(57)【要約】【課題】  本発明は、プリドーズ時の静電破壊の抑制と適正な帯電付着の両立を可能とする荷電粒子線装置の提供を目的とする。  【解決手段】  上記目的を達成するために本発明では、荷電粒子線装置であって、画像や波形信号を取得するために走査される第１の荷電粒子ビームと、第１の荷電粒子ビームの走査の前に、試料に走査されると共に、第１の荷電粒子ビームより試料を帯電させる第２の荷電粒子ビームを切り替える制御装置を備え、第２の荷電粒子ビームの前記試料に対する走査に基づいて、試料上に形成されたパターンの信号波形データ、及び画像データの少なくとも１つを取得し、当該データが所定の状態となったときに、第２の荷電粒子ビームの走査を停止させる荷電粒子線装置を提案する。【選択図】  図１０
2015056330.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子源から放出される荷電粒子ビームを走査することによって得られる荷電粒子に基づいて、試料上に形成されたパターンの信号波形或いは画像データを取得する荷電粒子線装置において、
前記データを取得するために走査される第１の荷電粒子ビームと、当該第１の荷電粒子ビームの走査の前に、前記試料に走査されると共に、当該第１の荷電粒子ビームより前記試料を帯電させる第２の荷電粒子ビームを切り替える制御装置を備え、当該制御装置は、前記第２の荷電粒子ビームの前記試料に対する走査に基づいて、前記試料上に形成されたパターンの信号波形データ、及び画像データの少なくとも１つを取得し、当該データが所定の状態となったときに、前記第２の荷電粒子ビームの走査を停止、或いは当該状態となったタイミングを前記第２の荷電粒子ビームの走査停止タイミングとして所定の記憶媒体に登録することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記制御装置は、前記第１の荷電粒子ビームの走査によって得られる信号波形データ、及び画像データの少なくとも１つに基づいて得られる経時的な特徴量の変化を、前記記憶媒体に記憶することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記制御装置は、前記特徴量の変化を表示する表示装置を備え、当該表示装置上での設定に基づいて、前記第２の荷電粒子ビームの走査を停止することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項４】
請求項１において、
前記制御装置は、前記第１の荷電粒子ビームの走査によって得られる信号波形データ、及び画像データの少なくとも１つに基づいて得られる特徴量の変化量が所定の状態となったときに、前記第２の荷電粒子ビームの走査を停止することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項５】
請求項１において、
前記制御装置は、前記試料上の前記第２の荷電粒子ビームの走査領域に含まれる領域に、前記第１の荷電粒子ビームを走査することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項６】
荷電粒子源から放出される荷電粒子ビームを走査することによって得られる荷電粒子に基づいて、試料上に形成されたパターンの信号波形或いは画像データを取得する荷電粒子線装置において、
前記データを取得するために走査される第１の荷電粒子ビームと、当該第１の荷電粒子ビームの走査の前に、前記試料に走査されると共に、当該第１の荷電粒子ビームより前記試料を帯電させる第２の荷電粒子ビームを切り替える制御装置と、前記第２の荷電粒子ビームの走査に基づいて得られる信号波形データ、及び画像データの少なくとも１つから抽出される特徴量の時間的な変化を表示する表示装置と、前記第２の荷電粒子ビームの停止タイミングを設定する入力装置を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷電粒子線装置に係り、特に試料を帯電させるためのビームの照射条件を決定するためのビーム照射条件決定装置を備えた荷電粒子線装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体素子の高集積化及び微細化に伴い、半導体ウェーハ等の試料には多種多様なパターンが形成されるようになってきた。また、半導体素子の測定や検査の重要性も、半導体素子の高集積化、微細化と共に高まりつつある。更に高集積化、微細化に伴い、多層で形成された層の間を電気的に接続する役割を担うコンタクトホールや、ラインパターン間に形成される溝がより深いものになりつつある。特にコンタクトホールは、ホール径が小さくなりかつ深く形成されるようになっており、そのアスペクト比（コンタクトホールの深さとホール径の比）は５０を超えるものもある。
【０００３】
このような深穴、深溝の底部を測定、検査するための手法として予備帯電法（以下、プリドーズ法と称することもある）が知られている。プリドーズ法とは、例えば特許文献１に開示されるものであり、測定、或いは検査のためのビーム照射の前に、二次電子放出効率（試料から放出される電子／試料に入射する電子）が１より大きなビームを照射することによって、ビームの照射領域を正帯電させる手法である。この正帯電によって底部から放出される電子は、深穴の側壁に衝突することなく、試料表面に向かって導かれることになるため、ホール底部から放出される電子を高効率に検出することが可能となる。
【０００４】
また、試料表面が過度に帯電すると、電位が異なる他の部位との間の電位差が増大し、静電破壊が発生する可能性がある。特許文献２には、照射個所を変化させつつ、プリドーズと観察を行い、ホールパターンのボトム部分の輝度値が設定値より高くなったときに、静電破壊が起こる可能性があると判断して、表面帯電の効果を減らすように、ビームの加速電圧等を減らす予備帯電条件決定法が説明されている。
【０００５】
特許文献３には、エッジピークの輝度値と穴底部の輝度の差分が所定の範囲に含まれるプリドーズ条件を、ビーム条件を変えながら画像を取得し、当該複数の画像を解析することによって見出す手法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４０９３６６２号（対応米国特許ＵＳＰ７，９７７，６３２）
【特許文献２】特許第５１１７０８０号（対応米国特許ＵＳＰ８，３８４，０３０）
【特許文献３】ＷＯ２０１３０１１７９２Ａ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
深穴等の高アスペクト化により、プリドーズ法には更なる二次電子の引き上げ効果が求められている。一方、過度に大きな帯電を付着させると静電破壊が発生するため、静電破壊が発生しないような帯電を付着させる必要もある。特許文献１には二次電子の引き上げ効率と、静電破壊の抑制の両立を実現するための手法についての記載がない。また、引用文献２では、静電破壊の発生の可能性を抑制し得るプリドーズ条件を見出すことができるものの、プリドーズの後に、観察用のビームを走査してプリドーズ状態を確認しているため、所望のプリドーズ状態を過ぎてプリドーズ用のビームを照射したとしても、観察用のビームを走査するまでその状態の判断ができない。例えば、静電破壊が起こる直前のプリドーズ状態は、静電破壊が起こらない状態の中で最も大きな帯電が試料に付着した状態であり、二次電子の引き上げ効果の観点から見れば、最高の状態にあるが、観察用のビームが走査されるまで、帯電の状態がわからないと、その状態の正確な見極めが難しい。また、特許文献３には、静電破壊を抑制するビーム条件を見出すことについて何等説明がなく、更に特許文献２と同様、観察用のビームを走査するまで、プリドーズ状態を評価することができない。
【０００８】
以下に、静電破壊の抑制と適正な帯電付着の両立を目的とする荷電粒子線装置を提案する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するための一態様として、荷電粒子源から放出される荷電粒子ビームを走査することによって得られる荷電粒子に基づいて、試料上に形成されたパターンの信号波形或いは画像データを取得する荷電粒子線装置であって、前記データを取得するために走査される第１の荷電粒子ビームと、当該第１の荷電粒子ビームの走査の前に、前記試料に走査されると共に、当該第１の荷電粒子ビームより前記試料を帯電させる第２の荷電粒子ビームを切り替える制御装置を備え、当該制御装置は、前記第２の荷電粒子ビームの前記試料に対する走査に基づいて、前記試料上に形成されたパターンの信号波形データ、及び画像データの少なくとも１つを取得し、当該データが所定の状態となったときに、前記第２の荷電粒子ビームの走査を停止、或いは当該状態となったタイミングを前記第２の荷電粒子ビームの走査停止タイミングとして所定の記憶媒体に登録する荷電粒子線装置を提案する。
【発明の効果】
【００１０】
上記構成によれば、静電破壊の抑制と適正な帯電付着の両立を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】荷電粒子ビームの走査によって、試料を予備帯電させつつ、適正な荷電粒子ビームの照射条件を導出する工程を示すフローチャート。
【図２】プリドーズ用のビームを試料上に走査したときに得られる画像の変化の過程を示す図。
【図３】プリドーズ用のビームを試料上に走査したときに得られる画像の画像評価値の変化の経時変化を示すグラフ。
【図４】プリドーズ用のビームを試料上に走査したときに得られる画像の画像評価値の変化の経時変化を示すグラフ。
【図５】プリドーズ用のビームを試料上に走査したときに得られる信号波形の変化の過程を示す図。
【図６】プリドーズの進行によって発生する画像の特徴の変化を纏めた表。
【図７】プリドーズ条件を設定するＧＵＩ（Ｇｒａｐｈｉｃａｌ  Ｕｓｅｒ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）画面の一例を示す図。
【図８】走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）の概要を示す図。
【図９】ＳＥＭを含むパターン測定システムの概要を示す図。
【図１０】プリドーズ条件をプリドーズ実行時にリアルタイムで判断する工程を示すフローチャート。
【図１１】ビーム照射時のビーム条件を設定するＧＵＩ画面の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、プリドーズ機能を備えた荷電粒子線装置の詳細を説明する。プリドーズ法は、試料上に形成されたパターン等の測定や検査を行うためのビームを走査する前に、試料を帯電させるためのビーム照射を行う手法である。例えば荷電粒子線装置の一種である走査型電子顕微鏡の場合、一次電子線（以下“電子ビーム”とする）を観察対象である試料上に照射することで励起される二次電子を主に検出するが、これらの高アスペクト比のコンタクトホールの形状を観察する場合、照射される電子ビームの傾きや、形成されているホールパターン自体の傾き等から特にホール底に照射される電子ビーム自体が試料表面層に比較して少なく、かつホール底から励起される二次電子が、走査型電子顕微鏡の検出器に到達する以前にホールパターンの側壁に衝突し消滅してしまい、結果としてホール底の形状を示す二次電子信号が十分に検知できない場合がある。
【００１３】
このような場合に、プリドーズ法を適用する。具体的には、ホール底付近で発生した二次電子を試料表面に引き出すために、観察・計測のための電子ビーム照射に先駆けて、電子ビームを予備照射することで観察・計測領域（あるいはそれらを含むより広い領域）正帯電させ、コンタクトホール底部からの二次電子の引き出しを容易にする。
【００１４】
プリドーズ法では、例えば観察領域よりも広い領域に電子ビームを予備照射したり、二次電子放出効率が１．０よりも大きい電子ビームを試料に予備照射することで試料表面を正帯電させる。プリドーズによって、試料表面が帯電した後は、この帯電状態を維持した状態で測定や検査を行うべく、プリドーズ用のビームに対して二次電子放出効率が１．０に近いビームを走査することによって、測定や検査を実行する。
【００１５】
一方、プリドーズによって過度に正帯電を形成すると、放電による静電破壊が発生する可能性がある。より具体的には、正帯電が付着する試料表面と、ホール底部等との電位差が過大になると、その間で放電が発生する。このような静電破壊を発生させることなく、適正な帯電を付着させることが望まれる。例えば、静電破壊が発生する直前の試料表面帯電は、二次電子の引き上げ効果の観点から見れば、最高の状態にある。このような測定や検査にとって、適正な帯電を試料に付着させることができれば、操作者の意に沿った測定や検査を行うことができる。
【００１６】
以下に、適正なプリドーズ条件を見出す機能を備えた走査電子顕微鏡を、図面を用いて説明する。
【００１７】
図８は、走査電子顕微鏡の概要を示す図である。電子源８０１から引出電極８０２によって引き出され、図示しない加速電極によって加速された電子ビーム８０３は、集束レンズの一形態であるコンデンサレンズ８０４によって、絞られた後に、走査偏向器８０５により、試料８０９上を一次元的、或いは二次元的に走査される。電子ビーム８０３は試料ステージ８０８に内蔵された電極に印加された負電圧により減速されると共に、対物レンズ８０６のレンズ作用によって集束されて試料８０９上に照射される。
【００１８】
電子ビーム８０３が試料８０９に照射されると、当該照射個所から二次電子、及び後方散乱電子のような電子８１０が放出される。放出された電子８１０は、試料に印加される負電圧に基づく加速作用によって、電子源方向に加速され、変換電極８１２に衝突し、二次電子８１１を生じさせる。変換電極８１２から放出された二次電子８１１は、検出器８１３によって捕捉され、捕捉された二次電子量によって、検出器８１３の出力が変化する。この出力に応じて図示しない表示装置の輝度が変化する。例えば二次元像を形成する場合には、走査偏向器８０５への偏向信号と、検出器８１３の出力との同期をとることで、走査領域の画像を形成する。
【００１９】
走査偏向器８０５には、視野内の二次元的な走査を行う偏向信号に加え、視野を移動させるための偏向信号が重畳して供給されることがある。この偏向信号による偏向はイメージシフト偏向とも呼ばれ、試料ステージによる試料移動等を行うことなく、電子顕微鏡の視野位置の移動を可能とする。本実施例ではイメージシフト偏向と走査偏向を共通の偏向器によって行う例を示しているが、イメージシフト用の偏向器と走査用の偏向器を別に設けるようにしても良い。
【００２０】
また、試料から放出された電子をエネルギー弁別するためのエネルギーフィルタ８１８が試料８０９と変換電極８１２との間に設置されている。エネルギーフィルタは、例えば３枚のメッシュ電極によって構成され、試料８０９から、変換電極８１２に向かう電子を、反射するような電界を形成する。メッシュ電極に印加する電圧を調整することによって、通過可能な電子のエネルギーの調整を行うことができる。
【００２１】
なお、図８の例では試料から放出された電子を変換電極にて一端変換して検出する例について説明しているが、無論このような構成に限られることはなく、例えば加速された電子の軌道上に、電子倍像管や検出器の検出面を配置するような構成とすることも可能である。
【００２２】
制御装置８２０は、走査電子顕微鏡の各構成を制御すると共に、検出された電子に基づいて画像を形成する機能や、ラインプロファイルと呼ばれる検出電子の強度分布に基づいて、試料上に形成されたパターンのパターン幅を測定する機能を備えている。また、図８に例示する走査電子顕微鏡には、試料室８０７に試料を導入するときに、試料雰囲気を予備排気する予備排気室８１５と、空気清浄空間を形成するミニエン８１７が設置されている。更に、それらの空間の間には真空封止を行うための真空バルブ８１４、８１６が設けられている。
【００２３】
図９は、ＳＥＭを含む測定、或いは検査システムの詳細説明図である。本システムには、ＳＥＭ本体９０１、当該ＳＥＭ本体の制御装置８２０、及び演算処理装置９０２からなる走査電子顕微鏡システムが含まれている。演算処理装置９０２には、制御装置８２０に所定の制御信号を供給、及びＳＥＭ本体９０１にて得られた信号の信号処理を実行する演算処理部９０３と、得された画像情報や、レシピ情報を記憶するメモリ９０４が内蔵されている。なお、本実施例では、制御装置８２０と演算処理装置９０２が別体のものとして説明するが一体型の制御装置であっても良い。
【００２４】
試料から放出された電子、或いは変換電極にて発生した電子は、検出器８１３にて捕捉され、制御装置８２０に内蔵されたＡ／Ｄ変換器でデジタル信号に変換される。演算処理装置９０２に内蔵されるＣＰＵ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ等の画像処理ハードウェアによって、目的に応じた画像処理が行われる。
【００２５】
演算処理装置９０３には、入力装置９０９によって入力された測定条件等に基づいて、ＳＥＭの光学条件を設定する光学条件設定部９０５、後述する帯電ビーム照射条件を決定する帯電ビーム照射条件決定部９０６が内蔵されている。
【００２６】
更に、演算処理部９０３には、画像データや信号波形データに基づいて、画像の動的な変化を評価するための信号演算部９０７が内蔵されている。信号演算部９０７では、例えば第１のタイミングで取得された画像データ等（第１の画像）と、第１のタイミングとは異なる第２のタイミングで取得された画像データ等（第２の画像）を比較し、その変化量を評価する。より具体的には、異なるタイミングで取得された画像データを評価し、異なるタイミングにて取得された画像間の変化がなくなったとき、或いはその変化量が所定値以下となったときのビーム照射時間やフレーム数を計測する。計測された時間やフレーム数は、メモリ９０４に登録される。
【００２７】
また、演算処理部９０３には、取得された信号波形に基づいて、パターンの寸法を測定するパターン測定部９０８が内蔵されている。パターン測定部９０８では、例えば検出信号に基づいて、ラインプロファイルを形成し、プロファイルのピーク間の寸法測定が実行する。
【００２８】
更に演算処理装置９０２とネットワークを経由して接続されている入力装置９０９に設けられた表示装置には、操作者に対して画像や検査結果等を表示するＧＵＩが表示される。
【００２９】
なお，演算処理装置９０２における制御や処理の一部又は全てを，ＣＰＵや画像の蓄積が可能なメモリを搭載した電子計算機等に割り振って処理・制御することも可能である。また、制御装置８２０と演算処理装置９０２を１の演算装置とするようにしても良い。また，入力装置９０９は，検査等に必要とされる電子デバイスの座標，パターンの種類、撮影条件（光学条件やステージの移動条件）を含む測定条件を、撮像レシピとして設定する撮像レシピ作成装置としても機能する。
【００３０】
信号演算部９０７は、プリドーズ実行時の撮像画像を数値化し、その数値の挙動から最適画像取得（及び静電破壊が発生しない）ができる判定条件を定義しておき、実際にプリドーズを実行する際のプリドーズ実行中画像からプリドーズの最適時間を判定し、その条件を満たした場合にプリドーズを自動停止するための制御信号を生成し、制御装置８２０に伝送する。
【００３１】
図２は、プリドーズを実行したときの画像の変化を示す図である。なお、図２に例示する画像は、プリドーズ用のビーム走査によって得られる検出信号に基づいて形成されるものである。通常、プリドーズ用のビーム走査と、測定、検査用のビーム走査は、ビーム条件を変えて、別のタイミングで行われるが、本実施例では、適正なプリドーズ条件を見出すために、プリドーズ用のビーム走査によって、プリドーズと共に、画像形成（信号波形）も行う。光学条件設定部９０５では、図２に例示するような画像の特徴、或いは当該特徴の抽出時間から所定時間経過した後に、プリドーズ用のビーム（第２の荷電粒子ビーム）照射を停止し、パターンの測定や検査を行うためのビーム（第１の荷電粒子ビーム）の走査を開始するよう、制御装置８２０へ制御信号を伝達する。図２は円形のホールパターンにプリドーズ用ビームを走査したときに得られる画像の例を示している。
（１）プリドーズ開始初期
効果的なプリドーズを実行するためには、予備照射を行う面積が大きい（＝低倍率）方がその効果が大きいことから、低倍率でプリドーズを実施したケースを想定する。プリドーズを開始すると画面中心から円形に輝度が上昇し、白くなっていく（画面の白黒等の表現に関しては、たとえば２５６階調のグレースケールを想定した場合の例である）。この円形の面積は倍率や撮像条件に依存する。
（２）プリドーズ実行中期
プリドーズ開始初期で始まった高輝度部分の動的な拡がりは、ある程度まで進行すると、止まる。撮像条件に依存し、必ずしも画面内に収まらず、一部はみ出す場合もある。
（３）プリドーズ実行中期２
上述の高輝度領域の拡張は止まり、ホールパターン中心の輝度値が下がって、ホワイトノイズ成分の発生が始まる。
（４）プリドーズ実行後期
工程(３)で確認された画面中心付近のノイズ成分が画面中心から広がっていく。同時にノイズ成分の輝度変化も大きくなる。本現象は静電破壊直前の挙動であり、プリドーズの効果が最大限に発揮されるときでもある。この段階でプリドーズを停止し、観察・計測条件にて撮像することが望ましい。
（５）静電破壊発生状態
過度なプリドーズの実行により、電子線照射領域において静電破壊が発生している。計測対象とするパターンが破壊された状態となる。本現象が発生する前にプリドーズを停止することが必須となる。
【００３２】
図３は、図２の画像変化を数値化したグラフである。「評価値プロファイル」青い線は画像全体の分散値、「評価値微分プロファイル」はその変化量をグラフにプロットしたものである。縦軸は評価値（無次元）、横軸はプリドーズ実行時間である。
【００３３】
特に着目する点は、(４)プリドーズ実行後期である。「評価値微分プロファイル」を見ると、ノイズの影響により数値が不安定になっていることが分かる。微分プロファイルが不安定な挙動を見せた後、一定時間後に、「評価値プロファイル」、「評価値微分プロファイル」共に、値が急激に大きくなっている。これは、静電破壊が発生したことを示している。
【００３４】
図２、図３に例示するような画像の動的変化は、評価値や時間は異なるものの、サンプル（たとえばウェーハ）、計測位置、計測の順番等によらずおおよそ共通している。よって、上記の情報をもとに、プリドーズを最適状態で自動停止することで、安定したプリドーズを実行することが可能となる。
【００３５】
最適条件の設定方法としては、たとえば明快に、プリドーズ後の評価値の最大値、最小値を算出し、その何％かを閾値設定し、評価値がその閾値を交差した時点を最適条件（プリドーズ実行の最適時間）と設定することが考えられる。
【００３６】
また、前述(４)プリドーズ実行後期においては、図４の領域２のように、評価値グラフの上下動が大きく、不安定となっている。前述の閾値による判定処理を本領域に適用した場合、ノイズの影響で、実際の最適条件よりも早く、あるいは遅く判定条件を満たす場合が多発し、安定した検査画像の撮像ができない。よって、図４においてグラフの変化が安定している領域１と、上下動が激しく不安定な領域２で評価計算処理を変更する。例として、領域１では前述の閾値判定を行い、領域２においては、単純に一定時間を経過した時点でプリドーズを停止する方法が考えられる。
【００３７】
また、評価値計算結果に関して、数回前の結果までを平滑化することで、評価値プロファイルを安定化させ、前述の閾値による判定処理を適用する方法も考えられる。
【００３８】
以上のように、プリドーズ用のビーム走査に基づいて得られる画像に基づいて、画像の特徴量の時間的な変化を求めておき、そのデータをもとにプリドーズ条件の設定を可能としておくことによって、適正なプリドーズ停止時間の設定が可能となる。なお、プリドーズを行った後、観察用のビームで帯電状態を評価しようとすると、観察中にも帯電状態が変化してしまうことが考えられるため、プリドーズ用のビームで予備帯電と帯電評価の両方を行う本手法によれば、帯電の適正な評価に基づくプリドーズ停止タイミングを導出することができる。
【００３９】
図５は、異なるプリドーズ状態における波形信号を推移を示す図である。プリドーズ開始後、（１−１)画面中央の輝度が上昇し、（１−２)画面中央付近からの白い部分の面積が放射方向に広がっていく。
【００４０】
この円の大きさはプリドーズ実行時の条件に依存する（倍率やデフォーカスの程度）が、視野内のプリドーズ実行による表面帯電が進んでいるためと考えられる。プリドーズが不十分な場合にはこの白い部分の面積及び輝度が変化していくので、明るさの変化及び面積（あるいは画面中央付近の輝度プロファイルにおける輝度の明るい部分の広がり）を計測し、微分等を用いて変化量が一定以下にならないうちはプリドーズが不十分である、と判定することが可能である。測定目的や試料の種類によっては、この程度のプリドーズでも十分な場合もあるため、高輝度部分の拡がりの変化量がゼロ、或いは所定値以下となったときの時間を、当該試料を測定するためのプリドーズ時間とするようにしても良い。なお、本例では評価値の変化前後の変化量（微分値）を評価基準としているため、パターンの出来栄えによらず、適正なプリドーズ時間を導出することができる。
【００４１】
次に、プリドーズの実行中期では、（２−１)ホール中央付近の輝度が低下する。この際、白い円の端の明るさの変化量は少ないが、画面中心付近の輝度が下がっていく。これらはプリドーズによる表面帯電が次第に最適状態に近づいていることを示している。次に、（２−２)ホール中央付近でノイズが発生する。ここでは画面中心付近にノイズのような現象が発生する。本現象は、プリドーズの効果が露見している状態であると同時に、静電破壊までのプリドーズ実施の限界が迫っていることを示す。（２−１)の現象も継続され、画面の中心から外周付近の輝度は明るいままだが、画面中心の輝度の低い領域（ノイズらしき現象が確認できる領域）が放射方向に広がっていく。
【００４２】
この広がりが安定し、画面中心のノイズが拡大していく過程で静電破壊が発生し、図２の(５)の状態となる。
【００４３】
上記より、プリドーズ実行中の画像（あるいは輝度プロファイル）に対し、以下表にて示す項目を管理していくことで、プリドーズの最適条件を安定に見出すことが可能になる。
【００４４】
サンプルによっては、必ずしも図２の(４)のような、静電破壊直前の状態までプリドーズを行わなくても、所望の画像を取得することが可能なサンプルも存在する。よって、図２(２)(４)等の段階となる条件でそれぞれプリドーズを実行し、プリドーズの時間を設定することが可能である。
【００４５】
図６は、プリドーズ実行中の画像評価項目の変化を表に纏めたものである。このようにプリドーズの各過程の画像評価値をもとに、プリドーズ条件を決定することによって、サンプル変化への依存の少ない、安定したプリドーズ効果が期待できる。
【００４６】
たとえば図２(２)の状態が適正なプリドーズ状態と判断できる場合には、外円の変化にみ着目し、図５の（１−２)までの工程を監視すればよい。同様に、図５の（２−１)程度のプリドーズ条件で十分な場合には、図６の（２−２）部分の指標値を管理することで、十分に安定したプリドーズ効果を得ることができる。
【００４７】
本例では指標値の変化量や静電破壊直前で顕在化するノイズを評価対象とすることによって、プロセス変動等によるパターン形状の変化によらず、安定したプリドーズ条件を導き出すことが可能となる。なお、「面積あるいは幅」の幅は、断面輝度の最大と最小値の一定割合（たとえば（最大値−最小値）×５０％等で決定できる）を閾値とし、それぞれ中央付近から外側に探索した際に、最初に閾値を超える位置間の間隔に基づいて求めることができる。
【００４８】
次に、プリドーズ実行中の画像の評価に基づいて、プリドーズ条件を設定する手順について説明する。図１は、その手順を示すフローチャートである。なお、本実施例では半導体ウェーハの面内の場所の異なる５点を、同一の条件で計測する場合を例に採って説明する。また、本例では各測定点が同一形状であり、同一の条件で観察・計測を行う例について説明する。
【００４９】
なお、プリドーズの停止タイミングとしては、例えば、輝度の変化が所定の条件より小さくなった第１のタイミング、当該第１のタイミングより所定時間経過した第２のタイミング、前記荷電粒子ビームの走査範囲内の高輝度部分の大きさの変化が所定の条件より小さくなった第３のタイミング、当該第２のタイミングより所定時間経過した第４のタイミング、前記高輝度部分の輝度が所定値以下となったとき、当該高輝度部分の外側領域より当該高輝度部分の中心部分の輝度が相対的に低くなったとき、或いは当該高輝度部分の外側領域と当該高輝度部分の中心部分の輝度の比率が所定の状態となった第５のタイミング、当該第５のタイミングより所定時間経過した第６のタイミング、前記高輝度部分のノイズが所定の状態となった第７のタイミング等も考えられる、
（手順１）プリドーズ撮像条件（仮）策定
最終的な観察・計測用画像の撮像条件を事前に設定しておく。その上で、プリドーズ実行条件（加速電圧、電流値、倍率、プリドーズ実行時間等）を決定する。まずは観察・計測対象とするサンプルのある特定位置にて最適な画像が取得できる条件を見出す。
（手順２）プリドーズ実行（最適画像が取得できる条件の定義）
サンプルに対して実際にプリドーズを実行する。プリドーズは、同一箇所がその付近で複数回実行すると、静電破壊など、パターンに対して深刻なダメージを与える場合があるので、毎回位置を変更するなど、十分に注意する必要がある。
（手順３）プリドーズ自動停止判定用のパラメータを取得
実際にプリドーズを実行し、図３で示すような評価グラフを取得する。評価値計算は、プリドーズ実行中の１枚あるいは複数枚の画像からその分散を計算する。ＳＥＭ画像取得の際に発生するノイズを考慮し、複数枚の画像の平均画像などから評価値計算を行うことも可能だが、ノイズ成分が平均化されてしまうこと等から、１〜２枚程度の画像から評価値計算することが望ましい。プリドーズ実行中の（１）プリドーズ開始後の時間、（２）評価値１（画像の分散値）、（３）評価値２（画像の分散値の差分等を図３のような評価値グラフとして出力する。テストサンプル等、破損が許容できる試料であれば、実際に静電破壊を発生させ、評価値グラフを取得することが望ましい。なお、分散の評価によって抽出される画像のノイズは、静電破壊直前で発生するため、ノイズ成分が所定の条件となったタイミングをトリガにして、プリドーズの停止タイミングを判定することによって、静電破壊が起こらない範囲で、最も大きな帯電を試料に付着させることもできる。また、ノイズ面積の変化量をモニタしておき、ノイズ面積の拡張が所定条件を超えたときに、プリドーズを停止する信号を発生させるようにしても良い。
（手順４）ウェーハ面内等でパラメータの適正評価
前述手順３にて取得した評価値グラフを用いてプリドーズの最適条件を決定する。最適条件決定方法の例は後述する。
（手順５）プリドーズ実行条件決定
前述手順１〜４の手順にて取得した最適条件を設定し、終了する。最適条件の簡便な設定方法としては、前述の手順３で取得した評価値グラフからそれぞれ最大値、最小値を算出し、前述最大値と最小値の一定の割合（％）の部分と評価値グラフの交点を閾値とする方式が挙げられる。本例のように、最大値と最小値を把握した上で、閾値を求めることで、試料の種類によらず、静電破壊が発生しない範囲の中で任意のプリドーズ条件を決定することが可能となる。また、図３に例示するような評価グラフは、静電破壊に至るまでの試料状態を示しているため、当該評価グラフを、入力装置９０９の表示装置に表示させ、評価グラフを参照しつつ、入力装置９０９からの閾値設定を可能とすることにより、操作者の意に沿った適切なプリドーズ条件を設定することが可能となる。
【００５０】
なお、プリドーズ中の画像は図２のように変化する。この変化を評価値グラフに数値化した例が図３であるが、ここで（５）静電破壊発生の際の評価値グラフは、画像全面がノイズのようになり、数値が大きく変化していることが分かる。
【００５１】
本来は、この（５）静電破壊発生直前の点を安定計測するのが望ましいが、図３の評価値グラフの例のように、静電破壊直前の（４）プリドーズ後期の時点でプロファイルに凹凸が発生するため、安定して（５）直前を検知する閾値を決定することは難しい場合がある。
【００５２】
このような場合は、図４のように、プリドーズ開始後、静電破壊発生までの評価値グラフを２つの領域に分けて考える。プリドーズ開始後、図２の（２）プリドーズ実行中期及び（３）プリドーズ実行中期２に当たる部分を領域１、同じく図２の（４）プリドーズ実行後期にあたる部分を領域２とする。
【００５３】
前述のように、領域１においては評価値グラフがなだらかに上昇あるいは下降するが、領域２においては、プリドーズによる表面帯電に起因するノイズのような信号により、評価値グラフがギザギザした形状になる。
【００５４】
よって、領域１と領域２の接点における閾値を一つのパラメータとし、そこから領域２の終了までの時間を決定する。例えば、領域１までは、評価値グラフの最大、最小値の一定の割合を閾値として算出する。また、領域２は領域１の終了から一定時間を設定（プリドーズ最適時間）としてプリドーズの最適条件を決定する。以上のようなプリドーズ自動停止判定条件を、手順１のプリドーズ実行条件に追加し、プリドーズ実行条件とする。
【００５５】
なお、ウェーハ内の複数点にて本処理を実行し、領域１の閾値及び領域２の最適停止時間を計測し、それぞれその平均あるいは最大値、最小値をプリドーズ実行条件に設定することも可能である。また、前述図３の領域をそのグラフの変化量から３つ以上の領域に分割し、各領域を閾値による判定、一定時間（領域１の実行時間に対して５０％等の割合でもよい）に設定する、等を適用することも可能である。
【００５６】
更に、画像の特徴量の計時的な変化を目視可能とすることによって、適正なプリドーズ条件を設定する例について説明する。図７は、プリドーズ条件を設定するためのＧＵＩ画面の一例を示す図である。図７に例示するＧＵＩ画面７０１は、例えば入力装置９０９の表示装置に表示され、当該ＧＵＩ画面上でのプリドーズ条件設定に基づいて、信号演算部９０７におけるプリドーズ停止信号を発生するための画像条件が設定される。ＧＵＩ画面７０１内には、画像評価値（輝度値や分散値等）を縦軸とし、プリドーズ照射時間を横軸とするグラフ７０２が表示されている。このグラフ７０２は、上述の手順１〜３に基づいて得られたデータをもとに作成されるものであり、特徴量の情報、及びＧＵＩ画面からの設定情報は、メモリ９０４に記憶される。十字カーソル７０３は、グラフ７０２の画像評価値と時間との関係を示すグラフに沿っての移動が可能であり、ポインタ７０４を用いて移動させる。また、静電破壊発生ポイント７０５より短時間側に、境界線７０６を表示する。そしてこの境界線７０６より長時間側の設定を禁止、或いは境界線７０６を超えた設定を行ったときに、警報を発生することによって、静電破壊が発生する可能性のある設定を未然に防止することができる。
【００５７】
このように実際に時系列で取得した画像情報に基づいた設定を可能とすることによって、静電破壊の発生可能性を抑制しつつ、任意のプリドーズ条件を設定することが可能となる。なお、例えば図７に例示したようなＧＵＩ画面にて、プリドーズの停止タイミングを設定した場合であっても、所定時間内に所定条件（例えば高輝度領域の大きさの変化量が所定値以下に収束しないような場合）を満たさないような場合は、プリドーズを停止するような処理を行うことが望ましい。例えば図示しないＧＵＩ画面上にて、プリドーズの最大時間を設定しておき、この最大時間に到達したときは、所定の画像の特徴が得られたか否かにかかわらず、プリドーズを停止する。このような構成によれば、何等かの理由で、画像上で静電破壊前の現象が特定できなかった場合であっても、試料を静電破壊させるようなビーム走査を禁止することが可能となる。
【００５８】
本実施例においては、プリドーズ照射条件の最適化判定において、画面全体の分散値とその差分を用いたが、それ以外の領域、評価関数等のパラメータを用いて最適条件判定を実施してもよい。たとえば図２で示す高輝度領域全体の面積、あるいはノイズ発生領域（面積）の変化量や、前述ノイズ領域の輝度変化、ノイズ領域のみの分散や輝度値変化、及びそれらの組合せによって最適化判定を実施してもよい。設定したプリドーズ照射条件をメモリ９０４等に記憶させ、そのデータを読み出してプリドーズを実行する。
【００５９】
また、前述の実施例に際しては、走査型電子顕微鏡（ＣＤ−ＳＥＭ）において、半導体ウェーハ上のコンタクトホールの径や形状、及び開口非開口判定等の観察・測定にプリドーズを適用する場合を記載したが、汎用ＳＥＭやＦＩＢ、マスク検査用の検査装置、レビュー装置等にも適用可能である。
【００６０】
また、前述の実施例に関しては、コンタクトホールだけではなくライン形状や、ラインとホールの組合せ等の複雑形状に関しても適用可能である。
【００６１】
プリドーズ法は高アスペクトのコンタクトホールにおいてもその底付近の二次電子信号の収集効率を向上させることができる。しかし、ウェーハ内の複数の異なる位置において同一の撮像条件でプリドーズを実行しても、そのプリドーズ実行後に撮像した画像に対し、プリドーズの効果は必ずしも一定とはならない。例えばウェーハ中央でホール底が十分に観察できる場合でも、同じ条件をウェーハ端に適用した場合には、必ずしもウェーハ中央と同じようホール底を観察することができない場合がある。
【００６２】
まず、パターン形状のばらつきやパターン形成の出来の違い、パターン形成時の膜圧の微小な差異など、試料に起因した原因が考えられる。しかしながら、計測対象とする試料（たとえば半導体ウェーハ）においても、その位置が異なる場合には、同じ撮像条件でも結果として撮像される像質が異なる場合がある。
【００６３】
また、同じ装置であっても、そこで照射される電子線量等は常に一定とは限らない。同じ装置であっても時間の経過とともに装置コンディションが変化し、同じ条件を適用して像観察を行っても、必ずしも期待するような同じ状態の像が取得できるとは限らない。また、装置が異なる場合も同様である。電子線走査装置において、像観察のための電子線の照射条件は装置毎に異なるが、さらに時間の経過に伴い装置条件、観察条件が変化するため、定期的に最適条件に調整する必要がある。
【００６４】
また、プリドーズを行うことで多量の電子ビームを資料に照射することになるため、同一ウェーハにて複数個所を連続照射し続けることで、ウェーハそのもののコンディションが変化することも想定される。
【００６５】
そのほか、プリドーズを過剰に行うことで、静電破壊という現象を引き起こし、試料に対して致命的なダメージを与える場合がある。特にこの静電破壊の現象はウェーハに不可逆なダメージを与えるので、回避しなければならない。
【００６６】
特に量産工程等での自動計測での運用を想定した場合、前述のような問題を克服し、常に最適の条件でプリドーズを実行し、最適画像を取得できることが望ましい。
【００６７】
そこで本実施例では、実際の測定の際のプリドーズ実行時に、プリドーズ実行条件を導き出す例について説明する。図１０は、パターン測定のためのプリドーズ過程で、プリドーズ用ビームの停止タイミングを求める工程を示すフローチャートである。まず、半導体ウェーハ上の測定対象となるパターンに、ビームの照射位置が位置付けられるように、試料ステージや偏向器を制御する（ステップ１００１）。次に、測定対象となるパターンにプリドーズ用のビームを走査し、第１の画像を取得する（ステップ１００２、１００３）。第１の画像の取得後、プリドーズがある程度進行したときの第２の画像を取得する（ステップ１００４）。ここで、第１の画像と第２の画像について、例えばホール中心の輝度の高い部分の大きさや輝度を算出し、その差分（変化量）を算出する（ステップ１００５）。単位時間当たりの差分が所定値より大きいときは、プリドーズによる帯電形成が進行している過程であるため、先の第２の画像を第１の画像として更新する（ステップ１００４）と共に、新たな第２の画像を取得する（ステップ１００５）。
【００６８】
先に説明したように、プリドーズの実行過程では、プリドーズ開始後、時間の経過と共に、高輝度部分が画像上にて拡がってゆく。そして、ある程度までプリドーズが進行すると、高輝度部分の拡大が収束するため、拡大の程度を評価することによって、プリドーズの進行状況の把握が可能となる。静電破壊に至るまでのプリドーズの進行状況が把握できるため、静電破壊の可能性を抑制しつつ、二次電子の高効率検出のための大きな帯電を試料に付着させることが可能となる。
【００６９】
また、単に輝度の絶対値を閾値判断する場合と異なり、プリドーズ実行過程の輝度や高輝度範囲の面積の変化を、評価対象とすることによって、例えばホールの出来栄え等によらず、適正なプリドーズ停止条件を導き出すことができる。換言すれば、単なる輝度等の絶対値ではなく、時間の経過前後の相対値で帯電の進行を評価しているので、パターンの出来栄えによらず、誤差の少ない停止処理判断を行うことが可能となる。
【００７０】
図１１は、ビーム照射時のビーム条件（Ｂｅａｍ  ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）を設定するＧＵＩ画面の一例を示す図である。図１１に例示するようなＧＵＩ画面は、例えば入力装置９０９の表示画面に表示され、ＧＵＩ画面を用いた設定により、光学条件設定部９０５によるビーム条件設定や、信号演算部９０７によるプリドーズ停止のためのタイミング判断が行われる。図１１に例示するＧＵＩ画面上には、加速電圧（Ｖａｃｃ）設定ウィンドウ１１０１、視野（ＦＩＥＬＤ  Ｏｆ  Ｖｉｅｗ：ＦＯＶ）サイズ設定ウィンドウ１１０２、ビーム電流（Ｐｒｏｂｅ  ｃｕｒｒｅｎｔ）設定ウィンドウ、及び積算フレーム数設定ウィンドウ１１０４が設けられている。これらの設定ウィンドウは、測定時のビームの条件を設定するウィンドウである。
【００７１】
上述の設定ウィンドウは、測定時に用いられるビームの設定ウィンドウであるが、積算フレーム数設定ウィンドウ１１０４より下のウィンドウは、プリドーズ条件を設定するウィンドウとなる。プリドーズ選択ウィンドウ１１０５ではプリドーズの有無を選択する。ここでＯＮを選択すると、ウィンドウ１１０１〜１１０４にて設定した条件のビーム照射の前に、試料表面を帯電させるためのビーム条件でビーム走査を実行する。
【００７２】
加速電圧設定ウィンドウ１１０６、ビーム電流設定ウィンドウ１１０７、及びプリドーズ用視野サイズ設定ウィンドウ１１０８はそれぞれ、プリドーズの際のビーム条件を設定するウィンドウである。これらのウィンドウでは、測定時のビームと比較して、相対的に試料を帯電させるビーム条件が選択される。例えば、加速電圧設定ウィンドウ１１０６では、加速電圧設定ウィンドウ１１０１にて設定される加速電圧と比較して、相対的に二次電子放出効率が高い加速電圧が選択される。加速電圧に対する二次電子放出効率は、試料の種類に応じて変化するため、予めメモリ９０４に設定しておき、試料の種類の選択ウィンドウ（図示せず）への試料種類の選択に応じて自動的に読み出すようにしても良い。
【００７３】
プリドーズ時間設定ウィンドウ１１０９では、プリドーズ用ビーム照射時間が設定される。このウィンドウに対する設定に基づいて、プリドーズ時のビーム照射時間が設定される。なお、積算フレーム数を設定するウィンドウに替えるようにしても良い。プリドーズ時間が長い程、帯電が累積的に蓄積することになるため、過剰な帯電が付着しないように、且つホール底からの二次電子の引き上げ効率を極力高めるように、照射時間を設定することが望ましい。
【００７４】
一方、プリドーズの照射時間は、静電破壊の抑制と、ホール底部からの二次電子引き上げ効率の両方の観点から調整する必要がある。例えば、静電破壊が起こる直前の帯電状態が、二次電子引き上げ効率の観点から見れば最高の状態にある。しかしながら、時間設定のみでこのような状態に設定することは困難である。
【００７５】
そこで、図１１に例示するＧＵＩ画面には、プリドーズ時に得られた画像を用いてプリドーズの停止タイミングを設定するプリドーズの動的判断要否設定ウィンドウ１１１０が設けられている。このウィンドウではオンオフの切り替えが可能であり、オンにするとプリドーズ時間設定ウィンドウ１１１０への入力の禁止、或いは設定が解除され、画像解析による動的判断に基づいてプリドーズの停止タイミングが設定される。
【００７６】
スクロールバー１１１１では、ポインタ１１１２による調整によって、静電破壊が起きない範囲でプリドーズの強弱の調整が可能となっている。具体的には、図２（４）に例示したよう中心ノイズが発生したとき、或いは発生後、所定の挙動を見せたとき（静電破壊前）に、プリドーズを停止させる処理を、スクロールバー１１１１の最大値にポインタ１１１２を位置付けたときに実行するようにすると共に、それ以上の設定を禁止するようにすることによって、静電破壊を発生させない範囲の中で任意のプリドーズ条件を設定することが可能となる。
【００７７】
また、図２（１）〜（４）の時系列で画像に現れる画像の特徴は、帯電の大きさに応じて発生するものであるため、スクロールバー１１１１におけるプリドーズ強度の設定に応じて、図２（１）〜（４）のような画像の特徴の抽出に基づくプリドーズ停止処理を行うことによって、静電破壊前の任意のプリドーズ条件を選択することが可能となる。
【符号の説明】
【００７８】
８０１  電子源
８０２  引出電極
８０３  電子ビーム
８０４  コンデンサレンズ
８０５  走査偏向器
８０６  対物レンズ
８０７  試料室
８０８  試料ステージ
８０９  試料
８１０  電子
８１１  二次電子
８１２  変換電極
８１３  検出器
８１４  真空バルブ
８１５  予備排気室
８１６  真空バルブ
８１７  ミニエン
８２０  制御装置
【図１】
2015056330.tif 000003
【図２】
2015056330.tif 000004
【図３】
2015056330.tif 000005
【図４】
2015056330.tif 000006
【図５】
2015056330.tif 000007
【図６】
2015056330.tif 000008
【図７】
2015056330.tif 000009
【図８】
2015056330.tif 000010
【図９】
2015056330.tif 000011
【図１０】
2015056330.tif 000012
【図１１】
2015056330.tif 000013