JP2016139531A - Sample observation, inspection, measurement method, and scanning electron microscope - Google Patents

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和弘 植田
秋博 三浦
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a charged particle beam and a method therefor with which it is possible to accurately observe, inspect, and measure an actual sample shape for the problem that when observing, inspecting, and measuring a bottom on a pattern having a large aspect ratio as represented by a hole pattern, the position of the bottom of the hole is misaligned with the position of the top of the pattern and a sample shape cannot be accurately grasped.SOLUTION: There is provided a charged particle beam device for scanning a sample area with a charged particle beam, detecting secondary electrons or refection electrons generated from the sample or both of them, and forming an image. In the charged particle beam device, control is exerted so as to form second image data formed on the basis of the scanning of a second area smaller than a first area using first image data formed on the basis of the scanning of the first area, calculate a first difference between the center of gravity of a diagram corresponding to an upper layer-side shape and the center of gravity of a diagram corresponding to a lower layer-side shape for each of a plurality of patterns included in the first image data, and scan an area that includes a pattern in which the first difference satisfies a prescribed condition as the second area.SELECTED DRAWING: Figure 5

Description

本発明は、試料に電子ビームを走査して、試料の観察、検査、測定を行う走査電子顕微鏡に関し、特に半導体ウェーハ上に形成されたアスペクト比の大きいパターンに電子ビームを走査して帯電させ、帯電状態のパターンに対し電子ビームを走査することによって、パターンの観察、検査、測定を行う方法、及び走査電子顕微鏡に関する。   The present invention relates to a scanning electron microscope that scans a sample with an electron beam to perform observation, inspection, and measurement of the sample, and in particular, scans and charges the electron beam on a pattern with a large aspect ratio formed on a semiconductor wafer, The present invention relates to a method of observing, inspecting, and measuring a pattern by scanning an electron beam on a charged pattern, and a scanning electron microscope.

走査電子顕微鏡等の荷電粒子線装置は、試料、特に微細化の進む半導体デバイスにおいてウェーハ上に形成されたパターンの測定や観察に好適な装置である。昨今、半導体デバイスは、パターン幅の微細化による単位面積あたりの集積率向上のため10nm前後の製品開発が活発である。しかしながら、開発費や製造装置のコストの上昇が無視できなくなった結果、微細化に代表される平面方向の技術開発に加え、高さ方向である3次元方向にデバイス形成する技術開発が盛んになってきており、特にアスペクト比(ウェーハ上に形成されたパターンの深さと幅の比)の大きいパターン形状における測定や観察が重要となっている。   BACKGROUND ART A charged particle beam apparatus such as a scanning electron microscope is an apparatus suitable for measuring and observing a pattern formed on a wafer in a sample, particularly a semiconductor device that is becoming finer. Recently, semiconductor devices have been actively developed around 10 nm in order to improve the integration rate per unit area by reducing the pattern width. However, as a result of the increase in development costs and manufacturing equipment costs that cannot be ignored, technological development to form devices in the three-dimensional direction, which is the height direction, has become popular in addition to technological development in the planar direction represented by miniaturization. In particular, it is important to measure and observe a pattern shape having a large aspect ratio (ratio between the depth and width of the pattern formed on the wafer).

測長SEMに代表される走査電子顕微鏡にて深さの高いホールや溝に代表されるアスペクト比の大きいパターンに対して底部の観察、検査、測定を行う方法として、特許文献1には、試料表面がチャージアップすることに起因した像障害を取り除いた状態でSN比の高い観察像を得るために、観察を始める前に所望の観察倍率よりも低い倍率または高い倍率で一定時間、試料面上に電子ビームを予備的に照射し、その後前記所望の観察倍率に戻して電子ビームを照射することにより、観察領域の帯電状態を一時的にバランスが取れた状態にし、この帯電バランスがとれた期間を利用して像観察を行うことにより、深いホールなどのアスペクト比の大きいパターンの底部から発生した二次電子を電界によって引き上げ検出器による信号検出を可能とする技術が説明されている。試料表面が正または負のいずれに帯電するかは、照射された電子ビームのエネルギーに依存し、エネルギーが小さければ正に帯電し、エネルギーが大きければ負に帯電することが知られている。このような観察のための電子ビーム照射の前に予備的に電子ビームを照射する技術(以下、プレドーズと称することもある)の一例を、以下、図1A、図1B、図2を用いて詳しく説明する。   As a method for observing, inspecting, and measuring the bottom of a pattern having a large aspect ratio typified by a deep hole or groove in a scanning electron microscope typified by a length measuring SEM, Patent Document 1 discloses a sample. In order to obtain an observation image with a high S / N ratio in a state in which the image obstruction caused by the charge-up of the surface is removed, on the sample surface for a certain time at a magnification lower than or higher than the desired observation magnification before starting the observation. The electron beam is preliminarily irradiated to the desired observation magnification, and then the electron beam is irradiated to return to the desired observation magnification so that the charged state of the observation region is temporarily balanced. By observing the image using the sensor, the secondary electrons generated from the bottom of a pattern with a large aspect ratio, such as deep holes, are pulled up by an electric field and the signal can be detected by the detector. That technology is described. Whether the sample surface is positively or negatively charged depends on the energy of the irradiated electron beam, and it is known that if the energy is small, it is positively charged, and if the energy is large, it is negatively charged. An example of a technique (hereinafter also referred to as pre-dose) that preliminarily irradiates an electron beam before such electron beam irradiation for observation will be described in detail with reference to FIGS. 1A, 1B, and 2 below. explain.

図1Aは、試料である半導体デバイスのパターンの例であり、観察対象となる深いホール101が繰り返し配列されたパターンを示している。103は所望の観察したい倍率M0の視野、102は観察したい倍率M0よりも低い倍率MLの視野であり、図1Bは、その観察したい倍率M0の視野103におけるホール101の像を示している。   FIG. 1A is an example of a pattern of a semiconductor device as a sample, and shows a pattern in which deep holes 101 to be observed are repeatedly arranged. Reference numeral 103 denotes a field of view with a desired magnification M0 to be observed, 102 denotes a field of view with a magnification ML lower than the magnification M0 to be observed, and FIG. 1B shows an image of the hole 101 in the field of view 103 with the magnification M0 to be observed.

図2は、特許文献1におけるプレドーズを用いた観察方法のフローチャートである。ステップ201で観察倍率M0を設定し、ステップ202で低倍率MLでの照射時間t1を設定する。ステップ203で観察倍率M0から低倍率MLに倍率を切り換え後、ステップ204で電子ビームをt1時間照射する(プレドーズ)。ステップ205で低倍率MLから観察倍率M0に切り換え、ステップ206、207、208で電子ビームを照射し、観察する。その結果、図1Bに示すように、ホール101の上部104はもちろんのこと、プレドーズの効果によりホール101の底部105も観察することができる。   FIG. 2 is a flowchart of the observation method using the pre-dose in Patent Document 1. In step 201, the observation magnification M0 is set, and in step 202, the irradiation time t1 at the low magnification ML is set. After switching the magnification from the observation magnification M0 to the low magnification ML in step 203, the electron beam is irradiated for t1 in step 204 (pre-dose). In step 205, the low magnification ML is switched to the observation magnification M0, and in steps 206, 207, and 208, an electron beam is irradiated for observation. As a result, as shown in FIG. 1B, not only the upper portion 104 of the hole 101 but also the bottom portion 105 of the hole 101 can be observed due to the pre-dose effect.

図3A、図3Bを用いて、プレドーズの効果を説明する。絶縁体301と基板302からなるアスペクト比の大きいホール101を含む試料に対して一次電子ビーム303を照射し、試料から発生する二次電子を二次電子検出器にて検出して像観察を行う場合、上部304で発生する二次電子の検出信号量は、像観察を行う上では十分であり問題とならない。一方、底部305で発生した二次電子306は、一次電子ビーム303の照射によって上部304に発生した負電荷307の帯電影響によってその上昇が妨げられるために、二次電子検出器での検出信号量が低下し、図3Aに示すように底部305は明瞭に観察できない。これに対し、一次電子ビームのエネルギーを調整してプレドーズを実施することで上部304を正電荷309で帯電させた場合、底部305で発生した二次電子306が試料上面まで引き上げられることによって二次電子検出器での検出が可能となり、その結果、図3Bに示すように上部304と共に底部305の明瞭な観察が実現できる。   The effect of pre-dose will be described with reference to FIGS. 3A and 3B. A sample including a hole 101 having a large aspect ratio made of an insulator 301 and a substrate 302 is irradiated with a primary electron beam 303, and secondary electrons generated from the sample are detected by a secondary electron detector for image observation. In this case, the detection signal amount of secondary electrons generated in the upper part 304 is sufficient for image observation and does not cause a problem. On the other hand, secondary electrons 306 generated at the bottom portion 305 are prevented from rising due to the negative charge 307 generated by the upper portion 304 due to the irradiation of the primary electron beam 303, so that the amount of detection signal at the secondary electron detector is low. And the bottom 305 cannot be clearly observed as shown in FIG. 3A. On the other hand, when the top 304 is charged with a positive charge 309 by adjusting the energy of the primary electron beam and performing pre-dose, the secondary electrons 306 generated at the bottom 305 are pulled up to the upper surface of the sample. Detection with an electron detector becomes possible, and as a result, clear observation of the bottom 305 together with the upper part 304 can be realized as shown in FIG. 3B.

この場合、例えば、プレドーズによって観察領域の表面電位を均一に帯電させた状態で、ウェーハに対して一次電子ビームを垂直に入射し、且つ、その観察領域の中心点を観察するのであれば、帯電によって形成された電場によって一次電子ビームが屈折作用を受けることなく、理想的な試料表面の観察、検査、測定が可能である。   In this case, for example, when the surface potential of the observation region is uniformly charged by pre-dose and the primary electron beam is incident perpendicularly to the wafer and the center point of the observation region is observed, charging is performed. The primary electron beam is not refracted by the electric field formed by, so that an ideal specimen surface can be observed, inspected, and measured.

また、上述したような高アスペクト比のホールに対してプレドーズ技術を用いて観察する場合、理想的には、上部304をプレドーズにより均一に帯電させ状態で、一次電子ビーム303をホール101に対して垂直に入射させるのが望ましいことが知られている(特許文献2)。   When observing a high aspect ratio hole as described above using a pre-dose technique, ideally, the primary electron beam 303 is applied to the hole 101 while the upper portion 304 is uniformly charged by the pre-dose. It is known that it is desirable to make it incident perpendicularly (Patent Document 2).

特開平5−151927号公報JP-A-5-151927 特開2009−99540号公報JP 2009-99540 A

しかしながら、実際には試料表面にプリドーズを用いて帯電を形成する際、パターンの配列やパターンの形状によって観察領域の帯電状態が均一とならず、その不均一な帯電によって形成された電界によって一次電子ビームや電子ビーム照射によって発生する二次電子が影響を受ける。その結果、二次電子を代表とする信号検出および観察像形成において実際の試料形状と異なる現象が発生する。例えば観察像上においてホール上部とホール底部との相対的位置にずれが生じて、実際の試料形状を正確に観察、検査、測定できなくなる。     However, in actuality, when the charge is formed on the sample surface using pre-dose, the charged state of the observation region is not uniform due to the arrangement of the pattern and the shape of the pattern. Secondary electrons generated by beam or electron beam irradiation are affected. As a result, a phenomenon different from the actual sample shape occurs in signal detection represented by secondary electrons and formation of an observation image. For example, the relative position between the upper portion of the hole and the bottom portion of the hole is shifted on the observation image, so that the actual sample shape cannot be accurately observed, inspected, or measured.

また、ウェーハに対して一次電子ビームが垂直に入射しない場合は、同様に、観察像上においてホール上部とホール底部との相対的位置関係にずれが生じて、実際の試料形状を正確に観察、検査、測定できなくなる場合がある。   Similarly, when the primary electron beam does not enter the wafer perpendicularly, similarly, the relative positional relationship between the hole top and the hole bottom on the observation image is shifted, and the actual sample shape is accurately observed. Inspection and measurement may not be possible.

さらに、一次電子ビーム照射に起因したウェーハ上の帯電によっても、観察視野における帯電状態が不均一になり、実際の試料形状を正確に観察、検査、測定できなくなる場合がある。   Furthermore, even when the wafer is charged by the primary electron beam irradiation, the charged state in the observation field becomes non-uniform, and the actual sample shape may not be observed, inspected, or measured accurately.

特許文献2では、プレドーズにより形成された帯電領域の中心を意図的にずらすことによって一次電子ビームの斜め入射させ、ホール内の一方の側壁を観察する手法について提起されているが、一次電子ビームの斜め入射によって発生する観察像上でのホール上部とホール底部との相対的位置関係のずれを解決する手段については何ら述べられていない。   Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-228620 proposes a method of observing one side wall in a hole by obliquely entering a primary electron beam by intentionally shifting the center of a charged region formed by pre-dose. No mention is made of means for solving the shift in the relative positional relationship between the upper part of the hole and the bottom part of the hole on the observation image caused by the oblique incidence.

上記課題を解決するための一態様として、荷電粒子ビームで試料の領域を走査し、試料から発生した二次電子または反射電子あるいはその両者を検出して画像を形成する荷電粒子ビーム装置において、第1の領域の走査に基づいて形成した第1の画像データを用いて、第1の領域よりも小さい第2の領域の走査に基づいて形成した第2の画像データを形成し、第1の画像データに含まれる複数のパターンに対して上層側形状に対応する図形の重心と下層側形状に対応する図形の重心との第1の相違量をそれぞれ算出し、第1の相違量が所定の条件を満足するパターンを含む領域を第2の領域として走査する制御を行う制御部を備える。   As one aspect for solving the above problems, in a charged particle beam apparatus that scans a region of a sample with a charged particle beam and detects an image generated by detecting secondary electrons or reflected electrons generated from the sample or both, Using the first image data formed based on the scanning of the first region, the second image data formed based on the scanning of the second region smaller than the first region is formed, and the first image is formed. A first difference amount between the centroid of the figure corresponding to the upper layer side shape and the centroid of the figure corresponding to the lower layer side shape is calculated for each of the plurality of patterns included in the data, and the first difference amount is a predetermined condition. A control unit that performs control to scan an area including a pattern that satisfies the above as a second area.

本発明によれば、装置に新たなハードウェア資源を追加する必要なく、例えばパターン配列やパターン形状によらず、またウェーハに対する一次電子ビームの入射角度によらず、また一次電子ビーム照射に起因したウェーハ上の帯電状態によらずに、アスペクト比の大きいホールや溝のパターンを正確に観察、検査、測定する荷電粒子ビーム装置あるいはその方法を提供することができる。   According to the present invention, there is no need to add new hardware resources to the apparatus, for example, regardless of the pattern arrangement or pattern shape, regardless of the incident angle of the primary electron beam to the wafer, or due to irradiation of the primary electron beam. It is possible to provide a charged particle beam apparatus or method for accurately observing, inspecting, and measuring a pattern of a hole or groove having a large aspect ratio regardless of the charged state on the wafer.

半導体デバイスのホールパターンの観察像を示した図The figure which showed the observation image of the hole pattern of a semiconductor device 半導体デバイスのホールパターンの拡大観察像を示した図Diagram showing an enlarged observation image of the hole pattern of a semiconductor device プレドーズを用いたパターン観察のフローチャートについて示した図。The figure shown about the flowchart of the pattern observation using a pre-dose. ウェーハ上に形成されたアスペクト比の大きいホールパターンに対し、プレドーズを行わない場合の二次電子軌道と表面帯電を示した図。The figure which showed the secondary electron orbit and surface charge when not performing pre-dose with respect to the hole pattern formed on the wafer with a large aspect ratio. ウェーハ上に形成されたアスペクト比の大きいホールパターンに対し、プレドーズを行った場合の二次電子軌道と表面帯電を示した図。The figure which showed the secondary electron orbit and surface charge at the time of performing a pre-dose with respect to the hole pattern with a large aspect ratio formed on the wafer. 本発明における走査型電子顕微鏡の全体構成を示した図。The figure which showed the whole structure of the scanning electron microscope in this invention. 本発明におけるパターン観察のフローチャートについて示した図。The figure shown about the flowchart of the pattern observation in this invention. プレドーズ時における試料表面の帯電状態と試料上部の電界挙動を示した図。The figure which showed the charge state of the sample surface at the time of a pre-dose, and the electric field behavior of a sample upper part. 二次元平面上で均一に配列された高アスペクト比のホールパターンに対してプレドーズした際に観察される二次電子像を示した図The figure which showed the secondary electron image observed when predose the hole pattern of the high aspect ratio uniformly arranged on the two-dimensional plane. プレドーズによりパターン上部が均等に帯電した場合におけるウェーハ断面方向の二次電子挙動と観察される二次電子像を示した図 。The figure which showed the secondary electron image observed in the cross-section direction of a wafer when the pattern upper part is charged uniformly by pre-dose, and the observed secondary electron image. プレドーズによるパターン上部の帯電が均等でない場合におけるウェーハ断面方向の二次電子挙動と観察される二次電子像を示した図Figure showing the secondary electron behavior in the wafer cross-section direction and the observed secondary electron image when the pre-dose pattern top charge is not uniform 本発明における観察に適したパターンを選択する場合の説明図。Explanatory drawing in the case of selecting the pattern suitable for observation in this invention. 本発明における観察に適したパターンを選択する場合の説明図。Explanatory drawing in the case of selecting the pattern suitable for observation in this invention.

以下の説明では、パターンに対する荷電粒子ビームの走査によって得られる波形信号を用いて前記測定対象パターンを測定する際に、波形信号に基づいて得られた情報から、パターン上部およびパターン底部の重心を抽出しそのずれ量を算出した結果から電子ビームの垂直入射の状態を確認し、プレドーズの走査位置の変更、観察位置の変更、あるいは電子顕微鏡の一次電子ビームの制御を変更、最適化することにより、試料形状を正確に観察・検査、測定することが可能となる。   In the following description, when measuring the measurement target pattern using a waveform signal obtained by scanning a charged particle beam with respect to the pattern, the center of gravity of the upper part of the pattern and the bottom of the pattern is extracted from the information obtained based on the waveform signal. By checking the vertical incidence state of the electron beam from the result of calculating the deviation amount, changing the pre-dose scanning position, changing the observation position, or changing and optimizing the control of the primary electron beam of the electron microscope, It is possible to accurately observe, inspect and measure the sample shape.

図4は本発明による走査型電子顕微鏡の構成例である。なお、以下の説明では走査型電子顕微鏡を例に取って説明するが、本発明はこれに限られることはなく、集束イオンビーム装置等の他の荷電粒子線装置にも適用が可能である。また、以下の説明では、一次電子ビームによる観察対象として半導体ウェーハを例にとって説明するが、これに限られる必要はなく、半導体パターンを転写する際に用いられるマスク等をその観察対象としても良い。   FIG. 4 is a structural example of a scanning electron microscope according to the present invention. In the following description, a scanning electron microscope will be described as an example. However, the present invention is not limited to this, and can be applied to other charged particle beam apparatuses such as a focused ion beam apparatus. In the following description, a semiconductor wafer is described as an example of an observation target using a primary electron beam. However, the present invention is not limited to this, and a mask or the like used for transferring a semiconductor pattern may be used as the observation target.

走査型電子顕微鏡において、制御・演算部416は、電子源であるフィラメント401、ウェーネルト403、アノード404、コンデンサレンズ405、対物レンズ406、試料電圧印加装置408、ステージ409の各々の制御を行う。ウェーネルト403およびアノード404によって、一次電子ビーム402の試料407への照射速度である加速電圧や一次電子ビーム402の試料407への照射電流量であるプローブ電流を制御することで、電子源であるフィラメント401から発生する一次電子ビーム402が加速され、その強度が調整される。加速された一次電子ビーム402は、コンデンサレンズ405および対物レンズ406によって試料407に収束される。試料電圧印加装置408で発生した電圧はステージ409および試料407に印加され、試料407に照射される際の一次電子ビーム402の加速電圧を制御する働きを持つ。一方、一次電子ビーム402の対物レンズ406中心からのずれ、一次電子ビーム402の非点収差は、アライメントコイル410により補正される。コンデンサレンズ405を通過した一次電子ビーム402は、偏向コイル411によって偏向され、試料407上を二次元走査するように制御される。一次電子ビーム402が照射された試料407からは、二次電子412や反射電子、X線等が発生するが、そのうち例えば二次電子412は二次電子検出器413によって検出され、電気信号に変換される。信号処理部414はこの電気信号を処理して画像を形成し、形成された画像は制御・演算部416を通じて二次電子像として記憶装置415に記憶される。この際、二次電子像は、制御・演算部416からの偏向コイル411の制御信号は、即ち一次電子ビーム402による試料407上の二次元走査と関連付けられた形で、画像記憶装置415に記憶される。また、一次電子ビーム402を照射する試料407上の二次元走査領域を変化させることにより、所望の倍率の二次電子像を得ることが可能である。   In the scanning electron microscope, the control / calculation unit 416 controls each of the filament 401, the Wehnelt 403, the anode 404, the condenser lens 405, the objective lens 406, the sample voltage application device 408, and the stage 409, which are electron sources. By controlling the acceleration voltage, which is the irradiation speed of the primary electron beam 402 to the sample 407, and the probe current, which is the irradiation current amount of the primary electron beam 402 to the sample 407, by the Wehnelt 403 and the anode 404, the filament that is an electron source The primary electron beam 402 generated from 401 is accelerated and its intensity is adjusted. The accelerated primary electron beam 402 is focused on the sample 407 by the condenser lens 405 and the objective lens 406. The voltage generated by the sample voltage application device 408 is applied to the stage 409 and the sample 407, and has a function of controlling the acceleration voltage of the primary electron beam 402 when the sample 407 is irradiated. On the other hand, the deviation of the primary electron beam 402 from the center of the objective lens 406 and the astigmatism of the primary electron beam 402 are corrected by the alignment coil 410. The primary electron beam 402 that has passed through the condenser lens 405 is deflected by the deflection coil 411 and controlled so as to scan the sample 407 two-dimensionally. From the sample 407 irradiated with the primary electron beam 402, secondary electrons 412, reflected electrons, X-rays, etc. are generated. Of these, for example, the secondary electrons 412 are detected by the secondary electron detector 413 and converted into electrical signals. Is done. The signal processing unit 414 processes the electrical signal to form an image, and the formed image is stored in the storage device 415 as a secondary electron image through the control / calculation unit 416. At this time, the secondary electron image is stored in the image storage device 415 in such a manner that the control signal of the deflection coil 411 from the control / calculation unit 416 is associated with the two-dimensional scanning on the sample 407 by the primary electron beam 402. Is done. Further, by changing the two-dimensional scanning region on the sample 407 irradiated with the primary electron beam 402, a secondary electron image with a desired magnification can be obtained.

制御・演算部416は、記憶した所定の二次電子像を記憶装置415から読み出し、入力装置418で指定された目的とするパターンがある場所を探し出した後、評価・計測を行い、結果を記憶装置415に保存する。   The control / arithmetic unit 416 reads out the stored predetermined secondary electron image from the storage device 415, finds a place where the target pattern specified by the input device 418 is present, performs evaluation / measurement, and stores the result. Save to device 415.

また、試料407の特定箇所において、偏向コイル411により一次電子ビーム402を照射する二次元走査領域を制御して、倍率を変更しながら二次電子像を取得し、画像記憶装置414・データ演算装置415・データ記憶装置416によりプレドーズ後の低倍率や画像観察時の高倍率においてデータ記憶装置416に記憶され変化の度合いの判断を行う。結果を満足しない場合はあらかじめ記憶装置415に記憶された試料407上にある測定箇所の情報をもとにステージ409を制御し、電子ビームが照射されていない試料上の新しい場所に移動し、新たな測定条件を用いて二次電子像を取得し評価を行う。測定条件の変更の際に生じるアライメント等のずれはアライメントコイル411を制御し自動的に補正される。   Further, at a specific location of the sample 407, the two-dimensional scanning region irradiated with the primary electron beam 402 is controlled by the deflection coil 411, and a secondary electron image is acquired while changing the magnification. 415. The data storage device 416 determines the degree of change stored in the data storage device 416 at a low magnification after pre-dosing or at a high magnification during image observation. If the result is not satisfied, the stage 409 is controlled based on the information of the measurement location on the sample 407 stored in advance in the storage device 415, and moved to a new location on the sample not irradiated with the electron beam. A secondary electron image is acquired and evaluated using various measurement conditions. Deviations such as alignment that occur when the measurement conditions are changed are automatically corrected by controlling the alignment coil 411.

また、以上の作業はあらかじめ登録されている条件を満たすまで繰り返され、評価結果が満たされた場合や変更された条件が設定不可能な場合、登録された測定箇所を全て使い果たした場合は、評価を行った観察条件や測定結果を記憶装置415内に格納あるいは出力装置417等に出力し処理を終了する。   The above operations are repeated until the pre-registered conditions are satisfied. If the evaluation results are satisfied, the changed conditions cannot be set, or if all the registered measurement points are used up, the evaluation is performed. The observation conditions and measurement results obtained are stored in the storage device 415 or output to the output device 417 and the processing is terminated.

なお、図4の説明ではデータ演算装置が走査型電子顕微鏡と一体、あるいはそれに準ずるものとして説明したが、無論それに限られることはなく、走査型電子顕微鏡鏡体とは別に設けられた環境で以下に説明するような処理を行っても良い。その際には二次電子検出器413で検出される検出信号をデータ演算装置に伝達、あるいはデータ演算装置から走査型電子顕微鏡のレンズや偏向器等に信号を伝達する媒体と、当該媒体経由で伝達される信号を入出力する入出力端子が必要となる。   In the description of FIG. 4, the data arithmetic unit has been described as being integrated with or equivalent to the scanning electron microscope, but of course is not limited thereto, and the following is an environment provided separately from the scanning electron microscope body. You may perform the process which is demonstrated to. In that case, a detection signal detected by the secondary electron detector 413 is transmitted to the data arithmetic unit, or a signal is transmitted from the data arithmetic unit to a lens or a deflector of the scanning electron microscope, and the medium via the medium. An input / output terminal for inputting / outputting a transmitted signal is required.

プレドーズ領域にあるホールパターンにおいてパターン底部を明瞭に観察し、かつ断面形状を忠実に再現し、観察に適したパターンを選択するための本発明の一実施形態のフローチャートについて、図5を用いて説明する。   A flowchart of one embodiment of the present invention for clearly observing a pattern bottom portion in a hole pattern in a pre-dose region, faithfully reproducing a cross-sectional shape, and selecting a pattern suitable for observation will be described with reference to FIG. To do.

図5の処理の前段階として、ウェーハ上における計測パターンの座標情報など評価に必要な情報を、入力装置408を介して記憶装置415に記録する。通常、評価箇所は複数の領域にわたり存在している。次に、それらの情報をもとに評価箇所に移動し(ステップ501)、低倍率の観察視野にてプレドーズを実施して二次電子像を取得する(ステップ502)。その後、プレドーズ領域における全てのホールパターンについて、二次電子像から抽出した信号強度をもとに、パターン上部304および底部305の形状に対応する図形の重心ずれ量を算出する(ステップ503)。パターン上部304および底部305の形状に対応する図形は、取得した二次電子像を解析してそれらの形状の輪郭線を直接求めた図形であっても良いが、ホールパターンの観察の場合は、パターン上部304および底部305の形状に対応する図形は理想的な真円として仮定することによって、形状に対応する図形の重心ずれ量の算出をより簡単にすることが可能である。ステップ503の結果から、プレドーズ領域にあるホールパターンの中から重心ずれ量が最小のホールパターンを選択するとともにその重心ずれ量を記憶し(ステップ504)、その選択したホールパターンに合わせた高倍率の観察視野にて、一次電子ビーム402を二次元走査し二次電子像を取得する(ステップ505)。その後、ステップ505で得られた二次電子像からホール上部304と底部305の形状に対応する図形の重心ずれ量を再度算出する(ステップ506)。ステップ506の高倍率の観察視野の二次電子像から算出したホールパターンの重心ずれ量と、ステップ504で記憶した低倍率の観察視野の二次電子像から算出したホールパターンの重心ずれ量との比較を行い、ステップ506で算出した重心ずれ量とステップ504で記憶した重心ずれ量とが等しいか、もしくは、ステップ506で算出した重心すれ量がステップ504で記憶した重心ずれ量よりも小さいかについて判断を行う(ステップ507)。もしステップ507の条件を満足する場合は、ステップ504で選択したプレドーズ領域におけるホールパターンの座標情報とプレドーズの観察条件を記憶し、評価結果を出力する(ステップ508)。一方、ステップ507の条件を満足しない場合は、前もって登録された計測パターンの情報を記憶装置415から読み出し、プレドーズを実施していない別の評価箇所に移動し(ステップ501)、再度ステップ502から507までの処理をくりかえし最適条件を見出す。上述した図5の手順を図8A、図8Bを用いて補足説明すると次のようになる。即ち、図8Aに示す通り、高倍率の観察視野801の二次電子像に従ってパターン上部802の形状に対応する図形の重心804、パターン底部803の形状に対応する図形の重心805をそれぞれ求める(図5におけるステップ505、ステップ506)。それ以前に求めた低倍率の観察視野806の二次電子像のパターン上部802および底部803の重心ずれ量を比較して、それらの重心ずれ量が小さくなる評価箇所を低倍率の観察視野806の二次電子像から再選択する(図5におけるステップ507、ステップ501)。本発明の実施形態に従って、重心ずれ量が大きいホールパターン807ではなく、重心ずれ量が小さいホールパターン807を評価箇所として選択することで、観察視野を最適化し断面に対してパターン形状を忠実に再現した観察画像を提供することが可能となる。また、ステップ508で取得された最適条件は、装置本体上の記憶装置415に格納され、次回、同様の試料で同様の評価箇所を観察する際には、図5で示すステップ502から507までの処理を繰り返さずとも、装置を最適条件で観察可能な状態に事前に設定が可能である。   As a pre-stage of the processing in FIG. 5, information necessary for evaluation such as coordinate information of the measurement pattern on the wafer is recorded in the storage device 415 via the input device 408. Usually, evaluation places exist over a plurality of areas. Next, it moves to an evaluation location based on such information (step 501), and pre-dose is performed in an observation field of low magnification to acquire a secondary electron image (step 502). Thereafter, for all hole patterns in the pre-dose region, based on the signal intensity extracted from the secondary electron image, the center-of-gravity shift amount of the figure corresponding to the shapes of the pattern upper part 304 and the bottom part 305 is calculated (step 503). The figure corresponding to the shape of the pattern upper part 304 and the bottom part 305 may be a figure obtained by analyzing the acquired secondary electron image and directly obtaining the outline of those shapes. By assuming that the figures corresponding to the shapes of the pattern upper part 304 and the bottom part 305 are ideal perfect circles, it is possible to more easily calculate the center-of-gravity shift amount of the figure corresponding to the shape. From the result of step 503, the hole pattern with the smallest center of gravity deviation is selected from the hole patterns in the pre-dose region, and the center of gravity deviation is stored (step 504), and the high magnification corresponding to the selected hole pattern is stored. In the observation field of view, the primary electron beam 402 is two-dimensionally scanned to obtain a secondary electron image (step 505). After that, the center-of-gravity shift amount of the figure corresponding to the shape of the hole upper part 304 and the bottom part 305 is calculated again from the secondary electron image obtained in step 505 (step 506). The center-of-gravity shift amount of the hole pattern calculated from the secondary electron image of the high-power observation field in step 506 and the center-of-gravity shift amount of the hole pattern calculated from the secondary electron image of the low-power observation field stored in step 504 A comparison is made to determine whether the center-of-gravity deviation calculated in step 506 is equal to the center-of-gravity deviation stored in step 504, or whether the center-of-gravity deviation calculated in step 506 is smaller than the center-of-gravity deviation stored in step 504. A determination is made (step 507). If the condition of step 507 is satisfied, the coordinate information of the hole pattern in the pre-dose region selected in step 504 and the pre-dose observation condition are stored, and the evaluation result is output (step 508). On the other hand, when the condition of step 507 is not satisfied, the information of the measurement pattern registered in advance is read from the storage device 415, moved to another evaluation location where pre-dosing has not been performed (step 501), and steps 502 to 507 are performed again. Repeat the process until you find the optimum condition. The procedure of FIG. 5 described above will be supplementarily described with reference to FIGS. 8A and 8B as follows. That is, as shown in FIG. 8A, a figure centroid 804 corresponding to the shape of the pattern upper portion 802 and a figure centroid 805 corresponding to the shape of the pattern bottom 803 are obtained according to the secondary electron image of the observation field 801 with a high magnification (FIG. 8A). 5 in step 505 and step 506). By comparing the gravity center shift amounts of the upper part 802 and the bottom part 803 of the secondary electron image pattern of the low magnification observation visual field 806 obtained before that, the evaluation points where the gravity center deviation amount becomes small are compared with those of the low magnification observation visual field 806. Reselection is performed from the secondary electron image (steps 507 and 501 in FIG. 5). According to the embodiment of the present invention, by selecting a hole pattern 807 having a small center-of-gravity deviation amount as an evaluation location instead of a hole pattern 807 having a large center-of-gravity deviation amount, the observation field is optimized and the pattern shape is faithfully reproduced on the cross section. It is possible to provide an observed image. Further, the optimum condition acquired in step 508 is stored in the storage device 415 on the apparatus main body, and the next time the same evaluation location is observed with the same sample, steps 502 to 507 shown in FIG. 5 are performed. Even without repeating the processing, the apparatus can be set in advance to a state where it can be observed under the optimum conditions.

上記の形態では、走査型電子顕微鏡を用いた例にて説明したが、本発明は透過型電子顕微鏡やその他の電子ビーム応用装置においても利用できる。また、上記の形態において、一次電子ビーム402を照射した試料407から検出される情報は二次電子情報であるが、検出される情報は反射電子やX線等の荷電粒子であっても良い。実施例では記憶装置415、制御・演算部416、信号処理部414はそれぞれ個別の装置・部位として説明したが、コンピュータ内に格納されているプログラムでこれらの処理を行っても良い。   Although the above embodiment has been described with an example using a scanning electron microscope, the present invention can also be used in a transmission electron microscope and other electron beam application apparatuses. In the above embodiment, information detected from the sample 407 irradiated with the primary electron beam 402 is secondary electron information, but the detected information may be a charged particle such as reflected electrons or X-rays. In the embodiment, the storage device 415, the control / arithmetic unit 416, and the signal processing unit 414 have been described as individual devices and parts, but these processes may be performed by a program stored in the computer.

図6Aにプレドーズ時における試料表面の帯電状態と試料上部の電界挙動の一例を、図6Bに二次元平面上で均一に配列された高アスペクト比のホールパターンに対してプレドーズした際に観察される二次電子像の一例を示す。試料601の領域605に対しプレドーズを実施すると一次電子ビーム602を中心に電界603が発生するが(図6A)、プレドーズ領域605における試料表面の電界状態はその位置により異なるため、パターン観察領域606の位置を変更した場合、得られる像にも相違がある。   FIG. 6A shows an example of the charged state of the sample surface during pre-dosing and the electric field behavior on the upper part of the sample. FIG. 6B shows an example of pre-dosing with respect to a high aspect ratio hole pattern arranged uniformly on a two-dimensional plane. An example of a secondary electron image is shown. When pre-dosing is performed on the region 605 of the sample 601, an electric field 603 is generated around the primary electron beam 602 (FIG. 6A). However, since the electric field state of the sample surface in the pre-dose region 605 differs depending on the position, the pattern observation region 606 When the position is changed, there is a difference in the obtained image.

例えば、二次電子像上においてプレドーズ領域605の中心付近をパターン観察領域606とした場合、観察領域の中心に表示されるホールパターン上部607と底部608との相対的位置関係と、観察領域の端に表示されるホールパターン上部609と底部610との相対的位置関係とが異なった状態で観察される場合がある(図6B)。即ち、パターン観察領域606におけるホールパターン上部と底部の相対的位置関係は、プレドーズ領域605内の観察領域の位置によって異なって観察される場合がある。   For example, when the vicinity of the center of the pre-dose region 605 is a pattern observation region 606 on the secondary electron image, the relative positional relationship between the hole pattern upper portion 607 and the bottom portion 608 displayed at the center of the observation region, and the end of the observation region May be observed in a state in which the relative positional relationship between the hole pattern upper portion 609 and the bottom portion 610 is different (FIG. 6B). That is, the relative positional relationship between the top and bottom of the hole pattern in the pattern observation region 606 may be observed differently depending on the position of the observation region in the pre-dose region 605.

図7Aにプレドーズによりパターン上部が均等に帯電した場合におけるウェーハ断面方向の二次電子挙動と観察される二次電子像の一例、図7Bにプレドーズによるパターン上部の帯電が均等でない場合におけるウェーハ断面方向の二次電子挙動と観察される二次電子像の一例を示す。図7Aに示すようにプレドーズによってパターン上部の帯電状態703が均等である場合は、一次電子ビーム704の照射によってパターン底部705で発生した二次電子は試料上面に向かって真っすぐに引き上げられ、二次電子像上においてのホールパターン上部707と底部708との相対的位置関係は正しく観察される。これに対し、図7Bに示すようにプレドーズによってパターン上面の帯電状態709が均等でない場合は、一次電子ビーム704の照射によってパターン底部705で発生した二次電子が試料上面に向かって斜め方向に曲げられる結果、二次電子像上においてはホールパターン上部707と底部708との相対的位置関係とがずれて観察される。
このような二次電子像上においてパターン上部707と底部708との相対的位置関係とがずれて観察される課題は、プレドーズ領域においてパターン形状や配列が不均一な場合や、一次電子ビームの入射角が試料に対して鉛直でない場合も、同様に発生する。さらに、観察時にパターン画像を取得する際に一次電子ビームの影響による帯電によっても、観察視野における帯電状態が不均一になり、パターン形状が正確に捉えられない場合がある。これらの課題は、図5、図8A、図8Bにて説明した本発明を適用することによって解決でき、実際の試料のパターン形状を忠実に再現した観察画像を提供することが可能となる。
FIG. 7A shows an example of secondary electron behavior in the wafer cross-sectional direction and the observed secondary electron image when the upper portion of the pattern is uniformly charged by pre-dose, and FIG. 7B shows the wafer cross-sectional direction when the upper portion of the pattern due to pre-dose is not evenly charged. An example of secondary electron behavior and observed secondary electron image is shown. As shown in FIG. 7A, when the charged state 703 at the top of the pattern is uniform by pre-dose, the secondary electrons generated at the pattern bottom 705 by the irradiation of the primary electron beam 704 are pulled straight up toward the top surface of the sample, and the secondary The relative positional relationship between the hole pattern upper portion 707 and the bottom portion 708 on the electronic image is correctly observed. On the other hand, as shown in FIG. 7B, when the charged state 709 on the upper surface of the pattern is not uniform due to pre-dose, secondary electrons generated at the pattern bottom 705 by the irradiation of the primary electron beam 704 are bent obliquely toward the upper surface of the sample. As a result, the relative positional relationship between the hole pattern upper portion 707 and the bottom portion 708 is observed to be shifted on the secondary electron image.
The problems observed when the relative positional relationship between the pattern upper portion 707 and the bottom portion 708 is shifted on such a secondary electron image include the case where the pattern shape and arrangement are not uniform in the pre-dose region, and the incidence of the primary electron beam. The same occurs when the corner is not perpendicular to the sample. Furthermore, when acquiring a pattern image at the time of observation, charging due to the influence of the primary electron beam may cause the charged state in the observation visual field to be non-uniform, and the pattern shape may not be accurately captured. These problems can be solved by applying the present invention described with reference to FIGS. 5, 8A, and 8B, and an observation image that faithfully reproduces the pattern shape of an actual sample can be provided.

また、本実施例では、ホールパターン上部と底部との相対的な位置関係を求めるのに、上部と底部の形状に対応する図形の重心を算出して比較を行ったが、その他の手法を用いてホールパターン上部と底部との相対的な位置関係を求めても良い。   Also, in this example, to obtain the relative positional relationship between the top and bottom of the hole pattern, the center of gravity of the figure corresponding to the shape of the top and bottom was calculated and compared, but other methods were used. Thus, the relative positional relationship between the top and bottom of the hole pattern may be obtained.

また、本実施例では実際の試料のパターン形状を忠実に再現した観察画像を得ることを目的として、プレドーズを実施した領域の中から適切なパターンを判断し選択する方法を説明したが、パターンに対するプレドーズの照射位置を変更することで実現しても良い。また、同様に一次電子ビームの照射角度を制御することにより、実際の試料のパターン形状を忠実に再現可能な観察画像を提供しても良い。   In this embodiment, the method for determining and selecting an appropriate pattern from the pre-dosed region has been described for the purpose of obtaining an observation image faithfully reproducing the pattern shape of the actual sample. You may implement | achieve by changing the irradiation position of a pre-dose. Similarly, an observation image capable of faithfully reproducing the actual pattern shape of the sample may be provided by controlling the irradiation angle of the primary electron beam.

さらに、本実施例では実際の試料のパターン形状を忠実に再現した観察画像を得ることを目的として、低倍率の観察視野にてプレドーズ直後の二次電子像取得時および高倍率の観察視野にて二次電子像取得時に、パターン上部およびパターン底部の形状に対応する図形の重心ずれ量を算出していたが、高倍率の観察視野にて二次電子像取得時のみで判断し観察視野の選択を実施しても良い。   Furthermore, in this example, in order to obtain an observation image that faithfully reproduces the pattern shape of the actual sample, a secondary electron image is acquired immediately after pre-dosing in a low magnification observation field and a high magnification observation field. When the secondary electron image was acquired, the displacement of the center of gravity of the figure corresponding to the shape at the top and bottom of the pattern was calculated, but only the secondary electron image was acquired in the high magnification observation field, and the observation field was selected. May be implemented.

また、実施例ではホールパターンを観察対象として説明したが、アスペクト比の大きい深溝パターンの底部の観察、検査、測定についても本発明は有用である。ホールパターンでは、二次元(X方向およびY方向)の位置補正が必要であるが深溝パターンの場合は、一方向(X方向もしくはY方向)だけの位置関係の補正で良い。   In the embodiments, the hole pattern has been described as an observation target. However, the present invention is also useful for observing, inspecting, and measuring the bottom of a deep groove pattern having a large aspect ratio. In the hole pattern, position correction in two dimensions (X direction and Y direction) is necessary. However, in the case of a deep groove pattern, the positional relationship in only one direction (X direction or Y direction) may be corrected.

101 ホール
102 倍率MLでの観察視野
103 倍率M0での観察視野
104 ホール上部
105 ホール底部
301 絶縁体
302 基板
303 一次電子ビーム
304 ホール上部
305 ホール底部
306 二次電子
307 ホール上部の帯電状態(負電荷)
308 ホール形状観察のための観察視野
309 ホール上部の帯電状態(正電荷)
401 フィラメント
402 一次電子ビーム
403 ウェーネルト
404 アノード
405 コンデンサレンズ
406 対物レンズ
407 試料(ウェーハ)
408 試料電圧印加装置
409 ステージ
410 アライメントコイル
411 偏向コイル
412 二次電子
413 二次電子検出器
414 信号処理部
415 記憶装置
416 制御・演算部
417 出力装置
418 入力装置
601 試料(ウェーハ)
602 プレドーズ中心(一次電子ビーム)
603 プレドーズにより発生した電界分布
604 プレドーズにより印加されたパターン上部の帯電状態
605 プレドーズ領域
606 パターン観察領域
607 ホールパターン底部
608 ホールパターン上部
609 ホールパターン底部
610 ホールパターン上部
701 絶縁体
702 基板
703 パターン上部の帯電状態(正電荷)
704 一次電子ビーム
705 一次電子ビーム照射によりパターン底部から発生した二次電子の挙動
706 パターン形状観察のための観察視野
707 パターン上部
708 パターン底部
801 パターン形状観察のための観察視野
802 パターン上部
803 パターン底部
804 パターン上部の形状に対応する重心
805 パターン底部の形状に対応する重心
806 プレドーズ実施時の観察視野
807 重心ずれ量が大きいホールパターン
808 重心ずれ量が小さいホールパターン
101 hole 102 observation field at magnification ML 103 observation field at magnification M0 104 hole top 105 hole bottom 301 insulator 302 substrate 303 primary electron beam 304 hole top 305 hole bottom 306 secondary electron 307 charged state (negative charge) )
308 Observation field 309 for observation of hole shape Charged state (positive charge) on top of hole
401 Filament 402 Primary electron beam 403 Wehnelt 404 Anode 405 Condenser lens 406 Objective lens 407 Sample (wafer)
408 Sample voltage application device 409 Stage 410 Alignment coil 411 Deflection coil 412 Secondary electron 413 Secondary electron detector 414 Signal processing unit 415 Storage device 416 Control / calculation unit 417 Output device 418 Input device 601 Sample (wafer)
602 Predose center (primary electron beam)
603 Electric field distribution generated by pre-dose 604 Charge state of pattern upper portion applied by pre-dose 605 Pre-dose region 606 Pattern observation region 607 Hole pattern bottom portion 608 Hole pattern upper portion 609 Hole pattern bottom portion 610 Hole pattern upper portion 701 Insulator 702 Substrate 703 Charged state (positive charge)
704 Primary electron beam 705 Behavior of secondary electrons generated from pattern bottom by irradiation with primary electron beam 706 Observation field for pattern shape observation 707 Pattern upper part 708 Pattern bottom part 801 Observation field for pattern shape observation 802 Pattern upper part 803 Pattern bottom part 804 Center of gravity 805 corresponding to the shape of the pattern upper portion 805 Center of gravity 806 corresponding to the shape of the bottom of the pattern Observation field 807 during pre-dosing Hole pattern 808 with a large amount of center of gravity displacement 808 Hole pattern with a small amount of center of gravity displacement

Claims (5)

荷電粒子ビームで試料の領域を走査し、試料から発生した二次電子または反射電子あるいはその両者を検出して画像を形成する荷電粒子ビーム装置において、
第1の領域の走査に基づいて形成した第1の画像データを用いて、前記第1の領域よりも小さい第2の領域の走査に基づいて形成した第2の画像データを形成する制御部を有し、
前記制御部は、前記第1の画像データに含まれる複数のパターンに対して上層側形状に対応する図形の重心と下層側形状に対応する図形の重心との第1の相違量をそれぞれ算出し、前記第1の相違量が所定の条件を満足するパターンを含む領域を前記第2の領域として走査する制御を行うことを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
In a charged particle beam apparatus that scans a region of a sample with a charged particle beam, detects secondary electrons or reflected electrons generated from the sample, or both, and forms an image,
A controller configured to form second image data formed based on scanning of a second area smaller than the first area, using first image data formed based on scanning of the first area; Have
The control unit calculates a first difference amount between a centroid of a graphic corresponding to the upper layer side shape and a centroid of a graphic corresponding to the lower layer side shape for each of the plurality of patterns included in the first image data. The charged particle beam apparatus controls to scan, as the second area, an area including a pattern in which the first difference amount satisfies a predetermined condition.
請求項1記載の荷電粒子ビーム装置において、前記制御部は、前記第1の相違量が最小であることを前記所定の条件として制御することを特徴とする荷電粒子ビーム装置。   The charged particle beam apparatus according to claim 1, wherein the control unit controls that the first difference amount is minimum as the predetermined condition. 請求項2記載の荷電粒子ビーム装置において、前記制御部は、前記第2の画像データに含まれる前記第1の相違量が最小となるパターンに対して上層側形状に対応する図形の重心と下層側形状に対応する図形の重心との第2の相違量を算出することを特徴とする荷電粒子ビーム装置。   3. The charged particle beam apparatus according to claim 2, wherein the control unit includes a center of gravity and a lower layer of a figure corresponding to an upper layer side shape with respect to a pattern in which the first difference amount included in the second image data is minimized. A charged particle beam device characterized by calculating a second difference amount from a center of gravity of a figure corresponding to a side shape. 請求項3記載の荷電粒子ビーム装置において、前記制御部は、前記第1の相違量と前記第2の相違量とを比較することを特徴とする荷電粒子ビーム装置。   4. The charged particle beam apparatus according to claim 3, wherein the control unit compares the first difference amount and the second difference amount. 荷電粒子ビームで試料の領域を走査し、試料から発生した二次電子または反射電子あるいはその両者を検出して形成した画像に基づいて、試料の測定または検査を行う方法において、
第1の領域の走査に基づいて形成した第1の画像データに含まれる複数のパターンに対して上層側形状に対応する図形の重心と下層側形状に対応する図形の重心との第1の相違量をそれぞれ算出し、
前記第1の相違量が所定の条件を満足するパターンを含む領域を前記第2の領域として走査することを特徴とする試料の測定または検査の方法。
In a method for measuring or inspecting a sample based on an image formed by scanning a region of the sample with a charged particle beam and detecting secondary electrons or reflected electrons generated from the sample or both,
The first difference between the centroid of the figure corresponding to the upper layer side shape and the centroid of the figure corresponding to the lower layer side shape for the plurality of patterns included in the first image data formed based on the scanning of the first region Calculate each quantity,
A method for measuring or inspecting a sample, wherein a region including a pattern in which the first difference amount satisfies a predetermined condition is scanned as the second region.
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