JP7114736B2 - 画像形成方法及び画像形成システム - Google Patents

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Description

本開示は、画像生成方法及び画像生成装置に係り、特に試料内部に形成された対象物を画像化する方法及び装置に関する。
走査電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＥＭ）を用いた試料の断面観察を行うために、イオンミリング装置を用いて試料をスパッタエッチングし、断面を試料表面に露出させる手法が知られている。特許文献１には、回転する試料台の上に試料を載せ、イオンビーム中心に対し、回転軸を偏心させることで、広範囲に平坦面を持つ加工孔を形成するイオンミリング装置が開示されている。また、特許文献２には、イオンミリングの加工対象となる試料上に開口が形成されたカバーを載せ、開口を通過したイオンビームを用いて、開口下に位置する試料領域を選択的にミリング加工するイオンミリング装置が開示されている。
特開平３－３６２８５号公報 特開２００３－６８２４３号公報
発明者らは、多層構造体である試料に、非常に小さな傾斜角を持つ緩斜面を形成するような加工を行うことによって、多層構造体に含まれる各レイヤを、積層方向から見て２次元的に可視化する観察法を新たに想起した。より具体的には、多層膜構造のあるレイヤの厚さ（Ｚ方向寸法）が７０ｎｍである場合、試料表面に対し０．３５°の相対角の傾斜面が形成できれば、例えばＸ方向に１層当たり１１．５μｍの長さの斜面を形成することができ、且つ複数層に亘ってパターンの出来栄えを顕在化することができる。一方、特許文献１に開示のイオンミリング法では、イオンビームの中心軸と、回転軸との相対距離の設定によって加工条件の調整ができるが、イオンビームの正規分布に応じたエッチングレートで試料が加工されるため、上述のような非常に小さな傾斜角を持つ面を形成することは困難である。また、特許文献２に開示のイオンミリング法も同様であり、上述のような緩やかな傾斜面の形成は困難である。
以下に、多層構造体に含まれる複数レイヤの情報を広範囲に亘って顕在化、或いは顕在化した対象層の画像化を目的とする画像形成方法、及び画像形成システムを提案する。
上記目的を達成するための一態様として、以下に、複数の層が積層された試料に含まれる対象層、或いは複数の層で構成されたパターンの画像を形成する方法であって、前記試料表面の法線方向の軸を回転軸として前記試料を回転させつつ、前記試料から離間した位置に設置されると共にイオンビームを選択的に通過させる開口を有するマスクを介して、前記法線方向に対して傾斜した方向から前記試料に向かってイオンビームを照射することによって、試料表面に対して傾斜する帯状の傾斜面を持つ穴を形成し、当該帯状の傾斜面に荷電粒子ビームを照射し、当該照射に基づいて得られる荷電粒子を検出し、当該荷電粒子の検出に基づいて、前記傾斜面に含まれる複数の異なる帯状の輝度領域を含む第１の画像を生成し、当該第１の画像を用いて、前記対象層、前記複数の層で構成されたパターンが含まれる輝度領域、或いは前記複数の層で構成されたパターンを特定する画像形成方法、及び当該画像形成を実現するシステムを提案する。
上記手法によれば、試料内部の多層構造体の対象層の画像化が可能となる。
ウエハに対するイオンミリングに基づいて形成された断面位置を観察する工程を示すフローチャート。 イオンミリング装置の概要を示す図。 イオンビームの照射によってウエハ上に形成されるテーパー部の一例を示す図。 ウエハ上に形成されるテーパー部の幅と、当該幅を決定するパラメータとの相関を示す図。 イオンミリング装置の概要を示す図。 ウエハと複数の開口を有するマスクの一例を示す図。 イオンミリング装置に取り付けられる試料ホルダの一例を示す図。 走査電子顕微鏡の概要を示す図。 イオンミリング装置と走査電子顕微鏡を含む画像形成システムの概要を示す図。 レシピ生成装置に含まれる装置条件生成モジュールの一例を示す図。 イオンミリングの加工条件設定と、走査電子顕微鏡の測定条件の設定に基づいて、測定を実行する工程を示すフローチャート。 加工条件と測定条件を設定するＧＵＩ画面の一例を示す図。 イオンミリング装置に設置されるマスクと、当該マスクを介して形成される加工痕を示す図。 マスク開口の大きさとイオンミリング装置の加工領域の大きさの関係を示す図。 測定対象となるレイヤに走査電子顕微鏡の視野を位置付けて測定を実行する工程を示すフローチャート。 テンプレートマッチングによって加工痕のエッジ位置を特定する手法を説明する図。 マスク開口の大きさとイオンミリング装置の加工領域の大きさの関係を示す図。 ＦＩＮ型ＦＥＴの概要と、各高さの断面像の一例を示す図。 縞模様が表示されたＳＥＭ画像上で、パターンマッチングを実行するときに用いられるテンプレートの一例を示す図。 特徴量、或いはマッチングスコアを指標値として、視野位置を特定し、測定を実行する工程を示すフローチャート。 元素分析条件を設定するＧＵＩ画面の一例を示す図。 元素分析工程を示すフローチャート。
昨今、半導体デバイスの積層化が進み、半導体デバイスの歩留まりを管理する測定装置や検査装置にも、多層化したデバイスへの対応が求められている。ウエハ上の様々な領域に形成された素子を、様々な深さで観察することができれば、効果的にウエハ面内の位置によるばらつきを把握することが可能となる。
以下に説明する実施例では、大面積試料（ウエハ）表面の、複数の異なる領域を、縦方向様々な深さに一括加工して、そこに形成された３次元素子の３次元加工形状や材料物性を、高速に観察・測定する方法、装置、コンピュータープログラム、及び当該コンピュータープログラムを記憶する記憶媒体について説明する。
以下の実施例では、例えば、ウエハ上に形成された３次元構造試料を観察・計測する方法において、上記方法は、（ａ）イオンビームにより上記ウエハ面内の複数領域を（斜めに）切削加工する工程と、（ｂ）所望の領域内の所望の深さを観察・計測する位置を算出する工程と、（ｃ）上記算出された位置で観察・計測する工程、を含み、上記切削加工する工程（ａ）は、上記試料の外形寸法にわたりほぼ均一なイオンビームの照射方向に対して、傾斜した方向の回転軸を軸に上記試料を回転させるとともに、前記試料に対して相対位置が固定され（試料と回転同期し）、かつ、前記イオンビームの試料への到達を部分的に許容する複数の開口を有するマスクを介してイオンビームを試料に照射することにより、上記試料表面を選択的に切削加工し、上記位置を算出する工程（ｂ）は、上記切削加工されたウエハに対して、平面方向位置と加工深さの関係を求め、上記関係に基づき、所望の領域内で所望の深さとなる位置を求め、観察・計測する工程（ｃ）は、上記位置において、上記切削加工した試料の表面を、上方から電子顕微鏡により観察もしくは、表面に現れたパターンを計測する、３次元構造試料の計測方法について説明する。
上記観察する切削面は、切削前の試料表面に対して傾斜していることが望ましい。更に、試料の複数個所に傾斜面を作成することで、試料平面方向の複数個所で、試料内部深さ方向複数位置の構造を観察することができる。また、デバイス構造設計情報から、表面に現れたパターンに応じた深さを推定して、当該深さにおけるパターンの横方向寸法を計測する例についても説明する。
更に、以下の実施例では、イオン源と、当該イオン源から放出されるイオンビームが照射される試料を保持するとともに、当該イオンビームの照射方向に対して傾斜した方向の回転軸を有する回転ステージと、当該回転ステージの回転に伴って回転するとともに、前記イオンビームの試料への到達を部分的に許容する複数の開口を有するマスクを備えたイオンミリング装置についても説明する。
図１は、試料を部分的に加工した上で観察や計測を行う工程を示すフローチャートである。まず、３次元加工装置により、ウエハの複数領域の表面を一括してベベル状（傾斜状）に加工する。次に、加工形状算出部において、加工後の表面深さ（高さ）ｚを面内水平方向位置（ｘ、ｙ）の関数として求め、これに基づき、観察・計測位置算出部において、所定の領域内における表面深さ（高さ）が所望の範囲となるウエハ観察位置を算出する。
しかる後に、上記ウエハ位置において、ベベル状に加工された表面をＣＤ－ＳＥＭ（Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ－Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）又はレビューＳＥＭ等の上面観察計測装置により、上面から観察・計測する。これを、ウエハ上の上記複数領域で複数の異なる深さに対して行うことにより、上記複数領域における、３次元素子の３次元加工形状や材料物性を求める。必要に応じて、３次元加工情報とウエハ又は素子の設計情報が上記３次元加工装置及び上記観察計測装置に入力され、加工位置と加工量、観察位置等を制御する。また、観察計測装置により取得された観察像及び計測結果から、３次元構造を再構築する。
図２は、上述の３次元加工装置の概要を示す図である。イオン源から放出された該平行なイオンビームが、ウエハステージ上のウエハに向かう。ウエハステージはウエハ表面とイオンビームの成す角度を可変とし、かつ自転する構造を持つ。図２に例示する装置は、更にウエハ上に、複数の開口部を有するマスクを備え、上記マスクはウエハに対する相対位置が固定された状態でウエハとともに自転する。マスクとウエハ間には、後に述べるように所定の間隙を設けることが望ましい。
上記３次元加工装置において、ビームがウエハに垂直入射しない（ビーム進行方向とウエハ表面の法線方向が一致しない）状態で、ウエハとマスクを自転させながらイオンミリング加工を行うことにより、以下に説明するように、３次元加工が可能となる。
まず、開口がイオン源とステージが近い側（図の上側）にあるとき、開口を通過したビームはウエハの中心側へ傾いた角度でウエハに入射する。一方、開口がイオン源とステージが遠い側（図の下側）にあるとき、開口を通過したビームはウエハの外側へ傾いた角度でウエハに入射する。ウエハとマスクはステージの自転に伴い、上記２つの位置を行き来するので、ウエハから見たとき、開口を通過したイオンビームの入射角は、自転に伴って揺動する。
ここで、図３に示すように、ウエハ表面から離間した位置にイオンビームを遮断するマスクを設けると、ウエハ上の点Ａには入射角がａのイオンビームのみが到達する。更に、ウエハ上の点Ｂには入射角がａ～ｂのイオンビームが到達し、ウエハ上の点Ｃには入射角がａ～０のイオンビームが到達し、ウエハ上の点Ｄには入射角がａ～－ｂのイオンビームが到達し、ウエハ上の点Ｅには入射角がａ～－ａのイオンビームが到達する。
このように、場所によってイオンビームの照射量が変わる結果（ミリング量が変化して）、ウエハ表面の部位３０１はテーパー状に加工される。
なお、簡単のため、上では紙面に平行な切断面に射影した角度で説明したが、実際には、自転により、点Ｃにおいても紙面に垂直な方向に傾いて入射しており、垂直入射ではないことに注意する。又、上記説明では、マスクの厚さを０と仮定したので開口エッジの真下がテーパー部の中心となるが、有限の厚さを持つ実際のマスクではこの限りではない。
ステージとビームの成す角度及びウエハ－マスク間隙によりテーパー部の幅を様々に変えることができる。図４に示すように、テーパー部の幅ｗと、ウエハ－マスク間隙ｄ、マスクｔ厚さの間には、およそｗ＝２ｄ・ｔａｎθ＋ｔ・ｔａｎθの関係がある。なお、ウエハ－マスク間隙ｄを設けていないと、十分なテーパー部の幅を得ることができない。よって、ウエハとマスクとの間には相当の間隙を設けつつ、両者の相対位置が固定されるよう、マスクを支持することが望ましい。以下に説明する実施例では、マスクとウエハとの間に間隙ｄを設けることによって、２ｄ・ｔａｎθ分、テーパー幅を拡張することができるため、非常になだらかな傾斜面を形成することが可能となる。
換言すれば、マスクの下部領域まで緩やかな傾斜面を形成するのに適したイオンビームを到達させることが可能となるため、開口直下からマスクの下部に至るまで、広範囲に亘って均一の傾斜角を持つ傾斜面を形成することが可能となる。マスク下部の試料領域には、マスクによって照射量が制限されたイオンビームが到達するため、開口直下に位置する試料領域に比べ、照射量が制限され、且つ広範囲に亘って緩やかな傾斜面を形成するための条件を満たしたビームが照射される。
全照射角のイオンビームの到達する点Ｅにおけるミリング深さｈは、広い開口部のミリングレートｖ、ミリング時間ｔに対して、ほぼｈ＝ｖ・ｔとなる。ミリングレートｖはイオンビームの電流または電圧により変化する。
なお、マスク開口直径（又は最小幅）がマスク厚さに比べて十分に大きくない場合、マスク開口上部に阻害されて開口を通過するイオンの量が開口中心領域で減少するため、開口エッジの内側等、中心部のテーパー角度は減少、もしくはミリング量が減少する。実際のマスクの設計はこれらを考慮して行うことが望ましい。
以下に説明する実施例における測定対象である３次元デバイスは、所定の素子領域に同一構造の単位素子（メモリセル等）を多数有するものであることが望ましい。上記素子領域（メモリセルアレイ等）内にテーパーを設けることにより、上記単位素子を上面から様々な深さで切削したときの平面像を、ＳＥＭ等により上面から観察することができる。さらに、このようにして取得した様々な深さの観察像を合成することにより３次元構造を再構築できる。また、上記領域内での、多数素子の３次元加工形状のばらつきを求めることができる。
このとき、ステージ角度、ウエハ－マスク間隙、及び最大イオンミリング量（イオン電流・電圧及びミリング時間）等のパラメータを、以下の条件が満たされるように設定する。
（１）テーパー部の幅と深さが、上記素子領域中で、３次元デバイスの観察したい所望の縦方向深さ範囲を包含すること。
（２）所定の深さ範囲の表面に露出する単位素子の数が十分にとれること。
なお、ミリング中、ステージ角度は必ずしも一定に固定する必要はなく、途中で変化させてもよい。
開口を複数設けることにより、ウエハ上の複数領域に、図のようなテーパー部を加工することができる。これらの開口は、チップ配列とチップ内のメモリセルアレイ領域等の情報に基づき、観察したい所望のメモリアレイ領域にテーパー部が加工されるように設計、製造、ウエハとアライメントの上、設置される。
図５は、上述のイオンミリング装置をより具体的に説明する図である。プラズマを生成するプラズマ生成部５０１は、イオン源５０２の一部を構成している。イオン源５０２内には、図示しない直流電源から正の加速電圧が印加されるプラズマ電極５０３、図示しない直流電源から負の引き出し電圧が印加される引出電極５０４、及び接地電極５０５が設けられている。これら電極への印加電圧の制御によって、加速され、引き出されたイオンビーム５０６は、試料ホルダ５０７に保持されたウエハ５０８に照射される。イオンビーム５０６は集束作用や偏向作用を受けない平行ビームである。
試料ホルダ５０７は、軸５０９を回転軸とする回転機構５１０によって支持され、ウエハ５０８を回転させる。また、回転機構５１０は、ウエハ５０８に対するイオンビーム５０６の照射角度を調整する傾斜機構５１１と、ウエハ５０８のＡ方向の位置を調整する移動機構５１２を備えている。更に、後述する加工条件設定に基づいて、これらイオン源５０２や複数の駆動機構を制御する制御装置５１５が備えられている。
更に、試料ホルダ５０７には、マスク５１３を取り付けるための取り付け機構５１４（支持部材）が備えられている。取り付け機構５１４には図示しないマスク位置調整機構が備えられており、ウエハ５０８表面の法線方向（Ｚ方向）、ウエハ５０８の表面方向（Ｘ－Ｙ方向）の所望の位置にマスク５１３を位置づけることが可能な構成となっている。取り付け機構５１４は、試料ホルダの回転時にはウエハ５０８とマスク５１３の相対的な位置関係が変化しないように、マスク５１３を支持するように構成されている。
図６（ａ）は、ウエハ５０８をＺ方向から見た図であり、図６（ｂ）は、マスク５１３をＺ方向から見た図である。ウエハ５０８には集積回路を含むチップ６０１が多数形成されており、一方、マスク５１３には各チップ６０１における加工位置が同じとなるように、チップの形成ピッチ（Ｐ１）と同じピッチで開口６０２が設けられている。このようなマスクによれば、各チップの対応個所に同じ条件でビームを照射することが可能となる。
図７は、試料ホルダ５０７の拡大図である。試料ホルダ５０７には、ウエハを保持するための静電チャック機構７０１が備えられており、静電チャック機構７０１上には、マスク５１３の位置をＸ－Ｙ－Ｚ方向に調整可能な位置調整機構が備えられた取り付け機構５１４が設けられている。取り付け機構５１４も制御装置５１５によって制御される。
なお、ウエハ５０８及びマスク５１３の試料ホルダ５０７への装着は、ミリングチャンバー５１６の外側のロードロック室（図示せず）において行われ、真空排気の後、ミリングチャンバーに移動して所定の位置に配置される。
なお、以下に説明する実施例では、円形の開口６０２を有するマスク５１３を用いてイオンミリング加工する例について説明するが、円形に限らず直線状のエッジを備えた開口であっても良い。直線状のエッジの直下には、エッジに沿った直線状の緩斜面が形成されることになる。
次に、図５に例示したイオンミリング装置によって加工されたウエハを測定する装置について説明する。図８は、走査電子顕微鏡の概要を示す図である。電子源８０１から引出電極８０２によって電子ビーム８０３が引き出され、不図示の加速電極により加速される。加速された電子ビーム８０３は、集束レンズの一形態であるコンデンサレンズ８０４により絞られた後、走査偏向器８０５により偏向される。これにより、電子ビーム８０３は、試料８０９上を一次元的又は二次元的に走査する。試料８０９に入射する電子ビーム８０３は、試料台８０８に内蔵された電極に、負電圧を印加することによって形成される減速電界により減速されると共に、対物レンズ８０６のレンズ作用により集束されて試料８０９の表面を照射される。試料室８０７内部は真空が保たれている。
試料８０９上の照射箇所からは電子８１０（二次電子、後方散乱電子等）が放出される。放出された電子８１０は、試料台８０８に内蔵された前記電極に印加された負電圧に基づく加速作用により、電子源８０１の方向に加速される。加速された電子８１０は変換電極８１２に衝突し、二次電子８１１を発生させる。変換電極８１２から放出された二次電子８１１は、検出器８１３により捕捉され、捕捉された二次電子量により検出器８１３の出力Ｉが変化する。この出力Ｉの変化に応じ、表示装置の輝度が変化する。例えば二次元像を形成する場合には、走査偏向器８０５への偏向信号と、検出器８１３の出力Ｉとを同期させ、走査領域の画像を形成する。
なお、図８に例示するＳＥＭは、試料８０９から放出された電子８１０を変換電極８１２において二次電子８１１に一端変換して検出する例を示しているが、無論このような構成に限られることはなく、例えば加速された電子の軌道上に、電子倍像管や検出器の検出面を配置する構成を採用しても良い。制御装置８１４は、撮像レシピと呼ばれるＳＥＭを制御するための動作プログラムに従って、上記ＳＥＭの各光学要素に必要な制御信号を供給する。
次に検出器８１３で検出された信号はＡ／Ｄ変換器８１５によってデジタル信号に変換され、画像処理部８１６に送られる。画像処理部８１６は複数の走査によって得られた信号をフレーム単位で積算することによって積算画像を生成する。
ここで、走査領域の１回の走査で得られる画像を１フレームの画像と呼ぶ。例えば、８フレームの画像を積算する場合、８回の２次元走査によって得られた信号を画素単位で加算平均処理を行うことによって、積算画像を生成する。同一走査領域を複数回走査して、走査毎に１フレームの画像を複数個生成して保存することもできる。
更に画像処理部８１６は、デジタル画像を一時記憶するための画像記憶媒体である画像メモリ８１８と、画像メモリ８１８に記憶された画像から特徴量（ラインやホールの幅の寸法値、ラフネス指標値、パターン形状を示す指標値、パターンの面積値、エッジ位置となる画素位置等）の算出を行うＣＰＵ８１７を有する。
さらにまた、各パターンの計測値や各画素の輝度値等を保存する記憶媒体８１９を有する。全体制御はワークステーション８２０によって行われる、必要な装置の操作、検出結果の確認等がグラフィカルユーザーインタフェース（以下、ＧＵＩと表記する）によって実現できるようになっている。また、画像メモリは、走査偏向器８０５に供給される走査信号に同期して、検出器の出力信号（試料から放出される電子量に比例する信号）を、対応するメモリ上のアドレス（ｘ,ｙ）に記憶するように構成されている。また、画像処理部８１６は、メモリに記憶された輝度値からラインプロファイルを生成し、閾値法等を用いてエッジ位置を特定し、エッジ間の寸法を測定する演算処理装置としても機能する。
図９は、図５に例示したイオンミリング装置による加工と、図８に例示した走査電子顕微鏡による測定を行うための動作プログラムを設定するレシピ生成装置９０３を備えたパターン測定システムの一例を示す図である。図９の例では、走査電子顕微鏡９０１、イオンミリング装置９０２、これら装置の動作プログラムを生成するレシピ生成装置９０３、及び半導体デバイスの設計データ、或いは当該設計データに基づいて生成されるレイアウトデータを記憶する設計データ記憶媒体９０４がネットワークを経由して接続されている例を示している。レシピ生成装置９０３には、後述するＧＵＩ（Ｇｒａｐｈｉｃａｌ Ｕｓｅｒ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）画面を表示する表示装置を備えた入力装置９０５が接続されている。
レシピ生成装置９０３には、走査電子顕微鏡９０１によって取得された２次電子や後方散乱電子等の検出信号、図示しない走査電子顕微鏡９０１に内蔵された画像処理プロセッサによって出力された測定結果、実行可能な命令及びデータがロードされるメモリ９０６（例えば非一時的記憶装置）や、命令を実行するように構成されたプロセッサ９０７が内蔵されている。レシピ生成装置９０３には更に、設計データ記憶媒体９０４から読み出される試料情報（多層膜を構成する各膜の高さ情報、各層のレイアウトデータ等）から、所望の測定対象パターン位置（座標）を算出する座標演算モジュールを含むレシピ生成部９０８、レシピ生成部９０８によって生成された座標情報に基づいて、走査電子顕微鏡９０１の装置条件を設定する装置条件生成モジュールを含む測定アプリケーション９０９、及び座標情報に基づいてイオンミリング装置９０２の装置条件を設定する装置条件生成モジュールを含む加工アプリケーション９１０を含んでいる。
なお、レシピ生成装置９０３は、走査電子顕微鏡９０１の制御装置８１４に内蔵させるようにしても良い。
例えば、図１０に例示するように、レシピ生成装置９０３には、装置条件生成モジュール１００４が含まれており、当該装置条件生成モジュール１００４は、測定対象パターンが含まれるレイヤ情報１００１、測定対象パターンの座標や種類等の測定パターン情報１００２を入力装置９０５から入力することによって、設計データ記憶媒体９０４より、指定レイヤの測定対象パターンが含まれる領域の設計データを読み出す。更に装置条件生成モジュール１００４は、入力された座標情報等に基づいて、測定対象パターンを視野に位置づけるためのステージ条件や偏向器による視野移動条件を生成する。また、装置条件生成モジュール１００４は、入力される測定条件情報１００３（例えば視野サイズや測定対象パターン内の測定個所情報等）に基づいて、得られた画像を用いた測定条件を設定する。
更に装置条件生成モジュール１００４は、選択されたレイヤ情報に基づいて、所定のレイヤに視野を位置付けるための条件を設定する。この手法は後述する。
また、装置条件生成モジュール１００４は、イオンミリング装置９０２の加工情報１００５等に基づいて、所望の測定対象パターンの位置を求め、装置条件生成モジュール１００４では、当該位置情報（座標情報）に基づいて走査電子顕微鏡９０１のステージ座標情報やビームの偏向位置情報を設定するようにしても良い。
制御装置８１４、画像処理部８１６、レシピ生成部９０８は、１以上のプロセッサを備えた演算処理装置で構成され、これら１以上の演算処理装置は、走査電子顕微鏡を制御するコンピュータサブシステムを構築する。
以下、多層膜で構成される３ＤＮＡＮＤフラッシュメモリデバイスの所望の層に属するパターンを測定するときの測定法について説明する。本実施例では、３００ｍｍウエハの全面に形成されたチップサイズ約１ｃｍ角のメモリデバイスに含まれるパターンを評価対象とする。この試料は、各チップの面積の８割以上を３ＤＮＡＮＤメモリセルが占める。ここでは、上記デバイスの製造プロセスの途中で、所定の多層膜（ＳｉＯ／ＳｉＮ、４８層）形成後に、多数のチャンネルホール（平均直径約６０ｎｍ）が規則的に形成された試料を、以下のように観察・計測した。
本実施例では、測定対象となるパターン、或いは当該パターンが属するレイヤの選択に基づいて、試料の加工と観察を行う例について説明する。図１１は装置の条件設定から測定を実行するまでの工程を示すフローチャートである。まず、図１２に例示するようなＧＵＩ画面から試料情報を入力する（ステップ１１０１）。試料情報の入力は例えばウィンドウ１２０１に試料の名称等の識別情報を入力することによって行う。この入力に基づいてレシピ生成装置９０３は設計データ記憶媒体９０４から特定された試料の試料情報（設計データ）を読み出す。読み出された設計データには、パターンの位置情報等が含まれている。また、多層構造の各レイヤの厚さ情報を記憶しておいても良い。図１２の例では４８層構造の３Ｄ－ＮＡＮＤが設定されている。
また、測定条件入力ステップ（ステップ１１０２）では、ウィンドウ１２０２から測定対象となるチップを選択する。図１２に例示するＧＵＩ画面では全てのチップが選択されており、装置条件生成モジュール１００４では、全てのチップの対応個所に走査電子顕微鏡の視野が位置づけられるように、走査電子顕微鏡の動作プログラムを生成する。更に、ウィンドウ１２０３から測定対象パターンが属するレイヤ（レイヤ情報１００１）の選択を行うことによって、後述する画像処理等を用いた視野の位置合わせ処理を実行するための動作プログラムを生成する。ここではレイヤの識別情報として最下層、最上層、或いは所定の基準レイヤからの層数を入力する例について説明するが、使用者が定めた他のレイヤの識別情報を入力できるようにしても良い。図１２の例では、４８層中、３２層が選択されている。なおレイヤの選択は複数行うようにしても良い。
更にウィンドウ１２０４では、後述する帯状の傾斜面に含まれる測定対象候補の内、所望の測定位置を選択する。ウィンドウ１２０５では、測定対象パターンの測定アルゴリズムを選択する。なお、図１２は、ターゲットのレイヤと測定目的を入力することによって、自動的に測定目的に適したパターンを探索し、自動的に測定条件を設定することが可能なＧＵＩ画面の例を説明するが、座標を入力するウィンドウ１２１１に測定対象パターンの座標を入力することによって、視野位置を決定するようにしても良い。
次に、イオンミリング装置の加工条件を入力する（ステップ１１０３）。なお、図１２に例示するＧＵＩ画面には加工条件を設定するためのウィンドウ１２０６～１２０８が設けられているが、加工条件が固定されており、選択肢がない場合は、これらのウィンドウは不要である。
ウィンドウ１２０６では後述する加工痕の傾斜面の角度の入力が可能となっており、この設定に基づいて、イオンミリング装置の装置条件を調整する。例えば傾斜角の選択によって、傾斜機構５１１や取り付け機構５１４を制御することによって、試料に対するイオンビームの入射角を調整する。加工痕の傾斜角と傾斜機構５１１傾斜角や取り付け機構５１４のマスク位置との関係を予めテーブルとして登録しておくことによって、これら機構の自動制御を行う。
また、ウィンドウ１２０７では傾斜面が形成される位置の設定を行う。取り付け機構５１４は、この設定に応じて試料に対するイオンビームの照射位置を調整するよう制御される。マスク５１３のＸ－Ｙ方向の位置を調整することによって、ウエハ５０８に対するイオンビームの到達位置を調整することができる。イオンビームの到達位置の制御は、例えばステップ１１０２で測定対象位置（座標）の入力に基づいて行うようにしても良い。
ウィンドウ１２０８ではマスクの種類の設定を行う。マスクの開口の大きさや開口のピッチ（例えばチップ毎に開口が設けられているのか、特定のチップに選択的にイオンビームが照射されるような開口が設けられているのか）の種類等に応じて選択する。なお、図１２に例示するＧＵＩ画面では、ウィンドウ１２０２で評価対象となるチップ（即ち加工すべきチップ）が選択されているため、マスクの種類の設定は必要ではない。一方でマスクの種類を選択することによって自動的に測定対象チップを選択するようにしても良い。
以上のような設定に基づいて、装置条件生成モジュール１００４では、イオンミリング装置によるウエハの加工と、走査電子顕微鏡による測定条件の設定を行う。
なお、上述の実施例ではＧＵＩを用いて対話的に各種情報及び条件を入力したが、あらかじめ所定のフォーマットに従った条件設定ファイルを用意して、これを入力するようにしてもよい。
なお、図１２に例示するＧＵＩ画面では様々なパラメータの設定が可能となっているが、設定されたパラメータから、他のパラメータを求めることによって、必要なパラメータ入力を減らすことができる。例えば、測定対象となるパターンが属するレイヤと加工情報が入力されていれば、装置条件生成モジュール１００４は、加工情報１００５を参照して、後述する緩斜面が形成される領域の座標を低倍率画像取得のための座標情報として選択すると共に、低倍率画像取得後、低倍率画像に表示される縞模様の中に含まれる選択レイヤを見つけるためのアルゴリズムを設定する。低倍率画像の中から特定のレイヤを発見するためのアルゴリズムとして、例えば画像処理によって、縞模様を構成する線状パターンの数をカウントし、縞模様の中から選択したレイヤの位置を特定するためのアルゴリズムを構築する。
予め緩斜面の低倍率画像が存在する場合には、その画像をテンプレートとし、画像処理によってテンプレートの中から選択したレイヤの位置を特定すると共に、テンプレートマッチング後、特定位置に視野移動を行うような動作プログラムを構築することができる。
本実施例では図１３（ａ）に例示するような開口を持つマスクを用いて、図１３（ｂ）に例示するような加工を行う例について説明する。本実施例では、各チップのメモリマットに対応する位置にイオンビームが照射されるように、図６（ｂ）に例示するようなマスクを用いた加工法について説明する。図６（ｂ）に例示するマスク５１３に形成された開口６０２は、チップと同じピッチで形成され、且つイオンビームを平行ビームとしているため、各チップの同じ個所に同じ条件でビームを照射することができ、このような加工を施された試料を対象とした測定を行うことによってパターンの出来栄えの面内分布を適正に評価することが可能となる。
本実施例では図１４に例示するように、半径３ｍｍの開口を有するマスクを用いて、デバイスのメモリマットを含む領域１４０１にテーパーを形成する（ステップ１１０４）加工法について説明する。本実施例では、上記ミリング用マスクを、ウエハとアライメントしつつウエハ－マスク間隙１ｍｍを保つようにウエハステージに固定した後、ミリングチャンバーにロードし、ステージ角度を開口ビーム方向とステージ（ウエハ表面）の成す角度が６０度となるように設定した。
次に上記ステージを自転させるとともに、イオンビームを発生、ウエハに照射した。これにより幅約１．２ｍｍのテーパー部がマスクエッジの下部に形成された（図１３ｂ等参照）。ミリング深さは各開口の中心部で最大となる。ここでは、試料表面に対する傾斜面の相対角を０．３５°に設定した。これにより、ミリング深さが７．３３μｍとなるように、ミリング時間が調整される。ウエハ面内のマスク開口に対応する位置に、周囲に幅１．２ｍｍの輪帯状のテーパー部を持つ直径約４．２ｍｍ、深さ７．３３μｍの凹部が複数個形成された。
３ＤＮＡＮＤデバイスの４８層のメモリ多層膜は、上記輪帯状テーパー部においてｘｙ平面内、直径方向の縞模様として表現される。
即ち、上記テーパー部を低倍率でＳＥＭもしくは光学顕微鏡により観察すると、層ごとの材料による２次電子発生効率、散乱効率、光学定数等の違いにより、縞模様が観察される。
設計情報より上記多層膜の１層周期あたりの高さは７０ｎｍであり、従って上記縞模様の平面方向周期は約１１．５μｍとなる。即ち、極めて薄い膜厚に含まれるパターン情報を、約１５０倍程度に引き伸ばして表現することが可能となる。上記約１１．５μｍの周期の縞の内部を、例えば約１μｍ角の視野でＳＥＭ観察すると、その中には約数十～１００個のメモリホールパターンが存在する。これらは当該深さに対応するメモリ層におけるメモリホールの平面断面であり、上記視野内に存在する多数のメモリホールに対して寸法、真円度等の平均とばらつきを求めることにより、ウエハ面内当該領域の当該深さにおける、加工精度を正確に求めることができる。このような評価を様々な深さに対して行うには、縞模様の様々な位置で同様の手順を踏めばよい。さらに、このような加工を複数のチップの対応位置ごとに行うことができるため、多層構造体の３次元情報のウエハ面内分布を高精度に評価することが可能となる。
以上のようなウエハの加工に併せて、或いは別のタイミングで走査電子顕微鏡の装置条件を設定する。（ステップ１１０５）具体的には、装置条件生成モジュール１００４がステップ１１０２で受け取った測定対象パターンが含まれるレイヤ情報、測定対象パターン情報、走査電子顕微鏡の測定条件情報等に基づいて、所望のレイヤに含まれる所望のパターンへの視野移動条件を含む装置条件を設定する。
装置条件生成モジュール１００４では、ウィンドウ１２１１で設定された座標情報等に基づいて、加工によって試料表面に露出した測定対象パターンに、電子顕微鏡の視野を位置づけるためのステージ条件を設定する。予め記憶されている加工条件に基づいて、傾斜面が形成される位置に視野を位置付けるようにしても良い。
更に、ウィンドウ１２０３で設定されたターゲットレイヤ情報に応じて、所望のレイヤに視野を到達させるまでの処理条件を設定する。本実施例では、多層膜が積層されたウエハに、極めて小さな傾斜角の傾斜面を形成するような加工を行うと、傾斜面に各レイヤが帯状に連続して配置された縞模様が形成される現象を利用して、低倍像（第２の画像）を取得し、帯（線状パターン）をカウントすることによって、所望の位置に視野を位置付けるアルゴリズムを構築する。
ウィンドウ１２０３から入力されたターゲットレイヤ情報に基づいて、低倍率画像の中で高倍率画像（第１の画像）を取得するための視野位置を特定する動作プログラムを構築する。例えば、測定対象となるレイヤが例えば試料表面から３２層目に存在する場合は、画像処理技術を用いて線の数をカウントし、当該線の数が３２となったときに、当該線が測定対象レイヤの断面であると特定することができる。また、他のレイヤとは異なる特徴を持ち、低倍率画像上で、画像処理技術を用いた特定が可能なレイヤがある場合は、そのレイヤを基準としてレイヤ数をカウントするようにしても良い。レイヤのカウントは、例えば縞模様の各線に直交する方向の輝度プロファイルを生成し、輝度が所定値を越える部分をプロセッサにカウントさせることで、行うようにしても良いし、画像処理によってカウントを行うようにしても良い。
また、縞模様の長手方向に直交する方向の輝度プロファイルを生成し、波形のピークをカウントすることによって、ターゲットレイヤの位置を特定するようなアルゴリズムとしても良い。
上述のような工程を経て測定レシピを生成し、所定の記憶媒体に記憶する（ステップ１１０６）。
図１５は、装置条件生成モジュールで生成された測定処理工程を示すフローチャートである。まず、ウエハをＳＥＭの試料室に導入し（ステップ１５０１）、ウィンドウ１２１１で設定された座標に走査電子顕微鏡の視野を位置付けるように、ステージ移動を行う（ステップ１５０２）。ウィンドウ１２１１の座標は、傾斜面内の特定レイヤの位置がわかっている場合にはその座標を、傾斜面の加工条件が不明で傾斜面のどこに測定対象となるレイヤが判っていない場合は、例えば傾斜面の中心座標等を入力しておき、その座標に視野を位置付けるようにステージ移動するようにすると良い。
次にステージ移動によって位置合わせされたウエハに電子ビームを走査して、レイヤ特定用の画像（レイヤ探索画像）を取得する（ステップ１５０３）。ここでは、最終的な測定用画像に比べて低倍率（広ＦＯＶ（Ｆｉｅｌｄ Ｏｆ Ｖｉｅｗ））画像を取得することによって、縞模様の中から、測定対象となるレイヤの位置を特定する。画像の大きさは、少なくとも測定対象となるレイヤを示す線分と、探索の基準となるレイヤ等の線分が含まれるように設定する。
低倍画像取得後、上述のように設定された線状パターンのカウント処理に基づいて、ターゲットレイヤの位置を特定する。
以上のようにして特定されたレイヤ内のパターン画像を取得すべく、当該レイヤ内に視野を位置づけ、高倍率（狭ＦＯＶ）画像を取得する（ステップ１５０４）。視野サイズは例えば図１２に例示したＧＵＩ画面上で指定するようにしても良い。なお、上述のように１μｍの大きさの視野を設定した場合、数１０～１００個程度のメモリホールが存在するため、複数のホールについて輝度プロファイルに基づいて幅（寸法値）、真円度、それらの平均値やばらつき等を計測する（ステップ１５０５）。帯状の傾斜面に対して交差する方向（本実施例では実質的に傾斜面の垂直方向）からのビーム走査によって、各層の２次元像を形成することが可能となる。
以上のように、測定に用いられる高倍率画像（第１の画像）の取得前に、イオンミリング装置で形成された傾斜面の縞模様を視覚化する画像（第２の画像）を生成し、当該画像を用いて測定対象となるレイヤを特定することによって、適切、且つ高速に測定対象となるレイヤに属するパターンに視野を位置付けることが可能となる。
なお、上述の例ではウィンドウ１２１１にて設定した座標情報に基づいて、視野移動を行う例について説明したが、加工位置が予め判明している場合はその位置情報に従ってステージ移動を行うようにしても良い。また、大よその位置に視野を位置付けた後、テンプレートマッチング用の被探索画像を取得し、テンプレートを用いて所望のレイヤまで視野を移動させる手法を採用することも可能である。図１６では、イオンミリング装置による加工痕の傾斜面外周位置を特定するためのテンプレートと、加工痕縁部に設定された被探索画像取得領域を例示している。
図１６に例示するように、予め円形加工痕の境界を示すテンプレートを登録しておき、当該テンプレートを用いたパターンマッチングによって、上記境界上の基準点を特定し、当該基準点から境界線（拡大像だと直線に見える）に直交する方向に視野をｄ１移動するように、ステージや視野移動用の偏向器を移動させることによって、目的とする視野に辿り着くような処理を行うことも可能である。
また、図１９に例示するように、テンプレート画像１９０３と、マッチング位置１９０４と目標視野位置１９０５との間の相対距離に関する情報（Δｘ２，Δｙ２）とを関連付けて記憶しておくことによって、テンプレートマッチングを行うための探索画像１９０１を取得した位置１９０２から、目標視野位置１９０５への視野移動を可能とする。より具体的には、テンプレートマッチングのための探索画像１９０１を取得後、テンプレートマッチングによって特定されたマッチング位置１９０４と、現在の視野の位置１９０２との間の距離（Δｘ１，Δｙ１）と予め記憶された（Δｘ２，Δｙ２）の加算値（Δｘ１＋Δｘ２，Δｙ１＋Δｙ２）分、視野を移動するようにステージや偏向器を制御するようにしても良い。
上述のように、比較的低倍率の電子顕微鏡画像では傾斜面上に１つのレイヤを１つの帯とする縞模様が見えるため、低倍率画像を用いて、基準位置から画像処理によって縞模様の数をカウントすることによって測定対象となるレイヤに辿り着くような処理を行うことも可能である。このような場合、所望のレイヤに辿り着いた後、電子顕微鏡の視野を高倍率に設定して、目的とする測定を実行するようにすると良い。
装置条件生成モジュール１００４は、以上のようにして求められた座標情報や差分情報に基づいて、ステージや視野移動用偏向器の制御信号を設定し、測定時の装置の制御信号を生成する。
上述のように、凹部（加工痕）を低倍率で観察すると図１３（ｃ）左のような縞模様が見られる。縞の本数は多層膜の層数に等しく、凹部の外側から内側へ向かって、多層膜の上層から下層に対応する。
また、上述のようにして求められる各層に対応する座標情報（ウエハ（ステージ）座標）を記憶しておくことによって、同じ条件で生成されたウエハの測定に際し、所望のレイヤ情報を設定するだけで、走査電子顕微鏡の装置条件の設定が可能となる。本実施例では設計データとして記憶されている各層の厚さ情報から、ウエハ（ステージ）位置と加工深さの関係を算出し、この結果に基づいて、観察・計測位置算出部においてウエハ面内複数のウエハ観察位置（ｘ、ｙ）を求めることによって、イオンミリング装置による加工で露わになった各レイヤに属するパターンの高精度測定を行うことが可能となる。
次に、上記複数のウエハ観察位置の各々に対して、高倍率でＳＥＭ像を取得し、上記像内のチャンネルホールパターンの寸法、真円度、及びこれらのばらつき量を計測した（図１３（ｃ）右）。取得したＳＥＭ像は記憶装置に転送して保存した。これにより、各層番号毎のホール寸法と各層の深さの関係（図１３（ｄ））を求め、チャンネルホールの断面加工形状等を推定した。又、深さ別に寸法および真円度のばらつきのウエハ面内分布を求めた。これにより、ウエハ周縁部におけるエッチング不良等を検知することができた。
上述のようなイオンミリング加工によって、多層膜に含まれるパターン情報を、層単位で２次元的に配列したような評価用試料を生成することができ、且つチップ単位、或いは露光単位毎に同じ条件で加工を行うことができるため、パターンの出来栄えに関するウエハの面内分布を適正に評価することが可能となる。
次にロジックデバイスを計測した例について説明する。試料は、３００ｍｍウエハの全面に形成されたチップサイズ約１ｃｍ角のロジックデバイスで、各チップの面積の２割程度をＳＲＡＭメモリセルが占める。ここでは、上記デバイスの製造プロセスの途中で、いわゆるＦｉｎ型ＣＭＯＳデバイスのリプレイスメタルゲートプロセスが完了し、ソース・ドレイン・ゲートへのコンタクトホール形成を行う前の時点でのウエハを以下のように観察・計測した。
ＳＲＡＭのデバイス領域では、例えばピッチ４０ｎｍで１次元方向に伸びる幅１０ｎｍ程度のＳｉフィンの繰り返しパターンと、これと直交してピッチ６０ｎｍで１次元方向に伸びる幅２０ｎｍ程度のメタルゲートパターンが存在し、Ｓｉフィン間、メタルゲート間は絶縁膜が埋めこめられている。メタルゲートの存在しない部分のＳｉフィン上にはソース・ドレインとしてシリコンエピパターンが形成され、Ｓｉフィンとメタルゲート間にはゲート絶縁膜、メタルゲートとソース・ドレイン間にはスペーサ絶縁膜が存在する。
まず、図１７に例示するようにミリング用マスクとして半径１ｍｍの開口が、チップと同じピッチで配列されたマスク５１３をイオンミリング装置に取り付けてミリング加工を行い、各チップのＳＲＡＭセル領域に対応する位置にテーパー部を有する孔を形成した。
マスクに形成された開口は、チップ或いは露光装置のショットと同じピッチで配列されている。上記マスクのエッジが、ＳＲＡＭセル領域の中心に重なるように開口位置を調整してマスクを取り付けることによって、各開口を通過したイオンビームによるテーパー部の中心部のいずれもが、ＳＲＡＭセル領域のほぼ中心に重なるようになる。
なお、加工の際には厚さ０．１５ｍｍのミリング用マスクを、ウエハとアライメントしつつウエハ－マスク間隙０．１ｍｍを保つようにウエハステージに固定した後、ミリングチャンバーにロードし、ステージ角度を開口ビーム方向とステージ（ウエハ表面）の成す角度が３０度となるように設定した。
次に上記ステージを自転させるとともに、イオンビームをウエハに照射した。これにより幅約０．２ｍｍのテーパー部がマスクエッジの下部に形成された。
ミリング深さは各開口の中心部で最大となる。上記深さが５００ｎｍとなるまで、ミリングを行った。この結果、ウエハ面内のマスク開口に対応する位置に周囲に幅０．６ｍｍのテーパー部を持つ底部直径約１．２ｍｍ、深さ５００ｎｍの凹部が複数個形成された。
以上のような加工が施されたウエハを、図８に例示したような走査電子顕微鏡の試料室に導入し、加工部の画像を取得すると図１３（ｃ）に例示したような縞模様が確認できる。縞模様を構成する各ラインの輝度は、当該ラインに含まれる材質に応じて変化する。例えば、図１８（ａ）に例示するマルチチャンネルＦＥＴがテーパー部１７０１に含まれている場合、Ａ断面にはメタルゲート１８０２とメタルゲート１８０２を包囲する層間絶縁膜（ＳｉＯ２）が含まれている。なお、ＦＥＴの構造の理解のために、図１８（ａ）は層間絶縁膜がない状態を示している。
また、Ｂ断面にはダミーゲート１８０２、フィン１８０１（シリコン）、絶縁膜１８０３（ＳｉＮ）、及び層間絶縁膜が含まれている。更に、Ｃ断面には、酸化膜１８０４とフィン１８０１が含まれている。
イオンミリング装置によって緩斜面加工を行うと、試料表面から、Ａ断面、Ｂ断面、Ｃ断面の順でライン状に加工面上に現れることになる。更に、上述のように各断面に含まれる材質の組み合わせはそれぞれ異なるため、電子ビームを照射したときの２次電子発生効率δの違いに応じて、各ラインの輝度が変化し、上述のような縞模様が見えることになる。
本実施例では、加工面に現れた複数のラインパターン（縞模様）の画像を取得し、当該画像を用いて所望の測定、検査個所に視野を到達させる方法、及び装置について説明する。
まず、第１の手法として、図１９に例示するようなテンプレート画面１９０１を予め記憶しておき、テンプレートマッチング後、これも予め記憶されたテンプレート座標１９０３と目的個所１９０２との距離情報に基づいて、目的個所に視野を位置付けることが考えられる。
また、第２の手法として、実施例１で説明したように、ラインの数をカウントし、その数が所望の数に到達した位置を目的位置として視野を位置付けることが考えられる。
更に、第３の手法として、低倍率のテンプレートマッチング用の画像（測定や検査に用いる画像よりは視野の大きな画像）を取得することなく、測定倍率に近い高倍率画像の取得に基づいて、目的個所に視野を位置付けることが考えられる。図２０は、走査電子顕微鏡を用いた半導体デバイスの測定工程を示すフローチャートである。制御装置８１４は、予め記憶された動作プログラムに従って、走査電子顕微鏡の各制御対象を制御する。
制御装置８１４は、まず、測定対象の座標情報、或いは加工位置の座標情報等に基づいてステージ８０８や視野移動用偏向器を用いて、視野移動を行う（ステップ２００１）。視野移動後、ビーム走査に基づいて画像を取得する（ステップ２００２）。図１８（ｂ）（ｃ）（ｄ）は、Ａ断面、Ｂ断面、Ｃ断面のそれぞれで得られる高倍率画像の一例を示す図である。例えば、Ａ断面の高倍率画像には、ダミーゲート１８０２と、ダミーゲートを包囲する層間絶縁膜１８０５が含まれている。次に得られた画像について、特徴量抽出、或いは予め登録されたテンプレートを用いたパターンマッチングを行い、その特徴量やマッチングスコアの判定を行う（ステップ２００３、２００４）。特徴量は、例えばパターンの寸法値やＥＰＥ(Ｅｄｇｅ Ｐｌａｃｅｍｅｎｔ Ｅｒｒｏｒ)値である。
仮に、目標とする視野位置が、Ｃ断面が現れた領域にある場合に、ステップ２００２でＡ断面の画像が取得されたと仮定する。Ａ断面の画像について特徴量（寸法値）を求めるべく、ｘ方向のラインプロファイルを形成し、ピーク間の寸法値を出力する処理を行うと、フィン１８０１の寸法値が出力されるＣ断面の画像とは異なる値が出力される。よって、特徴量が一致する、或いは所定の範囲に含まれるか否かの判断に基づいて、ステップ２００２で取得された画像が目的位置の画像か否かを判定することができる。
また、Ｃ断面の画像をテンプレートとして登録しておき、テンプレートマッチングによるスコア評価に基づいて、目的位置の画像か否かを判定するようにしても良い。更に複数のテンプレート（本実施例の場合、Ａ、Ｂ、Ｃ断面のテンプレート）を用意し、複数回テンプレートマッチングを行うことによって、現在の視野位置がＡ～Ｃのいずれの断面位置に位置しているのか、特定するようにしても良い。
特徴量やスコアが所定の条件を満たす場合（目的位置に視野が位置付けられている場合）は、当該位置、当該位置から所定距離離間した位置で画像を取得し、当該画像を用いた測定を実施する（ステップ２００５）。また、ステップ２００２で取得した画像を用いて測定を行うようにしても良い。
ステップ２００４で所定の条件を満たさないと判断される場合（目的位置に視野が位置付けられていない場合）は、目的位置に向かって視野移動を行う処理を行うが、視野移動とスコア判定のリトライ回数が所定回数を超えるような場合、加工が適正になされておらず、適切な画像を取得することが困難である場合等が考えられるため、エラー処理（ステップ２００７）を行い、装置を停止させるようにしても良い。
また、ステップ２００８では、目標位置と現在の位置との間の距離が判明している場合（例えば、現在の視野がどの断面に位置付けられているかマッチング等により判明しており、断面間距離も予め判明している場合）は、その距離分視野移動する。更に、不明である場合は、所定距離の移動を繰り返して、目的位置に視野を位置付けるようにしても良い。
本実施例によれば、複数の高さのｘ－ｙ方向の断面図が広範囲に亘って可視化された加工面上で、画像処理に基づいて所望のパターンの特定を行うことができるので、種々の高さのパターンの出来栄えの評価を容易に行うことが可能となる。
さらに、同一縞領域内のテーパー上部と下部の計測結果の差から、あるレイヤのパターンの高さ方向の変化を知ることができる。
次に、イオンミリング装置で形成された加工面に対する電子ビーム照射に基づいて、加工面の元素分析を行う例について説明する。このような分析を実現するために、図８に例示するような走査電子顕微鏡には、電子を検出する検出器８１３の他に、エネルギー分散型Ｘ線分析（Ｅｎｅｒｇｙ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ Ｘ－ｒａｙ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ：ＥＤＸ）用の検出器が設置される。
図２１はＥＤＸ分析条件を設定するＧＵＩ画面の一例を示す図である。ＧＵＩ画面内には、ＳＥＭ画像表示領域２１０１、分析結果表示領域２１０２、測定対象チップ設定領域２１０３が含まれている。
図２２は、ＥＤＸ分析を行う作業工程を示すフローチャートである。まず、図５に例示したようなイオンミリング装置を用いて、テーパー部を形成するような加工を実行する（ステップ２２０１）。このとき図６に例示したマスク５１３をイオンミリング装置に取り付けた状態で加工を行うことによって、ウエハの各チップの同じ個所にテーパー部を形成する。次に加工部（テーパー部）のＳＥＭ画像を取得する（ステップ２２０２）。ステップ２２０２では、後の自動測定のために、１のチップのテーパー部に視野を位置付け、テーパー部に縞模様が表示される程度の倍率で画像を取得する。制御装置８１４は、この取得画像を、ＳＥＭ画像表示領域２１０１に表示させる。
さらに、実施例１又は２に示したのと同様の方法により、所望のレイヤの回路パターンの分析したい部分を含む高倍率画像を取得して、ＳＥＭ画像表示領域２１０１に表示させてもよい。
次に、図２１に例示したようなＧＵＩ画面から分析条件を設定する（ステップ２２０３）。ＧＵＩ画面ではＳＥＭ画像表示領域２１０１上でＥＤＸ分析対象となる分析対象部位２１０４を設定する。制御装置８１４は、この設定に基づいて座標情報が関連付けて記憶されているＳＥＭ画像で分析対象部位の座標を特定し、動作条件として登録する。また、サンプリングポイントの数の設定によって、部位２１０４の中の分析点数を決定する。また、測定対象チップ設定領域２１０３で分析対象となるチップを選択する。図２１のＧＵＩ画面上では、中央と左右の３つのチップが選択されている例を示している。制御装置８１４は、選択されたチップのそれぞれについて同じ個所を分析対象とするように座標情報を設定する。
以上のようにして設定された分析条件を走査電子顕微鏡の自動分析条件として所定の記憶媒体に登録する（ステップ２２０４）。
制御装置８１４は登録された分析条件に基づいて、ＥＤＸ分析を実施する（ステップ２２０５）。制御装置８１４は、ＥＤＸ用検出器の出力に基づいて、各元素に対応する特性Ｘ線の強度（カウント数）を検出することで、含有元素の濃度を求める。
以上の工程を経て得られた分析結果を図２１に例示するようなＧＵＩ画面上に表示する（ステップ２２０６）。図２１の例では、３つのチップの部位２１０４に対応する複数位置での分析結果を分析結果表示領域２１０２に表示している。分析結果表示領域２１０２には、横軸を部位２１０４内の位置、縦軸を特性Ｘ線の強度とするグラフが表示されている。分析対象部位２１０４は傾斜加工面に設定されているため、分析結果表示領域２１０２には、高さの変化に伴う各元素の含有量の推移が表示されることになる。このような表示を行うことによって、高さごとの特定元素の含有量のばらつきを視覚化することが可能となる。図２１の例では、元素Ａが特定高さ２１０５でばらついていることがわかる。
緩斜面加工を行うことによって、高さ方向（ｚ方向）の情報をｘ－ｙ平面内で視覚化でき、更に高さ方向の変位に伴う特定元素の含有量の変化を容易に視覚化することが可能となる。
５０１…プラズマ生成部、５０２…イオン源、５０３…プラズマ電極、５０４…引出電極、５０５…接地電極、５０６…イオンビーム、５０７…試料ホルダ、５０８…ウエハ、５０９…回転軸、５１０…回転機構、５１１…傾斜機構、５１２…移動機構、５１３…マスク、５１４…取り付け機構、５１５…制御装置、５１６…ミリングチャンバー、８０１…電子源、８０２…引出電極、８０３…電子ビーム、８０４…コンデンサレンズ、８０５…走査偏向器、８０６…対物レンズ、８０７…試料室、８０８…試料台、８０９…試料、８１０…電子、８１１…二次電子、８１２…変換電極、８１３…検出器、８１４…制御装置、８１５…Ａ／Ｄ変換器、８１６…画像処理部、８１７…ＣＰＵ、８１８…画像メモリ、８１９…記憶媒体、８２０…ワークステーション、９０１…走査電子顕微鏡、９０２…イオンミリング装置、９０３…レシピ生成装置、９０４…設計データ記憶媒体、９０５…入力装置

Claims (17)

  1. 複数の層が積層された試料に含まれる対象層、或いは複数の層で構成されたパターンの画像を形成する方法であって、
    前記試料表面の法線方向の軸を回転軸として前記試料を回転させつつ、前記試料から離間した位置に設置されると共にイオンビームを選択的に通過させる開口を有するマスクを介して、前記法線方向に対して傾斜した方向から前記試料に向かってイオンビームを照射することによって、試料表面に対して傾斜する帯状の傾斜面を持つ穴を形成し、当該帯状の傾斜面に荷電粒子ビームを照射し、当該照射に基づいて得られる荷電粒子を検出し、当該荷電粒子の検出に基づいて、前記傾斜面に含まれる複数の異なる帯状の輝度領域を含む第１の画像を生成し、当該第１の画像を用いて、前記対象層、前記複数の層で構成されたパターンが含まれる輝度領域、或いは前記複数の層で構成されたパターンを特定する方法。
  2. 請求項１において、
    前記マスクと前記試料の相対的な位置関係を固定した状態で、前記試料を回転させる方法。
  3. 請求項２において、
    前記マスクは板状体であって、当該板状体の前記試料表面の対向面と、前記試料表面を平行とした状態で、前記試料を回転させる方法。
  4. 請求項３において、
    前記板状体には複数の開口が設けられている方法。
  5. 請求項４において、
    前記試料は半導体ウエハであって、前記板状体の複数の開口は、前記半導体ウエハに含まれる複数のチップの対応する位置に前記穴を形成するように設けられている方法。
  6. 請求項１において、
    予め登録された縞模様が表示されたテンプレート画像と、前記第１の画像との間でテンプレートマッチングを実行することによって、前記対象層、前記複数の層で構成されたパターンが含まれる輝度領域、或いは前記複数の層で構成されたパターンを特定する方法。
  7. 請求項１において、
    前記第１の画像に含まれる複数の異なる帯状の輝度領域の数をカウントすることによって、前記対象層、前記複数の層で構成されたパターンが含まれる輝度領域、或いは前記複数の層で形成されたパターンを特定する方法。
  8. 請求項１において、
    前記複数の異なる帯状の輝度領域の帯の長手方向に交差する方向に、前記荷電粒子ビームの照射位置を移動させつつ、各照射領域にて画像を取得し、当該各照射領域にて取得された画像から得られる特徴量が、所定の条件を満たす輝度領域に対するビーム照射に基づいて、前記傾斜面上に現れたパターンの測定を実行する方法。
  9. 請求項１において、
    前記複数の異なる帯状の輝度領域の帯の長手方向に交差する方向に、前記荷電粒子ビームの照射位置を移動させつつ、各照射領域にて画像を取得し、当該各照射領域にて得られる画像と、予め登録されたテンプレートとの間でパターンマッチングを実行し、マッチングスコアが所定の条件を満たす輝度領域に対するビーム照射に基づいて、前記傾斜面上に現れたパターンの測定を実行する方法。
  10. ウエハにビームを照射するように構成され、ウエハからの信号に応じた出力を発生するビーム照射サブシステムと、コンピュータサブシステムを備えた画像形成システムであって、
    前記コンピュータサブシステムは、試料上に形成された帯状の傾斜面に対する荷電粒子ビームの照射に基づいて形成される第１の画像を受け取り、当該第１の画像と、予め登録された複数の異なる帯状の輝度領域が表示されたテンプレート画像との間でテンプレートマッチングを実行し、当該テンプレートマッチングによって特定された位置と既知の位置関係にある帯状の輝度領域に、前記ビーム照射サブシステムの視野を位置付けるように、前記ビーム照射サブシステムを制御する画像形成システム。
  11. 請求項１０において、
    前記ウエハ表面の法線方向に対して傾斜した方向からイオンビームを照射するイオン源と、前記法線方向に回転軸を持つ回転ステージと、当該回転ステージに取り付けられ、前記イオンビームを部分的に通過させる開口を有するマスクを有するイオンビーム装置を備え、
    前記コンピュータサブシステムは、前記イオンビーム装置によって形成された帯状の傾斜面に、前記ビームが照射されるように、前記ビーム照射サブシステムを制御することを特徴とする画像形成システム。
  12. ウエハにビームを照射するように構成され、ウエハからの信号に応じた出力を発生するビーム照射サブシステムと、コンピュータサブシステムを備えた画像形成システムであって、
    前記コンピュータサブシステムは、試料上に形成された帯状の傾斜面に対する荷電粒子ビームの照射に基づいて形成される第１の画像を受け取り、当該第１の画像に含まれる複数の異なる帯状の輝度領域の数をカウントし、所定カウント数の輝度領域に、前記ビーム照射サブシステムの視野を位置付けるように、前記ビーム照射サブシステムを制御する画像形成システム。
  13. 請求項１２において、
    前記ウエハ表面の法線方向に対して傾斜した方向からイオンビームを照射するイオン源と、前記法線方向に回転軸を持つ回転ステージと、当該回転ステージに取り付けられ、前記イオンビームを部分的に通過させる開口を有するマスクを有するイオンビーム装置を備え、
    前記コンピュータサブシステムは、前記イオンビーム装置によって形成された帯状の傾斜面に、前記ビームが照射されるように、前記ビーム照射サブシステムを制御することを特徴とする画像形成システム。
  14. ウエハにビームを照射するように構成され、ウエハからの信号に応じた出力を発生するビーム照射サブシステムと、コンピュータサブシステムを備えた画像形成システムであって、
    前記コンピュータサブシステムは、試料上に形成された帯状の傾斜面に対する荷電粒子ビームの照射に基づいて形成される第１の画像を受け取り、当該第１の画像に含まれる複数の異なる帯状の輝度領域の長手方向に対し、交差する方向に視野を移動させつつ、各照射領域にて画像を取得し、当該各照射領域にて取得された画像から得られる特徴量が、所定の条件を満たす輝度領域、或いは前記各照射領域にて得られる画像と、予め登録されたテンプレートとの間で実行されるパターンマッチングによって得られるマッチングスコアが所定の条件を満たす輝度領域に対するビーム照射に基づいて、前記傾斜面上に現れたパターンの測定を実行するように前記ビーム照射サブシステムを制御する画像形成システム。
  15. 請求項１４において、
    前記ウエハ表面の法線方向に対して傾斜した方向からイオンビームを照射するイオン源と、前記法線方向に回転軸を持つ回転ステージと、当該回転ステージに取り付けられ、前記イオンビームを部分的に通過させる開口を有するマスクを有するイオンビーム装置を備え、
    前記コンピュータサブシステムは、前記イオンビーム装置によって形成された帯状の傾斜面に、前記ビームが照射されるように、前記ビーム照射サブシステムを制御することを特徴とする画像形成システム。
  16. ビームの照射方向に平行な平行ビームを照射するイオンビーム源と、
    前記平行ビームが照射されるウエハを保持すると共に、前記平行ビームの照射方向に対して傾斜した回転軸を持つ回転ステージと、
    前記ウエハと前記イオンビーム源との間であって、前記ウエハから離間した位置に設置されると共に、前記平行ビームを部分的に通過させる複数の開口を有するマスクと、
    前記回転ステージの回転時に前記マスクと前記ウエハとの間の相対的な位置を固定した状態で、前記マスクを支持する支持部材を備えたことを特徴とするイオンミリング装置。
  17. 請求項１６において、
    前記複数の開口は、前記ウエハに形成されたチップと同じピッチ間隔で形成されていることを特徴とするイオンミリング装置。
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