(57)【要約】【課題】凹パターンと凸パターンを有する絶縁膜における凹パターンの底面を明瞭に観察する。【解決手段】絶縁膜に形成された、ラインパターン２とスペースパターン３を有するパターン１を観察するパターン観察方法であって、パターン１に電子ビームを照射してパターン１の仮画像を取得し、この仮画像を用いてラインパターン領域４とスペースパターン領域５を算出し、ラインパターン領域４に対して正帯電条件で電子ビームを照射し、かつ、スペースパターン領域５に対して負帯電条件で電子ビームを照射することにより、ラインパターン２の上面とスペースパターン３の底面との間に、スペースパターン３の底面から放出される二次電子をパターン１の外側に引き出すための電界を形成し、その後、パターン１に電子ビームを照射して、スペースパターン３の底面の情報を有するパターン１の画像を取得する。【選択図】図３
2011022024.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁膜に形成された、凹パターンと凸パターンを有するパターンを観察するパターン観察方法であって、
前記パターンにおける前記凹パターンと前記凸パターンの両方に第1の観察用荷電粒子線を照射して、前記凸パターンに対応する凸パターン領域の領域情報と前記凹パターンに対応する凹パターン領域の領域情報を有する、前記パターンの仮画像を取得し、
前記凸パターン領域の前記領域情報および前記凹パターン領域の前記領域情報に基づいて、前記パターンにおける前記凸パターン領域に対して第１の入射電圧の電界形成用荷電粒子線を照射し、かつ、前記凹パターン領域に対して前記第１の入射電圧とは異なる第２の入射電圧の電界形成用荷電粒子線を照射することにより、前記凸パターンの上面と前記凹パターンの底面との間に、荷電粒子線の照射によって前記凹パターンの前記底面から放出される荷電粒子を前記パターンの外側に引き出すための電界を形成し、
その後、前記パターンにおける前記凹パターンと前記凸パターンの両方に第２の観察用荷電粒子線を照射して、前記凹パターンの前記底面の情報を有する前記パターンの画像を取得する、
ことを特徴とするパターン観察方法。
【請求項２】
絶縁膜に形成された、ラインパターンとスペースパターンを有するラインアンドスペースパターンを観察するパターン観察方法であって、
前記ラインアンドスペースパターンにおける前記ラインパターンと前記スペースパターンの両方に第1の観察用電子ビームを照射して、前記ラインパターンに対応するラインパターン領域の領域情報と前記スペースパターンに対応するスペースパターン領域の領域情報を有する、前記ラインアンドスペースパターンの仮画像を取得し、
前記ラインパターン領域の前記領域情報および前記スペースパターン領域の前記領域情報に基づいて、前記ラインパターン領域に対して第１の入射電圧の電界形成用電子ビームを照射し、かつ、前記スペースパターン領域に対して前記第１の入射電圧に対する二次電子放出効率よりも小さい二次電子放出効率が得られる第２の入射電圧の電界形成用電子ビームを照射することにより、前記ラインパターンの上面と前記スペースパターンの底面との間に、前記スペースパターンの前記底面から放出される二次電子を前記ラインアンドスペースパターンの外側に引き出すための電界を形成し、
その後、前記ラインアンドスペースパターンにおける前記ラインパターンと前記スペースパターンの両方に第２の観察用電子ビームを照射して、前記スペースパターンの前記底面の情報を有する前記ラインアンドスペースパターンの画像を取得する、
ことを特徴とするパターン観察方法。
【請求項３】
請求項２に記載のパターン観察方法であって、
前記ラインパターン領域の前記領域情報に含まれる前記ラインパターンの線幅に基づいて、前記ラインパターン領域に対して前記第１の入射電圧の電界形成用電子ビームを照射する際、この電子ビームのビーム径を前記ラインパターンの前記線幅と等しくなるように焦点位置を調整し、
前記スペースパターン領域の前記領域情報に含まれる前記スペースパターンの線幅に関する情報に基づいて、前記スペースパターン領域に対して前記第２の入射電圧の電界形成用電子ビームを照射する際、この電子ビームのビーム径を前記スペースパターンの前記線幅と等しくなるように焦点位置を調整する、
ことを特徴とするパターン観察方法。
【請求項４】
請求項２又は３のいずれかに記載のパターン観察方法であって、
前記第１の入射電圧は、二次電子放出効率が１を超える入射電圧であり、前記第２の入射電圧は、二次電子放出効率が１を下回る入射電圧である、
ことを特徴とするパターン観察方法。
【請求項５】
請求項２乃至４のいずれかに記載のパターン観察方法であって、
前記絶縁膜はシリコン酸化膜であり、
前記第１の入射電圧は、１００Ｖより大きく且つ２０００Ｖより小さく、
前記第２の入射電圧は、１００Ｖ未満又は２０００Ｖより大きいことを特徴とするパターン観察方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パターン観察方法、例えば、荷電粒子線を照射することによって半導体装置のパターンを観察するパターン観察方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置の微細化および多層化の進展に伴い、アスペクト比の大きいホールパターン（コンタクトホール、ビアホール）が多用されるようになっている。それに応じて、ホールパターンの底面の絶縁物が十分に除去されていることの確認や、ホールパターンの底面の幅が仕様を満たしているかなど、パターン底面の加工状態の確認する必要性が増している。
【０００３】
このような半導体プロセスにおける微細な構造を観察する手法として、光学的手法と荷電粒子線を用いた手法がある。
【０００４】
まず、光学的パターン観察手法の一つとして、スキャッテロメトリ（Scatterometry）と呼ばれる手法が知られている（特許文献１）。この方法では、観測対象のパターンに光を照射し、反射光のスペクトルからパターンの形状を推測する。この手法は光の回折現象を利用するため、観測対象は規則的なパターンである必要がある。よって、システムＬＳＩのデバイスパターンなどの規則的でないパターンは観察できない。また、規則的なパターンであっても、一番端のパターンの観測といった局所的なパターン観察を行うことはできない。
【０００５】
次に、荷電粒子線を用いたパターン観察手法の一つとして、電子ビームをプローブとする走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）が知られている。例えば半導体装置の配線パターンを観察する場合、ＳＥＭは電子ビーム（一次電子）を配線パターンに照射することにより、配線パターンの表面から二次電子を生成させる。そして、ＳＥＭは、この二次電子を検出器で検出し、二次電子の検出データから観察画像（以下、二次電子画像という。）を生成する。この二次電子画像を用いて、配線パターンの形状を観察することや配線幅を測定することができる。
【０００６】
しかし、ＳＥＭによる通常の観察方法では、二次電子画像からアスペクト比の大きいパターンの底面を明瞭に観察することは困難である。この理由について説明する。一例として、ラインパターン（残しパターン）とスペースパターン（抜きパターン）が周期的に並んでいるラインアンドスペースパターン（Line and Space pattern。以下、ＬＳパターンという。）を観測対象として説明する。
【０００７】
スペースパターンの幅がラインパターンの高さに比べて大きい場合（つまり、アスペクト比が小さい場合）、電子ビームが照射された際にスペースパターンの底面（以下、スペース底面という。）から発生する二次電子は、ラインパターンの側壁にほとんど衝突することなくＬＳパターンの外部に放出され、検出器に到達する。このため、スペース底面を明るく観察することができる。一方、アスペクト比が大きい場合、スペース底面から発生した二次電子はラインパターンの側壁に衝突し易くなるため、検出器に到達する二次電子は減少する。よって、スペース底面を明るく観察することはできない。
【０００８】
ところで、スペース底面が接地電位に保たれた基板と導通している場合であって、ラインパターンが基板と非導通状態である場合において、スペース底面を明るく観察する方法が提案されている（例えば特許文献２）。この方法では、予めＬＳパターンの全面に電子ビームを照射して試料を正に帯電させておき、その後、電子ビームを照射して二次電子画像を得る。この方法によれば、アスペクト比が大きい場合でもスペース底が明るく観察される。この理由について説明する。ＬＳパターン全面に照射された電子ビームによって、ラインパターンの上面（以下、ライン上面という。）は正に帯電するが、スペース底面は接地されているため帯電しない。このような帯電状態を形成した後に電子ビームを照射すると、スペース底面から放出される二次電子は、ライン上面の正電荷によってＬＳパターンの外側に引き出されて検出器に到達する。よって、スペース底面を明るく観察することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−２６０９９４号公報
【特許文献２】特開２００２−２７０６５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は凹パターンと凸パターンを有する絶縁膜における凹パターンの底面を明瞭に観察できるパターン観察方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一態様によれば、絶縁膜に形成された、凹パターンと凸パターンを有するパターンを観察するパターン観察方法であって、前記パターンにおける前記凹パターンと前記凸パターンの両方に第1の観察用荷電粒子線を照射して、前記凸パターンに対応する凸パターン領域の領域情報と前記凹パターンに対応する凹パターン領域の領域情報を有する、前記パターンの仮画像を取得し、
前記凸パターン領域の前記領域情報および前記凹パターン領域の前記領域情報に基づいて、前記パターンにおける前記凸パターン領域に対して第１の入射電圧の電界形成用荷電粒子線を照射し、かつ、前記凹パターン領域に対して前記第１の入射電圧とは異なる第２の入射電圧の電界形成用荷電粒子線を照射することにより、前記凸パターンの上面と前記凹パターンの底面との間に、荷電粒子線の照射によって前記凹パターンの前記底面から放出される荷電粒子を前記パターンの外側に引き出すための電界を形成し、その後、前記パターンにおける前記凹パターンと前記凸パターンの両方に第２の観察用荷電粒子線を照射して、前記凹パターンの前記底面の情報を有する前記パターンの画像を取得する、パターン観察方法が提供される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、凹パターンと凸パターンを有する絶縁膜における凹パターンの底面を明瞭に観察できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】酸化膜（ＳｉＯ２）の二次電子放出効率の入射電圧依存性を示す図である。
【図２】ＬＳパターンの構造を説明するための図である。（ａ）はＬＳパターンの平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図３】第1の実施形態に係るパターン観察方法のフローチャートである。
【図４】第1の実施形態に係るパターン観察方法を説明するための図である。（ａ）及び（ｃ）は二次電子画像の模式図を示している。（ｂ）はＬＳパターンの断面図であり、走査完了後の帯電状態を示している。
【図５】第２の実施形態に係るパターン観察方法のフローチャートである。
【図６】第２の実施形態に係るパターン観察方法を説明するための図である。
【図７】２段のホールパターンの構造を説明するための図である。（ａ）はホールパターンの平面図であり、（ｂ）はＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図８】第３の実施形態に係るパターン観察方法のフローチャートである。
【図９】第３の実施形態における入射電圧と二次電子放出効率の関係を示す図である。
【図１０】第３の実施形態に係るパターン観察方法を説明するための図である。（ａ）及び（ｃ）は二次電子画像の模式図を示している。（ｂ）は２段のホールパターンの断面図であり、走査完了後の帯電状態を示している。
【図１１】比較例に係るパターン観察方法を説明するための図である。（ａ）は観察対象となるＬＳパターンの平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図１２】比較例に係るパターン観察方法を説明するための図である。（ａ）はＬＳパターンの帯電状態を示す断面図であり、（ｂ）は取得された二次電子画像の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明に係る実施形態を説明する前に、本発明者が本発明をなすに至った経緯について説明する。
【００１５】
上記の特許文献２に係る方法によれば、アスペクト比が大きいパターンであっても、スペース底面を明瞭に観察することができる。しかし、この方法は、スペース底面が所定の電位に保たれた基板と導通している場合に有効であるが、スペース底面がフローティングしている場合には有効でない。
【００１６】
スペース底面がフローティングしている場合として、例えば全体が絶縁膜から構成されたＬＳパターンが挙げられる。昨今の多層構造を有する半導体装置の製造プロセスにおいては、絶縁膜を堆積した後、この絶縁膜に溝を形成することにより、基板と導通していないＬＳパターンを形成することが多い。
【００１７】
スペース底面がフローティングしている他の場合として、いわゆる側壁加工プロセスにおけるマスクパターンが挙げられる。この側壁加工プロセスは露光装置の最小解像度よりも小さいパターンを形成可能な半導体プロセスである。絶縁膜（マスク材）の上にリソグラフィを用いてパターンを形成した後、ウエットエッチングによりパターンを細らせる。そして細らせたパターンの側壁に絶縁膜（側壁絶縁膜）を形成し、その後、この側壁絶縁膜の間にあるパターンを除去する。これにより、露光装置の最小解像度以上のピッチのＬＳパターンが形成される。このＬＳパターンはマスクパターンとなるため、側壁絶縁膜の間のパターンが十分に除去されていることが極めて重要となる。
【００１８】
次に、スペース底面がフローティングしている場合、パターン底面を明瞭に観察できない理由について、図１１及び図１２を用いて説明する。
【００１９】
図１１（ａ）は、絶縁膜からなるＬＳパターン１１の平面図を示している。図１１（ｂ）は、図１１（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。この図１１（ａ）及び（ｂ）に示すように、ＬＳパターン１１は、ラインパターン１２とスペースパターン１３が交互に配置されている。
【００２０】
このＬＳパターン１１の観察領域に対して、電子ビームを正帯電条件（二次電子放出効率が1を越える条件）で照射する。これにより、図１２（ａ）からわかるように、ラインパターン１２及びスペースパターン１３はともに正に帯電する。
【００２１】
この後、観察条件（例えば二次電子放射効率が１となる入射電圧の電子ビームを用いる。）で、ＬＳパターン１１を走査する。これにより、ライン上面１２ａだけでなく、スペース底面１３ａも帯電する。ライン上面１２ａとスペース底面１３ａとの帯電量は同じであるため、ライン上面１２ａとスペース底面１３ａとの間に電位差（電界）は発生しない。このため、図１２（ａ）からわかるように、スペース底面１３ａから放出された二次電子を真空側（図中上側）に引き出す効果が得られず、二次電子は効率良く検出器に到達することができない。その結果、取得された二次電子画像は、図１２（ｂ）からわかるように、通常の方法で観察した場合と同様、ラインパターン領域１４は明るいが、スペースパターン領域１５は暗くなってしまう。
【００２２】
上記のように、スペース底面１３ａが接地されていない場合には、上記比較例の方法によっても、スペース底面１３ａを明るく観察することはできない。
【００２３】
そのため、従来、凹凸パターンを有する絶縁膜の凹パターンの底面を検査するためには、ウェーハを劈開して断面を観察するなどの手法が採られていた。しかし、この方法では時間がかかる上、インラインで検査できないという問題がある。ここで、インラインで検査するとは、半導体装置の製造プロセスからウェーハを抜き取り、パターン観察を行った後、ウェーハを製造ラインに戻すことをいう。このように、従来、絶縁膜に形成された凹パターンの底面を明瞭に観察できるパターン観察方法が強く求められていた。
【００２４】
本発明は、上記の本発明者独自の技術的認識に基づいてなされたものであり、以下の各実施形態において述べるように、凹凸パターンを有する絶縁膜の凹パターンの底面を明瞭に観察できるパターン観察方法を提供するものである。より具体的には、まず、凹凸パターンを有する絶縁膜における、凹パターンと凸パターンの両方に観察用の荷電粒子線を照射する。これにより、凸パターンに対応する凸パターン領域の領域情報および凹パターンに対応する凹パターン領域の領域情報を有する、凹凸パターンの仮画像を取得する。ここで、領域情報とは、凸パターン領域（又は凹パターン領域）の位置、形状及び寸法（大きさ）のうち少なくともいずれか１つに関する情報を含むものである。
【００２５】
次いで、凸パターン領域の領域情報および凹パターン領域の領域情報に基づいて、凸パターン領域に対して第１の入射電圧の電界形成用荷電粒子線を照射し、かつ、凹パターン領域に対して第１の入射電圧とは異なる第２の入射電圧の電界形成用荷電粒子線を照射する。これにより、凸パターンの上面と凹パターンの底面との間に電界を形成する。この電界は、観察用の荷電粒子線を照射する際に、凹パターンの底面から放出される荷電粒子をパターンの外側に引き出すためのものである。
【００２６】
そして、このような電界を形成した後、凹凸パターンにおける凹パターンと凸パターンの両方に観察用の荷電粒子線を照射する。これにより、凹パターンの底面の情報を有する凹凸パターンの画像を取得する。
【００２７】
上記のようにすることで、凹パターンの底面がフローティングしている場合であっても、凸パターンの上面と凹パターンの底面との間に形成された電界により、凹パターンの底面から放出される荷電粒子を効率良くパターンの外側に引き出すことができる。その結果、凹パターンの底面を明瞭に観察することができる。
【００２８】
以下、本発明に係る３つの実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、同等の機能を有する構成要素には同一の符号を付し、詳しい説明は省略する。
【００２９】
（第１の実施形態）
第1の実施形態について説明する。
【００３０】
まず、図１を用いて一次電子の入射電圧（入射エネルギー）と二次電子放出効率の関係について説明する。二次電子放出効率とは、試料に入射した一次電子数と放出される二次電子数の比率（二次電子数／一次電子数）である。図１は、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）の二次電子放出効率の入射電圧依存性を示している。この図１からわかるように、シリコン酸化膜のような絶縁膜の場合、正帯電条件と、負帯電条件（二次電子放出効率が1を下回る条件）とが存在する。
【００３１】
図１からわかるように、シリコン酸化膜の場合、一次電子の入射電圧が１００Ｖより小さい条件と２０００Ｖより大きい条件は負帯電条件であり、入射電圧が１００Ｖより大きく２０００Ｖより小さい条件は正帯電条件である。
【００３２】
負帯電条件で電子ビームを絶縁膜に照射すると、二次電子放出効率が１未満であるため、試料から放出される二次電子は入射した一次電子よりも少ない。よって、電子ビームが照射された領域は負に帯電する。
【００３３】
一方、正帯電条件で電子ビームを絶縁膜に照射すると、二次電子放出効率は１より大きいため、入射した一次電子よりも多い二次電子が試料から放出される。よって、電子ビームが照射された領域は正に帯電する。
【００３４】
なお、二次電子放出効率が１の条件は、試料が帯電しないことから、好ましくは観察時の条件（観察条件）として用いられる。
【００３５】
本実施形態において観察対象とする試料は、図２（ａ）に示す絶縁膜（シリコン酸化膜）からなるＬＳパターン１である。図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。図２（ａ）及び図２（ｂ）からわかるように、ＬＳパターン１は、ラインパターン２とスペースパターン３が交互に設けられている。
【００３６】
以下、図３に示すフローチャートに沿って、本実施形態に係るパターン観察方法を説明する。
【００３７】
（１）まず、正帯電条件となる電子ビームの入射電圧および負帯電条件となる電子ビームの入射電圧を決める（ステップＳ１１）。二次電子放出効率は試料の材質により大きく変わるため、試料の材質に応じて正帯電条件および負帯電条件となる入射電圧をそれぞれ決める必要がある。例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）の場合、図１からわかるように、正帯電となる電子ビームの入射電圧Ｖｉｎは１００＜Ｖｉｎ＜２０００［Ｖ］であり、負帯電となる電子ビームの入射電圧はＶｉｎ＜１００［Ｖ］又はＶｉｎ＞２０００［Ｖ］である。
【００３８】
（２）次に、電子ビームをＬＳパターン１に照射し、観察領域の二次電子画像（仮画像）を取得する（ステップＳ１２）。図４（ａ）は取得された二次電子画像の模式図を示している。この図４（ａ）からわかるように、ラインパターン領域４は明るいが、スペースパターン領域５は暗い。これは、前述のように、ＬＳパターン１のスペース底面３ａから放出された二次電子を効率よく検出することができないことによる。図４（ａ）中、白線の部分は、ラインパターン２の側壁２ｂを示している。一次電子の試料への入射角度が浅くなるにつれて試料から放出される二次電子の数が増加するため、側壁２ｂはラインパターンやスペースパターンに比べて明るく観察される。
【００３９】
なお、本工程のように試料表面を観察する際の電子ビームの入射電圧は、絶縁膜が帯電しないように、二次電子放出効率が1となる入射電圧を選択するのが好ましい。例えば絶縁膜がシリコン酸化膜の場合、入射電圧として１００Ｖ又は２０００Ｖを用いることが好ましい。
【００４０】
（３）次に、ステップＳ１２で取得した二次電子画像を用いて、ラインパターン２に対応するラインパターン領域４と、スペースパターン３に対応するスペースパターン領域５とを算出する（ステップＳ１３）。算出する方法としては、ＬＳパターンの階調値の差から判別する方法、又は、画像処理によりパターンの輪郭を抽出する方法などが挙げられる。このようにして算出されたラインパターン領域４とスペースパターン領域５を図４（ａ）に示す。この図４（ａ）からわかるように、ラインパターン領域４及びスペースパターン領域５は、それぞれラインパターン２及びスペースパターン３の位置、形状及び寸法（線幅）に関する情報を含んでいる。
【００４１】
（４）次に、図４（ａ）からわかるように、ラインパターン領域４に対して正帯電条件で電子ビームを照射し、スペースパターン領域５に対して負帯電条件で電子ビームを照射する（ステップＳ１４）。例えば、ラインパターン領域４に対して正帯電条件である入射電圧８００Ｖの電子ビームを照射し、スペースパターン領域５に対して負帯電条件である入射電圧２５００Ｖ又は５０Ｖの電子ビームを照射する。なお、照射する順序は任意である。
【００４２】
ここで、電子ビームの走査方法について説明する。
【００４３】
第１の走査方法として、ＬＳパターン１の長手方向に電子ビームを走査する方法がある。即ち、図４（ａ）において、負帯電条件でスペースパターン領域５を長手方向（図中上下方向）に走査する。この走査を例えば図中左側から右側に向かって行う。観察領域の一番左のスペースパターン領域５の走査が完了すると、入射電圧を正帯電条件に切り替えて走査の完了したスペースパターン領域５の右に隣接するラインパターン領域４を走査する。このように観察領域全体にわたって走査していく。
【００４４】
第２の走査方法として、まずスペースパターン領域５のみを負帯電条件で走査していき、観察領域にある全てのスペースパターン領域５を走査し終えた後、入射電圧を切り替えてラインパターン領域４のみを正帯電条件で走査していくようにしてもよい。逆に、まずラインパターン領域４のみを正帯電条件で走査していき、観察領域にある全てのラインパターン領域４を走査し終えた後、スペースパターン領域５のみを負帯電条件で走査していくようにしてもよい。この第２の方法の場合、入射電圧をパターンに応じて高速に切り替える必要がないという利点がある。
【００４５】
第３の走査方法として、ＬＳパターン１に直交する方向（図４（ａ）中水平方向）に電子ビームを走査してもよい。電子ビームの照射領域がラインパターン領域４からスペースパターン領域５に、若しくは、スペースパターン領域５からラインパターン領域４に変わる毎に入射電圧を切り替える。
【００４６】
なお、上記のような方法により観察領域を一通り走査することを１フレームという。通常、１フレームの走査だけでは所望の帯電状態を得ることはできない。帯電状態はある時定数で徐々に飽和するため、以降の工程で示すように、帯電状態が飽和しているかどうかを判断する必要がある。
【００４７】
（５）次に、ステップＳ１４における電子ビームの照射の際にＬＳパターン１から放出された二次電子の検出データを用いて、ラインパターン領域４およびスペースパターン領域５の階調値をそれぞれ演算する（ステップＳ１５）。
【００４８】
（６）次に、ステップＳ１５で得られたラインパターン領域４の階調値と、前回のフレームで走査した際のラインパターン領域４の階調値との差分ΔＬを算出する。同様に、ステップＳ１５で得られたスペースパターン領域５の階調値と、前回のフレームで走査した際のスペースパターン領域５の階調値との差分ΔＳを算出する（ステップＳ１６）。なお、本工程を初めて行う場合（１回目のフレーム）には、ステップＳ１５で得られた階調値をそのまま差分とする。
【００４９】
（７）次に、ステップＳ１６で算出されたラインパターン領域４の階調値の差分ΔＬを、予め設定した閾値ＸＬと比較する。同様に、ステップＳ１６で算出されたスペースパターン領域５の階調値の差分ΔＳを、予め設定した閾値ＸＳと比較する。その結果、ステップＳ１６で算出された差分が閾値を下回れば、即ち、ΔＬ＜ＸＬかつΔＳ＜ＸＳであれば、走査は終了としステップＳ１８に進む。そうでなければ、ステップＳ１４に戻る（ステップＳ１７）。
【００５０】
このように階調値の差分が閾値（所定値）を下回るまでステップＳ１４〜ステップＳ１７を繰り返すことで、所望の帯電状態を得る。
【００５１】
なお、試料の材質や構造などによっては、ステップＳ１４〜ステップＳ１７を何回繰り返しても、階調値の差分が閾値を下回らない可能性がある。このため、フレーム数（ステップＳ１４〜ステップＳ１６の実行回数）の上限値を予め決めておき、上限値に達した場合には差分が閾値を下回らない場合であってもステップＳ１８に進むようにしてもよい。
【００５２】
上記のようにパターンに応じて電子ビームの入射電圧を正帯電条件と負帯電条件とで切り替えながら観察領域を走査することで、図４（ｂ）に示す帯電状態が得られる。この図４（ｂ）は、ＬＳパターン１の断面図であり、上記の走査が完了した後（即ち、階調値の差分が閾値を下回った後）の帯電状態を示している。この図４（ｂ）からわかるように、ライン上面２ａは正に帯電し、スペース底面３ａは負に帯電している。このような帯電状態を形成することで、ライン上面２ａとスペース底面３ａの間に局所的な電界が発生する。
【００５３】
（８）次に、電子ビームをＬＳパターン１に照射し、観察領域の二次電子画像を取得する（ステップＳ１８）。ステップＳ１２のときと同様、電子ビームの入射電圧は観察条件（例えば１００Ｖ又は２０００Ｖ）であることが好ましい。図４（ｂ）に示す帯電状態により形成される局所的な電界によって、スペース底面３ａから放出された二次電子はライン上面２ａの正電荷に引っ張られ、真空側（図中上側）に抜け出す。その結果、スペース底面３ａから放出された二次電子を検出器で効率良く検出することができる。図４（ｃ）は本工程で得られた二次電子画像の模式図である。この図４（ｃ）からわかるように、ラインパターン領域４だけでなく、スペースパターン領域５も明るく観察される。
【００５４】
以上説明したように、本実施形態では、予め観察されたＬＳパターンの二次電子画像を用いて、スペースパターン領域とラインパターン領域を算出する。そして、ラインパターン領域に対して正帯電条件で電子ビームを照射し、スペース領域に対して負帯電条件で電子ビームを照射する。これにより、ラインパターンの上面とスペースパターンの底面との間に局所的な電界が形成される。その後、観察領域に対して電子ビームを照射すると、スペースパターンの底面から放出された二次電子は、局所的な電界によって引っ張られ、ラインパターンに効率良く取り出される。その結果、本実施形態に係るパターン観察方法によれば、二次電子の検出効率が向上し、絶縁膜からなるＬＳパターンの場合であってもスペースパターンの底面を明瞭に観察することができる。
【００５５】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。第２の実施形態と第１の実施形態との相違点の一つは、局所的な電界を発生させる際の電子ビームの照射方法である。第１の実施形態では、電子ビームの焦点位置が試料表面にくるように設定された電子ビームを照射している。この場合、試料を十分に帯電させるためには多数の走査本数（１つの観察領域につき、例えば４００本以上）が必要となる。それに対して、本実施形態では、試料表面における電子ビームのビーム径がパターンの線幅に等しくなるように、電子ビームの焦点位置を試料表面からずらした電子ビームを用いる。さらに、電子ビームの電子密度を高くすることにより、試料を十分に帯電させるために必要な電子ビームの走査本数を大幅に低減させる。その結果、観察に要する時間を大幅に短縮することができる。  
次に、図５に示すフローチャートに沿って、本実施形態に係るパターン観察方法を説明する。ステップＳ２１〜ステップＳ２３は、第1の実施形態で説明したステップＳ１１〜ステップＳ１３と同様のため説明を省略し、ステップＳ２４から説明する。
【００５６】
（１）ステップＳ２３において算出されたラインパターン領域４とスペースパターン領域５を用いて、ラインパターン２及びスペースパターン３の線幅をそれぞれ算出する（ステップＳ２４）。
【００５７】
（２）次に、ラインパターン領域に照射する電子ビームの焦点位置を、電子ビームのビーム径がステップＳ２４で算出されたラインパターン２の線幅に等しくなるように決め、同様に、スペースパターン領域に照射する電子ビームの焦点位置を、電子ビームのビーム径がステップＳ２４で算出されたスペースパターン３の線幅に等しくなるように決める（ステップＳ２５）。
【００５８】
図６はステップＳ２２で取得された二次電子画像の模式図と、照射する電子ビームとの関係を示している。図６からわかるように、この例ではスペースパターン領域５の方がラインパターン領域４よりも線幅が大きい。このため、スペースパターン領域５では電子ビームの焦点位置を大きくずらし、一方、ラインパターン領域４では焦点位置を小さくずらしている。このように焦点位置を調整することにより、電子ビームのビーム径は、ステップＳ２４で算出されたパターンの線幅と同一となる。
【００５９】
この後のステップＳ２６〜ステップＳ３０は、第1の実施形態で説明したステップＳ１４〜ステップＳ１８と同様なので説明を省略する。但し、ステップＳ２６の電子ビームの照射において、第1の実施形態よりも高い電子密度の電子ビームを照射する。これは焦点位置を試料表面からずらすことに伴って試料の単位面積あたりに入射する電子数が減少することを補うためである。
【００６０】
前述のように、１つの観察領域につき電子ビームの走査本数は、通常４００本以上である。しかし、本実施形態によれば、上記のように焦点位置を調整して電子ビームのビーム径をパターンの線幅に等しくし、且つ電子ビームの電子密度を高めている。これにより、ラインパターン領域及びスペースパターン領域をそれぞれ１回ずつ走査すれば、１フレームの電子ビーム照射を完了させ、所定の帯電状態を形成することができる。つまり、図６（ａ）のようにスペースパターンが４本とラインパターンが３本を含む観察領域の場合、各パターンを１回走査するだけで所定の帯電状態が得られるため、計7回の走査で1フレームの走査が完了することになる。
【００６１】
以上、本実施形態によれば、絶縁膜からなるＬＳパターンの場合であってもスペースパターンの底面を明瞭に観察することができ、さらに、走査本数を大幅に低減させることができるため、観察時間を大幅に短縮することができる。
【００６２】
ここまで、本発明に係る２つの実施形態について説明した。第１及び第２の実施形態の説明では、ラインパターン（凸パターン）に対して正帯電条件で電子ビームを照射し、スペースパターン（凹パターン）に対して負帯電条件で電子ビームを照射したが、これに限らず、ＬＳパターンの外側に二次電子を引き出すための電界が形成されるように電子ビームを照射すればよい。つまり、ラインパターンに二次電子放出効率η１の照射条件で電子ビームを照射し、スペースパターンに二次電子放出効率η２（η１＞η２）の照射条件で電子ビームを照射するようにしてもよい。
【００６３】
また、第１及び第２の実施形態の説明では観察対象のパターンとしてＬＳパターンを例にとったが、本発明に係る観測方法はＬＳパターン以外のパターンにも適用可能である。即ち、本発明に係る観測方法によれば、任意の形状の凹パターンと凸パターンを有する絶縁膜における凹パターンの底面を明瞭に観察することができる。
【００６４】
（第３の実施形態）
次に第３の実施形態について説明する。第３の実施形態と第１の実施形態の相違点の一つは、第１の実施形態では、観察領域の二次電子画像から算出された２つの照射領域（ラインパターン領域とスペースパターン領域）に対してそれぞれ異なる条件で電子ビームを照射したのに対して、本実施形態では３つの照射領域を算出し、それぞれ異なる条件で電子ビームを照射する点である。これにより、例えばデュアルダマシン構造のような２段のホールパターンについてもパターンの底面を明瞭に観察することができる。
【００６５】
図７は観察対象の２段のホールパターン２１の構造を示している。図７（ａ）はこの２段のホールパターン２１の平面図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。図７（ａ）と（ｂ）からわかるように、比較的浅い１段目のホール２２が形成され、この１段目のホール２２の中に深い２段目のホール２３が形成されている。
【００６６】
次に、図８に示すフローチャートに沿って、本実施形態に係るパターン観察方法を説明する。
【００６７】
（１）まず、第１の照射条件となる電子ビームの入射電圧Ｖ１、第２の照射条件となる電子ビームの入射電圧Ｖ２及び第３の照射条件となる電子ビームの入射電圧Ｖ３を決める（ステップＳ３１）。ここで、入射電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３は、入射電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３に対応する二次電子放出効率をそれぞれη１，η２，η３とすると、η１＞η２＞η３となるように決める。図９は、入射電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３と二次電子放出効率η１，η２，η３の関係を示している。
【００６８】
（２）次に、電子ビームを２段のホールパターン２１に照射し、観察領域の二次電子画像（仮画像）を取得する（ステップＳ３２）。
【００６９】
（３）次に、ステップＳ３２で取得した二次電子画像を用いて、２段のホールパターン２１の表面２１ａ（最上面）に対応する第1の領域２４と、1段目のホール２２の底面２２ａに対応する第２の領域２５と、２段目のホール２３の底面２３ａに対応する第３の領域２６とを算出する（ステップＳ３３）。算出された第1の領域２４、第２の領域２５及び第３の領域２６を図１０（ａ）に示す。
【００７０】
（４）次に、第１の領域２４に対して第１の条件で電子ビームを照射し、第２の領域２５に対して第２の条件で電子ビームを照射し、第３の領域２６に対して第３の条件で電子ビームを照射する（ステップＳ３４）。なお、照射する順序は任意である。
【００７１】
これ以降のステップＳ３５〜ステップ３８は、第１の実施形態で説明したステップＳ１５〜ステップＳ１８と同様なので説明を省略する。
【００７２】
図１０（ｂ）は、ステップＳ３８で観察領域の二次電子画像を取得する前の、２段のホールパターン２１の帯電状態の一例を示す２段のホールパターン２１の断面図である。この図１０（ｂ）からわかるように、２段のホールパターン２１の表面２１ａは正に帯電し、１段目のホール２２の底面２２ａは表面２１ａよりも弱く正に帯電し、２段目のホール２３の底面２３ａは負に帯電している。このような帯電状態を形成することで、表面２１ａと底面２２ａの間、底面２２ａと底面２３ａの間、及び表面２１ａと底面２３ａの間には、それぞれ局所的な電界が発生する。これにより、ステップＳ３８において電子ビームを照射して２段のホールパターン２１の観察領域における二次電子画像を取得する際、１段目のホール２２の底面２２ａから放出された二次電子は表面２１ａの正電荷に引っ張られて真空側（図１０（ｂ）中上側）に抜け出す。また、２段目のホール２３の底面２３ａから放出された二次電子は表面２１ａ及び底面２２ａの正電荷に引っ張られて真空側に抜け出す。その結果、底面２２ａ及び底面２３ａから放出される二次電子を効率良く検出することができる。図１０（ｃ）は、ステップＳ３８で得られた２段のホールパターン２１の観察領域における二次電子画像の模式図である。この図１０（ｃ）からわかるように、２段のホールパターン２１の表面２１ａだけでなく、第１のホール２２の底面２２ａ及び第２のホール２３の底面２３ａも明るく観察される。
【００７３】
なお、本実施形態では２段のホールパターンについて説明したが、３段以上のホールパターンであっても、本実施形態に係る方法を拡張することで、それぞれのパターンの底面を明瞭に観察することができる。
【００７４】
以上説明したように、本実施形態に係るパターン観察方法によれば、浅いホールと深いホールを有するホールパターンであっても、それぞれのホールの底面を明瞭に観察することができる。
【００７５】
以上、本発明に係る３つの実施形態について説明した。上記の実施形態の説明では、荷電粒子線として電子ビームを用いたが、電子ビーム以外の荷電粒子線（イオンビーム）を用いてもよい。
【００７６】
上記の記載に基づいて、当業者であれば、本発明の追加の効果や種々の変形を想到できるかもしれないが、本発明の態様は、上述した個々の実施形態に限定されるものではない。異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。特許請求の範囲に規定された内容およびその均等物から導き出される本発明の概念的な思想と趣旨を逸脱しない範囲で種々の追加、変更および部分的削除が可能である。
【符号の説明】
【００７７】
１、１１  ＬＳパターン（ラインアンドスペースパターン）
２，１２  ラインパターン
２ａ、１２ａ  ライン上面（ラインパターンの上面）
２ｂ、１２ｂ  側壁
３、１３  スペースパターン
３ａ、１３ａ  スペース底面（スペースパターンの底面）
４、１４  ラインパターン領域
５、１５  スペースパターン領域
２１  ２段のホールパターン
２１ａ  表面
２２  １段目のホール
２２ａ  底面
２３  ２段目のホール
２３ａ  底面
２４  第１の領域
２５  第２の領域
２６  第３の領域
【図１】
2011022024.tif 000003
【図２】
2011022024.tif 000004
【図３】
2011022024.tif 000005
【図４】
2011022024.tif 000006
【図５】
2011022024.tif 000007
【図６】
2011022024.tif 000008
【図７】
2011022024.tif 000009
【図８】
2011022024.tif 000010
【図９】
2011022024.tif 000011
【図１０】
2011022024.tif 000012
【図１１】
2011022024.tif 000013
【図１２】
2011022024.tif 000014