WO2013027453A1 - シュリンク前形状推定方法およびｃｄ－ｓｅｍ装置 - Google Patents

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WO2013027453A1
WO2013027453A1 PCT/JP2012/063324 JP2012063324W WO2013027453A1 WO 2013027453 A1 WO2013027453 A1 WO 2013027453A1 JP 2012063324 W JP2012063324 W JP 2012063324W WO 2013027453 A1 WO2013027453 A1 WO 2013027453A1
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shrink
electron beam
sem
cross
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智子 関口
健良 大橋
田中　潤一
朝暉 程
るり子 常田
洋揮 川田
聖子 大森
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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 pre-shrink shape estimation method and a CD-SEM apparatus.
  • ArF immersion exposure technology requires the extension of life to the next generation due to the delay in the practical application of next-generation technology EUV (Extreme Ultra Violet) lithography, and exposure is now near the resolution limit. It is coming.
  • EUV Extreme Ultra Violet
  • OPC Optical Proximity Correction
  • CD-SEM Critical Dimension-Scanning Electron Microscope
  • the cross-sectional shape of the resist greatly affects the shape of the next process that uses the resist as a mask. For example, when the side wall of the resist has a skirt or a constriction occurs, the accuracy of the processing dimension is deteriorated. Therefore, it is necessary to measure not only the width of the resist but also the cross-sectional shape of the resist.
  • Patent Document 1 As a method for estimating the shrink amount of a resist during CD-SEM length measurement, a method disclosed in Patent Document 1 is known. This is a method of calculating the shrink amount by measuring the resist pattern width a plurality of times with a CD-SEM and deriving the relationship (shrink curve) between the number of measurements and the change amount of the resist pattern width.
  • Patent Document 2 calculates an image feature amount effective for estimating a cross-sectional shape of a pattern to be evaluated, a process condition, and device characteristics from an SEM image of the pattern to be evaluated in an exposure process or an etching process.
  • the cross-sectional shape of the pattern to be evaluated is collated with learning data that correlates the image feature amount calculated from the SEM image with the cross-sectional shape of the pattern, process conditions, device characteristics, and the image feature amount stored in the database in advance, This is a method for calculating process conditions and device conditions.
  • the inventors have found the amount of shrinkage by the method disclosed in Patent Document 1, and found that there is a large error in the fine pattern dimensions that will be required in the future. Therefore, the cause was examined.
  • the shrinkage amount estimation method based on a plurality of measurements of the resist pattern as shown in Patent Document 1
  • the resist and the antireflection film are deformed as the resist width is increased, and the resist height is also changed. Therefore, the measurement position of the resist width to be measured changes with respect to the resist height.For example, when the number of measurements is small, the position of the half height of the resist is measured. As the value increases, the upper part of the resist (for example, 3/4 height) is measured. For this reason, the method using the shrink curve shows that the estimation error of the shrink amount is large. It was.
  • resist shrink at the time of acquiring the CD-SEM image is not taken into consideration.
  • the database CD-SEM image is irradiated with an electron beam at the time of image acquisition, so it becomes a resist shape after shrinking.
  • analysis and litho simulator of cross-sectional SEM and AFM (Atomic Force Microscope), etc. which are also the database
  • the cross-sectional shape obtained from the above is not the one observed by CD-SEM, but the one before irradiation with an electron beam, that is, before shrinking.
  • the cross-sectional shape of the region observed with the CD-SEM is because the resist pattern is fine, the region observed with the CD-SEM is very small, the resist is weak against electron beams, heat, etc. This is because it is difficult to observe directly. For this reason, when measuring a shrinking material such as a resist, it was found that accurate estimation is difficult because the cross-sectional shape is not the same as the CD-SEM image used as a database.
  • the object of the present invention is to measure the shape and dimensions of a pattern formed of a material that shrinks by electron beam irradiation with a CD-SEM, and to estimate the pattern dimensions before shrinking the pattern with high accuracy.
  • An estimation method and a CD-SEM apparatus are provided.
  • the present application includes a plurality of means for solving the above-mentioned problems.
  • the pattern of the pattern when the shape and dimensions of a pattern formed of a substance that shrinks by electron beam irradiation is measured by a CD-SEM is used.
  • the cross-sectional shape data before electron beam irradiation of the pattern formed with the substance the cross-sectional shape data group obtained under various electron beam irradiation conditions, and the CD ⁇ obtained under various electron beam irradiation conditions
  • Preparing a shrink database including a SEM image data group, a shrink model created using these data, and a correlation model between a CD-SEM image feature quantity and a cross-sectional shape, and a measurement object formed of the substance Obtaining a CD-SEM image of a pattern, and the CD-SEM image and the data of the shrink database.
  • An electron beam source a sample stage on which the sample to be measured is placed; an electron optical system that irradiates the sample placed on the sample stage with electrons emitted from the electron beam source; And a control processing unit that performs image processing based on secondary electrons, and for estimating a shape before a pattern formed of a substance that shrinks by electron beam irradiation shrinks Further, cross-sectional shape data before electron beam irradiation of a pattern formed of the substance, cross-sectional shape data groups obtained under various electron beam irradiation conditions, and CD-SEM image data groups obtained under various electron beam irradiation conditions; A CD-SE comprising a shrink model created using these data and a shrink database including a correlation model between a CD-SEM image feature quantity and a cross-sectional shape Apparatus to be.
  • the present invention by using a shrink database, when measuring the shape and dimensions of a pattern formed of a substance to be shrunk by electron beam irradiation with a CD-SEM, the pattern dimension before the pattern is shrunk with high accuracy. It is possible to provide a pre-shrink shape estimation method and a CD-SEM apparatus that can be estimated.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic overall configuration of a CD-SEM apparatus according to a first embodiment of the present invention. It is explanatory drawing of the shrink database in the CD-SEM apparatus which concerns on 1st Example of this invention.
  • FIG. 3B is an explanatory diagram of a procedure for creating a shrink model in the shrink database shown in FIG. 3A and a procedure for creating a correlation model between a CD-SEM image feature quantity and a cross-sectional shape.
  • FIG. 5A It is a principal part enlarged view of the cross-sectional schematic diagram shown to FIG. 5B.
  • FIG. 5C It is a figure which shows the resist outline in the cross-sectional schematic diagram of FIG. 5C. It is a schematic diagram of the resist cross-sectional shape formed on the sample used in the 1st Example of this invention.
  • FIG. 2 is an example of a configuration diagram of the CD-SEM apparatus of this embodiment.
  • Primary electrons 202 having a predetermined acceleration voltage and current set by the high voltage controller 211 are emitted from the electron gun 201.
  • the emitted primary electrons 202 are converged by the converging lens 203 controlled by the converging lens control unit 213, and unnecessary areas of the primary electrons 202 are removed through the stop 204.
  • the primary electrons 202 are converged on the sample 207 by the objective lens 206 controlled by the objective lens control unit 216, and the sample 207 is scanned by the deflection coil 205 controlled by the deflection coil control unit 215.
  • the sample 207 is fixed on the stage 208, and the movement of the stage 208 is controlled by the stage control unit 218, and the primary electrons 202 can be irradiated to an arbitrary place on the sample 207.
  • the secondary electrons 220 generated from the sample 207 by the irradiation of the primary electrons 202 are detected by the secondary electron detector 221, converted into a digital signal by the A / D converter 222, and stored in the memory 232 in the control processing unit 230.
  • the CPU 231 performs image processing according to the purpose, for example, acquisition of a line profile.
  • the control processing unit 230 includes a CPU 231 and a memory 232.
  • the control processing unit 230 controls the high voltage control unit 211, the converging lens control unit 213, the deflection coil control unit 215, the objective lens control unit 216, and the stage control unit 218, and the acceleration voltage and current of the primary electron beam 202 are controlled.
  • Arbitrary measurement conditions such as scanning speed, number of scans, magnification, etc. and measurement locations on the sample 207 are set, and the measurement conditions and measurement locations are controlled together with the measured CD-SEM image by the secondary electrons 220. It is stored in the memory 232 of the processing unit 230.
  • the data input / output unit 233 connected to the control processing unit 230 connects the control processing unit 230 and the operator, and the operator controls each part described above via the input from the data input / output unit 233.
  • the above-described measurement conditions and measurement points can be set via the data input / output unit 233.
  • the primary electron 202 is scanned two-dimensionally on the sample 207, and the generated secondary electron signal is controlled by the control processing unit 230 so as to form a two-dimensional array corresponding to the scanning position.
  • a two-dimensional image (CD-SEM image) corresponding to the surface shape can be output and displayed from the data input / output unit 233.
  • the CPU 231 can obtain a feature amount of a CD-SEM image such as a line spectrum from the obtained two-dimensional CD-SEM image.
  • the shrink database 240 connected to the control processing unit 230 includes a CD-SEM image of a pattern formed of a material to be shrunk by electron beam irradiation measured in advance and a scanning transmission of a cross section of a pattern corresponding to the CD-SEM image.
  • This database is created based on a scanning electron microscope (STEM) image and is used to estimate a pattern shape before shrinking from a CD-SEM image. Details will be described later with reference to another drawing.
  • STEM scanning electron microscope
  • FIG. 2 the shrink database 240 is illustrated as a unit separate from the analysis processing unit 230, but the effect is not changed even if the configuration is included in the control processing unit 230.
  • the CD-SEM image of the pattern formed on the sample acquired using the CD-SEM apparatus of FIG. 2 is analyzed using the CPU 231 of the control processing unit 230 based on the shrink database 240, thereby obtaining a CD.
  • the pattern shape before shrinking can be estimated from the SEM image, and the pattern shape and dimensions can be output from the data input / output unit 233.
  • the shape and size of the pattern to be output can be designated by input from the data input / output unit 233.
  • a CD-SEM image obtained by measuring an arbitrary portion of a pattern on a sample once or a plurality of times with the CD-SEM apparatus of FIG.
  • sample information and device information are input (step S101).
  • the sample information is information relating to the sample such as the sample name, resist material, and pattern design dimensions, but only items that can be input need be input.
  • the apparatus information includes measurement conditions such as an acceleration voltage and current of the electron beam, a scanning method, and a measurement magnification.
  • a CD-SEM image group of the pattern to be measured is acquired by the CD-SEM based on the measurement conditions input in the apparatus information (step S102). Since the ArF resist is shrunk by CD-SEM measurement, a plurality of CD-SEM images having different shrinkage amounts are obtained when a plurality of images are obtained by performing CD-SEM measurement on the same portion of the pattern to be measured a plurality of times.
  • electron beam energy is 500 V
  • current is 8 pA
  • magnification is 200,000 times
  • electron beam irradiation frequency is 4, 8, 16, 32, and 64 times. Acquired image.
  • the measurement conditions of the plurality of CD-SEM measurements are preferably those included in the CD-SEM measurement conditions acquired when creating the shrink database.
  • a feature amount of an image such as a line profile is acquired from each of the acquired CD-SEM images.
  • pattern matching processing is performed on the shrink database created in advance and the plurality of CD-SEM images acquired in step S102 (step S103).
  • Pattern matching processing may be performed on the image feature quantity such as a line profile obtained from the plurality of CD-SEM images acquired in step S102 and the shrink database.
  • the pattern matching process for example, by applying the CD-SEM image group of the pattern to be measured and its feature amount to the shrink model in the shrink database or the correlation model between the CD-SEM image and the cross-sectional shape, The shape and dimensions before shrinking can be estimated.
  • the shape and dimensions before shrinking of the pattern to be measured obtained by the matching process are output (step S104).
  • the shape of the pattern can be displayed in 2D or 3D, or both 2D and 3D.
  • the pattern dimensions include the resist height, the width for each resist height, The round shape, the bottom skirt shape, the taper angle, and the like can be output and displayed according to the operator's request.
  • Figure 9 shows an example of the output screen.
  • the pattern shape display (901) the pattern shape before shrinking (902) and the pattern shape after shrinking (903) corresponding to the CD-SEM image of the pattern to be measured acquired in step S102 are displayed.
  • the pattern shape before shrink and the pattern shapes after shrink are overwritten.
  • the display method is not limited to this, and the pattern shapes may be displayed individually.
  • the pattern shape may be displayed in three dimensions, and may be displayed in both two-dimensional display and three-dimensional display.
  • Measured value display (905) displays the numerical value (906) of the pattern shape such as the resist height, the width at any resist height, and the taper angle. By inputting the length measurement position of the resist width into the designated portion (907) of the ratio to the resist height, the value of the width with respect to the resist height to be measured can be output.
  • the length measurement position of the resist width is not limited to three. In order to facilitate understanding of the measurement position, a schematic diagram (904) of the measurement position may be displayed together.
  • FIG. 3A is a diagram showing an example of the configuration of a shrink database.
  • the shrink database (311) includes a data group (312) and a model (316).
  • the data group (312) includes data of a cross-sectional shape before electron beam irradiation (313), cross-sectional shapes under various electron beam irradiation conditions (314), and CD-SEM images (315) under various electron beam irradiation conditions.
  • the model (316) includes a shrink model (317) and a correlation model (318) between the CD-SEM image feature quantity and the cross-sectional shape.
  • Model (316) is created based on data group (312).
  • the shrink model (317) models the relationship between the electron beam irradiation amount and the shape change amount due to shrink.
  • the correlation model (318) between the CD-SEM image feature quantity and the cross-sectional shape models the relationship between the feature quantity of the CD-SEM image and the cross-sectional shape of the pattern, and the cross-sectional shape can be estimated from the CD-SEM image. Is.
  • the cross-sectional shape before electron beam irradiation, the cross-sectional shape under various electron beam irradiation conditions, and the CD-SEM image under various electron beam irradiation conditions are shown as examples of the constituent elements of the data group. You can add it.
  • two models ie, a shrink model and a correlation model between a CD-SEM image and a cross-sectional shape, are shown as elements constituting the model.
  • the model is not limited to this.
  • FIG. 3B is a diagram showing an example of the creation flow of the shrink database.
  • steps S301 patterns made of various shapes and various materials are created.
  • Various shapes include one or more of the resist width and height, the upper round shape, the lower tail shape, and the taper angle.
  • Various materials include ArF resist. .
  • step S301 data of the cross-sectional shape before electron beam irradiation is acquired by, for example, STEM observation of the pattern cross-section (step S302).
  • a CD-SEM image data group under various electron beam irradiation conditions is acquired for the pattern prepared in step S301 (step S304).
  • An image feature amount such as a line profile is obtained from the acquired CD-SEM image.
  • the electron beam irradiation conditions are, for example, an electron beam irradiation energy of 500 V, an electron beam current of 8 pA, a magnification of 200,000 times, an electron beam irradiation frequency of 2, 4, 8, 16, 32, 64, CD-SEM images with different electron beam doses are acquired. Since these images have different shrinkage amounts, differences in shrink tendency due to differences in shapes and materials can be obtained as data.
  • the electron beam irradiation energy, current, magnification, number of times of irradiation, etc. are not limited to the above examples.
  • step S303 The cross-sectional shape data of the resist pattern irradiated with the electron beam under the same conditions as the CD-SEM image acquired in step S304 is acquired (step S303). It is desirable that the measurement locations in step S304 and step S303 match, but if the electron beam irradiation conditions are the same, the measurement locations in step S304 and step S303 need not necessarily match. An example of the procedure in step S303 for observing the cross-sectional shape of the pattern at the location measured by CD-SEM in step S304 will be described later.
  • a shrink model is created (step S305). This model models the shrink phenomenon caused by CD-SEM observation. For example, if there are electron beam irradiation conditions and initial shape data, only the cross-sectional shape and dimensions after CD-SEM observation are used. In addition, it is possible to estimate the cross-sectional shape and dimensions before shrinkage, which cannot be measured by the CD-SEM.
  • step S304 Quantitatively analyze the feature amount such as CD-SEM image and line profile with different electron beam irradiation dose obtained in step S304 and the cross-sectional shape of the electron beam irradiation dose pattern corresponding to step S304 obtained in step S303.
  • a correlation model between the feature amount of the CD-SEM image of the pattern and the cross-sectional shape is created (step S306). If this correlation model is used, the cross-sectional shape (cross-sectional shape after shrinking) under the corresponding CD-SEM image measurement conditions can be estimated from the CD-SEM image.
  • two models ie, a shrink model and a correlation model between a CD-SEM image and a cross-sectional shape are shown as elements constituting the shrink database.
  • the model is not limited to this.
  • STEM observation is used as a method of observing the cross-sectional shape of the pattern in step S302 and step S303.
  • the method does not cause shrinkage by measurement, such as an atomic force microscope (AFM)
  • FAM atomic force microscope
  • a pattern cross section of a CD-SEM observation location is obtained by microsampling using a focused ion beam (FIB), and observation is performed using the Z contrast mode of STEM.
  • FIB focused ion beam
  • step S401 CD-SEM observation of the resist pattern is performed (step S401).
  • the observation magnification is 200,000 times
  • an electron beam is irradiated to an area of about 700 nm square.
  • an image irradiated 16 times with an electron beam irradiation energy of 500 V and an irradiation current of 8 pA at an observation magnification of 200,000 times is obtained.
  • a hafnium oxide (HfO 2 ) film having a thickness of 0.5 nm to 3 nm is formed on the resist pattern by an atomic layer deposition method (ALD method) (step S402).
  • ALD method atomic layer deposition method
  • a protective film is generally formed to prevent damage from the surface.
  • a protective film made of an organic material such as carbon or resist is directly formed on the resist pattern, since both the resist pattern and the protective film are made of light elements, the STEM Z contrast image has almost the same contrast. The boundary between the two becomes unclear. Therefore, before forming the protective film, an HfO 2 film, which is a substance having an atomic number larger than that of the resist material, was applied as a boundary film on the resist. As a result, the contour of the resist trimmed with HfO 2 can be clearly observed in the STEM Z-contrast image.
  • the ALD (Atomic Layer Deposition) method is a method of forming a thin film in units of atomic layers and is characterized by high step coverage, film thickness uniformity, and film thickness controllability. For this reason, it is possible to form a film with a uniform film thickness on the side wall and bottom of the resist pattern, so that it is possible to accurately obtain the contour of the resist.
  • the HfO 2 film is generally formed at about 300 ° C., an attempt was made to form a film at 100 ° C., but although the amount of impurities is larger than that of the film formed at 300 ° C., the STEM-Z contrast mode It was confirmed that the contrast ratio of the image obtained by the above method is sufficient for the resist and the carbon protective film. Since the resist is generally subjected to a heat treatment called post-baking at a temperature of about 120 ° C. to 150 ° C. after development, if the HfO 2 film is formed at 100 ° C., which is lower than 120 ° C., the resist is thermally damaged. None give.
  • a carbon film is formed by vapor deposition on the resist pattern on which HfO 2 is formed (step S403).
  • the film thickness of the carbon film ranges from a film thickness that can protect the resist pattern during the formation of the second protective film (step S404) to a film thickness that allows the processing pattern location to be confirmed. For example, it is set to 150 nm.
  • a tungsten film is formed as a second protective film in the region including the portion observed by CD-SEM in step S401 (step S404).
  • a film is formed only at the specific location in the FIB apparatus. At this time, a mark such as a line may be processed by FIB so that a CD-SEM observation location can be specified on the formed tungsten film.
  • the region including the CD-SEM observation part is processed into a STEM sample by microsampling by FIB (step S405).
  • FIB microsampling method it is possible to observe a cross section of a specific portion in the sub-micron region, so that the cross section of the portion observed with the CD-SEM can be observed. That is, it is possible to make a one-to-one correspondence between the CD-SEM image and the cross-sectional shape.
  • a STEM sample is prepared in a region including both a CD-SEM observation location (700 nm in this embodiment) and a CD-SEM non-observation location, the cross-sectional shapes before and after the CD-SEM observation are the same STEM. It is possible to observe in the sample.
  • the film thickness of the sample for STEM observation is 200 nm to 500 nm.
  • the region irradiated with the electron beam in step S401 is about 700 nm square, which is sufficiently large with respect to the film thickness of the STEM sample.
  • the cross-sectional sample prepared in step S405 is observed to obtain a cross-sectional STEM-Z contrast image (step S406).
  • the STEM Z-contrast image is an image obtained by forming only transmission electrons having a large scattering angle in the dark-field observation of the STEM, and the contrast of the image depends on the atomic number (Z) (Z Proportional to the square). Moreover, since observation with a high resolution of about 1 nm is possible, it is possible to measure the resist shape with high accuracy.
  • both the resist pattern and the protective film are made of light elements, so the contrast is almost the same in the Z contrast image. Therefore, the boundary between the two becomes unclear, but when an HfO 2 film, which is a substance having a larger atomic number than the resist material, is formed on the resist as a boundary film, the boundary film is observed as a high-contrast resist contour. can do.
  • Cross-sectional TEM observation is a method in which a sample is irradiated with an electron beam in the same manner as CD-SEM, but the acceleration voltage at the time of observation is higher than that of CD-SEM, and the film thickness of the observed sample is transmitted through the electron beam. Since the thickness is about 200 nm (for example, about 200 nm), the electrons irradiated at the time of TEM observation do not stay in the resist and pass through. Therefore, STEM observation has an advantage that resist shrink does not occur as in CD-SEM observation.
  • a resist contour line is extracted from the STEM-Z contrast image of the cross section obtained in step S406 and converted into two-dimensional data (step S407). Since a high-contrast boundary film (HfO 2 ) is formed at the boundary between the resist and the protective film, the contour line can be extracted by binarizing the image and following the boundary film. Various programs and software may be used to extract the contour line. According to the above embodiment, it is possible to observe the cross-sectional shape of the same place as observed with the CD-SEM, and it is possible to form a shrink database.
  • HfO 2 high-contrast boundary film
  • step S401 an example in which one electron beam irradiation was performed under one electron beam irradiation condition in step S401 was shown.
  • a plurality of sites were observed under one electron beam irradiation condition, or a plurality of different electron beam irradiation conditions were used.
  • a region where a plurality of locations are observed may be processed into one or a plurality of STEM samples.
  • the shape of a plurality of electron beam irradiation conditions can be STEM-observed in one sample, so that the working time can be shortened.
  • changes within the same sample can be examined, more accurate measurement without the influence of sample-to-sample variation is possible.
  • the film forming method is not limited to the ALD method, and any film forming method can be applied as long as it is a film forming method on the side wall and bottom of the resist pattern.
  • a carbon film was used as the first protective film, but instead of the carbon film, a substance such as a resist or Al 2 O 3 that can obtain a contrast comparable to that of the resist in the Z contrast image of STEM is used.
  • a substance such as a resist or Al 2 O 3 that can obtain a contrast comparable to that of the resist in the Z contrast image of STEM is used.
  • the film forming method is not limited to the vapor deposition method, and any method that does not damage the resist is applicable.
  • FIG. 5A is an example showing the positional relationship between the electron beam irradiation regions 511, 512, and 513 in the resist sample 510 and the STEM observation sample 515 thinned by FIB.
  • the resist pattern is formed in a direction perpendicular to the electron beam non-irradiated region 514 by FIB.
  • the electron beam irradiation conditions were an observation magnification of 200,000 times, an electron beam irradiation energy of 500 V, and an electron beam irradiation frequency of 64, 2, and 16 times for the electron beam irradiation regions 511, 512, and 513.
  • the size of the electron beam irradiation region is about 700 nm square, and the interval between the electron beam irradiation regions 511, 512, 512, and 513 is 500 nm.
  • the electron beam irradiation areas 511, 512, and 513 since the shape change due to shrinkage occurs, the position can be confirmed with an optical microscope.
  • the electron beam irradiation conditions are not limited to the present embodiment.
  • the number, arrangement, and size of the irradiation spots may be set so as to fit in the STEM sample processed by FIB.
  • a region including the electron beam irradiation regions 511, 512, and 513 and the electron beam non-irradiation region 514 is subjected to FIB processing to produce a STEM observation sample 515. Can be observed in two STEM samples.
  • FIG. 5B and FIG. 5C are schematic diagrams of STEM-Z contrast images.
  • the electron beam non-irradiated region 514 has a cross section of 524
  • the electron beam irradiated region 511 has a cross section 521
  • the electron beam irradiated region 512 has a cross section 522
  • the electron beam irradiated region 513 has a cross section 523. To do.
  • the Z contrast image is obtained with a contrast depending on the atomic number (Z)
  • the contrast difference between the carbon vapor deposition film (carbon protective film) 531 having a close atomic number and the resist 530 is small.
  • the boundary film (HfO 2 ) 532 is composed of an element having an atomic number larger than that of the resist 530 and the carbon protective film 531, it is observed with high contrast (white).
  • the contour line of the resist 530 can be clearly observed.
  • FIG. 5C is an enlarged view of the enlarged region 525 of FIG. 5B.
  • the resist shape of the cross section 521 of the electron beam irradiation region is not similar to the resist shape of the cross section 524 of the non-irradiation region, but shrinks near the center of the resist.
  • the antireflection film 533 below the resist 530 is also shrunk in the electron beam irradiation region (corresponding to 521). Although an example in which an antireflection film is provided is shown in this embodiment, it is not always necessary to provide it depending on the resist material, the film thickness, and the wavelength of exposure light.
  • the resist shape and the antireflection film shape are deformed by electron beam irradiation in this way, it is difficult to accurately estimate the shape before shrinking by simply extrapolating the shrink curve, and the correspondence between the CD-SEM image and the cross-sectional shape In order to estimate the shape before shrinking, it is essential to investigate the change in shrink shape due to electron beam irradiation. According to the present embodiment, since the cross-sectional shape of the portion observed with the CD-SEM can be observed without damage, it is possible to form a highly accurate shrink database.
  • FIG. 5D shows an example in which the resist contour line 540 extracted by the boundary film (HfO 2 ) 532 in FIG. 5C is extracted.
  • FIG. 6A and FIG. 6B show an example in which the cross-sectional shape observation method of this embodiment is applied to examine the dependency of the resist shape length measurement value on the number of measurements.
  • FIG. 6A is a schematic diagram of a resist cross-sectional shape
  • FIG. 6B is a graph of the measurement value dependency of the length measurement value. Changes in the length measurement value of the resist width at each position of the upper part 602, middle part 603, and lower part 604 of the resist pattern 601 with respect to the number of measurements are indicated by.
  • the cross-sectional shape can be quantitatively evaluated, the relationship between the length measurement value and the number of times of measurement (electron beam irradiation amount) can be expressed by a function.
  • changes in resist height, taper angle, round shape, and skirt shape can be similarly expressed as a function of the number of measurements (electron beam irradiation amount). The relationship represented by these functions makes it possible to construct a shrink model of the shrink database.
  • the shrink database was created by the above method, the pre-shrink shape of the resist pattern was estimated using the CD-SEM apparatus shown in FIG. 2, and dry etching was performed using the estimated resist pattern shape before shrink and the resist pattern as a mask. As a result of comparison with the pattern shape of the underlying substrate, a good correspondence was obtained.
  • the present embodiment by using a shrink database, when measuring the shape and dimensions of a pattern formed of a substance to be shrunk by electron beam irradiation with a CD-SEM, the pattern dimensions before the pattern is shrunk. Can be estimated with high accuracy and a CD-SEM apparatus can be provided.
  • FIGS. This is an example of measuring a plurality of arbitrary patterns formed by ArF resist on a semiconductor substrate. Note that the matters described in the first embodiment and not described in the present embodiment can be applied to the present embodiment as long as there is no special circumstances.
  • FIG. 7 is a flowchart of the pre-shrink shape estimation method according to the present embodiment.
  • the shape data of the pattern to be measured that is the initial value is obtained.
  • sample information and device information are input (step S111).
  • the sample information is information relating to the sample such as the sample name, resist material, and pattern design dimensions, but only items that can be input need be input.
  • the apparatus information includes measurement conditions such as an acceleration voltage and current of the electron beam, a scanning method, and a measurement magnification.
  • a CD-SEM image group of a pattern to be measured used as an initial value is acquired by CD-SEM (step S112). Since the ArF resist is shrunk by CD-SEM measurement, a plurality of CD-SEM images having different shrinkage amounts are obtained when a plurality of images are obtained by performing CD-SEM measurement on the same portion of the pattern to be measured a plurality of times.
  • electron beam energy is 500 V
  • current is 8 pA
  • magnification is 200,000 times
  • electron beam irradiation frequency is 4, 8, 16, 32, and 64 times. Acquired image.
  • the measurement conditions of the plurality of CD-SEM measurements are preferably those included in the CD-SEM measurement conditions acquired when creating the shrink database.
  • a feature amount of an image such as a line profile is acquired from each of the acquired CD-SEM images.
  • CD-SEM images and line profiles are stored in the memory.
  • Pattern matching processing is performed on the shrink database prepared in advance and the plurality of CD-SEM images acquired in step S112 (step S113).
  • Pattern matching processing may be performed on image feature quantities such as line profiles obtained from a plurality of CD-SEM images obtained in step S112 and the shrink database.
  • the shape and dimensions before shrinking can be estimated.
  • the shape of the pattern can be displayed in 2D or 3D, or both 2D and 3D.
  • the pattern dimensions include the resist height, the width for each resist height, The round shape, the bottom skirt shape, the taper angle, and the like can be output and displayed according to the operator's request.
  • the shape and dimension data before shrinking of the pattern to be measured obtained by pattern matching are input as initial values of sample information (step S114). If the initial value of the sample information input here is different from the sample information input in step S111, the sample information is replaced with the information input in step S114. Since it is possible to input pattern shape data as an initial value in step S114, it is possible to perform accurate estimation even for a sample whose sample information is unknown.
  • step S115 the stage is moved to the measured pattern at a position different from the measured pattern in step S112 (step S115).
  • step S115 since it is only necessary to move from the pattern measured in step S112 to another pattern to be measured, beam deflection may be used instead of stage movement. Further, the sample may be exchanged as long as it is a sample created by a process step equivalent to the pattern measured in step S112.
  • one CD-SEM image of the pattern to be measured at a position different from that in step S112 is acquired (step S116).
  • Image feature amounts such as line profiles are acquired from the acquired CD-SEM images, and the CD-SEM images and line profiles are stored in a memory.
  • the measurement conditions are, for example, that the electron beam energy is 500 V, the current is 8 pA, the magnification is 200,000 times, and the number of times of electron beam irradiation is 16, but other measurement conditions may be applied.
  • the matching processing is performed between the initial value of the pattern shape input in step S114, the CD-SEM image acquired in step S116, the image feature amount, and the shrink database (step S117).
  • the initial value of the pattern shape is known, for example, only the process of adjusting the deviation from the initial value is performed.
  • the shape and dimensions before shrinking of the pattern to be measured obtained by the matching process are output (step S118).
  • the shape of the pattern can be displayed in 2D or 3D, or both 2D and 3D.
  • the pattern dimensions include the resist height, the width for each resist height, The round shape, the bottom skirt shape, the taper angle, and the like can be output and displayed according to the operator's request.
  • step S119 it is determined whether the measurement is to be terminated or continued.
  • the steps from S115 to S118 are repeated, and the shapes before shrinking of the plurality of patterns to be measured are measured. And output dimensions.
  • the number of patterns to be measured (number of repetitions) and the position designation of the measurement location may be input in step S111 or set as a measurement condition sequence.
  • step S114 Since the initial value of the sample information is input in step S114, even if one CD-SEM image of the pattern to be measured is acquired in step S116, matching with the shrink database can be sufficiently performed in step S117. Measurement time can be shortened.
  • step S116 one CD-SEM image is acquired for shortening the measurement time, but a plurality of CD-SEM images having different numbers of electron beam irradiations may be acquired as in step S112. According to this, although the measurement time becomes long, in step S117, it becomes possible to estimate the shape and dimensions before shrinking with higher accuracy.
  • Figure 10 shows an example of the display screen.
  • the pattern shape before shrinking (922) and the initial pattern shape after shrinking (923) corresponding to the CD-SEM image of the pattern to be measured acquired in step S112 are displayed.
  • the pattern shape before shrink and the pattern shapes after shrink are overwritten, but the display method is not limited to this, and the pattern shapes may be displayed individually.
  • the pattern shape may be displayed in three dimensions, and may be displayed in both two-dimensional display and three-dimensional display.
  • a numerical value display (926) of the initial pattern shape such as resist height, width at any resist height, taper angle, and the like is performed.
  • the length measurement position of the resist width is not limited to three. In order to facilitate understanding of the measurement position, a schematic diagram (904) of the measurement position may be displayed together.
  • the length measurement chip and location are designated by the length measurement location designation display (911).
  • the position may be designated on the wafer map (912), or the length measurement location coordinates (913) may be input.
  • the other is also set to follow and change so that both indicate the same location.
  • the pattern shape display (901) displays the pattern shape (902) before shrinking at the location specified in the length measurement location specification display.
  • the measurement position may be indicated by an arrow so that the measurement position can be easily understood in the pattern shape before shrinking.
  • the pattern shape may be a three-dimensional display, or may be displayed in both a two-dimensional display and a three-dimensional display.
  • Measured value display (905) displays numerical values (906) of the pattern shape such as resist height, width at any resist height, taper angle, and the like. By inputting the length measurement position of the resist width into the designated portion (907) of the ratio to the resist height, the resist width with respect to the resist height to be measured can be output.
  • the length measurement position of the resist width is not limited to three.
  • the numerical value with the output selection (914) checked can be output as a text file of wafer in-plane distribution and numerical data.
  • the shrink database was created by the above method, the pre-shrink shape of the resist pattern was estimated using the CD-SEM apparatus shown in FIG. 2, and dry etching was performed using the estimated resist pattern shape before shrink and the resist pattern as a mask. As a result of comparison with the pattern shape of the underlying substrate, a good correspondence was obtained.
  • the pattern dimensions before the pattern is shrunk can be estimated with high accuracy and a CD-SEM apparatus can be provided. Further, the measurement time can be shortened by using the initial value of the sample information.
  • FIGS. This is an example of measuring a plurality of arbitrary patterns formed by ArF resist on a semiconductor substrate. Note that the matters described in the first and second embodiments but not described in the present embodiment can be applied to the present embodiment unless there are special circumstances.
  • FIG. 8 is a flowchart of the pre-shrink shape estimation method according to the present embodiment.
  • device information is input (step S121).
  • the apparatus information includes measurement conditions such as an acceleration voltage and current of the electron beam, a scanning method, and a measurement magnification.
  • sample information that is the initial value of the pattern to be measured is input (step S122).
  • the information to be input is information relating to the sample, such as the sample name, resist material, and design dimensions of the pattern. Input as highly reliable information as possible, such as the shape data of the pattern to be measured obtained from a lithography simulator.
  • one CD-SEM image of the pattern to be measured is acquired by the CD-SEM based on the measurement conditions input in the apparatus information (step S123).
  • Image feature amounts such as line profiles are acquired from the acquired CD-SEM images, and the CD-SEM images and line profiles are stored in a memory.
  • the measurement conditions are, for example, that the electron beam energy is 500 V, the current is 8 pA, the magnification is 200,000 times, and the number of times of electron beam irradiation is 16, but other measurement conditions may be applied.
  • the matching process is performed between the initial value of the pattern shape input in step S122, the CD-SEM image acquired in step S123, the image feature amount, and the shrink database (step S124).
  • the initial value of the pattern shape is known, for example, only the process of adjusting the deviation from the initial value is performed.
  • the pattern matching process for example, by applying the CD-SEM image group of the pattern to be measured and its feature amount to the shrink model in the shrink database or the correlation model between the CD-SEM image and the cross-sectional shape, The shape and dimensions before shrinking can be estimated.
  • the shape and dimensions before shrinking obtained in step S124 are output (step S125).
  • the shape of the pattern can be displayed in 2D or 3D, or both 2D and 3D.
  • the pattern dimensions include the resist height, the width for each resist height, The round shape, the bottom skirt shape, the taper angle, and the like can be output and displayed according to the operator's request.
  • step S126 it is determined whether the measurement is to be terminated or continued.
  • the steps from S123 to S125 are repeated, and the shapes of the plurality of patterns to be measured before shrinking. And output dimensions.
  • the number of patterns to be measured (number of repetitions) and the position designation of the measurement location may be input in step S121 or set as a measurement condition sequence.
  • step S122 Since the initial value of the sample information is input in step S122, even if one CD-SEM image of the pattern to be measured is acquired in step S123, matching with the shrink database can be sufficiently performed in step S124. Measurement time can be shortened.
  • a location to be measured is designated by a length measurement location designation display (911).
  • the position may be designated on the wafer map (912), or the length measurement location coordinates (913) may be input.
  • the other is also set to follow and change so that both indicate the same location.
  • the pattern shape display (901) displays the pattern shape before shrinking (902).
  • the measurement position may be indicated by an arrow so that the measurement position can be easily understood in the pattern shape before shrinking.
  • the pattern shape may be a three-dimensional display, or may be displayed in both a two-dimensional display and a three-dimensional display.
  • Measured value display (905) displays numerical values (906) of the pattern shape such as resist height, width at any resist height, taper angle, and the like. By inputting the length measurement position of the resist width into the designated portion (907) of the ratio to the resist height, the resist width with respect to the resist height to be measured can be output.
  • the length measurement position of the resist width is not limited to three.
  • the numerical value with the output selection (914) checked can be output as a text file of wafer in-plane distribution and numerical data.
  • the shrink database was created by the above method, the pre-shrink shape of the resist pattern was estimated using the CD-SEM apparatus shown in FIG. 2, and dry etching was performed using the estimated resist pattern shape before shrink and the resist pattern as a mask. As a result of comparison with the pattern shape of the underlying substrate, a good correspondence was obtained.
  • the pattern dimensions before the pattern is shrunk can be estimated with high accuracy and a CD-SEM apparatus can be provided. Further, the measurement time can be shortened by using the initial value of the sample information.
  • this invention is not limited to the above-mentioned Example, Various modifications are included.
  • the above-described embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described.
  • a part of the configuration of a certain embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of a certain embodiment.
  • DESCRIPTION OF SYMBOLS 201 ... Electron gun, 202 ... Primary electron, 203 ... Converging lens, 204 ... Diaphragm, 205 ... Deflection coil, 206 ... Objective lens, 207 ... Sample, 208 ... Sample stage, 220 ... Secondary electron, 221 ... Secondary electron detection 222, A / D converter, 510, sample, 311 ... shrink database, 312 ... data group, 316 ... model, 511 ... electron beam irradiation area, 512 ... electron beam irradiation area, 513 ... electron beam irradiation area, 514 ... Electron beam non-irradiated region, 515 ... STEM observation sample, 521 ...

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Abstract

　電子線照射によってシュリンクするレジストをＣＤ－ＳＥＭで測長する際に、シュリンク前の形状や寸法を高精度に推定するために、あらかじめ様々なパターンについて、電子線照射前断面形状データと、様々な電子線照射条件で得られる断面形状データ群やＣＤ－ＳＥＭ画像データ群と、それらに基づくモデルを含むシュリンクデータベースを準備し、被測定レジストパターンのＣＤ－ＳＥＭ画像を取得し（Ｓ１０２）、ＣＤ－ＳＥＭ画像とシュリンクデータベースとを照合し（Ｓ１０３）、被測定パターンのシュリンク前の形状や寸法を推定し、出力する（Ｓ１０４）。

Description

シュリンク前形状推定方法およびＣＤ－ＳＥＭ装置
　本発明は、シュリンク前形状推定方法およびＣＤ－ＳＥＭ装置に関する。
　ＡｒＦ液浸露光技術は、次世代技術であるＥＵＶ（Extreme Ultra Violet）リソグラフィの実用化が遅れていることから次世代への延命が必要となっており、解像限界近傍で露光するようになってきている。
　そのため光の近接効果を考慮した、マスクパターンの補正技術であるＯＰＣ（Optical Proximity Correction）が必須技術となってきている。ＯＰＣ工程では、実際にマスクパターンを転写したものを計測し、修正を加えていく必要がある。特にホットスポットと呼ばれる露光パターン内で欠陥が発生しやすい特定箇所の測長が重要となることから、ＣＤ－ＳＥＭ（Critical Dimension-Scanning Electron Microscope）によるパターン寸法管理が重要性を増している。
　ＣＤ－ＳＥＭを用いてＡｒＦレジストを測長すると、電子線照射によりレジストがシュリンクするため、高精度な測長にはシュリンク量の正確な把握が必要である。
　また、レジストの断面形状は、レジストをマスクとして加工する次のプロセスの形状に大きく影響する。例えばレジストの側壁が裾を引いていたり、くびれが生じていたりすると、加工寸法の精度を悪化させる。そのため、レジストの幅寸法を測長するだけでなく、レジストの断面形状まで計測する必要性が高まっている。
　ＣＤ－ＳＥＭ測長時のレジストのシュリンク量を推定する方法としては、特許文献１に示される方法が知られている。これは、レジストパターン幅をＣＤ－ＳＥＭで複数回測定して、測定回数とレジストパターン幅の変化量との関係（シュリンクカーブ）を導くことにより、シュリンク量を算出する方法である。
　ＳＥＭ画像を用いて断面形状情報を得る方法については、例えば特許文献２に示される方法がある。特許文献２の方法は、露光プロセス、あるいはエッチングプロセスにおいて、被評価パターンのＳＥＭ像から、被評価パターンの断面形状、プロセス条件、デバイス特性を推定するのに有効な画像特徴量を算出し、前記画像特徴量をあらかじめデータベースに保存しておいたパターンの断面形状、プロセス条件、デバイス特性とＳＥＭ画像から算出した前記画像特徴量とを関連付ける学習データに照合することにより、被評価パターンの断面形状、プロセス条件、デバイス条件、を算出する方法である。
特開２００５－５７０３７号公報 特開２００７－１２９０５９号公報
　発明者等は、特許文献１に示される方法でシュリンク量を求めたところ、今後必要となる微細なパターン寸法においては誤差が大きいことを見出した。そこで、その原因について検討した。その結果、特許文献１に示されるようなレジストパターンの複数回の測定によるシュリンク量推定方法では、レジスト幅の測定回数増加に伴いレジストと反射防止膜の変形が進んでいくこと、レジスト高さも変化していくことから、測長するレジスト幅のレジスト高さに対する測定位置も変化すること、例えば、測定回数が少ない時はレジストの半分の高さの位置を測定していたものが、測定回数が増加するに従って、レジストの上部（例えば３／４の高さ）を測定するようになる、といったことが起こること、このため、シュリンクカーブを用いる方法では、シュリンク量の推定誤差が大きいということが分かった。
　また、ＣＤ－ＳＥＭ観察ではパターンを上部から観察しているため、断面形状を計測することは困難である。
　特許文献２等に示されるＣＤ－ＳＥＭ画像と断面形状のデータベースを用いた推定方法では、ＣＤ－ＳＥＭ画像取得時のレジストシュリンクが考慮されていない。データベースとなるＣＤ－ＳＥＭ画像は、画像取得時に電子線を照射しているため、シュリンク後のレジスト形状となるが、同じくデータベースとなる断面ＳＥＭやＡＦＭ（Atomic Force Microscope）、等の分析やリソシミュレータ等から得た断面形状は、ＣＤ－ＳＥＭ観察した箇所のものではなく、電子線を照射する前のもの、すなわちシュリンク前のものである。これは、レジストパターンが微細であること、ＣＤ－ＳＥＭで観察する領域が非常に小さいこと、レジストが電子線や熱などに弱いこと、等の理由によりＣＤ－ＳＥＭで観察した領域の断面形状を直接観察することが困難なためである。このため、レジストのようなシュリンクする材料を計測する場合には、データベースとなるＣＤ－ＳＥＭ画像と断面形状は同じ形状を測定したものではないため、精度のよい推定が難しいことが分かった。
　本発明の目的は、電子線照射によってシュリンクする物質で形成されたパターンの形状や寸法をＣＤ－ＳＥＭで測定する際、前記パターンがシュリンクする前のパターン寸法を高精度に推定可能なシュリンク前形状推定方法およびＣＤ－ＳＥＭ装置を提供することである。
　上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。  
　本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、電子線照射によりシュリンクする物質で形成されたパターンの形状や寸法をＣＤ－ＳＥＭで測定する際の前記パターンのシュリンク前形状推定方法において、前記物質で形成されたパターンの電子線照射前断面形状データと、様々な電子線照射条件で得られる断面形状データ群と、様々な電子線照射条件で得られるＣＤ－ＳＥＭ画像データ群と、これらのデータを用いて作成されるシュリンクモデル及びＣＤ－ＳＥＭ画像特徴量と断面形状との相関モデルとを含むシュリンクデータベースを準備するステップと、前記物質で形成された被測定パターンのＣＤ－ＳＥＭ画像を取得するステップと、前記ＣＤ－ＳＥＭ画像と前記シュリンクデータベースのデータとを用いて前記被測定パターンのシュリンク前の形状や寸法を推定し、出力することを特徴とするシュリンク前形状推定方法とする。
　また、電子線源と、被測定試料を載置する試料台と、前記電子線源から放出された電子を前記試料台に載置される試料に照射する電子光学系と、前記試料から放出される二次電子に基づいて画像処理を行なう制御処理部とを備えたＣＤ－ＳＥＭ装置であって、更に、電子線照射によりシュリンクする物質で形成されたパターンがシュリンクする前の形状を推定するために、前記物質で形成されたパターンの電子線照射前断面形状データと、様々な電子線照射条件で得られる断面形状データ群と、様々な電子線照射条件で得られるＣＤ－ＳＥＭ画像データ群と、これらのデータを用いて作成されるシュリンクモデル及びＣＤ－ＳＥＭ画像特徴量と断面形状との相関モデルとを含むシュリンクデータベースを有することを特徴とするＣＤ－ＳＥＭ装置とする。
　本発明によれば、シュリンクデータベースを用いることにより、電子線照射によってシュリンクする物質で形成されたパターンの形状や寸法をＣＤ－ＳＥＭで測定する際、前記パターンがシュリンクする前のパターン寸法を高精度に推定可能なシュリンク前形状推定方法およびＣＤ－ＳＥＭ装置を提供することができる。
　上記以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
本発明の第１の実施例に係るシュリンク前形状推定方法のフロー図である。 本発明の第１の実施例に係るＣＤ－ＳＥＭ装置の概略全体構成を示す図である。 本発明の第１の実施例に係るＣＤ－ＳＥＭ装置におけるシュリンクデータベースの説明図である。 図３Ａに示すシュリンクデータベースにおけるシュリンクモデルの作成手順及びＣＤ－ＳＥＭ画像特徴量と断面形状との相関モデルの作成手順の説明図である。 本発明の第１の実施例に係るシュリンク前形状推定方法におけるＣＤ－ＳＥＭ観察箇所のパターンの断面形状観察方法のフローを示す図である。 本発明の第１の実施例で用いたサンプルの例を示す平面図である。 図５Ａに示すサンプルのＳＴＥＭを用いた断面観察の模式図である。 図５Ｂに示す断面模式図の要部拡大図である。 図５Ｃの断面模式図におけるレジスト輪郭線を示す図である。 本発明の第１の実施例で用いたサンプル上に形成したレジスト断面形状の模式図である。 図６Ａに示すレジストのレジスト形状測長値の測定回数依存性を示す図である。 本発明の第２の実施例に係るシュリンク前形状推定方法のフロー図である。 本発明の第３の実施例に係るシュリンク前形状推定方法のフロー図である。 本発明の第１の実施例に係るＣＤ－ＳＥＭ装置における出力画面の一例である。 本発明の第２の実施例に係るＣＤ－ＳＥＭ装置における出力画面の一例である。 本発明の第３の実施例に係るＣＤ－ＳＥＭ装置における出力画面の一例である。
　以下、本発明の実施例について図面に基づいて説明する。
　図２は本実施例のＣＤ－ＳＥＭ装置の構成図の例である。高電圧制御部２１１により設定された所定の加速電圧、電流の一次電子２０２が電子銃２０１から放出される。放出された一次電子２０２は収束レンズ制御部２１３で制御された収束レンズ２０３で収束され、絞り２０４を通って一次電子２０２の不要な領域が除去される。
　その後、対物レンズ制御部２１６で制御された対物レンズ２０６により一次電子２０２はサンプル２０７上に収束され、偏向コイル制御部２１５によって制御された偏向コイル２０５でサンプル２０７上を走査する。サンプル２０７はステージ２０８上に固定されており、ステージ２０８はステージ制御部２１８によって移動が制御され、サンプル２０７上の任意箇所に一次電子２０２を照射することができる。
　一次電子２０２の照射によってサンプル２０７から発生した二次電子２２０は二次電子検出器２２１によって検出され、Ａ／Ｄ変換器２２２によってデジタル信号に変換され、制御処理部２３０内のメモリ２３２に格納されＣＰＵ２３１で目的に応じた画像処理、例えばラインプロファイルの取得等が行われる。
　制御処理部２３０は、ＣＰＵ２３１とメモリ２３２から構成される。制御処理部２３０により高電圧制御部２１１、収束レンズ制御部２１３、偏向コイル制御部２１５、対物レンズ制御部２１６、ステージ制御部２１８の各制御部が制御され、一次電子線２０２の加速電圧、電流、走査速度、走査回数、倍率、等の任意の測定条件やサンプル２０７上の測定箇所が設定されるとともに、前記測定条件や前記測定箇所は、測定した二次電子２２０によるＣＤ－ＳＥＭ画像とともに制御処理部２３０のメモリ２３２に格納される。
　制御処理部２３０に接続されたデータ入出力部２３３は制御処理部２３０とオペレータとを接続するものであり、オペレータは前述の各部位の制御をデータ入出力部２３３からの入力を介して行う。また、前述の測定条件や測定箇所の設定も、データ入出力部２３３を介して行うことができる。また、一次電子２０２をサンプル２０７上で二次元的に走査し、発生した二次電子信号を走査位置に対応する二次元配列になるよう制御処理部２３０で制御することで、試料（サンプル）の表面形状に対応した二次元画像（ＣＤ－ＳＥＭ画像）をデータ入出力部２３３から出力表示することができる。また、得られた二次元のＣＤ－ＳＥＭ画像からＣＰＵ２３１によりラインスペクトルなどのＣＤ－ＳＥＭ画像の特徴量を得ることもできる。
　制御処理部２３０に接続されたシュリンクデータベース２４０は、あらかじめ測定された電子線照射によりシュリンクする材料で形成されたパターンのＣＤ－ＳＥＭ画像と、前記ＣＤ－ＳＥＭ画像に対応するパターン箇所断面の走査透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）画像を元につくられており、ＣＤ－ＳＥＭ画像からシュリンク前のパターン形状を推定することに用いるデータベースである。詳細は別図を用いて後述する。図２では、シュリンクデータベース２４０を解析処理部２３０とは別のユニットとして図示しているが、制御処理部２３０に含む構成としても効果は変わらない。
　図２のＣＤ－ＳＥＭ装置を用いて取得されたサンプル上に形成されたパターンのＣＤ－ＳＥＭ画像を、シュリンクデータベース２４０を元に、制御処理部２３０のＣＰＵ２３１を用いて解析処理することにより、ＣＤ－ＳＥＭ画像からシュリンク前のパターン形状を推定し、パターンの形状や寸法をデータ入出力部２３３から出力することができる。出力するパターンの形状や寸法は、データ入出力部２３３からの入力により指定することができる。
　ＣＤ－ＳＥＭによるパターン形状測定時には、サンプル上に形成されたパターンへの電子線照射は避けられない。このため、電子線照射によりシュリンクする材料で形成されたパターンのＣＤ－ＳＥＭ画像は、シュリンクした後の形状を測定したものになってしまう。これに対して、シュリンクデータベース２４０を用いてシュリンク後のＣＤ－ＳＥＭ画像を解析することにより、シュリンク前の形状や寸法を推定することができる。これにより、精度のよいパターン形状や寸法を推定できるＣＤ－ＳＥＭ装置を提供することが可能となる。
　シュリンクデータベースを用いた解析処理時には、図２のＣＤ－ＳＥＭ装置でサンプル上のパターンの任意の箇所を１回もしくは複数回測定したＣＤ－ＳＥＭ画像を利用する。前記ＣＤ－ＳＥＭ画像取得の測定条件を含むシーケンスをレシピとしてメモリ２３２に格納しておくことで、前記レシピの内容に沿って測定を行うことが可能である。また前記レシピでは、前述の任意の箇所の測定に限らず、複数箇所の測定等、任意の測定条件シーケンスを設定することもできる。
　次に本実施例のフローを図１に基づき説明する。半導体基板上にＡｒＦ用のレジストによって形成された任意のパターンを測定する例である。
　最初に、サンプル情報、装置情報を入力する（ステップＳ１０１）。サンプル情報は、サンプル名、レジストの材料、パターンの設計寸法、等のサンプルに関わる情報であるが、入力が可能な項目のみを入力すればよい。装置情報は、電子線の加速電圧や電流、走査方法、測定倍率等の測定条件である。
　次に装置情報で入力した測定条件に基づいて、ＣＤ－ＳＥＭにより、被測定パターンのＣＤ－ＳＥＭ画像群を取得する（ステップＳ１０２）。ＡｒＦレジストはＣＤ－ＳＥＭ測定によりシュリンクするため、被測定パターンの同一箇所を複数回ＣＤ－ＳＥＭ測定して複数枚の画像を取得すると、シュリンク量の異なる複数枚のＣＤ－ＳＥＭ画像が得られる。
　例えば、測定条件を電子線のエネルギーを５００Ｖ、電流を８ｐＡ、倍率を２０万倍、電子線照射回数を４回、８回、１６回、３２回、６４回として、それぞれの電子線照射回数積算した画像を取得する。
　この複数のＣＤ－ＳＥＭ測定の測定条件は、シュリンクデータベースを作成する際に取得したＣＤ－ＳＥＭ測定条件に含まれる条件であることが望ましい。取得した複数のＣＤ－ＳＥＭ画像からそれぞれラインプロファイル等の画像の特徴量を取得する。
　次にあらかじめ作成しておいたシュリンクデータベースとステップＳ１０２で取得した複数のＣＤ－ＳＥＭ画像とをパターンマッチング（照合）処理する（ステップＳ１０３）。ステップＳ１０２で取得した複数のＣＤ－ＳＥＭ画像から得たラインプロファイルなどの画像特徴量と、シュリンクデータベースとをパターンマッチング処理してもよい。
　パターンマッチング処理では、例えば、シュリンクデータベース中のシュリンクモデルやＣＤ－ＳＥＭ画像と断面形状との相関モデル等へ、被測定パターンのＣＤ－ＳＥＭ画像群やその特徴量をあてはめることによって、被測定パターンのシュリンク前の形状や寸法を推定することができる。
　マッチング処理によって得られた被測定パターンのシュリンク前の形状や寸法を出力する（ステップＳ１０４）。パターンの形状は、二次元もしくは三次元、もしくは二次元、三次元の両方で画像表示することが可能であり、パターンの寸法としては、レジストの高さ、レジストの各高さに対する幅、上部のラウンド形状や下部の裾引き形状、テーパー角などを、オペレータの要求に応じて出力表示することが可能である。
　図９に出力画面の例を示す。パターン形状表示（９０１）では、シュリンク前のパターン形状（９０２）やステップＳ１０２で取得した被測定パターンのＣＤ－ＳＥＭ画像に対応するシュリンク後のパターン形状（９０３）を表示する。図９ではシュリンク前のパターン形状と複数のシュリンク後のパターン形状を重ね書きしているが、表示方法はこの限りではなく、パターン形状をそれぞれ個別に表示してもよい。またパターン形状は３次元表示としてもよく、二次元表示と三次元表示の両方で表示しても良い。
　測長値表示（９０５）では、レジスト高さや任意のレジスト高さにおける幅、テーパー角などのパターン形状の数値表示（９０６）をする。レジスト幅の測長位置は、レジスト高さに対する割合の指定箇所（９０７）に入力することにより、測長したいレジスト高さに対する幅の値を出力することができる。レジスト幅の測長位置は３か所に限らない。測定位置が理解しやすいように、測長位置の模式図（９０４）を合わせて表示してもよい。
　以上のフローにより、ＣＤ－ＳＥＭでは観察することのできないシュリンク前の形状や寸法を推定し、出力することが可能になる。
　次にシュリンクデータベースについて図３Ａ、図３Ｂを用いて説明する。図３Ａはシュリンクデータベースの構成の例を示す図である。シュリンクデータベース（３１１）は、データ群（３１２）とモデル（３１６）から構成される。
　データ群（３１２）は、電子線照射前断面形状（３１３）、様々な電子線照射条件の断面形状（３１４）、様々な電子線照射条件のＣＤ－ＳＥＭ画像（３１５）の各データから構成され、モデル（３１６）はシュリンクモデル（３１７）、ＣＤ－ＳＥＭ画像特徴量と断面形状との相関モデル（３１８）で構成される。
　モデル（３１６）はデータ群（３１２）を元につくられる。シュリンクモデル（３１７）は電子線照射量とシュリンクによる形状変化量との関係をモデル化したものである。ＣＤ－ＳＥＭ画像特徴量と断面形状との相関モデル（３１８）はＣＤ－ＳＥＭ画像の特徴量とパターンの断面形状との関係をモデル化したものであり、ＣＤ－ＳＥＭ画像から断面形状を推定できるものである。このモデル（３１６）を用いることにより、データ群（３１２）に含まれない電子線照射条件やレジスト形状についても、シュリンク前の断面形状や寸法を推定することが可能となる。
　本実施例では、データ群の構成要素として電子線照射前断面形状、様々な電子線照射条件の断面形状、様々な電子線照射条件のＣＤ－ＳＥＭ画像を例として示したが、その他のデータを加えても構わない。
　また、本実施例ではモデルを構成する要素として、シュリンクモデル、ＣＤ－ＳＥＭ画像と断面形状との相関モデルの２つのモデルを例として示したが、モデルはこの限りではない。
　図３Ｂはシュリンクデータベースの作成フローの例を示した図である。シュリンクデータベースの作成には、まず様々な形状や様々な材料からなるパターンを作成する（ステップＳ３０１）。様々な形状としては、レジストの幅や高さ、上部のラウンド形状や下部の裾引き形状、テーパー角のうち一つもしくは複数が異なるものであり、様々な材料としては、ＡｒＦ用レジストなどとなる。
　ステップＳ３０１で準備したパターンについて、電子線照射前の断面形状のデータを例えばパターン断面のＳＴＥＭ観察によって取得する（ステップＳ３０２）。
　また、ステップＳ３０１で準備したパターンについて、様々な電子線照射条件のＣＤ－ＳＥＭ画像データ群を取得する（ステップＳ３０４）。取得したＣＤ－ＳＥＭ画像から、ラインプロファイル等の画像特徴量を得る。電子線照射条件は、例えば、電子線照射エネルギー５００Ｖ、電子線電流８ｐＡ、倍率２０万倍で、電子線照射回数を２回、４回、８回、１６回、３２回、６４回、とし、電子線照射量の異なるＣＤ－ＳＥＭ画像を取得する。これらの画像はシュリンク量が異なるため、形状や材料の違いによるシュリンク傾向の違いをデータとして得ることができる。電子線照射エネルギーや電流、倍率、照射回数等は、例にあげた限りではない。
　ステップＳ３０４で取得したＣＤ－ＳＥＭ画像と同条件で電子線照射したレジストパターンの断面形状データを取得する（ステップＳ３０３）。ステップＳ３０４とステップＳ３０３の測定箇所は一致することが望ましいが、電子線の照射条件が同一であれば、必ずしもステップＳ３０４とステップＳ３０３の測定箇所は一致しなくてもよい。ステップＳ３０４でＣＤ－ＳＥＭ測定した箇所のパターンの断面形状を観察するステップＳ３０３の手順の例は、後述する。
　ステップＳ３０２で得たシュリンク前のパターンの断面形状とステップＳ３０３で得た電子線照射量の異なるシュリンク後のパターンの断面形状から、電子線照射量とシュリンクによる形状変化量との関係を定量的に解析することによって、シュリンクモデルを作成する（ステップＳ３０５）。このモデルは、ＣＤ－ＳＥＭ観察に起因するシュリンク現象をモデル化したものであり、例えば、電子線照射条件と初期値となる形状データがあれば、ＣＤ－ＳＥＭ観察後の断面形状や寸法だけでなく、ＣＤ－ＳＥＭでは測定不能なシュリンク前の断面形状や寸法を推定することも可能となる。
　ステップＳ３０４で得た電子線照射量の異なるＣＤ－ＳＥＭ画像とラインプロファイル等の特徴量と、ステップＳ３０３で得たステップＳ３０４に対応する電子線照射量のパターンの断面形状とを定量的に解析することによって、パターンのＣＤ－ＳＥＭ画像の特徴量と断面形状との相関モデルを作成する（ステップＳ３０６）。この相関モデルを使用すれば、ＣＤ－ＳＥＭ画像から、対応するＣＤ－ＳＥＭ画像測定条件での断面形状（シュリンク後の断面形状）を推定することが可能となる。
　ステップＳ３０６の相関モデルから得たシュリンク後のパターンの断面形状データと電子線照射条件を、ステップＳ３０５のシュリンクモデルへ適用することにより、パターンのシュリンク前の形状や寸法を推定することが可能となる。
　本実施例では、シュリンクデータベースを構成する要素として、シュリンクモデル、ＣＤ－ＳＥＭ画像と断面形状との相関モデルの２つのモデルを例として示したが、モデルはこの限りではない。
　また本実施例では、ステップＳ３０２、ステップＳ３０３でパターンの断面形状を観察する方法としてＳＴＥＭ観察を用いると記載したが、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）等、測定によってシュリンクを引き起こさない方法であれば、その他の観察手法を用いても、同様の効果が得られる。
　次に、シュリンクデータベース作製における、ＣＤ－ＳＥＭ観察箇所のパターンの断面形状観察方法を図４のフローと図５の模式図を用いて説明する。本実施例は、収束イオンビーム（ＦＩＢ）を用いたマイクロサンプリングによりＣＤ－ＳＥＭ観察箇所のパターン断面を出し、ＳＴＥＭのＺコントラストモードを用いて観察する例である。
　まず、図４を用いてフローを説明する。まず、レジストパターンのＣＤ－ＳＥＭ観察を行う（ステップＳ４０１）。サブナノメートルのパターンを観察するために、観察倍率を２０万倍とすると、約７００ｎｍ角の領域に電子線が照射される。まず、観察倍率２０万倍で電子線照射エネルギー５００Ｖ、照射電流８ｐＡで１６回照射した像を得る。
　その後、原子層堆積法（ＡＬＤ法）により、レジストパターン上に酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）膜を０．５ｎｍから３ｎｍの膜厚で形成する（ステップＳ４０２）。ＦＩＢ（Focused Ion Beam）マイクロサンプリング時には、表面からのダメージを防ぐために一般的に保護膜を形成する。レジストパターン上にカーボンやレジスト等の有機材料系の保護膜を直接成膜した場合には、レジストパターンと保護膜のどちらも軽元素からなるため、ＳＴＥＭのＺコントラスト像ではほぼ同程度のコントラストとなってしまい、両者の境界が不明瞭となる。そこで、保護膜を形成する前に、レジスト上にレジスト材料よりも大きな原子番号の物質であるＨｆＯ２膜を境界膜として適用した。これにより、ＨｆＯ２でふちどられたレジストの輪郭がＳＴＥＭのＺコントラスト像で明瞭に観察できるようになる。
　ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法は、原子層単位で薄膜を形成する方法で、段差被覆性、膜厚均一性、膜厚制御性が高いことが特徴である。このため、レジストパターンの側壁や底部にも均一な膜厚で成膜することができるため、精度よくレジストの輪郭を得ることが可能となる。
　ＨｆＯ２膜は一般的には３００℃程度で成膜されるが、１００℃での成膜を試みたところ、３００℃で成膜した膜と比べて不純物量が多いものの、ＳＴＥＭ－Ｚコントラストモードで得られる像のコントラスト比はレジストやカーボン保護膜に対して充分であることが確認された。レジストは一般的に現像後１２０℃から１５０℃程度の温度でポストベークと呼ばれる熱処理を行っているため、１２０℃よりも低い温度である１００℃でＨｆＯ２膜を成膜すればレジストへ熱ダメージを与えることはない。
　次にＦＩＢ加工時の第一保護膜として、ＨｆＯ２を成膜したレジストパターン上にカーボン膜を蒸着法で成膜する（ステップＳ４０３）。カーボン膜の膜厚は、第二保護膜成膜時（ステップＳ４０４）においてレジストパターンが保護できる膜厚から、加工パターン箇所が確認できる程度の膜厚までとする。例えば１５０ｎｍとする。
　次に、ステップＳ４０１でＣＤ－ＳＥＭ観察した箇所を含む領域に、第二の保護膜としてタングステン膜を約１μｍ成膜する（ステップＳ４０４）。ＣＤ－ＳＥＭ観察箇所が特定できるように、ＦＩＢ装置内で特定箇所のみに成膜する。この時、成膜したタングステン膜上へＣＤ－ＳＥＭ観察箇所が特定できるよう、ＦＩＢでライン等の目印を加工してもよい。
　次にＦＩＢによるマイクロサンプリングでＣＤ－ＳＥＭ観察箇所を含む領域をＳＴＥＭ試料に加工する（ステップＳ４０５）。ＦＩＢマイクロサンプリング法を用いると、サブミクロン領域の特定の箇所の断面を観察することが可能であるため、ＣＤ－ＳＥＭで観察した箇所そのものの断面を観察できる。すなわち、ＣＤ－ＳＥＭ画像と断面形状とを一対一で対応させることが可能となる。
　また、ＣＤ－ＳＥＭ観察箇所（本実施例では７００ｎｍ）とＣＤ－ＳＥＭ未観察箇所の両方を含む領域でＳＴＥＭ試料を作製すれば、ＣＤ－ＳＥＭ観察前と観察後の両方の断面形状を同じＳＴＥＭ試料内で観察することが可能である。
　ＳＴＥＭ観察用の試料の膜厚は２００ｎｍから５００ｎｍとする。ステップＳ４０１で電子線を照射した領域は、約７００ｎｍ角であり、ＳＴＥＭ試料の膜厚に対して充分に大きい。
　ＦＩＢ加工では高加速のイオンビームを用いて試料を削っていくため、一般的に加工表面（この場合はレジスト断面）から約２０ｎｍの深さまでダメージが入ると言われている。レジスト断面の観察では、格子像を観察するわけではないため、試料をそれほど薄膜化する必要はない。したがって、観察する試料膜厚を２００ｎｍ以上となるよう比較的厚くすれば、観察領域に占めるダメージ層の割合が２割未満となるため、ＦＩＢ加工によるダメージの影響は問題にならないと考えられる。
　また、ＳＴＥＭ観察は透過観察であるため、試料膜厚内のレジストの形状ばらつき分が積算された像が得られる。このためＳＴＥＭ試料が厚すぎると、レジスト形状のばらつきによって、見かけ上境界膜が厚く観察されるようになり、得られる形状に誤差が生じてしまうため、５００ｎｍ程度までの膜厚が望ましい。
　次にＳＴＥＭのＺコントラストモードで、ステップＳ４０５で作製した断面試料を観察し、断面のＳＴＥＭ－Ｚコントラスト像を取得する（ステップＳ４０６）。ＳＴＥＭのＺコントラスト像は、ＳＴＥＭの暗視野観察において大きな散乱角を持つ透過電子のみを結像させて得られる像で、像のコントラストは、原子番号（Ｚ）に依存したものとなる（Ｚの２乗に比例）。また、１ｎｍ程度の高い分解能での観察が可能であるため、精度の高いレジスト形状の測定が可能である。
　レジストパターン上にカーボンやレジスト等の有機材料系の保護膜を直接成膜した場合には、レジストパターンと保護膜のどちらも軽元素からなるため、Ｚコントラスト像ではほぼ同程度のコントラストとなってしまい、両者の境界が不明瞭となるが、レジスト上にレジスト材料よりも大きな原子番号の物質であるＨｆＯ２膜を境界膜として成膜すると、この境界膜を高コントラストなレジストの輪郭線として観察することができる。
　断面ＴＥＭ観察はＣＤ－ＳＥＭと同様に試料に電子線を照射して測定する方法であるが、ＣＤ－ＳＥＭよりも観察時の加速電圧が高いこと、観察試料の膜厚が電子線の透過する厚さ（例えば２００ｎｍ程度）であることから、ＴＥＭ観察時に照射される電子はレジスト内に留まらず透過する。従って、ＳＴＥＭ観察ではＣＤ－ＳＥＭ観察時のようなレジストシュリンクは発生しない利点がある。
　次に、ステップＳ４０６で得た断面のＳＴＥＭ－Ｚコントラスト像から、レジストの輪郭線を抽出し２次元データ化する（ステップＳ４０７）。レジストと保護膜との境界に、高コントラストの境界膜（ＨｆＯ２）が形成されているため、画像を２値化し、境界膜をたどることにより、輪郭線を抽出することができる。輪郭線の抽出には、様々なプログラムやソフトウエアを使用してもよい。  
　以上の実施例により、ＣＤ－ＳＥＭで観察した箇所と同一箇所の断面形状を観察することが可能となり、シュリンクデータベースを形成することが可能となる。
　本実施例では、ステップＳ４０１で一つの電子線照射条件で、一箇所電子線照射した例を示したが、一つの電子線照射条件で複数箇所を観察したり、複数の異なる電子線照射条件で複数箇所を観察したりした領域を、一つもしくは複数のＳＴＥＭ試料に加工しても構わない。この方法によれば、複数の電子線照射条件の形状を一つの試料内でＳＴＥＭ観察することも可能になることから、作業時間の短縮を図ることが可能となる。また、同一試料内での変化を調べることができるため、試料間ばらつきの影響のない、より精度の高い測定が可能となる。
　本実施例では、境界膜としてＨｆＯ２膜を用いた例を示したが、ＳＴＥＭのＺコントラスト像でレジストとのコントラスト比が得られれば、ＨｆＯ２以外の膜を用いても、同様の効果が得られる。成膜方法としてはＡＬＤ法に限らず、レジストパターンの側壁や底部にも成膜される方法であれば、適用可能である。
　また、本実施例では第一の保護膜としてカーボン膜を用いたが、カーボン膜の代わりにレジストやＡｌ２Ｏ３など、ＳＴＥＭのＺコントラスト像でレジストと同程度のコントラストが得られる物質を用いても同様の効果が得られる。成膜方法としては、蒸着法に限らず、レジストへダメージを与えない方法であれば適用可能である。
　次に図５のＳＴＥＭを用いた断面観察の模式図を使用して本実施例の断面観察方法を補足説明する。図５Ａはレジストサンプル５１０中の電子線照射領域５１１、５１２、５１３とＦＩＢにより薄膜化したＳＴＥＭ観察試料５１５の位置関係を示した例である。レジストパターンはＦＩＢによる電子線未照射領域５１４に垂直な方向に形成されている。
　電子線照射条件は、観察倍率を２０万倍、電子線照射エネルギー５００Ｖで、電子線照射領域５１１、５１２、５１３に対し、電子線照射回数を６４回、２回、１６回とした。電子線照射領域の大きさは、約７００ｎｍ角で、電子線照射領域５１１と５１２、５１２と５１３の間隔は５００ｎｍである。電子線照射領域５１１、５１２、５１３では、シュリンクによる形状変化が生じているため、光学顕微鏡で位置を確認することができる。電子線照射条件は、本実施例の限りではない。照射箇所の数、配置、大きさも、ＦＩＢで加工するＳＴＥＭ試料に収まるように設定されればよい。
　電子線照射領域５１１、５１２、５１３と電子線未照射領域５１４を含む領域をＦＩＢ加工してＳＴＥＭ観察試料５１５を作製することにより、異なる電子線照射条件の領域と電子線未照射領域とを一つのＳＴＥＭ試料内で観察することができる。
　図５Ｂと図５ＣはＳＴＥＭ－Ｚコントラスト像の模式図である。電子線未照射領域５１４の断面が５２４の未照射領域断面であり、電子線照射領域５１１の断面が５２１、電子線照射領域５１２の断面が５２２、電子線照射領域５１３の断面が５２３にそれぞれ対応する。
　Ｚコントラスト像は、原子番号（Ｚ）に依存したコントラストで得られるため、原子番号の近いカーボン蒸着膜（カーボン保護膜）５３１と、レジスト５３０とのコントラスト差は小さい。これに対して境界膜（ＨｆＯ２）５３２はレジスト５３０やカーボン保護膜５３１よりも原子番号の大きい元素で構成されているため、高いコントラスト（白）で観察される。このように、ＨｆＯ２膜５３２を境界膜として導入することにより、レジスト５３０の輪郭線を明瞭に観察することができる。
　図５Ｂの拡大領域５２５を拡大した図が図５Ｃである。電子線照射領域の断面５２１のレジスト形状は、未照射領域の断面５２４のレジスト形状と相似形でシュリンクしているのではなく、レジストの中央付近がくびれた形状となっている。また、レジスト５３０下部の反射防止膜５３３も電子線照射領域（５２１に対応）では、シュリンクしている。なお、本実施例では反射防止膜を設けた例を示したが、レジスト材料や膜厚、露光光の波長により必ずしも設ける必要はない。
　このようにレジスト形状と反射防止膜形状が電子線照射によって変形していくため、単にシュリンクカーブの外挿ではシュリンク前形状の精度の高い推定は難しく、ＣＤ－ＳＥＭ画像と断面形状との対応関係を調べること、電子線照射によるシュリンク形状の変化を調べることが、シュリンク前形状の推定には必須である。本実施例によれば、ＣＤ－ＳＥＭで観察した箇所の断面形状をダメージなしで観察することができるため、精度の高いシュリンクデータベースを形成することが可能となる。
　図５Ｄは図５Ｃの境界膜（ＨｆＯ２）５３２でふちどられたレジストの輪郭線５４０を抽出した例である。Ｘ、Ｙの２次元データとしてレジスト形状を抽出することにより、レジスト形状の定量的な評価が可能となり、シュリンクデータベースの形成が可能となる。
　図６Ａ、図６Ｂに本実施例の断面形状観察方法を適用して、レジスト形状測長値の測定回数依存性を調べた例を示す。図６Ａはレジスト断面形状の模式図であり、図６Ｂは測長値の測定回数依存性のグラフである。レジストパターン６０１の上部６０２、中部６０３、下部６０４各位置に対するレジスト幅の測長値の測定回数に対する変化をそれぞれ○６１２、◇６１３、△６１４で示している。このように、断面形状の定量的な評価が可能となったことから、測長値と測定回数（電子線照射量）との関係は、関数で表すことが可能となる。図６に示したレジスト幅だけでなく、レジスト高さやテーパー角やラウンド形状、裾引き形状の変化も同様に測定回数（電子線照射量）との関係を関数で表すことができる。これらの関数で表される関係により、シュリンクデータベースのシュリンクモデルを構成することが可能となる。
　上記方法によりシュリンクデータベースを作成し、図２に示すＣＤ－ＳＥＭ装置を用いてレジストパターンのシュリンク前形状を推定し、推定したシュリンク前のレジストパターン形状と該レジストパターンをマスクとしてドライエッチングを行なったときの下地のパターン形状とを比較した結果、良好な対応関係が得られた。
　以上、本実施例によれば、シュリンクデータベースを用いることにより、電子線照射によってシュリンクする物質で形成されたパターンの形状や寸法をＣＤ－ＳＥＭで測定する際、前記パターンがシュリンクする前のパターン寸法を高精度に推定可能なシュリンク前形状推定方法およびＣＤ－ＳＥＭ装置を提供することができる。
　次に第２の実施例について図７及び図１０に基づき説明する。半導体基板上にＡｒＦ用のレジストによって形成された任意のパターンを複数点測定する例である。なお、実施例１に記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情がない限り本実施例にも適用することができる。
　図７は、本実施例に係るシュリンク前形状推定方法のフロー図である。まず、初期値となる被測定パターンの形状データを得る。最初に、サンプル情報、装置情報を入力する（ステップＳ１１１）。サンプル情報は、サンプル名、レジストの材料、パターンの設計寸法、等のサンプルに関わる情報であるが、入力が可能な項目のみを入力すればよい。装置情報は、電子線の加速電圧や電流、走査方法、測定倍率等の測定条件である。
　次に装置情報で入力した測定条件に基づいて、ＣＤ－ＳＥＭにより、まず初期値として用いる被測定パターンのＣＤ－ＳＥＭ画像群を取得する（ステップＳ１１２）。ＡｒＦレジストはＣＤ－ＳＥＭ測定によりシュリンクするため、被測定パターンの同一箇所を複数回ＣＤ－ＳＥＭ測定して複数枚の画像を取得すると、シュリンク量の異なる複数枚のＣＤ－ＳＥＭ画像が得られる。例えば、測定条件を電子線のエネルギーを５００Ｖ、電流を８ｐＡ、倍率を２０万倍、電子線照射回数を４回、８回、１６回、３２回、６４回として、それぞれの電子線照射回数積算した画像を取得する。
　この複数のＣＤ－ＳＥＭ測定の測定条件は、シュリンクデータベースを作成する際に取得したＣＤ－ＳＥＭ測定条件に含まれる条件であることが望ましい。取得した複数のＣＤ－ＳＥＭ画像からそれぞれラインプロファイル等の画像の特徴量を取得する。ＣＤ－ＳＥＭ画像やラインプロファイルは、メモリに格納する。
　次にあらかじめ作成しておいたシュリンクデータベースとステップＳ１１２で取得した複数のＣＤ－ＳＥＭ画像とをパターンマッチング処理する（ステップＳ１１３）。ステップＳ１１２で取得した複数のＣＤ－ＳＥＭ画像から得たラインプロファイルなどの画像特徴量と、シュリンクデータベースとをパターンマッチング処理してもよい。パターンマッチング処理では、例えば、シュリンクデータベース中のシュリンクモデルやＣＤ－ＳＥＭ画像と断面形状との相関モデル等へ、被測定パターンのＣＤ－ＳＥＭ画像群やその特徴量をあてはめることによって、被測定パターンのシュリンク前の形状や寸法を推定することができる。パターンの形状は、二次元もしくは三次元、もしくは二次元、三次元の両方で画像表示することが可能であり、パターンの寸法としては、レジストの高さ、レジストの各高さに対する幅、上部のラウンド形状や下部の裾引き形状、テーパー角などを、オペレータの要求に応じて出力表示することが可能である。
　パターンマッチングによって得られた被測定パターンのシュリンク前の形状や寸法データをサンプル情報の初期値として入力する（ステップＳ１１４）。ここで入力するサンプル情報の初期値がステップＳ１１１で入力したサンプル情報と異なる場合は、ステップＳ１１４で入力した情報に置き換える。ステップＳ１１４で初期値となるパターンの形状データを入力することができるため、サンプル情報が不明なサンプルでも、精度のよい推定をすることが可能となる。
　次に、ステップＳ１１２の被測定パターンとは異なる位置の被測定パターンへステージ移動させる（ステップＳ１１５）。ステップＳ１１５では、ステップＳ１１２で測定したパターンから別の被測定パターンへ移動すればよいため、ステージ移動ではなく、ビーム偏向を用いてもよい。また、ステップＳ１１２で測定したパターンと同等のプロセス工程により作成したサンプルであれば、サンプルを交換してもよい。
　次にステップＳ１１２と異なる位置の被測定パターンのＣＤ－ＳＥＭ画像を１枚取得する（ステップＳ１１６）。取得したＣＤ－ＳＥＭ画像からラインプロファイル等の画像の特徴量を取得し、ＣＤ－ＳＥＭ画像やラインプロファイルは、メモリに格納する。測定条件は、例えば電子線のエネルギーを５００Ｖ、電流を８ｐＡ、倍率を２０万倍、電子線照射回数を１６回とするが、別の測定条件を適用してもよい。
　ステップＳ１１４で入力したパターン形状の初期値とステップＳ１１６で取得したＣＤ－ＳＥＭ画像や画像の特徴量とシュリンクデータベースとをマッチング処理する（ステップＳ１１７）。このマッチング処理では、パターン形状の初期値がわかっているため、例えば、初期値からのずれを調整する処理のみとなる。
　マッチング処理によって得られた被測定パターンのシュリンク前の形状や寸法を出力する（ステップＳ１１８）。パターンの形状は、二次元もしくは三次元、もしくは二次元、三次元の両方で画像表示することが可能であり、パターンの寸法としては、レジストの高さ、レジストの各高さに対する幅、上部のラウンド形状や下部の裾引き形状、テーパー角などを、オペレータの要求に応じて出力表示することが可能である。
　ステップＳ１１９では、測定を終了させるか、継続するかの判断を行い、複数の被測定パターンを測定する場合には、Ｓ１１５からＳ１１８の各ステップをくりかえして、複数の被測定パターンのシュリンク前の形状や寸法を出力する。被測定パターンの数（繰り返し回数）や測定箇所の位置指定は、ステップＳ１１１で入力したり、測定条件のシーケンスとして設定しておいてもよい。
　ステップＳ１１４でサンプル情報の初期値が入力されることから、ステップＳ１１６では、被測定パターンのＣＤ－ＳＥＭ画像の取得が１枚でも、ステップＳ１１７においてシュリンクデータベースとのマッチングを充分に行うことができるため、測定時間の短縮を図ることができる。
　ステップＳ１１６では、測定時間短縮のためにＣＤ－ＳＥＭ画像の取得を１枚としたが、ステップＳ１１２と同様に、電子線照射回数の異なる複数枚のＣＤ－ＳＥＭ画像を取得しても構わない。これによれば、測定時間は長くなるものの、ステップＳ１１７において、より精度の高いシュリンク前形状や寸法の推定が可能になる。
　図１０に表示画面の例を示した。初期値のパターン形状表示（９２１）では、シュリンク前のパターン形状（９２２）やステップＳ１１２で取得した被測定パターンのＣＤ－ＳＥＭ画像に対応する初期値のシュリンク後のパターン形状（９２３）を表示する。図１０ではシュリンク前のパターン形状と複数のシュリンク後のパターン形状を重ね書きしているが、表示方法はこの限りではなく、パターン形状をそれぞれ個別に表示してもよい。またパターン形状は３次元表示としてもよく、二次元表示と三次元表示の両方で表示しても良い。
　初期値の測長値表示（９２５）では、レジスト高さや任意のレジスト高さにおける幅、テーパー角などの初期値のパターン形状の数値表示（９２６）をする。レジスト幅の測長位置は、レジスト高さに対する割合の指定箇所（９０７）に入力することにより、測長したいレジスト高さに対する幅の値を出力することができる。レジスト幅の測長位置は３か所に限らない。測定位置が理解しやすいように、測長位置の模式図（９０４）を合わせて表示してもよい。
　複数の被測定パターンのデータの中で、測長するチップや場所を、測長箇所指定表示（９１１）で指定する。ウエハマップ（９１２）上で位置を指定したり、測長箇所座標（９１３）を入力したりしてもよい。ウエハマップ上の位置と座標はどちらか一方を変えると、もう一方も追随して変わるように設定し、両者が同じ箇所を示すようにする。
　パターン形状表示（９０１）には測長箇所指定表示で指定した場所のシュリンク前のパターン形状（９０２）を表示する。シュリンク前のパターン形状に測定位置が理解しやすいように、測定位置を矢印で示しても良い。パターン形状は３次元表示としてもよく、二次元表示と三次元表示の両方で表示しても良い。ステップＳ１１６で電子線照射回数の異なる複数枚のＣＤ－ＳＥＭ画像を取得した場合、パターン形状表示にシュリンク後のパターン形状も合わせて表示してもよい。
　測長値表示（９０５）には、レジスト高さや任意のレジスト高さにおける幅、テーパー角などのパターン形状の数値表示（９０６）をする。レジスト幅の測長位置は、レジスト高さに対する割合の指定箇所（９０７）に入力することにより、測長したいレジスト高さに対するレジスト幅を出力することができる。レジスト幅の測長位置は３か所に限らない。また、出力選択（９１４）にチェックをつけた数値を、ウエハ面内分布や数値データのテキストファイルとして出力することもできる。
　上記方法によりシュリンクデータベースを作成し、図２に示すＣＤ－ＳＥＭ装置を用いてレジストパターンのシュリンク前形状を推定し、推定したシュリンク前のレジストパターン形状と該レジストパターンをマスクとしてドライエッチングを行なったときの下地のパターン形状とを比較した結果、良好な対応関係が得られた。
　以上、本実施例によれば、シュリンクデータベースを用いることにより、電子線照射によってシュリンクする物質で形成されたパターンの形状や寸法をＣＤ－ＳＥＭで測定する際、前記パターンがシュリンクする前のパターン寸法を高精度に推定可能なシュリンク前形状推定方法およびＣＤ－ＳＥＭ装置を提供することができる。また、サンプル情報の初期値を用いることにより、測定時間の短縮を図ることができる。
　次に第３の実施例について図８及び図１１に基づき説明する。半導体基板上にＡｒＦ用のレジストによって形成された任意のパターンを複数点測定する例である。なお、実施例１や２に記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情がない限り本実施例にも適用することができる。
　図８は、本実施例に係るシュリンク前形状推定方法のフロー図である。最初に、装置情報を入力する（ステップＳ１２１）。装置情報は、電子線の加速電圧や電流、走査方法、測定倍率等の測定条件である。
　次に被測定パターンの初期値となるサンプル情報を入力する（ステップＳ１２２）。入力する情報は、サンプル名、レジストの材料、パターンの設計寸法、等のサンプルに関わる情報である。リソシミュレータ等から得られる被測定パターンの形状データ等、できるだけ信頼性の高い情報を入力する。
　次に装置情報で入力した測定条件に基づいて、ＣＤ－ＳＥＭにより、被測定パターンのＣＤ－ＳＥＭ画像を１枚取得する（ステップＳ１２３）。取得したＣＤ－ＳＥＭ画像からラインプロファイル等の画像の特徴量を取得し、ＣＤ－ＳＥＭ画像やラインプロファイルは、メモリに格納する。測定条件は、例えば電子線のエネルギーを５００Ｖ、電流を８ｐＡ、倍率を２０万倍、電子線照射回数を１６回とするが、別の測定条件を適用してもよい。
　ステップＳ１２２で入力したパターン形状の初期値とステップＳ１２３で取得したＣＤ－ＳＥＭ画像や画像の特徴量とシュリンクデータベースとをマッチング処理する（ステップＳ１２４）。このマッチング処理では、パターン形状の初期値がわかっているため、例えば、初期値からのずれを調整する処理のみとなる。
　パターンマッチング処理では、例えば、シュリンクデータベース中のシュリンクモデルやＣＤ－ＳＥＭ画像と断面形状との相関モデル等へ、被測定パターンのＣＤ－ＳＥＭ画像群やその特徴量をあてはめることによって、被測定パターンのシュリンク前の形状や寸法を推定することができる。
　ステップＳ１２４で得られたシュリンク前の形状や寸法を出力する（ステップＳ１２５）。パターンの形状は、二次元もしくは三次元、もしくは二次元、三次元の両方で画像表示することが可能であり、パターンの寸法としては、レジストの高さ、レジストの各高さに対する幅、上部のラウンド形状や下部の裾引き形状、テーパー角などを、オペレータの要求に応じて出力表示することが可能である。
　ステップＳ１２６では、測定を終了させるか、継続するかの判断を行い、複数の被測定パターンを測定する場合には、Ｓ１２３からＳ１２５の各ステップをくりかえして、複数の被測定パターンのシュリンク前の形状や寸法を出力する。被測定パターンの数（繰り返し回数）や測定箇所の位置指定は、ステップＳ１２１で入力したり、測定条件のシーケンスとして設定しておいてもよい。
　ステップＳ１２２でサンプル情報の初期値が入力されることから、ステップＳ１２３では、被測定パターンのＣＤ－ＳＥＭ画像の取得が１枚でも、ステップＳ１２４においてシュリンクデータベースとのマッチングを充分に行うことができるため、測定時間の短縮を図ることができる。
　出力画面の例を図１１に示す。複数の被測定パターンのデータの中で、測長したい箇所を、測長箇所指定表示（９１１）で指定する。ウエハマップ（９１２）上で位置を指定したり、測長箇所座標（９１３）を入力したりしてもよい。ウエハマップ上の位置と座標はどちらか一方を変えると、もう一方も追随して変わるように設定し、両者が同じ箇所を示すようにする。
　パターン形状表示（９０１）にはシュリンク前のパターン形状（９０２）を表示する。シュリンク前のパターン形状に測定位置が理解しやすいように、測定位置を矢印で示しても良い。パターン形状は３次元表示としてもよく、二次元表示と三次元表示の両方で表示しても良い。
　測長値表示（９０５）には、レジスト高さや任意のレジスト高さにおける幅、テーパー角などのパターン形状の数値表示（９０６）をする。レジスト幅の測長位置は、レジスト高さに対する割合の指定箇所（９０７）に入力することにより、測長したいレジスト高さに対するレジスト幅を出力することができる。レジスト幅の測長位置は３か所に限らない。また、出力選択（９１４）にチェックをつけた数値を、ウエハ面内分布や数値データのテキストファイルとして出力することもできる。
　上記方法によりシュリンクデータベースを作成し、図２に示すＣＤ－ＳＥＭ装置を用いてレジストパターンのシュリンク前形状を推定し、推定したシュリンク前のレジストパターン形状と該レジストパターンをマスクとしてドライエッチングを行なったときの下地のパターン形状とを比較した結果、良好な対応関係が得られた。
　以上、本実施例によれば、シュリンクデータベースを用いることにより、電子線照射によってシュリンクする物質で形成されたパターンの形状や寸法をＣＤ－ＳＥＭで測定する際、前記パターンがシュリンクする前のパターン寸法を高精度に推定可能なシュリンク前形状推定方法およびＣＤ－ＳＥＭ装置を提供することができる。また、サンプル情報の初期値を用いることにより、測定時間の短縮を図ることができる。
　なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明をわかりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明したすべての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置きかえることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
２０１…電子銃、２０２…一次電子、２０３…収束レンズ、２０４…絞り、２０５…偏向コイル、２０６…対物レンズ、２０７…サンプル、２０８…サンプルステージ、２２０…二次電子、２２１…二次電子検出器、２２２…Ａ／Ｄ変換器、５１０…サンプル、３１１…シュリンクデータベース、３１２…データ群、３１６…モデル、５１１…電子線照射領域、５１２…電子線照射領域、５１３…電子線照射領域、５１４…電子線未照射領域、５１５…ＳＴＥＭ観察試料、５２１…電子線照射領域５１１の断面、５２２…電子線照射領域５１２の断面、５２３…電子線照射領域５１３の断面、５２４…電子線未照射領域の断面、５２５…拡大領域、５３０…レジスト、５３１…カーボン保護膜、５３２…境界膜（ＨｆＯ２）、５３３…反射防止膜、５４０…レジストの輪郭線、６０１…レジストパターン、６０２…レジスト上部、６０３…レジスト中部、６０４…レジスト下部、６１２…レジスト上部の測長値の測定回数に対する変化、６１３…レジスト中部の測長値の測定回数に対する変化、６１４…レジスト下部の測長値の測定回数に対する変化、９０１…パターン形状表示、９０２…シュリンク前のパターン形状、９０３…シュリンク後のパターン形状、９０４…測長位置の模式図、９０５…測長値表示、９０６…パターン形状の数値表示、９０７…レジスト高さに対する割合の指定箇所、９１１…測長箇所指定表示、９１２…ウエハマップ、９１３…測長箇所座標、９１４…出力選択、９２１…初期値のパターン形状表示、９２２…初期値のシュリンク前のパターン形状、９２３…初期値のシュリンク後のパターン形状、９２５…初期値の測長値表示、９２６…初期値のパターン形状の数値表示。

Claims (11)

  1. 　電子線照射によりシュリンクする物質で形成されたパターンの形状や寸法をＣＤ－ＳＥＭで測定する際の前記パターンのシュリンク前形状推定方法において、
      前記物質で形成されたパターンの電子線照射前断面形状データと、様々な電子線照射条件で得られる断面形状データ群と、様々な電子線照射条件で得られるＣＤ－ＳＥＭ画像データ群と、これらのデータを用いて作成されるシュリンクモデル及びＣＤ－ＳＥＭ画像特徴量と断面形状との相関モデルとを含むシュリンクデータベースを準備するステップと、
      前記物質で形成された被測定パターンのＣＤ－ＳＥＭ画像を取得するステップと、
      前記ＣＤ－ＳＥＭ画像と前記シュリンクデータベースのデータとを用いて前記被測定パターンのシュリンク前の形状や寸法を推定し、出力することを特徴とするシュリンク前形状推定方法。
  2. 　請求項１に記載のシュリンク前形状推定方法において、
      前記シュリンクデータベースは、様々な形状、様々な物質のパターンのデータを含むことを特徴とする、シュリンク前形状推定方法。
  3. 　請求項２に記載のシュリンク前形状推定方法において、
      前記シュリンクデータベースを構成する前記電子線照射前断面形状データと前記様々な電子線照射条件で得られる断面形状データ群は、前記パターンを収束イオンビーム加工法で断面試料に加工し、透過電子顕微鏡で観察することにより取得されることを特徴とするシュリンク前形状推定方法。
  4. 　請求項３に記載のシュリンク前形状推定方法において、
      前記パターンは、前記収束イオンビーム加工法で加工される前に、前記パターンの表面に、前記パターンを構成する物質よりも原子番号の大きい物質の境界膜と、更にその上に保護膜とを成膜することを特徴とするシュリンク前形状推定方法。
  5. 　請求項３に記載のシュリンク前形状推定方法において、
      前記断面試料は、電子線照射領域と電子線未照射領域とを含むことを特徴とするシュリンク前形状推定方法。
  6. 　電子線源と、被測定試料を載置する試料台と、前記電子線源から放出された電子を前記試料台に載置される試料に照射する電子光学系と、前記試料から放出される二次電子に基づいて画像処理を行なう制御処理部とを備えたＣＤ－ＳＥＭ装置であって、
      更に、電子線照射によりシュリンクする物質で形成されたパターンがシュリンクする前の形状を推定するために、前記物質で形成されたパターンの電子線照射前断面形状データと、様々な電子線照射条件で得られる断面形状データ群と、様々な電子線照射条件で得られるＣＤ－ＳＥＭ画像データ群と、これらのデータを用いて作成されるシュリンクモデル及びＣＤ－ＳＥＭ画像特徴量と断面形状との相関モデルとを含むシュリンクデータベースを有することを特徴とするＣＤ－ＳＥＭ装置。
  7. 　請求項６に記載のＣＤ－ＳＥＭ装置において、
      前記シュリンクデータベースは、様々な形状、様々な物質のパターンのデータを含むことを特徴とするＣＤ－ＳＥＭ装置。
  8. 　請求項７に記載のＣＤ－ＳＥＭ装置において、
      前記シュリンクデータベースを構成する前記電子線照射前断面形状データと前記様々な電子線照射条件で得られる断面形状データ群は、前記パターンを収束イオンビーム加工法で断面試料に加工し、透過電子顕微鏡で観察することにより取得されるものであることを特徴とするＣＤ－ＳＥＭ装置。
  9. 　請求項８に記載のＣＤ－ＳＥＭにおいて、
      前記パターンは、前記収束イオンビーム加工法で加工される前に、前記パターンの表面に、前記パターンを構成する物質よりも原子番号の大きい物質の境界膜と、更にその上に保護膜とが成膜されたものであることを特徴とするＣＤ－ＳＥＭ装置。
  10. 　請求項９に記載のＣＤ－ＳＥＭ装置において、
      前記シュリンクデータベースは、前記制御処理部に含まれることを特徴とするＣＤ－ＳＥＭ装置。
  11. 　請求項９に記載のＣＤ－ＳＥＭ装置において、
      前記制御処理部に接続され、電子線照射によりシュリンクする物質で前記被測定試料上に形成された被測定パターンのシュリンク前後での断面形状を表示する表示部を更に有することを特徴とするＣＤ－ＳＥＭ装置。
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