JP5171071B2 - 撮像倍率調整方法及び荷電粒子線装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体検査装置及び半導体検査方法に関し、特に半導体ウェハ上の構造を撮影し、解析する検査装置の撮像倍率の調整方法に関する。

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。半導体ウェハ上のパターンの測定や観察を行う場合、荷電粒子線装置による検査は自動かつ連続的に行われる。しかし、観察や測定を行うための撮像条件，画像処理条件，検査項目等の検査条件は、操作者が手動で設定する必要がある。例えば、測定点あるいは測長点での測定倍率は、視野内にパターンが入り、かつ測長するための範囲が指定できるように操作者が判断及び決定をしている。しかしこの方法においては最終的にレシピ内全点の測定点あるいは測長点を一点ずつ操作者が確認し決定する必要がある。

これに対し、特許文献１には、配線パターンの設計データに基づいて、二次電子像の視野に相当する領域内の配線本数ｎがある範囲内になるように、電子ビーム装置内に対し該二次電子像の倍率を設定する二次電子像倍率設定手段について記載されている。

特許文献２には、設計データで検査位置と検査項目を指定することにより、検査対象の大きさを推定し、検査対象を撮影する倍率を決定することを可能とすることが記載されている。

特開平５−１０２２５９号公報 特開２００４−９５６５７号公報

引用文献１では、設計データに基づくレイアウト図に含まれる配線の本数から倍率を計算している。しかし、近年の設計データが複雑化している状況において、必ずしも測定したい場所に本数が数えられる配線が存在するわけではない。また、倍率決定を行う際に、配線本数ｎがある範囲内ｎ₁≦ｎ≦ｎ₂に収まるように倍率を決定しているが、ｎ₁，ｎ₂をどのように定まるかについての開示がない。

引用文献２では、検査項目として、ライン幅，スペース幅，ピッチ幅等を予め指定しておかなければ、撮像倍率が特定できない。このような手法では、非常に多くの検査位置において、測定すべきパターンの形状（ライン，ホール等）及び測定部分（ラインの幅，ホールの大きさ等）を予め定めなければならず、非常に煩雑である。

本発明は、設計データを用いて、測定点毎に簡便な手法で適切な撮像倍率を定める手法を提供するものである。

与えられた測定ポイント座標に対し、測定ポイント座標近傍の凹凸の変化する部分あるいは頂点を検索し、測定ポイント座標から凹凸の変化する部分の間あるいは近傍の頂点間の距離のうち、最小のものが視野内に収まるように撮像倍率を定める。

本発明の方法によれば、パターンの形状によらずに、設計データを用いた撮像倍率の決定をすることができる。

半導体検査装置の１つである測長走査型電子顕微鏡（ＣＤ−ＳＥＭ）を用いて、以下の実施例を説明する。尚、本発明は、ＣＤ−ＳＥＭ以外の半導体検査装置にも適用することができる。

図１はＣＤ−ＳＥＭの概略図である。制御装置１は、図示しないユーザーインターフェースから操作者によって入力された加速電圧，試料（半導体デバイス）情報，測定位置情報，ウェハカセット情報などをもとに、光学系制御装置２，ステージ制御装置３，試料搬送制御装置４、及び試料交換室制御装置５の制御を行っている。

制御装置１から命令を受けた試料搬送制御装置４は、搬送用ロボット８を、ウェハカセット６から任意のウェハ７が、ロードロック室９（試料交換室）の所定の位置に移動するように制御する。試料交換室制御装置５は、ロードロック室９へのウェハ７の出入りに連動して、ゲートバルブ１０，１１が開閉するような制御を行う。更に、試料交換室制御装置５は、ロードロック室９内を真空排気する真空ポンプ（図示せず）を制御し、ゲートバルブ１１が開くときには、試料室１２と同等の真空を、試料交換室９内にて形成する。試料交換室９に入ったウェハ７は、ゲートバルブ１１を介して、試料室１２に送られ、ステージ１３上に固定される。ロードロック室９と試料室１２は、試料を真空領域内に包囲するために形成されている。

光学系制御装置２は、制御装置１からの命令に従い、高電圧制御装置１４，コンデンサレンズ制御部１５，増幅器１６，偏向信号制御部１７、及び対物レンズ制御部１８を制御する。

引き出し電極１９により、電子源２０から引き出された電子ビーム２１は、コンデンサレンズ２２，対物レンズ２３によって集束され、試料ステージ１３上に配置されたウェハ７に照射される。電子ビーム２１は、偏向信号制御部１７から信号を受けた偏向器２４によりウェハ７上を、一次元的、或いは二次元的に走査される。

ウェハ７への電子ビーム２１の照射に起因して、ウェハから放出される二次電子２５は、二次電子変換電極２７によって、二次電子２８に変換され、その二次電子２８は二次電子検出器２９により捕捉され、増幅器１６を介して表示装置２６の表示画面の輝度信号として使用される。

また、表示装置２６の偏向信号と、偏向器２４の偏向信号とを同期させることにより、表示装置２６にはウェハ上のパターン形状を再現することができる。

このような走査電子顕微鏡において、試料（半導体デバイス）の撮像倍率を決定することは、従来操作者が行っていた。この撮像倍率の設定は、数百から数千存在する測定点又は測長点ごとにそれぞれ適切な倍率を判断及び決定を行っていたため、非常に煩雑であった。本発明は、設計データを用いて、簡便な手法で適切な撮像倍率を定める手法を提供するものである。

設計データとは、チップのデザインを表すデータであり、通常は配線の頂点の座標等のデータが保存してある。

このような、設計データを用いて撮像倍率の決定を行う。

まず、測定あるいは測長する位置の基準点を表す座標（以降測定ポイント座標と呼ぶ）を取得する。この測定ポイント座標の算出方法にはさまざまな種類がある。例えば、テストパターン等を作成する際に、測定点或いは測長点を定めておくため、予め測定ポイント座標が分かっている場合や、シミュレータツール等を用いて危険箇所と思われる座標を自動的に算出する方法等である。

次に設計データ上で測定点あるいは測長点を照合すると、測定点あるいは測長点の周辺には、パターン構造が存在する。そのパターン構造の凹凸の変化する部分を倍率決定に用いる。

測定点或いは測長点近傍の凹凸の変化の位置を用いて撮像倍率を決定する手法について図２を用いて説明する。この方法は、測定点或いは測長点が閉図形内にある場合に特に有効である。

図２は一般的な設計データのレイアウト図と、測定点或いは測長点の測定ポイント座標を表したものである。なお、図２は凹凸の変化の位置を表す設計データのレイアウト図である。レイアウト図は、設計データによるパターンの頂点の座標をつないだ線分の集合を表したものであり、各線分は、半導体試料パターンの凹凸が変わる部分を表している。下記の座標を求める上で、設計データの凹凸が変わる部分の座標が計算できれば良く、レイアウト図を作成することは必ずしも必要としない。

まず、測定ポイント座標からＸ方向正負の方向及びＹ方向正負の方向で、パターンの凹凸が変わる部分を探索する。パターンの凹凸が変わる部分、すなわち、図３の場合では、測定ポイント座標からレイアウト図の線分におろした垂線の足の座標を取得する。次に、この座標を用いて、Ｘ方向，Ｙ方向各々について、座標間の線分の距離を取得する。Ｘ方向を距離Ｄｘ、Ｙ方向をＤｙとする。それから、Ｄｘ，Ｄｙを比較して値の小さい方の値を倍率決定のための基準とする。例えば、図３においては、ＤｙかＤｘより小さいので、Ｄｙを倍率決定の基準とする。

短いほうの長さを倍率決定の基準とする理由は、ＣＤ−ＳＥＭで測定する対象が、半導体パターンの線幅であるからである。最終的な製品であるトランジスタの性能を左右する重要なパラメータが線幅であり、ＣＤ−ＳＥＭはこの線幅を測定対象としているため、短いほうの長さを倍率決定の基準とする。

この短い方の長さであるＤｙを与える両端の座標が、視野内に収まるように、半導体検査装置の撮像倍率を決定する。

設計データを用いて得られる倍率とＣＤ−ＳＥＭの倍率は関連しており、設計データに基づいて決定された倍率が制御装置１に入力されれば、入力された倍率で撮像が可能となる。

このような手法によって決定された倍率で、得られた半導体パターンの像は図４のようになる。

図面では、ラインパターンを用いて説明したが、ホールパターンでも同様の手法を用いることが出来る。ホール内に測定ポイント座標が入ったときもＸ方向及びＹ方向に対してパターンの凹凸が変わる部分（ホールの場合は、円周部）を探索し、その距離を取得する。さらにその距離の短い方を倍率決定の基準として、撮像倍率を決定する。

なお、パターンの凹凸が変わる線分が存在しない場合がある。このような場合には、対応する長さを設計データの端から端までの長さ、あるいは無限大として、他方の長さと比較すればよい。

測定点或いは測長点近傍のパターンの頂点を用いて撮像倍率を決定する手法について図７，図８を用いて説明する。この方法は、測定点或いは測長点が閉図形内にない場合に特に有効である。

図７は一般的な設計データのレイアウト図と、測定点或いは測頂点の測定ポイント座標を表したものである。

測定ポイント座標が閉図形内にない場合には、設計データの座標系に沿って凹凸の変化する部分（レイアウト図の線分）を探索しても、対応する点が存在しないため、実施例１の手法によって倍率を決定した場合には、測定に適した倍率になっていない可能性がある。

この場合には、測定ポイント座標の近傍に存在するパターンの頂点の座標を用いて倍率決定を行う。まず、測定ポイント座標の近傍に存在するレイアウト図の頂点を２点取得する。この２点及び測定ポイントが視野内に収まるように撮像倍率を設定する。

このような手法を採用する理由は、測定ポイント座標の近傍の２頂点および測定ポイント座標を視野に含んでいれば、ＣＤ−ＳＥＭが測定すべき長さも視野内に含まれるからである。

測定点或いは測長点が閉図形内にある場合とない場合の倍率決定方法の使い分けについての一実施例を図９のフローチャートを用いて説明する。

まず、測定ポイント座標からＸ方向の正側及び負側それぞれについて、凹凸の変化する部分の座標を取得する。凹凸の変化する部分が設計データ上に無ければ、次のステップに進む。Ｙ方向についても同様に、Ｙ方向の正側及び負側それぞれについて、凹凸の変化する部分の座標を取得する。凹凸の変化する部分が設計データ上に無ければ、次のステップに進む。

Ｘ方向の正側，負側の凹凸変化を表すポイントＡ，Ｂがいずれも存在する場合は、ポイントＡ，Ｂ間の距離Ｄｘを取得する。ポイントＡ，Ｂの一方もしくは両方が存在しない場合には、このステップを省略する。同様に、Ｙ方向の正側，負側の凹凸変化を表すポイントＣ，Ｄがいずれも存在する場合は、ポイントＣ，Ｄ間の距離Ｄｙを取得する。ポイントＣ，Ｄの一方もしくは両方が存在しない場合には、このステップを省略する。

また、測定ポイント座標から最も近傍の２頂点を抽出する。この座標をポイントＥ，Ｆとする。このポイントＥ，Ｆ間の距離を取得する。これをＤｚとする。このＤｘ，Ｄｙ，Ｄｚのうち、最小の長さのものを基準として、その長さを与える両端の座標及び測定ポイント座標が視野内に収まるように撮像倍率を決定する。

測定点或いは測長点近傍のパターンの辺を用いる手法と、頂点を用いる手法を複合して用いる手法について説明する。

図１０は一般的な設計データのレイアウト図と、測定点或いは測頂点の測定ポイント座標を表したものである。

まず、パターンの辺を用いる場合には、測定点或いは測長点からパターンの辺に対して下ろした垂線の足の座標を取得する。また、パターンの頂点に対しては頂点の座標を取得する。このようにして取得した座標のうち、測定ポイント座標からの距離が最も近いものを３点選び出す。これらの３点のうち、任意の２点を選んでその間の距離を比較した結果、最も短い長さを与える線分の両端の座標及び測定ポイント座標がＣＤ−ＳＥＭの視野内に収まるように倍率を決定する。

斜めパターンの時の倍率決定方法について説明する。まず、実施例１と同様に、測定ポイント座標から、設計データの座標系に沿って直線を引き、レイアウト図の線分との交点の座標を取得する。次に、この座標を用いて、Ｘ方向，Ｙ方向各々について、座標間の線分の距離を取得する。２つの線分のうち、短いほうの長さを基準として倍率を決定する。

斜めパターンに対する別の実施例を説明する。測長ポイントから、設計データの座標系ではなく配線パターンの直線部分に沿って、レイアウト図の線分との交点の座標を取得する。この取得方法を説明したものが図１２である。この交点の座標を用いて、座標間の線分の距離を取得する。２つの線分のうち、短いほうの長さを基準として、倍率を決定する。

このように、配線パターンの直線部分に沿った倍率決定方法では、配線パターンの直線部分と測長を行う方向とが一致しており、測長したい部分が確実に視野の中に入るというメリットがある。

上記実施例において説明した設計データを用いた倍率決定手法は、半導体検査装置に備えられたコンピュータでも、外部のコンピュータを用いても可能である。

ＳＥＭの倍率の詳細な決定方法について説明する。倍率を決定する基準となる長さが撮像可能な視野内に収まった場合については上記の実施例で説明した。しかし、視野の幅に対して小さすぎる、つまり倍率が低すぎると、パターンを測長するための検出信号強度
（プロファイル）が正しく作成できないことがある。また、低倍率であると、単位ピクセルあたりの持つ長さが大きいため、精度良く測長を行うことが出来ない。逆に、基準となる長さが視野の幅とほぼ等しいような高倍率であると、検出信号強度（プロファイル）の裾の部分の情報が視野内に収まらなくなり、測長する上で不便である。そこで、上記の問題を解決するため、倍率を決定する基準となる長さが視野の２分の１から４分の１程度となるように倍率を設定することが妥当である。

ＣＤ−ＳＥＭの概略図。 設計データのレイアウト図と測定ポイント座標（測定ポイントが閉図形内に存在する場合）。 凹凸が変化する部分の座標間の長さ測定。 設計データに基づいて決定した撮像倍率で撮像を行った結果を表す概念図。 ホールパターンの設計データのレイアウト図。 ホールパターンの設計データに基づいて決定した撮像倍率で撮像を行った結果を表す概念図。 設計データのレイアウト図と測定ポイント座標（測定ポイントが閉図形内に存在しない場合）。 測定ポイント座標近傍の座標及びその間の距離を表した図。 倍率決定方法のフローチャート。 設計データのレイアウト図と測定ポイント座標（測定ポイントが閉図形内に存在しない場合）。 斜めパターンにおける撮像倍率決定方法。 斜めパターンにおける撮像倍率決定方法。

符号の説明

１ 制御装置
２ 光学系制御装置
３ ステージ制御装置
４ 試料搬送制御装置
５ 試料交換室制御装置
６ ウェハカセット
７ ウェハ
８ 搬送用ロボット
９ ロードロック室（試料交換室）
１０，１１ ゲートバルブ
１２ 試料室
１３ ステージ
１４ 高電圧制御装置
１５ コンデンサレンズ制御部
１６ 増幅器
１７ 偏向信号制御部
１８ 対物レンズ制御部
１９ 引き出し電極
２０ 電子源
２１ 電子ビーム
２２ コンデンサレンズ
２３ 対物レンズ
２４ 偏向器
２５，２８ 二次電子
２６ 表示装置
２７ 二次電子変換電極
２９ 二次電子検出器
３０ 測定ポイント座標
３１ レイアウト図の線分（凹凸の変化する部分）
３２ 凹凸の変化する部分の座標間の距離Ｄｘ（Ｘ方向）
３３ 凹凸の変化する部分の座標間の距離Ｄｙ（Ｙ方向）
３４ 測定ポイント座標の最近傍の配線パターンの頂点
３５ 最近傍の頂点間の距離
３６ レイアウト図の辺に下ろした垂線の足
３７ 垂線の足の座標と配線パターンの頂点の距離
３８ レイアウト図の辺に沿った座標間の距離（長軸方向）
３９ レイアウト図の辺に沿った座標間の距離（短軸方向）

Claims (4)

1. 半導体検査装置の撮像倍率設定方法において、
   設計データに基づいて形成されるレイアウトデータ上で、
   与えられた測定基準点から、第一の方向に引いた線分と前記レイアウトデータの線分が最初に交わる第一の点の座標情報、
   当該測定基準点から前記第一の方向とは反対の第二の方向に引いた線分と前記レイアウトデータの線分が最初に交わる第二の点の座標情報、
   当該測定基準点から前記第一及び第二の方向とは異なる第三の方向に引いた線分と前記レイアウトデータの線分が最初に交わる第三の点の座標情報、及び
   当該測定基準点から前記第三の方向とは反対の第四の方向に引いた線分と前記レイアウトデータの線分が最初に交わる第四の点の座標情報を取得し、
   前記４つの座標情報から、前記第一の点と第二の点との間の第一の距離情報と、前記第三の点と第四の点との間の第二の距離情報を取得し、
   当該第一の距離と第二の距離のうち、短い方の距離に応じて、当該短い方の距離が半導体検査装置で撮像される視野内にて所定の比率で含まれるように、前記半導体検査装置の前記短い方の距離に相当する測定を行うときの画像の撮像倍率を設定することを特徴とする撮像倍率設定方法。
2. 請求項１において、
   前記第一の方向及び第二の方向と前記第三の方向と第四の方向は、前記設計データの有する座標系に平行或いは垂直であることを特徴とする撮像倍率設定方法。
3. 請求項１において、
   前記第一の方向及び第二の方向と前記第三の方向と第四の方向は、設計データにおける凹凸の変化を表す線分に平行或いは垂直であることを特徴とする撮像倍率設定方法。
4. 荷電粒子源と、前記荷電粒子源から出射した荷電粒子線を試料上に収束する対物レンズと、前記対物レンズを制御する制御装置と、を有する荷電粒子線装置において、
   前記制御装置は、設計データに基づいて形成されるレイアウトデータ上で、与えられた測定基準点から、第一の方向に引いた線分と前記レイアウトデータの線分が最初に交わる第一の点の座標情報、当該測定基準点から前記第一の方向とは反対の第二の方向に引いた線分と前記レイアウトデータの線分が最初に交わる第二の点の座標情報、当該測定基準点から前記第一及び第二の方向とは異なる第三の方向に引いた線分と前記レイアウトデータの線分が最初に交わる第三の点の座標情報、及び当該測定基準点から前記第三の方向とは反対の第四の方向に引いた線分と前記レイアウトデータの線分が最初に交わる第四の点の座標情報を取得し、
   前記４つの座標情報から、前記第一の点と第二の点との間の第一の距離情報と、前記第三の点と第四の点との間の第二の距離情報を取得し、
   当該第一の距離と第二の距離のうち、短い方の距離に応じて、当該短い方の距離が半導体検査装置で撮像される視野内にて所定の比率で含まれるように、前記半導体検査装置の前記短い方の距離に相当する測定を行うときの画像の撮像倍率を設定することを特徴とする荷電粒子線装置。

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