WO2011001635A1 - 半導体検査装置及びそれを用いた半導体検査方法 - Google Patents

半導体検査装置及びそれを用いた半導体検査方法 Download PDF

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山口敦子
桃井義典
田中潤一
川田洋揮
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株式会社日立ハイテクノロジーズ
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Definitions

  • the present invention relates to a system and method for measuring the size of a sample using an electron microscope, and more particularly to a semiconductor inspection apparatus for evaluating the shape of a pattern formed on a wafer in a semiconductor device manufacturing process and a semiconductor inspection using the same. Regarding the method.
  • FIG. 2 shows an example in which the width of the line pattern in FIG. 1 is measured along the line in order to show information that needs to be specifically measured.
  • Y in the graph corresponds to the y coordinate shown in FIG.
  • Non-Patent Document 1 shows a case where a line width profile is used.
  • the optical proximity effect correction of the mask was insufficient because the line width showed a tendency to increase in an area that should hardly change with respect to Y. It has been.
  • the line width profile and the pattern shape data are useful in determining whether the created pattern is acceptable or not.
  • the third reason is that this information can be used to optimize the conditions of the next processing performed on the observation target wafer. By performing such inspection and control, the yield of semiconductor devices can be improved. Conversely, the most advanced semiconductor devices cannot be mass-produced unless productivity is improved by such a method.
  • the line width profile can be measured accurately. Think about how to measure accurately.
  • Reference numeral 301 is a schematic diagram of an image of a line pattern observed with a scanning electron microscope.
  • the center is a line pattern.
  • a cross-sectional shape obtained by cutting along a plane perpendicular to the paper surface represented by a line 302 is denoted by reference numeral 304, and a signal shape of a scanning electron microscope image at this location is denoted by reference numeral 306.
  • a cross-sectional shape and a signal shape on the line 303 are denoted by reference numerals 305 and 307, respectively. Even if the line width of the middle part of the pattern is a constant value (assumed to be “a”), if the cross-sectional shape varies as described above, the signal shape is different, so the position of the pattern edge varies.
  • FIG. 4 is an image obtained by observing a region where patterns of different materials are arranged in the same cross-sectional shape with a scanning electron microscope.
  • the line pattern 401 is made of an insulator
  • the line pattern 402 is made of a semiconductor.
  • the base is a semiconductor.
  • the signal shape on the line represented by the line 403 of these patterns is denoted by reference numeral 404.
  • the signal peak corresponding to the line pattern 401 formed of an insulator is widened, and the signal peak corresponding to the line pattern 402 formed of a semiconductor is narrowed.
  • the gate electrode width of a transistor is an important measurement target, but an active region that forms a channel of the transistor and an element isolation region that separates each transistor are mixed in this lower layer.
  • a gate insulating film having a thickness of several nanometers or less is formed on the surface of a highly conductive Si substrate, and a relatively thick insulating film is used in the element isolation region.
  • the active region includes an active region of an n-channel transistor and an active region of a p-channel transistor. The n-channel region and the p-channel region differ in the dopant species and concentration of the Si substrate under the gate insulating film.
  • the active region and the element isolation region have a step difference of up to several tens of nm.
  • Patent Document 1 discloses a method of automatically performing dimension measurement using a scanning electron microscope.
  • the dimension is calculated after averaging the signals obtained by the scanning electron microscope in the direction perpendicular to the dimension measuring direction.
  • a sample image obtained with a scanning electron microscope can be displayed by superimposing a region for dimension measurement by addition averaging, and this region can be adjusted to an arbitrary position in the sample image.
  • Patent Document 2 there is a variation in the cross-sectional shape and a dimensional variation of the measurement object in consideration that the relationship between the signal obtained from the scanning electron microscope and the true edge position changes according to the cross-sectional shape of the measurement object.
  • a method is described in which a measurement signal waveform in this case is predicted using an electron beam simulation in consideration of the characteristics of a scanning electron microscope apparatus and is made into a library. The signal waveform actually measured is compared with various signal waveforms recorded in this library, and the one with the highest degree of coincidence is selected to reduce the measurement error.
  • Patent Document 3 when measuring easily charged materials such as resists, insulating films, and low-k materials, charged particle beams are controlled while suppressing potential changes of the sample induced by irradiation of charged particle beams.
  • a technique for detecting a compensation value for fluctuations in apparatus conditions that change due to measurement of the potential of the sample surface used or charging of the sample is disclosed.
  • Patent Document 4 discloses a technique for reducing the charge-up by optimizing the accelerating voltage of the electron beam and the potential gradient in the vicinity of the measurement object, and extracting a measurement value from the detection signal of the apparatus. There is disclosed a technique for performing accurate measurement by making a parameter used sometimes correspond to a charge-up phenomenon.
  • Patent Document 5 discloses a technique for obtaining an accurate sample image by appropriately selecting electron beam irradiation conditions (irradiation energy, beam current, number of times of irradiation, etc.) according to the material and shape of the measurement target pattern. ing.
  • Patent Documents 2, 3, 4, and 5 disclose a method for suppressing an edge position measurement error caused by the material and shape of the measurement pattern and the material of the lower layer.
  • Patent Document 1 when there are a plurality of types of materials / structures under the measurement pattern in one field of view observed with an electron microscope, the error of the edge measurement position or the error itself varies. Is not disclosed at all with respect to a technique for measuring the shape of a fine pattern included in one field of view with high accuracy.
  • Patent Document 6 and Patent Document 7 disclose a phenomenon in which a measurement image is different depending on whether or not the pattern of the previous process exists below the measurement pattern.
  • Patent Document 6 and Patent Document 7 compare an observation image with design data and inspect whether a difference between a measured value of a predetermined pattern dimension and a design value is acceptable (that is, whether the observation wafer is acceptable). For the above reason, only the method of changing the allowable value in consideration of the variation of the measurement error is disclosed only when the pattern of the previous process exists in the lower layer of the measurement pattern. For this reason, fluctuations in edge position measurement error within the sample image in one field of view cannot be suppressed.
  • An object of the present invention is to provide a semiconductor inspection apparatus and a semiconductor inspection apparatus capable of suppressing fluctuations in edge position measurement errors caused by the material and structure of the lower layer of the measurement pattern in a sample image in one field of view obtained by an electron microscope. It is to provide an inspection method.
  • One embodiment for achieving the above object is a semiconductor inspection apparatus that detects the edge of the pattern from an image obtained by observing the pattern on the substrate by scanning an electron beam and evaluates the two-dimensional shape.
  • a storage device that stores in advance the design data of the pattern or pattern shape data predicted as a result of patterning, and data of materials and structures constituting the pattern and the base of the pattern;
  • the comparison function for comparing the design data of the pattern or the pattern shape data predicted as a result of patterning with the image data obtained by observation, the result of operating the comparison function, and the data stored in advance The reaction to the electron beam incident on the observation area using the data of the material and structure that make up the underlying pattern.
  • a division function for dividing the observation region into a plurality of regions for each region that is expected to be different, and the plurality of regions divided by the division function are obtained by scanning the electron beam under different scanning conditions.
  • a semiconductor inspection apparatus comprising: an arithmetic unit having a function of detecting an edge of the pattern from an image and calculating a line width profile.
  • the semiconductor inspection method using the said semiconductor inspection apparatus Comprising: The process of acquiring the 1st image of the said pattern, The process of extracting the outline of the pattern of the acquired said 1st image, The extracted Comparing the pattern of the contour line with the design data of the pattern or the data of the pattern shape predicted as a result of patterning, extracting a pattern corresponding to each other, and a region including the pattern corresponding to each other, The step of dividing into a plurality of regions using the material and structure data constituting the base of the pattern, and the scanning conditions of the electron beam to be scanned in the regions including the corresponding patterns are determined for each of the plurality of regions.
  • a semiconductor inspection method characterized by comprising the step of calculating a line width profile, the.
  • a semiconductor inspection apparatus for detecting a pattern edge from an image obtained by observing a pattern on a substrate by scanning an electron beam to evaluate a two-dimensional shape, the pattern design data or patterning
  • a storage device that stores in advance the pattern shape data predicted as a result of the pattern, and data of the material and structure constituting the pattern and the base of the pattern, and the design data of the pattern stored in advance or
  • a comparison function for comparing pattern shape data predicted as a result of patterning with the image data obtained by observation, a result of operating the comparison function, and a material constituting the base of the pattern stored in advance
  • the structure data each region expected to have a different response to an electron beam incident on the observation region.
  • a division function that divides an image into a plurality of regions, and a function that detects the edge of the pattern from an image obtained by image processing the plurality of regions under different image processing conditions and calculates a line width profile.
  • a semiconductor inspection apparatus characterized by comprising an arithmetic unit.
  • the semiconductor inspection method using the said semiconductor inspection apparatus Comprising: The process of acquiring the 1st image of the said pattern, The process of extracting the outline of the pattern of the acquired said 1st image, The extracted Comparing the pattern of the contour line with the design data of the pattern or the data of the pattern shape predicted as a result of patterning, extracting a pattern corresponding to each other, and a region including the pattern corresponding to each other, Dividing into a plurality of regions using data of material and structure constituting the base of the pattern, determining an image processing condition in the region including the corresponding pattern for each of the plurality of regions, A step of performing image processing in accordance with image processing conditions determined for each of a plurality of regions to obtain a second image, and a desired one from the second image Detecting edges, the semiconductor inspection method characterized by comprising the step of calculating a line width profile, the.
  • a semiconductor inspection apparatus for detecting a pattern edge from an image obtained by observing a pattern on a substrate by scanning an electron beam to evaluate a two-dimensional shape, the pattern design data or patterning
  • a storage device that stores in advance the pattern shape data predicted as a result of the pattern, and data of the material and structure constituting the pattern and the base of the pattern, and the design data of the pattern stored in advance or
  • a comparison function for comparing pattern shape data predicted as a result of patterning with the image data obtained by observation, a result of operating the comparison function in an edge inspection region, and the pattern stored in advance Using the data on the materials and structures that make up the underlayer, the reaction to the electron beam incident on the observation region is different.
  • a semiconductor inspection apparatus comprising: an arithmetic unit.
  • a step of acquiring an image of the pattern a step of extracting a contour line of the acquired pattern of the image, and a pattern of the extracted contour line
  • the pattern design data or the pattern shape data predicted as a result of patterning is compared, the corresponding patterns are extracted, the edge inspection area is input, and the inspection areas correspond to each other.
  • a step of dividing a region including a pattern into a plurality of regions using data of the pattern and the material or structure constituting the pattern, and an edge detection condition in the inspection region are determined for each of the plurality of regions. Detecting edges according to the process and edge detection conditions determined for each of the plurality of regions, and calculating a line width profile
  • a semiconductor inspection apparatus and a semiconductor inspection apparatus inspection method capable of suppressing fluctuations in edge position measurement errors caused by materials and structures under a measurement pattern in a sample image in one field of view obtained by an electron microscope. be able to.
  • FIG. 4 is a schematic diagram of an electron microscope image in which a line width profile is calculated in Examples 1 and 2 and x and y axes assumed for the image. It is a conceptual diagram of the apparatus used in Example 1, 2, and 3.
  • FIG. 4 is a schematic diagram of an electron microscope image in which a line width profile is calculated in Examples 1 and 2 and x and y axes assumed for the image. It is a conceptual diagram of the apparatus used in Example 1, 2, and 3.
  • FIG. 2 is a plan view of a design pattern used for analysis in Example 1.
  • FIG. FIG. 3 is a flowchart describing the procedure of the first embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating division of an observation area in Example 1. It is a figure showing the two-dimensional outline shape of the pattern used for the analysis in Example 2.
  • FIG. 6 is a flowchart describing the procedure of Example 2.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating regions to be subjected to different image processing on an observation image in the second embodiment. It is a schematic diagram which shows the electron microscope image which calculated the line width profile in Example 3, and the test
  • positioned on it. 10 is a plan view of a design pattern used for analysis in Example 3.
  • Example 10 is a flowchart describing the procedure of Example 3. It is a schematic diagram which shows the electron microscope image which calculated the line width profile in Example 3, and the test
  • 2 is a conceptual diagram illustrating a configuration of a computer 612 used in Embodiment 1.
  • FIG. 3 is a screen displayed on a monitor according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is a conceptual diagram illustrating a configuration of a computer 612 used in Examples 2 and 3. It is the screen displayed on the monitor of Example 2. It is the screen displayed on the monitor of Example 3.
  • the first method is a novel technique in the stage of image acquisition with an electron microscope. This is to change the observation conditions within the field of view based on information on the structure and material of the object to be observed within the field of view.
  • the first method is a novel technique in the stage of image acquisition with an electron microscope. This is to change the observation conditions within the field of view based on information on the structure and material of the object to be observed within the field of view.
  • the method of optimizing the observation conditions for observation of one field of view but the method of dividing the inside of the field of view into multiple regions based on the material and structure and performing the optimal observation in each region is There wasn't.
  • the second method is to acquire an image under one kind of conditions as before, divide the acquired image into a plurality of regions based on the contained materials and structures, and apply optimal image processing to each region.
  • an image equivalent to the image obtained by performing the first method is obtained.
  • the third method is to acquire an image under one kind of conditions as before, divide the acquired image into a plurality of regions based on the contained material and structure, and extract the edge of the pattern from the image
  • the edge is obtained by using the optimum edge extraction (detection) condition for each of the above-described regions.
  • the first method If you have a system that easily and quickly changes the acceleration voltage, current value, and focus of the electron beam irradiated by an electron microscope, it is best to take the first method. However, if there is no such hardware, it can be solved by taking the second method.
  • the second method is inexpensive because it does not require complex hardware.
  • the third method like the second method, does not require hardware. Further, since the data processing is simpler than the second method, there is an advantage that the processing time is short. However, on the other hand, the possible processing is limited, so the sample structures that can be handled are limited.
  • the present embodiment is a measurement system including an electron microscope apparatus, and the design data or the predicted pattern two-dimensional image data or the data of the contour line of the pattern is converted to the height of each region. It is characterized in that it has a function to input, a function to hold a record, and a function to read this into a control system of the system, including information on information and constituent material information.
  • measurement recipes such as dimension measurement positions and sample image acquisition conditions
  • functions to maintain records functions to maintain records
  • system control functions to maintain records
  • a line width profile of a silicon (Si) line pattern formed on a structure of an insulator and a semiconductor having a step using the first method mentioned as the mode for carrying out the invention is demonstrated using FIG.5, FIG.6, FIG.7, FIG.8, FIG.9, FIG.18, FIG.
  • FIG. 5 is a schematic diagram of an electron microscope image in which a line width profile is calculated in this example.
  • FIG. 6 is a conceptual diagram of the semiconductor inspection apparatus used in this embodiment.
  • FIG. 7 shows a design pattern used for the analysis in this example.
  • FIG. 8 is a flowchart showing the procedure of this embodiment.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing regions with different scanning conditions of the electron microscope.
  • FIG. 18 shows the configuration of the system control computer 612 in FIG.
  • FIG. 19 shows an example of a screen 1901 that appears on the monitor 1801.
  • Reference numeral 1902 is a two-dimensional image obtained by superimposing the SEM image and the divided scanning area
  • reference numeral 1903 is a display portion for the name of the design data file and the SEM image file
  • reference numeral 1904 is a click button for changing the design data
  • reference numeral Reference numeral 1905 denotes a click button for changing the SEM image
  • reference numeral 1906 denotes a scanning condition display section for each scanning region.
  • the procedure 801 shown in FIG. 8 was performed. That is, an image of a pattern for which an accurate line width profile is desired was acquired under observation conditions with a low S / N ratio. More specifically, after operating the system control computer 612 and placing the wafer 607 on the observation stage, the system control computer 612 operates the electron microscope control system 611 to observe the pattern on the wafer and acquire an image. did.
  • the field of view during this observation was 900 nm both vertically and horizontally.
  • the acceleration voltage of the electron beam 603 of the electron microscope used is 500 V
  • the current value is 5 pA
  • the number of signal integrations is 4. It was times.
  • FIG. 1 A schematic diagram of the image thus obtained is shown in FIG.
  • the obtained image and x and y axes for defining the position of the point in the image are shown.
  • the following operation was continued. All of these operations were performed by operating the system control computer 612 via the input device 1802 shown in FIG.
  • Reference numeral 601 denotes a scanning electron microscope housing
  • reference numeral 602 denotes an electron gun
  • reference numeral 604 denotes a converging lens
  • reference numeral 605 denotes a deflector
  • reference numeral 606 denotes an objective lens
  • reference numeral 608 denotes a stage
  • reference numeral 609 denotes secondary electrons
  • Reference numeral 610 denotes a detector.
  • step 802 the contour line of the pattern is extracted from the image obtained in step 801 by the computer arithmetic unit 1803.
  • step 803 the design data of the part whose pattern is to be accurately measured is transferred from the storage device 613 to the temporary storage area 1804 connected to the computer 1803 (reading).
  • design data is used in this embodiment, pattern shape data predicted as a result of patterning in an actual semiconductor element manufacturing process may be used. Accordingly, the two-dimensional shape of the design data is as shown in FIG. 7, and the gate region 701 is made of polysilicon, the active region 702 is made of silicon, and the isolation region 703 is made of silicon dioxide (SiO 2). The information that the height is 80 nm higher than the active region 702 is read.
  • the arithmetic device 1803 is made to compare the image of FIG. 5 with the pattern of FIG. As a result, the arithmetic unit 1803 recognizes that the patterns corresponding to the gate region 501, the active region 502, and the isolation insulating film region 503 in the sample currently being observed are the gate region 701, the active region 702, and the isolation region 703. Then, the contour line patterns of the region 501, the region 502, and the region 503 were extracted.
  • step 805 the y-coordinate of the position where the base changes from the region 703 to the region 702, which appears when proceeding from the bottom to the top along the region 701, is obtained. Proceeding further upward, the y-coordinate of the position at which the base changes from the region 702 to the region 703 again, that is, y2 is obtained.
  • the arithmetic unit 1803 calls a group of scanning conditions corresponding to the material and height information stored in advance in the storage unit 613 and stores them in the temporary storage unit 1804, and further includes them.
  • the optimum one was selected from the above and displayed on the monitor 1801. This is shown in FIG.
  • the scanning region is divided into three as shown in FIG. 9, and in the regions 901 and 903, the acceleration voltage of the irradiation electron beam is set to 500 V, and the current value is set to 4 pA.
  • the former is set to 800 V and the latter is set to 8 pA.
  • the number of signal integrations was 8 in any case.
  • the focus of the electron beam to be irradiated was optimized on the region 901, and the region 902 was set so that the position 80 nm lower than the position becomes the focus.
  • the area 903 has the same setting as when the area 901 is scanned.
  • step 806 accepting these conditions, clicking Execute from among the process selection buttons indicated by reference numeral 1907, and executing image acquisition.
  • the computing device 1803 extracts the edge of the line pattern from the acquired image data to obtain a line width profile.
  • the number of signal integrations is 8 in all areas, but in the case where charging is particularly severe, the number of scans in areas 901 and 903 may be reduced to 6.
  • the input device Numerical values can also be entered from a keyboard that is part of 1802. Note that the arithmetic device 1803 has functions for executing a procedure 802, a procedure 804, a procedure 805, and a procedure 807.
  • the scanning area is divided based on the structure and material information of the observation target, and the scanning condition is changed in each scanning area, It is possible to provide a semiconductor inspection apparatus and a semiconductor inspection apparatus inspection method that can suppress fluctuations in edge position measurement errors caused by the material and structure under the measurement pattern.
  • FIG. 5 is a schematic diagram of an electron microscope image in which a line width profile is calculated in this example.
  • FIG. 6 is a conceptual diagram of the apparatus used in this embodiment.
  • FIG. 10 shows the two-dimensional contour shape of the predicted pattern used for the analysis in this example.
  • FIG. 11 is a flowchart showing the procedure of this embodiment.
  • FIG. 12 shows a boundary for performing image processing under different conditions.
  • FIG. 20 shows the configuration of the system control computer 612 in FIG. 6 in this embodiment.
  • FIG. 21 shows an example of a screen 2101 that appears on the monitor 2001.
  • Reference numeral 2102 denotes a two-dimensional image obtained by superimposing an SEM image and an area for image processing different from each other
  • reference numeral 2103 denotes a design data file and a name display portion of the SEM image file
  • reference numeral 2104 denotes a click button for changing design data
  • Reference numeral 2105 denotes a click button for changing the SEM image
  • reference numeral 2106 denotes a processing condition display section for each image processing area.
  • a signal was sent to the control device 611 of the scanning electron microscope using the system control computer 612, the wafer 607 was placed on the observation stage, and a pattern image was acquired (procedure 1101).
  • the acceleration voltage of the irradiation electron beam 603 was 500 V, and the current value was 4 pA.
  • the number of signal integrations was 16.
  • the dimension of the observation region was 900 nm both vertically and horizontally.
  • the image shown in FIG. 5 was obtained.
  • the image was composed of 512 pixels both vertically and horizontally. Note that the focus of the electron beam to be irradiated was optimized with the pattern on the region 503.
  • step 1102 the edge of the line pattern was extracted from the acquired image data using the arithmetic unit 2003.
  • step 1103 the procedure proceeds to step 1103, and the two-dimensional pattern shape predicted from the mask shape and the lithography conditions stored in the storage device 613 by the arithmetic device 2003 is transferred to the temporary storage device 2004 (reading). Design data can also be used.
  • step 1104 the pattern contour in the image extracted by the arithmetic device 2003 in step 1102 is compared with the pattern shape obtained in step 1103, and each pattern defined in the latter is compared with the observation image.
  • the arithmetic unit 2003 found that the gate pattern 501 in the observation image corresponds to the reference numeral 1001, the active area pattern 502 corresponds to the reference numeral 1002, the insulating film area pattern 503 corresponds to the reference numeral 1003, and the step area pattern 504 corresponds to the reference numeral 1004. (Extraction).
  • the arithmetic unit 2003 divides the image.
  • the y coordinate of the pixel where the ground changes in the y direction along the gate pattern (1001) y101, y102, y103, y104 (these Is the predicted value on the shape map 10) and finds the y-coordinate on the actual observation image map 5.
  • These values are y'1, y'2, y'3, and y'4. These are values on the image.
  • the image shown in FIG. 5 was divided into five regions by straight lines.
  • FIG. 12 shows the boundary of the region from the region (1) to the region (5) in FIG. 5 by a solid line.
  • a broken line is the outline of the pattern which exists in this area
  • the gate pattern 501 to the step region pattern 504 are the same as those shown in FIG.
  • the gate pattern 501 is made of Poly-Si
  • the active region pattern 502 is doped Si
  • the insulating film region pattern 503 is made of SiO2
  • its surface is 80 nm more than the active region pattern 502. It is known that the step region pattern 504 is made of SiO 2 and is the boundary between the active region pattern 502 and the insulating film region pattern 503.
  • the arithmetic device 2003 determined the image processing to be performed on the area from the area (1) to the area (5) as follows. However, the following functions are stored in the storage device 613 in advance.
  • Regions (2) and (4) are changing in height inside, but it is considered that the focal point is half of 80 nm, that is, 40 nm, and the signal profile of these regions is
  • a signal profile obtained from the image is S ′ (x). Since the signal profiles of the region (1) and the region (5) are already blurred due to charging, an effect of further defocusing by 80 nm may be added. That is,
  • image processing condition 1 in the screen is a condition for image processing applied to areas (1) and (5)
  • image processing condition 2 is applied to areas (2) and (4)
  • condition 3 is applied to area (3).
  • the processing can be executed by clicking Execute at the left end of the click button 2107. Thereafter, as described above, the arithmetic unit 2003 subjects the signals in the regions (1) to (5) to blurring.
  • the edge of the pattern corresponding to the pattern 501 is calculated (extracted) on the signal intensity distribution obtained in 1106 using a method applied to a normal electron microscope image, and the line width profile is calculated. (This was also implemented by the arithmetic unit 2003). Note that the arithmetic device 2003 has functions for executing the procedure 1102, the procedure 1103, the procedure 1104, the procedure 1105, the procedure 1106, and the procedure 1107.
  • a semiconductor inspection apparatus and a semiconductor inspection apparatus inspection method capable of suppressing fluctuations in edge position measurement errors caused by the material and structure of the measurement pattern lower layer by obtaining an image equivalent to the image obtained in the first embodiment
  • the line width profile of a Si line pattern formed on a stepped insulator and semiconductor structure was measured using the third method listed as the mode for carrying out the invention. Examples will be described with reference to FIGS. 6, 13, 14, 15, 16, 17, 20, and 22.
  • FIG. 6 is a conceptual diagram of the apparatus used in this example.
  • FIG. 13 is a schematic diagram showing an electron microscope image for which a line width profile has been calculated in this embodiment and an edge inspection region 1304 (broken line) arranged thereon.
  • FIG. 14 shows design pattern shape data used for analysis in this example. Reference numeral 1401 denotes an isolation insulating film region.
  • FIG. 15 is a flowchart showing the procedure of this embodiment.
  • FIG. 16 is a schematic diagram showing an electron microscope image for which a line width profile has been calculated in the present embodiment, and an inspection region (broken line) after division arranged thereon.
  • FIG. 17 is a diagram for explaining the definition of edges used in this embodiment. Further, the configuration of the computer 612 used in the present embodiment was the same as that of the second embodiment as shown in FIG.
  • the procedure 1501 shown in FIG. 15 was performed. That is, the system control computer 612 was operated, a signal was sent to the control device 611 of the scanning electron microscope, the wafer 607 was placed on the observation stage, and then a pattern image was acquired.
  • the acceleration voltage of the irradiation electron beam 603 was 500 V
  • the current value was 4 pA.
  • the number of signal integrations was 16.
  • the dimension of the observation region was 450 nm both vertically and horizontally.
  • FIG. 13 the image shown in FIG. 13 was obtained (except for the broken line).
  • the image was composed of 512 pixels both vertically and horizontally. Note that the focus of the electron beam to be irradiated has been optimized under the condition that the edge of the gate pattern 1303 on the active region 1302 can be most clearly captured.
  • Reference numeral 1301 denotes an isolation insulating film region.
  • step 1502 the arithmetic device 2003 extracts a pattern outline from the acquired image data. Note that the arithmetic device 2003 has functions for executing a procedure 1502, a procedure 1503, a procedure 1504, a procedure 1506, and a procedure 1507.
  • step 1503 the procedure proceeds to step 1503, and the design pattern shape (FIG. 14) stored in the storage device 613 is transferred (read) by the arithmetic device 2003 to the temporary storage device 2004.
  • design data is used in this embodiment, pattern shape data predicted as a result of patterning in an actual semiconductor element manufacturing process may be used.
  • step 1504 the procedure proceeds to step 1504, where the pattern contour in the image extracted in step 1502 by the arithmetic device 2003 is compared with the pattern shape obtained in step 1503, and each pattern defined in the latter is compared with the pattern in the observation image.
  • the contour line pattern was associated. It was found that the pattern 1402 in the observation image corresponds to the active region 1302 and the pattern 1403 corresponds to the gate pattern 1303 (extraction).
  • an area for which a line width profile is to be calculated that is, an edge inspection area 1304 is input.
  • This operation is performed on the image displayed on the monitor 2001 by showing an area for generating a line width profile using a mouse which is a part of the input device 2002.
  • a frame drawn by a broken line in FIG. 13 is an area designated here.
  • the arithmetic unit 2003 of the computer 612 divides this inspection area according to the data shown in FIG. 14 (procedure 1506). First, the positions of the right edge and the left edge of the line pattern in the inspection area 1304 were grasped, and the inspection area was divided into two areas corresponding to the vicinity of each edge.
  • each region was divided into a portion where the edge was on the insulator and a portion on the semiconductor, using the material and structure data stored in advance.
  • the area where the edge is detected is divided into a total of six areas, areas 1601 to 1606.
  • the pattern device edge is extracted by the arithmetic unit 2003, and the line width profile is calculated.
  • the pattern edge extraction was performed according to the following procedure.
  • FIG. 17 shows a signal profile plotted along a straight line 1607 crossing the pattern in FIG. 16 and a state in which an edge is defined on the signal profile.
  • FIG. 22 shows a state of a screen 2201 on which the image of FIG. 16 and the setting of each edge detection parameter are displayed.
  • Reference numeral 2202 denotes a two-dimensional image obtained by superimposing an SEM image and a region for edge detection different from each other
  • reference numeral 2203 denotes a design data file and a name display part of the SEM image file
  • reference numeral 2204 denotes a click button for changing design data
  • Reference numeral 2205 is a click button for changing the SEM image
  • reference numeral 2206 is a button for selecting the number of necessary edge inspection areas
  • reference numeral 2207 is an edge detection (extraction) condition display section for each edge detection (extraction) area
  • reference numeral 2208 is a click. Indicates a button.
  • Parameter set for performing edge extraction was defined as a set of number 1.
  • areas 1604 and 1606 are areas 4 and 6, and a parameter set number is 3.
  • An area 1605 is the area 5 and the parameter set number is 4.
  • i 3 as a whole must be set. However, it is necessary to accurately measure the shape of the pattern edge up to the high frequency component particularly on the portion on the semiconductor, that is, on the region 1602 and the region 1605.
  • the period corresponding to the limit on the high-frequency component side of the edge shape was double the length corresponding to 9 pixels, that is, 15.8 nm.
  • the period of the important part shape is doubled by 3 pixels, that is, 5.3 nm.
  • the gate width of a transistor is approaching 50 nm, there is a need to detect a component with a short period of about 1/10 of the gate width when investigating the unevenness of the gate line shape. Only by using this method, components with a sufficiently short period can be detected.
  • the edge of the pattern is detected from the image by dividing into a plurality of regions based on the information on the structure and material of the observation target.
  • Semiconductor inspection apparatus and semiconductor capable of suppressing fluctuations in edge position measurement error due to the material and structure of the lower layer of the measurement pattern by obtaining the edge using the optimum edge detection condition for each of the above-mentioned areas
  • An inspection method for an inspection apparatus can be provided.
  • Step region 601 Scanning electron beam microscope housing 602 ... Electron gun 603 ... Electron beam 604 ... Converging lens 605 ... Deflector 606 ... Objective lens 607 ... Observation wafer 608 ... Stage 609 ... secondary electrons, 610 ... detector, 611 ... control device for scanning electron microscope, 61 A computer for controlling a scanning electron microscope and an observation result analysis system by an operator, 613, a data storage device, 701, a gate pattern on design data, 702, an active area on design data, 703, design data Upper transistor isolation region, 801... First image acquisition step, 802... Extracting pattern contour line in observation image, 803... Reading design data from storage device, 804...
  • Contour line extracted from observation image A step of comparing the design data and recognizing corresponding figures, a step of dividing the observation region into a plurality of regions having different scanning conditions according to the result of 805... 804, and an image again according to the result of 806.
  • Click button for changing SEM image 2106 ... Each image processing Area processing condition display section, 2107... Click button for operation that can be performed next, 2201... Window displayed on the monitor in Example 3, 2202... SEM image and area for edge detection different from each other. Two-dimensional image, 2203... Display portion of design data file and SEM image file name 04 ... Click button for changing design data, 2205 ... Click button for changing SEM image, 2206 ... Number selection button for necessary edge inspection areas, 2207 ... Edge detection (extraction) condition display for each edge inspection area Section, 2208 ... Click button for the next operation that can be performed.

Abstract

　電子顕微鏡で得られる一視野の中の試料像内において、測定パターン下層の材料・構造に起因したエッジ位置計測誤差の変動を抑制することができる半導体検査装置および半導体検査装置の検査方法を提供するために、第１の方法として、電子線を走査して得られる視野内の観察対象の構造や材料の情報に基づいて、視野内を複数の領域に分割し、領域毎に電子線の走査条件を変える(８０５，８０６)、第２の方法として、取得した画像に対して分割された領域毎に画像処理条件を変える、第３の方法として、取得した画像のエッジ検査領域において分割された領域毎にエッジ検出条件を変える。

Description

半導体検査装置及びそれを用いた半導体検査方法
　本発明は、電子顕微鏡を用いて試料の寸法を測定するシステム及び方法に関わり、特に半導体装置の製造プロセスにおいてウエハ上に形成されたパターンの形状を評価する半導体検査装置及びそれを用いた半導体検査方法に関する。
　半導体装置の製造工程では、基板上に微細なパターンを幾層も形成し、これらのパターンが設計通りにウエハ上に加工されているか、または加工されたパターンの寸法に変動がないか検査が行われる。この検査では、微細な寸法測定に優れた走査型電子顕微鏡が従来から用いられている。電子顕微鏡を用いた各種検査を行なう装置や方法については、例えば特許文献１～７や非特許文献１に開示されている。
特開平１１－３１６１１５号公報 特開２００７－２１８７１１号公報 特開２００８－１５３０８５号公報 特開平９－３２０５０５号公報 特開２００４－１５７１３５号公報 特開２００５－２７７３９５号公報 特開２００７－２４８０８７号公報
Ｐｒｏｃ．　ｏｆ　ＳＰＩＥ　Ｖｏｌ．６１５２　６１５２０Ｙ－１（２００６）
　これまでの半導体製造プロセスにおける検査では、たとえば半導体デバイスの性能を支配するゲートラインパターンのライン幅を測定する際、上記の手法を用いてゲートラインのうち、半導体材料の上にのっている領域だけを計測すればよかった（この様子を図１に示す）。なぜならば、ゲートパターン１０１の幅のうち、半導体材料がむき出しになっているアクティブ領域１０２の上にゲートパターンがのっている部分の値のみから、完成されるトランジスタの性能が十分な精度で予測できたからである。
　しかし近年は後述する理由から、トランジスタ同士を分離する目的で形成されている図１の絶縁膜領域１０３の上にのっているゲートラインの幅、さらには領域１０１と絶縁膜領域１０３との境界である、段差領域１０４の上のライン幅までも、計測する必要が生じてきた。具体的に計測する必要のある情報を示すため、図１のラインパターンの幅をラインに沿って計測した例を図２に示す。グラフのｙは、図１中に示したｙ座標に対応している。
　従来は図１のアクティブ領域１０２上のライン幅に対応する図２のアクティブ領域２０１における平均寸法値を求めていたが、最近ではラインの両端を除いた領域２０２における寸法値の変動を正しく求める必要が生じている。このグラフ、即ちある範囲内における局所ライン幅のエッジ方向に沿った変動を、ここではライン幅プロファイル、と呼ぶことにする。また、ラインパターン以外のパターンでも、これまではそのごく一部を計測し、パターンの寸法代表値として取り扱っていたが、近年は代表値ではなくパターンの全体を正しく把握することが必要になってきた。即ち、これまでのようにパターンあるいはパターンの一部から抽出した一つの指標だけでは、パターンが、必要なデバイス性能を実現する程度に正しく転写されているかどうかを評価できなくなってきた、といえる。
　このような計測が必要になった第一の理由は、これらのデータによってマスクパターン修正の必要性が正確に判断できるからである。例えば非特許文献１では、ライン幅プロファイルを用いた場合が示されている。この文献では、本来Ｙに対して変動が殆どないはずの領域で、ライン幅が増加の傾向を示したことから、マスクの光近接効果補正が不十分であることが判明した、という事例が述べられている。
　第二の理由は、これらの情報がデバイスの性能と関係する重要な量だからである。従って、作成されたパターンの合否判定を行う上でライン幅プロファイルやパターン形状データが役に立つ。
　第三の理由は、この情報を用いて、観察対象ウエハに次に施される加工の条件が最適化できるためである。このような検査及び制御を実施することで、半導体デバイスの歩留まりを向上させることができる。逆に、このような方法で生産性を向上させない限り、最先端の半導体デバイスは量産できない。
　尚、ラインパターンにおいても、パターンの二次元形状（パターンエッジの二次元形状）を正しく計測できれば、ライン幅プロファイルは正確に計測することができるため、以降は電子顕微鏡を用いてパターンのエッジの位置を正確に計測する方法について考える。
　パターンエッジの位置を正確に計測することを妨げる要因について、発明者らが検討した結果を以下に示す。
　第一に、断面方向のパターン構造（段差、傾斜、トップの丸まり、ボトムの裾引きなど）である。この様子は図３に示した。符号３０１が走査型電子顕微鏡で観察したラインパターンの画像の模式図である。中央がラインパターンである。線３０２で表される、紙面に垂直な平面で切って得られる断面形状を符号３０４で示し、この箇所の走査型電子顕微鏡像の信号形状を符号３０６で示す。同様に、線３０３における断面形状、信号形状をそれぞれ符号３０５、符号３０７で示す。たとえパターン中腹のライン幅が一定値（ａとする）であっても、このような断面形状の変動があれば信号形状が異なるため、パターンエッジの位置が変動する。
　第二に、構成材料である。たとえ断面形状が一定であっても、パターンやパターンの下地の構成材料が異なれば、得られる信号プロファイルの形状が場所によって変わる。この例を図４に示した。図４は、走査型電子顕微鏡で同じ断面形状で材料の異なるパターンが並んでいる領域を観察して得られた画像である。ラインパターン４０１は絶縁体でできており、ラインパターン４０２は半導体でできている。下地は半導体である。これらのパターンの線４０３で表される、線上の信号形状が符号４０４である。絶縁体で形成されたラインパターン４０１に対応する信号のピークは広がり、半導体で形成されたラインパターン４０２に対応する信号のピークは狭くなる。
　第三に、周辺の帯電しやすさである。周辺が絶縁体であると、帯電の影響を強くうけ、前述の第二の場合同様に。信号のピークが広がる傾向にある。このような信号形状への影響は、エッジの位置を真の位置からずらす。
　また、上に述べたパターンは実際に存在する。例えば、トランジスタのゲート電極幅は重要な計測対象であるが、この下層には、トランジスタのチャネルを構成するアクティブ領域とそれぞれのトランジスタを分離させる素子分離領域が混在している。通常、アクティブ領域は導電性が高いＳｉ基板の表面に厚さ数ｎｍ以下のゲート絶縁膜が形成されており、素子分離領域には比較的厚い絶縁膜が用いられる。またアクティブ領域にはｎチャネルトランジスタのアクティブ領域とｐチャネルトランジスタのアクティブ領域が混在している場合がある。ｎチャネル領域とｐチャネル領域とでは、ゲート絶縁膜下層のＳｉ基板のドーパント種・濃度が異なる。また、アクティブ領域と素子分離領域とでは最大数十ｎｍ程度の段差がある場合がある。
　なお、特許文献１には、走査型電子顕微鏡を用いて自動で寸法測定を行う手法が開示されている。特許文献１では走査電子顕微鏡で得られる信号を寸法測定方向と垂直方向に加算平均してから寸法を算出している。特許文献１では、さらに、走査電子顕微鏡で得られた試料像に前記加算平均により寸法測定を行う領域を重ねて表示し、かつこの領域を試料像の任意の位置に調整することができ、容易に試料像の任意の領域の寸法を測定できる手段が開示されている。
　特許文献２には、走査電子顕微鏡から得られる信号と真のエッジの位置との関係が計測対象の断面形状に応じて変化することを考慮して、測定対象の断面形状変動及び寸法変動があった場合の測定信号波形を、走査電子顕微鏡装置の特性を考慮した電子線シミュレーションを用いて予測しライブラリー化しておくという手法が記述されている。実際に計測された信号波形をこのライブラリーに記録されている様々な信号波形と比較し、最も一致度の高いものを選択することで測定誤差の低減を実現している。
　また、特許文献３には、レジストや絶縁膜、Ｌｏｗ－ｋ材料等の帯電し易い材料を測定する場合、荷電粒子線の照射によって誘起される試料の電位変化を抑制しつつ、荷電粒子線を用いた試料表面の電位測定、或いは試料帯電によって変化する装置条件の変動の補償値を検出する技術が開示されている。また、特許文献４には電子線ビームの加速電圧や計測対象近傍における電位勾配を最適化することでチャージアップを低減し正確な試料像を得る技術や、装置の検出信号から計測値を抽出する時に使用するパラメータをチャージアップ現象に対応させることで正確な計測を行う技術が開示されている。また、特許文献５には、計測対象パターンの材料や形状に応じて電子線照射条件（照射エネルギー、ビーム電流、照射回数等）を適切に選択することで正確な試料像を得る技術が開示されている。
　以上述べたように、特許文献２、３、４、５では、測定パターンの材料や形状、下層の材料に起因するエッジ位置計測誤差を抑制する方法が開示されている。しかし、特許文献１を含め、上記の特許文献には、電子顕微鏡で観察する一視野の中で測定パターン下層の材料・構造が複数種存在する場合に、エッジ計測位置の誤差や誤差自体の変動を抑制し、一視野に含まれる微細パターンの形状を高い精度で計測する技術に関してなんら開示されていない。
　特許文献６や特許文献７には測定パターン下層に前工程のパターンが存在する場合と存在しない場合とで測定像が異なるという現象が開示されている。しかし、特許文献６や特許文献７は観察像と設計データを比較し所定のパターン寸法の測定値と設計値との差が許容できるか（即ち、その観察ウエハを合格とするかどうか）の検査を行う時に、測定パターン下層に前工程のパターンが存在する場合に限って上記の理由から計測誤差の変動を考慮して許容値を変更する方法が開示されているのみである。そのため、一視野の中の試料像内でのエッジ位置計測誤差の変動を抑制することはできない。
　本発明の目的は、電子顕微鏡で得られる一視野の中の試料像内において、測定パターン下層の材料・構造に起因したエッジ位置計測誤差の変動を抑制することができる半導体検査装置および半導体検査装置の検査方法を提供することにある。
　上記目的を達成するための一実施形態は、電子線を走査することにより基板上のパターンを観察して得られる画像から、前記パターンのエッジを検出して二次元形状を評価する半導体検査装置であって、前記パターンの設計データ或いはパターニングの結果予測されるパターン形状のデータと、前記パターン及び前記パターンの下地を構成する材料や構造のデータとを予め記憶させておく記憶装置と、予め記憶させておいた前記パターンの前記設計データ或いはパターニングの結果予測されるパターン形状のデータと観察して得られる前記画像のデータとを比較する比較機能、前記比較機能を動作させた結果および予め記憶させておいた前記パターンの下地を構成する材料や構造のデータを用いて、観察領域に入射した電子線に対する反応が異なると期待される領域毎に前記観察領域を複数個の領域に分割する分割機能、および前記分割機能により分割された前記複数個の領域を、異なる走査条件で前記電子線を走査して得られる画像から前記パターンのエッジを検出してライン幅プロファイルを算出する機能を備えた演算装置と、を有することを特徴とする半導体検査装置とする。
　また、上記半導体検査装置を用いた半導体検査方法であって、前記パターンの第１の画像を取得する工程と、取得した前記第１の画像のパターンの輪郭線を抽出する工程と、抽出された前記輪郭線のパターンと、前記パターンの設計データ或いはパターニングの結果予測されるパターン形状のデータとを比較し、互いに対応するパターンを抽出する工程と、互いに対応するパターンを含む領域を、前記パターン及び前記パターンの下地を構成する材料や構造のデータを用いて複数の領域に分割する工程と、前記互いに対応するパターンを含む領域において、走査する電子線の走査条件を、前記複数の領域毎に決定する工程と、前記複数の領域毎に決定された走査条件でそれぞれ前記電子線を走査し、第２の画像を取得する工程と、前記第２の画像から所望のエッジを検出し、ライン幅プロファイルを算出する工程と、を有することを特徴とする半導体検査方法とする。
　また、電子線を走査することにより基板上のパターンを観察して得られる画像から、前記パターンのエッジを検出して二次元形状を評価する半導体検査装置であって、前記パターンの設計データ或いはパターニングの結果予測されるパターン形状のデータと、前記パターン及び前記パターンの下地を構成する材料や構造のデータとを予め記憶させておく記憶装置と、予め記憶させておいた前記パターンの前記設計データ或いはパターニングの結果予測されるパターン形状のデータと観察して得られる前記画像のデータとを比較する比較機能、前記比較機能を動作させた結果および予め記憶させておいた前記パターンの下地を構成する材料や構造のデータを用いて、観察領域に入射した電子線に対する反応が異なると期待される領域毎に前記画像を複数個の領域に分割する分割機能、および複数個の前記領域を、異なる画像処理条件で画像処理して得られる画像から前記パターンのエッジを検出しライン幅プロファイルを算出する機能を備えた演算装置と、を有することを特徴とする半導体検査装置とする。
　また、上記半導体検査装置を用いた半導体検査方法であって、前記パターンの第１の画像を取得する工程と、取得した前記第１の画像のパターンの輪郭線を抽出する工程と、抽出された前記輪郭線のパターンと、前記パターンの設計データ或いはパターニングの結果予測されるパターン形状のデータとを比較し、互いに対応するパターンを抽出する工程と、互いに対応するパターンを含む領域を、前記パターン及び前記パターンの下地を構成する材料や構造のデータを用いて複数の領域に分割する工程と、前記互いに対応するパターンを含む領域における画像処理条件を、前記複数の領域毎に決定する工程と、前記複数の領域毎に決定された画像処理条件に従って画像処理を行ない、第２の画像を取得する工程と、前記第２の画像から所望のエッジを検出し、ライン幅プロファイルを算出する工程と、を有することを特徴とする半導体検査方法とする。
　また、電子線を走査することにより基板上のパターンを観察して得られる画像から、前記パターンのエッジを検出して二次元形状を評価する半導体検査装置であって、前記パターンの設計データ或いはパターニングの結果予測されるパターン形状のデータと、前記パターン及び前記パターンの下地を構成する材料や構造のデータとを予め記憶させておく記憶装置と、予め記憶させておいた前記パターンの前記設計データ或いはパターニングの結果予測されるパターン形状のデータと観察して得られる前記画像のデータとを比較する比較機能、エッジの検査領域において、前記比較機能を動作させた結果および予め記憶させておいた前記パターンの下地を構成する材料や構造のデータを用いて、観察領域に入射した電子線に対する反応が異なると期待される領域毎に前記画像データを複数個の領域に分割する分割機能、および複数個の前記領域毎に異なるエッジ検出条件で前記パターンのエッジを検出しライン幅プロファイルを算出する機能を備えた演算装置と、を有することを特徴とする半導体検査装置とする。
　また、上記半導体検査装置を用いた半導体検査方法であって、前記パターンの画像を取得する工程と、取得した前記画像のパターンの輪郭線を抽出する工程と、抽出された前記輪郭線のパターンと、前記パターンの設計データ或いはパターニングの結果予測されるパターン形状のデータとを比較し、互いに対応するパターンを抽出する工程と、エッジの検査領域を入力する工程と、前記検査領域において、互いに対応するパターンを含む領域を、前記パターン及び前記パターンの下地を構成する材料や構造のデータを用いて複数の領域に分割する工程と、前記検査領域におけるエッジ検出条件を、前記複数の領域毎に決定する工程と、前記複数の領域毎に決定されたエッジ検出条件に従ってエッジを検出し、ライン幅プロファイルを算出する工程と、を有することを特徴とする半導体検査方法とする。
　電子顕微鏡で得られる一視野の中の試料像内において、測定パターン下層の材料・構造に起因したエッジ位置計測誤差の変動を抑制することができる半導体検査装置および半導体検査装置の検査方法を提供することができる。
基板上に転写された半導体パターンの例を示す平面図である。 図１のラインパターンの幅をラインに沿って計測したときのライン幅の変化を示すグラフである。 基板上のパターンの電子顕微鏡による上空観察像とパターン断面形状及び電子顕微鏡の信号を表す模式図である。 基板上のパターンの電子顕微鏡による上空観察像と信号形状を現す模式図である。 実施例１及び２でライン幅プロファイルを算出した電子顕微鏡画像の模式図と画像に対して仮定されたｘ、ｙ軸である。 実施例１、２及び３で用いた装置の概念図である。 実施例１で解析に用いた、設計パターンの平面図である。 実施例１の手順を記したフロー図である。 実施例１における観察領域の分割を示す図である。 実施例２で解析に用いた、予測されるパターンの二次元輪郭線形状を表す図である。 実施例２の手順を記したフロー図である。 実施例２において観察画像上で異なる画像処理を施すべき領域を表す図である。 実施例３においてライン幅プロファイルを算出した電子顕微鏡画像及びその上に配置された検査領域（破線）を示す模式図である。 実施例３において解析に用いた、設計パターンの平面図である。 実施例３の手順を記したフロー図である。 実施例３でライン幅プロファイルを算出した電子顕微鏡画像及びその上に配置された分割後の検査領域（破線）を示す模式図である。 実施例３で用いたエッジの定義を説明する信号形状プロファイルの模式図である。 実施例１で用いたコンピュータ６１２の構成を示す概念図である。 実施例１のモニタに表示された画面である。 実施例２及び３で用いたコンピュータ６１２の構成を示す概念図である。 実施例２のモニタに表示された画面である。 実施例３のモニタに表示された画面である。
　発明を実施するための形態としては、大きく分けて以下に示す三つの方法がある。第一の方法は、電子顕微鏡による画像取得の段階における新規な手法である。これは視野内の観察対象の構造や材料の情報に基づいて観察条件を視野内で変えることである。これまで、一視野の観察のために観察条件を最適化するという方法はあったが、視野内を材料や構造に基づいて複数の領域に分け、各領域で最適な観察を実施するという手法はなかった。
　第二の方法は、従来通りに一種類の条件で画像を取得しておき、取得した画像を、含まれる材料や構造に基づいて複数の領域に分け、各領域に最適な画像処理をかけて、第一の方法を実施して得られる画像と同等の画像を得るという方法である。
　第三の方法は、従来通りに一種類の条件で画像を取得しておき、取得した画像を、含まれる材料や構造に基づいて複数の領域に分け、画像からパターンのエッジを抽出する際に、前述の領域ごとに最適なエッジ抽出（検出）条件を用いてエッジを求めるという方法である。
　電子顕微鏡の照射電子ビームの加速電圧や電流値、焦点を簡単に素早く変更するシステムを有する場合は、第一の方法をとることが、最もよい。しかしながらこのようなハードウエアがない場合は、第二の方法をとることで解決できる。第二の方法は複雑なハードウエアを必要としないため、安価である。第三の方法は第二の方法同様、ハードウエアを必要としない。また第二の方法よりもデータ処理が簡単であるため、処理にかかる時間が短いという利点がある。しかし一方で、可能な処理が限られるため、対応できるサンプル構造が制限される。
　いずれの方法においても、本実施の形態は、電子顕微鏡装置を含む計測システムであって、かつ、設計データあるいは予測されるパターンの二次元画像データないしはパターンの輪郭線のデータを、各領域の高さ情報や構成材料情報含めて、入力する機能、記録を保持する機能とこれをシステムの制御系に読み込む機能を有することが特徴である。
　同時に、上記の機能を、従来からあった寸法計測位置や試料像取得条件などの観察及び計測のレシピ（以下、計測レシピと記す）を入力する機能、記録を保持する機能とこれをシステムの制御系に読み込む機能と組み合わせることができる点が特徴である。
　以下、実施例により説明する。
　本実施例では、発明を実施するための形態として挙げた第一の方法を用いて、段差のある、絶縁体と半導体の構造の上に作成されたシリコン（Ｓｉ）のラインパターンのライン幅プロファイルを計測した例を、図５、図６、図７、図８、図９、図１８、図１９を用いて説明する。
　図５は本実施例でライン幅プロファイルを算出した電子顕微鏡画像の模式図である。図６は本実施例で用いた半導体検査装置の概念図である。図７は本実施例で解析に用いた、設計パターンである。図８は本実施例の手順を記したフロー図である。図９は電子顕微鏡の走査条件の異なる領域を示した模式図である。図１８は図６中のシステム制御用コンピュータ６１２の構成を示す。また図１９はモニタ１８０１に現れる画面１９０１の例である。符号１９０２はＳＥＭ画像と分割された走査領域とを重ね合わせた二次元画像、符号１９０３は設計データファイルとＳＥＭ画像ファイルの名前の表示部、符号１９０４は設計データを変更したい場合のクリックボタン、符号１９０５はＳＥＭ画像を変更したい場合のクリックボタン、符号１９０６は各走査領域の走査条件表示部を示す。
　まず、図８に示した手順８０１を実施した。即ち、正確なライン幅プロファイルを得たいパターンを低いＳ／Ｎ比の観察条件で画像取得した。具体的には、システムの制御用コンピュータ６１２を操作し、ウエハ６０７を観察ステージに設置した後、システム制御用コンピュータ６１２から電子顕微鏡制御系６１１を操作してウエハ上のパターンを観察するとともに画像取得した。
　この観察の際の視野は縦横ともに９００ｎｍであった。また、この視野を観察するにあたり、用いた電子顕微鏡の電子ビーム６０３の加速電圧は５００Ｖ、電流値は５ｐＡであり、信号積算回数（画像データを得るために繰り返した電子ビーム走査の回数）は４回であった。
　こうして得られた画像の模式図を図５に示す。ここには得られた画像とその画像中での点の位置を定義するためのｘ、ｙ軸が示されている。画像左下の頂点を原点（ｘ＝ｙ＝０）とした。引き続き以下の操作を行った。これらは全て、図１８に示す入力装置１８０２を介してシステム制御用コンピュータ６１２を操作して行った。なお、符号６０１は走査型電子線顕微鏡の筐体、符号６０２は電子銃、符号６０４は収束レンズ、符号６０５は偏向器、符号６０６は対物レンズ、符号６０８はステージ、符号６０９は二次電子、符号６１０は検出器を示す。
　次に、手順８０２に進み、コンピュータの演算装置１８０３において、前記手順８０１で得られた画像からパターンの輪郭線を抽出した。次に、手順８０３に進み、記憶装置６１３からパターンを正確に計測したい部分の設計データをコンピュータの演算装置１８０３につながる一時的記憶領域１８０４に転送した（読み込み）。
　なお、本実施例では設計データを用いたが、実際の半導体素子製造工程におけるパターニングの結果予測されるパターン形状のデータを用いてもよい。これにより、この設計データの二次元形状は図７に示すとおりであり、かつ、ゲート領域７０１はポリシリコン、アクティブ領域７０２はシリコン、分離領域７０３は二酸化シリコン（ＳｉＯ２）から成ること、分離領域７０３はアクティブ領域７０２に対して、高さが８０ｎｍ高いこと、という情報が読み込まれた。
　次に、手順８０４に進んだ。コンピュータ６１２中の入力装置１８０２を用いて演算装置１８０３に図５の画像と図７のパターンとの比較を実施させた。その結果演算装置１８０３は、現在観察中であるサンプル中のゲート領域５０１、アクティブ領域５０２、分離用絶縁膜領域５０３に対応するパターンがゲート領域７０１、アクティブ領域７０２、分離領域７０３であることを認識し、領域５０１、領域５０２、領域５０３の輪郭線パターンを抽出した。
　次に手順８０５に進み、領域７０１に沿って図下方から上方へ進んだときに現れる、下地が領域７０３から領域７０２へと変わる位置のｙ座標、即ちｙ１を得た。さらに上方へ進んで、下地が領域７０２から再び領域７０３へと変わる位置のｙ座標即ちｙ２を得た。
　また、これらの情報を基に、演算装置１８０３は記憶装置６１３に予め記憶させておいた材料や高さ情報に対応する走査条件の群を呼び出して一時的記憶装置１８０４に記憶させ、さらにその中から最適なものを選択し、モニタ１８０１上にそれを表示させた。この様子を図１９に示す。ここで示されているコンピュータに提示された条件では、走査領域を図９のように三つに分け、領域９０１及び領域９０３では照射電子ビームの加速電圧を５００Ｖに、また、電流値を４ｐＡに、領域９０２では前者が８００Ｖに、後者が８ｐＡになるように設定されていた。また、信号積算回数はいずれでも８回であった。
　さらに、照射する電子ビームの焦点は領域９０１上で最適化し、領域９０２ではその位置よりも８０ｎｍ低い位置が焦点となるように設定されていた。領域９０３では領域９０１を走査する際と同じ設定である。
　次に、手順８０６に進み、これらの条件を受け入れ、符号１９０７に示される工程選択ボタンのうちＥｘｅｃｕｔｅをクリック、画像取得を実行した。
　次に、手順８０７に進み、演算装置１８０３において、取得した画像データから、ラインパターンのエッジを抽出し、ライン幅プロファイルを得た。
　本実施例では、信号積算回数は全ての領域で８回としたが、特に帯電が激しい場合は領域９０１及び領域９０３では走査回数を６回に減らしてもよい。このように、コンピュータに提示された内容に変更を加えたい場合は、入力装置１８０２の一部であるマウスを用いて、各走査領域の走査条件表示部１９０６の任意のセルをクリックし、入力装置１８０２の一部であるキーボードから数値を入力することもできる。なお、演算装置１８０３は、手順８０２、手順８０４、手順８０５、手順８０７を実行するための各機能を有する。
　これにより、従来はライン幅プロファイルの誤差が５ｎｍあったところ、２ｎｍにまで低減できた。このことで、パターン検査の精度が向上し、歩留まりが向上した。
　本実施例によれば、電子顕微鏡で得られる一視野の中の試料像内において、観察対象の構造や材料の情報に基づいて走査領域を分け、それぞれの走査領域で走査条件を変えることにより、測定パターン下層の材料・構造に起因したエッジ位置計測誤差の変動を抑制することができる半導体検査装置および半導体検査装置の検査方法を提供することができる。
　本実施例では、発明を実施するための形態として挙げた第二の方法を用いて、段差のある、絶縁体と半導体の構造の上に作成されたＳｉのラインパターンのライン幅プロファイルを計測した例を、図５、図６、図１０、図１１、図１２、図２０、図２１を用いて説明する。
　図５は本実施例でライン幅プロファイルを算出した電子顕微鏡画像の模式図である。図６は本実施例で用いた装置の概念図である。図１０は本実施例で解析に用いた、予測されるパターンの二次元輪郭線形状である。図１１は本実施例の手順を記したフロー図である。図１２は異なる条件で画像処理を実施するための境界を表示した図である。図２０は図６中のシステム制御用コンピュータ６１２の本実施例での構成を示す。また図２１はモニタ２００１に現れる画面２１０１の例である。符号２１０２はＳＥＭ画像と異なる画像処理を行なう領域とを重ね合わせた二次元画像、符号２１０３は設計データファイルとＳＥＭ画像ファイルの名前の表示部、符号２１０４は設計データを変更したい場合のクリックボタン、符号２１０５はＳＥＭ画像を変更したい場合のクリックボタン、符号２１０６は各画像処理領域の処理条件表示部を示す。
　まず、システムの制御用コンピュータ６１２を用いて、走査型電子顕微鏡の制御装置６１１に信号を送り、ウエハ６０７を観察ステージに設置した後、パターンの画像を取得した（手順１１０１）。ここでは、照射電子ビーム６０３の加速電圧は５００Ｖ、電流値は４ｐＡであった。また、信号積算回数は１６回であった。また、観察領域の寸法は縦横とも９００ｎｍであった。これにより図５に示す画像が得られた。画像は縦横とも５１２個の画素によって構成されていた。なお、照射する電子ビームの焦点は領域５０３上のパターンで最適化されていた。
　引き続き、以下の作業を、全て入力装置２００２を介してシステム制御用コンピュータ６１２を操作して行った。まず手順１１０２に進み、取得した画像データから、演算装置２００３を用いてラインパターンのエッジを抽出した。
　さらに手順１１０３に進み、演算装置２００３により記憶装置６１３に保存してあった、マスク形状とリソグラフィ条件から予測される二次元パターン形状を一時的な記憶装置２００４に転送した（読み込み）。なお、設計データを用いることもできる。
　続いて、手順１１０４に進み、演算装置２００３が手順１１０２で抽出した画像内のパターン輪郭と、手順１１０３で得たパターン形状とを比較し、後者の中で定義されている各パターンと、観察画像内の輪郭線パターンとを対応づけした。演算装置２００３は観察画像の中のゲートパターン５０１は符号１００１に、アクティブ領域パターン５０２は符号１００２に、絶縁膜領域パターン５０３は符号１００３に、段差領域パターン５０４は符号１００４に相当することを見出した（抽出）。
　次に、手順１１０５に進み、演算装置２００３は画像を分割した。まずパターンの予測された形状を示している図１０にあるように、ｙ方向に、ゲートパターン（１００１）に沿って、下地が変わるところの画素のｙ座標、ｙ１０１、ｙ１０２、ｙ１０３、ｙ１０４（これらは予測された形状図１０上での値である）に相当するｙ座標を実際の観察画像図５の上でみつける。これらの値をｙ’１、ｙ’２、ｙ’３、ｙ’４とする。これらは画像上での値である。
　そこで、図５に示した画像を直線により５つの領域に分けた。５つの領域とは、領域（１）ｙ＝０からｙ＝ｙ’１まで、領域（２）ｙ＝ｙ’１からｙ＝ｙ’２まで、領域（３）ｙ＝ｙ’２からｙ＝ｙ’３まで、領域（４）ｙ＝ｙ’３からｙ＝ｙ’４まで、領域（５）ｙ＝ｙ’４からｙ＝５１１まで、である。この様子を図１２に示す。
　図１２は図５の上に上記領域（１）から領域（５）までの領域の境界を実線で示したものである。なお、破線で示されているのは、この領域に存在するパターンの輪郭線である。ゲートパターン５０１から段差領域パターン５０４までは、図５に示したものと同じである。
　手順１１０４までの過程で、ゲートパターン５０１はＰｏｌｙ－Ｓｉからなること、アクティブ領域パターン５０２はドープしたＳｉであること、絶縁膜領域パターン５０３はＳｉＯ２から成り、その面はアクティブ領域パターン５０２よりも８０ｎｍ高いこと、段差領域パターン５０４はＳｉＯ２からなり、アクティブ領域パターン５０２と絶縁膜領域パターン５０３の境界であること、がわかっている。
　これらの情報をもとに、演算装置２００３は上記領域（１）から領域（５）までの領域に施す画像処理を下記のように決定した。但し、下記の関数は記憶装置６１３に予め記憶されていたものである。
　電子顕微鏡の焦点を最適化した上で、導体ないし半導体上のパターンを横切って得られる理想的な二次電子信号強度即ち信号プロファイルを
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
とおく。また、この信号プロファイルが帯電あるいは焦点のずれによりぼけると、信号プロファイルは下記の式で表されることがわかった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
ここで、関数ｇは
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
となる。
　ＳｉＯ２膜上にあるパターンから発する信号プロファイル即ち、上記の領域（１）及び領域（５）の信号プロファイルが帯電でぼける場合、Δ＝２ｎｍで記述されることがわかっていた。一方、ドープしたＳｉ上即ち（３）の信号プロファイルは、ＳｉＯ２膜とは誘電率が異なるため帯電によってぼけることはないものの、焦点が８０ｎｍずれていることでやはりぼける。この現象は同じく式２、式３でΔ＝０．８ｎｍとすることで記述できることがわかっていた。
　領域（２）（４）はその内部で高さが変化しているが、焦点が８０ｎｍの半分、即ち４０ｎｍずれているとみなし、これらの領域の信号プロファイルに対しては
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
という式でぼかしの効果を導入することとした。ここでΔ１＝２ｎｍ、Δ２＝０．４ｎｍである。
　このように、観察画像上の信号は場所によってぼかしの程度が異なっている。そこでこれを揃える操作が必要になる。画像から得られている信号プロファイルをＳ’（ｘ）とする。領域（１）及び領域（５）の信号プロファイルは既に帯電によりぼけているので、さらに焦点が８０ｎｍずれた効果を入れればよい。即ち、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　領域（２）及び領域（４）の信号プロファイルには４０ｎｍの焦点ずれの効果を加える。即ち
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　領域（３）の信号プロファイルには帯電の影響を加える。即ち
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　次に、手順１１０６に進み、図２１に示された画面上で処理の実行が選択された。ここで、画面内の画像処理条件１は領域（１）（５）に施される画像処理の条件、画像処理条件２は領域（２）（４）、条件３は領域（３）に施される画像処理の条件を表している。なお、セルをクリックして関数のパラメータ値を設定することができる。例えば、領域（１）（５）に相当するＮｏ．１の行ではΔの値として８０ｎｍを入力しなくてはならない。
　これらの入力を終えてから、クリックボタン２１０７の左端にあるＥｘｅｃｕｔｅをクリックすることで、処理が実行できる。この後、演算装置２００３によって上で定めたように領域（１）から（５）の信号にぼかしの処理が施された。
　さらに手順１１０７に進み、１１０６で得られた信号強度分布上で、通常の電子顕微鏡画像に対して適用する手法を用いて、パターン５０１に対応するパターンのエッジを算出(抽出)し、ライン幅プロファイルを得ることができた（これも演算装置２００３により実施された）。なお、演算装置２００３は、手順１１０２、手順１１０３、手順１１０４、手順１１０５、手順１１０６、手順１１０７を実行するための各機能を有する。
　これにより、従来はライン幅プロファイルの誤差が５ｎｍあったところ、２ｎｍにまで低減できた。このことで、パターン検査の精度が向上し、歩留まりが向上した。
　本実施例によれば、電子顕微鏡で得られる一視野の中の試料像内において、観察対象の構造や材料の情報に基づいて複数の領域に分け、各領域に最適な画像処理をかけて、実施例１で得られる画像と同等の画像を得ることにより、測定パターン下層の材料・構造に起因したエッジ位置計測誤差の変動を抑制することができる半導体検査装置および半導体検査装置の検査方法を提供する
　本実施例では、発明を実施するための形態として挙げた第三の方法を用いて、段差のある、絶縁体と半導体の構造の上に作成されたＳｉのラインパターンのライン幅プロファイルを計測した例を、図６、図１３、図１４、図１５、図１６、図１７、図２０、図２２を用いて説明する。
　図６は本実施例で用いた装置の概念図である。図１３は本実施例でライン幅プロファイルを算出した電子顕微鏡画像及びその上に配置されたエッジの検査領域１３０４（破線）を示す模式図である。図１４は本実施例で解析に用いた、設計パターン形状のデータである。符号１４０１は分離用絶縁膜領域を示す。図１５は本実施例の手順を示すフロー図である。図１６は本実施例でライン幅プロファイルを算出した電子顕微鏡画像及びその上に配置された分割後の検査領域（破線）を示す模式図である。図１７は本実施例で用いたエッジの定義を説明する図である。また、本実施例で用いたコンピュータ６１２の構成は図２０に示すように、実施例２と同じ構成であった。
　まず、図１５に示す手順１５０１を実施した。即ち、システムの制御用コンピュータ６１２を操作し、走査型電子顕微鏡の制御装置６１１に信号を送り、ウエハ６０７を観察ステージに設置した後、パターンの画像を取得した。ここでは、照射電子ビーム６０３の加速電圧は５００Ｖ、電流値は４ｐＡであった。また、信号積算回数は１６回であった。また、観察領域の寸法は縦横とも４５０ｎｍであった。
　これにより図１３に示す画像が得られた（ただし破線は除く）。画像は縦横とも５１２個の画素によって構成されていた。なお、照射する電子ビームの焦点はアクティブ領域１３０２上のゲートパターン１３０３のエッジをもっともクリアに写せる条件に最適化されていた。符号１３０１は分離用絶縁膜領域を示す。
　次に、以下の操作を行った。これらは全て、システム制御用コンピュータ６１２を、入力装置２００２を介して操作し、実施した。まず、手順１５０２に進み、演算装置２００３は取得した画像データから、パターンの輪郭線を抽出した。なお、演算装置２００３は、手順１５０２、手順１５０３、手順１５０４、手順１５０６、手順１５０７を実行するための各機能を有する。
　さらに手順１５０３に進み、演算装置２００３により、記憶装置６１３に保存してあった設計パターン形状（図１４）を、一時的な記憶装置２００４に転送した（読み込み）。なお、本実施例では設計データを用いたが、実際の半導体素子製造工程におけるパターニングの結果予測されるパターン形状のデータを用いてもよい。
　続いて手順１５０４に進み、演算装置２００３によって手順１５０２で抽出した画像内のパターン輪郭と手順１５０３で得たパターン形状とを比較し、後者の中で定義されている各パターンと、観察画像内の輪郭線パターンとを対応づけした。観察画像の中のパターン１４０２はアクティブ領域１３０２に、パターン１４０３はゲートパターン１３０３に相当することを見出した（抽出）。
　次に、手順１５０５に進み、ライン幅プロファイルを算出したい領域、即ちエッジの検査領域１３０４を入力した。この作業はモニタ２００１に表示された画像の上で、入力装置２００２の一部であるマウスを用いてライン幅プロファイルを出す領域を示すことで行われる。図１３の破線で描かれた枠が、ここで指定した領域である。
　すると、コンピュータ６１２の演算装置２００３はこの検査領域を、図１４に示すデータに従って分割した（手順１５０６）。まず、検査領域１３０４にあるラインパターンの右エッジと左エッジの位置を把握し、検査領域を各エッジの近傍に対応する二つの領域に分けた。
　次に各領域を、予め記憶させておいた材料や構造のデータを用いて、エッジが絶縁体上にある部分と半導体上にある部分とに分割した。この結果、エッジを検出する領域は図１６に示すように、領域１６０１～領域１６０６の合計６つの領域に分けられた。
　次に、手順１５０７に進み、演算装置２００３によりパターンのエッジを抽出し、ライン幅プロファイルの算出を行なった。なお、パターンエッジの抽出は以下の手順でおこなった。
　まず、画像内のｙ座標（ｙ＝０からｙ＝５１１）を固定した二次電子強度のｘ依存性即ち信号プロファイルを
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
と記す。ノイズが大きい場合には、エッジを検出する前に、複数本の信号プロファイルを平均化する。本実施例でも、平均化を行った。この結果、信号プロファイルは
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
となった。その上で、各信号プロファイル上で信号強度が最大値の半分になるところをエッジと定めた。
　図１６中でパターンを横切る直線１６０７に沿って信号プロファイルをプロットしたものと、この上でエッジを定めた様子を図１７に示す。また、図１６の画像と、各エッジ検出パラメータの設定とが表示されている画面２２０１の様子を図２２に示す。符号２２０２はＳＥＭ画像と異なるエッジ検出を行う領域とを重ね合わせた二次元画像、符号２２０３は設計データファイルとＳＥＭ画像ファイルの名前の表示部、符号２２０４は設計データを変更したい場合のクリックボタン、符号２２０５はＳＥＭ画像を変更したい場合のクリックボタン、符号２２０６は必要なエッジ検査領域の個数選択ボタン、符号２２０７は各エッジ検出（抽出）領域のエッジ検出（抽出）条件表示部、符号２２０８はクリックボタンを示す。
　この操作を行うにあたり、領域１６０１、領域１６０３、領域１６０４、領域１６０６では、下地が絶縁体であるためにノイズが大きいことを考慮し、ｉ＝４、とした。即ち、平均化する信号プロファイルの数を９とした。一方、領域１６０２、領域１６０５では下地が半導体であるためにノイズが小さいことを考慮し、ｉ＝１とした。即ち、平均化する信号プロファイルの数は３とした。
　ここで図２２の個数選択ボタン２２０６に示されるように、領域１６０１と領域１６０３はここでは領域１、領域３とされており、このパラメータセット（ラインの左エッジに対応する、ｉ＝４を用いたエッジ抽出を行うためのパラメータセット）を番号１のセットと定義した。また領域１６０２はラインの左エッジであり、ｉ＝１であるがこれを番号２のセット、領域１６０４及び領域１６０６は領域４及び領域６であり、パラメータセットの番号は３である。領域１６０５は領域５であり、パラメータセットの番号は４である。各々、「Ｐａｒａｍ＿ｓｅｔ」の番号をクリックすると、その番号に対応するパラメータセットが表示され、編集することができる。
　これらの平均化後のプロファイルから、図１７に示すように、パターンの外側で最も小さい信号強度Ｉｂｏｔｔｏｍと最も大きい信号強度Ｉｔｏｐの丁度平均の位置（Ｉｂｏｔｔｏｍ＋０．５×（Ｉｔｏｐ－Ｉｂｏｔｔｏｍ））をエッジ点と定義した。
　このように検査領域を分割する方法をとらない場合には、全体でｉ＝３としなくてはならない。しかしパターンエッジの形状は特に半導体上にのっている部分、即ち領域１６０２、領域１６０５上で、精度よく高周波成分まで計測する必要がある。
　これまでは全体をｉ＝３としたため、エッジ形状の高周波成分側の限界に相当する周期は、９ピクセルに相当する長さの倍、即ち１５．８ｎｍであった。しかし本方法を用いることで、重要な部分の形状については、この周期が３ピクセル分の２倍、即ち、５．３ｎｍとなった。トランジスタのゲート幅は５０ｎｍに近づきつつあるが、ゲートラインの形状の凹凸を調べる際には、ゲート幅の約１／１０の短い周期の成分まで検出したいというニーズがある。本方法を用いることで始めて、十分短い周期の成分が検出できるようになった。
　これにより、重要なパターンのエッジを高精度で検出したライン幅プロファイルを得ることができるようになったのである。このことで、パターン検査の精度が向上し、歩留まりが向上した。
　本実施例によれば、電子顕微鏡で得られる一視野の中の試料像内のエッジ検査領域において、観察対象の構造や材料の情報に基づいて複数の領域に分け、画像からパターンのエッジを検出する際に、前述の領域ごとに最適なエッジ検出条件を用いてエッジを求めることにより、測定パターン下層の材料・構造に起因したエッジ位置計測誤差の変動を抑制することができる半導体検査装置および半導体検査装置の検査方法を提供することができる。
１０１…トランジスタのゲート、１０２…トランジスタのアクティブ領域、１０３…トランジスタ同士を分離する絶縁膜領域、１０４…トランジスタ同士を分離する絶縁膜が削れている段差領域、２０１…ゲートパターンのライン幅プロファイルにおけるアクティブ領域、２０２…ゲートパターンのライン幅プロファイルにおける重要な全領域、３０１…ラインパターンの上空からの電子顕微鏡写真の模式図、３０２…３０１中の、ライン延在方向に対して垂直に交わる直線その１、３０３…３０１中の、ライン延在方向に対して垂直に交わる直線その２、３０４…直線３０２を含んで３０１に垂直な平面でパターンを切ったときの断面図、３０５…直線３０３を含んで３０１に垂直な平面でパターンを切ったときの断面図、３０６…直線３０２上の信号プロファイル、３０７…直線３０３上の信号プロファイル、４０１…電子顕微鏡写真中のラインパターン、４０２…電子顕微鏡写真中のラインパターン、４０３…電子顕微鏡写真中の、ライン延在方向に対して垂直に交わる直線、４０４…直線４０３上の信号プロファイル、５０１…トランジスタのゲート、５０２…トランジスタのアクティブ領域、５０３…トランジスタ同士を分離する絶縁膜領域、５０４…トランジスタ同士を分離する絶縁膜が削れている段差領域、６０1…走査型電子線顕微鏡の筐体、６０２…電子銃、６０３…電子線、６０４…収束レンズ、６０５…偏向器、６０６…対物レンズ、６０７…観察ウエハ、６０８…ステージ、６０９…二次電子、６１０…検出器、６１１…走査型電子顕微鏡の制御装置、６１２…操作者が走査型電子顕微鏡と観察結果解析を行うシステムを制御するためのコンピュータ、６１３…データ記憶装置、７０１…設計データ上のゲートパターン、７０２…設計データ上のアクティブ領域、７０３…設計データ上のトランジスタ分離領域、８０１…最初の画像取得工程、８０２…観察画像内のパターンの輪郭線を抽出する工程、８０３…記憶装置から設計データを読み込む工程、８０４…観察画像から抽出した輪郭線と設計データとを比較し、互いに対応する図形を認識する工程、８０５…８０４の結果に応じて、観察領域を走査条件の異なる複数個の領域に分割する工程、８０６…８０５の結果に従って再度画像を取得する工程、８０７…８０６で取得した観察画像からパターンのエッジを検出し、ライン幅プロファイルを得る工程、９０１…加速電圧５００Ｖ、電流値４ｐＡで電子線を照射する領域、９０２…加速電圧８００Ｖ、電流値８ｐＡで電子線を照射する領域、９０３…加速電圧500V、電流値4ｐAで電子線を照射する領域、１００１…トランジスタのゲート、１００２…トランジスタのアクティブ領域、１００３…トランジスタ同士を分離する絶縁膜領域、１００４…トランジスタ同士を分離する絶縁膜が削れている段差領域、１１０１…画像取得工程、１１０２…観察画像内のパターンの輪郭線を抽出する工程、１１０３…記憶装置から、予測される二次元パターン形状データを読み込む工程、１１０４…観察画像から抽出した輪郭線と予測される二次元パターン形状データとを比較し、互いに対応する図形を認識する工程、１１０５…１１０４の結果に応じて、観察領域を複数個の領域に分割し、各領域に対して施す画像処理条件を決定する工程、１１０６…１１０５の結果に従って画像処理を行う工程、１１０７…１１０６で画像処理を施した画像からパターンのエッジを検出し、ライン幅プロファイルを得る工程、１３０１…アクティブ領域同士を分離する絶縁膜領域、１３０２…アクティブ領域、１３０３…ゲートパターン、１３０４…エッジの検査領域、１４０１…設計データ上におけるアクティブ領域同士を分離する絶縁膜領域、１４０２…設計データ上におけるアクティブ領域、１４０３…設計データ上におけるゲートパターン、１５０１…画像取得工程、１５０２…観察画像内のパターンの輪郭線を抽出する工程、１５０３…記憶装置から、設計データを読み込む工程、１５０４…観察画像から抽出した輪郭線と設計データとを比較し、互いに対応する図形を認識する工程、１５０５…エッジを求める領域を操作者が入力する工程、１５０６…１５０５で入力された領域を、１５０４の結果に従って分割し、さらに分割された各領域においてエッジの検出(抽出)条件を決定する工程、１５０７…１５０６で定めた条件に従って観察画像からパターンのエッジを検出し、ライン幅プロファイルを得る工程、１６０１…分割によって得られた第一のエッジ検査領域、１６０２…分割によって得られた第二のエッジ検査領域、１６０３…分割によって得られた第三のエッジ検査領域、１６０４…分割によって得られた第四のエッジ検査領域、１６０５…分割によって得られた第五のエッジ検査領域、１６０６…分割によって得られた第六のエッジ検査領域、１６０７…電子顕微鏡写真中の、ライン延在方向に対して垂直に交わる直線、１８０１…モニタ、１８０２…入力装置、１８０３…画像処理と走査条件選択を行う演算装置、１８０４…一時的にデータを記憶する記憶装置、１９０１…実施例１でモニタ上に表示されたウインドウ、１９０２…ＳＥＭ画像と分割された走査領域とを重ね合わせた二次元画像、１９０３…設計データファイルとＳＥＭ画像ファイルの名前の表示部、１９０４…設計データを変更したい場合のクリックボタン、１９０５…ＳＥＭ画像を変更したい場合のクリックボタン、１９０６…各走査領域の走査条件表示部、１９０７…次に行うことのできる操作のクリックボタン、２００１…モニタ、２００２…入力装置、２００３…画像処理条件選択と画像処理を行う演算装置、２００４…一時的にデータを記憶する記憶装置、２１０１…実施例２でモニタ上に表示されたウインドウ、２１０２…ＳＥＭ画像と異なる画像処理を行う領域とを重ね合わせた二次元画像、２１０３…設計データファイルとＳＥＭ画像ファイルの名前の表示部、２１０４…設計データを変更したい場合のクリックボタン、２１０５…ＳＥＭ画像を変更したい場合のクリックボタン、２１０６…各画像処理領域の処理条件表示部、２１０７…次に行うことのできる操作のクリックボタン、２２０１…実施例３でモニタ上に表示されたウインドウ、２２０２…ＳＥＭ画像と異なるエッジ検出を行う領域とを重ね合わせた二次元画像、２２０３…設計データファイルとＳＥＭ画像ファイルの名前の表示部、２２０４…設計データを変更したい場合のクリックボタン、２２０５…ＳＥＭ画像を変更したい場合のクリックボタン、２２０６…必要なエッジ検査領域の個数選択ボタン、２２０７…各エッジ検査領域のエッジ検出（抽出）条件表示部、２２０８…次に行うことのできる操作のクリックボタン。

Claims (8)

  1. 　電子線を走査することにより基板上のパターンを観察して得られる画像から、前記パターンのエッジを検出して二次元形状を評価する半導体検査装置であって、
      前記パターンの設計データ或いはパターニングの結果予測されるパターン形状のデータと、前記パターン及び前記パターンの下地を構成する材料や構造のデータとを予め記憶させておく記憶装置と、
      予め記憶させておいた前記パターンの前記設計データ或いはパターニングの結果予測されるパターン形状のデータと観察して得られる前記画像のデータとを比較する比較機能、前記比較機能を動作させた結果および予め記憶させておいた前記パターンの下地を構成する材料や構造のデータを用いて、観察領域に入射した電子線に対する反応が異なると期待される領域毎に前記観察領域を複数個の領域に分割する分割機能、および前記分割機能により分割された前記複数個の領域を、異なる走査条件で前記電子線を走査して得られる画像から前記パターンのエッジを検出してライン幅プロファイルを算出する機能を備えた演算装置と、を有することを特徴とする半導体検査装置。
  2. 　電子線を走査することにより基板上のパターンを観察して得られる画像から、前記パターンのエッジを検出して二次元形状を評価する半導体検査装置であって、
      前記パターンの設計データ或いはパターニングの結果予測されるパターン形状のデータと、前記パターン及び前記パターンの下地を構成する材料や構造のデータとを予め記憶させておく記憶装置と、
      予め記憶させておいた前記パターンの前記設計データ或いはパターニングの結果予測されるパターン形状のデータと観察して得られる前記画像のデータとを比較する比較機能、前記比較機能を動作させた結果および予め記憶させておいた前記パターンの下地を構成する材料や構造のデータを用いて、観察領域に入射した電子線に対する反応が異なると期待される領域毎に前記画像を複数個の領域に分割する分割機能、および複数個の前記領域を、異なる画像処理条件で画像処理して得られる画像から前記パターンのエッジを検出しライン幅プロファイルを算出する機能を備えた演算装置と、を有することを特徴とする半導体検査装置。
  3. 　請求項２に記載の半導体検査装置において、
      前記構造のデータは、前記観察領域の前記パターンのある面の基準面からの高さデータを含み、
      前記画像処理は、前記高さデータに基づき、焦点のずれに応じて画像をぼかす処理を含むことを特徴とする半導体検査装置。
  4. 　請求項２に記載の半導体検査装置において、
      前記材料のデータは、誘電率のデータを含み、
      前記画像処理は、帯電に影響する前記誘電率データに応じて画像をぼかす処理を含むことを特徴とする半導体検査装置。
  5. 　電子線を走査することにより基板上のパターンを観察して得られる画像から、前記パターンのエッジを検出して二次元形状を評価する半導体検査装置であって、
      前記パターンの設計データ或いはパターニングの結果予測されるパターン形状のデータと、前記パターン及び前記パターンの下地を構成する材料や構造のデータとを予め記憶させておく記憶装置と、
      予め記憶させておいた前記パターンの前記設計データ或いはパターニングの結果予測されるパターン形状のデータと観察して得られる前記画像のデータとを比較する比較機能、エッジの検査領域において、前記比較機能を動作させた結果および予め記憶させておいた前記パターンの下地を構成する材料や構造のデータを用いて、観察領域に入射した電子線に対する反応が異なると期待される領域毎に前記画像データを複数個の領域に分割する分割機能、および複数個の前記領域毎に異なるエッジ検出条件で前記パターンのエッジを検出しライン幅プロファイルを算出する機能を備えた演算装置と、を有することを特徴とする半導体検査装置。
  6. 　請求項１記載の半導体検査装置を用いた半導体検査方法であって、
      前記パターンの第１の画像を取得する工程と、
      取得した前記第１の画像のパターンの輪郭線を抽出する工程と、
      抽出された前記輪郭線のパターンと、前記パターンの設計データ或いはパターニングの結果予測されるパターン形状のデータとを比較し、互いに対応するパターンを抽出する工程と、
      互いに対応するパターンを含む領域を、前記パターン及び前記パターンの下地を構成する材料や構造のデータを用いて複数の領域に分割する工程と、
      前記互いに対応するパターンを含む領域において、走査する電子線の走査条件を、前記複数の領域毎に決定する工程と、
      前記複数の領域毎に決定された走査条件でそれぞれ前記電子線を走査し、第２の画像を取得する工程と、
      前記第２の画像から所望のエッジを検出し、ライン幅プロファイルを算出する工程と、を有することを特徴とする半導体検査方法。
  7. 　請求項２記載の半導体検査装置を用いた半導体検査方法であって、
      前記パターンの第１の画像を取得する工程と、
      取得した前記第１の画像のパターンの輪郭線を抽出する工程と、
      抽出された前記輪郭線のパターンと、前記パターンの設計データ或いはパターニングの結果予測されるパターン形状のデータとを比較し、互いに対応するパターンを抽出する工程と、
      互いに対応するパターンを含む領域を、前記パターン及び前記パターンの下地を構成する材料や構造のデータを用いて複数の領域に分割する工程と、
      前記互いに対応するパターンを含む領域における画像処理条件を、前記複数の領域毎に決定する工程と、
      前記複数の領域毎に決定された画像処理条件に従って画像処理を行ない、第２の画像を取得する工程と、
      前記第２の画像から所望のエッジを検出し、ライン幅プロファイルを算出する工程と、を有することを特徴とする半導体検査方法。
  8. 　請求項５記載の半導体検査装置を用いた半導体検査方法であって、
      前記パターンの画像を取得する工程と、
      取得した前記画像のパターンの輪郭線を抽出する工程と、
      抽出された前記輪郭線のパターンと、前記パターンの設計データ或いはパターニングの結果予測されるパターン形状のデータとを比較し、互いに対応するパターンを抽出する工程と、
      エッジの検査領域を入力する工程と、
      前記検査領域において、互いに対応するパターンを含む領域を、前記パターン及び前記パターンの下地を構成する材料や構造のデータを用いて複数の領域に分割する工程と、
      前記検査領域におけるエッジ検出条件を、前記複数の領域毎に決定する工程と、
      前記複数の領域毎に決定されたエッジ検出条件に従ってエッジを検出し、ライン幅プロファイルを算出する工程と、を有することを特徴とする半導体検査方法。
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