(57)【要約】【課題】本発明は、帯電等の存在に依らず、高精度にパターンの高さ計測を行うことを目的とするパターン計測装置、及びコンピュータープログラムの提供を目的とする。【解決手段】上記目的を達成するための一態様として、試料に電子ビームを走査することによって得られる検出信号に基づいて、パターンのエッジから離間した所定の信号強度を有する部位を検出し、当該部位の位置情報に基づいて、パターンの高さを導出するパターン測定装置、及びコンピュータープログラムを提案する。このような構成によれば、帯電等の存在に依らず、高精度にパターンの高さ測定を行うことができる。【選択図】  図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子ビームを試料に走査することによって得られるプロファイル波形に基づいて、パターンの寸法を計測するパターン計測装置において、
前記電子ビームを走査することによって得られるプロファイル波形から、第１の信号強度を有する点と第２の信号強度を有する２点間の距離情報を求め、当該距離情報と予め記憶されている距離情報とパターン高さとの関係を示す演算式を用いて、或いは前記距離情報を、前記距離情報とパターン高さが関連付けて記憶されたデータベースに参照して、前記パターン高さを導出する演算装置を備えたことを特徴とするパターン計測装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記演算装置は、前記演算式、或いは前記データベースを記憶するメモリを備えていることを特徴とするパターン計測装置。
【請求項３】
請求項１において、
前記演算装置は、前記パターンから離間した位置の複数の走査位置から得られる信号の平均値に基づいて、前記信号強度を算出することを特徴とするパターン計測装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記演算装置は、前記平均値を示す位置を、前記第１の信号強度を有する位置とし、当該第１の信号強度を示す位置に対し、前記複数の走査位置から得られる信号の分散を示す値分、信号強度が変化した位置を前記第２の信号強度を示す位置とすることを特徴とするパターン計測装置。
【請求項５】
請求項１において、
前記演算式、或いはデータベースは、試料の種類毎に用意されていることを特徴とするパターン計測装置。
【請求項６】
請求項１において、
前記演算式、或いはデータベースは、電子顕微鏡の光学条件毎に用意されていることを特徴とするパターン計測装置。
【請求項７】
電子源と、当該電子源から放出される電子ビームを走査する偏向器と、試料から放出される電子を検出する検出器と、当該検出器によって検出された電子に基づいてプロファイル波形を形成する演算処理装置を備えたパターン計測装置において、
当該演算装置は、前記試料上のパターンを含む領域に前記電子ビームを走査させるための制御信号を前記走査偏向器に供給する制御部と、
当該走査に基づいて得られるプロファイル波形から前記パターンとは異なる位置であって、第１の信号強度を有する部位の位置情報を求め、当該位置情報とパターン高さとの関係を示す演算式を用いて、或いは前記位置情報を、当該位置情報とパターン高さが関連付けて記憶されたデータベースに参照して、前記パターン高さを導出する演算処理装置とを備えたことを特徴とするパターン計測装置。
【請求項８】
請求項７において、
前記演算処理装置は、前記パターン高さを導出するパターンに対し、前記電子ビームを走査した後に、前記プロファイル波形を形成するための走査を行うよう前記偏向器を制御することを特徴とするパターン計測装置。
【請求項９】
請求項７において、
前記演算処理装置は、前記パターン高さを導出するパターンに対し、選択的に前記電子ビームを走査した後に、前記プロファイル波形を形成するための走査を行うように前記偏向器を制御することを特徴とするパターン計測装置。
【請求項１０】
電子ビームを試料に走査することによって得られるプロファイル波形に基づいて、パターン寸法をコンピューターに計測させるコンピュータープログラムにおいて、
当該プログラムは、前記コンピューターに前記電子ビームを走査することによって得られるプロファイル波形から、第１の信号強度の位置情報を演算させ、当該位置情報と予め記憶されている位置情報とパターン高さとの関係を示す演算式を用いて、或いは前記位置情報を、前記位置情報とパターン高さが関連付けて記憶されたデータベースに参照させて、前記パターン高さを導出させることを特徴とするコンピュータープログラム。
【請求項１１】
請求項１０において、
前記プログラムは、前記コンピューターに前記パターンから離間した位置の複数の走査位置から得られる信号の平均値に基づいて、前記信号強度を算出させることを特徴とするコンピュータープログラム。
【請求項１２】
請求項１１において、
前記プログラムは、前記コンピューターに前記平均値を示す位置を、前記第１の信号強度を有する位置とし、当該第１の信号強度を示す位置に対し、前記複数の走査位置から得られる信号の分散を示す値分、信号強度が変化した位置を前記第２の信号強度を示す位置として、前記パターン高さを導出させることを特徴とするコンピュータープログラム。
【請求項１３】
電子源と、当該電子源から放出される電子ビームを走査する偏向器と、試料から放出される電子を検出する検出器と、当該検出器によって検出された電子に基づいてプロファイル波形を形成する演算処理装置を備えたパターン計測装置において、
前記試料を前記電子ビームを用いて走査したときに得られる前記試料上のパターンから離間した位置の信号を検出することによって、前記パターンの高さを推定することを特徴とするパターン計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
走査電子顕微鏡等を用いたパターンの測定装置、及びパターン測定に用いられるコンピュータープログラムに係り、特にパターンの高さ等を測定するパターンの計測装置、及びコンピュータープログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイス等に形成される微細パターンは、昨今の更なる微細化の要求により、更に微細になり、相対的にパターンのアスペクト比（縦方向の寸法／横方向の寸法）が大きくなりつつある。これまで測長用走査電子顕微鏡（ＣＤ−ＳＥＭ：Critical Dimension-Scanning Electron Microscope）は、主に試料面方向（Ｘ方向、或いはＹ方向）のパターン寸法を測定するために用いられてきたが、高さ方向（Ｚ方向）の寸法測定の要求も高まりつつある。
【０００３】
このような要求に対し、断面像からあらかじめ形状の分かった試料に対して得られる２次元画像をデータベース化することで元の３次元形状を推定する方法がある。
【０００４】
特許文献１では、形状既知の試料に収束電子線を照射し、試料表面から放出された電子を検出したＳＥＭ画像から観察対象試料の３次元形状または断面形状を求める方法が提案されている。特許文献１では、前記形状既知の試料の画像上での幾何学的な変形をもとに収束電子線の入射方向を推定し、この推定した集束電子線の入射方向の情報を用いて元の形状を推測する。
【０００５】
また、特許文献２においては、パターンの立体形状に依存した寸法誤差を排除する計測手法が提案されている。予め所定の画像処理手法にてパターンの断面形状と計測誤差との関係を電子線シミュレーションにより評価しておき、実際の寸法計測時には、走査型電子顕微鏡の画像信号から評価対象パターンの寸法計測を実施し、予め評価しておいたパターンの断面形状と計測誤差との関係に基づき、評価対象パターンの寸法計測誤差を推定する。
【０００６】
また、特許文献３では、電磁波または荷電粒子の照射位置における試料表面の傾斜角を算出することで、断面形状を測定する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−１８３３６９号公報
【特許文献２】特開２００５−１５６４３６号公報
【特許文献３】特開２００５−０６９９５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記の様に、走査電子顕微鏡で試料表面を走査した際に検出される二次電子（Secondary Electron：ＳＥ）から得られるプロファイルと、電子線シミュレーション等から作成したプロファイルと断面形状が関連付けて記憶されたライブラリーとの照合により、試料の断面形状を推定する方法が知られている。
【０００９】
一方、試料表面を電子線で照射した際に、試料に照射した電子数と試料から放出される電子数が異なると試料は帯電する。試料の帯電は、ＳＥの軌道に影響を与え、検出信号に変化が現れる。特許文献１乃至３に説明されているように、ライブラリを参照することによって、パターンの断面形状を予測、或いは測定する装置では、このような帯電状態に応じたライブラリを用意する必要があり、そのデータ量が膨大になる可能性がある。一方、ライブラリに記憶されているデータが不足していると、高精度な三次元計測が望めない。
【００１０】
以下に、帯電等の存在に依らず、高精度にパターンの高さ計測を行うことを目的とするパターン計測装置、及びコンピュータープログラムを提案する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するための一態様として、試料に電子ビームを走査することによって得られる検出信号に基づいて、パターンのエッジから離間した所定の信号強度を有する部位を検出し、当該部位の位置情報に基づいて、パターンの高さを導出するパターン測定装置、及びコンピュータープログラムを提案する。
【発明の効果】
【００１２】
上記一態様によれば、帯電等の存在によらず、高精度にパターンの高さ測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】電子ビームが試料に照射されたときの試料内の電子の散乱状態を示す図。
【図２】試料に電子ビームを走査したときに得られる電子顕微鏡画像（ＳＥ像）を示す図。
【図３】ラインパターンに電子ビームを走査したときに得られるプロファイル波形を示す図。
【図４】電子ビームを走査したときに試料から放出される二次電子の軌道と、プロファイル波形との関係を説明する図。
【図５】プロファイル波形を用いて、エッジから帯電分布までの距離を求める工程を示すフローチャート。
【図６】電子ビームがパターンを透過し、下地に到達することによって、パターン周辺に帯電分布が生じる原理を説明する図。
【図７】異なる高さのラインに対してラインを照射した際に、下地表面に形成される帯電の分布を示す図。
【図８】異なるライン高さの試料への電子ビーム走査に基づいて得られる２次元走査プロファイルを示す図。
【図９】パターンの高さと帯電位置との関係を示すグラフ。
【図１０】パターン高さ計測工程を示すフローチャート。
【図１１】帯電によってコントラストが変化する現象を示す図。
【図１２】ビームエネルギーとプロファイル波形から得られる寸法値との関係を示す図。
【図１３】線幅の変化に基づいて試料の膜厚を測定する工程を示すフローチャート。
【図１４】走査電子顕微鏡を含むパターン計測装置の概略説明図。
【図１５】帯電分布距離と高さとの関係を登録したデータベースを示す図。
【図１６】Ｆｉｎ−ＦＥＴの一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
荷電粒子線装置の一種であるＳＥＭの測定、或いは検査対象の１つである半導体ウェハ上には微細な配線パターンが形成されている。半導体ウェハの形成法として、ウェハ上にレジストと呼ばれる塗布剤を塗布し、配線パターンのマスクを重ねて、その上から可視光または紫外光を照射することで、レジストを感光させ、配線パターンを形成させる方法が採用されている。形成される配線パターンは照射する可視光線，紫外線あるいは電子ビームの強度や絞りによってパターン側部の傾斜や形状が変化する。半導体の電気的な特性には半導体パターンの高さ、ライン幅、側壁の傾斜角のほか、ラインの角の丸みといったパターン形状も影響する。
【００１５】
このため、高精度に電気特性を管理するには、パターンの三次元形状を検査する必要がある。三次元形状を知るためには、ウェハを切断し、断面形状を測定することで正確な断面形状を得ることはできるが、手間とコストがかかる。そこで電子顕微鏡画像を用いて、非破壊、非接触でパターンの断面形状を測定する手法が提案されている。
【００１６】
この手法は、パターンの断面形状とプロファイルが関連付けて記憶されたライブラリを参照することによって、パターンの断面形状を予測、或いは測定する手法がある。しかしながら、走査電子顕微鏡で半導体ウェハなどの微細パターンを走査した際、試料の帯電によってＳＥ検出量が変化し、プロファイルが変化することがある。プロファイルの変化は試料の帯電状態によって異なるため、微細パターンのＳＥプロファイルから立体形状を予測する際、この帯電の影響の切り分けは困難であり、プロファイルから形状情報、特に高さの情報を求めることが難しい場合がある。
【００１７】
そこで、本実施例では試料に荷電粒子線を走査することによって得られる検出信号に基づいて、パターンのエッジから離間した所定の信号強度を有する部位を検出し、当該部位の位置情報に基づいて、パターンの高さを導出する方法、装置、及びコンピュータープログラムを提案する。
【００１８】
凹凸のあるパターンにおいて、電子線を走査すると、電子は試料内を散乱し、表面からは二次電子や後方散乱電子が放出される。二次電子の放出分布は電子が散乱する材料によって決まる。また、パターン近傍では、二次電子の検出角（検出が可能な角度）が小さくなることから検出信号量の小さい領域が発生する。影の発生領域は、検出角によって決まるためパターンの高さによって変化する。よって、更に具体的な実施例として、影の領域からパターンの高さを推定する手法を提案する。また、この際、走査方向による帯電の影響を除くため、パターンの前後左右の影の平均距離を用いて高さを推定する。
【００１９】
また、凹凸パターンにおいて、電子線を凸部に照射すると電子は試料内を散乱し、一部はパターン側壁から突き抜ける。電子がパターン側壁から突き抜ける際のエネルギーおよび角度分布は材料によって決定する。突き抜けた電子は下地表面（凹面）に衝突、散乱し、下地面に帯電を形成する。この際形成される帯電範囲は凸部の高さで決まる。凸部を照射し、帯電を形成した後、凸凹部を２次元走査すると帯電が形成された範囲が分かる。帯電範囲は凸部の高さを反映するため、帯電範囲から凸部の高さを推定する。以上の様に試料の帯電の有無に関わらず、パターンの形状情報、特に高さを推定する方法を提案する。
【００２０】
試料から放出される二次電子と比較して、試料に入射する電子ビームは高いエネルギーを持っている。凸部分に衝突し、突き抜けた電子は、高いエネルギーを持っているものが多く、エネルギーが低い電子に比べると、相対的に帯電の影響を受けにくい。よって、多くのバリエーションが考えられる帯電状態毎に、ライブラリ等を作成しなくても、高精度に高さ推定を行うことが可能となる。
【００２１】
以下、図面を用いて高さ計測を行うためのパターン計測装置、及びコンピュータープログラムについて説明する。
【００２２】
図１に、試料に８００ｅＶの電子線を照射したときの、試料内で散乱する電子の軌跡を示す。試料に照射される電子線を、これ以降ＰＥ（Primary Electron：一次電子）と呼ぶ。試料に照射されたＰＥは試料内で弾性散乱および非弾性散乱を繰り返す。試料内でＰＥの散乱する範囲を以降、散乱球と呼ぶ。電子の散乱は試料との衝突によって生じるため、散乱球のサイズおよび形状は試料の散乱断面積によって異なる。また、ＰＥが試料に照射され、弾性、非弾性散乱を繰り返すことにより、試料表面からはＳＥ（Secondary Electron：二次電子）やＢＳＥ（Back Scattering Electron：後方散乱電子）が放出される。ＳＥおよびＢＳＥの放出数は試料の散乱断面積によって異なる。試料の散乱断面積は、試料の材質およびＰＥのエネルギーによって変化する。また、試料内に蓄積された電荷の一部は基板電流（Ｉｓ）として失われる。このとき、（ＰＥの数−(ＳＥ＋ＢＳＥ＋Ｉｓ)の数）＞０であれば正帯電、（ＰＥの数−(ＳＥ＋ＢＳＥ＋Ｉｓ)の数）＜０の場合は負帯電が試料に形成される。
【００２３】
図２（ａ）に示すような絶縁体パターンがウェハに存在した場合、パターンに対してＸＹ方向に電子線を走査することで、図２（ｂ）の様な２次元のＳＥ像が得られる。パターンの角部（エッジ）では、平坦部に比べてＳＥ，ＢＳＥが多く放出されるため、輪郭が強調される。
【００２４】
図２のラインパターンを横切る方向（直交方向）に電子線を走査したときのプロファイルを図３に示す。ラインが導体など、帯電の影響が小さい場合には、ラインのエッジのピークは左右対称となる。一方、試料が帯電するとラインのエッジのピークは左右非対称となる。これは先に照射されたエッジの帯電の影響を受けて、後に照射するエッジから放出されたＳＥの検出数が変化するためであり、帯電によってプロファイルが変化する。また、下地材料が誘電体である場合、ラインが存在することにより、下地表面に形成される帯電の分布がラインの左右で異なる。図４に例示するように、下地表面が正帯電する場合、電子線を＋Ｘ方向に走査した際のＳＥ軌道（ａ），（ｂ）とプロファイル（ｃ）を示す。この場合、ラインの右側を照射した際に、下地表面およびラインの正帯電により軌道の変化したＳＥがラインに衝突し、検出数が減少することが考えられる。ＳＥ検出数の減少はＳＥＭ画像では陰影（影）として現れる。ＳＥの軌道が変化することで、下地のプロファイルにも非対称性があらわれる。本発明ではこの影の領域を基にラインの高さを推定する。
【００２５】
図５に影の範囲の判定フローを示す。ここでは、図２のラインパターンに対する判定を示す。ラインに対して直交方向に電子線を走査する。走査線毎にプロファイルを抽出する。またパターンから十分離れた個所で平坦部の平均検出信号および標準偏差σを導出する。パターンの左右で平均検出信号に対してσ以上の差が表れる位置Ｐ1を求める。走査線毎にパターンの左右での検出信号が最小となる位置Ｐ2を求める。ラインの左右に対して上記処理を実施し、｜Ｐ1−Ｐ2｜から影の範囲ＤR，ＤLを求める。帯電によるＳＥ軌道変化の影響をキャンセルするため、パターン左右での距離ＤR，ＤLの平均化し、Ｄaveを求める。各走査線から求めた距離Ｄaveを平均化することで、平均距離Ｄave′を導出する。得られた平均距離Ｄave′から高さ情報を含むデータベースとの照合あるいは関係式から高さを推定する。ここで、ラインの高さと帯電範囲が一義的に対応付くデータベースまたは関係式は、実験または電子線のシミュレーションで事前に求めておく。また、パターンが密集しており、各パターンの影が重なるような場合には、ラインエンドなどのパターンの上下左右に障害物がない場所で、走査方向を１８０度回転することでパターン左右での平均距離Ｄave′を求める。
【００２６】
上述のような演算処理は、例えばＳＥＭに接続された演算処理装置、或いは外部の演算処理装置にて実行する。例えば外部の演算処理装置にて上述した演算を行う場合、ＳＥＭによって得られた検出信号を取得した上で、上述のような演算処理を実行する。図１４は、ＳＥＭ１４０１を含むパターン計測システムの概要を示す図である。本システムには、ＳＥＭ本体１４０１、当該ＳＥＭ本体の制御装置１４０６、及び演算処理装置１４０７が含まれている。制御装置１４０６は、演算処理装置１４０７から与えられる制御信号に応じて、ＳＥＭの各構成要素を制御する。
【００２７】
演算処理装置１４０７には、制御装置１４０６に所定の制御信号を供給する光学条件設定部１４０９、得られた画像情報や、レシピ情報を記憶するメモリ１４１６、及びＳＥＭによって得られた検出信号を処理する入力信号演算部１４１０が内蔵されている。
【００２８】
更に演算処理装置１４０９は、入力手段を備えた入力装置１４０８と接続されている。入力装置１４０８に設けられた表示装置には、操作者に対して画像や計測結果等を表示するＧＵＩ（Graphcal User Interface）等が表示される。
【００２９】
電子源１４０２より放出された電子ビームは、走査偏向器１４０３により一次元的、或いは二次元的に走査され、試料に照射される。電子ビームの走査によって、試料から放出された電子は、検出器１４０５にて捕捉され、制御装置１４０６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１４０７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。入力信号演算部１４１０には、ＳＥＭによって得られた検出信号を二次元的に配列して二次元像を形成する画像形成部１４１１、検出信号、或いは画像信号に基づいて試料上の位置に対する輝度の変化を示す波形を形成する信号波形形成部１４１２、及び当該信号波形形成部１４１２にて形成された信号波形に基づいて所定の演算を実行する信号解析部１４１３が内蔵されている。
【００３０】
なお、演算処理装置１４０７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、コンピュータープログラムに従って処理・制御することも可能である。また、ＳＥＭの制御とパターン測定に要する演算を一括して１つの制御演算装置で行うようにしても良い。
【００３１】
高さ演算部１４１３では、所定の演算式に従って、パターン高さを計算する。演算によって高さを求める場合、予め平均距離Ｄave′のような帯電発生領域の位置に関する値と、高さの関係を示す演算式を、メモリ１４１６に登録しておき、当該演算式に基づいて、高さの演算を実行する。更に、位置（距離）に関する値は、最終的にパターン高さの演算に用いられれば良く、上述のようにパターンから離間した領域の平均信号強度と標準偏差に基づいて求められる信号強度から位置情報を求めるようにしても良いし、検出信号を加算平均して得られるプロファイル波形のピーク位置を検出し、当該ピーク位置、或いは当該ピーク位置から所定距離離間した個所と、パターン高さとの関係を示す演算式に基づいて、測定対象となるパターン高さを求めるようにしても良い。
【００３２】
この場合、上述の例では帯電発生領域と基準位置（平均検出信号位置）との間の距離が大きく成る程、パターンの高さは低いことになるため、その関係を示す演算式を予め登録しておくと良い。更に、エッジ部分（プロファイルのピークトップ）と帯電分布領域（プロファイルのピークボトム）との距離との関係を、演算式、或いはデータベースとして登録するようにしても良い。この場合、ピークトップとピークボトムの大きさが大きい程、パターンの高さが高いことになる。ピーク位置の検出に基づいて、帯電発生領域の位置や距離を特定する場合、閾値法等、公知のピーク検出法の適用が可能である。また、ＳＥＭ画像と設計データ（設計データから作成される図形データ）との間でマッチングを行い、ピークボトム（帯電によって二次電子が引き戻され、画像上、暗くなっている部分）が設計データ上のどの位置に相当するかを判定し、その位置情報を、ピークボトムの位置情報と試料高さを関連付けて記憶するデータベースに参照することによって、試料高さを求めるようにしても良い。
【００３３】
一方、ノイズ等の混入によって、正確なピーク位置が検出できない場合は、上述のように平均信号強度を求め、当該平均強度を示す位置と、当該平均強度に対し、検出信号の分散を示す値（例えば標準偏差）分、信号強度が変化した位置との差分（ＤR，ＤL）を求める手法を適用することが望ましい。
【００３４】
また、データベースに基づいて試料高さを計測する場合、メモリ１４１６に図１５に例示するようなデータベースを登録しておき、得られた検出信号を参照して、パターン高さを求めるようにしても良い。なお、演算に基づいてパターン高さを求める場合、平均距離Ｄave′以外に、例えば帯電状態がより強く発生するラインの重みを強くして重み付け平均を求めるような演算等、帯電の発生状況に応じた種々の演算を行うことが考えられる。
【００３５】
図１５に例示するデータベースは、異なるパターン高さ（Pattern height）と、パターンと帯電発生領域との間の距離（Distance）に関する情報が関連付けて記憶されている。また、この情報はＳＥＭの光学条件毎に登録されており、且つこのようなデータベースは、試料の種類（パターンの形状、材質等の組み合わせ）ごとに登録されている。判定部１４１５では、得られた検出信号に基づいて、データベースを参照することによって、パターンの高さ情報を導出する。
【００３６】
このようなデータベースを参照することで、パターン高さを正確に特定することが可能となる。
【００３７】
次に、本実施例における高さ計測の原理について説明する。図２のパターンに対して、図６（ａ）の様にパターンの凸部を照射すると、ＰＥは試料内を散乱し、一部の電子はパターン側壁から放出される（貫通する）。以降、パターン側壁から放出された一次電子をＰＥ′とする。放出されたＰＥ′は、放出時のエネルギー、角度に従い、下地表面に衝突する。ＰＥ′は下地表面でも散乱し、ＳＥ′，ＢＳＥ′を放出する。図６（ｂ）に示すような帯電が下地表面にも形成される（ここでは、ＰＥ′＜ＳＥ′＋ＢＳＥ′の正帯電を考える）。ここで、パターン全体を２次元走査すると、ラインの周辺に陰影が表現されたＳＥＭ画像が得られる。凸部の照射により下地表面に正帯電が形成された場合、下地表面から放出されたＳＥの一部は正帯電の作る電界に従って再び表面に戻されるため、検出数が減少する。
【００３８】
ここで、ラインの高さが変化した場合について想定する。試料内の電子散乱は、試料の散乱断面積で決まるため、ラインの材料およびＰＥの条件が同じである場合、試料内での散乱球の大きさ、形状は同じとなる。このため、異なる高さのラインでも、放出されるＰＥ′のエネルギー、角度の分布は変わらない。ラインの側壁から放出されるＰＥ′の放出分布が同じであるため、ラインの高さが異なることで、下地表面へのＰＥ′の衝突範囲が変化する。すなわち、下地表面に形成される帯電の範囲が変化する。
【００３９】
図７に異なる高さのラインに対してラインを照射した際に、下地表面に形成される帯電の分布を示す。図７（ａ）は、パターンに突入した後、ＰＥ′が試料に再突入する現象の概要を示す図であり、図７（ｂ）〜（ｅ）は、その際の帯電分布を示す図である。帯電分布７０１は、帯電分布領域の外側より内側の方が、相対的に帯電が強く発生し、正帯電の場合、ＳＥＭ像で観察すると、強い帯電が生じている領域の方が他の領域に比べて相対的に暗くなる（電子が引き戻される）。
【００４０】
ラインの高さが増加するにつれ、ＰＥ′の照射範囲が広がり、帯電の分布も広がっている様子が確認できる。下地表面に形成された帯電は、ＳＥの軌道に影響を与え、プロファイルに変化が現れる。このため、プロファイルの変化から帯電範囲が推定できる。帯電形成後に、２次元の電子線走査を行うことで帯電範囲を推定する。図８に、図７で示した各ライン高さの帯電状態に対して、２次元の電子線走査を行った際のプロファイルを示す。ライン高さが増加するにつれ、検出信号が最小となるまでの距離が増加する。帯電範囲はパターン高さによって決まるため、帯電範囲と高さのデータベースまたは関係式からパターンの高さを推定する。図９に、ライン高さと検出信号が最小値となるまでの距離のグラフを示す。ラインの高さと検出信号が最小となるラインからの距離が線形で近似できる。
【００４１】
図１０に帯電を利用したパターン高さ推定の処理フローを示す。まず高さを推定したい凸部のみを走査し、下地表面に帯電を形成する。凸部の指定は、事前に取得した２次元走査画像を元に、ユーザが画面内で照射範囲を指定する。また、設計データを元に凸部を抽出し、照射範囲を決定しても良い。指定した領域内を電子線で走査し、下地表面に帯電を形成する。次に形成した帯電範囲を求めるため、通常の２次元の走査を行う。ここでは、下地表面に形成した帯電を壊さないため、試料に照射する電流量および画像化する際のフレーム数は可能な限り抑えることが望ましい（例えば、照射電流量×フレーム数を帯電形成時の１／１０とするなど）。得られた画像から、２次元の波形を作成し、帯電の範囲を決定する。パターンからの距離を平均化し、帯電範囲Ｄaveを求める。得られた帯電範囲Ｄaveを用いて実施例１と同様にデータベース照合あるいは関係式から高さを推定する。
【００４２】
また、ライン＆スペースなど、パターンが密集している場合、スペース幅が帯電範囲Ｄaveよりも小さい場合がある。この場合は、ラインの端部にて上記処理を実施することにより高さを推定することが可能である。
【００４３】
次に、試料の膜厚を測定する手法について、説明する。帯電する試料にＰＥを照射すると、試料表面および内部に帯電が形成される。図１１に示すように、試料表面を１次元走査した後に試料を２次元走査すると、帯電の履歴によるコントラストの変化が見られる（正帯電の場合は周囲よりも暗い線（明暗の程度を斜線の数で表現している）、負帯電の場合は周囲よりも明るい線）。以降、試料が正に帯電し、暗い線が発生する場合を考える。このとき、ＰＥを１次元走査すると、ＰＥのエネルギーによって暗い線の幅が変化する。これは試料内でＰＥが散乱する範囲（散乱球）が変化するためであり、散乱範囲はＰＥのエネルギーの増加と共に大きくなる。図１２に膜厚２μｍのＳｉＯ2膜と膜厚２００ｎｍのＢＡＲＣ／ＳｉＮ／ｐｏｌｙ−Ｓｉ／Ｓｉからなる積層膜を異なる加速で照射した際の、暗い線の幅Ｌｃの変化を示す。ＳｉＯ2膜では、ＰＥのエネルギーに比例して、暗い線幅Ｌｃが増加する。一方、ＢＡＲＣ積層膜ではエネルギー１.５ｋｅＶまではＬｃは増加するが、２ｋｅＶで減少が見られる。積層膜では、照射エネルギー２ｋｅＶでは、試料内を散乱した電子が表面のＳｉＮ膜を貫通し、散乱範囲が狭まるためである。このため、照射エネルギーを変えた際の暗い線の幅の変化から膜厚を推定することができる。
【００４４】
図１３に、暗い線の幅の変化からの膜厚推定フローを示す。まず試料表面に帯電を形成し、暗い線を発生させるため、１次元の走査を行う。その後、暗い線の幅を計測するため、１次元走査を行った範囲を含めて、２次元走査を行う。ここでは、暗い線の範囲をより明確に画像化するため、１次元走査に対して、９０度回転させてＳＥ像を取得する。得られたＳＥ像から暗い線の幅を抽出する。上記の処理を照射エネルギーを変えて実施し、暗い線の線幅が減少する照射エネルギーを求める。暗い線幅が最大となる照射エネルギーが、ＰＥが膜内を貫通し始める照射エネルギーとなる。ＰＥの照射エネルギーから電子の侵入長、すなわち膜厚を求める。侵入長の導出には、金谷−岡山の飛程の式（１）を用いる。
【００４５】
【数１】
2013120169.tif 000003
【００４６】
次に、単なるラインパターンではなく、他のパターンの高さを計測する手法を説明する。図１６は、Ｆｉｎ  ＦＥＴ（Fin Field Effect Transistor）と呼ばれるトランジスタの構造を示す図である。図１６（ａ）は、Ｆｉｎ−ＦＥＴの斜視図、図１６（ｂ）は上視図（ＳＥＭで取得される画像）である。Ｆｉｎ  ＦＥＴはＭＯＳＦＥＴの方式の１つであり、伝導性のチャンネルが素子のゲートを構成する薄いフィン状のシリコンに覆われている。図１６の例では、ソース１６０２とドレイン１６０３との間にゲート１６０１が配置されている。この中でゲート１６０１に関する寸法（例えばゲート長Ｇ）は、トランジスタの特性を評価する上で重要な指標である。ゲート長Ｇは、ＳＥＭ像上での測定が可能であるが、ゲート１６０１の高さは二次元画像からの観察が難しい。そこで、本実施例では、これまで説明してきた高さ計測法を用いて、ゲート１６０１等の高さを計測する手法について説明する。
【００４７】
まず、ゲートの高さＧ1を測定するためには、領域１６０４を含む走査領域をビーム走査し、帯電領域１６０７を形成した後、寸法ＤG1を測定する。寸法ＤG1は例えば上述のように、平均距離Ｄave′を求めることによって算出する。このようにして求められた寸法ＤG1を用いて、例えば
【００４８】
【数２】
2013120169.tif 000004
を求めることによって、ゲート１６０１の高さを求める。ｋG1とｋG2は、所定の係数であり、例えばＳＥＭによって基準となる試料の断面計測によって予め求めておいた試料高さと、寸法Ｄとの関係を表す係数である。基準となるパターンから係数を求めておくことによって、同等のパターンの高さ測定に適用することができる。また、予め基準パターンの高さが判っている場合はその値から係数を求めるようにしても良い。更に、ＰＥの軌道シミュレーションに基づいて寸法Ｄとパターン高さとの関係がある程度分かるような場合には、その値に基づいて係数を求めるようにしても良い。
【００４９】
また、何等かの理由によりＤG1を計測することが難しい場合（例えば、他のパターンが近接した位置に配置され、帯電領域１６０７の特定が難しいような場合）、他の関連する複数のパターンの高さ情報を加算、或いは減算することによって求めるようにしても良い。
【００５０】
例えば領域１６０５をビーム走査することによって得られる帯電領域１６０８に関する寸法ＤG2から求められる高さＡと、領域１６０６をビーム走査することによって得られる帯電領域１６０９に関する寸法ＤSから求められる高さＢが分かれば、Ａ−Ｂを演算することにより、Ｇ2を求めることができる。即ち、
【００５１】
【数３】
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を求めることによって、直接的に高さが分からない部分であっても、その高さ計測を行うことが可能となる（ｋGA1，ｋGA2，ｋGB1，ｋGB2は所定の係数）。
【００５２】
以上のような手法によれば、Ｆｉｎ−ＦＥＴのように、異なる高さの部位が複合したパターンであっても、高精度に高さ計測を行うことが可能となる。
【符号の説明】
【００５３】
１  試料内を散乱する電子の軌跡
２  電子の散乱範囲（散乱球）
３  ＰＥ（一次電子）
４  電子線の照射範囲
５  電子線の走査順序
６  試料のラインパターン
７  試料の下地
８  ラインパターンの輪郭（エッジ）
９  下地に形成される帯電
１０  ラインに形成される帯電
１１  ラインに対して直交方向に電子線を走査
１２  走査線毎のプロファイルを抽出
１３  下地表面の平均信号強度および信号の標準偏差を導出
１４  Ｐ1、Ｐ2の導出
１５  ライン左右で距離（ＤR，ＤL）を導出
１６  平均距離Ｄaveの導出
１７  各走査線での平均距離Ｄave′の導出
１８  下地に形成される帯電分布
１９  帯電の形成
２０  設計データ
２１  凸部の指定
２２  画面上で照射範囲を指定
２３  凸部のみを電子線走査
２４  帯電範囲の導出
２５  凹凸を２次元走査
２６  検出信号変化の平均距離Ｌの導出
２７  高さの推定
２８  データベースとの比較
２９  関係式から判定
３０  １次元走査の範囲
３１  ２次元走査の範囲
３２  ＳＴＡＲＴ
３３  １次元走査
３４  ２次元走査
３５  暗い線幅の導出
３６  暗い線幅の判定
３７  ＰＥのエネルギー変更（増加）
３８  １次電子侵入長（膜厚）の導出
３９  ＥＮＤ
【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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