(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表示手段と、
荷電粒子ビームを試料上に照射する照射手段と、
前記荷電粒子ビームの照射によってパターンが形成された前記試料上から発生する電子の電子量を検出する電子検出手段であって、前記荷電粒子ビームの光軸を挟んで設置された第１の電子検出手段及び第２の電子検出手段と、
前記電子量を基に当該パターンの画像データを生成する画像処理手段と、
前記第１の電子検出手段で検出された信号と前記第２の電子検出手段で検出された信号との差分信号を算出し、当該差分信号に対応する電子量を基に前記画像処理手段に前記パターンの画像データを生成させ、前記表示手段の画面に前記画像データに対応する画像を表示する制御手段と、
前記電子検出手段で検出された電子の電子量を基に前記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手段とを有し、
前記制御手段は、前記第１の電子検出手段が前記パターンの左側に設けられ、前記第２の電子検出手段が前記パターンの右側に設けられているとき、前記ラインプロファイル作成手段により作成された前記差分信号に対応するラインプロファイルの正のピーク位置が前記パターンのエッジの立上りであり、負のピーク位置が前記パターンのエッジの立下りであると判定するとともに、前記差分信号に対応するラインプロファイルにおいて、ピークに至る途中であってピーク位置近傍に段差を有するとき、当該段差のピーク側の山の幅をエッジ幅とすることを特徴とするパターン測定装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記段差のピーク側の端点位置から、ピークを挟んだ当該端点位置と同一の信号値を持つ位置までの距離を前記山の幅と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】
前記制御手段は、前記ラインプロファイルを微分して微分プロファイルを取得し、当該微分プロファイルにおいて前記段差のピーク側の極大値の位置から極小値の位置までの距離を前記山の幅と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】
前記制御手段は、前記ラインプロファイルにおける正のピークを基に検出された位置Ｘ１から位置Ｘ２（＞Ｘ１）までのエッジ幅と、当該正のピークに隣接する負のピークを基に検出された位置Ｘ３（＞Ｘ２）からＸ４（＞Ｘ３）までのエッジ幅に対して、位置Ｘ１から位置Ｘ４までの距離を前記パターンの底辺の幅として算出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５】
前記制御手段は、少なくとも前記パターンのエッジ角度がほぼ直角か又は前記パターンの膜厚が所定の厚さよりも薄いとき、前記パターンの立上りエッジ及び立下りエッジの幅が同じであると仮定し、前記ラインプロファイルの正のピーク位置から負のピーク位置までの距離を算出し、前記パターンの膜厚及びエッジの傾斜角度を基に予め検出されたエッジ幅を前記距離に加算した値を前記パターンの線幅と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６】
荷電粒子ビームを試料上に照射して、前記試料上から発生する電子の電子量を基に試料上に形成されたパターンの計測をするパターン測定方法であって、
前記荷電粒子ビームの光軸を挟んで設置された第１の電子検出手段と第２の電子検出手段のうち、前記第１の電子検出手段により検出された第１の電子量を基に前記試料上に形成されたパターンのＳＥＭ画像を取得するステップと、
前記第２の電子検出手段により検出された第２の電子量を基に前記試料上に形成されたパターンのＳＥＭ画像を取得するステップと、
前記第１の電子量と前記第２の電子量の差分に対応する第３の電子量を基にパターンのＳＥＭ画像を取得するステップと、
当該ＳＥＭ画像を表示手段の画面に表示するステップと、
前記第３の電子量を基に前記パターンのラインプロファイルを作成するステップと、
前記第１の電子検出手段が前記パターンの左側に設けられ、前記第２の電子検出手段が前記パターンの右側に設けられているとき、前記ラインプロファイルの正のピーク位置が前記パターンのエッジの立上りであり、負のピーク位置が前記パターンのエッジの立下りであると判定するステップと、
前記ラインプロファイルにおいて、ピークに至る途中であってピーク位置近傍に段差を有するとき、当該段差のピーク側の山の幅をエッジ幅とするステップと、を有することを特徴とするパターン測定方法。
【請求項７】
前記段差のピーク側の山の幅をエッジ幅とするステップでは、前記段差のピーク側の端点位置から、ピークを挟んだ当該端点位置と同一の信号値を持つ位置までの距離を前記山の幅とすることを特徴とする請求項６に記載のパターン測定方法。
【請求項８】
前記段差のピーク側の山の幅をエッジ幅とするステップは、
前記ラインプロファイルを微分して微分プロファイルを取得するステップと、
前記微分プロファイルにおいて前記段差のピーク側の極大値の位置から極小値の位置までの距離を前記山の幅とするステップと、
を有することを特徴とする請求項６に記載のパターン測定方法。
【請求項９】
さらに、前記ラインプロファイルから正のピーク及び当該正のピークに隣接する負のピークを検出するステップと、
前記正のピークを基に検出された位置Ｘ１から位置Ｘ２（＞Ｘ１）までのエッジ幅を算出するステップと、
前記負のピークを基に検出された位置Ｘ３（＞Ｘ２）から位置Ｘ４（＞Ｘ３）までのエッジ幅を算出するステップと、
前記位置Ｘ１から前記位置Ｘ４までの距離を前記パターンの底辺の幅として算出するステップと、
を有することを特徴とする請求項６に記載のパターン測定方法。
【請求項１０】
さらに、少なくとも前記パターンのエッジ角度がほぼ直角か又は前記パターンの膜厚が所定の厚さよりも薄いとき、前記パターンの立上りエッジ及び立下りエッジの幅が同じであると仮定して前記ラインプロファイルの正のピーク位置から負のピーク位置までの距離を算出するステップと、
前記パターンの膜厚及びエッジの傾斜角度を基に予め検出されたエッジ幅を前記距離に加算して前記パターンの線幅を算出するステップと、
を有することを特徴とする請求項６に記載のパターン測定方法。
【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。
【０００７】
一方、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場合がある。例えば、図１（ａ）に示すように、通常はラインパターン１０３ａのトーンがスペースパターン１０２ａのトーンよりも高いため、エッジ１０１間のトーンの高いパターン１０３ａがラインパターンと判別できる。
【０００８】
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１０３ｂとスペースパターン１０２ｂにトーンの差がない場合や、図１（ｃ）に示すように、パターン１０３ｃとスペースパターン１０２ｃ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１０１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。
【０００９】
特許文献３には、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が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【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
【特許文献３】特開２００７−２９２７３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献３の技術では、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にラインプロファイルの２次微分プロファイルを基にラインパターンのエッジの立上りか立下りを検出できるようになっている。
【００１２】
具体的には、パターンのＳＥＭ画像からラインプロファイルを算出し、そのラインプロファイルから２次微分プロファイルを求める処理をし、パターンのエッジ付近における２次微分プロファイルのピーク位置及びピーク値により判断している。
【００１３】
しかし、２次微分プロファイルのピーク値が明確に検出されないときには、エッジが立上がりか立下りかを正確に判定することが困難である。
【００１４】
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、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し、ラインパターンとスペースパターンを容易に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。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記した課題は、表示手段と、荷電粒子ビームを試料上に照射する照射手段と、前記荷電粒子ビームの照射によってパターンが形成された前記試料上から発生する電子の電子量を検出する電子検出手段であって、前記荷電粒子ビームの光軸を挟んで設置された第１の電子検出手段及び第２の電子検出手段と、前記電子量を基に当該パターンの画像データを生成する画像処理手段と、前記第１の電子検出手段で検出された信号と前記第２の電子検出手段で検出された信号との差分信号を算出し、当該差分信号に対応する電子量を基に前記画像処理手段に前記パターンの画像データを生成させ、前記表示手段の画面に前記画像データに対応する画像を表示する制御手段と、前記電子検出手段で検出された電子の電子量を基に前記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手段とを有し、前記制御手段は、前記第１の電子検出手段が前記パターンの左側に設けられ、前記第２の電子検出手段が前記パターンの右側に設けられているとき、前記ラインプロファイル作成手段により作成された前記差分信号に対応するラインプロファイルの正のピーク位置が前記パターンのエッジの立上りであり、負のピーク位置が前記パターンのエッジの立下りであると判定するとともに、前記差分信号に対応するラインプロファイルにおいて、ピークに至る途中であってピーク位置近傍に段差を有するとき、当該段差のピーク側の山の幅をエッジ幅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、さらに、前記電子検出手段で検出された電子の電子量を基に前記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手段を有し、前記制御手段は、前記第１の電子検出手段が前記パターンの左側に設けられ、前記第２の電子検出手段が前記パターンの右側に設けられているとき、前記ラインプロファイル作成手段により作成された前記差分信号に対応するラインプロファイルの正のピーク位置が前記パターンのエッジの立上りであり、負のピーク位置が前記パターンのエッジの立下りであると判定するようにしてもよく、前記制御手段は、前記差分信号に対応するラインプロファイルにおいて、ピークに至る途中であってピーク位置近傍に段差を有するとき、当該段差のピーク側の山の幅をエッジ幅とするようにしてもよく、前記制御手段は、前記段差のピーク側の端点位置から、ピークを挟んだ当該端点位置と同一の信号値を持つ位置までの距離を前記山の幅とするようにしてもよく、前記制御手段は、前記ラインプロファイルを微分して微分プロファイルを取得し、当該微分プロファイルにおいて前記段差のピーク側の極大値の位置から極小値の位置までの距離を前記山の幅とするようにしてもよい。
【００１７】
また、この形態に係るパターン測定装置において、前記制御手段は、前記エッジ幅と前記パターンの高さを基に前記パターンのエッジの傾斜角度を算出するようにしてもよく、前記制御手段は、前記ラインプロファイルにおける正のピークを基に検出された位置Ｘ１から位置Ｘ２（＞Ｘ１）までのエッジ幅と、当該正のピークに隣接する負のピークを基に検出された位置Ｘ３（＞Ｘ２）からＸ４（＞Ｘ３）までのエッジ幅に対して、位置Ｘ１から位置Ｘ４までの距離を前記パターンの底辺の幅として算出するようにしてもよく、前記制御手段は、少なくとも前記パターンのエッジ角度がほぼ直角か又は前記パターンの膜厚が所定の厚さよりも薄いとき、前記パターンの立上りエッジ及び立下りエッジの幅が同じであると仮定し、前記ラインプロファイルの正のピーク位置から負のピーク位置までの距離を算出し、前記パターンの膜厚及びエッジの傾斜角度を基に予め検出されたエッジ幅を前記距離に加算した値を前記パターンの線幅とするようにしてもよい。
【００１８】
また、上記した課題は、荷電粒子ビームを試料上に照射して、前記試料上から発生する電子の電子量を基に試料上に形成されたパターンの計測をするパターン測定方法であって、前記荷電粒子ビームの光軸を挟んで設置された第１の電子検出手段と第２の電子検出手段のうち、前記第１の電子検出手段により検出された第１の電子量を基に前記試料上に形成されたパターンのＳＥＭ画像を取得するステップと、前記第２の電子検出手段により検出された第２の電子量を基に前記試料上に形成されたパターンのＳＥＭ画像を取得するステップと、前記第１の電子量と前記第２の電子量の差分に対応する第３の電子量を基にパターンのＳＥＭ画像を取得するステップと、当該ＳＥＭ画像を表示手段の画面に表示するステップと、前記第３の電子量を基に前記パターンのラインプロファイルを作成するステップと、前記第１の電子検出手段が前記パターンの左側に設けられ、前記第２の電子検出手段が前記パターンの右側に設けられているとき、前記ラインプロファイルの正のピーク位置が前記パターンのエッジの立上りであり、負のピーク位置が前記パターンのエッジの立下りであると判定するステップと、前記ラインプロファイルにおいて、ピークに至る途中であってピーク位置近傍に段差を有するとき、当該段差のピーク側の山の幅をエッジ幅とするステップと、を有するパターン測定方法により解決する。
【００１９】
この形態に係るパターン測定方法において、さらに、前記第３の電子量を基に前記パターンのラインプロファイルを作成するステップと、前記第１の電子検出手段が前記パターンの左側に設けられ、前記第２の電子検出手段が前記パターンの右側に設けられているとき、前記ラインプロファイルの正のピーク位置が前記パターンのエッジの立上りであり、負のピーク位置が前記パターンのエッジの立下りであると判定するステップと、を有するようにしてもよく、さらに、前記ラインプロファイルにおいて、ピークに至る途中であってピーク位置近傍に段差を有するとき、当該段差のピーク側の山の幅をエッジ幅とするステップを有するようにしてもよく、前記段差のピーク側の山の幅をエッジ幅とするステップでは、前記段差のピーク側の端点位置から、ピークを挟んだ当該端点位置と同一の信号値を持つ位置までの距離を前記山の幅とするようにしてもよく、前記段差のピーク側の山の幅をエッジ幅とするステップは、前記ラインプロファイルを微分して微分プロファイルを取得するステップと、前記微分プロファイルにおいて前記段差のピーク側の極大値の位置から極小値の位置までの距離を前記山の幅とするステップと、を有するようにしてもよい。
【００２０】
また、この形態に係るパターン測定方法において、さらに、前記エッジ幅と前記パターンの高さを基に前記パターンのエッジの傾斜角度を算出するステップを有するようにしてもよく、さらに、前記ラインプロファイルから正のピーク及び当該正のピークに隣接する負のピークを検出するステップと、前記正のピークを基に検出された位置Ｘ１から位置Ｘ２（＞Ｘ１）までのエッジ幅を算出するステップと、前記負のピークを基に検出された位置Ｘ３（＞Ｘ２）から位置Ｘ４（＞Ｘ３）までのエッジ幅を算出するステップと、前記位置Ｘ１から前記位置Ｘ４までの距離を前記パターンの底辺の幅として算出するステップと、を有するようにしてもよく、さらに、少なくとも前記パターンのエッジ角度がほぼ直角か又は前記パターンの膜厚が所定の厚さよりも薄いとき、前記パターンの立上りエッジ及び立下りエッジの幅が同じであると仮定して前記ラインプロファイルの正のピーク位置から負のピーク位置までの距離を算出するステップと、前記パターンの膜厚及びエッジの傾斜角度を基に予め検出されたエッジ幅を前記距離に加算して前記パターンの線幅を算出するステップと、を有するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明では、複数の電子検出器を備えたパターン測定装置において、パターンの一方のエッジ側に配置された電子検出器によって検出された電子量とパターンの他方のエッジ側に配置された電子検出器によって検出された電子量との差分を算出し、その差分に対応する電子量を基にパターンのＳＥＭ画像を形成している。これにより、エッジの部分の輝度が強調され、パターンが形成されている領域とパターンの形成されていない領域との区別が明確に表示されるようになる。
【００２２】
また、パターンの左側に配置された電子検出器によって検出された電子量からパターンの右側に配置された電子検出器によって検出された電子量を減算した差分に対応する電子量を基にラインプロファイルを作成している。このラインプロファイルにおいて、正のピーク位置がパターンのエッジの立上りに対応し、負のピーク位置がパターンのエッジの立下りに対応する。これにより、ラインプロファイルの１次微分や２次微分をすることなく、パターンのエッジの立上り又は立下り判定を容易に行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【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】複数の電子検出器によってパターンの凹凸が強調される原理を説明する図である。
【図５】ＣＯＧマスクのＳＥＭ画像及びラインプロファイルを示す図である。
【図６】エッジに傾斜があるパターンと傾斜がないパターンのＳＥＭ画像及びラインプロファイルを示す図である。
【図７】エッジの角度算出を説明する図である。
【図８】薄膜マスクにおけるパターンの線幅測定を説明する図である。
【図９】薄膜マスクのＳＥＭ画像及びラインプロファイルを示す図である。
【図１０】測定値のエッジ幅による補正を説明する図である。
【図１１】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。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
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。
【００２５】
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、複数の電子検出器を使用したＳＥＭ画像の生成及びパターンの測定について説明する。
【００２６】
（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。
【００２７】
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、及びエッジ検出部２３を有している。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
荷電粒子９（１次電子ビーム）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。
【００３１】
画像データは、試料７上における１次電子ビームの走査位置と同じ配置になるように２次元配列上に並べられて、２次元デジタル画像が得られる。この２次元デジタル画像の各画素（ピクセル）は、それぞれ８ビットの情報量で輝度データを表わしている。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
エッジ検出部２３は、ラインプロファイルのデータを基に、パターンのエッジを検出する。
【００３５】
（一般的なＳＥＭ画像を利用したパターンサイズの測定）
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エッジ検出を含むＳＥＭ画像を利用したパターンサイズの測定について説明する。
【００３６】
試料７として、図３（ａ）に示すように、フォトマスク基板５０上に配線パターン５１が形成されたものを対象する。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。
【００３７】
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（画像表示部４０）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。
【００３８】
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幅Ｈ１が４００ピクセル、長さＬ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。
【００３９】
抽出したＳＥＭ画像ピクセルデータから、測長エリアのＨ１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。
【００４０】
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（コントラストプロファイル）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、一般的には、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。
【００４１】
更に、図３（ｄ）に示すように、ピーク前後の複数の微分信号Ｄｘからピクセル間を補完して微分波形Ｃ１，Ｃ２を求め、１／１００の分解能で第１ピークＰ１と第２ピークＰ２のピーク位置を計算する。ラインパターンの幅Ｗ１は、第１ピークＰ１と第２ピークＰ２との間の距離として求められる。
【００４２】
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することで、より正確なラインパターンの幅Ｗ１が得られる。
【００４３】
（複数の電子検出器によるＳＥＭ画像の生成及びパターンの測定）
以下に、複数の電子検出器による試料上に形成されたパターンのＳＥＭ画像の取得、及び、パターンの測定処理について説明する。
【００４４】
図４（ａ）は、電子検出器の配置を示す概略模式図である。図４（ａ）に示すように、電子検出器４５ａ〜４５ｄが、荷電粒子ビーム４２の光軸を中心に、対称に配置されている。各電子検出器４５ａ〜４５ｄは、試料ステージ４１上に載置された試料上に荷電粒子ビームを照射することによって発生する２次電子を捕捉して、各設置位置における電子量をｃｈ１〜ｃｈ４の信号として信号処理部３０に送出する。
【００４５】
通常は、このように配置された各電子検出器４５ａ〜４５ｄにおけるｃｈ１〜ｃｈ４の信号をすべて加算して２次電子量を算出し、その値を基にＳＥＭ画像を生成したり、エッジ位置を検出したりしている。
【００４６】
本実施形態では、ラインパターンの一方のエッジ側に設けられた電子検出器で検出された２次電子量と、他方のエッジ側に設けられた電子検出器で検出された２次電子量との差分を算出して、その差分データを基にＳＥＭ画像を生成する。このようにして生成されたＳＥＭ画像では、電子検出量のすべてを合計した電子量を基に生成したＳＥＭ画像に比べて、エッジ位置が明確になり、パターンの凹凸を明確に認識することが可能になる。
【００４７】
図４（ｂ）は、パターンの凹凸が強調される原理を説明する図である。パターンは、断面形状に示すような立上り傾斜のエッジ４６ａと立下り傾斜のエッジ４６ｂを有するものとする。
【００４８】
パターンの左側に配置された検出器４５ａと検出器４５ｂにより検出される信号を合計した信号をＬ信号とし、パターンの右側に配置された検出器４５ｃと検出器４５ｄにより検出される信号を合計した信号をＲ信号とする。
【００４９】
立上り傾斜のエッジ４６ａにおいて発生する２次電子は左側に配置された検出器（４５ａ，４５ｂ）で多量に捕捉され、立下り傾斜のエッジ４６ｂにおいて発生する２次電子は右側に配置された検出器（４５ｃ、４５ｄ）で多量に捕捉される。
【００５０】
立上り傾斜のエッジ４６ａにおいて発生する２次電子は、左側に配置された検出器（４５ａ、４５ｂ）に向かう量が多くなるため、エッジ４６ａに対応するＬ信号４７ａの値が大きく、右側に配置された検出器（４５ｃ、４５ｄ）に向かう量は少なくなるため、Ｌ信号４７ａに比べて小さい値（Ｒ信号４８ａ）になる。同様に、立下り傾斜のエッジ４６ｂでは、エッジ４６ｂに対応するＲ信号４８ｂの値がＬ信号４７ｂの値より大きくなっている。
【００５１】
Ｌ信号とＲ信号との差分をとると、平坦な領域では信号量がゼロに近くなり、立上り傾斜のエッジ４６ａにおける電子量はＬ−Ｒ信号４９ａに示すようにプラス側に強調され、立下り傾斜のエッジ４６ｂにおける電子量はＬ−Ｒ信号４９ｂに示すようにマイナス側に強調される。
【００５２】
図５は、ＣＯＧマスクに対するＳＥＭ画像、及びラインプロファイルを示した図である。図５（ａ）は、ガラス基板５６の上に形成されたクロムパターン５７を示している。図５（ｂ）は、図５（ａ）のＣＯＧマスクに対して、左側の検出器（４５ａ、４５ｂ）により検出された信号量と右側の検出器（４５ｃ、４５ｄ）により検出された信号量とを加算した信号量を基に作成したＳＥＭ画像５８を示している。このＳＥＭ画像５８に示すように、パターン５７ａが形成されている領域の画像５８ａはパターンが形成されていない領域の画像５８ｂよりも明るく表示されている。ラインプロファイルＬ１に示すように、エッジ部分では信号量が他の部分よりも大きくなっている。
【００５３】
図５（ｃ）は、図５（ａ）のＣＯＧマスクに対して、左側の検出器（４５ａ、４５ｂ）により検出された信号量から右側の検出器（４５ｃ、４５ｄ）により検出された信号量を減算した信号量を基に作成したＳＥＭ画像５９を示している。このＳＥＭ画像５９に示すように、パターンの立上りエッジＥ１、立下りエッジＥ２に対応するＳＥＭ画像５９ｃ、５９ｄがそれぞれ白、黒に強調されて表示されている。また、ラインプロファイルＬ２によると、立上りエッジ部ではプラスピーク、立下りエッジ部ではマイナスピークを示し、パターンが形成されている領域のＳＥＭ画像５９ａとパターンが形成されていない領域のＳＥＭ画像５９ｂとを明瞭に区別することができる。
【００５４】
次に、図６及び図７を参照しながら、エッジ幅の検出及びエッジの角度測定について説明する。図６は、エッジに傾斜があるパターンと傾斜がないパターンのＳＥＭ画像及びラインプロファイルを示した図である。
【００５５】
図６（ａ）は、パターンの膜厚が７０ｎｍでエッジに傾斜がある場合のＳＥＭ画像６１を示している。ＳＥＭ画像６３ａはスペースに対応し、ＳＥＭ画像６３ｂはパターンに対応している。また、パターンの立上りエッジに対応する部分のＳＥＭ画像６３ｃは白く表示されている。エッジ部分のラインプロファイルＬ３に着目すると、正のピーク６６のスペース側には、ピーク６６に至る途中に段差６５が存在し、突起した状態で幅が数ｎｍのピーク６６が現れている。
【００５６】
一方、図６（ｂ）は、エッジの角度が９０度のパターンに対するＳＥＭ画像６２を示している。ＳＥＭ画像６４ａはスペースに対応し、ＳＥＭ画像６４ｂはパターンに対応している。また、パターンの立上りエッジに対応する部分のＳＥＭ画像６４ｃの輝度が一番高くなっている。エッジ部分のラインプロファイルＬ４に着目すると、図６（ａ）とは異なり、正のピーク６７のスペース側は一定の傾斜であり、段差が存在していない。
【００５７】
このように、本来、ビーム径より小さい幅はＳＥＭ画像のラインプロファイルに現れることはないが、Ｌ−Ｒの差分画像を生成することで、エッジの幅の情報が顕在化していると考えられる突起状態のピークを観察することができる。従って、このピーク部の幅を測定することで、エッジ部の幅を検出することができる。
【００５８】
また、さらに、パターンの膜厚が既知であれば、このエッジ部分の幅からエッジ側壁の角度を算出することが可能となる。
【００５９】
図７は、エッジの角度算出について説明する図である。測定対象のパターン７１の膜厚Ｈは予め分かっているものとする。
【００６０】
パターン７１のエッジ７５と反対側の検出器で検出されたＲ信号を基に作成されたラインプロファイルＬ５は、エッジ７５の影となるため、立上りパターンのスペース側で信号値が下がり、エッジ部分では平坦部分よりも信号値が大きくなっている。
【００６１】
パターン７１のエッジ７５側の検出器で検出されたＬ信号を基に作成されたラインプロファイルＬ６は、エッジ７５の反射側となるため、立上りパターンのスペース側で信号値が上がり、エッジ部分ではＲ信号よりも大きな信号値となっている。
【００６２】
Ｌ信号とＲ信号の差分信号（Ｌ−Ｒ信号）によるラインプロファイルＬ７では、エッジ７５のスペース側に段差７７が出現し、エッジ７５に対応して突起状にピークを形成している。
【００６３】
Ｒ信号において、エッジに幅があるときは、エッジの中央部にラインプロファイルＬ５のピークが出現するとともに、エッジ部分のスペース側においてラインプロファイルＬ５の変化率がプラスの部分が存在する。このプラスの部分の変化率とＬ信号のラインプロファイルＬ６の変化率とが同一になる部分が存在することにより、Ｌ−Ｒ信号における段差７７が出現する。
【００６４】
一方、エッジの角度が９０度の場合は、エッジ部分の幅が０であるため、Ｌ−Ｒ信号において段差が出現しないと考えられる。
【００６５】
従って、Ｌ−Ｒ信号において、ピークに至る途中であってピーク位置近傍に段差を有するとき、この段差のピーク側の山の幅、例えば、端点位置（ラインプロファイルの変化率が急激に変わる点）からピークを挟んだ端点位置と同一の信号値を持つ位置までの距離Ｗ、をエッジ幅とみなしている。
【００６６】
また、ラインプロファイルを微分して微分プロファイルを取得し、この微分プロファイルから段差のピーク側の極大値及び極小値を求め、極大値の位置から極小値の位置までをエッジ幅とするようにしてもよい。
【００６７】
このようにして検出したエッジ幅Ｗとパターンの高さＨとを用いて、エッジの角度θはｔａｎθ＝Ｈ／Ｗにより算出することが可能となる。
【００６８】
また、パターン７１の幅は、パターン左側で検出したエッジ７５の幅の左側のエッジ位置と、パターン右側で検出したエッジ７６の幅の右側のエッジ位置との距離から算出することができる。この測定方法により、電子ビーム径に依存しないパターンの寸法測定が可能となる。
【００６９】
次に、高さが１０ｎｍ以下のパターンが形成された薄膜マスクにおけるパターン幅の測定方法について説明する。
【００７０】
図８は、パターンのＳＥＭ画像を従来の電子検出器で取得したときの処理を示している。図８に示すように、ライン部８５ａの輝度がスペース部８５ｂの輝度よりも低くなっている。薄膜パターンの場合、エッジ部８５ｃの輝度信号が非常に小さいため、このプロファイルから立上りか立下りかを判定することは困難である。また、輝度情報もパターンの材質や膜厚によって変化するため、ラインとスペースが等間隔のパターンの場合、ラインとスペースを判別することは非常に困難である。
【００７１】
また、図８に示すように、ラインプロファイルのエッジ位置（Ｅ３，Ｅ４）には、極小値と極大値とが現れているが、左側のエッジＥ３の位置はプロファイル８７ａの極大値８８ａの左側の立上りエッジ位置、右側のエッジＥ４の位置はプロファイル８７ｂの極大値８８ｂの右側の立下りエッジ位置となり、スペース部８５ｂの輝度がプロファイルの極大値（８８ａ、８８ｂ）よりも高いため、正確にエッジ位置を検出することは困難である。
【００７２】
図９は、薄膜マスクに対して電子検出器４５ａ〜４５ｄで検出された電子量を基に生成されたＳＥＭ画像を示している。
【００７３】
図９（ａ）は、基板９１に薄膜パターン９２が形成された薄膜マスクの例を示している。図９（ｂ）は、パターン９２の左側の電子検出器４５ａ、４５ｂにより検出された電子量を基に生成したＳＥＭ画像９３、及びラインプロファイルＬ８を示している。図９（ｂ）のＳＥＭ画像９３に示すように、パターンのエッジ位置（Ｅ５，Ｅ６）に対応する部分のＳＥＭ画像９３ｃ、９３ｄは高輝度のために白く表示され、パターンが形成されている部分のＳＥＭ画像９３ａがパターンの形成されていない部分のＳＥＭ画像９３ｂよりも暗く表示されている。
【００７４】
また、ラインプロファイルＬ８に示すように、パターンの形成されていない部分９３ｂの電子量がパターンの形成されている部分９３ａの電子量よりも高くなっている。また、パターンのエッジ位置（Ｅ５，Ｅ６）では、ラインプロファイルＬ８の値が大きくなっているが、左側のエッジ位置Ｅ５に対応するラインプロファイルＱ１の値の方が、右側のエッジ位置Ｅ６に対応するラインプロファイルＱ２の値よりも大きくなっている。
【００７５】
図９（ｃ）は、パターン９２の右側の電子検出器（４５ｃ、４５ｄ）により検出された電子量を基に生成したＳＥＭ画像９４、及びラインプロファイルＬ９を示している。図９（ｃ）のＳＥＭ画像９４に示すように、パターンのエッジ位置（Ｅ５，Ｅ６）に対応する部分のＳＥＭ画像９４ｃ、９４ｄは高輝度のために白く表示され、パターンが形成されている部分のＳＥＭ画像９４ａがパターンの形成されていない部分のＳＥＭ画像９４ｂよりも暗く表示されている。
【００７６】
また、ラインプロファイルＬ９に示すように、パターンが形成されていない部分９４ｂの電子量がパターンの形成されている部分９４ａの電子量よりも高くなっている。また、パターンのエッジ位置（Ｅ５，Ｅ６）では、ラインプロファイルＬ９の値が大きくなっているが、左側のエッジ位置Ｅ５に対応するラインプロファイルＱ３の値の方が、右側のエッジ位置Ｅ６に対応するラインプロファイルＱ４の値よりも小さくなっている。
【００７７】
図９（ｄ）は、左側の電子検出器（４５ａ，４５ｂ）により検出された電子量と右側の電子検出器（４５ｃ、４５ｄ）により検出された電子量とを加算した電子量を基に生成したＳＥＭ画像９５、及びラインプロファイルＬ１０を示している。図９（ｄ）のＳＥＭ画像９５に示すように、パターンのエッジ位置（Ｅ５，Ｅ６）に対応する部分のＳＥＭ画像９５ｃ、９５ｄは高輝度のために白く表示され、パターンが形成されている部分のＳＥＭ画像９５ａがパターンの形成されていない部分のＳＥＭ画像９５ｂよりも暗く表示されている。
【００７８】
また、ラインプロファイルＬ１０に示すように、パターンが形成されていない部分９５ｂの電子量がパターンの形成されている部分９５ａの電子量よりも高くなっている。また、パターンのエッジ位置（Ｅ５，Ｅ６）では、ラインプロファイルの値が大きくなっており、左側のエッジ位置Ｅ５に対応するラインプロファイルＱ５の値と、右側のエッジ位置Ｅ６に対応するラインプロファイルＱ６の値がほぼ同じになっている。
【００７９】
図９（ｅ）は、左側の電子検出器（４５ａ、４５ｂ）により検出された電子量から右側の電子検出器（４５ｃ、４５ｄ）により検出された電子量を減算した電子量を基に生成したＳＥＭ画像９６、及びラインプロファイルＬ１１を示している。なお、画像の各画素（ピクセル）は８ビットの情報量で輝度データが表されるが、左右の電子検出器により検出された電子量の差分をとったときに、所定の値、例えば１２８を加算して、画素値がマイナスにならないようにする。
【００８０】
図９（ｅ）のＳＥＭ画像９６に示すように、パターンの立上りエッジ位置Ｅ５に対応する部分のＳＥＭ画像９６ｃは白く表示され、パターンの立下りエッジ位置Ｅ６に対応する部分のＳＥＭ画像９６ｄは黒く表示されている。また、パターンが形成されている部分のＳＥＭ画像９６ａとパターンが形成されていない部分のＳＥＭ画像９６ｂとはほぼ同じ色で表示されている。
【００８１】
また、ラインプロファイルＬ１１に示すように、パターンが形成されていない部分９６ｂとパターンが形成されている部分９６ａでは、電子量はほぼ同一になっている。
【００８２】
また、パターンの左側の立上りエッジ位置Ｅ５に対応するラインプロファイルＱ７は正のピーク値になり、パターンの右側の立下りエッジ位置Ｅ６に対応するラインプロファイルＱ８は負のピーク値になっている。
【００８３】
このように、パターンの左側の電子検出器４５ａ、４５ｂで検出された電子量から右側の電子検出器４５ｃ、４５ｄで検出された電子量を減算することにより、エッジ位置Ｅ５，Ｅ６の信号量が強調され、立上りエッジと立下りエッジを容易に認識可能になり、パターンが形成されている領域と形成されていない領域とを明確に認識することが可能となる。
【００８４】
次に、薄膜パターンの線幅の測定について説明する。薄膜の場合、上述したように、立上りエッジと立下りエッジ位置は明確に検出できるが、図１０（ｂ）に示すようにエッジ幅がＳＥＭ画像のピクセル分解能に比べて非常に狭く、Ｌ−Ｒの差分画像のプロファイルにエッジ幅の位置情報が現れない。従って、前述したＣＯＧパターンでのプロファイルのエッジ幅情報を使ったパターン幅の測定が実施できない。
【００８５】
以下に、薄膜パターンの線幅測定方法について説明する。
【００８６】
図１０（ａ）はパターン１１０に対するラインプロファイルＬ１２を示した図である。このパターン１１０の幅は、エッジ１１１ａの外側ｘ１からエッジ１１１ｂの外側ｘ４までの距離である。しかし、実際のラインプロファイルからはエッジ幅の位置を特定することはできない。
【００８７】
本実施形態では、ラインプロファイルＬ１２のピークをエッジの幅の中心と仮定し、さらに、立上りエッジのエッジ幅（｜ｘ１−ｘ２｜）と立下りエッジのエッジ幅（｜ｘ３−ｘ４｜）が同じであると仮定して、測定値（ラインプロファイルＬ１２の正のピーク位置から負のピーク位置までの距離）に、設計値から推定した膜厚とエッジ角度から算出したエッジ幅（予め記憶部５５に格納しておく）を加算してパターン１１０の線幅としている。
【００８８】
図１０（ｂ）は図１０（ｃ）に示す薄膜パターンに対して膜厚及びエッジの傾斜角度毎にエッジ幅を計測した結果を示している。例えば、膜厚Ｈが５ｎｍのときにエッジの傾斜角度が８５度であると、エッジ幅は０．４４ｎｍとなる。
【００８９】
図１０（ｂ）のエッジ幅に示すように、薄膜の場合はエッジ幅が狭いため、１００Ｋ倍の画像の分解能（１ピクセル約１．４ｎｍ）ではラインプロファイルにエッジ幅の情報が現れない。よって、ラインプロファイルにより算出された値に予め算出されたエッジ幅を加算することにより、実際のライン幅に近い値を算出することが可能となる。
【００９０】
なお、図１０を参照して説明した薄膜パターンの線幅測定は、エッジの角度がほぼ９０度に近く、エッジ幅が狭くなる場合にも同様に適用可能である。
【００９１】
次に、図１１を参照しながら、荷電粒子ビームによるパターン測定方法について説明する。図１１は、ラインパターンを明確に表示してライン幅を測定するパターン測定処理の一例を示すフローチャートである。図１１のパターン測定処理では、予めパターンが形成された試料に対して、各電子検出器からの検出電子量を基に、パターンの左側に配置された電子検出器により検出された電子量を基に作成されたＳＥＭ画像データ（左側ＳＥＭ画像データ）及び右側に配置された電子検出器により検出された電子量を基に作成されたＳＥＭ画像データ（右側ＳＥＭ画像データ）が記憶部５５に格納されているものとする。
【００９２】
図１１のステップＳ１１において、対象領域のＳＥＭ画像を取得する。所望の検査エリアを指定して、対象領域の左側ＳＥＭ画像データと右側ＳＥＭ画像データを記憶部５５から抽出し、左側ＳＥＭ画像データから右側ＳＥＭ画像データを減算した画像データを生成する。このとき、所定のピクセル値、例えば１２８を加算して画像表示が可能な値に調整する。
【００９３】
次のステップＳ１２において、算出された画像データを基にＳＥＭ画像を表示する。このＳＥＭ画像では、立上りエッジ及び立下りエッジがそれぞれ強調され、例えば図９（ｅ）に示すように立上りエッジに対応するＳＥＭ画像９６ｃは輝度が高く白表示され、立下りエッジに対応するＳＥＭ画像９６ｄは輝度が低く黒表示される。そのため、パターンが形成されている部分とパターンが形成されていない部分とを明確に識別可能に表示することができる。
【００９４】
次のステップＳ１３からステップＳ１６は、パターンの線幅の測定を行うステップである。ステップＳ１３では、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。
【００９５】
次のステップＳ１４において、ステップＳ１３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。測長エリアの全領域について、ラインプロファイルからエッジ位置を算出し、それらの平均をとり指定された領域のエッジ位置の値とする。
【００９６】
次のステップＳ１５において、パターンのエッジ部分が立上がりなのか、立下りなのかを判定する。左側ＳＥＭ画像データから右側ＳＥＭ画像データを引いたＳＥＭ画像データを使用してラインプロファイルを生成したときには、正のピーク値の位置が立上がりエッジ位置と判定され、負のピーク値の位置が立下りのエッジ位置と判定される。
【００９７】
次のステップＳ１６において、ステップＳ１５で判定した、パターンの立上りのエッジの位置と、そのパターンの立上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。
【００９８】
なお、パターンの膜厚が、例えば１０ｎｍ以下のように薄い場合には、パターンの立上りエッジと立下りエッジが同じ幅であると仮定し、ステップＳ１６において算出されたエッジ間の距離に、予め設計値から推定したパターンの膜厚に対するエッジ幅を加算してパターンの線幅とするようにしてもよい。
【００９９】
また、膜厚が、例えば７０ｎｍ以上のパターンについては、ステップＳ１４において作成されたラインプロファイルにおいて、ピークに至る途中であってピーク位置近傍に段差を有するとき、この段差のピーク側の山の幅、例えば端点位置からピークを挟んだ端点位置と同一の信号値を持つ位置までの距離、をエッジ幅とし、エッジ幅とパターンの高さを基にエッジの傾斜角度を算出するようにしてもよい。
【０１００】
以上説明したように、本実施形態のパターン測定装置及びパターン測定方法では、複数の電子検出器を備えたパターン測定装置において、パターンの一方のエッジ側に配置された電子検出器によって検出された電子量とパターンの他方のエッジ側に配置された電子検出器によって検出された電子量との差分を算出し、その差分に対応する電子量を基にパターンのＳＥＭ画像を形成している。これにより、エッジの部分の輝度が強調され、パターンが形成されている領域とパターンの形成されていない領域との区別が明確に表示されるようになる。
【０１０１】
また、パターンの左側に配置された電子検出器によって検出された電子量からパターンの右側に配置された電子検出器によって検出された電子量を減算した差分に対応する電子量を基にラインプロファイルを作成している。このラインプロファイルにおいて、正のピーク位置がパターンのエッジの立上りに対応し、負のピーク位置がパターンのエッジの立下りに対応する。これにより、ラインプロファイルの１次微分や２次微分をすることなく、パターンのエッジの立上り又は立下り判定を容易に行うことが可能となる。
【符号の説明】
【０１０２】
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、４１…移動ステージ、７…試料、８、４５ａ〜４５ｄ…電子検出器、９、４２…荷電粒子、１０…電子走査部、２０…制御部、２１…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、５８、５９、６１、６２、８５、９３〜９６、…ＳＥＭ画像、１００…走査型電子顕微鏡、Ｌ１〜Ｌ１２…ラインプロファイル。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
0005426497.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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