이나 측정을 실행하는 방법을 구체적으로 설명한다.
[실시예 1]
본 실시예에서는, 본 발명에 의해 요구 계측 재현 정밀도로 CD 계측 결과를 얻기 위해 필요한 샘플 수와 촬상 조건을 최적화한 예, 및 임의 길이의 패턴에 대하여 계측 재현성 오차를 분리하여 그 참된 패턴 치수·형상 편차를 추정한 예에 대해서 설명한다.
우선, 노광 장치에 의해, 설계 데이터 상, 동일 형상인 패턴을 다수 포함하는 마스크를 이용하여, 소정의 레지스트를 도포한 반도체 웨이퍼에 패턴을 전사한다. 이때, 도 7에 예시하는 바와 같이, 웨이퍼(701) 상에 같은 패턴을 포함하는 복수의 칩(702)이 매트릭스 형상으로 배열되도록, 노광을 행함으로써 레지스트 패턴을 형성한다. 다음으로, 도 5, 도 6에 예시하는 SEM(501)을 이용하여, 레지스트 패턴이 형성된 웨이퍼의 N1개의 영역에 대하여, 동일 촬상 영역에 대한 주사 횟수, 즉 프레임 수를 다양하게 바꾼 복수 조건에서 SEM상을 취득한다. 메모리(506)나 기억 매체(621)에는, SEM을 제어하기 위한 동작 프로그램인 레시피가 미리 기억되어 있고, SEM(501)은 레시피에 기억된 동작 프로그램에 따라 계측 처리를 실행한다. 도 10은, SEM의 계측 처리 공정을 나타내는 플로우 차트이다. SEM(501)의 진공 시료실에 시료(609)(웨이퍼)를 도입(스텝 1001)하고, 소정의 계측 위치에 시야가 포지셔닝되도록, 시료대(608) 및 필요에 따라 시야 이동용 편향기를 제어한다(스텝 1002).
도 8은, 웨이퍼(701) 상의 칩(702)에 포함되는 동일 형상의 패턴이 형성된 영역(801)에 복수의 시야(802)를 설정한 예를 나타내고 있다. 도 8의 예에서는, 설계 데이터 상, 같은 선폭을 가지는 라인 패턴이 배열된 영역(801)(본 예에서는 30㎛ 각)에, 1㎛ 각의 시야(802)를, 2㎛ 피치로 배치한 예를 나타내고 있다. 본 예의 경우, 종(縱)으로 10개, 횡(橫)으로 10개인 시야(802)가 배열되어 있기 때문에, N1은 100이 된다. 각 시야에서 얻어진 검출 신호에 의거하여, 패턴의 특징량(치수값)을 계측한다. 또한, 상술한 바와 같이 칩 단위로 주사 횟수를 변화시키기 때문에, 서로 다른 위치에 시야가 포지셔닝되었을 때, 아울러 프레임 수의 설정(변경)을 행한다(스텝 1003).
다음으로 설정된 시야 위치에서, 설정된 프레임 수로 빔 주사를 행함으로써, 계측을 실행한다(스텝 1004). 본 실시예에서는 촬상 영역(시야, 전자빔의 주사 영역)은, 도 8에 예시하는 바와 같이 동일 설계의 라인 앤드 스페이스 패턴을 포함하도록 설정했다. 도 8은, 라인 패턴(804)과 스페이스(805)가 번갈아 배열된 라인 앤드 스페이스 패턴에 시야(802)를 설정한 예를 나타내고 있다. 라인 패턴(804)의 단면도는 807과 같이 되어 있고, 그 에지(806)는, 전자빔의 조사 방향에 대하여 경사지게 형성되어 있기 때문에, 에지 효과에 의해 다른 부분보다 상대적으로 이차 전자의 방출량이 많아, 고휘도로 표시된다.
본 실시예에서는, 시야(802) 내에 소정의 계측 에지 길이를 가지는 N2개의 측장 영역을 지정하여, 상기 측장 영역 내의 패턴폭을 이하와 같이 하여 계측했다. 또한, 측장 영역(계측 영역)의 설정은 계측 박스(803)를 시야(802) 내에 복수 설정 함으로써 실현한다. 도 8은 시야(802) 내에 계측 박스(803)를 9개(N2＝9) 설정한 예를 나타내고 있다. 화상 처리 유닛(507), 혹은 화상 해석 유닛(508)에서는, 계측 박스(803) 내에서 x 방향을 따라, 복수의 신호 강도 프로파일(휘도 분포 파형)을 생성하고, 임계값법, 혹은 직선 근사법 등을 이용하여 피크간의 치수를 측정한다. 또한, 본 실시예에서는, 측장 영역에 대해서, 패턴을 에지 방향(y 방향)의 일정 간격마다 N3개의 복수 위치에서, 에지 수직 방향으로 컷 라인을 설정하고, 컷 라인을 따른 신호 강도 프로파일을 얻는다. 이때, 필요에 따라, 측장 SEM에 부수되는 필터링 등의 화상 처리를 행해도 된다. 도 9는, 컷 라인에 의해 분할된 분할 영역(901∼904)마다, 신호 강도 프로파일(905∼908)을 생성한 예를 나타내는 도면이다. 본 실시예에서는, 각 컷 라인에 의해 분할된 분할 영역의 신호 강도 프로파일에 대하여, 소정의 알고리즘을 적용함으로써 패턴 치수를 산출하고, 상기 측장 영역에 포함되는 모든(N3개(도 9의 예에서는 4개)) 치수 측정 결과를 평균함으로써, 측장 영역마다의 치수를 얻는다. 이상의 처리에 의해, 웨이퍼 내의 촬상 영역, 촬상 영역 내의 측장 영역, 프레임 수의 3개의 파라미터의 조합에 대하여 1개의 측장값을 얻었다.
상술한 바와 같이, 복수의 서로 다른 프레임 수마다, 복수의 측장 영역의 측장 결과를 얻기 위해, 같은 칩 내에서 복수의 시야(Field Of View: FOV), 혹은 복수의 측장 영역으로의 이동(스텝 1005)과 계측(스텝 1004)을 반복한다. 또한, 서로 다른 프레임 수마다, 복수의 시야에 있어서의 계측을 행하기 때문에, 서로 다른 칩으로의 스테이지 이동이나 시야 이동(스텝 1006)을, 준비된 복수의 서로 다른 프레임 수(예를 들면 N1)에 있어서의 계측이 종료될 때까지 반복한다.
다음으로, 화상 해석 유닛(508)은, 각 프레임 수(Nframe) 조건에 대하여, 위와 같이 하여 얻어진 N1·N2개의 측장 영역으로부터 서로 다른 수(Np개)의 영역을 랜덤으로 샘플링하여, 그 측장값의 분포의 평균값(CD)과 표준편차(LCDU)를 구한다. 또한, 이 과정을 복수회 반복하여, 측장값의 분포의 평균값(CD)과 표준편차(LCDU)의 분포를 조사하여, 그 편차 분산(σCD, σLCDU)을 구한다.
도 3의 (b)에 동일 프레임 수로 취득한 상에 있어서의, σCD, σLCDU의 측장 영역 수(N1·N2) 및 상기 영역당 컷 라인 수(N3) 의존성을 나타낸다. 또한, 도면의 각 축은 자연 대수축으로 플롯하고 있다.
발명자의 검토에 따라, 편차의 분산은, 계측 라인 라인 길이 등의 조건에 따르지 않고, 총(總)치수 계측점 수(Np＝N1·N2·N3)에만 반비례하는 것을 알 수 있었다. 또한, σCD, σLCDU의 측장 영역 수(N1·N2) 및 프레임 수(Nframe) 의존성을 도 4에 나타낸다. 도면 중의 곡선부에 부여된 숫자는, 후술하는 σCDobserved를 나타내고 있다.
도 1을 이용하여 설명한 바와 같이, 프레임 수에 의존하지 않고 총치수 계측점 수에만 의존하는 영역(영역 1)과, 총치수 계측점 수와 프레임 수의 양쪽에 의존하는 영역(영역 2)의 2개의 영역으로 나뉜다(도 1의 예는 N3＝1의 경우에 상당함).
다음으로, 화상 해석 유닛(508)은, σCD, σLCDU 각각을 Np 및 Nframe에 대한 의존성을 나타내는 값을, [수식 9], 「수식 10」에 적용시킴으로써 산출한다.
[수식 9]
σ2 CDobserved＝σ2 CDpattern0／(N1·N2)+σ2 CDsem0 ／((N1·N2·N3·Nframe)·(I0／Ip)
[수식 10]
σ2 LCDUobserved＝σ2 LCDUpattern0／(N1·N2)+σ2 LCDUsem0／((N1·N2·N3·Nframe)·(I0／Ip)
여기에서, σ2 CDpattern0은, 1측장 영역당 참된 치수 편차, σ2 LCDUpattern0은, 1측장 영역당 LCDU 편차, σ2 CDsem0은, 1컷 라인(총치수 계측점 수)·1프레임당 치수 계측 오차의 분산, σ2 LCDUsem0은, 1컷 라인·1프레임당 LCDU 계측 오차의 분산을 의미하는 파라미터이다.
σ2 CDobserved는 계측에 의해 구해지는 값이며, N1, N2, N3, Nframe은 설정 조건이기 때문에, 화상 해석 유닛(508)은, 중회귀 분석 등에 의해, σ2 CDsem0을 산출한다. 본 실시예의 경우, 1컷 라인당 치수 계측 오차의 분산을 나타내는 값으로서, σ2 CDsem0＝5㎚라는 결과를 얻었다. 화상 해석 유닛(508)은, σ2 CDsem0을 상기 기억된 연산식에 의거하여 구하고(스텝 1007), 후술하는 장치 조건의 최적화나, 참된 형상 편차 산출을 위해, 메모리(506) 등에 기억시킨다(스텝 1008). 또한, 중회귀 분석 등, 혹은 상술한 바와 같이 하여 구해진 σ2 CDsem0을 수식 9에 대입함으로써, σ2 CDpattern0도 아울러 산출, 기억시키고, 후술하는 장치 조건의 최적화를 위해 이용한다. σ2 CDsem0을 복수의 장치 조건(프레임 수)마다 구함으로써, 각각의 장치 조건에 있어서의 σ2 CDpattern0을 구할 수 있다.
다음으로, 이상과 같이 하여 구해진 σ2 CDsem0로부터 장치 조건(계측 조건 및 계측 샘플링 조건)의 최적화를 행하는 방법에 대해서 설명한다. 본 예에서는 우선, CD 계측 재현성 정밀도를 확보하기 위해, [수식 11]의 조건을 만족시키도록, 파라미터 조정을 행한다.
[수식 11]
요구 정밀도＞σ2 CDpattern0／(N1·N2)+σ2 CDsem0／((N1·N2·N3·Nframe)·(I0／Ip)
계측 최적화 유닛(509)에서는, 수식 11의 조건을 만족시키도록, N3, Nframe의 적절한 조합을 선택한다. 또한, 프레임 수 등을 과도하게 증가시키면, 장치의 스루풋이 저하되기 때문에, [수식 11]의 조건을 만족시키는 가장 작은 프레임 수 등을 선택하도록 하면 된다. 또한, 전류(Ip)를 증대시킴으로써, σ2 CDsem0을 작게 해도 된다. 또한, 반대로 빔 전류(Ip)를 증대시키면 장치의 해상도 등이 저하되기 때문에, 수식 11의 조건을 만족시키는 최저의 전류를 선택하도록 하면 된다.
또한, 도 1에 예시한 영역 1, 즉, 패턴 형상·치수의 편차와 비교하여, 계측 오차가 충분히 작아지도록 장치 조건을 설정하는 것이 바람직하다. 이 조건을 만족하기 위해, 계측 최적화 유닛(509)에서는, [수식 12]의 조건을 만족시키도록, 각 파라미터를 설정한다.
[수식 12]
σ2 CDpattern0／(N1·N2)＞σ2 CDsem0／((N1·N2·N3·Nframe)·(I0／I)
미세 홀 패턴과 같이, 계측 대상의 형상 치수 편차가 클 경우의 LCDU 계측에서는, 불필요하게 제2항이 작아지는 계측 조건을 설정할 필요는 없다.
이상과 같은 연산에 의거하는 장치 조정을 행함으로써, 계측 오차를 억제한 고정밀도의 계측을 행하는 것이 가능해진다.
또한, 동일 FOV 영역을 프레임 수(N)로 촬상할 때, N회 주사의 각 주사마다 2차원 신호 강도 분포를 메모리에 기억하여, 나중에 그것들을 적절하게 가산하면, 프레임 수(1∼N)의 촬상 결과를 동시에 취득할 수 있다. 이와 같이 하여 필요한 촬상 FOV 수를 대폭 삭감하는 것이 가능하다. 즉, 도 10에 예시한 바와 같이, 시야 단위로 프레임 수를 변화시키는 것이 아니고, 1시야에서 복수의 프레임 수의 정보를 얻을 수 있으면, 촬상에 요하는 시야 위치의 수를 저감할 수 있어, 스루풋의 향상이 가능해진다.
다음으로, 계측 재현성 오차를 분리하여 그 참된 패턴 치수·형상 편차(LCDU)를 추정한다. 우선, LCDU에 대하여 상기 CD와 같은 것을 행하고, LCDU의 영역 1에 조건을 설정했다. 이 설정 조건 하에, 얻어진 계측 결과는, 관찰된 CD 편차의 표준편차(σCD)는 LCDU의 참값으로 간주할 수 있다. 그러나, 계측 재현성 오차를 무시할 수 없을 경우에 대해서는, 화상 해석 유닛(508)은, 메모리(506)에 기억된 [수식 13]에 의해 σCDpattern0을 구한다. σCDpattern0은 LCDU의 추정값이 된다.
[수식 13]
σ2 CDpattern0＝N1·N2·σ2 CDobserved-σ2 CDsem0／(N3·Nframe)·(I0／I)
이와 같이, 임의의 프레임 수(Nframe)로 관찰했을 때의 CD 그리고 LCDU 관찰 결과의 편차의 분산(σ2 observed)으로부터, 참된 패턴 치수 형상 편차의 분산을 추정할 수 있다. 또한, 그 결과로부터, 임의의 길이의 패턴에 대한 치수 편차를 추정할 수 있다.
또한, 장치 조건의 설정은, 패턴 형상·치수의 편차와 비교하여, 계측 오차가 충분히 작은 조건으로 설정할 수 있으면 되고, 미세 홀 패턴과 같이, 계측 대상의 형상 치수 편차가 클 경우의 LCDU 계측에서는, 불필요하게 제2항이 작아지는 계측 조건을 설정할 필요는 없다. 이와 같이, 본 실시예에서는, 측정 대상에 따라, 요구 측정 정밀도를 만족시키는 조건에서 스루풋을 최대화하는 촬상 조건이나 샘플링 플랜을 적절하게 설정할 수 있다.
계측 해석 출력 유닛(510)은, 예를 들면 입력 장치(504)나 워크스테이션(622)의 표시부에, 상술한 바와 같이 하여 구해진 프레임 수나 빔 전류 등을 표시한다. 오퍼레이터는, 이 표시를 보고 장치 조건을 설정할 수 있다. 또한, [수식 11]의 조건을 만족시키는 복수의 프레임 수 등을, 설정 조건의 후보로서 표시함으로써, 오퍼레이터에 장치 조건을 선택시키도록 해도 된다. 또한, 계측 해석 출력 유닛(510)은 [수식 13]에 의해 구해진 계측 결과를 표시부에 표시한다. 이때, 편차와 같은 지표값이 아니라, 미리 정해진 기준값과의 차분을 표시하도록 해도 되고, 그래프 등의 편차의 정도를 시각적으로 판단할 수 있는 차트를 표시하도록 해도 된다.
또한, 상술한 바와 같이 하여 구해진 프레임 수를 SEM의 장치 조건으로서 설정해도 된다.
[실시예 2]
상술한 실시예에서는, 촬상 유닛으로서 하전 입자선 장치의 일종인 주사 전자 현미경을 예로 들어 설명했지만, 예를 들면 집속 이온빔을 주사함으로써 화상을 생성하는 집속 이온빔 장치를 촬상 유닛으로 하도록 해도 된다. 촬상 유닛은, 소정의 촬상 영역에 대하여, 1프레임마다 촬상한 신호 강도 분포(화상 데이터)를 독립적으로 기억하고, 필요에 따라 이것을 최대 프레임 수회 반복 행하여 각 화상 데이터를 화상 기억 유닛에 전송, 상기 촬상 영역에 대하여 복수의 화상 데이터를 독립적으로 보존한다.
주사 전자 현미경이나 집속 이온빔 장치와 같은 촬상 유닛에 포함되거나, 혹은 계측 장치에 포함되는 화상 처리 유닛은, 상기 복수의 화상 데이터를 조합하여, 다양한 프레임 수의 SEM상이나 SIM상을 합성한다. 화상 해석 유닛은, 실시예 1에 기재한 방법에 의해, 상기 화상으로부터 측장 영역을 샘플링하고, 측장 및 그 편차 분포를 샘플링 수나 프레임 수의 함수로서 소정의 모델식으로 피팅한다.
계측 최적화 유닛은, 필요한 계측 재현 정밀도나, 프레임 수 상한 등의 경계 조건을 입력함으로써, 상기 모델식에 의거하여, 최적 촬상 조건이나 필요한 샘플링 플랜을 출력한다. 또한, 예상되는 계측 오차의 추정값을 출력한다. 샘플링 플랜은 당해 웨이퍼를 포함하는 이후의 웨이퍼의 계측에 반영된다.
또한, SEM 계측 재현성 오차가 소정의 범위를 초과했을 경우에는, SEM의 장치 상태가 정상으로부터 벗어나 있을 우려가 있으므로, 소정의 경고를 발한다. 또한, 패턴 치수 형상 편차가 소정의 범위를 초과했을 경우에는, 패터닝 프로세스의 이상(異常)일 우려가 있으므로, 소정의 경고를 발한다. 계측 해석 출력 유닛은, 관찰값으로부터 계측 오차를 제거하여 참된 치수·형상 편차를 산출한다.
[실시예 3]
본 실시예에서는, 실시예 1에 기재된 계측 방법에 의해, LCDU 또는 그 분포를 올바르게 계측한 예에 대해서 설명한다. 웨이퍼면 내 다수 개소에 존재하는 동일 설계 패턴에 대하여, 실시예 1에 나타낸 방법으로 LCDU를 측정하고, 식으로 피팅하여 참된 치수·형상 편차의 웨이퍼면 내 분포를 구했다. 구한 결과를 프로세스 장치에 피드백함으로써, 상기 편차를 억제하여, 수율을 향상시킬 수 있었다. 본 실시예에 있어서는, 계측 재현성 오차분을 뺌으로써, 대상 패턴 형상의 참된 공간 편차만을 평가할 수 있었다.
501: SEM(주사 전자 현미경) 502: 패턴 계측 장치
503: 설계 데이터 기억 매체 504: 입력 장치
505: 연산 처리 장치 506: 메모리
601: 전자원 602: 인출 전극
603: 전자빔 604: 콘덴서 렌즈
605: 주사 편향기 606: 대물 렌즈
607: 진공 시료실 608: 시료대
609: 시료(웨이퍼) 610: 전자
611: 이차 전자 612: 변환 전극
613: 검출기 614: 제어 장치
617: A／D 변환기 618: 화상 처리부
619: CPU 620: 화상 메모리
621: 기억 매체 622: 워크스테이션

Claims (6)

  1. 하전 입자선 장치에 의해 취득된 복수의 계측값에 의거하여, 계측 대상인 패턴의 계측값의 편차를 구하는 연산 처리 장치를 구비한 패턴 계측 장치에 있어서,
    상기 패턴의 계측값을 기억하는 기억 매체를 구비하고,
    상기 연산 처리 장치는, 상기 기억 매체에 기억된 서로 다른 위치에 형성된 복수의 계측값의 편차(σmeasured)와, 하기 파라미터를 포함하는 식을 이용하여, 계측 재현성 오차를 나타내는 σSEM0을 구하는 것을 특징으로 하는 패턴 계측 장치.
    σ2 observed＝σ2 pattern0／Np+σ2 sem0／(Np·Nframe)
    σpattern0: 패턴의 형상 오차에 기인하는 편차
    Np: 계측점 수
    Nframe: 장치 조건에 따라 변화하는 값
  2. 제1항에 있어서,
    상기 Nframe은, 상기 하전 입자선 장치의 프레임 수인 것을 특징으로 하는 패턴 계측 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 연산 처리 장치는, σ2 pattern0／Np+σ2 sem0／(Np·Nframe)이 소정의 조건을 만족시키는 Nframe을 구하는 것을 특징으로 하는 패턴 계측 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 연산 처리 장치는, 하기의 파라미터를 갖는 식에 의거하여, 편차(σ2 CDpattern0)를 구하는 것을 특징으로 하는 패턴 계측 장치.
    σ2 CDpattern0＝Np·σ2 CDobserved-σ2 CDsem0／Nframe
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 계측값은, 서로 다른 위치의 서로 다른 타이밍에서 계측된 값인 것을 특징으로 하는 패턴 계측 장치.
  6. 컴퓨터에 하전 입자선 장치에 의해 취득된 복수의 계측값에 의거하여, 계측 대상인 패턴의 계측값의 편차를 구하게 하는 컴퓨터에 의해 판독 가능한 컴퓨터 프로그램을 기억한 기억 매체에 있어서,
    상기 프로그램은, 상기 컴퓨터에, 서로 다른 위치에 형성된 복수의 계측값의 편차(σmeasured)와, 하기 파라미터를 포함하는 식을 이용하여, 계측 재현성 오차를 나타내는 σSEM0을 구하게 하는 것을 특징으로 하는 컴퓨터에 의해 판독 가능한 컴퓨터 프로그램을 기억한 기억 매체.
    σ2 observed＝σ2 pattern0／Np+σ2 sem0／(Np·Nframe)
    σpattern0: 패턴의 형상 오차에 기인하는 편차
    Np: 계측점 수
    Nframe: 장치 조건에 따라 변화하는 값
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