JP7555896B2 - 荷電粒子線画像処理装置とそれを備える荷電粒子線装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体のラインパターン検査に用いられる荷電粒子線装置が生成する観察像の画像処理を行う荷電粒子線画像処理装置に関する。

荷電粒子線装置は、電子線等の荷電粒子線を試料に照射することによって、試料の微細な構造を観察するための観察像を生成する装置であり、半導体の製造工程等に用いられる。半導体の製造工程では、半導体のラインパターンのエッジの凹凸であるＬＥＲ（Line Edge Roughness）の計測が重要である。

特許文献１には、ＬＥＲのゆらぎを理論的な根拠に基づいて計測することが開示される。具体的には、ラインパターンの観察像の検査領域よりも短い計測領域内において計測される複数個所のエッジのＬＥＲの空間周波数分布を算出し、算出された空間周波数分布に基づいて検査領域のＬＥＲを算出することが開示される。

特開２００８-１１６４７２号公報

しかしながら特許文献１では、エッジ群の周期性の評価に留まっており、エッジ群の連続性の評価に至っていない。すなわち広すぎる検査領域のためにエッジ群の中のエッジの間隔が粗くなるとエッジ群の連続性が保たれず、ラインエッジラフネスの計測精度が低下する。

そこで本発明は、ラインパターンのエッジを含む観察像に対して適切な検査領域を設定することが可能な荷電粒子線画像処理装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、荷電粒子線装置が生成する観察像を画像処理する荷電粒子線画像処理装置であって、前記観察像の検査領域からラインパターンのエッジを抽出する抽出部と、前記検査領域を複数の計測点数を有する区画に分割する分割部と、前記区画のそれぞれにおいてラインエッジラフネスを計測し、区画毎のラインエッジラフネスの分布データを生成する計測部と、前記検査領域の全域におけるラインエッジラフネスを算出し、区画毎のラインエッジラフネスの理論曲線を算出する算出部と、前記分布データと前記理論曲線との比較に基づいて、前記検査領域が適切か否かを判定する判定部を備えることを特徴とする。

本発明によれば、ラインパターンのエッジを含む観察像に対して適切な検査領域を設定することが可能な荷電粒子線画像処理装置を提供することができる。

実施例１の荷電粒子線画像処理装置の全体構成の一例を示す図である。 荷電粒子線装置の全体構成の一例を示す図である。 適切な検査領域とサンプリング間隔について説明する図である。 実施例１に係わる処理の流れの一例を示す図である。 分布データと理論曲線の比較について説明する図である。 サンプリング間隔が適切でないことを警告する警告画面の一例を示す図である。

以下、添付図面に従って本発明に係る荷電粒子線画像処理装置の実施例について説明する。なお、以下の説明及び添付図面において、同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略することにする。

図１は荷電粒子線画像処理装置１のハードウェア構成を示す図である。荷電粒子線画像処理装置１は、演算部２、メモリ３、記憶装置４、ネットワークアダプタ５がシステムバス６によって信号送受可能に接続されて構成される。また荷電粒子線画像処理装置１は、ネットワーク９を介して荷電粒子線装置１０や荷電粒子線画像データベース１１と信号送受可能に接続される。さら荷電粒子線画像処理装置１には、表示装置７と入力装置８が接続される。ここで、「信号送受可能に」とは、電気的、光学的に有線、無線を問わずに、相互にあるいは一方から他方へ信号送受可能な状態を示す。

演算部２は、各構成要素の動作を制御する装置であり、具体的にはＣＰＵ（Central Processing Unit）やＭＰＵ（Micro Processor Unit）等である。演算部２は、記憶装置４に格納されるプログラムやプログラム実行に必要なデータをメモリ３にロードして実行し、荷電粒子線画像に対して様々な画像処理を施す。メモリ３は、演算部２が実行するプログラムや演算処理の途中経過を記憶するものである。記憶装置４は、演算部２が実行するプログラムやプログラム実行に必要なデータを格納する装置であり、具体的にはＨＤＤ(Hard Disk Drive)やＳＳＤ(Solid State Drive)等である。ネットワークアダプタ５は、荷電粒子線画像処理装置１をＬＡＮ、電話回線、インターネット等のネットワーク９に接続するためのものである。演算部２が扱う各種データはＬＡＮ(Local Area Network)等のネットワーク９を介して荷電粒子線画像処理装置１の外部と送受信されても良い。

表示装置７は、荷電粒子線画像処理装置１の処理結果等を表示する装置であり、具体的には液晶ディスプレイやタッチパネル等である。入力装置８は、操作者が荷電粒子線画像処理装置１に対して操作指示を行う操作デバイスであり、具体的にはキーボードやマウス、タッチパネル等である。マウスはトラックパッドやトラックボール等の他のポインティングデバイスであっても良い。

荷電粒子線装置１０は、荷電粒子線を試料に照射することによって、試料を観察するための観察像を生成する装置であり、例えば電子線で試料を走査することにより観察像を生成する走査電子顕微鏡（ＳＥＭ；Scanning Electron Microscope）である。荷電粒子線画像データベース１１は、荷電粒子線装置１０によって生成される観察像や、観察像に画像処理が施された補正画像等を記憶するデータベースシステムである。

図２を用いて荷電粒子線装置１０の一例である走査電子顕微鏡の全体構成を説明する。なお、図２において、紙面に垂直な方向をＸ軸、縦方向をＹ軸、横方向をＺ軸とする。走査電子顕微鏡は、電子線源１０１、対物レンズ１０３、偏向器１０４、可動ステージ１０６、検出器１１２、画像処理部１１５、入出力部１１６、記憶部１１７、制御部１１９を備える。以下、各部について説明する。

電子線源１０１は、所定の加速電圧によって加速された一次電子線１０２を試料１０５に照射する線源である。

対物レンズ１０３は一次電子線１０２を試料１０５の表面で集束させるための集束レンズである。多くの場合、対物レンズ１０３にはコイルと磁極とを有する磁極レンズが用いられる。

偏向器１０４は、一次電子線１０２を偏向させる磁界や電界を発生させるコイルや電極である。一次電子線１０２を偏向させることにより、試料１０５の表面を一次電子線１０２で走査する。なお、電子線源１０１と対物レンズ１０３の中心とを結ぶ直線は光軸１２１と呼ばれ、偏向器１０４によって偏向されない一次電子線１０２は光軸１２１に沿って試料１０５へ照射される。

可動ステージ１０６は、試料１０５を保持するとともに、Ｘ方向及びＹ方向に試料１０５を移動させる。

検出器１１２は、一次電子線１０２が照射される試料１０５から放出される二次電子１０８を検出する検出器である。検出器１１２には、シンチレータ・ライトガイド・光電子増倍管で構成されるＥ-Ｔ検出器や半導体検出器が用いられる。検出器１１２から出力される検出信号は制御部１１９を介して画像処理部１１５へ送信される。

画像処理部１１５は、検出器１１２から出力される検出信号に基づいて観察像を生成する演算器であり、例えば、ＭＰＵ（Micro Processing Unit）やＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等である。画像処理部１１５は、生成された観察像に対して様々な画像処理を施しても良い。なお図１を用いて説明した荷電粒子線画像処理装置１が画像処理部１１５であっても良い。

入出力部１１６は、試料１０５を観察するための条件である観察条件が入力されたり、画像処理部１１５によって生成される画像が表示されたりする装置であり、例えばキーボードやマウス、タッチパネル、液晶ディスプレイ等である。

記憶部１１７は、各種データやプログラムが記憶される装置であり、例えばＨＤＤ（Hard Disk Drive）やＳＳＤ（Solid State Drive）等である。記憶部１１７には、制御部１１９等によって実行されるプログラムや入出力部１１６から入力される観察条件、画像処理部１１５によって生成される画像等が記憶される。

制御部１１９は、各部を制御するとともに、各部で生成されるデータを処理したり送信したりする演算器であり、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）やＭＰＵ等である。

以上説明した荷電粒子線装置によって、半導体のラインパターンを観察するための観察像が生成され、観察像を用いてラインパターンのエッジの凹凸であるラインエッジラフネス（ＬＥＲ：Line Edge Roughness）が計測される。ラインエッジラフネスを高精度に計測するには、観察像に対して適切な検査領域を設定することが重要である。

図３を用いて適切な検査領域について説明する。図３の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）には、観察像に対して設定された検査領域の大きさが小、中、大である場合が例示される。なお検査領域は、図３の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のそれぞれにおいて縦長の長方形で示される。また検査領域において抽出されたエッジの位置は、図３の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のそれぞれにおいて折れ線グラフで示される。

図３の（ａ）のように検査領域が比較的小さい場合、抽出されるエッジのサンプリング間隔が密になるため、エッジ群の連続性が保たれるものの、エッジ群の周期性の評価が不十分となる。また図３の（ｃ）のように検査領域が比較的大きい場合、抽出されるエッジのサンプリング間隔が疎になるため、エッジ群の周期性の評価は可能であるものの、エッジ群の連続性が保たれない。そこで図３の（ｂ）のような、エッジ群の連続性が保たれながらエッジ群の周期性の評価が可能である適切な検査領域が設定されることが必要である。実施例１では、以降で説明する処理の流れによって、適切な検査領域が設定される。

図４を用いて、実施例１の処理の流れの一例についてステップ毎に説明する。

（Ｓ４０１）
荷電粒子線装置１０によって生成された観察像に対して検査領域が設定される。検査領域は、演算部２によって設定されても良いし、入力装置８を用いる操作者によって設定されても良い。なお演算部２は、設定された検査領域に応じて、エッジのサンプリング間隔を設定する。

（Ｓ４０２）
演算部２は、Ｓ４０１で設定された検査領域において、ラインパターンのエッジを抽出する。例えば、検査領域の横方向に並ぶ輝度値の組であるプロファイルにおいて、隣接する輝度値の差異が最大となる位置がエッジとして抽出される。エッジの抽出は、検査領域に設定されたサンプリング間隔で行われる。

（Ｓ４０３）
演算部２は、Ｓ４０１で設定された検査領域を複数の区画に分割する。分割された区画は、複数の計測点数を有する。

（Ｓ４０４）
演算部２は、Ｓ４０３で分割された区画のそれぞれにおいてラインエッジラフネスを計測する。ラインエッジラフネスは、例えば基準線から各エッジまでの距離の標準偏差σとして次式で示される。なお基準線は、検査領域の全域におけるエッジ群から算出される近似直線や、観察像において縦方向に設定される直線である。

ここで、ｋは区画が有する計測点数、iは１からｋまでの整数、ｘ_ｉは基準線から各エッジまでの距離、ｘ_{ｋ＿ａｖｅ}は各区画におけるｘ_ｉの平均値である。

（Ｓ４０５）
演算部２は、Ｓ４０４で計測された区画毎のラインエッジラフネスの分布データを生成する。分布データは、例えば横軸がラインエッジラフネスの区間であって、縦軸が各区間での頻度であるヒストグラムとして生成される。

（Ｓ４０６）
演算部２は、Ｓ４０１で設定された検査領域の全域におけるラインエッジラフネスを算出する。検査領域の全域におけるラインエッジラフネスσ_ｔｒｕｅは、例えば次式によって算出される。

ここで、ｎは検査領域の全域におけるエッジの数、iは１からｎまでの整数、ｘ_ｉは基準線から各エッジまでの距離、ｘ_ａｖｅはｘ_ｉの平均値である。

（Ｓ４０７）
演算部２は、Ｓ４０４で計測された区画毎のラインエッジラフネスの理論曲線を算出する。理論曲線は、例えば計測点数ｋを有する区画毎のラインエッジラフネスσの確率密度ｆ（σ；ｋ）として次式によって算出される。

ここで、Γ（ｋ／２）は次式で表されるガンマ関数である。

（Ｓ４０８）
演算部２は、Ｓ４０５で生成された分布データとＳ４０７で算出された理論曲線との比較に基づいて、Ｓ４０１で設定された検査領域が適切か否かを判定する。検査領域が適切であれば処理の流れは終了となり、適切でなければＳ４０１の処理に戻って検査領域が再設定される。

図５を用いて分布データと理論曲線の比較について説明する。図５には、図３に例示される各検査領域において生成された分布データである３つのヒストグラムと、理論曲線が例示される。図５の横軸は計測点数ｋを有する区画毎のラインエッジラフネスである３σであり、分布データの縦軸は左側の頻度、理論曲線の縦軸は右側の確率密度である。

サンプリング間隔が疎であってエッジ群の連続性が保たれてない分布データには、３σ＞５ｎｍの比較的大きいラインエッジラフネスが含まれる。またサンプリング間隔が密であって周期性の評価が不十分な分布データでは、３σ＜２．５ｎｍの比較的小さいラインエッジラフネスだけである。すなわち分布データのラインエッジラフネスの最大値が所定の範囲、例えば理論曲線から求められる上限値と下限値との間であれば、検査領域が適切であると判定できる。また分布データのラインエッジラフネスの最大値が上限値以上であればサンプリング間隔が疎であって検査領域が広すぎ、下限値以下であればサンプリング間隔が密であって検査領域が狭すぎると判定できる。

上限値と下限値は、理論曲線と横軸で囲われる面積に基づいて設定されても良い。理論曲線が確率密度ｆ（σ；ｋ）として算出される場合、理論曲線と横軸で囲われる面積、すなわち確率密度ｆ（σ；ｋ）をσ＝０からσ＝∞まで積分して得られる値は１になる。そこで理論曲線と横軸で囲われる面積が例えば０．９９になるラインエッジラフネスを上限値とし、面積が０．５になるラインエッジラフネスを下限値とする。

またＳ４０８での判定は、分布データのラインエッジラフネスの最大値を用いることに限定されない。例えば、分布データと理論曲線との相関係数が所定の範囲内であれば検査領域が適切であると判定しても良い。なお分布データと理論曲線との相関係数を算出するに先立ち、分布データであるヒストグラムの全体の面積が１になるように規格化される。すなわち分布データが規格化された規格化データと理論曲線との相関係数が算出され、算出された相関係数が所定の範囲内であれば検査領域が適切であると判定される。

なおＳ４０８において検査領域が適切でないと判定されたされたとき、図６に例示される警告画面が表示装置７に表示されても良い。図６の（ａ）はサンプリング間隔が疎であるとき、（ｂ）はサンプリング間隔が密であるときの警告画面であり、抽出されたエッジが×印で示される。サンプリング間隔が疎であるか密であるかが表示されることにより、操作者は検査領域の再設定を適切に行うことができる。

以上説明した処理の流れによって、ラインパターンのエッジを含む観察像に対して設定された検査領域が適切であるか否かが判定され、適切でなければ検査領域が再設定される。すなわち実施例１によれば、適切な検査領域を設定することが可能な荷電粒子線画像処理装置を提供することができる。

以上、本発明の実施例について説明した。本発明は上記実施例に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施例に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせても良い。さらに、上記実施例に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除しても良い。

１：荷電粒子線画像処理装置、２：演算部、３：メモリ、４：記憶装置、５：ネットワークアダプタ、６：システムバス、７：表示装置、８：入力装置、１０：荷電粒子線装置、１１：荷電粒子線画像データベース、１０１：電子線源、１０２：一次電子線、１０３：対物レンズ、１０４：偏向器、１０５：試料、１０６：可動ステージ、１０８：二次電子、１１２：検出器、１１５：画像処理部、１１６：入出力部、１１７：記憶部、１１９：制御部、１２１：光軸

Claims (5)

1. 荷電粒子線装置が生成する観察像を画像処理する荷電粒子線画像処理装置であって、
   前記観察像の検査領域からラインパターンのエッジを抽出する抽出部と、
   前記検査領域を複数の計測点数を有する区画に分割する分割部と、
   前記区画のそれぞれにおいてラインエッジラフネスを計測し、区画毎のラインエッジラフネスの分布データを生成する計測部と、
   前記検査領域の全域におけるラインエッジラフネスを算出し、区画毎のラインエッジラフネスの確率密度を理論曲線として算出する算出部と、
   前記分布データと前記理論曲線との比較に基づいて、前記検査領域が適切か否かを判定する判定部を備え、
   前記判定部は、前記分布データのラインエッジラフネスの最大値が、前記理論曲線から求められる上限値と下限値との間であるときに前記検査領域が適切と判定することを特徴とする荷電粒子線画像処理装置。
2. 荷電粒子線装置が生成する観察像を画像処理する荷電粒子線画像処理装置であって、
   前記観察像の検査領域からラインパターンのエッジを抽出する抽出部と、
   前記検査領域を複数の計測点数を有する区画に分割する分割部と、
   前記区画のそれぞれにおいてラインエッジラフネスを計測し、区画毎のラインエッジラフネスの分布データを生成する計測部と、
   前記検査領域の全域におけるラインエッジラフネスを算出し、区画毎のラインエッジラフネスの確率密度を理論曲線として算出する算出部と、
   前記分布データと前記理論曲線との比較に基づいて、前記検査領域が適切か否かを判定する判定部を備え、
   前記判定部は、前記分布データの面積が１となるように規格化された規格化データと前記理論曲線との相関係数が所定の範囲内であるときに前記検査領域が適切と判定することを特徴とする荷電粒子線画像処理装置。
3. 請求項１または２に記載の荷電粒子線画像処理装置であって、
   前記算出部は、前記検査領域の全域におけるラインエッジラフネスと前記計測点数とに基づいて、前記理論曲線を算出することを特徴とする荷電粒子線画像処理装置。
4. 請求項１または２に記載の荷電粒子線画像処理装置であって、
   前記検査領域が適切でないと判定されたときに、サンプリング間隔が疎であるか密であるかを表示する表示部をさらに備えることを特徴とする荷電粒子線画像処理装置。
5. 請求項１または２に記載の荷電粒子線画像処理装置を備えることを特徴とする荷電粒子線装置。

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