JP2016057216A - パターン高さ測定装置及びパターン高さ測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】測定結果の再現性及び測定精度に優れたパターン高さ測定装置及びパターン高さ測定方法を提供する。
【解決手段】試料表面から放出される二次電子が分散σのガウス分布関数で表されものとして、パターンとガウス分布関数との重なりから、パターンのエッジの外側の領域のラインプロファイルの近似曲線を求める。そして、ラインプロファイルとの誤差が最も小さくなる近似曲線を通じて分散σの値を求める。その後、予めパターンの高さが判明している校正用試料で求めたパターンの高さと分散との相関関係に基づいて前記パターンの高さを算出する。
【選択図】図７

Description

本発明は、パターン高さ測定装置及びパターン高さ測定方法に関し、特に電子ビームを試料の表面に照射してパターンの高さを測定するパターン高さ測定装置及びパターン高さ測定方法に関する。

近年、半導体装置の微細化の進展に伴い、マスクパターンの微細化及び薄型化が進んできている。そのため、線幅等の二次元的なマスクパターン形状の測定だけでなく、転写特性等に影響を及ぼすマスクパターンの高さの測定も重要となっている。

パターンの高さを測定する技術としては、試料の表面を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）で撮像し、得られたＳＥＭ画像（二次電子像）に現れる影の長さに基づいてパターンの高さを推定する方法が提案されている。

この方法では、パターン周辺の輝度値等に対して所定の閾値を設定し、その閾値と二次電子像の輝度値の分布を示すプロファイル曲線との交点に基づいて、影の長さを求めている。

特開２０１２−１７７６５４号公報 特開２００５−３１０６０２号公報 特開２０００−１４６５５８号公報

しかし、実際のプロファイル曲線はＳＥＭ画像のノイズの影響によりばらついていることが多い。そのため、従来のように閾値とプロファイル曲線の交点に基づいて影の長さを求めたのでは、ノイズの影響を受けやすく、測定結果の再現性や測定精度が低下してしまう。

そこで、本発明は、測定結果の再現性及び測定精度に優れたパターン高さ測定装置及びパターン高さ測定方法を提供することを目的とする。

本発明の一観点によれば、電子ビームを試料表面に照射つつ走査させる電子ビーム走査部と、前記電子ビームの光軸の周り円盤状に形成され、周方向に複数の領域に分割された二次電子検出器と、前記二次電子検出器の検出信号に基づいて前記試料表面を複数の異なる方向の検出器から捉えた二次電子像を生成する信号処理部と、前記二次電子像に基づいて前記試料表面に形成されたパターンの高さを算出する画像処理部とを備えたパターン高さ測定装置であって、前記画像処理部は、前記二次電子像から前記パターンと交差するラインに沿った輝度の分布を表すラインプロファイルを抽出するステップと、前記パターンのエッジの外側の領域のラインプロファイルの近似曲線の候補を、前記二次電子の分布を表す分布関数と前記パターンとの重りに基づいて求めるステップと、前記二次電子の分布関数の広がりを変化させながら、前記ラインプロファイルの近似曲線の候補を求めるステップを複数回繰り返し、前記ラインプロファイルとの誤差値が最も小さくなる前記近似曲線の候補を求めるステップと、ラインプロファイルとの誤差値が最も小さくなる前記近似曲線の候補を与える二次電子の分布関数の広がりを求めるステップと、予めパターンの高さが判明している校正用試料で求めたパターンの高さと前記分布関数の広がりとの相関関係に基づいて前記パターンの高さを算出するステップと、を行うパターン高さ測定装置が提供される。

本発明の別の一観点によれば、電子ビームを試料表面に照射つつ走査させる電子ビーム走査部と、前記電子ビームの光軸の周り円盤状に形成され、周方向に複数の領域に分割された二次電子検出器と、前記二次電子検出器の検出信号に基づいて前記試料表面を複数の異なる方向の検出器から捉えた二次電子像を生成する信号処理部と、前記二次電子像に基づいて前記試料表面に形成されたパターンの高さを算出する画像処理部とを備えたパターン高さ測定装置において行われるパターン高さ測定方法であって、前記電子ビーム走査部において電子ビームを試料の表面に照射しつつ走査させるステップと、前記二次電子検出器で、前記電子ビームの照射によって前記試料の表面から放出される二次電子の強度を検出するステップと、前記信号処理部で、前記二次電子検出器からの検出信号に基づいて前記試料表面の二次電子像を生成するステップと、前記画像処理部が、前記二次電子像から前記パターンと交差するラインに沿った輝度値の分布を表すラインプロファイルを抽出するステップと、前記画像処理部が、前記パターンのエッジの外側の領域のラインプロファイルの近似曲線の候補を、前記二次電子の分布を表す分布関数と前記パターンとの重りに基づいて求めるステップと、前記画像処理部が前記二次電子の分布関数の広がりを変化させながら、前記ラインプロファイルの近似曲線の候補を求めるステップを複数回繰り返し、前記ラインプロファイルとの誤差値が最も小さくなる前記近似曲線の候補を求めるステップと、前記画像処理部が、ラインプロファイルとの誤差値が最も小さくなる前記近似曲線の候補を与える二次電子の分布関数の広がりを求めるステップと、前記画像処理部が、予めパターンの高さが判明している校正用試料で求めたパターンの高さと前記分布関数の広がりとの相関関係に基づいて前記パターンの高さを算出するステップと、を有するパターン高さ測定方法が提供される。

上記観点のパターン高さ測定装置及びパターン高さ測定方法によれば、閾値とラインプロファイルの交点といった一点に基づいてパターンの高さを検出するのではなく、パターンのエッジの外側の領域のラインプロファイルに基づいてパターンの高さを求めている。そのため、ノイズによる影響を受けにくくなり、再現性が向上し、原子間力顕微鏡法（ＡＦＭ）に匹敵する精度でパターンの高さを測定することができる。

図１は、第１実施形態に係るパターン高さ測定装置を示すブロック図である。 図２は、図１のパターン高さ測定装置の二次電子検出器の配置を示す模式図である。 図３は、図１のパターン高さ測定装置が生成する二次電子像とラインプロファイルの一例を示す図である。 図４は、試料表面付近の電子の動きを示す図である。 図５（ａ）は、試料表面から放出される二次電子の分布を示す図であり、図５（ｂ）は電子ビーム３１の照射位置と二次電子の検出量の変化を示す図である。 図６は、パターンの高さによる分散σの変化の様子を示す図である。 図７は、様々な高さのパターンのラインプロファイルと近似曲線の算出結果を示す図である。 図８は、第１実施形態に係るパターン高さ測定方法を示すフローチャートである。 図９は、差分プロファイルから分散σの値を求める方法を示すフローチャートである。 図１０は、パターンの高さと分散σとの相関関係の求め方を示すフローチャートである。 図１１は、隣接するパターン同士の間隔が狭い場合の差分プロファイルを示す図である。 図１２は、隣接するパターン同士の間隔が狭い場合の差分プロファイルの近似曲線及び分散σの求め方を示すフローチャートである。 図１３は、隣接するパターンの２つのエッジの影響を考慮した近似曲線を求めた結果を示す図である。 図１４は、第３実施形態に係る断面形状の再現方法を示すフローチャートである。 図１５（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ差分プロファイル、近似曲線、補正プロファイル及び断面形状の一例を示す図である。

以下、実施形態について添付の図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係るパターン高さ測定装置１００を示すブロック図である。

図示のようにパターン高さ測定装置１００は、試料８を収容するチャンバー２と、試料８に電子ビーム３１を照射する電子ビーム走査部１と、パターン高さ測定装置１００の各部の制御及び測定データの処理を行うデータ処理部１０とを備えている。

このうち、チャンバー２には、支持体７ａを介してウェハやフォトマスクなどの試料８を保持するステージ７が設けられている。このステージ７は、データ処理部１０からの制御信号に基づいて動作し、試料８の観察領域を電子ビーム走査部１による電子ビーム照射範囲に移動させる。

電子ビーム走査部１は電子銃３を有し、この電子銃３から所定の加速電圧で電子ビーム３１を放出させる。電子ビーム３１はコンデンサレンズ４で収束され、対物レンズ６で焦点合わせされて試料８の表面に照射される。そして、電子ビーム３１の照射位置を偏向器５によって走査させる。

このようにして電子ビーム３１を照射すると、試料８の表面から二次電子３２が放出される。放出された二次電子３２は、試料８の上方に配置された二次電子検出器９で検出される。

図２は、パターン高さ測定装置１００の二次電子検出器９を示す模式図である。

図２に示すように、二次電子検出器９は、電子ビーム３１の光軸付近に設けられた円形の穴９ｆと、その周りに円盤状に形成されたシンチレータ９ａ〜９ｄとを備えている。この円盤状のシンチレータ９ａ〜９ｆは、周方向に均等の角度（９０°）で４分割されており、それぞれが独立した検出信号を出力する。ここでは、４分割された二次電子検出器９の各領域を、それぞれ第１〜第４検出器９ａ〜９ｄと呼ぶ。

電子ビーム３１の走査は、試料８の表面に設定された矩形状の観察領域８１と呼ばれる領域で行われる。第１〜第４の検出器９ａ〜９ｄは、その観察領域８１の四隅の方向に配置されている。それぞれの検出器９ａ〜９ｄから得られる二次電子像は、パターンの影が異なる向きに現れるため、これらの二次電子像を利用することでパターンの３次元的な情報が得られる。

図１に示すように、二次電子検出器９の信号はデータ処理部１０によって処理されて、二次電子像の生成やパターンの高さ測定等に用いられる。

第１〜第４検出器９ａ〜９ｄ（図２参照）から送出された信号ｃｈ１〜ｃｈ４はデータ処理部１０の信号処理部１１に入力される。信号処理部１１は、入力された検出信号をデジタルの輝度値データに変換する。また、信号処理部１１は、輝度値データと、電子ビーム３１の照射位置座標のデータとを対応付けることで二次電子像を生成して表示部２０に表示させる。さらに、信号処理部１１が生成した二次電子像は後述するパターン高さ測定処理に利用するべく記憶部１３に格納される。

画像処理部１２は、生成された二次電子像を記憶部１３から読み出して、パターン高さの測定に必要な各種画像の生成、輝度値分布（ラインプロファイル）の抽出及びパターン高さを測定するための処理を行う。

図３（ａ）〜（ｃ）は、画像処理部１２が生成する二次電子像とラインプロファイルの一例を示す図である。

図３（ａ）は、左下の第１検出器９ａと左上の第２検出器９ｂの検出信号とを加算して得られる二次電子像である。この二次電子像は、紙面左側に配置した二次電子検出器から得られる二次電子像と同等のものとなるため、ここでは左画像と呼ぶ。左画像では、パターン９１の右側のエッジ付近で二次電子の検出量が低下し、輝度値の低下が影として現れる。

図３（ｂ）は、右上の第３検出器９ｃと右下の第４検出器９ｄの検出信号を合成した二次電子像である。この二次電子像は、紙面右側に二次電子検出器を配置したときに得られる二次電子像と同等であり、ここでは右画像と呼ぶものとする。右画像では、パターン９１の左側のエッジ付近で二次電子の検出量が低下し、輝度値の低下が影として現れる。

図３（ｃ）は、パターン９１に電子ビームを照射したときの輝度値の分布（ラインプロファイル）を示しており、図３（ａ）、（ｂ）の線分Ｂの部分に相当する。

図中、ラインプロファイルＬは、左画像から抽出したラインプロファイルであり、ラインプロファイルＲは右画像から抽出したラインプロファイルであり、曲線Ｌ＋ＲはラインプロファイルＬとラインプロファイルＲとを加算して得られるラインプロファイルである。

また、ラインプロファイルＬ−Ｒは、ラインプロファイルＬからラインプロファイルＲの値を減算したラインプロファイル（差分プロファイル）である。

差分プロファイルでは、平坦な部分の輝度値が打ち消され、試料表面の凹凸に応じた輝度値の変化が現れる。図示のように、差分プロファイル（Ｌ−Ｒ）では、パターン９１の左側のエッジ付近で輝度値の変化が正側に強調され、右側のエッジ付近では輝度値が負側に強調されて表示される。このように、差分画像では、パターン９１の凹凸情報を強調した画像が得られるため、パターン９１の高さ測定に好適である。以下の説明では、この差分画像を利用してパターンの高さを求める例について説明する。

以下、本実施形態のパターンの高さ測定の原理について説明する。

図４は、パターン９１の左側のエッジ９１ａ付近の電子の動きを示す図である。

右画像のラインプロファイルＲに着目すると、パターン９１のエッジ９１ａの下端部よりも左側の領域Iにおいて、右側の二次電子検出器の二次電子３２の検出量が低下し、ラインプロファイルに凹部が現れる。これは、試料表面から放出された二次電子３２の一部がパターン９１のエッジ９１ａ（側壁）に遮られることで、右側の二次電子検出器で検出されにくくなるためである。パターンの側壁の領域IIでは、エッジ９１ａ付近で二次電子の放出部分の面積が増加するため、二次電子の放出量が増加してラインプロファイルにピークが現れる。また、パターンの上端の領域IIIでは、輝度値が一定の値に落ち着く。

左画像のラインプロファイルＬに着目すると、領域Ｉでは二次電子が遮られることなく検出されるため、ラインプロファイルＬには凹部は表れない。領域Iでは、エッジ９１ａに当たった二次電子や反射電子が左側の二次電子検出器に向かうことで、検出量が増加し、電子ビーム３１の位置がパターン９１のエッジ９１ａに近づくにつれて徐々に輝度値が増加する。

このような領域Ｉにおけるラインプロファイルの変化は、差分プロファイル（Ｌ−Ｒ）にも反映されて輝度値の増加として現れる。

図５（ａ）は、試料表面から放出される二次電子の分布を示す図であり、図５（ｂ）は電子ビーム３１の照射位置と二次電子の検出量の変化を示す図である。

図５（ａ）に示すように、試料表面から放出され、検出器に到達する二次電子の大部分は、電子ビーム３１の照射位置を頂点とし、電子ビーム３１に対する所定の角度θの円錐状の放出領域３３に放出される。

この放出領域３３の測定対象パターンの高さＨでの断面に着目すると二次電子の分布は曲線３４に示すように、電子ビーム３１の照射位置を中心とするガウス分布関数で表される。このガウス分布関数の広がりを表す分散σの値はパターンの高さＨに応じて変化する。

図５（ｂ）に示すように、電子ビーム３１をパターン９１に向けて走査させると、円錐状の放出領域３３がパターン９１と重なることで、右側の検出器に到達する二次電子の量が減少して差分プロファイルの輝度値が変化する。差分プロファイルの輝度値の変化量は、放出領域３３の二次電子の分布関数と、パターン９１とが重なりに応じて変化する。すなわち、放出領域３３とパターン９１との重複領域３５に存在する二次電子が、パターン９１の側壁に当たって妨げられる。差分プロファイルでは右側の検出器の輝度値の減少が反転された上で加算されるため、差分プロファイルにおいて左側のエッジでは輝度値が増加する。

このときの差分プロファイルの輝度値は、二次電子の分布を表すガウス分布関数を重複領域３５の範囲で積分（ガウス積分）することで求まる。ガウス分布関数の中心の位置を差分プロファイルのライン状に沿って移動させながら、ガウス積分値を算出することで、差分プロファイルの近似関数（ガウス積分プロファイル）が求まる。

なお、ガウス積分プロファイルＩ（ｘ）は、誤差関数を用いて以下の式で求めることができる。

ここで、ｘは電子ビームの照射位置であり、μはパターン９１のエッジの上端の位置であり、ｍは係数であり、σは正規分布の分散の値である。

二次電子の分布関数の広がりを表す分散σの値は、測定対象となるパターン９１の高さＨに応じて変化する。

図６は、パターンの高さＨによる分散σの変化を示す図である。

図示のように、比較的高い高さＨ₁のパターンの場合には、より広い範囲で発生した二次電子が遮られる。このため、輝度分布に影響を与える二次電子の分布関数の広がりを表す分散σ₁の値は大きくなる。

一方、比較的低い高さＨ₂のパターンの場合には、二次電子を遮る範囲が狭くなり、輝度分布に影響を与える分散σ₂の値は小さくなる。

図７は、様々な高さのパターンのエッジ付近の差分プロファイルと、近似曲線の算出結果とを示すグラフである。

図示のように、二次電子のガウス分布関数とパターンとの重なりに基づいて求めた近似曲線は、パターンのエッジの外側の領域において、差分プロファイルとよく一致することがわかる。また、近似曲線の分散σの値は、パターンの高さに比例して変化することがわかる。

パターン９１の高さＨは下記の（２）式のように分散σの１次関数で表すことができる。

そこで、本実施形態では、分散σとパターン９１の高さＨとの間の相関関係を示す係数ｋを予め実験的に求めておく。

以下、パターン高さ測定装置１００（図１参照）で行われるパターンの高さ測定方法について説明する。

図８は、本実施形態に係るパターン高さ測定方法を示すフローチャートである。

まず、ステップＳ１１において、パターン高さ測定装置１００は、電子走査部１で電子ビーム３１を照射及び走査させて試料表面の観察を行う。試料表面から放出された二次電子は二次電子検出器９で検出する。その検出信号は、データ処理部１０の信号処理部１１がデジタル信号の輝度値データに変換され、電子ビーム３１の照射位置と輝度値データとが対応づけられて二次電子像が生成され記憶部１３に格納される。

次に、ステップＳ１２に移行し、データ処理部１０の画像処理部１２において、パターンの高さの測定に必要な画像データを生成する。例えばパターンのエッジが上下方向に延在している場合には、左画像及び右画像を生成したのち、左画像の輝度値から右画像の輝度値を差し引いた差分画像を生成する。その後、生成した差分画像を記憶部１３に格納する。

次に、ステップＳ１３に移行し、画像処理部１２において、計測対象となるパターンの差分プロファイルを抽出する。ここでは、計測対象パターンのエッジと交差するラインを設定する。次いで、そのラインに沿った差分画像の輝度値の分布である差分プロファイルを抽出する。

次に、ステップＳ１４に移行し、データ処理部１０が差分プロファイルから分散σの値を求める。

図９は、本実施形態において差分プロファイルから分散σを求める方法を示すフローチャートである。

まず、図９のステップＳ２１に移行し、画像処理部１２において、差分プロファイルの切り出しを行う。ここでは、差分プロファイルの中から、輝度値のピーク位置を検出する。次いで、そのピークの近傍の差分プロファイルを微分することで、微分プロファイルを求め、その微分プロファイルの極小値からエッジの上端の位置（Ｘ_max）を検出する。このエッジの上端の位置を、差分プロファイルの切り出し範囲の一方の端部Ｘ_maxとする。

また、差分プロファイルのピークを挟んで反対側に輝度値を検出してゆき、輝度値が０付近となった部分を差分プロファイルの切り出し範囲の他方の端部Ｘ_minとして検出する。その後、上記の始端及び終端の範囲の差分プロファイルを抽出して記憶部１３に格納する。

次に、ステップＳ２２に移行し、画像処理部１２が、カウンタｎの値を１とし、二次電子のガウス積分の分散σ_nに所定の初期値σ_minを入力する。

次に、ステップＳ２３に移行し、画像処理部１２において輝度値の近似関数Ｉ（ｘ）をＸ_minからＸ_maxまでの範囲で求める。ここでは、式（１）に分散σ_nの値を代入し、μにはＸ_maxを代入して計算する。係数ｍは差分プロファイルとの差が最も小さくなる条件を探索して決定する。

次に、ステップＳ２４に移行して、画像処理部１２がステップＳ２３で求めた近似曲線と差分プロファイルとの誤差値Ｅ_nを算出する。ここでは、近似関数Ｉ（ｘ）の輝度値と差分プロファイルの輝度値との差分の二乗和を切り出し範囲で積算することで誤差値Ｅ_nを求める。

その後、ステップＳ２５において、誤差値Ｅ_nと分散σ_nとを記憶部１３に格納する。

次に、ステップＳ２６に移行して、画像処理部１２が分散σ_nの値が所定の探索範囲の最大値σ_maxよりも大きいか否かを判定する。

ステップＳ２６において、分散σ_nの値が所定の最大値σ_max以下の場合には（ＮＯ）、ステップＳ２７に移行してカウンタｎの値を１増加させる。その後、ステップＳ２８において分散σ_nの値をΔσだけ増加させた後、ステップＳ２３に戻る。以後、ステップＳ２３〜Ｓ２８の処理を繰り返す。

一方、ステップＳ２６において、分散σ_nの値が所定の最大値σ_maxよりも大きい場合には（ＹＥＳ）、探索範囲の分散σすべてについて近似曲線の算出が完了したと判断してステップＳ２３〜ステップＳ２８のループを抜けてステップＳ２９に移行する。

ステップＳ２９では、画像処理部１２は記憶部１３から誤差値Ｅ₁〜Ｅ_n及び分散σ₁〜σ_nを格納した配列を読みだし、最も小さい誤差値Ｅに対応する分散σの値を抽出する。

ここで抽出した分散σの値を、対象とするパターンにおける分散σの値として図８のステップＳ１５の処理に用いる。

その後、ステップＳ１５に移行し、画像処理部１２は、パターンの高さＨと分散σとの相関関係を表す式（２）に、ステップＳ２７の分散σの値を代入しパターンの高さＨを求める。

以上の処理によって、パターン測定装置１００によるパターン高さの測定が完了する。

（パターンの高さと分散との相関関係の求め方）
図１０は、パターン高さＨと分散σとの相関関係の求め方を示すフローチャートである。

まず、高さが異なるパターンを有する校正用試料を用意する。ここで使用する校正用試料には例えば原子間力顕微鏡で高さを求めたパターンが形成されている。校正用試料としては、高さの異なるパターンが形成されたものを複数用意しておくことが好ましい。

次に、ステップＳ３１において、測定装置１００で校正用試料を観察し、差分プロファイルを抽出する。差分プロファイルの抽出までの処理は、図８のステップＳ１１〜Ｓ１３と同様である。

次に、ステップＳ３２に移行し、画像処理部１２において、差分プロファイルから分散σの値を求める。分散σの求め方は、図９のステップＳ２１〜Ｓ２９で説明した方法で行う。

次に、ステップＳ３３に移行し、全ての校正用試料について測定が完了したか判定する。

ステップＳ３３において、全ての校正用試料での分散σの測定が完了していない場合（Ｎｏ）には、ステップＳ３１に戻り、他の校正用試料での分散σの測定を繰り返す。一方、全ての校正用試料の測定が完了した場合には、ステップＳ３４に移行する。

ステップＳ３４では、校正用試料のパターンの高さＨと分散σの値の測定結果とから、最小二乗法により、パターンの高さＨと分散σとの相関関係を表す係数ｋ（（２）式参照）を求める。

以上により、パターンの高さＨと分散σとの相関関係を表す係数ｋが求まる。このようなパターン高さＨと分散σの値との相関関係は、試料の材質によっても変わるため、材質毎に応じて予め求めておくことが好ましい。

以上で説明したように、本実施形態によるパターンの高さの測定では、切り出した範囲の差分プロファイルを利用して二次電子の分布関数の広がり（分散σ）を求め、その広がりに基づいてパターンの高さを求める。そのため、ノイズの影響を受けにくく、測定精度及び再現性に優れるパターンの高さ測定を行うことができる。また、本実施形態のパターン高さ測定では、パターンの高さを１ｎｍ〜２ｎｍ程度の精度で測定することができることが確認できており、原子間力顕微鏡や断面観察法に近い精度でパターンの高さを求めることができる。

（第２実施形態）
本実施形態では、図１に示すパターン高さ測定装置１００を用いて隣接するパターン間のスペース狭い場合のパターンの高さの測定方法について説明する。

図１１は、隣接するパターン同士の間隔が狭い試料の差分プロファイルの一例を示す図である。

図１１に示すように、隣接するパターン９１同士の間隔が狭い場合には、隣接するエッジの影響が及ぶため、パターン間のスペース９２の部分に差分プロファイルの平坦な部分が現れない。

このような場合には、図９で説明した方法で求めた近似曲線では差分プロファイルをうまく近似できず、正確な高さを求めることができない。

そこで、本実施形態では、スペース９２の右側のエッジのみによる近似曲線と、左側のエッジのみによる近似曲線とを別々に計算した上で、両者を合成することで、スパース９２の部分の近似曲線を求める。

以下、具体的な手順について説明する。

図１２は、パターン間隔が狭い場合の近似曲線の求め方を示すフローチャートである。

まず、ステップＳ４１において、画像処理部１２が対象とする差分プロファイルの切り出しを行う。ここでは、スペース９２の左側のエッジの上端の位置Ｘ_minを始端とし、右側のエッジの上端の位置Ｘ_maxを終端とする領域の差分プロファイルを切り出す。左右のエッジの上端の位置は、差分プロファイルにおいて、立下りの傾斜が最も急な部分を求めることで検出できる。

次に、ステップＳ４２において、画像処理部１２が、カウンタｎの値を１とし、二次電子のガウス分布の分散σ_nに所定の初期値σ_minを入力する。

次に、ステップＳ４３に移行し、画像処理部１２が、右側のエッジのみを考慮した差分プロファイルの近似関数Ｉ_R（ｘ）を始端Ｘ_minから終端Ｘ_maxまでの範囲で求める。ここでは、式（１）にステップＳ４２で設定した分散σ_nの値を代入し、μにはＸ_maxを代入してＸ座標に対する輝度値の値を算出することで、近似関数Ｉ_R（ｘ）が求まる。

次に、ステップＳ４４に移行して、画像処理部１２が右側のエッジのみを考慮した差分プロファイルの近似関数Ｉ_L（ｘ）を求める。近似関数Ｉ_L（ｘ）は、（１）式を用いて算出してもよいが、左右のパターンの高さが同じ場合には、近似関数Ｉ_R（ｘ）を反転させて求めてもよい。すなわち、差分プロファイルは左右のエッジで対称な形となることに着目し、近似関数Ｉ_R（ｘ）をＸ_minとＸ_maxとの間の中間の部分を中心にしてＸ方向に反転させ、さらに輝度値の符号を反転させることで近似関数Ｉ_L（ｘ）が求まる。

次に、ステップＳ４５に移行し、画像処理部１２が右側のエッジを考慮した近似関数Ｉ_R（ｘ）と左側のエッジを考慮した近似関数Ｉ_L（ｘ）とを加算して全体の近似関数Ｉ（ｘ）を求める。

図１３は、隣接するパターン間の差分プロファイルの近似曲線の一例を示している。

近似関数Ｉ_R（ｘ）と左側のエッジを考慮した近似関数Ｉ_L（ｘ）とを加算することで、図１３において実線で示すような近似関数Ｉ（ｘ）が得られる。

次に、図１２のステップＳ４６において、画像処理部１２がステップＳ２４で求めた近似関数Ｉ（ｘ）と差分プロファイルとの誤差値Ｅ_nを算出する。ここでは、近似関数Ｉ（ｘ）の輝度値と差分プロファイルの輝度値との差分の二乗和を各ｘ座標で求めて加算することで、差分プロファイルと近似関数Ｉ（ｘ）との誤差値Ｅ_nを求める。

その後、ステップＳ４７において、誤差値Ｅ_nと分散σ_nとを記憶部１３に格納する。

次に、ステップＳ４８に移行して、画像処理部１２が分散σ_nの値が所定の最大値σ_maxよりも大きいか否かを判定する。

ステップＳ４８において、分散σ_nの値が所定の最大値σ_max以下の場合には（ＮＯ）、ステップＳ４９に移行してカウンタｎの値を１増加させる。その後、ステップＳ５０において分散σｎの値をΔσだけ増加させた後、ステップＳ４３に戻る。

一方、ステップＳ４８において、分散σ_nの値が所定の最大値σ_maxよりも大きい場合には（ＹＥＳ）、設定範囲の分散σすべてについて近似曲線の算出が完了したもの判断してステップＳ４３〜ステップＳ５０のループを抜け、ステップＳ５１に移行する。

ステップＳ５１では、画像処理部１２は記憶部１３から誤差値Ｅ₁〜Ｅ_n及び分散σ₁〜σ_nを格納した配列を読みだし、最も小さい誤差値Ｅに対応する分散σの値を抽出する。

以上の処理により、パターン間隔が狭い場合における分散σが求まったことになる。その後、図８のステップＳ１５で説明したように、パターンの高さＨと分散σの相関関係を表す式（２）に基づいて、パターン高さＨを求めることができる。

（パターンの断面形状の再現方法）
以下、図１のパターン高さ測定装置１００において、差分プロファイルを用いて追加的に行われるパターンの断面形状の再現機能について説明する。

従来より、差分プロファイルを積分することで、パターンの断面形状を再現する方法が提案されている（特許文献１参照）。

しかし、パターンのエッジの影の輝度値が積分値に累積されることにより、試料表面の断面形状が正しく再現できないという問題がある。

そこで、パターン高さ測定装置１００では、パターンのエッジの影の影響を考慮して差分画像を補正することで、断面形状の再現をより正確に行うこととした。すなわち、図９を参照しつつ説明した方法で求めた近似曲線を、差分プロファイルから減算することで、影の影響を除去した補正プロファイルを求める。そして補正プロファイルを積分することで、パターンの断面形状を再現する。

以下、具体的な処理内容について説明する。

図１４は、本実施形態に係るパターンの断面形状の再現方法を示すフローチャートである。また、図１５（ａ）は、差分プロファイルの一例を示し、図１５（ｂ）は近似曲線を示し、図１５（ｃ）は差分プロファイルから近似曲線を減算した補正プロファイルを示し、図１５（ｄ）は差分プロファイルから再構成したパターンの断面形状を示す。

まず、図１４のステップＳ６１において、画像処理部１２がパターンの差分プロファイルを抽出する。この処理により、図１５（ａ）に示すような差分プロファイルが得られる。

次いで、ステップＳ６２に移行し、画像処理部１２においてパターンの左側のエッジの近似曲線を求める。この近似曲線の求め方は、図９を参照しつつ説明した方法で行う。

次に、ステップＳ６３において、画像処理部１３がパターンの右側のエッジの近似曲線を求める。このパターンの右側のエッジの近似曲線は、ステップＳ５２で求めた近似曲線を反転させた上で、近似曲線の左端を右側のエッジの上端位置に配置して得られる。

ステップＳ６２及びステップＳ６３の処理により、図１５（ｂ）に示す近似曲線が得られる。

次に、ステップＳ６４において、画像処理部１２は、ステップＳ５２で差分プロファイルからステップＳ６２、Ｓ６３で求めた近似曲線を減算する。これにより、差分プロファイルから影の影響を除去され、図１５（ｃ）に示すような補正プロファイルが得られる。

その後、ステップＳ６５において、近似曲線の分を減算した差分プロファイルに対して積分処理を行う。

これにより、影の影響を含まない形で、正確なパターンの断面形状が再現できる。

図１５（ｄ）は、差分プロファイルに基づいて再構成されたパターンの断面形状を示す図である。図中の実線は本実施形態の方法でエッジ付近の影の影響を除去して再構成された断面形状を示しており、破線は図１５（ａ）の差分プロファイルをそのまま積分処理して再構成された断面形状を示している。図示のように、差分プロファイルをそのまま用いて断面形状を再構成した場合には、エッジの裾の部分に実際のパターンには存在しないはずの膨らみが現れており、正確な断面形状を再現できない。

これに対し、エッジ付近の影の影響を除去して再構成された断面形状では、エッジ付近の膨らみを除去でき、より正確な断面形状を再現することができることが確認できた。また、本実施形態によれば、エッジ近傍の膨らみが除去されることにより、従来の方法では困難であったエッジの近傍の微細な凹凸に関する知見が得られる。

（その他の実施形態）
上記の実施形態では、対向する２方向の検出器が捉えた画像からの差分プロファイルに基づいて、パターンの高さを測定する内容について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。

１方向の検出器が捉えた画像に基づいてパターンの高さを求めてもよい。

すなわち、影の部分のラインプロファイルは、図４及び図５で説明したように、円錐状に分布する二次電子の放出領域３３とパターン９１との重複領域３５の積分によって求められる。そして、この値は、図４において影となる側のラインプロファイルＲの領域Ｉの輝度値の分布に反映される。

そこで、図４のラインプロファイルＲの領域Ｉの部分を抽出し、その値の符号を反転させたプロファイルを求める。そして、抽出したプロファイルについて、図８〜図１０を参照した処理を行うことで、近似関数を求め、σ値の値からパターンの高さを算出できる。

以上のように、ラインプロファイルから影となる側のエッジ付近のプロファイルを抽出することで、１方向の検出器がとらえた画像に基づいてパターンの高さを求めることができる。

１…電子ビーム走査部、２…チャンバー、３…電子銃、４…コンデンサレンズ、５…偏向コイル、６…対物レンズ、７…ステージ、７ａ…支持体、８…試料、９、９ａ〜９ｄ…二次電子検出器、１０…データ処理部、１１…信号処理部、１２…画像処理部、１３…記憶部、２０…表示部、３１…電子ビーム、３２…二次電子、３３…放出領域、３５…重複領域、８１…観察領域、９１…パターン、９１ａ…エッジ、９２…スペース、１００…パターン高さ測定装置。

Claims (14)

1. 電子ビームを試料表面に照射つつ走査させる電子ビーム走査部と、
   前記電子ビームの光軸の周り円盤状に形成され、周方向に複数の領域に分割された二次電子検出器と、
   前記二次電子検出器の検出信号に基づいて前記試料表面を複数の異なる方向の検出器が捉えた二次電子像を生成する信号処理部と、
   前記二次電子像に基づいて前記試料表面に形成されたパターンの高さを算出する画像処理部と
   を備えたパターン高さ測定装置であって、
   前記画像処理部は、
   前記二次電子像から前記パターンと交差するラインに沿った輝度の分布を表すラインプロファイルを抽出するステップと、
   前記パターンのエッジの外側の領域のラインプロファイルの近似曲線の候補を、前記二次電子の分布を表す分布関数と前記パターンとの重りに基づいて求めるステップと、
   前記二次電子の分布関数の広がりを変化させながら、前記ラインプロファイルの近似曲線の候補を求めるステップを複数回繰り返し、前記ラインプロファイルとの誤差値が最も小さくなる前記近似曲線の候補を求めるステップと、
   ラインプロファイルとの誤差値が最も小さくなる前記近似曲線の候補を与える二次電子の分布関数の広がりを求めるステップと、
   予めパターンの高さが判明している校正用試料で求めたパターンの高さと前記分布関数の広がりとの相関関係に基づいて前記パターンの高さを算出するステップと、
   を行うことを特徴とするパターン高さ測定装置。
2. 前記二次電子の分布関数は前記電子ビームの照射位置を中心とするガウス分布関数で表され、前記二次電子の分布関数の広がりは前記ガウス分布関数の分散σであり、
   前記画像処理部は、前記ガウス分布関数の中心の位置を前記ラインに沿って移動させつつ、前記ガウス分布関数と前記パターンとの重なりを求めることで前記ラインプロファイルの近似曲線の候補を求めることを特徴とする請求項１に記載のパターン高さ測定装置。
3. 前記パターンの高さは分散σの一次式で表され、前記画像処理部は前記近似曲線の候補から求めた分散σの値を前記分散σの一次式に代入することで、パターンの高さ求めることを特徴とする請求項２に記載のパターン高さ測定装置。
4. 前記画像処理部は、前記ラインプロファイルと前記近似曲線の候補との差分の自乗和を取ることで前記ラインプロファイルと前記近似曲線の候補との誤差値を算出することを特徴とする請求項３に記載のパターン高さ測定装置。
5. 前記画像処理部は、前記ラインプロファイルの立下りの傾きが最も大きい部分を前記パターンのエッジの上端の位置として検出し、前記パターンのエッジの上端の位置よりも外側の領域で、前記近似曲線の候補の算出及び前記誤差値の算出を行うことを特徴とする請求項４に記載のパターン高さ測定装置。
6. 前記画像処理部は、
   前記パターンのエッジと直交し、かつ互いに向かい合う２方向から前記試料表面を映した２つの二次電子像を生成するステップと、
   前記２つの二次電子像の差分値を取った差分画像を生成するステップと、
   前記差分画像から、前記パターンと直交するラインに沿った輝度値の分布を抽出するステップと、
   を行うことにより前記ラインプロファイルを抽出することを特徴とする請求項５に記載のパターン高さ測定装置。
7. 前記画像処理部は、
   前記差分画像から抽出したラインプロファイルから前記近似曲線を減算した補正プロファイルを求めるステップと、
   前記補正プロファイルを積分処理することで、前記ラインに沿った前記試料表面の高さ分布を再現するステップと、
   を行うことを特徴とする請求項６に記載のパターン高さ測定装置。
8. 電子ビームを試料表面に照射つつ走査させる電子ビーム走査部と、前記電子ビームの光軸の周り円盤状に形成され、周方向に複数の領域に分割された二次電子検出器と、前記二次電子検出器の検出信号に基づいて前記試料表面を複数の異なる方向の検出器が捉えた二次電子像を生成する信号処理部と、前記二次電子像に基づいて前記試料表面に形成されたパターンの高さを算出する画像処理部とを備えたパターン高さ測定装置において行われるパターン高さ測定方法であって、
   前記電子ビーム走査部において電子ビームを試料の表面に照射しつつ走査させるステップと、
   前記二次電子検出器で、前記電子ビームの照射によって前記試料の表面から放出される二次電子の強度を検出するステップと、
   前記信号処理部で、前記二次電子検出器からの検出信号に基づいて前記試料表面の二次電子像を生成するステップと、
   前記画像処理部が、前記二次電子像から前記パターンと交差するラインに沿った輝度値の分布を表すラインプロファイルを抽出するステップと、
   前記画像処理部が、前記パターンのエッジの外側の領域のラインプロファイルの近似曲線の候補を、前記二次電子の分布を表す分布関数と前記パターンとの重りに基づいて求めるステップと、
   前記画像処理部が前記二次電子の分布関数の広がりを変化させながら、前記ラインプロファイルの近似曲線の候補を求めるステップを複数回繰り返し、前記ラインプロファイルとの誤差値が最も小さくなる前記近似曲線の候補を求めるステップと、
   前記画像処理部が、ラインプロファイルとの誤差値が最も小さくなる前記近似曲線の候補を与える二次電子の分布関数の広がりを求めるステップと、
   前記画像処理部が、予めパターンの高さが判明している校正用試料で求めたパターンの高さと前記分布関数の広がりとの相関関係に基づいて前記パターンの高さを算出するステップと、
   を有することを特徴とするパターン高さ測定方法。
9. 前記二次電子の分布関数は前記電子ビームの照射位置を中心とするガウス分布関数で表され、前記二次電子の分関数の広がりは前記ガウス分布関数の分散σであり、
   前記画像処理部が、前記ガウス分布関数の中心の位置を前記ラインに沿って移動させつつ、前記ガウス分布関数と前記パターンとの重なりを求めることで前記ラインプロファイルの近似曲線の候補を求めることを特徴とする請求項８に記載のパターン高さ測定方法。
10. 前記パターンの高さは分散σの一次式で表され、前記画像処理部は前記近似曲線の候補から求めた分散σの値を前記分散σの一次式に代入することで、パターンの高さ求めることを特徴とする請求項９に記載のパターン高さ測定方法。
11. 前記ラインプロファイルと前記近似曲線の候補との差分の自乗和を取ることで前記ラインプロファイルと前記近似曲線の候補との誤差値を算出することを特徴とする請求項１０に記載のパターン高さ測定方法。
12. 前記ラインプロファイルの立下りの傾きが最も大きい部分を前記パターンのエッジの上端の位置として検出し、前記パターンのエッジの上端よりも外側の領域で、前記近似曲線の候補の算出及び前記誤差値の算出を行うことを特徴とする請求項１１に記載のパターン高さ測定方法。
13. 前記パターンのエッジと直交し、かつ互いに向かい合う２方向から前記試料表面を映した２つの二次電子像を生成するステップと、
    前記２つの二次電子像の差分値を取った差分画像を生成するステップと、
    前記差分画像から、前記パターンと直交するラインに沿った輝度値の分布を抽出するステップと、
    を行うことにより前記ラインプロファイルを抽出することを特徴とする請求項１２に記載のパターン高さ測定方法。
14. 前記画像処理部が前記差分画像から抽出したラインプロファイルから前記近似曲線を減算した補正プロファイルを求めるステップと、
    前記画像処理部が前記補正プロファイルを積分処理することで、前記ラインに沿った前記試料表面の高さ分布を再現するステップと、
    を有することを特徴とする請求項１３に記載のパターン高さ測定方法。