パターン測定装置及びパターン測定方法
【課題】測定対象のラインとスペースがほぼ等間隔に形成されているときに、ラインとスペースを識別することのできるパターン測定装置及びパターン測定方法を提供すること。
【解決手段】パターン測定装置は、荷電粒子ビームを走査して、試料上に形成されたパターンのラインプロファイルを作成するラインプロファイル作成部と、ラインプロファイルを２次微分して２次微分プロファイルを作成する微分プロファイル作成部と、２次微分プロファイルから得られるパターンのエッジ位置の近傍に出現する２つのピーク位置とピーク値からパターンのエッジが立ち上がりか立下りかを判定するエッジ検出部とを備える。エッジ検出部は、２次微分プロファイルから得られるパターンのエッジ位置の近傍に出現する２つのピーク位置をＸ１，Ｘ２（＞Ｘ１）としたとき、ピーク位置Ｘ１の信号量がピーク位置Ｘ２の信号量よりも大きいとき、パターンのエッジは立ち上がると判定する。
【解決手段】パターン測定装置は、荷電粒子ビームを走査して、試料上に形成されたパターンのラインプロファイルを作成するラインプロファイル作成部と、ラインプロファイルを２次微分して２次微分プロファイルを作成する微分プロファイル作成部と、２次微分プロファイルから得られるパターンのエッジ位置の近傍に出現する２つのピーク位置とピーク値からパターンのエッジが立ち上がりか立下りかを判定するエッジ検出部とを備える。エッジ検出部は、２次微分プロファイルから得られるパターンのエッジ位置の近傍に出現する２つのピーク位置をＸ１，Ｘ２（＞Ｘ１）としたとき、ピーク位置Ｘ１の信号量がピーク位置Ｘ２の信号量よりも大きいとき、パターンのエッジは立ち上がると判定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷電粒子ビームによるパターンの測定装置及び測定方法に関し、特に、等間隔のラインアンドスペースパターンのラインとスペースを識別することのできるパターン測定装置及びパターン測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
パターンの線幅測定方法として、走査型電子顕微鏡による測定が行われている。走査型電子顕微鏡では、電子線走査範囲内に入射電子を走査させながら照射し、シンチレータを介して試料から放出される２次電子を取得し、取得した電子の電子量を輝度に変換して表示装置に表示している。
【０００３】
このような走査型電子顕微鏡を用いて半導体装置の特性を管理する場合に、パターンの線幅が設計基準値内に形成されているか否かの作業を行うことが一般に採用されている。パターンの線幅の管理は、次のような手順によって行われている。フォトマスク上に形成されたパターンの所定範囲をディスプレイに表示した後、その表示範囲内の測定ポイントに照準を当てて電子ビームを照射し、測定ポイントから反射された二次電子に基づいて輝度分布の波形を取得する。そして、輝度分布の波形の高レベル部分の幅を線幅と判断する。この線幅が許容誤差の範囲内にあるか否かを判断し、許容誤差の範囲内であれば、次の工程に移り、許容誤差の範囲内でなければパターン形成の処理工程に戻される。
【０００４】
このように、パターンの線幅の測定は、半導体装置の製造工程において重要であり、線幅を正確に測定するための種々の手法が提案されている。
【０００５】
一般的に、２次電子量に対応する輝度の傾きが最大となる位置をパターンのエッジ位置としているが、特許文献１では、２次電子信号が極小値をとる位置をエッジ位置とみなすエッジ検出方法が開示されている。
【０００６】
また、特許文献２には、ラインアンドスペースパターンの輝度情報を１次微分して、ｘ方向に位置をずらした画像と元画像との自己相関値から平均的なライン幅やスペース幅を算出する方法が開示されている。
【特許文献１】特開平５−２９６７５４号公報
【特許文献２】特開２００５−１９５３６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したように、走査型電子顕微鏡を使用してパターンの線幅測定をする場合には、輝度の傾きが最大となる位置をエッジ位置としたり、２次電子信号が極小値をとる位置をエッジ位置とする方法が採用されている。
【０００８】
しかし、このようなエッジ位置の検出をラインアンドスペースパターンに適用した場合、次のような不都合が生じることがわかった。
【０００９】
ラインパターンとスペースパターンの幅がほぼ等しい場合、エッジを検出できても、エッジとエッジとの間がラインパターンかスペースパターンかの判別が困難となる。
【００１０】
これに対し、パターンの輝度（トーン）情報を考慮すれば、ラインパターンかスペースパターンかを判別することは可能である。例えば、図１（ａ）に示すように、通常はラインパターン６３ａのトーンがスペースパターン６２ａのトーンよりも高いため、エッジ６１間のトーンの高いパターン６３ａがラインパターンと判別できる。
【００１１】
しかし、パターンを形成する材質や膜厚によっては、図１（ｂ）に示すように、ラインパターン６３ｂとスペースパターン６２ｂにトーンの差がなかったり、図１（ｃ）に示すように、パターン６３ｃとスペースパターン６２ｃの部分のトーンが反転してしまう場合がある。このような場合には、エッジ６１間の部分がラインパターンなのかスペースパターンなのかを誤って判定してしまうおそれがある。
【００１２】
このような、ライン幅とスペース幅がほぼ等間隔に形成されたラインアンドスペースパターンについて、ラインパターンかスペースパターンかを識別する技術についての報告はされていない。
【００１３】
本発明は、かかる従来技術の課題に鑑みなされたものであり、目的は、測定対象のラインとスペースがほぼ等間隔に形成されているときにラインとスペースのトーンが反転しても、ラインパターンとスペースパターンを識別することのできるパターン測定装置及びパターン測定方法を提供することである。
【００１４】
更に、本発明の目的は、パターンの輝度の影響を受けることなく、測定対象部位の凹凸を的確に特定することのできるパターン測定装置及びパターン測定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記した課題は、荷電粒子ビームを走査して、試料上に形成されたパターンのラインプロファイルを作成するラインプロファイル作成部と、前記ラインプロファイルを２次微分して２次微分プロファイルを作成する微分プロファイル作成部と、前記２次微分プロファイルから得られる前記パターンのエッジ位置の近傍に出現する２つのピーク位置とピーク値から前記パターンのエッジが立ち上がりか立下りかを判定するエッジ検出部とを備えることを特徴とするパターン測定装置により解決する。
【００１６】
この形態に係るパターン測定装置において、前記エッジ検出部は、前記２次微分プロファイルから得られる前記パターンのエッジ位置の近傍に出現する２つのピーク位置をＸ１，Ｘ２（＞Ｘ１）としたとき、前記ピーク位置Ｘ１の信号量が前記ピーク位置Ｘ２の信号量よりも大きいとき、前記パターンのエッジは立ち上がると判定し、前記ピーク位置Ｘ１の信号量が前記ピーク位置Ｘ２の信号量よりも小さいとき、前記パターンのエッジは立ち下がると判定するようにしてもよい。
【００１７】
本発明では、ラインプロファイルを２次微分して２次微分プロファイルを作成し、２次微分プロファイルから得られるパターンのエッジ位置の近傍に出現する２つのピーク位置とピーク値からパターンのエッジが立ち上がりか、立ち下がりかを判定している。この判定は、例えば、２つのピーク位置をＸ１，Ｘ２としたとき、Ｘ１の信号強度とＸ２の信号強度とを比較し、Ｘ１の信号強度がＸ２の信号強度より大きいときはＸ１からＸ２の方向にエッジが立ち上がると判定している。これにより、例えばラインパターンとスペースパターンがほぼ等間隔に形成されたラインアンドスペースパターンの場合であってもラインパターンを確実に検出することが可能となる。
【００１８】
また、上記した課題は、荷電粒子ビームを走査して、試料上に形成されたパターンのラインプロファイルを作成するステップと、前記ラインプロファイルを２次微分して２次微分プロファイルを作成するステップと、前記２次微分プロファイルから前記パターンのエッジ位置の近傍に出現する２つのピーク位置とピーク値から前記パターンのエッジが立ち上がりか立ち下がりかを判定するステップと、を有することを特徴とするパターン測定方法により解決する。
【００１９】
本発明では、ラインプロファイルを２次微分して２次微分プロファイルを作成し、２次微分プロファイルから得られるパターンのエッジ位置の近傍に出現する２つのピーク位置とピーク値からパターンのエッジが立ち上がりか、立下りかを判定している。これにより、ラインとスペースの幅がほぼ等間隔であっても、ラインパターンを識別してラインパターンの幅を測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】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００２１】
はじめに、パターン測定装置として使用される走査型電子顕微鏡の構成について説明する。次に、一般的なパターンの線幅の測定方法について説明する。次に、ラインとスペースとがほぼ等間隔に形成されているときのパターン検出について説明する。特に、ラインとスペースでトーンの反転が生じてもラインとスペースとを識別することが可能なパターンの検出方法について説明する。最後に、本発明のパターン検出方法を適用したパターン測定方法について説明する。
【００２２】
（走査型電子顕微鏡の構成）
図２は、本実施形態に係る走査型電子顕微鏡の構成図である。
【００２３】
この走査型電子顕微鏡１００は、電子走査部１０と、信号処理部３０と、画像表示部４０と、記憶部５５と、電子走査部１０、信号処理部３０、画像表示部４０及び記憶部５５の各部を制御する制御部２０とに大別される。制御部２０は、プロファイル作成部２１、微分プロファイル作成部２２及びエッジ検出部２３を有している。
【００２４】
電子走査部１０は、電子銃１とコンデンサレンズ２と偏向コイル３と対物レンズ４と移動ステージ５と試料ホルダ６とを有している。
【００２５】
電子銃１から照射された荷電粒子９をコンデンサレンズ２、偏向コイル３、対物レンズ４を通して移動ステージ５上の試料７に照射するようになっている。
【００２６】
荷電粒子９が照射されて試料７から放出される２次電子は、シンチレータ等で構成される電子検出器８によって検出される。検出された２次電子の電子量は、信号処理部３０のＡＤ変換器によってデジタル量に変換され、画像データとして記憶部５５に格納される。画像データは輝度信号に変換されて画像表示部４０で表示される。なお、画像データには、取得された画像の範囲や、ＳＥＭの倍率等の情報も含まれている。偏向コイル３の電子偏向量と画像表示部４０の画像スキャン量は制御部２０によって制御される。また、制御部２０には、線幅測定を実行するためのプログラムが格納されている。
【００２７】
プロファイル作成部２１では、指定された範囲のＳＥＭ画像データの輝度信号を表すラインプロファイルを作成する。ラインプロファイルは、２次電子の電子量に対応した輝度信号を表すものであり、測定パターンの断面形状を反映すると考えられている。
【００２８】
微分プロファイル作成部２２では、ラインプロファイルに対して、１次微分処理及び２次微分処理を施し、１次微分プロファイル及び２次微分プロファイルを作成する。
【００２９】
エッジ検出部２３は、ラインプロファイル、１次微分プロファイル及び２次微分プロファイルからパターンのエッジを検出する。
【００３０】
（一般的なパターンの線幅の測定方法）
次に、図２に示した走査型電子顕微鏡１００を用いて、図３（ａ）に示す試料のパターンの線幅を測定する一般的な方法について説明する。
【００３１】
試料７として、図３（ａ）に示すように、半導体ウエハ上に下地層５０が形成され、その上に配線パターン５１が形成されたものを使用する。試料７の一部は図３（ａ）に示すような平面形状となっている。ここで、破線５２で囲んだ部分は、走査型電子顕微鏡１００の観察領域を示している。
【００３２】
図３（ｂ）は、図３（ａ）に示す試料上に電子ビームを走査して得られる２次電子等の電子量を電子検出器８によって検出し、検出した電子量を輝度信号に変換し、電子ビームの走査と表示装置のＣＲＴの走査とを同期させて表示したＳＥＭ画像の例を示している。
【００３３】
図３（ｂ）に示すＳＥＭ画像から、測長エリアを指定してＳＥＭ画像を抽出する。測長エリアは例えばＬ×Ｈが４００ピクセルの領域とする。この領域は、上側ラインマーカーＬＭ１、下側ラインマーカーＬＭ２、左側ラインマーカーＬＭ３及び右側ラインマーカーＬＭ４によってオペレータによって選択される。
【００３４】
抽出したＳＥＭ画像データから、測長エリアのＨ方向を分割し、分割した領域について輝度分布に対応するラインプロファイルを求める。なお、ラインプロファイルを求めるときに、長さＬ方向に例えば３ピクセル幅でスムージング処理を行うことによりノイズ成分を小さくすることができる。
【００３５】
図３（ｃ）は、図３（ａ）のＩ−Ｉ線に沿って電子ビームを照射したときに得られる試料から放出される２次電子の電子量に対応するラインプロファイルを示した図である。図３（ｃ）に示すように、ラインプロファイルは、パターンのエッジ部分で急激に変化する。急激に変化する位置を求めるために、ラインプロファイルを微分して、微分信号量の最大ピークと最小ピークを求める。ラインパターンの幅は、この最大ピークの位置と最小ピークの位置との間の距離として求められる。
【００３６】
以上の処理を分割したそれぞれの領域で行い、各領域で算出したパターンの幅の平均値を測長値としている。
【００３７】
（ラインとスペースがほぼ等間隔に形成されているときのパターン検出）
図４及び図５は、ラインアンドスペースパターンのＳＥＭ画像から得られる輝度信号を表すラインプロファイル、ラインプロファイルを１次微分及び２次微分した１次微分プロファイル及び２次微分プロファイルを示している。
【００３８】
図４は、ラインパターン６５ｂがスペース（パターンが形成されていない部分）６５ａ、６５ｃにはさまれた部分のラインプロファイル６６、１次微分プロファイル６７、２次微分プロファイル６８を示している。
【００３９】
図４のラインプロファイル６６に示すように、スペース６５ａとパターン６５ｂとの境界及び、パターン６５ｂとスペース６５ｃとの境界で、ラインプロファイル６６の信号量が大きくなっている。また、パターン６５ｂの信号量は、スペース６５ａ及びスペース６５ｃの信号量よりも大きくなっている。
【００４０】
一般に、パターンのエッジは、ラインプロファイルの中で、傾斜が最も急な位置が採用されている。この最も急な位置を算出するために、ラインプロファイルを１次微分し、１次微分プロファイルの最大値、最小値を求めている。
【００４１】
図４の１次微分プロファイル６７から分かるように、スペース６５ａとパターン６５ｂとの境界に対応する位置で最大値をとり、パターン６５ｂとスペース６５ｃとの境界に対応する位置で最小値をとる。これらの最大値及び最小値の位置は、スペースとパターンとの境界、つまりエッジ位置を示している。このように、１次微分プロファイル６７の最大値及び最小値の位置を算出することによりエッジ位置を求めている。
【００４２】
また、図４では、スペース６５ａとパターン６５ｂの境界、つまりパターン６５ｂのエッジの立ち上がりで最大値をとり、パターン６５ｂとスペース６５ｃの境界、つまりパターン６５ｂのエッジの立下りで最小値をとっている。
【００４３】
しかし、この関係が、常に成立するとは限らない。すなわち、１次微分プロファイルの最大値及び最小値は、ラインプロファイルの輝度信号量に依存し、例えば、パターンのエッジの立ち上がりで１次微分の最小値をとる場合もあり得る。そこで、本実施形態では、２次微分プロファイルを用いて、パターンのエッジが立ち上がりか立ち下がりかを識別している。
【００４４】
図４の２次微分プロファイル６８に示すように、ラインパターン６５ｂのスペース６５ａ側のエッジに対応する位置の近傍には、強度の値の異なる２つのピーク６８ａ、６８ｂが現れている。この２つの信号量の異なるピーク６８ａ、６８ｂの出現する位置（並び位置）が、エッジの立ち上がりと立下りとでは異なることが判明した。パターン６５ｂのスペース６５ａ側の立ち上がりエッジでは、図４の左側に信号量の大きなピーク６８ａが現れ、その右側にピーク６８ａよりも信号量の小さなピーク６８ｂが現れる。これに対し、パターン６５ｂのスペース６５ｃ側の立下りエッジでは、２つのピークのうち左側に信号量の小さなピーク６８ｃが現れ、その右側に信号量の大きなピーク６８ｄが現れる。従って、２つのピーク位置の並ぶ位置によって、上がりエッジか下がりエッジかを識別することができる。
【００４５】
エッジ位置の近傍に現れる２次微分プロファイルの、２つのピーク位置において、ピーク位置Ｘ１のピーク値をＰ１，ピーク位置Ｘ２（＞Ｘ１）のピーク値をＰ２としたとき、Ｐ１＞Ｐ２のときは、パターンのエッジが立ち上がり、Ｐ１＜Ｐ２のときは、パターンのエッジが立ち下がると判定される。
【００４６】
このように、ＳＥＭ画像から算出したラインプロファイルを２次微分することにより、エッジの立ち上がりと立ち下がりとを識別できる理由について以下に示す。
【００４７】
図４に示すラインプロファイル６６において、パターンのエッジの立ち上がりの部分からは、２次電子の放出量が平面部分に比べて多いため、ラインプロファイルでは６６ｃのように信号量が大きくなっている。ピークとなる点６６ｃのスペース６５ａ側では、急な立下り波形６６ａとなり、点６６ｃのパターン６５ｂ側では、なだらかな立下り波形６６ｂとなっている。このような波形は、パターンの形状に起因する。すなわち、パターンのエッジの谷側６５ｅは、基板とパターンとの接続部分に角があるのに対し、パターンのエッジの山側６５ｄでは角がとれた丸みを帯びた形状となっている。このエッジの谷側と山側の形状の違いが、急な立下り波形６６ａとなだらかな立下り波形６６ｂとして現れると考えられる。
【００４８】
このような波形６６ａ、６６ｂの違いが２次微分をすることによって信号量の差として現れると考えられる。
【００４９】
すなわち、波形６６ａのように急峻な部分を２次微分するとピーク値は大きな値をとり、波形６６ｂのようになだらかな部分を２次微分するとピーク値は小さな値をとる。
【００５０】
このような２点の異なる信号量のピークの出現は、パターンの形状に起因するものであるため、パターンのエッジ部の立ち上がり、立下りを識別することが可能になる。
【００５１】
図５は、スペース７０ｂがラインパターン７０ａ、７０ｃにはさまれた部分のラインプロファイル７１、１次微分プロファイル７２及び２次微分プロファイル７３を示している。
【００５２】
図５のラインプロファイル７１に示すように、パターン７０ａが形成されている部分とスペース７０ｂとの境界はラインプロファイル７１の信号量が大きくなっている。同様に、スペース７０ｂとパターン７０ｃが形成されている部分との境界でもラインプロファイル７１の信号量が大きくなっている。また、スペース７０ｂの信号量は、パターン７０ａ、７０ｃの信号量よりも小さくなっている。
【００５３】
図５の１次微分プロファイル７２に示すように、パターン７０ａとスペース７０ｂとの境界で、信号量の最小値をとり、スペース７０ｂとパターン７０ｃとの境界で、信号量の最大値をとる。これにより、パターン７０ａ、７０ｃのエッジ位置を求めることができる。
【００５４】
図５の２次微分プロファイル７３に示すように、パターン７０ａとスペース７０ｂとの境界に対応する位置の近傍には、信号量の異なる２つのピーク７３ａ及び７３ｂが現れている。この場合、図５の左から右の方向に、ピーク７３ａ、ピーク７３ｂが出現し、小さいピーク値から大きいピーク値となっている。従って、パターンのエッジは、立下りになっていることが検出できる。また、スペース７０ｂとパターン７０ｃの境界に対応する位置の近傍には、信号量の異なる２つのピーク７３ｃ及び７３ｄが現れている。この場合、図５の左から右の方向に、ピーク７３ｃ、ピーク７３ｄが出現し、大きなピーク値から小さなピーク値となっている。従って、パターンのエッジは、立ち上がりになっていることが検出できる。
【００５５】
次に、トーンが反転した場合であっても、エッジの立ち上がりと立下りを特定できることについて説明する。
【００５６】
図６は、図４と同じラインパターン６５ｂと隣接するスペース６５ａ、６５ｃに対する各種プロファイルを示している。通常、基板上に形成されるパターンの輝度はパターンが形成されていない部分（スペース）に比べてトーンが高くなり、画像では白く見える。しかし、パターンを形成する材質やパターンの膜厚によって、パターンとスペースのトーンの関係が反転する場合がある。図６のラインプロファイル８２は、パターン６５ｂの信号量がスペース６５ａ及び６５ｃよりも低いことを示している。すなわち、パターン６５ｂのトーンのほうが基板のトーンよりも小さくなった場合を示している。このような現象は、パターン６５ｂの材質やパターン６５ｂの膜厚に依存して発生すると考えられており、トーンの変化を制御することは困難である。
【００５７】
この場合、図６の１次微分プロファイル８３に示すように、スペース６５ａとパターン６５ｂとの境界で最小となり、パターン６５ｂとスペース６５ｃの境界で最大となっている。最大値及び最小値をとることから、境界の位置を算出することは可能である。しかし、スペース６５ａとパターン６５ｂの境界では最小となっているが、図４では、スペース６５ａとパターン６５ｂの境界で最大となっている。このように、１次微分の最大値、最小値からはパターンのエッジ部分が立ち上がりなのか立ち下がりなのかを判定することができない。すなわち、トーンが反転すると、１次微分のエッジ位置のピーク値が図４の場合とは逆の関係になり、ピーク値から上がりエッジか下がりエッジかを判定することはできない。
【００５８】
図６の２次微分プロファイル８４は、ラインプロファイル８２を２次微分したものである。この２次微分プロファイル８４に示すように、トーンが反転した場合であっても、エッジ位置における２つのピーク位置のピーク値の関係は、図４の場合と同様である。すなわち、スペース６５ａとパターン６５ｂの境界に対応する位置の近傍では、２つのピーク値８４ａ及び８４ｂが出現し、スペース６５ａからパターン６５ｂの方向にピーク値が下がっている。従って、エッジは立ち上がりエッジであると判定される。同様に、パターン６５ｂとスペース６５ｃとの境界に対応する位置の近傍でも２つのピーク値８４ｃ及び８４ｄが出現し、パターン６５ｂからスペース６５ｃの方向にピーク値が上がっているため、エッジは立ち下がりエッジであると判定される。このように、２次微分プロファイルのエッジ位置の近傍に出現する２つのピーク位置及びピーク値によって、トーンの反転の影響を受けず、立ち上がりエッジか立ち下がりエッジかを正しく判定することが可能となる。これにより、ラインパターンを確実に特定することができ、ラインパターン幅の測定スループットを向上させることが可能となる。
【００５９】
（パターン測定方法）
次に、図７、図８及び図９を用いて、電子ビームによるパターン測定方法について説明する。
【００６０】
図７は、ラインパターンとスペースパターンとがほぼ等間隔に形成されていても、ラインパターンを識別して、ライン幅を測定する処理の一例を示すフローチャートである。
【００６１】
図７のライン幅測定処理では、予めパターンが形成された試料のＳＥＭ画像が取得され、記憶部５５にＳＥＭ画像データが格納されているものとする。
【００６２】
まず、はじめに、ステップＳ１１において、所望の測長エリアを指定して、ＳＥＭ画像を取得する。このＳＥＭ画像データは、記憶部５５から抽出する。
【００６３】
次に、ステップＳ１２において、ステップＳ１１で取得したＳＥＭ画像データを所定の数の領域に分割する。
【００６４】
次に、ステップＳ１３において、ステップＳ１２で分割した領域におけるラインプロファイルを算出する。ラインプロファイルの算出は、制御部２０のプロファイル作成部２１がＳＥＭ画像データのうちの輝度情報を抽出して行う。
【００６５】
次に、ステップＳ１４において、ステップＳ１３で算出したラインプロファイルを１次微分する。１次微分処理は微分プロファイル作成部２２が行い、例えば、一般的な画像処理で使用されるソーベルフィルタなどの微分フィルタを用いて行う。１次微分した結果、信号量の最大値及び最小値をとる位置をエッジ位置として記録する。例えば、図８に示すようなテーブル形式で１次微分によるピーク位置をエッジ位置（例えば、Ｘ１）として記録し、記憶部５５に格納する。
【００６６】
次に、ステップＳ１５において、ステップＳ１３で算出したラインプロファイルを２次微分する。２次微分処理は、微分プロファイル作成部２２が行う。２次微分した結果、エッジ位置の近傍に出現する２つのピーク位置及びそれらのピーク位置のピーク値を記録する。これらの値は、ステップＳ１４で算出したエッジ位置と関連付けてテーブル形式で記憶部５５に格納する。図８では、エッジ位置Ｘ１に対応する２次微分によるピーク位置はＸ１１及びＸ１２であり、ピーク位置Ｘ１１のピーク値はＰ１１、ピーク位置Ｘ１２のピーク値はＰ１２となるように記録される。
【００６７】
次に、ステップＳ１６では、測長エリアの全領域について、エッジ位置、２次微分によるピーク位置とその位置のピーク値を算出する。すなわち、全領域についてこれらの値を算出するまで、ステップＳ１３からステップＳ１５までを繰り返し実行する。その後、エッジ位置、エッジ位置に対応する２次微分によって求められるピーク位置及びピーク値のそれぞれの平均をとり、指定された領域のエッジ位置等の値とする。
【００６８】
次のステップＳ１７では、パターンのエッジ部分が立ち上がりなのか、立ち下がりなのかを判定する。
【００６９】
次のステップＳ１８では、ステップＳ１７で判定した、パターンの立ち上がりのエッジのエッジ位置と、そのパターンの立ち上がりのエッジと対向する立下りのエッジのエッジ位置との間の幅を算出することにより、ラインパターンの線幅を算出する。
【００７０】
ここで、ステップＳ１７において行う、パターンのエッジ部分が立ち上がりなのか立ち下がりなのかの判定について図９のフローチャートを用いて説明する。
【００７１】
まず、ステップＳ２１では、記憶部５５に格納されている２次微分したラインプロファイルのピーク位置及びピーク値を抽出する。
【００７２】
次に、ステップＳ２２では、抽出したピーク位置Ｘ１のピーク値Ｐ１とピーク位置Ｘ２（＞Ｘ１）のピーク値の大きさの比較を行う。ピーク値Ｐ１がピーク値Ｐ２よりも大きいときは、ステップＳ２３に移行し、ピーク値Ｐ１がピーク値Ｐ２よりも小さいときは、ステップＳ２４に移行する。
【００７３】
次のステップＳ２３は、ピーク値Ｐ１がピーク値Ｐ２よりも大きい場合であり、パターンエッジ部は立ち上がるエッジであることをテーブルに記録する。
【００７４】
一方、ステップＳ２４は、ピーク値Ｐ１がピーク値Ｐ２よりも小さい場合であり、パターンエッジ部は立ち下がるエッジであることをテーブルに記録する。
【００７５】
以上説明したように、ラインアンドスペースパターンのライン幅の測定において、ＳＥＭ画像信号の強弱である輝度信号を表すラインプロファイルを求め、求めたラインプロファイルを２次微分して２次微分プロファイルを作成し、２次微分プロファイルから得られるパターンのエッジ位置の近傍に出現する２つのピーク位置からパターンのエッジが立ち上がりか、立ち下がりかを判定している。この判定は、例えば、２つのピーク位置をＸ１、Ｘ２（＞Ｘ１）としたとき、ピーク位置Ｘ１における信号量とピーク位置Ｘ２における信号量とを比較し、ピーク位置Ｘ１における信号量がピーク位置Ｘ２における信号量より大きいときは、エッジが立ち上がると判定している。これにより、ラインパターンとスペースパターンとがほぼ等間隔に形成されたラインアンドスペースパターンおいて、ラインパターンとスペースパターンのトーンが反転した場合であっても、ラインパターンを確実に検出して、ラインパターンの線幅を測定することが可能になる。
【００７６】
また、本実施形態では、２次微分プロファイルから得られるパターンのエッジ位置の近傍の２つのピーク値の大小関係から、パターンのエッジが立ち上がりか立ち下がりかを判定している。これにより、階段状に形成された凸形状、凹形状や、複雑な凹凸形状等の未知形状のパターンであっても、的確に凹凸形状を特定することが可能になる。この特定された凹凸情報に基づいて、凹凸形状を画面表示するようにしても良い。
【００７７】
また、本実施形態では、立ち上がりエッジと立ち下がりエッジとを識別することが可能になるため、パターンの測定の完全自動化を行うことが可能となる。
【００７８】
なお、本実施形態では、試料を照射する荷電粒子ビームとして電子ビームを使用した場合について説明したが、これに限らず、例えばイオンビームを使用する装置にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】ラインアンドスペースパターンのＳＥＭ像の一例を示す図である。
【図２】本発明の実施形態で使用される走査型電子顕微鏡の構成図である。
【図３】信号処理部が取得する電子像およびプロファイルの説明図である。
【図４】ラインパターンのときのプロファイルを説明する図である。
【図５】スペースパターンのときのプロファイルを説明する図である。
【図６】輝度が反転したときのラインパターンのプロファイルを説明する図である。
【図７】パターンを測定する処理の一例を示すフローチャートである。
【図８】１次微分によるピーク位置と２次微分によるピーク位置とを関連付けるテーブルの一例である。
【図９】立ち上がりエッジか立ち下がりエッジかを判定する処理の一例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００８０】
１…電子銃、２…コンデンサレンズ、３…偏向コイル、４…対物レンズ、５…移動ステージ、７…試料、８…電子検出器、９…荷電粒子、１０…電子走査部、２０…制御部、２１…プロファイル作成部、２２…微分プロファイル作成部、３０…信号処理部、４０…画像表示部、５０…下地層、５１…レジストパターン、５５…記憶部、６６，７１，８２…ラインプロファイル、６７，７２，８３…１次微分プロファイル、６８，７３，８４…２次微分プロファイル、１００…走査型電子顕微鏡。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷電粒子ビームによるパターンの測定装置及び測定方法に関し、特に、等間隔のラインアンドスペースパターンのラインとスペースを識別することのできるパターン測定装置及びパターン測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
パターンの線幅測定方法として、走査型電子顕微鏡による測定が行われている。走査型電子顕微鏡では、電子線走査範囲内に入射電子を走査させながら照射し、シンチレータを介して試料から放出される２次電子を取得し、取得した電子の電子量を輝度に変換して表示装置に表示している。
【０００３】
このような走査型電子顕微鏡を用いて半導体装置の特性を管理する場合に、パターンの線幅が設計基準値内に形成されているか否かの作業を行うことが一般に採用されている。パターンの線幅の管理は、次のような手順によって行われている。フォトマスク上に形成されたパターンの所定範囲をディスプレイに表示した後、その表示範囲内の測定ポイントに照準を当てて電子ビームを照射し、測定ポイントから反射された二次電子に基づいて輝度分布の波形を取得する。そして、輝度分布の波形の高レベル部分の幅を線幅と判断する。この線幅が許容誤差の範囲内にあるか否かを判断し、許容誤差の範囲内であれば、次の工程に移り、許容誤差の範囲内でなければパターン形成の処理工程に戻される。
【０００４】
このように、パターンの線幅の測定は、半導体装置の製造工程において重要であり、線幅を正確に測定するための種々の手法が提案されている。
【０００５】
一般的に、２次電子量に対応する輝度の傾きが最大となる位置をパターンのエッジ位置としているが、特許文献１では、２次電子信号が極小値をとる位置をエッジ位置とみなすエッジ検出方法が開示されている。
【０００６】
また、特許文献２には、ラインアンドスペースパターンの輝度情報を１次微分して、ｘ方向に位置をずらした画像と元画像との自己相関値から平均的なライン幅やスペース幅を算出する方法が開示されている。
【特許文献１】特開平５−２９６７５４号公報
【特許文献２】特開２００５−１９５３６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したように、走査型電子顕微鏡を使用してパターンの線幅測定をする場合には、輝度の傾きが最大となる位置をエッジ位置としたり、２次電子信号が極小値をとる位置をエッジ位置とする方法が採用されている。
【０００８】
しかし、このようなエッジ位置の検出をラインアンドスペースパターンに適用した場合、次のような不都合が生じることがわかった。
【０００９】
ラインパターンとスペースパターンの幅がほぼ等しい場合、エッジを検出できても、エッジとエッジとの間がラインパターンかスペースパターンかの判別が困難となる。
【００１０】
これに対し、パターンの輝度（トーン）情報を考慮すれば、ラインパターンかスペースパターンかを判別することは可能である。例えば、図１（ａ）に示すように、通常はラインパターン６３ａのトーンがスペースパターン６２ａのトーンよりも高いため、エッジ６１間のトーンの高いパターン６３ａがラインパターンと判別できる。
【００１１】
しかし、パターンを形成する材質や膜厚によっては、図１（ｂ）に示すように、ラインパターン６３ｂとスペースパターン６２ｂにトーンの差がなかったり、図１（ｃ）に示すように、パターン６３ｃとスペースパターン６２ｃの部分のトーンが反転してしまう場合がある。このような場合には、エッジ６１間の部分がラインパターンなのかスペースパターンなのかを誤って判定してしまうおそれがある。
【００１２】
このような、ライン幅とスペース幅がほぼ等間隔に形成されたラインアンドスペースパターンについて、ラインパターンかスペースパターンかを識別する技術についての報告はされていない。
【００１３】
本発明は、かかる従来技術の課題に鑑みなされたものであり、目的は、測定対象のラインとスペースがほぼ等間隔に形成されているときにラインとスペースのトーンが反転しても、ラインパターンとスペースパターンを識別することのできるパターン測定装置及びパターン測定方法を提供することである。
【００１４】
更に、本発明の目的は、パターンの輝度の影響を受けることなく、測定対象部位の凹凸を的確に特定することのできるパターン測定装置及びパターン測定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記した課題は、荷電粒子ビームを走査して、試料上に形成されたパターンのラインプロファイルを作成するラインプロファイル作成部と、前記ラインプロファイルを２次微分して２次微分プロファイルを作成する微分プロファイル作成部と、前記２次微分プロファイルから得られる前記パターンのエッジ位置の近傍に出現する２つのピーク位置とピーク値から前記パターンのエッジが立ち上がりか立下りかを判定するエッジ検出部とを備えることを特徴とするパターン測定装置により解決する。
【００１６】
この形態に係るパターン測定装置において、前記エッジ検出部は、前記２次微分プロファイルから得られる前記パターンのエッジ位置の近傍に出現する２つのピーク位置をＸ１，Ｘ２（＞Ｘ１）としたとき、前記ピーク位置Ｘ１の信号量が前記ピーク位置Ｘ２の信号量よりも大きいとき、前記パターンのエッジは立ち上がると判定し、前記ピーク位置Ｘ１の信号量が前記ピーク位置Ｘ２の信号量よりも小さいとき、前記パターンのエッジは立ち下がると判定するようにしてもよい。
【００１７】
本発明では、ラインプロファイルを２次微分して２次微分プロファイルを作成し、２次微分プロファイルから得られるパターンのエッジ位置の近傍に出現する２つのピーク位置とピーク値からパターンのエッジが立ち上がりか、立ち下がりかを判定している。この判定は、例えば、２つのピーク位置をＸ１，Ｘ２としたとき、Ｘ１の信号強度とＸ２の信号強度とを比較し、Ｘ１の信号強度がＸ２の信号強度より大きいときはＸ１からＸ２の方向にエッジが立ち上がると判定している。これにより、例えばラインパターンとスペースパターンがほぼ等間隔に形成されたラインアンドスペースパターンの場合であってもラインパターンを確実に検出することが可能となる。
【００１８】
また、上記した課題は、荷電粒子ビームを走査して、試料上に形成されたパターンのラインプロファイルを作成するステップと、前記ラインプロファイルを２次微分して２次微分プロファイルを作成するステップと、前記２次微分プロファイルから前記パターンのエッジ位置の近傍に出現する２つのピーク位置とピーク値から前記パターンのエッジが立ち上がりか立ち下がりかを判定するステップと、を有することを特徴とするパターン測定方法により解決する。
【００１９】
本発明では、ラインプロファイルを２次微分して２次微分プロファイルを作成し、２次微分プロファイルから得られるパターンのエッジ位置の近傍に出現する２つのピーク位置とピーク値からパターンのエッジが立ち上がりか、立下りかを判定している。これにより、ラインとスペースの幅がほぼ等間隔であっても、ラインパターンを識別してラインパターンの幅を測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】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００２１】
はじめに、パターン測定装置として使用される走査型電子顕微鏡の構成について説明する。次に、一般的なパターンの線幅の測定方法について説明する。次に、ラインとスペースとがほぼ等間隔に形成されているときのパターン検出について説明する。特に、ラインとスペースでトーンの反転が生じてもラインとスペースとを識別することが可能なパターンの検出方法について説明する。最後に、本発明のパターン検出方法を適用したパターン測定方法について説明する。
【００２２】
（走査型電子顕微鏡の構成）
図２は、本実施形態に係る走査型電子顕微鏡の構成図である。
【００２３】
この走査型電子顕微鏡１００は、電子走査部１０と、信号処理部３０と、画像表示部４０と、記憶部５５と、電子走査部１０、信号処理部３０、画像表示部４０及び記憶部５５の各部を制御する制御部２０とに大別される。制御部２０は、プロファイル作成部２１、微分プロファイル作成部２２及びエッジ検出部２３を有している。
【００２４】
電子走査部１０は、電子銃１とコンデンサレンズ２と偏向コイル３と対物レンズ４と移動ステージ５と試料ホルダ６とを有している。
【００２５】
電子銃１から照射された荷電粒子９をコンデンサレンズ２、偏向コイル３、対物レンズ４を通して移動ステージ５上の試料７に照射するようになっている。
【００２６】
荷電粒子９が照射されて試料７から放出される２次電子は、シンチレータ等で構成される電子検出器８によって検出される。検出された２次電子の電子量は、信号処理部３０のＡＤ変換器によってデジタル量に変換され、画像データとして記憶部５５に格納される。画像データは輝度信号に変換されて画像表示部４０で表示される。なお、画像データには、取得された画像の範囲や、ＳＥＭの倍率等の情報も含まれている。偏向コイル３の電子偏向量と画像表示部４０の画像スキャン量は制御部２０によって制御される。また、制御部２０には、線幅測定を実行するためのプログラムが格納されている。
【００２７】
プロファイル作成部２１では、指定された範囲のＳＥＭ画像データの輝度信号を表すラインプロファイルを作成する。ラインプロファイルは、２次電子の電子量に対応した輝度信号を表すものであり、測定パターンの断面形状を反映すると考えられている。
【００２８】
微分プロファイル作成部２２では、ラインプロファイルに対して、１次微分処理及び２次微分処理を施し、１次微分プロファイル及び２次微分プロファイルを作成する。
【００２９】
エッジ検出部２３は、ラインプロファイル、１次微分プロファイル及び２次微分プロファイルからパターンのエッジを検出する。
【００３０】
（一般的なパターンの線幅の測定方法）
次に、図２に示した走査型電子顕微鏡１００を用いて、図３（ａ）に示す試料のパターンの線幅を測定する一般的な方法について説明する。
【００３１】
試料７として、図３（ａ）に示すように、半導体ウエハ上に下地層５０が形成され、その上に配線パターン５１が形成されたものを使用する。試料７の一部は図３（ａ）に示すような平面形状となっている。ここで、破線５２で囲んだ部分は、走査型電子顕微鏡１００の観察領域を示している。
【００３２】
図３（ｂ）は、図３（ａ）に示す試料上に電子ビームを走査して得られる２次電子等の電子量を電子検出器８によって検出し、検出した電子量を輝度信号に変換し、電子ビームの走査と表示装置のＣＲＴの走査とを同期させて表示したＳＥＭ画像の例を示している。
【００３３】
図３（ｂ）に示すＳＥＭ画像から、測長エリアを指定してＳＥＭ画像を抽出する。測長エリアは例えばＬ×Ｈが４００ピクセルの領域とする。この領域は、上側ラインマーカーＬＭ１、下側ラインマーカーＬＭ２、左側ラインマーカーＬＭ３及び右側ラインマーカーＬＭ４によってオペレータによって選択される。
【００３４】
抽出したＳＥＭ画像データから、測長エリアのＨ方向を分割し、分割した領域について輝度分布に対応するラインプロファイルを求める。なお、ラインプロファイルを求めるときに、長さＬ方向に例えば３ピクセル幅でスムージング処理を行うことによりノイズ成分を小さくすることができる。
【００３５】
図３（ｃ）は、図３（ａ）のＩ−Ｉ線に沿って電子ビームを照射したときに得られる試料から放出される２次電子の電子量に対応するラインプロファイルを示した図である。図３（ｃ）に示すように、ラインプロファイルは、パターンのエッジ部分で急激に変化する。急激に変化する位置を求めるために、ラインプロファイルを微分して、微分信号量の最大ピークと最小ピークを求める。ラインパターンの幅は、この最大ピークの位置と最小ピークの位置との間の距離として求められる。
【００３６】
以上の処理を分割したそれぞれの領域で行い、各領域で算出したパターンの幅の平均値を測長値としている。
【００３７】
（ラインとスペースがほぼ等間隔に形成されているときのパターン検出）
図４及び図５は、ラインアンドスペースパターンのＳＥＭ画像から得られる輝度信号を表すラインプロファイル、ラインプロファイルを１次微分及び２次微分した１次微分プロファイル及び２次微分プロファイルを示している。
【００３８】
図４は、ラインパターン６５ｂがスペース（パターンが形成されていない部分）６５ａ、６５ｃにはさまれた部分のラインプロファイル６６、１次微分プロファイル６７、２次微分プロファイル６８を示している。
【００３９】
図４のラインプロファイル６６に示すように、スペース６５ａとパターン６５ｂとの境界及び、パターン６５ｂとスペース６５ｃとの境界で、ラインプロファイル６６の信号量が大きくなっている。また、パターン６５ｂの信号量は、スペース６５ａ及びスペース６５ｃの信号量よりも大きくなっている。
【００４０】
一般に、パターンのエッジは、ラインプロファイルの中で、傾斜が最も急な位置が採用されている。この最も急な位置を算出するために、ラインプロファイルを１次微分し、１次微分プロファイルの最大値、最小値を求めている。
【００４１】
図４の１次微分プロファイル６７から分かるように、スペース６５ａとパターン６５ｂとの境界に対応する位置で最大値をとり、パターン６５ｂとスペース６５ｃとの境界に対応する位置で最小値をとる。これらの最大値及び最小値の位置は、スペースとパターンとの境界、つまりエッジ位置を示している。このように、１次微分プロファイル６７の最大値及び最小値の位置を算出することによりエッジ位置を求めている。
【００４２】
また、図４では、スペース６５ａとパターン６５ｂの境界、つまりパターン６５ｂのエッジの立ち上がりで最大値をとり、パターン６５ｂとスペース６５ｃの境界、つまりパターン６５ｂのエッジの立下りで最小値をとっている。
【００４３】
しかし、この関係が、常に成立するとは限らない。すなわち、１次微分プロファイルの最大値及び最小値は、ラインプロファイルの輝度信号量に依存し、例えば、パターンのエッジの立ち上がりで１次微分の最小値をとる場合もあり得る。そこで、本実施形態では、２次微分プロファイルを用いて、パターンのエッジが立ち上がりか立ち下がりかを識別している。
【００４４】
図４の２次微分プロファイル６８に示すように、ラインパターン６５ｂのスペース６５ａ側のエッジに対応する位置の近傍には、強度の値の異なる２つのピーク６８ａ、６８ｂが現れている。この２つの信号量の異なるピーク６８ａ、６８ｂの出現する位置（並び位置）が、エッジの立ち上がりと立下りとでは異なることが判明した。パターン６５ｂのスペース６５ａ側の立ち上がりエッジでは、図４の左側に信号量の大きなピーク６８ａが現れ、その右側にピーク６８ａよりも信号量の小さなピーク６８ｂが現れる。これに対し、パターン６５ｂのスペース６５ｃ側の立下りエッジでは、２つのピークのうち左側に信号量の小さなピーク６８ｃが現れ、その右側に信号量の大きなピーク６８ｄが現れる。従って、２つのピーク位置の並ぶ位置によって、上がりエッジか下がりエッジかを識別することができる。
【００４５】
エッジ位置の近傍に現れる２次微分プロファイルの、２つのピーク位置において、ピーク位置Ｘ１のピーク値をＰ１，ピーク位置Ｘ２（＞Ｘ１）のピーク値をＰ２としたとき、Ｐ１＞Ｐ２のときは、パターンのエッジが立ち上がり、Ｐ１＜Ｐ２のときは、パターンのエッジが立ち下がると判定される。
【００４６】
このように、ＳＥＭ画像から算出したラインプロファイルを２次微分することにより、エッジの立ち上がりと立ち下がりとを識別できる理由について以下に示す。
【００４７】
図４に示すラインプロファイル６６において、パターンのエッジの立ち上がりの部分からは、２次電子の放出量が平面部分に比べて多いため、ラインプロファイルでは６６ｃのように信号量が大きくなっている。ピークとなる点６６ｃのスペース６５ａ側では、急な立下り波形６６ａとなり、点６６ｃのパターン６５ｂ側では、なだらかな立下り波形６６ｂとなっている。このような波形は、パターンの形状に起因する。すなわち、パターンのエッジの谷側６５ｅは、基板とパターンとの接続部分に角があるのに対し、パターンのエッジの山側６５ｄでは角がとれた丸みを帯びた形状となっている。このエッジの谷側と山側の形状の違いが、急な立下り波形６６ａとなだらかな立下り波形６６ｂとして現れると考えられる。
【００４８】
このような波形６６ａ、６６ｂの違いが２次微分をすることによって信号量の差として現れると考えられる。
【００４９】
すなわち、波形６６ａのように急峻な部分を２次微分するとピーク値は大きな値をとり、波形６６ｂのようになだらかな部分を２次微分するとピーク値は小さな値をとる。
【００５０】
このような２点の異なる信号量のピークの出現は、パターンの形状に起因するものであるため、パターンのエッジ部の立ち上がり、立下りを識別することが可能になる。
【００５１】
図５は、スペース７０ｂがラインパターン７０ａ、７０ｃにはさまれた部分のラインプロファイル７１、１次微分プロファイル７２及び２次微分プロファイル７３を示している。
【００５２】
図５のラインプロファイル７１に示すように、パターン７０ａが形成されている部分とスペース７０ｂとの境界はラインプロファイル７１の信号量が大きくなっている。同様に、スペース７０ｂとパターン７０ｃが形成されている部分との境界でもラインプロファイル７１の信号量が大きくなっている。また、スペース７０ｂの信号量は、パターン７０ａ、７０ｃの信号量よりも小さくなっている。
【００５３】
図５の１次微分プロファイル７２に示すように、パターン７０ａとスペース７０ｂとの境界で、信号量の最小値をとり、スペース７０ｂとパターン７０ｃとの境界で、信号量の最大値をとる。これにより、パターン７０ａ、７０ｃのエッジ位置を求めることができる。
【００５４】
図５の２次微分プロファイル７３に示すように、パターン７０ａとスペース７０ｂとの境界に対応する位置の近傍には、信号量の異なる２つのピーク７３ａ及び７３ｂが現れている。この場合、図５の左から右の方向に、ピーク７３ａ、ピーク７３ｂが出現し、小さいピーク値から大きいピーク値となっている。従って、パターンのエッジは、立下りになっていることが検出できる。また、スペース７０ｂとパターン７０ｃの境界に対応する位置の近傍には、信号量の異なる２つのピーク７３ｃ及び７３ｄが現れている。この場合、図５の左から右の方向に、ピーク７３ｃ、ピーク７３ｄが出現し、大きなピーク値から小さなピーク値となっている。従って、パターンのエッジは、立ち上がりになっていることが検出できる。
【００５５】
次に、トーンが反転した場合であっても、エッジの立ち上がりと立下りを特定できることについて説明する。
【００５６】
図６は、図４と同じラインパターン６５ｂと隣接するスペース６５ａ、６５ｃに対する各種プロファイルを示している。通常、基板上に形成されるパターンの輝度はパターンが形成されていない部分（スペース）に比べてトーンが高くなり、画像では白く見える。しかし、パターンを形成する材質やパターンの膜厚によって、パターンとスペースのトーンの関係が反転する場合がある。図６のラインプロファイル８２は、パターン６５ｂの信号量がスペース６５ａ及び６５ｃよりも低いことを示している。すなわち、パターン６５ｂのトーンのほうが基板のトーンよりも小さくなった場合を示している。このような現象は、パターン６５ｂの材質やパターン６５ｂの膜厚に依存して発生すると考えられており、トーンの変化を制御することは困難である。
【００５７】
この場合、図６の１次微分プロファイル８３に示すように、スペース６５ａとパターン６５ｂとの境界で最小となり、パターン６５ｂとスペース６５ｃの境界で最大となっている。最大値及び最小値をとることから、境界の位置を算出することは可能である。しかし、スペース６５ａとパターン６５ｂの境界では最小となっているが、図４では、スペース６５ａとパターン６５ｂの境界で最大となっている。このように、１次微分の最大値、最小値からはパターンのエッジ部分が立ち上がりなのか立ち下がりなのかを判定することができない。すなわち、トーンが反転すると、１次微分のエッジ位置のピーク値が図４の場合とは逆の関係になり、ピーク値から上がりエッジか下がりエッジかを判定することはできない。
【００５８】
図６の２次微分プロファイル８４は、ラインプロファイル８２を２次微分したものである。この２次微分プロファイル８４に示すように、トーンが反転した場合であっても、エッジ位置における２つのピーク位置のピーク値の関係は、図４の場合と同様である。すなわち、スペース６５ａとパターン６５ｂの境界に対応する位置の近傍では、２つのピーク値８４ａ及び８４ｂが出現し、スペース６５ａからパターン６５ｂの方向にピーク値が下がっている。従って、エッジは立ち上がりエッジであると判定される。同様に、パターン６５ｂとスペース６５ｃとの境界に対応する位置の近傍でも２つのピーク値８４ｃ及び８４ｄが出現し、パターン６５ｂからスペース６５ｃの方向にピーク値が上がっているため、エッジは立ち下がりエッジであると判定される。このように、２次微分プロファイルのエッジ位置の近傍に出現する２つのピーク位置及びピーク値によって、トーンの反転の影響を受けず、立ち上がりエッジか立ち下がりエッジかを正しく判定することが可能となる。これにより、ラインパターンを確実に特定することができ、ラインパターン幅の測定スループットを向上させることが可能となる。
【００５９】
（パターン測定方法）
次に、図７、図８及び図９を用いて、電子ビームによるパターン測定方法について説明する。
【００６０】
図７は、ラインパターンとスペースパターンとがほぼ等間隔に形成されていても、ラインパターンを識別して、ライン幅を測定する処理の一例を示すフローチャートである。
【００６１】
図７のライン幅測定処理では、予めパターンが形成された試料のＳＥＭ画像が取得され、記憶部５５にＳＥＭ画像データが格納されているものとする。
【００６２】
まず、はじめに、ステップＳ１１において、所望の測長エリアを指定して、ＳＥＭ画像を取得する。このＳＥＭ画像データは、記憶部５５から抽出する。
【００６３】
次に、ステップＳ１２において、ステップＳ１１で取得したＳＥＭ画像データを所定の数の領域に分割する。
【００６４】
次に、ステップＳ１３において、ステップＳ１２で分割した領域におけるラインプロファイルを算出する。ラインプロファイルの算出は、制御部２０のプロファイル作成部２１がＳＥＭ画像データのうちの輝度情報を抽出して行う。
【００６５】
次に、ステップＳ１４において、ステップＳ１３で算出したラインプロファイルを１次微分する。１次微分処理は微分プロファイル作成部２２が行い、例えば、一般的な画像処理で使用されるソーベルフィルタなどの微分フィルタを用いて行う。１次微分した結果、信号量の最大値及び最小値をとる位置をエッジ位置として記録する。例えば、図８に示すようなテーブル形式で１次微分によるピーク位置をエッジ位置（例えば、Ｘ１）として記録し、記憶部５５に格納する。
【００６６】
次に、ステップＳ１５において、ステップＳ１３で算出したラインプロファイルを２次微分する。２次微分処理は、微分プロファイル作成部２２が行う。２次微分した結果、エッジ位置の近傍に出現する２つのピーク位置及びそれらのピーク位置のピーク値を記録する。これらの値は、ステップＳ１４で算出したエッジ位置と関連付けてテーブル形式で記憶部５５に格納する。図８では、エッジ位置Ｘ１に対応する２次微分によるピーク位置はＸ１１及びＸ１２であり、ピーク位置Ｘ１１のピーク値はＰ１１、ピーク位置Ｘ１２のピーク値はＰ１２となるように記録される。
【００６７】
次に、ステップＳ１６では、測長エリアの全領域について、エッジ位置、２次微分によるピーク位置とその位置のピーク値を算出する。すなわち、全領域についてこれらの値を算出するまで、ステップＳ１３からステップＳ１５までを繰り返し実行する。その後、エッジ位置、エッジ位置に対応する２次微分によって求められるピーク位置及びピーク値のそれぞれの平均をとり、指定された領域のエッジ位置等の値とする。
【００６８】
次のステップＳ１７では、パターンのエッジ部分が立ち上がりなのか、立ち下がりなのかを判定する。
【００６９】
次のステップＳ１８では、ステップＳ１７で判定した、パターンの立ち上がりのエッジのエッジ位置と、そのパターンの立ち上がりのエッジと対向する立下りのエッジのエッジ位置との間の幅を算出することにより、ラインパターンの線幅を算出する。
【００７０】
ここで、ステップＳ１７において行う、パターンのエッジ部分が立ち上がりなのか立ち下がりなのかの判定について図９のフローチャートを用いて説明する。
【００７１】
まず、ステップＳ２１では、記憶部５５に格納されている２次微分したラインプロファイルのピーク位置及びピーク値を抽出する。
【００７２】
次に、ステップＳ２２では、抽出したピーク位置Ｘ１のピーク値Ｐ１とピーク位置Ｘ２（＞Ｘ１）のピーク値の大きさの比較を行う。ピーク値Ｐ１がピーク値Ｐ２よりも大きいときは、ステップＳ２３に移行し、ピーク値Ｐ１がピーク値Ｐ２よりも小さいときは、ステップＳ２４に移行する。
【００７３】
次のステップＳ２３は、ピーク値Ｐ１がピーク値Ｐ２よりも大きい場合であり、パターンエッジ部は立ち上がるエッジであることをテーブルに記録する。
【００７４】
一方、ステップＳ２４は、ピーク値Ｐ１がピーク値Ｐ２よりも小さい場合であり、パターンエッジ部は立ち下がるエッジであることをテーブルに記録する。
【００７５】
以上説明したように、ラインアンドスペースパターンのライン幅の測定において、ＳＥＭ画像信号の強弱である輝度信号を表すラインプロファイルを求め、求めたラインプロファイルを２次微分して２次微分プロファイルを作成し、２次微分プロファイルから得られるパターンのエッジ位置の近傍に出現する２つのピーク位置からパターンのエッジが立ち上がりか、立ち下がりかを判定している。この判定は、例えば、２つのピーク位置をＸ１、Ｘ２（＞Ｘ１）としたとき、ピーク位置Ｘ１における信号量とピーク位置Ｘ２における信号量とを比較し、ピーク位置Ｘ１における信号量がピーク位置Ｘ２における信号量より大きいときは、エッジが立ち上がると判定している。これにより、ラインパターンとスペースパターンとがほぼ等間隔に形成されたラインアンドスペースパターンおいて、ラインパターンとスペースパターンのトーンが反転した場合であっても、ラインパターンを確実に検出して、ラインパターンの線幅を測定することが可能になる。
【００７６】
また、本実施形態では、２次微分プロファイルから得られるパターンのエッジ位置の近傍の２つのピーク値の大小関係から、パターンのエッジが立ち上がりか立ち下がりかを判定している。これにより、階段状に形成された凸形状、凹形状や、複雑な凹凸形状等の未知形状のパターンであっても、的確に凹凸形状を特定することが可能になる。この特定された凹凸情報に基づいて、凹凸形状を画面表示するようにしても良い。
【００７７】
また、本実施形態では、立ち上がりエッジと立ち下がりエッジとを識別することが可能になるため、パターンの測定の完全自動化を行うことが可能となる。
【００７８】
なお、本実施形態では、試料を照射する荷電粒子ビームとして電子ビームを使用した場合について説明したが、これに限らず、例えばイオンビームを使用する装置にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】ラインアンドスペースパターンのＳＥＭ像の一例を示す図である。
【図２】本発明の実施形態で使用される走査型電子顕微鏡の構成図である。
【図３】信号処理部が取得する電子像およびプロファイルの説明図である。
【図４】ラインパターンのときのプロファイルを説明する図である。
【図５】スペースパターンのときのプロファイルを説明する図である。
【図６】輝度が反転したときのラインパターンのプロファイルを説明する図である。
【図７】パターンを測定する処理の一例を示すフローチャートである。
【図８】１次微分によるピーク位置と２次微分によるピーク位置とを関連付けるテーブルの一例である。
【図９】立ち上がりエッジか立ち下がりエッジかを判定する処理の一例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００８０】
１…電子銃、２…コンデンサレンズ、３…偏向コイル、４…対物レンズ、５…移動ステージ、７…試料、８…電子検出器、９…荷電粒子、１０…電子走査部、２０…制御部、２１…プロファイル作成部、２２…微分プロファイル作成部、３０…信号処理部、４０…画像表示部、５０…下地層、５１…レジストパターン、５５…記憶部、６６，７１，８２…ラインプロファイル、６７，７２，８３…１次微分プロファイル、６８，７３，８４…２次微分プロファイル、１００…走査型電子顕微鏡。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子ビームを走査して、試料上に形成されたパターンのラインプロファイルを作成するラインプロファイル作成部と、
前記ラインプロファイルを２次微分して２次微分プロファイルを作成する微分プロファイル作成部と、
前記２次微分プロファイルから得られる前記パターンのエッジ位置の近傍に出現する２つのピーク位置とピーク値から前記パターンのエッジが立ち上がりか立下りかを判定するエッジ検出部と
を備えることを特徴とするパターン測定装置。
【請求項２】
前記エッジ検出部は、前記２次微分プロファイルから得られる前記パターンのエッジ位置の近傍に出現する２つのピーク位置をＸ１，Ｘ２（＞Ｘ１）としたとき、前記ピーク位置Ｘ１の信号量が前記ピーク位置Ｘ２の信号量よりも大きいとき、前記パターンのエッジは立ち上がると判定することを特徴とする請求項１に記載のパターン測定装置。
【請求項３】
前記エッジ検出部は、前記２次微分プロファイルから得られる前記パターンのエッジ位置の近傍に出現する２つのピーク位置をＸ１，Ｘ２（＞Ｘ１）としたとき、前記ピーク位置Ｘ１の信号量が前記ピーク位置Ｘ２の信号量よりも小さいとき、前記パターンのエッジは立ち下がると判定することを特徴とする請求項１に記載のパターン測定装置。
【請求項４】
前記試料上に形成されたパターンは、ラインパターンが等間隔に形成されたラインアンドスペースパターンであることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のパターン測定装置。
【請求項５】
荷電粒子ビームを走査して、試料上に形成されたパターンのラインプロファイルを作成するステップと、
前記ラインプロファイルを２次微分して２次微分プロファイルを作成するステップと、
前記２次微分プロファイルから前記パターンのエッジ位置の近傍に出現する２つのピーク位置とピーク値から前記パターンのエッジが立ち上がりか立ち下がりかを判定するステップと、
を有することを特徴とするパターン測定方法。
【請求項６】
前記エッジが立ち上がりか立ち下がりかは、前記２次微分プロファイルから得られる前記パターンのエッジ位置の近傍に出現する２つのピーク位置をＸ１，Ｘ２（＞Ｘ１）としたとき、前記ピーク位置Ｘ１の信号量が前記ピーク位置Ｘ２の信号量よりも大きいとき、前記パターンのエッジは立ち上がると判定することを特徴とする請求項５に記載のパターン測定方法。
【請求項７】
前記エッジが立ち上がりか立ち下がりかは、前記２次微分プロファイルから得られる前記パターンのエッジ位置の近傍に出現する２つのピーク位置をＸ１，Ｘ２（＞Ｘ１）としたとき、前記ピーク位置Ｘ１の信号量が前記ピーク位置Ｘ２の信号量よりも小さいとき、前記パターンのエッジは立ち下がると判定することを特徴とする請求項５に記載のパターン測定方法。
【請求項８】
前記試料上に形成されたパターンは、ラインパターンが等間隔に形成されたラインアンドスペースパターンであることを特徴とする請求項５から７のいずれか一項に記載のパターン測定方法。
【請求項９】
荷電粒子ビームを走査して、試料上に形成されたパターンのラインプロファイルを取得し、前記ラインプロファイルを２次微分した２次微分プロファイルにおいて、近傍の２つのピーク値の大小関係から、当該２つのピーク値を示すパターン位置が立ち上がり形状か、立ち下がり形状かを特定することを特徴とするパターン測定装置。
【請求項１】
荷電粒子ビームを走査して、試料上に形成されたパターンのラインプロファイルを作成するラインプロファイル作成部と、
前記ラインプロファイルを２次微分して２次微分プロファイルを作成する微分プロファイル作成部と、
前記２次微分プロファイルから得られる前記パターンのエッジ位置の近傍に出現する２つのピーク位置とピーク値から前記パターンのエッジが立ち上がりか立下りかを判定するエッジ検出部と
を備えることを特徴とするパターン測定装置。
【請求項２】
前記エッジ検出部は、前記２次微分プロファイルから得られる前記パターンのエッジ位置の近傍に出現する２つのピーク位置をＸ１，Ｘ２（＞Ｘ１）としたとき、前記ピーク位置Ｘ１の信号量が前記ピーク位置Ｘ２の信号量よりも大きいとき、前記パターンのエッジは立ち上がると判定することを特徴とする請求項１に記載のパターン測定装置。
【請求項３】
前記エッジ検出部は、前記２次微分プロファイルから得られる前記パターンのエッジ位置の近傍に出現する２つのピーク位置をＸ１，Ｘ２（＞Ｘ１）としたとき、前記ピーク位置Ｘ１の信号量が前記ピーク位置Ｘ２の信号量よりも小さいとき、前記パターンのエッジは立ち下がると判定することを特徴とする請求項１に記載のパターン測定装置。
【請求項４】
前記試料上に形成されたパターンは、ラインパターンが等間隔に形成されたラインアンドスペースパターンであることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のパターン測定装置。
【請求項５】
荷電粒子ビームを走査して、試料上に形成されたパターンのラインプロファイルを作成するステップと、
前記ラインプロファイルを２次微分して２次微分プロファイルを作成するステップと、
前記２次微分プロファイルから前記パターンのエッジ位置の近傍に出現する２つのピーク位置とピーク値から前記パターンのエッジが立ち上がりか立ち下がりかを判定するステップと、
を有することを特徴とするパターン測定方法。
【請求項６】
前記エッジが立ち上がりか立ち下がりかは、前記２次微分プロファイルから得られる前記パターンのエッジ位置の近傍に出現する２つのピーク位置をＸ１，Ｘ２（＞Ｘ１）としたとき、前記ピーク位置Ｘ１の信号量が前記ピーク位置Ｘ２の信号量よりも大きいとき、前記パターンのエッジは立ち上がると判定することを特徴とする請求項５に記載のパターン測定方法。
【請求項７】
前記エッジが立ち上がりか立ち下がりかは、前記２次微分プロファイルから得られる前記パターンのエッジ位置の近傍に出現する２つのピーク位置をＸ１，Ｘ２（＞Ｘ１）としたとき、前記ピーク位置Ｘ１の信号量が前記ピーク位置Ｘ２の信号量よりも小さいとき、前記パターンのエッジは立ち下がると判定することを特徴とする請求項５に記載のパターン測定方法。
【請求項８】
前記試料上に形成されたパターンは、ラインパターンが等間隔に形成されたラインアンドスペースパターンであることを特徴とする請求項５から７のいずれか一項に記載のパターン測定方法。
【請求項９】
荷電粒子ビームを走査して、試料上に形成されたパターンのラインプロファイルを取得し、前記ラインプロファイルを２次微分した２次微分プロファイルにおいて、近傍の２つのピーク値の大小関係から、当該２つのピーク値を示すパターン位置が立ち上がり形状か、立ち下がり形状かを特定することを特徴とするパターン測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００７−２９２７３２（Ｐ２００７−２９２７３２Ａ）
【公開日】平成１９年１１月８日（２００７．１１．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−４０８５８（Ｐ２００７−４０８５８）
【出願日】平成１９年２月２１日（２００７．２．２１）
【出願人】（３９０００５１７５）株式会社アドバンテスト (1,005)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１１月８日（２００７．１１．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年２月２１日（２００７．２．２１）
【出願人】（３９０００５１７５）株式会社アドバンテスト (1,005)
【Ｆターム（参考）】
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