(57)【要約】【課題】試料上に形成されたラインとスペースのパターンの凹凸判定に好適な判定方法、及び装置の提供を目的とする。【解決手段】荷電粒子線走査に基づいて、形成されるプロファイルのピークが有する一方の裾部分が、他の裾部分に比べて緩やかに収束するとき、当該一方の裾部分に相当する前記試料上の部位を、凸部と判定するか、或いは一方の裾部分が、他の裾部分に比べて急峻に収束するとき、当該一方の裾部分に相当する前記試料上の部位を、凹部と判定する方法、及び装置。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料上に形成された凸状パターンを含む部分を荷電粒子線で走査し、当該走査個所から放出される荷電粒子に基づいて、プロファイル波形を形成し、
当該プロファイル波形のピークが有する一方の裾部分が、他の裾部分に比べて緩やかに収束するとき、当該一方の裾部分に相当する前記試料上の部位を、凸部と判定することを特徴とする試料の凹凸判定方法。
【請求項２】
試料上に形成された凹状パターンを含む部分を荷電粒子線で走査し、当該走査個所から放出される荷電粒子に基づいて、プロファイル波形を形成し、
当該プロファイル波形のピークが有する一方の裾部分が、他の裾部分に比べて急峻に収束するとき、当該一方の裾部分に相当する前記試料上の部位を、凹部と判定することを特徴とする試料の凹凸判定方法。
【請求項３】
請求項１又は２のいずれかにおいて、
荷電粒子線が基板面に対し、垂直に入射することを特徴とする試料の凹凸判定方法。
【請求項４】
請求項３において、
前記垂直入射状態の荷電粒子線を走査偏向器によって走査したときに、前記走査個所から放出される荷電粒子に基づいて、前記プロファイル波形を形成することを特徴とする試料の凹凸判定方法。
【請求項５】
請求項１又は２のいずれかにおいて、
前記判定された凹部及び／又は凸部の情報を用いて、前記試料上のパターン位置を特定することを特徴とする位置検出方法。
【請求項６】
請求項１又は２のいずれかにおいて、
基板上に形成された凹凸のあるパターンを荷電粒子線により走査し、当該走査個所から放出される反射荷電粒子ないしは２次荷電粒子に基づきプロファイル波形を形成し、前記凹凸判定方法によるパターンの凹凸情報を用いて基板上のパターンの特定位置を検出することを特徴とするパターンの位置検出方法。
【請求項７】
請求項６において、あらかじめ登録したモデルの凹凸情報と比較し、試料上のパターンの特定位置を検出することを特徴とするパターンの位置検出方法。
【請求項８】
請求項６において、
あらかじめ登録したモデルのプロファイル形状と比較し、プロファイル形状の違いの評価値が一定値以上異なる場合、エラーとすることを特徴とするパターンの位置検出方法。
【請求項９】
請求項６において、
あらかじめ登録したモデルのエッジ数と比較し、エッジ数が一定値以上ことなる場合、エラーとすることを特徴とするパターンの位置検出方法。
【請求項１０】
試料上に形成された凸状、及び／又は凹状のパターンを含む部分を荷電粒子線で走査し、当該走査個所から放出される荷電粒子に基づいて、プロファイル波形を形成し、当該プロファイル波形の微分波形を形成し、当該微分波形の少なくとも２つのピークの内、ピーク位置から、前記微分波形がゼロ、或いは微分波形が収束するまでの間隔が長い側に相当する前記試料上の部位を凸部と判定し、短い側に相当する前記試料上の部位を凹部と判定することを特徴とする試料の凹凸判定方法。
【請求項１１】
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走査する走査偏向器と、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を備えた荷電粒子線装置において、
前記検出された荷電粒子に基づいてプロファイル波形を形成し、当該プロファイル波形のピークが有する一方の裾部分が、他の裾部分に比べて緩やかに収束するとき、当該一方の裾部分に相当する前記試料上の部位を、凸部と判定する制御プロセッサを備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
【発明の詳細な説明】
【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方法に係わり、特に半導体ウェハ上に形成されたラインとスペースの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３次元情報、特に試料の凹凸情報を得る方法として、特許文献１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、試料に対し傾斜した２つの方向からビームを照射することによって、２枚の画像を生成し、この２枚の画像間でステレオマッチングを行い、対応点を求めていくことで、高さを算出し、３次元情報を得るものである。
【０００４】
また、特許文献２には、試料上のパターンに対し、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】
【特許文献１】
特開平５−４１１９５号公報
【特許文献２】
特開平５−１７５４９６号公報
【０００６】
【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、或いはスペースのパターン測長を行う場合、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、測長対象個所を間違えてしまうという問題があった。特に、ラインとスペース間のコントラストが小さい場合、その問題は顕著となる。
【０００７】
また、上記文献に開示されているように、試料面に対し、ビームを斜めに照射することによって、３次元情報を得ることもできるが、例えば、ビームを傾斜した後の視野合わせの必要もあり、ビーム傾斜を行うための処理時間を要し、スループットが低下するという問題があった。
【０００８】
本発明の目的は、簡単な手法により試料上に形成されたパターンの凹凸の判定をすることにあり、特に試料上に形成されたラインとスペースの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。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明によれば、荷電粒子線走査に基づいて、形成されるプロファイルのピークが有する一方の裾部分が、他の裾部分に比べて緩やかに収束するとき、当該一方の裾部分に相当する前記試料上の部位を、凸部と判定するか、或いは一方の裾部分が、他の裾部分に比べて急峻に収束するとき、当該一方の裾部分に相当する前記試料上の部位を、凹部と判定する。
【００１０】
このような構成によれば、ビームを傾斜しなくても、凹凸パターンの凹部、或いは凸部を容易に判定することが可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下の本発明実施例では、荷電粒子線を通常使用される基板に対して垂直方向への入射を変更することなく、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、当該荷電粒子強度のプロファイルを導出し、入射荷電粒子の傾斜もしくは基板の保持ステージの傾斜の光学的もしくは機械的な動作を伴わず、そのプロファイルに基づいて凹凸を判定する方法、及び装置について説明する。
【００１２】
本実施例によれば、荷電粒子線内の凹凸判定を行うことが容易になり、ラインとスペースの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。
【００１３】
また、入射荷電粒子の傾斜もしくは基板の保持ステージの傾斜の光学的もしくは機械的な動作を伴う必要も無いため、スループットにほとんど影響が無く、特にスループットが重視される自動化された生産工程においても有効である。
【００１４】
なお、以下の説明では荷電粒子線装置の一例として、電子線を用いる走査形電子顕微鏡を例にとって説明するが、これに限られることはなく、例えばイオンビームを用いるイオンビーム照射装置であっても良い。
【００１５】
また、本発明で言うところの垂直方向とは、荷電粒子光学系において、偏向を受けない荷電粒子の照射方向と同一の方向、或いは試料をＸ−Ｙ方向に移動させる試料ステージの移動方向に対して垂直な方向を示すものとする。但し、荷電粒子線装置は、荷電粒子線を一次元的、或いは二次元的に走査する装置であり、この際の偏向状態は、本実施例で言うところの傾斜照射に含まれないものとする。即ち、本実施例においては、荷電粒子線の光軸（偏向器による偏向を受けない荷電粒子線軌道）を通って照射される荷電粒子線を、走査偏向器で一次元的、或いは二次元的に走査する。換言すれば、他の偏向器による偏向をしない状態で（垂直入射状態で）、荷電粒子線を照射する。
【００１６】
図２は、本発明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。２０１は電子顕微鏡の鏡体部であり、電子銃２０２から発せられた電子線２０３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２０５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２次電子、あるいは反射電子の強度が電子検出器２０６によって検出され、増幅器２０７で増幅される。
【００１７】
２０４は電子線の位置を移動させる偏向器であり、２１０の制御用計算機（本発明では制御プロセッサ、あるいは制御系と呼ぶこともある。）の制御信号２０８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２０７から出力される信号を画像処理プロセッサ２０９内でＡＤ変換し、デジタル画像データを作成する。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。
【００１８】
２１１は、その画像データを表示する表示装置である。また、２０９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２１０には、キーボードやマウス等の入力手段２１２が接続される。
【００１９】
半導体デバイス作成時、ウェア上に描かれた微細なパターンの線幅を計測する場合に本走査電子顕微鏡が使用される。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おなじようであると、幅の情報からは、その区別がつかなくなり、凹凸の情報から区別することが必要とされる。
【００２０】
なお、画像メモリ位置に対応したアドレス信号が、制御用計算機２１０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２０４に供給される。Ｘ方向のアドレス信号は、たとえば画像メモリが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２１２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。
【００２１】
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２０４による電子線の偏向領域の２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２１１の輝度変調信号となる。
【００２２】
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２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、２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。又、複数枚数積算して形成した画像をさら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、あるいはその後に１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。
【００２３】
試料２０５は図示しないステージ上に配置され、試料２０５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。
【００２４】
また本発明実施例装置は、検出された２次電子ある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１次電子線を１次元、あるいは２次元走査したときの電子検出量、ある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。また、本実施例装置では、得られたラインプロファイルに基づいて微分波形を形成する機能や、プロファイル波形のピーク位置から、プロファイル波形が所定の高さになるまでの距離を算出する機能を備えている。
【００２５】
なお、図３の説明は制御計算機が走査電子顕微鏡と一体、あるいはそれに順ずるものとして説明したが、無論それに限定されることはなく、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、２次信号検出器３１３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。
【００２６】
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。
【００２７】
図３は、ラインとスペースの画像および前記画像におけるエッジのプロファイルピーク部分を示したものである。画像の内、３０４は断面図、３０５は平面図である。以下に説明する実施例の画像およびプロファイルは全て、通常使用される荷電粒子を試料に垂直に入射させた、いわゆるＴｏｐ−Ｄｏｗｎ像である。
【００２８】
図３のプロファイルをみると画像において３０４に表れるラインとスペースの境界は、３０５中では２次電子強度の強い部分３０１として表れ、プロファイルデータ上ではピーク３０２をなしている。このピーク３０２の形状の裾の部分に注目し、ライン側の裾部３０３Ｌとスペース側の裾部３０３Ｓの形状を比較すると、エッジ側面からでる２次電子ないしは反射電子の影響により、ライン側の裾部３０３Ｌの方がプロファイルのベースへと移行していく度合いが遅くなる。
【００２９】
すなわちピーク形状がピーク頂点を中心として非対称な形になり、ライン（凸部）部のプロファイル波形が、スペース（凹部）のプロファイル波形に比較して、裾の部分が緩やかに収束している。反対に、スペースのプロファイル波形の裾部分は、ラインのプロファイル波形の裾部分に比較して、急峻に収束する。本実施例では、この原理を利用して試料上の凹凸判定を行うものである。
【００３０】
図３のプロファイルから予め設定された閾値によりプロファイルのピーク３０２を決定し、決定されたピークに対し、それぞれ凹凸判定を行う。
【００３１】
以下、試料面上の凹凸の具体的な判定方法について説明する。なお、以下の説明ではプロファイル波形を定量的に評価するのに好適な微分波形を用いて、凹凸判定を行う例について説明するが、これに限られることはない。プロファイル波形の裾の広さに基づいて、一定の確実性を持って凹凸を判定できる手法であれば採用が可能である。
【００３２】
図３に図４のプロファイルピークの１つ３０４を拡大したプロファイル４０１とプロファイル４０１を微分したプロファイル４０２（以下微分プロファイルと呼ぶ）を示す。微分プロファイルのスペース側ピーク位置４０３Ｓとライン側ピーク位置４０３Ｌからそれぞれのピークが０になるまでの間隔に着目すると、スペース側とライン側で非対称になっており、プロファイルの非対称性より差が大きくなっている。よって微分プロファイルのスペース側ピーク位置４０３Ｓから０点４０４Ｓの間隔４０５Ｓとライン側ピーク位置４０３Ｌから０点４０４Ｌの間隔４０５Ｌに基づいて、微分プロファイルの非対称性を評価でき、これによりプロファイルの非対称性を評価できる。
【００３３】
プロファイルのピーク頂点を中心に右側と左側の評価値を図２中の微分プロファイルの０点までの間隔、４０５Ｓおよび４０５Ｌ等を用いて計算し、左側と右側の評価値を求め、評価値の大きいほう（裾の広いほう）をライン側と決定する。これを全てのプロファイルのピークに対して行い、画像内のパターンの凹凸を決定する。凹凸判定の結果を追加したＳＥＭ像を図１に示す。像の下部の矩形線の上方１０１がライン（凸）の部分、下方１０２がスペース（凹）と判定した部分である。この線は、画像処理上のものであり観察対象物に変化を与えたものではない。図３中の３０４と比較することで、判定が正しくなされていることが分かる。
【００３４】
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、且つ組み込むことでのスループットへの影響も最低限に抑えられる。
【００３５】
特にラインとスペース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、ラインとスペース間のコントラストが弱い場合でも、凹凸判定が可能であるため、ラインとスペースを形成する組成に因らず、凹凸判定を行うことができる。
【００３６】
また、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、ある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あるいは観察を行うようにしても良い。
【００３７】
また、前記エラーメッセージを発生させる時、予め設定した、エッジの本数あるいはプロファイルの形状の評価値などを閾値として、凹凸判定は可能であるが次の検査工程、例えば、ライン幅測長が困難であろうと考えられるパターンに対してもエラーメッセージを発生させる仕組みにしても良い。
【００３８】
図５は、自動化された検査工程でのフローの一例である。あらかじめ登録してある位置出しのためのモデル画像の凹凸判定結果と位置出しされた場所の凹凸判定結果を利用して、位置出しを行った場所がパターン寸法を測定すると設定した場所になるように画像の位置の微調整を行い、寸法の測定を実施する。この方法は特に、ラインとスペースの寸法比が１：１に近く、寸法幅によるラインとスペースの選別が難しいときに有効である。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、荷電粒子線を傾斜しない状態で、試料面上の凹凸判定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】凹凸判定した結果の表示例を示す図。
【図２】本発明の一実施例である走査電子顕微鏡の概略図。
【図３】ラインパターンの観察像およびそのプロファイル。
【図４】エッジのプロファイルおよびその微分プロファイル。
【図５】凹凸判定を使用した、自動化された検査工程のフローチャート。
【符号の説明】
１０１…ライン部判定を示す線、１０２…スペース部判定を示す線、２０１…電子顕微鏡の鏡体部、２０２…電子銃、２０３…電子線、２０４…偏向器、２０５…試料、２０６…電子検出器、２０７…増幅器、２０８…制御信号、２０９…画像処理プロセッサ、２１０…制御用計算機、２１１…表示装置、２１２…入力手段、３０１…２次電子強度の強い部分、３０２…プロファイル上のピーク、３０３Ｌ…ピークのライン側の裾部、３０３Ｓ…ピークのスペース側の裾部、３０４…ラインとスペースのパターンの断面図、３０５…ラインとスペースのパターンの平面図、４０１…ピークのプロファイル、４０２…ピークのプロファイルを微分したプロファイル、４０３Ｌ…微分プロファイルのライン側ピーク位置、４０３Ｓ…微分プロファイルのスペース側ピーク位置、４０４Ｌ…微分プロファイルのライン側０点位置、４０４Ｓ…微分プロファイルのスペース側０点位置、４０５Ｌ…微分プロファイルのライン側ピークとライン側０点の間隔、４０５Ｓ…微分プロファイルのスペース側ピークとライン側０点の間隔。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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