WO2016002341A1 - パターン測定方法、及びパターン測定装置 - Google Patents

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洋揮 川田
英雄 栄井
笹田　勝弘
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    • H01J2237/2813—Scanning microscopes characterised by the application
    • H01J2237/2817—Pattern inspection

Definitions

  • the present invention relates to a pattern measurement method and a pattern measurement device, and more particularly, to a pattern measurement method and a pattern measurement device capable of accurately measuring a pattern having a three-dimensional structure.
  • a tapered slope is formed by a focused ion beam (FIB), a surface observation image of the formed slope is obtained using an electron microscope, and an electron beam scanning distance X And calculating the sample thickness t by calculating 2 ⁇ X ⁇ tan ⁇ based on the inclination angle ⁇ of the slope.
  • FIB focused ion beam
  • a contact hole for conducting between layers of a device having a plurality of hierarchical structures has a diameter of only several tens of nanometers due to miniaturization, but the depth is several thousand due to an increase in the number of layers accompanying an increase in the degree of integration. It extends to nm.
  • the Fin line pattern of a FinFET device having a three-dimensional structure has a cross-sectional shape with a width of several tens of nm and a height of several times its height. Since this is a path for the switching current, it is considered that the line width of the line needs to be managed in the height direction with sub-nm accuracy.
  • Patent Document 1 if an attempt is made to obtain information in the height direction of the sample based on the scanning distance X of the electron beam and the inclination angle ⁇ of the processing slope, high-precision measurement is performed. I can't. In obtaining the scanning distance, if the starting point (or end point) is not accurately grasped, high-accuracy measurement cannot be expected. However, Patent Document 1 describes a method for accurately obtaining a measurement reference point. There is no.
  • a pattern measurement method to be executed comprising: forming a tilted surface in a sample region including a circuit element having a deep hole, a deep groove, or a three-dimensional structure by irradiation with a focused ion beam; and the tilted surface and the sample surface Setting the field of view of the scanning electron microscope to include a boundary between and acquiring an image of the field of view based on a detection signal obtained by scanning an electron beam into the field of view, and the acquired Identifying a first position that is a boundary between the inclined surface and the non-inclined surface using an image, a position of a desired deep hole or deep groove located in the inclined surface, and the depth Or a step of specifying a second position which is a position of a surface of a
  • a pattern for executing measurement of a circuit element including a fin-shaped pattern formed on a sample based on a detection signal obtained by a scanning electron microscope as follows.
  • a measurement method comprising: forming a slope in a region including the circuit element so that a cross-section of the fin-shaped pattern is exposed on a surface thereof by irradiation with a focused ion beam; an upper end of the fin; and Setting the field of view of the scanning electron microscope so as to include a region below the upper end of the fin, and acquiring an image of the field of view based on a detection signal obtained by scanning the electron beam into the field of view; Using the acquired image, the step of identifying the first position of the upper end of the fin-shaped pattern, and the sample from the upper end of the fin-shaped pattern Based on the step of identifying the second position located on the lower layer side, the dimension in the sample surface direction between the first position and the second position, and the angle of the inclined surface, A pattern measuring method having
  • a pattern measuring apparatus for measuring a dimension of a pattern formed on a sample based on a detection signal obtained by a scanning electron microscope, the scanning Based on the signal obtained by the electron microscope, the boundary between the inclined surface and the non-inclined surface formed on the sample is specified, and the sample surface direction between the boundary and the pattern included in the image
  • a pattern measuring apparatus includes an arithmetic unit for measuring the dimension of the pattern and measuring the dimension in the height direction of the pattern based on the dimension value and the relative angle between the inclined surface and the sample surface.
  • a pattern measuring apparatus for measuring the dimension of a pattern formed on a sample based on a detection signal obtained by a scanning electron microscope below, Based on the signal obtained by the scanning electron microscope, the position of the upper end of the fin-shaped pattern is specified, the position of the silicon oxide layer located on the lower layer side of the fin-shaped pattern is specified, and the fin-shaped pattern The height dimension of the fin-like pattern is determined based on the position of the upper surface of the sample, the dimension of the sample surface direction between the silicon oxide layer and the position, and the angle of the slope formed on the sample. Proposed is a pattern measuring apparatus provided with a desired arithmetic unit.
  • the measurement in the depth direction of the pattern can be realized with high accuracy.
  • the flowchart which shows the process of obtaining the depth information of a sample.
  • the figure which shows the cross-section of FinFET which performed the inclined surface process by the focused ion beam.
  • the figure which shows the example of a measurement of the side wall angle of Fin The figure which shows an example of the low magnification image containing an inclination process area
  • the embodiments described below relate mainly to a method and apparatus for measuring height using an electron microscope.
  • a semiconductor device that is being miniaturized by means other than an electron microscope
  • throughput and measurement accuracy decrease, and apparatus management costs increase. Therefore, it is not suitable for mass production.
  • a method and apparatus for realizing measurement with good throughput, measurement accuracy, and apparatus management cost without modifying the electron microscope as much as possible will be described.
  • a slope that descends obliquely from the sample surface is formed by machining mainly on a region including a portion where a pattern to be measured exists, and a pattern that is exposed on the machining surface and a downward slope Measure the distance to the start position of the sample, and determine the distance between the sample surface in the depth direction (Z direction when the sample surface direction before processing is the XY direction) and the pattern, and the start position of the down slope
  • Z direction when the sample surface direction before processing is the XY direction
  • the pattern start position of the down slope
  • the embodiment described below it becomes possible to measure a change in the dimension of the pattern in the depth direction and a change in the pattern shape accompanying a change in the position in the depth direction without breaking the wafer.
  • the pattern cross-sectional shape that appears on the fracture surface becomes smaller as it gets deeper from the wafer surface, is the pattern really thin, or bends in a direction perpendicular to the fracture surface and is centered from the fracture surface? It is impossible to tell whether the sectional shape is apparently small due to the deviation.
  • the bending in the depth direction of the pattern is measured as a positional deviation of the pattern exposed in the dug down section, and thus is measured independently of the change in the cross-sectional shape. It becomes possible.
  • Pattern measurement that performs pattern measurement based on detection signals obtained by a scanning electron microscope (SEM) as one mode for measuring deep holes, deep grooves, etc. with high precision using high-magnification images
  • the method includes the step of irradiating the focused ion beam with a focused ion beam so as to include a pattern or edge to be measured in the processing region and to form a slope in the processing region; and Or at least two regions of the first portion of the pattern and the inclined boundary between the inclined surface and the sample surface, or the second portion of the pattern.
  • FOV FOV
  • FOV field of view
  • a pattern measuring method for calculating a pattern or a dimension between the first portion and the inclined boundary or the second portion is proposed.
  • a pattern measuring device for measuring the dimension of a pattern formed on a sample based on a detection signal obtained by a scanning electron microscope, the first measurement image obtained by the scanning electron microscope, A first field of view smaller than the field of view of the first image, a second field of view smaller than the field of view of the first image, a second field of view smaller than the field of view of the first image, the first field of view and the second field of view;
  • An input device that sets a length measurement cursor that extracts at least one of a first portion and a second portion that are within at least one of the fields of view and serves as a pattern measurement reference, and a first set by the input device
  • the first portion of the pattern is specified in the measurement cursor of the field of view, and is set in the second field of view, between the sample surface and the inclined surface, or in the second field of view.
  • Putter in the measuring cursor Second identifying portion we propose a first portion, the boundary, or a pattern measuring apparatus having an arithmetic device for measuring the dimension between
  • FIG. 8 is a diagram showing a sample obtained by processing the sample surface using FIB, and in particular, an example in which an inclined surface in a direction crossing the sample surface direction (XY direction) is formed on the sample.
  • FIG. 8 the portion where the deep hole pattern is dense is dug.
  • an inclined surface is formed that descends from the right to the left in the figure.
  • the deep hole pattern is dug in a direction perpendicular to the sample surface, the cross section of the deep hole pattern is exposed on the slope until the slope reaches the depth of the hole bottom of the pattern.
  • FIG. 9 is a side view of the sample on which the inclined surface is formed.
  • An ion beam is incident from the upper right of the figure, and a processing surface is formed that descends from the right to the left. The place where the sample surface and the processed surface intersect is the excavation start point. From there, a processed surface is formed in which the ion beam goes straight and goes down to the lower left.
  • the angle formed by the ion beam and the sample surface, that is, the down angle of the processed surface is 40 °.
  • the processed surface is a slope that descends from the surface of the unprocessed sample, the deep hole cross section corresponding to a deeper portion is exposed as the slope is lowered. That is, the cross-sectional shape of the deep hole pattern cut at various depth positions can be seen on the processing surface.
  • the depth of the cross section at a position of 4 ⁇ m horizontally from the excavation start point to the left is 3.4 ⁇ m.
  • the inclined surface is formed by FIB, and the beam is irradiated from the direction perpendicular to the sample surface (the sample surface in the unprocessed region in FIG. 9) and intersecting the inclined processed surface.
  • the signal obtained by the above information on the inclined machining surface is obtained.
  • a pattern or cross-sectional shape to be measured is exposed on the inclined processed surface, and the position can be captured by acquiring an image with a CD-SEM.
  • the distance between the inclined machining surface and the sample surface boundary (excavation start point) and the pattern or cross-sectional shape to be measured is L
  • the depth of the pattern or cross-sectional shape (distance to the sample surface) D is , Can be expressed by Equation 1.
  • FIG. 10 is a flowchart showing specific steps for obtaining depth information based on the above arithmetic expression.
  • An inclined processing surface as illustrated in FIGS. 8 and 9 is formed in advance using FIB, and processing information (processing position, inclination angle (ion beam irradiation direction, etc.)) is acquired.
  • the wafer on which the inclined processing surface is formed is placed on the stage of the SEM, and based on the processing information, the wafer stage is moved so that the FIB processed portion enters the low magnification field of view of the electron microscope (step 1).
  • the processed part can be captured in the SEM visual field at a magnification of about 3000 times, for example.
  • the brightness and contrast of the FIB processed part are clearly different from those of the surrounding unprocessed part, so the stage position and field movement (beam) are set so that the processed part comes to the center of the SEM visual field by the automatic image identification function. Shift) is automatically performed, and even if the field of view is narrowed by the subsequent high magnification measurement, the processed portion can be captured therein.
  • step 2 the part dug diagonally is photographed by connecting a plurality of SEM images (step 2).
  • An example is shown in FIG.
  • the SEM image has a square shape of 450 nm square. Only the area can be copied.
  • the depth of the hole is about 3.4 ⁇ m
  • the length in the sample surface direction between the inclined processing surface and the boundary between the sample surface and the portion having a depth of 3.4 ⁇ m is 4 ⁇ m. . Therefore, at least nine SEM images are required to capture the entire region at a magnification of 300,000 times.
  • the processing surface which is a downward slope, decreases as the visual field position is shifted, it is necessary to adjust the focus when acquiring the SEM for each region. Therefore, the visual field movement amount from the visual field position including the reference line is recorded, and the focal position is moved downward by the depth D required when the visual field movement amount is set to L in Formula 1. Has a function to modify. In this way, since the focus can be adjusted accurately and quickly, it is possible to increase the accuracy and speed of the measurement value.
  • the reference line (excavation start line) in FIG. 11 is specified and a pattern for measuring the depth is selected (step 3).
  • a pattern for measuring the depth is selected (step 3).
  • the position of the pattern in the cursor is measured by, for example, obtaining the relative position between the cursor and the pattern for each pattern in the cursor. If the contrast between the pattern and the surroundings is clear, the measurement reference position may be extracted by performing binarization processing or the like and obtaining the center of gravity position of the area recognized as the pattern.
  • the measurement reference position may be extracted by performing image processing that automatically recognizes the hole bottom.
  • the dimension between the identified reference line and the extracted pattern centroid (center) is measured, and the depth D is obtained based on Equation 1 (steps 4 and 5).
  • high-precision measurement based on a high-magnification image can be performed even when measuring the depth of a deep hole or the like. If the depth of the deep hole is about 3 ⁇ m, the distance between the position where the bottom of the hole is visible on the FIB processed surface and the reference line is about 4 ⁇ m. If the hole diameter is about 30 nm, the magnification of the SEM image needs to be about 200,000 times to measure the dimension, and the field of view of the SEM image is about 0.7 ⁇ m.
  • the reference line is not shown in the SEM image. As described above, it is possible to measure the depth of a deep hole or the like with high accuracy by performing image acquisition using a high-magnification image for each of the inclined boundary and the measurement target.
  • the reference line is a line where the reference surface and the oblique digging surface intersect when calculating the depth of the pattern cross section exposed on the FIB oblique digging surface.
  • the wafer surface is the reference plane
  • the line where FIB oblique digging starts from the wafer surface is the reference line.
  • the depth of the hole turn exposed on the oblique digging surface is the depth with respect to the wafer surface.
  • this reference line in the SEM image it is necessary to find a line in which the carbon protective film formed on the sample surface starts cutting by FIB processing before starting FIB processing. For this purpose, it is necessary to distinguish the contrast difference between the carbon protective film portion and the obliquely dug portion in the SEM image and to define the boundary line as a reference line.
  • FIG. 1 is a diagram showing an outline of the SEM 100.
  • An electron beam 103 extracted from the electron source 101 by the extraction electrode 102 and accelerated by an accelerating electrode (not shown) is focused by a condenser lens 104 which is a form of a focusing lens, and then is scanned on a sample 109 by a scanning deflector 105.
  • a condenser lens 104 which is a form of a focusing lens
  • a scanning deflector 105 are scanned one-dimensionally or two-dimensionally.
  • the electron beam 103 is decelerated by a negative voltage applied to an electrode built in the sample stage 108, and is focused by the lens action of the objective lens 106 and irradiated onto the sample 109.
  • secondary electrons and electrons 110 such as backscattered electrons are emitted from the irradiated portion.
  • the emitted electrons 110 are accelerated in the direction of the electron source by an acceleration action based on a negative voltage applied to the sample, and collide with the conversion electrode 112 to generate secondary electrons 111.
  • the secondary electrons 111 emitted from the conversion electrode 112 are captured by the detector 113, and the output of the detector 113 changes depending on the amount of captured secondary electrons. In accordance with this output, the brightness of a display device (not shown) changes.
  • an image of the scanning region is formed by synchronizing the deflection signal to the scanning deflector 105 and the output of the detector 113.
  • the scanning electron microscope illustrated in FIG. 1 includes a deflector (not shown) that moves the scanning region of the electron beam. This deflector is used to form an image of a pattern having the same shape existing at different positions. This deflector is also called an image shift deflector, and enables movement of the field of view of the electron microscope without moving the sample by the sample stage.
  • the image shift deflector and the scan deflector may be a common deflector, and the image shift signal and the scan signal may be superimposed and supplied to the deflector.
  • the control device 120 controls each component of the scanning electron microscope, and forms a pattern on the sample based on the function of forming an image based on detected electrons and the intensity distribution of detected electrons called a line profile. It has a function to measure the pattern width.
  • FIG. 2 is a diagram showing an outline of the FIB apparatus 200.
  • This device suppresses the spread of emitted ions, a liquid metal ion source 201 that emits desired ions, an extraction electrode 202 that extracts ions from the liquid metal ion source 201, an aperture 204 that passes only the central portion of the emitted ions 203 downstream.
  • a deflector 210 that scans and sweeps the ion beam on the sample surface, an objective lens 211 that focuses the ion beam on the sample surface, a sample stage 212, and a focused ion beam 213 that are emitted when they enter the surface of the sample 206. It comprises a secondary electron detector 214 that captures secondary electrons.
  • a control device 215 for controlling each of the above components is provided.
  • the control device 215 irradiates a predetermined processing position with the ion beam 213 whose current is adjusted by the diaphragm 208 and scans the ion beam 213 with the deflector 210 to execute drilling processing in a desired region.
  • the sample table 212 is provided with a moving mechanism (not shown), and the sample 206 can be moved in the XY direction (when the ion beam irradiation direction is the Z direction) and in the Z direction, and is tilted and rotated. Etc. are configured to be capable of such operations.
  • the inclined surface processing as illustrated in FIG. 8 is performed by oblique irradiation of the beam to the sample surface.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a measurement system including the SEM 100 and the FIB apparatus 200.
  • the system illustrated in FIG. 3 includes an SEM 100, an FIB device 200, an arithmetic processing device 301, and a design data storage medium 302.
  • the arithmetic processing unit 301 supplies control signals including measurement conditions and processing conditions to the SEM 100 and the FIB apparatus 200, and performs processing related to pattern measurement based on the detection signals and measurement results obtained by the SEM 100.
  • a processing unit 304, a recipe that is an operation program for determining measurement conditions and processing conditions, and a memory 305 that stores measurement results and the like are incorporated.
  • the detection signal obtained by the SEM 100 is supplied to image processing hardware such as a CPU, ASIC, and FPGA built in the arithmetic processing unit 301, and image processing according to the purpose is performed.
  • the arithmetic processing unit 304 includes a processing condition setting unit 306 for setting processing conditions of the FIB 200, a measurement condition setting unit 307 for setting measurement conditions by the SEM 100, an area setting unit 308 for setting image acquisition regions and length measurement boxes, and the SEM 100.
  • a measurement execution unit 309 that performs measurement based on the obtained detection signal, and a height calculation unit 310 that calculates the height of a pattern or the like based on an arithmetic expression such as Equation 1 stored in advance in the memory 305 or the like. Is built-in. Processing conditions, measurement conditions, and the like can be set by the input device 303, and a recipe for processing and measurement is generated based on the settings.
  • the coordinate information and the like of the set processing position are used as measurement conditions of the SEM 100, the information of the incident angle of the ion beam and the like are information for calculating the height (depth) of the height calculation unit 310, and the memory 305. Is remembered.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of a GUI screen for setting measurement conditions for a processing region by FIB.
  • the GUI screen illustrated in FIG. 4 is displayed on the display device of the input device 303, for example, and the arithmetic processing unit 301 selects a recipe that is an operation program for controlling the SEM 100 according to the setting using the GUI screen.
  • the program is created and transmitted to the control device 120 that controls the SEM.
  • the GUI screen illustrated in FIG. 4 mainly displays an SEM image, and an SEM image display area 402 in which an area on the SEM image can be set by the cursor 401 and the like, and a measurement target setting area for defining a measurement target numerically 403 (Target Definition) is included.
  • an area for displaying a target screen (an area for displaying the entire processing area 404 by FIB) 405 indicates the position and size of a high magnification image acquisition area 406 (Sub Target), a pointing device, or the like. It can be set by. Further, in the area 406, a length measurement box 407 for extracting a measurement reference position (measurement start point, measurement end point) can be set. The operation recipe created by setting the area 406 and the length measurement box 407 is used for the control of the SEM 100, and becomes an image acquisition condition displayed in the high magnification image display area 408 (Sub Target).
  • the length measurement box is also called a length measurement cursor, and is used for selectively specifying a measurement standard within the area.
  • image acquisition conditions and measurement conditions can be set without using a pointing device.
  • the measurement target setting area 403 is mainly divided into a setting area 409 for setting target image acquisition conditions and the like, a setting area 410 for setting acquisition conditions for high-magnification images, and a setting area 411 for setting measurement conditions. ing.
  • height measurement which is one of the measurement purposes in this embodiment, is selected.
  • the setting items in the setting areas 410 and 411 change in accordance with the measurement purpose input.
  • the measurement start point and measurement end point are greatly separated, and if the measurement start point and end point are placed within one field of view, high magnification observation cannot be performed.
  • Setting items in the setting area 410 are provided so that the acquisition conditions can be set.
  • the setting area 410 it is possible to set at least two high-magnification acquisition areas (Sub Tags 1, 2).
  • the size of the field of view (FOV size) may be settable.
  • processing conditions in the length measurement box 407 can be set according to the measurement purpose.
  • the hole depth (Hole Depth) is set as the measurement purpose in the height measurement.
  • the processing content for determining the measurement reference changes depending on the measurement start point and the measurement end point. Therefore, it is possible to set the processing content individually. desirable.
  • the Sub Target 1 is set to extract the gravity center 413 in the measurement box 412, while the Sub Target 2 is configured to extract the tilt boundary in the measurement box 414. Settings for extracting 415 are made.
  • the length measurement box 412 it is necessary to perform pattern recognition and obtain the position of the center of gravity, while in the length measurement box 414, it is necessary to extract an inclined boundary regardless of the position of the pattern.
  • Various methods are conceivable as a method for extracting the pattern center of gravity. For example, it is conceivable to extract a contour line of a pattern based on pattern recognition and obtain a center of gravity position based on a distance image of the contour line.
  • a method for extracting the inclined boundary a method may be considered in which the boundary between the two is determined in accordance with the luminance difference by using a phenomenon in which the luminance is higher on the inclined surface than on the flat surface due to the edge effect. For example, a waveform profile indicating the luminance change in the X direction of the length measurement box 414 may be acquired and the position where the luminance changes may be specified.
  • the presence of a hole pattern may interfere with accurate boundary extraction, so the pattern may be excluded based on pattern recognition, periodic structure extraction processing, etc. Processing such as matching the pixel values with the adjacent background portion may be performed. Note that, unlike a plurality of hole patterns arranged, it is easy to specify an inclined boundary by image processing or the like. Therefore, the inclined boundary may be specified without setting the length measuring cursor 406.
  • the position of the Sub target 2 may not be set via the GUI screen, but may be automatically set based on the processing position information supplied to the FIB apparatus 200.
  • the brightness change point (boundary between the inclined surface and the sample surface) may be automatically searched in the Subtarget 2 without setting the length measuring box or the like. In order to identify the brightness change point, it is conceivable to obtain a change point by creating a brightness profile in the X direction and differentiating the brightness profile.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining a method of measuring the dimension between the gravity center position 413 in the two sub-targets 501 and 502 and the inclined boundary 415.
  • images of two sub-targets 501 and 502 are acquired, and the center of gravity position 413 and the position of the inclined boundary 415 are specified in the length measurement boxes 412 and 414 respectively set, and the position, The distance ( ⁇ x b , ⁇ x s ) from the center of the measurement box is obtained.
  • the scrolling amount (the amount of deflection of the beam) [Delta] x between the sub target 501 and the sub-target 502, by adding the [Delta] x b and [Delta] x s, exactly the distance between the measurement target pattern and the machining starting point It can be obtained.
  • ⁇ x is a value proportional to the amount of signal supplied to the deflector when performing image shift, and is stored in advance in the memory 305 or the like. According to such a method, it becomes possible to accurately measure the distance in the sample surface direction of the measurement target pattern located on the tilt start point and the tilt surface, and as a result, accurate height (depth) measurement is performed. It becomes possible.
  • the center position of the sub-target and the measurement box is the same. However, the present invention is not limited to this. Can do. In this case, the deviation between the center positions of the sub-target and the length measurement box is added to the length measurement value.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an example in which accurate measurement is possible by acquiring not only the measurement start point and the measurement end point but also the image between them.
  • FIG. 6 shows an example in which not only the images of the sub-targets 501 and 502 but also the images of the areas 601 and 602 between them are acquired. If the image acquisition position of the sub-target shifts due to the influence of charging or the like, in the case of a sample in which similar elements are arranged, there is a possibility that an adjacent pattern that is not a measurement target is erroneously recognized as a measurement target is there. Therefore, in this example, the image acquisition regions are set so that the fields of view are superimposed between the two targets at different positions and adjacent to each other. In the example of FIG.
  • overlapping regions 603, 604, and 605 are provided, and by performing pattern matching processing (pattern matching) using the overlapping region, it is possible to perform relative alignment between images, and by using intermediate images
  • the two targets to be connected are also relatively accurately aligned.
  • the measurement start point and the measurement end point that are not within the range in a high-magnification image are measured. Even a measurement object having a high-precision measurement can be performed.
  • a value corresponding to L in Formula 1 is obtained by forming a luminance profile across a plurality of images and detecting a change in the profile indicating the pattern gravity center and the tilt boundary. .
  • FIG. 18 is a diagram illustrating an example of a low-magnification image 1801 including an inclined processing region.
  • a large number of hole patterns 1802 are included in the display area of the low-magnification image 1801.
  • a rectangle 1803 indicates a processing region by FIB, and a deep inclined surface processing is performed on the lower side of the drawing.
  • FIG. 19 is a flowchart illustrating a process of performing automatic measurement on the sample illustrated in FIG.
  • a sample that has been processed as illustrated in FIG. 18 is introduced into the SEM (step 1901).
  • the stage is moved so that the low-magnification acquisition region matches the field of view of the SEM (step 1902).
  • the electron beam is scanned to obtain a low magnification image (step 1903).
  • a high-magnification image acquisition FOV for specifying an inclined boundary is set on the low-magnification image or based on the FIB processing position information (step 1904).
  • the high-magnification image acquisition FOV is not set at an accurate position due to stage accuracy, process variation, etc., so boundary detection is performed based on the boundary determination algorithm as described above (step 1905) If no boundary is detected, the boundary is detected by setting a field of view in an adjacent region. This process is repeated until a boundary is detected (search around in step 1907). In the example of FIG. 18, when there is no boundary in the first visual field, it is considered that there is a boundary at a different position in the Y direction, so the boundary is detected by moving the visual field in the Y direction.
  • an image of a region 1804 located on the inclined processing surface side is acquired with respect to the detected boundary, and a template is created based on the image (steps 1906 and 1908).
  • the template is formed by cutting out a part of the low-magnification image.
  • a pattern search is executed in the depth direction of the inclined machining surface (step 1909). In making this pattern search performs pattern searching along the depth direction from the region 1804, along with obtaining a distance [Delta] Y 1 of the first matching position 1804, thereafter, it performs template matching for each [Delta] Y 1, matching score May be calculated.
  • the position where the matching score is a predetermined value or less is specified while performing the pattern search.
  • the area 1806 is a position where the matching score is a predetermined value or less.
  • a pattern 1808 included in the region 1806 indicates a resist residue or the like of the hole pattern and corresponds to the bottom of the hole pattern.
  • the bottom of the pattern is almost the same height as the inclined machining surface, and compared with other hole patterns that are deep holes, the detection efficiency of electrons emitted from the bottom is high, so it is relative to other hole patterns.
  • Bright pattern Since the region 1807 deeper than the region 1806 is deeper than the hole bottom, there is no hole pattern.
  • the matching score in the region 1806 decreases. For example, by obtaining a matching score (degree of coincidence) for each ⁇ Y 1 and specifying a portion where the score is equal to or less than a predetermined value, it is possible to specify a pattern indicating the hole bottom.
  • the FOV for high magnification image is set so as to include the pattern 1808, and the position of the pattern 1808 is specified by obtaining the pattern center of gravity and the like (steps 1910 and 1911).
  • L in Equation 1 can be obtained (step 1912). If a template indicating the hole bottom is prepared in advance, a pattern search using the inclined boundary 1809 as a base point may be performed, and a portion where the matching score is a predetermined value or more may be specified as the pattern bottom. .
  • the operation program as described above is stored in the memory 305 of the arithmetic processing unit 301 or a storage medium built in the SEM 100, and the SEM 100 is controlled based on the operation program. Measurement can be performed automatically.
  • the above explanation mainly relates to a technique for measuring the depth of a hole pattern, but the above technique can also be applied to the evaluation of the height direction of a pattern having a three-dimensional structure.
  • a technique for measuring the depth of a hole pattern for example, in a transistor called FinFET, a large number of structures called Fin are formed in the height direction, and the height of the Fin is an important factor that determines the performance of the circuit. Evaluation item.
  • measurement is performed with reference to the surface of the silicon oxide filling between the Fins.
  • FIG. 12 is a diagram showing a cross-sectional structure of a FinFET that has been subjected to inclined surface processing by FIB.
  • a plurality of dummy gates are arranged in parallel in a direction perpendicular to the direction in which the plurality of Fins are arranged.
  • An inclined surface is formed in a direction intersecting a two-dimensional plane including in its plane an imaginary line extending in the longitudinal direction of the Fin and the Fin arrangement direction. Further, the top and bottom of Fin are processed so as to be exposed on the inclined surface.
  • the groove between the two fins is filled with silicon oxide, and the tip of the fin protrudes from the silicon oxide layer that is an insulator.
  • the FinFET transistor element current flows through the protruding portion. Therefore, in managing the manufacturing process, it is important to measure the width and height of the protruding portion for each Fin.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating an image example (top-down image) in which an inclined surface is imaged with an SEM after an inclined surface is processed on a sample region including a FinFET.
  • a virtual line connecting the tops of the Fins 1301 is defined as a reference line 1302.
  • This line is the part where the oblique cutting of Fin by FIB has started and is the starting point of the inclined surface of Fin. Further, it is the starting point of the inclined surface and at the same time the upper end position of Fin.
  • the cross section of Fin 1301 that penetrates the inside of the dummy gate is visible in the oblique cut section of the dummy gate below the reference line.
  • the image illustrated in FIG. 13 includes a dummy gate 1303 and a dummy pattern 1304 partially cut away by the tilting process.
  • the layer of silicon oxide 1305 is exposed on the processing surface by the inclination processing.
  • the Fin width in the dummy gate is measured together with the Fin height for process management.
  • FIG. 20 is a flowchart illustrating a process of measuring the Fin height, and the measurement system illustrated in FIG. 3 performs measurement according to the flowchart.
  • a sample to be measured is introduced into the SEM (step 2001).
  • the introduced sample has already been subjected to inclined surface processing by FIB, and the stage (sample stage 108) is moved so that the FOV is positioned on the inclined processed surface (step 2002).
  • an image is acquired (step 2003).
  • template matching is executed on the acquired image using a template registered in advance (step 2004).
  • FIG. 21 is a diagram showing an example of a template.
  • the template 2100 includes a part of the fins 1301, a dummy pattern 1304 in which a part of the fins 1301 has been removed by FIB, silicon oxide 1305 exposed on the inclined surface, and a space 2101 between the fins.
  • the silicon oxide 1305 exposed on the inclined surface has a relatively high luminance with respect to other portions, and other members are adjacent to each other in the X direction and the Y direction. Therefore, the silicon oxide 1305 and the silicon oxide 1305 are exposed.
  • FIG. 22 is a diagram illustrating an example in which ROIs 2201, 2202, and 2203 are set on the upper end of the Fin 1301, the upper surface of the silicon oxide on the right side of the Fin 1301, and the upper surface of the silicon oxide on the left side of the Fin 1301, respectively.
  • the ROI has a predetermined positional relationship with the matching position by template matching, and is set on the image based on the position specified by template matching and the positional relationship information.
  • the ROI 2201 detects the upper end of the fin 1301, and the ROIs 2202 and 2203 detect the position of the boundary (upper surface of silicon oxide) between the dummy gate 1304 and silicon oxide (step 2006).
  • FIG. 23 is a diagram showing a technique for specifying the tip in the ROI 2201.
  • the X-direction luminance distribution acquisition unit 2301 is set for each different position in the Y direction in the ROI 2201, and the tip position of the pattern based on the two-dimensional luminance distribution information 2302 2303 is specified.
  • the luminance distribution acquisition unit 2303 may be set at different positions in the X direction, and the tip position 2303 of the pattern may be specified.
  • the position may be obtained.
  • the boundary position between the two is obtained by acquiring the luminance distribution in the Y direction.
  • FIG. 22 shows an example in which fr and fl are obtained by setting ROIs at two left and right positions for one fin.
  • the height of the silicon oxide changes alternately or at a specific period. Therefore, in order to quantitatively determine the height of one fin, both the left and right dimensions are used.
  • the height of the fin is obtained by substituting L obtained as described above into Equation 1 (step 2008).
  • the fin height can be obtained automatically and accurately.
  • FIG. 7 is a diagram showing an example of a GUI screen for registering measurement conditions.
  • a measurement target setting area 403, a measurement target display area 402, and ROI image display areas 701 and 702 are displayed based on an input using a cursor 401, a keyboard, or the like.
  • an operation recipe is created using this GUI screen.
  • the arithmetic processing unit 301 reads design data from the design data storage medium 302 and displays it in the measurement target area 402 by designating a pattern or coordinates.
  • a three-dimensional image is constructed based on the design data, and the three-dimensional image is displayed in the measurement target region 402. Since the appearance of the inclined machining surface changes according to the inclination angle of the inclined machining surface, the angle of the inclined machining surface (Tilt Angle), the size of the machining site (Site Size), and the position of the machining site (Site Location). ) Can be set. Based on such a condition setting, a three-dimensional image is constructed from the design data. Further, based on this setting, processing conditions by FIB may be set, and an operation recipe of the FIB apparatus 200 may be constructed. Alternatively, a measurement recipe may be automatically set based on the setting of processing conditions on the FIB apparatus side.
  • the height of the fin, the measurement start point, or the end point of the oxide film and the fin are set as the measurement purpose.
  • a column for setting a specific algorithm for measurement is provided, and one of them is “foot” which is an algorithm suitable for the skirt portion of the fin (the boundary between the oxide film and the dummy gate). “Peak” suitable for specifying the tip is selected.
  • foot is an algorithm suitable for the skirt portion of the fin (the boundary between the oxide film and the dummy gate).
  • “Peak” suitable for specifying the tip is selected.
  • an algorithm suitable for detecting a peak vertex as illustrated in FIG. 23 is set as a measurement condition. Note that by performing processing so that the contact surface of the dummy gate with the oxide film intersects the inclined processing surface, it is possible to specify the boundary line using the luminance difference between the oxide film and the dummy gate.
  • Appropriate operating conditions can be easily set by enabling measurement conditions to be set using the GUI screen as described above.
  • the Fin width in the dummy gate for various L can be measured. This is data showing how the Fin width changes as it falls from the top of the Fin in the dummy gate, and based on this, the sectional shape of the Fin in the dummy gate is known. be able to.
  • a pattern of a three-dimensional structure can be evaluated. Since it takes about one hour to cut and measure, it takes a lot of time and labor to monitor the in-plane distribution in the wafer or chip.
  • the cross-sectional shape can be known by FIB oblique cutting that can be done in a few minutes and CD-SEM measurement that can be done in about 10 seconds, thus greatly saving time and labor in the production process. be able to.
  • FIG. 14 shows a dummy gate cross-sectional structure obtained by obliquely cutting the FIB.
  • FIB is incident in a direction along the longitudinal direction of the dummy gate and in a direction perpendicular to the longitudinal direction of Fin.
  • the cross section of the dummy gate is exposed from the top to the bottom.
  • the dummy gate is replaced with a conductive metal in a later process, and a voltage is applied to the dummy gate to switch the current flowing through the Fin at the portion where the dummy gate straddles. . Therefore, it is important to measure the width and height of the dummy gate straddling Fin for each dummy gate.
  • FIG. 15 shows an example of a dummy gate cross section in which the FIB obliquely cut portion is observed by SEM from above the wafer surface from the top down.
  • the dummy gate rides on the silicon oxide and is formed so as to straddle Fin.
  • the reference height for measuring the height of the pattern is the surface of the silicon oxide.
  • a line whose surface begins to be cut obliquely by FIB is taken as a reference line.
  • a cross section of the dummy gate pattern cut obliquely is displayed. The cross section of the dummy gate pattern is exposed on the oblique digging surface.
  • the top part of the dummy gate is automatically recognized, and the line width of that part is measured.
  • a “height reference line” is set as a base point for pattern height measurement.
  • the material is formed at the bottom of the dummy gate. Since the polysilicon changes to silicon oxide, the image contrast also changes abruptly.
  • a height reference line is set on the boundary line where the contrast changes.
  • the distance between the height reference line and the top portion of the dummy gate in other words, the vertical interval on the SEM image is measured. From that distance, in the actual pattern structure, The height difference in the stacking direction is calculated. The output data of the measurement is only the height difference or a pair of the height difference and the line width dimension measurement value.
  • the dummy gate cross section exposed on the oblique cut surface extends downward, but stops where it hits the cross section of the silicon oxide immediately below. This is because the dummy gate is on silicon oxide. Therefore, in order to find the reference line, it suffices to search for a section where the dummy gate cross section cuts downward.
  • FIG. 16 shows an example of measurement of bending in deep hole machining.
  • the figure is a schematic diagram of a top-down image of the deep hole machining region, and the FIB oblique digging surface that is descending from the top to the bottom of the figure is visible.
  • the FIB oblique digging surface that is descending from the top to the bottom of the figure is visible.
  • the entrance of the deep hole is visible. If the deep hole is dug perpendicular to the sample surface, the entrance of the deep hole and the cross-sectional shape of the processing area appear side by side on a virtual straight line in the horizontal or vertical direction in the figure.
  • the measurement target pattern is shifted from the virtual straight line by B in the right direction. Further, it is separated by a distance L from the reference line. Therefore, it can be seen that the measurement target pattern is shifted from the wafer surface by B in the right direction in the drawing at a depth L ⁇ tan ⁇ . That is, it can be seen that the measurement target pattern is bent rightward at a deep portion.
  • a search using a template as illustrated in FIG. 18 is performed in the Y direction, and the degree of coincidence becomes a predetermined value or less. It is conceivable to use (the place where the score is lowered due to the pattern shift) as a reference for depth measurement. Further, another algorithm for specifying the inflection point of the array of patterns arranged linearly may be applied.
  • Fig. 17 shows an example of Fin side wall angle measurement.
  • ⁇ be the angle formed by the side wall of a certain Fin pattern with the horizontal direction of the screen.
  • the distance between the position on the screen where the angle is measured and the reference line is L.
  • the side wall angle ⁇ between the actual Fin pattern and the horizontal surface of the wafer surface is calculated by the following equation.
  • planar unevenness of the Fin sidewall adversely affects the electrical characteristics of the FinFET device. Therefore, in the production process, it is important to measure the planar unevenness of the side wall and manage the process.
  • the sidewall surface has a substantially horizontal angle with respect to the incident direction of the electron beam of the SEM image, the unevenness on the sidewall surface is hardly visible in the SEM image.
  • the top-down SEM image of the surface dug obliquely by FIB can capture irregularities relatively well. This is because, if a slope that descends in the longitudinal direction of the Fin line is formed by oblique digging of the FIB, the top-down SEM image of the slope has the side wall of the Fin pattern substantially perpendicular to the side wall surface. The cross-sectional shape cut out in a plane is shown. There is a line edge roughness (LER: Line Edge) on the Fin side wall. It is observed that Roughness) changes with respect to the height direction of Fin. This makes it possible to more clearly observe the LER on the side wall as compared with the conventional method of measuring with a Fin pattern top-down SEM image without oblique digging.
  • LER Line Edge
  • the obliquely dug surface has a side wall cut out and an approximately 90 ° edge appears in that portion. Such an edge appears clearly in the SEM image, but such an edge does not exist when not digging diagonally.
  • a side wall LER that changes in the Fin height direction is shown. Since this is a LER including both the LER in the longitudinal direction and the LER in the height direction of the side wall, it can be applied to process management as an index value indicating the unevenness of the side wall.
  • the SEM 100 and the FIB device 200 are independent devices, but can be connected by a network by LAN communication.
  • coordinate information on a wafer processed in the FIB apparatus is sent to the SEM 100 via a network.
  • a top-down image acquired by the SEM mounted on the FIB may be sent to the SEM 100 together with coordinate data. If the SEM can be controlled using the coordinate data acquired in advance, it is possible to automatically position the measurement target position at the visual field position of the SEM.
  • ⁇ Since coordinate data is sent from FIB, search for the processed place around that place. If an SEM image of the processed part has been sent, it is possible to automatically search for a place similar to the image in the wafer surface.
  • the data measured by the SEM apparatus may be sent to an external storage medium through LAN communication.
  • OTL overlay
  • a via-in trench structure in which a via hole is formed at the bottom of a trench, it is important to make a hole so that the center of the hole is located on the center line of the trench.
  • Overlay measurement to be measured is necessary for process management.
  • the deeper the groove the more difficult the secondary electrons generated at the bottom reach the detector, so that the image of the hole at the bottom of the groove becomes relatively unclear, and OVL measurement between the center line of the groove and the center of the hole is performed. The length tends to be relatively low in accuracy.
  • the OVL measurement accuracy can be improved.
  • the depth of the slope becomes deeper than the groove bottom, the cross section of the hole vacated in the groove bottom will be visible on the slope, so by measuring these, the shape change in the depth direction of the hole and the hole It is possible to measure quantitatively whether the wafer is vacant in a direction perpendicular to the wafer surface.
  • Such OVL measurement can be applied to various other things such as OVL measurement of a resist pattern on the wafer surface and a pattern formed inside the wafer.
  • OVL measurement can be performed with higher accuracy than measurement using a general SEM. This is because the measurement using a general SEM cannot sufficiently capture the secondary electrons emitted from the hole bottom, and the image quality of the pattern is extremely lowered.
  • the pattern in the wafer and the wafer surface are paired to form a capacitor locally, and the charge trapped in the capacitance May be locally charged. Since the orbit of electrons emitted from the sample changes due to charging, the observed image also becomes an image reflecting the charging. However, since this charged image is not the pattern in the wafer itself, and the outline of the charged region is not clear, there is a possibility that the OVL measurement accuracy is reduced. On the other hand, by performing measurements based on inclined surface processing, the actual pattern appearing on the surface of the slope can be measured, and secondary electrons from it can be measured directly, resulting in a clearer pattern outline and OVL measurement accuracy. Can be improved.
  • Wafers dug with FIB should be returned to the production line without being discarded, and Yield should not fall. This is because the part processed by FIB is difficult to reproduce in a later process, but the other parts that are not damaged function as a device after the subsequent process. Actually, for example, a shot or a chip including a part processed by FIB is recorded, and only the shot is discarded after a subsequent dicing process.
  • the carbon protective film covers the device pattern, Ga metal contamination occurs due to the Ga ion beam, or foreign matter contamination due to particles scattered from the portion occurs. However, such a region is about a few microns in radius centered on the FIB processed part, so if you discard that part for every shot that is about 10 mm or more in size, other shots Can be obtained later as good products without being affected by such effects.
  • a normal FIB processing apparatus has a gimbal mechanism in which a stage on which a wafer is placed can be tilted in various directions so that the incident direction of the FIB on the wafer surface can be changed.
  • a stage having a relatively simple structure that can hold the wafer without being tilted horizontally without using such a gimbal mechanism is used, and the FIB column has an elevation angle of, for example, 40 ° with respect to the surface of the wafer. Fix at an angle. In this way, the generation of foreign matter from the gimbal mechanism can be eliminated, so that foreign matter contamination of the wafer can be suppressed and the wafer can be returned to the production process.
  • the elevation angle with respect to the wafer is 40 ° or less, the column comes into contact with the wafer, so the elevation angle is made as small as possible. This is because the smaller the elevation angle, the more cross-sectional shapes can be captured on the FIB processed surface. This is because changes in the cross-sectional shape in the depth direction can be measured more finely. In other words, it is not necessary to change the elevation angle in various ways by the gimbal mechanism, and if the wafer stage and FIB column are fixed so as to make the elevation angle as small as possible, the pattern in the depth direction by oblique digging is used. Can be measured more finely and wafers with almost no foreign matter contamination can be returned to the production process, making it possible to measure without almost reducing the yield, and the structure of the equipment is simple, so the equipment investment is reduced by reducing the equipment price. Can be reduced.
  • a mechanism for rotating the wafer with the normal line of the wafer surface passing through the center point of the wafer as the rotation axis is necessary.
  • the Fin line and the Gate line are formed so as to be orthogonal to each other, and in order to measure the shape change in both depth (height) directions, oblique digging by FIB is performed in two directions. It is necessary to do from.
  • a mechanism for rotating the wafer stage is built in, particles are generated from the wafer stage, causing foreign matter contamination.
  • a mechanism for rotating the wafer to an arbitrary angle is provided.
  • the wafer is rotated with the orientation flat of the wafer as a mark so that the longitudinal direction of the Fin line or the Gate line is parallel to the FIB beam, the wafer is placed on the wafer stage, and oblique digging by FIB is started. good.

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Abstract

　本発明は、パターンの深さ方向の測定を高精度に実現するパターン測定方法、及びパターン測定装置の提供を目的とする。本発明では、集束イオンビームの照射によって、深穴、深溝、或いは立体構造を有する回路素子を含む試料領域に傾斜面を形成し、傾斜面と試料表面との間の境界を含むように、走査電子顕微鏡の視野を設定し、当該視野への電子ビームの走査によって得られる検出信号に基づいて、前記視野の画像を取得し、当該取得された画像を用いて、傾斜面と非傾斜面の境界となる第１の位置と、傾斜面内に位置する所望の深穴または深溝の位置である第２の位置を特定し、当該第１の位置と第２の位置との間の前記試料表面方向の寸法と、前記斜面の角度に基づいて、前記深穴、深溝、或いは立体構造を有する回路素子を構成するパターンの高さ方向の寸法を求めるステップを有するパターン測定方法、及び個の測定を実現する装置を提案する。

Description

パターン測定方法、及びパターン測定装置
　本発明は、パターン測定方法、及びパターン測定装置に係り、特に、立体構造を有するパターンの測定を正確に行うことが可能なパターン測定方法、及びパターン測定装置に関する。
　半導体デバイスの製造工程において、近年、更なる微細化が進み、プロセス管理のためのパターンの寸法管理の重要性が高まりつつある。また、昨今、パターンを立体構造化することによって、パターンを集積化する製造法が適用されつつある。立体構造化したパターンの寸法を管理するためには、断面方向のパターンの出来栄えを評価する必要がある。パターンの断面を評価するためには、試料を割って、破断面上に見えるパターン断面を観察することが考えられる。また、試料を割ることなく、試料表面から垂直な方向に掘り込みを作り、試料の縦方向の断面が露出する面を、試料表面に対して垂直な方向に形成して、その断面を評価することが考えられる。
　特許文献１には、集束イオンビーム（Ｆｏｃｕｓｅｄ　Ｉｏｎ　Ｂｅａｍ：ＦＩＢ）によって、テーパー形状の斜面を形成し、電子顕微鏡を用いて、形成された斜面の表面観察像を取得し、電子線の走査距離Ｘと、斜面の傾斜角αに基づいて、２・Ｘ・ｔａｎαを演算することによって、試料厚さｔを演算することが説明されている。
特開２００５－２３５４９５号公報
　近年、立体構造が微細化したパターンが必要とされており、それらの加工プロセスを安定化させるために、それらの深さあるいは高さ方向の形状や寸法を、高精度に計測するニーズが高まることが予想される。例えば、複数の階層構造を持つデバイスの階層間を導通させるためのコンタクトホールは、微細化に伴い直径が数十ｎｍしかないものの、集積度向上に伴う階層数の増加により、深さが数千ｎｍに伸びている。また、立体構造を持つＦｉｎＦＥＴデバイスのＦｉｎラインパターンは、幅が数十ｎｍ、高さがその数倍程度の断面形状である。ここはスイッチング電流の通り路であるため、ラインの線幅を高さ方向にサブｎｍの精度で管理する必要があると考えられる。
　一方、デバイスの量産工程においては、ウエハを割ってしまうと、その後の工程に戻すことができなくなるため、各工程管理で計測するごとにウエハが失われ、歩留まりが低下する。
　また、ウエハを割って断面を観察するには、所用時間が数時間程度かかるため、断面形状の異常が検知されても、数時間内に量産ラインで製造されてしまったウエハのプロセスを改善することができず、やはり歩留り低下の要因になってしまっている。
　更に、試料表面から垂直な方向に掘り込みを作る方法では、掘り込む体積が大きいために、加工時間を含む所要時間が長くなるので、同様に歩留り低下の要因になってしまう。
　また、特許文献１に説明されているように、電子線の走査距離Ｘと、加工斜面の傾斜角αに基づいて、試料の高さ方向の情報を得ようとすると、高精度な測定を行うことができない。走査距離を求める上で、その始点（或いは終点）を正確に把握しなければ、高精度な測定は望めないが、特許文献１には測定基準となる点を正確に求めるための手法についての説明がない。
　以下に、パターンの深さ方向の測定を高精度に実現することを目的とするパターン測定方法、及びパターン測定装置を提案する。
　上記目的を達成するためと一態様として、以下に走査電子顕微鏡によって得られた検出信号に基づいて、試料に形成された深穴、深溝、或いは立体構造を有する回路素子を構成するパターンの測定を実行するパターン測定方法であって、集束イオンビームの照射によって、前記深穴、深溝、或いは立体構造を有する回路素子を含む試料領域に傾斜面を形成するステップと、前記傾斜面と前記試料表面との間の境界を含むように、前記走査電子顕微鏡の視野を設定し、当該視野への電子ビームの走査によって得られる検出信号に基づいて、前記視野の画像を取得するステップと、当該取得された画像を用いて、前記傾斜面と非傾斜面の境界となる第１の位置を特定するステップと、前記傾斜面内に位置する所望の深穴または深溝の位置、前記深穴または深溝の底、或いは前記立体構造を有するパターンに交差する層の表面の位置である第２の位置を特定するステップと、前記第１の位置と前記第２の位置との間の前記試料表面方向の寸法と、前記斜面の角度に基づいて、前記深穴
、深溝、或いは立体構造を有する回路素子を構成するパターンの高さ方向の寸法を求めるステップを有するパターン測定方法を提案する。
　また、上記目的を達成するための更に具体的な態様として、以下に走査電子顕微鏡によって得られた検出信号に基づいて、試料に形成されたフィン状のパターンを含む回路素子の測定を実行するパターン測定方法であって、集束イオンビームの照射によって、前記フィン状のパターンの断面がその表面に露出するように、前記回路素子を含む領域に斜面を形成するステップと、前記フィンの上端、及び当該フィンの上端より下層側の領域を含むように、前記走査電子顕微鏡の視野を設定し、当該視野への電子ビームの走査によって得られる検出信号に基づいて、前記視野の画像を取得するステップと、当該取得された画像を用いて、前記フィン状のパターンの上端の第１の位置を特定するステップと、当該フィン状のパターン上端より試料の下層側に位置する第２の位置を特定するステップと、前記第１の位置と前記第２の位置との間の前記試料表面方向の寸法と、前記斜面の角度に基づいて、前記フィン状のパターンの高さ方向の寸法測定を実行するステップを有するパターン測定方法を提案する。
　更に、上記目的を達成するための他の態様として、以下に走査電子顕微鏡によって得られた検出信号に基づいて、試料上に形成されたパターンの寸法を測定するパターン測定装置であって、前記走査電子顕微鏡によって得られた信号に基づいて、前記試料に形成された傾斜面と非傾斜面との間の境界を特定し、当該境界と前記画像内に含まれるパターンとの間の前記試料表面方向の寸法を測定し、当該寸法値と、前記傾斜面と試料表面との間の相対角に基づいて、前記パターンの高さ方向の寸法を測定する演算装置を備えたパターン測定装置を提案する。
　また、上記目的を達成するための更に具体的な態様として、以下に走査電子顕微鏡によって得られた検出信号に基づいて、試料上に形成されたパターンの寸法を測定するパターン測定装置であって、前記走査電子顕微鏡によって得られた信号に基づいて、フィン状のパターンの上端の位置を特定し、当該フィン状のパターンより下層側に位置する酸化シリコン層の位置を特定し、前記フィン状のパターンの上端の位置と、前記酸化シリコン層と位置との間の前記試料表面方向の寸法と、前記試料上に形成された斜面の角度に基づいて、前記フィン状のパターンの高さ方向の寸法を求める演算装置を備えたパターン測定装置を提案する。
　上記構成によれば、パターンの深さ方向の測定を高精度に実現することが可能となる。
走査電子顕微鏡の概要を示す図。 集束イオンビーム装置の概要を示す図。 走査電子顕微鏡と集束イオンビーム装置を含む測定システムの一例を示す図。 ＦＩＢによる加工領域に対する測定条件を設定するＧＵＩ（Ｇｒａｐｈｉｃａｌ　Ｕｓｅｒ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）画面の一例を示す図。 パターン重心と、傾斜境界との間の寸法を測定する方法を説明する図。 パターン重心と、傾斜境界との間の寸法を測定する方法を説明する図。 測定条件を設定するために用いられるＧＵＩ画面の一例を示す図。 集束イオンビームを用いて傾斜加工を行った試料の一例を示す図。 集束イオンビームを用いて傾斜加工を行った試料の側視図。 試料の深さ情報を得る工程を示すフローチャート。 傾斜加工面に複数の視野を設定して、画像取得を行う例を説明する図。 集束イオンビームによる傾斜面加工を施したＦｉｎＦＥＴの断面構造を示す図。 傾斜面加工を行った後、傾斜加工面を電子顕微鏡で撮像した画像の一例を示す図。 ＦＩＢ斜め切り加工したダミーゲート断面構造を示す図。 ダミーゲート内のフィンの幅を測定する例を示す図。 深穴の曲がった部分までの深さを測定する測定法を説明する図。 Ｆｉｎの側壁角度の計測例を示す図。 傾斜加工領域を含む低倍率画像の一例を示す図。 深さ測定を自動的に実行する工程を示すフローチャート。 Ｆｉｎ高さ測定を自動的に実行する工程を示すフローチャート。 Ｆｉｎ高さ測定を行う際の位置合わせに用いられるテンプレートの一例を示す図。 Ｆｉｎ高さ測定の際に、測定基準となる領域を自動的に設定する例を説明する図。 Ｆｉｎ頂点を自動的に特定する手法を説明する図。
　以下に説明する実施例は、主に電子顕微鏡を用いた高さ測定を行う方法、及び装置に関するものである。微細化が進む半導体デバイスを、電子顕微鏡以外の手段で計測しようとすると、デバイスの量産工場においては、スループットや計測精度が低下し、装置管理コストが増加する。そのため、量産には適さない。以下に、電子顕微鏡をなるべく改造することなく、スループット、計測精度、および装置管理コストがいずれも良好な計測を実現する方法、及び装置について説明する。
　以下に説明する実施例では、主に、測定対象のパターンが存在する部分を含む領域に対し、試料表面から斜めに下る斜面を加工によって形成し、加工表面に露出しているパターンと、下り斜面の開始位置との間の距離を計測し、深さ方向（加工前の試料表面方向をＸ－Ｙ方向とした場合のＺ方向）の試料表面と、パターンとの距離を、下り斜面の開始位置とパターンのＸ－Ｙ方向の距離から算出することによって、深さ方向の情報を得る方法、及び装置について説明する。
　以下に説明する実施例によれば、ウエハを割ることなく、パターンの深さ方向の寸法や、深さ方向の位置の変化に伴うパターン形状の変化等を計測できるようになる。また、ウエハを割って断面を評価する計測法では、パターンが破断面に対して垂直な方向に曲がっている場合に、その曲がった方向やずれ量を定量的に計測することが困難であった。つまり、破断面上に見えるパターン断面形状が、ウエハ表面から深くなるほど小さくなっていった場合に、本当にパターンが細くなっているのか、それとも破断面に対して垂直な方向に曲がり、破断面から中心がずれることによって、断面形状が見かけ上小さくなったのかを、見分けることができない。それに対して、以下に説明する実施例によれば、パターンの深さ方向の曲りは、掘り下げた断面に露出されたパターンの位置ずれとして計測されるため、断面形状の変化と独立して計測することが可能になる。
　以下に、本実施例の一態様として、高倍率画像に基づいて、パターンの深さ方向の測定を高精度に実現することを目的とするパターン測定方法、及びパターン測定装置について説明する。
　高倍率画像を用いて深穴や深溝等を高精度に測定するための一態様として、走査電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＥＭ）によって得られた検出信号に基づいて、パターン測定を実行するパターン測定方法であって、集束イオンビームによって、測定対象となるパターン、或いはエッジを加工領域に含むと共に、当該加工領域に斜面を形成するように、前記集束イオンビームを照射するステップと、前記測定対象となるパターン、或いは当該パターンの第１の部分と、前記斜面と試料表面との間の傾斜境界、或いは前記前記パターンの第２の部分の少なくとも２つの領域に、前記走査電子顕微鏡の視野（Ｆｉｅｌｄ Ｏｆ Ｖｉｅｗ：ＦＯＶ）を設定し、それぞれの検出信号を取得するステップと、前記少なくとも２つの領域の視野から得られた検出信号に基づいて、前記試料表面方向の寸法を測定するステップと、当該試料表面方向の寸法と、前記斜面の角度に基づいて、前記測定対象となるパターン、或いは前記第１の部分と、前記傾斜境界、或いは前記第２の部分との間の寸法を演算するパターン測定方法を提案する。
　更に、走査電子顕微鏡によって得られた検出信号に基づいて、試料上に形成されたパターンの寸法を測定するパターン測定装置であって、前記走査電子顕微鏡によって得られた第１の画像上で、当該第１の画像の視野より小さい第１の視野、当該第１の視野とは異なる位置であって、前記第１の画像の視野より小さい第２の視野、前記第１の視野と前記第２の視野の少なくとも一方内であって、パターンの測定基準となる第１の部分と第２の部分の少なくとも１つを抽出する測長カーソルを設定する入力装置と、当該入力装置によって設定された第１の視野の測長カーソル内で、前記パターンの第１の部分を特定し、前記第２の視野内で、前記試料表面と傾斜面との間と境界、或いは前記第２の視野内に設定された測長カーソル内のパターンの第２の部分を特定し、前記第１の部分と、前記境界、或いは第２の部分との間の寸法を測定する演算装置を備えたパターン測定装置を提案する。
　以下図面を用いて、より詳細に深さ方向の情報を取得するための方法、及び装置について説明する。
　図８は、ＦＩＢを用いて試料表面を加工した試料を示す図であり、特に、試料表面方向（Ｘ－Ｙ方向）に交差する方向の傾斜面が試料に形成されるように加工した例を示す図である。図８の例では、深穴パターンが密集している部分が斜め掘りされている。図の右から左に向かってイオンビームが、試料表面に対して斜めに入射して試料表面を斜めに掘り下げた結果、図の右から左に向かって下っていく斜面が形成されている。一方、深穴パターンは、試料表面に対して垂直方向に掘られているため、斜面がパターンの穴底の深さに達するまで、斜面に深穴パターンの断面が露出する。
　図９は、傾斜面が形成された試料の側視図である。図の右上方からイオンビームが入射して、右から左に下っていく加工面が形成されている。試料表面と加工面とが交差しているところが、掘削開始点である。そこからイオンビームは直進して左下に下っていく加工面が形成されている。図９の例では、イオンビームと、試料表面とがなす角度、すなわち加工面の下り角度が４０°となっている。
　この傾斜面をＺ方向から観察すると、Ｚ方向に積層されたレイヤの断面を観察することができる。さらに、加工面は未加工の試料表面から下っていく斜面になっているので、斜面を下るにつれて、より深い部分に相当する深穴断面が、露出していることになる。すなわち、様々な深さの位置で切った深穴パターンの断面形状を、加工面上に見ることが可能である。図９のでは、掘削開始点から左方向へ水平に４μｍの位置にある断面の深さは、３．４μｍとなる。
　一方、パターンの寸法を測定する機能を有するＳＥＭ（Ｃｒｉｔｉｃａｌ　Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ－ＳＥＭ：ＣＤ－ＳＥＭ）には、微細なパターンの寸法を高精度に測定するために、高い分解能が要求されている。高分解能化を実現するためには、試料表面と対物レンズとの間の距離（ワーキングディスタンス）を、小さくする必要があり、限られた空間の中でウェハのような大型の試料を傾けることが事実上困難である。以下に、試料表面に対して垂直な方向からビームを照射することによって、高さ方向（Ｚ方向）の情報を得る手法、及びそれを実現するための装置について説明する。
　本実施例では、ＦＩＢによる傾斜面形成加工を施した上で、試料表面（図９の未加工領域の試料表面）に対し垂直であり、且つ傾斜加工面に交差する方向からビームを照射することによって得られる信号を検出することによって、傾斜加工面の情報を取得する。傾斜加工面上には、測定対象となるパターン、或いは断面形状が露出しており、ＣＤ－ＳＥＭによる画像取得によって、その位置を捉えることができる。傾斜加工面と試料表面の境界（掘削開始点）と測定対象となるパターン、或いは断面形状との距離がＬである場合、当該パターン、或いは断面形状の深さ（試料表面との距離）Ｄは、数１で表すことができる。
　Ｄ＝Ｌ×ｔａｎθ　〔数１〕
　図１０は、上記演算式に基づいて、深さ情報を得る具体的な工程を示すフローチャートである。予め、ＦＩＢを用いて図８、９に例示したような傾斜加工面を形成しておき、その加工情報（加工位置、傾斜角度（イオンビームの照射方向等））を取得しておく。傾斜加工面が形成されたウエハをＳＥＭのステージに配置し、加工情報に基づいて、ＦＩＢ加工された部分が電子顕微鏡の低い倍率視野に入るように、ウエハステージを動かす（ステップ１）。上述のように、ＦＩＢ加工された部分の座標データ（加工位置情報）は、ＦＩＢ加工装置から送られているため、例えば３０００倍程度の倍率で、加工部分をＳＥＭ視野内にとらえることができる。その際、ＦＩＢ加工部分の明るさやコントラストは、明らかに周囲の未加工部分とは異なるので、画像の自動識別機能により、その加工部分がＳＥＭ視野の中心に来るようにステージ位置や視野移動（ビームシフト）を自動的に行い、このあとの高倍率測定で視野が狭くなってもその中に加工部分をとらえることができるようになる。
　次に、斜め掘りされた部分を、複数のＳＥＭ画像をつなぎあわせて撮影する（ステップ２）。その例を図１１に示す。ＦＩＢにより斜め掘りされた表面で、測定対象となるパターンの断面が露出している領域は、パターンが深いほど長い領域となるので、一枚のＳＥＭ画像ですべてを写すことができない場合がある。
　例えば、２０ｎｍノード以下の密集した深穴パターンを測長するために、倍率を３０万倍にして観察すると、表示領域の大きさが１３．５ｃｍ角である場合、ＳＥＭ画像では４５０ｎｍ角の正方形の領域しか写すことができない。一方、穴の深さが約３．４μｍあると、傾斜加工面と試料表面の境界と、３．４μｍの深さを持つ部分との間の試料表面方向の長さは、４μｍあることになる。よって、この領域をすべて倍率３０万倍で撮像するためには、少なくとも９枚のＳＥＭ画像が必要となる。連結した画像を取得する場合、視野を少しずつずらしながら、撮像する必要がある。ただし、視野位置をずらすほどに、下り斜面である加工面は下がっていくので、領域ごとにＳＥＭを取得する際の焦点を調整する必要がある。そこで、基準線を含む視野位置を基準にして、そこからの視野移動量を記録しておき、視野移動量を数１のＬとしたときに求められる深さＤの分だけ、焦点位置を下方に修正する機能を持たせる。このようにすると、焦点の調節が正確にかつ早くできるので、測定値の高精度化と高速化を図ることが可能となる。
　次に、図１１の基準線（掘削開始線）を特定すると共に、深さを測定するパターンを選択する（ステップ３）。この際に、基準線から等しい距離に位置するパターンが複数存在する場合には、これらを囲んで測定対象として選択する。図１１の例では３つのパターンが選択されている。選択されたパターンの深さを測定する場合には、例えばカーソル内の各パターンについて、カーソルとパターンの相対位置を求める等の処理によって、カーソル内でのパターンの位置を測定する。また、パターンと周囲のコントラストが明確な場合は、二値化処理等を行い、パターンとして認識された領域の重心位置を求めることによって、測定基準位置を抽出するようにしても良い。また、穴の深さを測定する場合、穴底を自動的に認識するような画像処理を行うことによって、測定基準位置を抽出するようにしても良い。
　次に、特定された基準線と抽出されたパターン重心（中心）間の寸法を測定し、数１に基づいて、深さＤを求める（ステップ４、５）。上記のような測定法によれば、深穴等の深さを測定する場合であっても、高倍率画像に基づく高精度測定を行うことが可能となる。仮に、深穴の深さが約３μｍあると、ＦＩＢ加工面上で穴底が見えているところと、基準線との距離は約４μｍになる。穴径が約３０ｎｍであると、その寸法を計測するためにはＳＥＭ画像の倍率が２０万倍程度必要であり、そのＳＥＭ画像の視野は約０．７μｍ程度であるから、穴底が写っているＳＥＭ像内に、基準線は写っていないことになる。上記のように、傾斜境界と測定対象のそれぞれについて、高倍率画像を用いた画像取得を行うことによって、深穴等の深さ測定を高精度に行うことが可能となる。
　次に、測定の基点となる基準線（傾斜境界）について説明する。基準線とは、ＦＩＢ斜め掘り面に露出しているパターン断面の深さを算出するときに基準となる面と、斜め掘り面とが交差している線である。例えば、密集している深穴を測定する場合には、ウエハ表面が基準面であり、ウエハ表面からＦＩＢ斜め掘りが始まる線が、基準線である。この場合は、斜め掘り面に露出している穴ターンの深さは、ウエハ表面を基準にしたときの深さである。この基準線をＳＥＭ画像において特定するためには、ＦＩＢ加工を始める前に試料表面に形成するカーボン保護膜が、ＦＩＢ加工によって切れ始めている線を見つけなければならない。そのためには、カーボン保護膜の部分と、斜め掘りされた部分とのコントラスト差を、ＳＥＭ画像において見分けて、その境界線を基準線に定める必要がある。
　以下に上述のような測定を可能とするパターン測定装置の詳細を説明する。図１はＳＥＭ１００の概要を示す図である。電子源１０１から引出電極１０２によって引き出され、図示しない加速電極によって加速された電子ビーム１０３は、集束レンズの一形態であるコンデンサレンズ１０４によって、絞られた後に、走査偏向器１０５により、試料１０９上を一次元的、或いは二次元的に走査される。電子ビーム１０３は試料台１０８に内蔵された電極に印加された負電圧により減速されると共に、対物レンズ１０６のレンズ作用によって集束されて試料１０９上に照射される。
　電子ビーム１０３が試料１０９に照射されると、当該照射個所から二次電子、及び後方散乱電子のような電子１１０が放出される。放出された電子１１０は、試料に印加される負電圧に基づく加速作用によって、電子源方向に加速され、変換電極１１２に衝突し、二次電子１１１を生じさせる。変換電極１１２から放出された二次電子１１１は、検出器１１３によって捕捉され、捕捉された二次電子量によって、検出器１１３の出力が変化する。この出力に応じて図示しない表示装置の輝度が変化する。例えば二次元像を形成する場合には、走査偏向器１０５への偏向信号と、検出器１１３の出力との同期をとることで、走査領域の画像を形成する。また、図１に例示する走査電子顕微鏡には、電子ビームの走査領域を移動する偏向器（図示せず）が備えられている。この偏向器は異なる位置に存在する同一形状のパターンの画像等を形成するために用いられる。この偏向器はイメージシフト偏向器とも呼ばれ、試料ステージによる試料移動等を行うことなく、電子顕微鏡の視野位置の移動を可能とする。イメージシフト偏向器と走査偏向器を共通の偏向器とし、イメージシフト用の信号と走査用の信号を重畳して、偏向器に供給するようにしても良い。
　なお、図１の例では試料から放出された電子を変換電極にて一端変換して検出する例について説明しているが、無論このような構成に限られることはなく、例えば加速された電子の軌道上に、電子倍像管や検出器の検出面を配置するような構成とすることも可能である。
　制御装置１２０は、走査電子顕微鏡の各構成を制御すると共に、検出された電子に基づいて画像を形成する機能や、ラインプロファイルと呼ばれる検出電子の強度分布に基づいて、試料上に形成されたパターンのパターン幅を測定する機能を備えている。
　図２は、ＦＩＢ装置２００の概要を示す図である。この装置は、所望のイオンを放出する液体金属イオン源２０１、液体金属イオン源２０１からイオンを引き出す引き出し電極２０２、放出イオン２０３の中央部のみを下流に通すアパーチャ２０４、放出したイオンの拡がりを抑制する集束レンズ２０５、イオンビームを一時的に試料２０６の表面に到達させないようにイオンビーム軌道をずらすブランカ２０７、ビーム直径とビーム電流を調整する絞り２０８、イオンビーム軌道を光軸上に補正するアライナ２０９、イオンビームを試料面上で走査掃引する偏向器２１０、イオンビームを試料面上で集束させる対物レンズ２１１、試料台２１２、集束イオンビーム２１３が試料２０６の表面に入射した際に放出される二次電子を捕獲する二次電子検出器２１４などから構成される。
　更に上記各構成要素を制御する制御装置２１５が備えられる。制御装置２１５は、絞り２０８によって電流が調整されたイオンビーム２１３を所定の加工位置に照射すると共に、当該イオンビーム２１３を偏向器２１０によって走査することにより、所望の領域の穴あけ加工を実行する。また、試料台２１２は、図示しない移動機構が備えられており、試料２０６を、Ｘ－Ｙ方向（イオンビーム照射方向をＺ方向としたとき）、Ｚ方向に移動可能とすると共に、傾斜、回転等の動作が可能なように構成されている。試料表面に対するビームの傾斜照射によって、図８に例示するような傾斜面加工が行われる。
　図３は、ＳＥＭ１００とＦＩＢ装置２００を含む測定システムの一例を示す図である。図３に例示するシステムには、ＳＥＭ１００、ＦＩＢ装置２００、演算処理装置３０１、設計データ記憶媒体３０２が含まれている。演算処理装置３０１は、ＳＥＭ１００やＦＩＢ装置２００に、測定条件や加工条件を含む制御信号の供給を行い、ＳＥＭ１００によって得られた検出信号や測定結果に基づいて、パターンの測定に関する処理を実行する演算処理部３０４や、測定条件や加工条件を定める動作プログラムであるレシピや、測定結果等を記憶するメモリ３０５が内蔵されている。ＳＥＭ１００によって得られた検出信号は、演算処理装置３０１に内蔵されるＣＰＵ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ等の画像処理ハードウェアに供給され、目的に応じた画像処理が行われる。
　演算処理部３０４には、ＦＩＢ２００の加工条件を設定する加工条件設定部３０６、ＳＥＭ１００による測定条件を設定する測定条件設定部３０７、画像取得領域や測長ボックスを設定する領域設定部３０８、ＳＥＭ１００によって得られた検出信号に基づいて測定を実行する測定実行部３０９、及びメモリ３０５等に予め記憶された数１のような演算式に基づいて、パターン等の高さを演算する高さ演算部３１０が内蔵されている。加工条件や測定条件等は入力装置３０３によって設定することが可能であり、当該設定に基づいて、加工や測定のためのレシピが生成される。
　また、設定された加工位置の座標情報等は、ＳＥＭ１００の測定条件として、イオンビームの入射角度の情報等は、高さ演算部３１０の高さ（深さ）演算のための情報として、メモリ３０５に記憶される。
　図４は、ＦＩＢによる加工領域に対する測定条件を設定するＧＵＩ画面の一例を示す図である。図４に例示するＧＵＩ画面は、例えば入力装置３０３の表示装置に表示されるものであって、当該ＧＵＩ画面を用いた設定により、演算処理部３０１は、ＳＥＭ１００を制御する動作プログラムであるレシピを作成し、そのプログラムをＳＥＭを制御する制御装置１２０に伝送する。図４に例示するＧＵＩ画面は主に、ＳＥＭ画像を表示すると共に、カーソル４０１等によるＳＥＭ画像上の領域設定が可能なＳＥＭ画像表示領域４０２と、測定対象を数値的に定義する測定対象設定領域４０３（Ｔａｒｇｅｔ　Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ）を含んでいる。ＳＥＭ画像表示領域４０２の内、ターゲット画面を表示する領域（ＦＩＢによる加工領域全体４０４を表示する領域）４０５は、高倍率画像の取得領域４０６（Ｓｕｂ　Ｔａｒｇｅｔ）の位置や大きさを、ポインティングデバイス等によって設定可能に構成されている。更に領域４０６内では、測定基準位置（測定始点、測定終点）を抽出するための測長ボックス４０７の設定が可能となっている。領域４０６や測長ボックス４０７の設定によって作成された動作レシピは、ＳＥＭ１００の制御に用いられ、高倍率画像表示領域４０８（Ｓｕｂ　Ｔａｒｇｅｔ）に表示される画像取得条件となる。
　測長ボックスは測長カーソルとも呼ばれ、その領域内で選択的に測定基準を特定するためのものである。 測定対象設定領域４０３では、ポインティングデバイスを用いること
なく、画像取得条件や測定条件の設定が可能となっている。測定対象設定領域４０３は主に、ターゲットの画像取得条件等を設定するための設定領域４０９、高倍率画像の取得条件を設定する設定領域４１０、測定条件を設定する設定領域４１１の３つに分かれている。設定領域４０９の測定目的（Ｃａｔｅｇｏｒｙ）を入力するウィンドウには、本実施例における測定目的の１つである高さ測定（Ｈｅｉｇｈｔ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ）が選択されている。この測定目的の入力に応じて、設定領域４１０、４１１における設定項目が変化する。先述したように、高さ測定の場合、測定始点と測定終点が大きく離間し、１つの視野内に測定始点と終点を収めようとすると、高倍率観察ができなくなるため、複数の高倍率画像の取得条件が設定できるように、設定領域４１０の設定項目が設けられる。設定領域４１０では少なくとも２つの高倍率取得領域（Ｓｕｂ　Ｔａｇｅｔ　１、２）の設定を可能としている。また、図示はしないが、視野（Ｆｉｅｌｄ　Ｏｆ　Ｖｅｉｗ）の大きさ（ＦＯＶ　ｓｉｚｅ）の大きさを設定可能とするようにしても良い。設定領域４１１では測定目的に応じた測長ボックス４０７内の処理条件の設定が可能となっている。図４に例示するＧＵＩ画面では、高さ測定の中でもホールの深さ（Ｈｏｌｅ　Ｄｅｐｔｈ）が測定目的として設定されている。
　先述したように、ホールの深さを測定する場合、ＦＩＢによる加工始点（試料表面とＦＩＢ加工領域の境界）を基準とする必要がある一方で、深さ穴底に近い側の測定基準は、ホールの中心（重心）とする必要がある。このように、高さ測定を行う場合には、測定始点と測定終点で、測定基準を決定するための処理内容が変化することになるため、個々に処理内容を設定できるようにしておくことが望ましい。図４の例では、Ｓｕｂ　Ｔａｒｇｅｔ１では、測長ボックス４１２内の重心位置（Ｇｒａｖｉｔｙ　ｐｏｉｎｔ）４１３を抽出する設定がなされている一方で、Ｓｕｂ　Ｔａｒｇｅｔ２では、測長ボックス４１４内で傾斜境界（Ｔｉｌｔ　ｂｏｕｎｄａｒｙ）４１５を抽出する設定がなされている。測長ボックス４１２内では、パターン認識を行い、その重心位置を求める必要がある一方で、測長ボックス４１４ではパターンの位置によらず、傾斜境界を抽出する必要がある。このように測長の目的に応じて測長ボックス内の処理内容に変化を持たせることを可能とすることによって、高さ方向の測定を高精度に行うことが可能となる。 
　パターン重心を抽出する手法として、種々の方法が考えられるが、例えばパターン認識に基づいて、パターンの輪郭線を抽出し、当該輪郭線の距離画像に基づいて、重心位置を求めることが考えられる。また、傾斜境界を抽出する手法としては、エッジ効果により、平坦面より傾斜面の方が輝度が大きくなる現象を利用して、輝度差に応じて両者の境界を決定する手法が考えられる。例えば、測長ボックス４１４のＸ方向の輝度変化を示す波形プロファイルを取得し、輝度が変化する位置を特定するようにしても良い。また、傾斜境界を抽出する場合、ホールパターンの存在が正確な境界抽出の妨げになる可能性もあるため、パターン認識や周期性のある構造物の抽出処理等に基づいて、パターンを除外、或いは隣接する背景部と画素値を一致させる等の処理等を行うようにしても良い。なお、複数配列されているホールパターンと異なり、画像処理等によって、傾斜境界の特定は容易であるため、測長カーソル４０６の設定なしに、傾斜境界を特定するようにしても良い。
　図４に例示したように、低倍率画像にて、傾斜境界と測定対象パターンの設定を可能とすることによって、目的のパターンの高さ（深さ）測定を容易に実現することが可能となる。なお、Ｓｕｂ　ｔａｒｇｅｔ２の位置は、ＧＵＩ画面経由で設定するのではなく、ＦＩＢ装置２００に供給した加工位置情報に基づいて、自動的に設定するようにしても良い。また、測長ボックス等の設定なしに、Ｓｕｂ　ｔａｒｇｅｔ２内で、明るさの変化点（傾斜面と試料表面の境界）を自動的にサーチするようにしても良い。明るさの変化点の特定には、Ｘ方向の輝度プロファイルを作成し、輝度プロファイルを微分処理することによって、変化点を求めることが考えられる。
　図５は、２つのサブターゲット５０１、５０２内の重心位置４１３と、傾斜境界４１５との間の寸法を測定する方法を説明する図である。本例では、２つのサブターゲット５０１、５０２の画像を取得し、それぞれに設定された測長ボックス４１２、４１４の中で、重心位置４１３と、傾斜境界４１５の位置を特定し、当該位置と、測長ボックスとの中心との距離（Δｘb，Δｘs）を求める。その上で、サブターゲット５０１とサブターゲット５０２との間の視野移動量（ビームの偏向量）Δｘと、Δｘb及びΔｘsを加算することによって、加工始点と測定対象パターン間の距離を正確に求めることが可能となる。
　Δｘは、イメージシフトを行う際の偏向器に供給する信号量に比例する値であり、予め、メモリ３０５等に記憶しておく。このような手法によれば、傾斜開始点と傾斜面に位置する測定対象パターンの試料表面方向の距離を正確に測定することが可能となり、結果として、正確な高さ（深さ）測定を行うことが可能となる。なお、図５の例では、サブターゲットと測長ボックスの中心位置が同じ例を示しているが、これに限られることはなく、測長ボックスはサブターゲットの中の任意の位置に設定することができる。この場合、サブターゲットと測長ボックスの中心位置のずれ分が、測長値に加算されることになる。
　図６は、測定始点と測定終点だけではなく、その間の画像も併せて取得することによって、正確な測定を可能とする例を示す図である。図６は、サブターゲット５０１、５０２の画像だけではなく、その間の領域６０１、６０２の画像も取得されている例を示している。帯電等の影響によりサブターゲットの画像取得位置がずれると、同じような素子が配列されている試料の場合、誤って、測定対象ではない、隣接したパターンを測定対象として認識してしまう可能性がある。そこで本例では、２つのターゲット間に、異なる位置であって、それぞれ隣接する画像領域間で視野を重畳させるように、画像取得領域を設定する。図６の例では、重畳領域６０３、６０４、６０５が設けられ、重畳領域を用いたパターン照合処理（パターンマッチング）を実行することにより、画像間の相対的な位置合わせが可能となり、中間画像によって連結される２つのターゲットも相対的に正確に位置合わせされる。このような正確な位置合わせのもとに連結された画像を用いて、傾斜境界と測定対象パターンとの測定を行うことによって、高倍率画像では、その範囲に収まらない離間した測定始点と測定終点を持つ測定対象であっても、高精度な測定を行うことが可能となる。
　連結画像を用いた測定では例えば、複数の画像に跨る輝度プロファイルを形成し、パターン重心と傾斜境界を示すプロファイルの変化を検出することによって、数１のＬに相当する値を求めることが考えられる。
　なお、これまでの説明では、低倍率画像上で、高倍率画像取得領域や測長ボックスをマニュアルで設定する例について説明したが、後述する手法に基づけば、一連の工程を自動的に行うことができる。自動的に深さ測定を行う例を図１８、図１９を用いて説明する。図１８は傾斜加工領域を含む低倍率画像１８０１の一例を示す図である。低倍率画像１８０１の表示領域内には多数のホールパターン１８０２が含まれている。矩形１８０３はＦＩＢによる加工領域を示しており、図面の下方側が深い傾斜面加工が施されている。
　図１９は、図１８に例示する試料に対する自動測定を実行する工程を示すフローチャートである。まず、図１８に例示するような加工が施された試料を、ＳＥＭに導入する（ステップ１９０１）。次に、ＦＩＢ加工位置情報に基づいて、低倍率取得領域がＳＥＭの視野と一致するように、ステージを移動させる（ステップ１９０２）。ステージ移動後、電子ビームを走査して低倍率画像を取得する（ステップ１９０３）。次に、低倍率画像上で、或いはＦＩＢ加工位置情報に基づいて、傾斜境界を特定するための高倍率画像取得用ＦＯＶを設定する（ステップ１９０４）。この場合、ステージ精度やプロセス変動等により、高倍率用画像取得用ＦＯＶが正確な位置に設定されていないことも考えられるので、上述のような境界判断アルゴリズムに基づいて、境界検出を行い（ステップ１９０５）、境界が検出されなかった場合には、隣接する領域に視野を設定することによって、境界を検出する。この処理を境界が検出されるまで繰り返す（ステップ１９０７のサーチアラウンド）。図１８の例では最初の視野内に境界が無い場合、異なるＹ方向の位置に境界が存在すると考えられるため、Ｙ方向に視野を移動させて、境界検出を行う。次に、検出された境界に対して、傾斜加工面側に位置する領域１８０４の画像を取得し、当該画像に基づいてテンプレートを作成する（ステップ１９０６、１９０８）。テンプレートは低倍率画像の一部を切り出すようにして形成する。このテンプレートを用いて、傾斜加工面の深さ方向に向かって、パターンサーチを実行する（ステップ１９０９）。このパターンサーチを行うに当たり、領域１８０４から深さ方向に向かってパターン検索を行い、最初のマッチング位置１８０４との距離ΔＹ1を得ると共に、それ以降は、ΔＹ1ごとにテンプレートマッチングを行い、マッチングスコアを算出するようにしても良い。
　パターンサーチの工程では、パターンサーチを行いつつ、マッチングスコアが所定値以下になる位置を特定する。図１８の例では領域１８０６が、マッチングスコアが所定値以下となる位置となる。領域１８０６に含まれるパターン１８０８は、ホールパターンのレジスト残渣等を示しており、ホールパターンの底に相当する。また、パターンの底部が傾斜加工面とほぼ同じ高さとなり、深穴である他のホールパターンと比較して、底部から放出される電子の検出効率が高いため、他のホールパターンに対して相対的に明るいパターンとなる。領域１８０６より更に深い領域１８０７は穴底より更に深い領域であるため、ホールパターンが存在しない。よって、領域１８０４から抽出された画像に基づくテンプレートを用いたサーチを行うと、領域１８０６でのマッチングスコアが低下することになる。例えばΔＹ1ごとにマッチングスコア（一致度）を求め、スコアが所定値以下となった個所を特定することによって、ホール底部を示すパターンを特定することが可能となる。
　そして、パターン１８０８を含むように、高倍率画像用ＦＯＶを設定し、パターン重心等を求めることによって、パターン１８０８の位置を特定する（ステップ１９１０、１９１１）。パターン１８０８の重心と、傾斜境界１８０９との距離を測定することによって、数１のＬを求めることができる（ステップ１９１２）。なお、予めホール底を示すテンプレートが用意されている場合には、傾斜境界１８０９を基点としたパターンサーチを行い、マッチングスコアが所定値以上となった個所をパターン底部として特定するようにしても良い。
　以上のような動作プログラムを、演算処理装置３０１のメモリ３０５、或いはＳＥＭ１００に内蔵された記憶媒体に記憶させ、当該動作プログラムに基づいて、ＳＥＭ１００の制御を行うことによって、高精度な深さ方向の測定を自動で行うことが可能となる。
　以上の説明は、主にホールパターンの深さを測定する手法に関するものであるが、三次元構造を持つパターンの高さ方向の評価に、上述の手法を応用することもできる。例えばＦｉｎＦＥＴと呼ばれるトランジスタは、多数のＦｉｎと呼ばれる構造体が高さ方向に形成されており、このＦｉｎの高さが回路の性能を決定する重要な要素となるため、半導体プロセスの管理において、重要な評価項目となる。このようなＦｉｎＦＥＴ構造におけるＦｉｎの高さを測定する場合には、Ｆｉｎ間を埋めている酸化シリコンの表面を基準とした測定を実行する。
　以下にＦｉｎＦＥＴのような三次元構造体の高さ方向の寸法を測定するに好適な手法を説明する。図１２は、ＦＩＢによる傾斜面加工を施したＦｉｎＦＥＴの断面構造を示す図である。複数配列されたＦｉｎの配列方向に対し、垂直な方向に複数のダミーゲートが平行に並んでいる。そのＦｉｎの長手方向とＦｉｎの配列方向に向かう仮想線をその面内に含む二次元平面に交差する方向に傾斜面が形成される。また、Ｆｉｎの最上部と底部が傾斜面に露出するように加工されている。
　２つのＦｉｎに挟まれた溝の中は、酸化ケイ素で埋められており、Ｆｉｎの先端部分が絶縁物である酸化シリコンの層から突き出ている。ＦｉｎＦＥＴトランジスタ素子では、この突き出ている部分を電流が流れるので、製造プロセスの管理においては、個々のＦｉｎに対して、この突き出ている部分の幅や高さを計測することが重要である。
　図１３は、ＦｉｎＦＥＴを含む試料領域に対し、傾斜面加工を行った後、傾斜加工面をＳＥＭで撮像した画像例（トップダウン像）を示す図である。
　Ｆｉｎ１３０１の頂上を結んだ仮想的な線を、基準線１３０２とする。この線は、ＦＩＢによるＦｉｎの斜め切りが始まった部分であり、Ｆｉｎの傾斜面開始点である。また、傾斜面開始点であると同時に、Ｆｉｎの上端位置でもある。一方で、基準線の下側にあるダミーゲートの斜め切り断面に、ダミーゲート内部を貫いているＦｉｎ１３０１の断面が見えている。更に図１３に例示する画像には、ダミーゲート１３０３、及び傾斜加工によって、その一部が削り取られたダミーパターン１３０４が写っている。また、傾斜加工によって、酸化シリコン１３０５の層が加工面上に露出している。
　本例では、Ｆｉｎの高さと共に、このダミーゲート内のＦｉｎ幅を、プロセス管理のために測定する。
　まずは、Ｆｉｎの高さの具体的な測定法について説明する。特に、酸化シリコン１３０５から露出したＦｉｎ１３０１の部分に、回路動作時の電流が流れるため、Ｆｉｎの上端部と酸化シリコン１３０５の上面との距離は、半導体素子の性能を決めるパラメータであり、この寸法管理を適正に行うことが、半導体生産管理の上で重要となる。図２０は、Ｆｉｎ高さを測定する工程を示すフローチャートであり、図３に例示したような測定システムは、当該フローチャートに従って、測定を実行する。まず、ＳＥＭに測定対象となる試料を導入する（ステップ２００１）。導入された試料は、既にＦＩＢによる傾斜面加工が施されたものであり、当該傾斜加工面にＦＯＶが位置づけられるように、ステージ（試料台１０８）を移動させる（ステップ２００２）。ステージの移動後、画像を取得する（ステップ２００３）。次に、予め登録されたテンプレートを用いて、取得画像上でテンプレートマッチングを実行する（ステップ２００４）。
　図２１はテンプレートの一例を示す図である。テンプレート２１００は、フィン１３０１の一部、一部がＦＩＢによって一部が削り取られたダミーパターン１３０４、傾斜面に露出した酸化シリコン１３０５、及びフィン間の空間２１０１が含まれている。傾斜面に露出した酸化シリコン１３０５は、他の部分に対して相対的に輝度が高く、また、Ｘ方向、及びＹ方向に他部材が隣接しているため、酸化シリコン１３０５と、当該酸化シリコン１３０５のＸＹ方向それぞれに隣接する他部材が含まれるテンプレートによるテンプレートマッチングを行うことによって、適正な位置への位置合わせを行うことが可能となる。
　次に、テンプレートマッチングによって特定された位置から、所定の位置関係にある個所にＲＯＩ（Ｒｅｇｉｏｎ　Ｏｆ　Ｉｎｔｅｒｅｓｔ）を設定する（ステップ２００５）。図２２は、Ｆｉｎ１３０１の上端、Ｆｉｎ１３０１の右側の酸化シリコン上面、及びＦｉｎ１３０１の左側の酸化シリコン上面にそれぞれＲＯＩ２２０１、２２０２、２２０３を設定した例を示す図である。ＲＯＩは、テンプレートマッチングによるマッチング位置と所定の位置関係にあり、テンプレートマッチングによって特定された位置と、位置関係情報に基づいて画像上に設定される。ＲＯＩ２２０１では、フィン１３０１の上端を、ＲＯＩ２２０２、２２０３では、ダミーゲート１３０４と酸化シリコンとの境界（酸化シリコンの上面）の位置を検出する（ステップ２００６）。
　ここで、ＲＯＩ２２０１では、パターンの先端部を抽出するために、例えばＲＯＩ内の二次元的な輝度分布情報に基づいて、先端部を特定することが考えられる。図２３はＲＯＩ２２０１内で先端部を特定するための手法を示す図である。図２３（ａ）に例示するようにＲＯＩ２２０１内で、Ｙ方向の異なる位置ごとに、Ｘ方向の輝度分布取得部２３０１を設定し、二次元的な輝度分布情報２３０２に基づいてパターンの先端部位置２３０３を特定する。また、図２３（ｂ）に例示するように、Ｘ方向の異なる位置に輝度分布取得部２３０３を設定し、パターンの先端位置２３０３を特定するようにしても良い。また、画像のコントラスト不足により、先端部近傍の位置を特定することが困難である場合には、先端部近傍のパターンの曲率等から、先端部位置を推定するような演算に基づいて、先端部位置を求めるようにしても良い。ＲＯＩ２２０２、２２０３では、ダミーゲート１３０４と酸化シリコンとの間に大きな輝度差があるため、Ｙ方向の輝度分布を取得することによって、両者の境界位置を求める。以上のように、フィン先端部を特定するためのＲＯＩと、酸化シリコン上面を特定するためのＲＯＩでは、異なる検出処理を可能とすることが望ましい。
　次に、特定された先端部位置と、シリコン上面間で寸法測定を実行する（ステップ２００７）。図２２は、１のフィンに対して、左右２個所にＲＯＩを設定し、ｆｒ、ｆｌを求める例を示している。ダブルパターニング等のマルチパターニング法によって形成されたパターンは、酸化シリコンの高さが交互に、或いは特定の周期で変化するため、１のフィンの高さを定量的に求めるために、左右双方の寸法を求め、Ｌ＝（ｆｒ＋ｆｌ）／２を演算することによって、フィンのＹ方向の寸法を求めるようにすると良い。以上のようにして求められたＬを数１に代入することによって、フィンの高さを求める（ステップ２００８）。
　以上のような測定手順を記憶した動作レシピによれば、フィンの高さを自動的且つ正確に得ることが可能となる。
　次に、上述のような自動測定を可能とする動作レシピを作成する手順について説明する。図７は測定条件を登録するＧＵＩ画面の一例を示す図である。このＧＵＩ画面上には、カーソル４０１やキーボード等を用いた入力に基づいて、測定対象設定領域４０３、測定対象表示領域４０２、ＲＯＩ画像表示領域７０１、７０２が表示されている。本例では、このＧＵＩ画面を用いて動作レシピを作成する。演算処理装置３０１は、パターンや座標の指定によって、設計データ記憶媒体３０２から、設計データを読み出し、測定対象領域４０２に表示する。本例の場合、測定対象領域４０２には傾斜加工面を表示する必要があるため、設計データに基づいて三次元像を構築し、当該三次元像を、測定対象領域４０２に表示する。なお、傾斜加工面の傾斜角度に応じて、傾斜加工面の見え方は変化するため、傾斜加工面の角度（Ｔｉｌｔ　Ａｎｇｌｅ）、加工部位の大きさ（Ｓｉｔｅ　Ｓｉｚｅ）、加工部位の位置（Ｓｉｔｅ　Ｌｏｃａｔｉｏｎ）の設定を可能としておく。このような条件設定に基づいて、設計データから三次元像を構築する。また、この設定に基づいて、ＦＩＢによる加工条件を設定し、ＦＩＢ装置２００の動作レシピを構築するようにしても良い。また、ＦＩＢ装置側の加工条件の設定に基づいて、自動的に測定用のレシピを設定するようにしても良い。
　更に、設定領域４１１では、より具体的な測定条件を設定する。図７の例では、測定目的として、フィンの高さ、測定始点、或いは終点として酸化膜とフィンの頂点が設定されている。また、測定のための具体的なアルゴリズムを設定する欄が設けられており、一方は、フィンの裾部分（酸化膜とダミーゲートの境界）に適したアルゴリズムである「ｆｏｏｔ」が選択され、他方は、先端部の特定に適した「Ｐｅａｋ」が選択されている。ｆｏｏｔを選択すると、例えばピーク位置間のＸ方向の輝度分布の取得に基づいて、酸化膜とダミーゲートとの境界を検出するアルゴリズム（或いは酸化シリコンの傾斜開始点を検出するアルゴリズム）が、測定条件として設定される。また、Ｐｅａｋを選択すると、例えば図２３に例示したようなピーク頂点を検出するのに適したアルゴリズムが測定条件として設定される。なお、ダミーゲートの酸化膜との接触面と、傾斜加工面が交差するように加工を行うことによって、酸化膜とダミーゲートの間の輝度差を利用した境界線特定が可能となる。
　以上のようなＧＵＩ画面を用いた測定条件の設定を可能とすることによって、適切な動作条件を容易に設定することが可能となる。
　なお、Ｆｉｎ幅は頂上に近づくにつれて狭くなっているため、Ｆｉｎ幅を測定する際には、頂上からどれくらい下がった部分なのかを同時に測定する必要がある。そこで、Ｌを測定する。θをウエハ表面へのＦＩＢ入射角度とすると、Ｌ×ｔａｎθが、ダミーゲート内のＦｉｎ幅を測定した部分が、Ｆｉｎの頂上からどれくらい下がったところなのかを示している。
　この測定場所の近傍で、ＦＩＢ斜め切り加工位置をずらしながら同様な計測を行うと、様々なＬに対する、ダミーゲート内のＦｉｎ幅を測定することができる。これは、ダミーゲート内において、Ｆｉｎの頂上から下がるにつれて、Ｆｉｎ幅がどのように変化しているかを示しているデータであり、これをもとにして、ダミーゲート内のＦｉｎの断面形状を知ることができる。
　例えば、ＦＩＢを用いた垂直断面の薄膜加工を行い、当該薄膜試料を透過型電子顕微鏡（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＴＥＭ）によって観察することによって、三次元構造のパターンを評価することもできるが、薄片の切り出しと測定に約1時間近くの時間がかかるため、ウエハやチップ内の面内分布をモニタ
リングするためには多大な時間と労力が必要となる。一方、上述のような手法によれば、数分でできるＦＩＢ斜め切り加工と、１０秒程度でできるＣＤ－ＳＥＭ計測で断面形状を知ることができるので、生産プロセスにおける時間と労力を大幅に節約することができる。
　次に、上記の実施例におけるＦＩＢ斜め切りの方向を、９０°回転させた場合の実施例について説明する。図１４は、ＦＩＢ斜め切り加工したダミーゲート断面構造である。ダミーゲートの長手方向に沿った向きで、かつＦｉｎの長手方向に対して垂直な向きにＦＩＢが入射している。ＦＩＢ斜め切り加工面には、ダミーゲートの断面がその頂上から底部まで露出している。ＦｉｎＦＥＴトランジスタ素子では、後のプロセスにてダミーゲートが導電性の金属で置き換えられ、そこに電圧を印加することによって、ダミーゲートがまたいでいる部分にて、Ｆｉｎを流れる電流のスイッチングを行っている。従って、個々のダミーゲートに対して、Ｆｉｎをまたいでいるダミーゲートの幅や高さを計測することが重要である。
　このＦＩＢ斜め切り加工した部分を、ウエハ表面の上方からトップダウンでＳＥＭ観察したダミーゲート断面の例を、図１５に示す。ダミーゲートは、酸化シリコンの上に乗っていて、Ｆｉｎをまたぐように形成されている。ここで、パターンの高さを計測する際の基準となる高さを、酸化シリコンの表面とする。その表面が、ＦＩＢにより斜めに切り始まる線を、基準線とする。ＦＩＢ斜め掘り面が写っているＳＥＭ画像にはて、斜めに切られたダミーゲートパターンの断面が表示されている。ダミーゲートパターンの断面は、斜め掘り面上に露出している。例えば、ダミーゲートの頂上部分を自動認識して、その部分の線幅を測定する。次に、パターンの高さ計測の基点となる「高さ基準線」を設定する。例えば、ＦＩＢ加工面と未加工面との間では、それぞれの画像コントラストが急激に変化する境界線が見えたり、酸化シリコンの上にダミーゲートが乗っている構造では、ダミーゲートの底部において材質がポリシリコンから酸化シリコンに変化しているので、やはり画像コントラストが急激に変化している。このようなコントラストが変化する境界線の上に、高さ基準線を設定する。
　そして、この高さ基準線と、ダミーゲートの頂上部分との間の距離、言い換えれば、ＳＥＭ画像上の縦方向の間隔を計測する。その距離から、実際のパターン構造における、「
積層方向の高低差」を算出する。計測の出力データは、その高低差のみ、または高低差と線幅寸法計測値とをペアにしたものである。
　斜め切り面に露出しているダミーゲート断面は、下方に伸びているものの、その直下にある酸化シリコンの断面にぶつかるところで止まっている。なぜならば、ダミーゲートは酸化シリコンの上に乗っているためである。従って、基準線を見つけるためには、ダミーゲート断面が下方にて切れているところを探せばよい。
　その基準線から、ダミーゲート内のＦｉｎまでの距離Ｌを測定し、Ｌ×ｔａｎθを計算すれば、ダミーゲート内のＦｉｎ幅が、Ｆｉｎのどれくらいの高さの寸法を表しているかを、知ることができる。
　ところで各パターンの形状や深さを個別に測定してから平均化するかわりに、各パターンを高倍率にて個別に観察した画像を重ね合わせて、合成パターン画像を作り、その形状や寸法などを測定してもよい。これまでの説明では、各パターンの形状や寸法がほぼ均一であることを前提としているが、このように合成画像を作ってから測定すれば、合成画像が、均一であるとしたパターンの形状や寸法を、視覚的にとらえることができるからである。また、このようにして作った、深さごとの合成画像を、縦方向に並べて３次元的な像を作成すれば、パターンの立体構造を視覚的にとらえることが可能になる。このように、プロセスを数値的に管理するだけでなく、立体画像により視覚的に認識することも、重要である。
　ところで、例えば深穴パターン形成プロセスにおいて、ウエハ表面に対して垂直にまっすぐ深穴が開いているかを、計測する方法について説明する。図１６に、深穴加工の曲りの測定例を示す。図は深穴加工領域のトップダウン像の模式図であり、図の上から下に向かって下っていくような、ＦＩＢ斜め掘り加工面が見えている。その上部及び左右部分には、未加工の試料表面があり、そこには深穴の入り口が見えている。もし、深穴が試料表面に対して垂直に掘られているならば、深穴の入り口と、加工領域の断面形状は、図中で水平または垂直方向の仮想的な直線上に並んで見える。
　しかしながら、もし深穴が垂直から傾いていたり、あるいは途中で曲がっていたりすると、斜め掘り加工面に露出する断面形状は、仮想的な直線上に並ばずにずれる。換言すれば、コンタクトホールの当該コンタクトホールの深さ方向に対し直交する方向の位置が変位する。測定対象パターンは、仮想的な直線から右方向にＢだけずれている。また、基準線からの距離Lだけ離れている。よって、測定対象パターンは、ウエハ表面から深さＬ×ｔａｎθのところで、図の右方向にＢだけずれていることがわかる。つまり、測定対象パターンは深い部分で右方向に曲がっていることがわかる。このようにコンタクトホールが曲がった部分の深さを特定するために、例えば図１８に例示したようなテンプレートを用いたサーチを、Ｙ方向に向かって行い、一致度が所定値以下となった個所（パターンのずれによって、スコアが低下した個所）を深さ測定のための基準とするようにすることが考えられる。また、直線的に配列されているパターンの配列の屈曲点を特定するための他のアルゴリズムを適用するようにしても良い。
　図１７にＦｉｎの側壁角度の計測例を示す。あるＦｉｎパターンのある部分の側壁が、画面の水平方向となす角度をαとする。また、その角度を計測した画面内の位置と、基準線との距離がＬとする。このとき、実際のＦｉｎパターンが、ウエハ表面の水平面となす側壁角度ζは、以下の式で算出される。
　ζ＝ｔａｎα×ｔａｎθ　　　〔数２〕
これは、斜断面の傾きθにより、斜断面に露出している側壁角度が見かけ上変わることを考慮したものである。
　Ｆｉｎの側壁の平面的な凹凸が、ＦｉｎＦＥＴデバイスの電気的特性に悪影響を与えることが知られている。よって、生産工程において、側壁の平面的な凹凸を測定してプロセス管理することが重要である。しかしながら、側壁表面はＳＥＭ像の電子線の入射方向に対して、ほぼ水平な角度になるので、側壁表面の凹凸はほとんどＳＥＭ像では見えないことになる。
　しかしながら、ＦＩＢによる斜め掘りをした表面のトップダウンＳＥＭ像には、凹凸を比較的良くとらえることが可能である。なぜならば、Ｆｉｎラインの長手方向に下っていくような斜面を、ＦＩＢの斜め掘りで形成すれば、その斜面のトップダウンＳＥＭ像には、Ｆｉｎパターンの側壁を、側壁表面に対してほぼ垂直な平面で切り出した断面形状が写っている。そこには、Ｆｉｎ側壁のラインエッジラフネス（ＬＥＲ:Ｌｉｎｅ　Ｅｄｇｅ
　Ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ）がＦｉｎの高さ方向に対して変化しているのが、観測されている。これは、従来の、斜め掘りをしていないＦｉｎパターンのトップダウンＳＥＭ像で測定する方式に比べて、側壁のＬＥＲをより明瞭に観測することが可能である。なぜなら、斜め掘りされた表面は側壁を切り取っていて、その部分はほぼ９０°のエッジが表れているからである。このようなエッジはＳＥＭ像においては明瞭に写るが、斜め掘りをしない場合には、このようなエッジは存在しない。さらに、Ｆｉｎラインパターンの長手方向に進むにつれて、Ｆｉｎの高さ方向に変化している側壁ＬＥＲが写っている。これは、長手方向のＬＥＲと、側壁の高さ方向のＬＥＲとの両方を含んだＬＥＲであるから、これを側壁の凹凸を示す指標値として、プロセス管理に応用することができる。
　なお、ＳＥＭ１００とＦＩＢ装置２００は、それぞれ独立した装置であるが、ＬＡＮ通信によるネットワークで結ぶことができる。まず、ＦＩＢ装置において加工を施したウェハ上の座標情報を、ネットワークを経由してＳＥＭ１００に送る。また、ＦＩＢ装置にＳＥＭが搭載されたＦＩＢ－ＳＥＭを加工装置として用いる場合には、ＦＩＢに搭載されたＳＥＭによって取得されたトップダウン像を、座標データと共にＳＥＭ１００に送るようにしても良い。予め取得した座標データを用いてＳＥＭを制御することができれば、測定対象個所をＳＥＭの視野位置に自動的に位置付けることが可能となる。
　ＦＩＢから座標データが送られているので、その場所を中心に、加工した場所を探す。もし、加工した部分のＳＥＭ画像が送られていたならば、その画像と似ている場所を、ウエハ面内で自動的に探索することが可能である。ＳＥＭ装置で測定されたデータは、ＬＡＮ通信を通じて外部の記憶媒体に送るようにしても良い。
　ところで、ＦＩＢ加工断面に二つの異なる種類のパターン形状が写っている場合には、それらの位置関係のずれを定量的に計測する、オーバーレイ（Ｏｖｅｒｌａｙ:ＯＶＬ）計測をすることが可能である。例えば、溝（トレンチ）の底にヴィアホール（穴）をあける、ヴィアイントレンチ構造においては、トレンチの中心線上に穴の中心が位置するように穴を空けることが重要であるため、そのずれ量を計測するオーバーレイ計測がプロセス管理上必要である。しかしながら、溝がより深いほど、底で発生する二次電子が検出器まで到達しにくくなるため、溝底の穴の像が比較的不鮮明になり、溝の中心線と穴の中心とのＯＶＬ測長ではその精度が比較的低くなる傾向がある。
　そこで、斜め掘りの斜面が、溝の長手方向に下っていくようにＦＩＢで加工することによって、斜面が深くなるにつれ、溝底の穴からの二次電子が検出しやすくなり、穴の像がより鮮明になる傾向がある。例えば、図１２の例では、ＦｉｎとＦｉｎとの間に溝があり、溝の中ほどまでが酸化シリコンで埋められている。このように、溝の上端から底部まで（Ｆｉｎの上端から底部まで）の断面形状が見えるように、ＦＩＢを図の上から下に向かって斜めに当てて削るような加工を施すことによって、上述のような効果が期待できる。
　よって、穴の中心点の位置をより精度良く計測できるようになるため、ＯＶＬ計測精度を向上させることができる。また、斜面の深さが溝底よりさらに深くなると、溝底に空いた穴の断面が斜面上に見えてくるので、これらを計測することによって、穴の深さ方向の形状変化や、穴がウエハ表面に対して垂直方向にまっすぐ空いているかを定量的に計測できるようになる。
　このようなＯＶＬ計測は、他にもウエハ表面のレジストパターンと、ウエハ内部に形成されたパターンとのＯＶＬ計測など、様々なものに応用できる。特に、ウエハ内部のパターンが表面から数ミクロン以上深いところにある場合には、一般的なＳＥＭを用いた測定に比べて、より高精度なＯＶＬ計測が可能になる。なぜならば、一般的なＳＥＭを用いた測定では、穴底から放出された二次電子を十分に捕捉することができず、パターンの像質が極端に低下するためである。
　また、ウエハ表面に帯電しやすい場合などは、電子ビームを照射すると、ウエハ内のパターンとウエハ表面とがペアになって局所的にコンデンサーを形成して、その静電容量にトラップされる電荷によって局所的に帯電することがある。試料から放出される電子は帯電によって軌道が変化するため、観察像も帯電を反映した画像となる。しかしながら、この帯電像はウエハ内のパターンそのものでなく、帯電領域の輪郭も鮮明でないため、ＯＶＬ計測精度を低下させる要因となる可能性がある。一方、傾斜面加工に基づく測定を行うことによって、斜面の表面に現れる実物のパターンを計測でき、またそこからの二次電子を直接測定できるので、パターンの輪郭がより鮮明になり、ＯＶＬ計測精度を向上させることができる。
　ＦＩＢで斜め掘りしたウエハは、廃棄することなく、生産ラインへ戻し、Ｙｉｅｌｄが落ちないようにすべきである。ＦＩＢで加工した部分は、後の工程で再生することは困難であるが、それ以外のダメージを受けていない部分は後の工程を経て、デバイスとして機能するからである。実際には、例えば、ＦＩＢで加工された部分を含んだショットまたはチップを記録しておき、後のダイシング工程後にそのショットだけを廃棄する。ＦＩＢ加工では、カーボン保護膜がデバイスパターンを被覆してしまったり、ＧａイオンビームによってＧａ金属汚染が生じたり、あるいはその部分から飛散したパーティクルによる異物汚染が生じたりする。しかしながら、そのような領域は、FIB加工した部分を中心にして
半径数ミクロン程度の大きさであるから、大きさが約１０ミリ以上もあるショットごとその部分を廃棄してしまえば、他のショットはそのような影響を受けずに、後に良品として得ることが可能である。
　また、ＦＩＢ装置自身から発生するパーティクルにより、ウエハ裏面や表面の広い領域が異物汚染されてしまう場合もある。通常のＦＩＢ加工装置では、ウエハを乗せたステージが様々な方向に傾けることができるジンバル機構を持っていて、ウエハ表面に対するＦＩＢの入射方向を変えることができるようになっている。
　しかしながら、このようなジンバル機構は比較的複雑な機械的構造を持っているため、その部分からパーティクルが発生しウエハの裏面や表面などに異物汚染が発生してしまうことがある。
　そこで、このようなジンバル機構を使わず、ウエハを水平のまま傾けることなく保持できる、比較的単純な構造にしたステージとし、ＦＩＢのカラムは、例えばウエハの表面に対して仰角が４０°になる角度に固定する。このようにすると、ジンバル機構からの異物発生を無くすことができるので、ウエハの異物汚染を抑えることができ、ウエハを生産工程に戻すことができるようになる。
　ＦＩＢのカラムの構造的な制約により、ウエハに対する仰角を４０°以下にすると、カラムがウエハに接触してしまうので、仰角を可能な限り小さくしている。なぜなら、仰角が小さいほど、ＦＩＢ加工面により多くの断面形状をとらえることができるからである。このようにすると、深さ方向の断面形状の変化を、より細かく測定することが可能になるからである。言い換えれば、ジンバル機構によって仰角を様々に変える必要はあまり無く、できる限り小さな仰角となるように、ウエハステージもＦＩＢカラムも固定した、単純な装置構造にすれば、斜め掘りによる深さ方向のパターンの寸法変化をより細かく測定でき、かつ、異物汚染のほとんど無いウエハを生産工程に戻せるのでＹｉｅｌｄをほとんど落とすことなく測定ができ、さらに装置も構造が単純になるので装置価格を抑えることで設備投資をより少なくすることが可能になる。
　ちなみに、上記の装置構造においては、ウエハの中心点を通るウエハ表面の法線を回転軸にして、ウエハを回転させる機構は必要である。なぜなら、例えばＦｉｎＦＥＴデバイスには、ＦｉｎラインとＧａｔｅラインが互いに直交するように形成されていて、両方の深さ（高さ）方向の形状変化を測定するためには、ＦＩＢによる斜め掘りを２方向から行う必要がある。しかしながらウエハステージに回転させる機構を作り込んでしまうと、そこからパーティクルが発生して異物汚染の要因になってしまう。
　そこで、ウエハをＦＩＢの真空チャンバーに導入する前に、ウエハを任意の角度に回転させる機構を設ける。ＦｉｎラインあるいはＧａｔｅラインの長手方向がＦＩＢビームと平行になるような角度に、ウエハのオリフラを目印にしてウエハを回転させてから、ウエハステージに乗せ、ＦＩＢによる斜め掘り加工を開始するようにすると良い。
１００　ＳＥＭ
１０１　電子源
１０２　引出電極
１０３　電子ビーム
１０４　コンデンサレンズ
１０５　走査偏向器
１０６　対物レンズ
１０７　真空試料室
１０８　試料台
１０９　試料
１１０　電子
１１１　二次電子
１１２　変換電極
１１３　検出器
１２０　制御装置
２００　ＦＩＢ装置
２０１　液体金属イオン源
２０２　引き出し電極
２０３　放出イオン
２０４　アパーチャ
２０５　集束レンズ
２０６　試料
２０７　ブランカ
２０８　絞り
２０９　アライナ
２１０　偏向器
２１１　対物レンズ
２１２　試料台
２１４　二次電子検出器
２１５　制御装置
３０１　演算処理装置
３０２　設計データ記憶媒体

Claims (15)

  1. 　走査電子顕微鏡によって得られた検出信号に基づいて、試料に形成された深穴、深溝、或いは立体構造を有する回路素子を構成するパターンの測定を実行するパターン測定方法であって、
    　集束イオンビームの照射によって、前記深穴、深溝、或いは立体構造を有する回路素子を含む試料領域に傾斜面を形成するステップと、
    　前記傾斜面と前記試料表面との間の境界を含むように、前記走査電子顕微鏡の視野を設定し、当該視野への電子ビームの走査によって得られる検出信号に基づいて、前記視野の画像を取得するステップと、
    　当該取得された画像を用いて、前記傾斜面と非傾斜面の境界となる第１の位置を特定するステップと、
    　前記傾斜面内に位置する所望の深穴または深溝の位置、前記深穴または深溝の底、或いは前記立体構造を有するパターンに交差する層の表面の位置である第２の位置を特定するステップと、
    　前記第１の位置と前記第２の位置との間の前記試料表面方向の寸法と、前記斜面の角度に基づいて、前記深穴、深溝、或いは立体構造を有する回路素子を構成するパターンの高さ方向の寸法を求めるステップを有することを特徴とするパターン測定方法。
  2. 　請求項１において、
    　前記深穴は、半導体ウェハに形成されたコンタクトホールであることを特徴とするパターン測定方法。
  3. 　請求項２において、
    　前記第２の位置は、前記コンタクトホールの底を示すパターン部位、前記コンタクトホールの重心位置、或いはコンタクトホールの当該コンタクトホールの深さ方向に対し直交する方向の位置が変位した位置であることを特徴とするパターン測定方法。
  4. 　走査電子顕微鏡によって得られた検出信号に基づいて、試料に形成されたフィン状のパターンを含む回路素子の測定を実行するパターン測定方法であって、
    　集束イオンビームの照射によって、前記フィン状のパターンの断面がその表面に露出するように、前記回路素子を含む領域に斜面を形成するステップと、
    　前記フィンの上端、及び当該フィンの上端より下層側の領域を含むように、前記走査電子顕微鏡の視野を設定し、当該視野への電子ビームの走査によって得られる検出信号に基づいて、前記視野の画像を取得するステップと、
    　当該取得された画像を用いて、前記フィン状のパターンの上端の第１の位置を特定するステップと、
    　当該フィン状のパターン上端より試料の下層側に位置する第２の位置を特定するステップと、
    　前記第１の位置と前記第２の位置との間の前記試料表面方向の寸法と、前記斜面の角度に基づいて、前記フィン状のパターンの高さ方向の寸法測定を実行するステップを有することを特徴とするパターン測定方法。
  5. 　請求項４において、
    　前記回路素子はＦｉｎＦＥＴであることを特徴とするパターン測定方法。
  6. 　請求項５において、
    　前記第２の位置について、前記フィンの幅の寸法を測定することを特徴とするパターン測定方法。
  7. 　請求項６において、
    　前記第２の位置のフィンの側壁の角度を測定することを特徴とするパターン測定方法。
  8. 　走査電子顕微鏡によって得られた検出信号に基づいて、試料上に形成されたパターンの寸法を測定するパターン測定装置において、
    　前記走査電子顕微鏡によって得られた信号に基づいて、前記試料に形成された傾斜面と非傾斜面との間の境界を特定し、当該境界と前記画像内に含まれるパターンとの間の前記試料表面方向の寸法を測定し、当該寸法値と、前記傾斜面と試料表面との間の相対角に基づいて、前記パターンの高さ方向の寸法を測定する演算装置を備えたことを特徴とするパターン測定装置。
  9. 　請求項８において、
    　前記演算装置は、少なくとも２つの視野位置から取得された画像に基づいて、前記傾斜面と非傾斜面との間の境界、及び前記パターンの位置を演算することを特徴とするパターン測定装置。
  10. 　請求項８において、
    　前記演算装置は、前記パターンの重心を特定し、当該重心と前記境界との間の寸法を測定することを特徴とするパターン測定装置。
  11. 　請求項８において、
    　前記演算装置は、前記パターンの底を示す位置を特定し、当該パターンの底を示す位置と前記境界との間の寸法を測定することを特徴とするパターン測定装置。
  12. 　請求項８において、
    　前記演算装置は、前記パターンが、前記パターンの深さ方向に対して直交する方向に変位する位置を特定し、当該位置と前記境界との間の寸法を測定することを特徴とするパターン測定装置。
  13. 　走査電子顕微鏡によって得られた検出信号に基づいて、試料上に形成されたパターンの寸法を測定するパターン測定装置において、
    　前記走査電子顕微鏡によって得られた信号に基づいて、フィン状のパターンの上端の位置を特定し、当該フィン状のパターンより下層側に位置する酸化シリコン層の位置を特定し、前記フィン状のパターンの上端の位置と、前記酸化シリコン層と位置との間の前記試料表面方向の寸法と、前記試料上に形成された斜面の角度に基づいて、前記フィン状のパターンの高さ方向の寸法を求める演算装置を備えたことを特徴とするパターン測定装置。
  14. 　請求項１３において、
    　前記演算装置は、前記酸化シリコンとフィンが含まれるテンプレートを用いたテンプレートマッチングに基づいて、前記フィン状のパターンの上端の位置、及び酸化シリコン層の位置を特定することを特徴とするパターン測定装置。
  15. 　請求項１４において、
    　前記演算装置は、フィン状のパターンの上端位置と、当該フィン状のパターンの裾部分の位置の特定に基づいて、前記フィン状のパターンの高さ方向の寸法を求めることを特徴とするパターン測定装置。
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