(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームを走査する走査偏向器と、試料に対する前記荷電粒子ビームの走査に基づいて得られる荷電粒子を検出する検出器と、当該検出器の出力に基づいて信号波形を生成し、当該信号波形を用いて前記試料上に形成されたパターン寸法を演算する演算装置を備えた荷電粒子線装置において、
前記演算装置は、少なくとも第１の到達エネルギーの前記荷電粒子ビームの走査によって得られる第１の測定結果と、第２の到達エネルギーの前記荷電粒子ビームの走査によって得られる第２の測定結果から、前記試料上に形成されたパターンに関する指標値を算出し、
前記第１の測定結果と第２の測定結果は、パターンに関する寸法値であって、
前記演算装置は、外挿によって第１の到達エネルギーと第２の到達エネルギー以外の第３の到達エネルギーでのエッジの寸法値を算出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、
前記第３の到達エネルギーは、ゼロであることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項３】
請求項１において、
前記第１の測定結果と第２の測定結果は、前記信号波形のピークの幅に基づいて求められることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記第１の測定結果と第２の測定結果は、前記パターンのテーパに関する寸法値であ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、
前記演算装置は、異なる到達エネルギーで走査した際のパターンのボトム端の位置の変化からパターンのテーパの角度を推定することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項６】
請求項１において、
前記演算装置は、前記第１の測定結果と第２の測定結果の外挿に基づいて求めた前記パターンのテーパ距離およびラウンド領域を３次元構造として表示することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項７】
請求項６において、
前記演算装置は、画像に含まれるパターンのテーパ量およびラウンド量を、表示装置にマップ状に表示させることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項８】
請求項６において、
前記演算装置は、パターンのボトムの信号量からパターンの高さ情報を推測し、パターンのテーパ、ラウンド形状と組み合わせて３次元構造を推測、表示することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項９】
請求項１において、
前記演算装置は、前記指標値に基づいて、前記パターン、或いは当該パターンのエッジの種類を識別することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１０】
荷電粒子源と、当該荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームを試料に走査する偏向器と、前記試料に対する荷電粒子ビームの走査によって試料から放出された電子を検出する検出器と、前記検出器で得られた信号を記憶する画像メモリと、前記偏向器を制御する制御装置を備えた荷電粒子線装置において、
荷電粒子ビームの照射に基づいて、試料上に形成されたパターン寸法を測定する演算装置を備え、当該演算装置は、第１の到達エネルギーの荷電粒子ビームの照射に基づいて得られる第１の信号波形のピークとボトムとの間の第１の距離と、前記第１の到達エネルギーとは異なる第２の到達エネルギーの荷電粒子ビームの照射に基づいて得られる第２の信号波形のピークとボトムとの間の第２の距離を求め、当該第１の距離と第２の距離の外挿に基づいて、前記第１と第２の到達エネルギーとは異なる到達エネルギーでの前記ピークとボトム間の距離を求めることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１１】
荷電粒子線装置によって得られる検出信号に基づいて信号波形を生成し、当該信号波形を用いて試料上に形成されたパターン寸法を演算する演算装置を備えたパターン測定装置において、
前記演算装置は、少なくとも第１の到達エネルギーの荷電粒子ビームの走査によって得られる第１の測定結果と、第２の到達エネルギーの前記荷電粒子ビームの走査によって得られる第２の測定結果から、前記試料上に形成されたパターンに関する指標値を算出し、
前記第１の測定結果と第２の測定結果は、パターンに関する寸法値であって、
前記演算装置は、外挿によって第１の到達エネルギーと第２の到達エネルギー以外の第３の到達エネルギーでのエッジの寸法値を算出することを特徴とするパターン測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷電粒子線装置及びパターン測定装置に係り、特に異なる条件のビームの走査によって得られた複数の信号に基づいて、パターン測定用を実行する荷電粒子線装置及びパターン測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体パターンの微細化および３次元構造化に伴い、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）には、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。
【０００３】
パターンの形状を正確に把握するために、パターンの３次元形状を計測する手法が知られている。特許文献１には、観察場所で２次電子像および後方散乱電子像をそれぞれ取得し、基準パターンで取得した２次電子像、後方散乱電子像とのマッチングを行うことで、テーパ傾きを推定する方法が開示されている。また特許文献２では、深さ方向の情報を得るために、エネルギー毎、放出角度毎に２次電子を検出し、深さ方向の構造を推定する方法が開示されている。また、特許文献３では、深穴、深溝資料に対して、加速電圧を変更した際のボトムの輝度変化からパターンの深さを推定する方法が開示されている。また、ＳＥＭを用いて断面形状を推定する方法に、ＭＢＬ（Ｍｏｄｅｌ-Ｂａｓｅｄ Ｌｉｂｒａｒｙ）法がある。ＭＢＬ法では、試料に１次電子ビームを走査して得られる２次電子検出信号強度分布と、あらかじめ様々な断面形状に対して計算により求めた２次電子信号強度分布との比較により、立体構造の断面形状を推定する。ＭＢＬについては、例えば特許文献４に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２７２２１９号公報
【特許文献２】特開２０１３−２１９０３１号公報（対応米国特許ＵＳＰ８，５８６，９２１）
【特許文献３】特開２０１５−１０６５３０号公報
【特許文献４】特開２００７−２２７６１８号公報（対応米国特許ＵＳＰ８，３５６，２６０）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一方、パターンの微細化により、３次元形状の正確な把握、パターン部位の正確な特定、パターンの高精度測定等を行うことが困難になりつつある。微細化により仮に形状差のあるパターンであっても、その差異がＳＥＭ画像上で認識しにくくなりつつある。また、帯電の影響等によって、本来の測定基準とは異なる位置を測定対象としてしまう可能性もある。特許文献１に開示の手法によれば、おおよそのテーパの傾きを推定することができるが、電子ビームを照射したときに試料に付着する帯電の影響によって、高精度な推定ができない場合がある。これは、試料に電子ビームを照射することによって得られる信号波形等を取得する特許文献２、３、４も同様である。
【０００６】
以下に帯電の影響等によらず、高精度なパターン測定やパターン識別等を行うことを目的とする荷電粒子線装置、及びパターン測定装置を提案する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するための一態様として、以下に荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームを走査する走査偏向器と、試料に対する前記荷電粒子ビームの走査に基づいて得られる荷電粒子を検出する検出器と、当該検出器の出力に基づいて信号波形を生成し、当該信号波形を用いて前記試料上に形成されたパターン寸法を演算する演算装置を備えた荷電粒子線装置であって、前記演算装置は、少なくとも第１の到達エネルギーの前記荷電粒子ビームの走査によって得られる第１の測定結果と、第２の到達エネルギーの前記荷電粒子ビームの走査によって得られる第２の測定結果から、前記試料上に形成されたパターンに関する指標値を算出する荷電粒子線装置を提案する。
【０００８】
上記第１の測定結果と第２の測定結果は、パターンに関する寸法値であって、外挿によって第１の到達エネルギーと第２の到達エネルギー以外の第３の到達エネルギーのときのエッジの寸法値を算出する。この第３の到達エネルギーは例えばゼロとする。
【０００９】
更に、上記目的を達成するための他の態様として、荷電粒子線装置によって得られる検出信号に基づいて信号波形を生成し、当該信号波形を用いて前記試料上に形成されたパターン寸法を演算する演算装置を備えたパターン測定装置であって、前記演算装置は、少なくとも第１の到達エネルギーの前記荷電粒子ビームの走査によって得られる第１の測定結果と、第２の到達エネルギーの前記荷電粒子ビームの走査によって得られる第２の測定結果から、前記試料上に形成されたパターンに関する指標値を算出するパターン測定装置を提案する。
【発明の効果】
【００１０】
上記構成によれば、帯電の影響等によらず、高精度なパターン測定やパターン識別等を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】走査電子顕微鏡の概要を示す図。
【図２】形状の異なるラインパターンを走査した際の後方散乱電子の信号波形を示す図。
【図３】ラインパターンから放出される後方散乱電子の角度（仰角）分布を示す図。
【図４】加速電圧を変えた際の後方散乱電子の信号波形を示す図。
【図５】３次元構造の特徴量を抽出するフローを示す図。
【図６】テーパ形状パターンの後方散乱電子の信号波形と外挿によるテーパ幅の導出を示す図。
【図７】ラウンド形状パターンの後方散乱電子の信号波形と輝度の傾きを示す図。
【図８】ラインパターンのテーパおよびラウンド位置抽出処理および3次元構造構築フローを示す図。
【図９】逆テーパを持つラインパターンを走査した際の後方散乱電子の信号波形の一例を示す図。
【図１０】走査電子顕微鏡を含む半導体計測システムの一例を示す図。
【図１１】ＳＥＭの動作条件を設定するためのＧＵＩ（Ｇｒａｐｈｉｃａｌ  Ｕｓｅｒ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）画面の一例を示す図。
【図１２】ＳＡＤＰによって生成されたパターンの一例を示す図。
【図１３】到達エネルギーを変えて得られた複数の測定値に基づいて、パターンに関する指標値を求める例を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
半導体デバイスの更なる高集積化が求められる中、半導体デバイスの立体構造化の要求が高まりつつある。そして３次元構造を持つデバイスでは、ラインのテーパ角や角部形状等、デバイス特性に影響する箇所が増加し、従来とは異なる寸法管理（３次元形状管理）のニーズが出てきている。
【００１３】
走査電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）は、試料から放出された電子等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、例えばピーク（パターンエッジ）間の寸法を測定する。
【００１４】
試料から放出される電子の中で、エネルギーの低い２次電子は試料の帯電の影響を受け易い。近年のパターンの微細化やｌｏｗ−ｋなどの低誘電率材料の使用によって、帯電の影響が顕在化している。例えば測定対象パターンの周囲に誘電体がある場合には、電子ビームの走査によって帯電が発生し、信号波形形状を変化させてしまうことがある。即ち、帯電を原因とする信号波形の変形によって、高精度な測定が困難となる場合がある。また、低エネルギーの電子ビームは、試料帯電によってその軌道が偏向され、所望の位置にビームを到達させることが困難となる場合がある。
【００１５】
以上のように試料帯電によってもたらされる影響によって、高精度な測定や信号波形を用いたパターン識別、或いは参照情報との照合等が困難となることがある。以下に説明する実施例では、主に試料に対する電子ビーム（荷電粒子ビーム）の到達エネルギーの異なる複数の情報を用いて、高精度なパターン測定やパターン識別等を行い得る荷電粒子線装置、或いはパターン測定装置を説明する。
【００１６】
具体的には、例えば荷電粒子源と、当該荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームを試料に走査する偏向器と、前記試料に対する荷電粒子ビームの走査によって放出される低角（水平方向）の後方散乱電子を２次電子と分離して検出する検出器と、前記試料に対する荷電粒子ビームの走査によって得られる信号を記憶する画像メモリと、荷電粒子ビームの照射に基づいて、試料上に形成されたパターン寸法を測定する演算装置を備えたパターン測定装置であって、前記演算装置は、第１の到達エネルギーの荷電粒子ビームの照射に基づいて得られる第１の信号波形のピークとボトムとの間の第１の距離と、前記第１の到達エネルギーとは異なる第２の到達エネルギーの荷電粒子ビームの照射に基づいて得られる第２の信号波形のピークとボトムとの間の第２の距離を求め、当該第１の距離と第２の距離の外挿に基づいて、前記第１と第２の到達エネルギーとは異なる到達エネルギーでの前記ピークとボトム間の距離を求めることを特徴とする荷電粒子線装置を説明する。このような構成によれば、後方散乱電子を用いて、帯電の影響を抑制しつつ、パターンの３次元構造推定を行うことが可能となる。
【００１７】
以下に説明する実施例では主に、後方散乱電子や高加速の２次電子を用いて、パターンの３次元構造を推定する荷電粒子線装置について説明する。なお、後方散乱電子や高加速の２次電子は、エネルギーフィルタや、試料から放出された電子を偏向させたときに生じる軌道差を利用した弁別検出によって検出することができる。また、後方散乱電子や高加速の２次電子を、２次電子変換電極に衝突させ、２次電子に変換してから検出するようにしても良い。
【００１８】
以下に説明する実施例では例えば、荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームを収束する対物レンズと、当該荷電粒子ビームの走査位置を変更する偏向器と、前記走査偏向器の制御を行う制御装置と、試料を搭載するための試料ステージと、前記試料から放出される荷電粒子のうち、２次電子と後方散乱電子とを分離して、後方散乱電子のみを検出する検出器とを備えた荷電粒子線装置であって、２つ以上の加速条件から得たＳＥＭ画像を元に、テーパ、パターンのラウンド距離の変化を元に、加速＝０Ｖのテーパ、ラウンド幅を推定する荷電粒子線装置を説明する。
【００１９】
図１に荷電粒子線装置の一種である走査型電子顕微鏡の概略図を示す。電子銃１で発生した電子線２（電子ビーム）をコンデンサレンズ３で収束させ、最後に対物レンズ５で試料６上に収束させる。偏向器４（走査偏向器）で電子線２を試料の電子線走査領域の上を走査（以後、スキャンとも呼ぶ）させる。１次電子を２次元的に走査し、照射によって試料内で励起され、試料から放出される２次電子および後方散乱電子７を検出器８で検出し、電子の信号を画像に変換することで、試料の観測・計測を行う。また、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、電子顕微鏡の各光学素子の制御を行う。また、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おり、制御装置は当該負電圧印加電源を制御することによって、電子ビームの試料への到達エネルギーをコントロールする。また、以下の説明では、試料への印加電圧を制御することによって、電子ビームの到達エネルギーを制御する例について説明するが、これに限られることはなく、電子ビーム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、電子ビームの試料への到達エネルギーをコントロールするようにしても良い。また、図１に例示するＳＥＭ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。
【００２０】
更に、図１に例示する走査電子顕微鏡には、図示しない演算装置が備えられている。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、パターンの寸法測定を実行する。より具体的には、画素毎に記憶された輝度情報に基づいて、プロファイル波形を形成し、当該プロファイル波形の１のピークと他のピーク、或いは１のピークと当該ピークの開始点との間の間隔情報に基づいて、パターンの寸法測定を実行する。
【００２１】
試料が誘電体である場合、ＳＥＭ観察中の走査領域（ＦＯＶ）内には２次元の帯電分布が形成される。ＳＥＭで主に検出している電子は、放出量が多く、エネルギーの小さい（〜数ｅＶ）２次電子であるため、表面に形成されるわずかな帯電の影響を受け易い。このため、帯電する試料のＳＥＭ観察では、照射時にどのような帯電分布が形成されているかによって得られる画像が変化する。表面の帯電分布を決定するパラメータとして、２次電子の放出量を左右する１次電子のエネルギー、電流量、電子線の走査順序および走査速度などがある他、装置側が同じ条件であっても材料特性や形状の差によって帯電が変化する。
【００２２】
このため、帯電の影響を受け難い高エネルギーの放出電子に基づいて生成される電子像から元の形状を推定することが有効と考える。試料から放出される高エネルギー電子は、１次電子が試料内を散乱してそのまま放出される後方散乱電子であるが、2次電子に対して広い範囲を散乱した電子であるため、空間分解能が低いという課題があった。一方で、後方散乱電子であってもパターンに対して斜めに入射した際には、特定の角度の電子には形状に対する感度がある。例えば、図２は様々なラインパターン４種類に対して１次電子を照射した際の後方散乱電子のプロファイルを、シミュレーションで求めた結果である。パターンの角部（以降、エッジ）では、プロファイルの形状が異なり、形状の判定が可能なことが分かる。このとき、各場所から放出される電子の角度（仰角）分布を図３に示す。垂直方向を０度とし、光軸に対する角度の分布をプロットした結果、形状の差に寄与する電子は、５０度以上の仰角を持つ水平方向に放出される電子であることがわかる。これらの電子を検出することで、形状の差を判別することが可能である。テーパの場合には、ピーク位置のずれがテーパの有無を表しており、ラウンドの場合には、ピークの広がりがラウンドの程度を表している。以上より後方散乱電子においても、検出電子によっては形状感度があり、大まかな形状の判定が可能である。その一方で、後方散乱電子は、2次電子に比べて試料内の散乱範囲が広く、プロファイルのピーク位置がパターンのエッジ位置とはならないため、１枚の画像のプロファイルからパターン構造を推定することは困難である。
【００２３】
このため、本実施例では、複数の加速条件で取得した後方散乱電子像から真のエッジ位置を推定6する方法を提案する。図４に同じパターンに対して、加速電圧（１次電子の試料への到達エネルギー）を変えた際のプロファイルを示す。加速電圧の変更によって、プロファイルのピーク位置が変化する。ピーク位置は、パターン内部で１次電子が散乱する大きさによって決まるため、加速が大きくなる（散乱範囲が広くなる）ほど、ピーク位置はパターンの内側に移動する。このことから、散乱範囲が最小となる状態（到達エネルギー≒０Ｖ）でのピーク位置が実際のパターンのエッジ位置と推測できる。以上のことから、２つ以上の加速電圧のボトム−ピーク間距離の外挿からテーパ距離を推測し、エッジ位置を求める。到達エネルギーが０Ｖの状態とは、電子ビームが試料に到達した際に、試料内での散乱が全く無い状態である。即ち、電子ビームの照射位置が散乱範囲になるため、この状態のもと、取得された測定値は、電子線の散乱の影響がない状態で取得されたものと見做すことができる。本来、低エネルギー電子（≒０Ｖ）の照射では試料の帯電の影響を受けるが、高エネルギー電子の測定結果の外挿から寸法値を推測することで、帯電の影響を排除できる。本実施例に例示するような手法によれば、電子ビームを照射して得られた検出信号に基づいて、電子ビーム照射の影響のない情報を取得することが可能となる。
【００２４】
図５に本実施例により、特徴量を抽出するフローを示す。第一に、後方散乱電子像を取得する加速条件の設定を行う。この際、設定する加速条件は少なくとも２つ以上とする。また、検出器前段に電子のエネルギーで検出電子を弁別するエネルギーフィルタが備えられている場合には、検出する電子のエネルギーをエネルギーフィルタで設定する。次に、設定した条件に基づき画像を取得する。ここではレシピ等と組み合わせることにより、設定した条件で画像を自動で取得できる。画像を取得した条件数が設定条件と一致すれば、次の工程に進み、未取得の条件がある際には、加速電圧を変更し、再度画像取得を行う。得られた後方散乱電子像から、テーパ、ラウンド位置の抽出を行う。ここで実施する処理については、後述する。求めた加速毎のテーパ、ラウンド幅の値から、外挿を行い、加速０Ｖのテーパ幅を推測（演算）する。この際、外挿は１次式、もしくは多項式等でフィッティングを行うことが可能であり、操作者が最適な関数を選択する。得られた加速０Ｖのテーパ幅、ラウンド形状を用いて、３次元構造を構築する。深さ方向の情報については、ボトムの明るさから推測してもよい。推測された構造は、操作者が必要に応じて、ＧＵＩ上に形状を表示することも可能である。
【００２５】
テーパおよびラウンド位置の抽出処理について、以下図面を用いて説明する。図６はテーパ形状の後方散乱電子のプロファイルを示したものである。テーパに関しては、ボトムとピーク位置の距離（ｄｔ）を各加速のテーパ幅と定義し、加速（到達エネルギー）毎に値を求め、外挿法を用いて加速０Ｖのテーパ幅を求める（図６（ｂ））。
【００２６】
一方、ラウンド形状に関しては、最初に現れるピークがテーパ、ラウンドいずれを反映した結果であるかの切り分けが困難である。このため、輝度の傾き（微分値）を元にテーパとラウンドの切り分けを実施する。図７は、（ａ）ラウンド形状（テーパは無し）のプロファイルと、（ｂ）輝度の微分波形を示したものである。（ｂ）微分波形は、比較のためにストレート形状（図２（ａ）に例示するようなエッジが垂直に切り立ったパターン）の結果も示した。
【００２７】
図７（ｂ）に例示するストレート形状の波形は微分波形であるため、輝度信号波形のピークトップに対応する微分波形の波形値はゼロとなり、その左右で正負が反転する。一方、ラウンド形状の微分波形は、ストレート形状の微分波形がゼロに至る点（Ｘ軸方向の位置）（Ｒ１）で傾きに変化が現れる。この位置をテーパ位置と定義し、ボトムとの距離（ｄｔ）を加速毎に求める。
【００２８】
図７（ｂ）の結果は、いずれもテーパ無し（テーパ幅ゼロ）の形状であるため、ストレート形状と同じ位置がＲ１（ラウンド形状開始点）として導出される。一方、ラウンド幅については、Ｒ１から、ピーク位置Ｒ２の距離（ｄｒ）を加速毎に求める。以上のように、ラウンド形状の予測の際には、まずテーパ位置Ｒ１を推定し、その後ラウンド幅を求める。ｄｔ、ｄｒについても加速に対する値の変化から加速０Ｖの値を外挿により導出する。
【００２９】
図８にテーパおよびラウンド位置の抽出処理および３次元構造構築フローを示す。パターンのプロファイルからピークの数およびピークの幅でラウンドの有無を判定する。ラウンド形状がある場合には、図２に示すプロファイルの様に片側エッジのピークが分離したり、あるいはピーク幅が増加する。そこで、１のエッジ位置にピークが１より多く存在するか否か、及びピーク幅が所定の閾値を超えるか否かを判定し、プロファイルにこの特徴がない場合には、ラウンドは無しとしてテーパ幅の判定に進む。判定の際の閾値として、ラウンド形状とピーク幅等は予めシミュレーション等で形状とピークの関係を把握しておき、管理ニーズに応じた最適な値を設定することが望ましい。
【００３０】
テーパ幅の判定工程では、図６に例示した処理によってテーパ幅を導出する。ラウンド有りと判定された場合には、プロファイルからテーパ点Ｒ１を定義し、加速毎にｄｔ、ｄｒそれぞれの値を導出し、加速０Ｖの値を求める。上記で得られた形状は水平方向の形状を反映したものであり、３次元構造を予測するには、深さ方向に関する情報が必要である。深さ情報の予測については、パターンのボトムの輝度から深さを導出する方法があり、この方法を活用して深さ情報を求めても良い。より具体的には、一般的に深孔等の底から放出された電子は、孔の深さが深い程、試料表面に脱出することが困難となり、孔が深い程、浅い場合と比較して、底部の輝度が低下する。よって、底部の輝度と深さ情報との関係を記憶するデータベース、或いは関係式を予め用意しておき、実際に得られた底部の輝度を参照することによって、深さ情報を求めることが考えられる。
【００３１】
また、逆テーパ構造のパターン対して、本フローを適用した場合について、以下図面を用いて説明する。図９に逆テーパ構造をもつパターンと後方散乱電子のプロファイルを示す。上記で説明してきた順テーパとの違いは、加速電圧の増加によりボトム位置が変化する点である。これは、加速電圧の増加によって、試料内を貫通する電子が増え、高加速ほど、実際のボトム位置を反映するようになるためである。パターンのボトム間の距離を求め、加速電圧増加でこの距離が短くなるようであれば、逆テーパのパターンと判定することができる。ボトム位置の変化は、加速を増加していくと、全電子がパターンを貫通した段階で収束し、この時の値が真のボトム位置となる。一方、パターン表面のエッジ位置については、順テーパと同様に加速によって変化するピーク位置から加速０Ｖの位置を求めれば良い。
【００３２】
次に、逆テーパ構造か否かの判定ではなく、到達エネルギーを変えることによって得られる情報に基づいて、パターンの種類を識別、或いは複数のエッジから測定対象となるエッジを抽出して測定を実行する処理工程を説明する。図１２はＳＡＤＰ（Ｓｅｌｆ  Ａｌｉｇｎｅｄ  Ｄｏｕｂｌｅ  Ｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ）法によって形成されたパターンの断面図、及び電子顕微鏡画像の一例を示す図である。ＳＡＤＰ法によれば、図１２に例示するように、左右のエッジの形状が異なるパターン１２０４が交互に向きを変えて配列されるパターン群が生成される。急峻に切り立ったエッジ１２０５（エッジＡ）に挟まれたスペースはコアギャップ１２０２と呼ばれ、なだらかな傾斜面からなるエッジ１２０６（エッジＢ）に挟まれたスペースはスペーサギャップ１２０３と呼ばれる。コアギャップ１２０２とスペーサギャップ１２０３は、それぞれ異なる製造工程によって形成されるため、半導体プロセスの工程管理を正確に行うためには、両者を識別し、評価したい製造工程によって生成されたギャップ、或いはそのギャップに隣接するエッジを特定する必要がある。しかしながら、図１２の下図に例示するように、コアギャップとスペーサギャップは電子顕微鏡画像１２０１上では同じように見えることがあり、識別が難しい場合がある。また、エッジ形状の違いが信号波形形状の違いとなって現れることもあるため、エッジに対応する波形のピーク形状を評価することによって、コアギャップとスペーサギャップを識別することが考えられるが、パターンの微細化に伴い、この違いも微差になりつつあり、例えば帯電の影響等によって判断を誤ってしまう可能性もある。
【００３３】
本実施例でこのような状況に鑑み、到達エネルギーの変化前後の信号波形を生成し、エッジの特徴量（例えばテーパ幅）の差分値等を求めることによって、適正なパターンの識別、或いは測定対象となるエッジの特定を実行する。図１３は、エッジ１２０５とエッジ１２０６のそれぞれのピーク幅を、異なる到達エネルギーのビームの照射に基づいて、同じエッジを２回測定した例を示す図である。電子ビームの到達エネルギーがＶ１のときにエッジ１２０５とエッジ１２０６のピーク幅を測定した結果が、それぞれｄＡ１、ｄＢ１であり、電子ビームの到達エネルギーがＶ２のときにエッジ１２０５とエッジ１２０６のピーク幅を測定した結果が、それぞれｄＡ２、ｄＢ２となる。
【００３４】
このようにして得られたｄＡ１とｄＡ２を用いた外挿に基づいて、到達エネルギーがゼロのときのエッジ１２０５のピーク幅を求め、ｄＢ１とｄＢ２を用いた外挿に基づいて、到達エネルギーがゼロのときのエッジ１２０６のピーク幅を求め、その比較に基づいて、エッジの種類を判定する。コアギャップ１２０２に面して形成されているエッジのピーク幅の方が、スペーサギャップ１２０３に面して形成されているエッジのピーク幅より狭いと考えられるため、この比較によって、コアギャップ側に形成されるエッジとスペーサギャップ側に形成されるエッジを特定することが可能となる。例えば、コアギャップの幅を測定する場合には、上記特定に基づいて測定を実行することによって、所望の測定対象を正確に特定した上で、測定を実行することが可能となる。なお、コアギャップ側に形成されるエッジと、スペーサギャップ側に形成されるエッジは、２つずつ交互に現れるため、それぞれの種類ごとに加算平均を行うことによって、ノイズ等の影響を抑制しつつ、エッジやパターンの識別を行うことが可能となる。
【００３５】
なお、上述の例では外挿を行うことによって、理論的に帯電の影響のないピーク幅を求めた上でエッジやパターンの判定を行う例について説明したが、例えば、２以上の到達エネルギーにて得られたピーク幅の差分（ΔｄＡ、ΔｄＢ１）や、２つのピーク幅の測定結果に基づいて求められる関数の傾き（（ΔｄＡ／（Ｖ２−Ｖ１）、（ΔｄＢ／（Ｖ２−Ｖ１））に所定の関係がある場合には、その関係を利用してエッジ等の識別を行うことができる。例えば、スペーサギャップのΔｄの方が、コアギャップのΔｄより大きいことが事前に判っているときには、ピーク幅の差分が大きい方をスペーサギャップに面するエッジ、或いは当該エッジに包囲されている領域をスペーサギャップと判断するアルゴリズムを用意しておくことによって、得られた電子顕微鏡画像を用いたパターンの自動識別や自動測定を行うことが可能となる。
【００３６】
上記実施例によれば、画像上では僅かな違いであっても、到達エネルギーを変化させ、その差を顕在化することによって、正確なパターンやエッジの識別、及び正確な測定対象の同定に基づく、高精度測定を行うことが可能となる。１枚のＳＥＭ画像上では微差であっても、到達エネルギーを変化させることによって、その差を明確にすることができるため、見分けづらいパターンの識別や、特定が困難な測定対象エッジの特定を容易にすることが可能となる。
【００３７】
上記本実施例では、電子ビームの到達エネルギーを変化させたときに得られる少なくとも２つの測定値から求められる指標値（外挿に基づいて求められる到達エネルギーがゼロのときの測定値、到達エネルギーを２以上に変化させたときの複数の測定値から算出される差分値や傾き等）を用いてパターンやエッジの識別や測定を行っているため、より正確な測定を行うことができる。特に、外挿によって求められる到達エネルギーがゼロの測定値は、理論的には電子線の散乱がない状態で測定された測定結果であり、かつ帯電の影響のない高精度測定を行うことが可能となる。
【００３８】
また、外挿ではなく、内挿によって所望の到達エネルギーのときの測定値を算出するようにしても良い。例えば２次電子放出効率δ（＝試料から放出される電子の量／試料に入射する電子の量）が１．０の到達エネルギーＶｍの電子ビームを走査したときに得られる測定結果ＣＤｍを、到達エネルギーＶｌ（＜Ｖｍ（例えば負帯電する電子ビーム））の電子ビームを走査したときに得られる測定結果ＣＤｌと、到達エネルギーＶｎ（＞Ｖｍ（例えば正帯電する電子ビーム））の電子ビームを走査したときに得られる測定結果ＣＤｎから求めるようにしても良い。２次電子放出効率δが１．０ということは、試料に入射する負電荷と出射する負電荷が同じ状態を示しており、電子ビームの照射によっては帯電が発生しない状態である。このような電子ビームを走査したときに得られる測定結果を、少なくとも２つの異なる到達エネルギーで得られた２以上の測定結果の内挿によって求めることが可能となる。何らかの事情で到達エネルギーがＶｍの電子ビームを用いることができず、Ｖｌ、Ｖｎの電子ビームを用いた測定が可能な場合に、本手法は特に有効である。
【００３９】
更に、上述の例では同じパターンエッジ（同じ視野位置）に対して、異なる到達エネルギーの電子ビームを走査することによって、複数の測定を実行し、その上で外挿や内挿による測定値推定を行う例について説明したが、異なるパターンや位置であっても、組成と構造が同じであれば、視野位置（測定対象エッジ）を変えて測定を行うようにしても良い。
【００４０】
＜設計データとの連携＞
走査電子顕微鏡の制御装置は、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、検出電子の強度分布に基づいて、テーパやラウンドなど特徴点を導出する機能を備えている。図１０に演算処理装置１００３を備えたパターン測定システムの一例を示す。
【００４１】
本システムには、ＳＥＭ本体１００１、当該ＳＥＭ本体の制御装置１００２、及び演算処理装置１００３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１００３には、制御装置１００２に所定の制御信号を供給、及びＳＥＭ本体１００１にて得られた信号の信号処理を実行する演算処理部１００４と、得された画像情報や、レシピ情報を記憶するメモリ１００５が内蔵されている。なお、本実施例では、制御装置１００２と演算処理装置１００２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。
【００４２】
偏向器１００６によるビーム走査によって、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１００７にて捕捉され、制御装置１００２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１００３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。
【００４３】
演算処理部１００４には、入力装置９１３によって入力された測定条件等に基づいて、偏向器１００６の走査条件等の測定条件を設定する測定条件設定部１００８、入力装置１０１３によって入力されたＲＯＩ（Ｒｅｇｉｏｎ  Ｏｆ  Ｉｎｔｅｒｅｓｔ）内のプロファイルを得られた画像データから求める画像特徴量演算部１００９が内蔵されている。また、演算処理部１００４には、入力装置１０１３によって入力された条件によって、設計データ記憶媒体１０１２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設計データ抽出部１０１０が内蔵されている。また、取得された信号波形に基づいて、パターンのテーパ、ラウンド寸法を測定するパターン測定部１０１１が内蔵されている。パターン測定部１０１１では、画像特徴量演算部１００９で求めたＲＯＩのプロファイルに対して、ｄｔ、ｄｒの測定を実施し、外挿によって加速０Ｖのｄｔ、ｄｒを求める。更に演算処理装置１００３とネットワークを経由して接続されている入力装置１０１３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。例えば、画像データや設計データと観察結果であるテーパ、ラウンドの情報を重ねて、マップとして表示することも可能である。
【００４４】
なお、演算処理装置１００３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１００２と演算処理装置１００３を１の演算装置とするようにしても良い。また、入力装置１０１３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。また、入力装置１０１３は、入力された座標情報や、パターンの種類に関する情報を、設計データのレイヤ情報やパターンの識別情報と照合し、必要な情報を設計データ記憶媒体１０１２から読み出す機能も備えている。
【００４５】
設計データ記憶媒体１０１２に記憶される設計データは、ＧＤＳフォーマットやＯＡＳＩＳフォーマットなどで表現されており、所定の形式にて記憶されている。また、設計データは、設計データを表示するソフトウェアがそのフォーマット形式を表示でき、図形データとして取り扱うことができれば、その種類は問わない。また、図形データは、設計データに基づいて形成されるパターンの理想形状を示す線分画像情報に替えて、露光シミュレーションを施すことによって、実パターンに近くなるような変形処理が施された線分画像情報であっても良い。
【００４６】
測定条件設定部１００８では、図５に例示したステップによって、設定された観察条件を設定する。例えば、入力装置１０１３を用いて、設計データ抽出部１０１０によって抽出された測定対象パターン近傍のレイアウトデータに、ＦＯＶの大きさ、ＦＯＶの位置（座標）、ＲＯＩの大きさ、及びＲＯＩの位置を設定することによって、装置の動作条件を自動で設定する。なお、設計データ抽出部１０１０では、入力装置１０１３によって入力された条件によって、設計データ記憶媒体１０１２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ことによって、レイアウトデータ上でのＦＯＶやＲＯＩの設定を可能とする。
【００４７】
図１１は、ＳＥＭの動作条件を設定するためのＧＵＩ画面の一例を示す図である。ＲＯＩの指定は、予め取得した画像（或いはレイアウトデータ）上で行う。ＲＯＩは画像上１１０２の任意の２次元領域をマウス等で指定することによって設定する。特に、図１１に例示するＧＵＩ画面には、複数の加速条件を設定する電圧（Ｖａｃｃ）設定ウィンドウ１１０１が設けられている。図１１の例では、Ｌｏｃａｔｉｏｎ（座標）、Ｐａｔｔｅｒｎ  Ｔｙｐｅ（パターンの種類）、Ｖａｃｃ（ビームの加速電圧）、Ｎｕｍｂｅｒ  ｏｆ  Ｆｒａｍｅｓ（積算フレーム数）、ＦＯＶ（ＦＯＶの大きさ）、Ｐｒｏｂｅ  Ｃｕｒｒｅｎｔ（ビーム電流）、及びＲｏｔａｔｉｏｎ Ａｎｇｌｅ（走査方向）、テーパとラウンドの切り分けを行う際の閾値の設定が可能となっている。
【符号の説明】
【００４８】
１  電子源
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
１００１  ＳＥＭ本体
１００２  制御装置
１００３  演算処理装置
１００４  演算処理部
１００５  メモリ
１００６  偏向器
１００７  検出器
１００８  測定条件設定部
１００９  画像特徴量演算部
１０１０  設計データ抽出部
１０１１  パターン測定部
１０１２  設計データ記憶媒体
１０１３  入力装置
１１０１  観察条件設定ウィンドウ
１１０２  ＲＯＩ指定領域
【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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