JP7199290B2 - パターン断面形状推定システム、およびプログラム - Google Patents

Description

本開示は、パターン断面形状推定システム、およびプログラムに関する。

半導体パターンの微細化および高集積化に伴って、僅かな形状差がデバイスの動作特性に影響を及ぼすようになり、形状管理のニーズが高まっている。そのため、半導体の検査・計測に用いられる走査電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）には、高感度、高精度が従来に増して求められるようになっている。

近年のパターン微細化に加え、高さ方向にデバイスを積み上げる高アスペクト比化の進展に伴い、３次元構造の計測ニーズが高まってきている。またパターン寸法の微細化にともなって、パターン側壁の形状がデバイス特性に与える影響が増加し、検査・計測ニーズが増加している。パターンの側壁形状は、通常ウェハを割り、断面観察用の試料を作製し、ＴＥＭ等で観察する事が多い。これは破壊検査であること、および断面観察用の試料作製に時間とコストが掛かる点から、非破壊での検査ニーズが増加している。

非破壊での検査方法の一つとして、ＳＥＭを用いた検査方法がある。ＳＥＭを活用した検査・計測法に関して、以下の方法が各特許文献に開示されている。
例えば、特許文献１には、加速電子のエネルギーを変更し、エッジピークの位置の変化を計測することで、エッジ形状や側壁形状を判定する方法が開示されている。
特許文献２には、低角のＢＳＥおよびＳＥ、または低角のＢＳＥと高角のＢＳＥを同時に検出して信号波形を求め、ホールの穴径を上部と下部で検出して側壁傾斜状態等をモニターする方法が開示されている。
特許文献３には、ＳＥＭの信号波形と形状のデータベース（ライブラリー）を予め作成し、得られた信号波形を照合することで形状を推定する方法が開示されている。また、特許文献４には、荷電粒子線をチルトさせて照射することにより、側壁形状の情報を得る方法が開示されている。

特開２０１７－０６２１７４号公報 特開２０１５－１０６５３０号公報 特開２０１１－０３３４２３号公報 特開２０１３－０６９６９３号公報

特許文献１に開示の技術によれば、荷電粒子線の複数の照射エネルギーで取得した画像から、パターンの側壁形状を推定することができる。しかし、特許文献１による技術を用いたとしても深さに対応した形状推定を行うことはできない。また、照射エネルギーを変更しながら画像を取得することは、荷電粒子線の加速の変更の度に荷電粒子線のフォーカス調整等を行う必要があり、計測スループット、計測再現性の面で課題がある。さらに、照射エネルギーを連続的に変えることは難しいため、ボーイングなど側壁形状の複雑さによっては、情報を取りこぼす可能性がある。

特許文献２に開示の技術によれば、低角のＢＳＥおよびＳＥ、または低角のＢＳＥと高角のＢＳＥを同時に検出して信号波形を求める。これにより、ホールの穴径を上部と下部で検出して側壁傾斜状態等をモニターすることができる。また、低角のＢＳＥ信号のみからも穴の上下部での穴径と側壁傾斜度が推定可能である。特許文献２では、確かに、穴底と表面の穴径から側壁のテーパー角を推定することができるが、実際にはボーイングなどの測定はできず、また、逆テーパーの場合の側壁傾斜角度の推定は困難である。

特許文献３に開示の技術によれば、ＳＥＭで複数の信号取得条件で取得したラインプロファイル形状をライブラリデータと比較する。これにより、高精度に断面形状（側壁角度等）を推定することができる。複数の条件は照射条件、検出条件を含み、検出条件は放出方向、エネルギー選択等を含むが、検出器は限定され、装置やパターンごとにライブラリデータを作成する必要があり、形状推定プロセスが非常に煩雑である。

特許文献４に開示の技術によれば、ＳＥＭを用いて試料を斜め方向から観察ことにより、３次元の形状を推定することができる。順テーパーのついたパターンに関しては、斜めからビームを照射することで、側壁の情報を得ることが可能である。しかし、高アスペクト比サンプルではビームを傾斜する角度が限定的となってしまい、また、逆テーパーのパターンに対してはビームをあてることができない条件が発生する可能性が高い。

本開示はこのような状況に鑑みてなされたものであり、上述したような従来技術の課題を解決し、簡便に、形成されたパターンの断面形状を推定する技術を提供する。

上記課題を解決するために、本開示は、通常の電子線照射で得られる検出電子を角度（仰角）で分離することにより得られる角度弁別画像を用いてパターンの断面形状を推定する技術を提供する。その一態様として、本開示は、荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームを走査する走査偏向器と、試料に対する前記荷電粒子ビームの走査に基づいて得られる荷電粒子を検出する検出器と、検出器の前段に配置され、検出すべき荷電粒子を角度で弁別する角度弁別器と、を含む荷電粒子線装置と、検出器の出力に基づいて画像の輝度を生成し、当該輝度を用いて画像上の指定された領域の信号波形を演算する演算装置と、を備え、演算装置は、異なる検出角度の信号電子を用いて複数の角度弁別画像を生成し、各角度弁別画像の信号波形から算出したパターン寸法の検出角度に対する変化に基づいて測定対象パターンの側壁形状を推定する、パターン断面形状推定システムを提供する。

本開示に関連する更なる特徴は、本明細書の記述、添付図面から明らかになるものである。また、本開示の態様は、要素及び多様な要素の組み合わせ及び以降の詳細な記述と添付される特許請求の範囲の様態により達成され実現される。
本明細書の記述は典型的な例示に過ぎず、本開示の特許請求の範囲又は適用例を如何なる意味においても限定するものではない。

本開示によれば、形成されたパターンの断面形状を容易に推定することが可能となる。

本実施形態による半導体計測システム（断面形状推定システムともいう）１の概略構成例を示す図である。 本実施形態による、荷電粒子線装置の一種である走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）１０の概略構成例を示す図である。 本実施形態によって推定する断面形状を有するパターン例を示す図である。 順テーパー形状および逆テーパー形状から得られた信号波形を示す図である。 寸法導出時の閾値を示す図である。 検出角度に対する各パターンの信号値の寸法変化を示す図である。 本実施形態によるパターン断面形状推定処理の詳細を説明するためのフローチャートである。 順テーパーの溝パターン例を示す図である。 各溝パターンにおける各閾値での検出角に対する寸法比の変化を示す図である。 信号電子絞り１１０と信号電子偏向器１０７を用いて仰角弁別を行う場合に用いられる信号電子絞り１１０の構成例を示す図である。 周方向および径方向に分割された直接検出器の構成例を示す図である。 推定したパターンの断面形状を表示するＧＵＩ画面の構成例を示す図である。

本実施形態は、特定の角度幅の電子を検出した複数の角度弁別画像の信号波形の変化を基にパターン（半導体デバイスの微細パターン）の３次元形状を推定する技術に関する。例えば、通常の電子線照射で得られる検出電子を、角度（仰角）で分離した角度弁別画像を用いることにより、簡便にパターンの断面形状を推定することができるようになる。

半導体デバイスの微細パターンを高精度に計測・検査する装置として、走査電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope）のニーズが高まっている。走査電子顕微鏡は、試料から放出された電子を検出する装置であり、このような電子を検出することによって信号波形を生成し、例えばピーク（パターンエッジ）間の寸法を測定する。近年、半導体デバイスの微細化とともに、FinFET、Nanowireなどのようなデバイス構造の複雑化のトレンドがある。上記に伴い、パターンの側壁状態がデバイスの電気特性に影響を与えるケースが増加し、プロセス開発および量産時の側壁形状管理の重要性が高まっている。

一方で、走査電子顕微鏡によるTopView画像を用いて側壁形状判定を行うのは困難である（例えば、パターンの側壁が逆テーパーであった場合、電子線が直接側壁に照射されない）。このため、断面を割り、ＴＥＭ等でパターン形状を確認するという破壊検査が採用されている。さらに、前述したデバイス構造の複雑化が進むことで、パターンの断面形状を確認するニーズは増えており、断面形状観察による開発期間の長期化とコスト増加が課題となっている。

このような課題に対し、以下の本実施形態では、走査電子顕微鏡によるTopView画像により、非破壊でパターンの断面形状（深さ方向の断面形状）を推定し、推定される断面形状をオペレータに提示する技術について説明する。

具体的には、荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームを走査する走査偏向器と、検出する電子の角度を弁別するための信号電子絞りと信号電子集束レンズと、電子を集束させる電圧もしくは電流を制御する制御部と、試料に対する前記荷電粒子ビームの走査に基づいて得られる荷電粒子を検出する検出器と、当該検出器の出力に基づいて画像の輝度を生成し、当該輝度を用いて画像上の指定された領域の輝度比を演算する演算装置を備える半導体計測システムであって、
異なる信号電子を検出した複数の角度弁別画像を用いて、検出電子の角度に対する信号波形の寸法の変化量から、パターンの各深さにおけるテーパー角情報（断面形状）を推定するシステムについて説明する。このような構成によれば、ＳＥＭによるTopView観察であっても、検出角度に対する信号波形の寸法値変化の傾向を評価することで、テーパー形状、テーパー角（順テーパー、逆テーパー、ボーイング等）の推定が可能となる。本実施形態では、主に、ＳｉのＬ＆Ｓ（Line & Space）パターンの断面形状推定について説明するが、当該パターンに限定されるものではない。

＜半導体計測システムの構成例＞
図１は、本実施形態による半導体計測システム（断面形状推定システムともいう）１の概略構成例を示す図である。

半導体計測システム１は、荷電粒子線装置の一種である走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）１０と、演算処理装置２０と、走査電子顕微鏡１０を制御する制御装置３０と、設計データなどを格納する設計データ記憶装置４０と、入出力装置５０と、を備えている。

制御装置３０は、走査電子顕微鏡１０の各構成を制御すると共に、検出された電子に基づいて画像を形成する機能や、各画像からパターンのエッジ位置を導出する機能、複数の画像間でエッジ位置の変化量を導出する機能を備えている。

演算処理装置２０は、制御装置３０に所定の制御信号を供給したり、走査電子顕微鏡１０によって得られた信号の信号処理を実行したりする演算処理部２０１と、得られた画像情報や、レシピ情報を記憶するメモリ（記憶デバイス）２０２とを備えている。なお、本実施形態では、制御装置３０と演算処理装置２０とが別体のものとして構成されているが、一体型の制御装置（演算装置）であっても良い。

偏向器（走査偏向器）１０４によるビーム走査によって、試料から放出された電子、或いは変換電極にて発生した電子は、検出器１０９や検出器１１３（１１３については図２参照）によって捕捉され、制御装置３０に内蔵されたＡ／Ｄ変換器（図示せず）でデジタル信号に変換される。そして、当該デジタル信号は、演算処理装置２０に内蔵されるＣＰＵ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ等（図示せず）の画像処理ハードウェアによって、目的に応じて、画像処理される。

演算処理部２０１は、入出力装置５０によって入力された測定条件等に基づいて、偏向器１０４の走査条件等の測定条件を設定する測定条件設定部２０１１と、走査電子顕微鏡１０によって得られた画像データから、入出力装置５０によって入力（指定）されたＲＯＩ（Region Of Interest：対象領域）内のプロファイルを算出する画像特徴量演算部２０１２と、を備えている。

また、演算処理部２０１は、入出力装置５０によって入力された条件によって、設計データ記憶装置４０から設計データを読み出し、必要に応じて、ベクトルデータからレイアウトデータに変換する設計データ抽出部２０１３と、取得された角度弁別画像の信号波形に基づいて、パターンの断面形状を推定する断面形状推定部２０１４と、を備えている。

断面形状推定部２０１４は、画像特徴量演算部２０１２で求めた各角度弁別画像からオペレータが指定した複数の領域の信号波形を算出する。また、断面形状推定部２０１４は、検出角度に対する信号波形の寸法値の変化から、推定されるパターン断面形状を導出する。

演算処理装置２０とネットワークを経由して接続される入出力装置５０は、表示装置を含み、オペレータに対して画像や推定される断面形状等を表示するＧＵＩを当該表示装置の表示画面上に表示する。例えば、推定される断面形状は、画像データや設計データとともに３次元マップとして表示することが可能となっている。

＜走査型電子顕微鏡の構成例＞
図２は、本実施形態による、荷電粒子線装置の一種である走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）１０の概略構成例を示す図である。

走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）１０は、電子銃（電子源）１０１と、コンデンサレンズ１０３と、偏向器（走査偏向器）１０４と、対物レンズ１０５と、信号電子偏向器１０７と、信号電子集束レンズ１０８と、検出器（第１検出器）１０９と、信号電子絞り１１０と、信号電子偏向器１１１と、エネルギーフィルタ１１２と、検出器（第２検出器）１１３と、試料ステージ１１５と、を備えている。

コンデンサレンズ１０３は、電子銃１０１で発生した電子線１０２（電子ビーム）を集束させる。最終的に、対物レンズ１０５が、電子線１０２を試料１０６上に集束させる。偏向器１０４（走査偏向器）は、電子線１０２を試料１０６の電子線走査領域の上を走査させる。電子線１０２（１次電子）を試料１０６上で２次元的に照射および走査すると、照射によって試料１０６内で電子が励起され、試料１０６から信号電子１１４が放出される。

検出器１０９および検出器１１３は、放出された信号電子１１４を検出する。検出された信号電子が画像に変換されることで、試料の観測・計測を行うことができるようになる。試料１０６から放出された信号電子１１４は、信号電子偏向器１０７および信号電子集束レンズ１０８を通じて、信号電子絞り１１０を通過する電子と衝突する電子に分けられる。

信号電子絞り１１０に衝突した電子は、３次電子を発生させ、その電子（３次電子）は検出器（第１検出器）１０９で検出される。信号電子絞り１１０を通過した電子は、信号電子偏向器１１１を通じて検出器（第２検出器）１１３に向けて偏向される。検出器（第２検出器）１１３の前段には、エネルギーによる信号電子の弁別が可能なエネルギーフィルタ１１２が設けられており、フィルタを通過した電子が検出器（第２検出器）１１３によって検出される。

信号電子集束レンズ１０８は、信号電子１１４の広がり（集束）を制御する。また、信号電子絞り１１０は、信号電子１１４を角度で分離する。これら２つによって、信号電子１１４の角度を制御する機能が実現される。信号電子絞り１１０は、光軸上（光軸に沿うように）に穴を有している。信号電子集束レンズ１０８によって信号電子の広がりを制御することで、信号電子絞り１１０に設けられた穴を通過する電子の角度を調整することができるようになる。

走査型電子顕微鏡１０に接続された制御装置３０（図１参照）は、走査型電子顕微鏡１０の各光学素子１０３、１０４、１０５および１０７の制御および信号電子集束レンズ１０８の制御、およびエネルギーフィルタ１１２に印加する電圧の制御を行う。信号電子集束レンズ１０８は、静電レンズもしくは磁場レンズのいずれであっても良い。また、試料１０６を載置するための試料ステージ１１５には図示しない負電圧印加電源が接続されており、制御装置３０は、当該負電圧印加電源を制御することによって、電子ビームの試料への到達エネルギーをコントロールする。

なお、この形態に限られることはなく、電子線１０２を加速するための加速電極と電子源との間に接続される加速電源を制御することによって、電子ビームの試料への到達エネルギーをコントロールするようにしても良い。さらに、図２に例示する走査型電子顕微鏡１０は、画素ごとに検出信号を記憶する画像メモリ（図示せず）を備えており、検出信号を当該画像メモリに記憶する。

走査型電子顕微鏡１０に接続された演算処理装置２０は、走査型電子顕微鏡１０の画像メモリに記憶された画像データに基づいて、パターンの断面形状推定を実行する。より具体的には、検出角度で弁別した条件ごとに、画像の各画素に記憶された輝度情報に基づいて、オペレータが指定した領域の信号波形を算出し、信号波形からパターンの寸法を導出する。その後、検出角度に対する信号値の寸法の変化から、各深さでのテーパー角度を推定する。この際、得られた結果を、構造が既知の実験データもしくはモンテカルロ法などの電子線散乱シミュレーション結果と照合することにより、パターンの構造を推定してもよい。

＜断面形状が推定可能なパターン例＞
図３は、本実施形態によって推定する断面形状を有するパターン例を示す図である。なお、断面形状推定が可能なのは図３で示すパターン例に限定されるものではない。

図３には、５種類のパターンが示されている。本実施形態では、Ｓｉで構成される溝パターンを対象とし、側壁の形状をパラメータとした。図３（ａ）はストレート形状、図３（ｂ）は順テーパー、図３（ｃ）はストレートと順テーパーの組み合わせ、図３（ｄ）は逆テーパー、図３（ｅ）はボーイング形状をそれぞれ示している。

パターンのサイズは図３に示す通りであり、図３（ｃ）と図３（ｅ）に関しては、中間の深さである５０ｎｍから形状を変更した。以上の５種類のパターンにおける断面形状推定について説明する。

各パターンに対して、５ｋｅＶの１次電子で照射する電子線散乱シミュレーションを実施した。信号電子絞り１１０によって、試料１０６から放出される電子を分離し、検出器１０９および１１３でそれぞれ信号電子を検出することにより、図４に示される信号波形が得られた。

図４は、順テーパー形状および逆テーパー形状から得られた信号波形を示す図である。信号波形は、０～１０度、１０～２０度と１０度刻みで検出電子の仰角を分離して得られたものである。仰角は、光軸（＋ｚ）に対する角度を取っており、試料１０６から真上（垂直）に放出された信号電子の仰角を０度としている。また、放出量は角度によって異なるため、図４の縦軸は、各信号波形の輝度を最大輝度で規格化している。

図４の信号波形を見ると、順テーパーの場合（図４上図）には、検出角度が増加（水平方向の信号電子を検出）するにつれ、溝の波形が外側にシフトしていくことが分かる。一方、逆テーパーの場合（図４下図）には、検出角度の増加と共に、溝の波形は内側にシフトし、検出角度がテーパーの形状を反映していることが分かる。

そこで、図３の５種類のパターンに対して、検出角度に対する信号値の寸法の変化を求めた。図５に示すように、各信号波形の最大輝度を１００％、最小輝度を０％とした際に、３０％、５０％、７０％の閾値で信号値の寸法を評価した。１００％や０％に近すぎるとノイズ成分が多くなる可能性があるので、３０％、５０％、７０％の箇所を評価したが、安定して信号値の寸法を評価できるのであればこれらに限定はされない。

＜検出角度に対する各パターンの寸法変化：側壁形状推定の原理＞
図６は、検出角度に対する各パターンの信号値の寸法変化を示す図である。本実施形態では、仰角０～１０度の寸法を基準とし、そこからの信号値の寸法変化を閾値毎に評価した（７０％、５０％、３０％の輝度値を示すときのそれぞれの信号値の寸法変化を評価：信号値の寸法は、例えば、輝度値が７０％の位置に含まれるピクセル数を測定し、ピクセル数×１ピクセルの寸法により算出することができる）。図６は、信号電子絞り１１０によって放出信号電子１１４の仰角を１０度から９０度まで変化させて得られる信号値の寸法をプロットして得られるグラフである。

信号値の寸法の変化はパターンの形状によって異なる。図６を見ると、輝度値が７０％、５０％、３０％のときで信号値の寸法の変化の仕方が異なっているのが分かる。具体的には、ストレートを基準（リファレンス）とすると、順テーパーは寸法増加、逆テーパーは寸法減少の傾向が見られた。

また、寸法を評価した閾値によっても変化が異なり、図６（ａ）７０％では、（i）ストレートと（iii）ストレート＋順テーパーの変化の傾向はほぼ同等である。これに対し、図６（ｃ）３０％では（ii）順テーパーと（iii）ストレート＋順テーパーの変化がほぼ等しくなる。逆テーパーに対しても、図６（ａ）７０％では、（iv）逆テーパーよりテーパー角の大きい（v）ボーイングの方が寸法減少幅は大きい。一方、図６（ｃ）３０％では、（iv）逆テーパーと（v）ボーイングの寸法減少の傾向は逆転し、ほぼストレートと近い寸法変化となっている。

図６では、図３で示す実際のパターン変化が閾値を変えて測長した際の寸法値の変化に表れていることが示されている。よって、信号電子の検出角度の掃引と、信号波形から寸法値を導出する際の閾値の掃引をすることにより、深さ方向まで含めた側壁形状推定が可能となる。

＜パターンの断面形状推定処理の詳細＞
図７は、本実施形態によるパターン断面形状推定処理の詳細を説明するためのフローチャートである。

（i）ステップ７０１
制御装置３０は、走査型電子顕微鏡１０を制御し、異なる検出角度（信号電子の仰角を変えて）に対する画像（信号）を取得し、演算処理装置２０に受け渡す。
制御装置３０は、信号電子集束レンズ１０８に印加する電圧を制御することにより、検出角度（試料１０６から放出される信号電子の仰角）を、例えば、０度から９０度まで１０度ずつ変化させる。仰角が小さ過ぎる場合（例えば、０から１０度の場合）、試料１０６から放出される電子が信号電子絞り１１０で反射せず（電子の広がりが十分でなく信号電子絞り１１０の孔を全ての電子が通過してしまう）、検出器（第１検出器）９で検出される信号電子が無くなってしまう。この場合には、検出器（第２検出器）１３で検出された信号電子のみを用いて画像が形成される。検出器１０９および１１３は、試料１０６において電子線１０２が照射された場所に対応する明るさの情報を取得する。
なお、各種偏向器や各種レンズへの印加電圧値や走査幅などの測定条件は、例えば、入出力装置５０からユーザ（オペレータ）によって入力される。そして、測定条件設定部２０１１がその入力された測定条件によって走査型電子顕微鏡１０を制御するように制御装置３０に指示するように構成することができる。

（ii）ステップ７０２
画像特徴量演算部２０１２は、異なる検出角度に対応する各画像から、画像信号波形の最大輝度を１００％、最小輝度を０％としたときの、輝度値が所定値（例えば、３０％、５０％、７０％：必ずしもこれらの値に閾値を設定しなくても良いし、３つ以上の閾値を設定してもよい）を取る箇所の寸法値を導出する（図５参照）。

（iii）ステップ７０３
画像特徴量演算部２０１２は、対象の各パターン（例えば、図３に示す、ストレート、順テーパー、ストレート＋順テーパー、逆テーパー、またはボーイングなど）の測長値の検出角度依存（即ち、図６に示す特性）を導出する。この時点ではパターンの形状は未知であるので、例えばパターンが順テーパーであった場合には図６に示す順テーパーの特定に対応する（類似する）特性が得られる。

（iv）ステップ７０４
画像特徴量演算部２０１２は、ステップ７０３で取得した角度依存特性（角度依存性）と基準パターン（例えば、予めメモリ２０２に格納しておいたストレートパターンの角度依存特性）とを照合し、対象のパターンの断面形状を推定する。例えば、対象のパターンが順テーパー＋ストレートのパターンであった場合、全ての位置（７０％、５０％、３０％）における角度依存特性とストレートパターンの角度依存特性とを比較すれば、どの位置（７０％）でストレートパターンと同じ特性で、どの位置（５０％および３０％）でストレートパターンとは異なる特性であることが分かり、この場合、複合形状であると判断することができる。
なお、基準パターン（リファレンス）が無くても、形状推定が可能であるが、基準パターンなど既知のパターンでの検出角に対する寸法変化のデータがある場合には、それとの照合から容易に断面形状を推定することができる。

＜テーパー角度推定＞
パターンに含まれるテーパー部分は、それぞれ異なる角度を持って形成することができる。そのため、このテーパー部分の角度を推定することが必要な場合がある。そこで、本実施形態では、一例として、テーパー角度を検出角度の掃引に対する寸法値の変化の傾向から推定するようにしている。

図８に示すような溝入口の寸法は同じだが、テーパー角度が異なる形状のパターンを用いて説明する。図８（ａ）（ｂ）（ｃ）は、いずれも順テーパーの溝パターンを示す図である。図８（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す溝パターンにおいて、検出角度に対する寸法変化の傾向は同じであるが、寸法変化の程度（傾き）が異なることが示されている。

図９は、各溝パターンにおける各閾値での検出角に対する寸法比の変化を示す図である。同じ順テーパパターンであっても、検出角度に対する寸法比変化の傾きが異なることが分かる。つまり、寸法比変化の傾きはパターン内を散乱して放出されるＢＳＥの放出角度分布に依存し、このＢＳＥの放出角度分布はパターンのテーパー角に依存する。このため、各パターンにおいて、閾値に対する寸法比変化の傾きを評価することで、パターンのテーパー角を推定することができる。

具体的には、テーパー角が既知のパターンで閾値に対しての寸法比変化の傾きをリファレンスとして取得しておくことで、テーパー角の推定が可能となる。また、リファレンスとしては、形状を変えて実施したモンテカルロシミュレーションによる寸法変化を用いても良い。この際、試料内の散乱状態によってＢＳＥの放出角度分布は変化するため、リファレンスは観察条件（加速）およびパターンを形成する材料に応じて用意する必要がある。

＜信号電子絞りの構成例＞
前述のように、仰角弁別は、例えば、信号電子の広がりを制御する信号電子集束レンズ１０８と信号電子絞り１１０との組み合わせによって実現することができる。一方、信号電子集束レンズ１０８を使わず、信号電子絞り１１０と信号電子偏向器１０７を用いて仰角弁別を行うことも可能である。この場合、信号電子絞りの穴の形状を変更することにより弁別が可能である。

図１０は、信号電子絞り１１０と信号電子偏向器１０７を用いて仰角弁別を行う場合に用いられる信号電子絞り１１０の構成例を示す図である。図１０（ａ）は円形状の絞り孔が形成された絞りを、図１０（ｂ）は縦長（紙面上下方向を縦と定義した場合）の絞り孔が形成された絞りを、図１０（ｃ）は横長（紙面左右方向を横と定義した場合）の絞り孔が形成された絞りを、それぞれ示している。

図２に示す構成例では、信号電子１１４は方位角と仰角の分布を持ちながら信号電子絞り１１０を通過し、信号電子集束レンズ１０８で仰角の広がりを制御可能である。このため、仰角で弁別するには絞りは円形状（図１０（ａ）：全方位の仰角の情報を取得するときに用いる）でよい。

一方、信号電子集束レンズ１０８を用いずに信号電子偏向器１０７を活用する際には、特定方位の信号のみを検出する必要がある。信号電子偏向器１０７は、軌道の集束性を変えることはできず、到達位置のシフトのみが可能である。このため、特定の仰角を検出するには、方位を限定する必要がある。そこで、図１０（ｂ）（ｃ）に示すような特定方位の信号のみを通過させるような絞りが必要となる。仰角弁別の際には、信号電子絞り１１０の長手方向に対して、信号電子１１４の軌道を偏向させる。

なお、パターンの形状に応じて、放出される電子の方位角は制限される場合があるため、複数の信号電子絞りを用意しておき、機械的に切り替えてもよい。また、１枚の信号電子絞り１１０を回転機構により制御してもよい。

以上は、信号電子の軌道を制御することで検出電子の仰角を制限するハードウェア構成であるが、複数の検出器を備えておくことにより、１度の測定で画像を取得することも可能である。例えば、図１１に示すような周方向、径方向に分割された直接検出器を図１の信号電子絞り１１０の位置に配置することで、同時に各領域の信号を検出することが可能である。また、直接検出器でない場合も、各領域に電圧を印加できるようにすることで、検出器（第１検出器）９に入る信号領域を制御することが可能である。例えば、＋の電位をかけておき、信号電子が衝突して放出される３次電子をトラップさせることで、特定領域の信号をカットできる。

つまり、信号電子１１４は、直接検出器に衝突し３次電子を発生させるが、直接検出器の各領域に電圧を印加しておき、負電極のみから３次電子が出てくるように制御すると、特定の箇所だけから明るさの信号を取ることができるようになる。なお、直接検出器は、信号電子絞り１１０の代わりにその場所に配置したり、検出器（第２検出器）１３の代わりにその場所に配置したり（検出器（第１検出器）９と信号電子絞り１１０はそのまま）してもよい。また、直接検出器があれば、信号電子絞り１１０の形状を可変にする必要はない。

＜推定パターン断面形状表示のＧＵＩ画面構成例＞
図１２は、推定したパターンの断面形状を表示するＧＵＩ画面の構成例を示す図である。オペレータは、ＧＵＩ１２００上で、パターンの深さ情報（Pattern depth）１２０１を設定する。また、オペレータは、画像を表示する高さ（View height）１２０２を指定することにより任意の高さでのＸＹ断面画像を表示でき、この場合、図１２の左の領域１２０３にはＳＥＭ像（Top View）が表示される。このとき、図１２の右上の領域１２０４には、左のＳＥＭ画像で指定した領域（破線）の断面形状が示される。そして、オペレータは、右上の断面プロファイルにマウスのカーソル１２０４１を合わせることで任意の箇所のテーパー角を表示することが可能である。

また、図１２の右下領域１２０５のように、画像全体の３次元表示も可能である。オペレータは、３次元画像を、マウス等を用いて任意に回転させることが可能であり、自由に表示方向を設定変更することができる。なお、オペレータは、高さ（View Height）の指定を右下の３次元像からもマウスを用いて変更することが可能である。例えば、右下図の左側のバー１２０５１をマウスで調整することで指定し、指定した高さがＸＹ断面像にも反映されるように構成してもよい。また、作成した画像および断面形状プロファイルは名前を付けて保存するようにしてもよい。

＜まとめ＞
（i）本実施形態では、角度弁別器を用いて試料から放出される荷電粒子を所定角度で弁別し、角度弁別された信号電子を検出器で検出し、異なる検出角度の信号電子を用いて複数の角度弁別画像を生成し、各角度弁別画像の信号波形から算出したパターン寸法の検出角度に対する変化に基づいて測定対象パターンの側壁形状を推定するようにしている。このようにすることにより、ウェハを破壊することなく、測定対象パターンの側壁形状を把握することができるようになる。また、角度弁別による情報を用いて形状を推定するので、装置構成も複雑にならず、システムを構成するためのコストを抑えることも可能となる。

（ii）本実施形態では、演算処理装置２０において、測定対象パターンの側壁形状推定処理を実行しているが、複数のプロセッサやコンピュータで当該処理を分担してもよいし、一部の物理構成（例えば、データベース等）が演算処理装置２０とネットワークを介して接続されていてもよい。

（iii）本実施形態の機能は、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システム或は装置に提供し、そのシステム或は装置のコンピュータ（又はＣＰＵやＭＰＵ）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形態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実施形態を構成することになる。このようなプログラムコードを供給するための記憶媒体としては、例えば、フレキシブルディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－Ｒ、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ＲＯＭなどが用いられる。

また、プログラムコードの指示に基づき、コンピュータ上で稼動しているＯＳ（オペレーティングシステム）などが実際の処理の一部又は全部を行い、その処理によって前述した実施の形態の機能が実現されるようにしてもよい。さらに、記憶媒体から読み出されたプログラムコードが、コンピュータ上のメモリに書きこまれた後、そのプログラムコードの指示に基づき、コンピュータのＣＰＵなどが実際の処理の一部又は全部を行い、その処理によって本実施形態の機能が実現されるようにしてもよい。

さらに、本実施形態の機能を実現するソフトウェアのプログラムコードを、ネットワークを介して配信することにより、それをシステム又は装置のハードディスクやメモリ等の記憶手段又はＣＤ－ＲＷ、ＣＤ－Ｒ等の記憶媒体に格納し、使用時にそのシステム又は装置のコンピュータ（又はＣＰＵやＭＰＵ）が当該記憶手段や当該記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出して実行するようにしても良い。

最後に、ここで述べたプロセス及び技術は本質的に如何なる特定の装置に関連することはなく、コンポーネントのいかなる相応しい組み合わせによってでも実装できる。さらに、汎用目的の多様なタイプのデバイスがここで記述した内容に従って使用可能である。ここで述べた方法のステップを実行するのに、専用の装置を構築してもよい。また、本実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜組み合わせてもよい。例えば、本実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

さらに、本実施形態において、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。全ての構成が相互に接続されていても良い。

１ 半導体計測システム
１０ 荷電粒子線装置
２０ 演算処理装置
３０ 制御装置
４０ 設計データ記憶装置
５０ 入出力装置
１０１ 電子銃
１０２ 電子線
１０３ コンデンサレンズ
１０４ 1次電子偏向器
１０５ 対物レンズ
１０６ 試料
１０７ 信号電子偏向器
１０８ 信号電子集束レンズ
１０９ 検出器
１１０ 信号電子絞り
１１１ 信号電子偏向器
１１２ エネルギーフィルタ
１１３ 検出器
２０１ 演算処理部
２０２ メモリ
２０１１ 測定条件設定部
２０１２ 画像特徴量演算部
２０１３ 設計データ抽出部
２０１４ 断面形状推定部

Claims (7)

1. 荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームを走査する走査偏向器と、試料に対する前記荷電粒子ビームの走査に基づいて得られる荷電粒子を検出する検出器と、前記検出器の前段に配置され、検出すべき荷電粒子を角度で弁別する角度弁別器と、信号電子の軌道上に配置された方位角を制限する信号電子絞りと、当該信号電子絞りに対して前記信号電子の軌道を偏向する偏向器と、を含む荷電粒子線装置と、
   前記検出器の出力に基づいて画像の輝度を生成し、当該輝度を用いて画像上の指定された領域の信号波形を演算する演算装置と、を備え、
   前記演算装置は、前記偏向器によって検出角度が連続的に掃引されて得られる複数の信号電子であって、前記検出角度が異なる検出角度の信号電子を用いて複数の角度弁別画像を生成し、各角度弁別画像の信号波形から算出したパターン寸法の検出角度に対する変化に基づいて測定対象パターンの側壁形状を推定する、パターン断面形状推定システム。
2. 請求項１において、
   前記荷電粒子線装置は、さらに、前記検出器の前段に配置され、信号電子の広がりを制御する集束レンズと、前記信号電子の検出角度を制限する信号電子絞りと、を含み、
   前記演算装置は、前記検出角度が制限された複数の信号電子であって、検出角度が異なる信号電子を用いて、前記角度弁別画像を生成する、パターン断面形状推定システム。
3. 請求項１において、
   前記荷電粒子線装置は、さらに、信号電子の軌道上に配置された径方向、周方向に分割された直接検出器を含み、
   前記演算装置は、前記直接検出器で検出された信号電子を用いて前記複数の角度弁別画像を生成する、パターン断面形状推定システム。
4. 請求項１において、
   前記演算装置は、前記各角度弁別画像の信号波形に対して、異なる閾値で求めた寸法値の変化から、前記測定対象パターンの深さ方向の断面形状を推定する、パターン断面形状推定システム。
5. 請求項１において、
   前記演算装置は、前記測定対象パターンの推定結果に基づいて、パターン形状を分類し、当該パターン形状の情報と、前記測定対象パターンに含まれるテーパー部分のテーパー角度の情報とを表示画面上に表示する、パターン断面形状推定システム。
6. 請求項１において、
   前記演算装置は、記憶デバイスから断面形状が予め分かっている既知パターンの検出角度に対する寸法の変化をリファレンスとして取得し、前記既知パターンの変化と前記算出したパターン寸法の検出角度に対する変化との差分から前記測定対象パターンの形状を推定する、パターン断面形状推定システム。
7. コンピュータに測定対象パターンの断面形状を推定する処理を実行させるためのプログラムであって、
   前記処理は、
   試料に対する荷電粒子ビームの走査に基づいて得られる荷電粒子を角度弁別して検出された、偏向器によって検出角度が連続的に掃引されて得られる複数の信号電子であって、検出角度が異なる信号電子を用いて、複数の角度弁別画像を生成することと、
   各角度弁別画像の信号波形から算出したパターン寸法の検出角度に対する変化に基づいて測定対象パターンの側壁形状を推定することと、
   を含むプログラム。

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