(57)【要約】      （修正有）【課題】簡便にパターンの断面形状を推定することができる荷電粒子線装置を提供する。【解決手段】荷電粒子線を出射する荷電粒子源１、試料６に対して荷電粒子線を照射することにより生じる荷電粒子を検出してその強度を表す検出信号を出力する検出器８、検出器が荷電粒子を検出する前に、荷電粒子が有するエネルギーに応じて荷電粒子を弁別するエネルギー弁別器９を有し、エネルギー弁別器のそれぞれ異なる弁別条件ごとに検出信号を取得し、弁別条件ごとの検出信号を基準パターンと比較することにより、試料の断面形状を推定する。【選択図】図１
2019079679.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料に対して荷電粒子線を照射する荷電粒子線装置であって、
前記荷電粒子線を出射する荷電粒子源、
前記試料に対して前記荷電粒子線を照射することにより生じる荷電粒子を検出してその強度を表す検出信号を出力する検出器、
前記検出器が前記荷電粒子を検出する前に、前記荷電粒子が有するエネルギーに応じて前記荷電粒子を弁別するエネルギー弁別器、
前記検出器が出力する前記検出信号を用いて前記試料の断面形状を推定する演算器、
基準試料について前記検出器が出力した前記検出信号を基準パターンとして記憶する記憶部、
を備え、
前記演算器は、前記エネルギー弁別器のそれぞれ異なる弁別条件ごとに、前記検出信号を取得し、
前記演算器は、前記弁別条件ごとに取得した前記検出信号と前記基準パターンを比較することにより、前記試料の断面形状を推定する
ことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項２】
前記基準パターンは、前記基準試料の深さ方向の位置ごとに、前記基準試料の断面形状のエッジ部分の位置を記述しており、
前記エネルギー弁別器は、前記弁別条件にしたがって、前記試料の深さ方向の特定位置から得られた前記荷電粒子を選択的に弁別することができるように構成されており、
前記演算器は、異なる前記弁別条件ごとに前記検出信号を取得することにより、前記弁別条件に対応する前記試料の深さ方向の位置ごとに前記試料の断面形状のエッジ部分の位置を取得し、
前記演算器は、前記基準試料の断面形状のエッジ部分の位置と、前記試料の断面形状のエッジ部分の位置を、前記試料の深さ方向の位置ごとに比較することにより、前記試料の断面形状を推定する
ことを特徴とする請求項１記載の荷電粒子線装置。
【請求項３】
前記演算器は、前記基準パターンとして、前記荷電粒子線の加速電圧を変化させることにより前記荷電粒子線の偏向量が変化する変化量を、前記試料の深さ方向の位置ごとに取得し、
前記演算器は、前記荷電粒子線のそれぞれ異なる加速電圧について、前記試料の深さ方向の位置ごとに、前記試料の断面形状のエッジ部分の位置を取得し、
前記演算器は、前記基準パターンが記述している前記変化量と、前記異なる加速電圧ごとに取得した前記試料の断面形状のエッジ部分の位置を、前記試料の深さ方向の位置ごとに比較することにより、前記試料の断面形状を推定する
ことを特徴とする請求項１記載の荷電粒子線装置。
【請求項４】
前記基準パターンは、内部に空洞を有していない前記基準試料を帯電させたときにおける前記基準試料の表面の電位分布を記述しており、
前記エネルギー弁別器は、前記弁別条件にしたがって、前記試料の表面上において特定電位を有する位置から生じた前記荷電粒子を選択的に弁別することができるように構成されており、
前記演算器は、前記基準パターンが記述している電位分布と、前記弁別条件ごとの前記検出信号を比較することにより、前記試料の内部に存在する空洞の、前記試料の表面上における位置を推定する
ことを特徴とする請求項１記載の荷電粒子線装置。
【請求項５】
前記記憶部は、前記空洞を前記試料の表面に投影した位置における電位と、前記試料の表面のうち前記投影した位置以外の位置における電位との間の差分を、前記空洞の深さ方向におけるサイズごとに記述した空洞サイズデータを記憶しており、
前記演算器は、前記空洞サイズデータが記述している前記差分と、前記弁別条件ごとの前記検出信号とを比較することにより、前記試料の内部に存在する空洞の深さ方向のサイズを推定する
ことを特徴とする請求項４記載の荷電粒子線装置。
【請求項６】
前記荷電粒子源は、前記試料に対して前記荷電粒子線を照射することにより、前記試料の深さ方向において電位差を生じさせ、
前記基準パターンは、前記基準試料の表面と底との間の電位差により前記荷電粒子線が偏向される偏向量を記述しており、
前記演算器は、前記荷電粒子線が偏向される偏向量と、前記基準パターンが記述している偏向量とを比較することにより、前記試料の断面形状を推定する
ことを特徴とする請求項１記載の荷電粒子線装置。
【請求項７】
前記試料は穴を有しており、
前記荷電粒子線装置はさらに、前記荷電粒子線を偏向させる偏向器を備え、
前記偏向器は、前記荷電粒子線を偏向させて前記荷電粒子線が前記試料に対して入射する入射角を傾けることにより、前記穴の底部に対して前記荷電粒子線を照射する
ことを特徴とする請求項４記載の荷電粒子線装置。
【請求項８】
前記演算器は、前記試料の断面形状を表す画像を生成し、
前記荷電粒子線装置はさらに、前記試料の断面形状の画像を表示する表示部を備える
ことを特徴とする請求項１記載の荷電粒子線装置。
【請求項９】
前記演算器は、前記荷電粒子線の加速電圧を用いて、前記荷電粒子線が偏向する偏向量を算出し、
前記演算器は、前記偏向量と、前記試料の深さ方向のサイズとを用いて、前記荷電粒子線が前記試料の底部まで到達することができる前記加速電圧の範囲を算出し、
前記表示部は、前記演算器が算出した前記加速電圧の範囲を表示する
ことを特徴とする請求項８記載の荷電粒子線装置。
【請求項１０】
前記演算器は、前記試料の深さ方向の位置ごとに前記試料の断面形状を推定することにより、前記試料の３次元形状を推定し、
前記表示部は、前記演算器が推定した前記試料の３次元形状を表示する
ことを特徴とする請求項８記載の荷電粒子線装置。
【請求項１１】
前記演算器は、前記試料の断面形状を、テーパー形状、逆テーパー形状、ボーイング形状、傾斜形状、または前記荷電粒子線装置のユーザが定義した形状のいずれかに分類し、
前記表示部は、前記演算器による前記分類の結果を表示する
ことを特徴とする請求項８記載の荷電粒子線装置。
【請求項１２】
試料の断面形状を推定する処理をコンピュータに実行させる断面形状推定プログラムであって、前記コンピュータに、
前記試料に対して荷電粒子線を照射することにより生じる荷電粒子の強度を表す検出信号を記述した検出信号データを取得するステップ、
基準試料に対して荷電粒子線を照射することにより生じる荷電粒子の強度を表す検出信号を記述した基準パターンを読み取るステップ、
前記検出信号データと前記基準パターンを用いて前記試料の断面形状を推定する推定ステップ、
を実行させ、
前記検出信号データは、前記荷電粒子を検出する前に前記荷電粒子が有するエネルギーに応じてエネルギー弁別器が前記荷電粒子を弁別し、その後に検出器が前記荷電粒子線を検出することにより取得した前記検出信号を、記述しており、
前記推定ステップにおいては、前記コンピュータに、前記エネルギー弁別器のそれぞれ異なる弁別条件ごとに取得した前記検出信号と前記基準パターンを比較することにより、前記試料の断面形状を推定させる
ことを特徴とする断面形状推定プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷電粒子線装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体パターンの微細化および高集積化にともなって、僅かな形状差がデバイスの動作特性に影響を及ぼすようになり、形状管理のニーズが高まっている。そのため、半導体の検査・計測に用いられる走査電子顕微鏡（ＳＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）は、高感度、高精度が従来に増して求められるようになっている。また近年のパターン微細化に加え、高さ方向にデバイスを積み上げる高アスペクト比化の進展にともない、３次元構造の計測ニーズが高まってきている。特定の深さにおける寸法推定に関して、以下の方法が開示されている。
【０００３】
下記特許文献１は、あらかじめ試料表面に帯電を付け、検出する２次電子のエネルギーを制限することにより、欠陥の深さを判定する方法を開示している。下記特許文献２も、あらかじめ試料表面に帯電を付けることにより、特定深さのパターン寸法を計測する方法を開示している。
【０００４】
下記非特許文献１は、あらかじめ試料に帯電を形成し、エネルギーフィルタが低エネルギーの電子をカットすることにより、特定の深さのパターン寸法を判定する方法を開示している。下記特許文献３は、パターンの断面形状と、試料の上面ＳＥＭ画像を学習し、データベースとして活用する方法を開示している。
【０００５】
パターン寸法の微細化にともなって、成膜過程で形成されるボイドパターン（試料内部の空洞）がデバイス特性に与える影響が増加するので、ボイドパターンを検査・計測するニーズが増加している。下記非特許文献２は、照射する電子線の加速エネルギーを最適化することにより、埋もれたボイドパターンを判定する方法を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１４−２３８９８２号公報
【特許文献２】特開２０１０−１７５２４９号公報
【特許文献３】特開２００７−２２７６１８号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Proc. SPIE 10145, Metrology, Inspection, and Process Control for Microlithography XXXI, 101451K (28 March 2017)
【非特許文献２】Applied Physics Letters 93, 263110(2008)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に開示されているように、パターンが絶縁体材料で構成される場合、表面に帯電を設定することにより、パターン表面とパターン底との間の電位差を形成することができる。この場合、パターン表面から底部にかけて均一な電位勾配が形成され、２次電子のエネルギーを深さ方向の位置ごとに弁別することができる。欠陥があると思われる位置の信号のエネルギーを分析することにより、欠陥がどの深さにあるかを推定できる。特許文献２に開示されている方法においても同様に、穴底の信号を検出しているのか、穴途中の信号を検出しているのかを判別できる。非特許文献１においてはさらに、エネルギーフィルタを用いることにより、特定深さのパターン寸法を推定している。しかしながら、特許文献１、特許文献２、および非特許文献１に記載の方法によれば、どの深さに欠陥があるか、欠陥寸法がいくらであるかといった情報は得られるものの、パターンの断面形状についての判断は困難である。例えばパターンの傾き具合（テーパー角度）などの断面形状は、１次電子がパターンの帯電によって偏向されるので、判定が困難である。
【０００９】
特許文献３に開示されている方法は、パターンの形状／材質ごとにデータベースを用意する必要があるので、事前準備の負担が大きい。また材料特性の変化などに起因して帯電がばらつくと、推定精度が低下する可能性がある。
【００１０】
非特許文献２においては、加速条件を最適化することによりボイドを計測しているが、ボイドの深さやサイズによって最適な加速条件が異なるので、ウェハやチップごとに最適条件を探索するのに時間を要するという課題が考えられる。
【００１１】
本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、簡便にパターンの断面形状を推定することができる荷電粒子線装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る荷電粒子線装置は、エネルギー弁別器のそれぞれ異なる弁別条件ごとに検出信号を取得し、前記弁別条件ごとの検出信号を基準パターンと比較することにより、試料の断面形状を推定する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る荷電粒子線装置によれば、エネルギー弁別器を用いて特定深さのエッジ位置を測定するとともに、測定したエッジ位置と基準パターンを比較することにより、簡易な手法で試料の断面形状を推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施形態１に係る荷電粒子線装置の構成図である。
【図２】試料６が有する穴のパターンを例示する側断面模式図である。
【図３】穴内の電位勾配の例である。
【図４】２次電子７が有するエネルギーごとに生成したＳＥＭ画像の例である。
【図５】図４に示す各ＳＥＭ画像から抽出したパターンのエッジ位置を示す。
【図６】図５に示すエッジ位置の差分を用いて断面形状を推定した結果を示す。
【図７】実施形態１に係る走査電子顕微鏡が試料６の断面形状を推定する手順を説明するフローチャートである。
【図８】実施形態２において断面形状を推定する方法を説明する図である。
【図９】実施形態２に係る走査電子顕微鏡が試料６の断面形状を推定する手順を説明するフローチャートである。
【図１０】試料６に傾斜した穴が形成されている例を示す側断面図である。
【図１１】実施形態１で説明した手法を用いて各パターンのエッジ位置を検出した結果を示す。
【図１２】基準パターンのエッジ位置と計測したエッジ位置との間の差分に基づき断面形状を推定した結果を示す。
【図１３】ボイドパターンの例を示す側断面模式図である。
【図１４】試料６表面の電位分布図である。
【図１５】ボイドの深さ方向のサイズと試料表面の電位差との間の対応関係を例示するグラフである。
【図１６】実施形態５に係る断面形状推定システムの構成図である。
【図１７】入力装置８１３が表示するＧＵＩの例である。
【図１８】推定した断面形状をパターン分類するＧＵＩの例である。
【図１９】ユーザが断面形状モデルを編集するＧＵＩの例である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
半導体デバイスの微細パターンを高精度に計測・検査する装置として、走査電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）のニーズが高まっている。走査電子顕微鏡は、試料から放出された電子を検出する装置であり、このような電子を検出することによって信号波形を生成し、例えば信号波形ピーク（パターンのエッジ部分に相当）間の寸法を測定する。
【００１６】
試料から放出される電子は、試料の放出位置の帯電（電位）状態を表す情報を保持している。例えば、正に帯電した場所から放出された２次電子と、負に帯電した場所から放出された２次電子は、放出場所の帯電差（電位差）を保持したまま検出器に入る。元々の放出エネルギーが低い２次電子（殆どが数ｅＶ）であっても、このような特性を利用することにより、放出場所の帯電電位を推定したり、２次電子のエネルギーから放出場所を特定したりすることができる。
【００１７】
近年、半導体デバイスの微細化とともに、ＦｉｎＦＥＴ、Ｎａｎｏｗｉｒｅなどのようにデバイス構造が複雑化しており、さらにＮＡＮＤフラッシュメモリなどのように３次元方向にデバイスを積み上げる高アスペクト比化のトレンドがある。例えばコンタクトホールは、穴径数十ｎｍに対して数μｍの非常に深い穴が加工されるようになってきている。したがって穴が正常にまっすぐ開いているかどうかの検査が必要である。特に、穴側壁のボーイング形状や逆テーパー形状などは、走査電子顕微鏡によるＴｏｐＶｉｅｗ画像では判定できないので、断面を割り、ＴＥＭ等によりパターン形状を確認するという破壊検査が採用されている。一方で、デバイス構造の複雑化や高アスペクト化が進むことにともない、パターンの断面形状を確認するニーズは増えており、断面形状観察による開発期間の長期化とコスト増加が課題となっている。
【００１８】
以下の実施形態では、上記のような課題に鑑みて、走査電子顕微鏡を用いて取得した試料のＴｏｐＶｉｅｗ画像により、試料を破壊することなくパターンの断面形状を推定する方法を説明する。
【００１９】
＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施形態１に係る荷電粒子線装置の構成図である。本実施形態１に係る荷電粒子線装置は、走査型電子顕微鏡として構成されている。電子銃１から発生した電子線２（電子ビーム）をコンデンサレンズ３で収束させ、対物レンズ５により試料６上に収束させる。偏向器４（走査偏向器）は、電子線２（１次電子）を試料６の表面上で走査させる。１次電子を２次元的に走査して照射することにより、試料６内で２次電子７が励起され、試料６から放出される。検出器８は２次電子７を検出し、その強度を表す検出信号を出力する。検出信号を画像に変換することにより、試料６を観察・計測する。検出器８の前段には、エネルギー弁別器９（ハイパスフィルタもしくはバンドパスフィルタとして構成されている）が備えられており、特定の範囲内に収まるエネルギーを有する２次電子７のみを通過させる。
【００２０】
図１の走査電子顕微鏡は、図示しない制御装置を備えており、制御装置は走査電子顕微鏡の各光学素子を制御し、エネルギー弁別器９の弁別条件を制御する。試料６を載置するための試料ステージには、図示しない負電圧印加電源が接続されている。制御装置は、負電圧印加電源を制御することにより、電子線２が試料６へ到達するときのエネルギーをコントロールする。これに限られることはなく、電子線２を加速するための加速電極と電子源との間に接続される加速電源を制御することによって、電子線２のエネルギーをコントロールしてもよい。図１に例示する走査電子顕微鏡は、画素ごとに検出信号を記憶する画像メモリを備えており、検出信号は当該画像メモリに記憶される。
【００２１】
図１に例示する走査電子顕微鏡は、図示しない演算装置を備えている。演算装置は、画像メモリに記憶された画像データに基づいて、パターンの断面形状を推定する。より具体的には、エネルギー弁別条件ごとに、画像の各画素に記憶された輝度情報に基づいて、形状プロファイル波形を形成し、これを用いてパターンのエッジ位置を求め、求めたエッジ位置を異なる基準パターンのエッジ位置と比較することにより、試料６の各深さ位置におけるエッジ位置（すなわち断面形状）を推定する。詳細は後述する。
【００２２】
図２は、試料６が有する穴のパターンを例示する側断面模式図である。（ａ）は、側壁形状がストレートなパターンであり、本実施形態１においてはこれを基準パターンとする。（ｂ）は、表面から穴底に向けて一様に傾斜が付いたパターンである。（ｃ）は、穴の半分まではストレート、それ以下は一様な傾斜が付いたパターンである。（ｄ）は、穴の半分までは一様な傾斜、それ以下はストレートなパターンである。断面形状がわかっていれば、（ｂ）〜（ｄ）のいずれを基準パターンとして用いてもよい。
【００２３】
図２のパターン表面に＋を示したように、パターンにプリドーズすることにより正の帯電をあらかじめ形成している。試料６上に引き上げ電界を設定し、２次電子放出係数が１以上となる加速条件で広い領域を電子線２により照射すると、パターン表面に図２のような正帯電を形成することができる。
【００２４】
図３は、穴内の電位勾配の例である。ここでは、穴底０Ｖ、表面１４０Ｖの正帯電を形成した際の電位勾配を例示した。図３の横軸は、表面を１、穴底を０としたときの深さ方向の相対位置を示す。図３の縦軸は、各深さ位置における電位を示す。穴を形成する材質が均一である場合、穴の表面から底まで、均一な電位勾配が形成される。２次電子７は放出場所の電位の情報を保持しているので、特定範囲内に収まるエネルギーを有する２次電子７を検出することにより、どの深さから放出されたのかを判断できる。
【００２５】
図４は、２次電子７が有するエネルギーごとに生成したＳＥＭ画像の例である。試料６表面の帯電により電子線２が偏向されるので、穴のより深い位置まで電子線２を到達させるためには、電子線２のエネルギーをより高くする（すなわち加速電圧を大きくする）必要がある。したがって図４の最左が穴の最も深い位置における平面形状を表し、最右が穴の最も浅い位置における平面形状を表す。この画像は、試料６表面の帯電によって電子線２が偏向された状態で取得したものであるので、この画像のみを用いて試料６の断面形状を推定するのは困難である。
【００２６】
図５は、図４に示す各ＳＥＭ画像から抽出したパターンのエッジ位置を示す。ここでは図４のパターンの左エッジの位置のみを検出した結果を示す。データ点を補うため、図４に示したエネルギー値以外についてもエッジ位置を求めた。基準パターン（ａ）は穴がストレートである場合なので、エッジ位置は深さによらず一定であるはずだが、試料６表面の帯電により電子線２が偏向されるので、穴底に近づくほど、実際に検出されるエッジ位置はより大きくシフトする。
【００２７】
帯電による電子線２の偏向量はほぼ同じであると考えると、基準パターン（ａ）のエッジ位置と、各パターンのエッジ位置との間の差分は、各パターンの断面形状を表していると見なすことができる。本実施形態１においては、このことを利用して、試料６の断面形状を推定する。
【００２８】
図６は、図５に示すエッジ位置の差分を用いて断面形状を推定した結果を示す。２次電子７が有するエネルギーは検出深さと対応しているので、図５の横軸は試料６の深さと対応している。基準パターン（ａ）は穴形状がストレートであることが分かっているので、パターン（ａ）における穴のエッジ位置とその他パターン（ｂ）〜（ｄ）における穴のエッジ位置との間の差分は、ストレート形状からどの程度ずれているかを表している。図６実線はこのことを用いて推定した各パターンのエッジ位置である。図６点線はあらかじめシミュレーションにより求めたエッジ位置である。シミュレーションのピクセル数が少なく、推定結果にばらつきは見られるものの、（ｂ）（ｃ）（ｄ）３パターンの形状の違いは判定でき、また側壁の傾斜角が変化する位置も判定できる。
【００２９】
図７は、本実施形態１に係る走査電子顕微鏡が試料６の断面形状を推定する手順を説明するフローチャートである。基準パターン（ａ）に相当する各深さのエッジ位置は、あらかじめ取得しておくものとする。以下図７の各ステップについて説明する。
【００３０】
（図７：ステップＳ７０１）
荷電粒子線装置は、試料６の表面と底部との間の電位差を形成する（プリドーズ）。ここでは、深さ方向の電位勾配をつけるためプリドーズを組み込んでいるが、通常の走査によってエネルギー弁別の分解能に相当する電位差が付けられるのであれば、プリドーズは不要である。
【００３１】
（図７：ステップＳ７０２）
荷電粒子線装置は、試料６表面の帯電電位（ＶＳｕｒｆ）を計測する。帯電電位は、例えばエネルギー弁別することにより取得した試料６の観察画像の各部位の輝度分布に基づき求めることもできる。その他適当な手法により求めてもよい。
【００３２】
（図７：ステップＳ７０３〜Ｓ７０６）
荷電粒子線装置は、ＶＳｕｒｆをエネルギー弁別電圧（ＶＥＦ）の初期値として、弁別電圧を変えながら観察画像を取得する。ここでは、ＶＥＦを１０Ｖずつ変化させながら、プリドーズ無しの状態における本来の表面電位Ｖｒになるまで繰り返す。ＶＥＦの変化幅は任意にセットすることができる。変化幅を小さくするほど、深さ方向の形状をより高分解能で推定できる。
【００３３】
（図７：ステップＳ７０７）
荷電粒子線装置は、各エネルギー弁別画像（ＥＦ像）から、断面形状のエッジ位置を、深さ方向の位置ごとに抽出する。例えば図４に示す観察画像においては、穴の各辺の位置をエッジ位置として、深さ方向の位置ごとに抽出する。本ステップは、図５における各計測点を抽出することに想到する。
【００３４】
（図７：ステップＳ７０８〜Ｓ７０９）
荷電粒子線装置は、各ＥＦ像から求めたエッジ位置と、基準パターンにおけるエッジ位置とを比較することにより、両者の間のエッジ位置の差分を求める（Ｓ７０８）。荷電粒子線装置は、求めた差分を用いて、試料６の断面形状を推定する（Ｓ７０９）。これらステップは、図５における基準パターンの計測点と各パターンの計測点との間の差分を求めることにより、図６の推定結果を得ることに相当する。
【００３５】
＜実施の形態１：まとめ＞
本実施形態１に係る荷電粒子線装置は、各エネルギー弁別画像から断面形状のエッジ位置を抽出し、あらかじめ形状がわかっている基準パターンにおける断面形状のエッジ位置と比較することにより、未知なパターンの断面形状を推定する。これにより、断面形状が未知の試料であっても、試料を破壊することなく断面形状を推定することができる。
【００３６】
＜実施の形態２＞
実施形態１においては、既知の基準パターンと計測結果を比較することにより、断面形状を推定する例を説明した。本発明の実施形態２では、複数の加速条件を用いて取得したエッジ位置を電子線２の偏向量と比較することにより、断面形状を推定する方法について説明する。荷電粒子線装置の構成は実施形態１と同様であるので、以下では推定手順について主に説明する。
【００３７】
図８は、本実施形態２において断面形状を推定する方法を説明する図である。まず、ある加速条件（例えば８００ｅＶ）で試料６に対してプリドーズを実施するとともに各エネルギー弁別画像を取得する。次に異なる加速条件（例えば２０００ｅＶ）で同じ試料６に対してプリドーズを実施するとともに各エネルギー弁別画像を取得する（図８（ａ））。このとき、加速条件ごとに試料６の表面電位を計測することにより、エネルギー弁別電圧と計測深さを対応付けられるようにしておく。
【００３８】
次に、断面形状がストレート穴である場合において、８００ｅＶのときの電子線２（１次電子）の水平方向における偏向量と、２０００ｅＶのときの１次電子の水平方向における偏向量との間の差分を、計測深さごとに算出する（図８（ｂ）点線）。表面の帯電電位が既知であれば、各計測深さにおける１次電子の偏向量を加速電圧ごとに算出することは容易である。
【００３９】
次に、加速電圧を変更することにより、実際に計測されるエッジ位置がどの程度変化するかを、計測深さごとに求める（図８（ｂ）実線）。断面形状がストレートであれば、加速電圧を変更することにより計測されるエッジ位置は、１次電子の偏向量と等しいはずである。したがって、図８（ｂ）の点線と実線との間の差分を求めることにより、断面形状がストレートからどれだけずれているかを推定することができる。これにより、試料６の断面形状を推定することができる。図８（ｃ）は、その推定結果を示す。
【００４０】
図９は、本実施形態２に係る走査電子顕微鏡が試料６の断面形状を推定する手順を説明するフローチャートである。以下図９の各ステップについて説明する。
【００４１】
（図９：ステップＳ９００〜Ｓ９０６）
荷電粒子線装置は、加速電圧８００ｅＶと２０００ｅＶそれぞれについて、ステップＳ７０１〜Ｓ７０６と同様の処理を実施する。
【００４２】
（図９：ステップＳ９０７）
荷電粒子線装置は、各エネルギー弁別画像（ＥＦ像）から、断面形状のエッジ位置を、深さ方向の位置ごとに抽出する。荷電粒子線装置は、加速電圧を変更することにより、実際に計測されるエッジ位置がどの程度変化するかを、計測深さごとに求める。これは図８（ｂ）実線を求めることに相当する。荷電粒子線装置はさらに、加速電圧間の１次電子の偏向量の差分を求める。これは図８（ｂ）点線を求めることに相当する。
【００４３】
（図９：ステップＳ９０８〜Ｓ９０９）
荷電粒子線装置は、図８（ｂ）実線と点線との間の差分を求めることにより（Ｓ９０８）、試料６の断面形状を推定する（Ｓ９０９）。
【００４４】
＜実施の形態２：まとめ＞
本実施形態２に係る荷電粒子線装置は、加速電圧を変更することにより１次電子の偏向量がどの程度変化するかをあらかじめ算出しておき、加速電圧を変更することによりエッジ位置の検出結果がどの程度変化するかを計測することにより、断面形状を推定する。これにより、基準パターンが存在しない試料であっても、試料を破壊することなく断面形状を推定することができる。
【００４５】
本実施形態２において、側壁形状がストレートであることを想定して、１次電子の偏向量をあらかじめ算出することとしたが、これに限られるものではなく、例えば目的とする加工形状（例えば設計データ）を想定して偏向量を算出してもよい。
【００４６】
＜実施の形態３＞
図１０は、試料６に傾斜した穴が形成されている例を示す側断面図である。ここでは３種類のパターンについて説明する。（ａ）はストレートなパターン、（ｂ）は表面から底にかけて５ｎｍ傾斜したパターン、（ｃ）は表面から底にかけて２ｎｍ傾斜したパターンである。図１０（ｂ）（ｃ）は、逆テーパーとよばれる形状であり、表面を電子線２によって走査しても、電子線２が側壁に当たらず、断面形状についての情報を得ることは難しい。
【００４７】
図１１は、実施形態１で説明した手法を用いて各パターンのエッジ位置を検出した結果を示す。通常、逆テーパーのパターンは、表面のエッジよりも内側に側壁のエッジが配置されているので、電子線２を側壁に対して直接照射するのは困難である。実施形態１で説明したように試料６の表面を正帯電させることにより、このような側壁に対して電子線２を照射することができる。
【００４８】
テーパー角度が大きく、表面帯電による偏向では電子線２が側壁に到達しない場合は、偏向器４によって電子線２自体を傾斜（チルト）させてもよい。
【００４９】
図１２は、基準パターンのエッジ位置と計測したエッジ位置との間の差分に基づき断面形状を推定した結果を示す。点線は実際の形状を示し、実線は図１１の結果から推定した形状を示す。５ｎｍ傾斜、２ｎｍ傾斜ともに、実際の形状をほぼ推定できていることがわかる。
【００５０】
＜実施の形態４＞
以上の実施形態においては、試料６が有する穴の断面形状を推定する例を説明した。本発明の実施形態４では、試料６の内部に存在する空隙（ボイド）の断面形状を推定する例について説明する。荷電粒子線装置の構成は実施形態１と同様であるので、以下では推定手順について主に説明する。
【００５１】
図１３は、ボイドパターンの例を示す側断面模式図である。ＳＥＭは試料表面の凹凸を観察するものであるので、試料６の内部に存在するボイドを検査・計測することは、一般に困難である。この場合も実施形態１〜３と同様に、試料６の表面に帯電を付与し、エネルギー弁別画像を観察することによりボイド形状を推定することができる。具体的には、エネルギー弁別器９を用いて２次電子７を弁別することにより、試料６表面の電位を計測し、表面上の各部位間の電位差に基づき、ボイドの平面位置を推定することができる。
【００５２】
図１４は、試料６表面の電位分布図である。図１３に示すように、ボイドを有する試料６に対してプリドーズを実施し、表面に正帯電を付与すると、下層にボイドがある箇所の電位がその他部位の電位よりも高くなり、試料６表面上の各部位間において電位差が生じる。２次電子７は放出された場所のエネルギーをオフセットとして持つので、２次電子７を検出する際にエネルギー弁別することにより、観察画像において、下層にボイドのある領域のコントラストを強調することができる。この場合は、下層にボイドの無い領域の輝度が基準となり、その基準輝度に対して輝度が所定閾値以上高い領域を、ボイドの平面サイズとみなすことができる。
【００５３】
図１５は、ボイドの深さ方向のサイズと試料表面の電位差との間の対応関係を例示するグラフである。ボイドの水平方向におけるサイズが同じであっても、ボイドの深さ方向のサイズに応じて、図１４に示した表面電位差が異なる。すなわち試料表面における、下層にボイドが存在する部位の電位と下層にボイドが存在しない部位の電位との間の差分は、ボイドの深さ方向のサイズが大きいほど大きい。図１５に示す対応関係をあらかじめ実験またはシミュレーション解析などによって取得しておくことにより、ボイドの深さ方向のサイズを推定することができる。
【００５４】
＜実施の形態４：まとめ＞
本実施形態４に係る荷電粒子線装置は、エネルギー弁別器９を用いて、試料６の部位ごとに表面電位を計測し、下層にボイドが存在しない電位分布を基準パターンとして計測結果と比較することにより、ボイドの平面形状を推定することができる。さらに、表面電位差とボイドの深さ方向サイズとの間の対応関係をあらかじめ取得しておくことにより、ボイドの深さ方向サイズを推定することができる。
【００５５】
＜実施の形態５＞
図１６は、本発明の実施形態５に係る断面形状推定システムの構成図である。走査電子顕微鏡の制御装置は、（ａ）走査電子顕微鏡の各部を制御する機能、（ｂ）検出された２次電子７に基づいて試料６の観察画像を形成する機能、（ｃ）各画像からパターンのエッジ位置を導出する機能、（ｄ）複数の画像間でエッジ位置の変化量を導出する機能、などを備えている。これら機能の演算処理は、その一部または全部を、制御装置とは別に設けた演算装置に実施させることもできる。本実施形態５においては、後述する演算処理装置８０３がその演算処理を実施する構成例を説明する。
【００５６】
図１６の断面形状推定システムは、ＳＥＭ本体８０１、制御装置８０２、演算処理装置８０３を備える。ＳＥＭ本体８０１は、実施形態１〜４に係る荷電粒子線装置である。演算処理装置８０３は、演算処理部８０４とメモリ８０５を備える。演算処理部８０４は、制御装置８０２に対して所定の制御信号を供給し、ＳＥＭ本体８０１が取得した信号を処理する。メモリ８０５は、取得した画像データ、レシピ（計測条件などを記述したデータ）、実施形態１〜４で説明した基準パターンを記述したデータ、図１５で説明したデータ、などを記憶する。制御装置８０２と演算処理装置８０３は一体的に構成してもよい。
【００５７】
偏向器４は電子線２を走査する。検出器８は試料６から放出された２次電子７を捕捉する。制御装置８０２に内蔵されたＡ／Ｄ変換器は、検出器８が出力する検出信号をデジタル信号に変換する。演算処理装置８０３は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）などの演算処理ハードウェアを備え、同ハードウェアが検出信号を演算処理することにより、各機能を実現する。
【００５８】
演算処理部８０４は、測定条件設定部８０８、特徴量演算部８０９、設計データ抽出部８１０、断面形状推定部８１１を備える。測定条件設定部８０８は、入力装置８１３によって入力された測定条件等に基づいて、偏向器４の走査条件等の測定条件を設定する。特徴量演算部８０９は、入力装置８１３によって入力されたＲＯＩ（Ｒｅｇｉｏｎ  Ｏｆ  Ｉｎｔｅｒｅｓｔ）内のプロファイルを、画像データから求める。設計データ抽出部８１０は、入力装置８１３によって入力された条件にしたがって、設計データ記憶媒体８１２から設計データを読み出し、必要に応じて、ベクトルデータからレイアウトデータに変換する。断面形状推定部８１１は、特徴量演算部８０９が求めた各エネルギー弁別画像を用いて実施形態１〜４で説明した手法により試料６の断面形状を推定する。
【００５９】
演算処理部８０４およびその各機能部は、その機能を実装した回路デバイスなどのハードウェアを用いて構成することもできるし、その機能を実装したソフトウェアを演算装置が実行することにより構成することもできる。
【００６０】
入力装置８１３は、演算処理装置８０３とネットワークを経由して接続されており、操作者に対して試料６の観察画像や断面形状の推定結果などを表示するＧＵＩ（Ｇｒａｐｈｉｃａｌ  Ｕｓｅｒ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）を提供する（後述の図１７〜図１９）。例えば画像データや設計データを併せて３次元マップとして表示することもできる。
【００６１】
図１７は、入力装置８１３が表示するＧＵＩの例である。操作者は、画像のパターン深さ（Ｐａｔｔｅｒｎ  ｄｅｐｔｈ）を設定する。操作者はさらに、試料底部から見た断面高さ（Ｖｉｅｗ  ｈｅｉｇｈｔ）を指定することにより、任意深さにおけるＸＹ断面画像を見ることができる。
【００６２】
演算処理装置８０３は試料６の３次元構造を推定するので、図１７右下の画像のように試料６全体を３次元表示することもできる。右下の３次元画像は、マウスポインタによって任意に回転することができる。右下図の３次元像から断面高さ（Ｖｉｅｗ  ｈｅｉｇｈｔ）を指定することもできる。ＸＹ断面像内で２次元領域を指定すると、その領域内の断面形状（ＸＺもしくはＹＺ断面）を推定した結果を、図１７右上欄（断面形状ウィンドウ）に表示する。断面形状ウィンドウにおいて、任意の位置にマウスカーソルを移動すると、カーソルで指定した場所の深さと側壁の傾斜角度を表示する。作成した画像および断面形状波形は名前をつけて保存できる。
【００６３】
図１８は、推定した断面形状をパターン分類するＧＵＩの例である。演算処理装置８０３は、あらかじめ設定されたパターン形状（ストレート、順テーパー、逆テーパー、傾斜、ボーイング）の他、ユーザが編集する任意形状モデルに基づき、断面形状を分類する。分類結果は図１８右側のＳＥＭ画像上にパターンごとに表示される。分類結果は画像またはテキストデータとして保存できる。
【００６４】
図１９は、ユーザが断面形状モデルを編集するＧＵＩの例である。モデル編集領域上において、マウスでパターンの頂点をクリックしていくことにより、閉空間をパターンとして設定することができる。あるいは、図１９左側に示す形状テンプレートをモデル編集領域上に配置し、組み合わせることにより、形状を設定することもできる。編集した形状モデルは保存することができ、過去に作成したモデルを読み込んで編集することもできる。
【００６５】
＜本発明の変形例について＞
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換える事が可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について他の構成の追加・削除・置換をすることができる。
【００６６】
以上の実施形態においては、１次電子が試料６の底部まで到達することが前提となる。そこで荷電粒子線装置は、パターンサイズ（穴径、溝幅など）とパターン深さに基づき、各加速条件における１次電子の偏向量を求める際に、１次電子がパターン底部まで到達することができる加速電圧の範囲を導出してもよい。さらにその加速電圧範囲や最適な加速条件の組み合わせを、実施形態５で説明したＧＵＩ上で提示してもよい。加速条件を変更してもパターン底まで電子線２が到達しない場合は、電子線２自体を傾斜（チルト）させてもよい。電子線２をチルトさせた場合は、チルトさせた電子線を照射して得られた基準パターンの画像を基に、試料６の断面形状を推定すればよい。
【００６７】
実施形態１〜４で説明した各処理は、荷電粒子線装置自身が備える演算装置（例えば制御装置８０２）上で実施してもよいし、荷電粒子線装置自身は検出信号のみを取得し、別の演算装置（例えば演算処理装置８０３）がその検出信号を記述したデータを取得して同処理を実施してもよい。各演算装置が実施する処理は、その演算処理を実装した回路デバイスなどのハードウェアを用いて実施してもよいし、その演算処理を実装したソフトウェアを演算装置が実行することにより実施してもよい。
【符号の説明】
【００６８】
１  電子銃
２  電子線
３  コンデンサレンズ
４  偏向器
５  対物レンズ
６  試料
７  ２次電子
８  検出器
８０１  ＳＥＭ本体
８０２  制御装置
８０３  演算処理装置
８０４  演算処理部
８０５  メモリ
８０８  測定条件設定部
８０９  特徴量演算部
８１０  設計データ抽出部
８１１  断面形状推定部
８１２  設計データ記憶媒体
８１３  入力装置
【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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【図１９】
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