(57)【要約】【課題】  本開示は、高アスペクトのパターンの高さや深さを適正に測定することを目的とするパターン測定法に関する。【解決手段】  ウェハ上に形成された１のパターンと他のパターンとの間の幅の測定（Ｓ１０２）と、前記ウェハから放出される信号の方位角に関する値の算出（Ｓ１０４）を行い、測定されたパターン間の幅（Ｌ）、方位角に関する値（φ）、仰角に関する値（θ）、及びこれらの関係情報に基づいて、前記１のパターンと他のパターンとの間の部分と、パターン上部までの高さ情報（Ｈ）を算出する（Ｓ１０６）パターン測定法を提案する。【選択図】  図１
2019211356.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パターン測定方法であって、
パターン測定ツールを用いてウェハにビーム照射することによって得られる信号を受け取り、
信号の受け取りに基づいて、前記ウェハ上に形成された１のパターンと他のパターンとの間の幅の測定と、１のパターンと他のパターンの間の信号量に応じた値の特定を行い、
前記測定されたパターン間の幅と、前記１のパターンと他のパターンの間の信号量に応じた値に基づいて、前記１のパターンと他のパターンとの間の部分から、パターン上部までの高さ情報を算出することを特徴とするパターン測定方法。
【請求項２】
請求項１において、
前記信号の受け取りに基づいて、前記１のパターンと他のパターンとの間から放出された信号量を測定し、当該測定信号量と基準信号量との比較に基づいて、前記高さ情報の算出を行うことを特徴とするパターン測定方法。
【請求項３】
請求項２において、
前記信号量に応じた値φは、
φ＝ｂ／ａ
ａ：パターン上部から放出される基準信号量
ｂ：測定信号量
に基づいて算出されることを特徴とするパターン測定方法。
【請求項４】
請求項１において、
前記高さ情報は、
Ｈ＝Ｌ・ｓｉｎθ／２ｔａｎθ
Ｈ：高さ情報
Ｌ：１のパターンと他のパターン間の幅
θ：検出器の形状及び位置に応じて変化する値
φ：信号量に応じた値
に基づいて算出されることを特徴とするパターン測定方法。
【請求項５】
ウェハにビームを照射するように構成され、それによってウェハからの信号に応じた出力を発生するビーム照射サブシステムと、コンピュータサブシステムを備えたパターン測定ツールであって、
コンピュータサブシステムは、
パターン測定ツールを用いてウェハにビーム照射することによって得られる信号を受け取り、
信号の受け取りに基づいて、前記ウェハ上に形成された１のパターンと他のパターンとの間の幅の測定と、１のパターンと他のパターンの間の信号量に応じた値の特定を行い、
前記測定されたパターン間の幅と、前記１のパターンと他のパターンの間の信号量に応じた値に基づいて、前記１のパターンと他のパターンとの間の部分から、パターン上部までの高さ情報を算出することを特徴とするパターン測定ツール。
【請求項６】
請求項５において、
前記コンピュータシステムは、前記信号の受け取りに基づいて、前記１のパターンと他のパターンとの間から放出された信号量を測定し、当該測定信号量と基準信号量との比較に基づいて、前記高さ情報の算出を行うことを特徴とするパターン測定ツール。
【請求項７】
請求項６において、
前記コンピュータシステムは、前記信号量に応じた値φを、
φ＝ｂ／ａ
ａ：パターン上部から放出される基準信号量
ｂ：測定信号量
に基づいて算出することを特徴とするパターン測定ツール。
【請求項８】
請求項５において、
前記コンピュータシステムは、前記高さ情報を、
Ｈ＝Ｌ・ｓｉｎθ／２ｔａｎθ
Ｈ：高さ情報
Ｌ：１のパターンと他のパターン間の幅
θ：検出器の形状及び位置に応じて変化する値
φ：信号量に応じた値
に基づいて算出することを特徴とするパターン測定ツール。
【請求項９】
請求項８において、
前記θを記憶する記憶媒体を備え、
当該記憶媒体には、前記ビーム照射サブシステムの装置条件に応じた前記θが記憶されていることを特徴とするパターン測定ツール。
【請求項１０】
請求項８において、
前記θを記憶する記憶媒体を備え、
前記コンピュータシステムは、既知の高さを持つパターンへの前記ビームの照射によって得られる信号に基づいて、前記既知の高さを持つパターンのエッジを起点とした影の長さを測定することを特徴とするパターン測定ツール。
【請求項１１】
請求項１０において、
前記コンピュータシステムは、
θ＝ｔａｎ−１（ｌ／ｈ）
ｌ：影の長さ
ｈ：既知のパターン高さ
に基づいて、前記θを算出することを特徴とするパターン測定ツール。
【請求項１２】
請求項８において、
前記θを記憶する記憶媒体を備え、
前記コンピュータシステムは、既知の傾斜角を持つパターンへの前記ビームの照射によって得られる信号に基づいて、前記パターンのエッジを起点とした影の長さを測定することを特徴とするパターン測定ツール。
【請求項１３】
請求項１２において、
前記コンピュータシステムは、
θ＝ｔａｎ−１（ｄ／ｌ）
ｄ：既知の傾斜角を持つパターンの影の端部の深さ
ｌ：影の長さ
に基づいて、仰角θを算出することを特徴とするパターン測定ツール。
【請求項１４】
請求項１２において、
前記既知の傾斜角を持つパターンはピラミッド形状であることを特徴とするパターン測定ツール。
【請求項１５】
請求項５において、
前記ビーム照射サブシステムは、前記ウェハを搭載するためのステージを備え、当該ステージ上には、既知の高さ、或いは既知の傾斜角を持つパターンが形成されていることを特徴とするパターン測定ツール。
【請求項１６】
ウェハ上に形成されたパターン測定のためのコンピュータで実現される方法を実行するために、パターン測定ツールのコンピュータシステム上で実行可能なプログラム命令を記憶する非一時的なコンピュータ可読媒体であって、
コンピュータによって実現される方法は、
パターン測定ツールを用いてウェハにビーム照射することによって得られる信号を受け取り、
信号の受け取りに基づいて、前記ウェハ上に形成された１のパターンと他のパターンとの間の幅の測定と、１のパターンと他のパターンの間の信号量に応じた値の特定を行い、
前記測定されたパターン間の幅と、前記１のパターンと他のパターンの間の信号量に応じた値に基づいて、前記１のパターンと他のパターンとの間の部分から、パターン上部までの高さ情報を算出することを特徴とするプログラム命令を記憶する非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項１７】
請求項１６において、
前記信号の受け取りに基づいて、前記１のパターンと他のパターンとの間から放出された信号量を測定し、当該測定信号量と基準信号量との比較に基づいて、前記高さ情報の算出を行うことを特徴とするプログラム命令を記憶する非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項１８】
請求項１７において、
前記信号量に応じた値φは、
φ＝ｂ／ａ
ａ：パターン上部から放出される基準信号量
ｂ：測定信号量
に基づいて算出されることを特徴とするプログラム命令を記憶する非一時的なコンピュータ可読媒体。
【請求項１９】
請求項１６において、
前記高さ情報は、
Ｈ＝Ｌ・ｓｉｎθ／２ｔａｎθ
Ｈ：高さ情報
Ｌ：１のパターンと他のパターン間の幅
θ：検出器の形状及び位置に応じて変化する値
φ：信号量に応じた値
に基づいて算出されることを特徴とするプログラム命令を記憶する非一時的なコンピュータ可読媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、パターンの高さを測定する方法、装置に係り、特に凹部の幅情報と信号量に基づいてパターンの高さを測定する方法、装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、試料上に形成されたパターンの高さを、試料に対する電子ビームの照射によって得られる２次電子を検出することによって、測定するパターン高さ測定装置が開示されている。特許文献１には、高さＨ＝パターン横に現れる影の長さＬ×試料表面に対する検出器の見かけ上の角度θを解くことにとってパターン高さＨを求める演算法が説明されている。
【０００３】
また、特許文献２には、既知形状の試料に対する斜め方向からの電子ビーム照射に基づいて、画像を生成し、画像に含まれる既知形状の幾何学的な変形をもとに電子線の入射方向を推定し、推定した電子線の入射方向の情報を用いて観察対象試料の３次元形状を求める手法が説明されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１７７６５４号公報（対応米国特許ＵＳＰ８，６０４，４３１）
【特許文献２】特開２０１３−０６９６９３号公報（対応米国特許ＵＳＰ７，１６４，１２８）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、半導体デバイスの微細化と集積化によって、パターン間の間隔はより狭くなり、高アスペクト化の傾向にある。特許文献１のように影の長さを利用する手法では、溝等の幅が影の長さより狭いと測定を行うことが困難となる。また、特許文献２のように傾斜ビームを用いる場合、隣接するパターンによってパターン底部へのビームの到達が遮られてしまうため、やはり高アスペクトのパターンの高さ測定を行うことは困難である。
【０００６】
以下に、高アスペクトのパターンの高さや深さを適正に測定することを目的とするパターン測定方法、パターン測定ツール、及びコンピュータ可読媒体について説明する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成すための一態様として、パターン測定ツールを用いてウェハにビーム照射することによって得られる信号を受け取り、信号の受け取りに基づいて、前記ウェハ上に形成された１のパターンと他のパターンとの間の幅の測定と、１のパターンと他のパターンの間の信号量に応じた値の特定を行い、前記測定されたパターン間の幅と、前記１のパターンと他のパターンの間の信号量に応じた値に基づいて、前記１のパターンと他のパターンとの間の部分から、パターン上部までの高さ情報を算出するパターン測定方法、パターン測定ツール、及びコンピュータ可読媒体について説明する。
【発明の効果】
【０００８】
上記構成によれば、高アスペクトパターンの高さや深さを適正に測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】パターン高さ測定工程を示すフローチャート。
【図２】走査電子顕微鏡（ビーム照射サブシステム）の一例を示す図。
【図３】溝状のパターンにビームを照射したときの信号電子の軌道を示す図。
【図４】信号電子の方位角φと仰角θとの関係を説明する図。
【図５】既知の高さを持つパターンにビームを照射したときに得られる画像の一例を示す図。
【図６】ピラミッドサンプルにビームを照射したときに得られる画像の一例を示す図。
【図７】パターン高さに応じて信号電子の方位角φが変化する様子を説明する図。
【図８】装置条件と仰角θの関係を記憶するデータベースの形成工程を示すフローチャート。
【図９】方位角φに関する値を求めるための基準信号を取得する工程を示すフローチャート。
【図１０】パターン高さ測定条件を設定するＧＵＩ画面の一例を示す図。
【図１１】パターン測定ツールのコンピュータシステム上で実行可能なプログラム命令を格納する非一時的コンピュータ読み取り可能媒体の一実施形態を示すブロック図。
【図１２】複数の分割検出面を持つ検出器の一例を示す図。
【図１３】分割検出面で検出された信号強度分布を示す図。
【図１４】パターン高さ測定工程を示すフローチャート。
【図１５】試料と検出面との間に配置される可動絞りの一例を示す図。
【図１６】可動絞りの開き角と信号量との関係を示すグラフ。
【図１７】可動絞り機構を備えた走査電子顕微鏡の一例を示す図。
【図１８】パターン高さ測定工程を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
近年、半導体デバイスの集積化のため、製造工程においてマルチパターニングやＥＵＶ露光を用いてウェハ表面に微細なパターンを形成する技術が適用されている。数１０ｎｍ以下の微細パターンの形状をインラインで検査・計測するため、荷電粒子線応用装置であるＣＤ−ＳＥＭ（Ｃｒｉｔｉｃａｌ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ  Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）が用いられている。
【００１１】
一方、プロセスの複雑化に伴いパターンの高さ方向についての寸法計測も重要になってきた。ＣＤ−ＳＥＭ等で高さ方向の寸法計測を実現するためには、例えば一次電子を傾斜させた状態でビームを照射することによって、高さ方向の情報を可視化することが考えられる。しかしながら、パターンの高さ（深さ）に対し、隣接するパターンとの間隔が相対的に狭い高アスペクトの溝に隣接するパターンの場合、傾斜ビームを溝の底に到達させることが困難であり、高さ測定に必要な情報を得ることが難しい。
【００１２】
以下に説明する実施例では、主にパターンの立体形状の高さに応じて量が変化する信号から、幾何学的にパターンの高さを算出する方法、装置、及び上記方法をコンピュータに実行させるプログラム命令を格納する非一時的なコンピュータ可読媒体について説明する。例えば溝状パターン底部からの信号（例えば２次電子）は溝状の深さに応じて、溝から脱出可能な電子の方位角が変化する。換言すれば、溝が深くなる程、脱出可能な信号の方位角が制限される（方位角が狭くなる）。試料から放出された電子の量（信号量）は方位角の方向に応じたばらつきをもたないため、溝等の深さと信号量は特定の相関がある。よって、信号量の評価によってパターンの高さ（パターン間に形成された溝の深さ）の計測に利用することができる。
【００１３】
信号量の特定に基づいてパターン高さを評価する方法によれば、パターン間の間隔が狭く、画像処理による評価が困難な場合であっても、適正に計測することが可能となる。
【００１４】
本実施例は、パターン測定ツールに関する。パターン測定ツールは、試料に対しビームを照射することによって得られる信号を検出し、当該検出に応じた出力を生成するように構成されたビーム照射サブシステムを含んでいる。例えば図２に示すように、パターン測定ツールはビーム照射サブシステム（走査電子顕微鏡１２０）を含んでいる。電子源１０１から放出された電子は、図示しない加速電極によって加速され、一次電子線１０２（電子ビーム）として試料１０６（例えばパターンが形成されたウェハ）に照射される。電子ビームは、集束レンズ１０３及び１０４により縮小され、対物レンズ１０５によって試料１０６上で微小スポットを形成するように集束される。
【００１５】
一次電子線１０２は、偏向器１０７により試料上の観察領域（視野）を走査される。その結果、試料１０６から２次電子（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ：ＳＥ）や後方散乱電子（Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｅｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ；ＢＳＥ）等の信号電子１０８が放出される。信号電子１０８は検出板１１０に衝突することによって検出され、ＳＥＭ画像を形成する。検出板１１０の検出面には例えばシンチレータが配置され、当該シンチレータによって生成された光はライトガイド等によって導かれ、光電子増倍管を経て再び電子に変換、増幅されて電気信号となる。この電気信号は図示しない表示装置やフレームメモリに送られ、表示、或いは記憶される。表示装置の走査と偏向器１０７の走査は同期しているため、表示装置上には信号電子の量に応じた明るさの変化が現れ、ＳＥＭ像が表示される。
【００１６】
なお、検出器として試料から放出された信号電子を直接検出する検出器に代えて、信号電子の衝突によって２次電子を発生する変換電極を、信号電子の軌道上に配置し、変換電極によって変換された２次電子を引き込んで検出する検出器を採用するようにしても良い。
【００１７】
走査電子顕微鏡１２０の各構成要素は、コントロールシステム２０１によって制御される。コントロールシステム２０１は、図１１に例示するコンピュータ可読媒体１１０１に記憶されたプログラム命令１１０２に従って、走査電子顕微鏡の各構成要素を制御する。
【００１８】
また、走査電子顕微鏡１２０は、コンピュータシステム２０２（コンピュータサブシステム）に１以上の伝達媒体で結合され、検出板１１０の出力は、当該伝達媒体を介して電気信号、信号データ、画像データ等の任意の適切な出力信号として、コンピュータシステム２０２に伝送される。出力信号は、プログラム命令１１０２、及び入出力装置１１０４から入力された処理命令の少なくとも一方に従って加工され、加工後のデータはメモリ１１０３に記憶され、入出力装置１１０４の図示しない表示装置等に表示される。
【００１９】
コンピュータシステムは、パーソナルコンピュータシステム、画像コンピュータ、メインフレームコンピュータシステム、ワークステーション、ネットワーク機器、インターネット機器、または他の機器を含む様々な形態を取ることができる。
【００２０】
コントロールシステム２０１、コンピュータシステム２０２は、プログラム命令１１０２を実行することによって、後述するステップに従って、パターンの測定を行う。
【００２１】
図１は、信号電子の検出に基づいてパターンの高さ（パターン上面から底部までの深さ）を測定する工程を示すフローチャートである。コントロールシステム２０１は、走査電子顕微鏡１２０に導入された試料１０６の測定対象となるパターン位置が、走査電子顕微鏡１２０の視野位置に一致するように、試料ステージ１１１等を制御し、ＳＥＭ画像を取得する（ステップ１０１）。なお、視野位置調整を行うために、図示しない視野移動用偏向器を用いてビームの照射位置を調整するようにしても良い。コンピュータシステム２０２は、検出板１１０の出力信号に基づいて、プロファイル波形を生成することによって、図３（ｄ）に例示するように溝の幅Ｌを測定する（ステップ１０２）。図３はラインパターン間に形成された溝の深さが深い試料（図３（ａ））と、溝の深さが浅い試料（図３（ｂ））の一例を示す図であり、図３（ｃ）は図３（ａ）（ｂ）に例示する溝状パターンの電子顕微鏡像の一例を示す図である。
【００２２】
コンピュータシステム２０２は、測定対象となるパターン（図３（ａ）では少なくとも２本のラインパターン３０１）のエッジと直交するラインに沿った二次電子の強度分布（ラインプロファイル）を抽出することによって、上記測定を実行する。なお、一本のラインプロファイルだけでは、パターンのエッジの局所的な揺らぎなどの影響を受ける可能性がある。そこで、より高い精度必要とされる場合には、複数のラインに沿った二次電子の強度分布を求め、これらを平均化することでラインプロファイルを求めてもよい。このラインプロファイルに基づき溝幅Ｌを算出する。溝幅はラインプロファイルのピーク位置を閾値法等によって特定し、ピーク間の寸法を測定することによって測定する。
【００２３】
次に、コンピュータシステム２０２は、溝底の信号量ｂとパターン上面（試料上面）の信号量ａを算出する（ステップ１０３）。図３（ｄ）に例示するように、プロファイル波形の溝底に相当する位置の信号量と、パターン上面に相当する位置の信号量を求める。パターン等の障害物に衝突することなく、信号電子を検出できる状態と、溝底から放出される信号電子であるが故に、パターン側壁に信号電子が衝突し、その分検出量が低下する状態とを比較することによって信号量を正規化する。
【００２４】
図３（ａ）（ｂ）に例示するように、同じ方向に放出される電子（矢印３０１）であっても、パターンの高さが低い（図３（ｂ））と外部に脱出することができるが、パターンの高さが高い（図３（ａ））とパターン側壁に衝突し、外部に脱出することが出来ない。
【００２５】
より具体的には、図７に例示するように、パターン高さＨ１、Ｈ２、Ｈ３（Ｈ３＞Ｈ２＞Ｈ１）の試料のそれぞれの溝部分に、ビームを照射すると、溝底から溝の外側に脱出できる信号電子であって、特定仰角の信号電子放出方向の拡がりを示す方位角が、パターン高さに応じて変化することがわかる。図７に例示するように、パターン高さが高い程、方位角が狭くなる（Ｈ３＞Ｈ２＞Ｈ１のとき、φ1＞φ２＞φ３）ことがわかる。
【００２６】
本例では、パターン高さに応じて検出可能な電子の量（信号量）が変化するため、信号量の特定に基づいて、パターン高さを推定する。本例では、更に信号量を正規化するために、信号量がパターンによって制限されない状態の信号量（φ＝９０°のときの信号量）を取得し、信号量ａと信号量ｂの比較に基づいて、方位角φに関する情報を算出する（ステップ１０４）。具体的には、パターン上面にビームを照射したときに得られる信号量を基準信号量ａ、深溝の底にビームを照射したときに得られる信号量を測定信号量ｂとし、測定信号量ｂ／基準信号量ａの演算に基づいて、方位角φに関する情報を取得する。
【００２７】
本例ではパターンの高さが高くなるほど方位角φが狭くなり、信号量が減るため、ｂ／ａの解をφと定義しているが、これに限ることはなく、他の変動要因等を含めたｂとφに関するパラメータの関数に基づいて、方位角φ、或いは方位角に応じて変化する信号量の程度を示す値を算出するようにしても良い。信号量ｂは、溝の深さが深くなる程、小さくなり、且つ溝の幅が大きくなる程、大きくなるため、本実施例では、溝の信号量に応じて変化する値（信号量に応じた値、例えばｂ／ａ）の特定と、溝幅の寸法値の測定に基づいて、パターンの高さに関する値を算出する。なお、本実施例では高さ情報として、実際の寸法値を算出する例について説明するが、これに限ることはなく、例えば、高さ１、高さ２、高さ３・・・のように、高さの相対的な程度を示す値を、高さ情報として出力するようにしても良い。この場合、後述するような演算式にて求められる値と、高さの程度を示す値を関連付けて記憶するテーブルを用意しておき、当該テーブルに演算式によって求められる値を参照することによって、高さ情報を求めるようにしても良い。
【００２８】
また、上述のように、信号量ｂと溝の幅Ｌは、いずれもパターンの高さに応じて変化するパラメータであるため、Ｌ／ｂを解くだけでも、ある程度、パターン高さの状況を把握することができる。例えば、走査電子顕微鏡の装置条件が同じである前提で、２つの溝についてＬ／ｂを解いたときに、値が異なれば、２つの溝の深さが異なることがわかる。また、その値が大きい方が溝の深さが浅く、値が小さいほうが、溝が深いことがわかる。このように複数のパターンの深さ（高さ）の違いや、どちらがより深いか（浅いか）を、高さ情報として出力するようにしても良い。
【００２９】
なお、溝部分の選択的な（エッジ部分やパターン上部を含まない）信号量を特定するために、画像内にＲＯＩ（Ｒｅｇｉｏｎ  Ｏｆ  Ｉｎｔｅｒｅｓｔ）を溝部分に選択的に設定するようにしても良いし、信号プロファイルから溝に相当する部分の信号量を特定するようにしても良い。
【００３０】
φは、溝から信号が脱出できる程度を示すパラメータとなる。なお、図３ではパターン上部に対するビーム照射に基づいて、基準信号量ａを取得する例について説明したが、別の場所で予め基準信号量ａを取得し、メモリ１１０３等に記憶しておき、パターン高さ計測のときに読み出すようにしても良い。図９は基準信号量ａを取得する工程を示すフローチャートである。まず、走査電子顕微鏡１２０にウェハを導入（ステップ９０１）し、試料上の平坦な部分（基準データ取得部分）に視野移動を行う（ステップ９０２）。なお、パターン高さ測定時に適正な正規化を可能とすべく、高さ測定を行う溝の底部の材質と基準データ取得部分の材質は一致させておくことが望ましい。更に、ビーム照射時の光学条件も一致させておくことが望ましい。
【００３１】
次にビーム走査に基づいて画像を生成し、基準データ取得部分の信号量評価を行う（ステップ９０３、９０４）。この評価値（輝度値）を基準信号量としてメモリ１１０３等に登録した後、試料を走査電子顕微鏡１２０から取り出す（ステップ９０５、９０６）。このように予め基準データ（基準信号量）を求め、高さ測定の際の演算に供することもできる。
【００３２】
図１に例示する高さ測定工程では、ステップ１０４の後、予めメモリ１１０３等に記憶された走査電子顕微鏡の光学条件に応じた仰角θ（仰角θに関するパラメータ）を読み出す（ステップ１０５）。なお、仰角に関するパラメータを読み出しておいた後で、溝Ｌを測定したり、φに関するパラメータを算出するようにしても良い。
【００３３】
なお、測定対象となるパターンは仰角に応じてパターン外への信号電子の脱出量が変化し、検出される信号量が変化するものであればどのような形状でも良い。
【００３４】
仰角θは予めシミュレーション、或いは既知形状パターンに対するビーム照射に基づいて算出しておき、メモリ１１０３等に登録しておく。シミュレーションで求める場合は、電子顕微鏡の構成（検出器の位置や大きさ、その他の光学素子の配置条件等）、光学条件（試料への電子ビームの到達エネルギー（加速電圧）、ビーム電流等）のような装置条件、および測定対象パターンの材質と形状等の少なくとも１つを含む計測条件をパラメータとしたシミュレーションを行うことによって、試料から放出される電子の軌道を計算し、電子顕微鏡内に配置された検出器で検出される信号電子の仰角θを計算する。仰角θは検出器の形状及び位置に応じて変化する値である。
【００３５】
また、既知形状パターンに対するビーム照射に基づいて仰角を求める場合には、例えば以下の手法を採用する。本例では、得られたＳＥＭ画像上に現れる影の長さを測定することで仰角θを算出する。図５は既知の高さ（深さ）を持つパターンに対して、ビーム照射を行うことにより、設定された装置条件における仰角θを求める手法を説明する図である。図５（ａ）に例示するように、高さｈ１のパターンのエッジを含む領域にビームを走査すると、図５（ｂ）に示すようなＳＥＭ像を得ることができる。ＳＥＭ像を見ると他の部分に対して相対的に暗い影の部分が含まれていることがわかる。これは仰角がθあって、パターン５０２の側壁５０３（エッジ）からｌ（＝ｈ１／ｔａｎθ）未満の距離範囲の領域から放出される信号電子は、側壁５０３に衝突し、溝の外に脱出できないからであり、他の部分に対して相対的に暗くなる。
【００３６】
よって、この現象を利用してある装置条件のときの信号電子の仰角θを求める。具体的にはプロファイル５０４を用いて陰の長さｌを測定し、ｔａｎ−１（ｌ／ｈ）を解くことによって、仰角θを求める。図５（ｃ）に例示するような溝状のパターンでも同様であり、図５（ｄ）に例示するようなＳＥＭ画像を取得した上で、影の長さｌを測定し、仰角θを算出する。
【００３７】
また、図６に例示するような凹ピラミッド形状のサンプルを用いて仰角θを計測することができる。このようなサンプルは例えばシリコン基板上で結晶異方性エッチングを行うことによって形成することができ、正確な既知傾斜角（θＳ）を形成することができるため、仰角θの高精度測定に用いることができる。ピラミッド形状のサンプルを用いて、仰角θを求める場合、サンプルにビームを走査することによって得られるＳＥＭ画像から影の長さｌ（ピラミッドのエッジを起点とした陰（低輝度部分）の長さ）と深さｄ（影の端部の深さ）を測定し、ｔａｎ−１（ｄ／ｌ）を解くことによって求めることができる。ｄは例えばｌ２×ｔａｎθＳを解くことによって求めることができる。
【００３８】
図８は仰角θのデータベースを生成する工程を示すフローチャートである。まず、電子顕微鏡の装置条件を設定し、ピラミッドサンプル等の既知の寸法、既知の傾斜角を持つ試料にビームを走査してＳＥＭ画像を生成し、例えば影の長さを測定する（ステップ８０１、８０２）。次に、上述のような演算を行うことによって、仰角θに関する情報（度数法、弧度法等によって表される仰角の程度を示す値、或いは角度の程度を示す値）を算出する（ステップ８０３）。この仰角に関する情報の算出を複数の装置条件について行い、装置条件と仰角との関係を示すデータベースを構築する（ステップ８０４）。構築されたデータベースを所定の記憶媒体に記憶させる（ステップ８０５）ことによって、仰角に関する情報の収集が終了する。
【００３９】
仰角θを求める際に使用するパターンは、使用するパターン形状が既知で影の長さとパターン形状、仰角の関係性が幾何学的に求められるものであれば、他の形状のパターンを用いてもよい。
【００４０】
予めデータベースを構築することによって、パターン高さ測定時に仰角θを読み出すことができ、仰角θ、方位角φ、及び溝幅Ｌからパターンの高さＨを求めることができる（ステップ１０７）。
【００４１】
図６に例示するようなピラミッドサンプルを、走査電子顕微鏡１２０の試料ステージ上に標準試料として搭載しておき、実際のパターン高さ測定のときに、高さ測定の対象となるパターンと同じ光学条件でビームを照射することによって仰角θに関する情報を求めるようにしても良い。このような手法によれば、事前にデータベース等を構築することなく、高さ測定に必要な情報を取得することができる。
【００４２】
なお、パターンの高さを求めるために、光学条件等によって変化する仰角θに関する値を予め求めておき、溝幅Ｌ及び方位角φに関する値を測定することによって、パターン高さが求められる理由について、図４を用いて説明する。図４（ａ）はラインパターン３０１を側方から見た図であり、図４（ｂ）は仰角θに平行な方向（図４（ａ）のＡ−Ａ´方向）にパターンを切断したときの断面図である。まず、パターンの高さＨと仰角θとの関係式を数１として定義する。
【００４３】
［数１］
ｈ＝Ｈ／ｓｉｎθ
【００４４】
ｈは、ビーム照射点４０１から方位角φの基準線４０２方向に向かう電子が溝外に脱出するまでの距離を示している。
【００４５】
次に、ｈと方位角φとの関係式として数２を定義する。
【００４６】
［数２］
ｔａｎφ＝Ｌ／２ｈ
【００４７】
Ｌはプロファイル取得によって得られる溝幅である。そして、数１に数２を代入し、パターン高さＨを解とする演算式とすると数３のようになる。
【００４８】
［数３］
Ｈ＝Ｌ・ｓｉｎθ／２ｔａｎφ
【００４９】
数３は溝幅Ｌ、方位角φ、及び仰角θと、パターン高さＨの関係式であり、このような関係式や、テーブル等のパラメータの関連情報を予め所定の記憶媒体に記憶しておき、演算処理が可能なプロセッサを備えたコンピュータシステムによって、これら情報を受領し、パターン高さ測定を実施することができる。
【００５０】
以上のようにして算出されたパターン高さＨを高さ情報として、入出力装置１１０３等に設けられた表示装置等に出力する（ステップ１０７）。
【００５１】
以上のような処理を行う方法、コンピュータシステムによれば、隣接パターン間の間隔が狭く、傾斜ビームの入射が困難であったり、単なる画像処理では十分な情報が得られない場合であっても、パターン高さの測定を行うことが可能となる。
【００５２】
なお、使用する光学条件に応じて試料から放出される２次電子のエネルギーが変化し、２次電子のエネルギーの変化に応じて仰角も変化する。よって、２次電子エネルギー、仰角θ、及び方位角φをパラメータとし、使用する装置構成においてシミュレーションを行う。その装置で使用する光学条件と仰角θの関係をデータベース化する。高さ計測を行う際、溝等の凹部の寸法値Ｌと方位角φを計測し、仰角θをデータベースより引用することで高さＨを算出する。
【００５３】
次に、方位角φを求める他の例について説明する。図１２は、複数の分割検出面１２０１を有する検出面１１０の一例を示す図である。図１２は、検出面１１０を試料側から見たときの検出面１１０の形状を示している。これらの分割検出面１２０１は、電子ビーム通過開口１２０２（電子ビームの理想光軸）について軸対称に配列されており、複数の方向に飛散する電子を角度弁別して検出するために設けられている。図１３は各分割検出面１２０１のそれぞれの出力（信号強度）を示すグラフである。上述のように、孔底や溝底から放出される電子は、パターンの高さ（深さ）に応じて放出方向の方位角が制限される。よって、所定値以上の信号を出力する分割検出面１２０１の範囲を特定することができれば、方位角を特定することができる。
【００５４】
図１３は、図７に例示するようなラインパターンに挟まれたスペース部分に電子ビームを照射したときに得られる信号強度分布例を示している。ラインパターンに挟まれたスペースの場合、ラインパターンのエッジに平行な方向に多くの電子が放出される。図１３の例では、９０°方向とその反対の１８０°方向の分割検出面で信号強度のピークが現れている。例えば所定の閾値以上の信号強度を示す検出面を特定すれば、パターンに遮られることなく、溝を脱出した放出電子の方位角を求めることができる。
【００５５】
図１４は、分割検出面１２０１を持つ検出器を備えた走査電子顕微鏡を用いて、パターンの高さを測定する工程を示すフローチャートである。分割検出面１２０１で検出された電子に基づいてＳＥＭ画像を生成し、ＳＥＭ画像を用いて溝幅Ｌを算出する（ステップ１４０１、１４０２）。なお、溝幅を測定するための波形プロファイルを形成する場合、Ｓ／Ｎを向上させるために複数の分割検出面で得られた信号を合成してプロファイルを生成するようにしても良いし、他に検出器を備え、当該検出器で検出された信号に基づいてプロファイルを生成するようにしても良い。
【００５６】
次に、コンピュータシステム２０２は、予め設定された閾値以上の信号量を出力する分割検出面を特定し、方位角φを特定する（ステップ１４０３、１４０４）。この場合、予め分割検出面毎に方位角情報を関連付けて記憶しておき、閾値以上の信号量を出力する分割検出面の方位角の加算値を、放出電子の方位角として特定するようにすると良い。また、閾値判定を行うのではなく、分割検出面が出力する角度毎の信号強度の分布情報を、予め方位角情報と信号強度の分布情報が関連付けて記憶されたテーブルに参照して、方位角を算出するようにしても良い。
【００５７】
以降の処理は図１のフローチャートと同じであり、与えられた情報に基づいてパターン高さＨを演算し、出力する。なお、図１２の例では複数の扇形の分割検出面を設けることによって方位角を特定したが、これに限られることはなく、例えば、検出面１１０の位置にマトリクス状に検出面を配置し、当該検出面にシンチレータ等の発光素子を備えると共に、それぞれのシンチレータで得られた光信号を導く複数のライトガイドを設けることによって、方位角を特定するようにしても良い。また、半導体検出器等、他の検出素子を用いることも可能である。
【００５８】
次に、検出面１１０に到達する電子の方位角を制限する可動絞りを、試料と検出面１１０との間に配置することによって、溝底から放出される電子の方位角を求める例について説明する。
【００５９】
図１５は、電子ビーム通過開口１５０１を有する可動絞り１５００の一例を示す図である。図１５に例示する可動絞り１５００は、検出面１１０と試料１０６との間に配置され、検出面に到達する放出電子の方位角を制限する。可動絞り１５００はビーム光軸１５０２を回転中心として回転する４枚の絞り羽１５０３〜１５０６を備えている。４枚の絞り羽は光軸方向の異なる高さに設置されており、電子源１０１から見て絞り羽同士が重なることが可能なように構成されている。各絞り羽は、電子源１０１側から見て扇形に形成され、電子ビーム通過開口１５０１を形成する筒状体に回転可能に支持されている。また、各絞り羽は、図示しない回転機構によって、ビーム光軸１５０２を回転中心として回転し、回転機構はコントロールシステム２０１の指示によって、任意の位置に任意の開き角φ４の間隙ができるように制御される。
【００６０】
図１７は、第２の検出器１７０２、第２の検出器１７０２に向かって信号電子を偏向する偏向器１７０１、及び図１５に例示した可動絞り１５００を備えた走査電子顕微鏡の概要を示す図である。その他の構成は図１と同じである。
【００６１】
図１８は、図１７に例示した走査電子顕微鏡を用いて、放出電子の方位角を算出すると共に、算出された方位角に基づいて、パターン高さを計測する工程を示すフローチャートである。まず、ステージ１７０２や図示しない視野移動用偏向器を用いて、測定対象個所に視野を位置付ける（ステップ１８０１）。次に、可動絞りの開き角をφ１に設定してビーム走査を行い、検出面１１０の検出信号に基づいて、溝状パターンの溝部分の信号強度を検出し、第２の検出器１７０２の出力に基づいて、溝幅Ｌを測定するための画像、或いは輝度プロファイルを生成する（ステップ１８０２、１８０３）。
【００６２】
このとき、検出面１１０の出力信号（信号強度）が所定の条件を満たさない場合は、ステップ１８０１に戻り、所定の条件を満たすまで視野移動と可動絞りの条件変更を繰り返す。このような工程を経て、方位角φを特定する。図１６に例示するように絞りの開き角が大きくなる程、検出面１１０にて検出される信号量が増えるが、方位角φ以上に可動絞りの開き角が拡がっても、それ以上、信号強度は上昇しないので、信号強度の上昇が止まる絞りの開き角φｎを、方位角φと定義することができる。コンピュータシステム２０２では、図１８のフローチャートに沿って、開き角φを自動判定する。
【００６３】
なお、本実施例では複数の設計データ上、同じラインパターンが配列されたラインアンドスペースパターンを対象としている。視野移動時には、実質的に同じ条件で生成されたパターンに視野を位置付けることによって、特定個所に連続してビームを照射し続けることによる帯電の蓄積を抑制しているが、帯電の影響を考慮する必要がないのであれば、ステップ１８０２、１８０３を繰り返すことによって、所定の基準を満たす方位角φを特定するようにしても良い。
【００６４】
一方、方位角φの判定に併せて、検出器２の出力に基づいて、画像や信号プロファイルを生成し、溝幅Ｌを測定する（ステップ１８０４）。なお、ステップ１８０１〜１８０３の工程を繰り返す場合、検出器２によって複数回信号を検出することになるため、その信号を加算平均することによって、Ｓ／Ｎを向上させ、溝幅Ｌの測定精度を高めるようにしても良い。
【００６５】
次に、記憶媒体等から仰角θを読み出し（ステップ１８０５）、仰角θ、方位角φ、及び溝幅Ｌを［数３］に代入することによって、高さＨを算出し、その高さ情報を出力する（ステップ１８０６、１８０７）。
【００６６】
なお、可動絞り１５００が試料１０６と検出面１１０との間にあると、信号電子の検出効率が低下するため、例えば検出器（検出面）が１つしかない装置等では、高さ測定を行わない場合は、試料１０６と検出面１１０の間から退避させるような駆動機構を備えても良い。
【００６７】
図１０は、高さ測定の条件を設定するＧＵＩ（Ｇｒａｐｈｉｃａｌ  ＵｓｅｒＩｎｔｅｒｆａｃｅ）画面の一例を示す図である。このようなＧＵＩ画面は入出力装置１１０３等に備えられた表示装置に表示され、ポインティングデバイスやキーボード等の入力装置によって、測定条件を入力することができる。ＧＵＩ画面で設定された情報に基づいて、コンピュータシステム２０２では、走査電子顕微鏡を稼動させるための動作プログラム（レシピ）を作成し、所定の記憶媒体に記憶する。
【００６８】
レシピ設定画面１００１には、高さ測定の対象となるパターン（ターゲット）の識別情報を入力する入力ウィンドウ１００２、主に走査電子顕微鏡の光学条件を設定するＳＥＭ条件設定ウィンドウ１００３、及び得られた信号電子からパターンの寸法を測定する測定条件を設定する測定条件設定ウィンドウ１００４が含まれている。
【００６９】
入力ウィンドウ１００２には、測定対象となるパターンの名称、座標（Ｘ，Ｙ座標）を入力する入力枠と共に、仰角（Ｅｌｅｖａｔｉｏｎ  Ａｎｇｌｅ：ＥＡ）情報の登録状況を示す表示枠１００５が設けられている。図１０の例では仰角情報が登録されていない状態を示している。コンピュータシステム２０２は、ＳＥＭ条件設定ウィンドウ１００３にて設定された光学条件（加速電圧やランディングエネルギー等）に対応する仰角情報が登録されているか否かを、メモリ１１０３等に登録されているデータベースのインデックスを参照して判断し、登録されていない場合は、例えば「Ｎ／Ａ」と表示し、登録されている場合は「ｒｅｇ」のように表示する。
【００７０】
ＳＥＭ条件設定ウィンドウ１００３では、例えば視野(Ｆｉｅｌｄ  Ｏｆ  Ｖｉｅｗ：ＦＯＶ)の大きさ、加速電圧（Ｖａｃｃ）、ビーム電流（Ｉｐｒｏｂｅ）、画像生成に供するフレーム数（積算枚数）等の入力枠が設けられている。コンピュータシステム２０２は、ＳＥＭ条件設定ウィンドウ１００３から入力された情報に基づいて、主に電子顕微鏡の試料ステージや電子顕微鏡の光学素子を制御する制御プログラムを設定する。
【００７１】
測定条件設定ウィンドウ１００４では、例えば測定法、パターンの方向、測定アルゴリズム、画面内に現れるエッジの数等の入力枠が設けられている。これらの入力枠への情報入力に基づいて、コンピュータシステム２０２内での信号処理条件や演算処理条件の設定を行う。また、測定条件設定ウィンドウ１００４には、仰角θのような高さ測定の演算に用いられるパラメータであって、高さ測定の対象となるパターンの測定では得られない値をどのように取得するかを選択する選択枠１００６が設けられている。
【００７２】
図１０に例示する選択枠１００６では、ＡＤＡ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ  Ｄａｔａ  Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ）が選択されている。このような設定がされている場合、コンピュータシステム２０２は、高さ測定対象となるパターンが形成されたウェハの走査電子顕微鏡への導入前、或いは導入後に、試料ステージ上に配置された標準試料（例えば図６に例示するピラミッドサンプル）がビームの照射位置に位置づけられるように、試料ステージを動作させ、図８のステップ８０１〜８０３を実行するような動作プログラムを設定する。計測によって得られた仰角情報は、図１に例示するような高さ測定処理のためにメモリ１１０３等に記憶される。
【符号の説明】
【００７３】
１０１…電子源、１０２…一次電子線、１０３…集束レンズ、１０４…集束レンズ、１０５…対物レンズ、１０６…試料、１０７…偏向器、１１０…検出板、１２０…走査電子顕微鏡、２０１…コントロールシステム、２０２…コンピュータシステム
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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