JP4791333B2

JP4791333B2 - パターン寸法計測方法及び走査型透過荷電粒子顕微鏡

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Publication number: JP4791333B2
Application number: JP2006323759A
Authority: JP
Inventors: 麻紀田中; 浩久奥島; 俊哉渡邉
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2006-11-30
Filing date: 2006-11-30
Publication date: 2011-10-12
Anticipated expiration: 2026-11-30
Also published as: JP2008139085A

Description

本発明は、半導体の製造工程においてウェハ上に形成された回路パターンの加工形状の寸法を、回路パターンの透過若しくは散乱荷電粒子顕微鏡画像を用いて計測するパターン寸法計測方法及び走査型透過荷電粒子顕微鏡並びにそのシステムに関する。

半導体ウェハの製造工程において、ウェハ上に多層に形成されるパターンの寸法および形状は、その半導体デバイスの性能を決める重要な要因のひとつである。中でもトランジスタゲート配線をはじめとする配線パターンは、その配線幅および形状とデバイス動作特性に強い関連があり、所望の配線形状を実現する製造プロセスを構築することが非常に重要である。

数十ナノメートルオーダの微細配線の線幅を測定する測長ツールとしては、それらの配線を１０万から２０万倍の拡大倍率で撮像可能な線幅測定用の走査型電子顕微鏡（測長ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）またはＣＤ（Critical dimension）ＳＥＭ）が従来から用いられている。しかしながら、測長ＳＥＭではパターン断面の形状を確認するのは困難であるため、製造プロセス立ち上げ初期の段階では、パターンのあるウェハを劈開したり、収束イオンビーム（Focused Ion Beam：ＦＩＢ）加工装置を用いてパターンを加工したりして、ＳＥＭや透過電子顕微鏡（Transmission Electron Microscope：ＴＥＭ)あるいは走査型透過電子顕微鏡（Scanning Transmission Electron Microscope：ＳＴＥＭ)などを用いてその断面形状を確認する作業が一般的に行われている。なお、測長ＳＥＭについては、例えば特開２００５−２６５４２４号公報（特許文献２）に記載されている。

この断面形状評価は、従来、形状の見た目により観察者がその良否を確認していたが、近年の半導体デバイスの微細化に伴い、断面形状についても高精度な寸法計測への要求が高まっている。しかしながら、断面計測はその試料準備に数十分〜数時間という多くの時間を要するという問題がある。通常の半導体回路パターンには、ラインエッジラフネス（Line edge roughness：ＬＥＲ)や線幅ラフネス（Line width roughness：ＬＷＲ)とよばれるパターンエッジ位置および寸法の変動がある。断面観察では、通常加工したある一箇所での観察のみが可能であるため、ラフネスの大きなパターンに対して、プロセス全体の状態を評価するためには、多くの点でのパターン寸法観察を行う必要がある。パターン断面の形状を計測するほかの装置としては、原子間力顕微鏡（Atomic force microscope、ＡＦＭ）などもあるが、非特許文献１に示されているように、探針の太さや形状によってうまく測れないこともある。特に逆テーパやノッチとよばれる、配線の底部が上部よりも細い形状については計測が困難であり、今後のパターンの微細化に十分に対応できているとは言い難い。

ＵＳ６、５４８、８１０Ｂ２明細書特開２００５−２６５４２４号公報 B.Banke、 C.Archie、 M.Sendelbach et al、 "Reducing measurement uncertainty drives the use of multiple technologies for supporting metrology" Proc. SPIE 2375、 pp.133-150 (2006) A.Yamaguchi、 H.Fukuda、 H.Kawada and T.Iizumi、 "Impact of Long-Period Line-Edge Roughness (LER) on Accuracy in CD Measurement" Proc. SPIE 5752、 pp.1362-1370 (2005) H. Okushima、 T. Onozuka et al、 "ArF photo resist pattern sample preparation method using FIB without protective coating" Proc. SPIE 6152-165 (2006) 日本電子顕微鏡学会関東支部編、走査電子顕微鏡、 pp83-86 K. van Benthem、 S.N.Rashkeev and S.J.Pennycook、 "Atomic and Electronic Structure Investigations of HfO2/SiO2/Si Gate Stacks Using Aberration-Corrected STEM" Characterization and Metrology for ULSI Technology 2005、 pp79-84 J.Notte and B.Ward、 "Sample interaction and contrast mechanisms of the helium ion microscope" SCANNING、 pp.63-64、 2006

背景技術に示されているように、ＳＥＭやＴＥＭ、ＳＴＥＭにより断面計測を行う場合には、サンプル作成に多くの時間を要するため、多くの断面を計測することが難しい。

本発明の目的は、ＳＴＥＭ（Scanning Transmission Electron Microscope）等の走査型透過荷電粒子顕微鏡を用いた断面形状計測を１回のサンプル作成で複数の断面について行うことができるようにしたパターン寸法計測方法及びＳＴＥＭ等の走査型透過荷電粒子顕微鏡並びにそのシステムを提供することにある。即ち、本発明の目的は、多くの時間を必要とするサンプル作成を一回で済ませて、ＳＴＥＭ等の走査型荷電粒子顕微鏡を用いた断面形状計測の実質的なスループットを大幅に短縮することができるパターン寸法計測方法及びＳＴＥＭ等の走査型透過荷電粒子顕微鏡並びにそのシステムを提供することにある。

また、本発明の他の目的は、ＳＴＥＭ等の走査型透過荷電粒子顕微鏡を用いることによって通常の断面形状計測と同じ所要時間で多くの断面形状計測を可能にして、ラフネスのあるパターンに対しても平均的な断面寸法を容易に推定することが可能となり、プロセスの評価や、他の計測装置（例えば測長ＳＥＭ）との比較などに役立つパターン寸法計測方法及びそのシステムを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、走査型透過荷電粒子顕微鏡を用いて、計測対象パターンの３次元断面形状計測を行うパターンの計測方法であって、収束荷電粒子線の走査照射位置を前記計測対象パターンの長手方向が前記荷電粒子顕微鏡の光軸と平行になるように配置した前記計測対象パターンの前記荷電粒子顕微鏡の光軸と直交する所望の平面（ｘ−ｙ断面）内の計測位置に合せて前記収束荷電粒子線の焦点位置を前記計測対象パターンの前記荷電粒子顕微鏡の光軸（ｚ軸）方向に対して順次変化させ、それぞれの焦点位置での前記計測対象パターンの透過電子画像若しくは散乱電子画像を取得する電子画像取得過程と、該電子画像取得過程において前記所望のｘ−ｙ断面内の計測位置に合せたそれぞれの焦点位置で取得した透過電子画像若しくは散乱電子画像を処理して、該それぞれの焦点位置での電子画像内での計測対象パターンのエッジ位置を算出するエッジ位置算出過程と、該エッジ位置算出過程で算出されたそれぞれの焦点位置での電子画像内の計測対象パターンのエッジ位置と前記電子画像取得過程において電子画像を取得したそれぞれの焦点位置との組み合わせに基づいて、前記計測対象パターンの３次元断面形状計測を行う断面形状計測過程とを有することを特徴とするパターン計測方法である。

また、本発明は、前記計測対象パターンは、ｚ方向にラインパターンで形成されていることを特徴とする。また、本発明は、前記計測対象パターンは、ｚ方向に長さ２μｍ程度以上のラインパターンで形成され、前記断面形状計測過程において、前記計測対象パターンの３次元断面形状計測として所定のｚ断面における前記ラインパターンの平均寸法、ライン幅ラフネス又はラインエッジラフネスを計測することを特徴とする。

また、本発明は、前記計測対象パターンの周囲には保護膜などの固体が付着していない
ことを特徴とする。また、本発明は、前記電子画像取得過程において、前記走査型荷電粒
子線顕微鏡における前記荷電粒子線の加速電圧が２００ｋｅＶ以上であることを特徴とす
る。また、本発明は、前記電子画像取得過程において、さらに、前記走査型荷電粒子線顕
微鏡における前記荷電粒子線のビーム開き角を、前記計測対象パターンの前記荷電粒子顕微鏡の光軸と直行する方向の寸法の前記光軸方向の位置による寸法変化量に基づいて決めるビーム開き角決定過程を含むことを特徴とする。

また、本発明は、前記エッジ位置算出過程において、前記それぞれの焦点位置での電子画像内から得られた信号波形において、その傾きが最大となる座標を前記計測対象パターンのエッジ座標とすることを特徴とする。また、本発明は、前記エッジ位置算出過程において、前記それぞれの焦点位置での電子画像内から得られた信号波形において、該信号波形が画像取得条件に応じて設定したしきい値と一致する点を計測対象パターンのエッジ座標とすることを特徴とする。

また、本発明は、前記断面形状計測過程において、前記エッジ位置算出過程で算出されたそれぞれの焦点位置での電子画像内の計測対象パターンのエッジ位置の算出結果と前記それぞれの焦点位置との関係を１次式で近似し、該近似式の傾きにより前記それぞれの焦点位置での計測対象パターンのエッジ位置の算出結果を補正する傾き補正過程を含むことを特徴とする。

また、本発明は、前記断面形状計測過程において、前記エッジ位置算出過程で算出されたそれぞれの焦点位置での電子画像内の計測対象パターンのエッジ位置の算出結果の平均値からの差分が、予め指定した許容値よりも大きいときには前記計測対象パターンの３次元断面形状計測結果を排除する排除過程を含むことを特徴とする。

また、本発明は、走査型荷電粒子線顕微鏡を用いて、計測対象パターンの３次元断面形状計測を行うパターンの計測方法であって、収束荷電粒子線の走査照射位置を前記計測対象パターンの長手方向が前記荷電粒子顕微鏡の光軸と平行になるように配置した前記計測対象パターンの前記荷電粒子顕微鏡の光軸と直交する所望の平面（ｘ−ｙ断面）内の計測位置に合せて前記収束荷電粒子線の焦点位置を前記計測対象パターンに対して前記荷電粒子顕微鏡の光軸（ｚ軸）方向に順次変化させ、それぞれの焦点位置での前記計測対象パターンの第１の透過電子画像若しくは散乱電子画像を取得する第１の電子画像取得過程と、
該第１の電子画像取得過程において前記所望のｘ−ｙ断面内の計測位置に合せたそれぞれの焦点位置で取得した第１の透過電子画像若しくは散乱電子画像を処理して、該それぞれの焦点位置での電子画像内の計測対象パターンのエッジ位置を算出する第１のエッジ位置算出過程と、前記計測対象パターンを反転させ、収束荷電粒子線の走査照射位置を前記反転した計測対象パターンの所望のｘ−ｙ断面内の計測位置に合せて前記収束荷電粒子線の焦点位置を前記反転した計測対象パターンに対してｚ軸方向に順次変化させ、それぞれの焦点位置での前記反転した計測対象パターンの第２の透過電子画像若しくは散乱電子画像を取得する第２の電子画像取得過程と、該第２の電子画像取得過程において前記所望のｘ−ｙ断面内の計測位置に合せたそれぞれの焦点位置で取得した第２の透過電子画像若しくは散乱電子画像を処理して、該それぞれの焦点位置での電子画像内の反転した計測対象パターンのエッジ位置を算出する第２のエッジ位置算出過程と、前記第１のエッジ位置算出過程で算出されたそれぞれの焦点位置での電子画像内の計測対象パターンのエッジ位置と前記第１の電子画像取得過程において電子画像を取得したそれぞれの焦点位置との組み合わせ及び前記第２のエッジ位置算出過程で算出されたそれぞれの焦点位置での電子画像内の反転した計測対象パターンのエッジ位置と前記第２の電子画像取得過程において電子画像を取得したそれぞれの焦点位置との組み合わせに基づいて、前記計測対象パターンの３次元断面形状計測を行う断面形状計測過程とを有することを特徴とするパターン計測方法である。

また、本発明は、前記断面形状計測過程において、前記第１のエッジ位置算出過程で算出された計測対象パターンのエッジ位置の算出結果と前記第２のエッジ位置算出過程で算出された反転した計測対象パターンのエッジ位置の算出結果とに計測対象パターンの表面からの深さに応じた重みをかけた加重平均により、前記計測対象パターンの３次元断面形状計測を行うことを特徴とする。

また、本発明は、走査型荷電粒子線顕微鏡において、電子画像取得部において計測対象パターンの透過電子画像若しくは散乱電子画像を取得するための計測対象パターンの長手方向の寸法及び順次変化させる焦点位置の間隔を含む画像取得条件と、画像処理部において計測対象パターンのエッジ位置を算出するための画像処理条件を入力して設定するグラフィカルユーザインターフェースを備えたことを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、一度の試料作成で、多くの断面形状および寸法の計測が可能なパターン計測を実現する。

また、本発明によれば、比較的短時間に多くの断面形状計測を行うことができるようになる。これにより、計測対象である半導体回路パターンについて、これまで困難であった断面形状の製造ばらつきの評価が可能となる。特に逆テーパやノッチなど、非破壊の計測手法では状況の把握が困難であった形状変化についても、分解能のよいＳＴＥＭ像を用いることで高精度な計測が可能となる。

また、本発明によれば、このような評価を可能とした結果、半導体プロセスの状態、特にプロセス立ち上げ期の状態を、定量的に短期間で評価できるようになり、立ち上げ期間の短縮が可能となる。

また、本発明によれば、断面形状および寸法の、ばらつきを考慮した統計的な評価が可能となるため、半導体ラインで使われる様々な計測装置のキャリブレーションなどにも応用することが可能となる。

本発明に係る半導体の製造工程においてウェハ上に形成された回路パターンの加工形状の寸法を、回路パターンの電子顕微鏡画像を用いて計測するパターン寸法計測方法及びそのシステムの実施の形態について図面を用いて説明する。

［第１の実施の形態］
第１の実施の形態として、本発明に係るパターン計測方法の基本的な手順とシステム構成を図１から図１２を用いて説明する。

図１に基本手順を示す。はじめに断面観察ができるように例えば収束イオンビーム（ＦＩＢ）加工装置を用いて周囲を除去加工してサンプルを準備する（Ｓ０１）。本発明では、通常の断面観察に用いられるよりも、寸法が変化するラインの長手方向の寸法が大きい（厚い）サンプルを用いて寸法計測を行う。図２に断面観察用のサンプルの切り出しの例を示す。断面形状計測のために、サンプルを切り出す際に、図２に示す計測対象のパターンの長さＬを記録しておく。

図２（ａ）は計測対象の配線回路パターンを上部から見た図を示しており、白い部分がライン１１、灰色の部分が下地１２である。図２では簡単のためライン１１は直線で示されているが、実際の下地１２上の半導体ラインパターン１１ａは図３に示すようにラフネスにより線幅が変動する。このようなラインパターンのラフネスは、半導体製造プロセスの露光工程が原因で発生するものが多い。この、ラフネスは半導体デバイスの性能ばらつき主要因のひとつであり、これを計測することは非常に重要である。本発明は、ＳＴＥＭ等の走査型透過荷電粒子顕微鏡を用いて、このラフネスを断面観察と同時に断面形状を計測する手段を提供する。

矩形で示した領域を、例えばＦＩＢで加工して切り出したサンプルの例が図２（ｂ）である。通常、断面形状の計測が行われるのは図２（ｂ）にハッチングで示した面であり、本発明のＳＴＥＭによる計測方法では、この面に垂直に電子ビームを照射して、このハッチング面と平行な複数の断面で寸法計測を実施する。通常ＳＴＥＭやＴＥＭを用いた断面計測の際は、パターンの長さ（図２（ｂ）に矢印で示す部分）を数十ナノメートルからせいぜい数百ナノメートルまでと、比較的薄くするのが一般的である。しかし、本発明では、計測対象である複数の断面を含む数マイクロメートル程度（２μｍ程度以上）の、比較的長いサンプルを作成し、作成したサンプル内での寸法およびラフネスを計測する。非特許文献２に記載されているように、半導体デバイスへの影響を考えるとき、ラフネス計測は２マイクロメートル以上の範囲で測ることが推奨されている。

本発明では、この２マイクロメートルでのラフネス計測を可能にする方法を開示する。

図２では簡単のため、一つのサンプルに４本のラインしか含まれていない図を示しているが、もっと多くのラインを一度に切り出してももちろんよい。パターンの密度によるが、例えば数１０本のラインを含む領域を一度に切り出す。この場合には、一度のサンプル作成で、画像取得位置を変更するだけで多くの断面を計測できるメリットがある。また、ＦＩＢ加工におけるダメージを低減するために保護膜が生成されていてももちろん構わない。後で述べるように、本発明の計測手法は計測対象パターンの周辺に保護膜が無い方がより高精度な結果が得られるが、保護膜があっても適用可能である。透過電子像を用いる場合は、電子が透過しやすいように、対象パターンに比べてできるだけ原子番号の小さい膜を用いる方が望ましい。なお、ＦＩＢ加工による保護膜を使わないサンプルの作成方法については非特許文献３に開示されている。この後の説明は保護膜の無い場合について行うが、保護膜があっても同様の手順で断面寸法計測が可能である。

次に、例えば図４に示すＳＴＥＭ（Scanning Transmission Electron Microscope）において、準備したサンプルを計測用のホルダ（図示せず）にセットし、軸調整やサンプルの傾き調整、倍率調整などを行い、通常の断面計測が行える状態にＳＴＥＭを調整する（図１、Ｓ０２）。

図４に本発明で用いるＳＴＥＭの構成の一実施例を示す。ＳＴＥＭでは、電子源３０１から放出された電子を加速し、複数段の電子レンズ３０２、対物レンズ３０４を通してビーム３０８を細く収束させる。この電子ビーム３０８を、試料（サンプル）３０５に照射しながら走査コイル３０３を用いて矩形に走査させることで、各点における画像信号を検出する。透過電子を得るため、加速電圧設定部３００ｂで設定される試料に照射される電子の加速電圧は２００ｋｅＶ以上である数百ｋｅＶのものを使う。試料３０５に照射された電子はサンプル内を透過・散乱して、下方の検出器により検出される。検出器の形態は目的により異なるが、図５では一般的な明視野検出器３０７及び暗視野検出器３０６と２次電子検出器３１０がある場合を示す。暗視野検出器３０６は図５に示すようにアニュラ型のものを用いて、より散乱角の大きい電子のみを検出する。暗視野像は原子番号の違いをよく表わすため、Ｚコントラストともよばれる。明視野検出器３０７は暗視野検出器３０６の下方に配置されている、明視野検出器３０７では、あまり散乱を受けず、試料３０５の下方に透過する電子を中心に検出する。また図４のように、２次電子の検出が可能なように試料上方に２次電子検出器３１０を設けている装置もある。これらの検出により検出された電子はＡ／Ｄ変換機３０９によりデジタル信号に変換され、画像メモリと画像処理用のＣＰＵを持つ画像処理ユニット３１４に転送、画像データとして記憶装置３１１に記録される。記録された画像データは画像処理部３１４で処理される。あるいは外部インターフェース３１２を通じて外部での処理を行うことも可能である。装置の走査や結果表示は表示装置３１３を通じて行われる。なお、ＳＴＥＭの電子光学系は、制御装置３００によって制御される。制御装置３００は、ｚ方向の分解能に応じた焦点深度モード（電子ビームの開き角α）を調整する電子ビーム開き角調整部３００ａと、加速電圧設定部３００ｂと、２次電子検出器３１０で観察される試料（サンプル）の表面の例えば２次電子像を基準にして図５に示すように計測間隔ｐ及びサンプルの長さＬに応じたフォーカス調整位置に対物レンズ３０４等を制御するフォーカス調整位置制御部３００ｃと、偏向器３０３等を制御するビーム走査照射位置制御部３００ｄとを備えて構成される。ビーム走査照射位置制御部３００ｄには、取得する画像の倍率を制御する部分も含むことになる。

また、特許文献１には本発明に類似したシステムとして共焦点顕微鏡の例が開示されている。特許文献１では、電子源と試料と検出器を光学的に共役な位置に配置して、対象内部の画像を形成、観察に用いている。

本発明では、パターンによる透過及び散乱の程度の違いを用いてパターンのエッジ位置を検出するため、電子線像を検出器上に結像する必要はない。

次に、図４に示したシステムを用いて所望の断面計測位置における断面計測用の画像を取得する。本発明では、所望の断面計測位置での主に透過電子像（明視野像）を用いて計測を行う実施例を示す。断面計測対象であるラインパターンの長手方向（図２（ｂ）に示すｚ方向）にフォーカスを変化させた画像を取得して、それぞれの画像内でパターンのエッジ位置を算出する。詳細は後述するが、本方式ではフォーカスの合った位置におけるパターン断面形状およびその寸法を推定することができる。フォーカスを変化させた画像を取得するために、フォーカス位置の調整を行う（図１、Ｓ０３）。ここでは、２次電子画像の検出が可能なＳＴＥＭの実施例を示す。ここでは、はじめに２次電子画像を用いて、２次電子像が最もよく見えるフォーカス条件を設定する。２次電子像は、サンプル表面の情報を多く含むため、２次電子画像を用いて決定した条件では、電子ビームはサンプルの最表面にフォーカスすることになる。なお、２次電子像の検出が出来ない場合には、２次電子ほど明確ではないが、透過電子像でも同様の調整が可能である。

次に、このサンプル表面と下面を十分に含む範囲でフォーカスを順番に変化させて、各フォーカス位置で画像を取得する手順（図１、Ｓ０４）について図５を用いて説明する。図５は、図２（ａ）と同じ方向から切り出されたサンプルと電子ビーム３０８との位置関係を表わしたものである。

即ち、Ｓ０３で設定した電子ビームの条件（２次電子画像によりパターンの表面にフォーカスを合せる）を用いて、制御装置３００のフォーカス調整位置制御部３００ｃにより対物レンズ３０４を制御して念のためサンプルパターン表面少し上から一定間隔でフォーカスを変化させて、透過電子像（明視野像）３０７を取得する（図１、Ｓ０４）。図５はサンプル表面z0にフォーカスが合っている場合のビーム位置と、画像取得を行うフォーカス位置との実施例を示している。フォーカス変更の間隔ｐ（１５）は、計測したい断面の間隔に合せて設定すればよい。図５に示すようにパターン長さＬ、フォーカス変更間隔ｐとすると、対象パターン内で（Ｌ／ｐ）＋１枚の画像が撮像されることとなる。実際の画像取得時には、サンプル作成時に記録しておいたサンプル長さよりも下側まで十分に含むようにフォーカスを変化させて画像を取得しておく。フォーカス調整位置制御部３００ｃでのフォーカスの制御は、対物レンズ３０４の制御電流量と実際のフォーカス変化量との関係を予め調べておくことで容易に行える。通常、対物レンズ３０４の制御電流量と実際のフォーカス変化量との関係は、ＳＴＥＭ装置の設計情報やそれに基づいたシミュレーションにより求めて例えば記憶装置３１１に格納しておくことが可能である。あるいは、予め高さの分かっているサンプルをホルダにセットして対物レンズ３０４の制御電流量と実際のフォーカス変化量との関係を予め調べておくこともできる。そして、各フォーカス高さにおいて、電子ビーム走査照射位置制御部３００ｄにより偏向器３０３を制御して電子ビーム３０８をｘ−ｙ平面内でスキャンし、例えば明視野検出器３０７により透過電子画像を取得する。勿論、暗視野検出器３０６からは散乱電子画像が取得されることになる。図５ではｙ軸を図示していないが、紙面奥行き方向をｙ軸とする。

最後に、画像処理部３１４は、取得したそれぞれのフォーカス条件での透過電子画像内でパターンエッジ位置を画像処理により抽出し、各フォーカス位置の断面におけるパターン形状および寸法を算出する（図１、Ｓ０５）。

図６には画像処理部３１４における取得される画像の実施例と画像処理方法の一部を示す。図６の上に示した図は切り出したサンプルであり、そのうち一部分の透過電子画像（所望の断面計測位置での透過電子画像）１６を拡大して取得した透過電子像１７の実施例が下側の図である。図６に示すように、計測対象パターンが密集ラインであれば視野をずらして複数の透過電子像の画像１６を撮像することで、一度の試料作成で多くのラインを一度に計測することが可能となる。

次に、画像処理部３１４は、この図６中央に示す透過電子像１７から、各パターンのエッジ位置を画像処理により検出する。図７は、図６に点線で示した画像内のｙｉ座標＝ｙａの走査ラインにおける、１本のラインパターンの透過電子信号波形１８を模式的に示している。透過電子像１７では、パターンのある部分は信号が透過しないため暗くなり、パターンの無い部分は電子ビームが散乱されずにそのまま検出されるため明るくなる。この明るい部分と暗い部分の境目を検出することで、画像内でのパターンのエッジ位置を計測する。ＳＴＥＭ像におけるエッジ抽出画像処理の詳細は後述する。図６の画像内では、はじめにパターン下地との境界（図６のｙｉ＝ｙｓ周辺）のエッジを検出する。この場合はｙｉ軸と平行な方向の信号波形の評価を実施して、図７と同様に下地のエッジ位置を検出する。この下地境界の検出結果を用いて、画像が回転している場合は画像に対して回転補正を行うか、あるいは、計測結果の座標データを回転補正すれば回転のない結果が得られる。この下地との境界を基準とした各高さにおけるパターンのエッジ座標を画像処理により算出する。パターンの上面（図６のｙｉ＝ｙｔ周辺）のエッジについても、下地との境界と同様ｙｉ軸と平行な方向の波形を処理してエッジ位置を抽出する。

なお、本発明の計測では、図６と同様の画像で、フォーカス条件が異なるものが複数枚ある。これらの画像で全てパターンエッジ位置を算出すれば、対象パターンの３次元構造を得ることができる。図８は３次元構造情報の説明図である。図８（ａ）左側に示すように、本発明の計測手法ではフォーカス条件（フォーカス調整位置）１４を変更した複数の透過電子画像１７が得られる、これらを画像処理することで、図８（ａ）右側に示すようなエッジ位置情報１９を得ることができる。図８（ａ）右側の図において、輪郭線上の各点はｘとｙの座標情報を持っている。これらのエッジ座標情報２０は、パターン長手方向の座標ｚにおけるパターン外周エッジの値を示していることから、フォーカス位置の相対座標１４が画像間のｚ座標となる。これらの３次元構造データ２１を表示した実施例を図８（ｂ）に示した。図８（ａ）に示した各ｚ座標での画像やエッジ抽出結果、（ｂ）に示すような３次元立体表示２１は表示装置３１３で容易に表示できるようにしておくと良い。３次元表示の観察方向や倍率はマウス操作で簡単に変更可能にしておくと便利である。このような３次元データの表示は一般的なＣＡＤツールや３Ｄアニメーションツールなどを用いても容易に行える。

次に、図９を用いて、様々なフォーカス状態で撮像された透過電子画像からパターンのエッジを抽出する方法について説明する。発明者らは、シミュレーションを利用して、電子ビームの走査とパターンエッジ位置との関係により透過電子信号量がどのように変化するのかを調べた。図９は電子ビーム３０８の走査とパターン３０５のエッジ位置と透過電子信号量１８との関係の概略図を示している。図９（ａ）から図９（ｃ）は電子ビームと試料側壁の位置関係を、図９の下のグラフは各位置と透過電子の信号量の関係を示している。比較的厚いサンプルを用いる場合、図９（ａ）のように、電子ビーム３０８の最も太いところとパターン３０５がはじめて接触する場所から電子の散乱がはじまるので、信号量が低下しはじめる。ターゲットにあたる電子ビームの量が少ないうちは少しずつ信号量が減少するが、フォーカスしてビームの密度が高い部分が試料に交わると、多くの電子が散乱してしまうため、急激に信号量が低下する（図９（ｂ））。その後、電子ビーム３０８が、全て試料３０５の内部に向けて照射され、かつ側壁から散乱した電子が出なくなるまで内部に入ったところで最小値となる。Δｘ１は（ａ）の位置により決まり、試料の長さＬが厚く（長く）、電子ビーム３０８の開き角が大きいほど長くなり、フォーカスの位置にも依存して変化する。また、試料の長さＬが厚い（長い）ほど、電子ビームが散乱により試料内で拡がるため（ｃ）の位置は右の方へ移動して、Δｘ２は大きくなる。フォーカスを変化させた画像において、常にフォーカスの合っている高さの寸法を測るため、図９（ｂ）に相当するエッジ位置を正しく検出できればよい。しかしながらパターンのエッジ周辺（ａ）から（ｃ）、特に（ａ）から（ｂ）の間で信号量１８が大きく変化しているため、この間のどの部分をパターンのエッジとして抽出するかにより計測誤差が大きくなる可能性がある。発明者らの検討では、電子ビーム３０８の開き角や試料３０５の厚さＬにもよるが、（ａ）（ｂ）間の距離は１０ナノメートルを超える値となりうることがわかっている。本発明が評価対象としている半導体パターンの寸法は数十ナノメートル程度であり、ラフネスにより生じる考慮すべき寸法ばらつきは数ナノメートルであることから、この（ａ）（ｂ）間の信号低下に影響を受けないエッジ位置の検出が必要である。また、（ｂ）における信号量ｓｂはフォーカスの位置によって変化する。実線１８ａで示すように、フォーカス位置が試料表面に近いほど（ｂ）の信号量は大きくなるが、フォーカスが下面に近いほど（点線１８ｂで示す場合）、照射された電子が上部で散乱されてしまうため、信号量が低下する。このような物理現象を考慮した画像処理を行わなければ、正しいエッジ位置を決定することはできない。

次に、画像処理部３１４においてこのような画像で正しいエッジ位置を抽出する方法について図１０を用いて説明する。図１０は図９で示した試料の左側エッジ付近での透過信号波形１８とその１次微分波形２２を示している。（ｂ）に相当する部分で急激に信号量が低下することから、微分波形２２が最小値（右エッジの場合は最大値）となる部分２３をエッジとして検出すれば、（ｂ）に近い傾きが最大の点を検出することができる。そこで、本発明では、１次微分の最小値（左エッジの場合）および最大値（右エッジの場合）をとる座標をエッジ位置とすることで、フォーカスの変化によらず安定に精度よくパターンエッジの座標を求めることが可能となる。同様に、３次微分が変曲点でゼロになることを利用して、１次微分ピーク直前の３次微分のゼロクロス点を検出することで、急激に信号量が低下する点を検出することも可能である。

次に、別のエッジ位置抽出方法の実施例について図１１を用いて説明する。図１０では１次微分のピークを用いてエッジ位置を決定したが、微分波形はノイズに弱いという欠点がある。ノイズの良い画像を取得するためには、画像取得に多くの時間を要する。また、照射する電子数が大きくなるため、試料へのダメージなどの問題も起こりうる。そこで、図１１の方法では、焦点位置が下になるほど（ｂ）の信号量が低下することを利用して、焦点位置に応じたしきい値を設定し、設定したしきい値と波形の交点をエッジ位置とする方法である。図１１の実施例では、例えば焦点位置が比較的高いところにあり、実線で描かれているような波形１８ａが得られる場合には、透過電子画像の振幅Ａ（下地部分とパターン部分の最も暗い部分の差）２４に対して、例えば６０％のしきい値との交点Ｅ１をエッジ位置２６ａとし、焦点が下の方にあり、点線のような波形１８ｂが得られる場合には、しきい値を例えば３０％として波形との交点Ｅ２をエッジ位置２６ｂとする。これらのしきい値２５ａ，２５ｂは焦点位置に応じて適切な値を設定する必要がある。これは予め形状のわかっているサンプルなどで波形を取得し事前に設定しておけばよい。図１１の方法は、予めしきい値を決めておく必要はあるが、図１０の方法に比べると、ノイズに強いという利点がある。

次に、本発明のパターン計測方法を実行するのに適切なビームの開き角を決定する方法について図１２を用いて説明する。図９に示したように、本発明のパターン計測方法では、試料３０５と電子ビーム３０８のフォーカス点が交わるところで信号量が急激に低下する。しかしながら、フォーカス点より上方で照射された電子ビーム３０８が試料３０５と交わってしまうと、試料内で電子が散乱してしまい、実質の分解能が低下してしまう。発明者らの検討では、フォーカス点において、電子ビームの一部でも直接試料に照射されていると計測精度が良好になることがわかっている。そこで、ラフネスのあるサンプルに対して適切なビームの開き角αをラインのラフネスに基づいて決定し、ビーム開き角調整部３００ａに対して設定しておくとよい。適切な開き角を決定するために、ラインパターンを上方（図２（ａ）のようにパターン上面が見える状態）から観察する。観察はＦＩＢ加工時にＳＥＭを用いて行ってもよいし、予め測長ＳＥＭやＡＦＭなどで計測して、例えばＩ／Ｆ３１２を介して入力して記憶装置３１１に記憶しておく。次に、画像処理部３１４は、記憶装置３１１に記憶されたラインを上部から観察してエッジ位置を検出する。ここでのエッジ位置検出は、相対位置がわかればよい。画像処理部３１４は、エッジ位置を検出したら、エッジ上の各点に対して、その点を通り、ライン外側でラインに外接する直線を求める。例えば、図１２に示す点２８について２本の直線２９が求まる。さらに、画像処理部３１４は、ラインの長手方向２７を基準とした場合に、これらの傾きθ１、θ２を求めて、大きい方を例えば記憶装置３１１に記録しておく。さらに、画像処理部３１４は、これをある程度の長さのラインエッジについて行い、最大角度θｍａｘを推定する。制御装置３００のビーム開き角調整部３００ａからの指令に基づく複数段の電子レンズ３０２等の制御によりビームの開き角α（３０）は、画像処理部３１４で推定されたθｍａｘよりも大きな値にしておけば、ラフネスがあるサンプルでも固体内散乱を受けずに、ビームがある程度の密度を保ったままフォーカス位置で試料１１（３０５）に到達することができる。例えば、図１２に矢印で示した方向で電子が入射する場合には、パターンに散乱されることなくフォーカス位置でビームが試料１１の表面に到達する。

以上、ＳＴＥＭの画像処理部３１４において、図１から図１２により説明した第１の実施の形態の計測手法により、比較的短時間に多くの断面形状計測を行うことができるようになり、図８に示したようなパターンの形状情報２０を得ることができる。これらの結果はそのままでもパターンの３次元情報として有用であるし、また、この結果から、画像処理部３１４はラインパターンの長手方向（図２（ｂ）に示すｚ方向）や高さ方向（図２（ｂ）に示すｙ方向）に対して、どのように寸法が変動しているのか詳細な解析が可能となる。例えば、ラインパターンの高さ（ｚ値）ごとにラインエッジラフネス（ＬＥＲ（Line Edge Roughness））や線幅ラフネス（ＬＷＲ（Line Width Roughness））がどのように変化しているか確認したり、ライン側壁の傾斜角の変化を確認したりすることに使える。即ち、本発明によれば、ｚ方向に長さ２μｍ以上のラインパターンからなる計測対象パターンに対して、所定の断面（所定のｚ値）におけるラインパターンの平均寸法、ライン幅ラフネス、ラインエッジラフネスを計測することが可能となる。

このように、計測対象である半導体回路パターンについて、画像処理部３１４は、これまで困難であったｚ方向の断面形状の製造ばらつきの評価が可能となる。特に逆テーパやノッチなど、非破壊の計測手法では状況の把握が困難であった形状変化についても、分解能のよいＳＴＥＭ像を用いることで高精度な形状計測が可能となる。このような結果を用いて半導体製造プロセスの管理や、プロセスに異常があった場合に原因調査のための解析ツールとしても活用することができ、半導体プロセスの状態、特にプロセス立ち上げ期の状態を、定量的に短期間で評価できるようになり、立ち上げ期間の短縮が可能となる。また、断面形状および寸法の、ばらつきを考慮した統計的な評価が可能となるため、半導体ラインで使われる様々な計測装置のキャリブレーションなどにも応用することが可能となる。

［第２の実施の形態］
本発明に係る第１の実施の形態では、計測対象パターンの周囲に保護膜がない場合について説明した。本発明に係る第２の実施の形態では、計測対象パターンの周囲に保護膜がある場合について説明する。図１２の実施例で説明したように、本発明のパターン計測を精度良く実行するためには、できるだけ多くの電子が固体により散乱されることなく計測対象表面に収束して照射されることが望ましい。しかしながら、材料によっては保護膜がなければ断面観察用の加工が困難なケースもある。このような場合には、保護膜の影響による精度低下を低減する必要がある。図１３は固体内散乱により収束ビームがどのように拡がってしまうかをシミュレーションした例である。２００ｋｅｖの電子ビームを照射したとき、左の図は試料表面から２ミクロン、右の図は１ミクロンの深さにフォーカスした場合のビームの拡がり３１、３２を示している。なお、固体内の散乱が無い場合はビーム径は無限小となる条件で計算している。図１３からわかるように、試料表面からの深さが深いほど電子ビームの実効的な径は太くなってしまう。特許文献１のFig.3に開示されている図も同様のデータであるが、深さに比例するのではなく、ある程度から急激に分解能が低下する。保護膜がある場合にはこの影響が避けられない。本発明に係る第２の実施の形態ではこのような固体内拡散によるビーム径の増大に対応する方法を開示する。

図１４は厚いサンプルを測った場合の計測ばらつきについて説明している。厚いサンプルを測る場合、試料表面から離れるほど、電子の固体内拡散や、エッジ位置における信号量とＳ／Ｎの低下により計測ばらつきが増大する。同じサンプルを繰り返し計測すると、図１４に示す点のように、下に行くほど検出されたエッジ位置２６のばらつきが大きくなる。そこで、ＳＴＥＭにおいて、図１５に示すように、サンプル１１（３０５）を一度計測したら、サンプル１１（３０５）を１８０度回転させ、もう一度同様に計測を行う。図１５（ａ）では一回目の計測ではＡ側のエッジ位置が、二回目の計測ではＢ側のエッジ位置が精度よく計測できるので、画像処理部３１４において図１５（ｂ）に示すような表面からの距離に応じてＳ字型の重み関数３３を用いて検出エッジ位置について加重平均を行うことで、パターンの厚さ（長さＬ）によらず安定な断面形状の計測を可能とする。Ｓ字カーブは一般的に用いられるシグモイド曲線を用いればよい。図１６にＳＴＥＭの第２の実施の形態における評価手順を示す。図１に示した第１の実施の形態と同様にサンプルを準備し、サンプルをＳＴＥＭのホルダにセットする（Ｓ０１、Ｓ０２）。次に２次電子画像によりパターンの表面にフォーカスを合せて調整した後（Ｓ０３）、フォーカスを変化させた画像セットを取得する（Ｓ０４）。一通り画像を撮像し、両面画像を取得していない場合には（Ｓ０６）、サンプルを１８０度回転させて（Ｓ０７）、同様に画像処理部３１４は画像を取得する。画像処理部３１４は各画像内でエッジ位置を検出した後（Ｓ０５）、２つの計測結果の位置を組み合わせる（Ｓ０８）。更に、画像処理部３１４は、次に説明することを実行することになる。即ち、はじめに下地位置を基準にｙ方向の座標を合せる。次に、２次電子画像で合せたフォーカス情報を元に大体の位置を合せておき、２つの計測結果の精度が同程度であるｚ方向中央のパターン計測結果を用いてラフネスが一致するようにｘとｚの位置を合せこめばよい。合せこみには複数枚の画像内にある複数のエッジ座標の差分自乗和が最小になるようにシフトすればよい。最後に図１５（ｂ）に示したような表面からの距離による重み付けを行って、加重平均をすることでパターン寸法を算出する（Ｓ０９）。なお、計測可能な厚みが十分でない場合は、加速電圧設定部３００ｂにおいて加速電圧を上げることで対応が可能である。以上説明したように、本発明に係る第２の実施の形態における第１の実施の形態と相違する点は、ステップＳ０６、Ｓ０７、Ｓ０８及びＳ０９を設けたことにある。

本手法は、本方式を保護膜がないサンプルに適用してももちろんよい。図９に示したように、フォーカス位置が下になるほど、エッジ部分の信号量が下がり、エッジ抽出のＳ／Ｎも悪くなる。そこで、図１５及び図１６に示した方式で上下から計測した結果を組み合わせた計測を行うことで、Ｓ／Ｎ低下による計測値ばらつきを低減し、より高精度な計測が実現可能となる。

［第３の実施の形態］
本発明に係る第３の実施の形態における第１及び第２の実施の形態との相違点は、例えば画像処理部３１４において傾き補正を行うことにある。次に、本発明に係るＳＴＥＭによるパターン形状計測における第３の実施の形態である計測対象パターンの取り付け時に生じる試料の傾きを補正し、該補正した結果を出力する方法について説明する。ＳＴＥＭでの観察、計測時にはＦＩＢで加工した試料をＳＴＥＭで観察するが、この試料の取り付け方によっては、ラインの長手方向がｚ軸と平行にならない場合がある（軸の取り方については、例えば図２（ｂ）参照）。このような場合には、図１７（ａ）に示すように計測結果が傾きを持ってしまう。このように傾きを持ってしまった場合には、画像処理部３１４において、これらのデータ（検出されたエッジ位置）２６を近似する１次直線３４を最小自乗法により求めて、計測データの補正を行えばよい。このようにしてデータの補正により傾きをキャンセルすることができれば、傾きに起因した寸法計測誤差を排除することができ、より高精度な計測が可能になる。また、図８（ｂ）に示したように３次元でパターン構造２１を表わすときなどに扱いやすいといった利点がある。また、第２の実施の形態のように、観察方向を変更する場合、ステージの精度によって回転前後でｚ軸に対する傾きが変化してしまう可能性があるが、このような場合にも、予め回転を補正した上で、加重平均などの処理を行えばよい。

しかしながら、低周波のラフネスがある場合には、傾きの推定が大きな誤差を持つ場合もありうる。そこで、図１７（ｂ）に示すように、必要に応じて、他の計測点、例えば左右のエッジラフネスや異なる高さ（ｙ座標）のデータなどを用いて、多くのデータを使った方が傾きの推定精度が高くなる。高さが異なるだけのデータではラフネスに相関があることが多いため、左右、あるいは隣接ラインの情報を含めるのが望ましい。図１７ではｘ方向の傾きについて示したが、ｙ方向についても同様に行うことができるのは言うまでもない。

ＦＩＢで加工した試料３０５を傾きなくＳＴＥＭのホルダ（図示せず）に保持することは、一般に非常に困難である。しかしながら、本発明の第３の実施の形態に示した通り、補正を実施すれば、サンプルが傾いて保持されていても、高精度な計測の実現が可能となる。

［第４の実施の形態］
本発明に係る第４の実施の形態における第１乃至第３の実施の形態との相違点は、画像処理部３１４において異常値を除く処理を行うことにある。

次に、本発明に係るＳＴＥＭによるパターン形状計測における第４の実施の形態である異常値を除いて、さらに計測精度を上げる方法について図１８を用いて説明する。本発明のパターン形状計測方法では焦点位置をｚ方向に順次変化させてそれぞれの焦点位置においてｘ−ｙ断面形状を計測する。通常計測対象パターンのｚ方向の断面形状は連続的に変化するため、その連続性を利用すれば計測の安定性を向上することができる。図１８に白丸で示しているのはｘ−ｙ計測の外れ値３５である。半導体のラインパターンを計測対象とする場合には、通常測長ＳＥＭまたはＣＤ（Critical Dimension）ＳＥＭ（図示せず）などでラインパターンのラフネスを評価しているため、測長ＳＥＭまたはＣＤＳＥＭ（図示せず）から例えばＩ／Ｆ３１２を介して入力されて記憶装置３１１に記憶される関係で画像処理部３１４は大体の変動範囲をわかっていることが多い。そこで、画像処理部３１４は、得られたｚ方向の断面計測結果（検出されたエッジ位置）の変動から、ラインそのもののばらつきよりも大きく外れているものを外れ値として取り除くことが可能となる。図１８の実施例では、片側のエッジ位置２６のｚ方向の平均値３６を算出し、測長ＳＥＭまたはＣＤＳＥＭ（図示せず）等において別途評価しておいたラインエッジラフネスの値に相当する許容範囲３７を設定し、そこから外れている値を計測結果から取り除く。図１８の実施例の他にも、ラインパターンの数点の３次元計測結果の移動平均を出して、そこから大きく外れているものを取り除くといった処理も可能である。外れ値を除いた後は、前後の計測結果（ｘ、ｙ、ｚどの方向でもよい）から本来のエッジ位置を推定してもよい。

このように、本発明に係る第４の実施の形態によれば、ｚ方向にラインパターンで形成されている計測対象パターンを焦点位置を順次変化させて撮像して取得される透過電子画像若しくは散乱電子画像を基にそれぞれの焦点位置でのエッジ位置２６で計測される３次元断面形状計測結果において、ラインエッジラフネスの値に相当する許容範囲３７から外れている外れ値を取り除くことでさらに安定な３次元断面形状計測が可能となる。

［第５の実施の形態］
本発明に係る第５の実施の形態における第１乃至第４の実施の形態との相違点は、画像処理部３１４におけるＧＵＩである。

次に、本発明に係るＳＴＥＭによるパターン形状計測における第５の実施の形態である画像取得や処理の条件を入力する条件入力画面と、結果の表示などのＧＵＩの実施例について説明する。図１９は入力条件（条件入力画面）３１５の一実施例を示している。本発明に係る３次元断面形状計測方法では、加速電圧（ｋｅＶ）、取得する画像の倍率（ｋｘ）、希望するｚ方向の分解能に応じた焦点深度モード（電子ビームの開き角α）などの基本的な画像取得条件と、使用する画像の種類（透過電子画像、散乱電子画像、反射電子画像（２次電子画像）等）、フォーカスを振って画像取得を行う範囲（(z0-3)〜(z0+(L/p)+2)）を決めるためのパターン長さＬ（μｍ）、計測ピッチｐ（ｎｍ）、そしてエッジ位置抽出に用いる画像処理条件（フィルタ処理条件及び図１０に示す微分処理条件若しくは図１１に示すしきい値処理条件）などの入力を行う。ここで、画像取得を行う範囲については、予め測っておいた、計測対象サンプルの寸法よりも小さな値Ｌを入れる必要がある。一方、図２０は計測結果の表示（結果表示画面）３１６の一実施例である。図２０左側に示すような、３次元断面形状計測結果であるインタラクティブに操作可能な３次元表示（３次元グラフ）を行い、マウスを近づけると計測した点が選択できるようにしておく。計測点をクリックすると、インタラクティブにその場所のデータを算出した画像（反射電子像３８及び透過電子像１７等）を右側に表示する。図２０の実施例では、画像上に代表的な信号波形（反射電子信号波形３９及び透過電子信号波形１８）と計測結果の表示を行っている。

このように、表示装置１１３上に図１９や図２０に示すようなＧＵＩ画面３１５、３１６を表示することにより、条件設定や結果確認を容易に行うことが可能となる。

［第６の実施の形態］
本発明に係る第６の実施の形態における第１乃至第５の実施の形態との相違点は、ＳＴＥＭの例えば画像処理部３１４において他の計測ツール（測長ＳＥＭ又はＣＤＳＥＭ又は測長用のＡＦＭ）とキャリブレーションすることである。

次に、本発明に係るＳＴＥＭによるパターン形状計測における第６の実施の形態である他の計測ツールとキャリブレーションする方法について説明する。従来断面計測では、一度の計測で一断面の寸法しか計測できなかったため、多くの計測データを得ることが難しかった。しかし、本発明の計測方法を用いれば、一度のサンプル作成で多くのデータを得ることができるため、計測対象の形状ばらつきがある場合にも他の計測装置（測長ＳＥＭ又はＣＤＳＥＭ又は測長用のＡＦＭ）と計測結果を比較してキャリブレーションすることが可能となる。

図２１を用いて、測長ＳＥＭ又はＣＤＳＥＭと計測結果を比較する実施例を示す。キャリブレーションをする際には、同じサンプルを異なる方式で計測して比較する必要がある。そこで、はじめに断面サンプルの切り出しの精度を考慮して特開２００５−２６５４２４号公報に記載されているように測長ＳＥＭ又はＣＤＳＥＭにより計測を行う。図２１に示すように、ラインパターン１１とアライメントパターン４０がある場合に、このアライメントパターン４０を用いて切り出しが可能なＦＩＢ加工精度４１を予め調べておく。そして、このＦＩＢの切り出しによりずれる可能性のある領域全てのパターンを測長ＳＥＭ又はＣＤＳＥＭで計測しておく（領域４２）。次に、ＦＩＢで切り出し加工を行って、例えば４３の領域の断面形状計測を第１乃至第６の実施の形態で示した方法で行う。４３の領域の計測結果を、予め計測した領域４２内の測長ＳＥＭ計測結果と照らし合わせて、一致する領域を確定する。ここでは、寸法ではなく、ラフネスによるエッジ位置の相対的な変化を用いて位置合せを行う。このようにして、ＳＴＥＭによる断面計測位置と一致した部分の測長ＳＥＭ又はＣＤＳＥＭの計測結果を用いて、装置間のキャリブレーションを行えば、パターンのばらつきを考慮した高精度なキャリブレーションが可能となる。測長ＳＥＭ又はＣＤＳＥＭによりｚ−ｘ面で計測するｚ方向のピッチと、本発明のＳＴＥＭによる断面計測で計測できるｚ方向のピッチが異なる場合にも、どちらも同じ母集団の中でのランダムなサンプリングと考えることができるため、統計的な扱いが容易となるといった利点がある。図２１の実施例では、測長ＳＥＭ又はＣＤＳＥＭの場合について説明したが、測長用のＡＦＭ（Atomic Force Microscope）などに対しても同様の処理が可能である。

このように、本発明に係る断面形状計測方法を用いれば、断面形状および寸法のばらつきを考慮した統計的な評価が可能となるため、半導体ラインで使われる様々な計測装置のキャリブレーションなどにも応用することが可能となる。

これまでの実施の形態では、一般的なＳＴＥＭを用いたパターン断面形状計測方法について開示した。更に精度を向上することが可能なシステムとして、ＳＴＥＭに非特許文献５に開示されている収差補正器を導入することで、焦点深度が浅く、合焦点位置での電子密度が高いビームを実現することができる。このような電子ビームが実現できれば、ＳＴＥＭ画像の分解能が上がり、計測精度が向上する。また、焦点深度が浅いため、ｚ方向の分解能も向上して、より細かい間隔での断面計測が可能となる。

計測精度向上が可能な別のシステムとしては、電子ビームの代わりに、非特許文献６に開示されている軽イオンを用いたＦＩＢを用いてもよい。ＦＩＢを用いると、固体内での散乱角が比較的小さいため、分解能のよい計測が可能となる。

また、本発明では透過電子を用いた計測方法について説明したが、散乱電子を用いても同様の形状計測が可能である。また、透過電子と散乱電子でそれぞれ計測を行い、結果を統合することでさらに高い精度での計測も可能となる。

本発明のパターン計測技術は、透過電子顕微鏡で画像取得が行え、かつ矩形などの高さ方向の寸法差が比較的小さい形状の対象であれば、同様に適用が可能である。本発明では半導体パターンの計測について説明を行ったが、ＭＥＭＳや微細工業部品などに適用することができる。

本発明に係るＳＴＥＭを用いたパターン計測方法の第１の実施の形態の手順を説明するための図である。本発明に係る計測対象パターン構造と座標の定義を説明するための図である。本発明に係るラインエッジラフネスがある場合の計測対象ラインパターンの模式図である。本発明に係るパターン計測方法を実施するＳＴＥＭのシステム説明図である。本発明に係るパターン計測方法の焦点位置設定方法を説明するための図である。本発明に係るパターン計測方法の画像取得の実施例を示す図である。本発明に係る透過電子像とエッジ抽出の説明図である。本発明に係る取得される画像と処理結果の説明図である。本発明に係るパターン計測方法で用いる透過電子画像の特性を説明する図である。本発明に係るパターン計測方法におけるエッジ抽出画像処理の説明図である。本発明に係るパターン計測方法におけるエッジ抽出画像処理の説明図である。本発明に係る計測対象パターン形状から電子ビームの開き角を設定する手法の説明図である。本発明に係るパターン厚さと実効的なビーム径の関係を示す説明図である。本発明に係るパターン厚さによる計測ばらつきの変化を説明する図である。本発明に係る厚いパターンを精度よく計測する方法の説明図である。本発明に係る厚いパターンを精度よく計測する方法の手順を示す説明図である。本発明に係るパターンの傾きを補正する方法を説明するための図である。本発明に係る外れ値を取り除く方法について説明するための図である。本発明に係る画像取得および計測条件を設定するＧＵＩの説明図である。本発明に係る計測結果を表示するＧＵＩの説明図である。本発明に係る他の計測装置とのキャリブレーションの際のサンプリング方法説明図である。

符号の説明

１１…ラインパターン、１１ａ…ラフネスラインパターン、１２、１２ａ…下地、１３…サンプル切り出し領域、１４…フォーカス調整位置、１５…計測間隔ｐ、１６…透過電子撮像領域、１７…透過電子像、１８…透過電子信号波形、１９…エッジ抽出結果、２０…エッジ座標情報、２１…計測結果３次元表示、２２…透過電子信号１次微分波形、２３…最小値ピーク、２４…信号波形振幅Ａ、２５…しきい値、２６…検出されたエッジ位置、２７…ライン長手方向（基準）、２８…エッジ位置（Top view、AFM計測結果など）、２９…ラフネスの外接線、３０…ビーム開き角α、３１…合焦点高さでの電子の分布、３２…合焦点高さでの電子ビーム強度分布、３３…重み関数（シグモイド関数）、３４…最小自乗法による近似直線、３５…外れ値、３６…平均値、３７…許容範囲、３８…反射電子像、３９…反射電子信号波形、４０…アライメントマーク、４１…断面計測サンプル切り出し位置精度、４２…測長ＳＥＭ（あるいはＡＦＭ）計測範囲、４３…断面計測領域、
３００…制御装置、３００ａ…ビーム開き角調整部、３００ｂ…加速電圧設定部、３００ｃ…フォーカス調整位置制御部、３００ｄ…ビーム走査照射位置制御部、３０１…電子源、３０２…電子レンズ、３０３…偏向器、３０４…対物レンズ、３０５…試料（サンプル）、３０６…暗視野検出器、３０７…明視野検出器、３０８…電子ビーム、３０９…Ａ／Ｄ変換器、３１０…２次電子検出器、３１１…記憶装置、３１２…外部インターフェース、３１３…表示装置、３１４…画像処理部、３１５…条件入力画面（ＧＵＩ）、３１６…結果表示画面（ＧＵＩ）。

Claims

走査型透過荷電粒子顕微鏡を用いて、計測対象パターンの３次元断面形状計測を行うパ
ターンの計測方法であって、
収束荷電粒子線の走査照射位置を前記計測対象パターンの長手方向が前記荷電粒子顕微鏡の光軸と平行になるように配置した前記計測対象パターンの前記荷電粒子顕微鏡の光軸と直交する所望の平面（ｘ−ｙ断面）内の計測位置に合せて前記収束荷電粒子線の焦点位置を前記計測対象パターンの前記荷電粒子顕微鏡の光軸（ｚ軸）方向に対して順次変化させ、それぞれの焦点位置での前記計測対象パターンの透過電子画像若しくは散乱電子画像を取得する電子画像取得過程と、
該電子画像取得過程において前記所望のｘ−ｙ断面内の計測位置に合せたそれぞれの焦点位置で取得した透過電子画像若しくは散乱電子画像を処理して、該それぞれの焦点位置での電子画像内での計測対象パターンのエッジ位置を算出するエッジ位置算出過程と、
該エッジ位置算出過程で算出されたそれぞれの焦点位置での電子画像内の計測対象パタ
ーンのエッジ位置と前記電子画像取得過程において電子画像を取得したそれぞれの焦点位
置との組み合わせに基づいて、前記計測対象パターンの３次元断面形状計測を行う断面形
状計測過程とを有することを特徴とするパターン計測方法。
前記計測対象パターンは、ｚ軸方向にラインパターンで形成されていることを特徴とする請求項１に記載のパターン計測方法。
前記計測対象パターンは、ｚ軸方向に長さ２μｍ以上のラインパターンで形成され、
前記断面形状計測過程において、前記計測対象パターンの３次元断面形状計測として所
定のｚ軸断面における前記ラインパターンの平均寸法、ライン幅ラフネス又はラインエッジラフネスを計測することを特徴とする請求項１に記載のパターン計測方法。
前記計測対象パターンの周囲には保護膜などの固体が付着していないことを特徴とする
請求項１に記載のパターン計測方法。
前記電子画像取得過程において、前記走査型荷電粒子線顕微鏡における前記荷電粒子線
の加速電圧が２００ｋｅＶ以上であることを特徴とする請求項１に記載のパターン計測方
法。
前記電子画像取得過程において、さらに、前記走査型荷電粒子線顕微鏡における前記荷
電粒子線のビーム開き角を、前記計測対象パターンの前記荷電粒子顕微鏡の光軸と直行する方向の寸法の前記光軸方向の位置による寸法変化量に基づいて決めるビーム開き角決定過程を含むことを特徴とする請求項１に記載のパターン計測方法。
前記エッジ位置算出過程において、前記それぞれの焦点位置での電子画像内から得られ
た信号波形において、その傾きが最大となる座標を前記計測対象パターンのエッジ座標と
することを特徴とする請求項１に記載のパターン計測方法。
前記エッジ位置算出過程において、前記それぞれの焦点位置での電子画像内から得られ
た信号波形において、該信号波形が画像取得条件に応じて設定したしきい値と一致する点
を計測対象パターンのエッジ座標とすることを特徴とする請求項１に記載のパターン計測
方法。
前記断面形状計測過程において、前記エッジ位置算出過程で算出されたそれぞれの焦点
位置での電子画像内の計測対象パターンのエッジ位置の算出結果と前記それぞれの焦点位
置との関係を１次式で近似し、該近似式の傾きにより前記それぞれの焦点位置での計測対
象パターンのエッジ位置の算出結果を補正する傾き補正過程を含むことを特徴とする請求
項１に記載のパターン計測方法。
前記断面形状計測過程において、前記エッジ位置算出過程で算出されたそれぞれの焦点
位置での電子画像内の計測対象パターンのエッジ位置の算出結果の平均値からの差分が、
予め指定した許容値よりも大きいときには前記計測対象パターンの３次元断面形状計測結
果を排除する排除過程を含むことを特徴とする請求項１に記載のパターン計測方法。
走査型荷電粒子線顕微鏡を用いて、計測対象パターンの３次元断面形状計測を行うパタ
ーンの計測方法であって、
収束荷電粒子線の走査照射位置を前記計測対象パターンの長手方向が前記荷電粒子顕微鏡の光軸と平行になるように配置した前記計測対象パターンの前記荷電粒子顕微鏡の光軸と直交する所望の平面（ｘ−ｙ断面）内の計測位置に合せて前記収束荷電粒子線の焦点位置を前記計測対象パターンに対して前記荷電粒子顕微鏡の光軸（ｚ軸）方向に順次変化させ、それぞれの焦点位置での前記計測対象パターンの第１の透過電子画像若しくは散乱電子画像を取得する第１の電子画像取得過程と、
該第１の電子画像取得過程において前記所望のｘ−ｙ断面内の計測位置に合せたそれぞれの焦点位置で取得した第１の透過電子画像若しくは散乱電子画像を処理して、該それぞれの焦点位置での電子画像内の計測対象パターンのエッジ位置を算出する第１のエッジ位置算出過程と、
前記計測対象パターンを反転させ、収束荷電粒子線の走査照射位置を前記反転した計測
対象パターンの所望のｘ−ｙ断面内の計測位置に合せて前記収束荷電粒子線の焦点位置を前記反転した計測対象パターンに対してｚ軸方向に順次変化させ、それぞれの焦点位置での前記反転した計測対象パターンの第２の透過電子画像若しくは散乱電子画像を取得する第２の電子画像取得過程と、
該第２の電子画像取得過程において前記所望のｘ−ｙ断面内の計測位置に合せたそれぞれの焦点位置で取得した第２の透過電子画像若しくは散乱電子画像を処理して、該それぞれの焦点位置での電子画像内の反転した計測対象パターンのエッジ位置を算出する第２のエッジ位置算出過程と、
前記第１のエッジ位置算出過程で算出されたそれぞれの焦点位置での電子画像内の計測
対象パターンのエッジ位置と前記第１の電子画像取得過程において電子画像を取得したそ
れぞれの焦点位置との組み合わせ及び前記第２のエッジ位置算出過程で算出されたそれぞ
れの焦点位置での電子画像内の反転した計測対象パターンのエッジ位置と前記第２の電子
画像取得過程において電子画像を取得したそれぞれの焦点位置との組み合わせに基づいて
、前記計測対象パターンの３次元断面形状計測を行う断面形状計測過程とを有することを
特徴とするパターン計測方法。
前記断面形状計測過程において、前記第１のエッジ位置算出過程で算出された計測対象
パターンのエッジ位置の算出結果と前記第２のエッジ位置算出過程で算出された反転した
計測対象パターンのエッジ位置の算出結果とに計測対象パターンの表面からの深さに応じ
た重みをかけた加重平均により、前記計測対象パターンの３次元断面形状計測を行うこと
を特徴とする請求項１１に記載のパターン計測方法。
前記断面形状計測過程において、前記第１のエッジ位置算出過程で算出されたそれぞれ
の焦点位置での電子画像内の計測対象パターンのエッジ位置の算出結果と前記それぞれの
焦点位置との関係及び前記第２のエッジ位置算出過程で算出されたそれぞれの焦点位置の
電子画像内での反転した計測対象パターンのエッジ位置の算出結果と前記それぞれの焦点
位置との関係の各々を１次式で近似し、該各々の近似式の傾きにより前記計測対象パター
ンのエッジ位置の算出結果及び前記反転した計測対象パターンのエッジ位置の算出結果の
各々を補正する傾き補正過程を含むことを特徴とする請求項１１に記載のパターン計測方
法。
前記断面形状計測過程において、前記第１のエッジ位置算出過程で算出されたそれぞれ
の焦点位置での電子画像内の計測対象パターンのエッジ位置の算出結果の平均値からの差
分が、予め指定した許容値よりも大きいとき及び前記第２のエッジ位置算出過程で算出さ
れたそれぞれの焦点位置の電子画像内での反転した計測対象パターンのエッジ位置の算出
結果の平均値からの差分が、予め指定した許容値よりも大きいときには前記計測対象パタ
ーンの３次元断面形状計測結果を排除する排除過程を含むことを特徴とする請求項１１に記載のパターン計測方法。
更に、前記断面形状計測過程において計測された前記計測対象パターンの３次元断面形
状計測結果をインタラクティブに操作可能な３次元グラフで表示する表示過程とを有する
ことを特徴とする請求項１または１１に記載のパターン計測方法。
計測対象パターンの３次元断面形状計測を行う走査型透過荷電粒子顕微鏡であって、
収束荷電粒子線の走査照射位置を前記計測対象パターンの長手方向が前記荷電粒子顕微鏡の光軸と平行になるように配置した前記計測対象パターンの前記荷電粒子顕微鏡の光軸と直交する所望の平面（ｘ−ｙ断面）内の計測位置に合せて収束荷電粒子線の焦点位置を前記計測対象パターンの前記荷電粒子顕微鏡の光軸（ｚ軸）方向に対して順次変化させ、それぞれの焦点位置での前記計測対象パターンの透過電子画像若しくは散乱電子画像を取得する電子画像取得部と、
該電子画像取得部において前記所望のｘ−ｙ断面内の計測位置に合せたそれぞれの焦点位置で取得した透過電子画像若しくは散乱電子画像を処理して、該それぞれの焦点位置での電子画像内での計測対象パターンのエッジ位置を算出するエッジ位置算出部並びに該エッジ位置算出部で算出されたそれぞれの焦点位置での電子画像内の計測対象パターンのエッジ位置と前記電子画像取得部において電子画像を取得したそれぞれの焦点位置との組み合わせに基づいて、前記計測対象パターンの３次元断面形状計測を行う断面形状計測部とを有する画像処理部とを備えたことを特徴とする走査型透過荷電粒子顕微鏡。
前記画像処理部の断面形状計測部は、前記計測対象パターンの３次元断面形状計測とし
て所定のｚ軸断面におけるラインパターンの平均寸法、ライン幅ラフネス又はラインエッジラフネスを計測するように構成することを特徴とする請求項１６に記載の走査型透過荷電粒子顕微鏡。
前記電子画像取得部において、さらに、前記荷電粒子線のビーム開き角を、前記計測対
象パターンの前記荷電粒子顕微鏡の光軸と直行する方向の寸法の前記光軸方向の位置による寸法変化量に基づいて決めるビーム開き角決定部を含むことを特徴とする請
求項１６に記載の走査型透過荷電粒子顕微鏡。
前記画像処理部のエッジ位置算出部において、前記それぞれの焦点位置での電子画像内
から得られた信号波形において、その傾きが最大となる座標を前記計測対象パターンのエ
ッジ座標とするように構成することを特徴とする請求項１６に記載の走査型透過荷電粒子
顕微鏡。
前記画像処理部のエッジ位置算出部において、前記それぞれの焦点位置での電子画像内
から得られた信号波形において、該信号波形が画像取得条件に応じて設定したしきい値と
一致する点を計測対象パターンのエッジ座標とするように構成することを特徴とする請求
項１６に記載の走査型透過荷電粒子顕微鏡。
前記画像処理部の断面形状計測部において、前記エッジ位置算出部で算出されたそれぞ
れの焦点位置での電子画像内の計測対象パターンのエッジ位置の算出結果と前記それぞれ
の焦点位置との関係を１次式で近似し、該近似式の傾きにより前記それぞれの焦点位置で
の計測対象パターンのエッジ位置の算出結果を補正する傾き補正部を含むことを特徴とす
る請求項１６に記載の走査型透過荷電粒子顕微鏡。
計測対象パターンの３次元断面形状計測を行う走査型透過荷電粒子顕微鏡であって、
収束荷電粒子線の走査照射位置を前記計測対象パターンの長手方向が前記荷電粒子顕微鏡の光軸と平行になるように配置した前記計測対象パターンの前記荷電粒子顕微鏡の光軸と直交する所望の平面（ｘ−ｙ断面）内の計測位置に合せて前記収束荷電粒子線の焦点位置を前記計測対象パターンに対して前記荷電粒子顕微鏡の光軸（ｚ軸）方向に順次変化させ、それぞれの焦点位置での前記計測対象パターンの第１の透過電子画像若しくは散乱電子画像を取得し、さらに、前記計測対象パターンを反転させ、収束荷電粒子線の走査照射位置を前記反転した計測対象パターンの所望の前記ｘ−ｙ断面内の計測位置に合せて前記収束荷電粒子線の焦点位置を前記反転した計測対象パターンに対して前記ｚ軸方向に順次変化させ、それぞれの焦点位置での前記反転した計測対象パターンの第２の透過電子画像若しくは散乱電子画像を取得する電子画像取得部と、
該電子画像取得部において前記所望のｘ−ｙ断面内の計測位置に合せたそれぞれの焦点位置で取得した第１の透過電子画像若しくは散乱電子画像を処理して、該それぞれの焦点位置での電子画像内の計測対象パターンのエッジ位置を算出し、さらに、前記電子画像取得部において前記所望のｘ−ｙ断面内の計測位置に合せたそれぞれの焦点位置で取得した第２の透過電子画像若しくは散乱電子画像を処理して、該それぞれの焦点位置での電子画像内の反転した計測対象パターンのエッジ位置を算出するエッジ位置算部、並びに該エッジ位置算出部で算出されたそれぞれの焦点位置での電子画像内の計測対象パターンのエッジ位置と前記それぞれの焦点位置との組み合わせ及び前記エッジ位置算出部で算出されたそれぞれの焦点位置での電子画像内の反転した計測対象パターンのエッジ位置と前記それぞれの焦点位置との組み合わせに基づいて、前記計測対象パターンの３次元断面形状計測を行う断面形状計測部とを有する画像処理部とを備えたことを特徴とする走査型透過荷電粒子顕微鏡。
前記画像処理部の断面形状計測部において、前記エッジ位置算出部で算出された計測対
象パターンのエッジ位置の算出結果と前記エッジ位置算出部で算出された反転した計測対
象パターンのエッジ位置の算出結果とに計測対象パターンの表面からの深さに応じた重み
をかけた加重平均により、前記計測対象パターンの３次元断面形状計測を行うように構成
することを特徴とする請求項２２に記載の走査型透過荷電粒子顕微鏡。
さらに、前記電子画像取得部において前記計測対象パターンの透過電子画像若しくは散
乱電子画像を取得するための前記計測対象パターンの長手方向の寸法及び前記順次変化さ
せる焦点位置の間隔を含む画像取得条件と、前記画像処理部において計測対象パターンの
エッジ位置を算出するための画像処理条件を入力して設定するグラフィカルユーザインタ
ーフェースを備えたことを特徴とする請求項１６または２２に記載の走査型透過荷電粒子
顕微鏡。
断面サンプル抽出位置のばらつきよりも広い範囲の計測を、比較される他の計測手法で
予め行うことで第１の計測結果を得る第１の過程と、
前記請求項１乃至１１の何れか一つに記載のパターン計測方法により３次元断面形状計
測を行うことで第２の計測結果を得る第２の過程と、
前記第１の過程での第１の計測結果のうち、前記第２の過程での第２の計測結果と一致
する領域のみの計測結果を用いて計測結果の比較を行う第３の過程とを有することを特徴
とする計測装置間のキャリブレーション方法。