(57)【要約】【課題】本発明は、試料に荷電粒子ビームを照射することなく、帯電等の影響が反映された画像を形成する画像形成装置の提供を目的とする。【解決手段】上記目的を達成するために、半導体デバイスの設計データから、荷電粒子ビームを照射する範囲を含む領域の情報を取得し、当該情報に基づいて、前記荷電粒子ビームの照射範囲について画素単位で、試料に荷電粒子ビームを照射したときの前記画素部分にて検出される電子の量を計算し、当該電子量に基づいて求められる輝度情報を配列して、画像を形成する画像形成装置を提案する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体デバイスの設計データを記憶する記憶媒体と、当該記憶媒体に記憶された設計データを用いて、試料上の測定、或いは検査を実行する処理装置を備えた画像形成装置において、
前記処理装置は、前記記憶媒体に記憶された設計データから、荷電粒子ビームを照射する範囲を含む領域の情報を取得し、当該情報に基づいて、前記荷電粒子ビームの照射範囲について画素単位で、試料に荷電粒子ビームを照射したときの前記画素部分にて検出される電子の量を求め、当該電子量に基づいて求められる輝度情報を配列して、画像を形成することを特徴とする画像形成装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記処理装置は、前記試料上の電位分布に基づいて、前記電子の量を求めることを特徴とする画像形成装置。
【請求項３】
請求項１において、
前記処理装置は、前記試料から放出される電子の軌道計算に基づいて、前記電子の量を求めることを特徴とする画像形成装置。
【請求項４】
請求項１において、
前記処理装置は、荷電粒子線装置の装置条件ごとに、前記画像を複数形成し、当該複数の画像と、前記設計データを比較し、一致率が最大となる装置条件を、前記荷電粒子線装置の装置条件として選択することを特徴とする画像形成装置。
【請求項５】
請求項１において、
前記処理装置は、前記形成された画像と、荷電粒子線装置から得られる画像を比較することによって、欠陥抽出を行うことを特徴とする画像形成装置。
【請求項６】
請求項５において、
前記画像比較では、前記画像のエッジ部を輪郭線化した画像を用いることを特徴とする画像形成装置。
【請求項７】
請求項１において、
前記処理装置は、荷電粒子線装置から得られる画像と、前記形成された画像との不一致点を抽出し、当該不一致点を補正した前記荷電粒子線装置から得られる画像と、前記設計データを比較することによって、欠陥抽出を行うことを特徴とする画像形成装置。
【請求項８】
請求項７において、
前記画像比較では、前記画像のエッジ部を輪郭線化した画像を用いることを特徴とする画像形成装置。
【請求項９】
半導体デバイスの設計データを用いて、試料上の測定、或いは検査を実行する画像形成方法において、
前記設計データから、荷電粒子ビームを照射する範囲を含む領域の情報を取得し、当該情報に基づいて、前記荷電粒子ビームの照射範囲について画素単位で、試料に荷電粒子ビームを照射したときの前記画素部分にて検出される電子の量を求め、当該電子量に基づいて求められる輝度情報を配列して、画像を形成することを特徴とする画像形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体デバイス等の設計データに基づいて画像を形成する画像形成装置において、特に、荷電粒子線装置のレシピ作成時の条件設定、或いは欠陥検査に用いられる画像等を形成する画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査電子顕微鏡等に代表される荷電粒子線装置は、微細なパターンの測定，検査を行うことが可能であり、特に半導体デバイスの測定等に用いられている。特に欠陥や異物を検査する装置では、予め取得された参照画像と、電子ビーム等の走査によって得られた試料画像を比較することによって、欠陥抽出を行うことが行われている。参照画像は、試料画像と同じパターン形状を有する領域にて取得されるため、参照画像と試料画像の相違点を異物、或いは欠陥と認識することができる。
【０００３】
一方、半導体ウェハにパターンを露光するために用いられるフォトマスク等は、一般的に同じ形状のパターンが近接して存在しない。特許文献１には、設計データと試料画像の比較によって、欠陥抽出を行う手法が説明されている。
【０００４】
また、電子ビームを試料上に走査すると試料が帯電することが知られている。特許文献２には、試料帯電を生じさせないよう、入射する電子ビーム量と出射する二次電子の比率を示す二次電子放出効率δが１.０に近い到達エネルギー（加速電圧）のビームによって、試料を走査することが説明されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２７７３９５号公報
【特許文献２】特開平７−１４５３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に説明されているように、欠陥等の比較検査において、参照画像を設計データとすることによって、フォトマスク等の参照画像を取得することが困難な試料の検査や、試料製造前の設計データの段階での参照画像の形成、及び当該参照画像を用いたレシピ作成が可能となるが、設計データはパターンの理想形状を示すレイアウトデータでしかない。よって、電子顕微鏡画像とは異質のデータとなり、設計データを比較検査の参照画像として用いると、本来欠陥や異物ではない部分を、欠陥，異物として認識してしまう可能性がある。特に、電子ビームの走査等によって生じる帯電は、設計データ上には存在しない情報であり、試料が帯電していると、より誤認識の可能性が高くなる。
【０００７】
特許文献２に説明されているように、常に二次電子放出効率δが１.０のビームを用いれば、理論的には帯電しない画像を形成することが可能となるが、帯電には種々の要因が存在し、到達エネルギーの制御だけでは、帯電の影響を完全に消し去ることは難しい。
【０００８】
以下に、試料に荷電粒子ビームを照射することなく、帯電等の影響が反映された画像を形成することを目的とする画像形成装置を説明する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、半導体デバイスの設計データから、荷電粒子ビームを照射する範囲を含む領域の情報を取得し、当該情報に基づいて、前記荷電粒子ビームの照射範囲について画素単位で、試料に荷電粒子ビームを照射したときの前記画素部分にて検出される電子の量を計算し、当該電子量に基づいて求められる輝度情報を配列して、画像を形成する画像形成装置を提案する。
【発明の効果】
【００１０】
上述のような構成によれば、パターンの理想形状を示す設計データと同じレイアウト上に、電子の検出量に応じた輝度を再現することが可能となるため、理想形状に荷電粒子ビームを照射したときに得られる画像の形成が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】半導体パターンの設計データについて、帯電を考慮したシミュレーションを実施し、そのシミュレーション結果を、デバイスの欠陥検査に適用するプロセスを説明する図である。
【図２】帯電を考慮したシミュレーション（測定前処理）を行い、当該シミュレーション結果に基づいて、測定を行うプロセスを説明する図である。
【図３】シミュレーションのプロセスを示すフローチャート。
【図４】二次電子軌道等の計算を行う範囲の一例を説明する図。
【図５】電子ビームの照射点毎に蓄積される電荷量のシミュレーションのプロセスを説明するフローチャート。
【図６】画像比較に基づく欠陥抽出プロセスを説明するフローチャート。
【図７】レジストホールおよび横方向ラインの画像の一例を説明する図。
【図８】電子ビームの照射エネルギーと二次電子放出効率の関係を説明するグラフ。
【図９】走査電子顕微鏡の概略構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
半導体集積回路の製造過程におけるウェハのパターン検査には、近傍に同じパターンが存在する際には、半導体デバイス上のパターン（ダイ）間の比較（ダイ・ツー・ダイ比較）を用いた光学式パターン検査装置が使われている。ダイ・ツー・ダイ比較では、検査対象となる半導体デバイスとその近傍のパターンとを比較して欠陥を検出する。
【００１３】
一方、近接に同じパターンが存在しないフォトマスク等の検査では、ダイ・ツー・データベース比較と呼ばれる方法が使われる。この方法では、ダイすなわちパターンと、そのダイが本来あるべき形状を含むデータベース間で比較を行う。このデータベースはマスクデータを画像に変換したものである。
【００１４】
半導体集積回路生産では、ゴミ等に起因するランダム欠陥と繰り返し発生する欠陥（システマティック欠陥）が問題となっている。繰り返し発生する欠陥（システマティック欠陥）とは、フォトマスク不良等を原因としてウェハ上の全ダイにおいて繰り返し発生する欠陥と定義され、繰り返し発生する欠陥は検査対象のダイおよびその比較対象の近接ダイの両方に発生しているため、ダイ・ツー・ダイ比較では検出できない。ゆえに、ダイ・ツー・データベース比較方式でのウェハ検査が必要とされている。
【００１５】
一方、ＳＥＭでは電子ビームを試料表面に照射して、試料を観察しているため、電子照射により試料自体が帯電する。この試料の帯電により、画像の歪みや移動（ドリフト），影の発生，倍率変動，輝度の低下等、画像に様々な影響が現れることが問題となっている。このように、帯電した試料を測定して得られた画像と帯電の影響を含まない設計データとの比較を行っても、パターンが必要とされる裕度内で一致する可能性は低い。このため、帯電の影響が顕著に現れた画像と設計データとの比較では、実際の形状にかかわらず、欠陥として分類されるという問題がある。この場合は、本来はウェハ上に正常なパターンができているにもかかわらず、帯電により欠陥と分類されたパターンと、構造上に欠陥があるため、欠陥として分類されたパターンとが同一に取り扱われることとなる。このため、検査後の再度の確認が必要となり、検査精度が低下することによって検査効率も低下する。
【００１６】
一般の欠陥検査システムでは、測定データと比較する対象に帯電の影響が考慮されていないために、比較の際に帯電の影響を除去できず、比較精度が低下する場合がある。この原因の１つとして、本来検出しなくてはならない欠陥と、帯電による画像の歪みとの区別が困難であることが挙げられる。帯電の影響が一方にのみ含まれる場合、両者の一致精度が低下すると共に、帯電による不一致か、構造上の欠陥による不一致かが不明であるため、原因解明に労力がかかり、検査のスループットも低下する。画像の取得条件によって帯電の程度等も異なるため、帯電状況に応じた画像形成を行うことが望ましい。
【００１７】
本実施例では、特に、設計データ（レイアウトデータ）とＳＥＭ画像に基づく情報を比較するに当たり、その際の測定条件（装置条件）の設定、或いは欠陥抽出のための比較対象となる画像形成の際に、帯電の影響を抑制しつつ、これらの設定及び画像形成を可能とする画像形成装置を説明する。
【００１８】
本実施例では、測定前あるいは測定中に設計パターンに対して、帯電を考慮したシミュレーションを実施し、それに基づき測定画像との比較を行う手法を説明する。これにより、帯電が含まれたパターン間での比較が可能となり、画像比較精度向上が見込める。また、複数条件でシミュレーションを行うことにより、測定箇所毎に帯電の起きにくい走査条件を事前に求め、それを測定レシピに反映させることが可能となる。
【００１９】
帯電の影響を考慮した画像を測定前あるいは測定中に準備し、測定画像と比較を行うことにより、帯電の影響を考慮した欠陥抽出が可能となる。これにより、区別が困難であった帯電歪みと欠陥を明確に分離でき、欠陥検出精度が向上する。また、それぞれのパターンに対して、測定前に複数条件での測定を検討することにより、帯電の起こりにくい条件を求めることができ、画像の一致精度向上が見込める。
【００２０】
以下に、帯電シミュレーションの概要を、図面を用いて説明する。図９は、荷電粒子線装置の１種である走査形電子顕微鏡（以下、Scanning Electron Microscope：ＳＥＭと呼ぶ場合がある）の概略を説明する図である。陰極１と第一陽極２の間には、制御プロセッサ３０で制御される高圧制御電源２０により電圧が印加され、所定のエミッション電流で一次電子線４が陰極１から引き出される。陰極１と第二陽極３の間には、制御プロセッサ３０で制御される高圧制御電源２０により加速電圧が印加され、陰極１から放出された一次電子線４が加速されて後段のレンズ系に進行する。
【００２１】
一次電子線４は、制御プロセッサ３０で制御されるレンズ制御電源２１により電流制御された収束レンズ５で収束され、絞り板８で一次電子線４の不要な領域が除去された後に、制御プロセッサ３０で制御されるレンズ制御電源２２により電流制御された収束レンズ６、および制御プロセッサ３０で制御される対物レンズ制御電源２３により電流制御された対物レンズ７により試料１０に微小スポットとして収束される。対物レンズ７は、インレンズ方式，アウトレンズ方式、およびシュノーケル方式（セミインレンズ方式）等、種々の形態をとることができる。また、試料１０に負の電圧を印加して一次電子線を減速させるリターディング方式も可能である。さらに、各々のレンズは、制御された電圧を印加した複数の電極で構成される静電型レンズで構成してもよい。
【００２２】
一次電子線４は、制御プロセッサ３０で制御される走査コイル制御電源２４により電流制御される走査コイル９で試料１０上を二次元的に走査される。なお、図９の装置例では、走査偏向器として磁界型の偏向器を採用しているが、静電型の偏向器であっても良い。一次電子線の照射で試料１０から発生した二次電子等の二次信号１２は、対物レンズ７の上部に進行した後、二次信号分離用の直交電磁界発生装置１１により、一次電子と分離されて二次信号検出器１３に検出される。二次信号検出器１３で検出された信号は、信号増幅器１４で増幅された後、画像メモリ２５に転送されて画像表示装置２６に試料像として表示される。走査コイル９と同じ位置に制御プロセッサ３０で制御される対物レンズ用アライナー制御電源２７により電流制御される２段の偏向コイル（対物レンズ用アライナー）１６が配置されており、対物レンズ７に対する一次電子４の通過位置を二次元的に制御できる。ステージ１５は、少なくとも一次電子線と垂直な面内の２方向（Ｘ方向，Ｙ方向）に試料１０を移動することができ、それによって試料１０上の一次電子４の走査領域を変更することができる。
【００２３】
ポインティング装置３１は、画像表示装置２６に表示された試料像の位置を指定してその情報を得ることができる。入力装置３２からは、画像の取り込み条件（走査速度，画像積算枚数）や視野補正方式等の指定、および画像の出力や保存等を指定することができる。
【００２４】
なお、画像メモリのメモリ位置に対応したアドレス信号が、制御プロセッサ３０内、或いは別に設置された制御コンピューター内で生成され、アナログ変換された後に、走査コイル制御電源２４に供給される。Ｘ方向のアドレス信号は、例えば画像メモリが５１２×５１２画素（ｐｉｘｅｌ）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５１２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。
【００２５】
画像メモリ２５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、画像メモリには走査コイル９による電子線の偏向領域の二次元像が記録される。なお、画像メモリ２５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、画像表示装置２６の輝度変調信号となる。
【００２６】
また本例で説明する装置は、検出された二次電子或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一次電子線４を試料１０上を一次元、或いは二次元走査したときの電子検出量、或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。
【００２７】
なお、図９の説明は制御プロセッサ３０が走査電子顕微鏡と一体、或いはそれに準ずるものとして説明したが、無論それに限られることはなく、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。その際には二次信号検出器１３で検出される検出信号を画像として制御プロセッサ３０に伝達したり、制御プロセッサ３０から走査電子顕微鏡の対物レンズ制御電源２３や走査コイル制御電源２４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。
【００２８】
更に、本例装置は、例えば半導体ウェハ上の複数点を観察する際の条件（測定個所，走査電子顕微鏡の光学条件等）を予めレシピとして記憶しておき、そのレシピの内容に従って、測定や観察を行う機能を備えている。
【００２９】
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、走査電子顕微鏡等に必要な信号を供給するプロセッサで、当該プログラムを実行するようにしても良い。即ち、以下に説明する例は画像を取得可能な走査電子顕微鏡等の荷電粒子線装置に採用可能なプログラム、或いはプログラムプロダクトとしての説明でもある。
【００３０】
更に、制御プロセッサ３０には、ＧＤＳフォーマットやＯＡＳＩＳフォーマット等で表現された半導体デバイスの回路パターン設計データを記憶し、ＳＥＭの制御に必要なデータに変換するデータ管理装置３３が接続される。当該データ管理装置３３は、入力されたデザインデータに基づいて、上記ＳＥＭを制御するレシピを作成する機能を備えている。
【００３１】
また、得られたＳＥＭ画像のエッジ部分を輪郭線化すると共に、当該輪郭線をベクトルデータ化し、ＧＤＳ形式等の所定のファイル形式にて保存する機能をも備えている。輪郭線は、例えばエッジの線分方向に対し、垂直な方向の輝度分布の所定の輝度を持つ部分を、異なる位置間で繋ぎ合せるようにして形成する。当該処理は制御プロセッサ３０で行うようにしても良いし、データ管理装置３３で行うようにしても良い。また、制御プロセッサ３０に代わってデータ管理装置３３内に設けられたプロセッサによって、走査電子顕微鏡を制御するようにしても良い。また、制御プロセッサ３０、或いはデータ管理装置３３は、走査電子顕微鏡本体、或いは制御プロセッサ３０より、ＳＥＭ画像や輪郭線情報を受信するためのインターフェースを備えており、後述するようなＳＥＭ画像に基づく各種測定，検査を可能としている。
【００３２】
なお、本例の説明ではデータ管理装置３３が、制御プロセッサ３０と別体のものとして説明するが、これに限られることはなく、例えばデータ管理装置３３が制御プロセッサ３０と一体であっても良い。
【００３３】
データ管理装置３３等は、当該制御プロセッサ３０内に設けられた記憶媒体、或いは図示しない外部記憶媒体に記憶された半導体デバイスの設計データに基づいて、以下に説明する帯電シミュレーションを実行し、シミュレーションに基づいて画像を形成するプログラムを備えている。また、シミュレーションによって得られる画像を用いた、測定，検査を行うための処理装置としても機能する。
【００３４】
図１は、半導体パターンの設計データについて帯電を考慮したシミュレーションを実施し、そのシミュレーション結果を、デバイスの欠陥検査に適用するプロセスを説明する図である。設計データに含まれる半導体デバイスのレイアウトデータは、パターンの輪郭を示すベクトルデータであり、走査電子顕微鏡等によってもたらされる帯電等によって変動する輝度情報等が含まれていない。
【００３５】
このようなレイアウトデータに対し、走査電子顕微鏡にて取得されるＳＥＭ画像の特徴を加味できれば、パターンの変形や異物等の混入のない理想形状のＳＥＭ画像を再現することができる。本実施例では、二次元的に表現されるレイアウトデータの各ピクセルについて、輝度情報を求め、レイアウトデータ上に、当該輝度情報を付加することで、理想形状のＳＥＭ画像を再現する手法を説明する。
【００３６】
本実施例における帯電を考慮したシミュレーションとは、試料表面への１次電子の照射，照射により試料表面から発生した２次電子軌道の追跡，検出，表面および内部蓄積電荷の移動等に基づく、各ピクセルの輝度情報等の計算を含んでいる。また、実験と同条件で照射点を移動（走査）させ、各照射点（ピクセル）での検出電子数を得ることで、走査型電子顕微鏡と同様の画像を得る部分を含んでいる。
【００３７】
この際、倍率，電流量，照射エネルギー，電極電圧等の測定パラメータ（電子顕微鏡の装置条件）に対して複数の条件でシミュレーションを行った場合には、複数の結果が得られるため、その結果に応じてユーザが求める走査条件を決めることが可能である。
【００３８】
本実施例では、帯電の影響（設計データからのずれ，歪み）が小さい条件を最適条件とし、後述するような測定レシピを作成する。また、この際得られた帯電の影響を含んだ画像は測定で得られた画像と比較を行うべく、上述した記憶媒体の一形態であるメモリまたはハードディスクドライブ等に格納しておく。
【００３９】
次に、帯電考慮のシミュレーションで決定した走査条件に従って試料の測定を行う。得られた測定画像には、測定によって試料が帯電した影響を含んでおり、これを測定前に導出し、メモリまたはハードディスクドライブ等の記憶媒体に格納しておいた帯電を考慮したシミュレーション画像と比較する。ここでは両画像から得られるパターンの輪郭で比較を行い、ユーザ指定の裕度以内で一致しない場合には、測定箇所に欠陥が存在するものとして分類する。
【００４０】
図２は、帯電を考慮したシミュレーション（測定前処理）を行い、当該シミュレーション結果に基づいて、測定を行うプロセスを説明する図である。本実施例では、測定の前処理として、設計データ（ステップ７）から測定箇所の帯電度合いを事前評価する（ステップ８）。ここでの事前評価では、評価箇所の形状と材料等の試料情報を設計データから抽出し、当該情報をもとに判断する。表面に凹凸があり、材料がレジストや酸化膜等の絶縁体である場合には、電子照射により帯電が発生しやすい。また、走査条件によっても帯電の度合いが変わるため、特に、表面の凹凸情報，表面材料の種類（絶縁体の存在）、及び走査方向に対して平行となるパターンが存在するか否か、を確認する。
【００４１】
各測定場所の帯電度合いがユーザの指定する条件を満たす場合には、帯電を考慮したシミュレーションを実施する（ステップ１０，１２）。この際、複数の走査条件でシミュレーションを実施すれば、シミュレーション結果からより帯電の発生しにくい条件を求めることができ、その走査条件を実際の測定に反映することができる。
【００４２】
図３は、シミュレーションのプロセスを示すフローチャートである。まず測定箇所に応じて計算を行う範囲を決定する（ステップ２４）。当該範囲としては、図４に示すように水平方向には観察領域（ＳＥＭの視野（Field Of View：ＦＯＶ））＋α、垂直方向には表面より上の空間領域β、及び表面以下の領域γを選択する。
【００４３】
ここで、α，β，γはユーザが指定する範囲であり、本実施例では、α：５μｍ，β：２μｍ，γ：２μｍとしている。これは、αおよびβは１次電子を照射することで、試料から出てきた２次電子や後方散乱電子の挙動（表面戻り等）を追跡するのに必要な領域である。
【００４４】
試料から放出される電子の挙動を考慮する場合、αは観察領域の１０倍程度を確保することが望ましい。また、図４に示すように、構造は３次元情報を含んでいる。例えば、半導体デバイスでは、異なる材料の積層や、内部への別材料の埋め込みがあり、材料や膜厚，形状によって帯電状態が異なってくる。
【００４５】
本実施例では、３次元情報やＦＯＶ外部のパターン構成も踏まえて構造を定義し、シミュレーションを行うため、下地の影響や試料内部の状態等も考慮することが可能である。更に、照射する１次電子のエネルギーによって電子の侵入長も異なるため、これらを考慮してγは設定する必要がある。また、試料上部の空間を、試料から出た２次電子が拡散するが、試料の帯電に伴い、空間の電界が変化する。このため空間部も数μｍ程度の領域を考慮する必要がある。
【００４６】
次に測定（走査）条件（装置条件）の設定を行う（ステップ２５）。ここでユーザが指定する条件としては、観察の際の倍率がある。指定された倍率で観察する際の、走査の順番や電流量，１次電子の加速電圧条件を数種類用意し、各条件でシミュレーションを実施する（ステップ２６）。
【００４７】
各材料の物性パラメータは、可能であればシミュレーションの前に、１ラインあるいは平面のみを走査し、実験結果（輝度の変化）から帯電の時間変化（電子，ホールの移動度）や収率を求めても良い。
【００４８】
同じ材料でも、供給元を変更すると帯電の影響が異なることがあるが、上記実験からパラメータを用意することで、材料間のばらつきを減らすことが可能である。シミュレーションの手法としては、有限要素法（ＦＥＭ），境界要素法（ＢＥＭ），モンテカルロ法（ＭＣ）のいずれかを用いる。ここでの計算で行う処理内容を図５に示す。図５ではＦＥＭの例を示す。まず、ステップ２４で設定した範囲に対して電界計算（ステップ３８）を実施し、各領域の電界を用意する。得られた電界内で、１次電子を発生（ステップ３９）させ、指定した条件（角度，エネルギー）で試料表面に照射する。
【００４９】
試料表面に１次電子が到達した際（ステップ４０）には、１次電子の加速エネルギー，入射角度、および電子が到達した表面の形状，材質（試料情報）に応じて、異なる状態にて２次電子を発生させる（ステップ４１）。発生させる２次電子数およびエネルギー，角度は、文献等で公知となっている値をパラメータとして用いる。表面から発生した２次電子は、出射時のエネルギーおよび角度に応じて再び真空中を飛散するため、真空中における二次電子軌道の追跡を行う（ステップ４３）。また、試料内に侵入した電子が試料内で拡散し、その上で真空中に飛び出すこともあるため、その点も考慮に入れた軌道追跡を行う（ステップ４２）。
【００５０】
表面の帯電等により、再び試料表面に到達した際（ステップ４４）には、電子のエネルギー、角度，到達場所（形状，材料）に応じて、２次電子放出，反射、あるいは表面付着する。このような再付着によって、試料上の電荷の移動が生ずる。
【００５１】
表面に付着した場合（ステップ４５）には、表面の電荷を変更（ステップ４６）し、次の１次電子を照射する。また、表面に付着せず、計算構造から出た場合や、電極等に到達した場合にも次の１次電子の照射に戻る。ここで、ある条件（例えば、表面からの高さ数μｍに達した２次電子等）を満たした２次電子をカウントし、メモリあるいはハードディスク上に記憶しておく。この条件を満たす電子を、実際の測定で検出される電子として取り扱い、電子のカウント数を画像の輝度に対応させることが可能である。この場合、電子のカウント数と輝度情報を予め対応付けて記憶し、求められたカウント数に応じた輝度情報を読み出すようにしても良い。
【００５２】
１ピクセル分の１次電子をすべて照射し終えた段階で、表面および試料内に蓄積された電荷の移流拡散をシミュレートする（ステップ４７）。試料表面及び内部に蓄積された電荷は材料ごとに、周囲の電界状態に応じて表面および内部を移動する。ここでの移流拡散計算のタイミングは、１電子照射毎，１ピクセル毎，１０ピクセル毎や１ライン毎といったように変更可能である。次に１次電子の照射点を移動し、電界計算後、次のピクセルへの１次電子照射を実施する（ステップ４９）。
【００５３】
図５ではＦＥＭのフローを示したが、電界計算の箇所をＢＥＭに置き換えることが可能である。また、３次元の構造で内部材料の帯電の影響を考慮する場合には、電子の試料内拡散を検討する必要がある。ＭＣを用いることにより、１次電子の表面到達後の試料内拡散を検討可能である。
【００５４】
なお、ピクセルごとの二次電子量、或いは当該二次電子量から求められる輝度情報の計算法として、以下のような手法がある。以下に、本実施例における帯電の取り扱いと併せて説明する。
【００５５】
まず、帯電現象を帯電が付着する領域の大きさで分類すると、数１０mm程度のグローバル帯電、１００μｍ程度のローカル帯電、１０μｍ以下のマイクロ帯電に分かれると考えられており、次のように説明される。
（ａ）グローバル帯電
主に、ＳＥＭによる測定や検査の前工程等で蓄積される帯電、或いは二次電子等が、試料上に配置された対面電極が形成する電界によって試料に戻され、試料に再付着することによって形成される帯電の内，比較的広範囲に形成される帯電である。空間的変化が穏やかであり、静電電位計による直接計測やリターディング電圧を変えてフォーカスの合う電圧値から求められる。オートフォーカス後の対物レンズ電流から光学倍率を推測し、測長値の補正を実施できる。
（ｂ）ローカル帯電
周囲のデバイス観察時の戻り電子の影響や磁場や電極によって戻される電子が関連し、非点（電子軌道の曲がりのため検出されない結果、観察されない点）に影響する。偏向倍率の変化率を検知し、これを基にローカル帯電の影響を補正している。エネルギーフィルタを用いれば測定できるが、次に示すマイクロ帯電の重畳があり、空間分布の特定は困難な状況にある。
（ｃ）マイクロ帯電
ＬＳＩパターン等の小さいスケールで、デバイス構造や画素スケールで起こる試料帯電である。電子が作り出す試料帯電によって、１次電子や試料から脱出した２次電子の軌道が曲げられることによる画像歪みや、コントラスト異常が得られる場合があり、測長値やパターンの輪郭抽出精度が低下する原因となる。ビーム走査は帯電現象をさらに複雑化する。画素に電子が照射されると、２次電子の抜けた部分が正帯電し、２次電子は試料に戻るようになる。照射位置が正帯電する一方、その周辺は戻り電子のために負帯電する。次の画素に移ると、隣りの正帯電と周辺の負帯電の影響を受ける。別の走査ラインに移ると、既に照射された場所の帯電の影響を受ける。その際、周囲の帯電が時間変化しているので、空間変化だけでなく時間変化の影響を受ける。
【００５６】
また、帯電には試料表層にあって電荷が比較的早く広がっていくものと、試料深くに電子が打ち込まれ、数分にもわたって電荷が消失しないものがある。以上のように平坦試料を扱うだけでも、マイクロ帯電は複雑な現象である。解明するには、計測手段に加え定量解析ツールを用いる必要がある。電位分布を求めて電界計算するために、ポアソン方程式を有限要素法を用いて離散化する。
【００５７】
△φ＝−ρ／ε                                                      …（１）
【００５８】
ここで、φはポテンシャル，ρは電荷密度、εは誘電率である。はじめに、φを形状関数Ｎｉ（ｘ，ｙ，ｚ）を用いて次のように表す。
【００５９】
φ＝ΣＮｉφｉ                                                      …（２）
【００６０】
重み関数として次に示すδφ（ｘ）を、あわせて残差Ｒを定義する。
【００６１】
δφ(ｘ)＝ΣδφｉＮｉ                                              …（３）
Ｒ＝ε△φ＋ρ                                                      …（４）
【００６２】
重み関数を用いた積分式Ｉを次のように定義する。
【００６３】
Ｉ＝∫Ｒδφ(ｘ)ｄＶ                                                …（５）
【００６４】
上式に式（３），（４）を代入して部分積分すると、次式が得られる。
【００６５】
Ｉ＝∫(ε△φδφ(ｘ)＋ρδφ(ｘ))ｄＶ
＝∫(ε▽φ)・ｎδφ(ｘ)ｄＳ−∫ε▽φｉ▽ｉδφ(ｘ)ｄＶ＋∫ρδφ(ｘ)ｄＶ
…（６）
【００６６】
さらに、行列表示すると次式を得る。
【００６７】
Ｉ＝{δφ}Ｔ∫[Ｎ]Ｔ[Ｎ]{(ε▽φ)ｎ}ｄＳ＋{δφ}Ｔ∫[Ｂ]Ｔ[Ｅ][Ｂ]ｄＶ{φ}
＋{δφ}Ｔ∫[Ｎ]Ｔ[Ｎ]{ρ}ｄＶ                                  …（７）
【００６８】
ここで［Ｅ］は単位行列、［Ｎ］は形状関数の行列表示、［Ｂ］は［Ｎ］の導関数であり、
{ｄφ(ｘ)／ｄｘ}＝[Ｂ]{φ}                                          …（８）
の関係がある。∂Ｉ／∂｛δφ｝＝０とすると
∫[Ｎ]Ｔ[Ｎ]{(ε▽φ)ｎ}ｄＳ＋{δφ}Ｔ∫[Ｂ]Ｔ[Ｅ][Ｂ]ｄＶ{φ}
＝−∫[Ｎ]Ｔ[Ｎ]{ρ}ｄｖ                                          …（９）
となる。これが解くべき有限要素式である。
【００６９】
以上のような演算式に基づいて、
∫[Ｎ]Ｔ[Ｎ]{(ε▽φ)ｎ}ｄＳ′＋{δφ}Ｔ∫[Ｂ]Ｔ[Ｅ][Ｂ]ｄＶ′{φ}
＝−∫[Ｎ]Ｔ[Ｎ]{ρ}ｄＶ′                                      …（１０）
を得る。さらに、積分の部分をＧａｕｓｓ−Ｌｅｇｅｎｄｒｅ積分に置き換えて計算する。
【００７０】
∫[Ｎ]Ｔ[Ｎ]{ρ}ｄＶ′
＝ΣｉΣｊΣｋ[Ｎ]Ｔ[Ｎ]ρ(ξｉ，ηｊ，ζｋ)ｗｉｗｊｗｋ        …（１１）
【００７１】
ここで、ξｉ，ηｊ，ζｋは要素内のサンプリングポイントの座標値で、ｗｉｗｊｗｋは重み因子である。荷電粒子（電子，イオン）の軌道は次の運動方程式を用いて追跡する。
【００７２】
ｍｄｖ／ｄｔ＝ｑ(Ｅ＋ｖ×Ｂ)，ｄｘ／ｄｔ＝ｖ                      …（１２）
【００７３】
これを４段４次のルンゲクッタ法を用いて、荷電粒子の位置及び速度（ｘ，ｖ）の時間変化を求める。粒子は空間の任意の場所を移動するが、それに働くクーロン力やローレンツ力を求めるために、電界や磁界を粒子位置に対して補間する。電子が試料に衝突した時に発生する反射電子及び２次電子の効率については、イールドの対エネルギー曲線の実験値を用いる。入射電子の角度依存性については、次の経験式を用いる。試料表面の法線となす角度をφとすると、反射電子イールドη及び２次電子イールドは
η＝Ｂ(η(φ＝０)／Ｂ)cosφ，δ＝δ(φ＝０)／cosφ                …（１３）
と表される。電子が１個試料に入射すると，試料は差し引きで（１−η−δ）帯電することになる。２次電子の放出角度θについては‘cos則’に従う。反射電子については次の経験式を用いる。
【００７４】
δ(θ)∝cosθ，η(θ)∝cos[(π／２)(φ−θ)／(π／２−φ)]        …（１４）
【００７５】
ここでφは１次電子の入射角である。また、試料に蓄積された電荷が時間的，空間的に変化することが帯電現象を複雑にしている。電子照射によって生じた帯電は、電界による移動や密度勾配による拡散によって拡がっていく。そこで、キャリア移動を、以下のようにキャリア密度が移流と拡散で移動するというマクロモデルを用いて記述する。
【００７６】
∂ｎ／∂ｔ＋▽ｊ＝０，ｊ＝μｎＥ−Ｄ▽ｎ                          …（１５）
【００７７】
ここでｎはキャリア密度（電子，ホール）、ｊは電流密度、μは移動度、Ｄは拡散係数である。電流密度ｊの第１項は移流項であり、そのまま定式化すると不安定や振動が生ずることになるので、μｎＥの符号に応じた風上差分を用いて安定化させる。μ及びＤは試料によって異なるため、実験結果から各材料ごとにパラメータを推定する必要がある。
【００７８】
プログラムは、主に、下記の（ａ），（ｂ），（ｃ）のモジュールから構成される。
（ａ）前処理部（Ｐｒｅ）：体系作成，境界条件入力とビーム／走査条件入力計算体系となる３次元体系を作成し、境界条件及び初期条件を入力する。各材料に対して物性データや２次電子放出データを用意する。ビームの電流値・エネルギー値・スポット径，ピクセル数や走査順序等をファイル入力する。
（ｂ）帯電計算部：電界，軌道計算による帯電分布と電荷移動計算による時間的空間的変化の追跡部分。ピクセル毎に電界，軌道及び電荷移動のループを計算する。粒子はＮ次電子まで追跡するとし、その数だけ電界−軌道計算を繰り返し、その後電荷移動を求める。その間に試料部の電荷密度は空間的・時間的に変化し、その後に照射及び発生する電子の軌道が変化する。その際、電子の到達位置や電位分布等を記録する。Ｎ＝１は入射電子でＮ≧２は試料表面からの電子である。
（ｃ）後処理部（Ｐｏｓｔ）：２次電子分布の等高線化による画像出力や電位分布等の出力一連のループが終了すると、記録された電子軌道のデータ等を条件毎に出力する。例えばピクセル毎、或いは複数のピクセルを含む領域ごとに条件を満足する２次電子の個数を数え、その二次電子量を反映した輝度情報を配列するとＳＥＭ画像が得られる。このプログラムを用いて、ビームや走査条件等による帯電分布の変化や電子軌道を解析し、帯電がＳＥＭ像に及ぼす影響を調べることが可能である。
【００７９】
次に図３のステップ２７において、シミュレーションによって求められた検出２次電子を画像に変換する。これは、上述の各ピクセルで記憶した２次電子のカウント数をピクセルの輝度として画像化する。次に、各ピクセルの輝度の差からパターンの輪郭を抽出（ステップ２８）し、設計データとのマッチングを行う（ステップ２９，図２のステップ１３）。複数の走査条件でシミュレーションした場合には、各条件での設計データとの一致率が求まり、より一致率が高いものほど、帯電の影響が少ない走査条件となる（ステップ３０）。
【００８０】
帯電の影響は、現在観察している画像の歪みだけでなく、帯電箇所の周辺を測定した際にも１次電子軌道の曲がりによる照射点ずれや２次電子の表面戻りによる輝度の低下等に影響を及ぼすことがあるため、できるだけ帯電は発生させないことが望ましい。このため、複数条件下でシミュレーションを行った場合には、より帯電の少ない条件を選択することが望ましい。
【００８１】
次に図２のステップ１４において、測定場所に応じた測定レシピを作成する。この際、作成した測定レシピに対応した画像も合わせて、メモリあるいはハードディスクに格納（ステップ１５，１６）する。すべての測定点に対して上述の処理を実施する。
【００８２】
次に、作成した測定レシピを用いて測定を行う。そして、実際にＳＥＭを用いて取得した画像データ（ステップ１７，１８）と、上述のシミュレーションに基づいて形成された画像を比較する（ステップ１９）。ここでは２つの画像比較によって欠陥抽出を行う。当該ステップ１９について、図６を用いて更に詳細に説明する。上記欠陥抽出のために、ＳＥＭ画像とシミュレーションによって得られた画像を比較する手法は、以下の２通りが考えられる。
【００８３】
第一の方法は、シミュレーション画像と測定画像を比較するものであり、第二の方法は測定画像から帯電の影響を除去した後、設計データと比較するものである。第一の方法では、帯電の影響を含んだ画像間での比較となる。画像間での一致が取れるため、帯電歪みを除いた欠陥検出が可能だが、元の形状が画像からは明確には分からない可能性がある。
【００８４】
一方、第二の方法では、測定画像と比較を行う前に、シミュレーション結果と設計データを比較し、帯電が原因で現れる不一致箇所（例えば、シェーディングや尾引き，ライン消失等）を抽出しておく。ここで抽出される不一致箇所は帯電によって画像上に現れたものであるため、この不一致情報に基づき測定画像を補正（不一致箇所を除去）する。これにより測定画像と設計データを比較することができ、元の形状も画像から判断可能である。
【００８５】
例えば、図７の左上図は、絶縁体であるレジストに孔（ホール）が形成されている試料の画像である。本来の孔の周りに暗い影（シェーディング）が確認できる。輪郭抽出アルゴリズムでは、画像中の輝度のコントラスト変化から輪郭を抽出しているため、周辺のシェーディングもパターンとして認識されてしまう可能性がある。
【００８６】
上述の第一の方法（シミュレーション結果との比較）では、どちらの画像にも孔周辺のシェーディングが確認できるため、帯電の影響を含んだ画像として一致が取れる。また、第二の方法（測定画像から帯電の影響を除去）では、シミュレーション結果と設計データとの比較で、孔周辺に帯電起因のシェーディングが現れることが分かる。この不一致部分を測定画像から除去する（図７左下図の点線部分）ことにより、設計データと測定画像の比較が可能となり、欠陥が発生していないことを確認できる。
【００８７】
また、図７の右上図は、横方向に形成されたラインを、ラインに対して平行に走査を行った際の画像である。ラインに対して平行に走査をした場合には、帯電の影響によりラインのエッジ（角）が検出しにくくなることが分かっている。図７の右上図からわかるように、得られた画像からはラインのエッジを明確に読み取れず、パターンの輪郭抽出が困難である。このような場合、パターンが形成されていないものとして判断され、欠陥として分類される。一方、本発明では、事前のシミュレーションにより、横ラインが検出されにくいことが分かるため、この画像の輪郭抽出パラメータを変更する、等の設定が可能である。
【００８８】
ただし、完全にラインが見えないような場合には、パターンが形成されていないのか、帯電でエッジが消失しているかの判断は困難ではあるが、事前に複数のシミュレーションを行うことにより、より帯電の起こりにくい（より横ラインエッジが検出可能な）条件を求めることができる。
【００８９】
以上の比較方法は、ユーザが選択可能であり、どちらの場合も欠陥検出における、帯電由来の誤判定を減らすことができる。また、ここでの一致裕度等の欠陥判定基準は従来の値を用いる。
【００９０】
以上の処理を通して得られた一致率と測定者が事前に指定する閾値との関係からパターンが正常か欠陥かの判定が行われる。本実施例により、帯電の影響を考慮した欠陥検出が可能となる。また、本実施例では、欠陥検出に関して示したが、ラインやホールの幅を管理する等、測長ＳＥＭに利用しても良い。
【００９１】
次に、試料表面を、電子ビームや電子ビームを放出する電子源とは別の電子源（例えばフラッドガン等）にて、検査，測定前に帯電させる手法（プリチャージ）、或いは検査，測定後に試料を帯電させる手法（ポストチャージ）の帯電条件決定法として、上述のシミュレーションを適用する手法を説明する。
【００９２】
観察したい試料の表面形状によっては、ＳＥＭ測定の準備として、あらかじめ試料表面を正帯電させておくことがある。このような事前帯電条件も本発明によって決定することができる。観察する表面の形状，材質，倍率等をシミュレーションの結果から求めることが可能である。必要とする表面帯電の値を入力パラメータとすれば、その値を得るための倍率，電流量，入射エネルギー等をシミュレーションで求めることが可能である。
【００９３】
また、他の手法として、測定対象パターンがコンタクトホール等の深孔である場合、深孔底部を選択的に測定するには、底部から放出される電子を高効率に検出する必要がある。そこで、底部から放出される電子量を計算し、当該値が所定値以上となる装置条件（倍率，ビーム電流，ビームの到達エネルギー等）を、複数の装置条件から選択するようにすると良い。表面帯電の大きさや、深孔底部からの電子量の評価によって、適切な予備帯電条件を見出すことが可能となる。
【００９４】
さらに表面が帯電した状態で走査したときの画像も求めることが可能である。また、観察後の電位がシミュレーションで確認できるため、測定箇所の帯電を抑制させる処理を行うことが可能である。例えば、表面が正に帯電している場合には、帯電している材料の電子の収率が１以下となるエネルギーで電子照射を実施すればよい。この際、図８に示す１次電子エネルギーと収率分布のうちＥｐ１以下を用いることが望ましい。Ｅｐ２以上でも収率は１以下であるため正帯電を抑えることはできるが、高エネルギーを与えて照射した場合には、表面だけでなく試料内部を負帯電させてしまう。このため低エネルギー電子を照射させることで、表面の帯電を緩和させる。これらの照射条件も、観察直後の表面電位からシミュレーションで求めることが可能である。
【００９５】
なお、上述の実施例では、シミュレーションによって、各画素の輝度情報を計算する手法について説明したが、装置条件，試料条件等の組み合わせ毎に、輝度情報を予め求めた上で、データベース化し、装置条件や試料条件等の組み合わせに応じて、当該データベースより輝度情報を読み出し、当該情報を配列するようにして、画像形成を行うようにしても良い。
【符号の説明】
【００９６】
１  陰極
２  第一陽極
３  第二陽極
４  一次電子線（電子ビーム）
５，６  収束レンズ
７  対物レンズ
８  絞り板
９  走査コイル
１０  試料
１１  直交電磁界発生装置（二次電子用偏向器）
１２  二次信号（二次電子，後方散乱電子）
１３  二次信号検出器
１４  信号増幅器
１５  ステージ
１６  偏向コイル
２６  画像表示装置
３０  制御プロセッサ
３３  データ管理装置
【図１】
2010205864.tif 000003
【図２】
2010205864.tif 000004
【図３】
2010205864.tif 000005
【図４】
2010205864.tif 000006
【図５】
2010205864.tif 000007
【図６】
2010205864.tif 000008
【図７】
2010205864.tif 000009
【図８】
2010205864.tif 000010
【図９】
2010205864.tif 000011