JP6865465B2 - パターン計測装置および計測方法 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体ウェハなどのパターンの計測装置および計測方法に関する。
これまで半導体デバイスはメモリの大容量化とビットコスト低減のため、微細化や高集積化などが進められてきた。近年、高集積化への要望は高く、微細化の代替としての構造の立体構造デバイスの開発と製造が進められている。
平面の構造を立体化させることによって、デバイス全体としては厚くなる方向にある。それに従い、例えば３Ｄ−ＮＡＮＤ、ＤＲＡＭのような構造では、積層膜の層数が増え、穴や溝などを形成する工程において、穴や溝の平面サイズと深さとの比（アスペクト比）も大きくなる傾向である。
例えば穴径５０ｎｍ〜１００ｎｍ、深さ３μｍ以上という非常に高アスペクト比の穴や溝の立体形状を知るためには、ウェハを切断し、断面形状を測定することで正確な断面形状を得ることはできるが、ウェハ面内の均一性を調べるには、手間とコストがかかる。そこで穴のトップとボトム寸法以外に、非破壊でパターン断面形状または立体形状を精度良く測定する手法が必要である。
ここで、電子顕微鏡等に代表される顕微鏡にてウェハを破壊せずに立体形状を観察する一般的な方法を大きく分けると、ステレオ観察とトップダウンの観察の二つの方法がある。
例えば特許文献１に記載されたステレオ観察は、試料台または電子線を傾け、試料に対する電子線の相対的な入射角度を変え、上面からの照射とは異なる複数の画像によりパターンの高さ、側壁の傾き角度などの形状計測を行っている。
また、特許文献２は、深穴や深溝のアスペクト比が大きくなると、底部から放出される二次電子（ＳＥ：ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｅｌｅｃｔｒｏｎ、通常、エネルギーは５０ｅＶ以下でおおむね定義される。）の検出効率が低下するため、穴の底の寸法を測定するには有効ではなくなる。一方で、高エネルギーの一次電子によって生成された反射電子（ＢＳＥ：ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｅｄ ｅｌｅｃｔｒｏｎ、後方散乱電子とも呼ばれる。通常、エネルギーは５０ｅＶ以上でおおむね定義される。）は、穴の底から試料表面に出てくる量が二次電子と比べて相対的に多い。よって寸法を測定するには有効であり、穴が深くなる程ＢＳＥ信号量が減少するという現象を利用して、穴の底の深さを計測する方法が記載されている。
特表２００３−５１７１９９号公報 特開２０１５−１０６５３０号公報
高アスペクト比となるようなパターンは、穴溝の側壁や底部の形状を制御することが難しくなり、テーパー、ｂｏｗｉｎｇ、ｔｗｉｓｔｉｎｇのような形になることがある。そのため、穴や溝の上下の寸法だけでなく断面形状も重要な評価項目になると考える。また、ウェハ面内均一性が高いレベルで要求されており、面内分布を検査・計測し、半導体の製造工程（例えばエッチング装置）へフィードバックすることが歩留まり向上の鍵である。
しかしながら、特許文献１では複数の角度による計測が必須であり、計測時間の増大や解析方法の複雑化などの課題がある。しかも、パターンのエッジ（端）のみの情報しか得ることができないため、連続的な立体形状の計測ができない。
また、特許文献２は標準試料や穴深さが既知の実測データを基準として、溝や穴の底部の高さ計測を行うことが開示されている。
すなわち特許文献１および２には、立体構造の試料の観察や測定を行うための手法が説明されているが、同じ穴の内部の相対的な高さや連続的な立体形状、ならびに一次電子ビームの強度分布に起因する測定精度低下の解消方法については考慮されていない。また、走査電子顕微鏡における一次電子ビームは有限の開き角を有するために、焦点位置と異なる高さでは横方向のビームの強度分布が変化する。特に、深穴や深溝の場合はこの効果が顕著となり、上面、底面及び側壁から発生した電子の区別ができなくなる可能性があることも発明者の実験によって判明した。
本発明はこれらの課題を踏まえて、断面形状または立体形状測定を可能にする走査電子顕微鏡のシステム及びそれを用いたパターン計測方法並びに走査電子顕微鏡を提供するものである。
上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有する。試料上に形成されたパターンの寸法を測定する計測装置であって、前記パターンに対し荷電粒子線を走査して照射する照射光学系と、前記照射によるパターンからの反射電子を検出する検出器と、前記パターンの上面、下面及び側壁からの反射電子の信号強度を比較する信号強度比較部と、前記比較の結果と、前記上面および前記下面の高さの差と、に基づいて、前記側壁における任意の位置の高さを算出 する高さ算出部、とを有することを特徴とする計測装置。
また、本発明の別の形態として、以下の構成を有する。試料上に形成されたパターンの寸法を測定する計測装置であって、前記パターンに対し荷電粒子線を走査して照射する照射光学系と、前記照射によるパターンからの電子を検出する検出器と、前記荷電粒子線と前記試料の相対角度を変更する傾斜機構と、前記試料に対して第１入射角度で前記荷電粒子線を走査した際の、前記試料の上面および下面における任意の各々の位置の第１相対距離と、前記試料に対して第２入射角度で前記荷電粒子線を走査した際の、前記試料の上面および下面における任意の各々の位置の第２相対距離と、に基づき、前記試料の上面から下面の高さを算出する高さ算出部と、を有する計測装置。
また、本発明の別の形態として、以下の構成を有する。試料上に形成されたパターンの形状を測定する計測方法であって、前記パターンに対し荷電粒子ビームを走査して照射する照射ステップと、前記照射によるパターンからの電子を検出する検出ステップと、前記パターンの上面、下面及び側壁からの電子の信号強度を比較する信号強度比較ステップと、前記比較の結果と、前記上面および前記下面の高さの差と、に基づいて、前記側壁における任意の位置の高さを算出 する高さ算出ステップ、とを有することを特徴とする計測方法。
上記の構成によれば、深穴や深溝などの立体構造に関して、精度よく断面形状または立体形状を計測することが可能となる。
走査電子顕微鏡を含むパターン計測装置の概要を示す図。 広がりのない一次電子ビームを照射したときに発生したＢＳＥの挙動を示す断面図。 トップ径とボトム径とが同じ深さで形成された開口密度 の異なる穴パターンが形成された試料を説明する図面。 トップ径とボトム径とが同じ深さで形成された開口密度の異なる穴パターンが形成された試料に、１次電子ビームを照射したときに検出される反射電子（ＢＳＥ）の信号強度と深さの関係をシミュレーションした結果を示すグラフ。 異なるテーパー角度で形成された穴パターンが形成された試料を説明する図面。 異なるテーパー角度で形成された穴パターンが形成された試料に、１次電子ビームを照射したときに検出される反射電子（ＢＳＥ）の信号強度と深さの関係をシミュレーションした結果を示すグラフ。 異なる深さで形成された穴パターンが形成された試料を説明する図面。 異なる深さで形成された穴パターンが形成された試料に、１次電子ビームを照射したときに検出される反射電子（ＢＳＥ）の信号強度と深さの関係をシミュレーションした結果を示すグラフ。 相対信号強度と相対深さの関係を基づいて深穴または深溝の相対的な断面形状（上面・底面）の測定方法を示す図。 相対信号強度と相対深さの関係を基づいて深穴または深溝の相対的な断面形状（中間寸法）の測定方法を示す図。 相対信号強度と相対深さの関係を基づいて深穴または深溝の相対的な断面形状（複数の中間寸法）の測定方法を示す図。 入射角度と上下のずれ量の関係により深穴または深溝の絶対深さを測定する方法を示す図。 入射角度と上下のずれ量の関係により深穴または深溝の絶対深さや測定する方法を示す図。 入射角度と上下のずれ量の関係により深穴または深溝の絶対深さを測定する方法を示す図。 広がりを有する一次電子ビームを照射したときに発生したＢＳＥの挙動を示す断面図。 広がりを有する一次電子ビームを照射したときに発生したＢＳＥの挙動を示す断面図。 一次電子ビームの高さ依存の強度分布に基づいて相対的な断面形状を計算するフローを示す図。 立体形状を構築するにあたって、異なる方位からの計測を示す図。 異なる方位からの計測にて立体形状の構築を示す図。 本発明に係る走査電子顕微鏡による立体形状の計測装置および計測システムを示す構成図。 パターンの立体形状の測定シーケンスを示す図。 傾いた穴の断面形状を測定する図。 傾いた穴の断面形状を測定する図。 傾いた穴の断面形状を測定する図。 Ｂｏｗｉｎｇ穴において、一次ビーム垂直入射時のＢＳＥ波形を示す図。 Ｂｏｗｉｎｇ穴の断面形状を測定する図。 Ｂｏｗｉｎｇ穴の断面形状を測定する図。 Ｂｏｗｉｎｇ穴の断面形状を測定する図。 異なる電子信号の波形により深穴または深溝の断面形状の測定方法を示す図。 異なる電子信号の波形により深穴または深溝の断面形状の測定方法を示す図。 異なる電子信号の波形により深穴または深溝の絶対深さを測定する方法を示す図。 異なる電子信号の波形により深穴または深溝の絶対深さを測定する方法を示す図。
以下に説明する実施例は、半導体製造過程での半導体ウェハなどの観察あるいは計測において、アスペクト比が高い穴パターンや溝パターンの断面形状または立体形状測定を電子線を用いて行う走査型電子顕微鏡および計測システム、及びそれを用いたパターンの立体形状の計測方法を説明する。 試料は主にパターンが形成された半導体ウェハを例示するが、半導体のパターンに限らず、電子顕微鏡や他の顕微鏡で観察しうる試料であれば含まれる。
（装置構成）
図１に、本実施例における荷電粒子線を用いた装置の一態である走査電子顕微鏡（ＳＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を示す。走査電子顕微鏡本体は、電子光学カラム１と試料室２で構成される。カラム１の内側には、電子を発生させ特定の加速電圧でエネルギーを与えられた一次電子ビームの放出源である電子銃３、電子ビームを集束するコンデンサレンズ４、電子ビームをウェハ（試料）１０上で走査する偏向器６、及び電子ビームを集束して試料に照射する対物レンズ７が備えられている。
更に、カラム１内には電子ビームを理想光軸から離軸させ、離軸したビームを理想光軸に対して傾斜した方向に向かって偏向することで、傾斜ビームとする偏向器５が設けられている。試料室に設置されるＸＹステージ１１は、ステージコントローラ１５から与えられる信号に従いウェハ１０を移動させる。電子線は、電子線走査コントローラ１４から与えられる信号で駆動される偏向器６により走査される。電子検出器８および電子検出器９から出力される検出信号は、アンプ１２および１３において信号変換され、処理部１６に入力される。
本実施例では、検出器８は試料に電子ビームが照射されることによって生じた二次電子を主として検出し、その検出信号は主にウェハ表面（上面）のパターン情報を示す。また、電子検出器９は試料に電子ビームが照射されることによって生じた後方散乱電子を検出し、その検出信号は主にパターンの下層の情報を示す。本実施例においては、深穴の深い部分まで到達し得る高エネルギーの一次電子ビームをウェハ１０に照射する。
さらに、処理部１６は、例えば得られた画像から取得した波形を演算部１７に入力する。演算部１７では、一次電子ビームの強度分布に基づいてＢＳＥ信号を演算や比較するためのプログラムと、検出信号から断面形状を推定・補正する算出機能とを持つ。すなわち、一次電子の強度分布に基づき信号を演算する演算部、各々の信号の強度を比較する信号強度比較部、検出信号から断面形状・立体形状を推定・補正する形状算出部、などを有する。また、〜部は明示しなくとも、本文にて説明された処理に相当する部があり、さらに各部の中にはそれぞれ入出力を制御するインターフェース（部）があるとも解釈できる。またこの演算は、複数の電子検出器、複数の入射角度から得た複数の画像を対象にすることも可能である。また、パターンの下層の情報を得られる条件であればＢＳＥ信号でなくとも、例えば二次電子等でも良い。さらに、立体形状の構築に必要なパラメータを測定データからつなぎ合わせて統合する機能が内蔵されている。制御部１８は信号処理や装置を総合的に制御する。また、制御部１８には、表示装置１９が接続されており、画像や演算結果や測定結果を出力し、表示装置１９等で表示する機能をもつ。
本実施例ではまず、基板上に形成された穴また溝パターンの深さに応じて、十分高いエネルギーを持つ一次電子ビームを試料に照射する。照射により、試料に侵入した電子と試料の物質の相互作用に基づく散乱現象にて二次電子と後方散乱電子とが発生する。このうち側壁を突き抜けて試料表面まで透過した反射電子を検出する。一次電子ビームのエネルギーが十分である場合、穴の底部から放出したＢＳＥは表面を突き抜けるため、断面形状や立体形状を正確に測定できるようになる。
例えば、本発明が対象とする３Ｄ−ＮＡＮＤ、ＤＲＡＭのような深さ３μｍ以上の穴または深溝の場合、一次電子の加速電圧は５ｋＶ以上、好ましくは３０ｋＶ以上である。また、反射電子検出器は、穴の表面から突き抜けたＢＳＥを検出できる配置に設置することが望ましい。
（原理）
図２を用いて、本実施例の立体形状を測定する原理を説明する。一般的に、エネルギーを持つ電子線を試料に照射すると、試料に侵入した電子と物質との相互作用によりエネルギーの異なる二次電子や後方散乱電子が発生する。反射電子の発生量は電子線の入射角度と物質の平均原子番号に大きく依存する。
例えば、均一な（平均原子番号が同じもしくは近い）材料の中に形成した高アスペクト比の穴や溝において、高エネルギーの一次電子ビームを底面に照射し観察する場合、反射電子の散乱領域に比べて、空洞となる穴・溝の体積が非常に小さく、反射電子の散乱軌道には影響が極めて小さい。そのために側壁を突き抜けて表面から透過したＢＳＥ信号量は一次電子ビームの入射位置から表面までの平均的な移動距離に依存するとみなせる。一次電子ビームの入射位置が深くなる程、表面までの距離が長くなり、散乱によりエネルギーの損失が大きくなるため、試料を透過したＢＳＥ信号量が減少する。これにより、底面のＢＳＥ信号量の減少の程度から底面の深さを推定することが可能である。
更に本実施例では、斜面である穴の側壁においても、ＢＳＥ信号量から側面の照射位置での高さを推定できることを見出した。その理由は、高加速の一次電子ビームの試料内での軌道は、側面への入射角度が小さい場合は、入射角度に対する依存性を無視することができることにある。従って、パターンの上面、底面及び側壁からの反射電子信号強度を比較し、上面および底面の高さの差に基づいて、側壁の立体形状（又は深さ情報）を算出することが可能となる。ＢＳＥ信号量と高さの関係の情報は、関係式もしくはデータテーブルで有することが可能である。
図２に示すように、本実施例では、広がりのない理想的な一次電子ビームで穴を走査するとき、任意入射位置のＢＳＥ信号量は、穴の上面（Ｈ=0）に対する深さＨのみの関数とした（式１）。
ＢＳＥ信号量＝η・ｅ−Ｈ・・・（式１）
係数ηは材料の平均原子番号、周囲構造の密度、入射電子数、加速電圧に関わる係数である。
これから、上面および底面ＢＳＥ信号の差と高さの差を基準として、任意入射位置においてのＢＳＥ相対的信号強度と相対深さの関係（式２）が得られる。
ＢＳＥ相対信号強度＝（ｅ−ｈ−ｅ−１）／（ｅ０−ｅ−１）ｈ＝［０，１］・・・（式２）
式２では、上面の信号強度を１に、底面の信号強度を０とし、かつ上面の深さを０に、上面から底面までの深さをＨとし、ビームが当たった中間位置の相対深さをｈとした。
電子線シミュレーション（モンテカルロシミュレーション）を実施した検証結果を示す。測定対象の穴または溝の開口密度、テーパー角度、深さを変化させ、エネルギー３０ｋＶ電子（広がりのないビーム）を上面から底面まで照射し、検出したＢＳＥ信号を上面のＢＳＥ信号に対して規格化した結果である。
図３Ａの場合、穴断面形状は、トップ寸法：１００ｎｍ、ボトム寸法：８０ｎｍ、穴深さ３．０μｍ、穴パターンの開口密度は１５％、３０％、４５％である。
図４Ａの場合、穴断面形状は、トップ寸法：１００ｎｍ、ボトム寸法：９０ｎｍ、８０ｎｍ、７０ｎｍ、穴深さ３．０μｍ、穴パターンの開口密度は３０％。それぞれのテーパー角度は０．０８度、０．１６度、０．２４度である。
図５Ａの場合、穴断面形状は、トップ寸法：１００ｎｍ、ボトム寸法：８０ｎｍ、７２ｎｍ、６０ｎｍ、穴深さ３．０μｍ、５．０μｍ、７．０μｍ、穴パターンの開口密度は３０％。すべてのテーパー角度は０．１６度である。
そして図３Ｂ、図４Ｂ、図５Ｂにシミュレーション結果として示したように、ＢＳＥ相対信号強度は穴の開口密度（図３Ｂ）、穴のテーパー角度（図４Ｂ）、深さ（図５Ｂ）によらないことがわかる。よって、広がりのないビームの入射位置の相対深さの関数ｅ−ｈのみに依存する。すなわち（式２）を用いることによって、試料の材料や周囲構造の開口密度、観察条件などに関係なく、ＢＳＥ信号の相対的な強度から中間深さを測定できる。そして連続的に、中間深さにおける穴の中間の水平方向の寸法を測定してゆけば、深さ方向に関して連続的な立体形状の測定が可能である。測定点が多いほど滑らかな測定が行えるが、関数等で推定して測定点を補っても良い。また、相対信号強度と相対深さの関係は（式２）により算出してもよく、あるいは予め算出した結果をデータベースに記憶しても良い。
（開き角なしのビーム）
図６Ａ〜Ｃは、相対信号強度と相対深さｈの関係に基づいて、深穴・深溝等の相対的な断面形状の計算方法を示す図である。本実施例では、信号強度における閾値の設定に基づいて、パターンの形状を測定する。すなわち閾値と信号波形の交点間の距離とを関連付けてパターン断面形状の寸法値として出力する。
まず図６Ａに示すように、穴の上面と底面のそれぞれの寸法Ａと寸法Ｂを測定するために、ＢＳＥ画像に基づいて、閾値１を設定すれば交点ａ１とａ２のｘ座標の差を上面寸法Ａとして算出できる。次に図６Ｂに示すように、上面の位置であるａ１とａ２の相対信号強度を１とする。
そして、閾値１と同様の手順にて、閾値２を設定する。すなわち交点ｂ１とｂ２の座標の差を底面寸法Ｂとして算出し、底面の位置ｂ１とｂ２の相対信号強度を０とすることで信号強度を相対的なものとして規格化する。例えば、閾値１は信号のノイズに埋もれない範囲で高い方が良く、閾値２についても、ノイズに埋もれない範囲で低い方が良い。具体的には、閾値１は信号波形の全高の９０％、閾値２を０％とした。上面と底面を好適に判断できる例を示したが、閾値の設定は他に設定しても良い。
結果として図６Ｂに、上面位置の信号強度を１とし、底面位置の信号強度をゼロとしたＢＳＥ相対信号強度を示す。ＢＳＥ相対信号強度は、穴の相対深さの関数であるため、（式２）の関係情報を用いて、異なる閾値において、相対深さとその深さに位置する寸法を連続的に取得し、相対的な断面形状を計算できる。
最後に図６Ｃに、前記求めた相対的な断面形状（相対的な中間高さとその深さに位置する中間寸法値との組）と絶対深さ（Ｚ軸方向）とに基づいて断面形状を構築する例を示す。穴の上面の中心位置を座標の原点０として、前記で求めた絶対深さＨをＺ軸方向に配置する。穴の上面を基準として、相対的な中間高さから絶対深さを算出し、その深さに位置する寸法値を求めるためにｃ１０、ｃ２０からｃ１ｎ、ｃ２ｎを、底面寸法を求めるためにｂ１、ｂ２をＺ軸に対して左右に均等に配置する。配置された点を結んだ多点近似形状が該当入射角度から測定した形状である。
（上面と底面とのずれを考慮した絶対深さ（Ｈ）の測定）
なお、深穴・深溝の絶対深さ（Ｈ）を得る手段として、本実施例では入射角度における深穴・深溝の上面と底面とのずれの関係情報を用いて算出する。
具体的には、ビームの試料への相対入射角度を複数設定し、その入射角度（γ度）は底面の全体が観察できる範囲内に変化させて走査して画像を形成し、得られた複数の画像を基づいて、上下のずれ量を計測する。上下のずれ量と入射角度線形の傾きは穴の深さになる。（式３）により穴の深さを求めることができる。
上下ずれ量＝深さ×ｔａｎ（γ／１８０＊π）≒深さ×（γ／１８０＊π）・・・（式３）
入射角度γが小さいときにｔａｎγをγとして近似した。
図７Ａと図７Ｂに示したように、本実施例では、設定された閾値と信号波形の交点の中心を穴の中心として出力する。図７Ｂに、上面の中心ａ３を、底面の中心ｂ３を算出する例を示している。図６Ａにて説明したように、ＢＳＥ画像の波形を用いて異なる閾値１と閾値２を設定すれば、交点ａ１およびａ２、ｂ１およびｂ２を算出できる。そして、（ａ１＋ａ２）／２、及び（ｂ１＋ｂ２）／２を上面と底面の中心ａ３およびｂ３として求める。すなわち、ａ１とａ２の中心位置がａ３、交点ｂ１とｂ２の中心位置がｂ３となる。閾値１は信号のノイズに埋もれない範囲で高い方が良く、閾値２についても、ノイズに埋もれない範囲で低い位置に設定する。ａ３とｂ３の座標値から、異なる入射角度においてそれぞれの上下のずれ量を算出することができる。
図７Ｃは、穴の底部が見える範囲で入射角度を０．０１度ずつ変化させたときの上下のずれ量をプロットしたグラフの一例を示す図である。上下のずれ量と入射角度線形の傾きは穴の深さになる。
深さ＝上下ずれ量の差／（（γ１−γ２）／１８０＊π）・・・（式４）
または、（式４）により二つの入射角度を変えて画像を形成させ、得られた画像を基づいて上下のずれ量の差と入射角度の差から深さを求めることもできる。
図１の演算部１７で構築された断面形状また立体形状は表示装置１９で表示できる。表示装置１９は、ユーザに対して対象パターンの三次元形状を表示するＧＵＩを備える。三次元形状において、例えば、深穴または深溝の側壁の傾き角度、テーパー角度、ｂｏｗｉｎｇの深さおよびｂｏｗｉｎｇ寸法値などの特徴量を表示することもできる。
（開き角ありのビーム）
走査電子顕微鏡において、電子源から引き出した電子はレンズの作用により焦点位置に絞り込む。しかし、例えば個々の電子のエネルギーの違いにより電磁レンズの励磁効果が異なるため、電子ビームは焦点位置に対してある程度の広がりを持つという性質がある。
発明者はこの点に着目し、試料とビームの設定角度の精度は、得られた断面形状や再構成された立体形状の精度にも大きく影響することを知得した。このため入射角度を高精度に校正すると、得られた断面形状や再構成された立体形状の精度を大きく向上させることが出来る。
また図８Ａに示すように、電子ビームは有限の開き角をもって焦点を形成するために、焦点位置が深さ方向にずれると、開き角の大きさに依存して電子ビームがすぐに広がっていく。
しかし図８Ａに示すように、浅いパターンの寸法を計測する際には、一次電子ビームはパターンの表面に収束するため、合焦点位置から離れたところのビームの広がり（強度分布）は測定精度には影響が小さい。
一方で、図８Ｂに示すように、深穴や深溝パターンを計測する際に、パターンの上面と底面間の高さ範囲内の一次ビームの強度分布がＢＳＥ信号に大きな影響を与える。フォーカス位置を変えたとしても、走査位置によって穴の上面・底面、または側壁の照射具合が違って、様々な深さ位置から放出したＢＳＥ信号を区別せずに検出することとなる。また、同じウェハ中でも、形成された穴の形状は必ず同じになるわけではない。測定対象となる穴・溝の形成精度（例えば側壁のテーパ角度）によって、広がりのある電子ビームは穴・溝に到達する際に照射領域が変わるため、ＢＳＥ信号強度が変わる。このため、形状測定精度に大きな影響を与える。
従って、一次電子ビームは開き角と焦点位置から離れる距離によって強度分布が変化する。本実施例では、この高さに依存した強度分布を考慮に入れることとする。これまでに説明したとおり、穴の任意入射位置のＢＳＥ信号量は、その位置の深さＨと入射電子数に関わる。このため、広がりのある一次電子ビームが深穴・溝を走査する場合において、任意の走査位置（ｘ０）のＢＳＥ信号量は、深穴・溝の照射領域において、広がりの中のそれぞれの入射位置の一次電子ビーム強度とその位置する深さに依存したＢＳＥ相対信号量の掛け算の積算になる。一次電子ビームの高さ依存の強度分布をＧ（ｘ，ｆ（ｘ））とし、入射位置の相対深さｈをｆ（ｘ）とする。
ＢＳＥ（ｘ０）＝η∫Ｇ（ｘ−ｘ０，ｆ（ｘ））ｅｘｐ（−ｆ（ｘ））ｄｘ・・・（式５）
（式５）はＢＳＥ信号を演算する式である。
以下、ＢＳＥ信号の相対強度と深さの関係を示す関係情報を用いて、開き角を有する一次電子ビームの強度分布に基づいて深穴・溝の立体形状を推定する方法を説明する。まず、一次電子ビームの高さ依存の強度分布に係わる情報を、電子顕微鏡の光学条件に応じて予め持つ。一次電子ビーム強度分布データの取得方法は、電子光学の設計データや関係式を使っても良い。フォーカス位置を変化させ、ＳＥＭ画像の分解能の変化から推定した強度分布を使っても良い。予めデータベース化した一次電子ビームの強度分布を演算部に記憶しておく。
図９は、深穴または深溝パターンの一つ方位の相対的な断面形状を計算するフローである。走査電子顕微鏡の計測システムにより、光学条件および撮像条件を設定する。次に、設定された条件に基づいてＢＳＥ画像を取得し、ＳＥＭ画像から得られた広がりを有するビームのＢＳＥ波形を演算部１７に入力する。演算部１７では、入力されたＳＥＭ画像のＢＳＥ波形と（式２）の関係情報を用いて、上面に対して中間深さとそれぞれ深さに位置する寸法値を測定し、形状を予測する（ステップＳ１）。次に、設定された光学条件における一次電子ビームの強度分布データを読み込み、一次電子ビームの強度分布情報に基づいて、それぞれの走査位置において、穴の照射領域を計算する（ステップＳ２）。
次に（式５）により、照射領域内にそれぞれの入射位置のＢＳＥ信号量を積算し（ステップＳ３）、すべての走査位置のＢＳＥ信号を演算する（ステップＳ５）。演算したＢＳＥ波形とＳＥＭ画像のＢＳＥ波形を比較し、その差分により推定した穴の形状を補正する（ステップＳ６）。一次電子ビームの強度分布に基づき補正した形状のＢＳＥ波形を演算し、ＳＥＭ画像のＢＳＥ波形との比較の差が許容値となるまで前記補正を行う（ステップＳ７）。比較の差が許容値となった時の形状は最終の形状として出力し、相対的な断面形状の計算を終了する（ステップＳ８）。
なお、ＢＳＥ波形の演算をスタートする時に、式２の関係情報を用いて形状を予測する以外に、設計の形状情報や他の手段で推定された側壁の断面形状を使っても良い。
補足として、演算したＢＳＥ波形とＳＥＭ画像のＢＳＥ波形の差分から形状を補正するときに、数学的手法が用いられる。各走査位置のＢＳＥ信号強度について、演算したＢＳＥ波形とＳＥＭ画像のＢＳＥ波形の間での最小二乗法、最小ダイバージェンス法などの計算により形状を更新して、前記推定形状について制約を適用しながら実行する。
次に図１０Ａに示すように、立体形状を測定する場合、例えば４つの方位角の断面の方向ごとに上記ＢＳＥ信号の演算を繰り返す。図１０Ｂに示すように、その後に演算部１７で得られた複数方位の断面形状および深さ情報に基づいて三次元形状を構築できる。
また、図１１に示すように、三次元形状構築には計算機の高い処理能力が必要となるため、装置本体の外に計算用サーバー２０を設けてもよい。これにより画像取得後の迅速な三次元形状構築が可能となる。また、ネットワークで複数の電子顕微鏡を結像することでも効率的な運用が可能となる。計算用サーバー２０の機能として、光学条件毎に開き角を有する一次電子ビームの強度分布データベースを記憶しており、一次電子ビームの強度分布に基づいてＢＳＥ信号を演算し、電子顕微鏡の走査により得られた対象パターンの観察画像のＢＳＥ信号と比較し、相対的な断面形状を計算する。前記求めた相対的な断面形状と絶対深さに基づいて断面形状を構築する。入射角度に応じて、算出された断面形状のつなぎ合わせを行い、複数の断面形状を統合し立体形状を構築する。また、表示装置は装置制御用と計算データ表示用と複数設けることにより、画像取得を妨げることなく形状解析を行うことが可能となる。表示部２１は、ユーザに対して形状を表示するＧＵＩを備える。算出された断面形状または立体形状を表示部２１で表示する。三次元形状において、例えば、深穴または深溝の側壁の傾き角度、テーパー角度、中間深さおよびその深さに位置する寸法値などの特徴量を表示することができる。
図１２は、ＢＳＥ信号演算装置を備えた走査電子顕微鏡を用いて、パターンの立体形状を測定するシーケンスを説明する。まず、測定対象となるパターンが形成されたウェハをＳＥＭの真空試料室に導入（ステップＳ１１）し、測定対象となるパターンに一次電子ビーム走査を行う。得られるＳＥ信号とＢＳＥ信号を検出し、開き角を有する信号の画像を生成する（ステップＳ１２）。ＳＥＭ画像から得られた広がりを有するビームのＢＳＥ波形を取得する。取得したＳＥＭ画像からパターンの形状を予測する（ステップＳ１３）。一次電子ビームの強度分布情報（開き角）に基づいて、上記ＢＳＥ信号の演算を行い、ＳＥＭ画像のＢＳＥ波形との比較の差が許容値となるまで形状補正を行う（ステップＳ１４）。次に、立体形状を測定するかを判断する（ステップＳ１５）。立体形状を測定する場合、ステップＳ１２に戻って同じ場所を複数方位で二次元走査を行う。これ以上の３次元形状の測定をしない場合、上記の測定した最終形状を出力する（ステップＳ１６）。そして最後の試料かを判断し（ステップＳ１７）、最後の試料でなければステップＳ１１に戻って次の試料の測定を開始する。ステップＳ１７で最後の試料であれば、測定を終了する。
（側壁が傾斜した穴の例）
実施例２ではテーパーがある垂直な穴パターンを例として説明してきたが、一次電子ビームの入射角度を変えれば、傾いた穴パターンの立体形状も同様に測定できる。
図１３Ａの左図に示したように、傾いた穴または溝パターンの場合、一次電子ビームは垂直入射時のＢＳＥ信号波形は図１３Ａの右図のように計測される。すなわち、深穴・深溝の右側が傾斜しているのにもかかわらず、一次電子ビームは垂直にしか入射されないためこの部分の正確な計測が行われない。すなわち上面よりが底面を覆うような傾斜の情報は、垂直な一次電子ビームでは計測しにくいため、ＢＳＥ波形が非対称であった場合はパターンが傾斜している可能性があることがわかる。
この場合、図１３Ｂの左図に示すように入射角度を変化させて、ＢＳＥ波形が対称になるような入射角度を探す。その際の入射角度は穴の傾き角度と同じである。図１３Ｂの右図に示すように、対称になるＢＳＥ波形と（式２）の関係情報を用いて、中間深さとそれぞれ深さに位置する寸法値を測定し、形状を予測することができる。試料と電子ビームの相対入射角度に応じ、それぞれの走査位置において、穴の照射領域を計算する。開き角を有する一次電子ビームの強度分布に基づいて、上記と同様にＢＳＥ信号の演算を行い、ＳＥＭ画像のＢＳＥ波形との比較の差が許容値となるまで形状補正を行う。これにより、測定したＢＳＥ信号の演算により求めた相対的な断面形状（相対的な中間高さとその深さに位置する中間寸法値）と絶対深さに基づいて断面形状を構築できる。
図１３Ｃは、深穴に対して入射角度がγ度の方向（Ｚ方向に対して電子ビームの相対角度がγ度）から観察した断面の形状を構築する例である。穴の上面の中心位置を座標の原点０として、前記で求めた絶対深さＨをＺ軸方向に配置し、Ｚ軸に対して入射角度γ（穴の上下ずれ量が０になる入射角度）となるようなＺ１軸を配置する。そして、穴の上面に基準して、相対的な中間高さから絶対深さを算出し、その深さに位置する寸法値を求めるためにｃ１０、ｃ２０からｃ１ｎ、ｃ２ｎを、底面寸法を求めるためにｂ１、ｂ２をＺ１軸に対して左右に均等に配置する。配置された点を結んだ多点近似形状は該当入射角度から測定した形状である。このように、一次電子ビームとパターンの相対入射角度を変えることによって、垂直入射で見えない部分の形状を測定できる。
本実施例では、電子ビームの入射角度を変えるために、偏向器５によって電子光学的にビームを傾斜させる方法を用いたが、ＸＹステージを傾斜させて試料のほうを傾斜させる方法も同一である。また、カラム１を傾斜させる機構を用いてもよい。またはここで電子ビームの入射角は、ＸＹステージあるいは標準試料を用いて校正することができる。電子ビームを所望の傾斜角となるように軌道を調整し、このような演算に基づいて偏向器５の偏向条件（制御値）を決定する。予め校正された偏向条件を偏向器５の制御値を記憶させ、複数の角度毎にビーム照射を行うことによって、傾斜ビームを用いた測定を自動的に実行することが可能となる。
また、本実施例では、試料と電子ビームの相対角度をビーム入射角度とするが、理想光軸と電子ビームの相対角度をビーム入射角度と定義するようにしても良い。通常の電子線計測装置（ＳＥＭ）では基本的に、電子ビーム軌道は、ＸＹステージの移動軌道（Ｘ方向とＹ方向）に対して垂直に設定されている。Ｚ方向をゼロ度と定義し、Ｘ方向、Ｙ方向共に傾斜角をプラス、マイナスの数字で示す。ＸとＹを組み合わせてあらゆる方向の角度の設定が可能である。
実施例１と実施例２では、テーパー角度がある穴は、上面に対して底面の寸法が、深さの比例にして小さく形成されている例を示した。しかし、図１４の左図に示す側壁の形状のように、深溝穴のエッチングでは、深さに応じて寸法の変化が比例ではなく、ｂｏｗｉｎｇと呼ばれる形状に加工される場合もある。このような形状の場合でも、隣り合う穴同士が繋がってデバイスが動作できなくなる恐れがあるため、このような断面形状を加工装置などのプロセス装置にフィードバックすることで、良品収率向上（歩留まり向上）に適用することが可能である。
図１４の右図以降を用いて、深さＨのｂｏｗｉｎｇのある穴の断面形状の測定法について説明する。図１４の右図は一次電子ビームが垂直入射時のＢＳＥ信号強度を示す図である。穴の上面から深さｈ１まで、寸法値の変化は中間寸法Ｃになり、ｈ１から底部までは一定のテーパー角度になる。底部寸法は上面寸法より小さくなっている。
しかし図１４の左図に示すように、実際の形状は穴の上面から深さｈ１まで、寸法値の変化が曲線になっている。測定した形状と実際の形状との差が生じる理由としては、深穴に対して一次電子ビームは垂直入射するときに、穴上面のエッジから深さｈ１まで、一次電子ビームが側壁に当たらない領域があるため、その領域のＢＳＥ信号が検出できないことが挙げられる。
次に図１５Ａの左図に示すように、通常影になって見えない部分のＢＳＥ信号を検出できるよう、ビームの入射角度を変化させる方法を説明する。例えば、入射角度を複数のγ１とγ２度に設定し、二次元走査に基づいてそれぞれＢＳＥ画像を形成させると結果的に図１５Ａの右図に示す計測結果を得ることが出来る。
まず、図１５Ｂと図１５Ｃのそれぞれの左図は、パターンに対して一次ビームの入射角度をγ１とγ２度に変化させた時のＢＳＥ信号である。得られたＢＳＥ信号と一次電子ビームの強度分布に基づいて、試料と電子ビームの相対入射角度に応じて、それぞれの走査位置において、穴の照射領域を計算する。図９にて示したフローにより、ＢＳＥ波形を演算装置で繰り返し演算し、複数入射角度時の断面形状を測定する。
そして図１５Ｂと図１５Ｃのそれぞれの右図は、穴に対して入射角度はγ１とγ２度の方向（Ｚ方向に対して電子ビームの相対角度はγ度）から観察した断面形状を構築する例である。測定したＢＳＥ信号の演算により求めた相対的な断面形状（相対的な中間高さとその深さに位置する中間寸法値）と、絶対深さとに基づいて断面形状を構築できる。穴の上面をＺ軸の原点とし、前記で求めた絶対深さＨをＺ軸方向に配置し、Ｚ軸に対して入射角度をγ１とγ２度となるようなＺ１，Ｚ２軸を配置する。穴の上面に基準して、相対的な中間高さから絶対深さを算出し、その深さに位置する寸法値を求めるためにｃ１０、ｃ２０からｃ１ｎ、ｃ２ｎを、底面寸法を求めるためにｂ１、ｂ２をＺ１，Ｚ２軸に沿って配置する。配置された点を結んだ多点近似形状は該当入射角度から測定した形状である。図１５Ａの右図は、図１５Ｂの右図と図１５Ｃの右図の多点近似形状の半分を、上面位置ａ１、ａ２を重ねて合わせて再構成したものである。各深さでの寸法（Ａ，Ｂ，Ｃ）は各深さに配置された位置（ａ１，ａ２，……ｂ１，ｂ２）の距離から求めることが出来る。
（ＳＥ画像とＢＳＥ画像を同期して用いる）
上記実施例は主としてＢＳＥ画像のみで断面形状または立体形状を測定する方法を説明してきたが、二次電子の検出情報で構成されたＳＥ画像とＢＳＥ画像との両方を使っても良い。二次電子は、物質の表面の情報を多く持っている特徴があるため、ＳＥ画像を使うことによってＢＳＥ画像よりも上面位置および上面寸法の測定精度を高めることができる。装置上で、ＳＥ画像とＢＳＥ画像を同期して同時に取得すれば、画像を構成する画素は同一の場所を表し、ＢＳＥ画像を用いた場合と同様に上面の寸法や上下ずれ量の測定を行うことができる。
例えば図１６Ａに示すように、穴の上面と底面のそれぞれの寸法を測定するために、ＳＥ画像に基づいて閾値１に設定すれば交点ａ１とａ２のｘ座標の差を上面寸法Ａとして算出できる。同時に、ＢＳＥ画像から得たＢＳＥ波形において、同様な寸法Ａとなる交点ａ１とａ２を抽出し、深さの基準となる穴の上面の位置を決める。
図１６Ｂに、ａ１とａ２のＢＳＥ信号強度を１にし、底面に相当する低い部分のＢＳＥ信号強度を０にし、相対的に規格化したＢＳＥ波形を示す。規格化したＢＳＥ波形信号強度は、穴の相対深さの関数であるため、（式２）の関係情報を用いて、異なる閾値において、相対深さとその深さに位置する寸法を連続的に取得し、相対的な断面形状を計算できる。
また、図１７Ａと図１７ＢはＳＥ画像とＢＳＥ画像を同時に使って、上面を底面の中心を算出する例を示す図である。ＳＥ画像の波形を用いて閾値１を設定すれば交点ａ１とａ２を算出できる。また、ＢＳＥ画像の波形を用いて閾値２を設定すれば交点ｂ１とｂ２を算出できる。閾値１は信号のノイズに埋もれない範囲で高い方が良く、閾値２についても、ノイズに埋もれない範囲で低い位置に設定する。（ａ１＋ａ２）／２、及び（ｂ１＋ｂ２）／２を上面と底面の中心として求める。ａ１とａ２の中心位置がａ３、交点ｂ１とｂ２の中心位置がｂ３となる。ａ３とｂ３それぞれの中心位置の座標値から、上下のずれ量を算出することができる。次に、上下のずれ量と入射角度の関係情報を利用して絶対深さを求めることができる。
以上、本発明の実施例を、図面を用いて説明した。ただし、本発明は以上に示した実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。本発明の思想ないし趣旨から逸脱しない範囲で、その具体的構成を変更し得ることが可能である。
また、図面等において示す各構成の位置・大きさ・形状・及び範囲等は、発明の理解を容易にするため、実際の位置・大きさ・形状・及び範囲等を表していない場合がある。したがって、本発明では、図面等に開示された位置・大きさ・形状・及び範囲等に限定されない。
また、実施例において、制御線や情報線は、説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。例えば全ての構成が相互に接続されていてもよい。
また、計測装置と計測装置で得た情報を計算する処理装置とは、別々の構成として記載しているが、処理装置に計測装置を組み込んでもよいし、ネットワーク上で接続することによって、物理的には互いに遠隔地に設置されていても良い。また、システムは同一又は複数の計測装置や処置装置を含んでもよい。
また、本発明は説明する実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。説明する実施例は本発明を分かりやすく説明するために構成を詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、各実施例の構成の一部について、矛盾が生じない範囲にて他の構成に追加、削除、置換することが可能である。
また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、本発明は、実施例の機能を実現するソフトウェアのプログラムコードによっても実現できる。この場合、プログラムコードを記録した記憶媒体をコンピュータに提供し、そのコンピュータが備えるプロセッサが記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出す。この場合、記憶媒体から読み出されたプログラムコード自体が前述した実施例の機能を実現することになり、そのプログラムコード自体、及びそれを記憶した記憶媒体は本発明を構成することになる。
１：カラム、２：試料室、３：電子銃、４：コンデンサレンズ、５、６：偏向器、７：対物レンズ、８、９：電子検出器、１０：ウェハ、１１：ＸＹステージ、１２、１３：アンプ、１４：電子線走査コントローラ、１５：ステージコントローラ、１６：処理部、１７：演算部、１８：制御部、１９：表示装置、２１：表示部、２０：サーバー

Claims (15)

  1. 試料上に形成されたパターンの寸法を測定する計測装置であって、
    前記パターンに対し荷電粒子線を走査して照射する照射光学系と、
    前記照射によるパターンからの反射電子を検出する検出器と、
    前記パターンの上面、下面及び側壁からの反射電子の信号強度を比較する信号強度比較部と、
    前記比較の結果と、前記上面および前記下面の高さの差と、に基づいて、前記側壁における任意の位置の高さを算出する高さ算出部、とを有することを特徴とする計測装置。
  2. 請求項１の計測装置において、
    前記高さ算出部は、前記任意の位置の高さを複数の位置において算出し、
    前記複数の位置における高さに基づいて、前記側壁の断面形状を算出する形状算出部を有することを特徴とする計測装置。
  3. 請求項２の計測装置において、
    前記形状算出部は、前記側壁の断面形状を複数の断面方向において算出し、前記側壁の立体形状を算出することを特徴とする計測装置。
  4. 請求項２の計測装置において、
    前記形状算出部は、前記荷電粒子線と試料の面との相対角度が異なる角度にて複数の前記走査を行った際の、複数の反射電子の信号強度に基づいて、前記側壁における任意の位置の高さを算出することを特徴とする計測装置。
  5. 請求項２の計測装置において、
    前記形状算出部は、前記荷電粒子線の強度分布情報と、前記比較の結果と、前記上面および前記下面の高さの差と、に基づいて、前記側壁における任意の位置の高さを算出することを特徴とする計測装置。
  6. 請求項２の計測装置において、
    前記形状算出部は、前記荷電粒子線の強度分布情報と、前記比較の結果と、前記上面および前記下面の高さの差と、に基づいて、前記側壁における任意の位置の高さを複数の位置において算出し、
    前記形状算出部は、前記複数の位置における高さに基づいて、前記側壁の第２の断面形状を算出し、前記側壁の断面形状または他の手段で推定された側壁の断面形状と前記側壁の第２の断面形状とを比較し、前記比較の結果に基づき前記側壁の断面形状を補正し、補正された前記側壁の断面形状と前記側壁の第２の断面形状の比較の差が許容値以下となるまで前記補正を行うことを特徴とする計測装置。
  7. 請求項２の計測装置において、
    前記形状算出部は、前記荷電粒子線の強度分布情報と、前記側壁の断面形状または他の手段で推定された側壁の断面形状と、前記比較の結果と、前記上面および前記下面の高さの差と、に基づいて、前記側壁における任意の位置の高さを複数の位置において算出し、
    前記形状算出部は、前記複数の位置における高さに基づいて、前記側壁の第２の断面形状を算出し、前記側壁の断面形状または他の手段で推定された側壁の断面形状と前記側壁の第２の断面形状とを比較し、前記側壁の断面形状または他の手段で推定された側壁の断面形状を補正し、補正された前記側壁の断面形状と前記側壁の第２の断面形状との比較の差が許容値以下となるまで前記補正を行うことを特徴とする計測装置。
  8. 請求項５の計測装置において、
    前記形状算出部は、前記側壁における任意の位置で計算した反射電子信号強度よりも実際に計測した反射電子信号強度のほうが大きい場合、前記位置における高さを高く補正し、前記側壁における任意の位置で計算した反射電子信号強度よりも実際に計測した反射電子信号強度のほうが小さい場合、前記位置における高さを低く補正する、ことを特徴とする計測装置。
  9. 請求項５の計測装置において、
    前記荷電粒子線の強度分布情報と高さとの関係に関する関係式又はデータテーブルの格納部を有することを特徴とする計測装置。
  10. 請求項１の計測装置において、
    前記高さ算出部は、前記側壁における任意の位置と算出した高さとに基づき、前記側壁における２点間以上の寸法を出力することを特徴とする計測装置。
  11. 試料上に形成されたパターンの寸法を測定する計測装置であって、
    前記パターンに対し荷電粒子線を走査して照射する照射光学系と、
    前記照射によるパターンからの電子を検出する検出器と、
    前記荷電粒子線と前記試料の相対角度を変更する傾斜機構と、
    前記試料に対して第１入射角度で前記荷電粒子線を走査した際の、前記試料の上面および下面における任意の各々の位置の第１相対距離と、前記試料に対して第２入射角度で前記荷電粒子線を走査した際の、前記試料の上面および下面における任意の各々の位置の第２相対距離と、に基づき、前記試料の上面から下面の高さを算出する高さ算出部と、を有することを特徴とする計測装置。
  12. 請求項１１の計測装置において、
    前記高さ算出部は、前記試料の上面における任意の位置の特定には二次電子像を用い、前記試料の下面における任意の位置の特定には反射電子像を用いることを特徴とする計測装置。
  13. 試料上に形成されたパターンの形状を測定する計測方法であって、
    前記パターンに対し荷電粒子ビームを走査して照射する照射ステップと、
    前記照射によるパターンからの電子を検出する検出ステップと、
    前記パターンの上面、下面及び側壁からの電子の信号強度を比較する信号強度比較ステップと、
    前記比較の結果と、前記上面および前記下面の高さの差と、に基づいて、前記側壁における任意の位置の高さを算出する高さ算出ステップ、とを有することを特徴とする計測方法。
  14. 請求項１３の計測方法において、
    前記高さ算出ステップは、前記任意の位置の高さを複数の位置において算出するステップであり、
    前記複数の位置における高さに基づいて、前記側壁の断面形状を算出する形状算出ステップを有することを特徴とする計測方法。
  15. 請求項１４の計測方法において、
    前記形状算出ステップは、前記側壁の断面形状を複数の断面方向において算出し、前記側壁の立体形状を算出することを特徴とする計測方法。
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