JP2010232434A - 段差測定方法、段差測定装置及び走査型電子顕微鏡装置 - Google Patents

Abstract

【課題】微細構造体パターンのエッチング深さなどの段差を測定することの出来る段差測定方法、段差測定装置を提供することを目的とする。
【解決手段】信号プロファイル生成部３５は、微細パターンに電子線を照射して得た走査画像から、フォーカス位置の異なる複数の信号波形のプロファイルを生成する。データ処理部３６は、生成された信号波形のプロファイルを微分し、微分プロファイルを生成する。データ解析部３８は、生成された微分プロファイルからパターンの上層部と下層部に相当する微分ピーク値を抽出し、フォーカス位置とともに記憶する。また、データ解析部３８は、微分ピーク値とフォーカス位置の関係図を作成し、関係図から微細パターンの段差を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、微細パターンの段差測定方法、段差測定装置及び走査型電子顕微鏡装置に関するものであり、特に、微細構造体の段差を測定する方法および装置に関する。

ＬＳＩ製造工程における膜や基板のエッチング工程後にエッチング深さなどの段差を精度高く測定する方法としては、サンプルを断裁してその断面を、走査型電子顕微鏡（以下、ＳＥＭと称する）を用いて測定するものがある。
一方、サンプルを断裁せずにそれらの段差（微細構造体における隣接する領域内での高低差）を精度高く測定する方法としては、例えばスキャトロメトリなどのサンプルからの散乱光を解析して断面形状を得る測定方法や原子間力顕微鏡（以下、ＡＦＭと称する）などの触針式段差計などを用いた測定方法がある。
また、ＳＥＭを用いて、サンプルを断裁せずに微細パターンの三次元形状を測定する方法としては、例えば、特許文献１等においていくつかの方法が提案されている。

特開平５−２９９０４８号公報

しかしながら、従来のサンプルを断裁して断面ＳＥＭなどで観察する方法は、破壊検査であるため、そのサンプルを製品として使用することができなくなってしまうという問題がある。また、測定したい箇所の断面を観察するようにサンプルを断裁することは極めて困難であり、多くの箇所を測定したい場合、測定に時間を費やすという問題がある。

また、スキャトロメトリ（光波散乱計測）においては、非破壊で高精度な測定が可能となるが、ラインアンドスペースのような周期的なパターン構造が必要である。また、モデル波形をあらかじめ作成しておく必要があり、パターン及びモデル作成に時間を費やすという問題がある。

また、ＡＦＭにおいては、精度高くエッチング深さなどの段差を測定することが可能であるが、物理的に針をスキャンさせながら測定するため、スループットが非常に遅いという問題がある。また、ＡＦＭにおいては、測定回数に応じて針が少しずつ磨耗してしまい測定値が不正確になってしまうことがあり、多くのパターンのエッチング深さ等の段差を測定するには適していないという問題がある。

また、特許文献１においては、ＳＥＭを用いてフォーカス条件が異なる複数の画像に画像処理を施す方法が開示されている。この方法は、サンプルを非破壊で測定して大まかな三次元形状を把握する場合には実施できる方法であるが、ＬＳＩに使われるような微細パターンの段差やパターンのエッチング深さなどの段差がＳＥＭの焦点深度に比べて小さい場合、精度高く測定するには不適当な方法である。

本発明は、上記事情に鑑みて成されたものであり、微細パターンの段差を精度高く測定できる微細パターンの段差測定方法、段差測定装置及びそれを搭載した走査型電子顕微鏡装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するために、本発明は、走査型電子顕微鏡の走査画像に基づいて、試料の段差を測定する段差測定方法であって、前記試料の段差を測定する工程は、Ｚ軸方向の複数のフォーカス位置各々について、前記走査画像から信号波形のプロファイルを生成する第１の工程と、前記信号波形のプロファイルを微分処理して微分プロファイルを生成する第２の工程と、前記微分プロファイルから前記試料の上層部と下層部に相当する微分ピーク値を算出する第３の工程と、前記微分ピーク値と前記フォーカス位置との関係から、前記試料の段差を算出する第４の工程と、を有することを特徴とする段差測定方法である。

また、本発明は、上記に記載の発明において、前記第４の工程は、前記微分ピーク値と前記フォーカス位置の関係図を作成し、前記微分ピーク値が低下する前記フォーカス位置を、前記試料の上層部と下層部各々において算出し、算出された上層部のフォーカス位置と下層部のフォーカス位置の距離の差分を算出し、前記試料の段差とすることを特徴とする。

また、本発明は、上記に記載の発明において、前記第４の工程は、前記微分ピーク値と前記フォーカス位置の関係図を作成し、前記微分ピーク値の前記フォーカス位置に対する傾きが正から負へと変わるフォーカス位置を、前記試料の上層部と下層部各々において算出し、算出された上層部のフォーカス位置と下層部のフォーカス位置の距離の差分を算出し、前記試料の段差とすることを特徴とする。

また、本発明は、走査型電子顕微鏡の走査画像に基づいて、試料の段差を測定する段差測定装置であって、Ｚ軸方向の複数のフォーカス位置各々について、前記走査画像から信号波形のプロファイルを生成する信号プロファイル生成部と、前記信号波形のプロファイルを微分処理して微分プロファイルを生成するデータ処理部と、前記微分プロファイルから前記試料の上層部と下層部に相当する微分ピーク値を算出し、前記微分ピーク値と前記フォーカス位置との関係から、前記試料の段差を算出するデータ解析部と、を有することを特徴とする段差測定装置である。

また、本発明は、上記に記載の発明において、前記データ解析部は、前記微分ピーク値と前記フォーカス位置の関係図を作成し、前記微分ピーク値が低下する前記フォーカス位置を、前記試料の上層部と下層部各々において算出し、算出された上層部のフォーカス位置と下層部のフォーカス位置の距離の差分を算出し、前記試料の段差とすることを特徴とする。

また、本発明は、上記に記載の発明において、前記データ解析部は、前記微分ピーク値と前記フォーカス位置の関係図を作成し、前記微分ピーク値の前記フォーカス位置に対する傾きが正から負へと変わるフォーカス位置を、前記試料の上層部と下層部各々において算出し、算出された上層部のフォーカス位置と下層部のフォーカス位置の距離の差分を算出し、前記試料の段差とすることを特徴とする。

また、本発明は、走査型電子顕微鏡装置であって、Ｚ軸方向の複数のフォーカス位置各々について、試料の走査画像から信号波形のプロファイルを生成する信号プロファイル生成部と、前記信号波形のプロファイルを微分処理して微分プロファイルを生成するデータ処理部と、前記微分プロファイルから前記試料の上層部と下層部に相当する微分ピーク値を算出し、前記微分ピーク値と前記フォーカス位置との関係から、前記試料の段差を算出するデータ解析部と、を有することを特徴とする走査型電子顕微鏡装置である。

この発明によれば、微細パターンの段差を精度高く測定できる微細パターンの段差測定方法、段差測定装置及び走査型電子顕微鏡装置を提供できる。

本発明の段差測定装置を備えた走査型電子顕微鏡装置の構成概略を示すブロック図である。 本発明の段差測定方法の原理を説明するための図である。 本発明の段差測定方法の原理を説明するための図である。 本発明の段差測定処理を説明するフロー図である。 本発明の実証結果を説明するための図である。 本発明の実証結果を説明するためのグラフである。

以下、本発明の実施例の説明は、荷電粒子線装置の１つである走査型電子顕微鏡装置を例にとって説明するが、これに限られるものではなく、例えばイオンビームを試料上に走査して試料像を得るＦＩＢ（Focused Ion Beam）装置等の荷電粒子線装置であってもよい。
また、以下の説明においては、フォトマスク上に形成されるラインもしくはスペースパターンに適用した場合について述べるが、本発明の適応範囲は、それのみに限定されるものではなく、ＬＳＩ上の微細パターンの段差やエッチング深さなどの段差測定にも適用できる。

図１は、本発明の段差測定装置を備えた走査型電子顕微鏡装置の構成概略を示すブロック図である。図１において、走査型電子顕微鏡装置５０は、顕微鏡筐体５１、走査回路６２、レンズ制御回路６３及び段差測定部３０から構成される。なお、走査型電子顕微鏡装置５０には、自動焦点（オートフォーカス）制御機能が組み込まれている。
顕微鏡筐体５１は、試料台５２、陰極５４、走査コイル５６、電子レンズ５７、検出器５９より構成される。顕微鏡筐体５１においては、陰極５４より放出された電子ビーム５５が、走査コイル５６によって、試料台５２上の試料５３を走査され、試料５３から発せられた二次電子５８が、検出器５９により検出される。
また、レンズ制御回路６３は、顕微鏡制御部６１から入力される制御信号により、電子レンズ５７の励磁電流を調節することで、電子ビーム５５のＺ軸方向の焦点位置（Ｚ軸方向のフォーカス位置。以下、フォーカス値Ｚとする）を制御する。ここで、Ｚ軸方向とは、試料５３或いは試料台５２と垂直な軸の方向である。
また、走査回路６２は、顕微鏡制御部６１から入力される偏向信号により、走査コイル５６に供給する電流を調節することで、電子ビーム５５の試料５３上におけるＸ又はＹ軸方向における走査を制御する。以下の説明では、フォトマスク上に形成されるラインの長さ方向をＹ軸方向とし、これと垂直な方向をＸ軸方向とする。

段差測定部３０は、上述の検出器５９により検出された二次電子５８を基に、画像処理を行い、処理された画像から信号波形のプロファイルを生成し、信号波形のプロファイルを演算処理することで、試料の段差を算出する。
段差測定部３０は、画像取得部３１、画像処理部３２、画像表示部３３、画像データ保存部３４、信号プロファイル生成部３５、データ処理部３６、数値データ保存部３７、データ解析部３８及び解析結果表示部３９より構成される。

画像取得部３１は、検出器５９により検出された二次電子５８を、図示しない増幅器（例えば、ＡＤ変換器）により画像情報を示す電気信号へと変換し、試料５３の走査画像を生成する。
画像処理部３２は、生成された走査画像に対してノイズ除去処理等の測定前処理を実施する。このとき処理された画像は、画像表示部３３に表示されるとともに、画像データ保存部３４にビットマップ形式で保存される。なお、画像表示部３３に表示される画像及び画像データ保存部３４に保存される画像のＸＹアドレスと、走査回路６２に入力されるＸＹアドレスは対応しているので、表示され、かつ保存される画像は、２次元画像（例えば後述する図５（ｂ）の画像）である。また、本実施形態においては、電子ビーム５５のＺ軸方向のフォーカス値Ｚを変化させながら、画像を取得するので、表示され、かつ保存される画像は、複数のフォーカス値Ｚに各々対応する画像である。

信号プロファイル生成部３５は、画像データ保存部３４に保存される画像の信号波形のプロファイルを生成する。上述の通り、本実施形態においては、ラインの長さ方向をＹ軸方向としているので、生成される信号波形のプロファイルは、横軸をＸ座標、縦軸を輝度値（取得画像の明暗度を示す値）としたグラフ（例えば、図２中段の各グラフ）である。ここで、生成される信号波形のプロファイルにおける輝度値は、各Ｘにおける輝度値をＹ軸方向にあるライン長に渡って積分した値、或いは積分した値をライン長で除して規格化した値が用いられる。ラインはＸ軸方向に微小な凹凸形状を有するので、信号波形のプロファイルにおける正確な輝度値を確保するため、Ｘ方向のばらつきを減らすためである。
データ処理部３６は、信号波形のプロファイルを微分し、微分プロファイルを生成する。すなわち、データ処理部３６は、信号波形のプロファイルにおける輝度値をＸで微分した値（以下、微分値という。）を算出し、Ｘと微分値との関係を示す微分プロファイルを生成する。生成される微分プロファイルは、横軸がＸ座標、縦軸が微分値となるグラフ（例えば、図２下段の各グラフ）である。また、データ処理部３６は、グラフ上における微分値のピーク値（以下、微分ピーク値という）を、マスク上に形成されたラインの上層部と下層部各々について算出する。また、データ処理部３６は、数値データ保存部３７に上層部と下層部各々の微分ピーク値を、フォーカス値Ｚとともに記録する。

データ解析部３８は、数値データ保存部３７に記録された上層部と下層部各々の微分ピーク値とフォーカス値Ｚの関係図を生成し、関係図から試料５３の膜厚（本実施形態においては、マスクのラインの上層部と下層部の段差に相当する。）を算出する。
解析結果表示部３９は、データ解析部３８の解析結果である段差値を表示する。

なお、以上のように構成された走査型電子顕微鏡装置５０における自動焦点（オートフォーカス）制御機能は、電子レンズ５７の焦点条件を自動的に最適値に設定する制御であり、その方法は、電子レンズ５７の条件を変化させながら、複数の走査を行って得られた２次電子の検出信号から焦点評価値を算出、評価し、最適値を電子レンズの条件に設定するものである。また、焦点評価値としては、取得画像の画素値の合計等が利用されており、電子レンズの条件を変えながら撮影した画像毎に画素値の合計を計算し、その値が一番大きくなるときの電子レンズ５７の条件を焦点が合った条件とするのが一般的である。
本実施形態においては、画像データ保存部３４に画像データが記録される構成となっているので、顕微鏡制御部６１が、かかる画像データを基に取得された画像の画素値の合計を算出し、後述のジャストフォーカスの位置（オートフォーカスで決定されるフォーカスの位置）を決定するものとする。

次に、図２及び図３を参照して、本実施形態の段差測定装置における段差測定方法の原理について、上記段差測定部３０における各部の処理に言及しつつ説明する。
図２は、本実施形態の微細パターンの段差測定方法を説明する図であり、図上段において、フォトマスク上に走査される電子ビームの焦点及び焦点深度を、図中段において、取得画像の信号波形のプロファイル（Ｘと輝度値との関係）を、図下段において、微分プロファイル（Ｘと輝度値の微分値との関係）を、それぞれ示している。
また、図２（ａ）〜（ｄ）は、フォーカス値Ｚをジャストフォーカスの位置（オートフォーカスで決定されるフォーカスの位置）から、プラス方向へ変化させていった時の、上述の各変化を示している。なお、フォーカス値Ｚは、焦点位置が図中上向きに動く場合をマイナスの方向とし、下向きに動く場合をプラスの方向とする。すなわち、図２（ａ）〜２（ｄ）において、この順番に焦点がプラス方向へ変化した場合を示し、図２（ｄ）において、焦点及び焦点深度は、マスクのラインの下層部から逸脱しているものとする。

図２上段に示すように、一般にＳＥＭの焦点深度の範囲は広く、マスクのラインの段差（図に示す上層部Ａと下層部Ｂとの高低差）に比べて十分大きい。そのため、オートフォーカスで決定されるフォーカスの位置における走査像は、ラインの上層部Ａと下層部Ｂいずれにおいても焦点の合った鮮明な画像となる。従って、図２（ａ）において、信号プロファイル生成部３５が生成する信号波形のプロファイル１は、段差の数に対応する二つのピークをもつが、各ピークにおいて、ピークの右側、ピークの左側の波形はピークの位置に対してほぼ対称な形を示している。
これに対応して、データ処理部３６が生成する微分プロファイル２が、図２（ａ）下段のグラフである。信号波形のプロファイル１を、Ｘ（図中における「位置」）で微分するので、微分プロファイル２における微分値は、Ｘが小さい領域では、信号波形のプロファイル１における輝度値のＸに対する傾きが０であるので０である。Ｘが大きくなると、微分値も増加し、下層部Ｂに相当するＸで極大値となる。続いて、段差のほぼ中央にあたるＸにおいては、輝度値が最大となるため、微分値は０となり、その後上層部Ａに相当するＸで極小値となる。続いて、上層部のフラットな部分に相当するＸにおいては、輝度値は一定であるので微分値は０である。次の段差においては、Ｘの小さいほうから、上層部Ａに対応するＸで極大値となり、下層部Ｂに対応するＸで極小値となる。
データ処理部３６は、微分プロファイル２中の上層部Ａに相当する微分ピーク値１０および下層部Ｂに相当する微分ピーク値１１を算出し、数値データ保存部３７に各微分ピーク値をフォーカス値Ｚとともに記録する。

図２（ｂ）は、図２（ａ）の状態から、フォーカス値Ｚをプラス方向へ変化させた状態を示す。図２（ｂ）は、パターンの上層部Ａおよび下層部Ｂが、ＳＥＭの焦点深度の範囲内にある状態を示している。この状態においては、パターンの上層部Ａと下層部Ｂで焦点の合った走査像が得られるため、信号プロファイル生成部３５が生成する信号波形のプロファイル、データ処理部３６が生成する微分プロファイルは、図２（ａ）の状態と比べて殆んど変化しない。また、データ処理部３６は、微分プロファイル中の上層部Ａに相当する微分ピーク値１２および下層部Ｂに相当する微分ピーク値１３を算出するが、これらの値は、それぞれ上述の微分ピーク値１０および微分ピーク値１１と、ほぼ同じ値である。

図２（ｃ）は、図２（ｂ）の状態から、フォーカス値Ｚを更にプラス方向へ変化させた状態を示す。図２（ｃ）は、パターン上層部ＡがＳＥＭの焦点深度の範囲から逸脱した状態を示している。この状態においては、信号プロファイル生成部３５が生成する信号波形のプロファイルにおいて、左側ピークの右側（右側ピークでは左側）のプロファイル波形は、裾引きが緩やかになる。また、左側ピークの左側（右側ピークでは右側）のプロファイル波形は、裾引きが先鋭化する。
これに対応して、データ処理部３６が生成する微分プロファイル２が、図２（ｃ）下段のグラフである。微分プロファイルにおいては、左側ピークの右側（右側ピークでは左側）のプロファイル波形の裾引きが緩やかになったことを受けて、上層部Ａに相当する微分ピーク値（極小値及び極大値の両方）の絶対値は、いずれも小さくなる。
データ処理部３６は、微分プロファイル中の上層部Ａに相当する微分ピーク値１４および下層部Ｂに相当する微分ピーク値を算出し、数値データ保存部３７に各微分ピーク値をフォーカス値Ｚとともに記録する。

図２（ｄ）は、図２（ｃ）の状態から、フォーカス値Ｚを更にプラス方向へ変化させた状態を示す。図２（ｄ）は、パターン下層部ＢもＳＥＭの焦点深度の範囲から逸脱した状態を示している。この状態においては、信号プロファイル生成部３５が生成する信号波形のプロファイルにおいて、左側ピークの左側（右側ピークでは右側）のプロファイル波形も、裾引きが緩やかになる。
これに対応して、データ処理部３６が生成する微分プロファイル２が、図２（ｄ）下段のグラフである。微分プロファイルにおいては、左側ピークの左側（右側ピークでは右側）のプロファイル波形も裾引きが緩やかになったことを受けて、下層部Ｂに相当する微分ピーク値（極小値及び極大値の両方）の絶対値も小さくなる。
データ処理部３６は、微分プロファイル中の上層部Ａに相当する微分ピーク値および下層部Ｂに相当する微分ピーク値１５を算出し、数値データ保存部３７に各微分ピーク値をフォーカス値Ｚとともに記録する。

上述の図２を用いた説明においては、ＳＥＭのオートフォーカス処理で決定されるジャストフォーカスの位置から、フォーカス値Ｚをプラス側へ連続的に変化させながら得られる走査像から生成する微分ピーク値について説明した。段差測定部３０における信号プロファイル生成部３５及びデータ処理部３６は、フォーカス値Ｚをマイナス側へ連続的に変化させながら得られる走査像から生成する微分ピーク値についても、同様の処理を行い、算出する。
すなわち、データ処理部３６は、信号プロファイル生成部３５が生成した信号波形のプロファイルを基に、パターンの上層部Ａおよび下層部Ｂのいずれもが、ＳＥＭの焦点深度の範囲から逸脱した状態になるまで、微分ピーク値を算出し、数値データ保存部３７へ記録する。

図３は、データ解析部３８が、数値データ保存部３７に記録された微分ピーク値とフォーカス値Ｚをもとに作成した関係図である。図３（ａ）に示す関係図は、フォーカス値Ｚを横軸に、パターン上層部Ａと下層部Ｂ各々の微分ピーク値の絶対値をＹ軸にプロットしたグラフであり、プロット１００が上層部Ａにおける、プロット１０１が下層部Ｂにおける、それぞれの微分ピーク値のフォーカス値Ｚに対する変化を示している。また、図中、１０〜１５は図２において説明したように、データ処理部３６が算出した微分ピーク値（微分プロファイルにおける上述の極小値／極大値）である。ここで、図３（ａ）に示す２０の距離（フォーカス値Ｚの差）は、上層部Ａにおいて焦点範囲を逸脱するフォーカス値Ｚと下層部Ｂにおいて焦点範囲を逸脱するフォーカス値Ｚの差となるから、この差はラインの段差に相当する。

データ解析部３８は、以上のグラフ（関係図）を作成し、上層部Ａ及び下層部Ｂが焦点範囲を逸脱するポイント（微分ピーク値が低下するフォーカス値Ｚ）をそれぞれ算出し、その差によりラインの段差を算出する。なお、以上の説明は、本実施形態の段差装置及び段差測定方法の原理を説明したものであり、微分ピーク値は、上層部Ａ及び下層部Ｂ各々の焦点に対する位置関係により、上層部Ａ及び下層部Ｂが焦点範囲を逸脱しなくとも、変化する場合がある。例えば、フォーカス値Ｚと微分ピーク値の関係図が、図３（ｂ）に示すグラフとなる場合もある。かかる場合は、図３（ａ）の場合のように、プロット１００及びプロット１０１の立下りポイントの判断は困難であるから、プロットされた微分ピーク値を、図３（ｂ）に示すように、上層部及び下層部それぞれについて曲線で近似し、両曲線の変曲点間の距離である２１を、パターンの段差として算出してもよい。

次に、図４のフローチャートを用いて、本発明の段差測定装置を備えた走査型電子顕微鏡装置における段差算出処理を説明する。
まず、オートフォーカス処理をして、Ｚ軸方向のフォーカス基準点となるフォーカス位置（フォーカス値Ｚ_０とする）を設定する（ステップＳ１）。
次に、設定したフォーカス条件において、走査回路６２は、顕微鏡制御部６１から入力される偏向信号により、走査コイル５６に供給する電流を調節することで、電子ビーム５５の試料５３上におけるＸ又はＹ軸方向における走査を制御する。画像取得部３１は、検出器５９により検出された二次電子５８を、画像情報を示す電気信号へと変換し、試料５３の走査画像を生成する。（ステップＳ２）。

次に、画像処理部３２は、生成された走査画像に対してノイズ除去処理等の測定前処理を施す。また、信号プロファイル生成部３５は、前処理を施された画像の信号波形のプロファイル、すなわち横軸をＸ座標、縦軸を輝度値（取得画像の明暗度を示す値）としたグラフを生成する（ステップＳ３）。
次に、データ処理部３６は、信号波形のプロファイルを微分し、微分プロファイルを作成する。すなわち、データ処理部３６は、上述のグラフにおいて、輝度値をＸで微分した値（以下、微分値という。）を算出し、Ｘと微分値の関係を示す、横軸がＸ座標、縦軸が微分値となるグラフを生成する（ステップＳ４）。
また、データ処理部３６は、生成したグラフ上における微分ピーク値を、マスク上に形成されたラインの上層部と下層部各々について算出し、数値データ保存部３７にフォーカス値Ｚとともに記録する（ステップＳ５）。

次に、データ解析部３８は、数値データ保存部３７に記録された微分ピーク値とフォーカス値Ｚの関係をグラフ上にプロットしていき、両者の関係図を作成する。データ解析部３８は、また、マスク上に形成されたラインの上層部と下層部のいずれもがＳＥＭの焦点深度の範囲を逸脱したかを、すなわち関係図において微分ピーク値が立下ったかどうかを判定する（ステップＳ６）。判定においては、例えば、フォーカス値Ｚ_０のときの微分ピーク値の１／２の値を閾値として予め設定しておき、微分ピーク値が閾値より小さくなったときに、ＳＥＭの焦点深度の範囲を逸脱したと判定してよい。

データ解析部３８は、ラインの上層部と下層部における微分ピーク値の、いずれか一方或いは両方が、上述の閾値より大きい値である場合、ＳＥＭの焦点深度の範囲を逸脱していないものと判定する（ステップＳ６−ＮＯ）。この場合、フォーカス値Ｚをプラスおよびマイナス方向に、ΔＺ分だけ変更し（ステップＳ７）、ステップＳ２から処理を繰り返す。すなわち、フォーカス値Ｚを、フォーカス値Ｚ_０に対して、Ｚ_０±ΔＺ、Ｚ_０±２×ΔＺ、Ｚ_０±３×ΔＺと順次変化させ、ステップＳ２からステップＳ５までの処理を、各フォーカス値Ｚについて繰り返す。なお、Ｚ軸方向の変化量ΔＺは、ユーザーが任意に設定できるものとする。例えば、パターンの段差を高精度に測定する必要がある場合、変化量ΔＺを小さい値に設定する。
データ解析部３８は、ステップＳ６における判定において、ラインの上層部と下層部のいずれの微分ピーク値も上述の閾値より小さい値となった場合、ＳＥＭの焦点深度の範囲を逸脱したと判定し（ステップＳ６−ＹＥＳ）、微分ピーク値とフォーカス値Ｚの関係図よりパターンの段差を算出する（ステップＳ８）。

なお、段差算出処理フローにおいて、データ解析部３８は、微分ピーク値とフォーカス値Ｚの関係図において、微分ピーク値をフォーカス値Ｚで微分した値がプラスからマイナスに変わるフォーカス値になったとき、焦点深度の範囲を逸脱したと判定してもよい。
上述の図３（ｂ）のように、微分ピーク値とフォーカス値Ｚの関係図にフラットな部分（傾きがゼロの部分）がない場合、プロットしたデータだけから微分ピーク値の立下りを精度よく判定することが困難であるためである。この判定を行う場合、データ解析部３８は、ステップＳ６において、微分ピーク値のフォーカス値Ｚに対する傾きを、マスク上に形成されたラインの上層部と下層部各々について算出し、傾きが正から負へ変化すれば、焦点深度の範囲を逸脱したものと判定する。また、データ解析部３８は、ステップ８において、上層部と下層部各々における各フォーカス位置（フォーカス値Ｚ）と微分ピーク値との関係を示す曲線近似式を算出し、それぞれの曲線の変曲点におけるフォーカス値Ｚの差分を段差として算出する。

以上説明したように、本発明によれば、微細パターンの段差を精度高く測定できる微細パターンの段差測定方法およびその装置を提供できる効果がある。
段差測定方法およびその装置について、上述の図４に示す処理フローを用いて効果を確認したところ、次に説明する結果を得ることができた。
まず、効果を実証するために測定に用いた試料は、図５（ａ）に示すように、マスクパターンの上層部がＣｒ（クロム）、下層部がＱｚ（石英）で構成されたラインである。このラインを試料として用いて、オートフォーカス処理をした後（ステップＳ１）、画像処理部３２が、図５（ｂ）に示す走査画像を生成した（ステップＳ２）。なお、このときのジャストフォーカスの位置は、フォーカス値Ｚ_０＝５１．１４５μｍであった。

次に、信号プロファイル生成部３５は、図６（ａ）に示す信号波形のプロファイルを生成した（ステップＳ３）。図６（ａ）においては、ラインの段差部において、輝度値が大きく変化することが示されている。
データ処理部３６は、生成された信号波形のプロファイルを微分し、図６（ｂ）に示す微分プロファイルを生成した（ステップＳ４）。図６（ｂ）においては、上層部と下層部に相当する微分ピーク値が抽出されていることがはっきりと示されている。また、ラインエッジ部における上層部の微分ピーク値は４７．７、下層部の微分ピーク値は７７．２であった。

次にオートフォーカス処理で決定されたジャストフォーカスの位置（フォーカス値Ｚ_０＝５１．１４５μｍ）から、Ｚ軸方向にΔＺ＝±０．０６μｍずつ、フォーカス値Ｚを変化させながら走査画像を取得し（ステップ５〜ステップ７、ステップＳ２）、それぞれの走査画像に対し信号波形のプロファイル生成および微分処理を行い（ステップＳ３、ステップＳ４）、パターンエッジ部の上層部と下層部に相当する微分ピーク値を抽出した（ステップＳ５）。

図６（ｃ）は、上層部（Ｃｒ）及び下層部（Ｑｚ）それぞれに対して、データ解析部３８が作成した関係図であり、各フォーカス位置（フォーカス値Ｚ）と微分ピーク値との関係を示すグラフである。なお、図６（ｃ）においては、プロットしたデータだけからは、微分ピーク値の立下りのフォーカス位置の判断が困難であるため、データを二次曲線で近似している。データ解析部３８が、上層部と下層部の各二次曲線の近似式から、それぞれの二次曲線の変曲点におけるフォーカス位置を求めたところ、上層部は５１．３４９μｍ、下層部は５１．２４１μｍであった。また、データ解析部３８は、両者の差分を０．１０８μｍと算出し（ステップＳ８）、この結果をパターンの段差として解析結果表示部３９へ出力した。
なお、同一試料を、上述の従来技術において説明したＡＦＭを使用して段差を測定したところ、その結果は０．１０６μｍとなり、本発明による測定結果とほぼ一致した。これにより、本発明による段差測定方法、段差測定装置及び走査型電子顕微鏡装置について、微細パターンの段差を精度高く測定できることが実証された。

本発明の微細パターンの段差測定方法、段差測定装置及び走査型電子顕微鏡装置は、微細構造体のパターンの段差を測定することが出来ることから、微細構造体の高低差或いはエッチング深さなどの段差を測定することが求められる分野に利用することができる。

５０…走査型電子顕微鏡装置、５１…顕微鏡筐体、５２…試料台、５３…試料、５４…陰極、５５…電子ビーム、５６…走査コイル、５７…電子レンズ、５８…二次電子、５９…検出器、６１…顕微鏡制御部、６２…走査回路、６３…レンズ制御回路、
３０…段差測定部、３１…画像取得部、３２…画像処理部、３３…画像表示部、３４…画像データ保存部、３５…信号プロファイル生成部、３６…データ処理部、３７…数値データ保存部、３８…データ解析部、３９…解析結果表示部、Ａ…上層部、Ｂ…下層部

Claims (7)

1. 走査型電子顕微鏡の走査画像に基づいて、試料の段差を測定する段差測定方法であって、
   前記試料の段差を測定する工程は、
   Ｚ軸方向の複数のフォーカス位置各々について、前記走査画像から信号波形のプロファイルを生成する第１の工程と、
   前記信号波形のプロファイルを微分処理して微分プロファイルを生成する第２の工程と、
   前記微分プロファイルから前記試料の上層部と下層部に相当する微分ピーク値を算出する第３の工程と、
   前記微分ピーク値と前記フォーカス位置との関係から、前記試料の段差を算出する第４の工程と、
   を有することを特徴とする段差測定方法。
2. 前記第４の工程は、前記微分ピーク値と前記フォーカス位置の関係図を作成し、前記微分ピーク値が低下する前記フォーカス位置を、前記試料の上層部と下層部各々において算出し、算出された上層部のフォーカス位置と下層部のフォーカス位置の距離の差分を算出し、前記試料の段差とすることを特徴とする請求項１記載の段差測定方法。
3. 前記第４の工程は、前記微分ピーク値と前記フォーカス位置の関係図を作成し、前記微分ピーク値の前記フォーカス位置に対する傾きが正から負へと変わるフォーカス位置を、前記試料の上層部と下層部各々において算出し、算出された上層部のフォーカス位置と下層部のフォーカス位置の距離の差分を算出し、前記試料の段差とすることを特徴とする請求項１記載の段差測定方法。
4. 走査型電子顕微鏡の走査画像に基づいて、試料の段差を測定する段差測定装置であって、
   Ｚ軸方向の複数のフォーカス位置各々について、前記走査画像から信号波形のプロファイルを生成する信号プロファイル生成部と、
   前記信号波形のプロファイルを微分処理して微分プロファイルを生成するデータ処理部と、
   前記微分プロファイルから前記試料の上層部と下層部に相当する微分ピーク値を算出し、前記微分ピーク値と前記フォーカス位置との関係から、前記試料の段差を算出するデータ解析部と、
   を有することを特徴とする段差測定装置。
5. 前記データ解析部は、前記微分ピーク値と前記フォーカス位置の関係図を作成し、前記微分ピーク値が低下する前記フォーカス位置を、前記試料の上層部と下層部各々において算出し、算出された上層部のフォーカス位置と下層部のフォーカス位置の距離の差分を算出し、前記試料の段差とすることを特徴とする請求項４記載の段差測定装置。
6. 前記データ解析部は、前記微分ピーク値と前記フォーカス位置の関係図を作成し、前記微分ピーク値の前記フォーカス位置に対する傾きが正から負へと変わるフォーカス位置を、前記試料の上層部と下層部各々において算出し、算出された上層部のフォーカス位置と下層部のフォーカス位置の距離の差分を算出し、前記試料の段差とすることを特徴とする請求項４記載の段差測定装置。
7. 走査型電子顕微鏡装置であって、
   Ｚ軸方向の複数のフォーカス位置各々について、試料の走査画像から信号波形のプロファイルを生成する信号プロファイル生成部と、
   前記信号波形のプロファイルを微分処理して微分プロファイルを生成するデータ処理部と、
   前記微分プロファイルから前記試料の上層部と下層部に相当する微分ピーク値を算出し、前記微分ピーク値と前記フォーカス位置との関係から、前記試料の段差を算出するデータ解析部と、
   を有することを特徴とする走査型電子顕微鏡装置。

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