(57)【要約】      （修正有）【課題】深さ計測誤差を低減する。【解決手段】第１のパターンの周辺領域に形成された第２のパターンを有する基板（試料２００）の第１のパターンに対して一次電子線１０２を照射する一次電子線照射手段（電子銃１０１）と、一次電子線１０２が照射された基板（試料２００）から放出される後方散乱電子（ＢＳＥ１１０）を検出する検出手段（ＹＡＧシンチレータ１０６）と、検出した後方散乱電子（ＢＳＥ１１０）の強度に対応する電子線画像を生成する画像生成手段１１３と、生成した電子線画像上で第１のパターンが存在する深さ計測領域を指定する指定手段（入出力部０２４）と、深さ計測領域の画像信号と第２のパターンが存在する前記周辺領域内のパターン密度を求め、その結果に基づいて深さ計測領域内の第１のパターンの深さを推定する処理手段（処理部０２２）とを有する走査電子顕微鏡システム１００。【選択図】図２
2019185972.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のパターンの周辺領域に形成された第２のパターンを有する基板の前記第１のパターンに対して一次電子線を照射する一次電子線照射手段と、
前記一次電子線照射手段により一次電子線が照射された基板から放出される後方散乱電子を検出する検出手段と、
前記検出手段で検出した後方散乱電子の強度に対応する電子線画像を生成する画像生成手段と、
前記画像生成手段で生成した電子線画像上で、前記第１のパターンが存在する深さ計測領域を指定する指定手段と、
前記深さ計測領域の画像信号と、前記第２のパターンが存在する前記周辺領域内のパターン密度を求め、この求めた前記深さ計測領域の画像信号と前記周辺領域内のパターン密度に基づいて前記深さ計測領域内の前記第１のパターンの深さを推定する処理手段と、
を有することを特徴とする走査電子顕微鏡システム。
【請求項２】
前記一次電子線照射手段は、凹状パターンである前記第１のパターンの周辺領域に形成された凹状パターンである前記第２のパターンを有する基板の前記第１のパターンに対して前記一次電子線を照射することを特徴とする請求項１に記載の走査電子顕微鏡システム。
【請求項３】
前記処理手段は、前記周辺領域内における前記基板内の固体が占める割合である前記パターン密度を用いて、前記第１のパターンの深さを推定することを特徴とする請求項１に記載の走査電子顕微鏡システム。
【請求項４】
前記深さ計測領域の画像信号と、前記深さ計測領域内の前記第１のパターンの深さと、前記周辺領域内のパターン密度の関係を予め記憶したデータベースをさらに有し、
前記処理手段は、前記データベースを参照して、前記求めた深さ計測領域の画像信号と前記周辺領域内のパターン密度に対応した前記深さ計測領域内の前記第１のパターンの深さを求めることを特徴とする請求項１に記載の走査電子顕微鏡システム。
【請求項５】
前記データベースは、複数種類の前記第１のパターンごとに、前記深さ計測領域内の前記第１のパターンの深さと、前記周辺領域内のパターン密度の関係を記憶することを特徴とする請求項４に記載の走査電子顕微鏡システム。
【請求項６】
第１のパターンの周辺領域に形成された第２のパターンを有する基板の前記第１のパターンに対して一次電子線を照射する照射工程と、
前記照射工程により一次電子線が照射された基板から放出される後方散乱電子を検出する検出工程と、
前記検出工程で検出した後方散乱電子の強度に対応する電子線画像を生成する画像生成工程と、
前記画像生成工程で生成した電子線画像上で、前記第１のパターンが存在する深さ計測領域を指定する指定工程と、
前記深さ計測領域の画像信号と、前記第２のパターンが存在する前記周辺領域内のパターン密度を求め、この求めた前記深さ計測領域の画像信号と前記周辺領域内のパターン密度に基づいて前記深さ計測領域内の前記第１のパターンの深さを推定する処理工程と、
を有することを特徴とするパターンの深さ計測方法。
【請求項７】
前記深さ計測領域内の前記第１のパターン及び前記周辺領域内の前記第２のパターンは、前記基板内に形成された凹状パターンであることを特徴とする請求項６に記載のパターンの深さ計測方法。
【請求項８】
前記周辺領域内のパターン密度は、前記周辺領域内における前記基板内の固体が占める割合であることを特徴とする請求項６に記載のパターンの深さ計測方法。
【請求項９】
前記深さ計測領域の画像信号と、前記深さ計測領域内の前記第１のパターンの深さと、前記周辺領域内のパターン密度の関係をデータベースに予め記憶する記憶工程をさらに有し、
前記処理工程は、前記データベースを参照して、前記求めた深さ計測領域の画像信号と前記周辺領域内のパターン密度に対応した前記深さ計測領域内の前記第１のパターンの深さを求めることを特徴とする請求項６に記載のパターンの深さ計測方法。
【請求項１０】
前記記憶工程は、複数種類の前記第１のパターンごとに、前記深さ計測領域内の前記第１のパターンの深さと、前記周辺領域内のパターン密度の関係を前記データベースに予め記憶することを特徴とする請求項９に記載のパターンの深さ計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査電子顕微鏡システム及びパターンの深さ計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造工程でのパターン（例えば、穴の側壁の凹パターン）の寸法の計測には、走査電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ：ＳＥＭ）が広く用いられている。このような凹パターンの寸法を計測する技術を開示するものとして、例えば、特許文献１がある。特許文献１では、一次電子線を穴底に照射することにより、穴の側壁を通過可能な高エネルギーの後方散乱電子（Ｂａｃｋ  Ｓｃａｔｔｅｒｅｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ：ＢＳＥ）が生じ、この後方散乱電子を検出することで穴底の情報を取得して凹パターンの寸法の計測を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平４−１４９９４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、最近のＮＡＮＤフラッシュメモリでは、メモリセルアレイを積み上げて３次元化する技術（３Ｄ-ＮＡＮＤ）の開発が加速している。３Ｄ−ＮＡＮＤにおいては、複数の穴が隣接し複数の凹パターンが形成される。
【０００５】
そして、電子の飛程（電子が試料内を通過できる最大移動距離）内に穴が１個の場合と、電子の飛程内に穴が複数隣接する場合とでは、評価対象の周辺領域内の穴の存在のために、評価対象の周辺領域の固体の占める割合が異なる。この結果、ＢＳＥが固体内を通過する距離が異なってしまう。これにより、試料外に脱出できるＢＳＥの数が異なり、穴底の検出信号に差異が生じる。一般的に、半導体パターンは、プロセスバリエーションに応じて、深さだけでなく穴径等も変わるため、評価対象の周辺領域のパターン密度が変化し検出信号も変化する。この結果、凹パターンの深さ計測に誤差が生じてしまう。
【０００６】
特許文献１は、一つの凹パターンのみが形成されている半導体基板を対象としており、凹パターンが１個の場合の凹パターンの深さと後方散乱電子の信号（ＢＳＥ信号）の関係について言及している。しかし、特許文献１では、複数の穴が隣接し複数の凹パターンが形成されている半導体基板（３Ｄ−ＮＡＮＤなど）を対象とはしておらず、凹パターンが複数存在する半導体基板において周辺パターン密度が異なる場合に生じる深さ計測誤差については言及されていない。
【０００７】
本発明の目的は、深さ計測誤差を低減することが可能な走査電子顕微鏡システム及びパターンの深さ計測方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様の走査電子顕微鏡システムは、第１のパターンの周辺領域に形成された第２のパターンを有する基板の前記第１のパターンに対して一次電子線を照射する一次電子線照射手段と、前記一次電子線照射手段により一次電子線が照射された基板から放出される後方散乱電子を検出する検出手段と、前記検出手段で検出した後方散乱電子の強度に対応する電子線画像を生成する画像生成手段と、前記画像生成手段で生成した電子線画像上で、前記第１のパターンが存在する深さ計測領域を指定する指定手段と、前記深さ計測領域の画像信号と、前記第２のパターンが存在する前記周辺領域内のパターン密度を求め、この求めた前記深さ計測領域の画像信号と前記周辺領域内のパターン密度に基づいて前記深さ計測領域内の前記第１のパターンの深さを推定する処理手段と、を有することを特徴とする。
【０００９】
本発明の一態様のパターンの深さ計測方法は、第１のパターンの周辺領域に形成された第２のパターンを有する基板の前記第１のパターンに対して一次電子線を照射する照射工程と、前記照射工程により一次電子線が照射された基板から放出される後方散乱電子を検出する検出工程と、前記検出工程で検出した後方散乱電子の強度に対応する電子線画像を生成する画像生成工程と、前記画像生成工程で生成した電子線画像上で、前記第１のパターンが存在する深さ計測領域を指定する指定工程と、前記深さ計測領域の画像信号と、前記第２のパターンが存在する前記周辺領域内のパターン密度を求め、この求めた前記深さ計測領域の画像信号と前記周辺領域内のパターン密度に基づいて前記深さ計測領域内の前記第１のパターンの深さを推定する処理工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、深さ計測誤差を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例１の深さ計測方法を示すフローチャートである。
【図２】走査電子顕微鏡システムの構成を示すブロック図である。
【図３Ａ】穴パターンの底に一次電子線を照射したときに発生するＳＥの挙動を模式的に示す断面図である。
【図３Ｂ】穴パターンの底に一次電子線を照射したときに発生するＢＳＥの挙動を模式的に示す断面図である。
【図３Ｃ】図３Ｂよりも深い穴パターンの底に一次電子線を照射したときに発生するＢＳＥの挙動を模式的に示す断面図である。
【図３Ｄ】図３Ｃと同じ深さを持つ密集した穴パターンの底に一次電子線を照射したときに発生するＢＳＥの挙動を模式的に示す断面図である。
【図４】穴の深さ４０１と一次電子線を穴底に照射した際の検出信号４０２の関係４０３を模式的に示す図である。
【図５Ａ】直径８０ｎｍ、ピッチ２００ｎｍの密集穴パターンの上面図と断面図である。
【図５Ｂ】直径１００ｎｍ、ピッチ２００ｎｍの密集穴パターンの上面図と断面図である。
【図５Ｃ】直径１２０ｎｍ、ピッチ２００ｎｍの密集穴パターンの上面図と断面図である  。
【図５Ｄ】図５Ａ〜図５Ｃのサンプルの深さを変えた際の、穴の深さと穴部の画像信号の関係を示すグラフである。
【図５Ｅ】図５Ａ〜図５Ｃのサンプルの深さを変えた際の、穴の遮蔽指標値と穴部の画像信号の関係を示すグラフである。
【図６】密集穴パターンに対する密度計算領域の一例を示す図である。
【図７】パターン密度ごとの穴パターンの底の画像信号と穴の深さの関係を示すグラフである。
【図８】密集穴パターンの穴底に打ち込まれた電子の固体内の挙動の一例を示す図である。
【図９】実施例２の深さ計測方法を示すフローチャートである。
【図１０】穴パターンの底の画像信号と遮蔽指標値の深さの関係を示すグラフである。
【図１１】密集穴パターンの穴底に電子線を照射した際のパターン表面上での照射点からの距離に対する検出電子数の分布を示す図である。
【図１２】実施例１〜実施例３に係るユーザ・インタフェースを説明する図であって、深さ計測領域と計測対象のパターンを指定する計測ボックスを示す図である。
【図１３Ａ】実施例１〜実施例３に係るユーザ・インタフェースを説明する図であって、側壁膜材料及び底部材料を指定する材料指定ボックスを示す図である。
【図１３Ｂ】実施例１〜実施例３に係るユーザ・インタフェースを説明する図であって、予め設定しておいた計測サンプル情報を選択するサンプル選択ボックスを示す図である。
【図１４】実施例１〜実施例３に係るに係るユーザ・インタフェースを説明する図であって撮像時の撮像条件表示ボックスを示す図である。
【図１５】実施例１〜実施例３に係るユーザ・インタフェースを説明する図であって計測結果表示ボックスを示す図である。
【図１６Ａ】実施例１〜実施例３に係るユーザ・インタフェースを説明する図であって深さ計測に使用した深さと画像信号の検量線表示ボックスを示す図である。
【図１６Ｂ】実施例２、３に係るユーザ・インタフェースを説明する図であって深さ計測に使用した深さと遮蔽指標値の検量線表示ボックスを示す図である。
【図１７】実施例１〜実施例３に係るユーザ・インタフェースを説明する図であって設計データ上の半導体パターンのレイアウト、深さ計測領域および密度計算領域の位置関係表示ボックスを示す図である。
【図１８】実施例１〜実施例３に係るユーザ・インタフェースを説明する図であってパターン配置や密度があらかじめ用意されたデータベースの適用可能な条件を満たさない場合にアラームを出すアラーム表示ボックスを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
最初に、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。本発明の実施形態は、試料に高加速電圧で電子線を照射した際に生じるＢＳＥを検出し、この検出信号を用いて深さを推定する手法に関する。
【００１３】
半導体製造工程でのパターン寸法管理には、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を半導体専用に特化させた測長ＳＥＭが広く用いられている。測長ＳＥＭは、試料に一次電子線を照射した際に試料表面から発生する低エネルギー（例えば、５０ｅＶ未満のエネルギー）の二次電子（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ：ＳＥ）を検出し、このＳＥ信号を計測に利用する装置である。測長ＳＥＭでは、ＳＥ信号が穴の側壁などの表面形状の情報を有することを利用して凹パターンの寸法を計測する。
【００１４】
評価対象が図３Ａに断面図を示すような高アスペクト比の穴の場合、穴底に一次電子線３０１を照射した際に発生するＳＥ３０２は、低エネルギーゆえ穴の側壁に阻まれ脱出できない。従って、従来の測長ＳＥＭでは、穴底の情報を取得できない。
【００１５】
そこで、図３Ｂに示すように、従来の測長ＳＥＭよりも高い加速電圧で一次電子線３０１を穴底に照射することにより、穴の側壁を通過可能な高エネルギーの後方散乱電子（ＢＳＥ）３０３が生じる。これを検出することで、穴底の情報が取得可能となる。
【００１６】
一般に、電子は固体内を長く通過するほどエネルギーを失うため、図３Ｃに示すように、穴が深くなるとＢＳＥの固体内通過距離が長くなり、脱出できるＢＳＥ３０３の割合が減り検出信号が小さくなる。
【００１７】
図４に穴の深さ４０１と一次電子線を穴底に照射した際の検出信号４０２の関係４０３を模式的に示す。予めこの関係を調べておいて、検量線として用いることで、評価対象の穴部信号４０４から穴の深さ４０５を求めることが可能である。
【００１８】
穴底に一次電子線を照射した際に生じるＢＳＥは、一次電子線の照射位置を中心として放射状に広がり、電子の飛程（電子が試料内を通過できる最大移動距離）に応じた広い範囲の固体内を通過して検出される。穴底で生じたＢＳＥを検出するためには、ＢＳＥの飛程が穴の深さ以上となる条件で撮像されることから、深さ数μｍの穴深さを計測する際には、深さ計測対象の周囲、数μｍの範囲にあるパターンの影響を受けると考えられる。すなわち、深さが同じ穴であっても、図３Ｃのように飛程内に穴が１個の場合と、図３Ｄに断面図を示すように飛程内に穴が複数隣接する場合では、周囲の固体の占める割合が異なり、ＢＳＥが固体内を通過する距離が異なる。これにより、試料外に脱出できるＢＳＥの数が異なり、穴底の検出信号に差異が生じる。
【００１９】
一般に半導体パターンは、プロセスバリエーションに応じて、深さだけでなく穴径等も変わるため、評価対象周辺の密度が変化し検出信号も変化する。よって、検量線作成時に用いた対象と深さ計測時の対象の周辺パターン密度が異なった場合に、深さ計測誤差が発生してしまう。そこで、本発明の実施形態では、深さ計測領域周辺のパターン密度の影響による深さ計測誤差を低減した深さ計測を可能とする。
【００２０】
具体的には、図２に示すような、第１のパターンの周辺領域に形成された第２のパターンを有する基板（試料２００）と、基板（試料２００）に形成された第１のパターンに対して一次電子線を照射する一次電子線照射手段（電子銃１０１）と、一次電子線照射手段（電子銃１０１）により一次電子線１０２が照射された基板（試料２００）から放出される後方散乱電子（ＢＳＥ１１０）を検出する検出手段（ＹＡＧシンチレータ１０６）と、検出手段（ＹＡＧシンチレータ１０６）で検出した後方散乱電子（ＢＳＥ１１０）の強度に対応する電子線画像を生成する画像生成手段１１３と、画像生成手段１１３で生成した電子線画像上で、第１のパターンが存在する深さ計測領域を指定する指定手段（入出力部０２４）と、深さ計測領域の画像信号と、第２のパターンが存在する前記周辺領域内のパターン密度を求め、この求めた深さ計測領域の画像信号と周辺領域内のパターン密度に基づいて深さ計測領域内の第１のパターンの深さを推定する処理手段００２とを有する走査電子顕微鏡システム１００を提供する。
【００２１】
以下、図面を用いて、本発明の本発明の実施形態を実現するための実施例について説明する。
【実施例１】
【００２２】
（装置構成）
図２は本発明が適用される走査電子顕微鏡システムの基本構成の一例である。電子顕微鏡システム１００は、撮像光学系００１、制御部０２１、処理部０２２、記憶部０２３及び入出力部０２４を有する。電子銃１０１から高加速電圧（例えば、３０ｋＶ）の一次電子線１０２を発生し、この一次電子線１０２をコンデンサレンズ１０３で集束し、さらに対物レンズ１０５に通すことにより試料２００の表面に集束する。
【００２３】
一次電子線１０２は、偏向器１０４により試料２００上を二次元的に走査される。試料２００から放出される低角（水平面に対して低い角度）のＢＳＥ１１０を環状のＹＡＧシンチレータ１０６で受けて光信号に変換し、光ファイバ１１１により光電子増倍管（ＰＭ）１１２に導き、画像生成部１１３によりデジタル画像を生成する。この際、異なる撮像画像間で電子線の照射量に対する検出ＢＳＥの信号量を比較できるよう、画像信号の標準化を行う。あるいは、電子線の照射量及び検出ＢＳＥ信号を画像信号に変換する際の調整パラメータを保持しておき、後の深さ計測に必要な画像信号の算出時に、異なる撮像画像間で電子線の照射量に対する検出ＢＳＥの信号量を比較できるように画像信号の標準化を行う。撮像された画像は、記憶部０２３に保存される。ステージ１０８を移動することにより、試料２００の任意の位置での画像撮像が可能である。
【００２４】
制御部０２１は、電子銃１０１の周辺に印加する電圧、コンデンサレンズ１０３及び対物レンズ１０５の焦点位置の調整、ステージ１０８の移動、画像生成部１１３の動作タイミング等を制御する。処理部０２２では、撮像画像を用いて寸法計測処理を行う。撮像条件の入力、深さ計測に必要な撮像対象の情報の入力、寸法計測結果の出力等は、入出力部０２４により行われる。
また、走査電子顕微鏡システム１００は、設計データ管理等を担う外部の設計データ管理サーバ２０１とネットワークを共有し、システムを構築してもよい。
【００２５】
（取得画像）
図２に示すような構成を用いて、高エネルギー（高加速電圧）の一次電子線１０２を試料２００に照射することで、試料２００からは高エネルギーのＢＳＥ１１０が放出される。例えば、３０ｋＶの電圧で加速した一次電子線１０２をＳｉ基板に照射した場合、ＢＳＥはＳｉ基板内を６μｍほど通過する。この放出されたＢＳＥ１１０は、試料２００に形成された穴の側壁を突き抜けて、円環型のシンチレータ１０６に達する。これにより、穴部の構造の情報を有する画像が得られる。
【００２６】
（原理・効果の説明）
図５Ａ〜図５Ｄを用いて計測部周辺のパターン密度が画像信号に与える影響を電子線シミュレーション（モンテカルロシミュレーション）によって確認した結果を説明する。
【００２７】
図５Ａ〜図５Ｃはそれぞれ直径が80、100、120 nmの穴パターンが等ピッチで一様に並んでいるサンプルの上面図（５０１，５０２，５０３）と断面図（５０４、５０５、５０６）を示す。図中には３行３列の穴パターンを示しているが、実際はＢＳＥが拡散する範囲において穴パターンが一定の間隔で並んでいる。
【００２８】
図５Ｄに、図５Ａ〜図５Ｃのサンプルの深さを変化させた時の、穴の深さ５０７と穴部における画像信号５０８との関係をプロットした結果を示す。なお撮像時の加速電圧は３０ｋＶとした。
【００２９】
図５Ｄより、穴の径が大きいほど画像信号が大きくなり、径が小さいほど画像信号が小さくなることが分かる。つまり、深さが同じであっても穴パターンの直径により穴パターンの底における画像信号が異なる。これは、穴の径が大きくなるほど試料内における固体が占める割合、すなわち密度が減るため、ＢＳＥが固体内を通過する距離が減少し、脱出しやすくなることを示している。
【００３０】
この結果を踏まえ、穴パターンの密度および深さと画像信号の関係をデータベース化してあらかじめ記憶部０３２に記憶しておき、計測対象の密度と穴部の画像信号から深さを計測する。
【００３１】
（手順）
図１のフローチャートを参照して、実施例１の深さ計測方法について説明する。
図２に示した走査電子顕微鏡システム１００における入力部０２４から、撮像倍率、加速電圧等の撮像条件を入力し（Ｓ１００）、さらに試料２００の材料や構造および深さ計測領域の情報等の、計測サンプル情報を入力する（Ｓ１０１）。
【００３２】
次に、撮像光学系００１にて入力された条件に基づいて試料２００の電子線画像を取得する（Ｓ１０２）。撮像光学系００１にて試料２００を撮像して得られた電子線画像は処理部０２２に入力される。
処理部０２２では、得られた電子線画像に対して、Ｓ１０１にて入力した計測サンプル情報に予め登録されている深さ計測領域の情報に従い、深さ計測領域を選択する（Ｓ１０３１）。次に、計測領域内の平均画像信号を算出する（Ｓ１０３２）。
【００３３】
次に、計測領域周辺のパターン密度を計算するために、密度計算領域を取得する。（Ｓ１０３３）。ここで、図６に密集穴パターンを撮像した際の電子線画像６０３と指定した深さ計測領域６０１及び算出される密度計算領域６０２の一例を示す。
【００３４】
（密度計算領域算出）
深さ計測において密度を考慮すべき領域は、撮像条件の入力ステップ（Ｓ１００）で入力された加速電圧と、計測サンプル情報の入力ステップ（Ｓ１０１）で選択された対象の材質によって決まるＢＳＥの飛程を基に計算される範囲であり、例えば円や長方形等の範囲とする。なお、ＢＳＥの飛程は，厳密にはパターン構造の影響も受けるため，密度計算領域６０２の算出にはパターン構造などを考慮に入れても良い。
【００３５】
密度計算領域６０２は、上述のように深さ計測ごとに算出する以外に、あらかじめ算出した代表的な値を計測サンプル情報として記憶しておき、深さ計測時に読み込んでもよい。
また，評価対象が，ＢＳＥの飛程の範囲内で周期的なパターン配置を有する場合には，密度計算領域取得ステップ（Ｓ１０３３）を省略し、次のパターン密度算出ステップ（Ｓ１０３４）において１周期分のパターン領域における密度を計算してもよい。
【００３６】
（密度計算）
Ｓ１０３３で密度計算領域６０２を取得したのち、この領域内におけるパターン密度を算出する（Ｓ１０３４）。パターン密度は密度計算領域６０２内における固体の占める割合を表す。パターン密度を求める際には、パターンのテーパ等を考慮する必要があるが、テーパはほぼ垂直であると仮定して、本実施例では深さ方向にパターン密度が一定であるサンプルを対象とした深さ計測手法を述べる。
【００３７】
（密度計算１  計測結果利用）
パターン密度の算出法としては、取得画像に対して各パターンの寸法を計測し、得られた計測値を基に計算する方法がある。寸法計測方法は、様々な従来技術が適用可能である。例えば、閾値法で穴径を計測する場合、計測対象となる穴を横断する信号波形を取得し、ノイズ除去のために平滑化処理を施した上で、信号波形の最大値と最小値の位置を基に適当な閾値の値に相当する位置を求める。この位置から穴径を求めることができる。
【００３８】
密度計算領域６０２内の各パターンについて寸法計測を行い、得られた計測値を基にパターン密度を計算する。例えば、図６に示す長方形の密度計算領域６０２におけるパターン密度は、各穴パターンの直径の計測値をφiとし密度計算領域の横、縦の辺の長さをsx、syとすると、数１で求まる。
【００３９】
【数１】
2019185972.tif 000003
【００４０】
（密度計算２  閾値による二値化）
それ以外の方法として、電子線画像に対して適当な信号の閾値で二値化処理を行い、パターン表面部と穴部の領域に分け、密度計算領域６０２の面積とパターン表面部の面積からパターン密度を計算する手法も考えられる。
【００４１】
本実施例では、電子顕微鏡画像を用いて密度計算領域６０２の密度を計算する例が示されているが、計測対象パターンの撮像画像の視野と比べて密度計算領域６０２が広域となることが想定されるため、密度計算用に密度計算領域６０２を含む光学顕微鏡画像を別途取得し、これを用いて密度を算出してもよい。
【００４２】
（密度計算３  設計データ利用）
上記の電子線画像を用いる方法の他に、半導体パターンの寸法情報やレイアウト情報を含む設計データから密度を計算する方法も考えられる。例えば、図２に示す走査電子顕微鏡システム１００と繋がる外部の設計データ管理用の計算機(２０１)から、半導体パターンの設計データを処理部０２２に入力し、密度を計算してもよい。
【００４３】
（密度計算４  評価の適性判断）
求められた密度計算領域６０２の密度を算出する際に、パターン配置や算出された密度が、あらかじめ用意されたデータベースが適用可能な条件を満たしているかを照合し、条件を満たさない場合には、ＧＵＩ上でアラームを出すことも考えられる。例えば、周期的なパターン配置を想定したデータベースを用いる場合、密度計算領域６０２におけるパターン配置が周期的でない場合には、評価に適さない領域であることを表示することができる。
【００４４】
（深さ計測）
次に、記憶部０２３にあらかじめデータベース化したパターン密度および深さと画像信号の関係から、算出したパターン密度と画像信号に応じた深さを算出する（Ｓ１０３５）。
【００４５】
（データベース）
ここで用いるパターン密度および深さと画像信号の関係のデータベースについて説明する。データベースの作成方法としては、パターン密度及び穴の深さが段階的に変わる標準試料を用いる方法がある。この標準試料を撮像することで穴部の画像信号及び穴径やピッチといったパターン寸法を取得し、断面解析などによって穴の深さを求める。図７に示すように、穴径やピッチ等から求めたパターン密度７０１、深さ７０２と画像信号７０３の関係をデータベースとして保存する。
【００４６】
得られたデータ７０４に対する近似曲面７０５を算出し，算出した近似曲面７０５をデータベースに用いてもよい。もしくは、得られたデータ７０４の補間処理により、密度ごとに深さと画像信号の関係を適当な関数、例えば一次関数や二次関数あるいは指数関数等で関数化（７０６）してこれらをデータベースに用いてもよい。
前記標準試料の用意が難しい場合や，断面解析が困難な場合には、シミュレーションを用いてデータベースを作成しても良い。
このようなデータベースを用いて，深さ計測対象の画像信号とパターン密度に応じた深さの値を補間処理などにより算出する。
【００４７】
以上に述べた実施例1は本発明の実施形態の基本構成である。実施例1によれば、計測部周辺のパターン密度の影響を低減した高精度な深さ計測が可能になる。なお、実施例１は穴パターンを対象に述べたが、溝パターンなど他の凹形状を持つパターンにも適用可能である。
【実施例２】
【００４８】
実施例２では、実施例１にて述べたパターン密度および深さとの画像信号の関係を記憶したデータベースを用いる代わりに、深さとパターン密度の関数で表される指標値と画像信号の関係を記憶したデータベースを用いる手法について述べる。
なお、本実施例で用いる走査電子顕微鏡システムの構成は、実施例１で説明した図２に示した走査電子顕微鏡システム１００の構成と同じである。
【００４９】
（原理の説明）
これまでに説明したとおり、電子は固体内を長く通過するほど、そのエネルギーを多く失い、エネルギーがゼロになると消失する。よって、検出信号は電子の固体内通過距離に依存すると考えられる。
【００５０】
図８に密集穴パターンの穴底に打ち込まれた電子８０１の挙動の一例を模式的に示す。穴底に打ち込まれた電子のうち検出されるものは、固体内に侵入後、後方散乱を起こし穴パターン領域を通過して対象表面に出てくるものと考えられる。この時、図８の点線８０２で示す電子の固体内通過距離は、穴が深くなるほど長くなり、また穴径が小さくなりパターン密度が高くなるほど長くなると考えられる。つまり、固体内通過距離は、パターン深さおよびパターン密度を用いて表すことができる。
【００５１】
（指標値の説明）
そこで、電子の固体内通過距離を表すことのできるパターン深さとパターン密度を用いた指標値を定義し、この指標値と穴部の画像信号の関係をデータベース化し，これを用いて深さを計測する。この指標値を仮に遮蔽指標値と定義する。
【００５２】
遮蔽指標値は，例えばパターン深さおよびパターン密度の積で表される。もしくはパターン深さとパターン密度のいずれかあるいは両方の各値に応じて重み付けされた値の積などで表すことができる。
【００５３】
（効果の説明）
パターン深さとパターン密度の積で表した遮蔽指標値と、穴部の画像信号の関係を図５Ｅに示す。図５Ｅは図５Ａ〜図５Ｃのサンプルの深さを変化させた時の、遮蔽指標値５０９と穴部における画像信号５０８との関係を示したものである。図５Ｄではパターン密度ごとにパターン深さと穴部の画像信号の関係が異なっているが、横軸を遮蔽指標値とすることで同一曲線上にのることが分かる。実施例２では、この遮蔽指標値と穴部の画像信号の関係を深さ計測に利用する。
【００５４】
（手順）
図９のフローチャートを参照して、実施例２の深さ計測方法について説明する。
図２に示した走査電子顕微鏡システム１００における入力部０２４から、撮像倍率、加速電圧等の撮像条件を入力し（Ｓ９００）、さらに試料２００の材料や構造および深さ計測領域の情報等の、計測サンプル情報を入力する（Ｓ９０１）。
【００５５】
次に、撮像光学系００１にて入力された条件に基づいて試料２００の画像を取得する（Ｓ９０２）。撮像光学系００１にて試料２００を撮像して得られた画像信号は処理部０２２に入力される。
処理部０２２では、得られた画像信号に対して、Ｓ９０１にて入力した計測サンプル情報に予め登録されている深さ計測領域の情報に従い計測領域を選択する（Ｓ９０３１）。そして、計測領域内の平均画像信号を算出する（Ｓ９０３２）。この平均画像信号に応じた遮蔽指標値を記憶部０２３に記憶した遮蔽指標値と画像信号の関係のデータベースを用いて算出する（Ｓ９０３３）。
【００５６】
（データベース）
ここで用いる遮蔽指標値と画像信号の関係のデータベースについて説明する。
データベースの作成方法としては、実施例１で説明したものと同様の方法を用いることができる。ただし、作成するデータベースは遮蔽指標値と画像信号の関係であるため、パターン密度と深さから遮蔽指標値を求め、この遮蔽指標値と画像信号の関係をデータベース化する。図１０にデータベースとして記憶された遮蔽指標値１００１と穴部の画像信号１００２の関係をプロット１００３で示す。得られたデータを適当な関数、例えば一次関数や二次関数あるいは指数関数等で近似し，これをデータベースに用いても良い。
【００５７】
標準試料の用意が難しい場合や，断面解析が困難な場合には、シミュレーションを用いてデータベースを作成しても良い。このデータベースを用いて、前記算出した平均画像信号に対応する遮蔽指標値を補間処理等により算出する。
【００５８】
（密度計算）
また、前記選択した計測領域周辺のパターン密度を計算するために、密度計算領域を算出し（Ｓ９０３４）、この領域内におけるパターン密度を算出する（Ｓ９０３５）。これらの手順手は、実施例１における（Ｓ１０３３）、（Ｓ１０３４）と同一である。
【００５９】
（深さ計算）
次に，前記算出した深さと、パターン密度で表現される遮蔽指標値と、パターン密度から深さを算出する（Ｓ９０３６）。遮蔽指標値は、例えば、パターン深さとパターン密度の積などパターン深さとパターン密度の関数で定義されることから、この関数に従い遮蔽指標値とパターン密度からパターン深さを算出する。
【００６０】
実施例２では、深さの値に絶対値を用いているが、基準となる穴パターンの深さを基準とした、パターン表面の平坦部の深さに対する、相対的な深さ変化を絶対値の代わりに用いてもよい。具体的には、データベース作成時には、基準となる評価点の深さを１とし、パターン表面の平坦部の深さを０として、遮蔽指標値および画像信号を求める。計測時には画像信号に応じた遮蔽指標値をこのデータベースを用いて算出し、遮蔽指標値とパターン密度から基準点の深さに対する相対深さを算出する。
【００６１】
以上述べた実施例２は、実施例１と比べてデータベースの変数がひとつ少ないため，同じデータ点数でも誤差の小さいデータベースの作成が可能となり深さ計測精度が向上すると考えられる。特に、データベース作成用にパターン密度や深さのバリエーションがある試料を用意できない時などに有効な手法である。なお、実施例２も実施例１と同様に、穴パターン以外の凹形状を持つパターンにも適用可能である。
【実施例３】
【００６２】
実施例３では、実施例１と実施例２におけるパターン密度算出（図１のＳ１０３４、図１０のＳ９０３５）において、計測点からの距離に応じた重みを考慮したパターン密度を算出する手法について述べる。
【００６３】
（原理の説明）
図１１は密集穴パターンの穴底に電子を打ち込んだ際に、電子線の照射点からのパターン表面上での距離に対する検出電子数の分布を示した図である。照射位置から離れるほど、電子の固体内通過距離が長くなるため、脱出可能な電子，すなわち検出電子が減少すると考えられる。つまり、照射点に近い領域ほど電子が多く検出されるため、この領域におけるパターン密度は検出信号に与える影響が強いと考えられる。
【００６４】
（重み付け）
そこで、照射点からの距離に応じた重み付けを行ったパターン密度を用いることが考えられる。照射点を中心とし、照射点からの距離rと方位角θによる局座標系（r、θ）において、撮像対象のパターン密度分布をρ（r、θ）とし、重み付け関数をw（r、θ）とした場合、パターン密度はこれらの関数の内積により算出される。撮像対象のパターン密度分布ρ（r、θ）は、パターン表面部を1、穴部を0として与えるほか、各点で電子の拡散範囲など適当な領域における密度を与えても良い。
【００６５】
（重み付け関数の算出）
重み付け関数を求める方法としては、例えば、シミュレーションを用いて照射点からの距離に対する検出信号の分布を求め、これをガウス関数等の適当な関数で近似表現する方法などが考えられる。
【実施例４】
【００６６】
実施例４は、本発明の実施の形態を実行するためのユーザ・インタフェースである。実施例１〜実施例３に示した計測を自動で行うためには、事前に、種々の条件を指定したレシピを作成する必要がある。このレシピでは、図１２に示すように、深さ計測領域１２０１を指定して深さ計測領域１２０１に基づき決定されるパターン密度計算領域１２０２を入出力部０２４の画面上に表示する。
【００６７】
また、パターン密度計算のための計測用カーソル１２０３を指定する計測ボックス１２００の他、図１３Ａに示す側壁膜材料及び穴底材料を指定する材料指定ボックス、図１３Ｂに示す予め設定しておいた計測サンプル情報を選択するサンプル選択ボックスを入出力部０２４の画面上に表示する。
【００６８】
さらに、図１４に示す撮像条件設定ボックス、図１５に示す計測結果出力ボックス、そして実施例１〜実施例３では図１６Ａに示す深さ計測に使用する深さと画像信号の検量線表示ボックス及び実施例２ないし実施例３では深さ計測に使用する遮蔽指標値と画像信号の検量線表示ボックスを入出力部０２４の画面上に表示する。
【００６９】
また、図２の走査電子顕微鏡システム１００が外部の設計データ管理サーバとネットワークで繋がっている場合、図１７に示す設計データ上の半導体パターンレイアウト１７０１、深さ計測領域６０１および密度計算領域６０２の位置関係表示ボックスを入出力部０２４の画面上に表示する。
【００７０】
さらに、パターン配置や算出された密度が、あらかじめ用意されたデータベースが適用可能な条件を満たしているかを照合し、条件を満たさない場合には、図１８に示すアラームを出すアラーム表示ボックスを入出力部０２４の画面上に表示する。
【００７１】
実施例４によれば、本発明の実施の形態を実行するのに、ユーザ入力が必要な項目を指定することができる。入力項目としては、深さ計測領域、材料（側壁、穴底）、サンプルレシピ、撮像条件等、出力としては、画像信号、パターン密度、深さ、（寸法値）等がある。また、入出力部０２４の画面上への表示は、深さ計測領域、密度計算領域、寸法計測用カーソル、検量線、設計データ、アラーム等の1つもしくは複数を、単独あるいは組み合わせて行うことが可能である。
【符号の説明】
【００７２】
００１…撮像光学系、０２１…制御部、０２２…処理部、０２３…記憶部、０２４…入出力部、１００…走査電子顕微鏡システム、１０１…電子銃、１０２…一次電子線、１０３…コンデンサレンズ、１０４…偏向器、１０５…対物レンズ、１０６…環状シンチレータ、１０８…ステージ、１１０…低角ＢＳＥ、１１１…光ファイバ、１１２…光電子増倍管、１１３…低角ＢＳＥ像を生成する画像生成部、２００…試料
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７】
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【図１８】
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