(57)【要約】【課題】  本発明は、電子の固体内拡散により分解能が劣化した埋め込まれた下層パターンのＳＥＭ画像を，ＳＥＭの撮像条件およびパターン情報に基づいて復元する方法の提案を目的とする。【解決手段】  集束させた荷電粒子線をパターンが形成された試料上に照射して走査する照射光学系と、前記照射光学系により荷電粒子線が照射された該試料から発生した荷電粒子を検出する検出光学系と、前記検出光学系で検出した荷電粒子を処理して該試料の荷電粒子画像を得、該試料のパターンの深さ若しくは材料、または、前記照射光学系における荷電粒子線の照射エネルギーの情報に基づいて該試料のパターンの任意の深さにおける荷電粒子の拡がりを推定し、該推定した荷電粒子の拡がりを用いて該得た荷電粒子画像を補正し、該補正した荷電粒子画像を処理する処理部と、を備えた荷電粒子顕微鏡装置である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
集束させた荷電粒子線をパターンが形成された試料上に照射して走査する照射光学系と、
前記照射光学系により荷電粒子線が照射された該試料から発生した荷電粒子を検出する検出光学系と、
前記検出光学系で検出した荷電粒子を処理して該試料の荷電粒子画像を得、該試料のパターンの深さ若しくは材料、または、前記照射光学系における荷電粒子線の照射エネルギーの情報に基づいて該試料のパターンの任意の深さにおける荷電粒子の拡がりを推定し、該推定した荷電粒子の拡がりを用いて該得た荷電粒子画像を補正し、該補正した荷電粒子画像を処理する処理部と、を備えた荷電粒子顕微鏡装置。
【請求項２】
前記処理部は、該補正した荷電粒子画像を用いて該試料上のパターンの欠陥検出または該試料上のパターンの欠陥分類または該試料上のパターンの寸法の計測または前記試料上のパターンの形状の計測の何れかの処理を行うことを特徴とする請求項１記載の荷電粒子顕微鏡装置。
【請求項３】
前記処理部では、該試料のパターンの深さに基づいて該試料のパターンの任意の深さにおける荷電粒子の拡がりを推定することを特徴とする請求項１又は２に記載の荷電粒子顕微鏡装置。
【請求項４】
前記処理部では、該補正した荷電粒子画像である第一の画像と該補正を行う前の荷電粒子画像である該推定した荷電粒子の拡がりを用いて該得た荷電粒子画像である第二の画像のそれぞれにおいてパターン寸法計測を行い，前記第一の画像のパターン寸法計測結果と前記第二の画像のパターン寸法計測結果との差分を計測誤差とし，パターン計測時は該計測誤差を用いて該前記検出光学系で検出した荷電粒子を処理して得た該試料の荷電粒子画像を補正することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の荷電粒子顕微鏡装置。
【請求項５】
前記照射光学系における荷電粒子線の撮像条件は、荷電粒子の固体内散乱および放出特性のモデルを用いて，最も情報量が多くなる条件であることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の荷電粒子顕微鏡装置。
【請求項６】
集束させた荷電粒子線をパターンが形成された試料上に照射して走査する照射工程と、
前記照射工程により荷電粒子線が照射された該試料から発生した荷電粒子を検出する検出工程と、
前記検出工程で検出した荷電粒子を処理して該試料の荷電粒子画像を得、該試料のパターンの深さ若しくは材料、または、前記照射工程において照射した荷電粒子線の照射エネルギーの情報に基づいて該試料のパターンの任意の深さにおける荷電粒子の拡がりを推定し、該推定した荷電粒子の拡がりを用いて該得た荷電粒子画像を補正し、該補正した荷電粒子画像を処理する処理工程と、を備えた荷電粒子顕微鏡装置の画像取得方法。
【請求項７】
前記処理工程は、該補正した荷電粒子画像を用いて該試料上のパターンの欠陥検出または該試料上のパターンの欠陥分類または該試料上のパターンの寸法の計測または前記試料上のパターンの形状の計測の何れかの処理を行うことを特徴とする請求項６記載の荷電粒子顕微鏡装置の画像取得方法。
【請求項８】
前記処理工程では、該試料のパターンの深さに基づいて該試料のパターンの任意の深さにおける荷電粒子の拡がりを推定することを特徴とする請求項６又は７に記載の荷電粒子顕微鏡装置の画像取得方法。
【請求項９】
前記処理工程では、該補正した荷電粒子画像である第一の画像と該補正を行う前の荷電粒子画像である該推定した荷電粒子の拡がりを用いて該得た荷電粒子画像である第二の画像のそれぞれにおいてパターン寸法計測を行い，前記第一の画像のパターン寸法計測結果と前記第二の画像のパターン寸法計測結果との差分を計測誤差とし，パターン計測時は該計測誤差を用いて該前記検出光学系で検出した荷電粒子を処理して得た該試料の荷電粒子画像を補正することを特徴とする請求項６乃至８の何れかに記載の荷電粒子顕微鏡装置の画像取得方法。
【請求項１０】
前記照射工程における荷電粒子線の撮像条件は、荷電粒子の固体内散乱および放出特性のモデルを用いて，最も情報量が多くなる条件であることを特徴とする請求項６乃至８の何れかに記載の荷電粒子顕微鏡装置の画像取得方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷電粒子顕微鏡装置および荷電粒子顕微鏡装置の画像取得方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体ウェハの製造工程において，ウェハ上に多層に形成されるパターンの微細化が急速に進んでおり，それらのパターンが設計どおりにウェハ上に形成されているか否かを監視するプロセスモニタの重要性はますます増加している。さらに，近年，露光技術の限界による微細パターン形成プロセスの複雑化や，デバイス構造の変化により，表面に見えているパターンだけでなく，プロセスを経て表面下に埋め込まれているパターンの状態の確認や，それら下層パターンと表面に露出している上層パターンとの位置関係の確認・計測などのニーズが高まっている。
【０００３】
半導体パターン形状を検査するツールとしては，明視野あるいは暗視野光学顕微鏡技術を応用した光学検査装置や電子顕微鏡技術を応用した電子線式の検査装置が，半導体ウェハ製造ラインの管理に広く用いられている。同様に，検出された欠陥の観察には光学式あるいはＳＥＭ式レビュー装置が，パターンの寸法計測装置にも光を用いたスキャッタロメトリや線幅測定用の走査型電子顕微鏡が用いられている。
【０００４】
最先端の半導体パターンの寸法は数十ナノメートルオーダにまで微細化が進んでおり，パターンや欠陥の状態を正確に確認するためには，電子顕微鏡，特に走査型電子顕微鏡（測長ＳＥＭ(Critical dimension Scanning Electron Microscope)）を応用した検査・計測装置が広く活用されている。
【０００５】
しかしながら，半導体検査・計測向けにインラインで利用一般的なＳＥＭでは，試料最表面のパターンのみが観察可能であり，前記の埋め込まれた層の検査や観察には用いることができない。
【０００６】
このような課題に対し，比較的照射エネルギーの高いＳＥＭを用いることで下層パターンの検査や計測を行なっている例もある。非特許文献１には，通常数百ｅＶから数ｋｅＶであるＳＥＭの電子ビームの照射エネルギーを数十ｋｅＶまで上げて下層パターンを観察している例が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−１７７０６４号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】M. Bishop, D. Joy,“Feasibility Study for High Energy SEM-Based Reference Measurement System for Litho Metrology,”Characterization and Metrology for ULSI Technology 2005, pp. 407-410 (2005)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述のような，比較的エネルギーの高い電子線を照射することで，表面に露出していないパターンの情報を得ることが可能となるが，電子線が検査・計測対象とするパターンに到達するまでに，表面層の内部で拡散し，結果として，見たいパターンに照射される電子ビームの空間分解能が低下してしまうという問題がある。このため，正しいパターン形状が観察できない，ひいては，その画像を使った計測では，寸法計測精度が低下してしまうという問題がある。非特許文献１では，分解能の変化についての問題提起はあるが，撮像条件の最適化の必要性を提言するのみで，その解決手段については論じられていない。
パターン表面における電子の拡散による分解能劣化への対応方法の例としては，特許文献１に記載があるが，積層の内部パターンの観察への適用方法については論じられていない。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
集束させた荷電粒子線をパターンが形成された試料上に照射して走査する照射光学系と、前記照射光学系により荷電粒子線が照射された該試料から発生した荷電粒子を検出する検出光学系と、前記検出光学系で検出した荷電粒子を処理して該試料の荷電粒子画像を得、該試料のパターンの深さ若しくは材料、または、前記照射光学系における荷電粒子線の照射エネルギーの情報に基づいて該試料のパターンの任意の深さにおける荷電粒子の拡がりを推定し、該推定した荷電粒子の拡がりを用いて該得た荷電粒子画像を補正し、該補正した荷電粒子画像を処理する処理部と、を備えた荷電粒子顕微鏡装置である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、よりよい画質での下層パターン検査・観察・計測を実現することが可能な荷電粒子顕微鏡装置および荷電粒子顕微鏡装置の画像取得方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】下層パターンの画質改善処理を説明するフローチャート
【図２】観察対象パターンの例と課題，本発明の効果を説明する図
【図３】電子の固体内拡散による分解能劣化のメカニズムを説明する図
【図４】本発明のＳＥＭの構成を説明する図
【図５】電子の照射方向および焦点位置の影響を説明する図
【図６】多層パターン構造および復元処理の説明図
【図７】分解能劣化モデルと寸法計測誤差の説明図
【図８】寸法補正方法処理を説明するフローチャート
【図９】固体内パターン撮像の最適条件決定方法の説明図
【図１０】開口パターンの例と，本発明の適用方法を説明する図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下の説明では，電子の固体内拡散の影響を考慮した処理を行なうことで，ＳＥＭ画像内における最表面に露出していない埋め込みパターンの画質を改善する方法について説明する。
【００１４】
第１の実施例では，対象パターンの構造・材料，着目パターン深さと電子の照射エネルギーなどのＳＥＭ撮像条件から，電子の固体内拡散を計算し，推定された劣化関数を用いることで，下層パターン画像の分解能を補償し，質のよい画像を提供する方法を開示している。
【００１５】
また，第２の実施例では，第１の実施例を，同時に観察される複数の層のパターンに適用する方法を開示している。
【００１６】
第３の実施例では，第１あるいは第２の実施例により得られる復元画像を用いて，埋め込み層パターンの寸法計測誤差を予め推定し，計測誤差を補正することで精度の高い計測を実現する方法を開示している。
【００１７】
第４の実施例では，第１から第３の手法を実施するために最適な画像を撮像するための条件設定方法について説明している。
【００１８】
第５の実施例では，開口パターンに対して第１から第４の手法を適用するための方法について説明している。
上記手法は，各種の荷電粒子線装置（ＳＥＭ，イオン顕微鏡等）に適用可能であるが，以下の実施例では代表としてＳＥＭを用いる場合を例にとって説明する。
【実施例１】
【００１９】
[下層観察の基本フロー]
図１は，本発明における埋め込みパターンの画像復元処理の概略フローを示す。
まず，観察対象である試料パターンの情報を入力する（Ｓ０００１）。パターン情報としては，着目している層（埋め込み層）を含む全体の積層構造，各層の材料，厚み，必要に応じてパターン概略寸法やピッチなどを入力する。個別に構造データを入力してもよいが，ＴＣＡＤなどを用いて，設計データを読み込んだあと，着目層をＧＵＩなどで指定してももちろんよい。
次に，ＳＥＭ画像を撮像する条件を設定する（Ｓ０００２）。撮像条件としては，１次ビームの照射エネルギー，フォーカス位置，照射電流量，撮像倍率，画素サイズなどがある。照射エネルギーおよびフォーカス設定方法の詳細については後述する。
次に，上記Ｓ０００１およびＳ０００２において設定した情報を元に，着目層の深さにおける，入射電子の拡がり分布情報を記憶手段１０１から取得する（Ｓ０００３）。
【００２０】
次に，得られた電子の拡がり分布情報を用いて，画像の着目層深さのパターン部分の分解能劣化関数を生成する（Ｓ０００４）。ここまでのステップで，復元に必要な情報が揃う。
次に，上記Ｓ０００２で設定した条件で撮像する（Ｓ０００５）。
撮像されたＳＥＭ画像に対して，上記Ｓ０００４で生成した劣化関数を用いた画像復元処理（Ｓ０００６）を施して，分解能劣化を補償した画像を生成し，結果得られた画像を出力する（Ｓ０００７）。同一構造パターンの別の場所についても観察を行なう場合には，ステージ移動あるいは電子ビーム照射位置のシフトにより画像取得エリアを変更した後，先の撮像および画像処理と同一条件で，Ｓ０００５からＳ０００７のステップを繰り返せばよい。
【００２１】
次に図２を用いて，本発明の検査，観察あるいは計測対象であるパターン構造と発明の効果について説明する。
図２は本発明が対象とするパターン構造の一例であり，ａ）は上面図，ｂ）は断面図を示している。下地の上に，例えば導電性の材料で形成された第１層の四角いパターンが形成されており，第１層パターンの上に酸化膜等の絶縁膜を第２層として成膜し，第２層に穴パターン（図２では４つの穴）を形成，第２層の穴に導通をとるための導電性材料を埋め込んだパターンの例を示している。このような場合に，例えば第２層形成の過程において，第１層パターンがダメージ等を受けて変形していないか，あるいは第１層パターンと第２層パターンの位置関係は所望のものとなっているかといった確認が，近年の半導体パターンの微細化，複雑化により重要になってきている。
しかしながら，図２ｃ）に示すように，従来の数百から数ｋｅＶの比較的低い照射エネルギーのビームでは，表面のパターンのみしか観察できず，下層（この場合第１層）の情報を得ることは困難であった。これに対し，パターンに応じた適切な条件で比較的高エネルギーの電子ビームを照射することにより，図２ｄ）に示すように，下層の情報を得ることができる。しかしながら，下層パターンの観察においては，固体内に浸入した電子が拡散してしまうため，対象パターン深さにおける実効的なビーム径が拡がってしまい，画像の分解能が劣化する。図２の例では，第１層パターンのエッジが不明瞭となる。これに対し，本発明では，固体内でのビームの拡散の度合いを，予め得たパターン深さ，材料，電子線照射エネルギーの情報を元に推定し，分解能の劣化を画像処理により復元することで，図２ｅ）に示すように，埋め込まれた下層パターンのエッジも鮮明に観察可能な電子顕微鏡装置を提供する。
【００２２】
次に図３を用いて，電子の固体内散乱による実効ビーム径の拡大について説明する。図３は照射エネルギーに依存した固体での電子の拡散の変化の模式図である。
照射エネルギーが高いほど，固体内に深く浸入し，電子は広い範囲に拡散する。しかしながら，ある深さztに着目して，当該深さでの電子の拡散範囲をみると，照射エネルギーが高いからといって，必ずしも照射された電子の拡がりは大きくなっていないことがわかる。この，任意の深さにおける照射電子の拡がりの範囲を，本明細書では便宜的に「実効ビーム径」と呼ぶ。
【００２３】
図３下側には，深さｚｔに到達する電子の頻度分布を示している。エネルギーの低い入射電子ａではｚｔまで到達する電子がなく，深さｚｔにあるパターンの情報を得ることは難しい。よりエネルギーの高い入射電子ｂであれば，ｚｔまで到達することはできるが，実効ビーム径が大きくなるため，分解能は劣化する。さらにエネルギーの高い入射電子ｃでは，より深くまで電子が直進するため，実効ビーム径は比較的小さく保たれ，分解能の面では有利である。しかしながら，エネルギーが高い電子は，着目パターンを透過して，さらに深くまで入り込んでしまうため，パターンの情報を含む電子が必ずしも検出されないため注意が必要である。また，通常の真空中を進む電子ビームと異なり，固体内での拡散によって照射電子もそのエネルギーを失うため，着目パターンに照射される電子のエネルギーは均一ではなくなる。このため，電子が到達したからといっても，表面に露出しているパターンと同じ情報が得られるとは限らないことに注意が必要である。このような場合に適切な条件を設定する方法については，第４の実施例で説明する。
【００２４】
このように，観察対象である着目パターンの深さに電子が到達するというだけでは，必ずしも着目パターンの情報が十分に得られるとは限らない。パターンと目的（検査・観察・計測など）に応じて，適切な撮像条件を設定する必要がある。また，多くの情報が得られる条件であっても図３の入射電子ｂのように，実効ビーム径の拡がりが避けられない場合もある。適切な撮像条件の設定については第４の実施例で詳細を説明する。第１の実施例では，後者の実効ビーム径の拡がりによる画像の分解能劣化を補償する方法について述べる。
【００２５】
図４は、本発明の一実施形態であるＳＥＭの基本構成である。
ＳＥＭは、例えば、撮像装置００１、制御部０２１、処理部０２２、記憶部０２３、および入出力部０２４等から構成される。撮像画像の取得では、電子銃００２から１次電子ビーム００３を発生し、この1次電子ビーム００３をコンデンサレンズ００４で集束させ、さらに対物レンズ００５に通すことにより試料００６の表面に集束する。次に、試料００６から発生する２次電子や反射電子等の電子を検出器００８により検出し、画像生成器００９により該検出信号からデジタル画像を生成することにより、撮像画像を取得する。撮像画像は、記憶部０２３に保存される。ステージ００７を移動することにより、試料の任意の位置での画像撮像が可能である。検出器００８は、例えば２次電子を多く検出するようにした２次電子検出器と、反射電子を多く検出するようにした反射電子検出器のように、複数の検出器があっても良い。また、試料の高さを計測するための高さ計測センサ（図示せず）があっても良い。
【００２６】
制御部０２１は、電子銃００２周辺に印加する電圧、コンデンサレンズ００４および対物レンズ００５の焦点位置調整、ステージ００７の移動、画像生成器００９の動作タイミング等を制御する。処理部０２２によりＳ０００３の対象深さによる電子の拡がり情報取得や，Ｓ０００４の劣化関数の生成やＳ０００６の画像復元等が行われる。記憶部２２３にて撮像画像、復元画像、撮像条件や試料情報等が保存される。試料情報の入力，撮像条件の入力、撮像画像または復元画像の出力等は、入出力部２２４により行われる。
【００２７】
次に，埋め込みパターンのＳＥＭ画像における分解能の劣化関数を推定する方法について説明する。図１のＳ０００３では，対象パターン深さにおける電子の拡がり分布を予め記憶手段１０１内に保存されたデータから読み取っている。この拡がり分布については，電子散乱のモンテカルロシミュレーションを用いて求めることができる。図３に示すような，所定の材料に電子を打ち込んだ場合に，電子が固体内でどのように拡散するか，それぞれの深さにおける電子の位置とエネルギーおよび方向を求めることができるので，入射電子のエネルギーと対象の材料の組合せで，これらの電子拡散の情報を予め計算しておき，記憶手段１０１に保存しておけばよい。
なお，図３の例では，均一な材料の固体内における電子の拡散の様子を示したが，上層にパターンがある場合には現象が複雑になる。この場合には，求める画像復元の精度に応じて，実際のパターン構造に合わせてモデルを複雑にすればよい。あまり精度を要求しないのであれば，多くを占める材料で計算をすればよいし，上層下層でパターンが重なる部分が多いようであれば，上層の材料別に複数のデータを生成しておいて，上層パターンの異なる材料領域（図２の例であれば第２層の絶縁膜部分と第２層パターンであるホール内部の埋め込み材料の２つの領域）別に画像復元処理の際にデータを切り替えてもよい。表面層のパターンは明瞭に観察できるため，画像処理により領域間の明るさの違いや，境界部分のエッジ情報を用いれば，用意に領域分割を行なうことが可能である。
【００２８】
上記手順により，図３に示すような電子の拡散のデータを取得することができるが，実際のＳＥＭにおける現象はさらに複雑である。図４に示したように，ＳＥＭでは電子ビームを集束させて照射するため，実際の電子の入射角度は鉛直方法とは限らない。
図５ａ）に示すように，電子が斜めに入射する場合には，その方向によって固体内で電子が到達する位置も変化する。そこで，ＳＥＭの電子ビームの開き角が大きい場合には，電子ビーム内での電子の角度分布を考慮して実効ビーム径を求める必要がある。また，着目深さｚｔにおける実効ビーム径は電子ビームの焦点位置にも依存する。
図５ｂ）に示すように，焦点位置が異なると各高さでの電子の密度分布が変化する（図５は固体内拡散が無い場合の模式図であり，焦点位置を通る２本の直線の間に電子が分布する）。このため，図５ａ）の照射方向の影響と図５ｂ）の試料表面での電子の分布と方向を考慮して，着目高さｚｔにおける電子の分布を計算すれば，着目高さにあるパターンの画像分解能劣化の劣化関数を推定することができる。なお，ビームの焦点位置の設定については，第４の実施例で詳細を説明する。
【００２９】
上記により，劣化関数が推定できれば，これを用いて画像復元処理を行なえばよい。画像復元処理については特許文献１などに処理方法が開示されている。以上の処理により電子の拡散により劣化した分解能を補償した，比較的鮮明な画像を取得することが可能となる。
【００３０】
このように，パターン深さ，材料や電子線画像の撮像条件を入力とし，これらの情報を用いて画像を補正する処理を行なうことで，埋め込まれた層のパターン形状をより鮮明に観察したり，その位置や形状をより正確に計測したりすることが可能となる。このようにして得られた画像を用いることで埋め込まれた層のパターンの出来映え検査や，欠陥の観察などもより高精度に実施することが可能となる。
【実施例２】
【００３１】
[多層対応方法]
次に，第２の実施例として，第１の実施例の処理を多層パターンに適用する場合の方法について説明する。
図６ａ）に示すように，パターンの深さが３段階（埋め込まれたパターンが２層）の場合には，１つの着目高さのみで処理を行なっても十分な効果が得られない可能性が高い。そこで，着目高さｚ１，ｚ２両方について画像復元処理を行い，それらの結果を統合することで，よりよい画質の画像を得ることが可能となる。
図６ｂ）は処理の一例である。例えば，パターン最表面（３層目）に焦点を合わせて撮像した原画像０３０に対して，パターン高さｚｔ１，ｚｔ２および最表面（すなわち，固体内拡散による影響のない状態のビーム形状）における劣化関数を，第１の実施例に開示した方法で推定し，それぞれの条件で処理を行なった画像を生成する（０３１，０３２，０３３）。次に，これらの処理画像，あるいは原画像０３０に対して領域分割を行い，各層のパターンを認識する。この際，設計データなどのレイアウト情報を用いてもよいし，領域分割結果に対して，ＧＵＩなどを介してユーザの指定によってパターンを認識してもよい。パターン認識結果に基づいて，分割された領域ごとにそれぞれの領域のパターン観察に最適化された条件で復元された画像を用いて，これらを統合することにより，深さの異なるパターンの積層構造に対しても質のよい画像を得ることが可能となる。なお，パターンの観察においては，各領域の外周エッジが最も重要な情報を有しているため，領域を統合する場合には，分割された領域にエッジ部分を含むよう，得られた領域を少し大きく拡大して統合するとよい。
【００３２】
あるいは各層の処理画像に対して，それぞれの対応する層のエッジ部分に大きな重みをつけて加重平均処理を行なってもよい。
また，画像の使用目的によっては，特定の層のみを観察したい場合もある。例えば，図６において１層目と３層目の関係が見たいといった場合には２層目の情報が邪魔になることがある。このような場合には，２層目のパターン部分の重みを小さくした加重平均処理を行なえば，不要な情報を低減し，より見やすい画像を提供することができる。
【００３３】
このように，複数の層からなるパターンに対しても，それぞれのパターン深さ，材料や電子線画像の撮像条件を入力とし，これらの情報を用いて画像を補正する処理を行なうことで，埋め込まれた層のパターン形状をより鮮明に観察したり，その位置や形状をより正確に計測したりすることが可能となる。また，複数の異なる層のパターンを鮮明に観察，計測できることから，層間の合わせずれの計測も高精度に行なうことが可能となる。
【実施例３】
【００３４】
[寸法補正方法]
第３の実施例として，ＳＥＭ画像を用いた寸法計測において，下層パターンの分解能劣化の影響を低減する方法について説明する。
【００３５】
図７を用いて，画像の劣化モデルと寸法計測誤差について説明する。
図７に示すように，劣化画像０４３は理想画像０４１と劣化関数０４２の畳み込みにより表現される。ここでは、分解能の影響についてのみ説明し、ノイズの影響については省略する。
【００３６】
本実施例が対象とする下層埋め込みパターンの画像については，本来のパターン寸法は理想画像におけるエッジ位置を用いて求めるのがより正しい寸法であると考えられる。仮に，現在ＣＤ−ＳＥＭなどでよく用いられている信号波形の高さがある割合（例えば５０％）になる点をエッジ位置として寸法を計測する場合には，理想画像０４１の場合には幅Ｗ１が計測結果となる。しかしながら，実際に観測される劣化画像０４３により得られる寸法Ｗ２はＷ１よりも大きなものになってしまう。そこで，第３の実施例では，第１の実施例で得られた復元画像を理想画像０４１の代わりに用いて，この計測誤差Ｗ２−Ｗ１の値を算出することで，計測誤差を補正する方法について開示する。
【００３７】
図８を用いてフローを説明する。
パターン計測の際には，はじめにテスト用パターンを用いて画像取得および計測のレシピ（自動画像取得および計測の手順を装置のタスクリストとして記録したファイル）を作成する。
図８ａ）はレシピ作成時の手順である。まずテストパターンを用いて，第１の実施例と同様に画像復元処理を行なう（Ｓ００１１）。
次に復元後の画像を用いてパターン寸法Ｗ１の計測を行なう（Ｓ００１２）。計測結果の誤差は完全には無くならないが，電子の拡散により分解能の劣化した原画像に比べると誤差は小さくなる。
次に，分解能の劣化している原画像を用いて，Ｓ００１２と全く同じパターンを同じ条件の計測処理により寸法Ｗ２を算出する（Ｓ００１３）。
【００３８】
これらの計測結果の差分を，電子の固体内拡散による分解能劣化起因の誤差として，撮像および計測条件とともにレシピに記録する（Ｓ００１４）。このようにして作られたレシピを用いた計測手順を図８ｂ）に示す。
計測時には通常のＳＥＭ計測と同様に，レシピに記録された条件でＳＥＭ画像を撮像する（Ｓ００１５）。
次に，劣化画像をそのまま用いて計測を行い（Ｓ００１６），計測結果から図８ａ）Ｓ００１４で記録した計測誤差を差し引いて（Ｓ００１７），寸法計測結果として出力する（Ｓ００１８）。このとき，第２の実施例と同様に，複数層のパターンについても，はじめにそれぞれの層で画像復元を行い，層別に計測誤差を予め算出しておけば，同様に寸法補正を行なうことが可能となる。また，図７，８の例では寸法計測誤差の補正を行なったが，エッジ位置そのものの補正を行なってももちろんよい。上記手法の組み合わせにより，層別のエッジ位置を正しく求めることができれば，異層間のパターンずれ量（合わせずれ量，オーバレイ）も精度よく求めることが可能となる。
【００３９】
本実施の形態を用いれば，はじめにテストパターンで画像復元処理を行なっておけば，他のパターンについては，通常のＣＤ−ＳＥＭによる計測と同じ処理で精度の高い計測が可能となる。
【実施例４】
【００４０】
[撮像条件出し方法]
次に図９を用いて，下層パターン撮像に適した撮像条件を設定する方法について説明する。
図３および図５で説明したように，固体内での電子の散乱は材料および電子の照射エネルギー，照射方向により変化する。観察パターンに対してよい撮像条件を設定しなければ，必要な情報が得られなくなる恐れがある。そこで，第４の実施例では，これらを考慮した撮像条件設定方法を開示する。ＳＥＭにより得られる下層パターンの情報は，図９に示す過程を経て取得できる。
【００４１】
まずある方向にエネルギーＥ０で照射された電子は，着目深さｚｔに到達するまでにそのエネルギーを失い，位置も方向も変化する。さらに，ｚｔに到達した電子全てが画像情報に寄与するのではなく，ｚｔを通過する電子が反射あるいは２次電子を励起する確率や，発生する反射電子や２次電子の角度およびエネルギーも一定ではない。これらの角度やエネルギーにより，ｚｔで発生した電子のうち，一部のみが最表面に到達し画像として寄与する。そこで，着目深さｚｔにおける情報量が最大となる条件を選択することで，よりよい埋め込み層の画像を得ることを可能とする。深さｚ方向をパターン構造に応じた適切な大きさの領域に分割し，それぞれの領域において，上記の通り，（１）ｚｔへ到達する電子のエネルギー，位置，方向の分布，（２）深さｚｔを通過する電子（上記（１）のエネルギー，方向の各条件それぞれについて）から発生する反射あるいは２次電子の発生確率，方向，エネルギー，（３）深さｚｔで発生した電子（上記（２）の方向およびエネルギーそれぞれについて）が試料表面に放出される確率とそのエネルギーおよび方向，そして（４）現状のＳＥＭの検出特性（検出できる電子の方向とエネルギー）をそれぞれ物理モデルに基づいてシミュレーションし，これらの積を計算することにより，各深さの情報がどれだけ検出できるかを計算することができる。これらの積が着目深さｚｔで最大となる撮像条件を選択すれば，より情報量の多い画像を得ることができる。
【００４２】
上記の例では，情報量が最大となる条件を選択したが，子の他に，着目深さｚｔにおけるパターンコントラストが最大となる条件を選択する方法もある。ｚｔにおけるパターンが材料Ａ，Ｂの２種類で構成されているのであれば，それぞれの材料について，上記と同様の計算を行い，材料ＡとＢの情報量の比が最大となる条件を選べば，最もよいコントラストで画像を取得できる。
あるいは，埋め込まれた層に形成されているパターンどうしが（例えば複数の穴や配線）隣接していて，それらを明確に分離して観察したい場合には，パターン間の距離に対して，着目層における実効ビーム径が小さくなるような条件を選べば，パターン間の情報が干渉することなく，鮮明に分離して観察や計測を行うことができる。
また，図６に示したパターンのように，複数の層に着目する場合には，例えば，それらの深さからの情報量の平均値が最大となる条件を選択すればよい。
あるいは，それぞれの層に適した撮像条件で複数枚の画像を取得し，得られた複数の画像を第２の実施例と同様に統合処理することにより，よりよい画質の画像を得ることが可能となる。  次に，焦点位置の設定について説明する。図５に示した通り，着目深さｚｔにおける実効ビーム径は，固体内の拡散と電子ビームの焦点位置により決まる。ｚｔにおけるビーム径を最小にするには，固体内拡散の影響は免れないが，焦点位置がｚ＝ｚｔとなるようにビームを絞るのがよい。しかしながら，その場合には表面層にパターンがある場合には，表面層パターンの画質が大幅に劣化してしまう。埋め込み層の画像はどんなにビームを絞っても電子の拡散により劣化してしまうため，表面層と埋め込み層を同時に撮像する場合には，表面層に焦点を合わせた方が，全体の画像としては視認性のよい画像となる場合もある。このため，ビームの焦点位置は，ＳＥＭ画像を用いる目的に応じて決定すればよい。上記の通り，埋め込み層の画像は，焦点位置に関わらず劣化しているので，焦点合わせに用いるのは困難である。このため焦点は，最表面にあるパターンを用いて調整し，最表面からの深さのオフセットを加えることで所望の深さに合わせればよい。
【００４３】
上記実施の形態によれば，所望の埋め込み層のパターンの情報を得るために最適な撮像条件を決定することができる。また，これらの撮像条件最適化と前記実施例１，２，３を組み合わせることにより，より質のよい観察や，検査，精度のよい寸法や合わせずれ量の計測が実現できる。このようにして得られた画像を用いることで埋め込まれた層のパターンの出来映え検査や，欠陥の観察などもより高精度に実施することが可能となる。
【実施例５】
【００４４】
[開口パターンの観察]
次に図１０を用いて，最表面パターンが埋まっていない場合の画像復元処理方法あるいは寸法計測方法について説明する。図２で説明したパターンでは，表面層に形成された穴パターン内部が導電性の材料で埋められている場合について説明したが，図１０ａ)に示すように，穴パターンを埋める前の状態，すなわちパターン部分が開口している状態で観察や計測を行うこともある。この場合にも，前記実施例１，２，３，４と同様に積層されたパターンの構造と電子線照射条件の関係からより質のよい観察や，精度のよい計測が実現できる。
【００４５】
図１０ａ)のように，最表面パターンが埋められていない場合には，図１０ｂ)に示すように，電子ビームの焦点位置により，穴底部分のビーム径が変化する。パターン底部の状態を観察したい場合には，図１０ｂ)の左側のように最表面にフォーカスするよりも，穴底深さにフォーカスする方が，穴底の情報がより鮮明に得られることが期待される。このような場合には，開口部分の着目深さに焦点を合わせて画像を撮像し，開口部分については固体内での散乱の影響を考慮しないビーム径を，開口部分以外については，実効ビーム径を用いて画像の復元処理を行なえばよい。
【００４６】
このとき，穴底において発生する電子のうちエネルギーの低い電子（例えば２次電子）は穴の外まで到達できない可能性が高く，比較的エネルギーの高い電子がより穴底の情報を持っている可能性がある。一方で，穴の上端のような表面のエッジは２次電子の放出効率が高い。また，埋め込まれた層から発生する電子は，最表面に到達するまでの間にエネルギーを失うため，様々なエネルギーの電子を含んでいる。このように，着目層の表面状態によって，情報を得やすい電子の特性が異なる。そこで，穴底部分は反射電子画像を，表面部分は２次電子画像を，埋め込み層パターンは両方の電子信号を用いるといったように，適切な画像を選択あるいは重み付けして用いればよい。
【００４７】
また，図１０ｂ）に示すように，ビームは平行ではなく，ある程度の開き角をもつ。このため，穴底の端の方では，ビームの一部は穴底に到達する前にパターンにより遮られてしまう。このような場合には，側壁部分を通過する電子の影響を考慮した実効ビーム形状を考慮すれば，より精度の高い画像復元が可能となる。あるいは遮られる電子の割合が小さくなる焦点位置を選択することも有効である。
【００４８】
上記実施の形態によれば，所望の開口および埋め込み層のパターンの情報を得るために最適な撮像条件および検出条件を決定することができる。また，これらの撮像条件最適化と前記実施例１，２，３，４を組み合わせることにより，より質のよい観察や，検査，精度のよい寸法や合わせずれ量の計測が実現できる。
上述のようなパターン計測技術は，電子顕微鏡あるいはそれに類似した荷電粒子線装置で画像取得およびシミュレーションが行える対象であれば適用が可能である。また、これまで半導体パターンの露光プロセスにより形成されるパターン計測について説明を行ってきたが，MEMSや微細工業部品などにも適用することができる。
【符号の説明】
【００４９】
００１・・・撮像装置，０２１・・・制御部，０２２・・・処理部、０２３・・・記憶部、０２４・・・入出力部，００２・・・電子銃，００３・・・１次電子ビーム，００４・・・コンデンサレンズ，００５・・・対物レンズ，００６・・・試料，００７・・・ステージ，００８・・・検出器，００９・・・画像生成器，１０１・・・記憶手段，０３０・・・原画像，０３１・・・１層目最適条件処理画像，０３２・・・２層目最適条件処理画像，０３３・・・３層目最適条件処理画像，０３４・・・統合処理結果，
０４１・・・理想画像，０４２・・・劣化関数，０４３・・・劣化画像
【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】
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【図１０】
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