JP2013229189A

JP2013229189A - 試料の寸法測定方法、および荷電粒子線装置

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Publication number: JP2013229189A
Application number: JP2012100535A
Authority: JP
Inventors: Yuzuru Mochizuki; 譲望月; Yuji Kasai; 祐二葛西
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2012-04-26
Filing date: 2012-04-26
Publication date: 2013-11-07
Anticipated expiration: 2032-04-26
Also published as: JP5970229B2

Abstract

【課題】本発明は、ビーム照射量を抑制しつつ、高アスペクトパターンを高精度に測定、検査する試料寸法測定方法、及び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、荷電粒子源から放出される荷電粒子ビームの試料への走査に基づいて、得られる信号を検出する荷電粒子線装置であって、視野の中で荷電粒子ビームの焦点を変化させつつ荷電粒子ビームを走査させることによって得られる検出信号に基づいて、複数の合焦点を抽出する荷電粒子線装置を提案する。
【選択図】図６

Description

本発明は、試料上を荷電粒子線により走査して、試料の検査、測定を行う荷電粒子線装置に係り、特に高低差の大きなパターンを測定、検査するのに好適な荷電粒子線装置に関する。

昨今の半導体デバイスの微細化に伴い、パターンの更なる集積化が求められている。このような要求に対して、半導体デバイスを立体構造化が進められつつある。これによって半導体デバイスは多層化し、且つパターンの高アスペクト化が進みつつある。

以下の特許文献には、高さの異なるパターンに対して良好な画像を得るための手法が記載されている。特許文献１、２には、同一点において焦点位置を変化させた複数枚の画像を取得し焦点深度の深い画像を得る方法が記載されている。特許文献３には、特許文献１、２と同様に同一点において焦点位置を変化させた複数枚の画像を取得し、当該画像の先鋭度を比較して、最も先鋭度が高い画像からパターンの寸法を計測することで高さの異なるパターンに対しても精度よく寸法計測する手法が記載されている。

特開２００１−８４９４４号公報（対応米国特許ＵＳＰ６，５３８，２４９）特開２００２−７５２６３号公報特開２００６−１０７９１９号公報（対応米国特許ＵＳＰ７，２１４，９３６）

特許文献１乃至３に説明されているように、異なる複数の焦点位置ごとに二次元にビームを走査すれば、走査範囲全体に亘って、シャープな画像を形成したり、適正な焦点位置の特定に基づく高精度な測定が可能となるが、異なる焦点位置ごとにビームを走査するため、その分、スループットが低下する。また、ビーム照射に対し脆弱な試料の存在や、帯電の影響を考慮すると、ビーム照射量を少なくすることが望ましい。

以下に、ビーム照射量を抑制しつつ、高アスペクトパターンを高精度に測定、検査することを目的とする試料寸法測定方法、及び荷電粒子線装置を提案する。

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の試料への走査に基づいて、得られる信号を検出する試料寸法測定方法、及び荷電粒子線装置であって、視野の中で荷電粒子ビームの焦点を変化させつつ荷電粒子ビームを走査させることによって得られる検出信号に基づいて、複数の合焦点を抽出する試料寸法測定方法、及び荷電粒子線装置を提案する。

上記構成によれば、焦点深度を超えるような高アスペクトパターンについて、ビーム照射量を抑制しつつ、高精度に測定、或いは検査を行うことが可能となる。

半導体デバイスの断面構造の一例を示す図。デュアルダマシンプロセスを示す図。バリアメタル堆積後の配線パターンの平面図と断面図。走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope：ＳＥＭ）の概略構成図。階段状のラインパターンの平面図と断面図。焦点位置（フォーカス条件）とＹ方向の走査位置（走査信号）との関係を示す図。階段状のラインパターンに対し、焦点位置を変化させつつ、ビーム走査したときに得られる二次電子画像と、当該二次電子画像から高輝度部を抽出した高輝度部抽出画像の一例を示す図。寸法測定用画面の一例を示す図。エッジにラフネスが含まれるパターンに対するビーム走査によって得られる高輝度部抽出画像と、当該パターンの断面図。焦点位置（フォーカス条件）とＹ方向の走査位置（走査信号）との関係を示す図。上層から中間層までの深さに比較して、中間層から下層までの距離が長い階段状パターンの平面図と断面図。焦点位置（フォーカス条件）とＹ方向の走査位置（走査信号）との関係を示す図。荷電粒子ビームの焦点を変化させつつ荷電粒子ビームを走査させることによって得られる検出信号に基づいて、複数の高輝度点位置を抽出する工程を示すフローチャート。複数の合焦点（高輝度点）間の寸法を測定する例を示す図。合焦点間の寸法測定の類型を示す図。合焦点間の寸法測定の類型を示す図。上層側エッジのテンプレートの高輝度点基準位置と、その対応点との間の距離を求める例を示す図。高輝度点位置の配列を示すテンプレートの一例を示す図。

メモリやＬＳＩといった半導体デバイスは、数１００工程にもおよぶ複雑なプロセスを経てＳｉウェハ上にナノメートルオーダーの半導体素子を形成することで製作される。したがって半導体デバイスの製造にはこれらのプロセスが正常に機能しているかモニタし異常があれば前工程にフィードバックする「検査・計測」が非常に重要となる。

半導体デバイスの微細化に伴い、インラインでの検査・計測には走査型電子顕微鏡を用いるのが一般的になっている。走査型電子顕微鏡による計測では、平面上に形成されたレジストパターンなどを対象として、ライン／スペースの寸法、ホールの直径、突合せ開口部の寸法などの計測が行われている。

近年、平面上に半導体素子を形成するプロセスでは微細化による性能向上が限界に近づきつつあることから、立体構造を有する半導体素子が検討されはじめている。また、ＬＳＩなどの高集積化デバイスでも、立体パターンの計測が必要となるデュアルダマシンプロセスが適用され始めており、立体構造を有するパターンの計測要求が高まっている。

上述したように、半導体素子サイズの縮小に伴い、素子間を接続する配線の太さや配線間のピッチ寸法も小さくなっている。このため、配線遅延やＥＭの原因となる配線の抵抗や配線間の寄生容量が無視できなくなり半導体デバイスの性能向上が難しくなっている。これらの問題を解決するため、配線材料をＡｌから抵抗の小さいＣｕに変更し、配線間の絶縁膜をＳｉＯ₂から誘電率の小さいＬｏｗ−ｋ膜へ変更することが行われている。配線材料に用いるＣｕはＡｌのようにドライエッチングができないため、めっき技術を用いるデュアルダマシンプロセスが採用されている。このプロセスは、配線パターンと層間をつなぐプラグを同時に製作できるため、１層の配線にかかる工程が少なくでき効率が良い反面、高さ方向に深いビアを形成する必要があり、めっき時に配線不良が発生しやすい特徴がる。このため、めっきを行う前に規定の寸法通りにパターンができているか検査することが必要となる。

配線寸法やビアの直径がサブミクロンオーダであることから検査・計測には走査型電子顕微鏡（Scaning Electron Microscope：ＳＥＭ）を用いるのが一般的である。ＳＥＭの焦点深度は光学顕微鏡と比較すると比較的深いが、倍率が１０万倍を超えるような高倍率では１μｍ以下となるため、μｍオーダーの高低差があるビアの底と上部の配線には同時に焦点を合わせることができない場合がある。複数の焦点位置に焦点を合わせた上で、複数の画像を取得することや、計測したいエッジのみの先鋭度を評価して自動焦点合わせを実施し、複数枚の画像を撮像して寸法計測を行うことが考えられるが、１点の計測に複数枚の画像を取得する必要があるため、単位時間当たりのウェハ処理枚数（スループット）の低下が避けられず、特に配線工程が全工程の５割以上を占める最先端デバイスでは、その影響がより顕著になる。

そこで、以下に説明する実施例では、スループットを落とすことなく高さ方向にギャップのあるサンプルを計測する手法、及びそれを実現するための装置、或いはこのような計測をコンピューターに実行させるコンピュータープログラムを提案する。

以下に説明する実施例では、計測対象のパターン上を荷電粒子線により二次元的に走査する際、当該荷電粒子線の焦点位置を１画像内で複数回連続的に変化させて当該パターンの二次電子像を取得し、当該二次電子像から合焦点となる点を抽出し、当該抽出に基づいてパターンの測定や検査を実行する装置等を提案する。また、併せて複数の合焦点から近似曲線を作成する例についても説明する。

上記構成によれば、高さの異なる計測点を含むパターンに対し、装置のスループットを落とすことなく、寸法を計測することが可能となる。

以下に半導体製造プロセスにおいて高さの異なるパターンの一例としてデュアルダマシンプロセスの配線幅とビア径の寸法計測について示す。

図１に半導体デバイスの断面の模式図を示す。半導体デバイスの製造プロセスは大きくフロントエンドプロセス１０１とバックエンドプロセス１０２に分類される。フロントエンドプロセス１０１では、リソグラフィープロセス、成膜プロセス、イオン注入プロセス、熱酸化プロセス、ＣＭＰプロセス等を繰り返して実施することでＳｉウェハ１０３上にトランジスタやキャパシタなどの半導体素子を形成する。

バックエンドプロセス１０２では、半導体素子に電気信号を供給する配線と配線間を接続するプラグを形成する。まず、半導体素子と第一配線層を接続するＷプラグ１０４を形成する。次に配線層を形成する。配線層は機能ごとに多層化されており、下層からローカル配線（第一配線）１０５、インターミディエイト配線１０６、セミグローバル配線、グローバル配線１０７となっている。最先端のロジックデバイスでは回路が複雑になるため、配線層が１０層程度になるものもあり、バックエンドプロセス１０２が全工程にしめる割合が非常に大きくなっている。バックエンドプロセス１０２における検査・計測時間の増加は、半導体デバイスのコスト増加に直結するため、寸法計測装置のスループット向上が重要になっている。

図２に配線層形成に用いられるデュアルダマシンプロセスのプロセスフローを示す。デュアルダマシンプロセスは、Ｃｕを配線材料としためっきによる配線形成プロセスである。便宜上、図１に示したフロントエンドで作成した素子部分、Ｗプラグ２０１、第一配線層２０２は形成されたものとして記載している。まず、第一配線層２０２上にキャップ層２０３と層間絶縁膜２０４を交互に各２層堆積する。次にリソグラフィーとエッチングにより第二配線層２０５と層間をつなぐビア２０６を形成する。その後、Ｃｕの層間絶縁膜２０４中への拡散を防止するため、バリアメタル２０７をスパッタリングなどにより堆積させる。この状態で、めっきにより第二配線層２０５とビア２０６をＣｕで満たす。最後に第三配線層を形成しやすくするため、ＣＭＰにより表面を平坦化する。この後は、同様の手法により配線層を積層していくことができる。

デュアルダマシンプロセスにおいてネックの１つとなるのが、ビア下部の導通不良である。特に高アスペクト比で直径１００nmを下回るようなビアにおいては、ビアの形状によってビアの底面までＣｕが入り込まなくなることがあり、これによって導通不良が発生する。したがってビア底面とビア上部の寸法、配線パターンの寸法を計測して管理し、必要に応じてリソグラフィープロセスにフィードバックすることが必要になる。

図３にバリアメタル堆積後上部から見た配線パターンの模式図（平面図）とその断面図を示す。計測点は、先に述べたとおり配線パターンの寸法３０１、ビアホール上部のホール径３０２、ビアホール下部のホール径３０３の３つである。高さの異なる上記３点の合焦点像を取得するためには、数マイクロメートルの焦点深度が求められる。

ＳＥＭは、光学顕微鏡と比較して深い焦点深度を有しており、計測点のサイズが数１００ナノメートル以下であっても高倍率（数１０万倍）での観察が可能である。しかし、ＳＥＭにおける焦点深度は倍率を高くするほど浅くなるため、上記倍率領域での観察では十分な焦点深度が得られず、すべての計測点において同時にシャープなエッジ像を得ることは難しい。

そこで、正確な寸法計測にはフォーカスを変化させてそれぞれの計測点で合焦点となる位置を見つけ１枚ずつ計３枚の画像を取得しそれぞれから寸法を計測する必要がある。しかし、この手法では、１箇所の計測に通常の３倍の時間がかかるため大幅にスループットが低下し、また、同一箇所の走査回数も３倍となることからコンタミネーションの付着や局所帯電による計測誤差が大きくなる可能性がある。また、ビアホール上部のホール径３０２のエッジとビアホール下部のホール径３０３のエッジは平面での位置が非常に近く、特定のエッジのみを抽出した自動焦点合わせはエッジの取り違えなどが発生しやすく困難となる可能性がある。

そこで、できるだけ少ない走査回数で高さの異なるエッジにフォーカスを合わせ、寸法を測定する方法が必要である。

以下に示す実施例では、高さの異なるエッジを２つ以上有するパターンに対し、当該パターン上を一次電子線により二次元的に走査する際、一次電子線の走査に同期して焦点位置を変化させ、得られたパターンの二次電子像からパターン寸法を計測する手法を説明する。

本手法では、一次電子線の走査中に焦点位置を変化させるため、高さの異なるそれぞれのエッジにおいて必ず合焦点となる点が現れる。焦点位置の変化を１回の二次元走査中に複数回行うことで、各エッジを合焦点の点の列として取得することができる。得られた二次電子像から画像処理により合焦点の点を抽出し、これらの点を計測したいパターンの種別（ライン・ホールなど）によって近似曲線で結ぶことでパターンの寸法計測を行うことができる。

上記特徴から、本手法は特定のエッジに対して焦点を合わせる必要がなく、二次電子像形成のための走査も高さの異なるエッジの数にかかわらず１回となるため、スループットの低下やコンタミネーションの増加、局所帯電の発生といった問題が発生する可能性が低くなる。

以下、上記手法によるパターン測定装置および手法を詳細に説明する。なお、以下の実施例では、走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope：ＳＥＭ）によって取得される信号に基づいてパターンの計測を行う装置について説明するが、ＳＥＭに替えて、集束イオンビーム（Focused Ion Beam）装置を適用することも可能である。但し、微細化が進むパターンを高精度に測定するためには、極めて高い倍率が要求されるため、一般的に分解能の面でＦＩＢ装置に勝るＳＥＭを用いることが望ましい。

図４は、走査型電子顕微鏡の概略構成図である。全体制御部４２５はユーザーインターフェース４２８から作業者によって入力された電子の加速電圧、試料４１１の情報、観察位置情報などを基に、電子光学系制御装置４２６、ステージ制御装置４２７を介して、装置全体の制御を行っている。

試料４１１は図示されない試料搬送装置を介して、試料交換室を経由した後試料室４１３にあるステージ４１２上に固定される。ステージ４１２は、ステージ制御装置を介してユーザーインターフェースから入力された座標に移動させることができる。また、試料室にはレーザー光等の光学的な素子を用いた試料高さ計測器であるＺセンサ４２９が搭載されており、ステージ制御装置４２７の命令により、試料４１１の高さを計測することができる。

電子光学系制御装置４１６は全体制御部４２５からの命令に従い、高電圧制御部４１５、第一コンデンサレンズ部４１６、第二コンデンサレンズ制御部４１７、二次電子信号増幅器４１８、アライメント制御部４１９、偏向信号制御部４２２、対物レンズ制御部４２１を制御している。

引出電極４０２により電子源４０１から引き出された一次電子線４０３は第一コンデンサレンズ４０４、第二コンデンサレンズ４０６、対物レンズ４１０により収束され試料４１１上に照射される。途中電子線は絞り１０５を通過し、アライメントコイル４０８によりその軌道を調整され、また、偏向信号増幅器４２０を介して偏向信号制御部４２２から信号を受けた偏向コイル４０９（走査偏向器）により試料上を二次元的に走査される。試料４１１への一次電子線４０３の照射に起因して、試料４１１から放出される二次電子４１４は二次電子検出器４０７により補足され、二次電子信号増幅器４１８を介して二次電子像表示装置４２４の輝度信号として使用される。また、パターンの寸法計測に使用する画像を作成するため、二次電子信号増幅器４１８から出力される信号を画像処理プロセッサ４２３内でＡＤ変換し、デジタル画像データを作成する。また、図４に例示する走査型電子顕微鏡には、図示しないメモリが搭載されており、パターンの自動測定、検査を行うためのレシピが記憶されている。また、画像処理プロセッサ４２３は、上記二次電子検出器４１８の検出信号に基づいて形成される輝度プロファイルのピーク位置を検出し、その間の寸法測定を実行する。

以下に簡単な階段状のパターンを例にとって本計測手法を説明する。図１３はその工程を示すフローチャートである。図５は、階段状のラインパターンを表面から見た平面図とその断面図、及び通常の二次元走査による二次電子像の模式図を示したものである。図中に示した２つの異なる高さにあるエッジの寸法５０１、５０２を測定することを考える。一般的にＳＥＭにおいてパターンの画像を取得する際、まず焦点合わせを行う。焦点合わせでは、対物レンズ４１０に流す励磁電流を変化させることで行うが、より高速に焦点合わせを行う方法として試料４１１もしくはステージ４１２に対し印加する電圧を変化させて行う方法もある。後述するように、本実施例では、１フレームを走査する間に、焦点位置を周期的に変化するようにレンズ条件を調整しているが、これは電磁型、或いは静電型の対物レンズの一方、或いは両方を調整することによって行われる。このように本実施例では種々の焦点調整素子の適用が可能である。静電型対物レンズは、例えば上述のように試料に負電圧を印加することによって生じる電位差によって形成するようにしても良いし、ビームの通過開口が設けられた平板状の電極を複数積層配置し、その間に電位差を生じさせることで形成するようにしても良い。

特定のエッジに焦点を合わせた状態で一次電子線を偏向し試料上を二次元的に走査する（ステップ１３０１）。走査線５０３は（Ｘ，Ｙ）＝（０，０）の位置からＸ方向へ走査し、次に走査開始位置をＹ方向へΔｙ５０４ずらして同様の走査を行う。これを繰り返すことで試料表面からの二次電子信号を取得し、得られた信号の強度を二次元的に表示することで二次電子像が得られる。しかし、図５の二次電子像に示すとおり焦点の合っているエッジは明瞭なエッジ５０５となる一方、焦点の合っていないエッジはボケたエッジ５０６となり、エッジ５０６の寸法計測は精度が悪くなることが容易に考えられる。

そこで本手法では一次電子線の二次元走査中に焦点位置を変化させることを行う。図６は走査位置と焦点位置の関係をしたものである。焦点位置は、Ｙ方向位置に同期して初期値（Ｆ０）６０１からＦ０＋ΔＦまで変化させる。初期値（Ｆ０）６０１と焦点変化量（ΔＦ）６０２は、計測するパターンによって個別に設定し、計測に必要なエッジの合焦点位置がΔＦ内に含まれるように設定する。

焦点位置がＦ０＋ΔＦに到達した後、同様のステップ幅でＦ０まで焦点位置を戻す。これを１周期（周期Ｔ）６０３としてＮ回繰り返し１フレーム６０４の走査とする。

以上のような走査を行うことによって、二次元画像、或いは輝度プロファイルを取得する（ステップ１３０２）。図７に上記走査により得られる二次電子像を示す。ここでは繰り返し数Ｎを３として示している。Ｙ座標によって焦点位置が変化しているため、エッジは焦点が合う位置７０１と焦点がボケる位置７０２が交互に現れる。この位置は、エッジの高さによって異なるため、エッジ７０３とエッジ７０４では異なるＹ座標で合焦点７０１が現れる。この合焦点７０１を画像処理により抽出する（ステップ１３０３）。

画像処理の一例としては、合焦点位置の周辺部は必然的にボケるため、周辺部と比較して輝度が高くなる点を抽出することで合焦点位置を検出することができる。また、あらかじめ計測に必要となるエッジが現れる領域が特定できる場合、エッジに直行するように当該領域の画像の先鋭度を計測して比較することでも合焦点位置の検出が可能である。

更にＹ座標単位で輝度プロファイルを形成し、所定の閾値以上の輝度を持つ部位を高輝度点として抽出するようにしても良いし、更に波形プロファイルの中で所定閾値以上の輝度であって、且つそのピーク幅が所定値以下の部位を抽出するようにしても良い。このような処理は、例えば画像処理プロセッサ４２３によって行うようにしても良いし、上述のような処理を実行させるコンピュータープログラムをインストールした外部のコンピューターにて行うようにしても良い。

なお、エッジ方向に輝度プロファイルを作成し、ピーク位置を高輝度点として抽出するようにしても良い。また、フォーカスの変化幅が大きいと、ピーク位置とその近傍の輝度の変化が小さくなり、ピーク位置を同定することができなくなる可能性があるが、その場合は輝度情報に、予め登録された近似関数をフィッティングすることによって、ピーク位置を見出すようにしても良い。エッジ位置の同定は、例えば所定値以上の輝度を持つ画素の配列を特定することによって行うようにしても良い。

抽出された合焦点７０１（高輝度点）に対して、直線近似やスプライン処理等を施した後、作業者が指定した手法で寸法を測定する。たとえば、図８に示すように領域８０１、８０２内の点に関してはラインパターンと認識させ、かつスプライン曲線８０３、８０４により近似曲線を作成してライン間の寸法やラフネスを計測することができる。また、領域８０５内の点に関してはホールパターンと認識させ、円８０６により近似曲線を作成して直径等を測定することができる。

これにより１フレーム内で高さの異なるエッジの寸法を計測することが可能となる（ステップ１３０４）。合焦点位置に基づいて作成された近似曲線を測定始点、及び測定終点として、測定を実行するようにしても良いし、測定始点、終点のどちらか一方を近似曲線とし、他方を合焦点とするようにしても良い。

１フレームの走査では得られた二次電子像にノイズが多く合焦点を検出できない場合は、通常の走査と同様に二次元走査を繰り返し実施して画像を積算したり、走査速度を遅くすることで解決することができる。

図１４は、上層パターンのエッジ間の測定を行う場合のサンプリング個所の一例を示す図である。この図では上層パターンの合焦点位置を２０点抽出し、その間の測定個所１４０１〜１４１０を測定する例を示している。パターン幅を測定するだけであれば、近似曲線を作成する必要はないため、合焦点位置（例えば位置１４１１、１４１２）を抽出し、その間のＸ方向の寸法測定を行う。なお、１の測定個所だけであるとノイズの混入等によって、正確な値を検出できない可能性があるため、測定個所１４０１〜１４１０の測定結果を加算平均することによって、上層パターンのエッジ間の距離を求めるようにしても良い。また、図１５に例示するように、下層パターンの合焦点位置１４１３、１４１４を抽出し、上層パターンのエッジとの間の距離１５０２を測定するようにしても良いし、上層パターンのエッジと下層パターンのエッジとの距離１５０３を求めるようにしても良い。また、上層パターンの合焦点位置１４１１と下層パターンの合焦点位置１４１３との距離１５０４を求めるようにしても良い。

距離１５０４は、上層エッジの合焦点位置と、下層エッジの合焦点位置との距離に応じて変化し、高低差情報を反映した値となる。よって、距離と高さ情報を関連付けて記憶するデータベースを予め用意しておくことによって、高さ測定を行うことができる。また、距離１５０４の適正値、或いは適正値範囲に相当する距離情報を予め用意しておき、当該距離情報と、検出された距離情報との比較を行うことによって、部分的な膜減り等の状況を把握することが可能となる。また、複数の部位にて高さ情報を求め、高さ情報同士の相対的な比較によって、異常部位を抽出するようにしても良い。ＳＥＭ画像は二次元的な情報については高精度に求められるものの、高さ情報の抽出が難しい場合がある。しかしながら本実施例によれば、高さに関する情報を二次元的な高輝度位置の差異として表現することが可能となる。

更に、上層パターンの合焦点位置１４１１と１４１２との間の中点、及び下層パターンの合焦点位置１４１３と１４１４との中点を抽出し、当該中点間の寸法を測定することによって、上層パターンと下層パターンとの間のＸ方向のずれを求めるようにしても良い。また、図１４に図示する例だとＸ方向のレイヤ間のずれしか特定ができないため、例えばＸ方向に延びるパターンを用いて、Ｙ方向のずれ（Δｙ）を求め、√（Δｘ²＋Δｙ²）と、arctan（Δｙ／Δｘ）から、レイヤ間のずれ量と方向を求めるようにしても良い。Δｙは例えばＸ方向に延びるパターンに対し、走査線が当該パターンのエッジに交差するように、ビーム走査することによって、求められる。

Ｘ方向の寸法測定とＹ方向の寸法測定結果を上述のように、加算平均に基づいて求めることによって、ノイズの発生や部分的なパターンの変形の影響を抑制しつつ、高精度なレイヤ間のずれ測定を行うことが可能となる。

なお、高輝度点として抽出される個所は、ノイズである可能性もあるため、例えば高輝度位置の配列パターンを予めテンプレートとして記憶しておき、実際にＳＥＭ画像から抽出された配列パターンと比較することによって、ノイズか高輝度位置かの選択を行うようにしても良い。この場合、例えば倍率可変可能なテンプレートの高輝度点と、ＳＥＭ画像から抽出された高輝度点との距離が所定値を超えた場合、その高輝度点はノイズであると判定し、フィルタするようにしても良い。逆に所定値を超えた場合、パターン異常と判定し、異常である旨の信号を発する、或いは後の検証を可能とすべく、パターンの識別情報と、その異常値を関連付けて記憶しておくようにしても良い。

また、図１６に例示するように、同じエッジの異なる位置の高輝度位置（合焦点位置１４１１と１６０１、或いは合唱点位置１４１３と１６０３）間の距離１６０５、１６０６を求めるようにしても良い。

図９に上記手法では計測が困難になると予測されるパターンの例を示す。構造は図５に示したものと同一であるが、エッジのラフネスが大きいことが特徴である。このようなパターンでは、１エッジのあたりの合焦点数９０１が少なくなり計測結果に大きな誤差が発生する可能性がある。また図３に示したような二次元走査領域中に一部分にしか存在しないパターン（ホールパターン）の場合も同様に合焦点数が少なくなり計測精度が低下する可能性がある。このようなパターンに対しては、合焦点数を増やすように走査と焦点位置変化を工夫した焦点位置変化シーケンスを適用する必要がある。図１０にその一例を示す。合焦点数を増やすためには繰り返し数Ｎを大きくする必要があるが、その結果焦点位置の変化が極端になると合焦点位置を見つけることが困難になると推測される。そこで、複数回の二次元走査１００１、１００２、１００３を実施し、走査毎にＦ０を変化させることで、レンズの変化周期をシフトさせて、各二次元走査で異なった位置に合焦点１００４が現れるようにする。これにより走査回数の増加数を抑えて合焦点数を増やすことが可能となり、上記のようなパターンに対しても計測が可能となる。

図１１に上記手法では計測に無駄が多く発生してしまうパターンの例を示す。パターンのレイアウトは図５と同一であるが、エッジ１１０２とエッジ１１０３の差１１０１が非常に大きなパターンである。この場合、図６に示すように一定の割合で焦点位置を変化させていくと、高さ変化量が大きくなるため繰り返し数を大きくすることができず、画像の半分以上が無駄な走査となってしまう。そこで、図１２に示すような焦点位置変化シーケンスを適用する。本シーケンスではあらかじめ各エッジでの合焦点位置１２０１、１２０２を登録しておき、これらの合焦点位置を中心として範囲１２０３、１２０４（焦点変化範囲）では焦点位置をゆっくりと変化させ、それ以外の領域では大きく（相対的に高速に）変化させる。これにより、高さ変化量が大きなパターンにおいても問題なく計測することができるようになる。

このように対象パターンの高さに応じて、部分的に焦点変化速度を変化させることによって、測定対象となるパターンのエッジを高精度に捕捉することが可能となる。

また、図１８は、高輝度点位置の配列を示すテンプレートの一例を示す図である。図１８のテンプレートは、上層側エッジ１８０１と下層側エッジ１８０２のそれぞれに、高輝度点基準位置１７０１が設定されている。ＳＥＭ画像に基づいて高輝度点位置を抽出した後に、テンプレートの高輝度基準位置との対応を検出することによって、その検出結果を各種の測定や検査等に適用することができる。

まず、テンプレートと、ＳＥＭ画像から抽出された高輝度点位置データとを重ね合わせ、各点の対応を検出する。対応点が検出できない場合、ＳＥＭ画像が適正に形成されなかったか、パターンが適正に形成されていない場合が考えられるため、対応点の検出数が所定値未満の場合に、エラーメッセージを発生するようにしても良い。また、ＳＥＭ画像にはノイズが含まれていることもあるため、全基準位置ではなく、所定数の基準位置について、対応点が検出された場合に、テンプレートと高輝度点位置データとの対応が検出できたと判断するようにしても良い。対応点の検出については、例えば高輝度基準位置１７０１を基準として所定の距離範囲内に、所定の輝度を持つ高輝度点が存在する場合に、その高輝度点を対応点とすること等が考えられる。

また、テンプレートを伸縮可能にしておくことによって、画像の取得倍率が変化したとしても、同じテンプレートを用いることができる。

次に対応点と基準位置との間の距離を求め、その寸法差を計測結果と出力する。図１７は上層側エッジのテンプレートの高輝度点基準位置１７０１と、対応点１７０２との間の距離を求める例を示す図である。Ｘ方向のずれ（ｄｘ）はエッジのＸ方向のずれであるが、Ｙ方向のずれ（ｄｙ）は、高さ方向のずれと見做すことができる。例えば、対応点１７０４は、高輝度点基準位置１７０３から見て、Ｙ方向にｄｙ₃分、ずれた位置にある。上層の高さが適正な位置にあれば、Ｙ方向の位置は、高輝度基準位置１７０３と一致する筈であるが、この例の場合、高輝度基準位置１７０３は、設計データ上の高さとは異なる高さにあることがわかる。本実施例では焦点位置を周期的に変化させているため、対応点１７０４を走査したときの焦点位置が上層パターンの高さであることがわかる。一方、対応点１７０２は、高輝度点基準位置１７０１に対するＹ方向のずれがないため、適正な高さに上層パターンが形成されていることがわかる。

この２つの計測結果から、適正な高さに形成されている対応点１７０２に相当するパターン位置と、対応点１７０３に相当するパターン位置は異なる高さに形成されていることがわかる。このような判定結果を測定結果と併せて記憶、或いは図示しない表示装置に表示させることによって、深さ方向のパターンの形成状態を容易に把握することが可能となる。

以上のように、本実施例によれば、異なる高さ毎に１フレーム分の走査を行うことなく、高精度な測定や検査を行うことができる。更に、深さ方向（Ｚ方向）の情報をＸ−Ｙの二次元情報として捉えることが可能となる。

４０１電子源
４０２引出電極
４０３一次電子線（電子ビーム）
４０４第一コンデンサレンズ
４０５第二コンデンサレンズ
４０７二次電子検出器
４０９偏向コイル
４１０対物レンズ
４１１試料
４１２ステージ
４１３試料室
４１４二次電子

Claims

荷電粒子源から放出される荷電粒子ビームの試料への走査に基づいて、得られる信号を検出する荷電粒子線装置において、
前記荷電粒子ビームの焦点を調整するレンズと、前記荷電粒子ビームを走査する走査偏向器と、視野の中で荷電粒子ビームの焦点を変化させつつ荷電粒子ビームを走査させることによって得られる検出信号に基づいて、複数の合焦点を抽出するプロセッサを備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
請求項１において、
前記レンズは、前記走査偏向器による１フレームの走査の間に、周期的に焦点位置を変化させることを特徴とする荷電粒子線装置。
請求項２において、
前記レンズは、前記走査偏向器によって、複数フレームの走査を行う場合に、１のフレームの焦点位置の変化周期に対して、他のフレームの周期をシフトさせることを特徴とする荷電粒子線装置。
請求項２において、
前記レンズは、前記焦点位置の１の変化周期の間に、焦点位置の変化速度を変化させることを特徴とする荷電粒子線装置。
請求項４において、
前記レンズは、前記試料表面位置を含む焦点変化範囲にて、それ以外の焦点変化範囲と比較して焦点変化速度を低下させることを特徴とする荷電粒子線装置。
請求項１において、
前記プロセッサは、前記複数の合焦点位置間の寸法を測定することを特徴とする荷電粒子線装置。
請求項１において、
前記プロセッサは、前記複数の合焦点位置に基づいて近似曲線を作成し、当該近似曲線を測定始点、及び／または測定終点とした測定を実行することを特徴とする荷電粒子線装置。
荷電粒子ビームを走査したときに得られる検出信号に基づいて、試料上に形成されたパターンの寸法を測定する試料寸法測定方法において、
１フレームの中で焦点位置を周期的に変化させながら、走査を実行し、当該走査によって得られた検出信号から、複数の合焦点を抽出することを特徴とする試料寸法測定方法。
請求項８において、
前記複数の合焦点間の寸法を測定することを特徴とする試料寸法測定方法。
請求項８において、
前記複数の合焦点に基づいて形成される複数の近似曲線間、近似曲線と前記合焦点間の寸法を測定することを特徴とする試料寸法測定方法。