(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウェーハ上に形成された回路パターンの陰影画像をあらかじめ設定された条件で撮像する撮像手段と、
該撮像手段で撮像された陰影画像と所定の基準画像との正規化相間値を計算することにより前記撮像された陰影画像の特徴量を算出する算出手段と、
前記正規化相間値に基づく特徴量に基づいて、前記回路パターンの三次元的な形状の評価を実行するコンピュータとを備え、
前記特徴量の算出を、異なる方向から撮像された複数の前記陰影画像に関して独立に行うことを特徴とする走査型電子顕微鏡。
【請求項２】
請求項１に記載の走査型電子顕微鏡において、
前記陰影画像は、前記撮像手段に設けられた対向する複数の検出器により検出される反射電子信号に基づいて得られる画像であることを特徴とする走査型電子顕微鏡。
【請求項３】
半導体ウェーハ上に形成された回路パターンの陰影画像をあらかじめ設定された条件で撮像する撮像手段と、
当該陰影画像に含まれるハイライト部または陰影部を前記陰影画像から抽出することにより前記撮像された画像の特徴量を算出する算出手段と、
前記ハイライト部または陰影部に基づく特徴量に基づいて、前記回路パターンの三次元的な形状の評価を実行するコンピュータとを備えることを特徴とする走査型電子顕微鏡。
【請求項４】
請求項１に記載の走査型電子顕微鏡において、
前記特徴量の算出に使用される画像は、前記２次電子画像と前記反射電子画像とから演算により求められる合成画像であることを特徴とする走査型電子顕微鏡。
【請求項５】
請求項１または３に記載の走査型電子顕微鏡において、
前記特徴量の算出に使用される画像は、２種類の反射電子画像から演算により求められる合成画像であることを特徴とする走査型電子顕微鏡。
【請求項６】
請求項１に記載の走査型電子顕微鏡において、
前記特徴量の算出に使用される画像は、２種類の反射電子画像から演算により求められる画像から、半導体パターンの側壁情報のみを抽出した画像であることを特徴とする走査型電子顕微鏡。
【請求項７】
請求項１または３に記載の走査型電子顕微鏡において、
前記特徴量の算出を、傾斜画像を使用して行うことを特徴とする走査型電子顕微鏡。
【請求項８】
請求項１または３に記載の走査型電子顕微鏡において、
前記特徴量の算出は、あらかじめ指定した領域のみについて行うことを特徴とする走査型電子顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウェーハ上に形成された回路パターンの画像をあらかじめ設定された条件で自動的に撮像し、撮像された画像と基準画像を使用して半導体パターンのできばえを数値化して算出する手段を備えた走査型電子顕微鏡に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体の製造過程において、形成される半導体ウェーハ上のパターンが設計どおりに作られているかを検査する必要がある。このため、走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscopy）にパターンの寸法を測定する機能を付加した測長ＳＥＭが開発され、パターン幅やコンタクトホールの径，ラフネス等の特徴量を画像信号に基づいて算出している。また、走査型電子顕微鏡で画像を観察するだけでなく、画像の特徴量をコンピュータにより判別する機能を付加したレビューＳＥＭにより、パターンの断線やショート，スクラッチ，異物のような様々な欠陥の画像を自動的に撮像，分類することも行われている。また、レビューＳＥＭを用いて半導体パターンのクリティカルな部分を定点観測し、撮像された画像を表示したり、特徴量を算出してパターンのできばえを定量化することも行われている。さらに、パターンの微細化が進むに伴い、パターンの側壁や、コンタクトホールの側壁といった３次元的形状まで含む、できばえの定量値を高速，正確かつ簡便に算出することが求められてきている。しかし、従来技術においては、ウェーハの鉛直方向からの２次電子画像のみを使用して画像特徴量を算出するため、パターンの側壁や、コンタクトホールの側壁といった３次元的情報は画像化するのが困難であり、例え画像化できても、できばえの定量値を求めることはできなかった。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−２４７３９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、半導体パターンやコンタクトホールの変形や側壁の傾斜のできばえを判定することができる走査型電子顕微鏡を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の実施態様によれば、半導体ウェーハ上に形成された回路パターンの画像をあらかじめ設定された条件で撮像する撮像手段、該撮像手段で撮像された画像と予め記憶された基準画像とを比較して撮像された画像の特徴量を算出する算出手段、該算出手段で算出された特徴量に基づいて、半導体ウェーハのできばえ評価を実行するコンピュータを備え、特徴量の算出は、２次電子画像，反射電子画像に関して独立に行われることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、半導体パターンやコンタクトホールの変形や側壁の傾斜のできばえを正確かつ容易に判定することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、図面を用いて、本発明の実施態様を説明する。図１は、走査型電子顕微鏡の概略構成を示す縦断面図である。走査型電子顕微鏡１００の筐体１０１の内部にウェーハ１０２を移動するためのテーブル１０３を有する。電子線源１１８から照射された電子線１０４は偏向器１０５でウェーハ１０２上を２次元的に走査する。電子線１０４のフォーカスは電子レンズ１０６により調整される。
【０００８】
ウェーハ上を電子線走査することにより、ウェーハから２次電子１０７および反射電子１０８が発生する。これら発生した２次電子１０７および反射電子１０８は検出器１０９，１１０で検出され、電気信号に変換され、さらにＡ／Ｄ変換器１１１によりアナログ信号がディジタル信号に変換されることにより、２次元の濃淡画像が得られる。得られた画像は画像信号として処理器１１２に入力され、特徴量の算出等の処理が行われる。この結果は、コンピュータ１１４のディスプレイ１１６に表示され、必要に応じてハードディスク１１３のような記憶装置またはネットワークを介して他の装置のコンピュータ１１７に送信される。全体の管理はコンピュータ１１４で行われ、装置の動作の制御は、制御用コンピュータ１１５で行われる。２次電子１０７に基づく画像をＳＥ画像，反射電子１０８に基づく画像をＢＳＥ画像とよぶ。
【０００９】
図２は、本発明の手順の基本的な流れを示すフローチャートである。この手順は予めハードディスク１１３に記憶され、コンピュータ１１４で実行される。はじめに、半導体ウェーハ上に形成された回路パターンを自動的に撮像する条件を設定する（ステップ２０１）。ここで設定する条件は、撮像するパターンに視野を移動させるためのアドレッシング用の画像，電子顕微鏡の加速電圧やプローブ電流，撮像視野サイズ，画像積算枚数，オートフォーカス条件等である。また、撮像する画像が複数である場合には、その場所を特定するためのチップ番号やチップ位置を指定する。また、特徴量を算出するために基準画像を指定する。
【００１０】
次に、前記条件で所望の位置の画像を撮像する（ステップ２０２）。撮像されるのはＳＥ像のほか、対向する２つの検出器から得られる２枚のＢＳＥ像である。ＳＥ像は通常ウェーハを鉛直方向から観察した画像であり、またＢＳＥ像は斜め方向から光を照射し、鉛直方向から観察するような陰影画像となる。
【００１１】
次に、撮像された前記３枚の画像を使用してパターンの特徴量を算出する。算出には基準画像との正規化相関値Ｒを使用する。
【００１２】
【数１】
0004586051.tif 000002
【００１３】
ここでは、前記のように３枚の画像を使用するので、正規化相関値も３個得られる。これらをＲSE，ＲL，ＲRとする。これらのＲの値は基準画像ｆと撮像画像ｇとの類似度を表し、パターンのできばえを定量化する指標となる。従来では、類似度はＳＥ画像のみを使用していたため、直接にはパターンの２次元的な情報しか得られず、パターン側壁等の３次元形状まで含むできばえの定量化はできなかった。
【００１４】
本発明では、ＢＳＥ画像を使用することにより、パターン側壁の形状が陰影情報として描出されるため、このＢＳＥ画像の正規化相関値ＲL，ＲRを算出することによりパターンの３次元的形状を類似度という特徴量で定量化でき、これにより３次元的なできばえ評価が可能となる。
【００１５】
最後に前記算出された特徴量Ｒや撮像画像、撮像付帯情報等をディスプレイ１１６に表示する（ステップ２０３）。さらに必要に応じてハードディスク１１３のような記憶装置や、ネットワークを介して他の装置のコンピュータ１１７に送信する。なお、算出する特徴量によっては、ＳＥ像とＢＳＥ像の合成画像を使用する場合もある。
【００１６】
たとえば、
【００１７】
【数２】
0004586051.tif 000003
【００１８】
とすれば、鉛直方向から観察した形状情報に左または右からの陰影情報が付加された画像に基づいて特徴量が算出でき、これによりパターンの３次元形状が含まれたできばえが定量化できる。
【００１９】
また前式は以下のようなものでもよい。
【００２０】
【数３】
0004586051.tif 000004
【００２１】
これに従えば、左または右陰影が強調された画像に基づいて特徴量が算出でき、よりパターンの側壁に関する３次元情報を強調したできばえの定量化ができる。
【００２２】
また以下のような合成をすることもできる。
【００２３】
【数４】
0004586051.tif 000005
【００２４】
これによれば１枚の画像に左右陰影情報が含まれることになり、１枚の画像からパターンの３次元形状によるできばえが定量化できる。
【００２５】
数３の式から得られる画像に対して、閾値処理により画像のハイライト部，陰影部のみを抽出し、これら抽出された画像を使用して特徴量を算出することもできる。これを行うためには、まず、数３から得られた画像、
ｆR′＝αｆR＋βｆL
に対し、ハイライト部または陰影部のみを抽出できる閾値を決定する。
【００２６】
図３は画像の画素値と画素数のヒストグラムである。通常は、図３に示すような画像のヒストグラム３００を算出し、画素値の大きいハイライト部３０１、または画素値の小さい陰影部３０２を分離できるような閾値３０３と３０４を決定する。図３の例のように、画素数の山が３つあれば、２つの谷で閾値を設ければよい。ここで決定した閾値は、通常、他の画像にも適用できるため、画像撮像条件としてあらかじめ設定しておけば、画像ごとに作業者が設定する必要はなくなる。閾値の値が、ウェーハや撮像条件に依存する場合には、それぞれに対するレシピに登録しておく。複数登録しておけば、適宜選択することが可能である。
【００２７】
図４は走査型電子顕微鏡の画面に表示された画像の一例を示す画面図である。図４（ａ）には、図３に示した閾値３０３で分離されたハイライト部４０１が表示されている。図４（ｂ）には、図３に示した閾値３０４で分離された陰影部４０２が表示されている。このように、図３に示したヒストグラムを閾値で分離することで、画像のハイライト部４０１や陰影部４０２が分離されて表示され、３次元画像のできばえを定量化することが容易になる。
【００２８】
特徴量を算出するための画像は、撮像画像全体でなく、指定した範囲のみを使用することもできる。図５は、パターンの走査型電子顕微鏡の画像の一例を示す画面図であり、画像５００にラインとスペースのパターンが表示されている。パターンの不良個所５０１に着目してできばえ評価を行う場合、不良個所５０１の周囲については、できばえ評価が不要である。そこで、画面上で指定されたできばえ評価する領域５０２の内部だけをコンピュータ１１４により定量化するように、ハードディスク１１３にあらかじめプログラムを設定しておく。
【００２９】
領域５０２は、画像ごとに作業者が手動で設定してもよいが、不良個所５０１の発生に着目し、複数の画像から不良個所５０１と同様の不良を検出する場合には、領域５０２の画像をテンプレートとしてハードディスク１１３に登録しておき、撮像条件設定の際に特徴量算出エリアとしてこのテンプレートを使用するように指定することで、コンピュータ１１４が、テンプレートマッチング処理により撮像画像から自動的にこのエリアを検出し、特徴量を算出させるようにする。例えば、電子線を傾斜させて取得した画像で得られたパターンの側壁をこの領域５０２に指定することにより、画像を取得する都度、側壁を指定する必要がなくなり、側壁のできばえ評価を容易に行うことができるようになる。
【００３０】
以上、述べたように、ウェーハ鉛直方向からの２次電子画像に加え、対向して配置される検出器から得られる反射電子画像を使用することにより、パターンの側壁情報も陰影として画像化することができ、この側壁情報から特徴量を定量値として算出することにより、半導体パターンの３次元的なできばえを定量化することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】走査型電子顕微鏡の概略構成を示す縦断面図。
【図２】本発明の手順の基本的な流れを示すフローチャート。
【図３】画像の画素値と画素数のヒストグラム。
【図４】走査型電子顕微鏡の画面に表示された画像の一例を示す画面図。
【図５】パターンの走査型電子顕微鏡の画像の一例を示す画面図。
【符号の説明】
【００３２】
１００  走査型電子顕微鏡
１０２  ウェーハ
１０７  ２次電子
１０８  反射電子
１１２  処理器
１１３  ハードディスク
１１４  コンピュータ
１１５  制御用コンピュータ
１１６  ディスプレイ
【図１】
0004586051.tif 000006
【図２】
0004586051.tif 000007
【図３】
0004586051.tif 000008
【図４】
0004586051.tif 000009
【図５】
0004586051.tif 000010