(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子線シミュレーションにより種々の断面形状に対応する計算波形よりなる計算波形群（ライブラリ）を予め作成しておき、試料上に形成されたパターンを走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で撮像し、該撮像して得られた画像の実波形と前記作成したライブラリをマッチングして最も実波形と一致する計算波形を選択し、該選択した計算波形に基づいて前記試料上に形成されたパターンの断面形状を表現する複数の形状パラメータを決定し、該決定した複数の形状パラメータを用いて前記ＳＥＭで試料上に形成されたパターンを撮像して得られた画像から該パターンの三次元形状を計測する方法であって、
前記画像の実波形と前記作成したライブラリをマッチングさせるのに先立って、前記作成したライブラリの計算波形間のマッチングにより解空間(予想解空間)を求めると共に、前記予想解空間に基づき、安定解が得られるモデルベース計測を実行するための条件である前記形状パラメータの数及び前記形状パラメータの変動範囲を導出することを特徴とする形状計測方法。
【請求項２】
前記解空間(予想解空間)を求めることを、前記パターンをＳＥＭで撮像するときの種々の撮像条件ごとに行うことを特徴とする請求項１記載の形状計測方法。
【請求項３】
電子線シミュレーションにより種々の断面形状に対応する計算波形よりなる計算波形群（ライブラリ）を予め作成しておき、試料上に形成されたパターンを走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で撮像し、該撮像して得られた画像の実波形と前記作成したライブラリをマッチングして最も実波形と一致する計算波形を選択し、該選択した計算波形に基づいて前記試料上に形成されたパターンの断面形状を表現する複数の形状パラメータを決定し、該決定した複数の形状パラメータを用いて前記ＳＥＭで試料上に形成されたパターンを撮像して得られた画像から該パターンの三次元形状を計測する方法であって、
前記作成したライブラリをマッチングして計算波形を選択する工程において、前記実波形と前記作成したライブラリの計算波形をマッチングさせることにより解空間(実解空間)を求めるとともに前記作成したライブラリから参照解空間を求め、前記複数のパラメータを決定する工程において、前記求めた実解空間と前記参照解空間とを比較して計測結果の確からしさを判定して前記複数の形状パラメータを決定することを特徴とする形状計測方法。
【請求項４】
電子線シミュレーションにより種々の断面形状に対応する計算波形よりなる計算波形群（ライブラリ）を予め作成しておき、試料上に形成されたパターンを走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で撮像し、該撮像して得られた画像の実波形と前記作成したライブラリをマッチングして最も実波形と一致する計算波形を選択し、該選択した計算波形に基づいて前記試料上に形成されたパターンの断面形状を表現する複数の形状パラメータを決定し、該決定した複数の形状パラメータを用いて前記ＳＥＭで試料上に形成されたパターンを撮像して得られた画像から該パターンの三次元形状を計測する方法であって、
前記画像の実波形と前記作成したライブラリをマッチングさせるのに先立って、前記作成したライブラリの計算波形間のマッチングにより解空間(予想解空間)を求めると共に、前記予想解空間に基づき、安定解が得られるモデルベース計測を実行するための条件である前記形状パラメータの数及び前記形状パラメータの変動範囲を導出すること、又は、前記作成したライブラリをマッチングして計算波形を選択する工程において、前記実波形と前記作成したライブラリの計算波形をマッチングさせることにより解空間(実解空間)を求めるとともに前記作成したライブラリから参照解空間を求め、前記複数のパラメータを決定する工程において、前記求めた実解空間と前記参照解空間とを比較して計測結果の確からしさを判定して前記複数の形状パラメータを決定することを特徴とする形状計測方法。
【請求項５】
試料上に形成されたパターンを撮像する走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）手段と、
電子線シミュレーションにより種々の断面形状に対応する計算波形よりなる計算波形群（ライブラリ）を作成するライブラリ作成手段と、
前記ＳＥＭ手段で撮像して得られた画像の実波形と前記ライブラリ作成手段で作成した
ライブラリをマッチングして最も実波形と一致する計算波形を選択するモデルベース計算
手段と、
該モデルベース計算手段で選択した計算波形に基づいて前記試料上に形成されたパター
ンの断面形状を表現する複数の形状パラメータを決定する形状パラメータ決定手段と、  
該形状パラメータ決定手段で決定した複数の形状パラメータを用いて前記ＳＥＭで試料
上に形成されたパターンを撮像して得られた画像から該パターンの三次元形状を計測する
三次元形状計測手段と、
該三次元形状計測手段で計測した結果を出力する出力手段と
を備えた形状計測システムであって、
前記モデルベース計算手段は、前記画像の実波形と前記作成したライブラリをマッチングさせるのに先立って、前記作成したライブラリの計算波形間のマッチングにより解空間(予想解空間)を求め、前記形状パラメータ決定手段は、前記予想解空間に基づき、安定解が得られるモデルベース計測を実行するための条件である前記形状パラメータの数及び前記形状パラメータの変動範囲を導出することを特徴とする形状計測システム。
【請求項６】
前記形状パラメータ決定手段は、前記解空間(予想解空間)を求めることを、前記パターンをＳＥＭ手段で撮像するときの種々の撮像条件ごとに行うことを特徴とする請求項５記載の形状計測システム。
【請求項７】
試料上に形成されたパターンを撮像する走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）手段と、
電子線シミュレーションにより種々の断面形状に対応する複数の計算波形よりなる計算波形群（ライブラリ）を作成するライブラリ作成手段と、
前記ＳＥＭ手段で撮像して得られた画像の実波形と前記ライブラリ作成手段で作成した
ライブラリをマッチングして最も実波形と一致する計算波形を選択するモデルベース計算
手段と、
該モデルベース計算手段で選択した計算波形に基づいて前記試料上に形成されたパター
ンの断面形状を表現する複数の形状パラメータを決定する形状パラメータ決定手段と、  
該形状パラメータ決定手段で決定した複数の形状パラメータを用いて前記ＳＥＭで試料
上に形成されたパターンを撮像して得られた画像から該パターンの三次元形状を計測する
三次元形状計測手段と、
該三次元形状計測手段で計測した結果を出力する出力手段と
を備えた形状計測システムであって、
前記モデルベース計算手段は、前記画像の実波形と前記作成したライブラリの複数の計算波形とをそれぞれマッチングさせることにより解空間(実解空間)を求めると共に前記作成したライブラリから参照解空間を求め、前記形状パラメータ決定手段は、前記求めた実解空間と前記参照解空間とを比較して解の確からしさを判定して前記複数の形状パラメータを決定することを特徴とする形状計測システム。
【請求項８】
試料上に形成されたパターンを撮像する走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）手段と、
電子線シミュレーションにより種々の断面形状に対応する計算波形よりなる計算波形群（ライブラリ）を作成するライブラリ作成手段と、
前記ＳＥＭ手段で撮像して得られた画像の実波形と前記ライブラリ作成手段で作成した
ライブラリをマッチングして最も実波形と一致する計算波形を選択するモデルベース計算
手段と、
該モデルベース計算手段で選択した計算波形に基づいて前記試料上に形成されたパター
ンの断面形状を表現する複数の形状パラメータを決定する形状パラメータ決定手段と、  
該形状パラメータ決定手段で決定した複数の形状パラメータを用いて前記ＳＥＭで試料
上に形成されたパターンを撮像して得られた画像から該パターンの三次元形状を計測する
三次元形状計測手段と、
該三次元形状計測手段で計測した結果を出力する出力手段と
を備えた形状計測システムであって、
前記モデルベース計算手段は、前記画像の実波形と前記作成したライブラリをマッチングさせるのに先立って、前記作成したライブラリの計算波形間のマッチングにより解空間(予想解空間)を求め、前記形状パラメータ決定手段は、前記予想解空間に基づき、安定解が得られるモデルベース計測を実行するための条件である前記形状パラメータの数及び前記形状パラメータの変動範囲を導出する、または、前記モデルベース計算手段は、前記画像の実波形と前記作成したライブラリの複数の計算波形とをそれぞれマッチングさせることにより解空間(実解空間)を求めると共に前記作成したライブラリから参照解空間を求め、前記形状パラメータ決定手段は、前記求めた実解空間と前記参照解空間とを比較して解の確からしさを判定して前記複数の形状パラメータを決定することを特徴とする形状計測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体デバイスのパターンの三次元形状を計測する形状計測方法およびそのシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１に述べられているように、半導体プロセスにおいてパターン寸法管理ツールとしても最も普及しているのは、走査電子顕微鏡（以下ＳＥＭと略す）を半導体計測専用に特化した測長ＳＥＭである。図２２Ａに測長ＳＥＭ２２００の原理を示す。電子銃２２０１から放出された電子ビーム２２０２は収束レンズ２２０３で細く絞られ、偏向器２２０４により対物レンズ２２０５を通って試料２２０６上を２次元的に走査される。電子ビーム照射によって試料２２０６から発生した二次電子２２０７を検出器２２０８で捕らえ、画像処理手段２２０９の内部で処理することで、電子線像が得られる。この得られた電子線像は、出力手段２２１０のディスプレイ２２１１上に表示される。二次電子２２０７はパターンエッジ部でより多く発生するため、電子線像は、図２２Ｂにその出力波形信号２２２０を示したようにパターンエッジに相当する部分の信号レベルが高くなり、パターンエッジに相当する部分が明るい画像となる。測長ＳＥＭにおいては、図２２Ｂに示したようなエッジ間距離lを求めることで、寸法計測が行われている。また、電子銃２２０１、収束レンズ２２０３、偏向器２２０４、対物レンズ２２０５等は、制御装置２２１２で制御される。
【０００３】
寸法計測法として種々の方法が提案されているが、ここでは、(a)しきい値法、及び、(b)モデルベース計測法について述べる。
【０００４】
しきい値法は、特許文献１に開示されている方法である。図２２Ｂの２２２０に示すように、左右のパターンエッジに相当する信号量の大きいピーク部分を、それぞれ左ホワイトバンド（左ＷＢ）、右ホワイトバンド（右ＷＢ）と呼ぶと、しきい値法は、左右ＷＢそれぞれで、Ｍａｘ値、Ｍｉｎ値を求め、これらを所定の比率th（％）で内分するしきい値レベルを算出し、しきい値と信号波形の交差位置をエッジ位置と定義するものである。
【０００５】
図４Ａ及びＢは、断面形状４１１、４２１とＳＥＭ信号波形４１２、４２２の関係を表したものである。図４Ａ及びＢのように、断面形状４１１、４２１によって信号波形４１２、４２２は変化するので、しきい値法の場合、しきい値レベルが等しくても、検出されるエッジ位置と計測対象パターンのエッジ位置の関係が等しいとは限らない。例えば、図４Ａのテーパのあるエッジ４１３では、しきい値レベル５０％で検出されるエッジ点はボトムエッジ点よりも0.5 nm内側になるが、図４Ｂの垂直エッジ４２３では、2.5 nm外側となっている。このように、しきい値法によって得られる寸法は、あくまで、エッジ間距離の代表値であり、計測された寸法がどの高さの寸法に相当するか知りようがない。  
一方、特許文献２には、電子線シミュレーションを利用したＳＥＭ画像によるパターン計測方法に関して、シミュレーションと実画像のマッチング計測の精度に与える影響が大きな形状や寸法を適切に設定したシミュレーション画像を用いることにより高精度なパターン計測を行うことが記載されている。
【０００６】
近年、パターンの微細化に伴いより厳密なパターン寸法管理が求められるようになっており、上記のような寸法代表値に代わり、対象パターンの断面形状、具体的には、所定の高さにおける寸法（ボトム寸法、ミドル寸法、トップ寸法など）を計測するニーズが高まっている。
【０００７】
このニーズに応えるために考案されたのがモデルベース計測法である。図３は非特許文献２に開示されている方式の原理図である。図３のようにパターンの断面形状を複数のパラメータ（以下、形状パラメータと記す。図３では、側壁傾斜角とトップの丸みが形状パラメータ）で表現し、予め、種々の断面形状のＳＥＭ信号波形をシミュレーションにより求めて、ライブラリを作成しておく。寸法計測時には、実波形と最も一致するライブラリの波形の選択と、ライブラリ波形の位置ずらしを行うことにより、対象パターンのエッジ部形状とエッジ位置とを推定する。シミュレーションにおけるＳＥＭ信号波形の生成過程の模擬が適性で、かつ、形状パラメータが適正であれば、原理上、モデルベース計測法によって対象パターンの断面形状を求めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開昭５５−７２８０７号公報
【特許文献２】特開２００９−１９８３３９号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】社団法人  日本半導体製造装置協会（ＳＥＡＪ）平成１７年度半導体製造装置技術ロードマップ報告書  第５編計測
【非特許文献２】J. S. Villarrubia, A. E. Vladar, J. R. Lowney, and M. T. Postek, “Scanning electron microscope analog of scatterometry,” Proc. of the SPIE, Vol. 4689, pp. 304-312 (2002)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
前述のように、モデルベース計測法は、実波形と最も一致するライブラリ波形を選択するという手法であるため、ライブラリに含まれない断面形状には対応できない。例えば、実際の断面形状はトップ側とボトム側とで側壁傾斜角が異なるのに、ライブラリが単純な台形（トップ側とボトム側の側壁傾斜角が等しい）しか含まない場合には、当然、正しい断面形状は得られない。この場合、断面形状を上下二段の台形にするといった対処が必要である。より正しい断面形状を得るには、形状パラメータ数が多い方が有利である。
【００１１】
しかし、形状パラメータを多くしすぎると、別の不都合が生じることがある。例えば、側壁傾斜角とトップの丸みの合計２個の形状パラメータを使用した場合、パターン寸法が小さい場合には、(a)トップの丸みが大きく、側壁傾斜角が小さい場合の信号波形と、(b)トップの丸みが小さく、側壁傾斜角が大きい場合の信号波形が概ね等しくなることがある。この場合、モデルベース計測法では、実波形と最も一致するライブラリ波形が選択されるため、僅かなノイズの影響で、(a)が解になったり(b)が解になったりするようになり、計測結果が安定しなくなる。この場合、安定性を重視するならば、「正しさ」を犠牲にして、トップの丸みと側壁傾斜角のどちらかを固定するといった対処が必要になる。
【００１２】
このように、モデルベース計測法においては「正しさ」と「安定性」がトレードオフの関係にあり、モデルベース計測法を使いこなすためには、計測の目的に応じた適切な形状パラメータの設定が課題となる。
【００１３】
しかしながら、従来のモデルベース計測法（非特許文献２）は、上記の課題、に言及しておらず、従って、課題の解決方法に関する指針も示されていない。
【００１４】
本発明は、モデルベース計測法における適切な形状パラメータを設定するための支援機能を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記した課題を解決するために、本発明では、電子線シミュレーションにより種々の断
面形状に対応する計算波形よりなる計算波形群（ライブラリ）を予め作成しておき、試料上に形成されたパターンを走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で撮像し、この撮像して得られた画像の実波形と作成したライブラリをマッチングして最も実波形と一致する計算波形を選択し、この選択した計算波形に基づいて試料上に形成されたパターンの断面形状を表現する複数の形状パラメータを決定し、この決定した複数の形状パラメータを用いてＳＥＭで試料上に形成されたパターンを撮像して得られた画像からパターンの三次元形状を計測する方法において、画像の実波形と作成したライブラリをマッチングさせるのに先立って、作成したライブラリの計算波形間のマッチングにより解空間(予想解空間)を求めると共に、予想解空間に基づき、安定解が得られるモデルベース計測を実行するための条件である形状パラメータの数及び形状パラメータの変動範囲を導出するようにした。  
また、上記した課題を解決するために、本発明では、電子線シミュレーションにより種々の断面形状に対応する計算波形よりなる計算波形群（ライブラリ）を予め作成しておき、試料上に形成されたパターンを走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で撮像し、この撮像して得られた画像の実波形と作成したライブラリをマッチングして最も実波形と一致する計算波形を選択し、この選択した計算波形に基づいて試料上に形成されたパターンの断面形状を表現する複数の形状パラメータを決定し、この決定した複数の形状パラメータを用いてＳＥＭで試料上に形成されたパターンを撮像して得られた画像からパターンの三次元形状を計測する方法において、作成したライブラリをマッチングして計算波形を選択する工程において、実波形と作成したライブラリの計算波形をマッチングさせることにより解空間(実解空間)を求めるとともに作成したライブラリから参照解空間を求め、複数のパラメータを決定する工程において、求めた実解空間と参照解空間とを比較して計測結果の確からしさを判定して複数の形状パラメータを決定するようにした。
また、上記した課題を解決するために、本発明では、電子線シミュレーションにより種々の断面形状に対応する計算波形よりなる計算波形群（ライブラリ）を予め作成しておき、試料上に形成されたパターンを走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で撮像し、この撮像して得られた画像の実波形と作成したライブラリをマッチングして最も実波形と一致する計算波形を選択し、この選択した計算波形に基づいて試料上に形成されたパターンの断面形状を表現する複数の形状パラメータを決定し、この決定した複数の形状パラメータを用いてＳＥＭで試料上に形成されたパターンを撮像して得られた画像から該パターンの三次元形状を計測する方法において、画像の実波形と作成したライブラリをマッチングさせるのに先立って、作成したライブラリの計算波形間のマッチングにより解空間(予想解空間)を求めると共に、予想解空間に基づき、安定解が得られるモデルベース計測を実行するための条件である形状パラメータの数及び形状パラメータの変動範囲を導出すること、又は、作成したライブラリをマッチングして計算波形を選択する工程において、実波形と作成したライブラリの計算波形をマッチングさせることにより解空間(実解空間)を求めるとともに作成したライブラリから参照解空間を求め、複数のパラメータを決定する工程において、求めた実解空間と参照解空間とを比較して計測結果の確からしさを判定して複数の形状パラメータを決定するようにした。
【００１６】
また、上記課題を解決するために、本発明では、形状計測システムを、試料上に形成されたパターンを撮像する走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）手段と、電子線シミュレーションにより種々の断面形状に対応する計算波形よりなる計算波形群（ライブラリ）を作成するライブラリ作成手段と、ＳＥＭ手段で撮像して得られた画像の実波形とライブラリ作成手段で作成したライブラリをマッチングして最も実波形と一致する計算波形を選択するモデルベース計算手段と、このモデルベース計算手段で選択した計算波形に基づいて試料上に形成されたパターンの断面形状を表現する複数の形状パラメータを決定する形状パラメータ決定手段と、この形状パラメータ決定手段で決定した複数の形状パラメータを用いてＳＥＭで試料上に形成されたパターンを撮像して得られた画像から該パターンの三次元形状を計測する三次元形状計測手段と、この三次元形状計測手段で計測した結果を出力する出力手段とを備えて構成し、モデルベース計算手段は、画像の実波形と作成したライブラリをマッチングさせるのに先立って、作成したライブラリの計算波形間のマッチングにより解空間(予想解空間)を求め、形状パラメータ決定手段は、予想解空間に基づき、安定解が得られるモデルベース計測を実行するための条件である形状パラメータの数及び形状パラメータの変動範囲を導出するようにした。
また、上記課題を解決するために、本発明では、形状計測システムを、試料上に形成されたパターンを撮像する走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）手段と、電子線シミュレーションにより種々の断面形状に対応する計算波形よりなる計算波形群（ライブラリ）を作成するライブラリ作成手段と、ＳＥＭ手段で撮像して得られた画像の実波形とライブラリ作成手段で作成したライブラリをマッチングして最も実波形と一致する計算波形を選択するモデルベース計算手段と、このモデルベース計算手段で選択した計算波形に基づいて試料上に形成されたパターンの断面形状を表現する複数の形状パラメータを決定する形状パラメータ決定手段と、この形状パラメータ決定手段で決定した複数の形状パラメータを用いてＳＥＭで試料上に形成されたパターンを撮像して得られた画像からパターンの三次元形状を計測する三次元形状計測手段と、この三次元形状計測手段で計測した結果を出力する出力手段とを備えて構成し、モデルベース計算手段は、画像の実波形と作成したライブラリの複数の計算波形とをそれぞれマッチングさせることにより解空間(実解空間)を求めると共に作成したライブラリから参照解空間を求め、形状パラメータ決定手段は、求めた実解空間と参照解空間とを比較して解の確からしさを判定して複数の形状パラメータを決定する等にした。
また、上記課題を解決するために、本発明では、形状計測システムを、試料上に形成されたパターンを撮像する走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）手段と、電子線シミュレーションにより種々の断面形状に対応する計算波形よりなる計算波形群（ライブラリ）を作成するライブラリ作成手段と、ＳＥＭ手段で撮像して得られた画像の実波形とライブラリ作成手段で作成したライブラリをマッチングして最も実波形と一致する計算波形を選択するモデルベース計算手段と、このモデルベース計算手段で選択した計算波形に基づいて試料上に形成されたパターンの断面形状を表現する複数の形状パラメータを決定する形状パラメータ決定手段と、この形状パラメータ決定手段で決定した複数の形状パラメータを用いてＳＥＭで試料上に形成されたパターンを撮像して得られた画像からパターンの三次元形状を計測する三次元形状計測手段と、この三次元形状計測手段で計測した結果を出力する出力手段とを備えて構成し、モデルベース計算手段は、画像の実波形と作成したライブラリをマッチングさせるのに先立って、作成したライブラリの計算波形間のマッチングにより解空間(予想解空間)を求め、形状パラメータ決定手段は、予想解空間に基づき、安定解が得られるモデルベース計測を実行するための条件である形状パラメータの数及び形状パラメータの変動範囲を導出する、または、モデルベース計算手段は、画像の実波形と作成したライブラリの複数の計算波形とをそれぞれマッチングさせることにより解空間(実解空間)を求めると共に作成したライブラリから参照解空間を求め、形状パラメータ決定手段は、求めた実解空間と参照解空間とを比較して解の確からしさを判定して複数の形状パラメータを決定するようにした。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、実パターンの計測に先立ち、最適な形状パラメータ条件を容易に設定することが可能となる。
【００１８】
また、本発明によれば、条件変更の必要性が見逃されなくなり、さらに、どのように変更すれば良いかの指針が得られるようになる。
【００１９】
更に、本発明によれば、種々の撮像条件における予想解空間が提示されることによって、実パターンの計測に先立ち、断面形状計測に有利な撮像条件を選択することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】形状パラメータ条件の設定支援機能を用いた三次元形状計測処理の全体の処理フローを示すフロー図である。
【図２】本発明の実施例に係る測長ＳＥＭの構成を示すブロック図である。
【図３】従来技術であるモデルベース計測の原理を説明する図である。
【図４】断面形状と信号波形の関係を説明する図である。
【図５】モデルベース計測のためのライブラリ作成のフロー図である。
【図６】（ａ）は、ライブラリ作成の前提となるパターン断面形状の模式図、（ｂ）は断面形状を表現する形状パラメータを選択するための表、（ｃ）は各形状パラメータのレンジとピッチを入力するための表である。
【図７】予想解空間算出の処理の流れを示すフロー図である。
【図８】（ａ）はノミナル形状を表すパターンの断面会場を示す図、(ｂ)はノミナル値を入力するための表、（ｃ）はノイズレベルを入力する表、（ｄ）はライブラリから選択した信号波形、（ｅ）はノイズ付加後の信号波形である。
【図９】ノイズなし信号波形とノイズが付加された信号波形とを重ねて表示したグラフである。
【図１０】予想解空間を表すグラフである。
【図１１】（ａ）はトップの丸みを固定して求めた予想解空間のグラフ、（ｂ）は下側壁傾斜角を固定して求めた予想解空間のグラフ、（ｃ）は上側壁傾斜角を固定して求めた予想解空間のグラフである。
【図１２】計測結果の確からしさの確認機能を用いた三次元形状計測処理の全体の処理フローを示すフロー図である。
【図１３】実解空間算出の処理の流れを示すフロー図である。
【図１４】参照解空間算出の処理の流れを示すフロー図である。
【図１５】（ａ）は実解空間を示すグラフ、（ｂ）は参照解空間を示すグラフ、（ｃ）は実波形とライブラリ波形とを重ねて表示し、更に断面形状を表示したグラフである。
【図１６】解の確からしさを判定する処理の流れを示すフロー図である。
【図１７】断面形状の計測に適した撮像条件を予測する処理の流れを示すフロー図である。
【図１８】撮像条件入力のためのＧＵＩである。
【図１９Ａ】（ａ）は加速電圧が０．８ｋＶの場合の電子の内部拡散の様子をシミュレーションした結果を示す試料の断面図、（ｂ）は３ｋＶの場合の電子の内部拡散の様子をシミュレーションした結果を示す試料の断面図、（ｃ）は５ｋＶの場合の電子の内部拡散の様子をシミュレーションした結果を示す試料の断面図である。
【図１９Ｂ】シミュレーションによって求めた各加速電圧における信号波形を示すグラフである。
【図２０】（ａ）は加速電圧が０．８ＫＶの場合の予想解空間を示すグラフ、（ｂ）は加速電圧が３ＫＶの場合の予想解空間を示すグラフである。
【図２１】スキャタロメトリの処理の流れを示す図である。
【図２２Ａ】従来の測長ＳＥＭの構成を示すブロック図である。
【図２２Ｂ】測長ＳＥＭの出力波形信号を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明による形状計測方法及びそのシステムは、以下の（１）〜（３）の機能を提供するものである。
【００２２】
（１）形状パラメータ条件の設定支援機能
本機能は、実パターンの計測に先立ち、モデルベース計測用のライブラリを用いて、設定した形状パラメータ条件における解空間（以下、予想解空間と記す）を提示する機能である。具体的には、所定の形状パラメータ値に対応する１個の波形をライブラリから取り出して、これと、ライブラリのメンバ波形（各メンバ波形はそれぞれ固有の形状パラメータ値とリンクしている）とのマッチングを行い、それぞれの組み合わせにおける波形の一致度を表す評価値を求め、形状パラメータ値と評価値の関係をプロットした結果を提示する。
【００２３】
（２）計測結果の確からしさの確認機能
本機能は、実パターンの計測後に、実波形とモデルベース計測用のライブラリを用いて、設定した形状パラメータ条件における解空間（以下、実解空間と記す）を提示する機能である。また、解空間上の指定箇所について、実波形とライブラリ波形と計測結果である断面形状を重ね合わせて表示する機能である。具体的には、実波形と、ライブラリのメンバ波形（各波形は、それぞれ固有の形状パラメータ値とリンクしている）とのマッチングを行ってそれぞれの組み合わせにおける波形の一致度を表す評価値を求め、形状パラメータ値と評価値の関係をプロットした結果を提示する。
【００２４】
（３）断面形状の計測に適した撮像条件を予想する機能
本機能は、予め、種々の撮像条件（種々の加速電圧、種々のエネルギーフィルタ条件など）におけるライブラリを作成しておき、ライブラリごとに、上記予想解空間を求めた結果を提示する。
【００２５】
まず、本実施例に係る三次元形状を計測するためのシステムの構成を図２を用いて説明する。
【００２６】
本実施例に係る三次元形状を計測するためのシステムは、ＳＥＭ２００とＳＥＭ２００で電子ビーム２０２を試料２０６に照射して走査することにより試料２０６から発生した二次電子を検出したＳＥＭ２００の検出器２０８からの出力信号を受けてＳＥＭ画像を作成する画像処理手段２０９、全体制御部２１２、モデルベース計算処理部２２０、入力手段２２４、表示画面２２６を備えた出力手段２２５で構成される。このうち、ＳＥＭ２００とＳＥＭ２００の検出器２０８からの出力信号を受けてＳＥＭ画像を作成する画像処理手段２０９、全体制御手段２１２の構成は、図２１Ａを用いて背景技術の欄で説明したものと同じなので説明を省略する。
【００２７】
モデルベース計算処理部２２０は、モデルベース計算手段２２１と、ライブラリ手段２２２、評価処理手段２２３を備えている。
【００２８】
以下に、上記した各機能を実現するための実施例を図を用いて説明する。
【００２９】
（１）形状パラメータ条件の設定支援機能
この機能は、形状パラメータ条件を決定するための処理に関するものである。形状パラメータ条件を決定するための処理の全体のフローを図１に示す。本処理フローでは、先ずライブラリ手段２２２でライブラリを作成し（Ｓ１０１）、この作成したライブラリを用いてモデルベース計算手段２２１で予測解空間を算出し（Ｓ１０２）、この算出した予測解空間を出力手段２２５の表示画面２２６に表示し（Ｓ１０３）、計測性能がＯＫかをチェックして（Ｓ１０４）、ＯＫならば形状パラメータの条件を決定し（Ｓ１０５）、この決定した形状パラメータ条件を用いて評価処理手段２２３においてＳＥＭ２００で試料２０６を撮像して得たＳＥＭ画像を用いて試料２０６に形成されたパターンの３次元形状を計測する（Ｓ１０６）。
【００３０】
以下、ライブラリ作成（Ｓ１０１）、予想解空間算出（Ｓ１０２）、予想解空間表示（Ｓ１０３）、計測性能が問題ないかの判断（Ｓ１０４）の各ステップを詳細に説明する。
【００３１】
はじめにライブラリ作成のステップ（Ｓ１０１）について説明する。前述のように、モデルベース計測法では、計測対象の断面形状を複数の形状パラメータによって表現し、その断面形状に対する信号波形をＳＥＭシミュレーション（モンテカルロシミュレーションなど）にて計算し、波形ライブラリとする。
【００３２】
ライブラリ作成のフローを図５に、関連する入力項目を図６に示す。はじめに断面形状の表現方法、すなわち、いかなる形状パラメータで断面形状を表現するかを決定する（Ｓ５０１、図６（ｂ）の６０２）。この例では、図６（ａ）の６０１に示すように、断面形状をトップに丸みを有する２段の台形で表現している。断面形状の表現方法は、ＳＥＭを用いた断面観察結果、或いは、原子間力顕微鏡（Atomic Force Microscope: ＡＦＭ）などの計測結果に基づき、実際の断面形状から乖離しないような表現とすることが望ましい。続いて、各形状パラメータ（図６(ｃ)の例では、トップの丸み（ｒ）、上側壁傾斜角（θ１）、下側壁傾斜角（θ２））の範囲(レンジ)とピッチを入力する（Ｓ５０２、図６（ｃ）の６０３）。形状パラメータの変動レンジは、計測対象の形状変化レンジをカバーしている必要がある。以上の入力情報に基づき、ＳＥＭシミュレーションにより各断面形状に対する信号波形が計算される（Ｓ５０３）。
【００３３】
次に、予想解空間の算出（Ｓ１０２）について説明する。予想解空間算出のフローを図７に、関連する入力項目、表示項目を図８に示す。最初に形状パラメータのノミナル値を入力する（Ｓ７０１、図８（ｂ）の８０２）。なお、図６（ａ）では断面形状をトップに丸みつきの２段の台形で表現したが、ここでは、説明を簡略化するため、トップの丸みつきの１段の台形とした（８０１）。次に、ライブラリから、形状パラメータが入力したノミナル値であるような信号波形を選択する（Ｓ７０２）。次に、その信号波形に付加するノイズレベルをパーセンテージで入力する（Ｓ７０３、図８（ｃ）の８０３）。ノイズによって、波形がどのように変化するかを目視確認できるよう、ノイズ付加前の信号波形（図８（ｄ）の８０４）と、ノイズ付加後の信号波形（図８（ｅ）の８０５）が表示される。ノイズレベルは、ＳＥＭ画像を参照するなどして、実信号波形と同程度に設定することが望ましい。
【００３４】
次に、図９に示すようにノイズなしの信号波形９０１とノイズが付加された信号波形９０２とを重ね合わせ、それらの信号波形間の一致度を表す評価値がどの程度ばらつきうるかを見積もる（Ｓ７０４）。評価値としては、例えば（数１）に示すカイ二乗値を用いる。
【００３５】
【数１】
0005593197.tif 000002
【００３６】
カイ二乗値は、両波形が一致するほど小さな値となる。なお、カイ二乗値以外の評価値としては、相関値、位相限定相関値なども適用可能である。
【００３７】
Ｓ７０４では、具体的には、乱数にてノイズを発生させることを複数回行い（例えば３０回程度）行い、カイ二乗値のばらつきを求める。次に、ノミナル形状の信号波形（Ｓ７０２で選択した信号波形）と、ライブラリメンバ波形とのマッチングを行い（Ｓ７０５）、それぞれにおけるカイ二乗値を算出する。先にＳ７０４で求めたカイ二乗値のばらつきに基づき、各形状パラメータの計測値の変動範囲を算出し（Ｓ７０６）、カイ二乗値の分布と合わせて表示する（Ｓ７０７）。
【００３８】
予想解空間の例を図１０に示す。ここでは、横軸に側壁傾斜角を、縦軸にトップの丸みをとって、カイ二乗値を等高線で示し、Ｓ７０４で求めたカイ二乗値のばらつきが、仮に５とすると、カイ二乗値が５以下の細長い領域内が、モデルベース計測による断面形状計測結果がばらつきうる範囲であり、この領域が狭いほど、安定性の高い計測といえる。同図において、ｒmin〜ｒmaxがトップの丸みのばらつきうる範囲、θmin〜θmaxが側壁傾斜角のばらつきうる範囲である。
【００３９】
なお、変動させる形状パラメータが２個の場合は、図１０のように、一方をｘ軸に、他方をｙ軸にとってカイ二乗値を等高線で示すことができるが、図６のように、変動させる形状パラメータが３個（トップの丸み、上側側壁傾斜角、下側側壁傾斜角）の場合は、図１１のように、形状パラメータのうちの１個を固定した、３種類の予想解空間が提示される。図１１(ａ)の１１１は、トップの丸みを固定したもの、図１１(ｂ)の１１２は下側側壁傾斜角を固定したもの、図１１(ｃ)の１１３は上側側壁傾斜角を固定したものである。なお、図１１(ａ)〜(ｃ)では、図１０におけるカイ二乗値が５以下の領域に相当する領域のみを示した。
【００４０】
図１０、図１１に示したような予想解空間が提示されることによって、形状パラメータ条件が適切か否かを判断することが可能となる。例えば、図１１の(ｂ)において、予想解空間１１２から、トップの丸みと上側壁傾斜角の両方の変動範囲が広く、これら両方を変動パラメータとすると、解が安定しないことが分かる。一方、図１１(ａ)の予想解空間１１１は局在しており、上側壁傾斜角と下側壁傾斜角は互いに独立であり、これら両方を変動パラメータとしても、解が不安定になることはないことが分かる。図１１(ｃ)の予想解空間１１３についても同様である。このケースにおいては、安定した解を得るためには、トップの丸みを固定するのが有効という指針を得ることができる。  
逆に、形状パラメータ全てを変動させても解が不安定ならないという結果が得られたならば、変動させる形状パラメータを増やせる可能性ありという指針が得られる。この場合は、変動させる形状パラメータを増やして、再度、予想解空間を求めて確認を行えばよい。
【００４１】
本実施の形態によれば、実パターンの計測に先立ち、最適な形状パラメータ条件（変動させる形状パラメータ数が、多すぎず少なすぎない条件）を設定することが可能となる。そして、これらにより、より精度の高いモデルベース計測が実現されるようになる。
【００４２】
以上に説明したように、形状パラメータ条件の設定支援機能により予想解空間が提示されることによって、一致度の高い領域の分布状態が一目で分かるので、設定した形状パラメータ条件が適切か否かを容易に判断することができる。例えば、一致度の高い領域が広域に広がっていたり、一致度の高い領域の飛び地が存在していたりする場合は、形状パラメータ数が多すぎて、安定性の高い計測は望めないことが分かる。また、どの形状パラメータが一致度の高い領域を広げているかも分かるので、いずれの形状パラメータを固定するのが効果的かも分かる。そして、形状パラメータ条件の変更後に再度、予想解空間を提示させれば、効果を確認することが可能である。逆に一致度の高い領域が十分に狭い場合は、形状パラメータ数を増やせる可能性があることが分かる。形状パラメータ数を増やして、再度予想解空間を提示させれば、形状パラメータ数を増やすことによる計測の安定性低下が許容範囲か否かを確認することが可能である。
【００４３】
（２）計測結果の確からしさの確認機能
計測結果の確からしさの確認機能に関して説明する。（１）で説明した形状パラメータ条件の設定支援機能は、実パターンの計測に先立ち、実パターン計測に適用する形状パラメータの条件出しを支援する機能を提供するものであるのに対し、本機能は、実パターンの計測後に、計測結果の確からしさを判定する機能を提供するものである。
【００４４】
計測結果の確からしさの確認機能では、実波形を用いて実解空間を算出して提示すると共に、上記の判定のために、比較対象となる解空間（以下、参照解空間と記す）を算出して併せて提示する。
【００４５】
計測結果の確からしさを判定する機能の全体の処理フローを図１２に示す。先ず、ＳＥＭ２００で試料２０６を撮像してＳＥＭ画像を取得し（Ｓ１２０１）、このＳＥＭ画像から実解空間を求める（Ｓ１２０２）。一方、ライブラリ手段２２２でライブラリを作成し（Ｓ１２０３）、この作成したライブラリを用いて参照解空間を求める（Ｓ１２０４）。次に、評価処理手段において実解空間と参照解空間とを比較して解の確からしさを判定して（Ｓ１２０５）、形状パラメータの条件を決定し（Ｓ１２０６）、この決定した形状パラメータの条件を用いてＳＥＭで撮像した試料２０６のパターン形状を三次元計測する（Ｓ１２０７）。
【００４６】
図１３にＳ１２０２の実解空間を算出するフローを示す。先ずＳＥＭ２００で試料２０６を撮像して画像処理手段２０９で作成した実画像から波形を求め（Ｓ１３１）、モデルベース計算手段２２１において、これと、ライブラリ手段２２２に登録しておいたライブラリメンバ波形とのマッチングを行い、評価処理手段２２３でそれぞれの組み合わせにおけるマッチングの評価値を算出し（Ｓ１３２）、これを出力手段２２５の表示画面２２６に表示する（Ｓ１３３）。マッチングの評価値としては、例えば、図９に示すカイ二乗値を用いる。
【００４７】
図１４にＳ１２０４の参照解空間を算出するフローを示す。モデルベース計測の結果として出力された断面形状に対応するライブラリ波形をライブラリから選択し（Ｓ１４１）、選択した波形に、図１３のＳ１３１で求めた実波形と同程度のノイズを付加する（Ｓ１４３）。次に、Ｓ１４３でノイズを付加した波形とライブラリメンバ波形との間のマッチングを行い、それぞれの組み合わせにおけるマッチングの評価値を算出し（Ｓ１４４）、参照解空間として表示する（Ｓ１４５）。マッチングの評価値としては、例えば、図９に示したカイ二乗値を用いる。
【００４８】
実解空間と参照解空間を比較するため、図１５のように、これらを出力表示手段２２５の画面２２６上に同時に表示することが望ましい。図１５(ｂ)の参照解空間１５２は、いわば、モデルベース計測が理想的な条件にて行われた場合の解空間なので、図１５（ａ）の実解空間１５１と(ｂ)の参照解空間１５２の乖離が小さい場合は目論見通りのモデルベース計測がなされたと判定し、乖離が大きい場合は論見通りのモデルベース計測がなされなかったと判定することができる。
【００４９】
図１６にＳ１２０５の具体的な判定のフローの一例を示す。はじめに、両解空間の評価値の最小値を比較する（Ｓ１６１）。カイ二乗値を評価値として用いた場合、実解空間のカイ二乗値の方が参照解空間のカイ二乗値よりも大きな値になることが多いが（一般に、実波形とライブラリ波形間の一致度の方が、ライブラリ波形間の一致度よりも低いので）、例えば、実解空間のカイ二乗値が数倍以上大きい場合には、モデルベース計測の結果は確からしくないと判定して処理を終了する（Ｓ１６２）。一方、評価値の差が想定の範囲内である場合には、等高線が囲む領域の形、等高線の間隔を比較する（Ｓ１６３）。例えば、等高線が囲む領域の大きさが数倍以上の場合は、モデルベース計測の結果は確からしくないと判定して処理を終了する（Ｓ１６４）。これらの判定をパスしたならば、計測結果は確からしいと判断できる（Ｓ１６５）。
【００５０】
計測結果が正しくないと判定された場合（Ｓ１６２、Ｓ１６４）、設定した形状パラメータ条件では実パターンの断面形状が正しく表現されていないことを意味する。本実施の形態では、形状パラメータ条件の変更を効率的に行うための支援機能として、実波形とライブラリ波形とモデルベース計測の解である断面形状を重ね合わせて画面２２６上に表示する。図１５（ａ）の実解空間１５1において、縦線、横線がクロスするカーソル１５３を所望の座標におき、所定のボタン（図示しない）をクリックすることにより図１５（ｃ）に示すように、実波形１５４、ライブラリ波形１５５、断面形状１５３が重ね合わせて表示される。この表示により、実波形とライブラリ波形の一致/不一致が、断面形状におけるどの部位に相当するかが分かる。この表示結果をよって、形状パラメータの固定値の変更、あるいは、別の形状パラメータを固定するといった条件変更の指針を得ることができる。
【００５１】
上記に説明した計測結果の確からしさを確認する機能によれば、計測結果の確からしさが示されるため、形状パラメータ条件の見直しの必要性が見逃されなくなる。また、形状パラメータ条件をどのように変更すべきかの指針が示されるため、形状パラメータの変更を効率良く行うことが可能となる。そして、これらにより、より精度の高いモデルベース計測が実現されるようになる。
【００５２】
以上に説明したように、計測結果の確からしさの確認機能により実解空間が提示されることによって、一致度の高い領域の分布状態が一目で分かるので、モデルベース計測の計測結果がどの程度確からしいかを容易に判断することができる。例えば、一致度の高い領域の広がりが上記の予想解空間と同等かをみることによって、計測結果が目論見通りの確からしさを有すかが確認できる。予想解空間と異なる場合は、設定した形状パラメータ条件では、実パターンの断面形状を正しく表現できないことを意味しており、計測結果が確からしくないことが分かる。
【００５３】
さらに、実波形とライブラリ波形と計測結果である断面形状が重ね合わせて表示されることによって、実波形とライブラリ波形の一致/不一致が、断面形状におけるどの部位に相当するかが分かる。この表示結果をよって、形状パラメータの固定値の変更、あるいは、別の形状パラメータを固定するといった条件変更を効率的に行うことが可能となる。
【００５４】
従来は、計測結果の確からしさが示されなかったため、条件変更の必要性に気付くことすらできなかったが、本実施例によれば、条件変更の必要性が見逃されなくなり、さらに、どのように変更すれば良いかの指針が得られるようになる。
【００５５】
（３）断面形状の計測に適した撮像条件を予想する機能
次に断面形状の計測に適した撮像条件を予想する機能に関して説明する。この断面形状の計測に適した撮像条件を予想する機能は、実パターンの計測に先立ち、複数の撮像条件について、（１）で説明した形状パラメータ条件の設定を支援する方法を適用し、モデルベース計測に有利な撮像条件を予想するものである。
【００５６】
断面形状の計測に適した撮像条件を予想する機能の全体のフローを図１７に示す。形状モデルの入力（Ｓ１７１）、各形状パラメータの範囲とピッチの入力（Ｓ１７２）は、（１）の場合と同様である。本機能では、さらに、撮像条件のバリエーションを入力し（Ｓ１７３）、ＳＥＭシミュレーションにより信号波形を算出する（Ｓ１７４）。図１８に、撮像条件のバリエーションの入力ＧＵＩ１８００の一例を示す。ＧＵＩ１８００上では、撮像上件数１８０１と撮像条件のバリエーションを入力する。撮像条件のバリエーションとは、加速電圧のバリエーション１８０１や、エネルギーフィルタ（１）のあり／なし１８０２、エネルギーフィルタ（２）のあり／なし１８０３など、使用する撮像装置（測長ＳＥＭ）が有す、撮像条件のバリエーションを網羅していることが望ましい。
【００５７】
図１９Ａは、加速電圧が異なると、信号波形にどのような変化が生じるか説明する図である。図１９Ａ（ａ）の１９１は加速電圧が０．８ｋＶの場合、（ｂ）の１９２は３ｋＶの場合、（ｃ）の１９３は５ｋＶの場合の電子の内部拡散の様子をシミュレーションした結果であるである。加速電圧が大きくなるに従い、１次電子の進入深さが深くなり、内部拡散はより広い範囲に広がることが分かる。図１９Ｂの１９４は、同じくシミュレーションによって求めた、各加速電圧における信号波形である。内部拡散の仕方が異なる結果として、信号波形も異なる。
【００５８】
本機能では、（１）で示した予想解空間（図１０）を、撮像条件ごとに求め、これを提示する。加速電圧の違いは、図１９のように予想解空間にも違いをもたらす。図２０（ａ）の２０１は加速電圧が０．８ｋＶの場合の予想解空間、図２０（ｂ）の２０２は加速電圧が３ｋＶの場合の予想解空間とすると、モデルベース計測による断面形状計測結果がばらつきうる範囲（灰色の領域）がより狭い図２０（ａ）の２０１の方が、より安定性の高い計測が実現可能ということが分かる。この結果に基づき、実パターンの計測における撮像条件を決定すればよい。
【００５９】
本機能によれば、実パターンの計測に先立って、モデルベース計測にとってより有利な撮像条件を計算機上で予想することが可能となる。これにより、実際のサンプルを用いて撮像条件を試行錯誤的に決定するプロセスが必要なくなるため、効率が向上する。結果として、より精度の高いモデルベース計測が実現されるようになる。
【００６０】
以上の（１）から（３）で説明した各機能は、全ての機能を計測システムに備えても良いし、また何れか２つの組合せで用いても良く、更には何れか１つだけを採用してもよい。
【００６１】
なお、以上の（１）から（３）で説明した各機能は、ＳＥＭ信号波形に対してモデルベース計測手法を適用する場合について述べたが、図２１に示した、スキャタロメトリに対しても適用可能である。本発明をスキャタロメトリに適用すれば、上記の実施の形態で述べたのと同様の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００６２】
２００・・・ＳＥＭ  ２０６・・・試料    ２０９・・・画像処理手段    ２１２・・・全体制御手段    ２２０・・・モデルベース計算処理部    ２２１・・・モデルベース計算手段    ２２２・・・ライブラリ手段    ２２３・・・評価処理手段    ２２４・・・入力手段    ２２５・・・出力手段    ２２６・・・表示画面。
【図１】
0005593197.tif 000003
【図２】
0005593197.tif 000004
【図３】
0005593197.tif 000005
【図４】
0005593197.tif 000006
【図５】
0005593197.tif 000007
【図６】
0005593197.tif 000008
【図７】
0005593197.tif 000009
【図８】
0005593197.tif 000010
【図９】
0005593197.tif 000011
【図１０】
0005593197.tif 000012
【図１１】
0005593197.tif 000013
【図１２】
0005593197.tif 000014
【図１３】
0005593197.tif 000015
【図１４】
0005593197.tif 000016
【図１５】
0005593197.tif 000017
【図１６】
0005593197.tif 000018
【図１７】
0005593197.tif 000019
【図１８】
0005593197.tif 000020
【図１９Ａ】
0005593197.tif 000021
【図１９Ｂ】
0005593197.tif 000022
【図２０】
0005593197.tif 000023
【図２１】
0005593197.tif 000024
【図２２Ａ】
0005593197.tif 000025
【図２２Ｂ】
0005593197.tif 000026